JP2001508280A

JP2001508280A - 直線運動電力発生器

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Publication number: JP2001508280A
Application number: JP53126898A
Authority: JP
Inventors: クノチック，ジョン，エー
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-01-13
Filing date: 1998-01-10
Publication date: 2001-06-19
Also published as: EP0953223A4; US5818132A; WO1998031090A1; AU6241398A; EP0953223A1

Abstract

(57)【要約】間欠的な力によってなされた仕事から電流を発生するための直線運動電力発生器。可動磁石（２）が、少なくとも２つのコイル（５および６）の各々を通って、両方向の直線、またはほぼ直線の運動により動く．ことができるように制御される。コイルは互いに間隔が置かれ、かつ可動コイルの運動の結果として第１コイルに発生される電流が実質上前記第２コイルに発生された電流と位相が一致しているように電気的に接続される。本発明の実施形態は極端に低い動力の機械的力から電力を供給し、かつ長寿命のフラッシュライト、警報装置および通常の電力源が利用し得ない場所に配置された通信装置に動力を与えるために有用である。他の好適な実施形態は、歩行または走行中の靴の踵の力のように反復力からその機械的動力を引き出す薄型のユニットである。

Description

【発明の詳細な説明】直線運動電力発生器技術分野本発明は電力発生器に関し、特には、直線運動電力発生器に関する。背景技術米国特許第５，３４７，１８６号公報が１９９４年９月１３日に出願人に発行された。この特許は直線機械運動を電力に変換するための電力発生器を開示している。開示された装置は希土類（rare earth）磁石とともにかつ海の波の動きおよび人間のジョギングをする人に関連付けられた運動のような比較的高い動力の直線機械運動を用いて使用のために設計された。これらの希土類磁石はセラミック円板磁石と比較すると高価である。少量の離れた電力の必要を満足することができる非常に低い動力の機械的運動が利用できる状況が現在存在している。必要とされるのは、非常に低い動力の直線機械運動を電力に変換することができる改良された直線運動電力発生器である。発明の開示本発明は、間欠的な力（intermittent force）によってなされた仕事から電流を発生するための直線運動電力発生器を提供する。可動磁石は、少なくとも２つのコイルの各々を通って、両方向の直線、またはほぼ直線の運動により動くことができるように閉じ込められる又は制御される。コイルは互いに間隔が置かれかつ可動コイルの運動の結果として第１コイルに発生される電流が実質上前記第２コイルに発生された電流と位相が一致しているように電気的に接続される。好適な実施形態は極端に低い動力の機械的力からの電力発生を与えるために説明されている。本発明の実施形態は長寿命のフラッシュライト、警報装置および通常の電力源が利用できない場所に配置された通信装置に動力を与えるために有用である。他の好適な実施形態は歩行または走行中の靴の踵の力のように比較的高い動力の反復力（repetitive force）から電力を発生する薄型（low profile）のユニットである。図面の簡単な説明第１図は本発明の実施形態を示す説明図である。第２図および第３図は本発明の好適な実施形態を示す説明図である。第４Ａ図ないし第４Ｍ図は様々な位置にある可動磁石の好適な実施形態を示す説明図である。第５Ａ図ないし第５Ｃ図はコイルの各々に発生された電流が一致しているように設計されているコイルの重要性を示す説明図である。第６図は単一の磁石ハウジングに取り付けられた幾つかの発生器を示す説明図である。第７図は多数の可動コイルを有する実施形態を示す説明図である。第８図はユニットの方向付けが知られてない場合に好適な３つのコイルを備えた実施形態を示す説明図である。第９図はユニットの方向付けが常に垂直であるとき有用である実施形態を示す説明図である。第１０図は可動磁石と閉じ込め管の壁との間の力を減少するように設計された実施形態を示す説明図である。第１１Ａ図および第１１Ｂ図は水平方向の力から動力を発生するように設計された実施形態を示す説明図である。第１２図は衛星通信装置の１部分として気道車に使用のために設計された好適な実施形態を示すブロック図である。第１３Ａ図は動力源のために本発明を使用するフラッシュライトの原理的特徴を示す説明図である。第１３Ｂ図は第１３Ａのフラッシュライトの電子的構成要素を示す説明図である。第１４図は靴の踵に使用されるような低い水準の発生器を示す説明図である。第１５図は比較的高い動力の直線運動電気発生器を製造するために積み重ねられた非常に平坦なコイルを利用する実施形態を示す説明図である。発明を実施するための最良の形態本発明の好適な実施形態を図面を参照して以下で説明する。好適な直線運動発生器第１実施形態本発明の第１の実施形態が第１図に示されている。発電ユニット（electric g enerating unit）２４は厚さ０．０１４インチ、外径１７／３２インチおよび長さ４インチの真鍮管１（brass tube）からなっている。管１は非鉄金属にすべきである。アクリルと、ガラスと、真鍮と、ガロライト（garolite）と、テフロンとを有する種々の管材料が、モデルにうまく使用された。ほとんどの非鉄金属材料の管を使用することができる。薄い壁の真鍮は最も多くの用途に関して選択の材料となった。磁石２は直径０．５インチおよび長さ０．７５インチを有するアルニコ−８（Alnico-8）材料から構成されたロッド磁石（rod magnet）である。ユニットは各々ＡＷＧ＃３４の変圧器ワイヤの８０００巻線を有する２つのコイル５および６を有する。コイル５および６は各々０．７５インチの長さであった。これらのコイルはアクリルセメント（Acrylic cement）で結合され、かつそれらの間の０．７５インチの離れて管上の中心に置かれた。