JP2003199313A

JP2003199313A - 振動発電機

Info

Publication number: JP2003199313A
Application number: JP2001395493A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hosaka; 寛保坂; Jun Okazaki; 潤岡崎; Kenji Shiba; 建次柴; Kiyoshi Itao; 清板生; Takeshi Sasaki; 健佐々木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2003-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】振動発電機において入力振幅が変化すると発
電効率が低下するという欠点を解決する。【解決手段】この発明に係る振動発電機は、コイルと
永久磁石を相対運動可能に支持して外部からの振動を前
記コイルの誘導電圧に変換する振動発電機であって、永
久磁石３と、永久磁石３の磁束の少なくとも一部を受け
る複数のコイル１ａ〜１ｃと、複数のコイル１ａ〜１ｃ
の全部又は一部を相互に接続する接続部２４−１、２４
−２と、複数のコイル１ａに生じた誘導電圧に基づき複
数のコイル１ａ〜１ｃの接続を制御する制御部２５とを
備える。外部からの振動の振幅が変化したときでも制御
部２５が全体のインダクタンスを調整するので、常に最
大振幅の相対運動を維持することができ、発生する電圧
が安定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械や人の振動を
用いて発電する振動発電機に関し、特に、振動発電機の
発電効率を改善する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】モバイルパソコンなどの携帯電子機器で
は、電源の確保が最大の課題となっている。これら機器
の電源として一般的には電池が用いられるが、１次電池
では電池交換の手間が掛かり、２次電池では充電の手間
が掛かるという問題がある。一方、交換や充電が不要な
電源として電子機器に組み込み可能な発電機がある。こ
の種の発電機は、利用者が回転軸に取りつけられたハン
ドルやレバーを回転させることにより電力を発生させて
電子機器に供給するものである。この種の発電機には交
換や充電が不要であるものの、ハンドルなどを手で動か
す煩わしさがある。太陽電池や温度差電池を電子機器に
組み込むことも考えられる。これらを用いれば交換、充
電、ハンドルを回転するなどの手間は一切かからない
が、前者はかばんの中など光が当たらない場所では発電
できず、後者は皮膚に直接固定するなどして熱源に密着
しないと発電できない。また急速に充電することもでき
ない。

【０００３】上記の電池、発電機、太陽電池や温度差電
池とは異なる電源として、人や機械の動きを用いて自動
的に発電する振動発電機が腕時計などに使用されてい
る。振動発電機は、回転軸に固定された半円状の錘と、
回転軸に結合された永久磁石と、これに近接して設けら
れたコイルとを備え、人や機械の動きに伴う軸の回転を
歯車列により増速した後に永久磁石を回転させ、これに
よりコイルに誘導電圧を発生させるものである。腕など
にこの発電機を装着すると、腕の動きによって錘が回転
するのでコイルから電力を得ることが出来る。また、永
久磁石とコイルをばねで結合して外から振動を加えると
コイルと永久磁石が相対運動するので、やはりコイルか
ら電力を取り出すことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの振動発電機は
ハンドルを回すなどの手間が不要であるとともに、設置
場所が自由であり、さらに、急速充電が可能であるなど
の利点がある。しかし、振動発電機にはその発電効率が
最大となる入力振幅が存在し、一方、人や機械の運動は
振幅が一定でないため、使用状況によっては発電効率が
著しく低下するという欠点があった。

【０００５】本発明は、従来の振動発電機の欠点であっ
た、入力振幅が変化すると発電効率が低下するという欠
点を解決するためになされたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る振動発電
機は、コイルと永久磁石を相対運動可能に支持して外部
からの振動を前記コイルの誘導電圧に変換する振動発電
機であって、永久磁石と、前記永久磁石の磁束の少なく
とも一部を受ける複数のコイルと、前記複数のコイルの
全部又は一部を相互に接続する接続部と、前記複数のコ
イルのひとつ又は複数に生じた誘導電圧に基づき前記複
数のコイルの接続を制御する制御部とを備えるものであ
る。

【０００７】好ましくは、前記制御部は、前記複数のコ
イルのひとつ又は複数に生じた誘導電圧を予め定められ
た第１の電圧と比較し、この比較結果に基づき前記複数
のコイルの一部又は全部を相互に接続し、前記複数のコ
イルのひとつ又は複数に生じた誘導電圧を予め定められ
た第２の電圧と比較し、この比較結果に基づき前記複数
のコイルの少なくとも一部を切り離すように、前記接続
部を制御する。

【０００８】好ましくは、前記第１の電圧値は前記第２
の電圧値よりも高い。

【０００９】好ましくは、前記第１の電圧値は、前記複
数のコイルのいずれかと前記永久磁石が最大可動範囲を
外力の卓越周波数（dominant frequency）で正弦波状に
相対運動した場合に発生する、前記複数のコイルのひと
つ又は複数に生じる誘導電圧である。

