(57)【要約】  電圧を発生する圧電デバイスであって、固定支持体(６)に固定された第１の端部と、機械的力が加えられることによって可動となる第２の自由端部(８)と、を備える震動ブレード(１)を備えており、少なくとも一つの単独の圧電素子(１０)が、機械的力の付加に従うブレードの振動によって変形させられかつそれによって電圧を発生するように、ブレード(１)の片側に設けられており、ブレード(１)は、略Ｖ字形状であり、かつ湾曲中間部(４)を経て互いに結合された二つの実質的に平坦なアーム(２，３)を有しており、第１のアーム(３)は、支持体に固定されており、かつ第２のアーム(２)は、自由端部(８)を有していることを特徴とするデバイス。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を発生する圧電デバイスであって、
固定支持体(６)に固定された第１の端部と、第２の自由端部(８)であって、その上に機械的力が加えられることによって可動となる第２の自由端部(８)と、を備える震動ブレード(１)を具備してなり、
少なくとも一つの単独の圧電素子(１０)が、前記機械的力の付加に従う前記ブレードの振動によって変形させられかつそれによって電圧を発生するように、前記ブレード(１)の片側に設けられており、
ブレード(１)は、略Ｖ字形状であり、かつ湾曲中間部(４)を経て互いに結合された二つの実質的に平坦なアーム(２，３)を有しており、
第１のアーム(３)は、前記支持体に固定されており、かつ前記第２のアーム(２)は、前記自由端部(８)を有していることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記二つのアームは、実質的に平行となっていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
二つのアーム(２，３)は、互いに対して４５°未満の角度を形成していることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
圧電素子(１０)は、前記第２のアームに配置されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
圧電素子(１０)は、前記中間湾曲部から、前記第２のアームの長さの２０から５０％、好ましくは２５から３５％に相当する距離をおいて位置させられたポイントまで延在する前記第２のアームの領域に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
圧電素子(１０)は、前記第２のアームの外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
圧電素子(２３，２４)が、前記第１のアームの内側あるいは外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
圧電素子(１０)は、前記中間湾曲部から、前記第１のアームの長さの２０から５０％、好ましくは２５から３５％に相当する距離をおいて位置させられたポイントまで延在する前記第１のアームの領域に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第１のアームにかつ前記第２のアームに配置された数個の圧電素子(１０，２３，２４)を具備してなることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
圧電素子(１０)は、ブレード(１)のほぼ全幅にわたって延在していることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記二つのアーム(２，３)は、実質的に同一の長さ(Ｌ１，Ｌ２)を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記二つのアーム(２，３)は、異なる長さ(Ｌ１，Ｌ２)を有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を用いた機械的または電気的エネルギーの変換を使用する電気を発生するためのデバイスの分野に関するものである。
【０００２】
本発明は、とりわけ効率および実施に関する主要な利点をもたらすそうしたデバイスの新しい機械的構造に特に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
概して、電気または電子構成要素を用いる多くのシステムは、特に外部電源にリンクまたは接続不可能な場合に、エネルギーに関して自給式のものである必要がある。そうしたシステムの一例として、可動式デバイスのほかに、電源ケーブルの設置が難しいか、複雑になるか、もしくはコストがかかるような場所に配置された固定式のデバイスまたは装置も挙げられる。
【０００４】
したがって、多くの装置は、電力を提供する蓄電池または乾電池を備えている。しかしながら、そうした蓄電池は、限定されたバッテリー作動時間を有しており、かつこれは、一定の間隔をおいて蓄電池を交換する必要があることを意味する。
