(57)【要約】      （修正有）【課題】同調可能な振動エネルギーハーベスタを提供する。【解決手段】エネルギーハーベスタ１２は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されたエネルギー変換装置と、エネルギー変換装置に結合されたマスと、マスに結合された少なくとも１つのバイアス機構とを備える。バイアス機構は、選択的に調整可能であり、バイアス機構を選択的に調整することによりエネルギー変換装置およびマスの共振周波数を調整する。【選択図】図１
2014007950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されたエネルギー変換装置と、
前記エネルギー変換装置に結合されたマスと、
前記マスに結合された少なくとも１つのバイアス機構であって、前記バイアス機構が選択的に調整可能であり、前記バイアス機構を選択的に調整することにより前記エネルギー変換装置および前記マスの共振周波数を調整する前記少なくとも１つのバイアス機構とを備える、エネルギーハーベスタ。
【請求項２】
前記バイアス機構が、選択的に調整可能な圧縮距離を有し、前記圧縮距離を選択的に調整することにより前記共振周波数を調整する、請求項１記載のエネルギーハーベスタ。
【請求項３】
前記エネルギー変換装置が、圧電素子、電磁気装置、静電装置および磁歪装置のうちの１つを備える、請求項１記載のエネルギーハーベスタ。
【請求項４】
前記圧電素子が、第１の圧電層と、第２の圧電層と、その間に延在する基板とをさらに備える、請求項３記載のエネルギーハーベスタ。
【請求項５】
前記少なくとも１つのバイアス機構が非線形ばねを備える、請求項１記載のエネルギーハーベスタ。
【請求項６】
前記少なくとも１つのバイアス機構が円錐ばねを備える、請求項１記載のエネルギーハーベスタ。
【請求項７】
前記円錐ばねが、第１の直径を有する第１の端部と、前記第１の直径より長い第２の直径を有する第２の端部とを備え、前記第１の端部が前記マスに結合された、請求項６記載のエネルギーハーベスタ。
【請求項８】
前記バイアス機構を選択的に調整するように構成されたアクチュエータをさらに備える、請求項１記載のエネルギーハーベスタ。
【請求項９】
ハウジングをさらに備え、前記アクチュエータが前記ハウジングおよび前記少なくとも１つのバイアス機構の前記マスと反対側の一部分に結合された、請求項８記載のエネルギーハーベスタ。
【請求項１０】
前記アクチュエータが、前記マスおよび前記少なくとも１つのバイアス機構に結合され、前記マスと前記少なくとも１つのバイアス機構との間に配置される、請求項８記載のエネルギーハーベスタ。
【請求項１１】
前記アクチュエータの両側に移動可能に結合された、第１のプラットホームおよび第２のプラットホームと、
前記第１のプラットホームと前記マスとの間に結合された第１のバイアス機構と、
前記第２のプラットホームと前記マスとの間に結合された第２のバイアス機構とを備え、前記アクチュエータが前記第１のプラットホームと前記第２のプラットホームとの間の距離を選択的に調整するように構成された、請求項８記載のエネルギーハーベスタ。
【請求項１２】
前記アクチュエータの位置、前記バイアス機構の圧縮距離、前記アクチュエータのモータ回転数および前記ハーベスティング装置が結合するように構成された物体の駆動周波数のうち少なくとも１つを感知するように構成されたセンサをさらに備える、請求項８記載のエネルギーハーベスタ。
【請求項１３】
メモリを含むコントローラをさらに備え、前記コントローラが、前記メモリ内に格納された共振周波数のルックアップテーブルに基づいて前記アクチュエータを制御するようにプログラムされた、請求項１１記載のエネルギーハーベスタ。
【請求項１４】
センサと、
エネルギー変換装置、前記エネルギー変換装置および少なくとも１つのバイアス機構に結合されたマス、ならびに、前記少なくとも１つのバイアス機構を選択的に調整して前記エネルギー変換装置および前記マスの共振周波数を選択的に調整するように構成されたアクチュエータ、を含むエネルギーハーベスタとを備え、
前記センサが前記エネルギーハーベスタによって生成された電気エネルギーから電力を供給される、システム。
