JP5504177B2 - 共鳴周波数を調整可能な振動電力ハーベスタ - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、振動に基づく電力ハーベスタに関する。より詳細には、本発明は、工業的プロセスの制御及びシステムの監視で使用し得る周波数を調整可能な振動電力ハーベスタに関する。

プロセス送信機は、野外装置として、工業的プロセスにおいて使用されるプロセス流体の圧力、温度、流れ、及びレベルのようなプロセス・パラメータを監視するために使用される。例えば、典型的には、複数のプロセス送信機は、生産工業施設において、数多くの場所で種々のプロセス・パラメータを監視するために使用される。加えて、プロセス送信機は、国境をまたぐパイプラインのような隔絶された野外の場所で使用される。プロセス送信機は、典型的には、プロセス・パラメータ、即ち、プロセス流体がプロセス制御ループ等により取り扱いが可能であるような制御システム内に組み込まれる。

プロセス送信機は、プロセス・パラメータの物理的変化に応答して電気的出力を発生させるセンサを含む。例えば、静電容量式圧力変換器又はピエゾ抵抗型圧力変換器は、プロセス流体の圧力の関数として電気的出力を発生する。各プロセス送信機は、該送信機及びプロセス・パラメータが現場で又は遠隔的に監視され得るように、センサの電気的出力を受信しかつ処理するための送信機電子装置をも含む。現場で監視される送信機は、プロセス送信機がある場所で電気的出力を表示する液晶表示スクリーンのような表示装置を含む。遠隔的に監視される送信機は、電気的出力を制御ループ又はネットワークを通して制御室のような中央監視所に送信する電子装置を含む。

無線データ送信ネットワークが、急速に、遠隔的に監視される送信機にとり好ましいシステムとなってきている。しかし、各送信機は長寿命バッテリによる電力供給を必要とする。なぜなら、電力を制御ループから得ることができず、また、通常、１２０ＶＡＣの商用電源等の電力供給口は近くに設置されておらず、またこの様な電力供給口を、多大な設置費用をかけることなしには、送信機が設置される極限的な区域に設けることはできない場合もある。無線メッシュネットワークにおいて、各送信機は、メッシュネットワーク上の他の装置と同様、それ自体のためのメッセージをルーティングすることが可能でなければならない。ネットワークをノードからノードへと渡り歩くメッセージの概念は低出力の無線通信が使用可能であるために有益であるが、その一方で、メッシュネットワークは大きな物理的領域に広がる可能性がある。無線メッシュネットワークのための電力需要は低く、電力は低出力のエネルギ獲得素子から発生することができる。例えば、機械的な運動エネルギを電気的なポテンシャルエネルギに変換する振動電力ハーベスタが、これらの制御システムのための電力発生手段として用いられてきた。しかし、これらの電力ハーベスタにより発生される電力は、利用可能な振動源に依存し、これらの振動源は典型的には小さくしかも不安定な電源をもたらしていた。加えて、制御システム及び送信機のための電子装置が高機能になっているため、これらの装置のための電力需要も増大している。利用可能な電力の供給を増大させるために、いくつかのエネルギ・ハーベスティング(採取)素子を多重に使用することが必要になり、これは、時折り、プロセス監視及び制御システムに正当化できない出費をもたらす。したがって、ここに、より効率的で費用のかからないエネルギ・ハーベスティング(採取)素子、特に工業的プロセス制御システムでの使用に適するエネルギ採取素子の必要性がある。

本発明は、共鳴周波数振動電力ハーベスタに向けられており、これは、工業的プロセス制御システムに使用することができる。この共鳴周波数振動電力ハーベスタは細長い本体と、第１の振動エネルギハーベスタ素子と、重りとを含む。前記細長い本体は第１の端部と、第２の端部と、前記第１の端部と前記第２の端部との間を前記細長い本体の少なくとも一部を経て伸びる内部通路とを含む。前記細長い本体の第２の端部は、前記第１の端部が片持ちで支持されるように振動源に接続されるためにある。前記第１の振動エネルギハーベスタ素子は、前記細長い本体の第１の端部に近接して取り付けられている。前記重りは前記内部通路に結合され、前記細長い本体の共鳴周波数を調整する。

本発明の周波数を調整可能な振動電力ハーベスタが使用される工業的プロセス制御システムを示す。 図１に示す周波数を調整可能な振動電力ハーベスタの第１の実施の形態の斜視図を示す。 図２に示す周波数を調整可能な振動電力ハーベスタの断面図を示す。 図１に示す周波数を調整可能な振動電力ハーベスタの第２の実施の形態の斜視図を示す。 図４に示す周波数を調整可能な振動電力ハーベスタの断面図を示す。

