JP6209818B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動を利用した発電装置に関する。

振動を利用した発電技術としては、圧電素子を利用した発電方法がよく知られている。圧電素子を利用した発電方法の多くは、圧電素子に何らかの方法で外部から力を加えることにより、圧電素子を変形させて発電するものである。

圧電素子を利用した発電方法としては、例えば、下記特許文献１に記載のものがある。すなわち、下記特許文献１では、音による空気の圧力変動を利用して圧電素子により発電する音力発電装置、および、振動による圧力変動を利用して圧電素子により発電する振動力発電装置が記載されている。

また圧電素子に代えて磁歪素子を利用した発電方法も提案されている。磁歪素子を利用した発電方法としては、例えば、下記特許文献２に記載のものがある。
図１１Ａおよび図１１Ｂは、下記特許文献２に記載の振動を利用した発電素子の構成例を示す図である。すなわち、図１１Ａは、下記特許文献２に示された発電素子の構成を示す上面図、図１１Ｂは、下記特許文献２に示された発電素子の構成を示す側面図である。

図１１Ａおよび図１１Ｂにおいて発電素子１００は、連結ヨーク１００ａおよび１００ｂと、磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂと、コイル１２０ａおよび１２０ｂと、永久磁石１４０ａおよび１４０ｂと、パッシブヨーク１５０とを備えて構成されている。

図１２は、図１１Ａに示した発電素子を片持ち梁構成とした場合の発電装置の構成例を示す図である。図１２において発電装置は、発電素子１００の連結ヨーク１００ａを固定部材で固定した片持ち梁構成とし、連結ヨーク１００ｂに曲げ応力Ｐを印加することにより、磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂが曲げ変形される。これにより磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂに発生する逆磁歪効果により、コイル１２０ａおよび１２０ｂ（図１１Ａ参照）を貫く磁束が変化することで、コイル１２０ａおよび１２０ｂに誘導電圧（または誘導電流）が発生する。これにより、発電素子１００に振動を印加することで発電が可能となるものである。

特開２００６−１６６６９４号公報 特許第４９０５８２０号明細書

特許文献１に記載された圧電素子を利用する発電方法では、圧電素子を構成する圧電材料が脆性材料であり、曲げや衝撃に対して弱い材料である。そのため過度に力を加えることができず、発電量を増加させるために大きな曲げや衝撃を加えることが難しいという問題がある。また、圧電素子は低周波でインピーダンスが高く、圧電素子より低いインピーダンスを有する負荷を接続した際に、負荷に発生する電圧が小さくなるため、発電により得られる電力が小さくなり、発電の効率が低いという問題がある。

一方、特許文献２に記載された磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂを構成する磁歪材料は、延性材料であり、圧電材料に比べて曲げや衝撃に強いため、大きな曲げや衝撃を加えることで発電量を増加させることが可能である。また素子のインピーダンスが圧電材料よりも低いことから、インピーダンスの低い負荷の接続による発電効率の低下が少ないため特許文献１に記載の圧電材料の問題点を解消することができる。

しかしながら、特許文献２に記載された発電素子は、コイル１２０ａおよび１２０ｂが磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂに直接巻かれていることから次のような問題があった。すなわち、振動による磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂの変形がコイル１２０ａおよび１２０ｂのコイル重量により制限されることで、振動による発電効率が低下する。また、振動により磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂに大きな曲げや衝撃が加わることで磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂが大きく変形する際、コイル１２０ａおよび１２０ｂにより磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂの変形が制限されることで発電効率が低下する。

そこで本発明の目的は、上記問題点を解決するために、振動を磁歪素子に与えて発電する発電装置において、振動による発電効率を高めることが可能な発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、一端を固定し支持する支持体を介して振動源からの振動を受けて振動し、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動電力変換手段と、前記振動電力変換手段から供給される電力を受電して負荷に供給する電源回路とを備えて構成される発電装置であって、前記振動電力変換手段は、
磁歪材料で構成された磁歪部材と、前記磁歪部材に平行に配置されて磁性材料で構成される磁性部材と、前記磁歪部材と前記磁性部材を磁気的に連結する第１及び第２の連結部材と、少なくとも前記第１及び第２の連結部材のいずれかに巻かれた磁気コイルと、前記磁歪部材、前記磁性部材、並びに前記第１及び第２の連結部材のいずれか一つの端部に少なくとも一つ配置され、前記磁歪部材と前記磁性部材と前記連結部材とからなる磁気ループに磁気バイアスを供給する永久磁石とを有するとともに、前記第２の連結部材側が前記支持体に結合され、前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向に前記振動源からの振動を受けることで前記振動電力変換手段が振動し、該振動に伴って前記磁歪部材が伸縮または収縮することで振動エネルギーから電気エネルギーに変換された電力が前記磁気コイルに発生し、前記磁気コイルに発生した電力が前記電源回路に供給されることを特徴としたものである。

