JP2007531482A - 機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための電磁装置 - Google Patents

Abstract

２つの磁石と、それらの間に配設されたコイルとであって、２つの磁石が、それらの間に、コイルが中に配設される磁束領域を画定するように構成され、それらによって、コイルと磁石との相対的な動きが、コイル中に電流を発生させる、２つの磁石とコイルと、各磁石用の振動可能な第１の取付け部と、コイル用の振動可能な第２の取付け部とであって、それらによって、少なくとも２つの磁石のそれぞれと、コイルとが、それぞれの中央位置の周りでそれぞれ振動可能となる、第１の取付け部と第２の取付け部とを備える、電磁発電機。

Description

本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための電磁発電機に関する。特に、本発明は、例えばインテリジェント・センサ・システムに電力供給するのに使用するための、周囲の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能な小型発電機のような装置に関する。かかるシステムは、電力を供給するため、又はセンサ・データを伝送するために、ワイヤが実際上取り付けられることができないアクセス不可能な領域に使用されることができる。

現在、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置用の代替電源の領域において研究活動のレベルが向上しており、かかる装置は、当業界では「エネルギー獲得（ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ）」に使用されるものとして、また、「寄生電源」として説明されている。かかる電源は、無線センサへの電力供給に関して現在研究されている。

電磁発電機を使用して、周囲の振動から有用な電力を獲得することが知られている。典型的な磁石コイル発電機は、磁石又はコイルに取り付けられたばね質量の組合せからなり、このばね質量の組合せは、その系が振動すると、コイルが、磁気コアによって形成された磁束を遮断（ｃｕｔ）するように取り付けられている。振動されると動く質量は、片持ち梁上に取り付けられている。梁が磁気コアに連結され、コイルが装置の格納容器に対して固定されても、またその逆のどちらでもよい。

Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ９２、２００１年、３３５〜３４２頁に発表されたＧｌｙｎｎｅ−Ｊｏｎｅｓ等による論文、題名「Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（振動ベースの新しい電気機械発電機の設計及び製作）」では、ハウジングによって支持された片持ち梁からなる電気機械発電機が開示された。梁上の質量は、Ｃ形コアを形成するようにキーパ上に取り付けられた２つの磁石から構成されていた。それらの磁石の間の空隙内に、コイルが、片持ち梁上の質量が動く方向に直角に配置されていた。本発明者等の数人によるこの従来技術の開示は、有用な電気機械発電機を生み出したが、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、それによって有用な電力に変換する効率を高めることがなおも求められている。

２００２年にチェコ共和国、プラハで開催された会議、名称「Ｅｕｒｏｓｅｎｓｏｒｓ ＸＶ１」で発表された、Ｐ Ｇｌｙｎｎｅ−Ｊｏｎｅｓ、ＭＪ Ｔｕｄｏｒ、ＳＰ Ｂｅｅｂｙ、ＮＭ Ｗｈｉｔｅ、Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｏｕｔｈａｍｐｔｏｎ、Ｓｏｕｔｈａｍｐｔｏｎ、ＳＯ１７ １ＢＪ、Ｈａｍｐｓｈｉｒｅ、Ｅｎｇｌａｎｄによるその後の論文、題名「Ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ， ｖｉｂｒａｔｉｏｎ−ｐｏｗｅｒｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｓｙｓｔｅｍｓ（インテリジェント・センサ・システムのための、振動により電力供給される電磁発電機）」では、改良された電気機械発電機が開示された。この電気機械発電機は、４つの磁石を組み込んでおり、２つ、又は単一の磁石の設計に比べると、各コイル巻線の長さのより大きな割合を用いて磁界が生成された。この装置の磁石及びコア構造体が図１に示されている。

ウェブ・ページ「ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｅｅ．ｏｒｇ／ｏｎｃｏｍｍｓ／ｐｎ／ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ／Ｓｔｅｖｅ％２０Ｂｅｅｂｙ．ｐｄｆ」は、２００２年１２月１１日に、英国のＩｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（ＩＥＥ）において開催された「Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ（ホイートストーン測定」に関するセミナーで行われた、ＳＰ Ｂｅｅｂｙ等によるプレゼンテーション、題名「Ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｅｎｅｒｇｙ ｓｙｓｔｅｍｓ（無線エネルギー・システムのための運動エネルギーの獲得）」のコピーである。このプレゼンテーションも同様に、図１に示される磁石とコアとコイルとの構成を有する電気機械発電機の構造及び使用を開示していた。

図１で全体を２で示された磁気コア構造体は、４つの磁石４、６、８、１０を備える。各磁石４、６、８、１０は、ほぼブロック型であり、反対極性の対向した端部を有する。４つの磁石４、６、８、１０は、２つの磁石対に配設され、磁石４、６と、８、１０との各対は、強磁性材料、例えば鋼鉄製のキーパ板１２、１４とそれぞれ一体に組み立てられている。磁石４、６と８、１０との各対について、第１の極性（例えば図２の磁石４ではＮ）を有する一方の磁石（例えば磁石４）の端部が、それぞれのキーパ板（例えば図２のキーパ板１２）に接して組み立てられており、他方の磁石（図１の磁石６）の反対極性（例えばＳ）の端部が、同じキーパ板（キーパ板１２）に接して組み立てられている。磁石４、６と８、１０との２対は、対向するように取り付けられ、反対極性の磁石端部１６、１８と２０、２２とが間隔を置いて互いに面して配置されており、２つのキーパ板１２、１４によって、磁束が磁気コア２の対向した２つの外側縁部の周りに案内され、それにより磁気回路を画定している。

