JP6715101B2 - 振動発電機、振動発電ユニット、振動発電モジュールおよび電気機器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、振動発電機、振動発電ユニット、振動発電モジュールおよび電気機器に関する。

振動発電機は、人が歩く際の床の振動や、車や電車の振動、雨が地面をたたく振動等の環境振動を利用して発電する。振動発電機により発電した電力は、センサ等に用いる電源（電池等）の代替として期待されている。

電磁誘導式の振動発電機は、一般的に、磁石を有する振動子とコイルを備え、外部からの振動が加わると、振動子がコイルに対して相対運動する。このとき、コイルに鎖交する磁束が時間的に変化するため、起電力が発生する。

電磁誘導式の振動発電機が発電する電気エネルギーを増大するには、磁気特性の良い磁石を使用するか、磁気回路を最適化するなどして、コイルの鎖交磁束を大きくする方法がある。

特許第５２４８５９８号公報

本発明が解決しようとする課題は、コイルの鎖交磁束を大きくすることにより発電量を向上した振動発電機を提供することである。

実施形態の振動発電機は、筐体と、前記筐体に固定される弾性部材と、前記弾性部材に支持され、第１の方向に振動可能な振動子と、前記振動子の内部に位置するコイルと、を備え、前記振動子は、第１の磁石と、前記第１の磁石と前記第１の方向に並び反発するように配置された第２の磁石と、前記第１の磁石および前記第２の磁石の外周に配置された第３の磁石と、前記第１乃至３の磁石を囲む第１の磁性体と、を有し、前記コイルは、前記第１の磁石および前記第２の磁石と前記第３の磁石の間に位置する振動発電機である。

また、実施形態の振動発電ユニットは、前記振動発電機と、蓄電部と出力回路の少なくとも一方を含む。

また、実施形態の振動発電モジュールは、前記振動発電ユニットと、前記振動発電ユニットにより動作する外部負荷および外部とのデータ通信を可能とする通信装置の少なくとも一方を含む。

また、実施形態の電気機器は、前記振動発電モジュールを含む。

第１の実施形態にかかる振動発電機の概略を示す断面図である。 第１の実施形態にかかる振動発電機の斜視断面図である。 第１の実施形態にかかる振動発電機の分解図である。 第１の実施形態の変形例にかかる振動発電機の概略を示す断面図である。 第２の実施形態にかかる振動発電機の概略を示す断面図である。 第２の実施形態にかかるコイル固定部材４１とコイル３０の一例を示す斜視図である。 第１の実施形態と第２の実施形態にかかる振動発電機の外部振動の振動数と発電量の関係を示すグラフである。 第２の実施形態の変形例１にかかる振動発電機の概略を示す断面図である。 第２の実施形態の変形例２にかかる振動発電機の概略を示す断面図である。 第２の実施形態の変形例３にかかる振動発電機の概略を示す断面図である。 第３の実施形態にかかる振動発電機の概略を示す断面図である。 第４の実施形態にかかる振動発電ユニットの構成を示すブロック図である。 第５の実施形態にかかる振動発電モジュールの構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して実施形態にかかる振動発電機について説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係や部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１〜図３を参照して説明する。図１は第１の実施形態にかかる振動発電機１の概略を示す断面図である。図２は、振動発電機１の斜視断面図である。図３は、振動発電機１の分解図である。

図３に示すように、振動発電機１は、有底筒状のケース１０ａと、該ケース１０ａの開口部に設けられた蓋としてのケースカバー１０ｂを有し振動発電機１の外殻を構成するケース１０を備える。ケース１０の内部には、円柱状の振動子２０と、振動子２０の内部に配置される円環状のコイル３０と、コイル３０をケース１０ａの底部から一定距離に固定するコイル固定部材４０と、ケース１０ｂに固定されて振動子２０を支持する円板状の弾性部材５０と、を備える。振動子２０の中心軸は筒状のケース１０の略中心軸上に沿って配置される。

次に、本実施形態の振動子２０の構成について詳しく説明する。

図１および図２に示すように振動子２０は、磁石２１と、磁石２１を保持するためのヨーク２２ａ、２２ｂ、２２ｃを含むヨーク２２とを有する。ヨーク２２の上部中央がケース１０の中心軸付近で弾性部材５０に接続している。

ヨーク２２は、円筒状のヨーク２２ａと、ケース１０の中心軸に沿って所定距離隔てて配置されたヨーク２２ｂ、２２ｃを含む。ケース１０の中心軸に沿って、ヨーク２２ｃの上面とヨーク２２ａとの間に磁石２１ａが配置され、ヨーク２２ｃの下面とヨーク２２ｂとの間に磁石２１ｂが配置される。

