(57)【要約】  第１の主要構成要素（３７０、３８０）および第２の主要構成要素（２００、２３０）の、回転軸（２２０）周りの相対回転運動を介して電力を発生させることが可能な装置であって、この場合、第１および第２の主要構成要素は、使用時に、圧電素子（３８０）と永久磁石（２３０、３７０）の間の相互作用が電気を発生させることを可能にするように、該圧電素子とそれらの磁石とから成る構成を備え、および第２の主要構成要素（２００、２３０）は、重力または慣性力のいずれかに対する第２の主要構成要素（２００、２３０）の応答が、第１の主要構成要素（３７０、３８０）に関連する第２の主要構成要素（２００、２３０）の相対回転となるように、相対回転の軸（２２０）から外れている重心を備え、第１の主要構成要素（３７０、３８０）は、可動ホスト構造（１００）に固定して取り付けられている装置。【選択図】図６
2015516136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その装置の加速度および／または方向の変化によって電気を発生させるための装置であって、前記装置が第１および第２の主要構成要素を備え、
前記第１の主要構成要素は、弾性変形のためにハウジングに取り付けられ、変形した場合に電気を発生し、
前記第２の主要構成要素は、前記ハウジングおよび第１の構成要素に対する回転のために前記ハウジングに対して回転可能に取り付けられ、第２の構成要素の重心は、その回転軸から外れており、
前記２つの構成要素が、前記第２の構成要素の回転経路の少なくとも一部の間で互いに相互に作用して、前記第１の構成要素を変形させて、それにより電気を発生させるように配置されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第１の構成要素は、一方の端部が前記ハウジングに対して実質的に固定して取り付けられているカンチレバーとして設けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記変形は曲げであることを特徴する請求項１又は２のいずれかに記載の装置。
【請求項４】
前記第１の構成要素は、弾性変形材料から成る基板を備えることを特徴する請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記第１の構成要素は、変形にさらされたときに電気を発生させる発電材料を備え、前記発電材料は、任意には圧電材料であることを特徴する請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記第１および第２の構成要素は、１つ以上の磁石を備え、前記１つ以上の磁石は、一連の磁石を任意に備えることを特徴する請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記１つの磁石または各磁石の各々は、前記第２の構成要素の回転経路の少なくとも一部で、前記第１および第２の構成要素のうちの一方の少なくとも１つの磁石が、前記第１および第２の構成要素の他方と、またはその上の磁石と相互に作用して、前記第１の構成要素を変形させて、それにより電気を発生させるように配置されることを特徴する請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記第１および第２の構成要素はともに、少なくとも各々１つの磁石を備え、各構成要素上の前記磁石は、前記第２の構成要素の回転経路の少なくとも一部に沿って、それぞれ他方の構成要素上の磁石と相互に作用して、前記第１の構成要素を変形させることを特徴する請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記第１の構成要素は、初期変位を受ける際に、前記発電材料の固有振動数で振動するように配置されることを特徴する請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
第１および第２の主要構成要素によって電気エネルギを発生させるように機能し、第１および第２の主要構成要素の回転軸周りの相対回転運動を介して電力を発生することが可能な装置であって、
前記第１の主要構成要素は、前記装置の本体に固定して取り付けられ、
