JP6331677B2 - 振動発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば高速道路や橋梁などに設置したセンサ類に電源を供給可能な振動によって発電する振動発電装置に関する。

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振動力発電装置として、例えば特許文献１に記載のものがある。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、例えば、特許文献２に記載のものが知られている。

特許文献２の磁歪素子を利用した振動発電装置は、図７（ａ）及び（ｂ）に示す発電素子１００を備えている。なお、図７（ａ）は発電素子１００を示す上面図であり、図７（ｂ）は発電素子１００を示す側面図である。
発電素子１００は、連結ヨーク１００ａおよび１００ｂと、連結ヨーク１００ａおよび１００ｂに平行に支持された磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂと、各磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂに巻装されたコイル１２０ａおよび１２０ｂと、連結ヨーク１００ａ及び１００ｂに永久磁石１４０ａおよび１４０ｂを介して連結されたバックヨーク１５０とを備えている。

この発電素子１００を、図８に示すように、連結ヨーク１００ａを固定部に固定して方持ち梁構造とし、連結ヨーク１００ｂに発電素子１００の軸方向と直交する方向に曲げ応力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って、コイル１２０ａおよび１２０ｂ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（または誘導電力）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。

特開２００６−１６６６９４号公報 特許第４９０５８２０号公報

特許文献１に記載された圧電素子を利用した振動力発電装置は、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、過度な負荷を加えることはできず、発電量を増加するために大きな曲げや衝撃を加えることが困難であるという問題点がある。また、圧電素子は低周波数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点もある。

一方、特許文献２に記載されている磁歪棒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することが可能である。また、発電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く、前述した圧電材料の問題点を解決することができる。

しかし、特許文献２に記載された振動発電装置は、振動しながら磁歪棒のバネ変形を発生させて発電するために振動源から大きな加振力を必要とするため、振動エネルギーの吸収が悪く発電効率が低下するという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、発電効率を高めることができる振動発電装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る振動発電装置は、振動源から振動を受ける支持体と、この支持体に設けた支点を介して長手方向中間部が支持され、振動を受けることで上記支点回りに揺動する第１揺動ビームと、この第１揺動ビームの両端に固定された一対の錘体と、これら一対の錘体のうち少なくとも一方の錘体の移動方向に配置され、この錘体との衝突により上記第１揺動ビームの振幅を制限する第１振幅制限装置と、上記第１揺動ビームの上記支点を挟んで長手方向の両側のうち少なくとも上記第１振幅制限装置が配置される側に設けられ、振動を受けた錘体と上記第１振幅制限装置との衝突による衝撃力によって磁歪部材が伸長または圧縮することで発電する第１振動電力変換部とを備えている。

本発明に係る振動発電装置によれば、振動源から振動が伝達されると第１揺動ビームが支点を回動中心として揺動し、第１揺動ビームの両端に固定した一対の錘体のうち少なくとも一方の錘体の移動方向に設けた第１振幅制限装置に当該錘体が衝突することで、第１揺動ビームの長手方向の両側のうち少なくとも上記第１振幅制限装置が配置される側に設けた第１振動電力変換部が振動発電を行うので、発電効率を向上させることができる。

本発明に係る第１実施形態の振動発電装置を示す図である。 第１実施形態の振動発電装置を構成する磁歪部材が圧縮変形する状態を示す図である。 第１実施形態の振動発電装置を構成する磁歪部材が伸長変形する状態を示す図である。 本発明に係る第２実施形態の振動発電装置における振幅制限装置を示す図である。 本発明に係る第３実施形態の振動発電装置を示す図である。 本発明に係る第１実施形態の振動発電装置における電源回路の構成例を示す図である。 従来の発電素子の構成を示す図である。 図７に示した発電素子による発電装置の構成例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［実施形態１］
図１は、本発明に係る第１実施形態の振動発電装置を示す正面図である。
図１に示す第１実施形態の振動発電装置１は、振動源２の上部に固定された装置ケース３と、装置ケース３の底部３ａから立ち上がっている支柱４と、支柱４の上部に設けたピン５に長手方向中間部が回動自在に支持され、鉛直振動を受けることでピン５を回動中心として揺動する天秤棒状の揺動ビーム６と、揺動ビーム６の長手方向両端に固定されている一対の錘体７、８と、錘体７の移動方向に対応する装置ケース２の上壁３ｂ及び底部３ａに配置した振幅制限装置９，１０と、錘体８の移動方向に対応する装置ケース２の上壁３ｂ及び底部３ａに配置した振幅制限装置１１，１２と、揺動ビーム６の長手方向の両側に設けた一対の振動電力変換部１３，１４と、電源回路２０１と、を備えている。

揺動ビーム６は磁性材料からなる部材であり、この揺動ビーム６の長手方向の両側に幅方向の一側を長手方向に延長して切り欠くことで一対の切り欠き部６ａ，６ｂが形成されているとともに、これら切り欠き部６ａ，６ｂに沿って長手方向に延在する磁性棒状部６ｃ，６ｄが形成されている。
一方の切り欠き部６ａの長手方向両縁部６ｅ，６ｆには、両端部に磁気バイアス供給用の永久磁石１５，１６を固定した磁歪棒１７が磁性棒状部６ｃに平行に延在して固定されているとともに、磁歪棒１７には磁気コイル１８が巻装されている。磁気コイル１８は電源回路２０１に接続されている。

また、他方の切り欠き部６ｂの長手方向両縁部６ｇ，６ｈには、両端部に磁気バイアス供給用の永久磁石１９，２０を固定した磁歪棒２１が磁性棒状部６ｄに平行に延在して固定されているとともに、磁歪棒２１には磁気コイル２２が巻装されている。磁気コイル２２は電源回路２０１に接続されている。
ここで、磁歪棒１７，２１は、鉄ガリウム合金や鉄コバルト合金からなる部材である。永久磁石１５，１６，１９，２０はバイアス磁界を発生するものである。永久磁石１５，１６は例えば左端側がＳ極，右端側がＮ極に着磁され、永久磁石１９，２０は例えば左端側がＮ極，右端側がＳ極に着磁されている。

