JP2007040298A - 可変剛性を有する機械的エネルギー回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 拡大する使用範囲で、それらの周囲における運動からエネルギーを回収できる、よりコンパクトなエネルギー回収システムを提供する。
【解決手段】 可撓連結手段（２０）により連結された固定パーツ（１２）と可動パーツ（１６）との間の相対運動に基づくエネルギー回収システムにおいて、可変機械剛性を提供するため、例えば反発要素（２４）の存在あるいは線形範囲外の使用により、可撓リンクが作られる。
【選択図】 図４Ａ

Description

本発明は、懸垂させた塊体がその周囲に対して相対運動をする原理に基づき、システムの周囲における運動(振動、衝撃、流動など)からエネルギーを回収できるシステムに関する。

特に、振動及び/又は変形振幅が一定でない周囲に適合させるため、本発明は、下記回収システムに関する。すなわち、懸垂させた塊体を固定パーツに連結する手段を動きに対して非線形態様に応答させ、特に互いに対して自由に運動する二つのパーツを可変剛性のスプリングにより連結する。

二つの装置の間の相対運動によるエネルギー発生の原理は、例えば参考文献１において知られている。それは、例えば参考文献２において、可動式のシステムからエネルギーを回収することにすでに適用されている。ベース(通常外部)は移動するサポートに堅く固定され(ねじ締め、または接着等)、可動パーツ（通常内部）は可撓リンクを介して固定ベースに連結される。懸垂させた可動パーツは、慣性により、固定パーツそれ故にサポートに対し、相対的に変位し、コンバーターは、任意タイプの変換により、回収された機械的エネルギーを所要の任意の形態のエネルギー（電気、熱、機械など）に変換する。例えば、電気コンバーターの変換原理は、電磁気、電気容量、静電気、圧電あるいは他の原理であってもよい(参考文献３〜６をご参照)。

従って、図１は、圧電性原理を用いて機械的エネルギーを電気エネルギーへの変換に関する特別な例を示す。装置１は、振動させるサポート３に固定されたハウジング２を備える。エネルギー変換システムはハウジング２内に設置され、ビーム５を介してハウジング２に連結される塊体４を有する。ビーム５は少なくとも部分的には圧電材料から作られている。上記の連結は該塊体の自由運動を可能にする。また該ビームはその第一端でハウジング２に固定され（組み付けられ）、その第二端は自由となっている。ハウジング２に対する塊体４の相対変位によって、ビーム５の圧電値を変更し、それによって生成された電気エネルギーは連結部６を介して操作システム７に伝送されることが可能となっている。

従来の構造において、可撓連結手段は、所定の振動範囲に最適に応答するような寸法とされている。すなわち、通常、機械要素例えばビーム、バネ、あるいは膜などの弾性変形は、それらの線形変形範囲内に維持される。連結要素は、よって、周囲から予期される振動と変形振幅の関数として適切に選択される。特に、連結手段の変形は付与される力に正比例し、換言すれば、それは装置の運動の加速度に比例する。

例えば、図１における組み付けられた誘導ビーム５について、ビームの端部４の変位ｘとその誘導端部５に付与された力Ｓとの関係は、

により定められる。ここで、Ｌはビーム５の長さであり、Ｅはそれのヤング率であり、Ｉはそれの曲げ軸の周りの慣性モーメントである。
EP-A-0 008 237 GB-A-2 311 171 DE 101 47 720 A1 US 4 719 376 A WO 2005/031952 A WO 2005/057760 A

即座に見られるように、このタイプの構造はパラメーターが期待値と異なる環境において、効率が悪くなり、あるいは不安定にもなる。従前の例において、変形振幅と加速度が大きすぎると、すなわち端部４がハウジング２と接触して停止するような変位を端部４に引き起こすので、該変位に物理的な限界を形成する。衝撃を受ける間に大きなエネルギーが放散され、不可逆的に変換システムを損傷する可能性がある。

この発明は、既存装置のこれらの欠点を克服することを意図している。この発明の利点は周囲に関し制限を受けることを排除することを含む。よって、この発明は、寸法が固定された確固たるエネルギー回収装置の応用範囲を拡大できる。

この目標を達成するため、本発明は、非線形の機械的挙動をし、特に可変剛性を有する要素を追加したことに関連する。より広い応用分野を有する以外に、本発明に係るエネルギー回収構造はよりコンパクトとする寸法とすることができる。

