JP2018182941A - 振動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全体の質量及び寸法を大きく増やすことなく、幅広い周波数帯域の振動に対して発電可能とした、振動発電装置を提供する。【解決手段】振動発電装置１０は、磁石側ユニット３０がコイルバネ３１を介して振動するとともにコイル側ユニット４０がコイルバネ４１を介して振動することにより、磁石３２から生じている磁束を導電コイル４２が横切って導電コイル４２から誘導起電力（出力電圧Ｖｏｕｔ）が発生するように構成されている。また、磁石側ユニット３０が振動する際の固有角振動数ω1とコイル側ユニット４０が振動する際の固有角振動数ω2とが、異なる値に設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、環境に存在する力学的な振動を利用して誘導起電力を生じさせるように構成された振動発電装置に関する。

図７［Ａ］は、特許文献１に開示された振動発電装置（１自由度型）の概念図である。振動発電装置８０は、筐体８１と、コイルバネ８２と、筐体８１にコイルバネ８２を介して支持された磁石８３と、筐体８１に固定された導電コイル８４とを備える。コイルバネ８２のバネ定数ｋ₁と磁石８３の重さｍ₁とで決まる固有角振動数ω₁＝√(ｋ₁/ｍ₁)の振動を筐体８１に与えることにより、磁石８３がコイルバネ８２を介して振動するので、導電コイル８４から誘導起電力が発生する。振動発電装置８０によれば、環境に存在する力学的な振動エネルギを電気的エネルギに変換することにより、電池交換などのメンテナンスを不要にした例えばビーコン発信装置などが実現可能となる。

振動発電装置８０は、１自由度型と呼ぶことができ、固有角振動数ω₁の振動のときに発電量が最大になり、それ以外の角振動数の振動では発電量が著しく低下する。つまり、固有角振動数ω₁が一つであるため、発電可能な周波数帯域幅が狭いという問題があった。この問題を解決する技術が特許文献２に開示されている。

図７［Ｂ］は、特許文献２に開示された振動発電装置（直列２自由度型）の概念図である。振動発電装置９０は、筐体９１と、コイルバネ９２，９４と、筐体９１にコイルバネ９２を介して支持されたオモリ９３と、オモリ９３にコイルバネ９４を介して支持された磁石９５と、オモリ９３に固定された導電コイル９６とを備える。磁石９５がコイルバネ９２、オモリ９３及びコイルバネ９４を介して振動し、導電コイル９６がコイルバネ９２及びオモリ９３を介して振動することにより、導電コイル９６から誘導起電力が発生する。振動発電装置９０は、直列２自由度型と呼ぶことができ、二つの固有角振動数を有するので、発電可能な周波数帯域幅が広がる。

特開２０１５−３３２６６号公報 特許第６０３６１４３号公報

しかしながら、振動発電装置９０では、二つの固有角振動数を近づけるほど、二個のオモリ（磁石９５とオモリ９３）の質量比（質量小／質量大）が非常に小さくなるという問題があった。例えば、二つの固有角振動数の中間及び差をそれぞれ周波数に換算して５０Ｈｚ及び５Ｈｚにしたい場合、二個のオモリの質量比は約１／１００倍に設定しなければならない。一般に、得られる電力はオモリの合計質量に比例する（効率が同じとき）。小さい側のオモリの質量を１自由度型程度にし、大きい側のオモリの質量を１００倍にすると、大きな電力が得られるものの、全体の重さが１自由度型の１００倍程になってしまう。逆に、大きい側のオモリの質量を１自由度型程度にし、小さい側のオモリの質量を１／１００倍にすると、小さい側のオモリが小さくなり過ぎ、磁石９５と導電コイル９６からなる発電部を構成することが困難となる。以下に、この問題について更に詳しく説明する。

