(57)【要約】  基部と、圧電材料の層から形成されかつ基部にある第１の端と第２の端との間に延在する圧電トランスデューサとを有する振動エネルギハーベスタ。圧電トランスデューサの少なくとも一部は、第１の端と第２の端との間に往復パターンで配置される。磁性構成要素は磁場を与え、その中で、圧電トランスデューサの少なくとも一部が非線形挙動を呈するように動作する。振動エネルギハーベスタを用いる生物医学移植可能装置は、心拍波形（心拍）からエネルギを抽出して、これにより体内の装置に電力供給することができる。
2016507898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動エネルギハーベスタであって、
基部と、
圧電材料の層を備えかつ前記基部にある第１の端と第２の端との間に延在する圧電トランスデューサとを備え、圧電トランスデューサの少なくとも一部は、第１の端と第２の端との間に往復パターンで配置される、振動エネルギハーベスタ。
【請求項２】
振動エネルギハーベスタであって、
基部と、
基部から延在する圧電トランスデューサと、
関連の磁場を有する磁性構成要素とを備え、圧電トランスデューサの少なくとも一部は、トランスデューサが非線形の挙動を呈するように磁場内で動作する、振動エネルギハーベスタ。
【請求項３】
圧電トランスデューサは前記基部にある第１の端と第２の端との間に延在し、かつ圧電材料の層を含み、圧電トランスデューサの少なくとも一部は、第１の端と第２の端との間に往復パターンで配置される、請求項２に記載の振動エネルギハーベスタ。
【請求項４】
方法であって、
入力周波数の範囲にわたって、関連の電力出力を有する幾何学形状を有する圧電トランスデューサを設けるステップと、
圧電トランスデューサに非線形挙動を誘起して、これにより入力周波数の範囲にわたってトランスデューサの電力出力を増大させるステップとを備える、方法。
【請求項５】
非線形圧電エネルギハーベスタを備える、移植可能生物医学装置。
【請求項６】
エネルギハーベスタは心拍波形に応答する、請求項５に記載の移植可能生物医学装置。
【請求項７】
モニタすべき構造への装着のために適合される無線モニタ装置であって、モニタ装置は、構造から振動エネルギを収穫するように構成されかつ圧電材料の層を有する圧電トランスデューサを備える圧電エネルギハーベスタによって電力供給され、圧電トランスデューサの少なくとも一部はトランスデューサの第１の端と第２の端との間に往復パターンに配置されるか、圧電トランスデューサは非線形挙動を呈するか、またはその両方である、無線モニタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は概して、圧電材料を用いて振動エネルギを収穫するための構造および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
低電力電子部品を動作させる際に用いるためのエネルギハーベスタは、数十年にわたって関心の高い分野である。振動エネルギハーベスタは、すぐ使うためにおよび／または後の使用のための蓄積のために、機械エネルギを電気エネルギなどの何らかの他のエネルギの形態に変換することによって機械的移動と関連付けられるエネルギを集めるように構成され得る。たとえば、圧電材料は、機械的に変形されると電位を生成することができ、電気負荷および蓄積装置に接続されて機械振動からエネルギを収穫することができる。遠隔の場所でまたは電池交換が実際的ではない他の適用例で無線センサを動作させるように、そのようなエネルギハーベスタを用いることができる。エネルギハーベスタは、危険な材料をしばしば含む電池に対する依拠を低減し、かつある場合は電気配線の必要性を低減するようにも役立ち得る。しかしながら、そのようなエネルギハーベスタは、それらを多数の実際的な適用例に不適にしてしまうあるサイズ、周波数、および振幅の一部制約のために幅広い用途に採用されてこなかった。
【０００３】
