WO2018016620A1 - 振動発電装置 - Google Patents

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WO2018016620A1
WO2018016620A1 PCT/JP2017/026446 JP2017026446W WO2018016620A1 WO 2018016620 A1 WO2018016620 A1 WO 2018016620A1 JP 2017026446 W JP2017026446 W JP 2017026446W WO 2018016620 A1 WO2018016620 A1 WO 2018016620A1
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vibration
frequency
amplitude
nonlinear
threshold
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PCT/JP2017/026446
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English (en)
French (fr)
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増田　新
Original Assignee
国立大学法人京都工芸繊維大学
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K35/00—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H02K35/02—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving magnets and stationary coil systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output

Definitions

  • the present invention relates to a vibration power generator.
  • Energy used for energy harvesting is light energy such as sunlight and illumination light, vibrations generated by machines and structures, and low-density energy around us, such as energy, and this normally discarded energy is efficiently converted and used. To do.
  • a resonance-type vibration power generation device that converts vibration energy into electric power is configured by incorporating a vibrator composed of a mass element and a spring element and an electromechanical converter.
  • a vibration power generator is mechanically coupled to a vibration source such as a vibrating machine, and the vibrator is mechanically resonated by vibration of the vibration source, and an electromechanical converter converts a part of the vibration energy of the vibration source into electric energy. To do.
  • an electromechanical transducer using an electromagnetic transducer, a piezoelectric device, a magnetostrictive device, or the like has been devised.
  • one having a linear vibrator using a coil spring, a pendulum or the like as a spring element has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).
  • the vibration electric power generating apparatus using the magnetic spring which uses the attractive force and repulsive force by a permanent magnet as a restoring force is also proposed (for example, refer patent documents 1 and patent documents 2).
  • These vibration power generators include a so-called electromechanical converter that converts the mechanical energy of the vibrator into electric energy, and resonate by matching the vibration frequency of the vibration source with the natural vibration frequency of the vibrator.
  • the vibration amplitude is increased.
  • the electromechanical transducer generates larger generated power as the vibration amplitude of the vibrator increases.
  • the mechanical Q value of the vibrator is increased, the effective operating band is reduced correspondingly, and the power generation performance is significantly lowered when the vibration frequency of the vibration source is deviated from the natural vibration frequency of the vibrator.
  • the vibration frequency of many vibration sources that actually exist varies with time. Therefore, there is a limit to designing a large mechanical Q value of the vibrator in the vibration power generator.
  • This vibration power generation apparatus includes a control circuit that changes the operation of the vibrator according to the amplitude fluctuation of the vibration source (see, for example, Patent Document 3).
  • This vibration power generation apparatus includes an electromagnetic electromechanical converter, and adjusts the characteristics of the electromechanical converter in accordance with the amplitude fluctuation of the vibration source.
  • the generated power decreases when the vibration frequency of the vibration source fluctuates.
  • a variable capacity vibration power generation apparatus that includes a plurality of vibrators and switches to an optimum vibrator with respect to fluctuations in the vibration frequency of the vibration source has been proposed (see Patent Document 4).
  • the vibration power generation apparatus described in Patent Document 4 may not be sufficiently optimized when the vibration frequency of the vibration source continuously fluctuates.
  • a method has been proposed that realizes a state in which the vibrator resonates corresponding to an arbitrary vibration source by actively controlling the operation of the vibrator (see Patent Document 5).
  • a sensor for measuring the speed of the vibration source is required, and the configuration may be complicated.
  • a resonance-type vibration power generation device that includes a nonlinear vibrator having a mass element and a nonlinear spring element, and an electromechanical converter that converts mechanical energy generated by the nonlinear vibrator into electrical energy.
  • This vibration power generator uses a non-linear spring element, so that the effective operating band can be widened while increasing the mechanical Q value.
  • the nonlinear vibrator can take both a large amplitude vibration operation point and a small amplitude vibration operation point in the resonance frequency band.
  • this vibration power generator sets the amplitude threshold value of the nonlinear vibrator in advance, and when the vibration amplitude of the nonlinear vibrator is less than the amplitude threshold value, the impedance on the output side viewed from the electromechanical converter is made negative to make the electrical Energy is circulated to the nonlinear vibrator side through the mechanical transducer.
  • the power generation efficiency is enhanced by exciting the nonlinear vibrator and forcibly changing the operating point to the large amplitude vibration operating point.
  • the vibration amplitude threshold is constant regardless of the amplitude or frequency of the vibration source. Therefore, even when the vibration frequency of the vibration source is not included in the multiple operating point coexistence band of the nonlinear vibrator, the nonlinear vibrator is excited because the vibration amplitude of the nonlinear vibrator is less than the amplitude threshold. In this case, the vibration power generator continues to circulate energy toward the nonlinear vibrator side, and there is a problem that energy is wasted. Furthermore, even when the vibration frequency of the vibration source is included in the multiple operating point coexistence band of the nonlinear vibrator, if the threshold setting is inappropriate, an approximate periodic solution that does not synchronize with the vibration source may occur. In this case as well, the vibration power generator continues to recirculate energy toward the nonlinear vibrator, and there is a problem that energy is wasted.
  • the present invention has been made in view of the above reasons, and an object thereof is to provide a vibration power generation apparatus in which wasteful energy consumption is suppressed.
  • a vibration power generator is A nonlinear oscillator having a mass element and a nonlinear spring element; An electromechanical transducer that converts mechanical energy applied from a vibration source to the nonlinear vibrator into electrical energy; An output circuit for outputting electric energy input from the electromechanical converter to the outside; An excitation unit for applying vibration to the nonlinear element; When the amplitude of the vibration of the nonlinear vibrator is greater than or equal to a preset threshold value, the excitation unit is in a first state in which it is not connected to the nonlinear vibrator, and the amplitude of vibration of the nonlinear vibrator is less than the threshold value A state switching unit that connects the excitation unit to the nonlinear vibrator and sets the second state to excite the nonlinear vibrator; A frequency detector for detecting a vibration frequency of the vibration source; A threshold setting unit configured to set the threshold according to whether or not the vibration frequency is included in a frequency band excited by an excitation unit including a plurality
  • the vibration amplitude of the nonlinear vibrator when it is less than the threshold value, the excitation unit is connected to the nonlinear vibrator, and the second state is set to excite the nonlinear vibrator. Then, the threshold setting unit sets the threshold according to whether or not the vibration frequency is included in the frequency band excited by the excitation unit including the multiple operating point coexistence band where the nonlinear vibrator can take a plurality of operating points. .
  • the threshold setting unit sets the threshold level to zero, the vibration frequency of the nonlinear vibrator coexists with the multiple operating point coexistence.
  • the excitation unit is not connected to the nonlinear vibrator (that is, the nonlinear vibrator is in a power generation state and is not excited). Therefore, when the vibration frequency of the nonlinear vibrator is not included in the frequency band excited by the excitation unit including the multiple operating point coexistence band, it is possible to prevent the energy from being wasted from the output circuit to the nonlinear vibrator. Energy consumption is suppressed.
  • the threshold setting unit sets the threshold to an appropriate value determined in advance according to the amplitude and frequency of the vibration source.
  • the vibration power generation apparatus includes an electromagnetic vibration energy converter 10, a charging circuit (output circuit) 18, a power storage unit 22, a negative impedance conversion circuit 26, and a switch 38.
  • u represents the direction of displacement of the vibration source 100
  • x represents the direction of displacement of the movable magnet 14 relative to the vibration source 100.
  • the electromagnetic vibration energy converter 10 has a cylindrical body 56, a pair of fixed magnets 51, 52 disposed at both ends of the cylindrical body 56 in the cylindrical axis direction, and the same poles facing each other between the fixed magnets 51, 52.
  • the movable magnet 14 disposed in the cylinder 56, the coil 16, and the detection coil 161 are included.
  • the electromagnetic vibration energy converter 10 is fixed to the vibration source 100.
  • Examples of the vibration source 100 include a machine, a moving structure, and a human body.
  • the movable magnet 14 corresponds to a mass element that is displaced in the direction of the arrow AR1 in FIG.
  • a magnetic spring (nonlinear spring element) is formed between the fixed magnets 51 and 52 and the movable magnet 14.
  • the movable magnet 14 and the fixed magnets 51 and 52 constitute a nonlinear vibrator 50 having a mass element and a magnetic spring element.
  • the movable magnet 14 and the coil 16 constitute an electromagnetic induction generator (electromechanical converter) G that converts mechanical energy given from the vibration source 100 to the nonlinear vibrator 50 into electric energy.
  • the negative impedance conversion circuit 26 and the electromechanical converter G constitute an excitation unit that excites the nonlinear vibrator 50.
  • the nonlinear vibrator 50 has a so-called hardening characteristic in which the inclination of the restoring force F (x) gradually increases as the absolute value of the displacement x increases, and the movable magnet 14 is a mass element. Is supported. Vibration frequency dependence of the vibration amplitude a 0 of the nonlinear resonator 50 is shown in the curve S2 in FIG. 2B. Incidentally, FIG. 2B shows the vibration amplitude a 0 for sinusoidal excitation. The vibration frequency dependence of the vibration amplitude a 0 of the linear vibrator becomes maximum at the resonance frequency ( ⁇ E ) and suddenly decreases on both sides of the resonance frequency, as shown by a curve S1 in FIG. 2B.
  • the vibration frequency dependence of the vibration amplitude a 0 of the nonlinear resonator 50 the resonance peak is indicated by the curve S2 as bent to the high frequency side.
  • the bending of the resonance peak, the vibration amplitude a 0 is defined amplitude (maximum amplitude of 1 / ⁇ 2 corresponding amplitude) above comprising vibration frequency band (hereinafter, referred to as "resonant frequency band”.)
  • BW2 is It becomes wider than the resonance frequency band BW1 of the linear vibrator.
  • the nonlinear vibrator 50 when the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is included in the frequency band BW3 (hereinafter referred to as “multiple operating point coexistence band”), the nonlinear vibrator 50 is relatively large. A plurality of operating points can be taken including an amplitude vibration operating point (see M1 in FIG. 2B) and a small amplitude vibration operating point (see M2 in FIG. 2B).
  • the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is included in the multiple operating point coexistence band BW3
  • the nonlinear vibrator 50 has either a large amplitude vibration operating point or a small amplitude vibration operating point according to the initial condition of vibration of the vibration source 100. Converge.
  • the charging circuit 18 outputs the electrical energy input from the generator G to the power storage unit 22.
  • the charging circuit 18 includes a rectifier circuit BR18, a smoothing capacitor C18, and a voltage conversion circuit 181.
  • the rectifier circuit BR ⁇ b> 18 is configured by a diode bridge, and its input end is connected between the two output ends of the coil 16.
  • the capacitor C18 is connected between the output terminals of the rectifier circuit BR18.