図１は、プロセス制御又は監視システム１０を示し、これは、圧力送信機１２と、制御室１４と、無線ネットワーク１６と、プロセス流体の導管又はパイプライン１８と、共鳴周波数が調整可能な振動電力ハーベスタ２０とを含む。圧力送信機１２は、パイプライン１８内のプロセス流体の圧力レベルを検出するための圧力センサ２２と、該圧力センサが発する電気信号をアンテナ２５により無線ネットワーク１６を通して制御室１４へ、又は現場の表示装置２６へ、あるいはこれらの双方へ送信するための送信機回路２４とを含む。圧力送信機１２は、フランジ２８及びマニホルド３０のような種々の接続装置を用いてパイプライン１８に接続されており、これらは、送信機１２の流体システム３２とパイプライン１８のオリフィス板３４のどちらか一方の面との間の流体連通を可能にする。このように、圧力センサ２２は、流量の測定値を提供するためにオリフィス板３４の両側のプロセス流体の圧力差を検出することが可能である。制御室１４は送信機１２からデータを受信し、送信機１２にデータを送信する。送信機回路２４は、センサ２２の出力を調整するための複数の構成要素を含む。回路２４及び送信機１２から受信した被処理圧力信号に基づいて、制御室１４は、無線ネットワーク１６又は他の制御ループのいずれかを通して、プロセス・パラメータを調節することができる。例えば、制御室１４は、適当な複数の弁を調節することによりパイプライン１８を通って流れるプロセス流体の流れを調節することができる。送信機回路２４は、送受信機のような複数の無線通信要素を含み、圧力送信機１２が、適用可能なメッシュネットワーク・プロトコルを用いて無線メッシュネットワーク上で操作することができるようにする。無線ネットワーク１６を介して通信を行うための電力及び装置２４へ電力を供給するための電力が、共鳴周波数を調整可能な振動電力ハーベスタ２０により送信機１２に供給される。電力ハーベスタ２０は細長い本体３６と、カバー３８と、電力ハーベスタ２０を通信機１２内の通信機回路２４に接続する電力ケーブル４０とを含む。

パイプライン１８内を流れるプロセス流体、又はパイプライン１８と接続するモータ又はポンプのような他の振動装置は、パイプライン１８及び送信機１２に振動を生じさせる。電力ハーベスタ２０はパイプライン１８に据え付けられており、パイプライン１８の振動を電力に変換するための機械的エネルギ・ハーベスティング素子を含む。他の実施の形態では、電力ハーベスタ２０はプロセス送信機１２に直接に据え付けられる。パイプライン１８は制御システム１０の動作の間に正負の起振力Ｖ＋及びＶ−（及び他の３次元の力）を受け、パイプライン１８が振動するときにＸ方向及びＹ方向（及び他の方向）へのハーベスタ２０の小さい局所的変位が生じる。ハーベスタ２０のこの局所的変位は、ハーベスタ２０がある周波数で振動するような、振動的な性質のものである。したがって、ハーベスタ２０の機械的エネルギ・ハーベスティング素子は、機械的エネルギに変換される繰り返しの小さい変位をする。また、ハーベスタ２０は、その機械的機能を共鳴振動に導くように調整するための手段を含む。共鳴振動において、ハーベスタ２０は、エネルギ・ハーベスティング素子の局所的変位を最大にする周波数で振動する傾向がある。したがって、エネルギ・ハーベスティング素子は、パイプライン１８の機械的運動から電気エネルギをより効果的に得ることができる。

図２は、共鳴周波数を調整可能な振動電力ハーベスタ２０の構成要素を示すためにカバー３８を取り外された、電力ハーベスタ２０の第１の実施の形態を示す。電力ハーベスタ２０は細長い本体３６と、電力ハーベスタ素子４２及び４４と、重り４６と、基部５０と、回路５２とを備える。細長い本体３６は第１の端部５４と、第２の端部５６と、中央部５８と、ハーベスタ開口６１及び６３と、電気回路用開口６０及び６２とを含む。細長い本体３６の第２の端部５６は基部５０に接続されており、基部５０はハーベスタ２０をパイプライン１８、送信機１２又は他の振動源に接続するためのフランジを含む。基部５０は、好ましくは、ハーベスタ２０を据え付けるためのねじ部品又は他のそのような手段を受け入れる切り込み６４Ａ〜６４Ｄを含む。基部５０は、金属、プラスチック又は複合材料のような、振動を振動源から細長い本体３６に効果的に伝えるのに十分な剛性の任意の材料により形成することができる。基部５０は、ねじ部品により細長い本体３６に取り付けられる。

細長い本体３６は、第１の端部５４が片持ちで支持されるように第２の端部５６において基部５０からほぼ垂直に伸びる梁を備える。図示の実施の形態では細長い本体３６は正方形の梁を備えるが、他の実施の形態では細長い本体３６は円形、長方形又は他のいずれかの断面形状からなるものとすることができる。第１の端部５４、第２の端部５６及び中央部５８は、重り４６及び他の振動変換機能が細長い本体３６内に組み込まれ得るように円形の内部通路６５を含む。正方形の細長い本体３６の各面は、好ましくは、振動ハーベスタ素子又は任意の関連電子装置を受け入れる、細長い本体３６の通路６５と交差する開口６０及び６１又は開口６２及び６３のような２つの開口を含む。開口６１及び６３は、エネルギハーベスタ素子４２及び４４を受け入れ、また開口６０は電気回路５２を受け入れる。エネルギハーベスタ素子又は電子装置が細長い本体３６に据え付け可能であるように、複数のねじ穴が各開口のいずれかの端に設けられている。例えば、電気回路５２が取り付けられたプリント基板７０が、電気回路５２が細長い本体３６の内側にあって細長い本体３６に対して表面が平坦になるように据え付け可能であるように、複数のねじ６６が穴６８に挿入されている。同様に、ハーベスタ素子４２が複数のねじ７１により細長い本体３６に据え付けられている。ハーベスタ素子４２は、ハーベスタ素子４２と第１の端部５４とが一緒に振動するようにハーベスタ素子４２が細長い本体３６に対して確実に動かないようにすべく、各端部において複数のねじ７１により据え付けられている。

