(57)【要約】第一層が少なくとも１つの磁石を持ち、第二層が少なくとも１つのコイルを持ち、第三層が少なくとも１つの磁石を持つ多層アセンブリを備える電磁気発電機であって、前記第一層および第三層の少なくとも１つの磁石は、前記少なくとも１つのコイルが配置される磁束領域を前記第一層と第三層の間で定義するように構成され、前記層のうち少なくとも１つは、前記電磁気発電機の振動により移動して前記コイルと前記磁石の間に相対運動を生じ、前記コイル中に電流を生成する前記コイルの可動部分をそれぞれ定義するように形成される電磁気発電機。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一層が少なくとも１つの磁石を持ち、第二層が少なくとも１つのコイルを持ち、第三層が少なくとも１つの磁石を持つ多層アセンブリを備える電磁気発電機であって、前記第一層および第三層の前記少なくとも１つの磁石は、前記少なくとも１つのコイルが配置される磁束領域を前記第一層と前記第三層の間で定義するように構成され、前記電磁気発電機の振動により移動して、前記コイルと前記磁石の間に相対運動を生じさせると共に前記コイル中に電流を生成する、前記コイルの可動部分をそれぞれ定義するように形成される、電磁気発電機。
【請求項２】
前記可動部分が、片持ち梁要素によって各層の周辺枠に結合される各層の統合中心体を備える、請求項１に記載の電磁気発電機。
【請求項３】
各磁石がそれぞれ前記第一層および第三層の表面に適用される層を備える、請求項１または２に記載の電磁気発電機。
【請求項４】
各磁石が各層に取り付けられた磁性体を備える、請求項１または２に記載の電磁気発電機。
【請求項５】
各磁石が各層にあるくぼみに配置される、請求項４に記載の電磁気発電機。
【請求項６】
各磁石が前記第二層に対面する前記第一層または前記第三層の表面にそれぞれ配置される、前記請求項のいずれかに記載の電磁気発電機。
【請求項７】
２つの磁石が前記第一層および第三層のそれぞれに配置され、各層にある前記２つの磁石の表面が前記第二層に対して反対の極性を持つ、前記請求項のいずれかに記載の電磁気発電機。
【請求項８】
前記少なくとも１つのコイルが前記第二層の表面に適用される層を備える、前記請求項のいずれかに記載の電磁気発電機。
【請求項９】
前記少なくとも１つのコイルがプリント層である、請求項８に記載の電磁気発電機。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのコイルが前記第二層の表面に取り付けられた巻きコイルである、請求項１から７のいずれかに記載の電磁気発電機。
【請求項１１】
前記巻きコイルが前記第二層の表面に形成されたくぼみに配置される、請求項１０に記載の電磁気発電機。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのコイルが前記第二層の移動可能部分に配置される、前記請求項のいずれかに記載の電磁気発電機。
【請求項１３】
前記層の少なくとも１つに配置され、前記可動部分が移動すると電流を生成するように適合された少なくとも１つの圧電領域をさらに備える、前記請求項のいずれかに記載の電磁気発電機。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの圧電領域が、前記可動部分が移動すると加圧される可動部分の表面に配置される、請求項１３に記載の電磁気発電機。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの圧電領域が、前記可動部分が事前設定された振幅を超えて移動すると衝撃が加わる前記層の少なくとも１つの表面に配置される、請求項１３または１４に記載の電磁気発電機。
【請求項１６】
電磁気発電機の製造方法であって、
（ａ）少なくとも１つの磁石を持つ第一層を形成し、少なくとも１つのコイルを持つ第二層を形成し、少なくとも１つの磁石を持つ第三層を形成するステップであって、前記層の少なくとも１つは振動によって移動可能な部分をそれぞれ定義するように形成され、前記可動部分は前記第一層および第三層にある前記少なくとも１つの磁石または前記第二層の前記少なくとも１つのコイルのいずれかを持つ、ステップと、
（ｂ）前記第一層、第二層、および第三層をともに組み立てて多層構造を形成するステップであって、前記第一層および第三層の前記磁石は、前記少なくとも１つのコイルが配置される磁束領域を前記第一層と前記第三層の間に定義するよう構成され、前記少なくとも１つの可動部分は、前記多層構造の振動により移動して、前記コイルと前記磁石の間に相対運動を生じ、前記コイル中に電流を生成する、ステップと、
を有する方法。
【請求項１７】
ステップ（ａ）において、前記第一層、第二層、および第三層のそれぞれがウエハーの一部として形成され、複数の第一層、第二層、および第三層の配列がそれぞれ形成される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ステップ（ｂ）において、前記複数の第一層、第二層、および第三層の前記配列上で形成された各ウエハーが組み合わされて多層ウエハーアセンブリが形成され、さらに前記多層ウエハーアセンブリを複数の個別の多層構造に切断するステップ（ｃ）を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記可動部分が、統合片持ち梁要素によって前記各層の周辺枠に結合され、前記各層のエッチングによって形成される統合中央体を備える、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
各磁石が前記第一層および第三層それぞれの表面に適用される層を備える、請求項１７から１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
各磁石が前記各層に取り付けられた磁性体を備える、請求項１７から１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
各磁石が前記各層にあるくぼみに配置される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
各磁石が前記第二層に対面する前記第一層または前記第三層の表面にそれぞれ配置される、請求項１７から２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
２つの磁石が前記第一層および第三層上にそれぞれ配置され、各層にある前記２つの磁石の表面が前記第二層に対して反対の極性を持つ、請求項１７から２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも１つのコイルが、前記第二層の表面に適用される層を備える、請求項１７から２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
前記少なくとも１つのコイルがプリント層である、請求項２６に記載の方法。
【請求項２７】
前記少なくとも１つのコイルが前記第二層の表面に取り付けられた巻きコイルである、請求項１７から２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
前記巻きコイルが前記第二層の表面に形成されたくぼみに配置される、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも１つのコイルが前記第二層の移動可能部分上に配置される、請求項１７から２８のいずれかに記載の方法。
【請求項３０】
少なくとも１つの圧電領域を、前記移動可能部分が移動すると電流を生じるように適合された前記層の少なくとも１つに適用するステップをさらに含む、請求項１７から２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの圧電領域が、前記可動部分が移動すると加圧される可動部分の表面に配置される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの圧電領域が、前記可動部分が事前設定された振幅を超えて移動すると衝撃を受ける前記層の少なくとも１つの表面に配置される、請求項３０または３１に記載の方法。
【請求項３３】
少なくとも２つの磁石およびそれら２つの磁石の間に少なくとも１つのコイルを備える電磁気発電機であって、前記少なくとも２つの磁石は、前記少なくとも１つのコイルが移動することで前記コイルと前記磁石の間の相対運動が前記コイル中に電流を生じる前記２つの磁石の間の磁束領域を定義するように構成され、少なくとも１つの圧電領域が、前記コイルと前記磁石の間の相対運動によりさらに電流を生成するように適合される、電磁気発電機。
【請求項３４】
