DE112013003792T5

DE112013003792T5 - Energieerzeugungselement

Info

Publication number: DE112013003792T5
Application number: DE201311003792
Authority: DE
Inventors: c/o Mitsumi Electric Co. L Furukawa Kenichi; c/o Mitsumi Electric Co. Numakunai Takayuki
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2015-04-30
Also published as: US20150155472A1; CN104508968A; WO2014021197A1; JP2014033508A

Abstract

Ein Energieerzeugungselement umfasst einen Verbundstab und eine Spule. Der Verbundstab wird durch das Verbinden eines magnetostriktiven Stabs, durch den Magnetfeldlinien in einer axialen Richtung hindurchverlaufen, und eines Verstärkungsstabs, der dazu dient, in dem magnetostriktiven Stab eine geeignete Belastung hervorzurufen und parallel zu dem magnetostriktiven Stab angeordnet ist. Der magnetostriktive Stab besteht aus einem magnetostriktiven Material und der Verstärkungsstab aus einem nicht magnetischen Material. Der magnetostriktive Stab und der Verstärkungsstab sind über einen Verbindungsabschnitt miteinander verbunden, um den Verbundstab zu bilden. Die Spule ist so bereitgestellt, dass die Magnetkraftlinien im Inneren der Spule in axialer Richtung durch diese hindurchverlaufen und in dieser eine elektrische Spannung auf Grundlage einer Variation der Dichte der Magnetkraftlinien erzeugt wird. Das Energieerzeugungselement ist so ausgebildet, dass die Dichte der Magnetkraftlinien variiert, wenn der andere Endabschnitt des Verbundstabs in eine im Wesentlichen im rechten Winkel auf eine axiale Richtung des Verbundstabs stehende Richtung in Bezug auf den einen Endabschnitt des Verbundstabs relativ verschoben wird, um den magnetostriktiven Stab auszudehnen oder zusammenzuziehen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieerzeugungselement.
STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren wurde ein Energieerzeugungselement entwickelt, das elektrische Energie unter Nutzung der Variation der magnetischen Permeabilität eines magnetostriktiven Stabs aus einem magnetostriktiven Material erzeugen kann (siehe beispielsweise Patentdokument 1).
Dieses Energieerzeugungselement, das in Patentdokument 1 beschrieben ist, umfasst beispielsweise Folgendes: ein Paar magnetostriktiver Stäbe, die parallel zueinander angeordnet sind; ein Kopplungsjoch zum Koppeln der magnetostriktiven Stäbe miteinander; Spulen, die so angeordnet sind, dass sie die magnetostriktiven Stäbe jeweils umgeben; einen Permanentmagnet zum Anlegen eines Vormagnetisierungsmagnetfelds an die magnetostriktiven Stäbe und ein Rückflussjoch. Wenn Kraft von außen an das Kopplungsjoch im rechten Winkel auf die Achsenrichtung der magnetostriktiven Stäbe angelegt wird, wird einer der magnetostriktiven Stäbe so verformt, dass er sich ausdehnt, und der andere der magnetostriktiven Stäbe wird so verformt, dass er sich zusammenzieht. Zu diesem Zeitpunkt variiert die Dichte der Magnetkraftlinien (Magnetflussdichte), die durch jeden magnetostriktiven Stab verlaufen (d. h. die Dichte der Magnetkraftlinien, die durch jede Spule verlaufen). In der Folge dieser Variation der Dichte der Magnetkraftlinien wird in jeder Spule eine Spannung erzeugt.
In Hinblick auf die Verbesserung der Energieerzeugungseffizienz in einem solchen Energieerzeugungselement wird vorzugsweise in einem der magnetostriktiven Stäbe nur Zugbelastung hervorgerufen und in dem anderen der magnetostriktiven Stäbe nur Druckbelastung hervorgerufen. Durch die Analyse der tatsächlich in jedem in dem Energieerzeugungselement verwendeten, magnetostriktiven Stab hervorgerufenen Belastung wurde festgestellt, dass wie in 10 dargestellt sowohl Zug- als auch Druckbelastung in einem magnetostriktiven Stab hervorgerufen wird.
Es wurde festgestellt, dass es schwierig ist, in einem magnetostriktiven Stab nur eine einheitliche Belastung (d. h. nur Zugbelastung oder Druckbelastung) hervorzurufen.
In Hinblick auf die Verbesserung der Energieerzeugungseffizienz ist ferner die Anzahl der Wicklungen eines jeweils die Spulen bildenden Drahts vorzugsweise groß. Es ist jedoch notwendig, dass sichergestellt wird, dass zwischen den magnetostriktiven Stäben ein relativ großer Abstand vorliegt, um die Wicklungsanzahl des Drahts erhöhen zu können. Wenn der Abstand zwischen den magnetostriktiven Stäben groß ist, wird es jedoch schwieriger, in einem magnetostriktiven Stab nur eine einheitliche Form von Belastung hervorzurufen (d. h. nur Zugbelastung oder Druckbelastung).
DOKUMENT NACH DEM STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENT

Patentdokument 1: WO 2011/158473

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf das oben beschriebene Problem entwickelt. Dementsprechend besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Energieerzeugungselements, das in einem magnetostriktiven Stab, der in diesem verwendet wird, eine einheitliche Belastung hervorzurufen, um effizient elektrische Energie zu erzeugen.
Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, umfasst die vorliegende Erfindung die folgenden Merkmale (1) bis (12).

(1) Ein Energieerzeugungselement, das Folgendes umfasst: einen Verbundstab mit einem Endabschnitt und dem anderen Endabschnitt, wobei der Verbundstab Folgendes umfasst: einen magnetostriktiven Stab, durch den Magnetkraftlinien in axialer Richtung hindurchverlaufen, wobei der magnetostriktive Stab aus einem magnetostriktiven Material gebildet ist, und einen Verstärkungsstab, der dazu dient, in dem magnetostriktiven Stab eine geeignete Belastung hervorzurufen, wobei der Verstärkungsstab parallel zu dem magnetostriktiven Stab angeordnet ist und aus einem nicht magnetischen Material gebildet ist, wobei der Verbundstab durch das Verbinden des magnetostriktiven Stabs und des Verstärkungsstabs über einen Verbindungsabschnitt erhalten wird; und eine Spule, die so bereitgestellt ist, dass die Magnetkraftlinien im Inneren der Spule in axialer Richtung der Spule durch diese hindurchverlaufen und in der elektrische Spannung auf Grundlage der Variation der Dichte der Magnetkraftlinien erzeugt wird, wobei das Energieerzeugungselement so ausgebildet ist, dass die Dichte der Magnetkraftlinien variiert, wenn der andere Endabschnitt des Verbundstabs in einer Richtung, die im Wesentlichen im rechten Winkel auf die axiale Richtung des Verbundstabs steht, in Bezug auf den einen Endabschnitt des Verbundstabs relativ verschoben wird, um den magnetostriktiven Stab auszudehnen oder zusammenzuziehen.
(2) Das Energieerzeugungselement gemäß (1) oben, worin, wenn ein Querschnittsflächendurchschnittswert des magnetostriktiven Stabs als „A” (mm²) und ein Querschnittsflächendurchschnittswert des Verstärkungsstabs als „B” (mm²) definiert ist, für „A” und „B” gilt: B/A ≥ 0,8.
(3) Das Energieerzeugungselement gemäß (1) oder (2) oben, worin die Querschnittsfläche eines Teils des Verbundstabs, der dem Verbindungsabschnitt entspricht, von dem einen Endabschnitt in Richtung des anderen Endabschnitts des Verbundstabs abnimmt.
(4) Das Energieerzeugungselement gemäß (1) bis (3) oben, worin eine Querschnittsfläche eines Teils des Verstärkungsstabs, der dem Verbindungsabschnitt entspricht, von dem einen Endabschnitt in Richtung des anderen Endabschnitts des Verstärkungsstabes abnimmt und worin eine Querschnittsfläche des magnetostriktiven Stabs von dem einen Endabschnitt bis zum anderen Endabschnitt des Verbundstabs im Wesentlichen konstant ist.
(5) Das Energieerzeugungselement gemäß (1) bis (4) oben, worin die Spule um einen Teil des Verbundstabs, der dem Verbindungsabschnitt entspricht, so angeordnet ist, dass sie den Verbundstab umgibt.
(6) Das Energieerzeugungselement gemäß (1) bis (5) oben, worin die Spule einen Spulenkörper, der um einen Teil des Verbundstabs, der dem Verbindungsabschnitt entspricht, so angeordnet ist, dass er den Verbundstab umgibt, und einen Draht umfasst, der um den Spulenkörper gewickelt ist.
(7) Das Energieerzeugungselement gemäß (6) oben, worin ein Spalt zwischen dem Verbundstab und dem Spulenkörper an zumindest einer Seite des anderen Endabschnitts des Verbundstabs ausgebildet ist.
