JP6149593B2 - 振動発電機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、移動体等に搭載された各種センサ等に電力を供給する振動発電機に関し、詳しくは、外部振動を受けて、振動子としての磁石がコイル内を往復移動することで発電を行う振動発電機に関する。

自動車や鉄道車両等の各種移動体には多くのセンサが搭載されている。特に自動車は、近年、安全性やエネルギー問題に対応するために、百種類にも及ぶセンサを有するものも生産されるようになっている。
例えば、タイヤの空気圧を常時モニタリングするＴＰＭＳ（タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム）を搭載したものでは、センサをタイヤやホイールの内部に設置し、受信装置を車体側に設置しておき、センサで検知した情報が受信装置を介して車載ＬＡＮに送信され、その情報に基づいて、タイヤの空気圧が規定範囲外になったと判断したときにはアラームを発生するようにしている。

上記システムに用いられるセンサは、タイヤ外部からの電力供給が困難であるため、駆動に必要な電力を供給する電池を用いている。しかしこの場合には、しばしば電池の点検や交換を行う必要がある。
そこで、タイヤ内等に設置されるセンサの電力供給源として、電池の替りに、振動発電機、特に耐久性に優れた電磁誘導型の振動発電機（下記特許文献１、２等を参照）を用いることが考えられる。

特開２０１３−６２９８４号公報 特許第４６４９６６８号公報

しかしながら、移動体、例えば自動車にセンサを搭載する場合には、その振動発電機に加わる振動の方向は必ずしも一定ではなく、多方向の振動成分が含まれる。例えば、高速道路等を走行している時には、路面の状態や加減速の状況に応じて、上下方向あるいは前後方向の振動が主であるように考えられるが、カーブを曲がるような場合には車体の左右方向への力（振動）も加わることになる。また、タイヤがスリップをするような場合にも、そのすべりに応じた方向の力（振動）が加わることになる。

前述したような従来技術によっては、振動発電機に加わる種々の方向の振動のうち１方向の振動のみしか発電に寄与させておらず、その他の方向の振動を利用した有効な発電を行うことができなかった。
さらに、振動発電機の分野においても、コンパクト化や低コスト化を達成し得る部品点数の削減が要求されていた。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、振動発電機に加わる１方向の振動のみならず、多方向の振動を効率よく発電に寄与させるとともに装置の部品点数を削減し得る振動発電機を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の振動発電機は、
磁石からなる振動子と、
前記振動子の外周に配されたコイルと、
外部からの振動を受けて、前記コイル内を前記振動子が移動する際に、これらコイルと振動子との干渉を防止する干渉防止部材と、
前記振動子の移動方向両端部の一方側に配された、該振動子を他方側に付勢する弾性部材と、からなる振動発電ユニットを２つ以上備え、
前記２つ以上の振動発電ユニットにおける前記振動子の移動軸が、前記振動子の移動方向両端部の他方側に位置する所定部において、互いに所定角度で交差するように、かつ該２つ以上の振動発電ユニットにおける前記振動子の各々の前記他方側の端部が、互いに同一の極性を有するように設定され、
前記振動子各々の前記他方側の端部において生じる、同一の極性同士による反発力と、前記２つ以上の振動発電ユニットにおける各弾性部材のバネ常数とが、前記振動を受けたときに、前記振動子が前記コイル内を往復移動し得るように、互いにバランスのとれた状態に設定され、該往復移動により各々の前記振動発電ユニットで発電がなされ、各々の発電に係る電力が合成されるように構成されていることを特徴とするものである。
なお、上記コイルと振動子との干渉とは、これら部材間の円滑な摺動を阻止することをいうものとする。
また、本願における「バネ常数」とは、いわゆるバネに係る狭義の意味に限られるものではなく、「バネ」と同様の弾性機能を有する弾性体にも広く用いられるものとする。

また、前記振動子は、複数個の単位磁石を前記振動子の移動方向に互いに近接、または当接するように、かつ各々の該単位磁石が同一極を互いに対向させるようにして配されてなり、
前記コイルは、複数個の単位コイルを前記振動子の移動方向に互いに近接するように、かつ隣接する該コイル同士が、互いに逆方向の巻き方となるように構成されてなることが好ましい。

また、前記干渉防止部材が、非磁性材料よりなる両端に鍔部を有する中空のボビンからなり、該ボビンに、前記コイルが巻回されてなることが好ましい。
また、前記２つ以上の振動発電ユニットの数が２または３であり、前記振動子の移動軸が、互いに直交する角度で交差するように構成されていることが好ましい。

また、前記ボビンは、前記他方側の先端が閉じた状態とすることが可能であるし、前記他方側の先端が開放された状態とすることも可能である。
また、前記ボビンの各々が、前記振動子の移動軸が交差する位置において、多軸コネクタにより互いに接続されていることが好ましい。

