JP7717305B1 - 振動発電モジュール及び振動発電装置 - Google Patents

Abstract

振動発電モジュール（６０）は、振動体（３２）にバネ（２１）を介して取り付けられ、振動体（３２）の振動でバネ（２１）と共に首振り運動状に共振するようにバネ（２１）のバネ定数、及び自重が決定された、永久磁石を備える磁石部（２４）と、共振する磁石部（２４）との位置の相対変位に基づく磁界の変化により磁性体コアに巻回されたコイルに電磁誘導と大バルクハウゼン効果とによる電圧が生じる発電素子（１０）と、を備える。

Description

本開示は、振動発電モジュール及び振動発電装置に関する。

張力が掛けられた又は内部に応力が残留した磁性体が磁化する際に、当該磁性体内部の磁壁が一度に移動し、極めて短時間に磁化方向が反転する大バルクハウゼン効果が知られている。大バルクハウゼン効果を有する磁性体にピックアップコイルを巻回した場合、当該磁性体の磁化方向の反転に応じて当該ピックアップコイルにパルス電圧が生じ得る。

かかる大バルクハウゼン効果に基づいて、人間の活動（例えば歩行等）又は機械の振動等を、身の回りにあるエネルギーとして発電に供するエナジーハーベスティングの技術が知られている。

特許文献１には、バネに取り付けられた磁石の振動による往復運動で変化した磁界によって、磁性ワイヤに大バルクハウゼン効果による磁化反転を生じさせ、当該磁化反転の結果、磁性ワイヤに巻回されたピックアップコイルに発生したパルス電圧をコンデンサにチャージする発電素子が開示されている。

国際公開２０１８／０９７１１０号

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、いずれも磁石から発生する磁力線の一部のみを磁性体コアに誘導しており、磁石から発生する磁力線の磁性体コアへの誘導効率が良好でないという問題があった。

本開示は、磁石から発生する磁力線の磁性体コアへの誘導効率を改善することにより、発電量の増大が可能な振動発電モジュール及び振動発電装置を提供することを目的とする。

本開示の振動発電モジュールは、振動体にバネを介して取り付けられ、永久磁石を備える磁石部と、共振する前記磁石部との位置の相対変位に基づく磁界の変化により磁性体コアに巻回されたコイルに電圧が生じる発電素子と、前記バネの全長に対して任意の位置で保持する保持機構と、を備え、前記保持機構により前記バネのバネ定数を調整し、前記振動体の振動によって、前記バネ及び前記磁石部が共に共振するように、前記バネの前記バネ定数及び前記磁石部の自重が決定されることを特徴とする。

本開示の振動発電装置は、前述の振動発電モジュールの前記発電素子が出力した電圧を整流する整流部と、前記整流部が整流した電圧を蓄電する蓄電部と、を備えることを特徴とする。

本開示によれば、磁石から発生する磁力線の磁性体コアへの誘導効率を改善することにより、発電量の増大が可能な振動発電モジュール及び振動発電装置を提供することが可能となる。

（ａ）は、実施の形態１、２に係る振動発電モジュール及び振動発電装置に用いられる発電素子の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、その側面図である。 （ａ）は、図１に示した発電素子とは別の発電素子の構成を概略的に示す斜視図であり、（ｂ）はその側面図である。 （ａ）は、発電素子における磁力線の流れの説明図であり、（ｂ）は、図３（ａ）とは磁石部の磁化方向が逆向きの場合の磁力線の流れの説明図である。 実施の形態１に係る振動発電装置の構成の一例を示した斜視図である。 磁石厚さ方向の磁束密度波形を示した説明図である。 第一磁石及び第二磁石の変位方向と、発電素子の集磁体との位置関係を示した説明図である。 （ａ）は、大バルクハウゼン効果を有しない鉄心に巻回したコイルに電磁誘導によって生じた電圧の波形と、大バルクハウゼン効果のみによる電圧の波形と、の一例を示した概略図であり、（ｂ）は、本実施の形態に係る、電磁誘導と大バルクハウゼン効果とによってコイルに生じる電圧の波形の一例を示した概略図である。 実施の形態１に係る振動発電装置の構成の一例を示したブロック図である。 実施の形態２に係る振動発電モジュールの構成の一例を示した斜視図である。 実施の形態２の変形例に係る振動発電モジュールの構成の一例を示した斜視図である。 実施の形態３に係る発電モジュールの概略図である。 実施の形態３に係る発電モジュールの変形例の概略図である。 実施の形態４に係る発電モジュールの概略図である。

