JP5172677B2 - 機械的振動エネルギを電気エネルギに変換するための電気機械的発電機 - Google Patents

Description

本発明は、機械的振動エネルギを電気エネルギに変換するための電気機械的発電機に関する。詳細には、本発明は、周囲振動エネルギを、例えばインテリジェントセンサシステムに電力を提供するために使用される電気エネルギに変換できる小型発電機であるデバイスに関する。このようなシステムは、電力を提供したりセンサのデータを伝送したりするために導線を実際に取り付けることができないアクセス不能の領域で使用できる。

現在、マイクロ電気機械的システム（ＭＥＭＳ）用の代替電源の分野での研究活動のレベルが高くなっている。このようなデバイスは、当該技術分野において、「エネルギ獲得(enregy harvesting) 」デバイスとして使用されていると説明されており、「寄生電源」と説明されている。このような電源は、現在、無線センサに電力を提供するために研究されている。

周囲の振動から有用な電力を獲得するため、電気機械的発電機を使用することが周知である。代表的な磁石−コイル発電機は、システムの振動時に、磁気コアが発生する磁束をコイルが横切るように磁石又はコイルに取り付けられたばね−マス組み合わせを含む。振動時に移動するマスが片持ちビームに取り付けられている。ビームが磁気コアに連結されており且つコイルがデバイス用の包囲体に対して固定されていてもよいし、この逆の構成をなしていてもよい。電気機械的発電機は小型である。これにより、これらの発電機は、単一の又は複数の構成要素を駆動するための電力を提供するため、ホスト装置の内外の様々な位置に容易に配置できる。

一つの周知のこのような電気機械的発電機を図１に示す。電気機械的発電機２についての周知の設計は、ばね鋼製の可撓性ビーム８に取り付けられた磁石４、６を有する。これらの磁石４、６は、これらの磁石間に配置された銅製固定コイル１０と隣接している。ビーム８の自由端１４には開口部１２が形成されており、この開口部１２の両側に磁石４、６が配置されている。コイル１０は開口部１２内に配置されており、ベース１８から上方に延びるアーム１６に取り付けられている。ビーム８の他端２０は、ベース１８から上方に延びる直立支持体２２に固定されている。各磁石４、６は、一対の磁石エレメント２４、２６を含み、各エレメント２４、２６は、ビーム８の上側及び下側の夫々に配置されている。各対の二つのエレメント２４、２６は、コイル１０から遠方の側部に配置されたキーパー２８によって互いに連結されている。これにより、コイル１０が配置された磁石４、６間に磁束領域を形成する。電気機械的発電機の可動エレメントを包囲し且つ保護するため、カバー（図示せず）がベース１８に取り付けられていてもよい。

電気機械的発電機２に、振動を、垂直方向（図１で見て）に、ビーム８及び磁石４、６を含むアッセンブリの共振周波数に近い周波数で加えたとき、ビーム８及びこのビームによって支持された磁石４、６がコイル１０に対して振動する。この移動により、コイル１０を通る磁束が変化し、及び従って、コイル１０の導線に沿って電圧が誘導される。

周知の電気機械的発電機２は、振動可能な磁石アッセンブリを支持する片持ちビームとして作用するばねビーム８を必要とする。このようなビームは、適当なばね材料を提供することを必要とし、振動可能な磁石アッセンブリを支持するビームを注意深く調整する必要がある。これを正確に行うのは困難であり、ばねビームの共振特性は電気機械的発電機２の設計寿命に亘って変化してしまう。

機械的共振器、特に、薄いばね材料片で形成された片持ちビームを形成するとき、その端部のクランプに特別な注意を払わなければならない。図１では、ばねビーム８を直立支持体２２に対してクランプしなければならない。ばねビーム８のクランプは、代表的には、直立支持体２２に固定されたクランプ部材３０によって、ばねビーム８が直立支持体２２とクランプ部材３０との間にクランプされるように行われる。クランプの材料と接触したばね材料が動くことにより、或る程度の摩擦損が不可避的に入り込んでしまう。こうした損失は、ばね及びクランプの材料の正確な性質、これらの表面仕上げ、構造、及びクランプ力に応じて変化する。

