DE112013006824T5

DE112013006824T5 - Leistungsgenerator

Info

Publication number: DE112013006824T5
Application number: DE112013006824.9T
Authority: DE
Inventors: Koichi Hasegawa; Hajime Kurikuma; Akihiko Namba; Hidenori Katsumura; Hiroshi Kagata; Atsushi Muramatsu
Original assignee: Sumitomo Riko Co Ltd; Panasonic Corp
Current assignee: Sumitomo Riko Co Ltd; Panasonic Corp
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2033-12-14
Also published as: JP5796229B2; US9735710B2; JPWO2014141557A1; WO2014141557A1; DE112013006824B4; CN105009442A; US20150295520A1; CN105009442B

Abstract

Das Vibrationssystem eines Leistungsgenerators (10) ist ein Vibrationssystem mit mehrfachem Freiheitsgrad umfassend ein erstes Vibrationssystem (14), in dem ein erstes Massenelement (20) elastisch von einem ersten Federelement (22) gestützt wird, und ein zweites Vibrationssystem (16), in dem ein zweites Massenelement (32) elastisch mit dem ersten Massenelement (20) durch ein zweites Federelement (34) verbunden ist. Ein leistungserzeugendes Element (38) ist zwischen dem ersten Massenelement (20) und dem zweiten Massenelement (32) angeordnet, sodass Vibrationsenergie eines vibrierenden Elements (12) dem leistungserzeugenden Element (38) durch die relative Verschiebung des ersten Massenelements (20) und des zweiten Massenelements (32) zugeführt wird, und eine natürliche Frequenz des ersten Vibrationssystems (14) sich von einer natürlichen Frequenz des zweiten Vibrationssystems (16) unterscheidet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsgenerator, der unter Verwendung eines leistungserzeugenden Elements Vibrationsenergie eines vibrierenden Elements in elektrische Energie umwandelt.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
In der Vergangenheit sind bei vibrierenden Elementen (Fahrzeug- oder Waschmaschinenkörper oder Ähnlichem), die eine Vibrationsquelle wie eine Antriebsgruppe eines Automobils, einen Waschmaschinenmotor oder Ähnliches unterstützen, Wege entworfen worden, die Vibrationen zu vermindern, beispielsweise durch Anbringen eines dynamischen Stoßdämpfers oder Ähnlichem.
Um jedoch der hohen Forderung nach Energieeinsparungen in jüngster Zeit nachzukommen, sind mit der nicht geprüften japanischen Patentanmeldung Nummer JP-A-2011-152004 (Patentdokument 1) und Ähnlichem Leistungsgeneratoren vorgeschlagen worden, die Vibrationsenergie in elektrische Energie umwandeln. Insbesondere mit dem Leistungsgenerator von Patentdokument 1 wird ein piezoelektrischer vibrierender Körper durch Anbringen eines piezoelektrischen Elements an ein Vibrationssystem gebildet, für das ein Massenelement elastisch durch ein Federelement mit einem vibrierenden Element verbunden ist, und die Umwandlung von Vibrationsenergie in elektrische Energie mit dem piezoelektrischen Element durch Verformung des Federelements ausgeführt wird.
Mit dem in Patentdokument 1 beschriebenen Leistungsgenerator ist der piezoelektrische vibrierende Körper jedoch ein Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad, für das das Massenelement elastisch von dem Federelement gestützt wird, so dass für den Vibrationseingang einer Frequenz, die von der natürlichen Frequenz versetzt ist, das Risiko besteht, nicht in der Lage zu sein, eine ausreichende Verformung des Federelements zu erzeugen und nicht in der Lage zu sein, Leistung effektiv zu erhalten.
Mit Patentdokument 1 wurde ebenfalls vorgeschlagen, Leistungserzeugung für den Vibrationseingang eines breiten Frequenzbereichs durch Bereitstellen einer Vielzahl von piezoelektrischen vibrierenden Körpern mit unterschiedlichen natürlichen Frequenzen zu realisieren. Es gibt jedoch selbst bei einer Struktur, für die eine Vielzahl piezoelektrischer vibrierender Körper auf diese Weise bereitgestellt ist, eine Begrenzung des Frequenzbereichs, für die Leistung für jeden der piezoelektrischen vibrierenden Körper erzeugt werden kann, daher bestand die Schwierigkeit, es zu ermöglichen, Elektrizität für einen Vibrationseingang mit einem breiten Frequenzbereich zu erzeugen.
DOKUMENT ZUM STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENT

Patentdokument 1: JP-A-2011-152004

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE, DIE DIE ERFINDUNG ZU LÖSEN VERSUCHT
Die vorliegende Erfindung ist mit Blick auf die zuvor beschriebenen Probleme des Stands der Technik entwickelt worden, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Leistungsgenerator mit einer neuartigen Struktur bereitzustellen, der in der Lage ist, eine Leistungserzeugung mit hohem Wirkungsgrad für den Vibrationseingang eines breiten Frequenzbereichs zu realisieren.
MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABE
Insbesondere stellt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Leistungsgenerator bereit, umfassend: ein Vibrationssystem, das ausgestaltet ist, an einem vibrierenden Element angebracht zu werden; und ein leistungserzeugendes Element, das an dem Vibrationssystem angebracht ist, während es Vibrationsenergie des vibrierenden Elements in elektrische Energie umwandelt, wobei der Leistungsgenerator dadurch gekennzeichnet ist, dass: das Vibrationssystem ein Vibrationssystem mit mehrfachem Freiheitsgrad ist, das ein erstes Vibrationssystem umfasst, in dem ein erstes Massenelement elastisch von einem ersten Federelement gestützt wird, und ein zweites Vibrationssystem, in dem ein zweites Massenelement elastisch mit dem ersten Massenelement durch ein zweites Federelement verbunden ist; das leistungserzeugende Element zwischen dem ersten Massenelement und dem zweiten Massenelement angeordnet ist und eine relative Verschiebung des ersten Massenelements und des zweiten Massenelements verursacht wird, indem Vibration von dem Vibrationselement auf das erste Massenelement aufgebracht und zu dem zweiten Massenelement übertragen wird, so dass die Vibrationsenergie des Vibrationselements dem leistungserzeugenden Element zugeführt wird; und eine natürliche Frequenz des ersten Vibrationssystems unterschiedlich von einer natürlichen Frequenz des zweiten Vibrationssystems ist.
Bei dem Leistungsgenerator, der gemäß dieser Art der ersten Ausführungsform aufgebaut ist, ist gewährleistet, dass mit einer Vielzahl gegenseitig unterschiedlicher natürlicher Frequenzen ein ausreichendes Volumen der relativen Verschiebung des ersten Massenelements und des zweiten Massenelements durch das Resonanzphänomen groß ist, und es möglich ist, wirksam ein leistungserzeugendes Volumen des leistungserzeugenden Elements zu erhalten, das gemäß dem Volumen der relativen Verschiebung des ersten Massenelements und des zweiten Massenelements erhalten wird.
Tatsächlich ist es durch Anordnen des leistungserzeugenden Elements zwischen dem ersten und zweiten Massenelement des Vibrationssystems mit mehrfachem Freiheitsgrad möglich, während des Vibrationseingangs eines Frequenzbereichs, für den das erste Massenelement und das zweite Massenelement in der entgegengesetzten Phase relativ verschoben sind, selbst bei einer Eingangsvibration einer Frequenz, die von der natürlichen Frequenz des Vibrationssystems versetzt ist, ein großes Volumen der relativen Verschiebung des ersten Massenelements und des zweiten Massenelements zu gewährleisten. Daher ist es möglich, ausreichend Leistungserzeugungsvolumen des leistungserzeugenden Elements im Verhältnis zum Vibrationseingang eines breiten Frequenzbereichs zu erhalten, und möglich, wirksam Leistung zu erhalten.
Hier bedeutet „relative Verschiebung”, dass die Vibration des vibrierenden Elements über das erste Federelement an das erste Massenelement angelegt wird, wobei das erste Massenelement selbst vibriert, die Vibration dann weiter über das zweite Federelement an das zweite Massenelement übertragen wird, und das zweite Massenelement im Verhältnis zum ersten Massenelement verschoben wird.
Auf diese Weise wird mit dem Leistungsgenerator dieser Ausführungsform nicht nur mit dem Vibrationseingang einer Frequenz, die zur mechanischen natürlichen Frequenz des Vibrationssystems passt, sondern auch mit dem Vibrationseingang für einen Frequenzbereich, der von der natürlichen Frequenz versetzt ist, eine Leistungserzeugung mit hohem Wirkungsgrad realisiert, und es ist möglich, Vibrationsenergie mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie umzuwandeln.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt den Leistungsgenerator gemäß der ersten Ausführungsform bereit, wobei die natürliche Frequenz des zweiten Vibrationssystems auf eine niedrigere Frequenz im Verhältnis zur natürlichen Frequenz des ersten Vibrationssystems eingestellt ist.