また、前記ボビンの各々が、前記振動子の移動軸が交差する位置において、一体的に結合されていることも好ましい。
また、前記振動発電ユニットに隣接する空間に、該振動発電ユニットにおいて発生した交流電力を回収し、整流して直流電力に変換する回路手段を搭載した基板を配設することが好ましい。

また、前記２つ以上の振動発電ユニットの数が２で、互いに同一形状である場合に、前記振動発電ユニットの各々が縦、横の各１辺の内側に沿う大きさの正方形を仮想し、この正方形と所定の高さによって直方体を仮想したとき、この直方体内の前記振動発電ユニットが配されていない空きスペースに、前記回路手段を搭載した基板を収容するように配置することが好ましい。

また、前記２つ以上の振動発電ユニットの数が３で、互いに同一形状である場合に、前記振動発電ユニットの各々が縦、横、高さの各１辺の内側に沿う大きさの立方体を仮想したとき、この立方体内の前記振動発電ユニットが配されていない空きスペースに、前記回路手段を搭載した基板を収容するように配置することが好ましい。
さらに、前記振動発電ユニットおよび前記基板を配置した、仮想の前記直方体または仮想の前記立方体の全体が収まる大きさのケースの外側または隙間を防水部材により被覆することを特徴とすることが好ましい。

本発明の振動発電機によれば、複数の方向に係る各振動を各々検出し、検出した各振動に応じて各々発電するようにし、これらの各発電に係る電力を合成するようにしているので、種々の方向の振動を効率良く電力に変換することができる。

また、本発明の振動発電機によれば、永久磁石等からなる振動子は、移動方向両端部の一方側においては弾性体により懸架されているが、その他方側においては、弾性体等の特別な懸架手段は設けられておらず、各振動子の移動軸が交差する側において生じる、振動子の同一の極性同士による反発力（相互作用）をもって各振動子を懸架する機能を持たせている。
これにより、振動子の移動軸の交差部側に配されていた弾性体が不要となり、部品点数の削減を図ることができる

本発明の第１の実施形態に係る振動発電機の外部構造（Ａ）および内部構造（Ｂ）を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る振動発電機において、振動が加わった際の装置全体（以下、筐体と称する）の変位、この振動に基づきＸ軸上を振動する振動子（Ｘ軸方向振動発電ユニット）の変位、およびこの振動に基づきＹ軸上を振動する振動子（Ｙ軸方向振動発電ユニット）の変位、を示すグラフ、ならびに各々の場合における筐体の振動方向を示す図である（（Ａ）は筐体の振動方向がＸ軸方向の場合、（Ｂ）は筐体の振動方向がＸ軸方向およびＹ軸方向から各々回転して矢印ＡＢの方向に振動している場合、（Ｃ）は筐体の振動方向がＸ軸方向およびＹ軸方向から各々回転して矢印ＡＢの方向に振動している場合、を示すグラフである）。 本発明の第１の実施形態に係る振動発電機において、各振動発電ユニットにおいて発電された電力を合成する回路を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る振動発電機をケース内に収めた状態を示す概略図（Ａ）、本発明の第１の実施形態に係る振動発電機のボビンを示す概略図（Ｂ）、本発明の第１の実施形態に係る振動発電機の振動子を示す概略図（Ｃ）である。 本発明の第２の実施形態に係る振動発電機の外部構造（Ａ）および内部構造（Ｂ）を示す模式図である。 従来技術に係る振動発電機の内部構造を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態に係る振動発電機について、図面を用いて説明する。
＜第１の実施形態＞
まず、本発明の第１の実施形態に係る振動発電機１について、図１を用いて説明する。なお、図１（Ａ）は振動発電ユニット１１、２１の外部構造を、図１（Ｂ）は振動発電ユニット１１、２１の内部構造を各々示すものである。

この第１の実施形態に係る振動発電機１は、直交する２軸方向各々の振動を利用して発電を行うものであり、Ｘ軸方向の振動を利用して発電を行うＸ軸方向振動発電ユニット１１と、Ｙ軸方向の振動を利用して発電を行うＹ軸方向振動発電ユニット２１と、を互いに直交する状態に構成したものである。
これら２つの振動発電ユニット１１、２１は互いに同じ構造を有しているので、一方の振動発電ユニット１１を代表例として、各振動発電ユニット１１、２１単体の説明を行う。

各振動発電ユニット１１、２１は、棒状の形状をなす複数の永久磁石１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ（以下、永久磁石１４ａ等、と称することがある）からなる振動子１４、２４と、この振動子１４、２４の外周に各々複数個配されたソレノイドコイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ（以下、ソレノイドコイル１２ａ等、と称することがある）と、コイル１２ａ等内を振動子１４、２４が移動する際に、これらコイル１２ａ等と振動子１４、２４との干渉（本明細書では、円滑な摺動を阻止することをいう）を防止するとともに、ソレノイドコイル１２ａ等を巻回するための芯材として機能するボビン１３、２３と、このボビン１３、２３の一方側に配され、振動子１４、２４を他方側に付勢する圧縮バネ１６，２６とからなる。

