JP6581816B2 - 振動発電装置、電子機器及び振動発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換して発電することができる振動発電装置、該振動発電装置を備える電子機器及び振動発電方法に関する。

近年、環境に広く存在する振動、熱、光、電磁波などの微小エネルギーから電力を取り出し、小電力の電子デバイス（電子機器）の駆動に使用するエネルギーハーベスティングが注目されている。振動は、環境に存在するエネルギーの中でも光が当たらない場所でも常時使用することができるため最も有力なエネルギー源とされている。

一方で、電子デバイスの一例としてのワイヤレスセンサ（ネットワークセンサ）がユビキタスネットワーク社会における医療・健康、防犯・セキュリティ、防災、環境リスクへの対応、農産物の各種生産過程などの広い分野での適用が期待されている。そして、電子デバイス自身が発電機構を持てば、電池の充電や交換などが不要となり、ユビキタスネットワーク社会への拡大が見込まれる。

振動を利用して発電する技術は、種々検討されている。例えば、筒状の案内部材の内側に永久磁石を備えた可動子を設け、案内部材の周囲に券回されたコイルを配置した振動発電機を備える懐中電灯が開示されている（特許文献１参照）。

また、基体により支持され、基体への機械的入力に応じて撓む片持ち式の振動体と、振動体に接合され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が開示されている（特許文献２参照）。

特開２０１４−６４３８０号公報 特開２０１３−１８７９２８号公報

しかし、特許文献１の装置にあっては、発電するためには、ユーザが懐中電灯を手で所持し、振動発電機が軸線方向に振動するように振る必要があり、人力を利用した、いわゆるアクティブエネルギーである。しかし、ユビキタスネットワーク社会では、自然界のエネルギーを利用した、いわゆるパッシブエネルギーが望まれている。

また、特許文献２の装置にあっては、取り出すことができる電力が５０μＷ程度である。しかし、ワイヤレスセンサなどの電子デバイスでは、センサの駆動、センサで得られたデータを無線で送信する機能が必要であるため、ｍＷ程度の発電力が必要となる。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、パッシブエネルギーを用いて従来よりも大電力の発電を行うことができる振動発電装置、該振動発電装置を備える電子機器及び振動発電方法を提供することを目的とする。

本発明に係る振動発電装置は、矩形状の板体であって板面と平行な磁化方向を有し、振動可能な磁石と、該磁石の前記磁化方向の一縁側に対向配置され、導体を前記磁化方向に沿って複数巻回したコイルとを備え、電磁誘導により前記コイルに起電力を発生させることを特徴とする。

本発明に係る振動発電方法は、矩形状の板体であって板面と平行な磁化方向を有し、振動可能な磁石を振動させるステップと、該磁石の前記磁化方向の一縁側に対向配置され、導体を前記磁化方向に沿って複数巻回したコイルに電磁誘導により起電力を発生させるステップとを含むことを特徴とする。

本発明にあっては、振動発電装置は、矩形状の板体であって板面と平行な磁化方向を有し、振動可能な磁石と、磁石の磁化方向の一縁側に対向配置され、導体を磁化方向に沿って複数巻回したコイルとを備える。振動発電装置は、例えば、自動車、電気製品、電子装置、橋梁など振動を発生する振動源に取り付けることができる。振動源の振動により磁石が振動すると、磁化方向の一縁側に対向配置されたコイル（巻回された導体で囲まれる領域）に交差する磁束が変化するので、電磁誘導によりコイルに起電力を発生させる。これにより、パッシブエネルギーを用いて従来よりも大電力の発電を行うことができる。

本発明に係る振動発電装置は、前記磁石の前記一縁側と反対側の他縁側を支持する支持部を備え、前記磁石は、片持ち梁構造をなすことを特徴とする。

本発明にあっては、磁石の一縁側と他縁側を支持する支持部を備える。すなわち、磁石の他縁側は支持部に支持され、片持ち梁構造をなす。振動発電装置を所定の振動源に取り付けることにより、片持ち梁構造の磁石を振動させることができる。また、磁石の寸法等を適宜設定して固有振動数を振動源の振動数に等しく又は近づけることにより、磁石を振動源の振動数で振動（共振振動）させることができる。これにより、振動源の振動数に応じて磁石が振動（共振振動）し、磁石の一縁側をコイルの断面に略平行に変位させて、コイルに交差する磁束を変化させることができる。

本発明に係る振動発電装置は、前記磁石の前記磁化方向と平行な１対の縁側の中途部に前記磁化方向と交差する方向の軸体を備え、前記磁石は、前記軸体を中心にして振動可能にしてあることを特徴とする。

本発明にあっては、振動発電装置は、磁石の磁化方向と平行な１対の縁側の中途部に磁化方向と交差する方向の軸体を備える。磁石は、軸体を中心にして振動可能にしてある。軸体の断面形状は、例えば、三角形にして、軸体が捻じれることによる反発力を利用したトーション振動可能にすることができる。振動発電装置を所定の振動源に取り付けることにより、磁石を振動させることができる。これにより、振動源の振動数に応じて磁石が振動し、磁石の一縁側及び一縁側と反対側の他縁側それぞれをコイルの断面に略平行に変位させて、コイルに交差する磁束を変化させることができる。

本発明に係る振動発電装置は、前記磁石の前記一縁側及び該一縁側と反対側の他縁側それぞれに設けられた弾性部材と、各弾性部材を支持する支持部とを備え、前記磁石は、両持ち梁構造をなすことを特徴とする。