前記第２の主要構成要素は、使用時に、前記第１の主要構成要素に関して回転可能であり、
前記第２の主要構成要素の重心は、前記第２の主要構成要素における慣性または重力またはそれらの組合せの作用が、前記第１および第２の主要構成要素間に相対回転運動を生じさせるように、相対回転の軸に対して外れていることを特徴する装置。
【請求項１１】
前記第１の主要構成要素は、１つ以上の圧電素子を備え、それらの圧電素子の各々は、１つ以上の永久磁石を担持し、前記第２の主要構成要素は、使用時に、前記圧電素子によって担持された前記磁石と、前記第２の主要構成要素によって担持された磁石との間の相互作用が、前記圧電素子の変形を引き起こし、この変形が、電力を発生させるのに利用されるように配置された１つ以上の前記永久磁石を備えることを特徴する請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１の主要構成要素は、１つ以上の永久磁石を備え、前記第２の主要構成要素は、使用時に、前記圧電素子によって担持された前記永久磁石と、第２の主要構成要素によって担持された前記永久磁石との間の相互作用が、前記圧電素子の変形を引き起こし、この変形が、電力を発生させるのに利用されるように配置された、それらの圧電素子の各々が１つ以上の前記永久磁石を担持する１つ以上の圧電素子を備えることを特徴する請求項１０または請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記圧電素子は、使用時に、前記圧電素子によって担持された前記磁石と、第２の主要構成要素によって担持された前記磁石との間の相互作用による初期励起を受けた後に、その固有振動数で振動するように置かれることを特徴する請求項１０〜１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記第２の主要構成要素の質量分布は、前記第２の主要構成要素の結果として生じる重心が、第１および第２の主要構成要素間の相対回転運動の軸から外れるようになっていることを特徴する請求項１０〜１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
本願明細書において、前記第２の主要構成要素は、前記第２の主要構成要素の重心が、前記第１および第２の主要構成要素間の相対回転運動の軸から外れるような個別の質量偏心を備えることを特徴する請求項１０〜１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記装置によって発生した電気を調整するように機能する電気回路をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
前記電気を調整するように機能する電気回路は、すなわち、
ＡＣ電流からＤＣ電流への整流、
可変電圧の電気を、より一定の電圧の電気に変換すること、
前記装置によって生成されたエネルギを蓄積すること、
ジェネレータまたは負荷へのダメージを防ぐために、または、他の目的のために、負荷に供給される電流を制限すること、および
取り付けられた負荷に電力を供給すること
のうちの１つ、または１つ以上またはすべてを、またはそれらのいずれかの組合せを実行するように配置されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記取り付けられた負荷は無線センサであることを特徴する請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記第１の主要構成要素は、自動車用タイヤまたは人または動物の体に、あるいは、他の何らかの運動源の内部または外部に取り付けられることを特徴する請求項１〜１８のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
添付図面に関連して本願明細書に実質的に記載されている、および／または前記添付図面のいずれかの組合せで実質的に例示されている装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線形および／または回転源運動から電気を発生させるように機能する一種の発電装置に関する。回転の場合、その運動は、一定または断続的である可能性がある。線形の場合には、該装置は、不連続（例えば、振動）運動によって作動可能である。好適な実施形態は、検出の適用に対してスペースまたは到達性が限られている場所において実施可能である。その他の実施も想定される。