これにより、一対の振動電力変換部１３，１４の一方の振動電力変換部１３は、長手方向に延在する磁性棒状部６ｃと、磁歪棒１７と、これら磁性棒状部６ｃ及び磁歪棒１７を磁気的に連結する揺動ビーム６（長手方向両縁部６ｅ，６ｆ）と、磁気コイル１８とで構成され、永久磁石１５のＮ極から出る磁束が磁歪棒１７を通過し、永久磁石１６、磁性棒状部６ｃを通って永久磁石１５のＳ極に達する磁路が形成される。

また、他方の振動電力変換部１４は、長手方向に延在する磁性棒状部６ｄと、磁歪棒２１と、これら磁性棒状部６ｄ及び磁歪棒２１を磁気的に連結する揺動ビーム６（長手方向両縁部６ｇ，６ｈ）と、磁気コイル２２とで構成され、永久磁石１９のＮ極から出る磁束が磁歪棒２１を通過し、永久磁石２０、磁性棒状部６ｄを通って永久磁石１９のＳ極に達する磁路が形成される。

なお、搖動ビーム６は全体が磁性材料からなる構成に限定されるものではなく、揺動ビーム４４の長手方向の両側において各磁歪棒１７，２１に対応してそれぞれ磁気回路のループを形成することができる構造となっていればよい。
振幅制限装置９，１０は、揺動ビーム６の長手方向の一端に固定した錘体７に当接する変位部材２３と、この変位部材２３を保持して上壁３ｂ及び底部３ａに固定されたコイルスプリング２４とで構成されている。また、振幅制限装置１１，１２も、揺動ビーム６の長手方向の他端に固定した錘体８に当接する変位部材２３と、変位部材２３を保持して上壁３ｂ及び底部３ａに固定されているコイルスプリング２４を備えている。これら振幅制限装置９〜１２のコイルスプリング２４は、揺動ビーム６がピン５を回動中心として揺動し、錘体７，８が変位部材２３に衝突したときに弾性伸縮することで揺動ビーム６の振幅を制限するとともに、自身のバネ復元力により、衝突した方向に対して逆方向に向かう力を錘体７，８に付与する。

ここで、本発明に係る支持体が支柱４に対応し、本発明に係る支点がピン５に対応し、本発明に係る第１揺動ビームが揺動ビーム６に対応し、本発明に係る第１振幅制限装置が振幅制限装置９〜１２に対応し、本発明に係る第１振動電力変換部が振動電力変換部１３，１４に対応し、本発明に係るバネ部材がコイルスプリング２４に対応している。
第１実施形態の振動発電装置１で用いられる電源回路２０１の構成について説明する。図６は、本発明の第１実施形態に係る電源回路の構成例を示す図である。図６において、２０２ａ，２０２ｂは磁気コイル１８，２２（コイル巻線）に発生する交流電圧を整流する整流手段、２０３ａ，２０３ｂは整流手段２０２ａ，２０２ｂの各整流信号を平滑する平滑手段、２０５は二次電池やコンデンサで構成される蓄電手段、２０６は蓄電手段２０５に蓄電した電力を出力端子２０７に出力する出力手段である。２０４は平滑手段２０３ａ，２０３ｂで平滑した直流電圧を蓄電手段２０５に蓄電させるとともに、蓄電手段２０５に蓄電された電力を出力回路２０６に供給する制御を行う制御手段である。

次に、上述した第１実施形態の動作及び効果について、図１及び図２を参照して説明する。
例えば、高速道路や橋梁では、老朽化が進むことから、加速度センサ、振動センサ、腐食センサ等の構造ヘルスモニタリングセンサを配置して劣化傾向を把握する必要がある。
これら構造ヘルスモニタリングセンサには、電源を必要とするが、蓄電池では寿命があることから定期的な交換が必要となり、その管理が煩雑となる。このため、構造ヘルスモニタリングセンサの電源として振動発電装置１を適用する。

本実施形態は、高速道路や橋梁を振動源２とし、振動源２上に振動発電装置１を設置する。
振動源２から装置ケース３に振動が伝達されていない状態では、図１に示すように、揺動ビーム６は、ピン５を回動中心として揺動することなく水平状態に保持される。このビーム６の水平状態では、一対の振動電力変換部１３，１４の磁歪棒１７，２１が伸縮変形せず磁力線が変化しないので、磁気コイル１８，２２（コイル巻線）から電圧（電力）は出力されることがない。

この状態で、高速道路又は橋梁（振動源２）に車両が通過すると振動発電装置１に振動が伝達される。
振動源２の鉛直方向の振動エネルギーが振動発電装置１の装置ケース３に伝達されると、振動エネルギーが支柱４を介して伝達された揺動ビーム６は、ピン５を回動中心として揺動し、揺動ビーム６の両端部に固定した一対の錘体７，８が一次モードの共振状態となる。

そして、図２に示すように、揺動ビーム６の揺動により錘体７が底部３ａ上の振幅制限装置１０に衝突すると、振幅制限装置１０の変位部材２３から揺動ビーム６に反力が入力することで、振動電力変換部１３の磁歪棒１７が圧縮方向に変形する。
錘体７が衝突した振幅制限装置１０のコイルスプリング２４は、弾性伸縮することで揺動ビーム６の振幅を制限するとともに、自身のバネ復元力によって衝突した方向に対して逆方向の押し上げ力を錘体７に付与し、揺動ビーム６に揺動推進力（ピン５を回動中心とした回転動作）を作用する。