他方で、ケース１０の中心軸から離れたヨーク２２ａの内面に、筒状の磁石２１ｃが配置される。磁石２１ｃと、ケース１０の中心軸上にある磁石２１ａおよび２１ｂとの間には空間を設ける。この振動子２０内部の空間には、後述するコイル３０が配置される。

磁石２１ａと磁石２１ｂは、円柱形状若しくは角柱形状で形成される。磁石２１ａと磁石２１ｂは、同一形状であることが好ましい。ヨーク２２ｃは、磁石２１ａの底面形状と一致する形状であることが好ましい。振動子２０の中心軸は、コイル３０の中心軸に略一致する。

磁石２１ａ、磁石２１ｂとヨーク２２ｃは、コイル３０の内側に隙間を有して配置される。つまり、コイル固定部材４０とも隙間を有する。ヨーク２２ｃは、コイル３０の厚み方向の中心と略一致する位置に配置されるのが好ましい。また、ヨーク２２ｃの厚みは、コイルの厚みより薄いことが好ましい。ここで厚みとは、振動子２０の中心軸に沿った方向の長さをいう。

磁石２１ａと磁石２１ｂの磁極は、振動子２０の中心軸に沿ってＮ極とＳ極が並び、ヨーク２２ｃに接する側の磁極を互いにＮ極として向い合せて配置される。つまり、磁石２１ａと磁石２１ｂは、互いに反発し合う方向に磁束が生じる。

ヨーク２２ａは、中空の円柱形状であり、磁石２１ａ〜２１ｃとヨーク２２ｃを囲うように配置される。ヨーク２２ａの内壁上面２２ａｕと磁石２１ａが接して配置される。ヨーク２２ｂの上面と磁石２１ｂが接して配置される。ヨーク２２ａの内部側面２２ａｓに磁石２１ｃが接して配置される。磁石２１ｃは、円環状であることが好ましく、コイル３０の外側に同心円状に配置される。磁石２１ｃとコイル３０は、一定の隙間を有する。磁石２１ｃは、円環状に一体に形成するのが好ましいが、円周方向に複数に分断して形成しても良いし、軸方向に複数に分断して形成してもよい。

磁石２１ｃの磁極は、径方向に磁極を有し、コイル３０と対向する面をＳ極とし、ヨーク２２ａｓと接する面をＮ極とする。

ヨーク２２ｂは、磁石２１ｂのＳ極面側に接して配置される。ヨーク２２ｂは、コイル固定部材４０のコイル支持部４０ａが柱形状（例えば、４本の柱で支える形状）である場合は、ヨーク２２ａと一体として形成される。

ヨーク２２ａは、一体として形成されるのに限定されず、軸方向に２つに分離される形状であっても良い。

ヨーク２２ａ〜２２ｃの材料は、軟磁性材料であり保磁力が小さく透磁率が大きい材料が好ましい。例えば、鉄、ケイ素鋼、パーマロイ、電磁軟鉄、ＳＰＣＣ等が挙げられる。ヨークは、磁性体とも称される。

また、振動発電機用としては、密度の高いパーマロイ等の材料が好ましい。

磁石２１ａ〜２１ｃは、永久磁石であり、ネオジム磁石やフェライト磁石など一般的な磁石が使用できる。

振動子２０は、ヨーク２２ａ〜２２ｃおよび磁石２１ａ〜２１ｃにより閉じた磁気回路を形成する。

次に、振動子２０内の磁束の経路について説明する。

磁石２１ａと磁石２１ｂは、同極であるＮ極を向い合せた状態でヨーク２２ｃに取り付けられている。ヨーク２２ｃから放射上に漏洩した磁束が、コイル３０を貫き、磁石２１ｃを通り、磁石２１ｃと接するヨーク２２ａを通り、磁石２１ａと磁石２１ｂに戻る。磁石２１ｂに接するヨーク２２ｂも磁束の通り道となる。

磁石２１ｃは、ヨーク２２ｃの側面から放射状に漏洩した磁束が拡散するのを防止する。これにより、コイル３０に鎖交する磁束が大きくなる。磁石２１ａ〜２１ｃをこのように配置することにより、コイル３０を鎖交する磁束量を増すことができ、発電量を向上できる。