また、請求項２記載の発明は、上記において、前記磁性部材と前記連結部材とが一体成形されてヨークを構成することを特徴としたものである。
また、請求項３記載の発明は、上記において、前記振動電力変換手段における前記磁性部材、および、前記第１及び第２の連結部材は、同一部材で構成されていることを特徴としたものである。

また、請求項４記載の発明は、上記において、前記第１の連結部材に結合され前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させるための錘体を備えることを特徴としたものである。

前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させるための錘体と前記第１の連結部材とを結合し前記磁気コイルの収納空間を確保する非磁性体材料で構成された第１の継ぎ手、および／または、前記支持体と前記第２の連結部材とを結合し前記磁気コイルの収納空間を確保する非磁性体材料で構成された第２の継ぎ手を備えていることを特徴としたものである。

上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、一端を固定し支持する支持体を介して振動源からの振動を受けて振動し、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動電力変換手段と、前記振動電力変換手段から供給される電力を受電して負荷に供給する電源回路とを備えて構成される発電装置であって、前記振動電力変換手段は、磁歪材料で構成された磁歪部材と、前記磁歪部材に平行に配置されて磁性材料で構成される磁性部材と、前記磁歪部材と前記磁性部材を磁気的に連結する第１及び第２の連結部材と、少なくとも前記第１及び第２の連結部材のいずれかに巻かれた第１の磁気コイルと、前記磁性部材に巻かれた第２の磁気コイルと、前記磁歪部材、前記磁性部材、並びに前記第１及び第２の連結部材のいずれか一つの端部に少なくとも一つ配置され、前記磁歪部材と前記磁性部材と前記連結部材とからなる磁気ループに磁気バイアスを供給する永久磁石とを有するとともに、前記第２の連結部材側が前記支持体に結合され、前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向に前記振動源からの振動を受けることで前記振動電力変換手段が振動し、該振動に伴って前記磁歪部材が伸縮または収縮することで振動エネルギーから電気エネルギーに変換された電力が前記磁気コイルに発生し、前記磁気コイルに発生した電力が前記電源回路に供給されることを特徴としたものである。

また、請求項７記載の発明は、上記において、前記磁性部材と前記連結部材とが一体成形されてヨークを構成することを特徴としたものである。
また、請求項８記載の発明は、上記において、前記振動電力変換手段における前記磁性部材、および、前記第１及び第２の連結部材は、同一部材で構成されていることを特徴としたものである。

また、請求項９記載の発明は、上記において、前記第１の連結部材に結合され前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させるための錘体を備えることを特徴としたものである。

また、請求項１０記載の発明は、上記において、前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させるための錘体と前記第１の連結部材とを結合し前記磁気コイルの収納空間を確保する非磁性体材料で構成された第１の継ぎ手、および／または、前記支持体と前記第２の連結部材とを結合し前記磁気コイルの収納空間を確保する非磁性体材料で構成された第２の継ぎ手を備えていることを特徴としたものである。

さらに、請求項１１記載の発明は、上記請求項１または６において、前記磁歪材料は、延性を有することを特徴としたものである。
また、請求項１２記載の発明は、上記請求項１または６において、前記磁歪材料は、鉄ガリウム合金であることを特徴としたものである。

また、請求項１３記載の発明は、上記請求項１または６において、前記磁歪材料は、鉄コバルト合金であることを特徴としたものである。

本発明によれば、日常の環境下で生成される振動から効率的に電力を取り出すことが可能となるので、従来殆ど省みられなかった振動エネルギーを有効利用して電気エネルギーを産み出すことができる。すなわち本発明の発電装置を用いることにより、電気エネルギー産出のための費用を削減できるとともに、ＣＯ２排出量を低減できるので、電気エネルギー産出のための環境負荷を低減することができる。

一例として、本発明をワイヤレスセンサに適用した場合、現存するワイヤレスセンサのような有線による電源供給やバッテリ搭載が不要となるので、ワイヤレスセンサにおける電源供給コスト及びメンテナンスコストを削減することができ、ワイヤレスセンサシステム全体のコストダウンを実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る発電装置の構成を示す断面図であり正面から見た図である。 本発明の第１及び第３の実施形態に係る発電装置で用いられる継ぎ手の構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る発電装置で用いられる磁気コイル収納空間を確保する第２の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る発電装置で用いられる磁気コイル収納空間を確保する第３の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る発電装置の構成を示す断面図であり正面から見た図である。 本発明の第２の実施形態に係る発電装置で用いられる継ぎ手の構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る発電装置の構成を示す断面図であり正面から見た図である。 本発明の第３の実施形態に係る発電装置で用いられる磁気コイル収納空間を確保する第２の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る発電装置で用いられる磁気コイル収納空間を確保する第３の構成を示す断面図である。 第１ないし第３の実施形態に係る発電装置に用いられる電源回路の構成を示す図である。 従来の発電素子の構成を示す上面図である。 従来の発電素子の構成を示す側面図である。 図１１Ａに示した発電素子を片持ち梁構成とした場合の発電装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
［実施形態１］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る発電装置の構成を示す断面図であり正面から見た図である。なお、断面箇所については図２のＡ−Ａ線（後述するフレームや振動源における断面箇所は除外している）を参照されたい。図１および図２において、本発明の第１の実施形態に係る発電装置１ａは、フレーム９ａ内に収納されるように構成され、このフレーム９ａが振動源１０に固定されている。振動源１０には、図示した矢印線の方向に振動が与えられるものとする。

