特開 2022-134501 発電装置、送信装置及び発電方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022134501

(43)【公開日】2022-09-15

(54)【発明の名称】発電装置、送信装置及び発電方法

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/18 20060101AFI20220908BHJP

【ＦＩ】

H02N2/18

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021033648

(22)【出願日】2021-03-03

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業、研究題目「非定常振動対応圧電ＭＥＭＳ振動発電素子の開発」、委託事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】519135633

【氏名又は名称】公立大学法人大阪

(71)【出願人】

【識別番号】517132810

【氏名又は名称】地方独立行政法人大阪産業技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100114557

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 英仁

(74)【代理人】

【識別番号】100078868

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 登夫

(72)【発明者】

【氏名】吉村 武

(72)【発明者】

【氏名】村上 修一

【テーマコード（参考）】

5H681

【Ｆターム（参考）】

5H681BB08

5H681BB20

5H681EE10

5H681GG01

(57)【要約】

【課題】固定部を強固に固定しなくても高Ｑ値が得られ（永久磁石の運動エネルギーが周囲へ散逸することを抑制することができ）、交番磁界のエネルギーを効率的に電力に変換することができる発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置は、長尺の第１弾性体の自由端に永久磁石を設けてなる第１振動子と、長尺の第２弾性体の自由端に非磁性体錘を設けてなる第２振動子と、前記第１弾性体の基端部及び前記第２弾性体の基端部を連結する連結部と、導線の周囲に形成される交番磁界によって前記永久磁石が振動した場合、前記永久磁石の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部とを備え、前記第１振動子の共振周波数と、前記第２振動子の共振周波数とは略同一であり、前記第１振動子及び第２振動子の共振周波数と、前記連結部の共振周波数は異なる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

長尺の第１弾性体の自由端に永久磁石を設けてなる第１振動子と、
長尺の第２弾性体の自由端に非磁性体錘を設けてなる第２振動子と、
前記第１弾性体の基端部及び前記第２弾性体の基端部を連結する連結部と、
導線の周囲に形成される交番磁界によって前記永久磁石が振動した場合、前記永久磁石の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部と
を備え、
前記第１振動子の共振周波数と、前記第２振動子の共振周波数とは略同一であり、
前記第１振動子及び前記第２振動子の共振周波数と、前記連結部の共振周波数は異なる
発電装置。

【請求項2】

前記第１弾性体、前記第２弾性体及び前記連結部を収容する筐体を有し、
前記永久磁石は前記筐体の壁面部に対向し、前記永久磁石が前記壁面部の面内方向へ振動するような姿勢となるように前記連結部を支持する支持体を備える
請求項１に記載の発電装置。

【請求項3】

前記第１弾性体、前記第２弾性体及び前記連結部を収容する筐体を有し、
前記永久磁石は前記筐体の壁面部に対向し、前記永久磁石が前記壁面部の面内方向へ振動するような姿勢となるように前記連結部を支持する支持体を備え、
前記第１弾性体、前記第２弾性体及び前記支持体は長尺板状の部材であり、前記支持体は、前記第１弾性体と、前記第２弾性体との間に配されている
請求項１に記載の発電装置。

【請求項4】

前記壁面部は前記永久磁石が対向する部位の厚みが他の部位に比べて薄い
請求項２又は請求項３に記載の発電装置。

【請求項5】

前記変換部は前記第１弾性体に設けられた圧電体である
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発電装置。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の発電装置と、
信号を送信する送信部と
を備え、
前記送信部は、
前記発電装置から出力される電力にて駆動する送信装置。

【請求項7】

長尺の第１弾性体の自由端に永久磁石を設けてなる第１振動子と、長尺の第２弾性体の自由端に非磁性体錘を設けてなる第２振動子と、前記第１弾性体の基端部及び前記第２弾性体の基端部を連結する連結部とを用い、前記第１振動子の共振周波数と、前記第２振動子の共振周波数とを略同一とし、前記第１振動子及び前記第２振動子の共振周波数と、前記連結部の共振周波数を異なる値として、導線の周囲に形成される交番磁界によって振動する前記永久磁石の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する
発電方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、交番磁界を永久磁石の運動エネルギーに変換し、当該運動エネルギーを電力に変換する発電装置及び該発電装置を備えた送信装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１～４には、導線の周囲に生じる交番磁界のエネルギーを用いて発電する発電装置が開示されている。発電装置は、圧電体を有する弾性体と、弾性体の一端部を、交流が流れる導線に対して変位可能に固定する固定部と、弾性体の他端部に設けられた永久磁石と、圧電体に発生した電圧を出力する出力部とを備える。

【0003】

特許文献１～４に開示された磁界振動発電では、電線のそばに置いた永久磁石を振動させ、その運動エネルギーを電力に変換する。圧電体を搭載したバネ（弾性体）と錘として用いる永久磁石で構成される振動子の共振周波数を電源の周波数に一致させることで、永久磁石を大きく振動させることができる。共振ピークの鋭さは振動子の機械的品質係数（Ｑ値）で表され、Ｑ値が大きいほど共振ピークは鋭くなり大きな振動が得られる。高Ｑ値の振動子の実現には、エネルギーの減衰を小さくすることが必要となり、具体的には内部摩擦の小さい材料の採用とエネルギー散逸の低減が行われる。材料の選択肢は限られていることから、後者の方が重要となる。エネルギー散逸にも、空気抵抗など複数の要因が存在するが最も顕著な影響が現れるのは固定部からのエネルギーの漏洩である。従って、振動子のＱ値を高くするには、固定部を強固に固定することが望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－２２３６６号公報

