(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  圧縮された流体が注入される入口ノズル（６）と、膨張した前記流体が排出される出口ノズル（８）と、
−  少なくとも１つが変位可能である、少なくとも２つのアーム（１２、１４）であって、それらのアームの間を、前記流体が、前記入口ノズルから前記出口ノズルまで通過して流れることによって、互いに相対的に変位し、その変位中、体積を増しながら、前記入口ノズルから遠ざかって、前記出口ノズルに到達する、前記流体のための少なくとも１つのポケット（５０）を画定するように作られており、互いに対して相対的に変位することができる少なくとも２つのアーム（１２、１４）と、
−  前記少なくとも２つのアーム（１２、１４）の間を流れる前記流体を、これらの間に閉じ込められるように、前記少なくとも２つのアーム（１２、１４）を挟持する上側及び下側の平面（２０）とを備えており、
前記少なくとも２つのアーム（１２、１４）は、各々前記上側又は下側の同一の平面（２０）に機械的に接続されており、前記少なくとも１つの変位可能なアーム（１２、１４）は、前記上側及び下側の各々の平面（２０）に対して相対的に変位することができるようになっていることを特徴とする、圧力差を機械的運動に変換するためのマイクロシステム。
【請求項２】
前記アーム（１２、１４）の変位によって生じる機械エネルギーを別のエネルギーに変換することができる、少なくとも１つのトランスデューサ（２２、２４）を備えている、請求項１に記載のマイクロシステム。
【請求項３】
−  膨張した流体が注入される入口ノズル（８）と、圧縮された前記流体が排出される出口ノズル（６）と、
−  少なくとも１つが変位可能である、少なくとも２つのアーム（１２、１４）であって、それらのアームの間を、それらのアーム同士の相対的な機械的運動の作用によって、前記流体が、前記入口ノズルから前記出口ノズルまで通過するように流れ、前記機械的運動中、体積を減らしながら、前記入口ノズルから遠ざかって、前記出口ノズルに到達する、前記流体のための少なくとも１つのポケットを画定するように作られており、かつ駆動される、少なくとも２つのアーム（１２、１４）と、
−  前記アーム（１２、１４）を変位させることができる少なくとも１つのアクチュエータ（２２、２４）と、
−  前記少なくとも２つのアーム（１２、１４）の間を流れる前記流体を、これらの間に閉じ込められるように、前記少なくとも２つのアーム（１２、１４）を挟持する上側及び下側の平面（２０）とを備えており、
前記少なくとも２つのアーム（１２、１４）は、各々前記上側又は下側の同一の平面（２０）に機械的に接続されており、前記少なくとも１つの変位可能なアーム（１２、１４）は、前記上側及び下側の各々の平面（２０）に対して相対的に変位することができるようになっていることを特徴とする、流体を圧縮するためのマイクロシステム。
【請求項４】
前記アーム（１２、１４）は、互いに入り込みあった渦巻状に作られている、請求項１〜３のいずれか１つに記載のマイクロシステム。
【請求項５】
前記アーム（１２、１４）の各々は、前記平面（２０）に平行であり、かつ互いに同一直線上にない方向に沿う、各アームの往復並進運動のみを可能にする接続部（１６、１８）を介して、前記平面（２０）に機械的に接続されている、請求項１〜４のいずれか１つに記載のマイクロシステム。
【請求項６】
２つの前記アーム（１２、１４）の往復並進運動間に位相ずれを発生させるための機械的移相器（３６）を、これら２つのアーム間に挿入されている、請求項５に記載のマイクロシステム。
【請求項７】
−  前記アーム（１２、１４）を、共振周波数で共振する系にすることができる、前記アーム（１２、１４）間に配置された少なくとも１つの連結部（３８）と、
−  前記アーム（１２、１４）の往復並進運動の周波数が、前記共振周波数になるように自動制御することができる、前記アーム（１２、１４）の変位を制御するための制御ユニット（２８）とを
備えている、請求項１〜６のいずれか１つに記載のマイクロシステム。
【請求項８】
前記連結部（３８）はばねであり、各ばねの端は、前記アーム（１２、１４）の１つに機械的に接続されている、請求項７に記載のマイクロシステム。
【請求項９】
前記少なくとも２つのアーム（１２、１４）の各々が、前記上側及び下側の各々の平面（２０）に対して相対的に変位することができるようになっている請求項１〜８のいずれか１つに記載のマイクロシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも２つのアーム（１２、１４）と、前記上側の平面（２０）との間に、間隙が設けられており、この間隙は、前記少なくとも２つのアーム（１２、１４）の間に前記流体を保持することができるように十分に小さく形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のマイクロシステム。
【請求項１１】
前記上側及び下側の平面の位置は各々固定されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のマイクロシステム。
【請求項１２】
−  入口ノズル（６）および出口ノズル（８）が、それぞれ圧縮された流体および膨張した該流体に流体的に連絡する、請求項１又は２、あるいは請求項１又は２を引用する請求項４〜１１のいずれか１つに記載のマイクロシステム（２）と、
−  前記入口ノズルから前記出口ノズルまで流れる際に膨張する前記流体の作用による、アーム（１２、１４）の変位によって生じる機械エネルギーを、圧力差を表わす物理量に変換することができるトランスデューサ（２２、２４）とを備えていることを特徴とする、圧縮された流体と膨張した流体との間の圧力差のセンサ。
【請求項１３】
前記トランスデューサ（２２、２４）は、前記アーム（１２、１４）の変位によって生じる機械エネルギーを、さらに、前記センサに電力を供給するために用いられる電気エネルギーに変換することができる電気機械トランスデューサである、請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１４】