コイル３０は、円環状の複数巻きコイルである。円環状のコイル３０の中心軸は、振動子２０の中心軸と一致するように配置される。コイル３０は、周方向に巻かれる。

コイルに用いる線材は、銅線あるいはアルミ線あるいは銅クラッドアルミ線（ＣＣＡＷ）を用いることができる。銅クラッドアルミ線を用いる場合は、銅とアルミの含有率を自由に設定できる。例えば、銅の含有率を５％、１０％、１５％と選択できる。アルミと銅の密度が異なることにより、コイル３０をアルミ線材（Ａｌ−１００％）で構成する場合は、コイル３０の質量を軽くすることができ、銅（Ｃｕ−１００％）で構成する場合は、コイル３０の質量を重くすることができる。後述するが、線材を適宜選択することによりコイル３０の固有振動数を変化することができる。また、コイル３０は、密に巻かれていることが好ましい。コイル線材は断面が丸型断面のものが一般的だが、断面が四角形の線材を用いても良い。コイルを鎖交する磁束数が増加することで発電量を向上できる。

コイル線の端部は、振動発電機１の外部に引き出され、後述する出力回路等に繋がれる。

コイル固定部材４０は、振動子２０の内部にコイル３０を固定する部材である。コイル固定部材４０は、柱状のコイル支持部４０ａを有し、コイル支持部４０ａはケース１０ａの底面で固定される。つまり、コイル３０はコイル支持部４０ａにより、軸方向から支持される。上述したが、コイル支持部４０ａは、実際にコイルを支える箇所であり、柱状でも良いし、円筒状でも良い。柱状の場合は、複数本の柱でコイルを支持するのが好ましい。コイル固定部材４０は、非磁性材料でかつ絶縁材料であることが好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル樹脂やＡＢＳ樹脂等の樹脂材やガラスエポキシ部材およびセラミック材を使用することができる。

コイル固定部材４０は、磁石２１ａ〜２１ｃおよびヨーク２２ｂとヨーク２２ｃと隙間を設けて配置される。

弾性部材５０は、図１〜図３に示すように円板形状である。弾性部材５０の側面は、ケース１０の内部側面と固定され、円板の中心付近で振動子２０の上面の一部を支持する。弾性部材５０の側面は、ケース１０ａの内部側面で固定されても良いし、ケースカバー１０ｂの内部側面で固定されても良い。図１および図２に示すように、振動子２０は、弾性部材５０によりケース１０内で吊るされた状態となる。

弾性部材５０は、高強度で破断しにくく、減衰能が小さい材料であることが好ましい。例えば、ばね用ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼等である。弾性部材５０は、板バネや皿バネのようなもので良い。弾性部材５０の材料は、振動発電機１の使用環境等により適宜選択できる。また、弾性部材５０の形状として、数か所にスルーホール等を設けても良い。これにより、材料を変更しなくてもバネ定数を調整することができる。

振動子２０と弾性部材５０の固定は、例えば、接着、圧入、焼嵌め、溶接、ねじ止めによりおこなう。弾性部材５０とケース１０との固定は、接着、圧入やねじ止め等によりおこなう。また、ケース１０ａとケースカバー１０ｂとで挟んで固定しても良い。

次に、ケース１０について説明する。ケース１０は、振動子２０、コイル３０、コイル固定部材４０および弾性部材５０を内包する。ケース１０と振動子２０とは、隙間を有する。この隙間は、任意に定めることができる。

ケース１０は、ケース１０ａとケースカバー１０ｂの２つの部材を含むが、一体として形成されても良い。また、ケース１０は、非磁性部材で形成されるのが好ましい。例えば、アルミニウムやオーステナイト系ステンレス鋼である。磁性部材で形成すると、振動子２０の振動に影響を与える可能性があるためである。ただし、振動子２０からの漏洩磁束が小さい場合は、鉄等の磁性材料で形成しても良い。また、ケース１０は、筐体とも称される。

次に、振動発電機１の動作について説明する。

振動発電機１は、振動源となる対象物に取り付けられる。例えば、電車等の車両やエレベーター等の昇降機や振動の大きい洗濯機等の電化製品等で良い。

本実施形態にかかる振動発電機１は、振動子２０の軸方向の振動に対して発電するため軸方向の振動の大きい製品に取り付けるのが良い。

コイル固定部材４０により固定されるコイル３０は、振動発電機１に外部振動が加わるとケース１０と一体として振動する。弾性部材５０と繋がる振動子２０は、弾性部材５０の弾性力に応じてコイル３０に対して、所定の周波数で振動する。つまり、振動子２０は、コイル３０に対して軸方向に相対運動する。このとき、コイルに鎖交する磁束が時間的に変化するため、起電力が発生する。

