DE112013006545T5

DE112013006545T5 - Magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112013006545T5
Application number: DE112013006545.2T
Authority: DE
Inventors: Koichi Hasegawa; Hajime Kurikuma
Original assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2015-10-22
Also published as: US9490729B2; JP6174053B2; US20150288300A1; WO2014119202A1; JPWO2014119202A1

Abstract

Bereitgestellt wird eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung mit einer neuartigen Struktur, die in der Lage ist, eine Vibrations-Leistungserzeugung unter Verwendung eines magnetostriktiven Elements wirksam zu realisieren, während die Haltbarkeit durch Verhindern von Beschädigungen eines Permanentmagneten verbessert wird. Eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung (10) weist ein Jochelement (20) auf, das aus einem magnetischen Material gebildet ist, das parallel an einer Seite eines magnetostriktiven Elements (12) gebildet ist, um einen geschlossenen magnetischen Pfad (28) zu bilden, umfassend das magnetostriktive Element (12) und das Jochelement (20), während ein Permanentmagnet (30) an dem Jochelement (20) auf dem geschlossenen magnetischen Pfad (28) befestigt ist. Dem Jochelement (20) ist eine relative Verschiebung in Bezug auf das magnetostriktive Element (12) mindestens an einer Seite in einem magnetischen Pfad in Längsrichtung des geschlossenen magnetischen Pfads (28) erlaubt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung, die Leistung erzeugt, indem Vibrationsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, und insbesondere eine magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung, die einen magnetostriktiven Effekt durch Verformung eines magnetostriktiven Elements nutzt.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
In der Vergangenheit sind Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtungen vorgeschlagen worden, die Vibrationsenergie in elektrische Energie umwandeln und sie nutzen, und die Forschung und Entwicklung ist fortgeschritten, um der erhöhten Nachfrage nach Energieeinsparungen in jüngster Zeit nachzukommen. Diese magnetostriktiven Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtungen sind mit einem leistungserzeugenden Element zum Umwandeln von Vibrationsenergie in elektrische Energie ausgestattet, als leistungserzeugendes Element werden jedoch zusätzlich zu piezoelektrischen Elementen magnetostriktive Elemente verwendet. Bei einer magnetostriktiven Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung unter Verwendung eines magnetostriktiven Elements, wie in der japanischen Veröffentlichung der internationalen Patentanmeldung Nr. JP-A-2005-536173 (Patentdokument 1) gezeigt, ist beispielsweise die Struktur derart, dass ein magnetischer Pfad gebildet ist, der ein stabförmiges magnetostriktives Element umfasst, wobei eine Spule auf dem magnetischen Pfad gewickelt ist und ein Permanentmagnet angeordnet ist, um ein vormagnetisiertes Feld an den magnetischen Pfad anzulegen.
Der Permanentmagnet wird jedoch, zusätzlich dazu, dass er direkt an dem magnetostriktiven Element fixiert ist, um magnetischen Fluss auf den magnetischen Pfad aufzubringen, der ein magnetostriktives Element wie in Patentdokument 1 gezeigt umfasst, typischerweise auch an einem Jochelement fixiert, das an dem magnetostriktiven Element oder Ähnlichem fixiert ist, um eine Vibrationslast aufzubringen.
Ein typischer Permanentmagnet, der mit einem gesinterten Ferritkörper oder Ähnlichem gebildet ist, ist jedoch an Belastbarkeit unterlegen, sodass, wenn der Permanentmagnet auf dem magnetischen Pfad angeordnet ist, für den die Vibrationslast eingegeben wird, das Risiko einer Beschädigung besteht.
DOKUMENT ZUM STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENT

Patentdokument 1: JP-A-2005-536173

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE, DIE DIE ERFINDUNG ZU LÖSEN VERSUCHT
Die vorliegende Erfindung ist angesichts der zuvor beschriebenen Probleme im Stand der Technik entwickelt worden, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung mit einer neuartigen Struktur bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Beschädigung des Permanentmagneten zu verhindern und eine Verlängerung der Lebensdauer zu realisieren, wobei eine Vibrations-Leistungserzeugung unter Verwendung des magnetostriktiven Elements wirksam realisiert wird.
MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABE
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung bereit, umfassend: ein längliches magnetostriktives Element, das aus einem magnetostriktiven Material gebildet ist und ausgestaltet ist, an ein vibrierendes Element an mindestens einem Endteil davon befestigt zu werden; eine Spule, die auf einem geschlossenen magnetischen Pfad gewickelt ist, der umfassend das magnetostriktive Element gebildet ist; und einen Permanentmagneten, der so angeordnet ist, dass er ein vormagnetisiertes Feld auf den geschlossenen magnetischen Pfad aufbringt, wobei die magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass: ein Jochelement, das aus einem magnetischen Material gebildet ist, parallel an einer Seite des magnetostriktiven Elements angeordnet ist, und der geschlossene magnetische Pfad so gebildet ist, dass er das magnetostriktive Element und das Jochelement umfasst; der Permanentmagnet an dem Jochelement auf dem geschlossenen magnetischen Pfad befestigt ist; und dem Jochelement eine relative Verschiebung im Verhältnis zum magnetostriktiven Element auf mindestens einer Seite in einem magnetischen Pfad in Längsrichtung des geschlossenen magnetischen Pfads erlaubt ist.
Bei der magnetostriktiven Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung, die gemäß dieser ersten Ausführungsform gebildet ist, wird durch Vibration, die von dem vibrierenden Element eingegeben wird, und dadurch, dass das magnetostriktive Element verformt wird, basierend auf einem magnetostriktiven Umkehreffekt verursacht, dass sich die magnetische Permeabilität des magnetostriktiven Elements ändert. Dadurch wird, da das Volumen an magnetischem Fluss geändert wird, das die Spule durchdringt, die auf dem geschlossenen magnetischen Pfad gewickelt ist, induzierte elektromotorische Kraft durch elektromagnetische Induktion erzeugt, und somit wird Vibrationsenergie in elektrische Energie umgewandelt und entnommen, wodurch eine Vibrations-Leistungserzeugung realisiert wird.
Außerdem ist es bei dem Jochelement, an dem der Permanentmagnet befestigt ist, möglich, da eine relative Verschiebung im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element an mindestens einem Ende in der Längsrichtung des magnetischen Pfads eines geschlossenen magnetischen Pfads erlaubt ist, zu verhindern, dass das Jochelement sich verformt, indem es folgt, wenn sich das magnetostriktive Element verformt. Daher wird der Eingang einer großen Last an dem Permanentmagnet, der an dem Jochelement befestigt ist, verhindert, und es ist möglich, eine Beschädigung des Permanentmagneten zu vermeiden.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform bereit, wobei ein hervorstehender Teil, der zu dem magnetostriktiven Element auf dem geschlossenen magnetischen Pfad hervorsteht, auf dem Jochelement vorgesehen ist, und der hervorstehende Teil mit einem Spalt im Verhältnis zum magnetostriktiven Element angeordnet ist.
Bei der zweiten Ausführungsform nähern sich das magnetostriktive Element und der hervorstehende Teil einander durch einen hervorstehenden Teil, der zu dem magnetostriktiven Element, das auf dem Jochelement vorgesehen ist, hervorsteht, und dadurch, dass der magnetische Spalt mit dem geschlossenen magnetischen Pfad verkleinert wird, ist es möglich, eine Leckage des magnetischen Flusses zu verhindern. Gleichzeitig können der Teil, der parallel an der Seite des magnetostriktiven Elements zum Jochelement angeordnet ist und der Abstand zu dem magnetostriktiven Element frei eingestellt werden. Daher ist es möglich, ein wirksames vormagnetisiertes Feld unter Verwendung eines Permanentmagneten mit einer verhältnismäßig schwachen magnetischen Kraft anzulegen und zu vermeiden, dass die Form und Größe der Spule und des Permanentmagneten, die auf dem geschlossenen magnetischen Pfad angeordnet sind, durch den Abstand zwischen dem magnetostriktiven Element und dem Jochelement, das sich parallel erstreckt, beschränkt werden, wodurch es möglich ist, die abgezielte leistungserzeugende Leistung und Ähnliches vorteilhaft zu realisieren.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform bereit, wobei der Spalt, der zwischen dem magnetostriktiven Element und dem hervorstehenden Teil gebildet ist, eine Größe aufweist, sodass das magnetostriktive Element und der hervorstehende Teil während des normalen Vibrationseingangs, der für das vibrierende Element angenommen wird, in einem getrennten Zustand gehalten werden.
Bei der dritten Ausführungsform wird in dem normalen Vibrationszustand des vibrierenden Elements die Anlage des magnetostriktiven Elements und des hervorstehenden Teils vermieden, sodass einer Verformung des Jochelements, weil es dem magnetostriktiven Element folgt, vorgebeugt wird, und es ist möglich, eine Beschädigung des Permanentmagneten zu vermeiden. Es wird bevorzugt, den Spalt so klein wie möglich innerhalb des Bereichs einzustellen, für den das magnetostriktive Element und der hervorstehende Teil während des normalen Vibrationseingangs nicht in Anlage kommen, wodurch der magnetische Spalt des geschlossenen magnetischen Pfads klein ist und es möglich ist, ein wirksames vormagnetisiertes Feld mit einem kleinen Permanentmagneten anzulegen.
Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung gemäß der zweiten oder dritten Ausführungsform bereit, wobei ein Einsatzloch in dem hervorstehenden Teil gebildet ist, und das magnetostriktive Element durch das Einsatzloch mit dem Spalt eingesetzt wird.
Bei der vierten Ausführungsform nähern sich durch die Verformung des magnetostriktiven Elements, wenn die äußere Umfangsfläche des magnetostriktiven Elements und die innere Umfangsfläche des Einsatzlochs auf einem Abschnitt des Umfangs getrennt sind, die äußere Umfangsfläche des magnetostriktiven Elements und die innere Umfangsfläche des Einsatzlochs einander an einem anderen Abschnitt des Umfangs an. Dadurch werden bei geschlossenem magnetischen Pfad Änderungen in dem magnetischen Spalt aufgrund von Verformung des magnetostriktiven Elements insgesamt vermindert und der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung wird stabilisiert.
Eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform bereit, wobei ein hervorstehender Teil, der zu dem magnetostriktiven Element auf dem geschlossenen magnetischen Pfad hervorsteht, auf dem Jochelement bereitgestellt ist, und der hervorstehende Teil in Gleitkontakt ist, sodass er zu einer relativen Verschiebung im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element in der Lage ist.
