JP5875980B2 - 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発電機 - 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発電機（electromechanical generator）に関する。特に、本発明は、例えばインテリジェント・センサ・システムへの電力供給に用いるために、環境振動エネルギー（ambient vibration energy）を電気エネルギーに変換することが可能な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、電力ケーブル又は電池を排除することに経済的又は運用上の利点がある多くの分野で使用可能である。

環境振動から有用な電力を獲得（harvest）するために、電気機械発電機（例えば無線センサへの電力供給用）を使用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機械的なばね−質量結合体からなり、この結合体は、システムが振動するときに、コイルが、磁気コアにより形成された磁束を横断するように、磁石又はコイルに取り付けられている。

振動エネルギーハーベスタ（vibration energy harvester）は、一定の固有（共振）周波数（natural (resonant) frequency）を有するか、或いは、動作温度が変化するときにこの周波数の任意の変化に対処するのに十分に大きく設定された帯域幅を有する必要がある。電力と帯域幅の積が特定の振動レベルで一定量であるときに、帯域幅をより広くすると、一般的には出力が減少する。従って、帯域幅をより広くしなければならないことは、周波数を温度に対しあまり敏感でなくすることで避けることが望ましい。

振動エネルギーハーベスタは、電磁誘導の又は圧電の電力変換を用いた機械共振器からなる。どちらの場合にも、機械共振器は、ばね上質量（a sprung mass）からなる。動作温度が変わると固有周波数を変化させるのは、ばねの弾性率の熱変化（熱弾性効果）である。例えば、炭素ばね鋼（最も経済的なばね材料の種類）は、−２．６×１０^−４Ｋ^−１の熱弾性定数（thermo-elastic constant）を有する。これは、共振器の形態又は質量に関わらず、工業用温度範囲−４０℃から＋８５℃にわたって約１．６％の固有周波数の変化になる。

鉄ニッケル系合金「ＮＩＳＰＡＮ−Ｃ」等のより低い熱弾性係数（thermo-elastic coefficient）を示すばね合金を使用することが可能であるが、これらは一般的に入手可能ではなく、経済的に費用がかかる。

本発明は、−４０℃から＋８５℃の工業用温度範囲内で固有周波数の変化がほとんどない又は全くないデバイスを提供することにより、この課題を解決できるデバイスを提供することを目的としている。

従って、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発電機であって、前記電気機械発電機は、筺体と、前記筺体内に固定して設置（mount）された導電コイルアセンブリと、軸に沿った直線的な振動運動のために、前記筺体内に移動可能に設置された磁気コアアセンブリと、前記筺体と前記磁気コアアセンブリとの間に設置され、前記直線軸上の中心位置（central position）から離れる前記磁気コアアセンブリの移動に対抗（oppose）するよう作用する復心力（centering force）を印加するように適応（adapt）された第１の付勢装置（biasing device）と、温度による前記第１の付勢装置の前記復心力の変化を補償（compensate）するために前記軸に沿って力を付与するように適応された第２の磁気付勢装置と、を備える電気機械発電機を提供する。

好ましくは、前記第１及び第２の付勢装置は、温度に対しほぼ同じはね定数変化率（rate of change of spring constant）を有し、−４０℃から＋８５℃の作動温度範囲（working temperature range）にわたってほぼ一定の前記第１及び第２の付勢装置の全体ばね定数（overall spring constant）を実現する。

典型的には、前記第１及び第２の付勢装置の前記ほぼ一定のばね定数は、前記振動運動の固有周波数が−４０℃から＋８５℃の作動温度範囲にわたって１％以下、より好ましくは０．５％未満、更により好ましくは０．２％未満、最も典型的には約０．１６％で変化することを実現する。１２０Ｈｚの振動運動の固有周波数を有する電気機械発電機については、固有周波数は、−４０℃から＋８５℃の作動温度範囲にわたって±０．１Ｈｚほどで変化する。

前記第１及び第２の付勢装置は、前記磁気コアアセンブリが前記中心位置から変位（displace）しているときに、前記中心位置に向かう組み合された復心力（combined centering force）を実現するように適応される。

一実施形態では、前記第１の付勢装置は、前記磁気コアアセンブリが前記中心位置から変位しているときに、前記中心位置に向かって復心力を付与するように適応され、前記第２の付勢装置は、前記第１の付勢装置の復心力に加えて、温度補償復心力を付与するように適応される。前記第１の付勢装置の前記復心力は、温度の増加に伴って減少してもよく、一方、前記第２の付勢装置の前記復心力は、温度の増加に伴って増加してもよく、それにより温度範囲にわたってほぼ一定である組み合された復心力を実現する。