  • Voltage conversion circuit 181 includes a DCDC converter and a power factor correction circuit, and boosts or steps down a DC voltage generated between both ends of capacitor C18 and outputs it to power storage unit 22.
  • the charging circuit 18 and the power storage unit 22 can be regarded as a load R18 connected to the generator G.
  • the power storage unit 22 is composed of a secondary battery and is charged by the charging circuit 18.
  • the power storage unit 22 is connected to the negative impedance conversion circuit 26 and supplies power to the negative impedance conversion circuit 26 in a state where the negative impedance circuit 26 is connected to the generator G.
  • the negative impedance conversion circuit 26 includes an operational amplifier OP26 and resistors R261, R262, and R263.
  • the positive input end of the operational amplifier OP26 is connected to one end side of the coil 16 via the switch 38, and the negative input end is connected to the other end side of the coil 16 via the resistor R263.
  • the output terminal of the operational amplifier OP26 is connected to the positive input terminal via the resistor R261, and is connected to the negative input terminal via the resistor R262. Further, the operational amplifier OP26 is connected to the power storage unit 22 and receives supply of driving power from the power storage unit 22.
  • the negative resistance value of the negative impedance conversion circuit 26 is set so that the impedance on the output side viewed from the generator G becomes a negative value when the switch 38 is in the closed state. That is, the negative impedance conversion circuit 26 makes the impedance on the output side viewed from the generator G negative when connected to the generator G.
  • the switch 38 is composed of a semiconductor element such as an n-type transistor or FET, or a switching element such as a reed relay, and is opened and closed by the switch switching unit 24.
  • the output voltage of the detection coil 161 is proportional to the vibration amplitude of the movable magnet 14.
  • the switch switching unit 24 opens the switch 38 when the amplitude value of the output voltage of the detection coil 161 is equal to or greater than a preset voltage threshold value (DC, corresponding to the vibration threshold value), so that the negative impedance conversion circuit 26 is in a state in which it is not connected to the generator G (the first state, a state in which only the power generation state is present and there is no excitation state).
  • the switch switching unit 24 closes the switch 38 and connects the negative impedance conversion circuit 26 to the generator G (second state).
  • the switch switching unit 24 includes a comparator 241 and a drive circuit 242.
  • the positive input terminal of the comparator 241 is connected to the control unit 42, and the negative input terminal of the comparator 241 is connected to the high potential side output terminal of the rectifier circuit BR18.
  • a voltage having a magnitude corresponding to the voltage threshold value is input from the control unit 42 to the plus-side input terminal of the comparator 241.
  • a voltage having a magnitude corresponding to the amplitude value of the output voltage of the detection coil 161 is input to the negative input terminal of the comparator 241.
  • the comparator 241 outputs an enable signal to the drive circuit 242 when the voltage value at the negative input terminal is less than the voltage threshold value at the positive input terminal.
  • the comparator 241 outputs a disable signal to the drive circuit 242 when the voltage value of the negative input terminal is equal to or higher than the voltage threshold of the positive input terminal.
  • the drive circuit 242 outputs a voltage higher than the turn-on voltage of the switch 38 to the switch 38.
  • the disable signal is input from the comparator 241
  • the drive circuit 242 A voltage lower than the voltage is output to the switch 38.
  • the amplitude / frequency detection unit 41 detects the vibration amplitude and frequency of the vibration source 100 from the acceleration waveform acquired by the acceleration sensor 41a attached to the vibration source 100.
  • the amplitude / frequency detection unit 41 outputs a frequency signal indicating the vibration frequency of the vibration source 100 to the control unit 42.
  • the amplitude detection unit 25 detects the amplitude value of the output voltage of the detection coil 161.
  • the control unit 42 includes a CPU (Central Processing Unit) 421, a main storage unit 422, an auxiliary storage unit 423, a first interface 424, a second interface 425, and a DA converter (hereinafter referred to as “D / A converter”). 426) and a bus 427 for connecting each part.
  • the main storage unit 422 is composed of a volatile memory and is used as a work area for the CPU 421.
  • the auxiliary storage unit 423 includes a nonvolatile memory, and stores a voltage threshold control process program to be described later executed by the CPU 421.
  • the first interface 424 is connected to the amplitude / frequency detection unit 41 and converts a frequency signal input from the amplitude / frequency detection unit 41 into frequency information indicating a frequency value.
  • the second interface 425 outputs voltage value information indicating a voltage value input via the CPU 421 or the bus 427 to the DAC 426.
  • the DAC 426 converts the voltage value information input from the second interface 425 into a voltage signal having a voltage value indicated by the voltage value information, and outputs the voltage signal to the switch switching unit 24.
  • the CPU 421 functions as the frequency acquisition unit 4211 and the threshold setting unit 4212 by reading the voltage threshold control processing program stored in the auxiliary storage unit 423 into the main storage unit 422 and executing it.
  • the auxiliary storage unit 423 also has a correlation table (correlation information storage unit) 4231 that stores correlation information indicating the correlation between the vibration amplitude and frequency of the nonlinear vibrator 50 and the voltage threshold value corresponding to the vibration amplitude and frequency. .
  • the voltage threshold indicated by the correlation information is 0 V (first voltage value) in a frequency band other than the frequency band installed corresponding to the multiple operating point coexistence band of the nonlinear vibrator 50, and corresponds to the multiple operating point coexistence band.
  • the voltage value (second voltage value) is greater than 0 V in the installed frequency band.
  • the voltage threshold value in the multiple operating point coexistence band BW3 is larger than the amplitude value of the output voltage of the detection coil 161 when the nonlinear vibrator 50 vibrates at the small amplitude oscillation operating point in the multiple operating point coexistence band. It is set to a voltage value corresponding to the amplitude value of the output voltage of the detection coil 161 when oscillating with an amplitude smaller than the oscillation amplitude of the operating point. For example, it is effective to set it to about 90 to 95% of the output voltage amplitude of the detection coil 161 when vibrating at a large amplitude vibration operating point.
  • the correlation information is appropriately set according to the vibration frequency dependence of the vibration amplitude of the nonlinear vibrator 50 and the amplitude of the vibration source.
  • the multiple operating point coexistence bands BW31, BW32 , BW33 is also different.
  • the correlation information is the frequency dependence of the voltage threshold reflecting the vibration frequency dependence of the amplitude threshold as shown by the curves a th 21 ( ⁇ ), a th 22 ( ⁇ ), and a th 23 ( ⁇ ) in FIG. Set to represent gender.
  • the voltage threshold is 0 V in a frequency band other than the multiple operating point coexistence bands BW31, BW32, and BW33.
  • the voltage threshold value is larger than the amplitude value of the output voltage of the detection coil 161 when vibrating at the small amplitude vibration operation point in the multiple operation point coexistence bands BW31, BW32, and BW33, and from the vibration amplitude at the large amplitude vibration operation point.
  • the correlation information is determined from the vibration frequency characteristic of the nonlinear vibrator 50 that is measured from the vibration state of the vibration source 100 and predicted from the measured vibration state of the vibration source 100.
  • the frequency acquisition unit 4211 acquires frequency information indicating the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 detected by the amplitude / frequency detection unit 41 from the first interface 424.
  • the threshold setting unit 4212 sets the voltage threshold according to whether or not the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is included in the frequency band installed corresponding to the multiple operating point coexistence band. Further, the threshold setting unit 4212 refers to the correlation information in the correlation table 4231 and sets the voltage threshold to a voltage value corresponding to the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50. Thus, the threshold setting unit 4212 sets the voltage threshold to 0 V (first voltage value) when the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is included in a frequency band other than the multiple operating point coexistence band BW3. Then, when the vibration frequency is included in the multiple operating point coexistence band BW3, the threshold setting unit 4212 sets the voltage threshold to a voltage value (second voltage value) larger than 0V.
  • this voltage value is the amplitude of the output voltage of the detection coil 161 when the nonlinear vibrator 50 vibrates with an amplitude larger than the amplitude when the nonlinear vibrator 50 vibrates at the small amplitude vibration operating point in the multiple operating point coexistence band BW3. This is a voltage value corresponding to the value.
  • the vibration power generator is configured such that a non-linear spring element SP, a mechanical damping element C, and a generator G are connected in parallel between a movable magnet 14 that is a mass element and a vibration source 100.
  • u represents the direction of displacement of the vibration source 100
  • x represents the direction of relative displacement of the movable magnet 14, which is a mass element, with respect to the vibration source 100.
  • the nonlinear spring element SP corresponds to a magnetic spring formed between the fixed magnets 51 and 52 and the movable magnet 14.
  • a nonlinear vibrator 50 is constituted by the nonlinear spring element SP and the mechanical damping element C.
  • the switch 38 switches the generator G to one of a state connected to a load R18 constituted by the charging circuit 18 and the power storage unit 22 and a state connected to the load impedance conversion circuit 26.
  • the vibration source 100 vibrates in the u direction
  • the vibration is transmitted to the nonlinear vibrator 50, and the movable magnet 14 that is a mass element vibrates in a form that is displaced relative to the vibration source 100 in the x direction.
  • a part of the mechanical energy generated by the vibration of the movable magnet 14 is converted into electric energy by the generator G.
  • the value of the power generated by the generator G is proportional to the square of the vibration amplitude of the movable magnet 14, and as the vibration amplitude of the movable magnet 14 increases, the amplitude value of the output voltage of the generator G increases accordingly.
  • the switch switching unit 24 switches the switch 38 according to the magnitude relationship between the amplitude value of the output voltage of the detection coil 161 and the voltage threshold value input from the control unit 42.
  • the switch switching unit 24 connects the switch 38 to the load R18 side. That is, the switch switching unit 24 sets the negative impedance conversion circuit 26 to a state in which the negative impedance conversion circuit 26 is not connected to the generator G (first state, power generation state only).
  • the charging circuit 18 constituting the load R18 receives the power supply from the generator G and charges the power storage unit 22.
  • the switch switching unit 24 is in a state where the negative impedance conversion circuit 26 is connected to the generator G (second state, at least an excitation state). Exist).
  • the nonlinear vibrator 50 is excited.
  • the energy for exciting the nonlinear vibrator 50 a part of the energy stored in the power storage unit 22 is used, and a part of the energy generated by the power generation by the generator G is consumed. It will be.
  • the generated power of the generator G increases significantly.
  • the voltage threshold is set to 0 V when the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is included in a frequency band other than the multiple operating point coexistence band BW3. Therefore, the consumption of energy stored in the power storage unit 22 due to excitation is very small.
  • the vibration power generator charges the power storage unit 22 when the amplitude value of the output voltage of the detection coil 161 is equal to or greater than the voltage threshold value, and when the amplitude value of the output voltage of the detection coil 161 becomes less than the voltage threshold value, The operation of exciting the nonlinear vibrator 50 is performed.
  • the vibration power generator changes the voltage threshold according to the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50.
