(57)【要約】  圧電発電装置（２０，１２０）は、複数の圧電素子（２２，１２２）と、所定の順序で複数の圧電素子（２２，１２２）に励起をもたらすために配置されるアクチュエータ（２４）と、励起によって生じる電荷を伝導するために複数の圧電素子に接続される電気伝導システム（３０）とを備える。好ましくは、複数の圧電素子（２２，１２２）がアクチュエータ（２４）に対して所定の関係で配置されるので、１度に複数の圧電素子（２２，１２２）のうちの１つだけが作動する。たとえば、複数の圧電素子（２２，１２２）は、アクチュエータ（２４）に対してある角度のパターン（たとえば円形１０のパターン）で配置されることができる。アクチュエータの回転速度によって、所定の複数の圧電素子（２２，１２２）が再度励起される前に、所定の複数の圧電素子（２２，１２２）に対する励起応答を本質的に完全に低下させることができるのが好ましい。
2008503992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電素子（２２，１２２）と、
複数の圧電素子（２２，１２２）に励起をもたらすために配置されるアクチュエータ（２４）と、
励起によって生じる電流を伝導するために複数の圧電素子（２２）に接続される電気伝導システム（３０）と
を備える、圧電発電装置。
【請求項２】
複数の圧電素子（２２，１２２）がアクチュエータ（２４）に対して所定の関係で配置され、それによって１度に複数の圧電素子（２２，１２２）のうちの１つだけが作動することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
複数の圧電素子（２２，１２２）がアクチュエータ（２４）に対してある角度のパターンで配置されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
複数の圧電素子（２２，１２２）がアクチュエータ（２４）に対して円形パターンで配置されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
アクチュエータ（２４）が円形のパターンの中心の近傍に配置される回転部材であることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
複数の圧電素子（２２）のうちの少なくとも１つが、円形パターンの外周に近傍する固定端と円形パターンの中心に近傍する自由端とを有するカンチレバ素子であることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
アクチュエータ（２４）が、少なくとも１つのカンチレバ素子を励起する少なくとも１つのローブ（４０）を有するロータリーカムであることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
複数の圧電素子（１２２）のうちの少なくとも１つが、円形パターンに対して径方向に積み重なる多くの圧電セラミック層（１９０）を備えることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
アクチュエータ（２４）が、圧電セラミック層（１９０）のスタックを多数圧縮することによって、各複数の圧電素子（１２２）を励起する少なくとも１つのローブを有するロータリーカムであることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
絶縁層（Ｉ）が、スタックの隣接する１対の圧電セラミック層（１９０）の間に配置されることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
アクチュエータ（２４）の回転速度によって、所定の複数の圧電素子が再度励起される前に、所定の複数の圧電素子に対する励起応答を本質的に完全に低下させうることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
所定の複数の圧電素子（２２，１２２）に対する励起応答が本質的に完全に低下した後、アクチュエータ（２４）が所定の複数の圧電素子を励起させるようにする、アクチュエータ（２４）のための駆動装置（４２）をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
アクチュエータ（２４）を移動するための駆動装置（４２）をさらに備え、かつ駆動装
置がタービンを備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
駆動装置が風向計（５５）を有する風車タイプのタービン（５４）を備えることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
駆動装置がパドルホイールタイプのタービン（５２）を備えることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
アクチュエータ（２４）が、複数の圧電素子（２２、１２２）に接触する少なくとも１つのカムローブ（４０）を有するカムであることを特徴とする、請求項１４または請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
複数の圧電素子（２２）のうちの少なくとも１つが、所定のパターンで配置されるカンチレバ素子であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
各カンチレバ圧電素子（２２）が、
細長い磁心（７０）と、
磁心の第１の面に結合した第１の圧電セラミック要素（７２）と、
磁心の第２の面に結合した第２の圧電セラミック要素（７４）と
を備えることを特徴とする、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
第１の圧電セラミック要素に結合された第１のカバー（７６）と、
第２の圧電セラミック要素に結合された第２のカバー（７８）と