本発明にあっては、磁石の一縁側及び他縁側それぞれに設けられた弾性部材と、各弾性部材を支持する支持部とを備える。すなわち、磁石の一縁側及び他縁側それぞれは弾性部材を介して支持部され、両持ち梁構造をなす。つまり、磁石の一縁側及び他縁側それぞれと支持部との間は、例えば、バネ定数が比較的小さい弾性部材で接続する。これにより、磁石を磁化方向に垂直に振動可能にすることができる。振動発電装置を所定の振動源に取り付けることにより、磁石を振動させることができる。これにより、振動源の振動数に応じて磁石が振動し、磁石の一縁側及び一縁側と反対側の他縁側それぞれをコイルの断面に略平行に変位させて、コイルに交差する磁束を変化させることができる。

本発明に係る振動発電装置は、前記磁石の前記一縁側と反対側の他縁側に前記コイルをさらに対向配置してあることを特徴とする。

本発明にあっては、振動発電装置は、磁石の一縁側と反対側の他縁側にコイルをさらに対向配置してある。これにより、発電することができる電力を増やすことができる。

本発明に係る振動発電装置は、前記コイルを、板厚方向に沿って複数配置してあることを特徴とする。

本発明にあっては、振動発電装置は、コイルを、板厚方向に沿って複数配置してある。これにより、発電することができる電力を増やすことができる。

本発明に係る振動発電装置は、前記導体は、断面が長方形状をなし、前記コイルは、前記導体の短辺の方向が前記磁化方向をなすように該導体を巻回してあることを特徴とする。

本発明にあっては、導体は、断面が長方形状をなし、コイルは、導体の短辺の方向が磁化方向をなすように導体を巻回してある。導体の短辺の寸法をｗとし、長辺の寸法をｄとする。導体の抵抗Ｒは、ｗ×ｄに反比例する。導体の抵抗Ｒが小さいほど発電電力Ｐを大きくすることができる。導体の短辺の方向が磁化方向をなすように導体を巻回することにより、例えば、導体の断面が円形状又は正方形状の場合と比較して、コイルの磁化方向の寸法が同等であっても、導体の断面積を大きくすることができ、導体の抵抗を小さくすることができるので、大きな電力を発電することができる。

本発明に係る振動発電装置は、前記コイルは、前記導体を矩形状に巻回してあり、前記磁石の前記コイルが対向配置された縁側の長さ寸法は、巻回された導体の該縁側方向の寸法と略等しいことを特徴とする。

本発明にあっては、コイルは、導体を矩形状に巻回してあり、磁石のコイルが対向配置された縁側の長さ寸法は、巻回された導体の縁側方向の寸法と略等しい。これにより、磁石の磁束の大部分をコイルに交差させるとともに、コイルに交差する磁束の磁束密度を大きくすることができるので、大きな電力を発電することができる。

本発明に係る振動発電装置は、前記磁石は、基体と、該基体の表面に物理蒸着法により成膜した薄膜磁石とを有することを特徴とする。

本発明にあっては、磁石は、基体と、基体の表面に物理蒸着法により成膜した薄膜磁石とを有する。基体は、例えば、シリコン、ステンレス、金属又は金属ガラスを用いることができる。薄膜磁石は、例えば、希土類磁石又は貴金属類磁石を用いることができる。物理蒸着法を用いることにより、所要の膜厚であって高磁気特性（例えば、飽和磁束密度及び保磁力が大きい）の磁石を実現することができる。なお、焼結磁石は、一般的に厚みが厚く研磨加工などで薄くしてもせいぜい１ｍｍ程度までであり、研磨により酸化劣化が起こり磁気特性も劣化する。

本発明に係る電子機器は、前述の発明のいずれか１つに係る振動発電装置を備えることを特徴とする。

本発明にあっては、電子機器は、振動発電装置を備える。これにより、電子機器自身がパッシブエネルギーを用いて従来よりも大電力の発電を行うことができる発電機構を具備することができる。

本発明によれば、パッシブエネルギーを用いて従来よりも大電力の発電を行うことができる。

第１実施形態の電子機器としてのセンサ装置の構成の一例を示すブロック図である。 第１実施形形態の振動発電装置の構成の要部の一例を示す斜視図である。 第１実施形形態の振動発電装置の構成の要部の一例を示す平面図である。 第１実施形形態の振動発電装置の構成の要部の一例を示す側面図である。 第１実施形態の磁石の構成の一例を示す断面図である。 第１実施形態のコイルの構成の一例を示す正面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線から見た断面図である。 第１実施形態の振動発電装置のコイルに交差する磁束の変化の一例を示す説明図である。 第１実施形態の振動発電装置のコイルに発生する起電力及び発電電力の変化の一例を示す説明図である。 第１実施形態の振動発電装置による振動周波数が９５Ｈｚの場合の発電電力の一例を示す説明図である。 第１実施形態の振動発電装置による振動周波数が９５Ｈｚの場合の発電電力の他の例を示す説明図である。 第１実施形態の振動発電装置のコイルに交差する磁束の変化の他の例を示す説明図である。 第１実施形態の振動発電装置のコイルに発生する起電力及び発電電力の変化の他の例を示す説明図である。 第１実施形態の振動発電装置による振動周波数が１００Ｈｚの場合の発電電力の一例を示す説明図である。 第２実施形態の振動発電装置の構成の要部の第１実施例を示す斜視図である。 第２実施形態の振動発電装置による発電電力の一例を示す説明図である。 第２実施形態の振動発電装置の構成の要部の第２実施例を示す斜視図である。 第３実施形態の振動発電装置の構成の要部の一例を示す平面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は第１実施形態の電子機器としてのセンサ装置２００の構成の一例を示すブロック図である。センサ装置２００（ワイヤレスセンサ又はネットワークセンサとも称する）は、装置の発電機構である振動発電装置５０、整流回路６１、昇降圧回路６２、制御部６３、センサ部６４、通信部６５などを備える。また、振動発電装置５０は、磁石１０、１又は複数のコイル２０などを備える。

