(57)【要約】【課題】高い発電電力を安定して得ることができる振動発電装置を提供する。【解決手段】本発明の振動発電装置（１）は、基体（Ｓ）と、基体により支持された支持端と支持端の反対側にある自由端とを有し基体への入力に応じて撓む片持ち式の振動体（Ｐ）と、この振動体に接合され振動体の変位に応じた電力を出力する圧電素子と、を備える。この振動発電装置は、さらに、振動体の自由端側に設けられた第一永久磁石からなる振動錘（Ｗ）と、この振動錘から離間して配置され第一永久磁石に反発する第二永久磁石からなり振動錘の振幅を制御する制振体（Ｃｓ、Ｃｎ）とを有する。振動錘と制振体が反発することにより、振動錘に大きな外力が作用する場合でも振動体は塑性変形を生じることなく、安定した振動を繰り返す。その結果、本発明の振動発電装置は、高い発電電力を安定して出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
該基体により支持された支持端と該支持端の反対側にある自由端とを有し該基体への入力に応じて撓む片持ち式の振動体と、
該振動体に接合され該振動体の変位に応じた電圧を出力する圧電素子と、
を備える振動発電装置であって、
さらに、前記振動体の自由端側に設けられた第一永久磁石からなる振動錘と、
該振動錘から離間して配置され該第一永久磁石に反発する第二永久磁石からなり該振動錘の振幅を制御する制振体と、
を備えることを特徴とする振動発電装置。
【請求項２】
前記振動錘と前記制振体は、前記第一永久磁石と前記第二永久磁石が同極同士で対面すべく配置されている請求項１に記載の振動発電装置。
【請求項３】
前記制振体は、前記振動錘の振れる側にそれぞれ配置されている請求項１または２に記載の振動発電装置。
【請求項４】
前記基体は、回転体に固定され、
前記振動体の振動方向は、該回転体の遠心方向である請求項１〜３のいずれかに記載の振動発電装置。
【請求項５】
前記基体は、回転体に固定され、
前記振動体の振動方向は、該回転体の遠心方向に垂直な方向である請求項１〜３のいずれか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、機械的エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換し得る振動発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境意識の高揚に伴い、省エネルギー化と共に環境負荷の小さいエネルギー創出が求められている。その一つとして、圧電素子を利用した発電が注目されている。圧電素子はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３）等からなり、ある特定方向に圧力を加えると電気分極が誘起されて電圧を発生させる。この圧電素子を利用すれば、機械的変位が電圧に変換されるので、発電が可能となる。もっとも、利用可能な電力を取り出すには、圧電素子に継続的な変位を加える必要がある。そこで、圧電素子を振動板に取り付け、振動板の振動を利用して圧電素子に継続的な変位を与えて発電可能とした振動発電装置が、例えば、下記の特許文献で提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２００７−２８２３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、自動車の車輪（ホイールまたはタイヤ）に取り付けられる空気圧監視システム（ＴＰＭＳ）用の圧電発電装置を提案している。この圧電発電装置は、車輪の遠心方向に対して剛性が高くなる方向に、圧電素子や振動板が配置されている。これにより、圧電素子や振動板が遠心力方向へ過度に屈曲（塑性変形）しないようにして、安定した発電がなされるようにしている。
【０００５】
