JP2012070535A - 薄型振動発電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 歩行などの人体活動により生じる１Ｇ前後の加速度を持った数Ｈｚ以下の低周波振動に対して、錘要素の変位制約がなく、高い発電効率と出力電圧で発電が可能な小型で薄型な振動発電デバイスを提供すること。
【解決手段】 第１の層板と、軸と、第１の多層多極コイルと、重心位置が軸心からずれている両面着磁された多極磁石（偏心錘）と、摺動部と、第２の多層多極コイルと、第２の層板と、をこの順序で配置してなることを特徴とする振動発電デバイスを用いることにより、歩行などの人体活動により生じる１Ｇ前後の加速度を持った数Ｈｚ以下の低周波振動に対して、前記多極磁石（偏心錘）に自励回転運動が生じ、錘要素の振幅に制約を受けることが無く、高い発電効率と出力電圧で発電が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施の形態は、低周波の振動エネルギーから電気エネルギーに変換する機構を備えた小型な薄型振動発電デバイスに関する。

近年、マイクロエレクトロニクス技術の進歩により電子機器の小型化・低消費電力化が進み、携帯用電子機器を所持することが多くなっている。利便性が向上した一方で、その電力は二次電池（蓄電池・充電池）によって供給されることが多く、定期的な充電作業が必要となり、時には電池切れを起こす可能性もある。そこで、歩行などの人体活動より生じる機械振動からエネルギーを回生する研究がなされており、そのような人体活動より生じた機械振動からエネルギーを回生し、携帯用電子機器に供給するのに有効な小型で薄型な振動発電装置が求められている。

従来から、圧電効果や電磁誘導、静電誘導などを利用して、振動エネルギーから電気エネルギーに変換する機構を備えた振動発電装置が知られている。

圧電効果型装置としては、片持ち梁の先端に錘が配置され、ユニモルフ状やバイモルフ状に圧電素子が積層されている振動発電デバイスがある。また、電磁誘導型装置としては、筒状のコイルが巻かれた円筒の中にバネで保持された可動磁石が配置されている振動発電デバイスがある。更に、静電誘導型装置としては、電荷を帯電することが可能なエレクトレット電極とメタル電極が相対的に運動できる振動発電デバイスがある。

特開２００２‐３７４６６１号公報

本発明の目的は、環境に薄く広く存在する微小な振動エネルギー、特に、歩行などの人体活動より生じる振動エネルギーを効率良く回生し、携帯用電子機器などに供給するのに有効な小型で薄型な発電装置を提供することである。

本発明の実施態様によれば、この振動発電デバイスは、相対して配置されている第１及び第２の層板と、前記２枚の層板の間に、前記層板に垂直に固着された軸とを備えている。
そして、中心に孔を有し円周状に配置された複数のコイルを備えた第１の多層多極コイル板と、
円筒状の内筒部と外筒部が互いに嵌合し、回転自在に構成された摺動体と、両面着磁された円盤状ないし扇形状の多極磁石であって、前記多極磁石の重心位置が前記軸の軸心からずれるように前記摺動体の外筒部に固定された偏心錘と、
中心に孔を有し円周状に配置された複数のコイルを備えた第２の多層多極コイル板とが、この順序で前記第１及び第２の層板の間に前記軸によって貫通されるように配置され、前記摺動体の内筒部が前記軸と固着されている。
これによって、前記偏心錘が、前記軸を中心として回転自在に保持される。

また、前記振動発電デバイスにおいて、多層多極コイルが、Ｓ字形状に直列に接続された２つのコイルの組が、並ぶように配置された第１の層と、コイル１つ分ずれて同様にＳ字形状に直列に接続された２つのコイルの組が並ぶように配置された第２の層と、各コイルの中心で第１の層のコイルと第２の層のコイルが電気的に接続されることにより構成される２層多極コイルを複数積層してなることを特徴とする振動発電デバイスが提供される。

