(57)【要約】 【課題】  拡大する使用範囲で、それらの周囲における運動からエネルギーを回収できる、よりコンパクトなエネルギー回収システムを提供する。【解決手段】  可撓連結手段（２０）により連結された固定パーツ（１２）と可動パーツ（１６）との間の相対運動に基づくエネルギー回収システムにおいて、可変機械剛性を提供するため、例えば反発要素（２４）の存在あるいは線形範囲外の使用により、可撓リンクが作られる。【選択図】  図４Ａ
2007040298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対して自由に運動する第一のパーツと第二のパーツ（１２、１６）と、
可動態様で前記第一のパーツを第二のパーツに連結させるための第一の手段（２０）とを備え、
付与される力の関数とする第一の手段（２０）の変形率は、使用範囲にわたって非線形であることを特徴とする、移動する周囲（１４）からエネルギーの回収をするための装置（１０）。
【請求項２】
前記第一の手段の変形率は付与された力の関数として増大することを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記第一の手段は可変剛性を有するスプリング様要素（２０）を少なくとも備えることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記第一の手段はスプリング様要素（２２）と反発力を付与可能とする要素（２４）とを更に備えることを特徴とする、請求項１乃至３の何れか一つに記載の装置。
【請求項５】
前記第一のパーツと第二のパーツ（１２、１６）との相対運動から出力されたエネルギーを変換するための要素（１８）を更に備えることを特徴とする、請求項１乃至４の何れか一つに記載の装置。
【請求項６】
前記第一のパーツ及び第二のパーツのいずれか一方のパーツが、前記第一と第二のパーツの他方のパーツ（１６）を収容するハウジング（１２）であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載の装置。
【請求項７】
前記ハウジング（１２）を貫通し、前記第一と第二のパーツの前記他方をサポート１４に固定連結する第二の手段を備える請求項６記載の装置。
【請求項８】
−  互いに相対的に運動する二つのパーツ（１２、１６）を備える装置（１０）を配置し、二つのパーツの一つ（１２）を周囲（１４）と連結し、装置の二つのパーツ（１２、１６）を可撓連結手段（２０）により互いに連結し、
−  振動及び/または変形の第一振幅（ａ）によって周囲（１４）を動かし、
連結手段（２０）を第一振幅（ａ）により生成された力に非線形に応答させることを特徴とする、周囲から機械的エネルギーを回収する方法。
【請求項９】
前記可撓連結手段（２０）はスプリング様要素を備え、該要素の剛性（ｋ）は前記第一振幅（ａ）の範囲内において一定ではないことを特徴とする、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記可撓連結手段（２０）は第一スプリング様手段（２２）と第二反発手段（２４）とを備える請求項８または９記載の方法。
【請求項１１】
前記第一連結手段（２０）が振動に対して線形的に応答しないように、第一のパーツあるいは第二のパーツ（１２、１６）のいずれかをある振幅で振動されることができる周囲（１４）に連結することによって、請求項１乃至７の一つに記載の装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、懸垂させた塊体がその周囲に対して相対運動をする原理に基づき、システムの周囲における運動(振動、衝撃、流動など)からエネルギーを回収できるシステムに関する。
【０００２】
特に、振動及び/又は変形振幅が一定でない周囲に適合させるため、本発明は、下記回収システムに関する。すなわち、懸垂させた塊体を固定パーツに連結する手段を動きに対して非線形態様に応答させ、特に互いに対して自由に運動する二つのパーツを可変剛性のスプリングにより連結する。
【背景技術】
【０００３】
二つの装置の間の相対運動によるエネルギー発生の原理は、例えば参考文献１において知られている。それは、例えば参考文献２において、可動式のシステムからエネルギーを回収することにすでに適用されている。ベース(通常外部)は移動するサポートに堅く固定され(ねじ締め、または接着等)、可動パーツ（通常内部）は可撓リンクを介して固定ベースに連結される。懸垂させた可動パーツは、慣性により、固定パーツそれ故にサポートに対し、相対的に変位し、コンバーターは、任意タイプの変換により、回収された機械的エネルギーを所要の任意の形態のエネルギー（電気、熱、機械など）に変換する。例えば、電気コンバーターの変換原理は、電磁気、電気容量、静電気、圧電あるいは他の原理であってもよい(参考文献３〜６をご参照)。
【０００４】
