(57)【要約】  本発明は、圧電発電器を用意して鉄道から電力を回収する装置、システム、及び方法に関する。本発明は、鉄道の枕木内に埋め込まれるか、又は鉄道の線路に取り付けられた複数の圧電装置であって、列車が圧電装置の位置を横断した場合に電力を生成するように構成された複数の圧電装置を含む、電力を回収するシステム及び方法を提供することである。このシステムは、電力調整ユニットと、上記圧電体を上記電力調整ユニットに接続する導電体とを含む。回収された電力は、エネルギー生成場所の近傍で局所的に使用してもよく、後で使用するために蓄えてもよく、オア遠隔地で使用するために送電してもよい。【選択図】図７
2011511618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を生成可能な複数の圧電装置と、
電力調整ユニットと、
前記圧電装置を前記電力調整ユニットに接続する導電体と
を備え、
前記電力は、列車が前記圧電装置の場所を横断した場合に生成される、電力を回収するシステム。
【請求項２】
前記圧電装置は枕木内に埋め込まれる、請求項１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項３】
前記電力調整ユニットは、電力をバッテリ充電ステーションに供給して、電気車両のバッテリを充電する、請求項２に記載の電力を回収するシステム。
【請求項４】
前記電力調整ユニットは電力を駅の照明に供給する、請求項２に記載の電力を回収するシステム。
【請求項５】
前記電力調整ユニットは、電力を鉄道交通信号ユニットに供給する、請求項２に記載の電力を回収するシステム。
【請求項６】
前記電力調整ユニットは主幹電力網にさらに接続される、請求項１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項７】
前記電力調整ユニットは蓄電ユニットにさらに接続される、請求項１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項８】
前記圧電装置は、結合材内に埋め込まれた複数のＰＺＴロッドを備える、請求項１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項９】
前記結合材はエポキシ樹脂である、請求項８に記載の電力を回収するシステム。
【請求項１０】
前記結合材は、熱可塑性ポリマー、ゴム、又は他の自然若しくは合成の弾性材料の群から選択することができる、請求項８に記載の電力を回収するシステム。
【請求項１１】
前記圧電装置は鉄道線路に取り付けられる、請求項１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項１２】
前記圧電装置は、前記鉄道線路の底に取り付けられる、請求項１１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項１３】
前記圧電装置は、前記鉄道線路の土台の両側に取り付けられる、請求項１１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項１４】
前記圧電装置は、前記鉄道線路のクラウンの土台の両側に取り付けられる、請求項１１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項１５】
前記鉄道線路は、前記回収された電力を送るための導電体の１つとして使用される、請求項１１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項１６】
電力を生成可能な複数の圧電装置を鉄道の枕木内に埋め込むこと、
導電体により電力調整ユニットを前記複数の圧電装置に接続すること
を含み、
前記電力は、列車が前記圧電装置の場所を横断する場合に生成される、エネルギーを回収する方法。
【請求項１７】
電力を生成可能な複数の圧電装置を鉄道線路に取り付けること、
導電体により電力調整ユニットを前記複数の圧電装置に接続すること
を含み、
前記電力は、列車が前記圧電装置の場所を横断する場合に生成される、エネルギーを回収する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電発生器を使用して鉄道線路から電力を回収する装置、システム、及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電気とは、加えられた機械的応力に比例して電荷を生み出す特定の結晶質の能力である。印加された電場に比例して歪みが生じた場合、これら材料に逆効果を見ることもできる。これは元々、１８８０年代にＣｕｒｉｅにより発見された。今日、産業用途の圧電材料は、広範囲の性質の鉛ベースのセラミックである。圧電材料は、通常、トランスデューサに使用されると共に、適応構造で使用される最もよく知られている活物質である。
【０００３】
完全な圧電効果を利用するために、未使用セラミック材料をまず分極させなければならない。分極は、高電場を材料に印加することからなる。分極プロセス中、材料中の結晶双極子は、印加された電場に沿って並び、材料は電場の方向において膨脹する。逆方向に電場を印加することにより、逆符号の歪みが観察される。この逆の電場の大きさが増大した場合、材料はまず減極し、最後に再分極する。
【０００４】
分極した圧電材料は横等方性であると考えられる。すなわち、一平面が等方性であり、面外方向が異なる性質を有する。ＩＥＥＥ（非特許文献１）に採用される標準座標変換では、１−２平面に対称平面を割り当て、３方向に面外分極方向を割り当てる。印加される電場が小さい場合、圧電セラミックの応答は、工学行列で表現される以下の線形圧電構造によりモデリングすることができる（非特許文献２）。
【０００５】
【数１】
2011511618.tif 000003
【０００６】
式中、Ｄ−電気変位、Ｓ−歪み、Ｅ−電場、Ｔ−応力、εＴ−一定応力（非クランプ）誘電率、ｄ−誘導歪み定数、ｓＥ−定電場コンプライアンスである。
【０００７】