弾性部材５０に繋がる振動子２０の固有振動数は、弾性部材５０のバネ定数および振動子２０の質量により決まる。例えば、固有振動数を下げたいときは、弾性部材５０のバネ定数を小さくするか、あるいは振動子２０の質量を重くする。振動子２０の質量を増加するには、磁石又はヨークの厚みを厚くすることや、ヨークの材料として密度の大きい材料（例えば、パーマロイ等。）を用いることが考えられる。固有振動数を上げたいときは、弾性部材５０のバネ定数を大きくするか、あるいは振動子２０の質量を軽くする。振動子２０の質量を低減するには、磁石又はヨークの厚みを薄くすることや、ヨークの材料として密度の小さい材料を用いることが考えられる。

振動子２０と弾性部材５０の系の固有振動数は、発電機外部の振動の振動数と略一致するように設計するのが良い。外部振動の振動数と該固有振動数が一致すると、振動子２０が共振し、発電量を向上できるためである。

外部振動に対して広帯域で発電量が大きくなるように振動発電機１を設計するのが良い。後述するが、広い周波数帯域で発電量を大きくするために、コイルも振動するような構造としても良い。対象とする周波数や帯域は、外部環境により任意に設定でき、状況に合った振動発電機を設計すれば良い。

以上のように本実施形態によると、振動子２０内の磁石２１ｃにより、ヨーク２２ｃから出力される磁束の広がりを防止し、コイル３０の巻線方向に略垂直に磁束を鎖交させることにより発電量の増加が期待できる。また、弾性部材５０のバネ定数あるいは振動子２０の質量を調整することにより容易にこれらの系の固有振動数を変更することができる。

なお、上記構成では、磁石２１ａと磁石２１ｂが同極であるＮ極を向い合せた状態でヨーク２２ｃに取り付けてあって、かつ、磁石２１ｃの磁極がコイル３０と対向する面をＳ極としヨーク２２ａｓと接する面をＮ極としているが、これに限らず、全て逆向きの極配置であっても良い。つまり、磁石２１ａと磁石２１ｂが同極であるＳ極を向い合せた状態でヨーク２２ｃに取り付け、磁石２１ｃの磁極がコイル３０と対向する面をＮ極としヨーク２２ａｓと接する面をＳ極としても良い。以降の実施例も同様である。

（第１の実施形態の変形例）
第１の実施形態の変形例ついて図４を参照して説明する。図４は第１の実施形態の変形例にかかる振動発電機１の概略を示す断面図である。

図４に示すように、第１の実施形態の変形例では、重り６０ａおよび６０ｂを有する点が第１の実施形態にかかる振動発電機と異なる。その他の構成については、第１の実施形態にかかる振動発電機と同様である。

重り６０ａおよび６０ｂは、振動子２０内に設置される。具体的に、重り６０ａは、磁石２１ｃの上面とヨーク２２ａの内壁上面との隙間に磁石２１ａを避けて設置される。つまり、重り６０ａは、円環形状であることが好ましい。重り６０ａは、円環形状として一体して形成されても良いし、複数に分断して形成されても良い。

重り６０ｂは、磁石２１ｃの下面とヨーク２２ａの内壁下面との隙間に磁石２１ｂを避けて設置される。重り６０ｂも重り６０ａ同様、円環形状であることが好ましい。また、重り６０ｂは、円環形状として一体して形成されても良いし、複数に分断して形成されても良い。重り６０ａと６０ｂは、振動子２０が振動してもコイル３０およびコイル固定部材４０に接触しないように、これらと所定の隙間を設けて設置される。

重り６０ａと６０ｂは、密度が大きく、透磁率の小さい非磁性材料が好ましい。透磁率の大きい磁性材料等を用いると振動子２０の磁気特性が劣化する可能性があるためである。重りに用いる材料としては、例えば、銅やタングステン等を用いることができる。

本実施形態では、重りの追加により振動子２０の質量を増すことができ、振動時の振幅が増加することによって、発電量を向上することができる。

また、本実施形態では、振動子２０に重り６０ａと６０ｂの２つの重りを設置することを説明したが、重りはどちらか片方でも良い。また、重りの設置位置も振動発電機の設計により適宜変更することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態ついて図５を参照して説明する。図５は第２の実施形態にかかる振動発電機１の概略を示す断面図である。

図５に示すように、コイル固定部材４１のコイル支持部４１ａは、ケース１０の側面に固定される。さらに、磁石２１ｃは、軸方向に磁石２１ｄと磁石２１ｅに分離される。ヨーク２２ａは、軸方向にヨーク２２ｄとヨーク２２ｅに分離される。第１の実施形態では、磁石２１ｂのＳ極面側にヨーク２２ｂを有したが、本実施形態ではコイル支持部４１ａがケース１０の側面で固定されるためヨーク２２ｂに該当する箇所はヨーク２２ｅに一体となる。その他の構成については、第１の実施形態にかかる振動発電機と同様である。