(8) Das Energieerzeugungselement gemäß (7) oben, worin eine Verschiebung des anderen Endabschnitts des Verbundstabs durch das Anlegen von Schwingung an den Verbundstab hervorgerufen wird und worin der Spalt so ausgebildet ist, dass der eine Größe aufweist, dass der Spulenkörper und der Verbundstab einander nicht störend beeinflussen, während der Verbundstab in Schwingung versetzt wird.
(9) Das Energieerzeugungselement gemäß (1) bis (8) oben, worin das E-Modul des magnetostriktiven Materials im Wesentlichen einem E-Modul des nicht magnetischen Materials gleich ist.
(10) Das Energieerzeugungselement gemäß (1) bis (9) oben, worin ein E-Modul des magnetostriktiven Materials und des nicht magnetischen Materials jeweils im Bereich von 40 bis 100 GPa liegt.
(11) Das Energieerzeugungselement gemäß (1) bis (10) oben, worin das magnetostriktive Material eine Legierung auf Eisen-Gallium-Basis als Hauptbestandteil enthält.
(12) Das Energieerzeugungselement gemäß (1) bis (11) oben, worin das nicht magnetische Material zumindest ein aus der aus folgenden bestehenden Gruppe ausgewähltes Material enthält: Aluminium, Magnesium, Zink, Kupfer und einer Legierung, die zumindest eines dieser Materialien als Hauptbestandteil enthält.

AUSWIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, in dem magnetostriktiven Stab, wenn dieser ausgedehnt oder zusammengezogen wird, eine einheitliche Belastung hervorzurufen, indem der Verbundstab verwendet wird, der durch die Verbindung des magnetostriktiven Stabs und des Verstärkungsstabs, der dazu dient, in dem magnetostriktiven Stab eine geeignete Belastung hervorzurufen, erhalten wird. In der Folge ist es möglich, die Energieerzeugungseffizienz des Energieerzeugungselements zu verbessern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Energieerzeugungselement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die das Energieerzeugungselement aus 1 zeigt.
3 ist eine planare Ansicht, die das Energieerzeugungselement aus 1 zeigt.
4 ist eine Längsquerschnittansicht (entlang der in 1 gezeigten Linie A-A), die das Energieerzeugungselement aus 1 zeigt.
5 ist ein Analysediagramm, das die in einem Verbundstab hervorgerufene Belastung veranschaulicht.
6 ist eine Längsquerschnittansicht, die ein Energieerzeugungselement gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine Längsquerschnittansicht, die ein Energieerzeugungselement gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist eine Längsquerschnittansicht, die ein Energieerzeugungselement gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist eine Längsquerschnittansicht, die ein Energieerzeugungselement gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist ein Analysediagramm, das die in zwei parallel zueinander angeordneten, magnetostriktiven Stäben hervorgerufene Belastung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend wird ein Energieerzeugungselement gemäß der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, beschrieben.
<Erste Ausführungsform>
Zunächst wird ein Energieerzeugungselement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die das Energieerzeugungselement gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die das Energieerzeugungselement aus 1 zeigt. 3 ist eine planare Ansicht, die das Energieerzeugungselement aus 1 zeigt. 4 ist eine Längsquerschnittansicht (entlang der Linie A-A in 1), die das Energieerzeugungselement aus 1 zeigt. 5 ist ein Analysediagramm, das die in einem Verbundstab hervorgerufene Belastung veranschaulicht.
Nachstehend wird auf eine obere Seite in 1, 2 und 4 sowie eine Vorderseite des Papiers in 3 mit „oben” oder „Oberseite” und auf eine untere Seite in 1, 2 und 4 und eine Rückseite des Papiers in 3 als „unten” oder „Unterseite” Bezug genommen. Außerdem wird die rechte Seite in den 1 bis 4 jeweils als „distale Seite” und die linke Seite in den 1 bis 4 jeweils als „proximale Seite” bezeichnet.
Ein Energieerzeugungselement 1, das in 1 und 2 dargestellt ist, weist Folgendes auf: einen Verbundstab 4, der durch das Verbinden eines magnetostriktiven Stabs 2 und eines Verstärkungsstabs 3 miteinander erhalten wird; eine Spule 5, in die der Verbundstab 4 eingeführt wird; einen ersten Kopplungsabschnitt 6 und einen zweiten Kopplungsabschnitt 7, die jeweils an beiden Endabschnitten des Verbundstabs 4 bereitgestellt sind, sowie einen Magnetfeldanlegemechanismus 8 zum Anlegen eines Vormagnetisierungsmagnetfelds an den magnetostriktiven Stab 2. Der magnetostriktive Stab 2 ist so ausgebildet, dass Magnetkraftlinien in einer axialen Richtung des magnetostriktiven Stabs 2 durch diesen hindurchverlaufen. Der Verstärkungsstab 3 ist so ausgebildet, dass er dazu dient, in dem magnetostriktiven Stab 2 eine geeignete Belastung hervorzurufen (eine Funktion des Weitergebens (Ausübens) einer geeigneten Belastung auf den magnetostriktiven Stab 2).
In dem Energieerzeugungselement 1, das einen solchen Aufbau aufweist, kann der magnetostriktive Stab 2 durch das Verschieben eines distalen Endabschnitts (des anderen Endabschnitts) des Verbundstabs 4 in eine Richtung, die im Wesentlichen im rechten Winkel auf eine axiale Richtung des Verbundstabs 4 steht, in Bezug auf einen proximalen Endabschnitt (den einen Endabschnitt) des Verbundstabs 4 ausgedehnt und zusammengezogen werden. Der magnetostriktive Stab 2 kann durch die Bewegung des distalen Endabschnitts des Verbundstabs 4 in eine vertikale Richtung in Bezug auf den proximalen Endabschnitt des Verbundstabs 4, wie in 4 dargestellt, ausgedehnt und zusammengezogen werden. Zu diesem Zeitpunkt variiert die magnetische Permeabilität des magnetostriktiven Stabs 2 aufgrund eines umgekehrten magnetostriktiven Effekts. Diese Variation der magnetischen Permeabilität des magnetostriktiven Stabs 2 bewirkt eine Variation der Dichte der Magnetkraftlinien, die durch den magnetostriktiven Stab 2 hindurchverlaufen (Dichte der Magnetkraftlinien, die durch die Spule 5 hindurchverlaufen), wodurch eine elektrische Spannung in der Spule 5 erzeugt wird.
Nachstehend wird der Aufbau jedes Bestandteils des Energieerzeugungselements 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
<<Magnetostriktiver Stab 2>>
Der magnetostriktive Stab 2 besteht aus einem magnetostriktiven Material und ist so angeordnet, dass eine Richtung, in der eine Magnetisierung einfach hervorgerufen werden kann (eine Vorzugsmagnetisierungsrichtung), seiner axialen Richtung entspricht. Der magnetostriktive Stab 2 weist eine längliche, quadratische Säulenform auf, so dass die Magnetkraftlinien in axialer Richtung durch den magnetostriktiven Stab 2 hindurchverlaufen.
Der magnetostriktive Stab 2 umfasst einen Hauptkörper 21, der an einer distalen Seite des magnetostriktiven Stabs 2 bereitgestellt ist, und einen dünnen Wandabschnitt 22, der an einer proximalen Seite des magnetostriktiven Stabs 2 bereitgestellt ist. Die Dicke des dünnen Wandabschnitts 22 ist geringer als die Dicke des Hauptkörpers 22. Der magnetostriktive Stab 2 (Verbundstab 4) ist mit dem ersten Kopplungsabschnitt 6 über den dünnen Wandabschnitt 22 verbunden. Andererseits ist der magnetostriktive Stab 2 (Verbundstab 4) mit dem zweiten Kopplungsabschnitt 7 über einen distalen Endabschnitt des magnetostriktiven Stabs 2 verbunden.
In dem magnetostriktiven Stab 2 dieser Ausführungsform ist die Dicke (Querschnittsfläche) des Hauptkörpers 21 entlang der axialen Richtung des magnetostriktiven Stabs 2 im Wesentlichen konstant. Die durchschnittliche Dicke des Hauptkörpers 21 unterliegt keinen speziellen Einschränkungen auf einen bestimmten Wert, liegt aber vorzugsweise im Bereich von etwa 0,3 bis 10 mm und noch bevorzugter im Bereich von etwa 0,5 bis 5 mm. Außerdem liegt ein Durchschnittswert der Querschnittsfläche des Hauptkörpers 21 vorzugsweise im Bereich von etwa 0,2 bis 200 mm² und noch bevorzugter im Bereich von etwa 0,5 bis 50 mm².
Die durchschnittliche Dicke des dünnen Wandabschnitts 22 unterliegt keinen speziellen Einschränkungen auf einen bestimmten Wert, liegt aber vorzugsweise im Bereich von etwa 0,2 bis 6 mm und noch bevorzugter im Bereich von etwa 0,3 bis 3 mm. Außerdem liegt ein Durchschnittswert der Querschnittsfläche des dünnen Wandabschnitts 22 vorzugsweise im Bereich von etwa 0,1 bis 80 mm² und noch bevorzugter im Bereich von etwa 0,2 bis 20 mm².