センサ装置２００（すなわち、振動発電装置５０）は、例えば、自動車、電気製品、電子装置、構造物（例えば、橋梁）などの振動を発生する所定の振動源に取り付けることができる。また、その振動源の近くに設置することもできる。振動発電装置５０は、振動源の振動に応じて磁石１０を振動させ、磁石１０が振動することによる磁束の変化に基づく電磁誘導によりコイル２０に起電力を発生させることにより発電することができる。環境中の振動源の振動周波数としては、例えば、洗濯乾燥機や電子レンジでは１２０Ｈｚ程度、ノート型パーソナルコンピュータでは７５Ｈｚ程度、自動車のエンジン周辺では２００Ｈｚなどである。なお、振動発電装置５０の詳細は後述する。

整流回路６１は、振動発電装置５０が出力する交番電圧を整流して直流に変換し、変換した直流を昇降圧回路６２へ出力する。

昇降圧回路６２は、整流回路６１が出力する直流を自身が動作するための電源とする。昇降圧回路６２は、整流された直流を所要の電圧の昇圧又は降圧して、制御部６３、センサ部６４及び通信部６５へ出力する。

制御部６３は、マイクロプロセッサ、入出力インタフェース等で構成され、センサ装置２００全体の制御を行う。

センサ部６４は、センサ装置２００の用途に応じて種々のセンサのうちの少なくとも１つを備える。センサとしては、例えば、温度センサ、磁気センサ、光センサ、力・重量センサ、圧力センサ、音・超音波センサ、位置・変位・角度センサ、振動・衝撃・角速度・ジャイロセンサ、流量・流速・レベルセンサ、湿度・ガス・匂いセンサなどを含む。センサ部６４は、制御部６３の制御の下、検出したデータを制御部６３へ出力する。

通信部６５は、無線通信機能を備え、制御部６３の制御の下、センサ部６４で検出したデータを外部装置へ送信する。なお、無線通信は、例えば、近距離無線通信、インタネーット通信、電話回線網通信などを含む。

図２は第１実施形形態の振動発電装置５０の構成の要部の一例を示す斜視図であり、図３は第１実施形形態の振動発電装置５０の構成の要部の一例を示す平面図であり、図４は第１実施形形態の振動発電装置５０の構成の要部の一例を示す側面図である。振動発電装置５０は、矩形状の板体であって板面と平行な磁化方向（図３、図４の矢印で示す方向、なお、ＳとＮが逆であってもよい）を有し、振動可能な磁石１０を備える。

磁石１０は、磁化方向の一縁側１２、一縁側と反対側の他縁側１１、磁化方向と平行な１対の縁側１３、１４を有する。磁石１０の他縁側１１は、支持部としての枠体３０に支持されている。すなわち、磁石１０は、他縁側１１が支持された片持ち梁構造をなす。磁石１０の磁化方向の寸法（磁石１０の長さ）をＭＬで表し、磁石１０の磁化方向と交差する方向の寸法（磁石１０の幅）をＭＷで表す。

磁石１０の磁化方向の一縁側１２には、導体２１を磁化方向に沿って複数巻回したコイル２０を備える。図２〜図４の例では、コイル２０を、磁石１０の板厚方向に沿って３個配置してある。便宜上、３つのコイル２０を、上方から上段コイル２０、中段コイル２０、下段コイル２０と称する。また、上段コイル２０、中段コイル２０、下段コイル２０を纏めてコイル２０とも称する。磁石１０の一縁側１２は、中段コイル２０のほぼ中央に対向配置されている。

コイル２０は、断面が矩形状のコア２２を間にして導体２１を矩形状に巻回してある。コイル２０の磁化方向の寸法（コイル２０の長さ）をＣＬで表し、コイル２０の高さをＣＨ１で表し、上段コイル２０と中段コイル２０との離隔寸法及び中段コイル２０と下段コイル２０との離隔寸法をｈで表す。磁石１０は、中段コイル２０の高さ方向の中央に対応する位置に水平方向に配置されている。また、磁石１０の一縁側１２と中段コイル２０とのギャップをｇで表す。なお、離隔寸法ｈは２ｍｍであり、ギャップｇは１ｍｍであるが、これらの数値に限定されない。

振動発電装置５０を所定の振動源に取り付けることにより、片持ち梁構造の磁石１０を振動（共振振動）させることができる。具体的には、図４に示すように、振動源の振動に応じて磁石１０が振動（共振振動）し、磁石１０の一縁側１２をコイル２０の断面に略平行（図４の符号Ａで示す方向）に変位させることができる。