分極した圧電セラミック要素に対する機械的な圧縮又は引っ張りは、双極子モーメントを変更させ、電圧を生じさせる。分極方向に沿った圧縮又は分極方向に垂直する引っ張りは、分極電圧と同じ極性の電圧を生じさせる。分極方向に沿った引っ張り又は分極方向に垂直する圧縮は、分極電圧とは逆の極性の電圧を生じさせる。これら動作は発電器の動作であり、セラミック要素が、圧縮又は引っ張りという機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する。この挙動は、燃料点火装置、固体状態電池、力感知装置、及び他の製品に使用されている。圧縮応力の値及び応力を圧電セラミック要素に印加することにより生成される電圧（又は電場強度）は、材料に固有の応力までは線形に比例する。同じことが、印加される電圧及び生成される歪みに対しても当てはまる。
【０００８】
分極電圧と同じ極性の電圧が、分極電圧の方向においてセラミック要素に印加される場合、要素は長くなり、その直径は小さくなる。分極電圧とは逆の極性の電圧が印加される場合、要素は短くなり、広くなる。交流電圧が印加される場合、要素は印加される電圧の周波数で周期的に長くなり、短くなる。これはモータの動作である。電気エネルギーが機械的エネルギーに変換される。この原理は、圧電モータ、音波又は超音波生成装置、及び他の多くの製品に利用されている。
【０００９】
図１ａは、当分野において既知の圧電要素の発電器動作を概略的に示す。
【００１０】
圧電材料は、トランスデューサの達成可能な性能にかなりの影響を及ぼす。一般に使用される圧電材料は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックに基づく。
【００１１】
ＰＺＴ要素がトランスデューサとして直接使用されると仮定すると、重要な材料パラメータを概略的に示して、材料の性能指数を提供することができる。ＰＺＴの組成の選択に影響する多くの要因がある。低応力（Ｔ）レベル下での線形圧電材料の構造方程式は、
【００１２】
【数２】
2011511618.tif 000004
【００１３】
として書くことができ、式中、ｘは歪みであり、Ｄは電気変位であり、Ｅは電場であり、ｓは弾性コンプライアンスであり、ｇは
【００１４】
【数３】
2011511618.tif 000005
【００１５】
として与えられる圧電電圧係数である。
【００１６】
ここで、ｄは圧電定数であり、εは誘電定数である。式（３）中の定数βは電気分極率であり、誘導体逆誘電率テンソル成分に等しい。力Ｆ＝Ｔ・Ａ（Ａは面積）が加えられる場合、セラミックの開回路出力電圧（Ｕ）は、式（３）から計算することができ、
【００１７】
【数４】
2011511618.tif 000006
【００１８】
として与えられ、式中、ｔはセラミックの厚さである。圧電セラミックに生じる変化（Ｑ）は、式（２）から特定することができ、
【００１９】
【数５】
2011511618.tif 000007
【００２０】
として与えられ、式中、Ｃは材料の静電容量である。上記式は、低周波では、圧電板が、平行板キャパシタのように挙動すると仮定できることを示す。したがって、周期的な励起の下で利用可能な電力は、以下のように式（８）により得られる。
【００２１】
【数６】
2011511618.tif 000008
【００２２】
式中、Ｖ＝Ａ×ｔは圧電発電器の容積である。
【００２３】
特定の実験条件下では、一定の面積及び厚さの所与の材料の場合、電力は材料のｄ２／εＸ比に依存する。
【００２４】
高いｄ２／εＸ比を有する材料は、圧電セラミックがエネルギーの回収に直接利用された場合、高電力を生成する。
【００２５】
図１ｂ（ｉ）は、単一要素トランスデューサの構造を示し、図１ｂ（ｉｉ）は、多層トランスデューサを示す。
【００２６】
図１ｂ（ｉｉ）の多層構造では、同じ力Ｆがすべての層に加えられる。しかし、各層の厚さが小さいため、各層で生じる電圧（層は電気的に並列接続されるため、これは構造全体で生じる電圧である）はより低い。すべての層を電気的に並列接続することで、構造の静電容量が増大する。
【００２７】
図１ｂ（ｉｉｉ）は、多層ＰＺＴ発電器の好ましい実施形態を示し、連続した層の分極方向は逆になる。この実施形態では、共通電極が２つの逆向きの層の間に使用される。
【００２８】
検討記事（非特許文献３）は、低プロファイルトランスデューサを使用する圧電環境発電の分野での最近の発展の包括的な理解を提供すると共に、様々な環境発電試作装置の結果を提供する。オン共鳴用途及びオフ共鳴用途への圧電材料の選択についての手短な考察も提示されている。
【００２９】
論文（非特許文献４）では、生体内センサ、埋め込みＭＥＭＳ素子、及び分散ネットワーキング等のいくつかの遠隔用途でのＰＺＴベースの発電器の潜在的な用途が考察されている。この論文では、ソース特徴が不良であり（高電圧、低電流、高インピーダンス）、かつ電力出力が比較的低いため、圧電発電器の開発が困難なことが指摘されている。
【００３０】
記事（非特許文献５）では、ユビキタスに配備されたセンサ網及びモバイル電子機器に給電する環境発電分野が検討されると共に、人間の活動から電力を集めるか、又は限られたエネルギーを周囲の熱、光、電波、又は振動から導出することができるシステムが記載されている。
【００３１】
総括論文（非特許文献６）には、システムの周囲のエネルギーを取得して、使用可能な電気エネルギーに変換するプロセスが考察されており、これは環境発電と呼ばれている。この論文では、電力回収分野で実行されている研究及び電力回収が日常に使用されるために達成しなければならない将来の目標が考察されている。
【００３２】
２００６年９月２１日に出願され、Ｃａｒｍａｎ  Ｇｒｅｇｏｒｙ  Ｐ．及びＬｅｅ  Ｄｏｎｇ  Ｇ．に付与された「Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ」という名称の特許出願（特許文献１）には、ある周波数の機械的エネルギーを受け取るように構成された逆周波数整流器を有し、力によりトランスデューサが別の周波数を受ける、電気システムに使用するための環境発電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】国際公開出願第０７０３８１５７Ａ２号パンフレット