Bei einer solchen Anordnung ist es möglich, dass die Magnetkraftlinien zuverlässig durch den magnetostriktiven Stab 2 in dessen axialer Richtung verlaufen, und zu verhindern, dass die mechanische Festigkeit des magnetostriktiven Stabs 2 in einem Grenzabschnitt (Niveauunterschiedsabschnitt oder Stufenabschnitt) zwischen dem Hauptkörper 21 und dem dünnen Wandabschnitt 22 geringer wird.
Ein Durchgangsloch 221 ist in dem dünnen Wandabschnitt 22 so ausgebildet, dass es durch den dünnen Wandabschnitt 22 in dessen Dickerichtung hindurchverläuft. Durch das Einführen eines Stifts 62 des ersten Kopplungsabschnitts 6 in das Durchgangsloch 221 wird der magnetostriktive Stab 2 (Verbundstab 4) an dem Hauptkörper 61 des ersten Kopplungsabschnitts 6 befestigt (mit diesem gekoppelt).
Andererseits ist ein Durchgangsloch 211 in einem distalen Endabschnitt des Hauptkörpers 21 so ausgebildet, dass es durch den distalen Endabschnitt des Hauptkörpers 21 in dessen Dickerichtung hindurchverläuft. Durch das Einführen eines Stifts 72 des zweiten Kopplungsabschnitts 7 in das Durchgangsloch 211 wird der magnetostriktive Stab 2 (Verbundstab 4) an dem Hauptkörper 71 des zweiten Kopplungsabschnitts 7 befestigt (mit diesem gekoppelt).
Der E-Modul des magnetostriktiven Materials liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 40 bis 100 GPa, noch bevorzugter im Bereich von 50 bis 90 GPa und noch bevorzugter im Bereich von etwa 60 bis 80 GPa. Durch das Ausbilden des magnetostriktiven Stabs 2 mit dem magnetostriktiven Material, das den oben angeführten E-Modul aufweist, ist es möglich, den magnetostriktiven Stab 2 stärker auszudehnen und zusammenzuziehen. Da dies eine stärkere Variation der magnetischen Permeabilität des magnetostriktiven Stabs 2 ermöglicht, ist es möglich, die Energieerzeugungseffizienz des Energieerzeugungselements 1 (der Spule 5) weiter zu verbessern.
Das magnetostriktive Material, das den oben angeführten E-Modul aufweist, ist nicht speziell auf eine bestimmte Art von Material eingeschränkt. Zu den Beispielen für ein solches magnetostriktives Material gehören folgende: eine Legierung auf Eisen-Gallium-Basis, eine Legierung auf Eisen-Kobalt-Basis, eine Legierung auf Eisen-Nickel-Basis sowie eine Kombination von zwei oder mehreren dieser Materialien. Unter diesen wird vorzugsweise ein magnetostriktives Material verwendet, das eine Legierung auf Eisen-Gallium-Basis (mit einem E-Modul von etwa 70 GPa) als Hauptkomponente enthält. Der E-Modul des magnetostriktiven Materials, das eine Legierung auf Eisen-Gallium-Basis als Hauptkomponente enthält, kann einfach angepasst werden, um in dem oben angeführten Bereich zu liegen.
Außerdem enthält das oben beschriebene magnetostriktive Material vorzugsweise zumindest ein Seltenerdmetall, wie z. B. Y, Pr, Sm, Tb, Dy, Ho, Er und Tm. Unter Verwendung eines magnetostriktiven Materials, das zumindest eines der oben angeführten Seltenerdmetalle enthält, ist es möglich, dass die magnetische Permeabilität des magnetostriktiven Stabs 2 stärker variiert.
Der Verstärkungsstab 3 ist parallel zu dem magnetostriktiven Stab 2 angeordnet. Der Verbundstab 4 wird durch das Verbinden des Verstärkungsstabs 3 und des magnetostriktiven Stabs 2 durch einen Verbindungsabschnitt (eine Verbindungsfläche) 41 erhalten.
<<Verstärkungsstab 3>>
Der Verstärkungsstab 3 besteht aus einem nicht magnetischen Material. Durch das Ausbilden des Verstärkungsstabs 3 mit dem nicht magnetischen Material ist es möglich, dass die Magnetkraftlinien in dem Energieerzeugungselement 1 (die Magnetkraftlinien, die durch den Verbundstab 4 hindurchverlaufen) umlaufen, um selektiv in axialer Richtung durch den magnetostriktiven Stab 2 zu verlaufen, ohne in axialer Richtung durch den Verstärkungsstab 3 zu verlaufen.
Der Verstärkungsstab 3 weist dieselbe Form auf wie der magnetostriktive Stab 2. Der Verstärkungsstab 3 weist eine längliche, quadratische Säulenform auf und umfasst einen Hauptkörper 31, der an einer distalen Seite des Verstärkungsstabs 3 bereitgestellt ist, und einen dünnen Wandabschnitt 32, der an einer proximalen Seite des Verstärkungsstabs 3 bereitgestellt ist. Die Dicke des dünnen Wandabschnitts 32 ist geringer als jene des Hauptkörpers 31. Der Verstärkungsstab 3 (Verbundstab 4) ist mit dem ersten Kopplungsabschnitt 6 über den dünnen Wandabschnitt 32 verbunden. Andererseits ist der Verstärkungsstab 3 (Verbundstab 4) über einen distalen Endabschnitt des Verstärkungsstabs 3 mit dem zweiten Kopplungsabschnitt 7 verbunden.
In dem Verstärkungsstab 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Dicke (Querschnittsfläche) des Hauptkörpers 31 entlang seiner axialen Richtung im Wesentlichen konstant. Die durchschnittliche Dicke (durchschnittlicher Wert der Querschnittsfläche) des Hauptkörpers 31 unterliegt keinen speziellen Einschränkungen auf einen bestimmten Wert, kann aber so gewählt sein, dass sie der durchschnittlichen Dicke (dem durchschnittlichen Wert der Querschnittsfläche) des Hauptkörpers 21 des magnetostriktiven Stabs 2 entspricht. Auf dieselbe Weise unterliegt die durchschnittliche Dicke (der durchschnittliche Wert der Querschnittsfläche) des dünnen Wandabschnitts 32 keinen speziellen Einschränkungen auf einen bestimmten Wert, kann aber so gewählt sein, dass sie der durchschnittlichen Dicke (dem durchschnittlichen Wert der Querschnittsfläche) des dünnen Wandabschnitts 22 des magnetostriktiven Stabs 2 entspricht.
Durch die oben beschriebene Festlegung der durchschnittlichen Dicke von Hauptkörper 31 und dünnem Wandabschnitt 32 des Verstärkungsstabes 3 kann es dem Verstärkungsstab 3 ermöglicht werden, in dem magnetostriktiven Stab 2 eine geeignete Belastung hervorzurufen, ohne dass der Verbundstab 4 (das Energieerzeugungselement 1) größer wird. Außerdem ist es möglich, zu verhindern, dass die mechanische Festigkeit des Verstärkungsstabs 3 in einem Grenzabschnitt (Niveauunterschiedsabschnitt oder Stufenabschnitt) zwischen dem Hauptkörper 31 und dem dünnen Wandabschnitt 32 geringer wird.
Ein Durchgangsloch 321 ist in dem dünnen Wandabschnitt 32 so ausgebildet, dass es durch den dünnen Wandabschnitt 32 in dessen Dickerichtung hindurchverläuft. Durch das Einführen des Stifts 62 des ersten Kopplungsabschnitts 6 in das Durchgangsloch 321 wird der Verstärkungsstab 3 (Verbundstab 4) an dem Hauptkörper 62 des ersten Kopplungsabschnitts 6 befestigt (mit diesem gekoppelt).
Andererseits ist ein Durchgangsloch 311 in einem distalen Endabschnitt des Hauptkörpers 31 so ausgebildet, dass es durch den Hauptkörper 31 in dessen Dickerichtung hindurchverläuft. Durch das Einführen des Stifts 72 des zweiten Kopplungsabschnitts 7 in das Durchgangsloch 311 wird der Verstärkungsstab 3 (Verbundstab 4) an dem Hauptkörper 71 des zweiten Kopplungsabschnitts 7 befestigt (mit diesem gekoppelt).