しかし、 その圧電発電装置では、遠心力等の大きな外部入力を発電に有効利用できない。また圧電発電装置へ入力される外力の方向は変化し得るため、特許文献１の圧電発電装置では、圧電素子や振動板の振動方向に対する過度な屈曲を抑止できない。さらに特許文献１のように取付自由度が小さいと、振動発電装置の用途を拡大し難い。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものである。すなわち本発明は、振動体に大きな外力（例えば遠心力）が加わる場合でも、振動体の過度な撓みを抑止して、広範囲な条件下で安定的に発電できる振動発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、過度な振動体の撓み（または振動錘の振幅）を磁石同士の反発力を利用して制御することを新たに思いついた。この発想を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【０００８】
《振動発電装置》
（１）本発明の振動発電装置は、基体と、該基体により支持された支持端と該支持端の反対側にある自由端とを有し該基体への入力に応じて撓む片持ち式の振動体と、該振動体に接合され該振動体の変位に応じた電圧を出力する圧電素子と、を備える振動発電装置であって、さらに、前記振動体の自由端側に設けられた第一永久磁石からなる振動錘と、該振動錘から離間して配置され該第一永久磁石に反発する第二永久磁石からなり該振動錘の振幅を制御する制振体と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
（２）本発明の振動発電装置は、圧電素子が接合された振動体が片持ち式となっており、その自由端側に振動錘を有する。これにより振動体は大きく撓み、振動錘の振幅に応じた大きな出力が圧電素子から得られる。そして振動錘の質量を調整することにより、圧電素子、振動体および振動錘からなる振動系の固有振動数（共振周波数）を任意に調整可能である。このため例えば、振動発電装置を回転体に取り付けた場合を考えると、固有振動数に応じた回転数域で振動を大きくして、低回転側での出力を大きくすることも、高回転側で出力を大きくすることも自在に調整可能となる。
【００１０】
ところで、大きな外部入力により振動体の自由端側の振れ（振動錘の振幅）が過度に大きくなると、振動体は弾性変形域を超えた塑性変形を生じ得る。振動体に塑性変形が生じると、振動系の諸元が変化して、当初予定したような弾性変形内における振動が阻害され、所望する出力特性が得られなくなる。
【００１１】
しかし本発明の振動発電装置の場合、振動錘は永久磁石からなり、その振幅（振動体の撓み）が大きくなると、別の永久磁石からなる制振体から反発力を受ける。そして、この反発力は、振動錘が制振体へ接近するほど（両者間の距離が短くなるほど）大きくなる。このため、大きな外部入力（例えば遠心力）等が作用して振動錘の振幅が過大になり得る状況でも、振動錘は制振体から反発力を受けてその振幅は抑制される。この結果、振動体の過大な撓みも抑制され、振動系は振動体の弾性変形域内で振動するようになる。
【００１２】
また本発明に係る制振体は、振動錘の接近具合に応じた反発力を振動錘へ滑らかに及ぼして、その運動方向を反転させる。つまり制振体は、振動錘の運動エネルギーを、振動錘を反対向きへ振幅（運動）させる加振力に変える。こうして外部から入力された機械的なエネルギーは、無駄なく振動系の振動エネルギーへ変換され、ひいては圧電素子により効率的に電気エネルギーに変換される。
【００１３】
このように本発明の振動発電装置は制振体を有することにより、外部から大きな入力があって振動体の塑性変形を抑止して振動系を所望の諸元に維持しつつ、その大きな外部入力を効率的に振動エネルギーへ変換する。その結果、本発明の振動発電装置によれば、外部入力に応じた高い発電量を安定して出力することが可能となる。
【００１４】