図５は第１実施形態の磁石１０の構成の一例を示す断面図である。磁石１０は、基体としてのシリコン（Ｓｉ）１０１の表面に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）１０２、タンタル層１０３、薄膜磁石１０４の順序で成膜してある。シリコン１０１、シリコン酸化膜１０２、タンタル層１０３、薄膜磁石１０４のそれぞれ厚みは、例えば、５００μｍ、０．２μｍ、０．０２μｍ、数十μｍ〜数百μｍとすることができるが、これに限定されるものではない。また、基体は、シリコンに代えて、ステンレス、金属又は金属ガラスを用いることもできる。

薄膜磁石１０４は、例えば、物理蒸着法（ＰＶＤ法）により成膜することができる。例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法の一種として、パルスレーザーアブレーション（ＰＬＤ：Pulsed Laser Deposition）を用いることができる。ＰＬＤは、チャンバの中に基体（例えば、シリコン）とターゲット（例えば、ネオジム・鉄・ホウ素の合金：ＮｄＦｅＢ合金）をセットし、チャンバ内を高真空状態にする。その後、レーザ光（例えば、波長：３５５ｎｍ）をターゲットに照射し、イオン、分子、原子として放出させて基体の表面に堆積させることにより成膜する。

ターゲットとしては、ＮｄＦｅＢ合金などの希土類金属でもよく、あるいはＦｅＰｔ合金（白金・鉄の合金）などの貴金属類の金属でもよい。

上述のようにして薄膜磁石を成膜した磁石１０は、飽和磁束密度（Ｍｒ）が、例えば、１．０４Ｔであり、保磁力（Ｈｃ）が４２６ｋＡ／ｍであるようなＭ−Ｈ特性を有する。なお、この数値は一例であって、これに限定されるものではない。ただし、大きな発電電力を実現するには、残留磁束密度Brが０．５Tesla以上、保磁力Ｈｃが２５０ｋＡ／ｍ以上の高い磁気特性を有するＮｄＦｅＢ系もしくはＦｅＰｔ系薄膜磁石を用いることが望ましい。すなわち、本実施の形態の振動発電装置５０は、残留磁束密度Ｂｒが０．５Tesla以上であり、保磁力Ｈｃが２５０ｋＡ／ｍ以上であるＮｄＦｅＢ薄膜磁石又はＦｅＰｔ薄膜磁石を有することにより、従来よりも大きな発電能力を達成することができる。

また、磁石１０は、着磁装置により、図５等に示すように、板面と平行な方向に着磁させる。例えば、他縁側１１がＳ極、一縁側１２がＮ極とすることができる。

磁石１０の具体的な寸法は、例えば、磁石１０の長さＭＬは２０ｍｍ、磁石１０の幅ＭＷは１０ｍｍである。また、磁石１０の膜厚（薄膜磁石の厚み）は１５０μｍである。なお、各数値はこれらに限定されない。なお、焼結磁石は、一般的に厚みが厚く研磨加工などで薄くしてもせいぜい１ｍｍ程度までであり、研磨により酸化劣化が起こり磁気特性も劣化する。本実施の形態によれば、磁石の厚みを薄くすることができる。

図６は第１実施形態のコイル２０の構成の一例を示す正面図であり、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線から見た断面図である。図６に示すように、コイル２０は、導体２１を矩形状に巻回してある。また、図７に示すように、導体２１は、断面が長方形状をなし、長辺の寸法（導体２１の高さ）をｄとし、短辺の寸法（導体２１の幅）をｗとする。また、導体２１間のギャップをｔとする。巻回された導体２１のピッチは、（ｗ＋ｔ）となる。

コイル２０、導体２１の具体的な寸法は、例えば、以下のとおりである。コイル２０の高さＣＨ１は６ｍｍであり、コイル２０の幅ＣＷ１は２０ｍｍ、コイル２０の長さＣＬは１８ｍｍ、導体２１の幅ｗは０．１ｍｍ、導体２１の高さｄは０．５ｍｍである。コイル２０の内径高さＣＨ２は５ｍｍ、コイル２０の内径幅ＣＷ２は１９ｍｍとなる。また、巻回された導体２１のピッチ（ｗ＋ｔ）は０．１２ｍｍとなる。導体２１の巻数は１５０回である。なお、各数値はこれらに限定されない。

次に、第１実施形態の振動発電装置５０の評価結果について説明する。図８は第１実施形態の振動発電装置５０のコイル２０に交差する磁束の変化の一例を示す説明図である。図８において、横軸は時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸は磁束（Ｗｂ）を示す。また、簡便のため、中段コイル２０及び下段コイル２０のデータを示し、上段コイル２０のデータは、下段コイル２０のデータと等価であるので省略している。片持ち梁構造の磁石１０を、周波数９５Ｈｚで振動させ、磁石１０の一縁側１２の最大変位量は±１５ｍｍとした。

図８に示すように、磁石１０の一縁側１２が最大に変位した位置から中段コイル２０の略中央（磁束の単位時間あたりの変化量が最大の点）に近づくにつれて中段コイル２０の磁束変化が大きくなり、変位量が０近傍で磁束変化が最大となっている。また、下段コイル２０の磁束変化は、中段コイル２０の磁束変化より若干遅れて変化していることが分かる。