  • the means for detecting the vibration amplitude of the nonlinear vibrator 50 is not limited to that using the detection coil 161 as described above, and any other means may be used.
  • the frequency acquisition unit 4211 acquires the vibration frequency of the vibration source 100 detected by the amplitude / frequency detection unit 41 (step S101).
  • the threshold setting unit 4212 sets a voltage threshold corresponding to the vibration amplitude and frequency of the vibration source based on the correlation table 4231 (step S102).
  • the threshold setting unit 4212 sets the voltage threshold to 0 V based on the correlation table 4231 when the acquired vibration frequency is not included in the multiple operating point coexistence band.
  • the negative impedance conversion circuit 26 shown in FIG. 5 is not connected to the generator G regardless of the magnitude of the amplitude value of the output voltage of the detection coil 161. That is, regardless of the amplitude value of the output voltage of the detection coil 161, power is supplied from the generator G to the charging circuit 18, and the charging circuit 18 charges the power storage unit 22.
  • the threshold setting unit 4212 sets the voltage threshold to an appropriate voltage value based on the correlation table 4231.
  • the threshold setting unit 4212 outputs voltage threshold information indicating the set voltage threshold to the second interface 425 (step S103).
  • the second interface 425 converts the voltage threshold information into a protocol and outputs it to the DAC 426.
  • the DAC 426 performs digital / analog conversion on the voltage threshold information input from the second interface 425 and outputs the converted information to the switch switching unit 24.
  • the frequency acquisition unit 4211 determines whether or not an end command for instructing to end the voltage threshold control process has been input (step S104).
  • the termination command is stored in the main storage unit 422 when the user performs an operation for terminating the voltage threshold control process on an input device (not shown) connected to the control unit 42. Then, the frequency acquisition unit 4211 determines that the end command has been input when the main storage unit 422 stores the end command. If the frequency acquisition unit 4211 determines that the end command has not been input (step S104: No), the process of step S101 is executed again. On the other hand, when it is determined by the frequency acquisition unit 4211 that an end command has been input (step S104: Yes), the voltage threshold control process ends.
  • the vibration frequency characteristics of the nonlinear vibrator 50 of the vibration power generator according to this embodiment will be described in comparison with the vibration frequency characteristics of the nonlinear vibrator of the vibration power generator according to the comparative example.
  • the configuration of the vibration power generator according to the comparative example is the same as the configuration shown in FIG. However, the voltage threshold is constant regardless of the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50. That is, as shown in FIG. 7A, the amplitude threshold value a th ( ⁇ ) with respect to the vibration amplitude a 0 of the nonlinear vibrator 50 is constant regardless of the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50.
  • the amplitude threshold value a th ( ⁇ ) with respect to the vibration amplitude a 0 of the nonlinear vibrator 50 is constant regardless of the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50.
  • the circle indicates the vibration amplitude a 0 of the nonlinear vibrator 50
  • the solid line indicates the amplitude threshold corresponding to the voltage threshold.
  • the voltage threshold is 0 V when the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is other than the multiple operating point coexistence band BW3. That is, as shown in FIG. 7B, the amplitude threshold value a th ( ⁇ ) of the nonlinear vibrator is set to a voltage larger than 0 V only when the vibration frequency ⁇ of the nonlinear vibrator 50 is included in the multiple operating point coexistence band BW3. ing.
  • circles show the vibration amplitude a 0 of the nonlinear oscillator 50, a solid line indicates the amplitude threshold corresponding to the voltage threshold.
  • the nonlinear vibrator 50 is excited only when the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is included in the multiple operating point coexistence band BW3. For this reason, energy is not consumed by exciting the nonlinear vibrator 50 in a frequency band other than the multiple operating point coexistence band BW3.
  • FIG. 8A shows the result of the case of the vibration power generation apparatus without the excitation unit
  • FIG. 8B shows the case of the vibration power generation apparatus according to the comparative example
  • FIG. 8C shows the result of the case of the vibration power generation apparatus according to the present embodiment. is there.
  • the load resistance ⁇ (t) in the vibration power generation device that does not include the excitation unit and the vibration power generation device according to the present embodiment has changed to a positive value and is stored in the power storage unit 22.
  • the accumulated power generation amount at the generator G increases with the passage of time as in the case of the vibration power generation apparatus that does not include the excitation unit.
  • the nonlinear vibrator 50 is excited unnecessarily, resulting in a large energy loss and a reduction in the accumulated power generation amount.
  • FIGS. 10A to 10C show the history as shown in FIGS. 10A to 10C.
  • FIG. 10A shows the result in the case of the vibration power generation apparatus without the excitation unit
  • FIG. 10B shows the result in the case of the vibration power generation apparatus according to the comparative example
  • FIG. 10C shows the result in the case of the vibration power generation apparatus according to the present embodiment. is there.
  • FIG. 10A in the case of a vibration power generator that does not include an excitation unit, when a disturbance is applied during a large amplitude vibration operation, a transition is made to a small amplitude vibration operation.
  • the nonlinear vibrator 50 when a disturbance is applied and a transition is made to a small amplitude vibration operation, the nonlinear vibrator 50 is excited. At this time, the load resistance ⁇ (t) of the generator G temporarily becomes negative. Thereafter, the nonlinear vibrator 50 maintains the amplitude before the disturbance is applied. As shown in FIG. 11, in the case of the vibration power generation apparatus that does not include the excitation unit, the increase rate of the accumulated power generation amount in the generator G decreases with the reduction of the amplitude after the disturbance is applied.
  • the accumulated power generation amount after the disturbance is applied is the same rate of increase as the increase rate of the cumulative power generation amount before the disturbance is applied. It will increase over time.
  • the threshold value in the vicinity of the vibration frequency ⁇ B is higher than that of the vibration power generator according to the present embodiment, and accordingly, the transition from the small amplitude vibration operation to the large amplitude vibration operation is performed. Takes time. The energy loss increases as the time during which the load resistance ⁇ (t) of the generator G is negative is increased.
  • FIG. 12A shows the result of the case of the vibration power generation apparatus without the excitation unit
  • FIG. 12B shows the case of the vibration power generation apparatus according to the comparative example
  • FIG. 12C shows the result of the case of the vibration power generation apparatus according to the present embodiment. is there.
  • FIG. 12A in the case of a vibration power generation apparatus that does not include an excitation unit, when a disturbance is applied during a large amplitude vibration operation, a transition is made to a small amplitude vibration operation.
  • FIGS. 12B and 12C in the case of the vibration power generation device according to the comparative example and the vibration power generation device according to the present embodiment, when a disturbance is applied and a transition is made to a small amplitude vibration operation, the nonlinear vibrator 50 is excited. At this time, the load resistance ⁇ (t) of the generator G temporarily becomes negative. Thereafter, the nonlinear vibrator 50 maintains the amplitude before the disturbance is applied. As shown in FIG. 13, in the case of the vibration power generation apparatus that does not include the excitation unit, the increase rate of the accumulated power generation amount in the generator G decreases with the reduction of the amplitude after the disturbance is applied.
  • the accumulated power generation amount after the disturbance is applied is the same rate of increase as the increase rate of the cumulative power generation amount before the disturbance is applied. It will increase over time.
  • a low threshold in vibration frequency omega C near to that amount large-amplitude vibration operation from small amplitude oscillatory motion Takes time. The energy loss increases as the time during which the load resistance ⁇ (t) of the generator G is negative is increased.
  • FIG. 14A is the result of the case of the vibration power generation apparatus that does not include the excitation unit
  • FIG. 14B is the result of the vibration power generation apparatus according to the comparative example
  • FIG. 14C is the result of the case of the vibration power generation apparatus according to the present embodiment. is there. As shown in FIG.
  • the amplitude of the nonlinear vibrator 50 gradually decreases because it cannot converge to a large amplitude operation under the given initial conditions but converges to a small amplitude operation.
  • FIG. 14B in the case of the vibration power generator according to the comparative example, the nonlinear vibrator 50 is excited each time the displacement amplitude of the nonlinear vibrator 50 falls below the threshold value. At this time, the load resistance ⁇ (t) of the generator G temporarily becomes negative. Further, as shown in FIG.
  • the nonlinear vibrator 50 is temporarily excited when a disturbance is applied, and then the large amplitude vibration operation is continued.
  • the accumulated power generation amount of the generator G rises to about 0.4 and then becomes substantially constant.
  • the vibration frequency omega D threshold is low in the vicinity, to that amount, large-amplitude vibration operation from small amplitude oscillatory motion Therefore, after the accumulated power generation amount of the generator G rises to about 0.4, the accumulated power generation amount gradually decreases as the nonlinear vibrator 50 is repeatedly excited.
  • the vibration power generation device after stabilizing by the large amplitude vibration operation, the accumulated power generation amount in the generator G increases with time.
  • FIG. 16A shows the result of the case of the vibration power generation apparatus without the excitation unit
  • FIG. 16B shows the result of the case of the vibration power generation apparatus according to the comparative example
  • FIG. 16C shows the result of the case of the vibration power generation apparatus according to the present embodiment. is there. Since only a small amplitude operation exists at this vibration frequency, as shown in FIG.
  • the response of the nonlinear vibrator 50 converges to a small amplitude operation through a transient state.
  • the nonlinear vibrator 50 is repeatedly excited each time the displacement amplitude of the nonlinear vibrator 50 falls below the threshold value. At this time, the load resistance ⁇ (t) of the generator G temporarily becomes negative.
  • the nonlinear vibrator 50 is not excited and converges to a small amplitude operation as in the case of the vibration power generation device not including the excitation unit.
  • the nonlinear vibrator 50 is repeatedly excited and accumulated.
  • the amount of power generation gradually decreases.
  • the increase rate of the accumulated power generation amount in the generator G decreases with time but increases with time.
  • the nonlinear vibrator 50 is excited unnecessarily, resulting in a large energy loss and a reduction in the accumulated power generation amount.
  • the accumulated power generation amount in the generator G is all in the vicinity of the vibration frequencies ⁇ A , ⁇ B , ⁇ C , ⁇ D , and ⁇ E. Increase with time. That is, the vibration power generation device according to the present embodiment suppresses unnecessary energy consumption in the generator G in a wide vibration frequency band as compared with the vibration power generation device that does not include the excitation unit and the vibration power generation device according to the comparative example. And has the advantage of a large cumulative power generation.
  • the switch switching unit 24 when the switch switching unit 24 has the output voltage of the detection coil 161 equal to or higher than a preset threshold value, the negative impedance conversion circuit 26 is A first state in which G is not connected is set. On the other hand, when the output voltage of the detection coil 161 is smaller than the threshold value, the switch switching unit 24 sets the negative impedance conversion circuit 26 to the second state in which the generator G is connected.
  • the threshold setting unit 4212 determines whether the vibration frequency detected by the amplitude / frequency detection unit 41 is included in the multiple operating point coexistence band BW3 in which the nonlinear vibrator 50 can take a plurality of operating points. Control the threshold.
