(57)【要約】  入力される振動の周波数域や方向が多様な状況下でも効率的且つ安定した発電を実現し得る、新規な構造の振動発電装置を提供する。  互いに固有振動数が異なる第１の振動系３２と第２の振動系３４を直列的に配して多自由度振動系を構成する一方、中空構造の第１のマス部材６６の収容空所６８内に第２の振動系３４を収容配置して、第１のマス部材６６から突設された支持部４２によって第２の振動系３４の板ばね５０の基端側を第１のマス部材３８の周壁部７２よりも収容空所６８内方に位置して支持せしめ、板ばね５０に発電素子１６を装着すると共に、板ばね５０の先端側に第２のマス部材４８を設けた。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動部材に取り付けられて該振動部材の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子を備えた振動発電装置であって、
第１のマス部材が第１のばね部材によって弾性支持される第１の振動系と、第２のマス部材が第２のばね部材によって該第１のマス部材に弾性連結された第２の振動系とを含んで構成された多自由度振動系を備えていると共に、
前記発電素子が前記第１のマス部材と前記第２のマス部材の間に配設されて、前記振動部材から該第１のマス部材に及ぼされた振動が該第２のマス部材に伝達されてそれら第１のマス部材と第２のマス部材が相対変位することにより該振動部材の振動エネルギーが該発電素子に入力されるようになっており、更に、
前記第１の振動系の固有振動数と前記第２の振動系の固有振動数が異ならされている一方、
該第１のマス部材が内部に収容空所を備える中空構造とされており、該収容空所内に該第２の振動系が収容配置されていると共に、
該第２の振動系における該第２のばね部材が板ばねで形成されて該板ばねに該発電素子が装着されており、該板ばねの一端側が、該第１のマス部材において該収容空所内に突設された支持部に取り付けられることにより該第１のマス部材の周壁部よりも該収容空所内方に位置して支持せしめられている一方、該板ばねの他端側に該第２のマス部材が取り付けられていることを特徴とする振動発電装置。
【請求項２】
前記第１のマス部材の重心が、前記収容空所内に設定されている請求項１に記載の振動発電装置。
【請求項３】
前記第２の振動系の固有振動数が、前記第１の振動系の固有振動数に対して低周波数に設定されている請求項１又は２に記載の振動発電装置。
【請求項４】
前記第１の振動系の固有振動数が、前記第２の振動系の電気的な反共振周波数よりも高周波数に設定されている請求項１〜３の何れか一項に記載の振動発電装置。
【請求項５】
前記第１の振動系の固有振動数が、前記第２の振動系の固有振動数の√２倍以下とされている請求項１〜４の何れか一項に記載の振動発電装置。
【請求項６】
前記第２の振動系の共振応答倍率が前記第１の振動系の共振応答倍率よりも大きくされていると共に、該第１のマス部材の質量と該第１の振動系の共振応答倍率の積が、該第２のマス部材の質量と該第２の振動系の共振応答倍率の積よりも大きくされている請求項１〜５の何れか一項に記載の振動発電装置。
【請求項７】
前記第２のマス部材の前記第１のマス部材に対する相対変位量を制限するストッパ手段が設けられている請求項１〜６の何れか一項に記載の振動発電装置。
【請求項８】
前記第１のばね部材がゴム弾性体で形成されている請求項１〜７の何れか一項に記載の振動発電装置。
【請求項９】
前記振動部材において、互いに異なる周波数域で振動レベルが最大になる複数種類の振動が前記多自由度振動系に対して及ぼされる部位に装着される請求項１〜８の何れか一項に記載の振動発電装置。
【請求項１０】
前記第１のマス部材の質量が、前記振動部材の等価マス質量の１０％以上とされている請求項１〜９の何れか一項に記載の振動発電装置。
【請求項１１】
前記発電素子の出力状態を外部へ送信する送信器が設けられている請求項１〜１０の何れか一項に記載の振動発電装置。
【請求項１２】
前記送信器として無線送信装置を備えており、前記発電素子への振動エネルギーの入力によって得られた電力を利用して該無線送信装置が作動せしめられて該発電素子の出力状態が外部へ無線送信されるようになっている請求項１１に記載の振動発電装置。
【請求項１３】
センサ素子を備えたセンサ装置において、請求項１〜１２の何れか一項に記載の振動発電装置が設けられて、該振動発電装置で得られた電力が自給電されるようになっていることを特徴とするセンサ装置。
【請求項１４】
前記センサ素子によるセンシングの作動用電源として、前記振動発電装置が用いられている請求項１３に記載のセンサ装置。
【請求項１５】
前記センサ素子による検出信号を送信する無線送信装置を備えており、該無線送信装置の作動用電源として、前記振動発電装置が用いられている請求項１３又は１４に記載のセンサ装置。
【請求項１６】
前記センサ素子による検出信号を加工処理する信号処理装置を備えており、該信号処理装置の作動用電源として、前記振動発電装置が用いられている請求項１３〜１５の何れか一項に記載のセンサ装置。
【請求項１７】
前記センサ素子が前記発電素子によって構成されている請求項１３〜１６の何れか一項に記載のセンサ装置。
【請求項１８】
前記振動発電装置の発電状況に応じて警報を発する警告装置を備えている請求項１３〜１７の何れか一項に記載のセンサ装置。
【請求項１９】
車両の端部を構成する車両部材に設けられて給電によって発光する発光体を備える車両用発光装置において、請求項１〜１２の何れか一項に記載の振動発電装置が設けられて、該振動発電装置で得られた電力が自給電されるようになっていることを特徴とする車両用発光装置。
【請求項２０】
前記車両部材が前記車両としての自動車の端部を構成する自動車用部材とされていると共に、前記発光体が、コーナーポールと、ドアミラー用ライトと、バンパー用ライトとの少なくとも一つとされている請求項１９に記載の車両用発光装置。
【請求項２１】
前記車両用部材が前記車両としての二輪車の端部を構成する二輪車用部材とされていると共に、前記発光体が、ハンドルのエンドキャップ用ライトと、シート後方のリアポジションライトと、フロントフォークのフロントポジションライトと、ミラー用ライトとの少なくとも一つとされている請求項１９に記載の車両用発光装置。
【請求項２２】
前記振動部材が前記車両のメインフレームに取り付けられる別部品とされている請求項１９〜２１の何れか一項に記載の車両用発光装置。
【請求項２３】
建築物の歩行領域を照明するための発光体を備えた建築物用発光装置において、請求項１〜１２の何れか一項に記載の振動発電装置が設けられて、該建築物の該歩行領域の床材に対して前記第１のマス部材が前記第１のばね部材によって弾性支持されることで前記第１の振動系によって制振装置が構成されていると共に、該振動発電装置で得られた電力が自給電されるようになっていることを特徴とする建築物用発光装置。
【請求項２４】
前記建築物の歩行領域が階段と廊下の少なくとも一方に設定されている請求項２３に記載の建築物用発光装置。
【請求項２５】
前記建築物の歩行領域における複数のエリア毎に独立して、前記多自由度振動系に設けた前記発電素子によって得られた電力で前記発光体を発光せしめる電気回路が設けられる請求項２３又は２４に記載の建築物用発光装置。
【請求項２６】
音響装置を備えており、前記発電素子への振動エネルギーの入力によって得られた電力で該音響装置が鳴動されるようになっている請求項２３〜２５の何れか一項に記載の建築物用発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動部材の振動エネルギーを発電素子によって電気エネルギーに変換する振動発電装置、及びそれを利用したセンサ装置や車両用発光装置、建築物用発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、各種物理量を検出するセンサ装置や車両用発光装置、建築物用発光装置などの機器では、作動に必要とされる電力をバッテリーや商用電源などの外部電源から給電線を通じて供給する必要があった。【０００３】
因みに、センサ装置としては、特開２０１３−１４７１６１号公報（特許文献１）に開示されたシート用圧力センサ等があり、例えば自動車では各種の力学的センサや電磁的センサ、温度センサ、光学的センサ、化学センサなどセンサの装着数が１００を越えることも少なくない。また、車両用発光装置としては、特開２００５−６７３６５号公報（特許文献２）や特開平８−１０４１７０号公報（特許文献３）に開示されたコーナーポールやサイドミラー用ライト等があり、特に車両の端部を構成する部材に装着されるものも多くある。更にまた、建築物用発光装置としては、特許第４２９０６９０号公報（特許文献４）に開示されているように、住宅の階段を照明する発光装置などがある。【０００４】
ところが、例えば自動車のセンサ装置や発光装置において、バッテリーから給電線を配すると、センサ装置の数が多いことや、発光装置が車体端部付近に多く装着されていることなどもあり、給電線の総延長が多大となって重量増につながり、燃費や走行性能への悪影響も避け難い。また、建築物用発光装置では、一般に商用電源で発光することから、停電の際に役に立たず、特に災害時には非難通路となる階段や廊下が照明されずに安全が確保され難いという問題があった。【０００５】
なお、ボタン電池のような小型内蔵電池を利用したり、太陽光パネルによる発電装置を利用する他、特開２００９−２５４１６３号公報（特許文献５）に開示されている回転式発電装置を利用したり、上記特許文献４に記載のように歩行者の体重作用に伴う可撓性の踏板の変形を圧電素子に及ぼして発電することも考えられる。【０００６】
しかしながら、小型内蔵電池は頻繁な交換作業が必要となりメンテナンスが面倒になる問題があるし、太陽光パネルは蓄電池や制御装置を伴う設備が大掛かりとなり損傷リスクも大きいという問題がある。また、特許文献５に記載の回転式発電装置は、そもそも内燃機関のコネクティングロッド等の高速回転部分に限定されることから用途が狭く、利用が難しいという問題がある。更にまた、特許文献４に記載の踏板利用の発電装置は、建築物の歩行領域に限定されることに加えて、歩行領域の踏面が可撓性になってしまい、歩行感覚に違和感を及ぼすだけでなく、デザインの自由度も大幅に制限されて建築物の意匠に悪影響を及ぼすという問題があった。【０００７】
そこで、昨今の省エネルギーへの高度な要求にも対応するために、特開２０１１−１５２００４号公報（特許文献６）では、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置が提案されている。しかしながら、特許文献６に記載の発電装置では、振動圧電体が、マス部材をばね部材で弾性支持した１自由度の振動系であることから、かかる振動系の固有振動数を外れた周波数の振動入力に対しては、ばね部材の充分な変形が生じ得ずに、電力を有効に得られないおそれがあった。【０００８】
一方、国際公開第２０１２／１３７６９５号（特許文献７）には、振動部材の上方に配されて水平方向に広がるベース部材をバネで弾性支持すると共に、このベース部材上で水平方向に延びて上下方向に屈曲振動可能な発電素子を、当該ベース部材で支持せしめた振動発電装置が開示されている。また、国際公開第２０１３／０２４８４８号（特許文献８）には、振動体に取り付けられる保持枠に対して矩形枠形の支持枠を弾性支持せしめると共に、該支持枠の周壁から枠内に向かって突出する振動板に対して発電素子を装着した振動発電装置が開示されている。このような振動発電装置を採用することにより、外部からの給電を軽減又は不要とすることが可能になる。【０００９】
ところが、これら特許文献７，８に開示された何れの振動発電装置も、振動入力に際して、目的とする発電が、未だ安定して効率的には行われ難いという問題があった。【００１０】
かかる問題について本発明者が多くの検討と実験を重ねたところ、振動入力に伴って発電素子に生ぜしめられる変形状態が安定しがたいという新たな課題を見出した。即ち、発電素子や圧電素子において発電に寄与する振動方向は特定されるのに対して、振動部材に弾性支持されたベース部材や保持枠の振動方向は特定され難い。それ故、外部からの振動入力によってベース部材や保持枠が、発電に寄与しない方向に振動すると、発電素子や圧電素子に対して揺動（ピッチング）やねじれ、こじれなどの多様な振動変形が発生することとなり、その振動変形が不安定になってしまって目的とする発電効果を安定して得難いという問題もあったのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１３−１４７１６１号公報
【特許文献２】特開２００５−６７３６５号公報
【特許文献３】特開平８−１０４１７０号公報
【特許文献４】特許第４２９０６９０号公報
【特許文献５】特開２００９−２５４１６３号公報
【特許文献６】特開２０１１−１５２００４号公報
【特許文献７】国際公開第２０１２／１３７６９５号
【特許文献８】国際公開第２０１３／０２４８４８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上述の事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、広い周波数域の振動入力に対して高効率な発電を安定して実現し得る、新規な構造の振動発電装置、及びそれを利用したセンサ装置や車両用発光装置、建築物用発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
すなわち、振動発電装置に関する本発明の第１の態様は、振動部材に取り付けられて該振動部材の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子を備えた振動発電装置であって、第１のマス部材が第１のばね部材によって弾性支持される第１の振動系と、第２のマス部材が第２のばね部材によって該第１のマス部材に弾性連結された第２の振動系とを含んで構成された多自由度振動系を備えていると共に、前記発電素子が前記第１のマス部材と前記第２のマス部材の間に配設されて、前記振動部材から該第１のマス部材に及ぼされた振動が該第２のマス部材に伝達されてそれら第１のマス部材と第２のマス部材が相対変位することにより該振動部材の振動エネルギーが該発電素子に入力されるようになっており、更に、前記第１の振動系の固有振動数と前記第２の振動系の固有振動数が異ならされている一方、該第１のマス部材が内部に収容空所を備える中空構造とされており、該収容空所内に該第２の振動系が収容配置されていると共に、該第２の振動系における該第２のばね部材が板ばねで形成されて該板ばねに該発電素子が装着されており、該板ばねの一端側が、該第１のマス部材において該収容空所内に突設された支持部に取り付けられることにより該第１のマス部材の周壁部よりも該収容空所内方に位置して支持せしめられている一方、該板ばねの他端側に該第２のマス部材が取り付けられていることを、特徴とする。【００１４】
このような本態様に従う構造とされた振動発電装置によれば、先ず、全周囲が周壁で囲まれる中空構造をもって第１のマス部材が構成されている。これにより、第１のマス部材の重心が周壁の外周面よりも内方に効率的に設定され得て第１の振動系の振動状態の安定化や設計の容易化が図られ得ると共に、第１のマス部材の内部に形成された収容空所内に第２の振動系が収容配置されることで、第１のマス部材の周壁に対して、第２の振動系の配設領域への防塵や防水の機能を付与することも容易となり、外乱の影響を防止して第２の振動系の振動状態の安定化も図られ得る。【００１５】
しかも、かかる第２の振動系のばね部材を構成する板ばねが、第１のマス部材の周壁部から突設された支持部により、周壁部よりも収容空所内方に位置して支持されている。これにより、板ばねの低減衰能によって大きな振動倍率を得ることができて発電効率の向上が図られると共に、第１の振動系から第２の振動系への振動伝達に際して発電に有効な方向の振動が安定して入力されて発電効率の向上が図られ得る。即ち、板ばねの支持部を第１のマス部材の周壁部よりも収容空所内方に位置設定したことで、かかる支持部を通じて、第１のマス部材から第１の振動系に入力される振動として、板ばねに曲げ変形を有効に生ぜしめて発電素子の発電に寄与する、第１のマス部材の中央側で振幅が大きくなるバウンス（上下）方向の振動が、効率的に伝達され得る。一方、第１のマス部材のピッチング（揺動）や捩れ、こじれなどの第１のマス部材の外周において振幅が大きくなる振動方向成分の伝達が抑えられることとなる。その結果、板ばねに対する不規則な変形が抑えられて、目的とする板ばねの曲げ方向の振動変形に伴う発電素子による発電作動がより安定して実現可能となる。【００１６】
なお、板ばねに装着される発電素子としては、板ばねの歪や変形，応力等の機械的物理量をエネルギー変換し得る圧電素子や磁歪素子などが好適に採用される。また、板ばねとしては、ばね鋼などの金属ばねが好適に用いられるが、条件に応じて樹脂ばね等も採用可能であり、表面をゴム被覆して所望の減衰能を補助的に付加することも可能である。【００１７】
また、本態様の振動発電装置では、互いに異なる複数の固有振動数において、第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量が共振現象によって大きく確保されて、第１のマス部材と第２のマス部材との相対変位量に応じて得られる発電素子の発電量を効率的に得ることができる。【００１８】
しかも、多自由度振動系の第１, 第２のマス部材間に発電素子を配することで、第１のマス部材と第２のマス部材が逆位相で相対変位する周波数域の振動入力時には、振動系の固有振動数を外れた周波数の入力振動であっても、第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量が大きく確保される。それ故、広い周波数域の振動入力に対して、発電素子の発電量が充分に得られて、電力を有効に得ることができる。【００１９】
ここで、相対変位とは、振動部材の振動が第１のばね部材を介して第１のマス部材に及ぼされ、第１のマス部材自身が振動し、更に、その振動が第２のばね部材を介して第２のマス部材に伝達されて、第２のマス部材が第１のマス部材に対して変位することをいう。【００２０】
このように、本態様に係る発電装置によれば、振動系の機械的な固有振動数に一致する周波数の振動入力のみならず、固有振動数を外れた周波数域の振動入力に対しても、有効な発電が実現されて、振動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することが可能となる。【００２１】
振動発電装置に関する本発明の第２の態様は、第１の態様に記載された振動発電装置において、前記第１のマス部材の重心が、前記収容空所内に設定されているものである。【００２２】
本態様の振動発電装置では、第１のマス部材の重心が、支持台が設けられた収容空所内に設定されて、第２の振動系のばね部材である板ばねの支持点に対してより近く位置設定され得る。これにより、第１のマス部材におけるピッチング（揺動）や捩れ、こじれなどの振動成分における第２の振動系への伝達が一層効果的に抑えられ得て、板ばねの不規則な変形振動の低減と、それに伴う発電素子による発電作動の安定化が更に向上され得る。【００２３】
振動発電装置に関する本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載された振動発電装置において、前記第２の振動系の固有振動数が、前記第１の振動系の固有振動数に対して低周波数に設定されているものである。【００２４】
第３の態様の振動発電装置では、第２の振動系の固有振動数が第１の振動系の固有振動数に対して低周波数に設定されていることから、第２のばね部材のばね定数を小さく設定して、第１のマス部材に対する第２のマス部材の相対変位量を確保し易くなり、第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量に対応する発電効率の更なる向上も図り易い。また、２自由度の振動系における反共振周波数よりも低周波数の領域では、第１のマス部材と第２のマス部材が何れも入力振動に対して同位相で変位することから、入力振動のエネルギーが第１，第２の振動系に効率的に及ぼされて、有効な発電が実現可能となる。【００２５】
振動発電装置に関する本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか１つの態様に記載された振動発電装置において、前記第１の振動系の固有振動数が、前記第２の振動系の電気的な反共振周波数よりも高周波数に設定されているものである。【００２６】
第４の態様によれば、１自由度振動系の発電装置において発電効率の低下が問題となり易い電気的な反共振周波数よりも高周波数の領域において、振動系の２次固有振動数での共振等に基づいた発電効率の向上が図られて、より広い周波数域の振動入力に対して有効な発電を実現することができる。【００２７】
振動発電装置に関する本発明の第５の態様は、第１〜第４の何れか１つの態様に記載された振動発電装置において、前記第１の振動系の固有振動数が、前記第２の振動系の固有振動数の√２倍以下とされているものである。【００２８】
第５の態様によれば、第１の振動系の振動と第２の振動系の振動を相互に伝達させて連成的な振動状態とすることで、第１の振動系と第２の振動系の振動状態を広い周波数域に亘って相互補完的に維持することができて、効率的な発電を実現することができる。【００２９】
振動発電装置に関する本発明の第６の態様は、第１〜第５の何れか１つの態様に記載された発電装置において、前記第２の振動系の共振応答倍率が前記第１の振動系の共振応答倍率よりも大きくされていると共に、前記第１のマス部材の質量と該第１の振動系の共振応答倍率の積が、前記第２のマス部材の質量と該第２の振動系の共振応答倍率の積よりも大きくされているものである。【００３０】
第６の態様によれば、第２の振動系の共振応答倍率が第１の振動系の共振応答倍率よりも大きくされることで、振動入力時に第２のマス部材の振幅が大きく確保されて、第２の振動系に配設される発電素子において効率的な発電が実現される。また、第１の振動系と第２の振動系の間に作用する相殺的な制振作用が抑制されて、第１の振動系および第２の振動系の振動状態が安定して確保されることから、広帯域の振動に対して有効な発電が実現される。【００３１】
振動発電装置に関する本発明の第７の態様は、第１〜第６の何れか１つの態様に記載された振動発電装置において、前記第２のマス部材の前記第１のマス部材に対する相対変位量を制限するストッパ手段が設けられているものである。【００３２】
第７の態様によれば、第１のマス部材と第２のマス部材の過大な相対変位がストッパ手段によって防止されることから、発電素子に対する入力が制限されて、発電素子の損傷等が防止される。【００３３】
振動発電装置に関する本発明の第８の態様は、第１〜第７の何れか１つの態様に記載された振動発電装置において、前記第１のばね部材がゴム弾性体で形成されているものである。【００３４】
第８の態様によれば、第１のばね部材が減衰性能を有するゴム弾性体で形成されることから、より広い周波数域の振動入力に対して第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量が確保されて、有効な発電が実現される。【００３５】
振動発電装置に関する本発明の第９の態様は、第１〜第８の何れか１つの態様に記載された振動発電装置であって、前記振動部材において、互いに異なる周波数域で振動レベルが最大になる複数種類の振動が前記多自由度振動系に対して及ぼされる部位に装着されるものである。【００３６】
第９の態様によれば、多自由度振動系を利用した本発明に従う構造の発電装置を、複数周波数域で振動ピークをもつ特定の振動部材へ適用することにより、多様な状況下で安定した発電効率を得ることが可能になる。なお、本態様が適用される振動部材としては、例えば洗濯物重量等に応じて振動周波数が異なる電気洗濯機や、走行状況等に応じて振動周波数が異なる自動車などを挙げることができる。【００３７】
振動発電装置に関する本発明の第１０の態様は、第１〜第９の何れか１つの態様に記載された振動発電装置において、前記第１のマス部材の質量が、前記振動部材の等価マス質量の１０％以上とされているものである。【００３８】
第１０の態様によれば、第１の振動系を振動部材の振動を相殺して低減するダイナミックダンパとして機能させて、有効な制振作用を得ることも可能となる。【００３９】
振動発電装置に関する本発明の第１１の態様は、第１〜第１０の何れか１つの態様に記載された振動発電装置において、前記発電素子の出力状態を外部へ送信する送信器が設けられているものである。【００４０】
第１１の態様によれば、振動発電装置の出力状態を外部の例えば遠隔地からでも監視等することが可能になるだけでなく、振動発電装置の出力状態から、振動発電装置が装着された振動体などの振動状態なども把握することも可能になる。【００４１】
振動発電装置に関する本発明の第１２の態様は、第１１の態様に記載された振動発電装置において、前記送信器として無線送信装置を備えており、前記発電素子への振動エネルギーの入力によって得られた電力を利用して該無線送信装置が作動せしめられて該発電素子の出力状態が外部へ無線送信されるようになっているものである。【００４２】
第１２の態様によれば、発電素子の出力状態を外部送信するに際して、電力の給電用のケーブルや信号送信用のケーブルを外部との間で配線することが不要となり、装置の構造の簡略化や装着作業の容易化などに加えて、振動発電装置の装着条件の緩和によって装着適合箇所の拡大も達成され得る。【００４３】
センサ装置に関する本発明の第１の態様は、センサ素子を備えたセンサ装置において、前記振動発電装置に関する本発明の第１〜１２の何れか１つの態様に係る振動発電装置が設けられて、該振動発電装置で得られた電力が自給電されるようになっていることを、特徴とする。【００４４】
このような本態様に従う構造とされたセンサ装置は、前述の如き従来構造のセンサ装置において給電線の総延長が多大となって重量増につながりやすい等といった問題点に鑑みて為されたものである。即ち、先ず、本発明者は、例えば自動車等の車両に装着されるセンサ装置が必要とする給電用や出力用のリード線の配線数を減少させるべく、発生する振動を利用した発電装置の実用化を検討した。センサ装置が発電装置を備えることにより、例えばセンシング用電源を自給したり、検出信号を無線送信することなどにより、給電用及び／又は出力用のリード線の配線を不要とすることが可能になるからである。【００４５】
ところが、例えば自動車等における振動は、内燃機関などのパワーユニットや車輪などから及ぼされるものであり、走行条件等によって入力振動が異なり振動周波数が広い範囲で変化すると共に、振動の入力方向も多様となって、一定方向の振動だけが入力されるものでもない。一方、振動発電装置は、一般に特定周波数域にチューニングされた共振系を備えており、当該共振系の共振作用を活用して発電するようになっていると共に、特定方向の振動に対して有効な発電性能が発揮されるようになっている。そのために、例えば車両に振動発電装置を装着しても、十分な発電効率を得ることが困難であり、安定した作動を見込み難いという問題があった。【００４６】
かかる状況下、本発明者が更なる研究を重ねた結果、上述の如きセンサ装置に関する本発明の第１の態様に係る発明を完成するに至ったのであって、本態様に従う構造とされたセンサ装置では、それ自体が発電装置を備えていることから、作動に電力が必要とされる場合において、外部から給電する必要がなく給電用のリード線を不要としたり、給電用のリード線を減少させることができて、多くのリード線の敷設に伴う重量増加が抑えられ得る。特に、かかる発電装置として振動発電装置を採用したことにより、例えば内燃機関や電動機などのパワーユニットの如き振動発生源を備えていたり、外部から振動が入力されたりする自動車等の車両、工作機械、家電、橋梁、建築物における柱や床等において、必要な電気エネルギーを振動エネルギーから効率的に得ることができる。【００４７】
特に本態様では、中空構造の第１のマス部材の周壁部から突設された支持部によって第２の振動系の板ばねを支持せしめてなる特定構造の第１及び第２の振動系が採用されている。これにより、板ばねの低減衰能によって大きな振動倍率を得ることができて発電効率の向上が図られると共に、第１の振動系から第２の振動系に対して、発電に有効な方向の振動が安定して入力されて発電効率の向上と安定化が図られ得る。特に、自動車等の車両では、走行条件などに応じて各種方向の振動が及ぼされるが、そのような多様な振動の入力状況下でも、発電素子を備えた第２の振動系へ伝達される振動について、発電に有利な方向の振動伝達を効率的に維持して、他方向の振動伝達を低減させることで、第２の振動系の振動発電作動の安定化が図られ得る。【００４８】
加えて、本態様では、２つの振動系を組み合わせ且つ各振動系の固有振動数を相互に異ならせた特定構造の振動発電装置を採用した。これにより、広い周波数域に亘って良好な発電効率、即ち振動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を得ることを可能と為し得た。特に、自動車等の車両では、パワーユニットの回転数や走行速度などに応じて、発生する振動周波数の変化が避けられないが、そのような特殊な振動状態において、上述の如き２つの振動系を組み合わせた特定構造の振動発電装置を採用したことにより、安定した電力を得ることが可能になって、センサ装置に必要な電力を有効に賄って安定したセンサ作動が実現され得るのである。なお、本発明に係るセンサ装置では、自給電される電力のみによって装置や発光、警報などの作動電力が補われる必要はなく、補助的な電力として自給電されるようになっていても良い。【００４９】
センサ装置に関する本発明の第２の態様は、センサ装置に関する第１の態様において、前記センサ素子によるセンシングの作動用電源として、前記振動発電装置が用いられているものである。【００５０】
本態様のセンサ装置に従えば、センサ素子に対してセンシング作動用の電力を給電するためのリード線を、別途設けられた電源等から配線する必要がなくなり、又は配線を少なくすることができることから、給電用リード線の重量分の軽量化が図られ得る。【００５１】
センサ装置に関する本発明の第３の態様は、センサ装置に関する前記第１又は第２の態様において、前記センサ素子による検出信号を送信する無線送信装置を備えており、該無線送信装置の作動用電源として、前記振動発電装置が用いられているものである。【００５２】
本態様のセンサ装置に従えば、センサ素子の検出信号を外部へ出力するためのリード線が不要となり、又は少なくすることができることから、特に離れた場所へ装着されるセンサ装置においてセンサ出力用リード線による重量増加が効果的に回避される。また、本態様は、回転部分等の配線が難しい場所へセンサ装置が装着される場合にも有効である。【００５３】
センサ装置に関する本発明の第４の態様は、センサ装置に関する前記第１〜第３の何れか１つの態様において、前記センサ素子による検出信号を加工処理する信号処理装置を備えており、該信号処理装置の作動用電源として、前記振動発電装置が用いられているものである。【００５４】
本態様のセンサ装置に従えば、センサ素子による検出信号に対して、増幅やフィルタリング，補正等の加工を施す信号処理装置を備える場合にも、当該信号処理装置の作動用電源を確保するための配線が不要とされ、又は少なくすることが可能となる。また、本態様は、センサ装置にマイコンを備えさせてインテリジェント化したスマートセンサ等にも適用可能である。【００５５】
