JP2011166894A - 振動発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 往復動を伴う振動による運動エネルギーを電力に変換する振動発電機に関し、小型の筐体であっても電力の変換効率に優れ、出力電圧を高めることができる振動発電機を提供する。
【解決手段】 振動発電機は、コイルと、コイルが巻回される筒状の筐体と、筐体の両端にそれぞれ設けられる固定体と、着磁された磁石を含んでそれぞれの固定体との間を筐体の内面に沿って往復動可能に設置される磁石体と、を備え、固定体の一方又は両方が、筐体の内面の側に、圧電素子を含んで磁石体と接近可能に設置される圧電発電部を有し、コイルに発生するコイル起電力と、圧電発電部の圧電素子に発生する圧電起電力と、をそれぞれ出力する。
【選択図】 図１

Description

往復動を伴う振動による運動エネルギーを電力に変換する振動発電機に関し、小型の筐体であっても電力の変換効率に優れ、出力電圧を高めることができる振動発電機に関する。

運動エネルギーを電力に変換する振動発電機では、人が携帯する場合、あるいは、振動する機器に取り付ける場合に、内部の振動体に往復動の振動を発生させて、その運動エネルギーを高い変換効率で電力に変換することが要望されている。特に、往復動する磁石、または、往復動するコイルを備える振動発電機では、小型化を図る場合に、コイル長、あるいは、磁気回路の構成の制限、等により発電効率が低くなりやすいという不利な点がある。したがって、従来には、これらの問題を解決するために様々な振動発電機が提案されている。

従来には、充電可能なバッテリーと、筒状のコイルと、該コイルの軸芯部分に挿入されると共に軸方向に移動可能にバネで保持された棒状の永久磁石と、整流器とを含み構成し、携帯時の振動や揺動に基づく該永久磁石の軸方向振動により該コイルに発生する交流電圧を該整流器で整流し、該整流された直流電圧で該バッテリーを充電する携帯型発電機において、前記永久磁石と前記バネで構成された永久磁石系の軸方向の共振振動数を、概ね、携帯時に前記軸方向振動を生じしめる主要な振動源の平均周期に合わせたことを特徴とする携帯型発電機がある。（特許文献１）。

また、非磁性材料で形成され、両端部が閉じられた中空の第１のパイプと、前記第１のパイプの周囲に巻回され、少なくとも１個のソレノイドコイルが設けられた発電コイルと、前記第１のパイプの内部に配置され、前記発電コイルの巻軸方向に沿って移動可能である可動磁石と、を備え、前記可動磁石は、非磁性材料で形成され、両端部が閉じられた中空の第２のパイプと、前記第２のパイプの内部に、封止される複数個の磁石と、を備え、前記可動磁石は、前記第２のパイプの両端部に配置され、前記複数個の磁石を保護する磁石端部材を備えることを特徴とする振動型電磁発電機がある（特許文献２）。

特開２００２−３７４６６１号公報（図１〜５） 特開２００９−１１８５８１号公報（図１〜９）

また、一般的に、上記特許文献１または２のような動電型の振動発電機では、コイルの電気インピーダンスが小さいので大きな電流を出力できる一方で、大きな電圧を取り出すことが難しいという問題がある。また、従来の圧電型の振動発電機では、圧電素子の電気インピーダンスが大きいので大きな電圧を出力できる一方で、大きな電流を取り出すことは難しいという問題がある。圧電型の振動発電機では、圧電素子の共振周波数での共振の鋭さＱが大きいので、パルス的な起電力を生じやすくなる。したがって、従来の圧電型の振動発電機では、圧電素子の出力そのままでは間欠的な起電力となり、電力を取り出しにくいという問題がある。

本発明は、上記の従来技術が有する問題を解決するためになされたものであり、その目的は、往復動を伴う振動による運動エネルギーを電力に変換する振動発電機に関し、小型の筐体であっても電力の変換効率に優れ、出力電圧を高めることができる振動発電機を提供することにある。

本発明の振動発電機は、コイルと、コイルが巻回される筒状の筐体と、筐体の両端にそれぞれ設けられる固定体と、着磁された磁石を含んでそれぞれの固定体との間を筐体の内面に沿って往復動可能に設置される磁石体と、を備え、固定体の一方又は両方が、筐体の内面の側に、圧電素子を含んで磁石体と接近可能に設置される圧電発電部を有し、コイルに発生するコイル起電力と、圧電発電部の圧電素子に発生する圧電起電力と、をそれぞれ出力する。

好ましくは、本発明の振動発電機は、固定体が有する圧電発電部が、圧電素子の端部を支持する支持体と、圧電素子の中央部において磁石体と接近可能に連結される緩衝体と、を含み、緩衝体が、接近する磁石体と圧電素子との間で、反発力を作用させる緩衝磁石を有する。

また、好ましくは、本発明の振動発電機は、緩衝体を構成する緩衝磁石が、緩衝磁石の外形寸法よりも小さい外形寸法を有する連結体を介して圧電素子の中央部に取り付けられている。

また、好ましくは、本発明の振動発電機は、緩衝体が、接近する磁石体と圧電素子との間で弾性力を作用させる弾性部材をさらに有する。

また、好ましくは、本発明の振動発電機は、固定体の両方が、筐体の内面の側にそれぞれ圧電発電部を有し、一方の圧電発電部の圧電素子の磁石体と接近可能に配置される一方面と、他方の圧電発電部の圧電素子の磁石体と接近可能に配置される一方面と反対の面とが、相互に接続されて二つの圧電素子が並列接続される。

また、好ましくは、本発明の振動発電機は、コイルが、筐体に複数設けられて、複数のコイルが、直列接続および／または並列接続される。

また、好ましくは、本発明の振動発電機は、コイルに接続するコイル整流器と、圧電発電部に接続する圧電整流器と、コイル整流器の出力と圧電整流器の出力とが並列接続される出力端子と、をさらに備える。