エネルギハーベスタの１つの適用例は移植可能生物医学装置である。人間の運動からエネルギを抽出するように構成される多くの振動エネルギハーベスタは、四肢への装着のために設計される。胴体中への移植を意図される場合、生物医学装置は、時には、エネルギハーベスタを装置パッケージの一部として含むことが好ましい。胴体中で用いることができる一種のエネルギハーベスタは、電力を生成するのにブドウ糖の酸化に一般的に依拠する微生物燃料電池である。別の種類のエネルギハーベスタは、動脈の周りに巻かれる圧電膜を用いて動脈の拡張からエネルギを収穫するように構成される。別の種類のエネルギハーベスタはゴム基板上に印刷される圧電リボンを含み、呼吸の際の肺の拡張からエネルギを収穫するように構成される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
要約
発明の１つの局面に従うと、振動エネルギハーベスタであって、基部と、圧電材料の層を備えかつ当該基部にある第１の端と第２の端との間に延在する圧電トランスデューサとを備え、圧電トランスデューサの少なくとも一部は第１の端と第２の端との間に往復パターンに配置される、振動エネルギハーベスタが提供される。
【０００５】
発明の別の局面に従うと、振動エネルギハーベスタであって、基部と、基部から延在する圧電トランスデューサと、関連の磁場を有する磁性構成要素とを備え、圧電トランスデューサの少なくとも一部は、トランスデューサが非線形の挙動を呈するように磁場内で動作する、振動エネルギハーベスタが提供される。
【０００６】
発明の別の局面に従うと、入力周波数の範囲にわたって、関連の電力出力を有する幾何学形状を有する圧電トランスデューサを設けるステップと、圧電トランスデューサに非線形挙動を誘起して、これにより入力周波数の範囲にわたってトランスデューサの電力出力を増大させるステップとを備える方法が提供される。
【０００７】
発明の別の局面に従うと、非線形圧電エネルギハーベスタを備える移植可能生物医学装置が提供される。少なくともいくつかの実施形態では、エネルギハーベスタは心拍波形に応答する。
【０００８】
発明のまた別の局面に従うと、モニタすべき構造への装着に適合される無線モニタ装置が提供され、モニタ装置は、構造から振動エネルギを収穫するように構成されかつ圧電材料の層を有する圧電トランスデューサを備える圧電エネルギハーベスタによって電力供給される。圧電トランスデューサは非線形挙動を呈するか、トランスデューサの第１の端と第２の端との間に往復パターンに配置される少なくとも一部を有するか、またはその両方であることを特徴とする。
【０００９】
発明の実施形態は、本明細書中および図面中に開示されるさまざまな特徴のすべての技術的に適合性のある組合せを含む。
【００１０】
添付の図面と関連して、好ましい例示的な実施形態を以下に説明し、同じ名称は同じ要素を表記する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】振動エネルギハーベスタの１つの実施形態の概略破断図である。
【図２】トランスデューサの固有周波数に対する、圧電トランスデューサの幾何学形状における往復の方向転換の数の影響を示すプロットである。
【図３】エネルギハーベスタ周波数応答に対する非線形挙動の影響を示すプロットである。
【図４】負荷または蓄積装置への電気的接続を示すエネルギハーベスタの別の例の概略図である。
【図５】心拍波形の例を示す表である。
【図６】最適な電力伝達関数と、各々のトランスデューサがジグザグ構造を有する、それぞれ中規模トランスデューサおよび微小規模トランスデューサの圧電ビームの数とを基板厚みの関数として示す表である。
【図７】最適な電力伝達関数と、各々のトランスデューサがジグザグ構造を有する、それぞれ中規模トランスデューサおよび微小規模トランスデューサの圧電ビームの数とを基板厚みの関数として示す表である。
【図８】例示的な非線形エネルギハーベスタの概略図である。
【図９】心拍波形に応答するカオスのストレンジアトラクタを示す表である。
【図１０】正常強度での心拍振動に応答する、および正常の１０倍の強度の心拍振動に応答する、双安定ハーベスタのポアンカレ写像である。
【図１１】正常強度での心拍振動に応答する、および正常の１０倍の強度の心拍振動に応答する、双安定ハーベスタのポアンカレ写像である。
【図１２】非線形双安定エネルギハーベスタの電力出力を圧電層の厚みの関数として示す表である。
【図１３】双安定エネルギハーベスタの電力出力を心拍数の関数として示す表である。
【図１４】微小規模および大規模トランスデューサの幾何学形状の例を示す写真画像である。
【図１５】微小規模および大規模トランスデューサの幾何学形状の例を示す写真画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図示される実施形態の説明