また、磁石１０の一縁側１２の変位が最大位置に向かうにつれて、下段コイル２０の磁束変化は若干減少するが、磁石１０の一縁側１２の変位が最大位置を超えて０に向かって減少すると、下段コイル２０の磁束変化はピークに向かって増加し、その後減少することが分かる。

図９は第１実施形態の振動発電装置５０のコイル２０に発生する起電力及び発電電力の変化の一例を示す説明図である。上段の図において、横軸は時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸は起電力（ｍＶ）を示す。また、下段の図において、横軸は時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸は電力（μＷ）を示す。磁石１０の一縁側１２が中段コイル２０の略中央（磁束の単位時間あたりの変化量が最大の点）で起電力及び発電電力がピークとなることが分かる。なお、図８及び図９は一例であって、磁束変化、起電力及び発電電力の変化は、これらに限定されるものではない。

図１０は第１実施形態の振動発電装置５０による振動周波数が９５Ｈｚの場合の発電電力の一例を示す説明図である。図１０に示すように、磁石１０の長さＭＬは２０ｍｍ、幅ＭＷは１０ｍｍであり、コイル２０の長さＣＬは１８ｍｍ、幅ＣＷ１は２０ｍｍ、高さＣＨ１は６ｍｍである。また、コイル数は、上段コイル、中段コイル２０及び下段コイル２０の３段構成である。また、磁石１０の一縁側１２の最大変位量は±１５ｍｍ、振動周波数は９５Ｈｚとした。導体２１の巻数と磁石１０の膜厚とは、比較のためいくつかの数値を用いている。

まず、導体２１の巻数が１５０回、磁石１０の膜厚が１５０μｍの場合、発電することができた実効電力は４７３．６μＷ（最大電力：１９５５．５μＷ）であった。このように、振動源の振動により磁石１０が振動すると、磁化方向の一縁側１２に対向配置されたコイル２０（巻回された導体で囲まれる領域）に交差する磁束が変化するので、電磁誘導によりコイル２０に起電力を発生させることができる。そして、パッシブエネルギーを用いて従来よりも大電力の発電を行うことができる。

また、磁石１０は、コイル２０が対向配置される一縁側１２と反対側の他縁側１１を支持した片持ち梁構造をなし、板厚方向に振動可能にしてある。すなわち、磁石１０の他縁側１１は所定の部材３０に支持され、片持ち梁構造をなす。振動発電装置５０を所定の振動源に取り付けることにより、片持ち梁構造の磁石１０を振動（共振振動）させることができる。また、磁石１０の寸法等を適宜設定して固有振動数を振動源の振動数に等しく又は近づけることにより、磁石１０を振動源の振動数で振動（共振振動）させることができる。これにより、振動源の振動数に応じて磁石１０が振動し、磁石１０の一縁側１２をコイル２０の断面に略平行に変位させて、コイル２０に交差する磁束を変化させることができる。

また、導体２１は、断面が長方形状をなし、コイル２０は、導体２１の短辺の方向が磁化方向をなすように導体２１を巻回してある。導体２１の短辺の寸法をｗとし、長辺の寸法をｄとする。導体の抵抗Ｒは、ｗ×ｄに反比例する。導体２１の抵抗Ｒが小さいほど発電電力Ｐを大きくすることができる。導体２１の短辺の方向が磁化方向をなすように導体２１を巻回することにより、例えば、導体２１の断面が円形状又は正方形状の場合と比較して、コイル２０の磁化方向の寸法が同等であっても、導体２１の断面積を大きくすることができ、導体２１の抵抗を小さくすることができるので、結果として大きな電力を発電することができる。

また、図１０に示すように、導体２１の巻数を１５０回とし、磁石１０の膜厚を１５０μｍから１００μｍ、２００μｍに変えた場合、発電することができた実効電力はそれぞれ１８２．５μＷ（最大電力：８５３．０μＷ）、８３４．０μＷ（最大電力：３４７１．１μＷ）であった。このように、磁石１０の膜厚を厚くすることにより、より大きな電力を発電することができる。

また、図１０に示すように、磁石１０の膜厚を１５０μｍとして、導体２１の巻数を１５０回から７５回、３００回、６００回、１０００回に変えた場合、発電することができた実効電力はそれぞれ２７０．３μＷ（最大電力：９８３．１μＷ）、９１５．３μＷ（最大電力：３８６０．９μＷ）、１７８０．０μＷ（最大電力：７６６２２．２μＷ）、２８５３．９μＷ（最大電力：１２２６５．８μＷ）であった。このように、導体２１の巻数を多くすることにより、より大きな電力を発電することができ、５０μＷ程度を遥かに上回るｍＷ程度の発電を実現することができる。

図１１は第１実施形態の振動発電装置５０による振動周波数が９５Ｈｚの場合の発電電力の他の例を示す説明図である。図１１の例では、比較例として、コイル２０の高さＣＨ１、コイル数を変えている。まず、コイルの高さＣＨ１は６ｍｍのまま、コイル数を３から１に変えた場合（すなわち、上段コイル２０及び下段コイル２０を取り外し、中段コイル２０のみとした場合）、発電することができた実効電力は、４７３．６μＷ（最大電力：１９５５．５μＷ）から１４７．１μＷ（最大電力：７４０．８μＷ）となった。

すなわち、コイル２０を、磁石１０の板厚方向に沿って複数（例えば、３個）配置することにより、発電することができる電力を増やすことができる。なお、センサ装置２００の用途によっては、コイル２０が１個でも十分な発電電力が得られる場合には、装置全体を小型化することができる。