上記振動子１４、２４は、検出し得る振動に応じて軸方向にボビン１３、２３内を摺動可能に移動するものであり、複数個の永久磁石（例えば、ネオジウム磁石）を、同じ極性端部を対向させるようにして、一体に接合して形成される（図１（Ｂ）の例ではＳ極同士を対向させている）。

なお、上記振動子１４、２４として、複数個の永久磁石１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂを備えるようにしているのは、発電効率を高めるためである。

また、ボビン１３、２３の内壁面と振動子１４、２４が、相対的に移動する際に、これらボビン１３、２３の内壁面と振動子１４、２４との接触箇所や衝突回数が増えると、振動子１４、２４の振動が大幅に減衰する原因となるため、振動子１４、２４を中空パイプ内に保持収容し、ボビン１３、２３、および、この中空パイプのうち、少なくとも一方または双方を、ポリプロピレンやポリアセタールなどからなる摩擦係数が低い材料により形成することが望ましい。このような材料を用いることで、ボビン１３、２３の内壁面と振動子１４、２４の相対移動時に、互いの摩擦を大幅に低減させることができる。

また、上記ソレノイドコイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、各ボビン１３、２３に３つづつ巻回されるとともに、各ボビン１３、２３において、これら３つのソレノイドコイル１２ａ等が、交互に逆極性となるように設定されている。すなわち、各ソレノイドコイル１２ａ等の巻回方向は、隣り合うソレノイドコイル毎に互いに逆向きの正・逆・正方向となるように設定されている。

また、ボビン１３、２３の両端部には、振動子１４、２４の飛び出しを防止するため、樹脂等で形成された端部材が嵌挿され、この端部材を嵌挿することによって、ボビン１３、２３の両端部が閉じられる。そうすると、各振動発電ユニット１１、２１では、対応する方向の振動が生じた場合に、振動子１４、２４がソレノイドコイル１２ａ等の内側でその巻回軸方向に往復移動することになるので、ソレノイドコイル１２ａ等において電圧が誘起され、起電力が生じることになる。

そして、各ソレノイドコイル１２ａ等で発生した各起電力を、後述するように、電圧の位相を互いに合わせて、合成することにより、振動発電ユニット１１、２１から出力される電圧を増大させることができる。

ところで、従来の振動発電機においては、種々の方向の振動のうち１方向の振動のみしか発電に寄与させておらず、その他の方向の振動を発電に利用することができなかった。そこで、本実施形態の振動発電機においては、１方向の振動のみならず、他の方向の振動をも発電に寄与させ、より発電効率に優れた振動発電機としている（なお、２方向の振動を検出する振動発電機として知られているものはあるが、本発明とは機能が全く異なるものである（特開2012-165561号を参照）。

すなわち、実施形態の説明の冒頭で説明したように、本実施形態の振動発電機においては、Ｘ軸方向の振動を利用して発電を行うＸ軸方向ユニット１１と、Ｙ軸方向の振動を利用して発電を行うＹ軸方向振動発電ユニット２１と、を互いに直交する状態に配設している。

２つの振動発電ユニット１１、２１の振動子１４、２４の各移動軸は、振動子１４、２４の移動方向両端部の他方側における、所定位置Ｐ１において、互いに９０度で交差するように、かつ各振動発電ユニット１１、２１における振動子１４、２４が所定位置Ｐ１側に同一極性端部を向けるように構成することにより、各振動子１４、２４に、互いに相手を遠ざけようとする反発力が生じ、これにより、振動発電ユニット１１、２１の所定位置Ｐ１側に、圧縮バネを設けたものと同様の効果が得られる。

また、各振動子１４、２４の所定位置Ｐ１側において生じる、同一の極性同士による反発力は、２つの振動発電ユニット１１、２１における各圧縮バネ１６、２６のバネ常数との間で、振動の影響を受けたときに、振動子１４、２４が各ソレノイドコイル１２ａ等の中を往復移動し得るように、互いにバランスのとれた状態に設定されている。
すなわち、上記反発力と上記バネ常数を調整することにより、外部振動に応じた振動子１４、２４の往復移動を継続して行うことができる。

すなわち、前述した従来技術等の振動発電機２１１によれば、図６に示すように、各ソレノイドコイル２１２ａ、２１２b、２１２cが巻回されたボビン２１３内の振動子２１４が、移動方向両端部のいずれにおいても圧縮バネ２１６ａ、２１６ｂによって懸架される。