この構成を用いると、単一の細長いスロット２４が、２つの対向した磁石対４、６と８、１０との間で画定され、また、磁気回路中に２つの空隙２６、２８も画定され、各空隙２６、２８は、それぞれの対向した磁石端部１６と１８、２０と２２との間で画定されている。図１に示されるように、コイル３０はスロット２４内に配設されている。この磁気回路は、片持ち梁（図示されず）、例えばＵ形部材上に取り付けられており、Ｕ形部材の各端部は、それぞれの磁石対４、６と８、１０とに連結されている。電気機械発電機が機械的振動を受けると、片持ち梁も対応して、図１の磁石の動きを示す矢印によって示されるように、磁気回路に対して上下方向に振動することができる。この振動が、コイル３０中に電流を発生させることになる。

本発明者等の数人によって行われたこれら後者２つの従来技術による開示のそれぞれでは、開示された電気機械発電機は良好な効率を有していたが、機械的振動からの電力発生の効率を高める設計を改善することがなおも求められている。

Ｒｏｃｋｗｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＬＬＣ名義の米国特許第６３０４１７６号は、産業用システムを監視するための寄生的に電力供給される感知装置を開示している。同調変換器が、システムによって発せられた漂遊エネルギー（ｓｔｒａｙ ｅｎｅｒｇｙ）を電位に変換し、この電位が遠隔感知装置及び／又は無線通信リンクによって消費されることになる。この寄生変換器は、同調機械発振器に結合された圧電変換素子でよい。あるいは、感知素子と変換器とは、微小機械システムの形でもよい。しかし、特定の磁石とコアとコイルとの構成は開示されてはいない。

本発明は、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための改良された電磁装置を提供することを目的とする。

従って、本発明は、２つの磁石と、それらの間に配設されたコイルとであって、それら２つの磁石が、それらの間に、コイルが中に配設される磁束領域を画定するように構成され、それらによって、コイルと磁石との相対的な動きがコイル中に電流を発生させる、２つの磁石とコイルと、各磁石用の振動可能な第１の取付け部と、コイル用の振動可能な第２の取付け部とであって、それらによって、少なくとも２つの磁石のそれぞれと、コイルとが、それぞれの中央位置の周りでそれぞれ振動可能となる、第１の取付け部と第２の取付け部とを備える電磁発電機を提供する。

本発明は、更に、第１及び第２のコイルであって、それぞれが、それぞれのコイルが中に配設される磁束領域を画定するように構成されたそれぞれの磁石対の間に配設され、それらによって、それぞれのコイルとそれぞれの磁石との相対的な動きがそれぞれのコイル中に電流を発生させる第１及び第２のコイルを備え、これらの第１及び第２のコイルがそれぞれ、それらの磁石に対してそれぞれ振動されると、それぞれ異なる共振周波数を有する電磁発電機を提供する。

添付の図面を参照して、本発明の実施形態が、単なる例によって以下で説明される。

図２は、本発明の第１の実施形態による電気機械発電機を示す。この実施形態では、全体が１０２で示された共振構造体が設けられ、その上には、コイル１０４が、１対の対向した磁石１０６と１０８との間に取り付けられている。磁石１０６、１０８の、コイル１０４に面する極は、反対の極性のものである（図１では、上側の磁石１０６は、コイル１０４に面してＳ極を有し、下側の磁石１０８は、コイル１０４に面してＮ極を有する）。共振構造体１０２は、ベース１１０を備え、そこから３本の細長い梁１１２、１１４、１１６が延びており、これらの梁は平行且つ同一平面上にある。ベース１１０と３本の細長い梁１１２、１１４、１１６とは、一体となっている。これらの３本の細長い梁１１２、１１４、１１６は、通常、正方形又は長方形の断面を有する。コイル１０４は、中央梁１１４上に取り付けられ、それぞれの磁石１０６、１０８は、２本の外側梁１１２、１１６上にそれぞれ取り付けられている。コイル１０４と磁石１０６、１０８とは、それぞれの梁１１４と、１１２、１１６との自由端部に取り付けられている。磁石１０６、１０８は、上述されたように、コイル１０４に面する２つの磁石面１１８と、１２０とが反対の極性を有するように取り付けられる。このようにして、コイル１０４は、２つの対向した磁石１０６と１０８との間に延びる磁束内に取り付けられている。

静止位置では、図２に示されるように、２つの磁石１０６、１０８とコイル１０４とは、３本の梁１１２、１１４、１１６の長さに直交する共通軸Ａ−Ａに沿って全て並べられている。コイル１０４の巻き（図示されず）は、この軸Ａ−Ａに直交し、コイル１０４は、ワイヤ（図示されず）に接続され、使用時には、このワイヤが、コイル１０４と磁石１０６、１０８との相対的な動きによってコイル１０４中に発生した電流を搬送し、従って、かかる動きによって電気エネルギーが獲得されることができる。

中央梁１１４は、同等の質量を有する２本の外側梁１１２、１１６が合わさった質量とほぼ同じ質量を有する。言い換えれば、各外側梁１１２、１１６の質量は、中央梁１１４の質量のほぼ２分の１である。

好ましくは、結合の度合いを向上させるために、強い磁束密度を生成することになる種類の磁石１０６、１０８を選択することが望ましい。この用途には希土類磁石が理想的であり、従来のアルニコ（Ａｌｎｉｃｏ）磁石の磁気エネルギー密度の５倍までもたらす。現時点では、ネオジウム鉄ボロン（ＮｄＦｅＢ）磁石が、立方ｃｍあたり最も強力な磁気特性を有することが知られており、１２０℃まで動作可能である。より高い温度での動作が必要とされる場合、それほど強力ではないサマリウム・コバルトが、２５０℃までの動作温度で使用され得る。

