(57)【要約】  本発明は、２つの電極層（９）および１つの圧電性層（１１）を有し、動的に変位し、また機械的に付加質量体（１３）と接続されている第１のダイヤフラム構造体（５）を備えている、機械的な出力から電気的な出力への変換および電気的な出力から機械的な出力への変換を行う圧電性エネルギ変換器（１）に関する。第２のダイヤフラム構造体（６）は、該第２のダイヤフラム構造体（６）および前記第１のダイヤフラム構造体（５）には前記付加質量体（１３）によって逆方向に機械的にプリロードが掛けられているように、前記第１のダイヤフラム構造体（５）に対向して機械的に接続されている。このようにして、ダイヤフラムの変位に依存する復元力の線形化が行われる。このようにして形成された圧電性エネルギ変換器（１）は例えば０．４Ｗ〜１０Ｗの電力を形成することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの電極構造体（９）と、該電極構造体（９）間にある圧電性構造体（１１）とを有し、動的に変位する第１の圧電性構造体、殊にダイヤフラム構造体（５）を備えており、該第１のダイヤフラム構造体（５）は機械的に付加質量体（１３）と接続されている、機械的な出力から電気的な出力への変換および電気的な出力から機械的な出力への変換を行う圧電性エネルギ変換器（１）において、
第２の圧電性構造体、殊にダイヤフラム構造体（６）は、該第２のダイヤフラム構造体（６）および前記第１のダイヤフラム構造体（５）には前記付加質量体（１３）によって逆方向に機械的にプリロードが掛けられているように、前記第１のダイヤフラム構造体（５）に対向して機械的に接続されていることを特徴とする、圧電性エネルギ変換器（１）。
【請求項２】
前記電極構造体（９）および前記圧電性構造体（１１）は層または梁として形成されている、および／または、前記第２のダイヤフラム構造体（６）は前記第１のダイヤフラム構造体（５）の構造を有する、請求項１記載の圧電性エネルギ変換器（１）。
【請求項３】
前記付加質量体（１３）は前記第１のダイヤフラム構造体（５）と前記第２のダイヤフラム構造体（６）との間に配置されている、請求項１または２記載の圧電性エネルギ変換器（１）。
【請求項４】
前記第１のダイヤフラム構造体（５）と前記第２のダイヤフラム構造体（６）の間隔は、前記第１のダイヤフラム構造体（５）と前記第２のダイヤフラム構造体（６）に対して垂直な前記付加質量体（１３）の最大拡張部とは異なり、差は殊にμｍのオーダである、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧電性エネルギ変換器（１）。
【請求項５】
前記第１のダイヤフラム構造体（５）と前記第２のダイヤフラム構造体（６）の前記間隔は、前記第１のダイヤフラム構造体（５）と前記第２のダイヤフラム構造体（６）に対して垂直な前記付加質量体（１３）の最大拡張部よりも小さい、請求項１から４までのいずれか１項または複数項記載の圧電性エネルギ変換器（１）。
【請求項６】
スペーサ（１９）によって材料空洞部が形成されており、前記第１のダイヤフラム構造体（５）および前記第２のダイヤフラム構造体（６）は前記材料空洞部（２１）、殊にウェハ（３）の空洞部（２１）および前記スペーサ（１９）の対向する面に沿ってそれぞれ延在し、前記スペーサ（１９）に固定されており、且つ、該スペーサ（１９）の厚さに応じて間隔を相互に有する、請求項１から５までのいずれか１項または複数項記載の圧電性エネルギ変換器（１）。
【請求項７】
前記材料空洞部（２１）は少なくとも部分的に、前記付加質量体（１３）の横方向の移動を回避するために、該付加質量体（１３）の横方向の最大拡張部にほぼ一致する横方向の拡張部を有する、請求項６記載の圧電性エネルギ変換器（１）。
【請求項８】
前記付加質量体（１３）は球体、楕円体、平行六面体または円筒である、請求項１から７までのいずれか１項または複数項記載の圧電性エネルギ変換器（１）。
【請求項９】
