JP6197251B2 - エネルギー収集装置 - Google Patents

Description

本発明は、環境からの力を受けて運動質量体の状態になる質量体を備えた、エネルギー収集装置に関する。

この十年間、エネルギー収集の分野への関心が高まっており、刊行物及び試作品の数の増加によって立証されるように重要性を増している。一般的に言って、エネルギー収集のためのエネルギー源は、光、電波、温度勾配、及び運動の４つの形態で利用可能である。戸外の太陽エネルギーは、他のエネルギー源よりも凡そ２桁高い出力密度を与える。しかし、太陽エネルギーは、屋内環境には魅力的なエネルギー源ではない。特に屋内用途のためには、動力学的エネルギーが魅力的な選択肢であると考えられる。

例えば遍在する環境内での振動及び人の日常的な運動又は他の種類の運動からのエネルギー収集、特に、これに限定されるものではないが、マイクロ電気機械系（ＭＥＭＳ）技術によるエネルギー収集は、携帯装置及び無線センサネットワークにおいて使用することができる有望な動力源であると思われる。環境由来の振動又は運動は、電磁気型、静電型、又は圧電型すなわち後で使用するために歪みエネルギーの形態で保存する型式の３つの型式の電気機械変換器を使用して電気エネルギーに変換することが可能である。

非特許文献１は、機械的振動数アップコンバージョンのために座屈によるスナップ動作を利用するエネルギー収集装置について論じている。提案された装置は、基準質量体を有する座屈した細長いブリッジに、片持ち梁が取り付けられたものである。これにより、装置の利用可能帯域幅が改善される。

非特許文献２は、調和基準励振に対する座屈された圧電梁の応答を研究している。この研究は、持続的なスナップ挙動に対する、取り付けられた質量体の効果を報告しており、これは、その比較的振幅が大きい運動により、エネルギー収集に対する明白な用途を有する。

非特許文献３は、圧電エネルギー変換器の共鳴振動数を、その構造に機械的応力を加えることによって調整することについて報告している。

非特許文献４は、収集された振動エネルギーが、典型的には、健康管理、並びに公共及び機械構造体の使用状況の監視のためのセンサのネットワークにおける補助動力源として考えられることを論じている。この論文は、理論的に収集可能なエネルギーレベルに対する温度偏差の影響並びに補償法について論じている。

Ｓｅｏｋ−Ｍｉｎ Ｊｕｎｇ及びＫｗａｎｇ−Ｓｅｏｋ Ｙｕｎ、「Ｅｎｅｒｇｙ−ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｕｐ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｐｏｗｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｗｉｄｅｂａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２０１０年、第９６巻、ｐ．１１１９０６ Ａ．Ｊ．Ｓｎｅｌｌｅｒ、Ｐ．Ｃｅｔｔｅ、及びＢ．Ｐ．Ｍａｎｎ、「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐｏｓｔ−ｂｕｃｋｌｅｄ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂｅａｍ ｗｉｔｈ ａｎ ａｔｔａｃｈｅｄ ｃｅｎｔｒａｌ ｍａｓｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｈａｒｖｅｓｔ ｅｎｅｒｇｙ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、ｐａｒｔ Ｉ：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、２０１１年、第２２５巻、ｐ．４９７−５０９ Ｃ．Ｅｉｃｈｈｏｒｎ、Ｆ．Ｇｏｌｄｓｃｈｍｉｄｔｂｏｅｉｎｇ及びＰ．Ｗｏｉａｓ、「Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎｉｎｇ ｏｆ ａ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｅａｍ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、２００９年、第１９巻、ｐ．１−６ Ｍｏｈａｍｍｅｄ Ｒｈｉｍｉ及びＮｉｚａｒ Ｌａｊｎｅｆ、「Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｎ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、第７９８１巻、ｐ．７９８１３９ １−９

あらゆる種類の用途での運動エネルギーの収集、保存及び放出に対するこの明白な必要性に直面して、本発明の目的は、環境からの力（例えば、振動による）を受けて運動質量体の状態になる質量体と、該運動質量体に具現されたエネルギーを変換し保存するために該質量体に結合された手段とを備え、該手段は、このエネルギーを後で放出するように構成されており、該質量体は、フレームと、質量体をフレームに接続する第１及び第２の弾性梁とを備えた系の一部分であり、運動質量体の所定の行程範囲において、該質量体が予め選択された剛性を経験するように第１及び第２の弾性梁に逆の剛性が与えられているエネルギー収集装置を提案することによって、この要求を満たすことである。