【請求項１５】
前記アクチュエータが、前記少なくとも１つのバイアス機構の圧縮距離を選択的に調整して前記共振周波数を選択的に調整するように構成された、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記エネルギー変換装置が、圧電素子、電磁装置、静電装置、磁歪装置のうちの１つを備える、請求項１４記載のシステム。
【請求項１７】
前記アクチュエータが、前記エネルギーハーベスタによって生成される前記電力を最大にするために、前記少なくとも１つのバイアス機構を調整して、振動周波数に十分に適合するように前記共振周波数を機械的に同調させるように構成された、請求項１４記載のシステム。
【請求項１８】
前記センサが、振動を発生する装置に結合され、前記振動を発生する装置に関するデータを遠隔の監視システムに提供するように構成された、請求項１４記載のシステム。
【請求項１９】
前記センサが、エンジン、モータ、タービンおよび工業的プロセスのうち少なくとも１つの健全性を監視するように構成された、請求項１４記載のシステム。
【請求項２０】
駆動周波数の振動を発生する装置からエネルギーを採取する方法であって、
振動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されているエネルギー変換装置、前記エネルギー変換装置に結合されたマス、ならびに、前記マスに結合された少なくとも１つのバイアス機構を備えるエネルギーハーベスタであり、前記バイアス機構が、前記エネルギー変換装置および前記マスの共振周波数を調整するために選択的に調整可能である、エネルギーハーベスタを準備するステップと、
前記エネルギーハーベスタを前記振動を発生する装置に結合するステップと、
前記共振周波数が前記振動を発生する装置の前記駆動周波数に十分に適合するように前記バイアス機構を調整するステップとを含む、方法。
【請求項２１】
前記バイアス機構を調整する前記ステップが、前記バイアス機構の圧縮距離を調整するステップを含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記エネルギーハーベスタが、メモリを含むコントローラをさらに備え、前記バイアス機構の前記圧縮距離を調整する前記ステップが、前記メモリに格納されたルックアップテーブルに基づいて前記バイアス機構の前記圧縮距離を調整するステップを含む、請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、一般にエネルギーハーベスティングに関し、より詳細には同調可能な振動エネルギーハーベスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーハーベスティングは、何もしなければシステム中で放散または消失していくはずの電力の回復に使用するための方法である。例えば、周知のエネルギーハーベスティングは、光、熱、風、振動、波動活動、水流などからエネルギーを得るために使用することができる。多くの周知のシステムでは、電子装置に電力を供給するバッテリ電力と併せて、採取（ｈａｒｖｅｓｔ）したエネルギーを使用することができる。
【０００３】
センサアセンブリは、関連するマシンの状態およびその動作を監視するために工業環境で使用されることが多い。周知のセンサアセンブリは、バッテリから電力供給をするものが多い。しかし、特にセンサが遠隔の場所またはアクセスできない場所にある場合、定期的なバッテリ交換に関連する労働コストのため、こうしたセンサアセンブリの市販化が制限される可能性がある。バッテリの寿命や再生能力が限られ、頻繁なバッテリ交換にコストがかかるため、センサへの電力供給を改善することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８０８０９２０号明細書
【発明の概要】
【０００５】
一実施形態では、エネルギーハーベスタを提供する。このエネルギーハーベスタは、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されたエネルギー変換装置と、エネルギー変換装置に結合されたマスと、マスに結合された少なくとも１つのバイアス機構とを備える。このバイアス機構は、選択的に調整可能であり、バイアス機構を選択的に調整することによりエネルギー変換装置およびマスの共振周波数を調整する。