前記第１のダイヤフラム構造体（５）および前記第２のダイヤフラム構造体（６）は前記スペーサ（１９）および前記材料空洞部（２１）の面に向かってそれぞれ１つの支持体層（７）を有し、該支持体層（７）によって前記スペーサ（１９）に固定されている、請求項１から８までのいずれか１項または複数項記載の圧電性エネルギ変換器（１）。
【請求項１０】
前記第１のダイヤフラム構造体（５）、前記第２のダイヤフラム構造体（６）および前記付加質量体（１３）が動的に機械的に変位する場合、前記電極層（９）から電力が取り出される、請求項１から９までのいずれか１項または複数項記載の圧電性エネルギ変換器（１）。
【請求項１１】
マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）として準備される、請求項１から１０までのいずれか１項または複数項記載の圧電性エネルギ変換器（１）。
【請求項１２】
１Ｈｚ〜１０ｋＨｚ、殊に１Ｈｚ〜１ｋＨｚの周波数領域における、請求項１から１１までのいずれか１項または複数項記載の圧電性エネルギ変換器（１）の使用。
【請求項１３】
０ｍＷ〜１０ｍＷ、殊に０．４μＷ〜１０μＷの電力領域における、請求項１から１１までのいずれか１項または複数項記載の圧電性エネルギ変換器（１）の使用。
【請求項１４】
０ｍｍ〜１ｍｍ、殊に−１×１０-4ｍ〜１×１０-4ｍの変位領域における、請求項１から１１までのいずれか１項または複数項記載の圧電性エネルギ変換器（１）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の上位概念に記載されている圧電性エネルギ変換器に関する。
【０００２】
１つのダイヤフラムを備えた従来の圧電性エネルギ変換器は、例えば振動の形態の機械的なエネルギを電気的なエネルギに変換することができる。この種の従来の圧電性エネルギ変換器が図１に示されている。
【０００３】
このエネルギ変換器は簡単な質量バネ系を表す。付加質量体がこの付加質量体に作用した加速に基づき変位すると、相応の変位がバネとみなすことができるダイヤフラム構造体に伝達される。この変位は圧電層において機械的な応力状態を生じさせ、この応力状態により圧電効果に基づいて電極間で電荷分離が生じる。外部で電気的な負荷が２つの電極の間に接続され、圧電性ダイヤフラムが動的に変位すると、電流が流れる。
【０００４】
重要な特性はダイヤフラム構造体の固有の動的で機械的な特性である。ダイヤフラムの非線形の復元力に基づき、このダイヤフラムは非常に非線形の特性を示す。すなわち、ダイヤフラム構造体は非常に非線形の機械的な発振器を形成する。この機械的な発振器を以下の式１により表すことができる：
【数１】
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【０００５】
ｋ3・ｘ3を用いて、復元力の相応の非線形の成分を算術的に検出することができる。この非線形の成分により、系にとっては不利となる複雑な共振特性が生じる。この関係において図２を参照する。一方では、不所望なヒステリシスを生じさせる不安定な状態（点Ａおよび点Ｂ）が存在する。このことは、低周波数から高周波数の経過において共振が生じたか、高周波数から低周波数の経過において共振が生じたかに応じて、異なる共振経過が見込まれることを意味する。このことは、励起される振動スペクトルの周波数が実際に安定していない場合には実際の使用を困難にする。他方では、最大出力電力を得ることができる周波数（点Ａを参照されたい）は外部から作用する加速の振幅に依存する。
【０００６】
ダイヤフラムとして実施されている従来の圧電性エネルギ変換器は殆ど知られていない。従来の科学的なアプローチにおいては、非線形の現象は詳細に検討されていない。従来の実施形態においては、非線形の復元力を無視できるように変位は小さい。しかしながら、ダイヤフラムの僅かな変位では僅かな出力電力しか生じない。
【０００７】
