(57)【要約】  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備える電気機械変換器であって、前記電気機械デバイスは、筐体と、前記筐体内に固定して取り付けられた導電コイルと、軸に沿った線形振動運動のために、前記筐体内に移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置された磁性体アセンブリと、前記筐体と前記磁性体アセンブリとの間に取り付けられたバイアス装置であって、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向に中心位置に向けてバイアスをかけるバイアス装置と、を備える電気機械変換器。
2009528009.tif 000002
【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共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器であって、
筐体と、
前記筐体内に固定して取り付けられた導電コイルと、
軸に沿った線形振動運動のために、前記筐体内に移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置された磁性体アセンブリと、
前記筐体と前記磁性体アセンブリとの間に取り付けられたバイアス装置であって、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向に中心位置に向けてバイアスをかけるバイアス装置とを備える電気機械変換器。
【請求項２】
前記バイアス装置は、ほぼ線形な前記中心位置周りのばねレートを有する、請求項１に記載の電気機械変換器。
【請求項３】
前記磁性体アセンブリは、前記中心位置に対する運動の振幅にほぼ依存しない前記中心位置周りの自然共振周波数を有する、請求項２に記載の電気機械変換器。
【請求項４】
更に、前記導電コイルを取り囲む絶縁カプセルを備える請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項５】
更に、前記導電コイルの出力を制御する電気回路であって、前記導電コイルに電気的に接続され、前記カプセル内にある電気回路を備える請求項４に記載の電気機械変換器。
【請求項６】
前記カプセルは、プラスチック材料を含む、請求項４又は５に記載の電気機械変換器。
【請求項７】
前記電気回路は、前記コイルの軸方向に垂直な回路基板上に設けられており、
前記コイル及び前記回路基板は、前記磁性体アセンブリの前記中心位置周りの運動方向に垂直である、請求項４から６のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項８】
前記バイアス装置は、一対のばねを備え、
各ばねは、前記軸の軸方向に向けられており、前記移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリに、前記軸に沿った２方向のそれぞれの１方向に、前記中心位置に向けてバイアスをかける、請求項１から７のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項９】
前記ばねは、圧縮ばねを含む、請求項８に記載の電気機械変換器。
【請求項１０】
前記バイアス装置は、前記磁性体アセンブリの少なくとも一部分を環状に取り囲んでいる、請求項１から９のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項１１】
前記バイアス装置は、前記磁性体アセンブリの非軸方向運動をほぼ防止するよう調整されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項１２】
更に、前記磁性体アセンブリの非軸方向運動を制限する抑制装置を備える請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項１３】
前記磁性体アセンブリは、
円筒磁性体と、
強磁性材料の第１及び第２のボディとを備え、
前記第１及び第２のボディの各々は、前記磁性体の円筒軸の方向に向けられた回転軸を有し、前記磁性体のそれぞれの磁極に結合されており、
前記第１のボディは、一方の極性表面を形成しており、
前記第２のボディは、他方の極性表面を形成している、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項１４】
前記磁性体アセンブリは更に、前記軸の方向に向けられ、前記磁性体から離れて前記第１のボディの面上に取り付けられた支持部を備え、
前記バイアス装置は、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向にバイアスをかける第１及び第２の圧縮ばねを備え、
前記第１の圧縮ばねは、前記第１のボディと前記筐体との間に取り付けられており、
前記第２の圧縮ばねは、前記支持部と前記筺体との間に取り付けられている、請求項１３に記載の電気機械変換器。
【請求項１５】
前記筐体は、対向する環状表面を有するフランジを備え、
前記対向する環状表面には、前記第１及び第２の圧縮ばねがそれぞれ当接している、請求項１４に記載の電気機械変換器。
【請求項１６】
各圧縮ばねは、２つの対向する端部を有し、
各端部は、前記筐体又は前記支持部のそれぞれの環状チャネル内に取り外し可能に取り付けられている、請求項１４に記載の電気機械変換器。
【請求項１７】
前記円筒磁性体は、前記第１のボディ内の空洞内に受容されており、
前記円筒磁性体の第１の磁極は、前記空洞の底壁に隣接しており、
前記第２のボディは、前記円筒磁性体の第２の磁極に取り付けられており、
前記ギャップは、環状であり、前記空洞の内側円筒表面と前記第２のボディの外側円筒表面との間に規定される、請求項１３に記載の電気機械変換器。
【請求項１８】
前記バイアス装置は、自己のバイアス作用の下で前記筐体と前記磁性体アセンブリとの間に取り外し可能に取り付けられている、請求項１から１７のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項１９】
前記磁性体アセンブリは、前記軸に対し回転対称である、請求項１から１８のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項２０】
前記磁性体アセンブリは、前記コイルから離れた端面を有し、
前記端面は、前記軸の方向に向けられ、前記軸に対し回転対称である空洞を有する、請求項１から１９のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項２１】
前記筐体は、ガスを含む内部容積を有し、
前記筐体は更に、
前記筐体の前記内部容積を気密封止するよう前記筐体を取り囲む気密封印と、
前記軸に沿った前記磁性体アセンブリの運動に起因する前記筐体容積内のガス圧差を等化するための、運動素子内の少なくとも１つの通気孔とを備える、請求項１から２０のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項２２】
機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器であって、
導電コイルと、
磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置され、前記コイル及び前記磁性体アセンブリの一方が固定され、前記コイル及び前記磁性体アセンブリの他方が、軸に沿った線形振動運動のために移動可能に取り付けられている磁性体アセンブリと、
一対のばねであって、各ばねが、前記軸の軸方向に向けられており、前記移動可能に取り付けられたコイル又は磁性体アセンブリに、前記軸に沿った２方向のそれぞれの１方向に、中心位置に向けてバイアスをかける一対のばねとを備える電気機械変換器。
【請求項２３】
前記一対のばねは、ほぼ線形な前記中心位置周りのばねレートを有する、請求項２２に記載の電気機械変換器。
【請求項２４】
前記移動可能に取り付けられたコイル又は磁性体アセンブリは、前記中心位置に対する運動の振幅にほぼ依存しない前記中心位置周りの自然共振周波数を有する、請求項２３に記載の電気機械変換器。
【請求項２５】
更に、前記導電コイルを取り囲む絶縁カプセルを備える請求項２２から２４のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項２６】
更に、前記導電コイルの出力を制御する電気回路であって、前記導電コイルに電気的に接続され、前記カプセル内にある電気回路を備える請求項２５に記載の電気機械変換器。