Bei der fünften Ausführungsform sind das Jochelement und das magnetostriktive Element in Kontakt, sodass es selbst bei einem Permanentmagneten mit relativ kleiner magnetischer Kraft möglich ist, ein wirksames vormagnetisiertes Feld zu erhalten. Daher ist es möglich, den Permanentmagneten kleiner und kostengünstiger auszuführen.
Eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung gemäß einer der ersten bis fünften Ausführungsform bereit, wobei beide Endteile des magnetostriktiven Elements ausgestaltet sind, an dem vibrierenden Element befestigt zu werden.
Bei der sechsten Ausführungsform wird durch Verformung des vibrierenden Elements eine starke Kraft zwischen beiden Endteilen des magnetostriktiven Elements aufgebracht, sodass im Vergleich zu dem Fall, in dem das magnetostriktive Element nur von dem Resonanzphänomen der natürlichen Vibration des magnetostriktiven Elements verformt wird, eine stabile Leistungserzeugung möglich ist, ohne dass die Frequenz der Eingangsvibration beeinträchtigt wird.
Eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung gemäß einer der ersten bis sechsten Ausführungsform bereit, wobei eine Richtung, in der die relative Verschiebung des magnetostriktiven Elements und des Jochelements in einer Richtung rechtwinklig zu einer Längsrichtung des magnetostriktiven Elements erlaubt ist.
Bei der siebten Ausführungsform wird, wenn eine Biegeverformung in dem länglichen magnetostriktiven Element stattfindet, indem die relative Verschiebung des magnetostriktiven Elements und des Jochelements erlaubt ist, die Verformung des Jochelements, das parallel an der Seite des magnetostriktiven Elements angeordnet ist, verhindert, und eine Beschädigung des Permanentmagneten wird vermieden. Die Richtung, in der die relative Verschiebung des magnetostriktiven Elements und des Jochelements erlaubt ist, ist nicht darauf begrenzt, genau die Richtung rechtwinklig zu der Längsrichtung des magnetostriktiven Elements zu sein, und solange es eine Richtung ist, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der Längsrichtung des magnetostriktiven Elements ist, ist eine geringe Schrägstellung erlaubt und der gleiche Effekt zeigt sich.
Eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung gemäß einer der ersten bis siebten Ausführungsform bereit, wobei ein längliches steifes Element, das von dem Jochelement getrennt ist, parallel an der Seite des magnetostriktiven Elements angeordnet ist, und beide Endteile des steifen Elements an das magnetostriktive Element gekoppelt sind.
Bei der achten Ausführungsform werden während des Vibrationseingangs in der Richtung, in der das magnetostriktive Element und das steife Element ausgerichtet werden, Druckbeanspruchung und Zugbeanspruchung in der axialen Richtung abwechselnd in das magnetostriktive Element eingegeben, sodass eine Leistungserzeugung basierend auf dem magnetostriktiven Umkehreffekt wirksam realisiert wird.
Eine neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung gemäß einer der ersten bis achten Ausführungsform bereit, wobei ein Masse-Feder-Vibrationssystem dadurch gebildet ist, dass ein Massenelement ausgestaltet ist, durch einen elastischen Gummikörper an das vibrierende Element gekoppelt zu werden, und das magnetostriktive Element ausgestaltet ist, über das Vibrationssystem an dem vibrierenden Element befestigt zu werden, indem mindestens ein Endteil des magnetostriktiven Elements an dem Massenelement befestigt wird.
Bei der neunten Ausführungsform bildet das Massenelement, an dem das magnetostriktive Element befestigt ist, das Masse-Feder-Vibrationssystem, und basierend auf einem vibrationsverstärkenden Effekt durch Resonanz des Masse-Feder-Vibrationssystems oder Ähnlichem kann eine größere Vibration als die Vibration des vibrierenden Elements auf das magnetostriktive Element aufgebracht werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eher, als wenn das magnetostriktive Element direkt auf dem vibrierenden Element zum Befestigen fixiert ist, ein größeres Leistungserzeugungsvolumen mindestens bei dem Vibrationsverstärkungs-Frequenzbereich mit dem Masse-Feder-Vibrationssystem zu erhalten.
Insbesondere bei dieser Ausführungsform ist ein Vibrationssystem gebildet, für das sich das magnetostriktive Element auch einer Vibrationsverformung im Verhältnis zum Masse-Feder-Vibrationssystem unter Verwendung des Massenelements und des elastischen Gummikörpers unterzieht, und da eine Vielzahl dieser Vibrationssysteme in Reihe in dem Vibrationsübertragungssystem von dem vibrierenden Element angeordnet sind und ein Vibrationssystem mit einem hohen Freiheitsgrad darstellen, ist es möglich, einen sogar noch größeren Freiheitsgrad zum Abstimmen zu erhalten. Folglich ist es beispielsweise möglich, eine noch größere Vibrationsverstärkung bei dem magnetostriktiven Element zu erhalten, und es ist möglich, eine große Vibrationsverformung auf das magnetostriktive Element im Verhältnis zu der Vibration eines breiten Frequenzbereichs oder einer Vielzahl von Frequenzbereichen aufzubringen, sodass ein ausgezeichneter Wirkungsgrad der Leistungserzeugung erzielt wird.
Eine zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung gemäß der neunten Ausführungsform bereit, wobei eine natürliche Frequenz des magnetostriktiven Elements auf einen Frequenzbereich von ± √2-mal im Verhältnis zu einer natürlichen Frequenz des Masse-Feder-Vibrationssystems eingestellt ist.
Bei der zehnten Ausführungsform ist es möglich, durch Kombinieren der Vibration des magnetostriktiven Elements und der Vibration des Masse-Feder-Vibrationssystems, die Abstimmung der Vibration, die von dem vibrierenden Element oder Ähnlichem aufgebracht wird, einfacher abzustimmen, beispielsweise wird die Vibrationsverformung an dem magnetostriktiven Element bei einer großen Vibrationsverstärkung für eine Vielzahl von Frequenzbereichen oder einen breiten Frequenzbereich oder Ähnliches entsprechend dem Vibrationseingang von dem vibrierenden Element aufgebracht.
EFFEKT DER ERFINDUNG
Bei der vorliegenden Erfindung kann das Jochelement, das parallel an der Seite des magnetostriktiven Elements angeordnet ist, im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element mindestens an einer Seite des magnetischen Pfads in Längsrichtung des geschlossenen magnetischen Pfads im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element verschoben werden, sodass selbst, wenn das magnetostriktive Element durch Vibrationseingang verformt wird, die Verformung des Jochelements vermindert oder vermieden wird, und eine Beschädigung des Permanentmagneten, der an dem Jochelement befestigt ist, verhindert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Vorderansicht, die schematisch eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung als eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Vorderansicht, die schematisch eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung als eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine Vorderansicht, die schematisch eine magnetostriktive Vibations-Leistungserzeugungsvorrichtung als eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine vertikale Querschnittansicht, die schematisch eine magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung als eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Linie 4-4 von 5 zeigt.
5 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie 5-5 von 4.
6A–6C sind spezifische Ansichten, die geeignet zum Erklären des Betriebs der magnetostriktiven Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung von 4 sind, wobei 6A den Zustand zeigt, in dem keine Vibration eingegeben wird, 6B den Zustand zeigt, in dem ein Massenelement zur linken Seite verschoben ist und 6C den Zustand zeigt, in dem das Massenelement zur rechten Seite verschoben ist.
7 ist eine Vorderansicht, die schematisch eine magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung als eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist ein Querschnitt entlang der Linie 8-8 von 7.
9 ist eine Vorderansicht, die schematisch eine magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung als eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist eine Vorderansicht, die schematisch eine magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung als eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist eine Ansicht der rechten Seite der magnetostriktiven Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung von 10.
12 ist eine Vorderansicht, die schematisch eine magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung als eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 ist eine Vorderansicht, die schematisch eine magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung als eine neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
14 ist eine Vorderansicht, die schematisch eine magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung als eine zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
15 ist eine Querschnittansicht, die schematisch eine magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung als eine elfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine magnetostriktive Vibrations-Leistungerzeugungsvorrichtung 10 (nachfolgend „Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 10” genannt) als eine erste Ausführungform der vorliegenden Erfindung. Die Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 10 ist mit einem magnetostriktiven Element 12 als leistungserzeugendes Element ausgestattet, das Vibrationsenergie in elektrische Energie umwandelt. Bei der nachfolgenden Beschreibung meint „vertikale Richtung” grundsätzlich die vertikale Richtung in 1.
Genauer gesagt ist das magnetostriktive Element 12 aus einem magnetostriktiven Material gebildet und weist eine längliche Form auf, die sich in einer geraden Linie in der vertikalen Richtung erstreckt, und bei dieser Ausführungsform weist es eine solide Stabform auf, die sich in dem kleinen Durchmesser des kreisförmigen Querschnitts erstreckt. Das bildende Material des magnetostriktiven Elements 12 ist nicht insbesondere beschränkt, solange es ein Element ist, für das eine ausreichende Änderung der magnetischen Permeabilität im Verhältnis zur Verformung auftreten kann, aber ein magnetostriktives Material vom Eisentyp, das eine ausgezeichnete Festigkeit aufweist, wird bevorzugt, und beispielsweise kann eine Eisen-Gallium-Legierung, Eisen-Kobalt-Legierung, Eisen-Nickel-Legierung, Terbium-Dysprosium-Eisen-Legierung oder Ähnliches optimal verwendet werden.
Außerdem ist bei dem magnetostriktiven Element 12 ein Endteil in der Längsrichtung an einem vibrierenden Element 14 eines Fahrzeugkörpers oder Ähnlichem fixiert, und der andere Endteil der Längsrichtung ist an einem Massenelement 16 fixiert. Das Massenelement 16 ist in Reihe in der Längsrichtung im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 12 angeordnet und ist unter Verwendung eines Materials mit einer relativen Dichte wie Eisen oder Ähnlichem gebildet. Bei dieser Ausführungsform wird das vibrierende Material 14 unter Verwendung eines magnetischen Materials gebildet.
Außerdem ist an dem Mittelteil in der Längsrichtung des magnetostriktiven Elements 12 eine Spule 18 gewickelt und beide Endteile der Spule 18 sind elektrisch an eine elektrische Speichervorrichtung wie einen Kondensator oder Ähnliches angeschlossen (nicht dargestellt).
