JP2014502440A - 圧電信号発生器 - Google Patents

Abstract

圧電信号発生器（１０；３０）は、圧電素子の作動によって発生した電流（Ｃ）から、信号発生器（１０；３０）から離れた受信器（１６；３６）によって無線で受信されることが可能な電磁信号（Ｓ）を発生させることが可能な、エミッタ（１４；３５）に接続された少なくとも１つの圧電素子（１２；２０）を含み、圧電素子（２０；３１）は、導電性キャリア基底層（２４２）に取り付けられた圧電セラミック層（２４１）を含み；圧電セラミック層は、キャリア基底層に接着され、厚さ（Ｔ_Ｐ）を有する位置決定層（２３）によって共に保持され、共に可逆変形が可能であり、位置決定層（２３）の厚さ（Ｔ_Ｐ）によって予め定められ、制限され；さらに、圧電素子（２０；３１）は、接着する圧電セラミック層（２４１）と共にキャリア基底層（２４２）の可逆変形を緩衝するギャップ層（２６）を含み；ギャップ（２９）が、Ｔ_Ｇ≦Ｔ_Ｐである厚さ（Ｔ_Ｇ）を有する。

Description

本発明は、一般的に通信技術に関し、具体的には、圧電信号発生器、すなわち圧電素子を用いてエミッタを活性化させ、電磁信号を発生させるデバイスに関する。

そのようなさまざまなデバイスが当該技術分野において提案されており、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４及び特許文献５に提案されている。

そのようなデバイスは、エミッタに接続されるすくなくとも１つの圧電素子を含み、圧電素子によって発生する電流がエミッタを活性化させ、電磁信号を発生させ、エミッタから離れた受信器に送信される。具体的な必要性に応じて、電磁信号の波長は可視光の範囲または高周波の範囲、例えば極超短波の範囲であってもよく、エミッタと受信器との間の距離は、数センチメートルから何メートルまで、または何キロメートルにわたる様々なものであってもよい。

しかしながら、そのような製品は、もしあったとしても、商業的に可能なものとなるものはほとんどなく、ほとんどの先行技術の開示は、エミッタを活性化することが可能であることを前提とする圧電素子の本質を特定するものではない。特許文献５の場合のように圧電素子の特定がなされる場合、商業的に利用可能な屈曲した帯状の形態のバイモルフ素子が、十分な電気的エネルギー、典型的には数ｍＪ（ミリジュール、ｍＶ・ｓｅｃに等しい）の範囲を提供することが提案されている。そのような圧電素子の実体的な変形は、エミッタの活性化に必要であり、もちろん、そのように構成されたデバイスの使用可能な寿命に対して弊害をもたらす。

米国特許第４６１２４７２号明細書 米国特許第６６３０８９４号明細書 独国特許第２３１４４２０号明細書 独国特許第２９３９４４０号明細書 欧州特許第１２１７７４２号明細書 欧州特許第０２１０３８６号明細書 欧州特許第０５７６４００号明細書

従って、本発明の主たる目的は、圧電素子の変形が制限される一方でエミッタを活性化させる十分な電気的エネルギーを発生させる、上述した種類の圧電信号発生器を提供することである。

この目的と共に後述する明細書から明らかになるさらなる利点は、請求項１に規定された圧電信号発生器によって達成されるであろう。本発明の好適な実施形態は、請求項２から９に規定される。本発明はさらに、請求項１０において特定される信号発生システムに関する。

驚くべきことに、適切な圧電素子の、制御され制限された変形によって発生する電気的エネルギーは、エネルギー感受性のエミッタの活性化に十分な電気的エネルギーを発生させることができることが分かっている。

一般的に、本発明に関する信号発生器は、エミッタに動作可能に接続された少なくとも１つの圧電素子を含み、この場合、エミッタは、圧電素子の活性化によって発生する電流から、発生器から離れた受信器によって無線で受信されることが可能な電磁信号を発生することができる。

本発明に関する圧電信号発生器は、エミッタに動作可能に接続された、すなわち、圧電素子によって発生した電気的エネルギーによってエミッタが電磁信号を発生させ送信するように接続された、少なくとも１つの圧電素子を含む。そのようなエミッタは、例えば、特許文献２で説明されているように、当該技術分野で知られており、詳細に説明する必要はない。明らかに、圧電素子、すなわち動作に必要なマニュアルの圧力は、本発明に関する信号発生器におけるエミッタの唯一のエネルギー源である。