別の実施形態では、前記第１の付勢装置は、前記磁気コアアセンブリが前記中心位置から変位しているときに、前記中心位置に向かって復心力を付与するように適応され、前記第２の付勢装置は、前記磁気コアアセンブリが前記中心位置から変位しているときに、前記復心力と逆向き（against）で前記復心力よりも小さい非復心力（non-centering force）を付与するように適応される。前記第１の付勢装置の前記復心力は、温度の増加に伴って減少してもよく、前記第２の付勢装置の前記非復心力は、温度の増加に伴ってやはり減少してもよく、それにより温度範囲にわたってほぼ一定である組み合された復心力を実現する。

これらの実施形態のいずれも、目的は、ばね定数の作動範囲にわたる任意の温度変化を低減する、好ましくは最小にする、最も好ましくは無くす復心又は非復心の温度補償ばね力を提供することであり、従って、移動可能な要素が中心位置から離れるように振動するときに、移動可能な要素を中心位置に促して戻す復心力を提供することである。これは、上記の通り、それに応じて装置の固有周波数の任意の温度変化を最小にし、典型的には、「ＮＩＳＰＡＮ−Ｃ」などの高価なばね合金を必要とせずに最先端技術で使用されるような鋼鉄の機械ばねを用いることと比較すると、−４０℃から＋８５℃の作動温度範囲にわたって約１０００％の固有周波数の安定性の改善を達成する。

好ましくは、後者の実施形態に関しては、前記第２の付勢装置は、前記磁気コアアセンブリが前記中心位置から変位しているときに、前記磁気コアアセンブリに磁力を前記中心位置から離れる方向に印加するように適応された磁気付勢装置を有する。

より好ましくは、前記第２の付勢装置は、少なくとも１つの補償磁石を備え、前記少なくとも１つの補償磁石は、前記磁気コアアセンブリのそれぞれの主磁石（main magnet）に隣接して配置されているが、前記磁気コアアセンブリのそれぞれの主磁石から間隔を空けて配置されている。

好ましくは、前記補償磁石は、環状（annular）であり、かつ、それぞれの環状の主磁石の半径方向内側（radially inwardly）に位置している。

好ましくは、前記補償磁石とそれぞれの主磁石は、共通の方向に磁気極性（magnetic polarity）を有するよう配向（orient）されている。

本発明は更に、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発電機であって、前記電気機械発電機は、筺体と、前記筺体内に固定して設置された導電コイルアセンブリと、固有周波数での軸に沿った直線的な振動運動のために、前記筺体内に移動可能に設置された磁気コアアセンブリと、前記筺体と前記磁気コアアセンブリとの間に設置され、前記軸に沿って中心位置から離れる前記磁気コアアセンブリの移動に対抗するように作用する復心力を印加するように適応された第１の機械的付勢装置と、温度による前記第１の付勢装置の前記復心力の変化を補償するための復心力又は非復心力を付与して、前記振動運動の前記固有周波数が−４０℃から＋８５℃の作動温度範囲にわたって１％以下で変化することを実現するように適応された第２の磁気付勢装置と、を備える電気機械発電機を提供する。

本発明は、第１の実施形態に具体化されるとき、復心力を付与する機械ばね（例えば従来のばね鋼ばね）と共に、磁石を「ばね」として使用して復心力又は非復心力を付与することにより、ばね上質量からなる機械共振器を組み込んだエネルギー収穫装置（energy harvesting device）を製造することが可能であり、機械共振器は、２種類のばねの組み合せを用いることによって工業用温度範囲内で固有周波数の変化がほとんどない又は全くないことを示し得るという、本発明者による知見に少なくとも一部基礎を置いている。２種類のばねは、対向（opposing）した復心力及び非復心力の和、又は共通の復心力の和で構成される正味の復心力と熱的特性との間の正しい関係を付与するように選択される。

しかしながら、本発明の他の態様によれば、作動範囲にわたって温度による第１の付勢装置の復心力の変化を補償するために補償力を付与するように適応された他のタイプの温度補償磁気付勢装置が、当業者には容易に明らかであろう。

