特開 2022-173107 電磁振動及びエネルギーハーベスタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022173107

(43)【公開日】2022-11-17

(54)【発明の名称】電磁振動及びエネルギーハーベスタ

(51)【国際特許分類】

   H02K 35/02 20060101AFI20221110BHJP

【ＦＩ】

H02K35/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022073905

(22)【出願日】2022-04-27

(31)【優先権主張番号】17/308252

(32)【優先日】2021-05-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/366045

(32)【優先日】2021-07-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】522172092

【氏名又は名称】エナーヴィブ リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｅｎｅｒｖｉｂｅ ＬＴＤ

【住所又は居所原語表記】１ Ｇｏｌａｎ Ｓｔｒｅｅｔ， Ａｉｒｐｏｒｔ Ｃｉｔｙ ７０１９９００， Ｉｓｒａｅｌ

(74)【代理人】

【識別番号】100142804

【弁理士】

【氏名又は名称】大上 寛

(72)【発明者】

【氏名】ダン ハロニアン

(72)【発明者】

【氏名】ミハエル ハロニアン

(57)【要約】      （修正有）

【課題】本発明は、本体の振動を電気に変換するための電磁エネルギーハーベスタに関するものである。
【解決手段】電磁エネルギーハーベスタは、両端部が強磁性コア１１３の縦軸に沿って巻かれたコイル１１４、磁石２１、及び自分の第１端部が本体に固定されるように設計され、自分の第２端部が磁石に固定されるように設計された懸垂装置２を含む。コアの第１端部は、磁石に非常に近接するように設計されて、コアの縦軸は磁石の磁気軸に実質的に垂直に整列されるように設計される。本体の振動は、コアと磁石との間の相対的な交互移動を発生させることができ、これは、コイルの端部の間に交流電圧を生成することができる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

本体の振動を電気に変換するための電磁エネルギーハーベスタであって、
両端部が強磁性コアの縦軸に沿って巻かれたコイル、磁石、及び第１端部が本体に固定されるように設計され、第２端部が磁石に固定されるように設計された懸垂装置を含み、
コアの第１端部は、磁石に非常に近接するように設計され、コアの縦軸は磁石の磁気軸に実質的に垂直に整列されるように設計され、
本体の振動が、コイルの端部の間に交流電圧を生成することができるコアと磁石との間の相対的な交互移動を発生させることができる、電磁エネルギーハーベスタ。

【請求項2】

前記磁石を囲んで配置されるように設計された複数の装置をさらに含む、請求項１に記載の電磁エネルギーハーベスタ。

【請求項3】

前記装置は、前記コアの上に平行に配置された上部水平強磁性ロッド、及び前記コアの下に平行に配置された下部水平強磁性ロッドをさらに含み、前記水平強磁性ロッドは、側方向強磁性ロッドによって連結され、前記強磁性ロッドは、磁束をコイルに近くに制限することができる、請求項１に記載の電磁エネルギーハーベスタ。

【請求項4】

前記懸垂装置は、第１面で前記磁石に固定され、第２面で前記本体に固定されたスプリングである、請求項１に記載の電磁エネルギーハーベスタ。

【請求項5】

前記スプリングは、圧縮スプリング、円錐状スプリングまたはトーションスプリングタイプのような任意タイプのスプリングである、請求項４に記載の電磁エネルギーハーベスタ。

【請求項6】

前記懸垂装置は、前記本体に連結されるように設計されたベース、及びベースによって支持され、前記磁石に連結されるように設計された自在に回転するヒンジを含み、
前記ハーベスタは、ヒンジ及び磁石に付着されたサイズモ質量体をさらに含み、前記ヒンジ、磁石及びサイズモ質量体の重心は、本体の振動がコアと磁石との間の前記交互する相対的な移動を発生させて、前記コイルの端部の間に交流電圧を生成することができるように、ヒンジの回転軸からずれることができる、請求項１に記載の電磁エネルギーハーベスタ。

【請求項7】

本体の振動を電気に変換するための電磁エネルギーハーベスタの振動共振周波数を決める方法であって、
（ａ）両端部が強磁性コアの縦軸に沿って巻かれたコイルと、
磁石と、
本体と連結されるように設計されたベース、及びベースによって支持され、磁石と連結されるように設計された自在に回転するヒンジと、
ヒンジ及び磁石に付着されたサイズモ質量体と、を含み、
前記ヒンジ、磁石及びサイズモ質量体の重心がともにヒンジの回転軸からずれることができ、
コアの第１端部は磁石に非常に近接するように設計され、コアの縦軸は磁石の磁気軸に実質的に垂直に整列されるように設計される、前記ハーベスタを提供するステップと、
（ｂ）ハーベスタの好ましい振動共振周波数を決めるために、サイズモ質量体に対する特定重量を選択するステップと、を含む方法。