また、前記振動発電デバイスにおいて、その内部或いは、その外表面を軟磁性材料からなる構造体でカバーすることを特徴とする振動発電デバイスが提供される。

また、前記振動発電デバイスにおいて、その後段に、整流回路、充放電スイッチング素子、蓄電池、昇降圧回路を接続することにより、一定出力電圧の直流電源として作用することが可能であることを特徴とする振動発電装置が提供される。

第１の実施形態に係わる振動発電デバイスの組み立て構成を示す斜視図である。 第２の実施形態に係わる振動発電デバイスの組み立て構成を示す斜視図である。 第１の実施形態に係わる振動発電デバイスの多極磁石（偏心錘）を示す上面図及び、断面図である。 第３の実施形態に係わる振動発電デバイスの組み立て構成を示す斜視図である。 第１の実施形態に係わる振動発電デバイスの積層多極コイルの基本形状及び、接続を示す図である。 第１の実施形態に係わる振動発電デバイスの積層多極コイルの基本形状及び、接続を示す図である。 第１の実施形態に係わる振動発電デバイスの積層多極コイルの基本形状を示す上面図である。 第１の実施形態に係わる振動発電デバイスの積層多極コイルの基本形状及び、接続を示す図である。 第１の実施形態に係わる振動発電デバイスの積層多極コイルと電極パッドの基本形状及び、接続を示す図である。 実施形態に係わる振動発電デバイスの多極磁石（偏心錘）を示す上面図及び、断面図である。 第４の実施形態に係わる振動発電デバイスの組み立て構成を示す斜視図である。 実施形態に係わる試作した振動発電デバイスの外形写真である。 実施形態に係わる試作した振動発電デバイスによる揺動時における負荷回路への出力電圧波形の例を示す図である。 実施形態に係わる試作した振動発電デバイスによる自励回転時における負荷回路への出力電圧波形の例を示す図である。 従来の振動発電デバイス（静電誘導型）の概略構造の斜視図である。 従来の振動発電デバイス（静電誘導型）の動作を示した上面図である。 従来の振動発電デバイス（圧電効果型）の概略構造の斜視図である。 従来の振動発電デバイス（圧電効果型）の動作を示した断面図である。 第１の実施形態に係わる振動発電デバイスの上面図である。 第１の実施形態に係わる振動発電デバイスの偏心錘の揺動に関する説明図である。 第１の実施形態に係わる振動発電デバイスの偏心錘の自励回転に関する説明図である。 実施形態に係わる振動発電装置の回路構成を示すブロック図である。 実施形態に係わる振動発電装置の回路構成を示すブロック図である。 実施形態に係わる振動発電装置の回路構成を示すブロック図である。 実施形態に係わる振動発電装置の回路構成を示すブロック図である。

以下、発明をするに至った経緯について詳細に説明する。
歩行などの人体活動により生じる振動は、１Ｇ前後の加速度を持った数Ｈｚ以下の低周波振動であるため、損失無くエネルギーを回収しようとすると、振動発電デバイスの錘要素には、非常に大きな振幅が要求される。この錘要素の振幅に制約が生じるとエネルギー回収の大きな損失となってしまう。つまり、錘要素の振幅を往復運動で実現しようとした場合、振動発電デバイスのサイズを非常に大きくしなくてはならない。

従来の静電誘導型振動発電デバイスの概略構造の斜視図を図１５に、外部加振を受けた際の動作を図１６に示す。表面にメタル電極（可動電極）３１がパターニングされている錘３３の周囲を固定端壁（フレーム）２８に固定されたバネ構造２７により吊っており、メタル電極（可動電極）３１に対向して、電荷が帯電されているエレクトレット膜２９上にパターニングされたエレクトレット電極（固定電極）３０が配置されている。錘３３が、外部加振を受けると、下記の（１）式に応じた力を受けて、バネ構造２７を介して振動する。