受信器の仕様は、エミッタから受け取る電磁放射に依存する。また、そのような受信器は、当該技術分野で周知であり、ここでは具体的な議論を行う必要性はない。

本発明に関する使用に適した種類の圧電素子は、例えば特許文献６及び特許文献７から知られているが、以下にさらに詳細に説明されるいくつかの具体的な特徴を必要とする。一般にそのような素子は、鋼鉄を含む鉄、ニッケル、銀、または合金のような導電性材料からなる、または導電性材料によって覆われるキャリア基底層に接着した圧電セラミック層を含む。

キャリア基底層及び接着した圧電セラミック層は、典型的には約１から約２０パスカルの範囲のマニュアル圧力によってエミッタを活性させるのに必要とされる電気的エネルギーを発生させるのに必要な、繰り返し可逆変形を可能とするものでなければならず、そのような繰り返しの変形は、圧電セラミック層及びそのエネルギー発生能力に損傷を引き起こすものであってはならない。適切な製品は商業的に利用可能であり、典型的には、例えば、鋼鉄からなる約０．０５から０．５ｍｍ、好適には約０．１から０．３ｍｍの範囲の厚さを有する円形の金属円盤を、典型的には金属円盤と同じ範囲の厚さを有する圧電セラミック層の接着層とともに含み、金属円盤は圧電セラミック層のキャリア基底層として働く。典型的には、セラミック層の厚さは、そのキャリア基底層の厚さとほぼ同じである。構造的に簡略であるという理由により、円形が好適である一方で、これはそれほど重要ではなく、位置決定層及びギャップ層が適切に形状形成されてキャリア基底層の周辺部の支持を提供するのであれば、その他の円形または多角形構造が適切なものとなるであろう。円盤の直径、または非円形の形状の最大径は、例えば約５から約５０ｍｍまでの間で様々なものであってもよい。

本発明の目的に関して、圧電セラミック層の変形が、注意深く選択された制限の範囲内に保たれることは不可欠である。最小の変形は、素子の動作寿命に関する限りにおいて重要であるようには見えないが、そのような最小値はエミッタを活性化させるのに必要な最小圧電出力に依存することになることは明らかである。反対に、最大の変形は有害であると考えられており、注意深い制限を必要とする。本発明に関して、そのような制限は、信号発生器の活性化で発生する変形量に関してストッパーとして働くギャップの厚さを制限することにより達成することが可能であることが分かっている。明らかに、圧電セラミック層のキャリア基底層は、圧電セラミック層が十分に変形してエミッタを活性化するのに必要な電気的エネルギーを発生されるように選択されなければならない。一般に、本発明に関するギャップの厚さは、約０．０５から約０．５０ｍｍの範囲であり、好適には約０．１から約０．２５ｍｍの範囲であろう。

キャリア基底層に関して適切な金属の好適な例は、ステンレススチール（例えばＳＵＳ３０４）、ＦｅＮｉ合金の組み合わせ、真鍮合金及びその他の類似の物理的及び化学的特性を有する金属である。

（定義）
本明細書で用いられる「合成ポリマー」との用語は、ポリエステル、ポリエーテル、ポリカーボネート、ポリアルカンまたは典型的には電気的に絶縁性でありプリント回路基板のような積層構造を製造する従来技術に用いられる類似の材料のような、高分子物質を含むことが意図されている。

「導電性」という用語は、金属またはグラファイトのような本質的に導電性である材料または塗布によって導電性とされた材料を指す。典型的な金属は、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウム、マグネシウム、銅、銀、金及びそのような金属の合金を含む。

「可逆変形」という用語は、キャリア基底層の形状を接着した圧電セラミック材料と共に可逆変化させることを指し、本明細書では、最大変形の部分で測定された長さの単位、すなわち、停止時及び変形時において最大変形が発生するキャリア基底層の部分の位置の間の距離で表現される。

「圧電セラミック材料」という用語は、圧電特性を示し、例えばセラミックの製造において用いられる方法によってキャリアに接着されて作ることが可能な結晶性材料を指す。そのような材料は、様々な商標及び商品名で様々な製造業者から市販されており、これ以上の議論を必要としない。