従って、図１は、圧電性原理を用いて機械的エネルギーを電気エネルギーへの変換に関する特別な例を示す。装置１は、振動させるサポート３に固定されたハウジング２を備える。エネルギー変換システムはハウジング２内に設置され、ビーム５を介してハウジング２に連結される塊体４を有する。ビーム５は少なくとも部分的には圧電材料から作られている。上記の連結は該塊体の自由運動を可能にする。また該ビームはその第一端でハウジング２に固定され（組み付けられ）、その第二端は自由となっている。ハウジング２に対する塊体４の相対変位によって、ビーム５の圧電値を変更し、それによって生成された電気エネルギーは連結部６を介して操作システム７に伝送されることが可能となっている。
【０００５】
従来の構造において、可撓連結手段は、所定の振動範囲に最適に応答するような寸法とされている。すなわち、通常、機械要素例えばビーム、バネ、あるいは膜などの弾性変形は、それらの線形変形範囲内に維持される。連結要素は、よって、周囲から予期される振動と変形振幅の関数として適切に選択される。特に、連結手段の変形は付与される力に正比例し、換言すれば、それは装置の運動の加速度に比例する。
【０００６】
例えば、図１における組み付けられた誘導ビーム５について、ビームの端部４の変位ｘとその誘導端部５に付与された力Ｓとの関係は、
2007040298.tif 000003
により定められる。ここで、Ｌはビーム５の長さであり、Ｅはそれのヤング率であり、Ｉはそれの曲げ軸の周りの慣性モーメントである。
【特許文献１】EP-A-0  008  237
【特許文献２】GB-A-2  311  171
【特許文献３】DE  101  47  720  A1
【特許文献４】US  4  719  376  A
【特許文献５】WO  2005/031952  A
【特許文献６】WO  2005/057760  A
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
即座に見られるように、このタイプの構造はパラメーターが期待値と異なる環境において、効率が悪くなり、あるいは不安定にもなる。従前の例において、変形振幅と加速度が大きすぎると、すなわち端部４がハウジング２と接触して停止するような変位を端部４に引き起こすので、該変位に物理的な限界を形成する。衝撃を受ける間に大きなエネルギーが放散され、不可逆的に変換システムを損傷する可能性がある。
【０００８】
この発明は、既存装置のこれらの欠点を克服することを意図している。この発明の利点は周囲に関し制限を受けることを排除することを含む。よって、この発明は、寸法が固定された確固たるエネルギー回収装置の応用範囲を拡大できる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目標を達成するため、本発明は、非線形の機械的挙動をし、特に可変剛性を有する要素を追加したことに関連する。より広い応用分野を有する以外に、本発明に係るエネルギー回収構造はよりコンパクトとする寸法とすることができる。
【００１０】
本発明の一つの特徴において、本発明は、互いに連結される一方互いに対して自由に運動できる二つのパーツを備えるエネルギー回収システムに関する。前記システムにおいて、二つのパーツのうちの一つはエネルギーが回収されるサポートに固定連結されることが可能である。有利には、二つのパーツの相対運動により生成されたエネルギーの変換を可能とする手段が提供された。電気的望ましいエネルギーを有効に利用するために、この手段は好ましく電子的要素を備える。装置の構造は、好ましくハウジングを有する。該ハウジング内において、相対的に移動できる懸垂させたパーツを有し、ハウジング及び懸垂させたパーツのいずれか一方がサポートに固定連結されてもよい。
【００１１】
二つのパーツ間の可撓連結手段は以下のようである。すなわち、機構の動きの後の前記手段の変形が、使用範囲内において非線形であり、特に増大している。特に、該可撓連結手段は可変剛性を有するスプリング様(spring-like)要素で構成してもよい。一定のあるいは可変剛性を有し、あるいはこの二つの特性を組合せるスプリングとして機能する要素と、反発要素と結合させることも可能である。
【００１２】
このような方法で、使用期間中において、装置と関連する周囲の振動振幅が一定の値を超えるとき、可撓リンクの剛性は迅速に増大し、可動パーツの変位は線形形状にもはや従わない。よって、通常の装置と比べより小さい装置とすることは可能である。このために非線形の応答特性を利用することは知られていないことに留意する。
【００１３】
本発明の他の特徴によれば、本発明は装置が固定される周囲から生成されたエネルギーを回収する方法に関する。該周囲において、可撓リンクを介して互いに連結される二つのパーツを有する装置は、二つのパーツのうちの一つにより該周囲に固定され、装置の第二のパーツは周囲に第一振幅振動あるいは変形を行うことにより動かす。前記方法は第一振幅が可撓連結リンクの線形範囲を超えるということによる方法である。このリンクは、反発要素と結合するあるいは結合しないスプリング様手段を有してもよい。
【発明の効果】
【００１４】
従って、この発明は、より広い使用範囲を有するよりコンパクトなエネルギー回収装置を提供可能であり、また該エネルギー回収装置は既存のシステムと比べより堅固である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面に基づいて、この発明の特有な特徴と利点を説明する。なお、下記の説明は例示に過ぎない、本発明を限定するものではない。