特許文献２の段落００５９に示されているように、１自由度型の各固有角振動数
Ω₁＝√(ｋ₁/ｍ₁)、Ω₂＝√(ｋ₂/ｍ₂)
から直列２自由度型の固有角振動数ω₁、ω₂を求める式は次のようになる。
ω₁ ²＝(1/2){Ω₁ ²+(1+μ)Ω₂ ²}-(1/2)√[{Ω₁ ²+(1+μ)Ω₂ ²}²-4Ω₁ ²Ω₂ ²] （１）
ω₂ ²＝(1/2){Ω₁ ²+(1+μ)Ω₂ ²}+(1/2)√[{Ω₁ ²+(1+μ)Ω₂ ²}²-4Ω₁ ²Ω₂ ²] （２）
ここで、μ＝ｍ₂/ｍ₁であり、ｍ₁,ｍ₂はオモリ質量（ｍ₁はオモリ９３の質量、ｍ₂は磁石９５の質量）であり、ｋ₁,ｋ₂はバネ定数（ｋ₁はコイルバネ９２のバネ定数、ｋ₂はコイルバネ９４のバネ定数）である。なお、オモリ９３の質量には導電コイル９６の質量も含まれる。

しかし、実際の設計では設置場所の加速度要求によりω₁,ω₂がまず与えられ、これに合うΩ₁,Ω₂,μを求めることになる。そこで、式（１）及び（２）を逆にΩ₁,Ω₂について解くと、
Ω₁ ⁴-(ω₁ ²+ω₂ ²)Ω₁ ²+(1+μ)ω₁ ²ω₂ ²＝0 （３）
(1+μ)Ω₂ ⁴-(ω₁ ²+ω₂ ²)Ω₂ ²+ω₁ ²ω₂ ²＝0 （４）
という二次方程式が得られる。

ω₁,ω₂が与えられたとき、Ω₁,Ω₂が存在する（実数解を持つ）条件は、式（３）及び（４）の判別式Ｄが正になることである。式（３）及び（４）の判別式は次のように同じ式になる。
Ｄ＝(ω₁ ²+ω₂ ²)²-4(1+μ)ω₁ ²ω₂ ²≧0 （５）

式（５）をμについて整理すると、次式が得られる。
μ≦{(ω₂ ²-ω₁ ²)/(2ω₁ω₂)}² （６）
すなわち“質量比μは上限値を持つ”ことになる。

また、ω₀＞＞Δωのとき近似的に次式が成り立つ。
μ≦(Δω/ω₀)² （７）
ここで、ω₀ ＝(ω₁+ω₂)/2、Δω＝ω₂-ω₁である。よって、μは角振動数差比（Δω/ω₀）の２乗に比例する。このように、直列２自由度型の振動発電装置９０では、二つの固有角振動数ω₁,ω₂を近づけるほど、二個のオモリ（磁石９５とオモリ９３）の質量比μ（質量小／質量大）が非常に小さくなる。

そこで、本発明の目的は、全体の質量及び寸法を大きく増やさずに幅広い周波数帯域の振動に対して発電可能な振動発電装置を提供することにある。

本発明に係る振動発電装置は、
筐体と、磁石側バネ部材と、コイル側バネ部材と、
前記筐体に前記磁石側バネ部材を介して支持され、磁石を有する磁石側ユニットと、
前記筐体に前記コイル側バネ部材を介して支持され、導電コイルを有するコイル側ユニットと、を備え、
前記磁石側ユニットが前記磁石側バネ部材を介して振動するとともに前記コイル側ユニットが前記コイル側バネ部材を介して振動することにより、前記磁石から生じている磁束を前記導電コイルが横切って当該導電コイルから誘導起電力が発生するように構成され、
前記磁石側ユニットが振動する際の固有角振動数と前記コイル側ユニットが振動する際の固有角振動数とが異なる値に設定された、
ものである。

本発明に係る振動発電装置によれば、磁石側ユニットが磁石側バネ部材を介して振動するとともにコイル側ユニットがコイル側バネ部材を介して振動することにより導電コイルから誘導起電力が発生するように構成され、かつ磁石側ユニットの固有角振動数とコイル側ユニットの固有角振動数とが異なる値に設定されたことにより、独立した二つの１自由度型が並列に二つ置かれた並列２自由度型として動作可能となる。したがって、磁石側ユニットの固有角振動数とコイル側ユニットの固有角振動数との差に応じて磁石側ユニットとコイル側ユニットとの質量比（質量小／質量大）を小さくする必要がないので、全体の質量及び寸法を大きく増やすことなく、幅広い周波数帯域の振動に対して発電可能となる。