Der E-Modul des nicht magnetischen Materials, aus dem der Verstärkungsstab 3 gebildet ist, kann sich von jenem des magnetostriktiven Materials, aus dem der magnetostriktive Stab 2 gebildet ist, unterscheiden, stimmt aber vorzugsweise mit dem E-Modul des magnetostriktiven Materials, aus dem der magnetostriktive Stab 2 besteht, im Wesentlichen überein. Durch das Ausbilden des Verstärkungsstabs 3 aus dem nicht magnetischen Material mit einem E-Modul, der mit dem E-Modul des magnetostriktiven Materials, aus dem der magnetostriktive Stab 2 gebildet ist, im Wesentlichen übereinstimmt, kann eine einheitliche Steifigkeit des Verbundstabs 4 in vertikaler Richtung unabhängig von dessen Gesamtform erzielt werden, wodurch es möglich wird, den distalen Endabschnitt des Verbundstabs 4 in die im Wesentlichen im rechten Winkel auf die axiale Richtung des Verbundstabs 4 stehende Richtung in Bezug auf den proximalen Endabschnitt des Verbundstabs 4 gleichmäßig und zuverlässig zu verschieben. Der E-Modul des nicht magnetischen Materials liegt insbesondere vorzugsweise im Bereich von etwa 40 bis 100 GPa, noch bevorzugter im Bereich von etwa 50 bis 90 GPa und noch bevorzugter im Bereich von etwa 60 bis 80 GPa.
Das nicht magnetische Material mit dem oben angeführten E-Modul unterliegt keinen speziellen Einschränkungen auf eine bestimmte Art von Material. Zu den Beispielen für ein solches nicht magnetisches Material gehören folgende: ein metallisches Material, ein Halbleitermaterial, ein Keramikmaterial, ein Harzmaterial und eine Kombination von zwei oder mehreren dieser Materialien. Bei Verwendung eines Harzmaterials als nicht magnetisches Material für den Verstärkungsstab 3 wird vorzugsweise Füllstoff zu dem Harzmaterial zugesetzt. Unter diesen ist ein nicht magnetisches Material, das ein metallisches Material als Hauptbestandteil enthält, zu bevorzugen. Außerdem wird noch bevorzugter ein nicht magnetisches Material verwendet, das zumindest ein aus der aus Aluminium, Magnesium, Zink, Kupfer und einer Legierung, die zumindest eines dieser Materialien als Hauptbestandteil enthält, bestehenden Gruppe ausgewähltes Material enthält.
In diesem Zusammenhang beträgt der E-Modul von Aluminium und einer Aluminiumlegierung jeweils etwa 70 GPa, der E-Modul von Magnesium und einer Magnesiumlegierung jeweils etwa 40 GPa. Der E-Modul von Zink und einer Zinklegierung beträgt jeweils etwa 80 GPa. Der E-Modul von Kupfer und einer Kupferlegierung (Messing) beträgt jeweils etwa 80 GPa. Diese Metallmaterialien sind kostengünstig (nicht teuer). Außerdem ist es durch Verwendung eines oder mehrerer dieser Metallmaterialien möglich, den Verstärkungsstab 3 auszubilden, der in dem magnetostriktiven Stab 2 eine geeignete Belastung hervorrufen kann. Demnach ist es möglich, durch Verwendung eines oder mehrerer dieser Metallmaterialien als nicht magnetisches Material für den Verstärkungsstab 3 zur Reduktion der Fertigungskosten für das Energieerzeugungselement 1 beizutragen.
Der Hauptkörper 31 des Verstärkungsstabs 3 mit dem oben angeführten Aufbau und der Hauptkörper 21 des magnetostriktiven Stabs 2 werden über den Verbindungsabschnitt 41 miteinander verbunden, um den Verstärkungsstab 3 und den magnetostriktiven Stab 2 zu einem Stück zu verbinden.
Zu den Beispielen für ein Verfahren zur Verbindung des Verstärkungsstabs 3 und des magnetostriktiven Stabs 2 (ein Verfahren zur Ausbildung des Verbindungsabschnitts 41) gehören ein Ultraschallbondverfahren, ein Diffusionsbondverfahren, wie z. B. ein Festphasendiffusionsbondverfahren, das durch das Verwenden eines Zwischenmetalls in einer festen Phase ausgeführt wird, und ein Flüssigphasendiffusionsbondverfahren (TLP-Bondverfahren), das durch das Verwenden eines Zwischenmetalls in einer flüssigen Phase ausgeführt wird; ein Bondverfahren unter Verwendung eines Haftmittels auf Harzbasis, wie z. B. eines Haftmittels auf Epoxybasis; ein Hart- und Weichlötverfahren unter Verwendung eines metallischen Lötmaterials, wie z. B. von Gold, Silber, Kupfer und einer Nickellegierung; sowie eine Kombination von zwei oder mehreren dieser Verfahren.
Durch das Ausbilden des Verbundstabs 4 durch das Verbinden des Verstärkungsstabs 3 mit dem magnetostriktiven Stab 2 zu einem Stück wie oben beschrieben kann in dem magnetostriktiven Stab 2 eine einheitliche Druckbelastung hervorgerufen werden, wenn der distale Endabschnitt des Verbundstabs 4 in Richtung einer unteren Seite verschoben wird, wie in 5 dargestellt wird. Wenngleich dieser Zustand in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, ist es möglich in dem magnetostriktiven Stab 2 eine einheitliche Zugbelastung hervorzurufen, wenn der distale Endabschnitt des Verbundstabs 4 in Richtung einer oberen Seite verschoben wird.
Demnach ist es möglich, den Beitragsanteil pro Kubikvolumen des magnetostriktiven Materials, bei dem es sich um ein kostenintensives Material handelt, in Bezug auf die Energieerzeugung zu verbessern. Es ist möglich, die Menge an magnetostriktivem Material, das einen Beitrag zu der Energieerzeugung leistet, zu erhöhen und dadurch eine Gewichtseinsparung, eine geringere Größe und reduzierte Kosten für das Energieerzeugungselement 1 zu erzielen.
Die Spule 5 ist um einen Teil des Verbundstabs 4, der dessen Verbindungsabschnitt 41 entspricht, so angeordnet, dass sie den Verbundstab 4 (Verbindungsabschnitt 41) umgibt.
<<Spule 5>>
Die Spule 5 wird durch das Wickeln eines Drahts 52 um den Verbindungsabschnitt 41 hergestellt, um einen Teil des Verbundstabs 4, der dessen Verbindungsabschnitt 41 entspricht, zu umgeben. Bei einem solchen Aufbau ist die Spule 5 so bereitgestellt, dass die Magnetkraftlinien, die durch den magnetostriktiven Stab 2 verlaufen, im Inneren der Spule 5 (einem inneren Hohlraum der Spule 5) in eine axiale Richtung der Spule 5 verlaufen (in dieser Ausführungsform stimmt die axiale Richtung der Spule 5 mit jener des magnetostriktiven Stabs 2 überein). Auf Grundlage der Variation der magnetischen Permeabilität des magnetostriktiven Stabs 2, d. h. auf Grundlage der Variation der Dichte der Magnetkraftlinien (Magnetflussdichte), die durch den magnetostriktiven Stab 2 verlaufen, wird in der Spule 5 elektrische Spannung erzeugt.
Unter Verwendung der Spule 5 mit einem solchen Aufbau ist es möglich, Einschränkungen in Bezug auf das Kubikvolumen der Spule 5 zu eliminieren. Das ermöglicht umfassendere Wahlmöglichkeiten für die Wicklungsanzahl des Drahts 52, der die Spule 5 bildet, die Querschnittsfläche (Drahtdurchmesser) des Drahts 52 oder Ähnliches in Abhängigkeit von Energieerzeugungseffizienz, Lastimpedanz, Zielspannung, Zielstromstärke und dergleichen.
Das Material, aus dem der Draht 52 besteht, unterliegt keinen speziellen Beschränkungen auf eine bestimmte Art von Material. Zu den Beispielen für Materialien, aus denen der Draht 52 bestehen kann, gehören ein Draht, der durch das Umgeben einer Kupferbasisleitung mit einer Isolationsschicht, erhalten wird; ein Draht, der durch das Umgeben einer Kupferbasisleitung mit einer Isolationsschicht, der eine Haftfunktion (Schmelzfunktion) verliehen wird, erhalten wird, sowie eine Kombination aus zwei oder mehreren dieser Drähte.
Die Wicklungsanzahl des Drahts 52 wird in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche und ähnlichen Aspekten in Bezug auf den Draht 52 auf geeignete Weise festgelegt. Die Wicklungsanzahl des Drahts 52 ist nicht auf eine bestimmte Anzahl speziell eingeschränkt, liegt aber vorzugsweise im Bereich von etwa 100 bis 500 und noch bevorzugter im Bereich von etwa 150 bis 450.
Außerdem liegt die Querschnittsfläche des Drahts 52 vorzugsweise im Bereich von etwa 5 × 10^–4 bis 0,126 mm² und noch bevorzugter im Bereich von 2 × 10^–3 bis 0,03 mm².
Der Draht 52 kann eine beliebige Querschnittsform aufweisen. Zu den Beispielen für die Querschnittsform des Drahts 52 gehören eine polygonale Form, wie z. B. eine dreieckige Form, eine quadratische Form, eine rechteckige Form und eine sechseckige Form, eine kreisförmige Form sowie eine elliptische Form. Der erste Kopplungsabschnitt 6 ist an dem proximalen Ende des Verbundstabs 4 bereitgestellt.
