JP2011524734A

JP2011524734A - ピエゾセンサを用いてさまざまな振幅および周波数の機械的振動から電気エネルギーを発生させる装置

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Publication number: JP2011524734A
Application number: JP2011513967A
Authority: JP
Inventors: シュタインコプフトルステン; ヴォルフアンドレアス
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2011-09-01
Also published as: WO2009153106A1; US20110095654A1; EP2289118B1; EP2289118A1; DE102008029374A1

Abstract

本発明は、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するために広帯域の機械的振動の形態の機械的エネルギーをピエゾアクチュエータに結合する装置であって、ハウジング（Ｇ）と振動質量体（ｍ）とを有しており、ハウジング（Ｇ）に前記した振動形態の機械的エネルギーが作用するものに関する。本発明は振動質量体（ｍ）は少なくとも２つのピエゾアクチュエータユニット（１）によって前記ハウジング（Ｇ）内に吊り張られていることを特徴としている。このようにして、機械的振動の周波数および振幅の広い範囲でピエゾアクチュエータエネルギー変換器への適合を生じさせる装置が得られる。

Description

本発明は主請求項の上位概念による装置と副請求項に記載の使用とに関する。

また、機械的エネルギーから電気エネルギーを発生させるために、エネルギー変換器として多層ピエゾアクチュエータも使用される。機械的エネルギーが広帯域の機械的振動の形で存在している場合、これをピエゾアクチュエータに最適に結合するのは難しい。

一般的なのは、一定の伝達比Ｖ＝一定を有する機械的な伝達レバーを使用したエネルギー変換器である。振動は図１に示されているハウジングＧに外部から作用する。このようなハウジングＧは伝達レバーＶとエネルギー変換器ｋとを介して振動質量体ｍに結合されている。質量体ｍの慣性のため、質量体ｍのハウジングＧに対する相対運動が生じる。その際、この相対運動は伝達装置Ｖを介してエネルギー変換器ｋに作用し、電気エネルギーに変換される。

従来の機械的な伝達装置は変位と力を次のようにして変換する。

ここで、ｘ_Inは機械的伝達装置に作用する変位であり、ｘ_Outは機械的伝達装置から生じる変位であり、Ｆ_Inは機械的伝達装置に作用する力であり、Ｆ_Outは機械的伝達装置から生じる力である。ハウジングＧの外部からの振動の振幅がｘ、周波数がｆ（ω＝２πｆ）のとき、エネルギー変換器ｋに作用する力振幅Ｆ_Piezoは次の通りである。

ここで
ｋピエゾ変換器のスティフネス
ｘ振動ストロークの振幅
ω 振動の角周波数
ｍ振子質量
Ｆ_Piezo ピエゾ変換器に生じる力
この装置をこの振動ｘ*ｓｉｎ（ωｔ）に最適に適合させるには、次の条件に従ってレバー伝達比Ｖ_maxを選択しなければならない。

この条件は、所与の振子質量ｍと所与の変換器スティフネスｋのもとで、最適な伝達比Ｖ_maxが振動の周波数ωに依存することを述べている。つまり、振動周波数ωが変化すると、レバー伝達比Ｖは、ピエゾ素子に最大の力が作用するように、ひいては電気エネルギーへの最適な変換が生じるように、相応して適合されなければならない。

本発明の課題は、機械的振動の周波数および振幅の広い範囲でピエゾアクチュエータエネルギー変換器への適合を生じさせる装置を提供することである。

この課題は主請求項に係る装置と副請求項に係る使用によって解決される。

伝達比（Ｖ）は可変とする。伝達比は振子質量体の変位とこの変位によるピエゾアクチュエータの伸長との比である。

他の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

１つの有利な実施形態によれば、振動質量体または振子質量体は少なくとも２つのピエゾアクチュエータユニットによってハウジングフレームまたはハウジング内に吊り張られる。特に、ピエゾアクチュエータユニットと振子質量体は直線に沿って配置されている。振子質量体は特にピエゾアクチュエータユニットの間の中央に振動可能に配置されている。