センサ装置に関する本発明の第５の態様は、センサ装置に関する前記第１〜第４の何れか１つの態様において、前記センサ素子が前記発電素子によって構成されているものである。【００５６】
本態様のセンサ装置に従えば、発電素子をセンサ素子として活用することにより、構造の簡略化が図られ得ると共に、信号処理系の簡略化も実現可能になる。【００５７】
センサ装置に関する本発明の第６の態様は、センサ装置に関する前記第１〜第５の何れか１つの態様において、前記振動発電装置の発電状況に応じて警報を発する警告装置を備えているものである。【００５８】
本態様のセンサ装置に従えば、例えばセンサ装置が車両に装着される場合には、車両の走行状況に応じて振動部材の振動状況が変化する特性を巧く利用して、振動部材の振動状況に応じて変化する振動発電装置の発電状況に基づいて車両の走行状況を把握し、かかる走行状況に応じて光や音などの知覚可能な警報を発することができる。それ故、例えば急加速や急減速などを、特有の振動状況に応じた発電状況から把握することで、反エコの走行状態であることを警報する運転補助なども、本発明に係る発電素子を利用して効率的に実現可能になる。【００５９】
車両用発光装置に関する本発明の第１の態様は、車両の端部を構成する車両部材に設けられて給電によって発光する発光体を備える車両用発光装置において、前記振動発電装置に関する本発明の第１〜１２の何れか１つの態様に係る振動発電装置が設けられて、該振動発電装置で得られた電力が自給電されるようになっていることを、特徴とする。【００６０】
このような本態様に従う構造とされた車両用発光装置は、前述の如き従来構造の車両用発光装置において、自動車や二輪車などの車両の端部を構成するバンパーやドアミラー、フェンダー、荷台等の部材に設けられた発光装置におけるＬＥＤ等の発光体（光源）に対して、エンジンルームなどに配されたバッテリーなどから、ワイヤハーネスなどの給電用配線を通じて、電力を供給しようとすると、電力供給用のワイヤハーネスが長くなって、重量の増加が避けられないという問題に鑑みて為されたものである。【００６１】
そして、本態様に従う構造の車両用発光装置では、車両の端部に設けられる発光体の発光によって、車両の存在や車幅などを知らしめることができる。しかも、作動用電源が振動発電装置とされていることから、作動用電源を発光体の近くに配設することができて、ワイヤハーネスの長さを短くすることができる。更に、車両走行時の振動によって発光に必要な電力が有効に確保又は補われて、電池の交換や充電なども不要とされ又は軽減され得る。特に、発光作動用の電力を給電するためのワイヤハーネスを無くしたり少なくすることにより、特に振動が大きくなり易い車両の端部におけるワイヤハーネスの断線の問題も軽減又は解消され得ることとなる。【００６２】
しかも、自動車等における振動は、内燃機関などのパワーユニットや車輪などから及ぼされるものであり、走行条件等によって入力振動が異なり振動周波数が広い範囲で変化すると共に、振動の入力方向も多様となって、一定方向の振動だけが入力されるものでもない。そのような状況下でも、本態様に従う構造の車両用発光装置では、中空構造の第１のマス部材の周壁部から突設された支持部によって第２の振動系の板ばねを支持せしめてなる特定構造の第１及び第２の振動系を備えた振動発電装置を採用したことにより、発電効率の向上と安定化ひいては安定した発光が実現可能となるのである。【００６３】
車両用発光装置に関する本発明の第２の態様は、車両用発光装置に関する前記第１の態様において、前記車両部材が前記車両としての自動車の端部を構成する自動車用部材とされていると共に、前記発光体が、コーナーポールと、ドアミラー用ライトと、バンパー用ライトとの少なくとも一つとされているものである。【００６４】
本態様の車両用発光装置に従えば、自動車の走行時の振動によって、コーナーポールやドアミラー用ライト、バンパー用ライトを発光させることができる。特に、発光体が自動車の端部を構成するバンパー又はドアミラーに設けられることから、振動発電装置への入力振動が有利に確保されて、効率的な振動発電が実現される。【００６５】
車両用発光装置に関する本発明の第３の態様は、車両用発光装置に関する前記第１の態様において、前記車両用部材が前記車両としての二輪車の端部を構成する二輪車用部材とされていると共に、前記発光体が、ハンドルのエンドキャップ用ライトと、シート後方のリアポジションライトと、フロントフォークのフロントポジションライトと、ミラー用ライトとの少なくとも一つとされているものである。【００６６】
本態様の車両用発光装置に従えば、二輪車とくに自動二輪車の走行時の振動によって、ハンドルのエンドキャップ用ライトやシート後方のリアポジションライト、フロントフォークのフロントポジションライト、ミラー用ライトを発光させることができる。特に、自動車に比して振動が大きくなり易い二輪車に適用することで、振動発電が有利に実現される。【００６７】
車両用発光装置に関する本発明の第４の態様は、車両用発光装置に関する前記第１〜第３の何れか１つの態様において、前記振動部材が前記車両のメインフレームに取り付けられる別部品とされているものである。【００６８】
本態様の車両用発光装置に従えば、乗り心地の向上を目的として振動の低減が図られるメインフレームではなく、メインフレームとは別体の部品に車両用発光装置を設けることにより、振動発電装置に振動エネルギーが有効に入力されて、発電効率の向上が図られる。しかも、振動部材がメインフレームに対して相対変位するような場合にも、振動部材とメインフレームとの間に跨ってワイヤハーネスを配線する必要がなくなると共に、ワイヤハーネスの長さも短くされることによって、断線などの不具合が回避される。【００６９】
建築物用発光装置に関する本発明の第１の態様は、建築物の歩行領域を照明するための発光体を備えた建築物用発光装置において、前記振動発電装置に関する本発明の第１〜１２の何れか１つの態様に係る振動発電装置が設けられて、該建築物の該歩行領域の床材に対して前記第１のマス部材が前記第１のばね部材によって弾性支持されることで前記第１の振動系によって制振装置が構成されていると共に、該振動発電装置で得られた電力が自給電されるようになっていることを、特徴とする。【００７０】
このような本態様に従う構造とされた建築物用発光装置は、前述の如き従来構造の建築物用照明が、商用電源を利用するために停電時の照明が不十分であったり、蓄電池や太陽電池が容量不足や大掛かりな設備による問題があることに鑑みて為されたものであり、更に、踏板そのものを可撓性として発電させる照明装置において問題となる歩行感覚の違和感やデザインおよび構造上の制約を軽減又は解消し得る、新規な構造の建築物用発光装置を提供することも目的として為されたものである。【００７１】
そして、本態様に従う構造の建築物用発光装置によれば、歩行に伴って踏面に及ぼされる振動を利用して自家発電し、その電力によって発光体を発光させて歩行領域を照明することができる。特に本態様は、歩行領域の床板や踏板などの床材に装着されて、その振動を抑制する制振装置を採用し、かかる制振装置を利用して振動発電装置を構成したことを１つの特徴とする。【００７２】
すなわち、歩行に際しての衝撃によって床材が振動変形することとなり、例えば家屋の２階床面の歩行振動によって、１階天井が揺れたり異音を生ずる原因ともなる。本発明者は、かかる振動現象に着目し、問題とされている振動エネルギーを有効活用できる電気エネルギーに変換して利用することで、歩行振動の問題と照明確保の問題との両者に巧く対処することを可能と為し得たのである。具体的には、歩行領域の床材に第１の振動系からなる制振装置を設けたことにより、かかる床材の振動や異音を抑えることが出来るのであり、また、床材の振動や異音の低減効果が発揮されている状況では、第１の振動系に大きな振動が惹起されていることを利用して、振動発電装置に大きな振動エネルギーを及ぼすことで効率的に発電することができるのである。【００７３】
しかも、本態様の建築物用発光装置では、振動部材である床材に対して複数の振動系が直列的に設けられており、床材からの入力振動で加振される第１の振動系を介して第２の振動系が加振されることとなる。そして、これら第１の振動系と第２の振動系が、固有振動数をずらせて設定されていることから、互いに異なる複数の固有振動数において、第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量が共振現象によって大きく確保されることとなり、第１のマス部材と第２のマス部材との相対変位量に応じて得られる発電素子の発電量を効率的に得ることができる。【００７４】
加えて、多自由度振動系の第１，第２のマス部材間に発電素子を配することで、第１のマス部材と第２のマス部材が逆位相で相対変位する周波数域の振動入力時には、振動系の固有振動数を外れた周波数の入力振動であっても、第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量が大きく確保されて、広い周波数域の振動入力に対して、発電素子の発電量が確保され得る。【００７５】
このように、本態様に係る振動発電装置によれば、振動系の機械的な固有振動数に一致する周波数の振動入力のみならず、固有振動数を外れた周波数域の振動入力に対しても、有効な発電が実現されて、振動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することが可能となる。しかも、床材から及ぼされる振動は、温度や湿度などの環境の他、家具や人などの載荷重、建具の状態、歩行位置や歩行速度等の各種条件によって異なり振動周波数や振動方向などが変化する。そのような状況下でも、本態様に従う構造の建築物用発光装置では、中空構造の第１のマス部材の周壁部から突設された支持部によって第２の振動系の板ばねを支持せしめてなる特定構造の第１及び第２の振動系を備えた振動発電装置を採用したことにより、発電効率の向上と安定化ひいては安定した発光が実現可能となるのである。【００７６】
建築物用発光装置に関する本発明の第２の態様は、建築物用発光装置に関する前記第１の態様において、前記建築物の歩行領域が階段と廊下の少なくとも一方に設定されているものである。【００７７】
本態様の建築物用発光装置に従えば、例えば災害時においても人の避難経路の照明を確保することが可能になり、安全を確保することができる。なお、自給電される電力を、商用電力などと組み合わせて補助的な電力として利用することも可能であるが、災害時における照明の確保に際しては、自給電される電力のみによって発光作動が実現されることが望ましい。【００７８】
建築物用発光装置に関する本発明の第３の態様は、建築物用発光装置に関する前記第１又は第２の態様において、前記建築物の歩行領域における複数のエリア毎に独立して、前記多自由度振動系に設けた前記発電素子によって得られた電力で前記発光体を発光せしめる電気回路が設けられるものである。【００７９】
本態様の建築物用発光装置に従えば、１つのエリアで発電系や給電系、発光系などに不具合が発生した場合でも、他のエリアの照明を確保することが可能になり、建築物の歩行領域の全体として安全性の向上が図られ得る。【００８０】
本発明の第４の態様は、建築物用発光装置に関する前記第１〜第３の何れか１つの態様において、音響装置を備えており、前記発電素子への振動エネルギーの入力によって得られた電力で該音響装置が鳴動されるようになっているものである。【００８１】
本態様の建築物用発光装置に従えば、歩行領域を歩行することにより光と音が発生することから、視力の低下したお年寄りなどにおいて、歩行領域の認識を容易とすること等が可能になる。なお、音響装置の発報音は、音楽や警告音、メッセージ等の如何なるものであってもよい。また、音響装置の鳴動は、発電素子の発生電力で全てが補われるものであることが望ましいが、蓄電池などの他電力を合わせて補うことも可能である。【００８２】
また、建築物用発光装置に関する前記第１〜第４の何れか１つの態様の建築物用発光装置において、振動発電装置に関する前記第１１又は第１２の態様を組み合わせて採用して、建築物用発光装置における発電素子の出力状態を外部へ送信することも好適な態様の一つである。かかる態様によれば、例えば発電素子へ振動が入力されたことが建築物から遠く離れた位置からでも認識することができることから、建築地における地震発生状態を把握する装置として利用する他、建築物における防犯用の警報発信装置などとして利用することも可能となる。特に振動発電装置に関する前記第１２の態様を採用すれば、発電素子の発電状況の外部への発信に際して外部電源も不要となされ得ることから、例えば災害や断線等で建築物の電源が機能しない場合でも作動せしめることが可能になる。
【発明の効果】
【００８３】
本発明によれば、特定構造の振動発電装置において、多自由度振動系を構成する第１のマス部材と第２のマス部材の間に発電素子を配設して、それら第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量に応じて発電素子において電力が得られるようになっている。それ故、互いに異なる複数の周波数の振動入力に対して発電素子によって電力を得ることができると共に、第１のマス部材と第２のマス部材が逆位相で変位する幅広い周波数域の振動入力に対して、発電素子による効率的な発電が実現される。【００８４】
特に、振動発電装置へ及ぼされる振動の周波数や方向が多様な状況下でも、中空構造の第１のマス部材の周壁部から突設された支持部によって第２の振動系の板ばねを支持せしめてなる特定構造の第１及び第２の振動系を備えた振動発電装置を採用したことにより、発電効率の向上と安定化が達成され得るのである。【００８５】
また、本発明に係る特定構造の振動発電装置を採用して構成されたセンサ装置や車両用発光装置、建築物用発光装置によれば、かかる振動発電装置によって効率的に且つ安定して発電される電力を巧く利用することで、装置に必要とされる給電線等を廃止又は減少させることができて、装置の設置等が容易になると共に、装置の耐久性の向上や利用範囲の拡大なども図られ得る。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の１実施形態としての振動発電装置を備えたセンサ装置の概略構造を示す斜視図。
【図２】図１に示されたセンサ装置を説明するための機能ブロック図。
【図３】図１に示されたセンサ装置に採用される振動発電装置を示す縦断面図。
【図４】図３に示された振動発電装置を説明するための振動モデル。
【図５】図３に示された振動発電装置における発電量の実測値を実施例データとして、１自由度振動系で構成された比較例データと併せて示すグラフ。
【図６】図３に示された振動発電装置を構成する各振動系を１自由度振動系として扱う場合の周波数と振幅との相関を示すグラフ。
【図７】図３に示された振動発電装置における第２の振動系の電気的な等価回路を示す概略図。
【図８】図７に示された等価回路における入力振動の周波数とインピーダンスおよび位相との相関を示すグラフ。
【図９】図１に示されたセンサ装置の別態様を説明するための機能ブロック図。
【図１０】図１に示されたセンサ装置の更に別態様を説明するための機能ブロック図。
【図１１】図１に示されたセンサ装置に採用される振動発電装置の別態様を示す縦断面図。
【図１２】図１に示されたセンサ装置に採用される振動発電装置の更に別態様を示す縦断面図。
【図１３】本発明に係る車両用発光装置の１実施形態を備えた自動車の要部を示す斜視図。
【図１４】本発明の１実施形態としての車両用発光装置を示す縦断面図。
【図１５】本発明に係る車両用発光装置の別の実施形態を示す断面図であって、図１６のＸＶ−ＸＶ断面図。
【図１６】図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ断面図。
【図１７】図１５のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ断面図。
【図１８】本発明に係る車両用発光装置の更に別の実施形態としてのドアミラーに発光装置を配設した１態様を示す正面図。
【図１９】車両用発光装置をドアミラーに配設した別態様を示す正面図。
【図２０】本発明に係る車両用発光装置の更に別の実施形態としてのバーエンドに発光装置を配設した１態様を示す断面図であって、図２１のＸＸ−ＸＸ断面図。
【図２１】図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ断面図。
【図２２】図２１のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ断面図。
【図２３】本発明に係る建築物用発光装置の１実施形態を示す縦断面図。
【図２４】図２３におけるＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ断面図。
【図２５】本発明に係る建築物用発光装置における別の態様を示す縦断面図。
【図２６】本発明に係る建築物用発光装置における更に別の態様を示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００８７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１には、本発明に従う構造の振動発電装置を備えた本発明の１実施形態としてのセンサ装置１０の概略構造が示されている。即ち、本実施形態のセンサ装置１０は、センサ素子１２を有するセンサ部分１４に加えて、発電素子１６を有する本発明に従う構造の振動発電装置１８を備えている。特に、本実施形態のセンサ装置１０は自動車等の車両に取り付けられる車両用センサ装置とされており、振動部材としての車両ボデー等に取り付けられるようになっている。そして、振動発電装置１８によって発電される電力を利用して、センサ部分１４により、装着部位における温度や加速度などの物理量を検出および出力するようになっている。
【００８８】
より詳細には、センサ部分１４は、目的とする所定の物理量を検出するセンサ素子１２と、センサ素子１２で得られた検出信号を加工処理する信号処理装置としての計測回路部２０とを、含んで構成されている。
【００８９】
センサ素子１２は、検出すべき物理量を電気信号として検出し得るものであり、センサ装置１０が取り付けられる部位や検出すべき物理量等に応じて公知のものが適宜に選択的に採用される。例えば、運動量や力学量を検出する力学的センサとしては圧電素子やピエゾ素子、磁気抵抗素子等が採用可能であり、電磁気量を検出する電磁的センサとしては電磁ピックアップやホール効果等を利用した半導体磁気センサ素子等が採用可能であり、温度を検出する温度センサとしてはサーミスタやバイメタルを用いた接触式と焦電効果や赤外線による非接触式の測温素子等が何れも採用可能であり、光を検出する光学的センサとしては半導体光センサ素子やフォトダイオード等が採用可能であり、化学的変化量を検出する電気化学的センサとしては固体電解素子による酸素センサ素子や雰囲気による電気伝導度の変化を検出する半導体素子等が採用可能である。
【００９０】
なお、図１は、一つの構造例を示すものであり、筐体２２にセンサ素子１２が収容されており、図示しない蓋体で筐体２２の開口を覆って封止等することができるようになっている。尤も、採用するセンサ素子１２に応じて、筐体２２の構造や、センサ素子１２の配置態様は適宜に変更されるものであり、センサ素子１２は筐体２２に収容されている必要はない。例えば排ガスセンサの場合には、センサ素子１２がエキゾーストパイプ内に装着されて排ガスと基準ガスに晒される構造とされる。
【００９１】
そして、かかるセンサ素子１２により、測定すべき物理量に対応した電気信号として検出された検出信号は、計測回路部２０に入力されるようになっている。この計測回路部２０は、センサ素子１２の検出信号を、電気的に加工することで利用できる情報をもった信号として生成するものである。具体的には、例えば、アナログ信号である検出信号をデジタル信号に変換して加工処理し易くするＡ／Ｄ変換器や、検出信号を増幅する増幅器、不必要に含まれる信号を除去するフィルター、欠落やノイズによる不正確な信号を補間法や最小自乗法等で演算処理して補償する補償装置、検出信号を利用し易い関数等に変換する演算処理装置などが、必要に応じて採用される。なお、このような検出信号の加工処理を行う計測回路部２０は、一つまたは複数のＩＣパッケージにて構成されることが望ましい。
【００９２】
また、計測回路部２０は、加工処理した検出信号を所定量または所定時間に亘って記憶する記憶手段を併せて備えていても良い。
【００９３】
そして、センサ素子１２で得られた検出信号は、計測回路部２０において加工処理された後、外部へ出力されて当該検出信号を必要とする装置、例えば本実施形態ではＥＣＵなどの外部装置へ送信されることとなる。
【００９４】
ここにおいて、本実施形態のセンサ装置１０は、無線送信装置としての無線送信部２４を備えており、加工処理された検出信号が、無線送信部２４から送信アンテナ２６を経て無線送信されるようになっている。即ち、無線送信部２４は、キャリアとなる搬送波を生成すると共に、それを変調して検出信号を情報として変換してのせる信号処理を行うものであって、振幅変調や角度変調といったアナログ変調の回路を用いることも可能であるが、好適には、デジタル変調やパルス変調の回路により、検出信号をデジタル情報としてのせる信号処理を行うことで、多数のセンサ信号の干渉を回避するようにされる。
【００９５】
なお、検出信号を必要とする外部装置においても、かかる無線送信部２４に対応した信号処理を行う無線受信部が装備されることとなり、受信アンテナを経て無線受信部で受信した信号を復調することで、検出信号を取り出すようにされる。
【００９６】
ところで、このようなセンサ部分１４における物理量の検出と検出信号の加工処理および送信には、作動電力が必要とされる。即ち、検出信号の加工処理には、信号処理を行う半導体回路の駆動電源が必要であり、また、無線送信部２４では、搬送波の生成や変調に電力が必要とされる。更に、センサ素子１２も、例えば静電容量センサや赤外線温度センサなどの場合にセンシングの作動電力が必要とされる。
【００９７】
ここにおいて、本実施形態のセンサ装置１０では、前述の如き本発明の一実施形態でもある振動発電装置１８によってこれらの作動用電源が構成されており、作動電力が供給されて自給電されるようになっている。具体的には、図２に示されているように、振動発電装置１８によって、振動部材の振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、得られた電圧を整流蓄電回路２８で直流電力にして、センサ素子１２や計測回路部２０、無線送信部２４に対して作動電力として給電するようになっている。なお、整流蓄電回路２８は、例えばダイオード等を用いた整流回路とコンデンサ等を用いた蓄電回路を含んで構成されており、振動発電装置１８の出力電圧を、所定時間に亘る作動電力として安定して給電し得るようになっている。更に、かかる整流蓄電回路２８は、必要に応じて容量の大きい二次電池を含んで構成されていても良い。また、図２中において、実線は駆動電源となる振動発電装置１８に対して電気的に接続されることによる電力の伝達経路を示しており、破線はセンサ素子１２から計測回路部２０を経て無線送信部２４に至る検出信号の伝達経路を示している。
【００９８】
そして、センサ素子１２や計測回路部２０、無線送信部２４を含むセンサ装置の作動電力が、振動発電装置１８で発電される電力で賄われることにより、本実施形態のセンサ装置１０においては、センサ装置１０へ作動電力をバッテリー等から給電するためのリード線の配線が不要とされている。これにより、センサ装置１０の装着位置の設定自由度が大幅に向上されると共に、配線に伴う車両の重量増加が回避されることとなり、走行燃料消費率の改善や走行安定性の向上などが図られ得る。
【００９９】
しかも、本実施形態のセンサ装置１０では、検出信号を外部へ無線送信する無線送信部２４を備えていることから、検出信号の出力用のリード線も不要とされており、それによって、センサ装置の装着に伴う重量増加の低減が一層効果的に達成され得る。
【０１００】
特に、かかる振動発電装置１８として、本発明に従って構成された、以下に詳述する如き複数の振動系を備えた特定の構造を有するものが採用されている。これにより、走行状況などに応じて振動周波数が広い範囲で変化する、即ち互いに異なる周波数域で振動レベルが最大になるような複数の振動が及ぼされる自動車の振動部材に対して振動発電装置１８が装着されて用いられる場合でも、振動発電装置１８により安定した電力を発電して、センサ部分１４へ給電することが可能とされている。その結果、本実施形態のセンサ装置１０において、安定したセンシング作動と無線による信号送信作動とが、外部との給電用や出力用のリード線を必要とすることなく、高い信頼性をもって安定して実現可能となるのである。
【０１０１】
すなわち、本実施形態における振動発電装置１８は、その概略構造が図３に示されているように、振動部材としてのボデー３０に取り付けられる第１の振動系３２と、第１の振動系３２を介してボデー３０に取り付けられる第２の振動系３４とを含む多自由度振動系を、備えている。なお、以下の説明において、特に説明がない限り、上下方向とは、振動部材３０からの主たる振動入力方向である図１中の上下方向を言う。
【０１０２】
より詳細には、第１の振動系３２は、取付部材３６と第１のマス部材３８が第１のばね部材としての連結ゴム弾性体４０で弾性連結された構造を有しており、取付部材３６がボデー３０に対してボルト等で固定されることによって、第１のマス部材３８がボデー３０に対して連結ゴム弾性体４０で弾性連結されるようになっている。第１のマス部材３８の形状や形成材料は特に限定されるものではないが、小型化のために比重の大きな材料で形成されていることが望ましく、本実施形態では鉄で形成された中実の矩形ブロック状を呈する部材とされている。更に、第１のマス部材３８には上方に突出する支持部としての支持突部４２が一体形成されており、その上面に開口するようにねじ穴が形成されている。連結ゴム弾性体４０は矩形ブロック状のゴム弾性体であって、上下に対向配置された取付部材３６と第１のマス部材３８の間に介装されて、下面が取付部材３６に固着されていると共に、上面が第１のマス部材３８に固着されている。
【０１０３】
なお、連結ゴム弾性体４０として採用されるゴム弾性体の材料としては、天然ゴム、合成ゴム、あるいは天然ゴムと合成ゴムとのブレンドゴムが使用される。合成ゴムとしては、スチレン−ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、イソブチレン−イソプレンゴム、塩素化−イソブチレン−イソプレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、水素化−アクリロニトリル−ブタジエンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム等を挙げることができる。
【０１０４】
また、本実施形態の第１のマス部材３８は、カバー部材４４を備えている。カバー部材４４は、下方に開口する矩形枡状とされており、開口部に設けられたフランジ状の固定片が第１のマス部材３８にボルト等で固定されることで、第１のマス部材３８に対して上面を覆うように取り付けられている。かくの如きカバー部材４４の装着によって、第１のマス部材３８の上方には、カバー部材４４で外部から隔てられた収容空所としての収容領域４６が画成されており、第１のマス部材３８の支持突部４２が収容領域４６内に突出している。なお、図１では、見易さのために、カバー部材４４の図示を省略している。
【０１０５】
さらに、カバー部材４４を含む第１のマス部材３８の質量：ｍ1 は、ボデー３０の等価マス質量：Ｍに対して、１０％以上（ｍ1 ≧０．１＊Ｍ）とされていることが望ましい。これにより、第１のマス部材３８がボデー３０の振動状態に対して充分な影響を及ぼして、ダイナミックダンパとして機能し得ることから、振動の相殺によるボデー３０の振動低減が期待される。
【０１０６】
また、収容領域４６には、第２の振動系３４が配設されている。第２の振動系３４は、第２のマス部材４８が第２のばね部材としての板ばね５０の一方の端部に固定されると共に、板ばね５０の他方の端部が第１のマス部材３８に固定されることで、第２のマス部材４８が第１のマス部材３８に対して板ばね５０で弾性連結された片持梁状の構造を有している。
【０１０７】
第２のマス部材４８は、矩形ブロック状とされており、第１のマス部材３８と同様に鉄等の高比重の材料で形成されている。また、本実施形態では、第２のマス部材４８の質量：ｍ2 は、第１のマス部材３８の質量：ｍ1 との間で、ｍ1 ＊Ｘ＞ｍ2 ＊Ｑを満たすように設定される。なお、Ｘは、第１の振動系３２の固有振動数での応答倍率（共振応答倍率）を、Ｑは、第２の振動系３４の共振応答倍率を、それぞれ示しており、本実施形態では、第２の振動系３４の共振応答倍率：Ｑが、第１の振動系３２の共振応答倍率：Ｘよりも大きくされている（Ｘ＜Ｑ）。また、好適には、第２のマス部材４８の質量：ｍ2 が、第１のマス部材３８の質量：ｍ1 に対して１／５倍以下とされる（ｍ2 ≦ｍ1 ／５）ことによって、第２のマス部材４８が第１のマス部材３８に比して小型軽量とされている。このように第２のマス部材４８が第１のマス部材３８に比して軽量とされていることで、振動系の固有振動数を発電対象振動の周波数に応じて設定しながら、板ばね５０のばね定数を充分に小さく設定して、第１のマス部材３８の第２のマス部材４８に対する相対変位を有効に生ぜしめることができる。
【０１０８】
板ばね５０は、導電性のばね鋼で形成された長手板状の金属部材であって、長手方向一方の端部に第２のマス部材４８が固定されていると共に、長手方向他方の端部が、第１のマス部材３８の支持突部４２に重ね合わされてねじ止めされている。これにより、第２のマス部材４８が第１のマス部材３８に対して板ばね５０を介して弾性連結されており、第２のマス部材４８の第１のマス部材３８に対する相対変位が板ばね５０の板厚方向（図３中の上下方向）となる剪断方向での弾性変形によって許容されている。このことからも明らかなように、振動発電装置１８は、第１の振動系３２と第２の振動系３４で構成された２自由度の振動系を備えている。
【０１０９】
本実施形態では、第２の振動系３４を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr2が、第１の振動系３２を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr1よりも低周波数に設定されている（ｆr2＜ｆr1）。更に、第１の振動系３２単体の固有振動数：ｆr1が、第２の振動系３４単体の固有振動数：ｆr2の√２倍以下（ｆr2＜ｆr1≦√２＊ｆr2）であることが望ましい。これにより、いわゆるスカイフックダンパー効果（ｓｋｙ  ｈｏｏｋ  ｄａｍｐｅｒ  ｅｆｆｅｃｔ）による制振作用で第２のマス部材４８に対する第１のマス部材３８の相対的な変位量が抑えられてしまうことに起因する発電効率の低下などの不具合を回避することが可能となる。なお、第１の振動系３２単体の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr1は、第１のマス部材３８の質量：ｍ1 と連結ゴム弾性体４０のばね定数：ｋ1 から［数１］のように算出される。第２の振動系３４単体の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr2は、第２のマス部材４８の質量：ｍ2 と板ばね５０のばね定数：ｋ2 から［数２］のように算出される。
【０１１０】