【請求項２７】
前記カプセルは、プラスチック材料を含む、請求項２５又は２６に記載の電気機械変換器。
【請求項２８】
前記電気回路は、前記コイルの軸方向に垂直な回路基板上に設けられており、
前記コイル及び前記回路基板は、前記移動可能に取り付けられたコイル又は磁性体アセンブリの前記中心位置周りの運動方向に垂直である、請求項２５から２７のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項２９】
前記磁性体アセンブリは、移動可能に取り付けられており、
前記コイルは、固定されている、請求項２２から２８のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項３０】
前記ばねは、圧縮ばねを含む、請求項２２から２９のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項３１】
前記ばねは、前記磁性体アセンブリの少なくとも一部分を環状に取り囲んでいる、請求項２２から３０のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項３２】
前記ばねは、前記磁性体アセンブリの非軸方向運動をほぼ防止するよう調整されている、請求項２２から３１のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項３３】
更に、前記磁性体アセンブリの非軸方向運動を制限する抑制装置を備える請求項２２から３２のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項３４】
前記磁性体アセンブリは、
円筒磁性体と、
強磁性材料の第１及び第２のボディとを備え、
前記第１及び第２のボディの各々は、前記磁性体の円筒軸の方向に向けられた回転軸を有し、前記磁性体のそれぞれの磁極に結合されており、
前記第１のボディは、一方の極性表面を形成しており、
前記第２のボディは、他方の極性表面を形成している、請求項２２から３３のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項３５】
前記磁性体アセンブリさ更に、前記軸の方向に向けられ、前記磁性体から離れて前記第１のボディの面上に取り付けられた支持部を備え、
前記ばねは、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向にバイアスをかける第１及び第２の圧縮ばねを備え、
前記第１の圧縮ばねは、前記第１のボディとフランジとの間に取り付けられており、
前記第２の圧縮ばねは、前記支持部と前記フランジとの間に取り付けられている、請求項２２から３４のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項３６】
前記フランジは、対向する環状表面を有し、
前記対向する環状表面には、前記第１及び第２の圧縮ばねがそれぞれ当接している、請求項３５に記載の電気機械変換器。
【請求項３７】
各圧縮ばねは、２つの対向する端部を有し、
各端部は、前記フランジ又は前記支持部のそれぞれの環状チャネル内に取り外し可能に取り付けられている、請求項３６に記載の電気機械変換器。
【請求項３８】
前記円筒磁性体は、前記第１のボディ内の空洞内に受容されており、
前記円筒磁性体の第１の磁極は、前記空洞の底壁に隣接しており、
前記第２のボディは、前記円筒磁性体の第２の磁極に取り付けられており、
前記ギャップは、環状であり、前記空洞の内側円筒表面と前記第２のボディの外側円筒表面との間に規定される、請求項３４に記載の電気機械変換器。
【請求項３９】
前記バイアス装置は、自己のバイアス作用の下で前記フランジと前記磁性体アセンブリとの間に取り外し可能に取り付けられている、請求項３５に記載の電気機械変換器。
【請求項４０】
前記磁性体アセンブリは、前記軸に対し回転対称である、請求項２２から３９のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項４１】
前記磁性体アセンブリは、前記コイルから離れた端面を有し、
前記端面は、前記軸の方向に向けられ、前記軸に対し回転対称である空洞を有する、請求項２２から４０のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項４２】
更に、前記磁性体アセンブリ及び前記コイルを内包する筐体を備え、
前記筐体は、
ガスを含む内部容積と、
前記筐体の前記内部容積を気密封止するよう前記筐体を取り囲む気密封印と、
前記軸に沿った前記磁性体アセンブリの運動に起因する前記筐体容積内のガス圧差を等化するための、運動素子内の少なくとも１つの通気孔とを有する、請求項２２から４１のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項４３】
機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器であって、
筐体であって、ガスを含む内部容積を有する筐体と、
前記筐体内に取り付けられた導電コイルと、
前記筐体内に取り付けられた磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置され、前記コイル及び前記磁性体アセンブリが、軸に沿った前記コイルと前記磁性体アセンブリとの間の相対的な線形振動運動のために取り付けられている磁性体アセンブリと、
前記筐体内のバイアス装置であって、前記コイル及び前記磁性体アセンブリの少なくとも１つを含む運動素子に、前記軸に沿った両方向に中心位置に向けてバイアスをかけるバイアス装置と、
前記筐体の前記内部容積を気密封止する気密封印とを備える電気機械変換器。
【請求項４４】
前記バイアス装置は、ほぼ線形な前記中心位置周りのばねレートを有する、請求項４３に記載の電気機械変換器。
【請求項４５】
前記運動素子は、前記中心位置に対する運動の振幅にほぼ依存しない前記中心位置周りの自然共振周波数を有する、請求項４４に記載の電気機械変換器。
【請求項４６】
更に、前記導電コイルを取り囲む絶縁カプセルを備える請求項４２から４５のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項４７】
更に、前記導電コイルの出力を制御する電気回路であって、前記導電コイルに電気的に接続され、前記カプセル内にある電気回路を備える請求項４６に記載の電気機械変換器。
【請求項４８】
前記カプセルは、プラスチック材料を含む、請求項４６又は４７に記載の電気機械変換器。
【請求項４９】
前記電気回路は、前記コイルの軸方向に垂直な回路基板上に設けられており、
前記コイル及び前記回路基板は、前記運動素子の前記中心位置周りの運動方向に垂直である、請求項４６から４８のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項５０】
更に、前記軸に沿った前記運動素子アセンブリの運動に起因する前記筐体容積内のガス圧差を等化するための、前記運動素子内の少なくとも１つの通気孔を備える、請求項４３から４９のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項５１】
前記気密封印は、前記筐体を取り囲んでいる、請求項４３から５０のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項５２】
前記筐体は、アセンブリを形成するために一緒に組み立てられる複数の部品を含み、
前記アセンブリに隣接する部品は、前記気密封印により気密封止されている、請求項４３から５１のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項５３】
前記磁性体アセンブリは、移動可能に取り付けられており、
前記コイルは、前記筐体に固定されている、請求項４３から５２のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項５４】
前記バイアス装置は、一対の圧縮ばねを含み、
各ばねは、前記磁性体アセンブリの少なくとも一部分を環状に取り囲んでおり、
各ばねは、前記軸の軸方向に向けられており、前記移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリに、前記軸に沿った２方向のそれぞれの１方向に、前記中心位置に向けてバイアスをかける、請求項５３に記載の電気機械変換器。
【請求項５５】
更に、前記磁性体アセンブリの非軸方向運動を制限する抑制装置を備える請求項５４に記載の電気機械変換器。