図１の発電装置１ａは、上述したフレーム９ａに固定され後述する振動電力変換手段の一端を固定し支持する支持体（例．支柱）８ａと、支持体８ａを介して振動源１０からの振動を受けて振動し、固有の振動周波数で共振することで振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動電力変換手段と、振動電力変換手段から供給される電力を受電して負荷に供給する電源回路１１ａとを備えて構成されている。

振動電力変換手段は、磁歪材料で構成された磁歪部材３ａと、磁歪部材３ａに平行に配置されて磁性材料で構成される磁性部材４ａと、磁歪部材３ａと磁性部材４ａを磁気的に連結する第１の連結部材４０ａおよび第２の連結部材４０ｂと、少なくとも第１の連結部材４０ａおよび第２の連結部材４０ｂのいずれか一方に巻かれた磁気コイル５ａ，５ｂと、磁歪部材３ａ、磁性部材４ａ、並びに第１の連結部材４０ａ及び第２の連結部材４０ｂのいずれか一つの端部に少なくとも一つ配置され、磁歪部材３ａと磁性部材４ａと連結部材４０ａ，４０ｂとからなる磁気ループに磁気バイアスを供給する永久磁石７ａ，７ｂと、を有して構成される。

なお、磁気コイル５ａの収納空間は、磁歪部材３ａ、磁性部材４ａ及び第１の連結部材４０ａとで形成される空間のみならず第１の連結部材４０ａと錘体２ａとを結合する第１の継ぎ手６ａの内部にも形成される。また、磁気コイル５ｂの収納空間は、磁歪部材３ａ、磁性部材４ａ及び第２の連結部材４０ｂとで形成される空間のみならず第２の連結部材４０ｂと支持体８ａとを結合する第２の継ぎ手６ｂの内部にも形成される。

本実施形態において、永久磁石７ａ，７ｂは、磁歪部材３ａの両端に配置される例を示しているが、この例に限らず、例えば第１の連結部材４０ａと磁性部材４ａの連結部付近で磁性部材４ａの一端に設けるようにしても良い。なお永久磁石７ａ，７ｂの配置は、本実施形態に限らず、後述する第２および第３の実施形態においても同様に適用することができる。

ここで、磁歪部材３ａは、鉄ガリウム合金や鉄コバルト合金で構成され、ヨークを構成する、磁性部材４ａ、および、第１及び第２の連結部材４０ａ，４０ｂは、異なる部材で構成してもよいし同一の部材で構成してもよい。また少なくともいずれか一方の磁気コイル５ａ，５ｂは、電源回路１１ａに接続（図１０参照）される。電源回路１１ａについては後述する。

なお、図示例では第１の連結部材４０ａに錘体２ａが連結される例を示しているが、錘体２ａは適宜設ければ良く、錘体２ａを設けることが必須の要件でないことに留意されたい。

次に、上記した振動電力変換手段の動作について説明する。いま振動源１０から矢印方向の振動を受けることにより支持体８ａが振動し、磁歪部材３ａと、磁性部材４ａと、第１及び第２の連結部材４０ａ，４０ｂと、磁気コイル５ａ,５ｂと、継ぎ手６ａ,６ｂと、永久磁石７a，７ｂと、錘体２ａ（取付けられていた場合）とで構成された振動電力変換手段が下記に示す式（１）に従って共振する。

ここで、ｋは振動電力変換手段の共振に係る実質的な弾性率に対応するバネ定数値、ｍは振動電力変換手段の共振に係る実質的な質量に相当する質量値である。fは共振周波数で、振動電力変換手段の共振に係るバネ定数値ｋや質量値ｍが一定であれば所定値となる。

なお、ヨーク（磁性部材４ａと第１及び第２の連結部材４０ａ，４０ｂとで構成）、永久磁石７ａ、磁歪部材３ａ、および、永久磁石７ｂで磁気ループを構成する。振動により磁歪部材３ａが変形すると、逆磁歪効果により磁歪部材３ａの磁束が変化するので、これにより第１及び第２の連結部材４０ａ，４０ｂのいずれか一方に巻かれた磁気コイル５ａ，５ｂに誘導電圧（または誘導電流）が発生する。

本実施形態の場合、磁気コイル５ａ，５ｂは、共振現象が起きても変形の少ない第１及び第２の連結部材４０ａ，４０ｂのいずれか一方に巻かれるので、磁気コイル５ａ，５ｂにより共振現象に伴う変形が制限されることはない。なお、上記では磁気コイル５ａ，５ｂを第１及び第２の連結部材４０ａ，４０ｂのいずれか一方に巻くようにした例を示したが、磁気コイル５ａ，５ｂを第１及び第２の連結部材４０ａ，４０ｂの両方に巻いてもよいことは勿論である。