以下に記載するように、小型のサイズおよび形状の、特に比較的低い周波数励振で向上した効率および電力出力を有する圧電トランスデューサを用いて振動エネルギハーベスタを構築することができる。トランスデューサには非線形挙動も誘起してもよく、これにより、有用な量の電力を発生することができる周波数範囲が大きくなる。エネルギハーベスタの１つの有用な適用例は、ペースメーカー、植込型除細動器（ＩＣＤ）、または他の移植可能装置などの生物医学移植装置のための電源としてである。エネルギハーベスタは、十分な量の電力を発生させて振動入力としての胸区域での心拍振動を用いて、近代のペースメーカー中の電池を動作させる、および／またはこれを連続的に再充電するように構成されることができ、主に電池交換のために行なわれる移植後外科的手順を潜在的に排除する。本明細書中に記載されるエネルギハーベスタは、電池の交換が実際的でないまたは不可能である長期間の電子部品適用例などの他の適用例での使用にも適合されてもよい。
【００１３】
図１を参照して、例示的な振動エネルギハーベスタ１０が示される。エネルギハーベスタ１０は圧電エネルギハーベスタであり、基部１４から延在する圧電トランスデューサ１２を含む。トランスデューサ１２は、基部１４にある第１の端１６から基部から離れた第２の端１８へ延在する。この例では、第１の端１６は基部１４に固定され、第２の端１８は自由端である。他の例では、第２の端１８が固定されてもよく、トランスデューサ１２は、１つ以上の付加的な自由端または固定端を含んでもよい。トランスデューサ１２は任意の好適な技術によって基部１４に固定されてもよく、またはトランスデューサは、基部と一体であるかまたは基部に一体としてともに形成される部分を含んでもよい。圧電トランスデューサ１２は、圧電材料の少なくとも１つの層を含む層構造を有してもよい。１つの実施形態では、トランスデューサ１２は、２つの電極層の間に介在される圧電材料の層を含む。トランスデューサ１２は１つ以上の基板層および／または接着層も含んでもよい。層のうち任意のものは連続したまたは不連続の層であってもよく、かつ他の圧電トランスデューサ構造が可能である。
【００１４】
図示されるトランスデューサ１２は一般的に平らまたは平坦であり、第１の端１６と第２の端１８との間に往復パターン２０で配置される。往復パターンは直線ではない２点間の経路を規定する。この文脈では、トランスデューサ１２が第１の端１６から離れて延在すると、トランスデューサは、第１の端と第２の端１８との間の直線Ａの方向とは異なる方向に離れるように延在する。図示される例では、トランスデューサ１２は、ｘ方向の第１の端１６から、直線Ａから離れるように延在する。第２の端１８に達するには、経路は、どこかの点で直線Ａに向かって戻る方向に延在するように方向を変えなければならない。図示される往復パターン２０は、第１の端１６と第２の端１８との間の複数の方向転換を有する経路を形成し、第１の端と第２の端との間を延在するにつれて、直線Ａを横切って前後にくねりながら進んでいくジグザグパターンまたは曲折パターンと称されることがある。いくつかの実施形態では、圧電トランスデューサの一部のみが往復パターンに配置される。いくつかの実施形態では、トランスデューサの１つ以上の部分が第１の端１６と第２の端１８との間に直線Ａと同じ方向に延在してもよい。以下により詳細に論じるように、往復パターン２０は、支配的な（たとえば高い振幅の）振動が低周波である適用例での効率的なエネルギ収穫のために小型形状で比較的低い固有周波数を有するトランスデューサ１２を設けるのに有用であり得る。図２の表は一般的に、図１のような曲折したまたはジグザグ構成における往復の方向転換の数の影響を示し、トランスデューサの固有周波数は、往復の方向転換の数が増大すると低下する。
【００１５】
図示されるトランスデューサ１２は、複数のビーム２２を有するとして説明されてもよく、その各々は関連の長さＬおよび幅Ｗを有する。この例では、ビーム２２は、隣接するビーム同士の間に空隙Ｇを規定して互いに平行に配置される。各々のビーム２２は、接続部２４によって一方端でのみ任意の他の単一の隣接するビームに接続される。隣接するビームを２つ有する（すなわち、対向する空隙Ｇを横切って両側に位置する）ビーム２２は、一方端で２つの隣接するビームの一方に、および反対の端で２つの隣接するビームの他方に接続される。他の往復構成は、ビームが１つおきに平行であるが隣接するビーム同士が平行ではなく、かつ各々のビームが隣接するビームの端に接続される、角度付けられたジグザグパターンか、螺旋パターンか、またはパターンの組合せを含んでもよい。