前記少なくとも２つの磁石および前記少なくとも１つのコイルのうち少なくとも１つが、振動によって移動して前記コイルと前記磁石との間に相関運動を生じる可動部分に配置され、前記少なくとも１つの圧電領域が、前記可動部分が移動すると加圧される前記可動部分の表面に配置される、請求項３３に記載の電磁気発電機。
【請求項３５】
前記少なくとも２つの磁石および前記少なくとも１つのコイルのうち少なくとも１つが、振動によって移動して前記コイルと前記磁石との間に相関運動を生じる可動部分上に配置され、前記少なくとも１つの圧電領域が、前記可動部分が事前設定された振幅を超えて移動すると衝撃を受ける電磁気発電機の表面上に配置される、請求項３３または３４に記載の電磁気発電機。
【請求項３６】
２対の磁石で配置される４つの磁石を備える、電磁気発電機の磁気コアであって、各磁石対は個別のキーパーと組み合わされ、１つの磁石対の各磁石の前端が、もう１つの磁石対の対応する磁石の前端から第一方向に配置され、対面するように２つの磁石対が対向して取り付けられ、対面する前端が反対の磁極を持つことで前記磁気コアにある４つの磁石の前端の間の一対のギャップを定義し、また各対の磁石の後端が各キーパーと接触し、各磁石対が第二方向に交互に配置され、前記第二方向の各磁石の幅と、前記第二方向の磁石コアの高さとの比率が０．４０から０．５５である、磁気コア。
【請求項３７】
前記第二方向の各磁石の幅と、前記第二方向の前記磁気コアの高さとの比率が０．４３から０．５３である、請求項３６に記載の磁気コア。
【請求項３８】
前記第二方向の各磁石の幅と、前記第二方向の磁気コアの高さとの比率が約０．４８である、請求項３７に記載の磁気コア。
【請求項３９】
前記第一方向の各磁石の長さと、前記第二方向の磁気コアの高さとの比率が０．１から０．２４である、請求項３６から３８のいずれかに記載の磁気コア。
【請求項４０】
前記第一方向の各磁石の長さと、前記第二方向の磁気コアの高さとの比率が約０．１７である、請求項３９に記載の磁気コア。
【請求項４１】
前記第一方向の各ギャップの長さと、前記第二方向の磁気コアの高さとの比率が０．１４から０．２６である、請求項３６から４０のいずれかに記載の磁気コア。
【請求項４２】
前記第一方向の各ギャップの長さと、前記第二方向の磁気コアの高さとの比率が約０．２である、請求項４１に記載の磁気コア。
【請求項４３】
前記第一方向の各キーパーの厚みと、前記第二方向の磁気コアの高さとの比率が０．０６から０．１２である、請求項３６から４２のいずれかに記載の磁気コア。
【請求項４４】
前記第一方向の各キーパーの厚みと、前記第二方向の磁気コアの高さとの比率が約０．０９である、請求項４３に記載の磁気コア。
【請求項４５】
前記第一方向の磁気コアの長さと、前記第二方向の磁気コアの高さとの比率が０．６１から０．８１である、請求項３６から４４に記載の磁気コア。
【請求項４６】
前記第一方向の前記磁気コアの長さと、前記第二方向の前記磁気コアの高さとの比率が約０．７１である、請求項４５に記載の磁気コア。
【請求項４７】
パラメータψが方程式
2007504789.tif 000008
で定義される請求項３６から４６のいずれかに記載の磁気コアであって、
式中、Ｂは磁束密度であり、Ａは前記コアの各磁石対の合計表面領域であり、前記表面はギャップを定義し、また前記コアの総面積は、各磁石対とその間のギャップの表面領域との合計表面領域であって、0.04から0.06Tesla2の値を持つ、磁気コア。
【請求項４８】
ψが約0.05Tesla2の値を持つ、請求項４７に記載する磁気コア。
【請求項４９】
前記ギャップ全域の平均磁場が約0.366Teslaである、請求項３６から４８のいずれかに記載の磁気コア。
【請求項５０】
電磁気発電機であって、請求項３６から４９のいずれかに記載の磁気コアと、１対のギャップに配置されるコイルと、前記磁気コアおよび前記コイルの１つを搭載する振動感知マウントと、を備え、それによって電磁気発電機の振動が前記磁気コアおよびコイルの相対運動を生じ、その結果前記コイルにおいて電流を生成する、電磁気発電機。
【請求項５１】
２対の磁石で配置された４つの磁石を含む、電磁気発電機の磁気コアの製造方法であって、各磁石対は個別のキーパーと組み合わされ、１つの磁石対の各磁石の前端が、もう１つの磁石対の対応する磁石の前端から第一方向に配置され、対面するように２つの磁石対が対向して取り付けられ、対面する前端が反対の磁極を持つことで前記磁気コアにある４つの磁石の前端の間の一対のギャップを定義し、また各対の磁石の後端が各キーパーと接触し、各磁石対が第二方向に交互に配置され、
（ａ）前記第二方向の各磁石の幅（ｔｍ）、前記第二方向の磁気コアの高さ（ｌｃ）、前記第一方向の各磁石の長さ（ｌｍ）、および前記第一方向のギャップの長さ（ｇ）を含む、前記磁気コアの幾何学的パラメータのモデルを確立するステップと、
（ｂ）前記パラメータを変えて、方程式
2007504789.tif 000009
で定義されるTesla2単位の出力値ψを提供するステップであって、
式中、Ｂは磁束密度であり、Ａは前記コアの各磁石対の合計表面領域であり、前記表面はギャップを定義し、また前記コアの総面積は、各磁石対とその間のギャップの表面領域との合計表面領域である、ステップと、
（ｃ）パラメータψの最大値を決定するステップと、
（ｄ）少なくともパラメータ値（ｔｍ）、（ｌｃ）、（ｌｍ）、および（ｇ）を決定して、パラメータψの最大値を包含するパラメータψの範囲を提供するステップと、
（ｅ）特定の耐性内で決定されたパラメータ値（ｔｍ）、（ｌｃ）、（ｌｍ）および（ｇ）を有する磁気コアを製造するステップと、
を含む方法。
【請求項５２】
前記第二方向の各磁石の幅（ｔｍ）と、前記第二方向の磁気コアの高さ（ｌｃ）との比率が０．４０から０．５５である、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記第二方向の各磁石の幅（ｔｍ）と、前記第二方向の磁気コアの高さ（ｌｃ）との比率が０．４３から０．５３である、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記第二方向の各磁石の幅（ｔｍ）と、前記第二方向の磁気コアの高さ（ｌｃ）との比率が約０．４８である、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記第一方向の各磁石の長さ（ｌｍ）と、前記第二方向の磁気コアの高さ（ｌｃ）との比率が０．１から０．２４である、請求項５１から５４のいずれかに記載の方法。
【請求項５６】
前記第一方向の各磁石の長さ（ｌｍ）と、前記第二方向の磁気コアの高さ（ｌｃ）との比率が約０．１７である、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記第一方向の各ギャップの長さ（ｇ）と、前記第二方向の前記磁気コアの高さ（ｌｃ）との比率が０．１４から０．２６である、請求項５１から５６のいずれかに記載の方法。
【請求項５８】
前記第一方向の各ギャップの長さ（ｇ）と、前記第二方向の前記磁気コアの高さ（ｌｃ）との比率が約０．２０である、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記第一方向の各キーパーの厚み（ｔｃ）と、前記第二方向の前記磁気コアの高さ（ｌｃ）との比率が０．０６から０．１２である、請求項５１から５８のいずれかに記載の方法。
【請求項６０】
前記第一方向の各キーパーの厚み（ｔｃ）と、前記第二方向の前記磁気コアの高さ（ｌｃ）との比率が約０．０９である、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
請求項１、３３、または５０に記載の少なくとも１つの電磁気発電機を内蔵する、航空機用の健全性・使用履歴監視システム（ＨＵＭＳ）。
【請求項６２】
前記電磁気発電機により作動するセンサーおよびローカルワイヤレス伝送システムを両方含む、請求項６１に記載の航空機用の健全性・使用履歴監視システム（ＨＵＭＳ）。
【請求項６３】
請求項１、３３、または５０に記載の少なくとも１つの電磁気発電機を内蔵する、鉄道線路用の検知システムおよび関連部品。
【請求項６４】
線路から直接、または前記線路に取り付けられた片持ち梁を介して、列車の通過による振動から電力を生じるように前記電磁気発電機が適合される、請求項６３に記載の鉄道線路用の検知システムおよび関連部品。
【請求項６５】
前記検知システムが遠隔地への出力データを遠隔測定するためのセンサーおよび方法を含む、請求項６４に記載の鉄道線路用の検知システムおよび関連部品。
【請求項６６】
請求項１、３３、または５０に記載の少なくとも１つの電磁気発電機を内蔵する自動車用バッテリー充電装置。
【請求項６７】
大型トラックまたは貨物トレーラー用追跡システムのバッテリー再充電システムに内蔵される、請求項６６に記載の自動車用充電装置システム。
【請求項６８】
請求項１、３３、または５０に記載の少なくとも１つの電磁気発電機を内蔵する移動体通信機器。
【請求項６９】