以下に、実施の形態１、２に係る振動発電モジュール及び振動発電装置を、図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、例にすぎず、実施の形態を適宜組み合わせること及び各実施の形態を適宜変更することが可能である。

図１は、実施の形態１、２に係る振動発電モジュール及び振動発電装置に用いられる発電素子１０の構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）はその側面図である。本実施の形態に係る発電素子１０は、大バルクハウゼン効果を発生させる磁性体コア１１である１本以上の複合磁気ワイヤを有する。発電素子１０は、磁性体コア１１の外周を囲う集磁体（軟磁性体）１３を有することが望ましい。集磁体１３は、磁性体コア１１の両端部に、第一集磁体１３Ａ、及び第二集磁体１３Ｂとして、それぞれ配置されており、コイル１２は磁性体コア１１の周囲に巻回されている。集磁体１３に用いられる軟磁性体には、ＳＳ４００又はＳ４５Ｃといった鉄鋼材、ＳＵＳ４３０またはＳＵＳ４４０といった磁性ステンレス鋼材、あるいは、パーマロイまたはパーメンジュールといった高透磁率材などが用いられるのが望ましいが、透磁率が空気以上の材料（比透磁率が１より大きい材料）であればよい。磁性体コア１１は磁歪効果を持っており、印加磁界の変化に応じて磁歪により伸縮する。

図２（ａ）は、図１に示した発電素子１０とは別の発電素子７０の構成を概略的に示す斜視図であり、図２（ｂ）はその側面図である。図２に示した発電素子７０は、ボビン形状を有する。この場合、発電素子７０は、磁性体ボビンとも呼ばれる。コイル１２は磁性体ボビンのくびれた部分である筒状磁性部材１３１の周囲に巻回されている。なお、発電素子７０は、図２のように鉄などの軟磁性体のみで作ることも可能であるが、図１のように大バルクハウゼン効果を発生させる磁性体コア１１を備えることによって発電効率が向上する。

図１に示した発電素子１０における磁力線８４の流れについて、図３（ａ）を用いて説明する。図３は、発電素子１０における磁力線の流れを説明する図であり、発電素子１０と磁石部２４とを側面から見た図である。図３（ａ）は、発電素子における磁力線の流れの説明図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）とは磁石部の磁化方向が逆向きの場合の磁力線の流れの説明図である。図３（ａ）では、磁化方向８２に従って、磁石部２４の着磁面８０（Ｎ極）から出た磁力線８４は、第一集磁体１３Ａに入り、磁性体コア１１内を通って第二集磁体１３Ｂから空気中に出る。すなわち、第一集磁体１３Ａ及び第二集磁体１３Ｂを通る磁力線８４はともに＋Ｙ方向を向く。なお、磁力線８４の一部は、磁性体コア１１に直接入る。

次に、磁石部２４の磁化方向９２が、図３（ａ）に示した場合と逆方向である発電素子１０における磁力線９４の流れについて、図３（ｂ）を用いて説明する。図３（ｂ）では、図３（ａ）に示した場合とは逆に、第一集磁体１３Ａは磁石部２４の着磁面９０（Ｓ極）と向かい合うため、磁力線９４は、第二集磁体１３Ｂから磁性体コア１１内を通って第一集磁体１３Ａを経由して着磁面９０（Ｓ極）に向かう。すなわち、第一集磁体１３Ａ及び第二集磁体１３Ｂを通る磁力線９４はともに－Ｙ方向を向く。なお、磁力線８４の一部は、磁性体コア１１に直接入る。図３（ａ）、及び図３（ｂ）に示したように、磁石部２４の着磁面８０、９０と発電素子１０の集磁体１３が向かい合い、かつ集磁面１３Ａ、１３Ｂと発電素子１０の長手方向（コイルでの発電に寄与する磁力線８４、９４の方向）とが直交していることにより、磁石部２４の着磁面８０、９０から出た磁力線８４、９４は真っ直ぐ集磁体１３に入り、ほぼ真っ直ぐ発電素子１０内の磁性体コア１１を進んで反対側の集磁体１３から出る経路を取るため、磁石部２４から出た磁力線８４、９４のロスが非常に少なく、最も効率の良い電磁誘導発電を得ることが出来る。