また、図３に示すように、揺動ビーム６の揺動により錘体７が上壁３ｂ上の振幅制限装置９に衝突すると、振幅制限装置９の変位部材２３から揺動ビーム６に反力が入力することで、振動電力変換部１３の磁歪棒１７が伸長方向に変形する。
錘体７が衝突した振幅制限装置９のコイルスプリング２４は、弾性伸縮することで揺動ビーム６の振幅を制限するとともに、自身のバネ復元力によって衝突した方向に対して逆方向の押し下げ力を錘体７に付与し、揺動ビーム６に揺動推進力を作用する。

また、図示しないが、揺動ビーム６の揺動により錘体８が底部３ａ上の振幅制限装置１２に衝突すると、振幅制限装置１２の変位部材２３から揺動ビーム６に反力が入力することで、振動電力変換部１４の磁歪棒２１が圧縮方向に変形する。
また、錘体８が衝突した振幅制限装置１２のコイルスプリング２４は、弾性伸縮することで揺動ビーム６の振幅を制限するとともに、自身のバネ復元力によって衝突した方向に対して逆方向の押し上げ力を錘体８に付与し、揺動ビーム６に揺動推進力を作用する。

また、図示しないが、揺動ビーム６の揺動により錘体８が上壁３ｂ上の振幅制限装置１１に衝突すると、振幅制限装置１１の変位部材２３から揺動ビーム６に反力が入力することで、振動電力変換部１４の磁歪棒２１が伸長方向に変形する。
また、錘体８が衝突した振幅制限装置１１のコイルスプリング２４は、弾性伸縮することで揺動ビーム６の振幅を制限するとともに、自身のバネ復元力によって衝突した方向に対して逆方向の押し下げ力を錘体８に付与し、揺動ビーム６に揺動推進力を作用する。

このように一対の振動電力変換部１３，１４は、それぞれの磁歪棒１７，２１に伸長と圧縮が繰り返し作用することになり、逆磁歪効果によって磁力線が交番状に変化する。この磁力線の変化が電磁誘導の法則によって、一対の振動電力変換部１３，１４の磁気コイル１８，２２（コイル巻線）に誘起電圧（誘起電力）を発生させて振動発電を行うことができる。

したがって、本実施形態の振動発電装置１は、高速道路や橋梁（振動源２）から振動が伝達されると揺動ビーム６がピン５を回動中心として揺動し、揺動ビーム６の両端に固定した錘体７，８の移動方向に設けた振幅制限装置９〜１２の何れかに衝突することで、一対の振動電力変換部１３，１４が振動発電を行うので、この振動発電装置１で発生した電力を環境ヘルスモニタリングセンサに動作電源として供給することができ、これら環境ヘルスモニタリングセンサを作動させることができる。

また、本実施形態の振動発電装置１は、揺動ビーム６の揺動により一対の振動電力変換部１３，１４が同時に振動発電を行うので、発電効率を向上させることができる。
また、揺動ビーム６がピン５を回動中心として揺動するだけで、一対の振動電力変換部１３，１４の振動発電が行われるので、低周波数領域の振動に対して共振現象を生じさせて確実に発電することができる。

また、一対の振動電力変換部１３，１４を構成する磁歪棒１７，２１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することが可能である。
さらに、本実施形態における振幅制限装置９〜１２を構成するコイルスプリング２４は、自身のバネ復元力によって衝突した方向に対して逆方向の押し力を錘体７，８に付与することで揺動ビーム６に揺動推進力を作用し、長時間の間、揺動ビーム６が揺動動作を繰り返すことで錘体７，８が振幅制限装置９〜１２に衝突して一対の振動電力変換部１３，１４が振動発電を行うので、さらに発電効率を高めることができる。

なお、図１では、振幅制限装置として、錘体７の移動方向に対応する装置ケース２の上壁３ｂ及び底部３ａに配置した振幅制限装置９，１０と、錘体８の移動方向に対応する装置ケース２の上壁３ｂ及び底部３ａに配置した振幅制限装置１１，１２との両方を備えた構成を示しているが、このような構成に限定されるものではない。すなわち、一対の錘体のうち一方の錘体の移動方向に対応する位置にのみ振幅制限装置を配置した構成、例えば錘体７の移動方向に対応する装置ケース２の上壁３ｂ及び底部３ａに配置した振幅制限装置９，１０だけを備える構成とすることもできる。

また、図１では、振動電力変換部として、揺動ビーム６の長手方向の両側に一対の振動電力変換部１３，１４を設けた構成を示したが、このような構成に限定されるものではない。すなわち、揺動ビーム６の長手方向の両側のうち一方側にのみ振動電力変換部を設けた構成、例えば振動電力変換部１３だけを設けた構成とすることもできる。
なお、上述のように一対の錘体のうち一方の錘体の移動方向に対応する位置にのみ振幅制限装置を配置した構成においては、振動電力変換部は、揺動ビーム６の長手方向の両側のうち上記振幅制限装置が配置される側に設けるようにする。

また、図１では、例えば振動電力変換部１３における磁歪棒１７の両端に磁気バイアス供給用の永久磁石１５，１６を配置した構成を示したが、このような構成に限定されるものではなく、磁歪棒１７の一方端にのみ磁気バイアス供給用の永久磁石を配置した構成としてもよい。この点は振動電力変換部１４も同様である。
また、図１では、例えば振動電力変換部１３における磁歪棒１７に磁気コイル１８が巻装されている構成を示したが、振動電力変換部において磁気コイルを巻装する位置は磁歪棒のみに限定されるものではなく、磁歪棒とともに磁路を形成する他の部材に巻装してもよい。すなわち、振動電力変換部１３において例えば磁性棒状部６ｃに磁気コイルを巻装してもよく、磁歪棒１７と磁性棒状部６ｃの両方に磁気コイルを巻装してもよい。この点は振動電力変換部１４も同様である。