Bei dem Leistungsgenerator der zweiten Ausführungsform ist die natürliche Frequenz des zweiten Vibrationssystems auf eine niedrigere Frequenz im Verhältnis zur natürlichen Frequenz des ersten Vibrationssystems eingestellt, so dass die Federkonstante des zweiten Federelements klein eingestellt ist, es einfacher ist, ein ausreichendes Volumen der relativen Verschiebung des zweiten Massenelements im Verhältnis zum ersten Massenelement zu gewährleisten, und es einfach ist, den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung entsprechend dem Volumen der relativen Verschiebung des ersten Massenelements und des zweiten Massenelements weiter zu verbessern. Mit einem niedrigeren Frequenzbereich als die Antiresonanzfrequenz mit dem Vibrationssystem mit zwei Freiheitsgraden, erfolgt die Verschiebung in der gleichen Phase zur Eingangsvibration für sowohl das erste Massenelement als auch das zweite Massenelement, so dass die Energie der Eingangsvibration wirksam auf das erste und zweite Vibrationssystem angewandt wird, und es möglich ist, eine Leistungserzeugung mit hohem Wirkungsgrad zu realisieren.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt den Leistungsgenerator gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform bereit, wobei die natürliche Frequenz des ersten Vibrationssystems auf eine höhere Frequenz eingestellt ist, als eine elektrische Antiresonanzfrequenz des zweiten Vibrationssystems.
Bei der dritten Ausführungsform gibt es, bei einem höheren Frequenzbereich als der elektrischen Antiresonanzfrequenz, für die ein Abfall des Wirkungsgrads der erzeugten Leistung bei einem Leistungsgenerator-Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad leicht ein Problem wird, eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung basierend auf der Resonanz oder Ähnlichem bei der zweiten natürlichen Frequenz des Vibrationssystems, und es ist möglich, eine wirksame Leistungserzeugung am Vibrationseingang von breiteren Frequenzbereichen zu realisieren.
Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt den Leistungsgenerator gemäß einer der ersten bis dritten Ausführungsform bereit, wobei die natürliche Frequenz des ersten Vibrationssystems √2-mal oder geringer im Verhältnis zur natürlichen Frequenz des zweiten Vibrationssystems ist.
Bei der vierten Ausführungsform ist es dadurch, dass die Vibration des ersten Vibrationssystems und die Vibration des zweiten Vibrationssystems gegenseitig übertragen werden und in einem kombinierten Vibrationszustand sind, möglich, einen Vibrationszustand des ersten Vibrationssystems und des zweiten Vibrationssystems über einen breiten Frequenzbereich gegenseitig zu vervollständigen und aufrechtzuerhalten, und es ist möglich, eine Leistungserzeugung wirksam zu realisieren.
Eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt den Leistungsgenerator gemäß einer der ersten bis vierten Ausführungsform bereit, wobei eine Verstärkung der Resonanzreaktion des zweiten Vibrationssystems größer gemacht wird als eine Verstärkung der Resonanzreaktion des ersten Vibrationssystems, und ein Produkt einer Masse des ersten Massenelements und der Verstärkung der Resonanzreaktion des ersten Vibrationssystems größer ist als ein Produkt einer Masse des zweiten Massenelements und der Verstärkung der Resonanzreaktion des zweiten Vibrationssystems.
Bei der fünften Ausführungsform wird dadurch, dass die Verstärkung der Resonanzreaktion des zweiten Vibrationssystems größer gemacht ist als die Verstärkung der Resonanzreaktion des ersten Vibrationssystems, eine große Amplitude des zweiten Massenelements während des Vibrationseingangs gewährleistet, und eine wirksame Leistungserzeugung ist dadurch realisiert, dass das leistungserzeugende Element im zweiten Vibrationssystem angeordnet ist. Außerdem wird die versetzte Vibrationsdämpfung verhindert, die zwischen dem ersten Vibrationssystem und dem zweiten Vibrationssystem wirkt, und ein Vibrationszustand ist zwischen dem ersten Vibrationssystem und dem zweiten Vibrationssystem stabil gewährleistet, so dass eine wirksame Leistungserzeugung für Breitbandvibration realisiert wird.
Eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt den Leistungsgenerator gemäß einer der ersten bis fünften Ausführungsform bereit, wobei ein Anschlagmittel vorgesehen ist, das die relative Verschiebung des zweiten Massenelements im Verhältnis zum ersten Massenelement beschränkt.
Bei der sechsten Ausführungsform wird die übermäßige relative Verschiebung des ersten Massenelements und des zweiten Massenelements durch Anschlagmittel verhindert, der Eingang zum leistungserzeugenden Element ist beschränkt und eine Beschädigung oder Ähnliches an dem leistungserzeugenden Element wird verhindert.
Eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt den Leistungsgenerator gemäß einer der ersten bis sechsten Ausführungsform bereit, wobei das erste Federelement aus einem elastischen Gummikörper gebildet ist.
Bei der siebten Ausführungsform ist das erste Federelement unter Verwendung eines elastischen Gummikörpers gebildet, der eine Dämpfungsleistung aufweist, so dass ausreichend Volumen der relativen Verschiebung des ersten Massenelements und des zweiten Massenelements für den Eingang eines breiteren Frequenzbereichs gewährleistet ist und eine wirksame Leistungserzeugung realisiert wird.
Eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt den Leistungsgenerator gemäß einer der ersten bis siebten Ausführungsform bereit, wobei das erste Federelement aus einem elastischen Gummikörper gebildet ist und das zweite Federelement aus einer Blattfeder gebildet ist, wobei eine Endseite der Blattfeder an dem ersten Massenelement und das zweite Massenelement an einer anderen Endseite der Blattfeder befestigt ist, so dass die Vibration des Vibrationselements auf die Blattfeder angewandt wird, und das leistungserzeugende Element auf der Blattfeder montiert ist.
Bei der achten Ausführungsform ist es möglich, die Frequenzeigenschaften durch die hohe Dämpfungskapazität des elastischen Gummikörpers, aus dem das erste Vibrationssystem besteht, wirksam zu erweitern, und möglich, eine hohe Vibrationsverstärkung durch die geringe Dämpfungskapazität der Blattfeder, aus der das zweite Vibrationssystem besteht, zu erhalten. Daher wird mit der Blattfeder, die das zweite Federelement ist, eine große elastische Verformung im Verhältnis zur Eingangsvibration eines breiteren Frequenzbereichs hervorgerufen, und mit dem auf der Blattfeder montierten leistungserzeugenden Element noch stabiler eine Leistungserzeugung mit höherem Wirkungsgrad erzielt. Als das auf der Blattfeder montierte leistungserzeugende Element kann ein piezoelektrisches Element, ein magnetostriktives Element oder Ähnliches geeignet verwendet werden, das eine mechanische physikalische Menge eines Verziehens, einer Verformung, Spannung oder Ähnlichem einer Blattfeder in Energie umwandeln kann. Als Blattfeder kann auch eine Metallfeder wie Federstahl oder Ähnliches geeignet verwendet werden, aber es ist auch möglich, eine Kunstharzfeder oder Ähnliches gemäß den Bedingungen zu verwenden, und es ist möglich durch Beschichten der Fläche mit Gummi gewünschte Dämpfungskapazität zusätzlich hinzuzufügen.
Eine neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt den Leistungsgenerator gemäß einer der ersten bis achten Ausführungsform bereit, wobei das erste Massenelement eine hohle Struktur aufweist, die mit einem Gehäuseraum im Innern versehen ist, und das zweite Vibrationssystem innerhalb des Gehäuseraums beherbergt ist.
Bei der neunten Ausführungsform ist die Schwerpunktposition des ersten Massenelements und des zweiten Massenelements so eingestellt, dass sie gering und nahe ist, so dass andere Vibrationen als in Zielrichtung des ersten und zweiten Elements unterdrückt werden, so dass sie niedrig sind, und die Vibration der Zielrichtung stabil eingegeben wird, wobei es eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung durch das erste und zweite Vibrationssystem gibt. Da das zweite Vibrationssystem innerhalb des Gehäuseraums separat von dem äußeren Raum beherbergt ist, ist es nicht notwendig, ein separates Element für Staubschutz, Wasserschutz oder Ähnliches für das zweite Vibrationssystem bereitzustellen.
Eine zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt den Leistungsgenerator gemäß einer der ersten bis neunten Ausführungsform bereit, wobei der Leistungsgenerator ausgestaltet ist, an einer Seite des Vibrationselements montiert zu sein, durch das Vibrationen mehrfacher Arten, deren Vibrationsniveaus innerhalb gegenseitig unterschiedlicher Frequenzbereiche maximal werden, auf das Vibrationssystem aufgebracht werden.
Mit der zehnten Ausführungsform ist es durch Anwenden des Leistungsgenerators, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, unter Verwendung eines Vibrationssystems mit mehrfachem Freiheitsgrad auf ein spezifisches Vibrationselement, das eine Vibrationsspitze bei einer Vielzahl unterschiedlicher Frequenzbereiche aufweist, möglich, eine stabile Leistungserzeugung mit hohem Wirkungsgrad in unterschiedlichen Situationen zu erhalten. Beispiele des bei dieser Ausführungsform verwendeten Vibrationselements umfassen eine elektrische Waschmaschine, für die sich die Vibrationsfrequenz je nach Gewicht der Wäsche oder Ähnlichem unterscheidet, ein Automobil, für das sich die Vibrationsfrequenz je nach Fahrtzustand oder Ähnlichem unterscheidet.
Als weitere Ausführungsform der Erfindung ist es außerdem möglich, den Leistungsgenerator gemäß einer der ersten bis zehnten Ausführungsform zu verwenden, wobei die Masse des ersten Massenelements 10% oder größer ist als die äquivalente Masse des Vibrationselements.
Bei dieser Ausführungsform wirkt das erste Vibrationssystem als dynamischer Dämpfer, der die Vibration des Vibrationselements versetzt und vermindert, und es ist möglich, eine wirksame Vibrationsdämpfung zu erzielen.