ここで、Ｆは錘３３が受ける力、ｍは錘３３の質量、ａは外部加振の加速度を示している。

また、振動発電デバイスの共振周波数と、外部加振の周波数が同じとき、錘３３の最大変位は、下記の（２）式で示される。

ここで、δｍａｘは錘３３の最大変位、ｘは外部加振の振幅、ａは外部加振の加速度、ζは減衰比、ωｎは振動発電デバイスの共振周波数を示している。

前述のように、低周波数で大きな加速度の外部加振を受ける場合、（２）式より明らかなように、錘３３には、非常に大きな振幅が要求される。しかしながら、携帯用電子機器などへの電力供給を想定した場合、振動発電デバイスは小型で薄型であることが要求され、図１６に示すように、錘３３が十分に変位する前に、固定端壁（フレーム）２８と接触し、変位が制約されてしまうことが十分考えられる。

従来の圧電効果型振動発電デバイスの概略構造の斜視図を図１７に、外部加振を受けた際の動作を図１８に示す。片端が固定端壁（フレーム）２８に固定されて、他方の端部に錘３３が配置された片持ち構造のシム材（金属電極板）３５の表裏面に圧電材３４が貼り付いている構造である。前述と同様に、低周波数で大きな加速度の外部加振を受ける場合、図１８に示すように、錘３３が十分に変位する前に、固定端壁（フレーム）２８と接触し、変位が制約されてしまうことが十分考えられる。

これらのように、小型の往復運動型の振動発電デバイス構造の場合、歩行などの人体活動により生じる１Ｇ前後の加速度を持った数Ｈｚ以下の低周波振動を受けた際に、錘要素の変位が制約されてしまい、発電効率が低下してしまうという問題がある。

また、別の観点として、携帯用電子機器に発電した電力を供給しようとした場合、歩行などの人体活動に伴う振動からは振動周波数に応じた交流の発電が生じる。その為、その交流電源を直流電源に整流した後、更に発電量や負荷の変動があることなどから、一旦、二次電池（蓄電池・充電池）に充電してから携帯用電子機器に電力供給することになる。交流から直流への整流の際には電圧降下が生じる為、１Ｖ以下の発電では非常に効率が悪くなる。また、二次電池（蓄電池・充電池）への充電の際には、リチウムイオンポリマー二次電池の場合は３．７Ｖ、ニッケル・水素蓄電池の場合は１．２Ｖの充電電圧が必要となることなどから、振動発電デバイスでの発電電圧がこれらより高いことが要求される。

このような事情に鑑み、本実施の形態は、歩行などの人体活動により生じる１Ｇ前後の加速度を持った数Ｈｚ以下の低周波振動に対して、錘要素の変位制約がなく、高い発電効率と出力電圧で発電が可能な小型で薄型な振動発電デバイスを提供することを目的として検討した結果、第１の層板と、軸と、第１の多層多極コイルと、重心位置が軸心からずれている両面着磁された多極磁石（偏心錘）と、摺動部と、第２の多層多極コイルと、第２の層板と、をこの順序で配置した振動発電デバイスは、歩行などの人体活動より生じる振動エネルギーを効率良く回生し、携帯用電子機器などに電力供給するのに有効な小型で薄型な振動発電デバイスを実現できることが判明した。

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。

（第１の実施の形態）
第１の実施形態について図１と図３と図５から図１０と、図１２から図１４とを用いて説明する。図１は、第１の実施形態に係わる振動発電デバイスの組み立て構成を示す斜視図である。中心に軸６を有し、前記軸６の周りに座ぐり（ザグリ）溝７が加工された下層板５がある。前記下層板５の大きさは例えば、数ｃｍ角程度で、厚みは１ｍｍ程度である。前記下層板５の座ぐり（ザグリ）溝７の中に、フレキシブル基板で作製された下層の積層多極コイル２ｂが配置される。前記下層の積層多極コイル２ｂは例えば、８層８極の積層多極コイルとなっており、８極のコイルが直列に接続された構成である。導線の幅は、例えば数１０μｍから数１００μｍ程度にパターニングされており、各コイルが高インダクタンスで且つ、低電気抵抗となるように設計される。