「接着剤」という用語は本明細書では、電気技術及び電子技術において使用される多層構造を製造する積層技術において用いられる材料を指す。溶剤を有するまたは有しない熱可塑性ポリマー及びその混合物は、典型的な例である。

数値の記載で用いられる「約」という用語は、本明細書では±３０％の誤差範囲を含むことを意図される。

本発明は、以下の添付した図を参照して、本発明の好適ではあるが限定的でない実施形態を参照してより詳細に説明され、例示される。

本発明に関する信号発生システムのブロック図である。 圧電素子の主な構成要素の概略的な分解断面図である。 マニュアル圧力によって活性化される際の動作可能に接続された図２の素子の概略断面図である。 本発明に関する圧電信号発生器の概略図である。

図１に示されるように、本発明に関するシステムは、エミッタ１４を活性化して、送信し受信器１６によって受信される電磁信号Ｓを発生させる電流Ｃを発生させる１つまたは複数の圧電素子１２を含む圧電信号発生器１０を含む。受信器１６の特性は、もちろん、送信器１４によって発生する電磁放射の種類、すなわち、電波の範囲であるか、ＩＲ及びＵＶ部を含む可視光範囲であるかに依存する。

本発明に関して用いられる図１の圧電素子１２の構成要素の一例が、図２において分解図として概略的に示され、本発明に関する好適な圧電素子２０の本質的な構成層を示している。これは、導電層２２と接着して接続するための上部層または最上層２１を含む。これは、全てが導電性材料からなる層であってもよいが、埋め込まれた導電部を有する誘電体材料からなるものであってもよく、導電部は、キャリア基底層２４２に接着接続される圧電セラミック層２３の隣接部に接触する。圧電セラミック層２４１は、キャリア基底層２４２と共に、様々な製造業者から市販されるような圧電ユニット構造２４を形成する。

圧電ユニット構造２４は、円盤の形状を有しており、構造２４を受け入れ密接に保持する開口を有する位置決定層２３によって取り囲まれている。位置決定層２３の上面及び下面は、本質的には圧電ユニット構造２４の上面及び下面と同一平面である。換言すれば、位置決定層２３の厚さＴ_Ｐは、圧電ユニット２４の厚さと本質的に同一である。

素子２０の隣の層は、キャリア基底層２４２と接触する別の導電層２５である。また、上部導電層２２と共に、下部導電層は接触支持部２４２に関する領域のみ導電性であってもよく、エミッタとの電気的接続のための導線を形成する。

層２６はギャップ層であり、典型的には誘電体材料からなる。明らかなように（図３を参照）、ギャップ層２６の内縁部２６１は、対応する位置決定層２３の内縁部２３１よりもギャップ２９の中心に近い方により突出している。結果として、キャリア基底層２４２は、ギャップ層２６によって周辺部で支持され、ギャップ層２６は、誘電体または金属のいずれかでありうるベース層２７と接着して接触している。ギャップ２９の厚さＴ_Ｇは、層２６の厚さによって実質的に決定され、層２６の厚さに等しい。

図２Ａは、上方から作用するマニュアル圧力Ｐによって、例えば典型的には約２から約２０Ｐａの範囲のマニュアル圧力によって作動されるときの複数の積層層の多層統合積層体としての動作時の関係における図２の全ての層を示している（素子２０の下部支持部は図２Ａにおいては省略されている）。結果として、ギャップ層２６の上部の全ての層は変形するが、一般的に圧縮されることはなく、電流は圧電セラミック層２４１によって発生することとなる。

図２及び図２Ａにおける層の厚さは、例示の目的のために大きく拡大されている。実際には、図２及び２Ａの積層体全体は、一般に約１ｍｍよりも実質的に大きくはない厚さを有する薄い積層膜である。また、図２及び２Ａに示される比率は実際のものではなく、例示及び理解のために供するものである。典型的には、層２５は、隣接する層２３及び２６のどちらよりも実質的に薄い。従って、実際の場合には、圧電セラミック層２４１の屈曲変形は、実際にはギャップ２９の厚さによって、すなわちギャップ層２６の厚さＴ_Ｇによって制限されることとなる。

図２、２Ａ及び３から明らかなように、ユニット２４を保持する位置決定層２３の開口部は円形であり、縁２３１によって画定される。ギャップ２９は、円形であり、圧電ユニット２４を保持する層２３の円形の開口部と同心円である。