実施形態の振動発電装置を示す平面図であり、図１［Ａ］は外観を示し、図２［Ｂ］は外観中に磁石及び導電コイルを破線で示す。 図２［Ａ］は図２［Ｂ］におけるIIａ−IIａ線断面を拡大して示す図、図２［Ｂ］は図２［Ｂ］におけるIIｂ−IIｂ線断面を拡大して示す図である。 図１における磁石側ユニットを示し、図３［Ａ］は一部を切り欠いて示す斜視図、図３［Ｂ］は図３［Ａ］におけるIIIｂ−IIIｂ線断面図である。 図１におけるコイル側ユニットを示し、図４［Ａ］は斜視図、図４［Ｂ］は図４［Ａ］におけるIVｂ−IVｂ線断面図である。 図１の振動発電装置の動作を示す平面図であり、図５［Ａ］は磁石側ユニットが逆方向、コイル側ユニットが正方向にそれぞれ動いた場合であり、図５［Ｂ］は磁石側ユニットが正方向、コイル側ユニットが逆方向にそれぞれ動いた場合である。 実施例の振動発電装置における出力電力の周波数特性を示すグラフであり、図６［Ａ］は調整前、図６［Ｂ］は調整後である。 図７［Ａ］は特許文献１の振動発電装置（１自由度型）を示す概念図、図７［Ｂ］は特許文献２の振動発電装置（直列２自由度型）を示す概念図、図７［Ｃ］は実施形態の振動発電装置（並列２自由度型）を示す概念図である。

本明細書及び特許請求の範囲における「備える」とは、明示した構成要素以外の構成要素を備える場合も含まれる。「有する」や「含む」なども同様である。本明細書での「上下左右」は、図面で見た場合の上下左右をいうものとし、上下左右が固定される意味ではない。以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、各図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を使用することにより、重複説明を省略する。

まず、本実施形態の振動発電装置の構成について、図１乃至図４に基づき説明する。以下で述べる符号は、図１乃至図４のいずれかに記載されている。

本実施形態の振動発電装置１０は、筐体２０と、磁石側バネ部材としてのコイルバネ３１と、コイル側バネ部材としてのコイルバネ４１と、筐体２０にコイルバネ３１を介して支持され、磁石３２を有する磁石側ユニット３０と、筐体２０にコイルバネ４１を介して支持され、導電コイル４２を有するコイル側ユニット４０と、を備えている。そして、振動発電装置１０は、磁石側ユニット３０がコイルバネ３１を介して振動するとともにコイル側ユニット４０がコイルバネ４１を介して振動することにより、磁石３２から生じている磁束を導電コイル４２が横切って導電コイル４２から誘導起電力（出力電圧Ｖｏｕｔ）が発生するように構成されている。これに加え、磁石側ユニット３０が振動する際の固有角振動数ω₁とコイル側ユニット４０が振動する際の固有角振動数ω₂とが、異なる値に設定されている。

磁石側ユニット３０とコイル側ユニット４０との質量比（コイル側ユニット４０の質量／磁石側ユニット３０の質量）は、例えば０．５〜１．５の範囲内にある。

磁石側バネ部材及びコイル側バネ部材はそれぞれ四本のコイルバネ３１，４１からなり、コイルバネ３１，４１の伸縮方向が磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０の振動方向１１である。図３に示すように、磁石側ユニット３０は、異なる磁極同士を空隙を介して向かい合わせた少なくとも一対の磁石３２を保持する四角板状の磁石ホルダ３３と、磁石ホルダ３３内の空隙からなりコイル側ユニット４０を隙間をもって挿し通す挿通穴３４と、磁石ホルダ３３の四隅に設けられ四本のコイルバネ３１の一端をそれぞれ固定するユニット側バネ固定部３５とを更に有する。図４に示すように、コイル側ユニット４０は、導電コイル４２を中央に嵌め込んだ四角板状のコイルホルダ４３と、コイルホルダ４３の四隅に設けられ四本のコイルバネ４１の一端をそれぞれ固定するユニット側バネ固定部４５とを有する。

図１に示すように、筐体２０は、磁石ホルダ３３に固定されたコイルバネ３１の他端を固定する四個の筐体側バネ固定部２１と、コイルホルダ４３に固定されたコイルバネ４１の他端を固定する四個の筐体側バネ固定部２２とを有する。コイル側ユニット４０が挿通穴３４に挿し通された状態で、八本のコイルバネ３１，４１の両端がそれぞれユニット側バネ固定部３５，４５及び筐体側バネ固定部２１，２２に固定されている。