をさらに備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
アクチュエータ（２４）が、カンチレバ素子に対する最大許容応力に近似する応力で少なくとも１つのカンチレバ素子の自由端をたたくことを特徴とする、請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
複数の圧電素子（２２，１２２）が所定のパターンで配置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
複数の圧電素子（２２，１２２）が、アクチュエータ（２４）に対して所定の関係で配置されることを特徴とする、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
アクチュエータ（２４）が、複数の圧電素子（２２、１２２）に接触する少なくとも１つのカムローブ（４０）を有するカムであることを特徴とする、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
電気伝導システム（３０）が、複数の圧電素子（２２，１２２）のうちのそれぞれ１つに接続される複数の電気的リード線（８０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
複数の圧電素子（１２２）のうちの少なくとも１つが、多くの圧電セラミック層（１９０）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
複数の圧電素子（１２２）がアクチュエータ（２４）に対して円形のパターンで配置されることを特徴とし、多くの圧電セラミック層（１９０）が円形パターンに対して径方向に積み重なることを特徴とする、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
絶縁層（Ｉ）が、スタックの隣接する１対の圧電セラミック層の間に配置されることを特徴とする、請求項２５に記載の装置。
【請求項２８】
アクチュエータ（２４）が、圧電セラミック層（１９０）のスタックを多数圧縮することによって各複数の圧電素子（２２，１２２）を励起する、少なくとも１つのローブ（４０）を有するロータリーカムであることを特徴とする、請求項２５に記載の装置。
【請求項２９】
アクチュエータ（２４）の回転速度によって、所定の複数の圧電素子が再度励起される前に、所定の複数の圧電素子に対する励起応答を本質的に完全に低下させえることを特徴とする、請求項２５に記載の装置。
【請求項３０】
複数の圧電素子（２２、１２２）の数Ｎが８であることを特徴とする、請求項２５に記載の装置。
【請求項３１】
所定のパターンで配置される複数の圧電素子（２２，１２２）に励起をもたらすためにアクチュエータ（２４）を使用することと、
励起によって生じる電流を伝導することと
を備える、圧電発電装置を作動する方法。
【請求項３２】
複数の圧電素子（２２，１２２）をアクチュエータ（２４）に対して所定の関係で配置し、それによって１度に複数の圧電素子（２２，１２２）のうちの１つだけが作動することをさらに備える、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
複数の圧電素子（２２，１２２）をアクチュエータ（２４）に対してある角度のパターンで配置することを備える、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
複数の圧電素子（２２，１２２）がアクチュエータ（２４）に対して円形のパターンで配置されることを備える、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
アクチュエータ（２４）が回転部材であって、アクチュエータ（２４）を円形パターンの中心の近傍に配置することを備えることを特徴とする、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
所定の複数の圧電素子（２２，１２２）に対する励起応答が本質的に完全に低下した後、アクチュエータ（２４）が所定の複数の圧電素子を励起させることをさらに備える、請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
アクチュエータ（２４）が少なくとも１つのカムローブ（４０）を備えるカムであって、複数の圧電素子（２２、１２２）に接触するためにに少なくとも１つのカムローブ（４０）を使用することをさらに備えることを特徴とする、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
複数の圧電素子の各々に、複数の圧電素子に対する最大許容応力に近似する応力を加えるために、アクチュエータ（２４）を使用する、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
発明の分野
本発明は、周囲エネルギーを集め（ｓｃａｖｅｎｇｅ）、蓄積する圧電素子の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術および他の考察
周囲エネルギーを集めて蓄積することは、長い間の科学的な関心の的である。多くのタイプの周囲エネルギーが収集され、その成功の程度は様々である。少し例を挙げれば、ソーラエネルギー、風力エネルギー、および振動エネルギーなどがある。圧電素子を用いて振動エネルギーを集める概念は、かなり注目を集めているが、最近まで、圧電素子によって発生したエネルギー量は、あらゆる合理的な規模の装置に電力を供給するには不十分であると考えられていた。超低電力電子機器の出現によって、これらの新規の装置のための潜在的エネルギー源として、ピエゾジェネレータに対する関心が復活している。
【０００３】
