JP5203219B2 - 機械エネルギーを電気エネルギーに変換する方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、主に、機械エネルギー、特に振動を、より効率よく電気エネルギーに変換する方法および装置に関する。
"Vibration-to-Electric Energy Conversion", Meinger, S.; Mure-Miranda, J. O.; Amirtharajah, R.; Chandrakasan, A.; Lang, JH; Very Scale Integration(VLSI) Systems, IEEE Transactions on, Volume 9, Issue 1, Feb. 2001 Page(s):64-76
上述した目的は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換できる圧電手段を用い、圧電手段により生じた電気エネルギーを増幅する静電手段に関連する、エネルギー変換装置により達成される。
a)圧電素子の機械的変形、
b)圧電素子の変形により生じた電荷の再生、
c)圧電素子からキャパシタへの電荷の転送、
d)キャパシタの容量の変更、
e)電気エネルギーの少なくとも一部の再生。
本発明の他の特性と利点は、以下の添付図面を参照して下記記述を読むことで、より明瞭に理解される。
―図1Aは、本発明に従う装置の一実施形態の図式的表示の平面図である。
―図1Bは、図1Aの装置に対応する電気回路図の一例である。
―図1Cは、圧電素子のマイクロメータの変形と、圧電素子が変形した際の、図1Aおよび図1Bの装置のキャパシタのピコファラッドの容量変化を、ミリセカンドの時間関数で示す図である。
―図1Dは、圧電素子が変形した際の、図1Aおよび図1Bの装置のキャパシタの端末における電位の変化を、時間関数で示す図である。
―図1Eは、圧電素子の電気的動作のモデルである。
―図2Aは、本発明に従うエネルギー再生装置の他の実施形態の透視図である。
―図2Bは、本発明に従う装置の基本原理電気回路図である。
―図3は、本発明の他の実施形態の透視図である。
―図4は、本発明の他の実施形態の図である。
―図5Aは、本発明の他の実施形態の図である。
―図5Bは、図5Aの装置の詳細図である。
―図5Cは、図5Aの装置の詳細図である。
―図5Dは、図5Aの装置に対応する電気回路図の一例である。
―図6は、本発明の他の実施形態に対応する電気回路図の一例である。
―図7は、本発明の他の実施形態に対応する電気回路図の一例である。
―図8は、本発明の他の実施形態に対応する電気回路図の一例である。
―図9は、本発明の他の実施形態に対応する電気回路図の一例である。
説明を通じて、所与の電荷の下に弾性変形可能なエレメントは、「変形可能」を意味する。ここで、エレメントの材料は、再生装置が受ける可能性のある強制力に適して選択される。
S = 46×0.4×1 =18.4mm2
C226min = C230min= ε0S / dmax= ε0×18.4mm2 / 50μm = 3.3pF
C226max = C230max = ε0S / dmin = ε0×18.4mm2 / 1μm = 162.7pF
k = M(2Πfr)P= 10-3(2Π50)P = 98.7N/m
Edispo ≒ 1/2kA2 = 1/2×98.7×(24.85×10-6) 2 =29.6nJ.
