JP5936514B2 - 発電ユニット - Google Patents

Description

本発明は、装着された振動源の振動を利用して発電を行う発電ユニットに関し、特に、振動が比較的低周波数である振動源において、発電を効率的に行うことができる発電ユニットに関するものである。

特許文献１には、磁歪材料の逆磁歪効果を利用して振動発電を行う発電素子が開示される。この発電素子について、図５（ａ）を参照して説明する。図５（ａ）は、従来の発電素子９０１の正面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の矢印Ｖｂ方向視における発電素子９０１の側面図である。なお、図５（ａ）では、磁歪棒９１１，９１２が伸張または短縮した状態が模式的に図示されると共に、コイル９３１、永久磁石９４１，９４２及びバックヨーク９５０の図示が省略される。

図５（ａ）に示すように、発電素子９０１は、一対の磁歪棒９１１，９１２と、それら一対の磁歪棒９１１，９１２の一端を支持する第１ヨーク９２１と、一対の磁歪棒９１１，９１２の他端を支持すると共に質量体（可動マス）として機能する第２ヨーク９２２と、一対の磁歪棒９１１，９１２にそれぞれ巻回される一対のコイル９３１，９３２（但し、コイル９３２の図示は省略）と、一対の磁歪棒９１１，９１２の一端および他端の背面にそれぞれ磁極を違えて配設される一対の永久磁石９４１，９４２と、それら一対の永久磁石９４１，９４２を連結することで一対の磁歪棒９１１，９１２にバイアス磁界を付与するバックヨーク９５０と、を主に備える。

発電素子９０１は、第１ヨーク９２１を振動源に固着すると共に、第２ヨーク９２２を自由端とした状態で設置され、振動源の振動に伴って、磁歪棒９１１，９１２の軸直角方向へ第２ヨーク９２２を振り子運動（自由振動）させることで、磁歪棒９１１，９１２の一方および他方に軸方向の伸張および収縮をそれぞれ発生させる。即ち、図５（ａ）に示すように、振り子運動により、磁歪棒９１１，９１２が曲げ変形されることで、一方（磁歪棒９１１）に軸方向の収縮が、他方（磁歪棒９１２）に軸方向の伸張が、それぞれ発生される。これにより、磁歪棒９１１，９１２の軸方向と平行な方向に磁束密度が変化し（逆磁歪効果）、磁歪棒９１１，９１２にそれぞれ巻回されたコイルに電流が発生し、発電が行われる。

発電素子９０１は、その設置環境下（振動源の振動）で共振するように、可動マスの質量とばね定数とが設定される。例えば、第２ヨーク９２２を大きくして、可動マスとしての質量を重くする、或いは、磁歪棒９１１，９１２の軸方向長さを長くして・磁歪棒９１１，９１２の厚みを薄くして・磁歪棒９１１，９１２の対向間隔を狭くして、ばね定数を小さくすることで、発電素子９０１の共振周波数を、低周波数側へ調整できる一方、これらの逆を行えば、高周波数側へ調整できる。

ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／００３２７６（段落００７８、図４Ａなど）

しかしながら、上述した発電素子９０１では、振動が比較的低周波数である振動源（例えば、約３Ｈｚ〜２０Ｈｚで振動する橋や歩道橋、道路など）に対しては、発電を効率的に行うことが困難であるという問題点があった。

即ち、可動マスの質量を増加させるべく、第２ヨーク９２２を大きくすると、発電と無関係な部位の体積が増加するため、電力密度（単位体積あたりから取り出せる電力）が低くなる。ばね定数を小さくするべく、磁歪棒９１１，９１２の軸方向長さを長くすると、発電素子９０１全体の大型化を招き、磁歪棒９１１，９１２の厚みを薄くすると、磁束が漏れやすくなるため発電量が低下し、磁歪棒９１１，９１２の対向間隔を狭くすると、コイルの配設スペースが減少して巻き数が確保できなくなるため、発電量が低下する。そもそも、発電素子９０１は、その発電圧が周波数に比例することから、振動源の振動が低周波数であるほど、発電効率が低下する。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、振動が比較的低周波数である振動源において、発電を効率的に行うことができる発電ユニットを提供することを目的としている。

課題を解決するための手段および発明の効果

請求項１記載の発電ユニットによれば、振動源側に固定された固定部材に対してマス部材が弾性支持部材によって自由振動可能に弾性支持される加振装置を備え、加振装置の共振周波数である第１周波数が、発電素子の共振周波数である第２周波数よりも低くされるので、加振装置の共振周波数（第１周波数）を振動源の振動に合わせることで、加振装置を共振させ、マス部材を発電素子の磁歪棒の他端側に周期的に衝突させることができる。これにより、磁歪棒の他端側に自由振動を発生させ、発電素子に発電を効率的に行わせることができる。

即ち、発電素子の共振周波数（第２周波数）を、振動源の振動に合わせる必要がなく、高周波数に設定できるので、その分、発電素子の発電圧を確保した状態で、発電を行うことができる。その結果、振動が比較的低周波数の振動源において、発電を効率的に行うことができる。