【背景技術】
【０００２】
環境発電とは、電力を局所的に発生させる環境エネルギ源の利用を指す。その場合、この電力は、特に、小規模の電気的用途において、バッテリまたはＡＣ電源を補助するのに、またはそれらの代わりに用いることができる。振動または運動は、多くの異なる形態で手に入れることのできる豊富なエネルギ源であるそのような環境エネルギ源の実例である。これまでに、振動または運動を利用することができる多くの装置が提案されている。それらの実現の基礎となる一般的原理は、トランスデューサ（例えば、電磁または圧電トランスデューサ）とも呼ばれる、フレーム内でのプルーフマス移動によって及ぼされる力に対抗する電気的制動機構を導入することである。該フレームは、ホスト構造に対する１つの付着点のみを必要とし、したがって、線形または回転となりうる外部からの加速に対する慣性反応力によって、プルーフマスの運動が引き起こされる。その結果、これらの装置は、大きく慣性ジェネレータとして分類することができる。
【０００３】
回転加速のない持続回転の場合には、別の方法が用いられている。重力ジェネレータとして知られている装置は、ホスト回転に対する対抗モーメントを生成する偏心プルーフマスおよび重力に依拠し、トランスデューサによってそれからの出力を抽出する。
【０００４】
電磁トランスデューサは、従来の慣性型または重力型の発電機に幅広く用いられている。それらは、２つの主要な構成要素の間の相対運動に依拠している。一般的に、第１の主要構成要素、すなわち、固定子は、ベース構造に対する何らかの機械的取付けによって固定保持されている。回転装置の場合には回転子と呼ばれる第２の主要構成要素の運動は、第１の主要構成要素に電磁的に結合される。したがって、第２の構成要素の移動は、力（線形による実施の場合）またはトルク（回転による実施の場合）のいずれかを必要とし、この力／トルクに逆らうことによって電力を発生させることができる。この力または（場合によっては）トルクの性質は、装置の一般的性質によって決まり、そのため、慣性、重力とすることができ、あるいは、従来の構造では、第２の主要構成要素を可動構造に接続する第２の付着点を導入することによって実現することができる。従来の構成の場合、大きなトランスデューサの力を、２つの主要構成要素間で実現することができ、その結果、出力を非常に大きくすることができ、そのことは、大規模な発電に対しては理想的である。しかし、第２の付着点を有するという実現性は、より多くのスペースを必要とし、実際には、必ずしも容易に実現可能であるとは限らない。他の適用可能とは限らない一例は、車両用タイヤ内部への圧力センサの設置であり、この場合、可動部材への取付けは、便宜的に可能であるが、第２の固定構造への接続が妨げられる。別の可能性は、人体の内部への配置であり、この場合、２つの相対移動部材／臓器への取付けは、高度な挿入手術をもたらす可能性がある。
【０００５】
線形装置では主に、圧電トランスデューサも用いられている。圧電材料の重要な特性は、電荷の蓄積によって、負荷応力に応答するということである。その利点は、何らかの歯車装置を要することなく、高い出力電圧を実現することができること、および実現可能なエネルギは、その材料内部の応力の関数であり、および電磁トランスデューサの場合と同様に、２つの主要構成要素の相対速度ではないということである。曲げの方向に垂直な方向の応力は高いため、曲げ構造を用いて、良好な結果が得られている。電気機械結合を増すための別の方法は、圧電素子の共振周波数で動作させることである。曲げビームを回転装置に組み込むことの難しさは、これまで、この種の圧電的実現を複雑にしていた。
【０００６】
