特許 6899892 磁電変換装置を備える発電機およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6899892

(24)【登録日】2021年6月17日

(45)【発行日】2021年7月7日

(54)【発明の名称】磁電変換装置を備える発電機およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/18 20060101AFI20210628BHJP

   H02N 2/02 20060101ALI20210628BHJP

   H01L 41/12 20060101ALI20210628BHJP

   H01L 41/47 20130101ALI20210628BHJP

   H01L 41/113 20060101ALI20210628BHJP

   H01L 41/187 20060101ALI20210628BHJP

   H01L 41/31 20130101ALI20210628BHJP

【ＦＩ】

   H02N2/18

   H02N2/02

   H01L41/12

   H01L41/47

   H01L41/113

   H01L41/187

   H01L41/31

【請求項の数】17

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2019-505292(P2019-505292)

(86)(22)【出願日】2017年4月14日

(65)【公表番号】特表2019-514342(P2019-514342A)

(43)【公表日】2019年5月30日

(86)【国際出願番号】FR2017050904

(87)【国際公開番号】WO2017178772

(87)【国際公開日】20171019

【審査請求日】2020年4月8日

(31)【優先権主張番号】1653357

(32)【優先日】2016年4月15日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】518364023

【氏名又は名称】エナビー

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ジェローム ドラマール

(72)【発明者】

【氏名】ティボー リカール

(72)【発明者】

【氏名】ジェレミー ギレン

(72)【発明者】

【氏名】マキシム ヴァンサン

【審査官】 三澤 哲也

(56)【参考文献】

【文献】 中国特許出願公開第１０３１１７６７６（ＣＮ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／０５９４２２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１２６６２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００９−５３５６９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１５６１８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６９８４９０２（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特表２０１６−５０２３８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２８５２４４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１５／０５９４２１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ ２／１８

Ｈ０１Ｌ ４１／１１３

Ｈ０１Ｌ ４１／１２

Ｈ０１Ｌ ４１／１８７

Ｈ０１Ｌ ４１／３１

Ｈ０１Ｌ ４１／４７

Ｈ０２Ｎ ２／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円形形状を有する層のスタック（１００、１０１）であって、
磁歪材料の第１の層（１０）であって、前記層（１０）により特定される平面内に少なくとも１つの変形の優先的な軸線（４、５）を有し、前記第１の層は、変形の優先的な軸線（４、５）を識別する、前記層（１０）の一方の縁部においての平坦部または刻み目、もしくは前記層（１０）の一方の面の彫刻である、少なくとも１のマーク（１２）を有するか、少なくとも１のマーク手段を有する第１の層（１０）と、
前記第１の層（１０）によって画定される平面に平行に、第２の層（２０）によって画定される平面内に第１の極性形成の軸線（２１）を有する圧電材料の第２の層（２０）であって、当該第１の極性形成の軸線（２１）は第２のマーク（２２）によって識別される第２の層（２０）と、を備え、
前記第１の極性形成の軸線（２１）および前記変形の優先的な軸線（４、５）が、１５°以内に整列されていることを特徴とする層のスタック（１００、１０１）。

【請求項2】

前記極性形成の軸線（２１）および前記変形の優先的な軸線（４、５）は、５°以内に整列されていることを特徴とする請求項１に記載の層のスタック（１００、１０１）。

【請求項3】

第３の層（３０）によって画定される平面内に第２の極性形成の軸線（３１）を有する圧電材料の第３の層（３０）を備え、前記第１の層（１０）は、前記第２の層（２０）と前記第３の層（３０）との間に配置され、そして、前記第２の極性形成の軸線（３１）と前記変形の優先的な軸線（４、５）は、１５°以内に整列されていることを特徴とする請求項１または２に記載の層のスタック（１００、１０１）。

【請求項4】

磁歪材料の前記第１の層（１０）は、前記層（１０）によって画定される平面内に、前記変形の主軸線（４）および変形の副軸線（５）を備え、
圧電材料の前記第２の層（２０）の前記第１の極性形成の軸線（２１）は、前記変形の主軸線（４）に１５°以内に整列され、
圧電材料の前記第３の層（３０）の前記第２の極性形成の軸線（３１）は、前記変形の副軸線（５）に１５°以内に整列されていることを特徴とする請求項３に記載の層のスタック（１００、１０１）。

【請求項5】

前記圧電材料は、ＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＶＤＦ、ＢａＴｉＯ３またはＡｌＮからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の層のスタック（１００、１０１）。

【請求項6】

前記磁歪材料は、テルフェノール−Ｄ、ガルフェノール、テルビウム鉄または鉄 − コバルトで構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の層のスタック（１００、１０１）。

【請求項7】

磁場（Ｂ）の変化を２つの電気端子（２０２、２０３）間の電位差に変換することができる変換器（２００）であって、請求項１〜５のいずれか一項に記載の層のスタック（１００、１０１）を含むことを特徴とする変換器（２００）。

【請求項8】

前記スタックの圧電材料の少なくとも１つの層を両電気端子に接続するために、前記層のスタックに組み込まれたプリント回路層を備えることを特徴とする請求項７に記載の変換器（２００）。

【請求項9】

前記スタックと前記プリント回路層との間に配置され、その材料が吸音特性を有するバッファ層を備えることを特徴とする請求項８に記載の変換器（２００）。

【請求項10】

前記２つの電気端子（２０２、２０３）を含む請求項７〜９のいずれか一項に記載の変換機（２００）と、
基準面内で前記磁場（Ｂ）を発生させる磁場源（３００）であって、磁場源（３００）および変換器（２００）は、基準面内の磁場（Ｂ）の向きを変えるべく互いに対して回転することができ、前記磁場（Ｂ）の強さは、前記第１の層（１０）の材料を磁気的に飽和させるには不十分である磁場源（３００）と
を含む発電機（４００）。

【請求項11】

前記磁場源（３００）はハウジングを画定し、前記磁場（Ｂ）は、変換器（２００）が前記ハウジング内に配置された状態で支配的であることを特徴とする請求項１０に記載の発電機（４００）。

【請求項12】

前記磁場源（３００）は、ハルバッハシリンダであることを特徴とする請求項１０または１１に記載の発電機（４００）。

【請求項13】

層のスタック（１００、１０１）を製造する方法であって、
円形形状を有する異方性磁歪材料の第１の層（１０）を提供するステップ、
前記第１の層（１０）によって画定される基準面内に少なくとも１つの変形の優先的な軸線（４、５）を識別するステップ、
前記第２の層（２０）によって画定され、そして第２のマーク（２２）によって識別される平面内に第１の極性形成の軸線（２１）を有する円形形状を有する圧電材料の第２の層（２０）を提供するステップ、
前記第１の層（１０）の前記変形の優先的な軸線（４、５）を前記第２の層（２０）の前記第１の極性形成の軸線（２１）に対して１５°内に整列させるステップ、
層のスタック（１００、１０１）を形成するべく、前記第１の層（１０）を前記第２の層（２０）に組み込むステップ、
を含むことを特徴とする層のスタック（１００、１０１）を製造する方法。

【請求項14】

前記変形の優先的な軸線（４、５）を識別するステップの後に、前記変形の優先的な軸線（４、５）を識別するために、前記層（１０）にマーク（１２）を形成するステップが続くことを特徴とする請求項１３に記載の層のスタック（１００、１０１）を製造する方法。