エネルギハーベスタ素子４２が開口６１に渡って吊り下げられ、また、エネルギハーベスタ素子４４が開口６３に渡って吊り下げられており、ハーベスタ２０がパイプライン１８（図１）又は他のこのような振動源に据え付けられていて振動するときに、エネルギハーベスタ素子４２とエネルギハーベスタ素子４４とが細長い本体３６の内部及び外部へ自由に撓むようにされている。エネルギハーベスタ素子４２及び４４は、機械的エネルギを電気的エネルギに変換する素子を備える。一つの実施の形態において、素子４２及び４４は圧電型エネルギ・ハーベスティング素子からなる。適当な圧電型エネルギ・ハーベスティング素子が、例えば米国マサチューセッツ州メドフォードのＭｉｄｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されている。他の実施の形態において、素子４２及び４４は電磁型ハーベスティング素子からなる。適当な電磁型ハーベスティング素子が、例えば英国サウサンプトンのＰｅｒｐｅｔｕｕｍ Ｌｉｍｉｔｅｄから市販されている。加えて、適当な振動出力エネルギ素子が、本出願の本出願人から入手可能である。電気回路５２は、電気回路５２を送信機１２（図１）に接続するための電力ケーブル４０と、電気回路５２をエネルギ・ハーベスティング素子４２に接続するための入力ケーブル７２とを備える。電気回路５２とプリント基板７０とは、整流器、コンデンサ、及び、直流若しくは交流変換器のような、エネルギ・ハーベスティング素子４２及び４４の出力を処理するための複数の電子装置を含む。

エネルギハーベスタ素子４２及び４４は細長い本体３６の隣接する２面に据え付けられており、これらが互いに９０度をなして並列配置されるようにされている。したがって、エネルギハーベスタ素子４２は例えばＸ方向の細長い本体３６の振動エネルギを採取するように構成することができ、他方、エネルギハーベスタ素子４４は例えばＹ方向の細長い本体の振動エネルギを採取するように構成することができる。しかし、エネルギ・ハーベスティング素子４２及び４４は、例えばＺ方向又は同一方向のような他の方向のエネルギを得るように構成することができる。他の実施の形態において、エネルギ・ハーベスティング素子４２及び４４は、これらが両方とも、一方向の出力採取が増大にされ得るように同一方向のエネルギを得るように構成される。エネルギ・ハーベスティング素子４２及び４４の出力は、電気回路５２で直流又は交流に変換される前に重ね合わせることができる。重り４６のような、細長い本体の機械的機能を調整するための手段が、エネルギハーベスタ素子４２及び４４の出力を増大すべく所望方向での細長い本体３６の共鳴周波数振動を誘発するように調整される。

細長い本体３６が基部５０に片持ちで支持されているため、振動源からの第２の端部５６の運動が第１の端部５４に伝達される。第１の端部５４の運動又は撓みは、周波数すなわち該周波数で振動源が振動する周波数と、細長い本体３６の固有周波数とに直接に関連する。第１の端部５４の運動は、細長い本体３６の長さと、振動中の、細長い本体３６に付与される結果で生じる力と、細長い本体３６の弾性と、細長い本体３６の質量とにより制御される。これらのパラメータを変更又は操作して、細長い本体３６の共鳴周波数振動を誘発すべく細長い本体の固有周波数を変化することができる。図２ないし図５に示された種々の実施の形態において、本発明の電力ハーベスタ２０は細長い本体３６の振動の周波数を調整するための機能を有する。図２は、細長い本体３６内の通路６５において第１の端部５４に取り付けられた重り４６を有する細長い本体３６を示す。図３の断面により良く示されているように、細長い本体３６の振動周波数をさらに調整するために通路６５の内部に追加の内部機能が含まれている。

図３は、図２の断面線３−３において得られた、共鳴周波数を調整可能な振動電力ハーベスタ２０の断面図を示す。この実施の形態において、電力ハーベスタ２０は振動エネルギ電力ハーベスタ素子４２と、重り４６と、細長い本体３６と、基部５０と、電気回路５２と、留め具７３と、調整用重り７４Ａ及び７４Ｂと、重り７５とを含む。細長い本体３６は第１の端部５４と、第２の端部５６と、中央部５８とを含む。第２の端部５６は、留め具７３により、基部５０に接続されている。基部５０は、切り込み６４Ａ及び６４Ｃにおいて、パイプライン１８（図１）のような振動源に据え付けられる。この振動源の運動は、基部５０を介して、第２の端部５６と、中央部５８と、第１の端部５４とに伝えられる。したがって、第１の端部５４は、振動源の周波数の振動変位を受ける。重り４６及び調整用重り７４Ａ及び７４Ｂは、細長い本体３６の固有周波数が振動源の周波数と一致するように調整され、細長い本体３６が共鳴振動するようされる。

第１の端部５４は通路６５の端に位置付けられ、また、重り４６を受け入れるためのねじ穴を含む。重り４６は、該重りを通路６５内に固定する、例えばナット７６により第１の端部５４に固定される。重り４６は、振動の間に第１の端部５４の変位を増大させるために、基部５０及び振動源から最大限に離れた細長い本体３６の末端に配置されている。次の方程式（１）に示すように、一様な、片持ちで支持された梁の撓みｄは梁の長さｌと梁の自由端に加えられる力とに比例する。