−  入口開口（１４６）と出口開口（１４７）との間に延びている、圧縮性熱交換流体（１４８）が流れる、冷却のためのマイクロチャネル（１４２）のネットワークを、
内部に有している電子チップ（１４０）であって、
前記電子チップは、請求項３又は請求項３を引用する請求項４〜１１のいずれか１つに記載の、流体を圧縮するためのマイクロシステム（１５０）を備えており、該マイクロシステム（１５０）の出口ノズル（６）および入口ノズル（８）は、それぞれ前記マイクロチャネルの入口開口および出口開口に流体的に連絡しており、前記マイクロチャネルは膨張機を形成していることを特徴とする電子チップ。
【請求項１５】
−  燃料と支燃性物質との可燃性混合物を取り入れるためのチャネル（１３３）と、
−  前記可燃性混合物の燃焼に先立つ、前記可燃性混合物の圧縮のための少なくとも１つのマイクロシステム（１３２）とを備えている燃焼用のマイクロモータであって、
前記圧縮のためのマイクロシステム（１３２）は、請求項３又は請求項３を引用する請求項４〜１１のいずれか１つに記載のマイクロシステムであることを特徴とするマイクロモータ。
【請求項１６】
−  燃料と支燃性物質との可燃性混合物を取り入れるためのチャネル（１３３）と、
−  前記可燃性混合物の燃焼に先立つ、前記可燃性混合物の燃焼によって生じる排気気体の膨張のための少なくとも１つのマイクロシステム（２）とを備えている燃焼用のマイクロモータであって、
前記膨張のためのマイクロシステム（２）は、請求項１又は２、あるいは請求項１又は２を引用する請求項４〜１１のいずれか１項に記載のマイクロシステムであることを特徴とするマイクロモータ。
【請求項１７】
−  内燃機関用燃料と支燃性物質との可燃性混合物の燃焼を、機械的運動に変換することができるマイクロモータと、
−  前記機械的運動を、接続されている電気負荷に供給するための電気エネルギーに変換することができる電気機械トランスデューサ（２２、２４）とを備えている、燃料を使用する発電装置であって、
前記マイクロモータは、
−  前記可燃性混合物を取り入れるためのチャネル（１３３）と、
−  前記可燃性混合物の燃焼に先立つ、前記可燃性混合物の圧縮のための少なくとも１つのマイクロシステム（１３２）と、前記可燃性混合物の燃焼によって生じる排気気体の膨張のための少なくとも１つのマイクロシステム（２）とを備えており、
前記圧縮のためのマイクロシステム（１３２）は、請求項３又は請求項３を引用する請求項４〜１１のいずれか１項に記載のマイクロシステムであり、前記膨張のためのマイクロシステム（２）は、請求項１又は２、あるいは請求項１又は２を引用する請求項４〜１１のいずれか１項に記載のマイクロシステムであることを特徴とする燃料を使用する発電装置。
【請求項１８】
−  圧縮された流体のための槽と、
−  入口ノズル（６）および出口ノズル（８）を、それぞれ圧縮された前記流体および膨張した前記流体に流体的に連絡させられて、圧縮された前記流体の膨張を、機械的運動に変換することができるマイクロシステム（２）と、
−  前記機械的運動を、接続されている電気負荷に供給するための電気エネルギーに変換することができる電気機械トランスデューサ（２２、２４）とを備えている電池であって、
前記マイクロシステムは、請求項１又は２、あるいは請求項１又は２を引用する請求項４〜１１のいずれか１つに記載のマイクロシステムであることを特徴とする電池。
【請求項１９】
互いに入り込み合った複数のアーム（１２、１４）の、基板上への同時被着ステップ、または基板内への同時エッチングによる形成ステップ（８０）を含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１つに記載のマイクロシステムの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体内の圧力差から生じる流体エネルギーを機械的運動に変換するためのマイクロシステムに関する。本発明は、さらに、流体を圧縮するためのマイクロシステムにも関する。本発明は、さらに、これらのマイクロシステムの１つを組み込んでいるセンサ、ホイール、電子チップ、マイクロモータ、および燃料を使用する発電装置に関する。最後に、本発明は、これらのマイクロシステムの製造方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロシステムは、例えばＭＥＭＳ（微小電気機械システム）である。このようなマイクロシステムは、製造方法からも、巨視的機械システムとは異なっている。このようなマイクロシステムは、マイクロ電子チップの製造におけると同様に、バッチ製造方法によって製造される。マイクロシステムは、例えば単結晶シリコンから成るウエハまたはガラスに対する、フォトリソグラフィおよびエッチング（例えばＤＲＩＥ、すなわち深堀り反応性イオンエッチング)による加工、および／またはエピタキシャル成長、および金属材料の被着による多層化によって製造される。
【０００３】
このような製造方法の帰結として、マイクロシステムは小さく、一般に、寸法の少なくとも１つが、マイクロメートルの範囲にある加工部分、または加工部分の一部を有する。マイクロメートルの範囲のこの寸法は、一般に２００μｍより小さく、例えば１〜２００μｍである。
【０００４】
例えばＯＮＥＲＡ（フランス国の国立航空宇宙研究所）は、液体流を機械的運動に変換するためのマイクロタービンを開発している。同じ機能を遂行するための別のマイクロシステムが、例えば特許文献１〜４に開示されている。
【０００５】
これらの特許文献に開示されているマイクロシステムは、圧力差を機械的運動に変換することができる。しかしながら、これらのマイクロシステムは、いくつかの欠点を有している。
【０００６】
これらのマイクロシステムのいくつかは、一般にロータと呼ばれる、回転可能に組み込まれた部分を必要とする。このロータは、一般にステータと呼ばれる、固定された別の部分に相対的に回転する。ロータは、例えばマイクロタービンである。ロータのそのような回転運動は、摩擦による、相当に大きくなり得る損失を伴い、それによって、マイクロシステムのエネルギー効率を低下させる。用語「エネルギー効率」は、発生した機械エネルギーと、流体流または圧力差としてシステムに供給されたエネルギーとの間の比を意味している。
