(57)【要約】【課題】広い振動周波数帯域の振動に対応して効率よく発電することができる振動発電装置を提供する。【解決手段】本発明に係る振動発電装置１００は、２本の磁歪部２０２から構成される平行梁を有する磁歪発電ユニット２００と、ダイナミックダンパー３００とを備え、２本の磁歪部２０２の少なくとも１本は、磁歪材料で構成され、磁歪発電ユニット２００は、振動体から加えられた振動によって、２本の磁歪部２０２が同一平面内で振動するように、ダイナミックダンパー３００を介して振動体と接合されている。【選択図】図１
2014011843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本の梁部材から構成される平行梁を有する磁歪発電部と、
ダイナミックダンパーとを備え、
前記２本の梁部材の少なくとも１本は、磁歪材料で構成され、
前記磁歪発電部は、振動体から加えられた振動によって、前記２本の梁部材が同一平面内で振動するように、前記ダイナミックダンパーを介して前記振動体と接合されている
振動発電装置。
【請求項２】
前記ダイナミックダンパーは、
前記磁歪発電部と接合されるダンパーウェイトと、
前記ダンパーウェイト及び前記振動体のそれぞれに接合される粘弾性部材とを有し、
前記粘弾性部材の損失係数は、０．２以上かつ０．３以下である
請求項１に記載の振動発電装置。
【請求項３】
前記ダンパーウェイトは、前記振動体に対する前記平行梁の振幅倍率が、当該平行梁が降伏する振幅倍率の１／４以上かつ１／２以下となる重さを有する
請求項１又は請求項２に記載の振動発電装置。
【請求項４】
振動発電装置の設計方法であって、
前記振動発電装置は、
２本の梁部材から構成される平行梁を有する磁歪発電部と、
ダイナミックダンパーとを備え、
前記２本の梁部材の少なくとも１本は、磁歪材料で形成され、
前記磁歪発電部は、振動体から加えられた振動によって、前記２本の梁部材が同一平面内で振動するように、前記ダイナミックダンパーを介して前記振動体と接合され、
前記ダイナミックダンパーは、
前記磁歪発電部と接合されるダンパーウェイトと、
前記ダンパーウェイト及び前記振動体のそれぞれに接合される粘弾性部材とを有しており、
前記平行梁の共振周波数を取得するステップと、
前記平行梁の共振周波数に合わせて、前記ダイナミックダンパーの共振周波数を決定するステップと、
前記ダイナミックダンパーの共振周波数に応じて、前記ダイナミックダンパーの振幅倍率を決定するステップと、
前記ダイナミックダンパーの振幅倍率に応じて、前記ダンパーウェイトの重さを決定するステップと、
前記ダイナミックダンパーの振幅倍率に応じて、前記粘弾性部材の損失係数を決定するステップとを含む
振動発電装置の設計方法。
【請求項５】
前記粘弾性部材の損失係数を決定するステップにおいて、
前記粘弾性部材の損失係数は、０．２以上かつ０．３以下の範囲で決定される
請求項４に記載の振動発電装置の設計方法。
【請求項６】
前記ダンパーウェイトの重さを決定するステップにおいて、
前記ダンパーウェイトの重さは、前記振動体に対する前記平行梁の振幅倍率が、当該平行梁が降伏する振幅倍率の１／４以上かつ１／２以下となる範囲の重さに決定される
請求項４又は請求項５に記載の振動発電装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動発電装置及び振動発電装置の設計方法に関する。特に、広い振動周波数帯域に対応した振動発電装置及び振動発電装置の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力や水力などの自然現象に起因して発生する振動や、機械や電気機器の稼働、車両の走行などの人工的な現象に起因して発生する振動現象を利用して発電する振動発電装置の開発がされている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
特許文献１に係る振動発電装置は、共振を利用した発電素子であり、振動源と発電素子との間に任意のダイナミックダンパーが設けられている。そして、種々の周波数及び振幅を有する振動をダイナミックダンパーにより所定の共振周波数の振動として取り出し、電力に変換している。
【０００４】
特許文献２には、波力を利用した発電装置が開示されている。この発電装置は、発電装置に設けられた重量物および磁石側部材を波の振動に共振させる、または、波の振動に近い周波数の状態で振動させることにより、波の共振振動で発電部のコイルに誘電起電力を発生させることで発電を行っている。
【０００５】
特許文献３に記載の発電装置は、発電型ダイナミックダンパーの構成が記載されており、ダンパーマスの共振エネルギーを利用して発電が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１９７３７３号公報
【特許文献２】特開２００７−１３２３３６号公報