《実施の形態１》
図４は、実施の形態１に係る振動発電モジュール６０の構成の一例を示した斜視図である。図４に示した振動発電モジュール６０は、土台となる機械等の振動体３２にバネ２１を介して取り付けられた磁石部２４、及び台座１５を介して振動体３２に取り付けられた発電素子１０を含む。磁石部２４は、第一磁石２５、第二磁石２６、重り２７によって構成される。重り２７は、バネ２１の振動の中心軸に対して発電素子１０と逆側に設置される。発電素子１０は、磁性体コア１１、集磁体１３及びコイル１２によって構成される。バネ２１は、コイルバネ以外に、板バネなどのバネ全般でもよく、またバネと同様に共振により振動を増幅可能な機構全般を含む。

バネ２１のバネ定数、及び磁石部２４の重量は、振動体３２の振動周波数に対してバネ２１と共に共振するように設計されており、振動体３２の微小振動をバネ２１で増幅する。増幅によって磁石部２４に生じた変位量が発電素子１０に生じた変位量よりも大きくなることで、磁石部２４と発電素子１０との間に相対変位が生じ、その相対変位によって発電素子１０のコイル１２には電圧が生じる。また、重り２７により、磁石部２４の重心がバネ２１の振動の中心軸よりも重り２７側の位置にあるので、磁石部２４は単振動ではなく、首振り運動状に振動し得る。かかる首振り運動により、単振動の場合よりも、磁石部２４を構成する第一磁石２５及び第二磁石２６の各々の、発電素子１０に対する位置の変位量が増幅され得る。

図４に示したように、磁石部２４には、発電素子１０の両端に各々設けられた集磁体１３の各々と対向するように永久磁石である第一磁石２５及び第二磁石２６が設けられている。第一磁石２５及び第二磁石２６の各々は、磁気モーメント２５Ｍ、２６Ｍで示したように、磁力が略等しく、かつ発電素子１０に対する互いの極性（磁化の方向）が逆となるように、集磁体１３と対向していない第一磁石２５及び第二磁石２６の各々の着磁面が磁性体ヨーク２９を介して取り付けられる。つまり、第一磁石２５及び第二磁石２６は、互いの磁極が逆向きで、かつ第一磁石２５及び第二磁石２６の各々から生じた磁力線が磁性体コア１１に沿って発電素子１０を貫通するように着磁されている。そして、第一磁石２５及び第二磁石２６の各々の着磁面が相対変位の方向に対応して並ぶように、かつ発電素子１０と対向していない第一磁石２５及び第二磁石２６の各々の着磁面が磁性体ヨーク２９に固定されている。磁性体ヨーク２９は、鉄等の軟磁性体で構成される。実施の形態１では、第一磁石２５及び第二磁石２６を固定した磁性体ヨーク２９は、第一磁石２５及び第二磁石２６の各々の磁力によって磁化するので、結果的に発電素子１０に作用する磁力を高めることができる。磁性体ヨーク２９は、重り２７と一体でもよい。

図６は、第一磁石２５及び第二磁石２６の変位方向５０と、発電素子１０の集磁体１３との位置関係を示した説明図である。図６に示した変位方向５０は、共振した磁石部２４が発電素子１０に対して変化する相対的な位置の変化量である。図４及び図６に示したように、第一磁石２５及び第二磁石２６の着磁面は、ギャップ３１をもって集磁体１３に対向する。第一磁石２５及び第二磁石２６の着磁面と集磁体１３との間隔であるギャップ３１は、より狭い方が磁性体コア１１に作用する磁力が増大し、発電量が増大する。図５は、ギャップ３１が０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍの場合の磁石部２４の磁束密度波形の一例を示した概略図である。図５に示したように、ギャップ３１が０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍのそれぞれの条件のうち、ギャップ３１が０．５ｍｍの際に磁束密度は最大となるが、第一磁石２５及び第二磁石２６と、集磁体１３との間には磁気吸引力が働くため、実質的に組立可能な最小のギャップ３１は１ｍｍ程度である。実施の形態１では、磁石部２４は首振り運動をするので、首振り運動した磁石部２４が発電素子１０の集磁体１３と干渉しないようにギャップ３１を設定する。

図５は、磁石厚さ方向、すなわち磁気モーメント２５Ｍ、又は磁気モーメント２６Ｍ方向の磁束密度波形が、磁束密度のプラス側に２つのピークを有することを示している。ギャップ３１が１ｍｍの場合、ピークの間隔は約６ｍｍのため、最も効率の良い集磁体１３の幅は６ｍｍとなる。ギャップ３１が１ｍｍの場合に、さらに多くの磁力を得るためには、例えば、幅約８ｍｍの集磁体１３を設置することで、さらに多くの磁力線５２を磁性体コア１１に集めることが可能となり、理論上は、磁石部２４の磁束の９０％程度を磁性体コア１１に誘導できる。