しかし、本発明によれば、磁石は、予め形成された磁石を梁に取り付けるのではなく、磁気材料をそれぞれの梁の上に堆積させる、例えば印刷することによって製造されることもあるいは可能である。これは、小型化装置に特に適用可能であり、また、既知の一括製造工程を用いて、一体のベースと梁とを形成することになる基板上に諸層を形成することにより、製造費用を下げることができる。

一体のベースと梁とは、金属若しくは金属合金、又はシリコン等の半導体から構成され得る。

コイル１０４は、磁界を通過するコイルの割合、コイルの巻数、及びその直列抵抗によって特徴付けられる。コイル・インダクタンス等の２次影響は、多くの応用分野が低周波であるためしばしば無視され得る。本発明では、２種類のコイル、すなわち巻線コイルとプリント・コイルとが使用され得る。

プリント・コイルは、プリント回路板（ＰＣＢ）が製造されるのと全く同様に、導電材料と絶縁体との層を基板上にスクリーン印刷することによって形成され得る。プリント・コイルは、プリント層が通常１０μｍの厚さとなるように極く薄く作成されることができ、従って、この手法を小規模な装置にとって特に魅力的なものにしている。また、プリント・コイルは、特に規模が縮小するにつれて製造がより困難になる巻線コイルとは違って、標準の厚膜プリント工程を用いるだけでよいので、より製造しやすくなり得る。プリント・コイルの欠点は、各層の厚さが薄いため、コイルに高い直列抵抗が生じることになる点である。厚膜技術によって従来から利用可能である厚さよりも大きい厚さ（例えば＞５０μｍ）の巻きが必要とされる場合は、巻線コイルがより適しており、製造するのが経済的となるであろう。プリント・コイルは、既に基板に取り付けられているという追加の利点を有し、このことは、コイルに剛性を加えることができ、従って、コイルと外側層の磁石との間に必要とされる間隙が縮小する。更に、このコイルは、マイクロエンジニアリングの技術分野においてシリコン・ウェハ上に構造体を画定するのに使用されるようなリソグラフィ工程によって形成され得る。これらの工程は、従来技術においてよく知られており、スパッタリング、蒸着、又は電気めっき等の様々な工程によって連続する層が構築され得、また、シリコン・ウェハ上への堆積のみに限られるものではなく、どんなウェハ状基板にも適用されることができる。

使用時には、ベース１１０は、単一の取付け点においてホスト装置（図示されず）に取り付けられ、そこから、ホスト装置の振動の結果として、エネルギーが獲得されることになる。このようにして、ホストの振動によって生成された慣性力が、その取付け点において電気機械発電機に効果的に加えられる。電気機械発電機は、３本の梁１１２、１１４、１１６が共振構造体１０２の平面からずれて（すなわち図２の図の平面からずれて）振動する、最も好ましい振動モードを実現するようにホスト装置に取り付けられる。従って、梁１１２、１１４、１１６は、３本梁両頭式音叉（ｔｒｉｐｌｅ ｂｅａｍ ｄｏｕｂｌｅ ｅｎｄｅｄ ｔｕｎｉｎｇ ｆｏｒｋ）の歯（ｔｉｎｅ）と同様に振動する。最も好ましくは、梁１１２、１１４、１１６の振動は、好ましい共振モードにあり、従って、中央梁１１４上のコイル１０４の振動は、外側梁１１２、１１６上に取り付けられた２つの磁石１０６、１０８のそれぞれの振動とは、逆相となる（すなわち、コイル１０４と磁石１０６、１０８との位相差は１８０°となる）。一方がコイル１０４と、他方が磁石１０６、１０８（従って磁束）とのこの逆相の振動関係により、コイル１０４と磁石１０６、１０８との最大相対変位が可能となり、従って、磁石１０６、１０８に対するコイル１０４の動きによる磁束の最大の遮断が可能となる。

図２の実施形態の変形形態である代替実施形態では、コイル及び／又は磁石は、梁上の、梁端部以外の他の点に取り付けられてもよく、更に、又はあるいは、磁石が中央梁上に取り付けられ、コイルが２本の外側梁上に取り付けられてもよい。他の変形形態では、磁石を担持している梁上に、又はそれらの梁の間に、それらの梁を補強するために、リンク又は補強部材が更に組み込まれることができ、それによって、２つの磁石の互いに引き合う力に対抗し、且つ、梁が歪められる、又は損傷を受けるのを阻止することができる。

図１の既知の装置では、磁石とコイルとは、それぞれの要素に（磁石は共通の片持ち梁要素に、コイルは固定要素に）取り付けられることが必要とされる。２つのかかる取付け要素の要件が、ホスト装置上に電磁発電機を取り付けるのを困難にしている。一方、本発明の電磁発電機は、磁石と１つ（又は複数）のコイルとの全てのための共通取付け部、すなわちベースを提供し、かかる単一の取付け部は、より容易に、ホスト装置に簡単に取り付けられることができる。