以下、本発明の作用について説明する。

本発明の振動発電機は、コイルと、コイルが巻回される筒状の筐体と、筐体の両端にそれぞれ設けられる固定体と、着磁された磁石を含んでそれぞれの固定体との間を筐体の内面に沿って往復動可能に設置される磁石体と、を備え、固定体の一方又は両方が、筐体の内面の側に、圧電素子を含んで磁石体と接近可能に設置される圧電発電部を有する。つまり、本発明の振動発電機は、動電型の振動発電機を構成するコイルおよび磁石と、圧電型の振動発電機を構成する圧電素子と、を含む振動発電機であり、往復動可能に設置される磁石体が移動すると、電磁誘導によりコイルにコイル起電力が発生し、磁石体が移動して圧電発電部に接近または衝突すると、圧電発電部の圧電素子が変形することにより圧電起電力が発生する。なお、筐体と固定体とは、一体に形成されていても良い。

したがって、本発明の振動発電機は、コイルに発生するコイル起電力と、圧電発電部の圧電素子に発生する圧電起電力と、をそれぞれ出力することができる。振動発電機では、コイル整流器の出力と圧電整流器の出力との位相は、ほぼ９０度ずれることになり、さらに、圧電発電部の圧電素子には後述する緩衝体による反発力が作用しているので、コイルに接続するコイル整流器と、圧電発電部に接続する圧電整流器と、コイル整流器の出力と圧電整流器の出力とが並列接続される出力端子と、をさらに備えていれば、本発明の振動発電機は、出力電圧をより持続的にすることができ、小型の筐体であっても電力の変換効率を高めることができ、出力電圧をさらに高めることができる。

好ましくは、振動発電機の固定体が有する圧電発電部は、圧電素子の端部を支持する支持体と、圧電素子の中央部において磁石体と接近可能に連結される緩衝体と、を含み、緩衝体が、接近する（または遠ざかる）磁石体と圧電素子との間で、反発力を作用させる緩衝磁石を有する。したがって、往復動可能に設置される磁石体が移動して、圧電発電部に衝突する時点だけでなく、圧電発電部に接近して反発力の増加によって、あるいは、遠ざかるときに反発力の減少によって、圧電素子が変形する時点でも、圧電素子に圧電起電力を発生させることができる。その結果、圧電素子における出力電圧をさらに高めることができ、コイルからの出力電圧とあわせて、振動発電機としての出力電圧をさらに高めることができる。

また、本発明の振動発電機では、緩衝体を構成する緩衝磁石が、緩衝磁石の外形寸法よりも小さい外形寸法を有する連結体を介して圧電素子の中央部に取り付けられていれば、圧電素子の中央部の変形がより大きくなるので、圧電素子における出力電圧をさらに高めることができる。また、緩衝体が、接近する磁石体と圧電素子との間で弾性力を作用させる弾性部材をさらに有していれば、緩衝磁石による反発力に弾性部材の弾性力が加わるので、圧電素子の変形がより大きくなるので、圧電素子における出力電圧をさらに高めることができる。すなわち、本発明では、緩衝体は、磁石体が移動して筐体の両端に位置する固定体に勢いよく衝突して衝撃により破壊されるのを防止するだけでなく、振動発電機の出力電圧を高めることができる。

なお、移動する磁石体には、含まれる磁石の両端面にそれぞれ連結する２つのポールと、ポールにそれぞれ連結する２つの副磁石と、を有し、緩衝磁石との間に反発力を作用させてもよい。緩衝磁石は、磁石体が移動して筐体の両端に位置する固定体に勢いよく衝突して衝撃により破壊されるのを防止する。移動する磁石体が、ポールに連結する副磁石を備えていれば、緩衝磁石と反発することにより、磁石体であるポールが緩衝磁石と密着してしまうのを防止する。加えて、本発明の振動発電機では、磁石体の両端部に設けられる透磁率の高いポールには、磁石と副磁石とが形成する反発磁界による磁束が、より多く通過することになる。したがって、コイルの位置における磁石体による磁束密度がより高められるので、コイルにおける出力電圧をさらに高めることができる。

また、本発明の振動発電機の固定体の両方が、筐体の内面の側にそれぞれ圧電発電部を有する場合には、一方の圧電発電部の圧電素子の磁石体と接近可能に配置される一方面と、他方の圧電発電部の圧電素子の磁石体と接近可能に配置される一方面と反対の面とが、相互に接続されて、二つの圧電素子が並列接続するようにすればよい。つまり、磁石体が筐体の内面に沿って往復動可能に設置されるので、筐体の両端に設けられる固定体が有する圧電発電部は、それらに備わる圧電素子が、一方の極性を反転して並列接続する。例えば、磁石体が、一方の圧電発電部の圧電素子に連結する緩衝磁石に接近して、反発力の増加によりその一方の圧電素子が磁石体から遠ざかる方向に変形する際には、他方の圧電発電部の圧電素子に連結する緩衝磁石からは遠ざかることになるので、反発力の減少によりその他方の圧電素子は磁石体に近づく方向に変形する。したがって、これらの圧電素子の変形による起電力が同一の極性を示すように圧電素子を並列接続することで、出力電圧をさらに高めることができる。

なお、本発明の振動発電機では、コイルが、筐体に複数設けられて、複数のコイルが、直列接続および／または並列接続されていてもよい。複数のコイルの巻線方向、あるいは、直列接続および／または並列接続する極性は、磁石体からの磁束の向きに応じて反転させる。磁石体の磁束が有効に鎖交する位置、つまり、磁束密度が高い位置に複数のコイルを設けることで、コイルにおける出力電圧をさらに高めることができる。

往復動を伴う振動による運動エネルギーを電力に変換する振動発電機に関し、動電型の振動発電機を構成するコイルおよび磁石と、圧電型の振動発電機を構成する圧電素子と、を含む振動発電機にすることで、小型の筐体であっても電力の変換効率に優れ、出力電圧を高めることができる振動発電機を提供することができる。