Außerdem ist ein Jochelement 20 parallel an der Seite des magnetostriktiven Elements 12 angeordnet. Das Jochelement 20 ist aus einem magnetischen Material wie Eisen oder Ähnlichem gebildet und ist einstückig mit einem Haupteinheitteil 22 ausgestattet, der von dem magnetostriktiven Element 12 getrennt ist und sich grob parallel dazu erstreckt, und einem hervorstehenden Teil 24, der zu dem magnetostriktiven Element 12 von dem axialen oberen Endteil des Haupteinheitteils 22 hervorsteht. Außerdem wird, indem das Jochelement 20 und das vibrierende Element 14 unter Verwendung eines magnetischen Materials gebildet sind, ein geschlossener magnetischer Pfad 28, umfassend das magnetostriktive Element 12, das Jochelement 20 und das vibrierende Element 14, dieser Ausführungsform gebildet. Auf diese Weise ist, da der geschlossene magnetische Pfad 28, umfassend das magnetostriktive Element 12, gebildet wird, eine Spule 18 gewickelt und auf dem geschlossenen magnetischen Pfad 28 angeordnet.
Außerdem ist bei dem Jochelement 20 dieser Ausführungsform, während der untere Endteil an dem vibrierenden Element 14 fixiert ist und dieses über das vibrierende Element 14 an das magnetostriktive Element 12 gekoppelt ist, der obere Endteil ein freies Ende, und eine relative Verschiebung im Verhältnis zu dem magnetostritkiven Element 12 ist erlaubt. Insbesondere steht der hervorstehende Teil 24 des Jochelements 20 zu dem magnetostriktiven Element 12 hervor und nähert sich dem magnetostriktiven Element 12 an und ist von einer Projektionslänge, die nicht so weit reicht, wie das magnetostriktive Element 12, und die Projektionsspitzenendfläche des hervorstehenden Teils 24 liegt gegenüber der Seitenfläche des magnetostriktiven Elements 12 mit einem bestimmten Spalt 26. Außerdem ist dem oberen Endteil des Jochelements 20, welches den hervorstehenden Teil 24 aufweist, eine relative Verschiebung in der Richtung senkrecht zur Achse im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 12 durch den Spalt 26 erlaubt. Bei dem Jochelement 20 dieser Ausführungsform ist an dem oberen Endteil eine relative Verschiebung nicht nur in der Richtung senkrecht zur Achse erlaubt, sondern eine relative Verschiebung ist auch in der axialen Richtung erlaubt.
Bei dieser Ausführungsform ist die Größe des Spalts 26, insbesondere der Abstand d zwischen der Spitzenendfläche des hervorstehenden Teils 24 des Jochelements 20 und der Seitenfläche des magnetostriktiven Elements 12, die einander gegenüber stehen, von der Größe, dass während des normalen Vibrationseingangs, der für das vibrierende Element 14 angenommen wird, der hervorstehende Teil 24 und das magnetostriktive Element 12 in einem getrennten Zustand ohne Anlage gehalten werden. Natürlich wird die Größe des Spalts 26 angemessen gemäß der Stärke des gewünschten vormagnetisierten Felds, der Stärke des Permanentmagneten 30 oder Ähnlichem eingestellt und ist nicht insbesondere beschränkt.
Außerdem ist der Permanentmagnet 30 an dem Jochelement 20 befestigt. Der Permanentmagnet 30 ist ein typisches Element, das beispielsweise unter Verwendung eines gesinterten Ferritkörpers oder Ähnlichem gebildet ist, und weist eine grob runde Säulenform auf und ist in der axialen Richtung magnetisiert. Bei dieser Ausführungsform ist der Haupteinheitteil 22 des Jochelements 20 an dem Mittelteil in Längsrichtung geteilt, ein Permanentmagnet 30 ist zwischen den geteilten Einheiten des Haupteinheitteils 22 angeordnet und ist an dem Jochelement 20 mittels Kleben, Verriegeln oder Ähnlichem fixiert. Dadurch ist der Permanentmagnet 30 auf dem geschlossenen magnetischen Pfad 28 angeordnet, der umfassend das magnetostriktive Element 12 und das Jochelement 20 gebildet ist, und ein vormagnetisiertes Feld wird auf den geschlossenen magnetischen Pfad 28 durch den magnetischen Fluss des Permanentmagneten 30 angelegt.
Bei der Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 10, die den zuvor beschriebenen Aufbau aufweist, ist es in dem auf dem vibrierenden Element 14 montierten Zustand möglich, dadurch, dass die Vibration des vibrierenden Elements 14 in das magnetostriktive Element 12 eingegeben wird, Vibrationsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und sie zu entnehmen. Insbesondere wird, wenn das vibrierende Element 14 als zwingende Kraft der Eingangsvibration in der Richtung rechtwinklig zu der axialen Richtung des magnetostriktiven Elements 12 vibriert (die Seitenrichtung in 1), das Massenelement 16 in Pendelform verschoben. Dadurch wird das magnetostriktive Element 12, das das Massenelement 16 stützt, gebogen, und eine Druckbeanspruchung in der axialen Richtung wird auf das Innere in der Biegerichtung des magnetostriktiven Elements 12 angelegt, und eine Zugbeanspruchung wird in der axialen Richtung nach außen angelegt. Basierend auf der Differenz der Druckfestigkeit und Zugfestigkeit oder Ähnlichem in der axialen Richtung des magnetostriktiven Elements 12 findet bei dem magnetostriktiven Element 12 auch eine Änderung in der magnetischen Permeabilität aufgrund des magnetostriktiven Umkehreffekts statt, und das Volumen des magnetischen Flusses, das die Spule 18 durchdringt, ändert sich.
Folglich wird eine induzierte elektromotorische Kraft durch elektromagnetische Induktion an der Spule 18 erzeugt, und diese Kraft wird unter Verwendung eines elektrischen Speichermittels (nicht gezeigt) gespeichert. Wie zuvor angemerkt, wird bei der Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 10 die Vibrationsenergie in elektrische Energie umgewandelt, und die in dem elektrischen Speichermittel gespeicherte elektrische Energie wird für den Betrieb verschiedener elektrischer Vorrichtungen und Ähnliches verwendet.
Es wird bevorzugt, die Resonanzfrequenz des Masse-Feder-Systems, das von dem magnetostriktiven Element 12 und dem Massenelement 16 gebildet wird, durch Anpassen der Federkonstante des magnetostriktiven Elements 12 und der Masse des Massenelement 16 auf die Haupt-Vibrationsfrequenz einzustellen. Dadurch findet die Verformung des magnetostriktiven Elements 12 wirksam im Resonanzzustand während des Haupt-Vibrationseingangs statt, sodass es einen Anstieg im Wirkungsgrad der Leistungserzeugung gibt.
Das Jochelement 20 ist hier getrennt an der Seite im Verhältnis zum magnetostriktiven Element 12 angeordnet, und der Spalt 26 ist zwischen dem hervorstehenden Teil 24 und dem magnetostriktiven Element 12 gebildet, sodass erlaubt wird, dass der obere Endteil des Jochelements 20, welcher eine Seite in der Längsrichtung des magnetischen Pfads des geschlossenen magnetischen Pfads 28 ist, eine relative Verschiebung im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 12 aufweist. Dadurch vibriert, wenn das vibrierende Element 14 in der Richtung grob rechtwinklig zu der axialen Richtung des magnetostriktiven Elements 12 vibriert, das Masse-Feder-System, das von dem magnetostriktiven Element 12 und dem Massenelement 16 gebildet wird, während das magnetostriktive Element 12 gebogen und verformt wird, das Jochelement 20 wird gemäß der Vibration des vibrierenden Elements 14 verschoben und somit wird eine Verformung des Jochelements 20, in dem es der Verformung des magnetostriktiven Elements 12 folgt, verhindert. Mit anderen Worten ist bei dem Jochelement 20, während das untere Ende an dem vibrierenden Element 14 fixiert ist, das obere Ende ein freies Ende, und das Biegemoment, das auf den Haupteinheitteil 22 im Verhältnis zu dem Vibrationseingang von dem vibrierenden Element 14 einwirkt, wird vermindert.
Dies kann wie nachfolgend angemerkt verstanden werden, beispielsweise in Bezug auf den Anfangszustand des Vibrationseingangs. Insbesondere im Verhältnis zum Anfangszustand (Zustand ohne Vibrationseingang), wenn die Vibration der Richtung senkrecht zur Achse in das magnetostriktive Element 12 von dem vibrierenden Element 14 eingegeben wird, werden das obere Ende und das untere Ende relativ in der Richtung senkrecht zur Achse durch die Trägheit des Massenelements 16 verschoben, und eine Biegeverformung findet statt. Währenddessen ist es bei dem Jochelement 20 dem hervorstehenden Teil 24, welcher der obere Endteil ist, erlaubt, relativ im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 12 verschoben zu werden, sodass eine Verschiebung gemäß der Vibrationsamplitude des vibrierenden Elements 14 erfolgt, und sich der hervorstehende Teil 24 dem magnetostriktiven Element 12 nähert. Dadurch wird das Jochelement 20 in seinem Anfangszustand gehalten, mit fast keiner Verformung im Verhältnis zum Vibrationseingang der Richtung senkrecht zur Achse. Daher wird das Auftreten einer großen Verzerrung an dem Permanentmagneten 30, der an dem Jochelement 20 fixiert ist, verhindert, die Haltbarkeit des Permanentmagneten 30 wird gewährleistet, und es ist möglich, ein Element mit geringer Festigkeit als Permanentmagneten 30 zu verwenden, wie einen gesinterten Ferritkörper oder Ähnliches.
Auf diese Weise wird die relative Verschiebung in der Richtung senkrecht zur Achse des Jochelements 20 im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 12 durch den Spalt 26 erlaubt, und eine Verformung des Jochelements 20, das der Verformung des magnetostriktiven Elements 12 folgt, wird verhindert. Bei dieser Ausführungsform ist die Größe des Spalts 26 eine solche Größe, dass der hervorstehende Teil 24 und das magnetostriktive Element 12 in einem getrennten Zustand gehalten werden, ohne während eines normalen Vibrationseingangs, der für das vibrierende Element 14 angenommen wird, in Anlage zu sein. Daher wird selbst während der Verformung des magnetostriktiven Elements 12 eine Verformung des Jochelements 20 durch Anlage des magnetostriktiven Elements 12 und des Jochelements 20 verhindert, und es ist möglich, eine Beschädigung des Permanentmagneten 30 zu verhindern.
2 zeigt eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 40 als eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der nachfolgenden Beschreibung sind für im Wesentlichen die gleichen Elemente und Teile wie bei der ersten Ausführungsform die gleichen Bezugszeichen in den Zeichnungen gegeben, und von einer Beschreibung davon wird abgesehen.