【００１６】
エネルギハーベスタ１０は、図１に示されるように、１つ以上の磁性構成要素２６，２８および筐体３０も含んでもよい。磁性構成要素２６，２８の各々は関連の磁場を有する。磁性構成要素２６，２８は、トランスデューサ１２の少なくとも一部が関連の磁場のうち１つ以上の中で動作するように配置される。磁場の存在下でトランスデューサ１２を動作させると、トランスデューサに非線形挙動を誘起することができる。たとえば、トランスデューサの第２の端１８のｚ方向への偏向は、加えられる力の線形関数であってもよく、または磁性構成要素の不在下では少なくとも線形領域を有してもよい。磁性構成要素２６，２８は、所与のトランスデューサ幾何学形状の力偏向挙動を変更することができる。なぜなら、加えられる磁力は、トランスデューサと磁場との相対的位置とともに変化し、こうして非線形挙動を誘起するからである。たとえば、磁性構成要素２６，２８は、トランスデューサ１２の第２の端１８に付けられる構成要素２６が筐体３０に付けられる構成要素２８に向けて（すなわち、図１の下方向）磁気的に吸引されるように、それらのそれぞれの極が配置されてもよい。この場合、トランスデューサ１２の第２の端１８は、磁性構成要素２８から離れるように移動するので、初期偏向は所与のトランスデューサ幾何学形状についての正常よりも小さくなることがあるが、さらなる移動とともに磁場の低下効果は小さくなる。
【００１７】
これに代えて、磁性構成要素２６，２８のそれぞれの磁極は、非線形挙動の同様の誘起とともに、互いに対して反発するように配置されてもよい。他の例では、非線形効果を個別調整するために、異なる場所、場の強度、極の配置などを用いて複数の磁性構成要素を配置してもよい。磁性構成要素２６または２８のいずれかを、磁性構成要素の磁場で動作する強磁性構成要素と置き換えてもよい。強磁性構成要素の移動は、それらが場の大きさ、形状、強さ、または方向に能動的に寄与していないかもしれないとしても、磁場によって影響されることがある。磁性構成要素構成の他の例を以下に記載する。非線形挙動を圧電トランスデューサに誘起すると、トランスデューサが有用な量の電力を発生する周波数の範囲を広げることができる。この効果は図３の表に一般的に示され、ここでは、線形エネルギハーベスタは、トランスデューサの固有周波数に対応する７〜８Ｈｚの間のピークを呈し、非線形ハーベスタは広がった電力帯を呈する。同じ利点を達成するのに、トランスデューサ１２に非線形挙動を与えるための他の技術が可能である。
【００１８】
図４は、負荷または蓄積装置への電気的接続を示す、エネルギハーベスタ１０の別の例の概略図である。この例では、個々のビーム２２は互いから電気的に絶縁され（すなわち、トランスデューサ層の１つ以上が不連続であり）、平行構成で負荷に接続される。他の構成が可能である。
【００１９】
移植可能生物医学装置、すなわちペースメーカー、のための電源の形態での非限定的例としてエネルギハーベスタを以下に説明する。ペースメーカーの電力要件は何年にもわたって大幅に低減され、１マイクロワット（１．０μＷ）が近代のペースメーカーが要件とする電力の合理的な上限推定値である。典型的なペースメーカーの大きさは約４２ｍｍ×５１ｍｍ×６ｍｍである。典型的なペースメーカーでは、電池ベースの電源がペースメーカーの全体の大きさの約２／３を占める。以下に記載する分析は、電源についての５０％のサイズ縮小を目標として行なわれ、エネルギハーベスタの目標最大サイズは２７ｍｍ×２７ｍｍ×６ｍｍであった。生体適合性材料の選択は、移植可能生物医学装置を設計する際の大きな課題となる可能性がある。最も一般的に用いられる圧電材料（ＰＺＴ）は有害な鉛からなる。ペースメーカーの電池および回路は典型的に、体の内部とペースメーカーの電池または回路との間の接触がないのを確実にするように、生体適合性材料であるチタンから作られる封止ケースまたは筐体中に封入される。別の設計の考慮点は、エネルギハーベスタが心拍行動を妨げてはならないことである。心臓の外側にエネルギハーベスタまたはハーベスタ内蔵装置を直接に装着すると、心臓に質量負荷を加える可能性があり、問題になることがある。