本発明による電気機械発電機の他の実施形態が、図３に示されている。この実施形態は、先の実施形態の変形形態であり、ここでは、５本の梁２２２、２２４、２２６、２２８、２３０が共通のベース２４２から延びている。梁２２２、２２４、２２６、２２８、２３０は、直線且つ同一平面上にある梁２２２、２２４、２２６、２２８、２３０のアレイを画定しており、磁石２３２、２３４、２３６がそれぞれ、第１、第３、及び第５の梁２２２、２２６、２３０のそれぞれの端部に取り付けられ、コイル２３８、２４０がそれぞれ、第２及び第４の梁２２４、２２８のそれぞれの端部に取り付けられている。磁石２３２、２３４、２３６とコイル３８、２４０とは、共通軸Ｂ−Ｂに沿って同軸に取り付けられ、各コイル２３８、２４０は、反対極性の対向した磁石極間に配置されている。

この場合も、電磁発電機がベース２４２を介してホスト装置（図示されず）に取り付けられているとき、ホスト装置が機械的振動を受けると、この振動は、電気機械発電機の５本の梁２２２、２２４、２２６、２２８、２３０に伝達され、これらの梁は、３本梁両頭式音叉の歯と同様に振動し、すなわち、共振構造体の平面（及び図３の図の平面）からずれることになる。選択された振動モードでは、磁石２２２、２２６、２３０を担持している梁２２２、２２６、２３０と、コイル２２４、２２８を担持している梁２２４、２２８とは、第１の実施形態に関して上述されたのと同様に、コイル２４、２２８を担持している２本の梁２２４、２２８は互いに同相に、磁石２２２、２２６、２３０を担持している３本の梁２２２、２２６、２３０とは逆相に振動する。この場合も、この逆相の振動関係が、所与の振動振幅及び周波数での、コイル２２４、２２８による磁束の遮断を最大にしている。

図３の実施形態は、２つのコイル／磁石の組合せのそれぞれに異なる共振周波数を与えるように改変されてもよい。かかる異なる共振周波数は、いずれにせよ標準の製造公差の結果として生じ得るものであるが、かかる共振周波数の違いは、好ましくは、例えば梁の重量を改変する、特に、梁に追加の質量を加えることによって（例えば、磁石及び／又はコイルの質量を選択することによって）、且つ／又は、断面積及び／又は梁の長さ等、梁の寸法を改変することによって、装置に故意にもたらされる。このように単一の電気機械発電機に複数の共振周波数を与えると、それに対応して電気エネルギーが発せられ得る周波数範囲が広がる。

図３の実施形態は、磁石又はコイルを担持する追加の梁を設けて、直線アレイを保ちながら任意の数の梁の「指部（ｆｉｎｇｅｒ）」を設けるように更に改変されてもよい。

この実施形態は、小型の幾何容積及び面積を必要とする構造体において、複数の磁石と複数のコイルとを取り付けることを可能とし、しかも、複数のコイル／磁石の組合せを設けることによって電流の発生効率を増大させる。共通磁石（この実施形態では第３の梁上の磁石）が、２つのコイル／磁石の組合せ間で共有されている。

図３の複数のコイルの実施形態は、単一の電磁発電機において、各コイルに１つずつ、複数の共振周波数を与えることを促進するように改変されてもよい。この変形形態は、隣接する共振構造体間で共有される共通の振動可能な梁を設けることを回避することによって、諸共振構造体を分断する（ｄｅｃｏｕｐｌｅ）ことからなる。従って、図４に示されるように、追加の梁が、２つのコイルの間に設けられることができ、それによって、対をなす各梁はそれぞれの共振構造体と関連することになる。図４は、それぞれが僅かに異なる共振周波数を有する、２つの３本梁構造体からなる６本梁構造体を備える他の実施形態示す。効果的には、これらの構造体は、単一の共振モードを有することを回避するように互いに分断されているので、共通の装置内に２つの独立した電気機械発電機が設けられる。第１の共振構造体４００は、それぞれが磁石４０６、４０８をそれぞれ担持している２本の外側梁４０２、４０４と、コイル４１２を担持している中央梁４１０とからなる。第１の構造体に隣接する、第２の共振構造体４２０は、それぞれが磁石４２６、４２８をそれぞれ担持している２本の外側梁４２２、４２４と、コイル４３２を担持している中央梁４３０とからなる。第１及び第２の共振構造体４００、４２０は、共通ベース４４０と一体となって、単一の電磁発電機４４２を構成している。第１及び第２の共振構造体４００、４２０は同一平面上にあるが、これは必須ではなく、それぞれの３本梁構造体は、異なる又は反対の方向に延びていてもよい。更に、本発明による他の変形形態では、３つ以上の分断共振構造体が設けられてもよい。

本発明による電磁発電機の他の実施形態が、図５に示されている。この実施形態では、一連のコイル３５０と磁石３５２とが、それぞれの梁３５４、３５６の端部上に交互の構成で、ある幾何形状、例えば、例示の実施形態のように円でよい幾何形状を有する共通の中央ベース３５８の周りに取り付けられている。梁３５４、３５６は、ベース３５８から放射状に外側に延び、このベースは、使用時にはホスト装置（図示されず）上に取り付けられ、そこからエネルギーが獲得されることになる。１つおきの梁３５４には、その上にそれぞれのコイル３５０が取り付けられ、残りの梁３５６には、その上にそれぞれの磁石３５２が取り付けられており、磁石３５２は、各コイル３５０が反対極性の対向した磁石面の間に配設されるように取り付けられている。コイル３５０と磁石３５２とは、共通の長さを有する梁３５４、３５６によって、共通の半径の輪状線の周りに取り付けられている。