圧電発電装置に対する最近の方法は、より大きな電力出力を大量に生成するのと並行して、多くのピエゾジェネレータの作動を使用することが必要である。Ｔａｎｎｅｒ  Ｅ．Ｔ．“Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｓｈｏｃｋ  ａｎｄ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ  Ｔｈｒｏｕｇｈ  ｔｈｅ  Ｓｅｌｆ−Ｐｏｗｅｒｅｄ，  Ｓｅｍｉ−Ａｃｔｉｖｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ａ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｄａｍｐｅｒ  ｉｎ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  ｗｉｔｈ  ａｎ  Ａｉｒ  Ｓｐｒｉｎｇ”２００３年１２月バージニア州立工科大学（Ｖｉｒｇｉｎｉａ  Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ  ａｎｄ  Ｓｔａｔｅ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）に提出した論文
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
概要
圧電発電装置は、複数の圧電素子と、所定の順序で複数の圧電素子に励起をもたらすために配置されるアクチュエータと、励起によって生じる電流を伝導するために複数の圧電素子に接続される電気伝導システムとを備える。複数の圧電素子は、アクチュエータに対して所定の関係で配置され、それによって、１度に複数の圧電素子のうちの１つだけ作動するのが好ましい。たとえば、複数の圧電素子は、アクチュエータに対してある角度のパターン（たとえば円形のパターン）で配置されることができる。
【０００５】
複数の圧電素子のパターンが円形のパターンである例示的な一実施形態において、アクチュエータは円形のパターンの中心の近傍に配置される回転部材である。アクチュエータは、複数の圧電素子の各々を、カムが１回転する間に１度励起するローブを有する、ロータリーカムである。アクチュエータの回転速度によって、所定の複数の圧電素子が再度励起される前に、所定の複数の圧電素子に対する励起応答を本質的に完全に低下させることができる。
【０００６】
例示的な一実施形態において、複数の圧電素子のうちの少なくとも１つが、円形のパターンの外周に近傍する固定端と円形のパターンの中心に近傍する自由端とを有するカンチレバ素子である。このカンチレバ圧電素子は、細長い磁心と、磁心の第１の面に結合した第１の圧電セラミック要素と、磁心の第２の面に結合した第２の圧電セラミック要素とを備える。このカンチレバ圧電素子は、選択的に、第１の圧電セラミック要素に結合した第
１のカバーと、第２の圧電セラミック要素に結合した第２のカバーとを備える。
【０００７】
別の例示的な実施形態において、複数の圧電素子のうちの少なくとも１つが、円形のパターンに対して径方向に積み重なる多くの圧電セラミック層を備える。スタックの、隣接する１対の圧電セラミック層の間に電極が配置される。アクチュエータは、多くのスタックの圧電セラミック層を圧縮することによって、複数の圧電素子の各々を、カムが１回転する間に１度励起するローブを有する、ロータリーカムである。
【０００８】
所定の複数の圧電素子に対する励起応答が本質的に完全に低下した後、アクチュエータのための駆動装置によって、アクチュエータが所定の複数の圧電素子を励起するようになる。このことによって、アクチュエータを回転させるのに必要とされるトルクを最小限に抑え、したがって圧電発電装置に入力される電力を最小限に抑える。
【０００９】
圧電発電装置を作動する方法は、所定の順序で配置される複数の圧電素子に励起をもたらすためにアクチュエータを使用するステップと、（必要に応じて）励起によって生じる電流を整流化して伝導するステップとを備える。所定の複数の圧電素子に対する励起応答が本質的に完全に低下した後、アクチュエータが所定の複数の圧電素子を励起するのが好ましい。好適には、アクチュエータは複数の圧電素子の各々に対し、複数の圧電素子に対する最大許容応力に近似する力を加える。
【００１０】
本発明の前述および他の目的、特徴および利点は、添付の図面に示すような好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。添付の図面において、参照符号は種々の図の全体を通して同じ部分を示す。図面は必ずしも尺度通りであるというわけではなく、本発明の原理を図示する場合にはむしろ強調される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
詳細な図面の説明
以下の記載において、本発明の完全な理解のために特定の構成、インターフェイス、技術等の特定の細部を説明するが、それは説明するためであって、制限するためではない。しかしながら、本発明が、このような具体的な詳細から離れた他の実施形態において実施されうることは、当業者には明らかであろう。他の例では、不要な細部によって本発明の説明を不明確にしないように、よく知られた装置、回路、および方法の詳細な説明が省略される。
【００１２】
図１は、圧電発電装置の非限定的な例である一般的な実施形態を示す。圧電発電装置２０は、複数の圧電素子２２と、所定の順序で複数の圧電素子２２に励起をもたらすために配置されるアクチュエータ２４と、励起によって生じる電荷を伝導するために複数の圧電素子２２に接続される電気伝導システム３０とを備える。
【００１３】
図１の例示的な実施形態において、複数の圧電素子２２のうち少なくとも１つおよび好ましくはすべてが、発生装置フレーム３４に取付けられるかまたは上に形成される固定端３２を有するカンチレバ素子である。任意適当な手段によって、圧電素子２２をそれらの固定端３２で発生装置フレーム３４に固定するか取付けることが可能である。たとえば、圧電素子２２の固定端３２は、発生装置フレーム３４に係止するか、あるいは固着する、支柱３３または他の結合構造の形をとることができる。あるいは、適切な固締具または接着剤によって、圧電素子２２の固定端３２を発生装置フレーム３４に固定することが可能である。