本発明の好ましい実施形態による振動発電機１を説明する断面図である。（実施例１） 本発明の好ましい実施形態による振動発電機１の圧電発電部を説明する図である。（実施例１） 本発明の好ましい実施形態による振動発電機１Ａの整流器の接続を説明する図である。（実施例１） 本発明の好ましい実施形態による振動発電機１Ｂを説明する断面図である。（実施例２） 本発明の好ましい実施形態による振動発電機１Ｃの出力電圧を説明する波形図である。（実施例２） 本発明の好ましい実施形態による振動発電機１Ｃの出力電圧を説明する波形図である。（実施例２） 本発明の好ましい実施形態による振動発電機１Ｄを説明する断面図である。（実施例３）

以下、本発明の好ましい実施形態による振動発電機について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。

図１は、本発明の好ましい実施形態による振動発電機１を説明する図である。具体的には、図１は、図示する上下方向の中心軸に沿った断面図であり、振動発電機１では、振動子である磁石体１０がこの中心軸の方向に移動して振動する。また、図２は、振動発電機１の圧電発電部を説明する図であり、図２（ａ）はその平面図であり、図２（ｂ）は断面図である。さらに、図３は、振動発電機１および整流器を含む振動発電機１Ａの接続を説明する図である。なお、後述するように、振動発電機１の一部の構造や、内部構造等は、省略している。

振動発電機１は、コイル２と、コイル２が巻回される筒状の筐体３と、筐体３の両端にそれぞれ設けられる固定体４と、着磁された磁石１１を含んでそれぞれの固定体４との間を筐体３の内面に沿って往復動可能に設置される磁石体１０と、を含む振動発電機である。本実施例の振動発電機１は、長径方向長が約６５ｍｍ、短径直径がφ約３４ｍｍの略円筒形状を有する小型で軽量な振動発電機である。例えば、外部の振動により図示する変位Ｚ０で振動発電機１が振動すると、その内部で振動子である磁石体１０が変位Ｚ１で振動するので、振動発電機１は、この磁石体１０の振動による運動エネルギーを電力に変換することができる。

本実施例の磁石体１０は、外径直径がφ約２４ｍｍで長さが約２０ｍｍの円柱状の希土類の磁石１１を含む。磁石体１０の磁石１１は、図１に示すように、振動する上下方向にそれぞれ異なる磁極（Ｎ極、Ｓ極）が現れるように着磁されている。なお、希土類磁石とは、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系のネオジウム磁石、もしくは、Ｓｍ−Ｃｏ系のサマリウムコバルト磁石であって、磁石の最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘが大きな値をとる磁石であり、残留磁化および保磁力がさらに大きく、小さい体積でも保磁力の強いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の希土類磁石であってもよい。もちろん、磁石１１は、フェライト系磁石であってもよい。

筒状の筐体３は、非磁性体からなる中空の筒であって、本実施例では内径直径がφ約２４．６ｍｍの樹脂成形部品の直管パイプであり、その内面に沿って磁石体１０が往復動可能に設置される。筒状の筐体３の外側面には、コイル２ａとコイル２ｂとがそれぞれ巻回されており、直列接続されてコイル２を構成する。コイル２ａおよびコイル２ｂは、それぞれ線径がφ約０．１８ｍｍの銅線を巻幅約１８ｍｍで約１４層巻に巻回して構成されたコイルである。図示するように、コイル２ａおよびコイル２ｂは、上下に離れて筐体３に巻回されて、コイル２ａとコイル２ｂとにそれぞれ逆向きの回転方向に電流が流れる様に直列接続されている。コイル２は、コイル２ａおよびコイル２ｂに発生するコイル起電力を出力端子２１に出力する。

また、固定体４は非磁性の樹脂成形部品であって、筐体３の両端にネジ又は接着剤等により固定体４ａおよび４ｂが固定されて設けられている。固定体４は、図２に示すように、磁石体１０が往復動する筐体３の内面の側に、圧電素子７を含んで磁石体１０と接近可能に設置される圧電発電部５を有する。

固定体４が有する圧電発電部５は、直径がφ約２０ｍｍで厚みが約０．５ｍｍの円盤状の圧電素子７を有する。圧電素子７は、例えば、チタン酸バリウム系磁器などからなり、圧電素子７の表面および裏面には、正電極あるいは負電極がそれぞれ設けられている。圧電素子７は、その端部を樹脂製の支持体６により固定支持されており、円盤の中心側が周辺側よりも大きく変位するように支持されている。圧電素子７は、その中央部において磁石体１０と接近可能に連結される緩衝体を含む。本実施例の場合には、緩衝体は、接近する磁石体１０と圧電素子７との間で反発力を作用させる円盤形状の緩衝磁石９を有する。

例えば、この緩衝磁石９は、直径がφ約１１ｍｍで厚みが約１．２ｍｍの円盤状の希土類磁石である。この緩衝磁石９は、緩衝磁石９の外形寸法よりも小さい外形寸法を有する連結体８を介して圧電素子７の中央部に取り付けられている。本実施例の場合には、図１に示すように、下側の圧電発電部５ａに設けられる緩衝磁石９ａと、上側の圧電発電部５ｂに設けられる緩衝磁石９ｂとは、振動する磁石体１０に近い側にそれぞれ異なる磁極（Ｎ極、Ｓ極）が現れるように着磁されている。また、連結体８は、支持体６と同様の樹脂製の部材であり、具体的には、直径がφ約３ｍｍで厚みが約１ｍｍの円柱状の部材である。