【０００６】
別の実施形態では、システムを提供する。このシステムは、センサと、エネルギーハーベスタとを備える。エネルギーハーベスタは、エネルギー変換装置と、エネルギー変換装置に結合されたマスと、少なくとも１つのバイアス機構と、アクチュエータとを備える。このアクチュエータは、少なくとも１つのバイアス機構を選択的に調整してエネルギー変換装置およびマスの共振周波数を選択的に調整するように構成されている。このセンサは、エネルギーハーベスタによって生成された電気エネルギーから電力を供給される。
【０００７】
駆動周波数の振動を発生する装置からエネルギーを採取する方法について述べる。この方法は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成されているエネルギー変換装置、エネルギー変換装置に結合されたマスおよびマスに結合された少なくとも１つのバイアス機構を備えるエネルギーハーベスタであって、バイアス機構が、エネルギー変換装置およびマスの共振周波数を調整するために選択的に調整可能である、エネルギーハーベスタを準備するステップを含む。この方法は、エネルギーハーベスタを振動を発生する装置に結合するステップと、共振周波数が振動を発生する装置の駆動周波数に十分に適合するようにバイアス機構を調整するステップとをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的な電力システムを示すブロック図である。
【図２】図１に示した電力システムで使用することができる例示的なエネルギーハーベスタを示す概略図である。
【図３】図２に示したエネルギーハーベスタの線３−３に沿った断面図である。
【図４】図１に示した電力システムで使用することができる代替のエネルギーハーベスタの断面図である。
【図５】図１に示した電力システムで使用することができる代替のエネルギーハーベスタの透視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、負荷１４に電力を供給するために使用することができるエネルギーハーベスティング装置１２を一般に含む例示的な電力システム１０のブロック図である。エネルギーハーベスタ（ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ）１２は、様々なタイプの機械的な振動を電力に変換する発電装置である。例えば、エネルギーハーベスティング装置１２は、モータ、ポンプ、タービン、エンジンなどから発生した振動を特定の用途に応じて利用することができる。
【００１０】
この例示的実施形態では、整流器１６は、エネルギーハーベスティング装置１２によって生成された可変電流または交流電流（ＡＣ）を直流電流（ＤＣ）信号に変換する。限定しない例として、半波整流器、全波整流器または倍電圧整流器は、一般の電圧増倍回路と同様に使用することができる。整流器１６から放電された整流電力出力は、負荷１４に電力を供給するために利用される。あるいは、エネルギーハーベスティング装置１２によって生成された電力が負荷１４に電力を十分に供給できない場合に、任意選択のエネルギー貯蔵装置１８が負荷１４に補助的に電力を供給することができる。一実施形態では、エネルギー貯蔵装置１８は、例えばリチウムイオンバッテリおよび／または超コンデンサである。
【００１１】
図２は、ベアリングハウジング２２によって回転可能に支持されているシャフト２１を含む例示的なモータ２０を用いて実現された例示的な電力システム１０の概略図である。シャフト２１は、モータ駆動システム２３に結合され、モータ駆動システム２３に電力を供給するために回転する。通常、モータ２０のベアリングハウジング２２は、動作中、ある程度振動する。電力システム１０は、機械的な締結具および／または接着剤などの周知の任意の手段によってベアリングハウジング２２に取り付けられた実質的にシリンダー状であるハウジング２６内に収容されている。あるいは、ハウジング２６は、いかなる形状でもよく、またシステム１０が本明細書の記述のように機能することができる任意の適切な材料で製作してもよい。