【００１４】
好ましくは、複数の圧電素子２２がアクチュエータ２４に対して所定の関係で配置されるので、１度に複数の圧電素子２２のうちの１つだけが作動する。たとえば、および図１
の実施形態において示すように、複数の圧電素子２２はアクチュエータに対して円形のパターンで配置されうる。圧電素子２２を配置するこの円形パターンは、可能なパターンの１つの例にすぎない。たとえば、部分円または湾曲したパターン等の他の角度の形状など、他の形状パターンもまた可能である。
【００１５】
複数の圧電素子のパターンが円形パターンである例示的な実施形態において、アクチュエータ２４は、円形パターンの中心の近傍に配置される回転部材である。たとえば、アクチュエータ２４は、アクチュエータ２４が１回転する間に１度、複数の圧電素子２２の各々を励起する、１つ以上のローブ４０を有するロータリーカムであってもよい。アクチュエータ２４は、モータまたは他のドライバ等の駆動装置４２によって回転する。図１に示す特定の実施例において、駆動装置４２は、アクチュエータ２４が上に載せ付けてある出力軸または駆動軸４４を有する。
【００１６】
圧電素子２２の「励起すること」または「励起」は、そこから電流を収集するのに十分な圧電素子２２の接触、打撃、圧縮、あるいは、振動性または運動性の移動を含む。好ましくは、複数の圧電素子のうち所定の１つが再び励起される前に複数の圧電素子２２のうち所定の１つに対する励起応答が本質的に完全に低下することが出来るように、アクチュエータ２４の回転速度が決定もしくは選択される。より好ましくは、圧電素子２２が再び励起される前に圧電素子２２のいずれに対する励起応答も完全に本質的に低下する。
【００１７】
圧電素子２２を配置する円形パターンを反映するのに、図１の例示的な発生装置フレーム３４もまた円形となる。所望の形状因子または環境の適用によって、発生装置フレーム３４の他の形状もまた可能である。駆動装置４２を収容するために、発生装置フレーム３４はアクチュエータ２４の下に位置する中央の空胴４６を有する。
【００１８】
図２Ａに示すように、１つの例示的な実施態様において、駆動装置４２は、交流（ＡＣ）モータの形をとることができる。このような実施態様では、中央の空胴４６が蓋またはカバー４８によって発生装置フレーム３４の底部から閉止されてもよい。駆動装置４２が交流電流によって電力を供給される電動機である場合、電源コード５０を収容するために、孔等が発生装置フレーム３４のカバー４８または他の場所を通って延びてもよい。
【００１９】
他のタイプの駆動装置を利用しうるように、駆動装置４２のタイプは電動機に限定されない。たとえば、図２Ｂに示すように、駆動装置４２は、たとえばパドルホイールタイプの構造の羽根５３を有するタービン５２の形をとることができる。図２Ｃに示す別の代替実施態様として、駆動装置４２は、風向計５５を有する風車タイプのタービン５４であってもよい。図２Ｄに示すさらに別の代替実施態様として、駆動装置４２は、ベルト５７によって巻き込まれるフライホイールに応動する（ｆｌｙｗｈｅｅｌ−ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）プーリ５６、または同様の動力取出し装置であってもよく、動力取出し装置は別のモータまたは発生装置から電力を誘導するかまたは獲得する（たとえば、交流発電機と同じような方法で内燃機関のフライホイールによって駆動される）ものである。駆動装置４２が様々なエネルギー源（たとえば変動気流）に依存している状況において、適切な調速機、調節装置またはさらにクラッチ機構が設けられてもよいので、上述の様にアクチュエータ２４が所望の回転速度で回転する。
【００２０】
図２Ｅは、直流（ＤＣ）モータまたは直流エネルギー源の形をとる駆動装置４２を示す。図２Ｆはさらに、駆動装置が発電システム自体から収集されるエネルギーによって増強されうることを示す。説明のために、図２Ｆは、電気的リード線８０によって圧電素子２２に接続され、直流の駆動装置４２のための電池全体に並行に接続される機能ブロックとしての電気伝導システム３０を示す。発電システムによって収集されるエネルギーをこのようにフィードバックし、または再投入（ｒｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ）することは、駆動
装置４２が図示された直流電動機である実施形態に制限されるわけではなく、適切に適合させることによって、前述の駆動装置等、他のタイプの駆動装置に再投入またはフィードバックが行われてもよいことを、理解すべきである。
【００２１】
図１に示す例示的な発生装置フレーム３４は、高くなった周縁またはリム６０を有する。リム６０は、リム６０内でおおむね発生装置フレームの周囲に広がるリング状の空胴６２を含む。圧電素子２２の固定端３２は、リム６０内に形成される径方向の開口部６４を通って延び、空胴６２に突出する。支柱３２が空胴６２内に配置され、発生装置フレーム６４の空胴の床面に固定端３２を保持する。リム６０の開口部６４を通って圧電素子２２を嵌合することは、圧電素子２２の長さに沿った位置で圧電素子２２を締付けるかまたは保持する役目をし、このことによって、圧電素子２２の圧電層における適切なせん断が可能となる。圧電素子２２の圧電層におけるせん断が容易となる位置で保持されるのであれば、他の構造または機構を使用して、圧電素子２２を取付け及び配置してもよい。たとえば、発生装置フレーム３４はリム状の周縁を有するのではなく、各圧電素子２２のためのクランプまたはブラケットを備えていてもよい。あるいは、物理的圧力を圧電素子２２に加えるための接着性または他の構造によって、発生装置フレーム３４上に圧電素子２２が取付けられてもよい。
【００２２】