【００１０】好ましくは、前記第２の電圧値は、前記複
数のコイルの少なくとも一部を切り離した後に、前記複
数のコイルのいずれかと前記永久磁石が最大可動範囲を
外力の卓越周波数で正弦波状に相対運動する場合におい
て前記複数のコイルのひとつ又は複数に生じる誘導電圧
である。

【００１１】好ましくは、前記複数のコイルと前記永久
磁石の間の相対運動の固有振動数は、外部から加えられ
る振動の卓越周波数に一致する。

【００１２】例えば、前記接続部は、前記複数のコイル
の全部又は一部を直列に接続する。

【００１３】例えば、前記接続部は、前記複数のコイル
の全部又は一部を並列に接続する。

【００１４】この発明に係る振動発電機は、コイルと永
久磁石を相対運動可能に支持して外部からの振動を前記
コイルの誘導電圧に変換する振動発電機であって、永久
磁石と、前記永久磁石の磁束の少なくとも一部を受ける
コイルと、前記コイルのインダクタンスを変化させるイ
ンダクタンス可変手段と、前記永久磁石と前記コイルの
相対運動の振幅を検出する検出部と、前記検出部の出力
に基づき前記コイルのインダクタンスを変化させる制御
部とを備えるものである。

【００１５】好ましくは、前記制御部は、前記永久磁石
と前記コイルが最大可動範囲内で相対運動するように前
記コイルのインダクタンスを制御する。

【００１６】好ましくは、前記制御部は、前記相対運動
の振幅が予め定められた第１の値よりも大きいとき前記
コイルのインダクタンスを増加させ、前記相対運動の振
幅が予め定められた第２の値よりも小さいとき前記コイ
ルのインダクタンスを減少させ、前記第１の値は前記第
２の値よりも大きい。

【００１７】本発明は、入力振幅に対応してコイルのイ
ンダクタンスを変化させることで、常に最大の発電効率
を得るものである。例えば、発電機のコイルを２個以上
備え、コイルの発生電圧により入力振幅を検知し、コイ
ルの接続を切り替えることによりインダクタンス（実効
巻数）を変化させる。

【００１８】例えば、振動体の振幅が徐々に増大し、第
１のコイルの発生電圧がある値（この電圧を第１の電圧
値と呼ぶ）に達したら、第２のコイルを接続して実効巻
き数を増大させる。すると、振動体の振幅が一度減少
し、第１のコイルの発生電圧も低下する。入力振幅がさ
らに増大すると、第１のコイルの発生電圧は再度増加す
る。そして第１のコイルの電圧が第１の電圧値に等しく
なったら、第３のコイルを接続する。以下、第１のコイ
ルの電圧が第１の電圧値に達するたびにコイルを追加す
る。このように、第１のコイルの電圧値のみによって接
続を行う理由は、コイルの数によらず、第１のコイルの
発生電圧は振動体の振幅に比例するためである。

【００１９】例えば、入力振幅が減少し、第１のコイル
の発生電圧がある値（この電圧を第２の電圧値と呼ぶ）
に達したら、コイルを１つ切り離す。すると、振動体の
振幅が一度増加し、第１のコイルの発生電圧も増加す
る。入力振幅がさらに減少すると、第１のコイルの発生
電圧は再度減少する。そして第１のコイルの電圧が第２
の電圧値に等しくなったら、第３のコイルを切り離す。
以下、第１のコイルの電圧が第２の電圧値に達するたび
にコイルを１つ切り離す。第２の電圧は、切り離し後の
コイルの組ごとに決める必要がある。これは、切り離し
後の振幅は切り離し後のコイルの組合せによって変わる
ためである。

【００２０】例えば、同じ入力振幅に対しては、ダンピ
ングが小さいほど発電効率がよいから、最大可動幅以下
ではコイルが少ないほどよい。入力振幅が大きく、コイ
ル振幅が最大可動幅以上になるとコイルがケースに衝突
し損傷の原因となるから、振幅を下げた方がよい。以上
により、コイル振幅が最大可動範囲に一致したときにコ
イルを追加するのが最適である。

【００２１】例えば、コイルを１つ切り離した後に、第
１のコイルと永久磁石との相対振幅が最大可動範囲とな
る外力振幅においてコイルを切り離す。切り離し前後で
衝突が起こらず、かつ効率最大となるのは、切り離し後
のコイル振幅が最大可動範囲に一致したときだからであ
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】まず、振動発電機の概略について
説明する。代表的な振動発電機の構造を図１０に示す。
図１０は振動発電機の断面を示す。４個の永久磁石３ａ
乃至３ｄが２個の鉄製ヨーク２ａ，２ｂに固定されてい
る。ヨーク２ａと２ｂは非磁性スペーサ４ａ及び４ｂに
より結合され、これら全体が板ばね５ａ，５ｂを介して
ベース６に支持されている。また、ヨーク２ａと２ｂ間
の隙間にはコイル１が挿入されている。コイル１はベー
ス６に剛に固定されている。図中の矢印の方向に外部か
らベース６に振動を加えると板ばね５ａ，５ｂにより支
持された永久磁石が左右に振動してコイル１を貫く磁束
が変化し、その結果コイル１に電圧が誘導される。