コイルホルダ４３に固定された少なくとも二本のコイルバネ４１は、導電性を有し、導電コイル４２と出力端子４４（図１［Ｂ］）とを電気的に接続する。

次に、振動発電装置１０の各構成要素について詳しく説明する。

図１に示すように、筐体２０は、例えば合成樹脂からなるベースであり、必要に応じてキャップ（図示せず）が嵌合され、磁石側ユニット３０、コイル側ユニット４０、コイルバネ３１，４１などを内蔵し、全体として直方体状である。筐体２０の内側には、筐体側バネ固定部２１，２２の他に、コイルバネ３１を収容するバネ収容凹部２３、コイルバネ４１を収容するバネ収容凹部２４などが形成されている。筐体側バネ固定部２１，２２は、筐体２０の厚さ方向に埋め込まれた係止ピンであり、それぞれコイルバネ３１，４１の他端が係止される。

また、筐体２０内には、コイル側ユニット４０の出力端子４４に接続される回路基板（図示せず）を内蔵させてもよい。その回路基板は例えばコイル側ユニット４０で発生した誘導起電力から得た電気エネルギにより個体識別信号などの情報を送信する機能を有し、その機能は市販の電源回路モジュールやＢＬＥモジュールを用いることによって実現可能である。

図３に示すように、磁石側ユニット３０は、磁石３２、磁石ホルダ３３、挿通穴３４及びユニット側バネ固定部３５の他に、ヨーク３６を有する。磁石ホルダ３３は、四個の磁石３２及び二個のヨーク３６を保持する、磁石３２は、どのような種類でもよいが、小型でも強い磁力を有するネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石などの希土類磁石が適している。ヨーク３６は例えば軟鉄板である。

磁石ホルダ３３は、例えば合成樹脂などからなるキャップ側枠３７とベース側枠３８とが貼り合わされた横長の四角板状である。キャップ側枠３７とベース側枠３８との間には、コイルホルダ４３を挿し通す挿通穴３４が左右端を貫いて形成されている。キャップ側枠３７及びベース側枠３８には、それぞれ二個の磁石３２と一個のヨーク３６が嵌め込まれている。そのため、挿通穴３４内のコイルホルダ４３を挟んで二個ずつ二組の磁石３２が向き合うことにより、四個の磁石３２と二個のヨーク３６とからなる磁気回路を形成する。磁石ホルダ３３の四隅に設けられたユニット側バネ固定部３５は、磁石ホルダ３３を厚さ方向に貫通する係止ピンであり、コイルバネ３１の一端が係止される。

図４に示すように、コイルホルダ４３は、四角板状の合成樹脂からなり、中央に導電コイル４２が嵌め込まれ、導電コイル４２に出力端子４４（図１［Ｂ］）が電気的に接続されている。導電コイル４２は、導線が巻回されて横長の円筒形状を呈しており、中央に空芯が形成されている。コイルホルダ４３の四隅に設けられたユニット側バネ固定部４５は、コイルホルダ４３を厚さ方向に貫通する係止ピンであり、コイルバネ４１の一端が係止される。

図１に示すように、コイル側ユニット４０を磁石側ユニット３０の挿通穴３４内に挿し通した状態で、コイル側ユニット４０又は磁石側ユニット３０はそれぞれコイルバネ３１，４１を介して上下に振動する。このとき、導電コイル４２を貫く磁石３２の磁束が、導電コイル４２と磁石３２との相対位置に応じて変化することにより、導電コイル４２から誘導起電力が発生する。

合計八本のコイルバネ３１，４１は、引張バネであり、対称になるように一本ずつ配置される。なお、コイルバネでは、荷重がかかっていない状態での長さを自然長（又は自由長）と呼び、機械構造に組み付けた場合の少し伸ばした状態での長さをセット長と呼ぶ。つまり、初期状態においてコイルバネ３１，４１には、自然長とセット長の差に応じた張力が加えられている。なお、磁石側バネ部材及びコイル側バネ部材は、引張コイルバネに限らず、例えば圧縮コイルバネや特許文献２に記載の板バネなどを用いてもよい。