【請求項５６】
前記磁性体アセンブリは、
円筒磁性体と、
強磁性材料の第１及び第２のボディとを備え、
前記第１及び第２のボディの各々は、前記磁性体の円筒軸の方向に向けられた回転軸を有し、前記磁性体のそれぞれの磁極に結合されており、
前記第１のボディは、一方の極性表面を形成しており、
前記第２のボディは、他方の極性表面を形成しており、
前記磁性体アセンブリは更に、
前記軸の方向に向けられ、前記磁性体から離れて前記第１のボディの面上に取り付けられた支持部を備え、
前記圧縮ばねは、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向にバイアスをかける第１及び第２の圧縮ばねを備え、
前記第１の圧縮ばねは、前記第１のボディとフランジとの間に取り付けられており、
前記第２の圧縮ばねは、前記支持部と前記フランジとの間に取り付けられている、請求項５４に記載の電気機械変換器。
【請求項５７】
機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器であって、実質的に、図１及び図２を参照して又は図８を参照して以降で述べられる電気機械変換器。
【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変換器（electromechanical generator）に関する。詳細には、本発明は、周囲の振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能な小型変換器のようなデバイスに関し、例えば、インテリジェントセンサシステムに電力を供給する際に使用される。こうしたシステムは、電力ケーブル又はバッテリを排除することに経済的又は動作的な利点がある多くの領域で使用可能である。
【背景技術】
【０００２】
現在、ワイヤレスセンサに関しては、代替電源の領域における研究活動のレベルが向上している。こうしたデバイスは、当該分野では、「エネルギー獲得（energy harvesting）」のために使用されると言われている。
【０００３】
周囲の振動から有用な電力を獲得するために電気機械変換器を使用することは既知である。典型的な磁性体コイル変換器は、システムが振動すると磁気コアにより形成される磁束をコイルが切断するというように磁性体又はコイルに取り付けられたばね質量結合体から成る。振動させられるとき動かされる質量は、片持ち梁に取り付けられる。その梁は、磁気コアに接続されて、コイルが装置のための筐体に対して固定されるか、又はその逆とすることが可能である。
【０００４】
片持ち梁のばねとしての使用は、多くの技術的問題をもたらす。第１に、片持ち梁のその中心位置周りでの運動は線形ではない。従って、磁性体とコイルとの間の任意の磁気結合は、これらの部品が比較的複雑な形状でない限り、最適化されない。
【０００５】
その上、コイル又は磁性体のどちらかが、振動共振運動のために、片持ち梁に取り付けられてもよい。どちらの場合にも、自然周波数が設計された自然周波数に対応することを保証するために、片持ち梁に取り付けられた質量が注意深く制御される必要がある。幾つかの構成に対しては、そのような質量の注意深い制御は、所望の量の質量を形成することの困難さ及び複雑さのために、実際には達成が困難かもしれず、また、製造原価を著しく増加させる可能性もある。
【０００６】
更に、通例磁気コア変換器のばね質量結合体の質量が大きいほど、出力電力が大きいことは、当該分野では一般的に既知である。しかしながら、実際には片持ち梁に過剰な質量を載せながら、一方では自然周波数の注意深い制御のみならず、小型で堅固な構造体も保つことには困難がある。
【０００７】
しかしながら、既知の電気機械変換器、特に片持ち梁を組み込んでいるそれらの主要な問題は、電気出力が一般に低すぎることである。これは、狭い共鳴バンド幅だけが公称自然周波数周りで提供されるというようなものである磁性体コイル変換器のばね質量結合体の要因である。従って、実際には振動はしばしば、自然周波数周りの装置の帯域幅よりも更に広い周波数帯内にありがちなので、実際には磁気結合は、理論的な設計最大値と比較して低減される。これは次いで、電気機械変換器から確実に抽出可能な最大電圧がかなり低いことを意味する。これは次いで、電気機械変換器の運用適用を著しく制限する可能性がある。
【０００８】
既知の電気機械変換器の２つの主な問題は、それらが小さすぎる電力出力を生成し、狭すぎる動作帯域幅を有することである。電力出力は、装置内の運動質量を増加させることにより改善可能であるが、帯域幅は、電磁結合を増加させることによってのみ改善可能である。装置が厳密にはその自然周波数で動作していないときには、より高い電磁結合は、より大きな電力が抽出されることを可能にする。
【０００９】
文献“Self-Powered Signal Processing using Vibration-based Power Generation” Amir Therarja et al. IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 33, No. 5, May 1998では、特に変換器として運動コイル電磁変換器を用いることにより、その周囲における振動により生成される電力からデジタルシステムを動作させることの実現可能性が調査された。研究室実験では、慣性電気機械変換器が提案され、質量が剛性筐体から下方へらせん状ばねに頼るように、ばねのもう一方の端部が剛性筐体に取り付けられたらせん状ばねに接続された質量から成るプロトタイプが作られた。筐体が振動させられると、質量が筐体に対して動き、質量ばねシステムにエネルギーが蓄積された。金属線コイルが質量に取り付けられ、質量が振動させられると、コイルの下側に置かれた永久磁石Ｂの磁場を貫通して動いた。運動コイルは磁束の変化する量を切り、次いでファラデーの法則に従ってコイルに電圧を誘起した。この電圧は、変換器の電気出力であり、電圧レギュレータの入力であった。
【００１０】
この研究室ベースのモデルは、十分に堅固でなく、片持ち梁の使用とは違って、横方向の振動により干渉を受けるだろうから、当分野における実際の応用に対して実用性を有さないであろう。
【００１１】
Proceedings of the Fifth World Congress on Intelligent Control and Automation, June 15-19, 2004, Hangshu, People's Republic of Chinaで公表された、Yuen et al.による、“AA Sized Micro Power Conversion Cell for Wireless Applications”と題する文献では、ＡＡサイズ電池と同じサイズ及び寸法を有するプロトタイプのマイクロパワー変換器が開示されている。これは、らせん状及び平面の構造で、希土類永久磁石に取り付けられた、レーザ・マイクロマシンの共振ばねを含んでいた。これは、内部筐体内に取り付けられた。内部筐体の外部表面はコイルにより取り囲まれた。磁性体は、内部筐体内に規定された円筒部屋内で上下に振動することが可能であった。
【００１２】
この装置は、有用な電力出力を得るためには非常に高振幅の振動、即ち、約１０ｇ（但しｇは重力による加速度である）の加速度振幅と同じである１００Ｈｚで２５０ミクロンの振動振幅が必要とされるという問題に悩まされる。また、マイクロマシン加工されるらせん状ばねの作製は困難で高価でもあり、その文献は、もしばねが、コイルに対して垂直方向に振動するよりもむしろ水平面内で回転を伴って振動するように設計可能であるならば、電圧出力は増加可能であり、ばねへの応力は低減可能であろうと結論付けている。
【００１３】
Journal of Micromechanical Systems, Vol. 13, No.3, June 2004, pp. 335-342で公表された、Aitcheson et al.による、“Architecture for vibration-driven micropower generators”と題する文献では、様々な電気機械変換器が開示されている。特に、質量ばねシステムからエネルギーを抽出するための緩衝器から成る速度減衰型（velocity-damped）共振変換器（ＶＤＲＧ）が開示される。そのような緩衝器は、例えば、Ｃ型コアを形成するために保磁子（keeper）へ取り付けられた２つの磁性体と、片持ち梁上の質量の運動方向に垂直な磁性体間のギャップ内に置かれたコイルとの組合せ等の、磁性体コイル変換器から成ってもよい。
【００１４】