【００２３】図１０の振動発電機を等価な力学モデルで
表すと図１１となる。剛なケース１３の中におもり１０
があり、これはばね１１とダンパー１２によりケース１
３内部に支持されている。図１０におけるコイル１と永
久磁石３ａ乃至３ｄからなる電磁誘導部、永久磁石３ａ
〜３ｄと鉄製ヨーク２ａ，２ｂと非磁性スペーサ４ａ，
４ｂの合計の慣性、板ばね５ａ，５ｂが、それぞれ図１
１におけるダンパー１２、おもり１０、ばね１１に対応
する。発電量はダンパー１２による消費エネルギで与え
られる。

【００２４】図１１のモデルにおいて、ケース１３が変
位振幅Ao、周波数ωで加振される場合、振動１周期当た
りの消費エネルギWは次式で与えられる。 W=πCωA² (1)

【００２５】ここで、Aはケースと振動体との相対振
幅、Ｃはダンパー１２の減衰係数である。式(1)におい
てWを最大化することを考える。WはCA²が大きいほど大
きい。Aは共振状態で最大となるから、振動体の固有振
動数を外力の周波数ωに一致させることがまず必要とな
る。つぎに、共振状態ではCとAは反比例する。このた
め、CA²はCが小さくAが大きいほど増大する。しかし、A
には上限があり、ケース内での振動体の可動幅以上には
できない。このため、可動幅一杯に振動体が振動するよ
うにCを設定すればよい。図１０の振動発電機では、Cは
コイルの巻数によって変化させることが出来る。またC
が既知であれば、振動体の振幅Aは、Wすなわちコイルの
誘導電圧から知ることが出来る。

【００２６】発明の実施の形態１．本発明の実施の形態
１に係る振動発電機を図１に示す。ケース１３の中に、
断面がコの次形の永久磁石３が設けられている。これは
リニアガイド１４により左右に移動できるようになって
いる。外力が加えられていないとき、ばね１１により永
久磁石３はケース１３の中央付近に保持されている。永
久磁石３の上方にはこれに対向して鉄製のヨーク２が設
けられている。ヨーク２にはコイル１ａ、コイル１ｂ及
びコイル１ｃが巻き付けられている。ヨーク２はケース
１３に固定されている。ケース１３が外力により振動す
ると中の永久磁石３が左右に動き、永久磁石３とヨーク
２の相対的位置関係が変化し、これに伴いコイル１ａ〜
１ｃを貫く磁束が変化する。

【００２７】コイル１ａの一方の端子には整流用のダイ
オード２０が接続されている。コイル１ａの他方の端子
にはスイッチ２４−１の端子１Ａが接続され、そしてス
イッチ２４−１の共通端子１Ｃを介してコンデンサ２１
に接続されている。ダイオード２０の他端にはコンデン
サ２１のもう一方の端子及び定電圧回路２２の入力端が
接続されている。コイル１ａ〜１ｃからの電力はコンデ
ンサ２１に蓄えられる。定電圧回路２２はコンデンサ２
１を電源として例えば５Ｖの直流電圧を発生し、外部負
荷２３を駆動する。なお、永久磁石３の振幅を大きくす
るため、その固有振動数を外力の周波数ωに一致させる
ことが望ましい。

【００２８】スイッチ２４−１は端子１Ａ又は１Ｂのい
ずれか一方を端子１Ｃに接続する。スイッチ２４−２は
端子２Ａ又は２Ｂのいずれか一方を端子２Ｃに接続す
る。コイル１ｂの一方の端子にはスイッチ２４−１の端
子１Ａが接続されている。コイル１ｂはコイル１ａと直
列に接続される。同様に、コイル１ｂの他端及びコイル
１ｃの一方の端子はスイッチ２４−２の端子２Ａに接続
されている。コイル１ｃの他端はスイッチ２４−２の他
の端子２Ｂに接続されている。スイッチ２４−２の共通
端子２Ｃはスイッチ２４−１の他の端子１Ｂに接続され
ている。このようにコイル１ａ〜１ｃは直列に接続され
るとともに、コイル１ａ〜１ｃに接続されたスイッチ２
４−１と２４−２も直列に接続されている。スイッチ２
４−１及び２４−２を適宜切り換えることにより、コイ
ル１ａのみを使用する状態（スイッチ２４−１が端子１
Ａを選択した場合）、コイル１ａ及び１ｂを使用する状
態（スイッチ２４−１が端子１Ｂを選択し、スイッチ２
４−２が２Ａを選択する場合）、コイル１ａ〜１ｃの全
てを使用する状態（スイッチ２４−１が端子１Ｂを選択
し、スイッチ２４−２が端子２Ｂを選択する場合）のい
ずれかの状態をとることができる。

