(57)【要約】  負性インピーダンス変換回路（２６）は、非線形振動子（５０）に振動を与える。スイッチ切替部（２４）は、非線形振動子（５０）の振動の振幅が予め設定された閾値以上の場合、負性インピーダンス変換回路（２６）が非線形振動子（５０）に非接続である第１状態にし、非線形振動子（５０）の振動の振幅が閾値未満の場合、負性インピーダンス変換回路（２６）が非線形振動子（５０）に接続され、非線形振動子（５０）を励振する第２状態にする。振幅・周波数検出部（４１）は、非線形振動子（５０）の振動周波数を検出する。閾値設定部（４２１２）は、非線形振動子（５０）の複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域に振動周波数が含まれるか否かに応じて、閾値を設定する。
2018016620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量要素と非線形ばね要素とを有する非線形振動子と、
振動源から前記非線形振動子に与えられる力学的エネルギを電気エネルギに変換する電気機械変換器と、
前記電気機械変換器から入力される電気エネルギを外部へ出力する出力回路と、
前記非線形振動子に振動を与える励振部と、
前記非線形振動子の振動の振幅が予め設定された閾値以上の場合、前記励振部が前記非線形振動子に非接続である第１状態にし、前記非線形振動子の振動の振幅が前記閾値未満の場合、前記励振部が前記非線形振動子に接続され、前記非線形振動子を励振する第２状態にする状態切替部と、
前記振動源の振動周波数を検出する周波数検出部と、
前記非線形振動子が複数の動作点をとりうる複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域に、前記振動周波数が含まれるか否かに応じて、前記閾値を設定する閾値設定部と、を備える、
振動発電装置。
【請求項２】
前記非線形振動子の振動周波数と前記振動周波数に対応する閾値との相関関係を示す相関情報を記憶する相関情報記憶部を更に備え、
前記閾値設定部は、前記相関情報を参照して、前記閾値を、前記振動周波数に応じた値に設定する、
請求項１に記載の振動発電装置。
【請求項３】
前記閾値は、前記複数動作点共存帯域の小振幅安定点よりも高く、大振幅安定点よりも低く設定されている、
請求項１に記載の振動発電装置。
【請求項４】
前記閾値設定部は、前記複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域以外の周波数帯域に前記振動周波数が含まれる場合、前記閾値を第１閾値に設定し、前記励振部が励振する周波数帯域に前記振動周波数が含まれる場合、前記閾値を第１閾値よりも大きい第２閾値に設定する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の振動発電装置。
【請求項５】
前記複数の動作点は、安定な小振幅振動動作点および大振幅振動動作点を含み、
前記第１閾値は、０であり、
前記第２閾値は、前記非線形振動子が前記小振幅振動動作点で振動するときの振動振幅よりも大きい、
請求項４に記載の振動発電装置。
【請求項６】
前記閾値設定部は、前記複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域および前記閾値の大きさを適応的に変化させる、
請求項１に記載の振動発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギハーベスティング（環境発電）の注目度が増している。環境発電に用いるエネルギは、太陽光や照明光等の光、機械や構造物の発する振動、熱等の身の回りにある密度の小さいエネルギであり、この通常捨てられるエネルギを効率よく電力に変換し活用するものである。【０００３】
振動エネルギを電力に変換する共振型の振動発電装置は、質量要素とばね要素から成る振動子と電気機械変換器を組み込んで構成される。振動する機械などの振動源に振動発電装置を機械的に結合し、振動源の振動により振動子を機械的に共振させて電気機械変換器で振動源の振動エネルギの一部を電気エネルギに変換する。【０００４】
このような振動発電装置としては、電気機械変換器として、電磁型変換器を用いたもの、圧電素子を用いたもの、磁歪素子を用いたものなどが考案され、また、振動子は、板バネ、コイルばね、振り子などをばね要素として用いた線形振動子を有するものが提案されている（例えば非特許文献１、非特許文献２参照）。或いは、永久磁石による吸引力や斥力を復元力として用いる磁気ばねを用いた振動発電装置も提案されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。【０００５】
これらの振動発電装置は、振動子の力学的エネルギを電気エネルギに変換するいわゆる電気機械変換器を備え、振動源の振動周波数と振動子の固有振動周波数とを一致させて共振させることで振動子の振動振幅を大きくしている。電気機械変換器は、振動子の振動振幅が大きいほど大きな発電電力を生じる。振動子の共振周波数での振動振幅を大きくするには、振動子の機械損失を低くする、即ち、振動子の機械的Ｑ値が大きくなるように振動子を設計することが好ましい。但し、振動子の機械的Ｑ値が大きくなると、その分、有効動作帯域が縮小し，振動源の振動周波数と振動子の固有振動周波数がずれたときの発電性能の低下が顕著になってしまう。特に、現実に存在する振動源の多くは、振動周波数が経時的に変動する。従って、振動発電装置において、振動子の機械的Ｑ値を大きく設計することには限度がある。【０００６】
また、振動源の振幅変動に応じて振動子の動作を変化させる制御回路を備えた振動発電装置が提案されている（例えば特許文献３参照）。この振動発電装置は、電磁型の電気機械変換器を備えており、振動源の振幅変動に応じて電気機械変換器の特性を調節する。但し、この振動発電装置は、振動源の振動周波数が変動した場合は発電電力が低下してしまう。【０００７】
更に、複数の振動子を備え、振動源の振動周波数の変動に対して、最適な振動子に切り替える可変容量型の振動発電装置が提案されている（特許文献４参照）。ところが、特許文献４に記載された振動発電装置は、振動源の振動周波数が連続的に変動する場合に十分に最適化されない虞がある。また、振動子の動作を能動的に制御することにより、任意の振動源に対応して振動子が共振した状態を実現する手法が提案されている（特許文献５参照）。ところが、特許文献５に記載された技術では、振動源の速度を計測するセンサが必要となり、構成が複雑になる虞がある。【０００８】
これに対して、質量要素と非線形ばね要素とを有する非線形振動子と、非線形振動子で生じる力学的エネルギを電気エネルギに変換する電気機械変換器と、を備える共振型の振動発電装置が提案されている（例えば特許文献６参照）。この振動発電装置は、非線形ばね要素を使用することにより，機械的Ｑ値を大きくしつつ有効動作帯域を広くとることを可能にする。しかし、非線形振動子は、共振周波数帯域において、大振幅振動動作点と小振幅振動動作点とを共存的にとりうる。そこで、この振動発電装置は、予め非線形振動子の振幅閾値を設定し、非線形振動子の振動振幅が振幅閾値未満の場合、電気機械変換器から見た出力側のインピーダンスを負にすることにより電気機械変換器を介して非線形振動子側へエネルギを環流させる。これにより、非線形振動子を励振して動作点を大振幅振動動作点に強制的に変化させることにより、発電効率を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−２８１７２７号公報
【特許文献２】特開２００５−３３９１７号公報
【特許文献３】特開２００３−１９９３１３号公報
【特許文献４】特開２００５−１３７０７１号公報
【特許文献５】特開２００９−１７７６９号公報
【特許文献６】特開２０１２−６０８６４号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】S. P. Beeby, M. J. Tudor, N. M. White, Energy Harvesting Vibration Sources for Microsystems Applications, Meas. Sci. Technol., Vol. 17 (2006) pp. R175-R195.
