エネルギーハーべスティング電子装置
【課題】出力パワーを増やすことができるエネルギーハーべスティング電子装置を提供する。
【解決手段】前記電子装置は複数のエネルギーハーベストを含むエネルギーハーベストアレイと、前記エネルギーハーベストアレイに接続される単一整流器と、前記単一整流器に接続されるとともに負荷抵抗を有する出力部を含む。前記複数のエネルギーハーベストは前記出力部の前記負荷抵抗より高い第１固有抵抗を有し、並列に接続される複数の第１エネルギーハーベストと、前記第１固有抵抗より高い第２固有抵抗を有し、前記複数の第１エネルギーハーベストに並列に接続される一つの第２エネルギーハーベストを含む。
【解決手段】前記電子装置は複数のエネルギーハーベストを含むエネルギーハーベストアレイと、前記エネルギーハーベストアレイに接続される単一整流器と、前記単一整流器に接続されるとともに負荷抵抗を有する出力部を含む。前記複数のエネルギーハーベストは前記出力部の前記負荷抵抗より高い第１固有抵抗を有し、並列に接続される複数の第１エネルギーハーベストと、前記第１固有抵抗より高い第２固有抵抗を有し、前記複数の第１エネルギーハーベストに並列に接続される一つの第２エネルギーハーベストを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子装置に関し、さらに詳しくは、エネルギーハーべスティング電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、電気通信技術の発達より様々な電子装置が登場している。例えば、携帯用電子機器のような電子装置はユーザー中心のユビキタス（Ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ）コンピューティングを具現することによって、その需要が爆発的に増加している。携帯用電子機器はバッテリーのような携帯電源を含む。バッテリーは一回性で使用が終わるか、または、周期的に再充電が必要であるのでバッテリーの使用に限界がある。電子装置に於いて、エネルギーハーべスティングの必要性が高まっている。
【０００３】
エネルギーハーべスティング（ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ）は自然から無駄に捨てられる震動エネルギー、即ち、電車の震動、真空ポンプの震動、機械モータの震動、自動車エンジンの震動、人の動作による震動等の無駄に捨てられる機械的なエネルギーを電気エネルギーに変換する技術を意味する。エネルギーハーベストはトランスデューサ（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）の一種として、圧電素子を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０２１２２７６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｄａｎｉｅｌ Ｇｕｙｏｍａｒ、ｅｔ ａｌ、“Ｔｏｗａｒｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｂｙ Ｎｏｎ ｌｉｎｅａｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”、ｉｅｅｅ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ、ｖｏｌ．５２、ｎｏ．４、ｐｐ．５８４〜５９５、ａｐｒｉｌ ２００５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は超小型のエネルギーハーべスティング電子装置を提供することである。
【０００７】
本発明の異なる課題は高出力のエネルギーハーべスティング電子装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明のエネルギーハーべスティング電子装置は並列に接続されるエネルギーハーベストアレイに於いて、一つの高抵抗を有するエネルギーハーベストを含む。複数のエネルギーハーベストを含むエネルギーハーベストアレイと、前記エネルギーハーベストアレイに接続される単一整流器と、前記単一整流器に接続されるとともに負荷抵抗を有する出力部とを含み、前記複数のエネルギーハーベストは前記出力部の前記負荷抵抗より高い第１固有抵抗を有し、並列に接続される複数の第１エネルギーハーベストと、前記第１固有抵抗より高い第２固有抵抗を有し、前記複数の第１エネルギーハーベストに並列に接続される一つの第２エネルギーハーベストとを含む。
【０００９】
本発明の一実施形態によると、前記複数の第１エネルギーハーベストは並列形の圧電バイモルフを含み、前記第２エネルギーハーベストは直列形の圧電バイモルフを含む。前記並列形の圧電バイモルフは前記直列形の圧電バイモルフより固有抵抗が低い。前記直列形の圧電バイモルフはハーベストアレイの全体の有効抵抗を前記負荷抵抗とほぼ同じになるようにする。
【００１０】
本発明の一実施形態によると、前記直列形の圧電バイモルフと前記複数の並列形の圧電バイモルフは各々同じ大きさの分極を有する複数の圧電単結晶プレートを含む。
【００１１】
本発明の一実施形態によると、前記直列形の圧電バイモルフは前記複数の圧電単結晶プレートの分極が直列に接続される。ここで、直列接続は前記複数の圧電単結晶プレートの分極が同じ方向へ順に配置されることを含む。
【００１２】
本発明の一実施形態によると、前記複数の並列形の圧電バイモルフは前記複数の圧電単結晶プレートの分極が並列に接続される。並列接続は前記複数の圧電単結晶プレートの分極が平行に並んでいる方向に配置されることを含む。
【００１３】
本発明の一実施形態によると、前記複数の圧電単結晶プレートは同じ大きさを有する。
【００１４】
本発明の一実施形態によると、前記複数の圧電単結晶プレートはＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴの中で何れか一つの材質を含む。
【００１５】
本発明の一実施形態によると、前記複数の並列形の圧電バイモルフの各々は前記複数の圧電単結晶プレートの間に形成されたシム（ｓｈｉｍ）と、前記複数の圧電単結晶プレートの上下に形成された複数の電極とを含む。
【００１６】
本発明の一実施形態によると、前記複数の電極はインタデジタル電極を含む。
【００１７】
本発明の他の実施形態によると、前記複数の第１エネルギーハーベストは第１圧電ユニモルフを含み、前記第２エネルギーハーベストは第２圧電ユニモルフを含む。
【００１８】
本発明の他の実施形態によると、前記第１圧電ユニモルフは第１圧電単結晶プレートを含み、前記第２圧電ユニモルフは前記第１圧電単結晶プレートより小さい又は微量の不純物でドープされる第２圧電単結晶プレートを含む。
【００１９】
本発明の一実施形態によると、前記出力部と前記整流器との間に形成された安定器をさらに含む。
【００２０】
本発明の一実施形態によると、前記エネルギーハーベストアレイと前記整流器との間に形成された同期スイッチング部をさらに含む。
【００２１】
本発明の一実施形態によると、前記同期スイッチング部はインダクタとスイッチを含む。
【発明の効果】
【００２２】
上述したように、本発明の実施形態によると、並列に接続されたエネルギーハーベストアレイの中で一つを高抵抗を有するエネルギーハーベストから構成する。高抵抗を有するエネルギーハーベストはエネルギーハーベストアレイの有効抵抗を出力部の負荷抵抗とほぼ同じになるようにする。従って、エネルギーハーべスティング電子装置は出力パワーを極大化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置を概略的に示す図面である。
【図２】図１の並列形の圧電バイモルフを示す図面である。
【図３】図１の直列形の圧電バイモルフを示す図面である。
【図４】本発明の他の実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置を概略的に示す図面である。
【図５】図４の低抵抗圧電ユニモルフを示す図面である。