【請求項15】

前記変形の優先的な軸線（４、５）を識別するステップは、
前記基準面内に配向された磁場（Ｂ）に前記層（１０）を位置決めすること、
前記基準面内で前記層（１０）を回転させるのに必要なトルクを、複数の角度位置で、計測すること、
前記変形の優先的な軸線（４、５）を識別するために、トルクの極値に対応する少なくとも１つの角度位置を測定すること
を含むことを特徴とする請求項１３または１４に記載の層のスタック（１００、１０１）を製造する方法。

【請求項16】

第３の層（３０）によって画定され、そして第３のマーク（３２）によって識別される平面内に第２の極性形成の軸線（３１）を有する圧電材料の第３の層（３０）を提供するステップ、
前記第１の層（１０）の前記変形の優先的な軸線（４、５）を前記第３の層（３０）の前記第２の極性形成の軸線（３１）に整列させるステップ、
前記第１の層（１０）を前記第３の層（３０）に組み込むステップであって、ここで前記第１の層（１０）が前記第２の層（２０）と前記第３の層（３０）との間に配置されているステップ、
を含むことを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の層のスタック（１００、０１）を製造する方法。

【請求項17】

請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法により、前記第１の層（１０）が基準面を画定する、層のスタック（１００、１０１）を製造すること、
圧電材料の少なくとも１つの層（２０、３０）を２つの電気端子（２０２、２０３）に接続し、そして磁電変換器（２００）を形成するために、前記層のスタック（１００、１０１）をプリント回路層（５０）に組み込むこと、
磁場源（３００）によって画定され、磁場（Ｂ）が支配的であり磁力線の一部が基準面に含まれているハウジング内に変換器（２００）を配置すること、を備えることを特徴とする発電機（４００）を組立てる方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エネルギー回収装置の分野に関する。特に、関連する製造方法に加えて、発電機および磁気エネルギーの変化を電位差に変換することができる変換器に関する。該磁電変換器は、磁歪材料と圧電材料との層のスタックを備えている。

【背景技術】

【0002】

磁気歪みは、一般に、機械的形態と磁気的形態との間の可逆的なエネルギー交換に対応する。最もよく知られている磁歪効果は、ジュール効果である。それは、磁場の影響下での強磁性ロッドの、正の磁歪係数の場合の膨張、または負の磁歪係数の場合の収縮に対応する。磁場がなければ、棒は理論的に元の形に戻る。磁場の方向に長手方向に伸長する場合には、棒の体積を実質的に一定に維持するように、収縮が横方向に現れる。

【0003】

磁力線が磁歪材料のブロックを磁気的に飽和させるとき、材料が等方性であるか異方性であるかにかかわらず、これらの磁力線に平行な軸線に沿っての変形が最大となる。異方性磁歪材料のブロックが磁気的に飽和されていないときには、それは、材料の結晶方位に依存して、ブロックの固有の特性である変形の優先的な軸線を有している。変形の優先的な軸線は、この軸線に平行な磁場の存在下で、変形の振幅が最大になる軸線を示している。「変形の優先的な軸線」および「磁化の優先的な軸線」という用語は同じ軸線を示しており、したがって、本明細書全体にわたって交換可能に使用される。

【0004】

ピエゾ電気（圧電）は、機械的応力の影響下での電荷の発生である。圧電材料のうち、ＰＺＴ（鉛、ジルコニウム、およびチタン合金）が知られている。２つの電極を備えたＰＺＴは、電圧が電極に印加される間に、そのキュリー温度よりもわずかに低い温度で熱処理することによって、予め二極化され得る。この場合、材料の極性形成の軸線は一方の電極から他方の電極の方向に確立される。この極性形成は、特に、圧電材料に加えられる応力に応答して現れる過剰な電荷の電極を決定する。平行な上面及び下面を備えているＰＺＴ材料の層を考慮すると、極性形成の軸線は、各面上に電極が存在するせいで、両面に直交する方向に配向され得る。あるいは、極性形成の軸線は、層の２つの面のうちの少なくとも一方の上に櫛形電極を使用して、面に平行な方向に向けられてもよい。後者の場合、極性形成の軸線は、面の平面に平行であり、櫛形電極を形成している導電性材料のフィンガに対して直交している。応力／変形を、電極端子での電位差に変換するためには、歪みが極性形成の軸線に直交している（ｄ₃₁として知られているモード）か、または歪みが極性形成の軸線に平行である（ｄ₃₃として知られているモード）かによって、２つの特定のモードのうちの１つが採用されてもよい。

【0005】

磁場の源、およびその磁力線が基準面に平行であり、磁場における変化を２つの電気端子間の電位差に変換することができる磁電変換器を備える発電機は、現技術水準（非特許文献１（Ｔ．Ｌａｆｏｎｔらによる論文、「エネルギー収穫のための磁歪 − 圧電複合構造」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ｎｏ．２２、２０１２））から知られている。変換器は、一方では、機械的変形をその電極に接続されている２つの電気端子間の電位差に変換することができる圧電層を備える電気機械変換器からなる。変換器はまた、基準面に従って固定され、電気機械変換器に対する自由度がなく、磁場における変化を機械的変形に変換することができ、電気機械変換器に適用される磁歪層から構成されている。

【0006】

変換器の上方で回転運動をする永久磁石（基準面における磁場の向きの変化を許容する）の場合、この文献は、等方性磁歪材料、特に、ＦｅＳｉＢ（鉄、シリコンおよびホウ素に基づく合金）の使用を推奨している。この場合、磁歪層の変形の優先的な軸線は、基準面内の磁場の方向に追従し、磁石の回転に対する反作用トルクをもたらさない。

【0007】

しかしながら、この材料は磁歪係数が非常に低く、変換器の変換効率が低くなる。変換器の変換効率は、回収されるべきエネルギーにおける所与の変動（磁場の変化）に関連して生成される電気エネルギーの量（すなわち、２つの電気端子間の電位差）として定義される。

【0008】

より高い磁歪係数を有する既知の材料は、異方性（例えば、組成がＴｂＤｙＦｅのテルフェノール、鉄と希土類の合金）である。このタイプの材料を使用する発電機は、技術水準、特に特許文献１（ＷＯ２０１５／０５９４２１）および特許文献２（ＷＯ２０１５／０５９４２２）から知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】国際公開第２０１５／０５９４２１号

【特許文献2】国際公開第２０１５／０５９４２２号

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】Ｔ．Ｌａｆｏｎｔらによる論文、「エネルギー収穫のための磁歪 − 圧電複合構造」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ｎｏ．２２、２０１２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

これらの磁歪材料は、飽和されるために十分に強い磁場を必要とし、そして、等方的な変形領域で機能する。磁場源のサイズが大きいため、もはや発電機の小型化を維持することができなくなる。

【0012】

本発明の目的は、従来技術の欠点の全てまたはいくつかを是正するための装置および方法を提供することである。本発明の目的の１つは、具体的には、コンパクトな発電機内に効率的な磁電変換装置を提供することである。言い換えると、本発明は、効率を一定に保つ発電機の全体的な寸法を縮小することを目的とし、または一定の全体寸法で発電機の効率を高めることを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明は、第１に、２つの電気端子を備え、磁場の変化を２つの電気端子の間の電位差に変換することができ、且つ基準面を規定する異方性磁歪材料の第１の層と圧電材料の第２の層とのスタックを含む変換器であって、第１の層は、基準面内に少なくとも１つの変形の優先的な軸線を有し、且つ第２の層は、第２の層によって画定される平面内に、前記基準面に平行な極性形成の軸線を有し、そして、第１の層の変形の優先的な軸線が、第２の層の極性形成の軸線に１５°以内に整列されている変換器と、基準面内に前記磁場を発生させる源であって、それの強度が第１の層の材料を磁気的に飽和させるには不十分である磁場源を備える発電機に関している。