【非特許文献２】P. D. Mitcheson, E. M. Yeatman, G. K. Rao, A. S. Holmes, T. C. Green, Energy Harvesting from Human and Machine Motion for Wireless Electronic Devices, Proc. of the IEEE, Vol. 96, No. 9 (2008) pp. 1457-1486.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献６に記載された振動発電装置では、振動振幅閾値が振動源の振幅や周波数の大きさに関わらず一定である。従って、振動源の振動周波数が非線形振動子の複数動作点共存帯域に含まれない場合にも、非線形振動子の振動振幅が振幅閾値以下であるため、非線形振動子が励振されてしまう。この場合、振動発電装置は、非線形振動子側へエネルギを環流させ続けることになり、エネルギが無駄に消費されてしまうという問題がある。さらに、振動源の振動周波数が非線形振動子の複数動作点共存帯域に含まれる場合においても、しきい値の設定が不適切である場合、振動源に同期しない概周期解が生起される場合があり、この場合においても、振動発電装置は、非線形振動子側へエネルギを環流させ続けることになり、エネルギが無駄に消費されてしまうという問題がある。【００１２】
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、無駄なエネルギ消費が抑制された振動発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る振動発電装置は、
質量要素と非線形ばね要素とを有する非線形振動子と、
振動源から前記非線形振動子に与えられる力学的エネルギを電気エネルギに変換する電気機械変換器と、
前記電気機械変換器から入力される電気エネルギを外部へ出力する出力回路と、
前記非線形素子に振動を与える励振部と、
前記非線形振動子の振動の振幅が予め設定された閾値以上の場合、前記励振部が前記非線形振動子に非接続である第１状態にし、前記非線形振動子の振動の振幅が前記閾値未満の場合、前記励振部が前記非線形振動子に接続され、前記非線形振動子を励振する第２状態にする状態切替部と、
前記振動源の振動周波数を検出する周波数検出部と、
前記非線形振動子が複数の動作点をとりうる複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域に、前記振動周波数が含まれるか否かに応じて、前記閾値を設定する閾値設定部と、を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、状態切替部が、非線形振動子の振幅が予め設定された閾値以上の場合、励振部が非線形振動子に非接続である第１状態にし、非線形振動子の振動の振幅が閾値未満の場合、励振部が非線形振動子に接続され、非線形振動子を励振する第２状態にする。そして、閾値設定部が、非線形振動子が複数の動作点をとりうる複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域に、振動周波数が含まれるか否かに応じて、閾値を設定する。これにより、例えば非線形振動子の振動周波数が複数動作点共存帯域に含まれない場合に、閾値設定部が閾値レベルをゼロに設定するようにすれば、非線形振動子の振動周波数が複数動作点共存帯域に対応して設置された周波数帯域とに含まれない場合、励振部が非線形振動子に接続されない（つまり、非線形振動子は発電状態になり、励振されない）。従って、非線形振動子の振動周波数が複数動作点共存帯域を含む励振部が励振する周波数帯域に含まれない場合に、出力回路から非線形振動子へ無駄にエネルギが還流することを防止でき、無駄なエネルギ消費が抑制される。また、例えば非線形振動子の振動周波数が励振部が励振する周波数帯域に含まれる場合、閾値設定部が閾値を、振動源の振幅と周波数とに応じてあらかじめ定めておいた適切な値に設定することにより、概周期解の生起を抑制し、出力回路から非線形振動子へ無駄にエネルギが還流することを防止でき、無駄なエネルギ消費が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る振動発電装置の構成図である。
【図２Ａ】実施の形態に係る非線形振動子の非線形ばね特性を示す図である。
【図２Ｂ】実施の形態に係る非線形振動子と線形振動子の周波数特性を示す図である。
【図３】実施の形態に係る制御部を示すブロック図である。
【図４】実施の形態に係る非線形振動子の振動振幅と、振幅閾値と、の振動周波数依存性を示す図である。
【図５】実施の形態に係る振動発電装置の模式図である。
【図６】実施の形態に係る制御部が実行する電圧閾値制御処理を示すフローチャートである。
【図７Ａ】比較例に係る振動発電装置の振動周波数依存性を示す図である。
【図７Ｂ】実施の形態に係る振動発電装置の振動周波数依存性を示す図である。
【図８Ａ】励振部を備えない振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図８Ｂ】比較例に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図８Ｃ】実施の形態に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図９】振動発電装置の発電機における累積発電量を示す図である。
【図１０Ａ】励振部を備えない振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図１０Ｂ】比較例に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図１０Ｃ】実施の形態に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図１１】振動発電装置の発電機における累積発電量を示す図である。
【図１２Ａ】励振部を備えない振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図１２Ｂ】比較例に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図１２Ｃ】実施の形態に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図１３】振動発電装置の発電機における累積発電量を示す図である。
【図１４Ａ】励振部を備えない振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図１４Ｂ】比較例に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図１４Ｃ】実施の形態に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図１５】振動発電装置の発電機における累積発電量を示す図である。