【請求項8】

前記懸垂装置は、前記本体に連結されるように設計されたベース、及び前記ベースによって支持されて、前記磁石に連結されるように設計された自在に回転するヒンジを含み、
前記ハーベスタは、本体の振動が前記コイルの端部の間に前記交流電圧を生成することができるコアと磁石との間の前記交互する相対的な移動を発生させることができるように、ヒンジに固定された第１端部、及びサイズモ質量体に固定された第２端部を有するレバーをさらに含む、請求項１に記載の電磁エネルギーハーベスタ。

【請求項9】

本体の振動を電気に変換するための電磁エネルギーハーベスタの振動共振周波数を決める方法であって、
（ａ）両端部が強磁性コアの縦軸に沿って巻かれたコイルと、
磁石と、
本体と連結されるように設計されたベース、及びベースによって支持されて磁石に連結されるように設計された自在に回転するヒンジと、
ヒンジに固定された第１端部、及びサイズモ質量体に固定された第２端部を有するレバーと、を含み、
コアの第１端部は、磁石に非常に近接するように設計され、コアの縦軸は、磁石の磁気軸に実質的に垂直に整列されるように設計される、前記ハーベスタを提供するステップと、
（ｂ）ハーベスタの好ましい振動共振周波数を決めるために、サイズモ質量体に対する特定重量を選択するステップと、を含む方法。

【請求項10】

前記懸垂装置は、
前記本体に連結されるように設計されたベースと、
ベースによって支持される自在に回転するヒンジと、
第１端部で自在に回転するヒンジに連結され、第２端部で磁石に連結されるレバーと、を含み、
本体の振動がコアと磁石との間の前記相対的な交互移動を発生させることができ、これがコイルの端部の間に前記交流電圧を生成することができるようにする、請求項１に記載の電磁エネルギーハーベスタ。

【請求項11】

前記磁石または前記レバーの前記第１端部に連結されたサイズモ質量体をさらに含む、請求項１０に記載の電磁エネルギーハーベスタ。

【請求項12】

本体の振動を電気に変換するための電磁エネルギーハーベスタの振動共振周波数を決める方法であって、
（ａ）両端部が強磁性コアの縦軸に沿って巻かれたコイルと、
磁石と、
本体と連結されるように設計されたベース、及びベースによって支持される自在に回転するヒンジと、
サイズモ質量体と、
ヒンジに固定されるように設計された第１端部、及び磁石及びサイズモ質量体に固定されるように設計された第２端部を有するレバーと、を含み、
コアの第１端部は、磁石に非常に近接するように設計され、コアの縦軸は、磁石の磁気軸に実質的に垂直に整列されるように設計される、前記ハーベスタを提供するステップと、
（ｂ）ハーベスタの好ましい振動共振周波数を決めるために、サイズモ質量体に対する特定重量を選択するステップと、を含む方法。

【請求項13】

前記懸垂装置は、前記本体に連結されるように設計されたベース、及び前記ベースによって支持され、前記磁石に連結されるように設計された自在に回転するヒンジを含み、
磁石とともにヒンジの重心がヒンジの回転軸からずれることができ、これは、本体の振動がコアと磁石との間の前記交互する相対移動を発生させて、前記コイルの端部の間の前記交流電圧を生成することができ、
前記ハーベスタは、前記磁石に非常に近接するように本体またはベースに付着された固定磁石をさらに含み、固定磁石の磁気力が磁石に対する復元力としての役割を果たすことができるように、固定磁石の両極が磁石の両極を対向する、請求項１に記載の電磁エネルギーハーベスタ。