１つの有利な実施形態によれば、ピエゾアクチュエータユニットはバネの中に挟み込まれたピエゾアクチュエータである。

別の有利な実施形態によれば、ピエゾアクチュエータは多層ピエゾアクチュエータである。

別の有利な実施形態によれば、バネは管状バネである。

別の実施形態によれば、振子質量体はバネの長手方向に対して垂直に変位することができる。

別の実施形態によれば、伝達比は振子質量体のフレームに対する変位に反比例する。この装置では、伝達比は振動質量体の吊しフレームに対する変位に反比例する。

別の有利な実施形態によれば、振子質量体-バネ-システムの有効スティフネスは変位の平方に比例する。幾何学的な関係から、ピエゾアクチュエータユニットの戻し力を表すバネの伸びは変位の平方に比例する。その結果、質量体-バネ-システムの有効スティフネスは変位の平方に比例する。これにより、本発明により達成される広帯域の振動のエネルギー変換の効率向上の他に、別の利点が得られる。振動振幅につれてスティフネスが上昇することによって、振子質量体は徐々に制動され、場合によっては極端な機械的衝突が和らげられる。それゆえ、変位の変換は使用している圧電材料を損傷しかねない極端な機械的衝突に対してロバストである。

別の有利な実施形態によれば、バネは実質的に引張力に服している。それゆえ、負荷が大きいときには、予荷重の下で挟まれているピエゾ変換器が、最悪の場合、完全に予荷重なしになる。これが、変位の変換が使用されている圧電材料を損傷しかねない極端な機械的衝突に対してロバストとなるもう１つの理由である。

別の有利な代替的実施形態では、ピエゾアクチュエータには予荷重がかけられており、圧縮力にしかさらされていない。したがって、挟み込まれたピエゾ変換器は決して引張力に服することがない。引張力はひび割れに、ひいてはピエゾ変換器の故障につながる。

別の有利な実施形態によれば、ピエゾアクチュエータは、互いに嵌合した相応に予荷重のかけられたバネ継ぎ手からなる圧縮可能に設計された構造の中に固定されている。このようにして、変位が大きすぎてピエゾ変換器が予荷重なしで管状バネ内にもはや固定されなくなるという上述の可能性は、互いに嵌合した相応に予荷重のかけられたバネ継ぎ手からなる圧縮可能に設計された構造を変換器の固定に使用することによって回避される。

以下では本発明を図面に示した実施例に基づき詳細に説明する。

従来のエネルギー変換器を示す。本発明によるエネルギー変換器の実施例を示す。本発明による実施例の変位の挙動を示す。本発明による質量体-バネ-システムの伝達比と有効スティフネスを示す。従来のエネルギー変換器と本発明によるエネルギー変換器の周波数スペクトルを示す。圧縮可能に設計された本発明によるバネの継ぎ手構造の別の実施例を示す。

図１には、先行技術によるエネルギー変換器の実施例が示されている。ここでは、ハウジングＧが設けられている。ハウジングには伝達比Ｖの機械的伝達装置が結合されている。機械的伝達装置には振動質量体ｍが結合されている。また、機械的伝達装置にはスティフネスｋの圧電変換器も結合されている。圧電変換器もハウジングＧに直接結合されている。

図２には、エネルギー変換器の本発明による実施例が示されている。この図では、参照番号１がピエゾアクチュエータユニットを表している。振動質量体ｍは少なくとも２つのピエゾアクチュエータユニット１を介してハウジングＧのフレームの中で吊り張られている。ピエゾアクチュエータユニット１は管状バネの中に挟み込まれた多層ピエゾアクチュエータユニットである。また、ピエゾアクチュエータユニット１はハウジングＧと振動質量ｍとに結合されている。幾何学的な関係、力の向き、および運動の向きに基づいて、ピエゾアクチュエータユニット１の戻し力を表す伸長Δｌが変位ｘ_mの平方に比例することが矢印によって示されている。その結果、質量体-バネ-システムの有効スティフネスは変位の平方に比例する。