これらの従前の開示は全て、理論的な電気機械変換器を設計するための有用な機構体を生成するが、電気機械変換器が実際の応用で使用されるときには、自然周波数又は最適減衰係数を正確に予測することはできない。電気機械変換器は、ありそうな動作条件であると信じられるものに対して設計され、組み立てられる。しかしながら、実際の動作条件が、特定の応用に対して電気機械変換器を組み立てるために使用された理論的理想に対応するという保証はない。実際には、電気機械変換器は、ありそうな動作条件の狭い範囲にわたって動作可能なように組み立てられ、特に、電力出力が最適電力出力を包含する範囲内にあるように、減衰係数が設定される。しかしながら、実際の電力出力が特定の応用に対して最適化されることはほとんどありそうもない。その結果として、電気機械変換器は、機械的振動エネルギーの電気エネルギーへの、及びそれにより有用な電力への変換の最大効率では動作しないであろう。
【００１５】
また、周囲の振動の周波数も動作中に変化するかもしれない。既知の電気機械変換器は、そのような変化の結果として、最大効率で動作することができないかもしれない。
【００１６】
更になお、電気機械変換器の緩衝器は、装置が使用時に受けるはずである周波数に対応するように意図される周波数で、中心位置周りで振動するばね付き質量を組み込む。共振振動の振幅は、多数の変数、特に駆動振動の周波数及び大きさ、共振器のＱ因子、共振器質量及びその自然周波数に依存する。
【００１７】
これらの変数は、電気機械変換器が振動体からエネルギーを獲得するために現場で使用されるときに出会う実際の条件から全てが予測可能であるとは限らない。ばね付き質量の振動の振幅は、断続的で且つ予測不可能な仕方で、時間と共に変化するかもしれない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
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善された電気機械変換器を提供することを目的とする。
【００１９】
本発明はまた少なくとも部分的に、既知の電気機械変換器、特に振動されるべき質量が片持ち梁の形でばねに取り付けられたばね質量結合体から成る磁性体コイル変換器を組み込むそれらのこれらの問題の少なくとも幾つかを克服することも目的とする。
【００２０】
本発明は更に、コイルに対する磁性体アセンブリ間の磁気結合が最大化可能である、改善された電気機械変換器を提供することを目的とする。
【００２１】
本発明はまた、コイルに対する磁性体アセンブリの相対線形運動が保証され、横方向の運動が防止される、改善された電気機械変換器を提供することも目的とする。
【００２２】
本発明はまた、電気機械変換器が任意の向きで使用可能である、改善された電気機械変換器を提供することも目的とする。
【００２３】
本発明はまた、電気機械変換器がコイルによる磁束の最大切断を提供する、改善された電気機械変換器を提供することも目的とする。
【００２４】
本発明はまた、自然周波数が振動の振幅にほぼ依存しない、改善された電気機械変換器を提供することも目的とする。
【００２５】
本発明はまた、ばね特性が装置の動作寿命にわたって一定である可能性が高く、それにより電気機械変換器の性能を向上させる、改善された電気機械変換器を提供することも目的とする。
【００２６】
本発明はまた、運動質量が、例えば電力出力を最大化できる片持ち梁設計と比較して、電気機械変換器の寸法に対して非常に高くなるように作製可能である、改善された電気機械変換器を提供することも目的とする。
【００２７】
本発明はまた、既知の装置よりも高い出力電圧を生成することができる、改善された電気機械変換器を提供することも目的とする。
【００２８】
本発明はまた、電気出力を増加させることにより、増加された磁気結合の結果として、装置の動作帯域幅が著しく増加可能である、改善された電気機械変換器を提供することも目的とする。
【００２９】
本発明はまた、多くの新たにエネルギー獲得に応用して使用される装置の能力が著しく高められる、改善された電気機械変換器を提供することも目的とする。
【００３０】
本発明はまた、簡単な製造技術を使用し、低生産原価で容易に且つ確実に製造可能である、改善された電気機械変換器を提供することも目的とする。
【００３１】
本発明はまた、確実で簡単な構造体を有し、複雑で込み入った且つ／又は高価な製造技術を回避し、その結果得られる構造体が堅固で小型である、改善された電気機械変換器を提供することも目的とする。
【００３２】
本発明はまた、石油掘削プラットフォーム等の潜在的に可燃性の高い環境で安全に使用可能である、改善された電気機械変換器を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
第１の態様では、本発明は従って、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器を提供し、前記電気機械変換器は、筐体と、前記筐体内に固定して取り付けられた導電コイルと、軸に沿った線形振動運動のために、前記筐体内に移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置された磁性体アセンブリと、前記筐体と前記磁性体アセンブリとの間に取り付けられたバイアス装置であって、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向（opposed directions）に中心位置（central position）に向けてバイアスをかけるバイアス装置とを備える。
【００３４】
好ましくは、前記バイアス装置は、ほぼ線形な前記中心位置周りのばねレートを有する。
【００３５】
更に好ましくは、前記磁性体アセンブリは、前記中心位置に対する運動の振幅にほぼ依存しない前記中心位置周りの自然共振周波数を有する。
【００３６】
前記電気機械変換器は更に、前記導電コイルを取り囲む絶縁カプセル（electrically insulating encapsulation）を含んでもよい。
【００３７】
前記電気機械変換器は更になお、前記導電コイルの出力を制御する電気回路を備えてもよく、前記電気回路は、前記導電コイルに電気的に接続され、前記カプセル内にある。
【００３８】
好ましくは、前記カプセルは、プラスチック材料を含む。
【００３９】
好ましくは、前記電気回路は、前記コイルの軸方向に垂直な回路基板上に設けられており、前記コイル及び前記回路基板は、前記磁性体アセンブリの前記中心位置周りの運動方向に垂直である。
【００４０】
好ましくは、前記バイアス装置は、一対のばねを備え、各ばねは、前記軸の軸方向に向けられており、前記移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリに、前記軸に沿った２方向のそれぞれの１方向に、前記中心位置に向けてバイアスをかける。
【００４１】
更に好ましくは、前記ばねは、圧縮ばねを含む。しかしながら、前記ばねは、引張りばねを含んでもよい。
【００４２】
望ましくは、前記バイアス装置は、前記磁性体アセンブリの少なくとも一部分を環状に取り囲んでいる。
【００４３】
好ましくは、前記バイアス装置は、前記磁性体アセンブリの非軸方向運動をほぼ防止するよう調整されている。
【００４４】
前記電気機械変換器は更に、前記磁性体アセンブリの非軸方向運動を制限する抑制装置を備えてもよい。その運動は、前記磁性体アセンブリが前記コイルに接触できないように制限される。
【００４５】
好ましくは、前記磁性体アセンブリは、円筒磁性体と、強磁性材料の第１及び第２のボディとを備え、前記第１及び第２のボディの各々は、前記磁性体の円筒軸の方向に向けられた回転軸を有し、前記磁性体のそれぞれの磁極に結合されており、前記第１のボディは一方の極性表面を形成しており、第２のボディは他方の極性表面を形成している。
【００４６】
更に好ましくは、前記磁性体アセンブリは更に、前記軸の方向に向けられ、前記磁性体から離れて前記第１のボディの面上に取り付けられた支持部を備え、前記バイアス装置は、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向にバイアスをかける第１及び第２の圧縮ばねを備え、前記第１の圧縮ばねは、前記第１のボディと前記筐体との間に取り付けられており、前記第２の圧縮ばねは、前記支持部と前記筐体との間に取り付けられている。
【００４７】
好ましくは、前記筐体は、対向する環状表面を有するフランジを備え、前記対向する環状表面には、前記第１及び第２の圧縮ばねがそれぞれ当接している。
【００４８】