Insbesondere ist bei der Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 40 ein hervorstehendes Oberseitenstück 42 an dem axialen Oberteil des magnetostriktiven Elements 12 fixiert, und ein hervorstehendes Unterseitenstück 44 ist an dem axialen Unterteil des magnetostriktiven Elements 12 fixiert. Das hervorstehende Oberseitenstück 42 und das hervorstehende Unterseitenstück 44 sind beides plattenförmige Elemente, die unter Verwendung eines magnetischen Materials gebildet sind, und sind zur Seite vervorstehend an dem magnetostriktiven Element 12 fixiert.
Außerdem ist an der Seite des magnetostriktiven Elements 12 ein Jochelement 46 parallel angeordnet, das unter Verwendung eines magnetischen Materials gebildet ist. Das Jochelement 46 ist mit einem stabförmigen Haupteinheitteil 48 ausgestattet, der sich vertikal erstreckt, und einem oberen hervorstehenden Teil 50, der zu dem magnetostriktiven Element 12 von dem oberen Ende des Haupteinheitteils 48 hervorsteht, und einem unteren hervorstehenden Teil 52, das zu dem magnetostriktiven Element 12 von dem unteren Ende des Haupteinheitteils 48 hervorsteht. Die vertikalen Abmessungen des Jochelements 46 sind kleiner als der Abstand zwischen gegenüberliegenden Flächen in der vertikalen Richtung des hervorstehenden Oberseitenstücks 42 und des hervorstehenden Unterseitenstücks 44, die an dem magnetostriktiven Element 12 fixiert sind.
Außerdem ist das Jochelement 46 durch eine Kopplungseinheit 54 an das vibrierende Element 14 gekoppelt, die unter Verwendung eines nicht magnetischen Materials gebildet ist. Die Kopplungseinheit 54 ist beispielsweise aus einem nicht magnetischen Metall, Kunstharz oder einem elastischen Gummikörper oder Ähnlichem gebildet.
In einem Zustand, in dem das Jochelement 46 durch die Kopplungseinheit 54 an das vibrierende Element 14 gekoppelt ist, werden der obere hervorstehende Teil 50 und der untere hervorstehende Teil 52 zwischen die gegenüberliegenden Flächen des hervorstehenden Oberseitenstücks 42 und des hervorstehenden Unterseitenstücks 44 eingesetzt. Außerdem stehen der obere hervorstehende Teil 50 und das hervorstehende Unterseitenstück 42 einander mit einem Spalt 56 gegenüber, und der untere hervorstehende Teil 52 und das hervorstehende Unterseitenstück 44 stehen einander mit einem Spalt 58 gegenüber, wobei ein geschlossener magnetischer Pfad 60 durch das magnetostriktive Element 12 und das Jochelement 46 gebildet wird, und sowohl an dem oberen als auch an dem unteren Ende des Jochelements 46 eine relative Verschiebung im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 12 erlaubt wird.
Bei der auf diese Weise gebildeten Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 40 wird ebenfalls, indem eine relative Verschiebung des Jochelements 46 im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 12 erlaubt wird, eine Verformung des Jochelements 46, die der Verformung des magnetostriktiven Elements 12 folgt, verhindert, und es ist möglich, eine Beschädigung des Permanentmagneten 30, der an dem Jochelement 46 befestigt ist, zu verhindern.
Außerdem wird bei dieser Ausführungsform, indem das hervorstehende Oberseitenstück 42 und das hervorstehende Unterseitenstück 44 an dem magnetostriktiven Element 12 fixiert sind und gegenüberliegend zu dem oberen hervorstehenden Teil 50 und dem unteren hervorstehenden Teil 52 des Jochelements 46 in der axialen Richtung angeordnet sind, ein geschlossener magnetischer Pfad 60 gebildet. Daher ist es möglich, um die Anlage des Jochelements 46 und des magnetostriktiven Elements 12 zu verhindern, selbst wenn gewährleistet ist, dass der Spalt in der Richtung senkrecht zur Achse für das Jochelement 46 und das magnetostriktive Element 12 ausreichend ist, den magnetischen Spalt des geschlossenen magnetischen Pfads 60 klein einzustellen und eine Leckage des magnetischen Flusses zu verhindern, und es ist möglich, ein wirksames vormagnetisiertes Feld mit einem kleinen Permanentmagneten 30 zu erhalten.
3 zeigt eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 70 als eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 70 ist umfassend ein Jochelement 72 gebildet. Das Jochelement 72 ist mit einem stabförmigen Haupteinheitteil 22 ausgestattet, der mit einem Spalt an der Seite des magnetostriktiven Elements 12 angeordnet ist und sich grob parallel erstreckt, einem hervorstehenden Teil 24, der zu dem magnetostriktiven Element 12 von dem oberen Ende des Haupteinheitteils 22 hervorsteht, und einem Kupplungs-Stützteil 74, der das untere Ende des Haupteinheitteils 22 mit dem magnetostriktiven Element 12 koppelt. Außerdem ist durch das magnetostriktive Element 12 und das Jochelement 72 ein geschlossener magnetischer Pfad 76 gebildet.
Außerdem ist der Permanentmagnet 30 an dem Haupteinheitteil 22 des Jochelements 72 fixiert, das den geschlossenen magnetischer Pfad 76 bildet, und eine Spule 78 ist gewickelt, der magnetische Fluss des Permanentmagneten 30 wird als ein vormagnetisiertes Feld an den geschlossenen magnetischen Pfad 76 angelegt, wobei das vormagnetisierte Feld die Spule 78 durchdringt. Die Spule 78 ist an das elektrische Speichermittel angeschlossen, ebenso wie die Spule 18 bei der zuvor erwähnten Ausführungsform, wobei bei der Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 70 dieser Ausführungsform die Spule 18 nicht auf dem magnetostriktiven Element 12 gewickelt ist.
Bei der Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 70, ebenfalls mit dieser Art Aufbau, ist der hervorstehende Teil 24 des Jochelements 72 getrennt und weist einen Spalt 26 im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 12 auf, wobei an einer Seite in Längsrichtung des magnetischen Pfads des geschlossenen magnetischen Pfads 76 eine relative Verschiebung des Jochelements 72 im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 12 erlaubt wird. Daher wird eine Verformung des Jochelements 72 zusammen mit der Verformung des magnetostriktiven Elements 12 verhindert, und eine Beschädigung des Permanentmagneten 30, der an dem Jochelement 72 fixiert ist, wird verhindert.
Wie aus dieser Ausführungsform deutlich wird, muss die Spule nicht notwendigerweise auf dem magnetostriktiven Element gewickelt sein, und wenn sie auf dem geschlossenen magnetischen Pfad gewickelt ist, kann sie auch auf dem Jochelement oder anderen Elementen gewickelt sein.
4 und 5 zeigen eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 80 als vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 80 ist ein Jochelement 82 mit einem Haupteinheitteil 22 ausgestattet, der sich parallel zu dem magnetostriktiven Element 12 erstreckt, und einem hervorstehenden Teil 84, der zu dem magnetostriktiven Element 12 von dem oberen Ende des Haupteinheitteils 22 hervorsteht.
Wie in 4 und 5 gezeigt, weist der hervorstehende Teil 84 eine grob rechteckige Plattenform auf, die sich in der Richtung senkrecht zur Achse erstreckt und sich über das magnetostriktive Element 12 nach außen erstreckt, und weist außerdem ein Einsatzloch 86 auf, das vertikal durchdringend gebildet ist, wobei das magnetostriktive Element 12 durch das Einsatzloch 86 eingesetzt wird. Das Einsatzloch 86 weist einen runden Querschnitt mit einem Durchmesser auf, der größer als der Durchmesser des magnetostriktiven Elements 12 ist, wobei in einem Zustand, in dem das magnetostriktive Element 12 durch das Einsatzloch 86 eingesetzt ist, ein ringförmiger Spalt 88, der entlang der gesamten Umfangsfläche durchgängig ist, zwischen der inneren Umfangsfläche des Einsatzlochs 86 und der äußeren Umfangsfläche des magnetostriktiven Elements 12 gebildet wird. Indem das magnetostriktive Element 12 durch das Einsatzloch 86 eingesetzt wird, ist außerdem ein geschlossener magnetischer Pfad 89 dieser Ausführungsform, die umfassend das magnetostriktive Element 12, das Jochelement 82 und das vibrierende Element 14 gebildet ist, gebildet, wobei ein vormagnetisiertes Feld durch den magnetischen Fluss des Permanentmagneten 30 angelegt wird.
Bei der Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 80 dieses Aufbaus verformt sich das magnetostriktive Element 12, wenn Vibration in der Richtung senkrecht zur Achse von dem vibrierenden Element 14 an das magnetostriktive Element 12 eingegeben wird, und die Einsatzposition des magnetostriktiven Elements 12 ändert sich im Verhältnis zu dem Einsatzloch 86. Insbesondere wird das magnetostriktive Element 12 in dem Zustand ohne Vibrationseingang, der in 6A gezeigt ist, durch grob die Mitte des Einsatzlochs 86 eingesetzt. Wenn Vibration in Richtung senkrecht zur Achse von dem vibrierenden Element 14 eingegeben wird, indem das magnetostriktive Element 12 elastisch verformt und innerhalb des Einsatzlochs 86 verschoben wird, wie in 6B und 6C gezeigt, wird das magnetostriktive Element 12 außerdem durch den äußeren Umfangsteil des Einsatzlochs 86 eingesetzt. Auf diese Weise, indem der Spalt 88 entlang des gesamten Umfangs zwischen dem magnetostriktiven Element 12 und der inneren Umfangsfläche des Einsatzlochs 86 gebildet ist, wird eine Verformung des Jochelements 82, die der Verformung des magnetostriktiven Elements 12 folgt, verhindert, und eine Beschädigung des Permanentmagneten 30, der an dem Jochelement 82 fixiert ist, wird vermieden.
Tatsächlich wird durch die elastische Verformung des magnetostriktiven Elements 12, selbst wenn sich die Einsatzposition des magnetostriktiven Elements 12 im Verhältnis zu dem Einsatzloch 86 ändert, wie in 6A bis 6C gezeigt, die Änderung in dem magnetischen Spalt für den geschlossenen magnetischen Pfad vermindert, wodurch der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung stabilisiert wird. Dies geschieht vermutlich, weil selbst, wenn sich das magnetostriktive Element 12 von der inneren Umfangsfläche des Einsatzlochs 86 an einer Seite der radialen Richtung weg bewegt, sich an der anderen Seite der gleichen radialen Richtung das magnetostriktive Element 12 der inneren Umfangsfläche des Einsatzlochs 86 nähert und die Änderung des magnetischen Spalts insgesamt vermindert wird.