更に、ビーム８の上側及び下側に配置された磁石４、６がばねビーム８に固定されている必要がある。このような固定により、或る程度の摩擦損が更に導入される。

電気機械的発電機で使用される共振器システムでは、Ｑ(Q-factor)が高いのが望ましいということは、マイクロ電気機械的システム（ＭＥＭＳ）デバイスの当業者に一般的に周知である。摩擦損は、Ｑを低下するため、共振器では望ましくない。

従って、電気機械的発電機、特に小型電気機械的発電機による、機械的振動エネルギの電気エネルギへの、及び従って有用な電力への変換効率を向上することが必要とされている。更に詳細には、Ｑを低下する傾向がある摩擦損を低減する必要がある。

更に、上文中に説明したばね式片持ちビームの問題点を解決した又はこうした問題点がない電気機械的発電機、特に小型電気機械的発電機が必要とされている。

本発明は、機械的振動エネルギを電気エネルギに変換するための、周知のデバイスよりも高い効率で作動でき及び／又は片持ち式ばねビームを共振エレメントとして使用した場合の摩擦損の問題を軽減するか或いはなくす、改良電気機械的発電機を提供しようとするものである。

従って、本発明は、機械的振動エネルギを電気エネルギに変換するための電気機械的発電機において、固定端、自由端、及びこれらの間の中央部分を持つ片持ちばねと、固定端が固定される、片持ちばね用のマウントと、片持ちばねの自由端に配置されたマスとを含み、このマスは、磁束領域を形成するコイル又は少なくとも一つの磁石のいずれかを有し、片持ちばねの固定端及び自由端のうちの少なくとも一方の剛性が、片持ちばねの中央部分の剛性よりもかなり大きい、電気機械的発電機を提供する。

好ましくは、片持ちばねの固定端及び自由端の少なくとも一方の剛性が、片持ちばねの中央部分の剛性の少なくとも二倍である。

好ましくは、片持ちばねの固定端及び自由端の両方の剛性が、片持ちばねの中央部分の剛性の少なくとも二倍である。

好ましくは、固定端及び自由端の一方又は各々の剛性は、片持ちばねの断面形状又は断面寸法のうちの少なくとも一方を変化することによって高められる。

好ましくは、片持ちばね及びマウントは一体であり、これによって、一体のマウントは、片持ちばねの固定端を形成する。

好ましくは、片持ちばね及びマスの少なくとも一部が一体であり、これによって、マスの一体の部分は、片持ちばねの自由端を形成する。

好ましくは、少なくとも一つの磁石が片持ちばねの自由端に配置されており、少なくとも一つの磁石が、隙間内に磁束領域を形成し、更に、隙間内に受け入れられたコイルを含む。

好ましくは、マウントは、電気機械的発電機用ハウジングのフレームを含む。

好ましくは、フレームは、片持ちばね、少なくとも一つの磁石、及び支持部材が配置されるキャビティを形成する。

電気機械的発電機は、更に、コイルが取り付けられるプレート部材を含み、該プレート部材はフレームに固定される。

電気機械的発電機は、更に、フレームに取り付けられ、キャビティを覆うカバー部材を含む。

電気機械的発電機は、更に、フレームに取り付けられ、キャビティを覆うベース部材を含む。

電気機械的発電機は、更に、片持ちばねの自由端に配置された、少なくとも一つの磁石用の支持部材を含み、該支持部材は片持ちばねと一体である。

電気機械的発電機は、更に、少なくとも一つの磁石を保持するための磁石ホルダを含み、磁石ホルダは、支持部材に固定される。

好ましくは、磁石ホルダは、ねじ山を備えたコネクタによって支持部材に固定されており、ねじ山を備えたコネクタは、片持ちばねに対するホルダの長さ方向位置を変化することによって電気機械的発電機の共振周波数を変化するように調整自在である。

好ましくは、ねじ山を備えたコネクタは、ホルダ及び支持部材の一方に装着した第１へッド部品と、ホルダ及び支持部材の他方に装着した第２バレル部品とを含み、へッド部品及びバレル部品は互いに螺着される。

好ましくは、ホルダは、ホルダ及び支持部材の一方から延びており且つホルダ及び支持部材の他方の穴に摺動自在に受け入れられる少なくとも一つのピンによって支持部材に取り付けられる。