【0014】

本発明による発電機の磁場源および変換器は、基準面内の磁場の向きを変えるべく互いに対して回転することができる。

【0015】

本発明による発電機は、異方性磁歪材料を飽和させるのに必要な高い磁場強度を必要としないので、磁場源は小さくてもよい。したがって、発電機はコンパクトさの必要性を満たすことができる。磁歪材料の第１の層は、高い磁歪係数を有する異方性材料から選択され、したがって変換感度を促進させる。後者は、第１の層の変形の優先的な軸線と第２の層の極性形成の軸線との制御された整列によって最大化される。（第１の層の変形の優先的な軸線に平行な磁場の存在下における）最大の変形が、（変形の優先的な軸線に対して１５°以内に整列されている）その極性形成の軸線に沿って、すなわち、電荷を生成するための高効率な構成において、第２の圧電層に伝達される。したがって、本発明による発電機は、小型化および変換効率の点で利点を提供する。

【0016】

別々のまたは組み合わせての本発明の有利な特徴によれば、磁場源は、磁場が支配的なハウジングを画定し、変換器はハウジング内に配置される。磁場源はハルバッハシリンダ（Ｈａｌｂａｃｈ ｃｙｌｉｎｄｅｒ）である。

【0017】

磁場源のこの構成は、小さな発電機サイズを可能にする。

【0018】

本発明はまた、層によって画定される平面内に少なくとも１つの変形の優先的な軸線を備える異方性磁歪材料の層であって、当該層は、変形の優先的な軸線を識別する、少なくとも１つのマークを有するか、少なくとも１つのマーキング手段が設けられている異方性磁歪材料の層に関する。

【0019】

効率的な発電機を形成するのに必要とされる、第１の層の変形の優先的な軸線と第２の層の極性形成の軸線との間の１５°以内への整列は、本発明による磁歪材料の層によって可能にされ、実際に、この層は、制御された整列を実施するのに必要なマーキング手段を含んでいる。

【0020】

別々のまたは組み合わせての本発明の有利な特徴によれば、マークは、層の一方の縁部においての平坦部または刻み目、または層の一方の面の彫刻である。異方性磁歪材料の層は、２つの変形の優先的な軸線、主軸線と副軸線とを備え、マークまたはマーキング手段が主軸線を識別させる。

【0021】

本発明はまた、層のスタックであって、上述したような磁歪材料の第１の層、第１の層によって画定される平面に平行に、第２の層によって画定される平面内に第１の極性形成の軸線を有する圧電材料の第２の層であって、当該第１の極性形成の軸線は第２のマークによって識別される第２の層、を備え、第１の極性形成の軸線および変形の優先的な軸線が、１５°以内に整列されている
層のスタックに関する。

【0022】

別々のまたは組み合わせての本発明の有利な特徴によれば、層のスタックは、第１の層と第２の層との間に結合層を備えている。第２の層は、その面の少なくとも１つまたはその側縁部に、金属の電極を備えている。第１の極性形成の軸線および変形の優先的な軸線は、５°以内に整列されている。層のスタックは、第３の層によって画定される平面内に第２の極性形成の軸線を有する圧電材料の第３の層を備え、第１の層は、第２の層と第３の層との間に配置され、そして、第２の極性形成の軸線と変形の優先的な軸線が、１５°以内に整列されている。磁歪材料の第１の層は、層によって画定される平面内に、変形の主軸線および変形の副軸線を備え、圧電材料の第２の層の第１の極性形成の軸線は、変形の主軸線（４）に１５°以内に整列され、圧電材料の第３の層の第２の極性形成の軸線は、変形の副軸線に１５°以内に整列されている。圧電材料は、ＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＶＤＦ、ＢａＴｉＯ３またはＡｌＮからなっている。磁歪材料は、テルフェノール−Ｄ、ガルフェノール、テルビウム鉄または鉄−コバルトで構成されている。

【0023】

本発明はまた、磁場の変化を２つの電気端子間の電位差に変換することができる変換器であって、上述のような層のスタックを含むことができる変換器に関する。

【0024】

別々にまたは組み合わせて採用される本発明の有利な特徴によれば、変換器は、２つの電気端子、前記スタックの圧電材料の少なくとも１つの層を両電気端子に接続するために、層のスタックに組み込まれたプリント回路層、スタックとプリント回路層との間に配置され、その材料が吸音特性を有するバッファ層を備えている。

【0025】

本発明はまた、異方性磁歪材料からなる層（１０）を処理する方法であって、層によって画定される基準面内に変形の優先的な軸線（４、５）を識別するステップ、変形の優先的な軸線を識別するために、層にマーク１２を形成するステップ、を備える点で顕著な、異方性磁歪材料からなる層を処理する方法に関する。

【0026】

本発明の有利な特徴によれば、変形の優先的な軸線を識別するステップは、基準面内に配向された磁場に層を位置決めすること、基準面内で層を回転させるのに必要なトルクを、複数の角度位置で、計測すること、変形の優先的な軸線を識別するために、トルクの極値に対応する少なくとも１つの角度位置を測定すること、を含んでいる。

【0027】

本発明はまた、層のスタックを製造する方法であって、異方性磁歪材料の第１の層を提供するステップ、第１の層によって画定される基準面内に少なくとも１つの変形の優先的な軸線を識別するステップ、第２の層によって画定され、そして第２のマークによって識別される平面内に第１の極性形成の軸線を有する圧電材料の第２の層を提供するステップ、第１の層の変形の優先的な軸線を第２の層の第１の極性形成の軸線に整列させるステップ、層のスタックを形成するべく、第１の層を第２の層に組み込むステップ、を含んでいる層のスタックを製造する方法に関する。

【0028】

別々のまたは組み合わせての本発明の有利な特徴によれば、層のスタックを製造する方法は、第３の層によって画定され、そして第３のマークによって識別される平面内に第２の極性形成の軸線を有する圧電材料の第３の層を提供するステップ、第１の層の変形の優先的な軸線を第３の層の第２の極性形成の軸線に整列させるステップ、第１の層を第３の層に組み込むステップであって、ここで第１の層が第２の層と第３の層との間に配置されているステップ、を含んでいる。圧電材料の第２の層および第３の層は、それぞれ、それらの面の少なくとも１つに金属の電極を含んでいる。接合するステップは、接合されるべき層の少なくとも１つの面に接着剤を付着させ、そして前記面を接触状態に置くことを備えている。

【0029】

本発明は、最後に、第１の層が基準面を画定する、層のスタックを製造すること、圧電材料の少なくとも１つの層を２つの電気端子に接続し、そして磁電変換器を形成するために、層のスタックをプリント回路層に組み込むこと、磁場源によって画定され磁場が支配的であり磁力線の一部が基準面に含まれているハウジング内に変換器を配置すること、を備える発電機を組立てる方法に関する。

【図面の簡単な説明】

【0030】

本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照してなされる本発明の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