発電素子１０における集磁体１３の、磁石部２４との位置の相対変位の方向（図４では上下方向）における幅は、集磁体１３に対向する磁石部２４の第一磁石２５及び第二磁石２６の各々の着磁面の当該相対変位の方向における幅の６割程度であり、８割を上限とする。磁石部２４には、第一磁石２５及び第二磁石２６の少なくとも２個の磁石が必要であり、第一磁石２５と第二磁石２６との設置間隔は狭い方が、より小さい磁石の変位量で発電することができる。集磁体１３の相対変位の方向における幅が広いと、第一磁石２５と第二磁石２６との間隙２８を広くとる必要があるため、上記で述べた最も効率の良い幅（６ｍｍ）を超えると磁石間隔の点で不利になることから、磁力と磁石間隔のバランスの観点から集磁体の幅は磁石の幅の６割が望ましく、８割を上限とする。

第一磁石２５と第二磁石２６との間に設けられた間隙２８は非磁性体で構成され、間隙２８の相対変位の方向における幅は、集磁体１３の相対変位の方向における幅以上であることが望ましい。間隙２８は、空気間隙でもよいし、銅、アルミニウム又は合成樹脂等の非磁性体を充填してもよい。集磁体１３の相対変位の方向における幅が広いと、相対変位して集磁体１３が第一磁石２５と第二磁石２６とに跨った場合に、第一磁石２５の上方向の磁力線５２と第二磁石２６の下方向の磁力線５２との両方を集磁体１３が集めることとなり、磁性体コア１１内で上向きの磁力線５２と下向きの磁力線５２とが相殺されて磁性体コア１１内の磁束変化が鈍くなる。第一磁石２５と第二磁石２６との間の間隙２８を、図６に示したように、集磁体１３の幅と同程度かそれ以上設けておくと、第一磁石２５と第二磁石２６とに集磁体１３が跨るおそれが抑制され、磁性体コア１１の内部磁束変化を大きくすることができる。

また、磁石部２４は、磁性体ヨーク２９に接続された第一磁石２５及び第二磁石２６と、重り２７とを、銅、アルミニウム又は合成樹脂等の非磁性体で構成された筐体３０で覆われている。筐体３０の底部には一端が振動体３２に固定されたバネ２１の他端が固定される。

図４及び図６に示したように、バネ２１が振動していない場合、発電素子１０は、発電素子１０の両端に存在する集磁体１３の各々が、第一磁石２５及び第二磁石２６のいずれかの端部と対向する。従って、バネ２１が振動していない状態で、第一磁石２５－発電素子１０、又は第二磁石２６－発電素子１０のように、発電素子１０と、第一磁石２５又は第二磁石２６とが直列に並ぶことにより、第一磁石２５又は第二磁石２６の一端から生じた磁力線５２が、発電素子１０の磁性体コア１１を介して第一磁石２５又は第二磁石２６の他端に届く。その結果、第一磁石２５又は第二磁石２６から生じた磁力線５２を、磁性体コア１１へ効率よく誘導できる。第一磁石２５又は第二磁石２６から生じた磁力線５２が、磁性体コア１１へ効率よく誘導された結果、コイル１２には、大バルクハウゼン効果によるパルス電圧に加えて、電磁誘導による電圧が生じる。

前述した共振により、バネ２１が振動するような場合、発電素子１０の集磁体１３に対向する磁石が、例えば、第一磁石２５から第二磁石２６に切り替えられるので、発電素子１０の磁性体コア１１に印加される磁場が反転する。当該磁場の反転により、磁性体コア１１内部の磁化方向が反転する大バルクハウゼン効果が発現すると共に、コイル１２に電磁誘導が生じ、発電素子１０に巻回されたコイル１２に、図７（ｂ）に示したような波形のパルス電圧が生じる。

実施の形態１では、発電素子１０の集磁体１３が、第一磁石２５又は第二磁石２６の各々の着磁面と対向することにより、第一磁石２５又は第二磁石２６から生じた磁力線５２の大半は、着磁面に対向する集磁体１３を経由して磁性体コア１１に伝搬する。その結果、磁力線５２を、集磁体１３を経由して磁性体コア１１へ効率よく誘導できる。そして、第一磁石２５又は第二磁石２６から生じた磁力線５２は、磁性体コア１１に沿って発電素子１０を貫通するように伝播する。共振によって磁石部２４が変位方向５０に従って移動すると、発電素子１０の集磁体１３に対向する磁石が例えば第一磁石２５から第二磁石２６に切り替わり、集磁体１３に作用する磁力線５２の向きが反転する。その結果、大バルクハウゼン効果と電磁誘導とによる電圧がコイル１２に生じる。

