(57)【要約】  発電機は、磁石の第１配列または第１シート状磁石、第１導体および電力管理回路を備える。第１配列は、磁石の一次元または二次元配列を含む。第１シート状磁石は、交互に磁極が配置された一次元または二次元配列を含む。第１導体は、第１多層印刷回路基板の複数の層の上に設けられた第１蛇行導体、または１またはそれ以上の平面上に設けられた第１蛇行導体を含む。電力管理回路は、磁石の第１配列または第１シート状磁石と第１導体との間の相対的な運動の結果として直流電力を与える。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面上に配置された磁石の第１配列であって、磁石の一次元または二次元配列を含む磁石の第１配列と、
第１多層印刷回路基板の複数の層の上に設けられた第１蛇行導体を含む第１導体と、
前記磁石の第１配列と前記第１導体との間の相対的な運動の結果として直流電力を与える電力管理回路とを備えることを特徴とする発電機。
【請求項２】
請求項１に記載の発電機において、
前記磁石の第１配列が、交互に磁極が配置された一次元または二次元配列を有するシート状磁石を含むことを特徴とする発電機。
【請求項３】
請求項１に記載の発電機において、
前記第１蛇行導体が、前記多層印刷回路基板の単一層上の複数の蛇行を含むことを特徴とする発電機。
【請求項４】
請求項１に記載の発電機において、
第２導体をさらに含み、前記第２導体が、第２多層印刷回路基板の複数の層の上に設けられた第２蛇行導体を含み、前記第１多層印刷回路基板および前記第２多層印刷回路基板が、前記磁石の第１配列の両側に配置されていることを特徴とする発電機。
【請求項５】
請求項１に記載の発電機において、
磁石の第２配列をさらに含み、前記磁石の第２配列が、磁石の一次元または二次元配列を含み、前記磁石の第１配列および前記磁石の第２配列が、前記第１導体の両側に配置されていることを特徴とする発電機。
【請求項６】
請求項１に記載の発電機において、
前記相対的な運動が、前記平面と平行な運動を含むことを特徴とする発電機。
【請求項７】
請求項１に記載の発電機において、
前記相対的な運動が、前記平面に対して垂直な運動を含むことを特徴とする発電機。
【請求項８】
発電方法であって、
磁石の第１配列と第１導体との間の相対的な運動の結果として直流電力を与えるステップを備え、
前記第１配列が、磁石の一次元または二次元配列を含み、前記第１導体が、第１多層印刷回路基板の複数の層の上に設けられた第１蛇行導体を含むことを特徴とする発電方法。
【請求項９】
交互に磁極が配置された一次元または二次元配列を含む第１シート状磁石と、
１またはそれ以上の平面上に設けられた第１蛇行導体を含む第１導体と、
前記シート状磁石と前記第１導体との間の相対的な運動の結果として直流電力を与える電力管理回路とを備えることを特徴とする発電機。
【請求項１０】
請求項９に記載の発電機において、
前記第１導体が、巻きワイヤを含むことを特徴とする発電機。
【請求項１１】
請求項９に記載の発電機において、
前記第１導体が、多層回路基板上の導体を含むことを特徴とする発電機。
【請求項１２】
請求項９に記載の発電機において、
第２導体をさらに含み、前記第２導体が、１またはそれ以上の平面上に設けられた第２蛇行導体を含み、前記第１導体および前記第２導体が、前記第１シート状磁石の両側に配置されていることを特徴とする発電機。
【請求項１３】
請求項９に記載の発電機において、
第２シート状磁石をさらに含み、前記第２シート状磁石が、交互に磁極が配置された一次元または二次元配列を含み、前記磁石の第１配列および前記磁石の第２配列が、前記第１導体の両側に配置されていることを特徴とする発電機。
【請求項１４】
請求項９に記載の発電機において、
前記相対的な運動が、前記平面と平行な運動を含むことを特徴とする発電機。
【請求項１５】
請求項９に記載の発電機において、
前記相対的な運動が、前記平面に対して垂直な運動を含むことを特徴とする発電機。
【請求項１６】
発電方法であって、
第１シート状磁石と第１導体との間の相対的な運動の結果として直流電力を与えるステップを備え、
前記第１シート状磁石が、交互に磁極が配置された一次元または二次元配列を含み、前記第１導体が、１またはそれ以上の平面上に設けられた第１蛇行導体を含むことを特徴とする発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多極電磁発電機に関するものである。
［その他の出願の相互参照］
本出願は、２００９年９月１６日に出願された、発明の名称を“ＭＵＬＴＩＰＯＬＡＲ  ＥＬＥＣＴＲＯＭＡＧＮＥＴＩＣ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ”とする米国仮特許出願第６１／２４２，８０５号（代理人整理番号：ＥＣＯＨＰ００１＋）に対して優先権を主張する。この出願は、事実上、引用により本明細書に援用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
革新的な電力ソリューションに対する明確な必要性を有する数多くのセンサ応用分野が存在する。工業オートメーション、サプライチェーンマネージメント、建設、ホームオートメーション、資産管理および環境モニタリングにおける無線センサネットワークのための市場は、２０１２年までに４億個のデバイスを遥かに上回る規模にまで成長することが期待されている。そのようなシステムの平均的な有効寿命は、１０年以上に想定されており、それは、従来の電池のスタンドアロン使用が、大量の電池にロバストエネルギーソリューションを課すことを意味している。
【０００３】