【００２０】
心臓の近傍での振動は、カナイ他（Kanai et al.）のIEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 43, 791 (1996)）に記載されかつ図５に示されるような超音波速度測定を用いて推定された。カナイは、心臓の左心室および右心室を分離する壁である心室間隔壁の下側の２点で速度を測定した。測定点は横隔膜に近いので、速度データは、心臓の区域に近い体の部分の振動の安全な推定である。
【００２１】
（磁性構成要素の不在化で）図１のような往復配置を有する圧電トランスデューサを有する線形振動エネルギハーベスタの挙動を分析した。エネルギハーベスタの目標最大サイズは比較的小さいので、片持ち梁ハーベスタ設計の片持ち梁の長さは限られており、その結果、固有周波数は、心臓の規則的（heart-regulated）周波数からエネルギを収穫するには高過ぎる。往復トランスデューサパターンにより、小さな梱包材窓中でのはるかにより低い固有周波数を有するトランスデューサの構築が可能になる。図１に示されるトランスデューサの幾何学形状は、ユニモルフジグザグ幾何学形状と称されることもある。この幾何学形状は、低い固有周波数および高い強度を有するように設計可能である。心拍振動の周波数スペクトルは、数Ｈｚ〜約５０Ｈｚの範囲にわたる。分析のために、線形エネルギハーベスタは、主に心拍振動の３９Ｈｚの周波数成分から振動エネルギを収穫するように構成された−なお、３９Ｈｚの周波数成分の振幅は相対的に高い（０．３ｍｓ-2）。さらに、３９Ｈｚは比較的高い周波数であり、その結果、良好な電力発生が得られる。共鳴で動作されるジグザグエネルギハーベスタによって発電される電力は、カラミ他（Karami et al.）（振動エネルギ収穫のためのジグザグ微小構造のパラメータ的研究（"Parametric study of zigzag microstructure for vibrational energy harvesting"）、 J. Microelectromech. Syst.(2012)）に記載されるモデルから算出される。設計手順は、カラミ他（Karami et al.）（(J. Intell. Mater. Syst. Struct.22, 271 (2011)）に記載されるのと同様であり、より良好な発電のためにジグザグエネルギハーベスタのあらゆる局面が最適化された。
【００２２】
この第１の線形エネルギ収穫の分析のために、ジグザグトランスデューサが長さ２７ｍｍのビームを有する、目標最大ハーベスタサイズを用いた。高い密度および比較的高いヤング率のために、真鍮を基板材料として用いた。エポキシ（ポリエポキシド）接着剤を用いて基板に装着されるように、圧電層が考慮された。装置のために選択される市販のＰＺＴ−５Ａセラミックは、厚さが０．０１インチ（２５４μｍ）であった。最適化手順により、電力と基板の厚みとの間の関係が図６に示される結果となる。ここで、最大電力は約１８００μｍの基板厚みに対応する。そのような構造からの電力出力は約１０μＷである。このように、記載のようにサイズ決めされかつ構成される線形中規模エネルギハーベスタは、したがって、公称心拍で励振されると、近代のペースメーカーの電力要件（１．０μＷ）の約１０倍を生成する。しかし、電力出力は心拍に対する感度が非常に高い。以下にさらに記載する非線形挙動をエネルギハーベスタに誘起して心拍の感度を克服するのを助けてもよい。
【００２３】
長さが僅か５ｍｍの微小規模エネルギハーベスタのために同様の設計および最適化手順を行なった。圧電層の厚みは微小規模装置ではいくぶん限定されることがあり、これは電力出力に大きく影響を及ぼす可能性がある。図７に示される最適化分析は、圧電層の厚みが３μｍに限定されると、最適化されたエネルギハーベスタ電力出力が僅か約３９ｎＷになることを示す。
【００２４】
非線形エネルギハーベスタの一例を図８に示す。トランスデューサ１２のビーム２２はバイモルフであり、真鍮基板を有する。ビームの自由端１８にある磁石２６と本体１４に装着される磁石２８との間の反発力は、複合ビームの弾性復元力に対抗する。磁力はビーム先端の変位の非線形関数であるので、磁石２６，２８はエネルギ収穫系を非線形にする。反発力は系の動力学を根本的に変えることもできる。たとえば、先端の磁石と基部の磁石との間の反発磁力が復元弾性力を上回ると、ゼロ偏向位置が不安定になる。このように、示される構成では、中心の２つの対向側にビームの２つの平衡位置が存在する。２つの平衡位置を有する系は双安定系と称されることがある。