【数１】
2015087956.tif 000003
【０１１１】
【数２】
2015087956.tif 000004
【０１１２】
また、板ばね５０には、発電素子１６が固着されている。発電素子１６は、一般的な圧電素子や電歪素子等が好適に用いられて、板ばね５０の表面に重ね合わされて固着されることで、第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の間に配設されている。そして、振動入力時に、ボデー３０から第１のマス部材３８に及ぼされた外力が第２のマス部材４８に伝達されることで、それら第１のマス部材３８と第２のマス部材４８が相対変位して、板ばね５０が弾性変形することにより、発電素子１６が板ばね５０と共に変形して電気を生じるようになっている。換言すれば、第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の相対変位によって振動エネルギーが発電素子１６に入力されるようになっており、発電素子１６が、第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の相対変位量に応じて、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。この発電素子１６には、電気回路が接続されており、整流蓄電回路２８やセンサ部分１４等に対して電気的に接続されている。なお、発電素子１６として圧電素子を採用する場合には、その形成材料としては、例えば、セラミック材料や単結晶材料等が採用される。より具体的には、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等が、圧電素子の形成材料として何れも好適に採用され得る。
【０１１３】
なお、本実施形態では、板ばね５０に固着された発電素子１６が、カバー部材４４で外部空間から隔てられた収容領域４６内に配設されて、カバー部材４４で覆われていることにより、水や埃等といった異物の付着が防止されている。
【０１１４】
本実施形態では、第２のマス部材４８の第１のマス部材３８に対する相対変位量を制限するストッパ手段５６が設けられており、板ばね５０および発電素子１６の過大な変形が防止されて、発電素子１６の損傷が回避されている。具体的には、第２のマス部材４８が第１のマス部材３８の上面およびカバー部材４４の上底壁内面に当接することで、第２のマス部材４８の変位が制限されるようになっており、第１のマス部材３８とカバー部材４４を含んでストッパ手段５６が構成されている。また、本実施形態では、第１のマス部材３８の上面と、カバー部材４４の上底壁内面に、それぞれストッパゴム５８が固着されており、第２のマス部材４８が第１のマス部材３８およびカバー部材４４に対してストッパゴム５８を介して緩衝的に当接されるようになっている。
【０１１５】
このような構造とされた本実施形態に係る振動発電装置１８は、ボデー３０への装着状態において、ボデー３０の振動エネルギーを発電素子１６で電気エネルギーに変換して取り出すようになっている。ここにおいて、振動発電装置１８では、２自由度の振動系を設けると共に、第１，第２のマス部材３８，４８の間に発電素子１６を配することで、発電素子１６による効率的な発電が実現されるようになっている。
【０１１６】
このような振動発電装置１８は、機械的には、前述のとおり第１のマス部材３８と第１のばね部材としての連結ゴム弾性体４０とからなる第１の振動系３２と、第２のマス部材４８と第２のばね部材としての板ばね５０とからなる第２の振動系３４とが直列的に接続された２自由度振動系を構成していることから、公知の多自由度系の振動モデルを用いて解析することが可能である。即ち、かかる振動発電装置１８の機械的な振動系の振動モデルは図４に示すとおりであり、［数３］に示す公知の２自由度系の運動方程式で表される。なお、［数３］において、ｘ1 は振動発電装置１８における第１のマス部材３８の変位量に相当すると共に、ｘ2 は振動発電装置１８における第２のマス部材４８の変位量に相当する。更に、［数３］中のＦ0 ｓｉｎ２πｆｔは、振動発電装置１８におけるボデー３０から入力される振動荷重に相当する。
【０１１７】
【数３】
2015087956.tif 000005
【０１１８】
良く知られているように、［数３］に示された一般的な２自由度振動系の運動方程式の解として求められるΩ1 ，Ω2 （Ω1 ＜Ω2 ）が、それぞれかかる２自由度振動系の固有振動数である。ところで、機械装置としての振動発電装置１８は２自由度振動系として把握されるが、発電素子１６への振動エネルギーは第１のマス部材３８に対する第２のマス部材４８の相対的な変位量として及ぼされる。それ故、第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の位相差が略１８０度となって逆向きに変位することにより、振動発電装置１８へ及ぼされる振動エネルギーが、発電素子１６へ効率的に及ぼされて大きな発電電力を得ることができる。
【０１１９】
具体的に説明すると、上述の２自由度振動系の固有振動数：Ω1 ，Ω2 では、何れも、理論上はマス変位の運動量がピークとなるものの、第１の固有振動数：Ω1 までの低い周波数では、第１及び第２のマス部材３８，４８が同相で動くことから、入力される振動エネルギーが発電電力へ効率的に変換され難い。これに対して、第１の固有振動数：Ω1 から第２の固有振動数：Ω2 までの周波数では、第１及び第２のマス部材３８，４８が逆相で動くことから、振動エネルギーが発電電力へ効率的に変換されて大きな発電電力を得ることができる。
【０１２０】
ここにおいて、理解を容易とするために、第２のマス部材４８が第１のマス部材３８に対して相対的に弾性変位する１自由度系として第２の振動系３４をとらえることができるとすれば、かかる第２の振動系３４の第２のマス部材４８は、第２の振動系３４の１自由度振動系としての機械的な固有振動数：ｆr2において、第１の振動系３２の第１のマス部材３８に対する位相が反転する。しかも、かかる固有振動数：ｆr2の周波数域では、第２の振動系３４の機械的な共振現象により、第２のマス部材４８の第１のマス部材３８に対する相対変位量も効率的に得ることが可能になる。
【０１２１】
このことから、第１の振動系３２よりも第２の振動系３４の方が、機械的な固有振動数を低周波数域に設定された本実施形態では、２自由度振動系の振動モードで第１及び第２のマス部材３８，４８が逆相で動く高周波側の固有振動数：Ω2 までの低い周波数域でも、第２の振動系３４の１自由度振動系としての機械的な固有振動数：ｆr2を超えた周波数域では、第２のマス部材４８の第１のマス部材３８に対する位相が反転することにより、優れた発電効率で大きな発電電力を得ることができるのである。
【０１２２】
このことは、本発明者が発電電力を実測した結果によっても確認されている。即ち、図３及び図４に示された本実施形態に従う構造とされた振動発電装置１８を試作して、ボデー３０側からスィープ加振することにより、発電素子１６による発電電力の周波数特性を測定した。その結果を図５に示す。かかる図５では、発電素子１６の発電電力の実測値が実施例データとして実線で示されていると共に、第１の振動系が省略された第２の振動系単体に相当する機械的な１自由度系の構造体からなる発電装置による発電電力の実測値が比較例データとして破線で示されている。
【０１２３】
図５からも明らかなように、実質的に第２の振動系単体からなる比較例では、発電電力が、第２の振動系の機械的な固有振動数：ｆr2の周波数域だけで一つのピークを有するに過ぎず、入力振動が固有振動数：ｆr2を外れてしまうと発電効率が著しく低下してしまう。これに対して、本発明の実施例では、発電電力が、二つの周波数：Ｐ1 ，Ｐ2 でそれぞれピークを有していると共に、それら二つの周波数：Ｐ1 ，Ｐ2 間の周波数域やＰ2 を超えた高周波数域に至る広い周波数域に亘って高い発電効率が維持されている。ここにおいて、高周波側のピークとなる周波数：Ｐ2 は、２自由度振動系の振動モードで第１及び第２のマス部材３８，４８が逆相で動く高周波側の固有振動数：Ω2 に相当する周波数である。一方、低周波側のピークとなる周波数：Ｐ1 は、２自由度振動系の振動モードで第１及び第２のマス部材３８，４８が逆相で動く低周波側の固有振動数：Ω1 に相当する周波数であり、また第２の振動系３４が１自由度振動系として第１のマス部材に対する位相が反転する固有振動数：ｆr2に略対応する周波数である。
【０１２４】
また、本実施形態では、第２の振動系３４の共振応答倍率：Ｑが、第１の振動系３２の共振応答倍率：Ｘよりも大きくされている（Ｘ＜Ｑ）と共に、第１のマス部材３８の質量：ｍ1 と第１の振動系３２の共振応答倍率：Ｘとの積が、第２のマス部材４８の質量：ｍ2 と第２の振動系３４の共振応答倍率：Ｑとの積よりも大きくされている（ｍ1 ＊Ｘ＞ｍ2 ＊Ｑ）。これにより、振動入力時には、第２のマス部材４８の振幅ひいては板ばね５０の弾性変形量が大きく確保されて、発電素子１６による発電が効率的に実現される。また、第１のマス部材３８に共振状態で及ぼされる加振力が、第２のマス部材４８に共振状態で及ぼされる加振力に対して大きくされていることから、第２の振動系３４による入力振動の相殺的な制振作用が抑制されて、第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の相対変位が安定して生じることで、より有効な発電が広帯域に亘って実現される。
【０１２５】
さらに、振動発電装置１８では、第２のマス部材４８の質量：ｍ2 が、第１のマス部材３８の質量：ｍ1 に対して、１／５倍以下とされており、２自由度振動系の機械的な固有振動数を所定値に設定しながら、板ばね５０のばね定数：ｋ2 が小さく設定されている。それ故、第２のマス部材４８の第１のマス部材３８に対する相対変位が生じ易くなっており、発電素子１６による発電量を効率的に得ることができる。
【０１２６】
また、本実施形態では、第２の振動系３４単体の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr2が、第１の振動系３２単体の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr1よりも、低周波数に設定されている（ｆr2＜ｆr1）。これにより、振動入力時に第１のマス部材３８に対する第２のマス部材４８の相対変位が充分に生ぜしめられて、第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の相対変位量に対応する発電効率の向上が図られ得る。
【０１２７】
さらに、ｆr2＜ｆr1とされていることにより、第２の振動系３４の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr2から第１の振動系３２の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr1までの周波数域においては、第１のマス部材３８が入力振動に対して同相で変位する。それ故、ボデー３０に対して同相で振動変位する第１のマス部材３８を介して、第２の振動系３４に対して振動エネルギーがより効率的に伝達されて発電効率の一層の向上が図られ得る。一方、ｆr2＞＞ｆr1とした場合では、２自由度振動系における低周波側の固有振動数：Ω1 にて、第１の振動系３２が入力振動に対して逆相で変位するため、第２の振動系３４に対して振動エネルギーを効率的に伝達することができない。そこで、本実施形態のようにｆr2＜ｆr1とすることで、図５に示されるＰ1 〜Ｐ2 間の周波数域を充分に大きく設定して一層広い周波数域で優れた発電効率を得ることが可能になる。
【０１２８】
また、振動発電装置１８の２自由度振動系を構成する第１の振動系３２のばね成分が、ゴム弾性体で形成された連結ゴム弾性体４０で構成されている一方、第２の振動系３４のばね成分が、金属で形成された板ばね５０で構成されている。これにより、図６に示されているように、第２の振動系３４では、大きな共振応答倍率で、発電可能な振幅を共振周波数付近の狭い周波数域でのみ得られる一方、第１の振動系３２では、第２の振動系３４に比して小さな共振応答倍率で、発電可能な振幅を広い周波数域に亘って得ることができる。それ故、第１の振動系３２と第２の振動系３４を組み合わせて採用することで、第２の振動系３４単体では著しく狭い周波数域でのみ実現される発電が、第１の振動系３２の連結ゴム弾性体４０の減衰性能に基づいた特性のブロード化によって、より広い周波数域の振動入力に対して有効に実現される。これにより、種々の振動入力条件下において有効な発電が可能とされて、高い実用性を備えた振動発電装置１８を提供することができる。なお、図６では、第１の振動系３２単体の１自由度振動系における周波数−振幅特性が実線で示されていると共に、第２の振動系３４単体の１自由度振動系における周波数−振幅特性が破線で示されている。
【０１２９】
また、振動発電装置１８では、第１の振動系３２単体の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr1が、第１，第２の振動系３２，３４で構成された多自由度振動系の電気的な反共振周波数：ｆa2よりも高周波数に設定されている（ｆr1＞ｆa2）ことで、広い周波数域の振動入力に対する発電が実現されている。以下、図７に示された第２の振動系３４の電気的な特性を考慮した等価回路を用いて説明する。
【０１３０】
図７の等価回路は、発電素子１６（圧電素子）を配設された第２の振動系３４の圧電特性である機械−電気変換特性を示す回路であって、直列的に配置された等価直列インダクタンス：Ｌ1 と等価直列静電容量：Ｃ1 と等価直列抵抗：Ｒ1 と、それらＬ1 ，Ｃ1 ，Ｒ1 に対して並列に配置された並列静電容量：Ｃ0 とによって、発電素子１６の機械的な振動を電気的な回路として表すものである。
【０１３１】
Ｌ1 ，Ｃ1 ，Ｒ1 は、振動モードに応じてそれぞれ一意的に決まる定数である。一方、Ｃ0 は、発電素子１６が誘電体として機能することによる静電容量であって、発電素子１６の大きさや誘電率等により規定される定数である。
【０１３２】
第２の振動系３４の電気的な特性を考慮した等価回路が、このようなＬ1 ，Ｃ1 ，Ｒ1 ，Ｃ0 で構成されることから、第２の振動系３４のインピーダンスは、入力振動の周波数に対して、図８に示すグラフのようになっており、直列共振周波数：ｆr2で極小値となると共に、電気的な反共振周波数（並列共振周波数）：ｆa2で極大値となる。なお、直列共振周波数は、第２の振動系３４の機械的な共振周波数：ｆr2と実質的に同じとなる。また、直列共振周波数：ｆr2は、厳密には、Ｃ0 の影響で第２の振動系３４のインピーダンスが極小値となる周波数とは僅かに異なるが、ここでは実質的に同じとみなす。同様に、並列共振周波数：ｆa2は、第２の振動系３４のインピーダンスが極大値となる周波数とは僅かに異なるが、ここでは実質的に同じとみなす。
【０１３３】
図８のグラフからも明らかなように、発電素子１６を配設された第２の振動系３４では、直列共振周波数：ｆr2において大きな発電量が得られる一方、並列共振周波数：ｆa2において発電量が小さくなり、ｆa2より高周波数域においても発電量は比較的に小さい状態が続くことになる。
【０１３４】
なお、第２の振動系３４の等価回路において、直列共振周波数：ｆr2と並列共振周波数（反共振周波数）：ｆa2は、以下の［数４］と［数５］によって定義される。
【０１３５】
【数４】
2015087956.tif 000006
【０１３６】
【数５】
2015087956.tif 000007
【０１３７】
一方、本実施形態では、振動発電装置１８の振動系を２自由度としたことにより、振動発電装置１８の振動系の機械的な２次固有振動数：Ω1 を同振動系の機械的な反共振周波数よりも高周波数に設定することで、広い周波数域に亘って発電量の低下が抑えられる。このことから、一般に、第１の振動系３２の機械的な固有振動数：ｆr1を等価回路の並列共振周波数：ｆa2よりも高周波数に設定することで、発電効率の低下を広帯域に亘って防ぐことができる。
【０１３８】
更にまた、より好適には、第１の振動系３２単体の機械的な共振周波数：ｆr1が、第２の振動系３４単体の機械的な共振周波数：ｆr2の√２倍以下（ｆr1≦√２＊ｆr2）とされることにより、広い周波数域の振動入力に対して第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の相対変位量が大きく確保される。それ故、広い周波数域の振動入力に対して、発電素子１６による高効率な発電が実現される。要するに、第１の振動系３２単体の機械的な共振周波数：ｆr1は、好適には、ｆa2＜ｆr1≦√２＊ｆr2の範囲に設定される。
【０１３９】
なお、本発明者が実験等で検討したところ、ｆr1≦√２＊ｆr2とすることによって、第１の振動系３２における振動と、第２の振動系３４における振動とを相互に伝達させて連成的な振動状態とすることができる。即ち、例えば入力振動の周波数が変化するような場合において、第１の振動系３２および第２の振動系３４が相互に完全に独立して振動すると一方が振動停止するような状況でも、当該一方の振動系に対して他方の振動系が影響を及ぼすことで、ある程度の振動状態を維持することも可能となる。これにより、双方の振動が及ぼされて、双方の振動系３２，３４における振動状態が補完的に維持され得ることから、各振動系３２，３４における振動状態の発現ひいては目的とする発電状態の発現とその維持が、一層効率的に達成され得ることとなる。なお、第１，第２の振動系３２，３４において、各共振周波数がｆr1≦√２＊ｆr2を満たすように設定されることで、振動の連成による振動状態の補完的な維持が実現されることは、例えば特許４８６２２８６号公報を一助として理解することができる。
【０１４０】
上記の如き構造とされた振動発電装置１８とセンサ部分１４が、例えば筐体２２に収容されることにより、本実施形態のセンサ装置１０が構成されている。そして、例えば筐体２２が取付部材とされると共に、筐体２２の開口部を蓋体等で覆蓋するなどしてセンサ装置１０を車両に取り付けることにより、走行状態の違いによる異なった周波数域での振動入力下においても、振動エネルギーが電気エネルギーへ効率的に変換されて、振動発電装置１８による安定した発電、ひいてはセンサ装置１０の安定した作動が実現され得る。
【０１４１】
以上、本発明のセンサ装置に関する実施形態について詳述してきたが、本発明はその具体的な記載によって限定されない。
【０１４２】
例えば、センサ装置が車両に装着される場合には、図９に機能ブロック図が示されているように、センサ部分１４における検出信号を、有線で配線されたセンサ出力用リード線５９を通じて、かかる検出信号を必要とするＥＣＵ等の車体側コントローラ６０へ送信することも可能である。
【０１４３】
このような有線送信を採用すれば、振動発電装置１８で得られた電力をセンサ部分１４における情報の取得や生成に注力して活用することが可能になる。その結果、例えばサンプリングレートを向上させるなど、必要電力の増大を伴う検出精度の向上が実現可能になると共に、センサ部分１４を含むセンサ装置の作動の安定性の更なる向上も図られ得る。
【０１４４】
また、上述の如き構造とされた特定構造の振動発電装置１８の発電素子１６そのものをセンサ素子として利用することも可能である。具体的には、例えば図１０に機能ブロック図が示されているように、振動発電装置１８の発電波形が、入力される振動に対応することに着目し、計測回路部２０において、かかる発電波形を用いて時間微分などの演算処理を行うことにより、検出信号として加速度情報を得ることも可能である。
【０１４５】
このように、振動発電装置１８の発電素子１６をセンサ素子として利用することで、センサ装置の構造の簡略化や消費電力の低減を図ることが可能になる。
【０１４６】
また、センサ装置が車両に装着される場合、振動発電装置１８の発電状況は車両の走行状況に対応することから、かかる発電状況を監視することによって車両の走行状況を監視し、例えば急激な加減速が繰り返されるなどの特定の走行状況が、発電状況に基づいて把握された場合には、音や光などで運転者に警告を発して注意を促すことも可能となる。このような警告装置６１は、センサ装置の外部、例えば車両のディスプレイや車室内に設けられてもよい。即ち、センサ素子としての振動発電装置１８により検出された特定の走行状況がアンテナ２６やリード線を介して警告装置６１に無線或いは有線送信されることにより、ディスプレイにメッセージやマークが表示されたり、車室内のスピーカーによりメッセージや警告音が発せられるようにして、運転者に認識可能とされるようにしてもよい。
【０１４７】
あるいは、センサ装置が建築物の柱や床に装着される場合には、これらの柱や床が振動部材とされて、近隣を通過する車両や居住者の歩行に伴う振動が、かかる柱や床に及ぼされることにより、振動発電装置１８により電力を得ることができる。更に、例えば上記の如き警告装置６１を採用することにより、音や光で居住者に注意を喚起することができて、地震発生時等における避難を迅速に行うことができる。
【０１４８】
さらに、本発明のセンサ装置では、振動発電装置としても、前記実施形態の他に各種態様が採用可能である。例えば、図１１及び図１２には、それぞれ、本発明において採用される別の態様例としての振動発電装置６２，６４が示されている。なお、前記実施形態と同一の部材または部位については、図中に前記実施形態と同一の符号を付すことにより、詳細な説明を省略する。
【０１４９】
すなわち、図１１に示された振動発電装置６２は、第１のマス部材６６が中空構造とされており、第１のマス部材６６において、外部空間に対して略遮断された収容空所６８が設けられている。このような中空構造の第１のマス部材６６は、例えば、底壁７０と周壁部としての周壁７２を備えた略有底筒形状の下部マス７４に対して、略平板形状の上部マス７６を重ね合わせて下部マス７４の上部開口を覆蓋するように固着せしめることによって実現される。
【０１５０】
そして、この第１のマス部材６６の収容空所６８に収容された状態で、前記実施形態と略同様な構造とされた第２の振動系３４が設けられている。なお、収容空所６８は、第２のばね部材としての板ばね５０の弾性変形に伴う第２のマス部材４８の変位を許容するのに十分な大きさとされている。また、収容空所６８には、第２のマス部材４８の変位方向の両側壁部において、それぞれストッパゴム５８，５８が設けられており、第２のマス部材４８の変位量が緩衝的に制限されるようになっている。
【０１５１】
このような構造とされた振動発電装置６２では、第１の振動系３２における第１のマス部材６６の重心位置と、第２の振動系３４における第２のマス部材４８の重心位置とを、高さ方向で近接して設定することが可能になる。しかも、これら第１のマス部材６６と第２のマス部材４８が、振動入力基準面となる第１のばね部材としての連結ゴム弾性体４０のボデー３０への固着面である支持面、即ち取付部材３６の上面からの高さを小さくして位置決めすることが可能になる。
【０１５２】
また、前記第１の実施形態でも、カバー部材４４が、その質量によって第１のマス部材３８の一部を構成していることからも理解できるように、第１の実施形態では、中空構造の第１のマス部材とされて、カバー部材４４と第１のマス部材３８との間に形成された収容領域４６内に第２の振動系３４が収容配置されており、且つ、板ばね５０の基端側が、第１のマス部材における収容空所（収容領域）４６の周壁を構成する第１のマス部材３８の上端面から収容空所４６内に突設された支持突部４２で支持されることにより、板ばね５０の支持位置が、収容空所４６の周壁部よりも収容空所４６の内方に位置して設定されている。ここにおいて、図１１に示された実施形態では、第１の実施形態のカバー部材４４が厚肉とされて上部マス７６が構成されているものとみることも可能であることから、第１の実施形態の説明をもって図１１の態様を理解することも可能である。
【０１５３】
これにより、第１の実施形態と本実施形態の何れにおいても、第２の振動系３４を構成する板ばね５０の基端側の第１のマス部材３８，６６による支持位置が、第１のマス部材３８，６６の外周壁部よりも中央側に離れて、第１のマス部材３８，６６の重心に近い位置に設定されている。その結果、第１のマス部材３８，６６に対して、発電に有意な曲げ変形を板ばね５０に惹起させる、図１１中の上下方向の振幅を伴うバウンスのような変位を伴う目的とする振動は、第１のマス部材３８，６６の上下振動が板ばね５０に対して直接的に効率良く伝達されて、第２の振動系３４が有利に加振され得ることとなる。一方、図１１中で左右方向の略中央を支点としたシーソーのような揺れ変位を伴うピッチングや、図１１中で左右方向に延びる直線を中心とした回動変位を伴う捩じり、図１１中で上下方向に延びる直線を中心とした回動変位を伴うこじりなどの各種方向の振動に対しては、何れも、第１のマス部材３８，６６の外周壁部で振動振幅が最大となることから、外周壁部よりも中央側に支持点が設定された第２の振動系３４に対する振動伝達が抑えられることとなり、板ばね５０に対する悪影響が軽減されて、板ばね５０の目的とする曲げ変形ひいてはそこに装着された発電素子１６による発電効率が、安定して良好に維持され得るのである。
【０１５４】
特に、図１１の実施形態では、第１の実施形態のカバー部材４４よりも上部マス７６が厚肉とされることで、第１のマス部材６６の重心が、水平方向だけでなく上下方向においても中央側によせられて、収容空所６８の内部に設定されている。これにより、第１のマス部材６６の重心と、第２の振動系３４の板ばね５０の支持点とを、より近い位置に設定することが可能となり、例えば略同じ位置に設定することも可能となる。その結果、上述の如き、第１のマス部材６６におけるピッチングや捩じり、こじりなどの振動入力を一層抑えつつ、振動発電に有意な上下方向の振動の伝達による安定した発電をより効果的に実現可能ことができるのである。
【０１５５】
このように、本態様では、振動入力時における第１のマス部材６６や第２のマス部材４８の揺動など、特に第２のマス部材４８の上下方向以外の不規則な変位を伴う板ばね５０の不規則な変形が抑えられて、目的とする主たる振動入力方向となる上下方向への振動変位が一層安定して生ぜしめられる結果、連結ゴム弾性体４０や板ばね５０の弾性変形量が大きくされて振動エネルギーの電気エネルギーへの変換効率の更なる向上が図られ得るのである。
【０１５６】
しかも、第２の振動系３４の配設領域が、第１のマス部材６６によって外部空間から遮断されることから、別途にカバー構造等を必要とすることなく、第２の振動系３４の配設領域において簡単な構造をもって防塵性能や防水性能を付与することも可能になる。
【０１５７】
加えて、第１のマス部材６６を中空構造としたことにより、容積が大きい外周部分で大きなマス重量を確保しつつ、収容空所６８へ第２の振動系３４を収容させて、前記実施形態のように第１のマス部材６６から上方への大きな突出を回避することが可能になる。その結果、第１のマス部材６６の質量を十分に確保しつつ、防振装置全体の特に高さ方向のサイズを小さく抑えることが可能になる。
【０１５８】
また、図１２に示された振動発電装置６４は、図１１に示された振動発電装置６２と同様に、中空構造とされた第１のマス部材６６の収容空所６８に収容された状態で、第２の振動系３４が設けられている。一方、第１のマス部材６６は、その周壁７２の外周面上に設けられた第１のばね部材７８によって、振動部材たるボデー３０に対して弾性連結されている。
【０１５９】
すなわち、ボデー３０に対してボルト等で固着される取付部材８０が、第１のマス部材６６の外周側に離隔した縦壁構造をもって形成されており、第１のマス部材６６の外周面が、取付部材８０に対して、主たる振動入力方向に略直交する方向で対向位置せしめられている。そして、これら第１のマス部材６６の外周面と取付部材８０との対向面間にゴム弾性体からなる第１のばね部材７８が配設されることにより、第１のマス部材６６が取付部材８０によって弾性支持されている。
【０１６０】
なお、第１のばね部材７８は、第１のマス部材６６の全周に亘って設けられていても良いが、周上で適数箇所に位置して設けられていても良い。
【０１６１】
このような構造とされた振動発電装置６４では、ボデー３０からの振動により第１の振動系３２における第１のばね部材７８が主たる振動入力方向で主に剪断変形せしめられることから、低動ばねチューニングすることが可能になり、特性チューニングの自由度の向上が図られ得る。なお、本実施形態の振動発電装置６４においても、第１のマス部材６６の底壁７０と取付部材８０の底壁との対向面間に、補助的に圧縮ゴムを介在させて特性チューニングすることも可能である。
【０１６２】
その他、本発明において採用される振動発電装置では、例えば、振動発電装置の振動系において、３つ以上のマス部材をそれぞればね部材を介して直列的に弾性連結して、３自由度以上の多自由度振動系とすることもできる。これによれば、より一層広い周波数域の振動入力に対して、高い発電効率を得ることができる。なお、３自由度以上の多自由度振動系を採用する場合には、互いに弾性連結された２つのマス部材を選択して、それらマス部材の間にのみ発電素子を設けても良いが、隣接配置されて相互に弾性連結された複数組のマス部材間に、それぞれ発電素子を設けることでもできる。
【０１６３】
また、例えば、第１のマス部材に対して２つ以上の第２のマス部材を並列的に且つ互いに独立した２つ以上の第２のばね部材を介してそれぞれ弾性連結することで、振動発電装置の多自由度振動系を構成することもできる。これによれば、第２の振動系が複数構成されることから、それら第２の振動系単体の機械的な固有振動数を互いに異ならせて、より広い周波数域の振動入力に対する有効な発電を実現したり、第２の振動系単体の機械的な固有振動数を互いに同じにすることで、特定周波数域の振動入力に対する発電効率の向上を図ったりすることも可能である。
【０１６４】
さらに、発電素子としては、圧電素子や電歪素子、磁歪素子等の発電素子が何れも採用可能である他、エレクトレットや交差磁束の時間変化を使った電磁方式等を用いた発電構造を採用することもできる。このことからも理解されるように、第２の振動系を構成する第２のマス部材および第２のばね部材の具体的な構造は限定されるものではなく、例えば、第２のばね部材としてコイルスプリングやゴム弾性体、棒ばね等を用いることもできる。同様に、第１のマス部材および第１のばね部材の具体的な構造も特に限定されず、例えば、第１のばね部材としてコイルスプリングや板ばね、棒ばね等の金属ばねを用いても良い。
【０１６５】
更にまた、前記実施形態の振動発電装置１８（６２，６４）では、第１のマス部材３８（６６）のボデー３０に対する質量比を調節することで、第１の振動系３２がボデー３０の振動に対する制振作用を及ぼすようになっていたが、振動発電装置に制振装置としての機能を持たせることは、本発明において必須ではない。要するに、第１のマス部材の質量を振動部材の等価マス質量の１０％よりも小さくしても良く、振動発電装置とは別にダイナミックダンパ等の制振装置を配設することもできる。
【０１６６】
なお、前記実施形態では、第２の振動系３４を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr2が、第１の振動系３２を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr1よりも低周波数に設定されていた（ｆr2＜ｆr1）。それと共に、第２のマス部材４８の質量：ｍ2 は、第１のマス部材３８，６６の質量：ｍ1 との間で、ｍ1 ＊Ｘ＞ｍ2 ＊Ｑを満たすように設定されていた（Ｘ，Ｑはそれぞれ、第１の振動系３２および第２の振動系３４の共振応答倍率）。しかし、本発明に係る発電装置は、これらの態様に限定されない。