【００１２】
図３は、エネルギーハーベスティング装置１２の線３−３に沿った断面図である。より具体的には、この例示的実施形態では、エネルギーハーベスティング装置１２は、ハウジング２６、エネルギー変換装置２４、プルーフマス３０および少なくとも１つのバイアス機構３２を備える。この例示的実施形態では、エネルギー変換装置２４は圧電素子２８である。一代替実施形態では、エネルギー変換装置２４は、電磁気装置、静電装置、磁歪装置、またはエネルギーハーベスティング装置１２が本明細書の記述のように機能することができる他の任意の装置である。
【００１３】
この例示的実施形態では、圧電素子２８は第１の端部３４、第２の端部３６、第１の圧電層３８、第２の圧電層４０および基板４２を備える片持ち梁２９である。圧電素子２８は、周知のように、圧電材料３８および４０が張力および圧縮力を受けると振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。圧電素子２８は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの適切な任意の材料から製作することができる。加えて、圧電素子は、圧電素子２８が本明細書の記述のように機能することができる圧電層３８および４０を何層含んでもよい。さらに、一代替実施形態では、圧電素子２８は、単一の圧電層を備えることができ、この圧電層は基板を含んでも含まなくてもよい。
【００１４】
この例示的実施形態では、圧電素子２８はハウジング２６に結合されたベース４４から延在する。梁２９の第１の端部３４をベース４４に結合し、第２の端部３６をマス３０に結合する。あるいは、梁２９の第１の端部３４は、ハウジング２６に結合してよく、またはモータ２０などの振動を発生する装置に直接結合してもよい。基板４２は、第１の圧電層３８および第２の圧電層４０を補強し、電気エネルギーの生成を増大させるために第１の圧電層３８および第２の圧電層４０への張力および圧縮力を増強する。一代替実施形態では、マス３０を第１の端部３４と第２の端部３６との間に配置して、第１の端部３４および第２の端部３６をそれぞれ、ベース４４および／またはハウジング２６に結合する。
【００１５】
圧電素子２８およびマス３０は、これらの振動の停止状態からの振れに対応する共振周波数を有する。この例示的実施形態では、圧電素子２８およびマス３０の共振周波数を、動作中にモータ２０が発生する振動の周波数であるモータ２０の振動の駆動周波数に十分に適合するように機械的に同調させる（すなわち、調整する）。共振周波数を駆動周波数に適合させることにより、圧電素子２８およびマス３０の振動の振れが最大になり、それによって電力出力を向上させることが容易になる。
【００１６】
特定の用途、またはエネルギーを採取される側の装置に適合するように、圧電素子２８の設計を調整または改変することができる。例えば、圧電素子２８の設計は、共振周波数の同調範囲、電力出力、サイズ、重量、ベースの最小加速度などの装置の特性を最適化するように変更できる。例えば、圧電素子２８を機械的に同調させて電力出力の最適化が容易になるように、圧電素子２８の長さ、幅、厚さ、剛性および／または質量分布を可変的に選択する。同様に、電力出力を最適化するようにマス３０の形状、重量、密度、サイズならびにマス３０の位置を可変的に選択することもできる。この例示的実施形態では、圧電素子２８の長さＬは約１〜３インチである。より具体的には、圧電素子２８の長さＬは、約２インチである。
【００１７】