明らかに、図２におけるギャップ２９はギャップ層を全貫通して形成される一方で、より厚いがギャップがその凹部で、図２を参照する場合にはギャップ層の「上部」表面に形成される層によって、同一の変形制限機能を達成することが可能である。そのような場合、凹部はギャップとして働き、適切な深さＴ_Ｇを有することとなる。

好適には、ギャップ２９は、位置決定層２３の厚さＴ_Ｐの約半分よりも大きくない厚さＴ_Ｇを有し、典型的には約０．１から約０．３ｍｍの範囲である。その意味では、ギャップ層２６の内面または縁２６１によるキャリア基底層２４２の周辺部の支持は必須であることに注意すべきである。この理由により、ギャップ２９の直径は、キャリア基底層２４２の直径を超えてはならない。これらの直径が等しい場合、中間層２５が周辺支持部について十分なだけの最小の差を提供するものであってもよい。しかしながら、一般的に、ギャップ２９の直径は、キャリア基底層２４２の直径よりも典型的には約０．５から約２ｍｍ、好適には約１ｍｍだけやや小さくなり、空間的な変位が上述のようにギャップ２９によって制限されていたとしても、平面のほとんどに渡ってマニュアル圧力Ｐの衝撃において基底層２４２の実質的な屈曲を提供する。

同様に、ギャップ層２６の機械的な特性は、動作圧力Ｐの衝撃において圧縮されないようなものでなければならず、すなわち、動作条件、典型的には室温において、ギャップ層２６の厚さＴ_Ｇのどのような変化も、動作圧力Ｐの衝撃にさらされていないときの厚さの１％未満、好適には０．１％未満でなくてはならない。好適には、この条件は、圧電素子の全ての構成要素によって適合されるべきである。

図３は、圧電信号発生器３０の概略図である。圧電素子３１は、上面視で示されており、対応する位置決定層２３及びギャップ層２６の内縁部２３１及び２６１（図２を参照）のみが破線で示され、ギャップ層２６によるキャリア基底層２４２の周辺支持部を示している。実際には、直径の差は典型的には小さい。

図３に示される概略的な回路から明らかなように、圧電素子３１によって発生した電気的出力は、エミッタの好適な形態の構成要素、すなわち信号発生器３０から離れた受信器３６に信号を送信するための整流器３２、電圧レギュレータ３３、電圧検出ユニット３４及びマイクロコントローラユニット３５に導かれる。

制限され予め決定された圧電セラミック層の最大変形を有する本発明に関する信号発生器に用いられる上で開示された圧電素子は、１回のマニュアル圧力Ｐの動作において典型的には約１から約１０００μＪ（マイクロジュール）の範囲、好適には少なくとも約１０μＪである電気的エネルギーを発生することが可能であり、上限は圧電によって発生することができ、エミッタによって技術的に顕著な距離に渡って送信可能である信号を発生することができる電気の量によって規定される。

上述した説明は例示的であり、本発明を制限する意図がないことは、圧電スイッチの技術分野の当業者であれば明らかであろう。例えば、上に好適に示された多層構造は、積層法によって予め形成された層からなるものであってもよく、いくつかまたはすべての層が成形または印刷のようなシート形成法によって適用されてもよい。

１０ 圧電信号発生器
１４ エミッタ
１６ 受信器
２０ 圧電素子
２１ 最上層
２２ 導電層
２３ 位置決定層
２３１ 内縁部
２４ 圧電ユニット構造
２４１ 圧電セラミック層
２４２ キャリア基底層
２５ 導電層
２６ ギャップ層
２６１ 内縁部
２７ ベース層
２９ ギャップ
３０ 圧電信号発生器
３１ 圧電素子
３２ 整流器
３３ 電圧レギュレータ
３４ 電圧検出ユニット
３５ マイクロコントローラユニット
３６ 受信器

Claims (10)