図７（ａ）は、大バルクハウゼン効果を有しない鉄心に巻回したコイルに電磁誘導によって生じた電圧の波形１４０と、大バルクハウゼン効果のみによる電圧の波形１４１と、の一例を示した概略図である。図７（ａ）における、大バルクハウゼン効果を有しない鉄心に巻回したコイル１２に生じた電圧の波形１４０は、パルス幅が広く発生電荷量が多いことを示しているが、ピーク電圧が５Ｖ程度と低い。また、大バルクハウゼン効果のみによる電圧の波形１４１のピーク電圧は１５～２０Ｖと高いが、パルス幅が８０μＳ以下程度と狭く、電荷量が少ない。

図７（ｂ）は、実施の形態１に係る、電磁誘導と大バルクハウゼン効果とによってコイル１２に生じる電圧の波形１４２の一例を示した概略図である。実施の形態１では、電磁誘導による電荷量が多い電圧波形に、ピーク電圧が顕著な大バルクハウゼン効果による電圧波形を重畳することにより、２０～２５Ｖ程度の高い電圧を得ることができる。コンデンサに効率よく充電するためには電位差と電荷の両方が必要であり、実施の形態１に係る発電装置は、コンデンサへの充電に適している。

図８は、実施の形態１に係る振動発電装置１００の構成の一例を示したブロック図である。振動発電モジュール６０は、発電素子１０と磁石部２４とを含み、発電素子１０に対する磁石部２４の位置の変位によりコイル１２に電圧を生じさせる。コイル１２に生じた電圧は、図７（ｂ）に示したように正負のパルス状を呈するので、整流部６２によって全波整流される。整流部６２は、全波整流ではなく、半波整流を行ってもよい。

整流部６２で全波整流された電圧は、蓄電部６４に蓄えられる。蓄電部６４は、充電可能な二次電池、又はコンデンサ等である。発電素子１０が出力する電圧の波形は、大バルクハウゼン効果により、ピークが顕著なパルス状を呈するので、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、又はニカド電池等の二次電池の蓄電で許容される電圧を上回るおそれがある場合は、蓄電部６４にコンデンサを用いる。

蓄電部６４に蓄えられた電力は、例えば、周辺環境を検知するセンサの電源等に用いることができる。センサは、振動発電装置１００が工作機械に設置された場合、当該工作機械の温度、湿度、加速度、電流量、磁界、ＣＯ_２濃度、又は各種ガス濃度等を検知するセンサの電源に使用できる。また、振動発電装置１００が家屋等の一般的な環境に設置された場合、設置された家屋における温度、湿度、風速、風向、降水量、磁界、ＣＯ_２濃度、水若しくは土壌のｐＨ、水位、土壌含水量、土地の傾斜、地震等による加速度(衝撃)、又は日射量(曇天時) を検知するセンサの電源に使用できる。

以上説明したように、実施の形態１に係る振動発電モジュール６０、及び振動発電装置１００によれば、大バルクハウゼン効果による磁性体コア１１における磁化反転以外に、磁性体コア１１を電磁誘導コアとして積極活用するため、磁石部２４から発生する磁力線５２を、集磁体１３を介して磁性体コア１１に誘導する。その結果、大バルクハウゼン効果に加えて電磁誘導成分を最大化することにより発電量の増大を図ることができる。

実施の形態１では、振動体３２の振動周波数と共振するようにバネ２１のバネ定数、及び磁石部２４の自重を決定することで、振動体３２の微小振動をバネ２１で増幅し磁石の変位量を大きくとることができる。また、磁石部２４に設けた重り２７により、磁石部２４の重心を振動の中心軸からずらすことで、上下振動に磁石部２４の首振り動作が加わり、磁石の変位量を増幅することが出来る。

《実施の形態２》
続いて実施の形態２に係る振動発電モジュール７２について説明する。図９は、実施の形態２に係る振動発電モジュール７２の構成の一例を示した斜視図である。図９に示した振動発電モジュール７２は、土台となる機械等の振動体３２にバネ２１を介して取り付けられた磁石部４０が、重り２７を有さず、かつバネ２１の振動体３２の側に、バネ２１の全長に対して任意の位置で保持する保持機構３４を設ける点で実施の形態１と相違するが、実施の形態１と同じ構成については、実施の形態１と同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