図６は、本実施形態のコイル固定部材４１とコイル３０の一例を示す斜視図である。コイル固定部材４１は円板状のコイル支持部４１ａを有し、コイル支持部４１ａにはスルーホール等を設けても良い。図５および６に示すように、コイル３０はコイル固定部材４１の円筒部の外側面に固定される。コイル支持部４１ａにスルーホール等が設けられている場合、軸方向の振動に対してコイル支持部４１ａがバネ要素として働き、コイル３０を振動する。スルーホールによりコイル支持部４１ａの剛性が低下するためである。一方、コイル支持部４１ａにスルーホール等が無く平板状である場合、コイル支持部４１ａの剛性が高いため軸方向の振動に対してコイル３０はほとんど振動しない。コイル支持部４１ａの形状は、得たいバネ乗数に応じて適宜調整される。

磁石２１ｄと磁石２１ｅは、径方向に磁極を有し、コイル３０と対向する側がＳ極となる。磁石２１ｄと磁石２１ｅの側面は、ヨーク２２ａの内部側面２２ａｓと接して配置される。

本実施形態では、軸方向の外部振動に対して、コイル固定部材４１の弾性力に応じてコイル３０も軸方向に振動する。これにより第１の実施形態にかかる振動発電機よりも広い帯域の外部振動数に対して、発電量を得ることができる。

図７は、第１の実施形態にかかる振動発電機と、第２の実施形態にかかる振動発電機の外部振動数と発電量の関係を示すグラフである。図７（ａ）は、第１の実施形態にかかる振動発電機の結果である。図７（ａ）に示すように、第１の実施形態では、振動子２０と弾性部材５０からなる１自由度振動系の固有振動数（以下、振動子の固有振動数と記す）の箇所でピークを有し、発電量が最大となる。図７（ｂ）は、第２の実施形態にかかる振動発電機の結果である。図７（ｂ）では、振動子２０の固有振動数のピークに加えて、コイル３０とコイル固定部材４１から定まる固有振動数（以下、コイルの固有振動数と記す）に該当するピークを有する２自由度振動系を形成する。これにより、１自由度振動系に比べて広い帯域で発電量を得ることができる。

上述したコイルの線材を変更することによりコイル３０の固有振動数は、変更できる。固有振動数を上げたい場合は、例えば、コイル線材にアルミニウム等の密度の小さい線材を用いるか、巻線数を減少することによりコイル質量を軽くしても良い。また、コイルの巻き上げ時のテンションを増加しコイルを密に巻いても良い。コイルを密に巻くことによりコイルの剛性が向上し、固有振動数が増加するからである。また、コイルを樹脂等に含浸することにより剛性を向上しても良い。コイルの固有振動数を低下したい場合は、コイル線材に銅等の密度の大きい線材を用いるか、巻線数を増加することによりコイル質量を重くしても良い。また、コイル巻き上げ時のテンションを低減してコイル剛性を低下することにより、固有振動数を低下させても良い。

振動子２０の固有振動数に応じてコイルの固有振動数を適宜選択できる。

また、上述した通りコイル支持部４１ａを平板状で形成することにより剛性を高くし、振動子の固有振動数に対して非常に高い固有振動数としても良い。この場合、１自由度振動系に限りなく近い状態となる。

本実施形態では、軸方向にヨーク２２ｄとヨーク２２ｅに分離された構成について説明したが、ヨーク２２ｄとヨーク２２ｅは部分的に結合されていても良い。完全に分離した形状だと漏洩磁束が増加することも考慮されるからである。この時、コイル支持部４１ａは、ケース１０の内部側面と部分的に固定される。また、磁石２１ｄと磁石２１ｅも部分的に結合されていても良い。

本実施形態の振動発電機は、コイルも軸方向に振動する構成とすることにより、広い帯域の外部振動に対して効果的に発電することで発電量を増やすことができる。

（第２の実施形態の変形例１）
第２の実施形態の変形例１について図８を参照して説明する。図８は、第２の実施形態の変形例１にかかる振動発電機１の概略を示す断面図である。

図８に示すように、第２の実施形態の変形例１は、弾性部材７０を有し、振動子２０の下面の一部を更に支持する。それ以外の構成については、第２の実施形態にかかる振動発電機と同様である。