本発明は、例えば、片持ちばねの少なくとも一端（代表的には、固定端）又は更に好ましくは両端の断面厚さの増大及び／又は断面形状の変化による補剛により、クランプ箇所での撓みによる摩擦損を低減できるという本発明者の発見に基づくものである。摩擦損は、クランプ箇所での撓みによる摩擦損を、ばね材料内での固有の損失等の他の損失と比較して無視できるように、大幅に低減できる。厚くした部品は、固定端用の一体のマウント及び磁石用の一体の支持体を形成できる。

デバイスの他の構成要素が存在する場合に、そうした構成要素に対して便利に取り付けるため、ばねの厚くした端部を延長してもよい。

本発明は、電気機械的発電機の摩擦による損失が全体に小さく、及びかくして、図１に示すように片持ちビームの端部をクランプした周知のデバイスと比較してＱが高いという利点を提供できる。更に、Ｑは再現性が高く且つ予測可能である。更に、片持ちビーム用の一体のマウントを提供することによって、詳細には、マウントが電気機械的発電機のハウジング用の一体のフレームを形成する場合、デバイスの構成要素の数が減少し、これによって製造費が減少する。

本発明の別の特徴では、機械的振動エネルギを電気エネルギに変換するための電気機械的発電機において、固定端及び自由端を持つ片持ちばねと、固定端が固定される、片持ちばね用のマウントと、片持ちばねの自由端に配置されたマスとを含み、このマスは、磁束領域を形成するコイル又は少なくとも一つの磁石のいずれかを含み、マスは、更に、片持ちばねと一体であるか或いは片持ちばねに連結された支持部材を含み、更に、コイル又は少なくとも一つの磁石のいずれかを保持するためのホルダと、ホルダを支持部材に固定するねじ山を備えたコネクタとを含み、このねじ山を備えたコネクタは、これによって、片持ちばねに対するホルダの長さ方向位置を変化することによって電気機械的発電機の共振周波数を変化するように調整自在である。

これによって、電気機械的発電機の共振周波数を微調整するための信頼性があり且つ便利な調整機構が提供される。

好ましくは、ねじ山を備えたコネクタは、ホルダ及び支持部材の一方に装着した第１へッド部品と、ホルダ及び支持部材の他方に装着した第２バレル部品とを含み、へッド部品及びバレル部品は互いに螺着される。

好ましくは、ホルダは、ホルダ及び支持部材の一方から延びており且つホルダ及び支持部材の他方の穴に摺動自在に受け入れられる少なくとも一つのピンによって支持部材に取り付けられる。

次に、本発明の一実施例を添付図面を参照して単なる例として説明する。

図２及び図３は、本発明の一実施例に従って使用するため、機械的振動エネルギを電気エネルギに変換するための電気機械的発電機３２を示す。

電気機械的発電機３２は、複数の磁石３６、３８、４０、４２を支持する磁石ホルダ３４を含む。磁石ホルダ３４には、面プレート４８に取り付けられたコイル４６を受け入れるための中央隙間４４が設けられている。磁石ホルダ３４は、代表的には、矩形形状である。磁石３６、３８、４０、４２は、夫々、オリフィス５０に取り付けられている。これらのオリフィスは、磁石３６、３８、４０、４２の面が隙間４４の両側５２、５４に沿って露呈されるように、磁石ホルダ３４に設けられている。このようにして、当業者に周知にように、磁石３６、３８、４０、４２によって、隙間４４を横切る磁束領域が形成される。磁石３６、３８、４０、４２が、定置のコイル４６に対し、隙間４４内で上下に振動移動すると、コイル４６が、移動する磁束を横切る。これによりコイル４６内で電流が発生する。この電流は、振動移動により獲得した電力によって駆動されるべきエレメント（図示せず）に導線（図示せず）に沿って導かれる。