【図1】図１は、本発明による発電機のブロック図を示している。

【図2a】図２ａは、磁歪材料の層の製造例を示す図である。

【図2b】図２ｂは、磁歪材料の層の製造例を示す図である。

【図3a】図３ａは、可変方向の磁場にさらされる磁歪材料の層において、磁化のマッピングを、層内の結晶配向の関数として示す図である。

【図3b】図３ｂは、磁歪材料のいくつかの層の間での磁化の優先的な軸線の方向の可変性のブロック図を示している。

【図4】図４の（ａ）〜（ｃ）は、本発明による磁歪材料の層を処理する方法を示している。

【図5】図５は、本発明による磁歪材料の層を示している。

【図6】図６の（ａ）〜（ｃ）は、本発明による層のスタックを製造するために使用される磁歪材料の層および圧電材料の層を示している。

【図7】図７の（ａ）〜（ｆ）は、本発明による層のスタックを製造する方法を示している。

【図8】図８の（ａ）〜（ｃ）は、本発明による変換器構造の製造方法を示している。

【図9】図９の（ａ）〜（ｃ）は、本発明によるコンパクト発電機の動作のブロック図を示している。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図１は、本発明による発電機４００のブロック図を示している。これは、磁場源３００と、磁場Ｂにおける変化を電気端子間の電位差に変換することができる磁電変換器２００とを備えている。変換器２００は、２つの電気端子２０２、２０３と、基準面（ｘ、ｙ）を画定する磁歪材料の第１の層１０と、圧電材料の第２の層２０とからなるスタック１００とを備えている。磁場Ｂの線の一部は、基準面（ｘ、ｙ）に平行である。磁場源３００および変換器２００は、基準面内の磁場Ｂの向きを変えるように、互いに対して回転することができる。

【0032】

本発明によれば、発電機４００の全体的な寸法（例えば、１立方センチメートル程度）を制限するために、磁場源３００のサイズが縮小され、それによって磁場Ｂが生成され、それの強度は、比較的弱い、すなわち、層１０の材料を磁気的に飽和させるには不十分である。磁場の強度は、０．３テスラ程度、または０．１テスラと０．６テスラとの間であってもよい。有利には、磁歪材料は、磁歪係数が高く、例えば、１００ｐｐｍを超えるように選択される。これには、テルフェノール（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ）、ガルフェノール（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）、テルビウム鉄、または鉄−コバルトの結晶形が含まれる。不飽和磁化領域では、これらの材料は異方性であり、したがって１つまたは複数の変形の優先的な軸線を提示する。

【0033】

本発明の有利な態様によれば、コンパクトさの要件を満たすために、磁場源３００には、磁場Ｂが広がり、そして変換器２００が配置されているハウジングが設けられる。一例として、磁場源３００は、例えば、永久磁石、例えば、ハルバッハシリンダ（Ｈａｌｂａｃｈ ｃｙｌｉｎｄｅｒ）であってもよい。

【0034】

発電機４００の変換効率および／または全体の寸法を改善するためには、不飽和モードにおける磁歪材料の異方性特性を考慮することが有利である。本発明による発電機は、磁歪材料の第１の層１０の変形の優先的な軸線が圧電材料の第２の層２０の極性形成の軸線と整列している点で顕著である。このようにして、第２の層２０の変形を誘発する、第１の層１０のいかなる変形も、この第２の層２０における電荷の最適な発生をもたらし、また、変換器２００の端子２０２、２０３における最大の電位差の創造をもたらす。しかしながら、第１の層１０の変形の優先的な軸線は、本出願人によって実施された予備実験によって示されるように、通常容易に入手可能な情報の要素ではない。

【0035】

序文
磁歪材料の層１０を得るために、磁歪材料の棒１が、公知の方法、例えば垂直ゾーン溶融法（Ｆｒｅｅ−Ｓｔａｎｄ Ｚｏｎｅ ＭｅｌｔのＦＳＺＭ）または「修正された Ｂｒｉｇｍａｎ」法を用いて、最初に形成される。図２ａに示されるように、棒１の長手方向の軸線３は、棒１の変形の優先的な軸線（これはテルフェノール棒の軸線＜１１２＞である）と整列している。従来、先行技術によれば、層は、この軸線に平行な平面内に形成されている。しかしながら、本発明の一態様によれば、磁歪材料の層１０は、好ましくは、図２ｂに示されるように、棒１の横断方向の切断から作られる。棒１の大部分は、このようにして、複数の層１０、１０’、１０”・・・を形成するために使用される。各横断方向の切断は、要求される品質および寸法の層１０を提供するべく、ラッピング、研磨、トリミング、エッジ処理によって、処理されてもよい。従って、磁歪材料の棒１は、複数の層１０、１０’、１０”を提供することができ、その面１１ａ、１１ｂは、基準面（ｘ、ｙ）に本質的に平行である。棒１に由来する層１０、１０’、１０”の各々の配向を識別するために、その形成に続いて、横断面を切断する前に、その長手方向軸線に沿って棒１に配向平坦部が形成されてもよい。

【0036】

この方法を用いて得られた層１０、１０’、１０”を特徴づけ、これらの層の異方性の影響を説明するために、本出願人は、テルフェノール−Ｄ（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ）の層１０で発生された磁化レベルを、異なる角度位置（配向平坦部に対して０°〜３６０°）に対応する異なる方向において、各方向に平行な均一磁場を印加するときに計測した。磁化のレベルは、層１０が振動運動を実行するコイルの端子に発生される電圧を計測することによって測定される。磁場の強さは、材料を磁気的に飽和させるには不十分である、２ｋＯｅ（キロエルステッド）であった。図３ａは、テルフェノール−Ｄの層１０について、他の方向と比較して磁化レベルが高い、２つの磁化の優先的な軸線４、５が存在することを示している。主軸線は軸線４であり、副軸線５の磁化レベルよりも高い最大磁化レベルを有する。主軸線４は、テルフェノール−Ｄの場合、結晶軸線＜１１１＞と整列している。副軸線５は、結晶軸線＜１１０＞と整列している。優先的な軸線４、５の方向の外側では、テルフェノール−Ｄの磁化レベルは、１５％〜２０％まで低下することも観察されている。

【0037】

同一のテルフェノールの棒１から得られた複数の層１０、１０’、１０”に対して、この測定プロトコルを繰り返すことにより、本出願人は、層１０、１０’、１０”の磁化の優先的な軸線の向きが、層ごとに異なる可能性があることを観察した。これは図３ｂに示されており、そこでは、棒１に最初に形成された配向平坦部点の反対側においての各層１０、１０’、１０”の優先的な軸線４、５の位置が、同一ではないことが分かる。したがって、棒１に平坦部または刻み目を創造するなどの、その成長後および横断面を切断する前の、通常のマーキング技術は、層１０、１０’、１０”の磁化の優先的な軸線を識別することを可能にするものではない。

【0038】

磁歪材料の層の処理
この問題を解決し、層１０の整列されたアセンブリを許容するために、本発明は、異方性の磁歪材料の層１０の処理を提供している。この層１０は、前の段落で説明されたように、磁歪材料の棒１の横断切断から導き出され得る。処理は、最初に、層１０によって画定される、すなわち、層１０の面１１ａおよび１１ｂに平行な基準面における少なくとも１つの磁化の優先的な軸線４、５（図４（ａ））を識別するステップを備えている。