運動からのエネルギーの採取は、精力的な研究の注目の的となっている。一般的な技術的アプローチとして、圧電、静電気および電磁気の３つアプローチがある。数多くの研究グループおよび企業は、過去２０年間、振動を利用する小型薄膜圧電素子を開発することを試みている。しかしながら、１つの問題点は、薄膜圧電エネルギーが、高圧低電流出力、典型的には何十ボルトおよびナノアンペア未満のため、出力が限られており、それが、大幅な損失を生じることなく変換することを困難にしている。別の問題点は、圧電（ＰＺＴ）材料の高い固有振動数、典型的にはＭＨｚであり、それは、実際の用途で利用可能な任意の振動または循環的運動に結合させることができない。
【０００４】
その他のグループは、静電発電機の開発に注目している。静電発電機は、高電圧および低電流しか生成しないという事実により、圧電発電機と同様に限られた出力を有する。また、多くの場合、静電発電機は、当該静電発電機が依存する静電空隙（electrostatic air gap）の相対的に低いエネルギー密度に起因して圧電または電磁発電機の何れよりも低い出力密度を有することが示される可能性がある。
【０００５】
他方、電磁発電機は、圧電材料の振動数に制限されることなく、相対的に大きな出力を供給する潜在力がある。しかしながら、望ましい小規模において十分な出力を生成することは、未だ達成されていない。また、小規模デバイスの不一致固有振動数（unmatched natural frequency）、典型的にはｋＨｚは、殆どの用途で一般に利用可能な振動に結合させることができない。結局、現在の設計は、最先端技術の精度機械加工およびアセンブリ（例えばレーザ切断、放電加工機（ＥＤＭ）およびＣＮＣ加工機）またはマイクロマシニングおよび薄膜技術（例えば、磁性材料、永久磁石および磁性合金はともに、薄膜として使用することは難しく費用がかかる。マイクロマシニングは、一般に、デバイスのサイズが大きくなるに連れてコストがかかり、この場合、デバイスは、適当な出力を与えるために相対的に大きく（〜１ｃｍ＾２）する必要がある。このサイズでは、マイクロマシニングは、非常にコストがかかる。）を必要とし、それは、その製造コストを、電池の製造コストを超えて劇的に増大させる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、様々な方法で実行することができ、それには、プロセス、装置、システム、物質の組成、コンピュータ可読記憶媒体上に具現化されるコンピュータプログラム製品、および／またはプロセッサに接続されるメモリに格納される命令および／またはそのメモリによって与えられる命令を実行するように構成されたプロセッサのようなプロセッサとして実行することが含まれる。この明細書では、本発明が取ることができるこれら実施または任意のその他の形式は技術と呼ばれることがある。一般に、開示されるプロセスのステップの順序は、本発明の範囲内で変更することができる。他に記載がなければ、タスクを実行するように構成されているものとして記載されるプロセッサまたはメモリのような構成要素は、所与のときにタスクを実行するように一時的に構成される一般構成要素として、またはそのタスクを実行するように製造された専用構成要素として実施されるものであってもよい。本明細書に使用される用語“プロセッサ”は、コンピュータプログラム命令のようなデータを処理するように構成された、１またはそれ以上のデバイス、回路および／または処理コアを指している。
【０００７】
本発明の１またはそれ以上の実施形態の詳細な説明は、本発明の原理を示す添付図面とともに以下に提供する。本発明は、そのような実施形態と関連して説明するが、本発明は、実施形態の何れかに限定されるものではない。本発明の範囲は、請求項によってのみ限定されるものであり、本発明は、数多くの代替物、変形物および均等物を包含する。本発明の完全な理解を与えるために、数多くの具体的詳細を以下の説明に述べる。それらの詳細は、例示の目的で与えられるものであり、本発明は、それら具体的な詳細の一部またはすべてがなくとも、請求項に従って実践することができる。明確にすることを目的に、本発明に係る技術分野で知られている技工物は、本発明が不必要に不明瞭にならないように、詳細には説明していない。
【０００８】
発電機が開示されている。幾つかの実施形態では、発電機は、平面上に配置された磁石の配列と、導体と、電力管理回路とを備える。配列は、磁石の一次元配列または二次元配列を含む。導体は、多層印刷回路基板の複数の層の上に設けられた蛇行導体（serpentine conductor）を含む。電力管理回路は、磁石の配列と導体間の相対的な運動の結果として直流電力を生成する。
【０００９】
発電機が開示されている。幾つかの実施形態では、発電機は、シート状磁石（sheet magnet）と、導体と、電力管理回路とを備える。シート状磁石は、交番磁極（alternating magnetic poles）の一次元配列または二次元配列を含む。導体は、単一面よりも多い面上にある蛇行導体を含む。電力管理回路は、シート状磁石と導体間の相対的運動の結果として直流電力を生成する。
【００１０】
発電機が開示されている。幾つかの実施形態では、発電機は、多極磁石と、一組のコイルと、電力管理回路とを備える。多極磁石およびコイルは、互いに対して振動する。電圧および／または電流は、多極磁石と一組のコイル間の相対運動により生成される。電力管理回路は、標準的な電子または電気システムによる使用のために生成される電力を調整する。
【００１１】
幾つかの実施形態では、導体または一組のコイルが多層回路基板として実装される。回路基板が固定されるか、不動である場合、磁石が、導体に対して振動することを可能にする屈曲部（flexure）に取り付けられる。磁石が固定される場合、回路基板（またはその他の実施形態のコイルまたは導体）が、磁石に対して振動することを可能にする屈曲部にしっかりと取り付けられる。
【００１２】