  • the threshold setting unit 4212 controls the threshold so that the threshold becomes 0 when the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is not included in the multiple operating point coexistence band BW3, the nonlinear vibrator 50 Is not included in the multiple operating point coexistence band BW3, the negative impedance conversion circuit 26 is not connected to the generator G. Therefore, when the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is not included in the multiple operating point coexistence band BW3, it is possible to prevent the energy from being unnecessarily returned from the charging circuit 18 to the nonlinear vibrator 50 via the generator G. Energy consumption is suppressed.
  • the vibration power generation apparatus includes a correlation table 4231 that stores correlation information indicating a correlation between the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 and a voltage threshold corresponding to the vibration frequency.
  • the user can change the vibration frequency dependency of the voltage threshold only by rewriting the correlation information stored in the correlation table 4231. Therefore, for example, when the vibration frequency dependency of the vibration amplitude a 0 of the nonlinear vibrator 50 is changed with the change of the electromagnetic vibration energy converter 10 incorporated in the vibration power generator, the nonlinearity after changing the vibration frequency dependency of the voltage threshold is changed. It can be changed relatively easily to those suitable for the vibrator 50.
  • the vibration power generator 1 determines whether the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is in the multiple operating point coexistence band BW3 and determines the power generation operation and the excitation operation.
  • the present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment.
  • the frequency band installed corresponding to the multiple operating point coexistence band and the magnitude of the vibration amplitude threshold value may be adaptively changed. Good.
  • the vibration power generation apparatus measures the vibration waveform of the vibration source 100 and the vibrator response that measures the response waveform of the nonlinear vibrator 50 in order to detect the operation state of the nonlinear vibrator.
  • the threshold setting unit sets the phase difference detected by the phase difference detection unit to a constant value, that is, the response waveform of the nonlinear vibrator 50 has the same frequency as (synchronizes with) the vibration waveform of the vibration source 100.
  • the threshold value is adaptively controlled.
  • the threshold setting unit adaptively controls the threshold in a region where the phase difference detected by the phase difference detection unit is a constant value smaller than ⁇ 90 °. Thereby, it is not necessary to determine whether or not the vibration frequency of the vibration source 100 is within the multiple operating point coexistence band BW3.
  • the generator G is a so-called electromagnetic generator configured by the movable magnet 14 and the coil 16 .
  • the generator G can be used as long as it converts vibration energy into electric energy.
  • the configuration is not limited to this.
  • the generator may be composed of a generator using a piezoelectric element.
  • An example in which the mode is switched to the mode in which is excited is described.
  • the generator and the excitation circuit for exciting the nonlinear vibrator 50 may be separately provided, and the excitation circuit and the excitation unit may be operated in the excitation mode.
  • the threshold setting unit 4212 uses the correlation table 4231
  • the threshold setting unit 4212 is not limited to the configuration using the correlation table 4231.
  • the threshold setting unit 4212 may be configured to use relational expression information indicating a relational expression between the voltage threshold and the vibration frequency instead of the correlation table 4231.
  • the threshold setting unit 4212 sets the voltage threshold to 0 V when the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is included in a frequency band other than the multiple operating point coexistence band BW3 has been described.
  • the magnitude of the voltage threshold when the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is included in a frequency band other than the multiple operating point coexistence band BW3 is not limited to 0V.
  • the magnitude of the voltage threshold when the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is included in a frequency band other than the multiple operating point coexistence band BW3 is smaller than the vibration amplitude when the nonlinear vibrator 50 vibrates at the small amplitude vibration operating point.
  • the voltage value may be larger than 0V.
  • the vibration frequency dependency of the voltage threshold is not limited to this, and for example, the vibration frequency of the nonlinear vibrator 50 is included in a frequency band that includes the multiple operating point coexistence band and is wider than the multiple operating point coexistence band.
  • the voltage threshold may be a voltage value larger than 0V.
  • the frequency band in which the voltage threshold value greater than 0V is set coincides with the multiple operating point coexistence band of the nonlinear vibrator 50.
  • the frequency band in which the threshold value is set may be wider, narrower, or shifted from the multiple operating point coexistence band of the nonlinear vibrator 50.
  • the power generation efficiency is within about 5% even if the multiple-operating point coexistence band of the nonlinear vibrator 50 and the frequency band in which the threshold value is set to a voltage value greater than 0V are shifted by about 10%. Is falling within. That is, compared with the conventional threshold value setting, the present invention in which the threshold value considering the multiple operating point coexistence band is set has a great effect of improving the power generation efficiency.
  • the present invention is suitable as a vibration power generator attached to a vibration source such as a machine, a moving structure, a human body, or the like.

Landscapes

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Abstract

負性インピーダンス変換回路（２６）は、非線形振動子（５０）に振動を与える。スイッチ切替部（２４）は、非線形振動子（５０）の振動の振幅が予め設定された閾値以上の場合、負性インピーダンス変換回路（２６）が非線形振動子（５０）に非接続である第１状態にし、非線形振動子（５０）の振動の振幅が閾値未満の場合、負性インピーダンス変換回路（２６）が非線形振動子（５０）に接続され、非線形振動子（５０）を励振する第２状態にする。振幅・周波数検出部（４１）は、非線形振動子（５０）の振動周波数を検出する。閾値設定部（４２１２）は、非線形振動子（５０）の複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域に振動周波数が含まれるか否かに応じて、閾値を設定する。

Description

振動発電装置
　本発明は、振動発電装置に関する。
　近年、エネルギハーベスティング（環境発電）の注目度が増している。環境発電に用いるエネルギは、太陽光や照明光等の光、機械や構造物の発する振動、熱等の身の回りにある密度の小さいエネルギであり、この通常捨てられるエネルギを効率よく電力に変換し活用するものである。
　振動エネルギを電力に変換する共振型の振動発電装置は、質量要素とばね要素から成る振動子と電気機械変換器を組み込んで構成される。振動する機械などの振動源に振動発電装置を機械的に結合し、振動源の振動により振動子を機械的に共振させて電気機械変換器で振動源の振動エネルギの一部を電気エネルギに変換する。
　このような振動発電装置としては、電気機械変換器として、電磁型変換器を用いたもの、圧電素子を用いたもの、磁歪素子を用いたものなどが考案され、また、振動子は、板バネ、コイルばね、振り子などをばね要素として用いた線形振動子を有するものが提案されている（例えば非特許文献１、非特許文献２参照）。或いは、永久磁石による吸引力や斥力を復元力として用いる磁気ばねを用いた振動発電装置も提案されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
　これらの振動発電装置は、振動子の力学的エネルギを電気エネルギに変換するいわゆる電気機械変換器を備え、振動源の振動周波数と振動子の固有振動周波数とを一致させて共振させることで振動子の振動振幅を大きくしている。電気機械変換器は、振動子の振動振幅が大きいほど大きな発電電力を生じる。振動子の共振周波数での振動振幅を大きくするには、振動子の機械損失を低くする、即ち、振動子の機械的Ｑ値が大きくなるように振動子を設計することが好ましい。但し、振動子の機械的Ｑ値が大きくなると、その分、有効動作帯域が縮小し，振動源の振動周波数と振動子の固有振動周波数がずれたときの発電性能の低下が顕著になってしまう。特に、現実に存在する振動源の多くは、振動周波数が経時的に変動する。従って、振動発電装置において、振動子の機械的Ｑ値を大きく設計することには限度がある。
　また、振動源の振幅変動に応じて振動子の動作を変化させる制御回路を備えた振動発電装置が提案されている（例えば特許文献３参照）。この振動発電装置は、電磁型の電気機械変換器を備えており、振動源の振幅変動に応じて電気機械変換器の特性を調節する。但し、この振動発電装置は、振動源の振動周波数が変動した場合は発電電力が低下してしまう。
　更に、複数の振動子を備え、振動源の振動周波数の変動に対して、最適な振動子に切り替える可変容量型の振動発電装置が提案されている（特許文献４参照）。ところが、特許文献４に記載された振動発電装置は、振動源の振動周波数が連続的に変動する場合に十分に最適化されない虞がある。また、振動子の動作を能動的に制御することにより、任意の振動源に対応して振動子が共振した状態を実現する手法が提案されている（特許文献５参照）。ところが、特許文献５に記載された技術では、振動源の速度を計測するセンサが必要となり、構成が複雑になる虞がある。
　これに対して、質量要素と非線形ばね要素とを有する非線形振動子と、非線形振動子で生じる力学的エネルギを電気エネルギに変換する電気機械変換器と、を備える共振型の振動発電装置が提案されている（例えば特許文献６参照）。この振動発電装置は、非線形ばね要素を使用することにより，機械的Ｑ値を大きくしつつ有効動作帯域を広くとることを可能にする。しかし、非線形振動子は、共振周波数帯域において、大振幅振動動作点と小振幅振動動作点とを共存的にとりうる。そこで、この振動発電装置は、予め非線形振動子の振幅閾値を設定し、非線形振動子の振動振幅が振幅閾値未満の場合、電気機械変換器から見た出力側のインピーダンスを負にすることにより電気機械変換器を介して非線形振動子側へエネルギを環流させる。これにより、非線形振動子を励振して動作点を大振幅振動動作点に強制的に変化させることにより、発電効率を高めている。
特開２００２－２８１７２７号公報 特開２００５－３３９１７号公報 特開２００３－１９９３１３号公報 特開２００５－１３７０７１号公報 特開２００９－１７７６９号公報 特開２０１２－６０８６４号公報
S. P. Beeby, M. J. Tudor, N. M. White, Energy Harvesting Vibration Sources for Microsystems Applications, Meas. Sci. Technol., Vol. 17 (2006) pp. R175-R195. P. D. Mitcheson, E. M. Yeatman, G. K. Rao, A. S. Holmes, T. C. Green, Energy Harvesting from Human and Machine Motion for Wireless Electronic Devices, Proc. of the IEEE, Vol. 96, No. 9 (2008) pp. 1457-1486.