また、発電素子の共振周波数（第２周波数）を、高周波数に設定できれば、例えば、可動マスとなる部分の体積を小さくすることや磁歪棒の長さを短くすることができるので、その分、発電ユニット全体としての小型化を図ることができる。

請求項２記載の発電ユニットによれば、請求項１記載の発電ユニットの奏する効果に加え、第１棒および第２棒の対向間に一対の永久磁石が磁極を違えて挟装されるので、第１棒および第２棒と一対の永久磁石とにより磁気ループが形成されると共に、永久磁石の起磁力によるバイアス磁界が第１棒および第２棒に付与される。よって、軸方向他端側の自由振動により、第１棒および第２棒が伸張または収縮されることで、その軸方向と平行な方向に磁束密度が変化される。その結果、第１棒または第２棒の内の少なくとも一方に巻回されたコイルに電流が発生し、発電が行われる。

この場合、請求項２によれば、上述したように、加振装置を備えることで、発電素子の共振周波数（第２周波数）を、高周波数に設定できるので、可動マスとなる軸方向他端側の保持部材の質量を小さくできる。これにより、発電と無関係な部位の体積を抑制できるので、その分、電力密度（単位体積あたりから取り出せる電力）を大きくできる。また、発電素子のばね定数を大きくできる。これにより、第１棒および第２棒の軸方向長さを短くできるので、その分、発電ユニットの小型化を図ることができる。同様に、第１棒および第２棒の厚みや径を大きくできるので、磁束を漏れ難くできると共に、第１棒および第２棒の対向間隔を広くできるので、コイルの配設スペースを確保して、その巻き数を多くでき、その分、発電効率の向上を図ることができる。

ここで、請求項２によれば、永久磁石は、第１棒および第２棒の対向間に挟装され、これら第１棒および第２棒の対向間に永久磁石が挟装された状態が保持部材により保持される（即ち、永久磁石が挟装された第１棒および第２棒の軸方向一端側および他端側が保持部材によりそれぞれ保持される）ので、発電中に第１棒および第２棒と永久磁石との間に滑りが発生することを抑制でき、摩擦抵抗によるエネルギーの損失を低減できる。さらに、第１棒および第２棒と永久磁石とにより磁気ループを形成でき、従来技術のように、バックヨークを取り付ける必要がないので、その分、部品点数の削減と小型化とを図ることができる。よって、請求項２によれば、部品点数の削減と小型化とを図りつつ、発電効率の向上を図ることができる。

請求項３記載の発電素子によれば、請求項２記載の発電素子の奏する効果に加え、部品点数の削減を図りつつ、発電効率の向上を図ることができるという効果を奏する。即ち、第１棒のみにコイルが巻回され、第２棒にコイルを巻回する必要がないので、その分、部品点数の削減を図ることができる。また、第２棒にコイルを巻回する必要がなければ、第２棒にコイルを巻回するためのスペースを利用して、第１棒に巻回されるコイルの巻き数を増加させることができ、その分、発電効率の向上を図ることができる。更に、上述したように、加振装置を備えることで、発電素子の共振周波数（第２周波数）を、高周波数に設定でき、発電素子のばね定数を高くできるので、第１棒および第２棒の間隔を広くすることができる。この点からも、コイルの巻き数を増加させ、発電効率の向上を図ることができる。

ここで、第１棒と第２棒との対向間に一対の永久磁石が磁極を違えて挟装され、第１棒および第２棒と一対の永久磁石とにより磁気ループが形成される構造では、第１棒にその軸方向に沿って形成される磁界の方向と第２棒にその軸方向に沿って形成される磁界の方向とが逆方向となる。よって、発電中、第１棒および第２棒が伸張または収縮される際に、軸方向と平行な方向の磁束密度の変化が逆方向となり互いに打ち消し合う。そのため、磁束密度の変化が低減され、発電効率の低下を招く。

これに対し、請求項３によれば、第２棒（即ち、コイルが巻回されないもの）が第１棒よりも磁歪効果の低い磁歪材料から構成されるので、発電中、第１棒および第２棒が伸張または収縮される際には、第２棒における軸方向と平行な方向の磁束密度の変化を少なくできる。よって、第２棒における軸方向と平行な方向の磁束密度の変化によって、第１棒における軸方向と平行な方向の磁束密度の変化が打ち消されることを抑制できるので、その分、発電に必要な第１棒における軸方向と平行な方向の磁束密度の変化を確保して、発電効率の向上を図ることができる。

また、第２棒を、磁歪効果の高い磁歪材料から構成する必要がなく、一般的な磁性材料から構成することができるので、その分、第２棒の材料コストを削減して、発電素子全体としての製品コストを削減することができる。

請求項４記載の発電素子によれば、請求項２又は３に記載の発電素子の奏する効果に加え、加振装置の固定部材が発電素子の保持部材と一体に形成されるので、これら両部材を別体とする場合と比較して、部品点数を削減できると共に組み立て工程を簡素化して、その分、発電ユニット全体としての製品コストの削減を図ることができる。