【特許文献2】特開２０２０－１１４１３６号公報

【特許文献3】特開２０２０－１３７１６２号公報

【特許文献4】特開２０２０－１５６２８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、空中に張り渡された架線や単に平面や壁に這わせた電線等、固定部を強固に固定することが困難な箇所への発電素子を取り付けが必要な場合もある。そのため、固定方法に依存せず振動子のＱ値を高くすることが望まれている。

【0006】

本発明の目的は、固定部を強固に固定しなくても高Ｑ値が得られ（永久磁石の運動エネルギーが周囲へ散逸することを抑制することができ）、交番磁界のエネルギーを効率的に電力に変換することができる発電装置、送信装置及び発電方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る発電装置は、長尺の第１弾性体の自由端に永久磁石を設けてなる第１振動子と、長尺の第２弾性体の自由端に非磁性体錘を設けてなる第２振動子と、前記第１弾性体の基端部及び前記第２弾性体の基端部を連結する連結部と、導線の周囲に形成される交番磁界によって前記永久磁石が振動した場合、前記永久磁石の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部とを備え、前記第１振動子の共振周波数と、前記第２振動子の共振周波数とは略同一であり、前記第１振動子及び第２振動子の共振周波数と、前記連結部の共振周波数は異なる。

【0008】

本発明に係る発電方法は、長尺の第１弾性体の自由端に永久磁石を設けてなる第１振動子と、長尺の第２弾性体の自由端に非磁性体錘を設けてなる第２振動子と、前記第１弾性体の基端部及び前記第２弾性体の基端部を連結する連結部とを用い、前記第１振動子の共振周波数と、前記第２振動子の共振周波数とを略同一とし、前記第１振動子及び第２振動子の共振周波数と、前記連結部の共振周波数を異なる値として、導線の周囲に形成される交番磁界によって振動する前記永久磁石の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、固定部を強固に固定しなくても高Ｑ値が得られ、交番磁界のエネルギーを効率的に電力に変換することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態１に係る発電装置の概念図である。

【図2】永久磁石、非磁性体錘及び連結部の周波数依存性を示すグラフである。

【図3】支持体のばね定数を変化させた時の共振周波数での永久磁石、非磁性体錘、連結部の振動振幅を示したグラフである。

【図4】非磁性体錘の質量を変えて第２振動子の共振周波数を変化させたときの連結部の振動振幅の変化を示したグラフである。

【図5】第２振動子の共振周波数を変化させた時の永久磁石、非磁性体錘、連結部の振動振幅の周波数依存性を示すグラフである。

【図6】非磁性体錘の質量と連結部の振動振幅の関係を示すグラフである。

【図7】非磁性体錘の質量を変化させた時の永久磁石、非磁性体錘、連結部の振動振幅の周波数依存性を示すグラフである。

【図8】実施形態２に係る発電装置の概念図である。

【図9】導線Ｗである電線に２．５Ａの電流を流した状態で、異なる負荷抵抗で測定した電流の周波数と発電電力の関係を示すグラフである。

【図10】１００ｋΩの負荷抵抗に接続したときの連結部３の振動振幅を示すグラフである。

【図11】共振周波数で得られた発電量の負荷抵抗依存性を示すグラフである。

【図12】実施形態３に係る発電装置の要部を示す概念図である。

【図13】実施形態３に係る発電装置の要部を示す分解側面図である。

【図14】実施形態３に係る発電装置の要部を示す平面図である。

【図15】実施形態３に係る第１弾性板を示す平面図である。

【図16】実施形態４に係る電流検出装置を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。本実施形態に係る発電装置は、音叉の原理を採用して高Ｑ値化を実現し、交番磁界のエネルギーを効率的に電力に変換することを可能にするものである。なお、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

【0012】

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る発電装置１００の概念図である。本実施形態１に係る発電装置１００は、長尺の第１弾性板１１の自由端１１ｂに永久磁石１０を設けてなる第１振動子１と、長尺の第２弾性板２１の自由端２１ｂに非磁性体錘２０を設けてなる第２振動子２と、第１弾性板１１の基端部１１ａ及び第２弾性板２１の基端部２１ａを連結する連結部３と、導線Ｗの周囲に形成される交番磁界によって永久磁石１０が振動した場合、永久磁石１０の運動エネルギー（振動エネルギー）を電気エネルギーに変換する圧電体４と、連結部３を所定箇所に支持する支持体５と、圧電体４に発生した電圧を出力する出力部６とを備える。発電装置１００は、十Ｈｚオーダの低周波数の交流が流れる導線Ｗのそばに配して使用される。本実施形態１においては、導線Ｗは、電流を通ずることが可能な断面略円形の材料で形成された線状の部材であり、導線Ｗは５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの系統電源に接続されているものとする。発電装置１００は、導線Ｗの周囲に形成される交番磁界を永久磁石１０及び非磁性体錘２０の運動エネルギーに変換し、永久磁石１０及び非磁性体錘２０の運動エネルギーを圧電体４によって電力に変換することによって、発電するものである。