【０１６７】
すなわち、第２の振動系３４を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr2が第１の振動系３２を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr1よりも高周波数に設定されている（ｆr2＞ｆr1）場合であっても、第１のマス部材３８，６６の質量：ｍ1 と第１の振動系３２の共振応答倍率：Ｘとの積が第２のマス部材４８の質量：ｍ2 と第２の振動系３４の共振応答倍率：Ｑとの積に近い（ｍ1 ＊Ｘ≒ｍ2 ＊Ｑ）場合には、第１の振動系３２と第２の振動系３４との相互作用により発電量が増加され得る。従って、本発明に係る発電装置では、第２の振動系３４を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr2が、第１の振動系３２を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr1に対して、異なって（ｆr1≠ｆr2）いればよい。
【０１６８】
さらに、前記図１１，１２に示した振動発電装置６２，６４では、下部マス７４が略有底筒形状とされると共に上部マス７６が略平板形状とされており、下部マス７４の上部開口部に対して上部マス７６を上方から覆蓋せしめることで収容空所６８が形成されて、かかる収容空所６８内に第２の振動系３４が収容されていたが、かかる態様に限定されない。即ち、例えば、下部マスが略平板形状とされると共に上部マスが逆向きの略有底筒形状とされていてもよいし、第１のマス部材が、側方に開口する筒形状の部材と、この側方開口部を覆蓋する部材とから構成されていてもよい。
【０１６９】
また、前記実施形態では、センサ装置が車両に取り付けられて車両用のセンサ装置とされていたが、かかる態様に限定されず、振動部材は、発電に足るだけの振動入力があれば特に限定されるものではない。更に、本発明に係る発電装置は、振動部材において、互いに異なる振動周波数域で複数種類の振動の振動レベルが最大になる場合に、特に好適に採用される。具体的には、例えば、洗濯物の量等で振動周波数が変化する洗濯機や、冷凍機の作動状態等に応じて振動周波数が変化する冷蔵庫、走行状態や路面の凹凸等に応じて振動周波数が変化する自動車、加工状態等に応じて振動周波数が変化する工作機械、通過する車両の重量等に応じて振動周波数が変化する橋梁、或いは建築物の柱や床等において、筐体やボデー等が発電装置を装着する振動部材となり得る。
【０１７０】
ところで、上述の如き本発明に従う振動発電装置１８，６２，６４は、前記実施形態に示すセンサ装置１０への適用に限定されるものでない。以下、車両用発光装置や建築物用発光装置へ適用した実施態様について、図面を参照しつつ、説明する。なお、振動発電装置については、前記実施形態と同様な構造であり、その理解を容易とするために、前記実施形態と同じ符号を図中に付しておく。
【０１７１】
次に、図１３には、本発明に従う構造とされた車両用発光装置１１０を備える自動車１１１の前部が示されている。車両用発光装置１１０は、図１４に示すように、発光体としてのコーナーポール１１２と、作動用電源としての振動発電装置１１４とを備えている。以下の説明において、上下方向とは、原則として、車両装着状態での鉛直上下方向となる図１４中の上下方向を言う。
【０１７２】
より詳細には、コーナーポール１１２は、導光ポール１１６に光源としてのＬＥＤ１１８が収容された構造を有している。導光ポール１１６は、アクリルなどの合成樹脂で形成された透明乃至は半透明の部材であって、上方に向かって直線的に延びる先細ロッド状とされている。
【０１７３】
導光ポール１１６の基端部には、ＬＥＤ１１８が収容されている。ＬＥＤ１１８は、公知の構造であって、図示しない基板に給電用配線としてのワイヤハーネス１２０が接続されており、ワイヤハーネス１２０を通じて基板に電力が供給されることによって発光するようになっている。そして、ＬＥＤ１１８の光が、導光ポール１１６によって上方に導かれて、外周側に放射されることにより、導光ポール１１６が全体的に乃至は部分的に発光して、周囲から容易に視認可能となるようにされている。
【０１７４】
また、コーナーポール１１２には、振動発電装置１１４が取り付けられている。振動発電装置１１４は、図１１に示された前記実施形態の振動発電装置６２と実質的に同じ構造とされており、振動部材としてのバンパー１２２に取り付けられる第１の振動系３２と、第１の振動系３２を介してバンパー１２２に取り付けられる第２の振動系３４とを含む多自由度振動系を、備えている。なお、本実施形態では、図１１に示された振動発電装置６２を上下反対にして装着した態様となっている。即ち、上部マス７６が逆向きの略有底筒形状とされていると共に、下部マス７４が略平板形状とされている。
【０１７５】
そして、前述のような優れた発電効率を得られる振動発電装置１１４に、コーナーポール１１２を接続することにより、図１４に示すように、本実施形態に係る車両用発光装置１１０が構成されている。即ち、コーナーポール１１２は、導光ポール１１６の基端部とＬＥＤ１１８が、振動発電装置１１４の取付部材１２８に固定されている。そして、コーナーポール１１２のＬＥＤ１１８と、振動発電装置１１４の発電素子１６が、ワイヤハーネス１２０によって電気的に接続されることにより、ＬＥＤ１１８を発光させるための作動用電源が、振動発電装置１１４によって構成されている。
【０１７６】
なお、例えば、発電素子１６によって得られる電気をフィルタリングするための回路や、ＬＥＤ１１８への電力供給のオンとオフを制御する制御手段などを、収容空所６８に配設することもできる。特に、それら回路や制御手段などを、収容空所６８の内部に設けることにより、回路や制御手段などを保護することもできる。
【０１７７】
かくの如き構造とされた車両用発光装置１１０は、振動発電装置１１４が自動車１１１の端部を構成するバンパー１２２に取り付けられることから、振幅の大きな振動が発電素子１６に入力されて、より効率的な発電が実現される。特に、バンパー１２２は、自動車１１１のメインフレームとは別部品とされた端部構成部材であって、バンパー１２２への振動伝達を低減する防振構造はなく、大きな振動エネルギーが振動発電装置１１４に入力されることから、振動発電によって電力を効率的に得ることができる。加えて、振動発電装置１１４がバンパー１２２の振動エネルギーを電気エネルギーに変換してＬＥＤ１１８に供給することで、バンパー１２２の振動が低減される。
【０１７８】
また、振動が入力される自動車１１１の走行時には、振動発電装置１１４の発電によって得られる電力が、コーナーポール１１２に安定して供給されることから、電池交換や充電などの手間を要することなく、コーナーポール１１２を発光させることができる。しかも、駐車時には、振動発電装置１１４に振動が入力されず、ＬＥＤ１１８への電力供給が停止されて、コーナーポール１１２の発光が自動的に停止されることから、コーナーポール１１２の発光のオンとオフが、操作することなく自動的に切り替えられる。
【０１７９】
なお、振動発電装置１１４において、発電が有効に実行される入力振動の周波数域（例えば、走行時のエンジンシェイクに相当する低周波数域）と、実質的に発電されない周波数域（例えば、停車時のアイドリング振動に相当する中周波数域）とを設定することにより、コーナーポール１１２の発光のオンとオフを、自動車１１１の走行状態などに応じて自動的に切り替えることもできる。
【０１８０】
また、振動発電装置１１４とコーナーポール１１２が相互に連結されて近接配置されていることから、ＬＥＤ１１８に電力を供給するためのワイヤハーネス１２０を短くすることができる。それ故、ワイヤハーネス１２０の重量を低減することができて、車両の軽量化が図られると共に、ワイヤハーネス１２０が他部材に干渉して破断するといった不具合も回避され、ワイヤハーネス１２０の取回しが容易になる。
【０１８１】
また、振動発電装置１１４では、第１の振動系３２における第１のマス部材６６の重心位置と、第２の振動系３４における第２のマス部材４８の重心位置とを、水平方向で何れも第１のマス部材６６の外周壁よりも中央部分寄りに設定することができると共に、高さ方向で近接して設定することが可能になる。しかも、これら第１のマス部材６６と第２のマス部材４８が、振動入力基準面となる第１のばね部材としての連結ゴム弾性体４０のバンパー１２２への固着面である支持面からの高さを小さくして位置決めすることが可能になる。
【０１８２】
それ故、振動入力時における第１のマス部材６６や第２のマス部材４８の揺動が抑えられて、目的とする主たる振動入力方向となる上下方向への振動変位が一層安定して生ぜしめられる結果、連結ゴム弾性体４０や板ばね５０の弾性変形量が大きくされて振動エネルギーの電気エネルギーへの変換効率の更なる向上が図られ得るのである。
【０１８３】
しかも、第２の振動系３４の配設領域が、第１のマス部材３０によって外部空間から遮断されることから、別途にカバー構造等を必要とすることなく、第２の振動系３４の配設領域において簡単な構造をもって防塵性能や防水性能を付与することも可能になる。
【０１８４】
加えて、第１のマス部材６６を中空構造としたことにより、容積が大きい外周部分で大きなマス重量を確保しつつ、収容空所６８へ第２の振動系３４を収容させて、第１のマス部材６６から下方への大きな突出を回避することが可能になる。その結果、第１のマス部材６６の質量を十分に確保しつつ、振動発電装置１１４全体の特に高さ方向のサイズを小さく抑えることが可能になる。その他、前述の車両用センサ装置における効果が、本実施形態の車両用発光装置において、何れも同様に発揮され得るのである。
【０１８５】
また、図１３に示すように、自動車１１１のバンパー１２２には、本発明の別の実施形態としての車両用発光装置１６０も設けられている。
【０１８６】
より詳細には、車両用発光装置１６０は、図１５〜１７に示すように、発光体としてのバンパー用ライト１６２と、作動用電源としての振動発電装置１６８とを備えている。バンパー用ライト１６２は、前方に向かって発光するアクセサリーライトであって、光源としての５つのＬＥＤ１１８が、前面を透明乃至は半透明の合成樹脂で形成された透光カバー１６４で覆われた構造を有している。なお、５つのＬＥＤ１１８は、電気回路を備えた基板１６６に取り付けられている。
【０１８７】
また、ＬＥＤ１１８の後方には、振動発電装置１６８が配設されている。振動発電装置１６８は、箱状の取付部材１８４に第１の振動系３２と第２の振動系３４が収容された構造を有している。本実施形態の振動発電装置１６８は、図１４に示された前記実施形態の振動発電装置１１４を上下逆向きにしたような構造となっている。即ち、第１のマス部材６６が底壁７０と周壁７２を有する略有底四角筒状の下部マス７４と、下部マス７４の上開口を塞ぐ板状の上部マス７６とによって構成されている。更に、本実施形態では、図１７に示すように、板ばね５０の先端側となる一端の上下両面にわたって第２のマス部材４８が固着されている。
【０１８８】
そして、ＬＥＤ１１８が取付部材１８４に固定されていると共に、ＬＥＤ１１８の基板１６６と振動発電装置１１４の発電素子１６とが、ワイヤハーネス１２０によって電気的に接続されている。
【０１８９】
かくの如き構造とされた車両用発光装置１６０は、図１３に示すように、バンパー１２２に配設されており、バンパー用ライト１６２の透光カバー１６４がバンパー１２２の前面に露出している。そして、自動車１１１の走行時には、振動発電装置１６８に入力される振動エネルギーが、コーナーポール１１２に関する前記実施形態と同様に電気エネルギーに変換されて、得られた電力がＬＥＤ１１８に供給されることで、バンパー用ライト１６２が発光するようになっている。
【０１９０】
このような本実施形態に係る車両用発光装置１６０においても、前記実施形態の車両用発光装置１１０と同様の効果を得ることができる。要するに、本発明の車両用発光装置において、発光体はコーナーポール１１２に限定されるものではなく、バンパー用ライト１６２であっても良い。
【０１９１】
また、車両用発光装置１６０の発光体をドアミラー用ライト１８６とすることもできる。即ち、図１３に示すように、自動車１１１のドアミラー１８８に車両用発光装置１６０を設けて、ドアミラー用ライト１８６をドアミラー１８８の前面に露出させると共に、振動発電装置１６８をドアミラー１８８に内蔵することにより、ドアミラー１８８に車両用発光装置１６０によるアクセサリーライトを設けることも可能である。このように、車両用発光装置１６０をドアミラー１８８に設けることにより、特に夜間の走行時に、対向車両の運転手に車幅を知らしめることができる。なお、ドアミラー１８８に車両用発光装置１６０を設ける場合には、ドアミラー１８８の前面におけるドアミラー用ライト１８６の露出位置は、特に限定されないが、図１８，１９に示すように、車幅方向でドアミラー１８８の外端部分に設けられることが望ましい。
【０１９２】
図２０〜２２には、車両用発光装置に関する本発明の第３の実施形態としての車両用発光装置１９０が示されている。車両用発光装置１９０は、エンドキャップ１９２が光源としてのＬＥＤ１１８の外側に配されて構成される発光体としてのエンドキャップ用ライト１９４と、エンドキャップ１９２に収容されてＬＥＤ１１８に接続された振動発電装置１９３とを、備えている。なお、本実施形態における振動発電装置１９３は、前記車両用発光装置に関する第２の実施形態に記載の車両用発光装置１６８と同様の構造とされている。
【０１９３】
エンドキャップ１９２は、自転車や自動二輪車等の端部を構成する振動部材としてのハンドルエンド１９５に取り付けられる部材であって、全体として横転有底円筒形状を有しており、ハンドルエンド１９５に嵌入される筒状部１９６と、筒状部１９６の外側の開口部を閉塞するように設けられた透明乃至は半透明の透光部１９８とを、備えている。本実施形態では、筒状部１９６と透光部１９８が一体形成されているが、二色成形によって筒状部１９６が不透明とされていても良いし、別体形成された筒状部１９６と透光部１９８が後固定されていても良い。
【０１９４】
さらに、エンドキャップ１９２の内周領域には、ＬＥＤ１１８が配設されている。そして、ＬＥＤ１１８の発する光が、エンドキャップ１９２の透光部１９８を通じて、外方に照射されるようになっており、もって、自転車等のハンドルエンド１９５に設けられるエンドキャップ用ライト１９４が構成されている。
【０１９５】
また、エンドキャップ１９２の内周領域には振動発電装置１９３が配設されて、連結ゴム弾性体４０が筒状部１９６に固着されていると共に、ＬＥＤ１１８と振動発電装置１９３の発電素子１６とが、ワイヤハーネス１２０によって電気的に接続されている。そして、発電素子１６で得られた電力が、ワイヤハーネス１２０を介してＬＥＤ１１８に供給されることにより、ＬＥＤ１１８が発光せしめられて、ＬＥＤ１１８の光が透光部１９８を通じてエンドキャップ１９２の軸方向に発せられるようになっている。
【０１９６】
このような構造とされた車両用発光装置１９０は、エンドキャップ１９２の筒状部１９６が自転車のハンドルエンド１９５に嵌め入れられることにより、ハンドルエンド１９５に取り付けられており、振動発電装置１９３がハンドルエンド１９５に収容されていると共に、エンドキャップ用ライト１９４がハンドルエンド１９５の外側端面に露出している。これにより、自転車の走行時の振動によって、エンドキャップ用ライト１９４が発光して、自転車の左右両端部分であるハンドルエンド１９５の位置を視認容易とすることができる。なお、自転車の車幅を夜間などでも目視で把握可能とするために、左右両方のハンドルエンド１９５，１９５にそれぞれ車両用発光装置１９０，１９０を取り付けることが望ましい。
【０１９７】
以上、本発明の車両用発光装置の実施形態について詳述してきたが、本発明はその具体的な記載によって限定されない。例えば、前記実施形態では、光源としてＬＥＤ１１８が例示されているが、光源は特に限定されるものではない。更に、光源の数や配置、形状、大きさなども、限定的に解釈されるものではない。
【０１９８】
また、本発明構造では、光源と振動発電装置を近接して配置可能とされることから、光源と振動発電装置とを接続する配線（本実施形態のワイヤハーネス１２０）を省略して、コネクタによる接続構造を採用することもできる。これによれば、配線の断線による作動不良などを回避することができる。
【０１９９】
また、振動部材は、発電に足るだけの振動入力がある車両の端部構成部材であれば、特に限定されるものではないが、本発明に係る車両用発光装置の振動発電装置は、振動部材において、互いに異なる振動周波数域で複数種類の振動の振動レベルが最大になる場合に、特に好適に採用される。具体的には、例えば、走行状態や路面の凹凸等に応じて振動周波数が変化する自動車や自動二輪車、自転車などにおいて、端部構成部材が振動発電装置を装着する振動部材となり得る。
【０２００】
振動部材としては、前記実施形態で示した自動車１１１のフロントバンパー１２２とドアミラー１８８、二輪車のハンドルエンド１９５などの他、例えば、自動車のリアバンパーや二輪車（自転車や自動二輪車）のフロントフォークやサドル、ミラー、ペダルなどが挙げられる。それらの場合には、車両用発光装置の発光体が、リアバンパー用ライトやフロントポジションライト、リアポジションライト、ミラー用ライト（上部車幅灯）、ペダル用ライト（下部車幅灯）とされる。更に、前記実施形態では、振動部材として、自動車１１１のメインフレームに取り付けられる別部品であるバンパー１２２やドアミラー１８８が例示されているが、例えば、振動部材は、メインフレームの端部の一部によって構成されていても良い。
【０２０１】
また、本発明の適用対象となる車両としては、自動車や自動二輪車、自転車に限定されず、例えば、鉄道用車両や産業用車両などでも良い。
【０２０２】
さらに、本発明の車両用発光装置では、振動発電装置としても、前記実施形態の他に各種態様が採用可能である。例えば、車両用センサ装置の実施形態において図３や図１２に記載の如き別態様の振動発電装置１８や６４を採用して、車両用発光装置を構成することも可能である。
【０２０３】
また、前記図１４に示した振動発電装置１１４では、上部マス７６の開口部に対して下部マス７４を覆蓋せしめることで収容空所６８が形成されて、かかる収容空所６８内に第２の振動系３４が収容されていたが、かかる態様に限定されない。即ち、例えば、上部マスが略平板形状とされると共に下部マスが略有底筒形状とされていてもよいし、第１のマス部材が、側方に開口する筒形状の部材と、この側方開口部を覆蓋する部材とから構成されていてもよい。
【０２０４】
続いて、図２３〜２４には、本発明に従う構造とされた建築物用発光装置２１０が示されている。この建築物用発光装置２１０は、建築物２１２に装着されることにより、建築物２１２における歩行領域２１４を照明するものである。なお、以下の説明において上下方向とは、原則として、鉛直方向である図２３中の上下方向を言う。
【０２０５】
より詳細には、建築物２１２は公知の各種の建築構造をもって築造され得るものであり、その歩行領域２１４としての廊下の構造概略が図２３に例示されている。かかる建築物２１２の歩行領域２１４は、胴差や床梁、根太等の水平構造材２１６ａによって合板等の床基材２１６ｂが支持されて敷設されることで床強度が確保されていると共に、床基材２１６ｂの上に床シートやフローリング等の床仕上材２１６ｃが貼り付けられた構造となっている。
【０２０６】
また、床材としての水平構造材２１６ａや床基材２１６ｂ，床仕上材２１６ｃで構成された歩行領域２１４の上面を、人が歩行するようになっていると共に、かかる歩行領域２１４の両側には、内壁材２１８，２１８が立設されている。なお、内壁材２１８は、柱や胴縁などからなる公知の建築構造をもって取り付けられて支持されており、歩行領域２１４に面する内面には必要に応じてクロスや塗膜が被着される。
【０２０７】
かくの如き建築物２１２に装着されて歩行領域２１４を照明する建築物用発光装置２１０は、床材に取り付けられて制振装置として機能する振動発電装置２１９と、内壁材２１８に取り付けられた発光体としてのＬＥＤ２２０とを含んで構成されている。そして、例えば歩行領域２１４を人が歩行することで変形振動せしめられる床材の振動エネルギーを振動発電装置２１９で電気エネルギーに変換して、ＬＥＤ２２０を発光させるようになっている。なお、このことから明らかなように、本実施形態では、水平構造材２１６ａや床基材２１６ｂ，床仕上材２１６ｃで構成された床材が、人の歩行や地震等の外力の作用により主に上下方向で振動変形せしめられる振動部材とされている。
【０２０８】
ここにおいて、ＬＥＤ２２０は、公知のものが採用可能である。そして、ＬＥＤ２２０は、歩行領域２１４の両側の内壁材２１８に取り付けられて、発光により床仕上材２１６ｃの上面を照明するようになっている。
【０２０９】
なお、本実施形態では、後述する振動発電装置２１９で発電される電力を各ＬＥＤ２２０へ給電するリード線２２４上に制御装置２２５が設けられており、振動発電装置２１９からの電力に対して、制御装置２２５において安定化や定電圧化などの処理を行ってＬＥＤ２２０へ給電するようになっている。この制御装置２２５は、例えばフィルタやオペアンプ，シャントレギュレータの他、コンデンサ等を用いた蓄電回路を備えることが望ましい。
【０２１０】
一方、床材に装着された振動発電装置２１９は、図１１に示された前記実施形態の振動発電装置６２と実質的に同じ構造とされており、振動部材としての床材に取り付けられる第１の振動系３２を備えており、更に、この第１の振動系３２を介して第２の振動系３４が床材に取り付けられている。換言すれば、床材からの振動伝達経路上で第１の振動系３２と第２の振動系３４が直列的に設けられており、第１の振動系３２と第２の振動系３４とにより多自由度振動系が構成されている。
【０２１１】
さらに、第１のマス部材６６の質量：ｍ1 は、床材の等価マス質量：Ｍに対して、１０％以上（ｍ1 ≧０．１＊Ｍ）とされていることが望ましい。これにより、第１のマス部材６６が床材の振動状態に対して充分な影響を及ぼして、ダイナミックダンパとして機能し得ることから、振動の相殺による床材の振動低減が期待される。このように、第１のマス部材６６と連結ゴム弾性体４０を含んで構成される第１の振動系３２により、振動部材である床材の振動を抑制する制振装置が構成されている。
【０２１２】
また、第２のマス部材４８の第１のマス部材６６に対する相対変位が板ばね５０の板厚方向（図２３中の上下方向）となる剪断方向での弾性変形（剪断変形）によって許容されている。このことからも明らかなように、建築物用発光装置２１０は、第１の振動系３２と第２の振動系３４で構成された２自由度の振動系を備えており、床材の振動が、片持ち梁状に支持された板ばね５０の剪断方向に及ぼされて曲げ変形が生ぜしめられるようになっている。
【０２１３】
このような構造とされた建築物用発光装置２１０は、床材への装着状態において、床材の振動エネルギーを発電素子１６で電気エネルギーに変換して取り出すようになっている。そこにおいて、建築物用発光装置２１０では、２自由度の振動系を設けると共に、第１，第２のマス部材６６，４８の間に発電素子１６を配することで、発電素子１６による効率的な発電が実現されるようになっている。従って、かかる建築物用発光装置２１０では、第１の振動系３２により制振装置が構成されていると共に、第１の振動系３２と第２の振動系３４を含んで振動発電装置２１９が構成されている。
【０２１４】
そして、前述のように優れた発電効率を得られる振動発電装置２１９によって、発光体としてのＬＥＤ２２０を発光させるための作動用電源が構成されている。なお、本実施形態では、ＬＥＤ２２０が、振動部材である床材と異なる部位に装着されているが、床材にＬＥＤを装着して床面を発光させても良い。
【０２１５】
また、本実施形態では、図２４に示されているように、歩行領域２１４である廊下が歩行方向で連続的に連なった複数のエリア２５６に分割されており、各エリア２５６に建築物用発光装置２１０と制御装置２２５、ＬＥＤ２２０が、独立して作動可能に装着されている。具体的には、例えば図示されているように、各一つの建築物用発光装置２１０に対して、歩行領域２１４の長さ方向（図２中の上下方向）両側および幅方向（図２中の左右方向）両側に位置する合計４つのＬＥＤ２２０，２２０，２２０，２２０と、当該建築物用発光装置２１０と電気的に接続された制御装置２２５とが、リード線２２４，２２４，２２４，２２４によって接続される。
【０２１６】
これにより、歩行領域２１４において、人が図２中の白矢印の方向に歩を進めると、振動が入力される振動発電装置２１９が、図２４中の下側のエリア２５６から順次に上側に隣接するエリア２５６へと移行することとなる。そして、歩行者が図２４中の最も下方のエリア２５６内を通過して、このエリア２５６に設置された建築物用発光装置１０に振動を及ぼすことにより、振動が及ぼされた建築物用発光装置２１０に接続されているＬＥＤ２２０が発光することから、図２４中の下方のＬＥＤ２２０から順次に上方のＬＥＤ２２０が発光することとなる。要するに、歩行領域２１４を歩行するのに伴い、歩行領域２１４の足元照明が、ＬＥＤ２２０により歩行と略同じ速度で次第に移動せしめられることとなる。なお、歩行後のエリア２５６では加振力がなくなって振動発電装置２１９の第２の振動系３４の振動が収束するのに伴って、ＬＥＤ２２０が順次に消灯される。
【０２１７】
なお、本実施形態では、振動発電装置２１９が装着された部位に対して、当該振動発電装置２１９からの給電で発光せしめられるＬＥＤ２２０が、歩行方向前後両側に配されていることから、図２４中の白矢印と反対の方向に歩行しても、同様に歩行領域２１４のＬＥＤ２２０が、歩行方向に向かって順次に発光することとなる。
【０２１８】
また、制御装置２２５を、収容空所６８の内部に設けることにより、回路や制御手段などを保護するようにしても良い。
【０２１９】
かくの如き構造とされた建築物用発光装置２１０は、振動発電装置２１９が振動部材である床材の下面に取り付けられることから、歩行領域２１４を歩行することに伴う振幅の大きな振動が発電素子１６に入力されて、より効率的な発電が実現される。加えて、かかる建築物用発光装置２１０には制振装置も構成されていることから、床材からの振動エネルギーを電気エネルギーに変換するだけでなく、床材の振動も低減され得る。
【０２２０】
また、歩行領域２１４を歩行することにより振動発電装置２１９により電力が得られることから、ＬＥＤ２２０に電気が安定して供給されて、電池交換や充電などの手間を要することなくＬＥＤ２２０を発光させることができる。しかも、非歩行時には、振動発電装置２１９に振動が入力されず、ＬＥＤ２２０への電力供給が停止されて、ＬＥＤ２２０の発光が自動的に停止されることから、ＬＥＤ２２０の発光のオンとオフが、操作することなく自動的に切り替えられる。
【０２２１】
さらに、本実施形態では、歩行領域２１４を歩行することで足元を照明させられることから、別途照明を点灯させる必要がなく、暗闇でも確実に歩行領域２１４を認識させて歩行を補助することができる。特に、地震による停電時など、長時間に亘って外部電源が機能しない場合でも、安定して歩行領域２１４を照明させることができて、建築物用発光装置２１０は避難灯としても採用され得る。更にまた、地震等による災害時においても、建築物用発光装置２１０が建築物２１２の内部に設けられていることから、損傷のおそれも低減できて歩行領域２１４を照明させることができる。
【０２２２】
また、歩行領域２１４が複数のエリア２５６に分割されて、エリア２５６毎に建築物用発光装置２１０やＬＥＤ２２０が独立的に配備されていることから、幾つかのエリア２５６の設備が損傷した場合でも、他のエリア２５６の設備により歩行領域２１４の照明機能が確保されるという利点もある。
【０２２３】
その他、本実施形態においても、採用した特定構造の振動発電装置に基づいて、前述の車両用センサ装置や車両用発光装置と同様な技術的効果が、何れも有効に発揮され得ることとなる。
【０２２４】
また、建築物用発光装置においても、前記実施形態における具体的な記載によって限定されない。例えば、本発明の建築物用発光装置における振動発電装置は、前記実施形態の他に図２５，２６に示される如き各種態様が採用可能である。なお、図２５，２６では、ＬＥＤ等の前記実施形態と同様な構造とされた部材または部位については、図中に、図示を省略し又は前記実施形態と同一の符号を付すことにより詳細な説明を省略する。
【０２２５】
すなわち、図２５に示された振動発電装置は、図１２に示された前記車両用センサ装置の実施形態の振動発電装置と略同様に、中空構造とされた第１のマス部材６６の収容空所６８に収容された状態で、第２の振動系３４が設けられている。一方、第１のマス部材６６は、その周壁７２の外周面上に設けられた第１のばね部材としての連結ゴム弾性体７８によって、振動部材たる床材に対して間接的に弾性連結されている。
【０２２６】
このような構造とされた振動発電装置では、床材からの振動により第１の振動系３２における連結ゴム弾性体７８が主たる振動入力方向で主に剪断変形せしめられることから、低動ばねチューニングが可能になり、特性チューニングの自由度の向上が図られ得る。
【０２２７】
更にまた、図２６における建築物用発光装置２７０には、音響装置としてのスピーカ２７２が設けられている。このスピーカ２７２は、例えば歩行領域２１４の側壁や天井等に設けられており、建築物用発光装置２７０と電気的に接続された制御装置２７４に対してリード線２２４により電気的に接続されている。そして、建築物用発光装置２７０の振動発電装置２１９に対して振動が入力されることにより得られる電力を利用して、所定の音を発するようになっている。なお、スピーカ２７２は、例えばアンプを内蔵していると共に、発報音の記憶装置を内蔵しており、制御装置２７４から発報信号が入力された際に、制御装置２７４を通じて振動発電装置２１９から供給される電力を利用してアンプを作動させて、記憶装置に記憶された所定の発報音を発するようにされる。スピーカ２７２から発する音は、音楽や警告音の他、メッセージ等であってもよい。
【０２２８】
このように、建築物用発光装置２７０にスピーカ２７２を設けることにより、歩行領域２１４を歩行することによってＬＥＤ２２０が発光するだけでなく、スピーカ２７２から音が発生する。これにより、目が不自由な人や視力が低下したお年寄りなど視覚で歩行領域２１４の床面を明瞭に認識し難い場合でも、聴覚の補助を活用して歩行領域２１４の認識程度を向上させることができる。
【０２２９】
また、電気回路には、振動発電装置に振動が入力されたことを監視して検出信号を生成する検出装置と、当該検出信号を有線又は無線で外部に送信する送信装置を備えていてもよい。これにより、振動発電装置に振動が入力されたことを、例えば建築物の所有者や管理者、警察や警備会社に速やかに通知させることができる。特に、携帯端末や携帯電話等に検出信号を送信することにより、建築物から遠く離れた場所であっても振動発電装置に振動が入力されたことを知ることができる。
【０２３０】
かかる機能を建築物用発光装置に設けることにより、建築物用発光装置が有する発電機能を利用して簡易な防犯装置を構成することもできる。特に、この防犯装置の作動電源は建築物用発光装置における振動発電装置により構成されており、外部電源を必要としない。それ故、停電や断線等の外部電源が機能しない場合であっても、振動発電装置により電力が賄われることから、高度な防犯装置が実現し得る。更に、上記スピーカ２７２と併せて採用して大きな警告音とＬＥＤ２２０による光を発生可能とすることにより、より高度な防犯装置とされる。