本発明の第１実施形態における発電ユニットの部分断面正面図である。 （ａ）は、加振装置の上面図であり、（ｂ）は、発電素子の上面図である。 第２実施形態における発電ユニットの正面図である。 第３実施形態における発電ユニットの正面図である。 （ａ）は、従来の発電素子の正面図であり、（ｂ）は、図５（ａ）の矢印Ｖｂ方向視における発電素子の側面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態における発電ユニット１の部分断面正面図である。図２（ａ）は、加振装置７０の上面図であり、図２（ｂ）は、発電素子１０の上面図である。なお、図１では、永久磁石３１，３２の磁極の向きの理解を助けるために、その磁性を「Ｎ」「Ｓ」の表記を用いて便宜的に図中に図示する。

図１及び図２に示すように、発電ユニット１は、一対の保持部材６０の内の一方の保持部材６０（図１右側）が振動源ＳＶに固定された状態で設置され、第１棒１１及び第２棒１２の軸方向一端側（図１右側）が固定端とされると共に第１棒１１及び第２棒１２の軸方向他端側（図１左側）が自由振動可能な自由端とされる。振動源ＳＶが振動されると、その振動により、他方の保持部材６０（図１左側）が振り子運動（自由振動）されることで、発電が行われる。即ち、振り子運動に伴う曲げ変形により第１棒１１には軸方向の伸張および収縮が発生し、第１棒１１の軸方向と平行な方向に磁束密度が変化することで、コイル２０に電流が発生し、発電が行われる。

なお、発電ユニット１の装着対象は、振動が比較的低周波数（例えば、約３Ｈｚ〜２０Ｈｚ程度）となる振動源ＳＶとされ、このような振動源ＳＶとしては、例えば、橋や横断歩道、道路などが一例として例示される。本実施形態では、振動源ＳＶの振動が１０Ｈｚであるとして、説明する。

発電ユニット１は、発電素子１０と、その発電素子１０に連結される加振装置７０とを備えて構成される。発電素子１０は、磁歪材料から構成される第１棒１１及び第２棒１２と、第１棒１１に巻回されるコイル２０と、第１棒１１及び第２棒１２の軸方向他端側（図１左側）及び軸方向一端側（図１右側）においてこれら第１棒１１及び第２棒１２の対向間に挟装される一対の永久磁石３１，３２と、第１棒１１及び第２棒１２の軸方向一端側および他端側にそれぞれ取着され第１棒１１及び第２棒１２の対向間に永久磁石３１，３２が挟装された状態を保持する一対の保持部材６０とを備える。

第１棒１１及び第２棒１２は、厚み寸法（図１上下方向寸法）に対して幅寸法（図２（ｂ）上下方向寸法）が大きな断面長方形（即ち、断面が長辺（幅方向に沿う辺）及び短辺（厚み方向に沿う辺）を有する長方形）の長尺板状に形成される。

これら第１棒１１及び第２棒１２は、互いに同一形状（寸法）に形成されると共に、面積が大きな側面（即ち、断面において長辺を含む側面）同士を対向させて平行に配置される。なお、第２棒１２は、第１棒１１よりも磁歪効果の低い磁歪材料から構成される。本実施形態では、第１棒１１が鉄ガリウム合金から、第２棒１２が鉄鋼材料から、それぞれ構成される。

コイル２０は、銅線から構成される線材を第１棒１１に巻回したコイルである。コイル２０と第１棒１１との間には隙間が設けられる。永久磁石３１，３２は、第１棒１１にバイアス磁界を付与するための部材（永久磁石）であり、それぞれ断面矩形の板状に形成される。

永久磁石３１，３２は、互いに磁極を違えて配設される。即ち、永久磁石３１は、第１棒１１に接続される面側（図１上側）にＮ極、第２棒１２に接続される面側（図１下側）にＳ極が配置される一方、これとは反対に、永久磁石３２は、第１棒１１に接続される面側にＳ極、第２棒１２に接続される面側にＮ極が配置される。

これにより、第１棒１１と、第２棒１２と、永久磁石３１，３２とにより磁気ループが形成され、永久磁石３１，３２の起磁力によるバイアス磁界が第１棒１１に付与される。その結果、第１棒１１の磁化容易方向（磁化の方向または磁化が生じ易い方向）が、第１棒１１の軸方向（長手方向、図１左右方向）に設定される。

永久磁石３１，３２は、固定部材４０に形成（凹設）された収容空間に配設される。この収容空間の内面および第１棒１１及び第２棒１２の側面と、永久磁石３１，３２の側面との対向間には隙間が形成され、この隙間に充填した接着剤により、永久磁石３１，３２が固定部材４０に固着される。

保持部材６０は、第１棒１１及び第２棒１２の軸方向一端側および他端側にそれぞれ取着される一対の固定部材４０と、それら一対の固定部材４０がそれぞれ圧入されるホルダ部材５０とを備える。固定部材４０及びホルダ部材５０は、非磁性材料（本実施形態では、アルミニウム合金）から構成される。