この例示的実施形態では、マス３０は、第１の側部５２および第２の側部５４を有する本体５０を備える。例示的な一実施形態では、マス３０の重量は約１〜１２００ｇである。ただし、マス３０の設計重量は、圧電素子２８が生成する、必要な電力量によって決まる。したがって、マス３０の重量は可変的に選択することができる。また逆に、通常、マス３０の重量が増加するにつれて、圧電素子２８から生成される電力も増大する。この例示的実施形態では、マス３０が物理的に比較的小サイズになるような高密度材料でマス３０を製作する。この例示的実施形態では、マス３０は一般に立方体であり、各側部の長さは約４０〜１００ｍｍである。あるいは、マス３０は、ハーベスティング装置１２が本明細書の記述のように機能することができる任意の他の形状でもよい。さらに、ハーベスティング装置１２は、マス３０内のハーベスティング装置１２の１つまたは複数の構成要素を利用してマス３０に重量をもたらすことによって、より小型に設計することができる。例えば、アクチュエータ４６、アクチュエータ４６のギアボックスおよび／またはモータ（図示せず）、電子装置９０および／またはエネルギー貯蔵装置１８を、マス３０内に組み込むことができる。
【００１８】
圧電素子２８およびマス３０の共振周波数は、バイアス機構３２および／またはアクチュエータ４６の調整によって変わる。この例示的実施形態ではバイアス機構３２は、組込型の円錐ばね６０などの非線形ばねである。あるいは、バイアス機構３２は、圧縮力を受けるとばね定数が変化することを提示している他の任意の装置、例えば、こうした特性をもついずれの機械的装置、磁気装置および／または電子装置でもよい。一代替実施形態では、バイアス機構３２は、圧縮力を受けるとばね定数が増加するテーパーワイヤーばねである。
【００１９】
この例示的実施形態では、ばね６０のそれぞれが、第１の直径６４を有する第１の端部６２および第１の直径６４より長い第２の直径６８を有する第２の端部６６を含む。マス３０がばね６０相互間に配置されるように、各ばねの第１の端部６２をそれぞれ、マス３０の第１の側部５２および第２の側部５４に結合する。
【００２０】
この例示的実施形態では、アクチュエータ４６は第１の表面７０、第２の表面７２および駆動部（図示せず）を備える。この駆動部は、モータおよびギアボックス（図示せず）を備え、ベース４４に結合され、マス３０内に組み込むことができ、または、駆動部がアクチュエータ４６を本明細書の記述のように動作させることができる他の任意の場所に配置することもできる。第１の表面７０をばねの第２の端部６６に結合し、第２の表面７２をハウジング２６に結合する。あるいは、ばね６０を反転させて、第１の端部６２をアクチュエータの第１の表面７０に結合し、第２の端部６６をマス３０に結合してもよい。駆動部は、表面７０および／または表面７２をハウジングから離れる向きに動くようにアクチュエータ４６を動作させる。したがって、アクチュエータ４６が第１の表面７０間および第２の表面７２間の距離Ｄを選択的に調整することにより、ばね６０の圧縮距離７４を選択的に調整することが可能となる。一代替実施形態では、アクチュエータ４６は、本明細書の記述のようにアクチュエータ４６が圧縮距離７４を選択的に調整できるような任意の構成でもよい。
【００２１】
この例示的実施形態では、エネルギーハーベスタ１２はセンサ９２、プロセッサ（図示せず）およびメモリ９４などの電子回路９０を含むコントローラ８８も備える。電子回路９０は、システムデータを受け取り解析し、アクチュエータ４６の動作や圧電素子２８およびマス３０の共振周波数の同調などのハーベスタ１２の操作を制御する。この例示的実施形態では、電子回路９０は、マス３０内に組み込まれ（図３）、アクチュエータ４６を動作させることができる。別法では、電子回路９０をベース４４、ハウジング２６および／またはエネルギーハーベスタ１２内の他の適切な任意の箇所に結合する。
【００２２】
この例示的実施形態では、センサ９２は、電子回路９０が圧電素子２８およびマス３０の共振周波数をモータ２０の駆動周波数に同調させることができるようなデータを収集する。ベース４４またはハウジング２６に配置されたセンサ９２が、モータ２０の駆動周波数を測定し、マス３０内または近傍に配置されたセンサ９２はアクチュエータ４６間の距離Ｄ、圧縮距離７４および／またはアクチュエータ４６の駆動モータ回転数を判定する。一代替実施形態では、センサ９２は、本明細書の記述のようにセンサ９２が機能することができる任意の箇所に配置される。加えて、センサ９２は圧電素子２８の出力電圧、出力電流および／または出力電力を測定することもできる。
【００２３】