【０２３１】
また、前記実施形態では、発光体としてＬＥＤ２２０が例示されているが、発光体は特に限定されるものではない。更に、発光体の数や配置、形状、大きさなども、限定的に解釈されるものではない。
【０２３２】
さらに、本発明に係る建築物用発光装置の振動発電装置は、振動部材において、互いに異なる振動周波数域で複数種類の振動の振動レベルが最大になる場合に、特に好適に採用される。具体的には、例えば床板の面積や人の重量等に応じて振動周波数が変化する建築物の歩行領域が振動部材とされて、かかる振動部材から入力される振動が振動発電装置の多自由度振動系に及ぼされる位置に、同一の建築物用発光装置が好適に取り付けられる。前記実施形態では、かかる歩行領域として廊下が例示されていたが、例えば階段やキッチン、玄関などの任意の場所であってよい。
【０２３３】
特に、建築物用発光装置に関する本発明においても、前述のセンサ装置や車両用発光装置に関する発明と同様な各種の変更態様を採用することが可能であり、何れの態様も、本発明の趣旨を逸脱しない限り、本発明の範囲内に含まれるものである。
【０２３４】
また、前記実施形態では、ＬＥＤ２２０は歩行領域２１４における両内壁材２１８，２１８の下端部分に設けられていたが、かかる態様に限定されるものではなく、両内壁材２１８，２１８の上端部分や高さ方向中間部分に設けられてもよい。或いは、歩行領域２１４の床面や天井における建築物用発光装置を外れた位置において、ＬＥＤが設けられてもよい。
【０２３５】
さらに、前記実施形態では、歩行領域２１４が連続した複数のエリア２５６に分割されていたが、複数のエリア２５６は連続している必要はない。即ち、本発明に係る建築物用発光装置が階段の如き歩行領域に設置される場合には、階段の踏面のみが建築物用発光装置の設けられるエリアとしてもよい。また、例えば飛石状の離れた歩行領域や、連続した歩行領域で所定距離隔たった位置に建築物用発光装置が設けられてもよい。
【符号の説明】
【０２３６】
１０：車両用センサ装置（センサ装置）、１２：センサ素子、１６：発電素子、１８，６２，６４，１１４，１６８，１９３，２１９：振動発電装置、３０：ボデー（振動部材）、３２：第１の振動系、３４：第２の振動系、３８，６６：第１のマス部材、４０：連結ゴム弾性体（第１のばね部材）、４２：支持突部（支持部）、４６：収容領域（収容空所）、４８：第２のマス部材、５０：板ばね（第２のばね部材）、５６：ストッパ手段、６８：収容空所、７２：周壁（周壁部）、７８：第１のばね部材、１１０，１６０，１９０：車両用発光装置、１１２：コーナーポール（発光体）、１２２：バンパー（振動部材）、１６２：バンパー用ライト（発光体）、１８６：ドアミラー用ライト（発光体）、１９４：エンドキャップ用ライト（発光体）、１９５：ハンドルエンド（振動部材）、２１０，２７０：建築物用発光装置、２１２：建築物、２１４：歩行領域、２１６ａ：水平構造材（床材）、２１６ｂ：床基材（床材）、２１６ｃ：床仕上材（床材）、２２０：ＬＥＤ（発光体）、２５６：エリア、２７２：スピーカ（音響装置）
【図１】
2015087956.tif 000008
【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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2015087956.tif 000025
【図１９】
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【図２０】
2015087956.tif 000027
【図２１】
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【図２２】
2015087956.tif 000029
【図２３】
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【図２４】
2015087956.tif 000031
【図２５】
2015087956.tif 000032
【図２６】
2015087956.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月22日(2016.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動部材の振動エネルギーを発電素子によって電気エネルギーに変換する振動発電装置、及びそれを利用したセンサ装置や車両用発光装置、建築物用発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、各種物理量を検出するセンサ装置や車両用発光装置、建築物用発光装置などの機器では、作動に必要とされる電力をバッテリーや商用電源などの外部電源から給電線を通じて供給する必要があった。
【０００３】
因みに、センサ装置としては、特開２０１３−１４７１６１号公報（特許文献１）に開示されたシート用圧力センサ等があり、例えば自動車では各種の力学的センサや電磁的センサ、温度センサ、光学的センサ、化学センサなどセンサの装着数が１００を越えることも少なくない。また、車両用発光装置としては、特開２００５−６７３６５号公報（特許文献２）や特開平８−１０４１７０号公報（特許文献３）に開示されたコーナーポールやサイドミラー用ライト等があり、特に車両の端部を構成する部材に装着されるものも多くある。更にまた、建築物用発光装置としては、特許第４２９０６９０号公報（特許文献４）に開示されているように、住宅の階段を照明する発光装置などがある。
【０００４】
ところが、例えば自動車のセンサ装置や発光装置において、バッテリーから給電線を配すると、センサ装置の数が多いことや、発光装置が車体端部付近に多く装着されていることなどもあり、給電線の総延長が多大となって重量増につながり、燃費や走行性能への悪影響も避け難い。また、建築物用発光装置では、一般に商用電源で発光することから、停電の際に役に立たず、特に災害時には避難通路となる階段や廊下が照明されずに安全が確保され難いという問題があった。
【０００５】
なお、ボタン電池のような小型内蔵電池を利用したり、太陽光パネルによる発電装置を利用する他、特開２００９−２５４１６３号公報（特許文献５）に開示されている回転式発電装置を利用したり、上記特許文献４に記載のように歩行者の体重作用に伴う可撓性の踏板の変形を圧電素子に及ぼして発電することも考えられる。
【０００６】
しかしながら、小型内蔵電池は頻繁な交換作業が必要となりメンテナンスが面倒になる問題があるし、太陽光パネルは蓄電池や制御装置を伴う設備が大掛かりとなり損傷リスクも大きいという問題がある。また、特許文献５に記載の回転式発電装置は、そもそも内燃機関のコネクティングロッド等の高速回転部分に限定されることから用途が狭く、利用が難しいという問題がある。更にまた、特許文献４に記載の踏板利用の発電装置は、建築物の歩行領域に限定されることに加えて、歩行領域の踏面が可撓性になってしまい、歩行感覚に違和感を及ぼすだけでなく、デザインの自由度も大幅に制限されて建築物の意匠に悪影響を及ぼすという問題があった。
【０００７】
そこで、昨今の省エネルギーへの高度な要求にも対応するために、特開２０１１−１５２００４号公報（特許文献６）では、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置が提案されている。しかしながら、特許文献６に記載の発電装置では、振動圧電体が、マス部材をばね部材で弾性支持した１自由度の振動系であることから、かかる振動系の固有振動数を外れた周波数の振動入力に対しては、ばね部材の充分な変形が生じ得ずに、電力を有効に得られないおそれがあった。
【０００８】
一方、国際公開第２０１２／１３７６９５号（特許文献７）には、振動部材の上方に配されて水平方向に広がるベース部材をバネで弾性支持すると共に、このベース部材上で水平方向に延びて上下方向に屈曲振動可能な発電素子を、当該ベース部材で支持せしめた振動発電装置が開示されている。また、国際公開第２０１３／０２４８４８号（特許文献８）には、振動体に取り付けられる保持枠に対して矩形枠形の支持枠を弾性支持せしめると共に、該支持枠の周壁から枠内に向かって突出する振動板に対して発電素子を装着した振動発電装置が開示されている。このような振動発電装置を採用することにより、外部からの給電を軽減又は不要とすることが可能になる。
【０００９】
ところが、これら特許文献７，８に開示された何れの振動発電装置も、振動入力に際して、目的とする発電が、未だ安定して効率的には行われ難いという問題があった。
【００１０】
かかる問題について本発明者が多くの検討と実験を重ねたところ、振動入力に伴って発電素子に生ぜしめられる変形状態が安定しがたいという新たな課題を見出した。即ち、発電素子や圧電素子において発電に寄与する振動方向は特定されるのに対して、振動部材に弾性支持されたベース部材や保持枠の振動方向は特定され難い。それ故、外部からの振動入力によってベース部材や保持枠が、発電に寄与しない方向に振動すると、発電素子や圧電素子に対して揺動（ピッチング）やねじれ、こじれなどの多様な振動変形が発生することとなり、その振動変形が不安定になってしまって目的とする発電効果を安定して得難いという問題もあったのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１３−１４７１６１号公報
【特許文献２】特開２００５−６７３６５号公報
【特許文献３】特開平８−１０４１７０号公報
【特許文献４】特許第４２９０６９０号公報
【特許文献５】特開２００９−２５４１６３号公報
【特許文献６】特開２０１１−１５２００４号公報
【特許文献７】国際公開第２０１２／１３７６９５号
【特許文献８】国際公開第２０１３／０２４８４８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上述の事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、広い周波数域の振動入力に対して高効率な発電を安定して実現し得る、新規な構造の振動発電装置、及びそれを利用したセンサ装置や車両用発光装置、建築物用発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
すなわち、振動発電装置に関する本発明の第１の態様は、振動部材に取り付けられて該振動部材の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子を備えた振動発電装置であって、第１のマス部材が第１のばね部材によって弾性支持される第１の振動系と、第２のマス部材が第２のばね部材によって該第１のマス部材に弾性連結された第２の振動系とを含んで構成された多自由度振動系を備えていると共に、前記発電素子が前記第１のマス部材と前記第２のマス部材の間に配設されて、前記振動部材から該第１のマス部材に及ぼされた振動が該第２のマス部材に伝達されてそれら第１のマス部材と第２のマス部材が相対変位することにより該振動部材の振動エネルギーが該発電素子に入力されるようになっており、更に、前記第１の振動系の固有振動数と前記第２の振動系の固有振動数が異ならされている一方、該第１のマス部材が内部に収容空所を備える中空構造とされており、該収容空所内に該第２の振動系が収容配置されていると共に、該第２の振動系における該第２のばね部材が板ばねで形成されて該板ばねに該発電素子が装着されており、該板ばねの一端側が、該第１のマス部材において該収容空所内に突設された支持部に取り付けられることにより該第１のマス部材の周壁部よりも該収容空所内方に位置して支持せしめられている一方、該板ばねの他端側に該第２のマス部材が取り付けられていることを、特徴とする。
【００１４】
このような本態様に従う構造とされた振動発電装置によれば、先ず、全周囲が周壁で囲まれる中空構造をもって第１のマス部材が構成されている。これにより、第１のマス部材の重心が周壁の外周面よりも内方に効率的に設定され得て第１の振動系の振動状態の安定化や設計の容易化が図られ得ると共に、第１のマス部材の内部に形成された収容空所内に第２の振動系が収容配置されることで、第１のマス部材の周壁に対して、第２の振動系の配設領域への防塵や防水の機能を付与することも容易となり、外乱の影響を防止して第２の振動系の振動状態の安定化も図られ得る。
【００１５】
しかも、かかる第２の振動系のばね部材を構成する板ばねが、第１のマス部材の周壁部から突設された支持部により、周壁部よりも収容空所内方に位置して支持されている。これにより、板ばねの低減衰能によって大きな振動倍率を得ることができて発電効率の向上が図られると共に、第１の振動系から第２の振動系への振動伝達に際して発電に有効な方向の振動が安定して入力されて発電効率の向上が図られ得る。即ち、板ばねの支持部を第１のマス部材の周壁部よりも収容空所内方に位置設定したことで、かかる支持部を通じて、第１のマス部材から第１の振動系に入力される振動として、板ばねに曲げ変形を有効に生ぜしめて発電素子の発電に寄与する、第１のマス部材の中央側で振幅が大きくなるバウンス（上下）方向の振動が、効率的に伝達され得る。一方、第１のマス部材のピッチング（揺動）や捩れ、こじれなどの第１のマス部材の外周において振幅が大きくなる振動方向成分の伝達が抑えられることとなる。その結果、板ばねに対する不規則な変形が抑えられて、目的とする板ばねの曲げ方向の振動変形に伴う発電素子による発電作動がより安定して実現可能となる。
【００１６】
なお、板ばねに装着される発電素子としては、板ばねの歪や変形，応力等の機械的物理量をエネルギー変換し得る圧電素子や磁歪素子などが好適に採用される。また、板ばねとしては、ばね鋼などの金属ばねが好適に用いられるが、条件に応じて樹脂ばね等も採用可能であり、表面をゴム被覆して所望の減衰能を補助的に付加することも可能である。
【００１７】
また、本態様の振動発電装置では、互いに異なる複数の固有振動数において、第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量が共振現象によって大きく確保されて、第１のマス部材と第２のマス部材との相対変位量に応じて得られる発電素子の発電量を効率的に得ることができる。
【００１８】
しかも、多自由度振動系の第１, 第２のマス部材間に発電素子を配することで、第１のマス部材と第２のマス部材が逆位相で相対変位する周波数域の振動入力時には、振動系の固有振動数を外れた周波数の入力振動であっても、第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量が大きく確保される。それ故、広い周波数域の振動入力に対して、発電素子の発電量が充分に得られて、電力を有効に得ることができる。
【００１９】
ここで、相対変位とは、振動部材の振動が第１のばね部材を介して第１のマス部材に及ぼされ、第１のマス部材自身が振動し、更に、その振動が第２のばね部材を介して第２のマス部材に伝達されて、第２のマス部材が第１のマス部材に対して変位することをいう。
【００２０】
このように、本態様に係る発電装置によれば、振動系の機械的な固有振動数に一致する周波数の振動入力のみならず、固有振動数を外れた周波数域の振動入力に対しても、有効な発電が実現されて、振動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することが可能となる。
【００２１】
振動発電装置に関する本発明の第２の態様は、第１の態様に記載された振動発電装置において、前記第１のマス部材の重心が、前記収容空所内に設定されているものである。
【００２２】
本態様の振動発電装置では、第１のマス部材の重心が、支持台が設けられた収容空所内に設定されて、第２の振動系のばね部材である板ばねの支持点に対してより近く位置設定され得る。これにより、第１のマス部材におけるピッチング（揺動）や捩れ、こじれなどの振動成分における第２の振動系への伝達が一層効果的に抑えられ得て、板ばねの不規則な変形振動の低減と、それに伴う発電素子による発電作動の安定化が更に向上され得る。
【００２３】
振動発電装置に関する本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載された振動発電装置において、前記第２の振動系の固有振動数が、前記第１の振動系の固有振動数に対して低周波数に設定されているものである。
【００２４】
第３の態様の振動発電装置では、第２の振動系の固有振動数が第１の振動系の固有振動数に対して低周波数に設定されていることから、第２のばね部材のばね定数を小さく設定して、第１のマス部材に対する第２のマス部材の相対変位量を確保し易くなり、第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量に対応する発電効率の更なる向上も図り易い。また、２自由度の振動系における反共振周波数よりも低周波数の領域では、第１のマス部材と第２のマス部材が何れも入力振動に対して同位相で変位することから、入力振動のエネルギーが第１，第２の振動系に効率的に及ぼされて、有効な発電が実現可能となる。
【００２５】
振動発電装置に関する本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか１つの態様に記載された振動発電装置において、前記第１の振動系の固有振動数が、前記第２の振動系の電気的な反共振周波数よりも高周波数に設定されているものである。
【００２６】
第４の態様によれば、１自由度振動系の発電装置において発電効率の低下が問題となり易い電気的な反共振周波数よりも高周波数の領域において、振動系の２次固有振動数での共振等に基づいた発電効率の向上が図られて、より広い周波数域の振動入力に対して有効な発電を実現することができる。
【００２７】
振動発電装置に関する本発明の第５の態様は、第１〜第４の何れか１つの態様に記載された振動発電装置において、前記第１の振動系の固有振動数が、前記第２の振動系の固有振動数の√２倍以下とされているものである。
【００２８】
第５の態様によれば、第１の振動系の振動と第２の振動系の振動を相互に伝達させて連成的な振動状態とすることで、第１の振動系と第２の振動系の振動状態を広い周波数域に亘って相互補完的に維持することができて、効率的な発電を実現することができる。
【００２９】
振動発電装置に関する本発明の第６の態様は、第１〜第５の何れか１つの態様に記載された発電装置において、前記第２の振動系の共振応答倍率が前記第１の振動系の共振応答倍率よりも大きくされていると共に、前記第１のマス部材の質量と該第１の振動系の共振応答倍率の積が、前記第２のマス部材の質量と該第２の振動系の共振応答倍率の積よりも大きくされているものである。
【００３０】
第６の態様によれば、第２の振動系の共振応答倍率が第１の振動系の共振応答倍率よりも大きくされることで、振動入力時に第２のマス部材の振幅が大きく確保されて、第２の振動系に配設される発電素子において効率的な発電が実現される。また、第１の振動系と第２の振動系の間に作用する相殺的な制振作用が抑制されて、第１の振動系および第２の振動系の振動状態が安定して確保されることから、広帯域の振動に対して有効な発電が実現される。
【００３１】
振動発電装置に関する本発明の第７の態様は、第１〜第６の何れか１つの態様に記載された振動発電装置において、前記第２のマス部材の前記第１のマス部材に対する相対変位量を制限するストッパ手段が設けられているものである。
【００３２】
第７の態様によれば、第１のマス部材と第２のマス部材の過大な相対変位がストッパ手段によって防止されることから、発電素子に対する入力が制限されて、発電素子の損傷等が防止される。
【００３３】
振動発電装置に関する本発明の第８の態様は、第１〜第７の何れか１つの態様に記載された振動発電装置において、前記第１のばね部材がゴム弾性体で形成されているものである。
【００３４】
第８の態様によれば、第１のばね部材が減衰性能を有するゴム弾性体で形成されることから、より広い周波数域の振動入力に対して第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量が確保されて、有効な発電が実現される。
【００３５】
振動発電装置に関する本発明の第９の態様は、第１〜第８の何れか１つの態様に記載された振動発電装置であって、前記振動部材において、互いに異なる周波数域で振動レベルが最大になる複数種類の振動が前記多自由度振動系に対して及ぼされる部位に装着されるものである。
【００３６】
第９の態様によれば、多自由度振動系を利用した本発明に従う構造の発電装置を、複数周波数域で振動ピークをもつ特定の振動部材へ適用することにより、多様な状況下で安定した発電効率を得ることが可能になる。なお、本態様が適用される振動部材としては、例えば洗濯物重量等に応じて振動周波数が異なる電気洗濯機や、走行状況等に応じて振動周波数が異なる自動車などを挙げることができる。
【００３７】
振動発電装置に関する本発明の第１０の態様は、第１〜第９の何れか１つの態様に記載された振動発電装置において、前記第１のマス部材の質量が、前記振動部材の等価マス質量の１０％以上とされているものである。
【００３８】
第１０の態様によれば、第１の振動系を振動部材の振動を相殺して低減するダイナミックダンパとして機能させて、有効な制振作用を得ることも可能となる。
【００３９】
振動発電装置に関する本発明の第１１の態様は、第１〜第１０の何れか１つの態様に記載された振動発電装置において、前記発電素子の出力状態を外部へ送信する送信器が設けられているものである。
【００４０】
第１１の態様によれば、振動発電装置の出力状態を外部の例えば遠隔地からでも監視等することが可能になるだけでなく、振動発電装置の出力状態から、振動発電装置が装着された振動体などの振動状態なども把握することも可能になる。
【００４１】
振動発電装置に関する本発明の第１２の態様は、第１１の態様に記載された振動発電装置において、前記送信器として無線送信装置を備えており、前記発電素子への振動エネルギーの入力によって得られた電力を利用して該無線送信装置が作動せしめられて該発電素子の出力状態が外部へ無線送信されるようになっているものである。
【００４２】
第１２の態様によれば、発電素子の出力状態を外部送信するに際して、電力の給電用のケーブルや信号送信用のケーブルを外部との間で配線することが不要となり、装置の構造の簡略化や装着作業の容易化などに加えて、振動発電装置の装着条件の緩和によって装着適合箇所の拡大も達成され得る。
【００４３】
センサ装置に関する本発明の第１の態様は、センサ素子を備えたセンサ装置において、前記振動発電装置に関する本発明の第１〜１２の何れか１つの態様に係る振動発電装置が設けられて、該振動発電装置で得られた電力が自給電されるようになっていることを、特徴とする。
【００４４】
このような本態様に従う構造とされたセンサ装置は、前述の如き従来構造のセンサ装置において給電線の総延長が多大となって重量増につながりやすい等といった問題点に鑑みて為されたものである。即ち、先ず、本発明者は、例えば自動車等の車両に装着されるセンサ装置が必要とする給電用や出力用のリード線の配線数を減少させるべく、発生する振動を利用した発電装置の実用化を検討した。センサ装置が発電装置を備えることにより、例えばセンシング用電源を自給したり、検出信号を無線送信することなどにより、給電用及び／又は出力用のリード線の配線を不要とすることが可能になるからである。
【００４５】
ところが、例えば自動車等における振動は、内燃機関などのパワーユニットや車輪などから及ぼされるものであり、走行条件等によって入力振動が異なり振動周波数が広い範囲で変化すると共に、振動の入力方向も多様となって、一定方向の振動だけが入力されるものでもない。一方、振動発電装置は、一般に特定周波数域にチューニングされた共振系を備えており、当該共振系の共振作用を活用して発電するようになっていると共に、特定方向の振動に対して有効な発電性能が発揮されるようになっている。そのために、例えば車両に振動発電装置を装着しても、十分な発電効率を得ることが困難であり、安定した作動を見込み難いという問題があった。
【００４６】
かかる状況下、本発明者が更なる研究を重ねた結果、上述の如きセンサ装置に関する本発明の第１の態様に係る発明を完成するに至ったのであって、本態様に従う構造とされたセンサ装置では、それ自体が発電装置を備えていることから、作動に電力が必要とされる場合において、外部から給電する必要がなく給電用のリード線を不要としたり、給電用のリード線を減少させることができて、多くのリード線の敷設に伴う重量増加が抑えられ得る。特に、かかる発電装置として振動発電装置を採用したことにより、例えば内燃機関や電動機などのパワーユニットの如き振動発生源を備えていたり、外部から振動が入力されたりする自動車等の車両、工作機械、家電、橋梁、建築物における柱や床等において、必要な電気エネルギーを振動エネルギーから効率的に得ることができる。
【００４７】
特に本態様では、中空構造の第１のマス部材の周壁部から突設された支持部によって第２の振動系の板ばねを支持せしめてなる特定構造の第１及び第２の振動系が採用されている。これにより、板ばねの低減衰能によって大きな振動倍率を得ることができて発電効率の向上が図られると共に、第１の振動系から第２の振動系に対して、発電に有効な方向の振動が安定して入力されて発電効率の向上と安定化が図られ得る。特に、自動車等の車両では、走行条件などに応じて各種方向の振動が及ぼされるが、そのような多様な振動の入力状況下でも、発電素子を備えた第２の振動系へ伝達される振動について、発電に有利な方向の振動伝達を効率的に維持して、他方向の振動伝達を低減させることで、第２の振動系の振動発電作動の安定化が図られ得る。
【００４８】
加えて、本態様では、２つの振動系を組み合わせ且つ各振動系の固有振動数を相互に異ならせた特定構造の振動発電装置を採用した。これにより、広い周波数域に亘って良好な発電効率、即ち振動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を得ることを可能と為し得た。特に、自動車等の車両では、パワーユニットの回転数や走行速度などに応じて、発生する振動周波数の変化が避けられないが、そのような特殊な振動状態において、上述の如き２つの振動系を組み合わせた特定構造の振動発電装置を採用したことにより、安定した電力を得ることが可能になって、センサ装置に必要な電力を有効に賄って安定したセンサ作動が実現され得るのである。なお、本発明に係るセンサ装置では、自給電される電力のみによって装置や発光、警報などの作動電力が補われる必要はなく、補助的な電力として自給電されるようになっていても良い。
【００４９】
センサ装置に関する本発明の第２の態様は、センサ装置に関する第１の態様において、前記センサ素子によるセンシングの作動用電源として、前記振動発電装置が用いられているものである。
【００５０】
本態様のセンサ装置に従えば、センサ素子に対してセンシング作動用の電力を給電するためのリード線を、別途設けられた電源等から配線する必要がなくなり、又は配線を少なくすることができることから、給電用リード線の重量分の軽量化が図られ得る。
【００５１】
センサ装置に関する本発明の第３の態様は、センサ装置に関する前記第１又は第２の態様において、前記センサ素子による検出信号を送信する無線送信装置を備えており、該無線送信装置の作動用電源として、前記振動発電装置が用いられているものである。
【００５２】
本態様のセンサ装置に従えば、センサ素子の検出信号を外部へ出力するためのリード線が不要となり、又は少なくすることができることから、特に離れた場所へ装着されるセンサ装置においてセンサ出力用リード線による重量増加が効果的に回避される。また、本態様は、回転部分等の配線が難しい場所へセンサ装置が装着される場合にも有効である。
【００５３】
センサ装置に関する本発明の第４の態様は、センサ装置に関する前記第１〜第３の何れか１つの態様において、前記センサ素子による検出信号を加工処理する信号処理装置を備えており、該信号処理装置の作動用電源として、前記振動発電装置が用いられているものである。
【００５４】
本態様のセンサ装置に従えば、センサ素子による検出信号に対して、増幅やフィルタリング，補正等の加工を施す信号処理装置を備える場合にも、当該信号処理装置の作動用電源を確保するための配線が不要とされ、又は少なくすることが可能となる。また、本態様は、センサ装置にマイコンを備えさせてインテリジェント化したスマートセンサ等にも適用可能である。
【００５５】
センサ装置に関する本発明の第５の態様は、センサ装置に関する前記第１〜第４の何れか１つの態様において、前記センサ素子が前記発電素子によって構成されているものである。
【００５６】
本態様のセンサ装置に従えば、発電素子をセンサ素子として活用することにより、構造の簡略化が図られ得ると共に、信号処理系の簡略化も実現可能になる。
【００５７】
センサ装置に関する本発明の第６の態様は、センサ装置に関する前記第１〜第５の何れか１つの態様において、前記振動発電装置の発電状況に応じて警報を発する警告装置を備えているものである。
【００５８】
本態様のセンサ装置に従えば、例えばセンサ装置が車両に装着される場合には、車両の走行状況に応じて振動部材の振動状況が変化する特性を巧く利用して、振動部材の振動状況に応じて変化する振動発電装置の発電状況に基づいて車両の走行状況を把握し、かかる走行状況に応じて光や音などの知覚可能な警報を発することができる。それ故、例えば急加速や急減速などを、特有の振動状況に応じた発電状況から把握することで、反エコの走行状態であることを警報する運転補助なども、本発明に係る発電素子を利用して効率的に実現可能になる。
【００５９】
車両用発光装置に関する本発明の第１の態様は、車両の端部を構成する車両部材に設けられて給電によって発光する発光体を備える車両用発光装置において、前記振動発電装置に関する本発明の第１〜１２の何れか１つの態様に係る振動発電装置が設けられて、該振動発電装置で得られた電力が自給電されるようになっていることを、特徴とする。
【００６０】
このような本態様に従う構造とされた車両用発光装置は、前述の如き従来構造の車両用発光装置において、自動車や二輪車などの車両の端部を構成するバンパーやドアミラー、フェンダー、荷台等の部材に設けられた発光装置におけるＬＥＤ等の発光体（光源）に対して、エンジンルームなどに配されたバッテリーなどから、ワイヤハーネスなどの給電用配線を通じて、電力を供給しようとすると、電力供給用のワイヤハーネスが長くなって、重量の増加が避けられないという問題に鑑みて為されたものである。
【００６１】
そして、本態様に従う構造の車両用発光装置では、車両の端部に設けられる発光体の発光によって、車両の存在や車幅などを知らしめることができる。しかも、作動用電源が振動発電装置とされていることから、作動用電源を発光体の近くに配設することができて、ワイヤハーネスの長さを短くすることができる。更に、車両走行時の振動によって発光に必要な電力が有効に確保又は補われて、電池の交換や充電なども不要とされ又は軽減され得る。特に、発光作動用の電力を給電するためのワイヤハーネスを無くしたり少なくすることにより、特に振動が大きくなり易い車両の端部におけるワイヤハーネスの断線の問題も軽減又は解消され得ることとなる。
【００６２】