【０００５】
装置の近傍で利用可能なエネルギーを変換することによって電気エネルギーを発生できるデバイスを備えたある装置が提案されている。一例として、発光エネルギーを変換する光起電性デバイス、および圧電素子の変形の結果、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換可能な圧電素子に基づいたデバイスが挙げられる。
【０００６】
多くのデバイスでは、すでに、圧電効果を活用することによって電気エネルギーが発生することが示唆されている。そうしたデバイスは、一般的に、震動ブレード(vibratory blade)を含んでおり、震動ブレードは、一方の自由端部がそれに対して作用する機械的力の働きで動作可能となる状態で、固定支持体に対してその縁部のもう一方の端部によって固定されている。この力は、エネルギーが震動性システム(vibratory system)から取り戻せる場合には例えばブレードの端部に取り付けられたカウンタウェイトの動きから、あるいはブレードの縁部に対して点力(point force)を付与しかつそれによって振動(oscillation)を発生させる外部機械的デバイスから発生してもよい。
【０００７】
一つ以上の圧電素子が、ブレードの片側もしくは両側に取り付けられており、それによって、圧電素子は、ブレードが震動する際に変形させられる。したがって、この変形は、圧電素子の電極に電圧を発生させる。続いて、この電圧は、負荷に電力を供給するべくコンデンサタイプの容量分(capacitive component)を変更するために整流可能である。そうしたデバイスは、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３および特許文献４に開示されている。
【０００８】
こうした機構の一般的な一特徴は、その作動が、その端部の一方または両方に固定された実質的に直線状のビームの変形の結果であることが事実であることである。そうした構成は数多くの弱点を有する。実際に、エネルギーの観点から考えると、これらのシステムは、多くても数パーセントオーダーの相対的に好ましくない効率性しか有していない。「効率性」という語は、システムに供給される機械的エネルギーに対する、圧電素子より下流に配置された容量分に供給される電気エネルギーの比率を意味する。
【０００９】
したがって、この好ましくない効率性は、一般的に、十分な量の電気エネルギーを得るために従来のシステムの数を増加することを必要とし、それによって、従来のデバイスの全体のサイズおよびそのコストが増加される。
【００１０】
震動ビームシステムの他の弱点として、実際に、端部拘束のレベルにおいて発生するモーメントおよび支持体への震動の伝播により、固定支持体への取り付けのポイントに考慮すべき機械的応力が作用することが挙げられる。
【００１１】
ゆえに、この機械的応力によって、システムのコストを増大させかつそのパフォーマンスに影響を及ぼす機械的に強く厚い端部拘束を確実なものとすることが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願公開第2005/0280561号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第0 725 452号明細書
【特許文献３】独国実用新案第296 14 851号明細書
【特許文献４】米国特許第7 005 778号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題の一つとして、設計が簡単である一方で、現存のシステムよりも著しく良好な効率性を提供し、かつリーズナブルなコストで製造可能なシステムを製造することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
したがって、本発明は、電圧を発生するための圧電デバイスに関するものである。既知の様式において、そうしたデバイスは、固定支持体に固定された第１の端部を備えた震動ブレードを備えている。このブレードは、機械的力がその上に作用することによって動作可能となる第２の端部を有している。このブレードは、ブレードの片側に設けられた少なくとも一つの別個の圧電素子を備えている。この素子は、当該機械的力の働きに追従するブレードの振動によって変形させられ、それによって電圧が発生する。この力は、外部機構によってブレードに作用する機械的パルスであってもよい。また、この力は、システムの外側で生じる震動によって振動するブレードを含んでもよい。
【００１５】
本発明によれば、このデバイスは、ブレードが略Ｖ字形状でありかつ湾曲中間部を経て互いに結合されている二つの実質的に平坦なアームを有していることを特徴とする。第１のアームは支持体に固定されており、第２のアームは自由端部を有している。
【００１６】