　しかしながら、特許文献６に記載された振動発電装置では、振動振幅閾値が振動源の振幅や周波数の大きさに関わらず一定である。従って、振動源の振動周波数が非線形振動子の複数動作点共存帯域に含まれない場合にも、非線形振動子の振動振幅が振幅閾値以下であるため、非線形振動子が励振されてしまう。この場合、振動発電装置は、非線形振動子側へエネルギを環流させ続けることになり、エネルギが無駄に消費されてしまうという問題がある。さらに、振動源の振動周波数が非線形振動子の複数動作点共存帯域に含まれる場合においても、しきい値の設定が不適切である場合、振動源に同期しない概周期解が生起される場合があり、この場合においても、振動発電装置は、非線形振動子側へエネルギを環流させ続けることになり、エネルギが無駄に消費されてしまうという問題がある。
　本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、無駄なエネルギ消費が抑制された振動発電装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る振動発電装置は、
　質量要素と非線形ばね要素とを有する非線形振動子と、
　振動源から前記非線形振動子に与えられる力学的エネルギを電気エネルギに変換する電気機械変換器と、
　前記電気機械変換器から入力される電気エネルギを外部へ出力する出力回路と、
　前記非線形素子に振動を与える励振部と、
　前記非線形振動子の振動の振幅が予め設定された閾値以上の場合、前記励振部が前記非線形振動子に非接続である第１状態にし、前記非線形振動子の振動の振幅が前記閾値未満の場合、前記励振部が前記非線形振動子に接続され、前記非線形振動子を励振する第２状態にする状態切替部と、
　前記振動源の振動周波数を検出する周波数検出部と、
　前記非線形振動子が複数の動作点をとりうる複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域に、前記振動周波数が含まれるか否かに応じて、前記閾値を設定する閾値設定部と、を備える。
　本発明によれば、状態切替部が、非線形振動子の振幅が予め設定された閾値以上の場合、励振部が非線形振動子に非接続である第１状態にし、非線形振動子の振動の振幅が閾値未満の場合、励振部が非線形振動子に接続され、非線形振動子を励振する第２状態にする。そして、閾値設定部が、非線形振動子が複数の動作点をとりうる複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域に、振動周波数が含まれるか否かに応じて、閾値を設定する。これにより、例えば非線形振動子の振動周波数が複数動作点共存帯域に含まれない場合に、閾値設定部が閾値レベルをゼロに設定するようにすれば、非線形振動子の振動周波数が複数動作点共存帯域に対応して設置された周波数帯域とに含まれない場合、励振部が非線形振動子に接続されない（つまり、非線形振動子は発電状態になり、励振されない）。従って、非線形振動子の振動周波数が複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域に含まれない場合に、出力回路から非線形振動子へ無駄にエネルギが還流することを防止でき、無駄なエネルギ消費が抑制される。また、例えば非線形振動子の振動周波数が励振部が励振する周波数帯域に含まれる場合、閾値設定部が閾値を、振動源の振幅と周波数とに応じてあらかじめ定めておいた適切な値に設定することにより、概周期解の生起を抑制し、出力回路から非線形振動子へ無駄にエネルギが還流することを防止でき、無駄なエネルギ消費が抑制される。
本発明の実施の形態に係る振動発電装置の構成図である。 実施の形態に係る非線形振動子の非線形ばね特性を示す図である。 実施の形態に係る非線形振動子と線形振動子の周波数特性を示す図である。 実施の形態に係る制御部を示すブロック図である。 実施の形態に係る非線形振動子の振動振幅と、振幅閾値と、の振動周波数依存性を示す図である。 実施の形態に係る振動発電装置の模式図である。 実施の形態に係る制御部が実行する電圧閾値制御処理を示すフローチャートである。 比較例に係る振動発電装置の振動周波数依存性を示す図である。 実施の形態に係る振動発電装置の振動周波数依存性を示す図である。 励振部を備えない振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 比較例に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 実施の形態に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 振動発電装置の発電機における累積発電量を示す図である。 励振部を備えない振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 比較例に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 実施の形態に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 振動発電装置の発電機における累積発電量を示す図である。 励振部を備えない振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 比較例に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 実施の形態に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 振動発電装置の発電機における累積発電量を示す図である。 励振部を備えない振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 比較例に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 実施の形態に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 振動発電装置の発電機における累積発電量を示す図である。 励振部を備えない振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 比較例に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 実施の形態に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。 振動発電装置の発電機における累積発電量を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る振動発電装置について図面を参照しながら説明する。
　本実施の形態に係る振動発電装置は、図１に示すように、電磁振動エネルギ変換器１０と、充電回路（出力回路）１８と、蓄電部２２と、負性インピーダンス変換回路２６と、スイッチ３８と、スイッチ切替部（状態切替部）２４と、振幅・周波数検出部（周波数検出部）４１と、振幅検出部２５と、制御部４２と、を備える。なお、図１においてｕは振動源１００の変位の方向を表し、ｘは可動磁石１４の振動源１００に対する相対的な変位の方向を表す。電磁振動エネルギ変換器１０は、筒体５６と、筒体５６の筒軸方向の両端部に配置された一対の固定磁石５１、５２と、固定磁石５１、５２の間に同極が対向するように筒体５６内に配置された可動磁石１４と、コイル１６と、検出コイル１６１と、を有する。電磁振動エネルギ変換器１０は、振動源１００に固定されている。振動源１００は、例えば機械や動く構造体、人体が挙げられる。可動磁石１４は、図１の矢印ＡＲ１方向に変位する質量要素に相当する。固定磁石５１、５２と可動磁石１４との間には、磁気ばね（非線形ばね要素）が形成されている。このように、可動磁石１４と固定磁石５１、５２とは、質量要素と磁気ばね要素とを有する非線形振動子５０を構成する。また、可動磁石１４とコイル１６とは、振動源１００から非線形振動子５０に与えられる力学的エネルギを電気エネルギに変換する電磁誘導型の発電機（電気機械変換器）Ｇを構成する。負性インピーダンス変換回路２６と電気機械変換器Ｇは非線形振動子５０を励振する励振部を構成する。
　非線形振動子５０は、図２Ａに示すように、変位ｘの絶対値が大きくなるに従って次第に復元力Ｆ（ｘ）の傾きが大きくなるいわゆるハードニング特性を有する磁気ばねにより質量要素である可動磁石１４が支持された構成を有する。非線形振動子５０の振動振幅ａ０の振動周波数依存性は、図２Ｂの曲線Ｓ２に示すようになる。なお、図２Ｂは、正弦波加振に対する振動振幅ａ０を示している。線形振動子の振動振幅ａ０の振動周波数依存性は、図２Ｂの曲線Ｓ１に示すように、共振周波数（ωＥ）で最大となり共振周波数の両側で急に低下している。これに対して、非線形振動子５０の振動振幅ａ０の振動周波数依存性は、共振峰が高周波側に折れ曲がったような曲線Ｓ２で示される。この共振峰の折れ曲がりにより、振動振幅ａ０が規定の振幅（最大振幅の１／√２に相当する振幅）以上になる振動周波数の帯域（以下、「共振周波数帯域」と称する。）ＢＷ２は、線形振動子の共振周波数帯域ＢＷ１よりも広くなる。
　また、図２Ｂに示すように、非線形振動子５０の振動周波数が周波数帯域ＢＷ３（以下、「複数動作点共存帯域」と称する。）に含まれる場合、非線形振動子５０は、比較的安定な大振幅振動動作点（図２Ｂ中のＭ１参照）および小振幅振動動作点（図２Ｂ中のＭ２参照）を含む複数の動作点をとりうる。非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれる場合、非線形振動子５０は、振動源１００の振動の初期条件に応じて大振幅振動動作点と小振幅振動動作点とのいずれかに収束する。また、振動源１００の振動状態により、非線形振動子５０のとりうる動作点が大振幅振動動作点と小振幅振動動作点との間で移り変わるいわゆるジャンプ現象が発生することが知られている。非線形振動子５０の動作点が小振幅振動動作点で安定した場合、振動発電装置の発電能力が著しく低下してしまう。そこで、本実施の形態に係る振動発電装置では、負性インピーダンス変換回路２６（励振部）を用いて、非線形振動子５０の動作点を、大振幅振動動作点で安定させる。詳細は後述する。
　図１に戻って、充電回路１８は、発電機Ｇから入力される電気エネルギを蓄電部２２へ出力する。充電回路１８は、整流回路ＢＲ１８と、平滑用のコンデンサＣ１８と、電圧変換回路１８１と、を有する。整流回路ＢＲ１８は、ダイオードブリッジから構成され、その入力端がコイル１６の２つの出力端間に接続されている。コンデンサＣ１８は、整流回路ＢＲ１８の出力端間に接続されている。電圧変換回路１８１は、ＤＣＤＣコンバータや力率改善回路を含み、コンデンサＣ１８の両端間に生じる直流電圧を昇圧または降圧して蓄電部２２へ出力する。この充電回路１８と蓄電部２２とは、発電機Ｇに接続される負荷Ｒ１８と看做すことができる。
　蓄電部２２は、二次電池から構成され、充電回路１８により充電される。また、蓄電部２２は、負性インピーダンス変換回路２６に接続され、負性インピーダンス回路２６が発電機Ｇに接続された状態において負性インピーダンス変換回路２６へ電力を供給する。
　負性インピーダンス変換回路２６は、オペアンプＯＰ２６と、抵抗Ｒ２６１、Ｒ２６２、Ｒ２６３と、から構成されている。オペアンプＯＰ２６のプラス側の入力端は、スイッチ３８を介してコイル１６の一端側に接続され、マイナス側の入力端は、抵抗Ｒ２６３を介してコイル１６の他端側に接続されている。また、オペアンプＯＰ２６の出力端は、抵抗Ｒ２６１を介してプラス側の入力端に接続され、抵抗Ｒ２６２を介してマイナス側の入力端に接続されている。更に、オペアンプＯＰ２６は、蓄電部２２に接続され、蓄電部２２から駆動電力の供給を受ける。負性インピーダンス変換回路２６の負性抵抗値は、スイッチ３８が閉状態のときに発電機Ｇから見た出力側のインピーダンスが負の値となるように設定されている。即ち、負性インピーダンス変換回路２６は、発電機Ｇに接続された状態において、発電機Ｇから見た出力側のインピーダンスを負にする。
　スイッチ３８は、ｎ型トランジスタ、ＦＥＴ等の半導体素子、またはリードリレーのようなスイッチング素子から構成され、スイッチ切替部２４により開閉される。