本発明の課題は、ダイヤフラム構造体の復元力の非線形の成分が効果的に減少されるように、従来技術に比べて大きい機械的な出力ないしエネルギを大きい電気的な出力ないしエネルギに変換するための、２つの第１の電極層とそれらの電極層間に配置されている圧電層とを有し、動的に変位するダイヤフラム構造体を備えた圧電性エネルギ変換器を提供することである。
【０００８】
この課題は、独立請求項に記載されている圧電性エネルギ変換器によって解決される。他の請求項によれば、この種の圧電性エネルギ変換器が有利に使用される。
【０００９】
非線形の動的特性の本発明による課題は、機械的にプリロードが掛けられた２つの圧電性ダイヤフラムを対向して配置することにより解決される。図３は、機械的にプリロードが掛けられている２つのバネが対向して接続されている配置を概略的に示している。したがって、合成復元力は個々のバネの復元力の加算によって得られる。合成復元力が個々のバネの復元力の加算によって得られることによって、また個々のバネに機械的にプリロードが掛けられていることによって、合成復元力の非線形成分が効果的に低減される。図４は、２つのダイヤフラムの機械的な接続により復元力の線形化が生じ、周波数特性が従来の高調波発振器に近似することを示している。図５は、周波数経過におけるヒステリシスが回避され、周波数特性は励起振幅に依存しないことを示している。
【００１０】
２つの圧電性ダイヤフラムの対向配置はバネ質量系の非線形の復元力を大幅に低減し、また以下の利点をもたらす：周波数特性におけるヒステリシスが回避される；周波数経過は加速の励起振幅に依存しない。
【００１１】
別の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【００１２】
有利な実施形態によれば、第２のダイヤフラム構造体は第１のダイヤフラム構造体の前述の特性と同じ特性を有する。これは殊に、ダイヤフラム構造体の動的な特性、また圧電層および電極が設けられていることに関する。さらに、同一の特性を有する付加的な支持体層を形成することができる。第２のダイヤフラム構造体を第１のダイヤフラム構造体に適合させることにより、第１のダイヤフラム構造体とは逆方向に作用する機械的なプリロードが形成されるべきである。
【００１３】
別の有利な実施形態によれば、付加質量体が２つのダイヤフラム構造体間に位置決めないし配置されている。このようにして、付加質量体を殊に有利には立体的に支承することができる。
【００１４】
別の有利な実施形態によれば、２つのダイヤフラム構造体の間隔は、これら２つのダイヤフラム構造体ないしダイヤフラム層構造に対して垂直の付加質量体の最大拡張部とは異なり、その差は殊にメートルの範囲のオーダを有する。２つのダイヤフラム構造体には外側に向かっても内側に向かっても逆方向に機械的にプリロードを掛けることができる。ダイヤフラム構造体には付加質量体に向かって内側にプリロードを掛けることができる。
【００１５】
別の有利な実施形態によれば、２つのダイヤフラム構造体ないしダイヤフラム層の間隔は２つのダイヤフラム構造体ないしダイヤフラム層に対して垂直な付加質量体の最大拡張部よりも小さい。これによって、殊に簡単なやり方で、逆方向に作用する機械的なプリロードを提供することができる。外側に向かって作用する２つのダイヤフラム構造体に外側に向かって作用する力は等しい。
【００１６】
別の有利な実施形態によれば、スペーサにより材料空洞部が形成されている。２つのダイヤフラム構造体は材料空洞部、殊にウェハ空洞部およびスペーサの対抗する側それぞれに沿って延在している。２つのダイヤフラム構造体はスペーサに固定されており、このスペーサの厚さに応じて生じる間隔を相互に有する。これは圧電性エネルギ変換器の殊に小型で有利な構造様式である。
【００１７】
別の有利な実施形態によれば、材料空洞部は少なくとも部分的に、付加質量体の横方向の移動を回避するために、付加質量体の横方向の最大拡張部に応じた横方向の拡張部を有する。これによって、例えば振動である機械的なエネルギは直接的に２つのダイヤフラム構造体の変位に変換される。付加質量体の横方向の移動による損失が効果的に低減される。さらには、材料空洞部の横方向の拡張部は付加質量体の横方向の最大拡張部よりも大きくてよい。