この例示的実施形態では、センサ９２は、センサの測定値を表す信号を電子回路９０に送信する。別法では、または加えて、モータ２０の駆動周波数またはモータ２０もしくは負荷１４に関する他のデータを表す信号を電子回路９０に提供するセンサ（図示せず）を、負荷１４が備えてもよい。センサ９２による測定データは、アクチュエータ４６を選択的に調整するために使用することができ、および／またはメモリ９４に格納することができる。例えば、測定データがモータ２０の駆動周波数にハーベスタ１２が同調していないことを示した場合は、共振周波数は駆動周波数に十分に適合させるように調整される。メモリ９４は、駆動周波数、共振周波数およびエネルギーハーベスタ１２の同調を可能にする他の任意のデータの予め較正されたルックアップテーブルを格納する。すなわち、ハーベスタ１２が同調していない場合、測定データおよびルックアップテーブルをエネルギーハーベスタ１２を同調するために使用する。別法では、または加えて、メモリ９４は、圧電素子２８の特定の測定値と共振周波数との間の相関を表す線形関係式または多項関係式を格納することもできる。
【００２４】
図４に、エネルギーハーベスティング装置１２（図３に示す）と同様の例示的な代替のエネルギーハーベスティング装置１００を示し、図４の構成部品の参照番号は、図３で使用している同じ構成部品と同一の参照番号を使用している。エネルギーハーベスティング装置１００は、備えているアクチュエータ４６が代替構成であること以外は、エネルギーハーベスティング装置１２と同様である。この例示的実施形態では、アクチュエータ４６をマス３０と各バイアス機構３２との間に配置する。より具体的には、各アクチュエータの第１の表面７０をそれぞれマス３０の第１の側部５２および第２の側部５４に結合し、各アクチュエータの第２の表面７２をそれぞれ各ばねの第１の端部６２に結合する。ばねの第２の端部６６は、ハウジング２６に結合される。あるいは、ばね６０を反転させて、第１の端部６２をハウジング２６に結合し、第２の端部６６をアクチュエータの第２の表面７２に結合してもよい。アクチュエータ４６を第１の表面７０間および／または第２の表面７２間の距離Ｄを選択的に調整するように動作させることにより圧縮距離７４が選択的に調整される。
【００２５】
図５にエネルギーハーベスティング装置１２および１００（図３および図４にそれぞれ示す）と同様の例示的な代替のエネルギーハーベスティング装置２００を示し、図５の構成部品の参照番号は、図３および図４で使用している同じ構成部品と同一の参照番号を使用している。エネルギーハーベスティング装置２００は、備えているマス３０およびアクチュエータ４６が代替構成であること以外は、エネルギーハーベスティング装置１２（図３に示す）と同様である。より具体的には、マス３０は、向かい合った第３セクション２３６と第４セクション２３８との間に配置した向かい合った第１部分２３２および第２部分２３４を備える。第１部分２３２および第２部分２３４は、梁の第２の端部３６に結合される。第３セクション２３６および第４セクション２３８は、第１部分２３２および第２部分２３４にそれぞれ結合され、第３セクション２３６および第４セクション２３８から延在するアーム２４０およびアーム２４２をそれぞれ備える。
【００２６】
この例示的な代替実施形態では、アクチュエータ４６は、第１部分２３２および第２部分２３４に隣接するベース４４の一部分に結合される。一対のプラットホーム２４４およびプラットホーム２４６は、それぞれアクチュエータの頂部表面２５０および底部表面２５２に結合される。アクチュエータ４６のモータ２５４およびギアボックス（図示せず）によって、プラットホーム２４４およびプラットホーム２４６をそれぞれ表面２５０および表面２５２に、接近および離れるように動作させる。一対のガイド２５８（図５では、透視化のため１つを削除）は、プラットホーム２４４およびプラットホーム２４６を支持およびガイドするようにアクチュエータ４６の両側に配置される。ばね６０が、アーム２４０とプラットホーム２４４との間に結合され、別のばね６０は、アーム２４２とプラットホーム２４６との間に結合される。アクチュエータ４６は、プラットホーム２４４とプラットホーム２４６との間の距離Ｄを選択的に調整することによりばねの圧縮距離７４を選択的に調整する。したがって、圧電素子２８およびマス３０の共振周波数は選択的に調整される。圧電素子２８が生成した、得られる電気エネルギーはコネクタ２５６を介して整流器１６に供給される。