しかも、自動車等における振動は、内燃機関などのパワーユニットや車輪などから及ぼされるものであり、走行条件等によって入力振動が異なり振動周波数が広い範囲で変化すると共に、振動の入力方向も多様となって、一定方向の振動だけが入力されるものでもない。そのような状況下でも、本態様に従う構造の車両用発光装置では、中空構造の第１のマス部材の周壁部から突設された支持部によって第２の振動系の板ばねを支持せしめてなる特定構造の第１及び第２の振動系を備えた振動発電装置を採用したことにより、発電効率の向上と安定化ひいては安定した発光が実現可能となるのである。
【００６３】
車両用発光装置に関する本発明の第２の態様は、車両用発光装置に関する前記第１の態様において、前記車両部材が前記車両としての自動車の端部を構成する自動車用部材とされていると共に、前記発光体が、コーナーポールと、ドアミラー用ライトと、バンパー用ライトとの少なくとも一つとされているものである。
【００６４】
本態様の車両用発光装置に従えば、自動車の走行時の振動によって、コーナーポールやドアミラー用ライト、バンパー用ライトを発光させることができる。特に、発光体が自動車の端部を構成するバンパー又はドアミラーに設けられることから、振動発電装置への入力振動が有利に確保されて、効率的な振動発電が実現される。
【００６５】
車両用発光装置に関する本発明の第３の態様は、車両用発光装置に関する前記第１の態様において、前記車両用部材が前記車両としての二輪車の端部を構成する二輪車用部材とされていると共に、前記発光体が、ハンドルのエンドキャップ用ライトと、シート後方のリアポジションライトと、フロントフォークのフロントポジションライトと、ミラー用ライトとの少なくとも一つとされているものである。
【００６６】
本態様の車両用発光装置に従えば、二輪車とくに自動二輪車の走行時の振動によって、ハンドルのエンドキャップ用ライトやシート後方のリアポジションライト、フロントフォークのフロントポジションライト、ミラー用ライトを発光させることができる。特に、自動車に比して振動が大きくなり易い二輪車に適用することで、振動発電が有利に実現される。
【００６７】
車両用発光装置に関する本発明の第４の態様は、車両用発光装置に関する前記第１〜第３の何れか１つの態様において、前記振動部材が前記車両のメインフレームに取り付けられる別部品とされているものである。
【００６８】
本態様の車両用発光装置に従えば、乗り心地の向上を目的として振動の低減が図られるメインフレームではなく、メインフレームとは別体の部品に車両用発光装置を設けることにより、振動発電装置に振動エネルギーが有効に入力されて、発電効率の向上が図られる。しかも、振動部材がメインフレームに対して相対変位するような場合にも、振動部材とメインフレームとの間に跨ってワイヤハーネスを配線する必要がなくなると共に、ワイヤハーネスの長さも短くされることによって、断線などの不具合が回避される。
【００６９】
建築物用発光装置に関する本発明の第１の態様は、建築物の歩行領域を照明するための発光体を備えた建築物用発光装置において、前記振動発電装置に関する本発明の第１〜１２の何れか１つの態様に係る振動発電装置が設けられて、該建築物の該歩行領域の床材に対して前記第１のマス部材が前記第１のばね部材によって弾性支持されることで前記第１の振動系によって制振装置が構成されていると共に、該振動発電装置で得られた電力が自給電されるようになっていることを、特徴とする。
【００７０】
このような本態様に従う構造とされた建築物用発光装置は、前述の如き従来構造の建築物用照明が、商用電源を利用するために停電時の照明が不十分であったり、蓄電池や太陽電池が容量不足や大掛かりな設備による問題があることに鑑みて為されたものであり、更に、踏板そのものを可撓性として発電させる照明装置において問題となる歩行感覚の違和感やデザインおよび構造上の制約を軽減又は解消し得る、新規な構造の建築物用発光装置を提供することも目的として為されたものである。
【００７１】
そして、本態様に従う構造の建築物用発光装置によれば、歩行に伴って踏面に及ぼされる振動を利用して自家発電し、その電力によって発光体を発光させて歩行領域を照明することができる。特に本態様は、歩行領域の床板や踏板などの床材に装着されて、その振動を抑制する制振装置を採用し、かかる制振装置を利用して振動発電装置を構成したことを１つの特徴とする。
【００７２】
すなわち、歩行に際しての衝撃によって床材が振動変形することとなり、例えば家屋の２階床面の歩行振動によって、１階天井が揺れたり異音を生ずる原因ともなる。本発明者は、かかる振動現象に着目し、問題とされている振動エネルギーを有効活用できる電気エネルギーに変換して利用することで、歩行振動の問題と照明確保の問題との両者に巧く対処することを可能と為し得たのである。具体的には、歩行領域の床材に第１の振動系からなる制振装置を設けたことにより、かかる床材の振動や異音を抑えることが出来るのであり、また、床材の振動や異音の低減効果が発揮されている状況では、第１の振動系に大きな振動が惹起されていることを利用して、振動発電装置に大きな振動エネルギーを及ぼすことで効率的に発電することができるのである。
【００７３】
しかも、本態様の建築物用発光装置では、振動部材である床材に対して複数の振動系が直列的に設けられており、床材からの入力振動で加振される第１の振動系を介して第２の振動系が加振されることとなる。そして、これら第１の振動系と第２の振動系が、固有振動数をずらせて設定されていることから、互いに異なる複数の固有振動数において、第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量が共振現象によって大きく確保されることとなり、第１のマス部材と第２のマス部材との相対変位量に応じて得られる発電素子の発電量を効率的に得ることができる。
【００７４】
加えて、多自由度振動系の第１，第２のマス部材間に発電素子を配することで、第１のマス部材と第２のマス部材が逆位相で相対変位する周波数域の振動入力時には、振動系の固有振動数を外れた周波数の入力振動であっても、第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量が大きく確保されて、広い周波数域の振動入力に対して、発電素子の発電量が確保され得る。
【００７５】
このように、本態様に係る振動発電装置によれば、振動系の機械的な固有振動数に一致する周波数の振動入力のみならず、固有振動数を外れた周波数域の振動入力に対しても、有効な発電が実現されて、振動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することが可能となる。しかも、床材から及ぼされる振動は、温度や湿度などの環境の他、家具や人などの載荷重、建具の状態、歩行位置や歩行速度等の各種条件によって異なり振動周波数や振動方向などが変化する。そのような状況下でも、本態様に従う構造の建築物用発光装置では、中空構造の第１のマス部材の周壁部から突設された支持部によって第２の振動系の板ばねを支持せしめてなる特定構造の第１及び第２の振動系を備えた振動発電装置を採用したことにより、発電効率の向上と安定化ひいては安定した発光が実現可能となるのである。
【００７６】
建築物用発光装置に関する本発明の第２の態様は、建築物用発光装置に関する前記第１の態様において、前記建築物の歩行領域が階段と廊下の少なくとも一方に設定されているものである。
【００７７】
本態様の建築物用発光装置に従えば、例えば災害時においても人の避難経路の照明を確保することが可能になり、安全を確保することができる。なお、自給電される電力を、商用電力などと組み合わせて補助的な電力として利用することも可能であるが、災害時における照明の確保に際しては、自給電される電力のみによって発光作動が実現されることが望ましい。
【００７８】
建築物用発光装置に関する本発明の第３の態様は、建築物用発光装置に関する前記第１又は第２の態様において、前記建築物の歩行領域における複数のエリア毎に独立して、前記多自由度振動系に設けた前記発電素子によって得られた電力で前記発光体を発光せしめる電気回路が設けられるものである。
【００７９】
本態様の建築物用発光装置に従えば、１つのエリアで発電系や給電系、発光系などに不具合が発生した場合でも、他のエリアの照明を確保することが可能になり、建築物の歩行領域の全体として安全性の向上が図られ得る。
【００８０】
本発明の第４の態様は、建築物用発光装置に関する前記第１〜第３の何れか１つの態様において、音響装置を備えており、前記発電素子への振動エネルギーの入力によって得られた電力で該音響装置が鳴動されるようになっているものである。
【００８１】
本態様の建築物用発光装置に従えば、歩行領域を歩行することにより光と音が発生することから、視力の低下したお年寄りなどにおいて、歩行領域の認識を容易とすること等が可能になる。なお、音響装置の発報音は、音楽や警告音、メッセージ等の如何なるものであってもよい。また、音響装置の鳴動は、発電素子の発生電力で全てが補われるものであることが望ましいが、蓄電池などの他電力を合わせて補うことも可能である。
【００８２】
また、建築物用発光装置に関する前記第１〜第４の何れか１つの態様の建築物用発光装置において、振動発電装置に関する前記第１１又は第１２の態様を組み合わせて採用して、建築物用発光装置における発電素子の出力状態を外部へ送信することも好適な態様の一つである。かかる態様によれば、例えば発電素子へ振動が入力されたことが建築物から遠く離れた位置からでも認識することができることから、建築地における地震発生状態を把握する装置として利用する他、建築物における防犯用の警報発信装置などとして利用することも可能となる。特に振動発電装置に関する前記第１２の態様を採用すれば、発電素子の発電状況の外部への発信に際して外部電源も不要となされ得ることから、例えば災害や断線等で建築物の電源が機能しない場合でも作動せしめることが可能になる。
【発明の効果】
【００８３】
本発明によれば、特定構造の振動発電装置において、多自由度振動系を構成する第１のマス部材と第２のマス部材の間に発電素子を配設して、それら第１のマス部材と第２のマス部材の相対変位量に応じて発電素子において電力が得られるようになっている。それ故、互いに異なる複数の周波数の振動入力に対して発電素子によって電力を得ることができると共に、第１のマス部材と第２のマス部材が逆位相で変位する幅広い周波数域の振動入力に対して、発電素子による効率的な発電が実現される。
【００８４】
特に、振動発電装置へ及ぼされる振動の周波数や方向が多様な状況下でも、中空構造の第１のマス部材の周壁部から突設された支持部によって第２の振動系の板ばねを支持せしめてなる特定構造の第１及び第２の振動系を備えた振動発電装置を採用したことにより、発電効率の向上と安定化が達成され得るのである。
【００８５】
また、本発明に係る特定構造の振動発電装置を採用して構成されたセンサ装置や車両用発光装置、建築物用発光装置によれば、かかる振動発電装置によって効率的に且つ安定して発電される電力を巧く利用することで、装置に必要とされる給電線等を廃止又は減少させることができて、装置の設置等が容易になると共に、装置の耐久性の向上や利用範囲の拡大なども図られ得る。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の１実施形態としての振動発電装置を備えたセンサ装置の概略構造を示す斜視図。
【図２】図１に示されたセンサ装置を説明するための機能ブロック図。
【図３】図１に示されたセンサ装置に採用される振動発電装置を示す縦断面図。
【図４】図３に示された振動発電装置を説明するための振動モデル。
【図５】図３に示された振動発電装置における発電量の実測値を実施例データとして、１自由度振動系で構成された比較例データと併せて示すグラフ。
【図６】図３に示された振動発電装置を構成する各振動系を１自由度振動系として扱う場合の周波数と振幅との相関を示すグラフ。
【図７】図３に示された振動発電装置における第２の振動系の電気的な等価回路を示す概略図。
【図８】図７に示された等価回路における入力振動の周波数とインピーダンスおよび位相との相関を示すグラフ。
【図９】図１に示されたセンサ装置の別態様を説明するための機能ブロック図。
【図１０】図１に示されたセンサ装置の更に別態様を説明するための機能ブロック図。
【図１１】図１に示されたセンサ装置に採用される振動発電装置の別態様を示す縦断面図。
【図１２】図１に示されたセンサ装置に採用される振動発電装置の更に別態様を示す縦断面図。
【図１３】本発明に係る車両用発光装置の１実施形態を備えた自動車の要部を示す斜視図。
【図１４】本発明の１実施形態としての車両用発光装置を示す縦断面図。
【図１５】本発明に係る車両用発光装置の別の実施形態を示す断面図であって、図１６のＸＶ−ＸＶ断面図。
【図１６】図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ断面図。
【図１７】図１５のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ断面図。
【図１８】本発明に係る車両用発光装置の更に別の実施形態としてのドアミラーに発光装置を配設した１態様を示す正面図。
【図１９】車両用発光装置をドアミラーに配設した別態様を示す正面図。
【図２０】本発明に係る車両用発光装置の更に別の実施形態としてのバーエンドに発光装置を配設した１態様を示す断面図であって、図２１のＸＸ−ＸＸ断面図。
【図２１】図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ断面図。
【図２２】図２１のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ断面図。
【図２３】本発明に係る建築物用発光装置の１実施形態を示す縦断面図。
【図２４】図２３におけるＸＸＩＶ−ＸＸＩＶ断面図。
【図２５】本発明に係る建築物用発光装置における別の態様を示す縦断面図。
【図２６】本発明に係る建築物用発光装置における更に別の態様を示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００８７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１には、本発明に従う構造の振動発電装置を備えた本発明の１実施形態としてのセンサ装置１０の概略構造が示されている。即ち、本実施形態のセンサ装置１０は、センサ素子１２を有するセンサ部分１４に加えて、発電素子１６を有する本発明に従う構造の振動発電装置１８を備えている。特に、本実施形態のセンサ装置１０は自動車等の車両に取り付けられる車両用センサ装置とされており、振動部材としての車両ボデー等に取り付けられるようになっている。そして、振動発電装置１８によって発電される電力を利用して、センサ部分１４により、装着部位における温度や加速度などの物理量を検出および出力するようになっている。
【００８８】
より詳細には、センサ部分１４は、目的とする所定の物理量を検出するセンサ素子１２と、センサ素子１２で得られた検出信号を加工処理する信号処理装置としての計測回路部２０とを、含んで構成されている。
【００８９】
センサ素子１２は、検出すべき物理量を電気信号として検出し得るものであり、センサ装置１０が取り付けられる部位や検出すべき物理量等に応じて公知のものが適宜に選択的に採用される。例えば、運動量や力学量を検出する力学的センサとしては圧電素子やピエゾ素子、磁気抵抗素子等が採用可能であり、電磁気量を検出する電磁的センサとしては電磁ピックアップやホール効果等を利用した半導体磁気センサ素子等が採用可能であり、温度を検出する温度センサとしてはサーミスタやバイメタルを用いた接触式と焦電効果や赤外線による非接触式の測温素子等が何れも採用可能であり、光を検出する光学的センサとしては半導体光センサ素子やフォトダイオード等が採用可能であり、化学的変化量を検出する電気化学的センサとしては固体電解素子による酸素センサ素子や雰囲気による電気伝導度の変化を検出する半導体素子等が採用可能である。
【００９０】
なお、図１は、一つの構造例を示すものであり、筐体２２にセンサ素子１２が収容されており、図示しない蓋体で筐体２２の開口を覆って封止等することができるようになっている。尤も、採用するセンサ素子１２に応じて、筐体２２の構造や、センサ素子１２の配置態様は適宜に変更されるものであり、センサ素子１２は筐体２２に収容されている必要はない。例えば排ガスセンサの場合には、センサ素子１２がエキゾーストパイプ内に装着されて排ガスと基準ガスに晒される構造とされる。
【００９１】
そして、かかるセンサ素子１２により、測定すべき物理量に対応した電気信号として検出された検出信号は、計測回路部２０に入力されるようになっている。この計測回路部２０は、センサ素子１２の検出信号を、電気的に加工することで利用できる情報をもった信号として生成するものである。具体的には、例えば、アナログ信号である検出信号をデジタル信号に変換して加工処理し易くするＡ／Ｄ変換器や、検出信号を増幅する増幅器、不必要に含まれる信号を除去するフィルター、欠落やノイズによる不正確な信号を補間法や最小自乗法等で演算処理して補償する補償装置、検出信号を利用し易い関数等に変換する演算処理装置などが、必要に応じて採用される。なお、このような検出信号の加工処理を行う計測回路部２０は、一つまたは複数のＩＣパッケージにて構成されることが望ましい。
【００９２】
また、計測回路部２０は、加工処理した検出信号を所定量または所定時間に亘って記憶する記憶手段を併せて備えていても良い。
【００９３】
そして、センサ素子１２で得られた検出信号は、計測回路部２０において加工処理された後、外部へ出力されて当該検出信号を必要とする装置、例えば本実施形態ではＥＣＵなどの外部装置へ送信されることとなる。
【００９４】
ここにおいて、本実施形態のセンサ装置１０は、無線送信装置としての無線送信部２４を備えており、加工処理された検出信号が、無線送信部２４から送信アンテナ２６を経て無線送信されるようになっている。即ち、無線送信部２４は、キャリアとなる搬送波を生成すると共に、それを変調して検出信号を情報として変換してのせる信号処理を行うものであって、振幅変調や角度変調といったアナログ変調の回路を用いることも可能であるが、好適には、デジタル変調やパルス変調の回路により、検出信号をデジタル情報としてのせる信号処理を行うことで、多数のセンサ信号の干渉を回避するようにされる。
【００９５】
なお、検出信号を必要とする外部装置においても、かかる無線送信部２４に対応した信号処理を行う無線受信部が装備されることとなり、受信アンテナを経て無線受信部で受信した信号を復調することで、検出信号を取り出すようにされる。
【００９６】
ところで、このようなセンサ部分１４における物理量の検出と検出信号の加工処理および送信には、作動電力が必要とされる。即ち、検出信号の加工処理には、信号処理を行う半導体回路の駆動電源が必要であり、また、無線送信部２４では、搬送波の生成や変調に電力が必要とされる。更に、センサ素子１２も、例えば静電容量センサや赤外線温度センサなどの場合にセンシングの作動電力が必要とされる。
【００９７】
ここにおいて、本実施形態のセンサ装置１０では、前述の如き本発明の一実施形態でもある振動発電装置１８によってこれらの作動用電源が構成されており、作動電力が供給されて自給電されるようになっている。具体的には、図２に示されているように、振動発電装置１８によって、振動部材の振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、得られた電圧を整流蓄電回路２８で直流電力にして、センサ素子１２や計測回路部２０、無線送信部２４に対して作動電力として給電するようになっている。なお、整流蓄電回路２８は、例えばダイオード等を用いた整流回路とコンデンサ等を用いた蓄電回路を含んで構成されており、振動発電装置１８の出力電圧を、所定時間に亘る作動電力として安定して給電し得るようになっている。更に、かかる整流蓄電回路２８は、必要に応じて容量の大きい二次電池を含んで構成されていても良い。また、図２中において、実線は駆動電源となる振動発電装置１８に対して電気的に接続されることによる電力の伝達経路を示しており、破線はセンサ素子１２から計測回路部２０を経て無線送信部２４に至る検出信号の伝達経路を示している。
【００９８】
そして、センサ素子１２や計測回路部２０、無線送信部２４を含むセンサ装置の作動電力が、振動発電装置１８で発電される電力で賄われることにより、本実施形態のセンサ装置１０においては、センサ装置１０へ作動電力をバッテリー等から給電するためのリード線の配線が不要とされている。これにより、センサ装置１０の装着位置の設定自由度が大幅に向上されると共に、配線に伴う車両の重量増加が回避されることとなり、走行燃料消費率の改善や走行安定性の向上などが図られ得る。
【００９９】
しかも、本実施形態のセンサ装置１０では、検出信号を外部へ無線送信する無線送信部２４を備えていることから、検出信号の出力用のリード線も不要とされており、それによって、センサ装置の装着に伴う重量増加の低減が一層効果的に達成され得る。
【０１００】
特に、かかる振動発電装置１８として、本発明に従って構成された、以下に詳述する如き複数の振動系を備えた特定の構造を有するものが採用されている。これにより、走行状況などに応じて振動周波数が広い範囲で変化する、即ち互いに異なる周波数域で振動レベルが最大になるような複数の振動が及ぼされる自動車の振動部材に対して振動発電装置１８が装着されて用いられる場合でも、振動発電装置１８により安定した電力を発電して、センサ部分１４へ給電することが可能とされている。その結果、本実施形態のセンサ装置１０において、安定したセンシング作動と無線による信号送信作動とが、外部との給電用や出力用のリード線を必要とすることなく、高い信頼性をもって安定して実現可能となるのである。
【０１０１】
すなわち、本実施形態における振動発電装置１８は、その概略構造が図３に示されているように、振動部材としてのボデー３０に取り付けられる第１の振動系３２と、第１の振動系３２を介してボデー３０に取り付けられる第２の振動系３４とを含む多自由度振動系を、備えている。なお、以下の説明において、特に説明がない限り、上下方向とは、振動部材３０からの主たる振動入力方向である図１中の上下方向を言う。
【０１０２】
より詳細には、第１の振動系３２は、取付部材３６と第１のマス部材３８が第１のばね部材としての連結ゴム弾性体４０で弾性連結された構造を有しており、取付部材３６がボデー３０に対してボルト等で固定されることによって、第１のマス部材３８がボデー３０に対して連結ゴム弾性体４０で弾性連結されるようになっている。第１のマス部材３８の形状や形成材料は特に限定されるものではないが、小型化のために比重の大きな材料で形成されていることが望ましく、本実施形態では鉄で形成された中実の矩形ブロック状を呈する部材とされている。更に、第１のマス部材３８には上方に突出する支持部としての支持突部４２が一体形成されており、その上面に開口するようにねじ穴が形成されている。連結ゴム弾性体４０は矩形ブロック状のゴム弾性体であって、上下に対向配置された取付部材３６と第１のマス部材３８の間に介装されて、下面が取付部材３６に固着されていると共に、上面が第１のマス部材３８に固着されている。
【０１０３】
なお、連結ゴム弾性体４０として採用されるゴム弾性体の材料としては、天然ゴム、合成ゴム、あるいは天然ゴムと合成ゴムとのブレンドゴムが使用される。合成ゴムとしては、スチレン−ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、イソブチレン−イソプレンゴム、塩素化−イソブチレン−イソプレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、水素化−アクリロニトリル−ブタジエンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム等を挙げることができる。
【０１０４】
また、本実施形態の第１のマス部材３８は、カバー部材４４を備えている。カバー部材４４は、下方に開口する矩形枡状とされており、開口部に設けられたフランジ状の固定片が第１のマス部材３８にボルト等で固定されることで、第１のマス部材３８に対して上面を覆うように取り付けられている。かくの如きカバー部材４４の装着によって、第１のマス部材３８の上方には、カバー部材４４で外部から隔てられた収容空所としての収容領域４６が画成されており、第１のマス部材３８の支持突部４２が収容領域４６内に突出している。なお、図１では、見易さのために、カバー部材４４の図示を省略している。
【０１０５】
さらに、カバー部材４４を含む第１のマス部材３８の質量：ｍ1 は、ボデー３０の等価マス質量：Ｍに対して、１０％以上（ｍ1 ≧０．１＊Ｍ）とされていることが望ましい。これにより、第１のマス部材３８がボデー３０の振動状態に対して充分な影響を及ぼして、ダイナミックダンパとして機能し得ることから、振動の相殺によるボデー３０の振動低減が期待される。
【０１０６】
また、収容領域４６には、第２の振動系３４が配設されている。第２の振動系３４は、第２のマス部材４８が第２のばね部材としての板ばね５０の一方の端部に固定されると共に、板ばね５０の他方の端部が第１のマス部材３８に固定されることで、第２のマス部材４８が第１のマス部材３８に対して板ばね５０で弾性連結された片持梁状の構造を有している。
【０１０７】
第２のマス部材４８は、矩形ブロック状とされており、第１のマス部材３８と同様に鉄等の高比重の材料で形成されている。また、本実施形態では、第２のマス部材４８の質量：ｍ2 は、第１のマス部材３８の質量：ｍ1 との間で、ｍ1 ＊Ｘ＞ｍ2 ＊Ｑを満たすように設定される。なお、Ｘは、第１の振動系３２の固有振動数での応答倍率（共振応答倍率）を、Ｑは、第２の振動系３４の共振応答倍率を、それぞれ示しており、本実施形態では、第２の振動系３４の共振応答倍率：Ｑが、第１の振動系３２の共振応答倍率：Ｘよりも大きくされている（Ｘ＜Ｑ）。また、好適には、第２のマス部材４８の質量：ｍ2 が、第１のマス部材３８の質量：ｍ1 に対して１／５倍以下とされる（ｍ2 ≦ｍ1 ／５）ことによって、第２のマス部材４８が第１のマス部材３８に比して小型軽量とされている。このように第２のマス部材４８が第１のマス部材３８に比して軽量とされていることで、振動系の固有振動数を発電対象振動の周波数に応じて設定しながら、板ばね５０のばね定数を充分に小さく設定して、第１のマス部材３８の第２のマス部材４８に対する相対変位を有効に生ぜしめることができる。
【０１０８】
板ばね５０は、導電性のばね鋼で形成された長手板状の金属部材であって、長手方向一方の端部に第２のマス部材４８が固定されていると共に、長手方向他方の端部が、第１のマス部材３８の支持突部４２に重ね合わされてねじ止めされている。これにより、第２のマス部材４８が第１のマス部材３８に対して板ばね５０を介して弾性連結されており、第２のマス部材４８の第１のマス部材３８に対する相対変位が板ばね５０の板厚方向（図３中の上下方向）となる剪断方向での弾性変形によって許容されている。このことからも明らかなように、振動発電装置１８は、第１の振動系３２と第２の振動系３４で構成された２自由度の振動系を備えている。
【０１０９】
本実施形態では、第２の振動系３４を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr2が、第１の振動系３２を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr1よりも低周波数に設定されている（ｆr2＜ｆr1）。更に、第１の振動系３２単体の固有振動数：ｆr1が、第２の振動系３４単体の固有振動数：ｆr2の√２倍以下（ｆr2＜ｆr1≦√２＊ｆr2）であることが望ましい。これにより、いわゆるスカイフックダンパー効果（ｓｋｙ  ｈｏｏｋ  ｄａｍｐｅｒ  ｅｆｆｅｃｔ）による制振作用で第２のマス部材４８に対する第１のマス部材３８の相対的な変位量が抑えられてしまうことに起因する発電効率の低下などの不具合を回避することが可能となる。なお、第１の振動系３２単体の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr1は、第１のマス部材３８の質量：ｍ1 と連結ゴム弾性体４０のばね定数：ｋ1 から［数１］のように算出される。第２の振動系３４単体の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr2は、第２のマス部材４８の質量：ｍ2 と板ばね５０のばね定数：ｋ2 から［数２］のように算出される。
【０１１０】
【数１】
2015087956.tif 000034
【０１１１】
【数２】
2015087956.tif 000035
【０１１２】
また、板ばね５０には、発電素子１６が固着されている。発電素子１６は、一般的な圧電素子や電歪素子等が好適に用いられて、板ばね５０の表面に重ね合わされて固着されることで、第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の間に配設されている。そして、振動入力時に、ボデー３０から第１のマス部材３８に及ぼされた外力が第２のマス部材４８に伝達されることで、それら第１のマス部材３８と第２のマス部材４８が相対変位して、板ばね５０が弾性変形することにより、発電素子１６が板ばね５０と共に変形して電気を生じるようになっている。換言すれば、第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の相対変位によって振動エネルギーが発電素子１６に入力されるようになっており、発電素子１６が、第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の相対変位量に応じて、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するようになっている。この発電素子１６には、電気回路が接続されており、整流蓄電回路２８やセンサ部分１４等に対して電気的に接続されている。なお、発電素子１６として圧電素子を採用する場合には、その形成材料としては、例えば、セラミック材料や単結晶材料等が採用される。より具体的には、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等が、圧電素子の形成材料として何れも好適に採用され得る。
【０１１３】
なお、本実施形態では、板ばね５０に固着された発電素子１６が、カバー部材４４で外部空間から隔てられた収容領域４６内に配設されて、カバー部材４４で覆われていることにより、水や埃等といった異物の付着が防止されている。
【０１１４】
本実施形態では、第２のマス部材４８の第１のマス部材３８に対する相対変位量を制限するストッパ手段５６が設けられており、板ばね５０および発電素子１６の過大な変形が防止されて、発電素子１６の損傷が回避されている。具体的には、第２のマス部材４８が第１のマス部材３８の上面およびカバー部材４４の上底壁内面に当接することで、第２のマス部材４８の変位が制限されるようになっており、第１のマス部材３８とカバー部材４４を含んでストッパ手段５６が構成されている。また、本実施形態では、第１のマス部材３８の上面と、カバー部材４４の上底壁内面に、それぞれストッパゴム５８が固着されており、第２のマス部材４８が第１のマス部材３８およびカバー部材４４に対してストッパゴム５８を介して緩衝的に当接されるようになっている。
【０１１５】
このような構造とされた本実施形態に係る振動発電装置１８は、ボデー３０への装着状態において、ボデー３０の振動エネルギーを発電素子１６で電気エネルギーに変換して取り出すようになっている。ここにおいて、振動発電装置１８では、２自由度の振動系を設けると共に、第１，第２のマス部材３８，４８の間に発電素子１６を配することで、発電素子１６による効率的な発電が実現されるようになっている。