【0039】

一例として、磁化の優先的な軸線を識別するこのステップは、以下を備えてもよい。
・基準面内において所定の方向に配向されている磁場ｂ内に層１０を位置決めすること。層１０は、回転運動の自由度を有しているので、それは磁化の優先的な軸線４、５の一方を磁場Ｂの方向に自然に整列させることになり、それにより、この位置は、第１の安定位置（図４（ｂ）にＰ１で示されている）に対応する。
・基準面内で層１０を回転させるのに必要とされるトルクを、複数の連続する角度位置において、計測すること。例えば、層１０を、第１の安定位置Ｐ１（図４（ｂ））から第２の安定位置Ｐ２（図４（ｃ））に回転移動させるのに必要なトルクの計測が実行される。
・磁化の優先的な軸線を識別するために、トルクの極値に対応する少なくとも１つの角度位置を測定すること。安定位置は、磁化の優先的な軸線の識別を許容する。磁化の主軸線４に対応する安定位置Ｐ１から引き出すためには、磁化の副軸線５に対応する安定位置Ｐ２からよりも、より多くの努力が必要とされる。このトルクの差が、層１０の平面内に数個存するときに優先的な軸線を区別することを可能にしている。

【0040】

第２の例によれば、磁化の優先的な軸線を識別するステップは、例えばＸ線計測によって、層１０の結晶軸線を識別することを含むことができる。

【0041】

第３の例によれば、磁化の優先的な軸線は、図３ａに記載された手法を適用することによって、異なる角度位置における各層１０についての磁化レベルを計測することによって得られる。

【0042】

層１０の処理はまた、少なくとも１つの磁化の優先的な軸線４、５を識別するために、層１０にマーク１２を形成するステップを含むこともできる。有利には、磁化の主軸線４は、例えば（図５に示されるような）平担部、線、（例えば、（ｅ）の化学的またはレーザーエッチングによって実施される）彫刻または刻み目・・・のような、層の縁部のマーク１２によって識別されるであろう。

【0043】

場合によっては、マーク１２は、関心の磁化の優先的な軸線に直接に、またはこの軸線に関して所定の角度位置（例えば、９０°、４５°、３０°・・・）に位置決めされてもよい。いずれにしても、且つ、このマーク１２の形態または位置が何であれ、後者は、層１０の磁化の優先的な軸線４、５の識別を許容する。

【0044】

この処理の完了時には、層１０によって画定された平面内に少なくとも１つの磁化の優先的な軸線４、５を備え、且つ変形の優先的な軸線４、５を識別する少なくとも１つのマーク１２を備えている異方性の磁歪材料の層１０が得られる。

【0045】

あるいは、マーク１２を形成するステップは、変換器を形成するスタックの作成を参照してより詳細に説明されるであろう磁気配向の実施によって、置き換えられてもよい。

【0046】

変換器を形成するスタック
図１に関して見られるように、変換器２００は、磁歪材料の第１の層１０と圧電材料の第２の層２０とを備えるスタックからなる。本発明の一態様によれば、既に言及した変換効率の理由から、第１の層１０の変形の優先的な軸線４、５は、第２の層２０の極性形成の軸線と１５°でより良好に整列されている。

【0047】

スタック１００の製造方法は、変形の優先的な軸線４、５を識別する少なくとも１つのマーク１２を備える層１０（図６（ａ））を提供することを含んでいる。それはまた、第２の層２０によって画定される平面内に極性形成の軸線２１を有する圧電材料の第２の層２０（図６（ｂ））を提供するステップを備えている。第２の層２０の少なくとも１つの面は、電極、好ましくは櫛形電極２３、２４を備えている。後者の場合、その極性形成の軸線２１は、第２の層２０の面の平面に平行であり、櫛形電極２３、２４を形成している導電性材料のフィンガに直交している。圧電材料の層２０は、それ故に、ｄ₃₁モードよりも有利に敏感であり、変換器の効率を向上させるのに寄与するｄ₃₃モードで動作するように好ましくは準備される。

【0048】

第１の選択肢によれば、電極２３、２４は、第２の層２０の面に接触する導電材料によって形成されてもよく、特に、円形の第２の層２０の場合には、各電極の複数のフィンガが、図６（ｂ）に示されるように、半円形のセグメントによって接続されてもよい。

【0049】

第２の選択肢によれば、各電極のフィンガは、第２の層２０の面またはその側縁部で、導電性要素、例えばワイヤボンディング、によって対に接続されてもよく、この構成は、特に、フィンガの寸法を増加させること（例えば、第２の層２０の縁部まで）、且つそれ故に、第２の層２０の面のより大きな表面上で電荷収集の能動部分を発展させることを可能にする。

【0050】

第３の選択肢によれば、電極２３、２４は、第２の層２０の厚みに配列された導電性材料で形成されてもよく、第２の層２０の一方の面に存在する電極の各フィンガが、それの厚み内に延在し、導電性材料の貫通ブレードを形成する。この第３の選択肢に従って、第２の層２０を製造するためには、多層圧電スタック技術が参照されてもよい。この構成は、第２の層２０の全厚を利用するので、電荷収集における効率を最大にする。この第３の選択肢は、上述の第１および第２の選択肢に説明された各電極のフィンガの接続モードのいずれかを、もちろんこれに制限されずに、組み込んでもよい。

【0051】

第２の層２０の電極２３、２４の幾何形状は、極性形成の軸線２１を識別することを可能にし、（第２のマーク２２と称される）マークを構成することができる。選択肢として、この軸線２１を識別するために、第２のマーク２２を表す、平坦部、線または刻み目が第２の層２０に形成されてもよい。第２のマーク２２はまた、電極の少なくとも１つによって担持され、容易に識別され得る局部的な形状を提供してもよい。

【0052】

層のスタック１００の製造方法は、第１の層１０の変形の優先的な軸線４、５（好ましくは、主軸線４）を、第２の層２０の極性形成の軸線２１に整列させるステップを含み、この極性形成の軸線２１は、説明の残りの部分をより明確にするために、「第１の極性形成の軸線」と称される。この整列ステップは、特に、第１の層１０および第２の層２０にそれぞれ存在するマーク１２および２２によって実行される。マーク１２および２２は、変形の優先的な軸線（特に、変形の主軸線４）が、第１の極性形成の軸線２１に１５°で、より良好に整列されるように配列されよう。

【0053】

変形の優先的な軸線４、５および第１の極性形成の軸線２１は、実質的に平行な平面（それぞれ、第１の層１０によって画定される基準面および第２の層２０によって画定される平面）に包含されているので、これらの２つの軸線の間での整列は、それらが互いの間に形成する角度を、基準面による平面視で、制限することを含んでいる。換言すれば、基準面でのこれらの軸線の投影によって形成される角度が、本発明によれば、整列ステップのせいで、１５°未満である。説明の残りの部分では、軸線間の整列が、「α以内」または「αより良好」とは、基準面でのこれらの軸線の投影間での「α」未満の角度と等価であると解釈されるべきである。

【0054】

有利には、変形の優先的な軸線および極性形成の軸線は、１０°以内または５°以内にさえ整列されるであろう。

【0055】

１つの代替案によれば、変形の優先的な軸線と極性形成の軸線２１を整列させるステップは、極性形成の軸線２１が、後者に関して識別され得、電極２３、２４の交互に配置されたフィンガが、この代替における第２のマーク２２を形成するので、層１０のマーク１２と電極２３、２４の交互に配置されたフィンガとの間の光学的整列によって実行され得る。