【００２９】制御回路２５は、コイル１ａの端子Ａ（コ
イル１ａ〜１ｃの共通端子）と端子１Ａ間の電圧レベ
ル、すなわちコイル１ａの出力電圧を測定するととも
に、この測定結果に基づき内部で論理演算を行い、その
結果に基づきスイッチ２４−１及びスイッチ２４−２を
切り替える。制御回路２５は定電圧回路２２の出力から
電力を受けて作動する。制御回路２５の処理フローチャ
ートを図２に示す。

【００３０】図２において、Ｓ３とＳ４はコイル１ａの
出力電圧のレベルを所定の閾値と比較するステップであ
る。Ｓ３とＳ４は相対運動の振幅を判定するものであ
る。この判定結果に応じてコイル１ａ〜１ｃが適宜選択
される。Ｓ５〜Ｓ７はコイル１ａに１ｂを直列に接続す
るためのステップであり、Ｓ８〜Ｓ１０はコイル１ａ〜
１ｃを直列に接続するためのステップであり、Ｓ１１〜
Ｓ３はコイル１ｃを切り離すためのステップであり、Ｓ
１４〜Ｓ１６はさらにコイル１ｂを切り離してコイル１
ａのみを使用するためのステップである。別の見方をす
れば、Ｓ５〜Ｓ１０は振幅が増大する際に接続するコイ
ルの数を増やすためのステップであり、他方、Ｓ１１〜
Ｓ１６は振幅が減少する際に接続するコイルの数を減ら
すためのステップである。要するに、図２の処理は、コ
イル１ａの出力電圧に基づき振幅が増大しているかある
いは減少しているかを判断し、増大しているときはその
程度に応じてコイルを直列に接続していくとともに、減
少しているときはその程度に応じて接続されるコイルの
数を減らしていくものである。

【００３１】発明の実施の形態１に係る振動発電機の動
作を説明する。本発明の実施の形態１に係る振動発電機
は、好ましくは周波数が一定で振幅が変化する機械に設
置される。例えば、回転部をもつトンネル掘削機などが
該当する。ケース１３の振動波形が図３（ａ）の場合に
ついて説明する。時刻t₁に振動が始まり、徐々に振幅が
増大し、時刻t₄で最大となり、その後減少し、時刻t₇に
振動が停止するものとする。

【００３２】はじめ、スイッチ２４−１は端子１Ａを、
スイッチ２４−２は端子２Ａを選択している。外部から
振動が加わると永久磁石３が左右に振動する。この結
果、ヨーク２及びコイル１ａ〜１ｃが永久磁石３に対し
て相対運動することになるので、コイル１ａの両端に誘
導電圧が発生する。するとコンデンサ２１に電荷が蓄積
され、端子Ｂ（コンデンサ２１のダイオード２０接続側
の端子）と端子１C（コンデンサ２１の他端）間の電圧
が上昇し、これが一定値以上になると定電圧回路２２か
ら一定のＤＣ電圧が出力される。これにより制御回路２
５が起動する。

【００３３】制御回路２５は、図２に示されたアルゴリ
ズムによりスイッチ２４−１、スイッチ２４−２を切り
替える。具体的には次のとおりである。

【００３４】Ｓ１：制御回路２５には予め閾値V_on、V
_off1、V_off2が設定されている。V_onは振幅増大時の閾値
であり、V_off1及びV_off2は振幅減少時の閾値である。典
型的には、V_on＞V_off1＞V_off2である。最初の段階ではV
_off＝V_off1とされる。

【００３５】Ｓ２：端子Ａ・１A間の電圧の包絡線V_iを
測定する。端子A・１A間電圧V_iは図３（ｂ）のように変
化し、その包絡線は同図の点線で与えられる。

【００３６】Ｓ３：V_iを閾値V_onと比較する。振動開始
直後には、ケース振動振幅の増大に対応してコイル１a
の誘導電圧が増大し、V_iも増大する。ある時刻t₂になる
と、ヨークの振幅が可動部振幅に等しくなる。このと
き、コイル１ａが発生する誘導電圧がV_onである。V_onの
値は、あらかじめ制御回路２５に記憶されている。