先の実施形態に関して上述されたように、複数のコイル／磁石の組合せを設けることによって、コイルと磁石との各ユニットごとに僅かに異なる共振周波数が可能となる。このように複数のコイル／磁石の組合せを設けることは、ホストからの振動に応答する周波数帯域をより広げることになる。この場合も、各コイル３５０は、そのそれぞれの梁３５４上で、それぞれの梁３５６上に取り付けられた、その各コイルに対応する磁石３５２とはほぼ逆相に振動するように配置される。図４の実施形態の場合と同様に、１対の磁石間にあるコイルからなる各共振構造体を、その隣接する１つ（又は複数）の共振構造体から分断するように、追加の梁が設けられてもよい。

この実施形態では、電磁発電機の円形幾何形状が、空間と磁石とを最も効率良く活かしている。しかし、これらの梁は、正方形、長方形等の別の多角形、又は全く任意の幾何形状にも等しくうまく配置され得る。

本発明による電磁発電機の他の実施形態が、図６に示されている。この実施形態では、ベース６１０は、環状、より具体的には長方形であり、中央開口６１１を画定している。ベース６１０は、コイル６０４を担持し、ベース６１０の一縁部６１３から中央開口６１１内へと延びる第１の指部６１２と、それぞれが磁石６０６、６０８をそれぞれ担持し、ベース６１０の反対側の縁部６１５から中央開口６１１内へと延びる２つの第２の指部６１４、６１６とを支持している。指部６１２、６１４、６１６は、ほぼ同一平面上にあり、且つほぼ同じ長さであるので、コイル６０４は磁石６０６と６０８との間に配設されることになる。

本発明による電磁発電機の他の実施形態が、図７及び８に示されている。この実施形態では、ベースは３次元であり、磁石及びコイルを支持している諸指部は同一平面上にはない。ベース７１０は、それぞれの垂直部７１５、７１７によって両端部で連結された上部及び下部面７１１、７１３を有する中央部を備える。立面図では、ベース７１０は環状、より具体的には長方形である。平面図では、ベース７１０は、ベース７１０の自由端部に垂直部７１５、７１７を備えたほぼＵ形であり、垂直部７１５、７１７と、上部及び下部面７１１、７１３との間に中央キャビティ７１９が画定されている。一方の垂直部７１７が、コイル７０４を担持し、垂直部７１７から延びる第１の指部７１４を支持し、他方の垂直部７１５が、それぞれが磁石７０６、７０８をそれぞれ担持し、垂直部７１５から延びる２つの第２の指部７１４、６１６を支持している。指部７１２、７１６は、ほぼ同一平面上にあり、且つ長さがほぼ等しく、指部７１４は、指部７１２、７１６とほぼ同じ長さであり、従って、コイル７０４は磁石７０６と７０８との間に配設されることになる。この特定の実施形態では、指部７１２と７１６とは互いに平行であるが、指部７１４とは平行でない。指部７１２、７１６は、上部及び下部面７１１、７１３に直交する平面に対して鋭角、通常は３０〜４５度傾斜しており、指部７１４も対応して傾斜しているが、逆向きである。このようにして、磁石７０６、７０８とコイル７０４とは、垂直部７１５、７１７と上部及び下部面７１１、７１３との間に画定された中央キャビティ７１９内に全て受けられている。振動の方向は、図７の図の平面の方向であり、図８の図の平面からは実質的にずれる。

効率のよいエネルギー変換のために、本発明の実施形態では、磁石及び１つ（又は複数）のコイルを担持している諸梁は、共振周波数で励起される。この共振周波数は、梁の振幅及び周囲温度の影響を受けやすい。また、梁材料を加えすぎる（ｏｖｅｒ ｓｔｒａｉｎ）ことによる損傷を防止することが許容されるべき梁の最大振幅を決定することが求められる。好ましくは、この設計は、真空が装置全体を取り囲むように真空封止されたハウジングを含む。

図示の実施形態では、磁石の反対極性の両端部間に延びる長手方向を有する各ブロック形磁石は、長方形の断面を有するように示されているが、その断面は、例えば、円形断面を与えることによって変更されてもよい。

従って、本発明は、概して、コイルと磁石との組合せ、又は、複数のコイルと磁石との組合せがその上に取り付けられ得る共振構造体を提供する。これらのコイルと磁石とは、簡単な単一磁石、若しくは２磁石構造体、又はより複雑な複数磁石構造体を有することができる。本発明はまた、ホスト上の単一の点で取り付けられ、従って、振動によって生成された慣性力が、この取付け位置において効果的に加えられる共振構造体を提供する。また、従来技術では、磁石とコイルとは独立して取り付けられなければならないので、本発明は、取付けが従来技術よりも遙かに容易な構造体を提供することにもなる。本発明は、磁石とコイルとのために単一の取付け点を提供している。

好ましい共振モードでは、コイルの振動は、磁石の振動とは逆相であり、従って、最大相対変位及び最大磁束遮断が生じることを可能とする。本発明は、磁石とコイルとの間でより大きな相対速度をもたらすように、コイルを磁石とは逆相に動かす手段を提供する。複数の片持ち梁を組み込むことによって、コイルと磁石との各ユニット・セルが僅かに異なる共振周波数を有することが可能となり、従って、振動に応答する帯域がより広くなる。また、本発明は、複数の磁石とコイルとを、小型の幾何形状内に取り付けることを可能とするように構造体を拡張する（ｅｘｔｅｎｄ）手段を提供する。この構造体は、単一の構造体内に複数の共振を組み込むことによって、エネルギーが生成される周波数範囲を広げる手段を提供する。確かに、この効果は、標準の製造公差のため自然に生じ得る。