【図６】図４の高抵抗圧電ユニモルフを示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、添付された図面を参考にして本発明の好ましい実施形態を詳しく説明する。本発明の長所及び特徴、そして、それらを達成する方法は後述する実施形態によって明確になる。しかし、本発明はここに説明される実施形態によって限定されず、異なる形態で具体化することができる。むしろ、ここに紹介される実施形態は開示される内容が完全になるように、そして、当業者に本発明の思想を十分に伝えるために提供される。また、明細書の全文にわたって同じ符号は同じ構成要素を示す。
【００２５】
本発明の明細書で使われる用語は実施形態を説明するためのものであり、本発明を制限するものではない。本発明の明細書に於いて、単数形は特別に言及しない限り複数形も含む。明細書で使われる用語‘含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）'は一つ以上の異なる構成要素、段階、動作、素子の存在又は追加を排除しない。
【００２６】
図１は本発明の一実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置を概略的に示す図面であり、図２は図１の並列形の圧電バイモルフ２０を示す図面であり、図３は図１の直列形の圧電バイモルフ３０を示す図面である。
【００２７】
図１乃至図３を参考にすると、本発明の一実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置は、並列に接続された複数の並列形の圧電バイモルフ２０と、前記複数の並列形の圧電バイモルフ２０に並列に接続された直列形の圧電バイモルフ３０を含む。複数の並列形の圧電バイモルフ２０及び直列形の圧電バイモルフ３０の有効抵抗（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）と出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄが同じである（ｍａｔｃｈｉｎｇ）とき、出力パワーは最大になる。出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄは複数の並列形の圧電バイモルフ２０及び直列形の圧電バイモルフ３０の各々の固有抵抗より低い。並列に接続された並列形の圧電バイモルフ２０は出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄより低い有効抵抗を有する。並列形の圧電バイモルフ２０の個数が増加するほど、有効抵抗が低くなる。直列形の圧電バイモルフ３０は並列形の圧電バイモルフ２０の有効抵抗を出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄにマッチングさせる。
【００２８】
従って、本発明の一実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置は出力パワーを極大化することができる。
【００２９】
直列形の圧電バイモルフ３０と、複数の並列形の圧電バイモルフ２０はエネルギー源（ｅｎｅｒｇｙ ｓｏｕｒｃｅ）１０に並列接続されるエネルギーハーベストアレイから構成される。複数の並列形の圧電バイモルフ２０は第１乃至第３並列形の圧電バイモルフ２２、２４、２６を含む。第１乃至第３並列形の圧電バイモルフ２２、２４、２６は並列に接続される。複数の並列形の圧電バイモルフ２０はその個数が増加するほど有効抵抗がだんだん低くなり、出力電流が高くなる。複数の並列形の圧電バイモルフ２０は出力電圧の位相差が発生しない場合、一つの整流器５０に接続される。整流器５０は２個又は４個のダイオードからなるブリッジ整流器（ｂｒｉｄｇｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）を含む。
【００３０】
第１乃至第３並列形の圧電バイモルフ２２、２４、２６は一つのエネルギー源１０の側壁に連結される。第１乃至第３並列形の圧電バイモルフ２２、２４、２６は出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄより高い第１固有抵抗を有する。複数の並列形の圧電バイモルフ２０の各々はエネルギー源１０に連結されたシム（ｓｈｉｍ）１２と、前記エネルギー源１０に対向する前記シム１２の末端に形成された質量錘（ｗｅｉｇｈｔ）１４と、前記質量錘１４及び前記エネルギー源１０の間の前記シム１２の上下に形成された第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３と、前記第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３の各々の上下に形成された第１乃至第４電極２５、２７、２８、２９を含む。
【００３１】
第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３は互いに同じ大きさの分極Ｐを有する物質を含む。例えば、第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３はＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴの中で何れか一つの材質を含む。第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３はシム１２を中心として互いに反対方向の分極Ｐを有する。
【００３２】
第１圧電単結晶プレート２１はシム１２の上部に向ける分極Ｐを有する。第２圧電単結晶プレート２３はシム１２の上部に向ける分極Ｐを有する。第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３は並列に接続される。ここで、並列接続は複数の分極Ｐが並んで配置されるものと定義する。
【００３３】
第１電極２５と第２電極２７は第１圧電単結晶プレート２１の上下に配置される。第１電極２５と第２電極２７は第１圧電単結晶プレート２１の上下で互いに食い違う鉤形状のインタデジタル電極（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）を含む。第３電極２８と第４電極２９は第２圧電単結晶プレート２３の上下に配置される。第３電極２８と第４電極２９はインタデジタル電極を含む。
【００３４】
第１電極２５と第４電極２９が接続され、第２電極２７と第３電極２８が接続される。複数の並列形の圧電バイモルフ２０は第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３の各々の固有抵抗より低い有効抵抗を有する。
【００３５】
複数の並列形の圧電バイモルフ２０の各々の第１固有抵抗はエネルギー源１０の共振周波数と、第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３の各々の有効キャパシタンスに比例する。ここで、共振周波数はエネルギーハーベストアレイが並列に接続された閉回路（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ、例えば、配線が接続されるか、或いは５０オム抵抗 ）から測定されたエネルギー源１０の震動周波数を含む。また、第１固有抵抗は機械的なダンピング比（ｄａｍｐｉｎｇ ｒａｔｉｏ）、電気−機械結合係数、共振周波数又は有効圧電キャパシタンスの関数に比例する。
【００３６】
複数の並列形の圧電バイモルフ２０は互いに並列接続される場合、有効抵抗が第１固有抵抗より低くなる。並列に接続された複数の並列形の圧電バイモルフ２０の有効抵抗は第１乃至第３並列形の圧電バイモルフ２２、２４、２６の各々の第１固有抵抗の１／３に減少する。複数の並列形の圧電バイモルフ２０が並列接続される場合、有効抵抗が減少することによって電流は最大になる。ここで、並列に接続された圧電ハーベストアレイの電流が高く、圧電ハーベストアレイの全体の有効抵抗が出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄと同じであるとき、出力パワーは最大になる。
【００３７】
直列形の圧電バイモルフ３０は複数の並列形の圧電バイモルフ２０に並列接続され、エネルギーハーベストアレイの全体の有効抵抗を出力抵抗Ｒｌｏａｄとほぼ同じになるようにする。直列形の圧電バイモルフ３０は第１固有抵抗より高い第２固有抵抗を有する。
【００３８】