言い換えると、本発明は、従来のように、平坦な、実質的に直線状の幾何学的形状を有していないブレードを使用することを含む；代わりに、ＵまたはＶ字形状に湾曲または屈曲した構成を有している。この湾曲ブレードのアームの一つは、機械的パルスを受けるかあるいは外部震動によって震動させられ、それによって、その対向するアームによって支持体に固定されたブレードの変形が引き起こされる。二つのアームが互いに結合された領域は、非常に著しく固定支持体に対するブレードの取り付けポイントのレベルにおいて機械的応力を制限する優先的な変形のおかげで、ばねとして機能する。
【００１７】
これらの応力は、とくにモーメントが二つのアームが同じ長さを有する場合に事実上ゼロとなり得る。それでもなお、ある状況において、アームは、基本振動モードの調和モードに対する比率に影響を与えるために異なる長さを有していてもよい。
【００１８】
実際には、湾曲ブレードは、Ｕ字を形成するように、あるいはＶ字構造を有するようにするために互いに対して４５°未満の角度を少なくとも形成するように、二つのアームが実質的に平行となる構造を有していてもよい。
【００１９】
圧電素子の配置に関しては、さまざまな実施例を考えることができる。
【００２０】
好ましくは、圧電素子は、第２のアームに、すなわち機械的パルスを受けるアームに配置されてもよい。この場合、素子は、有利なことに、このアームの外側に、好ましくは湾曲中間部の近くに位置する、このアームの側に配置されてもよい。さらに好ましくは、この圧電素子は、中間湾曲部から、第２のアームの長さの２０から５０％、好ましくは２５から３５％に相当する距離をおいて位置するポイントまで延在する、第２のアームの領域に配置されてもよい。言い換えると、圧電素子は、中間部の近くに位置する第２のアームの半分において配置されていることが好ましい。この好ましい位置領域は、アームが変形させられる場合のパルス動作に関して特に有利となる。
【００２１】
他の実施例において、圧電素子は、第１のアームに、すなわち固定支持体に固定されたアームに配置されている。この方法は、圧電素子が第２のアームに配置される場合に比べて効率性が低下するが、ある状況においては採用されてもよい。
【００２２】
この圧電素子は、このアームの内側もしくは外側に配置されてもよい。また、実際的な理由から、圧電素子をブレードの外側に配置することが好ましい。圧電素子を湾曲中間部の近くに配置することを選択することも有利となろう。
【００２３】
この場合、圧電素子に関して、中間部に対しておおむね隣接するように、あるいは固定支持体における取り付け部および端部拘束にさらに隣接するように配置するなど、さまざまな配置を選択することができる。したがって、実際に、圧電素子は、中間部から、第１のアームの長さの２０から５０％、好ましくは２５から３５％に相当する距離をおいて位置するポイントまで延在する第１のアームの領域に配置されてもよい。
【００２４】
震動作動モードにおいて、すなわちデバイスが圧電素子に伝播する震動源上に配置されている場合、好ましい配置領域は、デバイスがより長い所要時間にわたって多量のエネルギーを受け取る限りにおいては、減少させられた広がりを有していてもよい。したがって、その上に圧電素子が配置されるアームの長さの５から１０％にわたって延在する一つのみの圧電素子によって、著しいレベルのエネルギー回復が実現できる。さらに、震動作動モードにおいて、圧電素子に作用する機械的応力を制限するために、中間部から一定の距離をおいて圧電素子を配置することを考えることができ、それによって、良好な効率性を損なうことなく耐用期間が増加させられる。
【００２５】
さらに、震動ブレード上にいくつかの圧電素子を配置すること、第１および第２のアーム上にそれらを配置することによってさまざまな実施例を組み合わせることもできる。そうした組み合わせによって、従来のシステムにおいて得られた３％未満の効率性に比べて、２５％を超える非常に有用な効率性を得ることができる。実際に、効率性のために、圧電素子が少なくとも第２のアームに配置される方法が優先される。
【００２６】
実際に、圧電素子は、さまざまな材料、特にジルコン酸チタン酸鉛(ＰＺＴ)系材料から形成できるが、他の圧電材料、特にマグネシウムニオブ酸鉛およびチタン酸鉛(ＰＮＭ−ＰＴ)などの単結晶材料からも形成できる。効率性を最適化するために、圧電素子は、それがブレードのほぼ全幅にわたって延在するように選択され、当該ブレードは、振動状態の発生および震動の伝播の促進を導く寸法に関する特性と同様に、ばねタイプの働きをもたらす動的弾性強度特性を有する材料からなされる。一例として、「ピアノ線」タイプの構成を有するスチールが挙げられる。例えば特にスチールXC 75 S、または１１００ＭＰａを超える破断強さ(Ｒｍ)を有する冷間加工ステンレススチールX 10 C R Ni 18 8 (T4)が挙げられる。さらに、例えばポリフェニレンサルファイド(ＰＰＳ)などのポリマー材料を使用することも可能である。
【００２７】
本発明が実施される方法およびそれによる利点は、図面を参照した以下の実施形態の説明から容易に明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１の実施例による本発明のデバイスの全体図である。
【図２】図１におけるデバイスの側面図である。