弾性部材７０の形状は、弾性部材５０と同等で良く、円板形状である。弾性部材７０の側面は、ケース１０の内部側面と固定される。

本実施形態では、振動子２０を弾性部材５０と弾性部材７０により挟んで支持することにより、振動子２０の軸方向と直交する外部振動の影響を低減し、軸方向の振動を安定して行うことができる。つまり、軸方向と直交する外部振動が振動子２０に作用すると、振動子２０は軸方向と直交する方向に振動しやすくなるが、弾性部材５０と弾性部材７０は面内方向に機械剛性が高く、面外方向（軸方向）に機械剛性が低い特徴を有するため、振動子２０を弾性部材５０と弾性部材７０により挟んで振動子２０を支持することにより、軸方向と直交する外部振動を弾性部材５０と弾性部材７０の面内方向で高剛性に支持することができる。

（第２の実施形態の変形例２）
第２の実施形態の変形例２について図９を参照して説明する。図９は、第２の実施形態の変形例２にかかる振動発電機１の概略を示す断面図である。

図９に示すように、磁石２１ｄと磁石２１ｅが軸方向に磁極を有することが第２の実施形態にかかる振動発電機と異なる。それ以外の構成については、第２の実施形態にかかる振動発電機と同様である。

磁石２１ｄと磁石２１ｅは、互いに対向面側を反発しあうＳ極とした。このような構成とすることにより、磁石２１ａ、２１ｂおよびヨーク２２ｃから出力される磁束が放射状に広がるのを防止し、コイル３０に径方向から磁束を効果的に鎖交することができる。

また、磁石の磁極方向を軸方向に揃えることにより、磁石の着磁を容易にし、振動子の製造性を向上することができる。

（第２の実施形態の変形例３）
第２の実施形態の変形例３について図１０を参照して説明する。図１０は、第２の実施形態の変形例３にかかる振動発電機１の概略を示す断面図である。

図１０に示すように、第２の実施形態の変形例３は、第２の実施形態の変形例１からヨーク２２ｃを削除し、それに代わり磁石２１ａと磁石２１ｂの対向面に各々磁気シールド８０ａと８０ｂを接して配置する。磁気シールド８０ａと８０ｂの間には、隙間を有する。それ以外の構成については、第２の実施形態の変形例１にかかる振動発電機と同様である。

磁気シールドの材料には、透磁率の大きい材料を用いる。これにより、磁気シールド８０ａと８０ｂ間の反発力は低減される。

軸方向にヨーク２２ｄとヨーク２２ｅに分離される場合は、磁石２１ａと磁石２１ｄとヨーク２２ｄと弾性部材５０で構成される系と、磁石２１ｂと磁石２１ｅとヨーク２２ｅと弾性部材７０で構成される系と、コイル３０とバネ要素として働くコイル支持部４１ａを有するコイル固定部材４１で構成される系の３自由度振動系を有する。これにより、振動発電機の設計自由度が高く、より広帯域の外部振動に対応した振動発電機を形成することができる。

また、上述した通りコイル支持部４１ａの剛性を高くすることにより、他の系より非常に高い固有振動数とすることにより、実質的に２自由度振動系としても良い。

本実施形態では、磁石２１ａと磁石２１ｂの対向面に磁気シールドを配置することを説明したが、磁石２１ａと磁石２１ｂの反発力が小さい場合は、磁気シールドを配置しなくても良い。また、磁気シールド８０ａと８０ｂの間にバネ等の弾性材を配置しても良い。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について図１１を参照して説明する。図１１は、第３の実施形態にかかる振動発電機１の概略を示す断面図である。

図１１に示すように円柱状のシャフト９０を有し、シャフト９０は、振動子２０の中心軸と一致する位置に設置される。シャフト９０は、ケース１０の内壁上面と底面で固定される。

振動子２０の磁石２１ａと２１ｂは、シャフト９０を避けるため中空の形状とする。つまり磁石２１ａと２１ｂは、中心を抜いた円環形状となる。

ヨーク２２ａについても、シャフト９０を避ける形状となる。シャフト９０が通り抜ける箇所にスルーホール等を設けるのが良い。

弾性部材５０は、ケース１０の内壁側面に固定される代わりに、シャフト９０の側面の一部に固定される。さらに弾性部材５０は、ヨーク２２ａの上面部の一部に固定される。ヨーク２２ａへの固定は、シャフト９０との固定箇所から離れた位置で固定するのが良い。

コイル固定部材４２は、ケース１０に固定される代わりに、シャフト９０の側面の一部に固定される。具体的には、コイル支持部４２ａがシャフト９０に固定され、コイル３０を径方向から支持する。これによりコイル３０は、振動子２０の内部に固定される。それ以外の構成は、第１の実施形態にかかる振動発電機と同様である。