【特許文献３】特開２００９−１９６６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した振動発電装置では、振動発電装置自身の共振周波数を利用するものではなく、主に振動源や振動源との間に設けられた構成の共振周波数を利用するものである。そのため、振動発電装置に生じる共振周波数帯域は、振動源や振動源との間に設けられた構成の共振周波数に限定されることになる。また、上記した振動発電装置は、振動源や振動源との間に設けられた構成の、１自由度の共振を利用する発電装置である。したがって、共振周波数帯域が小さく、かつ、その小さな共振周波数帯域でしか活用できない。よって、広い周波数帯域の振動を発生する振動源や、エンジン等の加振により振動周波数が変動する振動物において効率よく発電できないという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、広い振動周波数帯域の振動に対応して効率よく発電することができる振動発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る振動発電装置の一態様は、２本の梁部材から構成される平行梁を有する磁歪発電部と、ダイナミックダンパーとを備え、前記２本の梁部材の少なくとも１本は、磁歪材料で構成され、前記磁歪発電部は、振動体から加えられた振動によって、前記２本の梁部材が同一平面内で振動するように、前記ダイナミックダンパーを介して前記振動体と接合されている。
【００１０】
この構成によれば、磁歪発電部の共振を利用した振動発電装置をダイナミックダンパーと組み合わせ、２自由度以上の振動の共振周波数を利用することにより、広い共振周波数帯域の振動に対して効率よく発電することができる。
【００１１】
また、前記ダイナミックダンパーは、前記磁歪発電部と接合されるダンパーウェイトと、前記ダンパーウェイト及び前記振動体のそれぞれに接合される粘弾性部材とを有し、前記粘弾性部材の損失係数は、０．２以上かつ０．３以下であることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、磁歪発電部の共振倍率のピーク値を下げることができ、かつ、周波数領域を広げることができる。また、共振倍率のピーク値を下げることができるので、磁歪発電部の破壊を抑制することができる。
【００１３】
また、前記ダンパーウェイトは、前記振動体に対する前記平行梁の振幅倍率が、当該平行梁が降伏する振幅倍率の１／４以上かつ１／２以下となる重さを有することが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、磁歪発電部の共振倍率のピーク値を下げることができ、かつ、周波数領域を広げることができる。また、共振倍率のピーク値を下げることができるので、磁歪発電部の破壊を抑制することができる。
【００１５】
また、本発明に係る振動発電装置の設計方法の一態様は、前記振動発電装置は、２本の梁部材から構成される平行梁を有する磁歪発電部と、ダイナミックダンパーとを備え、前記２本の梁部材の少なくとも１本は、磁歪材料で形成され、前記磁歪発電部は、振動体から加えられた振動によって、前記２本の梁部材が同一平面内で振動するように、前記ダイナミックダンパーを介して前記振動体と接合され、前記ダイナミックダンパーは、前記磁歪発電部と接合されるダンパーウェイトと、前記ダンパーウェイト及び前記振動体のそれぞれに接合される粘弾性部材とを有しており、前記平行梁の共振周波数を取得するステップと、前記平行梁の共振周波数に合わせて、前記ダイナミックダンパーの共振周波数を決定するステップと、前記ダイナミックダンパーの共振周波数に応じて、前記ダイナミックダンパーの振幅倍率を決定するステップと、前記ダイナミックダンパーの振幅倍率に応じて、前記ダンパーウェイトの重さを決定するステップと、前記ダイナミックダンパーの振幅倍率に応じて、前記粘弾性部材の損失係数を決定するステップとを含む。
【００１６】
この構成によれば、磁歪発電部の共振を利用した振動発電装置をダイナミックダンパーと組み合わせ、２自由度以上の振動の共振周波数を利用することにより、広い共振周波数帯域の振動に対して効率よく発電することができる。
【００１７】
また、前記粘弾性部材の損失係数を決定するステップにおいて、前記粘弾性部材の損失係数は、０．２以上かつ０．３以下の範囲で決定されることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、磁歪発電部の共振倍率のピーク値を下げることができ、かつ、周波数領域を広げることができる。また、共振倍率のピーク値を下げることができるので、磁歪発電部の破壊を抑制することができる。
【００１９】
また、前記ダンパーウェイトの重さを決定するステップにおいて、前記ダンパーウェイトの重さは、前記振動体に対する前記平行梁の振幅倍率が、当該平行梁が降伏する振幅倍率の１／４以上かつ１／２以下となる範囲の重さに決定されることが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、磁歪発電部の共振倍率のピーク値を下げることができ、かつ、周波数領域を広げることができる。また、共振倍率のピーク値を下げることができるので、磁歪発電部の破壊を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、広い振動周波数帯域の振動に対応して効率よく発電することができる振動発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係る振動発電装置の構成を示す概略構成図である。
【図２】図１に示した振動発電装置の模式図である。
【図３】図１に示した振動発電装置の振動の原理を説明するための模式図である。