【０１１６】
このような振動発電装置１８は、機械的には、前述のとおり第１のマス部材３８と第１のばね部材としての連結ゴム弾性体４０とからなる第１の振動系３２と、第２のマス部材４８と第２のばね部材としての板ばね５０とからなる第２の振動系３４とが直列的に接続された２自由度振動系を構成していることから、公知の多自由度系の振動モデルを用いて解析することが可能である。即ち、かかる振動発電装置１８の機械的な振動系の振動モデルは図４に示すとおりであり、［数３］に示す公知の２自由度系の運動方程式で表される。なお、［数３］において、ｘ1 は振動発電装置１８における第１のマス部材３８の変位量に相当すると共に、ｘ2 は振動発電装置１８における第２のマス部材４８の変位量に相当する。更に、［数３］中のＦ0 ｓｉｎ２πｆｔは、振動発電装置１８におけるボデー３０から入力される振動荷重に相当する。
【０１１７】
【数３】
2015087956.tif 000036
【０１１８】
良く知られているように、［数３］に示された一般的な２自由度振動系の運動方程式の解として求められるΩ1 ，Ω2 （Ω1 ＜Ω2 ）が、それぞれかかる２自由度振動系の固有振動数である。ところで、機械装置としての振動発電装置１８は２自由度振動系として把握されるが、発電素子１６への振動エネルギーは第１のマス部材３８に対する第２のマス部材４８の相対的な変位量として及ぼされる。それ故、第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の位相差が略１８０度となって逆向きに変位することにより、振動発電装置１８へ及ぼされる振動エネルギーが、発電素子１６へ効率的に及ぼされて大きな発電電力を得ることができる。
【０１１９】
具体的に説明すると、上述の２自由度振動系の固有振動数：Ω1 ，Ω2 では、何れも、理論上はマス変位の運動量がピークとなるものの、第１の固有振動数：Ω1 までの低い周波数では、第１及び第２のマス部材３８，４８が同相で動くことから、入力される振動エネルギーが発電電力へ効率的に変換され難い。これに対して、第１の固有振動数：Ω1 から第２の固有振動数：Ω2 までの周波数では、第１及び第２のマス部材３８，４８が逆相で動くことから、振動エネルギーが発電電力へ効率的に変換されて大きな発電電力を得ることができる。
【０１２０】
ここにおいて、理解を容易とするために、第２のマス部材４８が第１のマス部材３８に対して相対的に弾性変位する１自由度系として第２の振動系３４をとらえることができるとすれば、かかる第２の振動系３４の第２のマス部材４８は、第２の振動系３４の１自由度振動系としての機械的な固有振動数：ｆr2において、第１の振動系３２の第１のマス部材３８に対する位相が反転する。しかも、かかる固有振動数：ｆr2の周波数域では、第２の振動系３４の機械的な共振現象により、第２のマス部材４８の第１のマス部材３８に対する相対変位量も効率的に得ることが可能になる。
【０１２１】
このことから、第１の振動系３２よりも第２の振動系３４の方が、機械的な固有振動数を低周波数域に設定された本実施形態では、２自由度振動系の振動モードで第１及び第２のマス部材３８，４８が逆相で動く高周波側の固有振動数：Ω2 までの低い周波数域でも、第２の振動系３４の１自由度振動系としての機械的な固有振動数：ｆr2を超えた周波数域では、第２のマス部材４８の第１のマス部材３８に対する位相が反転することにより、優れた発電効率で大きな発電電力を得ることができるのである。
【０１２２】
このことは、本発明者が発電電力を実測した結果によっても確認されている。即ち、図３及び図４に示された本実施形態に従う構造とされた振動発電装置１８を試作して、ボデー３０側からスィープ加振することにより、発電素子１６による発電電力の周波数特性を測定した。その結果を図５に示す。かかる図５では、発電素子１６の発電電力の実測値が実施例データとして実線で示されていると共に、第１の振動系が省略された第２の振動系単体に相当する機械的な１自由度系の構造体からなる発電装置による発電電力の実測値が比較例データとして破線で示されている。
【０１２３】
図５からも明らかなように、実質的に第２の振動系単体からなる比較例では、発電電力が、第２の振動系の機械的な固有振動数：ｆr2の周波数域だけで一つのピークを有するに過ぎず、入力振動が固有振動数：ｆr2を外れてしまうと発電効率が著しく低下してしまう。これに対して、本発明の実施例では、発電電力が、二つの周波数：Ｐ1 ，Ｐ2 でそれぞれピークを有していると共に、それら二つの周波数：Ｐ1 ，Ｐ2 間の周波数域やＰ2 を超えた高周波数域に至る広い周波数域に亘って高い発電効率が維持されている。ここにおいて、高周波側のピークとなる周波数：Ｐ2 は、２自由度振動系の振動モードで第１及び第２のマス部材３８，４８が逆相で動く高周波側の固有振動数：Ω2 に相当する周波数である。一方、低周波側のピークとなる周波数：Ｐ1 は、２自由度振動系の振動モードで第１及び第２のマス部材３８，４８が逆相で動く低周波側の固有振動数：Ω1 に相当する周波数であり、また第２の振動系３４が１自由度振動系として第１のマス部材に対する位相が反転する固有振動数：ｆr2に略対応する周波数である。
【０１２４】
また、本実施形態では、第２の振動系３４の共振応答倍率：Ｑが、第１の振動系３２の共振応答倍率：Ｘよりも大きくされている（Ｘ＜Ｑ）と共に、第１のマス部材３８の質量：ｍ1 と第１の振動系３２の共振応答倍率：Ｘとの積が、第２のマス部材４８の質量：ｍ2 と第２の振動系３４の共振応答倍率：Ｑとの積よりも大きくされている（ｍ1 ＊Ｘ＞ｍ2 ＊Ｑ）。これにより、振動入力時には、第２のマス部材４８の振幅ひいては板ばね５０の弾性変形量が大きく確保されて、発電素子１６による発電が効率的に実現される。また、第１のマス部材３８に共振状態で及ぼされる加振力が、第２のマス部材４８に共振状態で及ぼされる加振力に対して大きくされていることから、第２の振動系３４による入力振動の相殺的な制振作用が抑制されて、第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の相対変位が安定して生じることで、より有効な発電が広帯域に亘って実現される。
【０１２５】
さらに、振動発電装置１８では、第２のマス部材４８の質量：ｍ2 が、第１のマス部材３８の質量：ｍ1 に対して、１／５倍以下とされており、２自由度振動系の機械的な固有振動数を所定値に設定しながら、板ばね５０のばね定数：ｋ2 が小さく設定されている。それ故、第２のマス部材４８の第１のマス部材３８に対する相対変位が生じ易くなっており、発電素子１６による発電量を効率的に得ることができる。
【０１２６】
また、本実施形態では、第２の振動系３４単体の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr2が、第１の振動系３２単体の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr1よりも、低周波数に設定されている（ｆr2＜ｆr1）。これにより、振動入力時に第１のマス部材３８に対する第２のマス部材４８の相対変位が充分に生ぜしめられて、第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の相対変位量に対応する発電効率の向上が図られ得る。
【０１２７】
さらに、ｆr2＜ｆr1とされていることにより、第２の振動系３４の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr2から第１の振動系３２の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr1までの周波数域においては、第１のマス部材３８が入力振動に対して同相で変位する。それ故、ボデー３０に対して同相で振動変位する第１のマス部材３８を介して、第２の振動系３４に対して振動エネルギーがより効率的に伝達されて発電効率の一層の向上が図られ得る。一方、ｆr2＞＞ｆr1とした場合では、２自由度振動系における低周波側の固有振動数：Ω1 にて、第１の振動系３２が入力振動に対して逆相で変位するため、第２の振動系３４に対して振動エネルギーを効率的に伝達することができない。そこで、本実施形態のようにｆr2＜ｆr1とすることで、図５に示されるＰ1 〜Ｐ2 間の周波数域を充分に大きく設定して一層広い周波数域で優れた発電効率を得ることが可能になる。
【０１２８】
また、振動発電装置１８の２自由度振動系を構成する第１の振動系３２のばね成分が、ゴム弾性体で形成された連結ゴム弾性体４０で構成されている一方、第２の振動系３４のばね成分が、金属で形成された板ばね５０で構成されている。これにより、図６に示されているように、第２の振動系３４では、大きな共振応答倍率で、発電可能な振幅を共振周波数付近の狭い周波数域でのみ得られる一方、第１の振動系３２では、第２の振動系３４に比して小さな共振応答倍率で、発電可能な振幅を広い周波数域に亘って得ることができる。それ故、第１の振動系３２と第２の振動系３４を組み合わせて採用することで、第２の振動系３４単体では著しく狭い周波数域でのみ実現される発電が、第１の振動系３２の連結ゴム弾性体４０の減衰性能に基づいた特性のブロード化によって、より広い周波数域の振動入力に対して有効に実現される。これにより、種々の振動入力条件下において有効な発電が可能とされて、高い実用性を備えた振動発電装置１８を提供することができる。なお、図６では、第１の振動系３２単体の１自由度振動系における周波数−振幅特性が実線で示されていると共に、第２の振動系３４単体の１自由度振動系における周波数−振幅特性が破線で示されている。
【０１２９】
また、振動発電装置１８では、第１の振動系３２単体の１自由度振動系における機械的な固有振動数：ｆr1が、第１，第２の振動系３２，３４で構成された多自由度振動系の電気的な反共振周波数：ｆa2よりも高周波数に設定されている（ｆr1＞ｆa2）ことで、広い周波数域の振動入力に対する発電が実現されている。以下、図７に示された第２の振動系３４の電気的な特性を考慮した等価回路を用いて説明する。
【０１３０】
図７の等価回路は、発電素子１６（圧電素子）を配設された第２の振動系３４の圧電特性である機械−電気変換特性を示す回路であって、直列的に配置された等価直列インダクタンス：Ｌ1 と等価直列静電容量：Ｃ1 と等価直列抵抗：Ｒ1 と、それらＬ1 ，Ｃ1 ，Ｒ1 に対して並列に配置された並列静電容量：Ｃ0 とによって、発電素子１６の機械的な振動を電気的な回路として表すものである。
【０１３１】
Ｌ1 ，Ｃ1 ，Ｒ1 は、振動モードに応じてそれぞれ一意的に決まる定数である。一方、Ｃ0 は、発電素子１６が誘電体として機能することによる静電容量であって、発電素子１６の大きさや誘電率等により規定される定数である。
【０１３２】
第２の振動系３４の電気的な特性を考慮した等価回路が、このようなＬ1 ，Ｃ1 ，Ｒ1 ，Ｃ0 で構成されることから、第２の振動系３４のインピーダンスは、入力振動の周波数に対して、図８に示すグラフのようになっており、直列共振周波数：ｆr2で極小値となると共に、電気的な反共振周波数（並列共振周波数）：ｆa2で極大値となる。なお、直列共振周波数は、第２の振動系３４の機械的な共振周波数：ｆr2と実質的に同じとなる。また、直列共振周波数：ｆr2は、厳密には、Ｃ0 の影響で第２の振動系３４のインピーダンスが極小値となる周波数とは僅かに異なるが、ここでは実質的に同じとみなす。同様に、並列共振周波数：ｆa2は、第２の振動系３４のインピーダンスが極大値となる周波数とは僅かに異なるが、ここでは実質的に同じとみなす。
【０１３３】
図８のグラフからも明らかなように、発電素子１６を配設された第２の振動系３４では、直列共振周波数：ｆr2において大きな発電量が得られる一方、並列共振周波数：ｆa2において発電量が小さくなり、ｆa2より高周波数域においても発電量は比較的に小さい状態が続くことになる。
【０１３４】
なお、第２の振動系３４の等価回路において、直列共振周波数：ｆr2と並列共振周波数（反共振周波数）：ｆa2は、以下の［数４］と［数５］によって定義される。
【０１３５】
【数４】
2015087956.tif 000037
【０１３６】
【数５】
2015087956.tif 000038
【０１３７】
一方、本実施形態では、振動発電装置１８の振動系を２自由度としたことにより、振動発電装置１８の振動系の機械的な２次固有振動数：Ω1 を同振動系の機械的な反共振周波数よりも高周波数に設定することで、広い周波数域に亘って発電量の低下が抑えられる。このことから、一般に、第１の振動系３２の機械的な固有振動数：ｆr1を等価回路の並列共振周波数：ｆa2よりも高周波数に設定することで、発電効率の低下を広帯域に亘って防ぐことができる。
【０１３８】
更にまた、より好適には、第１の振動系３２単体の機械的な共振周波数：ｆr1が、第２の振動系３４単体の機械的な共振周波数：ｆr2の√２倍以下（ｆr1≦√２＊ｆr2）とされることにより、広い周波数域の振動入力に対して第１のマス部材３８と第２のマス部材４８の相対変位量が大きく確保される。それ故、広い周波数域の振動入力に対して、発電素子１６による高効率な発電が実現される。要するに、第１の振動系３２単体の機械的な共振周波数：ｆr1は、好適には、ｆa2＜ｆr1≦√２＊ｆr2の範囲に設定される。
【０１３９】
なお、本発明者が実験等で検討したところ、ｆr1≦√２＊ｆr2とすることによって、第１の振動系３２における振動と、第２の振動系３４における振動とを相互に伝達させて連成的な振動状態とすることができる。即ち、例えば入力振動の周波数が変化するような場合において、第１の振動系３２および第２の振動系３４が相互に完全に独立して振動すると一方が振動停止するような状況でも、当該一方の振動系に対して他方の振動系が影響を及ぼすことで、ある程度の振動状態を維持することも可能となる。これにより、双方の振動が及ぼされて、双方の振動系３２，３４における振動状態が補完的に維持され得ることから、各振動系３２，３４における振動状態の発現ひいては目的とする発電状態の発現とその維持が、一層効率的に達成され得ることとなる。なお、第１，第２の振動系３２，３４において、各共振周波数がｆr1≦√２＊ｆr2を満たすように設定されることで、振動の連成による振動状態の補完的な維持が実現されることは、例えば特許４８６２２８６号公報を一助として理解することができる。
【０１４０】
上記の如き構造とされた振動発電装置１８とセンサ部分１４が、例えば筐体２２に収容されることにより、本実施形態のセンサ装置１０が構成されている。そして、例えば筐体２２が取付部材とされると共に、筐体２２の開口部を蓋体等で覆蓋するなどしてセンサ装置１０を車両に取り付けることにより、走行状態の違いによる異なった周波数域での振動入力下においても、振動エネルギーが電気エネルギーへ効率的に変換されて、振動発電装置１８による安定した発電、ひいてはセンサ装置１０の安定した作動が実現され得る。
【０１４１】
以上、本発明のセンサ装置に関する実施形態について詳述してきたが、本発明はその具体的な記載によって限定されない。
【０１４２】
例えば、センサ装置が車両に装着される場合には、図９に機能ブロック図が示されているように、センサ部分１４における検出信号を、有線で配線されたセンサ出力用リード線５９を通じて、かかる検出信号を必要とするＥＣＵ等の車体側コントローラ６０へ送信することも可能である。
【０１４３】
このような有線送信を採用すれば、振動発電装置１８で得られた電力をセンサ部分１４における情報の取得や生成に注力して活用することが可能になる。その結果、例えばサンプリングレートを向上させるなど、必要電力の増大を伴う検出精度の向上が実現可能になると共に、センサ部分１４を含むセンサ装置の作動の安定性の更なる向上も図られ得る。
【０１４４】
また、上述の如き構造とされた特定構造の振動発電装置１８の発電素子１６そのものをセンサ素子として利用することも可能である。具体的には、例えば図１０に機能ブロック図が示されているように、振動発電装置１８の発電波形が、入力される振動に対応することに着目し、計測回路部２０において、かかる発電波形を用いて時間微分などの演算処理を行うことにより、検出信号として加速度情報を得ることも可能である。
【０１４５】
このように、振動発電装置１８の発電素子１６をセンサ素子として利用することで、センサ装置の構造の簡略化や消費電力の低減を図ることが可能になる。
【０１４６】
また、センサ装置が車両に装着される場合、振動発電装置１８の発電状況は車両の走行状況に対応することから、かかる発電状況を監視することによって車両の走行状況を監視し、例えば急激な加減速が繰り返されるなどの特定の走行状況が、発電状況に基づいて把握された場合には、音や光などで運転者に警告を発して注意を促すことも可能となる。このような警告装置６１は、センサ装置の外部、例えば車両のディスプレイや車室内に設けられてもよい。即ち、センサ素子としての振動発電装置１８により検出された特定の走行状況がアンテナ２６やリード線を介して警告装置６１に無線或いは有線送信されることにより、ディスプレイにメッセージやマークが表示されたり、車室内のスピーカーによりメッセージや警告音が発せられるようにして、運転者に認識可能とされるようにしてもよい。
【０１４７】
あるいは、センサ装置が建築物の柱や床に装着される場合には、これらの柱や床が振動部材とされて、近隣を通過する車両や居住者の歩行に伴う振動が、かかる柱や床に及ぼされることにより、振動発電装置１８により電力を得ることができる。更に、例えば上記の如き警告装置６１を採用することにより、音や光で居住者に注意を喚起することができて、地震発生時等における避難を迅速に行うことができる。
【０１４８】
さらに、本発明のセンサ装置では、振動発電装置としても、前記実施形態の他に各種態様が採用可能である。例えば、図１１及び図１２には、それぞれ、本発明において採用される別の態様例としての振動発電装置６２，６４が示されている。なお、前記実施形態と同一の部材または部位については、図中に前記実施形態と同一の符号を付すことにより、詳細な説明を省略する。
【０１４９】
すなわち、図１１に示された振動発電装置６２は、第１のマス部材６６が中空構造とされており、第１のマス部材６６において、外部空間に対して略遮断された収容空所６８が設けられている。このような中空構造の第１のマス部材６６は、例えば、底壁７０と周壁部としての周壁７２を備えた略有底筒形状の下部マス７４に対して、略平板形状の上部マス７６を重ね合わせて下部マス７４の上部開口を覆蓋するように固着せしめることによって実現される。
【０１５０】
そして、この第１のマス部材６６の収容空所６８に収容された状態で、前記実施形態と略同様な構造とされた第２の振動系３４が設けられている。なお、収容空所６８は、第２のばね部材としての板ばね５０の弾性変形に伴う第２のマス部材４８の変位を許容するのに十分な大きさとされている。また、収容空所６８には、第２のマス部材４８の変位方向の両側壁部において、それぞれストッパゴム５８，５８が設けられており、第２のマス部材４８の変位量が緩衝的に制限されるようになっている。
【０１５１】
このような構造とされた振動発電装置６２では、第１の振動系３２における第１のマス部材６６の重心位置と、第２の振動系３４における第２のマス部材４８の重心位置とを、高さ方向で近接して設定することが可能になる。しかも、これら第１のマス部材６６と第２のマス部材４８が、振動入力基準面となる第１のばね部材としての連結ゴム弾性体４０のボデー３０への固着面である支持面、即ち取付部材３６の上面からの高さを小さくして位置決めすることが可能になる。
【０１５２】
また、前記第１の実施形態でも、カバー部材４４が、その質量によって第１のマス部材３８の一部を構成していることからも理解できるように、第１の実施形態では、中空構造の第１のマス部材とされて、カバー部材４４と第１のマス部材３８との間に形成された収容領域４６内に第２の振動系３４が収容配置されており、且つ、板ばね５０の基端側が、第１のマス部材における収容空所（収容領域）４６の周壁を構成する第１のマス部材３８の上端面から収容空所４６内に突設された支持突部４２で支持されることにより、板ばね５０の支持位置が、収容空所４６の周壁部よりも収容空所４６の内方に位置して設定されている。ここにおいて、図１１に示された実施形態では、第１の実施形態のカバー部材４４が厚肉とされて上部マス７６が構成されているものとみることも可能であることから、第１の実施形態の説明をもって図１１の態様を理解することも可能である。
【０１５３】
これにより、第１の実施形態と本実施形態の何れにおいても、第２の振動系３４を構成する板ばね５０の基端側の第１のマス部材３８，６６による支持位置が、第１のマス部材３８，６６の外周壁部よりも中央側に離れて、第１のマス部材３８，６６の重心に近い位置に設定されている。その結果、第１のマス部材３８，６６に対して、発電に有意な曲げ変形を板ばね５０に惹起させる、図１１中の上下方向の振幅を伴うバウンスのような変位を伴う目的とする振動は、第１のマス部材３８，６６の上下振動が板ばね５０に対して直接的に効率良く伝達されて、第２の振動系３４が有利に加振され得ることとなる。一方、図１１中で左右方向の略中央を支点としたシーソーのような揺れ変位を伴うピッチングや、図１１中で左右方向に延びる直線を中心とした回動変位を伴う捩じり、図１１中で上下方向に延びる直線を中心とした回動変位を伴うこじりなどの各種方向の振動に対しては、何れも、第１のマス部材３８，６６の外周壁部で振動振幅が最大となることから、外周壁部よりも中央側に支持点が設定された第２の振動系３４に対する振動伝達が抑えられることとなり、板ばね５０に対する悪影響が軽減されて、板ばね５０の目的とする曲げ変形ひいてはそこに装着された発電素子１６による発電効率が、安定して良好に維持され得るのである。
【０１５４】
特に、図１１の実施形態では、第１の実施形態のカバー部材４４よりも上部マス７６が厚肉とされることで、第１のマス部材６６の重心が、水平方向だけでなく上下方向においても中央側によせられて、収容空所６８の内部に設定されている。これにより、第１のマス部材６６の重心と、第２の振動系３４の板ばね５０の支持点とを、より近い位置に設定することが可能となり、例えば略同じ位置に設定することも可能となる。その結果、上述の如き、第１のマス部材６６におけるピッチングや捩じり、こじりなどの振動入力を一層抑えつつ、振動発電に有意な上下方向の振動の伝達による安定した発電をより効果的に実現可能ことができるのである。
【０１５５】
このように、本態様では、振動入力時における第１のマス部材６６や第２のマス部材４８の揺動など、特に第２のマス部材４８の上下方向以外の不規則な変位を伴う板ばね５０の不規則な変形が抑えられて、目的とする主たる振動入力方向となる上下方向への振動変位が一層安定して生ぜしめられる結果、連結ゴム弾性体４０や板ばね５０の弾性変形量が大きくされて振動エネルギーの電気エネルギーへの変換効率の更なる向上が図られ得るのである。
【０１５６】
しかも、第２の振動系３４の配設領域が、第１のマス部材６６によって外部空間から遮断されることから、別途にカバー構造等を必要とすることなく、第２の振動系３４の配設領域において簡単な構造をもって防塵性能や防水性能を付与することも可能になる。
【０１５７】
加えて、第１のマス部材６６を中空構造としたことにより、容積が大きい外周部分で大きなマス重量を確保しつつ、収容空所６８へ第２の振動系３４を収容させて、前記実施形態のように第１のマス部材６６から上方への大きな突出を回避することが可能になる。その結果、第１のマス部材６６の質量を十分に確保しつつ、防振装置全体の特に高さ方向のサイズを小さく抑えることが可能になる。
【０１５８】
また、図１２に示された振動発電装置６４は、図１１に示された振動発電装置６２と同様に、中空構造とされた第１のマス部材６６の収容空所６８に収容された状態で、第２の振動系３４が設けられている。一方、第１のマス部材６６は、その周壁７２の外周面上に設けられた第１のばね部材７８によって、振動部材たるボデー３０に対して弾性連結されている。
【０１５９】
すなわち、ボデー３０に対してボルト等で固着される取付部材８０が、第１のマス部材６６の外周側に離隔した縦壁構造をもって形成されており、第１のマス部材６６の外周面が、取付部材８０に対して、主たる振動入力方向に略直交する方向で対向位置せしめられている。そして、これら第１のマス部材６６の外周面と取付部材８０との対向面間にゴム弾性体からなる第１のばね部材７８が配設されることにより、第１のマス部材６６が取付部材８０によって弾性支持されている。
【０１６０】
なお、第１のばね部材７８は、第１のマス部材６６の全周に亘って設けられていても良いが、周上で適数箇所に位置して設けられていても良い。
【０１６１】
このような構造とされた振動発電装置６４では、ボデー３０からの振動により第１の振動系３２における第１のばね部材７８が主たる振動入力方向で主に剪断変形せしめられることから、低動ばねチューニングすることが可能になり、特性チューニングの自由度の向上が図られ得る。なお、本実施形態の振動発電装置６４においても、第１のマス部材６６の底壁７０と取付部材８０の底壁との対向面間に、補助的に圧縮ゴムを介在させて特性チューニングすることも可能である。
【０１６２】
その他、本発明において採用される振動発電装置では、例えば、振動発電装置の振動系において、３つ以上のマス部材をそれぞればね部材を介して直列的に弾性連結して、３自由度以上の多自由度振動系とすることもできる。これによれば、より一層広い周波数域の振動入力に対して、高い発電効率を得ることができる。なお、３自由度以上の多自由度振動系を採用する場合には、互いに弾性連結された２つのマス部材を選択して、それらマス部材の間にのみ発電素子を設けても良いが、隣接配置されて相互に弾性連結された複数組のマス部材間に、それぞれ発電素子を設けることでもできる。
【０１６３】
また、例えば、第１のマス部材に対して２つ以上の第２のマス部材を並列的に且つ互いに独立した２つ以上の第２のばね部材を介してそれぞれ弾性連結することで、振動発電装置の多自由度振動系を構成することもできる。これによれば、第２の振動系が複数構成されることから、それら第２の振動系単体の機械的な固有振動数を互いに異ならせて、より広い周波数域の振動入力に対する有効な発電を実現したり、第２の振動系単体の機械的な固有振動数を互いに同じにすることで、特定周波数域の振動入力に対する発電効率の向上を図ったりすることも可能である。
【０１６４】
さらに、発電素子としては、圧電素子や電歪素子、磁歪素子等の発電素子が何れも採用可能である他、エレクトレットや交差磁束の時間変化を使った電磁方式等を用いた発電構造を採用することもできる。このことからも理解されるように、第２の振動系を構成する第２のマス部材および第２のばね部材の具体的な構造は限定されるものではなく、例えば、第２のばね部材としてコイルスプリングやゴム弾性体、棒ばね等を用いることもできる。同様に、第１のマス部材および第１のばね部材の具体的な構造も特に限定されず、例えば、第１のばね部材としてコイルスプリングや板ばね、棒ばね等の金属ばねを用いても良い。
【０１６５】
更にまた、前記実施形態の振動発電装置１８（６２，６４）では、第１のマス部材３８（６６）のボデー３０に対する質量比を調節することで、第１の振動系３２がボデー３０の振動に対する制振作用を及ぼすようになっていたが、振動発電装置に制振装置としての機能を持たせることは、本発明において必須ではない。要するに、第１のマス部材の質量を振動部材の等価マス質量の１０％よりも小さくしても良く、振動発電装置とは別にダイナミックダンパ等の制振装置を配設することもできる。
【０１６６】
なお、前記実施形態では、第２の振動系３４を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr2が、第１の振動系３２を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr1よりも低周波数に設定されていた（ｆr2＜ｆr1）。それと共に、第２のマス部材４８の質量：ｍ2 は、第１のマス部材３８，６６の質量：ｍ1 との間で、ｍ1 ＊Ｘ＞ｍ2 ＊Ｑを満たすように設定されていた（Ｘ，Ｑはそれぞれ、第１の振動系３２および第２の振動系３４の共振応答倍率）。しかし、本発明に係る発電装置は、これらの態様に限定されない。
【０１６７】
すなわち、第２の振動系３４を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr2が第１の振動系３２を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr1よりも高周波数に設定されている（ｆr2＞ｆr1）場合であっても、第１のマス部材３８，６６の質量：ｍ1 と第１の振動系３２の共振応答倍率：Ｘとの積が第２のマス部材４８の質量：ｍ2 と第２の振動系３４の共振応答倍率：Ｑとの積に近い（ｍ1 ＊Ｘ≒ｍ2 ＊Ｑ）場合には、第１の振動系３２と第２の振動系３４との相互作用により発電量が増加され得る。従って、本発明に係る発電装置では、第２の振動系３４を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr2が、第１の振動系３２を１自由度振動系として取り扱う場合の機械的な固有振動数：ｆr1に対して、異なって（ｆr1≠ｆr2）いればよい。
【０１６８】
さらに、前記図１１，１２に示した振動発電装置６２，６４では、下部マス７４が略有底筒形状とされると共に上部マス７６が略平板形状とされており、下部マス７４の上部開口部に対して上部マス７６を上方から覆蓋せしめることで収容空所６８が形成されて、かかる収容空所６８内に第２の振動系３４が収容されていたが、かかる態様に限定されない。即ち、例えば、下部マスが略平板形状とされると共に上部マスが逆向きの略有底筒形状とされていてもよいし、第１のマス部材が、側方に開口する筒形状の部材と、この側方開口部を覆蓋する部材とから構成されていてもよい。
【０１６９】
また、前記実施形態では、センサ装置が車両に取り付けられて車両用のセンサ装置とされていたが、かかる態様に限定されず、振動部材は、発電に足るだけの振動入力があれば特に限定されるものではない。更に、本発明に係る発電装置は、振動部材において、互いに異なる振動周波数域で複数種類の振動の振動レベルが最大になる場合に、特に好適に採用される。具体的には、例えば、洗濯物の量等で振動周波数が変化する洗濯機や、冷凍機の作動状態等に応じて振動周波数が変化する冷蔵庫、走行状態や路面の凹凸等に応じて振動周波数が変化する自動車、加工状態等に応じて振動周波数が変化する工作機械、通過する車両の重量等に応じて振動周波数が変化する橋梁、或いは建築物の柱や床等において、筐体やボデー等が発電装置を装着する振動部材となり得る。
【０１７０】
ところで、上述の如き本発明に従う振動発電装置１８，６２，６４は、前記実施形態に示すセンサ装置１０への適用に限定されるものでない。以下、車両用発光装置や建築物用発光装置へ適用した実施態様について、図面を参照しつつ、説明する。なお、振動発電装置については、前記実施形態と同様な構造であり、その理解を容易とするために、前記実施形態と同じ符号を図中に付しておく。
【０１７１】
次に、図１３には、本発明に従う構造とされた車両用発光装置１１０を備える自動車１１１の前部が示されている。車両用発光装置１１０は、図１４に示すように、発光体としてのコーナーポール１１２と、作動用電源としての振動発電装置１１４とを備えている。以下の説明において、上下方向とは、原則として、車両装着状態での鉛直上下方向となる図１４中の上下方向を言う。