これに対し、本実施形態（本発明）の振動発電機１においては、ボビン１３、２３内の振動子１４、２４が移動方向両端部の一方側においては圧縮バネ１６、２６によって懸架されているが、その他方側においては、圧縮バネ等の特別な懸架手段は設けられておらず、各振動子１４、２４の所定位置Ｐ１側において生じる、同一の極性同士による反発力（相互作用）をもって各振動子１４、２４を懸架する機能を付与している。

これにより、従来に比べて、振動子１４、２４の所定位置Ｐ１側に配されていた圧縮バネ１６、２６が不要となり、部品点数の削減を図ることができるとともに、各々の振動発電ユニット１１、２１で発電がなされ、これを合成することにより、従来よりも効率の良い振動発電機１を構成することができる。

また、本実施形態の振動発電機においては、上記反発力と、振動発電ユニット１１、２１における圧縮バネ１６、２６のバネ常数とを、バランスの取れた状態に設定して、振動発電ユニット１１、２１の各々において、丁度、ソレノイドコイル１２ａ等の領域の中点部を基準位置として振動子１４、２４の往復移動がなされるように構成している。

また、上記各振動子１４、２４の動きは、装置筐体に対する振動が、Ｘ軸およびＹ軸に対して、どの程度回転した方向の振動であるかによって相異する。
例えば、一方の振動発電ユニット（ここでは、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１とする）のみにおいて振動が検出されるような方向の振動である場合には、まずＸ軸方向振動発電ユニット１１の振動子１４が、この巻回軸方向（ここではＸ軸方向とする）に往復移動することになるが、このＸ軸方向振動発電ユニット１１の振動子１４とＹ軸方向振動発電ユニット２１の振動子２４とは、双方ともに所定位置Ｐ１側に同一極性端部を向けた状態となっているので、互いに反発する状態となる。このためＸ軸方向振動発電ユニット１１の振動子１４が所定位置Ｐ１に近づくと、Ｙ軸方向振動発電ユニット２１の振動子２４は、所定位置Ｐ１から遠ざかるようにＹ軸上を移動する。

この後、振動子２４は、ソレノイドコイル２２ａ、２２ｂ、２２ｃ内を通過してさらに進む。すると、圧縮バネ２６が徐々に圧縮されて所定位置Ｐ１方向への付勢力が高まり、振動子２４の進行方向が反転し、所定位置Ｐ１方向に向かってＹ軸上を進むことになり、再びソレノイドコイル２２ｃ、２２ｂ、２２ａ内を通過して所定位置Ｐ１に近接した位置に到達する。このとき、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１の振動子１４が所定位置Ｐ１に近づくように往復移動していれば、Ｙ軸方向振動発電ユニット２１の振動子２４は、上記Ｙ軸方向の往復移動を再度繰り返すことになる。

このように、本実施形態の振動発電機によれば、Ｙ軸方向の振動が０もしくは微小であったとしても、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１の振動子１４の往復移動との相互作用に基づいて、Ｙ軸方向振動発電ユニット２１の振動子２４の往復移動が行われ、Ｙ軸方向振動発電ユニット２１からの起電力が発生することになる。

図２（Ａ）は、このように、Ｘ軸方向の振動が装置筐体に生じている場合に、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１とＹ軸方向振動発電ユニット２１の相互作用に基づいて、Ｙ軸方向振動発電ユニット２１の振動子２４の往復移動が行われる様子を示すものである。

また、図２（Ａ）のグラフは、振動が加わった際の装置全体（以下、装置筐体と称する）の変位、この振動に基づきＸ軸上を振動するＸ軸方向振動発電ユニット１１の振動子１４の変位、およびこの振動に基づきＹ軸上を振動するＹ軸方向振動発電ユニット２１の振動子２４の変位、の位相関係を示すものである。なお、横軸は時間（任意単位）を示し、縦軸は変位（任意単位）を示す。

このグラフによれば、装置筐体の振動方向がＸ軸方向である場合に、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１の振動子２４の変位波形（四角■ドット線）は、装置筐体の振動波形（実践）とは丁度、逆位相となる。また、この場合に、Ｙ軸方向振動発電ユニット２１の振動子２４の変位波形（三角▲ドット線）は、装置筐体の振動波形（実線）よりも、若干遅れた位相となる。いずれにしても、Ｘ軸方向の筐体振動により、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１の振動子１４の他、Ｙ軸方向振動発電ユニット２１の振動子２４も往復移動して、発電を行うことが明らかである。