【0013】

なお、上記導線Ｗの構成は一例であり、永久磁石１０及び非磁性体錘２０を振動させる交番磁界を形成可能な電流が流れる構成であれば、その形状は特に限定されるものでは無く、レール状の導通部材、バスバー、角柱状の導体、長手方向を有する板状の導体であっても良い。また、導線Ｗは、部分的に方形板状のような非線状部分を有していても良く、全体として所定方向に交流電流が流れるような形状であれば良い。更に、導線Ｗは、必ずしも直線状である必要は無く、部分的に湾曲していても良い。更にまた、導線Ｗは特定の用途のものに限定されるものでは無く、アース線であっても良い。以下、本実施形態１では、導線Ｗが直線状の部材であるものとして説明する。

【0014】

第１弾性板１１は、外力によって弾性変形が可能な長板状の部材である。第１弾性板１１は、例えばステンレス等の金属製である。第１弾性板１１の長手方向一端部は連結部３に固定される基端部１１ａであり、第１弾性板１１の長手方向他端部は外力によって変位可能な自由端１１ｂである。第１弾性板１１の自由端１１ｂには永久磁石１０が設けられ、第１振動子１を構成する。

【0015】

永久磁石１０は、矩形板状をなし、第１弾性板１１の長手方向に配列したＮ極１０ａ及びＳ極１０ｂを有する。第１弾性板１１に永久磁石１０を設けてなる第１振動子１の共振周波数は、導線Ｗの周囲に形成される交番磁界の周波数に略一致するように構成されている。例えば、交番磁界の周波数が５０Ｈｚである場合、永久磁石１０の共振周波数を５０Ｈｚとし、交番磁界の周波数が６０Ｈｚである場合、永久磁石１０の共振周波数を６０Ｈｚとする。なお、共振周波数が交番磁界の周波数に略一致するとは、所要の電力が得られる範囲で、共振周波数を交番磁界の周波数からずれた構成も本実施形態１に係る発電装置１００に含まれることを意味する。
また、永久磁石１０は、少なくとも振動中心位置で各部が同一方向の磁気力を受ける寸法を有する。好ましくは、永久磁石１０は、任意の振動位置で各部が同一方向の磁気力を受ける寸法を有する。

【0016】

第２弾性板２１は、第１弾性板１１と同様の構成であり、外力によって弾性変形が可能な長板状の部材である。第２弾性板２１は、例えばステンレス等の金属製である。第２弾性板２１の長手方向一端部は連結部３に固定される基端部２１ａであり、第２弾性板２１の長手方向他端部は外力によって変位可能な自由端２１ｂである。第２弾性板２１の自由端２１ｂには非磁性体錘２０が設けられ、第２振動子２を構成する。

【0017】

非磁性体錘２０は、アルミニウム等の常磁性体、銅、亜鉛等の反磁性体、その他の任意の非磁性体材料からなる錘である。第２弾性板２１に非磁性体錘２０を設けてなる第２振動子２の共振周波数は、第１振動子１の周波数に略一致するように構成されている。例えば、第１弾性板１１及び第２弾性板２１の寸法、形状、弾性係数が略同一であり、永久磁石１０及び非磁性体錘２０の質量及び寸法形状が略同一である。なお、共振周波数が交番磁界の周波数に略一致するとは、所要の電力が得られる範囲で、共振周波数を交番磁界の周波数からずれた構成も本実施形態１に係る発電装置１００に含まれることを意味する。

【0018】

連結部３は、第１弾性板１１及び第２弾性板２１の基端部１１ａ，２１ａを連結する部材である。連結部３によって連結された第１弾性板１１及び第２弾性板２１は、全体として側面視Ｕ字状の音叉型をなしている。連結部３は、第１弾性板１１及び第２弾性板２１よりも弾性率が低く、第１振動子１及び第２振動子２と異なる共振周波数を有する。
連結部３は、例えば略直方体形状をなし、連結部３の一面（例えば図１中、上面）に第１弾性板１１の基端部１１ａが固定され、第１弾性板１１を保持している。連結部３の他面（例えば図１中、下面）に第２弾性板２１の基端部２１ａが固定され、第２弾性板２１を保持している。

【0019】

このように構成される連結部３によれば、第１振動子１及び第２振動子２は全体として音叉型をなし、また、上記の通り第１振動子１及び第２振動子２は略同一の共振周波数を有し、連結部３は第１振動子１及び第２振動子２と異なる共振周波数を有するため、連結部３はほとんど振動することなく、第１振動子１及び第２振動子２の共振を維持することができる。従って、連結部３から支持体５及び周囲へのエネルギー漏洩が低減され、発電装置１００全体の高Ｑ値化を実現することができる。

【0020】

第１弾性板１１及び第２弾性板２１の一面それぞれには、圧電体４が設けられている。圧電体４は、導線Ｗの周囲に形成される交番磁界によって永久磁石１０が振動した場合、永久磁石１０の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部の一例である。第１弾性板１１の自由端１１ｂが変位した場合、圧電体４が伸張及び伸縮し、電圧が発生する。また、第１振動子１及び第２振動子２は音叉のように共振するため、第２弾性板２１も振動し、当該第２弾性板２１の自由端２１ｂも変位する。自由端１１ｂと、自由端２１ｂの変位方向は逆向きである。
圧電体４は、例えばバイモルフ型圧電素子を用いてなる発電部材である。当該発電部材は、例えば、外力によって弾性変形が可能な導電板と、厚み方向に分極した２枚の板状ないしシート状の圧電セラミックスとを備え、２枚の圧電セラミックスが導電板を挟み込むように当該導電板の両面に貼り合わされている。なお、ここではバイモルフ型圧電素子を説明したが、片面のみに圧電セラミックスを張り付けたユニモルフ構造であっても良い。