固定体４の圧電発電部５では、本実施例の場合には、磁石体１０と接近可能に配置される一方面の側に、圧電素子７の正電極７＋が配置されている。また、その反対面側に圧電素子７の負電極７−が配置されている。一方の圧電発電部５ａの圧電素子７ａと、もう一方の圧電発電部５ｂの圧電素子７ｂとは、図３に示すように、並列接続されて圧電素子７に発生する圧電起電力を出力端子２３に出力する。具体的には、一方の圧電発電部５ａの圧電素子７ａにおいて、磁石体１０と接近可能に配置される一方面に正電極が配置されている場合には、圧電素子７ａの正電極７＋と、他方の圧電発電部５ｂの圧電素子７ｂの負電極７−とが、相互に接続されて、二つの圧電素子７ａおよび７ｂが並列接続される。

図３に示す振動発電機１Ａは、上述の振動発電機１と、整流器２２および２４を含む振動発電機である。振動発電機１は、コイル２に発生するコイル起電力を出力端子２１に出力し、圧電発電部５の圧電素子７に発生する圧電起電力を出力端子２３にそれぞれ出力する。整流器２２は出力端子２１に接続し、整流器２４は出力端子２２に接続する。例えば、整流器２２および２４は、それぞれ４つのダイオードを接続する全波ブリッジ整流回路であり、交流電圧を全波整流して直流電圧に変換する。つまり、振動発電機１Ａでは、振動発電機１の出力端子２１が整流器２２に接続され、振動発電機１の出力端子２３が整流器２４に接続されて、これらの出力が出力端子２５に並列接続される。したがって、振動発電機１Ａでは、振動発電機１が別々に出力するコイル起電力と圧電起電力とを合成して出力する。

外力が加わって変位Ｚ０で振動発電機１が振動すると、その内部で振動子である磁石体１０が変位Ｚ１で振動する。筐体３の内面に沿って往復動可能に設置される磁石体１０は、筐体３に巻回されたコイル２ａおよび２ｂの内側空間をある程度の相対速度で移動する。磁石体１０は、直流磁界を形成するように着磁されているので、磁石体１０がコイル２ａおよび２ｂの内側を通過すると、コイル２ａおよび２ｂにはそれぞれ磁石体１０が発生する直流磁界の変化を打ち消そうとする起電力が相対速度にほぼ比例して発生する。本実施例の振動発電機１では、外部の振動により磁石体１０が筐体３の内部を図１に図示する上下方向に繰り返し振動するので、下側のコイル２ａには、磁石体１０の下端側が振動して出入りし、上側のコイル２ｂには、磁石体１０の上端側が振動して出入りすることになる。振動発電機１は、この磁石体１０の振動による運動エネルギーを、交流のコイル起電力として電力に変換することができる。

コイル２ａとコイル２ｂとは、上述したようにそれぞれ逆向きに直列接続されているので、磁石体１０とコイル２との間の振動による相対速度の絶対値は、磁石体１０が筐体３の中央付近を移動するときに大きくなり、一方で筐体３の端部側である固定体４ａおよび４ｂに達して折り返してくるときに小さくなる。したがって、磁石体１０が正弦波的な振動をする場合には、振動発電機１のコイル２に接続する出力端子２１に出力されるコイル起電力の波形は、筐体３の中央付近を移動するときに大きくなり（正弦波形の腹）、一方で筐体３の端部側である固定体４ａおよび４ｂに達して折り返してくるとき（速度が最小になるとき）に小さくなる（正弦波形の節）。

また、外力が加わって変位Ｚ０で振動発電機１が振動すると、その内部で振動子である磁石体１０が変位Ｚ１で振動し、筐体３の両方の端部側に移動する。磁石体１０が、両端部の固定体４ａおよび４ｂが備える圧電発電部５ａまたは５ｂに接近または衝突すると、それぞれの圧電発電部５の圧電素子７ａまたは７ｂが変形することにより圧電起電力が発生する。例えば、振動する磁石体１０が図１に図示する下側の圧電発電部５ａに接近する場合には、同じ磁極性を示す磁石体１０と圧電発電部５ａの緩衝磁石９ａとが接近することになるので、これらの間には反発力が作用する。この反発力が緩衝磁石９ａに増加して加わると、連結体８ａを介してその中央部分に取り付けられている圧電素子７ａが下側に湾曲して変位Ｚ２で変位し、圧電素子７ａの正電極７＋および負電極７−の間には、圧電起電力が発生する。なお、振動する磁石体１０の移動速度が速くて反発力が作用しても圧電発電部５ａに衝突する場合にも、圧電素子７ａが下側に湾曲するので、圧電素子７ａにはパルス的な大きな圧電起電力が発生する。

反対に、振動する磁石体１０が図１に図示する下側の圧電発電部５ａから遠ざかる場合には、同じ磁極性を示す磁石体１０と圧電発電部５ａの緩衝磁石９ａとが遠ざかることになるので、これらの間に作用する反発力が減少する。緩衝磁石９ａに加わる反発力が減少すると、連結体８ａを介してその中央部分に取り付けられている圧電素子７ａが上側に湾曲して変位Ｚ２で変位し、圧電素子７ａの正電極７＋および負電極７−の間には、磁石体１０が接近する場合とは逆相の圧電起電力が発生する。したがって、磁石体１０が正弦波的な振動をする場合には、振動発電機１の圧電発電部５ａの圧電素子７ａに接続する出力端子２３に出力される圧電起電力の波形は、筐体３の端部側である固定体４ａに達して折り返してくるときに大きくなり（正弦波形の腹）、一方で筐体３の中央付近を移動するときに小さくなる（正弦波形の節）。

また、振動する磁石体１０が図１に図示する上側の圧電発電部５ｂに接近する場合には、同じ磁極性を示す磁石体１０と圧電発電部５ｂの緩衝磁石９ｂとが接近することになるので、これらの間には反発力が作用する。この反発力が緩衝磁石９ｂに増加して加わると、連結体８ｂを介してその中央部分に取り付けられている圧電素子７ｂが上側に湾曲して変位Ｚ２で変位し、圧電素子７ｂの正電極７＋および負電極７−の間には、圧電起電力が発生する。なお、振動する磁石体１０の移動速度が速くて反発力が作用しても圧電発電部５ｂに衝突する場合にも、圧電素子７ｂが下側に湾曲するので、圧電素子７ｂにはパルス的な大きな圧電起電力が発生する。