EFFEKT DER ERFINDUNG
Bei der vorliegenden Erfindung ist das leistungserzeugende Element zwischen dem ersten Massenelement und dem zweiten Massenelement, die das Vibrationssystem mit mehrfachem Freiheitsgrad bilden, angebracht, und Leistung kann mit dem leistungserzeugenden Element gemäß dem Volumen der relativen Verschiebung des ersten Massenelements und des zweiten Massenelements erhalten werden. Daher ist es möglich, Leistung durch das leistungserzeugende Element für den Vibrationseingang einer Vielzahl gegenseitig unterschiedlicher Frequenzen zu erhalten, und eine wirksame Leistungserzeugung wird durch das leistungserzeugende Element für den Vibrationseingang eines breiteren Frequenzbereichs realisiert, für den das erste Massenelement und das zweite Massenelement in der entgegengesetzten Phase verschoben sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die einen Leistungsgenerator als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Vibrationsmodell, das geeignet zum Beschreiben des Leistungsgenerators von 1 ist.
3 ist eine grafische Darstellung, die die tatsächlichen Messwerte des Leistungserzeugungsvolumens des Leistungsgenerators von 1 als Beispieldaten zeigt, zusammen mit den Vergleichsbeispieldaten, die durch ein Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad gebildet sind.
4 ist eine grafische Darstellung, die die Wechselbeziehung zwischen Frequenz und Amplitude beim Handhaben jedes Vibrationssystems zeigt, das den Leistungsgenerator von 1 als Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad bildet.
5 ist eine schematische Darstellung, die eine elektrische Ersatzschaltung eines zweiten Vibrationssystems des Leistungsgenerators von 1 zeigt.
6 ist eine grafische Darstellung, die die Wechselwirkung zwischen Eingangsvibrationsfrequenz, Impedanz und Phase für die Ersatzschaltung von 5 zeigt.
7 ist eine vertikale Querschnittansicht, die einen Leistungsgenerator als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist eine vertikale Querschnittansicht, die einen Leistungsgenerator als noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt einen Leistungsgenerator 10 als eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie es auch bei dem Vibrationsmodell von 2 gezeigt ist, ist der Leistungsgenerator 10 mit einem Vibrationssystem mit mehrfachem Freiheitsgrad ausgestattet, umfassend ein erstes Vibrationssystem 14, das an einen Körper 12 als Vibrationselement angebracht ist, und ein zweites Vibrationssystem 16, das an den Körper 12 über das erste Vibrationssystem 14 angebracht ist. Bei der nachfolgenden Beschreibung meint, sofern es nicht eine spezifische Erklärung gibt, „vertikale Richtung” die vertikale Richtung in 1, welche die Hauptvibrations-Eingangsrichtung des Körpers 12 ist.
Genauer gesagt ist das erste Vibrationssystem 14 derart aufgebaut, dass ein Befestigungselement 18 und ein erstes Massenelement 20 elastisch durch einen elastischen Gummikörper 22 als erstes Federelement verbunden sind, und indem das Befestigungselement 18 an dem Körper 12 durch einen Bolzen oder Ähnliches verbunden ist, ist das erste Massenelement 20 elastisch durch den verbindenden elastischen Gummikörper 22 mit dem Körper 12 verbunden. Die Form und das bildende Material des ersten Massenelements 20 ist nicht insbesondere beschränkt, aber es ist wünschenswert, dass es aus einem Material mit einer hohen relativen Dichte gebildet ist, damit es kompakter ist, wobei es bei dieser Ausführungsform ein Element ist, das eine solide rechteckige Blockform gebildet aus Eisen ist. Außerdem ist ein Stützvorsprung 24, der nach oben hervorsteht, einteilig auf dem ersten Massenelement 20 gebildet, und ein Schraubloch ist gebildet, das sich nach oben auf der oberen Fläche öffnet. Der verbindende, elastische Gummikörper 22 ist ein rechteckiger, blockförmiger, elastischer Gummikörper, er ist zwischen dem Befestigungselement 18 und dem ersten Massenelement 20 angeordnet, die einander vertikal gegenüberstehen, seine untere Fläche haftet an dem Befestigungselement 18 und seine obere Fläche haftet an dem ersten Massenelement 20.
Als Material für den als verbindenden, elastischen Gummikörper 22 verwendeten elastischen Gummikörper wird Naturkautschuk, synthetisches Kautschuk oder ein gemischter Kautschuk aus Naturkautschuk und synthetischem Kautschuk verwendet. Beispiele für einen synthetischen Kautschuk umfassen Styrol-Butadien-Kautschuk, Butadienkautschuk, Isoprenkautschuk, Chloroprenkautschuk, Isobutylen-Isoprenkautschuk, Chlor-Isobutylen-Isopren-Kautschuk, Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Hydro-Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Kautschuk, Acrylkautschuk, Silikonkautschuk und Ähnliches.
Außerdem ist das erste Massenelement 20 dieser Ausführungsform mit einem ersten Abdeckelement 28 ausgestattet. Das Abdeckelement 28 weist eine rechteckige Kastenform auf, die sich nach unten öffnet, und ist an dem ersten Massenelement 20 über ein flanschförmiges Fixierstück befestigt, das an dem Öffnungsteil vorgesehen ist und durch einen Bolzen oder Ähnliches an dem ersten Massenelement 20 fixiert ist, so dass die obere Fläche abgedeckt wird. Durch Montieren des Abdeckelements 28, wie zuvor beschrieben, über dem ersten Massenelement 20, ist ein Gehäusebereich 30 durch das Abdeckelement 28 bestimmt, das vom Äußeren getrennt ist, und der Stützvorsprung 24 des ersten Massenelements 20 steht in den Gehäusebereich 30 hervor.
Außerdem ist es wünschenswert, dass die Masse m₁ des ersten Massenelements 20, umfassend das Abdeckelement 28, 10% oder mehr als die äquivalente Masse M des Körpers 12 beträgt (m₁ ≥ 0,1·M). Dadurch hat das erste Massenelement 20 einen ausreichenden Effekt auf den Vibrationszustand des Körpers 12, und da es möglich ist, als dynamischer Dämpfer zu fungieren, ist eine Vibrationsabnahme des Körpers 12 durch den Vibrationsversatz zu erwarten.
Außerdem ist ein zweites Vibrationssystem 16 in dem Gehäusebereich 30 angeordnet. Mit dem zweiten Vibrationssystem 16 ist ein zweites Massenelement 32 an einem Endteil einer Blattfeder 34 als ein zweites Federelement befestigt, und der andere Endteil der Blattfeder 34 ist an dem ersten Massenelement 20 befestigt. Folglich weist das zweite Vibrationssystem 16 eine Auslegerstruktur auf, in der das zweite Massenelement 32 elastisch mit dem ersten Massenelement 20 durch die Blattfeder 34 verbunden ist.
Das zweite Massenelement 32 weist eine rechteckige Blockform auf und ist aus einem Material mit einer hohen relativen Dichte wie Eisen oder Ähnlichem gebildet, so wie das erste Massenelement 20. Außerdem wird bei dieser Ausführungsform die Masse m₂ des zweiten Massenelements 32 so eingestellt, dass m₁·X > m₂·Q erfüllt ist, wobei m₁ die Masse des ersten Massenelements 20 ist. Es ist zu beachten, dass X die Reaktionsverstärkung (Verstärkung der Resonanzreaktion) bei der natürlichen Frequenz des ersten Vibrationssystems 14 angibt, und Q die Verstärkung der Resonanzreaktion des zweiten Vibrationssystems 16 angibt, und dass bei dieser Ausführungsform die Verstärkung der Resonanzreaktion Q des zweiten Vibrationssystems 16 größer als die Verstärkung der Resonanzreaktion X des ersten Vibrationssystems 14 (X < Q) ist. Außerdem ist, vorzugsweise indem die Masse m₂ des zweiten Massenelements 32 1/5 oder weniger als die Masse m₁ des ersten Massenelements 20 (m₂ < m₁/5) beträgt, das zweite Massenelement 32 kleiner und leichter als das erste Massenelement 20. Auf diese Weise, indem das zweite Massenelement 32 leichter ist als das erste Massenelement 20, während die natürliche Frequenz des Vibrationssystems gemäß der Frequenz der Vibration bei Leistungserzeugung eingestellt ist, ist die Federkonstante der Blattfeder 34 so einzustellen, dass sie ausreichend klein ist, und es ist möglich, eine relative Verschiebung des ersten Massenelements 20 im Verhältnis zum zweiten Massenelement 32 wirksam zu erzeugen.
Die Blattfeder 34 ist ein längliches plattenförmiges Metallelement, das aus elektrisch leitendem Federstahl gebildet ist, und das zweite Massenelement 32 ist an einem längsgerichteten Endteil fixiert, wobei der andere längsgerichtete Endteil von einer Schraube an dem stützenden Vorsprung 24 des ersten Massenelements 20 überlappt und fixiert wird. Dadurch ist das zweite Massenelement 32 elastisch mit dem ersten Massenelement 20 über die Blattfeder 34 verbunden und eine relative Verschiebung des zweiten Massenelements 32 im Verhältnis zum ersten Massenelement 20 ist durch die elastische Verformung in der Scherrichtung zulässig, welche die Richtung der Blattdicke der Blattfeder 34 ist (vertikale Richtung in 1). Wie daraus deutlich wird, ist der Leistungsgenerator 10 mit einem Vibrationssystem mit zwei Freiheitsgraden ausgestattet, das aus dem ersten Vibrationssystem 14 und dem zweiten Vibrationssystem 16 besteht.
