(57)【要約】【課題】機械的エネルギを電気的エネルギに変換する最適化された装置を提供する。【解決手段】本発明は、振動の機械的エネルギを電気的エネルギに変換する装置に関し、可動質量体（６）と、支持体（５）と、支持体（５）と可動質量体（６）とにそれぞれ埋め込まれている端部（２０１、２０２）を有し、第１伸び剛性である第１梁（２００）と、圧電材料から形成され、支持体（５）および可動質量体（６）が連結され、第１伸び剛性よりも小さい第２伸び剛性である第２梁（１００）と、第１梁（２００）と第２梁（１００）との間に延在する第１連結要素（４００）とを備え、第１梁（２００）、第２梁（１００）および第１連結要素（４００）を有する組立体の曲げ剛性が、第２梁（１００）の無い同じ組立体の曲げ剛性の少なくとも２倍である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
−可動質量体（６）と、
−支持体（５）と、
−前記支持体（５）と前記可動質量体（６）との間を長手方向に延在し、前記支持体（５）と前記可動質量体（６）とにそれぞれ埋め込まれる端部（２０１、２０２）を有し、前記長手方向における第１伸び剛性である第１梁（２００）とを備え、
さらに、
−前記支持体（５）と前記可動質量体（６）との間の長手方向に延在する圧電材料から形成され、前記支持体（５）および前記可動質量体（６）が連結され、前記第１伸び剛性よりも小さい前記長手方向の第２伸び剛性である第２梁（１００）と、
−前記第１梁（２００）と第２梁（１００）との間に延在し、前記第１梁（２００）と第２梁（１００）との間に空間を維持する第１連結要素（４００）とを備え、
前記第１梁（２００）、第２梁（１００）、および前記第１連結要素（４００）を有する組立体の曲げ剛性が、前記第２梁（１００）が無い同じ組立体の曲げ剛性の少なくとも２倍であることを特徴とする振動の機械的エネルギを電気的エネルギに変換するエネルギ変換装置（１）。
【請求項２】
前記第１連結要素（４００）は、前記第１梁（２００）と前記第２梁（１００）との間に延在する一連の突出部（４０１）を有し、前記突出部（４０１）は、前記第１梁（２００）と一体に形成され、中空部（４０２）によって分離されていることを特徴とする請求項１記載のエネルギ変換装置。
【請求項３】
前記第１連結要素（４００）は、前記第１梁（２００）を前記第２梁（１００）に接合する材料の層を有し、伸び剛性は、前記第２伸び剛性よりも小さいことを特徴とする請求項１記載のエネルギ変換装置。
【請求項４】
前記第１梁（２００）および前記第２梁（１００）は、前記可動質量体（６）の内部に収束する方向に、実質上直線的に延在していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のエネルギ変換装置。
【請求項５】
前記第２梁（１００）は、前記第１梁（２００）に対して２°〜４°の角度をなしていることを特徴とする請求項４記載のエネルギ変換装置。
【請求項６】
前記可動質量（６）は、前記第１梁（２００）および前記第２梁（１００）により、前記支持体（５）の中空部に吊り下げて保持されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のエネルギ変換装置。
【請求項７】
前記第２梁（１００）は、反対の圧電極に２つの接続端子を有し、前記エネルギ変換装置は、さらに、２つの前記接続端子間に接続される電気回路（９３）を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のエネルギ変換装置。
【請求項８】
前記電気回路（９３）は、電気的減衰が、前記可動質量体（６）、前記第１梁（２００）、前記第２梁（１００）、および前記第１連結要素を含む構造の機械的減衰と実質上等しいことを特徴とする請求項７記載のエネルギ変換装置。
【請求項９】
前記電気回路（９３）は、可変インピーダンスを有し、前記エネルギ変換装置は、さらに、前記電気回路（９３）の前記可変インピーダンスを変更可能な制御回路（９４）を有することを特徴とする請求項７または８記載のエネルギ変換装置。
【請求項１０】
前記電気回路（９３）は、その端子の電圧を調整可能であり、前記エネルギ変換装置は、さらに、前記電気回路（９３）の前記端子の電圧を変更可能な制御回路（９４）を有することを特徴とする請求項７または８記載のエネルギ変換装置。
【請求項１１】
前記第２梁（１００）の圧電材料は、前記第２梁（１００）の長手方向に沿って分極されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載のエネルギ変換装置。
【請求項１２】
前記第２梁（１００）は、互いに装着されて連続する圧電要素を有し、２つの連続する圧電要素は、反対の分極の値であることを特徴とする請求項１１記載のエネルギ変換装置。
【請求項１３】
さらに、
−前記支持体（５）と前記可動質量体（６）との間の長手方向に延在する圧電材料から形成され、前記支持体（５）と前記可動質量体（６）とにそれぞれ埋め込まれる端部（３０１、３０２）を有し、前記第１伸び剛性よりも小さい前記長手方向に沿った第３伸び剛性である第３梁（３００）と、