隙間４４は、磁石ホルダ３４の前面５６に配置されている。磁石ホルダ３４の後面５８には支持部材６０が取り付けられる。図４及び図５を更に参照すると、支持部材６０にはねじ山を備えたコネクタ６２が設けられている。このコネクタは、支持部材６０の平滑な穴６４を通って延び、磁石ホルダ３４の後面５８に設けられたねじ穴６６に受け入れられる。ねじ山を備えたコネクタ６２は、へッド６５及びねじシャフト６７を持つ第１へッド部品６３と、ねじシャフト６７と螺着する内ねじ７１と、ねじ穴６６と螺着する外ねじ７３を持つ円筒形の外面と、平滑な穴６４に受け入れられる平滑なバレル７５とを持つ第２バレル部品とを有する。ねじシャフト６７は、第１へッド部品６３及び第２バレル部品６９が回転により軸線方向に互いに係止されるように、接着剤（図示せず）によって内ねじ７１内に付着される。従って、ねじ山を備えたコネクタ６２は支持部材６０に捕捉され、平滑なバレル７５が平滑な穴６４内で回転することによって回転できる。

ねじ山を備えたコネクタ６２は、これによって、磁石ホルダ３４を支持部材６０に固定的にしかし調節自在にボルト止めし、これによって、これらの間の間隔を変化させることができる。へッド部品６３を回転させると、外ねじ７３がねじ穴６６内で回転することにより、磁石ホルダ３４が支持部材６０に対して長さ方向に前後に移動する。磁石ホルダ３４を支持部材６０から押し離すか或いは近付けることによりマスの位置を片持ちばね／磁石アッセンブリの長さに沿って変化する。

更に、磁石ホルダ３４の後面５８には、互いから間隔が隔てられた一対の後方に延びるピン６８、７０が設けられている。これらのピンは、夫々、支持部材６０の、ねじ山を備えたコネクタ６２用の穴６４の横方向両側に設けられた穴７２、７４に摺動自在に受け入れられる。ピン６８、７０は、これによって、磁気ホルダ３４と支持部材６０との間の相対的回転移動が起らないようにする。しかしながら、バレル部品６９をへッド部品６３に対して長さ方向に前後に移動することができる。

支持部材６０は、片持ちばね７６の一端７８のところでビームの形態の片持ちばね７６と一体である。端部７８は、ばね７６及び支持部材６０及び磁石ホルダ／磁石アッセンブリの質量で決まる共振周波数で図面で上下に自由に振動する。詳細には、へッド部品６３を回転することによって、片持ちばね７６の自由端７８にある磁石ホルダ３４の長さ方向位置を変化することによって、共振周波数を所望の値に容易に微調整できる。片持ちばね７６は、電気機械的発電機３２に振動が加わったときに振動するような厚さ及び質量を備えている。片持ちばね７６は、その他端８０が、電気機械的発電機３２のフレーム８２と一体をなしている。フレーム８２は片持ちばね７６のマウントを形成し、固定位置でここに端部８０が受け入れられる。

従って、片持ちばね７６は、固定端８０、自由端７８、及びこれらの間の中央部分８１を有する。フレーム８２は、片持ちばね７６用のマウントであり、固定端８０がここに固定される。支持部材６０は、片持ちばね７６の自由端７８に配置されたマスの部分であり、このマスは、更に、磁束領域を形成する少なくとも一つの磁石を含む。片持ちばね７６の固定端８０及び自由端７８の少なくとも一方がかなり大きな剛性を有し、好ましくは、片持ちばね７６の中央部分８１の少なくとも二倍の剛性を有する。片持ちばね７６の断面形状及び断面寸法の少なくとも一方を変化することによって、固定端及び自由端の一方又はこれらの各々の剛性を高くする。

この剛性の向上は、例示の実施例では、一体のマウント８２及び一体の支持部材６０を提供することによって行われる。この場合、マウント８２及び支持部材６０の厚さを片持ちばね７６の中央部分８１に対して大幅に増大することにより、剛性が、マウント８２及び支持部材６０が全く振動しない程大幅に増大する。しかしながら、剛性の増大が低くても、片持ちばね７６の一方の端部だけであれ、摩擦損が減少する。

変形例では、コイルは、少なくとも一つの磁石が固定された片持ちばね７６の自由端の質量で提供される。

フレーム８２は部分的に環状をなしており、中央キャビティ８４内に、片持ちばね７６と、この片持ちばねと一体の支持部材６０と、磁石ホルダ３４とが受け入れられる。フレーム８２の開放端のところで、面プレート４８がフレーム８２に取り付けられており、環状をなした閉鎖したフレーム構造を提供する。コイル４６は、隙間４４内の必要な位置に受け入れられる。面プレート４８は、代表的には、ねじ（図示せず）によってフレーム８２に取り付けられる。