【0056】

別の代替案によれば、変形の優先的な軸線４、５を整列させるステップは、図４（ａ）ないし図４（ｃ）に関連して説明された操作手順に従って、磁化方向を実現することに基づくことができ、磁歪材料の層１０は、その変形の優先的な軸線の１つを、層の平面内に印加される磁場に自発的に整列させるように、磁場に曝されそして自由に回転するべく放置されてもよい。この位置は、層２０の極性形成の軸線を整列させるために、次の組立ステップまで、例えば、層１０を把持する装置によって継続して維持されてもよい。この代替例では、変形の優先的な軸線を識別する第１のマーク１２は、層１０に物理的には存在せず、その代わりに、層２０との組立の前に層１０を把持する装置を備えるマーキング手段によって置き換えられる。

【0057】

層のスタック１００を製造する方法は、第１の層１０を第２の層２０と組み立てるステップを備える。組立ステップは、一方では、接着剤のフィルム４０またはコイルを、第１の層１０または第２の層２０のそれぞれ接合される２つの面の少なくとも一方に、広げることを含んでいる。この広げるステップは、そのうちの少なくとも一方が接着剤を有している組み立てられる面に触れないように整列ステップが実行される状態で、整列ステップの前に実行されてもよい。

【0058】

図７の（ａ）ないし（ｆ）は、そのような実施形態を示している。接着剤のフィルム４０が、第２の層２０上に広げられている（図７（ａ））。第１の層１０は、変形の主軸線４を第１の極性形成の軸線２１に１５°よりも良好に整列させるべく、第２の層２０に対向して引き続き配列される（図７（ｂ））。さらに、組み立てステップは、組み立てられるべき層１０および２０の面を互いに接触させて配置することを含んでいる（図７（ｃ））。２つの層の間の界面に、均一な接着剤の層４０’を得るために、変形の主軸線４と第１の極性形成の軸線２１との間の整列を１５°以内に維持しながら、２つの層を互いに接近させるように、均一な圧力が印加される。

【0059】

従って、層のスタック１００は、圧電材料の第２の層２０に接合された磁歪材料の第１の層１０からなり、第２の層２０は、その面の少なくとも１つに電極２３、２４を備えている。層のスタック１００は、第１の層１０の変形の優先的な軸線４、５（有利には、変形の主軸線４）と第２の層２０の第１の極性形成の軸線２１との間の不整列が１５°未満である点で顕著である。好都合なことに、この不整列は１０°未満であっても、実際には５°であってもよい。

【0060】

１つの代替案によれば、層のスタック１０１を製造する方法は、第３の層３０によって画定される面に極性形成の軸線３１を有し、場合によっては、第３のマーク３２によって識別される、圧電材料の第３の層３０を提供するステップを含んでいる（図６（ｃ））。有利には、第３の層３０の面の少なくとも１つが櫛形電極３３、３４を有し、極性形成の軸線３１は前記面の平面に平行であり、特に、櫛形電極３３、３４を形成する導電性材料のフィンガに対して直交している。

【0061】

製造方法はまた、第１の層１０の変形の優先的な軸線４、５（好ましくは、変形の主軸線４であるが、代替では、副軸線５）を、第３の層３０の極性形成の軸線３１に整列させるステップを含む。この極性形成の軸線は、第２の層２０の第１の極性形成の軸線に対してより明瞭にするために、「第２の極性形成の軸線」と呼ばれる。この整列ステップは、例えば、第１の層１０および第３の層３０にそれぞれ存する、マーク１２、３２を用いて、遂行される。マーク１２および３２は、変形の優先的な軸線（特に、変形の主軸線４、あるいは代替的に副軸線５）が、第２の極性形成の軸線３１に１５°より良好に整列されるように、整列される。上述した整列ステップの他の形態の実施形態も勿論使用可能である。

【0062】

製造方法は、最終的に、第１の層１０が第２の層２０と第３の層３０との間に配置されるように、第３の層３０を備える層のスタック１００を組み立てるステップを備える。組立は、それ故に、接着剤のフィルムまたはコイル４１を広げた後、および優先的な変形軸４、５と第２の極性形成の軸線３１を整列させるべくマーク１２および３２を位置決めした後に、第１の層１０の自由表面（第２の層２０に接合される面と反対側の面）と第３の層３０の面の１つとの間で遂行される。例として、接着剤のフィルム４１が、図７（ｄ）に示されるように、第３の層３０の面に塗布される。この製造方法は、変形の優先的な軸線４、５が第２の極性形成の軸線３１と１５°より良好に整列されるように、第１の層１０と第３の層３０を組み立てることを可能にする。

【0063】

好都合なことに、これらの２つの軸線の間のこの不整列は、１０°未満、または実際は５°である。

【0064】

従って、層のスタック１０１は、圧電材料の第２の層２０と第３の層３０との間に配置された磁歪材料の第１の層１０からなり、各々の層は、それらの少なくとも１つの面に電極２３、２４、３３、３４が設置されている（図７（ｆ））。層のスタック１０１は、第１の層１０の変形の優先的な軸線４、５（好ましくは、変形の主軸線４）が、第２の層２０および第３の層３０のそれぞれの第１の極性形成の軸線２１および第２の極性形成の軸線３１に、１５°より良好に整列されている点で顕著である。

【0065】

本発明による層のスタック１０１の有利な形態によれば、第１の層１０の変形の優先的な軸線（有利には変形の主軸線４）は、第２の層２０および第３の層３０の、それぞれ、第１の極性形成の軸線２１および第２の極性形成の軸線２２に２°未満に整列されてさえいる。

【0066】

組立ステップ中に使用される接着剤は、層のスタック１００、１０１の特定の特性を有利に働かせるために、異なるタイプの材料の中から選択されてもよい。
いくつかの接着剤材料の粘弾性挙動は、圧電材料の層２０、３０と磁歪材料の層１０との間の熱膨張の差に適応するために有利であろう。より硬質でより硬い接着剤材料は、第１の層１０から第２の層２０および第３の層３０への変形の有効な伝達を確実にするのに好ましい。層間の最小の滑りを許容する接着剤界面が、代替的に、組立てられる層を共焼結するか、またはさらに、接着剤材料の添加なく直接に接合することによって、作られてもよい。

【0067】

圧電材料は、これに限定されることなく、ＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＶＤＦ、ＢａＴｉＯ₃またはＡｌＮの中から選択されてもよい。

【0068】

変換器
本発明による磁電変換器２００は、磁場の変化を２つの電気端子２０２、２０３の間の電位差に変換することができる。それは、上述したように、層のスタック１００、１０１のいずれかを備えている。

【0069】

図８（ａ）〜図８（ｃ）に示されるように、一方の電気端子２０２は、櫛形電極２３、３３の一方に電気的に接続され、他方の電気端子２０３は、櫛形電極２４、３４の他方に、例えばプリント回路層またはキャリア層５０（「プリント回路基板」を意味するＰＣＢとしても知られている）を介して、接続されている。プリント回路層５０は、例えば、層のスタック１００、１０１の第２の層２０または第３の層３０の自由表面の接着剤の層４２によって、組み立てられ得る（図８の（ａ））。図８の（ａ）に示されるように、裏打ち層５０は、その裏面に、前面が層のスタック１００、１０１に接合される状態で電気端子２０２、２０３を備えていてもよい。従って、これらの電気端子２０２、２０３は、発電機４００を製造するために、他の要素に引き続き接続され得る。