図２は、本発明の実施形態に係る発電装置で用いられる継ぎ手の構成を示す斜視図であり、図２は図１における継ぎ手の構成を例に説明するが、図７における第３の実施形態においても同様であるため、図７の説明では触れないことにする。

図２において、非磁性体材料で構成される第２の継ぎ手６ｂは、図１に示した磁性部材４ａと第１及び第２の連結部材４０ａ，４０ｂとで構成されたヨークと支持体８ａとを連結するものであり、第２の連結部材４０ｂに巻かれることになる磁気コイル５ｂの図示を省略している。そして第２の連結部材４０ｂと支持体８ａの間には磁気コイル５ｂを収納する空間が第２の継ぎ手６ｂ内に形成されているのが図から看てとれる。支持体８ａおよび支持体８ａの表裏にそれぞれ配設した第２の継ぎ手６ｂを貫通する孔にボルトを通しその後にナットで締め付けて第２の継ぎ手６ｂを支持体８ａに固定する。同様に、第２の連結部材４０ｂおよび第２の連結部材４０ｂの表裏にそれぞれ配設した第２の継ぎ手６ｂを貫通する孔にボルトを通しその後にナットで締め付けて第２の継ぎ手６ｂを第２の連結部材４０ｂに固定する。図示の白丸はボルトを通す孔の位置を示し、ボルト及びナットは図示省略されている。

図１に示した第１の連結部材４０ａと錘体２ａとを連結し磁気コイル５ａを収納する空間が形成される、非磁性体材料で構成された第１の継ぎ手６ａについては図２に示していないが、図示されている第２の連結部材４０ｂと第１の連結部材４０ａとが磁歪部材３ａおよび磁性部材４ａの中間点を縦に結ぶ線で線対称になるだけで構成は同じであるため図示省略する。ただし、図２に示している支持体８ａと対称となるものは錘体２ａになる。

なお、図２に示したＡ−Ａ線は、図１に示した切断面の位置を示すもので、図１の断面図は図２における正面から見た図に対応することになる。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る発電装置で用いられる磁気コイル収納空間を確保する第２の構成を示す断面部分図である。図１では第１の連結部材４０ａと錘体２ａとを連結する非磁性体材料で構成された第１の継ぎ手６ａの内部に、および、支持体８ａと第２の連結部材４０ｂとを連結する非磁性体材料で構成された第２の継ぎ手６ｂの内部に、それぞれ磁気コイル収納空間を確保しているが、図３では、第１の連結部材４０ａの磁性部材４ａ側端部および磁歪部材３ａ側端部を錘体２ａ側に拡張（錘体２ａ側に拡張された第１の連結部材４０ａを４０ａ’と称する）して磁気コイル収納空間を確保する構成にしたものである。また、第２の連結部材４０ｂの磁性部材４ａ側端部および磁歪部材３ａ側端部を支持体８ａ側に拡張（支持体８ａ側に拡張された第２の連結部材４０ｂを４０ｂ’と称する）して磁気コイル収納空間を確保する構成にしたものである。この場合には上述した第１および第２の継ぎ手６ａ，６ｂを省くことができるが、継ぎ手に代わる結合手段が必要になる。当該結合手段としては、公知のネジ止め，嵌合技法などを使用することができる。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る発電装置で用いられる磁気コイル収納空間を確保する第３の構成を示す断面部分図である。図１では第１の連結部材４０ａと錘体２ａとを連結する非磁性体材料で構成された第１の継ぎ手６ａの内部に、および、支持体８ｃと第２の連結部材４０ｂとを連結する非磁性体材料で構成された第２の継ぎ手６ｂの内部に、それぞれ磁気コイル収納空間を確保しているが、図４では、錘体２ａの一部および支持体８ａの一部に凹部を形成（凹部が形成された錘体を２ａ’、凹部が形成された支持体を８ａ’と称する）して磁気コイル収納空間を確保する構成にしたものである。この場合には上述した第１および第２の継ぎ手６ａ，６ｂを省くことができるが、継ぎ手に代わる結合手段が必要になる。当該結合手段としては、公知のネジ止め，嵌合技法などを使用することができる。

次に、電源回路について説明する。図１０は、図１に示した電源回路１１ａの構成例を示す図である。図１０において電源回路１１ａは、磁気コイル５ａ，５ｂに発生する交流電流を整流する整流手段１１１、整流手段１１１で整流された脈流を平滑する平滑手段１１２、二次電池やコンデンサで構成される蓄電手段１１４、蓄電手段１１４に蓄電された電力を出力端子１１６に出力する出力手段１１５、および、平滑手段１１２の平滑出力を充電入力として蓄電手段１１４に蓄電させ、蓄電手段１１４に蓄電された電力を出力手段１１５から出力端子１１６に出力する制御を行う制御手段１１３を備えて構成されている。