端部磁石（end magnet ic）３および４は、直径１インチおよび厚さ０．２５インチの安価なセラミック円板磁石（ceramic disk,C.D．）であった。端部磁石は、反発する磁力により磁石２を吊り下げるように磁石２に対して反対の極性にある。端部磁石は、ホットグルーガン（hot glue gun）の使用によって管１の各端部において所定位置に装着（glue）される。次いでダクトテープ（duct tape）７が耐久性のために端部磁石３および４の外側のまわりに巻回される。ユニット２４の普通の上下動はオシロスコープのリード線（開回路にされた）を横切って約５ボルトの各コイルからの最高電圧のピークを発生した。第１実施形態は中実（solid）の可動磁石２を利用している。可動磁石はこの電力発生器の単なる可動部分である。管の外側のコイルを通るその運動は、装置の有用な動力を発生する。効果的にするために、可動磁石は管内で自由に動き、かつ良好な磁気的強度、すなわち、コイルを通る多数の磁束線を持つ。また、ユニットの寿命にわたってその磁気的強度を保持し、またはそれを他の方法で述べると、磁気的強度の保持は実質上ユニットの寿命を決定する。希土類磁石が強力な磁界を設けかつ長い寿命（例えば、１００年が期待され得る）を設けるための最良の磁気的材料である。しかしながら、希土類磁石は、とくにより大きい大きさにおいて、またはこの用途に必要とされる形状において高価である。この用途に必要とされる磁石形状は、磁石が管内で回転するか、または急に動くの（flop ping）を阻止するためにそれらの直径より長い長さを有する必要がある。このロッド形状（rod-shaped）の磁石は、普通の円板磁石の形状より高価である。アルニコ５、またはアルニコ８磁石はまた長い寿命を有しかつ多数の用途に適して良好に作動する。しかしながら、ロッドの形状においていずれの型も、より短い長さの円板形状における同一直径ユニットに比して高価である。決められた長さ（普通は薄いディスクサイズ）に達成すると磁石の長さを増大してもその強さは増大しない。第２実施形態第２の実施形態は中実の希土類またはアルニコ可動磁石２に関連付けられるコストを最小にするように設計された。より強力なアルニコまたは希土類磁石の端部に同一直径の安価なセラミック磁石を取着（attached）することにより、非常に低減されたコストで所望のロッド形状を達成し得る。これらの「磁石サンドイッチ（magnetic sandwiches）」は、セラミックまたは他の幾つかの非常に安価な材料からなる安価な端部磁石とともに、中心において希土類または他の強力な磁石からなる強力であるが安価な薄い円板磁石を使用する。導磁性材料がまたセラミック磁石に代えて使用されることができる。中央の磁石の保持力（holding power）は、接着剤が所望ならば使用されてもよいが、接着剤なしで所定位置にサンドイッチを堅固に結合している。この形状は、また、最適な効率のためにコイルの長さに適合するように可動磁石の長さを合わせる柔軟なかつ有効な方法を提供している。第２実施形態は第２図に示されている。発電ユニット２５は壁厚さ０．０１４インチ、外径１７／３２インチおよび長さ５インチを有する真鍮管１からなっている。真鍮管１はマックマスター−カール（Mc Master-Carr）のメールオーダーカタログから入手可能である。可動磁石２は磁力によってともに保持される３つの小さな円板磁石（C.D.MAG）２Ａ，２Ｂ，２Ｃを備えて構成されている。中心の円板磁石２Ａは、（少量の約９ドルに関して）カリフォルニア州フレモントの事務所で、ペルマグ社（Permag Corp．）から入手可能である、直径０．３７インチおよび長さ０．２５インチからなる希土類ネオジム−鉄−ホウ素（Neodymiu m-Iron-Boron)磁石である。磁石２Ｂおよび２Ｃは直径０．３７５インチおよび０．２５インチの安価なかつ普通に入手可能なセラミック円板磁石である。ユニットは各々ＡＷＧ＃３８またはＡＷＧ＃３４（図面はＡＷＧ＃３４を示している）の変圧器ワイヤの１００００巻線を有する２つのコイル５および６を備えて構成される。コイル５および６は各々０．７５インチの長さでかつ反対方向（すなわち、１ＣＷ（clockwise）および１ＣＣＷ（counter clockwise））に巻回された。これらのコイルはアクリルセメントで結合されかつそれらの間の０．７５インチ離れて管上の中心に位置されている。端部磁石３および４は直径１インチそして厚さ０．２５インチの安価なセラミック円板磁石であった。端部磁石はホットグルーガンの使用によって管１の各端部において所定位置に接着された。端部磁石（rare earth magnet,R.E.M．）３および４の外側で、希土類円板磁石３Ａおよび４Ａが端部磁石の長い寿命を保証するように取着された。磁石３Ａおよび４Ａは厚さ１／８インチそして直径１／４である。次いでダクトテープ７が耐久性のために端部磁石３および４の外側のまわりに巻回される。ユニット２５の非常に穏やかな振動はオシロスコープのリード線（開回路にされた）を横切って約３ボルトの最高電圧のピークを発生した。激しい振動は２０ボルトの最高電圧のピークを発生した。反対に巻回されたコイルのこの組み合わせの結合コイル抵抗は２，８５０オームであった。それゆえ、激しい振動により２，８５０オーム負荷に約１７．５ミリワットの電力を供給した。可動磁石２の設計の変更に加えて、第２実施形態は、また、希土類磁石３Ａおよび４Ａを取着することにより端部磁石３および４の強度を増大する方法を提供している。感度のよいユニットのために、安価なセラミック磁石が、中央の可動磁石上に十分な弾力のない保持力を設けることができる。しかしながら、これらのセラミック磁石は、安価であるが、時間の経過でそれらの磁気的強度を失う傾向を有している。逆に、希土類磁石は比較的高価であるが、優れた磁気的寿命を有している。端部磁石として使用のためのこれらのセラミック磁石のより低いコストの利点を得るような手段は、セラミック磁石の外側に非常に小さく、かつ結果として安価な希土類磁石を取着することである。それにより実質上永続的な磁化を保持しながら非常に低いコストの端部磁石の提供が可能である。他のオプションとして端部磁石３および４と可動磁石２との間にクッション材料が設けられる。