直列形の圧電バイモルフ３０はエネルギー源１０に連結されたシム１２と、前記エネルギー源１０に対向する前記シム１２の末端に形成された質量錘１４と、前記質量錘１４及び前記エネルギー源１０の間の前記シム１２上下に形成された第３及び第４圧電単結晶プレート３１、３３と、前記第３及び第４圧電単結晶プレート３１、３３の各々の上下に形成された第５乃至第８電極３５、３７、３８、３９を含む。
【００３９】
第３及び第４圧電単結晶プレート３１、３３は各々第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３と同じ大きさ及び分極Ｐを有する。第３及び第４圧電単結晶プレート３１、３３はシム１２を中心として互いに反対方向の分極Ｐを有する。第３及び第４圧電単結晶プレート３１、３３は直列に接続される。ここで、直列接続は同じ方向を有する複数の分極Ｐが連続又は順に配置されるものと定義する。
【００４０】
第５電極３５と第６電極３７は第３圧電単結晶プレート３１の上下に配置される。第５電極３５と第６電極３７はインタデジタル電極を含む。第７電極３８と第８電極３９は第４圧電単結晶プレート３３の上下に配置される。第７電極３８と第８電極３９はインタデジタル電極を含む。第６電極３７と第８電極３９は互いに接続され、第５電極３５と、第７電極３８は互いに分離される。第５電極３５と第７電極３８は並列形の圧電バイモルフ２０に接続される。直列形の圧電バイモルフ３０は第３及び第４圧電単結晶プレート３１、３３の各々の第２固有抵抗より高い有効抵抗を有する。
【００４１】
直列形の圧電バイモルフ３０は並列形の圧電バイモルフ２０に並列に接続される。第５電極５３と第７電極３８は並列形の圧電バイモルフ２０に並列に接続される。
【００４２】
出力部６０は直列形の圧電バイモルフ３０及び複数の並列形の圧電バイモルフ２０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄを有する。例えば、出力部６０はバッテリー及び前記バッテリーを充電する出力回路（図示せず）を含む。出力部６０と整流器５０との間に安定器７０が設置される。安定器７０は出力部６０に出力される出力パワーのノイズを除去する。例えば、安定器７０はキャパシタＣ１を含む。
【００４３】
複数の並列形の圧電バイモルフ２０及び直列形の圧電バイモルフ３０と、整流器５０に同期スイッチング部４０が設置される。同期スイッチング部４０はインダクタ４２とスイッチ４４を含む。スイッチ４４はエネルギー源１０の共振周波数に同期されてスイッチングされる。インダクタ４２はスイッチ４４のスイッチング動作によって電流の急激な変化を防止する。インダクタ４２は電流の変化よりπ／２ほど遅い電圧を発生させる。インダクタ４２はスイッチ４４のスイッチング動作によって出力パワーを増加させる。例えば、圧電エネルギーハーベストアレイの震動変位の最大値又は最少値でインダクタがスイッチングされる場合、出力電圧の反転（ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）が行なわれる。反転された出力電圧は抵抗による損失によって増幅される。従って、出力パワーは増加する。出力電圧増幅値は負荷抵抗Ｒｌｏａｄ、圧電キャパシタンス、共振周波数に依存する（特許文献１を参考する）。
【００４４】
負荷抵抗Ｒｌｏａｄより高い第１固有抵抗を有する複数の並列形の圧電バイモルフ２０が並列接続されるとき、前記第１固有抵抗より高い第２固有抵抗を有する一つの直列形の圧電バイモルフ３０は全体の有効抵抗を前記負荷抵抗とほぼ同じになるようにする。従って、本発明の一実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置は出力パワーを極大化することができる。
【００４５】
図４は本発明の他の実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置を概略的に示す図面であり、図５は図４の低抵抗圧電ユニモルフ８０を示す図面であり、図６は図４の高抵抗圧電ユニモルフ９０を示す図面である。ここで、本発明の他の実施形態に於いて、各々の構成要素は一実施形態と同じ参照符号又は異なる参照符号を付けて説明する。
【００４６】
図４乃至図６を参考にすると、本発明の他の実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置は、並列に接続された複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０と、前記複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０に並列に接続された高抵抗圧電ユニモルフ３０とを含む。
【００４７】
出力パワーは複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０及び高抵抗圧電ユニモルフ９０の有効抵抗（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）と出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄが同じであるとき、最大になる。出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄは複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０及び高抵抗圧電バイモルフ９０の各々の固有抵抗より低い。並列に接続された低抵抗圧電ユニモルフ８０は出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄより低い有効抵抗を有する。低抵抗圧電ユニモルフ８０の個数が増加する毎に、有効抵抗はだんだん低くなる。高抵抗圧電ユニモルフ９０は並列に接続された低抵抗圧電ユニモルフ８０の有効抵抗を出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄとほぼ同じになるようにする。
【００４８】
従って、本発明の他の実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置は出力パワーを極大化することができる。
【００４９】
高抵抗圧電ユニモルフ９０と、複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０はエネルギー源（ｅｎｅｒｇｙ ｓｏｕｒｃｅ）１０に並列接続されるエネルギーハーベストアレイから構成される。複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０は第１乃至第３低抵抗圧電ユニモルフ８２、８４、８６を含む。第１乃至第３低抵抗圧電ユニモルフ８２、８４、８６は並列に接続される。複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０はその個数が増加するほど有効抵抗がだんだん低くなり、出力電流が高くなる。複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０は出力電圧の位相差が発生しない場合、一つの整流器５０に接続される。整流器５０は２個又は４個のダイオードからなるブリッジ整流器（ｂｒｉｄｇｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）を含む。
【００５０】
第１乃至第３低抵抗圧電ユニモルフ８２、８４、８６は一つのエネルギー源１０の側壁に連結される。第１乃至第３低抵抗圧電ユニモルフ８２、８４、８６は出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄより高い第１固有抵抗を有する。複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０の各々はエネルギー源１０に接続されたシム１２と、前記エネルギー源１０に対向する前記シム１２の末端に形成された質量錘１４と、前記質量錘１４及び前記エネルギー源１０の間の前記シム１２上に形成された低抵抗圧電単結晶プレート８１と、前記低抵抗圧電単結晶プレート８１の上下に形成された第１及び第２電極８５、８７を含む。
【００５１】