【００２７】
動作中、システム１０はモータ２０などの振動を発生する装置に結合されている。エネルギーハーベスティング装置１２、１００または２００は、モータ２０によって発生する振動を電力に変換する。この例示的実施形態では、負荷１４は、エネルギーハーベスティング装置１２が電力を供給するワイヤレスセンサである。ワイヤレスセンサ１４は、例えば、極めて重要なマシンの振動、温度および圧力などの主要な指標を測定し、異常状態を見つけるために時間経過とともに情報を追跡する、マシン状態監視システムでもよい。この例示的実施形態では、ワイヤレスセンサ１４は、取得した振動データに基づいてモータ２０の健全性、アライメントおよび／またはバランスを評価する加速度計である。例えば、モータ２０によって発生する振動はモータ２０の経年変化に伴い変化する。ワイヤレスセンサ１４はこの変化を検知し、格納または、例えばモータ２０の状態および保守作業の必要性の評価などのさらなる処理をするために、遠隔の場所まで送信することができる。
【００２８】
上に述べたように、エネルギーハーベスティング装置１２、１００および２００は振動を電気エネルギーに変換する。動作中、ベース４４はマス３０の運動および圧電梁２８の振れに起因する振動エネルギーを受ける。第１の圧電層３８および第２の圧電層４０の振れはＡＣ電圧を生成する。このＡＣ電圧は、整流器１６に伝送され、ワイヤレスセンサ１４に電力を供給して動作させるために、ＤＣ電圧に変換される。
【００２９】
動作中、エネルギーハーベスタ１２の共振周波数を振動源の駆動周波数に十分に適合させる（同調させる）ことによって、エネルギーハーベスタ１２の電力出力を最適化する。多くの周知の現代の工業プロセスは頻繁にスピードが変化するため、変化する振動源の周波数に十分に適合できるように、エネルギーハーベスタ１２の共振周波数を可変的に選択する。ハーベスタ１２の共振周波数がモータ２０の振動源の周波数に十分に適合すると電力はより効率的に生成される。
【００３０】
この例示的実施形態では、エネルギーハーベスタ１２の共振周波数は、圧電梁２８およびばね６０のばね定数の合計に相当するシステムの総ばね定数によって決まる。梁２８のばね定数は設計により比較的一定であるが、ばね６０のばね定数は圧縮距離７４が長くなるにつれて増大する。したがって、ばね６０それぞれの圧縮距離７４を調整することによってエネルギーハーベスタ１２の共振周波数を同調させる。アクチュエータの表面７０と７２との間またはプラットホーム２４４と２４６との間の距離Ｄを選択的に伸長または短縮して、バイアス機構３２の圧縮距離７４を選択的に変化させることによってエネルギーハーベスタ１２が同調することが容易になる。
【００３１】
動作中、ハーベスタ１２が同調しない場合、電子回路９０は、メモリ９４内に格納されている周波数のルックアップテーブルに基づいてアクチュエータ４６を動作させることによって自動的に圧縮距離７４を調整する。圧縮距離７４は、メモリ９４内に格納されている周波数のルックアップテーブルに基づいて調整される。より具体的には、このルックアップテーブルは、アクチュエータの表面７０および／もしくは７２またはプラットホーム２４４および２４６の所望の位置、および／または所望の圧縮距離７４を決定するために使用できるデータを含む。測定した駆動周波数に基づいて、電子回路９０は、駆動周波数に適合させるのに必要な所要の圧縮距離７４をルックアップテーブルで決定し、相応にアクチュエータ４６を調整する。加えてこのルックアップテーブルは、限定はしないが、温度調整および湿度調整、圧電材料の経年変化および／またはアクチュエータ４６の駆動モータ回転数などのエネルギーハーベスティング装置１２を同調させるのに使用できる他のいずれのデータも格納することができる。さらに、このルックアップテーブルは、システムの効率を改善するように自動的にアップデートすることができる。
【００３２】