図３には、本発明による実施例の質量体-バネ-システムの変位の挙動が示されている。Ｓはバネを表している。２つのバネがハウジングＧの間に質量体ｍを保持している。これらのバネはハウジングＧのフレームに固定されていてよい。質量体ｍはバネＳの長手方向に対して垂直に変位することができる。変位ｘ_mによって元々の長さｌ₀は長さΔｌだけ伸長される。

図４には、本発明による質量体-バネ-システムの伝達比と有効スティフネスが示されている。図４の左側には、振動質量体の変位ｘ_mに対する伝達比Ｖが示されている。図４の右側には、振動質量体の変位ｘ_mに対する質量体-バネ-システムの有効スティフネスが示されている。本発明による可変の伝達比Ｖ＝ｆ（ｘ_m）＝ａ／ｘ_mによれば、一定の伝達比Ｖ＝一定に比べて、ピエゾ変換器への力の作用が改善される。計算により、考察される周波数範囲の全体においてエネルギー変換器の力振幅が増大することが証明される。

図５には、変換器で発生する力振幅の周波数スペクトルが示されている。図の左側には、従来の一定の伝達比Ｖ＝一定が示されている。右側には、可変の伝達比Ｖ＝ｆ（ｘ_m）＝ａ／ｘ_mが示されている。それぞれにおいて周波数に対応する力がプロットされている。

図６には、本発明によるピエゾアクチュエータユニット１の別の実施例が示されている。このようにして、変位が大きすぎてピエゾ変換器が予荷重なしで管状バネ内にもはや固定されなくなるという可能性が回避されるここでは、互いに嵌合した相応に予荷重のかけられたバネ継ぎ手からなる圧縮可能に設計された構造がピエゾ変換器の固定に使用される。図６には、圧縮可能に設計された継ぎ手構造が示されている。

Claims

機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するために広帯域の機械的振動の形態の機械的エネルギーをピエゾアクチュエータに結合する装置であって、ハウジング（Ｇ）と振動質量体（ｍ）とを有しており、前記ハウジング（Ｇ）に前記した振動形態の機械的エネルギーが作用する形式の装置において、伝達比（Ｖ）が可変であることを特徴とする装置。
前記振動質量体（ｍ）は少なくとも２つのピエゾアクチュエータユニット（１）によって前記ハウジング（Ｇ）内に吊り張られている、請求項１記載の装置。
前記ピエゾアクチュエータユニット（１）はバネ（Ｓ）の中に挟み込まれたピエゾアクチュエータである、請求項２記載の装置。
前記ピエゾアクチュエータは多層ピエゾアクチュエータである、請求項３記載の装置。
前記バネ（Ｓ）は管状バネである、請求項３または４記載の装置。
前記振動質量体（ｍ）は前記バネ（Ｓ）の長手方向に対して垂直に変位することができる、請求項３から５のいずれか１項記載の装置。
前記伝達比（Ｖ）は前記振動質量体（ｍ）の前記ハウジング（Ｇ）に対する変位（ｘ_m）に反比例する、請求項１から６のいずれか１項記載の装置。
前記振子質量体-バネシステムの有効スティフネス（ｋ_eff）は変位の平方に比例する、請求項１から７のいずれか１項記載の装置。
前記バネ（Ｓ）は実質的に引張力に服している、請求項１から８のいずれか１項記載の装置。
前記ピエゾアクチュエータは予荷重がかけられており、圧縮力にのみさらされている、請求項１から９のいずれか１項記載の装置。
前記ピエゾアクチュエータは、互いに嵌合した相応に予荷重のかけられたバネ継ぎ手からなる圧縮可能に設計された構造の中に固定されている、請求項１０記載の装置。
請求項１から１０のいずれか１項記載の装置を０〜１００Ｈｚの周波数スペクトルおよび１０^-8〜１００Ｎの範囲の力振幅においてエネルギー変換に使用する、請求項１から１０のいずれか１項記載の装置の使用。
請求項１から１０のいずれか１項記載の装置を１０^-3〜１ｍｍの範囲の変位および１ｋｇの振子質量体（ｍ）に対して１０^-8〜０．１Ｎ／μｍの範囲の有効スティフネスにおいてエネルギー変換に使用する、請求項１から１０のいずれか１項記載の装置の使用。