<<Erster Kopplungsabschnitt 6>>
Der erste Kopplungsabschnitt 6 dient als Befestigungsabschnitt zur Befestigung des Energieerzeugungselements 1 an einem Gehäuse oder dergleichen. Wenn das Energieerzeugungselement 1 an dem Gehäuse oder dergleichen über den ersten Kopplungsabschnitt 6 befestigt ist, wird der Verbundstab 4 in einem freitragenden Zustand gehalten, in dem der proximale Endabschnitt des Verbundstabs 4 als fixierter Endabschnitt und der distale Endabschnitt des Verbundstabs 4 als bewegbarer Endabschnitt dient. Der erste Kopplungsabschnitt 6 umfasst den Hauptkörper 61 und den Stift 62.
Der Hauptkörper 61 umfasst einen Blockkörper mit Vertiefungen 611, 612, die jeweils auf im Wesentlichen zentralen Abschnitten einer oberen und einer unteren Oberfläche davon von einem distalen zu einem proximalen Ende hin ausgebildet sind. Der Hauptkörper 61 ist H-förmig, wenn er von einer proximalen Endseite (oder einer distalen Endseite) betrachtet wird. Außerdem ist ein Durchgangsloch 613 in dem Hauptkörper 61 so ausgebildet, dass es durch diesen in einer Dickerichtung hindurchverläuft. Außerdem ist das Durchgangsloch 613 so ausgebildet, dass die Position des Durchgangslochs 613 zentralen Abschnitten der Vertiefungen 611, 612 entspricht.
Beim Zusammenfügen des Energieerzeugungselements 1 wird der dünne Wandabschnitt 22 des magnetostriktiven Stabs 2 in die Vertiefung 612 eingeführt, der dünne Wandabschnitt 32 des Verstärkungsstabs 3 wird in die Vertiefung 611 eingeführt und dann wird der Stift 62 in die Durchgangslöcher 321, 613 und 221 eingeführt. Dadurch wird der Verbundstab 4 an dem ersten Kopplungsabschnitt 6 befestigt.
In dieser Ausführungsform besteht der Stift 62 aus einem zylinderförmigen Körper und wird an dem magnetostriktiven Stab 2, dem Verstärkungsstab 3 und dem Hauptkörper 61 durch ein Befestigungsverfahren, wie z. B. durch ein Eingriffsverfahren, ein Verstemmverfahren, ein Schweißverfahren und ein Bondverfahren unter Verwendung eines Haftmittels, befestigt. Der Stift 62 kann aus einer Schraube bestehen, die mit dem magnetostriktiven Stab 2, dem Verstärkungsstab 3 und dem Hauptkörper 61 verschraubt werden kann. Andererseits ist der zweite Kopplungsabschnitt 7 am distalen Endabschnitt des Verbundstabs 4 bereitgestellt.
<<Zweiter Kopplungsabschnitt 7>>
Der zweite Kopplungsabschnitt 7 dient als Abschnitt zum Ausüben einer externen Kraft oder Schwingung auf den Verbundstab 4. Wenn eine externe Kraft auf die Ober- oder die Unterseite in 4 oder Schwingung in vertikaler Richtung in 4 auf den zweiten Kopplungsabschnitt 7 ausgeübt wird, beginnt der Verbundstab 4, im freitragenden Zustand, in dem der proximale Endabschnitt des Verbundstabs 4 als fixierter Endabschnitt und der distale Endabschnitt des Verbundstabs 4 als bewegbarer Endabschnitt dient, sich in vertikaler Richtung hin- und her zu bewegen. Anders ausgedrückt wird der distale Endabschnitt des Verbundstabs 4 in vertikaler Richtung in Bezug auf den proximalen Endabschnitt des Verbundstabs 4 zu diesem Zeitpunkt verschoben. Der zweite Kopplungsabschnitt 7 umfasst den Hauptkörper 71 und den Stift 72.
Der Hauptkörper 71 ist aus einem Blockkörper gebildet, in dem ein eingeführter Abschnitt 711 so ausgebildet ist, dass er von einer proximalen Endfläche zu einer distalen Endfläche verläuft. Der Hauptkörper 71 weist eine rechteckige, parallelepipedförmige Form auf. Außerdem sind jeweils Durchgangslöcher 712, 713 in zentralen Abschnitten einer oberen und einer unteren Oberfläche des Hauptkörpers 71 ausgebildet, um jeweils in einer Dickerichtung durch die obere und die untere Oberfläche hindurch zu verlaufen.
Beim Zusammenfügen des Energieerzeugungselements 1 wird der distale Endabschnitt des Verbundstabs 4 in den eingeführten Abschnitt 711 eingeführt und dann wird der Stift 72 in die Durchgangslöcher 712, 311, 211 und 713 eingeführt. Dadurch wird der zweite Kopplungsabschnitt 7 an dem Verbundstab 4 befestigt.
In dieser Ausführungsform besteht der Stift 72 aus einem zylinderförmigen Körper und wird an dem magnetostriktiven Stab 2, dem Verstärkungsstab 3 und dem Hauptkörper 71 durch ein Befestigungsverfahren, wie z. B. durch ein Eingriffsverfahren, ein Verstemmverfahren, ein Schweißverfahren und ein Bondverfahren unter Verwendung eines Haftmittels, befestigt. Der Stift 72 kann aus einer Schraube bestehen, die mit dem magnetostriktiven Stab 2, dem Verstärkungsstab 3 und dem Hauptkörper 71 verschraubt werden kann.
Das Material, aus dem die Hauptkörper 61, 71 bestehen, ist nicht speziell auf eine bestimmte Art von Material beschränkt, solange dieses ausreichend Steifigkeit aufweist, um den Verbundstab 4 zuverlässig an den beiden Kopplungsabschnitten 6, 7 zu befestigen und eine einheitliche Belastung auf den Verbundstab 4 (insbesondere auf den magnetostriktiven Stab 2) auszuüben, und ausreichend Ferromagnetismus aufweist, um das Vormagnetisierungsmagnetfeld an den magnetostriktiven Stab 2 anzulegen. Zu den Beispielen für das Material, aus dem die Hauptkörper bestehen und das die oben angeführten Eigenschaften aufweist, gehört reines Eisen (z. B. „JIS SUY”), weiches Eisen, Kohlenstoffstahl, magnetischer Stahl (Siliciumstahl), Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl, Konstruktionsstahl (z. B. „JIS SS400”), rostfreies Permalloy sowie eine Kombination von zwei oder mehreren dieser Materialien.
Bei dem Material, aus dem die Stifte 62, 72 jeweils bestehen, kann es sich um dasselbe Material handeln wie jenes, aus dem die Hauptkörper 61, 71 jeweils bestehen. Alternativ dazu kann es sich bei dem Material, aus dem die Stifte 62, 72 jeweils bestehen, um ein Harzmaterial, ein Keramikmaterial oder dergleichen handeln.
Der Magnetfeldanlegemechanismus 8 zum Anlegen des Vormagnetisierungsmagnetfelds an den magnetostriktiven Stab 2 ist an einer rechten, lateralen Seite des Verbundstabs 4 bereitgestellt.
<<Magnetfeldanlegemechanismus 8>>
Wie in 1 und 2 dargestellt umfasst der Magnetfeldanlegemechanismus 8 einen Permanentmagnet 81, der an einer rechten Seitenoberfläche des Hauptkörpers 61 befestigt ist, einen Permanentmagnet 82, der an einer rechten Seitenoberfläche des Hauptkörpers 71 befestigt ist und einem plattenähnlichen Joch 83, das die Permanentmagneten 81 und 82 verbindet.
Wie in 3 dargestellt ist der Permanentmagnet 81 so angeordnet, dass sein Südpol einer Seite des Hauptkörpers 61 zugewandt ist und sein Nordpol einer Seite des Jochs 83 zugewandt ist. Der Permanentmagnet 82 ist so angeordnet, dass sein Nordpol einer Seite des Hauptkörpers 71 zugewandt ist und sein Südpol einer Seite des Jochs 83 zugewandt ist. Aufgrund dieser Anordnung ist es möglich, einen Magnetfeldkreis zu bilden, der in dem Energieerzeugungselement 1 gegen den Uhrzeigersinn umläuft.
Bei dem Material, aus dem das Joch 83 besteht, kann es sich beispielsweise um dasselbe Material handeln, aus dem die Hauptkörper 61, 71 jeweils bestehen. Außerdem ist es möglich als Permanentmagnet 81, 82 jeweils einen Alnicomagnet, einen Ferritmagnet, einen Neodymmagnet, einen Samarium-Cobalt-Magnet, einen Magnet (gebondeten Magnet), der durch das Formen eines Verbundmaterials erhalten wird, das durch das Pulverisieren und Vermischen zumindest einer dieser Magnete mit einem Harzmaterial oder einem Kautschukmaterial hergestellt wird, oder dergleichen verwendet werden. Das Joch 83 wird vorzugsweise beispielsweise durch ein Bondverfahren unter Verwendung eines Haftmittels oder dergleichen an den Permanentmagneten 81, 82 befestigt.