【0021】

出力部６は、圧電体４に接続されており、永久磁石１０及び非磁性体錘２０の振動により伸縮した圧電体４に発生した電圧を出力する回路である。出力部６は、例えば、整流回路及びＤＣ－ＤＣコンバータを備える。整流回路は、例えばダイオードブリッジ回路である。整流回路の入力端子は圧電体４及び長板部に接続されており、整流回路の出力端子にはＤＣ－ＤＣコンバータの入力端子に接続されている。圧電体４に発生した交流は整流回路で全波整流され、ＤＣ－ＤＣコンバータにて所定電圧に変換される。ＤＣ－ＤＣコンバータにて所定電圧に変換された直流の電圧は、外部の負荷Ｒに印加される。

【0022】

支持体５は、連結部３を任意の所定箇所に支持するための部材である。支持体５は例えば棒状、板状の金属板であり、一端部が所定箇所に固定され、他端部が連結部３に固定されている。なお、支持体５の構成は特に限定されるものでは無く、連結部３を強固に固定する構成である必要もない。

【0023】

このように構成された発電装置１００の使用者は、当該発電装置１００を、交流が流れる導線Ｗのそばに配置することによって、導線Ｗの周囲に形成される交番磁界によって振動する永久磁石１０の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

【0024】

＜有限要素法を用いた振動状態の解析＞
有限要素法を用いて図１に示す発電装置１００の振動状態を解析した。第１弾性板１１及び第２弾性板２１のバネ定数は４０６Ｎ／ｍ、永久磁石１０及び非磁性体錘２０の質量は１．３８ｇ、連結部３の質量は７．９１ｇである。支持体５のばね定数を５．７×１０３Ｎ／ｍとした時の永久磁石１０、非磁性体錘２０、連結部３の振動振幅の周波数依存性を図２に示す。

【0025】

図２は、永久磁石１０、非磁性体錘２０及び連結部３の周波数依存性を示すグラフである。横軸は周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸は当該周波数における永久磁石１０、非磁性体錘２０及び連結部３の振動振幅（ｍ）をそれぞれ示している。図２中、細線、破線及び太線は、それぞれ永久磁石１０、非磁性体錘２０、連結部３の振動振幅の周波数依存性を示している。発電装置１００は６１．８Ｈｚに共振周波数を有しており、その周波数では永久磁石１０と非磁性体錘２０は同じ振動振幅で振動していることがわかる。また連結部３は永久磁石１０及び非磁性体錘２０に比べて１／１００以下の振動に抑えられていることがわかる。この結果より図１に示すような音叉型構造を採用することにより、連結部３から支持体５及び周囲へのエネルギー漏洩が低減できることがわかる。

【0026】

図３は、支持体５のばね定数を変化させた時の共振周波数（６１．８Ｈｚ）での永久磁石１０、非磁性体錘２０、連結部３の振動振幅を示したグラフである。横軸は支持体５のばね定数（Ｎ／ｍ）を示し、縦軸は当該ばね定数における永久磁石１０、非磁性体錘２０及び連結部３の振動振幅（ｍ）をそれぞれ示している。図３中、細線、破線及び太線は、それぞれ永久磁石１０、非磁性体錘２０、連結部３の振動振幅の支持体５ばね定数依存性を示している。支持体５のばね定数が１×１０⁶ Ｎ／ｍ程度以上になると永久磁石１０、非磁性体錘２０の振動振幅の乖離が大きくなり、図２に示したような共振状態が得られなくなっていることがわかる。このときの支持体５のばね定数は第１弾性板１１及び第２弾性板２１のばね定数の１０００倍超である。
また、支持体５のばね定数が小さくなると連結部３の振動振幅が大きくなっている。これは支持体５と連結部３で構成される振動子の共振周波数が第１振動子１及び第２振動子２の共振周波数に近づくためである。従って、支持体５のばね定数は、第１振動子１及び第２振動子２のばね定数の１０００倍以下であり、また連結部３の共振周波数が第１振動子１及び第２振動子２の共振周波数よりも１０Ｈｚ程度以上離れるような値であることが望ましい。
本実施形態１に係る発電装置１００においては、永久磁石１０と非磁性体錘２０の間に相互作用が働かないため、第２弾性板２１に設けた錘を磁石で構成する場合に比べて、設計が容易という利点がある。

【0027】

ここまで第１振動子１と第２振動子２の共振周波数が一致した条件での結果を示してきたが、実際に完全に一致させることは難しい。そこで第１振動子１と第２振動子２の共振周波数に差異がある場合に本技術が適用できる範囲について調べた。

【0028】

図４は、非磁性体錘２０の質量を変えて第２振動子２の共振周波数を変化させたときの連結部３の振動振幅の変化を示したグラフである。横軸は非磁性体錘２０の質量を変えたときの第１振動子１の共振周波数と、第２振動子２の共振周波数との差（％）を示し、縦軸は当該共振周波数が変化したときの連結部３の振動振幅を示している。
第１振動子１と第２振動子２の共振周波数が一致しているときが連結部３の振動振幅が最小であるが、共振周波数に１．５％程度の差があっても、連結部３の振動振幅の変位量は２倍程度にとどまっている。
なお、図４中、（１）、（２）及び（３）は、後述する図５に示すグラフとの対応関係を示すためのものである。