また、本実施形態の振動発電装置１は、揺動ビーム６がその長手方向においてピン５による支持点を中心とした対称構造であって、搖動ビーム６の長手方向両端に固定されている錘体７の質量と錘体８の質量とが互いに等しい構成に限定されるものではなく、搖動ビーム６の長手方向の両側におけるピン５を回動中心とするモーメントが互いに等しい天秤構造となっていればよい。例えば、図１の揺動ビーム６の長手方向におけるピン５による支持点の一方側（例えば左側）の部分の長さを他方側（例えば右側）の部分に比べてより長くするとともに、これに合わせて、両側のモーメントが等しくなるように、他方側（例えば右側）の錘体（錘体８）の質量を一方側（例えば左側）の錘体（錘体７）に比べてより大きくした非対称構造の構成とすることもできる。ここで、以下では、非対称構造の揺動ビーム６の長手方向におけるピン５による支持点の一方側と他方側とのうち、他方側の部分に比べてより長くした一方側の部分を「長腕部」と称するとともに、上記他方側の部分を「短腕部」と称する。また、対称構造の揺動ビーム６の長手方向におけるピン５による支持点の両側の部分をそれぞれ「腕部」と称する。

上記非対称構造の構成においては、さらに、揺動ビーム６の長腕部側にのみ振動電力変換部（例えば振動電力変換部１３）を設けた構成とすることもできる。ここで、揺動ビーム６の全長が非対称構造と対称構造とで同じである場合、非対称構造の揺動ビーム６の長腕部は、対称構造の揺動ビーム６の腕部より長くなる。このため、非対称構造の揺動ビーム６の長腕部の端部に固定された錘体（例えば錘体７）の質量が、対称構造の揺動ビーム６の腕部の端部に固定された錘体の質量と同じである場合、当該錘体（例えば錘体７）と振幅制限装置（例えば振幅制限装置９，１０）との衝撃力が対称構造の構成に比べてより大きくなる。これにより、非対称構造であって、かつ、揺動ビーム６の長腕部側にのみ振動電力変換部を設けた構成では、振動電力変換部１個当たりの発電能力は対称構造の構成に比べてより高くなる。

また、上記のような、非対称構造であって、かつ、揺動ビーム６の長腕部側にのみ振動電力変換部を設けた構成は、振動電力変換部を１個だけ設ける構成であるため、振動電力変換部を２個設けた対称構造の構成に比べてより簡素な、かつ、より低コストの構成になる。
また、上記のような、非対称構造であって、かつ、揺動ビーム６の長腕部側にのみ振動電力変換部を設けた構成は、揺動ビーム６の長腕部側に対してのみ振幅制限装置を設ければよいため、この点でも、振動電力変換部を２個設けた対称構造の構成に比べてより簡素な、かつ、より低コストの構成になる。
また、上記のような、非対称構造であって、かつ、揺動ビーム６の長腕部側にのみ振動電力変換部を設けた構成は、振動電力変換部を１個だけ設ける構成であるため、電源回路２０１（図６参照）における整流手段、平滑手段が１系統だけで済むので、この点でも、振動電力変換部を２個設けた対称構造の構成に比べてより簡素な、かつ、より低コストの構成になる。

［実施形態２］
次に、図４は、本発明に係る第２実施形態の振動発電装置における振幅制限装置を示す図である。第２実施形態における振幅制限装置は、第１実施形態で示した振幅制限装置９〜１２とは異なる構造の振幅制限装置２５である。本実施形態の振動発電装置の構成は、振幅制限装置の構造以外の点では、第１実施形態の振動発電装置の構成と同様である。
本実施形態は、図１で示した第１実施形態の振幅制限装置９〜１２と同様に、揺動ビーム６の長手方向両端に固定されている一対の錘体７、８の一方の錘体７の移動方向に対応する装置ケース２の上壁３ｂ及び底部３ａに２個の振幅制限装置２５が配置され、他方の錘体８の移動方向に対応する装置ケース２の上壁３ｂ及び底部３ａに２個の振幅制限装置２５が配置されている。

本実施形態の振幅制限装置２５は、磁性材料で形成した有底筒形状の装置ケース２６と、磁性材料で形成した開口部２７ａを有する蓋部２７と、装置ケース２６の底部に配置したリング形状の永久磁石２８と、永久磁石２８の上部の装置ケース２６内に収容された鉄ガリウム合金や鉄コバルト合金からなる磁歪部材２９と、磁歪部材２９の外周に巻装された磁気コイル３０と、装置ケース２６の上部に配置したリング形状の永久磁石３１と、磁歪部材２９に接触し、蓋部２７の開口部２７ａを通過して外部に突出している変位部材３２と、を備えている。

磁気バイアス供給用として設けられる永久磁石２８，３１は上記のようにリング形状、すなわち中空形状であって、磁気コイル３０と装置ケース２６と蓋部２７とからなる上部空間、および、磁気コイル３０と装置ケース２６とからなる下部空間にそれぞれ収まるようにして配置されており、変位部材３２の変位方向に着磁されている。装置ケース２６の上部に配置されている永久磁石３１は例えば上端側がＳ極、下端側がＮ極に着磁され、装置ケース２６の底部に配置されている永久磁石２８は例えば上端側がＳ極、下端側がＮ極に着磁されている。これにより、変位部材３２と磁歪部材棒２９と装置ケース２６と蓋部２７とからなる磁路において、永久磁石２８，３１は磁気抵抗にならず効率よくバイアス磁界を印加することができる。

なお、本発明に係る磁気ヨークが、装置ケース２６及び蓋部２７に対応している。
本実施形態は、図１で示した第１実施形態の振幅制限装置９〜１２と同様に、揺動
本実施形態の振幅制限装置２５を、図１の振幅制限装置９〜１２に代えて配置すると、振動源２から鉛直方向の振動エネルギーが振動発電装置１の装置ケース３に伝達された際に、振動エネルギーが支柱４を介して伝達された揺動ビーム６がピン５を回動中心として揺動し、揺動ビーム６の両端部に固定した一対の錘体７，８が一次モードの共振状態となる。