【実施例】
【００１６】
本発明に係る装置１０は、例えば図２に示すように、従来どおり機械的エネルギー源に連結される固定パーツ１２を備えており、この例において、装置１０は、振動が加えられるサポート１４と、可動パーツ１６とエネルギー変換要素１８とも備える。固定パーツ１２がサポート１４に加えられた外部加速（ダブル矢印）を受けると、可動パーツ１６はその慣性により、固定パーツ１２に対して相対運動とされる。機械的エネルギー変換要素１８により、この運動のエネルギーは変換されまた回収される。
【００１７】
変換要素１８は異なる原理、特に文献FR 2 872 868に説明されたような例えば静電気、電磁気、圧電あるいは磁気ひずみ変換に基づいてもよい。
【００１８】
固定パーツ１２と可動パーツ１６は可撓リンク２０により連結される。装置１０の操作範囲を拡張するために、この発明は、可撓リンクに対して、変位負荷に線形に応答しない要素２０、特に増大する機械剛性を有する要素を選択することを提案する。
【００１９】
従って、本発明の範囲内において、可撓機械要素２０の機械剛性は、固定パーツ１２に対する可動パーツ１６の運動振幅の関数として増大し、構造体１０による損害なしで高い外部加速度を吸収することができ、運動振幅が増大するにつれて機械リンク２０がますます堅くなり、その結果として生じた変位がより小さくなる。本発明によれば、非線形手段は装置１０の一体部分を形成し、従来の連結スプリングを代替するという点で、付加されたショック吸収手段ではない。
【００２０】
連結要素２０に対して、この様な選択をすることによって特に二つの効果が得られる。図３Ａに示すように、固定パーツ１２に対する可動パーツ１６の最大変位振幅ｘmaxが一定である装置１０に対し、例えば固定パーツ１２において可動パーツ１６が停止する可能性があるため、機械的エネルギー回収装置１０の操作範囲は、一定の剛性ｋを有する機械連結手段を使用する構造体１と比べてより大きい。制限ストップと衝突する前に周囲１４の最大許容加速度はａ１からａ２に変わる。
【００２１】
逆に、図３Ｂに示すように、周囲14に対して最大振幅ａｍａｘを与える操作範囲が確定できるが、該周囲１４に対し、低減した相対運動ｘの振幅により構造体１０の寸法を削減することが可能となる。なぜなら、可変剛性ｋ（ｘ）を有する機械連結手段を使用することにより、前記相対運動ｘの振幅はｘ２からｘ１に低減しているからである。
【００２２】
可変剛性ｋ（ｘ）を有する機械要素２０はいくつかの方法で作ることが可能である。例えば、可撓連結手段２０はそれらの材料の非線形変形範囲が利用できるように、適切に機械的にある寸法に作ることができる。
【００２３】
従って、例えばビームあるいは膜など簡単な変形要素に関して、一般的に、付与された変形が変形構造２０の厚さより大きくなると即座に、線形変形範囲を超えたと見なされる。図１に示すような組み付けられた誘導ビームについて、端部４における変位ｘがビーム５の厚さｈを超えると即座に、剛性ｋ（ｘ）は変形に伴って迅速に増大する。よって、本発明によれば、厚さｈが予想される変位より小さいビーム２０を選択することができる。
【００２４】
逆に、振動によって厚さｈより大きい振幅ｘを有する揺動を生成するような周囲１４に所定の装置１０を使用することができる。他の選択肢としては、スプリング様要素２０をそれらの線形弾性範囲外で使用することができる。
【００２５】
これらの可変剛性要素は様々な方法で作成してもよい。数立方センチメートルを占める巨視的なシステムとの関連では、スプリングとして使用されるビームは、例えば、スパーク機械加工で導電性材料（例えばタングステン、ゴールドあるいはスチール）を切断して、同時に全機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する構造となるよう作成してもよい。マイクロエレクトロニクス技術を使用して作られた微視的な変換システムについて、スプリング要素（典型的にビームあるいは膜）は、例えば明確に輪郭を付与したマスクを用いて異なる技術(例えばＤＲＩＥドライエッチングあるいは湿エッチング)によりエッチングされたシリコンで作ってもよい。
【００２６】
それらの典型的な寸法は１μｍのオーダである。従って、それらの厚さの数倍の変形(数マイクロメートル)に対して、それらの剛性は非線形となる。
【００２７】
さらに、以下の装置１０については、可撓リンクを選択することができる。該装置１０は、スプリングとして機能する要素を備え、該要素の剛性が変位に伴って、可能であれば均一に、また特に作動全範囲に渡って増大する。様々な選択肢が文献US 2004/061412に開示されている。
【００２８】
可変剛性を有する可撓機械リンク２０の他の実施形態は共通手段を使用することである。例えば、図４Ａと４Ｂに示すように、少なくとも一つの付加要素２４と組み合わせるスプリング様手段２２である。該付加要素２４は、最大許容変形振幅ｘmaxの近傍で運動するとき反発動作をする。可撓連結手段２０の見掛けの剛性ｋはスプリング様要素２２と反発要素２４から出力された剛性の和であり、変位に伴って増大する。
【００２９】