次に、振動発電装置１０の動作について、図５及び図７［Ｃ］を中心に説明する。

振動発電装置１０は、図７［Ａ］に示す１自由度型、図７［Ｂ］に示す直列２自由度型に対して、図７［Ｃ］に示す並列２自由度型と呼ぶことができる。図５において、磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０の振動方向１１（すなわちコイルバネ３１，４１の伸縮方向）を正方向１２と逆方向１３とに分け、磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０の振動方向１１における初期状態での中心位置をバランス位置１４とする。正方向１２は、上側のコイルバネ３１，４１が縮む方向かつ下側のコイルバネ３１，４１が伸びる方向である。これとは逆に逆方向１３は、上側のコイルバネ３１，４１が伸びる方向かつ下側のコイルバネ３１，４１が縮む方向である。

磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０は、それぞれ独立に振動する（並列２自由度型）。そのため、磁石側ユニット３０の質量、ばね定数、固有角振動数をｋ₁,ｍ₁,ω₁とし、コイル側ユニット４０の質量、ばね定数、固有角振動数をｋ₂,ｍ₂,ω₂とすると、固有角振動数ω₁,ω₂は次式で与えられる。
ω₁＝√(ｋ₁/ｍ₁)、ω₂＝√(ｋ₂/ｍ₂) （１１）

ただし、式（１１）において例えばω₁＜ω₂となるように、各値を設定する。ｍ₁,ｍ₂については、各ユニットの材質や大きさを変えたり、オモリを付加したりすることにより調整する。一般に磁石側ユニット３０よりもコイル側ユニット４０の方が軽いので、図７［Ｃ］に示す例ではコイル側ユニット４０にオモリ４６を付加している。

ここで、振動発電装置１０に角振動数ωの振動を加えて、角振動数ωを零付近から徐々に増加させる。この場合、磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０は、それぞれ１自由度型の強制振動における振幅と位相の関係を満たすことになる。つまり、磁石側ユニット３０の振幅は、ωがω₁に近づくにつれて急上昇し、ω＝ω₁のときに共振して最大となり、ωがω₁から離れるにつれて大きく低下する。磁石側ユニット３０の応答変位の位相差は、ω＜ω₁のときに概ね０、ω＝ω₁のときに-π/2、ω＞ω₁のときに概ね-πとなる。同様に、コイル側ユニット４０の振幅は、ωがω₂に近づくにつれて急上昇し、ω＝ω₂のときに共振して最大となり、ωがω₂から離れるにつれて大きく低下する。コイル側ユニット４０の応答変位の位相差は、ω＜ω₂のときに概ね０、ω＝ω₂のときに-π/2、ω＞ω₂のときに概ね-πとなる。

よって、ω＝ω₁のときに磁石側ユニット３０が共振し、ω＝ω₂のときにコイル側ユニット４０が共振し、ω＜ω₁又はω₂＜ωのときに磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０が同相で振動し、ω₁＜ω＜ω₂のときに磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０が逆相で振動する。磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０が同相で振動するとは、磁石側ユニット３０が逆方向１３へ動くときにコイル側ユニット４０も逆方向１３へ動き、磁石側ユニット３０が正方向１２へ動くときにコイル側ユニット４０も正方向１２へ動くことを意味する。磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０が逆相で振動するとは、磁石側ユニット３０が逆方向１３へ動くときにコイル側ユニット４０が正方向１２へ動き（図５［Ａ］）、磁石側ユニット３０が正方向１２へ動くときにコイル側ユニット４０が逆方向１３へ動く（図５［Ｂ］）ことを意味する。磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０の少なくとも一方が振動すると、磁石３２から生じている磁束を導電コイル４２が横切るので、導電コイル４２から誘導起電力（出力電圧Ｖｏｕｔ）が発生する。

次に、振動発電装置１０の作用及び効果について説明する。

＜1＞.振動発電装置１０によれば、磁石側ユニット３０がコイルバネ３１を介して振動するとともにコイル側ユニット４０がコイルバネ４１を介して振動することにより導電コイル４２から誘導起電力が発生するように構成され、かつ磁石側ユニット３０の固有角振動数ω₁とコイル側ユニット４０の固有角振動数ω₂とが異なる値に設定されたことにより、独立した二つの１自由度型が並列に二つ置かれた並列２自由度型として動作可能となる。したがって、磁石側ユニット３０の固有角振動数ω₁とコイル側ユニット４０の固有角振動数ω₂との差に応じて磁石側ユニット３０とコイル側ユニット４０との質量比（質量小／質量大）を小さくする必要がないので、全体の質量及び寸法を大きく増やすことなく、幅広い周波数帯域の振動に対して発電可能である。