次に、コイル数を１個のまま、コイル２０の高さＣＨ１を６ｍｍから１８ｍｍに変えた場合、発電することができた実効電力は、１４７．１μＷ（最大電力：７４０．８μＷ）から４３．８μＷ（最大電力：１４０．９μＷ）となった。これは、コイル２０の断面積が大きくなったため、交差する磁束が減少したものと考えられる。このことから、コイル２０の幅ＣＷ１は、磁石１０の幅ＭＷに比べて余り大きくしすぎない方が好ましいことが分かる。また、コイル２０の高さＣＨ１は、磁石１０の最大変位量に比べて余り大きくしすぎない方が好ましいことが分かる。

また、図１１に示すように、コイル２０の高さＣＨ１を６ｍｍから３ｍｍとし、コイル数を５（５段重ね）とし、コイル２０間の離隔寸法ｈを２ｍｍから１ｍｍとする。この場合、発電することができた実効電力は、４７３．６μＷ（最大電力：１９５５．５μＷ）から８９６．５μＷ（最大電力：３２３４．９μＷ）となった。このことからも、コイル２０を、磁石１０の板厚方向に沿って配置する数を増やすことにより、発電することができる電力を増やすことができる。

図１２は第１実施形態の振動発電装置５０のコイル２０に交差する磁束の変化の他の例を示す説明図である。図１２において、横軸は時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸は磁束（Ｗｂ）を示す。上段コイル２０、中段コイル２０及び下段コイル２０のデータを示している。片持ち梁構造の磁石１０を、周波数１００Ｈｚで振動させ、磁石１０の一縁側１２の最大変位量は±１５ｍｍとした。

図１２に示すように、磁石１０の一縁側１２が最大に変位した位置から中段コイル２０の略中央（磁束の単位時間あたりの変化量が最大の点）に近づくにつれて中段コイル２０の磁束変化が大きくなり、変位量が０近傍で磁束変化が最大となっている。また、下段コイル２０の磁束変化は、中段コイル２０の磁束変化より若干遅れて変化し、上段コイル２０の磁束変化は、中段コイル２０の磁束変化より若干早く変化していることが分かる。

また、磁石１０の一縁側１２の変位が最大位置に向かうにつれて、上段コイル２０又は下段コイル２０の磁束変化は若干減少するが、磁石１０の一縁側１２の変位が最大位置を超えて０に向かって減少すると、上段コイル２０又は下段コイル２０の磁束変化はピークに向かって増加し、その後減少することが分かる。

図１３は第１実施形態の振動発電装置５０のコイル２０に発生する起電力及び発電電力の変化の他の例を示す説明図である。上段の図において、横軸は時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸は起電力（ｍＶ）を示す。また、下段の図において、横軸は時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸は電力（μＷ）を示す。磁石１０の一縁側１２が中段コイル２０の略中央（磁束の単位時間あたりの変化量が最大の点）前後で起電力及び発電電力がピークとなることが分かる。なお、図１２及び図１３は一例であって、磁束変化、起電力及び発電電力の変化は、これらに限定されるものではない。

図１４は第１実施形態の振動発電装置５０による振動周波数が１００Ｈｚの場合の発電電力の一例を示す説明図である。図１４に示すように、磁石１０の長さＭＬが２０ｍｍ、幅ＭＷが１０ｍｍ、コイル２０の長さＣＬが１８ｍｍ、幅ＣＷ１が２０ｍｍ、高さＣＨ１が６ｍｍ、コイル数は、上段コイル、中段コイル２０及び下段コイル２０の３段構成であり、導体２１の巻数が１５０回、磁石１０の膜厚が１５０μｍの場合、発電することができた実効電力は５９３．９μＷであった。

次に、コイル数を１とし、上段コイル２０のみの場合、中段コイル２０のみの場合、及び下段コイル２０の場合に発電することができた実効電力はそれぞれ、７６．０μＷ、１５９．４μＷ、７４．０μＷであった。上段コイル２０のみの場合、中段コイル２０のみの場合、及び下段コイル２０の場合の実効電力の合計は、３０９．４μＷとなり、３段構成の場合の５９３．９μＷよりもかなり少ないことが分かる。逆に言えば、個々のコイル２０を単独で配置するよりも、複数のコイル２０を近接させて複数配置することにより、個々のコイル２０による発電電力の単純な合計よりも大きな発電電力を得ることができる。これは、コイル２０を複数近接させて配置することにより、コイル２０同士はお互いに磁束が干渉しているためと考えられる。

また、図１４に示すように、コイル２０の幅ＣＷ１を２０ｍｍから１０ｍｍに変えた場合、発電することができた実効電力は５９３．９μＷから８２７．８μＷとなった。これは、コイル２０の幅ＣＷ１を磁石１０の幅ＭＷと同程度にすることにより、コイル２０に交差する磁束の減少割合よりも磁束密度の増加割合の方が大きく寄与しているものと考えられる。