−前記第１梁（２００）と前記第３梁（３００）との間に延在し、前記第１梁（２００）と前記第３梁（３００）との間に空間を維持する第２連結要素（８００）とを備え、
前記第１梁（２００）、第２梁（１００）、第３梁（３００）、第１連結要素（４００）および第２連結要素（８００）を有する組立体の曲げ剛性が、前記第２梁（１００）を備えていない同じ組立体の曲げ剛性の少なくとも２倍であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項記載のエネルギ変換装置。
【請求項１４】
前記エネルギ変換装置は、前記第１梁（２００）、第２梁（１００）および第３梁（３００）を有し、前記第１連結要素（４００）、第２連結要素（８００）、および前記可動質量体（６）は、長手方向の対称面を有し、前記第２梁（１００）は、前記対称面に対して、前記第３梁（３００）と対称であることを特徴とする請求項１３記載のエネルギ変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的エネルギを電気的エネルギに変換する装置、特に、振動に基いて電気的エネルギを生成する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある環境、例えば、厳しい環境や動いている機械では、電気回路に電源ケーブルを接続することが困難な場合がある。この問題を解決するために、振動エネルギを電気的エネルギに変換するマイクロ機械装置が知られている。この装置は、一般に、機械や車両等の振動する支持体に装着されるマイクロシステムを構成している。支持体の機械的振動を増幅し、増幅された動作を電気に変換する共振システムを利用する技術は知られている。従って、電気回路には、ケーブルを使用することなく、外部から電力を供給することができる。
【０００３】
機械的振動エネルギを電気的エネルギに変換する公知の原理の１つは、圧電素子を有する梁の振動励起に基づくものである。一般に、このような梁は、第１の端部が振動支持体に埋め込まれたコアを備えている。コアの第２の端部には、可動質量が固定されている。ひとつの圧電素子が、コアの上面に固定され、別の圧電素子が、コアの下面に固定されている。電気回路は、電気的に直列または並列に配置されている圧電素子の端子に接続されている。一般に、コアは、スチールまたはシリコン等の非常に高いＱ値（quality factor）を有する硬い材料をもって形成されている。圧電素子は、可動質量によって伝達される機械的エネルギを電気的エネルギに変換することを目的としている。
【０００４】
支持体と可動質量とが相対的に動作する間、可動質量の加速力は、梁に沿う曲げモーメントを誘起する。この曲げモーメントは、梁の長手方向において一定ではない（この場合、曲げモーメントは、可動質量における埋め込み位置において、より大きくなる。）。断面が長手方向において一定であるコアでは、コアの上面及び下面の機械的応力と圧電素子の内部の機械的応力とは、長手方向に均一ではなく、この応力は、埋め込み位置に集中する。同様に、コアの厚さ方向の機械的応力も均一ではない。中心線すなわち中立軸からの距離が大きくなればなるほど、機械的応力は大きくなる。従って、多層コアの場合、振動支持体からコアに向かって伝達される機械的エネルギは、層間に不均一に分布される。
【０００５】
圧電素子の使用は、これらの素子を消極する機械的応力を越えない最大レベルによって制限される。従って、これらの圧電素子の長手方向に沿った応力が不均一であることは、それらの長手方向の大半の部分に沿って受ける応力が小さい場合であっても、いかなる点でも応力が所定のレベルを超えないように、素子を過剰に大きくしなければならないことを意味する。従って、より小さい応力を受ける圧電素子の領域（例えば、可動質量との連結部）は、大きくなり過ぎる。変形があると、より小さな応力が加えられる領域は、より大きな応力が加えられる領域に発生した電荷を蓄積する寄生容量を形成する。従って、圧電素子から電気回路に伝達される電気的エネルギの量は減少する。
【０００６】
さらに圧電素子は、梁が曲がる間、張力、および／または圧縮力が圧電素子に加えられる方向に対応して、梁の長手方向に使用される。このとき、生成された電荷は、圧電性物質の長手方向両端部に位置する電極（長手方向における圧電性物質の分極）、または、圧電性物質の上面および下面に配置された電極（横断方向における圧電性物質の分極）のいずれか一方で収集される。梁の長さは無視できないため、圧電素子は、エッジ部での電気アークの発生を防止するために、または、消極する応力レベルになることを回避するために、端部間／電極間を横切る過剰電圧の発生を防止する適切な大きさとしなければならない。最大の電荷量が発生する圧電素子の領域は、埋め込み位置のすぐ近くの最大の機械的応力を支持する領域である。従って、ある変換装置では、埋め込み位置にのみ圧電素子を配置することを提案している。
【０００７】