式中、Ｅは梁の弾性率、Ｉは梁の慣性モーメントである。

したがって、振動の間に自由端に加えられる力を増大させることにより、第１の端部５４により大きい撓みを生じさせることができる。自由端である第１の端部５４に加えられる力は、第１の端部５４における運動量を増大させることにより増大される。ニュートンの第２の法則に示されるように、運動中の物体の力はその質量とその加速度との積に等しい。

したがって、方程式（２）によれば、重り４６の質量は、振動源によって第１の端部５４に与えられる加速度に比例する振動力＋/−Fを第１の端部５４に加える。重り４６の力は、方程式（１）に示されているように、第１の側面の撓みをより大きくし、第１の端部５４の振幅及び周波数に影響を与える。重り４６の質量及び長さを、振動源によって細長い本体３６に誘発された振動に基づいて細長い本体３６に共鳴振動を生じるように選択して、振動出力ハーベスタ４２及び４４の出力を最大にすることができる。

加えて、細長い本体３６のように片持ちで支持された梁の撓みは、梁における応力σと歪みεとに直接に関連する、梁の弾性率Ｅにより影響を受ける。次の方程式（３）は、引張状態下にある一様な本体についての弾性率Ｅと、力Ｆと、最初の長さＬ₀と、最初の断面積Ａ₀と、長さの変化ΔＬとの間の関係を示す。

方程式（３）の最後の部分を見てわかるように、弾性率Ｅが小さいと、所与の力Ｆに対して、本体により大きい長さの変化ΔＬを生じさせ、このため、本体内の歪みεを増大させる。弾性Ｅと力Ｆとが一定に維持されるとき、歪みεの増大は長さの変化ΔＬを増大させる。同様に、振動の間に引張及び圧縮状態下にある細長い本体に力＋/−Ｆが加わると、細長い本体３６に歪みが生じる。したがって、細長い本体３６内の歪みの増大によって第１の端部５４の撓みが増大され得る。細長い本体３６内の歪みは、ａ）例えば重りを用いて、細長い本体３６内の振動の間の運動量誘発歪みを増大させ、また、ｂ）細長い本体３６内の残余の歪みを機械的に変化させることにより調整される。第１の方法ａ）は重り４６を用いて行われ、他方、第２の方法ｂ）は調整可能な重り７４Ａ及び７４Ｂを用いて行われる。

調整可能な重り７４Ａ及び７４Ｂは、通路６５にねじ込まれた芋ねじを備える。図示の実施の形態では、調整可能な重り７４Ａ及び７４Ｂは円柱状の栓又はディスクを備える。しかし、他の実施の形態では、調整可能な重り７４Ａ及び７４Ｂは他の形状を含み得る。通路６５は、第１の端部５４から第２の端部５６へ伸びる円形穴を備える。第１の端部５４及び第２の端部５６の近傍と、中央部５８とにおいて、細長い本体３６は通路６５を完全に取り巻いている。しかし、開口６０−６３（図２参照）の近傍では、細長い本体３６はその４つのコーナにおいて通路６５と境を接しているのみであり、したがって、その結果として、細長い本体３６は一様でない断面を有する。通路６５は重り４６を受け入れるように寸法付けられているが、他の実施の形態では、重り４６、重り７４Ａ及び７４Ｂ、並びに通路６５の直径は特定の設計のニーズに対応するように調整される。調整可能な重り７４Ａ及び７４Ｂは、通路６５に沿って組み合わされるねじ溝と係合するねじ山を有する。通路６５は、細長い本体３６を通して伸びており、重り４６が第１の端部５４に配置されかつ調整可能な重り７４Ａ及び７４Ｂが細長い本体３６の長さ方向に沿って調整可能に位置決され得るようになっている。調整可能な重り７４Ａ及び７４Ｂは、通路６５内で重り７４Ａ及び７４Ｂを回転させるための器具を受け入れるソケット８０を有する。重り７４Ａ及び７４Ｂは、これらが互いに当接しかつ重り７４Ａ及び７４Ｂが出会う場所の近くで細長い本体３６の壁内に局所的な歪みε₁を生じさせるように、通路６５内で調整される。重り７４Ａ及び７４Ｂはジャムナットと同様に機能する。第１の重りが局所的歪みが発生されるように望まれる通路６５内の場所にねじ込まれ、次に、第２の重りが第１の重りに当たるようにねじ込まれ、互いに押さえつけられて固定される。これらの重りが互いに押し付けあうため、これらと細長い本体３６とのねじの噛み合いが細長い本体３６の壁を引張状態にする。したがって、方程式（１）及び（３）に関して前述したように、振動中に、第１の端部５４の変位が影響を受ける。局所的歪みε₁の位置は、振動源の所与の振動周波数に関して細長い本体３６の共鳴振動を誘発するように選択される。重り４６のそれと同様に、重り７４Ａ及び７４Ｂの質量が細長い本体３６の振動に影響を及ぼす。したがって、重り７４Ａ及び７４Ｂ及び重り４６の材料は、細長い本体３６の振動に所望の影響を生じさせるように選択することができる。重り４６、７４Ａ及び７４Ｂの質量及び位置は、第１の端部５４及びハーベスタ素子４２の変位を増大させるようにして、細長い本体３６に共鳴周波数をもたらすように調整される。このように、素子４２によって採取されるエネルギは、振動源により発生される所与の周波数に関して最大にされる。