Bei dieser Ausführungsform ist die mechanische natürliche Frequenz f_r2, wenn das zweite Vibrationssystem 16 als Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad ausgelegt ist, auf eine niedrigere Frequenz eingestellt als die mechanische natürliche Frequenz f_r1, wenn das erste Vibrationssystem 14 als Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad ausgelegt ist (f_r2 < f_r1). Außerdem ist es wünschenswert, dass die natürliche Frequenz f_r1 des ersten Vibrationssystems 14 allein √2-mal oder weniger im Verhältnis zur natürlichen Frequenz f_r2 des zweiten Vibrationssystems 16 allein ist (f_r2 < f_r1 ≤ √2·f_r2). Dadurch ist es möglich, Probleme wie eine Verringerung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung aufgrund dessen zu vermeiden, dass das versetzte Verschiebungsvolumen des ersten Massenelements 20 im Verhältnis zum zweiten Massenelement 32 durch die Vibrationsdämpfung von dem so genannten Skyhook-Dämpfungseffekt verhindert wird. Die mechanische natürliche Frequenz f_r1 mit dem Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad des ersten Vibrationssystems 14 allein wird berechnet mit [Formel 1] aus der Masse m₁ des ersten Massenelements 20 und der Federkonstante k₁ des verbindenden elastischen Gummikörpers 22. Die mechanische natürliche Frequenz f_r2 mit dem Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad des zweiten Vibrationssystems 16 allein wird berechnet mit [Formel 2] aus der Masse m₂ des zweiten Massenelements 32 und der Federkonstante k₂ der Blattfeder 34. [Formel 1]
[Formel 2]
Außerdem haftet ein leistungserzeugendes Element 38 an der Blattfeder 34. Beim leistungserzeugenden Element 38 wird vorzugsweise ein typisches piezoelektrisches Element oder ein elektrostriktives Element oder Ähnliches verwendet. Indem es an der Fläche der Blattfeder 34 überlappt wird und an ihr haftet, ist das leistungserzeugende Element 38 zwischen dem ersten Massenelement 20 und zweiten Massenelement 32 angeordnet. Während des Vibrationseingangs werden das erste Massenelement 20 und das zweite Massenelement 32 auch relativ verschoben, indem externe Kraft auf das erste Massenelement 20 von dem Körper 12 einwirkt und auf das zweite Massenelement 32 übertragen wird, und indem die Blattfeder 34 elastisch verformt wird, erzeugt das leistungserzeugende Element 38 Elektrizität, indem sie sich zusammen mit der Blattfeder 34 verformt. Anders ausgedrückt, wird Vibrationsenergie dem leistungserzeugenden Element 38 durch die relative Verschiebung des ersten Massenelements 20 und zweiten Massenelements 32 zugeführt, und das leistungserzeugende Element 38 wandelt Vibrationsenergie in elektrische Energie gemäß dem Volumen der relativen Verschiebung des ersten Massenelements 20 und des zweiten Massenelements 32 um. Eine elektrische Schaltung 40 ist an dieses leistungserzeugende Element 38 angeschlossen, wobei diese unter Verwendung einer Vorrichtung (Vorrichtung 42) oder Ähnlichem, beispielsweise einer Gleichrichterschaltung, einer Stromspeichervorrichtung, einem Sensor oder Ähnlichem elektrisch an eine Leistungsversorgung angeschlossen ist. Wenn ein piezoelektrisches Element als leistungserzeugendes Element 38 verwendet wird, kann als das bildende Material dafür beispielsweise ein Keramikmaterial, ein monokristallines Material oder Ähnliches verwendet werden. Insbesondere kann beispielsweise ein beliebiges aus der Gruppe von Blei-Zirkonat-Titanat, Aluminiumnitrid, Lithiumtantalat, Lithiumniobat oder Ähnlichem geeignet als das bildende Material für das piezoelektrisches Element verwendet werden.
Bei dieser Ausführungsform ist das leistungserzeugende Element 38, das an der Blattfeder 34 haftet, in dem Gehäusebereich 30 getrennt von dem äußeren Raum durch das Abdeckelement 28 angeordnet, und das Haften von Fremdstoffen wie Wasser, Staub oder Ähnlichem wird verhindert, indem es von dem Abdeckelement 28 abgedeckt ist.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Anschlagmittel 44 vorgesehen, das die relative Verschiebung des zweiten Massenelements 32 im Verhältnis zum ersten Massenelement 20 einschränkt, die übermäßige Verformung der Blattfeder 34 und des leistungserzeugenden Elements 38 wird verhindert und eine Beschädigung des leistungserzeugenden Elements 38 wird vermieden. Indem das zweite Massenelement 32 an die obere Fläche des ersten Massenelements 20 und die Innenfläche der oberen Bodenwand des Abdeckelements 28 anliegt, umfasst das Anschlagmittel 44 das erste Massenelement 20 und das Abdeckelement 28. Bei dieser Ausführungsform haftet außerdem ein Anschlaggummi 46 jeweils auf der oberen Fläche des ersten Massenelements 20 und der Innenfläche der oberen Bodenwand des Abdeckelements 28, und das zweite Massenelement 32 ist hergestellt, auf puffernde Weise an dem ersten Massenelement 20 und dem Abdeckelement 28 über das Anschlaggummi 46 anzuliegen.
Bei dem Leistungsgenerator 10 dieser Ausführungsform, der auf diese Weise gebildet ist, wird im auf dem Körper 12 montierten Zustand die Vibrationsenergie des Körpers 12 in elektrische Energie umgewandelt und von dem leistungserzeugenden Element 38 entnommen. Angesichts dessen wird bei dem Leistungsgenerator 10 durch Bereitstellen eines Vibrationssystems mit zwei Freiheitsgraden und auch durch Anordnen des leistungserzeugenden Elements 38 zwischen dem ersten und zweiten Massenelement 20 und 32 eine wirksame Leistungserzeugung durch das leistungserzeugende Element 38 realisiert.
Mit dieser Art Leistungsgenerator 10 wird mechanisch ein Vibrationssystem mit zwei Freiheitsgraden gebildet, für das das erste Vibrationssystem 14, das aus dem ersten Massenelement 20 und dem verbindenden elastischen Gummikörper 22 als erstem Federelement besteht, und das zweite Vibrationssystem 16, das aus dem zweiten Massenelement 32 und der Blattfeder 34 als zweitem Federelement besteht, in Reihe geschaltet werden, so dass es möglich ist, dies unter Verwendung eines bekannten Vibrationsmodellsystems mit mehrfachem Freiheitsgrad zu analysieren. Insbesondere ist das Vibrationsmodell des mechanischen Vibrationssystems dieses Leistungsgenerators 10 wie in 2 gezeigt, und dies wird durch die bekannte Bewegungsgleichung für ein System mit zwei Freiheitsgraden in [Formel 3] gezeigt. Mit [Formel 3] korreliert x₁ zu dem Verschiebungsvolumen des ersten Massenelements 20 mit dem Leistungsgenerator 10, und x₂ korreliert mit dem Verschiebungsvolumen des zweiten Massenelements 32 mit dem Leistungsgenerator 10. Außerdem korreliert F₀sin2πft in [Formel 3] mit dem Vibrationslasteingang von dem Körper 12 mit dem Leistungsgenerator 10. [Formel 3]
Wie gut bekannt ist, gelten Ω₁ und Ω₂ (Ω₁ < Ω₂), die als die Lösung der typischen Bewegungsgleichung für ein Vibrationssystem mit zwei Freiheitsgraden angesehen werden, das in [Formel 3] gezeigt ist, als die jeweiligen natürlichen Frequenzen des Vibrationssystems mit zwei Freiheitsgraden. Jedoch wird der Leistungsgenerator 10 als mechanische Vorrichtung als Vibrationssystem mit zwei Freiheitsgraden verstanden, aber die Vibrationsenergie an das leistungserzeugende Element 38 wird als versetztes Verformungsvolumen des zweiten Massenelements 32 im Verhältnis zum ersten Massenelement 20 aufgebracht. Daher wird, da die Phasendifferenz des ersten Massenelements 20 und des zweiten Massenelements 32 ungefähr 180° beträgt, so dass sie in der Umkehrrichtung verschoben sind, die auf den Leistungsgenerator 10 angewandte Energie wirksam auf das leistungserzeugende Element 38 aufgebracht, und es ist möglich, eine große Menge erzeugter elektrischer Leistung zu erhalten.
Um eine spezifische Erklärung mit den natürlichen Frequenzen Ω₁ und Ω₂ des zuvor beschriebenen Vibrationssystems mit zwei Freiheitsgraden zu geben, obgleich theoretisch bei jeder der beiden die Bewegungsquantität der Massenverschiebung die Spitze sein kann, von der niedrigen Frequenz hoch zu der ersten natürlichen Frequenz Ω₁, bewegen sich das erste und zweite Massenelement 20 und 32 in der gleichen Phase, so dass es schwer ist, dass die Eingangsvibrationsenergie wirksam in erzeugte elektrische Leistung umgewandelt wird. Im Gegensatz dazu bewegen sich bei der Frequenz von der ersten natürlichen Frequenz Ω₁ zur zweiten natürlichen Frequenz Ω₂ das erste und zweite Massenelement 20 und 32 in der Umkehrphase, so dass es möglich ist, Vibrationsenergie wirksam in erzeugte elektrische Leistung umzuwandeln und eine große erzeugte elektrische Leistung zu erhalten.