【0029】

図５は、第２振動子２の共振周波数を変化させた時の永久磁石１０、非磁性体錘２０、連結部３の振動振幅の周波数依存性を示すグラフである。上図（グラフ（１））は、第２振動子２の共振周波数が、第１振動子１との比で－１．５％の時の永久磁石１０、非磁性体錘２０、連結部３の振動振幅の周波数依存性をそれぞれ細線、破線及び太線で示すグラフである。中図（グラフ（２））は、第２振動子２の共振周波数が、第１振動子１との比で０％の時の永久磁石１０、非磁性体錘２０、連結部３の振動振幅の周波数依存性をそれぞれ細線、破線及び太線で示すグラフである。下図（グラフ（３））は、第２振動子２の共振周波数が、第１振動子１との比で１．５％の時の永久磁石１０、非磁性体錘２０、連結部３の振動振幅の周波数依存性をそれぞれ細線、破線及び太線で示すグラフである。

【0030】

図５の各図からわかるように、第１振動子１と第２振動子２の共振周波数が異なっていても、第１振動子１及び第２振動子２は連結部３を介して一体となって振動する。共振ピークは１つになっている点は重要である。また発電装置１００の共振周波数は、第２振動子２の共振周波数に依存して変化していることがわかる。この特徴は、発電装置１００の共振周波数を微調整する場合に利用できる。また第１振動子１と第２振動子２の共振周波数が異なると連結部３の振動振幅が発電装置１００の共振周波数付近で増加することがわかる。しかし連結部３の振動振幅が、最小値の２倍程度に収まる±１．５％までの共振周波数差は許容される。

【0031】

上記の結果から、この音叉型磁界振動発電素子においては、第１振動子１と第２振動子２の共振周波数は完全に一致させる必要がないことが示された。つまり第１弾性板１１と第２弾性板２１のばね定数が異なっている場合でも本発明は適用できる。ここで第１弾性板１１と第２弾性板２１のバネ定数をそれぞれ４０６Ｎ／ｍ、６２４Ｎ／ｍとした場合について考える。永久磁石１０の質量は１．３８ｇとし、非磁性体錘２０の質量を２．１８ｇから２．７３ｇまで変化させた。

【0032】

図６は、非磁性体錘２０の質量と連結部３の振動振幅の関係を示すグラフである。図４の結果と似た変化を示しており、連結部３の振動振幅は（２）付近で最小となり、（１）、（３）付近で（２）の２倍程度になっている。この時の第２振動子２の共振周波数の変化幅は±１．１％である。対称型の結果（図４）との比較から、第１弾性板１１と第２弾性板２１のバネ定数の差が大きくなるほど許容される共振周波数差は減少することがわかる。この許容度が小さすぎると素子の実現が難しくなることから、ここで示したように、第１弾性板１１と第２弾性板２１のバネ定数の差が１．５倍以内で、許容される共振周波数差が±１．１％の条件で素子を設計するのが良いと考えられる。

【0033】

図７は、非磁性体錘２０の質量を変化させた時の永久磁石１０、非磁性体錘２０、連結部３の振動振幅の周波数依存性を示すグラフである。上図（グラフ（１））、中図（グラフ（２））、下図（グラフ（３））は、図６中（１）～（３）で示す条件における永久磁石１０、非磁性体錘２０、連結部３の振動振幅の周波数依存性をそれぞれ細線、破線及び太線で示すグラフである。

【0034】

対称型の時と同様に第１振動子１と第２振動子２の機械的特性が異なっていても、第１振動子１及び第２振動子２は連結部３を介して一体となって振動し、共振ピークは１つになっている。発電装置１００の共振周波数は、第２振動子２の共振周波数に依存して変化している点も同じである。一方、第１弾性板１１と第２弾性板２１のバネ定数が異なる場合では、永久磁石１０と非磁性体錘２０の振動振幅が一致してなくても連結部３の振動を抑制できることがわかる。

【0035】

以上の通り、本実施形態１に係る発電装置１００によれば、固定部を強固に固定しなくても高Ｑ値が得られ、交番磁界のエネルギーを効率的に電力に変換することができる。
また、第１振動子１及び第２振動子２の共振周波数は必ずしも完全に一致させる必要は無く、１．５％程度の差があっても十分に発電装置１００として機能させることができる。
また、第１弾性板１１及び第２弾性板２１のバネ定数も完全に一致させる必要は無い。好ましくは、第１弾性板１１と第２弾性板２１のバネ定数の差が１．５倍以内で、許容される共振周波数差が±１．１％の条件で素子を設計するのが望ましい。

【0036】

（実施形態２）
図８は、実施形態２に係る発電装置２００の概念図である。実施形態２に係る発電装置２００は、実施形態１と同様の第１振動子１、第２振動子２、連結部３、圧電体４、支持体５及び出力部６を備える。実施形態２に係る発電装置２００は、第２弾性板２１が第１弾性板１１より短い点、発電装置２００が筐体７に収容されている点、支持体５が第１弾性板１１及び第２弾性板２１の間に配され、筐体７に固定されている点が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