同様に、図２（Ｂ）は、装置筐体の振動方向がＸ軸およびＹ軸から各々所定角度回転している方向である場合について示すものである。
この図２（Ｂ）のグラフによれば、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１の振動子１４、の変位波形（四角■ドット線）、およびＹ軸方向振動発電ユニット２１の振動子２４の変位波形（三角▲ドット線（四角■ドット線と重なって示される））は、いずれも装置筐体の振動波形（実線）とは丁度、逆位相となる。このようにＸ軸から時計回りに４５度回転し、Ｙ軸から時計回りに−４５度回転した方向の筐体振動により、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１の振動子１４および、Ｙ軸方向振動発電ユニット２１の振動子２４のいずれもが往復移動して、互いに影響を及ぼしつつ、発電を行うことが明らかである。

同様に、図２（Ｃ）は、装置筐体の振動方向がＸ軸およびＹ軸から各々所定角度回転している場合について示すものである。
この図２（Ｃ）のグラフによれば、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１の振動子１４の変位波形（四角■ドット線）は、装置筐体の振動波形（実線）とは丁度、逆位相となり、他方、Ｙ軸方向振動発電ユニット２１の振動子２４の変位波形（三角▲ドット線）は、装置筐体の振動波形（実線）とは丁度、同位相となる。

このようにＸ軸から時計回りに−４５度回転し、Ｙ軸から時計回りに４５度回転した方向の筐体振動により、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１の振動子１４および、Ｙ軸方向振動発電ユニット２１の振動子２４のいずれもが往復移動して、互いに影響を及ぼしつつ、発電を行うことが明らかである。

なお、図２（Ａ）に示すように、一方の軸（Ｘ軸たはＹ軸）方向のみの筐体振動においては、見かけ上、２つの振動発電ユニット１１、２１によって発電しているが、一方の振動エネルギーの一部を他方の振動エネルギーとして分割したものであるため、合計発電量が増加するものではない。

しかし、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、Ｘ軸およびＹ軸から所定角度だけ回転した方向の振動に対しては、該振動のＸ軸方向成分とＹ軸方向成分に分解され、各々の成分が対応する振動発電ユニット１１、２１において検出され、前述したようにして発電することができるので、各々の振動発電ユニット１１、２１において発電された電力を合計した総電力量は、一方向の振動のみを検出していた従来の振動発電機の場合よりも、振動を効率的に電力に変換することができる。
特に、複数方向の振動を同時に発電に寄与させようとする場合には有効である。

次に図３に示すブロック図により、振動発電機１の内部回路の概略構成を説明する。
この図３に示すように、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１の各ソレノイドコイル１２ａ、１２ｂ、１２ｃは直列に接続されており、各々において発生した交流電力は、順次交流電力入力部１７に入力される。
また、Ｙ軸方向振動発電ユニット２１の各ソレノイドコイル２２ａ、２２ｂ、２２ｃも、直列に接続されており、各々において発生した電力を交流電力は、順次交流電力入力部２７に入力される。

この後、各交流電力入力部１７、２７に入力された交流電力は各々整流回路１８、２８において直流電力に変換され、直流電力出力部１９、２９から出力される。このとき、直流電力出力部１９、２９は互いに並列に接続されているので、その電圧が互いに合成されて、負荷４に供給されることになる。
なお、上記交流電力入力部１７、２７からの交流電力は、互いに干渉することを防ぐために、整流部１７、２７中の半導体素子で整流した後に合成する必要がある。

また、発電電力量を増大させるためには、各振動発電ユニット１１、２１のソレノイドコイル２２ａ等の数を増加させる方法が考えられるが、コイル数に比例してコイルの直流抵抗が増大し、電圧降下が大きくなるため、コイル数をあまり増加させ過ぎると、効率よく電力を得ることができない。そこで、このような観点から、効率の良いコイル数を適宜決定することが肝要である。また、振動子１４、２４を構成する永久磁石１４ａ等の数についても、効率よく発電電力を得ることができる、との観点からその数を適宜決定することが肝要である。

次に、図４（Ａ）は、本実施形態に係る振動発電機１を箱型のケース内に効率よく収容した状態を示すものである。
図４（Ａ）においては、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１およびＹ軸方向振動発電ユニット２１が互いに同一形状をなすように構成されている。これら振動発電ユニット１１、２１を、双方の一端部（またはその延長線上）において互いに直角に交差するようにし、この状態でこれら振動発電ユニット１１、２１の側部外形線が、縦、横各一辺に沿うように、かつこれら振動発電ユニット１１、２１が内包される仮想正方形を想定し、この仮想正方形と所定の高さによって仮想直方体を想定したとき、この仮想直方体の振動発電ユニット１１、２１が配されていない空きスペースに、回路手段４１を搭載した基板を収容したものである。