梁の長手方向における圧電素子の応力を均一にするため、ゴールドシュミットボーイング、ミューラ、およびオイアスにより記述された論文「圧電ポリマ複合技術における共振収集装置の最適化」、PowerMEMS Proceedings出版、４９−５１頁、２００７年１１月２８、２９日（非特許文献１）は、シリコンコアと、コアの上面に装着されたＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から形成される圧電素子とを備える梁型エネルギ変換装置について記載している。シリコンコアおよび圧電素子は、一定の厚さを有する一方、可動質量に固定された端部と、振動支持体に固定された端部との間で、幅が増大する。従って、圧電素子の応力は、梁の長手方向において均一である。
【０００８】
なお、共振システムの機械的共振周波数は、圧電素子の分極を制御することにより変更することができる。従って、圧電素子の弾性率（すなわちヤング率）は、圧縮力／張力である剛性、すなわち、梁の曲げ剛性を変更することにより、動的に変更することができるため、共振システムの機械的共振に影響を与える。従って、システムの機械的共振周波数は、自動制御によって設定することができる。このような自動制御は、振動エネルギが取り出されるシステムが可変振動周波数を有する場合に必要とされることがある。このようなシステムの一例としては、エンジンの回転速度、または車輪の回転速度が大きく変化する自動車がある。
【０００９】
前記の例に適用される共振周波数の整合性には、いくつかの問題がある。梁のコアは、変換装置の機械的減衰を減少させるため、Ｑ値の高い材料から形成されるが、一般に、これらの材料（シリコン、スチール）は、圧電素子に蓄積されるエネルギの損失のため、基板に蓄積される機械的エネルギが増加する大きな弾性率を有する。従って、梁の電気機械的結合が減少し、その結果、圧電素子の電気分極、またはそれに接続される電気負荷の変更によるその構造の共振周波数の変更能力が低下する。また、コアは、圧電素子の最適な電圧の生成にとって不利である本質的な剪断応力に基づく梁の変形を防止するために、圧電素子よりも厚くすると有利である。従って、コアは、圧電素子よりも厚く、かつ、弾性率が大きい。そのため、梁の曲げ剛性は、コアの曲げ剛性によって本質的に規定される。圧電素子の弾性率は、約２０％しか変化できないため、圧電素子の分極を制御することで得られる梁の全体の曲げ剛性の変化は、比較的小さい。そのため、変換装置の機械的共振周波数は、限られた範囲でのみ制御することができる。従って、梁の機械的減衰と、共振周波数の範囲の幅との間での妥協が必要となる。
【００１０】
欧州特許第2109217号（引用文献１）は、調整可能な振動エネルギ収集装置を開示している。このエネルギ収集装置は、梁を備えている。梁は、本体部と、少なくとも１つのフラップと、フラップの形状を変更する少なくとも１つの手段とを備えている。フラップは、本体部の長手方向の側面に物理的に装着される。フラップの形状は、構造の剛性を変更するために変更される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】欧州特許第2109217号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】ゴールドシュミットボーイング、ミューラ、オイアスにより起案された論文「圧電ポリマ複合技術における共振収集装置の最適化」PowerMEMS Proceedings出版、４９−５１頁、２００７年１１月２８、２９日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、これらの欠点の１つ以上を解決することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、振動の機械的エネルギを電気的エネルギに変換する装置に関し、
−可動質量と、
−支持体と、
−前記支持体と前記可動質量との間の長手方向に延び、前記支持体と前記可動質量とにそれぞれ埋め込まれている端部を有し、前記長手方向における第１伸び剛性である第１梁とを備えている。
【００１５】
さらに、本発明の装置は、
−前記支持体と前記可動質量との間で長手方向に延在する圧電材料からなり、前記支持体および前記可動質量が連結され、前記第１の伸び剛性よりも小さい前記長手方向の第２の伸び剛性を有する第２梁と、
−前記第１梁と第２梁との間に延在し、前記第１梁と第２梁との間に空間を維持する第１連結要素とを備え、前記第１梁、第２梁および第１連結要素を有する組立体の曲げ剛性が、前記第２梁を有しない同じ組立体の曲げ剛性の少なくとも２倍である。
【００１６】
一変形例によれば、前記第１連結要素は、前記第１梁と第２梁との間に延在する一連の突出部を有し、これらの突出部は、前記第１梁と一体に形成され、かつ中空部によって分離されている。
【００１７】
他の変形例によれば、前記第１連結要素は、前記第１梁を前記第２梁に接合する材料からなる層を有し、その伸び剛性は、第２伸び剛性よりも小さい。
【００１８】
さらに他の変形例によれば、前記第１梁および第２梁は、前記可動質量の内部に収束する方向に、実質上直線的に延在している。
【００１９】