すなわち、磁石１０のコイル２０が対向配置された縁側の長さ寸法（磁石１０の幅ＭＷ）は、巻回された導体２１の縁側方向の寸法（コイル２０の幅ＣＷ１、又は内径幅ＣＷ２）と略等しい。ここで、略等しいとは、例えば、磁石１０の幅ＭＷがコイル２０の幅ＣＷ１又は内径幅ＣＷ２のいずれかと等しい場合、幅ＭＷが内径幅ＣＷ２より小さく、その寸法差が、例えば、内径幅ＣＷ２の２０％程度である場合を含む。なお、磁石１０の幅ＭＷがコイル２０の幅ＣＷ１より若干（例えば、幅ＣＷ１の２０％程度）大きくてもよい。これにより、磁石１０の磁束の大部分をコイル２０に交差させるとともに、コイル２０に交差する磁束の磁束密度を大きくすることができるので、大きな電力を発電することができる。

（第２実施形態）
図１５は第２実施形態の振動発電装置５０の構成の要部の第１実施例を示す斜視図である。図１５に示すように、振動発電装置５０は、磁石１０の磁化方向と平行な１対の縁側１３、１４の中途部に磁化方向と交差する方向の軸体１５を備える。磁石１０は、軸体１５を中心にして振動可能（図１５の符号Ｂで示す方向、及び符号Ｃで示す方向に振動可能）にしてある。軸体１５の断面形状は、例えば、三角形にして、軸体１５が捻じれることによる反発力を利用したトーション振動可能にすることができる。

また、図１５の例では、１個のコイル２０（第１実施形態の中段コイル２０に相当）を、磁石１０の一縁側１２に対向配置してある。また、図１５の例において、軸体１５の断面形状である三角形の頂点が上方を向いているが、これに限定されるものではなく、軸体１５の断面形状が逆三角形、すなわち、三角形の頂点が下方を向いているようにしてもよい。

振動発電装置５０を所定の振動源に取り付けることにより、磁石１０を振動させることができる。これにより、振動源の振動数に応じて磁石１０が振動し、磁石１０の一縁側１２をコイル２０の断面に略平行に変位させて、コイル２０に交差する磁束を変化させることができる。

図１６は第２実施形態の振動発電装置５０による発電電力の一例を示す説明図である。図１６に示すように、磁石１０の長さＭＬを１０ｍｍ、幅ＭＷを２０ｍｍとし、コイル２０の長さＣＬを１８ｍｍ、幅ＣＷ１を２０ｍｍ、高さＣＨ１を３ｍｍとする。また、導体２１の巻数を１５０回、磁石１０の膜厚を１５０μｍとする。この場合に、振動周波数を９５Ｈｚとし、磁石１０の変位角（回転角：例えば、符号Ｂの方向を正の回転角、符号Ｃの方向を負の回転角とする）をそれぞれ±２６．６°、±３６．９°、±４５．０°としたとき、発電することができた実効電力はそれぞれ３９．０μＷ（最大電力：８９．６μＷ）、８１．５μＷ（最大電力：２０９．６μＷ）、１１８．９μＷ（最大電力：３３１．３μＷ）であった。このことから、磁石１０の変位角（回転角）が大きくなるようにすれば、より大きな電力を発電することができる。

また、図１６に示すように、振動周波数を９５Ｈｚから３００Ｈｚに変えた場合に、磁石１０の変位角をそれぞれ±２０．０°、±４０．０°としたとき、発電することができた実効電力はそれぞれ１７８．２μＷ（最大電力：３９６．６μＷ）、９５２．９μＷ（最大電力：２４９３．１μＷ）であった。このことから、磁石１０の振動周波数が大きくなると、すなわち振動源の振動周波数が大きいほど、より大きな電力を発電することができる。

また、図１６に示すように、磁石１０の長さＭＬを１０ｍｍから２０ｍｍに変更し、幅ＭＷを２０ｍｍから１０ｍｍに変更した場合、振動周波数を９５Ｈｚとし、磁石１０の変位角をそれぞれ±２６．６°、±３６．９°としたとき、発電することができた実効電力はそれぞれ３６．５μＷ、６１．３μＷであった。このことからも、磁石１０のコイル２０が対向配置された縁側の長さ寸法（磁石１０の幅ＭＷ）は、巻回された導体２１の縁側方向の寸法（コイル２０の幅ＣＷ１、又は内径幅ＣＷ２）と略等しくすることにより、磁石１０の磁束の大部分をコイル２０に交差させるとともに、コイル２０に交差する磁束の磁束密度を大きくすることができるので、大きな電力を発電することができる。

図１５の例において、コイル２０を１個ではなく、例えば、３個、５個、７個の如く磁石１０の板厚方向に沿ってお互いに近接させて配置することもできる。また、図１５の例では、コイル２０を磁石１０の一縁側１２に対向配置してあるが、磁石１０の他縁側１１にもコイル２０を対向配置させることもできる。この場合、磁石１０の一縁側１２及び他縁側１１それぞれをコイル２０の断面に略平行に変位させることができ、より大きな電力を発電することができる。

図１７は第２実施形態の振動発電装置５０の構成の要部の第２実施例を示す斜視図である。図１７に示すように、磁石１０の一縁側１２及び他縁側１１それぞれに沿って棒状の重り１６を設けている。これにより、磁石１０が軸体１５を中心にして振動する際のモーメントを大きくして、より大きな変位角（回転角）を得ることができ、発電電力を増加させることができる。また、図１７の例において、軸体１５の断面形状である三角形の頂点が上方を向いているが、これに限定されるものではなく、軸体１５の断面形状が逆三角形、すなわち、三角形の頂点が下方を向いているようにしてもよい。