他の好ましい特徴は、従属請求項内で定められている。

本発明の好ましい実施形態の電気機械発電機では、高移動質量（high moving mass）を、内部空間のほとんど全てを金属製磁気コアアセンブリで満たすことにより達成してもよい。磁気コアアセンブリの対向した両端での板ばねが容積の効率がよいので、これは、少なくとも一部達成可能である。加えて、高Ｑ（high Q）は、磁気コアアセンブリの「密封」構造体（enclosed structure）が、ほとんど磁束を漏らさず、そして固定された筺体の周囲の材料中にほとんど渦電流がないことから来る。従って、移動式磁気コアアセンブリと筺体との間に隙間が維持されることはほとんど必要とされず、これはより質量を移動させることを可能にする。高い磁気結合は、磁束がほとんど漏出しない磁気コアアセンブリの密閉された性質にも由来し、ほとんど全ての磁束は、コイルを通して流される。第１の主たる付勢装置の温度補償を与えるための第２の付勢装置は、過度の容積を占めず、磁気コア内にあり、従って、移動質量を減少させず又は電気機械発電機の容積を増大させる。

第２の磁気付勢装置は、いくらかの渦電流をコア内に誘導する可能性があるが、当業者は、Ｑファクターを大きく減少させないように第２の磁気付勢装置を容易に設計することが可能である。

次に、本発明の実施形態が、添付図面を参照して単に例として説明されることになる。

本発明の第１の実施形態による、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発電機の概略側断面図である。 図１の電気機械発電機の第１の構成に用いられる機械ばね、磁気ばね、及びそれらの組み合せについてのばね定数と温度との関係を示すグラフである。 図１の電気機械発電機の第２の構成に用いられる機械ばね、磁気ばね、及びそれらの組み合せについてのばね定数と温度との関係を示すグラフである。

本発明の電気機械発電機は、「速度減衰型（velocity-dumped）」として当技術分野で知られた共振発電機であり、ここでは、筐体に対する慣性質量の運動によりなされる仕事の全ては、その運動の瞬間速度に比例する。必然的に、その仕事の一部は、望ましくない機械的又は電気的な損失を克服するのに吸収されるが、その仕事の残りは、以下に説明される電気コイル／磁気アセンブリなどの適切な変換機構体（transduction mechanism）によって電流を発生させるために使用されてもよい。

図１は、本発明の第１の実施形態による、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気機械発電機２を示す。電気機械発電機２は筺体４を備える。筺体４は、環状の外周壁６と、一体化（integral）している円形の蓋８と、円形の基部（base）１０とを備える。基部１０は、例えば接着剤又はねじ結合（図示せず）によって、基部１０の円形の縁部（edge）１２にて外周壁６の下縁（lower edge）１４にしっかりと装着される。外周壁６は、回転軸Ａ−Ａを有する円筒断面内部容積１６を画定する。円形開口部１８が、蓋８を貫いて形成されており、開口部１８は、円筒断面内部容積１６と同軸である。基部１０は、電気機械発電機２を支持体（図示せず）にしっかりと取り付けるために、基部１０の外面に嵌め込み（fitting）２０を備える。

導電コイル２２は、筺体４内に固定して設置されている。コイル２２は、円形であり、筺体４と同軸であり、回転軸Ａ−Ａに平行に向けられた上巻線２１及び下巻線２３を有する。コイル２２は、環状コイル支持体２４内に取り付けられており、環状コイル支持体２４は、軸Ａ−Ａと外周壁６の間の半径方向ほぼ中間に位置していると共に、蓋８と基部１０の間の軸方向ほぼ中間に位置してもいる。コイル支持体２４は、一体化している環状の中心取り付け部（central mounting portion）２６を有し、一体化している環状の中心取り付け部２６は、コイル２２のほぼ中心位置から半径方向内側に延び、蓋８と基部１０の間にしっかりと装着される中心筒状体（即ちマスト）２８に設置されている。取り付け部２６は、支持体２７を含み、支持体２７は、コイル２２についての環状凹所（annular recess）３０を画定する。このアセンブリは、筺体４内の一定の位置にコイル２２を取り付ける。好ましくは、コイル支持体２４は、ガラス添加プラスチック材料（glass-loaded plastics material）などのとても低い導電性の材料から作製される。好ましくは、中心筒状体（central tubular body）２８は、３１６ステンレス鋼などの低透磁率（low-permeability）、低導電性（high-conductivity）の材料であるが、高弾性率の材料から作製される。