　上記の説明より、検出コイル１６１の出力電圧は可動磁石１４の振動振幅に比例する。スイッチ切替部２４は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値が予め設定された電圧閾値（直流であり、振動閾値に相当する）以上の場合、スイッチ３８を開状態にして、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに非接続である状態（第１状態、発電状態のみで励振状態がない状態）にする。一方、スイッチ切替部２４は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値が電圧閾値未満の場合、スイッチ３８を閉状態にして、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに接続された状態（第２状態、少なくとも励振状態が存在）にする。スイッチ切替部２４は、比較器２４１と、駆動回路２４２と、を有する。比較器２４１のプラス側の入力端は、制御部４２に接続され、比較器２４１のマイナス側の入力端は、整流回路ＢＲ１８の高電位側の出力端に接続されている。比較器２４１のプラス側の入力端には、制御部４２から電圧閾値に相当する大きさの電圧が入力される。比較器２４１のマイナス側の入力端には、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値に相当する大きさの電圧が入力される。比較器２４１は、マイナス側の入力端の電圧値がプラス側の入力端の電圧閾値未満の場合、イネーブル信号を駆動回路２４２へ出力する。一方、比較器２４１は、マイナス側の入力端の電圧値がプラス側の入力端の電圧閾値以上の場合、ディセーブル信号を駆動回路２４２へ出力する。駆動回路２４２は、比較器２４１からイネーブル信号が入力されると、スイッチ３８のターンオン電圧よりも高い電圧をスイッチ３８へ出力し、比較器２４１からディセーブル信号が入力されると、スイッチ３８のターンオン電圧よりも低い電圧をスイッチ３８へ出力する。
　振幅・周波数検出部４１は、振動源１００に取り付けられた加速度センサ４１ａにより取得される加速度波形から、振動源１００の振動振幅および周波数を検出する。振幅・周波数検出部４１は、振動源１００の振動周波数を示す周波数信号を制御部４２へ出力する。
　振幅検出部２５は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値を検出する。
　制御部４２は、図３に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４２１と、主記憶部４２２と、補助記憶部４２３と、第１インタフェース４２４と、第２インタフェース４２５と、ＤＡコンバータ（以下、「ＤＡＣ」と称する。）４２６と、各部を接続するバス４２７と、を有する。主記憶部４２２は、揮発性メモリから構成され、ＣＰＵ４２１の作業領域として使用される。補助記憶部４２３は、不揮発性メモリから構成され、ＣＰＵ４２１が実行する後述の電圧閾値制御処理のプログラムを記憶する。第１インタフェース４２４は、振幅・周波数検出部４１に接続され、振幅・周波数検出部４１から入力される周波数信号を周波数の値を示す周波数情報に変換する。第２インタフェース４２５は、ＣＰＵ４２１かバス４２７を介して入力される電圧値を示す電圧値情報をＤＡＣ４２６へ出力する。ＤＡＣ４２６は、第２インタフェース４２５から入力される電圧値情報を、当該電圧値情報が示す電圧値を有する電圧信号に変換してスイッチ切替部２４へ出力する。
　また、ＣＰＵ４２１が、補助記憶部４２３が記憶する電圧閾値制御処理のプログラムを主記憶部４２２に読み出して実行することにより、周波数取得部４２１１、閾値設定部４２１２として機能する。また、補助記憶部４２３は、非線形振動子５０の振動振幅および周波数と当該振動振幅および周波数に対応する電圧閾値との相関関係を示す相関情報を記憶する相関テーブル（相関情報記憶部）４２３１を有する。
　相関情報が示す電圧閾値は、非線形振動子５０の複数動作点共存帯域に対応して設置された周波数帯域以外の周波数帯域において０Ｖ（第１電圧値）であり、複数動作点共存帯域に対応して設置された周波数帯域において０Ｖよりも大きい電圧値（第２電圧値）である。また、複数動作点共存帯域ＢＷ３における電圧閾値は、非線形振動子５０が複数動作点共存帯域において小振幅振動動作点で振動するときの検出コイル１６１の出力電圧の振幅値よりも大きく、大振幅振動動作点の振動振幅よりも小さい振幅で振動する場合の検出コイル１６１の出力電圧の振幅値に相当する電圧値に設定されている。例えば、大振幅振動動作点で振動する場合の検出コイル１６１の出力電圧振幅の９０～９５％程度に設定すれば効果的である。
　また、相関情報は、非線形振動子５０の振動振幅の振動周波数依存性および振動源の振幅に応じて適宜設定される。振動源の振幅に依存して、非線形振動子５０の振動振幅の振動周波数依存性が、図４の曲線Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３に示すように異なると、それに応じて複数動作点共存帯域ＢＷ３１、ＢＷ３２、ＢＷ３３も異なる。この場合、相関情報は、図４の曲線ａｔｈ２１（ω）、ａｔｈ２２（ω）、ａｔｈ２３（ω）に示すような振幅閾値の振動周波数依存性を反映した電圧閾値の周波数依存性を表すように設定される。即ち、電圧閾値は、複数動作点共存帯域ＢＷ３１、ＢＷ３２、ＢＷ３３以外の周波数帯域において０Ｖである。また、電圧閾値は、複数動作点共存帯域ＢＷ３１、ＢＷ３２、ＢＷ３３において、小振幅振動動作点で振動するときの検出コイル１６１の出力電圧の振幅値よりも大きく、大振幅振動動作点の振動振幅よりも小さい振幅で振動する場合の検出コイル１６１の出力電圧の振幅値に相当する電圧値に設定されている。例えば、大振幅振動動作点で振動する場合の検出コイル１６１の出力電圧振幅の９０～９５％程度に設定すれば効果的である。相関情報は、振動源１００の振動状態を計測し、計測した振動源１００の振動状態から予測される非線形振動子５０の振動周波数特性から決定される。
　周波数取得部４２１１は、第１インタフェース４２４から、振幅・周波数検出部４１により検出される非線形振動子５０の振動周波数を示す周波数情報を取得する。
　閾値設定部４２１２は、複数動作点共存帯域に対応して設置された周波数帯域に非線形振動子５０の振動周波数が含まれるか否かに応じて、電圧閾値を設定する。また、閾値設定部４２１２は、相関テーブル４２３１の相関情報を参照して、電圧閾値を、非線形振動子５０の振動周波数に応じた電圧値に設定する。こうして、閾値設定部４２１２は、複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の周波数帯域に非線形振動子５０の振動周波数が含まれる場合、電圧閾値を０Ｖ（第１電圧値）に設定する。そして、閾値設定部４２１２は、複数動作点共存帯域ＢＷ３に振動周波数が含まれる場合、電圧閾値を０Ｖよりも大きい電圧値（第２電圧値）に設定する。この電圧値は、前述のように、非線形振動子５０が複数動作点共存帯域ＢＷ３において小振幅振動動作点で振動するときの振幅よりも大きい振幅で振動する場合の検出コイル１６１の出力電圧の振幅値に相当する電圧値である。
　次に、本実施の形態に係る振動発電装置の基本的な動作について説明する。振動発電装置は、図５に示すように、質量要素である可動磁石１４と振動源１００との間に、非線形ばね要素ＳＰと機械減衰要素Ｃと発電機Ｇとが並列に接続されたものとして表すことができる。なお、図５において、ｕは振動源１００の変位の方向を表し、ｘは質量要素である可動磁石１４の振動源１００に対する相対的な変位の方向を表す。非線形ばね要素ＳＰは、固定磁石５１、５２と可動磁石１４との間に形成される磁気ばねに相当する。非線形ばね要素ＳＰと機械減衰要素Ｃとから非線形振動子５０が構成される。また、スイッチ３８は、発電機Ｇを、充電回路１８と蓄電部２２とから構成される負荷Ｒ１８に接続された状態と、負荷インピーダンス変換回路２６に接続された状態と、のいずれかに切り替えるスイッチとして表すことができる。
　そして、振動源１００がｕ方向に振動すると、非線形振動子５０に振動が伝達し、質量要素である可動磁石１４が振動源１００に対してｘ方向に相対的に変位する形で振動する。このとき、可動磁石１４の振動により生じる力学的エネルギの一部が、発電機Ｇにより電気エネルギに変換される。発電機Ｇの発電電力の値は、可動磁石１４の振動振幅の２乗に比例し、可動磁石１４の振動振幅が大きくなると、それに伴い、発電機Ｇの出力電圧の振幅値が増加する。
　スイッチ切替部２４は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値と、制御部４２から入力される電圧閾値と、の大小関係に応じて、スイッチ３８を切り替える。スイッチ切替部２４は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値が電圧閾値以上の場合、スイッチ３８を負荷Ｒ１８側に接続する。即ち、スイッチ切替部２４は、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに非接続である状態（第１状態、発電状態のみ）にする。これにより、負荷Ｒ１８を構成する充電回路１８は、発電機Ｇからの電力供給を受けて蓄電部２２を充電する。
　一方、スイッチ切替部２４は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅平均値が電圧閾値未満の場合、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに接続された状態（第２状態、少なくても励振状態が存在）にする。これにより、蓄電部２２から発電機Ｇを介して非線形振動子５０にエネルギが環流され、非線形振動子５０が励振される。この非線形振動子５０の励振のためのエネルギは、蓄電部２２に貯えられたエネルギの一部を利用することになり、発電機Ｇでの発電により生み出されたエネルギの一部が消費されてしまうことになる。但し、励振により非線形振動子５０が大振幅振動動作点に移行した後は、発電機Ｇの発電電力が格段に増大する。また、後述するように、電圧閾値は、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の周波数帯域に含まれる場合、０Ｖに設定される。従って、励振による蓄電部２２に蓄えられたエネルギの消費はごく僅かである。
　このように、振動発電装置は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値が電圧閾値以上の場合、蓄電部２２を充電し、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値が電圧閾値未満になった場合、非線形振動子５０を励振する動作をする。そして、振動発電装置は、電圧閾値を非線形振動子５０の振動周波数に応じて変化させる。なお、非線形振動子５０の振動振幅を検出する手段としては、前述のように、検出コイル１６１によるものに限定されるものではなく、他の如何なる手段を用いてもよい。
　次に、電圧閾値を非線形振動子５０の振動周波数に応じて変化させるために閾値設定部４２１２が実行する電圧閾値制御処理について、図５および図６を参照しながら説明する。この電圧閾値制御処理は、電圧閾値制御処理のプログラムが起動したことを契機として開始される。
　まず、周波数取得部４２１１が、振幅・周波数検出部４１により検出された振動源１００の振動周波数を取得する（ステップＳ１０１）。
　次に、閾値設定部４２１２は、相関テーブル４２３１に基づいて、振動源の振動振幅および周波数に対応する電圧閾値を設定する（ステップＳ１０２）。閾値設定部４２１２は、取得した振動周波数が複数動作点共存帯域に含まれない場合、相関テーブル４２３１に基づいて、電圧閾値を０Ｖに設定する。これにより、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値の大きさに関わらず、図５に示す負性インピーダンス変換回路２６が、発電機Ｇに接続されない状態となる。即ち、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値の大きさに関わらず、発電機Ｇから充電回路１８へ電力供給され、充電回路１８が蓄電部２２を充電する。一方、閾値設定部４２１２は、取得した振動周波数が複数動作点共存帯域に含まれる場合、相関テーブル４２３１に基づいて、電圧閾値を、適切な電圧値に設定する。