そして、揺動ビーム６の揺動により一対の錘体７，８が底部３ａ及び上壁３ｂに配置した振幅制限装置２５の変位部材３２に衝突すると、変位部材３２が磁歪部材２９に圧縮変形を作用する。この磁歪部材２９の圧縮変形により磁力線が変化し、電磁誘導の法則によって、振幅制限装置２５の磁気コイル３０（コイル巻線）に誘起電圧（誘起電力）が発生して振動発電が行われる。
このように、揺動ビーム６の揺動により四個の振幅制限装置２５が一対の錘体７，８に衝突することで、四個の振幅制限装置２５のそれぞれが、誘起電圧（誘起電力）を発生して振動発電を行う。

したがって、本実施形態の振幅制限装置２５を、図１の振動発電装置１の振幅制限装置９〜１２に代えて装着すると、揺動ビーム６の揺動により一対の振動電力変換部１３，１４が同時に振動発電を行うとともに、磁歪部材２９と、磁歪部材２９に巻装した磁気コイル３０と、永久磁石２８，３１と、磁気ヨーク（装置ケース２６、蓋部２７）と、一対の錘体７，８の衝突を磁歪部材２９に伝達する変位部材３２とを備えた四個の振幅制限装置２５がそれぞれ振動発電を行うので、さらに発電効率を向上させることができる。

なお、変位部材３２の形成部材が磁性材料でなくても、振幅制限装置２５は振動発電の機能を奏するが、変位部材３２と磁歪部材棒２９と装置ケース２６と蓋部２７とから磁路、すなわち磁気閉ループを構成した方が発電効率の向上につながるので、装置ケース２８および蓋部２７と同様に変位部材３２の形成材料も磁性材料とした方が好適である。
ここで、第２実施形態の振動発電装置で用いられる電源回路の回路ブロック構成は、第１実施形態の振動発電装置１で用いられる電源回路２０１と同様であり、その回路ブロック構成の図示は省略する。なお、第２実施形態のように、図１に示した第１実施形態の振動発電装置１における振幅制限装置９〜１２を振幅制限装置２５に置き換えた構成では、揺動ビーム６の揺動により四個の振幅制限装置２５が一対の錘体７，８に衝突することで、振動電力変換部１３，１４に加えて、四個の振幅制限装置２５もそれぞれ誘起電圧（誘起電力）を発生して振動発電を行なう。このため、振動電力変換部１３，１４の磁気コイル１８，２２（コイル巻線）に対応する整流手段２０２ａ，２０２ｂおよび平滑手段２０３ａ，２０３ｂに加えて、四個の振幅制限装置２５の磁気コイル３０（コイル巻線）に発生する各交流電圧をそれぞれ整流する４個の整流手段、および、これら４個の整流手段の各整流信号をそれぞれ平滑する４個の平滑手段を更に設ける。蓄電手段および出力手段は、振動電力変換部１３，１４に対応する２個の平滑手段２０３ａ，２０３ｂと、四個の振幅制限装置２５に対応する４個の平滑手段とに対して共通の１系統（図６における蓄電手段２０５、出力手段２０６）でよい。

また、図４では、磁気バイアス供給用の永久磁石として、リング形状の永久磁石２８，３１が、磁気コイル３０と装置ケース２６と蓋部２７とからなる上部空間、および、磁気コイル３０と装置ケース２６とからなる下部空間にそれぞれ収まるようにして配置された構成を示したが、このような構成に限定されるものではない。すなわち、リング形状の永久磁石が１個だけ、磁気コイル３０と装置ケース２６と蓋部２７とからなる上部空間、または、磁気コイル３０と装置ケース２６とからなる下部空間のいずれかに収まるようにして配置された構成としてもよい。また、磁気バイアス供給用の永久磁石を例えば装置ケース２６と蓋部２７との間に介装した構成とすることもできるが、磁気バイアス供給用の永久磁石が磁歪部材棒２９を含む磁路における磁気抵抗にならないようにする上では、図４に示した振幅制限装置２５の構成が好適である。

［実施形態３］
次に、図５は、本発明に係る第３実施形態の振動発電装置を示す正面図である。
なお、第１実施形態で示した鉛直振動を受けることで揺動する天秤棒状の揺動ビーム６と、この揺動ビーム６に関連する部材は同一符号を付して説明は省略する。
本実施形態の振動発電装置４０は、振動源２の上部に固定された装置ケース４１と、装置ケース４１から立ち上がっている支柱４２と、支柱４２に設けたピン４３に長手方向中間部が回動自在に支持され、鉛直振動を受けることでピン４３を回動中心として揺動する天秤棒状の揺動ビーム６と、揺動ビーム６の長手方向両端に固定されている一対の錘体７、８と、錘体７の移動方向に対応する装置ケース４１に配置した振幅制限装置９，１０と、錘体８の移動方向に対応する装置ケース４１に配置した振幅制限装置１１，１２と、揺動ビーム６の長手方向の両側に設けた一対の振動電力変換部１３，１４と、支柱４２に設けたピン４３に長手方向中間部が回動自在に支持され、水平振動を受けることでピン４３を回動中心として揺動する揺動ビーム４４と、揺動ビーム４４の長手方向両端に固定されている一対の錘体４５、４６と、錘体４５の移動方向に対応する装置ケース４１に互いに水平方向に配置した振幅制限装置４７，４８と、錘体４６の移動方向に対応する装置ケース４１に互いに水平方向に配置した振幅制限装置４９，５０と、揺動ビーム４４の長手方向の両側に設けた一対の振動電力変換部５１，５２と、電源回路２０１Ｂと、を備えている。

揺動ビーム４４は磁性材料からなる部材であり、装置ケース４１内に鉛直方向に延在して配置されている。
また、搖動ビーム６と搖動ビーム４４とは、直交した状態で互いが固定された十字構造とすることもできるが、振動の干渉効果が発生することを防止するため、互いが固定されない構造とすることが好適である。