固定部材４０は、ブロック状に形成され、その一側の側面（図１紙面手前側、図２（ｂ）下側）には、第１棒１１、第２棒１２及び永久磁石３１，３２を収容するための凹部空間が凹設される。即ち、永久磁石３１，３２を収容する凹部空間が、固定部材４０の略中央部に正面視矩形状に凹設され、その永久磁石３１，３２を収容する凹部空間を上下方向（図１上下方向）から挟んで、第１棒１１及び第２棒１２を収容する溝状の凹部空間が左右方向（図１左右方向）に延設される。

第１棒１１及び第２棒１２を収容する凹部空間の対向間には、永久磁石３１，３２を収容する凹部空間に隣接する位置に、正面視矩形状の規制部４１が突設される。規制部４１の厚み寸法（図１上下方向寸法）は、永久磁石３１，３２の厚み寸法（図１上下方向寸法）よりも大きくされる。

固定部材４０の上下（図１上側および下側）の側面は、固定部材４０をホルダ部材５０へ圧入する際の圧入方向に沿って傾斜する傾斜面として形成される。これら上下の傾斜面の傾斜（勾配）によって、固定部材４０は、図１に示す正面視において、第１棒１１及び第２棒１２の軸方向中央から離間するに従って先細りとなる形状に形成される。

ホルダ部材５０は、略直方体形状のベース部５１と、そのベース部５１から突設されると共に所定間隔を隔てて互いに対向する被圧入対向部５２，５３とを備え、被圧入対向部５２，５３の対向間に固定部材４０を保持する。

被圧入対向部５２，５３の互いに対向する面は、固定部材４０をホルダ部材５０へ圧入する際の圧入方向に沿って傾斜する傾斜面として形成される。これら対向する面の傾斜（勾配）によって、その対向間隔は、ベース部５１へ向かうに従って狭くなる。なお、一対のホルダ部材５０の一方（図１右側）のホルダ部材５０には、被圧入対向部５２の上側の側面に、締結孔５２ａが凹設される。

ここで、発電素子１０は、その振り子運動（自由振動）の共振周波数（第２周波数）が、加振装置７０における振り子運動（自由振動）の共振周波数（第１周波数）よりも高い値（高周波数）に設定され、本実施形態では、第２周波数が１５０Ｈｚに設定される。なお、発電素子１０における自由振動の共振周波数（第２周波数）は、約１００Ｈｚ〜２００Ｈｚに設定されることが好ましい。

加振装置７０は、質量体（可動マス）として構成されるマス部材７１と、振動源ＳＶ側に固定される固定部材７２と、それらマス部材７１及び固定部材７２の間に介設され、固定部材７２に対してマス部材７１を自由振動可能に弾性支持する弾性支持部材７３とを備え、これら各部材７１〜７３が鉄鋼材料から一体に形成される。

マス部材７１は、直方体形状に形成され、発電素子１０の他方の保持部材６０（図１左側であって、自由振動可能な自由端側）に対して所定間隔を隔てつつ対向配置される。即ち、マス部材７１は、その下面（図１下側面）を他方の保持部材６０の上面（図１上側面）に衝突可能な位置に配置される。

なお、マス部材７１は、保持部材６０（ホルダ部材５０のベース部５１）の端面よりも外方（弾性支持部材７３と反対側、図１左側）に突出する位置に配置される。これにより、保持部材６０の最端部（図１左端）にマス部材７１を衝突させることができるので、発電素子１０に自由振動を効率的に発生させることができる。

固定部材７２は、直方体形状に形成され、発電素子１０の一方の保持部材６０（図１右側、即ち、振動源ＳＶに固定される固定端側）に締結ボルトｂｔにより締結固定される。即ち、固定部材７２には、挿通孔７２ａが貫通形成されており、締結ボルトｂｔは、固定部材７２の挿通孔７２ａに挿通され、一方の保持部材６０の締結孔５２ａに締結される。

弾性支持部材７３は、第１棒１１及び第２棒１２と同様に、厚み寸法に対して幅寸法が大きな断面長方形の長尺板状に形成され、面積が大きな側面（即ち、断面において長辺を含む側面）を対向させて第１棒１１及び第２棒１２に平行に配置される。弾性支持部材７３が撓み変形されることで、マス部材７１が固定部材７２に対して振り子運動（自由振動）される。即ち、振動源ＳＶからの振動の入力により加振装置７０が共振されると、マス部材７１が発電素子１０の他方の保持部材６０に周期的に衝突される。

ここで、加振装置７０は、その振り子運動（自由振動）の共振周波数（第１周波数）が、発電素子１０における振り子運動（自由振動）の共振周波数（第２周波数）よりも低い値（低周波数）に設定され、本実施形態では、第１周波数が１０Ｈｚに設定される。即ち、加振装置７０における自由振動の共振周波数（第１周波数）は、振動源ＳＶの振動の周波数に一致される。

以上のように構成された発電ユニット１によれば、第１棒１１及び第２棒１２の対向間に一対の永久磁石３１，３２が磁極を違えて挟装されるので、第１棒１１及び第２棒１２と一対の永久磁石３１，３２とにより磁気ループが形成されると共に、永久磁石３１，３２の起磁力によるバイアス磁界が第１棒１１及び第２棒１２に付与される。よって、振り子運動（自由振動）により、第１棒１１及び第２棒１２が伸張または収縮されることで、その軸方向（図１左右方向）と平行な方向に磁束密度が変化される。その結果、第１棒１１に巻回されたコイル２０に電流が発生し、発電が行われる。