【0037】

実施形態２に係る発電装置２００は、第１振動子１、第２振動子２及び連結部３を収容する筐体７を備える。発電装置２００は、筐体７の外にある導線Ｗに近接配置して使用される。なお、図８には図示されていないが、筐体７は出力部６などの回路も収容しており、電圧を外部機器へ出力するための出力端子を筐体７の適宜箇所に備える。

【0038】

支持体５は、側面視Ｌ字状であり、例えばステンレス等の金属部材で形成されている。支持体５は、一端部が連結部３に固定された長方形板状の支持板５１と、支持板５１の他端側を屈曲してなり、筐体７の壁面部７１に固定するための固定板５２とを有する。支持板５１は、第１弾性板１１と、第２弾性板２１との間に位置するように、連結部３の中央部分から第１弾性板１１及び第２弾性板２１と同方向へ突出している。支持体５は、永久磁石１０が筐体７の壁面部７１に対向し、永久磁石１０が壁面部７１の面内方向へ振動するような姿勢となるように連結部３を支持し、支持体５の固定板５２が筐体７の壁面部７１にボルト７０で固定されている。
つまり連結部３から筐体７側へ伸びている支持体５の長さは、連結部３から筐体７側へ伸びている第１弾性板１１よりも所定長だけ長く形成されている。所定長は、第１弾性板１１及び第２弾性板２１が振動した際、筐体７の壁面部７１に接触しない限り、短くすることが望ましい。永久磁石１０と導線Ｗとの距離を短くするためである。また、壁面部７１は永久磁石１０が対向する部位の厚みが他の部位に比べて薄い薄肉部７１ａを有する。例えば、図８に示すように壁面部７１の外面側に凹部を有する。当該凹部によって薄肉部７１ａが形成される。なお、内面側に凹部を形成してもよい。ただし、内面側に凹部を形成し、永久磁石１０を凹部に近接させた場合、永久磁石１０と筐体７の内壁面とが接触するおそれがあるため、外側面に凹部を形成する方が好ましい。また、内面側に凹部を形成し、永久磁石１０を凹部に近接させた場合、永久磁石１０と筐体７の内壁面とが接触しないように凹部を大きく形成する必要があり、筐体７の強度が低下することになるため、外側面に凹部を形成する方が好ましい。

【0039】

第２弾性板２１は、第１弾性板１１よりも短く形成されている。支持体５を筐体７に固定するためのボルト７０等を設けるためのスペースを確保するためである。

【0040】

このように構成された実施形態２に係る発電装置２００によれば、支持体５を第１弾性板１１及び第２弾性板２１の間に配することによって、発電装置２００をコンパクトに構成することができる。

【0041】

また、第１弾性板１１を長く、第２弾性板２１よりも短く形成することにより、永久磁石１０を可能な限り導線Ｗに接近させて効率的に発電することができ、非磁性体錘２０が位置する部位に所要のスペースを確保することができる。

【0042】

更に、筐体７の一部、特に永久磁石１０が対向する部位に薄肉部７１ａを形成することによって、永久磁石１０をより導線Ｗに接近させることができ、効率的に発電することができる。
更にまた、筐体７の外側に凹部を形成することによって薄肉部７１ａを形成しているため、凹部の大きさを最小限にとどめ、また、壁面部７１と永久磁石１０とが接触する可能性を避けた上で、永久磁石１０を導線Ｗに近接配置することができる。

【0043】

なお、実施形態２では、第１弾性板１１及び第２弾性板２１の間に支持体５を配する構成を説明したが、第１弾性板１１及び第２弾性板２１の長手方向に対して垂直方向に伸ばすように構成してもよい。支持体５の構成、方向、支持方法は特に限定されるものではない。

【0044】

また、永久磁石１０の振動方向と導線Ｗとの位置関係は、上記した特許文献１～４に記載されたものをすべて適用できるので、その関係さえ満たせば発電装置２００の構造は実施形態１及び２に示すものに限られない。また永久磁石１０と相互作用しない非磁性体錘２０を用いることで発電装置２００の非線形性を低減することが可能であるが、相互作用する物質で永久磁石１０でない方の錘を作製しても本発明の原理は適用できる。

【0045】

（実施例）
図８に示した発電装置２００を実際に制作して実験を行った。永久磁石１０にはネオジム磁石を用いた。永久磁石１０の質量は３．９８ｇである。連結部３、非磁性体錘２０はステンレス製で、その質量はそれぞれ２３ｇ、８．５ｇである。第１振動子１及び第２振動子２の共振周波数は６０Ｈｚになるように調整してあり、連結部３と支柱の部位の共振周波数は３０Ｈｚ程度である。

【0046】

圧電体４には厚み０．１ｍｍのＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ セラミックスを用いた。圧電体４は厚さ０．２ｍｍのステンレス板で構成された第１弾性板１１及び第２弾性板２１の同一方向側の面に取り付けられている。第１振動子１及び第２振動子２は常に逆方向に振動するので、二つの圧電体４をこのように配置して直列接続することで、それぞれで発生する電圧を加算して出力するようにしている。ただし、このような接続方法を用いなくても、十分に大きな出力電圧が得られる場合は、片方の第１弾性板１１又は第２弾性板２１のみに圧電体４を取り付けたり、外向き同士又は内向き同士に配置して並列接続したりしても構わない。更に第１弾性板１１又は第２弾性板２１の両面に圧電体４が取り付けられたバイモルフ構造でもよく、それを片方の第１弾性板１１又は第２弾性板２１だけに用いても、もしくは両方の第１弾性板１１及び第２弾性板２１に用いてもよい。