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  ｏｎ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，１７６−１９７８
【非特許文献２】Ｊａｆｆｅ，Ｂ．，Ｃｏｏｋ  Ｊｒ．，Ｗ．Ｒ，ａｎｄ  Ｈ．Ｊａｆｆｅ，１９７１，”Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ”，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ
【非特許文献３】Ｓｈａｓｈａｎｋ  Ｐｒｉｙａ，”Ａｄｖａｎｃｅｓ  Ｉｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ｌｏｗ  Ｐｒｏｆｉｌｅ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ”，Ｊ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｅｒａｍ（２００７）１９：１６５−１８２
【非特許文献４】Ｓｔｅｐｈｅｎ  Ｒ．Ｐｌａｔｔ、Ｓｈａｎｅ  Ｆａｒｒｉｔｏｒ，ａｎｄ  Ｈａｎｉ  Ｈａｉｄｅｒ，”Ｏｎ  Ｌｏｗ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｗｉｔｈ  ＰＺＴ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ”，ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  Ｏｎ  Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ、ＶＯＬ．１０，ＮＯ．２，Ａｐｒｉｌ  ２００５
【非特許文献５】Ｊｏｓｅｐｈ  Ａ．Ｐａｒａｄｉｓｏ  ａｎｄ  Ｔｈａｄ  Ｓｔａｒｎｅｒ，”Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｍｏｂｉｌｅ  ａｎｄ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”，ＩＥＥＥ  ＣＳ及びＩＥＥＥ  ＣｏｍＳｏｃ，１５３６−１２６８／０５／
【非特許文献６】Ｈｅｎｒｙ  Ａ．Ｓｏｄａｎｏ，Ｄａｎｉｅｌ  Ｊ．Ｉｎｍａｎ，ａｎｄ  Ｇｙｕｈａｅ  Ｐａｒｋ，”Ａ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  ｆｒｏｍ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”，Ｔｈｅ  Ｓｈｏｃｋ  ａｎｄ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｄｉｇｅｓｔ，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．３，Ｍａｙ  ２００４  １９７−２０５，Ｓａｇｅ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
本発明は、圧電発電器を使用して鉄道に電力を回収する装置、システム、及び方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
本発明の一態様は、電力を回収するシステムであって、電力を生成可能な複数の圧電装置と、電力調整ユニットと、上記圧電装置を上記電力調整ユニットに接続する導電体とを備え、上記電力は、列車がその場所を横断した場合に生成される、システムを提供することである。
【００３７】
いくつかの実施形態では、圧電装置は枕木内に埋め込まれる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、電力調整ユニットは、電力をバッテリ充電ステーションに供給して、電気車両のバッテリを充電する。
【００３９】
いくつかの実施形態では、電力調整ユニットは、電力を駅の照明に供給する。
【００４０】
いくつかの実施形態では、電力調整ユニットは、電力を鉄道交通信号ユニットに供給する。
【００４１】
いくつかの実施形態では、電力調整ユニットは主幹電力網にさらに接続される。
【００４２】
いくつかの実施形態では、電力調整ユニットは蓄電ユニットにさらに接続される。
【００４３】
いくつかの実施形態では、圧電装置は、弾性母材内に埋め込まれた複数のＰＺＴロッドを備える。
【００４４】
いくつかの実施形態では、弾性母材は結合剤である。
【００４５】
いくつかの実施形態では、弾性母材はエポキシ樹脂である。
【００４６】
いくつかの実施形態では、母材は、熱可塑性ポリマー、ゴム、又は他の自然若しくは合成の弾性材料等の材料群から選択することができる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、圧電装置は鉄道線路に取り付けられる。
【００４８】
いくつかの実施形態では、圧電装置は上記鉄道線路の底部に取り付けられる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、圧電装置は上記鉄道線路の土台の両側に取り付けられる。
【００５０】
いくつかの実施形態では、圧電装置は上記鉄電線路のクラウンの土台の両側に取り付けられる。
【００５１】
本発明の別の態様は、エネルギーを回収する方法であって、電力を生成可能な複数の圧電装置を鉄道の枕木内に埋め込むこと、導電体により電力調整ユニットを上記複数の圧電装置に接続することを含み、電力は、列車が上記圧電装置の位置を横断した場合に生成される、方法を提供することである。
【００５２】
本発明の別の態様は、エネルギーを回収する方法であって、電力を生成可能な複数の圧電装置を鉄電線路に取り付けること、及び導電体により電力調整ユニットを上記複数の圧電装置に接続することを含み、電力は、列車が上記圧電装置の位置を横断した場合に生成される、方法を提供することである。