請求項１、３３、または５０に記載の少なくとも１つの電磁気発電機を内蔵する調整監視システム。
【請求項７０】
添付の図面を参照して前項に説明される、電磁気発電機。
【請求項７１】
添付の図面を参照して前項に説明される、電磁気発電機の製造方法。
【請求項７２】
添付の図面を参照して前項に説明される、電磁気発電機の磁気コア。
【請求項７３】
添付の図面を参照して前項に説明される、電磁気発電機の磁気コアの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電磁気発電機、およびそのような電磁気発電機を製造する方法に関する。本発明はまた、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための電磁気発電機に使用される磁気コア、そのようなコアを含む電磁気発電機、および電磁気発電機に使用される磁気コアを製造する方法に関する。特に本発明は、周囲振動エネルギーを、例えばインテリジェントセンサーシステムに電力を供給する際に使用する電気エネルギーに変換することができる小型発電機のような装置に関する。実際にワイヤを取り付けられないアクセス不能な領域においてそのようなシステムを使用して、電力を提供する、またはセンサーデータを伝送することができる。
【背景技術】
【０００２】
現在、当該技術分野において「エネルギー回収」に使用されるもの、および「寄生性電力源」として記述されている装置といったマイクロマシンシステム（ＭＥＭＳ）装置の代替電力源に関する領域において、益々多くの研究活動が行われている。このような電力源は、現在ワイヤレスセンサーに電力を供給する目的で調査されている。
【０００３】
周囲振動から有効な電力を回収するために電磁気発電機を使用することは知られている。典型的な磁石コイル発電機は、システムが振動すると、コイルが磁気コアにより形成された磁束を通過するように、磁石またはコイルに取り付けられたバネ質量の組み合わせで構成される。振動した際に移動する質量は、片持ち梁に取り付けられる。この梁は、装置の周囲に固定されるコイルを用いて、磁気コアに結合することがきるか、またはその逆も同様に可能である。
【０００４】
グリン‐ジョーンズ（Ｇｌｙｎｎｅ‐Ｊｏｎｅｓ）らの「新規振動に基づく電気機械的電力発電機の設計および製造」（センサーとアクチュエータ（Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ）Ａ９２，２００１年，ｐｐ．３３５‐３４２）という表題の論文において、電気機械発電機は、ハウジングに支えられた片持ち梁で構成されると記載されている。梁上の質量は、キーパーに取り付けられた２つの磁石で構成され、Ｃ形状のコアを形成した。その２つの磁石の間にあるエアギャップにおいて、質量が片持ち梁上を動く方向に対して直角にコイルが配置された。本件の発明者数人によるこの事前開示によって有効な電気機械的発電機が製造されたが、機械振動エネルギーを電気エネルギー、ひいては有効な電力に変換する効率を改善する必要がある。
【０００５】
２００２年にチェコ共和国プラハで開催された「ユーロセンサーズ（Ｅｕｒｏｓｅｎｓｏｒｓ）ＸＶＩ」という会議において発行された、サザンプトン大学（サザンプトン，ＳＯ１７  １ＢＪ，ハンプシャー，イギリス）エレクトロニクス・コンピューターサイエンス学部のグリン‐ジョーンズ（Ｇｌｙｎｎｅ‐Ｊｏｎｅｓ）、エムジェイ・テューダー（ＭＪ  Ｔｕｄｏｒ）、エスピー・ビーバイ（ＳＰ  Ｂｅｅｂｙ）、エヌエム・ホワイト（ＮＭ  Ｗｈｉｔｅ）によるその後の論文「インテリジェントセンサーシステム用電磁気振動を動力源とした発電機」において、改良された電気機械的発電機が開示された。この電気機械的発電機は、二重または単一の磁石設計と比較して、各コイル巻き線の長さにおいてより大きい割合の部分を通過して磁場を形成する４つの磁石を内蔵する。この装置の磁石およびコア構造を図１に示す。
【０００６】
ウェブページ「http://www.iee.org/oncomms/pn/measurement/Steve%20Beeby.pdf」は、２００２年１２月１１日に開催された「ホイートストーン計測」に関するセミナーにおいて、イギリスの電気技師インスティテュート（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（ＩＥＥ））で行われたエスピー・ビーバイ（ＳＰ  Ｂｅｅｂｙ）らによる「ワイヤレスエネルギーシステムのための運動エネルギーの回収」という表題の発表の写しである。この発表は、図１に示す磁石、コア、およびコイル構造を有する電気機械的発電機の構造および使用についても同様に開示している。
【０００７】
本発明者数人によるこれらの２つの事前開示は、電気機械的発電機が優れた効率性を持つことを公開しているが、機械振動からの電力生成の効率性を向上させ、製造方法の改善、特に低い製造コストを実現するには設計を改善する必要がある。
【０００８】
一般に図１の２で示されるような磁気コア構造は、４つの磁石４、６、８、１０を備える。各磁石４、６、８、１０は、基本的に対向する末端が反対の極性を持つブロック形状である。この４つの磁石４、６、８、１０は、２つの磁石対で配置され、４、６および８、１０の各磁石対は、例えば鉄などの強磁性体材料のキーパープレート１２、１４とそれぞれ組み合わされる。４、６および８、１０の各磁石対の場合、第一の極性（例、図２の磁石４のＮ極）を有する１つの磁石（例、磁石４）の端が、各キーパープレート（例えば、図２のキーパープレート１２）に対して組み立てられ、反対の極性（例えば、Ｓ極）を有するもう１つの磁石の端（図１の磁石６）は、同一のキーパープレート（キーパープレート１２）に対して組み立てられる。２つの磁石対４、６および８、１０は対向して取り付けられ、ここで反対の極性を持つ磁石端１６、１８、２、２２はそれぞれ離れて対面して位置し、また磁束は２つのキーパープレートによって磁気コア２の２つの対向する外側端に沿って導かれ、その結果磁気的回路を定義する。
【０００９】
この配置により、単一の細長いスロット２４が２つの対向する磁石対４、６および８、１０の間に定義され、またそれぞれ対向する磁石端１６、１８および２０、２２の間に定義される２つのエアギャップ２６、２８において磁気的回路が定義される。図１に示すように、コイル３０はスロット２４に配置される。磁気的回路は、例えば磁石対４、６および８、１０それぞれに結合されるＵ型部材の各端で片持ち梁（表示せず）に取り付けられる。電気機械的発電機が機械振動を受けると、片持ち梁はこれに対応して、図１の矢印で磁石の動きを示すように、磁気的回路に対して上下方向に振動することができる。これにより、コイル３０内で電流が生成される。
【００１０】
本件の発明者数人によるこれらの２つの事前開示は、それぞれ二重または単一の磁石設計と比べて、より大きい長さ比率の各コイル巻き線で形成された磁場の結果、開示の電気機械的発電機が優れた効率性を持つことを示しているが、機械振動からの電力生成の効率性を向上させるには、依然として設計を改善する必要がある。
【００１１】
ロックウェル・テクノロジーズ（Ｒｏｃｋｗｅｌｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ＬＬＣ）の出願ＵＳ‐Ａ‐６３０４１７６は、産業システムを監視する寄生的に電力が供給される検知装置を開示している。同調変換器は、前記システムにより放出された漏れエネルギーを遠隔計測装置および／またはワイヤレス通信リンクが消費するための電位に変換する。この寄生性変換機は、同調機械オシレータに結合される圧電結晶要素であってよい。代替として、前記センサーおよび変換機は、微小機械システム形式であってもよい。しかし、特定の磁石、コアおよびコイルの配置は開示されていない。
【特許文献１】米国特許公開ＵＳ‐Ａ‐６３０４１７６号公報
【非特許文献１】グリン‐ジョーンズ（Ｇｌｙｎｎｅ‐Ｊｏｎｅｓ）ら著、「新規振動に基づく電気機械的電力発電機の設計および製造」（センサーとアクチュエータ（Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ）Ａ９２，２００１年，ｐｐ．３３５‐３４２）
【非特許文献２】グリン‐ジョーンズ（Ｇｌｙｎｎｅ‐Ｊｏｎｅｓ）、エムジェイ・テューダー（ＭＪ  Ｔｕｄｏｒ）、エスピー・ビーバイ（ＳＰ  Ｂｅｅｂｙ）、エヌエム・ホワイト（ＮＭ  Ｗｈｉｔｅ）著、「インテリジェントセンサーシステム用電磁気振動を動力源とした発電機」（ユーロセンサーズ（Ｅｕｒｏｓｅｎｓｏｒｓ）ＸＶＩ会議、２００２年、チェコ共和国、プラハ）
【発明の開示】
【００１２】
本発明は、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための改良された電磁気装置、およびそれを製造する改良された方法を提供することを目的とする。
【００１３】