反発要素２４は異なる原理に基づくことも出来る。例えば、静電気の、電磁気の、圧電の、水力の、気体のあるいは組み合わされた力により、要素２４は、固定要素１２と可動要素１６との間の反発をｘmaxの近傍とする。
【００３０】
例えば、反発磁気要素例えば、構造体の固定パーツと可動パーツに設置あるいは接着された複数の磁石とし、反発磁気要素中同質の極（ＮあるいはＳ）が互いに向き合うように配置されたものとし、該反発磁気要素を変換構造上に移動するようにしてもよい。よって、これらの要素が互いにの方向に近づくに連れて、それらの間に付与される反発力が増大する。純粋な機械復帰力と組合さって、この力は、可変剛性を有する変形要素を全体的に形成する。
【００３１】
例えば、構造体の機械変形要素に圧電材料を使用することを考えることも可能である(例えばマイクロ構造体の場合、圧電材料のフィルムはビームあるいは膜などの機械変形要素をカバーするために作ることができる)。その場合、変形期間中に、構造体の運動に拮抗する圧電力をかけられるように、圧電要素を十分に充電する(例えば変形が機械構造体により許容可能な最大変形振幅に近い所定値を超える時、充電可能となる)。この圧電力は適切な時期に純粋な機械復帰力に加えられているため、この技術は、変位振幅の関数として変化する剛性を有する機械変形要素を作るのに使用できる。
【００３２】
当然、この二つの実施形態は組み合わされることができる。例えば非線形変形範囲における動作を反発要素２４の閾値効果に関連付けるために、反発要素２４は、振動範囲にわたって剛性が非定数であるように、寸法に作られた連結手段に付加されることができる。
【００３３】
従来の構造において説明されたが、本発明による可変機械剛性を有する連結は、文献FR 2 872 868に記載されたエネルギー回収装置の塊体における「逆」構造に組合せされてもよい。この構造において、ハウジング１２は可動パーツを形成し、第二のパーツ１６はハウジング１２を貫通する剛性リンクを介してサポート１４に連結される。
【００３４】
本発明に係る可変機械剛性を有する可撓リンクの使用は、より広い使用範囲を有するよりコンパクトな振動機械的エネルギー回収システムをもたらすことができ、また該システムは既存のシステムと比べより堅固である。特に、連続に使用された非線形効果は、システムの操作範囲を増大できて、低い周波数及び/または大きい振幅運動からより効率的にエネルギーを回収する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】圧電原理による機械的エネルギーの回収をするための周知の装置を示す。
【図２】本発明に係る装置を示す。
【図３Ａ】本発明に係る装置を用いて得られた利点を図示する。
【図３Ｂ】本発明に係る装置を用いて得られた利点を図示する。
【図４Ａ】本発明に係る装置の他の実施形態を示す。
【図４Ｂ】本発明に係る装置の他の実施形態を示す。
【符号の説明】
【００３６】
１０   装置
１２   第一のパーツ(固定パーツ)
１４   周囲(サポート)
１６   第二のパーツ(可動パーツ)
１８   要素
２０   第一の手段(第一連結手段)
２２   スプリング様要素
２４   反発要素
ｋ     剛性
【図１】
2007040298.tif 000004
【図２】
2007040298.tif 000005
【図３Ａ】
2007040298.tif 000006
【図３Ｂ】
2007040298.tif 000007
【図４Ａ】
2007040298.tif 000008
【図４Ｂ】
2007040298.tif 000009
【外国語明細書】
TITLE OF THE INVENTION
MECHANICAL ENERGY RECOVERY DEVICE WITH VARIABLE STIFFNESS
TECHNICAL FIELD
[0001]
This invention relates to systems capable of recovering energy from
movements in their environment (vibrations, impacts, flows, etc.) based
on the principle of a suspended mass making relative movements with
respect to this environment.
[0002]
More specifically, in order to adapt to environments in which vibration
and/or deformation amplitudes are not fixed, the invention relates to
recovery systems in which the means of connecting the suspended mass to
the fixed part react to an action in a non-linear manner: in particular, 
the two parts free to move relative to each other are connected by variable
stiffness springs.