いかに取付けられても、圧電素子は、その自由端が自由に振動し、アクチュエータ２４によって水平方向に整列配置されるように方向づけられるので、アクチュエータ２４によって圧電素子の自由端を励起することが可能となる。したがって、図１および図２に示す例示的な実施形態において、複数の圧電素子２２のうちの少なくとも１つは、円形パターンの外周に（たとえばリム６０に）近傍する固定端３２と、円形パターンの中心に近傍する自由端とを有するカンチレバである。
【００２３】
図３に示す例示的な実施形態において、カンチレバ圧電素子２２が水平方向の積層構造、たとえば圧電素子がせん断移動するときに利用する積層構造を有する。特に、図３の圧電素子２２は、細長い磁心７０と、磁心７０の第１の面に結合した第１の圧電セラミック要素７２と、磁心７０の第２の（対向する）面に結合した第２の圧電セラミック要素７４とを備える。第１の圧電セラミック要素７２および第２の圧電セラミック要素７４の両方ともが、主要な側面のうちの少なくとも部分およびあるいはすべてを形成するスパッタリング電極７５を有する。スパッタリングされた電極７５は、たとえば、ニッケルまたは銀から作られてもよい。選択的に、カンチレバ圧電素子は、第１の圧電セラミック要素７２に結合された第１のカバー７６および第２の圧電セラミック要素７４に結合された第２のカバー７８を備える。
【００２４】
圧電素子２２の固定端で、シムとしてもまた知られている細長い磁心７０が他の層を越えて（たとえば、さらにリム６０の空胴６２内に）突出する。細長い磁心７０の延長部分が、支柱３３によって発生装置フレーム３４に固着する。
【００２５】
図１の特定の例示的な圧電発電装置２０において、８つのカンチレバの「バイモルフ」圧電素子２２が、シャフト４４上中央の回転式カム２４の周囲に配置され、カム２４によって駆動される。圧電素子２２が、図３の特定の水平方向の層で形成される一実施例において、圧電素子２２の幅は０．５インチであり、曲げ長さは２．０インチである。各圧電素子２２は、０．００４インチの厚さのステンレス鋼のシムまたは磁心７０に結合された、厚さ０．００７５インチの２つの圧電セラミックス要素７２および７４から製作されるものとして、図３において断面図で示されている。さらに、２つのカバー層７６および７８が構造物の最外側層に結合され、圧電素子２２を強化する。この２つのカバー層７６および７８は、たとえば厚さ０．００１インチのアルミニウムで製作されることができる。
【００２６】
電気伝導システム３０は、各圧電素子２２を電気回路８４に接続するための１組の２重の電気的リード線８０を備える。図１において、電気伝導システム３０の電気回路８４が破線として示され、回路基板または回路カードまたは同類のものを表す。電気的リード線８０は、発生装置フレーム３２のリム６０の空胴６２の周辺に好適に経路を定められる。発生装置フレーム３２にリムがない実施形態については、他の経路選択方式が利用されてもよい。
【００２７】
圧電素子２２の実際の構造、電気回路８４の構成、およびそこに至る電気接続の方法は、実際には、第１の圧電セラミック要素７２および第２の圧電セラミック要素７４のために利用される分極化の技術によって決まる。
【００２８】
図４Ａは、電気伝導システム３０の電気回路８４であって、たとえば、カンチレバ素子２２の圧電セラミック要素７２および７４が一方向に分極化される状況の電気回路８４Ａの第１の例示的な実施態様を示す。圧電セラミック要素７２および７４の一方向の分極化は、図１の線３−３に沿って切断される径方向の部分図である図３Ａに詳細に示す。圧電セラミック要素７２および７４に対する一方向の分極化（たとえば同一方向の分極化）は、図３Ａにおいて一方向の矢印ＰＡによって表される。
【００２９】
図４Ａおよび図３Ａは、圧電セラミック要素、すなわち第１の圧電セラミック要素７２および第２の圧電セラミック要素７４の均等に分極化された正極が互いに接続される一方で、他方では、圧電セラミック要素の均等に分極化された負極が互いに接続されることを示す。すなわち、所定の圧電素子２２に対して、２つの圧電セラミック要素の正極が、電極セット８０の正のリード線によって全波ブリッジ整流器８６の正端子に接続され、２つの圧電セラミック要素の負極が、電極セット８０の負のリード線によって全波ブリッジ整流器８６の負端子に接続される。圧電素子２２１および圧電素子２２ｎのための部分的な構造および電気的リード線が図４Ａに示されるが、その中にある番号の圧電素子２２も同等に接続されると理解されている。したがって、各圧電素子２２のための正と負の交流の電気的リード線は、全波ブリッジ整流器８６のそれぞれの入力点に接続される（各圧電素子２２のために１つの全波ブリッジ整流器８６がある）。図４Ａの実施形態において、あらゆる圧電セラミック要素７２から得られる結果として生じる直流信号が互いに接続され、加算器８８で圧電発電装置２０からの複合出力信号を直流線９０に形成する。線９０の出力信号は、たとえば負荷、電池、キャパシタンスまたは他の電荷蓄積装置に適切に接続されることができる。
【００３０】
図４Ｂは、電気伝導システム３０の電気回路８４であって、たとえば、カンチレバ素子２２の圧電セラミック要素７２および７４が逆方向に分極化される状況の電気回路８４Ｂの第２の例示的な実施態様を示す。圧電セラミック要素７２および７４の、対向する方向への分極化は、図１の線３−３に沿って切断される径方向の部分図である図３Ｂに詳細に示す。圧電セラミック要素７２および７４に対する対向する方向の分極化が、図３Ｂにおいて矢印Ｐｇによって表される。図４Ｂは、圧電セラミック要素７４のための電極に接続されている正の電気的リード線と、圧電セラミック要素７２のための電極に接続されている負の電気的リード線とを示す。他に、図４Ｂの電気回路８４Ｂは、各圧電素子２２のための正と負の交流の電気的リード線が、全波ブリッジ整流器８６のそれぞれの入力点に接続されることと、あらゆる圧電セラミック要素７２から得られる結果として生じる直流信号が互いに接続され、加算器８８で圧電発電装置２０からの複合出力信号を直流線９０に形成する点において、図４Ａの電気回路に類似している。前述のごとく、線９０の出力信号は、たとえば負荷、電池、キャパシタンスまたは他の電荷蓄積装置に適切に接続されることができる。