長年の間、音叉がよく知られてきており、また、振動梁が力センサ等の装置に使用されることも知られているが、本発明者等は、音叉と類似しているが、更に、そこに磁石と１つ（又は複数）のコイルとの両方が取り付けられ、共振周波数で振動される構造体を有する振動装置を電気機械発電機に使用することは、当技術分野において知られていないと考えている。

本発明の好ましい態様によれば、ウェハ加工及び厚膜技術を利用して小型電磁発電機を製造することによって、この装置は容易に一括製造されることができ、従って、低い製造費用を実現する。更に、かかる装置は、容易に制御可能な既知の製造ステップを使用する結果、容易に小型化され、しかも高い信頼性を有する。

本発明の電気機械発電機は、センサ・システムに電力を供給する特定の応用分野を有する。本発明によれば、かかる自己給電式（ｓｅｌｆ ｐｏｗｅｒｅｄ）インテリジェント・センサ・システムの典型的な応用領域は、（例えば人間、動物の）体内又は体表、回転対象物上、溶解プラスチックや凝固コンクリート（ｓｅｔｔｉｎｇ ｃｏｎｃｒｅｔｅ）等の液体内、橋、建物、航空機、又は道路等の構造監視、田園（ｆｉｅｌｄｓ）の汚染監視等の環境監視である。

本発明による電磁発電機は、特に小型化されると、いくつかの潜在的な用法及び応用分野を有する。例えば、この電磁発電機は、電力を必要とするユニット（例えばセンサ・ユニット）への配線が困難で、且つ／又は費用がかかり、また、電池による電力では、ユニットの寿命に不十分であり、重量が重要であり、且つ、そこから電力を獲得するために利用可能な振動レベルが有意である応用分野において実に有用である。場合によっては、電磁発電機の振動獲得技術が、電池式システムに充電機構（ｃｈａｒｇｉｎｇ ｆａｃｉｌｉｔｙ）をもたらすように使用されてもよい。

特に好ましい応用分野の１つでは、本発明の電磁発電機は、ヘリコプタ及び固定翼航空機のための健全性及び使用履歴監視システム（Ｈｅａｌｔｈ ａｎｄ Ｕｓａｇｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）（ＨＵＭＳ）に組み込まれることができる。

ＨＵＭＳシステムは、ヘリコプタ（又は他の航空機）の状態に関する振動及び他のパラメータ、並びに規定された応力条件下での飛行時間を監視する。センサの取付け及びそれらの装置からのデータ回収は、取付け時、更には計画された保守期間中のどちらにおいても主要な費用問題となっている。本発明の電磁発電機の利点は、取付け費用の低減、及び保守時間の短縮である。このセンサは、ローカル無線伝送システムに実装され、ＨＵＭＳ監視システムにデータを伝送することになる。電磁発電機により電力供給されるセンサ・システムを使用することによる利点のいくつかは、既存の、又は新たな機体上に配線を取り付ける複雑さが回避され、且つ、配線による重量がなくなることである。また、高い取付け費用なく、短い試用期間でも監視センサが取り付けられることが可能となる。

特に好ましい別の応用分野では、本発明の電磁発電機は、鉄道線路及び関連する構成部品のための感知システムに組み込まれることができる。

鉄道線路及び関連する構成部品の状態は、英国内及びおそらくは世界中の関心事である。線路状態、更には極めて重大な（ｖｉｔａｌ）構成部品の有無を感知するためのセンサ・システムを設けることが知られている。ある状況では、センサを駆動するのに十分なローカル電力がある。しかし、他の状況、特に遠隔又は僻地では、ローカル電力が利用不可能又は不都合であることがあり、こうした場合には、出力データを（広い地理領域ごとに１つある）単一の電力供給点に、又はＧＰＳリンクを介して遠隔伝送（ｔｅｌｅｍｅｔｅｒ）できる自己給電式センサ（例えば歪みセンサ）が求められる。センサへの振動は、列車の通過によって、線路から直接、又は線路に取り付けられた片持ち梁を介してもたらされることができる。その他の鉄道基幹施設の監視は、例えば、線路の歪み計測、道床（ｂａｌｌａｓｔ）状態及び高さ、並びにポイントの監視を含む。

更に他の特に好ましい応用分野では、本発明の電磁発電機は、例えば貨物自動車又は貨物トレーラを追跡するための電池を再充電する車両用電池充電システムに組み込まれてもよい。

連結式トレーラは、物流業務（ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ）の用途のために追跡される必要がある。この用途では、トレーラは、牽引ユニットに連結されているときだけ電力供給される。その場合でも、後付けされた追跡システムには利用可能な電力がないことがある。システムが電池によって電力供給される場合、システムが牽引されている間も、電池を充電する独立した充電システムを有することは有利となるであろう。この充電システムは、本発明の電磁発電機を組み込むことができる。その場合、電池は、トレーラが静止し、牽引ユニットから切り離されている間も追跡システムに電力供給することが可能となる。

更に他の特に好ましい応用分野では、本発明の電磁発電機は、移動電気通信機器、例えば電池によって電力供給される軍用バックパック電気通信機器（例えばＢｏｗｍａｎ）に組み込まれることができる。電池は、現地で携行される機器の全重量の相当な割合を占める。現地での作業中、こうした機器は相当な振動を受けることは明白である。こうした振動は、本発明の電磁発電機によって、電池パックの再充電に使用するために適当に条件付けられた電力に変換され得ることになる。本発明の電磁発電機は、重量を低減させ、且つ、電気通信機器に利用可能な電力を維持することができ、それによって、ユーザに真の利益をもたらす。