この揺動ビーム４４の長手方向の両側に幅方向の一側を長手方向に延長して切り欠くことで一対の切り欠き部４４ａ，４４ｂが形成され、これら切り欠き部４４ａ，４４ｂに沿って長手方向に延在する磁性棒状部４４ｃ，４４ｄが形成されている。
一方の切り欠き部４４ａの長手方向両縁部４４ｅ，４４ｆには、両端部に磁気バイアス供給用の永久磁石５３，５４を固定した磁歪棒５５が磁性棒状部４４ｃに平行に延在して固定されているとともに、磁歪棒５５には磁気コイル５６が巻装されている。磁気コイル５６は電源回路２０１Ａに接続されている。

また、他方の切り欠き部４４ｂの長手方向両縁部４４ｇ，４４ｈには、両端部に磁気バイアス供給用の永久磁石５７，５８を固定した磁歪棒５９が磁性棒状部４４ｄに平行に延在して固定されているとともに、磁歪棒５９には磁気コイル６０が巻装されている。磁気コイル６０は電源回路２０１Ａに接続されている。
磁歪棒５５，５９は、鉄ガリウム合金や鉄コバルト合金からなる部材である。り、永久磁石５３，５４，５７，５８はバイアス磁界を発生するものである。永久磁石５３，５４は例えば上端側がＳ極，下端側がＮ極に着磁され、永久磁石５７，５８は例えば上端側がＮ極，下端側がＳ極に着磁されている。

これにより、一対の振動電力変換部５１，５２の一方の振動電力変換部５１は、長手方向に延在する磁性棒状部４４ｃと、磁歪棒５５と、これら磁性棒状部４４ｃ及び磁歪棒５５を磁気的に連結する揺動ビーム４４（長手方向両縁部４４ｅ，４４ｆ）と、磁気コイル５６とで構成され、永久磁石５３のＮ極から出る磁束が磁歪棒５５を通過し、永久磁石５４、磁性棒状部４４ｃを通って永久磁石５３のＳ極に達する磁路が形成される。

また、他方の振動電力変換部５２は、長手方向に延在する磁性棒状部４４ｄと、磁歪棒５９と、これら磁性棒状部４４ｄ及び磁歪棒５９を磁気的に連結する揺動ビーム４４（長手方向両縁部４４ｇ，４４ｈ）と、磁気コイル６０とで構成され、永久磁石５７のＮ極から出る磁束が磁歪棒５９を通過し、永久磁石５８、磁性棒状部４４ｄを通って永久磁石５７のＳ極に達する磁路が形成される。

なお、搖動ビーム４４は全体が磁性材料からなる構成に限定されるものではなく、揺動ビーム４４の長手方向の両側において各磁歪棒５５，５９に対応してそれぞれ磁気回路のループを形成することができる構造となっていればよい。
振幅制限装置４７，４８は、鉛直方向に延在している揺動ビーム４４の上端に固定されて錘体４５に当接する変位部材２３と、この変位部材２３を保持して装置ケース４１の内壁に固定されたコイルスプリング２４とで構成されている。また、振幅制限装置４９，５０も、揺動ビーム４４の下端に固定されて錘体４６に当接する変位部材２３と、変位部材２３を保持して装置ケース４１の内壁に固定されているコイルスプリング２４を備えている。これら振幅制限装置４７〜５０のコイルスプリング２４は、揺動ビーム４４がピン４３を回動中心として揺動し、錘体４５，４６が変位部材２３に衝突したときに弾性伸縮することで揺動ビーム４４の振幅を制限するとともに、自身のバネ復元力により、衝突した方向に対して逆方向に向かう力を錘体４５，４６に付与する。

ここで、本発明に係る支持体が支柱４２に対応し、本発明に係る支点がピン４３に対応し、本発明に係る第２揺動ビームが揺動ビーム４４に対応し、本発明に係る第２振幅制限装置が振幅制限装置４７〜５０に対応し、本発明に係る第２振動電力変換部が振動電力変換部５１，５２に対応している。
第３実施形態の振動発電装置４０で用いられる電源回路２０１Ａの回路ブロック構成は、第１実施形態の振動発電装置１で用いられる電源回路２０１と同様であり、その回路ブロック構成の図示は省略する。なお、第３実施形態の振動発電装置４０では、振動電力変換部１３，１４に加えて、振動電力変換部５１，５２も備えている。このため、振動電力変換部１３，１４の磁気コイル１８，２２（コイル巻線）に対応する整流手段２０２ａ，２０２ｂおよび平滑手段２０３ａ，２０３ｂに加えて、振動電力変換部５１，５２の磁気コイル５６，６０（コイル巻線）に発生する各交流電圧をそれぞれ整流する２個の整流手段、および、これら２個の整流手段の各整流信号をそれぞれ平滑する２個の平滑手段を更に設ける。蓄電手段および出力手段は、振動電力変換部１３，１４に対応する２個の平滑手段２０３ａ，２０３ｂと、振動電力変換部５１，５２に対応する２個の平滑手段とに対して共通の１系統（図６における蓄電手段２０５、出力手段２０６）でよい。

次に、上述した第３実施形態の動作及び効果について説明する。
本実施形態の振動発電装置４０を、振動源２（高速道路や橋梁）に設置すると、振動源２から伝達される鉛直方向の振動エネルギーは、揺動ビーム６がピン４３を回動中心として揺動し、揺動ビーム６の両端に固定した錘体７，８の移動方向に設けた振幅制限装置９〜１２の何れかに衝突することで、一対の振動電力変換部１３，１４が振動発電を行う。

また、振動源２から水平方向の振動エネルギーが伝達されると、支柱４２を介して振動エネルギーが伝達された揺動ビーム４４は、ピン４３を回動中心として揺動し、揺動ビーム４４の両端部に固定した一対の錘体４５，４６が一次モードの共振状態となる。
そして、揺動ビーム４４の揺動により錘体４５が振幅制限装置４７に衝突すると、振幅制限装置４７の変位部材２３から揺動ビーム４４に反力が入力することで、振動電力変換部５１の磁歪棒５５が圧縮方向に変形する。