Wenn wir hier zum besseren Verständnis annehmen, dass es möglich ist, das zweite Vibrationssystem 16 als System mit einem Freiheitsgrad zu verstehen, für das das zweite Massenelement 32 elastisch im Verhältnis zum ersten Massenelement 20 verschoben wird, so weist bei der mechanischen natürlichen Frequenz f_r2 als Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad des zweiten Vibrationssystems 16 das zweite Massenelement 32 des zweiten Vibrationssystems 16 eine Phase auf, die der Phase des ersten Vibrationssystems 14 im Verhältnis zum ersten Massenelement 20 umgekehrt ist. Tatsächlich ist es im Frequenzbereich der natürlichen Frequenz f_r2 durch das mechanische Resonanzphänomen des zweiten Vibrationssystems 16 möglich, ausreichend Volumen der relativen Verschiebung des zweiten Massenelements 32 im Verhältnis zum ersten Massenelement 20 zu erhalten.
Aufgrund dieser Tatsache ist es bei dieser Ausführungsform möglich, für die die mechanische natürliche Frequenz des zweiten Vibrationssystems 16 auf einen niedrigeren Frequenzbereich eingestellt ist als die des ersten Vibrationssystems 14, selbst bei einem niedrigen Frequenzbereich bis zu der natürlichen Frequenz Ω₂ der Hochfrequenzseite, für die das erste und zweite Massenelement 20 und 32 in Umkehrphase in dem Vibrationsmodus des Vibrationssystems mit zwei Freiheitsgraden arbeitet, dadurch, dass die Phase des zweiten Massenelements 32 im Verhältnis zum ersten Massenelement 20 im Frequenzbereich invertiert wird, der die mechanische natürliche Frequenz f_r2 als Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad des zweiten Vibrationssystems 16 überschreitet, eine große Menge erzeugter elektrischer Leistung mit einem ausgezeichneten Wirkungsgrad der Leistungserzeugung zu erhalten.
Dies wurde auch von den Erfindern durch die tatsächlichen Messergebnisse der erzeugten elektrischen Leistung bestätigt. Insbesondere wurde ein Prototyp des Leistungsgenerators 10 gemäß dieser in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform hergestellt und durch Kipposzillation von der Seite des Körpers 12 wurden die Frequenzeigenschaften der elektrischen Leistung, die von dem leistungserzeugenden Element 38 erzeugt wurde, gemessen. Die Ergebnisse sind in 3 gezeigt. In dieser 3 sind die tatsächlichen Messwerte der erzeugten elektrischen Leistung des leistungserzeugenden Elements 38 durch eine Volllinie als Beispieldaten gezeigt, und die Messwerte der elektrischen Leistung, die von dem Leistungsgenerator erzeugt wurde, der aus einer mechanischen Systemstruktur mit einem Freiheitsgrad besteht, die mit dem zweiten Vibrationssystem allein korreliert, wobei das erste Vibrationssystem weggelassen wurde, sind durch eine gestrichelte Linie als Vergleichsbeispieldaten gezeigt.
Wie auch aus 3 ersichtlich ist, wobei das Vergleichsbeispiel im Wesentlichen aus dem zweiten Vibrationssystem allein besteht, ist die erzeugte elektrische Leistung nichts weiter, als wenn man eine Spitze mit nur dem Frequenzbereich der mechanischen natürlichen Frequenz f_r2 des zweiten Vibrationssystems hat, und wenn die Eingangsvibration von der natürlichen Frequenz f_r2 versetzt ist, gibt es einen deutlichen Abfall im Wirkungsgrad der Leistungserzeugung. Im Gegensatz dazu weist bei dem Beispiel der vorliegenden Erfindung die erzeugte elektrische Leistung jeweilige Spitzen bei zwei Frequenzen P₁ und P₂ auf, und eine Leistungserzeugung mit hohem Wirkungsgrad wird im Frequenzbereich zwischen den beiden Frequenzen P₁ und P₂ oder über einen breiten Frequenzbereich aufrechterhalten, bis zu einem Frequenzbereich, der P₂ überschreitet. Hier ist die Frequenz P₂, welche die Spitze der Hochfrequenzseite ist, die Frequenz, die mit der natürlichen Frequenz Ω₂ der Hochfrequenzseite korreliert, für die sich das erste und zweite Massenelement 20 und 32 in Umkehrphase in dem Vibrationsmodus des Vibrationssystems mit zwei Freiheitsgraden bewegen. Währenddessen ist die Frequenz P₁, welche die Spitze der Niederfrequenzseite ist, die Frequenz, die mit der natürlichen Frequenz Ω₁ der Niederfrequenzseite korreliert, für die sich das erste und zweite Massenelement 20 und 32 in Umkehrphase in dem Vibrationsmodus des Vibrationssystems mit zwei Freiheitsgraden bewegen, und ist die Frequenz, die grob der natürlichen Frequenz f_r2 entspricht, für die die Phase im Verhältnis zum ersten Massenelement bei dem zweiten Vibrationssystem 16 als Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad invertiert ist.
Außerdem ist bei dieser Ausführungsform die Verstärkung der Resonanzreaktion Q des zweiten Vibrationssystems 16 größer als die Verstärkung der Resonanzreaktion X des ersten Vibrationssystems 14 (X < Q) und das Produkt der Masse m₁ des ersten Massenelements 20 und der Verstärkung der Resonanzreaktion X des ersten Vibrationssystems 14 ist größer als das Produkt der Masse m₂ des zweiten Massenelements 32 und die Verstärkung der Resonanzreaktion Q des zweiten Vibrationssystems 16 (m₁·X > m₂·Q). Dadurch ist gewährleistet, dass während des Vibrationseingangs die Amplitude des zweiten Massenelements 32 und somit das elastische Verformungsvolumen der Blattfeder 34 groß ist und eine Leistungserzeugung durch das leistungserzeugende Element 38 wirksam realisiert wird. Außerdem ist die Oszillationskraft, die in einem Resonanzzustand auf das erste Massenelement 20 aufgebracht wird, größer als die Oszillationskraft, die in einem Resonanzzustand auf das zweite Massenelement 32 aufgebracht wird, so dass die versetzte Vibrationsdämpfung der Eingangsvibration durch das zweite Vibrationssystem 16 verhindert wird, und durch das stabile Erzeugen einer relativen Verschiebung des ersten Massenelements 20 und des zweiten Massenelements 32 eine wirksamere Leistungserzeugung über ein breites Band realisiert wird.
Außerdem ist bei dem Leistungsgenerator 10 die Masse m₂ des zweiten Massenelements 32 1/5 oder weniger groß als die Masse m₁ des ersten Massenelements 20, und während die mechanische natürliche Frequenz des Vibrationssystems mit zwei Freiheitsgraden auf einen bestimmten Wert eingestellt ist, ist die Federkonstante k₂ der Blattfeder 34 klein eingestellt. Daher findet die relative Verschiebung des zweiten Massenelements 32 im Verhältnis zum ersten Massenelement 20 einfach statt, und es ist möglich, wirtschaftlich ein Leistungserzeugungsvolumen durch das leistungserzeugende Element 38 zu erhalten.
Außerdem ist bei dieser Ausführungsform die mechanische natürliche Frequenz f_r2 mit dem Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad des zweiten Vibrationssystems 16 allein auf eine niedrigere Frequenz eingestellt als die natürliche Frequenz f_r1 bei dem Mechanismus mit dem Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad des ersten Vibrationssystems 14 (f_r2 < f_r1). Dadurch ist es möglich, dass eine ausreichend relative Verschiebung des ersten Massenelements 20 im Verhältnis zum zweiten Massenelement 32 während des Vibrationseingangs auftritt, und es ist möglich, den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung entsprechend dem Volumen der relativen Verschiebung des ersten Massenelements 20 und des zweiten Massenelements 32 zu erhöhen.
Außerdem wird dadurch, dass f_r2 < f_r1, bei dem Frequenzbereich von der mechanischen natürlichen Frequenz f_r2 mit dem Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad des zweiten Vibrationssystems 16 bis zur mechanischen natürlichen Frequenz f_r1 bei dem Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad des ersten Vibrationssystems 14 das erste Massenelement 20 in der gleichen Phase im Verhältnis zur Eingangsvibration verschoben. Daher wird über das erste Massenelement 20, das Vibrationsverschiebung in der gleichen Phase im Verhältnis zum Körper 12 aufweist, Vibrationsenergie wirksamer an das zweite Vibrationssystem 16 übertragen, und es gibt eine weitere Verbesserung im Wirkungsgrad der Leistungserzeugung. Währenddessen wird, wenn f_r2 >> f_r1, an der Niederfrequenzseite der natürlichen Frequenz Ω₁ mit dem Vibrationssystem mit zwei Freiheitsgraden das erste Vibrationssystem 14 in der Umkehrphase im Verhältnis zur Eingangsvibration verschoben, so dass es nicht möglich ist, Vibrationsenergie wirksam an das zweite Vibrationssystem 16 zu übertragen. Angesichts dessen ist es möglich, indem f_r2 < f_r1 wie bei dieser Ausführungsform, den Frequenzbereich zwischen P₁ bis P₂, der in 3 gezeigt ist, ausreichend groß einzustellen, und einen ausgezeichneten Wirkungsgrad der Leistungserzeugung in einem noch breiteren Frequenzbereich zu erhalten.