7 und 8 zeigen eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 90 als eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 90 ist umfassend ein Jochelement 92 gebildet, das unter Verwendung eines magnetischen Materials gebildet ist, und das Jochelement 92 ist mit dem stabförmigen Haupteinheitteil 22 ausgestattet, der parallel an der Seite des magnetostriktiven Elements 12 angeordnet ist und sich vertikal erstreckt, und einem hervorstehenden Teil 94, der von dem oberen Ende des Haupteinheitteils 22 zur Seite hervorsteht. Wie in 8 gezeigt, ist bei dem hervorstehenden Teil 94 eine Seitenfläche 96 verschiebbar in Kontakt mit der äußeren Umfangsfläche des magnetostriktiven Elements 12, und dem oberen Endteil des Jochelements 92 wird erlaubt, im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 12 relativ verschoben zu werden. Bei der Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 90 besteht ein geschlossener magnetischer Pfad 98 aus dem magnetostriktiven Element 12, dem Jochelement 92 und dem vibrierenden Element 14.
Auch bei dieser Art Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 90 ist bei dem oberen Endteil des Jochelements 92 eine relative Verschiebung im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 12 erlaubt, sodass während der Verformung des magnetostriktiven Elements 12 durch den Vibrationseingang eine Verformung des Jochelements 92 vermindert oder vermieden wird und es möglich ist, eine Beschädigung des Permanentmagneten 30, der an dem Jochelement 92 befestigt ist, zu vermeiden.
Da sich der hervorstehende Teil 94 des Jochelements 92 in Gleitkontakt befindet, sodass er zu einer relativen Verschiebung im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 12 in der Lage ist, wird tatsächlich die Bildung eines magnetischen Spalts bei dem geschlossenen magnetischen Pfad 98 vermieden, und es ist möglich, ein effektives vormagnetisiertes Feld unter Verwendung des Permanentmagneten 30 mit einer schwachen magnetischen Kraft anzulegen. Wie aus dem Aufbau dieser Ausführungsform deutlich wird, müssen das magnetostriktive Element und das Jochelement notwendigerweise durch einen Spalt getrennt sein, und solange es sich um eine Ausführungsform handelt, für die eine relative Verschiebung möglich ist, kann eine Seite in Längsrichtung des magnetischen Pfads des Jochelements an dem magnetostriktiven Element anliegen.
9 zeigt eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 100 als eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 100 weist einen Aufbau auf, für den ein Stabelement 102 als steifes Element parallel zu dem magnetostriktiven Element 12 im Verhältnis zu der Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 10 der ersten Ausführungsform angeordnet ist. Das Stabelement 102 ist ein hoch steifes Element, das unter Verwendung eines nicht magnetischen Materials gebildet ist, und ist eine getrennte Einheit von dem Jochelement 20 und ist an der Seite gegenüberliegend dem Jochelement 20 im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 12 angeordnet und erstreckt sich grob parallel zu dem magnetostriktiven Element 12. Das Stabelement 102 weist vorzugsweise eine Verformungsfestigkeit auf, die größer gemacht wurde als die des magnetostriktiven Elements 12, sodass eine Biegeverformung nicht einfach auftritt.
Während der untere Endteil des Stabelements 102 an dem vibrierenden Element 14 fixiert ist, haften das magnetostriktive Element 12 und die obere Fläche des Stabelements 102 auch beide als Kopplungselemente an einem Massenelement 104. Dadurch wird der untere Endteil des Stabelements 102 über das vibrierende Element 14 an das magnetostriktive Element 12 gekoppelt, und der obere Endteil des Stabelements 102 wird über das Massenelement 104 an das magnetostriktive Element 12 gekoppelt. Das Massenelement 104 ist ein Element, das mit einem Material hoher relativer Dichte wie Eisen gebildet ist, dem gleichen, wie bei dem Massenelement 16 der ersten Ausführungsform, und ist über dem magnetostriktiven Element 12 und dem Stabelement 102 angeordnet, die parallel angeordnet sind.
Bei der Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 100, die auf diese Weise aufgebaut ist, wirken, wenn das vibrierende Element 14 in der Seitenrichtung vibriert und das Massenelement 104 von starker Vibration verschoben wird, Druckkräfte und Zugkräfte in der axialen Richtung abwechselnd zusammen mit Verschiebung des Massenelements 104 auf das magnetostriktive Element 12 ein. Dies liegt vermutlich daran, dass bei der Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 100 das magnetostriktive Element 12 und das Stabelement 102 getrennt sind und parallel in der Vibrationseingangsrichtung angeordnet sind, und das magnetostriktive Element 12 an einer Seite haftet, die zu einer Seite der Vibrationseingangsrichtung im Verhältnis zu dem Massenelement 104 vormagnetisiert ist. Dadurch ändert sich die magnetische Permeabilität des magnetostriktiven Elements 12 wirksam im Verhältnis zum Eingang in der Richtung senkrecht zur Achse, und es ist möglich, Vibrationsenergie wirksam in elektrische Energie umzuwandeln.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Beispiel eines Aufbaus gezeigt, für den das obere Ende des Stabelements 102 an dem Massenelement 104 fixiert ist, und das untere Ende an dem vibrierenden Element 14 fixiert ist, aber es ist beispielsweise auch möglich, dass ein Ende oder beide Enden eines steifen Elements an der Seitenfläche des magnetostriktiven Elements 12 fixiert sind. Außerdem ist das steife Element annehmbar, solange es eine Steifigkeit aufweist, für die es möglich ist, Druckbeanspruchung und Zugbeanspruchung in der axialen Richtung insgesamt für das magnetostriktive Element 12 aufzubringen, und es ist möglich, unter Verwendung eines Materials und einer Form, für die Verformung erlaubt ist, gebildet zu werden.
10 und 11 zeigen eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 110 als eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 110 weist ein erstes magnetostriktives Element 112 als magnetostriktives Element auf und ein zweites magnetostriktives Element 114 als das magnetostriktive Element, die gegenseitig getrennt und grob parallel angeordnet sind.
Insbesondere ist das erste magnetostriktive Element 112 mit einem magnetostriktiven Material wie aus der Eisenfamilie oder Ähnlichem gebildet, wie in dem Fall des magnetostriktiven Elements 12 der ersten Ausführungsform, wobei es eine grob rechteckige Plattenform aufweist, die in der vertikalen Richtung lang ist, und eine erste Spule 116 auf dem Mittelteil in der Längsrichtung gewickelt ist, wie in dem Fall der Spule 18 bei der ersten Ausführungsform. Das zweite magnetostriktive Element 114 ist grob das gleiche Element wie das erste magnetostriktive Element 112, und eine zweite Spule 118, die grob die gleiche ist, wie die erste Spule 116, ist auf dem Mittelteil der Längsrichtung gewickelt. Die erste Spule 116 und die zweite Spule 118 sind umgekehrt zueinander gewickelt.
Insbesondere ist sowohl der Unterteil des ersten magnetostriktiven Elements 112 als auch des zweiten magnetostriktiven Elements 114 an dem vibrierenden Element 14 fixiert, und das obere Ende ist an dem Massenelement 104 fixiert, wobei die unteren Endteile über das vibrierende Element 14 aneinander gekoppelt sind, und die oberen Endteile über das Massenelement 104 aneinander gekoppelt sind.
An der Seite des ersten magnetostriktiven Elements 112 und des zweiten magnetostriktiven Elements 114 ist außerdem ein Jochelement 120 parallel angeordnet. Das Jochelement 120 ist aus einem magnetischen Material wie Eisen oder Ähnlichem gebildet und ist aufgebaut, umfassend einen plattenförmigen Haupteinheitteil 122, der sich vertikal erstreckt, und einen hervorstehenden Teil 124, der zu dem ersten und zweiten magnetostriktiven Element 112 und 114 von dem oberen Ende des Haupteinheitteils 122 hervorsteht. Der hervorstehende Teil 124 ist an der Seite getrennt, die einen bestimmten Spalt 126 im Verhältnis zu sowohl dem ersten als auch dem zweiten magnetostriktiven Element 112 und 114 aufweist. Außerdem ist ein geschlossener magnetischer Pfad 128 gebildet, umfassend das erste und zweite magnetostriktive Element 112 und 114, das Jochelement 120 und das vibrierende Element 14, und ein vormagnetisiertes Feld wird auf den geschlossenen magnetischen Pfad 128 durch den Permanentmagneten 30 angelegt.
Im montierten Zustand der auf diese Weise aufgebauten Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 110 wird, wenn Vibration von dem vibrierenden Element 14 in der Seitenrichtung eingegeben wird (der Seitenrichtung von 10), das Massenelement 104 zwangsvibriert und Druckkraft in der axialen Richtung wird auf eines, das erste magnetostriktive Element 112 oder das zweite magnetostriktive Element 114, aufgebracht, und Zugkraft in der axialen Richtung wird auf das andere, das erste magnetostriktive Element 112 oder das zweite magnetostriktive Element 114, aufgebracht. Dadurch findet eine Änderung der magnetischen Permeabilität sowohl für das erste magnetostriktive Element 112 als auch für das zweite magnetostriktive Element 114 statt, sodass induzierte elektromotorische Kraft an der ersten und zweiten Spule 116 und 118 auftritt und die Vibrationsenergie des vibrierenden Elements 14 in elektrische Energie umgewandelt und entnommen wird. Bei dieser Ausführungsform finden Änderungen der magnetischen Permeabilität und induzierten elektromotorischen Kraft basierend darauf sowohl an dem ersten als auch an dem zweiten magnetostriktiven Element 112 und 114 statt, sodass es möglich ist, Vibrationsenergie wirksam in elektrische Energie umzuwandeln und sie zu entnehmen.
Tatsächlich wird, da das erste und das zweite magnetostriktive Element 112 und 114 in der Vibrationseingangsrichtung getrennt und parallel angeordnet sind, zusammen mit der Verschiebung des Massenelements 104 Druckkraft in der axialen Richtung grob insgesamt auf das erste und zweite magnetostriktive Element 112 von 114 angewandt und Zugkraft in der axialen Richtung wird überall an dem anderen, dem ersten oder zweiten magnetostriktiven Element 112 und 114 angewandt. Daher treten Änderungen der magnetischen Permeabilität wirksam bei den magnetostriktiven Elementen 112 und 114 auf, und der Wirkungsgrad der Energieumwandlung wird verbessert. Bei dieser Ausführungsform fungieren das erste und das zweite magnetostriktive Element 112 und 114 auch als steife Elemente. Mit anderen Worten können die steifen Elemente auch mit einer Funktion als leistungserzeugendes Element, das mit einem magnetostriktiven Material gebildet ist, ausgestattet sein.
12 zeigt eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 130 als eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 130 ist aufgebaut, umfassend ein langes plattenförmiges magnetostriktives Element 132.