＜2＞.振動発電装置１０によれば、ω＜ω₁又はω₂＜ωのときに磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０が同相で振動し、ω₁＜ω＜ω₂のときに磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０が逆相で振動することにより、ω＜ω₁又はω₂＜ωのときに磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０の振幅が減算され、ω₁＜ω＜ω₂のときに磁石側ユニット３０及びコイル側ユニット４０の振幅が加算されるので、出力電力の周波数特性が矩形になりやすい。つまり、ω₁＜ω＜ω₂の帯域において発電量を概ね一定にできる。

＜3＞.磁石側ユニット３０とコイル側ユニット４０との質量比（コイル側ユニット４０の質量ｍ₂／磁石側ユニット３０の質量ｍ₁）を０．５〜１．５の範囲内にした場合は、出力電力（発電量）の二つのピークを同レベルにしやすいので、出力電力の周波数特性をより矩形に近づけることができる。出力電力は質量に比例することにより、両者の質量比が１に近いほど、出力電力の二つのピークが等しくなるからである。

＜4＞.コイルホルダ４３に固定された少なくとも二本のコイルバネ４１が、導電性を有し、導電コイル４２と出力端子４４とを電気的に接続する場合は、導電コイル４２と出力端子４４とを電気的に接続する配線が不要になるので、構成を簡素化できる。

＜5＞.直列２自由度型と比較した具体例で説明する。図７［Ｂ］に示す直列２自由度型において、二つの固有角振動数ω₁,ω₂の中間及び差をそれぞれ周波数に換算して５０Ｈｚ及び５Ｈｚにしたい場合ω₀＝５０Ｈｚ、Δω＝５Ｈｚになるので、式（７）からΔω/ω₀＝0.1、μ＝0.01となる。出力電力はオモリの合計質量に比例する（効率が同じとき）。そのため、図７［Ｃ］に示す本実施形態の並列２自由度型で各オモリの質量ｍ₁,ｍ₂を１０ｇとし合計２０ｇとするとき、これと同じ出力電力が得られる直列２自由度型のオモリは、μ＝0.01以下の質量比を持たなければならないことから、ｍ₁＝１９．８ｇ以上、ｍ₂＝０．２ｇ以下となる。しかし、０．２ｇでは磁石と導電コイルからなる発電部を構成することは困難である。よって、直列２自由度型では、ｍ₂を大きくせざるを得ず、これに伴いｍ₁も大きくなるので、全体の質量及び寸法を大きく増やすことになる。

次に、本実施形態の振動発電装置を更に具体化した実施例について説明する。

図６は、本実施例の振動発電装置における出力電力の周波数特性を示すグラフであり、図６［Ａ］は調整前、図６［Ｂ］は調整後である。図６［Ａ］［Ｂ］において、横軸が周波数［Ｈｚ］、縦軸が出力電力（平均値）［ｍＷ］、×が実測値、実線が解析値である。

本実施例では、並列２自由度型の振動発電装置を試作し、出力電力の周波数特性を実測した。得られた実測値とこれにフィッティングさせた解析値を図６［Ａ］に示す。解析により実測値を再現することができ、理論通りの動作をすることが確認できた。

試作装置の定数は目標値から若干ずれている（製造組立誤差による）。その結果、二つのピークにおける発電量が異なりアンバランスとなっている。そこで、理論式上でバランスに関わる定数（質量、減衰係数等）を調整し、本来得られる特性を解析した。その結果を図６［Ｂ］に示す。図６［Ａ］［Ｂ］の解析で用いた主要な定数値を表１に示す。

［表１］
項目 図６［Ａ］ 図６［Ｂ］
低周波側オモリ質量［ｇ］ ３３ ３１
高周波側オモリ質量［ｇ］ ３２ ３２
低周波側機械的Ｑ値［−］ ５５ １３０
高周波側機械的Ｑ値［−］ １３０ １３０
負荷抵抗［ｋΩ］ ８．２ ４．２

図６［Ｂ］及び表１からわかるように、本実施例の振動発電装置では、二つのオモリの質量がほぼ等しく小型であり、かつ出力電圧の周波数特性が矩形に近い形状になっている。

次に、本発明について補足説明をする。本発明は、入力端から並列に接続されたオモリ２個の構成とする。オモリは一方に磁石を、他方にコイルを含むものとする。これら２個のオモリの質量比を１程度に設定する。二つの固有振動数は応答させたい入力加速度周波数の上下限に近い所望の値に設定する。これにより、固有振動数が二つとなるので、広帯域の振動に対する発電が可能となる。また、二つの固有振動数における発電量は同程度になり、バランスの良い（矩形に近い）周波数特性となる。