【００１８】
別の有利な実施形態によれば、付加質量体は球体、楕円体、平行六面体または円筒である。したがって、付加質量体を効果的なやり方で振動の相応の特性に適合させることができる。
【００１９】
別の有利な実施形態によれば、２つのダイヤフラム構造体はスペーサおよび材料空洞部の面に向かってそれぞれ１つの支持体層を有する。２つのダイヤフラム構造体はこの支持体層を用いてスペーサに固定されている。このようにして、電極層および圧電層を殊に有利には、それぞれ受け取る振動に関して最適化することができる。支持体層はダイヤフラム構造体を支持するために最適化することができる。
【００２０】
別の有利な実施形態によれば、第１のダイヤフラム構造体、第２のダイヤフラム構造体および付加質量体が動的に機械的に変位する場合、電極層から電力を取り出すことができる。
【００２１】
別の有利な実施形態によれば、圧電性エネルギ変換器がマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）として製造される。マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）は基板ないしチップ上でメカニカル素子、センサ、アクチュエータおよび電子回路が組み合わされたものである。
【００２２】
圧電性エネルギ変換器は殊に１Ｈｚ〜１ｋＨｚの周波数領域、０．４Ｗ〜１０Ｗの電力領域および−１・１０-4ｍ〜１・１０-4ｍの変位領域に適している。
【００２３】
以下では本発明を図面に示した実施例に基づき詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の圧電性エネルギ変換器の実施例を示す。
【図２】従来の圧電性エネルギ変換器の非線形な周波数特性のグラフを示す。
【図３】２つの非線形のバネの対向配置の実施例を示す。
【図４】単一のダイヤフラムおよび対向配置されている二重ダイヤフラムに関するダイヤフラム変位と復元力の関係を示す。
【図５】対向配置されている二重ダイヤフラムの論理的な周波数特性を示す。
【図６】本発明による圧電性エネルギ変換器の実施例を示す。
【００２５】
図１は、従来の圧電性エネルギ変換器の実施例を示す。エネルギ変換器１は簡単な質量バネ系を表す。殊にバルク材料として提供されているウェハ３上には第１のダイヤフラム構造体５が形成されている。第１のダイヤフラム構造体５は２つの電極層９を有し、これらの電極層９の間には１つの圧電層１１が形成されている。これらの３つの層を直接的にウェハ３上に被着させることができるか、ウェハ３上に被着されている支持体層７上に形成することができる。付加質量体１３は第１のダイヤフラム構造体５に機械的に接続されている。双方向矢印は、例えば振動により形成された加速を表す。ウェハ３は例えばＳｉおよび／またはＳＯＩを含有することができる。電極層９は例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｐｔ／Ｔｉを含有することができる。圧電層１１は例えばＰＺＴ、ＡＩＮおよび／またはＰＴＦＥを含有することができる。任意の支持体層７は例えばＳｉ、ポリＳｉ、ＳｉＯ2および／またはＳｉ3Ｎ4を含有することができる付加質量体１３は例えば金属を含有することができるか、プラスチックを用いて形成することができる。
【００２６】
図２は、例えば図１による従来のエネルギ変換器１の非線形の周波数特性を示す。非線形の成分により、系にとっては不利となる複雑な共振特性が生じる。一方では、不所望なヒステリシスを生じさせる不安定な状態が存在する。これらの不安定な状態は参照符号ＡおよびＢでもって表されている。これによって、低周波数から高周波数の経過において共振が生じたか、高周波数から低周波数の経過において共振が生じたかに応じて異なる共振経過が得られる。励起された振動スペクトルの周波数は安定していない。最大出力電力を得ることができる点Ａにおける周波数は外部から作用する加速の振幅に依存する。