すなわち、上記仮想直方体に応じた大きさのケース５１に、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１、Ｙ軸方向振動発電ユニット２１、および回路素子を搭載した基板４１（スルーホール４１ａが図示されている）を収容する。各ボビン１３、２３は、図４（Ｂ）に示すように、外表面が中鍔によって、３つのコイル巻回部に分けられ、それぞれの巻回部に３つのソレノイドコイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃ、１２ａ，１２ｂ，１２ｃが互いに近接するようにして巻回されている。なお、各々３つのソレノイドコイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃ、１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、順次直列に接続されているが、巻回方向は、上述したように正、逆、正となるように構成されている。
また、各ボビン１３、２３内の中空部分には、図４（Ｃ）に示すように、永久磁石１４ａ、２４ａと永久磁石１４ｂ、２４ｂとを同一極が対向するように接着してなる振動子１４、２４が、各ボビン１３、２３に対して移動可能に挿入されている。

このように、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１およびＹ軸方向振動発電ユニット２１が、ケース５１の縦方向および横方向の一辺に沿うようにして収納されており、ケース５１内の正方形状の空きスペースに基板４１が丁度、収容されるようになっている。このケースの高さは、少なくとも、各振動発電ユニット１１、２１の高さ、および基板４１の高さ（搭載している素子の高さを含む）のうち、高い方の高さ以上とする。

本実施形態の振動発電機１によれば、２つの振動発電ユニット１１、２１および基板４１をケース５１内にコンパクトに収容することができるので、装置全体をコンパクト化することができる。

また、上記ケース５１等に各部材を収容した後、防水性のある樹脂によって外面を被覆し、隙間を埋めるようにすれば、振動発電機１全体として防水が必要な場合（例えば、TPMSへの電力供給用としてホイール回りに設置するような場合）に有効である。このような樹脂としては、例えばシリコーン・シーラントを使用することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る振動発電機１０１について、図５を用いて説明する。なお、図５（Ａ）は振動発電ユニット１１１、１２１、１３１の外部構造を、図５（Ｂ）は振動発電ユニット１１１、１２１、１３１の内部構造を各々示すものである。

この第２の実施形態に係る振動発電機１０１は、直交する３軸方向各々の振動を利用して発電を行うものであり、Ｘ軸方向の振動を利用して発電を行うＸ軸方向振動発電ユニット１１１、Ｙ軸方向の振動を利用して発電を行うＹ軸方向振動発電ユニット１２１、およびＺ軸方向の振動を利用して発電を行うＺ軸方向振動発電ユニット１３１を互いに直交する状態に配設して構成したものである。

これら３つの振動発電ユニット１１１、１２１、１３１は互いに同じ構成を有しており、上述した第１の実施形態における振動発電ユニット１１、２１の構成と同様であるので、各振動発電ユニット１１１、１２１、１３１の詳細な説明は省略する。この場合において、第１の実施形態の部材と同様の機能を有する部材については、第１の実施形態の部材の符号に１００を加えた符号を付す。

３つの振動発電ユニット１１１、１２１、１３１の振動子１１４、１２４、１３４の移動軸は、振動子１１４、１２４、１３４の移動方向両端部の他方側における、所定位置Ｐ２において、互いに９０度で交差するように、かつ各振動発電ユニット１１１、１２１、１３１における振動子１１４、１２４、１３４が所定位置Ｐ２側に同一極性端部を向けるように構成することにより、各振動子１１４、１２４、１３４に互いに相手を遠ざけようとする反発力が生じ、これにより、振動発電ユニット１１１、１２１、１３１の所定位置Ｐ２側に、圧縮バネを設けたものと同様の効果が得られる。すなわち、振動発電ユニット１１１、１２１、１３１の所定位置Ｐ２側の圧縮バネを削減でき、装置のコンパクト化および低コスト化に寄与することができる。

第２の実施形態に係る振動発電機１０１は、上記第１の実施形態に係る振動発電機１と基本的な発想は同じであるが、２次元ではなく３次元の振動を利用する点において相違する。
すなわち、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１１およびＹ軸方向振動発電ユニット１２１のみならず、Ｚ軸方向振動発電ユニット１３１を用い、Ｚ軸方向の振動をも利用して発電を行う点において、第１の実施形態のものよりも、さらに発電効率に優れた振動発電機を得ることができる。

また、振動発電機１０１の内部回路の構成は、基本的には図３に示すブロック図と同様であるが、Ｚ軸方向振動発電ユニット１３１が加わっているため、Ｚ軸方向振動発電ユニット１３１により発電された電力も合成される。すなわち、各ソレノイドコイル１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃは直列に接続されており、各々において発生した交流電力は他の振動発電ユニット１１１、１２１と同様に、交流電力入力部に入力され、各々整流回路において直流電力に変換され、直流電力出力部から出力される。このとき、この直流電力出力部は、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１１およびＹ軸方向振動発電ユニット１２１の直流電力出力部１９、２９と互いに並列に接続されているので、その出力電圧が互いに合成されて、負荷に供給されることになる。