低抵抗圧電単結晶プレート８１はＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴの中で何れか一つの材質を含む。低抵抗圧電単結晶プレート８１は第１分極Ｐ１を有する。第１電極８５と第２電極８７は低抵抗圧電単結晶プレート８１の上下から互いに食い違う鉤形状のインタデジタル電極（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）を含む。
【００５２】
複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０の各々の第１固有抵抗はエネルギー源１０の共振周波数と、低抵抗圧電単結晶プレート８１の有効キャパシタンスに比例する。ここで、共振周波数はエネルギー源１０の震動周波数を含む。また、第１固有抵抗は機械的なダンピング比、電気−機械結合係数、共振周波数又は有効圧電キャパシタンスの関数に比例する。
【００５３】
複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０は互いに並列接続される場合、有効抵抗が第１固有抵抗より低くなる。並列に接続された複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０の有効抵抗は第１乃至第３低抵抗圧電ユニモルフ８２、８４、８６の各々の第１固有抵抗の１／３に減少する。 複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０が並列接続される場合、有効抵抗が減少することによって電流が増加する。並列に接続されたエネルギーハーベストアレイの電流が高く、全体の有効抵抗が負荷抵抗Ｒｌｏａｄと一致するとき、出力パワーは最大になる。
【００５４】
高抵抗圧電ユニモルフ９０は複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０に並列接続され、エネルギーハーベストアレイの全体の有効抵抗を出力抵抗Ｒｌｏａｄとほぼ同じになるようにする。高抵抗圧電ユニモルフ９０は第１固有抵抗より高い第２固有抵抗を有する。
【００５５】
高抵抗圧電ユニモルフ９０はエネルギー源１０に連結されたシム１２と、前記エネルギー源１０に対向する前記シム１２の末端に形成された質量錘１４と、前記質量錘１４及び前記エネルギー源１０の間の前記シム１２上に形成された高抵抗圧電単結晶プレート９１と、前記高抵抗圧電単結晶プレート９１上下に形成された第３及び第４電極９５、９７を含む。
【００５６】
高抵抗圧電単結晶プレート９１は低抵抗圧電単結晶プレート８１より小さい第２分極Ｐ２を有する。高抵抗圧電単結晶プレート９１は低抵抗圧電単結晶プレート８１より小さく、微量の不純物でドープされる。従って、本発明の他の実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置は並列に接続されるエネルギーハーベストアレイに於いて、高抵抗圧電単結晶プレート９１の大きさを小さくすることができるので超小型化が可能である。
【００５７】
第３電極９５と第４電極９７はインタデジタル電極を含む。第３電極９５は第１電極８５と接続され、第４電極９７は第２電極８７と接続される。従って、高抵抗圧電ユニモルフ９０は複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０と並列に接続される。ここで、並列接続は複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０の第１分極Ｐ１と高抵抗圧電ユニモルフ９０の第２分極Ｐ２が並んでいる方向に接続されたものと定義する。
【００５８】
結局、本発明の他の実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置はエネルギーハーベストアレイに於いて、大きさが小さい高抵抗圧電ユニモルフ９０を追加して出力パワーを極大化することができ、超小型化することができる。
【００５９】
以上、添付された図面を参考にして本発明の実施形態を説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者であれば、本発明の技術思想、特徴を変更しなくて異なる形態に実施できる。
【００６０】
従って、本発明の実施形態により本発明が限定されてはいけない。
【符号の説明】
【００６１】
１０ エネルギー源
２０ 並列形の圧電バイモルフ
３０ 直列形の圧電バイモルフ
５０ 整流器
６０ 出力部
７０ 安定器
８０ 低抵抗圧電ユニモルフ
９０ 高抵抗圧電ユニモルフ
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子装置に関し、さらに詳しくは、エネルギーハーべスティング電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、電気通信技術の発達より様々な電子装置が登場している。例えば、携帯用電子機器のような電子装置はユーザー中心のユビキタス（Ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ）コンピューティングを具現することによって、その需要が爆発的に増加している。携帯用電子機器はバッテリーのような携帯電源を含む。バッテリーは一回性で使用が終わるか、または、周期的に再充電が必要であるのでバッテリーの使用に限界がある。電子装置に於いて、エネルギーハーべスティングの必要性が高まっている。
【０００３】
エネルギーハーべスティング（ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ）は自然から無駄に捨てられる震動エネルギー、即ち、電車の震動、真空ポンプの震動、機械モータの震動、自動車エンジンの震動、人の動作による震動等の無駄に捨てられる機械的なエネルギーを電気エネルギーに変換する技術を意味する。エネルギーハーベストはトランスデューサ（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）の一種として、圧電素子を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０２１２２７６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｄａｎｉｅｌ Ｇｕｙｏｍａｒ、ｅｔ ａｌ、“Ｔｏｗａｒｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｂｙ Ｎｏｎ ｌｉｎｅａｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”、ｉｅｅｅ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ、ｖｏｌ．５２、ｎｏ．４、ｐｐ．５８４〜５９５、ａｐｒｉｌ ２００５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は超小型のエネルギーハーべスティング電子装置を提供することである。
【０００７】
本発明の異なる課題は高出力のエネルギーハーべスティング電子装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明のエネルギーハーべスティング電子装置は並列に接続されるエネルギーハーベストアレイに於いて、一つの高抵抗を有するエネルギーハーベストを含む。複数のエネルギーハーベストを含むエネルギーハーベストアレイと、前記エネルギーハーベストアレイに接続される単一整流器と、前記単一整流器に接続されるとともに負荷抵抗を有する出力部とを含み、前記複数のエネルギーハーベストは前記出力部の前記負荷抵抗より高い第１固有抵抗を有し、並列に接続される複数の第１エネルギーハーベストと、前記第１固有抵抗より高い第２固有抵抗を有し、前記複数の第１エネルギーハーベストに並列に接続される一つの第２エネルギーハーベストとを含む。
【０００９】
本発明の一実施形態によると、前記複数の第１エネルギーハーベストは並列形の圧電バイモルフを含み、前記第２エネルギーハーベストは直列形の圧電バイモルフを含む。前記並列形の圧電バイモルフは前記直列形の圧電バイモルフより固有抵抗が低い。前記直列形の圧電バイモルフはハーベストアレイの全体の有効抵抗を前記負荷抵抗とほぼ同じになるようにする。
【００１０】
本発明の一実施形態によると、前記直列形の圧電バイモルフと前記複数の並列形の圧電バイモルフは各々同じ大きさの分極を有する複数の圧電単結晶プレートを含む。
【００１１】