また、開口６３内のハーベスタ素子４２の局所的変位は、採取可能なエネルギをさらに増大させるために増大させることができる。重り７５は、素子４２の局所的撓みを増大させるためにハーベスタ素子４２の中央部に沿って配置されている。振動源から付与された力によって重り４６が細長い本体３６の撓みを増大させるだけで、重り７５が振動源により発生された加速を使用してハーベスタ素子４２の撓みを増大させる。また、重り７５の寸法及び質量を、振動源からの周波数入力に基づいてハーベスタ素子４２の共鳴振動を生じさせるように選択することができる。したがって、ハーベスタ素子４２の出力は、重り４６及び７５と重り７４Ａ及び７４Ｂとを用いて素子４２の絶対的及び相対的変位を増大させることにより増大される。

第１の重り７４Ａと第２の重り７４Ｂとにより引き起こされる局所的歪みε₁は細長い本体３６に不連続を生じさせ、振動について異なる固有周波数を有する部分を備える２段梁を作り出している。加えて、細長い本体３６は、重り４６、７４Ａ及び７４Ｂと開口６０−６３とが例えば細長い本体３６に沿って質量の不連続性を生じさせることにおいて、一様でない。片持ちで支持された梁の撓みは、方程式（１）、（２）及び（３）に示すように、梁の質量と、梁の長さと、梁の弾性とに依存する。しかし、方程式（１）、（２）及び（３）は、一様な特性を有する梁に向けられている。梁の長さにわたって一様でない質量又は弾性、あるいは梁の長さにわたる不連続性のような一様でない特性を有する梁は、さらに、方程式（１）、（２）及び（３）に複雑性を加えるが、しかしながら、その結果の方程式は、なお、梁の長さ、質量及び弾性によって影響を受ける。梁の長さ、重量及び非一様性は、梁の固有周波数を決定する。次の方程式（４）に示すように、長さＬ₁の第１の部分と長さＬ₂の第２の部分とを有する梁の固有周波数ｆ_nは、梁の弾性率Ｅと、梁の質量ｍと、第１の部分の慣性モーメントＩ_Iとにより影響を受ける。

したがって、方程式（１）ないし（４）は、一様でない梁の固有周波数が、（ａ）例えば重り４６を加えることにより梁の質量を変え、あるいは（ｂ）例えば重り７４Ａ及び７４Ｂにより細長い本体３６の歪みε₁を変更して梁の弾性率Ｅを変えることにより、変更可能であることを示す。また、方程式（１）ないし（４）は、一様でない梁の固有周波数が、（ｃ）一様でない梁の少なくとも１つの部分の長さを変え、あるいは（ｄ）梁の長さに沿って質量の分布を変えることにより、変更可能であることを示し、これらは図４及び図５に示されている。

図４は、図１に示す共鳴周波数が調整可能な振動電力ハーベスタ２０の第２の実施の形態の斜視図を示す。この実施の形態では、電力ハーベスタ２０の細長い本体３６が細長い重り８２と、片持ちで支持されたハーベスティング素子８４及び８６とを含む。基部５０に据え付けられる細長い本体３６は第１の端部５４と、第２の端部５６と、中央部５８と、通路６５とを含む、図２及び図３に示されたと同様の要素を備える。また、細長い本体３６は、図２及び図３に示された細長い本体３６の実施の形態の開口６０及び６２と同様である、開口８７Ａ及び８７Ｂを含む。しかし、開口８７Ａ及び８７Ｂは、通路６５の内部まで伸びていない。細長い本体３６は固定具７３により基部５０に接続され、また、基部５０は、図２の基部５０でなされているように、パイプライン１８のような振動源に接続され、Ｘ、Ｙ及びＺ方向に第１の端部５４の運動を生じさせる。電気回路５２が、複数の穴６８と複数のねじ部品６６とを用いてプリント基板７０に据え付けられている。電気回路５２は、開口８７Ａから外向きに面するように細長い本体３６に据え付けられている。

片持ちで支持されたハーベスティング素子８４及び８６は、これらの自由端が細長い本体３６に沿って振動可能であるように、複数のねじ部品７１により細長い本体に接続されている。また、片持ちで支持された素子８４及び８６は、それぞれ、細長い本体３６が振動するときに素子８４，８６の撓みを増大させるための重り８８及び９０を含む。重り７５のそれと同様、重り８８及び９０の寸法及び質量は、素子８４及び８６が共鳴振動ように選択され、したがって細長い本体３６の各振動について採取されるエネルギを最大にされる。

また、電力ハーベスタ２０は、細長い本体３６の振動を調整するために使用される細長い重り８２を含む。細長い重り８２は、細長い本体３６の長さを増大させ、細長い本体３６の振動特性を調整する。また、細長い重り８２は、細長い本体３６の長さに沿って変位し、細長い本体３６の振動特性を調整する。細長い重り８２は、該細長い重りの長さに沿った異なる距離を示す複数の目盛り線を含む。複数の目盛り線は、細長い重り８２が第１の側面８４を超えて伸びる距離、第１の側面８２を超えて伸びる質量、又は細長い本体３６の周波数を指示するように用いることができる。また、電力ハーベスタ２０は、図５に示すように、細長い本体３６の周波数を調整するために通路６５に沿って通過可能である内部重り９２を含む。