ベアリング（軸受け、摺動部）４は、その内筒部に前記軸６を、外筒部に多極磁石（偏心錘）３を固定する。前記多極磁石（偏心錘）３は、例えば、図３に示すような半円盤形状をした表裏両面を４極に着磁された多極磁石である。前記多極磁石（偏心錘）３は、例えば厚みは０．５ｍｍ程度であり、最大エネルギー積が４８ＭＧＯｅ以上のネオジウム磁石を使用し、表面には厚みが数１０μｍ程度のＮｉめっきが被覆されている。この実施の形態において、ネオジム磁石表面へのＮｉめっきは、磁石が税制材料であることから、衝撃を受けた際に破断する危険を低減するために施すものであり、信頼性向上のために行うものである。本実施の形態においては必ずしも必要不可欠なものではなく、省略することは可能である。

前記多極磁石（偏心錘）３の上には、フレキシブル基板で作製された上層の積層多極コイル２ａが配置される。前記上層の積層多極コイル２ａは、前記下層の積層多極コイル２ｂと同様な構造をしている。前記上層の積層多極コイル２ａは、上層板１の中心部に加工された座ぐり（ザグリ）溝７の中に、配置される。前記上層の積層多極コイル２ａと前記多極磁石（偏心錘）３及び、前記多極磁石（偏心錘）３と前記下層の積層多極コイル２ｂとの間のギャップは、例えば、０．数ｍｍ以下の間隔に保つように積層される。このように作製された小型で薄型な振動発電デバイスは、例えば、数ｃｍ角程度で、厚みは数ｍｍ程度の大きさである。

前記多極磁石（偏心錘）３の形状や極数（Ｎ極とＳ極）は、図３の形状や極数に限らず、例えば図１０の（ａ）から（ｆ）のような形状や極数でもよい。前記軸６に対して、前記多極磁石（偏心錘）３の重心位置が偏倚していることが必要である。また、着磁の極数も両面４極に限らず、両面２極や両面８極などでもよい。前記積層多極コイル２ａ、２ｂと極の形状が対応していることが必要である。

前記上層及び、下層の積層多極コイル２ａ、２ｂの構造について、図５から図９を用いて詳しく説明する。図５は、第１の実施形態に係わる振動発電デバイスの積層多極コイルの基本形状及び、電気的接続を示す図である。第１コイル層１０には、第１層Ｓ字形状コイル１２が並ぶように配置されている。前記第１層Ｓ字形状コイル１２は、積層フレキシブル基板の導体層をパターニングすることにより形成される。前記第１層Ｓ字形状コイル１２は、２つのコイルが直列接続されて隣り合い、それぞれのコイルの極が異なる（電流の向きが時計回りと反時計回りの逆向きになる）ような形状となっている。

前記第１層Ｓ字形状コイル１２の２つのコイルの中心部には、ランドが形成され、他の層との電気的接続を可能とする為に、スルーホール・ビア１５が形成されている。第２コイル層１１にも、前記第１コイル層１０と同様に、積層フレキシブル基板の導体層をパターニングすることにより、第２層Ｓ字形状コイル１３が並ぶように形成されるが、前記第１コイル層１０とは、コイル１つ分ずれて配置される。前記第２層Ｓ字形状コイル１３の２つのコイルの中心部には、ランドが形成され、他の層との電気的接続を可能とする前記スルーホール・ビア１５を介して、第１コイル層１０の第１層Ｓ字形状コイル１２と電気的に接続する。このようなコイル形状及び電気的接続により、隣接するコイルでは極（時計周りと反時計回り）が変わり、上下で接続するコイルでは極（時計周りと反時計回り）を同じにすることが可能である。図６は、多極コイルの積層数を４層にした場合の基本形状及び、電気的接続を示す図である。図５の２層に積層された多極コイルを更に２つ積層した形であり、それぞれの２層に積層された多極コイルを直列に接続することにより、積層数が４層の多極コイルを実現することができる。