センサ９２が振動源２０の駆動周波数を測定し、電子回路９０は、メモリ９４内に格納されたルックアップテーブルに基づいて、測定した駆動周波数に対応した圧縮距離７４を決定する。この圧縮距離７４の範囲は、エネルギーハーベスタ１２の共振周波数の範囲に対応する。すなわち、測定した駆動周波数に基づいて、アクチュエータ４６は、振動源２０の駆動周波数にエネルギーハーベスタ１２の共振周波数を十分に適合させるように圧縮距離７４を調整する。したがって、ハーベスタ１２のエネルギー出力を最大にすることが容易になる。このように、この例示的実施形態では、電子回路９０は、振動源２０が変化するときエネルギーハーベスタ１２の共振周波数を自動的に同調するように構成されている。
【００３３】
上述の例示的エネルギーハーベスタは、このハーベスタの共振周波数に自動的に同調することによって振動周波数の広範囲にわたって効率的に電力を生成する。こうした調整をすることにより、このエネルギーハーベスタは物理的に狭い場所および／または遠隔の場所において有用となることができる。加えて、周知のハーベスタと比較して、システムのうち移動がある部分が比較的少ないので、摩耗が低減され、ハーベスタは、高い精度および／または一貫性を必要とすることなく、低めのコストで製造することができる。同様の理由で、機械的減衰が最小限であるため、エネルギーを容易により多く出力できる。さらに環境から電力を採取することによって、センサは、その寿命の間事実上保守不要で電力を自給できる。したがって、本明細書で述べた例示的エネルギーハーベスタは、保守不要でマシンの状態を監視する目的で、ワイヤレスセンサまたはシステムに組み込むことができる。さらにワイヤレスセンサへの電力供給用に使用するバッテリのサイズを縮小でき、またはバッテリをなくすことさえでき、それによって保守作業および環境への影響が低減される。
【００３４】
以上本明細書において、複数の例を使用して、最良の形態を含め本発明を開示し、また、いずれの当業者も、いずれの装置またはシステムを製作および使用でき、組み込まれたいずれの方法も実行できることを含め、本発明を実施することができる。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到した他の例を包含することができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構成要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構成要素を含む場合は特許請求の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００３５】
１０  電力システム
１２  エネルギーハーベスティング装置、エネルギーハーベスタ
１４  負荷、ワイヤレスセンサ
１６  整流器
１８  エネルギー貯蔵装置
２０  モータ
２１  シャフト
２２  ベアリングハウジング
２３  モータ駆動システム
２４  エネルギー変換装置
２６  ハウジング
２８  圧電素子、圧電梁
２９  梁
３０  マス
３２  バイアス機構
３４  梁の第１の端部
３６  梁の第２の端部
３８  第１の圧電層
４０  第２の圧電層
４２  基板
４４  ベース
４６  アクチュエータ
５０  マス本体
５２  マスの第１の側部
５４  マスの第２の側部
６０  ばね
６２  ばねの第１の端部
６４  ばねの第１の直径
６６  ばねの第２の端部
６８  ばねの第２の直径
７０  アクチュエータの第１の表面
７２  アクチュエータの第２の表面
７４  圧縮距離
８８  コントローラ
９０  電子回路
９２  センサ
９４  メモリ
１００  エネルギーハーベスティング装置
２００  エネルギーハーベスティング装置
２３２  マスの第１部分
２３４  マスの第２部分
２３６  マスの第３セクション
２３８  マスの第４セクション
２４０  アーム
２４２  アーム
２４４  プラットホーム
２４６  プラットホーム
２５０  アクチュエータの頂部表面
２５２  アクチュエータの底部表面
２５４  モータ
２５６  コネクタ
２５８  ガイド
【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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