【0047】

発電装置２００に負荷抵抗を接続し、そこで消費される電力を計測することで、発電電力の計測を行った。また発電装置２００は平面上に置いた状態であり、固定はしていない。

【0048】

図９は、導線Ｗである電線に２．５Ａの電流を流した状態で、異なる負荷抵抗で測定した電流の周波数と発電電力の関係を示すグラフである。横軸は電流の周波数（Ｈｚ）、縦軸は発電装置２００が発電した電力（Ｗ）を示している。発電装置２００の共振周波数である６０Ｈｚにおいて、１００ｋΩの負荷抵抗の時に最大の発電電力（０．２ｍＷｒｍｓ）が得られている。

【0049】

図１０は、１００ｋΩの負荷抵抗に接続したときの連結部３の振動振幅を示すグラフである。横軸は電流の周波数（Ｈｚ）、縦軸は連結部３の振動振幅（μｍ）を示している。１００ｋΩの負荷抵抗に接続し、導線Ｗである電線に２．５Ａの電流を流すと、永久磁石１０及び非磁性体錘２０は１ｍｍ程度の振幅で振動をしているが、連結部３の振動振幅は図１０に示すように１０μｍ以下に抑制できている。このように連結部３の振動振幅は、永久磁石１０や非磁性体錘２０の振動振幅の１／１００程度以下に抑えられており、図２に示した計算結果とよく一致している。図９の結果から求めたＱ値は４０、実効電気機械結合係数（Ｋ^２）は１．２％であった。この特性は、音叉型構造を採用せず、ベースに強固に固定された発電装置を用いた先行研究での結果（Ｑ値：６６、Ｋ^２：３．１％）と同水準であり、発電装置２００の固定をすることなく高いＱ値を発現できる本発明の有用性を示している。

【0050】

図１１は、共振周波数で得られた発電量の負荷抵抗依存性を示すグラフである。横軸は負荷抵抗（Ω）を示し、縦軸は発電装置２００による発電電力を示している。電流値は０．２４Ａから７Ａの間で変化させている。どの電流値でも１００ｋΩの負荷抵抗を接続したときに最大発電電力が得られている。また、ほぼ電流量の２乗に比例して発電電力は増加しており、７Ａでは１．４ｍＷの電力が得られている。

【0051】

（実施形態３）
図１２は、実施形態３に係る発電装置３００の概念図、図１３は、実施形態３に係る発電装置３００の要部を示す分解側面図、図１４は、実施形態３に係る発電装置３００の要部を示す平面図、図１５は実施形態３に係る第２弾性板２１を示す平面図である。実施形態３に係る発電装置３００は、実施形態１及び２と同様の第１振動子１、第２振動子２、連結部３、圧電体４、支持体５及び出力部６を備える。実施形態３に係る発電装置３００は、連結部３及び第２弾性板２１の構成が実施形態１及び２と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

【0052】

連結部３は、図１２及び図１３に示すように、第１連結部半体３１と、第２連結部半体３２と、第１押さえ板３３と、第２押さえ板３４とを備える。

【0053】

第１連結部半体３１は、第１弾性板１１を支持体５に連結する長尺の略直方体の部材である。第１連結部半体３１の長手方向の寸法は、例えば第１弾性板１１の短辺方向の幅と同程度の長さである。第１連結部半体３１は、第１弾性板１１に接触する当接面に、当該第１連結部半体３１の長手方向にわたる溝部３１ａを有する。言い換えると、第１連結部半体３１の当接面には２本の条体（凸部）が形成され、当該２本の条体が第１弾性板１１の一面（図１３中、上面）に当接している。
同様に、第１連結部半体３１は、支持板５１に接触する当接面に、当該第１連結部半体３１の長手方向にわたる溝部３１ｂを有する。言い換えると、第１連結部半体３１の当接面には２本の条体（凸部）が形成され、当該２本の条体が支持板５１の一面（図１３中、下面）に当接している。また、第１連結部半体３１は、ボルト３５が挿通する穴部を有する。

【0054】

第１押さえ板３３は、第１弾性板１１を押さえ付け、ボルト３５で第１連結部半体３１に締結するための長尺の板状部材である。第１押さえ板３３は、第１弾性板１１に接触する当接面に、当該第１押さえ板３３の長手方向にわたる溝部３３ａを有する。言い換えると、第１押さえ板３３の当接面には２本の条体（凸部）が形成され、当該２本の条体が第１弾性板１１の一面（図１３中、下面）に当接している。また、第１押さえ板３３はボルト３５が挿通する穴部を有する。

【0055】

第２連結部半体３２は、第２弾性板２１を支持体５に連結する長尺の略直方体の部材である。第２連結部半体３２の長手方向の寸法は、例えば第２弾性板２１の短辺方向の幅と同程度の長さである。第２連結部半体３２は、第２弾性板２１に接触する当接面に、当該第２連結部半体３２の長手方向にわたる溝部３２ａを有する。言い換えると、第２連結部半体３２の当接面には２本の条体（凸部）が形成され、当該２本の条体が第２弾性板２１の一面（図１３中、下面）に当接している。
同様に、第２連結部半体３２は、支持板５１に接触する当接面に、当該第２連結部半体３２の長手方向にわたる溝部３２ｂを有する。言い換えると、第２連結部半体３２の当接面には２本の条体（凸部）が形成され、当該２本の条体が支持板５１の一面（図１３中、上面）に当接している。また、第２連結部半体３２は、ボルト３６が挿通する穴部を有する。