幾つかの実施形態では、多層回路基板が、当該多層回路基板の多層の表面上に導体を有し、それが、多極磁石の磁界に対する領域を提供する。多層回路基板は、多極磁石に対して移動（例えば、振動）されるか、または磁石が回路基板に対して移動される。多層回路基板の導体は、多層回路基板と多極磁石の間の相対運動により、導体に囲まれる磁束の変化を受け、導体により生成される平面コイルを横切って生成される電圧および／または電流を引き起こす。幾つかの実施形態では、電力管理回路が、整流（例えば、ダイオード回路）を使用して交流電圧（振動による）を直流電圧に変換するとともに、コンデンサおよび／またはバッテリにエネルギーを蓄えるか、電力を使用する電気負荷または回路に直接的に電力を与えることにより、出力を調整する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明の様々な実施形態を、以下の詳細な説明および添付図面に開示する。
【図１】図１Ａ乃至図１Ｆは、発電機の一部分の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図２Ａは、発電機の一実施形態を示すブロック図である。図２Ｂは、懸架シート構造の実施形態を示すブロック図である。
【図３】図３Ａは、多層回路基板の一層上の導体レイアウトの一実施形態を示すブロック図である。図３Ｂは、断面における導体の一実施形態を示すブロック図である。図３Ｃは、多層回路基板の一層上の導体の一実施形態を示すブロック図である。図３Ｄは、多層回路基板の２層上の導体の一実施形態を示すブロック図である。図３Ｅは、多層回路基板の一実施形態を示すブロック図で、５の蛇行導体が多層の各々に設けられている。
【図４】図４Ａは、多極磁石の一実施形態を示すブロック図である。図４Ｂは、磁石シートの形態の多極磁石の一実施形態を示すブロック図である。図４Ｃは、棒磁石のアレイの形態の多極磁石の一実施形態を示すブロック図である。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは、発電機の一実施形態を示すブロック図である。
【図６】図６は、コイル導体の実施形態を示すブロック図である。
【図７】図７は、電力管理回路の一実施形態を示すブロック図である。
【図８】図８は、電力管理プロセスの一実施形態を示すフロー図である。
【図９】図９は、電力管理プロセスの一実施形態を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１Ａは、発電機の一部分の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、多極磁石１００および多極磁石１０２の各々が、北−南向きの磁石の後に南−北向きの磁石が隣接する循環を有する一連の磁石を備える。幾つかの実施形態では、多極磁石１００および／または多極磁石１０２がシート状磁石（例えば、ＮｄＦｅＢシート状磁石）を含む。幾つかの実施形態では、シート状磁石は、〜１５０ミリテスラの表面磁界を有する。様々な実施形態では、磁石のピッチは、２、３ミリメートル、１ミリメートル、１ミリメートルの数分の１またはその他の任意の適当なピッチである。幾つかの実施形態では、ピッチが、エネルギーを採取される運動の範囲と一致する。幾つかの実施形態では、多層回路基板に磁界を与える多極磁石（例えば、多極磁石１００または多極磁石１０２）が１つのみ存在する。
【００１５】
多極磁石１００および多極磁石１０２の各々は、多層回路基板１０４に磁界を与える。多極磁石１００および多極磁石１０２は、多層回路基板１０４の両側にある。多極磁石１００および多極磁石１０２は、一方の磁石の北のストライプが他方の磁石の南のストライプと一致するように位置合わせされている。多層回路基板１０４は、２つの磁石（多極磁石１００および多極磁石１０２）のため、より強い磁界を受ける。多層回路基板１０４は、多極磁石１００および多極磁石１０２に対して相対的に動く。多層回路基板１０４は、懸架部材（suspension）１０６および懸架部材１１０を使用して振動する。懸架部材１０６は、固定構造１０８から多層回路基板１０４を懸架する。懸架部材１１０は、固定構造１１２から多層回路基板１０４を懸架する。懸架された多層回路基板１０４の振動数が、発電機が受ける運動に調整されるように、懸架部材１０６および懸架部材１１０が選択される。様々な実施形態では、多層回路基板１０４および／または懸架部材１０６および／または懸架部材１１０のサイズ、材料、質量（例えば、加える質量）またはその他の任意の適当な特性を選択することにより、調整が達成される。幾つかの実施形態では、多層回路基板１０４に重量が加えられる。幾つかの実施形態では、懸架部材１０６および／または懸架部材１１０が低コストのスタンピングおよび切断を使用して作成される。幾つかの実施形態では、懸架部材１０６および／または懸架部材１１０がプラスチックで形成される。幾つかの実施形態では、懸架シートが多層回路基板１０４に結合される場合、懸架部材１０６および／または懸架部材１１０が懸架シートの一部となる。
【００１６】
幾つかの実施形態では、多層回路基板１０４は、大体、幅５．５ｃｍ、高さ５．５ｃｍ、厚さ１ｍｍである。多層回路基板１０４は、１０ｇの重さがあり、約１６０Ｈｚの共振周波数を有する型打ちした金属製の懸架部材１０６および懸架部材１１０を使用して懸架される。
【００１７】
幾つかの実施形態では、多層回路基板１０４は、大体、幅３．５ｃｍ、高さ４ｃｍ、厚さ１ｍｍである。多層回路基板１０４は、４ｇの重さがあり、約８０Ｈｚの共振周波数を有する金属製の懸架部材１０６および金属製の懸架部材１１０を使用して懸架される。
【００１８】