したがって、磁歪部材３ａの軸方向と垂直な方向に振動源１０からの振動を受けることで上記した振動電力変換手段が振動し、該振動に伴って磁歪部材３ａが伸縮または収縮することで振動エネルギーから電気エネルギーに変換された電力が磁気コイル５ａおよびまたは５ｂに発生し、磁気コイル５ａおよびまたは５ｂに発生した電力が上記した電源回路１１ａに供給され、電源回路１１ａでは、供給された電力を、整流手段１１１および平滑手段１１２を介して蓄電手段１１４で蓄電するとともに出力手段１１５から負荷（図示せず）に供給するようにしている。

なお後述する第２の実施形態に係る発電装置に用いられる電源回路１１ｂ、および第３の実施形態に係る発電装置に用いられる電源回路１１ｃにおいても同様であるので、第２および第３の実施形態における説明では電源回路の構成及び動作の説明を省略する。
［実施形態２］
図５は、本発明の第２の実施形態に係る発電装置の構成を示す断面図であり正面から見た図である。なお、断面箇所については図６のＢ−Ｂ線（後述するフレームや振動源における断面箇所は除外している）を参照されたい。図５および図６に示す本発明の第２の実施形態に係る発電装置１ｂは、フレーム９ｂ内に収納されるように構成され、このフレーム９ｂが振動源１０に固定されている。振動源１０には、図示した矢印線の方向に振動が与えられるものとする。

図５の発電装置１ｂは、上述したフレーム９ｂに固定され後述する振動電力変換手段の一端を固定し支持する支持体（例．支柱）８ｂと、支持体８ｂを介して振動源１０からの振動を受けて振動し、固有の振動周波数で共振することで振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動電力変換手段と、振動電力変換手段から供給される電力を受電して負荷に供給する電源回路１１ｂとを備えて構成されている。

振動電力変換手段は、磁歪材料で構成された磁歪部材３ｂと、磁歪部材３ｂに平行に配置されて磁性材料で構成される磁性部材４ｂと、磁歪部材３ｂと磁性部材４ｂを磁気的に連結する第１の連結部材４２ａおよび第２の連結部材４２ｂと、磁性部材４ｂに巻かれた(第２の)磁気コイル５ｃと、磁歪部材３ｂ、磁性部材４ｂ、並びに第１の連結部材４２ａ及び第２の連結部材４２ｂのいずれか一つの端部に少なくとも一つ配置され、磁歪部材３ｂと磁性部材４ｂと連結部材４２ａ，４２ｂとからなる磁気ループに磁気バイアスを供給する永久磁石７０ａ，７０ｂと、を有して構成される。

上記実施形態において、永久磁石７０ａ，７０ｂは、磁歪部材３ｂの両端に配置される例を示しているが、この例に限らず、例えば第１の連結部材４２ａと磁性部材４ｂの連結部付近で磁性部材４ｂの一端に設けるようにしても良い。なお永久磁石７０ａ，７０ｂの配置は、上記第２の実施形態に限らず、後述する第３の実施形態においても同様に適用することができる。

また本実施形態においては、第１の連結部材４２ａと錘体２ｂとを連結する非磁性体材料で構成された第１の継ぎ手６０ａ（図６参照）、並びに、支持体８ｂと第２の連結部材４２ｂとを連結する非磁性体材料で構成された第２の継ぎ手６０ｂ（図６参照）とを有する例について示しているが、第１の継ぎ手６０ａおよび第２の継ぎ手６０ｂに代わる結合手段を設けるようにしてもよい。その場合の結合手段として、例えば、公知のネジ止め，嵌合技法などを使用することができる。

ここで磁歪部材３ｂは、鉄ガリウム合金や鉄コバルト合金で構成され、また磁性材料で構成される磁性部材４ｂと第１及び第２の連結部材４２ａ，４２ｂとでヨークを構成するようにしている。なおヨークを構成する、磁性部材４ｂ、および、第１及び第２の連結部材４２ａ，４２ｂは、異なる部材で構成してもよいし同一の部材で構成してもよい。また、(第２の)磁気コイル５ｃは、電源回路１１ｂに接続（図示省略）されている。また、図示例では第１の連結部材４２ａに錘体２ｂが連結される例を示しているが、錘体２ｂは適宜設ければ良く、錘体２ｂを設けることが必須の要件でないことに留意されたい。