反対に、振動する磁石体１０が図１に図示する上側の圧電発電部５ｂから遠ざかる場合には、同じ磁極性を示す磁石体１０と圧電発電部５ｂの緩衝磁石９ｂとが遠ざかることになるので、これらの間に作用する反発力が減少する。緩衝磁石９ｂに加わる反発力が減少すると、連結体８ｂを介してその中央部分に取り付けられている圧電素子７ｂが上側に湾曲して変位Ｚ２で変位し、圧電素子７ｂの正電極７＋および負電極７−の間には、磁石体１０が接近する場合とは逆相の圧電起電力が発生する。したがって、磁石体１０が正弦波的な振動をする場合には、振動発電機１の圧電発電部５ｂの圧電素子７ｂに接続する出力端子２３に出力される圧電起電力の波形は、筐体３の端部側である固定体４ｂに達して折り返してくるときに大きくなり（正弦波形の腹）、一方で筐体３の中央付近を移動するときに小さくなる（正弦波形の節）。

したがって、振動発電機１Ａでは、コイル起電力の出力と、圧電起電力の出力との位相は、ほぼ９０度ずれることになる。ただし、筐体３の両端の固定体４の間を振動して移動する磁石体１０と、固定体４の圧電発電部５の緩衝磁石９との間には、ほぼ常に磁力による反発力が作用しているので、磁石体１０の振動に伴って変化する反発力は、ほぼ常に圧電発電部５の圧電素子７を振動させて変形させる。その結果、振動発電機１Ａでは、コイル起電力の出力と位相の異なる連続的な圧電起電力の出力が得られる。

本実施例の振動発電機１では、筐体３の両端側に圧電素子７を含んで磁石体１０と接近可能に設置される圧電発電部５ａおよび５ｂを有するので、磁石体１０が一方の圧電発電部５ａの緩衝磁石９ａに接近して増加する反発力を作用させると同時に、他方の圧電発電部５ｂの緩衝磁石９ｂから遠ざかって減少する反発力を作用させる。上記の通り、一方の圧電発電部５ａの圧電素子７ａの磁石体１０と接近可能に配置される一方面と、他方の圧電発電部５ｂの圧電素子７ｂの磁石体１０と接近可能に配置される一方面と反対の面とが、相互に接続されて、二つの圧電素子が並列接続されている。したがって、一方の圧電発電部５ａが出力する圧電起電力と、他方の圧電発電部５ｂ出力する圧電起電力とは、お互いに打ち消しあわずに強めあう関係になり、出力端子２３に出力する圧電起電力をさらに高めることができる。

緩衝体である緩衝磁石９は、磁石体１０が移動して筐体３の両端に位置する固定体４に勢いよく衝突して衝撃により破壊されるのを防止する。移動する磁石体１０は、ポール１２および１２ｂに連結する副磁石１３ａまたは１３ｂを備えているので、緩衝磁石９ａまたは９ｂと反発することにより、磁性体であるポール１２および１２ｂが緩衝磁石９ａまたは９ｂと密着してしまうのを防止する。さらにそれだけでなく、緩衝磁石９は、上記のように圧電発電部５ａおよび５ｂに作用して振動発電機１の出力電圧を高めることができる。なお、磁石体１０と緩衝磁石９との間に作用する反発力は、磁石体１０と緩衝磁石９の離隔距離の二乗に反比例する関係にあるので、一方の圧電発電部５ａが出力する圧電起電力と、他方の圧電発電部５ｂ出力する圧電起電力とは、それらの絶対値は異なるものになりやすい。

磁石体１０が正弦波的な振動をする場合には、コイル起電力が入力される整流器２２の出力波形は、磁石体１０が筐体３の中央付近を移動する約１／２周期毎に大きくなり、一方で磁石体１０が筐体３の端部側である固定体４ａまたは４ｂに達して折り返してくる約１／２周期毎に小さくなる。一方で、圧電起電力を入力する圧電整流器２４の出力波形は、磁石体１０が筐体３の端部側である固定体４ｂに達して折り返してくる約１／２周期毎に大きくなり、磁石体１０が筐体３の中央付近を移動する約１／２周期毎に小さくなる。このように整流器２２の出力と整流器２４の出力との位相は、ずれることになるので、これらの整流器２２および２４の出力が並列接続される出力端子２５には、極小値が現れにくい持続的な出力電圧を得ることができる。すなわち、振動発電機１Ａは、コイル２のみを有する振動発電機よりも出力電圧をより持続的にすることができ、小型の筐体であっても電力の変換効率を高めることができ、出力電圧をさらに高めることができる。

なお、振動発電機１では、コイル２を構成するコイル２ａおよびコイル２ｂは、並列接続しても良く、さらに複数のコイルを加えても良い。コイル２は、複数のコイルの巻線方向、あるいは、直列接続および／または並列接続する極性は、磁石体からの磁束の向きに応じて反転させることができる。磁石体の磁束が有効に鎖交する位置、つまり、磁束密度が高い位置に複数のコイルを設けることで、コイルにおける出力電圧をさらに高めることができる。コイル２は、コイル２ａおよびコイル２ｂに発生するコイル起電力を、打ち消しあうことなく出力端子２１に出力するように極性を揃えて接続すればよい。

また、振動発電機１では、圧電素子７ａおよび７ｂは直列接続であっても良く、磁石体１０が筐体３の内部を移動する場合に加わる反発力の増加、あるいは、反発力の減少に応じて、これらの圧電素子が変形するときに生じる圧電起電力が、同一の極性を示すように圧電素子７ａおよび７ｂを接続すればよい。こうすることで、振動発電機１では、出力電圧をさらに高めることができる。また、本実施例の振動発電機１では、筐体３の両端にネジ又は接着剤等により圧電発電部５を有する固定体４ａおよび４ｂが固定されて設けられているが、筐体３の一方端に固定体４を一つだけ備えていても良い。