本発明の一実施形態によると、前記直列形の圧電バイモルフは前記複数の圧電単結晶プレートの分極が直列に接続される。ここで、直列接続は前記複数の圧電単結晶プレートの分極が同じ方向へ順に配置されることを含む。
【００１２】
本発明の一実施形態によると、前記複数の並列形の圧電バイモルフは前記複数の圧電単結晶プレートの分極が並列に接続される。並列接続は前記複数の圧電単結晶プレートの分極が平行に並んでいる方向に配置されることを含む。
【００１３】
本発明の一実施形態によると、前記複数の圧電単結晶プレートは同じ大きさを有する。
【００１４】
本発明の一実施形態によると、前記複数の圧電単結晶プレートはＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴの中で何れか一つの材質を含む。
【００１５】
本発明の一実施形態によると、前記複数の並列形の圧電バイモルフの各々は前記複数の圧電単結晶プレートの間に形成されたシム（ｓｈｉｍ）と、前記複数の圧電単結晶プレートの上下に形成された複数の電極とを含む。
【００１６】
本発明の一実施形態によると、前記複数の電極はインタデジタル電極を含む。
【００１７】
本発明の他の実施形態によると、前記複数の第１エネルギーハーベストは第１圧電ユニモルフを含み、前記第２エネルギーハーベストは第２圧電ユニモルフを含む。
【００１８】
本発明の他の実施形態によると、前記第１圧電ユニモルフは第１圧電単結晶プレートを含み、前記第２圧電ユニモルフは前記第１圧電単結晶プレートより小さい又は微量の不純物でドープされる第２圧電単結晶プレートを含む。
【００１９】
本発明の一実施形態によると、前記出力部と前記整流器との間に形成された安定器をさらに含む。
【００２０】
本発明の一実施形態によると、前記エネルギーハーベストアレイと前記整流器との間に形成された同期スイッチング部をさらに含む。
【００２１】
本発明の一実施形態によると、前記同期スイッチング部はインダクタとスイッチを含む。
【発明の効果】
【００２２】
上述したように、本発明の実施形態によると、並列に接続されたエネルギーハーベストアレイの中で一つを高抵抗を有するエネルギーハーベストから構成する。高抵抗を有するエネルギーハーベストはエネルギーハーベストアレイの有効抵抗を出力部の負荷抵抗とほぼ同じになるようにする。従って、エネルギーハーべスティング電子装置は出力パワーを極大化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置を概略的に示す図面である。
【図２】図１の並列形の圧電バイモルフを示す図面である。
【図３】図１の直列形の圧電バイモルフを示す図面である。
【図４】本発明の他の実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置を概略的に示す図面である。
【図５】図４の低抵抗圧電ユニモルフを示す図面である。
【図６】図４の高抵抗圧電ユニモルフを示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、添付された図面を参考にして本発明の好ましい実施形態を詳しく説明する。本発明の長所及び特徴、そして、それらを達成する方法は後述する実施形態によって明確になる。しかし、本発明はここに説明される実施形態によって限定されず、異なる形態で具体化することができる。むしろ、ここに紹介される実施形態は開示される内容が完全になるように、そして、当業者に本発明の思想を十分に伝えるために提供される。また、明細書の全文にわたって同じ符号は同じ構成要素を示す。
【００２５】
本発明の明細書で使われる用語は実施形態を説明するためのものであり、本発明を制限するものではない。本発明の明細書に於いて、単数形は特別に言及しない限り複数形も含む。明細書で使われる用語‘含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）'は一つ以上の異なる構成要素、段階、動作、素子の存在又は追加を排除しない。
【００２６】
図１は本発明の一実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置を概略的に示す図面であり、図２は図１の並列形の圧電バイモルフ２０を示す図面であり、図３は図１の直列形の圧電バイモルフ３０を示す図面である。
【００２７】
図１乃至図３を参考にすると、本発明の一実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置は、並列に接続された複数の並列形の圧電バイモルフ２０と、前記複数の並列形の圧電バイモルフ２０に並列に接続された直列形の圧電バイモルフ３０を含む。複数の並列形の圧電バイモルフ２０及び直列形の圧電バイモルフ３０の有効抵抗（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）と出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄが同じである（ｍａｔｃｈｉｎｇ）とき、出力パワーは最大になる。出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄは複数の並列形の圧電バイモルフ２０及び直列形の圧電バイモルフ３０の各々の固有抵抗より低い。並列に接続された並列形の圧電バイモルフ２０は出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄより低い有効抵抗を有する。並列形の圧電バイモルフ２０の個数が増加するほど、有効抵抗が低くなる。直列形の圧電バイモルフ３０は並列形の圧電バイモルフ２０の有効抵抗を出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄにマッチングさせる。
【００２８】
従って、本発明の一実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置は出力パワーを極大化することができる。
【００２９】
直列形の圧電バイモルフ３０と、複数の並列形の圧電バイモルフ２０はエネルギー源（ｅｎｅｒｇｙ ｓｏｕｒｃｅ）１０に並列接続されるエネルギーハーベストアレイから構成される。複数の並列形の圧電バイモルフ２０は第１乃至第３並列形の圧電バイモルフ２２、２４、２６を含む。第１乃至第３並列形の圧電バイモルフ２２、２４、２６は並列に接続される。複数の並列形の圧電バイモルフ２０はその個数が増加するほど有効抵抗がだんだん低くなり、出力電流が高くなる。複数の並列形の圧電バイモルフ２０は出力電圧の位相差が発生しない場合、一つの整流器５０に接続される。整流器５０は２個又は４個のダイオードからなるブリッジ整流器（ｂｒｉｄｇｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）を含む。
【００３０】
第１乃至第３並列形の圧電バイモルフ２２、２４、２６は一つのエネルギー源１０の側壁に連結される。第１乃至第３並列形の圧電バイモルフ２２、２４、２６は出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄより高い第１固有抵抗を有する。複数の並列形の圧電バイモルフ２０の各々はエネルギー源１０に連結されたシム（ｓｈｉｍ）１２と、前記エネルギー源１０に対向する前記シム１２の末端に形成された質量錘（ｗｅｉｇｈｔ）１４と、前記質量錘１４及び前記エネルギー源１０の間の前記シム１２の上下に形成された第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３と、前記第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３の各々の上下に形成された第１乃至第４電極２５、２７、２８、２９を含む。
【００３１】
第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３は互いに同じ大きさの分極Ｐを有する物質を含む。例えば、第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３はＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴの中で何れか一つの材質を含む。第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３はシム１２を中心として互いに反対方向の分極Ｐを有する。