【００５３】
用語「ＰＺＴトランスデューサ」及び「圧電発電器」が、本明細書全体を通して同義で使用されることに留意されたい。
【００５４】
別段に定義されない限り、本明細書に使用されるすべての技術用語及び科学用語は、本発明が属する分野の当業者が一般に理解する意味と同じ意味を有する。本明細書に記載される方法及び材料と同様又は等価の方法及び材料を本発明の実施又は試験に使用することができるが、適した方法及び材料を以下に説明する。矛盾する場合には、本特許出願が、定義を含めて、支配するものとする。さらに、材料、方法、及び例は単なる例示であり、限定を目的とするものではない。
【００５５】
本発明を単なる例示として、添付図面を参照して本明細書において説明する。これより、特に図面を参照して、図示される詳細が例であり、本発明の好ましい実施形態を説明考察するのみのためであり、本発明の原理及び概念的側面の最も有用かつ容易に理解される説明であると信じられるものを提供するために提示されることを強調しておく。この点に関して、本発明を基本的に理解するために必要な詳細よりも詳しく本発明の構造的詳細を示す試みはなされず、説明は図面を使用して行われ、本発明のいくつかの形態を実際にどのように具現し得るかを当業者に明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１ａ】当分野において既知の圧電装置の発電動作を概略的に示す。
【図１ｂ】当分野において既知の圧電装置の発電動作を概略的に示す。
【図２】電気信号を生成し、整流し、蓄える装置を概略的に示す。
【図３】本発明の例示的な実施形態による圧電トランスデューサを概略的に示す。
【図４ａ】本発明の好ましい実施形態による四角形の圧電トランスデューサを概略的に示す。
【図４ｂ】本発明の別の実施形態による細長形ＰＺＴトランスデューサを概略的に示す。
【図５】本発明の例示的な実施形態による鉄道に実施された電力回収の図を概略的に示す。
【図６】本発明の例示的な実施形態によるエネルギー回収の実施態様の側面図を概略的に示す。
【図７】本発明の実施形態によるエネルギー回収システムの実施態様の断面図を概略的に示す。
【図８】本発明の実施形態によるエネルギー回収システムの実施態様の別の断面図を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
本発明は、圧電発電器を使用して鉄道から電力を回収する装置、システム、及び方法に関する。
【００５８】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の用途が、以下の説明に記載されるか、又は図面に示される構成要素の構造及び配置の詳細に限定されないことを理解されたい。本発明は他の実施形態が可能であり、又は様々な方法で実施又は実行することが可能である。また、本明細書に利用される表現及び用語が、説明を目的としたものであり、限定としてみなされるべきではないことも理解されたい。
【００５９】
図面は概して一定の縮尺ではない。いくつかのオプションの部品は破線を使用して描かれた。
【００６０】
明確にするために、重要ではない要素を図面のうちのいくつかから省略した。
【００６１】
本明細書において使用する、単数形で記され、前に「ａ」又は「ａｎ」が付いた要素又はステップは、複数の除外が明示的に記されない場合、複数の要素又はステップを除外しないものと理解されるべきである。
【００６２】
図１は、当分野において既知であり、背景の項で考察された圧電装置の発電動作を概略的に示す。
【００６３】
図１ａ（ｉ）はＰＺＴディスク１１０を示し、外力がない状態でのポーリング軸を示す。この場合、電圧計１２０は生成電荷を示さない。
【００６４】
図１ａ（ｉｉ）及び図１ａ（ｉｉ）は、圧縮力及び伸張力のそれぞれが加えられた状態での同じＰＺＴディスク１１０を示す。この場合、電圧計１２０は正及び負のそれぞれの生成電荷を示す。
【００６５】
図１ｂ（ｉ）は、図１ａに示すものと同様の単一の素子ＰＺＴ１１０を示す。この図では、素子の長さ「Ｌ」及びその表面積「Ａ」が記される。
【００６６】
図１ｂ（ｉｉ）は、それぞれが実質的に同じ厚さｔ及び表面積「Ａ」を有するｎ枚の圧電セラミックディスク１１１（１）〜１１１（ｎ）を含む複数層の圧電セラミック積層を示す。この場合、すべての圧電セラミックディスク１１１（１）〜１１１（ｎ）は同じ方向にポーリングされ、すべては電気的に並列接続される。電気絶縁体を隣接する素子の接触電極間に設置する必要がある。
【００６７】
電荷出力がコネクタ１１３（＋）及び１１３（−）において見られる。本明細書では、便宜上、これらコネクタのそれぞれを「上部電極」及び「下部電極」と呼称し得る。
【００６８】
図１ｂ（ｉｉｉ）は、それぞれが実質的に同じ厚さ及び表面積を有するｎ枚の圧電セラミックディスク１１２（１）〜１１２（ｎ）を含む複数層の圧電セラミック積層を示す。この場合、すべての圧電セラミックディスク１１１（１）〜１１１（ｎ）は、矢印で示されるように、交互になった方向にポーリングされる。好ましくは、共通電極が隣接する素子の面間に使用される。
【００６９】
電荷出力がコネクタ１１４（＋）及び１１４（−）に見られる。本明細書では、便宜上、これらコネクタのそれぞれを「上部電極」及び「下部電極」と呼称し得る。
【００７０】
圧電発電器
圧電セラミックの重要な用途分野は、機械的エネルギーから電気エネルギーへの変換であり、この章では、最大量のエネルギーを変換するために、圧電セラミック装置を使用すべき条件について説明する。
【００７１】
圧電セラミック円柱体は、電極ギャップを跨ぐスパークを発生させるほど十分に高い電圧を生成することができ、そのようなスパークを使用して、例えば、タバコのライター又はガスレンジの可燃性ガスを点火することができる。
【００７２】
さらに、図２から分かるように、圧電セラミックトランスデューサにより生成されるエネルギーの一部分をキャパシタに蓄え、回路への給電に使用することができる。