本発明はまた、周知の装置より高いエネルギー変換効率を有する、機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための電磁気装置を提供する。
【００１４】
従って本発明は、第一層が少なくとも１つの磁石を持ち、第二層が少なくとも１つのコイルを持ち、第三層が少なくとも１つの磁石を持つ多層アセンブリを備える電磁気発電機を提供する。前記第一層および第三層の少なくとも１つの磁石は、前記少なくとも１つのコイルが配置される磁束領域を前記第一層と第三層の間で定義するように構成され、前記層のうち少なくとも１つは、前記電磁気発電機の振動により移動して前記コイルと前記磁石の間に相対運動を生じ、前記コイル中に電流を生成する前記コイルの可動部分をそれぞれ定義するように構成される。
【００１５】
さらに本発明は、少なくとも１つの磁石を持つ第一層、少なくとも１つのコイルを持つ第二層、および少なくとも１つの磁石を持つ第三層を形成するステップ（ａ）、ここで前記層のうち少なくとも１つは、振動によって移動可能なそれぞれの可動部分を定義するように形成され、前記可動部分は第一層および第三層にある少なくとも１つの磁石または第二層にある少なくとも１つのコイルのいずれかを備え、また前記第一層、第二層、および第三層をともに組み立てて、第一層と第三層の磁石が少なくとも１つのコイルが配置される磁束領域の間で定義するように構成される多層構造を形成するステップ（ｂ）を含み、ここで少なくとも１つの可動部分は多層構造の振動によって移動可能であり、それによってコイルと磁石の間に相対運動が生じ、コイルにおいて電流が生成される。
【００１６】
本発明は、少なくとも２つの磁石と、それらの間に配置される少なくとも１つのコイルを備え、前記少なくとも２つの磁石は、その間で少なくとも１つのコイルが配置される磁束領域を定義するように構成される。ここで、前記コイルと前記磁石の間に相対運動が生じ、コイルにおいて電流が生成される。また前記コイルと前記磁石の間の相対運動によって追加の電流を生成するように適合される少なくとも１つの圧電領域を備える電磁気発電機をさらに提供する。
【００１７】
本発明はまた、電磁気発電機の磁気コアであって、２つの磁石対で配置される４つの磁石を備える磁気コアを提供する。各磁石対はそれぞれのキーパーと組み合わされ、２つの磁石対は１つの磁石対の各磁石の前端が、もう１つの磁石対の対応する磁石の前端から第一方向に配置され、対面するように対向して取り付けられ、対面する前端が反対の磁極を持つことで前記磁気コアにある４つの磁石の前端の間の一対のギャップを定義し、また各対の磁石の後端が各キーパーと接触し、各磁石対は互いに第二方向に配置される。ここで、第二方向の各磁石の幅と第二方向の磁気コアの高さの比率は０．４から０．５５である。
【００１８】
本発明は、本発明に基づく磁気コア、一対のギャップに配置されるコイル、および前記磁気コアおよび前記コイルの１つを取り付けるための振動に敏感なマウントを備える電磁気発電機をさらに提供する。ここで、電磁気発電機の振動により前記磁気コアと前記磁気コイルの相対運動が生じ、コイルにおいて電流が生成される。
【００１９】
さらに本発明は、電磁気発電機用磁気コアの製造方法を提供する。前記磁気コアは、２つの磁石対で配置される４つの磁石を備える。ここで各磁石対はそれぞれのキーパーと組み合わされ、１つの磁石対の各磁石の前端が、もう１つの磁石対の対応する磁石の前端から第一方向に配置され、対面するように２つの磁石対が対向して取り付けられる。２つの磁石対は１つの磁石対の各磁石の前端が、もう１つの磁石対の対応する磁石の前端から第一方向に配置され、対面するように対向して取り付けられ、対面する前端が反対の磁極を持つことで前記磁気コアにある４つの磁石の前端の間の一対のギャップを定義し、また各対の磁石の後端が各キーパーと接触し、各磁石対は互いに第二方向に配置される。前記方法は、
（ａ）第二方向の各磁石の幅（ｔｍ）、第二方向の磁気コアの高さ（ｌｃ）、第一方向の各磁石の長さ（ｌｍ）、および第一方向のギャップの長さ（ｇ）を含む、前記磁気コアの幾何学的パラメータのモデルを確立する、
（ｂ）方程式
2007504789.tif 000003
で定義される出力値ψを提供するように前記パラメータを変える。ここでＢは磁束密度であり、Ａは前記コアの各磁石対の合計表面領域であり、前記表面はギャップを定義し、また前記コアの総領域は、各磁石対の総表面領域にその間にあるギャップの表面領域を加えた合計表面領域であって、
（ｃ）パラメータψの最大値を決定する、
（ｄ）少なくともパラメータ値（ｔｍ）、（ｌｃ）、（ｌｍ）、および（ｇ）を決定して、パラメータψの最大値を含むψの範囲を提供する、
（ｅ）特定の耐性内で決定されたパラメータ値（ｔｍ）、（ｌｃ）、（ｌｍ）および（ｇ）を有する磁気コアを製造する、方法を含む。
【００２０】
本発明の電気機械的発電機は、センサーシステムに対して電力を提供する特定のアプリケーションを有する。本発明によると、このような電源内蔵式インテリジェントセンサーシステムの典型的なアプリケーション領域は、体内または体上（例、ヒト、動物）、回転物体上、溶融プラスチックまたは硬化コンクリートなどの液体内、橋、建物、航空機、または道路などの構造モニタリング、およびフィールドの汚染モニタリングなどの環境モニタリングである。
【００２１】
本発明の電磁気発電機は、特に小型化された場合に多くの使用法およびアプリケーションを持つ。例えば、前記電磁気発電機は、電力を必要とするユニット（例、センサーユニット）へのケーブル配線が困難および／または費用がかかる場合、ユニットの寿命におけるバッテリーパワーが不十分である場合、重量が重要である場合、また電力を回収するために十分なレベルの振動が入手できる場合にアプリケーションにおいて非常に役立つ。前記電磁気発電機の振動回収技術を使用して、バッテリー電力システムに対して充電機器を提供する場合もある。
【００２２】
特定の好ましいアプリケーションにおいて、本発明の電磁気発電機はヘリコプターおよび固定翼機用健全性・使用履歴監視システム（ＨＵＭＳ）に組み込まれる場合がある。
【００２３】
ＨＵＭＳシステムは、ヘリコプター（または他の航空機）の状態および特定の応力条件における飛行時間に関連する振動および他のパラメータを監視する。センサーのインストールおよびこれらの装置からのデータ抽出は、インストール時にも定期的なメンテナンス時においてもコストが主要な問題となる。本発明の電磁気発電機の利点は、インストールにかかるコストが低く、メンテナンスに要する時間が短いことである。前記センサーは、ローカルワイヤレス伝送システムに組み込まれ、ＨＵＭＳ監視システムにデータを転送する。前記電磁気発電機を備えたセンサーシステムのいくつかの利点は、既存または新しい機体上に配線をインストールする複雑性が回避され、ケーブル配線の重量が解消されることである。また、監視センサーは高い据え付け費用がかかることなく、短い試用期間で取り付けることができる。
【００２４】
別の特定の好ましいアプリケーションにおいて、本発明の電磁気発電機は鉄道線路および関連部品の検知システムに組み込まれる場合がある。
【００２５】
鉄道線路および関連部品の状態は、イギリス国内および恐らく世界中の関心事である。線路の状態および重要な部品の有無を検知するためのセンサーシステムを提供する方法が知られている。場合によっては、センサーを駆動するために適切なローカル電力がある。しかし、特に遠隔地または離れた場所の場合、遠距離ローカル電力が入手できない、または不都合が生じる場合もある。この場合、単一の電源（広い地理的領域用）に対して、またはＧＰＳリンクを介して出力データを遠隔測定できる電源内蔵式センサー（例、ひずみセンサー）が必要となる。列車が通過すると、線路から直接、または線路に取り付けられた片持ち梁を介して振動がセンサーに伝わる。他の鉄道設備の監視は、例えば、線路のひずみ計測、バラスト状態と高さ、およびポイント監視を含む。
【００２６】
さらに特定の好ましいアプリケーションにおいて、本発明の電磁気発電機は、例えば大型トラックまたは貨物トレーラーといった車両のバッテリー充電をトラッキングする充電システムに組み込まれる場合がある。
【００２７】
連結トレーラーは、物流アプリケーションのために追跡する必要がある。このアプリケーションにおいて、トレーラーはトラクタユニットに連結されている場合にのみ電力を得る。その場合でも、改造した追跡システムには電力が使用できない場合もある。システムがバッテリーで作動する場合、システムが牽引されている間にバッテリーを充電する独立した充電装置を持つことが有利となる。この充電システムは、本発明の電磁気発電機を組み込んでもよい。その場合、トレーラーが静止している間、およびトラクタユニットから切り離されている間、バッテリーは追跡システムに電力を供給することができる。
【００２８】