【０００７】
さらに、回転部分を備えるマイクロシステムの製造方法は複雑であり、この製造を可能にするためには、多数の半導体ウエハの積層を必要とすることが多い。
【０００８】
最後に、公知のマイクロシステムにおいては、高流体流量でしか、高エネルギー効率が得られない。これに対して、低流体流量または超低流体流量では、エネルギー効率は低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ０３／０５６６９１号公報
【特許文献２】国際公開第ＷＯ０６／０９５０３９号公報
【特許文献３】国際公開第ＷＯ０７／０８２８９４号公報
【特許文献４】フランス国特許公開第２８９７４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述の欠点の少なくとも１つを改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的を達成するために、本発明は、圧力差を機械的運動に変換するための、次のものを備えているマイクロシステムを提供するものである。
−  圧縮された流体が注入される入口ノズルと、膨張した流体が排出される出口ノズルと、
−  少なくとも１つが変位可能である、少なくとも２つのアームであって、それらのアームの間を、流体が、入口ノズルから出口ノズルまで通過して流れることによって、互いに相対的に変位し、その変位中、体積を増しながら、入口ノズルから遠ざかって、出口ノズルに到達する、流体のための少なくとも１つのポケットを画定するように作られており、互いに対して相対的に変位することができる少なくとも２つのアームと、
−  少なくとも２つのアームの間を流れる流体を、これらの間に閉じ込められるように、少なくとも２つのアームを挟持する上側及び下側の平面であって、少なくとも２つのアームが、これら平面の一方に機械的に接続されており、少なくとも１つの変位可能なアームが、これら平面に対して相対的に変位することができるようになっている両平面。
【００１２】
この変換用のマイクロシステムは、次の要素を備えている場合がある。
−  アームの変位によって生じる機械エネルギーを、別のエネルギーに変換することができる、少なくとも１つのトランスデューサ。
【００１３】
本発明は、さらに、流体を圧縮するための、次のものを備えているマイクロシステムを提供するものである。
−  膨張した流体が注入される入口ノズルと、圧縮された流体が排出される出口ノズルと、
−  少なくとも１つが変位可能である、少なくとも２つのアームであって、それらのアームの間を、それらのアーム同士の相対的な機械的運動の作用によって、流体が、入口ノズルから出口ノズルまで通過するように流れ、その機械的運動中、体積を減らしながら、入口ノズルから遠ざかって、出口ノズルに到達する、流体のための少なくとも１つのポケットを画定するように作られており、かつ駆動される、少なくとも２つのアームと、
−  アームを変位させることができる少なくとも１つのアクチュエータと、
−  少なくとも２つのアームの間を流れる流体を、これらの間に閉じ込められるように、少なくとも２つのアームを挟持する上側及び下側の平面であって、少なくとも２つのアームが、これら平面の一方に機械的に接続されており、少なくとも１つの変位可能なアームが、これら平面に対して相対的に変位することができるようになっている両平面。
【００１４】
上述のマイクロシステムは、極端に低い流体流量においてさえ、非常に高いエネルギー効率を有する。
【００１５】
さらに、アームの変位中、アームによって画定される、流体のためのポケットは、発生後、入口ノズルから遠ざかっていくから、入口ノズルに逆止弁を備える必要はない。
【００１６】
同様に、アームによって画定される、流体のためのポケットは、最初に、出口ノズルから空間的に隔たって発生するから、出口ノズルにも、逆止弁を備える必要はない。
【００１７】
最後に、アームが、全て、同一の平面に接続されているため、互いに入り込み合った２つのアームを同時に製造することができる。したがって、２つのアームを別々に作り、次いで、それらを互いの間に嵌め込む必要はない。
【００１８】
これらのマイクロシステムの各実施形態は、次の特性の１つ以上を備えている場合がある。
−  アームは、互いに入り込みあった渦巻状に作られている。
−  アームの各々は、上述の平面に平行であり、かつ互いに同一直線上にない方向に沿う、各アームの往復並進運動のみを可能にする接続部を介して、この平面に機械的に接続されている。
−  マイクロシステムでは、２つのアームの往復並進運動間に位相ずれを発生させるための機械的移相器が、２つのアーム間に挿入されている。
−  このマイクロシステムは、次のものを備えている。
・  アームを、共振周波数で共振する系にすることができる、アーム間に配置された少なくとも１つの連結部と、
・  アームの往復並進運動の周波数が、共振周波数になるように自動制御することができる、アームの変位を制御するための制御ユニット。
−  連結部はばねであり、ばねのそれぞれの端は、アームの１つに機械的に接続されている。
−  各々のアームが、上側及び下側の各々の平面に対して相対的に変位することができる。
【００１９】
これらのマイクロシステムの各実施形態は、さらに、次の長所を有している。
−  全てのアームが、もっぱら、同一平面内で並進運動するという事実によって、多数の半導体ウエハを連続的に積層する必要がないから、マイクロシステムの製造が単純化される。
−  機械的移相器の使用によって、電気機械トランスデューサの制御だけによって、同じ大きさの位相ずれを得る場合に比して、マイクロシステムのエネルギー消費量が制限される。
−  共振周波数での動作によって、消費エネルギーを減らすことができる。
【００２０】
本発明は、さらに、圧縮された流体と膨張した流体との間の圧力差のセンサを提供するものであり、このセンサは、次のものを備えている。
−  入口ノズルおよび出口ノズルが、それぞれ圧縮された流体、および膨張した流体に流体的に連絡する、圧力差を機械的運動に変換するためのマイクロシステムと、