【００２５】
図３に以前示したように、非線形エネルギハーベスタは、線形ハーベスタよりも大きな周波数帯域幅を呈する。このように、心拍振動からエネルギを収穫するように設計されるエネルギハーベスタへの非線形性の誘起、または他のやり方でのこの実現を、心拍に対して比較的鈍感にすることができる。図示されるバイモルフビームは２７ｍｍ×２７ｍｍである。図示される基部磁石および先端磁石の寸法は２５．４ｍｍ×３．１８ｍｍ×３．１８ｍｍである。最適化の際に、磁石の残留磁束密度が導出された。２つの磁石同士の間の反発磁力を推定するため、スタントン他（Stanton et al.）（Physica D 239(10), 640 (2010)）に記載の方策を用いた。
【００２６】
心拍波形に対する非線形ダフィング系の応答を以下に説明する。心拍振動は周期的であるが、エネルギハーベスタの応答は、調和励振に対するハーベスタの応答とは根本的に異なる可能性がある。たとえば、真鍮基板の厚みが２５μｍであり圧電層の各々の厚みが２００μｍである最適化された単安定装置（すなわち、平衡位置を１つだけ有する装置）は、周期的な（しかし調和的でない）心拍波形に応答してカオス振動を経る。調和的入力に応答する単安定系のカオス振動が可能である一方で、それは普通ではない。ハーベスタのカオス的運動のストレンジアトラクタを図９に示す。
【００２７】
分析は、単安定ハーベスタと比べて、双安定ハーベスタが、電力レベルおよび心拍に対する鈍感さという観点の両方で優れていることを示す。したがって、以下の説明の焦点は、双安定エネルギハーベスタに対してのものである。双安定装置の運動の単一モード無次元式は以下のとおりである。
【００２８】
【数１】
2016507898.tif 000003
【００２９】
および
【００３０】
【数２】
2016507898.tif 000004
【００３１】
式中、ｙはモード座標であり、τは無次元時間であり、ζはモード減衰比であり、φおよびβは圧電結合係数であり、Ｖは負荷の両端の電圧であり、αは電気系の時間定数に関し、かつｆは心拍励振に関する。
【００３２】
励振の振幅が典型的な心拍振動の１／１０でしかない場合、双安定系は、振幅が小さい周期的運動を呈する。これは、調和振動に対する系の応答と定性的に同様である。双安定ハーベスタが心拍波形によって励振される場合、これは、図１０に示されるように、井戸内カオスを呈する。ダフィング系における井戸内カオスと通常のカオスとの間の主な区別点は、前者においては先端が平衡位置のうち１つの近傍に留まることである。これは調和的入力に対する双安定ハーベスタの応答で観察されたが、その発生は稀な現象である。これに対し、基礎励振が心拍加速の形態を有すると、一般的に井戸内カオスが起こる。極端な心拍（たとえば、正常な拍よりも約１０倍強い）は、図１１に示されるように、エネルギハーベスタのカオス的運動を誘起する。
【００３３】
非線形双安定エネルギハーベスタは、心拍波形に対するその応答に基づいて分析されかつ最適化された。基板の厚みは１００μｍであると想定された。圧電層の厚みの各々の値毎に、残留磁束密度および磁気ギャップが最適化された。ハーベスタの電力出力は、以上で言及した支配方程式の数値分析法に基づいて評価された。電力を評価するため、多数の周期にわたって系を走らせて、定常状態に到達するようにされた。電力出力は、二、三の励振周期にわたって平均化されて、電力のメトリックを与えた。
【００３４】
エネルギハーベスタの応答が周期的であれば、図１２および図１３の表中のデータ点を丸で、または応答がカオス的であれば、星印でプロットする。図１２は、圧電層の厚みに伴う電力出力のばらつきを示す。これは、圧電層の厚みが８０μｍである非線形ハイブリッドエネルギハーベスタが心拍振動から約８μＷを発電することができることも示す。この電力の量は、近代のペースメーカーの電力要件の約８倍である。
【００３５】
双安定ハイブリッド装置の周波数感度を評価するため、最適な設計の電力出力と心拍との間の関係を分析した。図１３に示されるように、振動の種類および出力電力の両方が心拍とともに変化するが、双安定エネルギハーベスタは常に３μＷよりも多くの電力を発電する。考慮されかつ図１３に示される心拍の範囲が１分当たり７拍から１分当たり７００拍の範囲にわたる２桁のオーダに跨って、典型的な人の心拍の全範囲にわたってハーベスタの性能を良好なものにしたことにも注目される。
