JP5405127B2 - 機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械式発電機および方法 - Google Patents

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電気機械式発電機と、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法とに関係する。特に、本発明は、周囲振動エネルギーを、たとえば、インテリジェントセンサシステムに給電する際に用いる電気エネルギーに変換する能力をもつ小型発電機である装置に関係する。このようなシステムは、電源ケーブルまたはバッテリーを取り除く点で経済的または操作上の利点が存在する多くの分野で使用され得る。

現在、「エネルギー収穫」のため使用され、かつ、「寄生電源」であるとして当技術分野で説明されている装置のような微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置のための代替電源の領域では研究活動のレベルが高まっている。このような電源は、現在、ワイヤレスセンサを給電するため詳しく調べられている。

周囲振動から有用な電気出力を収穫するため電気機械式発電機を使用することは公知である。典型的なマグネットコイル発電機は、システムが振動するときに、コイルが磁気コアによって形成された磁束を通過するように、磁石またはコイルに取り付けられたバネ・質量の組み合わせで構成されている。振動しているときに動かされる質量は片持ち梁に搭載されている。梁は、コイルが装置のエンクロージャに対して固定された状態で、磁気コアに接続されてもよく、または、逆に、磁気コアが装置のエンクロージャに対して固定された状態で、コイルに接続されてもよい。

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．３，Ｊｕｎｅ ２００４，ｐｐ．３３５−３４２に発表されたＭｉｔｃｈｅｓｏｎらによる論文“Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ−ｄｒｉｖｅｎ ｍｉｃｒｏｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ”には、種々の電気機械式発電機が開示されている。特に、質量・ばね系からエネルギーを抽出するダンパーで構成されている速度減衰型共振発電機（ＶＤＲＧ）が開示されている。このようなダンパーは、たとえば、コイルが片持ち梁上の質量の運動方向に対して直角に磁石の間の空隙に設置された状態で、Ｃ形コアを形成するために留め金に搭載された２個の磁石の組み合わせのようなマグネットコイル発電機で構成されている。

著者は、速度減衰型共振発電機から獲得可能な最大電力を決定するため減衰係数を特定している。特に、著者は、最大電力が獲得される最適減衰係数の計算を規定している。最適減衰係数は、速度減衰型共振発電機の共振周波数を使用して計算される。

この従来の開示は理論的な電気機械式発電機を設計する有用な仕組みを生み出しているが、電気機械式発電機が実際の用途で用いられるとき、共振周波数または最適減衰係数を正確に予測することは不可能である。電気機械式発電機は、起こりそうであると考えられる動作条件に関して設計されセットアップされている。しかし、実際の動作条件が特定用途の電気機械式発電機をセットアップするため使用された理論的な理想形と一致する保証はない。実際には、電気機械式発電機は、狭い範囲の起こりそうな動作条件で動作可能であるようにセットアップされ、特に、減衰係数は、電力出力が最適電力出力を包含する範囲内に入るように、セットアップされている。しかし、実際の電力出力が特定用途に対して最適化されている可能性は非常に低い。その結果、電気機械式発電機は、機械的振動エネルギーから電気的エネルギー、したがって、有用な電力への変換の最大効率で動作しないであろう。

さらに、周囲振動の周波数は動作中に変化することがある。公知の電気機械式発電機はこのような変化の結果として最大効率で動作できないことがある。

またさらに、電気機械式発電機のダンパーは、装置が使用中にさらされる共振周波数に一致することが意図された周波数にある中心位置の周りで発振するバネ付き質量を組み込んでいる。共振振動の振幅は、いくつかの変数、特に、駆動振動の周波数および大きさと、共振器のＱ値と、共振器質量と、共振器の共振周波数とに依存している。

これらの変数は、電気機械式発電機が振動体からエネルギーを収穫するために当分野で使用され始めたときに直面した実際の条件からすべて予想可能であるとは限らない。バネ付き質量の振動の振幅は、断続的かつ予測できない仕方で、経時変化することがある。

特に、電気機械式発電機は、使用中に、バネ付き質量を非常に大きい振幅（以下では、「危険な」振幅と呼ばれることがある）で発振させる振動にさらされることがあり、その結果、質量がこの質量の移動の限界で装置の外側ケーシングに物理的に衝突することがある。代替的に、ケーシングが存在しないならば、質量は、バネ材料の降伏応力を超えることによりバネに永久的な破損または劣化を引き起こす非常に大きい振幅で発振することがある。いずれの場合でも、この衝突または降伏は電気機械式発電機の動作寿命を許容できない程度まで削減するであろう。