【００３２】
第１圧電単結晶プレート２１はシム１２の上部に向ける分極Ｐを有する。第２圧電単結晶プレート２３はシム１２の上部に向ける分極Ｐを有する。第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３は並列に接続される。ここで、並列接続は複数の分極Ｐが並んで配置されるものと定義する。
【００３３】
第１電極２５と第２電極２７は第１圧電単結晶プレート２１の上下に配置される。第１電極２５と第２電極２７は第１圧電単結晶プレート２１の上下で互いに食い違う鉤形状のインタデジタル電極（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）を含む。第３電極２８と第４電極２９は第２圧電単結晶プレート２３の上下に配置される。第３電極２８と第４電極２９はインタデジタル電極を含む。
【００３４】
第１電極２５と第４電極２９が接続され、第２電極２７と第３電極２８が接続される。複数の並列形の圧電バイモルフ２０は第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３の各々の固有抵抗より低い有効抵抗を有する。
【００３５】
複数の並列形の圧電バイモルフ２０の各々の第１固有抵抗はエネルギー源１０の共振周波数と、第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３の各々の有効キャパシタンスに比例する。ここで、共振周波数はエネルギーハーベストアレイが並列に接続された閉回路（ｓｈｏｒｔ−ｃｉｒｃｕｉｔ、例えば、配線が接続されるか、或いは５０オム抵抗 ）から測定されたエネルギー源１０の震動周波数を含む。また、第１固有抵抗は機械的なダンピング比（ｄａｍｐｉｎｇ ｒａｔｉｏ）、電気−機械結合係数、共振周波数又は有効圧電キャパシタンスの関数に比例する。
【００３６】
複数の並列形の圧電バイモルフ２０は互いに並列接続される場合、有効抵抗が第１固有抵抗より低くなる。並列に接続された複数の並列形の圧電バイモルフ２０の有効抵抗は第１乃至第３並列形の圧電バイモルフ２２、２４、２６の各々の第１固有抵抗の１／３に減少する。複数の並列形の圧電バイモルフ２０が並列接続される場合、有効抵抗が減少することによって電流は最大になる。ここで、並列に接続された圧電ハーベストアレイの電流が高く、圧電ハーベストアレイの全体の有効抵抗が出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄと同じであるとき、出力パワーは最大になる。
【００３７】
直列形の圧電バイモルフ３０は複数の並列形の圧電バイモルフ２０に並列接続され、エネルギーハーベストアレイの全体の有効抵抗を出力抵抗Ｒｌｏａｄとほぼ同じになるようにする。直列形の圧電バイモルフ３０は第１固有抵抗より高い第２固有抵抗を有する。
【００３８】
直列形の圧電バイモルフ３０はエネルギー源１０に連結されたシム１２と、前記エネルギー源１０に対向する前記シム１２の末端に形成された質量錘１４と、前記質量錘１４及び前記エネルギー源１０の間の前記シム１２上下に形成された第３及び第４圧電単結晶プレート３１、３３と、前記第３及び第４圧電単結晶プレート３１、３３の各々の上下に形成された第５乃至第８電極３５、３７、３８、３９を含む。
【００３９】
第３及び第４圧電単結晶プレート３１、３３は各々第１及び第２圧電単結晶プレート２１、２３と同じ大きさ及び分極Ｐを有する。第３及び第４圧電単結晶プレート３１、３３はシム１２を中心として互いに反対方向の分極Ｐを有する。第３及び第４圧電単結晶プレート３１、３３は直列に接続される。ここで、直列接続は同じ方向を有する複数の分極Ｐが連続又は順に配置されるものと定義する。
【００４０】
第５電極３５と第６電極３７は第３圧電単結晶プレート３１の上下に配置される。第５電極３５と第６電極３７はインタデジタル電極を含む。第７電極３８と第８電極３９は第４圧電単結晶プレート３３の上下に配置される。第７電極３８と第８電極３９はインタデジタル電極を含む。第６電極３７と第８電極３９は互いに接続され、第５電極３５と、第７電極３８は互いに分離される。第５電極３５と第７電極３８は並列形の圧電バイモルフ２０に接続される。直列形の圧電バイモルフ３０は第３及び第４圧電単結晶プレート３１、３３の各々の第２固有抵抗より高い有効抵抗を有する。
【００４１】
直列形の圧電バイモルフ３０は並列形の圧電バイモルフ２０に並列に接続される。第５電極５３と第７電極３８は並列形の圧電バイモルフ２０に並列に接続される。
【００４２】
出力部６０は直列形の圧電バイモルフ３０及び複数の並列形の圧電バイモルフ２０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄを有する。例えば、出力部６０はバッテリー及び前記バッテリーを充電する出力回路（図示せず）を含む。出力部６０と整流器５０との間に安定器７０が設置される。安定器７０は出力部６０に出力される出力パワーのノイズを除去する。例えば、安定器７０はキャパシタＣ１を含む。
【００４３】
複数の並列形の圧電バイモルフ２０及び直列形の圧電バイモルフ３０と、整流器５０に同期スイッチング部４０が設置される。同期スイッチング部４０はインダクタ４２とスイッチ４４を含む。スイッチ４４はエネルギー源１０の共振周波数に同期されてスイッチングされる。インダクタ４２はスイッチ４４のスイッチング動作によって電流の急激な変化を防止する。インダクタ４２は電流の変化よりπ／２ほど遅い電圧を発生させる。インダクタ４２はスイッチ４４のスイッチング動作によって出力パワーを増加させる。例えば、圧電エネルギーハーベストアレイの震動変位の最大値又は最少値でインダクタがスイッチングされる場合、出力電圧の反転（ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）が行なわれる。反転された出力電圧は抵抗による損失によって増幅される。従って、出力パワーは増加する。出力電圧増幅値は負荷抵抗Ｒｌｏａｄ、圧電キャパシタンス、共振周波数に依存する（特許文献１を参考する）。
【００４４】
負荷抵抗Ｒｌｏａｄより高い第１固有抵抗を有する複数の並列形の圧電バイモルフ２０が並列接続されるとき、前記第１固有抵抗より高い第２固有抵抗を有する一つの直列形の圧電バイモルフ３０は全体の有効抵抗を前記負荷抵抗とほぼ同じになるようにする。従って、本発明の一実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置は出力パワーを極大化することができる。
【００４５】
図４は本発明の他の実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置を概略的に示す図面であり、図５は図４の低抵抗圧電ユニモルフ８０を示す図面であり、図６は図４の高抵抗圧電ユニモルフ９０を示す図面である。ここで、本発明の他の実施形態に於いて、各々の構成要素は一実施形態と同じ参照符号又は異なる参照符号を付けて説明する。
【００４６】
図４乃至図６を参考にすると、本発明の他の実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置は、並列に接続された複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０と、前記複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０に並列に接続された高抵抗圧電ユニモルフ３０とを含む。
【００４７】
出力パワーは複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０及び高抵抗圧電ユニモルフ９０の有効抵抗（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）と出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄが同じであるとき、最大になる。出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄは複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０及び高抵抗圧電バイモルフ９０の各々の固有抵抗より低い。並列に接続された低抵抗圧電ユニモルフ８０は出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄより低い有効抵抗を有する。低抵抗圧電ユニモルフ８０の個数が増加する毎に、有効抵抗はだんだん低くなる。高抵抗圧電ユニモルフ９０は並列に接続された低抵抗圧電ユニモルフ８０の有効抵抗を出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄとほぼ同じになるようにする。