他の好ましい応用分野では、本発明の電磁発電機は、非常に広い分野における数多くの種類の機器に使用されつつある状態監視システム（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）に組み込まれ得る。例えば、本発明の電磁発電機は、任意の種類の機器に備えられた振動状態監視センサに電力供給するために使用されてもよい。

機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換するための、既知の電磁装置の磁石とコアとコイルとの構成の概略側面図である。 本発明の第１の実施形態による電気機械発電機の概略側面図である。 本発明の第２の実施形態による電気機械発電機の概略側面図である。 本発明の第３の実施形態による電気機械発電機の概略側面図である。 本発明の第４の実施形態による電気機械発電機の概略側面図である。 本発明の第５の実施形態による電気機械発電機の概略側面図である。 本発明の第６の実施形態による電気機械発電機の概略平面図である。 図７の電気機械発電機の概略側面図である。

符号の説明

１０２、４００、４２０ 共振構造体
１０４、２３８、２４０、３５０、４１２、４３２、６０４、７０４ コイル
１０６、１０８、２３２、２３４、２３６、３５２、４０６、４０８、４２６、４２８、６０６、６０８、７０６、７０８ 磁石
１１０、２４２、３５８、４４０、６１０、７１０ ベース
１１２、１１４、１１６、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、３５４、３５６、４０２、４０４、４１０、４２２、４２４、４３０ 梁
４４２ 電磁発電機
６１１ 中央開口
６１２、６１４、６１６、７１２、７１４、７１６ 指部
７１１ 上部面
７１３ 下部面
７１５、７１７ 垂直部
７１９ 中央キャビティ

Claims (41)

