(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械発電機であって、前記電気機械発電機は、電気伝導コイルアセンブリと、磁石アセンブリとを備え、前記磁石アセンブリは、少なくとも１つの磁石と、第１の部分及び第２の部分を含む２つの部分の磁心とを備え、前記磁心の前記第１及び第２の部分は、軸に沿って中心位置に対し共振周波数で相対的に振動可能なようにバイアス素子によりマウントされており、これにより、前記コイルアセンブリに結合された磁束の変化を引き起こして、前記コイルアセンブリ内に電位を発生させ、前記磁心の前記第２の部分は、前記電気伝導コイルアセンブリ、前記少なくとも１つの磁石、及び前記磁心の前記第１の部分を取り囲んでいる、電気機械発電機。
【請求項２】
前記磁心の前記第１の部分は、固定されており、前記磁心の前記第２の部分は、前記中心位置に対し振動可能である請求項１に記載の電気機械発電機。
【請求項３】
前記電気伝導コイルアセンブリは、前記磁心の前記第１及び第２の部分の一方又は両方にマウントされており、且つ／又は、前記少なくとも１つの磁石は、前記磁心の前記第１及び第２の部分の一方又は両方にマウントされている請求項２に記載の電気機械発電機。
【請求項４】
前記電気伝導コイルアセンブリと、前記少なくとも１つの磁石は、前記磁心の前記第１の部分にマウントされている請求項２又は３に記載の電気機械発電機。
【請求項５】
前記少なくとも１つの磁石は、内径側周囲面と外径側周囲面にそれぞれ相対する極を有する環状磁石を含み、前記相対する極は、前記磁心の前記第１の部分に、接しており、且つ、磁気的に結合されている請求項２乃至４のいずれか１項に記載の電気機械発電機。
【請求項６】
前記磁心は、フェライトのような高い磁気ヒステリシスを示す磁性材料を含む請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気機械発電機。
【請求項７】
前記コイルアセンブリは、互いに電気的に接続された第１及び第２のコイルを含み、前記第１及び第２のコイルはそれぞれ、軸方向において、前記少なくとも１つの磁石の相対する側に配置されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電気機械発電機。
【請求項８】
更に、前記電気伝導コイルアセンブリの出力にまたがる振動調整素子を備える請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電気機械発電機。
【請求項９】
前記振動調整素子は、キャパシタンスを含み、前記キャパシタンスの選択肢には、可変キャパシタンスがある請求項８に記載の電気機械発電機。
【請求項１０】
前記振動調整素子は、インダクタンスを含み、前記インダクタンスの選択肢には、可変インダクタンスがある請求項８に記載の電気機械発電機。
【請求項１１】
更に、前記電気機械発電機の出力電力又は振動周波数の検出に応じて前記振動調整素子を制御する制御器を備える請求項９又は１０に記載の電気機械発電機。
【請求項１２】
前記制御器は、前記磁心の振動周波数を測定し、測定された振動周波数に基づいて前記振動調整素子のキャパシタンス値又はインダクタンス値をそれぞれ選択する、よう適合されている請求項１１に記載の電気機械発電機。
【請求項１３】
更に、前記出力電力により駆動され、前記制御器を駆動する電力回路を備える請求項１１又は１２に記載の電気機械発電機。
【請求項１４】
更に、前記磁石アセンブリに対しマウントされた第２の電気伝導コイルアセンブリを備え、前記磁心の前記２つの部分の相対振動は、前記第２の電気伝導コイルアセンブリに結合された磁束の変化を引き起こして、前記第２の電気伝導コイルアセンブリ内に第２の電位を発生させ、前記第２の電気伝導コイルアセンブリは、前記磁石アセンブリの振動周波数を調整する可変キャパシタンス、に接続されるよう適合されている請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の電気機械発電機。
【請求項１５】
更に、前記磁石アセンブリに対しマウントされた第３の電気伝導コイルアセンブリを備え、前記磁心の前記２つの部分の相対振動は、前記第３の電気伝導コイルアセンブリに結合された磁束の変化を引き起こして、前記第３の電気伝導コイルアセンブリ内に第３の電位を発生させ、前記第３の電気伝導コイルアセンブリは、前記電気機械発電機の出力電力又は振動周波数の検出に応じて振動調整素子を制御する制御器、に接続されるよう適合されている請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の電気機械発電機。
【請求項１６】
更に、前記電気伝導コイルアセンブリの出力に直列接続されたキャパシタ素子を備え、前記キャパシタ素子は、
【数１】
0005539315.tif 000008
で表されるキャパシタンスＣＳを有し、ただし、Ｌは、前記電気伝導コイルアセンブリのインダクタンスであり、ｆは、前記磁石アセンブリの前記磁心の共振周波数である請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の電気機械発電機。
【請求項１７】
更に、前記電気伝導コイルアセンブリの出力に直列で、キャパシタンスＣＴを有するキャパシタである前記振動調整素子の出力側にある、抵抗素子を備え、前記抵抗素子は、
【数２】
0005539315.tif 000009
で表される抵抗Ｒｂを有し、ただし、ｆは、前記磁石アセンブリの前記磁心の共振周波数である請求項８乃至１３のいずれか１項又は請求項１６に記載の電気機械発電機。
【請求項１８】
更に、前記電気伝導コイルアセンブリの出力に直列で、キャパシタンスＣＴを有するキャパシタである前記振動調整素子の出力側にある、インダクタ素子を備え、前記インダクタ素子は、
【数３】
0005539315.tif 000010
で表されるインダクタンスＬｂを有し、ただし、ｆは、前記磁石アセンブリの前記磁心の共振周波数である請求項８乃至１３のいずれか１項又は請求項１６に記載の電気機械発電機。
【請求項１９】
電気機械発電機を使用して機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法であって、前記方法は、
電気伝導コイルアセンブリと、磁石アセンブリとを備え、前記磁石アセンブリが、少なくとも１つの磁石と２つの部分の磁心とを備え、前記磁心の第２の部分が、前記電気伝導コイルアセンブリ、前記少なくとも１つの磁石、及び前記磁心の第１の部分を取り囲んでいる電気機械発電機を提供するステップと、
前記電気機械発電機を振動させ、これにより、軸に沿って、前記磁心の１つの部分を、前記磁心のもう１つの部分に対し共振周波数で動かし、これにより、前記磁心内にて前記コイルアセンブリに結合された磁束の変化を引き起こして、前記コイルアセンブリ内に電位を誘導させるステップと、
を含む方法。
【請求項２０】
更に、前記電気伝導コイルアセンブリの出力にまたがる振動調整素子を設けることを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記振動調整素子は、可変キャパシタンス又は可変インダクタンスを備え、前記方法は更に、前記可変キャパシタンス又は前記可変インダクタンスをそれぞれ、出力電力を最大にするよう設定するステップを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
更に、前記電気機械発電機の出力電力の検出に応じて前記振動調整素子を制御することを含み、更に、振動周波数を検出することと、前記キャパシタンス又は前記インダクタンスをそれぞれ、前記共振周波数を振動周波数に同調させるよう変化させることを選択肢として含む請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械発電機（electromechanical generator）、及び、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法に関する。特に、本発明は、例えば知的センサシステムへの給電に使用するために、環境振動エネルギー（ambient vibration energy）を電気エネルギーに変換することが可能な小型発電機であるデバイスに関する。このようなシステムは、電力供給用又はセンサデータ送信用のワイヤが事実上取り付け不可能な、アクセス不可能領域（inaccessible area）で使用することが可能である。
