JP2000197373A - 発電装置及びこれを備えた電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 日常的に広く発生している振動現象に基づい
て利用可能な電力エネルギーを効率的に取り出す新規の
発電装置を提供する。 【解決手段】 振動源１０には弾性体１１の一端部が接
続されており、弾性体１１の他端部には所定の質量を有
する錘体１２が接続される。錘体１２には機械的に増速
輪列１３が連結され、増速輪列１３にはロータ１４が機
械的に連結されている。ロータ１４はステータ１５に対
して回転可能に軸支されており、ステータ１５は電磁コ
イル体１６に磁気的に接続されている。電磁コイル体１
６のコイル巻線１６ａは整流回路１７に導電接続され、
整流された電力は充電回路１８により充電される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発電装置及びこれを
用いた電子機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、発電装置としては火力、水力、原
子力、風力などを利用して発電機を回転駆動して発電す
るものが一般的である。また、携帯機器においては、太
陽光や照明光などにより発電する太陽電池や回転錘と小
形発電機とを組み合わせて回転錘の回転運動によって小
形発電機を駆動して発電する発電機構などがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、現実にはあ
らゆる場所において日常的に振動現象が広く発生してお
り、これらの振動現象の持つ振動エネルギーは、通常そ
のまま減衰して熱エネルギーなどとして散逸している。
振動現象としては、風力や水力などの自然現象に起因し
て発生する振動や、機械や電気機器の稼働、車両の走行
などの人工的な現象に起因して発生するものがあるが、
いずれの場合も、これらの振動現象を抑制し、散逸させ
るための努力は費やされているが、振動現象を利用した
エネルギー開発はほとんどなされていない。

【０００４】そこで本発明は上記問題点を解決するもの
であり、その課題は、日常的に広く発生している振動現
象に基づいて利用可能な電力エネルギーを効率的に取り
出す新規の発電装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明が講じた手段は、振動源から振動を受ける弾性
体及び該弾性体に接続されて振動するように構成された
錘体とを有し、所定の共振特性を有する共振手段と、該
共振手段から伝達された振動を電力に変換する振動電力
変換手段とを備えていることを特徴とする発電装置であ
る。

【０００６】この手段によれば、種々の周波数及び振幅
を有する振動を共振手段により所定の共振周波数帯域の
振動として効率的に取り出し、振動電力変換手段により
電力に変換することができるので、従来捨てられていた
振動エネルギーや利用困難なエネルギーを有効に利用す
ることができる。

【０００７】請求項１において、前記振動電力変換手段
は、前記共振手段から伝達された振動を増幅する振動増
幅系と、該振動増幅系から受けた増幅振動に基づいて電
力を発生する電力発生系とを備えていることが好まし
い。振動増幅系によって振動運動を増幅し、効率的に電
力発生系にて電力に変換することができる。

【０００８】請求項１又は請求項２において、前記振動
電力変換手段により形成された電力を蓄電する蓄電手段
を備えていることが好ましい。蓄電手段により発生した
電力を蓄電しておくことができるので、安定した電源と
して利用できる。

【０００９】請求項１から請求項３までのいずれか１項
において、前記振動電力変換手段は電磁誘導現象に基づ
いて動作するように構成されていることが好ましい。

【００１０】また、前記振動電力変換手段は圧電効果現
象に基づいて動作するように構成されていることが好ま
しい。この場合には、前記振動電力変換手段を構成する
圧電材料が前記弾性体を兼ねていることが望ましい。圧
電材料自体を弾性体として用いることにより部品点数を
削減して小型化を図ることができるとともに、部品接続
部などの破損事故を低減することができる。

【００１１】請求項１から請求項３までのいずれか１項
において、前記振動電力変換手段は磁歪効果現象に基づ
いて動作するように構成されていることが好ましい。こ
の場合にも、前記振動電力変換手段を構成する磁歪材料
が前記弾性体を兼ねていることが望ましい。