In dem Energieerzeugungselement 1, das einen solchen Aufbau aufweist, wird der magnetostriktive Stab 2, wenn der zweite Kopplungsabschnitt 7 in einem Zustand, in dem der erste Kopplungsabschnitt 6 an dem Gehäuse oder dergleichen (siehe 3) befestigt ist, in Richtung der unteren Seite verschoben (gedreht) wird, d. h. wenn der distale Endabschnitt des Verbundstabs 4 in Richtung der unteren Seite in Bezug auf den proximalen Endabschnitt des Verbundstabs 4 verschoben wird, verformt, um in axialer Richtung zusammengestaucht zu werden. Wenn der zweite Kopplungsabschnitt 7 andererseits in Richtung der oberen Seite verschoben (gedreht) wird, d. h. wenn der distale Endabschnitt des Verbundstabs 4 in Richtung der oberen Seite in Bezug auf den proximalen Endabschnitt des Verbundstabs 4 verschoben wird, wird der magnetostriktive Stab 2 verformt, so dass er in axialer Richtung ausgedehnt wird. In der Folge variiert die magnetische Permeabilität des magnetostriktiven Stabs 2 aufgrund des umgekehrten magnetostriktiven Effekts. Diese Variation der magnetischen Permeabilität des magnetostriktiven Stabs 2 führt zu einer Variation der Dichte der Magnetkraftlinien, die durch den magnetostriktiven Stab 2 hindurchverlaufen (der Dichte der Magnetkraftlinien, die durch den inneren Hohlraum der Spule 5 entlang der axialen Richtung des magnetostriktiven Stabs 2 hindurchverlaufen), wodurch in der Spule 5 eine elektrische Spannung erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung kann insbesondere eine einheitliche Belastung (nur Druckbelastung oder nur Zugbelastung) in dem magnetostriktiven Stab 2 hervorrufen. Demnach ist es möglich, die Energieerzeugungseffizienz des Energieerzeugungselements 1 zu verbessern. Außerdem ist es möglich, den Beitragsanteil pro Kubikvolumen des magnetostriktiven Materials in Bezug auf die Energieerzeugung zu verbessern und dadurch zu einer Gewichtseinsparung, einer geringeren Größe und reduzierten Kosten für das Energieerzeugungselement 1 beizutragen.
Die Menge an elektrischer Energie, die durch das Energieerzeugungselement 1 erzeugt wird, ist nicht speziell auf einen bestimmten Wert eingeschränkt, liegt aber vorzugsweise im Bereich von etwa 100 bis 1.400 μJ. Wenn die Menge an durch das Energieerzeugungselement 1 erzeugter elektrischer Energie (Energieerzeugungsfähigkeit des Energieerzeugungselements 1) in dem oben angeführten Bereich liegt, kann das Energieerzeugungselement 1 in Kombination mit einer drahtlosen Kommunikationsvorrichtung effizient für einen drahtlosen Schalter für Gebäudebeleuchtungssysteme, ein Heimsicherheitssystem oder dergleichen (nachstehend beschrieben) verwendet werden.
<Zweite Ausführungsform>
Nachstehend wird ein Energieerzeugungselement gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
6 ist eine Längsquerschnittansicht, die ein Energieerzeugungselement gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Nachstehend wird auf eine obere Seite in 6 mit „oben” oder „Oberseite” und auf eine untere Seite in 6 als „unten” oder „Unterseite” Bezug genommen. Außerdem wird die rechte Seite in 6 jeweils als „distale Seite” und die linke Seite in 6 jeweils als „proximale Seite” bezeichnet.
Nachstehend wird das Energieerzeugungselement gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben, wobei besonderes Augenmerk auf die Punkte gelegt wird, in denen es sich von dem Energieerzeugungselement gemäß der ersten Ausführungsform unterscheidet, wobei übereinstimmende Aspekte bei der Beschreibung ausgelassen werden.
Ein Energieerzeugungselement 1 gemäß der zweiten Ausführungsform weist denselben Aufbau auf wie das Energieerzeugungselement 1 gemäß der ersten Ausführungsform, nur dass die Gesamtform des Verbundstabs 4 modifiziert ist. Wie in 6 dargestellt weist der Verbundstab 4 gemäß der zweiten Ausführungsform eine Form auf, in der die Dicke in der Längsquerschnittansicht (Querschnittsfläche des Verbundstabs 4) von dem proximalen Endabschnitt in Richtung des distalen Endabschnitts des Verbundstabs 4 kontinuierlich abnimmt.
Wie oben beschrieben weist der Verbundstab 4 eine sich verjüngende Form auf, in der die Dicke auf der Seite des proximalen Endabschnitts (dem befestigten Endabschnitt) hoch ist und auf der Seite des distalen Endabschnitts (bewegbarer Endabschnitt) gering ist. Unter Verwendung des Verbundstabs 4, der eine solche sich verjüngende Form aufweist, ist es möglich, die Verteilung der in dem magnetostriktiven Stab 2 hervorgerufenen Belastung zuverlässiger zu steuern, um die Belastung gleichmäßiger in axialer Richtung auf den magnetostriktiven Stab 2 auszuüben. Das ermöglicht ein größeres Variationsausmaß der magnetischen Permeabilität des magnetostriktiven Stabs 2, wodurch der Energieerzeugungswirkungsgrad des Energieerzeugungselements 1 weiter verbessert wird. Da die auf den magnetostriktiven Stab 2 ausgeübte Belastung einheitlicher wird, wird auch die Beständigkeit des magnetostriktiven Stabs 2 gegenüber der externen Kraft und der Schwingung verbessert.
Das Energieerzeugungselement 1 gemäß der zweiten Ausführungsform kann auch dieselben Funktionen/Ergebnisse bereitstellen wie das Energieerzeugungselement 1 gemäß der ersten Ausführungsform.
Der Verbundstab 4 kann andere sich verjüngende Formen aufweisen, wie z. B. eine sich verjüngende Form, in der die Querschnittsfläche von dem proximalen Endabschnitt zu dem distalen Endabschnitt des Verbundstabs 4 diskontinuierlich abnimmt.
<Dritte Ausführungsform>
Nachstehend wird ein Energieerzeugungselement gemäß einer dritten Ausführungsform beschrieben.
7 ist eine Längsquerschnittansicht, die das Energieerzeugungselement gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Nachstehend wird auf eine obere Seite in 7 mit „oben” oder „Oberseite” und auf eine untere Seite in 7 als „unten” oder „Unterseite” Bezug genommen. Außerdem wird die rechte Seite in 7 jeweils als „distale Seite” und die linke Seite in 7 jeweils als „proximale Seite” bezeichnet.
Nachstehend wird das Energieerzeugungselement gemäß der dritten Ausführungsform beschrieben, wobei besonderes Augenmerk auf die Punkte gelegt wird, in denen es sich von den Energieerzeugungselementen gemäß der ersten und gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet, wobei übereinstimmende Aspekte bei der Beschreibung ausgelassen werden.
Ein Energieerzeugungselement 1 gemäß der dritten Ausführungsform weist denselben Aufbau auf wie das Energieerzeugungselement 1 gemäß der zweiten Ausführungsform, nur dass das Verhältnis zwischen der Dicke des Hauptkörpers 21 des magnetostriktiven Stabs 2 und der Dicke des Hauptkörpers 31 des Verstärkungsstabs 3 verändert wurde. Wie in 7 dargestellt ist weist der Verbundstab 4 gemäß der dritten Ausführungsform eine sich verjüngende Form auf, in der die Dicke (Querschnittsfläche) des Teils des Verstärkungsstabs 3, der dem Verbindungsabschnitt 41 entspricht (d. h. die Dicke des Hauptkörpers 31 des Verstärkungsstabs 3) von dem proximalen Endabschnitt zu dem distalen Endabschnitt des Verstärkungsstabs 3 kontinuierlich abnimmt und die Dicke (Querschnittsfläche) des magnetostriktiven Stabs 2 von dem proximalen Endabschnitt zu dem distalen Endabschnitt des magnetostriktiven Stabs 2 im Wesentlichen konstant ist.
In dem gesamten Verbundstab 4 sind die Bereiche, in denen die Belastung am einheitlichsten und am höchsten wird, in der Nähe einer Fläche konzentriert, die im rechten Winkel auf eine Verschiebungsrichtung (Drehrichtung) des Verbundstabs 4 liegt. Demnach ist es durch Bereitstellung des magnetostriktiven Stabs 2 mit einer im Wesentlichen konstanten Dicke im rechten Winkel auf die axiale Richtung in diesem Bereich des Verbundstabs 4 möglich, die verwendete Menge an magnetostriktiven Material für das Energieerzeugungselement 1 zu reduzieren. Da das magnetostriktive Material ein kostenintensives Material ist, ist es möglich, die Fertigungskosten für das Energieerzeugungselement 1 durch einen solchen Aufbau zu reduzieren.