装置が衝撃を受ける外側ケーシングを有する場合、相互に接触するか、または、衝突する表面間に緩衝材として順応性のある材料を使用することが可能であろう。しかし、このような「機械的ストップ」は摩耗することがあり、バネが衝撃で受ける余分な応力を完全に除去しないであろう。

共振振動エネルギー収穫は、Ｑ値ができる限り高くなるように設計されると有利である。その理由は、より高いＱ値の共振器を用いてより高い電力が発生させられ得るからである。しかし、このような装置が、駆動振動が予想よりも高い振幅になる環境に置かれるならば、共振器の振幅は共振器のために設計または適応させられた振幅より大きくなることがある。この振幅は、共振する質量を装置ケーシングに衝突させ、長期に亘って衝突にさらされた後に永久的な装置破損を引き起こす可能性がある。

したがって、バネ付き質量の振動の振幅が断続的にかつ予測できない仕方で経時変化する可能性に適応し、したがって、危険な振幅からの破損の可能性が低減され、それによって、動作寿命が強化された電気機械式発電機を提供することが要求されている。

本発明は、この要求を満たし、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する改良型の電気機械式発電機を提供することを目的とする。

本発明は、共振器の振幅がある特定のスレッショルドより上昇することを阻止するために適合された、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する改良型の電気機械式発電機を提供することをさらに目的とする。

本発明は、共振器の振幅がある特定のスレッショルドより上昇したときに振動を低減するために適合された、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する改良型の電気機械式発電機を提供することをさらに目的とする。

本発明は、特定または所定の振幅スレッショルドより下で発電機からの電力損失を生じさせることなく、その結果、電気機械式発電機が特定または所定の振幅スレッショルド未満または以下である特定または所定の振幅動作範囲で動作しているときに、電気機械式発電機のエネルギー変換効率の低下を回避または最小限に抑える、振動振幅のリミッターを含み、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する改良型の電気機械式発電機を提供することをさらに目的とする。

本発明は、したがって、ある周波数においてある発振振幅で共振するために適合された振動可能質量と発振振幅を最大スレッショルド以下の値に調節するレギュレータとを有し、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械装置を備える電気機械式発電機を提供する。

好ましくは、１つの好ましい態様によれば、レギュレータは電気機械装置の出力電圧の少なくとも１個の電圧レギュレータを備え、少なくとも１個の電圧レギュレータが、出力電圧がスレッショルド電圧を超えるときに電気機械装置の出力の短絡を引き起こすために適合されている。

より好ましくは、電圧レギュレータは少なくとも１個のツェナーダイオードを備える。

１つの好ましい実施形態によれば、レギュレータは、電気機械装置の交流電気出力の間に接続された２個の電圧レギュレータを備え、２個の電圧レギュレータのそれぞれが所定の耐圧を有し、電気出力の間に直列かつ反対向きの電流構造で接続されている。

別の好ましい実施形態では、レギュレータは、電気機械装置の直流電気出力の間に接続された電圧レギュレータを備え、電圧レギュレータが所定の絶縁破壊電圧を有する。

さらに好ましい実施形態では、レギュレータは、電気機械装置の交流電気出力の間に接続され、それぞれが所定の耐圧を有し、電気出力の間に直列かつ反対向きの電流構造で接続されている２個の第１の電圧レギュレータと、電圧レギュレータに接続されている整流器と、整流器の直流電気出力の間に接続され、所定の耐圧を有する第２の電圧レギュレータとを有する。

さらに別の実施形態では、レギュレータは、電気機械装置の交流電気出力の間に接続され、それぞれが所定の耐圧を有する複数個のレギュレータを組み込んでいる整流器を備える。

好ましくは、別の好ましい態様によれば、電気機械式発電機は、発振振幅を検出する検出器と、検出された発振振幅が所定の最大スレッショルドを超えるかどうかを判定する比較器とをさらに備え、レギュレータが比較器に応答して動作可能である。

好ましくは、検出器は電気機械装置からの電気出力を検出するために適し、比較器は検出された電気出力を所定の最大振幅に対応する電気出力のスレッショルド値と比較するために適合されている。

一実施形態では、検出器は電気機械装置から出力された交流電流および交流電圧を検出するために適合されている。

好ましくは、比較器は、電気機械装置によって発生させられた起電力の値を計算し、その値を起電力のプリセット値と比較するために適合されている。

別の実施形態では、電気機械式発電機は電気機械装置の電気出力を整流する整流器をさらに備え、検出器は整流器から出力された直流電流および直流電圧を検出するために適合されている。