端部磁石は、管内に中央の、可動磁石を吊り下げる弾力のない（springless）手段を設けている。これらの手段は管の内径と同一の大きさに、または僅かに小さく作られ、かつ端部で管の内部に、所定位置に結合され得る。しかしながら、好適な実施形態は管の直径より僅かに大きい端部磁石を使用している。これらの大きな磁石は組み立てを非常に容易にし、かつクッション材料が管と端部磁石との間に使用されるのを許容している。このクッション材料は弱い端部磁石が感度に使用されるとき有用であるが、他の方法では可動磁石が端部磁石に衝突しかつそれらを損傷させるかも知れない極端なＧ−力（G-force）の衝突が遭遇される可能性がある。最後に、第２の実施形態は、より長い管１に有用である。管１の長さはユニットの感度に直接影譬を及ぼす。強力な端部磁石が使用されるならば、短い管が中心に強力に保持されるように中央の可動磁石を生じる。同一の端部磁石を備えたより長い管は中央磁石上により弱い保持力を有し、その長い管をその軸線に沿う運動に対してより感度が良くさせる。第３実施形態第３実施形態はより大きな直径を有する管１を利用している。前の実施形態において、磁石の直径より僅かだけ大きい管がユニットの大きさを最小にするのに使用された。これが実施されたとき、空気を循環させるように管の端部に切れ込みまたはノッチ（notch）を入れることが必要になる。管の長さに沿って管に穴を開けられた孔が、また、コイルの配置がこれらの呼吸孔の幾つかを閉じるようにするけれども、この減衰作用を最小にするために幾つかのモデルに使用された。切れ込みを入れた端部、または管の呼吸孔なしでは、可動磁石の運動は、シリンダ内のピストンのように、空気の流れの不足から減衰される。しかしながら、好適な実施形態は、磁石の運動の空気減衰を生じないように、磁石のまわりの良好な空気の流れを許容するように磁石直径より十分に大きい管直径を選択することができる。第３の実施形態が第３図に示されている。発電ユニット２７は厚さ０．０１４インチ、外径９／１６インチおよび長さ５インチの真鍮管１を有している。可動磁石２は、直径０．５インチそして長さ１インチからなるアルニコ−８ロッド磁石である。第３実施形態の他のすべての態様は第２実施形態に記載された態様と同一である。ユニット２７の非常に穏やかな振動はオシロスコープのリード線（開回路にされた）を横切って約３ボルトの最高電圧のピークを発生した。激しい振動は２０ボルトの最高電圧のピークを発生した。反対に巻回されたコイルのこの組み合わせの結合されたコイル抵抗は２，８５０オームであった。それゆえ、激しい振動により２，８５０オームの負荷に約１７．５ミリワットの電力を供給した。設計の変形コイルの方向発電ユニット２４が上下動するとき、可動磁石２はコイル５と６との間で振動する。可動磁石２の運動は第４Ａ図ないし第４Ｍ図に示されている。文字ＡないしＭは、可動磁石が１と１／２（１-１／２）サイクル振動するときの可動磁石２の位置を示している。可動磁石２がコイル５および６に関連して動くとき、電圧がコイルを通って発生される。時間および磁石位置の関数としての電圧が、第５Ａ図および第５Ｂ図にグラフ的に示されている。コイル５がコイル６と同一方向に巻回されるならば、コイル６の端部７および８との間に読まれる電圧およびコイル５の端部１０および１１の間で読まれる電圧は位相が異なっている（phase of out）。これは磁石２がコイル６の方向にコイル５を出ているとき、運動を反対にするようにコイル５および６に発生されるような信号を生じるためである。結果として生じる電流は各コイルにおいて反対方向である。それゆえ、コイル端８とコイル端１０との間の短絡回路は、第５Ａ図に示されるように、２つの信号が互いに大きく相殺するためコイル端７〜１１を横切る非常に小さい電圧測定を結果として生じる。しかしながら、コイル端が逆にされるならば、その結果コイル端８はコイル端１１に接続され、電圧はコイル端７と１０を横切って読まれ、信号は位相が一致しかつ第５Ｂ図に示されるように加わる。好適な実施形態において、同一の作用がまずコイル５を時計回り（clockwise）に巻回しかつ次いでワイヤの同一片に延びそして反時計まわりにコイル６を巻回することにより達成される。その作用は第５Ｃ図に示される。これはコイル端８とコイル端１０との間に必要とされる短絡回路が、両コイル５および６が同一ワイヤから作られるときに自動的に作られるため、製造において顕著なステップを節約する。並列の多数のユニット好適な実施形態において、直線運動電力発生からの電力出力は幾つかの発電ユニット２４を並列に配置することにより増大される。この実施形態において、端部磁石３および４は、第６図に示されるように、導磁性のハウジング３０によって置き換えられる。ハウジング３０は、このハウジング３０の端部が可動磁石２に対して極性反対にあるように２つの磁石２０および２５によって磁化されている。各発電ユニット２５のコイルは第２図および第３図に示されるように時計回りおよび反時計回りに巻回される。各発電ユニット２５は２つのコイル端７および１１を有している。各発電ユニット２４のコイル端７および１１は、より大きい電流出力を達成するように互いに並列に接続されるか、またはより大きい電圧出力のために直列に接続され得る。出力電力はハウジング３０内の発生ユニットの合計数によって増倍される１つの発生ユニット２４の出力電力に等しい。多数の可動磁石他の実施形態において、電力出力は、第７図に示されるように、管１内の可動磁石２の数を増加することによって増大され得る。第７図は３つの可動磁石２を示すが、いずれも奇数が使用され得る。各可動磁石２に関して、対応するコイル５および６がある。これらのコイルからの出力は、再び所望の性能のために直列または並列に接続され得る。空気減衰（air damping）の減少可動磁石は、管の内側により余りに小さい隙間（clearance）を有するならば、管内の磁石の両側において空気圧によって減衰され得る。多数の管の変更がこれを防止するのに役立ち、かつ管設計の段落により上記で議論された。磁石の形状はまたこの作用を同様に緩和する。磁石の直径と管の内径との間の比較的大きい隙間を有する磁石が使用されるならば、空気は磁石のまわりを自由に容易に動く。