線形装置の共通する欠点は、該装置の方向性および励起加速の方向に対する強い依存性である。多くの場合、内部質量をともかく動かすためには、重力加速度に打ち勝たなければならない。この問題は、該装置の方向性が一定であり、および励起の主要方向が重力以外である（および好ましくは、重力に垂直な平面内にある）場合には回避することができる。しかし、このことは、必ずしも簡単に実現可能であるとは限らず、強い変動状況、例えば、人の動きにおいて問題を引き起こす。軸周りに回転可能なプルーフマスを有する装置であって、この軸が、ホストに関して固定されており、重心がこの軸と一致していない装置には、重力状況ならびに慣性状況の下で実施可能であるという利点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、この問題に対処する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の第１の態様によれば、電力を発生させるように機能する装置が提供される。この装置は、第１および第２の主要構成要素を備え、前記第１および第２の構成要素間の相対回転運動の性能は、実施のための要件である。相対回転の共通軸周りの第１および第２の構成要素間の相対回転運動の性能は、運動エネルギの電気エネルギへの変換に利用することができる。相対回転運動によって生じるこのエネルギの変換にもかかわらず、第１の主要構成要素のみが、運動の源として作用するホスト構造に固定して取り付けられることを必要とするこの発明は、限定するものではないが、前記ホスト構造によって生成されて、前述した単一の機械的接続点を介して該装置へ伝達される、不連続線形および／または連続／不連続回転励起ならびにこれらの組合せの下で、主に作動可能である。該接続点は、どのような運動の源に関しても意図的に選択することができ、および必ずしも、例えば、回転するホスト構造の軸上にある必要がないことは正しく認識されるであろう。相対回転の軸周りに回転可能な第２の主要構成要素は、この重心に作用し、および該回転軸に対して平行ではない方向を有する何らかの力および／または加速が、この軸の周りにトルクを引き起こし、第１の主要構成要素に対する相対運動を妨げる変換要素に作用するこのトルクを、機械的形態から電気的形態にエネルギを変換するのに用いることができ、および該ホスト構造によってもたらされる外力および／または加速度に関連する第１および第２の主要構成要素の方向性に依拠して、慣性的または重力的またはこれらの組合せとすることができ、それらは、後者のみに限定されない重力加速度を含むように、偏心した、すなわち、回転軸から外れている重心を備えている。「妨げる」という用語は、第１および第２の主要構成要素間の相対回転に対抗するという幅広い意味で考えなければならない。本願明細書における回転軸に平行ではない力および加速度という記述は、
回転軸周りのモーメントは、反対方向ではあるが、同じ強さであって該軸に対して相対的に反対側の軸から所定の距離離れたところでこれらの作用点を有する力のペアによって効率的に表すことができるという原理を含む。したがって、記載されている装置もまた、該回転軸周りのおよび第２の主要構成要素に作用するモーメントまたは角加速度によって実施可能である。
【０００９】
実施形態は、運動の源に対する単一の付着点のみを要する不連続線形ならびに連続／不連続回転外部励起の下で動作可能な回転装置を実現できる。このことが、上述した問題に対処する。さらに、実施形態は、その固有振動数で動作可能な圧電変換機構を備えることができる。
【００１０】
上記装置の単一の固定取付けされた接触点のみの必要性は、特定の用途のための設置を容易にすることができ、および第２の箇所への接続がないことにより、場合によっては全体のサイズを低減することができる。さらに、さまざまな励起（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）の形態の下で作動する能力は、特に、高度に変動する運動源および装置の方向性を伴う用途、例えば、医用センサ用途および人体センサ用途だけではないが、その用途において該装置をより多目的なものにすることができる。
【００１１】
第１の態様の実施形態の特徴は、独立項１１〜２０で定義されている。
【００１２】