Außerdem besteht die Federkomponente des ersten Vibrationssystems 14, die das Vibrationssystem mit zwei Freiheitsgraden des Leistungsgenerators 10 bildet, aus dem verbindenden elastischen Gummikörper 22, der mit einem elastischen Gummikörper gebildet ist, wobei die Federkomponente des zweiten Vibrationssystems 16 von der Blattfeder 34 gebildet wird, die unter Verwendung von Metall gebildet ist. Dadurch ist es, wie in 4 gezeigt, bei dem zweiten Vibrationssystem 16 mit einer großen Verstärkung der Resonanzreaktion, während einer Amplitude, für die Leistungserzeugung nur in einem schmalen Frequenzbereich nahe der Resonanzfrequenz möglich ist, beim ersten Vibrationssystem 14 bei einer Verstärkung der Resonanzreaktion, die kleiner als die des zweiten Vibrationssystems 16 ist, möglich, eine Amplitude zu erhalten, bei der Leistungserzeugung über einen breiten Frequenzbereich möglich ist. Durch Kombinieren des ersten Vibrationssystems 14 und des zweiten Vibrationssystems 16 zur gemeinsamen Nutzung kann daher die Leistungserzeugung, die nur in einem sehr schmalen Frequenzbereich mit dem zweiten Vibrationssystem 16 allein realisiert werden kann, wirksam für den Vibrationseingang eines breiteren Frequenzbereichs durch die Verbreiterung der Eigenschaften basierend auf der Dämpfungsleistung des verbindenden elastischen Gummikörpers 22 des ersten Vibrationssystems 14 realisiert werden. Dadurch ist eine effektive Leistungserzeugung unter verschiedenen Vibrationseingangsbedingungen möglich, und es ist möglich, einen Leistungsgenerator 10 bereitzustellen, der eine große praktische Nutzbarkeit aufweist. In 4 sind die Frequenz-Amplitude-Eigenschaften bei dem Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad des ersten Vibrationssystems 14 allein durch eine Volllinie gezeigt, und die Frequenz-Amplitude-Eigenschaften bei dem Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad des zweiten Vibrationssystems 16 allein sind durch eine gestrichelte Linie gezeigt.
Außerdem wird bei dem Leistungsgenerator 10, indem die mechanische natürliche Frequenz f_r1 mit dem Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad des ersten Vibrationssystems 14 allein auf eine höhere Frequenz eingestellt wird als die elektrische Antiresonanzfrequenz f_a2 des Vibrationssystems mit mehrfachem Freiheitsgrad, das aus dem ersten und zweiten Vibrationssystem 14 und 16 besteht (f_r1 > f_a2), eine Leistungserzeugung für den Vibrationseingang eines breiten Frequenzbereichs realisiert. Nachfolgend wird eine Beschreibung unter Verwendung einer Ersatzschaltung gegeben, wobei die elektrischen Eigenschaften des zweiten Vibrationssystems 16 von 5 berücksichtigt werden.
Die Ersatzschaltung von 5 ist eine Schaltung, die elektromechanische Umwandlungscharakteristiken zeigt, die piezoelektrische Charakteristiken des zweiten Vibrationssystems 16 sind, in dem das leistungserzeugende Element 38 (piezoelektrische Element) angeordnet ist, und es handelt sich um ein Element, für das die mechanische Vibration des leistungserzeugenden Elements 38 als eine elektrische Schaltung durch die in Reihe angeordnete äquivalente Reiheninduktivität L₁, die äquivalente elektrostatische Reihenkapazität C₁, der äquivalente Reihenwiderstand R₁ und die elektrostatische Parallelkapazität C₀ ausgedrückt wird.
L₁, C₁ und R₁ sind Konstanten, die jeweils einmalig gemäß dem Vibrationsmodus bestimmt werden. Andererseits ist C₀ die elektrostatische Kapazität, bei der das leistungserzeugende Element 38 als Dielektrikum wirkt und ist eine Konstante, die durch die Größe, die Dielektrizitätskonstante oder Ähnliches des leistungserzeugenden Elements 38 angegeben wird.
Die Ersatzschaltung besteht unter Berücksichtigung der elektrischen Eigenschaften des zweiten Vibrationssystems 16 aus dieser Art von L₁, C₁, R₁ und C₀, sodass die Impedanz des zweiten Vibrationssystems 16 wie in der Grafik in 6 im Verhältnis zur Frequenz der Eingangsvibration ist und ein äußerst kleiner Wert bei der Reihenresonanzfrequenz f_r2 ist, und ein äußerst großer Wert bei der elektrischen Antiresonanzfrequenz (Parallelresonanzfrequenz) f_a2 ist. Die Reihenresonanzfrequenz ist im Wesentlichen gleich der mechanischen Resonanzfrequenz f_r2 des zweiten Vibrationssystems 16. Genau genommen ist auch die Reihenresonanzfrequenz f_r2 leicht unterschiedlich von der Frequenz, für die die Impedanz des zweiten Vibrationssystems 16 ein äußerst kleiner Wert durch die Auswirkung von C₀ ist, hier werden sie jedoch als im Wesentlichen gleich betrachtet. Ähnlich ist die Parallelresonanzfrequenz f_a2 leicht unterschiedlich von der Frequenz, für die die Impedanz des zweiten Vibrationssystems 16 ein äußerst großer Wert ist, aber hier werden sie als im Wesentlichen gleich betrachtet.
Aus der Grafik in 6 wird auch deutlich, dass bei dem zweiten Vibrationssystem 16, in dem das leistungserzeugende Element 38 angeordnet ist, während ein großes Leistungserzeugungsvolumen mit der Reihenresonanzfrequenz f_r2 erhalten werden kann, das Leistungserzeugungsvolumen bei der Parallelresonanzfrequenz f_a2 klein ist, und selbst bei einem höheren Frequenzbereich als f_a2 das leistungserzeugende Volumen bei einem relativ kleinen Zustand fortgesetzt wird.
Bei der Ersatzschaltung des zweiten Vibrationssystems 16 sind die Reihenresonanzfrequenz f_r2 und die Parallelresonanzfrequenz (Antiresonanzfrequenz) f_a2 nachfolgend definiert durch [Formel 4] und [Formel 5]: [Formel 4]
[Formel 5]
Dadurch, dass bei dieser Ausführungsform das Vibrationssystem des Leistungsgenerators 10 zwei Freiheitsgrade aufweist, dadurch dass die mechanische natürliche Sekundärfrequenz Ω₁ des Vibrationssystems des Leistungsgenerators 10 auf eine höhere Frequenz eingestellt ist als die mechanische Antiresonanzfrequenz des gleichen Vibrationssystems, wird der Abfall der Leistungserzeugung über einen breiten Frequenzbereich verhindert. Daher ist es möglich, typischerweise durch Einstellen der mechanischen natürlichen Frequenz f_r1 des ersten Vibrationssystems 14 auf eine höhere Frequenz als die Parallelresonanzfrequenz f_a2 der Ersatzschaltung, einen Abfall des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung über ein breites Band zu verhindern.
Außerdem, noch bevorzugter, wird dadurch, dass die mechanische Resonanzfrequenz f_r1 des ersten Vibrationssystems 14 allein √2-mal oder weniger im Verhältnis zu der mechanischen Resonanzfrequenz f_r2 des zweiten Vibrationssystems 16 allein (f_r1 ≤ √2·f_r2) ist, ein großes Volumen der relativen Verschiebung des ersten Massenelements 20 im Verhältnis zum zweiten Massenelement 32 für den Vibrationseingang eines breiten Frequenzbereichs gewährleistet. Daher wird eine höhere wirksame Leistungserzeugung durch das leistungserzeugende Element 38 für den Vibrationseingang eines breiten Frequenzbereichs realisiert. Mit anderen Worten ist die mechanische Resonanzfrequenz f_r1 des ersten Vibrationssystems 14 allein vorzugsweise auf einen Bereich von f_a2 < f_r1 ≤ √2·f_r2 eingestellt.
Als die Erfinder dies durch Experimente und Ähnliches überprüft haben, ist es durch f_r1 ≤ √2·f_r2 möglich, einen kombinierten Vibrationszustand zu haben, indem die Vibration bei dem ersten Vibrationssystem 14 und die Vibration bei dem zweiten Vibrationssystem 16 zueinander übertragen werden. Insbesondere, beispielsweise in dem Fall, wenn sich die Eingangsvibrationsfrequenz ändert, selbst in einem Zustand, bei dem eine Vibration stoppt, wenn das erste Vibrationssystem 14 und das zweite Vibrationssystem 16 vollständig unabhängig voneinander vibrieren, wobei das andere Vibrationssystem einen Effekt auf das eine Vibrationssystem hat, ist es ebenfalls möglich, ein gewisses Maß an Vibrationszustand aufrechtzuerhalten.
Dadurch, dass die Vibration beider aufgebracht wird, ist es möglich, den Vibrationszustand der beiden Vibrationssysteme 14 und 16 komplementär aufrechtzuerhalten, so dass es möglich ist, das Aufrechterhalten des Vibrationszustands bei den Vibrationssystemen 14 und 16 sogar noch wirksamer zu erzielen und somit die Realisierung des angestrebten leistungserzeugenden Zustands. Bei dem ersten und zweiten Vibrationssystem 14 und 16 kann durch Einstellen jeder der Resonanzfrequenzen zur Erfüllung von f_r1 ≤ √2·f_r2 die Realisierung des komplementären Aufrechterhaltens des Vibrationszustands durch Kombinieren von Vibrationen als eine Hilfe für beispielsweise die japanische Patentanmeldung Nummer JP-B-4862286 verstanden werden.
Als nächstes werden in 7 und 8 Leistungsgeneratoren 50 bzw. 52 jeweils als andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei diesen Leistungsgeneratoren 50 und 52, deren Elemente und Teile den gleichen Aufbau aufweisen, wie die in der zuvor erwähnten Ausführungsform, sind in der Zeichnung den gleichen Teilen der zuvor erwähnten Ausführungsform die gleichen Bezugszeichen gegeben, und eine ausführliche Beschreibung dieser wird ausgelassen.