1. ２つの磁石と、それらの間に配設されたコイルとであって、前記２つの磁石が、それらの間に、前記コイルが中に配設される磁束領域を画定するように構成され、それらによって、前記コイルと前記磁石との相対的な動きが、前記コイル中に電流を発生させる、２つの磁石とコイルと、前記各磁石用の振動可能な第１の取付け部と、前記コイル用の振動可能な第２の取付け部とであって、それらによって、前記少なくとも２つの磁石のそれぞれと、前記コイルとが、それぞれの中央位置の周りでそれぞれ振動可能となる、第１の取付け部と第２の取付け部とを備える、電磁発電機。
2. 前記振動可能な第１の取付け部と前記振動可能な第２の取付け部とが、共通の振動エネルギーの入力によって振動するように励起されると位相がずれて振動するように構成され、従って、前記コイルとそのそれぞれの磁石とが互いに位相がずれて振動する、請求項１に記載の電磁発電機。
3. 前記振動可能な第１の取付け部と前記振動可能な第２の取付け部とが、共通の振動エネルギーの入力によって振動するように励起されるとほぼ逆相に振動するように構成され、従って、前記コイルとそのそれぞれの磁石とが互いにほぼ逆相に振動する、請求項２に記載の電磁発電機。
4. 前記振動可能な第１の取付け部と、前記振動可能な第２の取付け部とのそれぞれが、片持ち梁を備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電磁発電機。
5. 各振動可能な第１の取付け部の前記片持ち梁が、前記振動可能な第２の取付け部の前記片持ち梁のほぼ２分の１の質量を有する、請求項４に記載の電磁発電機。
6. 各振動可能な第１の取付け部の前記片持ち梁が、前記振動可能な第２の取付け部の前記片持ち梁とほぼ同じ長さである、請求項５に記載の電磁発電機。
7. 各磁石が、各振動可能な第１の取付け部の前記片持ち梁の自由端部に取り付けられ、前記コイルが、前記振動可能な第２の取付け部の前記片持ち梁の自由端部に取り付けられる、請求項４乃至６のいずれか一項に記載の電磁発電機。
8. 前記振動可能な第１の取付け部と、前記振動可能な第２の取付け部とのそれぞれが、共通ベースに取り付けられる、請求項１乃至７のいずれかに記載の電磁発電機。
9. 前記振動可能な第１の取付け部と、前記振動可能な第２の取付け部とのそれぞれが、前記共通ベースと一体である、請求項８に記載の電磁発電機。
10. 前記少なくとも２つの磁石と前記コイルとが、共通軸に沿って取り付けられる、請求項１乃至９のいずれかに記載の電磁発電機。
11. 前記少なくとも２つの磁石とコイルとが、多角形又はその一部分を画定する共通線に沿って取り付けられる、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電磁発電機。
12. 前記多角形が円である、請求項１１に記載の電磁発電機。
13. 複数の前記コイルと、３つ以上の前記磁石とを備え、各コイルが、それぞれの前記磁石対の間に配設される、請求項１乃至１２のいずれかに記載の電磁発電機。
14. 前記磁石の少なくとも１つが、１対の前記コイルの間に配設され、それによって、隣接するコイルのための共通磁石を構成する、請求項１３に記載の電磁発電機。
15. 各コイルが、それぞれの前記磁石対と関連し、且つそれらの間に配設され、従って、各コイルとその関連する磁石とが、他のコイルと磁石との組合せからなる他の共振構造体から実質的に分断された共振モードを有する、独立した共振構造体を構成する、請求項１３に記載の電磁発電機。
16. 前記複数の前記コイルが、それらの第２の振動可能な取付け部上でそれぞれ振動されると少なくとも２つの共振周波数を有する、請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の電磁発電機。
17. 第１及び第２のコイルであって、それぞれが、前記それぞれのコイルが中に配設される磁束領域を画定するように構成されたそれぞれの磁石対の間に配設され、それらによって、前記それぞれのコイルと前記それぞれの磁石との相対的な動きが、前記それぞれのコイル中に電流を発生させる第１及び第２のコイルを備え、前記第１及び第２のコイルがそれぞれ、それらの磁石に対してそれぞれ振動されると、それぞれ異なる共振周波数を有する、電磁発電機。
18. 前記磁石の少なくとも１つが、隣接する前記第１及び第２のコイルの間に配設され、それによって、前記第１及び第２の隣接するコイルのための共通磁石を構成する、請求項１７に記載の電磁発電機。
19. 前記各第１及び第２のコイルが、それぞれの前記磁石対と関連し、且つそれらの間に配設され、従って、各コイルとその関連する磁石とが、他のコイルと磁石との組合せからなる他の共振構造体から実質的に分断された共振モードを有する、独立した共振構造体を構成する、請求項１７に記載の電磁発電機。
20. 前記各磁石用の振動可能な第１の取付け部と、前記第１及び第２のコイル用の振動可能な第２の取付け部とを更に備え、それらによって、前記少なくとも２つの磁石のそれぞれと、前記それぞれの第１及び第２のコイルとが、それぞれの中央位置の周りでそれぞれ振動可能となる、請求項１７乃至１９のいずれか一項に記載の電磁発電機。
21. 前記振動可能な第１の取付け部と前記振動可能な第２の取付け部とが、共通の振動エネルギーの入力によって振動するように励起されると位相がずれて振動するように構成され、従って、前記コイルとそのそれぞれの磁石とが互いに位相がずれて振動する、請求項２０に記載の電磁発電機。
22. 前記振動可能な第１の取付け部と前記振動可能な第２の取付け部とが、共通の振動エネルギーの入力によって振動するように励起されたときにほぼ逆相に振動するように構成され、従って、前記コイルとそのそれぞれの磁石とが互いにほぼ逆相に振動することになる、請求項２１に記載の電磁発電機。
23. 前記振動可能な第１の取付け部と、前記振動可能な第２の取付け部とのそれぞれが、片持ち梁を備える、請求項１９乃至２２のいずれか一項に記載の電磁発電機。
24. 前記磁石対用の各振動可能な第１の取付け部の前記片持ち梁が、前記関連するコイル用の前記振動可能な第２の取付け部の前記片持ち梁のほぼ２分の１の質量を有する、請求項２３に記載の電磁発電機。
25. 各振動可能な第１の取付け部の前記片持ち梁が、前記振動可能な第２の取付け部の前記片持ち梁とほぼ同じ長さである、請求項２４に記載の電磁発電機。
26. 各磁石が、各振動可能な第１の取付け部の前記片持ち梁の自由端部に取り付けられ、各コイルが、それぞれの振動可能な第２の取付け部の前記片持ち梁の自由端部に取り付けられる、請求項２３乃至２５のいずれか一項に記載の電磁発電機。
27. 前記振動可能な第１の取付け部と、前記振動可能な第２の取付け部とのそれぞれが、共通ベースに取り付けられる、請求項１９乃至２６のいずれか一項に記載の電磁発電機。
28. 前記振動可能な第１の取付け部と、前記振動可能な第２の取付け部とのそれぞれが、前記共通ベースと一体である、請求項２７に記載の電磁発電機。
29. 前記磁石と前記第１及び第２のコイルとが、共通軸に沿って取り付けられる、請求項１９乃至２８のいずれか一項に記載の電磁発電機。
30. 前記磁石と前記第１及び第２のコイルとが、多角形又はその一部分を画定する共通線に沿って取り付けられる、請求項１９乃至２９のいずれか一項に記載の電磁発電機。
31. 前記多角形が円である、請求項３０に記載の電磁発電機。
32. 請求項１又は請求項１７に記載の少なくとも１つの電磁発電機を組み込んでいる、航空機のための健全性及び使用履歴監視システム（ＨＵＭＳ）。
33. センサと、ローカル無線伝送システムとを含み、前記センサと前記無線伝送システムのどちらともが、前記電磁発電機によって電力供給される、請求項３２に記載の航空機のための健全性及び使用履歴監視システム（ＨＵＭＳ）。
34. 請求項１又は請求項１７に記載の少なくとも１つの電磁発電機を組み込んでいる、鉄道線及び関連構成部品のための感知システム。
35. 前記電磁発電機が、列車の通過によって、鉄道線から直接、又は前記鉄道線に取り付けられた片持ち梁を介してもたらされる振動から電力を発生するように適応される、請求項３４に記載の鉄道線及び関連構成部品のための感知システム。
36. 前記感知システムが、センサと、出力データを遠隔地に遠隔伝送する手段とを含む、請求項３５に記載の鉄道線及び関連構成部品のための感知システム。
37. 請求項１又は請求項１７に記載の少なくとも１つの電磁発電機を組み込んでいる、車両用電池充電システム。
38. 貨物自動車又は貨物トレーラ用追跡システムのための電池再充電システムに組み込まれている、請求項３７に記載の車両用電池充電システム。
39. 請求項１又は請求項１７に記載の少なくとも１つの電磁発電機を組み込んでいる、移動電気通信機器。
40. 請求項１又は請求項１７に記載の少なくとも１つの電磁発電機を組み込んでいる、状態監視システム。
41. 添付の図面を参照して本明細書にて実質的に説明された電磁発電機。

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