【００１２】請求項１から請求項８までのいずれか１項
に記載された発電装置は、各種の電子機器、例えば、発
信装置、発光装置、発熱装置、発音装置などに内蔵する
ことが好ましい。

【００１３】さらに、上記各手段においては、前記共振
手段の共振振動の振幅範囲、すなわち前記弾性体若しく
は錘体の振幅量を制限する制限手段を有することが好ま
しい。ここで、制限手段は前記錘体の振幅量を制限する
ストッパであることが望ましい。このように共振振動の
振幅を制限することによって弾性体の破壊や劣化、弾性
体や錘体に接続されている部材の破壊や損傷を防止する
ことができる。

【００１４】また、弾性体や錘体の移動経路を案内若し
くは規制する案内規制手段を備えていることが好まし
い。案内規制手段によって弾性体や錘体の移動を安定さ
せることができ、振動方向を規定することができるの
で、振動エネルギーの取り出しをより効率的に行うこと
ができる。

【００１５】上記各手段においては、さらに、前記弾性
体を、又は、前記振動源から前記弾性体へ振動を伝える
伝達部材を、前記振動源に密着するための密着手段を備
えていることが好ましい。密着手段としては、把持部材
や把持機構などの機械的機構を用いたもの、真空吸着パ
ッドなどの流体圧を用いたもの、磁気吸引力を用いたも
のなどがある。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係る実施形態につ
いて詳細に説明する。

【００１７】（第１実施形態） まず、本発明に係る発
電装置の第１実施形態について図１を参照して説明す
る。図１に示すように、振動源１０には弾性体１１の一
端部が接続されており、弾性体１１の他端部には所定の
質量を有する錘体１２が接続される。錘体１２には機械
的に増速輪列１３が連結され、増速輪列１３にはロータ
１４が機械的に連結されている。ロータ１４は永久磁石
を有し、ステータ１５に対して回転可能に軸支されてお
り、ステータ１５は電磁コイル体１６に磁気的に接続さ
れている。電磁コイル体１６のコイル巻線１６ａは整流
回路１７に導電接続され、整流された電力は充電回路１
８により充電される。充電回路１８は発振装置１９に接
続され、所定の電気信号を発生する。

【００１８】上記の振動源１０としては、本発電装置の
外部にある振動源、例えば、洗濯機や冷蔵庫などの家電
製品、床や柱などの建築物、自動車や列車その他の車体
などの移動体の構成要素でもよく、また、本発電装置若
しくは本発電装置を含む各種機器の各部材、例えば、地
板、鏡筒、基板、フレーム、筐体、ハウジングなどでも
よい。それらの中でも本実施形態では振動源１０として
外部の振動源を想定しており、たとえば洗濯機などのハ
ウジングに弾性体１１の一端に取り付けられたマグネッ
トなどを吸着させ、振動を拾うように構成される。

【００１９】上記の弾性体１１と錘体１２は振動源１０
からの振動を受けて所定状態で共振効果を発生する共振
手段を構成する。弾性体１１は、コイルバネ、トーショ
ンスプリングなどの高い弾性率を備えたものが好ましい
が、一般にバネと呼ばれているものに限らず、共振手段
によって予め設定された共振周波数帯域において有効に
弾性体として作用するものであればよい。錘体１２は弾
性体１１に接続されて所定の共振特性を示すためのもの
であり、所定の態様で振動可能に構成されていればよ
い。また、図１に示す例では、錘体１２は図示上下方向
に振動自在に支持することが好ましく、例えば、錘体１
２を上下方向には移動可能にするが、左右前後方向には
拘束するリニアガイドを設けてもよい。

【００２０】上記共振手段は、振動系の共振周波数を示
す一般式である、 ｆ＝（１／２π）・（ｋ／ｍ）^1/2 （１） の式（１）に従って共振する。ここで、ｋは共振手段の
弾性体１１と錘体１２とからなる系の実質的な弾性率に
対応するばね定数値、ｍは共振手段の弾性体１１と錘体
１２とからなる系の実質的な質量に相当する質量値であ
る。共振周波数は共振手段の実質的なばね定数ｋや実質
的な質量ｍが一定であれば所定値となるが、実際には状
況や振幅などに応じて一定の幅を持った周波数帯域にて
共振する。