【図１６Ａ】励振部を備えない振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図１６Ｂ】比較例に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図１６Ｃ】実施の形態に係る振動発電装置の場合の非線形振動子の変位と発電機の負荷抵抗の履歴を示す図である。
【図１７】振動発電装置の発電機における累積発電量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態に係る振動発電装置について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
本実施の形態に係る振動発電装置は、図１に示すように、電磁振動エネルギ変換器１０と、充電回路（出力回路）１８と、蓄電部２２と、負性インピーダンス変換回路２６と、スイッチ３８と、スイッチ切替部（状態切替部）２４と、振幅・周波数検出部（周波数検出部）４１と、振幅検出部２５と、制御部４２と、を備える。なお、図１においてｕは振動源１００の変位の方向を表し、ｘは可動磁石１４の振動源１００に対する相対的な変位の方向を表す。電磁振動エネルギ変換器１０は、筒体５６と、筒体５６の筒軸方向の両端部に配置された一対の固定磁石５１、５２と、固定磁石５１、５２の間に同極が対向するように筒体５６内に配置された可動磁石１４と、コイル１６と、検出コイル１６１と、を有する。電磁振動エネルギ変換器１０は、振動源１００に固定されている。振動源１００は、例えば機械や動く構造体、人体が挙げられる。可動磁石１４は、図１の矢印ＡＲ１方向に変位する質量要素に相当する。固定磁石５１、５２と可動磁石１４との間には、磁気ばね（非線形ばね要素）が形成されている。このように、可動磁石１４と固定磁石５１、５２とは、質量要素と磁気ばね要素とを有する非線形振動子５０を構成する。また、可動磁石１４とコイル１６とは、振動源１００から非線形振動子５０に与えられる力学的エネルギを電気エネルギに変換する電磁誘導型の発電機（電気機械変換器）Ｇを構成する。負性インピーダンス変換回路２６と電気機械変換器Ｇは非線形振動子５０を励振する励振部を構成する。
【００１８】
非線形振動子５０は、図２Ａに示すように、変位ｘの絶対値が大きくなるに従って次第に復元力Ｆ（ｘ）の傾きが大きくなるいわゆるハードニング特性を有する磁気ばねにより質量要素である可動磁石１４が支持された構成を有する。非線形振動子５０の振動振幅ａ０の振動周波数依存性は、図２Ｂの曲線Ｓ２に示すようになる。なお、図２Ｂは、正弦波加振に対する振動振幅ａ０を示している。線形振動子の振動振幅ａ０の振動周波数依存性は、図２Ｂの曲線Ｓ１に示すように、共振周波数（ωＥ）で最大となり共振周波数の両側で急に低下している。これに対して、非線形振動子５０の振動振幅ａ０の振動周波数依存性は、共振峰が高周波側に折れ曲がったような曲線Ｓ２で示される。この共振峰の折れ曲がりにより、振動振幅ａ０が規定の振幅（最大振幅の１／√２に相当する振幅）以上になる振動周波数の帯域（以下、「共振周波数帯域」と称する。）ＢＷ２は、線形振動子の共振周波数帯域ＢＷ１よりも広くなる。
【００１９】
また、図２Ｂに示すように、非線形振動子５０の振動周波数が周波数帯域ＢＷ３（以下、「複数動作点共存帯域」と称する。）に含まれる場合、非線形振動子５０は、比較的安定な大振幅振動動作点（図２Ｂ中のＭ１参照）および小振幅振動動作点（図２Ｂ中のＭ２参照）を含む複数の動作点をとりうる。非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれる場合、非線形振動子５０は、振動源１００の振動の初期条件に応じて大振幅振動動作点と小振幅振動動作点とのいずれかに収束する。また、振動源１００の振動状態により、非線形振動子５０のとりうる動作点が大振幅振動動作点と小振幅振動動作点との間で移り変わるいわゆるジャンプ現象が発生することが知られている。非線形振動子５０の動作点が小振幅振動動作点で安定した場合、振動発電装置の発電能力が著しく低下してしまう。そこで、本実施の形態に係る振動発電装置では、負性インピーダンス変換回路２６（励振部）を用いて、非線形振動子５０の動作点を、大振幅振動動作点で安定させる。詳細は後述する。
【００２０】
図１に戻って、充電回路１８は、発電機Ｇから入力される電気エネルギを蓄電部２２へ出力する。充電回路１８は、整流回路ＢＲ１８と、平滑用のコンデンサＣ１８と、電圧変換回路１８１と、を有する。整流回路ＢＲ１８は、ダイオードブリッジから構成され、その入力端がコイル１６の２つの出力端間に接続されている。コンデンサＣ１８は、整流回路ＢＲ１８の出力端間に接続されている。電圧変換回路１８１は、ＤＣＤＣコンバータや力率改善回路を含み、コンデンサＣ１８の両端間に生じる直流電圧を昇圧または降圧して蓄電部２２へ出力する。この充電回路１８と蓄電部２２とは、発電機Ｇに接続される負荷Ｒ１８と看做すことができる。
【００２１】
蓄電部２２は、二次電池から構成され、充電回路１８により充電される。また、蓄電部２２は、負性インピーダンス変換回路２６に接続され、負性インピーダンス回路２６が発電機Ｇに接続された状態において負性インピーダンス変換回路２６へ電力を供給する。
【００２２】
負性インピーダンス変換回路２６は、オペアンプＯＰ２６と、抵抗Ｒ２６１、Ｒ２６２、Ｒ２６３と、から構成されている。オペアンプＯＰ２６のプラス側の入力端は、スイッチ３８を介してコイル１６の一端側に接続され、マイナス側の入力端は、抵抗Ｒ２６３を介してコイル１６の他端側に接続されている。また、オペアンプＯＰ２６の出力端は、抵抗Ｒ２６１を介してプラス側の入力端に接続され、抵抗Ｒ２６２を介してマイナス側の入力端に接続されている。更に、オペアンプＯＰ２６は、蓄電部２２に接続され、蓄電部２２から駆動電力の供給を受ける。負性インピーダンス変換回路２６の負性抵抗値は、スイッチ３８が閉状態のときに発電機Ｇから見た出力側のインピーダンスが負の値となるように設定されている。即ち、負性インピーダンス変換回路２６は、発電機Ｇに接続された状態において、発電機Ｇから見た出力側のインピーダンスを負にする。
【００２３】
スイッチ３８は、ｎ型トランジスタ、ＦＥＴ等の半導体素子、またはリードリレーのようなスイッチング素子から構成され、スイッチ切替部２４により開閉される。
【００２４】