すなわち、第１の主要構成要素は、１つ以上の圧電曲げビームを備えることができ、該ビームの各々は、第１の主要構成要素に固定して取り付けられた１つの端部と、自由に振動することができる１つの端部とを有する。第１の主要構成要素に取り付けられた該ビームの自由端部は、永久磁石、すなわち、第１の磁石を備えている。第２の主要構成要素は、第１および第２の磁石間に引力または反発力が存在する構成において、第２の主要構成要素が、第１の主要構成要素への相対回転運動で移動する際に、１つ以上の永久磁石、すなわち、第２の磁石を保持してもよい。第１の磁石と、第２の主要構成要素の第２の磁石とを保持する、該ビーム間の構成は、それらが相対運動時に互いに通り過ぎる際に、第１および第２の磁石間に物理的接触が生じないように実施されることは正しく認識されるであろう。反発力または引力である、第１および第２の磁石間の相互作用力の結果として、該圧電ビームの自由端部は、第１および第２の磁石間の相対方向により偏向させることができ、および電力を発生させるために、結果として生じる該材料中の電荷を抽出することができる。その偏向は、さまざまな方法で実現され、限定するものではないが、具体的には、磁石の相互作用力と、ビーム曲げ力との間の均衡に達した時点で突然の解放を受けて、その結果として、該自由端部が、導入された初期偏向のために、その固有振動数で振動し続ける方法で実現することができる。  
【００１３】
さらに、第１および第２の磁石間の磁気相互作用力を調整する、限定するものではないが可能性のある方法は、前記磁石間の間隙の変動または異なる強度の磁石の使用であり、この場合、磁石の強度は、配置、寸法、材料および／または磁化ならびにこれらの組合せと関連付けることができることは正しく認識されるであろう。くわえて、この発明の説明は、公知の可能性のあるすべての形態において、圧電曲げビームを含む。このようにして、他の可能性を除外することなく、１つ以上の圧電層を用いるビーム、異なる支持材料および／またはさまざまな圧電材料、さまざまな厚さ、寸法および概して幾何学的な形状から成るビームを備える。該ビームに関する上述した変更の組合せは、該ビームの剛性、制動特性および電気的特性に影響を及ぼす可能性があり、また、場合によっては、前述した磁気相互作用力に関する変更とともに、出力を最大化するために、磁気相互作用力とビーム曲げ力との間の理想的な均衡点を決めるのに活用できることを理解すべきである。
【００１４】
別の実施形態において、上記装置は、とりわけ、次のタスク、すなわち、出力電圧の整流、すなわち、ＡＣ電流からＤＣ電流への変換、取り付けられた負荷、例えば、センサによって使用可能なレベルへの出力電圧の調整、事前バイアス電圧または出力を最大化するための他の何らかの方法の適用、最大電力点追従制御および／または充電式バッテリの充電のうちの１つ以上を実行することが可能な電力処理のための回路を、該装置の内部に、または電気的コンタクトを介して外部に備えることができる。
【００１５】
この発明の第２の態様によれば、その装置の加速度および／または方向の変化によって電気を発生させるための装置であって、該装置が第１および第２の主要構成要素を備え、
第１の主要構成要素は、弾性変形のためにハウジングに対して取り付けられ、および変形した場合に電気を発生させるように取り付けられ、
第２の主要構成要素は、該ハウジングおよび第１の構成要素に対する回転のために該ハウジングに対して回転可能に取り付けられ、第２の構成要素の重心は、その回転軸から外れており、
該２つの構成要素は、第２の構成要素の回転経路の少なくとも一部の間で互いに相互に作用して、第１の構成要素を変形させて、それにより電気を発生させるように配置される装置が提供される。
【００１６】
第１の構成要素は、弾性変形のために、実質的に固定して取り付けてもよい。弾性変形は、たわみであってもよい。弾性変形は、曲げであってもよい。第１の構成要素は、一方の端部が該ハウジングに対して固定して取り付けられているカンチレバーとして設けてもよい。変形は、曲げであってもよい。
【００１７】
第１の構成要素は、弾性的に変形してもよい。該構成要素は、弾性変形材料から成る基板を備えてもよい。該基板は、板ばねとして作用することができる。該基板は、ばね鋼から成っていてもよい。
【００１８】
第１の構成要素は、変形にさらされたときに電気を発生させる発電材料を備えてもよい。該発電材料は、圧電材料とすることができる。該発電材料は、該基板の変形が、該発電材料の変形をもたらすように、該基板に固定することができる。
【００１９】
第１および第２の構成要素のうちの少なくとも一方は、１つ以上の磁石を備えることができる。該磁石または各磁石は、第２の構成要素の回転経路の少なくとも一部で、第１の構成要素が変形して、それにより電気を発生させるように配置することができる。第１および第２の構成要素はともに、少なくとも１つのそれぞれの磁石を備えてもよく、各構成要素上の磁石は、第２の構成要素の回転経路の少なくとも一部に沿って、それぞれ他方の構成要素上の磁石と相互に作用して、第１の構成要素を変形させる。