同様に、磁石が共通のトロイダル磁石（toroidal magnet）の積み重ね(stac k)のように、それらに孔を有するならば、空気はそれらの孔を通って自由に通過しかつ磁石の運動を減衰しない。要約すると、空気減衰を減少するための幾つかの方法がある。すなわち、（１）可動磁石２が端部磁石３または４に近づくとき空気の逃げを許容するように管１の端部にノッチが切られる。（２）可動磁石２が端部磁石３または４に近づくとき空気の逃げを許容するために孔が管１の長さに沿って管１に穴が開けられる。（３）管１は磁石２のまわりの良好な空気の流れを許容するように可動磁石２の直径より十分に大きくするように使用されるかまたは磁石は孔を通るまたは孔のそばの空気の流れを許容するように外方溝または孔を形成することが可能である。感度の上昇ユニット２４の感度は、ユニット２４が垂直位置にあるとき、可動磁石２と管１との間の摩擦が最小にされるため、ユニット２４を垂直位置に方向付けることにより著しく増加され得る。可動磁石２上に誘起する（induce）安定化力（stab ilizing force）端部磁石３および４を減少するために弱い端部磁石３および４および／または長い管１を使用することにより、発電ユニット２４は同様により高感度に作られる。しかしながら、端部磁石３および４がより弱くかつ管１がより長いため、底部端部磁石の安定化力が重力により下方に向かって一定に強制される可動磁石２上のより弱い作用を有する。それゆえ、コイル５および６の位置は、最大の性能を達成するように調整される必要がある。或るときは垂直に、或るときは反対の垂直方向に、或るときは水平に方向付けられる３つのコイル実施形態がユニットに好適である。これらのコイル５，６および６Ａは、第８図に示されるように、管１の中心の下に落ち込むような可動磁石２の傾向（propensity）を補償する。３つのコイルは、第８図に示されるように、管１の中心に１つ、そして管の両側に他の２つが巻回されている。好適な実施形態において、各コイルは同一のワイヤから作られ、かつそれに隣接する１つから反対方向に巻回され（例えば、ＣＷ，ＣＣＷ）、その結果ワイヤは最入出力に関して適切に位相付けされる。垂直方向の２つのコイルの実施形態下方に面している同一端と常に垂直位置にあるユニットに関して、コイル５および６の数はちょうど２つに減少されることができ、そして端部磁石の数は、第９図に示されるように、ちょうど１つに減少されることができる。可動磁石２は重力１０および端部磁石３からの磁力の反作用によって「浮動（floating）」位置に保持されている。気動車への適用衛星通信用バッテリ充電器作動に計画されている直線運動電力発生器の好適な用途において、発生ユニットは個々の気動車に十分に充電されたバッテリを保持するように使用されている。バッテリは、順次、気動車の車中のエレクトロニクスパッケージ（electronic s package）と監視地上ステーション（monitoring ground station）との間の衛星を経由した通信に対して周期的に電力を供給する。これらのユニットは交換（労力が増大しかつ結果として高価である）前に５年間の作動寿命を有するのが望ましい。必要とされるバッテリから５年の寿命を得るためにはバッテリを再充電する。再充電する他の手段（例えば、ソーラー、風駆動（wind driven）等）はこれらのユニットの予測される環境条件にすべて合致し得ないことが認められた。上述されたような原型（prototype）のユニットは気動車に載置されかつそれらの出力を測定するために地方を横切って送られた。それらは要求に合致するのに十分であると認められた。しかしながら、それらはより高感度に作られる必要がありかつ従来の直線運動電力発生器より、より安価に作られる必要があり、そしてこの開示に記載された技術はそれを可能にした。この用途に使用されるユニットの好適な実施形態は第２図に示された設計と同一である。ユニットは＃４０ワイヤの２つのコイルの各々に１０，０００回の巻線を有している。コイルは反対方向に巻回され、かつこれらは約０．７５インチの長さである。可動磁石は、希土類磁石のサンドイッチ、直径約０．３７５インチおよび結合された長さ０．７５インチのセラミックである。管は上述されたように真鍮管である。端部磁石は外側に取着された小さい希土類磁石を有する直径約１インチおよび厚さ０．２５のセラミック円板磁石である。ユニット全体は鋼パイプ３２の内側に置かれ、そしてユニットから突出している２本のワイヤ３３および３４のみと密閉密封されている。これらのユニットは通常の作動条件下で約１０ミリワットの電力を供給するように期待されている。（第１２図参照）。他のレールの設計気動車はかなり水平の運動を有している。しかしながら、運動は非常に低い周波数でありかつそれゆえその利点を得ることができるように高感度のユニットを必要としている。発生ユニットは磁石２が端部磁石の反発力で実質上「浮動」している垂直位置にあるとき最大の感度を有している。この方向付けの利点を取るために、ユニット２４は、第１０図に示されるように、枢動点（pivot point）からロッド４０上に吊り下げられ得る。重り４１が、水平力が相殺されるのを保証し、かつ磁石２と管１の壁との間の水平力を最小にするようにユニット２４の底部に加えられることができる。他の実施形態は互いに直角に２つの電力発生器ユニットを使用することによりこの方向付けの利点を取るように設計され、かつ結合されたユニットの自由運動を許容する枢動点に取り付けられた。水平に方向付けられたユニットは点のまわりに自由に枢動するプレート上に取り付けられ得る。垂直に取り付けられた動力発生器ユニットは、またプレート上に取り付けられる。任意の重りが、またこの垂直に取り付けられたユニットに追加され得る。水平力が枢動点（気動車の本体または他の水平に可動のベースに取り付けられる）を通って加えられるので、垂直に取り付けられるユニットの慣性（inertia）によりプレートの揺動運動（roc king motion）を生じる。この揺動運動は水平に取り付けられたユニットを上方に傾け、ユニットの傾斜によりそれに過剰な運動力を生じる。一方で、垂直に取り付けられたユニットは同様に存在する垂直な力運動に自由に応答する。第１１Ａ図および第１１Ｂ図は、気動車を動かすことにより発生された水平力から電力を発生するための実施形態を示している。