さらに別の特定の好ましいアプリケーションにおいて、本発明の電磁気発電機は、例えば軍隊用の背負い式通信機器（例、ボーマン（Ｂｏｗｍａｎ））といったバッテリーで作動する移動体通信機器に組み込まれる場合がある。バッテリーは戦場で運搬される装置の全体重量において大きな割合を占める。この装置は、機側操作中に相当の振動を受ける。本発明の電磁気発電機によって、これらの振動をバッテリーパックの充電に使用するのに適した状態の電力に変換することが可能である。本発明の電磁気発電機は、重量を軽減し、且つ通信機器に使用可能な電力を維持できるため、ユーザーにとって実益となる。
【００２９】
別の好ましいアプリケーションにおいて、本発明の電磁気発電機は、非常に幅広い分野で多種多様な機器に使用されている状態監視システムに組み込まれる場合がある。例えば、本発明の電磁気発電機を任意の種類の機器上の振動状態監視センサーに電力を供給するために使用される場合がある。
【実施例】
【００３０】
ここで、本発明の実施例について添付の図面を参照して説明するが、これは例示することのみを目的としている。
【００３１】
本発明に基づく磁石コイル発電機は、システムが共振した場合に、磁石により形成される磁束を切断して前記磁石とコイルの間に相対運動を生じるように磁石またはコイルに取り付けられたバネ質量の組み合わせから成る。前記バネ質量は、主に、磁気コイル発電機の筺体に固定されたコイルを用いて磁石に結合することができるか、またはその反対も可能な片持ち梁である。この２つの可能な配列は、可動磁石配列または可動コイル配列と呼ばれる。
【００３２】
図２から４を参照して、本発明の実施例に基づいて一般に１００のように設計される電磁気発電機は、多層構造１０１で構成され、多くの層が互いに挟まれている。中央層１０２はコイル１０４および２つの対向する外部層１０６、１０８を備える。前記外部層はそれぞれ中央層１０２の両側に配置され、各内部表面１０７、１０９には磁石１１０、１１２が配置される。磁石１１０、１１２は、代替として前記外部層の各外部表面１０６、１０８に配置される場合がある。コイル１０４に向けて配置される磁石表面１１４、１１６は対立する極性を持つため、その間の磁束が拡張する。コイル１０４は、２つの対向する外部層１０６、１０８の間で定義される空洞１１７内で、電磁気発電機１００に振動が加えられると移動することができる。コイル１０４は中央層１０２の平面で移動する。その移動方向を図４の矢印で示す。磁石１１０、１１２は、それらの磁束がコイル１０４の移動によって切断されるように配置され、それによってコイル１０４内で電流が生成される。この電流は、コイル１０４に接続された結合ワイヤ１１８に沿って供給される。
【００３３】
図３でさらに明示されるように、本発明の電磁気発電機において、コイル１０４の両側で互いに対向する磁石柱は、対立する極性を持つ（例、一方がN極、もう一方がS極）。コイル１０４のそれぞれ対立する側面に２つの磁石、つまり合計４つの磁石が存在する場合、各磁石対は互いに対立する極性（例、一方がN極、もう一方がS極）を持つポールに面しており、コイルの両側にはそれぞれの極性を持つ磁石面がある（例、一方がN極、もう一方がS極）。
多層構造１０１は、一般的に１．５から２ｍｍの厚みで、図面における典型的な寸法は約５ｍｍ四方である。
【００３４】
外部層１０６、１０８は、一般的にそれぞれ０．５から０．７５ｍｍの厚みを持つ。最も典型的な外部層は、ホウケイ酸ガラス（例えば、「パイレックス（登録商標）」として商業的に入手可能なもの）で構成されるが、代替としてシリコンまたはガリウムヒ素などのウエハー形式で商業的に入手可能な他の材料で構成されるか、またはアルミニウム、スチールまたはインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）などの合金といった厚膜法に適合する材料で構成されてもよい。
【００３５】
最も好ましくは、外部層１０６、１０８はウエハー技術に用いられるステップを用いて生成される。このため、単一のウエハーは、一般に共通のウエハー上に複数（一般に数百）の外部層を生成する一連のステップによって処理される。
【００３６】
以下に記載のとおり、外部層を組み込む２つのウエハーは、対応して複数の中央層１０２に組み込まれる中央ウエハーの対向する両端に結合される。ウエハーを結合した後、３つのウエハーの合成アセンブリを切断（またはさいの目にカット）して、それぞれ２つの外部層１０６、１０８とその間に挟まれた中央層１０２を含む複数の個別の結合アセンブリを形成する。
【００３７】
外部層１０６、１０８はそれぞれ中央層１０２上に配置され、隙間のある磁石対１２０、１２２および１２４、１２６が配置される。それらの磁石は外部層１０６、１０８をそれぞれ形成するように各ウエハーの表面に適用される。主に、磁石１２０、１２２および１２４、１２６は、磁気材料または磁気化可能な材料を含むインクを、最終的に外部層１０６、１０８をそれぞれ形成するウエハーの表面にスクリーン印刷することによって生成された厚膜磁石である。代替として、磁石１２０、１２２および１２４、１２６は、薄膜析出または電気めっきなど他の方法で製造される場合がある。磁気層が形成されると、磁石は正しい極性に分極される。
【００３８】
代替の実施例では、単一の磁石が２つの外部層１０６、１０８それぞれに配置される。
【００３９】
さらに別の実施例では、外部層１０６、１０８の間に定義される空洞１１７ではなく、外部層１０６、１０８の外部表面に磁気層が配置される場合がある。
【００４０】
さらに別の実施例では、図５に示すように磁気層を外部層１０６、１０８の表面に形成する代わりに、凹部１２８が外部層１０６、１０８に刻まれて事前に形成され、分極化した磁石１３０が凹部１２８に挿入されて、接着剤などでそこに固定される。この実施例において、外部層１０６、１０８にはそれぞれ２つのバルク磁石１３０があり、その磁石は各層１０６、１０８の外部表面上にある。しかし、外部層１０６、１０８にはそれぞれたった１つの磁石１３０しか存在し得ない。
【００４１】
しかし、バルク磁石１３０は外部ウエハーの間にある空洞１１７または多層構造の外部のいずれかに位置するように配置される場合がある。このようなバルク磁石の使用により、磁気層で得られる磁束より高い磁束を提供でき、また適用された磁気層から必要な極性を持つ磁石の形成を必要とする追加の分極化ステップを避けることができる。典型的なバルク磁石は、図面における寸法が１ｍｍ四方であり、約０．７５ｍｍの厚みを持つ。
【００４２】
バルク磁石を使用する場合、カップリングの程度を改善するには、強い流束密度を生じるタイプの磁石を選択することが望ましい。このアプリケーションには希土類磁石が最適であり、従来のアルニコ磁石に比べて最大５倍までの磁気エネルギー密度を提供する。この場合、ネオジムホウ素鉄（ＮｄＦｅＢ）磁石が１立方ｃｍあたり最強の磁気特性を有し、１２０℃まで使用可能である。さらに高温での作業が必要な場合、力の弱いサマリウムコバルト磁石であれば最高２５０℃までの作業温度で使用できる。
【００４３】
中央層１０２は、外部層１０６、１０８に使用されるようなウエハー技術を使用して個別に製造され、また例えば、ホウケイ酸塩ガラス、シリコンまたはガリウムヒ素といった商業的に入手可能なウエハー形式の材料、あるいはアルミニウム、スチール、またはインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）などの合金でといった厚膜処理に適合する材料で構成される。最も一般的には、中央層１０２はシリコンで構成される。なぜなら、シリコンは以下に記載のように片持ち梁の形成に使用するのに好ましい機械的特性を有するからである。
【００４４】
中央層１０２はパドルと呼ばれる中心体１３６を囲む周辺枠１３４で構成される。パドルは単一の梁要素１３８によって周辺枠１３４に取り付けられ、片持ち梁を形成する。梁要素１３８とは別に、パドル１３６は中央層１０２の厚みを通して伸びるカットアウト１４０に囲まれている。梁要素１３８は柔軟性を持つような寸法になっているため、中央層１０２の平面において、パドル１３６はカットアウト１４０内を動くことができるが、中央層１０２の平面外の移動に関しては剛性を有する。必要に応じて、中央パドル１３６の移動に関する追加の剛性と制御は、中央パドル１３６と周辺を取り囲む枠１３４の間に追加の梁要素を含めることによって組み込んでもよい。中央パドル１３６の側面１４２と周辺を取り囲む枠１３４の対向する側面１４４の間のスペース「ｄ」は、事前設定された中央パドル１３６の振動の最大振幅よりわずかに大きくなるように選択される。しかし、中央パドル１３６が周辺を取り囲む枠１３４に誤って衝突した場合、比較的薄い梁要素１３８は壊れないか、そうでなければ損傷を受ける。
【００４５】
中央層１０２の構造は、例えば深い反応性イオンエッチングなどによってウエハーをエッチングすることによって得られ、周辺枠１３４と中央パドル１３６の間にカットアウト１４０を定義する開口部を形成する。
【００４６】