Insbesondere weist bei dem Leistungsgenerator 50 von 7 ein erstes Massenelement 54 eine hohle Struktur auf, und bei dem ersten Massenelement 54 ist ein Gehäuseraum 56 vorgesehen, der von dem äußeren Raum abgeschnitten ist. Das erste Massenelement 54 dieser Art hohler Struktur wird beispielsweise durch Überlappen einer grob plattenförmigen oberen Masse 64 auf einer unteren Masse 62 erzielt, die grob eine Rohrform mit einem Unterteil aufweist und mit einer Bodenwand 58 und einer Umfangswand 60 ausgestattet ist und an der Öffnung des Oberteils der unteren Masse 62 haftet, so dass sie sie bedeckt.
Außerdem wird, wenn es in dem Gehäuseraum 56 des ersten Massenelements 54 untergebracht ist, das zweite Vibrationssystem 16 mit grob dem gleichen Aufbau wie der der zuvor genannten Ausführungsform bereitgestellt. Der Gehäuseraum 56 ist ausreichend groß, um eine Verschiebung des zweiten Massenelements 32 zusammen mit einer elastischen Verformung der Blattfeder 34 als zweites Federelement zu erlauben. Außerdem sind jeweils Anschlaggummis 46 an dem Gehäuseraum 56 an beiden Seitenwandteilen der Verschieberichtung des zweiten Massenelements 32 vorgesehen, und das Verschiebevolumen des zweiten Massenelements 32 wird gepuffert und beschränkt.
Bei dem auf diese Weise aufgebauten Leistungsgenerator 50 ist es möglich, den Schwerpunkt des ersten Massenelements 54 mit dem ersten Vibrationssystem 14 und den Schwerpunkt des zweiten Massenelements 32 mit dem zweiten Vibrationssystem 16 so einzustellen, dass sie in der Höhenrichtung nahe sind. Tatsächlich können das erste Massenelement 54 und das zweite Massenelement 32 ausgerichtet werden, wobei die Höhe von der Stützfläche klein gemacht wird, welche die haftende Fläche auf dem Körper 12 des verbindenden elastischen Gummikörpers 22 als das erste Federelement ist, die dann die Vibrationseingangs-Referenzfläche wird.
Daher wird die Oszillation des ersten Massenelements 54 und des zweiten Massenelements 32 während des Vibrationseingangs verhindert, und als Folge einer stabileren Vibrationsverschiebung in der vertikalen Richtung, welche die Soll-Hauptvibrations-Eingangsrichtung ist, wird das elastische Verformungsvolumen des verbindenden elastischen Gummikörpers 22 und die Blattfeder 34 groß, und es gibt eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads bei der Umwandlung von Vibrationsenergie in elektrische Energie.
Tatsächlich wird der Anordnungsbereich des zweitens Vibrationssystems 16 von dem äußeren Raum durch das erste Massenelement 54 abgeschnitten, daher ist es möglich, staubdichte Eigenschaften und wasserdichte Eigenschaften mit einer einfachen Struktur für den Anordnungsbereich des zweiten Vibrationssystems 16 zu geben, ohne eine getrennte Abdeckungsstruktur oder Ähnliches zu erfordern.
Außerdem ist es durch das erste Massenelement 54, das eine hohle Struktur aufweist, möglich, wobei ein großes Massengewicht durch den äußeren Umfangsteil großer Kapazität gewährleistet wird, das zweite Vibrationssystem 16 in dem Gehäuseraum 56 zu beherbergen und einen großen Vorsprung nach oben von dem ersten Massenelement 54 wie bei der zuvor erwähnten Ausführungsform zu vermeiden. Folglich ist es möglich, während ausreichend Masse des ersten Massenelements 54 gewährleistet wird, die Größe der Höhenrichtung der gesamten Vibrationsdämpfungsvorrichtung so zu unterdrücken, dass sie klein ist.
Außerdem ist bei dem Leistungsgenerator 52 von 8 ebenso wie bei dem Leistungsgenerator 50 von 7 das zweite Vibrationssystem 16 beherbergt in dem Gehäuseraum 56 der hohlen Struktur des ersten Massenelements 54 bereitgestellt. Währenddessen ist das Massenelement 54 elastisch mit dem Körper 12 als das Vibrationselement durch ein erstes Federelement 66 verbunden, das an der äußeren Umfangsfläche oben an einer Umfangswand 60 bereitgestellt ist.
Insbesondere wird ein Befestigungselement 68, das durch einen Bolzen oder Ähnliches an dem Körper 12 haftet, unter Verwendung einer vertikalen Wandstruktur getrennt von der äußeren Umfangsseite des ersten Massenelements 54 gebildet, und die äußere Umfangsfläche des ersten Massenelements 54 wird so ausgerichtet, dass sie entgegengesetzt in der Richtung grob rechtwinklig zur Hauptvibrations-Eingangsrichtung dem Befestigungselement 68 zugewandt ist. Dadurch, dass das erste Federelement 66 aus einem elastischen Gummikörper besteht, der zwischen der äußeren Umfangsfläche des ersten Massenelements 54 und der Fläche angeordnet ist, die entgegengesetzt dem Befestigungselement 68 zugewandt ist, wird dann das erste Massenelement 54 elastisch von dem Befestigungselement 68 gestützt.
Das erste Federelement 66 kann über den gesamten Umfang des ersten Massenelements 54 vorgesehen sein, aber es kann auch so vorgesehen sein, dass es an einer geeigneten Anzahl von Orten auf dem Umfang positioniert ist.
Bei dem auf diese Weise gebildeten Leistungsgenerator 52 ist es, da das erste Federelement 66 hauptsächlich eine Scherverformung in der Hauptvibrations-Eingangsrichtung bei dem ersten Vibrationssystem 14 durch Vibration von dem Körper 12 aufweist, möglich, eine gering dynamische Federabstimmung auszuführen und eine Verbesserung im Freiheitsgrad bei der Abstimmung der Eigenschaften zu erhalten. Bei dem Leistungsgenerator 52 dieser Ausführungsform ist es außerdem möglich, die Abstimmung der Eigenschaften durch komplementäres Zwischenschalten eines Verdichtungsgummis zwischen der Bodenwand 58 des ersten Massenelements 54 und der Fläche, die gegenüberliegend der Bodenwand des Befestigungselements 68 zugewandt ist.
Zuvor wurde eine ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegeben, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifische Beschreibung begrenzt ist. Beispielsweise ist es auch möglich, als Vibrationssystem des Leistungsgenerators ein Vibrationssystem mit mehrfachem Freiheitsgrad von drei Freiheitsgraden oder mehr zu verwenden, indem drei oder mehr Massenelemente jeweils über Federelemente elastisch in Reihe geschaltet werden. Dadurch ist es möglich, eine Leistungserzeugung mit hohem Wirkungsgrad für den Vibrationseingang eines noch breiteren Frequenzbereichs zu erhalten. Durch Verwendung des Vibrationssystems mit mehrfachem Freiheitsgrad von drei Freiheitsgraden oder mehr ist es möglich, zwei Massenelemente auszuwählen, die miteinander elastisch verbunden sind, und ein leistungserzeugendes Element nur zwischen diesen Massenelementen bereitzustellen, es ist jedoch auch möglich, jeweils leistungserzeugende Elemente zwischen einer Vielzahl von Sätzen von Massenelementen bereitzustellen, die miteinander elastisch verbunden und benachbart zueinander angeordnet sind.
Außerdem ist es beispielsweise möglich, das Vibrationssystem mit mehrfachem Freiheitsgrad des Leistungsgenerators zu bilden, indem jeweils zwei oder mehrere zweite Massenelemente an das erste Massenelement über zwei oder mehr zweite Federelemente verbunden werden, die parallel und gegenseitig unabhängig sind. Dadurch ist es möglich, da eine Vielzahl zweiter Vibrationssysteme gebildet wird, dass die mechanischen natürlichen Frequenzen dieser zweiten Vibrationssysteme allein gegenseitig unterschiedlich sind, und eine wirksame Leistungserzeugung für den Vibrationseingang eines breiteren Frequenzbereich realisiert wird, und indem die mechanische natürliche Frequenz des zweiten Vibrationssystems allein gegenseitig gleich ist, den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung für den Vibrationseingang eines spezifischen Frequenzbereichs zu verbessern.
Außerdem ist es, zusätzlich dazu, als leistungserzeugendes Element entweder ein piezoelektrisches Element, elektrostriktives Element, magnetorestriktives Element oder Ähnliches für das leistungserzeugende Element verwenden zu können, auch möglich, eine leistungserzeugende Struktur unter Verwendung eines magnetspulenbetriebenen Systems oder Ähnlichem unter Verwendung eines Elektrets oder von zeitlichen Änderungen des Streuflusses zu verwenden. Wie daraus verstanden werden kann, ist die spezifische Struktur des zweiten Massenelements und des zweiten Federelements, die das zweite Vibrationssystem bilden, nicht begrenzt, und beispielsweise ist es auch möglich, als zweites Federelement eine Schraubenfeder, einen elastischen Gummikörper, eine Stabfeder oder Ähnliches zu verwenden. Ähnlich ist die spezifische Struktur des ersten Massenelements und des ersten Federelements nicht insbesondere beschränkt, und ist es beispielsweise möglich, als das erste Federelement eine Metallfeder wie eine Spiralfeder, Blattfeder, Stabfeder oder Ähnliches zu verwenden.