【請求項14】

前記固定磁石は、予め設計された角度で本体またはベースに付着される、請求項１３に記載の電磁エネルギーハーベスタ。

【請求項15】

本体の振動を電気に変換するための電磁エネルギーハーベスタの振動共振周波数を決める方法であって、
（ａ）両端部が強磁性コアの縦軸に沿って巻かれたコイルと、
磁石と、
本体と連結されるように設計されたベース、及びベースによって支持されて磁石に連結されるように設計された自在に回転するヒンジであって、ヒンジの重心は、磁石とともにヒンジの回転軸からずれることができ、コアの第１端部は、磁石に非常に近接するように設計され、コアの縦軸は磁石の磁気軸に実質的に垂直に整列されるように設計されるヒンジと、
固定磁石の磁気力が磁石に対する復元力としての役割を果たすことができるように、固定磁石の両極が磁石の両極を対向するように、磁石に非常に近接するように本体またはベースに付着された固定磁石とを含む、前記ハーベスタを提供するステップと、
（ｂ）ハーベスタの好ましい振動共振周波数を決めるために、磁石に対する特定重量を選択するステップと、を含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願
本出願は、２０２１年５月５日に出願された米国特許出願１７／３０８，２５２の一部継続出願である。
本発明は、本体の振動を電気に変換する電磁エネルギーハーベスティングに関する。ハーベスタは、コイルで巻かれた強磁性コアの近くで自在に振動したり回転する懸垂装置によって懸垂されている磁石を含む。

【背景技術】

【0002】

本特許出願は、本体の振動を電気に変換する電磁エネルギーハーベスティングに関するものである。振動は、機械の振動によって発生され得るか、または、例えば、人の手足の動きによって、回転するタイヤの内部で、またはボール及びラケットのような運動装置によって発生した衝撃によって発生され得る。アプリケーションは、振動または衝撃を受ける本体に付着されたセンサのような装置に電源を供給するために、振動エネルギーハーベスタを利用することができる。電磁振動エネルギーハーベスタは、通常コイルの近くで動く磁石を含む。レンツ（Ｌｅｎｔｚ）の法則とファラデー（Ｆａｒａｄａｙ）の法則によれば、このような動きは、電力装置にハーベスティングされることができるコイルワイヤの間の起電力を誘導する。

【0003】

本特許出願は、小さな振動に最も適した異なる構成を用いる。この構成は、小さな振動がコア内の磁束を反転させるように、コイルが巻かれたコアに対して動く磁石を用いる。図１ａに概略的に示された米国特許ＵＳ ８７０４６２５ Ｂ２は、ファラデー法則に基づいた電磁エネルギー変換機器である。ファラデーの法則は、磁石と導体との間の相対的な動きが磁束を変化させ、これが導体内部の起電力Ｆ＝－ＮｄΦ／ｄｔを生じると叙述し、ここで、Ｆは起電力、Ｎは導体の回転数、Φは磁束である。起電力は磁束変化速度に比例することが分かる。図１ａに示された先行技術ＵＳ ８７０４６２５ Ｂ２において、磁気回路は、Ｎ極とＳ極を有する永久磁石３０、３１、及び第１面３２１と第２面３２２を有する強磁性コア３２を利用して形成される。コイル３３は、コアの周りに巻かれる。第１位置で、磁石３０のＮ極は、第１面３２１に連結され、磁石３１のＳ極は第２面３２２に連結される。Ｎ極が第２面に連結され Ｓ極が第１面に連結されるようにコアを動くことにより、磁気回路内の磁束が反転され、したがって、ｄΦ／ｄｔが高くなり、これは、無線スィッチに電力を供給するように用いられることができるコイル内部電流のインパルスを生成する。

【0004】

先行技術ＵＳ ９５０９３０４ Ｂ２及びＵＳ ２４０２６７ Ｂ２は、インダクターに亘って磁束を反転させる同じ概念を用いるが、互いに異なるメカニズムを利用する。

【0005】

図１ｂに概略的に示された先行技術ＷＯ ２０１９００２７７５ Ａ１は、電磁エネルギー変換機器１１に関するもので、伝導コイル２０と、伝導コイル２０によって形成された内部空間の主磁石３０と、主磁石が２つの安定した平衡位置の間で軸ＹＹ`を中心として回転するようにする保持手段４０と、それぞれ第１端部２１及び第２端部２２に対向するように配置された第１アクチュエーター磁石３１及び第２アクチュエーター磁石３２と、を含み、第１アクチュエーター磁石３１及び第２アクチュエーター磁石３２は、第１アクチュエーター磁石３１または第２アクチュエーター磁石３２の一つに力が印加されると、主軸ＸＸ`と同じ方向へ平行に同時にスライディングするように配置される。回転運動をすることにより、アクチュエーター磁石の作用下で、伝導コイル２０の磁束の時間的変化は前記コイルの端子で電圧インパルスを生成する。