この場合、発電素子１０における振り子運動（自由振動）の共振周波数である第２周波数を、振動源ＳＶの振動の周波数に一致させ（例えば、一方の保持部材６０の質量、第１棒１１及び第２棒１２の軸方向長さや厚み寸法を調整する）、振動源ＳＶの振動により発電素子１０を共振させることで、発電を行っても良い。

しかしながら、この方法では、効率的に発電を行うことができない。つまり、発電圧Ｖは、Ｖ＝２π・ｆ・Ｂ・Ｎ・Ｓにより決定され（ｆ：周波数、Ｂ：磁束密度の変化量、Ｎ：コイルの巻き数、Ｓ：磁歪棒の断面積）、極力、周波数ｆを大きな値（高周波数）として、発電圧を高くすることが、効率的な発電を行うために必要となるところ、振動源ＳＶは、その振動が例えば約３Ｈｚ〜２０Ｈｚと低周波数であるため、その低周波数の振動に発電素子１０を共振させても、発電圧が低く、効率的な発電を行うことができない。

これに対し、発電ユニット１によれば、加振装置７０における振り子運動（自由振動）の共振周波数である第１周波数（本実施形態では１０Ｈｚ）が、振動源ＳＶの振動の周波数に一致されるので、加振装置７０を共振させ、マス部材７１を発電素子１０の他方（自由端側）の保持部材６０に周期的に衝突させることができ、これにより、発電素子１０に自由振動を発生させ、発電素子１０による発電を効率的に行わせることができる。

即ち、発電素子１０における振り子運動（自由振動）の共振周波数（第２周波数）を、振動源ＳＶの振動（即ち、低周波数の振動）に合わせる必要がなく、高周波数（本実施形態では１５０Ｈｚ）に設定できるので、その分、発電素子１０の発電圧を確保した状態で、発電を行うことができる。その結果、振動が比較的低周波数の振動源ＳＶにおいて、発電を効率的に行うことができる。

また、発電素子１０の共振周波数（第２周波数）を高周波数に設定できれば、質量体（可動マス）として機能する他方（自由端側、図１左側）の保持部材６０の質量を小さくできる。これにより、発電と無関係な部位の体積を小さくできるので、その分、電力密度（単位体積あたりから取り出せる電力）を大きくできる。

同様に、発電素子１０の共振周波数（第２周波数）を高周波数に設定できれば、発電素子１０のばね定数を大きくできる。これにより、第１棒１１及び第２棒１２の軸方向長さを短くできるので、その分、発電ユニット１の小型化を図ることができる。また、第１棒１１及び第２棒１２の厚み寸法や幅寸法を大きくできるので、磁束を漏れ難くできる。さらに、第１棒１１及び第２棒１２の対向間隔を広くできるので、コイル２０の配設スペースを確保して、その巻き数を多くすることができる。その結果、発電効率の向上を図ることができる。

なお、発電ユニット１の発電素子１０によれば、第１棒１１のみにコイル２０が巻回され、第２棒１２にコイル２０を巻回する必要がないので、その分、部品点数の削減を図ることができる。また、第２棒１２にコイル２０を巻回する必要がなければ、本来、第２棒１２にコイル２０を巻回するためのスペースを利用して、第１棒１１に巻回されるコイル２０の巻き数を増加させることができる。即ち、この構成も、発電効率の向上に寄与する。

ここで、発電ユニット１の構造では、第１棒１１にその軸方向（図１左右方向）に沿って形成される磁界の方向と第２棒１２にその軸方向（図１左右方向）に沿って形成される磁界の方向とが逆方向となる。よって、発電中、第１棒１１及び第２棒１２が伸張または収縮される際に、軸方向と平行な方向の磁束密度の変化が逆方向となり互いに打ち消し合う。そのため、磁束密度の変化が低減され、発電効率の低下を招く。

この場合、発電ユニット１によれば、第２棒１２（即ち、コイルが巻回されない磁歪棒）が第１棒１１よりも磁歪効果の低い磁歪材料から構成されるので、発電中、第１棒１１及び第２棒１２が伸張または収縮される際には、第２棒１２における軸方向と平行な方向の磁束密度の変化を少なくできる。よって、第２棒１２における軸方向と平行な方向の磁束密度の変化によって、第１棒１１における軸方向と平行な方向の磁束密度の変化が打ち消されることを抑制できるので、その分、発電に必要な第１棒１１における軸方向と平行な方向の磁束密度の変化を確保して、発電効率の向上を図ることができる。

また、第２棒１２を、磁歪効果の高い磁歪材料から構成する必要がなく、一般的な磁性材料（本実施形態では鉄鋼材料）から構成することができるので、第１棒１１と比較して、第２棒１２の材料コストを削減でき、その分、発電ユニット１全体としての製品コストを削減できる。