図７は、前述に基づいて作製された、積層数が４層の多極コイルの上面図である。隣接するコイル同士で極（時計周りと反時計回り）の異なる４層コイルが横に並んだ状態となる。図８は、積層多極コイルの全体形状を円形や扇形にする際の基本形状及び、接続を示す図である。基本的には図５や図６の積層多極コイルを横に並べる場合と同じ電気的接続だが、コイル形状を円形や扇形に合わせることにより、実現が可能である。

更に、図９は、前述に基づいて作製された、積層数が４層の多極コイルの電極パッド２０の電気的接続を示す図である。前記第１コイル層１０と前記第２コイル層１１により形成される２層の多極コイル列（直列接続）と、前記第３コイル層１６と前記第４コイル層１７により形成される２層の多極コイル列（直列接続）とは、電気的に独立に形成されており、前記スルーホール・ビア１５を介して最終的にそれぞれを直列に接続するか、前記スルーホール・ビア１５を介して前記第１コイル層１０に前記第３コイル層１６と前記第４コイル層１７により形成される多極コイル列の前記電極パッド２０を形成して、前記第１コイル層１０と前記第２コイル層１１により形成される２層の多極コイル列と直列接続する。このように、積層多極コイルを直列接続することにより、高い出力電圧が可能となり、振動（回転）周波数に対して、極（時計周りと反時計回り）の数に応じて高周波化された発電となる。この際、各コイルが低電気抵抗となるような設計や材料選択を行うことにより、振動発電デバイスの内部抵抗を小さくすることが出来れば、電流量も確保され、発電量としても高い出力を得ることが可能となる。

図１９は、第１の実施形態に係わる振動発電デバイスの上面図である。外部加振を受けた際の前記多極磁石（偏心錘）３の動作の模式図を図２０と図２１に示す。外部加振を受けた際に前記多極磁石（偏心錘）３が揺れて振動するだけの動作をする場合を揺動と呼び、図２０に示すようになる。一方、外部加振を受けた際に前記多極磁石（偏心錘）３が回転を維持して動作をする場合を自励回転と呼び、図２１に示すようになる。

前述のように、小型の往復運動型の振動発電デバイス構造の場合、歩行などの人体活動により生じる１Ｇ前後の加速度を持った数Ｈｚ以下の低周波振動を受けた際に、錘要素の変位が制約されてしまい、発電効率が低下してしまうという問題がある。これに対して、本実施形態によれば、前記多極磁石（偏心錘）３が自励回転運動を行えば、錘要素の振幅に制約を受けることが無い為に、高い発電効率と出力電圧で発電が可能な小型で薄型な振動発電デバイスを提供することが可能である。

図１２は、本実施形態に係わる試作した振動発電デバイス２４の外形写真である。図１３は、本実施形態に係わる試作した前記振動発電デバイス２４による揺動時における負荷回路（３．３ｋΩ）への出力電圧波形の例を示す図であり、図１４は、自励回転時における負荷回路（３．３ｋΩ）への出力電圧波形の例を示す図である。前述のように、自励回転した際は、揺動時に比べて高い出力電圧と周波数による発電が実現している。

次に、基本的な振動発電デバイスと負荷回路との関係を、回路ブロック図として図２２から図２５を用いて説明する。図２２は最も単純な接続で、振動発電デバイスと負荷回路を直接接続させた状態を示す図である。歩行などの人体活動により生じる外部加振により、振動発電デバイスからは交流の発電が生じる。また、周波数や発電量も外部加振の条件により時々刻々と変動する。このような変動する交流電源として使用できる場合の接続となる。

図２３は振動発電デバイスからの交流の発電をブリッジダイオードなどの整流回路により全波整流させた後、負荷回路へ接続させた状態を示す図である。歩行などの人体活動により生じる外部加振の条件は、時々刻々と変動するため、変動するが逆流はしない電源として使用できる場合の接続となる。