さらに本実施形態の場合、(第２の)磁気コイル５ｃを上記第１の実施形態におけるように少なくとも第１及び第２の連結部材４０ａ，４０ｂのいずれか一方に巻かずに共振現象による変形が磁歪部材３ｂよりも少ない磁性部材４ｂに巻いた構成であるため、上記第１の実施形態よりも磁気コイルの巻数を多くすることができるので、振動による磁気コイルの誘導電圧（誘導電流）を上記第１の実施形態よりも大きくできるという有利性がある。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る発電装置で用いられる継ぎ手の構成を示す斜視図である。図６において、非磁性体材料で構成される第２の継ぎ手６０ｂは、図５に示した磁性部材４ｂと第１及び第２の連結部材４２ａ，４２ｂとで構成されたヨークと支持体８ｂとを連結するものである。そして支持体８ｂおよび支持体８ｂの表裏のそれぞれに配設した第２の継ぎ手６０ｂを貫通する孔にボルトを通しその後にナットで締め付けて第２の継ぎ手６０ｂを支持体８ｂに固定する。同様に、磁性部材４ｂおよび磁性部材４ｂの表裏に配設した第２の継ぎ手６０ｂを貫通する孔にボルトを通しその後にナットで締め付けて第２の継ぎ手６０ｂを磁性部材４ｂに固定する。図示の白丸はボルトを通す孔の位置を示し、ボルト及びナットは図示省略されている。なお、図６に示した第２の継ぎ手６０ｂでは、共振による変形が特に大きい磁歪部材３ｂに対してはボルト及びナットで固定することを避けるようにしている。また、図６には上記のボルト用貫通孔をヨークのうち磁性材料４ｂに形成した構成を示しているが、上記のボルト用貫通孔をヨークのうち第２の連結部材４２ｂに形成した構成であってもよい。

なお、図５に示すように第２の実施形態に係る発電装置では、磁性部材４ｂに(第２の)磁気コイル５ｃを巻くようにし、図１に示す(第１の)磁気コイル５ａ，５ｂは図５に示す第１及び第２の連結部材４２ａ，４２ｂのいずれにも巻かないので、第１の連結部材４２ａと錘体２ｂとの結合部、および、第２の連結部材４２ｂと支持体８ｂとの結合部において、磁気コイル収納空間を確保する必要がない。このため、第２の実施形態に係る発電装置では、上述の第１の実施形態及び後述の第３の実施形態に比べて、第１の連結部材と錘体との結合部、および、第２の連結部材と支持体との結合部がより簡易な構成になっている。

なお、図６に示したＢ−Ｂ線は、図５に示した切断面の位置を示すもので、図５の断面図は図６における正面から見た図に対応するものになる。また図６では、第１の連結部材４２ａと錘体２ｂとを接続する第１の継ぎ手６０ａを図示していないが、第２の連結部材４２ｂと第１の連結部材４２ａとが磁歪部材３ｂおよび磁性部材４ｂの中間点を縦に結ぶ線で線対称になるだけで構成は同じであるため図示省略する。ただし、図６に示している支持体８ｂと対称となるものは錘体２ｂになる。
［実施形態３］
図７は、本発明の第３の実施形態に係る発電装置の構成を示す断面図であり正面から見た図である。なお、断面箇所については図２のＡ−Ａ線（後述するフレームや振動源における断面箇所は除外している）を参照されたい。図７において、本発明の第３の実施形態に係る発電装置１ｃは、フレーム９ｃ内に収納されるように構成され、このフレーム９ｃが振動源１０に固定されている。振動源１０には、図示した矢印線の方向に振動が与えられるものとする。

図７の発電装置１ｃは、上述したフレーム９ｃに固定され後述する振動電力変換手段の一端を固定し支持する支持体（例．支柱）８ｃと、支持体８ｃを介して振動源１０からの振動を受けて振動し、固有の振動周波数で共振することで振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動電力変換手段と、振動電力変換手段から供給される電力を受電して負荷に供給する電源回路１１ｃとを備えて構成されている。

振動電力変換手段は、磁歪材料で構成された磁歪部材３ｃと、磁歪部材３ｃに平行に配置されて磁性材料で構成される磁性部材４ｃと、磁歪部材３ｃと磁性部材４ｃを磁気的に連結する第１の連結部材４４ａおよび第２の連結部材４４ｂと、少なくとも第１の連結部材４４ａおよび第２の連結部材４４ｂのいずれか一方に巻かれた第１の磁気コイル５０ａ，５０ｂと、磁性部材４ｃに巻かれた第２の磁気コイル５０ｃと、磁歪部材３ｃ、磁性部材４ｃ、並びに第１の連結部材４４ａ及び第２の連結部材４４ｂのいずれか一つの端部に少なくとも一つ配置され、磁歪部材３ｃと磁性部材４ｃと連結部材４４ａ，４４ｂとからなる磁気ループに磁気バイアスを供給する永久磁石７００ａ，７００ｂと、を有して構成される。

なお、磁気コイル５０ａの収納空間は、磁歪部材３ｃ、磁性部材４ｃ及び第１の連結部材４４ａとで形成される空間のみならず第１の連結部材４４ａと錘体２ｃとを結合する第１の継ぎ手６００ａの内部にも形成される。また、磁気コイル５０ｂの収納空間は、磁歪部材３ｃ、磁性部材４ｃ及び第２の連結部材４４ｂとで形成される空間のみならず第２の連結部材４４ｂと支持体８ｃとを結合する第２の継ぎ手６００ｂの内部にも形成される。