【００３７】Ｓ５〜Ｓ７：制御回路２５は、時刻t₂でV_i
がV_onよりも大きくなったことを認識すると、スイッチ
２４−１を端子1B側に倒す。すると、コイル１ａとコイ
ル１ｂが直列接続され、インダクタンスが２倍となり、
ヨーク２の振動に制動が掛かる。このため、時刻t₂で
は、V_iが急激に低下する。また、コイル１ａとコイル１
ｂの誘導電圧の合計値、すなわち、端子A・１C間の電圧
（図３（ｃ））も低下する。これは、ケース振幅が同じ
場合、ヨーク振幅が大きいほど誘導電圧が大きいためで
ある。この後、ステップＳ２及びＳ３の処理を繰り返
す。

【００３８】Ｓ８〜Ｓ１０：ケース振幅がさらに増加す
ると、ヨーク振幅が再び増加し、時刻t₃でV_iが再びV_on
に達する。すると制御回路２５は、スイッチ２４−２を
スイッチ２B側に倒す。すると、コイル１ａとコイル１
ｂとコイル１ｃが直列接続され、インダクタンスがさら
に増加し、ヨークの振動に制動が掛かる。このため、時
刻t₃では、V_iが急激に低下する。また、端子A・１C間の
電圧も低下する。この後、ステップＳ２及びＳ３の処理
を繰り返す。

【００３９】Ｓ１１〜Ｓ１３：ケース振幅がさらに増加
し、やがて減少に転じると、V_iも低下する。時刻t₅にな
ると、V_iはV_off2に等しくなる。すると制御回路は、ス
イッチ２４−２を端子２Ａ側に倒す。すると、コイル１
ｃが切り離され、コイル１ａとコイル１ｂのみがコンデ
ンサ２１に接続された状態となる。するとインダクタン
スが減少し、ヨーク２振動の制動が弱まり、ヨーク振幅
が増大する。このため、時刻t₅では、V_iが急激に上昇す
る。このとき、ヨーク振幅が可動幅に一致するように、
V_off2は設定されている。つまり、V_off2は、この電圧で
コイル１ｃを切り離したならば、インダクタンスの減少
によりコイル１と永久磁石３の相対運動の振幅が増大
し、その結果、振幅が最大可動範囲（可動範囲）に一致
するように決められる。V_off2は、予め制御回路に記憶
にされている。また、端子A・１C間の電圧も上昇する。
この後、ステップＳ２及びＳ３の処理を繰り返す。

【００４０】Ｓ１４〜Ｓ１６：ケース振幅がさらに減少
すると、ヨーク振幅が再び減少し、時刻t₆でV_iがV_off1
に達する。すると制御回路は、スイッチ２４−１をスイ
ッチ１A側に倒す。すると、コイル１ｂが切り離され、
コイル１ａのみがコンデンサ２１に接続された状態とな
る。するとインダクタンスが減少し、ヨーク振幅が増大
する。このため、時刻t₆では、V_iが急激に上昇する。こ
のとき、ヨーク振幅が可動幅に一致するように、V_off1
は設定されている。つまり、V_off2は、この電圧でコイ
ル１ｂを切り離してコイル１ａのみにしたならば、イン
ダクタンスの減少によりコイル１と永久磁石３の相対運
動の振幅が増大し、その結果、振幅が最大可動範囲（可
動範囲）に一致するように決められる。V_off1は、予め
制御回路に記憶されている。また時刻t₆で、端子A・１C
間の電圧も一度上昇する。

【００４１】ケース振幅がさらに減少すると、コイルの
誘導電圧が再度低下し、やがて定電圧回路２２の出力が
停止し、制御回路２５も停止する。

【００４２】コンデンサ２１の端子間電圧は、図３
（ｄ）のように変化する。端子A・１C間電圧が大きいほ
ど早く充電される。

【００４３】以上の動作を、従来の振動発電機と比較し
てみる。発電機の出力はコンデンサの電圧で決まるか
ら、端子A・１C間電圧の包絡線を比較する。図４（ａ）
はケース振幅を示し、図４（ｂ）は本発明の実施の形態
における端子Ａ・１C間電圧を示し、図４（ｃ）の実線
はコイル１ａのみ使用した場合の端子Ａ・１C間電圧を
示し（点線は図４（ｂ）のグラフを示す）、図４（ｄ）
実線はコイル１ａ〜１ｃを直列に接続した場合の端子Ａ
・１C間電圧を示す（点線は図４（ｂ）のグラフを示
す）。いずれも包絡線のみを示す。図４（ｃ）と図４
（ｄ）が従来の方式に対応する。

【００４４】図４（ｂ）とコイル１ａのみの場合の図４
（ｃ）を対比すると、時刻t₁からt₂の間は本発明の実施
の形態による電圧と従来方式の電圧は同じである。しか
し、図４（ｃ）の場合は時刻t₂から時刻t₆の間において
電圧は頭打ちであり増加しない。これはヨーク２がケー
ス１３に衝突しながら振動し、振幅は増大しないためで
ある。これに対し、図４（ｂ）の場合は電圧が増大し、
時刻t₄でピークになる。時刻t₆以後はヨーク２がケース
１３に衝突することなく振動するため、図４（ｂ）のグ
ラフと図４（ｃ）のグラフは同じとなる。結局、時刻t₂
から時刻t₆の間において、本発明の実施の形態に係る装
置の方がより高い電圧を発生することができて従来の手
法よりも優れていることがわかる。