【００２０】
第１の構成要素は、初期変位を受ける際に、該発電材料の固有振動数で振動するように配置することができる。
【００２１】
本発明の第１の態様の選択的な（任意の）特徴等は、第１の態様の実施形態の特徴のように、本発明の第２の態様の任意の特徴であってもよい。具体的には、従属項１１〜従属項２０の特徴は、第２の態様の特徴であってもよく、そのため、実施形態において、請求項１の特徴を兼ねていてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の可能性のある適用は、車両用タイヤ、または人、あるいは他の何らかの運動の源への内部または外部取付けて、必須ではないが好ましくは任意の低い周波数および大きな振幅という性質を持つ励起して、例えば、無線センサに電力を供給することである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
本発明の実施形態を、図面を参照して、一例として説明する。
【図１】圧電ジェネレータの等価回路を示す図である。
【図２】異なる外部励起の下での回転軸周りの質量偏心の運動を示す概略図である。
【図３】初期励起後に振動するように置かれた圧電ビームの電圧出力の図である。
【図４】当技術分野で公知の時計のためのジェネレータを示す図である。
【図５】時計の場合の本発明の可能性のある実施を示す図である。
【図６】装置の第１の実施形態を示す図である。
【図７】外部の運動源に接続された、本発明の実施形態による装置を示す図である。
【図８】電力処理回路に接続された、本発明の実施形態による装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図４、図５、図６、図７および８においては、類似の要素は、同様の参照数字によって示されている。図１は、抵抗負荷ＲＬに取り付けられた圧電ジェネレータの最も簡単な可能性のある等価回路を示す。該圧電素子は、コンデンサＣＰと直列接続されたＡＣ（交流）電圧源Ｖとして表すことができる。このシステムに基づくキルヒホッフの電圧の法則の適用は、
【数１】
2015516136.tif 000003
となり、ただし、Ｖは、発生した電圧であり、Ｉｅｌｅｃは、該回路を流れる電流であり、ωは、動作周波数である。この場合の発生した電圧Ｖは、該材料に加えられた力、応力または歪みと、その負荷抵抗器内で失われる電力Ｐとに直接比例する。すなわち、以下のとおりなる。
【数２】
2015516136.tif 000004
【００２５】
最大電力伝達定理は、負荷インピーダンスの大きさが、圧電材料のインピーダンスの大きさに一致した場合に最大電力が実現されることを引き起こす。すなわち、以下のとおりなる。
【数３】
2015516136.tif 000005
【００２６】
図２を見てみると、図２に示す図式は、重力および外部励起の下での、その回転軸（図２の場合、図示されている座標系のｚ軸）から距離ｒに位置している質量偏心点ｍの動的振る舞いを説明するのに役に立つ。値ｒｘおよびｒｙは、それぞれｘおよびｙ方向における該質量の座標を表し、力ＦｘおよびＦｙは、外部励起の結果としてそれらの方向においてプルーフマスに作用する慣性反応力である。重力ｇは、負のｙ方向に作用している。角度γは、数学的に正の方向に定義される、ｙ軸に関連する該プルーフマスの偏向角である。角度αは、回転ベースの励起すなわち慣性系の回転を表し、βは、該質量と該慣性系との間に結果として生じる角度であり、ただし、次の関係が当てはまる。すなわち、以下のとおりなる。
【数４】
2015516136.tif 000006
【００２７】
さらに、βは、該装置の第１および第２の主要構成要素間の相対角度を表し、すなわち、電気エネルギの発生に関連する角度である。
【００２８】
2015516136.tif 000007
【数５】
2015516136.tif 000008
【００２９】
該回転軸から距離ｒにおける単純な点質量の場合、この軸周りの慣性モーメントは、
【数６】
2015516136.tif 000009
で与えられる。
【００３０】