次いで、図３を参照して、第２実施形態における発電ユニット２０１について説明する。第１実施形態では、弾性支持部材７３が板ばねとして形成される場合を説明したが、第２実施形態における弾性支持部材２７３は、コイルスプリングとして形成される。なお、上述した第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図３は、第２実施形態における発電ユニット２０１の正面図である。なお、第２実施形態における発電素子２１０は、一方の保持部材２６０（ホルダ部材２５０）の構成が、第１実施形態における保持部材６０（ホルダ部材５０）と異なる点を除き、他の構成は第１実施形態における発電素子１０と同一であるので、その説明は省略する。

図３に示すように、第２実施形態における発電ユニット２０１は、発電素子２１０と、加振装置２７０とを備える。発電素子２１０の一方の保持部材２６０は、第１棒１１及び第２棒１２の軸方向一端側に取着される固定部材４０と、その固定部材４０が圧入されるホルダ部材２５０とを備える。なお、ホルダ部材２５０は、非磁性材料（本実施形態では、アルミニウム合金）から構成される。

ホルダ部材２５０は、ベース部２５１及び被圧入対向部２５２が上方（図３上側）へ向けて延設されることで、第１実施形態におけるホルダ部材５０のベース部５１及び被圧入対向部５２よりも高さ寸法が大きくされ、被圧入対向部２５２の側面からは、張出部２５４が張り出し形成される。

加振装置２７０は、質量体（可動マス）として構成されるマス部材２７１と、そのマス部材２７１とホルダ部材２５０の張出部２５４との間に介設され、張出部２５４に対してマス部材２７１を自由振動可能に弾性支持する弾性支持部材２７３とを備える。

マス部材２７１は、直方体形状に形成され、発電素子２１０の他方の保持部材６０（図３左側であって自由振動可能な自由端側）に対して所定間隔を隔てつつ対向配置される。即ち、マス部材２７１は、その下面（図３下側面）を他方の保持部材６０の上面（図３上側面）に衝突可能な位置に配置される。

弾性支持部材２７３は、鉄鋼材料からなるコイルスプリングとして形成され、マス部材２７１をホルダ部材２５０の張出部２５４の下面側に吊持する。弾性支持部材２７３が伸縮変形されることで、マス部材２７１がホルダ部材２５０の張出部２５４に対して上下方向（図３上下方向）に自由振動される。即ち、振動源ＳＶからの振動の入力により加振装置２７０が共振されると、マス部材２７１が発電素子２１０の他方の保持部材６０に周期的に衝突される。

このように、弾性支持部材２７３がコイルスプリングとして形成されることで、発電ユニット２０１の設置環境（振動源ＳＶの振動の周波数）に応じて、コイルスプリングを交換して、弾性支持部材２７３のばね定数（即ち、加振装置２７０の共振周波数（第１周波数））を変更できるので、設置環境に応じた調整を容易に行うことができると共に、より効率的な発電が可能となる。

なお、加振装置２７０及び発電素子２１０の共振周波数（第１周波数および第２周波数）は、第１実施形態の場合と同様に設定されるので、その説明は省略する。

第２実施形態における発電ユニット２０１によれば、第１実施形態における発電ユニット１と同様に、発電素子２１０の共振周波数（第２周波数）を高い周波数に設定しておきつつ、振動源ＳＶの振動により加振装置２７０を共振させ、マス部材２７１を発電素子２１０の他方（自由端側）の保持部材６０に周期的に衝突させることで、発電素子２１０に自由振動を発生させ、発電素子２１０による発電を効率的に行わせることができる。

ここで、第１実施形態における発電ユニット１では、加振装置７０がマス部材７１、固定部材７２及び弾性支持部材７３を備えて構成されたが、第２実施形態における発電ユニット２０１の加振装置２７０は、マス部材２７１及び弾性支持部材２７３のみを備えて構成され、固定部材が省略される。

言い換えると、加振装置２７０の「固定部材」に相当する張出部２５４が、発電素子２１０の保持部材２６０（具体的には、ホルダ部材２５０）と一体に形成される。これにより、これら加振装置２７０の固定部材と発電素子２１０の保持部材２６０とを別体とする場合と比較して、部品点数を削減できると共に組み立て工程を簡素化でき、その分、発電ユニット２０１全体としての製品コストの削減を図ることができる。

次いで、図４を参照して、第３実施形態における発電ユニット３０１について説明する。第１実施形態では、弾性支持部材７３が板ばねとして形成される場合を説明したが、第３実施形態における弾性支持部材３７３は、ゴム状弾性体として形成される。なお、上述した第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図４は、第３実施形態における発電ユニット３０１の正面図である。なお、第３実施形態における発電素子３１０は、一方の保持部材３６０（ホルダ部材３５０）の構成が、第１実施形態における保持部材６０（ホルダ部材５０）と異なる点を除き、他の構成は第１実施形態における発電素子１０と同一であるので、その説明は省略する。

図４に示すように、第３実施形態における発電ユニット３０１は、発電素子３１０と、加振装置３７０とを備える。発電素子３１０の一方の保持部材３６０は、第１棒１１及び第２棒１２の軸方向一端側に取着される固定部材４０と、その固定部材４０が圧入されるホルダ部材３５０とを備える。なお、ホルダ部材３５０は、非磁性材料（本実施形態では、アルミニウム合金）から構成される。