錘体４５が衝突した振幅制限装置４７のコイルスプリング２４は、弾性伸縮することで揺動ビーム４４の振幅を制限するとともに、自身のバネ復元力によって衝突した方向に対して逆方向の押し上げ力を錘体４５に付与し、揺動ビーム４４に揺動推進力（ピン４３を回動中心とした回転動作）を作用する。
また、揺動ビーム４４の揺動により錘体４５が振幅制限装置４８に衝突すると、振幅制限装置４８の変位部材２３から揺動ビーム４４に反力が入力することで、振動電力変換部５１の磁歪棒５５が伸長方向に変形する。

錘体４５が衝突した振幅制限装置４８のコイルスプリング２４は、弾性伸縮することで揺動ビーム４４の振幅を制限するとともに、自身のバネ復元力によって衝突した方向に対して逆方向の押し下げ力を錘体４５に付与し、揺動ビーム４４に揺動推進力を作用する。
また、揺動ビーム４４の揺動により錘体４６が振幅制限装置４９に衝突すると、振幅制限装置４９の変位部材２３から揺動ビーム４４に反力が入力することで、振動電力変換部５２の磁歪棒５９が圧縮方向に変形する。

また、錘体４６が衝突した振幅制限装置４９のコイルスプリング２４は、弾性伸縮することで揺動ビーム４４の振幅を制限するとともに、自身のバネ復元力によって衝突した方向に対して逆方向の押し上げ力を錘体４６に付与し、揺動ビーム４４に揺動推進力を作用する。
また、揺動ビーム４４の揺動により錘体４６が振幅制限装置５０に衝突すると、振幅制限装置５０の変位部材２３から揺動ビーム４４に反力が入力することで、振動電力変換部５２の磁歪棒５９が伸長方向に変形する。

また、錘体４６が衝突した振幅制限装置５０のコイルスプリング２４は、弾性伸縮することで揺動ビーム４４の振幅を制限するとともに、自身のバネ復元力によって衝突した方向に対して逆方向の押し下げ力を錘体４６に付与し、揺動ビーム４４に揺動推進力を作用する。
このように、鉛直方向に配置した揺動ビーム４４の一対の振動電力変換部５１，５２が、それぞれの磁歪棒５５，５９に伸長と圧縮が繰り返し作用することになり、逆磁歪効果によって磁力線が交番状に変化する。この磁力線の変化が電磁誘導の法則によって、一対の振動電力変換部５１，５２の磁気コイル５６，６０（コイル巻線）に誘起電圧（誘起電力）を発生させて振動発電を行うことができる。

したがって、本実施形態の振動発電装置４０は、高速道路や橋梁などの振動源２から鉛直振動が伝達されると、揺動ビーム６がピン４３を回動中心として揺動して振幅制限装置９〜１２の何れかに衝突することで一対の振動電力変換部１３，１４が振動発電を行い、振動源２から水平振動が伝達されると、揺動ビーム４４がピン４３を回動中心として揺動して振幅制限装置４７〜５０の何れかに衝突することで一対の振動電力変換部５１，５２が振動発電を行うので、振動源３からの任意の方向からの振動に対して効率よく発電を行うことができる。

なお、本実施形態の装置は、変位部材２３及びコイルスプリング２４からなる振幅制限装置４７〜５０を使用しているが、これらに代えて、第２実施形態（図４参照）で示した振動発電を行う振幅制限装置２５を使用すると、さらに発電効率を向上させることができる。
また、図５では、揺動ビーム６と揺動ビーム４４とのうち、特に揺動ビーム４４側の構成における振幅制限装置として、錘体４５の移動方向に対応する装置ケース４１に互いに水平方向に配置した振幅制限装置４７，４８と、錘体４６の移動方向に対応する装置ケース４１に互いに水平方向に配置した振幅制限装置４９，５０との両方を備える構成を示したが、このような構成に限定されるものではない。すなわち、一対の錘体のうち一方の錘体の移動方向に対応する位置にのみ振幅制限装置を配置した構成、例えば錘体４５の移動方向に対応する装置ケース４１に互いに水平方向に配置した振幅制限装置４７，４８だけを備える構成とすることもできる。

また、図５では、揺動ビーム６と揺動ビーム４４とのうち、特に揺動ビーム４４側の構成における振動電力変換部として、揺動ビーム４４の長手方向の両側に一対の振動電力変換部５１，５２を設けた構成を示したが、このような構成に限定されるものではない。すなわち、揺動ビーム４４の長手方向の両側のうち一方側にのみ振動電力変換部を設けた構成、例えば振動電力変換部５１だけを設けた構成とすることもできる。

なお、上述のように一対の錘体のうち一方の錘体の移動方向に対応する位置にのみ振幅制限装置を配置した構成においては、振動電力変換部は、揺動ビーム４４の長手方向の両側のうち上記振幅制限装置が配置される側に設けるようにする。
また、図５では、揺動ビーム６と揺動ビーム４４とのうち、特に揺動ビーム４４側の構成における振動電力変換部として、例えば振動電力変換部５１における磁歪棒５５の両端に磁気バイアス供給用の永久磁石５３，５４を配置した構成を示したが、このような構成に限定されるものではなく、磁歪棒５５の一方端にのみ磁気バイアス供給用の永久磁石を配置した構成としてもよい。この点は振動電力変換部５２も同様である。

また、図５では、揺動ビーム６と揺動ビーム４４とのうち、特に揺動ビーム４４側の構成における振動電力変換部として、例えば振動電力変換部５１における磁歪棒５５に磁気コイル５６が巻装されている構成を示したが、振動電力変換部において磁気コイルを巻装する位置は磁歪棒のみに限定されるものではなく、磁歪棒とともに磁路を形成する他の部材に巻装してもよい。すなわち、振動電力変換部５１において例えば磁性棒状部４４ｃに磁気コイルを巻装してもよく、磁歪棒５５と磁性棒状部４４ｃの両方に磁気コイルを巻装してもよい。この点は振動電力変換部５２も同様である。