さらに他の変形例によれば、前記第２梁は、第１梁に対して、２°〜４°の角度をなしている。
【００２０】
一変形例によれば、前記可動質量は、前記第１梁および第２梁により、前記支持体の中空部に吊り下げて保持されている。
【００２１】
他の変形例によれば、前記第２梁は、反対の圧電極に２つの接続端子を有し、前記エネルギ変換装置は、さらに、２つの前記接続端子間に接続されている電気回路を有している。
【００２２】
さらに他の変形例によれば、前記電気回路は、電気的減衰が、前記可動質量、第１梁、第２梁および第１連結要素を含む構造体の機械的減衰と実質的に等しい。
【００２３】
さらに他の変形例によれば、前記電気回路は、可変インピーダンスを有し、かつこのエネルギ変換装置は、さらに、前記電気回路の可変インピーダンスを変更しうる制御回路を備えている。
【００２４】
一変形例によれば、前記電気回路は、その端子の電圧を調整可能であり、さらに前記エネルギ変換装置は、前記電気回路の端子の電圧を変更しうる制御回路を有している。
【００２５】
他の変形例によれば、前記第２梁の圧電材料は、第２梁の長手方向に沿って分極されている。
【００２６】
さらに他の変形例によれば、前記第２梁は、互いに装着されて連続する圧電要素を有し、２つの連続する圧電要素は、反対の分極の値である。
【００２７】
さらに他の変形例によれば、
−前記支持体と可動質量との間の長手方向に延在する圧電材料から形成され、前記支持体と可動質量とにそれぞれ埋め込まれる端部を有し、前記第１伸び剛性よりも小さい長手方向における第３伸び剛性である第３梁と、
−前記第１梁と前記第３梁との間に延在し、前記第１梁と第３梁との間に空間を保持する第２連結要素とを備え、
前記第１梁、第２梁、第３梁、第１連結要素および第２連結要素を有する組立体の曲げ剛性は、前記第２梁を有しない同じ組立体の曲げ剛性の少なくとも２倍である。
【００２８】
さらに他の変形例によれば、前記装置は、前記第１梁、第２梁および第３梁を有し、前記第１連結要素、第２連結要素、および前記可動質量は、長手方向の対称面を有し、前記第２梁は、前記対称面に対して、第３梁と対称である。
【００２９】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して行う以下の説明から明らかになると思う。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る振動の機械的エネルギを変換する装置の第１実施形態を示す略縦断正面図である。
【図２】図１の装置の平面図である。
【図３】励振により誘発されて動作中における図１の装置の可動質量体の略図である。
【図４】本発明に係る振動の機械的エネルギを変換する装置の第２実施形態を示す略平面図である。
【図５】図４の実施形態の変形例を示す略縦断面図である。
【図６】図４の実施形態の変形例を示す略縦断面図である。
【図７】図４の実施形態の変形例を示す略縦断面図である。
【図８】本発明に係る振動の機械的エネルギを変換する装置の第３実施形態を示す略縦断面図である。
【図９】電気回路との接続を示す図８の振動の機械的エネルギを変換する装置の拡大図である。
【図１０】圧電梁の最適傾斜角度を決定するための振動の機械的エネルギを変換する装置のモデルの概略図である。
【図１１】応力が測定される長手方向の位置に応じた図１０のモデルの圧電梁の引張／圧縮応力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は、機械的振動エネルギを電気的エネルギに変換する変換装置１の第１実施形態の略縦断正面図である。図２は、この同じ装置の平面図である。変換装置１は、機械的振動エネルギを生成するためのシステムに連結固定されるようになっている支持体５を備えている。また、変換装置１は、支持体５に形成されている中空部５１に収容される可動質量体６を備えている。第１梁２００が、支持体５と可動質量体６との間において、長手方向（図示の基準座標のｘ軸方向）に延在している。第１梁２００は、長手方向の２つの端部２０１、２０２を有する。端部２０１、２０２は、支持体５および可動質量体６にそれぞれ埋め込まれている。第２梁１００は、支持体５と可動質量体６との間で長手方向に延在している。第２梁１００は、長手方向の２つの端部１０１、１０２を有する。端部１０１、１０２は、支持体５および可動質量体６にそれぞれ埋め込まれている。第２梁１００は、圧電材料から形成されている。圧電材料は、長手方向に分極されている。従って、長手方向の引張力または圧縮力が加わると、その端部１０１、１０２間に電圧が発生する。端部１０２は、電気配線９５により、電力が供給される回路、および共振周波数制御回路（図示せず）に接続されている。端部１０１は、高いＱ値の剛体材料から形成されている支持体５によって、前記電力が供給される回路、および前記共振周波数制御回路の主要部に接続されている。支持体５は、半導体基板で形成することができる。長手方向とは、梁１００、２００が固定される支持体５の表面５２と直交する方向のことである。
【００３２】