【００３１】
前述のような電気的リード線８０は、圧電素子２２の電極７５に接続される場合、圧電
セラミック要素のための電極７５およびカバー層（場合によっては、たとえば層７６または層７８）の間に挟まれる、薄い（たとえば１ミリメートル）ステンレスの平坦なリード線を備えることができる。
【００３２】
ＲＭＳ電圧および電流の量を利用して、各圧電素子２２によって生じる平均電力を算出することが可能となる。圧電セラミック要素（たとえば第１の圧電セラミック要素７２および第２の圧電セラミック要素７４）の許容できる最大動的応力に極めて近い、最大応力値になるカンチレバのバイモルフの（自由端）先端部で加えられる力を算出することによって、圧電素子２２への入力が決められた。この力から、およびカンチレバの算出された剛性から、必要とされた力を得るための先端部のたわみを決定することができる。その結果、この先端部のたわみを提供するためにアクチュエータ２４のローブ４０が設計された。算出された先端部のたわみは０．１２５インチであり、そのたわみを得るために必要とされる算出された力は０．２７ポンドであった。
【００３３】
上述のように、アクチュエータ２４は、好ましくは１度に１つの圧電素子２２だけを係合するように構成される。このように構成し個別に励起することによって、アクチュエータ２４を回転するのに必要とされるトルクを最小限に抑え、その結果、圧電発電装置２０への電力入力を最小限に抑える。通過するカムローブ４０によって再び励起される前に各カンチレバの応答が確実に完全に低下するように、アクチュエータ２４の回転速度が選択もしくは決定される。すなわち、所定の複数の圧電素子に対する励起応答が本質的に完全に低下した後、アクチュエータのための駆動装置４２によって、アクチュエータが所定の複数の圧電素子を励起するようになる。
【００３４】
圧電素子の複数の励起を含む時間にわたる単一のカンチレバ（すなわち、単一の圧電素子２２）の移動（インチによる）を、図４に示す。この移動によって、各圧電セラミック装置２２から最大エネルギー量が確実に集められる。さらにまた、各カンチレバのピエゾジェネレータ２２の角度配置を考慮することによって、回転式ピエゾジェネレータ２０からの最大平均電力出力を得るような方法で、圧電セラミック装置２２の８つすべての電流出力の合計が重なり合うように、圧電発電装置２０を設計することができる。この装置のための最適回転速度は、１分につき４００回転（ＲＰＭ）に決定された。
【００３５】
アクチュエータ２４（たとえばカムシャフト）を回転するために必要とされる電力を、容易に決定することができる。シャフト（たとえばアクチュエータ２４）を回転させるのに必要とされる電力Ｐは、方程式１によって求められる。
【００３６】
方程式１：
【００３７】
【数１】
2008503992.tif 000003
【００３８】
方程式１において、Ｔはアクチュエータ２４を回転させるために必要とされるトルクであって、ωはラジアン／秒でのアクチュエータ２４の回転速度である。各カンチレバ２２を曲げるのに必要とされる力Ｆは、上述のように０．２７ｌｂｆと求められた。アクチュエータ２４の中心から圧電素子２２を係合する位置までのラジアル距離ｒは、０．１９インチ（０．０１５８フィート）である。それゆえに、圧電素子２がカムローブ２４によって完全に曲がる場合、アクチュエータ２４上のトルクは方程式２によって求められる。
【００３９】
方程式２：
【００４０】
【数２】
2008503992.tif 000004
【００４１】
方程式１に方程式２を代入すると、方程式３となる。
方程式３：
【００４２】
【数３】
2008503992.tif 000005
【００４３】
Ｆはｆｔ−ｌｂｓで、ｒはフィートで、ωはラジアン／秒で与えられ、電力は方程式４によってワットに変換されることができる。
【００４４】
方程式４：
【００４５】
【数４】
2008503992.tif 000006
【００４６】
大半の時間において、カムローブ２４は圧電素子２２のうちの１つに係合されないので、図６に示すように、発生装置２０への入力電力は、シャフト（すなわち、アクチュエータ２４）の角度位置によって変動する。図６は、上述の例示的な実施形態のための、時間（秒）の関数としての圧電発電装置２０への入力電力（ワット）を示す。
【００４７】
入力電力が一定でないので、入力電力のＲＭＳ値を発生装置への実際の入力電力の合理的な尺度としてとみなすことは、論理的であるように思われる。カムローブは、完全に曲がるカンチレバに回転の間じゅう常に係合されるわけではないので、このことは適切だと思われる。図５から、発生装置に対する入力電力は、Ｐｉｎ＝０．０８１０Ｗである。
【００４８】
ピエゾジェネレータの平均出力電力を決定するには、装置からのＲＭＳ電圧およびＲＭＳ電流を決定する必要がある。単一のカンチレバ（たとえば圧電素子２２）からの電圧出力を図７に示し、８つすべてのカンチレバ（たとえば圧電素子２２）からの複合電圧出力およびＲＭＳ電圧を図７に示す。同様に、単一のカンチレバからの電流出力を図９に示し、８つすべてのカンチレバ（たとえば圧電素子２２）からの複合電流出力およびＲＭＳ電圧を図１０に示す。
【００４９】
図１１は、非限定的な例である第２の実施形態を示す。図１１に示す例示的な実施形態において、カンチレバ圧電素子には、垂直の積層構造、たとえば圧電素子を圧縮するときに利用する積層構造がある。特に明記しない限り、図１１の圧電発電装置１２０は、図１および図２の圧電発電装置２０と同様の要素を備えており、このため、同様の要素には同様の参照番号を使用する。特に、図１１の実施形態の圧電発電装置１２０は、複数の圧電素子１２２と、所定の順序で複数の圧電素子１２２に励起をもたらすために配置されるアクチュエータ２４と、励起によって生じる電荷を伝導するために複数の圧電素子１２２に接続される電気伝導システム３０とを備える。
【００５０】