図１Ｂは、発電機の一部分の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、多極磁石１２０および多極磁石１２２の各々が、北−南向きの磁石の後に南−北向きの磁石が隣接する循環を有する一連の磁石を備える。幾つかの実施形態では、多極磁石１２０および／または多極磁石１２２がシート状磁石（例えば、ＮｄＦｅＢゴムシート状磁石）を含む。幾つかの実施形態では、シート状磁石は、〜１５０ミリテスラの表面磁界を有する。様々な実施形態では、磁石のピッチは、２、３ミリメートル、１ミリメートル、１ミリメートルの数分の１またはその他の任意の適当なピッチである。幾つかの実施形態では、ピッチが、エネルギーを採取される運動の範囲と一致する。幾つかの実施形態では、多層回路基板に磁界を与える多極磁石（例えば、多極磁石１２０または多極磁石１２２）が１つのみ存在する。
【００１９】
多極磁石１２０および多極磁石１２２の各々は、多層回路基板１２４に磁界を与える。多極磁石１２０および多極磁石１２２は、多層回路基板１２４の両側にある。多極磁石１２０および多極磁石１２２は、一方の磁石の北のストライプが他方の磁石の南のストライプと一致するように位置合わせされている。多層回路基板１０４は、２つの磁石（多極磁石１２０および多極磁石１２２）のため、より強い磁界を受ける。多層回路基板１２４は、多極磁石１２０および多極磁石１２２に対して相対的に動く。多極磁石１２０は、懸架部材１２５および懸架部材１２９を使用して振動する。懸架部材１２５は、固定構造１２７から多極磁石１２０を懸架する。懸架部材１２９は、固定構造１３２から多極磁石１２０を懸架する。懸架部材１２６は、固定構造１２８から多極磁石１２２を懸架する。懸架部材１３０は、固定構造１３１から多極磁石１２２を懸架する。懸架された多極磁石１２０および多極磁石１２２の振動数が、発電機が受ける運動に調整されるように、懸架部材１２５、懸架部材１２６、懸架部材１２９および懸架部材１３０が選択される。様々な実施形態では、多極磁石１２０および／または多極磁石１２２および／または懸架部材１２５、懸架部材１２６、懸架部材１２９および／または懸架部材１３０のサイズ、材料、質量（例えば、加える質量）またはその他の任意の適当な特性を選択することにより、調整が達成される。幾つかの実施形態では、多層回路基板１２４に重量が加えられる。幾つかの実施形態では、懸架部材１２５、懸架部材１２６、懸架部材１２９および／または懸架部材１３０が低コストのスタンピングおよび切断を使用して作成される。幾つかの実施形態では、懸架部材１２５、懸架部材１２６、懸架部材１２９および／または懸架部材１３０がプラスチックで形成される。幾つかの実施形態では、懸架シートが多極磁石１２０または多極磁石１２２に結合される場合、懸架部材１２５、懸架部材１２６、懸架部材１２９および／または懸架部材１３０が懸架シートの一部となる。多極磁石１２０または多極磁石１２２は、それぞれ独立に振動可能とされる。
【００２０】
図１Ｃは、発電機の一部分の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、多極磁石１４０および多極磁石１４２の各々が、北−南向きの磁石の後に南−北向きの磁石が隣接する循環を有する一連の磁石を備える。幾つかの実施形態では、多極磁石１４０および／または多極磁石１４２がシート状磁石（例えば、ＮｄＦｅＢシート状磁石）を含む。幾つかの実施形態では、シート状磁石は、〜１５０ミリテスラの表面磁界を有する。様々な実施形態では、磁石のピッチは、２、３ミリメートル、１ミリメートル、１ミリメートルの数分の１またはその他の任意の適当なピッチである。幾つかの実施形態では、ピッチが、エネルギーを採取される運動の範囲と一致する。幾つかの実施形態では、多層回路基板に磁界を与える多極磁石（例えば、多極磁石１４０または多極磁石１４２）が１つのみ存在する。
【００２１】
多極磁石１４０および多極磁石１４２の各々は、多層回路基板１４４に磁界を与える。多極磁石１４０および多極磁石１４２は、多層回路基板１４４の両側にある。多極磁石１４０および多極磁石１４２は、一方の磁石の北のストライプが他方の磁石の南のストライプと一致するように、懸架部材の静止位置で位置合わせされている。多層回路基板１４４は、２つの磁石（多極磁石１４０および多極磁石１４２）のため、より強い磁界を受ける。多層回路基板１４４は、多極磁石１４０および多極磁石１４２に対して相対的に動く。多極磁石１４０および多極磁石１４２は、懸架部材１４６および懸架部材１５０を使用して振動する。懸架部材１４６は、固定構造１４８から多極磁石１４０および多極磁石１４２を懸架する。懸架部材１５０は、固定構造１５２から多極磁石１４０および多極磁石１４２を懸架する。懸架された多極磁石１４０および多極磁石１４２の振動数が、発電機が受ける運動に調整されるように、懸架部材１４６および懸架部材１５０が選択される。様々な実施形態では、多極磁石１４０および／または多極磁石１４２および／または懸架部材１４６および／または懸架部材１５０のサイズ、材料、質量（例えば、加える質量）またはその他の任意の適当な特性を選択することにより、調整が達成される。幾つかの実施形態では、多層回路基板１４４に重量が加えられる。幾つかの実施形態では、懸架部材１４６および／または懸架部材１５０が低コストのスタンピングおよび切断を使用して作成される。幾つかの実施形態では、懸架部材１４６および／または懸架部材１５０がプラスチックで形成される。幾つかの実施形態では、懸架シートが多極磁石１４０または多極磁石１４２に結合される場合、懸架部材１４６および／または懸架部材１５０が懸架シートの一部となる。多極磁石１４０または多極磁石１４２は、それらが一体に振動するように結合される。
【００２２】
図１Ｄは、発電機の一部分の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、多極磁石１６０が、北−南向きの磁石の後に南−北向きの磁石が隣接する循環を有する一連の磁石を備える。幾つかの実施形態では、多極磁石１６０がシート状磁石（例えば、ＮｄＦｅＢシート状磁石）を含む。幾つかの実施形態では、シート状磁石は、〜１５０ミリテスラの表面磁界を有する。様々な実施形態では、磁石のピッチは、２、３ミリメートル、１ミリメートル、１ミリメートルの数分の１またはその他の任意の適当なピッチである。幾つかの実施形態では、ピッチが、エネルギーを採取される運動の範囲と一致する。