連結要素４００が、梁１００、２００間に配置されている。梁１００、２００と連結要素４００とが結合して、梁７が形成されている。連結要素４００は、点線および鎖線が付されている梁１００、２００間における容積に対応している。連結要素４００は、梁１００、２００間に延在している。連結要素４００は、サンドイッチ構造の原理に従い、第１梁２００と第２梁１００との間に空間を確保するようになっている。
【００３３】
連結要素４００は、ｙ軸の回りの梁７の曲げ剛性が、第２梁１００の無い場合の梁７の曲げ剛性の少なくとも２倍となるように構成されている。従って、第２梁１００は、梁７の曲げ剛性に対して優位な影響を与える。１つの軸に対する梁の「剛性」または「曲げ剛性率」とは、梁の弾性率と、この軸に対する慣性モーメントとを乗算した積として定義される。２つの梁の相対的な曲げ剛性は、これらの梁の自由端（可動質量体に固定される端部）に同じ負荷を加え、各梁の曲げを比較して測定することができる。
【００３４】
図示の例では、連結要素４００には、ｚ方向に延在する突出部４０１および中空部４０２が交互に形成されている。突出部４０１は、第１梁２００と一体に形成されている。第２梁１００は、例えば接着により突出部４０１の端部に固定されている。突出部４０１間に中空部４０２が存在するため、第１梁２００と同じ材料を使用しても、曲げ剛性の小さい連結要素４００とすることができる。
【００３５】
可動質量体６は、梁１００、２００により、支持体５に形成された中空部５１に吊り下げて保持されている。梁１００、２００および連結要素４００は、ｚ方向における可動質量体６と支持体５との間の相対動作の結果、ｙ方向の軸の回りに曲がるようになっている。
【００３６】
サンドイッチ構造の原理により、梁１００、２００間の空間を維持する連結要素４００には、せん断力が付与され、梁２００、１００に基本的に引張／圧縮力を付与させることができる。より小さい曲げ剛性の連結要素４００が、梁１００、２００間にあるため、装置１の梁７の全体の曲げ剛性における第２梁１００の弾性率の効果が増大している。従って、第２梁１００の弾性率を動的に変化させる場合、変換装置１の機械的共振周波数の変動範囲を増加させることが可能である。従って、広い変動範囲を保証して比較的共通の圧電材料を使用することができる。なお、第２梁１００の引張／圧縮応力は、同じ力に対して増加する。そのため、支持体５に与えられた振動のエネルギの収集は最適化されている。梁７の剛性における第２梁１００の効果をさらに増加させるため、連結要素４００は、梁１００、２００によって占有される容積と少なくとも等しい容積であると有利である。
【００３７】
第１梁２００の剛性は、長手方向の軸に沿った第２梁１００の伸びに対する剛性より大きい。従って、第１梁２００は、形成される機械振動子として高いＱ値を保証する。第１梁２００の伸びに対する剛性は、特に、シリコンやスチール等の高い弾性率の材料を使用することにより得られる。第２梁１００の伸びに対する剛性は、特に、ＰＺＴやＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）のような、第１梁２００よりも小さい弾性率の材料を使用することにより得られる。
【００３８】
梁１００、２００は、プレートの形状とすることができる。これらのプレートは、例えば、厚さを１０〜２５０μｍ、長さを５〜５０ｍｍとすることができる。
【００３９】
梁１００、２００および連結要素４００により形成される梁７の剛性は、ｙ軸の回りの曲げ剛性よりも、ｚ軸の回りの曲げ剛性がかなり大きいと有利である。
【００４０】
梁１００、２００は、実質的には、直線または平面であり、可動質量体６の内部に収束する方向に沿って延在していると有利である。梁１００、２００は、可動質量体６の重心に収束する方向に延在していると有利である。
【００４１】
可動質量体６は、梁１００、２００および連結要素４００により形成される梁７よりもかなり重いと有利である。これにより、機械的共振周波数は、制限された容積で、より容易に固定させることができ、かつ質量体の本質的な部分の動作が最大となり、関連する運動エネルギ、すなわち、収集される電力を増加させることができる。
【００４２】
支持体５、可動質量体６、第１梁２００および連結要素の突出部４０１は、例えば、シリコン基板の中に一体に形成すると有利である。このような構造は、本発明に係る変換装置のために適切な弾性率の値を得ることが可能な場合において、シリコンを形成するための先行技術から容易に得ることができる。
【００４３】
梁１００は、梁２００に対して傾斜し、かつ、表面５２と直交する方向に対して傾斜していると有利である。以下の例のように、第２梁１００を適度に傾斜させることにより、梁７の曲げは、第２梁１００に実質的に均一な引張／圧縮応力を生じさせる。従って、梁の慣性モーメントは、可動質量体６からの距離が増加する限りにおいて増加する。第２梁１００の長手方向の応力の均一な分布により、この梁の大きさを最適化する利益を得ることが可能となり、また、寄生容量を形成する応力のより小さい領域が存在しないために、変形の間に収集されるエネルギと、梁７における第２梁１００の剛性の効果との両方を最適化することが可能となる。
【００４４】