中央パドル１３６は、１つ以上の統合コイル１４６をその一面または両面に組み込む。各コイル１４６は、その表面で基礎から形成されるように、例えば厚膜印刷または電気化学析出などによって中央パドル１３６の各表面上で形成されることが最も好ましい。各コイル１４６は、中央パドル１３６が最適な電磁気発電機１００において完全な振幅で水平に振動する場合に、磁石１１０、１１２によって形成された磁束を最大限切断するような寸法になっている。その後、各コイル１４６への電気接続１５０は、結合ワイヤ１１８がコイル１４６に取り付けられるようにウエハー上で形成される。この電気接続は、拡散またはメタライゼーションなどよく知られた方法で形成してもよい。
【００４７】
特に好ましい実施例において、圧電材料の少なくとも１つの領域がさらに電磁気発電機に追加され、磁束を通過するコイルの移動だけでなく、圧電材料への圧力負荷による外部振動の結果、装置が電流を生成する。
【００４８】
本発明のこの側面を組み込む実施例に従って、活性圧電材料１６０の少なくとも１つの領域が、中央層１０２のパドル１３６が事前設定された最大振幅を越えて移動した場合に衝撃を与える領域に磁石１１０、１１２を備える外部層１０６、１０８ウエハーの一方または両方に印刷される。さらに、代替として活性圧電材料の少なくとも１つの領域１６２は、好ましくはパドル１３６の支持梁要素１３８といった材料の任意の追加のひずみ部分に印刷される。このような活性圧電材料の追加領域は、電気的に結合ワイヤ（１１８）に接続される（方法は図示せず）。このような活性圧電材料の利点により、磁石によって形成された磁束におけるコイルの移動によって収集された電気エネルギーに加え、その圧電効果から収集された追加の有効な電気エネルギーを生成することができる。
【００４９】
外部層１０６、１０８、および中央層１０２から成る三層が集合して多層アセンブリを形成する。この組立プロセスでは、３つの層すべてが同時にまたは連続的に組み立てられる。一般的に層はシリコン融合結合または静電気結合などのウエハー結合技術を使用して結合される。
【００５０】
必要に応じて、パドル１３６と磁石１１０、１１２の間に適切な隙間を確保するため、
また磁石１１０、１１２に関連してパドル１３６のスムーズな移動を可能にするため、周辺スペーサ（図６の実施例において１７０および１７２として表示）を中央層１０２および各外部層１０６、１０８の間にある中央層１０２の両側にそれぞれ配置される場合がある。代替として、磁石１１０、１１２を収納するために、パドル１３６の形成中にエッチングによってその厚みを削減すると、周辺スペーサを備える必要がなくなる。
【００５１】
図５の線X‐Xに沿った断面図であるが異なる実施例を示す図６のように、コイルはワイヤコイル１４６を備える。このワイヤコイルは、中央層１０２の表面上でコイル１４６を形成する代わりに、電磁気発電機に組み込まれる。この実施例において、ワイヤ巻きコイル１４６は、パドル１３６の対立する２つの面１４７、１４９の１つに提供される。このため、事前に形成されたワイヤコイルは、例えば接着剤によって、パドル１３６の一面に取り付けられる。巻きコイル１４６を収納するため、必要に応じて、コイル１４６をパドル１３６の表面に形成されたそれぞれの凹部１５１に配置してもよい。この特定の実施例は、統合された片持ち梁要素１３８とともにパドル１３６を形成するシリコンの優れた機械的特性と併せて、巻きコイルの利点として高レベルの性能をもたらす。必要に応じて、２つのコイル１４６をパドル１３６の各面１４７、１４９に１つずつ提供してもよい。
【００５２】
本発明の好ましい方法に従ってウエハー処理を行うと、外部層１０６、１０８、および中央層１０２が形成される。つまり、一連の複数（通常、数百）の外部層１０６、１０８が２つの第１ウエハー上でそれぞれ同時に形成され、また一連の複数（同様に通常、数百）の中央層が単一の第２ウエハー上で形成される。それらのウエハー（２つの第１ウエハーおよび１つの第２ウエハー）は、例えば静電気またはシリコン融合結合によって結合され、単一の多層構造を形成する。次にこの多層構造は複数の個別の三層装置１０１に分割され、各装置１０１に結合ワイヤ１１８が取り付けられる。その後、各装置１０１は必要に応じてそれぞれの筺体に包含される（図示せず）。
【００５３】
図解した実施例の電磁気発電機は三層構造を組み込むが、本発明の他の側面に従って、この電磁気発電機はより高い出力パワーを得るために複数の三層ユニットを組み込んでもよい。
【００５４】
図解した実施例において、電磁気発電機は４つの磁石を含み、コイルの両側にはそれぞれ２つの磁石が配置されている。この構成は、二重磁石設計（コイルの両側にそれぞれ１つの磁石）を用いた他の構成と比較して、各巻き線の長さのより多くの部分を通じて磁場を形成する。
【００５５】
このため、ある一定の電磁気カップリングに対して、コイルを短くすることによりコイル巻き線における抵抗の損失が削減される。しかし、本発明では磁石を２つのみ、コイルの両側にそれぞれ１つの磁石を用いる場合もある。
【００５６】
また任意で、コイルの両側にある各磁石対にキーパー要素が提供される。このキーパーは、各対の２つの磁石の対立する極性を持つ両表面と接触する。
【００５７】
このコイルは、磁場を通過するコイルの比率、コイルの巻数、およびその直列抵抗によって特徴付けられる。コイルインダクタンスなどの二次効果は、多くのアプリケーションが低周波数であるため、しばしば無視することができる。
【００５８】
上記のように、本発明では巻きコイルとプリントコイルの２種類が使用される。
【００５９】
プリントコイルは、基盤上の導電体および絶縁体のスクリーン印刷層によって、プリント基板（PCB）の製造とほぼ同様の方法で形成できる。プリントコイルは、プリント層と同様に非常に薄くすることができ、通常１０μｍ厚である。このアプローチは特に小型の装置に有効である。また小型化するにつれて製造が困難になる巻きコイルとは対照的に、プリントコイルは標準厚膜印刷工程のみに関与するため製造が容易になる。プリントコイルの欠点は、厚みの薄い各層がコイルに対して高い直列抵抗を生じることである。従来の厚膜技術で得られる厚みより太い巻き線（例、＞５０μｍ）が必要な場合は、巻きコイルが適切で経済的に製造できる。プリントコイルは既に基盤に取り付けられているという更なる利点を持ち、コイルに剛性が加わるため、コイルと磁石の外部層の間に必要な隙間が削減される。さらに、このコイルは、マイクロエンジニアリングの技術分野においてシリコンウエハー上の構造を定義するために使用されるような石版印刷法によって形成される場合がある。これらの処理は、先行技術においてよく知られており、スパッタリング、蒸発、または電気めっきなど様々な処理によって構築でき、シリコンウエハーに限らず任意のウエハー様基盤に適用することができる。
【００６０】
効率的なエネルギー変換のために、パドルを備える梁要素がその共振周波数で励起されることが望ましい。この共振周波数は、梁の振幅および環境温度に敏感である。また、梁材料への過剰な負荷による破損を防ぐことができる最大梁振幅を判定することも望ましい。装置全体が真空で覆われるように真空密閉の筺体を含む設計であることが好ましい。この真空状態は、ウエハー結合プロセス中にカットアウト１４０を含む空洞１１７内で生成することができる。
【００６１】
図示された実施例において、磁石の対立する両極の間に延びる長手方向のブロック型磁石は、長方形の横軸断面を持つことが示されるが、この断面図は、例えば円形断面を提供することにより変化する場合がある。
【００６２】
代替の実施例では、コイルは固定位置にあり、電気機械発電機に与えられる機械振動の結果として磁石はコイルと関連する移動に適合される。このため、磁石は１つ以上の振動可能なパドルに設置され、コイルは多層装置の固体層に搭載または配置される。
【００６３】
本発明に従って、最小の電磁気発電機を製造するウエハー処理および厚膜技術を使用することにより、装置を容易に一括製造することができるため、低い製造コストが実現する。さらに、そのような装置は容易に最小化され、容易に制御可能な周知の製造ステップを使用するため高い信頼性を有する。
【００６４】
さらに、本発明の特定の好ましい側面において、振動エネルギーの通常の入力から電気エネルギーの電磁気的および圧電的回収を組み合わせることによって、非常に効率の良い装置を製造することができる。
【００６５】
図７を参照し、本発明の別の実施例に従って、電気機械発電機の磁気コア構造を示す。
【００６６】