ホルダ部材３５０は、ベース部３５１及び被圧入対向部３５２が上方（図４上側）へ向けて延設されることで、第１実施形態におけるホルダ部材５０のベース部５１及び被圧入対向部５２よりも高さ寸法が大きくされ、被圧入対向部３５２の側面からは、張出部３５４が張り出し形成される。

加振装置３７０は、質量体（可動マス）として構成されるマス部材３７１と、そのマス部材３７１とホルダ部材３５０の張出部３５４との間に介設され、張出部３５４に対してマス部材３７１を自由振動可能に弾性支持する弾性支持部材３７３とを備える。

マス部材３７１は、立方体形状に形成され、発電素子３１０の他方の保持部材６０（図４左側であって、自由振動可能な自由端側）に対して所定間隔を隔てつつ対向配置される。即ち、マス部材３７１は、その下面（図４下側面）を他方の保持部材６０の上面（図３上側面）に衝突可能な位置に配置される。

弾性支持部材３７３は、断面円形のゴム状弾性体（加硫成形体）として形成され、マス部材３７１をホルダ部材２５０の張出部２５４の側端面（図４左側面）に支持する。弾性支持部材３７３が撓み変形されることで、マス部材３７１がホルダ部材３５０の張出部３５４に対して振り子振動（自由振動）される。即ち、振動源ＳＶからの振動の入力により加振装置３７０が共振されると、マス部材３７１が発電素子３１０の他方の保持部材６０に周期的に衝突される。

マス部材３７１は、保持部材６０（ホルダ部材５０のベース部５１）の端面よりも外方（弾性支持部材３７３と反対側、図４左側）に突出する位置に配置される。これにより、保持部材６０の最端部（図４左端）にマス部材３７１を衝突させることができるので、発電素子３１０に自由振動を効率的に発生させることができる。

ここで、弾性支持部材３７３がゴム状弾性体として形成されることで、発電ユニット３０１の設置環境（振動源ＳＶの振動の周波数）に応じて、ゴム硬度などを調整して、弾性支持部材３７３のばね定数（即ち、加振装置３７０の共振周波数（第１周波数））を変更できるので、設置環境に応じた調整を容易に行うことができると共に、より効率的な発電が可能となる。

なお、加振装置３７０及び発電素子３１０の共振周波数（第１周波数および第２周波数）は、第１実施形態の場合と同様に設定されるので、その説明は省略する。

第３実施形態における発電ユニット３０１によれば、第１実施形態における発電ユニット１と同様に、発電素子３１０の共振周波数（第２周波数）を高い周波数に設定しておきつつ、振動源ＳＶの振動により加振装置３７０を共振させ、マス部材３７１を発電素子３１０の他方（自由端側）の保持部材６０に周期的に衝突させることで、発電素子３１０に自由振動を発生させ、発電素子３１０による発電を効率的に行わせることができる。

また、発電ユニット３０１によれば、第２実施形態の場合と同様に、加振装置３７０の「固定部材」に相当する張出部３５４が、発電素子３１０の保持部材３６０（具体的には、ホルダ部材３５０）と一体に形成される。これにより、これら加振装置３７０の固定部材４０と発電素子３１０の保持部材３６０とを別体とする場合と比較して、部品点数を削減できると共に組み立て工程を簡素化でき、その分、発電ユニット３０１全体としての製品コストの削減を図ることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

上記各実施形態で挙げた数値は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。

上記各実施形態では、保持部材６０，２６０，３６０が固定部材４０とホルダ部材５０，２５０，３５０との２部材から構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、固定部材４０とホルダ部材５０，２５０，３５０とを一体に形成しても良い。なお、この場合には、圧入による第１棒１１等の挟圧保持作用を得られないため、第１棒１１等の保持部材６０，２６０，３６０への固着を、接着剤による接着固定で行う。

上記各実施形態では、第１棒１１のみにコイル２０を巻回する場合を説明したが、必ずしもこれに限られるのもではなく、第１棒１１と第２棒１２との両者にそれぞれコイル２０を巻回しても良い。なお、この場合には、第１棒１１及び第２棒１２を同じ磁歪材料から構成する（即ち、第２棒１２を第１棒１１よりも磁歪効果の低い材料で構成する必要はない）。

上記各実施形態では、発電ユニット１，２０１，３０１を構成する発電素子として、発電素子１０，２１０，３１０を採用する場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、「磁歪材料から構成される磁歪棒と、その磁歪棒に巻回されるコイルとを備え、磁歪棒の軸方向一端側が振動源側に固定される固定端とされると共に軸方向他端側が自由振動可能な自由端とされ、磁歪棒が軸方向に伸張または収縮されることで、逆磁歪効果により発電を行うもの」であれば、他の発電素子を採用しても良い。他の発電素子としては、例えば、図５に示す発電素子９０１が例示される。

上記第１実施形態では、加振装置７０のマス部材７１、固定部材７２及び弾性支持部材７３が一体に形成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるのもではなく、これらマス部材７１、固定部材７２及び弾性支持部材７３を別体に形成しても良い。これにより、発電ユニット１の設置環境（振動源ＳＶの振動の周波数）に応じて、マス部材７１及び弾性支持部材７３を変更して、加振装置７０の共振周波数（第１周波数）を変更できるので、設置環境に応じた調整を容易に行うことができると共に、より効率的な発電が可能となる。