更に好ましくは、各圧縮ばねは、２つの対向する端部を有し、各端部は、前記筐体又は前記支持部のそれぞれの環状チャネル内に取り外し可能に取り付けられている。
【００４９】
オプションとして、前記円筒磁性体は、前記第１のボディ内の空洞内に受容されており、前記円筒磁性体の第１の磁極は、前記空洞の底壁に隣接しており、前記第２のボディは、前記円筒磁性体の第２の磁極に取り付けられており、前記ギャップは、環状であり、前記空洞の内側円筒表面と第２のボディの外側円筒表面との間で規定される。
【００５０】
前記バイアス装置は、自己のバイアス作用の下で前記筐体と前記磁性体アセンブリとの間に取り外し可能に取り付けられてもよい。
【００５１】
好ましくは、前記磁性体アセンブリは、前記軸に対し回転対称である。
【００５２】
好ましくは、前記磁性体アセンブリは、前記コイルから離れた端面を有し、前記端面は、前記軸の方向に向けられ、前記軸に対し回転対称である空洞を含む。
【００５３】
好ましくは、前記筐体は、ガスを含む内部容積を有し、前記筐体は更に、前記筐体の前記内部容積を気密封止するよう前記筐体を取り囲む気密封印と、前記軸に沿った前記磁性体アセンブリの運動に起因する前記筐体容積内のガス圧差を等化するための、運動素子内の少なくとも１つの通気孔（vent）とを備える。
【００５４】
第２の態様では、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共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器を提供し、前記電気機械変換器は、導電コイルと、磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置され、前記コイル及び前記磁性体アセンブリの一方が固定され、前記コイル及び前記磁性体アセンブリの他方が、軸に沿った線形振動運動のために移動可能に取り付けられている磁性体アセンブリと、一対のばねであって、各ばねが、前記軸の軸方向に向けられており、前記移動可能に取り付けられたコイル又は磁性体アセンブリに、前記軸に沿った２方向のそれぞれの１方向に、中心位置に向けてバイアスをかける一対のばねとを備える。
【００５５】
好ましくは、前記磁性体アセンブリは、移動可能に取り付けられており、前記コイルは、固定されている。代替方法では、前記コイルが、移動可能に取り付けられており、前記磁性体アセンブリが、固定されている。
【００５６】
第３の態様では、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共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器を提供し、前記電気機械変換器は、導電コイルと、軸に沿った線形振動運動のために移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置された磁性体アセンブリと、前記磁性体アセンブリの少なくとも一部分を環状に取り囲むバイアス装置であって、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向に中心位置に向けてバイアスをかけるバイアス装置とを備える。
【００５７】
第４の態様では、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共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器を提供し、前記電気機械変換器は、導電コイルと、軸に沿った線形振動運動のために移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置された磁性体アセンブリと、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向に中心位置に向けてバイアスをかけるバイアス装置であって、前記磁性体アセンブリの非軸方向運動をほぼ防止するバイアス装置とを備える。
【００５８】
第５の態様では、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共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器を提供し、前記電気機械変換器は、導電コイルと、軸に沿った線形振動運動のために移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置された磁性体アセンブリと、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向に中心位置に向けてバイアスをかけるバイアス装置と、前記磁性体アセンブリの非軸方向運動を制限するための抑制装置とを備える。
【００５９】
第６の態様では、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共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器を提供し、前記電気機械変換器は、導電コイルと、軸に沿った線形振動運動のために移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置され、円筒磁性体と、強磁性材料の第１及び第２のボディとを備え、前記第１及び第２のボディの各々は、前記磁性体の円筒軸の方向に向けられた回転軸を有し、前記磁性体のそれぞれの磁極に結合され、前記第１のボディが一方の極性表面を形成しており、前記第２のボディが他方の極性表面を形成している磁性体アセンブリと、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向に中心位置に向けてバイアスをかけるバイアス装置とを備える。
【００６０】
第７の態様では、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共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器を提供し、その電気機械変換器は、筐体と、前記筐体内に固定して取り付けられた導電コイルと、軸に沿った線形振動運動のために前記筐体内に移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置され、前記軸の方向に向けられた磁性体と、強磁性材料の第１及び第２のボディとを備え、前記第１及び第２のボディの各々は、前記軸の方向に向けられ、前記磁性体のそれぞれの磁極に結合され、前記第１のボディが一方の極性表面を形成しており、前記第２のボディが他方の極性表面を形成している磁性体アセンブリと、前記軸の方向に向けられ、前記磁性体から離れて前記第１のボディの面上に取り付けられた支持部と、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向にバイアスをかける第１及び第２の圧縮ばねであって、前記第１の圧縮ばねは、第１のボディと筐体との間に取り付けられており、前記第２の圧縮ばねは、前記支持部と筐体との間に取り付けられている第１及び第２の圧縮ばねとを備える。
【００６１】
第８の態様では、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共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器を提供し、前記電気機械変換器は、導電コイルと、軸に沿った線形振動運動のために移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置された磁性体アセンブリと、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向に中心位置に向けてバイアスをかけるバイアス装置であって、前記磁性体アセンブリが前記軸に対し回転対称であるバイアス装置とを備える。
【００６２】
第９の態様では、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共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器を提供し、前記電気機械変換器は、導電コイルと、軸に沿った線形振動運動のために移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置された磁性体アセンブリと、前記磁性体アセンブリに、前記軸に沿った両方向に中心位置に向けてバイアスをかけるバイアス装置であって、前記磁性体アセンブリが前記コイルから離れた端面を有し、前記端面が、前記軸の方向に向けられ、前記軸に対し回転対称である空洞を備えるバイアス装置とを備える。