【００４８】
従って、本発明の他の実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置は出力パワーを極大化することができる。
【００４９】
高抵抗圧電ユニモルフ９０と、複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０はエネルギー源（ｅｎｅｒｇｙ ｓｏｕｒｃｅ）１０に並列接続されるエネルギーハーベストアレイから構成される。複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０は第１乃至第３低抵抗圧電ユニモルフ８２、８４、８６を含む。第１乃至第３低抵抗圧電ユニモルフ８２、８４、８６は並列に接続される。複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０はその個数が増加するほど有効抵抗がだんだん低くなり、出力電流が高くなる。複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０は出力電圧の位相差が発生しない場合、一つの整流器５０に接続される。整流器５０は２個又は４個のダイオードからなるブリッジ整流器（ｂｒｉｄｇｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）を含む。
【００５０】
第１乃至第３低抵抗圧電ユニモルフ８２、８４、８６は一つのエネルギー源１０の側壁に連結される。第１乃至第３低抵抗圧電ユニモルフ８２、８４、８６は出力部６０の負荷抵抗Ｒｌｏａｄより高い第１固有抵抗を有する。複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０の各々はエネルギー源１０に接続されたシム１２と、前記エネルギー源１０に対向する前記シム１２の末端に形成された質量錘１４と、前記質量錘１４及び前記エネルギー源１０の間の前記シム１２上に形成された低抵抗圧電単結晶プレート８１と、前記低抵抗圧電単結晶プレート８１の上下に形成された第１及び第２電極８５、８７を含む。
【００５１】
低抵抗圧電単結晶プレート８１はＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴの中で何れか一つの材質を含む。低抵抗圧電単結晶プレート８１は第１分極Ｐ１を有する。第１電極８５と第２電極８７は低抵抗圧電単結晶プレート８１の上下から互いに食い違う鉤形状のインタデジタル電極（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）を含む。
【００５２】
複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０の各々の第１固有抵抗はエネルギー源１０の共振周波数と、低抵抗圧電単結晶プレート８１の有効キャパシタンスに比例する。ここで、共振周波数はエネルギー源１０の震動周波数を含む。また、第１固有抵抗は機械的なダンピング比、電気−機械結合係数、共振周波数又は有効圧電キャパシタンスの関数に比例する。
【００５３】
複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０は互いに並列接続される場合、有効抵抗が第１固有抵抗より低くなる。並列に接続された複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０の有効抵抗は第１乃至第３低抵抗圧電ユニモルフ８２、８４、８６の各々の第１固有抵抗の１／３に減少する。 複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０が並列接続される場合、有効抵抗が減少することによって電流が増加する。並列に接続されたエネルギーハーベストアレイの電流が高く、全体の有効抵抗が負荷抵抗Ｒｌｏａｄと一致するとき、出力パワーは最大になる。
【００５４】
高抵抗圧電ユニモルフ９０は複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０に並列接続され、エネルギーハーベストアレイの全体の有効抵抗を出力抵抗Ｒｌｏａｄとほぼ同じになるようにする。高抵抗圧電ユニモルフ９０は第１固有抵抗より高い第２固有抵抗を有する。
【００５５】
高抵抗圧電ユニモルフ９０はエネルギー源１０に連結されたシム１２と、前記エネルギー源１０に対向する前記シム１２の末端に形成された質量錘１４と、前記質量錘１４及び前記エネルギー源１０の間の前記シム１２上に形成された高抵抗圧電単結晶プレート９１と、前記高抵抗圧電単結晶プレート９１上下に形成された第３及び第４電極９５、９７を含む。
【００５６】
高抵抗圧電単結晶プレート９１は低抵抗圧電単結晶プレート８１より小さい第２分極Ｐ２を有する。高抵抗圧電単結晶プレート９１は低抵抗圧電単結晶プレート８１より小さく、微量の不純物でドープされる。従って、本発明の他の実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置は並列に接続されるエネルギーハーベストアレイに於いて、高抵抗圧電単結晶プレート９１の大きさを小さくすることができるので超小型化が可能である。
【００５７】
第３電極９５と第４電極９７はインタデジタル電極を含む。第３電極９５は第１電極８５と接続され、第４電極９７は第２電極８７と接続される。従って、高抵抗圧電ユニモルフ９０は複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０と並列に接続される。ここで、並列接続は複数の低抵抗圧電ユニモルフ８０の第１分極Ｐ１と高抵抗圧電ユニモルフ９０の第２分極Ｐ２が並んでいる方向に接続されたものと定義する。
【００５８】
結局、本発明の他の実施形態によるエネルギーハーべスティング電子装置はエネルギーハーベストアレイに於いて、大きさが小さい高抵抗圧電ユニモルフ９０を追加して出力パワーを極大化することができ、超小型化することができる。
【００５９】
以上、添付された図面を参考にして本発明の実施形態を説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者であれば、本発明の技術思想、特徴を変更しなくて異なる形態に実施できる。
【００６０】
従って、本発明の実施形態により本発明が限定されてはいけない。
【符号の説明】
【００６１】
１０ エネルギー源
２０ 並列形の圧電バイモルフ
３０ 直列形の圧電バイモルフ
５０ 整流器
６０ 出力部
７０ 安定器
８０ 低抵抗圧電ユニモルフ
９０ 高抵抗圧電ユニモルフ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のエネルギーハーベストを含むエネルギーハーベストアレイと、
前記エネルギーハーベストアレイに接続される単一整流器と、
前記単一整流器に接続されるとともに負荷抵抗を有する出力部とを含み、
前記複数のエネルギーハーベストは前記出力部の前記負荷抵抗より高い第１固有抵抗を有し、並列に接続される複数の第１エネルギーハーベストと、前記第１固有抵抗より高い第２固有抵抗を有し、前記複数の第１エネルギーハーベストに並列に接続される一つの第２エネルギーハーベストとを含むことを特徴とするエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項２】
前記複数の第１エネルギーハーベストは並列形の圧電バイモルフを含み、前記第２エネルギーハーベストは直列形の圧電バイモルフを含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項３】
前記直列形の圧電バイモルフと前記複数の並列形の圧電バイモルフとは各々同じ大きさの分極を有する複数の圧電単結晶プレートを含むことを特徴とする請求項２に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項４】