図１１の例示的な実施形態において、複数のカンチレバ圧電素子１２２のうちの少なくとも１つが、円形パターンに対して径方向に積み重ねた多くの圧電セラミック層１９０ｉ
を備える。図１１の圧電素子１２２のうちの１つとして、アクチュエータ２４に最も近い圧電セラミック層を圧電セラミック層１９０ｌと標記し、アクチュエータ２４から最も遠い圧電セラミック層を圧電セラミック層１９０ｋと標記する。図１１の例示的な実施態様において、圧電素子１２２の固定端がリム６０に必ずしも突出するというわけではない。むしろ、圧電素子１２２（たとえば圧電セラミック層１９０ｋ）の固定端は、リム６０の垂直の周壁に当接する。アクチュエータ２４は、、多くの圧電セラミック層１９０のスタックを矢印１９２によって表されるような径方向に圧縮することによって、好ましくはカムが１回転する間に１度、複数の圧電素子１２２の各々を励起するローブを有するロータリーカムである。換言すれば、矢印１９２は、アクチュエータ２４によって加えられる圧縮力の方向を示す。
【００５１】
図１１の実施形態としての圧電素子１２２の構造の特定の細部は、各圧電素子１２２のためのスタックに含まれる圧電セラミック要素の分極方向によって決まる。たとえば、図１２Ａは圧電素子１２２を部分拡大して示し、この図において、圧電セラミック要素１７３は一方向に（矢印ＰＡの方向に）分極化される。前述の実施形態の説明から理解されるように、各圧電セラミック要素１７３は、対向する主要面上にスパッタ電極１７５を有する。さらに、図１２Ａの一方向の分極化を実施するために、隣接する圧電素子１２２のスパッタ電極１７５の間に絶縁層Ｉ（たとえばポリイミド絶縁層）が設けられる。電気的リード線は、スパッタ電極１７５、たとえば各スパッタ電極１７５および隣接する絶縁層Ｉの間に接続される。
【００５２】
分極化がどのように構造に影響を及ぼすかの別の実施例として、図１２Ｂは圧電素子１２２を部分拡大して示し、この図において、圧電セラミック要素１７３は対向する方向に（矢印ＰＢの方向に）分極化される。前述のように、各圧電セラミック要素１７３は、対向する主要面上にスパッタリングされた電極１７５を有する。しかし、対向する方向に分極化される図１２Ｂの実施態様においては、隣接する圧電素子１２２のスパッタ電極１７５の間に絶縁層は設けられず、または必要とされない。
【００５３】
図１３は、図１２Ａの実施態様または図１２Ｂの実施態様のいずれかの用途に適する、例示的な電気回路８４を一般的に表すものであり、図１３の圧電素子１２２は分極方向に関係なく圧電セラミック要素１７３を備えるものとして示される。図１３が主に示すのは、種々の圧電素子１２２ｌから１２２Ｊによって発生する電流は整流化されなくてもよく、加算器１８８で合計されることである。圧電セラミック要素１７３のスタックの圧縮力（方向１９２の）は、各スタックからの正の電圧出力の結果として生じるだけなので、信号を整流化することは不要である。各圧電素子１２２からの電圧出力は加算器１８８で簡単に合計されることができ、結果として出力信号となる。上述のように、線１９０の出力信号は、たとえば負荷、電池、キャパシタンスまたは他の電荷蓄積装置に適切に接続されることができる。
【００５４】
電気的リード線８０および１８０は、種々の方法で形成されることができる。たとえば、電気的リード線は、圧電素子１２２を形成しているスタックの縁部上に遮蔽されることができる。
【００５５】
図１の実施形態のための駆動装置の説明から理解されるように、駆動装置の異なるタイプが図１１の実施形態のために利用されることもでき、図２Ａから図２Ｆにおいて表されるものを含むがこれに限定されない。
【００５６】
１つの別の態様として、ローブ４０アクチュエータ２４は、好ましくは図１４Ａに示すような滑らかな前縁４ＯＡ、または、図１４Ｂで示すような傾斜する前縁４ＯＢを有するように構成される。したがって、ローブ４０の前縁は、最大動的応力値で圧電素子２２ま
たは１２２を解除するように好ましくは構成される。当業者によって認識されるように、最大動的応力値は、圧電気が分極化しなくなり（ｄｅｐｏｌｅ）始める極限引張応力値よりも小さい。
【００５７】
圧電発電装置を作動する方法は、所定の順序で配置される複数の圧電素子に励起をもたらすためにアクチュエータ２４を使用するステップと、（必要に応じて）励起によって生じる電流を整流化して伝導するステップとを備える。所定の複数の圧電素子に対する励起応答が本質的に完全に低下した後、アクチュエータ２４が所定の複数の圧電素子を励起するのが好ましい。アクチュエータは、それぞれ複数の圧電素子に、複数の圧電素子に対する最大許容応力に近似する応力を加えることが好ましい。
【００５８】
２つの基本的な複数の圧電素子の構成が記載されている。図１から図３に示す圧電素子の第１の構成は、多くのカンチレバの「ベンダ」ピエゾジェネレータ２２を利用してより大きな電力出力を発生させる。ベンダピエゾジェネレータ２２によって発生する電荷が装置の長さの二乗の関数であるので、かなりのエネルギー量が比較的小さなパッケージ内に生じ得る。
【００５９】
図１１を参照しつつ記載した第２の複数の圧電素子の構成は、圧電スタックから形成される圧電素子１２２を含む。圧電スタックは、電極１７５を含む圧電セラミックスの薄層１９０を多数積み重ねることによって生成される。全スタックが変形する場合、各層によって生成される電荷を合計することが可能であり、かなり大きな電流が生じる。複数のスタックを使用することによって、かなりの電力が生じ得る。
【００６０】
せん断で積み重ねられるタイプと圧縮して積み重ねられるタイプの複数の圧電素子構成の両方、および同様に他のタイプも、回転式ピエゾジェネレータに利用可能である。回転式ピエゾジェネレータにおいて、いくつかの圧電ベンダ（たとえばカンチレバ）またはいくつかのスタックは、回転式カムシャフトまたはアクチュエータ２４の周辺に設置される。回転式カムシャフトまたはアクチュエータ２４にある１つまたは複数のローブ４０が、圧電ベンダ２２に励起を提供するか、または、各圧電素子１２２を備えるスタックをそれぞれ回転して圧縮する。