【背景技術】
【０００２】
環境振動から有用な電力を獲得（harvest）するために、電気機械発電機を用いることが知られている。典型的な磁石−コイル発電機は、磁石又はコイルに取り付けられたバネ−質量結合体からなり、バネ−質量結合体は、システムが振動する際に、コイルが、磁心（magnetic core）により形成される磁束を通り抜けるように、磁石又はコイルに取り付けられている。振動する際に移動する質量は、片持梁（cantilever beam）上にマウントされている。この梁は、コイルがデバイスの囲いに対し固定された状態で、磁心に接続することが可能であり、或いは、磁心がデバイスの囲いに対し固定された状態で、コイルに接続することが可能である。
【０００３】
例えば、典型的な既知の電気機械発電機は、永久磁石とエアギャップとを含む磁心からなり、エアギャップ内には、ワイヤコイルと磁心が互いに相対移動できるように該ワイヤコイルが挿入されている。このような機構は主に、既知の電磁振動エネルギーハーベスタで使用されている。この機構では、磁心内の磁束が、移動中、相対的に一定に保たれるが、コイルの磁束鎖交ターン（flux-linkage-turn）は、その相対変位により変化する。このようなデバイスは例えば、国際公開公報ＷＯ２００７／０９６６１５に開示されている。
【０００４】
このような既知の電気機械発電機は、エネルギーを獲得するのに有用な機構であるが、電気機械発電機が実際の応用で使用される際には、最適な共振周波数又は最適な減衰係数を正確に予測することができない。電気機械発電機は、望ましい動作条件であると思われる条件に設計及び設定されている。しかしながら、実際の動作条件が、特定の応用向けに電気機械発電機を設定するために使用される理論的に理想的な動作条件に相当しているかについては何ら保証がない。実際には、電気機械発電機は、望ましい動作条件よりも狭い範囲で動作可能なように設定され、特に、減数係数は、電力出力が最適な電力出力を含む範囲内となるよう設定される。しかしながら、実際の電力出力が、特定の応用向けに最適化される可能性はあまりない。従って、電気機械発電機は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する最大効率では動作せず、よって、有用な電気エネルギーをもたらさない。実際の応用では、振動の周波数を、エネルギーハーベスタの製造前に知る可能性はあまりない。従って、周波数帯の制限を、常に、直面し得る振動周波数の範囲を包含するよう設計することはできない。これは、ハーベスタは、典型的な応用において有用な電力量を常に供給することはできないことを意味する。
【０００５】
また、環境振動の周波数は、動作中に変化し得る。既知の電気機械発電機は、このような変化の結果、最大効率で動作することができない可能性がある。
【０００６】
従って、既知の電磁誘導共振振動エネルギーハーベスタは、有用な電力を生成できるように、周波数帯が制限されている傾向がある。
【０００７】
この制限を打破する方法の１つは、調節可能（adjustable）又は調整可能（tunable）な周波数帯を提供することである。機械共振器によれば、これを、該共振器のバネ定数又は質量を変化させることで実現可能である。しかしながら、これらの力学特性（mechanical property）を調節する機構は、これらの避けがたい機械的な複雑さや、それに伴うコスト及び信頼性の問題のため、望ましくない。
【０００８】
電磁変換振動ダンパーの共振周波数を電気的に調整することが知られている（C.L. Davisらによる題名「An actively tuned solid-state vibration absorber using capacitive shunting of piezoelectric stiffness」の論文を参照。Journal of Sound and Vibration (2000) 232(3), 601-617）。当該ダンパーは、エネルギーハーベスタではなく、また、どのように電力生成効率を増大させるかについては提案がなされていない。これらのデバイスでは、正味の有用な電力が、振動システムから抽出されない。加えて、Shad Roundyらによる題名「Toward self-tuning adaptive vibration based microgenerators」の論文（2004）では、エネルギーハーベスタの出力電力の正味の増加は、電気的調整によって実現することはできない、との言及のもとに計算が行われている。
【０００９】
国際公開公報ＷＯ２００６／１０９０３７は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイスを開示している。この電気機械デバイスは、減衰係数と共振振動数とを有する速度減衰共振器（velosity damped resonator）である。減衰係数調節器が、電気機械デバイスの減衰係数を調節するために設けられている。また、共振周波数調節器が設けられている。減衰係数は、共振器デバイスに接続された負荷インピーダンスを変えることで変化する。例えば、減衰係数は、コイルを介して流れることを許容する電流を変化させる（例えば、コイルを含む回路の電気抵抗を変化させる）ことで調節可能である。共振振動数は、共振器を変えることで変化する。共振周波数は、バネの振動特性を変化させる（例えば、バネに取り付けられた圧電素子を使用し、これにより、力を加えてバネを抵抗加熱する又はバネの断面積を変化させることで、バネ定数ｋを変化させる）ことで調節可能である。代わりに、共振周波数は、慣性質量を変化させる（例えば、共振器の寸法を変更する、又は与えられる無効負荷（reactive load）を変化させる）ことでも調整可能である。共振周波数調節器は、バネ定数を変化させるよう適合されていてもよい。
【００１０】
このデバイスは、良好に動作するものの、出力電力の最適化を維持しながら、電気機械デバイスを望ましい共振周波数に電気的に調整する必要性が、依然として存在する。
【００１１】
従って、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を向上させ、これにより有用な電力とする必要性が、依然として存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する改良された電気機械発電機、及び、このようなデバイスを動作させる方法であって、Roundyらにより実現不可能と言及された結果である、エネルギーハーベスタの出力電力の正味の増加を電気的調整により実現することが可能な電気機械発電機及び方法を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する改良された電気機械発電機であって、実際の使用において、既知のデバイスよりも効率的に動作させることが可能な電気機械発電機を提供することを目的とする。
【００１４】
本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する改良された方法であって、実際の使用において、既知のデバイスを使用するよりも効率的なエネルギー変換を与えることが可能な方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