好ましくは、電気機械式発電機は、電気機械装置の出力端子間に接続された、可変インピーダンスを有するシャントインピーダンス素子をさらに備え、レギュレータはシャントインピーダンス素子のインピーダンスを調整し、その結果、発振振幅を調節するために適合されている。

より好ましくは、シャントインピーダンス素子のインピーダンスは、発振振幅が所定の最大スレッショルド以下であるときに比較的高く、シャントインピーダンス素子のインピーダンスは、発振振幅が所定の最大スレッショルドを超えるときに比較的低い。

代替的な実施形態では、検出器は、光学式近接装置、磁気近接装置、機械式近接装置、圧電装置、電気機械式誘導装置、または、磁気歪み式装置のうちの１つから選択される。

好ましくは、レギュレータは、検出された振幅に応答して振幅の動的フィードバック制御を行うために適合されている。

より好ましくは、動的フィードバック制御は連続的または断続的である。

本発明は、電気機械式発電機を使用して機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法であって、
（ａ）ある共振周波数においてある発振振幅で共振するために適合された振動可能質量を有し、電気機械装置の電気出力で機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械装置を備える電気機械式発電機を設けるステップと、
（ｂ）電気機械装置を振動させ、それによって、振動可能質量を振動させ、それによって、電気出力に出力電圧を発生させるステップと、
（ｃ）出力電圧が所定の最大スレッショルドを超えるときに電気出力を短絡することにより出力電圧を所定の最大スレッショルドより低くなるように制御し、それによって、振動振幅を所定の最大スレッショルド値以下の値に調節するステップと、
を備える方法をさらに提供する。

本発明は、ある周波数においてある発振振幅で共振するために適合された振動可能質量、電気エネルギーのための電気出力、および、電気出力で出力電圧を調節する少なくとも１個の電圧レギュレータを有し、少なくとも１個の電圧レギュレータが電気出力の間に接続され、出力電圧がスレッショルド電圧を超えたときに電気機械装置の電気出力を短絡させ、それによって、振動可能質量の振動の減衰を引き起こすために適合されている、機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械装置を備える電気機械式発電機をさらに提供する。

本発明は、ある周波数においてある発振振幅で共振するために適合された振動可能質量を有し、振動可能質量が少なくとも１個のコイルおよび少なくとも１個の磁石よりなる群から選択された第１の素子を備え、振動可能質量がそれぞれ少なくとも１個および少なくとも１個のコイルよりなる群から選択された電気機械装置の第２の素子と相対的に振動するように配置され、電気機械装置の少なくとも１個のコイルからの電気出力を検出する検出器と、電気機械装置の少なくとも１個のコイルによって発生させられた起電力の値を計算し、この起電力の値を起電力のプリセット値と比較する比較器と、電気機械装置の出力端子間に接続され、可変インピーダンスを有するシャントインピーダンス素子と、比較器に応答して動作し、シャントインピーダンス素子のインピーダンスを調整し、それによって、計算された起電力の値を起電力のプリセット値以下の値に調節するために適合されているレギュレータと、を備える電気機械式発電機をさらに提供する。

本発明の実施形態は、以下では、添付図面を参照して、単に一例として記載されている。

図１は、本発明の実施形態において用いられる機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械装置２を表している。電気機械装置２は、エンクロージャ６に搭載された共振質量・バネ配置構造４を使用する。共振質量・バネ配置構造４は、並列構成されているバネ１２およびダンパー１４によってエンクロージャ６の内壁１０に搭載された慣性質量８を備える。

エンクロージャ６がエンクロージャを方向Ａ−Ａに沿って運動させる外部振動源の影響を受けるならば、慣性質量８はエンクロージャ６と相対的に、同様に方向Ａ−Ａに沿って運動することがある。その際に、バネ１２の長さは変化し、すなわち、圧縮されるか、または、伸長され、作業がダンパー１４に対して行われる。

図１では、簡単にするために、ダンパー１４はピストンおよびシリンダの配置構造として概略的に表されている。しかし、当業者に知られているように、ダンパー１４は、２個の部品が相対運動させられるときに電流を発生させる能力をもつ組立体を備えている。機械力は、電磁結合および／または圧電結合を介して電力に変換されることがある。典型的に、並進運動できるように配置されているような「ピストン」は電気コイルを備え、静止するように配置されている「シリンダ」は、電気コイルが配置されている磁束の領域を発生させる磁性組立体を備えている。しかし、反対の構成が利用されることがある。磁束内の電気コイルの運動は、外部装置（図示せず）を駆動する電力源として使用され得る電流を電気コイルに誘導させる。