共振周波数を制御する制御回路は、調整可能なインピーダンスを有する電気負荷を備えている。所望の機械的共振周波数に依存して、制御回路は、圧電素子の第２梁１００の端子に接続されるインピーダンスに適合させる。圧電素子の第２梁１００の端子の最大インピーダンス（例えば、開回路）は、最大の機械的共振周波数を規定し、圧電素子の第２梁１００の端子の最小インピーダンス（例えば、短絡）は、最小の機械的共振周波数を規定する。
【００４５】
制御回路は、支持体５の振動周波数に近づけるため、機械的共振周波数を規定すると有利であり、および／または、制御回路は、電気的減衰因子を機械的減衰因子に実質上等しくするため、第２梁１００の端子に接続される電気回路の電気的減衰因子に適合させると有利である。
【００４６】
図４は、振動の機械的エネルギを電気的エネルギに変換する装置１の第２実施形態の概略縦断面図である。上記の実施形態のように、変換装置１は、支持体５と、支持体５の中空部に収容される可動質量体６とを備えている。第１梁２００、第２梁１００、および第３梁３００は、支持体５と可動質量体６との間の長手方向に延在している。梁１００、２００、３００は、支持体５に埋め込まれる各端部１０１、２０１、３０１と、可動質量体６に埋め込まれる各端部１０２、２０２、３０２とを有する。梁１００、３００は、圧電材料から形成されている。圧電材料は、実質的に長手方向に分極されている。従って、梁１００または３００に長手方向の引張／圧縮応力が加わると、端部１０１、１０２間、または端部３０１、３０２間に電圧が発生する。梁１００、３００の端部は、電力が供給される回路と共振周波数制御回路とに適切に接続される。
【００４７】
連結要素４００は、梁１００、２００間に配置されている。同様に、連結要素８００は、梁２００、梁３００間に配置されている。梁１００、２００、３００と連結要素４００、８００とが結合して、梁７を形成している。このように形成された梁７は、長手方向の対称面（ｘ，ｙ）を有する。対称面は、梁の端部を互いに電気的に接続することを可能とする。曲げの間の一方の梁の引張力の振幅は、他方の梁の圧縮力の振幅に近いため、梁１００、２００に発生する応力は、振幅が同じようになる（符号は反対であるが、他方に対する一方の圧電分極の方向を反対にすることにより、相殺することができる。）。連結要素４００は、梁１００、２００間にある容積に対応し、連結要素８００は、梁２００、３００間にある容積に対応する。これらの容積は、点線および鎖線で特定されている。連結要素４００は、梁１００、２００間に延在している。連結要素８００は、梁２００、３００間に延在している。連結要素４００は、第１梁２００と第２梁１００との間に空間を維持するように構成されている。同様に、連結要素８００は、第１梁２００と第３梁３００との間に空間を維持するように構成されている。連結要素４００、８００は、ｙ軸の回りの梁７の曲げ剛性が梁１００または３００のいずれかの無い場合の梁７の曲げ剛性の少なくとも２倍となるように構成されている。従って、梁１００、３００は、梁７の曲げ剛性に対して有利な影響を与える。
【００４８】
連結要素４００、８００には、ｚ方向に延在する各突出部４０１、８０１、および各中空部４０２、８０２が交互に形成されている。この例では、中空部４０２、８０２は、直角台形の断面を有する。突出部４０１、８０１は、梁２００と一体に形成されている。梁１００は、例えば、接着により突出部４０１の端部に固定されている。同様に、梁３００は、突出部８０１の端部に固定されている。
【００４９】
可動質量体６は、支持体５に形成された中空部に、梁７により吊り下げて保持されている。梁７は、ｚ方向における可動質量体６と支持体５との間の相対的な動作の結果、ｙ方向の軸の回りに曲がるように構成されている。
【００５０】
可動質量体６が動作し、梁７が曲がる間、梁７は対称的であるため、梁７の中立軸は、梁２００の内部に位置している。従って、梁７が曲がる間、梁２００には、減少した引張／圧縮応力が加わり、梁１００、３００に引張／圧縮応力が集中する。従って、収集するエネルギと、共振周波数でのこれらの梁１００、３００の剛性の変化の効果とが最適化される。
【００５１】
第１梁２００は、梁１００、３００の長手方向の伸び剛性よりも、長手方向における伸び剛性が大きい。梁２００の弾性率は、機械的共振器を形成するための高いＱ値を与える大きい弾性率である。第１梁２００は、１００ＧＰａよりも大きい弾性率のシリコンやスチールのような材料から形成することができる。梁１００、３００は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）等の材料から形成することができる。梁１００、２００、３００は、実質的にプレートの形状とすることができる。これらのプレートは、例えば、厚さを５０〜２５０μｍの範囲とし、長さを５〜５０ｍｍの範囲とすることができる。
【００５２】
ｚ軸に沿って動作する間のｙ軸回りの可動質量体６の回転を制限し、消極の閾値よりも大きい応力に対して、圧電梁１００、３００を保護するため、梁２００と梁１００、３００との間の剛性の差を調整することができる。
【００５３】