この場合に、管およびコイルは気動車に固定されかつ可動磁石２はコード（cord）またはロッド４５によって支持される枢動点４４から揺動する（swing）振り子（pendulum）の１部分である。両方の場合に端部磁石は任意である。長寿命のフラッシュライト高出力ＬＥＤの出現により、バッテリを交換することなく実質上永遠に持続すし、かつ通常の電球およびバッテリを使用するフラッシュライトより非常に長持ちし得るフラッシュライトを作ることができる。通常の電球はフラッシュライトが落下される場合に破損し、かつ時が経つに連れて磨耗する（wear out）フィラメントを有している。このユニットはフラッシュライトの電球に電力を供給することができるが、この装置の極端な寿命のため、ＬＥＤが光変換器のより寿命のある選択を提供する。現在、ＬＥＤの出力光レベルは白熱電球より非常に低いが、ＬＥＤの技術の各年の進歩はそれらをより明るくしている。この用途は第２図におけると同様な電力発生器ユニットを使用し、かつＬＥＤまたは白熱電球にエネルギ貯蔵および制御された電力を供給するために幾つかの簡単なエレクトロニクス（electronics）を供給している。２つの型のユニットが、この概念を有効にするために構成され、これらはエネルギ貯蔵コンデンサを使用する簡単なバッテリなしのユニット、およびユニットにより完全に充電して保持される再充電可能なバッテリユニットであった。機械的運動が、小型ボート上で、自動車の手袋入れ（glove-compartment）またはトランクの中で、ハイカーの背負い袋（backp ack）内で表面上存在する幾つかの位置に保持されるか、または自転車に取り付けられるフラッシュライトにより、ユニットはエネルギ貯蔵装置に動力を一定に供給している。それゆえ、フラッシュライトは必要とされるとき常に十分に充電されている。これら２つの実施形態は以下で説明される。コンデンサエネルギ貯蔵フラッシュライト第１３Ａ図は装置の好適な実施形態を示している。このユニットは第２図と同様である電力発生器ユニット４２を含んでいる。原型のモデルにおいて動力発生器ユニット４２は０．０１４インチの壁厚および５インチの長さを有する０．５インチＯ．Ｄ．真鍮管１を使用した。この管上に＃４０磁石ワイヤを使用して１端から１．２５インチで始まったコイル４５Ａおよび４５Ｂが巻回された。コイル４５Ａは０．７５インチの長さで時計まわりに１０，０００回巻回され、次いで１．０インチだけ離され、次いでコイル４５Ｂが、再び、０．７５インチの長さにより、反時計方向に１０，０００回巻回された。コイルの外径は約０，７５インチであった。端部磁石３および４は、永続的な磁化を設けるために外側に取着された小さい（直径０．２５インチ×厚さ０．１２５）のネオジム−鉄−ホウ素（ＮｄＦｅＢ）磁石を備えた直径１インチ、厚さ０．２５インチの安価なセラミック磁石であった。可動磁石２は４つの安価な直径０．３７インチ×厚さ０．２５インチのＮｄＦｅＢ円板磁石のサンドイッチであった。コイル端部４３および４４は、第１３Ｂ図に示されるような全波ブリッジ整流器７７（ラジオ・シャック（Radio Shack）＃２７６−１１５２）に取着された。ブリッジ整流器７７の正のＤＣ出力は８２０オームの電流制限抵抗器７９に接続された。抵抗器７９の他の側は、押しボタンスイッチ４７の１端および１０，０００マイクロファラッド（１６ボルト）エネルギ貯蔵コンデンサ７８の両方にに取着された。動力発生器ユニット４２の運動は、コンデンサ７８を充電されて保持するようなエネルギを提供する。電圧制限ツェナーダイオードがコンデンサ７８を保護するためにこのコンデンサを横切って配置されることができるが、電流制限抵抗器７９はこのモデルに十分な保護を設ける。押しボタンのスイッチ４７が閉じられるとき、バイアス抵抗器（bias resistor,B.R．）（８０およびＮＰＮトランジスタ８１（ラジオ・シャック＃２７６−１６１７）のコレクタの双方にコンデンサ７８に貯蔵された電圧を印加する。バイアス抵抗器８０の他端はＮＰＮトランジスタ８１のベースおよび電圧基準（voltage reference）８２の両方に接続される。この原型においてツェナーダイオードがここでもまた使用され得るけれども、４つの１Ｎ９１４シリコンダイオードが、およそ２．８Ｖ（４ ×０．７Ｖの順方向電圧降下）の電圧基準８２を設けるように直列に接続された。ＮＰＮトランジスタ８１のエミッタ端はしたがってＬＥＤ４９を点灯するように約２．１ボルトにバイアスされた。ＬＥＤ４９は高輝度であり、ジャンボＬＥＤ（ラジオ・シャック＃２７６−２０６）はそれに約２ボルトで１２，０００ｍｃｄに定格された。電力発生器４２およびエレクトロニクス４６は、第１３Ａ図に示されるように、外径１．２５インチ、壁厚１／１６インチ、および長さ８インチを有する透明なアクリル管４０内に収納された。収納管４０は一端に嵌合された端部キャップ終端４１、かつ他端の終端４８が白いＧＥシリコンＩＩバスタブおよびタイル密封剤（GE Silicon II Bathtub and Tile sealant）であった。原型の実施形態は目の夜間視界適合性を破壊しない明るい赤色光を提供し、しかもさらに部屋を横切って物体を読み取りまたはそれにスポットライトを当てるのに十分な照明を提供する。運動なしに、コンデンサ７８は約１０秒の明るい照明および約３０秒の不鮮明な照明を提供する。しかしながら、これらを４倍にし、かつさらにハウジング４０内に快適に嵌合され得る入手可能なコンデンサが利用可能である。他の有用な特徴は光の強さを制御するためにバイアスネットワーク内に簡単なポテンショメータがあっても良い。再充電可能なバッテリエネルギ貯蔵フラッシュライト上記で構成されたコンデンサエネルギ貯蔵７８ＬＥＤ４９結合は、今実施するるとき今から３０年さらに作動すべきである。しかしながら、より大きな照明が必要とされるならば、通常のフラッシュライトに使用される型の白熱電球を使用するのが望ましい。第１３Ａ図は、電球４９が今や白熱電球であり、かつエレクトロニクスパッケージ４６が今や簡単化されるこの概念を再び示している。第１３Ｂ図において、エネルギ貯蔵装置７８は今や再充電可能なバッテリである。項目８０，８１および８２は必要とされず、かつスイッチ４７はＬＥＤ４９に代えて白熱電球に直接接続され得る。