【0006】

図１ｃに概略的に示された先行技術ＵＳ ２００８／００４８５０６ Ａ１は、コイル端子の間に電圧降下を生成するために、コイル２２１の上でスライディングする磁石４００１を利用する。コイルは、その極端２４ａ、２４ｂに磁石を備える。スライディングは、中心軸を有するロッカー（ｒｏｃｋｅｒ）１０を含むスライディングメカニズムを通じて実行される。ロッカーは、その極端１０ａ、１０ｃにある２つの磁石と、着地上のランディング（ｌａｎｄｉｎｇ）磁石１０ｂ、１０ｄを備えて、ロッカーが一位置から他の位置に転換される時、一極端上の磁石がそのランディング（ｌａｎｄｉｎｇ）磁石により近く移動し、他の極端上の磁石はランディング磁石から遠くなる。ロッカーを一位置から他の位置に移動すると、パドル（ｐａｄｄｌｅ）４２を利用して、磁石４０１がコイルに沿ってスライディングする。自分の磁石を有するロッカーとコイル２４ａ、２４ｂの極端に備える磁石の作用は、ドライバー磁石４０１に磁気力を生成して、ドライバー磁石４０１がロッカー及び磁石が存在しない場合よりもっと高いワイヤコイル内の電圧インパルスを誘導するようにする。

【0007】

図１ｄは、コイル１０２の内部のスプリング１０１によって懸垂されている磁石１００を示す電磁振動エネルギーハーベスティングの最新技術を説明する。コイルは、本体１０３に固定されて、本体が動いたり振動する時に磁石がコイルに対して振動し、コイル１０２１の両端の間に電圧を誘導する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

電磁エネルギーハーベスティングの先行技術は、切り替え応用に用いられるコイル内の電気インパルスを生成するように、コアの極性反転を利用する装置を開示する。また、先行技術は、コイル内に電気を生成するように、コイルの隣の磁石の振動を利用する振動エネルギーハーベスティングを開示する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本特許出願では、相違する電磁振動エネルギーハーベスティングが開示される。基本構成は、図２に示されている。ここで、磁石２１は、スプリングのような懸垂装置２によって懸垂され、コア１１５の長さで垂直に１１５１自在に振動する。装置１は、本体１１８に固定され、コイル１１４で巻かれた強磁性コア１１３を含む。磁石は、コイルの第１側１１３１に近く、それによって本体がＹ方向に振動したり衝撃を受ける時、コイルの両端部１１４１、１１４２の間に交流電圧が生成されるように、コアの第１側に対する磁石の運動または振動運動が誘導される。装置１は、また、コイルに近接した磁束を制限する強磁性磁束制限器１１６、１１７を含むことができる。

【0010】

図３は、ハーベスタの動作についてより詳しく示す。図３ａで、磁石２１は、磁束１１６１が下部磁束制限器１１６を通じて流れるように下に移動し、コア内の磁束の磁気極性を変化させる。図３ｂで、磁石は、磁束１１７１が上部磁束制限器１１７を通じて流れるように上に移動して、コア内の磁束の磁気極性を反転させる。このような磁束の迅速な極性変化は、高いｄΦ／ｄｔ及びコイル端部１１４１、１１４２の間の交流電圧１１４３につながる。

【0011】

図１ａに示された先行技術におけるコイル内で磁石が移動する方法は、移動が存在する限りコイル内に電力が生成されるように、大変位が期待される場合により実用的である。図２及び図３に示されたコアに対して移動する磁石は、それぞれの振動サイクルで磁束の極性が反転されるように小さな振動振幅に対してより実用的である。

【0012】

実際には、機械的損傷を防止するように、磁石の大きな欠陷を防止するためにストッパがハーベスタに追加されるという点に留意する。このようなストッパは、簡潔性のために、図面で省略された。

【0013】

磁束密度は、コイルのワイヤが磁石またはコアから遠くなるほど低下する。よって、磁石またはコアに近いワイヤは、コアまたは磁石からより遠く離れたワイヤよりも多くの電力に寄与するはずである。また、ワイヤ数の増加は、ワイヤの抵抗を増加させるので、ワイヤの抵抗による電力の損失につながる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1a】米国特許登録ＵＳ８７０４６２５ Ｂ２公報に係る先行技術を示す。

【図1b】国際特許公開ＷＯ ２０１９００２７７５ Ａ１公報に係る先行技術を示す。

【図1c】米国特許公開ＵＳ ２００８／００４８５０６ Ａ１公報に係る先行技術である。

【図1d】電磁振動エネルギーハーベスティングの最新技術を示す。

【図2】本特許出願で開示される電磁エネルギーハーベスタの一実施形態を示す。

【図3a-3b】電磁エネルギーハーベスタに対する詳細な図面である。

【図4a-4b】本特許出願で開示される電磁エネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図5a-5b】図２及び４に示した電磁エネルギーハーベスタのコイルの間の比較を示す。