【００４５】図４（ｂ）と３つのコイルを最初から直列
接続した場合の図４（ｄ）を対比すると、時刻t₃からt₅
の間は、本発明の実施の形態に係る装置と従来の装置の
インダクタンスは等しく、電圧も等しい。しかし、時刻
t₁からt₃の間、および時刻t₄からt₆の間は、従来の装置
のインダクタンスすなわちヨークに働く制動力が大き
い。このため、これらの時間において従来の装置は同図
に点線で示した本発明の実施の形態に係る装置より劣
る。

【００４６】ケース振幅が小さい場合において本発明の
実施の形態に係る装置を従来の振動発電機と比較してみ
る。図５（ａ）はケース振幅、図５（ｂ）は本発明の実
施の形態による端子Ａ・１C間電圧、図５（ｃ）は１つ
のコイルのみ使用した場合の端子Ａ・１C間電圧、図５
（ｄ）は３つのコイルを最初から直列に接続した場合の
端子Ａ・１C間電圧である。これらの図はケース振幅が
小さく、本発明の実施の形態においてコイルの接続切り
換えが生じない場合、つまりV_iがV_onに達しない場合を
示す。この場合、１つのコイルのみ使用されるから図５
（ｂ）の電圧と図５（ｃ）の電圧は同じである。一方、
図５（ｄ）のコイル１ａ〜１ｃを直列接続した場合の発
生電圧は、ヨークに働く制動力が大きくヨークがほとん
ど振動しないため、図５（ｂ）あるいは図５（ｃ）の場
合よりも低い。

【００４７】以上のように、本発明の実施の形態によれ
ば、振幅が大きいとき小さいときのいずれの場合におい
てもより高い電圧を発生させることができる。

【００４８】なお、制御回路２５を駆動するため、本発
明の実施の形態において最終的に得られる出力は、その
消費電力を差し引いたものとなる。制御回路の機能は、
振動的な電圧から包絡線を抽出することと、その電圧値
にもとづきスイッチを切り替えることである。前者はAM
検波と同じであり、受動素子のみで構成できる。後者
は、切り替え頻度が高々数秒に１回と低頻度なため、演
算は遅くてよく、消費電力1mW以下のマイクロプロセッ
サで十分実現できる。一方、振動発電機は、10cm角程度
の大きさで出力20mW〜1Wのものが製作されている。この
ため、制御回路２５による損失は無視できるほどに小さ
い。

【００４９】発明の実施の形態２．発明の実施の形態１
は、振動振幅の大きさに応じてコイルを直列接続で追加
するものであった。この発明はこれに限定されず、コイ
ルを並列接続で追加する場合にも適用できる。

【００５０】本発明の実施の形態２に係る装置を図６に
示す。ケース１３の中に、コの次形の永久磁石３があ
り、リニアガイド１４により左右に移動できるようにな
っている。またばね１１により、ケース１３の中央付近
に保持されている。永久磁石３の上方には、鉄製のヨー
ク２があり、コイル１ａ、コイル１ｂ、コイル１ｃが巻
き付けられている。コイル１ａの一方の端子にはダイオ
ード２０が接続され、さらにコンデンサ２１、定電圧回
路２２がつながっている。定電圧回路２２は、例えば５
Ｖの直流電圧を発生し、外部負荷２３を駆動する。コイ
ル１ｂ、コイル１ｃはそれぞれ一方の端子がコイル１ａ
の端子とつながり、他方の端子がスイッチ２６−１、ス
イッチ２６−２につながっている。制御回路２５は、定
電圧回路２２の出力を電力として駆動する。端子A・Ｃ
間の電圧レベルを測定し、内部で論理演算を行い、スイ
ッチ２６−１、スイッチ２６−２を切り替えるようにな
っている。

【００５１】制御回路２５の制御フローチャートを図７
に示す。発明の実施の形態２に係る装置の動作を説明す
る。ケース振幅は図４（ａ）と同様に変化するものとす
る。はじめ、スイッチ２６―１、スイッチ２６−２は開
いている。外部から振動が加わると、ヨーク２が永久磁
石３に対して相対運動して、コイル１ａに誘導電圧が発
生する。するとコンデンサ２１に電荷が蓄積され、端子
Ｂ・C間の電圧が一定値以上になると定電圧回路２２か
ら一定のＤＣ電圧が出力される。これにより、制御回路
２５が起動する。