【0070】

櫛形電極２３、２４、３３、３４の端子とプリント回路層５０の接点との間の電気的接続（電位差を受ける２つの電気端子に接続され得ること）は、変換器２００の側縁部、特に、層のスタック１００、１０１の側縁部および裏打ち層５０の側縁部または縁部に堆積された導電性接着剤のストリップ４３によって確立されてもよい。側縁部は、主面が図における平面（ｘ、ｙ）に平行である状態で、層の主面を接続させる横向きの表面を意味している。層の縁部は、主面の周辺部に対応する。磁歪材料の第１の層１０の側縁部は、特に、導電性接着ストリップ４３が第１の層１０と接触して短絡するのを防止するために、電気絶縁材料のフィルム４４で、予め覆われている（図８（ｃ））。

【0071】

代わりに、櫛形電極２３、２４、３３、３４と裏打ち層５０の接点との間の電気的接続は、ワイヤボンディングによって行うことができる。これらのワイヤボンディングは、電極２３、２４を備える第２の（および／または第３の）層２０の面から、またはその側縁部から、裏打ち層５０の面の１つまたはその側縁部に延在することができる。

【0072】

あるいは、櫛形電極２３、２４、３３、３４と裏打ち層５０の接点との間の電気的接続は、層のスタック（１００、１０１）を通過する導電性ビアホールによって確立されてもよい。

【0073】

プリント回路層５０は、有利には、層のスタック１００、１０１の形状と同様の形状、例えば円形形状を有する。１つの代替案によれば、それは、電極（２３、２４、３３、３４）に発生された電荷を収集し、前記電荷を蓄積し、および誘導された電気信号を処理するためのスイッチング機能を備える第２のプリント回路に結合されてもよい。

【0074】

別の有利な代替例によれば、プリント回路層５０は、それ自体が、電極（２３、２４、３３、３４）に生成された電荷を収集する少なくとも１つのスイッチ機能を含むことができる。それはまた、電極２３、２４、３３、３４に生成された電荷を格納する少なくとも１つの記憶機能を含むことができる。それはまた、電極２３、２４、３３、３４に生成された電荷によって誘導された電気信号を処理する少なくとも１つの処理機能を含むことができる。

【0075】

さらに別の有利な代替案によれば、吸音特性を有する少なくとも１つの材料からなるバッファ層が、層のスタック１００、１０１と裏打ち層５０との間に配置される。このバッファ層は、接着剤の層を介して、一方ではスタック１００、１０１と、また他方では裏打ち層５０と一緒に接合されている。

【0076】

変換器２００において、バッファ層の役割は、変換器２００の端子での充電回復時に発生する可能性がある圧電材料の第２の層２０および／または第３の層３０の形状および／または状態の突然の変化によって生成され得る音響波を吸収することである（電荷の収集は、発電機の説明の際に、以下にさらに詳細に説明される）。これらの音響波は、各充電回復時に可聴クリックを生じさせ、これは一部のアプリケーションでは迷惑になることがある。バッファ層は、この音を吸収するか、または少なくとも大幅に減衰させ、かくて、音の迷惑さを排除または減衰させる。

【0077】

これに限定されないが、バッファ層は、有利には、特に開放セルを有するハニカム材料からなる。一例として、ポリウレタン発泡体のような材料が使用され得る。

【0078】

発電機
発電機４００を形成するためには、磁電変換器２００が、磁場源３００によって画定されるハウジング内に配置されてもよい。ハウジング内は、磁力線の一部が、変換器２００の磁歪材料からなる第１の層１０によって画定される基準面に含まれる状態で、磁場Ｂが支配的である。かくて、特にコンパクトな発電機４００が形成される。磁場源３００および変換器２００は、基準面内の磁場Ｂの向きを変えるように、互いに対して回転することができる。

【0079】

したがって、変換器２００は、好ましくは均一な磁場Ｂによって貫通され、そして基準面（ｘ、ｙ）において、初期の磁場方向Ｂ₀に配向されている。この磁場の変化は、変換器２００の２つの電気端子２０２、２０３の間の電位差に変換されることが意図されている。

【0080】

有利には、変換器は、初期の磁場方向Ｂ₀が磁歪材料の層１０の変形の優先的な軸線（有利には主軸線４）と平行になるように、磁場源３００のハウジング内に位置決めされている。

【0081】

図９（ａ）に示されるように、磁場Ｂの作用の下で、磁歪材料の第１の層１０は磁化され、変形の主軸線４に沿って最大の変形を経験する（被る）。この変形は、基準面（ｘ、ｙ）における変形の主軸線４に沿う層のスタック１００、１０１の最大の伸長、および基準面（ｘ、ｙ）における変形の副軸線５に沿う最大の収縮（すなわち、負の伸長、これは引き続き「最小伸長」と称される）に対応する。第１の層１０の変形は、主軸線４に沿う変換器２００の楕円形の歪みによって、図９（ａ）に概略的に示されている。この変形は、第２の層２０（および、存在する場合には第３の層３０）にも適用され、変換器２００の初期状態に対応する。

【0082】

磁場を変化させるために、その配向は、磁場源および／または変換器を回転させることによって、例えば、（図９（ｂ）に示されるように）初期の方向Ｂ₀から方向Ｂ_45°に時計回りに回転される。その結果、変換器２００の層のスタック１００、１０１は、その初期状態から第２の状態に変換される。この第２の状態では、第１の層は、変形の主軸線４に沿う磁場Ｂの成分の減少のせいで、最大伸長からより小さい平均伸長まで、変形の主軸線４に沿って収縮する。第１の層はさらに、最小伸長（最大収縮）からより大きな平均伸長まで、変形の副軸線５に沿って伸びる。

【0083】

磁場の変化（その方向の回転による）は、このように、第１の層１０の変形の変化を誘発させる。後者は、これらの変化を、層のスタック１００、１０１内で第１の層１０に結合されている第２の層２０（潜在的には第３の層３０）に伝達する。

【0084】

磁場の方向を、方向Ｂ_45°から方向Ｂ_90°に（図９（ｃ）に示されるように）時計回りに回転し続けると、層のスタック１００、１０１は、第２の状態から第３の状態に変換される。第３の状態では、第１の層は、主軸線４に沿って、平均伸長から最小伸長（最大収縮）まで依然として収縮し、第１の層は、平均伸長から副軸線５に沿う最大伸長まで、磁場のこの副軸線５との整列を考慮して、副軸線５に沿って伸びる。

【0085】

したがって、初期位置と第３の位置との間の磁場Ｂの変化は、第２の層２０（および潜在的に第３の層３０）に伝達される、第１の層１０の変形における変化を引き起こす。圧電材料の第２の層２０および第３の層３０は、ｄ₃₃モードで機能する、すなわち、極性形成の軸線が層の面内にあり、したがって、材料内での電荷の生成は、この同じ面内での変形に対して敏感である。

【0086】

本発明の有利な構成による変換器２００の場合、圧電材料の第２の層２０および第３の層３０の第１の極性形成の軸線２１および第２の極性形成の軸線３１は、第１の層１０における変形の主軸線４と微細に（１５°より良好に）整列される。このようにして、第２の層２０および第３の層３０は、それらの極性形成の軸線２１、３１に沿って、初期状態と第３の状態との間で、最大伸びから最小伸び（最大収縮）までを経験する。最大量の電荷（例えば、負の電荷）は、それ故に、櫛形電極（例えば、２３、３３）のうちの１つに蓄積され、そして、例えば容量性素子の、発電機の電気端子２０２、２０３の１つに収集される。