図２４は一定の出力電圧による完全な直流電源として使用する場合の回路ブロックの一例である。振動発電デバイスからの交流の発電をトランスなどで目的の電圧へ昇圧した後、ブリッジダイオードなどの整流回路により全波整流させる。その後、充放電スイッチング素子により、蓄電池への充電と負荷回路への放電をコントロールする。

図２５も一定の出力電圧による完全な直流電源として使用する場合の回路ブロックの一例である。振動発電デバイスからの交流の発電をブリッジダイオードなどの整流回路により全波整流させる。その後、充放電スイッチング素子により、蓄電池への充電と負荷回路への放電をコントロールするが、負荷回路への放電の際は、ＤＣ／ＤＣコンバータによる昇降圧を行い、目的の一定の出力電圧での直流電源として作用させる。これらの回路ブロックの中から、負荷回路の特性に応じて、適切な回路構成を選択することになる。

（第２の実施の形態）
第２の実施形態について図２を用いて説明する。図２は、第２の実施形態に係わる振動発電デバイスの組み立て構成を示す斜視図である。中心に軸６を有し、前記軸６の周りに座ぐり（ザグリ）溝７が加工された下層板５がある。前記下層板５の大きさは例えば、数ｃｍ角程度で、厚みは１ｍｍ程度である。前記下層板５の前記座ぐり（ザグリ）溝７の中に、下層軟磁性材料リング９ｂとフレキシブル基板で作製された下層の積層多極コイル２ｂが順に配置される。前記下層軟磁性材料リング９ｂは、磁石とコイル間の磁束密度増加や磁気漏れ防止（磁気シールド）の効果を期待するもので、例えば、７８％パーマロイなどの軟磁性材料により構成される。前記下層の積層多極コイル２ｂは例えば、８層８極の積層多極コイルとなっており、８極のコイルが直列に接続された構成である。導線の幅は、例えば数１０μｍから数１００μｍ程度にパターニングされており、各コイルが高インダクタンスで且つ、低電気抵抗となるように設計される。ベアリング（軸受け、摺動部）４は、その内径側に前記軸６を、外形側に多極磁石（偏心錘）３を固定する。前記多極磁石（偏心錘）３は、例えば、図３に示すような半円盤形状をした表裏両面を４極に着磁された多極磁石である。前記多極磁石（偏心錘）３は、例えば厚みは０．５ｍｍ程度であり、最大エネルギー積が４８ＭＧＯｅ以上のネオジウム磁石を使用し、表面には厚みが数１０μｍ程度のＮｉめっきが被覆されている。前記多極磁石（偏心錘）３の上には、フレキシブル基板で作製された上層の積層多極コイル２ａと上層軟磁性材料リング９ａが順に配置される。前記上層の積層多極コイル２ａは、前記下層の積層多極コイル２ｂと同様な構造をしている。また、前記上層軟磁性材料リング９ａも、前記下層軟磁性材料リング９ｂと同様な構造をしている。前記上層の積層多極コイル２ａと前記上層軟磁性材料リング９ａは、上層板１の中心部に加工された座ぐり（ザグリ）溝７の中に、順に配置される。前記上層の積層多極コイル２ａと前記多極磁石（偏心錘）３及び、前記多極磁石（偏心錘）３と前記下層の積層多極コイル２ｂとの間のギャップは、例えば、０．数ｍｍ以下の間隔に保つように積層される。このように作製された小型で薄型な振動発電デバイスは、例えば、数ｃｍ角程度で、厚みは数ｍｍ程度の大きさである。

この実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と比較して、磁石３の磁界の外部への漏出を防止することができるばかりでなく、その磁束密度を増加させ、エネルギーを有効利用することができ、さらに、外部の磁界の影響を受けることもなくなるという効果を有するものである。