1. エミッタ（１４；３５）に動作可能に接続された少なくとも１つの圧電素子（１２；２０）を含む圧電信号発生器（１０；３０）であって、前記エミッタが、前記少なくとも１つの圧電素子の作動によって発生する電流（Ｃ）から、前記信号発生器（１０；３０）から離れた位置の受信器（１６；３６）によって無線で受信されることが可能な電磁信号（Ｓ）を発生させることが可能であり；前記少なくとも１つの圧電素子（２０；３１）が、導電性キャリア基底層（２４２）に接着する圧電セラミック層（２４１）を含み、前記導電性キャリア基底層が、厚さ（Ｔ_Ｐ）を有する位置決定層（２３）によって前記接着した圧電セラミック層（２４１）と共に保持され；前記接着した圧電セラミック層（２４１）と共に前記導電性キャリア基底層（２４２）が可逆変形可能であり；前記圧電素子（２０；３１）が、Ｔ_Ｇ≦Ｔ_Ｐであるような厚さ（Ｔ_Ｇ）を有するギャップ（２９）によって前記可逆変形を制限するためのギャップ層（２６）を含む、圧電信号発生器。
2. 前記導電性キャリア基底層（２４２）が、前記ギャップ層（２６）によって周辺部を支持された金属の円盤（２４２）である、請求項１に記載の信号発生器（１０）。
3. 前記圧電セラミック層（２４１）及び前記キャリア基底層（２４２）が、前記位置決定層（２３）の厚さ（Ｔ_Ｐ）とほぼ等しい厚さを有する密着したユニット（２４）を形成する、請求項２に記載の信号発生器（１０）。
4. 前記位置決定層の厚さ（Ｔ_Ｐ）が、約０．１ｍｍから約１ｍｍの範囲、好適には約０．２から約０．５ｍｍの範囲である、請求項１から３のいずれか一項に記載の信号発生器（１０）。
5. 前記ギャップ（２９）の厚さ（Ｔ_Ｇ）が、約０．０５ｍｍから約０．５ｍｍの範囲、好適には約０．１から約０．２５ｍｍの範囲である、請求項１から４のいずれか一項に記載の信号発生器（１０）。
6. 前記導電性ベース基底層（１５）が、約１から約２０Ｐａの範囲のマニュアル圧力に応じて予め定められ制限された前記変形が可能である、請求項１から５のいずれか一項に記載の信号発生器（１０）。
7. 前記圧電素子（２０）が、統合的に積層された構造であり、順に、最上層（２１）；前記位置決定層（２３）に隣接し、前記圧電セラミック層（２４１）と接触する第１の接触層（２２）；前記導電キャリア基底層（２４２）に接触する第２の接触層（２５）；前記第２の接触層（２５）と少なくとも１つのベース層（２７）との間に位置する前記ギャップ層（２６）を含む、請求項１に記載の信号発生器（１０）。
8. 前記金属円盤（２４２）が、ほぼ円形であり、約１０ｍｍから約５０ｍｍの範囲の直径を有し、前記圧電セラミック層（２４１）と共に、約０．１ｍｍから約１．０ｍｍの範囲の厚さを有する圧電ユニット（２４）を形成する、請求項２から７のいずれか一項に記載の信号発生器（１０）。
9. 前記位置決定層の厚さ（Ｔ_Ｐ）が、前記圧電ユニット（２４）の厚さとほぼ同一であり、前記ギャップ（２９）が、ほぼ円形であり、前記円盤と同心円であり、前記ギャップ（２９）の直径が、前記ユニット（２４）の直径よりも大きくなく、好適には前記ユニット（２４）の直径よりも約０．５ｍｍから約２．５ｍｍだけ小さい、請求項８に記載の信号発生器（１０）。
10. 圧電信号発生器（１０；３０）及び受信器（１６；３６）を含む信号発生システムであって、前記圧電信号発生器（１０；３０）が、エミッタ（１４；３５）に動作可能に接続された少なくとも１つの圧電素子（１２；２０）を含み、前記エミッタが、前記少なくとも１つの圧電素子の作動によって発生した電流（Ｃ）から、前記受信器（１６；３６）によって無線で受信されることが可能な電磁信号（Ｓ）を発生させることが可能であり；前記少なくとも１つの圧電素子（２０；３１）が、導電性キャリア基底層（２４２）に取り付けられた圧電セラミック層（２４１）を含み、厚さ（Ｔ_Ｐ）を有する位置決定層（２３）によって接着した前記圧電セラミック層（２４１）と共に保持され；接着した前記圧電セラミック層（２４１）と共に前記導電キャリア基底層（２４２）が、可逆変形することが可能であり；前記圧電素子（２０；３１）が、Ｔ_Ｇ≦Ｔ_Ｐであるような厚さ（Ｔ_Ｇ）を有するギャップ（２９）によって前記可逆変形を緩衝するためのギャップ層（２６）を含む、信号発生システム。

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