また、第２の実施形態に係る振動発電機１０１においては、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１１、Ｙ軸方向振動発電ユニット１２１およびＺ軸方向振動発電ユニット１３１が、その機能的構成のみならず互いに同一形状をなすように構成されている。これら振動発電ユニット１１１、１２１、１３１を、各々の一端部（またはその延長線上）において互いに直角に交差するようにし、この状態でこれら振動発電ユニット１１１、１２１、１３１の側部外形線が、縦、横、高さの、各一辺に沿うように、かつこれら各振動発電ユニット１１１、１２１、１３１が内包されるような仮想立方体を想定したとき、この仮想立方体の空きスペースに、振動発電ユニット１１１、１２１、１３１が配されていない回路手段を搭載した基板を収容したものである。
第２の実施形態においては、第１の実施形態について示す図４（Ａ）に対応する図面は設けられていないが、この図４（Ａ）を参照すると、２つのボビン１３、２３の接続部において、紙面奥行き方向に延びるようにＺ軸方向振動発電ユニット１３１が配設される点で、第１の実施形態のものとは相違する。

すなわち、上記仮想立方体に応じたケース（５１）により、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１１、Ｙ軸方向振動発電ユニット１２１およびＺ軸方向振動発電ユニット１３１、さらには回路素子を搭載した基板（４１）を収容する。

このように、Ｘ軸方向振動発電ユニット１１１およびＹ軸方向振動発電ユニット１２１およびＺ軸方向振動発電ユニット１３１を、ケース（５１）の縦方向、横方向および高さ方向の一辺に沿うようにして収納し、基板（４１）をケース（５１）内の正方形状の空きスペースに丁度、収容するようになっている。

本実施形態の振動発電機１０１によれば、３つの振動発電ユニット１１１、１２１、１３１および基板（４１）をケース（５１）内にコンパクトに収容することができるので、装置全体をコンパクト化することができる。

また、上記ケース（５１）等に各部材を収容した後、防水性のある樹脂によって外側を被覆し、隙間を埋めるようにすれば、振動発電機１０１全体として防水効果を奏することができる。

＜変型例＞
上記実施形態の振動発電機によれば、２つまたは３つの振動発電ユニットの各振動子の移動軸が互いに９０度で交差する所定位置Ｐ１、Ｐ２が設けられているが、本発明の振動発電機においては、これに限られるものではない。
例えば、上記交差する所定位置は１点とせずともよく、発明の効果を奏することができる範囲であれば、各移動軸が所定の領域内を通過するように構成してもよく、各移動軸が互いにねじれの位置となるような場合も許容される。

また、上記実施形態の振動発電機によれば、２つまたは３つの振動発電ユニットを用いているが、４つ以上の振動発電ユニットを用いることも可能である。
さらに、各振動子の移動軸が、互いに９０度で交差する場合のみならず、それ以外の角度（例えば６０度あるいは４５度）で交差する場合も、発明の効果を奏することができる範囲で許容される。

また、上記各振動発電ユニットの特性は、互いに同一のものでなくてもよく、例えば装置筐体に加わる振動の強さや方向性（移動体に搭載する際にはその移動体の加速度変化等）に応じて、バネ常数や磁石の磁気エネルギーの強さを適宜異ならせることが可能である。

また、弾性体としては、圧縮バネのみならず、他のバネや、ゴム状素材等の他の弾性体を用いることが可能であり、振動子を構成する磁性体としてもネオジウム磁石の他、種々の磁性材料を用いることができる。
また、振動子を形成する磁石が複数個からなる場合に、複数個の磁石が互いに当接していてもよいし、微小な間隔を挟んで対向させるようにしてもよい。

また、本発明の振動発電機においては、振動発電ユニットのボビンは、各振動子の移動軸が交差する側の端部が、閉じたパイプ状とされていてもよいし、開放されたパイプ状とされていてもよい。ボビンが、閉じたパイプ状とされていれば、振動子が移動した際に外部に飛び出すおそれを防止することができる。
また、各振動子の移動軸が交差する領域において、各振動発電ユニットのボビンの端部と結合して、これら複数の端部を閉じることのできる多軸コネクタを設けるようにしてもよい。この場合には、製造組立工程を簡略化することができる。
また、各振動子の移動軸が交差する領域において、各振動発電ユニットのボビンの端部が互いに結合されて一体化されるように構成してもよい。この場合にも製造工程を簡略化することができる。