図４は、本発明の他の好ましい実施形態による振動発電機１Ｂを説明する図である。具体的には、図４は、図示する上下方向の中心軸に沿った断面図であり、振動発電機１Ｂでは、先の実施例とは構成が異なる振動子である磁石体１０Ｂがこの中心軸の方向に移動して振動する。本実施例の振動発電機１Ｂは、磁石体１０Ｂの構成と、緩衝磁石９ａおよび９ｂのサイズ等と、が少々異なる他は、先の実施例の振動発電機１とほぼ共通する。したがって、先の実施例と共通する部分には共通の番号を付して説明を省略する。

本実施例の磁石体１０Ｂは、外径直径がφ約２４ｍｍで長さが約２０ｍｍの円柱状の希土類の磁石１１と、磁石１１の両端面にそれぞれ連結する２つのポール１２ａおよび１２ｂと、これらのポール１２ａおよび１２ｂにそれぞれ連結する２つの副磁石１３ａおよび１３ｂと、を有する。磁石体１０Ｂの磁石１１は、図４に示すように、振動する上下方向にそれぞれ異なる磁極（Ｎ極、Ｓ極）が現れるように着磁されている。ポール１２ａおよび１２ｂは、円盤状の磁性体であり、具体的には、それぞれ外径直径がφ約２４ｍｍで厚みが約３ｍｍの軟鉄の部材である。また、副磁石１３ａおよび１３ｂは、外径直径がφ約４．８ｍｍで厚みが約１ｍｍの円柱状の希土類の磁石である。また、一方の緩衝磁石９ａは、直径がφ約１１ｍｍで厚みが約１．２ｍｍの円盤状の希土類磁石であり、他方の緩衝磁石９ｂは、直径がφ約４．８ｍｍで厚みが約１．０ｍｍの円盤状の希土類磁石である。

図４に示すように、磁石体１０Ｂが備える副磁石１３ａおよび１３ｂは、下側の圧電発電部５ａに設けられる緩衝磁石９ａと、上側の圧電発電部５ｂに設けられる緩衝磁石９ｂとに対して、振動する磁石体１０Ｂに近い側にそれぞれ異なる磁極（Ｎ極、Ｓ極）が現れるように着磁されて、取り付けられている。本実施例の場合には、磁石体１０Ｂが備える磁石１１と、副磁石１３ａおよび１３ｂとは、異なる磁極同士がそれぞれポール１２ａおよび１２ｂを挟むように配置されている。

振動発電機１Ｂでは、それぞれのコイル２ａおよび２ｂが、磁石体１０Ｂのそれぞれのポール１２ａおよび１２ｂが往復動する範囲に対応して筐体３にそれぞれ巻回される。したがって、振動発電機１Ｂは、往復動可能に設置される磁石体１０Ｂが移動すると、透磁率の高いポール１２ａおよび１２ｂが往復動する範囲に対応して設けられているので、それぞれのコイル２ａおよび２ｂに電磁誘導により、より高いコイル起電力が発生する。

なお、磁石体１０Ｂの副磁石１３ａおよび１３ｂのポール１２ａおよび１２ｂに連結する端面側の磁極性を、ポール１２ａおよび１２ｂを間に挟んで連結する磁石１１の端面側の磁極性と一致するようにしてもよい。つまり、磁石体１０Ｂの構成を、両端のポール１２ａおよび１２ｂにおいて、反発磁界を発生させるように、磁石１１および副磁石１３ａないし１３ｂの着磁方向を調整すればよい。磁石体１０Ｂの両端部に設けられる透磁率の高いポール１２ａおよび１２ｂには、磁石１１と副磁石１３ａおよび１３ｂとが形成する反発磁界による磁束が、より多く通過することになる。したがって、コイル２ａおよび２ｂの位置における磁石体１０Ｂによる磁束密度がより高められるので、コイル２における出力電圧をさらに高めることができる。

先述の実施例の振動発電機１と同様に、発電機１Ｂは、コイル２に発生するコイル起電力を出力端子２１に出力し、圧電発電部５の圧電素子７に発生する圧電起電力を出力端子２３にそれぞれ出力する。また、（図示しない）振動発電機１Ｃは、図３に示す振動発電機１Ａと同様に、先述の振動発電機１に代わる本実施例の振動発電機１Ｂと、整流器２２および２４を含む振動発電機である。したがって、振動発電機１Ｂに接続する整流器２２はコイル２に発生するコイル起電力を出力し、整流器２４は圧電発電部５の圧電素子７に発生する圧電起電力を出力し、これらの出力が出力端子２５に並列接続される。

図５は、本実施例の振動発電機１Ｂの出力電圧を説明する波形図である。振動図５は、振動発電機１Ｂを使用者が手に保持して振ることにより振動させた場合の出力波形であって、コイル起電力を示す出力端子２１の出力と、圧電発電部５ａの圧電素子７ａに発生する圧電起電力の出力と、圧電発電部５ｂの圧電素子７ｂに発生する圧電起電力の出力と、圧電発電部５ａと圧電発電部５ｂとの差の圧電起電力を示す出力端子２３の出力と、を示す波形図である。また、図６は、図５に対応する場合の本実施例の振動発電機１Ｃの出力電圧を説明する波形図である。図６では、振動発電機１Ｃのコイル起電力を整流する整流器２２の出力と、整流されたコイル起電力と圧電起電力とを合成した出力端子２５の出力と、を示している。