本発明の一つの特徴において、本発明は、互いに連結される一方互いに対して自由に運動できる二つのパーツを備えるエネルギー回収システムに関する。前記システムにおいて、二つのパーツのうちの一つはエネルギーが回収されるサポートに固定連結されることが可能である。有利には、二つのパーツの相対運動により生成されたエネルギーの変換を可能とする手段が提供された。電気的望ましいエネルギーを有効に利用するために、この手段は好ましく電子的要素を備える。装置の構造は、好ましくハウジングを有する。該ハウジング内において、相対的に移動できる懸垂させたパーツを有し、ハウジング及び懸垂させたパーツのいずれか一方がサポートに固定連結されてもよい。

二つのパーツ間の可撓連結手段は以下のようである。すなわち、機構の動きの後の前記手段の変形が、使用範囲内において非線形であり、特に増大している。特に、該可撓連結手段は可変剛性を有するスプリング様(spring-like)要素で構成してもよい。一定のあるいは可変剛性を有し、あるいはこの二つの特性を組合せるスプリングとして機能する要素と、反発要素と結合させることも可能である。

このような方法で、使用期間中において、装置と関連する周囲の振動振幅が一定の値を超えるとき、可撓リンクの剛性は迅速に増大し、可動パーツの変位は線形形状にもはや従わない。よって、通常の装置と比べより小さい装置とすることは可能である。このために非線形の応答特性を利用することは知られていないことに留意する。

本発明の他の特徴によれば、本発明は装置が固定される周囲から生成されたエネルギーを回収する方法に関する。該周囲において、可撓リンクを介して互いに連結される二つのパーツを有する装置は、二つのパーツのうちの一つにより該周囲に固定され、装置の第二のパーツは周囲に第一振幅振動あるいは変形を行うことにより動かす。前記方法は第一振幅が可撓連結リンクの線形範囲を超えるということによる方法である。このリンクは、反発要素と結合するあるいは結合しないスプリング様手段を有してもよい。

従って、この発明は、より広い使用範囲を有するよりコンパクトなエネルギー回収装置を提供可能であり、また該エネルギー回収装置は既存のシステムと比べより堅固である。

以下、添付図面に基づいて、この発明の特有な特徴と利点を説明する。なお、下記の説明は例示に過ぎない、本発明を限定するものではない。

本発明に係る装置１０は、例えば図２に示すように、従来どおり機械的エネルギー源に連結される固定パーツ１２を備えており、この例において、装置１０は、振動が加えられるサポート１４と、可動パーツ１６とエネルギー変換要素１８とも備える。固定パーツ１２がサポート１４に加えられた外部加速（ダブル矢印）を受けると、可動パーツ１６はその慣性により、固定パーツ１２に対して相対運動とされる。機械的エネルギー変換要素１８により、この運動のエネルギーは変換されまた回収される。

変換要素１８は異なる原理、特に文献FR 2 872 868に説明されたような例えば静電気、電磁気、圧電あるいは磁気ひずみ変換に基づいてもよい。

固定パーツ１２と可動パーツ１６は可撓リンク２０により連結される。装置１０の操作範囲を拡張するために、この発明は、可撓リンクに対して、変位負荷に線形に応答しない要素２０、特に増大する機械剛性を有する要素を選択することを提案する。

従って、本発明の範囲内において、可撓機械要素２０の機械剛性は、固定パーツ１２に対する可動パーツ１６の運動振幅の関数として増大し、構造体１０による損害なしで高い外部加速度を吸収することができ、運動振幅が増大するにつれて機械リンク２０がますます堅くなり、その結果として生じた変位がより小さくなる。本発明によれば、非線形手段は装置１０の一体部分を形成し、従来の連結スプリングを代替するという点で、付加されたショック吸収手段ではない。

連結要素２０に対して、この様な選択をすることによって特に二つの効果が得られる。図３Ａに示すように、固定パーツ１２に対する可動パーツ１６の最大変位振幅ｘ_maxが一定である装置１０に対し、例えば固定パーツ１２において可動パーツ１６が停止する可能性があるため、機械的エネルギー回収装置１０の操作範囲は、一定の剛性ｋを有する機械連結手段を使用する構造体１と比べてより大きい。制限ストップと衝突する前に周囲１４の最大許容加速度はａ_１からａ_２に変わる。