BACKGROUND ART
[0003]
The principle of energy generation due to relative movement between two devices is known for example in reference document 1. It has been applied to
the recovery of energy from a mobile system, for example in reference document 
2; a base (usually external) is rigidly fixed (by screwing, gluing, etc.) to a moving support, and a mobile part (usually internal) is connected to the fixed base through a flexible link. Due to its inertia, the suspended mobile part makes a relative displacement with respect to the fixed part and therefore to the support; a converter transforms the recovered mechanical energy into any required form of energy (electrical, thermal, mechanical, etc.), using any
type of conversion.  For example, the conversion principle for electrical converters may be electromagnetic, capacitive, electrostatic, piezoelectric or other (See reference documents 3 to 6).
[0004]
Thus Figure 1 illustrates a specific example related to conversion of mechanical energy into electrical energy using the piezoelectric principle.
The device 1 comprises a housing 2 fixed to a support 3 that is vibrated. An energy conversion system is located inside the housing 2 and consists of a
mass 4 connected to the housing 2 through a beam 5 made at least partially
from a piezoelectric material, this connection allowing freedom of movement
of the mass; the beam is fixed to (built in) the housing 2 at its first end
and is free at its second end. The relative displacement of the mass 4 with respect to the housing 2 modifies the piezoelectric value of the beam 5 and
the electrical energy thus generated may be transmitted to an operating
system 7 through a connection 6.
[0005]
In conventional structures, the flexible connecting means are sized to
react optimally to a given range of vibrations: in general, elastic deformation of mechanical elements such as beams, springs, or membranes, remains within their linear deformation range. The connecting elements are thus chosen appropriately as a function of the vibration and deformation amplitude 
expected from the environment. In particular, deformation of the connecting means is directly proportional to the applied force, in other words it 
is proportional to the acceleration of the movement of the device.