（３）なお、本明細書では、振動錘を構成する永久磁石を「第１永久磁石」、制振体を構成する永久磁石を「第２永久磁石」と呼んでいる。しかし、これらは便宜的な表現であり、各永久磁石は同一でも異なっていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】回転体に取り付けた回転振動発電装置の要部を示す断面図である。
【図２】その回転体の回転数とその回転振動発電装置の発電電力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。なお、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を上述した本発明の構成要素に付加し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
【００１７】
《振動発電装置》
本発明の振動発電装置は、基本的に、圧電素子、振動体、振動錘、制振体および基体からなる。これらについて以降に詳しく説明する。
【００１８】
（１）圧電素子
圧電素子は、ある特定方向に圧力（変形）を加えると電気分極が誘起されて電圧を発生する素子、つまり圧電効果を発現する素子である。圧電素子の材質、形態、種類などの諸元は、適宜、用途に応じて適切なものを選択すればよい。圧電素子の材料（圧電体）には、例えば、チタン酸バリウム、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３）等の圧電セラミックス、ＫＮＮ（（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ３）系、（Ｂｉ、Ｎａ）ＴｉＯ３系等の非鉛圧電セラミックス、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ３）等の圧電単結晶などがある。
【００１９】
圧電素子は、基本的に、そのような圧電体を２枚の電極で挟持した素子である。圧電素子はモノモルフ型、複数の圧電体を積層したバイモルフ型または積層型等のいずれでもよい。圧電素子（圧電体や電極など）の表面に適切な溝等を形成して、変形に対する追従性（剛性）、共振方向、固有振動数などを調整してもよい。
【００２０】
（２）振動体
振動体は、基体への入力に応じて変形し（撓み）、圧電素子に上述した変形を与える。振動体の材質、形態（形状やサイズなど）等は、振動発電装置の仕様に適したものを選択すればよい。例えば、振動体の材質は、発電量を多くするために、振動の吸収能や減衰能などが小さいものが好ましい。具体的には、真鍮、アルミニウム、鉄などの金属材料等である。
【００２１】
本発明に係る振動体は、片持ち式である限り、具体的な形態は問わない。所望する振動系の固有振動数、共振方向、振幅等に応じて適したもの採用すればよい。一般的に、振動体の剛性が低くなると固有振動数が減少し、振動体の剛性が高くなると固有振動数が増加する。また振動体は、圧電素子を接合できる片持ち梁状であれば、その断面形状は問わない。例えば、その断面形状は、方形状、丸状、楕円状等のいずれでもよい。
【００２２】
（３）振動錘
振動錘は、振動体の自由端側に設けられ、振動錘の質量（第一永久磁石の質量）により振動系の固有振動数等が調整される。振動錘を構成する永久磁石はその種類を問わず、例えば、安価なフェライト磁石でも、強力な希土類磁石でもよい。また、その永久磁石は、磁石粒子を焼結させた焼結磁石でも、磁石粒子をバインダーで結合したボンド磁石でもよい。これらのことは、制振体についても同様である。
【００２３】
振動錘の配置は、振動体の自由端側であれば多少ずれてもよい。振動錘の形状は、振動体や制振体の形状に対応して適宜選択される。振動錘は、振動体が撓む一方側にのみ設けられても、その両側に設けられてもよい。両側に設けると、振動体が両振り状態となり、圧電素子による効率的な発電が可能となる。振動錘を振動体の両側に設ける場合、第一永久磁石に形成されるＮ極とＳ極をそれぞれ利用して、振動体の一方側をＮ極、他方側をＳ極とするとよい。勿論、このような振動錘の磁極設定と制振体の磁極設定を対応させることは当然である。
【００２４】
（４）制振体