【００６３】
第１０の態様では、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共振振動エネルギーハーベスターを備える電気機械変換器を提供し、前記電気機械変換器は、筐体であって、ガスを含む内部容積を有する筐体と、前記筐体内に取り付けられた導電コイルと、前記筐体内に取り付けられた磁性体アセンブリであって、ギャップを規定する一対の逆極性の極性表面を有し、前記ギャップ内に前記コイルが配置され、前記コイル及び前記磁性体アセンブリが、軸に沿った前記コイルと前記磁性体アセンブリとの間の相対的な線形振動運動のために取り付けられている磁性体アセンブリと、前記筐体内のバイアス装置であって、前記コイル及び前記磁性体アセンブリの少なくとも１つを含む運動素子に、前記軸に沿った両方向に中心位置に向けてバイアスをかけるバイアス装置と、前記筐体の前記内部容積を気密封止するよう前記筐体を取り囲む気密封印と、前期軸に沿った前記運動素子アセンブリの運動に起因する前記筐体容積内のガス圧差を等化するための、前記運動素子内の少なくとも１つの通気孔とを備える。
【００６４】
本発明の実施形態を、添付の図面を専ら例として参照しつつ説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
本発明の電気機械変換器は、当該分野では「速度減衰型」として知られる共振変換器であり、ここで筐体に対する慣性質量の運動により行われる仕事の全ては、その運動の瞬間速度に比例する。必然的に、その仕事の一部分は、望まれない機械的又は電気的損失を克服するのに吸収されるが、仕事の残りは、以下で述べられる電気コイル／磁性体アセンブリ等の、適切な変換機構体を介して電流を生成するために使用されてもよい。
【００６６】
図１及び２は、本発明の一実施形態による、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変換器２を示す。１．電気機械変換器２は筐体４を含む。筐体４は、外周壁６と、蓋８の隅部において、ねじ山付きボルト１０を用いて外周壁６にしっかりと取り付けられた蓋８とを含む。蓋８は正方形であり、外周壁６は、回転軸Ａ〜Ａを有する筐体更には円筒横断面内部容積１４のための正方横断面外側表面１２を規定する。円形開口１６は蓋８を貫通して形成され、その開口は円筒横断面内部容積１４と同軸である。
【００６７】
導電コイル１８は、筐体４内に固定して取り付けられ、特に、内部容積１４内へ延びるように、蓋８の内側に向けられる表面２０に貼り付けられる。コイル１８は円形であり、開口１６と同軸である。コイル１８及び開口１６の内径はほぼ同一である。コイル１８は、外部回路（図示されず）に接続するために、蓋８内の穴２４を通って延びる配線２２を有する。
【００６８】
磁性体アセンブリ２６は、軸Ａ〜Ａに沿った線形振動運動のために、筐体４内に移動可能に取り付けられる。磁性体アセンブリ２６は回転対称であり、環状ギャップ３２を規定する一対の逆極性の円筒極性表面２８、３０を有する。コイル１８は、コイル１８の外側及び内側円筒表面３４、３６が、各々わずかな距離、典型的には約１ｍｍ未満に、それぞれの外側又は内側円筒極性表面２８、３０から間隔を置いて、ギャップ３２内に配置される。磁性体アセンブリ２６は、円筒磁性体３８、典型的には高い磁場強度を有する希土類永久磁石と、各々が磁性体３８の円筒軸の方向に向けられた回転軸を有する強磁性材料の第１及び第２のボディ４０、４２とを含む。磁性体３８は、その平面円形端部４４、４６に逆の磁極（即ちＮ及びＳ極）を有する。強磁性材料の第１及び第２のボディ４０、４２の各々は磁性体３８のそれぞれの磁極に結合され、第１のボディ４０は１つの極性表面２８を形成し、第２のボディ４２はもう１つの極性表面３０を形成する。
【００６９】
強磁性材料の第１のボディ４０は上側部分４８から成る。上側部分４８は下側支持部８０と組み立てられ、各々は回転対称であり、上側部分４８及び支持部８０は同軸である。上側部分４８は一般にカップ形状であり、磁性体３８の１つの磁極が同軸的に配置された内部表面５２に対して円形底壁５０を有する。浅い円形凹部５４が、磁性体３８を受容するために底壁５０内に提供される。完全な環状壁５６が、底壁５２から上側へ延び、それの上側縁部５８において完全なフランジ６０がそれから外側に放射状に延びる。上側縁部５８の上側内部円周表面は極性表面２８を規定する。フランジ６０の下向きに向けられた環状表面６２は環状凹部６４を含む。底壁５２の外側表面６６は、ねじ山付き止まり穴７０と同軸の円形当接部６８を有する。
【００７０】
支持部８０も又一般にカップ形状であるが、上側部分４８とは反対の逆向きである。支持部８０の円形上部壁８２は、上側部分４８の底壁５２の外側表面６６に隣接した外側表面８４を有する。浅い円形凹部８６が、円形当接部６８を受容するために上部壁８２内に提供される。ねじ山付きねじ８８は、上部壁８２内の穴９０を貫通して上向きに延び、ねじ山付き止まり穴７０内に受容される。従って、ねじ８８は、上側部分４８及び支持部８０をしっかりと一体に組み立てる。完全な環状壁９４が、上部壁８２から下向きに延び、それの下側縁部９６において完全なフランジ９８がそれから外側に放射状に延びる。フランジ９８の上向きに向けられた環状表面１００は環状凹部１０２を含む。
【００７１】
強磁性材料の第２のボディ４２は、磁性体３８の上側表面１１０が受容されるその底部表面１０８上に浅い凹部１０６を有する円盤１０４を含む。円盤１０４の外側円周表面１１２は極性表面３０を形成する。円盤１０４の上側表面１１４は、上側縁部５８及びフランジ６０の上側環状表面と同一平面上にある。
【００７２】
上側部分４８の底壁５２は、上側部分４８の（軸方向の）高さが支持部８０のそれよりも大きくなるように、支持部８０の上部壁８２よりも薄い。これは、強磁性材料の第１及び第２のボディ４０、４２とそれらの間の磁性体３８との磁気的アセンブリに対して、重心が磁気的アセンブリの軸方向の中間高さ、最も好ましくはほぼ幾何学的中心に置かれることを提供する。
【００７３】
バイアス装置１２０は、筐体４と磁性体アセンブリ２６との間に取り付けられる。バイアス装置１２０は、図２で示されるように、磁性体アセンブリ２６に、軸に沿った両方向に中心位置に向けてバイアスをかけ、その中心位置ではコイル１８は、２つの逆極性の極性表面２８、３０に関して軸方向にほぼ中心に置かれる。
【００７４】
バイアス装置１２０は一対のらせん状圧縮ばね１２２、１２４を含む。各圧縮ばね１２２、１２４は軸Ａ〜Ａの軸方向に向けられ、移動可能に取り付けられた磁性体アセンブリ２６に、軸に沿った２方向のそれぞれの１方向に、中心位置に向けてバイアスをかける。２つの圧縮ばね１２２、１２４は各々、磁性体アセンブリ２６が中心位置で平衡状態にあるとき、磁性体アセンブリ２６に対して同じ機械的バイアス力を加える。２つの圧縮ばね１２２、１２４は、同じばね定数、同じ無バイアス時の長さを有し、磁性体アセンブリ２６が中心位置で平衡状態にあるとき、等しく圧縮される。
【００７５】
しかしながら、全体的なばね定数は２つのばね定数の合計であるから、２つの圧縮ばね１２２、１２４は同じ特性を有する必要はない。
【００７６】
筐体４の外周壁６の内側表面１２６は、放射状に内側に向けられた完全な中心フランジ１２８を有する。フランジ１２８は対向する上向き及び下向きに向けられた環状表面１３０、１３２を有し、その各々はそれぞれ環状凹部１３４、１３６を含む。
【００７７】
上側圧縮ばね１２２は、フランジ６０の環状チャネル６４内及びフランジ１２８の環状チャネル１３４内にそれぞれ受容され、取り付けられている、対向する上側及び下側端部１３８、１４０を有する。下側圧縮ばね１２４は、フランジ１２８の環状チャネル１３６内及びフランジ９８の環状チャネル１０２内にそれぞれ受容され、取り付けられている、対向する上側及び下側端部１４２、１４４を有する。圧縮ばね１２２、１２４は従って、電気機械変換器２が、少なくとも軸Ａ〜Ａに沿った成分を有する印加された機械的力、特に機械的振動を受けるとき、軸Ａ〜Ａに沿って軸方向に移動可能である磁性体アセンブリ２６の少なくとも一部分を環状に取り囲む。圧縮ばね１２２、１２４は、磁性体アセンブリ２６の非軸方向運動をほぼ防止するように、横方向即ち放射方向に高い剛性を有する。圧縮ばね１２２、１２４の端部１３８、１４０、１４２、１４４のフランジ６０、９８、１２８の環状チャネル内への取り付けは、磁性体アセンブリ２６の非軸方向運動を制限するための追加の抑制装置を含むように、これらの端部１３８、１４０、１４２、１４４の横方向即ち放射方向への運動を防止する。