【００２１】上記のロータ１４、ステータ１５及び電磁
コイル体１６はいわゆる発電機、すなわち電力発生系を
構成し、増速輪列１３により構成される振動増幅系とと
もに振動電力変換手段を構成する。増速輪列１３の増速
比は、上記の共振周波数帯域と、電力発生系の発電効率
特性とを勘案して決定される。

【００２２】電磁コイル体１６のコイル巻線１６ａに発
生した交代電流は整流回路１７により整流される。整流
回路は半波整流、全波整流を問わず、また、ダイオード
やブリッジ型その他の任意の構成でよい。整流された電
流は充電回路１８に導かれて充電される。充電回路１８
はキャパシタ型や化学二次電池など、種々のタイプの蓄
電素子を備えたものでよい。発振装置１９は、コンピュ
ータなどの情報処理機器に用いるクロック信号や、携帯
電話などの通信機器に用いる変調信号などを発生するも
のである。本実施形態では発振装置１９を充電回路１８
に接続しているが、発振装置１９の代わりに種々の電子
装置や電気機器を接続することが可能である。

【００２３】本実施形態によれば、振動源１０から受け
た微振動に基づいて共振手段の錘体１２が共振すると、
その共振により発生する往復運動を増速輪列１３がロー
タ１４に伝達し、電磁コイル体１６から電力が出力され
る。このため、今まで多くが無駄に捨てられていた振動
エネルギーを共振現象を用いて効率的に取り出し、発電
することができるので、電源のない場所でも、或いは、
別途の電源を接続することなく、電子回路や電気機器を
動作させることができる。特に、携帯機器においては、
バッテリーなどを携行しなくても長時間機器を動作しつ
づけることが可能になる。

【００２４】なお、上記増速輪列の他に、減速輪列や単
一の歯車などの種々の回転伝達手段を用いてもよく、ま
た、ロータと同軸かつ一体に回転する回転伝達部材を直
接に錘体に係合させてもよい。また、本実施形態では振
動を錘体から取り出しているが、弾性体から取り出して
もよい。

【００２５】（第２実施形態） 次に、図２を参照して
本発明に係る第２実施形態について説明する。この実施
形態では、第１実施形態と同様の、振動源２０、弾性体
２１、錘体２２、整流回路２６、充電回路２７及び発振
回路２８を備えているが、それらの説明は省略する。

【００２６】本実施形態では、錘体２２に固定された変
位伝達部材２３が設けられ、変位伝達部材２３は２層の
圧電体２４Ａ，２４Ｂからなる圧電ユニット２４の先端
に接続固定されている。この圧電ユニット２４の基端は
支持体２５に固定されている。圧電体２４Ａ，２４Ｂの
表面に形成された電極は上記の整流回路２６に導電接続
されている。

【００２７】図６は２層からなる圧電ユニット２４のよ
り具体的な構造例を示すものである。図６（ａ）に示す
ものは、圧電体２４Ａの表面上に第１電極層２４ａが形
成され、圧電体２４Ｂの表面上に第２電極層２４ｂが形
成され、圧電体２４Ａと圧電体２４Ｂとの間に第３電極
層２４ｃが挟持された状態に形成されている。第１電極
層２４ａと第２電極層２４ｂとは導通ライン２９によっ
て互いに導電接続されている。圧電体２４Ａと２４Ｂと
は積層されており、その先端（図示右端）に図２に示す
変移伝達部材２３が固着されている。また、その基端
（図示左端）の近傍に図２に示す支持体２５によって固
定されており、当該固定されている部分において、上記
第１電極層２４ａと第３電極層２４ｃとに対して整流回
路２６に導電接続された２本の導電ラインがそれぞれ接
続されている。