【００２３】
多極磁石１６０は、多層回路基板１６４および多層回路基板１６５に磁界を与える。多層回路基板１６４および多層回路基板１６５は、多極磁石１６０の両側にある。多層回路基板１６４および多層回路基板１６５は、懸架部材の静止位置において、一つの磁石の北のストライプが、回路基板における導体線と一致するように位置合わせされている。多極磁石１６０の運動は、多層回路基板１６４および多層回路基板１６５上の導体間の領域に含まれる磁束の変化を生じさせ、その結果、電流が生じる。多極磁石１６０は、懸架部材１６６および懸架部材１７０を使用して振動する。懸架部材１６６は、固定構造１６８から多極磁石１６０を懸架する。懸架部材１７０は、固定構造１７２から多極磁石１６０を懸架する。懸架された多極磁石１６０の振動数が、発電機が受ける運動に調整されるように、懸架部材１６６および懸架部材１７０が選択される。様々な実施形態では、多極磁石１６０および／または懸架部材１６６および／または懸架部材１７０のサイズ、材料、質量（例えば、加える質量）またはその他の任意の適当な特性を選択することにより、調整が達成される。幾つかの実施形態では、多極磁石１６０に重量が加えられる。幾つかの実施形態では、懸架部材１６６および／または懸架部材１７０が低コストのスタンピングおよび切断を使用して作成される。幾つかの実施形態では、懸架部材１６６および／または懸架部材１７０がプラスチックで形成される。幾つかの実施形態では、懸架シートが多極磁石１６０に結合される場合、懸架部材１６６および／または懸架部材１７０が懸架シートの一部となる。
【００２４】
幾つかの実施形態では、多極磁石１６０は、大体、幅３．５ｃｍ、高さ４ｃｍ、厚さ１ｍｍ、重さ約４ｇである。多極磁石１６０は、約８０Ｈｚの共振周波数を有する型打ちした金属製の懸架部材１６６および懸架部材１７０を使用して懸架される。
【００２５】
図１Ｅは、発電機の一部分の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、多極磁石１７４が、北−南向きの磁石の後に南−北向きの磁石が隣接する循環を有する一連の磁石を備える。幾つかの実施形態では、多極磁石１７４がシート状磁石（例えば、ＮｄＦｅＢシート状磁石）を含む。幾つかの実施形態では、シート状磁石は、〜１５０ミリテスラの表面磁界を有する。様々な実施形態では、磁石のピッチは、２、３ミリメートル、１ミリメートル、１ミリメートルの数分の１またはその他の任意の適当なピッチである。幾つかの実施形態では、ピッチが、エネルギーを採取される運動の範囲と一致する。
【００２６】
多極磁石１７４は、多層回路基板１８４に磁界を与える。多層回路基板１８４は、懸架部材の静止位置において、一つの磁石の北のストライプが、多層回路基板１８４における導体線と一致するように位置合わせされている。多極磁石１７４の運動は、多層回路基板１８４上の導体間の領域に含まれる磁束の変化を生じさせ、その結果、電圧および／または電流が生じる。多極磁石１７４は、懸架部材１７６および懸架部材１８０を使用して振動する。懸架部材１７６は、固定構造１７８から多極磁石１７４を懸架する。懸架部材１８０は、固定構造１８２から多極磁石１７４を懸架する。懸架された多極磁石１７４の振動数が、発電機が受ける運動に調整されるように、懸架部材１７６および懸架部材１８０が選択される。様々な実施形態では、多極磁石１７４および／または懸架部材１７６および／または懸架部材１８０のサイズ、材料、質量（例えば、加える質量）またはその他の任意の適当な特性を選択することにより、調整が達成される。幾つかの実施形態では、多極磁石１７４に重量が加えられる。幾つかの実施形態では、懸架部材１７６および／または懸架部材１８０が低コストのスタンピングおよび切断を使用して作成される。幾つかの実施形態では、懸架部材１７６および／または懸架部材１８０がプラスチックで形成される。幾つかの実施形態では、懸架シートが多極磁石１７４に結合される場合、懸架部材１７６および／または懸架部材１８０が懸架シートの一部となる。
【００２７】
幾つかの実施形態では、多極磁石１７４は、大体、幅３．５ｃｍ、高さ４ｃｍ、厚さ１ｍｍである。多極磁石１７４は、重さ４ｇであり、約８０Ｈｚの共振周波数を有する型打ちした金属製の懸架部材１７６および懸架部材１８０を使用して懸架される。
【００２８】
図１Ｆは、発電機の一部分の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、多極磁石１９６が、北−南向きの磁石の後に南−北向きの磁石が隣接する循環を有する一連の磁石を備える。幾つかの実施形態では、多極磁石１９６がシート状磁石（例えば、ＮｄＦｅＢシート状磁石）を含む。幾つかの実施形態では、シート状磁石は、〜１５０ミリテスラの表面磁界を有する。様々な実施形態では、磁石のピッチは、２、３ミリメートル、１ミリメートル、１ミリメートルの数分の１またはその他の任意の適当なピッチである。幾つかの実施形態では、ピッチが、エネルギーを採取される運動の範囲と一致する。
【００２９】
多極磁石１９６は、多層回路基板１８６に磁界を与える。多層回路基板１８６は、懸架部材の静止位置において、一つの磁石の北のストライプが、多層回路基板１８６における導体線と一致するように位置合わせされている。多層回路基板１８６の運動は、多極磁石１９６上の導体間の領域に含まれる磁束の変化を生じさせ、その結果、電圧および／または電流が生じる。多層回路基板１８６は、懸架部材１９２および懸架部材１８８を使用して振動する。懸架部材１８８は、固定構造１９０から多層回路基板１８６を懸架する。懸架部材１９２は、固定構造１９４から多層回路基板１８６を懸架する。懸架された多層回路基板１８６の振動数が、発電機が受ける運動に調整されるように、懸架部材１９２および懸架部材１８８が選択される。様々な実施形態では、多層回路基板１８６および／または懸架部材１９２および／または懸架部材１８８のサイズ、材料、質量（例えば、加える質量）またはその他の任意の適当な特性を選択することにより、調整が達成される。幾つかの実施形態では、多層回路基板１８６に重量が加えられる。幾つかの実施形態では、懸架部材１９２および／または懸架部材１８８が低コストのスタンピングおよび切断を使用して作成される。幾つかの実施形態では、懸架部材１９２および／または懸架部材１８８がプラスチックで形成される。幾つかの実施形態では、懸架シートが多層回路基板１８６に結合される場合、懸架部材１９２および／または懸架部材１８８が懸架シートの一部となる。