従って、本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械発電機であって、前記電気機械発電機は、電気伝導コイルアセンブリと、磁石アセンブリとを備え、前記磁石アセンブリは、少なくとも１つの磁石（magnet）と２つの部分の磁心（two-part magnetic core）とを備え、前記磁心の前記２つの部分は、軸に沿って中心位置に対し共振周波数で相対的に振動可能なようにバイアス素子（biasing device）によりマウント（mount）されており、これにより、前記コイルアセンブリに結合（link）された磁束の変化を引き起こして、前記コイルアセンブリ内に電位を発生させる、電気機械発電機を提供する。
【００１６】
また、本発明は、電気機械発電機を使用して機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法であって、前記方法は、電気伝導コイルアセンブリと、磁石アセンブリとを備え、前記磁石アセンブリが、少なくとも１つの磁石と２つの部分の磁心とを備える電気機械発電機を提供するステップと、前記電気機械素子を振動させ、これにより、軸に沿って、前記磁心の１つの部分を、前記磁心のもう１つの部分に対し共振周波数で動かし、これにより、前記磁心内にて前記コイルアセンブリに結合された磁束の変化を引き起こして、前記コイルアセンブリ内に電位を誘導させるステップと、を含む方法を提供する。
【００１７】
好適な特徴は、従属項にて定められている。
【００１８】
本発明については、エネルギーハーベスタの周波数が、その電磁結合により電気的に調整可能であることが、本発明者による知見により少なくともある程度断言される。調整機構のこの電気的な実装は、電磁誘導共振振動エネルギーハーベスタの機械的複雑さの増大がほとんどない又は重大な増大がないため、低コストであると共に非常に信頼できる。
【００１９】
本発明の一の態様によれば、電磁誘導共振振動エネルギーハーベスタは、キャパシタ及び／又はインダクタをその出力にまたがって接続することで、周波数が調整可能となる。
【００２０】
キャパシタの追加に関し、固有周波数（natural frequency）の減少は、次のように与えられる。
【数１】
0005539315.tif 000002
ただし、ＣＴは、キャパシタサイズであり、Φは、共振器がその経路に沿って移動する際の磁束鎖交ターンの線勾配（linear gradient）であり、ｍは、共振器の質量であり、ｆｎは、キャパシタがない場合の共振器の固有周波数である。
【００２１】
しかしながら、このような調整もまた、より多くの調整が起こるにつれて共振器のＱ値（Q-factor）が減少する、というように望ましくない減衰を増大させる。これが支配的な減衰効果になると、次のように与えられるＱ値がもたらされる。
【数２】
0005539315.tif 000003
ただし、ＲＣは、デバイスのコイル抵抗である。
【００２２】
Ｑ値を低下させるこの悪影響を最小化しつつ、共振振動周波数の調整を実現する必要がある。
【００２３】
式（２）を解析すると、ΦはＲＣとｍの両方に対し最大化すべきという結論が導き出される。しかしながら、共振器の質量を大きくすることで、最大箇所（first place）における電磁発電機の電力出力が大きくなるため、共振器の質量を減らすのは有益ではない。
【００２４】
本発明者らは、実際には以下の因子を最大化すべきと判断した。
【数３】
0005539315.tif 000004
パラメータκは、エネルギーハーベスタ内における電磁結合の強さ及び効率を表し、結合機構設計の関数となる。変数は、Φ（共振器がその経路に沿って移動する際に見い出される磁束鎖交ターンの線勾配）及びＲＣ（デバイスのコイル抵抗）である。特にパラメータΦを最大化することで、デバイスをキャパシタにより調整することが可能となると共に、出力電力を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイスであって、本発明の第１実施形態による電気機械発電機内で使用するための電気機械デバイスの概略的な側方断面正面図である。
【図２】出力にまたがるキャパシタを有する図１の電気機械デバイスの概略的な回路図である。
【図３】本発明の第１実施形態による電気機械発電機であって、図１の電気機械デバイスを含む電気機械発電機の概略的なブロック図である。
【図４】機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイスであって、本発明の第２実施形態による電気機械発電機内で使用するための電気機械デバイスの概略的な回路図である。
【図５】機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイスであって、本発明の第３実施形態による電気機械発電機内で使用するための電気機械デバイスの概略的な回路図である。
【図６】機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイスであって、本発明の第４実施形態による電気機械発電機内で使用するための電気機械デバイスの概略的な側方断面正面図である。
【図７】機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイスであって、本発明の第５実施形態による電気機械発電機内で使用するための電気機械デバイスの概略的な側方断面正面図である。
【図８】機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイスであって、本発明の第６実施形態による電気機械発電機内で使用するための電気機械デバイスの概略的な側方断面正面図である。
【図９】機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイスであって、本発明の第７実施形態による電気機械発電機内で使用するための電気機械デバイスの概略的な側方断面正面図である。
【図１０】図２の回路内にある、図１の電気機械デバイス用の一連の３つのキャパシタンスについて、電力出力と周波数との関係を示したグラフである。
【図１１】図２の回路内にある、比較のための電気機械デバイス（パラメータκの値が低く、図１の電気機械デバイスの構造を有していない）用の一連の３つのキャパシタンスについて、電力出力と周波数との関係を示したグラフである。
【図１２】キャパシタンス調整がなされる場合と無調整の場合の電気機械デバイスについて、電力出力と周波数との関係（測定及びモデルの両方）を示したグラフである。
【図１３】機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイスであって、本発明の第８実施形態による電気機械発電機内で使用するための電気機械デバイスの概略的な回路図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しつつ専ら例として説明する。
【００２７】
本発明の電気機械発電機は、本技術分野では「速度減衰型」として知られる共振発電機であり、筐体に対する慣性質量の移動によりなされる仕事は全て、その運動の瞬間速度に比例する。必然的に、その仕事の一部は、乗り越えた望ましくない機械的又は電気的な損失に吸収されるが、残りの仕事は、後述する電気コイル／磁気アセンブリのような適切な変換機構により、電流を生成するのに使用され得る。
【００２８】
図１は、本発明の実施形態による、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械発電機２を示す。電気機械発電機２は、電気伝導コイルアセンブリ４と、磁石アセンブリ６とを備え、これらのアセンブリは、軸Ａ−Ａの線方向の成分を有する入力された機械的振動により、軸Ａ−Ａに沿って相対移動可能なようにマウントされている。コイルアセンブリ４は、外部回路（図示せず）に接続するようコイルアセンブリ４から延びている複数本のワイヤ８を有する。軸Ａ−Ａに沿った磁石アセンブリ６とコイルアセンブリ４との相対的な線形振動運動は、コイルアセンブリ４内に電流を発生させ、この電流は、ワイヤ８を介して出力される。
【００２９】