　続いて、閾値設定部４２１２は、設定した電圧閾値を示す電圧閾値情報を、第２インタフェース４２５へ出力する（ステップＳ１０３）。第２インタフェース４２５は、電圧閾値情報をプロトコル変換してＤＡＣ４２６へ出力する。ＤＡＣ４２６は、第２インタフェース４２５から入力される電圧閾値情報をディジタルアナログ変換してスイッチ切替部２４へ出力する。
　その後、周波数取得部４２１１は、電圧閾値制御処理を終了するよう指令する終了指令が入力されたか否かを判定する（ステップＳ１０４）。終了指令は、ユーザが制御部４２に接続された入力装置（図示せず）に対して電圧閾値制御処理を終了させるための操作を実行することにより主記憶部４２２に記憶される。そして、周波数取得部４２１１は、主記憶部４２２が終了指令を記憶している場合、終了指令が入力されたと判定する。周波数取得部４２１１により終了指令が入力されていないと判定されると（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、再びステップＳ１０１の処理が実行される。一方、周波数取得部４２１１により終了指令が入力されたと判定されると（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、電圧閾値制御処理が終了する。
　次に、本実施の形態に係る振動発電装置の非線形振動子５０の振動周波数特性について、比較例に係る振動発電装置の非線形振動子の振動周波数特性と比較しながら説明する。比較例に係る振動発電装置の構成は、図１に示す構成と同様である。但し、電圧閾値が、非線形振動子５０の振動周波数に依らず一定である。即ち、図７Ａに示すように、非線形振動子５０の振動振幅ａ０に対する振幅閾値ａｔｈ（ω）が、非線形振動子５０の振動周波数に依らずに一定となる。なお、図７Ａにおいて、丸印は非線形振動子５０の振動振幅ａ０を示し、実線は電圧閾値に対応する振幅閾値を示す。これにより、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３よりも高い周波数帯域ＢＷ４にある場合でも非線形振動子５０が励振される。このため、非線形振動子５０の振幅は、図７Ａに示すように、周波数帯域ＢＷ４において、曲線Ｓ２で表される本来の非線形振動子５０の振幅よりも大きくなる。この場合、励振による非線形振動子５０の振幅増加分ＰＬ（図７Ａ中のクロスハッチングで示した部分）に相当するエネルギが、無駄に消費されることになる。
　これに対して、本実施の形態に係る振動発電装置では、電圧閾値が、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の場合、０Ｖである。即ち、図７Ｂに示すように、非線形振動子の振幅閾値ａｔｈ（ω）は、非線形振動子５０の振動周波数ωが複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれる場合のみ０Ｖよりも大きい電圧に設定されている。なお、図７Ｂにおいて、丸印は非線形振動子５０の振動振幅ａ０を示し、実線は電圧閾値に対応する振幅閾値を示す。これにより、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれる場合のみ非線形振動子５０が励振される。このため、複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の周波数帯域において、非線形振動子５０を励振することによりエネルギが消費されることがない。
　次に、図７Ａおよび図７Ｂに示す振動周波数ωＡ、ωＢ、ωＣ、ωＤ、ωＥ近傍における非線形振動子５０の変位と発電機Ｇの負荷抵抗との関係について説明する。ここでは、励振部を備えない振動発電装置、前述の比較例に係る振動発電装置および本実施の形態に係る振動発電装置それぞれの場合を比較しながら説明する。また、初期条件は共通であるとして、ωｔ／（２π）が２０に到達した時点で非線形振動子５０に外乱が入力される場合の振る舞いについて説明する。発電機Ｇの負荷抵抗は、発電機Ｇから蓄電部２２へ電力が供給される場合、正となり、蓄電部２２から非線形振動子５０へエネルギが環流する場合、負となる。
　複数動作点共存帯域ＢＷ３より低い振動周波数ωＡ近傍における非線形振動子５０の変位と発電機Ｇの負荷抵抗とは、図８Ａ乃至図８Ｃに示すような履歴を示す。ここで、図８Ａは、励振部を備えない振動発電装置の場合、図８Ｂは前述の比較例に係る振動発電装置の場合、図８Ｃは本実施の形態に係る振動発電装置の場合の結果である。図８Ａおよび図８Ｃに示すように、励振部を備えない振動発電装置および本実施の形態に係る振動発電装置における負荷抵抗ρ（ｔ）は正の値で推移し、蓄電部２２に貯えられたエネルギの損失が生じていない。一方、図８Ｂに示すように、比較例に係る振動発電装置の場合、非線形振動子５０の変位振幅が閾値を下回ったときに、非線形振動子５０を励振するために蓄電部２２から非線形振動子５０へエネルギが環流されることにより、負荷抵抗ρ（ｔ）が負となっている。そして、図９に示すように、比較例に係る振動発電装置の場合、発電機Ｇでの累積発電量は時間の経過とともに減少していく。一方、本実施の形態に係る振動発電装置の場合、発電機Ｇでの累積発電量は励振部を備えない振動発電装置の場合と同様に時間の経過とともに増加していく。比較例に係る振動発電装置の場合、非線形振動子５０が無駄に励振されることにより、大きなエネルギ損失が発生し累積発電量の減少が生じてしまう。
　複数動作点共存帯域ＢＷ３の低い振動周波数ωＢ近傍における非線形振動子５０の変位と発電機Ｇの負荷抵抗とは、図１０Ａ乃至図１０Ｃに示すような履歴を示す。ここで、図１０Ａは、励振部を備えない振動発電装置の場合、図１０Ｂは前述の比較例に係る振動発電装置の場合、図１０Ｃは本実施の形態に係る振動発電装置の場合の結果である。図１０Ａに示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、大振幅振動動作中に外乱が加わると小振幅振動動作に遷移する。一方、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すように、比較例に係る振動発電装置および本実施の形態に係る振動発電装置の場合、外乱が加わって小振幅振動動作に遷移しようとしたときに非線形振動子５０が励振される。このとき、発電機Ｇの負荷抵抗ρ（ｔ）が一時的に負になる。その後、非線形振動子５０は、外乱が加わる前の振幅を維持する。そして、図１１に示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、外乱が加わった後、振幅の縮小に伴い、発電機Ｇにおける累積発電量の増加率が低下する。一方、比較例に係る振動発電装置および実施の形態に係る振動発電装置の場合、外乱が加わった後の累積発電量は、外乱が加わる前の累積発電量の増加率と同じ増加率で時間の経過とともに増加していく。但し、比較例に係る振動発電装置の場合、本実施の形態に係る振動発電装置に比べて、振動周波数ωＢ近傍における閾値が高く、その分、小振幅振動動作から大振幅振動動作への遷移に時間がかかる。そして、発電機Ｇの負荷抵抗ρ（ｔ）が負で推移する時間が長くなる分だけ、エネルギ損失が大きくなっている。
　複数動作点共存帯域ＢＷ３の中の振動周波数ωＣ近傍における非線形振動子５０の変位と発電機Ｇの負荷抵抗とは、図１２Ａ乃至図１２Ｃに示すような履歴を示す。ここで、図１２Ａは、励振部を備えない振動発電装置の場合、図１２Ｂは前述の比較例に係る振動発電装置の場合、図１２Ｃは本実施の形態に係る振動発電装置の場合の結果である。図１２Ａに示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、大振幅振動動作中に外乱が加わると小振幅振動動作に遷移する。一方、図１２Ｂおよび図１２Ｃに示すように、比較例に係る振動発電装置および本実施の形態に係る振動発電装置の場合、外乱が加わって小振幅振動動作に遷移しようとしたときに非線形振動子５０が励振される。このとき、発電機Ｇの負荷抵抗ρ（ｔ）が一時的に負になる。その後、非線形振動子５０は、外乱が加わる前の振幅を維持する。そして、図１３に示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、外乱が加わった後、振幅の縮小に伴い、発電機Ｇにおける累積発電量の増加率が低下する。一方、比較例に係る振動発電装置および実施の形態に係る振動発電装置の場合、外乱が加わった後の累積発電量は、外乱が加わる前の累積発電量の増加率と同じ増加率で時間の経過とともに増加していく。但し、比較例に係る振動発電装置の場合、本実施の形態に係る振動発電装置に比べて、振動周波数ωＣ近傍における閾値が低く、その分、小振幅振動動作から大振幅振動動作への遷移に時間がかかる。そして、発電機Ｇの負荷抵抗ρ（ｔ）が負で推移する時間が長くなる分だけ、エネルギ損失が大きくなっている。
　複数動作点共存帯域ＢＷ３の中の高い振動周波数ωＤ近傍における非線形振動子５０の変位と発電機Ｇの負荷抵抗とは、図１４Ａ乃至図１４Ｃに示すような履歴を示す。ここで、図１４Ａは、励振部を備えない振動発電装置の場合、図１４Ｂは前述の比較例に係る振動発電装置の場合、図１４Ｃは本実施の形態に係る振動発電装置の場合の結果である。図１４Ａに示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、与えた初期条件では大振幅動作に収束できず小振幅動作に収束するため、非線形振動子５０の振幅が漸減していく。一方、図１４Ｂに示すように、比較例に係る振動発電装置の場合、非線形振動子５０の変位振幅が閾値を下回ったときに、その都度、非線形振動子５０が励振される。このとき、発電機Ｇの負荷抵抗ρ（ｔ）が一時的に負になる。また、図１４Ｃに示すように、本実施の形態に係る振動発電装置の場合、外乱が加わったときに一時的に非線形振動子５０が励振され、その後大振幅振動動作を継続する。そして、図１５に示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、発電機Ｇの累積発電量が０．４程度まで上昇した後、略一定となる。但し、比較例に係る振動発電装置の場合、本実施の形態に係る振動発電装置に比べて、振動周波数ωＤ近傍における閾値が低く、その分、小振幅振動動作から大振幅振動動作への遷移に十分な駆動が行われないため、発電機Ｇの累積発電量が０．４程度まで上昇した後、非線形振動子５０が繰り返し励振されることに伴い、累積発電量が漸減していく。一方、本実施の形態に係る振動発電装置の場合、大振幅振動動作で安定した後、発電機Ｇにおける累積発電量が時間とともに増加していく。
　複数動作点共存帯域ＢＷ３の外の高い振動周波数ωＥ近傍における非線形振動子５０の変位と発電機Ｇの負荷抵抗とは、図１６Ａ乃至図１６Ｃに示すような履歴を示す。ここで、図１６Ａは、励振部を備えない振動発電装置の場合、図１６Ｂは前述の比較例に係る振動発電装置の場合、図１６Ｃは本実施の形態に係る振動発電装置の場合の結果である。この振動周波数では小振幅動作しか存在しないため、図１６Ａに示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、非線形振動子５０の応答は過渡状態を経て小振幅動作に収束する。一方、図１６Ｂに示すように、比較例に係る振動発電装置の場合、非線形振動子５０の変位振幅が閾値を下回ったときに、その都度、繰り返し非線形振動子５０が励振される。このとき、発電機Ｇの負荷抵抗ρ（ｔ）が一時的に負になる。また、図１６Ｃに示すように、本実施の形態に係る振動発電装置の場合、励振部を備えない振動発電装置の場合と同様に非線形振動子５０は励振されず、小振幅動作に収束する。そして、図１７に示すように、比較例に係る振動発電装置の場合、発電機Ｇの累積発電量が０．１５程度まで上昇した後、非線形振動子５０が繰り返し励振されることに伴い、累積発電量が漸減していく。一方、励振部を備えない振動発電装置および本実施の形態に係る振動発電装置の場合、発電機Ｇにおける累積発電量の増加率が時間とともに減少しつつも時間とともに増加していく。比較例に係る振動発電装置の場合、非線形振動子５０が無駄に励振されることにより、大きなエネルギ損失が発生し累積発電量の減少が生じてしまう。