−  入口ノズルから出口ノズルまで流れる際に膨張する流体の作用による、アームの変位によって生じる機械エネルギーを、圧力差を表わす物理量に変換することができるトランスデューサ。
【００２１】
このセンサの各実施形態は、次の特性の１つ以上を備えている場合がある。
−  トランスデューサは、アームの変位によって生じる機械エネルギーを、さらに、センサに電力を供給するために用いられる電気エネルギーに変換することができる電気機械トランスデューサである。
−  センサは、圧力差を表わす測定値を、無線リンクを介して、遠隔の受信器に送信することができる無線送信器を備えており、この無線送信器は、電気機械トランスデューサによって生成される電気エネルギーだけによって電力を供給される。
【００２２】
このセンサの実施形態は、次の長所を有している。
−  電気機械トランスデューサを用いることによって、圧力差を表わす測定値の供給に加えて、無線送信器への電力の供給が可能になる。
【００２３】
本発明は、さらに、次のものを備えている電子チップをも提供する。
−  電子チップの内部を、入口開口と出口開口との間で延びている、圧縮性熱交換流体が流れる、冷却のためのマイクロチャネルのネットワークと、
−  出口ノズルおよび入口ノズルが、それぞれ、膨張機を形成しているマイクロチャネルの入口開口および出口開口に流体的に連絡している、流体を圧縮するためのマイクロシステム。
【００２４】
本発明は、さらに、次のものを備えている、燃焼用のマイクロモータを提供する。
−  燃料と支燃性物質との可燃性混合物を取り入れるためのチャンネルと、
−  可燃性混合物の燃焼に先立つ、可燃性混合物の圧縮、または可燃性混合物の燃焼によって生じる排気気体の膨張のための、少なくとも上述のマイクロシステム。
【００２５】
本発明は、さらに、燃料を使用する発電装置であって、
−  内燃機関用燃料と支燃性物質との可燃性混合物の燃焼を、機械的運動に変換することができる、上述のマイクロモータと、
−  燃料を使用する発電装置に接続されている電気負荷に供給するための電気エネルギーに、上記機械的運動を変換することができる電気機械トランスデューサとを備えており、  前記マイクロモータは、
−  上記可燃性混合物を取り入れるためのチャネル（１３３）と、
−  上記可燃性混合物の燃焼に先立つ、上記可燃性混合物の圧縮のための少なくとも１つのマイクロシステム（１３２）と、上記可燃性混合物の燃焼によって生じる排気気体の膨張のための少なくとも１つのマイクロシステム（２）とを備えている、ことを特徴とする燃料を使用する発電装置を提供する。
【００２６】
本発明は、さらに、次のものを備えている電池を提供する。
−  圧縮された流体のための槽と、
−  入口ノズルおよび出口ノズルを、それぞれ圧縮された流体および膨張した流体に流体的に連絡させられて、圧縮された流体の膨張を、機械的運動に変換することができる、上述のマイクロシステムと、
−  機械的運動を、電池に接続されている電気負荷に供給するための電気エネルギーに変換することができる電気機械トランスデューサ。
【００２７】
最後に、本発明は、さらに、互いに入り込み合った複数のアームの、基板上への同時被着ステップ、または基板内への同時エッチングによる形成ステップを含む、上述のマイクロシステムのいずれか１つの製造方法をも提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】流体内の圧力差を機械的運動に変換するためのマイクロシステムの原理を示すブロック図である。
【図２】図１のマイクロシステムのアームの変位を、時間の関数として示すグラフである。
【図３】図１のマイクロシステムの動作を説明する図である。
【図４】図１のマイクロシステムの具体的な一実施形態の平面図である。
【図５】図１のマイクロシステムの製造方法のフローチャートである。
【図６】図１のマイクロシステムの製造方法の１ステップを示す断面図である。
【図７】図１のマイクロシステムの製造方法の、図６のステップに続くステップを示す断面図である。
【図８】図１のマイクロシステムの製造方法の、図７のステップに続くステップを示す断面図である。
【図９】図１のマイクロシステムを組み込んだ、圧力差のセンサの断面図である。
【図１０】図９のセンサを組み込んだホイールの部分断面斜視図である。
【図１１】図１０のホイールのバルブの断面図である。
【図１２】図１のマイクロシステムを用いたマイクロモータを組み込んだ、燃料を使用する発電装置の断面図である。
【図１３】図１のマイクロシステムと同様の圧縮用のマイクロシステムを組み込んだ電子チップの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
添付図面を参照して、単に非限定的な例として示す以下の説明を読むことによって、本発明を、より明瞭に理解することができると思う。
【００３０】
図面において、同一の要素には、同一の符号を付してある。
【００３１】
以下の説明において、当業者に公知の特性および機能については詳述しない。
【００３２】
図１は、流体内の圧力差を機械的運動に変換するためのマイクロシステム２を示している。この流体は、圧縮性流体であり、例えば気体である。
【００３３】
マイクロシステム２は、入口ノズル６を介して、圧縮流体に流体的に連絡されており、かつ出口ノズル８を介して、膨張流体に流体的に連絡されている閉じたチャンバ４を有している。チャンバ４は、このチャンバ内の膨張流体が、出口ノズル８を通る以外に漏れ出ることができないように、気密にシールされている。
【００３４】
チャンバ４の内部で、入口ノズル６は、渦巻体を用いた膨張機１０に流体的に連絡している。この渦巻体を用いた膨張機は、「スクロール」膨張機としても知られている。
【００３５】