図５は、図４の切断面線５−５で得られた、共鳴周波数が調整可能な振動電力ハーベスタ２０の断面図を示す。電力ハーベスタ２０は、細長い本体３６の固有周波数を調整するために細長い本体３６に局所的引張を与える、重り９２Ａ、９２Ｂ、９２Ｃ及び９２Ｄを含む。エネルギ・ハーベスティング素子８６は、一端部のみにおいて複数のねじ部品７１により細長い本体３６に固定されている。このように、素子８６は細長い本体３６上に吊り下げられ、また自由に振動することができる。ハーベスティング素子８６は、作動の間に素子８６の振動を増進し、したがって素子８６のより大きい撓みを誘発する重り９０を含む。また、電力ハーベスタ２０には、細長い本体３６の切り込み内に埋め込まれたストッパ９４が設けられている。一実施の形態ではゴム製のパッドを備えるストッパ９４が、ハーベスティング素子８６の振動を抑制し、これによりハーベスティング素子８６の過度の撓みと損傷とを防止する。

開口８７Ａから外向きに伸びる電気回路５２と共に、内部通路６５が第１の端部５４から第２の端部５６へ伸びている。このようにして、重り８２及び９２Ａ〜９２Ｄのような複数の内部周波数調整要素は、電気回路５２からの干渉なしに細長い本体３６の長さを自由に移動することができる。細長い重り８２は第１の端部５４において通路６５内に伸びるが、しかし、また、第１の端部５４を超えて伸びる。細長い重り８２は、細長い本体３６に沿って細長い重り８２の位置を調整可能であるように、通路６５のねじに係合するねじを含む。細長い重り８２は、細長い本体３６の有効長さを伸ばしかつ細長い本体３６に沿って質量分布を変えるように第１の端部５４から延在された質量を有する。細長い重り８２の長さは、所望の質量が第１の端部５４を超えて伸びることを許すように選択されるが、しかし、それは設計上の必要と、細長い本体３６の形状とに基づいて選択される。細長い重り８２の密度は、細長い重り８２の単位長さの重量が細長い本体３６の単位長さの重量とが一致するように選択することができる。細長い重り８２の位置は、ロックナット７６により通路６５の内部に固定される。重り７４Ａ及び７４Ｂと同様、細長い本体３６もまた内部重り９２Ａ−９２Ｄを含む。加えて、重り９２Ａ−９２Ｄは、細長い本体３６に２つの独立した歪みの変化を生じさせるための２組の張力発生重りを含む。他の実施の形態では、重り９２Ａ〜９２Ｄは、重り８２のそれと同様の方法で細長い本体の撓みを増大させるために通路６５内で独立に使用することができる。本発明のさらに他の実施の形態において、細長い本体３６の密度は、細長い本体３６の共鳴振動周波数を共鳴に至るように調整することを補助すべく、第１の端部５４から第２の端部５６の間で変化するものとすることができる。

細長い本体３６の長さが増大されると、振動中に、第１の端部５４における撓みが増大し（方程式（１）の変数ｌ、又は方程式（４）の変数Ｌ₂により示されているように）、したがって、前述した方法（ｃ）により細長い本体３６の固有周波数が調整される。細長い重り８２の位置及び質量は、第１の端部５４に加えられた力Ｆを増大させ又は減少させるように調整することができ（方程式（２）の変数Ｆ又は方程式（１）の変数ｄにより示されているように）、したがって、前記方法（ａ）及び（ｂ）により細長い本体３６の固有周波数が調整される。内部重り９２Ａ〜９２Ｄは、図２及び図３に示す重り７４Ａ及び７４Ｂのそれと同様の方法で細長い本体３６の壁に局所的歪みε₂を生じさせることにより、細長い本体３６の周波数を調整するために使用され（方程式（３）の弾性Ｅにより示されているように）、このようにして前記方法（ｂ）により細長い本体３６の固有周波数が調整される。

重り４６、７４Ａ、７４Ｂ、８２及び９２Ａ〜９２Ｄは、振動源から振動を受けるときに細長い本体３６の共鳴振動を誘発するように細長い本体３６の機械的特性を調整するための種々の機能及び手段を含む。典型的には、ただ１つのそのような機能が細長い本体３６の共鳴振動を誘発するために必要とされる。しかし、それぞれの具体的な機能は、単独であるいは他の機能と併せて用いることができる。例えば、１つの機能は一方向への振動を大きくするように用いることができ、また、他の１つの機能は第１の方向への撓みを最大にするために反対方向への振動を抑制するように用いることができる。他の実施の形態において、重り４６、７４Ａ、７４Ｂ、８２及び９２Ａ〜９２Ｄのような振動調整機能は、特定の適用に必要とされるように変更することができる。例えば、細長い本体３６及び重り４６、７４Ａ、７４Ｂ、８２及び９２Ａ〜９２Ｄの特定の寸法及び材料は、ハーベスタに求められる電力量及び振動源の周波数により決定されるような設計上の必要に基づいて選択することができる。また、振動エネルギ出力ハーベスタの数は調整することができる。例えば、図２〜５に示す実施の形態において、細長い梁３６は、４つの振動エネルギ出力ハーベスタのための開口６１及び６３のような開口を含み、細長い梁の各々の側面に１つずつ設けられている。しかし、他の実施の形態においては、細長い梁３６の長さは、例えば細長い梁３６の追加の開口のための空間を含むように増大させることができる。