【図6a-6b】図２及び４に示した電磁エネルギーハーベスタのＹ方向磁束の間の比較を示す。

【図7a-7b】図２及び４に示した電磁エネルギーハーベスタのＸ方向磁束の間の比較を示す。

【図8】スプリングのない電磁エネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図9】２つのサイズモ質量体（ｓｅｉｓｍｉｃ ｍａｓｓ）を有する、図８に示したスプリングのない電磁エネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図10】高いモーメント生成力のための長いレバーを有するスプリングのない電磁エネルギーハーベスタの実施形態を示す。

【図11】図１０に示した振動エネルギーハーベスタの側面図である。

【図12】スプリングのない電磁エネルギーハーベスタの他の実施形態を示す。

【図13】スプリングのない電磁エネルギーハーベスタの他の実施形態を示す。

【図14】スプリングのない電磁エネルギーハーベスタの他の実施形態を示す。

【図15】衝撃力を受ける場合の図８に示したスプリングのない電磁エネルギーハーベスタのコイル端部の間の電圧応答を示す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本特許出願の他の実施形態は、図４に示された高密度電磁エネルギーハーベスタである。この実施形態において、磁石２１は、磁石の周りに配置された各種装置１の付近で自在に振動するスプリング２のような懸垂装置によって懸垂されている。各装置１は、本体１１８に固定されたコイル１１４によって巻かれたコア１１３を含む。図４で説明されたマルチ－コアハーベスタは、８つの装置を示す。マルチ－コアハーベスタは、図４に示されたように、内部にコアが突出された単一強磁性ディスク１０４によって製造されることができる。また、図４に示されたマルチ－コアハーベスタは、コイルに近く磁石の磁束を制限するための上部１０５強磁性ロッド及び下部１０６強磁性ロッドを示す。図２のように、磁石のＮ極－Ｓ極は振動方向に整列される。また、図４に示されたように、磁石は、上下に配置された２つ以上のＮ極－Ｓ極を有し得る点に留意する。

【0016】

図２に示された設計と比較した図４に示された設計の長所を例示的に説明するために、シングルコアとマルチ－コアハーベスタとの間の比較が提示される。図５ａは、０．２ｍｍの直径を有する９５６回のワイヤ巻線を有するシングルコアハーベスタのコア１１３４を示す。測定されたワイヤの抵抗は１６．５Ωである。図５ｂは、８つのコアの全体巻線がシングルコアと同一に０．２ｍｍの直径を有するワイヤで巻かれた８－コアハーベスタの一つのコア１１３５を示す。直列に連結された場合、８つのコイルの全抵抗は８．８２Ωである。したがって、図４に示された実施形態は、図２に示された実施形態に比べて、コイルの抵抗電力損失で５０％の減少を提供する。

【0017】

図６は、図５に示された２つのコイルの断面を示す。磁束Φがコアから距離Ｙに応じて減少するので、ワイヤの総厚さｙ１を有するシングルコイルからそれぞれが同じ総巻き数を有する厚さｙ１／２を有する８つのコイルに移動することは、図２に示された実施形態に比べて、ワイヤ上の平均磁束を５６％だけ増加させる。

【0018】

図７ａは、図５ａに説明されたシングルコアハーベスタの磁気回路７１を示し、図７ｂは、図５ｂに説明された８つのコアハーベスタのコアの一つの磁気回路７２を示す。シングルコアハーベスタの磁気回路が８－コアハーベスタのコアより遥かに長いことが明らかである。より長い磁気回路はより高い磁束損失に解釈される。また、コア内部の損失により、コアに沿う磁束が同一でなく、したがってＸ軸に沿ってより遠いワイヤ内の磁束は、磁石により近いワイヤ内の磁束より小さい。

【0019】

図４に説明された実施形態で、互いに異なる装置のコイルが直列または並列に、または何れの他の組合で連結されることができることに留意する。また、図４に示された実施形態は例示であるので、任意の磁石形態及びコイルが巻かれたコア構成が用いられることができることに留意する。