磁気コアアセンブリ５０は、軸Ａ−Ａに沿った直線的な振動運動のために、筺体４内に移動可能に設置されている。磁気コアアセンブリ５０は、回転対称であり、軸方向に並べられた一対の環状の主磁石５２、５４を含み、それぞれ典型的には、高い磁界の強さを有する希土類永久磁石である。主磁石５２、５４は、取り付け部２６の上下両側に且つコイル２２の半径方向内側に設置されている。主磁石５２、５４の各々は、取り付け部２６から軸方向に間隔を空けて配置され、間隙５５を画定し、取り付け部２６は、間隙５５を通して延びる。図１に示されているように、主磁石５２、５４は、それらの同じ極５６、５８（例えば、図１に示されているように北（Ｎ）極）が、取り付け部２６の両側で互いに面するように並べられる。

磁気コアアセンブリ５０は、共通の強磁性体６４も含む。主磁石５２、５４は、共通の強磁性体６４の対向した環状アーム６０、６２の間に設置されている。軸方向外側の方向に互いから離れるように向いている主磁石５２、５４の極６６、６８（例えば南（Ｓ）極）はそれぞれ、各環状アーム６０、６２に設置されている。共通の強磁性体６４は、各環状アーム６０、６２とそれぞれ一体化している２つの相互に噛み合う筒状部材７２、７４で構成される筒状部７０も含む。このように、上コイル巻線２１及び下コイル巻線２３のそれぞれは、共通の強磁性体６４の筒状部７０と主磁石５２、５４の一方との間にそれぞれ少なくとも部分的に位置している。

半径方向内側の主磁石５２、５４に結合された半径方向外側（radially outer）の共通の強磁性体６４のこの磁気コアアセンブリ５０は、それらの間に、コイル２２が受け入れられる環状の密閉空洞４３を画定する。主磁石５２、５４は、コイル２２の内側の付近にあり、共通の強磁性体６４は、コイル２２の外側の付近にある。主磁石５２、５４及び共通の強磁性体６４は、それらの間の相対的な並進移動を可能にするようにコイル２２からわずかに間隔を空けて配置される。従って、磁気コアアセンブリ５０は、ほぼＣ形の断面を有し、回転対称である。

共通の強磁性体６４は、軟鉄などの高透磁率及び大きい質量を有する強磁性材料で構成される。従って、共通の強磁性体６４と主磁石５２、５４とのアセンブリは、主磁石５２、５４ごとに１つ、磁気コアアセンブリ５０に関する軸方向に間隔を空けて配置された２つの磁気回路を形成する。各磁気回路の磁束線の限界は、各環状アーム６０、６２及び筒状部材７２、７４によって画定され、これによって共通の強磁性体６４から軸方向外側又は半径方向外側に延びる各磁石５２、５４からの磁束を実質的に防ぐ。対向した主磁石５２、５４は、磁気コアアセンブリ５０の中心領域で共通の極５６、５８（例えばＮ極）に互いに面するので、それによって対向した磁気回路の磁束は、反対であり、共通の強磁性体６４に向かって半径方向外側に磁束を向けている。

結果として得られる効果は、単一の磁気コアアセンブリ５０が、２つの別個の主磁石５２、５４を備え、各主磁石５２、５４が、とても高い割合の磁束が各コイル巻線２１、２３を貫通するように制約される各磁気回路を有することである。これにより、とても高い程度の主磁石５２、５４とコイル２２の間の磁気結合をもたらす。従って、固定されたコイル２２に対する磁気コアアセンブリ５０の直線的な軸方向共振移動（linear axial resonant movement）によって特に以下に説明されるように、主磁石５２、５４とコイル２２の間の任意の相対移動は、コイル２２において非常に高い電力出力を生み出す。

共通の強磁性体６４は、一対の対向した板ばね８２、８４によって中心筒状体２８に移動可能に設置されている。一方のばね８２、８４は、共通の強磁性体６４のそれぞれの上端８３又は下端８５と中心筒状体２８のそれぞれの上端８６又は下端８８との間にそれぞれ位置している。各ばね８２、８４の半径方向内側の環状縁部９８、１００は、例えばねじ山によって、それぞれの上端８６又は下端８８にしっかりと装着される。各ばね８２、８４の半径方向外側の環状縁部９０、９２は、例えばねじ山によって、共通の強磁性体６４のそれぞれの上端８３又は下端８５にしっかりと装着される。

２つのばね８２、８４はそれぞれ、復心力を付与するために磁気コアアセンブリ５０が中心平衡位置から離れるように移動されるときに磁石アセンブリ５０に対して同じ機械的付勢力を印加する。好ましくは、２つのばね８２、８４は、同じばね定数を有する。典型的には、２つのばね８２、８４は、鋼鉄で構成される。