フレーム８２は、上面９０と下面９２との間を延びる複数の貫通穴８８を有する。カバー９４をフレーム８２の上面９０に取り付け、ベース９６をフレーム８２の下面９２に取り付ける。取り付けは、ねじ（図示せず）をカバー９４及びフレーム８２の穴８８に通し、ベース９６に設けられたねじ穴９８にねじ込むことによって行われる。面プレート４８は、カバー９４及びベース９６に対してぴったりと装着する。これにより、電気機械的発電機３２用の完全に閉鎖しており且つ固定された、可動エレメント用ハウジング１００を提供する。組み立てた形体を図３に示す。フレーム８２は、ハウジング１００の部品を構成する。

図４及び図５を参照すると、片持ちばね７６が、支持部材６０及びフレーム８２の両方の下縁で、支持部材６０及びフレーム８２の両方に一体に連結されていることがわかる。これにより、支持部材６０の質量を不必要に大きくすることなく、ねじ山を備えたコネクタ６２を支持部材６０内のほぼ中央に配置できる。更に、電力が取り出されるべき振動体に電気機械的発電機３２を固定的に取り付けることができるように、取り付け穴１０２が、片持ちばね７６の夫々の端部８０の上方の所定の位置でフレーム８２に設けられていてもよい。

支持部材６０及びフレーム８２は、各々、電気機械的発電機に振動が加わったとき、支持部材及びフレーム自体が振動できないような厚さ及び質量を備えている。これらと一体に形成された片持ちばね７６だけが振動するのである。好ましくは、一体の支持部材６０、片持ちばね７６、及びフレーム８２は、ベリリウム銅で形成されており、従来の回転フライスによって加工されている。フレームは、一実施例では、厚さが約８ｍｍであるのに対し、片持ちばねの厚さは、ほぼ一桁小さい。即ち、０．８ｍｍ程度の厚さを有する。

片持ちビームがフレームと一体であり、使用時に電気機械的発電機に振動が加わったときにフレーム自体が振動しないため、片持ちビームとフレームとの間に、及び従って、片持ちビームと電気機械的発電機の定置の部品との間に摩擦損がない。更に、磁石ホルダ用の支持体を、片持ちビームの他端のところで、片持ちビームと一体に形成することにより、使用時に電気機械的発電機に振動が加わったとき、支持体自体が片持ちビームとともに振動し、片持ちビームの自由端のところで片持ちビームと磁石との間に摩擦損が発生しない。

図１を参照して上文中に説明した周知のデバイスと比較して、摩擦損が減少する。更に、周知のデバイスのばねビームは、ばね特性がその使用寿命中に変化する傾向があるけれども、部分的には、摩擦損が変化することにより共振周波数の不利な変化を生じるため、電力出力が劣化し、及び／又はデバイスを様々に調節することが必要とされる。本発明の電気機械的発電機では、ばねビームが、フレームと、及び好ましくは磁石とも一体の構造をなしているため、こうした摩擦損をなくし又は大幅に減少し、その結果、共振周波数の調整を更に容易に行うことができ且つデバイスの寿命に亘って維持できる。

当業者には、本発明の電気機械的発電機の様々な態様が明らかであろう。詳細には、フレーム及び支持部材、及び磁石ホルダについて、この他の形状を使用してもよい。

機械的振動エネルギを電気エネルギに変換するための周知の電気機械的発電機の概略斜視図である。 図２は、機械的振動エネルギを電気エネルギに変換するための本発明の実施例による電気機械的発電機を上方から見た概略分解斜視図である。 図３は、組み立てた状態の図２の電気機械的発電機を上方から見た概略斜視図である。 図４は、図２の電気機械的発電機の一体の片持ちビーム及びフレームの上面の概略斜視図である。 図５は、図２の電気機械的発電機の一体の片持ちビーム及びフレームの下面の概略斜視図である。

符号の説明

３２ 電気機械的発電機
３４ 磁石ホルダ
３６、３８、４０、４２ 磁石
４４ 中央隙間
４６ コイル
４８ 面プレート
５０ オリフィス
５２、５４ 両側
５６ 磁石ホルダ前面
５８ 磁石ホルダ後面
６０ 支持部材
６２ コネクタ
６３ 第１へッド部品
６４ 穴
６５ へッド
６６ ねじ穴
６７ ねじシャフト
６８ ピン
６９ 第２バレル部品
７０ ピン
７１ 内ねじ
７３ 外ねじ
７５ バレル