磁石アセンブリ６は、少なくとも１つの磁石１０と２つの部分の磁心１２とを備える。典型的には、当該少なくとも１つの磁石１０は、図示の通り、１つの環状磁石（annular magnet）１０である。磁石１０は、高いヒステリシスを示す磁性材料からなり、典型的には、低価格の永久フェライト磁石である。本発明者らは、強磁性体材料として鉄や鉄鋼のような高磁気ヒステリシス材料を使用すると、磁束が振動中に繰り返し切り替わる際に生じる大きな磁気ヒステリシス損失によって、過度のエネルギー損失がもたらされることに気付いた。従って、これに対応して、磁心材料は、フェライト材料のような磁気的に柔らかい材料（magnetically-soft material）とする必要がある。フェライトは、主に酸化金属粉からなり、典型的には、プレス成形されて焼結される。ＭｎＺｎフェライトやＮｉＺｎフェライトが一般的であり、これらは単純に、Ｍｎ、Ｎｉ、及びＺｎ酸化物を様々な比率で含んでいる。これらのフェライトは、過度のヒステリシス損失を防止するために、高周波変圧器内で用いられていることで知られている。また、フェライト材料は、高い電気抵抗率を有しており、酸化物であるため電気絶縁体となり、よって電気伝導磁心材料を使用するのに比べて渦電流損失（eddy current loss）を減少させる。
【００３０】
フェライト磁心は、大量の磁束を保持（support）することはできず、例えば鉄よりはずっと少ない。従って、典型的には弱い磁石のみが必要とされる。典型的に使用される磁気的に「硬い（hard）」フェライト磁石は、磁気的に弱く、且つ製造するのにあまり費用がかからない。しかしながら、その代わりとして、より強いがずっと小さい磁石を用いることが可能である。
【００３１】
環状磁石は、複数の線形磁化領域（linearly-magnetised segment）からなる。環状磁石１０は、その内径側周囲面（radially inner circumfential surface）１８と外径側周囲面（radially outer circumfential surface）２０とにそれぞれ、相対する極１４、１６を有している。この特定の実施形態では、一方の極１４（即ちＮ極）は、磁心１２の第１のボディ２２に接触且つ磁気的に結合されており、他方の極１６（即ちＰ極）は、磁心１２の第２のボディ２４に接触且つ磁気的に結合されている。磁心材料は、「フェライト」のように、高い透磁率と低い特性磁心損失を有している。加えて、第１及び第２のボディ２２、２４は、２つの部分の磁心１２の第１の部分２６を形成している。第１のボディ２２は、Ａ−Ａ方向に沿って延びる軸方向延伸管（axially elongated tube）を含んでおり、この管は、磁石１０の内側周囲面１８にしっかりと取り付けられた（securely fitted）外側周囲面を有している。この管状ボディ２２は、中心軸方向に延びる支持シャフト２８にしっかりと取り付けられている。第２のボディ２４は、Ａ−Ａ方向に沿って延びる軸を有する環（annulus）を含んでおり、この環は、磁石１０の外側周囲面２０にしっかりと取り付けられた内側周囲面３０を有している。
【００３２】
この図示された実施形態では、２つの部分の磁心１２の第２の部分３２は、磁石１０とコイルアセンブリ４とを取り囲む筐体を含んでいる。しかしながら、その他の実施形態では、その他の構造を備えていてもよい。この筐体３２は、磁心１２の第１の部分２６と磁石１０とが配置される中央チャンバ（central chamber）４０を画定すべく、底壁３６と上壁３８との間に配された環状壁３４を含んでいる。底壁３６と上壁３８にはそれぞれ、これらの壁を通過するそれぞれの中央開口（central opening）４１、４２が設けられている。シャフト２８の下端４４、上端４６はそれぞれ、筐体３２とシャフト２８の相対的な軸方向運動が許容される（従って、磁心１２の第１の部分２６と磁石１０が、一方側となり、磁心１２の第２の部分３２が、もう一方側となる）ように、これらの開口を通過して延びている。
【００３３】
好適な実施形態では、２つの部分の磁心１２と磁石１０の各々は、磁石１０及びコイルアセンブリ４の円筒軸上にある回転中心軸に対し、回転対称となっている。
【００３４】
コイルアセンブリ４は、互いに電気的に接続された第１及び第２のコイル５０、５２を含んでいる。第１及び第２のコイル５０、５２はそれぞれ、軸方向に対し、磁石１０の相対する側に配置されている。第１及び第２のコイル５０、５２の各々は、強磁性体材料の管状ボディ２２のそれぞれの端部５４、５６部分の周りに取り付けられている。これにより、コイルアセンブリ４、磁心１２の第１の部分２６、及び磁石１０がコンパクトに且つしっかりとマウントされている。
【００３５】
本発明の電気機械発電機では、磁心１２の第１及び第２の部分２６、３２は、相対運動が可能である。これは、様々な構成により実現可能である。例えば、一の構成では、第２の部分３６（即ち筐体）が固定されており、取り囲まれた第１の部分２６が、磁石１０とコイルアセンブリ４と共に、軸Ａ−Ａに沿って移動可能である。別の代わりの構成では、第２の部分３６（即ち筐体）が、軸Ａ−Ａに沿って移動可能であり、取り囲まれた第１の部分２６が、磁石１０とコイルアセンブリ４と共に固定されている。また別の代わりの構成では、第２の部分３６（即ち筐体）と、取り囲まれた第１の部分２６の両方が、磁石１０とコイルアセンブリ４と共に、軸Ａ−Ａに沿って移動可能である。
【００３６】
これらの構成の各々では、バイアス素子（biasing device）が、可動素子（movable element）を中心位置へと促す。可動素子は、この中心位置に対し、軸Ａ−Ａに沿った２つの相対する方向に、バイアス力に抗して振動する。
【００３７】
２つの部分の磁心１２が図示の実施形態に開示されているが、磁心１２は、相対運動が可能な３つ以上の部分を含んでいてもよいし、且つ／又は、各部分が、１つ以上の磁心コンポーネントを含んでいてもよい。
【００３８】
図示の実施形態では、例えば、筐体３２が移動可能であり、シャフト２８が固定されている。従って、２つの部分の磁心１２の第１の部分２６と、磁石１０と、コイルアセンブリ４は、固定的にマウントされている。バイアス素子７０は、筐体４とシャフト２８との間にマウントされている。バイアス素子７０は、図１に示すように、筐体３２を、軸に沿って中心縦方向位置（central longitudinal direction）に向かう相対する方向に付勢（bias）する。
【００３９】
バイアス素子７０は、１対の板バネ７２、７４を含んでいる。各板バネ７２、７４は、軸Ａ−Ａに軸合わせされており、移動可能なようにマウントされた第２の部分３２を、軸に沿って中心位置に向かう２つの相対する方向のそれぞれの方向に付勢する。第２の部分３２が、中心位置で釣り合っている場合、２つの板バネ７２、７４の各々は、第２の部分３２に向かって同一の機械的なバイアス力を加えている。
【００４０】
筐体３２は、気体を含有可能な内部容積８０を有する。密閉シール（不図示）が、筐体３２の内部容積８０を密閉的（hermetically）に封止（seal）するために、筐体３２を取り囲んでいてもよい。
【００４１】
図示の実施形態の電気機械発電機２は、振動磁心部分３２である共振質量−バネ構成を使用する。電気機械発電機２が、電気機械発電機２をＡ−Ａ方向に沿って運動させる外部振動源にさらされる場合、磁心部分３２は、板バネ７２、７４の付勢に抗してＡ−Ａ方向に沿って運動可能な慣性質量を有している。
【００４２】
磁心のこのような相対運動は、磁心内の磁束を変化させ、これにより、コイルアセンブリに結合（link）された磁束を変化させる。磁束結合（flux linkage）の変化は、コイル内に誘導電位をもたらし、これは、外部に与えられた付加を介して、電流を流すことが可能である。このようにして、電力が外部の電気的負荷へと送られる。
【００４３】
本実施形態では、磁石及びコイルが固定されており、運動する磁束部分が存在するが、代わりの実施形態では、固定された磁心部分に対し共に相対運動する磁石及びコイルを有する、逆の構成を採用してもよい。
【００４４】