【００２８】この構成例では、錘体２２の動きに従っ
て、圧電ユニット２４の先端が一体的に上下にたわむこ
とによって、圧電体２４Ａにより第１電極層２４ａと第
３電極層２４ｃとの間に所定の電位差が発生し、同時
に、圧電体２４Ｂにより第２電極層２４ｂと第３電極層
２４ｃとの間に上記電位差と同極性の電位差が発生す
る。すなわち、２つの圧電体２４Ａ，２４Ｂは一体に変
形することによって相互に反対方向に分極する。ここ
で、第１電極層２４ａと第２電極層２４ｂとは導通ライ
ン２９によって導通しているので、第１電極層（第２電
極層でもよい。）と第３電極層とから電位差を取り出す
ことにより、圧電体２４Ａと圧電体２４Ｂとから発生す
る電力を並列に取り出していることになる。

【００２９】図６（ｂ）に示す構成例においては、上記
と同様に圧電体２４Ａと２４Ｂとを積層して、上記と同
様の第１電極層２４ａ、第２電極層２４ｂ、第３電極層
２４ｃとを形成している。この構成例においては、圧電
体２４Ａと圧電体２４Ｂとが一体に変形したとき、共に
同じ方向に分極するように構成されており、その結果、
第１電極層２４ａと第２電極層２４ｂとに整流回路２６
に接続された導電ラインを導電接続することにより、圧
電体２４Ａにより発生した電力と圧電体２４Ｂにより発
生した電力とを直列に取り出していることとなる。

【００３０】なお、上記の圧電体としては、公知のよう
にＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＩｎＳｂ、ＺｎＳなどのような反
転対称性を持たないイオン結晶構造を備えたものを用い
ることができる。

【００３１】上記実施形態では圧電体を用いて振動エネ
ルギーを電力に変換しているが、圧電体の代わりに磁歪
効果を呈する磁歪材料を用い、磁歪材料から生ずる変動
磁界をインダクタンス（電磁コイル）によって拾い、電
力に変換してもよい。磁歪材料としては特に超磁歪材料
と呼ばれる、ＴｅＦｅ₂、ＤｙＦｅ₂、ＳｍＦｅ₂、Ｈｏ
Ｆｅ₂、ＥｒＦｅ₂などがあり、最も典型的な材料として
はＴｂ_0.27Ｄｙ_0.73Ｆｅ_1.90などがある。

【００３２】（第３実施形態） 次に、図３を参照して
本発明に係る第３実施形態について説明する。この実施
形態は基本的に上記第２実施形態と同様の弾性体３１、
錘体３２、変位伝達部材３３、圧電体３４、支持体３
５、整流回路３６、充電回路３７及び発振回路３８を備
えている。

【００３３】本実施形態では、振動源３０が実施形態で
ある発電装置又は電子機器のハウジング自体を構成して
いる点で上記実施形態とは異なる。この実施形態では、
装置内部に、錘体３２を直線や曲線に沿って移動自在に
支持するリニアガイドなどの案内支持手段３９を設け、
錘体３２の振動変位の方向を制限している。錘体３２の
案内支持手段３９を設けたことにより、弾性体３１及び
錘体３２を安定的に所望の方向（例えば図示の例では上
下方向）にのみ振動変位させることができるので、圧電
体３４への負担を低減することができ、振動エネルギー
を圧電体３４へ効率的に伝達することができる。

【００３４】本実施形態ではまた、錘体３２の振動変位
の範囲Ｓの上限を規制するためのストッパ３９ａを備え
ている。さらに、図示点線で示すように錘体３２ａの振
動変位の範囲Ｓの下限を規制するストッパ３９ｂを設け
てもよい。このように振動変位の範囲Ｓを制限すること
によって、変位伝達部材３３や圧電体３４自体若しくは
これらの取付部の破損を回避することができる。

【００３５】なお、本実施形態において、上記圧電体３
４の代わりに磁歪材料と電磁コイルなどのインダクタン
スとの結合構造を用いてもよく、或いは、変位伝達部材
３３及び圧電体３４の代わりに第１実施形態に示す伝達
輪列のような回転伝達手段と発電機の組み合わせを用い
てもよい。