移動可能な磁気コアアセンブリ５０の対向した軸方向端部に一対の板ばね８２、８４を用意することによって、コイル２２に関してそれを軸方向中心位置に向かって付勢するように磁気コアアセンブリ５０に十分なばね付勢復心力を付与することができるだけでなく、筺体４内で実質的に最小の容積を占めることもできる構造体を与える。特に、移動可能な磁気コアアセンブリ５０の対向した軸方向端部におけるばね８２、８４の配置は、磁気コアアセンブリ５０が、筺体４の内部の半径方向のほぼ限界まで半径方向外側に延びることを可能にする。これにより所与の内部容積１６に対して磁気コアアセンブリ５０のサイズを最大にし、そのことは、磁気結合を最大にするだけではなく、重要なことに、移動可能な磁気コアアセンブリの質量がそれに応じて最大にされることを可能にもする。当技術分野で知られているように、共振振動電磁エネルギーハーベスタ（resonant vibrational electromagnetic energy harvester）において、移動可能な磁気コアアセンブリの質量を最大にすることによって出力電力を増大させるので、移動可能な磁気コアアセンブリの質量を最大にする要望がある。

一対の板ばね８２、８４を用意することによって、移動可能な磁気コアアセンブリを囲む費用がかかり、扱いにくい巻きばねの必要性も回避する。これにより、構成部品の費用を削減することによって製造費用を減少させる。

本発明の一実施形態によれば、板ばね８２、８４に加えて、電気機械発電機２は、ばね８２、８４によって与えられる機械的な復心力に反して作用する非復心力を付与する磁気付勢装置を備える。

本発明の本実施形態は、磁気コアアセンブリ５０を中心位置に向かって付勢するための復心ばねである板ばね８２、８４と、共振器の質量を支持するための磁気ばね（非復心力によって中心位置から離れるように磁気コアアセンブリ５０を付勢する非復心ばね（non-centering spring））とを用いる機械ばねシステムを使用することを含む。図２に示されているように、これらのばねシステムの両方は、温度が上昇するにつれてばね定数大きさが減少するものであり、機械ばねは正のばね定数が減少し、磁気ばねは負のばね定数が減少する。本実施形態では、（負の）磁気ばね定数は、（正の）機械ばね定数よりも約５倍を上回って弱い。しかし、工業用温度範囲にわたっての同じ温度の上昇に関しては、図２中の線の傾斜によって表されるはね定数変化率は、磁気ばねと機械ばねとの両方に関してほぼ同じである。

従って、非復心ばねとしての比較的弱い負の磁気ばねと組み合せて、復心ばねとしての比較的強い正の機械ばねシステムを組み合せることによって、温度に伴う変化がゼロの（又は少ない）全体的に正の復心ばねを製造することが可能である。これは、図２中の「組み合されたばね」の線によって表され、線は、非常に小さい又はほとんどゼロの傾斜を有する。

例示された実施形態では、強い正の機械ばねの温度変化は、弱い負の磁気ばねによって補償される温度である。

しかし、他の温度補償磁気ばねシステム、例えば負ではなく正であるものは、当業者には容易に明らかであろう。

例えば、図３に示されているように、前述の実施形態に関しての（即ち非復心力を付与する）機械ばねの付勢とは反対である付勢を有する代わりに、磁気ばねは、機械ばねの付勢と同じ方向である（即ち復心力を付与する）付勢を有する。温度補償は、温度の増加に伴って減少する機械ばね定数を補償するために、磁気ばね定数が温度の増加に伴って増加するように、磁性材料を選択することによってもたらされる。結果は、２つの正の機械ばね定数及び磁気ばね定数の和であるほぼ一定の組み合されたばね定数である。

図１の例示された実施形態では、磁気ばねは、それぞれの半径方向内面２１２、２１４によって中心筒状体２８に固定されている２つの環状の「補償」磁石２００、２０２を備える。補償磁石２００、２０２は、磁気コアアセンブリ５０と共に移動する各主磁石５２、５４の内側で半径方向に対称的に配置されるが、各環状の間隙２１６、２１８によって各主磁石５２、５４から間隔を空けて配置される。補償磁石２００、２０２は、磁気コアアセンブリ５０から対応して隔てられている。好ましくは、補償磁石２００、２０２は、主磁石５２、５４と軸方向Ａ−Ａに同じ高さを有し、静止位置（rest position）では、補償磁石２００、２０２、及び好ましくは各主磁石５２、５４は、軸方向Ａ−Ａに沿って同じ位置に配設される。補償磁石２００、２０２は、同一の向い合った極（identical facing poles）２０４、２０６（例えばＮ極）及び反対の極（opposed poles）２０８、２１０（例えばＳ極）を有し、極の向きは、主磁石５２、５４の極の向きと同じである。従って、主磁石５２、５４及び補償磁石２００、２０２の両方に関しては、各環状の間隙２１６、２１８を半径方向に横切って隣接し合う極は同一である。