膨張機１０は、互いに対して相対的に変位可能な２つのアーム１２および１４によって形成されている。アーム１２および１４は、それらが入口ノズル６からの流体の作用下で変位するときに、体積を増しながら、入口ノズル６から遠ざかって、出口ノズル８に近づいていく、流体のための少なくとも１つのポケットを画定するように、変位可能に作られている。例えばアーム１２および１４は、渦巻状に形作られており、互いに入り込み合っている。各渦巻状のアームは、入口ノズル６から出口ノズル８に向かって、同時に移動していく、流体のためのいくつかのポケットを画定するために、少なくとも１つ、またはそれ以上のターンを有している。アーム１２および１４は、それぞれの接続部１６および１８を介して、固定平面２０に機械的に接続されている（図４）。単純化するために、図１においては、固定平面２０への固着点２１だけが示されている。固定平面２０は、直交する２つの方向ＸおよびＹに平行に配置されている。接続部１６および１８は、弾性的であることが好ましい。固定平面２０は、その面に沿う、アーム１２および１４の変位を可能にしながら、アーム１２および１４との間に流体を確保している。この変位を可能にするために、固定平面２０の面とアーム１２および１４との間に、間隙が設けられている。この間隙は、その間隙を通る流体の漏洩を制限することができるように十分に小さくされている。
【００３６】
上側の平面（図示せず）が、その面に沿う、アーム１２および１４の変位を可能にしながら、アーム１２および１４との間に流体を確保するために、アーム１２および１４の、固定平面２０と反対の側に位置している。
【００３７】
接続部１６および１８は、それぞれ方向ＹおよびＸに沿った、アーム１２および１４の並進運動しか可能にしない。
【００３８】
各アーム１２、１４は、さらに、それぞれの電気機械トランスデューサ２２、２４に機械的に接続されている。各電気機械トランスデューサは、アームの機械的運動を電気エネルギーに変換することができる。
【００３９】
例えば各電気機械トランスデューサ２２、２４の出力は、蓄電装置２６に接続されている。蓄電装置２６は、例えばキャパシタである。
【００４０】
電気機械トランスデューサ２２および２４は、電気エネルギーに変換される機械エネルギーの量を調整するように制御可能な電気機械トランスデューサである。したがって、電気機械トランスデューサ２２および２４は、さらに、制御可能な制動装置の機能を満たしている。
【００４１】
電気機械トランスデューサ２２および２４は、制御ユニット２８によって制御される。制御ユニット２８は、電気機械トランスデューサ２４および２２によって生成されたそれぞれの電力を表わす物理値のセンサ３０および３２に接続されている。センサ３０および３２は、生成される電力の位相を測定するために用いることもできる。
【００４２】
機械的移相器３６が、アーム１２と１４との間に機械的に接続されている。この機械的移相器３６は、アーム１２と１４との振動（往復）運動間のπ／２ラジアンの位相ずれの発生を機械的に補助する機能を有している。さらに、この機械的移相器３６は、アーム１２および１４に機械的に接続されたばね３８によって形成されている。このばね３８は、例えば板ばねである。このばね３８は、２つのアーム１２および１４、およびばね３８によって形成されている系を、共振周波数で共振する系にする。アーム１２と１４との振動運動間の位相ずれが、π／２ラジアンのずれになったときに、共振周波数に到達する。共振周波数においては、マイクロシステムのエネルギー効率は最大になる。
【００４３】
制御ユニット２８は、共振周波数で動作するように、電気機械トランスデューサ２２および２４を制御することができる。例えばセンサ３０および３２によって測定された情報に基づいて、制御ユニット２８は、アーム１２と１４との振動運動間の位相ずれを計算し、この位相ずれが値π／２になるように自動制御する。
【００４４】
この動作中に、マイクロシステム２によって消費されるエネルギーを制限するために、制御ユニット２８には、電気機械トランスデューサ２２および２４によって生成された電気エネルギーが供給される。このために、制御ユニット２８は、例えば蓄電装置２６に電気的に接続されている。
【００４５】
図２は、アーム１２および１４の、それぞれ方向ＹおよびＸに沿った変位の時間経過を示している。より具体的には、曲線４４および４６は、それぞれアーム１２および１４の変位を示している。これらの変位は正弦波状であり、かつ互いにπ／２ラジアンだけ位相ずれしている。
【００４６】
定常モードにおいては、各アームは、２つの極限位置（図２において、アーム１４に対してはＸmaxおよびＸmin、アーム１２に対してはＹmaxおよびＹminと記されている）間の振動運動すなわち往復運動を行う。
【００４７】
アーム１２および１４の変位によって、体積を増しながら、入口ノズル６から出口ノズル８に向かって渦巻を描くように移動していく、流体のためのいくつかのポケットが画定される。より具体的には、流体のための各ポケットは、入口ノズル６のまわりに回転しながら、入口ノズル６から遠ざかるように移動する。
【００４８】
図３は、入口ノズル６から出口ノズル８に向かう、流体のためのポケット５０の移動を示す、より詳細な図である。
【００４９】
初期状態（状態Ｉ）において、ポケット５０は、入口ノズル６と流体的に連絡している。したがって、このポケット５０は、圧縮流体で満たされている。次の状態（状態ＩＩ）において、アーム１２および１４は、このポケット５０を入口ノズル６から流体的に分離するように、互いに対して相対的に変位する。
【００５０】
その後、一連の状態（状態ＩＩＩ〜ＶＩ）で示されているように、ポケット５０は、入口ノズル６のまわりに渦巻運動をしながら、入口ノズル６から出口ノズル８まで移動する。より具体的には、アーム１２および１４の各々が、完全な１往復運動を行うと、ポケット５０は、状態Ｉに示されているポケット５０の位置から、状態Ｉに示されている位置５２に移動する。したがって、入口ノズル６のまわりの完全な１回転が行われる。
【００５１】
渦巻形状のアーム１２および１４は、入口ノズル６のまわりに数回巻き付けられているから、アーム１２および１４の次の振動サイクルにおいて、ポケット５０は、入口ノズル６のまわりのさらなる１回転を行うが、まだ、入口ノズル６から少し遠ざかるだけである。より具体的には、この完全な１回転の後に、ポケット５０は、位置５４（状態Ｉ）を占める。最終的に、ポケット５０の最後の回転の後に、ポケット５０は、位置５６（状態Ｉ）を占める。この位置５６において、ポケット５０は、出口ノズル８に流体的に連絡し、したがって、膨張した流体は、ポケット５０から漏れ出ることができる。