本実施形態において、永久磁石７００ａ，７００ｂは、磁歪部材３ｃの両端に配置される例を示しているが、この例に限らず、例えば第１の連結部材４４ａと磁性部材４ｃの連結部付近で磁性部材４ｃの一端に設けるようにしても良い。

ここで磁歪部材３ｃは、鉄ガリウム合金や鉄コバルト合金で構成され、また磁性材料で構成される磁性部材４ｃと第１及び第２の連結部材４４ａ，４４ｂとでヨークを構成するようにしている。なおヨークを構成する、磁性部材４ｃ、および、第１及び第２の連結部材４４ａ，４４ｂは、異なる部材で構成してもよいし同一の部材で構成してもよい。また、第１の磁気コイル５０ａ，５０ｂの少なくともいずれか一方と第２の磁気コイル５０ｃは、電源回路１１ｃに接続（図示省略）されている。

なお、図示例では第１の連結部材４４ａに錘体２ｃが連結される例を示しているが、錘体２ｃは適宜設ければ良く、錘体２ｃを設けることが必須の要件でないことに留意されたい。

本実施形態の場合、第１の磁気コイル５０ａ，５０ｂを少なくとも共振現象による変形の少ない第１及び第２の連結部材４４ａ，４４ｂのいずれか一方に巻き、更に第２の磁気コイル５０ｃを振動による変形が磁歪部材３ｃよりも少ない磁性部材４ｃに巻いた構成であるため、上記第１及び第２の実施形態よりも磁気コイルの巻数を多くすることができるので、振動による磁気コイルの誘導電圧（誘導電流）を大きくできるという有利性がある。

なお、上記では第１の磁気コイル５０ａ，５０ｂを少なくとも第１及び第２の連結部材４４ａ，４４ｂのいずれか一方に巻くようにした例を示したが、第１の磁気コイル５０ａ，５０ｂを第１及び第２の連結部材４４ａ，４４ｂの両方に巻いても良いことは勿論である。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る発電装置で用いられる磁気コイル収納空間を確保する第２の構成を示す断面部分図である。図７では第１の連結部材４４ａと錘体２ｃとを連結する非磁性体材料で構成された第１の継ぎ手６００ａの内部に、および、支持体８ｃと第２の連結部材４４ｂとを連結する非磁性体材料で構成された第２の継ぎ手６００ｂの内部に、それぞれ第１の磁気コイル収納空間を確保しているが、図８では、第１の連結部材４４ａの磁性部材４ｃ側端部および磁歪部材３ｃ側端部を錘体２ｃ側に拡張（錘体２ｃ側に拡張された第１の連結部材４４ａを４４ａ’と称する）して第１の磁気コイル収納空間を確保する構成にしたものである。また、第２の連結部材４４ｂの磁性部材４ｃ側端部および磁歪部材３ｃ側端部を支持体８ｃ側に拡張（支持体８ｃ側に拡張された第２の連結部材４４ｂを４４ｂ’と称する）して磁気コイル収納空間を確保する構成にしたものである。この場合には上述した第１および第２の継ぎ手６００ａ，６００ｂを省くことができるが、継ぎ手に代わる結合手段が必要になる。当該結合手段としては、公知のネジ止め，嵌合技法などを使用することができる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る発電装置で用いられる磁気コイル収納空間を確保する第３の構成を示す断面部分図である。図７では第１の連結部材４４ａと錘体２ｃとを連結する非磁性体材料で構成された第１の継ぎ手６００ａの内部に、および、支持体８ｃと第２の連結部材４４ｂとを連結する非磁性体材料で構成された第２の継ぎ手６００ｂの内部に、それぞれ第１の磁気コイル収納空間を確保しているが、図９では、錘体２ｃの一部および支持体８ｃの一部に凹部を形成（凹部が形成された錘体を２ｃ’、凹部が形成された支持体を８ｃ’と称する）して第１の磁気コイル収納空間を確保する構成にしたものである。この場合には上述した第１および第２の継ぎ手６００ａ，６００ｂを省くことができるが、継ぎ手に代わる結合手段が必要になる。当該結合手段としては、公知のネジ止め，嵌合技法などを使用することができる。

上述した本発明の発電装置をワイヤレスセンサの電源装置として適用することで、ワイヤレスセンサにおける電力供給に関する問題点を克服することが可能となる。ワイヤレスセンサは、振動を計測するセンセとして、高速道路や鉄道、建物、回転機などの構造ヘルスモニタリング用の振動センサや加速度センサ、タイヤ圧のモニタリングセンサ等に実用化されている。