図２のシステムへの適用は、
【数７】
2015516136.tif 000010
で与えられる。
【００３１】
座標ｒｘおよびｒｙは、
【数８】
2015516136.tif 000011
として計算することができる。
【００３２】
それから以下のようになる。すなわち、
【数９】
2015516136.tif 000012
【００３３】
そしてそれは、（式４を用いて）
【数１０】
2015516136.tif 000013
のように書き換えることができる。
【００３４】
式（１０）は、非制動時の第１および第２の主要構成要素間の相対回転運動を表し、および連続的または非連続的な線形および回転励起の影響を示す。
【００３５】
図３は、磁石間の力が引力の構成における、初期励起後に解放された場合に、圧電ビームの端子における開回路電圧がどのようになるかの一実施例を示す。そのグラフの第１のピークは、第２の主要構成要素上の磁石が、該圧電ビームの先端部の磁石に近づいたときに生じる。該ビームの先端部は、近づいてくる磁石に向かう初期加速を受けて、その後磁力によりそれに近づいて、ビーム曲げ力が、磁気引力を超えるまで、およびグラフの第２のピークの後に該ビームが解放されて、それ自体の固有周波数で振動するまで、第２の主要構成要素とともに動く。
【００３６】
図４は、腕時計に現在採用されている従来の電磁発電機を示す。質量偏心２００は、シャフト２２０を介して大きな歯車２３０に固定接続されている。これらの構成要素２００、２２０および２３０から成るアセンブリは、慣性系１００に関連する回転の自由度が維持されるように、ベアリング２１０を介して該慣性系１００に接続されている。大きな歯車２３０は、より小さな歯車３１０に作用し、それによって、回転子３３０に固定して取り付けられたシャフト３５０の回転速度を有効に増加させる。回転子３３０は、磁石３２０を保持している固定子３００に対して回転する。回転子３３０上のコイルの構成は、従来の発電機の分野で周知されている方法で、磁石３２０との電磁相互作用によって、発電を可能にする。固定子３００自体は、接続部３４０を介して慣性系１００に接続されている。最終的には、発生した電気によって、負荷３６０に電力を供給することができる。
【００３７】
図５および図６は、図４の従来技術による発電機を取り替えるのに用いることができる本発明の第１の実施形態を示す。この場合、永久磁石２３０が、偏心質量２００に固定して取り付けられている。偏心質量２００は、シャフト２２０に固定して取り付けられ、およびベアリング２１０によって、慣性系１００に関して前記シャフト２２０の軸周りに自由に回転できる。第２の永久磁石３７０は、圧電ビーム３８０の先端部に固定して取り付けられている。圧電ビーム３８０は、取付け部３４０を介した慣性系１００への接続以外の外部付着点を何ら必要としない。永久磁石２３０および３７０は、互いに関連してさまざまな方法で、例えば、それらの磁石間の磁力が反発力または引力となるように配置することができることは正しく認識されるであろう。ビーム３８０が、慣性系１００に固定されて、質量偏心２００がシャフト２２０周りに自由に回転できるならば、質量偏心２００とビーム３８０との間の相対運動が可能である。これらの第１および第２の主要構成要素間の相対運動時に、磁石２３０と磁石３７０との間の相互作用が、圧電ビーム３８０のたわみを引き起こすことになる。その結果、圧電材料の固有の性質を前提として、電気エネルギをビーム３８０から取り出すことができる。そして、このエネルギは、外部負荷３６０に電力を供給するのに用いることができる。図示されている外部負荷３６０は、単に実施例として示されており、センサ、または、電気回路から成る何らかの構成等のさまざまな異なる形態をとることが可能であることは正しく認識されるであろう。さらに、この負荷３６０は、必ずしも慣性系１００内に位置している必要はないが、実施例として、外部コネクタを介して接続することができ、および該装置の外部に設置することができる。
【００３８】
図７は、このような構成を示し、負荷３６０が図示されている装置の外部に接続されている。該発電機の可能性のある構成が図示されており、慣性系１００は、接続部４１０から成る単一の手段により、運動源４００に固定して接続されている。運動源４００は、ここでは、何らかの可能性のある励起を表しており、限定するものではないが、例えば、線形、回転、不連続または連続的励起である。