【００３０】
図２Ａは、発電機の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、懸架シート２００が多極磁石２０２に結合されている。懸架シート２００は、周囲の構造に、例えば、屈曲部２０８により結合されて、符号２１０で示す方向に運動／振動できるバネ質量構造を形成する。多極磁石２０２は、交互に配される磁極のストライプを有するシート状磁石を含む。符号２１０に沿う運動の方向は、その運動が、移動するシートの近くで固定構造が受ける磁界の変化を生じさせるように、多極磁石２０２のストライプに対して垂直となっている。懸架シート２００および多極磁石２０２は、多層回路基板２０６に対して相対的に動く。多層回路基板２０６は、多極磁石（例えば、多極磁石２０２）からの磁束の変化が移動する場合に、電流を生成するように配置された導体２０４を含む。導体２０４は、長い直線部が磁石シートの磁極ストライプと平行で短い区間がストライプを横切るように、蛇行パターンで配置されている。幾つかの実施形態では、導体が多層回路基板２０６の複数の層上に設けられている。様々な実施形態では、複数の層の各々の上の導体が互いに電気的に分離され、あるいは複数の層の各々の上の導体が互いに電気的に接続され、あるいは複数の層の各々の上の導体が各層の導体パスと“並列”に配置され（例えば、各層上の同様の回路パスが各層の同じ端部で接続され）、あるいは複数の層の各々の上の導体が各層の導体パスと“直列”に配置され（例えば、各層上の同様の回路パスが各層の反対の端部で接続され）、または任意のその他の適当な導体の接続およびレイアウトであってもよい。
【００３１】
幾つかの実施形態では、多極磁石２０２が、３５ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍの寸法を有する。それぞれ幅２ｍｍのストライプが２０ある。磁石の強さは、関心の範囲（すなわち、多層回路基板２０６が振動する場合）において約０．３テスラである。蛇行は、磁極ストライプとぴったり合うように配置され、印刷回路基板の各層の上に２０×３＝６０存在する（図３Ａを参照）。様々な実施形態では、３のループ、５のループまたはその他の適当な数のループがある。多層回路基板２０６は６層あり、合計で３６０の導体がある。振動子の全質量は６グラムであり、それには、回路基板および幾つかのコネクタおよびバネ取付部が含まれる。結果として得られる振動数は約７５Ｈｚである。生じるピーク開路電圧は約５ボルトである。コイル抵抗は約１０オームであり、よってコイルが１０オームの抵抗器で終わるとき、生じるピーク電力は２．５ワット（５ボルト、０．５アンペア）となる。しかしながら、光スイッチについての関連時間ウィンドウである２０ミリ秒に亘って生成される平均電力は、約１００ｍＷとなる。この製品は自由振動モードで作動するので、オフ共振動作点（off-resonance operating point）は実際に存在しない。
【００３２】
図２Ｂは、懸架シート構造の実施形態を示すブロック図である。図示の例では、各懸架シートについて、取付点（例えば、２２０，２３０，２４０，２５０，２６０，２７０，２８０および２９０）が示されるとともに、振動の方向（例えば、２２２，２３２，２４２，２５２，２６２，２７２，２８２および２９２）が示されている。幾つかの実施形態では、図２Ｂの懸架シートが、切断、型打ちまたは成型された材料から形成されている。幾つかの実施形態では、懸架シートがプラスチックから形成されている。様々な実施形態では、材料の種類の選択、材料の厚みの選択、懸架プラットフォームの中心体から取付点に延びるアームに沿う材料の幅の選択、またはバネ定数を調整するその他の任意の方法により、懸架部材のバネ定数が調整されている。様々な実施形態では、懸架部材の材料の選択、懸架部材の中心体の質量の選択、多極磁石の質量の選択、多層回路基板の質量の選択、または振動数を調整するその他の任意の適当な方法により、多極磁石または多層回路基板と懸架部材の振動数が調整されている。
【００３３】
図３Ａは、多層回路基板の層上の導体レイアウトの一実施形態を示すブロック図である。図示の例においては、導体端部３００が、多極磁石上の磁石ストライプと平行に延びる導体３０２に接続されている。導体３０２は、磁石ストライプを横切って延びる導体３０６に接続されている。また、導体３０６は、多極磁石の磁石ストライプと平行に延びる導体３０８に接続されている。同様の導体は、多極磁石のその他の磁石ストライプを囲むように配置され、導体間（例えば、導体３０８，３１０間）の領域に含まれる磁束の変化から多極磁石が移動するときに電流を生じさせるように構成されている。導体は、折り返して導体端部３０４で終端となる蛇行状態で配置されている。このように、回路基板の一層上に直列に配線された複数の蛇行導体が存在する。図３Ａは、直列に配置された２の蛇行導体を示している。幾つかの実施形態では、回路基板の複数層上に導体があって、ビアを使用してその他の層と接続されている。
【００３４】
図３Ｂは、断面で見た導体の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、多層回路基板３２０が、断面で示される複数の導体（例えば、導体３２２）を含む。導体は、多層回路基板の各層上で、図３Ａに示す導体と同様のパターンで配置されている。