【００３６】（第４実施形態） 次に、図４を参照して
本発明の第４実施形態について説明する。この実施形態
においては、振動源４０に圧電体により構成された弾性
ブロック４１が直接若しくは間接的に接触され、この弾
性ブロック４１に錘体４２が固着されている。弾性ブロ
ック４１に形成された図示しない電極は整流回路４３に
導電接続され、整流回路４３の出力は充電回路４４に供
給される。充電回路４４にはたとえば発振回路４５が接
続される。

【００３７】上記の弾性ブロック４１は上記実施形態に
おける弾性体と振動電力変換手段とを兼ねたものとして
用いられている。弾性ブロック４１は単一の圧電体で形
成されていてもよいが、薄い圧電体や圧電層を積層させ
た構造であることが好ましい。図７には積層型の弾性ブ
ロック４１の構成例を示す。振動源４０に接触する側か
ら圧電体４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅが積
層されており、各層の上下面には必ず電極層が形成され
ている。図示の例では分極方向が積層方向に交互に反転
するように各圧電体が配列されており、図示のように電
極層を一つおきに相互に導電接続して整流回路４３へと
導いている。したがって、この構成例では各圧電体から
生ずる電力を並列に取り出すように構成されている。な
お、この弾性ブロック４１の積層構造として、図６
（ｂ）に示すように直列に電力を取り出す構成としても
よい。

【００３８】この実施形態においては、弾性体と振動電
力変換手段とを圧電体で構成される弾性ブロックによっ
て兼ねているため、部品点数が低減され、発電装置を小
型化できる。また、錘体から振動を取り出すことなく、
直接に弾性ブロックから電力が発生するので、振動伝達
に伴うエネルギー損失を抑制することができる。

【００３９】（第５実施形態） 次に、図５を参照して
本発明に係る第５実施形態について説明する。この実施
形態においては、上記の第４実施形態と同様に、振動源
５０に直接若しくは間接的に接触した弾性ブロック５１
と、錘体５２と、整流回路５３と、充電回路５４と、発
振回路５５とを備えている。ただし、弾性ブロック５１
は磁歪材料により構成されており、弾性ブロック５１の
周囲には略円筒形の電磁ブロック５６が配置されてい
る。

【００４０】この実施形態において、弾性ブロック５１
と電磁ブロック５６とは、弾性体と振動電力変換手段と
を兼ねている。すなわち、弾性ブロック５１は振動源５
０から受けた振動に基づいて錘体５２の重量との兼ね合
いで共振するための弾性体として機能し、そのまま振動
を受けて変動磁界を発生する。弾性ブロック５１から発
生した変動磁界は電磁ブロック５６によって電力に変換
される。

【００４１】弾性ブロック５１は磁歪材料からなるバル
クとして構成されていてもよく、或いは、薄い層が積層
された構造となっていてもよい。

【００４２】以上説明した各実施形態の共通の構成を図
８に示す。いずれの実施形態においても、産業機械、道
路、波などの種々の振動源１００から振動を受けて振幅
増幅や所定周波数帯域への収束機能を有する共振手段１
０１により振幅が増幅され、或いは振動周波数が安定化
され、運動伝達部材などによる振動取出手段１０２を介
してエネルギー変換手段１０３により電力に変換され、
さらに充電回路などの蓄電手段１０４により蓄電され
る。

【００４３】図９は上記実施形態によって示された発電
装置２０１を内蔵した電波受送信機２００の構成例を示
すものである。発電装置２０１の内部の充電回路によっ
て蓄電された電力は、受信手段（受信回路）２０２に供
給されるとともに、必要に応じて昇圧回路２０３を介し
て発振回路２０４に供給され、発振回路２０４の所定部
位の電圧を検出する電圧検出回路２０５によって昇圧回
路２０３を制御するようになっている。発振回路２０４
によって形成されたクロック信号は制御回路２０６へ供
給される。この制御回路２０６は、受信回路２０２で受
信された受信データを受けてデータ記憶手段２０７に記
憶させたり、送信手段２０８を制御してデータ記憶手段
２０７に記録されたデータを送信するように機能する。