前記並列形の圧電バイモルフは、前記複数の圧電単結晶プレートの分極が並列に接続されることを特徴とする請求項３に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項５】
前記直列形の圧電バイモルフは、前記複数の圧電単結晶プレートの分極が直列接続されることを特徴とする請求項３に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項６】
前記複数の圧電単結晶プレートは、同じ大きさを有することを特徴とする請求項３に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項７】
前記複数の圧電単結晶プレートは、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴの中で何れか一つの材質を含むことを特徴とする請求項３に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項８】
前記複数の並列形の圧電バイモルフは、前記複数の圧電単結晶プレートの間に形成されたシムと、前記複数の圧電単結晶プレートの上下に形成された複数の電極とをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項９】
前記複数の電極はインタデジタル電極を含むことを特徴とする請求項８に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項１０】
前記複数の第１エネルギーハーベストは、第１圧電ユニモルフを含み、前記第２エネルギーハーベストは第２圧電ユニモルフを含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項１１】
前記第１圧電ユニモルフは、第１圧電単結晶プレートを含み、
前記第２圧電ユニモルフは、前記第１圧電単結晶プレートより小さい又は微量の不純物でドープされる第２圧電単結晶プレートを含むことを特徴とする請求項１０に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項１２】
前記出力部と前記整流器との間に形成された安定器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のハーべスティング電子装置。
【請求項１３】
前記エネルギーハーベストアレイと前記整流器との間に形成された同期スイッチング部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項１４】
前記同期スイッチング部は、インダクタとスイッチを含むことを特徴とする請求項１３に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項１】
複数のエネルギーハーベストを含むエネルギーハーベストアレイと、
前記エネルギーハーベストアレイに接続される単一整流器と、
前記単一整流器に接続されるとともに負荷抵抗を有する出力部とを含み、
前記複数のエネルギーハーベストは前記出力部の前記負荷抵抗より高い第１固有抵抗を有し、並列に接続される複数の第１エネルギーハーベストと、前記第１固有抵抗より高い第２固有抵抗を有し、前記複数の第１エネルギーハーベストに並列に接続される一つの第２エネルギーハーベストとを含むことを特徴とするエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項２】
前記複数の第１エネルギーハーベストは並列形の圧電バイモルフを含み、前記第２エネルギーハーベストは直列形の圧電バイモルフを含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項３】
前記直列形の圧電バイモルフと前記複数の並列形の圧電バイモルフとは各々同じ大きさの分極を有する複数の圧電単結晶プレートを含むことを特徴とする請求項２に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項４】
前記並列形の圧電バイモルフは、前記複数の圧電単結晶プレートの分極が並列に接続されることを特徴とする請求項３に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項５】
前記直列形の圧電バイモルフは、前記複数の圧電単結晶プレートの分極が直列接続されることを特徴とする請求項３に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項６】
前記複数の圧電単結晶プレートは、同じ大きさを有することを特徴とする請求項３に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項７】
前記複数の圧電単結晶プレートは、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴ、ＰＭＮ−ＰＺＴの中で何れか一つの材質を含むことを特徴とする請求項３に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項８】
前記複数の並列形の圧電バイモルフは、前記複数の圧電単結晶プレートの間に形成されたシムと、前記複数の圧電単結晶プレートの上下に形成された複数の電極とをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項９】
前記複数の電極はインタデジタル電極を含むことを特徴とする請求項８に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項１０】
前記複数の第１エネルギーハーベストは、第１圧電ユニモルフを含み、前記第２エネルギーハーベストは第２圧電ユニモルフを含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項１１】
前記第１圧電ユニモルフは、第１圧電単結晶プレートを含み、
前記第２圧電ユニモルフは、前記第１圧電単結晶プレートより小さい又は微量の不純物でドープされる第２圧電単結晶プレートを含むことを特徴とする請求項１０に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項１２】
前記出力部と前記整流器との間に形成された安定器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のハーべスティング電子装置。
【請求項１３】
前記エネルギーハーベストアレイと前記整流器との間に形成された同期スイッチング部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【請求項１４】
前記同期スイッチング部は、インダクタとスイッチを含むことを特徴とする請求項１３に記載のエネルギーハーべスティング電子装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−６５５３３（Ｐ２０１２−６５５３３Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８１９５５（Ｐ２０１０−２８１９５５）
【出願日】平成２２年１２月１７日（２０１０．１２．１７）
【出願人】（５９６１８００７６）韓國電子通信研究院 (733)
【氏名又は名称原語表記】Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
【住所又は居所原語表記】１６１ Ｋａｊｏｎｇ−ｄｏｎｇ， Ｙｕｓｏｎｇ−ｇｕ， Ｔａｅｊｏｎ ｋｏｒｅａ
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１７日（２０１０．１２．１７）
【出願人】（５９６１８００７６）韓國電子通信研究院 (733)
【氏名又は名称原語表記】Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
【住所又は居所原語表記】１６１ Ｋａｊｏｎｇ−ｄｏｎｇ， Ｙｕｓｏｎｇ−ｇｕ， Ｔａｅｊｏｎ ｋｏｒｅａ
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