本発明は、好ましくは、エンクロージャ６と相対的な慣性質量８の運動によって行われる作業の全部が慣性質量の運動の瞬時速度に比例する「速度減衰型（velocity-damped）」として当技術分野で公知の共振発生器である電気機械装置を利用する。不可避的に、この作業の一部は吸収される圧倒的な望ましくない機械的損失または電気的損失であるが、この作業の残りの部分は、上述された電気コイル／磁性組立体のような適当な変換機構部によって、電流を発生させるために使用されることがある。

速度減衰型共振発生器は、方向Ａ−Ａの機械的振動によって励起されたときに周知の特性応答を有する。エンクロージャに対する質量ｍの相対運動の振幅Ｚ_０は、正弦波振動運動の角周波数ｆおよび振幅Ｙ_０と、バネ定数ｋおよび減衰係数ｃとの関数：

である。

質量に与えられる最大振幅を制御し、それによって、「安全」振幅に対応する最大スレッショルド振幅より低くなるように最大振幅を制限する質量・バネおよび変換機構部の動的最適化は、本発明の１つの目的である。

静止した電気コイルの間で片持ち梁に搭載されている磁石を有する典型的な電気機械式発電機では、振動振幅（Ｚ_０）は典型的におよそ１ｍｍである。

図２は本発明の第１の実施形態による電気機械式発電機２０の概略ブロック図である。

電気機械式発電機２０は、図１を参照して上述されているように機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械装置２を備えている。検出器２２は、本実施形態では、少なくとも１個の磁石３５を支える片持ち梁３３に対して搭載された少なくとも１個のコイル３４の端子３０、３２を備える電気機械装置２の電気出力に接続されている。検出器２２は、電気機械装置２によって生成された出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）および出力電力（Ｉ_ｏｕｔ）を検出するために適合されている。ＥＭＦ計算器２４は検出器２２に接続され、以下の式：
ＥＭＦ＝Ｖ_ｏｕｔ＋（Ｉ_ｏｕｔ＊Ｒ_{ｔｒａｎｓ}）
に従って変換素子の出力ＥＭＦを表現する量を計算するために適し、式中、Ｒ_{ｔｒａｎｓ}はエネルギー収穫電気機械装置２の変換素子（たとえば、コイル）の内部インピーダンスである。

ＥＭＦは電磁誘導によって発生させられる電圧であり、発振振幅に正比例する。

計算されたＥＦＭ値を表す信号はＥＭＦ計算器２４からＥＦＭ計算器に接続されている比較器２６へ送信される。比較器２６は、計算されたＥＭＦ値をプリセットＥＭＦ値と比較し、その結果、振動の振幅が所定の最大スレッショルドより低いかどうかを判定する。比較器２６の出力はレギュレータ２８に接続されている。

レギュレータ２８は、コイル３４の端子３０、３２の間に可変シャントインピーダンス３６を制御可能なように設けるために適合されている。振幅が「安全」であると判定されるならば、シャントインピーダンスは、高くなるように、たとえば、少なくとも１ＭΩにセットされる。これに反して、振幅が「危険」であると判定されるならば、シャントインピーダンスは、振幅が安全レベルに戻るまで低減させられる。低減させられたシャントインピーダンスは、より多くの電流がコイルの中に流れることを可能にさせ、それによって、運動と反対向きのより大きい力を引き起こし、したがって、発振の減衰を増加させる。このことは、次に、振幅が所定の最大スレッショルドより低くなるまで、共振振動の振幅の低減をもたらす。ＥＭＦによって表現される発振振幅は、したがって、検出され、予め決定され、「安全」であるように設計されたスレッショルド値に動的に調節される。

この制御動作は、電気機械装置の電気出力の決定によって間接的に検出される振幅に応答して、振幅の動的フィードバック制御を行う。動的フィードバック制御は、エネルギー収穫動作中に連続的または断続的に実行されてもよい。

レギュレータ２８はＡＣ／ＤＣ整流器３８に接続され、ＡＣ／ＤＣ整流器は次に負荷３９に接続されている。

図３は本発明の第２の実施形態による電気機械式発電機１２０の概略ブロック図である。

第２の実施形態は、本実施形態においてコイルの出力端子である電気機械装置２の電気出力に接続されているＡＣ／ＤＣ整流器からの整流されたＤＣ電圧および電流を検出する点で、第１の実施形態に対して変更されている。したがって、第２の実施形態では、電気機械式発電機１２０は、図１を参照して上述されているように機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械装置２を備えている。ＡＣ／ＤＣ整流器４２はコイル３４の出力端子３０、３２に接続されている。検出器４４は整流器４２の電気出力に接続され、整流器４２によって生成された出力ＤＣ電圧および出力ＤＣ電流を検出するために適合されている。ＥＭＦ計算器４６は検出器４４に接続され、第１の実施形態と同様に、コイルを表す量ＥＭＦを計算するために適合されている。