【図４】振動発電装置の振幅倍率の周波数特性を示す図である。
【図５】振動発電装置のバイアス磁界をパラメータとした圧縮応力による磁束密度の変化を示す図である。
【図６】振動発電装置の損失係数を説明するための模式図である。
【図７】振動発電装置の損失係数の違いによる共振倍率の周波数特性を示す図である。
【図８】振動発電装置のマス重量比の違いによる振幅倍率の周波数特性を示す図である。
【図９】振動発電装置の損失係数が０．１のときの共振倍率の周波数特性を示す図である。
【図１０】振幅倍率の極小値が１０倍以上で極大値が４０倍以下となるゴム３０４の損失係数Ｌ１とマス重量比の組み合わせを示す図である。
【図１１】ゴムの損失係数を０．３とした場合の振幅倍率の周波数特性を示す図である。
【図１２】ゴムの損失係数を０．３５とした場合の振幅倍率の周波数特性を示す図である。
【図１３Ａ】本発明の実施の形態の変形例１に係る振動発電装置の構成を示す概略構成図である。
【図１３Ｂ】本発明の実施の形態の変形例２に係る振動発電装置の構成を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００２４】
（振動発電装置の構成）
はじめに、本実施の形態に係る振動発電装置１００の構成について説明する。
【００２５】
図１は、本実施の形態に係る振動発電装置１００の構成を示す概略構成図である。
【００２６】
図１に示すように、振動発電装置１００は、ベースプレート４００と、ベースプレート４００の上に配置されたダイナミックダンパー３００と、ダイナミックダンパー３００の上に配置された磁歪発電ユニット２００とを備えている。
【００２７】
ベースプレート４００は、例えば、アルミ等の金属であり、振動源の上に配置される。
【００２８】
ダイナミックダンパー３００は、磁歪発電ユニット２００に接合されたダンパーウェイト３０２と、本発明の粘弾性部材に相当するゴム３０４とで構成される。ゴム３０４は、上下左右方向に振動が可能であり、ベースプレート４００を介して伝達された振動源の振動をダンパーウェイト３０２に伝達する。ダンパーウェイト３０２は、例えば、鉄、鉛などの密度の高い金属で構成される。
【００２９】
磁歪発電ユニット２００は、本発明の磁歪発電部に相当し、２本の磁歪部２０２と、磁歪部ウェイト２０４と、支持部２０６とを有している。
【００３０】
磁歪部２０２は、本発明の梁部材に相当し、例えば、Ｇａ―Ｆｅ材料で構成された磁歪発電素子と、磁歪発電素子の周囲に巻き回されたコイル（図示せず）と、磁歪発電素子にバイアス磁界をかけるための永久磁石（図示せず）と、回磁用のヨーク（図示せず）とを備えている。２本の磁歪部２０２のそれぞれの一端は支持部２０６に接続され、他端は磁歪部ウェイト２０４に接続されている。したがって、磁歪発電ユニット２００は、２つの磁歪部２０２が互いに平行に配置された平行梁の構成をしている。
【００３１】
支持部２０６は、２本の磁歪部２０２の長辺が、ダンパーウェイト３０２とゴム３０４との接続面に対して略平行になるように、ダンパーウェイト３０２の上に配置されている。
【００３２】
このような構成により、振動源から与えられた上下方向の振動、つまり、ゴム３０４を圧縮する方向の振動が、ベースプレート４００、ゴム３０４、ダンパーウェイト３０２を介して磁歪発電ユニット２００に伝達される。磁歪発電ユニット２００は、上下方向、つまり、平行に配置された２本の磁歪部２０２を含む面方向に振動する。この振動により、磁歪部２０２の一方は伸張し他方は収縮する。したがって、磁歪発電ユニット２００には、磁束密度の変化が生じることになる。これにより、磁歪部２０２に巻き回されたコイルに磁束密度の変化に応じた電流が流れることにより、発電することができる。
【００３３】
なお、振幅方向はＸＹＺ方向のいずれでも可能である。また、磁歪部２０２の特性に合わせたダイナミックダンパー３００であれば、どのような形状であってもよい。また、平行梁を構成する２本の磁歪部２０２は、少なくとも１本が磁歪材料で構成されていればよい。
【００３４】
ここで、振動発電装置１００においてダイナミックダンパー３００および磁歪発電ユニット２００は、それぞれの共振周波数を有する振動体であるため、上記した振動発電装置１００は、以下のようなモデルの振動系として考えることができる。図２は、図１に示した振動発電装置１００の模式図である。
【００３５】
図２に示すように、ダイナミックダンパー３００は、ダイナミックダンパーマス質量Ｍ１と、ゴムばね定数Ｋ１と、ゴム損失係数Ｌ１とを有する１自由度の振動系である。磁歪発電ユニット２００は、磁歪発電ユニットマス質量Ｍ２と、磁歪発電素子ばね定数Ｋ２と、磁歪発電素子損失係数Ｌ２とを有する１自由度の振動系である。また、図２に示すＸ０は振動体の振幅、Ｘ１は２自由度系におけるダイナミックダンパー３００の振幅、Ｘ２は２自由度系における磁歪発電ユニット２００の振幅を示している。
【００３６】
振動発電装置１００は、図２に示すような１自由度の振動系２つを組み合わせた２自由度の振動系モデルとして考えることができる。つまり、ダイナミックダンパー３００で構成される振動系と、磁歪発電ユニット２００で構成される振動系との組み合わせによる２自由度の振動系である。磁歪発電ユニット２００単体の共振を利用した振動発電装置をダイナミックダンパー３００と組み合わせ、２自由度以上の振動の共振周波数を利用することにより、以下のように磁歪発電ユニット２００の振動周波数帯域を拡大して、広い共振周波数帯域の振動を得ることができる。