[0006]
2007040298.tif 000010
[Reference document 1]EP-A-0 008 237
[Reference document 2]GB-A-2 311 171
[Reference document 3]DE 101 47 720 A1
[Reference document 4]US 4 719 376 A
[Reference document 5]WO 2005/031952 A
[Reference document 6]WO 2005/057760 A
DISCLOSURE OF INVENTION
PROBLEM TO BE SOLVED BY THE INVENTION
[0007]
It can quickly be seen that this type of structure becomes inefficient or even unusable in environments in which parameters are different from the expected values: in the previous example, a deformation amplitude and an acceleration that are too high will result in a displacement of the end 4 such that it stops in contact with the housing 2, thus forming a physical limit to the displacement. High energy is also dissipated during impacts, that can irreversibly damage the conversion system.
[0008]
The invention is intended to overcome these disadvantages of existing devices, and its advantages include the elimination of constraints related to the environment. Thus, the invention can increase the application scope of a determined energy recovery device with a fixed size.
MEANS FOR SOLVING THE PROBLEM
[0009]
To achieve this, the invention relates to the addition of elements with a non-linear mechanical behavior, particularly variable stiffness. Apart from a wider application field, energy recovery structures according to the invention can be sized so as to make them more compact.
[0010]
In one of its aspects, the invention relates to an energy recovery system comprising two parts connected to each other while remaining free to move with respect to each other, one of the parts possibly being rigidly connected to a support from which energy is recovered. Advantageously, means capable of conversion of energy generated by relative movement of the two parts are provided, which preferably comprise an electronic element to exploit the electrical preferably energy. The geometry of the device preferably includes a housing in which there is a suspended part which is relatively mobile; either the housing or the suspended part may be connected rigidly to a support.
[0011]
The flexible connecting means between the two parts are such that a deformation of said means following a mechanical action is non-linear within a use range, and in particular is increasing. In particular, the flexible connecting means may consist of a spring-like element with a variable stiffness. It is also possible to associate an element acting as a spring, which has a constant or variable stiffness or combines the two characteristics, with a repulsive element.
[0012]
In this way, when the vibration amplitude of an environment with which the device is associated during use exceeds a certain value, the stiffness of the flexible link quickly increases and the displacement of the mobile part no longer follows a linear profile: it is possible to have a smaller device than usual. Note that it is not known to use the non-linear reaction property for this purpose.
[0013]
According to another aspect, the invention relates to a method for recovering energy generated from an environment in which a device comprising two parts connected to each other through a flexible link is fixed to the environment by one of the two parts, and in which the second part of the device is moved by exertion of first amplitude vibrations or deformations on the environment, the method being such that the first amplitude goes beyond the linearity range of the flexible connecting link. The link may include spring-like means, associated or not with a repulsive element.
EFFECT OF THE INVENTION
[0014]
Therefore, the invention may provide more compact energy recovery devices with a broader use range, and that are more robust than existing systems. 
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0015]
The specific features and advantages of the invention will be better understood after reading the following description with reference to the appended figures, given for illustration and in no way limitative.
EMBODIMENT
[0016]
A device 10 according to the invention, illustrated for example in Figure 2, comprises as usual a fixed part 12 connected to the mechanical energy source, in this case a support 14 to which vibrations are applied, a mobile part 16 and energy conversion elements 18: due to its inertia, the mobile part 16 is put into relative movement with respect to the fixed part 12 as soon as this fixed part is subjected to an external acceleration, applied onto the support 14 (double arrow); the energy of this movement is transformed and is recovered due to the mechanical energy conversion elements 18.
[0017]
The conversion elements 18 may be based on different principles, for example electrostatic, electromagnetic, piezoelectric or magnetostrictive conversions, illustrated particularly in document FR 2 872 868.
[0018]
The fixed part 12 and the mobile part 16 are connected by a flexible link 20. This invention proposes to choose elements 20 for the flexible link that do not respond linearly to the displacement loads, particularly elements with an increasing mechanical stiffness, to extend the operating range of the device 10.
[0019]
Thus, within the scope of the invention, the mechanical stiffness of the flexible mechanical elements 20 increases as a function of the movement amplitude of the mobile part 16 with respect to the fixed part 12, high external accelerations can be absorbed without damage by the structure 10, the mechanical links 20 becoming increasingly stiff as the movement amplitude increases and the resulting generated displacement becomes smaller. According to the invention, the non-linear means form an integral part of the device 10, and not added shock absorption means, in that they replace the conventional connecting spring.