例えば、第１の弾性梁が正の剛性を有し、第２の弾性梁が負の剛性を有するように構成され、負の剛性が、系の剛性をゼロ剛性又はほぼゼロの剛性まで下げるように調整する場合を考える。原理的には、調整は、正の剛性によっても負の剛性によっても行うことができるが、正の剛性による調整の方がより実施し易いので好ましい。従って、予め選択される剛性は、質量体を環境起振力の振動数と共振するように調整する値に選択することが、場合によっては有益である。

一般的に言えば、本発明のエネルギー収集装置を上記の特徴を有するように構成することによって、組立て及び保守の費用が削減され、そのうえ、動力学的エネルギーを再利用可能な位置エネルギーに効果的かつ正確に変換することが可能となり、これは、小規模用途、特にマイクロ電気機械（ＭＥＭＳ）用途で有用であり、これは、系をコンプライアントな系として構成するのに特に適している。別の注目すべき利点は、好ましいゼロ剛性又はほぼゼロの剛性が生じる運動質量体の所定の行程範囲、及び、運動質量体が共振する範囲を比較的大きくすることができることであり、その結果、本発明の収集装置は、比較的大きいエネルギーの変換に適用することができるようになる。

エネルギーを変換し保存するための手段は、ばねコイル及び圧電素子を含む群から選択される構成要素を含むことが好ましい。マイクロ電気機械系用途の場合には、選択される構成要素は、板ばねであることが好ましい。これらは、それ自体として公知のものであり、信頼性の高いエネルギー変換を行う能力が非常に良く備わっている。

本発明のエネルギー収集装置は、１又は複数の第１の弾性梁が運動質量体の所定の行程範囲内で所定の第１の剛性を有し、この所定の範囲において、１つ又は複数の第２の弾性梁が、１つ又は複数の第１の弾性梁の第１の剛性を所定の範囲内で打ち消す第２の剛性を有するように、適切に具体化される。

以下で、本発明のエネルギー収集装置の例示的な実施形態の図面を参照しながら、本発明をさらに説明するが、これは添付の特許請求の範囲に対する限定ではない。

静的に釣り合ったコンプライアントな動力学的エネルギー収集装置の概略的な設計を示す。 図１の動力学的エネルギー収集系が静的に釣り合ったコンプライアントな状態にある場合における、静的バランサー（ＳＢ）とコンプライアントな動力学的エネルギー収集系（ＣＥＨ）とのその後の協調的な動作に関する力−偏位挙動を示す。 図１の動力学的エネルギー収集系が静的に釣り合ったコンプライアントな状態にある場合における、静的バランサー（ＳＢ）とコンプライアントな動力学的エネルギー収集系（ＣＥＨ）とのその後の協調的な動作に関する力−偏位挙動を示す。 図１の動力学的エネルギー収集系が静的に釣り合ったコンプライアントな状態にある場合における、付加的な重力（質量体）がない場合の、静的バランサー（ＳＢ）とコンプライアントな動力学的エネルギー収集系（ＣＥＨ）とのその後の協調的な動作に関する力−偏位挙動を示す。 図１の動力学的エネルギー収集系が静的に釣り合ったコンプライアントな状態にある場合における、付加的な重力（質量体）がある場合の、静的バランサー（ＳＢ）とコンプライアントな動力学的エネルギー収集系（ＣＥＨ）とのその後の協調的な動作に関する力−偏位挙動を示す。

図１において、本発明によるエネルギー収集装置は、参照符合１で示される。エネルギー収集装置１は、例えば振動のような環境からの力を受けて、運動質量体２の状態になることができる質量体２を備える。運動質量体２に具現されたエネルギーを変換し保存するための手段５が質量体２に連結され、この手段５は、後でエネルギーを放出するように配置される。

質量体２は、フレーム６と、該質量体２をフレーム６に接続する第１の弾性梁３及び第２の弾性梁４とを備えた、必須ではないが好ましくはコンプライアントな系の一部分であり、ここで、第１の弾性梁３と第２の弾性梁４には逆の剛性が与えられており、運動質量体２の所定の行程範囲内で、質量体２が予め定められた剛性を経験するように構成されており、この所定の剛性は、ゼロ剛性又はほぼゼロの剛性であることが好ましい。第１の弾性梁３及び第２の弾性梁４を備える質量体２の系は、該質量体２を環境起振力の振動数と共振させることができるように調整することができることが好ましい。この目的のために、第１の弾性梁３及び第２の弾性梁４の剛性のうちの少なくとも１つが調整可能であることが有益である。