【００３７】
（振動発電装置における振動の原理）
以下、振動発電装置１００における振動の原理について詳細に説明する。
【００３８】
図３は、図１に示した振動発電装置１００の振動の原理を説明するための模式図である。ここでは、振動体に設置されたベースプレート４００の振動周波数が１００Ｈｚを中心とした周波数帯域に存在する場合の計算例（シミュレーション）について説明する。
【００３９】
図３において、１自由度系の振動系であるダイナミックダンパー３００単体の共振周波数ｆ１および振幅倍率Ａ１は、それぞれ以下の（式１）、（式２）のように表される。
【００４０】
【数１】
2014011843.tif 000003
【数２】
2014011843.tif 000004
【００４１】
ここで、Ｘ’１は、１自由度系におけるダイナミックダンパー３００の振幅を示している。
【００４２】
同様に、１自由度系の振動系である磁歪発電ユニット２００単体の共振周波数ｆ２および振幅倍率Ａ２は、それぞれ以下の（式３）、（式４）のように表される。
【００４３】
【数３】
2014011843.tif 000005
【数４】
2014011843.tif 000006
【００４４】
ここで、Ｘ’２は、１自由度系における磁歪発電ユニット２００の振幅を示している。
【００４５】
また、２自由度系の振動系であるダイナミックダンパー３００および磁歪発電ユニット２００を組み合わせた振動発電装置１００における、磁歪発電ユニット２００の振幅倍率Ａ３は、以下の（式５）のように表される。
【００４６】
【数５】
2014011843.tif 000007
【００４７】
上記したモデルにより、磁歪発電ユニット２００単体、ダイナミックダンパー３００単体、ダイナミックダンパー３００および磁歪発電ユニット２００を組み合わせた振動発電装置１００のそれぞれの振幅倍率の周波数特性は、以下のように求めることができる。以下、各振幅倍率の周波数特性の計算（シミュレーション）結果について説明する。
【００４８】
図４は、シミュレーションにより得られた振幅倍率の周波数特性を示す図である。
【００４９】
ダイナミックダンパー３００と磁歪発電ユニット２００とを組み合わせた振動発電装置１００の振幅倍率、ダイナミックダンパー３００単体の振幅倍率、および、磁歪発電ユニット２００単体での振幅倍率のそれぞれの周波数特性を下記に示す。なお、本計算では、以下のパラメータを使用している。
【００５０】
【表１】
2014011843.tif 000008
【００５１】
図４に示すように、磁歪発電ユニット２００単体の振幅倍率Ａ１は、共振周波数１００Ｈｚの付近で振幅倍率のピークが見られ、周波数帯域は９０〜１１０Ｈｚ程度である。また、ダイナミックダンパー３００単体の振幅倍率Ａ２は、共振周波数１００Ｈｚの付近で振幅倍率のピークが見られるが、磁歪発電ユニット２００単体の振幅倍率Ａ１に比較するとピーキーさが大幅に小さくなっている。また、振動発電装置１００の振幅倍率Ａ３は、共振周波数９０〜１１５Ｈｚの付近でほぼ一定の値を示している。
【００５２】
本計算例では、図４に示すように、磁歪発電ユニット２００とダイナミックダンパー３００とを組み合わせた振動発電装置１００の振幅倍率の周波数特性は、磁歪発電ユニット２００単体の振幅倍率の周波数特性に比較して、振幅倍率が高い領域の周波数帯域が大幅に広くなっている。よって、磁歪発電ユニット２００とダイナミックダンパー３００とを組み合わせた振動発電装置１００では、磁歪発電ユニット２００に広い周波数帯域で応力変動を与えることが可能となり、広い周波数帯域での発電が可能となる。
【００５３】
また、磁歪発電ユニット２００の磁歪部２０２は、振幅倍率のピーク値が降伏応力を超えないように、かつ、発電させるために必要な一定の範囲の大きさの応力が一定の共振周波数帯域の範囲になる様に設計をする必要がある。ここで、降伏応力とは、磁歪部２０２の形状が復元できなかったり破壊したりする応力のことをいう。すなわち、磁歪発電ユニット２００単体での使用の場合はピーク周波数から少しでも振動体の共振周波数がずれると振幅倍率が大きく低下し、ひいては磁歪部にかかる応力変動も大きく低下してしまうことで発電量も大きく低下してしまうこととなる。
【００５４】
しかし、図４に示すように、磁歪発電ユニット２００にダイナミックダンパー３００を組み合わせることで、磁歪発電ユニット２００単体の場合よりも振幅倍率の周波数特性におけるピーキーさが大幅に軽減されることとなる。また、磁歪発電ユニット２００の共振周波数が振幅倍率のピーク周波数から多少ずれても振幅倍率が大きく低下することは無いので、振動体の振動周波数がある程度の範囲で変動する場合であっても、振動発電装置１００によって発電することが可能である。
【００５５】
具体的には、図４において、振幅倍率が１０倍未満の場合は、振幅自体が小さいことから発電量が低く、発電に適していない領域を示している。また、振幅倍率が１０倍以上２０倍以下の場合は、応力変動に対する磁束密度の変化を大きく設定できるので、発電効率が好ましい領域を示している。また、振幅倍率が２０倍より大きく４０倍以下の場合は、振幅倍率の増加に対し発電量はあまり増加せず、振幅倍率が増加するにつれて発電効率が低下する領域を示している。また、振幅倍率が４０より大きい場合は、磁歪部（梁部材）が破壊する領域である。ここで、振幅倍率２０倍とは、圧縮応力１００ＭＰａ、共振倍率４０倍とは、圧縮応力２００ＭＰａである。