計算されたＥＦＭ値を表現する信号はＥＭＦ計算器４６からＥＦＭ計算器に接続されている比較器４８へ送信される。比較器４８は、計算されたＥＭＦ値をプリセットＥＭＦ値と比較し、その結果、振動の振幅が所定の最大スレッショルドより低いかどうかを判定する。比較器４８の出力はレギュレータ５０に接続されている。

レギュレータ５０は、第１の実施形態に関して上述されているような仕方で、コイル３４の端子３０、３２の間に可変シャントインピーダンス５２を制御可能な仕方で供給するために適合されている。

整流器４２からのＤＣ出力は負荷５４へ送られる。

第１の実施形態および第２の実施形態は、振幅を検出するために電気機械式発電機の既存の電力抽出機構部を利用し、プリセットスレッショルドより小さい振動の振幅を動的制御する。したがって、第１および第２の実施形態は、付加的な検知および制御回路の他に、付加的な振幅検出機器を必要としない。各実施形態では、振幅調節回路に接続する電力検知回路が設けられている。検知回路は各実施形態において調節回路の制御入力を提供する。

しかし、発明の代替的な実施形態は、揺動する質量の運動を検出するために搭載され、「危険」な振幅に達したときに信号が発行されるような仕方で監視されるこのような付加的な振幅検出機器、たとえば、光学式近接装置、磁気近接装置、機械式近接装置、圧電装置、電磁誘導装置、または、磁気歪み式装置が設けられている。

本発明による電気機械式発電機の第３の実施形態は図４に表されている。電気機械式発電機２２０は、たとえば、振動可能質量が固有周波数において発振振幅で共振するために適合されている図１〜３のうちのいずれかの質量・バネ配置構造の形をした質量・バネ配置構造２２４を有する電気機械装置２２２を備えている。電気機械装置２２２は、本実施形態では、個々の電気リード線２３０、２３２がそれぞれに接続されている２個の出力端子２２６、２２８で構成されている電気出力を有する。使用時に、電気リード線２３０、２３２は、それぞれのコネクタ２３４、２３６によって、電気機械式発電機２２０により電気的に駆動されるべき外部電気回路に接続される。

２個の電圧レギュレータ２３８、２４０が電気リード線２３０、２３２の間に並列に接続されている。各電圧レギュレータ２３８、２４０は、それぞれの電流フローの第１の方向、すなわち、順方向では、低インピーダンスで、電流が流れることを許可し、電圧が特有または所定の耐圧より低いときに電流フローの第２の方向、すなわち、逆方向では、高インピーダンスに起因して、電流が流れることを阻止するために適合されている。２個の電圧レギュレータ２３８、２４０は、それぞれの順方向および逆方向が反対の方向になるように電気リード線２３０、２３２の間に直列に接続されている。たとえば、電圧レギュレータ２３８の場合、電流フローの順方向はリード線２３０からリード線２３２への向きであり、電流フローの逆方向はリード線２３２からリード線２３０への向きであり、一方、電圧レギュレータ２４０の場合、電流フローの逆方向はリード線２３０からリード線２３２への向きであり、電流フローの順方向はリード線２３２からリード線２３０への向きである。

最も好ましくは、各電圧レギュレータ２３８、２４０はツェナーダイオードを備え、２個のツェナーダイオード２３８、２４０が反対向きの順方向および逆方向で直列に接続され、各ツェナーダイオードの耐圧がツェナーダイオードのそれぞれのツェナー電圧に対応している。この２個のツェナーダイオード２３８、２４０の構成を用いると、コネクタ２３４、２３６での電気出力は交流（ＡＣ）である。

各電圧レギュレータ２３８、２４０の耐圧は、２個の出力端子２２６、２２８の出力電圧が、振動している質量の所定の最大振幅に対応している、耐圧に対応する特有のスレッショルドを超えるときに、電気機械式発電機２２０の電気出力の短絡回路を提供するために予め決定されている。