逆に、図３Ｂに示すように、周囲14に対して最大振幅ａ_ｍａｘを与える操作範囲が確定できるが、該周囲１４に対し、低減した相対運動ｘの振幅により構造体１０の寸法を削減することが可能となる。なぜなら、可変剛性ｋ（ｘ）を有する機械連結手段を使用することにより、前記相対運動ｘの振幅はｘ_２からｘ_１に低減しているからである。

可変剛性ｋ（ｘ）を有する機械要素２０はいくつかの方法で作ることが可能である。例えば、可撓連結手段２０はそれらの材料の非線形変形範囲が利用できるように、適切に機械的にある寸法に作ることができる。

従って、例えばビームあるいは膜など簡単な変形要素に関して、一般的に、付与された変形が変形構造２０の厚さより大きくなると即座に、線形変形範囲を超えたと見なされる。図１に示すような組み付けられた誘導ビームについて、端部４における変位ｘがビーム５の厚さｈを超えると即座に、剛性ｋ（ｘ）は変形に伴って迅速に増大する。よって、本発明によれば、厚さｈが予想される変位より小さいビーム２０を選択することができる。

逆に、振動によって厚さｈより大きい振幅ｘを有する揺動を生成するような周囲１４に所定の装置１０を使用することができる。他の選択肢としては、スプリング様要素２０をそれらの線形弾性範囲外で使用することができる。

これらの可変剛性要素は様々な方法で作成してもよい。数立方センチメートルを占める巨視的なシステムとの関連では、スプリングとして使用されるビームは、例えば、スパーク機械加工で導電性材料（例えばタングステン、ゴールドあるいはスチール）を切断して、同時に全機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する構造となるよう作成してもよい。マイクロエレクトロニクス技術を使用して作られた微視的な変換システムについて、スプリング要素（典型的にビームあるいは膜）は、例えば明確に輪郭を付与したマスクを用いて異なる技術(例えばＤＲＩＥドライエッチングあるいは湿エッチング)によりエッチングされたシリコンで作ってもよい。

それらの典型的な寸法は１μｍのオーダである。従って、それらの厚さの数倍の変形(数マイクロメートル)に対して、それらの剛性は非線形となる。

さらに、以下の装置１０については、可撓リンクを選択することができる。該装置１０は、スプリングとして機能する要素を備え、該要素の剛性が変位に伴って、可能であれば均一に、また特に作動全範囲に渡って増大する。様々な選択肢が文献US 2004/061412に開示されている。

可変剛性を有する可撓機械リンク２０の他の実施形態は共通手段を使用することである。例えば、図４Ａと４Ｂに示すように、少なくとも一つの付加要素２４と組み合わせるスプリング様手段２２である。該付加要素２４は、最大許容変形振幅ｘ_maxの近傍で運動するとき反発動作をする。可撓連結手段２０の見掛けの剛性ｋはスプリング様要素２２と反発要素２４から出力された剛性の和であり、変位に伴って増大する。

反発要素２４は異なる原理に基づくことも出来る。例えば、静電気の、電磁気の、圧電の、水力の、気体のあるいは組み合わされた力により、要素２４は、固定要素１２と可動要素１６との間の反発をｘ_maxの近傍とする。

例えば、反発磁気要素例えば、構造体の固定パーツと可動パーツに設置あるいは接着された複数の磁石とし、反発磁気要素中同質の極（ＮあるいはＳ）が互いに向き合うように配置されたものとし、該反発磁気要素を変換構造上に移動するようにしてもよい。よって、これらの要素が互いにの方向に近づくに連れて、それらの間に付与される反発力が増大する。純粋な機械復帰力と組合さって、この力は、可変剛性を有する変形要素を全体的に形成する。

例えば、構造体の機械変形要素に圧電材料を使用することを考えることも可能である(例えばマイクロ構造体の場合、圧電材料のフィルムはビームあるいは膜などの機械変形要素をカバーするために作ることができる)。その場合、変形期間中に、構造体の運動に拮抗する圧電力をかけられるように、圧電要素を十分に充電する(例えば変形が機械構造体により許容可能な最大変形振幅に近い所定値を超える時、充電可能となる)。この圧電力は適切な時期に純粋な機械復帰力に加えられているため、この技術は、変位振幅の関数として変化する剛性を有する機械変形要素を作るのに使用できる。