【００５２】制御回路内部では、図７のアルゴリズムに
よりスイッチ２６−１、スイッチ２６−２を切り替え
る。まず端子Ａ・Ｃ間の電圧の包絡線V_iを測定する。端
子A・Ｃ間電圧は、実施の形態１で示した図３（ｂ）と
ほぼ同じ形で変化する。ヨークの相対振幅が可動部振幅
に等しいときに、コイル１ａが発生する誘導電圧をV_on
とする。制御回路は、 V_iがV_onに等しくなったことを認
識すると、スイッチ２６−１を閉じる。すると、コイル
１ａとコイル１ｂが並列接続され、インダクタンスが２
倍となる。この直後、V_iは一度低下する。

【００５３】ケース振幅がさらに増加し、再び V_iがV_on
に達すると、制御回路２５は、スイッチ２６−２を閉じ
る。すると、コイル１ａ〜１ｃが並列接続され、インダ
クタンスがさらに増加する。

【００５４】ケース振幅がさらに増加し、やがて減少す
ると、V_iも低下する。 V_iがV_off2に等しくなると、制御
回路２６はスイッチ２６−２を開く。すると、コイル１
ｃが切り離され、コイル１ａとコイル１ｂのみがコンデ
ンサ２１に接続された状態となる。このときヨーク振幅
は一度増加する。V_off2は、切り離し後のヨーク振幅が
可動幅に等しくなるように設定されている。

【００５５】ケース振幅がさらに減少すると、 V_iがV
_off1に達する。すると制御回路２５は、スイッチ２６−
１を開く。すると、コイル１ｂが切り離され、コイル１
ａのみがコンデンサ２１に接続された状態となる。V
_off1は、切り離し後のヨーク振幅が可動幅に等しくなる
ように設定されている。

【００５６】ケース振幅がさらに減少すると、コイルの
誘導電圧が再度低下し、やがて定電圧回路２２の出力が
停止し、制御回路２６も停止する。

【００５７】コンデンサ２１の端子間電圧も、実施の形
態１で示した図３（d）の類似の波形で変化する。実施
の形態１と同様に、端子A・Ｃ間の電圧は、従来のコイ
ル１のみの場合、コイル１、２、３が固定的に並列接続
された場合のいずれよりも大きい。

【００５８】発明の実施の形態３．上記発明の実施の形
態１、２において、コイル１ａの電圧に基づきコイルの
切り換えを行っていた。この発明はこれに限定されな
い。相対運動の振幅を検出するほかの手段、例えば最大
振幅の近傍に設けられたスイッチや所定の場所に設けら
れたスイッチなどを用いることができる。また、インダ
クタンスを変化させる手段としてスイッチの代わりに、
例えばコイル上を摺動する接点を用いることもできる。

【００５９】図８は本発明が適用される一般的な振動発
電機の構成を示す。これは、ｎ個のコイル１−１〜１−
ｎを備え、振幅検出部２８の出力に基づきインダクタン
ス可変手段２７がこれらを適宜接続して全体のインダク
タンスを変化させる。制御部２５は、振幅−インダクタ
ンス増加／減少テーブル２５ａに予め書き込まれた判定
情報を参照してインダクタンスを決定する。

【００６０】テーブル２５ａには例えば次のようなデー
タが書き込まれている。振幅インダクタンス増加／減少Ａ０（最大振幅）インダクタンスをΔＬ０だけ増加Ａ１インダクタンスをΔＬ１だけ減少Ａ２インダクタンスをΔＬ２だけ減少

【００６１】あるいは振幅振幅変化インダクタンス増加／減少Ａ０（最大振幅）増加インダクタンスをΔＬ０だけ増加Ａ１減少インダクタンスをΔＬ１だけ減少

【００６２】図９に発明の実施の形態３における処理フ
ローチャートを示す。

【００６３】本発明は、以上の実施の形態に限定される
ことなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内
で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内
に包含されるものであることは言うまでもない。

【００６４】また、本明細書において、手段とは必ずし
も物理的手段を意味するものではなく、各手段の機能
が、ソフトウェアによって実現される場合も包含する。
さらに、一つの手段の機能が、二つ以上の物理的手段に
より実現されても、若しくは、二つ以上の手段の機能
が、一つの物理的手段により実現されてもよい。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
振動発電機において、誘導電圧及び／又は永久磁石とコ
イルの相対運動の振幅に基づきコイルのインダクタンス
を変化させるので、発電効率を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態１に係る振動発電機の概略
図である。