制振体は、振動錘と同様に永久磁石からなり、振動錘と離間して配置される。これにより制振体は、振動錘の振動を阻害せずに振動体の塑性変形を抑止する。より具体的にいうと、振動錘と制振体は、それぞれを構成する永久磁石（第一永久磁石と第二永久磁石）が同極同士で対面すべく対向配置されていると好適である。振動錘が両振りする場合、制振体も振動錘の振れる両側にそれぞれ配置されていると好適である。
【００２５】
その際、前述しように制振体と振動錘の磁極配置がそれぞれ対応していると好適である。つまり、第一永久磁石のＮ極と第二永久磁石のＮ極、第一永久磁石のＳ極と第二永久磁石のＳ極が、それぞれ対面するように、振動錘と二つの制振体が対向して離間配置されているとよい。
【００２６】
なお、基体へ印加される外力方向が一定でない場合、振動体の撓み方向（振動錘の振幅方向）が不安定となる。このような場合は、例えば、制振体を構成する永久磁石を円弧状または環状としてもよい。この際、振動錘や制振体を構成する永久磁石として、内周面側と外周面側がそれぞれ異極となるラジアル配向磁石を用いるとよい。例えば、振動錘の永久磁石の外周面側磁極がＮ極なら、それに対面する制振体の永久磁石の内周面側磁極がＮ極となるようにすればよい。
【００２７】
（５）基体
本発明に係る基材は、上述した振動体の一端側を片持ち支持できれば足る。その支持方法は、通常、固定支持であるが、振動体の延在方向（撓む方向に垂直な方向）へ移動できるような支持でもよい。基体は、加振源と一体でもよいし、その加振源に取り付けられる別部材でもよい。例えば、本発明に係る基体は、上述した振動系および制振体を囲繞する筐体等でもよい。
【００２８】
ところで、本発明に係る基体が取り付けられる加振源として種々の回転体がある。回転体への基体の取り付け方は問わない。例えば、振動錘が回転体の遠心方向に沿って振動するように取り付けると、回転体の回転数に応じて振動錘の振幅は大きくなり、振動発電装置の発電量の増大を図り易い。振動錘をその遠心方向に対して垂直な方向に沿って振動するように取り付けると、遠心力が振動体の固定端や変形量等に及ぼす影響が抑制され、回転体の回転数が大きくなっても、振動発電装置による安定した発電が可能となる。
【００２９】
《振動発電装置の実施形態》
本発明の振動発電装置の一例である回転振動発電装置１を図１に示した。回転振動発電装置１は、回転体Ｒの外周側に取り付けられた筐体Ｓ（基体）と、筐体Ｓの一方の内壁に一端側が固定された金属製（例えば真鍮製）の振動板Ｐ（振動体）と、振動板Ｐに一方の電極が接合された圧電素子Ｅと、振動板Ｐの他端側（自由端側）に固定された永久磁石からなる錘Ｗ（振動錘）と、錘Ｗに対向して振動板Ｐの振動方向（図１に示した上下方向）の両側にそれぞれ配設された制振体Ｃｓ、Ｃｎとからなる。
【００３０】
錘Ｗと制振体Ｃｓ、Ｃｎはそれぞれフェライト磁石からなる。制振体ＣｓはそのＳ極面が錘ＷのＳ極面Ｗｓと対面するように、制振体ＣｎはそのＮ極面が錘ＷのＮ極面Ｗｎと対面するように配置されている。なお、制振体Ｃｓ、Ｃｎと錘Ｗの離間距離は、振動板Ｐの最大弾性変形量内に設定されている。
【００３１】
回転振動発電装置１は、振動板Ｐの支持構造がいわゆる片持ち式（カンチレバー）となっている。振動板Ｐのたわみ（変形）は、その先端に配設された錘Ｗにより増幅され、先端側ほど大きくなる。つまり、図示した振動方向に振動（励起）させる加振力が外部から筐体Ｓへ入力されると、錘Ｗにより振動板Ｐは大きく撓み、圧電素子Ｅから大きな出力が得られる。
【００３２】
この際、制振体Ｃｓ、Ｃｎは錘Ｗの振動方向（回転体Ｒの遠心方向）の両側に離間配置されているため、錘Ｗの振動を阻害しない。また錘Ｗと制振体Ｃｓ、Ｃｎは、永久磁石の同極同士が対向しており、両者間には接近するほど大きな反発力が作用する。その結果、大きな外力（例えば遠心力）が作用しても、錘Ｗは制振体Ｃｓ、Ｃｎに過度に近接することはなく、振動板Ｐの塑性変形が防止される。また、錘Ｗと制振体Ｃｓ、Ｃｎとの間の反発力は錘Ｗの加振力ともなる。このため、大きな外部エネルギーも有効に振動エネルギーに変換される。こうして回転振動発電装置１によれば、大きな発電電力が安定して得られる。