Bei dem Leistungsgenerator 10 der zuvor erwähnten Ausführungsformen wendet das erste Vibrationssystem 14 durch Einstellen des Massenverhältnisses des ersten Massenelements 20 im Verhältnis zu dem Körper 12 außerdem eine Vibrationsdämpfung für die Vibration des Körpers 12 an, aber das Einrichten einer Funktion als eine Vibrationsdämpfungsvorrichtung für den Leistungsgenerator ist für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich. Mit anderen Worten ist es auch möglich, dass die Masse des ersten Massenelements geringer als 10% der äquivalenten Masse des Vibrationselements ist, und es ist auch möglich, eine Vibrationsdämpfungsvorrichtung wie einen dynamischen Dämpfer oder Ähnliches getrennt von dem Leistungsgenerator anzubringen.
Solange es einen Vibrationseingang in einer Menge gibt, die zur Leistungserzeugung in der Lage ist, ist das Vibrationselement nicht insbesondere begrenzt, aber der Leistungsgenerator der vorliegenden Erfindung kann insbesondere geeignet verwendet werden, wenn die Vibrationsniveaus mehrerer Arten von Vibration in gegenseitig unterschiedlichen Vibrationsfrequenzbereichen in dem Vibrationselement maximal werden. Insbesondere kann beispielsweise bei einer Waschmaschine, für die sich die Vibrationsfrequenz mit dem Wäschegewicht oder Ähnlichem ändert, bei einem Kühlschrank, für den sich die Vibrationsfrequenz gemäß dem Betriebsbereich der Kältemaschine oder Ähnlichem ändert, ein Automobil, für das sich die Vibrationsfrequenz gemäß dem Fahrtzustand, Dellen und Fahrbahnunebenheiten in der Straßendecke oder Ähnlichem ändert, kann das Gestell, der Körper oder Ähnliches das Vibrationselement werden, auf dem der Leistungsgenerator zu montieren ist.
Bei den zuvor erwähnten Ausführungsformen war die mechanische natürliche Frequenz f_r2, wenn das zweite Vibrationssystem 16 als Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad ausgelegt ist, auf eine niedrigere Frequenz eingestellt, als die mechanische natürliche Frequenz f_r1, wenn das erste Vibrationssystem 14 als ein Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad (f_r2 < f_r1) ausgelegt ist. Zusätzlich dazu war die Masse m₂ des zweiten Massenelements 32 so eingestellt, dass m₁·X > m₂·Q erfüllt wurde, wobei die Masse m₁ des ersten Massenelements 20 und 54 (X und Q sind jeweils die Verstärkung der Resonanzreaktion des ersten Vibrationssystems 14 und des zweiten Vibrationssystems 16). Der Leistungsgenerator der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Insbesondere wird, selbst in einem Fall, in dem die mechanische natürliche Frequenz f_r2 – wenn das zweite Vibrationssystem 16 als ein Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad ausgelegt ist – so eingestellt ist, dass sie eine höhere Frequenz aufweist als die mechanische natürliche Frequenz f_r1, wenn das erste Vibrationssystem 14 als Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad (f_r2 > f_r1) ausgelegt ist, wenn das Produkt der Masse m₁ des ersten Massenelements 20 und 54 und die Verstärkung der Resonanzreaktion X des ersten Vibrationssystems 14 nahe dem Produkt der Masse m₂ des zweiten Massenelements 32 und der Verstärkung der Resonanzreaktion Q des zweiten Vibrationssystems 16 (m₁·X ≈ m₂·Q) ein Anstieg des Leistungserzeugungsvolumens durch die Wechselwirkung des ersten Vibrationssystems 14 und des zweiten Vibrationssystems 16 erzielt. Daher ist es bei dem Leistungsgenerator der vorliegenden Erfindung für die mechanische natürliche Frequenz f_r2 annehmbar, wenn das zweite Vibrationssystem 16 als Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad ausgelegt ist, sich von der mechanischen natürlichen Frequenz f_r1 zu unterscheiden, wenn das erste Vibrationssystem 14 als Vibrationssystem mit einem Freiheitsgrad (f_r1 ≠ f_r2) ausgelegt ist.
Außerdem weist bei den Vibration-Leistungsgeneratoren 50 und 52, die in 7 und 8 gezeigt sind, die untere Masse 62 grob eine Rohrform mit einem Unterteil, und die obere Masse 64 grob eine ebene Form auf, wobei der Gehäuseraum 56 durch Abdecken des oberen Öffnungsteils der unteren Masse 62 von oben mit der oberen Masse 64 gebildet ist, und das zweite Vibrationssystem 16 im Innern dieses Gehäuseraum 56 beherbergt ist, aber die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Insbesondere ist es beispielsweise möglich, dass die untere Masse eine grob ebene Form und die obere Masse eine grobe Rohrform in Umkehrrichtung mit einem Unterteil aufweist, wobei das erste Massenelement aus einem rohrförmigen Element gebildet ist, das sich zur Seite öffnet, und einem Element, das den Öffnungsteil dieser Seite abdeckt.
Bezugszeichenliste

10, 50, 52: Leistungsgenerator
12: Körper (vibrierendes Element)
14: erstes Vibrationssystem
16: zweites Vibrationssystem
20, 54: erstes Massenelement
22, 66: verbindender elastischer Gummikörper (erstes Federelement)
32: zweites Massenelement
34: Blattfeder (zweites Federelement)
38: leistungserzeugendes Element
44: Anschlagmittel
56: Gehäuseraum

Claims

Leistungsgenerator, umfassend: ein Vibrationssystem, das ausgestaltet ist, an einem vibrierenden Element befestigt zu werden; und ein leistungserzeugendes Element, das an dem Vibrationssystem befestigt ist, während des Umwandelns von Vibrationsenergie des vibrierenden Elements in elektrische Energie, wobei der Leistungsgenerator dadurch gekennzeichnet ist, dass: das Vibrationssystem ein Vibrationssystem mit mehrfachem Freiheitsgrad ist, das ein erstes Vibrationssystem umfasst, in dem ein erstes Massenelement elastisch von einem ersten Federelement gestützt wird, und ein zweites Vibrationssystem, in dem ein zweites Massenelement elastisch an das erste Massenelement durch ein zweites Federelement verbunden ist; das leistungserzeugende Element zwischen dem ersten Massenelement und dem zweiten Massenelement angeordnet ist, und eine relative Verschiebung des ersten Massenelements und des zweiten Massenelements verursacht wird, wobei Vibration von dem vibrierenden Element auf das erste Massenelement aufgebracht und an das zweite Massenelement übermittelt wird, so dass die Vibrationsenergie des vibrierenden Elements dem leistungserzeugenden Element zugeführt wird; und sich eine natürliche Frequenz des ersten Vibrationssystems von einer natürlichen Frequenz des zweiten Vibrationssystems unterscheidet.
Leistungsgenerator nach Anspruch 1, wobei die natürliche Frequenz des zweiten Vibrationssystems auf eine niedrigere Frequenz im Verhältnis zur natürlichen Frequenz des ersten Vibrationssystems eingestellt ist.
Leistungsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die natürliche Frequenz des ersten Vibrationssystems auf eine höhere Frequenz eingestellt ist als eine elektrische Antiresonanzfrequenz des zweiten Vibrationssystems.
Leistungsgenerator nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die natürliche Frequenz des ersten Vibrationssystems √2-mal oder weniger im Verhältnis zu der natürlichen Frequenz des zweiten Vibrationssystems ist.
Leistungsgenerator nach einem der Ansprüche 1–4, wobei eine Verstärkung der Resonanzreaktion des zweiten Vibrationssystems größer gemacht wurde als eine Verstärkung der Resonanzreaktion des ersten Vibrationssystems, und ein Produkt einer Masse des ersten Massenelements und der Verstärkung der Resonanzreaktion des ersten Vibrationssystems größer ist als ein Produkt einer Masse des zweiten Massenelements und der Verstärkung der Resonanzreaktion des zweiten Vibrationssystems.
Leistungsgenerator nach einem der Ansprüche 1–5, wobei ein Anschlagmittel vorgesehen ist, das die relative Verschiebung des zweiten Massenelements im Verhältnis zum ersten Massenelement beschränkt.
Leistungsgenerator nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das erste Federelement aus einem elastischen Gummikörper gebildet ist.
Leistungsgenerator nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das erste Federelement aus einem elastischen Gummikörper gebildet ist und das zweite Federelement aus einer Blattfeder gebildet ist, eine Endseite der Blattfeder an dem ersten Massenelement befestigt ist und das zweite Massenelement an einer anderen Endseite der Blattfeder befestigt ist, so dass die Vibration des vibrierenden Elements auf die Blattfeder aufgebracht wird, und das leistungserzeugende Element auf der Blattfeder montiert ist.
Leistungsgenerator nach einem der Ansprüche 1–8, wobei das erste Massenelement eine hohle Struktur aufweist, die mit einem Gehäuseraum im Innern versehen ist, und das zweite Vibrationssystem innerhalb des Gehäuseraums beherbergt ist.
Leistungsgenerator nach einem der Ansprüche 1–9, wobei der Leistungsgenerator ausgestaltet ist, an einer Seite des vibrierenden Elements montiert zu sein, wodurch Vibrationen mehrerer Arten, deren Vibrationsniveaus innerhalb gegenseitig unterschiedlicher Frequenzbereiche maximal werden, auf das Vibrationssystem aufgebracht werden.