以上、上記実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。

本発明は、一定周波数帯域の振動に対して発電可能な振動発電装置、例えば、微小振動を伴った機械、ポンプ、空調ダクト等の屋内外設備、橋脚、電柱、建物等の建築物、電車、自動車等のビークル、それらの機器でのセンサを用いた異常検知装置、及び、それらの情報を送信する装置等の電源に利用可能である。

１０ 振動発電装置
１１ 振動方向
１２ 正方向
１３ 逆方向
１４ バランス位置
２０ 筐体
２１，２２ 筐体側バネ固定部
２３，２４ バネ収容凹部
３０ 磁石側ユニット
３１ コイルバネ（磁石側バネ部材）
３２ 磁石
３３ 磁石ホルダ
３４ 挿通穴
３５ ユニット側バネ固定部
３６ ヨーク
３７ キャップ側枠
３８ ベース側枠
４０ コイル側ユニット
４１ コイルバネ（コイル側バネ部材）
４２ 導電コイル
４３ コイルホルダ
４４ 出力端子
４５ ユニット側バネ固定部
４６ オモリ
８０ 振動発電装置
８１ 筐体
８２ コイルバネ
８３ 磁石
８４ 導電コイル
９０ 振動発電装置
９１ 筐体
９２，９４ コイルバネ
９３ オモリ
９５ 磁石
９６ 導電コイル

Claims (4)

1. 筐体と、磁石側バネ部材と、コイル側バネ部材と、
   前記筐体に前記磁石側バネ部材を介して支持され、磁石を有する磁石側ユニットと、
   前記筐体に前記コイル側バネ部材を介して支持され、導電コイルを有するコイル側ユニットと、を備え、
   前記磁石側ユニットが前記磁石側バネ部材を介して振動するとともに前記コイル側ユニットが前記コイル側バネ部材を介して振動することにより、前記磁石から生じている磁束を前記導電コイルが横切って当該導電コイルから誘導起電力が発生するように構成され、
   前記磁石側ユニットが振動する際の固有角振動数と前記コイル側ユニットが振動する際の固有角振動数とが異なる値に設定された、
   振動発電装置。
2. 前記磁石側ユニットと前記コイル側ユニットとの質量比（前記コイル側ユニットの質量／前記磁石側ユニットの質量）が０．５〜１．５の範囲内にある、
   請求項１記載の振動発電装置。
3. 前記磁石側バネ部材及び前記コイル側バネ部材はそれぞれ四本のコイルバネからなり、
   これらのコイルバネの伸縮方向が前記磁石側ユニット及び前記コイル側ユニットの振動方向であり、
   前記磁石側ユニットは、異なる磁極同士を空隙を介して向かい合わせた少なくとも一対の前記磁石を保持する四角板状の磁石ホルダと、この磁石ホルダ内の前記空隙からなり前記コイル側ユニットを隙間をもって挿し通す挿通穴と、前記磁石ホルダの四隅に設けられ四本の前記コイルバネの一端をそれぞれ固定するユニット側バネ固定部を更に有し、
   前記コイル側ユニットは、前記導電コイルを中央に嵌め込んだ四角板状のコイルホルダと、前記コイルホルダの四隅に設けられ四本の前記コイルバネの一端をそれぞれ固定するユニット側バネ固定部とを更に有し、
   前記筐体は、前記磁石ホルダに固定された前記コイルバネの他端を固定する四個の筐体側バネ固定部と、前記コイルホルダに固定された前記コイルバネの他端を固定する四個の筐体側バネ固定部とを有し、
   前記コイル側ユニットが前記挿通穴に挿し通された状態で、八本の前記コイルバネの両端がそれぞれ前記ユニット側バネ固定部及び前記筐体側バネ固定部に固定された、
   請求項１又は２記載の振動発電装置。
4. 前記コイルホルダに固定された少なくとも二本の前記コイルバネは、導電性を有し、前記導電コイルと出力端子とを電気的に接続する、
   請求項３記載の振動発電装置。

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