移動式コアアセンブリ５０及び主磁石５２、５４の配置が、電気機械発電機２が振動機械エネルギーによって励磁されていないときに静止状態（rest condition）下で、図１に示されているように正確に中心であるとき、補償磁石２００、２０２は、力を移動式コアアセンブリ５０に及ぼさない。しかし、移動式コアアセンブリ５０が、上向き又は下向きに方向Ａ−Ａに軸方向にずれているとき、補償磁石２００、２０２は、ずれの方向に、反発的な復心力を移動式コアアセンブリ５０に及ぼす。従って、移動式コアアセンブリ５０を中心位置に復元させる復心力を付与する「正の」復心機械ばねに逆らって非復心力の作用を付与する「負の」非復心磁気ばねが、設けられる。復心力は、図２に示されているように、非復心力より大きく、そこで、組み合された力は、移動式コアアセンブリ５０を中心位置に復元させる正味の復心力であるが、温度の変動による変化に対して非常に小さい感度又はゼロ感度でさえあるものである。

一般的に使用される磁性材料の焼結したＮｄＦｅＢは、温度が上昇するにつれて、Ｂｒ（残留磁気）とＨｅ（保磁力）の両方において、（限られた温度範囲内で）可逆的な還元を示す。そのような材料を磁気ばねに使用することにより、本発明に好ましい実施形態により用いられてもよいばね定数の温度によって誘起される大きな減少になる。フェライト及びＡｌＮｉＣｏなどの他の磁性材料が、代替として使用されてもよい。磁性材料ＳｍＣｏは、温度が上昇するにつれて残留磁気の小さな増加を示し、そのことが本発明の範囲内の「正の」磁気ばねにその使用を可能にする。

電磁誘導を用いる他の知られたエネルギーハーベスタは、永久磁石をすでに含んでおり、そこでそのような負の磁気ばねを各設計に組み込むことは、当業者には簡単であろう。

補償磁石２００、２０２は、磁気コアアセンブリ５０の外周内で比較的小さい容積を占め、従って電気機械発電機２の容積を増加させず、又は移動可能な磁気コアアセンブリ５０の質量を減少させる。各主磁石５２、５４の半径方向内側に一定の位置での補償磁石２００、２０２の位置は、磁気コアアセンブリ５０の２つの対向した磁気回路の確立にほんのわずかな影響を与えるに過ぎない。

移動可能な磁気コアアセンブリとコイルの間の高い程度の磁気結合、及び大きい質量の移動可能な磁気コアアセンブリは、共振周波数が、容易に所望の値に正確に同調させられることを可能にし、その共振振動中に、振動の振幅を最小にするために、高い正味の自己復元力（high net self restoring force）即ち復心力が移動可能な磁気コアアセンブリに加えられることも可能にする。振幅は制限されるので、主ばね８２、８４は、十分に主ばねの線形ばね特性の範囲内でとても小さい程度だけ常に変形させられるに過ぎない。典型的には、最大振幅は、約１ｍｍ未満である。やはり、これは、筺体４の有効容積１６を軸方向に最大にする。

主ばね８２、８４は、電気機械発電機２が、加えられた機械的な力、特に、軸Ａ−Ａに沿った成分を少なくとも有する機械的振動を受けるときに、軸Ａ−Ａ沿って軸方向に移動してもよい磁気コアアセンブリ５０を中心位置に向かって元へ付勢する。主ばね８２、８４は、磁気コアアセンブリ５０の軸方向ではない移動を実質的に防ぐように、横方向即ち半径方向に高剛性を有する。

筺体４の内部容積１６は、気体を含んでもよい。筺体４は、筺体４の内部容積１６を密封してもよい。

電気機械発電機２は、筺体４内に設置された共振質量ばね構成（resonant mass-spring arrangement）を使用する。電気機械発電機２が、それを方向Ａ−Ａに沿って移動させる外部振動源にさらされている場合、磁気コアアセンブリ５０は、方向Ａ−Ａにやはり沿って筺体４に対して移動してもよい慣性質量を有する。そうすることで、主ばね８２、８４は、軸方向に変形させられ、固定された電気コイルと、電気コイルが内部に配設される磁束の領域を発生させる移動可能な磁気コアアセンブリとを備えるダンパに対して仕事がなされる。磁束内の電気コイルの移動によって、電流を電気コイル内に誘導させ、これによって外部装置（図示せず）を駆動させるための電力源として使用しされてもよい。