【００７３】
図２に示す生成装置及び貯蔵装置では、圧電トランスデューサにより生成された電荷は、キャパシタ等のエネルギー貯蔵装置に蓄えられる。ダイオードＤ１で概略的に示される整流器が、エネルギーがエネルギー利用負荷により利用されるまで、集められた電荷をキャパシタに保持する。
【００７４】
図２（ｉ）は単一のダイオード整流器を示し、図２（ｉｉ）は４つのダイオードブリッジからなる全波整流器を示す。
【００７５】
図２（ｉ）は、単一のダイオード整流器Ｄ１を使用するエネルギー回収システム２００（ｉ）を示す。図２ａ及び図２ｂの両方の圧電セラミックトランスデューサは、上部電極２１１及び下部電極２１２を有する単一の素子として現れるが、圧電セラミックトランスデューサは、図１ｂ（ｉｉ）に示されるような、又は好ましくは図１ｂ（ｉｉｉ）に示されるような複数素子構造であってもよい。
【００７６】
整流ダイオードＤ１は、負荷が上記トランスデューサからなくなると、キャパシタＣｐに蓄積された電荷がトランスデューサに戻るのを阻止する。したがって、キャパシタＣｐの電荷は、負荷出力２２０（ｉ）に接続された負荷により利用されるまで留まる。
【００７７】
図２（ｉｉ）は、４つのダイオードブリッジＦＲを含む全波整流器を使用するエネルギー回収システム２００（ｉｉ）を示す。
【００７８】
４つのダイオードを含む整流ブリッジＦＲは、圧電セラミックトランスデューサに加えられた圧縮力及び伸張力の両方により生成された電荷をキャパシタＣｐに向ける。整流ブリッジＦＲは、負荷が上記トランスデューサからなくなると、キャパシタＣｐに蓄積された電荷がトランスデューサに戻るのを阻止する。したがって、キャパシタＣｐの電荷は、負荷出力２２０（ｉｉ）に接続された負荷により利用されるまで留まるが、システム２００（ｉｉ）が生成電荷をよりよく利用し、それにより、より高いエネルギー効率を有することが明らかに分かる。
【００７９】
図３は、本発明の例示的な実施形態による圧電トランスデューサを概略的に示す。
【００８０】
図３（ｉ）は、上部電極３１０及び下部電極３１１を示す圧電トランスデューサ３００の等角投影図を示す。
【００８１】
図３（ｉｉ）に見られる断面図及び図３（ｉｉｉ）に見られる垂直断面図に概略的に示されるように、エポキシ又は他の結合樹脂３２１で結合された圧電ロッド３２０で作られた複合ディスク。例えば、結合材は熱可塑性ポリマー、ゴム、又は他の自然若しくは合成の弾性材料であり得る。
【００８２】
各ロッドは、図１ｂ（ｉ）、図１ｂ（ｉｉ）、又は図１ｂ（ｉｉｉ）に見られるように、単一構造複数の層で作ることができる。
【００８３】
好ましくは、すべてのロッドの電極は、図３（ｉｉｉ）に示すように、上部電極及び下部電極に並列接続される。
【００８４】
トランスデューサ及びロッドの円形、ロッドの位置、及びトランスデューサのアスペクト比が、例示のみのためであり、実際のパラメータが、利用可能なスペース、負荷等の要件を考慮して、用途に従って選択されるべきであることが当業者には明らかなはずである。
【００８５】
図４ａは、本発明の好ましい実施形態による四角形の圧電トランスデューサ４００を概略的に示す。
【００８６】
図に概略的に示されるように、エポキシ又は他の結合樹脂４２１により結合された圧電ロッド４２０で作られた複合ボックス。
【００８７】
ロッドは正方形の断面を有して示されるが、円柱形又は他の形状を使用してもよい。
【００８８】
高さ１４×１４ｃｍ２及び高さ２ｃｍという典型的な寸法のトランスデューサ４００が例として与えられる。本発明の実施形態では、それぞれがおおよそ４×４ｃｍ２及び高さ２ｃｍの寸法を有する２４×２４ロッド配列が使用される。簡単にするために、ロッドのうちの数個のみが図に示される。他の形状及び寸法を使用してもよい。ロッドの寸法、数、形状、及び配列構成は変更可能であり、主に製造コスト最小化及びエネルギー生成効率に関して最適化される。
【００８９】
好ましくは、活性圧電材料と結合充填剤との比率はおおよそ５０％である。しかし、より大きな又は小さな比率を使用してもよい。
【００９０】
通常、母材材料は圧電材料よりも軟らかい。
【００９１】
各ロッドは、単一構造又は複数の層で作ることができる。
【００９２】
好ましくは、すべてのロッドの電極は、上部電極及び下部電極に並列接続される（この図では見られない）。
【００９３】
試験装置では、活性圧電材料と結合充填剤との比率はおおよそ６４％である。しかし、より大きな又は小さな比率を使用してもよい。好ましくは、母材比率は３０％〜４０％である。
【００９４】
小型サイズの試験装置では、８×８配列（合計で６４個）の圧電積層が母材内に埋め込まれ、各層は４×４ｍｍであり、高さ２０ｍｍである。しかし、鉄道用途に使用される実際のトランスデューサは、好ましくは、線路−枕木接続部材に匹敵する寸法を有する。したがって、圧電層の数及びサイズは変更可能である。
【００９５】
通常、母材は圧電材料よりも軟らかい。
【００９６】
各ロッドは、当分野において既知のように複数の層で作ることができる。好ましくは、各ロッドは、図１ｂ（ｉｉｉ）に示すように、複数層の構造を有する。好ましくは、すべてのロッドの電極は、上部電極及び下部電極に並列接続される（この図では見られない）。
【００９７】
試験された装置では、各ＰＺＴロッドは高さ２０ｍｍである。通常、ポーリング電圧は１ｃｍ当たり５０，０００ボルトのオーダである。このポーリング技法を使用する場合、スパークを発生させ得る１００，０００ボルトが必要であり、非常に高い電圧源を必要とする。本発明の好ましい実施形態によれば、複数のロッドが並列接続され、オーブンに配置され、キュリー温度（セラミックが使用される場合、おおよそ摂氏３００度）近くの温度、又は好ましくはキュリー温度を超える温度まで加熱される。１０，０００〜１５，０００Ｖ／ｃｍ（合計で〜２０，０００〜３０，０００Ｖ）のみのポーリング電圧を使用した。好ましくは、ロッドをポーリング電圧下で室温まで冷却した。その後ロッドを、結合材を注ぐことによりトランスデューサ構造と一体化した。
【００９８】
図４ｂは、本発明の別の実施形態による細長形ＰＺＴトランスデューサを概略的に示す。