【００７８】
第２の部分８０の円形上部壁８２は、コイル１８から離れた磁性体アセンブリ２６の端面１４６を規定し、円形上部壁８２及び環状壁９４は、軸Ａ〜Ａの方向に向けられ、軸Ａ〜Ａの周りで回転対称である円筒空洞１４６を端面２６に隣接して規定する。
【００７９】
筐体４は、ガスを含む内部容積１５０を有する。気密封印１５２は、筐体４の内部容積１５０を気密封止するために筐体４を取り囲む。少なくとも１つの通気孔１５４が磁性体アセンブリ２６内に提供され、軸に沿った磁性体アセンブリ２６の運動に起因する筐体容積１５０内のガス圧差の等化のために、底壁５２、８２を貫通して延びる。
【００８０】
電気機械変換器２は、筐体４内に取り付けられた共振質量ばね配置を使用する。もし電気機械変換器２が、方向Ａ〜Ａに沿ってそれを運動させる原因となる外部振動源にさらされるならば、そのときには磁性体アセンブリ２６は、筐体４に対して、又方向Ａ〜Ａにも沿って運動してもよい慣性質量を含む。そうすることで、圧縮ばね１２２、１２４の各々の長さは変えられ、それぞれ圧縮されるか又は延ばされ、静的電気コイルとその電気コイルがその中に配置された磁束領域を生成する移動可能な磁性体アセンブリとを含む緩衝器に対して仕事が行われる。磁束内での電気コイルの運動は、外部装置（図示されず）を駆動するための電源として使用可能な電気コイル内に電流が誘起される原因となる。
【００８１】
この実施形態では、磁性体が、固定されたコイルに対して運動するけれども、代替実施形態では、コイルが、固定された磁性体に対して運動する反対の構成が用いられてもよい。
【００８２】
また、この実施形態では、ばねは圧縮ばねであるけれども、反対の引張りばね等の他のバイアス素子が用いられてもよい。
【００８３】
振動エネルギーハーベスターとして使用するために設計される電磁変換器は、それが所定の自然周波数で最大電気出力を生成するように構成され、この自然周波数は励起振動の周波数に対応する。例えば、もし電磁変換器が、幹線電力の周波数、例えば５０Ｈｚで振動する電気装置に結合されるべきと意図されるならば、設計自然周波数もまた、励起振動の周波数に対応して５０Ｈｚである。励起周波数の値を保証することは通常困難であり、そこで、たとえ入ってくる振動が共振から外れていても、有用な電力出力を達成するように電磁変換器を設計する必要がある。本発明者は、電磁変換効率が、振動エネルギーハーベスターにおいて共振から外れた電力の達成において非常に重要な因子であることを確認した。特に、質量ばね共振システムから抽出可能である最大電力スペクトルに関して、共振から外れた振動での変換効率は、共振状態にある振動に対してよりも電力抽出のために一層重要であることがわかる。
【００８４】
電磁変換を持つ振動エネルギーハーベスターにより外部電気負荷内に生成される電力は次式で与えられる。
【数１】
2009528009.tif 000003
但し、ａは、周波数ωでの正弦波振動成分により生じる加速度の大きさであり、ｍは共振器のばね付き質量であり、ＱＯＣは、装置が開回路であるとき、従って有用な電力抽出がないときの共振器のＱ因子であり、ωｎは、次式で与えられる振動の自然周波数であり、
【数２】
2009528009.tif 000004
但し、ｋはばね定数である。κは、コイル内の誘起ＥＭＦを質量及び磁性体に対するその相対速度νと関係づける電磁変換効率であり、即ち
【数３】
2009528009.tif 000005
但し、ＲＣはコイル抵抗である。
【００８５】
パラメータｒはコイル抵抗に対する負荷抵抗の比であり、即ち
【数４】
2009528009.tif 000006
外部負荷内の電力は、ｒが最適化される（インピーダンス整合の）とき、最大化される。
【００８６】
最適抵抗比は次式で与えられる。
【数５】
2009528009.tif 000007
【００８７】
上の表式を使用して、現実のエネルギーハーベスター電力出力をシミュレートすることができる。電力出力対電磁変換効率のシミュレートされた曲線が図３で示される。この曲線は、以降のデバイスパラメータに対して計算される。
【表１】
2009528009.tif 000008
【００８８】
多くのエネルギーハーベスターへの応用では、そのハーベスターが有用な電力を生成できる最も広い周波数帯域を有することが必要であろう。その図は、利用できる電力の８０％を抽出するためには、より広い帯域にわたってより高い変換効率を必要とすることを示す。２％の帯域幅（５０Ｈｚ周りで１Ｈｚ）は、利用できる電力の８０％を抽出するために、共振におけるよりも約２倍大きい変換効率を必要とする。４％の帯域幅は更におおよそ２倍を必要とする。
【００８９】
これは従って、もし有用な帯域幅応答が必要とされるならば、容積が割り当てられたとして、可能な最も効率的な電磁変換機構体を実施することが重要であることを示す。
【００９０】
本発明の実施形態によれば、磁性体及びコイルの相対運動から生成可能な最高電圧（オーム当たり）は、軸方向対称配置を使用して達成される。
【００９１】
その上、線形ばねレートを示さない機械的共振器は、振幅に依存しない自然周波数を示さない。共振振動エネルギーハーベスターは、（ほとんど）一定の自然周波数を必要とする。本発明の実施形態によれば、電気機械変換器は、振幅に依存しない自然周波数を達成するという利点を達成するための新規の構造を提供し、ほぼ一定の自然周波数を示すことができる。
【００９２】
図４及び５で示されるように、装置が、２つの対向する同様な圧縮ばねの間に配置されたボディを移動させられるべく組み入れるとき、静止状態ではばねは両方とも圧縮され、それ故にそれらの線形領域内へバイアスされる。結果として生じる原点周りのばねレートは従って線形であり、個々のばねレートの合計である。
【００９３】
対照的に、図６及び７で示されるように、装置が、単一のばね（引張り又は圧縮）に接続されるボディを移動させられるべく組み入れるとき、静止状態ではばねはその線形領域内へはバイアスされない。結果として生じる原点周りのばねレートは従って非線形である。従って、自然周波数は振幅に依存するであろうし、それで振幅が一定でない限り一定ではないであろう。実際には、電気機械変換器は、エネルギーハーベスターとして使用されるとき、変化する振幅を受け、一定の振幅ではない。そのような条件の下では、自然周波数は変化するであろう。
【００９４】
本発明による電気機械変換器２００の第２の実施形態は図８で例示される。この実施形態は、第１の実施形態と比較して多くの点で変更されている。
【００９５】
筐体２０４は円筒外側表面２０６を有する。蓋２０８は中央開口を与えられていない。蓋２０８は、筐体２０４の上側フランジ２１２へねじで結合される外側フランジ２１０を有する。筐体２０４の下側フランジ２１８へねじで結合される外側フランジ２１６を有するベース２１４が更に提供される。ねじによる結合は気密封止される。このようにして、電気機械変換器２００の全体の内部容積２２０が気密封止される。ねじによる結合とは別の、他の結合が使用されてもよい。
【００９６】
強磁性材料の第２のボディ２２２は、磁性体２２４のそれと同じ外径を有する。強磁性材料の第１のボディ２２６は、支持部２３２の平面状上部表面２３０に隣接する平面状底部表面２２８を有する。軸Ａ〜Ａに沿って配置された心棒２３４は、強磁性材料の第２のボディ２２２、磁性体２２４、強磁性材料の第１のボディ２２６及び支持部２３２を整列させ、一緒に固定する。心棒２３４の上側及び下側端部２３６、２３８は、摩擦のない長手方向の運動のために、それぞれ蓋２０８及びベース２１４内のそれぞれ上側及び下側空洞２４０、２４２内に受容される。心棒２３４と空洞２４０、２４２との間のこの相互関係は、磁性体アセンブリの任意の横方向の運動を機械的に制限する。心棒２３４は、支持部２３２内の穴２４６内にねじで受容されるねじ山付き端部２４４及び強磁性材料の第２のボディ２２２の上側表面にもたれかかる放射状に拡大された頭部２４６を含む。ベース２１４の外面２５０は、装置を架台（図示されず）又はそこからエネルギーが獲得されるべき振動装置（図示されず）に取り付けるためのねじ山付き止まり穴２５２を提供される。
【００９７】
コイル２５４は環状回路基板２５６へ電気的に接続される。回路基板２５６は、コイル２５４の電気出力を制御するための、例えば最大出力電圧を制限するための電気回路を含む。回路基板２５６の平面は、コイル２５４の軸方向に対して垂直である。コイル２５４及び環状回路基板２５６の両方とも、蓋２０８の内側表面２６０に固定され、蓋２０８内の上側空洞２４０を取り囲む環状壁２６２を取り囲む電気絶縁材料、例えば注型プラスチック樹脂の環状ボディ２５８内にカプセル化される。これは、コイル及びその関連する回路基板のために非常に小型で、耐久性のある構造体を提供し、製造の容易さと併せて、高い固有の安全性及び信頼性を有する電気的構造体を提供する。