（第３の実施の形態）
第３の実施形態について図４を用いて説明する。図４は、第３の実施形態に係わる振動発電デバイスの組み立て構成を示す斜視図である。前記第１の実施形態による振動発電デバイスに対して、軟磁性材料ケース８でカバーする構造である。軟磁性材料ケース８は、磁石とコイル間の磁束密度増加や磁気漏れ防止（磁気シールド）の効果を期待するもので、例えば、７８％パーマロイなどの軟磁性材料により構成される。

この実施の形態においても、前記第１の実施の形態と比較して、磁石３の磁界の外部への漏出を防止することができるばかりでなく、その磁束密度を増加させ、エネルギーを有効利用することができ、さらに、外部の磁界の影響を受けることもなくなるという効果を有するものである。

（第４の実施の形態）
第４の実施形態について図１１を用いて説明する。図１１は、第４の実施形態に係わる振動発電デバイスの組み立て構成を示す斜視図である。中心に軸６を有し、前記軸６の周りに座ぐり（ザグリ）溝７が加工され、さらに前記座ぐり（ザグリ）溝７の周囲にもマイクロベアリングボール用摺動溝２２が加工された下層板５がある。前記マイクロベアリングボール用摺動溝２２の幅は、例えば、０．数ｍｍから数ｍｍ程度の大きさであり、前記下層板５の大きさは例えば、数ｃｍ角程度で、厚みは１ｍｍ程度である。前記下層板５の前記マイクロベアリングボール用摺動溝２２の中に、複数のマイクロベアリングボール２３が配置される。また、前記下層板５の前記座ぐり（ザグリ）溝７の中に、下層軟磁性材料リング９ｂとフレキシブル基板で作製された下層の積層多極コイル２ｂが順に配置される。前記下層軟磁性材料リング９ｂは、磁石とコイル間の磁束密度増加や磁気漏れ防止（磁気シールド）の効果を期待するもので、例えば、７８％パーマロイなどの軟磁性材料により構成される。前記下層の積層多極コイル２ｂは例えば、８層８極の積層多極コイルとなっており、８極のコイルが直列に接続された構成である。導線の幅は、例えば数１０μｍから数１００μｍ程度にパターニングされており、各コイルが高インダクタンスで且つ、低電気抵抗となるように設計される。ベアリング（軸受け、摺動部）４は、その内径側に前記軸６を、外形側に多極磁石（偏心錘）３を固定する。前記多極磁石（偏心錘）３の外周には、マイクロベアリングボール用摺動溝２２が表裏面に加工された付加偏心錘２１が接合される。前記マイクロベアリングボール用摺動溝２２の幅は、例えば、０．数ｍｍから数ｍｍ程度の大きさである。前記多極磁石（偏心錘）３は、例えば、図３に示すような半円盤形状をした表裏両面を４極に着磁された多極磁石である。前記多極磁石（偏心錘）３は、例えば厚みは０．５ｍｍ程度であり、最大エネルギー積が４８ＭＧＯｅ以上のネオジウム磁石を使用し、表面には厚みが数１０μｍ程度のＮｉめっきが被覆されている。前記多極磁石（偏心錘）３の上には、フレキシブル基板で作製された上層の積層多極コイル２ａと上層軟磁性材料リング９ａが順に配置される。前記上層の積層多極コイル２ａは、前記下層の積層多極コイル２ｂと同様な構造をしている。また、前記上層軟磁性材料リング９ａも、前記下層軟磁性材料リング９ｂと同様な構造をしている。前記上層の積層多極コイル２ａと前記上層軟磁性材料リング９ａは、上層板１の中心部に加工された座ぐり（ザグリ）溝７の中に、順に配置される。前記上層板１の前記座ぐり（ザグリ）溝７の周囲には、マイクロベアリングボール用摺動溝２２も加工されており、前記マイクロベアリングボール用摺動溝２２の中に、複数のマイクロベアリングボール２３が配置される。前記上層の積層多極コイル２ａと前記多極磁石（偏心錘）３及び、前記多極磁石（偏心錘）３と前記下層の積層多極コイル２ｂとの間のギャップは、例えば、０．数ｍｍ以下の間隔に保つように積層される。前記マイクロベアリングボール２３による摺動により、振動発電デバイスの厚み方向への加振の際にも、前記多極磁石（偏心錘）３が上下層の積層多極コイル２ａ、２ｂと接触することによる摩擦損失を低減することが可能となる。このように作製された小型で薄型な振動発電デバイスは、例えば、数ｃｍ角程度で、厚みは数ｍｍ程度の大きさである。