振動発電機１Ｂのコイル起電力を示す出力端子２１の出力波形（図５）を見ると、周期的な磁石体１０の振動に起因して、磁石体１０が筐体３の中央付近を移動するときに絶対値が約４Ｖを超える程に大きくなり（波形の腹）、一方で磁石体１０が筐体３の端部側である固定体４ａおよび４ｂに達して折り返してくるときに絶対値が小さくなる（波形の節）様子を、繰り返している。これを整流した振動発電機１Ｃの整流器２２の出力の出力波形（図６）を見ると、同じタイミングと周期で約４Ｖを超える整流電圧の極大値が得られていることが分かる。

次に、振動発電機１Ｂの圧電発電部５ａ、ならびに、圧電発電部５ｂの圧電起電力を示す出力波形（図５）を見ると、筐体３の下側の端部に位置する圧電発電部５ａからの圧電起電力が、正弦波的な磁石体１０の振動に起因して、磁石体１０が筐体３の端部側である固定体４ａおよび４ｂに達して折り返してくるときに絶対値が約１．５Ｖ／または０．２Ｖを超える程に大きくなり（波形の腹）、一方で磁石体１０が筐体３の中央付近を移動するときに絶対値が小さくなる（波形の節）様子を、繰り返している。

図５では、圧電発電部５ａおよび５ｂの圧電起電力を示す出力波形は便宜上、逆位相の関係にあるように図示している。圧電発電部５ａおよび５ｂは、磁石体１０Ｂが筐体３の内部を移動する場合に加わる反発力に応じて、これらの圧電素子７ａおよび７ｂが変形するときに生じる圧電起電力が同一の極性を示すように圧電素子７ａおよび７ｂを接続しているからである。したがって、圧電発電部５ａと圧電発電部５ｂとの差の圧電起電力を示す出力端子２３の出力波形（図５）は、圧電発電部５ａのみの場合に比べて高いピーク値を示している。これを整流器２４で整流して整流器２２の出力と合成した振動発電機１Ｃの出力端子２５での出力波形（図６）を見ると、整流器２２の出力よりも大きなピークを示す約６Ｖを超えるような整流電圧の極大値が得られていることが分かる。

また、コイル整流器２４の出力波形と圧電整流器２２の出力波形は、同じ周期であっても位相がずれることになるので、この振動発電機１Ｃでは、出力電圧をより持続的にすることができ、小型の筐体であっても電力の変換効率を高めることができる。なお、図５および図６に示す場合には、使用者が振動発電機１Ｂを立てた状態で振動させているので、磁石体１０が中央から下側に相対的に移動した位置で振動しており、下側に位置する圧電発電部５ａが出力する圧電起電力の絶対値が大きく、上側に位置する圧電発電部５ｂ出力する圧電起電力の絶対値が小さくなっている。

図７は、本発明の他の好ましい実施形態による振動発電機１Ｄを説明する図である。具体的には、図７は、図示する上下方向の中心軸に沿った断面図であり、振動発電機１Ｄは、先の実施例の振動発電機１とは構成が異なる緩衝体を有する点で相違し、その他は、先の実施例の振動発電機１とほぼ共通する。したがって、先の実施例と共通する部分には共通の番号を付して説明を省略する。

振動発電機１Ｄは、振動子である磁石体１０が中心軸の方向に移動して振動する場合に、接近する磁石体１０と圧電素子７ａおよび５ｂとの間でそれぞれ弾性力を作用させる弾性部材１４ａおよび１４ｂをさらに有している。具体的には、弾性部材１４ａおよび１４ｂは、非磁性の金属バネであり、その自然長が、磁石体１０が筐体３の中央付近に位置する場合にその端部と緩衝磁石９との間の離隔距離とほぼ等しくなるように設定されるバネである。弾性部材１４ａは、その両端が、振動子である磁石体１０と、圧電素子７ａに連結する緩衝磁石９ａと、に固定される。また、弾性部材１４ｂは、その両端が、振動子である磁石体１０と、圧電素子７ｂに連結する緩衝磁石９ｂと、に固定される。したがって、外力が加わって変位Ｚ０で振動発電機１が振動すると、その内部で振動子である磁石体１０が変位Ｚ１で振動し、筐体３の両方の端部側に移動する場合に、磁石体１０が、両端部の固定体４ａおよび４ｂが備える圧電発電部５ａまたは５ｂに接近または離れると、弾性部材１４ａおよび１４ｂによる反発力、ないし、吸引力が更に加わって、それぞれの圧電発電部５の圧電素子７ａまたは７ｂが変形することにより圧電起電力が発生する。

例えば、振動する磁石体１０が図１に図示する下側の圧電発電部５ａに接近する場合には、同じ磁極性を示す磁石体１０と圧電発電部５ａの緩衝磁石９ａとが接近し、弾性部材１４ａが自然長よりも圧縮されることになるので、これらの間には磁力による反発力に加えて、弾性力による反発力が作用する。この反発力が緩衝磁石９ａに加わると、連結体８ａを介してその中央部分に取り付けられている圧電素子７ａが下側に湾曲して変位Ｚ２で変位すると、圧電素子７ａの正電極７＋および負電極７−の間には、圧電起電力が発生する。

反対に、振動する磁石体１０が図１に図示する下側の圧電発電部５ａから遠ざかる場合には、同じ磁極性を示す磁石体１０と圧電発電部５ａの緩衝磁石９ａとが遠ざかり、弾性部材１４ａが自然長よりも引き伸ばされることになるので、これらの間には磁力による反発力が減少することに加えて、弾性力による吸引力が作用する。この吸引力が緩衝磁石９ａに加わると、連結体８ａを介してその中央部分に取り付けられている圧電素子７ａが上側に湾曲して変位Ｚ２で変位すると、圧電素子７ａの正電極７＋および負電極７−の間には、磁石体１０が接近する場合とは逆相の圧電起電力が発生する。したがって、磁石体１０が正弦波的な振動をする場合には、振動発電機１の圧電発電部５ａの圧電素子７ａに接続する出力端子２３に出力される圧電起電力の波形は、筐体３の端部側である固定体４ａに達して折り返してくるときに大きくなり（正弦波形の腹）、一方で筐体３の中央付近を移動するときに小さくなる（正弦波形の節）。