また、本実施形態では、上記バネは板バネであるが、その他のバイアス素子（biasing element）を使用してもよい。
【００４５】
磁心１２の第１の部分２６は、磁性材料の２つのボディ２２、２４の間に磁石１０を挟んでおり、これにより、第１の部分２６の、２つの磁気的に相対する第１及び第２の磁心面２７、２９を提供している。第１の磁心面２７は、環状であり、磁心１２の第２の部分３２の内側周囲面３１を向いている。第２の磁心面２９は、２つの表面３３、３５からなり、これらの表面はそれぞれ、底壁３６の内側表面３７と、上壁３８の内側表面３９を向いている。このようにして、２つの部分の強磁性体磁心１２と磁石１０のアセンブリは、軸方向に離された２つの磁路（magnetic circuit）を形成する。図１では、第１及び第２のコイル５０、５２の各々について、１本の磁束が破線で示されている。各磁路４１、４３の磁束線の制限は、磁心１２の形状により画定され、これにより、磁束が、磁心１２（特に、磁石１０及びコイル５０、５２用の筐体（housing）として機能する磁心１２の第２の部分３２）から軸方向又は径方向に外向きに延びることがほぼ防止される。
【００４６】
その結果生じる効果としては、２つの部分の磁心１２と組み合わされた単独の磁石１２が、２つの分離した磁路４１、４３を提供し、これらの磁路にて、非常に高い割合の磁束が、それぞれのコイル５０、５２を通過するよう強制される。磁心１２の第１及び第２の部分２６、３２の相対運動は、磁心１２内の磁束を変化させ、これにより、磁石１０とコイルアセンブリ４との間の磁気結合の度合が、順番に非常に高くなる。従って、磁心１２の第１及び第２の部分２６、３２の間の任意の相対運動は、磁束鎖交の変化率を非常に高くし、これによりパラメータκの値が大きくなる（パラメータκは、上述のように、エネルギーハーベスタ内における電磁結合の強さ及び効率を表し、結合機構設計の関数となる）。これは、共振周波数を、振動周波数に一致させるように調整することを順番に可能とし、これにより、コイル出力における電力出力を増加させることが可能となる。
【００４７】
本発明の電気機械発電機は、既知の主要なエネルギーハーベスタ結合機構とは異なっている。なぜならば、このデバイスは、エア磁心（拡声器（loudspeaker）型）構成を有するのではなく、磁気抵抗機構（reluctance machine）に基づいているからである。既知のエア磁心（拡声器型）構成では、磁心内の磁束が、コイル又は磁石の振動運動の間、相対的に一定に保たれる。コイルの磁束鎖交ターンは、磁心に対するコイルの相対変位により変化する。一方、磁気抵抗機構は、磁心内の磁束の変化を大きくするよう構成されている。
【００４８】
以前は、エネルギーハーベスタ内で磁気抵抗機構を使用することに対し、技術的な偏見があった。理由は、磁気抵抗機構は、バネや共振器に干渉する磁気的復元力（magnetic restoring force）を示すと共に、電気機械発電機のQ値を低下させる渦電流を発生させるからである。
【００４９】
しかしながら、本発明者らは、上述のような磁気抵抗機構の構成を有する電気機械発電機は、同じ容積のエア磁心機構に基づく電気機械発電機よりも、最大で１００倍も高いκを示すことを見い出した。上述のように、パラメータκは、エネルギーハーベスタ内における電磁結合の強さ及び効率を表し、結合機構設計の関数となる。この非常に高い電磁結合は、任意の磁気的復元力や渦電流に起因する任意の性能の低下に大幅に勝っている、という全体的な技術的利点をもたらす。ここで開示された構造によれば、フェライトの使用により渦電流を実質的に除去しつつ、磁気的復元力に対する磁気結合の比を相対的に高めることが実現される。
【００５０】
本発明者らは、パラメータκは、磁路４１、４３の間で磁束が連続的且つ周期的に転換（divert）される２つの磁路４１、４３を提供することで増加することを見い出した。一方、１つの磁路しか設けられていないその他のデバイスでは、パラメータκは、相対的に低い。なぜならば、磁路を１つしか設けないと、磁束のオン、オフの切り替え（turn）を行う必要があるからである（このオン、オフの切り替えは、実際上、磁束鎖交によって実現することはできない）。
【００５１】
使用時には、上述の通り、図２に示すように、キャパシタンス（又はインダクタンス）が、本発明の電気機械発電機の交流電流（ＡＣ）出力にまたがって配置され、キャパシタンス又はインダクタンスの選択又は変更が、電気機械発電機の共振周波数を調整するために容易に利用可能である。電磁結合が、本発明のエネルギーハーベスタ内の磁気結合用の磁気抵抗機構によって実現されるため、エア磁心機構を用いることで可能となるよりも、ずっと広いバンド幅でのキャパシタ又はインダクタを用いた有用な周波数調整を実現することが可能である。その理由は、磁気抵抗機構によって与えられるκがより高くなることで、式（２）及び（３）により説明したように、調整によりもたらされる望ましくない減衰が減少するからである。
【００５２】
キャパシタンスが電気機械発電機の出力にまたがって使用される場合には、共振周波数の有用な減少をもたらすキャパシタンスの値は、典型的には数１００ナノＦ（nanoFarad）のオーダーであり、例えば最大２５００ナノＦ、より典型的には最大１０００ナノＦであり、この値はとりわけ、振動可能部分の質量と周波数とに基づいて選択される。しかしながら、有用な調整をもたらすインダクタンスの値は、典型的には非常に大きい（例えば、全ヘンリー（whole Henry）のオーダー）。従って、調整素子（tuning element）としてはキャパシタンスを用いることが特に好ましい。
【００５３】
最も好適には、調整キャパシタンスは、共振周波数を必要に応じて調整可能となるよう、可選択キャパシタ（selectabl capasitor）及び／又は可変キャパシタ（variable capasitor）の配列（array）により提供される。
【００５４】
これに対応して、調整インダクタンスは、共振周波数を必要に応じて調整可能となるよう、可選択インダクタ及び／又は可変インダクタの配列により提供される。
【００５５】
上述のように、本出願人の国際公開公報ＷＯ２００６／１０９０３７は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイスを開示している。この電気機械デバイスは、速度減衰共振器であり、該デバイス用に共振周波数を制御して変化させることが可能である。
【００５６】
図３は、本発明の更なる実施形態による電気機械発電機１２０の概略的なブロック図である。
【００５７】
電気機械発電機１２０は、図１を参照して説明した、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイス１０２を備える。しかしながら、減衰係数調節器１２２と周波数調節器１２４が追加で設けられている。減衰係数は、共振器デバイスに接続された負荷インピーダンスを変えることで変化する。例えば、減衰係数は、コイルを介して流れることを許容する電流を変化させる（例えば、コイルを含む回路の電気抵抗を変化させる）ことで調節可能である。共振振動数は、図２に示すように、出力をまたがるキャパシタンス（又はインダクタンス）を変化させることで変化する。
【００５８】
共振周波数調節器１２４は、低い共振周波数のプリセット値又はデフォルト値を格納することが可能である。減衰係数調節器１２２と共振周波数調節器１２４は、電気機械発電機の振動時において、このプリセット値又はデフォルト値を、電気機械発電機の初期開始時における各パラメータ用の開始値とすることが可能である。これらの値は、十分な電力が開始時に生成されることを確保するよう選択される。
【００５９】
周波数のデフォルト値は、特定の電気機械発電機とその応用に依存する。典型的には、デフォルト周波数値は、例えば１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚとすることができる。その理由は、多くのデバイスは、主要なＡＣ電力の周波数（５０又は６０Ｈｚ）の２倍に近い周波数で振動するからである。