【0087】

変換器２００を初期状態から第３の状態に変換させる、磁場の変化の第１のシーケンス（Ｂ₀→Ｂ_90°）は、電気端子２０２、２０３間の電位差を生成させることができ、この電位差は、本発明による変換器２００の構成のせいで最大であり、発電機４００のコンパクトな構成において変換器２００の良好な効率を保証している。

【0088】

第３の状態における電荷の収集に続いて、電気端子２０２、２０３間の電位差はゼロであり、変換器２００の構造は、新しい初期状態と考えられる第４の状態にある。（時計回り方向でのＢ_90°からＢ_180°までの）磁場の変化は、層１００、１０１の状態を第４の初期状態から第５の状態に変化させ、そこで、第１の層は、変形の主軸線４との磁場の整列が与えられている場合、最小の伸長から最大の伸長まで主軸線４に沿って伸長し、第１の層は、副軸線５に沿って、最大伸長から最小伸長（最大収縮）に収縮する。

【0089】

第２の層２０（及び存在する場合には、第３の層３０）は、第４の初期状態と第５の状態との間で、極性形成の軸線２１、３１に沿って、最小伸長状態から最大伸長状態まで、最大変形を経験する。最大量の電荷（例えば、正の電荷）は、それ故に、櫛形電極２４、３４の他方に蓄積され、発電機の電気端子２０２、２０３の一方に集められる。

【0090】

このように、本発明は、小型で、異方性の磁歪材料を飽和させない弱い磁場を含む構成で得られる効率的な磁電変換器２００を含む、発電機４００を提案している。

【0091】

本発明による発電機４００はまた、改善された堅牢性および信頼性の利点を有している。実際には、摩耗および信頼性試験の間に反復変形サイクルを受けた変換器２００は、磁歪材料の第１の層が磁気飽和モードで動作する変換器と比較して、いくつかの場合において、改善された機械的抵抗を示している。磁気飽和構成では、磁歪／圧電の層のスタックが、所定数の変形サイクル、例えば、１０⁶回後に、機械的破壊の限界に達することがある。比較のために、本発明による変換器２００の変形サイクルに関する寿命は、１０倍から１０００倍まで増加させることができる。さらに、磁場の弱さは、変換器に印加される寄生トルクの振幅を制限し、磁歪材料の層の優先的な変形軸線を磁場との整列の中に置く傾向にある。

【0092】

例示的な実施形態
本発明の例示的な実施形態によれば、結晶テルフェノール−Ｄの層１０は、長手方向軸線＜１１２＞の棒１から製造される。層１０は、例えば、厚さ１ｍｍ、直径２ｃｍである。

【0093】

上で詳細に説明されたように、磁化の優先的な軸線４、５に対応する結晶学的方向＜１１１＞および＜１１０＞は、これらの軸線の向きが同じ棒１内で変化するので、棒１上には直接にマーキングされていない。本発明による磁歪材料の層１０の処理は、後で実行され、それは、磁化の優先的な軸線４、５の各層１０での識別、および実施形態の形態による識別を可能にするためのマーク１２の形成を許容する。このプロセスに続いて、層１０は、側縁部に、例えば一方の面から他方の面に数百ミクロンの深さで延在する刻み目１２（以下、第１の刻み目として知られる）を備える。刻み目１２は、各層１０の磁化の主軸線４の方向に配置されている。代わりに、刻み目１２は、層１０の表面の平坦部または実際には線または彫刻に置き換えられてもよい。

【0094】

続いて、ＰＺＴの第２の層２０および第３の層３０を組み立てることによって、層のスタック１０１が形成される。

【0095】

ＰＺＴの各層は、例えば、１００ミクロンの厚さと２ｃｍの直径を有する。この例示的な実施形態では、第２の層２０および第３の層３０の各々は、それぞれの面に櫛形電極２３、２４、３３、３４を有している。

【0096】

このような構成により、変形に応じて電荷を発生させる効率が向上する。これらの電極は櫛の形をしており、櫛のフィンガは、材料の極性形成の軸線に直交している。第２の層２０および第３の層３０の極性形成の軸線２１、３１は、それぞれ、ＰＺＴの第２の層２０および第３の層３０の第２の刻み目２２および第３の刻み目３２によってマークされ得る。非導電性の接着剤のフィルム４０が、組み立てられるべき第２の層２０の面に塗布され、第１の層１０が、第２の層２０の前記面の正面の頂部に配置される。第１の刻み目１２と第２の刻み目２２との間の整列は、マイクロメータの移動を許容する装置を用いて行われる。続いて、第１の層１０および第２の層２０を接触させ、そして接着剤のフィルム４０を界面に均一に広げるべく圧力が加えられる。整列の精度は、変形の主軸線４と（第２の層の）第１の極性形成の軸線２１との間の１５°未満の不整列をもたらす。このようにして、層のスタック１００が形成される。

【0097】

電気的に非導電性の接着剤のフィルム４１が、続いて、接合されるべき第３の層３０の面に塗布され、層のスタック１００が頂部に配置され、そして第１の層１０の自由表面が、第３の層３０の接着剤付の面の正面に位置決めされる。第１の刻み目１２（または第２の刻み目２２）と第３の刻み目３２との間の整列は、前と同じ装置を用いて実行される。続いて、接着されるべき面を接触させ、そして接着剤のフィルムを界面に均一に広げるべく、圧力が加えられる。整列の精度は、変形の主軸線４と（第３の層の）第２の極性形成の軸線３１との間の１５°内より良好な整列をもたらす。

【0098】

続いて、直径２ｃｍおよび厚さ数百ミクロンのプリント回路の層５０が、例えば、第３の層３０の自由面に接合されるべく、その面の１つに実質的に接着（接着剤の層４２）される。

【0099】

接着剤のフィルム４４または他の電気的に非導電性の材料が、テルフェノールの第１の層１０の側縁部を保護および絶縁するために塗布される。続いて、プリント回路の層５０の電気端子２０２、２０３と、ＰＺＴの２つの層２０、３０の櫛形電極２３、２４、３３、３４とを電気的に接続するために、導電性材料のストリップ（例えば、導電性の接着剤）４３が塗布される。

【0100】

磁電変換器２００は、例えば、回転方向場を使用することにより、磁場Ｂに変化を加えることによって、電気端子２０２、２０３間に電位差を継続して発生させることができる。発電機４００は、好ましくは、磁場が支配的なハウジングを画定する磁場源３００を備えている。磁電変換器は、このハウジング内に、この磁場によって囲まれて配列されている。変換器２００と磁場源３００との間の相対的な回転運動が、磁場の変化を発生させる。

【0101】

テルフェノール−Ｄは、基準面（ｘ、ｙ）に２つの変形の優先的な軸線４、５を有するので、それが、変換器２００の第１の層１０の材料として、有利に使用され、本発明による発電機４００の実現は、それ故に、４分の１回転の後の電荷収集シーケンスの場合に非常に好ましい。

【0102】

基準面において単一の変形の優先的な軸線を有する異方性磁歪材料が、勿論、使用されてもよい。

【0103】

本発明は、記載された実施形態に限定されず、特許請求の範囲によって画定される本発明の文脈から逸脱することなく、代替の実施形態が提供されてもよい。

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3a】

【図3b】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】