【００３６】
ペースメーカーの電源として用いるための心拍励振エネルギハーベスタに対する上記分析は、本明細書中に教示されるエネルギハーベスタの有用な適用例の一例に過ぎない。上記説明から明らかなように、さまざまな適用例に合うように、圧電変換、磁場、およびトランスデューサ幾何学形状のさまざまな組合せにより、サイズ、周波数範囲、および振幅に関して拡張性のある振動ベースの収穫装置を提供することができる。トランスデューサに非線形挙動を誘起するのに静磁場を用いてもよい。加えてまたはこれに代えて、トランスデューサ幾何学形状にジグザグおよび／または曲折パターンを用いてもよい。エネルギハーベスタは、比較的小さなＭＥＭｓ規模からより大きな大規模まで規模を拡大縮小することができ、周波数および振幅の観点で広い範囲の周囲振動からエネルギを発生することができる。例示的なＭＥＭｓ規模トランスデューサパターンの写真画像を図１４に示す。ここでは、長さの尺度は約１ｍｍである。例示的な大規模トランスデューサパターンの写真画像を図１５に示す。ここでは、長さの尺度は約１０ｃｍである。
【００３７】
このように、ここに記載するエネルギハーベスタは、以前は可能ではないある作業または条件をモニタするのを可能にできる可能化技術を表わす。たとえば、エネルギハーベスタは、無線モニタ装置に電力供給するように一体化されても、および／または用いられてもよく、モニタすべき構造に装着されてもよい。モニタ装置は、構造から振動エネルギを収穫するように構成可能な圧電エネルギハーベスタによって電力供給されることができる。いくつかの非限定的例は、有人または無人航空機の構成要素をモニタするための装置、橋、パイプライン、または建物をモニタするための装置、タービンエンジン構成要素をモニタするための装置、ならびにタイヤ圧などの自動車のさまざまな状態をモニタするための装置を含む。
【００３８】
ペースメーカーおよびＩＣＤに加えて、他の医学的適用例は、数例を挙げるだけでも、移植可能薬物療法装置、既存のペースメーカーに嵌めることができる発電パッチ、神経刺激装置、脳深部刺激装置、および収縮性診断センサを含む。
【００３９】
以上の説明は発明の１つ以上の好ましい例示的な実施形態の説明であることを理解すべきである。発明は、本明細書中に開示される特定の実施形態に限定されるのではなく、むしろ以下の請求項によってのみ規定される。さらに、以上の説明に含まれる記載は特定の実施形態に関し、用語もしくは文言が以上で明示的に定義される場合を除いて、発明の範囲または請求項で用いられる用語の定義に対する限定として解釈されてはならない。当業者には、開示される実施形態に対するさまざまな他の実施形態ならびにさまざまな変更および修正が明らかになるであろう。すべてのそのような他の実施形態、変更、および修正は、添付の請求項の範囲内に入ることが意図される。
【００４０】
この明細書および請求項で用いるように、「たとえば」、「例として」、および「など」という用語、ならびに「備える」、「有する」、「含む」、および他の動詞の形態である動詞は、１つ以上の構成要素または他の項目の列挙と関連して用いられると、各々範囲を設定しないものとして解釈されるべきであり、列挙が他の付加的な構成要素または項目を排除すると考えられてはならないことを意味する。他の用語は、それらが異なる解釈を要件とする文脈で用いられるのでなければ、それらの最も広い合理的な意味を用いて解釈されるべきである。
【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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【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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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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