【0020】

表１は、図２に示された実施形態と比較した図４に示された実施形態の長所を要約したのである。

【0021】

【表1】

【0022】

図８は、スプリングのない振動エネルギーハーベスタの実施形態を示す。前述の実施形態のように、ハーベスタは、支持部１１８に固定された装置１を含む。装置２は、本体１１８に固定された支持部２３によって支持され、自分の軸２２１を中心として自在に回転するヒンジ２２を含む。磁石２１及びサイズモ質量体２４は、サイズモ質量体と磁石によって荷重を受けるヒンジの重心がヒンジ回転軸２２１からずれるようにヒンジに固定される。磁石は、コアの一側面１１３１及び磁束制限器の底１１６１及び上部の端部１１７１に近接するように位置されて、コアにほぼ整列された状態に保持される。Ｘ方向への本体の振動によって、またはＸ方向で本体に加えられる衝撃力によって、そして、回転中心を離れた重心２５の位置によって、コアと磁石との間に相対的な交互移動が誘導され、これは、コイル端部１１４１、１１４２の間の交流電圧を誘導するコア、及び磁束制限器に沿った磁束の振動強度を誘導する。ハーベスタは、中止された時に、磁石がコアとほぼ整列されるように、一つの停止状態である磁石が存在するように設計されることに留意する。

【0023】

図９は、図８に説明されたハーベスタの他の実施形態を示す。ここで、２つのサイズモ質量体２４１、２４２は、ハーベスタがＸ及びＹ方向の振動及び衝撃に反応するように用いられる。振動振幅を制限するためのストッパ１１８１、１１８２も示された。

【0024】

スプリングに基づくハーベスタに比べて、このようなハーベスタの長所は、磁石がヒンジを中心に回転するはずであるので、大きな衝撃から磁石を保護する必要がないということである。

【0025】

図１０は、図８に説明されたハーベスタの他の実施形態を示す。装置２は、本体１１８に固定された支持部２６と、自在に回転するヒンジ２７を含む。自在に回転するヒンジは、レバー２８の一端部２８１に固定され、レバーの第２端部は、磁石２１及びサイズモ質量体２４に固定される。磁石は、コアの端部１１３１及び磁性制限器の底１１６１及び上部の端部１１７１に近接するように位置されて、コアにほぼ整列された状態に保持される。本体に対するＹ方向の振動または衝撃によって、コアの端部１１３１と磁石２１との間に振動相対変位が誘導され、これはコイル端部１１４１、１１４２の間に交流電圧を誘導する。

【0026】

図１１は、サイズモ質量体及び磁石の振動を制限するための２つのストッパ１１８１、１１８２を有する図１０に示されたハーベスタの側面図を示す。

【0027】

図１２は、本発明の他の実施形態を説明する。本実施形態において、装置２は、振動体１１８に連結されたベース２３によって支持される自在に回転するヒンジ２２を含む。磁石２１は、ヒンジに固定されているので、ヒンジの軸を中心として回転することができる。同様の極４０Ｎ及び２１Ｎだけでなく、極４０Ｓ及び２１Ｓが互いに対向し、また、磁石２１が予め設計された位置でコアの端部１１３１と対向するように、ハーベスタは、予め設計された角度４１で自在に回転することができる磁石２１に非常に近接するように、本体またはベースに付着される固定磁石４０をさらに含む。本体の振動または本体に加えられる衝撃が磁石を回転させることができるように、磁石とともにヒンジの重心２２２がヒンジの回転軸２２１からずれる。本体に加えられる振動または衝撃が、コイルの端部１１４１、１１４２の間に交流電圧を生成することができるコア１１３と自在に回転する磁石２１との間の交互する相対移動を発生させることができるように、停止位置で強制的に解除される時、固定磁石は磁石２１に対する復元力としての役割を果たす。

【0028】

コアの端部１１３１に対する磁石２１の位置だけでなく、予め決められた角度４１は、励振力の形態及び方向に依存する。

【0029】

図１３は、本特許出願の他の実施形態について説明する。本体１１８に固定された装置１は、コイル端部１１４１、１１４２を有する伝導コイル１１４によって巻かれたコア１１３を含む。コア端部１１３１、１１３２は、両側から延長する。装置２は、本体１１８に固定された支持部２３によって支持され、軸２２１を中心として自在に回転するヒンジ２２を含む。磁石２１及びサイズモ質量体２４は、磁石によって荷重を受けるヒンジと、サイズモ質量体の重心がヒンジの回転軸２２１からずれるようにヒンジに固定される。磁石は、第１極性２１０１がコア１１３１の一端部と対向し、磁石の第２極性２１０２がコアの第２端部１１３２を対向するように、コアの端部１１３１、１１３２に非常に近く位置する。停止状態で、与えられた極性１１３３を有する磁束がコアに沿って誘導される。Ｘ方向に沿った本体１１８の振動またはＸ方向の本体に対する衝撃は、コアの端部１１３１、１１３２を対向する磁石極性の間で振動させるヒンジ回転中心２２１の周りでのヒンジ２２の回転を誘導する。このような磁石極性振動は、コアに沿って磁束の方向を変更し、これは、コイル端部１１４１、１１４２の間に交流電圧を誘導する。