最初の実施形態においてフラッシュライトの基本的な構造としてラジオ・シャック（＃６１−２５４１）から３つのセルのクリプトンフラッシュライト（Kryp ton flash light）を使用したが、バッテリに代えて、そのバッテリ区域を小さいバッテリと電力発生器ユニットの１つの組み合わせと置き換えた。３，６Ｖ，２８０ＭＡＨ、（ラジオ・シャック＃２３−１７１）ニッケルカドミウムバッテリが最初の実施形態において使用された。それは直径１．０インチそして長さ１．０インチであった。以前に構成された５インチの長さの電力発生器ユニット４２（第１３Ａ図）を使用した。ユニットは直径７／１６インチの真鍮管に反対に巻回された＃４０ワイヤの１０，０００回の２つのコイルを有し、そして３つの磁石２の３／８インチの直径のサンドイッチを使用した。このサンドイッチ２はＮｄＦｅＢ中央磁石および端部の２つのセラミック磁石を有した。電力発生器ユニット４２の出力リード線４３および４４は全波ブリッジ整流器７７（ラジオ・シャック＃２７６−１１５２）に接続された。ブリッジ整流器７７および電力発生器ユニットはバスルーム密封剤およびプラスチツク端部キャップを使用する１と１／４ＯＤ透明アクリル管内で密封された。ブリッジ整流器からの２本のＤＣ電力リード線のみが密封を通って引き出された。ブリッジ整流器７７からのこれらの出力リード線は次いでユニットの他の構成要素に接続された。１／４インチの厚さの木製の小さい円形の円板が約１と１／４インチの直径の円板を作るように理解される孔が切られた。銅製のボルトが白熱電球４９の底部と連動した接触になるようにワイヤ取着によりこの中心に置かれた。ワイヤはこの銅製ボルトに取着されかつバッテリのプラス端子に取着された。電力発生器ユニット４２のプラスＤＣ出力はまたこの正のバッテリ端子に取着された。バッテリ端子の負は電力発生器ユニット４２の負のＤＣ出力に、かつまたフラッシュライトのネジ固定ベース（screw-on base）のばねに取着された。ユニット全体は剰余のワイヤ長さおよび幾らかのクッション材料のために部屋と最初のフラッシュライトのハウジング内に快適に嵌合する。通常のフラッシライト制御スイッチは電球のアース側をフラッシュライトのアース（ばねクリップおよびフラッシュライトの金属ハウジング）にショートするのが普通であるように今や作動した。バッテリは、通常３つの「Ｄ」サイズのセルがあるとき明るいクリプトンフラッシュライト電球を点灯する。これらのの電球は約０．５アンベアの電流を得る。１０分の使用はかくしてこれらのバッテリから約８３ＭＡＨを消費する。このモデルに使用された電力発生器は普通の運動により約６ミリアンペアの充電電流を発生する。かくして８３ＭＡＨの不足を約１４時間に置き換える。このユニットの電力発生器部分は決して交換を必要としないが、電球およびバッテリは数年後交換を必要とするかも知れない。フラッシュライトは、運動が共通である、ボート、車両、背負い袋等に貯蔵されるならば、バッテリは常に完全に充電された状態にある。フラッシュライトは車両に約１ケ月間存在しかつ頻繁に実演されたが、車両の運動は常にそれを完全に充電して保持している。薄型の電力発生器薄型の電力発生器ユニットは強力な反復力が存在し、しかも移動（displaceme nt）が小さい用途において有用である。かかる用途は靴の足底である。人が歩くとき彼らは交互に数１０または数１００ポンドの力を交互に置きかつ次いでそれらを取り除く。第１４図はこの失われた機械的エネルギの幾らかを回収しかつ良好に幾らかのクッションを設ける薄型の実施形態を示している。第１４図に示されるように、薄型のユニットは上方の磁石９０とそのハウジング８８および８９上に上向きの力を作るように極性反対に取り付けられた２つの磁石９０および９３を有している。上方ハウジングは２つのユニット８８および８９から構成されることができるかまたは磁石９０が８８および８９からなっている単一のハウジング内に向けられ得る。図示された実施形態において、上方のハウジング８８，８９および下方のハウジング９５は頂部または底部から見られるとき円形である。それらは上方ハウジング８８，８９が下方ハウジング９５からあまりにも高く押されるかまたはそれとの一直線からずれるのを阻止する耳片９６を有している。幾つかの製造において、中実の円形の膜（membrance）が、コイル９２への磁石９３の堅固な結合がかかる膜の必要を取り除き得るけれども、磁石９３を所定位置に堅固に保持するのに使用され得る。圧力がハウジング８８の頂部に印加されるとき、圧力はハウジング８８およびその封入の磁石９０をコイル９１の中心に押し、その磁束がコイル９１およびコイル９２に電圧を発生する。圧力の解放は同様にコイルの各端部に反対極性の電圧を誘起する。この誘起された電圧はバッテリを再充電するような電力の形においてこれらのユニットによって回収され、信号を送ることができるか、または他のいずれかが電力発生の下方レベルに使用することができる。磁石９０および９３の反発力はユニットをその非応力状態（すなわち、ユニットの頂部に印加される力を有してない状態に戻すような弾力のない手段を提供する。この型のユニットは、物体（例えば美術館の工芸品）の除去を検出するための、何らかの物体の重量変化（物体のプラットホームまたは基部として使用されるとき）を感知するのに、または単にユニットが反復力がしばしば存在する状況に置かれるとき電力を発生するのに使用され得る。かかる反復の状況は出入口の入口マット、鉄道、または同様に靴の踵または足底に発生し得る。靴の中のかかるユニットは足の運びが行われるとき電力を発生する。２つの型のコイルを作るために機械治具内で＃４０ワイヤを使用して巻回された幾つかのコイルを有した。１つは１／４インチの厚さでかつ１つは１／８インチの厚さであった。各々は２と３／４インチの外径および１／２の内径であった。これらのそれぞれの抵抗は１０，３０００オームおよび５，６５０オームであった。それらのそれぞれの巻き数は２１，０００回および１１，０００回であった。これらを美しくするために、しかし脆い（fragile）コイルを作業し易くするために、コイルの端部により大きなワイヤを半田付けしかつ堅固な耐久性のあるユニットを形成するために透明なガラス繊維成形樹脂内にそれらの各々を封入した。多数の薄型のコイル設計が可能である。