【００６０】
電気機械デバイス１０２は、電力回路１２８に接続された電力出力線１２６を有する。電力出力線１２６は、電気機械デバイス１０２により生成された電流を出力する。電力回路１２８は、電力出力線１３２上の電力センサ１３０に接続されている（又は代わりに、積算電力センサを有している）。電力センサ１３０は、電力検知信号線１３４によりマイクロプロセッサ制御器１３６に接続されている。電力線１３８は、十分な電力を供給して、マイクロプロセッサ制御器１３６を駆動するよう、電力回路１２８をマイクロプロセッサ制御器１３６に接続している。マイクロプロセッサ制御器１３６は、２つの出力制御線を有しており、第１の制御線１４０は、減衰係数を制御するために減衰係数調節器１２２に接続され、第２の制御線１４２は、キャパシタンス（又はインピーダンス）を変化させることで共振周波数を制御するために共振周波数調節器１２４に接続されている。電力センサ１３０の出力線１４４は、外部デバイス（不図示）を駆動する電力を供給する。マイクロプロセッサ制御器１３６は、電力検知信号線１３４上の出力電圧が最大値であるか否かを判断する比較器１４６を備えている。
【００６１】
初期的には、減衰係数調節器１２２は、高い減衰係数のデフォルト値にプリセットされる。このデフォルト値は、デバイスの残りのパラメータと共に、上記出力電力が電気機械発電機の制御回路（特にマイクロプロセッサ制御器１３６）を駆動するのを可能にするには十分であるが、上記出力電力（又は外部デバイス（不図示）を駆動するために機械的振動から獲得される有用な出力電力でさえ）が最適化されるのを可能にするには不十分であるようにプリセットされる。また、初期的には、共振周波数調節器１２４は、低い共振周波数に対応するデフォルト値にプリセットされる。このデフォルト値は、デフォルト周波数がデバイスの設計共振周波数から遠く（好適には、設計共振周波数よりも低く）なるようプリセットされる。また、低い共振周波数のデフォルト値は、このデフォルト値での上記出力電力が、電気機械発電機の制御回路（特にマイクロプロセッサ制御器１３６）を駆動するのに十分なものとなるのを可能とするが、上記出力電力（又は外部デバイス（不図示）を駆動するために機械的振動から獲得される有用な出力電力でさえ）が最適化されるのを可能にするには不十分であるように選択される。
【００６２】
従って、マイクロプロセッサ制御器１３６を駆動するための制御電力が電力回路１２８により与えられない場合、又は、マイクロプロセッサ制御器１３６が、マイクロプロセッサ制御器１３６用に電力線１３８上で獲得された電力により最初に稼動される場合において、減衰係数はその最高値となり、共振周波数はその最低値となる。
【００６３】
振動が始まり、電気機械デバイス１０２により生成された電流が、マイクロプロセッサ制御器１３６を駆動するのに十分な電力を供給した後、マイクロプロセッサ制御器１３６は、電気機械デバイス１０２を改変（modify）して、ライン１４４上の出力電力を最大にするよう動作する。
【００６４】
共振周波数調節器１２４の調整キャパシタンス（又は調整インダクタンス）は、周波数を変更（modify）するよう調節される。出力電力は、電力センサ１３０により感知される。出力電力が最大であるか否かを判断するための比較が、比較器１４６により行われる。そうでない場合には、周波数を漸次調節して、最終的な周波数において、減衰係数のデフォルト初期値における最大出力電力が実現されるよう、フィードバック制御が行われる。
【００６５】
そして、減衰係数調節器１２２が調節される。出力電力は、電力センサ１３０により感知される。出力電力が最大であるか否かを判断するための比較が、比較器１４６により行われる。そうでない場合には、減衰係数を漸次調節（即ち低減）して、上記周波数において、減衰係数の最大出力電力が実現されるよう、フィードバック制御が行われる。そして、減衰係数と周波数が設定され、これにより、いずれも初期プリセット値とは異なる周波数ｆ（最終）と減衰係数にてピーク最大出力電力が実現される。
【００６６】
最後に、周波数ｆと減衰係数の一方又は両方が必要な場合において、ピーク最大出力電力は、最大出力電力が生成されているか否かを周期的に判断し調節するフィードバック制御を用いて、電気機械発電機の稼動寿命中にわたり維持される。
【００６７】
電気機械発電機の出力にまたがってキャパシタンス又はインダクタンスを設けることにより、電気機械発電機の出力にまたがって無効調整素子（reactive tuning element）が設けられ、これは、広い周波数範囲にわたって共振周波数に直接的に影響する。しかしながら、調節が部分的にのみ無効（reactive）である場合（例えば、キャパシタ又はインダクタと直列又は並列な抵抗が存在する場合）には、調整は依然として作用するものの、減衰効果が増加し、これは、広い周波数範囲にわたって共振周波数を制御する能力を順番に低減させる。従って、本発明によれば、調整素子は、ほぼ又は支配的に無効（reactive）となっている。
【００６８】
環境振動の周波数が、電気機械発電機の稼動寿命の間に変化する場合には、デバイスの応答を、周波数変化に適合するよう変化させることが可能であり、これにより、電磁発電機は、周波数変化にもかかわらず最大効率で動作することが可能となる。
【００６９】
これには、温度変化に応じてキャパシタンスが変化するのを許容するという特別な使用態様がある。温度変化は、電磁発電機の共振周波数に影響する。高価な温度安定バネ合金を用いた電磁発電機を提供する代わりに、コイルのＡＣ出力にまたがる可変キャパシタンスを設けることで、適合対象の温度変化によるバネ特性の変化の結果として生じる共振周波数変化が許容される。
【００７０】
図４を参照すると、第２実施形態では、電気機械発電機は、（第１実施形態の第１及び第２のコイル５０、５２とは異なり）電気的に接続されていない複数のコイルを有する。この第２実施形態では、これらのコイルは、図１に示すのとほぼ同じ構造構成の電気発電機内に配置されている。第１のコイル２５０は、出力電力を供給するよう外部負荷Ｌに接続されており、第２のコイル２５２は、可変キャパシタンスＣＴに接続されている。第１のコイル２５０は、パラメータκの低い値を供給して、出力電力を最適化するよう適合されており、第２のコイル２５２は、高い値のパラメータκを供給して、電気機械発電機の共振周波数を調整する能力を最適化するよう適合されている。各コイル２５０、２５５の特性はそれぞれ、出力電力の供給、及び共振周波数の調整のために最適化される。
【００７１】
図５を参照すると、第３実施形態は、電気機械発電機の第２実施形態の変形態様であり、第１及び第２のコイル２５０、２５２に電気的に接続されていない追加の第３のコイル２５４を有する。この第３実施形態では、第３のコイル２５４もまた、図１に示すのとほぼ同じ構造構成の電気発電機内に配置されている。第３のコイル２５４は、制御器Ｃに接続されており、制御器Ｃは、キャパシタ調整電子機器と、可変キャパシタンスＣＴの可変キャパシタを切り替えるためのスイッチとを備える。また、各コイル２５０、２５２、２５４の特性はそれぞれ、出力電力の供給、共振周波数の調整、及び制御の調整のために最適化される。
【００７２】
図６を参照すると、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイス２０２であって、本発明の第４実施形態による電気機械発電機内で使用するための電気機械デバイス２０２が示されている。
【００７３】