【0030】

コアの端部１１３１、１１３２は、振動または衝撃に対する磁石極性振動の感度を増加させるように鋭くすることがあり得ることに留意する。

【0031】

図１４は、装置２がヒンジ２２に固定されたレバー２９を含むように、図１２に説明された振動エネルギーハーベスタについて説明する。サイズモ質量体２４は、レバーの端部に再位置される。ハーベスタのこのような設計は、Ｙ方向の振動と衝撃に反応し、サイズモ質量体及びレバーによって生成されたモーメントの影響により、より敏感になる。

【0032】

図１５は、図８に説明されたハーベスタの衝撃力に対する反応について説明する。繰り返し的な振動は、ハーベスタに加えられる繰り返し的な衝撃力によるものである。それぞれのインパルスは、運動エネルギーを電気及び摩擦に変換することを反映するコアワイヤの間の減衰交流電圧を生成する磁石に対するコアの減衰振動を生成する。振動は、磁石－コア－サイズモ質量体システムの様相のようなスプリング質量を示す。振動の周波数は、振動のピークの間の時間差から計算されることができ、図８のような特定の場合に、共振周波数は１０７Ｈｚに計算される。

【0033】

一般に、振動エネルギーハーベスタは、特定振動周波数用に設計される。スプリング－マスシステムの場合、共振周波数は、 ω=√(k/m)で計算されることができ、ここで、『ω』は共振周波数、『ｍ』はサイズモ質量体、『ｋ』はスプリングのスプリング定数である。図８乃至図１１は、スプリングのない振動エネルギーハーベスタを説明する。しかしながら、このハーベスタは、図１４に示されたように、特定共振周波数を有していることが発見された。このような共振周波数は、磁石の強度、磁石の重量及びサイズモ質量体の重量によって異なる。図８乃至図１１に説明された振動エネルギーハーベスタの共振周波数は、磁石の強度を調整し、磁石の重量及びサイズモ質量体の重量を変更することにより調整されることができる。

【0034】

本発明は、本体の振動を電気に変換するための電磁エネルギーハーベスタに関するものであり、これは、両端部が強磁性コアの縦軸に沿って巻かれたコイル、及び第１端部が本体に固定され、第２端部が磁石に固定された懸垂装置の上に懸垂されている磁石を含む電磁気装置を含む。コアの第１端部は、磁石に非常に近接し、コアの縦軸は、磁石の磁気軸に実質的に垂直に整列される。エネルギーは、本体の振動がコイルの端部の間に交流電圧を生成することができるコアと磁石との間の相対的な交互移動を発生させる時にハーベスティングされる。本発明は、また磁石の周りに配置された各種電磁気装置に関するものである。このような配置は、同じ全体コイル長さを有するシングルコアハーベスタに比べて、より高い効率の振動エネルギーハーベスタが得られる。

【0035】

本発明で、電磁気装置は、またコアの上に平行に配置された上部水平強磁性ロッド及びコアの下に平行に配置された下部水平強磁性ロッドをさらに含むことができ、これら２つのロッドは、側方向強磁性ロッドによってコアに連結される。これら強磁性ロッドは、磁束をコイルに近く制限することができ、エネルギーハーベスティング効率を向上させることができる。

【0036】

本発明に開示された懸垂装置は、第１面で前記磁石に固定され、第２面で前記本体に固定されるスプリングであり得る。スプリングは、例えば、圧縮スプリング、円錐状スプリング、またはトーションスプリングのような任意のタイプのスプリングであり得る。

【0037】

懸垂装置は、また、本体に連結されたベース、及び磁石に連結されたベースによって支持される自在に回転するヒンジであり得る。この場合、ハーベスタは、ヒンジ及び磁石に付着されたサイズモ質量体をさらに含んで、ヒンジ、磁石及びサイズモ質量体の重心がヒンジの回転軸からずれるようにする。本体が振動または衝撃を受けると、コアと磁石との間に交互する相対運動が誘導される。これは、ハーベスティングされることができる前記コイルの前記端部の間に交流電圧を生成する。