特定のシステムのための設計上のパラメータが選択されると、数学的に又は試行錯誤によって実験的に、細長い本体３６のための共鳴周波数を決定することができる。これによって、細長い本体３６の共鳴周波数に対して振動源の周波数を相互に関連付ける参照テーブルをレファレンスマニュアル内又は送信機電子装置２４内に蓄積しかつ保存することができる。同様に、細長い重り８２上の目盛り線は、細長い本体３６を共鳴に至るように調整するための適当な情報に記録することができる。細長い本体３６が複数の周波数調整装置を含むように表現したが、設計上の必要に基づいてこれらの内の任意の１つまたはこれらの組み合わせを使用することができる。したがって、振動ハーベスティング素子４２，４４、８４及び８６により発生された出力は、振動源の特定の振動に関して最大にすることができる。

本発明について好ましい実施の形態に関して述べたが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに形式及び詳細において変更がなされ得ることを認識するであろう。

Claims (32)

1. 可撓性を有する細長い本体であって、
   第１の端部と
   前記第１の端部が片持ちで支持されるように振動源に接続するための第２の端部と、
   前記第１の端部と前記第２の端部との間で前記細長い本体の少なくとも一部を経て伸びる、ねじが設けられた円筒状の内部通路とを有する前記細長い本体、
   前記可撓性を有する細長い本体が振動したときにエネルギを採取するために、前記細長い本体の前記第１の端部の近傍に取り付けられた第１の振動エネルギハーベスタ素子、及び
   前記細長い本体の周波数共鳴周波数を調整するために、固定位置において前記内部通路内にねじ込まれた円柱状の重りを備える、共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
2. 前記円柱状の重りは、前記内部通路内でねじ係合をして移動するための細長いねじ付き円柱を備える、請求項１に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
3. 前記細長いねじ付き円柱は、前記細長い本体の全有効長さを増大するために、その一部が前記内部通路から前記第１の端部を超えて伸びる、請求項２に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
4. 前記細長いねじ付き円柱は、複数の目盛り線をさらに含む、請求項２に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
5. 前記円柱状の重りは、前記内部通路内においてねじ係合をして移動するための第１の芋ねじを備える、請求項１に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
6. 前記芋ねじが、前記細長い本体の中央部の質量を調節するために前記内部通路内に配置されている、請求項５に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
7. 前記円柱状の重りは、前記内部通路内においてねじ係合をして移動するための第１のねじ付きディスク、及び前記内部通路内に配置された第２のねじ付きディスクを備え、また、前記第１のねじ付きディスク及び前記第２のねじ付きディスクは、互いに当接して、これらの第１及び第２のねじ付きディスクに近くの前記細長い本体の局所的歪みを調節する、請求項５に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
8. 第２の振動エネルギハーベスタ素子をさらに備え、前記第１及び第２の振動エネルギハーベスタ素子が互いに９０度ずれているように前記細長い本体の第１の端部に近接して取り付けられている、請求項１に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
9. 前記内部通路内に配置された第３及び第４のねじ付きディスクをさらに備え、前記第３及び第４のねじ付きディスクは互いに当接して、前記第３及び第４のねじ付きディスク近くの前記細長い本体の局所的歪みを調節し、前記細長い本体が複数の誘発された歪みの変化を生じる、請求項７に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
10. 前記細長い本体は正方形の断面形状を有し、また、前記第１及び第２の振動エネルギハーベスタ素子は前記細長い本体の異なる面に据え付けられている、請求項８に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
11. 前記第１の振動エネルギハーベスタ素子は第１の方向のエネルギを採取するように前記細長い本体に沿って整列され、また、前記第２の振動エネルギハーベスタ素子は第２の方向のエネルギを採取するように前記細長い本体に沿って整列されていて、前記第１の振動エネルギハーベスタ素子がｘ方向のエネルギを採取しかつ前記第２の振動エネルギハーベスタ素子がｙ方向のエネルギを採取するようにされている、請求項１０に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
12. 前記第１の振動エネルギハーベスタ素子及び前記第２の振動エネルギハーベスタ素子は、前記細長い本体の振動の一方向のエネルギを採取するように整列されていて、前記第１及び第２の両振動エネルギハーベスタ素子がｘ方向のエネルギを採取するようにされている、請求項１０に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
13. 前記第１の振動エネルギハーベスタ素子に近くの前記細長い本体に設けられた開口をさらに備える、請求項１に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
14. 前記第１の振動エネルギハーベスタ素子は、
    前記開口に近くの前記細長い本体に固定された第１の端部と、
    前記細長い本体に取り付けられないで前記開口に渡って吊り下げられた第２の端部とを備え、
    前記第１の振動エネルギハーベスタ素子が、前記開口に渡って片持ちで支持され、且つ前記第１の振動エネルギハーベスタ素子の自由端に配置された重りを含む、請求項１３に記載の周波数共鳴周波数共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