上記各実施形態では、マス部材７１，２７１，３７１が保持部材６０（ホルダ部材５０）に直接衝突する場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、これら両者の間にゴムシートなどの緩衝材を介在させても良い。これにより、異音の防止と耐久性の向上とを図ることができる。

上記各実施の形態では、加振装置７０，２７０，３７０が１のマス部材７１，２７１，３７１を備える場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、加振装置７０，２７０，３７０が複数のマス部材７１，２７１，３７１を備えていても良い。この場合には、各マス部材７１，２７１，３７１が個別に自由振動可能となるように、複数の弾性支持部材７３，２７３，３７３により弾性支持すると共に、これら複数の弾性支持部材７３，２７３，３７３をそれぞれ異なるばね定数に設定する（これに代えて、或いは、これに加えて、各マス部材７１，２７１，３７１の質量をそれぞれ異ならせる）。これにより、振動源ＳＶの振動の周波数が変化しても、複数のマス部材７１，２７１，３７１の内のいずれかのマス部材７１，２７１，３７１を発電素子１０，２１０，３１０の保持部材６０に衝突させて、発電素子１０，２１０，３１０に自由振動を発生させることができる。よって、加振装置７０，２７０，３７０の共振を利用して、発電素子１０，２１０，３１０による発電を行える周波数帯域を拡大できる。

上記第１実施の形態では、発電素子１０と加振装置７０とが連結（締結固定）されて、発電ユニット１が構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、発電ユニット１は、発電素子１０と加振装置７０とが非連結であっても良い。即ち、発電素子１０の一方の保持部材６０と加振装置７０の固定部材７２とをそれぞれ個別に振動源ＳＶに固定しても良い。

上記各実施形態では、ホルダ部材５０，２５０，３５０の被圧入対向部５３の下面が振動源ＳＶに固定される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、ホルダ部材５０，２５０，３５０のいずれの部分が振動源ＳＶに固定されても良い。また、固定方法も適宜選択することができる。例えば、接着固定、溶接固定、締結固定などが例示される。

１，２０１，３０１ 発電ユニット
１０，２１０，３１０ 発電素子
１１ 第１棒（磁歪棒）
１２ 第２棒（磁歪棒）
２０ コイル
３１，３２ 永久磁石
４０ 固定部材（保持部材の一部）
５０，２５０，３５０ ホルダ部材（保持部材の一部）
６０，２６０，３６０ 保持部材
７０，２７０，３７０ 加振装置
７１，２７１，３７１ マス部材
７２ 固定部材
７３，２７３，３７３ 弾性支持部材
ＳＶ 振動源

Claims (4)

1. 発電素子と、加振装置と、を備え、装着された振動源の振動を利用して発電を行う発電ユニットであって、
   前記発電素子は、
   磁歪材料から構成される磁歪棒と、
   その磁歪棒に巻回されるコイルと、を備え、
   前記磁歪棒の軸方向一端側が振動源側に固定される固定端とされると共に軸方向他端側が自由振動可能な自由端とされ、前記磁歪棒が軸方向に伸張または収縮されることで、逆磁歪効果により発電を行い、
   前記加振装置は、
   質量体として構成されると共に前記発電素子の磁歪棒の他端側に所定間隔を隔てつつ対向配置されるマス部材と、
   前記振動源側に固定される固定部材と、
   前記固定部材およびマス部材の間に介設され、前記固定部材に対して前記マス部材を自由振動可能に弾性支持する弾性支持部材と、を備え、
   前記加振装置の共振周波数である第１周波数が、前記発電素子の共振周波数である第２周波数よりも低くされると共に、前記振動源から前記第１周波数の振動が入力され、前記加振装置が共振されると、前記マス部材が前記発電素子の磁歪棒の他端側に周期的に衝突されることを特徴とする発電ユニット。
2. 前記磁歪棒は、磁歪材料から構成され軸方向一端側が振動源側に固定される固定端とされると共に軸方向他端側が自由振動可能な自由端とされる第１棒および第２棒を備え、
   前記コイルは、前記第１棒または第２棒の内の少なくとも一方に巻回され、
   前記発電素子は、
   前記第１棒および第２棒の軸方向一端側および他端側においてこれら第１棒および第２棒の対向間に挟装されると共に互いに磁極を違えて配設される一対の永久磁石と、
   前記第１棒および第２棒の軸方向一端側および他端側にそれぞれ取着され前記第１棒および第２棒の対向間に前記永久磁石が挟装された状態を保持する一対の保持部材と、を備えることを特徴する請求項１記載の発電ユニット。
3. 前記第２棒が前記第１棒よりも磁歪効果の低い磁歪材料から構成されると共に、前記第１棒のみに前記コイルが巻回されることを特徴とする請求項２記載の発電ユニット。
4. 前記加振装置の固定部材が、前記発電素子の保持部材と一体に形成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の発電ユニット。

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