磁石部４０は、重り２７を有しない点以外は、実施の形態１の磁石部２４と略同じである。実施の形態１と同様に、第一磁石２５と第二磁石２６との間に設けられた間隙４２は非磁性体で構成され、間隙４２の相対変位の方向における幅は、集磁体１３の相対変位の方向における幅以上であることが望ましい。間隙４２は、空気間隙でもよいし、銅、アルミニウム又は合成樹脂等の非磁性体を充填してもよい。集磁体１３の相対変位の方向における幅が広いと、相対変位して集磁体１３が第一磁石２５と第二磁石２６とに跨った場合に、第一磁石２５の上方向の磁力線５２と第二磁石２６の下方向の磁力線５２との両方を集磁体１３が集めることとなり、磁性体コア１１内で上向きの磁力線５２と下向きの磁力線５２とが相殺されて磁性体コア１１内の磁束変化が鈍くなる。第一磁石２５と第二磁石２６との間の間隙４２を、図６に示したように、集磁体１３の幅と同程度かそれ以上設けておくと、第一磁石２５と第二磁石２６とに集磁体１３が跨るおそれが抑制され、磁性体コア１１の内部磁束変化を大きくすることができる。

また、磁石部２４は、磁性体ヨーク４１に接続された第一磁石２５及び第二磁石２６が、銅、アルミニウム又は合成樹脂等の非磁性体で構成された筐体４３で覆われている。筐体４３の底部には一端が振動体３２に固定されたバネ２１の他端が固定される。

保持機構３４は、矢印３３方向の長さが異なるものが存在し、矢印３３方向の長さが異なる保持機構３４を使用することにより、バネ２１が振動する部分の長さ（以下、「バネ長」と称する）を変更できる。機械等である振動体３２は、同一機種であっても装置毎に振動周波数の個体差があるため、保持機構３４によりバネ長を調整することにより、バネ定数が各々の振動体３２の共振周波数に調整されて効率よく発電することが可能となる。また、実施の形態２に係る振動発電モジュール７２で得た電力は、図８に示した振動発電装置１００に供することができる。

実施の形態２では、磁石部４０は、重り２７を有しない形態を示しているが、これに限定されない。実施の形態２に係る磁石部４０が実施の形態１と同様に重り２７を有してもよい。

《実施の形態２の変形例》
続いて実施の形態２の変形例に係る振動発電モジュール７４について説明する。図１０は、実施の形態２の変形例に係る振動発電モジュール７４の構成の一例を示した斜視図である。図１０に示した振動発電モジュール７４は、バネ２１の振動体３２の側に設けられた保持機構３５が円筒形状を呈し、円筒形状の側面の上下方向に複数設けられたネジ穴のいずれかにボルト３６を係止できる点で実施の形態２と相違するが、実施の形態２と同じ構成については、実施の形態２と同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

実施の形態２では、矢印３３方向の長さが異なる保持機構３４を交換することによりバネ長を変更したが、実施の形態２の変形例では、保持機構３５に係止するボルト３６の位置を変更することで、簡易迅速に、バネ２１のバネ定数を各々の振動体３２の共振周波数に調整できる。実施の形態２の変形例に係る振動発電モジュール７４で得た電力は、図８に示した振動発電装置１００に供することができる。

実施の形態１、実施の形態２、及び実施の形態２の変形例では、磁石部２４から発生した磁力線５２を効率よく誘導する集磁体１３を発電素子１０に設けたが、これに限定されない。集磁体１３を有さず、磁性体コア１１とコイル１２のみの構成であってもよい。また、磁石部２４の着磁面と集磁体１３とが対向していない構成でもよい。さらには、磁性体コア１１を有さず、ボビン形状の部材が鉄等の軟磁性体のみで構成されていてもよい。

《実施の形態３》
続いて実施の形態３について説明する。実施の形態３は、磁石４１０の着磁方向４３０、４３２により、図１１、及び図１２の２通りの形態が考えられる。図１１は磁石４１０の着磁方向４３０が長手方向の場合、図１２は磁石４１０の着磁方向４３２が磁石４１０の厚さ方向の場合を示す。