【００２７】
図３は、２つの非線形のバネの対向配置の実施例の概略図を示す。合成復元力は個々のバネの復元力Ｆｒの加算によって得られる。２つのバネ１５および１７は機械的にプリロードが掛けられている。復元力には参照符号Ｆｒが付されている。個々のバネ１５および１７の機械的なバイアスおよび復元力の加算により、合成復元力の非線形の成分は効果的に低減されている。
【００２８】
図３による非線形のバネ１５および１７の対向配置は、対抗して機械的に接続されている二重ダイヤフラムに関するダイヤフラム変位に依存する復元力Ｆｒの線形化をもたらす。この種の復元力が図４に示されている。２つのダイヤフラムの機械的な対向配置により復元力Ｆｒの線形化が生じ、これによりやはり、図３による装置の周波数特性は従来の高調波発振器に近似する。図４によれば、単一のダイヤフラムの経過、二重ダイヤフラムの経過が実線で示されており、また線形化された二重ダイヤフラムの経過が破線で示されている。
【００２９】
図５は、第１のダイヤフラム構造体５および第２のダイヤフラム構造体６を有する、機械的に対向配置されている二重ダイヤフラムの論理的な周波数特性を示す。励起周波数は０Ｈｚ〜６０Ｈｚの領域にある。共振周波数は例えば３０Ｈｚである。
【００３０】
図６は、本発明による圧電性エネルギ変換器の第１の実施例を示す。図６において図１と同じ構成素子には同一の参照番号が付されている。参照番号１９はスペーサを表す。参照番号２１はスペーサ１９内に形成されている空洞部を表す。図６によれば２つの圧電性エネルギ変換器１がダイヤフラムとして実施されており、また対向して配置されて機械的に接続されている。付加質量体１３によって２つのダイヤフラム構造体５および６には逆方向に機械的にプリロードが掛けられている。２つの個々のエネルギ変換器１は相応の厚さのスペーサ１９を用いて相互に接続されており、しかも例えば接着またはウェハボンディングにより接続されている。スペーサ１９は例えば構造化されたシリコンウェハでよい。付加質量体１３は単に２つのダイヤフラム構造体５および６の間に収容されている。スペーサ１９は同時に、付加質量体１３の妨害的な横方向の移動を阻止する。２つのダイヤフラム構造体５および６の間隔は、これら２つのダイヤフラム構造体５および６には付加質量体１３によって既に機械的にプリロードが掛けられており、しかも殊に数メートルのプリロードが掛けられているように調整される。２つのダイヤフラム構造体５および６の間隔が、これら２つのダイヤフラム構造体５および６に垂直な付加質量体１３の最大拡張部よりも小さいことによって、２つのダイヤフラム構造体５および６には逆方向にプリロードが掛けられている。このようにして、対向配置されている第１のダイヤフラム構造体５および第２のダイヤフラム構造体６のダイヤフラム変位に依存して復元力が線形化される。図６における構成素子の材料は図１における構成素子の材料に対応していてよい。図６においては双方向矢印が加速の方向を示しており、この加速は例えば振動によって形成されている。付加質量体１３は例えば球体、楕円体、平行六面体または円筒でよい。他の幾何学的な形状も同様に考えられる。付加質量体１３は金属、非金属、プラスチックまたは有機材料、例えば木材を有することができる。同様に、付加質量体１３の内部が空洞であってもよい。別の構成も同様に考えられる。ダイヤフラム構造体５および６が付加質量体１３に機械的に接続されることは、ダイヤフラム構造体５および６が付加質量体１３と接触していることを意味する。
【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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【国際調査報告】
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