【００９９】
細長形ＰＺＴトランスデューサ４６０は、圧電材料の薄い条片４６２を備える。上部電極４６４及び下部電極４６６が、条片４６２の２つの対向する長面上に塗布される。
【０１００】
オプションとして、トランスデューサ４６０全体は保護カバー内に入れられる。この場合、上部電極及び下部電極に接続された電線が保護層から延びる。
【０１０１】
オプションとして、２つの長面のうちの一方のみが保護層で覆われる。
【０１０２】
好ましくは、トランスデューサ４６０は可撓性を有し、長面のうちの一方が接着される列車線路の形状に適合することができる。
【０１０３】
両長面が保護される場合、接着剤を保護層に塗布し得る。代替として、保護されていない長面が線路に接着される。
【０１０４】
いくつかの実施形態では、導電性接着剤を使用して、非保護電極の少なくともいくらかの部分を接着し、それにより、線路と上記非保護電極との間に電気接触を行う。これら実施形態では、線路は、複数のそのようなトランスデューサの共通導電体として使用される。
【０１０５】
両長面が保護される他の実施形態では、下部電極４６４又は下部電極４６６に接続されたワイヤが上記線路に電気的に接続される。これら実施形態では、線路は、複数のそのようなトランスデューサの共通導電体として使用される。
【０１０６】
圧電材料４６２は、トランスデューサ４６０が長手寸法に沿って伸張したか、又は圧縮された場合、電荷が生成され、上部電極４６４と下部電極４６６との間に見られるようにポーリングされる。
【０１０７】
図６、図７、及び図８に見られるように、細長形ＰＺＴトランスデューサ４６０と同様の細長形ＰＺＴトランスデューサが、鉄道線路の様々な場所に取り付けられる。したがって、細長形ＰＺＴトランスデューサ４６０の厳密な寸法は、トランスデューサ４６０が取り付けられる場所に依存する。一般に、最長で５０ｃｍの長さ、最大で２０ｃｍの幅、及び最大で数ｍｍの厚さの細長形ＰＺＴトランスデューサを生成することが慣例である。幅狭の条片が大きな圧電材料シートから切断されることもある。
【０１０８】
図５は、本発明の例示的な実施形態による、鉄道５０５に対して実施された電力を回収するシステム５００の上面図を概略的に示す。
【０１０９】
示される実施形態では、複数のエネルギー生成装置（全体的に５８０、５８２、５８５、及び５８６と記される）が、後続図に示されるように、線路５２０又は枕木５６０に取り付けられる。
【０１１０】
好ましくは、エネルギー生成器５８０、５８２、５８５、又は５８６は、図３、図４ａ、又は図４ｂに示すような圧電トランスデューサである。
【０１１１】
好ましい実施形態では、エネルギー生成装置は、一方の線路、好ましくは両方の線路５２０に関連する一定の間隔で位置決めされる。
【０１１２】
エネルギー生成装置に接続された電気ケーブル５０３を使用して、生成されたエネルギーをエネルギー管理ユニット５０１に伝え、オプションとして、数本のケーブル５０３をまとめて、上記エネルギー管理ユニット５０１に接続された１本の供給ケーブル５０２にする。それから調整されたエネルギーは、ケーブル５９３によりエネルギー利用システム５６５に転送される。オプションとして、システム５００はオプションのエネルギー貯蔵装置５５５をさらに備える。
【０１１３】
エネルギーは、エネルギー利用システム５６５により利用される。オプションとして、エネルギー利用システム５６５は、エネルギー管理ユニット５０１及びオプションのエネルギー貯蔵装置５５５の近傍に配置される。
【０１１４】
例えば、エネルギーを夜間の駅の照明に使用し得る。この場合、日中に生成され蓄えられたエネルギーを、車両の往来が少なすぎて完全な電力要件を提供できないことがある、続く夜間に使用し得る。
【０１１５】
特に、主幹電力網から電力線を使用して電力を提供するコストが高い可能性がある、遠隔であり人があまりいない場所及び交差点にある信号灯及び鉄道傍のサインに給電することもできる。他の用途は、緊急通信ユニット、モバイル通信基地局、及び線路側広告への給電であり得る。
【０１１６】
電気車両が普及するにつれて、道路側バッテリ充電ステーションに対する必要性が増しつつある。通過する車両から回収された電力を使用し得る。
【０１１７】
生成されたエネルギーを再び列車に給電し、それにより、電力費用を低減し、効率を増大させることもできる。特に、回収されたエネルギーを遠くまで伝える必要がなく、そのエネルギーを生成した列車と同じ列車への給電に使用することもできる。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、生成されたすべての電力又は局所的な電力需要が満たされた後に残った余剰電力は、電気会社により支払われる料金のために、オプションの接続５７５を使用して主幹電力網に送電される。これら実施形態では、エネルギー管理ユニットは、生成された電力を、高電圧電力線で使用される高電圧に変換し得る。これら実施形態では、オプションの主幹電力網接続５０７を、往来が少ない場合に局所的に使用するバックアップ電源として使用し得る。
【０１１９】
一実施形態では、各ケーブル５０３は２つの導電体で作られ、すべてのエネルギー生成装置は並列接続される。代替として、エネルギー生成装置は直列接続される。並列接続と直列接続との組み合わせも可能である。
【０１２０】
いくつかの実施形態では、線路５２０は、導電体のうちの一方として使用される。そういった場合、供給ケーブル５０２は線路５２０に接続された導電体を備える。
【０１２１】
いくつかの実施形態では、電気整流が各エネルギー生成装置において、又はエネルギー生成装置群において行われ、整流された電気信号がケーブルにより伝搬される。
【０１２２】
エネルギー管理ユニット５０１は、生成された電気信号を有用な形態に変換するために必要な電圧の変換及び調整を含み得る。
【０１２３】
例えば、エネルギー管理ユニット５０１は、生成され整流された信号を、通所の家庭主幹電力網により給電されるように設計された装置に給電可能なＡＣ電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器を備え得る。