梁７は、ｙ軸の回りの曲げ剛性よりも、ｚ軸の回りの曲げ剛性がかなり大きいと有利である。梁１００、２００、３００は、直線または平面にかなり近く、可動質量６の内部、好ましくは、可動質量体６の重心に収束する方向に延在していると有利である。可動質量６は、梁７の質量よりもかなり重いと有利である。支持体５、可動質量６、梁２００、突出部４０１、８０１は、例えば、シリコン基板やスチール基板の中に一体に形成されると有利である。
【００５４】
梁１００、３００は、梁２００に対して傾斜し、かつ、ｘ方向に傾斜していると有利である。梁１００、３００を適度に傾斜させることにより、梁７の曲げは、これらの梁１００、３００に実質的に均一な引張／圧縮応力を生じさせる。
【００５５】
共振周波数制御回路は、調整可能なインピーダンスを有する電気負荷を有している。所望の機械的共振周波数に依存して、制御回路は、圧電素子の梁１００、３００の端部に接続されるインピーダンスに一致させる。圧電素子の梁１００、３００の端部の最大インピーダンスは、最大の機械共振周波数を規定し、圧電素子の梁１００、３００の端部の最小インピーダンスは、最小の機械共振周波数を規定する。
【００５６】
共振周波数は、圧電素子の梁１００、３００の端部に電圧を印加することによっても、調整することができる。この電圧は、異なる梁における機械的な引張／圧縮応力を生成するのと同様に、圧電材料の弾性率を変更する効果を有する。すなわち、電圧の効果により、圧電素子の梁１００、３００が伸びると、この伸びは、中心の梁２００を伸ばし、逆反応により、圧電素子の梁１００、３００に圧縮応力が生じる。これらの引張／圧縮応力は、材料の非線形により梁７の共振周波数に変化を生じさせることができる。
【００５７】
このように、平均的な調整電圧を印加すると同時に、エネルギを収集することが可能である。実際、構造の平均的な剛性は、圧電材料の端部における電圧の平均値に関連する。この場合、この平均電圧値は、所定量の電荷を圧電素子の梁に注入するか、または、大きい抵抗を介して圧電素子の梁に接続された可変電圧源により調整することができる。このような抵抗は、圧電素子の梁を静電容量とするローパスフィルタを構成する。振動が、この直流成分を有する交流成分の重ね合わせとなるため、このローパスフィルタのカットオフ周波数は、振動周波数よりも低い。この場合、この交流成分のエネルギは、０電圧の近傍で、アプリケーションを用いて整流され、電圧／電流変換される連結静電容量を介して、または、アプリケーションが要求する特定の特徴に適応する他の方法により収集することができる。
【００５８】
図５は、変換装置１の第２実施形態の変形例の概略縦断面図である。この変形例は、円形の断面を有する中空部４０２、８０２によって、図４の変形例とは異なっている。
【００５９】
図６は、変換装置１の第２実施形態の他の変形例の概略縦断面図である。この変形例は、側面が梁２００から離れるに従って広がる四辺形形状の断面を有する中空部４０２、８０２によって、図４の変形例とは区別されるものである。
【００６０】
図７は、変換装置１の第２実施形態のさらに他の変形例の概略縦断面図である。この変形例は、側面が梁２００から離れるに従って収束する四辺形形状の断面を有する中空部４０２、８０２によって図４の変形例とは区別されるものである。
【００６１】
図８は、振動の機械的エネルギを電気的エネルギに変換する装置１の第３実施形態の概略縦断面図である。図９は、この実施形態および電気回路が接続された部分を示す図である。この装置１は、第２実施形態とは、梁１００、３００の構造が異なる。この実施形態においては、梁１００、３００は、圧電要素を長手方向に繋げて組み立てることにより形成されている。梁１００、３００の圧電要素は、これらの梁１００、３００の各軸に沿った方向に分極している。２つの連続する圧電要素は、反対の分極を有する。梁１００の各圧電要素は、（同じ長手方向の位置で）梁３００に垂直にぶら下がる圧電要素の分極と反対の分極を有する。互いの間の引張力および圧縮力を伝達するため、同じ梁１００または３００の連続する圧電要素は、接着剤によって互いに組み立てられている。各圧電要素は、連結要素の突出部に固定される一端部と、この同じ連結要素の中空部に垂直にぶら下がる他端部とを有する。この例では、圧電要素１０３、１０４、１０５、１０６は、端部が突出部に固定される正極と、中空部に垂直にぶら下がって固定される負極とを有する。圧電要素３０３、３０４、３０５、３０６は、端部が突出部に固定される負極と、中空部に垂直にぶら下がって固定される正極とを有する。
【００６２】