【００５６】
以上より、ダイナミックダンパー３００と磁歪発電ユニット２００とを組み合わせた振動発電装置１００の効果としては、振幅倍率が高い周波数領域が広いこと、および、振幅倍率の周波数特性がピーキーさを持たないことが挙げられる。
【００５７】
次に、振動発電装置１００における応力に対する磁束密度の変化の関係について説明する。
【００５８】
図５は、振動発電装置１００のバイアス磁界をパラメータとした圧縮応力による磁束密度の変化を示す図である。図５では、バイアス磁界が７．８、１５．６、２３．４、３１．２、３９ｋＡ／ｍの場合の磁束密度の減少値をそれぞれ示している。
【００５９】
磁歪発電ユニット２００を利用して効率よく発電を行うためには、磁歪発電ユニット２００の磁歪部２０２に与えられる振動により生じる応力に対して、磁歪部２０２で生じる磁束密度の変化が大きいことが好ましい。ただし、磁歪部２０２の形状が復元できなかったり破壊したりする応力（降伏応力）より大きい応力が生じることは好ましくない。
【００６０】
図５において、破線で囲んだ部分は、応力の変化に対して磁束密度の変化が大きく、磁歪発電を行うのに好ましい応力範囲を示している。例えば、バイアス磁界が１５．６ｋＡ／ｍの場合、好ましい応力範囲は、５０Ｍｐａ程度から１００Ｍｐａ程度である。磁歪部２０２に与えられる応力が５０Ｍｐａより小さい場合は、応力の変化に対して磁束密度の変化が小さいので発電量も小さく、磁歪部２０２に与えられる応力が１００Ｍｐａより大きい場合は、応力の変化に対して磁束密度の変化が小さくなってくるので、発電量を増やすことができなくなってくる。したがって、磁歪発電を行うのに好ましい応力の最小値（５０Ｍｐａ）から、この最小値を２倍した値（１００Ｍｐａ）の応力の範囲で磁歪発電を行うことで、効率よく発電することができる。
【００６１】
なお、バイアス磁界の値が１５．６ｋＡ／ｍである場合に限らず、バイアス磁界の値が他の値である場合にも、図５に示すように、磁歪発電を行うのに好ましい応力の最小値から、この最小値を２倍した値の応力範囲で磁歪発電を行うことで、効率よく発電することができる。
【００６２】
（振動発電装置の設計方法）
次に、振動発電装置１００の設計方法について説明する。ここでは、各パラメータの決定方法と、決定されたパラメータによる振動発電装置１００の特性について示す。
【００６３】
振動発電装置の設計方法は、平行梁を構成する磁歪部２０２の共振周波数ｆ２を取得し、磁歪部２０２の共振周波数ｆ２に合わせて、ダイナミックダンパー３００の共振周波数ｆ１を決定する。例えば、磁歪部２０２の共振周波数ｆ２がｆ２＝１００Ｈｚの場合には、ダイナミックダンパー３００の共振周波数ｆ１はｆ１＝１００Ｈｚに決定する。
【００６４】
次に、ダイナミックダンパー３００の共振周波数ｆ１に応じて、ダイナミックダンパー３００の振幅倍率Ａ１を決定し、続けて、ダイナミックダンパー３００の振幅倍率Ａ１に応じて、ダンパーウェイト３０２の重さＭ１、および、ゴム３０４の損失係数Ｌ１を決定する。ここで、ダンパーウェイト３０２の重さＭ１、および、ゴム３０４の損失係数Ｌ１は、どちらを先に決定してもよい。
【００６５】
はじめに、振動発電装置１００における振幅倍率Ａ３の損失係数について、ｆ１＝ｆ２＝１００Ｈｚの場合を例として説明する。
【００６６】
ここで、ゴム３０４の損失係数について説明する。図６は、振動発電装置の損失係数を説明するための模式図である。図６においては、ゴム３０４の損失係数を説明するためにダイナミックダンパー３００単体を自由振動モデルで模式的に示している。
【００６７】
図６に示すように、ダイナミックダンパー３００が共振するときの振幅倍率をＡ１ｍａｘとすると、ゴム３０４の損失係数Ｌ１は以下の（式６）のように近似される。
【００６８】
【数６】
2014011843.tif 000009
【００６９】
以下、ダイナミックダンパー３００のゴム３０４の損失係数Ｌ１の決定について説明する。
【００７０】
図７は、振動発電装置１００の損失係数の違いによる振幅倍率の周波数特性を示す図である。
【００７１】
ダイナミックダンパー３００に配置されたゴム３０４の損失係数Ｌ１により、ベースプレート４００からゴム３０４に伝達された振動による、磁歪発電ユニット２００の共振倍率は異なるものとなる。
【００７２】
図７に示すように、ゴム３０４の損失係数Ｌ１が０．１のときには、磁歪発電ユニット２００の共振倍率は、共振周波数８０Ｈｚおよび１２０Ｈｚの付近に２つの極大値を有し、共振周波数１００Ｈｚの付近に１つの極小値を有する。共振倍率の２つの極大値は４０倍および４５倍程度であり、極小値は２５倍程度である。
【００７３】
また、ゴム３０４の損失係数Ｌ１が０．２のときには、磁歪発電ユニット２００の共振倍率は、共振周波数８０Ｈｚおよび１２０Ｈｚの付近に２つの極大値を有し、共振周波数１００Ｈｚの付近に１つの極小値を有する。共振倍率の２つの極大値は２５倍および２７倍程度であり、極小値は２３倍程度である。したがって、ゴム３０４の損失係数Ｌ１が０．１のときよりも、極大値と極小値の差が小さく、８０Ｈｚから１２０Ｈｚの周波数帯域において共振倍率がフラットになっている。
【００７４】