【００９８】
この実施形態では、典型的には蓋２０８、筐体２０４及びベース２１４は、所望の形状及び寸法に容易に加工できるアルミニウムから成る。磁性体２２４は典型的にはＮｄＦｅＢから成る。強磁性材料の第１及び第２のボディ２２６、２２２は鉄から成り、支持部２３２はタングステン合金等の高密度金属から成る。第１の実施形態でのように、対向するらせん状圧縮ばね２６４、２６６は、心棒２３４により全てが一緒に組み立てられる強磁性材料の第２のボディ２２２、磁性体２２４、強磁性材料の第１のボディ２２６及び支持部２３２を含む磁性体アセンブリに中心位置へ向けてバイアスをかける。
【００９９】
この実施形態は、高い固有の安全性を有し、例えば従来の機械加工操作を使用して容易に製造できる気密封止された装置を提供する。
【０１００】
本発明の電気機械変換器の構成は、既知の電気機械変換器を超える多数の重要な技術的利点を提供する。
【０１０１】
第１に、コイルに対する磁性体アセンブリの軸方向線形運動を提供することにより、それらの間の磁気結合が最大化できる。対照的に、エネルギー獲得装置として使用される既知の電気機械変換器でのように、ばねが片持ち梁を含むとき、磁性体アセンブリとコイルとの相対運動は線形ではなく、曲線に沿っており、そのことは、それらの間の磁気結合を低減し、それで電気出力を低減する。
【０１０２】
第２に、高い横方向の剛性を有し、それらの端部において並進運動に対抗してしっかりと取り付けられている圧縮ばねを提供することにより、コイルに対する磁性体アセンブリの相対線形運動が保証され、横方向の運動が防止される。横方向の運動を防止することにより、極性表面は、コイルに非常に接近して、例えば１ｍｍ未満で設置可能であり、これは次いで、磁性体アセンブリが振動させられるときにコイルにより切断される磁極片間の最大磁束密度を提供する。
【０１０３】
第３に、磁性体アセンブリに中心平衡位置周りで対向する方向に正のバイアスをかける、対向する圧縮ばねを提供することにより、電気機械変換器は任意の向きで使用可能である。磁性体アセンブリは、ばねのバイアスに対抗して中心位置周りで任意の角度の向きで振動可能であり、振動特性及び性能は向きに依存しない。これは、幾つかの既知の電気機械変換器との基本的な差であり、それらを超える重要な実用上の利点を提供する。
【０１０４】
第４に、磁性体アセンブリに中心平衡位置周りで対向する方向に正のバイアスをかける、対向する圧縮ばねを提供することにより、電気機械変換器はコイルによる磁束の最大切断を提供する。中心位置では、磁束の切断は最大である。
【０１０５】
第５に、電気機械変換器の形での共振振動エネルギーハーベスターは、所定の及びほぼ一定の自然周波数を必要とする。本発明の電気機械変換器では、圧縮ばねは、中心圧縮位置周りで圧縮／伸長され、そのことは、それらの圧縮／伸長特性、特にばねレートの線形性を増加させる。これは、自然周波数が磁性体アセンブリの振動の振幅にほぼ依存しないことを提供する。更に、圧縮ばね特性は、装置の動作寿命にわたって一定である可能性がより高く、それにより電気機械変換器の性能を増加させる。
【０１０６】
第６に、磁性体アセンブリの質量は、装置の寸法に対して非常に高くすることができ、それにより例えば片持ち梁装置と比較して装置の全体的な質量密度を増加させるようにすることが可能である。装置により占められるべき所与の容積に対して、より大きな運動質量が提供可能である。これはまた、上述の理由により、電力出力も最大化する。
【０１０７】
これらの利点は一緒に、例えばそれから振動エネルギーが獲得されるべき電気ポンプの筐体に取り付けられた電気機械変換器（５０ｍｍ平方及び５０ｍｍ高さの典型的な外寸を有する）の結果として、約５０Ｈｚの入力振動から５０ボルトの出力電圧（２００ボルトのピークピーク電圧を持つ）を生成できる本発明の電気機械変換器に貢献する。電気出力を増加させることにより、増加された磁気結合の結果として、装置の動作帯域幅は著しく増加可能である。これは次いで、多くの新たにエネルギー獲得に応用して使用される装置の能力を著しく高める。
【０１０８】
第７に、磁性体アセンブリの質量は電気機械変換器の自然周波数に影響を及ぼす。振動体からエネルギーを獲得するとき、現場で装置が受けるべく設計される振動の周波数である所望の自然周波数に電気機械変換器を調整するためには、電気機械変換器の運動質量を制御する必要がある。磁性体アセンブリの露出した端面を提供することにより、典型的にはステンレス鋼等の金属の端面は、磁性体アセンブリから余分な材料を取り除き、それによりその質量を低減するために、旋盤等の工作機械により容易に機械加工可能である。端面の表面を所望の深さまで切り取ることは、回転対称空洞をその下方に拡大する。第１のボディの少なくとも第２の部分は回転対称であるから、その部分は旋盤で容易に機械加工可能である。磁性体アセンブリの部品を、それらを製造し、それらの質量を制御するように機械加工できることは、例えば片持ち梁を用いる電気機械変換器と比較してもう１つの重要な技術的利点である。生産原価が著しく低減可能である。
【０１０９】
第８に、簡単な圧縮ばねが電気機械変換器で採用可能である。それらは、任意の他の部分に接合される必要はない。端部は単にそれぞれの環状チャネル内に取り外し可能に取り付けでき、移動可能な磁性体アセンブリの外側周りに設置できる。各圧縮ばねは、それ自身のバイアス作用の下で取り外し可能に取り付けられる。これは、低摩擦を持ち、複雑で込み入った及び／又は高価な製造技術を避ける、磁性体アセンブリでの横方向の運動を防止するための確実で簡単な構造体を提供する。結果として得られる構造体は堅固で小型である。
【０１１０】
第９に、電気機械変換器は、時には石油掘削プラットフォーム等の潜在的に可燃性の高い環境で使用されるべき必要性がある。そのような環境では、特に電気機械変換器が高出力電圧を生成できるとき、据付けの安全性が電気機械変換器からの不注意な電気火花により損なわれないことが極めて重大である。電気機械変換器全体の周りに気密封印を提供することにより、これは、引火性蒸気の電気機械変換器内へのどんな進入をも防止する。不活性ガスが電気機械変換器内に気密封止されてもよい。別法として、筐体内の容積は部分的に又は全体的に排気されてもよい。
【０１１１】
例示の実施形態では、コイルは静的であり、磁性体は動的である。この配置の利点は、もしコイルが静的であるならば、コイルへの電気接続がより容易に設置でき、より信頼性よく保持されることである。しかしながら、本発明の代替実施形態では、コイルが動的で磁性体が静的である逆の構成が用いられてもよい。
【０１１２】
本発明の他の変更形態及び実施形態は、当業者には明らかであろう。例えば、例示の実施形態では、１つ又は複数のベアリングが、運動素子の振動運動を案内するために、運動素子と筐体との間に提供されてもよく、磁性体が円形横断面以外を有してもよく、磁性体アセンブリ及びコイルが軸周りの回転対称構造体以外を有してもよく、及び／又はバイアス装置が圧縮ばね以外を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の一実施形態による、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変換器の概略斜視図である。
【図２】図１の電気機械変換器を通る線Ｉ〜Ｉ上の概略断面図である。
【図３】理論的な電気機械変換器に対する電力と変換効率との間の関係を示すグラフである。
【図４】２つの圧縮ばね間のボディのアセンブリの概略側面図である。
【図５】図４のアセンブリに対する圧縮と力との間の関係を示すグラフである。
【図６】単一ばねに隣接するボディのアセンブリの概略側面図である。
【図７】図６のアセンブリに対する圧縮と力との間の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第２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変換器の、図２と同様の概略断面図である。
【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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【国際調査報告】
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