一実施例として、電気機械式発電機は数学的にシミュレーションされ、表１に表されている以下の設計パラメータを得た。

これらのパラメータを使用すると、シミュレーションされた質量運動の振幅（ｍｍで表現されている）が正弦波駆動加速度（ｍｇ_ＲＭＳで表現されている）に関してどのように変化するかを計算することが可能である。この変化は、出力回路、特に、（ａ）２個の出力端子２２６、２２８の間に開回路が存在するか、（ｂ）２個のツェナーダイオード２３８、２４０を通る２個の出力端子２２６、２２８の間に回路が存在するか、または、（ｃ）２個の出力端子２２６、２２８の間に短絡回路が存在するかどうかに依存する。図５は、これらの３つの状況下で、固有周波数で振幅ａの正弦波振動によって駆動されている電気機械式振動エネルギー収穫機として使用される電気機械式発電機のシミュレーションを表し、後の状況では、ツェナーダイオード２３８、２４０のそれぞれが１０ボルトのツェナー電圧を有する。

開回路条件の下で、すなわち、発明の態様による電圧レギュレータの不在下では、正弦波駆動加速度が増加するのに伴って、振幅がこれに対応して直線的に増加する。すなわち、振幅は非常に大きくなるので、２５０ｍｇ_ＲＭＳの正弦波駆動加速度で、質量の運動の振幅は±１．８ｍｍ程度の大きさである。このことは、電気機械式発電機に機械的破損を引き起こす可能性がある。同様に、出力電圧は、たとえば、微粉または可燃性ガスに起因する爆発危険の可能性がある環境で電気機械式発電機が使用されるならば、障害を引き起こす可能性がある高い値まで対応して増加するであろう。

これに対して、本発明によれば、２個の出力端子２２６、２２８の間の回路が発明の本態様による電圧レギュレータを構成する２個のツェナーダイオード２３８、２４０を含むとき、正弦波駆動加速度が増加するのにつれて、振幅は実質的に最大値に制限される。特に、正弦波駆動加速度が零から特有の値（図１におけるＸ、本実施例では約２５ｍｇ_ＲＭＳに対応している）まで増加するとき、振幅はスレッショルド値（図１におけるＡ）まで直線的に増加する。これらの条件下で、出力電圧はツェナーダイオードの１０Ｖの耐圧（ツェナー）電圧の直ぐ下にある。正弦波駆動加速度が値Ｘよりさらに上に増加するならば、耐圧はツェナー電圧以上である。ツェナーダイオードはそれぞれの逆方向に電流を導通させる。これは、出力端子の間に電気的短絡と、出力電圧と振幅の両方がさらに増加することを実質的に制限する振動の減衰とを引き起こす。２５０ｍｇ_ＲＭＳの正弦波駆動加速度で、質量の運動の振幅は僅かに±０．３５ｍｍである。この振幅は開回路条件下より著しく小さい。この振幅の制限は、振幅を特有の最大値または所定の最大値に制限することにより、電気機械式発電機に対する機械的破損を回避することが可能である。さらに、出力電圧はツェナー電圧に対応する値に対応して制限されるであろう。このことは、たとえば、微粉または可燃性ガスに起因する爆発危険の可能性がある環境で電気機械式発電機が使用されるならば、電気機械式発電機が構成する潜在的な障害を著しく低減する。

比較として、短絡回路条件下では、すなわち、本発明の本態様による電圧レギュレータが不在であり、２個の出力端子２２６、２２８が共に電気的に接続されている場合、正弦波駆動加速度が増加するのにつれて、振幅は直線的に対応して増加するが、振動のあらゆる振幅において短絡回路によって引き起こされる減衰の結果として、振幅は非常に小さい。振幅は、２５０ｍｇ_ＲＭＳにおいて運動の僅かに±０．１７ｍｍである。

本発明による電気機械式発電機３２０の第４の実施形態は図６に表されている。第４の実施形態は、図３の実施形態の変形であり、ＤＣ電流出力を生成するために整流器を組み込み、電圧レギュレータが、整流器と、電気機械式発電機によって電気的に駆動させられる外部電気回路へのコネクタとの間にある。

電気機械式発電機３２０は、たとえば、振動可能質量がある固有周波数において或る発振振幅で共振するために適合した図１〜３のうちのいずれかの質量・マス配置構造の形をした質量・バネ配置構造３２４を有する電気機械装置３２２を備えている。電気機械装置３２２は、個々の電気リード線３３０、３３２がそれぞれに接続されている２個の出力端子３２６、３２８で構成されている電気出力を有する。電気リード線３３０、３３２は、既知の方法で循環的な一連の４個のダイオードを備えるＡＣ−ＤＣ整流器３５４のそれぞれの入力端子３５０、３５２に接続されている。ＡＣ−ＤＣ整流器３５４の出力端子３５６、３５８は出力リード線３６０、３６２を有する。ツェナーダイオードの形をした電圧レギュレータ３６４は出力リード線３６０、３６２の間に接続されている。使用時に、出力リード線３６０、３６２は、それぞれのコネクタ３６６、３６８を介して、電気機械式発電機３２０によって電気的に駆動される外部電気回路に接続されている。整流器からの出力ＤＣ電圧が電圧レギュレータの絶縁破壊電圧を超えるとき、出力リード線は短絡され、電気機械式発電機３２０の振動振幅の制限を引き起こす。