【００３９】
図８は、本発明の別の可能性のある適用を示す。負荷３６０は、特定の形態、例えば、ＤＣ（直流）の電源を必要とする可能性がある。本発明からの電圧出力は、負荷３６０が必要とする正確な仕様を供給しない可能性がある。この場合、回路５００を、電気コネクタ５１０を介して慣性系１００に接続してもよい。この回路５００の役割は、該負荷の要件を満たすことであり、および次のこと、すなわち、ＡＣ（交流）電圧からＤＣ電圧への変換、中間エネルギ蓄積または該出力電圧の適切なレベルへの調節、および接続した部材のいずれかが損傷するのを防ぐように電流を制限することのうちの１つ以上を実現するであろう。
【００４０】
図６の実施形態においては、ビーム３８０は、質量偏心２００の軸を通って延びるように図示されている。他の構成では、該ビームが概して半径に沿って延びないように、該ビームは、該軸の側部に取り付けられる（すなわち、図６の実施形態におけるビームに対して横方向にずれている）ことが想定されている。このことは、いくつかの用途において、パッケージングの利点を与えることができる。それでも、第２の永久磁石２７０は、ビーム３８０をたわませるために、同じ方法で係合されるであろう。
【００４１】
さらに他の実施形態において、ビーム３８０は、可能な限り該装置の直径のかなりの部分にわたって延びているように、図６の実施形態のビームよりも長くてもよい。既に述べたように、該ビームは、実質的に同じようにたわむように、一端が固定され、他方が自由端になるであろう。
【００４２】
別の実施形態において、該ビームには、回転可能質量２００上の第１の永久磁石２３０と相互に作用するように、その自由端に、第２の永久磁石２７０の代わりに、磁石によって引き付けることができ、および／または反発することができる磁化されていない材料、例えば、若干の鉄を設けてもよい。別法として、この構成は、質量２００に、磁化されていない材料が設けられて、該ビームには永久磁石が設けられている逆の状態であってもよい。
【００４３】
別の実施形態においては、偏心質量２００またはビーム３８０のいずれにも永久磁石を設けなくてもよく、その代わりに、該ビームおよび該質量は、該質量が、回転中に該ビームの構造に接して、その接触が終わる箇所まで該ビームをたわませ、その後、そのたわみを戻すように該ビームが解放されるように配置してもよい。換言すれば、その構成は、機械的プラッキングを利用することができる。
【００４４】
前述した実施形態のうちの少なくともいくつかにおいては、該装置は、圧電ビーム変換を用いる回転慣性ハーベスタの形態をしている。偏心プルーフマスを有することに注目しているにもかかわらず、それでもなお、該装置は、回転軸上にその重心を有するプルーフマスを用いた交互回転励起時に、単に慣性的に作動するであろう。そのため、このように構成された実施形態も想定されている。
【符号の説明】
【００４５】
１００  慣性系
２００  質量偏心
２１０  ベアリング
２２０  シャフト
２３０  大きな歯車、永久磁石
３００  固定子
３１０  小さな歯車
３２０  磁石
３３０  回転子
３４０  接続部
３５０  シャフト
３６０  負荷
３７０  永久磁石
３８０  圧電ビーム
４００  運動源
４１０  接続部
５００  回路
５１０  電気コネクタ
α  回転基礎励起
β  質量と慣性系との間に生じる角度
γ  プルーフマスの角偏向
Ｃｐ  コンデンサ
Ｆｘ  慣性反応力
Ｆｙ  慣性反応力
ｇ  重力
ｍ  質量偏心点
ｒ  回転軸からの距離
ｒｘ  ｘ方向における質量の座標
ｒｙ  ｙ方向における質量の座標
ＲＬ  負荷
Ｖ  交流電圧源
【図１】
2015516136.tif 000014
【図２】
2015516136.tif 000015
【図３】
2015516136.tif 000016
【図４】
2015516136.tif 000017
【図５】
2015516136.tif 000018
【図６】
2015516136.tif 000019
【図７】
2015516136.tif 000020
【図８】
2015516136.tif 000021
【国際調査報告】
2015516136.tif 000022
2015516136.tif 000023