この実施の形態においても、前記第１の実施の形態と比較して、磁石３の磁界の外部への漏出を防止することができるばかりでなく、その磁束密度を増加させ、エネルギーを有効利用することができ、さらに、外部の磁界の影響を受けることもなくなるという効果を有するものである。

以上、いくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…上層板
２…多極コイル
２ａ…上層の多層多極コイル板
２ｂ…下層の多層多極コイル板
３…多極磁石（偏心錘）
４…ベアリング（軸受け、摺動部）
５…下層板
６…軸
７…座ぐり（ザグリ）溝
８…軟磁性材料ケース
９ａ…上層軟磁性材料リング
９ｂ…下層軟磁性材料リング
１０…第１コイル層
１１…第２コイル層
１２…第１層Ｓ字形状コイル
１３…第２層Ｓ字形状コイル
１４…ランド
１５…スルーホール・ビア
１６…第３コイル層
１７…第４コイル層
１８…４層多極コイル
１９…４層コイル
２０…電極パッド
２１…付加偏心錘
２２…マイクロベアリングボール用摺動溝
２３…マイクロベアリングボール
２４…試作した薄型振動発電デバイス（スケルトン）
２５…偏心錘が揺動時の出力電圧例
２６…偏心錘が自励回転時の出力電圧例
２７…バネ構造
２８…固定端壁（フレーム）
２９…エレクトレット膜
３０…エレクトレット電極（固定電極）
３１…メタル電極（可動電極）
３２…振動方向
３３…錘
３４…圧電材
３５…シム材（金属電極板）
３６…固定ネジ
３７…スペーサ

Claims (5)

1. 相対して配置されている第１及び第２の層板と、
   前記２枚の層板の間に、前記層板に垂直に固着された軸とを備え、
   中心に孔を有し円周状に配置された複数のコイルを備えた第１の多層多極コイル板と、
   円筒状の内筒部と外筒部が互いに嵌合し、回転自在に構成された摺動体と、両面着磁された円盤状ないし扇形状の多極磁石であって、前記多極磁石の重心位置が前記軸の軸心からずれるように前記摺動体の外筒部に固定された偏心錘と、
   中心に孔を有し円周状に配置された複数のコイルを備えた第２の多層多極コイル板とが、この順序で前記第１及び第２の層板の間に前記軸によって貫通されるように配置され、前記摺動体の内筒部が前記軸と固着されていることを特徴とする振動発電デバイス。
2. 請求項１に記載の振動発電デバイスにおいて、多層多極コイル板が、Ｓ字形状に直列に接続された２つのコイルの組が、並ぶように配置された第１の層と、コイル１つ分ずれて同様にＳ字形状に直列に接続された２つのコイルの組が並ぶように配置された第２の層と、各コイルの中心で第１の層のコイルと第２の層のコイルが電気的に接続されることにより構成される２層多極コイルを複数積層してなることを特徴とする振動発電デバイス。
3. 請求項１に記載の振動発電デバイスにおいて、その内部或いは、その外表面を軟磁性材料からなる構造体でカバーすることを特徴とする振動発電デバイス。
4. 請求項１に記載の振動発電デバイスの出力端子に、整流回路を接続したことを特徴とする振動発電装置。
5. 請求項１に記載の振動発電デバイスの出力端子に、整流回路と、充放電スイッチング素子と昇降圧回路を接続し、前記充放電スイッチング素子の充電用出力端子を蓄電素子に接続したことを特徴とする振動発電装置。