【図３】代替的な辞し形態の側面図である。
【図４】代替的な辞し形態の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１に示された本発明のデバイスは、概して、Ｕ字またはＶ字形状に湾曲した硬質材料からなるブレード(１)の形態のものである。さらに、ブレード(１)は、湾曲中間部(４)を介して互いに結合されているＵ字のアームを形成する二つの実質的に平坦な部分(２，３)を備えている。第１のアーム(３)は、端部拘束(５)によって固定支持体(６)に固定されている。第２のアーム(２)は、特に湾曲領域(４)のレベルにおいて、ブレードの変形を引き起こす機械的パルスを受けかつ、続いて、その当初の位置へ戻る傾向のあるブレードに力がもはや加えられない場合に振動可能な端部(８)を有する。また、ブレードの振動は、自由端部(８)にカウンタウェイトに取り付ける可能性を有する端部拘束によって伝達されたシステムの外側からの震動の結果である。
【００３０】
本発明によれば、ブレード(１)は、少なくとも一つの圧電素子と関連付けられており、それは、図１に示す形態では、第２のアーム(２)の外側に配置されている。この圧電素子(１０)は、従来の結合方法によって、例えばエポキシ接着剤を使用することによって固定されている。
【００３１】
実際に、さまざまなタイプの圧電素子が、所望の用途および要求された出力定格に応じて使用可能である。
【００３２】
一例として挙げると、ジルコン酸チタン酸鉛のタイプの圧電素子、またはさらに一般的なペロブスカイト型構造を有するすべてのタイプのセラミックを使用することで良好な結果が得られる。さらに一般的にいうと、多くの圧電材料は、０.３より高い結合係数Ｋ３１と、パルス動作の場合において１５０より高いまたは震動エネルギーを受けるために３０より高い機械的性質係数とを有するのであれば使用可能である。
【００３３】
実際に、さまざまな素子の寸法および配置は、最大効率性を確実なものとするために、最適化可能である。したがって、図２に示すように、ブレードの二つの直線的なアーム(２，３)が互いに対してなす角度αは、機械的パルスがアーム(２)の端部(８)に作用するときに取り付けポイント(５)のレベルにおけるトルクおよび旋回を最小化するために、約４５°未満とすることができる。最適な形態においては、この角度は実質的にゼロにできる。
【００３４】
また、さまざまなアーム(２，３)の長さは、震動の振幅に対して影響を及ぼすものである。第２のアーム(２)の長さＬ２は、特に瞬間的なエネルギー(impulsion energy)を回復するために、ブレードの幅よりも著しく長いものでなければならない。
【００３５】
また、ブレードの第２のアーム(２)における圧電素子(１０)の配置は、実施されるパフォーマンスレベルに影響を及ぼすものである。圧電素子(１０)を湾曲中間部(４)にできるかぎり近接する第２のアームの領域に配置することが有利となることが判明している。ゆえに、この最適な配置領域は、第１に、第２のアーム(２)が中間湾曲部(４)で結合するポイント(１５)から、第２に、第１のポイント(１５)から第２のアーム(２)の長さＬ２の２０から５０％に相当する距離をおいて配置された第２のポイント(１６)まで延在する。そのため、圧電素子の長さＬＰは、第２のアーム(２)の長さＬ２の２０から５０％に相当する。
【００３６】
湾曲中間部(４)の曲げ半径(Ｒ)は、できる限り小さいものとなる。実際に、それは、特にブレードの厚さ(ｅ)に応じて約数ミリメートルとなっており、ブレードは、それ自身が圧電材料(１０)からなる素子の厚さに応じてそれ自身が選択されたものである。
【００３７】
もし、機械的パルスの作用時あるいはブレードの自由振動中に、取り付けポイント(５)のレベルにおいて働くトルクを最小化することが要求された場合には、第１のアーム長さＬ１は、その端部が支持体(６)に固定されており、第２のアーム(２)の長さＬ２と実質的に同じとなるように選択できる。さまざまな長さを有する第１のアーム(３)を使用することは、圧電素子(１０)による信号出力の調和の振幅への影響を有し、かつそれゆえデバイスの効率性も有することができる。
【００３８】
実際に、圧力素子(１０)は、いくつかの個別の圧電素子を平行に関連付けることによって形成できる。
【００３９】
上述したように、圧電素子は、ブレードのさまざまな部分に、特に図３に示すように第１のアーム(３)に配置することができる。圧電素子(２３，２４)は、素子(２３)に関しては湾曲中間部(４)にごく近接した状態、あるいは圧電素子(２４)に関しては取り付けポイント(５)により近接した状態のいずれかで、第１のアーム(３)の外側に結合可能である。この素子のそれぞれの長さおよびその正確な配置は、ブレード全体の寸法形状および震動のそのモードに依存するものであり、かつそのエネルギー効率を最適化するよう選択される。
【００４０】