【００６１】
さらに、複数の回転式圧電発電装置を並行して作動することが可能である。この点に関しては、図１５が、平行面に積み重ねられる回転式圧電発電装置の層を備える発生装置組立体を示す。図１５の実施例において、共通の駆動軸４４が圧電発電装置の２つ以上の層によって共有される。それぞれのアクチュエータ２４によって応力を加えられる圧電素子２２（または圧電素子１２２）の層自体の組と同様に、各層にはそれ自体のアクチュエータ２４（共通の駆動軸４４に取付けられる）がある。層または平行な圧電発電装置の数は、エネルギー出力の量の乗数の役目を果たす。たとえば、８つの層または８つの並列式を有する組立体は、８倍の出力を供給するが、大きな入力エネルギーもまた必要とされる事実を考慮すると、必ずしも８倍の大きな能率で作動するというわけでない。
【００６２】
最も実用的で好ましい実施形態と現在考えられているものと関連して本発明を記載してきたが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、むしろ、添付の請求項の範囲内に含まれる種々の変形および同等物の構成をカバーすることを目的とするものであるということを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】圧電発電装置の第１の例示的な実施形態の平面図である。
【図２Ａ】駆動装置が交流電動機である実施形態のための、図１の圧電発電装置の断面側面図である。
【図２Ｂ】駆動装置が水車等のタービンである実施形態のための、図１の圧電発電装置の断面側面図である。
【図２Ｃ】駆動装置が風向計等のタービンである実施形態のための、図１の圧電発電装置の断面側面図である。
【図２Ｄ】駆動装置が別のモータまたはジェネレータからの動力取出し装置を備える実施形態のための、図１の圧電発電装置の断面側面図である。
【図２Ｅ】駆動装置が直流（ＤＣ）電動機からの動力取出し装置を備える実施形態のための、図１の圧電発電装置の断面側面図である。
【図２Ｆ】圧電発電装置によって収集されるエネルギーによって駆動装置が増強される実施形態のための、図１の圧電発電装置の断面側面図である。
【図３】カンチレバタイプの圧電素子の断面側面図である。
【図３Ａ】カンチレバ素子の圧電セラミック要素が一方向に分極化される例示的な実施形態のカンチレバ素子の、図１の線３−３に沿って切断した径方向の断面図である。
【図３Ｂ】カンチレバ素子の圧電セラミック要素が対向して分極化される例示的な実施形態のカンチレバ素子の、図１の線３−３に沿って切断した径方向の断面図である。
【図４Ａ】図１の圧電発電装置の電気伝導システムにおいて利用される、第１の例示的な電気回路の概略図である。
【図４Ｂ】図１の圧電発電装置の電気伝導システムにおいて利用される、第１の例示的な電気回路の概略図である。
【図５】例示的な一連の作動における圧電素子の複数の励起を備える、選択された時間にわたる単一の圧電素子の移動を示すグラフである。
【図６】例示的な一連の作動における時間の関数としての例示的な圧電発電装置への電力入力を示すグラフである。
【図７】例示的な一連の作動における単一の圧電素子からの電圧出力を示すグラフである。
【図８】例示的な一連の作動における複数の圧電素子からの複合電圧出力および複数の圧電素子からのＲＭＳ電圧出力を示すグラフである。
【図９】例示的な一連の作動における単一の圧電素子からの電流出力を示すグラフである。
【図１０】例示的な一連の作動における複数の圧電素子からの複合電流出力および複数の圧電素子からのＲＭＳ電流出力を示すグラフである。
【図１１】圧電発電装置の第２の例示的な実施形態の平面図である。
【図１２Ａ】圧電セラミック要素が一方向に分極化される、図１１の実施形態の圧電素子の部分上面図である。
【図１２Ｂ】圧電セラミック要素が対向する方向に分極化される、図１２の実施形態の圧電素子の部分上面図である。
【図１３】図１１の圧電発電装置の電気伝導システムにおいて利用される、例示的な電気回路の概略図である。
【図１４】図１４Ａおよび図１４Ｂは、有用な例示的なカムローブの断面を示す、アクチュエータの部分上面図である。
【図１５】積み重ねられた圧電発電装置を有するアセンブリの側方断面図である。
【図１】
2008503992.tif 000007
【図２Ａ】
2008503992.tif 000008
【図２Ｂ】
2008503992.tif 000009
【図２Ｃ】
2008503992.tif 000010
【図２Ｄ】
2008503992.tif 000011
【図２Ｅ】
2008503992.tif 000012
【図２Ｆ】
2008503992.tif 000013
【図３】
2008503992.tif 000014
【図３Ａ】
2008503992.tif 000015
【図３Ｂ】
2008503992.tif 000016
【図４Ａ】
2008503992.tif 000017
【図４Ｂ】
2008503992.tif 000018
【図５】
2008503992.tif 000019
【図６】
2008503992.tif 000020
【図７】
2008503992.tif 000021
【図８】
2008503992.tif 000022
【図９】
2008503992.tif 000023
【図１０】
2008503992.tif 000024
【図１１】
2008503992.tif 000025
【図１２Ａ】
2008503992.tif 000026
【図１２Ｂ】
2008503992.tif 000027
【図１３】
2008503992.tif 000028
【図１４Ａ】
2008503992.tif 000029
【図１４Ｂ】
2008503992.tif 000030
【図１５】
2008503992.tif 000031
【国際調査報告】
2008503992.tif 000032
2008503992.tif 000033
2008503992.tif 000034