　このように、比較例に係る振動発電装置の場合、振動周波数ωＡ近傍、ωＤ近傍、ωＥ近傍で動作する場合、図９、図１５および図１７に示すように、蓄電部２２から非線形振動子５０へのエネルギの環流が繰り返し生じ、発電機Ｇにおける累積発電量が時間とともに減少してしまう。また、励振部を備えない振動発電装置の場合、振動周波数ωＢ近傍、ωＣ近傍、ωＤ近傍で動作する場合、図１１、図１３および図１５に示すように、非線形振動子５０の振動振幅が減少してしまい、発電機Ｇにおける累積発電量の増加率が大幅に低下してしまう。これに対して、本実施の形態に係る振動発電装置の場合、振動周波数ωＡ近傍、ωＢ近傍、ωＣ近傍、ωＤ近傍、ωＥ近傍の全てにおいて、発電機Ｇにおける累積発電量が時間とともに増加する。つまり、本実施の形態に係る振動発電装置は、励振部を備えない振動発電装置および比較例に係る振動発電装置に比べて、広い振動周波数の帯域において、発電機Ｇにおける無駄なエネルギ消費が抑制され、累積発電量が大きいという利点がある。
　以上説明したように、本実施の形態に係る振動発電装置によれば、スイッチ切替部２４が、検出コイル１６１の出力電圧が予め設定された閾値以上の場合、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに非接続である第１状態にする。一方、スイッチ切替部２４は、検出コイル１６１の出力電圧が閾値よりも小さい場合、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに接続された第２状態にする。そして、閾値設定部４２１２が、振幅・周波数検出部４１により検出される振動周波数が、非線形振動子５０が複数の動作点をとりうる複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれるか否かに応じて、閾値を制御する。これにより、例えば閾値設定部４２１２が、非線形振動子５０の振動周波数が、複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれない場合に、閾値が０となるように、閾値を制御すれば、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれない場合、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに接続されない。従って、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれない場合に、充電回路１８から発電機Ｇを介して非線形振動子５０へ無駄にエネルギが還流することを防止でき、無駄なエネルギ消費が抑制される。
　また、本実施の形態に係る振動発電装置は、非線形振動子５０の振動周波数と当該振動周波数に対応する電圧閾値との相関関係を示す相関情報を記憶する相関テーブル４２３１を備える。これにより、ユーザは、相関テーブル４２３１が記憶する相関情報を書き換えるだけで、電圧閾値の振動周波数依存性を変更することができる。従って、例えば振動発電装置に組み込む電磁振動エネルギ変換器１０の変更に伴い非線形振動子５０の振動振幅ａ０の振動周波数依存性が変化した場合において、電圧閾値の振動周波数依存性を変更後の非線形振動子５０に適合したものに比較的容易に変更することができる。
（変形例）
　以上、本発明の実施の形態では、振動発電装置１は、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に入っているかどうかを判定して、発電動作と励振動作を決定している。但し、本発明は前述の実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、非線形振動子５０および振動源１００の特性変化に応じて、複数動作点共存帯域に対応して設置された周波数帯域および振動振幅の閾値の大きさを適応的に変化させる構成であってもよい。
　具体的には、振動発電装置が、非線形振動子の動作状態を検知するために、振動源１００の振動波形を計測する振動波形計測部と、非線形振動子５０の応答波形を計測する振動子応答波形計測部と、振動源１００の振動波形と非線形振動子５０の応答波形との位相差を検出する位相差検出部と、を備える。そして、閾値設定部が、位相差検出部により検出される位相差が一定値になるように、つまり、非線形振動子５０の応答波形が振動源１００の振動波形と同一周波数になる（同期する）ように、しきい値を適応的に制御する。この場合、振動源１００の周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に入っているかどうかの判定は不要となる。複数動作点共存帯域ＢＷ３外では振動源１００の振動波形と非線形振動子５０の応答波形との位相差は、±９０°程度ずれ、複数動作点共存帯域ＢＷ３内では位相差が、±９０°よりも小さい値になる。そして、閾値設定部は、位相差検出部により検出される位相差が±９０°よりも小さい一定値になるような領域で、しきい値を適応的に制御する。これにより、振動源１００の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に入っているかどうかの判定が不要となる。
　実施の形態では、発電機Ｇが、可動磁石１４とコイル１６とから構成されるいわゆる電磁式の発電機である例について説明したが、振動エネルギを電気エネルギに変換するものであれば発電機Ｇの構成はこれに限定されるものではない。例えば発電機が、圧電素子を用いた発電機から構成されるものであってもよい。
　実施の形態では、発電機Ｇに負性インピーダンス変換回路２６が接続された状態と接続されていない状態とを切り替えることにより、発電機Ｇから充電回路１８へ電力供給されるモードと非線形振動子５０が励振されるモードとに切り替える例について説明した。これに限らず、例えば、発電機と非線形振動子５０を励振する励振回路とを別個に設けた構成で、励振モードの時に励振回路および励振部を動作させるものあってもよい。
　実施の形態では、閾値設定部４２１２が、相関テーブル４２３１を用いる例について説明したが、閾値設定部４２１２は、相関テーブル４２３１を用いる構成に限定されない。例えば閾値設定部４２１２が、相関テーブル４２３１に代えて、電圧閾値と振動周波数との関係式を示す関係式情報を用いる構成であってもよい。
　実施の形態では、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の周波数帯域に含まれる場合、閾値設定部４２１２が、電圧閾値を０Ｖに設定する例について説明した。但し、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の周波数帯域に含まれる場合の電圧閾値の大きさは、０Ｖに限定されない。非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の周波数帯域に含まれる場合の電圧閾値の大きさは、非線形振動子５０が小振幅振動動作点で振動するときの振動振幅よりも小さい振動振幅で振動する場合の発電機Ｇの出力電圧に相当する電圧値であれば０Ｖよりも大きい電圧値であってもよい。
　実施の形態では、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域に含まれる場合、電圧閾値が０Ｖよりも大きい電圧値である例について説明した。但し、電圧閾値の振動周波数依存性は、これに限定されるものではなく、例えば、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域を含み複数動作点共存帯域よりも広い周波数帯域に含まれる場合、電圧閾値が０Ｖよりも大きい電圧値であってもよい。また、上記の説明では０Ｖよりも大きい電圧閾値を設定した周波数帯域を非線形振動子５０の複数動作点共存帯域と一致させているが、効率が若干低下することを認めれば、０Ｖよりも大きい電圧値を閾値を設定した周波数帯域を非線形振動子５０の複数動作点共存帯域よりも広くしても、狭くしても、ずらせても良い。実験条件、環境によっても異なるが、非線形振動子５０の複数動作点共存帯域と０Ｖよりも大きい電圧値を閾値を設定した周波数帯域とが帯域の１０％程度ずれても発電効率は５％程度以内の低下に収まっている。つまり、従来の閾値の設定に比べ、複数動作点共存帯域を考慮した閾値を設定する本発明は発電効率向上という大きな効果が得られる。
　以上、本発明の各実施の形態および変形例（なお書きに記載したものを含む。以下、同様。）について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態及び変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。
　本出願は、２０１６年７月２１日に出願された、日本国特許出願特願２０１６－１４３５３４号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１６－１４３５３４号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
　本発明は、機械や動く構造体、人体等の振動源に取り付けられる振動発電装置として好適である。
１０：電磁振動エネルギ変換器、１４：可動磁石、１６：コイル、１８：充電回路、２２：蓄電部、２４：スイッチ切替部、２５：振幅検出部、２６：負性インピーダンス変換回路、３８：スイッチ、４１：振幅・周波数検出部、４１ａ：加速度センサ、４２：制御部、５０：非線形振動子、５１，５２：固定磁石、５６：筒体、１００：振動源、１６１：検出コイル、１８１：電圧変換回路、２４１：比較器、２４２：駆動回路、４２１：ＣＰＵ、４２２：主記憶部、４２３：補助記憶部、４２４：第１インタフェース、４２５：第２インタフェース、４２６：ＤＡＣ、４２７：バス、４２１１：周波数取得部、４２１２：閾値設定部、４２３１：相関テーブル、ＢＲ１８：整流回路、Ｃ１８：コンデンサ、Ｇ：発電機、ＯＰ２６：オペアンプ、Ｒ１８：負荷、Ｒ２６１，Ｒ２６２，Ｒ２６３：抵抗

Claims (6)

  1. 　質量要素と非線形ばね要素とを有する非線形振動子と、
    　振動源から前記非線形振動子に与えられる力学的エネルギを電気エネルギに変換する電気機械変換器と、
    　前記電気機械変換器から入力される電気エネルギを外部へ出力する出力回路と、
    　前記非線形振動子に振動を与える励振部と、
    　前記非線形振動子の振動の振幅が予め設定された閾値以上の場合、前記励振部が前記非線形振動子に非接続である第１状態にし、前記非線形振動子の振動の振幅が前記閾値未満の場合、前記励振部が前記非線形振動子に接続され、前記非線形振動子を励振する第２状態にする状態切替部と、
    　前記振動源の振動周波数を検出する周波数検出部と、
    　前記非線形振動子が複数の動作点をとりうる複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域に、前記振動周波数が含まれるか否かに応じて、前記閾値を設定する閾値設定部と、を備える、
    　振動発電装置。
  2. 　前記非線形振動子の振動周波数と前記振動周波数に対応する閾値との相関関係を示す相関情報を記憶する相関情報記憶部を更に備え、
    　前記閾値設定部は、前記相関情報を参照して、前記閾値を、前記振動周波数に応じた値に設定する、
    　請求項１に記載の振動発電装置。
  3. 　前記閾値は、前記複数動作点共存帯域の小振幅安定点よりも高く、大振幅安定点よりも低く設定されている、
    　請求項１に記載の振動発電装置。
  4. 　前記閾値設定部は、前記複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域以外の周波数帯域に前記振動周波数が含まれる場合、前記閾値を第１閾値に設定し、前記励振部が励振する周波数帯域に前記振動周波数が含まれる場合、前記閾値を第１閾値よりも大きい第２閾値に設定する、
    　請求項１から３のいずれか１項に記載の振動発電装置。
  5. 　前記複数の動作点は、安定な小振幅振動動作点および大振幅振動動作点を含み、
    　前記第１閾値は、０であり、
    　前記第２閾値は、前記非線形振動子が前記小振幅振動動作点で振動するときの振動振幅よりも大きい、
    　請求項４に記載の振動発電装置。
  6. 　前記閾値設定部は、前記複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域および前記閾値の大きさを適応的に変化させる、
    　請求項１に記載の振動発電装置。
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