本発明による電気機械式発電機４２０の第５の実施形態は図７に表されている。第５の実施形態は、図６の実施形態の変形であり、整流器４２６のＡＣ側にツェナーダイオード４２２、４２４の形をした反対向きの電圧レギュレータを付加的に組み込んでいる。

本発明による電気機械式発電機５２０の第６の実施形態は図８に表されている。第６の実施形態は第５の実施形態の変形であり、整流器５２２自体がツェナーダイオード５２４、５２６、５２８、５３０の形をした電圧レギュレータを組み込んでいる。ツェナーダイオードは、ブリッジ整流のため使用され、図４、６および７の他の実施形態に関して記載された「スレッショルドを超える短絡」動作をさらに提供する。

図６および７の実施形態は両方ともに、全部のツェナーダイオードが同じツェナー電圧を有するときに同じ出力を生成する。図８の実施形態は、同じ出力に対して、図６および７の実施形態のツェナー電圧の半分のツェナー電圧を備えるツェナーダイオードを必要とする。図６〜８によって表現されている実施形態の出力は、したがって、同じであり、図４によって表現されている。

電圧レギュレータを使用するこの振幅低減の方法のさらなる利点は、出力電圧の制限である。微粉または可燃性ガスに起因した爆発危険の可能性が存在する環境では、出力電圧および出力電流は厳密に制限されるべきである。図５〜８の全部の回路は、使用されるツェナーダイオードの値にクリップ（制限）された電圧出力波形を示す。

本発明のその他の変形および実施形態は当業者に明白であろう。たとえば、図示された実施形態では、圧電素子がコイル／磁石の組み合わせを置き換えてもよく、圧電素子の電気出力が本明細書に記載されているように検出されることがある。

本発明の実施形態による電気機械式発電機で用いられる機械的振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械装置の概略側面図である。 図１の電気機械装置を組み込む本発明の第１の実施形態による電気機械式発電機の概略ブロック図である。 図１の電気機械装置を組み込む本発明の第２の実施形態による電気機械式発電機の概略ブロック図である。 本発明の第３の実施形態による電気機械式発電機の概略図である。 本発明の第３の実施形態による電気機械式発電機の振幅と正弦波駆動加速度との間の関係を示すグラフである。 本発明の第４の実施形態による電気機械式発電機の概略図である。 本発明の第５の実施形態による電気機械式発電機の概略図である。 本発明の第６の実施形態による電気機械式発電機の概略図である。

Claims (12)