【００４４】この例で示すように、本願発明は種々の機
器に内蔵して用いることができ、特に、携帯電話、携帯
情報端末、時計、タイマー、電卓などの携帯可能な電子
機器に用いることが好ましい。例えば、上記発電装置を
内蔵した自動巻発電時計として構成すれば、発電装置内
の充電回路によってクロック信号を発生し、また、時計
制御駆動用の集積回路を動作させることができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、種
々の周波数及び振幅を有する振動を共振手段により所定
の共振周波数帯域の振動として効率的に取り出し、振動
電力変換手段により電力に変換することができるので、
従来捨てられていた振動エネルギーや利用困難なエネル
ギーを有効に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る発電装置若しくはこれを用いた電
子機器の第１実施形態の概略構成を示す模式的な概略構
成図である。

【図２】本発明に係る発電装置若しくはこれを用いた電
子機器の第２実施形態の概略構成を示す模式的な概略構
成図である。

【図３】本発明に係る発電装置若しくはこれを用いた電
子機器の第３実施形態の概略構成を示す模式的な概略構
成図である。

【図４】本発明に係る発電装置若しくはこれを用いた電
子機器の第４実施形態の概略構成を示す模式的な概略構
成図である。

【図５】本発明に係る発電装置若しくはこれを用いた電
子機器の第５実施形態の概略構成を示す模式的な概略構
成図である。

【図６】第２実施形態の圧電ユニットの具体的構成例を
それぞれ示す模式的な構成図（ａ）及び（ｂ）である。

【図７】第４実施形態における弾性ブロックの具体的構
成例を示す模式的な構成図である。

【図８】各実施形態の発電装置としての全体の機能構成
を示す機能ブロック図である。

【図９】各実施形態の発電装置を用いた電子機器の実施
形態である電波受送信機の構成例を示す概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１０，２０，３０，４０，５０ 振動源 １１，２１，３１ 弾性体 １２，２２，３２，４２，５２ 錘体（おもり、質量
体） １３ 増速輪列 １４ ロータ １５ ステータ １６ 電磁コイル体 １６ コイル巻線 １７，２６，３６，４３，５３ 整流回路 １８，２７，３７，４４，５４ 充電回路 １９，２９，３８，４５，５５ 発振回路

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動源から振動を受ける弾性体及び該弾
   性体に接続されて振動するように構成された錘体とを有
   し、所定の共振特性を有する共振手段と、該共振手段か
   ら伝達された振動を電力に変換する振動電力変換手段と
   を備えていることを特徴とする発電装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記振動電力変換手
   段は、前記共振手段から伝達された振動を増幅する振動
   増幅系と、該振動増幅系から受けた増幅振動に基づいて
   電力を発生する電力発生系とを備えていることを特徴と
   する発電装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２において、前記振
   動電力変換手段により形成された電力を蓄電する蓄電手
   段を備えていることを特徴とする発電装置。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３までのいずれか１
   項において、前記振動電力変換手段は電磁誘導現象に基
   づいて動作するように構成されていることを特徴とする
   発電装置。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項３までのいずれか１
   項において、前記振動電力変換手段は圧電効果現象に基
   づいて動作するように構成されていることを特徴とする
   発電装置。
6. 【請求項６】 請求項５において、前記振動電力変換手
   段を構成する圧電材料が前記弾性体を兼ねていることを
   特徴とする発電装置。
7. 【請求項７】 請求項１から請求項３までのいずれか１
   項において、前記振動電力変換手段は磁歪効果現象に基
   づいて動作するように構成されていることを特徴とする
   発電装置。
8. 【請求項８】 請求項７において、前記振動電力変換手
   段を構成する磁歪材料が前記弾性体を兼ねていることを
   特徴とする発電装置。
9. 【請求項９】 請求項１から請求項８までのいずれか１
   項に記載された発電装置を備えていることを特徴とする
   電子機器。