また、本実施形態の振動発電装置４０における揺動ビーム４４側の構成は、揺動ビーム４４がその長手方向においてピン４３による支持点を中心とした対称構造であって、搖動ビーム４４の長手方向両端に固定されている錘体４５の質量と錘体４６の質量とが互いに等しい構成に限定されるものではない。垂直方向の揺動ビーム４４では、その長手方向が重力場方向と平行するため、錘体４５と錘体４６とが等質量ではなくても、モーメントのバランスを取ることができる。ただし、下側の錘体４６の質量が上側の錘体４５の質量より大きい構成の方が、振動によりバランスが崩れた後の挙動において安定的である点でより好適である。

１，４０…振動発電装置、２…振動源、３，４１…装置ケース、３ａ…底部、３ｂ…上壁、４，４２…支柱、５，４３…ピン、６，４４…揺動ビーム、７，８，４５，４６…錘体、９，１０，１１，１２，４７，４８，４９，５０…振幅制限装置、１３，１４，５１，５２…振動電力変換部、６ａ，６ｂ，４４ａ，４４ｂ…切り欠き部、６ｃ，６ｄ，４４ｃ，４４ｄ…磁性棒状部、６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈ，４４ｅ，４４ｆ，４４ｇ，４４ｈ…長手方向両縁部、１５，１６，１９，２０，５３，５４，５７，５８…永久磁石、１７，２１，５５，５９…磁歪棒、１８，２２，５６，６０…磁気コイル、２３…変位部材、２４…コイルスプリング、２５…振幅制限装置、２６…装置ケース、２７…蓋部、２７ａ…開口部、２８…永久磁石、２９…磁歪部材、３０…磁気コイル、３１…永久磁石、３２…変位部材、２０１，２０１Ａ…電源回路

Claims (10)

1. 振動源から振動を受ける支持体と、
   この支持体に設けた支点を介して長手方向中間部が支持され、振動を受けることで前記支点回りに揺動する第１揺動ビームと、
   この第１揺動ビームの両端に固定された一対の錘体と、
   これら一対の錘体のうち少なくとも一方の錘体の移動方向に配置され、当該錘体との衝突により前記第１揺動ビームの振幅を制限する第１振幅制限装置と、
   前記第１揺動ビームの前記支点を挟んで長手方向の両側のうち少なくとも前記第１振幅制限装置が配置される側に設けられ、振動を受けた前記錘体と前記第１振幅制限装置との衝突による衝撃力によって磁歪部材が伸長または圧縮することで発電する第１振動電力変換部と、を備えていることを特徴とする振動発電装置。
2. 前記第１振幅制限装置が前記第１揺動ビームの両端に固定された一対の錘体の移動方向にそれぞれ配置されるとともに、
   前記第１振動電力変換部が前記第１揺動ビームの前記支点を挟んで長手方向の両側にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１記載の振動発電装置。
3. 前記第１揺動ビームに対して直交する方向に延在し、長手方向中間部が前記支点を介して前記支持体に揺動自在に支持されている第２揺動ビームと、
   この第２揺動ビームの両端に固定された一対の錘体と、
   これら一対の錘体のうち少なくとも一方の錘体の移動方向に配置され、当該錘体との衝突により前記第２揺動ビームの振幅を制限する第２振幅制限装置と、
   前記第２揺動ビームの前記支点を挟んで長手方向の両側のうち少なくとも前記第２振幅制限装置が配置される側に設けられ、振動を受けた前記錘体と前記第２振幅制限装置との衝突による衝撃力によって磁歪部材が伸長または圧縮することで発電する第２振動電力変換部と、を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の振動発電装置。
4. 前記第２振幅制限装置が前記第２揺動ビームの両端に固定された一対の錘体の移動方向にそれぞれ配置されるとともに、
   前記第２振動電力変換部が前記第２揺動ビームの前記支点を挟んで長手方向の両側にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項３記載の振動発電装置。
5. 前記第１振動電力変換部は、前記長手方向に延在する第１磁歪棒と、この第１磁歪棒に対して前記長手方向に直行する方向に平行に配置された第１磁性部材と、これら第１磁歪棒及び第１磁性部材を磁気的に連結する第１連結部材と、前記第１磁歪棒に巻装された第１磁気コイルと、を備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の振動発電装置。
6. 前記第１磁歪棒の両端のうち少なくとも一方端に配置され、前記第１磁歪部材と前記第１磁性部材とに磁気バイアスを供給する第１永久磁石を備えていることを特徴とする請求項５記載の振動発電装置。
7. 前記第２振動電力変換部は、前記長手方向に延在する第２磁歪棒と、この第２磁歪棒に対して前記長手方向に直行する方向に平行に配置された第２磁性部材と、これら第２磁歪棒及び第２磁性部材を磁気的に連結する第２連結部材と、前記第２磁歪棒に巻装された第２磁気コイルと、を備えていることを特徴とする請求項３又は４記載の振動発電装置。
8. 前記第２磁歪棒の両端のうち少なくとも一方端に配置され、前記第２磁歪部材と前記第２磁性部材とに磁気バイアスを供給する第２永久磁石を備えていることを特徴とする請求項７記載の振動発電装置。
9. 前記振幅制限装置は、前記錘体の衝突による衝撃力を受ける変位部材と、この変位部材を保持するバネ部材とで構成され、当該バネ部材は、自身のバネ復元力により前記錘体が衝突した方向に対して逆方向に前記錘体を押し戻す力を作用することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の振動発電装置。
10. 前記振幅制限装置は、磁歪部材と、この磁歪部材に巻装された磁気コイルと、磁歪部材との間に磁路を形成する磁気ヨークと、前記錘体の衝突による衝撃力を前記磁歪部材に伝達する変位部材と、を備えていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の振動発電装置。

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