【０１７２】
より詳細には、コーナーポール１１２は、導光ポール１１６に光源としてのＬＥＤ１１８が収容された構造を有している。導光ポール１１６は、アクリルなどの合成樹脂で形成された透明乃至は半透明の部材であって、上方に向かって直線的に延びる先細ロッド状とされている。
【０１７３】
導光ポール１１６の基端部には、ＬＥＤ１１８が収容されている。ＬＥＤ１１８は、公知の構造であって、図示しない基板に給電用配線としてのワイヤハーネス１２０が接続されており、ワイヤハーネス１２０を通じて基板に電力が供給されることによって発光するようになっている。そして、ＬＥＤ１１８の光が、導光ポール１１６によって上方に導かれて、外周側に放射されることにより、導光ポール１１６が全体的に乃至は部分的に発光して、周囲から容易に視認可能となるようにされている。
【０１７４】
また、コーナーポール１１２には、振動発電装置１１４が取り付けられている。振動発電装置１１４は、図１１に示された前記実施形態の振動発電装置６２と実質的に同じ構造とされており、振動部材としてのバンパー１２２に取り付けられる第１の振動系３２と、第１の振動系３２を介してバンパー１２２に取り付けられる第２の振動系３４とを含む多自由度振動系を、備えている。なお、本実施形態では、図１１に示された振動発電装置６２を上下反対にして装着した態様となっている。即ち、上部マス７６が逆向きの略有底筒形状とされていると共に、下部マス７４が略平板形状とされている。
【０１７５】
そして、前述のような優れた発電効率を得られる振動発電装置１１４に、コーナーポール１１２を接続することにより、図１４に示すように、本実施形態に係る車両用発光装置１１０が構成されている。即ち、コーナーポール１１２は、導光ポール１１６の基端部とＬＥＤ１１８が、振動発電装置１１４の取付部材１２８に固定されている。そして、コーナーポール１１２のＬＥＤ１１８と、振動発電装置１１４の発電素子１６が、ワイヤハーネス１２０によって電気的に接続されることにより、ＬＥＤ１１８を発光させるための作動用電源が、振動発電装置１１４によって構成されている。
【０１７６】
なお、例えば、発電素子１６によって得られる電気をフィルタリングするための回路や、ＬＥＤ１１８への電力供給のオンとオフを制御する制御手段などを、収容空所６８に配設することもできる。特に、それら回路や制御手段などを、収容空所６８の内部に設けることにより、回路や制御手段などを保護することもできる。
【０１７７】
かくの如き構造とされた車両用発光装置１１０は、振動発電装置１１４が自動車１１１の端部を構成するバンパー１２２に取り付けられることから、振幅の大きな振動が発電素子１６に入力されて、より効率的な発電が実現される。特に、バンパー１２２は、自動車１１１のメインフレームとは別部品とされた端部構成部材であって、バンパー１２２への振動伝達を低減する防振構造はなく、大きな振動エネルギーが振動発電装置１１４に入力されることから、振動発電によって電力を効率的に得ることができる。加えて、振動発電装置１１４がバンパー１２２の振動エネルギーを電気エネルギーに変換してＬＥＤ１１８に供給することで、バンパー１２２の振動が低減される。
【０１７８】
また、振動が入力される自動車１１１の走行時には、振動発電装置１１４の発電によって得られる電力が、コーナーポール１１２に安定して供給されることから、電池交換や充電などの手間を要することなく、コーナーポール１１２を発光させることができる。しかも、駐車時には、振動発電装置１１４に振動が入力されず、ＬＥＤ１１８への電力供給が停止されて、コーナーポール１１２の発光が自動的に停止されることから、コーナーポール１１２の発光のオンとオフが、操作することなく自動的に切り替えられる。
【０１７９】
なお、振動発電装置１１４において、発電が有効に実行される入力振動の周波数域（例えば、走行時のエンジンシェイクに相当する低周波数域）と、実質的に発電されない周波数域（例えば、停車時のアイドリング振動に相当する中周波数域）とを設定することにより、コーナーポール１１２の発光のオンとオフを、自動車１１１の走行状態などに応じて自動的に切り替えることもできる。
【０１８０】
また、振動発電装置１１４とコーナーポール１１２が相互に連結されて近接配置されていることから、ＬＥＤ１１８に電力を供給するためのワイヤハーネス１２０を短くすることができる。それ故、ワイヤハーネス１２０の重量を低減することができて、車両の軽量化が図られると共に、ワイヤハーネス１２０が他部材に干渉して破断するといった不具合も回避され、ワイヤハーネス１２０の取回しが容易になる。
【０１８１】
また、振動発電装置１１４では、第１の振動系３２における第１のマス部材６６の重心位置と、第２の振動系３４における第２のマス部材４８の重心位置とを、水平方向で何れも第１のマス部材６６の外周壁よりも中央部分寄りに設定することができると共に、高さ方向で近接して設定することが可能になる。しかも、これら第１のマス部材６６と第２のマス部材４８が、振動入力基準面となる第１のばね部材としての連結ゴム弾性体４０のバンパー１２２への固着面である支持面からの高さを小さくして位置決めすることが可能になる。
【０１８２】
それ故、振動入力時における第１のマス部材６６や第２のマス部材４８の揺動が抑えられて、目的とする主たる振動入力方向となる上下方向への振動変位が一層安定して生ぜしめられる結果、連結ゴム弾性体４０や板ばね５０の弾性変形量が大きくされて振動エネルギーの電気エネルギーへの変換効率の更なる向上が図られ得るのである。
【０１８３】
しかも、第２の振動系３４の配設領域が、第１のマス部材６６によって外部空間から遮断されることから、別途にカバー構造等を必要とすることなく、第２の振動系３４の配設領域において簡単な構造をもって防塵性能や防水性能を付与することも可能になる。
【０１８４】
加えて、第１のマス部材６６を中空構造としたことにより、容積が大きい外周部分で大きなマス重量を確保しつつ、収容空所６８へ第２の振動系３４を収容させて、第１のマス部材６６から下方への大きな突出を回避することが可能になる。その結果、第１のマス部材６６の質量を十分に確保しつつ、振動発電装置１１４全体の特に高さ方向のサイズを小さく抑えることが可能になる。その他、前述の車両用センサ装置における効果が、本実施形態の車両用発光装置において、何れも同様に発揮され得るのである。
【０１８５】
また、図１３に示すように、自動車１１１のバンパー１２２には、車両用発光装置に関する本発明の別の実施形態としての車両用発光装置１６０も設けられている。
【０１８６】
より詳細には、車両用発光装置１６０は、図１５〜１７に示すように、発光体としてのバンパー用ライト１６２と、作動用電源としての振動発電装置１６８とを備えている。バンパー用ライト１６２は、前方に向かって発光するアクセサリーライトであって、光源としての５つのＬＥＤ１１８が、前面を透明乃至は半透明の合成樹脂で形成された透光カバー１６４で覆われた構造を有している。なお、５つのＬＥＤ１１８は、電気回路を備えた基板１６６に取り付けられている。
【０１８７】
また、ＬＥＤ１１８の後方には、振動発電装置１６８が配設されている。振動発電装置１６８は、箱状の取付部材１８４に第１の振動系３２と第２の振動系３４が収容された構造を有している。本実施形態の振動発電装置１６８は、図１４に示された前記実施形態の振動発電装置１１４を上下逆向きにしたような構造となっている。即ち、第１のマス部材６６が底壁７０と周壁７２を有する略有底四角筒状の下部マス７４と、下部マス７４の上開口を塞ぐ板状の上部マス７６とによって構成されている。更に、本実施形態では、図１７に示すように、板ばね５０の先端側となる一端の上下両面にわたって第２のマス部材４８が固着されている。
【０１８８】
そして、ＬＥＤ１１８が取付部材１８４に固定されていると共に、ＬＥＤ１１８の基板１６６と振動発電装置１１４の発電素子１６とが、ワイヤハーネス１２０によって電気的に接続されている。
【０１８９】
かくの如き構造とされた車両用発光装置１６０は、図１３に示すように、バンパー１２２に配設されており、バンパー用ライト１６２の透光カバー１６４がバンパー１２２の前面に露出している。そして、自動車１１１の走行時には、振動発電装置１６８に入力される振動エネルギーが、コーナーポール１１２に関する前記実施形態と同様に電気エネルギーに変換されて、得られた電力がＬＥＤ１１８に供給されることで、バンパー用ライト１６２が発光するようになっている。
【０１９０】
このような本実施形態に係る車両用発光装置１６０においても、前記実施形態の車両用発光装置１１０と同様の効果を得ることができる。要するに、本発明の車両用発光装置において、発光体はコーナーポール１１２に限定されるものではなく、バンパー用ライト１６２であっても良い。
【０１９１】
また、車両用発光装置１６０の発光体をドアミラー用ライト１８６とすることもできる。即ち、図１３に示すように、自動車１１１のドアミラー１８８に車両用発光装置１６０を設けて、ドアミラー用ライト１８６をドアミラー１８８の前面に露出させると共に、振動発電装置１６８をドアミラー１８８に内蔵することにより、ドアミラー１８８に車両用発光装置１６０によるアクセサリーライトを設けることも可能である。このように、車両用発光装置１６０をドアミラー１８８に設けることにより、特に夜間の走行時に、対向車両の運転手に車幅を知らしめることができる。なお、ドアミラー１８８に車両用発光装置１６０を設ける場合には、ドアミラー１８８の前面におけるドアミラー用ライト１８６の露出位置は、特に限定されないが、図１８，１９に示すように、車幅方向でドアミラー１８８の外端部分に設けられることが望ましい。
【０１９２】
図２０〜２２には、車両用発光装置に関する本発明の更に別の実施形態としての車両用発光装置１９０が示されている。車両用発光装置１９０は、エンドキャップ１９２が光源としてのＬＥＤ１１８の外側に配されて構成される発光体としてのエンドキャップ用ライト１９４と、エンドキャップ１９２に収容されてＬＥＤ１１８に接続された振動発電装置１９３とを、備えている。なお、本実施形態における振動発電装置１９３は、車両用発光装置に関する前記実施形態に記載の振動発電装置１６８と同様の構造とされている。
【０１９３】
エンドキャップ１９２は、自転車や自動二輪車等の端部を構成する振動部材としてのハンドルエンド１９５に取り付けられる部材であって、全体として横転有底円筒形状を有しており、ハンドルエンド１９５に嵌入される筒状部１９６と、筒状部１９６の外側の開口部を閉塞するように設けられた透明乃至は半透明の透光部１９８とを、備えている。本実施形態では、筒状部１９６と透光部１９８が一体形成されているが、二色成形によって筒状部１９６が不透明とされていても良いし、別体形成された筒状部１９６と透光部１９８が後固定されていても良い。
【０１９４】
さらに、エンドキャップ１９２の内周領域には、ＬＥＤ１１８が配設されている。そして、ＬＥＤ１１８の発する光が、エンドキャップ１９２の透光部１９８を通じて、外方に照射されるようになっており、もって、自転車等のハンドルエンド１９５に設けられるエンドキャップ用ライト１９４が構成されている。
【０１９５】
また、エンドキャップ１９２の内周領域には振動発電装置１９３が配設されて、連結ゴム弾性体４０が筒状部１９６に固着されていると共に、ＬＥＤ１１８と振動発電装置１９３の発電素子１６とが、ワイヤハーネス１２０によって電気的に接続されている。そして、発電素子１６で得られた電力が、ワイヤハーネス１２０を介してＬＥＤ１１８に供給されることにより、ＬＥＤ１１８が発光せしめられて、ＬＥＤ１１８の光が透光部１９８を通じてエンドキャップ１９２の軸方向に発せられるようになっている。
【０１９６】
このような構造とされた車両用発光装置１９０は、エンドキャップ１９２の筒状部１９６が自転車のハンドルエンド１９５に嵌め入れられることにより、ハンドルエンド１９５に取り付けられており、振動発電装置１９３がハンドルエンド１９５に収容されていると共に、エンドキャップ用ライト１９４がハンドルエンド１９５の外側端面に露出している。これにより、自転車の走行時の振動によって、エンドキャップ用ライト１９４が発光して、自転車の左右両端部分であるハンドルエンド１９５の位置を視認容易とすることができる。なお、自転車の車幅を夜間などでも目視で把握可能とするために、左右両方のハンドルエンド１９５，１９５にそれぞれ車両用発光装置１９０，１９０を取り付けることが望ましい。
【０１９７】
以上、本発明の車両用発光装置の実施形態について詳述してきたが、本発明はその具体的な記載によって限定されない。例えば、前記実施形態では、光源としてＬＥＤ１１８が例示されているが、光源は特に限定されるものではない。更に、光源の数や配置、形状、大きさなども、限定的に解釈されるものではない。
【０１９８】
また、本発明構造では、光源と振動発電装置を近接して配置可能とされることから、光源と振動発電装置とを接続する配線（本実施形態のワイヤハーネス１２０）を省略して、コネクタによる接続構造を採用することもできる。これによれば、配線の断線による作動不良などを回避することができる。
【０１９９】
また、振動部材は、発電に足るだけの振動入力がある車両の端部構成部材であれば、特に限定されるものではないが、本発明に係る車両用発光装置の振動発電装置は、振動部材において、互いに異なる振動周波数域で複数種類の振動の振動レベルが最大になる場合に、特に好適に採用される。具体的には、例えば、走行状態や路面の凹凸等に応じて振動周波数が変化する自動車や自動二輪車、自転車などにおいて、端部構成部材が振動発電装置を装着する振動部材となり得る。
【０２００】
振動部材としては、前記実施形態で示した自動車１１１のフロントバンパー１２２とドアミラー１８８、二輪車のハンドルエンド１９５などの他、例えば、自動車のリアバンパーや二輪車（自転車や自動二輪車）のフロントフォークやサドル、ミラー、ペダルなどが挙げられる。それらの場合には、車両用発光装置の発光体が、リアバンパー用ライトやフロントポジションライト、リアポジションライト、ミラー用ライト（上部車幅灯）、ペダル用ライト（下部車幅灯）とされる。更に、前記実施形態では、振動部材として、自動車１１１のメインフレームに取り付けられる別部品であるバンパー１２２やドアミラー１８８が例示されているが、例えば、振動部材は、メインフレームの端部の一部によって構成されていても良い。
【０２０１】
また、本発明の適用対象となる車両としては、自動車や自動二輪車、自転車に限定されず、例えば、鉄道用車両や産業用車両などでも良い。
【０２０２】
さらに、本発明の車両用発光装置では、振動発電装置としても、前記実施形態の他に各種態様が採用可能である。例えば、車両用センサ装置の実施形態において図３や図１２に記載の如き別態様の振動発電装置１８や６４を採用して、車両用発光装置を構成することも可能である。
【０２０３】
また、前記図１４に示した振動発電装置１１４では、上部マス７６の開口部に対して下部マス７４を覆蓋せしめることで収容空所６８が形成されて、かかる収容空所６８内に第２の振動系３４が収容されていたが、かかる態様に限定されない。即ち、例えば、上部マスが略平板形状とされると共に下部マスが略有底筒形状とされていてもよいし、第１のマス部材が、側方に開口する筒形状の部材と、この側方開口部を覆蓋する部材とから構成されていてもよい。
【０２０４】
続いて、図２３〜２４には、本発明に従う構造とされた建築物用発光装置２１０が示されている。この建築物用発光装置２１０は、建築物２１２に装着されることにより、建築物２１２における歩行領域２１４を照明するものである。なお、以下の説明において上下方向とは、原則として、鉛直方向である図２３中の上下方向を言う。
【０２０５】
より詳細には、建築物２１２は公知の各種の建築構造をもって築造され得るものであり、その歩行領域２１４としての廊下の構造概略が図２３に例示されている。かかる建築物２１２の歩行領域２１４は、胴差や床梁、根太等の水平構造材２１６ａによって合板等の床基材２１６ｂが支持されて敷設されることで床強度が確保されていると共に、床基材２１６ｂの上に床シートやフローリング等の床仕上材２１６ｃが貼り付けられた構造となっている。
【０２０６】
また、床材としての水平構造材２１６ａや床基材２１６ｂ，床仕上材２１６ｃで構成された歩行領域２１４の上面を、人が歩行するようになっていると共に、かかる歩行領域２１４の両側には、内壁材２１８，２１８が立設されている。なお、内壁材２１８は、柱や胴縁などからなる公知の建築構造をもって取り付けられて支持されており、歩行領域２１４に面する内面には必要に応じてクロスや塗膜が被着される。
【０２０７】
かくの如き建築物２１２に装着されて歩行領域２１４を照明する建築物用発光装置２１０は、床材に取り付けられて制振装置として機能する振動発電装置２１９と、内壁材２１８に取り付けられた発光体としてのＬＥＤ２２０とを含んで構成されている。そして、例えば歩行領域２１４を人が歩行することで変形振動せしめられる床材の振動エネルギーを振動発電装置２１９で電気エネルギーに変換して、ＬＥＤ２２０を発光させるようになっている。なお、このことから明らかなように、本実施形態では、水平構造材２１６ａや床基材２１６ｂ，床仕上材２１６ｃで構成された床材が、人の歩行や地震等の外力の作用により主に上下方向で振動変形せしめられる振動部材とされている。
【０２０８】
ここにおいて、ＬＥＤ２２０は、公知のものが採用可能である。そして、ＬＥＤ２２０は、歩行領域２１４の両側の内壁材２１８に取り付けられて、発光により床仕上材２１６ｃの上面を照明するようになっている。
【０２０９】
なお、本実施形態では、後述する振動発電装置２１９で発電される電力を各ＬＥＤ２２０へ給電するリード線２２４上に制御装置２２５が設けられており、振動発電装置２１９からの電力に対して、制御装置２２５において安定化や定電圧化などの処理を行ってＬＥＤ２２０へ給電するようになっている。この制御装置２２５は、例えばフィルタやオペアンプ，シャントレギュレータの他、コンデンサ等を用いた蓄電回路を備えることが望ましい。
【０２１０】
一方、床材に装着された振動発電装置２１９は、図１１に示された前記実施形態の振動発電装置６２と実質的に同じ構造とされており、振動部材としての床材に取り付けられる第１の振動系３２を備えており、更に、この第１の振動系３２を介して第２の振動系３４が床材に取り付けられている。換言すれば、床材からの振動伝達経路上で第１の振動系３２と第２の振動系３４が直列的に設けられており、第１の振動系３２と第２の振動系３４とにより多自由度振動系が構成されている。
【０２１１】
さらに、第１のマス部材６６の質量：ｍ1 は、床材の等価マス質量：Ｍに対して、１０％以上（ｍ1 ≧０．１＊Ｍ）とされていることが望ましい。これにより、第１のマス部材６６が床材の振動状態に対して充分な影響を及ぼして、ダイナミックダンパとして機能し得ることから、振動の相殺による床材の振動低減が期待される。このように、第１のマス部材６６と連結ゴム弾性体４０を含んで構成される第１の振動系３２により、振動部材である床材の振動を抑制する制振装置が構成されている。
【０２１２】
また、第２のマス部材４８の第１のマス部材６６に対する相対変位が板ばね５０の板厚方向（図２３中の上下方向）となる剪断方向での弾性変形（剪断変形）によって許容されている。このことからも明らかなように、建築物用発光装置２１０は、第１の振動系３２と第２の振動系３４で構成された２自由度の振動系を備えており、床材の振動が、片持ち梁状に支持された板ばね５０の剪断方向に及ぼされて曲げ変形が生ぜしめられるようになっている。
【０２１３】
このような構造とされた建築物用発光装置２１０は、床材への装着状態において、床材の振動エネルギーを発電素子１６で電気エネルギーに変換して取り出すようになっている。そこにおいて、建築物用発光装置２１０では、２自由度の振動系を設けると共に、第１，第２のマス部材６６，４８の間に発電素子１６を配することで、発電素子１６による効率的な発電が実現されるようになっている。従って、かかる建築物用発光装置２１０では、第１の振動系３２により制振装置が構成されていると共に、第１の振動系３２と第２の振動系３４を含んで振動発電装置２１９が構成されている。
【０２１４】
そして、前述のように優れた発電効率を得られる振動発電装置２１９によって、発光体としてのＬＥＤ２２０を発光させるための作動用電源が構成されている。なお、本実施形態では、ＬＥＤ２２０が、振動部材である床材と異なる部位に装着されているが、床材にＬＥＤを装着して床面を発光させても良い。
【０２１５】
また、本実施形態では、図２４に示されているように、歩行領域２１４である廊下が歩行方向で連続的に連なった複数のエリア２５６に分割されており、各エリア２５６に建築物用発光装置２１０と制御装置２２５、ＬＥＤ２２０が、独立して作動可能に装着されている。具体的には、例えば図示されているように、各一つの建築物用発光装置２１０に対して、歩行領域２１４の長さ方向（図２４中の上下方向）両側および幅方向（図２４中の左右方向）両側に位置する合計４つのＬＥＤ２２０，２２０，２２０，２２０と、当該建築物用発光装置２１０と電気的に接続された制御装置２２５とが、リード線２２４，２２４，２２４，２２４によって接続される。
【０２１６】
これにより、歩行領域２１４において、人が図２４中の白矢印の方向に歩を進めると、振動が入力される振動発電装置２１９が、図２４中の下側のエリア２５６から順次に上側に隣接するエリア２５６へと移行することとなる。そして、歩行者が図２４中の最も下方のエリア２５６内を通過して、このエリア２５６に設置された建築物用発光装置２１０に振動を及ぼすことにより、振動が及ぼされた建築物用発光装置２１０に接続されているＬＥＤ２２０が発光することから、図２４中の下方のＬＥＤ２２０から順次に上方のＬＥＤ２２０が発光することとなる。要するに、歩行領域２１４を歩行するのに伴い、歩行領域２１４の足元照明が、ＬＥＤ２２０により歩行と略同じ速度で次第に移動せしめられることとなる。なお、歩行後のエリア２５６では加振力がなくなって振動発電装置２１９の第２の振動系３４の振動が収束するのに伴って、ＬＥＤ２２０が順次に消灯される。
【０２１７】
なお、本実施形態では、振動発電装置２１９が装着された部位に対して、当該振動発電装置２１９からの給電で発光せしめられるＬＥＤ２２０が、歩行方向前後両側に配されていることから、図２４中の白矢印と反対の方向に歩行しても、同様に歩行領域２１４のＬＥＤ２２０が、歩行方向に向かって順次に発光することとなる。
【０２１８】
また、制御装置２２５を、収容空所６８の内部に設けることにより、回路や制御手段などを保護するようにしても良い。
【０２１９】
かくの如き構造とされた建築物用発光装置２１０は、振動発電装置２１９が振動部材である床材の下面に取り付けられることから、歩行領域２１４を歩行することに伴う振幅の大きな振動が発電素子１６に入力されて、より効率的な発電が実現される。加えて、かかる建築物用発光装置２１０には制振装置も構成されていることから、床材からの振動エネルギーを電気エネルギーに変換するだけでなく、床材の振動も低減され得る。
【０２２０】
また、歩行領域２１４を歩行することにより振動発電装置２１９により電力が得られることから、ＬＥＤ２２０に電気が安定して供給されて、電池交換や充電などの手間を要することなくＬＥＤ２２０を発光させることができる。しかも、非歩行時には、振動発電装置２１９に振動が入力されず、ＬＥＤ２２０への電力供給が停止されて、ＬＥＤ２２０の発光が自動的に停止されることから、ＬＥＤ２２０の発光のオンとオフが、操作することなく自動的に切り替えられる。
【０２２１】
さらに、本実施形態では、歩行領域２１４を歩行することで足元を照明させられることから、別途照明を点灯させる必要がなく、暗闇でも確実に歩行領域２１４を認識させて歩行を補助することができる。特に、地震による停電時など、長時間に亘って外部電源が機能しない場合でも、安定して歩行領域２１４を照明させることができて、建築物用発光装置２１０は避難灯としても採用され得る。更にまた、地震等による災害時においても、建築物用発光装置２１０が建築物２１２の内部に設けられていることから、損傷のおそれも低減できて歩行領域２１４を照明させることができる。
【０２２２】
また、歩行領域２１４が複数のエリア２５６に分割されて、エリア２５６毎に建築物用発光装置２１０やＬＥＤ２２０が独立的に配備されていることから、幾つかのエリア２５６の設備が損傷した場合でも、他のエリア２５６の設備により歩行領域２１４の照明機能が確保されるという利点もある。
【０２２３】
その他、本実施形態においても、採用した特定構造の振動発電装置に基づいて、前述の車両用センサ装置や車両用発光装置と同様な技術的効果が、何れも有効に発揮され得ることとなる。
【０２２４】
また、建築物用発光装置においても、前記実施形態における具体的な記載によって限定されない。例えば、本発明の建築物用発光装置における振動発電装置は、前記実施形態の他に図２５，２６に示される如き各種態様が採用可能である。なお、図２５，２６では、ＬＥＤ等の前記実施形態と同様な構造とされた部材または部位については、図中に、図示を省略し又は前記実施形態と同一の符号を付すことにより詳細な説明を省略する。
【０２２５】
すなわち、図２５に示された振動発電装置は、図１２に示された前記車両用センサ装置の実施形態の振動発電装置と略同様に、中空構造とされた第１のマス部材６６の収容空所６８に収容された状態で、第２の振動系３４が設けられている。一方、第１のマス部材６６は、その周壁７２の外周面上に設けられた第１のばね部材７８によって、振動部材たる床材に対して間接的に弾性連結されている。
【０２２６】
このような構造とされた振動発電装置では、床材からの振動により第１の振動系３２における第１のばね部材７８が主たる振動入力方向で主に剪断変形せしめられることから、低動ばねチューニングが可能になり、特性チューニングの自由度の向上が図られ得る。
【０２２７】
更にまた、図２６における建築物用発光装置２７０には、音響装置としてのスピーカ２７２が設けられている。このスピーカ２７２は、例えば歩行領域２１４の側壁や天井等に設けられており、建築物用発光装置２７０と電気的に接続された制御装置２７４に対してリード線２２４により電気的に接続されている。そして、建築物用発光装置２７０の振動発電装置２１９に対して振動が入力されることにより得られる電力を利用して、所定の音を発するようになっている。なお、スピーカ２７２は、例えばアンプを内蔵していると共に、発報音の記憶装置を内蔵しており、制御装置２７４から発報信号が入力された際に、制御装置２７４を通じて振動発電装置２１９から供給される電力を利用してアンプを作動させて、記憶装置に記憶された所定の発報音を発するようにされる。スピーカ２７２から発する音は、音楽や警告音の他、メッセージ等であってもよい。
【０２２８】
このように、建築物用発光装置２７０にスピーカ２７２を設けることにより、歩行領域２１４を歩行することによってＬＥＤ２２０が発光するだけでなく、スピーカ２７２から音が発生する。これにより、目が不自由な人や視力が低下したお年寄りなど視覚で歩行領域２１４の床面を明瞭に認識し難い場合でも、聴覚の補助を活用して歩行領域２１４の認識程度を向上させることができる。
【０２２９】
また、電気回路には、振動発電装置に振動が入力されたことを監視して検出信号を生成する検出装置と、当該検出信号を有線又は無線で外部に送信する送信装置を備えていてもよい。これにより、振動発電装置に振動が入力されたことを、例えば建築物の所有者や管理者、警察や警備会社に速やかに通知させることができる。特に、携帯端末や携帯電話等に検出信号を送信することにより、建築物から遠く離れた場所であっても振動発電装置に振動が入力されたことを知ることができる。
【０２３０】
かかる機能を建築物用発光装置に設けることにより、建築物用発光装置が有する発電機能を利用して簡易な防犯装置を構成することもできる。特に、この防犯装置の作動電源は建築物用発光装置における振動発電装置により構成されており、外部電源を必要としない。それ故、停電や断線等の外部電源が機能しない場合であっても、振動発電装置により電力が賄われることから、高度な防犯装置が実現し得る。更に、上記スピーカ２７２と併せて採用して大きな警告音とＬＥＤ２２０による光を発生可能とすることにより、より高度な防犯装置とされる。
【０２３１】
また、前記実施形態では、発光体としてＬＥＤ２２０が例示されているが、発光体は特に限定されるものではない。更に、発光体の数や配置、形状、大きさなども、限定的に解釈されるものではない。
【０２３２】
さらに、本発明に係る建築物用発光装置の振動発電装置は、振動部材において、互いに異なる振動周波数域で複数種類の振動の振動レベルが最大になる場合に、特に好適に採用される。具体的には、例えば床板の面積や人の重量等に応じて振動周波数が変化する建築物の歩行領域が振動部材とされて、かかる振動部材から入力される振動が振動発電装置の多自由度振動系に及ぼされる位置に、同一の建築物用発光装置が好適に取り付けられる。前記実施形態では、かかる歩行領域として廊下が例示されていたが、例えば階段やキッチン、玄関などの任意の場所であってよい。
【０２３３】
特に、建築物用発光装置に関する本発明においても、前述のセンサ装置や車両用発光装置に関する発明と同様な各種の変更態様を採用することが可能であり、何れの態様も、本発明の趣旨を逸脱しない限り、本発明の範囲内に含まれるものである。
【０２３４】
また、前記実施形態では、ＬＥＤ２２０は歩行領域２１４における両内壁材２１８，２１８の下端部分に設けられていたが、かかる態様に限定されるものではなく、両内壁材２１８，２１８の上端部分や高さ方向中間部分に設けられてもよい。或いは、歩行領域２１４の床面や天井における建築物用発光装置を外れた位置において、ＬＥＤが設けられてもよい。
【０２３５】
さらに、前記実施形態では、歩行領域２１４が連続した複数のエリア２５６に分割されていたが、複数のエリア２５６は連続している必要はない。即ち、本発明に係る建築物用発光装置が階段の如き歩行領域に設置される場合には、階段の踏面のみが建築物用発光装置の設けられるエリアとしてもよい。また、例えば飛石状の離れた歩行領域や、連続した歩行領域で所定距離隔たった位置に建築物用発光装置が設けられてもよい。
【符号の説明】
【０２３６】
１０：車両用センサ装置（センサ装置）、１２：センサ素子、１６：発電素子、１８，６２，６４，１１４，１６８，１９３，２１９：振動発電装置、３０：ボデー（振動部材）、３２：第１の振動系、３４：第２の振動系、３８，６６：第１のマス部材、４０：連結ゴム弾性体（第１のばね部材）、４２：支持突部（支持部）、４６：収容領域（収容空所）、４８：第２のマス部材、５０：板ばね（第２のばね部材）、５６：ストッパ手段、６８：収容空所、７２：周壁（周壁部）、７８：第１のばね部材、１１０，１６０，１９０：車両用発光装置、１１２：コーナーポール（発光体）、１２２：バンパー（振動部材）、１６２：バンパー用ライト（発光体）、１８６：ドアミラー用ライト（発光体）、１９４：エンドキャップ用ライト（発光体）、１９５：ハンドルエンド（振動部材）、２１０，２７０：建築物用発光装置、２１２：建築物、２１４：歩行領域、２１６ａ：水平構造材（床材）、２１６ｂ：床基材（床材）、２１６ｃ：床仕上材（床材）、２２０：ＬＥＤ（発光体）、２５６：エリア、２７２：スピーカ（音響装置）
【国際調査報告】
2015087956.tif 000039
2015087956.tif 000040
2015087956.tif 000041
2015087956.tif 000042