図１１の形態は、磁石４１０の着磁面４１０Ａと発電素子１１０の集磁面１１０Ａが向かい合っていない場合の構成例を示す。磁力線が磁性体表面に垂直に入射する性質を利用して、集磁面１１０Ａ、１１０Ｂは、磁性体コア１１１の長手方向(磁力線が流れる方向)と垂直な面であり、集磁面１１０Ａに入射した磁力線はそのまま真っ直ぐ磁性体コア１１１に誘導される。磁石４１０の着磁方向は長手方向（図の左右方向）であり、磁石４１０の左側面がＮ極の着磁面４１０Ａとなる。着磁面４１０Ａから出た磁力線４２０は、磁石４１０の周囲を回って着磁面４１０ＢのＳ極に入る。この時、発電素子１１０は磁石４１０の上方にあり、その磁石４１０の周囲を回っている磁力線は集磁面１１０Ａで集約され、磁性体コア１１１内を通って集磁面１１０Ｂから磁石４１０の着磁面４１０Ｂに至る経路を取る。この場合、着磁面４１０Ａから出る磁力線の一部のみを集磁体１１２で集めて発電素子１１０に誘導する形態のため、実施の形態１と比べると電磁誘導の効率が悪い。しかしながら実施の形態３に係る発電装置に接続される電力負荷の消費電力を非常に小さくすることで効率の悪い電磁誘導成分でも動作可能な電力を得ることが出来れば、磁石４１０に対する発電素子の設置自由度が高いメリットがある。

《実施の形態３の変形例》
図１２の形態は、発電素子１１０の集磁面１１０Ａを集磁体１１２の側面にすることで磁石４１０の着磁面と発電素子１１０の集磁面１１０Ａとが向かい合う構成とした実施の形態３の変形例を示す。磁石４１０の着磁方向は厚さ方向（図の上下方向）であり、磁石４１０の左上面がＮ極の着磁面４１０Ａ、磁石４１０の右上面がＳ極の着磁面４１０Ｂとなる。着磁面４１０Ａから出た磁力線４２２は、集磁体１１２の側面にある集磁面１１０Ａで集約され、磁性体コア１１１内を通って集磁面１１０Ｂから磁石４１０の着磁面４１０Ｂに至る経路を取る。

この場合、以下２点の課題がある。
課題（１）：集磁面１１０Ａと磁性体コア１１１の長手方向（コイルでの発電に寄与する磁力線の方向）が平行なため、集磁面１１０Ａから入った磁力線がほぼ９０度折れ曲がるように磁性体コア１１１内に誘導される必要がある。そのため、一部の磁力線は集磁体１１２内を曲がり切れずに一部がまっすぐ進んで空気中に漏れ出る(図中破線)経路を取ることにより、電磁誘導の効率が悪くなる。
課題（２）：図１のように磁性体コア１１１に複数本の複合磁気ワイヤを束ねたものを使用する場合、磁石４１０に近い側にある複合磁気ワイヤの磁力線が入りやすく、磁石４１０から遠い側にある複合磁気ワイヤには磁力線が入りにくいため、複数の複合磁気ワイヤ間で内部磁束のばらつきが発生して電磁誘導の効率が悪くなる。

なお、実施の形態１のように、磁石４１０の着磁面４１０Ａと発電素子１１０の集磁面１１０Ａとが向かい合い、かつ集磁面１１０Ａと発電素子１１０の長手方向（コイルでの発電に寄与する磁力線の方向）とが直交すると、磁石４１０の着磁面４１０Ａから出た磁力線は真っ直ぐ集磁面１１０Ａに入り、そのまま真っ直ぐ発電素子１１０内を進んで反対側の集磁面１１０Ｂから出る経路を取るため、磁石４１０から出た磁力線のロスが非常に少なく、最も効率の良い電磁誘導発電を得ることが出来る望ましい形態である。

《実施の形態４》
続いて実施の形態４について説明する。図１３は、実施の形態４に係る発電モジュールの構成を概略的に示す斜視図である。図１３では、発電素子１１０に、コイル１２０が巻回される磁性体コア１１１として、大バルクハウゼン効果を発生させる複合磁気ワイヤを用いているが、集磁体１１２を用いていない点が図１に示した発電素子１０と異なる。

本構成では集磁体１１２が備わっていないため、発電効率は図１１又は図１２と比較してもさらに劣るが、実施の形態４に係る発電装置に接続される電力負荷の消費電力を非常に小さくすることで効率の悪い電磁誘導成分でも動作可能な電力を得ることが出来れば、部材点数が少なくなるため安価に発電モジュールを構成することが出来る。