磁石アセンブリ２０６は、少なくとも１つの環状磁石２１０と２つの部分の磁心２１２とを備える。コイルアセンブリ２０４は、磁石２１０の上方及び下方に配置されている。環状磁石２１０は、その環状内径側周囲面と環状外径側周囲面に、相対する極２１４、２１６（即ちＮ極及びＳ極）を有しており、一方の極２１４（即ちＮ極）は、磁心２１２の第１の固定されたボディ２２２に磁気的に結合されているが接触はしておらず、他方の極２１６（即ちＳ極）は、磁心２１２の第２の移動可能なボディ２２４に接触しており且つ磁気的に結合されている。第１及び第２のボディ２２２、２２４は、２つの部分の磁心２１２を形成している。第１のボディ２２２は、環状であり、振動方向に沿って延びる軸方向延伸管２７８に固定されている。軸方向延伸管２７８は、外側筐体（outer housing）２８０と一体化されている。第２のボディ２２４は、内側環状キャビティ（inner annular cavity）２２５を画定するＣ型形状の断面を有しており、キャビティ２２５内に固定されて磁石２１０とコイルアセンブリ２０４とを含んでいる。第２のボディ２２４は、筐体２８０に対する振動用に、上部環状板バネ２７０と下部環状板バネ２７２によりマウントされている。
【００７４】
第１のボディ２２２に対する第２のボディ２２４、磁石２１０、及びコイルアセンブリ２０４のアセンブリの振動は、コイルアセンブリ２０４内に電流を誘導させる。
【００７５】
図７を参照すると、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイス３０２であって、本発明の第５実施形態による電気機械発電機内で使用するための電気機械デバイス３０２が示されている。
【００７６】
磁石アセンブリ３０６は、少なくとも１つの環状磁石３１０と２つの部分の磁心３１２とを備える。コイルアセンブリ３０４は、磁石３１０の上方及び下方に配置されている。環状磁石３１０は、その環状内径側周囲面と環状外径側周囲面に、相対する極３１４、３１６（即ちＮ極及びＳ極）を有しており、一方の極３１４（即ちＮ極）は、磁心３１２の第１の固定されたボディ３２２に接触しており且つ磁気的に結合されており、他方の極３１６（即ちＳ極）は、磁心３１２の第２の移動可能なボディ３２４に磁気的に結合されているが接触はしていない。第１及び第２のボディ３２２、３２４は、２つの部分の磁心３１２を形成している。第１のボディ３２２は、環状であり、振動方向に沿って延びる軸方向延伸管３７８に固定されている。軸方向延伸管３７８は、外側筐体３８０と一体化されている。磁石３１０とコイルアセンブリ３０４は、第１のボディ３２２に取り付けられている。第２のボディ３２４は、内側環状キャビティ３２５を画定するＣ型形状の断面を有しており、磁石３１０とコイルアセンブリ３０４とを取り囲んでいる。第２のボディ３２４は、筐体３８０に対する振動用に、上部環状板バネ３７０と下部環状板バネ３７２によりマウントされている。
【００７７】
第１のボディ３２２、磁石３１０、及びコイルアセンブリ３０４のアセンブリに対する第２のボディ３２４の振動は、コイルアセンブリ３０４内に電流を誘導させる。
【００７８】
図８を参照すると、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイス４０２であって、本発明の第６実施形態による電気機械発電機内で使用するための電気機械デバイス４０２が示されている。
【００７９】
磁石アセンブリ４０６は、少なくとも１つの環状磁石４１０と２つの部分の磁心４１２とを備える。コイルアセンブリ４０４は、磁石４１０の上方及び下方に配置されている。環状磁石４１０は、その環状内径側周囲面と環状外径側周囲面に、相対する極４１４、４１６（即ちＮ極及びＳ極）を有しており、一方の極４１４（即ちＮ極）は、磁心４１２の第１の移動可能なボディ４２２に磁気的に結合されているが接触はしておらず、他方の極４１６（即ちＳ極）は、磁心４１２の第２の固定されたボディ４２４に接触しており且つ磁気的に結合されている。第１及び第２のボディ４２２、４２４は、２つの部分の磁心４１２を形成している。第２のボディ４２４は、環状であり、外部筐体４８０の内側環状表面に固定されている。第１のボディ４２２は、外側環状キャビティ４２５を画定するＣ型形状の断面を有しており、第２のボディ４２４に取り付けられた磁石４１０とコイルアセンブリ４０４とを取り囲んでいる。第１のボディ４２２は、筐体４８０に対する振動用に、上部環状板バネ４７０と下部環状板バネ４７２によりマウントされている。
【００８０】
第２のボディ４２４、磁石４１０、及びコイルアセンブリ４０４のアセンブリに対する第１のボディ４２２の振動は、コイルアセンブリ４０４内に電流を誘導させる。
【００８１】
図９を参照すると、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイス５０２であって、本発明の第７実施形態による電気機械発電機内で使用するための電気機械デバイス５０２が示されている。
【００８２】
磁石アセンブリ５０６は、少なくとも１つの環状磁石５１０と２つの部分の磁心５１２とを備える。コイルアセンブリ５０４は、磁石５１０の上方及び下方に配置されている。環状磁石５１０は、その環状内径側周囲面と環状外径側周囲面に、相対する極５１４、５１６（即ちＮ極及びＳ極）を有しており、一方の極５１４（即ちＮ極）は、磁心５１２の第１の移動可能なボディ５２２に接触しており且つ磁気的に結合されており、他方の極５１６（即ちＳ極）は、磁心５１２の第２の固定されたボディ４２４に磁気的に結合されているが接触はしていない。第１及び第２のボディ５２２、５２４は、２つの部分の磁心５１２を形成している。第２のボディ５２４は、環状であり、外部筐体５８０の内側環状表面に固定されている。第１のボディ５２２は、外側環状キャビティ５２５を画定するＣ型形状の断面を有しており、キャビティ５２５内に固定されて磁石５１０とコイルアセンブリ５０４とを含んでいる。第１のボディ５２２は、筐体５８０に対する振動用に、上部環状板バネ５７０と下部環状板バネ５７２によりマウントされている。
【００８３】
第２のボディ５２４に対する第１のボディ５２２、磁石５１０、及びコイルアセンブリ５０４のアセンブリの振動は、コイルアセンブリ５０４内に電流を誘導させる。
【００８４】
図１３は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイスであって、本発明の第８実施形態による電気機械発電機内で使用するための電気機械デバイスの概略的な回路図である。本実施形態では、当該回路は、整流器との接続を与える。
【００８５】
上述の本発明の種々の実施形態による電気機械発電機内で使用するための、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイスであって、本発明の別の好適な態様による電気機械デバイスを含む上記回路では、コイルインダクタンスについての補償を与えることが可能である。
【００８６】
エネルギーハーベスタ（即ち、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイス）が、調整リアクタンス（tuning reactance）で動作している場合には、振動周波数において、大きなＡＣ電流が、調整リアクタンスとこれに直列なコイルとを通じて流れる。この理由のため、コイル抵抗は、この電流による電力損失を避けるべく、相対的に小さくする必要がある。
【００８７】
コイルもまた、大きな誘導リアクタンスを有する。これは、無損失であるものの、調整リアクタンスを流れる電流に影響することで、調整されるエネルギーハーベスタの効率を低減させる。よって、好適な態様によれば、調整されるエネルギーハーベスタの効率は、発電機共振周波数ｆにおけるコイルインダクタンスＬのリアクタンスを、おおよそ逆のリアクタンスキャパシタＣＳ（以下のように与えられる）により補償することで、改善することが可能である。
【数４】
0005539315.tif 000005
【００８８】
図１３は、このようなキャパシタＣＳを、図１３の実施形態の回路内に組み込んだ様子を示している（ただし、当該キャパシタは、その他の実施形態の回路内に同様に組み込んでもよい）。また、図１３の実施形態の回路は、本発明の好適な態様に別々に従って、キャパシタＣＳと、整流器の直列接続とを設けるよう修正してもよい。
【００８９】