代表的な薄型のコイルはコイル高さの１／８インチ当たり少なくとも５，００回を有しそしてコイルの外径はコイルの高さより少なくとも約１０倍大きい。第１４図に示したこの装置の原型の実施形態に関して、１／８インチのコイルを使用し、そしてそれをコイル９２および磁石９３を有する堅固なユニットを形成するためにガラス繊維に封入する前にコイルの中心の内部に３／８インチ直径および１／８インチ厚さのＮｄＦｅＢ円板磁石を挿入した。これをユニットをワックスペーパー上に載置しながら繊維ガラス成形樹脂をユニットに塗ることにより行った。上方コイル９１（１／４の厚さを有する）は、磁石９０の貫通のための耐久性のあるインサート（insert）を形成するために、これが繊維ガラスに封入される前にその中心に置かれた７／１６ＯＤ真鍮管の１／４インチの長さ部分を有した。中心は次いで穴が開けれれかつ耐久性のある滑らかな中央のブッシュ（bushing）を形成するようにやすり仕上げされた。インサート９４は繊維ガラス成形樹脂（fiberglass casting resin）が磁石９３を所定位置に堅固に結合したため使用されなかった。これら２つのユニットは次いで磁石９３に加えて、コイル９１、および９２から構成された全体のパッケージを形成するようにともに接合された。このパッケージは厚さ３／８インチそして外径が３インチであった。コイル９１の端部からの２本のリード線が＃２４ワイヤを使用するコイル９２からの２本のリード線であるとき測定のために引き出された。これらの出力は磁石９０が磁石９３に向かいかつそれから離れるとき二重軌跡のオシロスコープ上で監視された。磁石９０は直径３／９インチ、厚さ１／４インチのＮｄＦｅＢ磁石であった。１／２インチ以内の磁石９０のそこでまたはコイル９１の中心のほとんどの運動がオシロスコープの実質上開回路に出力の数ボルトを作り出した。可動磁石９０は磁石９３に非常に近づきかつ次いで離れてコイル９１から約２０ボルトをかつコイル９２から約８ボルトを作り出した。ユニットはしたがって磁石９０が磁石９３に近づけられるかまたはそれから離して動かされるとき毎に１５ミリワットを超える電力を発生していた。より多くの研究か多くの電力が通常の歩行でどのように発生されるかを決定するのに必要とされるが、ピーク電圧値はブリッジ整流器からの電力の回収を容易な課題にしている。初期の実験のために、コイル９１および９２からの別個の出力が使用された。これらのコイルから発生された信号は同様に接続されるとき位相のずれが１８０ °であるように観察された。すなわち、測定するとき、各コイルの外側のコイルワイヤからの信号をプラスとしそして各々の内側のコイルワイヤをマイナスとした（またはその逆に）。このユニットはそれゆえ、各コイル信号を位相を合わせて有するような方法において構成されることができ、各コイルの別個のブリッジ整流器よりむしろ、ブリッジ整流器に延びるような２本のリード線を付与している。第１５図はこれらのユニットの幾つかからの出力を直列にまたは並列に接続することにより顕著な電力レベルを発生するように上述された薄型のコイルを使用することができる実施形態を示している。第１５図において３つの可動磁石２が管１内に収容されている。それらは互いの間で極性反対によってかつ端部磁石１１０および１１１によって吊り下げられる。多数のコイル９８が管１の外側に沿って間隔が置かれている。これらのコイルの各々は各コイル出力１００および１０１用の別個のブリッジ整流器を含む回路１０４（または集積回路）に進む２つの出力１００および１０１を有している。回路１０４は用途に適する電力条件においてＤＣ出力１１４，１１５を発生するように直列、並列または各々の組み合わせにおいてこれらの整流されたコイル出力を結合している。したがって、全体のユニット１２０が２つのＤＣ出力１１４および１１５を有する電力ユニットである。例えば、２つの１／４インチの厚いコイルが管の長さの１インチごとに１／４インチだけ離されることができた。約１０ミリワットの電力を発生している各コイルにより、第３図に記載されたような多数の磁石を使用して、管のインチ当たり約２０ミリワットを発生することができた。かかるより高い電力ユニットは大きさが電力出力レベルよりあまり重要でない用途を有することができた。かかるユニットからの電力を結合するために、各コイルは各コイル用の別個のブリッジ整流器を含んでいる集積回路に接続されることができた。電力レベルが各コイルに関してまったく低いため、ＤＣ電圧が次いで特別な用途に必要な電力の型を発生するように直列にまたは並列に集積回路チップ上に結合され得るＤＣ電圧に独立してすべてのコイル出力を変換するように、単一の集積回路が集積回路に十分なブリッジ整流器を収納することができた。かかる集積回路は多数のコイル出力信号を単一の結合されたＤＣ電力出力に変換する小さい、コンパクトな手段を提供した。他の変更本発明の好適な実施形態の上記説明は本発明の範囲を制限するようには向けられない。当該技術に熟練した者は本発明の他の多くの変更を認め、その範囲は以下の請求の範囲によって決定され得る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．間欠的な力によってなされた仕事から電流を発生するための直線運動電力発生器において、Ａ）少なくとも１つの可動磁石と；Ｂ）制御された空間内に制限し、しかも前記少なくとも１つの可動磁石を、前記制御された空間内で両方向の直線、またはほぼ直線の運動により動かさせる制御手段と；Ｃ）少なくとも２つのコイルであって、前記２つのコイルの各々が前記制御された空間を囲んでおり、前記少なくとも２つのコイルの一方が、第２コイルを画成している、前記少なくとも２つのコイルの他方から離れて間隔が置かれている第１コイルを画成し、そして前記第１および前記第２コイルは、前記少なくとも１つの可動磁石の運動の結果として前記第１コイルに発生された電流が前記少なくとも１つの可動磁石の運動の結果として前記第２コイルに発生された電流と実質上位相が合っているように電気的に接続されている少なくとも２つのコイルとを備えることを特徴とする直線運動電力発生器。２．前記第１コイルが第１方向を定義する方向に巻回されかつ前記第２コイルが前記第１方向と反対の方向に巻回されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。