Precoverable50Hz = 29.6.10-9×2×50 = 2.96μW
機械的周期毎に、キャパシタC226による1周期と、キャパシタC230による1周期との2周期がある。
6 キャリア
8 第一電極
9 圧電材料
10 第二電極
12 キャパシタ
20 電荷伝送制御手段
202 可動部
204、206 固定部
208 本体
210、212、214 歯部
216 キャリア
218 変形アーム
224 第一ダイオード
226 第一キャパシタ
228 第二ダイオード
230 第二キャパシタ
404 圧電材料
406 電極
408 電極
410 第一導電層
412 第二導電層
414 分離層
C1 第一副回路
C2 第二副回路
C5 ストレージユニット
P 圧電素子
Claims (17)
- 少なくとも一つの圧電素子と、可変容量の第一キャパシタ及び可変容量の第二キャパシタによる、機械エネルギーの電気エネルギーへの変換方法であって、該方法は、
a)圧電素子の機械的変形、
b)圧電素子の変形により生じた電荷の再生、
c)圧電素子からキャパシタへの電荷の転送、
d)キャパシタの機械的変形によるキャパシタの容量の変更、
e)電気エネルギーの少なくとも一部の再生、
のステップを含むとともに、
所定の電気エネルギー増幅レベルに達するまで、第一キャパシタにより生じた電気エネルギーを、第二のキャパシタに、また逆も同様に、転送する追加ステップを含む。 - 圧電素子の変形とキャパシタの容量の変更は同時である、
請求項1に記載の変換方法。 - キャパシタの容量が最大の場合に、圧電素子の変形が最大である、
請求項2に記載の変換方法。 - 圧電素子およびキャパシタは、同じ機械的強制力により変形する、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の変換方法。 - キャパシタにより変換された電気エネルギーの一部が、圧電素子に転送される、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の変換方法。 - 電荷が、圧電素子の変形方向の関数として、第一のキャパシタまたは第二のキャパシタに転送される、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の変換方法。 - 圧電素子の端子における電圧が最大の場合、続く変換周期において変換されるエネルギーを増加させ得る機械的制動力を生じるために、符号が反転する、
請求項1〜6のいずれか1項に記載の変換方法。 - 前記増幅レベルに関するエネルギーの過剰量は、ストレージまたは作動ユニットへ転送される、
請求項1に記載の変換方法。 - ステップc)の電荷の転送が、制御回路に取り付けられたダイオードまたはスイッチにより制御される、
請求項8に記載の変換方法。 - 少なくとも一つの圧電素子(P)と、容量が逆に変化する可変容量の第一キャパシタおよび可変容量の第二キャパシタと、圧電素子と第一キャパシタおよび第二キャパシタとの間の電荷の転送の制御手段とを含み、圧電素子(P)の変形の間に生じる電荷が、容量の変化により増幅される電気エネルギーを生じるために、第一キャパシタまたは第二キャパシタに転送され、第一キャパシタまたは第二キャパシタの容量は、第一キャパシタのアーマチュアまたは第二キャパシタのアーマチュアの運動により変更される、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する変換装置であって、
該装置は、所定の電気エネルギー増幅レベルに達するまで、第一キャパシタまたは第二キャパシタにより生じた電気エネルギーを、それぞれ第二キャパシタまたは第一キャパシタに、また逆も同様に、転送する手段を有する。 - 電荷の転送の制御手段が、制御回路に取り付けられた少なくとも一つのダイオードまたはスイッチにより形成される、
請求項10に記載の変換装置。 - 圧電素子(P)と、キャパシタのアーマチュアは、同じ機械的強制力を受けるように、実質的に平行である、
請求項11に記載の変換装置。 - 機械的強制力の適用により動き、運動軸の両側に歯部(210)を備えた部位(202)を含み、歯部(212、214)を備えた2つの固定部(204、206)が可動部(202)の歯部と反対に動き、圧電素子(P)が可動部(202)の運動に対して垂直で、可動部(202)に電気的に接続され、向かい合った歯の対が、容量が反対に変化する直列のキャパシタを2組形成する、
請求項10〜12のいずれか1項に記載の変換装置。 - 圧電素子(P)が、静電電極(4)および圧電素子(P)の第二電極(10)が前記膜の変形により可変容量キャパシタを形成するように、静電電極(4)からある距離で懸架されたフレキシブル膜の形態である、
請求項10〜12のいずれか1項に記載の変換装置。 - 第一の電位の第一電極(410)と、電気的絶縁材料の層(414)と、第二の電位の第二電極(412)とが交互になってキャパシタが形成された層構造を含み、電気的絶縁材料は弾性的に変形可能であり、圧電素子(P)が層構造の一つの層を形成する、
請求項10〜12のいずれか1項に記載の変換装置。 - 圧電素子が、圧電材料の層と、圧電材料の層の各側に第一の電極と第二の電極とを備える、
請求項10〜15のいずれか1項に記載の変換装置。 - 圧電材料が、PZT(PbZrtiO3)またはPLZT(ランタンを備える)またはBaTiO3等のセラミクス、ナノクリスタル(PZN-PTまたはPMN-PT)、ポリマー(PVDF)、またはAFC(Active Fiber Composites)から選択され得る、
請求項16に記載の変換装置。
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