【００３５】
図３Ｃは、多層回路基板の層上の導体の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、導体３４０、導体３４２および導体３４４により作成されるループが、磁石シートの磁石の一方の極性からの電流を生成する。導体３４６、導体３４８および導体３５０により作成されるループは、磁石シートの磁石の別の極性からの電流を生成する。ループは、ビア（例えば、ビア３５２）を介して直列に接続されている。導体３５４は、導体３４０、導体３４２、導体３４４、導体３４６、導体３４８および導体３５０とは異なる層上にある。図示の例では、導体端部３４０が、一連のビア（例えば、ビア３４８）によって導体端部３４４に接続されている。図示の例では、点線（例えば、符号３５４）で示された導体を除いて、すべての導体が同じ層上にある。導体３４４の端部は、導体３４０の下方に引き返すことができるように、異なる層に至るビアに取り付けられるが、導体３４０および３４４は同じ層の上にある。ループ３９０は、磁石シートの磁石の一方の極性から電流を生成する。ループ３９２は、磁石シートの磁石の別の極性から電流を生成する。
【００３６】
図３Ｄは、多層回路基板の二層上の導体の一実施形態を示すブロック図である。図示の例においては、導体３６０が、図３Ａの蛇行と同様の蛇行によって回路基板の一層上の導体３６２に接続されている。一層上の導体３６２は、ビア３６４によって別の層（破線で示される）上の導体３６６に接続され、ビアが二層を互いに接続する。このように、図３Ｄに示される２つの蛇行導体は、直列に互いに配線されている。ここでは二層のみを示したが、この方法は、任意の数の層に適用することが可能である。
【００３７】
図３Ｅは、多層の各々の上に５の蛇行導体を有する多層回路基板の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、導体３８０が、図３Ａの蛇行と同様に互いの周囲を回り込むように配置される蛇行により、導体３８２に接続されている。図示のように、５つの蛇行が直列に配線されている。そして、各層の蛇行導体は、ビア３８４のようなビアによって、他層上の同一の蛇行に接続することができる。このようにして、任意の数の層を互いに接続することができる。例えば、６層が使用されて、図３Ｄの層が接続されるのと同様に、各層が次の層に直列に接続される場合には、直列にすべて接続された３０の蛇行導体が存在することとなる。
【００３８】
幾つかの実施形態では、平面状の導体が、型打ちされて積層された（または積層された後に型打ちされた）金属から形成されている。金属層は、絶縁層により分離されて、絶縁層の金属ビアで互いに接続されている。様々な実施形態では、導体が、型枠に配置されたワイヤまたは巻かれたワイヤまたはエポキシまたはプラスチックに埋め込まれたものとなっている。様々な実施形態では、導体が、蛇行形状に設けられ、コイル形状に設けられ、単一層上に設けられ、複数の層上に設けられ、平面上に設けられ、三次元形状であり（例えば、らせん、はしご蛇行など）、またはその他の任意の適当な構成とされて、ある領域に磁束を提供し、それが、導体と多極磁石との間に相対的な運動が存在する場合に、電力の生成をもたらす。
【００３９】
幾つかの実施形態では、蛇行導体が、交番極性の磁石の二次元配列に適当な領域を提供する。
【００４０】
図４Ａは、多極磁石の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、多極磁石の磁石ストライプ（例えば、北のエンドストライプ４００、南のエンドストライプ４０２）の端面が、磁力線（例えば、力線４０４）に沿って示されている。磁極の一方の中心の真上には、磁界がほとんどＹ方向のみとなる。一の磁極から別の磁極への移行部の真上には、磁力線がほとんどＸ方向のみとなる。
【００４１】
図４Ｂは、磁石シートの形態の多極磁石の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、磁石シートが、交互に磁性が配されるストライプまたはラインを有するように、分極されている。磁石ストライプ４２０は北の部分で、磁石ストライプ４２２は南に分極された部分である。点線４２４は、磁石ストライプ間の境界を示すが、磁石シートの物理的な分離ではない。
【００４２】
幾つかの実施形態では、極性が交互に配置された磁石の二次元配列を有するように、磁石シートが分極されている。
【００４３】
図４Ｃは、棒磁石のアレイの形態の多極磁石の一実施形態を示すブロック図である。図示の例においては、棒磁石が交互の形式で配置されている。図面に示すように、棒磁石４４０は、その北極を上に向けて配置され、それに隣接する棒磁石４４２は、その南極を上に向けて配置されている。幾つかの実施形態では、棒磁石が接着剤で平面または平らな基板に固着されている。
【００４４】
図５Ａは、発電機の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、磁極（例えば、磁石ストライプ５００または磁石ストライプ５０２の磁極）の一方の中心の真上には、磁界がほとんどＹ方向のみとなる。導体５０６によって囲まれるのはＹ方向の磁界である。プルーフマス（例えば、この図では多極磁石シート）がＸ方向に前後に動くため、導体５０６により囲まれる磁束が変化して、導体５０６に亘って電圧を、および／またはその導体内に電流を生じさせる。回路基板５０４（例えば、静止している印刷回路基盤（ＰＣＢ））は、導体５０６（例えば、標準のＰＣＢ製造法を使用して、適当な形状にエッチングされた金属線）を含む。回路基板５０４は、図示のように、一層を備えるが、様々な実施形態においては、複数の層を備える。
【００４５】