当然、この二つの実施形態は組み合わされることができる。例えば非線形変形範囲における動作を反発要素２４の閾値効果に関連付けるために、反発要素２４は、振動範囲にわたって剛性が非定数であるように、寸法に作られた連結手段に付加されることができる。

従来の構造において説明されたが、本発明による可変機械剛性を有する連結は、文献FR 2 872 868に記載されたエネルギー回収装置の塊体における「逆」構造に組合せされてもよい。この構造において、ハウジング１２は可動パーツを形成し、第二のパーツ１６はハウジング１２を貫通する剛性リンクを介してサポート１４に連結される。

本発明に係る可変機械剛性を有する可撓リンクの使用は、より広い使用範囲を有するよりコンパクトな振動機械的エネルギー回収システムをもたらすことができ、また該システムは既存のシステムと比べより堅固である。特に、連続に使用された非線形効果は、システムの操作範囲を増大できて、低い周波数及び/または大きい振幅運動からより効率的にエネルギーを回収する。

圧電原理による機械的エネルギーの回収をするための周知の装置を示す。 本発明に係る装置を示す。 本発明に係る装置を用いて得られた利点を図示する。 本発明に係る装置を用いて得られた利点を図示する。 本発明に係る装置の他の実施形態を示す。 本発明に係る装置の他の実施形態を示す。

符号の説明

１０ 装置
１２ 第一のパーツ(固定パーツ)
１４ 周囲(サポート)
１６ 第二のパーツ(可動パーツ)
１８ 要素
２０ 第一の手段(第一連結手段)
２２ スプリング様要素
２４ 反発要素
ｋ 剛性

Claims (11)

1. 互いに対して自由に運動する第一のパーツと第二のパーツ（１２、１６）と、
   可動態様で前記第一のパーツを第二のパーツに連結させるための第一の手段（２０）とを備え、
   付与される力の関数とする第一の手段（２０）の変形率は、使用範囲にわたって非線形であることを特徴とする、移動する周囲（１４）からエネルギーの回収をするための装置（１０）。
2. 前記第一の手段の変形率は付与された力の関数として増大することを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記第一の手段は可変剛性を有するスプリング様要素（２０）を少なくとも備えることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
4. 前記第一の手段はスプリング様要素（２２）と反発力を付与可能とする要素（２４）とを更に備えることを特徴とする、請求項１乃至３の何れか一つに記載の装置。
5. 前記第一のパーツと第二のパーツ（１２、１６）との相対運動から出力されたエネルギーを変換するための要素（１８）を更に備えることを特徴とする、請求項１乃至４の何れか一つに記載の装置。
6. 前記第一のパーツ及び第二のパーツのいずれか一方のパーツが、前記第一と第二のパーツの他方のパーツ（１６）を収容するハウジング（１２）であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載の装置。
7. 前記ハウジング（１２）を貫通し、前記第一と第二のパーツの前記他方をサポート１４に固定連結する第二の手段を備える請求項６記載の装置。
8. − 互いに相対的に運動する二つのパーツ（１２、１６）を備える装置（１０）を配置し、二つのパーツの一つ（１２）を周囲（１４）と連結し、装置の二つのパーツ（１２、１６）を可撓連結手段（２０）により互いに連結し、
   − 振動及び/または変形の第一振幅（ａ）によって周囲（１４）を動かし、
   連結手段（２０）を第一振幅（ａ）により生成された力に非線形に応答させることを特徴とする、周囲から機械的エネルギーを回収する方法。
9. 前記可撓連結手段（２０）はスプリング様要素を備え、該要素の剛性（ｋ）は前記第一振幅（ａ）の範囲内において一定ではないことを特徴とする、請求項８記載の方法。
10. 前記可撓連結手段（２０）は第一スプリング様手段（２２）と第二反発手段（２４）とを備える請求項８または９記載の方法。
11. 前記第一連結手段（２０）が振動に対して線形的に応答しないように、第一のパーツあるいは第二のパーツ（１２、１６）のいずれかをある振幅で振動されることができる周囲（１４）に連結することによって、請求項１乃至７の一つに記載の装置の使用方法。

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