ＤＣ出力を供給するよう、エネルギーハーベスタ（即ち、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械デバイス）を整流器に接続することは、しばしば好適である。ダイオード整流器又はブリッジ整流器の場合、エネルギーハーベスタの振動出力電圧が、要求されるＤＣ電圧を超える場合にのみ、電流が供給される。そして、エネルギーハーベスタ出力電流は、振動周波数ｆよりも大きな周波数（３ｆ、５ｆ．．．）の成分を含む。
【００９０】
調整されないエネルギーハーベスタは、コイルインダクタンスが原因で、高周波において高いインピーダンスを有する。一方、図２、図４、及び図５の例として開示された並列キャパシタＣＴを使用して調整されるエネルギーハーベスタは、高周波で低いインピーダンスを有する。
【００９１】
本発明者らによる観察によると、並列調整キャパシタＣＴを有するエネルギーハーベスタが整流器に接続されている場合、電力供給は、ＣＴの増加に伴い効果がなくなる。これは、上述のように、高周波インピーダンスの挙動が原因である。
【００９２】
図１３を参照すると、効率は、ＣＴで表される調整キャパシタ６０６の後に、エネルギーハーベスタ６０４の出力端子に直列に、図１３にてＲｂで表される十分に大きな抵抗６０２、又は図１３にて抵抗Ｒｂと同様に配置されるインダクタンスを導入することで回復可能である。ＣＴは、エネルギーハーベスタ６０４の複数の出力端子にまたがっており、且つ整流器６０８の複数の入力端子にまたがっている。上記の抵抗又はインダクタンスは、周波数３ｆ以上におけるインピーダンスの総計が、支配的に抵抗的又はインダクタンス的となるのに十分な大きさである必要がある。
【００９３】
これは、効率を、直列抵抗の電力損失のオフセットよりも大きく増加させることが、本発明者らにより見い出された。
【００９４】
抵抗Ｒｂの場合には、
【数５】
0005539315.tif 000006
である。
【００９５】
インダクタＬｂの場合には、
【数６】
0005539315.tif 000007
である。
【００９６】
この補正は、典型的には、上述のように、直列キャパシタＣＴと共に利用される。これは、図１３において、調整キャパシタ６０６の前で、エネルギーハーベスタ６０４の出力端子に直列なキャパシタ６０１として示されている。
【００９７】
図１０から図１２を参照する、実際の使用についての以下の実施例及び比較例は、本発明の実施形態による調整可能な減衰及び周波数を使用する利点を実証するものである。
【００９８】
（実施例１）
本発明による、磁気抵抗機構構成の、高いκを有するエネルギー獲得デバイス（energy harvesting device）が、上述の式を用いて電気的にモデル化された。ｍ（共振器の質量）、Ｑmech（Ｑ値）、ｆｎ（キャパシタの無い共振器の固有周波数）、ＲＬ（外部負荷の抵抗）、ＲＣ（コイル抵抗）、及びパラメータκ、といった変数のパラメータ値は、実際のデバイスの典型的な値に設定した。磁気抵抗機構の電磁結合は非常に高くし、パラメータκは２０００ｋｇ／ｓとした。
【００９９】
上記モデリングでは、コイルの電気出力にまたがって設置されるよう一連の調整キャパシタＣＴを選択した。出力電力は、様々なキャパシタンスについて計算され、結果は、図１０に示した。
【０１００】
図１０からは、コイルの電気出力にまたがるキャパシタンスが無い場合には、モデル化されたエネルギーハーベスタの出力電力が、約１２０Ｈｚの振動周波数でのピークへと最大化されたと見て取れる。コイルの電気出力にまたがる調整キャパシタＣＴが、３５０ナノＦの値に増加された場合には、モデル化されたエネルギーハーベスタの出力電力は、約１１６Ｈｚの振動周波数でのピークへと最大化された。コイルの電気出力にまたがる調整キャパシタＣＴが、７００ナノＦの値に増加された場合には、モデル化されたエネルギーハーベスタの出力電力は、約１１２Ｈｚの振動周波数でのピークへと最大化された。
【０１０１】
最大出力電力は、約２．３ｍＷの値から、３５０ナノＦにおける約２．０ｍＷの値に、更には７００ナノＦにおける約１．２５ｍＷの値へと、調整キャパシタを設置することで低減されると共に、キャパシタンスが増加するにつれて漸次低減されたが、にも拘らず、相対的に高い有用な電力出力が得られ、選択された調整キャパシタンスにより特定の振動周波数に調整された。
【０１０２】
従って、出力電力が最大となる特定の振動周波数と、磁気抵抗構成により与えられる非常の高い電気結合とを有する特定の機構構成を有する電気機械発電機に関し、電気機械発電機が、入力振動周波数が共振振動周波数と異なるという条件下で使用される必要がある場合において、電気機械発電機は、出力電力を最大にするよう選択されたキャパシタンスを追加することで調整可能となる。調整されたデバイスがより低い出力電力を有する場合でさえも、それは、キャパシタンス調整なしで得られるよりも依然として著しく高く、電気機械発電機の機械的変更（mechanical modification）が回避される。
【０１０３】
（比較例１）
一方、同一のパラメータｍ、Ｑmech、ｆｎ、ＲＬ、及びＲＣを有するものの、より低いκを有するエネルギー獲得デバイスが、上述の式を用いてモデル化された。磁気抵抗機構の電磁結合は非常に低くし、パラメータκは２０ｋｇ／ｓ（実施例１のそれよりも大きさが２桁低い）とした。
【０１０４】
また、上記モデリングでは、コイルの電気出力にまたがって設置されるよう一連の調整キャパシタＣＴを選択した。出力電力は、様々なキャパシタンスについて計算され、結果は、図１１に示した。
【０１０５】
図１１からは、コイルの電気出力にまたがるキャパシタンスが無い場合にはまた、モデル化されたエネルギーハーベスタの出力電力が、約１２０Ｈｚの振動周波数でのピークへと最大化されたと見て取れる。コイルの電気出力にまたがる調整キャパシタＣＴが、７５ナノＦの値に増加された場合には、モデル化されたエネルギーハーベスタの出力電力は、約１１９Ｈｚの振動周波数でのピークへと最大化された。コイルの電気出力にまたがる調整キャパシタＣＴが、１５０ナノＦの値に増加された場合には、モデル化されたエネルギーハーベスタの出力電力は、約１１８．５Ｈｚの振動周波数でのピークへと最大化された。
【０１０６】
従って、本比較例では、調整キャパシタンスを電磁結合の弱いデバイスに追加することで、振動周波数の範囲は広がる（約１．７５Ｈｚで、有用な出力電力が供給される）ものの、電気結合の強いデバイスのそれ（約６Ｈｚであった）よりもずっと狭い範囲にしか広がらない。
【０１０７】
更に、本比較例では、最大出力電力は、調整キャパシタンスを設けることで、上記実施例に比べ、ずっと大きな程度に低減された。本比較例では、最大出力電力は、約２．３ｍＷの値から、７５ナノＦにおける約１．２ｍＷの値に、更には１５０ナノＦにおける約０．２５ｍＷへと、キャパシタンスが増加するにつれて漸次低減された。
【０１０８】
従って、本比較例では、有用な電力出力を得るための振動調整周波数範囲は、非常に低く、出力電力のレベルは、デバイスの固有共振振動周波数からわずかしか離れていない周波数で急速に低下した。
【０１０９】
（実施例２）
本実施例では、約９９Ｈｚの周波数で約１．６ｍＷの最大出力電力を有する商業的に入手可能なエネルギー獲得デバイスが、出力電力と振動周波数との関係を決定するためにテストされた。結果は、図１２に示されており、測定された結果が、プロットＡの円により示されている。加えて、出力は、前出の実施例１及び比較例１と同じモデリングを用いてモデル化された。モデル化された出力は、プロットＡの直線で示されている。モデル化された結果と測定された結果との間の強い相関が得られた。
【０１１０】
同一の測定とモデル化が、同じエネルギー獲得デバイスであるものの、電気出力にまたがって１２５ナノＦのキャパシタンスを有するエネルギー獲得デバイスについて用いられた。これらの結果は、約９８Ｈｚの周波数において、より低い約０．８５ｍＷの最大出力電力を示した。これは、有用な出力電力を得ることが可能な周波数を変化させるキャパシタンス調整の能力を示している。
【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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