Claims (12)

1. 機械的振動エネルギを電気エネルギに変換するための電気機械的発電機において、
   固定端、自由端、及びこれらの間の中央部分を持つ片持ちばねと、
   前記固定端が固定される、前記片持ちばね用のマウントと、
   前記片持ちばねの自由端に配置されたマスとを含み、
   前記マスは、片持ちばねと一体に形成された支持部材と、磁束領域を形成するコイル又は少なくとも一つの磁石のいずれかと、コイル又は少なくとも一つの磁石のいずれかを保持するためのホルダとを有し、このホルダは支持部材に固定され、
   前記片持ちばね自体の前記固定端の剛性および前記自由端の剛性が、前記片持ちばねの前記中央部分の剛性よりも大きく、
   前記固定端の剛性および自由端の剛性は、前記片持ちばねの断面形状又は断面寸法のうちの少なくとも一方を変化させることによって高められ、
   前記片持ちばね及び前記マウントは一体であり、これによって、前記一体のマウントは、前記片持ちばねの前記固定端を形成し、
   前記自由端の剛性は更に片持ちばねと一体の支持部材の厚みを大きくすることにより高められる、電気機械的発電機。
2. 請求項１に記載の電気機械的発電機において、
   前記片持ちばねの前記固定端および前記自由端の少なくとも一方の剛性が、前記片持ちばねの前記中央部分の剛性の少なくとも二倍である、電気機械的発電機。
3. 請求項１又は２に記載の電気機械的発電機において、
   前記片持ちばねの前記固定端及び前記自由端の両方の剛性が、前記片持ちばねの前記中央部分の剛性の少なくとも二倍である、電気機械的発電機。
4. 請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の電気機械的発電機において、
   少なくとも一つの磁石が前記片持ちばねの前記自由端に配置されており、前記少なくとも一つの磁石が、隙間内に磁束領域を形成し、更に、前記隙間内に受け入れられるコイルを含む、電気機械的発電機。
5. 請求項４に記載の電気機械的発電機において、
   前記マウントは、前記電気機械的発電機用ハウジングのフレームを含む、電気機械的発電機。
6. 請求項５に記載の電気機械的発電機において、
   前記フレームは、前記片持ちばね、前記少なくとも一つの磁石、及び前記支持部材が配置されるキャビティを形成する、電気機械的発電機。
7. 請求項６に記載の電気機械的発電機において、更に、
   前記コイルが取り付けられるプレート部材を含み、該プレート部材は前記フレームに固定される、電気機械的発電機。
8. 請求項６又は７に記載の電気機械的発電機において、更に、
   前記フレームに取り付けられ、前記キャビティを覆うカバー部材を含む、電気機械的発電機。
9. 請求項６、７、又は８に記載の電気機械的発電機において、更に、
   前記フレームに取り付けられ、前記キャビティを覆うベース部材を含む、電気機械的発電機。
10. 請求項１乃至９のうちいずれか一項に記載の電気機械的発電機において、
    前記磁石ホルダは、ねじ山を備えたコネクタによって前記支持部材に固定されており、前記ねじ山を備えたコネクタは、前記片持ちばねに対する前記ホルダの長さ方向位置を変化することによって、前記電気機械的発電機の共振周波数を変化するように調整自在である、電気機械的発電機。
11. 請求項１０に記載の電気機械的発電機において、
    前記ねじ山を備えたコネクタは、前記ホルダ及び前記支持部材の一方に装着した第１へッド部品と、前記ホルダ及び前記支持部材の他方に装着した第２バレル部品とを含み、前記へッド部品及び前記バレル部品は互いに螺着される、電気機械的発電機。
12. 請求項１１に記載の電気機械的発電機において、
    前記ホルダは、前記ホルダ及び前記支持部材の一方から延びており且つ前記ホルダ及び前記支持部材の他方の穴に摺動自在に受け入れられる少なくとも一つのピンによって前記支持部材に取り付けられる、電気機械的発電機。

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