上記の説明より、検出コイル１６１の出力電圧は可動磁石１４の振動振幅に比例する。スイッチ切替部２４は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値が予め設定された電圧閾値（直流であり、振動閾値に相当する）以上の場合、スイッチ３８を開状態にして、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに非接続である状態（第１状態、発電状態のみで励振状態がない状態）にする。一方、スイッチ切替部２４は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値が電圧閾値未満の場合、スイッチ３８を閉状態にして、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに接続された状態（第２状態、少なくとも励振状態が存在）にする。スイッチ切替部２４は、比較器２４１と、駆動回路２４２と、を有する。比較器２４１のプラス側の入力端は、制御部４２に接続され、比較器２４１のマイナス側の入力端は、整流回路ＢＲ１８の高電位側の出力端に接続されている。比較器２４１のプラス側の入力端には、制御部４２から電圧閾値に相当する大きさの電圧が入力される。比較器２４１のマイナス側の入力端には、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値に相当する大きさの電圧が入力される。比較器２４１は、マイナス側の入力端の電圧値がプラス側の入力端の電圧閾値未満の場合、イネーブル信号を駆動回路２４２へ出力する。一方、比較器２４１は、マイナス側の入力端の電圧値がプラス側の入力端の電圧閾値以上の場合、ディセーブル信号を駆動回路２４２へ出力する。駆動回路２４２は、比較器２４１からイネーブル信号が入力されると、スイッチ３８のターンオン電圧よりも高い電圧をスイッチ３８へ出力し、比較器２４１からディセーブル信号が入力されると、スイッチ３８のターンオン電圧よりも低い電圧をスイッチ３８へ出力する。
【００２５】
振幅・周波数検出部４１は、振動源１００に取り付けられた加速度センサ４１ａにより取得される加速度波形から、振動源１００の振動振幅および周波数を検出する。振幅・周波数検出部４１は、振動源１００の振動周波数を示す周波数信号を制御部４２へ出力する。
【００２６】
振幅検出部２５は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値を検出する。
【００２７】
制御部４２は、図３に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４２１と、主記憶部４２２と、補助記憶部４２３と、第１インタフェース４２４と、第２インタフェース４２５と、ＤＡコンバータ（以下、「ＤＡＣ」と称する。）４２６と、各部を接続するバス４２７と、を有する。主記憶部４２２は、揮発性メモリから構成され、ＣＰＵ４２１の作業領域として使用される。補助記憶部４２３は、不揮発性メモリから構成され、ＣＰＵ４２１が実行する後述の電圧閾値制御処理のプログラムを記憶する。第１インタフェース４２４は、振幅・周波数検出部４１に接続され、振幅・周波数検出部４１から入力される周波数信号を周波数の値を示す周波数情報に変換する。第２インタフェース４２５は、ＣＰＵ４２１かバス４２７を介して入力される電圧値を示す電圧値情報をＤＡＣ４２６へ出力する。ＤＡＣ４２６は、第２インタフェース４２５から入力される電圧値情報を、当該電圧値情報が示す電圧値を有する電圧信号に変換してスイッチ切替部２４へ出力する。
【００２８】
また、ＣＰＵ４２１が、補助記憶部４２３が記憶する電圧閾値制御処理のプログラムを主記憶部４２２に読み出して実行することにより、周波数取得部４２１１、閾値設定部４２１２として機能する。また、補助記憶部４２３は、非線形振動子５０の振動振幅および周波数と当該振動振幅および周波数に対応する電圧閾値との相関関係を示す相関情報を記憶する相関テーブル（相関情報記憶部）４２３１を有する。
【００２９】
相関情報が示す電圧閾値は、非線形振動子５０の複数動作点共存帯域に対応して設置された周波数帯域以外の周波数帯域において０Ｖ（第１電圧値）であり、複数動作点共存帯域に対応して設置された周波数帯域において０Ｖよりも大きい電圧値（第２電圧値）である。また、複数動作点共存帯域ＢＷ３における電圧閾値は、非線形振動子５０が複数動作点共存帯域において小振幅振動動作点で振動するときの検出コイル１６１の出力電圧の振幅値よりも大きく、大振幅振動動作点の振動振幅よりも小さい振幅で振動する場合の検出コイル１６１の出力電圧の振幅値に相当する電圧値に設定されている。例えば、大振幅振動動作点で振動する場合の検出コイル１６１の出力電圧振幅の９０〜９５％程度に設定すれば効果的である。
【００３０】
また、相関情報は、非線形振動子５０の振動振幅の振動周波数依存性および振動源の振幅に応じて適宜設定される。振動源の振幅に依存して、非線形振動子５０の振動振幅の振動周波数依存性が、図４の曲線Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３に示すように異なると、それに応じて複数動作点共存帯域ＢＷ３１、ＢＷ３２、ＢＷ３３も異なる。この場合、相関情報は、図４の曲線ａｔｈ２１（ω）、ａｔｈ２２（ω）、ａｔｈ２３（ω）に示すような振幅閾値の振動周波数依存性を反映した電圧閾値の周波数依存性を表すように設定される。即ち、電圧閾値は、複数動作点共存帯域ＢＷ３１、ＢＷ３２、ＢＷ３３以外の周波数帯域において０Ｖである。また、電圧閾値は、複数動作点共存帯域ＢＷ３１、ＢＷ３２、ＢＷ３３において、小振幅振動動作点で振動するときの検出コイル１６１の出力電圧の振幅値よりも大きく、大振幅振動動作点の振動振幅よりも小さい振幅で振動する場合の検出コイル１６１の出力電圧の振幅値に相当する電圧値に設定されている。例えば、大振幅振動動作点で振動する場合の検出コイル１６１の出力電圧振幅の９０〜９５％程度に設定すれば効果的である。相関情報は、振動源１００の振動状態を計測し、計測した振動源１００の振動状態から予測される非線形振動子５０の振動周波数特性から決定される。
【００３１】
周波数取得部４２１１は、第１インタフェース４２４から、振幅・周波数検出部４１により検出される非線形振動子５０の振動周波数を示す周波数情報を取得する。
【００３２】
閾値設定部４２１２は、複数動作点共存帯域に対応して設置された周波数帯域に非線形振動子５０の振動周波数が含まれるか否かに応じて、電圧閾値を設定する。また、閾値設定部４２１２は、相関テーブル４２３１の相関情報を参照して、電圧閾値を、非線形振動子５０の振動周波数に応じた電圧値に設定する。こうして、閾値設定部４２１２は、複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の周波数帯域に非線形振動子５０の振動周波数が含まれる場合、電圧閾値を０Ｖ（第１電圧値）に設定する。そして、閾値設定部４２１２は、複数動作点共存帯域ＢＷ３に振動周波数が含まれる場合、電圧閾値を０Ｖよりも大きい電圧値（第２電圧値）に設定する。この電圧値は、前述のように、非線形振動子５０が複数動作点共存帯域ＢＷ３において小振幅振動動作点で振動するときの振幅よりも大きい振幅で振動する場合の検出コイル１６１の出力電圧の振幅値に相当する電圧値である。
【００３３】