また、ゴム３０４の損失係数Ｌ１が０．３のときには、磁歪発電ユニット２００の共振倍率は、上記した損失係数Ｌ１が０．１、０．２のときのように、共振周波数８０Ｈｚおよび１２０Ｈｚの付近において２つの極大値は見られず、共振周波数１００Ｈｚの付近の共振倍率は、損失係数Ｌ１が０．１、０．２のときとほぼ同様の値となっている。
【００７５】
したがって、ゴム３０４の損失係数Ｌ１を上げることで、磁歪発電ユニット２００の共振倍率のピーク値（極大値）を下げることができ、かつ、共振倍率が１０倍以上となる周波数領域を広げることができる。また、損失係数Ｌ１が０．２以上あれば共振倍率のピーク値が４０倍（圧縮応力２００ＭＰａ）を超えない様になるため、磁歪発電ユニットの降伏応力以下とすることができ、期待できる特性が得られる。したがって、ゴム（粘弾性部材）３０４の損失係数Ｌ１は、０．２以上かつ０．３以下であることが好ましい。
【００７６】
以上より、ゴム３０４の損失係数Ｌ１の決定は、例えば、図７において所望の振幅倍率を決定し、決定した振幅倍率を達成することができる損失係数Ｌ１を決定する。また、ゴム３０４の損失係数Ｌ１は、０．２以上かつ０．３以下の範囲で決定するのが好ましい。なお、振幅倍率の決定は、図７において所望の共振周波数の帯域を決定し、決定した共振周波数の帯域を達成することができる振幅倍率を決定してもよい。
【００７７】
次に、磁歪発電ユニット２００のマス重量に対するダイナミックダンパー３００のマス重量の重量比（以下、「マス重量比」という。）について説明する。ここでは、ダイナミックダンパー３００のマス重量はダンパーウェイト３０２の重さＭ１、磁歪発電ユニット２００のマス重量は磁歪部ウェイト２０４の重さＭ２に近似して説明する。
【００７８】
図８は、振動発電装置１００のマス重量比の違いによる振幅倍率（共振倍率）の周波数特性を示す図である。
【００７９】
図８に示すように、マス重量比が１０のときには、磁歪発電ユニット２００の振幅倍率は、共振周波数８０Ｈｚおよび１２０Ｈｚの付近に２つの極大値を有し、共振周波数１００Ｈｚの付近に１つの極小値を有する。振幅倍率の２つの極大値は１４倍および１６倍程度であり、極小値は１０倍程度である。
【００８０】
また、マス重量比が２５のときには、磁歪発電ユニット２００の振幅倍率は、共振周波数９０Ｈｚおよび１１０Ｈｚの付近に２つの極大値を有し、共振周波数１００Ｈｚの付近に１つの極小値を有する。振幅倍率の２つの極大値は２５倍および２７倍程度であり、極小値は２３倍程度であり、マス重量比が１０倍のときに比べて振幅倍率が高くなっている。
【００８１】
また、マス重量比が５０のときには、磁歪発電ユニット２００の振幅倍率は、２つの極大値は見られず、共振周波数１００Ｈｚの付近に１つの極大値が見られる。このときの振幅倍率は４３倍程度であり、マス重量比が１０、２５のときよりも大きくなっている。つまり、マス重量比を上げると共振倍率が上がっていくことがわかる。
【００８２】
したがって、ゴム３０４の損失係数Ｌ１を上げることで、磁歪発電ユニット２００の共振倍率のピーク値（極大値）を下げることができ、かつ、共振倍率が１０倍以上２０倍以下（圧縮応力５０〜１００ＭＰａ）となる周波数領域を広げることができる。また、マス重量比が５０のときは共振倍率のピーク値が４０倍（圧縮応力２００ＭＰａ）を超えて磁歪発電ユニット２００の降伏応力以上となるので、好ましくない。
【００８３】
よって、ゴム（粘弾性部材）３０４の損失係数は、０．２以上かつ０．３以下であることが好ましい。
【００８４】
次に、降伏点共振倍率との関係からダンパーウェイト３０２の重さＭ１および磁歪発電ユニット２００の磁歪部ウェイト２０４の重さＭ２について説明する。
【００８５】
図９は、上記した図７における、振動発電装置１００の損失係数が０．１のときの共振倍率の周波数特性を示す図である。
【００８６】
ダイナミックダンパー３００の損失係数、および、マス重量比は、図９に示す共振倍率の極大値が磁歪発電ユニット２００の降伏応力に相当する共振倍率４０倍（圧縮応力２００ＭＰａ）を超えないように、かつ、極小値が磁歪発電ユニット２００において発電寄与の高い共振倍率１０倍以上２０倍以下（圧縮応力５０〜１００ＭＰａ）となるように設定することが好ましい。つまり、平行梁を構成する磁歪部２０２が降伏する振幅倍率の１／４以上かつ１／２以下となる範囲に設定することが好ましい。
【００８７】
このことから、ダンパーウェイト３０２は、振動体（ベースプレート４００）に対する磁歪発電ユニット２００の磁歪部（平行梁）２０２の振幅倍率が、当該平行梁を構成する磁歪部２０２が降伏する振幅倍率の１／４以上かつ１／２以下となる重さを有することが好ましい。
【００８８】
以上より、ダンパーウェイト３０２の重さＭ１の決定は、はじめに、例えば図８において所望の振幅倍率を決定し、決定した振幅倍率を達成することができるマス重量比を決定する。そして、磁歪部ウェイト２０４の重さＭ２が既知の場合には、マス重量比と磁歪部ウェイト２０４の重さＭ２とからダンパーウェイト３０２の重さＭ１を決定する。また、磁歪部ウェイト２０４の重さＭ２が未知の場合には、決定した振幅倍率を達成することができるマス重量比を満たすように磁歪部ウェイト２０４の重さＭ２とダンパーウェイト３０２の重さＭ１を決定する。
【００８９】