【0038】

最後の懸垂装置は、スプリングを含まないことに留意する。しかしながら、懸垂装置は、相変らずスプリング－マス（ｓｐｒｉｎｇ－ｍａｓｓ）システムと同様の振動様相を有するということが明かされた。本発明は、振動エネルギーハーベスタを利用して、本体の振動を電気に変換するための電磁エネルギーハーベスタの振動共振周波数を決める方法を教示し、前記電磁エネルギーハーベスタは：
ａ．両端部が強磁性コアの縦軸に沿って巻かれたコイル、
ｂ．磁石、
ｃ．本体に連結されるように設計されたベース、及びベースによって支持されて、磁石に連結された自在に回転するヒンジ、
ｄ．ヒンジ、磁石及びサイズモ質量体の重心がともにヒンジの回転軸からずれるように、ヒンジ及び磁石に付着されたサイズモ質量体を含む。
コアの第１端部は、磁石に非常に近接し、コアの縦軸は磁石の磁気軸に実質的に垂直に整列される。ハーベスタの好ましい振動共振周波数を決めるために、サイズモ質量体に対する特定重量を選択する。

【0039】

本発明は、また、本体に連結されたベース、及びベースによって支持されて、前記磁石に連結される自在に回転するヒンジを含む磁石懸垂装置に関する。ハーベスタのこのような構成は、本体の振動がコアと磁石との間の相対交互移動を発生させて、これがコイルの端部の間に交流電圧を生成することができるように、ヒンジに固定された第１端部、及びサイズモ質量体に固定された第２端部を有するレバーをさらに含む。

【0040】

本発明は、また本体の振動を電気に変換するためのスプリングのない電磁振動エネルギーハーベスタの振動共振周波数を決める方法を教示し、この電磁振動エネルギーハーベスタは：

【0041】

ａ．両端部が強磁性コアの縦軸に沿って巻かれたコイル、
ｂ．磁石、
ｃ．本体に連結されたベース、及びベースによって支持されて、磁石に連結される自在に回転するヒンジ、
ｄ．ヒンジに固定された第１端部、及びサイズモ質量体に固定された第２端部を有するレバーを含む。
コアの第１端部は、磁石に非常に近接して、コアの縦軸が磁石の磁気軸に実質的に垂直に整列されるように設計される。この方法は、サイズモ質量体に対する特定重量を選択することにより、ハーベスタの好ましい振動共振周波数を決めることができることを教示する。

【0042】

本発明は、また、懸垂装置を利用する電磁エネルギーハーベスタに関するもので、このような懸垂装置は：
ａ．前記本体に連結されたベース、
ｂ．ベースによって支持される自在に回転するヒンジ、
ｃ．第１端部で自在に回転するヒンジに連結され、第２端部で磁石に連結されるレバーを含み、それにより、本体の振動は、コアと磁石との間の相対的な交互移動を誘導し、これは、コイルの端部の間に交流電圧を生成する。このような電磁エネルギーハーベスタは、エネルギーの変換効率を改善して、振動エネルギーハーベスタの共振周波数を設定するために、前記磁石または前記レバーの前記第１端部に連結されるサイズモ質量体をさらに含むことができる。

【0043】

本発明は、本体の振動を電気に変換するための電磁エネルギーハーベスタの振動共振周波数を決める方法を教示し、このような電磁エネルギーハーベスタは：
ａ．両端部が強磁性コアの縦軸に沿って巻かれたコイル、
ｂ．磁石、
ｃ．本体と連結されるように設計されたベース、及びベースによって支持される自在に回転するヒンジ、
ｄ．サイズモ質量体、
ヒンジに固定されるように設計された第１端部、及び磁石及びサイズモ質量体に固定されるように設計された第２端部を有するレバーを含む。

【0044】

コアの第１端部は、磁石に非常に近接し、コアの縦軸は、磁石の磁気軸に実質的に垂直に整列され、サイズモ質量体に対する特定重量を選択することは、ハーベスタの好ましい振動共振周波数を決めることができる。

【0045】

本特許出願において、振動及び衝撃という用語は、振動及びエネルギーハーベスタに作用する力を記述するのに用いられる。あらゆる種類の力が関連していることは明らかである。

【0046】

磁石の上下運動でスプリングが破損されることを防止するために、ストッパを追加する必要がある。強い振動または衝撃が加えられると、磁石がこのようなストッパにぶつかって長期的には損傷を受ける可能性がある。上下運動を回転に変換することは、このような損傷を防止して装置を単純化させる。

【図1a】

【図1b】

【図1c】

【図1d】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】