次に、本実施の形態に係る振動発電装置の基本的な動作について説明する。振動発電装置は、図５に示すように、質量要素である可動磁石１４と振動源１００との間に、非線形ばね要素ＳＰと機械減衰要素Ｃと発電機Ｇとが並列に接続されたものとして表すことができる。なお、図５において、ｕは振動源１００の変位の方向を表し、ｘは質量要素である可動磁石１４の振動源１００に対する相対的な変位の方向を表す。非線形ばね要素ＳＰは、固定磁石５１、５２と可動磁石１４との間に形成される磁気ばねに相当する。非線形ばね要素ＳＰと機械減衰要素Ｃとから非線形振動子５０が構成される。また、スイッチ３８は、発電機Ｇを、充電回路１８と蓄電部２２とから構成される負荷Ｒ１８に接続された状態と、負荷インピーダンス変換回路２６に接続された状態と、のいずれかに切り替えるスイッチとして表すことができる。
【００３４】
そして、振動源１００がｕ方向に振動すると、非線形振動子５０に振動が伝達し、質量要素である可動磁石１４が振動源１００に対してｘ方向に相対的に変位する形で振動する。このとき、可動磁石１４の振動により生じる力学的エネルギの一部が、発電機Ｇにより電気エネルギに変換される。発電機Ｇの発電電力の値は、可動磁石１４の振動振幅の２乗に比例し、可動磁石１４の振動振幅が大きくなると、それに伴い、発電機Ｇの出力電圧の振幅値が増加する。
【００３５】
スイッチ切替部２４は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値と、制御部４２から入力される電圧閾値と、の大小関係に応じて、スイッチ３８を切り替える。スイッチ切替部２４は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値が電圧閾値以上の場合、スイッチ３８を負荷Ｒ１８側に接続する。即ち、スイッチ切替部２４は、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに非接続である状態（第１状態、発電状態のみ）にする。これにより、負荷Ｒ１８を構成する充電回路１８は、発電機Ｇからの電力供給を受けて蓄電部２２を充電する。
【００３６】
一方、スイッチ切替部２４は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅平均値が電圧閾値未満の場合、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに接続された状態（第２状態、少なくても励振状態が存在）にする。これにより、蓄電部２２から発電機Ｇを介して非線形振動子５０にエネルギが環流され、非線形振動子５０が励振される。この非線形振動子５０の励振のためのエネルギは、蓄電部２２に貯えられたエネルギの一部を利用することになり、発電機Ｇでの発電により生み出されたエネルギの一部が消費されてしまうことになる。但し、励振により非線形振動子５０が大振幅振動動作点に移行した後は、発電機Ｇの発電電力が格段に増大する。また、後述するように、電圧閾値は、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の周波数帯域に含まれる場合、０Ｖに設定される。従って、励振による蓄電部２２に蓄えられたエネルギの消費はごく僅かである。
【００３７】
このように、振動発電装置は、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値が電圧閾値以上の場合、蓄電部２２を充電し、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値が電圧閾値未満になった場合、非線形振動子５０を励振する動作をする。そして、振動発電装置は、電圧閾値を非線形振動子５０の振動周波数に応じて変化させる。なお、非線形振動子５０の振動振幅を検出する手段としては、前述のように、検出コイル１６１によるものに限定されるものではなく、他の如何なる手段を用いてもよい。
【００３８】
次に、電圧閾値を非線形振動子５０の振動周波数に応じて変化させるために閾値設定部４２１２が実行する電圧閾値制御処理について、図５および図６を参照しながら説明する。この電圧閾値制御処理は、電圧閾値制御処理のプログラムが起動したことを契機として開始される。
【００３９】
まず、周波数取得部４２１１が、振幅・周波数検出部４１により検出された振動源１００の振動周波数を取得する（ステップＳ１０１）。
【００４０】
次に、閾値設定部４２１２は、相関テーブル４２３１に基づいて、振動源の振動振幅および周波数に対応する電圧閾値を設定する（ステップＳ１０２）。閾値設定部４２１２は、取得した振動周波数が複数動作点共存帯域に含まれない場合、相関テーブル４２３１に基づいて、電圧閾値を０Ｖに設定する。これにより、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値の大きさに関わらず、図５に示す負性インピーダンス変換回路２６が、発電機Ｇに接続されない状態となる。即ち、検出コイル１６１の出力電圧の振幅値の大きさに関わらず、発電機Ｇから充電回路１８へ電力供給され、充電回路１８が蓄電部２２を充電する。一方、閾値設定部４２１２は、取得した振動周波数が複数動作点共存帯域に含まれる場合、相関テーブル４２３１に基づいて、電圧閾値を、適切な電圧値に設定する。
【００４１】
続いて、閾値設定部４２１２は、設定した電圧閾値を示す電圧閾値情報を、第２インタフェース４２５へ出力する（ステップＳ１０３）。第２インタフェース４２５は、電圧閾値情報をプロトコル変換してＤＡＣ４２６へ出力する。ＤＡＣ４２６は、第２インタフェース４２５から入力される電圧閾値情報をディジタルアナログ変換してスイッチ切替部２４へ出力する。
【００４２】
その後、周波数取得部４２１１は、電圧閾値制御処理を終了するよう指令する終了指令が入力されたか否かを判定する（ステップＳ１０４）。終了指令は、ユーザが制御部４２に接続された入力装置（図示せず）に対して電圧閾値制御処理を終了させるための操作を実行することにより主記憶部４２２に記憶される。そして、周波数取得部４２１１は、主記憶部４２２が終了指令を記憶している場合、終了指令が入力されたと判定する。周波数取得部４２１１により終了指令が入力されていないと判定されると（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、再びステップＳ１０１の処理が実行される。一方、周波数取得部４２１１により終了指令が入力されたと判定されると（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、電圧閾値制御処理が終了する。
【００４３】