また、本実施形態では、主ばねが板ばねであるが、他の付勢要素が、用いられてもよい。

磁気コアアセンブリの質量は、装置のサイズに対してとても高くなるようになされてもよく、それによって、例えば、片持ち梁装置と比べて、装置の質量密度全体を増大させる。装置によって占められるべき所与の容積については、より大きい移動質量が設けられてもよい。このことは、上記の理由のために、電力出力を最大にもする。

電気出力を増加させることによって、増加された磁気結合の結果として、装置の動作帯域幅が、大きく増大させられてもよい。これによって、多くの新しいエネルギー獲得応用に使用されるように装置の能力を大きく強化する。

単純な板ばねが、電気機械発電機に用いられてもよい。これは、低摩擦であり、ならびの複雑な、入り組んだ及び／又は費用のかかる製造技法を避ける、磁気コアアセンブリ上で横方向の移動を防ぐための信頼性のある単純な構造体を与える。結果として得られる構造体は、頑強及びコンパクトである。板ばねは、とても小さい振幅の変形を受けるので、板ばねは、板ばねの直線的な弾性移動の機械的限界の近くのどこかで決して変形させられないので、板ばねの機械的特性は特に重大ではなく、そこで板ばねは、それに応じて比較的従来の品質であってもよく、従って低い部品コストを有する。それに対応して、磁気ばねは、とても低い構成要素の費用を有する。組み合されたばねシステムは、温度変動から実質的に独立している非常に安定した電気出力を実現する課題への、低費用であるが頑強で信頼性のある解決策をもたらす。

本発明の他の修正形態及び実施形態は、当業者に明らかであろう。

Claims (17)