【図２】発明の実施の形態１に係る制御回路の動作フ
ローチャートである。

【図３】発明の実施の形態に係る振動発電機のケース
振動と電圧波形のグラフである。

【図４】振動振幅が大きい場合のケース振動と電圧波
形の包絡線のグラフである。

【図５】振動振幅が小さい場合のケース振動と電圧波
形の包絡線のグラフである。

【図６】発明の実施の形態２に係る振動発電機の概略
図である。

【図７】発明の実施の形態２に係る制御回路の動作フ
ローチャートである。

【図８】発明の実施の形態３に係る振動発電機の概略
図である。

【図９】発明の実施の形態３に係る制御回路の動作フ
ローチャートである。

【図１０】従来の振動発電機の概略図である。

【図１１】振動発電機の力学モデルを示す図である。

【符号の説明】

１コイル２ヨーク３永久磁石４非磁性スペーサ５板ばね６ベース１０おもり１１ばね１２ダンパー１３ケース１４リニアガイド２０ダイオード２１コンデンサ２２定電圧回路２３外部負荷２４スイッチ２５制御回路２６スイッチ２７インダクタンス可変手段２８振幅検出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 500235179 板生清神奈川県鎌倉市浄明寺６−６−８ (71)出願人 501496717 佐々木健千葉県柏市新柏２−４−９ (72)発明者保坂寛千葉県松戸市松戸159−１−２−302 (72)発明者岡崎潤東京都杉並区荻窪１−59−６ (72)発明者柴建次東京都北区岩渕25−21 ファイブステップ 202号 (72)発明者板生清神奈川県鎌倉市浄明寺６−６−８ (72)発明者佐々木健千葉県柏市新柏２−４−９Ｆターム(参考） 5H590 AA02 CA18 CA24 CC02 CC24 CC32 EB02 FA05 FB01 FC26 GA02 GB05 HA02 JA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コイルと永久磁石を相対運動可能に支持
して外部からの振動を前記コイルの誘導電圧に変換する
振動発電機であって、永久磁石と、前記永久磁石の磁束
の少なくとも一部を受ける複数のコイルと、前記複数の
コイルの全部又は一部を相互に接続する接続部と、前記
複数のコイルのひとつ又は複数に生じた誘導電圧に基づ
き前記複数のコイルの接続を制御する制御部とを備える
振動発電機。
【請求項２】前記制御部は、前記複数のコイルのひと
つ又は複数に生じた誘導電圧を予め定められた第１の電
圧と比較し、この比較結果に基づき前記複数のコイルの
一部又は全部を相互に接続し、前記複数のコイルのひと
つ又は複数に生じた誘導電圧を予め定められた第２の電
圧と比較し、この比較結果に基づき前記複数のコイルの
少なくとも一部を切り離すように、前記接続部を制御す
ることを特徴とする請求項１記載の振動発電機。
【請求項３】前記第１の電圧値は前記第２の電圧値よ
りも高いことを特徴とする請求項２記載の振動発電機。
【請求項４】前記第１の電圧値は、前記複数のコイル
のいずれかと前記永久磁石が最大可動範囲を外力の卓越
周波数で正弦波状に相対運動した場合に発生する、前記
複数のコイルのひとつ又は複数に生じる誘導電圧である
ことを特徴とする請求項３記載の振動発電機。
【請求項５】前記第２の電圧値は、前記複数のコイル
の少なくとも一部を切り離した後に、前記複数のコイル
のいずれかと前記永久磁石が最大可動範囲を外力の卓越
周波数で正弦波状に相対運動する場合において前記複数
のコイルのひとつ又は複数に生じる誘導電圧であること
を特徴とする請求項３記載の振動発電機。
【請求項６】前記複数のコイルと前記永久磁石の間の
相対運動の固有振動数は、外部から加えられる振動の卓
越周波数に一致することを特徴とする請求項１記載の振
動発電機。
【請求項７】前記接続部は、前記複数のコイルの全部
又は一部を直列に接続することを特徴とする請求項１記
載の振動発電機。
【請求項８】前記接続部は、前記複数のコイルの全部
又は一部を並列に接続することを特徴とする請求項１記
載の振動発電機。
【請求項９】コイルと永久磁石を相対運動可能に支持
して外部からの振動を前記コイルの誘導電圧に変換する
振動発電機であって、永久磁石と、前記永久磁石の磁束
の少なくとも一部を受けるコイルと、前記コイルのイン
ダクタンスを変化させるインダクタンス可変手段と、前
記永久磁石と前記コイルの相対運動の振幅を検出する検
出部と、前記検出部の出力に基づき前記コイルのインダ
クタンスを変化させる制御部とを備える振動発電機。
【請求項１０】前記制御部は、前記永久磁石と前記コ
イルが最大可動範囲内で相対運動するように前記コイル
のインダクタンスを制御することを特徴とする請求項９
記載の振動発電機。
【請求項１１】前記制御部は、前記相対運動の振幅が
予め定められた第１の値よりも大きいとき前記コイルの
インダクタンスを増加させ、前記相対運動の振幅が予め
定められた第２の値よりも小さいとき前記コイルのイン
ダクタンスを減少させ、前記第１の値は前記第２の値よ
りも大きい、ことを特徴とする請求項９記載の振動発電
機。