次に、本実施の形態に係る振動発電装置の非線形振動子５０の振動周波数特性について、比較例に係る振動発電装置の非線形振動子の振動周波数特性と比較しながら説明する。比較例に係る振動発電装置の構成は、図１に示す構成と同様である。但し、電圧閾値が、非線形振動子５０の振動周波数に依らず一定である。即ち、図７Ａに示すように、非線形振動子５０の振動振幅ａ０に対する振幅閾値ａｔｈ（ω）が、非線形振動子５０の振動周波数に依らずに一定となる。なお、図７Ａにおいて、丸印は非線形振動子５０の振動振幅ａ０を示し、実線は電圧閾値に対応する振幅閾値を示す。これにより、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３よりも高い周波数帯域ＢＷ４にある場合でも非線形振動子５０が励振される。このため、非線形振動子５０の振幅は、図７Ａに示すように、周波数帯域ＢＷ４において、曲線Ｓ２で表される本来の非線形振動子５０の振幅よりも大きくなる。この場合、励振による非線形振動子５０の振幅増加分ＰＬ（図７Ａ中のクロスハッチングで示した部分）に相当するエネルギが、無駄に消費されることになる。
【００４４】
これに対して、本実施の形態に係る振動発電装置では、電圧閾値が、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の場合、０Ｖである。即ち、図７Ｂに示すように、非線形振動子の振幅閾値ａｔｈ（ω）は、非線形振動子５０の振動周波数ωが複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれる場合のみ０Ｖよりも大きい電圧に設定されている。なお、図７Ｂにおいて、丸印は非線形振動子５０の振動振幅ａ０を示し、実線は電圧閾値に対応する振幅閾値を示す。これにより、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれる場合のみ非線形振動子５０が励振される。このため、複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の周波数帯域において、非線形振動子５０を励振することによりエネルギが消費されることがない。
【００４５】
次に、図７Ａおよび図７Ｂに示す振動周波数ωＡ、ωＢ、ωＣ、ωＤ、ωＥ近傍における非線形振動子５０の変位と発電機Ｇの負荷抵抗との関係について説明する。ここでは、励振部を備えない振動発電装置、前述の比較例に係る振動発電装置および本実施の形態に係る振動発電装置それぞれの場合を比較しながら説明する。また、初期条件は共通であるとして、ωｔ／（２π）が２０に到達した時点で非線形振動子５０に外乱が入力される場合の振る舞いについて説明する。発電機Ｇの負荷抵抗は、発電機Ｇから蓄電部２２へ電力が供給される場合、正となり、蓄電部２２から非線形振動子５０へエネルギが環流する場合、負となる。
【００４６】
複数動作点共存帯域ＢＷ３より低い振動周波数ωＡ近傍における非線形振動子５０の変位と発電機Ｇの負荷抵抗とは、図８Ａ乃至図８Ｃに示すような履歴を示す。ここで、図８Ａは、励振部を備えない振動発電装置の場合、図８Ｂは前述の比較例に係る振動発電装置の場合、図８Ｃは本実施の形態に係る振動発電装置の場合の結果である。図８Ａおよび図８Ｃに示すように、励振部を備えない振動発電装置および本実施の形態に係る振動発電装置における負荷抵抗ρ（ｔ）は正の値で推移し、蓄電部２２に貯えられたエネルギの損失が生じていない。一方、図８Ｂに示すように、比較例に係る振動発電装置の場合、非線形振動子５０の変位振幅が閾値を下回ったときに、非線形振動子５０を励振するために蓄電部２２から非線形振動子５０へエネルギが環流されることにより、負荷抵抗ρ（ｔ）が負となっている。そして、図９に示すように、比較例に係る振動発電装置の場合、発電機Ｇでの累積発電量は時間の経過とともに減少していく。一方、本実施の形態に係る振動発電装置の場合、発電機Ｇでの累積発電量は励振部を備えない振動発電装置の場合と同様に時間の経過とともに増加していく。比較例に係る振動発電装置の場合、非線形振動子５０が無駄に励振されることにより、大きなエネルギ損失が発生し累積発電量の減少が生じてしまう。
【００４７】
複数動作点共存帯域ＢＷ３の低い振動周波数ωＢ近傍における非線形振動子５０の変位と発電機Ｇの負荷抵抗とは、図１０Ａ乃至図１０Ｃに示すような履歴を示す。ここで、図１０Ａは、励振部を備えない振動発電装置の場合、図１０Ｂは前述の比較例に係る振動発電装置の場合、図１０Ｃは本実施の形態に係る振動発電装置の場合の結果である。図１０Ａに示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、大振幅振動動作中に外乱が加わると小振幅振動動作に遷移する。一方、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示すように、比較例に係る振動発電装置および本実施の形態に係る振動発電装置の場合、外乱が加わって小振幅振動動作に遷移しようとしたときに非線形振動子５０が励振される。このとき、発電機Ｇの負荷抵抗ρ（ｔ）が一時的に負になる。その後、非線形振動子５０は、外乱が加わる前の振幅を維持する。そして、図１１に示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、外乱が加わった後、振幅の縮小に伴い、発電機Ｇにおける累積発電量の増加率が低下する。一方、比較例に係る振動発電装置および実施の形態に係る振動発電装置の場合、外乱が加わった後の累積発電量は、外乱が加わる前の累積発電量の増加率と同じ増加率で時間の経過とともに増加していく。但し、比較例に係る振動発電装置の場合、本実施の形態に係る振動発電装置に比べて、振動周波数ωＢ近傍における閾値が高く、その分、小振幅振動動作から大振幅振動動作への遷移に時間がかかる。そして、発電機Ｇの負荷抵抗ρ（ｔ）が負で推移する時間が長くなる分だけ、エネルギ損失が大きくなっている。
【００４８】
複数動作点共存帯域ＢＷ３の中の振動周波数ωＣ近傍における非線形振動子５０の変位と発電機Ｇの負荷抵抗とは、図１２Ａ乃至図１２Ｃに示すような履歴を示す。ここで、図１２Ａは、励振部を備えない振動発電装置の場合、図１２Ｂは前述の比較例に係る振動発電装置の場合、図１２Ｃは本実施の形態に係る振動発電装置の場合の結果である。図１２Ａに示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、大振幅振動動作中に外乱が加わると小振幅振動動作に遷移する。一方、図１２Ｂおよび図１２Ｃに示すように、比較例に係る振動発電装置および本実施の形態に係る振動発電装置の場合、外乱が加わって小振幅振動動作に遷移しようとしたときに非線形振動子５０が励振される。このとき、発電機Ｇの負荷抵抗ρ（ｔ）が一時的に負になる。その後、非線形振動子５０は、外乱が加わる前の振幅を維持する。そして、図１３に示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、外乱が加わった後、振幅の縮小に伴い、発電機Ｇにおける累積発電量の増加率が低下する。一方、比較例に係る振動発電装置および実施の形態に係る振動発電装置の場合、外乱が加わった後の累積発電量は、外乱が加わる前の累積発電量の増加率と同じ増加率で時間の経過とともに増加していく。但し、比較例に係る振動発電装置の場合、本実施の形態に係る振動発電装置に比べて、振動周波数ωＣ近傍における閾値が低く、その分、小振幅振動動作から大振幅振動動作への遷移に時間がかかる。そして、発電機Ｇの負荷抵抗ρ（ｔ）が負で推移する時間が長くなる分だけ、エネルギ損失が大きくなっている。