1. 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発電機であって、前記電気機械発電機は、筺体と、前記筺体内に固定して設置された導電コイルアセンブリと、軸に沿った直線的な振動運動のために、前記筺体内に移動可能に設置された磁気コアアセンブリと、前記筺体と前記磁気コアアセンブリとの間に設置され、直線状の前記軸上の中心位置から離れる前記磁気コアアセンブリの移動に対抗するよう作用する復心力を印加するように適応された第１の付勢装置と、温度による前記第１の付勢装置の前記復心力の変化を補償するための補償力を付与するように適応された第２の磁気付勢装置とを備え、
   前記第２の磁気付勢装置は、前記磁気コアアセンブリが前記中心位置から変位しているときに、前記磁気コアアセンブリに補償磁力を印加するように適応されており、
   前記第２の付勢装置は、前記筺体内に固定して設置されており、
   前記コイルアセンブリと前記第２の付勢装置は、前記筐体の中心に位置する中心要素に固定され、前記筺体内に設置され、前記軸に沿って延びている、
   電気機械発電機。
2. 前記第１及び第２の付勢装置の結合体は、作動温度範囲にわたって温度に対しほぼ同じばね定数変化率を有し、−４０℃から＋８５℃の作動温度範囲にわたって前記第１及び第２の付勢装置のほぼ一定の全体ばね定数を実現する、請求項１に記載の電気機械発電機。
3. 前記第１及び第２の付勢装置の結合体の前記ほぼ一定のばね定数は、前記振動運動の固有周波数が−４０℃から＋８５℃の作動温度範囲にわたって１％以下で変化することを実現する、請求項２に記載の電気機械発電機。
4. 前記第１の付勢装置は、前記磁気コアアセンブリが前記中心位置から変位しているときに、前記中心位置に向かって復心力を付与するように適応され、前記第２の付勢装置は、前記第１の付勢装置の前記復心力に加えて、温度補償復心力を付与するように適応されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気機械発電機。
5. 前記第１の付勢装置の前記復心力は、温度の増加に伴って減少し、前記第２の付勢装置の前記復心力は、温度の増加に伴って増加し、それにより温度範囲にわたってほぼ一定である組み合された復心力を実現する、請求項４に記載の電気機械発電機。
6. 前記第１の付勢装置は、前記磁気コアアセンブリが前記中心位置から変位しているときに、前記中心位置に向かって復心力を印加するように適応され、前記第２の付勢装置は、前記磁気コアアセンブリが前記中心位置から変位しているときに、前記復心力と逆向きで前記復心力よりも小さい非復心力を付与するように適応されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気機械発電機。
7. 前記第１の付勢装置の前記復心力は、温度の増加に伴って減少し、前記第２の付勢装置の前記非復心力は、温度の増加に伴って減少し、それにより温度範囲にわたってほぼ一定である組み合された復心力を実現する、請求項６に記載の電気機械発電機。
8. 前記第２の付勢装置は、少なくとも１つの補償磁石を備え、前記少なくとも１つの補償磁石は、前記磁気コアアセンブリのそれぞれの主磁石に隣接して配置されているが、前記磁気コアアセンブリのそれぞれの主磁石から間隔を空けて配置されている、請求項１に記載の電気機械発電機。
9. 前記補償磁石は、環状であり、かつ、それぞれの環状の主磁石の半径方向内側に位置している、請求項８に記載の電気機械発電機。
10. 前記補償磁石とそれぞれの前記主磁石は、共通の方向に磁気極性を有するよう配向されている、請求項８又は９に記載の電気機械発電機。
11. 前記第１の付勢装置は、一対の主機械ばねを備え、前記主機械ばねの各々は、前記磁気コアアセンブリのそれぞれの端部に位置しており、かつ、前記中心要素と前記磁気コアアセンブリとの間に固定されている、請求項１に記載の電気機械発電機。
12. 前記主ばねは、板ばねを備える、請求項１１に記載の電気機械発電機。
13. 前記磁気コアアセンブリは、前記軸に沿って間隔を空けて配置された２つの対向した磁気回路を備え、各磁気回路は、それぞれの主磁石を備え、各主磁石は、それぞれの補償磁石に隣接して設置されているが、それぞれの補償磁石から間隔を空けて配置されている、請求項８から１２のいずれか１項に記載の電気機械発電機。
14. 前記磁気コアアセンブリは、前記軸に沿って間隔を空けて配置された一対の主磁石を備え、第１の共通の極性を有する前記一対の主磁石の極は、互いに向かい合っており、互いに離れるほうを向いている前記一対の主磁石の極は、第２の共通の極性であり、かつ、前記軸に対し前記主磁石の半径方向外側に位置する共通の強磁性体に結合されている、請求項８から１３のいずれか１項に記載の電気機械発電機。
15. 前記共通の強磁性体は、筒状であり、かつ、前記共通の強磁性体の各端部に半径方向内側に延びるアームを有しており、各アームは、各アームにそれぞれの主磁石を取り付けており、前記共通の強磁性体は、前記磁気コアアセンブリの半径方向外側の上部分及び下部分を有し、前記主磁石は、前記磁気コアアセンブリの半径方向内側の部分を有する、請求項１４に記載の電気機械発電機。
16. 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発電機であって、前記電気機械発電機は、筺体と、前記筺体内に固定して設置された導電コイルアセンブリと、固有周波数での軸に沿った直線的な振動運動のために、前記筺体内に移動可能に設置された磁気コアアセンブリと、前記筺体と前記磁気コアアセンブリとの間に設置され、前記軸に沿って中心位置から離れる前記磁気コアアセンブリの移動に対抗するように作用する復心力を印加するように適応された第１の機械的付勢装置と、温度による前記第１の付勢装置の前記復心力の変化を補償するための復心力又は非復心力を付与して、前記振動運動の前記固有周波数が−４０℃から＋８５℃の作動温度範囲にわたって１％以下で変化することを実現するように適応された第２の磁気付勢装置とを備え、
    前記第２の磁気付勢装置は、前記磁気コアアセンブリが前記中心位置から変位しているときに、前記磁気コアアセンブリに補償磁力を印加するように適応されており、
    前記第２の磁気付勢装置は、前記筺体内に固定して設置されており、
    前記コイルアセンブリと前記第２の磁気付勢装置は、前記筐体の中心に位置する中心要素に固定され、前記筺体内に設置され、前記軸に沿って延びている、
    電気機械発電機。
17. 前記第１の付勢装置は、前記磁気コアアセンブリが前記中心位置から変位しているときに、前記中心位置に向かって復心力を付与するように適応され、前記第２の付勢装置は、前記磁気コアアセンブリが前記中心位置から変位しているときに、前記復心力と逆向きで前記復心力よりも小さい非復心力を付与するように適応されており、前記第１の付勢装置の前記復心力は、温度の増加に伴って減少し、前記第２の付勢装置の前記非復心力は、温度の増加に伴って減少し、それにより温度範囲にわたってほぼ一定である組み合された復心力を実現する、請求項１６に記載の電気機械発電機。

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