【００５２】
アーム１２および１４は、入口ノズル６から出口ノズル８まで、ともに体積を増しながら移動する、少なくとも２つのポケットを同時に画定するような形状に作られている。図３に示す特定の例においては、アーム１２および１４は、入口ノズル６から出口ノズル８まで同時に移動する、流体のための６つのポケットを画定するような形状に作られている。
【００５３】
したがって、流体が膨張機１０内で膨張するときに、この膨張のエネルギーが、アーム１２および１４の機械的運動に変換されることは、容易に理解しうるところである。図１に示す特定の例においては、この機械的運動は、電気機械トランスデューサ２２および２４によって、電気エネルギーに変換される。
【００５４】
図４は、マイクロシステム２の一実装例を示している。
【００５５】
例えば接続部１６および電気機械トランスデューサ２２は、配置されている位置を除いて、接続部１８および電気機械トランスデューサ２４と同一である。したがって、以後において、接続部１６および電気機械トランスデューサ２２について、より詳細に説明する。
【００５６】
接続部１６は、何らの自由度なしに、アーム１２に固定された平行四辺形板６０を有している。したがって、この平行四辺形板６０は、固定平面２０と平行に、方向Ｙに沿って並進変位する。平行四辺形板６０は、ビーム６２を介して、固定平面２０に機械的に接続されている。各ビーム６２は、その一端を、何らの自由度なしに、平行四辺形板６０に固定されており、他端を、何らの自由度なしに固定平面２０に固定されている固着点２１に固定されている。ビーム６２は、固定平面２０に、直接的には固定されていない。各ビーム６２は、方向Ｘに平行に延在していることが好ましい。さらに、各ビーム６２は、流体がアーム１２と１４との間に画定されたポケット中で膨張するときに撓むことができるほどに十分に薄い。このような構成によって、アーム１２は、もっぱら方向Ｙに沿って変位することができる。
【００５７】
電気機械トランスデューサ２２は、アーム１２の変位によって生成される機械エネルギーを電気エネルギーに変換するために、例えば可変容量キャパシタを用いる。可変容量キャパシタを介する、機械エネルギーから電気エネルギーへの変換は公知である。このような変換は、例えば特許文献３および特許文献４において説明されている。したがって、この変換メカニズムについては、詳細に説明しない。本明細書においては、可変容量キャパシタは、交差櫛状に作られている。より具体的には、可変容量キャパシタの一方の電極板６６は、何らの自由度なしに、平行四辺形板６０に固定されている。この可変容量キャパシタの他方の電極板６８は、何らの自由度なしに、固定平面２０に固定されている。したがって、平行四辺形板６０が変位すると、それによって、可変容量キャパシタの容量が変化する。この容量の変化は、機械エネルギーから電気エネルギーへの変換に用いられる。可変容量キャパシタの電極板の少なくとも一方は、エレクトレットを有していることが好ましい。実際、エレクトレットを有している場合には、電気機械トランスデューサ２２は、外部電気エネルギー源からの、予備的な電気エネルギーの付加入力を要することなく、電気エネルギーの生成を開始することができる。
【００５８】
ここで、マイクロシステム２の製造方法の一例を、図５に示す方法、および図６〜図８に示す実例を参照して説明する。
【００５９】
最初に、ステップ８０において、中間に犠牲層８２を有するプレートがエッチングされる。通常、このプレートはＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）プレートである。したがって、このプレートは、犠牲層８２を挟んで、一方にはシリコン層８４、他方には絶縁体層８６を有している。ステップ８０において、渦巻状のアーム、接続部、および可変容量キャパシタが、エッチングによって、シリコン層８４内に同時に形成される。図６において、このようにエッチングによって形成されたマイクロシステムが、ブロック９０で示されている。ブロック９０は、犠牲層８２上にある。
【００６０】
次に、ステップ９２において、犠牲層８２のうちの、ブロック９０の下に位置している部分が除去される。この犠牲層を除去するために、例えば化学エッチングが用いられる。この時点から、渦巻状のアーム１２および１４、接続部の平行四辺形板、および可変容量キャパシタの電極板６６は、絶縁体層８６の上面によって構成されている固定平面２０に相対的に並進変位することができる（図７を参照）。
【００６１】
次に、ステップ９４において、カバー層９６が形成される。このカバー層９６は、ブロック９０を除くシリコン層８４の上面に接するように作られる。このカバー層９６は、アーム１２および１４との間に流体を閉じ込めるように設計されている上側の平面を構成している。カバー層９６は、例えばガラスから成っている。このカバー層９６に、入口ノズル６および出口ノズル８が形成される。図８においては、入口ノズル６だけが示されている。
【００６２】
さらに、電気機械トランスデューサ２２および２４と、制御ユニット２８および蓄電装置２６とを電気的に接続するために、シリコン層８４への通路を形成する孔が、カバー層９６内に設けられる。図８においては、シリコン層８４への１つの通路孔９８だけが示されている。
【００６３】
図６〜図８において、アーム１２および１４と、下側の平面（固定平面２０）および上側の平面のそれぞれとの間の間隙を目視できるように、犠牲層８２の厚さ、およびカバー層９６とブロック９０との間のスペースは、誇張されていることに注意されたい。実際には、犠牲層８２の厚さ、およびカバー層９６とブロック９０との間のスペースは、膨張機１０内で膨張した流体を、アーム１２と１４との間に閉じ込め続けることができるほどに十分に薄い。
【００６４】
マイクロシステム２は、多くの応用が可能である。
【００６５】