また、ダンパーウェイト３０２は、振動体（ベースプレート４００）に対する磁歪発電ユニット２００の磁歪部（平行梁）２０２の振幅倍率が、当該平行梁が降伏する振幅倍率の１／４以上かつ１／２以下となる重さを有することが好ましい。なお、振幅倍率の決定は、図８において所望の共振周波数の帯域を決定し、決定した共振周波数の帯域を達成することができる振幅倍率を決定してもよい。
【００９０】
なお、ダンパーウェイト３０２の重さＭ１、および、上記したゴム３０４の損失係数Ｌ１は、どちらを先に決定してもよい。
【００９１】
ここで、図７に示したゴム３０４の損失係数Ｌ１の周波数特性、および、図８に示したマス重量比の周波数特性をより詳細に算出し、上記したゴム３０４の損失係数Ｌ１とマス重量比の最適値を検討する。
【００９２】
図１０は、振幅倍率の極小値が１０倍以上で極大値が４０倍以下となるゴム３０４の損失係数Ｌ１とマス重量比の組み合わせを示す図である。
【００９３】
上記したように、ゴム３０４の損失係数Ｌ１を上げることで、振幅倍率が１０倍以上２０倍以下となる周波数領域において、共振倍率の極小値をあまり変化させることなくかつ共振倍率のピーク値を下げることが可能となる。また、ゴム３０４の損失係数Ｌ１が０．２以上あれば期待できる特性（ピーク値が４０倍（圧縮応力２００ＭＰａ）を超えない）が得られる。一方で、通常の防振ゴムで使われるゴムの損失係数の上限は０．４程度であるが、一般的に損失係数が０．３以上になるとゴムの耐久性は悪くなるので、ゴム３０４の損失係数Ｌ１は０．２以上０．３以下が好ましい。なお、図１０に示したように、損失係数Ｌ１が０．３５のときであっても良好な結果が得られていることから、損失係数Ｌ１は０．２以上０．３以下に限られるものではない。
【００９４】
また、図１０に示すように、マス重量比は、２５倍以上４０倍以下が好ましい。したがって、磁歪部ウェイト２０４の重さＭ２およびダイナミックダンパー３００の重さＭ１を、重量比が２５倍以上４０倍以下となるように設定することが好ましい。
【００９５】
以上の点から、図１０において破線で囲んだ領域が、ダイナミックダンパー３００の損失係数およびマス重量比の最適値を示す領域である。
【００９６】
以下、上記図１０に示した損失係数Ｌ１およびマス重量比が適当であるか確認するため、ゴム３０４の損失係数Ｌ１を０．３、０．３５とした場合の振幅倍率の周波数特性について計算を行った結果を示す。
【００９７】
図１１は、ゴム３０４の損失係数Ｌ１を０．３とした場合の振幅倍率（共振倍率）の周波数特性を示す図である。図１１は、重量比５、１０、２５、４０、５０についての周波数特性を示している。
【００９８】
図１１に示すように、ゴム３０４の損失係数Ｌ１を０．３とした場合、マス重量比が小さいときに周波数帯域が広くなっている。また、マス重量比が大きくなると、振幅倍率は大きくなるものの、周波数帯域が狭くなっていることがわかる。
【００９９】
ここで、振動発電に適した振幅倍率は、上記したように破壊を防止するために振幅倍率のピーク値が降伏応力に相当する振幅倍率４０倍を超えないように、かつ、発電させために必要な応力がかかる振幅倍率１０倍以上となるように設定することが望ましいが、図１１ではマス重量比２５倍、４０倍においてこの要件を満たしているといえる。
【０１００】
また、図１２は、ゴム３０４の損失係数Ｌ１を０．３５とした場合の振幅倍率の周波数特性を示す図である。図１２は、マス重量比５、１０、２５、４０、５０についての振幅倍率の周波数特性を計算した結果である。
【０１０１】
図１２に示すように、上記したゴム３０４の損失係数が０．３のときと同様、ゴム３０４の損失係数Ｌ１が０．３５の場合も、マス重量比が小さいときに周波数帯域が広くなっている。また、マス重量比が大きくなると、振幅倍率は大きくなるものの、周波数帯域が狭くなっていることがわかる。
【０１０２】
また、振動発電に適した振幅倍率は、上記したように破壊を防止するために振幅倍率のピーク値が降伏応力に相当する振幅倍率４０倍を超えないように、かつ、発電させるために必要な応力がかかる振幅倍率１０倍以上となるように設定することが望ましいが、図１２では重量比２５倍、４０倍においてこの要件を満たしているといえる。
【０１０３】
より具体的な例として、４気筒車に搭載する磁歪発電装置１００について説明する。４気筒車に搭載する磁歪発電装置１００としては、ゴム３０４の損失係数０．２、マス重量比２５倍のものが適切なものになる。
【０１０４】
４気筒車における爆発一時振動では、磁歪発電装置１００にダイナミックダンパー３００を設けていない場合、発電可能な振動周波数帯域をエンジンの回転数の帯域に換算すると２８５０から３１５０ｒｐｍの間（この間３００ｒｐｍ）しか効率よく発電することができない。これに対して、ゴム３０４の損失係数Ｌ１が０．２、マス重量比が２５倍のダイナミックダンパー３００と組み合わせると、２５５０ｒｐｍ〜３４５０ｒｐｍの間（この間９００ｒｐｍ）効率よく発電することができる。よって、走行中のエンジンの常用回転数の帯域において、広範囲の帯域で発電可能となる。
【０１０５】
ただし、磁歪部２０２の共振周波数、発電に寄与しやすい振幅倍率（発電に寄与しやすい応力）、降伏点共振倍率（降伏点応力）等の特性に応じてダイナミックダンパー３００のゴム３０４の損失係数Ｌ１、ダンパーウェイト３０２の重さＭ１等の特性を決定することは必要である。
【０１０６】