一般に図７の２０２のように定義される磁気コア構造は、図１の周知の磁気コア構造とほぼ同様の一般的な構造的構成を有する。このため、磁気コア構造２０２は、４つの磁石２０４、２０６、２０８、２１０で構成される。各磁石２０４、２０６、２０８、２１０は、両端が対向する極性を持つほぼブロック型である。４つの磁石２０４、２０６、２０８、２１０は２つの磁石対で配置され、その各対は例えば鉄などの強磁性体であるキーパープレート２１２、２１４とそれぞれ組み合わされる。各磁石対２０４、２０６および２０８、２１０の場合、第一極性（例、図７の磁石２０４の場合N極）を持つ１つの磁石（例、磁石２０４）の端がキーパープレート（例、図７のキーパープレート２１２）に組み合わされ、もう一方の磁石（図７の磁石２０６）の対向する極性（例、S極）を持つ端が、同一のキーパープレート（キーパープレート２１２）に組み合わされる。２対の磁石２０４、２０６および２０８、２１０は反対の極性を持つ磁石２１６、２１８および２２０、２２２の端と互いに離れて、また対面して搭載され、また２つのキーパープレート２１２、２１４によって磁気コア２０２の対向する２つの外部端の周囲を誘導される磁束を持つ。これによって、磁気的回路が定義される。
【００６７】
この配置で、単一の細長いスロット２２４が２つの対向する磁石ペア２０４、２０６および２０８、２１０の間で定義され、またその間にある２つのエアギャップ２２６、２２８の磁気的回路においても定義される。各エアギャップ２２６、２２８は、対向する磁石端２１６、２１８および２２０、２２２それぞれの間で定義される。図１に示されるように、コイルはスロット２２４に配置される。磁気的回路は、例えばU型部材などの片持ち梁に搭載され、U型部材の各末端は磁石２０４、２０６および２０８、２１０の各対に結合される。電気機械発電機が機械振動を受けやすい場合、片持ち梁が対応して図７に示す磁気的回路に関して上下方向に振動し、また図１において磁石の移動を示す矢印によって示されるように振動する。通常の動作中に、梁の振幅は、コイルが磁石の対向する末端２１６、２１８；２２０、２２２の間のエアギャップ２２６、２２８を残すほど十分に大きくはない。振動がなく磁気コア２０２が休止状態にある場合、片持ち梁は中央位置にあり、コイルの巻き部分の上部および下部２３２、２３４は、図１に示すような磁気回路により形成される磁場を通過する。
【００６８】
カップリングのレベルを向上させるため、強い磁束密度を生じるタイプの磁石を選択することが望ましい。このアプリケーションには希土類磁石が最適であり、従来のアルニコ磁石に比べて最大５倍までの磁気エネルギー密度を提供する。この場合、ネオジムホウ素鉄（NdFeB）磁石が１立方ｃｍあたり最強の磁気特性を有し、１２０℃まで使用可能である。さらに高温での作業が必要である場合、力の弱いサマリウムコバルト磁石であれば最高２５０℃までの作業温度で使用できる。
【００６９】
磁気コアを含む磁気的回路、およびコアにより形成される磁場に常駐するコイルは図１に示すように配置される。この構成は４つの磁石に基づき、二重または単一の磁石設計を用いた他の構成と比較して、各巻き線の長さのより多くの部分を通して磁場が形成される。このため、ある一定の電磁気カップリングに対して、コイルを短くすることによりコイル巻き線における抵抗の損失が削減される。
【００７０】
このコイルは、磁場を通過するコイルの比率、コイルの巻数、およびその直列抵抗によって特徴付けられる。コイルインダクタンスなどの二次効果は、多くのアプリケーションが低周波数であるため、しばしば無視することができる。
【００７１】
上記のように、本発明では巻きコイルとプリントコイルの２種類が使用される。
【００７２】
プリントコイルは、基盤上の導電体および絶縁体のスクリーン印刷層によって、プリント基板（PCB）の製造とほぼ同様の方法で形成できる。プリントコイルは、プリント層と同様に非常に薄くすることができ、通常１０μｍ厚である。このアプローチは特に小型の装置に有効である。また小型化するにつれて製造が困難になる巻きコイルとは対照的に、プリントコイルは標準厚膜印刷工程のみに関与するため、製造が容易になる。プリントコイルの欠点は、厚みの薄い各層がコイルに対して高い直列抵抗を生じることである。従来の厚膜技術で得られる厚みより太い巻き線（例、＞５０μｍ）が必要な場合は、巻きコイルが適切で経済的に製造できる。プリントコイルは既に基盤に取り付けられているという更なる利点を持ち、コイルに剛性が加わるため、コイルと磁石の外部層の間に必要な隙間が削減される。さらに、このコイルは、マイクロエンジニアリングの技術分野においてシリコンウエハー上の構造を定義するために使用されるような石版印刷法によって形成される場合がある。これらの処理は、先行技術においてよく知られており、スパッタリング、蒸発、または電気めっきなど様々な処理によって構築でき、シリコンウエハーに限らず任意のウエハー様基盤に適用することができる。
【００７３】
本発明の電磁気発電機の実施例において、手巻きコイルをエッチング加工したステンレス鋼片持ち梁に取り付けて慣性質量を形成した。NdFeB磁石はエポキシ樹脂で覆われた各磁石対を持つ片持ち梁に強固に保持した。４つの磁石の間にある可動コイルに基づくこのような電磁気発電機の実施例では、周囲振動から有効な電力レベルを生成することができる。例えば、車のエンジンブロックに搭載される場合、このような装置は平均１５７μＷの電力、また３．９mＷのピーク電力を生成した。一般的な初期コイル電圧振幅は２５０ｍVであった。
【００７４】
効率的なエネルギー変換のために、梁がその共振周波数で励起されることが望ましい。この共振周波数は、梁の振幅、環境温度、および取り付け位置におけるわずかな振動に敏感である。また、梁材料への過剰な負荷による破損を防ぐことができる最大梁振幅を判別することも望ましい。装置全体が真空で覆われるように真空密閉の筺体を含む設計であることが好ましい。
【００７５】
図示された実施例において、対向する複数の磁石２０４、２０６、２０８、２１０の両端の間に延びる長手方向のブロック型磁石２０４、２０６、２０８、２１０は、長方形の横軸断面を持つことが示されるが、この断面図は、例えば円形断面を提供することにより変化する場合がある。
【００７６】
さらに、各キーパープレート２１２、２１４は長方形のブロックとして示されているが、キーパープレート２１２、２１４の形状は例えば長方形以外の横軸断面および／または断面領域内で変化する断面を持つことによって変えることができる。
【００７７】
代替実施例では、磁気コア２０２は固定位置にあり、コイルは磁気機械発電機に与えられる機械振動の結果として磁気コア２０２と関連する移動に適合する。
【００７８】
図７を参照し、本発明に従って、本発明者らは磁石設計に関する特定の形状および構成が機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換効率を改善することが分かった。図７に示すように、磁石２０４、２０６、２０８、２１０はコアの長さｌｍおよび厚みｔｍを持つ。強磁性体キーパープレート２１２、２１４は長さｌｃおよび厚みｔｃを持つ。各磁石対２０４、２０６および２０８、２１０の間のエアギャップ２２６、２２８の幅はｇで示される。磁石２０４、２０６および２０８、２１０、ならびにキーパープレート２１２、２１４を含むすべての構成要素の深さは等しく、Tで示される。磁気コアの全体幅はWで示され、磁気コアの全長Lはキーパープレート２１２、２１４の長さ１と同一である。２つの磁石の全表面領域Aは２tmＴで示され、各磁石対の総表面領域にその間のギャップの表面領域を加えたコアの総面積はLTで示される。
【００７９】
本発明者らは、有限要素モデルを生成することによってエアギャップ内の磁場に対してコアの配置が与える影響について探求した。このモデルは左右対称の設計を利用し、４分の１の部分のみをシミュレートした。モデルは平面的であり、深さ方向における任意のエッジ効果については無視した。典型的な寸法の有限要素モデルを図８に示し、境界条件を示すための注釈を記載する。
【００８０】
強磁性体キーパーは、ネオジニウムホウ素鉄磁石に典型的な相対浸透率が５０００の線形B‐H特性を持つものをモデルとしている。大きなエアギャップの磁気抵抗が結果を左右する傾向があるため、浸透率の正確な値は重要ではない。有限要素分析中の飽和は無視した。またモデリング後に設計をチェックして、最終的な設計モデルにおいて飽和状態が生じなかったことを確認した。
【００８１】
図９、１０、および１１は配置構成の異なる極端に関して計算された典型的磁束パターンを示す。図９に示すように、磁石同士が近い場合、磁束線の大部分はギャップをまっすぐ横切って流れ、漏れはほとんどない。磁石が図１０に示すような位置に離れるにつれて、いくつかの磁束がコアと同じ側の磁石の間で湾曲する。これは図１１に示すようにコアを長くすることによって部分的に軽減することができる。
【００８２】
本発明者らは、バッチコンピュータプログラムを作成してモデルの幾何学的パラメータを自動的に変化させ、適切な出力データを計算した。出力データのエアギャップはB‐フィールド、および各構成における、
2007504789.tif 000004
の値を含む。この整数値はエアギャップ内の磁場によって格納される磁気エネルギーに対する割合である。このモデルは線形であるため、このモデルによって予期されるBフィールドはスケールが不変であった。そのため、分析の間パラメータｔmは固定され、またパラメータｇ、ｌｍ、およびｌｃはｔｍの割合に伴って変化した。