[0020]
Two effects in particular may be derived from this selection for the connecting elements 20.  As shown on Figure 3A, for a device 10 for which the maximum displacement amplitude xmax of the mobile part 16 with respect to the fixed part 12 is fixed, for example due to a possible stop of the mobile part 16 on the fixed part 12, the operating range of the mechanical energy recovery device 10 is higher than in a structure 1 using mechanical connections with constant stiffness k: the maximum allowable acceleration of the environment 14 before colliding with the limit stop changes from a1 to a2.
[0021]
Conversely, as shown in Figure 3B, for an environment 14 for which an operating range that gives a maximum amplitude amax can be determined, it becomes possible to reduce the dimensions of the structure 10 due to the reduced amplitude of the relative movement x that decreases from x2 to x1due to the use of the mechanical connection with variable stiffness k(x).
[0022]
Mechanical elements 20 with variable stiffness k(x) may be made in several ways. For example, the flexible connecting means 20 can be appropriately mechanically sized so that the non-linear deformation range of their material can be used.
[0023]
Thus, for simple deformation elements for example such as beams or membranes, it is usually considered that the linear deformation range is exceeded as soon as the imposed deformation becomes greater than the thickness of the deformed structure 20: for a built-in guided beam like that illustrated in Figure 1, the stiffness k(x) increases quickly with the deformation as soon as the displacement x at end 4 exceeds the thickness h of the beam 5. Thus, according to the invention, a beam 20 can be chosen for which the thickness h is less than the predicted displacements.
[0024]
Conversely, a predetermined device 10 can be used in an environment 14 such that the vibrations generate oscillations with an amplitude x greater than the thickness h. Another option is to use spring-like elements 20 outside their linear elasticity range.
[0025]
These variable stiffness elements may be made in many ways. In the context of a macroscopic system occupying a few cubic centimeters, the beams used as springs may for example be made by cutting a conducting material (for example tungsten, gold or steel) by spark machining at the same time as the entire mechanical energy to electrical energy conversion structure. For a microscopic conversion system made using microelectronic technologies, the spring elements (typically beams or membranes) may be made for example of silicon etched by different techniques (for example DRIE dry etching or wet etching) using a well-defined mask.
[0026]
Their typical dimension is of the order of 1 μm. Therefore their stiffness is non-linear for deformations of several times their thickness (several micrometers).
[0027]
Furthermore, a flexible link can be chosen for the device 10 comprising an element acting as a spring for which the stiffness increases with the displacement, uniformly if possible, and particularly over the entire range of actions. Various options are presented in document US 2004/061412.
[0028]
Another embodiment for the flexible mechanical link with variable stiffness 20 is the use of common means, for example spring-like means 22, combined with at least one additional element 24 that will act in repulsion when moving close to the maximum allowable deformation amplitude xmax; see Figures 4A and 4B.  The apparent stiffness k of the flexible connecting means 20 is the sum of stiffnesses output from the spring-like element 22 and repulsive elements 24, that increase with the displacement.
[0029]
The repulsive element 24 may be based on different principles.  For example, the element 24 may cause repulsion between the fixed element 12 and the mobile element 16 close to xmaxby means of electrostatic, electromagnetic, piezoelectric, hydraulic, pneumatic or combined forces.
[0030]
For example, repulsive magnetic elements such as magnets placed or glued on the fixed and mobile parts of the structure and in which poles of the same nature (N or S) are arranged to face each other, may be transferred onto the conversion structure. Thus, as these elements move closer towards each other, the repulsion force applied between them will increase. This force, combined with the purely mechanical return force, globally forms a deformation element with variable stiffness.
[0031]
For example, it will also be possible to envisage the use of piezoelectric material in the mechanical deformation elements of the structure (for example in the case of microstructures, a film of a piezoelectric material can be made for covering mechanical deformation elements such as beams or membranes). During the deformation, it is then sufficient to charge the piezoelectric element such that it is subjected to a piezoelectric force opposing the movement of the structure (for example it can be charged when the deformation exceeds a given value close to the maximum deformation amplitude allowable by the mechanical structure). Since this piezoelectric force is added to the purely mechanical return force at an appropriate moment, this technique can be used to make a mechanical deformation element with stiffness which varies as a function of the displacement amplitude.