弾性部材５１は、シャフト９０に固定しないで、シャフト９０を避ける形状としても良い。例えば、弾性部材の中心軸付近にスルーホールを設けてシャフトを避ける。この場合、弾性部材５１のスルーホールの周りに凸状のボスを設けてヨーク２２ａの一部に固定される。さらに、弾性部材５１の側面は、第１の実施形態と同様、ケース１０の内壁側面に固定される。

シャフト９０の材料は、非磁性部材であることが好ましい。例えば、アルミニウムやオーステナイト系ステンレス鋼である。さらに望むらくは、絶縁材料、例えば、プラスチック材料等の樹脂材料が良い。

本実施形態では、ヨーク２２ａが閉じた形状となり、振動子２０の漏洩磁束を低減することができる。コイル３０の鎖交磁束が増加し振動発電機１の発電量が向上する。

第１乃至３の実施形態にかかる振動発電機は、コイルが一つの構成について説明したが、コイルは複数であっても良い。例えば、コイルが２つの場合は、コイル固定部材により軸方向に並べて配置される。コイルの巻線方向はそれぞれ逆に巻かれても良い。それぞれのコイルは引き出し線を有し、後述する出力回路に別個に繋がれる。

また、ケース１０、振動子２０、磁石２１ａ〜２１ｅ、ヨーク２２ａ〜２１ｅ、コイル３０および弾性部材５０、７０は、円柱形状、円板形状、円環形状であることを説明したが、これらの形状に限定されず直方体や立方体形状や角柱形状等であっても良い。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について図１２を参照して説明する。図１２は、第４の実施形態にかかる振動発電ユニット１００の構成を示すブロック図である。

振動発電ユニット１００は、第１乃至３の実施形態にかかる振動発電機１と、出力回路１１０と、蓄電部１２０と、を備える。振動発電ユニット１００は、外部負荷１３０に繋がれる。

出力回路１１０は、振動発電機１から出力される交流電力を直流電力に変換するための整流回路と、外部負荷１３０内部の半導体チップや電子部品の動作に必要な電源電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータを有する。また、電圧を高くする昇圧回路を有しても良い。

蓄電部１２０は、例えば、バッテリー、一次電池、二次電池やコンデンサ等である。

外部負荷１３０は、振動発電ユニット１００により動作するセンサ等である。例えば、加速度センサ、温度センサ等、様々なセンサが該当する。

以下に、本実施形態の振動発電ユニットの動作の一例について簡単に説明する。

まず、振動発電機１で発電される交流電力は出力回路１１０内の整流回路により直流電力に変換され、蓄電部１２０に蓄電される。

次に、蓄電部１２０で蓄電された電力は、出力回路１１０内のＤＣ／ＤＣコンバータで外部負荷１３０の動作に必要な電源電圧に変換され外部負荷１３０に供給される。これにより、外部負荷１３０は動作する。

本実施形態の振動発電ユニットを用いることにより、電源（電池等）のない環境でもセンサ等の電気機器を動作させることができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態について図１３を参照して説明する。図１３は、第５の実施形態にかかる振動発電モジュール２００を示すブロック図である。

振動発電モジュール２００は、第４の実施形態にかかる振動発電ユニット１００と、演算装置２１０と、外部負荷１３０と、記憶装置２２０と、通信装置２３０と、を備える。

演算装置２１０は、外部負荷１３０から取得したデータを通信に適したデータ形式に変換する。例えば、構造物の振動データから破壊や疲労状態を同定するのに有用なデータを抽出する。演算装置２１０は、コンピュータに用いるＣＰＵ（central processing unit：中央演算処理装置）等で良い。

記憶装置２２０は、演算装置２１０で用いるプログラムや、外部負荷１３０のデータや、演算装置２１０で変換されたデータ等を記憶する箇所である。例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ／ＥＥＰＲＯＭ／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。

通信装置２３０は、記憶装置２２０に格納されたデータを外部サーバ等に送信する箇所である。例えば、無線通信装置が好ましい。それ以外にも、通信装置２３０を通信ネットワークとして構成しても良い。通信ネットワークとしては、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＶＡＮ、ＣＡＴＶ通信網、仮想専用網（virtual private network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１無線、ＨＤＲ、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。