例えば図９は、マイクロシステム２を有する、圧力差のセンサ１００を示している。入口ノズル６と出口ノズル８との間の圧力差は、アーム１２および１４の変位によって生み出される機械エネルギーに比例する。さらに、電気機械トランスデューサ２２および２４によって生み出される電気エネルギーは、電気機械トランスデューサ２２および２４によって受け取られる機械エネルギーに比例するから、この電気エネルギーも、入口ノズル６と出口ノズル８との間の圧力差に比例する。マイクロシステム２のこの特性を用いることによって、センサ１００を実現させることができる。
【００６６】
センサ１００は、蓄電装置２６、制御ユニット２８、およびマイクロシステム２を備えている。センサ１００は、さらに、蓄電装置２６の充電および放電を管理するための管理回路１０２、および入口ノズル６と出口ノズル８との間の圧力差を表わす情報を、遠隔の無線受信器に通信することができる無線送信器１０４を備えている。
【００６７】
センサ１００は、例えば蓄電装置２６の充電量が、あらかじめ定められた閾値Ｆ1を超過するとすぐに、無線送信器１０４を通じて、特性信号を送出する。したがって、測定される圧力差は、２つの送信間の経過時間に比例する。したがって、受け取ったデータから、入口ノズル６と出口ノズル８との間の圧力差を推定することが可能である。
【００６８】
閾値Ｆ1は、特性パルスの送信のための、無線送信器１０４への電力供給を可能にするように定められている。したがって、この実施形態においては、センサ１００は、その動作のために、何らの外部電源も必要としない。実際、センサ１００が用いるエネルギー源は、入口ノズル６と出口ノズル８との間に存在する圧力差だけである。
【００６９】
図１０は、センサ１００を装備したホイール１１０を示している。ホイール１１０は、内部に圧縮空気を閉じ込めているタイヤ１１２を備えている。タイヤ１１２は、ホイールのリム１１４の上に取り付けられている。センサ１００は、このセンサのための保護ケーシングとして働くタイヤ１１２の内部に配置されている。
【００７０】
動作のために、出口ノズル８は、タイヤ１１２の外部に流体的に連絡していなければならない。
【００７１】
図１１は、このような連絡を可能にするための、タイヤ１１２内へのセンサ１００の実装の一例を示している。より具体的には、タイヤ１１２は、ホイール１１０に空気を注入することができるバルブステム１１６を有している。従来通りに、このバルブステム１１６は、何らの自由度なしにタイヤ１１２に固定されているスリーブ１１８、および可動のチェックバルブ１２０から成っている。このチェックバルブ１２０は、タイヤ１１２を気密にシールしている静止位置と、タイヤ１１２内に圧縮空気を取り込むことができる動作位置との間で変位可能である。
【００７２】
この例においては、出口ノズル８の通路が、このチェックバルブ１２０内を通り、それによって、出口ノズル８が外部の大気に連絡するように、孔１２４が、チェックバルブ１２０の側面を貫いて形成されている。
【００７３】
この実施形態においては、センサ１００は、何らの自由度なしに、チェックバルブ１２０に固定されている。
【００７４】
したがって、チェックバルブ１２０が静止位置にあるときに、圧縮空気は、センサ１００および孔１２４を介して漏洩する。この空気の漏洩の流量は非常に小さい、すなわち１ｍｌ／ｓ未満である。この例においては、孔１２４は、例えば空気の漏洩をわずかに１００μｌ／ｓ未満、好ましくは１０μｌ／ｓ以下にすることができるサイズである。
【００７５】
１００μｌ／ｓの流量では、チェックバルブ１２０を介しての漏洩によって、３．９４×１０-2ｍ3の空気の容積を有するタイヤにおいては、６か月間に８ｍＢａｒの圧力降下を生じるだけであり、無視できる量である。したがって、センサ１００は、車両の所有者が、タイヤ１１０に空気を再注入する必要なく、６か月間を超過して作動し続けることができる。
【００７６】
図１２は、マイクロシステム２を組み込んだマイクロモータを装備している、燃料を使用する発電装置１３０を示している。さらに、マイクロモータは、圧縮用のマイクロシステム１３２を組み込んでいる。このマイクロシステム１３２は、例えばノズル１３３から入ってきた膨張流体を圧縮するように制御されるという点を除いて、マイクロシステム２と同じである。実際には、マイクロシステム２の動作は可逆的である。具体的には、この圧縮動作モードにおいては、電気機械トランスデューサ２２および２４は、例えば蓄電装置２６から供給される電気エネルギーを、アーム１２および１４の機械的運動に変換するために用いられる。したがって、この場合にも、アーム１２と１４との往復運動が、π／２だけ、互いに位相ずれするような留意がなされる。したがって、膨張流体が、出口ノズル８に対応するノズル１３３を介して入ってきて、圧縮流体が、入口ノズル６に対応するノズルを介して放出される。
【００７７】
マイクロシステム１３２によって圧縮された流体は、マイクロモータの燃焼室１３４内に放出される。この例においては、圧縮流体は、燃料と支燃性物質との可燃性混合物である。燃焼室１３４において、この可燃性混合物は爆発して、より圧縮された排気気体を生み出す。次に、この排気気体は、マイクロシステム２の入口ノズル６を通じて、マイクロシステム２の内部に入る。マイクロシステム２は、このようにして生み出された圧力差を機械的運動に、次いで、電気エネルギーに変換する。その後、この電気エネルギーは、燃料を使用する発電装置の端子に接続されている負荷に電力を供給するために用いられる。この負荷は、図示されていない。膨張した排気気体は、出口ノズル８を通じて放出される。
【００７８】
図１３は、トランジスタなどの電子部品１４４を支持している基板の内部に作られたマイクロチャネル１４２を備えた電子チップ１４０を示している。マイクロチャネル１４２は、入口１４６および出口１４８を有している。熱交換流体１４８が、入口１４６から出口１４８に流れる。
【００７９】
この実施形態においては、熱交換流体を圧縮するためのマイクロシステム１５０が、入口１４６と出口１４８との間に接続されている。このマイクロシステム１５０は、例えばマイクロシステム１３２と同じである。
【００８０】
マイクロチャネル１４２は膨張用の器すなわち膨張機を形成しており、マイクロシステム１５０から入口１４６に放出された、圧縮された熱交換流体が、マイクロチャネル内で膨張し、それによって、電子部品を冷却することができる。次いで、この熱交換流体は、出口１４８を通じてマイクロシステム１５０に戻り、再び圧縮される。