（第３実施形態）
図１８は第３実施形態の振動発電装置５０の構成の要部の一例を示す平面図である。図１８に示すように、磁石１０の一縁側１２及び他縁側１１それぞれに弾性部材３１を設けてあり、各弾性部材３１は、枠体３０に支持されている。磁石１０は、両持ち梁構造をなす。つまり、磁石１０の一縁側１２及び他縁側１１それぞれと支持部３０との間は、例えば、バネ定数が比較的小さい弾性部材３１で接続する。そして、磁石１０は、一縁側１２及び他縁側１１それぞれが弾性部材３１を介して枠体３０に支持された両持ち梁構造をなし、磁化方向に垂直に振動可能にしてある。

これにより、磁石１０を磁化方向に垂直に振動可能にすることができる。振動発電装置５０を所定の振動源に取り付けることにより、磁石１０を振動させることができる。これにより、振動源の振動数に応じて磁石１０が振動し、磁石１０の一縁側１２及び他縁側１１それぞれをコイル２０の断面に略平行に変位させて、コイル２０に交差する磁束を変化させることができる。

上述の各実施の形態によれば、センサ装置２００などの電子機器は、振動発電装置５０を備えるので、電子機器自身がパッシブエネルギーを用いて従来よりも大電力の発電を行うことができる発電機構を具備することができる。すなわち、センサ装置２００自身が発電機構を有するので、電池の交換や充電を行う必要がなく、センサネットワークの大幅な拡大に寄与することができる。また、電池交換が不要となれば、廃棄物の大幅な削減となることから、環境負荷の大幅な低減にも寄与することができる。

また、上述の各実施の形態によれば、振動発電装置５０は、従来の発電能力（例えば、５０μＷ程度）を遥かに上回る電力（例えば、約４倍以上の２５０μＷ以上の電力）を発電することができる。すなわち、本実施の形態の振動発電装置５０は、磁石の寸法、コイルの寸法、コイル数、コイルの巻数、磁石の膜厚などを適宜設定することにより、実効電力が２００μＷ以上の発電能力を達成することが可能となる。また、本実施の形態の振動発電装置５０は、凡その外形寸法が、例えば、１５ｍｍ×３５ｍｍ×１０ｍｍ程度の大きさにすることができ、小型化を実現することができる。なお、振動発電装置５０の用途に応じて、大きな電力を発電する必要がある場合には、コイル２０の数を適宜増やせばよい。また、振動源の振動周波数と共振して磁石１０が振動するように、磁石２０の形状や支持の構成を適宜変更して振動発電装置５０（磁石１０）の固有振動数が振動源の振動周波数に近づくようにすればよい。

なお、前述の実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせることができる。

１０ 磁石
１１ 他縁側
１２ 一縁側
１３、１４ 縁側
１５ 軸体
１６ 重り
２０ コイル
２１ 導体
３０ 枠体
３１ 弾性部材
５０ 振動発電装置
６１ 整流回路
６２ 昇降圧回路
６３ 制御部
６４ センサ部
６５ 通信部
１０１ シリコン
１０２ シリコン酸化膜
１０３ タンタル層
１０４ 薄膜磁石
２００ センサ装置

Claims (10)

1. 矩形状の板体であって板面と平行な磁化方向を有し、振動可能な磁石と、
   該磁石の前記磁化方向の一縁側に対向配置され、断面が矩形状のコアの外周に導体を前記磁化方向と平行な方向に沿って並べて複数巻回したコイルと
   を備え、
   前記導体は、断面が長方形状をなし、
   前記導体の短辺側の表面を前記コアの外周に対向してあり、
   電磁誘導により前記コイルに起電力を発生させることを特徴とする振動発電装置。
2. 前記磁石の前記一縁側と反対側の他縁側を支持する支持部を備え、
   前記磁石は、
   片持ち梁構造をなすことを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
3. 前記磁石の前記磁化方向と平行な１対の縁側の中途部に前記磁化方向と交差する方向の軸体を備え、
   前記磁石は、
   前記軸体を中心にして振動可能にしてあることを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
4. 前記磁石の前記一縁側及び該一縁側と反対側の他縁側それぞれに設けられた弾性部材と、
   各弾性部材を支持する支持部と
   を備え、
   前記磁石は、
   両持ち梁構造をなすことを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
5. 前記磁石の前記一縁側と反対側の他縁側に前記コイルをさらに対向配置してあることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の振動発電装置。
6. 前記コイルを、板厚方向に沿って複数配置してあることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の振動発電装置。
7. 前記コイルは、前記導体を矩形状に巻回してあり、
   前記磁石の前記コイルが対向配置された縁側の長さ寸法は、巻回された導体の該縁側方向の寸法と略等しいことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動発電装置。
8. 前記磁石は、
   基体と、
   該基体の表面に物理蒸着法により成膜した薄膜磁石と
   を有することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の振動発電装置。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の振動発電装置を備えることを特徴とする電子機器。
10. 矩形状の板体であって板面と平行な磁化方向を有し、振動可能な磁石を振動させるステップと、
    該磁石の前記磁化方向の一縁側に対向配置され、断面が矩形状のコアの外周に導体を前記磁化方向と平行な方向に沿って並べて複数巻回したコイルであって、前記導体は、断面が長方形状をなし、前記導体の短辺側の表面を前記コアの外周に対向させた前記コイルに電磁誘導により起電力を発生させるステップと
    を含むことを特徴とする振動発電方法。

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