15. 前記片持ちで支持された振動エネルギハーベスタ素子の運動を制限するための機械的留め具をさらに備える、請求項１４に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
16. 前記細長い本体の密度は、前記第１の端部から前記第２の端部の間で変化する、請求項１に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
17. 前記第１の振動エネルギハーベスタ素子は電磁式又は圧電式の発電素子を含む、請求項１に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
18. 前記重りが前記細長い本体を移動することを許しながら、一方で電気回路を受け入れるための前記細長い本体に設けられた開口をさらに備える、請求項１に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
19. 前記共鳴周波数振動の電力ハーベスタは、
    前記開口内に配置されたハーベスタ電気回路と、
    前記第１の振動エネルギハーベスタ素子と前記ハーベスタ電気回路とを接続するための第１のケーブルとをさらに含み、
    前記振動源は、導管とプロセス送信機とを含む工業的プロセス制御システムを含み、
    前記プロセス送信機は、
    前記導管内のプロセス流体の圧力、温度、レベル及び流れからなる群から選択されたパラメータを検出し、かつ、検出されたパラメータの関数であるセンサ信号を発生するためのセンサと、
    前記センサに接続された送信機の電子装置であって、前記送信機の電子装置が前記検出されたパラメータを表わす送信機出力を発生させるために前記センサ信号を調整し、前記送信機の電子装置は外部の制御ループを通して通信可能である、送信機の電子装置と、
    前記第１の振動エネルギハーベスタ素子が前記送信機の電子装置と前記センサとに電力を供給するように、前記送信機の電子装置に前記ハーベスタ電気回路を接続する電力線とを備える、請求項１８に記載の共鳴周波数振動電力ハーベスタ。
20. 振動源に接続可能である基部、
    梁であって、
    開口を有する第１の端部と、
    前記基部との接続のための第２の端部と、
    前記基部と前記開口との間を伸びる細長い中空の中央部と、
    前記細長い中空の中央部内に伸びるねじ付きの筒状の通路とを含む前記梁、
    前記第２の端部よりも前記第１の端部の近くに取り付けられた第１の振動エネルギハーベスタ素子、及び
    第１の円柱状の質量であって、前記質量が前記梁に対して振動しないように前記質量を前記ねじ付きの筒状の通路に係合させる外部ねじを有する前記第１の円柱状の質量を備え、
    前記質量が、前記通路内の前記質量の回転により前記細長い中空の中央部に調整可能に配置されて、前記梁の振動特性が調整される、周波数を調整可能な振動電力ハーベスタ。
21. 前記質量は、前記中空の中央部内においてねじ係合をして移動するための細長いねじ付き円柱を備える、請求項２０に記載の周波数を調整可能な振動電力ハーベスタ。
22. 前記細長いねじ付き円柱は、前記梁の全有効長さを増大するために、その一部が前記中空の中央部から前記第２の端部を超えて伸びる、請求項２１に記載の周波数を調整可能な振動電力ハーベスタ。
23. 前記質量は、前記中空の中央部内においてねじ係合をして移動するための第１のねじ付きディスクを備える、請求項２０に記載の周波数を調整可能な振動電力ハーベスタ。
24. 前記第１のねじ付きディスクは、前記梁の中央質量を調整するために前記中空の中央部内に配置されている、請求項２３に記載の周波数を調整可能な振動電力ハーベスタ。
25. 前記中空の中央部内に配置された第２のねじ付きディスクをさらに備え、また、前記第１のねじ付きディスク及び前記第２のねじ付きディスクは、互いに当接していて、これらの第１及び第２のねじ付きディスクの近くの前記梁の局所的歪みが調整される、請求項２３に記載の周波数を調整可能な振動電力ハーベスタ。
26. 前記梁の第２の端部よりも前記第１の端部の近くに取り付けられた第２の振動エネルギハーベスタ素子をさらに備え、前記第１の振動エネルギハーベスタ素子は第１の方向のエネルギを採取するために前記梁に沿って整列され、また、前記第２の振動エネルギハーベスタ素子は第２の方向のエネルギを採取するために前記梁に沿って整列されていて、前記第１の振動エネルギハーベスタ素子がｘ方向のエネルギを採取し、かつ前記第２の振動エネルギハーベスタ素子がｙ方向のエネルギを採取する、請求項２０に記載の周波数を調整可能な振動電力ハーベスタ。
27. 前記第１の振動エネルギハーベスタ素子は、
    前記開口に近接して前記梁に固定された第１の端部と、
    前記梁に取り付けられないで前記開口に渡って吊り下げられた第２の端部とを含み、 前記第１の振動エネルギハーベスタ素子が前記中空の中央部に沿って前記開口に渡って片持ちで支持され、かつ、前記第１の振動エネルギハーベスタ素子が前記第１の振動エネルギハーベスタ素子の自由端に配置された重りを含むように、請求項２０に記載の周波数が調整可能な振動電力ハーベスタ。
28. 前記梁の密度は、前記第１の端部から前記第２の端部の間で変化する、請求項２０に記載の周波数を調整可能な振動電力ハーベスタ。
29. 前記第１の振動エネルギハーベスタ素子は電磁式又は圧電式の発電素子を含む、請求項２０に記載の周波数を調整可能な振動電力ハーベスタ。
30. 梁の第１の端部の近くに振動出力ハーベスタ素子を据え付けること、
    前記振動出力ハーベスタ素子が振動源から片持ちで支持されるように前記振動源に前記梁の第２の端部を据え付けること、
    前記梁が共鳴して振動するまで前記梁の内部の第１の質量の位置を調整することを含む、振動出力ハーベスティング素子の周波数を調整する方法。
31. 前記梁の内部の第１の質量の位置を調整するステップは、前記第１の質量が部分的に前記梁の第１の端部を超えて伸びるようにすることを含む、請求項３０に記載の振動出力ハーベスティング素子の周波数を調整する方法。
32. 前記梁の内部の第１の質量の位置を調整するステップは、前記第１の質量を前記梁内に完全に配置して、前記梁の内部の第２の質量と係合して、前記第１及び第２の質量の近くの前記梁の内部に局所的なひずみを生じさせる、請求項３０に記載の振動出力ハーベスティング素子の周波数を調整する方法。

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