Für einen solchen Aufbau kann der Verstärkungsstab 3, der die oben beschriebene Form aufweist, die relativ komplex ist, unter Anwendung eines Verfahrens, wie z. B. von Pressbearbeitung, Schmieden und Gießen, ausgebildet werden. Andererseits kann der magnetostriktive Stab 2, der die oben beschriebene Form aufweist, die relativ simpel ist, unter Anwendung eines Verfahrens, wie z. B. durch Schneid- und maschinelle Laserbearbeitung, ausgebildet werden.
Da das magnetostriktive Material (z. B. die Legierung auf Eisen-Gallium-Basis) ein bestimmtes Ausmaß an Verformbarkeit aufweist, ist es einfach, den magnetostriktiven Stab 2 durch ein Verfahren, wie z. B. ein Schneidverfahren oder maschinelle Laserbearbeitung, auszubilden. Es ist jedoch relativ schwierig das magnetostriktive Material einer Biegebearbeitung, der vorgehenden Bearbeitung oder Pressbearbeitung zu unterziehen. Außerdem hat die Restbelastung, die sich aufgrund von Biegebearbeitung, der vorgehenden Bearbeitung oder Pressbearbeitung ergibt, eine Auswirkung auf den umgekehrten magnetostriktiven Effekt. Demnach besteht in Abhängigkeit von den Bearbeitungsbedingungen die Möglichkeit, dass die magnetische Permeabilität des magnetostriktiven Stabs 2 für das Hindurchverlaufen der Magnetkraftlinien durch den magnetostriktiven Stab 2 verschlechtert wird. Vorzugsweise ist die Form des magnetostriktiven Stabs 2 deshalb so einfach wie möglich. Eine plattenähnliche Form mit einer im Wesentlichen konstanten Dicke ist besonders geeignet für den magnetostriktiven Stab 2. In dieser Ausführungsform ist es aufgrund der plattenähnlichen Form des magnetostriktiven Stabs 2 möglich, das Zusammenfügen des Energieerzeugungselements 1 zu vereinfachen und die Formbarkeit des magnetostriktiven Stabs 2 zu verbessern.
Wie oben beschrieben ist es gemäß dieser Ausführungsform möglich, ein Energieerzeugungselement 1 zu erhalten, das seine Wirkung optimal bereitstellen kann, wobei die verwendete Menge an magnetostriktivem Material gleichzeitig minimiert wird.
Wenn der Durchschnittswert der Querschnittsfläche des magnetostriktiven Stabs 2 als „A” (mm²) definiert ist und der Durchschnittswert der Querschnittsfläche des Verstärkungsstabs 3 als „B” (mm²) definiert ist, gilt für „A” und „B” vorzugsweise B/A ≥ 0,8, noch bevorzugter B/A ≥ 1 und noch bevorzugter B/A ≥ 1,2. Durch das Festlegen von „A” und „B” auf eine Weise, dass sie die oben angeführte Beziehung erfüllen, ist es möglich, die Herstellungskosten für das Energieerzeugungselement 1 zuverlässiger zu reduzieren und die Energieerzeugungseffizienz des Energieerzeugungselements 1 weiter zu verbessern.
Das Energieerzeugungselement 1 gemäß der dritten Ausführungsform kann auch dieselben Funktionen/Ergebnisse bereitstellen wie das Energieerzeugungselement 1 gemäß der ersten Ausführungsform und gemäß der zweiten Ausführungsform.
<Vierte Ausführungsform>
Nachstehend wird ein Energieerzeugungselement gemäß einer vierten Ausführungsform beschrieben.
8 ist eine Längsquerschnittansicht, die das Energieerzeugungselement gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Nachstehend wird auf eine obere Seite in 8 mit „oben” oder „Oberseite” und auf eine untere Seite in 8 als „unten” oder „Unterseite” Bezug genommen. Außerdem wird die rechte Seite in 8 jeweils als „distale Seite” und die linke Seite in 8 jeweils als „proximale Seite” bezeichnet.
Nachstehend wird das Energieerzeugungselement gemäß der vierten Ausführungsform beschrieben, wobei besonderes Augenmerk auf die Punkte gelegt wird, in denen es sich von den Energieerzeugungselementen gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform unterscheidet, wobei übereinstimmende Aspekte bei der Beschreibung ausgelassen werden.
Ein Energieerzeugungselement 1 gemäß der vierten Ausführungsform weist denselben Aufbau auf wie das Energieerzeugungselement 1 gemäß der dritten Ausführungsform, nur dass die Anordnung (Position) und der Aufbau der Spule 5 modifiziert sind. Wie in 8 dargestellt umfasst die Spule 5 in dem Energieerzeugungselement 1 gemäß der vierten Ausführungsform einen Spulenkörper 51, der um den Verbindungsabschnitt 41 des Verbundstabs 4 herum angeordnet ist, um den Teil des Verbundstabs 4 zu umgeben, der dem Verbindungsabschnitt 41 entspricht, und einen Draht 52, der um den Spulenkörper 51 gewickelt ist.
Der Spulenkörper 52 besteht aus einem rechteckigen, parallelepipedförmigen Körper und ist an einer distalen Endfläche des Hauptkörpers 61 des ersten Kopplungsabschnitts 6 durch ein Befestigungsverfahren, wie z. B. durch ein Eingriffsverfahren, ein Verstemmverfahren, ein Schweißverfahren und ein Bondverfahren unter Verwendung eines Haftmittels, befestigt. Mit einem solchen Aufbau kann der Verbundstab 4 in dieser Ausführungsform im Inneren des Spulenkörpers 51 unabhängig von der Spule 5 verschoben werden. Somit wird der Draht 52, der die Spule 5 bildet, auch dann nicht verformt, wenn der Verbundstab 4 verschoben wird. Dadurch kann die Beständigkeit der Spule 5 verbessert werden.
Außerdem weist der rechteckige, parallelepipedförmige Körper, der den Spulenkörper 52 bildet, einen inneren Hohlraum auf, der eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche aufweist. Demnach wird ein Spalt 511 zwischen dem Verbundstab 4 und dem Spulenkörper 51 gebildet. Ein Abstand zwischen dem Verbundstab 4 und dem Spulenkörper 51 (d. h. die Breite des Spalts 511) nimmt von dem proximalen Endabschnitt zu dem distalen Endabschnitt des Verbundstabs 4 allmählich zu. Außerdem ist der Spalt 511 so ausgebildet, dass er eine Größe aufweist, damit der Spulenkörper 51 und der Verbundstab 4 einander nicht beeinträchtigen, wenn der Verbundstab 4 durch Schwingung verschoben wird. Der Spalt 511 ist so ausgebildet, dass die Größe des Spalts 511 größer ist als die Amplitude der Schwingung des Verbundstabs 4. Durch das oben beschriebene Festlegen der Größe des Spalts 511 kann das Energieerzeugungselement 1 effizient elektrische Energie erzeugen.
Ein Material, aus dem der Spulenkörper 51 bestehen kann, kann beispielsweise dasselbe Material sein, aus dem der Verstärkungsstab 3 besteht.
Das Energieerzeugungselement 1 gemäß der vierten Ausführungsform kann auch dieselben Funktionen/Ergebnisse bereitstellen wie das Energieerzeugungselement 1 gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform.
Außerdem kann der Spulenkörper 51 in einem Fall, in dem der Draht 52 der Spule 5 gebündelt wird und einstückig ausgebildet ist, um den Spalt 511 zwischen dem Verbundstab 4 und dem Draht 52 der Spule 5 zu bilden, von dem Energieerzeugungselement 1 weggelassen werden. Außerdem kann der Spalt 511 zwischen dem Verbundstab 4 und dem Spulenkörper 51 entlang dem gesamten Verbindungsabschnitt 41 (der gesamten Länge des Verbindungsabschnitts 41) ausgebildet werden.
<Fünfte Ausführungsform>
Nachstehend wird ein Energieerzeugungselement gemäß einer fünften Ausführungsform beschrieben.
9 ist eine Längsquerschnittansicht, die das Energieerzeugungselement gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Nachstehend wird auf eine obere Seite in 9 mit „oben” oder „Oberseite” und auf eine untere Seite in 9 als „unten” oder „Unterseite” Bezug genommen. Außerdem wird die rechte Seite in 9 jeweils als „distale Seite” und die linke Seite in 9 jeweils als „proximale Seite” bezeichnet.
Nachstehend wird das Energieerzeugungselement gemäß der fünften Ausführungsform beschrieben, wobei besonderes Augenmerk auf die Punkte gelegt wird, in denen es sich von den Energieerzeugungselementen gemäß der ersten bis vierten Ausführungsform unterscheidet, wobei übereinstimmende Aspekte bei der Beschreibung ausgelassen werden.