Das magnetostriktive Element 132 ist ein langes plattenförmiges Element, das unter Verwendung eines magnetostriktiven Materials gebildet ist, und weist Bolzenlöcher 134 auf, die durch Durchdringen in der Richtung der Plattendicke an beiden Endteilen in der Längsrichtung gebildet werden. Am Mittelteil in Längsrichtung des magnetostriktiven Elements 132 ist außerdem die Spule 18 gewickelt. Außerdem ist das magnetostriktive Element 132 grob parallel zu dem vibrierenden Element 14 angeordnet, und beide Endteile sind an dem vibrierenden Element 14 durch Befestigungsbolzen 136 fixiert, die durch die Bolzenlöcher 134 eingesetzt werden. Rohrförmige Abstandhalter 138 sind zwischen den gegenüberliegenden Flächen des magnetostriktiven Elements 132 und des vibrierenden Elements 14 eingeschoben, sind auf der gleichen Mittelachse wie das Bolzenloch 134 angeordnet, und das magnetostriktive Element 132 ist getrennt von und gegenüberliegend über dem vibrierenden Element 14 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind das vibrierende Element 14, die Befestigungsbolzen 136 und die Abstandhalter 138 alle unter Verwendung eines nicht magnetischen Materials gebildet.
Außerdem ist ein Jochelement 140 an dem magnetostriktiven Element 132 befestigt. Das Jochelement 140 ist unter Verwendung eines magnetischen Materials gebildet und ist einstückig mit einem Haupteinheitteil 142 ausgestattet, das an der Seite (aufwärts in 12) des magnetostriktiven Elements 132 getrennt ist und sich grob parallel erstreckt, und einem Paar hervorstehender Teile 144, 144, die zu dem magnetostriktiven Element 132 an beiden Endteilen des Haupteinheitteils 142 hervorstehen. Außerdem sind Einsatzlöcher 146 gebildet, die die Längsrichtung des Haupteinheitteils 142 an den hervorstehenden Teilen 144 durchdringen. Diese Einsatzlöcher 146 weisen eine Querschnittlochform auf, wobei das magnetostriktive Element 132 eingesetzt werden kann, weil sie einen Spalt 148 aufweisen. Der Haupteinheitteil 142 des Jochelements 140 ist in Längsrichtung in zwei geteilt, und der Permanentmagnet 30 ist an der Mitte in der Längsrichtung eingeschoben.
Bei dem Jochelement 140 ist außerdem in einem Zustand, bei dem das magnetostriktive Element 132 durch die Einsatzlöcher 146, 146 des hervorstehenden Teils 144, 144 eingesetzt ist, indem das magnetostriktive Element 132 an dem vibrierenden Element 14 befestigt ist, dieses unlösbar an dem magnetostriktiven Element 132 befestigt. Dadurch wird ein geschlossener magnetischer Pfad 150 von dem magnetostriktiven Element 132 und dem Jochelement 140 gebildet, und ein vormagnetisiertes Feld wird an den geschlossenen magnetischen Pfad 150 angelegt, dadurch dass der magnetische Fluss des Permanentmagneten 30 an dem Jochelement 140 angelegt ist. Angesichts dessen ist, indem ein Spalt 148 zwischen der äußeren Umfangsfläche des magnetostriktiven Elements 132 und der inneren Umfangsfläche der Einsatzlöcher 146 gebildet ist, eine relative Verschiebung des Jochelements 140 im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 132 an beiden Endteilen des Jochelements 140 erlaubt. Das Volumen der relativen Verschiebung in der Längsrichtung (Seitenrichtung in 12) des Jochelements 140 im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 132 wird durch Anlage der hervorstehenden Teile 144 an den Befestigungsbolzen 136 beschränkt. Außerdem ist der Abstand zwischen den hervorstehenden Teilen 144 und den Befestigungsbolzen 136 kleiner, als der Abstand zwischen den hervorstehenden Teilen 144 und der Spule 18, und eine Anlage der hervorstehenden Teile 144 und der Spule 18 wird verhindert.
Bei dieser Art Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 130 wird, wenn das vibrierende Element 14 durch externe Kraft verformt wird, eine zwingende Kraft in das magnetostriktive Element eingegeben, aufgrund derer beide Endteile in der Längsrichtung an dem vibrierenden Element 14 fixiert werden und da das magnetostriktive Element 132 verformt wird, wird elektrische Energie als induzierte elektromotorische Kraft entnommen, die durch die Spule 18 basierend auf Änderungen in der magnetischen Permeabilität des magnetostriktiven Elements 132 fließt. Insbesondere werden beide Endteile des magnetostriktiven Elements 132 an dem vibrierenden Element 14 fixiert, und da das magnetostriktive Element 132 zusammen mit der Verformung des vibrierenden Elements 14 zwangsverformt wird, wird der Effekt auf die Frequenz der Eingangsvibration auf den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung vermindert, und es ist möglich, elektrische Energiestabilität zu erhalten.
Da eine relative Verschiebung des Jochelements 140 im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 132 erlaubt ist, selbst wenn das magnetostriktive Element 132 verformt wird, folgt das Jochelement 140 diesem nicht und verformt sich nicht, sodass eine Verzerrung des Permanentmagneten 30, der an dem Jochelement 140 befestigt ist, vermindert wird. Insbesondere bei dieser Ausführungsform ist an beiden Endteilen der Längsrichtung des magnetischen Pfads des geschlossenen magnetischen Pfads 150 eine relative Verschiebung des Jochelements 140 im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 132 erlaubt, sodass eine Verformung des Jochelements 140, die der Verformung des magnetostriktiven Elements 132 folgt, wirksamer verhindert und eine Beschädigung des Permanentmagneten 30 vorteilhaft vermieden wird.
13 zeigt eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 160 als eine neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 160 ist mit einem Jochelement 162 ausgestattet. Das Jochelement 162 ist unter Verwendung eines magnetischen Materials gebildet, und ist einstückig mit einem hervorstehenden Teil 144 ausgestattet, der von einem Ende in Längsrichtung des Haupteinheitteils 142 hervorsteht, und einem Befestigungsteil 164, der von dem anderen Endteil in Längsrichtung des Haupteinheitteils 142 hervorsteht.
Der Befestigungsteil 164 steht zu dem magnetostriktiven Element 132 von dem Haupteinheitteil 142 hervor, und ein Stützstück 166, das nach außen in Längsrichtung hervorsteht, ist einstückig auf dem hervorstehenden Endteil an der Seite des magnetostriktiven Elements 132 gebildet und auf dem magnetostriktiven Element 132 überlappt. Außerdem sind Befestigungsbolzen 136 durch Bolzenlöcher 168 eingesetzt, die durch Durchdringen des Stützstücks 166 gebildet sind, das Stützstück 166 ist zusammen mit dem magnetostriktiven Element 132 an dem vibrierenden Element 14 fixiert, und somit wird ein geschlossener magnetischer Pfad 169 gebildet, umfassend das magnetostriktive Element 132 und das Jochelement 162, und ein vormagnetisiertes Feld wird auf den geschlossenen magnetischen Pfad 169 durch den magnetischen Fluss des Permanentmagneten 30 angelegt. Das magnetostriktive Element 132 wird durch das Einsatzloch 146 des hervorstehenden Teils 144 eingesetzt, der einen Spalt 148 aufweist, einem Endteil (der rechte Endteil in 13) in Längsrichtung des Jochelements 162 ist es erlaubt, eine relative Verschiebung im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 132 aufzuweisen, wobei der andere Endteil (der linke Endteil in 13) in Längsrichtung des Jochelements 162 relativ im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 132 ausgerichtet ist.
Bei dieser Art von Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 160 wird ebenfalls wie in dem Fall der Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 130 der achten Ausführungsform das magnetostriktive Element 132 zwangsverformt, indem es der Verformung des vibrierenden Elements 14 folgt, sodass der Effekt durch die Eingangsvibrationsfrequenz auf das Verformungsvolumen des magnetostriktiven Elements 32 verhindert wird und es möglich ist, einen stabilen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung zu realisieren. Selbst, wenn es Biegeverformung des magnetostriktiven Elements 132 gibt, die der Verformung des vibrierenden Elements 14 folgt, verformt sich das Jochelement 162 tatsächlich nicht, indem es dem magnetostriktiven Element 132 folgt, und eine Beschädigung des Permanentmagneten 30 durch Verformung des Jochelements 162 wird vermieden.
Tatsächlich wird der andere Endteil in Längsrichtung des Jochelements 162 mit dem magnetostriktiven Element 132 ausgerichtet, sodass die relative Verschiebung des Jochelements 162 im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 132 beschränkt ist und Anschlaggeräusche aufgrund des Anliegens des magnetostriktiven Elements 132 und des Jochelements 162 vermieden werden.
14 zeigt eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 170 als eine zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 170 ist mit einem magnetostriktiven Element 172 ausgestattet. Das magnetostriktive Element 172 ist ein langes plattenförmiges Element, das unter Verwendung eines magnetostriktiven Materials gebildet ist, und einstückig mit einem Verformungserlaubnisteil 174 ausgestattet ist, das den Mittelteil in der Längsrichtung bildet, und einem Paar von Befestigungsendteilen 176, 176, die an beiden Enden des Verformungserlaubnisteils 174 vorgesehen sind und im Verhältnis zu dem Verformungserlaubnisteil 174 verhältnismäßig abgeschrägt sind. Außerdem sind Bolzenlöcher 178 auf dem Paar von Befestigungsendteilen 176, 176 gebildet, die die jeweilige Dickenrichtung durchdringen. Die Spule 18 ist auf dem Verformungserlaubnisteil 174 gewickelt.
Das magnetostriktive Element 172 ist an einem vibrierenden Element 180 befestigt, das einen grob L-förmigen Querschnitt aufweist. Das vibrierende Element 180 ist mit zwei Teilen ausgestattet, die grob rechtwinklig zueinander sind und sandwichartig um ein Biegeteil 182 angeordnet sind, wobei ein Befestigungsendteil 176 des magnetostriktiven Elements 172 durch einen Bolzen an einem der Teile des vibrierenden Elements 180 fixiert ist, während der andere Befestigungsendteil 176 des magnetostriktiven Elements 172 durch einen Bolzen an dem anderen Teil des vibrierenden Elements 180 fixiert ist. Dadurch ist bei dem magnetostriktiven Element 172 ein Verformungserlaubnisteil 174 angeordnet, das an einer Schräge zu dem Biegeteil 182 des vibrierenden Elements 180 übergreifend angeordnet ist, sodass eine Verformung in Dickenrichtung des Verformungserlaubnisteils 174 erlaubt wird.