【００４９】
複数動作点共存帯域ＢＷ３の中の高い振動周波数ωＤ近傍における非線形振動子５０の変位と発電機Ｇの負荷抵抗とは、図１４Ａ乃至図１４Ｃに示すような履歴を示す。ここで、図１４Ａは、励振部を備えない振動発電装置の場合、図１４Ｂは前述の比較例に係る振動発電装置の場合、図１４Ｃは本実施の形態に係る振動発電装置の場合の結果である。図１４Ａに示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、与えた初期条件では大振幅動作に収束できず小振幅動作に収束するため、非線形振動子５０の振幅が漸減していく。一方、図１４Ｂに示すように、比較例に係る振動発電装置の場合、非線形振動子５０の変位振幅が閾値を下回ったときに、その都度、非線形振動子５０が励振される。このとき、発電機Ｇの負荷抵抗ρ（ｔ）が一時的に負になる。また、図１４Ｃに示すように、本実施の形態に係る振動発電装置の場合、外乱が加わったときに一時的に非線形振動子５０が励振され、その後大振幅振動動作を継続する。そして、図１５に示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、発電機Ｇの累積発電量が０．４程度まで上昇した後、略一定となる。但し、比較例に係る振動発電装置の場合、本実施の形態に係る振動発電装置に比べて、振動周波数ωＤ近傍における閾値が低く、その分、小振幅振動動作から大振幅振動動作への遷移に十分な駆動が行われないため、発電機Ｇの累積発電量が０．４程度まで上昇した後、非線形振動子５０が繰り返し励振されることに伴い、累積発電量が漸減していく。一方、本実施の形態に係る振動発電装置の場合、大振幅振動動作で安定した後、発電機Ｇにおける累積発電量が時間とともに増加していく。
【００５０】
複数動作点共存帯域ＢＷ３の外の高い振動周波数ωＥ近傍における非線形振動子５０の変位と発電機Ｇの負荷抵抗とは、図１６Ａ乃至図１６Ｃに示すような履歴を示す。ここで、図１６Ａは、励振部を備えない振動発電装置の場合、図１６Ｂは前述の比較例に係る振動発電装置の場合、図１６Ｃは本実施の形態に係る振動発電装置の場合の結果である。この振動周波数では小振幅動作しか存在しないため、図１６Ａに示すように、励振部を備えない振動発電装置の場合、非線形振動子５０の応答は過渡状態を経て小振幅動作に収束する。一方、図１６Ｂに示すように、比較例に係る振動発電装置の場合、非線形振動子５０の変位振幅が閾値を下回ったときに、その都度、繰り返し非線形振動子５０が励振される。このとき、発電機Ｇの負荷抵抗ρ（ｔ）が一時的に負になる。また、図１６Ｃに示すように、本実施の形態に係る振動発電装置の場合、励振部を備えない振動発電装置の場合と同様に非線形振動子５０は励振されず、小振幅動作に収束する。そして、図１７に示すように、比較例に係る振動発電装置の場合、発電機Ｇの累積発電量が０．１５程度まで上昇した後、非線形振動子５０が繰り返し励振されることに伴い、累積発電量が漸減していく。一方、励振部を備えない振動発電装置および本実施の形態に係る振動発電装置の場合、発電機Ｇにおける累積発電量の増加率が時間とともに減少しつつも時間とともに増加していく。比較例に係る振動発電装置の場合、非線形振動子５０が無駄に励振されることにより、大きなエネルギ損失が発生し累積発電量の減少が生じてしまう。
【００５１】
このように、比較例に係る振動発電装置の場合、振動周波数ωＡ近傍、ωＤ近傍、ωＥ近傍で動作する場合、図９、図１５および図１７に示すように、蓄電部２２から非線形振動子５０へのエネルギの環流が繰り返し生じ、発電機Ｇにおける累積発電量が時間とともに減少してしまう。また、励振部を備えない振動発電装置の場合、振動周波数ωＢ近傍、ωＣ近傍、ωＤ近傍で動作する場合、図１１、図１３および図１５に示すように、非線形振動子５０の振動振幅が減少してしまい、発電機Ｇにおける累積発電量の増加率が大幅に低下してしまう。これに対して、本実施の形態に係る振動発電装置の場合、振動周波数ωＡ近傍、ωＢ近傍、ωＣ近傍、ωＤ近傍、ωＥ近傍の全てにおいて、発電機Ｇにおける累積発電量が時間とともに増加する。つまり、本実施の形態に係る振動発電装置は、励振部を備えない振動発電装置および比較例に係る振動発電装置に比べて、広い振動周波数の帯域において、発電機Ｇにおける無駄なエネルギ消費が抑制され、累積発電量が大きいという利点がある。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態に係る振動発電装置によれば、スイッチ切替部２４が、検出コイル１６１の出力電圧が予め設定された閾値以上の場合、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに非接続である第１状態にする。一方、スイッチ切替部２４は、検出コイル１６１の出力電圧が閾値よりも小さい場合、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに接続された第２状態にする。そして、閾値設定部４２１２が、振幅・周波数検出部４１により検出される振動周波数が、非線形振動子５０が複数の動作点をとりうる複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれるか否かに応じて、閾値を制御する。これにより、例えば閾値設定部４２１２が、非線形振動子５０の振動周波数が、複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれない場合に、閾値が０となるように、閾値を制御すれば、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれない場合、負性インピーダンス変換回路２６が発電機Ｇに接続されない。従って、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に含まれない場合に、充電回路１８から発電機Ｇを介して非線形振動子５０へ無駄にエネルギが還流することを防止でき、無駄なエネルギ消費が抑制される。
【００５３】
また、本実施の形態に係る振動発電装置は、非線形振動子５０の振動周波数と当該振動周波数に対応する電圧閾値との相関関係を示す相関情報を記憶する相関テーブル４２３１を備える。これにより、ユーザは、相関テーブル４２３１が記憶する相関情報を書き換えるだけで、電圧閾値の振動周波数依存性を変更することができる。従って、例えば振動発電装置に組み込む電磁振動エネルギ変換器１０の変更に伴い非線形振動子５０の振動振幅ａ０の振動周波数依存性が変化した場合において、電圧閾値の振動周波数依存性を変更後の非線形振動子５０に適合したものに比較的容易に変更することができる。
【００５４】
（変形例）