１、１０１、２１１ 振動発電機
４ 負荷
１１、１１１ Ｘ軸方向振動発電ユニット
１２、２２、１１２、１２２、１３２、２１２ コイル群
１２ａ、ｂ、ｃ、２２ａ、ｂ、ｃ、１１２ａ、ｂ、ｃ、１２２ａ、ｂ、ｃ、１３２ａ、ｂ、ｃ、２１２ａ、ｂ、ｃ ソレノイドコイル
１３、２３、１１３、１２３、１３３、２１３ ボビン
１４、２４、１１４、１２４、１３４、２１４ 振動子
１４ａ、ｂ、２４ａ、ｂ、１１４ａ、ｂ、１２４ａ、ｂ、１３４ａ、ｂ、２１４ａ、ｂ 永久磁石
１６、２６、１１６、１２６、１３６、２１６ａ、ｂ 圧縮バネ
１７、２７ 交流電力入力部
１８、２８ 整流部
１９、２９ 直流電圧出力部
２１、１２１ Ｙ軸方向振動発電ユニット
４１ 基板
４１ａ スルーホール
５１ ケース
１３１ Ｚ軸方向振動発電ユニット

Claims (12)

1. 磁石からなる振動子と、
   前記振動子の外周に配されたコイルと、
   外部からの振動を受けて、前記コイル内を前記振動子が移動する際に、これらコイルと振動子との干渉を防止する干渉防止部材と、
   前記振動子の移動方向両端部の一方側に配された、該振動子を他方側に付勢する弾性部材と、からなる振動発電ユニットを２つ以上備え、
   前記２つ以上の振動発電ユニットにおける前記振動子の移動軸が、前記振動子の移動方向両端部の他方側に位置する所定部において、互いに所定角度で交差するように、かつ該２つ以上の振動発電ユニットにおける前記振動子の各々の前記他方側の端部が、互いに同一の極性を有するように設定され、
   前記振動子各々の前記他方側の端部において生じる、同一の極性同士による反発力と、前記２つ以上の振動発電ユニットにおける各弾性部材のバネ常数とが、前記振動を受けたときに、前記振動子が前記コイル内を往復移動し得るように、互いにバランスのとれた状態に設定され、該往復移動により各々の前記振動発電ユニットで発電がなされ、各々の発電に係る電力が合成されるように構成されていることを特徴とする振動発電機。
2. 前記振動子は、複数個の単位磁石を前記振動子の移動方向に互いに近接、または当接するように、かつ各々の該単位磁石が同一極を互いに対向させるようにして配されてなり、
   前記コイルは、複数個の単位コイルを前記振動子の移動方向に互いに近接するように、かつ隣接する該コイル同士が、互いに逆方向の巻き方となるように構成されてなることを特徴とする請求項１記載の振動発電機。
3. 前記干渉防止部材が、非磁性材料よりなる両端に鍔部を有する中空のボビンからなり、該ボビンに前記コイルが巻回されてなることを特徴とする請求項１または２記載の振動発電機。
4. 前記２つ以上の振動発電ユニットの数が２または３であり、前記振動子の移動軸が、互いに直交する角度で交差するように構成されていることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の振動発電機。
5. 前記ボビンは、前記他方側の先端が閉じた状態とされていることを特徴とする請求項３または４に記載の振動発電機。
6. 前記ボビンは、前記他方側の先端が開放された状態とされていることを特徴とする請求項３または４に記載の振動発電機。
7. 前記ボビンの各々が、前記振動子の移動軸が交差する位置において、多軸コネクタにより互いに接続されていることを特徴とする請求項３、４または６のうちいずれか１項記載の振動発電機。
8. 前記ボビンの各々が、前記振動子の移動軸が交差する位置において、一体的に結合されていることを特徴とする請求項３、４または６のうちいずれか１項記載の振動発電機。
9. 前記振動発電ユニットに隣接する空間に、該振動発電ユニットにおいて発生した交流電力を回収し、整流して直流電力に変換する回路手段を搭載した基板を配設したことを特徴とする請求項１から８のうちいずれか１項記載の振動発電機。
10. 前記２つ以上の振動発電ユニットの数が２で、互いに同一形状である場合に、前記振動発電ユニットの各々が縦、横の各１辺の内側に沿う大きさの正方形を仮想し、この正方形と所定の高さによって直方体を仮想したとき、この直方体内の前記振動発電ユニットが配されていない空きスペースに、前記回路手段を搭載した基板を収容するように配置したことを特徴とする請求項９に記載の振動発電機。
11. 前記２つ以上の振動発電ユニットの数が３で、互いに同一形状である場合に、前記振動発電ユニットの各々が縦、横、高さの各１辺の内側に沿う大きさの立方体を仮想したとき、この立方体内の前記振動発電ユニットが配されていない空きスペースに、前記回路手段を搭載した基板を収容するように配置したことを特徴とする請求項９に記載の振動発電機。
12. 前記振動発電ユニットおよび前記基板を配置した、仮想の前記直方体または仮想の前記立方体の全体が収まる大きさのケースの外側または隙間を防水部材により被覆することを特徴とする請求項１０または１１に記載の振動発電機。