圧電素子がブレードの二つのアームに配置されている図４に示す構成を使用することによって良好な結果が得られる。第１の圧電素子(１０)は、第２のブレードに配置され、かつ第２の圧電素子(２３)は、湾曲部(４)に隣接する第１のブレードの外側に配置されている。さらに、効率性に関して本発明の利点を例証するためだけに、規定された寸法の詳細とともに特定の実施形態について説明する。選択された弾性ブレードは、X 10 C R Ni 18 8ステンレススチールタイプのばねスチールに基づいており、かつ０.９ｍｍの厚さ(ｅ)と２５ｍｍの幅とを有している。第２のアーム(２)の長さＬは８３ｍｍである。湾曲領域(４)の中立軸線半径は、２.６５ｍｍである。もし端部拘束部(５)が第１のアーム(３)自由端部に対して３３ｍｍの距離をおいて配置されるならば、第１の拘束アーム(３)は８５ｍｍの長さを有する。使用される圧電素子は、湾曲部(４)に隣接するその各アームの端部に配置されている。使用される圧電素子は、ＰＺＴセラミックタイプからなる。素子はペアで使用され、そのそれぞれは、ブレードの幅に一致する２５ｍｍの幅と、１０ｍｍの長さと、０.３ｍｍの厚さとを有している。その分極方向(polarisation direction)は、その厚さ方向に平行となっている。システムに供給される機械的エネルギーに対する、コンデンサにおける整流および蓄電の後に圧電素子の出力が集められた電気エネルギーの比率として、デバイスの効率性を計算することが可能である。さらに、システムに供給される機械的エネルギーは、自由移動変位(displacement excursion)(ｆ)を引き起こすためにアームの端部(８)に作用する振幅を有する力(Ｆ)に相当する。変位が４.４ｍｍの状態の試験において、測定された機械的エネルギーは、１０.５ｍＪとなった。圧電素子によって得られた電気的エネルギーは、標準的なダイオードブリッジによって整流化された後、５.３μＦキャパシタによって形成されたキャパシタンスに蓄えられる。測定された電圧は約３５.５Ｖであり、そして対応する効率性は約３２％である。変位が４.９ｍｍでありかつ機械的エネルギーが１３.７８ｍＪの状態の他の試験では、４５.８６Ｖの電圧に対してもたらされる３.３μＦキャパシタから３.５ｍＪを取り戻すことができ、それは、わずかに２５％より多い効率性と同等のものとなる。他の容量値は、特に非常に高い電圧を避けるために、デバイスの電気的制約に応じて選択できる。
【００４１】
明らかに、この例は単に説明として示されたものであり、どのようなものでも本発明の範囲を制限しない；本発明は、上述したようにすべて本発明の原理に基づく非常に多様な代替的な形態を有する。
【００４２】
そうしたデバイスは、以下の多くの利点を有している。
・電気機械的結合ｋが、従来技術によってなされたものよりもより大きく、かつ制限された量の圧電材料が使用される。
・機械的品質係数が、設計時に規定されかつ例えば瞬間的なエネルギーを受けたときに約１００を超えるようになっている。
・端部拘束ポイントのレベルにおいて生じる機械的トルクが、特に小さいかあるいはゼロであり、それによりブレードが加圧された際にデバイス旋回の可能性が低減される。
・従来のタイプの圧電材料の使用がより少ない量で可能であり、ゆえに、対応するコストが低減される。
・震動ブレードを実現するために一般的に使用可能な材料が使用される。
・単純な製造方法で非常に信頼性の高いデバイスが製造される。
・既存のシステムに比べ、効率性が非常に良好である。
・数年間の耐用期間が推定される。
・エネルギー回復システムが、環境に優しく、持続可能でありかつ耐久性のあるものとなる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
そうしたデバイスは、電圧供給源として広範に使用可能であり、それは、ワイヤレスセンサネットワークアプリケーションまたは長い耐用期間を有する自給的エネルギー源を要求する他の用途に関して、特に蓄電池および乾電池、特にリチウムバッテリーと交換される。
【００４４】
代表的な用途には、石油化学または製薬タイプの工程を使用する製造工業において物理的パラメータを測定するための機器が含まれている。他の用途では、とりわけ水またはガス配給システムにおいて特に温度、圧力、または流速センサが含まれている。他の用途では、電気スイッチタイプの電気機器、コードレスドアチャイムまたは開放を検出するためのデバイスが含まれる。本発明の小型化バージョンのものをパワー微小電気機械システム(ＭＥＭＳ)に使用することもできる。
【符号の説明】
【００４５】
１    震動ブレード
２    第２のアーム
３    第１のアーム
４    湾曲中間部
５    端部拘束
６    固定支持体
８    第２の自由端部
１０  圧電素子
１５  第１のポイント
１６  第２のポイント
２３，２４  圧電素子
【図１】
2010517285.tif 000003
【図２】
2010517285.tif 000004
【図３】
2010517285.tif 000005
【図４】
2010517285.tif 000006
【国際調査報告】
2010517285.tif 000007
2010517285.tif 000008
2010517285.tif 000009
2010517285.tif 000010