Außerdem ist ein Jochelement 184 an dem magnetostriktiven Element 172 befestigt. Das Jochelement 184 ist einstückig mit einem Haupteinheitteil 186 ausgestattet, der eine lange Plattenform ist, die an der Seite des magnetostriktiven Elements 172 getrennt und grob parallel angeordnet ausgerichtet ist, und einem Paar von plattenförmigen hervorstehenden Teilen 188, 188, die zu dem magnetostriktiven Element 172 an beiden Enden des Haupteinheitteils 186 hervorstehen. Einsatzlöcher 190, die die Dickenrichtung durchdringen, sind an den hervorstehenden Teilen 188 gebildet. Der Haupteinheitteil 186 ist an dem Mittelteil in der Längsrichtung geteilt, und der Permanentmagnet 30 ist zwischen jedes der geteilten Teile zwischengeschoben.
Indem der Verformungserlaubnisteil 174 des magnetostriktiven Elements 172 durch die Einsatzlöcher 190 der hervorstehenden Teile 188 eingesetzt ist, ist das Jochelement 184 in einer Weise befestigt, für die die relative Verschiebung im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 172 erlaubt ist. Dadurch besteht ein geschlossener magnetischer Pfad 194 dieser Ausführungsform aus dem magnetostriktiven Element 172 und dem Jochelement 184, und ein vormagnetisiertes Feld wird an den geschlossenen magnetischen Pfad 194 durch den magnetischen Fluss des Permanentmagneten 30 angelegt. Bei dieser Ausführungsform liegt das Jochelement 184 an dem vibrierenden Element 180 an, ohne zu haften, und eine relative Verschiebung des Jochelements 184 im Verhältnis zu dem vibrierenden Element 180 ist erlaubt, aber es ist beispielsweise möglich, dies unter Verwendung eines Mittels wie Schweißen, Kleben, Verriegeln oder Ähnlichem zu fixieren.
Bei dieser Art Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 170 wird, wenn das vibrierende Element 180 verformt wird, so dass der Winkel des Biegeteils 182 durch Vibrationseingang geändert wird, der Verformungserlaubnisteil 174 des magnetostriktiven Elements 172 verformt, der sich zwischen beiden Seiten überbrückend erstreckt, die den Biegeteil 182 sandwichartig umfassen. Dadurch wird induzierte elektromotorische Kraft an der Spule 18 basierend auf Änderungen der magnetischen Permeabilität des magnetostriktiven Elements 172 erzeugt und die Vibrationsenergie kann als elektrische Energie entnommen werden. Tatsächlich werden beide Endteile des magnetostriktiven Elements 172 an dem vibrierenden Element 180 fixiert, und wenn das vibrierende Element 180 verformt wird, wird der Verformungserlaubnisteil 174 des magnetostriktiven Elements 172 zwangsverformt, so dass eine Änderung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung gemäß der Frequenz der Eingangsvibration verhindert wird und eine stabile Leistungserzeugung realisiert wird.
Außerdem wird das magnetostriktive Element 172 durch die Einsatzlöcher 190 des Jochelements 184, das einen Spalt 192 aufweist, eingesetzt, und eine relative Verschiebung des Jochelements 184 im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element 172 ist erlaubt. Dadurch wird eine Verformung des Jochelements 184 verhindert, wenn das magnetostriktive Element 172 sich verformt, und eine Beschädigung des Permanentmagneten 30, der an dem Jochelement 184 befestigt ist, wird vermieden.
15 zeigt eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 200 als eine elfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 200 dieser Ausführungsform bildet ein Vibrationssystem mit zwei Freiheitsgraden, für das ein erstes Vibrationssystem 202 und ein zweites Vibrationssystem 204 in Reihe auf dem Vibrations-Übertragungspfad vorgesehen sind, für den Vibration von dem vibrierenden Element 14 aufgebracht wird.
Das erste Vibrationssystem 202 weist eine Grundstruktur auf, die grob die gleiche ist, wie die Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung der ersten Ausführungsform, daher wird dadurch, dass jedem Element in 15 das gleiche Bezugszeichen entsprechend der ersten Ausführungsform zugewiesen ist, eine ausführliche Beschreibung davon ausgelassen. Insbesondere weist das erste Vibrationssystem 202 eine Struktur auf, die das magnetostriktive Element 12 als das Federelement verwendet, gestützt von einer Auslegerstruktur, bei der ein Ende fixiert ist und das andere Ende frei ist, und für welches das Massenelement 16 einstückig an dem freien Ende der Spitzenendseite des magnetostriktiven Elements 12 vorgesehen ist.
Außerdem ist das Jochelement 20, das zusammenwirkend mit dem magnetostriktiven Element 12 den geschlossenen magnetischen Pfad bildet, parallel in einer Position getrennt von dem magnetischen Element 12 angeordnet, und beide Endteile sind in ihrer Längsrichtung zu dem magnetostriktiven Element 12 geschlossen. Außerdem werden beide Endteile der Längsrichtung des Jochelements 20 als hervorstehende Teile 24a und 24b genutzt, die gegenüberliegend zu dem magnetostriktiven Element 12 über einen bestimmten magnetischen Spalt angeordnet sind.
Durch das Vorhandensein dieses magnetischen Spalts wird, während der geschlossene magnetische Pfad von dem magnetostriktiven Element 12 und dem Jochelement 20 aufrechterhalten wird, die Verformungsverschiebung in der vertikalen Richtung des magnetostriktiven Elements 12 in 15 einfach ohne Beschränkung durch das Jochelement 20 erlaubt. Außerdem wird der Fluss des vormagnetisierten Felds durch den Permanentmagneten 30, der auf dem Jochelement 20 angeordnet ist, immer auf dem magnetostriktiven Element 12 aufgebracht.
Währenddessen ist bei dem zweiten Vibrationssystem 204, indem ein Grundelement 206 als ein Massenelement elastisch an das vibrierende Element 14 durch einen elastischen Gummikörper 208 als ein Federelement gekoppelt ist, ein Masse-Feder-Vibrationssystem aus dem Grundelement 206 als die Masse und dem elastischen Gummikörper 208 als die Feder gebildet. Außerdem ist ein Endteil des magnetostriktiven Elements 12, das das erste Vibrationssystem 202 bildet, an diesem Grundelement 206 fixiert, und das Jochelement 20 wird außerdem gestützt, indem es durch das Grundelement 206 fixiert ist.
Außerdem wird bei dieser Ausführungsform dadurch, dass das Grundelement 206 eine hohle Struktur ist, ein Gehäuseraum 210 gebildet, der vorab im Verhältnis zu dem externen Raum ausgeschnitten ist. Außerdem ist das erste Vibrationssystem 202 in einem beherbergten Zustand in diesem Gehäuseraum 210 angeordnet. Insbesondere ist das Grundelement 206 aus einem harten Material mit einer hohen relativen Dichte gebildet, wie Metall oder Ähnlichem, und mit dem Gehäuseraum 210 ausgestattet, der von einer dicken Wand eingeschlossen ist. Eine Stützbasis 212, die von der inneren Bodenfläche hervorsteht, ist in diesem Gehäuseraum 210 gebildet, und an der oberen Endfläche dieser Stützbasis 212 überlappt der Basisendteil des magnetostriktiven Elements 12, unter sandwichartigem Einschließen einer Klammer 214, und ist durch einen Bolzen 216 fixiert.
Dadurch ist das magnetostriktive Element 12 im Inneren des Gehäuseraums 210 mit einer Auslegerstruktur angeordnet, die sich zur Seite von der Stützbasis 212 erstreckt, wobei das Jochelement 20, das sich grob parallel zur Seite des magnetostriktiven Elements 12 erstreckt, gestützt wird, indem es an der Stützbasis 212 über die Klammer 214 fixiert ist.
Bei der auf diese Weise gebildeten Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 200 sind das erste Vibrationssystem 202 und das zweite Vibrationssystem 204 in Reihe auf dem Vibrations-Übertragungspfad vorgesehen, der von dem vibrierenden Element 14 übertragen wird, und die Eingangsvibration von dem vibrierenden Element 14 wird auf das erste Vibrationssystem 202 über die Vibration des zweiten Vibrationssystems 204 aufgebracht, sodass das magnetostriktive Element 12 vibriert und verformt wird. Daher ist es möglich, verglichen mit dem Fall, in dem die Basisendseite des magnetostriktiven Elements 12 direkt auf dem zu befestigenden vibrierenden Element 14 fixiert ist, die Vibration des zweiten Vibrationssystems 204 zu nutzen. Außerdem wird, indem der vibrationsverstärkende Effekt durch die Resonanz oder Ähnliches des zweiten Vibrationssystems 204 genutzt wird, eine größere Vibration als die der Vibration des vibrierenden Elements auf das magnetostriktive Element aufgebracht, und es ist möglich, ein größeres leistungserzeugendes Volumen zu erhalten.
Noch bevorzugter wird die natürliche Frequenz f1 des ersten Vibrationssystems 202 so eingestellt, dass die unten stehende Formel im Verhältnis zur natürlichen Frequenz f2 des zweiten Vibrationssystems 204 erfüllt ist. Dadurch kann, indem die kombinierte Vibration des ersten Vibrationssystems 202 und des zweiten Vibrationssystems 204 wirksam genutzt wird, die Vibrationsverstärkung des magnetostriktiven Elements 12 sogar noch höher eingestellt werden, und es wird möglich, eine große Vibrationsverformung noch wirksamer auf das magnetostriktive Element im Verhältnis zur Eingangsvibration in einem breiten Frequenzbereich oder in einer Vielzahl von Frequenzbereichen aufzubringen. (–f2) × √(2 ≤ f1 ≤ (+f2) × V2
Die natürliche Frequenz f1 des ersten Vibrationssystems 202 kann beispielsweise abgestimmt werden, indem die Federkonstante durch die Länge, die Querschnittform oder Ähnliches des magnetostriktiven Elements 12 eingestellt wird, indem die Masse des Massenelements 16 oder Ähnliches eingestellt wird. Außerdem kann die natürliche Frequenz f2 des zweiten Vibrationssystems 204 beispielsweise abgestimmt werden, indem die Federkonstante durch das Material oder die Kapazität, die freie Länge oder die Scherverformung und das Druckverformungsverhältnis oder Ähnliches während des Vibrationseingangs für den elastischen Gummikörper 208 eingestellt wird, indem die Masse des Grundelements 206 oder Ähnliches eingestellt wird.
Zuvor wurde eine ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegeben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese spezifischen Beschreibungen begrenzt. Beispielsweise kann das magnetostriktive Element stabförmig oder plattenförmig sein, solange es länglich ist.