圧電要素は、例えば、連続する圧電要素の組立に使用されるものと同じ接着剤である導電性接着剤９６により、連結要素４００、８００の突出部に固定されている。梁１００の圧電要素の正極の端部は、梁３００の圧電要素の負極の端部に接続されている。この反対の極性は、曲げが一方の圧電梁に引張力を生じさせ、同時に、実質的に同じ振幅の圧縮力を他方の圧電梁に生じさせるため、害にはならない。従って、互いに接続される圧電要素の端部は、殆ど同じ電位となる。前記突出部に固定される圧電要素の端部は、突出部４０１、８０１および梁２００からなる通路により、または、これらの突出部４０１、８０１、および梁２００（例えば、ドーピングされて伝導性が付与されたシリコンまたはスチールから形成される。）を介して、伝導により、直接、電気導体９２に電気的に接続することができる。中空部に垂直にぶら下がって固定された圧電要素の端部は、適切な結線により、導体９１に電気的に接続されている。導体９１、９２は、梁１００、３００の変形により電力を供給し、かつ、可変インピーダンスまたは分極電圧によるこれらの梁１００、３００の剛性を制御するため、回路９３の各端子に接続されている。制御回路９４は、この回路９３の可変インピーダンスを規定して分極電圧を決定し、かつ、装置１の機械的共振周波数を規定するため、回路９３に接続されている。
【００６３】
この実施形態では、梁１００、３００によって発生する最大電圧は減少する。この電圧は、分極という点で圧電要素の長さに比例する。また、この実施形態では、起こり得る電気アークの発生が防止される。また、この実施形態では、変換装置１の全体の静電容量が増加する。梁１００、３００の長さは、Ｎ個の圧電要素に分割され、各要素の静電容量がＮ倍される。Ｎ個の要素が電気的に並列に配置されると、電気負荷に接続される全体の静電容量もまたＮ倍され、電気回路、およびその接続の全ての寄生静電容量を無視することができる。この実施形態では、梁１００、３００が、梁７が曲がる間の応力の均一性を保証する最適な傾斜を有していると、特に有利である。この場合、異なる圧電要素の端部は、寄生静電容量を形成する負荷の少ない圧電材料から有害な影響を受けることなく、互いに接続可能である。
【００６４】
図１０は、曲がる間の応力の均一性を得るため、圧電素子の梁の最適な傾斜角度αの決定に使用される変換装置を単純化したモデルの側面図である。モデル化は、固い梁２００を一定の厚さからなる梁１００、３００に接合して行われる。
【００６５】
この例の可動質量６は、スチールから形成され、例えば長さ２０ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ２０ｍｍである。
【００６６】
梁２００は、スチールから形成され、例えば長さ５０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さの範囲０．７８〜６ｍｍである。
【００６７】
梁１００、３００は、例えば弾性率６２ＧＰａ、密度７．８５、比誘電率８８０、圧電係数２．９５×１０−９Ｃ／Ｎである。梁１００、３００の寸法は、例えば長さ５０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ１ｍｍである。
【００６８】
図１１のグラフは、同じ曲げ力が加えられたときの圧電素子の梁１００または３００の表面の引張応力、および圧縮応力を示す。値Ｘは、応力が測定される可動質量の距離に対応する。グラフに示されているように、圧電素子の梁における応力は、ほぼ角度α＝３°で均一となる。従って、使用される梁１００、３００は、梁２００に対して角度２°〜４°となる梁とすることが有利である。
【００６９】
図示の例では、圧電素子の梁の分極は、長手方向である。しかし、厚さ方向に分極する圧電素子の梁を想定することも可能である。なお、このような分極は、圧電素子の梁として可能な剛性の変化、従って、機械的共振周波数の変化の範囲を制限する。なお、このような分極は、より大きな電気静電容量を有することを可能とし、従って、寄生静電容量の影響を制限することを可能とする。また、このような分極は、外部からの誘電崩壊のリスクを制限し、圧電梁における電圧を制限する。
【００７０】
図示の例では、連結要素４００、８００の曲げ剛性は、高いＱ値の材料に形成された中空部により減少する。しかしながら、本発明は、梁１００の弾性率よりも遙かに小さい弾性率からなる連続材料の層を備える連結要素４００または８００を使用して実施することもできる。また、全体の曲げ剛性に対する分布を無視することができ、ヤング率が大きいが、非常に薄い厚さ（＜１μｍ）の材料（タングステン、白金等）からなる圧電素子の梁の電極を考慮しないでもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１  変換装置
５  支持体
６  可動質量体
７  梁
５１、４０２、８０２  中空部
５２  表面
９１、９２  導体
９３  回路
９４  制御回路
９５  電気配線
９６  導電性接着剤
１００  第２梁
１０１、１０２、２０１、２０２、３０１、３０２  端部
１０３、１０４、１０５、１０６、３０３、３０４、３０５、３０６  圧電要素
２００  第１梁
３００  第３梁
４００、８００  連結要素
４０１、８０１  突出部
【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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【国際調査報告】
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