３．前記少なくとも１つの可動磁石が複数の可動磁石でありそして前記制御手段が複数の制御された空間に前記複数の可動磁石を閉じ込める単一の磁化されたハウジングからなりそして前記少なくとも２つのコイルが前記複数の制御された空間の各々を取り囲んでいる少なくとも２つのコイルを備えた複数のコイルからなっていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。４．前記少なくとも１つの可動磁石が奇数の磁石であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。５．前記少なくとも１つの可動磁石が２つの他の磁石の間に挟まれた希土類磁石を備えて構成された磁石であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。６．前記２つの他の磁石がセラミック円板磁石を有することを特徴とする請求の範囲第５項に記載の直線運動電力発生器。７．前記少なくとも１つの可動磁石が導磁性材料の間に挟まれた希土類磁石から構成された磁石であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の千代苦戦運動電力発生器。８．前記制御手段が第１管端および第２管端を画成する管と、前記第１管端に配置された第１閉じ込め磁石とを有し、前記閉じ込め磁石が前記少なくとも１つの可動磁石の１つに磁気的に極性反対に配置されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。９．さらに、前記第２管端に配置されかつ前記少なくとも１つの可動磁石の１つに磁気的に極性反対に配置された第２閉じ込め磁石を有することを特徴とする請求の範囲第８項に記載の直線運動電力発生器。１０．前記第１および第２磁石が各々希土類磁石および非希土類磁石を有することを特徴とする請求の範囲第９項に記載の直線運動電力発生器。１１．前記制御手段が空気減衰を最小にするように少なくとも１つの呼吸孔を有することを特徴とする請求の範囲第８項に記載の直線運動電力発生器。１２．前記少なくとも１つの可動磁石の少なくとも１つが、これが前記制御された空間を通って動くとき空気減衰を減少するための孔またはスロットの形の空気通路を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。１３．前記管が内壁を画成しかつ前記少なくとも１つの可動磁石の少なくとも１つがそれ自体と前記管の内壁との間に実質的な隙間を設けるような大きさにされていることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の直線運動電力発生器。１４．前記電力発生器がフラッシュライトに電力を供給するように配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。１５．前記フラッシュライトがＬＥＤとコンデンサとを有することを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の直線運動電力発生器。１６．前記フラッシュライトがＬＥＤと再充電可能なバッテリとを有することを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の直線運動電力発生器。１７．前記制御手段が前記少なくとも１つの可動磁石の少なくとも１つに対して磁気的に極性反対に配置された制御された磁石と、前記制御された磁石から離れる方向に前記可動の磁気的磁石の運動を制限するための境界手段とを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。１８．前記少なくとも２つのコイルが薄型のコイルであり、各コイルが軸方向において高さを画成しかつ軸方向の高さの１／８インチ当たり少なくとも１０，０００回の巻線を有することを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の直線運動電力発生器。１９．前記コイルの各々がまた外径を画成しそして前記外径が前記高さより少なくとも１０倍大きいことを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の直線運動電力発生器。２０．前記電力発生器が靴の踵に取り付けられることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の直線運動電力発生器。２１．前記電力発生器がコンパクトな高い電力ユニットを製造するように組み合わされた複数の同様な電力発生器の１つであることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の直線運動電力発生器。２２．前記電力発生器が車両上または中に取り付けられかつ無線装置に電力を供給するための貯蔵装置に電力を供給するように配置されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。２３．前記車両が気動車であり、前記貯蔵装置が再充電可能なバッテリでありそして前記無線装置が衛星通信装置の構成要素であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。２４．前記少なくとも２つのコイルが３つのコイルであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。２５．さらに、並外れて大きい機械的力によって発生される衝撃を和らげるように前記可動磁石に取り付けられるエネルギ吸収材料からなっていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。２６．さらに、並外れて大きい機械的力によって発生された衝撃を和らげるように前記端部磁石に取り付けられるエネルギ吸収材料を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。２７．前記可動磁石が振り子の１部分を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の直線運動電力発生器。