以上、本発明の実施の形態では、振動発電装置１は、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に入っているかどうかを判定して、発電動作と励振動作を決定している。但し、本発明は前述の実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、非線形振動子５０および振動源１００の特性変化に応じて、複数動作点共存帯域に対応して設置された周波数帯域および振動振幅の閾値の大きさを適応的に変化させる構成であってもよい。
【００５５】
具体的には、振動発電装置が、非線形振動子の動作状態を検知するために、振動源１００の振動波形を計測する振動波形計測部と、非線形振動子５０の応答波形を計測する振動子応答波形計測部と、振動源１００の振動波形と非線形振動子５０の応答波形との位相差を検出する位相差検出部と、を備える。そして、閾値設定部が、位相差検出部により検出される位相差が一定値になるように、つまり、非線形振動子５０の応答波形が振動源１００の振動波形と同一周波数になる（同期する）ように、しきい値を適応的に制御する。この場合、振動源１００の周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に入っているかどうかの判定は不要となる。複数動作点共存帯域ＢＷ３外では振動源１００の振動波形と非線形振動子５０の応答波形との位相差は、±９０°程度ずれ、複数動作点共存帯域ＢＷ３内では位相差が、±９０°よりも小さい値になる。そして、閾値設定部は、位相差検出部により検出される位相差が±９０°よりも小さい一定値になるような領域で、しきい値を適応的に制御する。これにより、振動源１００の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３に入っているかどうかの判定が不要となる。
【００５６】
実施の形態では、発電機Ｇが、可動磁石１４とコイル１６とから構成されるいわゆる電磁式の発電機である例について説明したが、振動エネルギを電気エネルギに変換するものであれば発電機Ｇの構成はこれに限定されるものではない。例えば発電機が、圧電素子を用いた発電機から構成されるものであってもよい。
【００５７】
実施の形態では、発電機Ｇに負性インピーダンス変換回路２６が接続された状態と接続されていない状態とを切り替えることにより、発電機Ｇから充電回路１８へ電力供給されるモードと非線形振動子５０が励振されるモードとに切り替える例について説明した。これに限らず、例えば、発電機と非線形振動子５０を励振する励振回路とを別個に設けた構成で、励振モードの時に励振回路および励振部を動作させるものあってもよい。
【００５８】
実施の形態では、閾値設定部４２１２が、相関テーブル４２３１を用いる例について説明したが、閾値設定部４２１２は、相関テーブル４２３１を用いる構成に限定されない。例えば閾値設定部４２１２が、相関テーブル４２３１に代えて、電圧閾値と振動周波数との関係式を示す関係式情報を用いる構成であってもよい。
【００５９】
実施の形態では、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の周波数帯域に含まれる場合、閾値設定部４２１２が、電圧閾値を０Ｖに設定する例について説明した。但し、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の周波数帯域に含まれる場合の電圧閾値の大きさは、０Ｖに限定されない。非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域ＢＷ３以外の周波数帯域に含まれる場合の電圧閾値の大きさは、非線形振動子５０が小振幅振動動作点で振動するときの振動振幅よりも小さい振動振幅で振動する場合の発電機Ｇの出力電圧に相当する電圧値であれば０Ｖよりも大きい電圧値であってもよい。
【００６０】
実施の形態では、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域に含まれる場合、電圧閾値が０Ｖよりも大きい電圧値である例について説明した。但し、電圧閾値の振動周波数依存性は、これに限定されるものではなく、例えば、非線形振動子５０の振動周波数が複数動作点共存帯域を含み複数動作点共存帯域よりも広い周波数帯域に含まれる場合、電圧閾値が０Ｖよりも大きい電圧値であってもよい。また、上記の説明では０Ｖよりも大きい電圧閾値を設定した周波数帯域を非線形振動子５０の複数動作点共存帯域と一致させているが、効率が若干低下することを認めれば、０Ｖよりも大きい電圧値を閾値を設定した周波数帯域を非線形振動子５０の複数動作点共存帯域よりも広くしても、狭くしても、ずらせても良い。実験条件、環境によっても異なるが、非線形振動子５０の複数動作点共存帯域と０Ｖよりも大きい電圧値を閾値を設定した周波数帯域とが帯域の１０％程度ずれても発電効率は５％程度以内の低下に収まっている。つまり、従来の閾値の設定に比べ、複数動作点共存帯域を考慮した閾値を設定する本発明は発電効率向上という大きな効果が得られる。
【００６１】
以上、本発明の各実施の形態および変形例（なお書きに記載したものを含む。以下、同様。）について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態及び変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。
【００６２】
本出願は、２０１６年７月２１日に出願された、日本国特許出願特願２０１６−１４３５３４号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１６−１４３５３４号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、機械や動く構造体、人体等の振動源に取り付けられる振動発電装置として好適である。
【符号の説明】
【００６４】
１０：電磁振動エネルギ変換器、１４：可動磁石、１６：コイル、１８：充電回路、２２：蓄電部、２４：スイッチ切替部、２５：振幅検出部、２６：負性インピーダンス変換回路、３８：スイッチ、４１：振幅・周波数検出部、４１ａ：加速度センサ、４２：制御部、５０：非線形振動子、５１，５２：固定磁石、５６：筒体、１００：振動源、１６１：検出コイル、１８１：電圧変換回路、２４１：比較器、２４２：駆動回路、４２１：ＣＰＵ、４２２：主記憶部、４２３：補助記憶部、４２４：第１インタフェース、４２５：第２インタフェース、４２６：ＤＡＣ、４２７：バス、４２１１：周波数取得部、４２１２：閾値設定部、４２３１：相関テーブル、ＢＲ１８：整流回路、Ｃ１８：コンデンサ、Ｇ：発電機、ＯＰ２６：オペアンプ、Ｒ１８：負荷、Ｒ２６１，Ｒ２６２，Ｒ２６３：抵抗
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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