Außerdem kann der Permanentmagnet an dem Jochelement auf dem geschlossenen magnetischen Pfad befestigt sein oder beispielsweise auch an dem hervorstehenden Teil 24 der ersten Ausführungsform oder dem Kopplungsstützteil 74 der dritten Ausführungsform oder Ähnlichem befestigt sein. Außerdem ist das Fixierverfahren des Permanentmagneten an dem Jochelement nicht insbesondere beschränkt, und es ist nicht absolut notwendig, dass das Jochelement eine geteilte Struktur aufweist, die fixiert ist, so dass der Permanentmagnet sandwichartig umschlossen wird.
Außerdem ist die Richtung, in der der hervorstehende Teil des Jochelements mit einem Spalt dem magnetostriktiven Element gegenübersteht oder in Gleitkontakt mit ihm ist, notwendigerweise begrenzt auf die Richtung senkrecht zur Achse des magnetostriktiven Elements, und beispielsweise ist es auch möglich, dass das Massenelement 16 unter Verwendung eines magnetischen Materials gebildet ist, dass der hervorstehende Teil des Jochelements der oberen Fläche des Massenelements 16 einen Spalt aufweisend gegenüberliegend zugewandt ist, oder dass es anliegt, sodass es in der Lage ist zu gleiten.
Bei den zuvor erwähnten Ausführungsformen ist es auch möglich, wenn ein Spalt zwischen dem hervorstehenden Teil und dem magnetostriktiven Element gebildet ist, abhängig von der Stärke des Permanentmagneten oder der Stärke des erforderlichen vormagnetisierten Felds oder Ähnlichem, die Spaltgröße so einzustellen, dass das magnetostriktive Element und der hervorstehende Teil im normalen Vibrationszustand des vibrierenden Elements in Anlage sind.
Dies ist außerdem nicht darauf begrenzt, notwendigerweise nur eine magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung für ein vibrierendes Element zu haben, und es ist auch möglich, eine Vielzahl von magnetostriktiven Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtungen bereitzustellen.
Darüber hinaus wurde bei der magnetostriktiven Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung 200 als zuvor erwähnte elfte Ausführungsform ein Vibrationssystem mit zwei Freiheitsgraden gebildet, indem ein Masse-Feder-Vibrationssystem in Reihe zwischen dem vibrierenden Element 14 und dem ersten Vibrationssystem 202 eingeschoben und angeordnet wurde, umfassend das magnetostriktive Element 12, aber es ist beispielsweise auch möglich, ein Vibrationssystem mit mehrfachem Freiheitsgrad von drei Freiheitsgraden oder mehr zu bilden, indem beispielsweise eine Vielzahl von Masse-Feder-Vibrationssystemen zwischen dem vibrierenden Element 14 und dem ersten Vibrationssystem 202 eingeschoben und angeordnet wird.
Außerdem ist es bei dem Massenelement, das das zweite Vibrationssystem 204 bildet, auch möglich, anstatt die hohle Struktur wie bei dem Grundelement 206 der zuvor beschriebenen elften Ausführungsform zu verwenden, ein Massenelement mit einer soliden Blockstruktur zu verwenden, und das erste Vibrationssystem 202 an seiner äußeren Umfangsfläche anzuordnen. Beim Anordnen des ersten Vibrationssystems 202 an der äußeren Umfangsfläche des Grundelements 206 ist es möglich, auch ein Abdeckelement wie eine Kuppelstruktur oder Ähnliches zu verwenden, um das Äußere des ersten Vibrationssystems 202 nach Bedarf abzudecken.
Außerdem kann die magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung, die in der ersten bis elften Ausführungsform gezeigt ist, auch durch Kombinieren mit verschiedenen elektrischen Vorrichtungen gebildet werden, die unter Verwendung der durch sie erhaltenen Leistung in Betrieb genommen werden. Insbesondere ist es möglich, beispielsweise indem die zuvor beschriebene magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung mit einer lichtemittierenden Vorrichtung wie einer Begrenzungsleuchte oder Rückleuchte oder Ähnlichem eines Fahrzeugs, eine unabhängig leistungserzeugende Beleuchtungsvorrichtung zu bilden, die keine Verdrahtung von der Fahrzeugbatterie erfordert. Außerdem ist es, indem die magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die Elektrizität unter Verwendung der Vibration des Boden- oder Straßenbelags eines Hauses, einer Straße oder Ähnlichem erzeugt, mit einer lichtemittierenden Vorrichtung für drinnen oder draußen kombiniert wird, unter Verwendung der Vibrationsenergie, die durch das Gehen von Menschen oder das Fahren eines Autos oder Ähnlichem hervorgerufen wird, ebenfalls möglich, eine Beleuchtungsvorrichtung zur Sicherheits- und Hilfsverwendung während eines Stromausfalls oder Ähnlichem zu bilden.
Außerdem ist es, beispielsweise indem eine Sensorvorrichtung wie ein Temperatursensor oder Ähnliches, die Antriebsenergie erfordert, mit der zuvor beschriebenen magnetostriktiven Leistungserzeugungsvorrichtung kombiniert wird, möglich, eine unabhängig leistungserzeugende Sensorvorrichtung zu bilden, die keine Verdrahtung von einer äußeren Stromquelle erfordert. Außerdem ist es, indem eine drahtlose Übertragungsvorrichtung mit der zuvor beschriebenen magnetostriktiven Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung kombiniert wird, beispielsweise möglich, dass auch keine externe Stromversorgung erforderlich ist, wenn Sensordetektorsignale oder Ähnliches drahtlos übertragen werden.
Darüber hinaus ist das vibrierende Element, an dem die magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung befestigt ist, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist, nicht insbesondere beschränkt, und beispielsweise kann zusätzlich zu einem Fahrzeugkörper oder einer Antriebseinheit oder Ähnlichem ein Haushaltsgerät wie eine Waschmaschine oder Ähnliches oder eine Brücke oder Ähnliches auch als vibrierendes Element zum Zuführen von Vibrationsenergie verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10, 40, 70, 80, 90, 100, 110, 130, 160, 170, 200: magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung
12, 132, 172: magnetostriktives Element
14, 180: vibrierendes Element
16: Massenelement
18, 78: Spule
20, 46, 72, 82, 92, 120, 140, 162, 184: Jochelement
24, 24a, 24b, 84, 94, 124, 144, 188: hervorstehender Teil
26, 56, 58, 88, 126, 148, 192: Spalt
28, 60, 76, 89, 98, 128, 150, 169, 194: geschlossener magnetischer Pfad
50: oberer hervorstehender Teil (hervorstehender Teil)
52: unterer hervorstehender Teil (hervorstehender Teil)
86, 146, 190: Einsatzloch
102: Stabelement (steifes Element)
104: Massenelement
112: erstes magnetostriktives Element (magnetostriktives Element)
114: zweites magnetostriktives Element (magnetostriktives Element)
116: erste Spule (Spule)
202: erstes Vibrationssystem
204: zweites Vibrationssystem
206: Grundelement (Massenelement)
208: elastischer Gummikörper

Claims

Magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung, umfassend: ein längliches magnetostriktives Element, das aus einem magnetostriktiven Material gebildet ist und ausgestaltet ist, an einem vibrierenden Element an mindestens einem Endteil davon befestigt zu werden; eine Spule, die auf einem geschlossenen magnetischen Pfad gewickelt ist, der umfassend das magnetostriktive Element gebildet ist; und einen Permanentmagneten, der so angeordnet ist, dass er ein vormagnetisiertes Feld auf den geschlossenen magnetischen Pfad aufbringt, wobei die magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass: ein Jochelement, das aus einem magnetischen Material gebildet ist, parallel an einer Seite des magnetostriktiven Elements angeordnet ist, und der geschlossene magnetische Pfad so gebildet ist, dass er das magnetostriktive Element und das Jochelement umfasst; der Permanentmagnet an dem Jochelement auf dem geschlossenen magnetischen Pfad befestigt ist; und dem Jochelement eine relative Verschiebung im Verhältnis zum magnetostriktiven Element auf mindestens einer Seite in einem magnetischen Pfad in Längsrichtung des geschlossenen magnetischen Pfads erlaubt ist.
Magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein hervorstehender Teil, der zu dem magnetostriktiven Element auf dem geschlossenen magnetischen Pfad hervorsteht, auf dem Jochelement vorgesehen ist, und der hervorstehende Teil mit einem Spalt im Verhältnis zum magnetostriktiven Element angeordnet ist.
Magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Spalt, der zwischen dem magnetostriktiven Element und dem hervorstehenden Teil gebildet ist, eine Größe aufweist, sodass das magnetostriktive Element und der hervorstehende Teil während des normalen Vibrationseingangs, der für das vibrierende Element angenommen wird, in einem getrennten Zustand gehalten werden.
Magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein Einsatzloch in dem hervorstehenden Teil gebildet ist, und das magnetostriktive Element durch das Einsatzloch mit dem Spalt eingesetzt wird.
Magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein hervorstehender Teil, der zu dem magnetostriktiven Element auf dem geschlossenen magnetischen Pfad hervorsteht, auf dem Jochelement bereitgestellt ist, und der hervorstehende Teil in Gleitkontakt ist, sodass er in der Lage zu einer relativen Verschiebung im Verhältnis zu dem magnetostriktiven Element ist.
Magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei beide Endteile des magnetostriktiven Elements ausgestaltet sind, an dem vibrierenden Element befestigt zu werden.
Magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Richtung, in der die relative Verschiebung des magnetostriktiven Elements und des Jochelements erlaubt ist, eine Richtung rechtwinklig zu einer Längsrichtung des magnetostriktiven Elements ist.
Magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein längliches steifes Element, das von dem Jochelement getrennt ist, parallel an der Seite des magnetostriktiven Elements angeordnet ist, und beide Endteile des steifen Elements an das magnetostriktive Element gekoppelt sind.
Magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Masse-Feder-Vibrationssystem dadurch gebildet ist, dass ein Massenelement ausgestaltet ist, durch einen elastischen Gummikörper an das vibrierende Element gekoppelt zu werden, und das magnetostriktive Element ausgestaltet ist, über das Vibrationssystem an dem vibrierenden Element befestigt zu werden, indem mindestens ein Endteil des magnetostriktiven Elements an dem Massenelement befestigt wird.
Magnetostriktive Vibrations-Leistungserzeugungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei eine natürliche Frequenz des magnetostriktiven Elements auf einen Frequenzbereich von ±√/2-mal im Verhältnis zu einer natürlichen Frequenz des Masse-Feder-Vibrationssystems eingestellt ist.