Ein Energieerzeugungselement 1 gemäß der fünften Ausführungsform weist denselben Aufbau auf wie das Energieerzeugungselement 1 gemäß der ersten Ausführungsform, nur dass die Anordnung (Position) und der Aufbau der Spule 5 modifiziert sind. Wie in 9 dargestellt wird die Spule 5 in dem Energieerzeugungselement 1 gemäß der fünften Ausführungsform dadurch ausgebildet, dass der Draht 52 nicht um den Verbundstab 4, sondern um das Joch 83 gewickelt wird. Anders ausgedrückt ist die Spule 5 so bereitgestellt, dass die Magnetkraftlinien im Inneren der Spule 5 (dem inneren Hohlraum der Spule 5) in axialer Richtung der Spule 5 (in dieser Ausführungsform stimmt die axiale Richtung der Spule 5 mit der axialen Richtung des Jochs 83 überein) verlaufen, nachdem sie durch den magnetostriktiven Stab 2 hindurchverlaufen sind.
Das Energieerzeugungselement 1 gemäß der fünften Ausführungsform kann auch dieselben Funktionen/Ergebnisse bereitstellen wie das Energieerzeugungselement 1 gemäß der ersten bis vierten Ausführungsform.
Das oben beschriebene Energieerzeugungselement kann für die Energieversorgung eines Senders, die Energieversorgung eines Sensornetzwerks, einen drahtlosen Schalter für Gebäudebeleuchtung, ein System zur Statusüberwachung jedes Bauteils eines Fahrzeugs (z. B. eines Reifendrucksensors und eines Sensors zur Detektion des Anlegens des Gurts), ein Heimsicherheitssystem (insbesondere ein System zur drahtlosen Benachrichtigungsdetektion von Vorgängen an einem Fenster oder einer Tür) und dergleichen verwendet werden.
Wenngleich das Energieerzeugungselement der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese eingeschränkt. In dem Energieerzeugungselement ist es möglich, den Aufbau jedes Bauteils durch andere beliebige Aufbauformen zu ersetzen, die gleichwertige Funktionen aufweisen. Es ist auch möglich, weitere optionale Bauteile zu der vorliegenden Erfindung hinzuzufügen. Es ist beispielsweise möglich, den Aufbau gemäß der ersten bis fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf geeignete Weise zu kombinieren.
Außerdem kann einer der zwei Permanentmagnete aus dem Energieerzeugungselement weggelassen oder durch einen Elektromagneten ersetzt werden. Außerdem kann das Energieerzeugungselement der vorliegenden Erfindung einen anderen Aufbau aufweisen, in dem die Permanentmagnete aus dem Energieerzeugungselement weggelassen werden und die Energieerzeugung des Energieerzeugungselements unter Verwendung eines externen Magnetfelds erfolgt.
Wenngleich sowohl der magnetostriktive Stab als auch der Verstärkungsstab in jeder der Ausführungsformen eine rechteckige Querschnittsform aufweisen, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispiele für die Querschnittsform des magnetostriktiven Stabs und des Verstärkungsstabs schließen eine runde, eine elliptische und eine polygonale Form, wie z. B. eine dreieckige, quadratische und sechseckige Form, ein. Diesbezüglich weisen sowohl der magnetostriktive Stab als auch der Verstärkungsstab vorzugsweise eine Form auf, die eine flache Verbindungsfläche aufweist (insbesondere eine rechteckige Form), um eine Verbindungsstärke zwischen dem magnetostriktiven Stab und dem Verstärkungsstab sicherzustellen.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann in dem magnetostriktiven Stab eine einheitliche Belastung hervorgerufen werden, wenn dieser ausgedehnt oder zusammengezogen wird, indem ein Verbundstab verwendet wird, der durch das Verbinden eines magnetostriktiven Stabs und eines Verstärkungsstabs, der dazu dient, eine geeignete Belastung in dem magnetostriktiven Stab hervorzurufen, erhalten wird. Dadurch ist es möglich, die Energieerzeugungseffizienz des Energieerzeugungselements zu verbessern. Aus den oben angeführten Gründen ist die vorliegende Erfindung gewerblich anwendbar.
Bezugszeichenliste

1: Energieerzeugungselement
2: magnetostriktiver Stab
21: Hauptkörper
211: Durchgangsloch
22: dünner Wandabschnitt
221: Durchgangsloch
3: Verstärkungsstab
4: Verbundstab
41: Verbindungsabschnitt
5: Spule
51: Spulenkörper
52: Draht
511: Spalt
6: erster Kopplungsabschnitt
61: Hauptkörper
611, 612: Vertiefung
613: Durchgangsloch
62: Stift
7: zweiter Kopplungsabschnitt
71: Hauptkörper
711: eingeführter Abschnitt
712, 713: Durchgangsloch
72: Stift
8: Magnetfeldanlegungsmechanismus
81, 82: Permanentmagnet
83: Joch

Claims

Energieerzeugungselement, das Folgendes umfasst: einen Verbundstab mit einem Endabschnitt und dem anderen Endabschnitt, wobei der Verbundstab Folgendes umfasst: einen magnetostriktiven Stab, durch den Magnetkraftlinien in axialer Richtung hindurchverlaufen, wobei der magnetostriktive Stab aus einem magnetostriktiven Material besteht, und einen Verstärkungsstab, der dazu dient, in dem magnetostriktiven Stab eine geeignete Belastung hervorzurufen, wobei der Verstärkungsstab parallel zu dem magnetostriktiven Stab angeordnet ist und aus einem nicht magnetischen Material besteht, wobei der Verbundstab durch das Verbinden des magnetostriktiven Stabs und des Verstärkungsstabs über einen Verbindungsabschnitt erhalten wird, und eine Spule, die so bereitgestellt ist, dass die Magnetkraftlinien im Inneren der Spule in axialer Richtung der Spule durch diese hindurchverlaufen und in der elektrische Spannung auf Grundlage der Variation der Dichte der Magnetkraftlinien erzeugt wird, wobei das Energieerzeugungselement so ausgebildet ist, dass die Dichte der Magnetkraftlinien variiert, wenn der andere Endabschnitt des Verbundstabs in einer Richtung, die im Wesentlichen im rechten Winkel auf eine axiale Richtung des Verbundstabs steht, in Bezug auf den einen Endabschnitt des Verbundstabs relativ verschoben wird, um den magnetostriktiven Stab auszudehnen oder zusammenzuziehen.
Energieerzeugungselement nach Anspruch 1, worin, wenn ein Querschnittsflächendurchschnittswert des magnetostriktiven Stabs als „A” (mm²) und ein Querschnittsflächendurchschnittswert des Verstärkungsstabs als „B” (mm²) definiert ist, für „A” und „B” gilt: B/A ≥ 0,8.
Energieerzeugungselement nach Anspruch 1 oder 2, worin eine Querschnittsfläche eines Teils des Verbundstabs, der dem Verbindungsabschnitt entspricht, von dem einen Endabschnitt in Richtung des anderen Endabschnitts des Verbundstabs abnimmt.
Energieerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin eine Querschnittsfläche eines Teils des Verstärkungsstabs, der dem Verbindungsabschnitt entspricht, von dem einen Endabschnitt in Richtung des anderen Endabschnitts des Verstärkungsstabes abnimmt und worin eine Querschnittsfläche des magnetostriktiven Stabs von einem Endabschnitt bis zum anderen Endabschnitt des Verbundstabs im Wesentlichen konstant ist.
Energieerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Spule um einen Teil des Verbundstabs, der dem Verbindungsabschnitt entspricht, so angeordnet ist dass sie den Verbundstab umgibt.
Energieerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Spule einen Spulenkörper, der um einen Teil des Verbundstabs, der dem Verbindungsabschnitt entspricht, so angeordnet ist, dass er den Verbundstab umgibt, und einen Draht umfasst, der um den Spulenkörper gewickelt ist.
Energieerzeugungselement nach Anspruch 6, worin ein Spalt zwischen dem Verbundstab und dem Spulenkörper an zumindest einer Seite des anderen Endabschnitts des Verbundstabs ausgebildet ist.
Energieerzeugungselement nach Anspruch 7, worin eine Verschiebung des anderen Endabschnitts des Verbundstabs durch das Anlegen von Schwingung an den Verbundstab hervorgerufen wird und worin der Spalt so ausgebildet ist, dass der eine Größe aufweist, dass der Spulenkörper und der Verbundstab einander nicht störend beeinflussen, während der Verbundstab in Schwingung versetzt wird.
Energieerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin der E-Modul des magnetostriktiven Materials dem E-Modul des nicht magnetischen Materials im Wesentlichen entspricht.
Energieerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin der E-Modul des magnetostriktiven Materials und des nicht magnetischen Materials jeweils im Bereich von 40 bis 100 GPa liegt.
Energieerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin das magnetostriktive Material eine Legierung auf Eisen-Gallium-Basis als Hauptbestandteil enthält.
Energieerzeugungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin das nicht magnetische Material zumindest ein aus der aus folgenden bestehenden Gruppe ausgewähltes Material enthält: Aluminium, Magnesium, Zink, Kupfer und einer Legierung, die zumindest eines dieser Materialien als Hauptbestandteil enthält.