また、同様に、振動する磁石体１０が図１に図示する上側の圧電発電部５ｂに接近する、あるいは、遠ざかる場合には、弾性部材１４ｂが同様に弾性力による反発力、または、吸引力を作用させる。したがって、圧電発電部５ｂが有する圧電素子７ｂの正電極７＋および負電極７−の間には、より大きな圧電起電力が発生する。磁石体１０が正弦波的な振動をする場合には、振動発電機１の圧電発電部５ｂの圧電素子７ｂに接続する出力端子２３に出力される圧電起電力の波形は、筐体３の端部側である固定体４ｂに達して折り返してくるときに大きくなり（正弦波形の腹）、一方で筐体３の中央付近を移動するときに小さくなる（正弦波形の節）。したがって、振動発電機１Ｄでは、コイル起電力の出力と、圧電起電力の出力との位相は、約９０度ずれることになる。

さらに、上記の通り、一方の圧電発電部５ａの圧電素子７ａの磁石体１０と接近可能に配置される一方面と、他方の圧電発電部５ｂの圧電素子７ｂの磁石体１０と接近可能に配置される一方面と反対の面とが、相互に接続されて、二つの圧電素子が並列接続されている。したがって、一方の圧電発電部５ａが出力する圧電起電力と、他方の圧電発電部５ｂ出力する圧電起電力とは、お互いに打ち消しあわずに強めあう関係になり、出力端子２３に出力する圧電起電力をさらに高めることができる。緩衝体である弾性部材１４ａおよび１４ｂは、磁石体１０が移動して筐体３の両端に位置する固定体４に勢いよく衝突して衝撃により破壊されるのを防止するだけでなく、振動発電機１Ｄの出力電圧をさらに高めることができる。

なお、上記の振動発電機１Ｄでは、弾性部材１４ａおよび１４ｂの一方端は、圧電発電部５の圧電素子７に連結する緩衝磁石９に固定されているが、圧電発電部５の圧電素子７に直接固定されていても良い。また、弾性部材１４ａおよび１４ｂは、その自然長が、磁石体１０が筐体３の中央付近に位置する場合にその端部と緩衝磁石９との間の離隔距離よりも長く、筐体３の内部に収容された場合に縮められて、振動子である磁石体１０と、圧電素子７と、の間に常に弾性力による反発力を作用させるものであっても良い。緩衝体である弾性部材１４は、その両端が、振動子である磁石体１０と、圧電素子７と、の間に弾性力を作用させて圧電素子を変形させるものであれば良く、振動発電機１Dの出力電圧をさらに高めることができる。また、弾性部材１４ａおよび１４ｂは、金属バネに限定されず、他の弾性を有する樹脂、あるいは、気泡を含むフォーム材、等であってもよい。

本発明の振動発電機は、整流器、蓄電池、充電回路等を含む発電機、あるいは、充電電池、充電器にも適用が可能である。また、本発明の振動発電機を備える電子機器は、可搬性に優れるので、使用者が持ち運ぶモバイル機器、または、振動が多く発生する車両に取り付ける発電機として、特に適する。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 振動発電機
２ コイル
３ 筐体
４ 固定体
５ 圧電発電部
６ 支持体
７ 圧電素子
８ 連結体
９ 緩衝磁石
１０、１０Ｂ 磁石体
１１ 磁石
１２ ポール
１３ 副磁石
１４ 弾性部材
２１、２３、２５ 出力端子
２２、２４ 整流器

Claims (7)

1. コイルと、該コイルが巻回される筒状の筐体と、該筐体の両端にそれぞれ設けられる固定体と、着磁された磁石を含んでそれぞれの該固定体との間を該筐体の内面に沿って往復動可能に設置される磁石体と、を備え、
   該固定体の一方又は両方が、該筐体の該内面の側に、圧電素子を含んで該磁石体と接近可能に設置される圧電発電部を有し、
   該コイルに発生するコイル起電力と、該圧電発電部の該圧電素子に発生する圧電起電力と、をそれぞれ出力する、
   振動発電機。
2. 前記固定体が有する前記圧電発電部が、前記圧電素子の端部を支持する支持体と、該圧電素子の中央部において前記磁石体と接近可能に連結される緩衝体と、を含み、該緩衝体が、接近する該磁石体と該圧電素子との間で、反発力を作用させる緩衝磁石を有する、
   請求項１に記載の振動発電機。
3. 前記緩衝体を構成する前記緩衝磁石が、該緩衝磁石の外形寸法よりも小さい外形寸法を有する連結体を介して前記圧電素子の中央部に取り付けられている、
   請求項２に記載の振動発電機。
4. 前記緩衝体が、接近する前記磁石体と前記圧電素子との間で弾性力を作用させる弾性部材をさらに有する、
   請求項１から３のいずれかに記載の振動発電機。
5. 前記固定体の両方が、前記筐体の前記内面の側にそれぞれ前記圧電発電部を有し、一方の該圧電発電部の前記圧電素子の前記磁石体と接近可能に配置される一方面と、他方の該圧電発電部の該圧電素子の該磁石体と接近可能に配置される一方面と反対の面とが、相互に接続されて二つの該圧電素子が並列接続される、
   請求項１から４のいずれかに記載の振動発電機。
6. 前記コイルが、前記筐体に複数設けられて、該複数のコイルが、直列接続および／または並列接続される、
   請求項１から５のいずれかに記載の振動発電機。
7. 前記コイルに接続するコイル整流器と、前記圧電発電部に接続する圧電整流器と、該コイル整流器の出力と該圧電整流器の出力とが並列接続される出力端子と、をさらに備える、
   請求項１から６のいずれかに記載の振動発電機。

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