1. 出力において周囲の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するように適合された電気機械装置を備える電気機械式発電機を有する振動エネルギー収穫機であって、
   前記出力は、前記電気機械式発電機により駆動されるべき外部回路に接続可能であり、
   前記電気機械装置は、バネによって壁に搭載され、或る周波数において或る発振振幅で共振するために適合された振動可能質量と、前記出力における電気出力を決定することによって前記発振振幅を検出する検出器と、前記検出された電気出力を前記発振振幅の所定の最大スレッショルドに対応する電気出力のスレッショルド値と比較することによって、該検出された発振振幅が前記所定の最大スレッショルドを超えるかどうかを判定する比較器と、前記比較器に応答して動作可能であり前記発振振幅を前記所定の最大スレッショルド以下の値に調節するレギュレータとを備え、
   前記振動エネルギー収穫機は、前記電気機械装置の出力端子間に接続され可変インピーダンスを有するシャントインピーダンス素子を備え、前記レギュレータが前記シャントインピーダンス素子の前記インピーダンスを調整し、それによって、前記発振振幅を調節するために適合されており、あるいは、
   前記レギュレータは、前記電気機械装置の出力電圧のための少なくとも１つの電圧レギュレータを備え、前記少なくとも１つの電圧レギュレータは、前記出力電圧がスレッショルド電圧を超えるときに前記電気機械装置の前記電気出力を短絡させるように適合され、該レギュレータは、前記電気機械装置の交流電気出力の間に接続された２つの電圧レギュレータを備え、前記２つの電圧レギュレータのそれぞれが所定の耐圧を有し、前記交流電気出力の間に直列にかつ反対向きの電流構成で接続されている、振動エネルギー収穫機。
2. 前記電圧レギュレータが少なくとも１つのツェナーダイオードを備える、請求項１に記載の振動エネルギー収穫機。
3. 前記レギュレータが、前記電気機械装置の交流電気出力の間に接続され、それぞれが所定の耐圧を有し、前記電気出力の間に直列にかつ反対向きの電流構成で接続されている２つの第１の電圧レギュレータと、前記電圧レギュレータに接続されている整流器と、前記整流器の直流電気出力の間に接続され、所定の耐圧を有する第２の電圧レギュレータとを有する、請求項１に記載の振動エネルギー収穫機。
4. 前記レギュレータが、前記電気機械装置の交流電気出力の間に接続され、それぞれが所定の絶縁破壊電圧を有する複数個の電圧レギュレータを組み込んでいる整流器を備える、請求項１に記載の振動エネルギー収穫機。
5. 前記検出器が前記電気機械装置から出力された交流電流および交流電圧を検出するために適合されている、請求項１に記載の振動エネルギー収穫機。
6. 前記比較器が、前記電気機械装置によって発生させられた起電力の値を計算し、前記起電力の値を起電力のプリセット値と比較するために適合されている、請求項５に記載の振動エネルギー収穫機。
7. 前記電気機械装置の前記電気出力を整流する整流器をさらに備え、前記検出器が前記整流器から出力された直流電流および直流電圧を検出するために適合されている、請求項１に記載の振動エネルギー収穫機。
8. 前記シャントインピーダンス素子の前記インピーダンスが、前記発振振幅が前記所定の最大スレッショルド以下であるときに比較的高く、前記シャントインピーダンス素子の前記インピーダンスが、前記発振振幅が前記所定の最大スレッショルドを超えるときに比較的低い、請求項１に記載の振動エネルギー収穫機。
9. 前記レギュレータが前記検出された振幅に応答して前記振幅の動的フィードバック制御を行うために適合されている、請求項１に記載の振動エネルギー収穫機。
10. 前記動的フィードバック制御が連続的または断続的である、請求項９に記載の振動エネルギー収穫機。
11. 前記振動可能質量が少なくとも１つのコイルおよび少なくとも１つの磁石よりなる群から選択された第１の素子を備え、前記振動可能質量はそれぞれ少なくとも１つの磁石および少なくとも１つのコイルよりなる群から選択された電気機械装置の第２の素子と相対的に振動するように配置され、前記発電機は、前記電気機械装置の前記少なくとも１つのコイルからの電気出力を前記出力において検出する検出器と、前記電気機械装置の少なくとも１つのコイルによって発生させられた起電力の値を計算し、前記起電力の値を起電力のプリセット値と比較する比較器と、前記電気機械装置の出力端子間に接続され、可変インピーダンスを有するシャントインピーダンス素子とをさらに備え、前記レギュレータは、前記比較器に応答して動作し、前記シャントインピーダンス素子の前記インピーダンスを調整し、それによって、前記計算された起電力の値を前記起電力のプリセット値以下の値に調節するように適合されている、請求項１に記載の振動エネルギー収穫機。
12. 電気機械式発電機を使用して周囲の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する方法であって、
    （ａ）バネによって壁に搭載され、或る共振周波数において或る発振振幅で共振するために適合された振動可能質量を有する電気機械装置の出力において、周囲の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するように適合された電気機械装置を備える前記電気機械式発電機を有する振動エネルギー収穫機を設け、前記出力は、電気機械式発電機により駆動されるべき外部回路に接続されており、
    （ｂ）前記電気機械装置を周囲振動に晒すことによって、前記振動可能質量を振動させ、それによって、前記出力に電気エネルギーを発生させ、
    （ｃ）前記出力における電気出力を決定し、
    （ｄ）前記検出された電気出力を電気出力のスレッショルド値と比較し、
    （ｅ）前記比較器に応じて前記発振振幅を、
    （ｉ）可変インピーダンスを有し、前記電気機械装置の出力端子間に接続されたシャントインピーダンス素子の前記インピーダンスを調整すること、あるいは、
    （ｉｉ）それぞれが所定の耐圧を有し、前記電気機械装置の交流電気出力の間に直列にかつ反対向きの電流構成で接続された２つの電圧レギュレータを用いて、前記電気機械装置の前記出力電圧がスレッショルド電圧を超えるときに前記電気機械装置の前記電気出力を短絡させること、
    のいずれかによって調節する、方法。

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