なお、導体５０６が受けるＹ方向の磁束は、磁石がＹ方向に離れるに連れて減少する。それは、Ｙ方向の磁界の強さも低下するからである。しかしながら、Ｘ方向の運動により生成される電圧と比較して、その影響は小さい。
【００４６】
図５Ｂは、発電機の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、Ｙ軸に沿う運動から電力を生成することができる。一の磁極から別の磁極（例えば、磁石ストライプ５２０および磁石ストライプ５２２の磁極）への移行部の真上には、磁力線がほとんどＸ方向のみとなる。Ｙ方向の運動は、コイル導体５２６にわたって電圧を生成することとなる。コイル導体５２６は断面で示されている。磁石（または幾つかの実施形態では、多層回路基板５２４）がＹ方向に移動するに連れて、コイルに関連付けられる磁束は減少する。図５Ｂのコイル導体５２６および図５Ａのコイル導体５０６は、多層回路基板５２４（例えば、ＰＣＢ）上に共存させることができる。このため、ＸとＹの両方向における運動によって電力を生じさせることができる。
【００４７】
なお、図５Ｂに示される実施形態は、Ｘ方向の運動によっても電力を生じさせることができることに留意されたい。多極磁石がＸ方向に動くと、導体５２６により囲まれるＸ方向の磁束が変化して、それらコイル導体にわたって電圧を生じさせる。図５Ｂのコイル導体５２６および図５Ａのコイル導体５０６は、共存させることができ、双方が、ＸまたはＹ方向の運動から電力を生成することができる。
【００４８】
図６は、コイル導体の実施形態を示すブロック図である。幾つかの実施形態では、図６のコイル導体が、図５Ｂの５２６を実施するために使用される。図示の例においては、平面視の多層回路基板６００が、導体６０２、磁束の変化に応答して電流が生成される導体を含む。導体６０２、導体６２２および導体６４２は、磁束の変化を捕捉するために使用されるコイル構造を示している。幾つかの実施形態では、導体６０２が、配線６０４を使用して、電力管理回路に接続されている。様々な実施形態では、導体６０２が、並列、直列、またはその他の任意の適当な方法で、電力管理回路に接続されている。平面図は、断面Ａおよび断面Ｂに沿う線を示している。断面Ａは、側面から見た多層回路基板６２０を示している。断面Ｂは、当該断面Ｂに直交する側面から見た多層回路基板６４０を示している。
【００４９】
図７は、電力管理回路の一実施形態を示すブロック図である。図示の例では、電力管理回路７００が、ダイオード整流器７０２、コンデンサ７０４、ＤＣ−ＤＣコンバータ７０６、バッテリ７０８および電子負荷７１０を含む。磁束の変化に曝された導体は、電圧／電流を生じ、それがダイオード整流器７０２に供給される。ダイオード整流器７０２は、交流電圧／電流を単極性電圧／電流に整流する。単極性電圧／電流は、コンデンサ７０４を使用して平滑化される。平滑化された電圧／電流は、ＤＣ−ＤＣコンバータ７０６を使用して、所望の直流値に変換される。ＤＣ−ＤＣコンバータ７０６は、入力電圧／電流の一部分がコンデンサに電荷を蓄えさせるのを可能にするスイッチを備える。その一部分は、スイッチがオンの量を変えることにより、変えることができる。その一部分は、変換される電圧を制御する。変換された電圧は、バッテリ７０８および電子負荷７１０に供給される。幾つかの実施形態では、バッテリ７０８出力と電子負荷７１０との間に、出力電力を電子負荷７１０に入力されることを許容するかどうかを制御するスイッチがある。
【００５０】
図８は、電力を生成するプロセスの一実施形態を示すフロー図である。図示の例では、ステップ８００において、磁石の配列と導体との間の相対的な運動の結果として直流電力が与えられ、その配列が、磁石の一次元または二次元配列を含み、導体が、多層印刷回路基板の複数の層の上に設けられた蛇行導体を含む。
【００５１】
図９は、電力を生成するプロセスの一実施形態を示すフロー図である。図示の例では、ステップ９００において、シート状磁石と導体との間の相対的な運動の結果として直流電力が与えられ、その配列が、磁極が交互に配列される一次元または二次元配列を含み、導体が、１またはそれ以上の平面上に設けられた蛇行導体を含む。
【００５２】
理解の明確化のために上述した実施形態をある程度詳細に説明したが、本発明は、示した細部構成に限定されるものではない。本発明を実施する数多くの代替的な方法が存在する。開示の実施形態は、例示的なものであり、制限的なものではない。
【図１Ａ】
2013505698.tif 000003
【図１Ｂ】
2013505698.tif 000004
【図１Ｃ】
2013505698.tif 000005
【図１Ｄ】
2013505698.tif 000006
【図１Ｅ】
2013505698.tif 000007
【図１Ｆ】
2013505698.tif 000008
【図２Ａ】
2013505698.tif 000009
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
2013505698.tif 000011
【図３Ｂ】
2013505698.tif 000012
【図３Ｃ】
2013505698.tif 000013
【図３Ｄ】
2013505698.tif 000014
【図３Ｅ】
2013505698.tif 000015
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
2013505698.tif 000019
【図５Ｂ】
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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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【国際調査報告】
2013505698.tif 000025