【００３３】
《その他》
（１）本発明の振動発電装置は、圧電素子、振動体、振動錘、制振体および基体からなるユニット単独でも、そのユニットを複数組み合わせたものでもよい。圧電素子からの出力自体は通常交流であるため、それを直流に整流する整流器を適宜備えてもよい。また整流器から出力された直流電力を蓄電するコンデンサや電池を備えると、供給電力または供給電圧の安定化を図れて好ましい。このような整流器やコンデンサ等は、上記のユニット内に組み入れてもよい。
【００３４】
（２）本発明の振動発電装置は、種々の分野や環境下で利用可能である。振動発電装置の基体への入力の形態は問わない。代表的なものとして、上述した回転振動発電装置がある。基体を取り付ける回転体は、車輪、自動車のホイールやタイヤ、モータの回転軸およびそれに取り付けられている回転体等がある。振動発電装置で発電された電力は、例えば、各種センサの駆動回路、ＬＥＤ等の照明、小型モータ、小型充電装置等へ供給される。
【実施例】
【００３５】
実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００３６】
《回転振動発電装置》
（１）実施例
図１に示した回転振動発電装置１を製作して、回転体Ｒの回転数と回転振動発電装置１の発電電力との関係を調べた。この際、圧電素子Ｅには、長さ２０ｍｍ×幅１５ｍｍ×厚み０．２４ｍｍの株式会社村田製作所製ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いた。振動板Ｐには、長さ２７ｍｍ×幅１５ｍｍ×厚み０．３ｍｍの真鍮製板材を用いた。錘Ｗの永久磁石には外径８ｍｍ×厚さ４ｍｍのフェライト磁石を用いて、その質量を１．５ｇとした。これにより錘Ｗ、圧電素子Ｅおよび振動板Ｐからなる振動系の固有振動数は１００Ｈｚとなった。制振体Ｃｓ、Ｃｎには、それぞれ、外径８ｍｍ×厚さ２．５ｍｍのフェライト磁石を用いた。
【００３７】
（２）比較例
比較例として、回転振動発電装置１から制振体Ｃｓ、Ｃｎを除いた回転振動発電装置２も製作した。
【００３８】
《試験》
図１に示すように、回転振動発電装置１または回転振動発電装置２を回転体Ｒの外周面に取り付けた。ここで用いた回転体Ｒは、φ２００ｍｍ×厚さ１０ｍｍのアルミニウム合金製円板である。この回転体Ｒを電動機の回転軸（図略）に取り付け、その回転数を種々変更して、回転振動発電装置１、２で発電された電力を電力計で計測した。この結果を図２に示した。
【００３９】
《評価》
（１）図２から明らかなように、回転数が１０００ｒｐｍまでは、実施例に係る回転振動発電装置１も比較例に係る回転振動発電装置２も、発電電力は１０μＷ以下で同程度であった。しかし、回転数が１２００ｒｐｍになると、両者の発電電力は大きく異なり、実施例の発電電力（４７μＷ）は比較例の発電電力（１７μＷ）の３倍程度にもなった。
【００４０】
（２）回転数を１２００ｒｐｍまで上げた試験後の回転振動発電装置１、２を観察した。実施例に係る回転振動発電装置１の振動板Ｐは、試験初期と変わらず塑性変形は観られなかった。一方、比較例に係る回転振動発電装置２は、振動板Ｐが固定端部から大きく曲がり、明らかな塑性変形をしていた。
【００４１】
以上の結果から、本発明の振動発電装置によれば、片持ち式の振動体が低剛性である場合でも、また大きな外力が作用する場合でも、大きな発電電力を安定して得られることが確認された。
【符号の説明】
【００４２】
１          回転振動発電装置
Ｓ          筐体（基体）
Ｐ          振動板（振動体）
Ｅ          圧電素子
Ｗ          錘（振動錘）
Ｃｓ、Ｃｎ  制振体
Ｒ          回転体
【図１】
2013187928.tif 000003
【図２】
2013187928.tif 000004