【００８３】
この分析の結果、コアの厚みｔｃは（十分に大きい場合に限り）、結果として生じるフィールドパターンにほとんど影響しないことが分かったため、ｔｃを２ｔｍ値に設定した。ｔｃを二倍にしても、その影響は典型的構成においてエアギャップ内の平均磁場をほんの０．３％m増加するだけであることが分かった。
【００８４】
処理後、シミュレーションによってｇ、ｌｍおよびｌｃの各組み合わせに関する結果を示す三次元のデータセットが生成された。各データポイントにおいて、コアにおける磁気飽和を回避するｔｃの最小値が判別された（2TeslaのBsat値と仮定する）。次に各ポイントに対してコアの総幅Wが検出された。
本発明者らは、次にコアのボリュームごとに格納される磁気エネルギーの量に関連する変数ψ（Tesla2）を識別および定義した。ψは以下のように定義した。
（式１）
2007504789.tif 000005
ここで、Bは磁束密度であり、Aはエアギャップを定義するコアの各磁石対の総表面積であり（図７において２tmＴで示される）、またコアの総面積は各磁石対の総表面積にその間にあるギャップの表面積を足した合計である（図７においてLTで示される）。
【００８５】
続いて、本発明者らはパラメータPLの方程式を識別し、定義した。これは電磁気発電機により負荷に伝達される有効な電力である。
（式２）
2007504789.tif 000006
ここで、PLは負荷に伝達される有効な電力である。
mは図７に示すコアの総質量である。
ωnはシステムの固有角周波数である。
Bは磁束密度である。
αは振動のピーク振幅励起である。
Quは望ましくない減衰である。
gは図７におけるギャップの長さｇである。
ρはコイルの抵抗（オームｃｍ）である。
Tは図７における深さTを示す。
Hcは図７におけるlcを示す。また、Wは図７における長さWである（電磁気発電機の磁気コアは、長さW、高さHc、および深さTの筐体（箱）に適合する）。
【００８６】
発電機設計におけるコアの方程式１中のψの重要性は、式２を検討することによって評価することができる。ここで、方程式２において大括弧［…］で囲まれた項は、式１中の変数ψの値と等しい。本発明者らはそのため、図７に示すような磁石の形状および磁石コア構造のキーパープレートを選択することによって変数ψの値を最大化できることを発見した。これによって、次に図７に示す形状の振動ベース発電機によって有効に供給される電力の最大化が可能になる。最大値を提供する幾何学的構成が存在するという本発明者らの発見は、先行技術から誘導されるものではなく、特定の外法に対する電力出力を最大化できる電磁気発電機の構造を提供することによって、先行技術を超える技術的利点を提供するものである。
【００８７】
方程式２にはその他２つの項がある。これもまた、PLの方程式における幾何学的構成に依存する。１つは、Quで示される望ましくない減衰量である。これは幾何学的パラメータ、梁振幅、およびこの分析では対象となっていない梁の根元におけるばね締め付けの詳細といった他の要素の複雑な機能となる。このパラメータの変化が電力出力に著しく影響するが、設計者はこのパラメータをコントロールすることはできないことが認識されている。
【００８８】
２つ目は中括弧｛…｝で囲まれた項であり、コイルの質量を除くコアの平均密度を示す。ギャップｇを削減することによってさらなる電力を生成できる場合もある（特に低励起で）。これを行うことによって、電磁気カップリング（従ってψ）は減少するが、質量は増加する。
【００８９】
しかし、このギャップｇを設計者がどれだけ削減できるかは、このギャップに適合するコイルのサイズによって制限される。そのため、設計者がこのパラメータをコントロールすることはできない。
【００９０】
そのため、特定レベルの減衰とコイルサイズの場合、変数ψを最大化することが、負荷において最大エネルギーを生成する鍵となることを発明者らは発見した（例、最大エネルギー変換効率）。
【００９１】
従って、バッチプログラムからのデータセットを検討した結果、本発明者らはg/tm、lm/tm、lc/tmの３次元パラメータ空間においてψの単一の最大値が存在することを発見した。ψの最大値に基づく最も好ましい次元関係を表１に示す。
【表１】
2007504789.tif 000007
【００９２】
表中の各項目に関連する誤差によって、規定の値と最大値における実際のパラメータ値の間の誤差が推定される。この誤差は、モデルの薄い領域にある要素が非理想的な形状であるために生じる出力データにおける数的不一致の結果である。この不一致によって最大値の位置があいまいになる。ｇおよびｌｃが量的に減少する場合よりも、それらが最も好ましい値から増加するにつれて、ψがゆっくり減少する傾向にあることに注意すること。このため、設計においてψの好ましい値を確保するには、大きいほうのｇおよびｌｃを想定するほうがよい。
【００９３】
実際、パラメータ比率は製造のばらつきから生じる範囲内に包含され、好ましくは発電機効率において約＋／−１０％の変化に対応する。
表１に特定されるような最も好ましい次元関係に基づいてパラメータが選択される場合、磁気コア設計の磁場パターンは図１２に示すようになる。
パラメータ比率ｔｍ／ｌｃは磁石形状と関連するため、高い効率性を得るには非常に重要である。本発明に基づいて、パラメータ比率ｔｍ／ｌｃは０．４０から０．５５、好ましくは０．４３から０．５３の範囲であり、最も好ましくは約０．４８である。
パラメータ比率ｌｍ／ｌｃは、磁石の配置にも関係するため高い効率性を得るのに非常に重要である。本発明に従って、パラメータ比率ｌｍ／ｌｃは好ましくは０．１から０．２４、最も好ましくは約０．１７である。
例えば低いパラメータ値ｇを持つ磁石同士が近くにある場合、磁束線の大部分はギャップをまっすぐに横切り、ほとんど漏れはない。磁石間の距離が増すにつれて、コアの同一側面にある磁石の間の流速が湾曲する。磁石同士が近すぎる場合は、コイルにスペースが存在しない。本発明に従って、パラメータ比率ｇ／ｌｃは好ましくは０．１４から０．２６の範囲であり、最も好ましくは約０．２０である。
パラメータ比率ｔｃ／ｌｃは、効率性に関して制限的に影響する強磁性キーパーの厚みによって異なる。本発明に従って、パラメータ比率ｔｃ／ｌｃは好ましくは０．０６から０．１２の範囲であり、最も好ましくは約０．０９である。
パラメータ比率Ｗ／Ｉｃは順にｌｍおよびｇで制御される装置全体の幅によって異なる。本発明に従って、パラメータ比率Ｗ／ｌｃは好ましくは０．６１から０．８１の範囲であり、最も好ましくは約０．７１である。
ψは、好ましくは０．０４から０．０６のTesla２値を有し、さらに好ましくは約０．０５のTesla２値を有する。
【００９４】
電気機械発電機の最大サイズがこの最適な設計を生み出すのに適正な寸法ではない場合には、利用可能な可変容積を、より理想的な寸法のいくつかの小さな容積に分割することにより、最適な値に近付けることができることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】機械振動エネルギーを電気エネルギーに変換する周知の電磁気装置の磁石、コア、およびコイルの構成を示す概略側面図である。
【図２】本発明の第一実施例に基づく電気機械発電機の概略斜視図である。
【図３】図２の電気機械発電機の概略斜視拡大図である。
【図４】図２の電気機械発電機におけるコイルと片持ち梁の構造配置を示す概略平面図である。
【図５】本発明の別の実施例に基づく電気機械発電機の概略平面図である。
【図６】本発明の別の実施例に基づく電気機械発電機の断面図である。
【図７】本発明の別の実施例に基づく電気機械発電機の磁気コア構造を示す概略側面図である。
【図８】電気機械発電機の磁石コアの特性を判別するために本発明において使用される有限要素モデルを示す。
【図９】磁気コアの幾何学図形の異なる極端に対して本発明において使用されるモデルに基づいて計算される磁気コアの典型的な磁束パターンを示す。
【図１０】磁気コアの幾何学図形の異なる極端に対して本発明において使用されるモデルに基づいて計算される磁気コアの典型的な磁束パターンを示す。
【図１１】磁気コアの幾何学図形の異なる極端に対して本発明において使用されるモデルに基づいて計算される磁気コアの典型的な磁束パターンを示す。
【図１２】本発明の好ましい実施例に基づく電気機械発電機の磁気コアの磁気フィールドパターンを示す。
【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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【国際調査報告】
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