【００８１】
したがって、電子チップ１４０を、効率的かつ単純に冷却することができる。
【００８２】
他の多くの実施形態が可能である。例えばアーム１２および１４の位置に関わらず、０でない伸長力を備えた、すなわち静止位置にない、少なくとも１つの弾性的な接点が、アーム１２と１４との間に常に存在するように、アーム１２および１４に、あらかじめ機械的に圧縮応力を加えることができる。
【００８３】
アーム１２および１４は、種々の渦巻形状とすることが可能である。この渦巻形状は、例えば一般的な渦巻の形状、またはアルキメデス渦巻の形状である場合がある。各アームは、１つ以上の渦巻形状を有している場合がある。
【００８４】
一変形例として、２つのアームのうちの一方は、何らの自由度なしに基板に固定されており、他方のアームだけが、図３を参照して説明したポケットと同様の、流体のための１つ以上のポケットを移動させるように変位する。固定アームは、可動アームの場合のように犠牲層上にではなく、例えば基板上に被着された層のエッチングによって作られる。
【００８５】
接続部１６および１８に対して、他のいくつかの実施形態が可能である。接続部１６および１８は、例えば可撓性のブレード、玉継手、滑り軸受などや、これらの組み合わせによって作られている場合がある。
【００８６】
圧縮流体は、燃焼によって生じる場合もあるし、そうでない場合もある。後者の場合には、圧縮流体は、圧縮流体の容器から送られてくる場合がある。例えば図１２の実施形態において、マイクロシステム１３２および燃焼室１３４は、圧縮流体の容器に置き換えられる。この場合には、容器内に収容されている圧縮流体の膨張によって電気を発生させる電池が得られる。本明細書において説明する電池の要素は、全て、外部電気回路に取り付けるための電気的接続端子が出ている同一のパッケージ内に収容されていることが好ましい。通常、外部電気回路に取り付けられている、この電池の容易な交換を可能にするために、パッケージは取り外し可能である。したがって、このような電気的接続端子は、外部電気回路との電気的な接続と切断とのどちらも行うことができるように、外部電気回路の対応する電気的接続端子と組み合わせるのに適している。
【００８７】
アーム１２と１４とは、必ずしも、直交し合う２つの軸のそれぞれに沿って並進運動するように取り付けられている必要はない。実際には、アーム１２と１４とが変位する軸が互いに平行でないというだけで十分である。これらの２つの軸の間の角度がπ／２ラジアンでない場合には、アーム１２と１４との振動運動間の位相ずれを、その角度に適合させればよい。
【００８８】
さらに、アーム１２と１４とは、必ずしも共振周波数で動作する必要はない。
【００８９】
単純化された一実施形態として、機械的移相器３６を省略することができる。この場合には、２つのアームの変位間のあらかじめ定められた位相ずれを、電気アクチュエータ、例えば電気機械トランスデューサによって確保することができる。
【００９０】
さらに、ばねを用いずに、機械的な位相ずれを発生させることができる。例えばロッドとクランクを用いるメカニズムによって、機械的な位相ずれを発生させることができる。
【００９１】
圧力差から機械的運動への変換にとって、そのようにして生成された機械エネルギーから電気エネルギーへの変換は任意選択的である。実際、マイクロシステム２が動作するためには、適切な位相ずれを維持するように、アーム１２と１４との変位を自動制御することができる、制御可能な制動装置が存在するだけで十分である。
【００９２】
アーム１２および１４の変位から生成される電気エネルギーを、必ずしも、制御ユニット２８、またはセンサ１００の電子部品などの他の関連する電子部品に電力を供給するために用いる必要はない。
【００９３】
マイクロシステム２の他の多くの製造方法が可能である。特に、エッチングプロセスを、被着プロセスに替えることが可能である。同様に、犠牲層の使用を省略することができる。この場合には、互いに入り込み合った２つのアームを同時に作り込むために、別のステップが実行される。例えば同一の基板内に、２つのアームの輪郭を定めるための、基板を貫通する間隙を掘って、２つのアームの間のスペースを形成することによって、２つのアームが作られる。それぞれのアームの一端は、基板に固定されたままである。次に、２つのアームの間の、流体の膨張／圧縮が行われる空洞を密封するために、基板の両面上に、プレートが気密に貼り付けられる。
【００９４】
最後に、上述のセンサ、電子チップ、マイクロモータ、および電池の各実施形態において、マイクロシステム２を、流体内の圧力差を機械的運動に変換するか、またはその逆に変換するための、別のマイクロシステムに置き換えることができる。例えばマイクロシステム２を、圧力差を機械的運動に変換するためのタービンを備えているマイクロシステムと置き換えることができる。
【符号の説明】
【００９５】
２、１３２、１５０  マイクロシステム
４  チャンバ
６  入口ノズル
８  出口ノズル
１０  膨張機
１２、１４  アーム
１６、１８  接続部
２０  固定平面
２１  固着点
２２、２４  電気機械トランスデューサ
２６  蓄電装置
２８  制御ユニット
３０、３２  センサ
３６  機械的移相器
３８  ばね
４４、４６  曲線
５０  ポケット
５２、５４、５６  位置
６０  平行四辺形板
６２  ビーム
６６、６８  電極板
８２  犠牲層
８４  シリコン層
８６  絶縁体層
９０  ブロック
９６  カバー層
９８  通路孔
１００  センサ
１０２  管理回路
１０４  無線送信器
１１０  ホイール
１１２  タイヤ
１１４  リム
１１６  バルブステム
１１８  スリーブ
１２０  チェックバルブ
１２４  孔
１３０  燃料を使用する発電装置
１３３  ノズル
１３４  燃焼室
１４０  電子チップ
１４４  電子部品
１４６  入口
１４８  出口、熱交換流体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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