本実施形態の振動発電モジュール２００は、振動発電ユニット１００により発電した電力を用いて、外部負荷１３０、演算装置２１０、記憶装置２２０および通信装置２３０を動作する。例えば、電気機器や電車、飛行機、道路、橋梁等のインフラ設備に本実施形態の振動発電モジュール２００を取り付けることにより、電源設備を追加することなくインフラ設備等の情報を得ることができる。また、通信装置２３０から外部サーバ等にデータを転送することができ、外部サーバにインフラ設備の情報をタイムリーに格納し、若しくはそれをサーバ内で解析することができる。

また、本実施形態の振動発電モジュール２００を、車両、モータやモバイル端末等の電気機器に取り付けることもできる。ここで車両とは、自動車、電車、自動二輪車（原動機付自転車も含む）、自転車、飛行機や戦車等を含む。車両、モータやモバイル端末等の電気機器は、半導体やＩＣ（Integrated Circuit：集積回路）を実装したプリント基板を有する。例えば、モバイル端末に振動発電モジュール２００を搭載することにより、電源Ｏｆｆ時の落下等により衝撃が加わった際の加速度等を検知できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１ 振動発電機
１０ ケース
１０ａ ケース
１０ｂ ケースカバー
２０ 振動子
２１ａ〜２１ｅ 磁石
２２ａ〜２２ｅ ヨーク
３０ コイル
４０ コイル固定部材
４０ａ コイル支持部
４１ コイル固定部材
４１ａ コイル支持部
４２ コイル固定部材
４２ａ コイル支持部
５０ 弾性部材
５１ 弾性部材
６０ａ、６０ｂ 重り
７０ 弾性部材
８０ａ、８０ｂ 磁気シールド
９０ シャフト
１００ 振動発電ユニット
１１０ 出力回路
１２０ 蓄電部
１３０ 外部負荷
２００ 振動発電モジュール
２１０ 演算装置
２２０ 記憶装置
２３０ 通信装置

Claims (12)

1. 筐体と、
   前記筐体に固定される弾性部材と、
   前記弾性部材に支持され、第１の方向に振動可能な振動子と、
   前記振動子の内部に位置するコイルと、を備え、
   前記振動子は、第１の磁石と、前記第１の磁石と前記第１の方向に並び反発するように配置された第２の磁石と、前記第１の磁石および前記第２の磁石の外周に配置された第３の磁石と、前記第１乃至３の磁石を囲む第１の磁性体と、を有し、
   前記コイルは、前記第１の磁石および前記第２の磁石と前記第３の磁石の間に位置する振動発電機。
2. 前記第１の磁石と前記第２の磁石は、前記第１の方向と交差する第２の方向に磁束を通す請求項１に記載の振動発電機。
3. 前記振動子は、前記第１の磁石と前記第２の磁石の間に第２の磁性体を更に有する請求項１または２に記載の振動発電機。
4. 前記第３の磁石は、前記第２の方向に磁極を有する請求項２または３に記載の振動発電機。
5. 前記コイルは、前記第１の方向から前記筐体に支持される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動発電機。
6. 前記コイルは、前記第２の方向から前記筐体に支持される請求項２乃至４のいずれか１項に記載の振動発電機。
7. 前記振動子は、重りを更に有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動発電機。
8. 前記筐体に固定され、前記振動子と前記弾性部材を前記第１の方向に通り抜け、前記コイルを支持するためのシャフトを更に備える請求項１乃至７に記載の振動発電機。
9. 筐体と、
   前記筐体に固定される第１弾性部材と、
   前記筐体に固定される第２弾性部材と、
   前記第１弾性部材と前記第２弾性部材に挟んで支持され、第１の方向に振動可能な振動子と、
   前記振動子の内部に位置するコイルと、を備え、
   前記振動子は、第１の磁石と、前記第１の磁石と前記第１の方向に並び反発するように配置された第２の磁石と、前記第１の磁石および前記第２の磁石の外周に配置された第３の磁石と、前記第３の磁石と前記第１の方向に並ぶ第４の磁石と、前記第１の磁石と前記第３の磁石を覆う第１の磁性体と、前記第１の磁性体と対向し前記第２の磁石と前記第４の磁石を覆う第３の磁性体と、を有し、
   前記コイルは、前記第１の磁石および前記第２の磁石と前記第３の磁石および前記第４の磁石の間に位置する振動発電機。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動発電機と、
    蓄電部と出力回路の少なくとも一方を含む振動発電ユニット。
11. 請求項１０に記載の振動発電ユニットと、
    前記振動発電ユニットにより動作する外部負荷および外部とのデータ通信を可能とする通信装置の少なくとも一方を含む振動発電モジュール。
12. 請求項１１に記載の振動発電モジュールを含む電気機器。