【０１２４】
好ましい実施形態では、エネルギー管理ユニット５０１は、線路の中央に位置決めされ、線路の一区画、例えば線路の１ｋｍ分にサービス提供する。エネルギー生成装置とエネルギー管理ユニットとの距離の最適化が、ケーブル敷設のコスト、装置のコスト、ケーブル内のエネルギー損失等に依存することを理解されたい。
【０１２５】
好ましくは、示される電力回収システムは、電力をさらに回収するために、線路に沿って繰り返される。
【０１２６】
この図に示される一方のトラック線路への実施例が、例示及び簡易化のみを目的としたものであることに留意されたい。システムは、単一又は複数レーントラックの線路に使用することができる。
【０１２７】
図６は、本発明の例示的な実施形態によるエネルギーを回収するシステム５００の実施態様の側面図を概略的に示す。
【０１２８】
図６に示される側面図は、砂利５７０上に置かれた枕木５６０を蒔く。
【０１２９】
薄い弾性（ゴム）層５４０が、好ましくは、枕木５６０とマウント５５０との間に配置される。ネジ５２３及びナット５２５により下に押されるワッシャ５２７が、レール５２０をマウント５５０及び枕木５６０に対して保持する。
【０１３０】
この側面図では、図４ｂに示すような細長形圧電トランスデューサに可能な数カ所の場所の位置が示される。
【０１３１】
オプションとして、細長形圧電トランスデューサ５８４は、線路５２０の下面に接着又は取り付けられる。この場合、トランスデューサ５８４は、隣り合う枕木５６０の間隙内に収まるほど十分に短い。
【０１３２】
オプションとして、細長形圧電セラミックトランスデューサ５８６ａ及び５８６ｂ（一方のみのトランスデューサ５８６ａがこの図に見られる）は、線路５２０の土台の右面及び左面のそれぞれに接着又は取り付けられる。この場合、トランスデューサ５８６は、隣り合う枕木５６０の間隙内に収まるほど十分に短い。代替として、細長形圧電セラミックトランスデューサ５８６ａ及び５８６ｂのうちの一方のみが使用される。
【０１３３】
オプションとして、細長形ＰＺＴトランスデューサ５８０ａ及び５８０ｂ（一方のみのトランスデューサ５８０ａがこの図に見られる）は、線路５２０のクラウンの右面及び左面のそれぞれに接着又は取り付けられる。この場合、トランスデューサ５８０は、隣り合う枕木５６０の間隙よりも長くてもよい。代替として、細長形トランスデューサ５８０ａ及び５８０ｂのうちの一方のみが使用される。
【０１３４】
破線Ａ１及びＡ２は、図７及び図８のそれぞれに見られる断面の位置を示す。
【０１３５】
図７は、本発明の実施形態によるエネルギー回収システムの実施態様の線Ａ１に沿った断面を概略的に示す。
【０１３６】
この断面では、圧電セラミックトランスデューサ５８２は、枕木５６０内の溝内に配置されて見える。好ましくは、圧電セラミックトランスデューサ５８２は、図３及び図４ａに示す種類のものである。
【０１３７】
列車が線路５２０に沿って横断すると、列車の重量により生じた応力が、線路５２０、マウント５５０、及び弾性層５４０を経由して伝えられ、圧電セラミックトランスデューサ５８２を押して、上記トランスデューサに電荷を生成させる。
【０１３８】
線路クラウンの土台での細長形トランスデューサ５８０ａ及び５８０ｂのオプションの位置もこの図に示される。
【０１３９】
例示的な実施形態、本発明では、細長形トランスデューサ５８０ａ及び５８０ｂの幅はおおよそ１．５ｃｍであり、線路のクラウンの下の比較的平坦な部分内に収まる。例示的な実施形態、本発明では、細長形トランスデューサ５８０ａ及び５８０ｂの長さは、経済的に製造可能なトランスデューサの最大長によって決まる。細長形トランスデューサ５８０ａ及び５８０ｂの長さは、枕木の間隙より長くてもよい。オプションとして、線路は、複数のトランスデューサ５８０ａ及び５８０ｂの共通電極又は共通導電体として使用される。
【０１４０】
列車が細長形トランスデューサ５８０ａ及び５８０ｂを横断すると、線路は、列車の重みで変形して下に撓み、トランスデューサ５８０ａ及び５８０ｂを伸張させ、それにより、上記トランスデューサ内で電荷を生成させる。
【０１４１】
図８は、本発明の実施形態によるエネルギー回収システムの実施形態の、枕木の間隙を横断する線Ａ２に沿った別の断面を概略的に示す。
【０１４２】
オプションとして、細長形圧電セラミックトランスデューサ５８４は、線路５２０の下面に接着又は取り付けられる。この場合、トランスデューサ５８４は、隣り合う枕木の間隙内に収まるほど短い。
【０１４３】
オプションとして、細長形圧電セラミックランスデューサ５８６ａ及び５８６ｂは、線路５２０の土台の右面及び左面のそれぞれに接着又は取り付けられる。この場合、トランスデューサ５８６は、隣り合う枕木５６０の間隙内に収まるほど短い。代替として、細長形圧電セラミックランスデューサ５８６ａ及び５８６ｂのうちの一方のみが使用される。
【０１４４】
例示的な実施形態、本発明では、細長形トランスデューサ５８４の幅はおおよそ１４ｃｍであり、線路の底にある比較的平坦な部分に収まる。例示的な実施形態、本発明では、細長形トランスデューサ５８４の長さは、おおよそ３０ｃｍの枕木の自由間隔によって決まる。
【０１４５】
図８は、図７においてすでに見られる細長形トランスデューサ５８０ａ及び５８０ｂも示す。
【０１４６】
オプションとして、細長形圧電セラミックトランスデューサ５８６ａ及び５８６ｂは、線路５６０の右面及び左面のそれぞれに接着又は取り付けられる。この場合、トランスデューサ５８６は、好ましくは、隣り合う枕木の間隙よりも短い。代替として、細長形圧電セラミックトランスデューサ５８６ａ及び５８６ｂのうちの一方のみが使用される。
【０１４７】
例示的な実施形態、本発明では、細長形トランスデューサ５８６の幅はおおよそ５ｃｍであり、線路の土台の上側にある比較的平坦な部分内に収まる。例示的な実施形態、本発明では、細長形トランスデューサ５８６の長さは、おおよそ３０ｃｍの枕木の自由間隔によって決まる。
【０１４８】