１０ 発電素子、１１ 磁性体コア、１２ コイル、１３ 集磁体、１５ 台座、２１ バネ、２４ 磁石部、２５ 第一磁石、２５Ｍ 磁気モーメント、２６ 第二磁石、２６Ｍ 磁気モーメント、２７ 重り、２８ 間隙、２９ 磁性体ヨーク、３０ 筐体、３１ ギャップ、３２ 振動体、３４、３５ 保持機構、４２ 間隙、４３ 筐体、５０ 変位方向、６０ 振動発電モジュール、６２ 整流部、６４ 蓄電部、７０ 発電素子、７２、７４ 振動発電モジュール、１００ 振動発電装置。

Claims (13)

1. 振動体にバネを介して取り付けられ、永久磁石を備える磁石部と、
   共振する前記磁石部との位置の相対変位に基づく磁界の変化により磁性体コアに巻回されたコイルに電圧が生じる発電素子と、
   前記バネの全長に対して任意の位置で保持する保持機構と、
   を備え、
   前記保持機構により前記バネのバネ定数を調整し、
   前記振動体の振動によって、前記バネ及び前記磁石部が共に共振するように、前記バネの前記バネ定数及び前記磁石部の自重が決定される
   ことを特徴とする振動発電モジュール。
2. 振動体にバネを介して取り付けられ、永久磁石を備える磁石部と、
   共振する前記磁石部との位置の相対変位に基づく磁界の変化により磁性体コアに巻回されたコイルに電圧が生じる発電素子と、
   を備え、
   前記振動体の振動によって、前記バネ及び前記磁石部が共に共振するように、前記バネのバネ定数及び前記磁石部の自重が決定され、
   前記磁石部は、重りを有し、前記重りが前記バネの振動の中心軸に対して前記発電素子と逆側に設置されることにより、前記磁石部の重心が前記中心軸よりも前記重り側の位置にある
   ことを特徴とする振動発電モジュール。
3. 前記磁石部は、前記永久磁石である第一磁石、及び第二磁石、並びに重りからなり、前記自重が決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の振動発電モジュール。
4. 前記第一磁石、及び前記第二磁石は、互いの磁極が逆向きで、かつ前記第一磁石、及び前記第二磁石の各々から生じた磁力線が前記磁性体コアに沿って前記発電素子を貫通するように着磁され、前記第一磁石、及び前記第二磁石の各々の着磁面が前記相対変位の方向に対応して並ぶように、かつ前記発電素子と対向していない前記第一磁石、及び前記第二磁石の各々の着磁面が磁性体ヨークに固定されていること
   を特徴とする請求項３に記載の振動発電モジュール。
5. 前記発電素子は、前記磁性体コアの長手方向の両端に軟磁性体で構成された集磁体を備え、
   前記磁性体コア、及び前記集磁体は、一体でボビン形状を呈する請求項４に記載の振動発電モジュール。
6. 前記集磁体の前記相対変位の方向における幅は、前記集磁体に対向する前記磁石部の着磁面の前記相対変位の方向における幅の６割から８割の長さであること
   を特徴とする請求項５に記載の振動発電モジュール。
7. 前記第一磁石と前記第二磁石との間に非磁性の間隙を有し、前記間隙は前記集磁体の前記相対変位の方向における幅以上であること
   を特徴とする請求項６に記載の振動発電モジュール。
8. 前記磁性体コアは、大バルクハウゼン効果を生じる１本以上の複合磁気ワイヤからなること
   を特徴とする請求項１または２に記載の振動発電モジュール。
9. 請求項１または２に記載の振動発電モジュールの前記発電素子が出力した電圧を整流する整流部と、
   前記整流部が整流した電圧を蓄電する蓄電部と、
   を備える振動発電装置。
10. 請求項８に記載の振動発電モジュールの前記発電素子が出力した電圧を整流する整流部と、
    前記整流部が整流した電圧を蓄電する蓄電部と、
    を備える振動発電装置。
11. 前記磁性体コアは、大バルクハウゼン効果を生じる１本以上の複合磁気ワイヤからなること
    を特徴とする請求項３に記載の振動発電モジュール。
12. 請求項３に記載の振動発電モジュールの前記発電素子が出力した電圧を整流する整流部と、
    前記整流部が整流した電圧を蓄電する蓄電部と、
    を備える振動発電装置。
13. 請求項１１に記載の振動発電モジュールの前記発電素子が出力した電圧を整流する整流部と、
    前記整流部が整流した電圧を蓄電する蓄電部と、
    を備える振動発電装置。