【0056】

第２押さえ板３４は、第２弾性板２１を押さえ付け、ボルト３６で第２連結部半体３２に締結するための長尺の板状部材である。第２押さえ板３４は、第２弾性板２１に接触する当接面に、当該第２押さえ板３４の長手方向にわたる溝部３４ａを有する。言い換えると、第２押さえ板３４の当接面には２本の条体（凸部）が形成され、当該２本の条体が第２弾性板２１の一面（図１３中、上面）に当接している。また、第２押さえ板３４はボルト３６が挿通する穴部を有する。

【0057】

支持体５はボルト３５，３６が挿通する穴部５１ｃを有する。第１弾性板１１はボルト３５が挿通する穴部１１ｃを有する。第２弾性板２１は、図１３及び図１５に示すように、ボルト３６が挿通する長穴２１ｃを有する。また、第２弾性板２１は、図１３及び図１５に示すように、非磁性体錘２０を第２弾性板２１に締結するための長穴２１ｄを有する。非磁性体錘２０にはボルト２２が挿通する穴部２０ｃが形成されており、非磁性体錘２０はボルト２２によって第２弾性板２１に締結固定される。長穴２１ｃ，２１ｄは、図１５に示すように第２弾性板２１の長手方向に長い穴であり、連結部３に対する第２弾性板２１の取り付け位置、第２弾性板２１に対する非磁性体錘２０の取り付け位置を調整するためのものである。

【0058】

第１連結部半体３１は、図１４に示すように、第２押さえ板３４、第２弾性板２１、第２連結部半体３２及び支持体５を挿通したボルト３６が螺合するネジ穴３１ｄを有する。ボルト３６を第１連結部半体３１に締結することによって、第２連結部半体３２を挟んで支持体５に第２弾性板２１が固定される。
第２連結部半体３２は、図１４に示すように、第１押さえ板３３、第１弾性板１１、第１連結部半体３１及び支持体５を挿通したボルト３５が螺合するネジ穴３２ｄを有する。ボルト３５を第２連結部半体３２に締結することによって、第１連結部半体３１を挟んで支持体５に第１弾性板１１が固定される。

【0059】

このように構成された実施形態３に係る連結部３によれば、第１連結部半体３１と、第２連結部半体３２と、第１押さえ板３３と、第２押さえ板３４の各当接面に形成された２本の条体が第１弾性板１１、第２弾性板２１及び支持体５の各面に当接するようにして、各部が締結される。２本の条体を各面に当接させる方が、各部が面接触する場合に比べて、がたつき、振動の原因となる間隙等が生じにくく、安定的に第１弾性板１１及び第２弾性板２１を連結することができる。

【0060】

また、第２弾性板２１は長穴２１ｃ、２１ｄを有するため、連結部３に対する第２弾性板２１の固定位置、第２弾性板２１に対する非磁性体錘２０の固定位置を微調整することができる。

【0061】

更に、図８に示すように筐体７に収容された状態で、第２弾性板２１が上側にくるように筐体７に固定する構成とすることにより、第２弾性板２１に対する非磁性体錘２０の調整が容易である。

【0062】

連結部３への締結用の穴部と、非磁性体錘２０の固定用の穴部の両方を長穴２１ｃ、２１ｄに構成する例を説明したが、いずれか一方、例えば非磁性体錘２０の固定用の穴部のみを長穴２１ｄとしてもよい。

【0063】

（実施形態４）
図１６は、本実施形態４に係る電流検出装置を示すブロック図である。実施形態４に係る電流検出装置は、導線Ｗに流れる電流を検出する電流センサ４０８と、当該電流センサ４０８にて検出された検出情報を外部へ無線送信する送信装置４０９とを備える。

【0064】

実施形態４に係る送信装置４０９は、実施形態１に係る発電装置１００と、当該発電装置１００が出力する電力にて駆動し、電流センサ４０８によって検出された検出情報に係る信号を無線送信する送信部４９１とを備える。発電装置１００は、導線Ｗの周囲に形成される交番磁界に基づいて発電し、電圧を送信部４９１へ出力し、送信部４９１は、発電装置１００から出力される電力にて駆動する。

【0065】

実施形態４に係る電流検出装置によれば、発電装置１００が出力する電力を用いて送信部４９１を駆動することができる。従って、電源を用意することができない環境、例えば、送電線の途中に設けられた電流センサ４０８の側に発電装置１００及び送信部４９１を配し、電流値等の検出情報を外部へ無線送信することができる。

【0066】

なお、実施形態４では、実施形態１に係る発電装置１００を備える例を説明したが、言うまでも無く、実施形態２に係る発電装置２００又は実施形態３に係る発電装置３００を用いて、実施形態４に係る電流検出装置を構成しても良い。

【0067】

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0068】

１ 第１振動子
２ 第２振動子
３ 連結部
４ 圧電体
５ 支持体
６ 出力部
７ 筐体
１０ 永久磁石
１１ 第１弾性板
２０ 非磁性体錘
２１ 第２弾性板
３１ 第１連結部半体
３２ 第２連結部半体
３３ 第１押さえ板
３４ 第２押さえ板
５１ 支持板
５２ 固定板
７１ 壁面部
７１ａ 薄肉部
１００ 発電装置
Ｗ 導線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】