列車が細長形トランスデューサを横断すると、線路は列車の重みで変形して下に撓み、トランスデューサ５８０ａ、５８０ｂ、及び５８４を伸張させると共に、５８６ａ、５８６ｂを収縮させ、それにより、上記トランスデューサ内に電荷を生成させる。
【０１４９】
列車の走行による伸張・応力の伸びのみならず、通過する列車によって生じる雑音及び振動による伸張・応力の伸び、並びに温度変動によって生じる引っ張り及び応力並びに付近のトラックを走行中の列車によって生じる振動によっても、エネルギーを生成し得ることに留意されたい。
【０１５０】
明確にするために、別個の実施形態の文脈の中で説明した本発明の特定の特徴を、単一委の実施形態において組み合わせて提供してもよいことが分かる。逆に、簡略にするために、単一の実施形態の文脈の中で説明した本発明の様々な特徴を、別個に、又は任意の適した下位組み合わせで提供してもよい。
【０１５１】
本発明を特定の実施形態と併せて説明したが、多くの代替、変更、及び変形が当業者に明らなことが明らかである。したがって、添付の特許請求の主旨及び広い範囲内にあるそのようなすべての代替、変更、及び変形を包含することが意図される。本明細書において参照されたすべての出版物、特許、及び特許出願は、まるで個々の各出版物、特許、及び特許出願が特に個々に参照により本明細書に援用されるかのような程度まで、参照により本明細書に援用される。さらに、本願でのいかなる参照の引用又は識別も、そのような参照が本発明に対する従来技術として利用可能なことを認めるものとして解釈されるべきではない。
【図１ａ】
2011511618.tif 000009
【図１ｂ】
2011511618.tif 000010
【図２】
2011511618.tif 000011
【図３】
2011511618.tif 000012
【図４ａ】
2011511618.tif 000013
【図４ｂ】
2011511618.tif 000014
【図５】
2011511618.tif 000015
【図６】
2011511618.tif 000016
【図７】
2011511618.tif 000017
【図８】
2011511618.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月6日(2010.10.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を生成可能な複数の圧電装置、
電力調整ユニット、及び
前記複数の圧電装置を前記電力調整ユニットに接続する導電体
を特徴とし、
前記複数の圧電装置が、前記鉄道線路に取り付けられた細長形圧電ロッドである、鉄道トラックから電力を回収するシステム。
【請求項２】
前記複数の圧電装置は、前記鉄道トラックの底、前記鉄道トラックの土台の両側、鉄道線路のクラウンの土台の両側、前記鉄道トラックの枕木から選択される群のうちの１つ又は複数に取り付けられる、請求項１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項３】
前記導電体のうちの少なくとも１つは鉄道線路であり、前記鉄道線路は、回収された電力を伝送するために使用される、請求項１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項４】
前記圧電ロッドは母材内に埋め込まれ、前記母材は結合材を含む、請求項１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項５】
前記結合材は、エポキシ樹脂、熱可塑性ポリマー、ゴム、自然の弾性材料、及び合成の弾性材料等の結合材群から選択される、請求項４に記載の電力を回収するシステム。
【請求項６】
前記複数の圧電ロッドは、通過中の列車が前記複数の圧電ロッドの長手軸に沿って圧縮応力を生成するように、前記複数の圧電装置内に位置決めされる、請求項１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項７】
前記複数の圧電ロッドは複数層圧電積層を備える、請求項１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項８】
前記電力調整ユニットは、蓄電ユニット又は電気車両のバッテリを充電するバッテリ充電ステーションにさらに接続される、請求項１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項９】
前記複数の圧電装置は、前記複数の圧電装置の用途要件に従って選択される少なくとも１つの設計パラメータを有する、請求項１に記載の電力を回収するシステム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの設計パラメータは、ロッドの数、ロッドの長さ、ロッドの形状、ロッドの断面、ロッドのアスペクト比、ロッドの位置、圧電積層内のロッドの層数、及びロッドの密度等のパラメータ群から選択される、請求項９に記載の電力を回収するシステム。
【請求項１１】
前記用途要件は負荷を含む、請求項９に記載の電力を回収するシステム。
【請求項１２】
電力を生成可能な複数の圧電装置を鉄道線路に取り付けることであって、前記複数の圧電装置は細長形圧電ロッドである、取り付けること、
導電体より電力調整ユニットを前記複数の圧電装置に接続すること
を特徴とする、鉄道トラックからエネルギーを回収する方法。
【請求項１３】
前記複数の圧電装置を取り付けることは、前記複数の圧電装置を前記鉄道トラックの底、前記鉄道トラックの両側、鉄道線路のクラウンの土台の両側の群のうちの少なくとも１つに接続することを含む、請求項１２に記載の電力を回収する方法。
【請求項１４】
前記鉄道トラックの線路を通して回収された電力を伝送することをさらに含む、請求項１２に記載の電力を回収する方法。
【請求項１５】
前記鉄道トラックは枕木を有しており、前記複数の圧電装置を取り付けることは、前記複数の圧電装置のうちの少なくともいくつかを前記枕木の溝に取り付けることを含む、請求項１２に記載の電力を回収する方法。
【国際調査報告】
2011511618.tif 000019
2011511618.tif 000020