以上、本実施の形態によると、振動発電装置は、磁歪部（発電素子）の共振を利用した磁歪発電ユニットをダイナミックダンパーと組み合わせ、２自由度以上の振動の共振周波数を利用することにより、広い共振周波数帯域の振動に対して効率よく発電することができる。
【０１０７】
また、磁歪発電ユニットとダイナミックダンパーとを組み合わせることによって、強度の低い磁歪発電ユニットの破壊を防止するために磁歪発電ユニットの降伏応力を超えないようにしつつ、広い周波数帯域での発電が可能である。
【０１０８】
（変形例１）
次に、実施の形態の変形例１について説明する。
【０１０９】
図１３Ａは、本変形例に係る振動発電装置の構成を示す概略構成図である。
【０１１０】
図１３Ａに示すように、本変形例に係る振動発電装置１００Ａでは、磁歪発電ユニット２００（図１参照）における２本の磁歪部２０２の長辺が、ダンパーウェイト３０２とゴム３０４との接続面に対して略垂直になるように、ダンパーウェイト３０２の上に配置されている。
【０１１１】
このような構成により、振動源から与えられた左右方向の振動、つまり、ゴム３０４のせん断方向の振動が、ベースプレート４００、ゴム３０４、ダンパーウェイト３０２を介して磁歪発電ユニット２００に伝達される。磁歪発電ユニット２００は、左右方向、つまり、平行に配置された２本の磁歪部２０２を含む面方向に振動する。この振動により、磁歪部２０２の一方は伸張し他方は収縮する。したがって、磁歪発電ユニット２００には、磁束密度の変化が生じることになる。これにより、磁歪部２０２に巻きまわされたコイル（図示せず）に磁束密度の変化に応じた電流が流れることにより、発電することができる。
【０１１２】
（変形例２）
次に、実施の形態の変形例２について説明する。
【０１１３】
図１３Ｂは、本変形例に係る振動発電装置の構成を示す概略構成図である。
【０１１４】
図１３Ｂに示すように、本変形例に係る振動発電装置１００Ｂでは、コの字形状に形成されたベースプレート４００Ｂの対向する面の間にダンパーウェイト３０２が配置され、ダンパーウェイト３０２の対向する２つの面にそれぞれ設けられたゴム３０４Ｂは、各面に対向するベースプレート４００Ｂの２つの面にそれぞれ接続されている。また、磁歪発電ユニット２００（図１参照）の２本の磁歪部２０２のそれぞれの一端は支持部２０６に接続されている。支持部２０６は、２本の磁歪部２０２の長辺が、ダンパーウェイト３０２とゴム３０４との接続面に対して略垂直になるように、ダンパーウェイト３０２の上に配置されている。
【０１１５】
このような構成により、振動源から与えられた上下方向の振動、つまり、ゴム３０４Ｂのせん断方向の振動が、ベースプレート４００Ｂ、ゴム３０４Ｂ、ダンパーウェイト３０２を介して磁歪発電ユニット２００に伝達される。磁歪発電ユニット２００は、上下方向、つまり、平行に配置された２本の磁歪部２０２を含む面方向に振動する。この振動により、磁歪部２０２の一方は伸張し他方は収縮する。したがって、磁歪発電ユニット２００には、磁束密度の変化が生じることになる。これにより、磁歪部２０２に巻き回されたコイル（図示せず）に磁束密度の変化に応じた電流が流れることにより、発電することができる。
【０１１６】
以上、本発明によると、発電素子の共振を利用した振動発電装置をダイナミックダンパーと組み合わせ、２自由度以上の振動の共振周波数を利用することにより、広い共振周波数帯域の振動に対して効率よく発電することができる。
【０１１７】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。
【０１１８】
例えば、磁歪発電ユニット２００およびダイナミックダンパー３００を組み合わせた構成は、上記した実施の形態、変形例１、変形例２に示したものに限らず、その他の構成であってもよい。また、振動方向はＸＹＺ方向のいずれであってもよい。また、磁歪発電ユニットの特性に合わせたダイナミックダンパーであれば、どのような形状であってもよい。
【０１１９】
また、ダイナミックダンパーを構成する粘弾性部材はゴムに限らずその他の材料で構成されてもよい。また、ダンパーウェイトは鉄、鉛に限らず、その他の密度の高い金属で構成されてもよい。
【０１２０】
また、本発明に係る振動発電装置には、上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る振動発電装置を備えた各種機器等、例えば、エンジン、ＥＶモーター、車速変動によって振動が変動する振動体等も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明は、変動する振動体に取り付けられる振動発電装置に適用できる。特に、エンジン、ＥＶモーター、車速変動によって振動が変動する振動体に適用できる。
【符号の説明】
【０１２２】
１００、１００Ａ、１００Ｂ  振動発電装置
２００  磁歪発電ユニット
２０２  磁歪部（梁部材）
２０４  磁歪部ウェイト
２０６  支持部
３００  ダイナミックダンパー
３０２  ダンパーウェイト
３０４、３０４Ｂ  ゴム（粘弾性部材）
４００、４００Ｂ  ベースプレート
【図１】
2014011843.tif 000010
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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