[0032]
Naturally, the two embodiments can be combined and for example a repulsive element 24 can be added to connecting means sized such that the stiffness is not constant throughout the vibration range, so as to associate operation in the non-linear deformation range to the threshold effect of the repulsive element 24.
[0033]
Although described in the conventional configuration, the connection with a variable mechanical stiffness according to the invention can be associated with an ≪ inverted ≫ configuration at the masses of the energy recovery device as described in document FR 2 872 868: in this configuration, the housing 12 forms the mobile part and the second part 16 is connected to the support 14 through a rigid link passing through the housing 12.
[0034]
The use of flexible links with variable mechanical stiffness according to the invention can result in more compact vibrational mechanical energy recovery systems with a broader use range, and that are more robust than existing systems. In particular, the non-linearity effect which is used continuously can increase the operating range of the system to more efficiently recover energy from low frequency and/or high amplitude movements.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0035]
Figure 1 illustrates a known device for the recovery of mechanical energy by a piezoelectric principle.
Figure 2 shows a device according to the invention.
Figures 3A and 3B diagrammatically show advantages obtained with a device according to the invention.
Figures 4A and 4B show another embodiment of a device according to the invention.
DESCRIPTION OF NUMERALS
[0036]
10 Device
12  First part (fixed part)
14  Environment (support)
16  Second part (mobile part)
18  Elements
20  First means (first connecting means)
22  Spring-like element
24  Repulsive elements
k   Stiffness
1.  Device (10) for recovery of energy from a moving environment (14), said device comprising a first part and a second part (12, 16) free to move with respect to each other and first means (20) for connecting the first part to the second part in a mobile manner, characterized in that the deformation ratio of first means (20) as a function of the applied force is non-linear over a use range.
2.  Device according to claim 1 wherein the deformation ratio of the first means is increasing as a function of the force applied.
3.  Device according to either claim 1 or 2, wherein the first means comprise a spring-like element (20) with variable stiffness.
4.  Device according to one of claims 1 to 3, wherein the first means comprise a spring-like element (22) and an element that can apply a repulsion force (24).
5.  Device according to claims 1 to 4 further comprising elements (18) for converting the energy output from the relative movement of the first and second parts (12, 16).
6.  Device according to one of claims 1 to 5 wherein either the first or second part is a housing (12) containing the other of the first and second parts (16).
7.  Device according to claim 6 comprising second means passing through the housing (12) so as to rigidly connect the other of the first and second parts to a support (14).
8.  Method of recovering mechanical energy from an environment, including:
- placement of a device (10) comprising two parts (12, 16) which move relatively to each other, so that one (12) of the parts is coupled to the environment (14), the two parts (12, 16) in the device being connected to each other by flexible connecting means (20);
- moving of the environment (14) by a first amplitude (a) of vibrations and/or deformations;
such that the connecting means (20) respond non-linearly to the force generated by the first amplitude (a).
9.  Method according to claim 8 wherein the flexible connecting means (20) comprise a spring-like element, the stiffness (k) of which is not constant within the range of the first amplitude (a).
10.  Method according to either claim 8 or 9 wherein the flexible connecting means (20) comprise first spring-like means (22) and second repulsive means (24).
11.  Use of a device as claimed in one of claims 1 to 7 by coupling either the first or second part (12, 16) to an environment (14) that can be vibrated with an amplitude such that the first connecting means (20) do not react linearly to vibrations.
SUMMARY
OBJECT
The invention is to provide more compact energy recovery systems which are capable of recovering energy from movements in their environment, with a widened usage range.
MEANS FOR SOLVING
In an energy recovery system based on relative movement between a fixed part (12) and a mobile part (16) connected by flexible connecting means (20), the flexible link is made so as to provide variable mechanical stiffness, for example due to the presence of repulsive elements (24) or use outside the linear range.
SELECTED DRAWING Figure 4A
【FIG.1】
2007040298.tif 000011
【FIG.2】
2007040298.tif 000012
【FIG.3A】
2007040298.tif 000013
【FIG.3B】
2007040298.tif 000014
【FIG.4A】
2007040298.tif 000015
【FIG.4B】
2007040298.tif 000016