１ａ〜１ｃ 発電装置
２ａ〜２ｃ 錘体
３ａ〜３ｃ 磁歪部材
４ａ〜４ｃ 磁性部材
５ａ，５ｂ、５０ａ，５０ｂ (第１の)磁気コイル
５ｃ、５０ｃ 第２の磁気コイル
６ａ、６０ａ、６００ａ 第１の継ぎ手
６ｂ、６０ｂ、６００ｂ 第２の継ぎ手
７ａ，７ｂ、７０ａ，７０ｂ、７００ａ，７００ｂ 永久磁石
８ａ〜８ｃ 支持体（支柱）
９ａ〜９ｃ フレーム
１０ 振動源
１１ａ〜１１ｃ 電源回路
４０ａ、４２ａ、４４ａ 第１の連結部材
４０ｂ、４２ｂ、４４ｂ 第２の連結部材
１１１ 整流手段
１１２ 平滑手段
１１３ 制御手段
１１４ 蓄電手段
１１５ 出力手段
１１６ 出力端子

Claims (13)

1. 一端を固定し支持する支持体を介して振動源からの振動を受けて振動し、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動電力変換手段と、前記振動電力変換手段から供給される電力を受電して負荷に供給する電源回路とを備えて構成される発電装置であって、
   前記振動電力変換手段は、
   磁歪材料で構成された磁歪部材と、
   前記磁歪部材に平行に配置されて磁性材料で構成される磁性部材と、
   前記磁歪部材と前記磁性部材を磁気的に連結する第１及び第２の連結部材と、
   少なくとも前記第１及び第２の連結部材のいずれかに巻かれた磁気コイルと、
   前記磁歪部材、前記磁性部材、並びに前記第１及び第２の連結部材のいずれか一つの端部に少なくとも一つ配置され、前記磁歪部材と前記磁性部材と前記連結部材とからなる磁気ループに磁気バイアスを供給する永久磁石とを有するとともに、前記第２の連結部材側が前記支持体に結合され、
   前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向に前記振動源からの振動を受けることで前記振動電力変換手段が振動し、該振動に伴って前記磁歪部材が伸縮または収縮することで振動エネルギーから電気エネルギーに変換された電力が前記磁気コイルに発生し、前記磁気コイルに発生した電力が前記電源回路に供給される
   ことを特徴とする発電装置。
2. 前記磁性部材と前記連結部材とが一体成形されてヨークを構成することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記振動電力変換手段における前記磁性部材、および、前記第１及び第２の連結部材は、同一部材で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
4. 前記第１の連結部材側に結合され前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させるための錘体を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電装置。
5. 前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させるための錘体と前記第１の連結部材とを結合し前記磁気コイルの収納空間を確保する非磁性体材料で構成された第１の継ぎ手、および／または、前記支持体と前記第２の連結部材とを結合し前記磁気コイルの収納空間を確保する非磁性体材料で構成された第２の継ぎ手を備えていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
6. 一端を固定し支持する支持体を介して振動源からの振動を受けて振動し、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動電力変換手段と、前記振動電力変換手段から供給される電力を受電して負荷に供給する電源回路とを備えて構成される発電装置であって、
   前記振動電力変換手段は、
   磁歪材料で構成された磁歪部材と、
   前記磁歪部材に平行に配置されて磁性材料で構成される磁性部材と、
   前記磁歪部材と前記磁性部材を磁気的に連結する第１及び第２の連結部材と、
   少なくとも前記第１及び第２の連結部材のいずれかに巻かれた第１の磁気コイルと、
   前記磁性部材に巻かれた第２の磁気コイルと、
   前記磁歪部材、前記磁性部材、並びに前記第１及び第２の連結部材のいずれか一つの端部に少なくとも一つ配置され、前記磁歪部材と前記磁性部材と前記連結部材とからなる磁気ループに磁気バイアスを供給する永久磁石とを有するとともに、前記第２の連結部材側が前記支持体に結合され、
   前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向に前記振動源からの振動を受けることで前記振動電力変換手段が振動し、該振動に伴って前記磁歪部材が伸縮または収縮することで振動エネルギーから電気エネルギーに変換された電力が前記磁気コイルに発生し、前記磁気コイルに発生した電力が前記電源回路に供給される
   ことを特徴とする発電装置。
7. 前記磁性部材と前記連結部材とが一体成形されてヨークを構成することを特徴とする請求項６に記載の発電装置。
8. 前記振動電力変換手段における前記磁性部材、および、前記第１及び第２の連結部材は、同一部材で構成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の発電装置。
9. 前記第１の連結部材側に結合され前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させるための錘体を備えることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の発電装置。
10. 前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させるための錘体と前記第１の連結部材とを結合し前記磁気コイルの収納空間を確保する非磁性体材料で構成された第１の継ぎ手、および／または、前記支持体と前記第２の連結部材とを結合し前記磁気コイルの収納空間を確保する非磁性体材料で構成された第２の継ぎ手を備えていることを特徴とする請求６に記載の発電装置。
11. 前記磁歪材料は、延性を有することを特徴とする請求項１または６に記載の発電装置。
12. 前記磁歪材料は、鉄ガリウム合金であることを特徴とする請求項１または６に記載の発電装置。
13. 前記磁歪材料は、鉄コバルト合金であることを特徴とする請求項１または６に記載の発電装置。