エネルギーを変換し保存するための手段５は、板ばね、コイルばね５及び圧電素子を含む群から選択されることが好ましい構成要素を備える。図１は、運動質量体２のエネルギーの変換及び保存のためにコイルばね５を選択して使用する場合を示す。しかし、他の選択肢も当業者の想定範囲及び本発明の範囲内である。例えば、系がミクロ電気機械系（ＭＥＭＳ）として実装される場合、好ましい選択肢は、エネルギーの変換及び保存のための構成要素として板ばねを使用することである。

前述の説明から、本設計の核心は、質量体２にゼロ剛性をもたらすように静的バランサー３、４によって負の剛性を加えるか、又は、フレーム６内で運動しているときに環境からの力と共振するように配置することであることが明らかである。ゼロ剛性又はほぼゼロの剛性がもたらされると、質量体２は、それゆえに特定の運動範囲内で静的平衡状態（即ち、ゼロ作動力でゼロ剛性）となることができる。

本発明による静的に釣り合ったコンプライアントな動力学的エネルギー収集系１においては、弾性部材３、４、５の偏位に起因するエネルギー損失が解決され、固有振動数が剛性の調節によって調整され、従って、出力／入力エネルギーの比が大きくなる。換言すれば、同じ量の力に対して、質量体２のより大きな偏位を達成することができ、又は代替的に、より小さい質量体２が同じ偏位の運動をすることができる（即ち、より多くの歪みエネルギーを生成することができる）。その結果、より多くのエネルギーを収集することができ、より多くのエネルギーを保存することができる。

本発明のエネルギー収集装置の力−偏位挙動を図２ａ−図２ｄに示す。

図２ａは、梁５（実線）、及び、梁３、４の組合せ（破線）の力−偏位図を別々に示す。縮尺を拡大した図２ｂでは、図２ａのＳＢ領域という用語で示された限定領域内での質量体２の行程に関して同じものを示す。

図２ｃは、質量体２が経験する梁３（実線）と梁４（破線）との合成効果を示しており、ＳＢ領域で示された領域において、振動する質量体２が経験するゼロ剛性が存在することを示している。

最後に図２ｄは、梁５（実線）と、梁３、４（破線）と、質量体２の予め選択された値（表示点を伴う実線）による重力との合成効果を示す。

１：エネルギー収集装置
２：質量体
３：第１の弾性梁
４：第２の弾性梁
５：エネルギーの変換及び保存のための手段（コイルばね）
６：フレーム

Claims (6)

1. 環境力を受けて運動質量体（２）の状態になることができる質量体（２）と、前記運動質量体（２）に具現化されたエネルギーを変換し保存するために前記質量体（２）に連結された手段（５）と、を備え、該手段（５）は、前記エネルギーを後で放出するように構成されたエネルギー収集装置（１）であって、
   前記質量体（２）は、フレーム（６）と、前記質量体（２）を前記フレーム（６）に接続する複数の弾性梁（３、４）とを備えた系の一部分であり、前記複数の弾性梁（３、４）の組合せには、前記質量体（２）に連結された前記手段（５）とは互いに逆になる剛性が与えられており、前記運動質量体（２）の所定の行程範囲内で、前記質量体（２）が、前記弾性梁の組合せの剛性と、前記質量体（２）に連結された前記手段（５）の剛性とによって定まる、予め選択されたほぼ一定の剛性を経験するように構成された
   ことを特徴とするエネルギー収集装置（１）。
2. 前記予め選択された剛性は、ゼロ剛性又はほぼゼロの剛性であることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー収集装置（１）。
3. 前記予め選択された剛性は、前記質量体（２）を環境起振力の振動数で共振させるように調整する値に選択されたものであることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー収集装置（１）。
4. エネルギーを変換し保存するための前記手段（５）は、板ばね、コイルばね（５）、及び圧電素子を含む群から選択される構成要素を含むことを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のエネルギー収集装置（１）。
5. 前記系は、コンプライアントな、マイクロ電気機械系（ＭＥＭＳ）であることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれかに記載のエネルギー収集装置（１）。
6. 前記質量体（２）がマイクロ電気機械系の一部分であり、エネルギーを変換し保存するための前記構成要素が板ばねであることを特徴とする、請求項４に記載のエネルギー収集装置（１）。

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