JP2013208027A - 発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】強制振動において磁歪棒に軸方向の伸張および収縮を発生させて発電を可能とする発電素子を提供すること。
【解決手段】磁歪棒１１，１２の両端が、第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃに回転可能に軸支される。よって、第１ヨーク２１ｃに対して第２ヨーク２２ｃが相対的に強制並進運動される場合でも、回転方向の拘束を抑制し、その分、磁歪棒１１，１２がＳ字状に変形することを抑制できる。これにより、１の磁歪棒において磁束密度の変化が打ち消し合うことを抑制でき、強制振動においても、発電を可能とすることができる。また、磁歪棒１１，１２をＳ字状に変形させる力（即ち、発電に寄与しない変形に要する力）を少なくでき、より少ない力で磁歪棒１１，１２に軸方向への変形を付与することができるので、発電効率の向上を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁歪材料の逆磁歪効果を利用して振動発電を行う発電素子に関し、特に、強制振動において磁歪棒に軸方向の伸張および収縮を発生させて発電を可能とする発電素子に関するものである。

特許文献１には、磁歪材料の逆磁歪効果を利用して振動発電を行う発電素子が開示される。この発電素子について、図６（ａ）を参照して説明する。図６（ａ）は、従来の発電素子９０１の正面図である。なお、図６（ａ）において、コイル、永久磁石およびバックヨークの図示は省略する。

図６（ａ）に示すように、発電素子９０１は、一対の磁歪棒９１１，９１２と、それら一対の磁歪棒９１１，９１２の一端を支持する第１ヨーク９２１と、一対の磁歪棒９１１，９１２の他端を支持する第２ヨーク９２２と、一対の磁歪棒９１１，９１２にそれぞれ巻回される一対のコイルと、一対の磁歪棒９１１，９１２の一端および他端にそれぞれ磁極を違えて配設される一対の永久磁石と、それら一対の永久磁石を連結することで一対の磁歪棒９１１，９１２にバイアス磁界を付与するバックヨークとを主に備える。

発電素子９０１は、第１ヨーク９２１を振動体に固着すると共に、第２ヨーク９２２を自由端とした状態で設置され、振動体の振動に伴って、磁歪棒９１１，９１２の軸直角方向へ第２ヨーク９２２を振り子運動（自由振動）させることで、磁歪棒９１１，９２１の一方および他方に軸方向の伸張および収縮をそれぞれ発生させる。即ち、図６（ａ）に示すように、振り子運動により、磁歪棒９１１，９２１が曲げ変形されることで、一方（磁歪棒９１１）に軸方向の収縮が、他方（磁歪棒９１２）に軸方向の伸張が、それぞれ発生される。これにより、磁歪棒９１１，９１２の軸方向と平行な方向に磁束密度が変化し（逆磁歪効果）、磁歪棒９１１，９１２にそれぞれ巻回されたコイルに電流が発生し、発電が行われる。

ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／００３２７６（段落００７８、図４Ａなど）

しかしながら、上述した従来の発電素子では、強制振動における発電が困難であるという問題点があった。例えば、図６（ｂ）（従来の発電素子９０１の正面模式図）に示すように、第１ヨーク９２１に対し第２ヨーク９２２が相対的に矢印Ｘ方向に沿って強制振動（強制並進運動）される場合には、磁歪棒９１１，９１２がＳ字状に変形される。そのため、１の磁歪棒において伸張する部分と収縮する部分とが形成され、これらが磁束密度の変化を打ち消し合うことで、発電に必要な磁束密度の変化を得ることができない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、強制振動において軸方向の伸張および収縮を磁歪棒に発生させて発電を可能とする発電素子を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段および発明の効果

請求項１記載の発電素子によれば、第１ヨークに対して第２ヨークが相対的に強制並進運動されるところ、一対の磁歪棒の一端または他端の少なくとも一方を、第１ヨークまたは第２ヨークに回転可能に軸支するので、回転方向の拘束を抑制し、その分、磁歪棒がＳ字状に変形することを抑制できる。これにより、１の磁歪棒において伸張する部分と収縮する部分とが形成され、これらが磁束密度の変化を打ち消し合うことを抑制できるので、発電に必要な磁束密度の変化を得ることができ、その結果、強制振動においても、発電を可能とすることができる。

また、一対の磁歪棒の一端または他端の少なくとも一方を、第１ヨークまたは第２ヨークに回転可能に軸支することで、その分、磁歪棒をＳ字状に変形させることに費やされる力（即ち、発電に寄与しない変形に要する力）を少なくできる。その結果、より少ない力で磁歪棒に軸方向への変形を付与することができるので、発電効率の向上を図ることができる。

請求項２記載の発電素子によれば、請求項１記載の発電素子の奏する効果に加え、磁歪棒を、強制並進運動の直進方向に直交する仮想線に対して傾斜して配設するので、その傾斜の分、磁歪棒に軸方向への変形を付与することができる。よって、発電に必要な磁束密度の変化を大きくして、発電効率の向上を図ることができる。

請求項３記載の発電素子によれば、請求項１又は２に記載の発電素子の奏する効果に加え、磁歪棒の一端および他端の両端を、第１ヨークおよび第２ヨークにそれぞれ回転可能に軸支するので、両端において回転方向の拘束を抑制し、磁歪棒がＳ字状に変形することをより確実に抑制できる。これにより、発電効率の更なる向上を図ることができる。

また、磁歪棒をＳ字状に変形させることに費やされる力（即ち、発電に寄与しない変形に要する力）をより少なくできる。その結果、より少ない力で磁歪棒に軸方向への変形を付与することができるので、この点においても、発電効率の更なる向上を図ることができる。

請求項４記載の発電素子によれば、請求項３記載の発電素子の奏する効果に加え、磁歪棒の一端および他端の両端を、転がり軸受を介して、第１ヨークおよび第２ヨークにそれぞれ回転可能に軸支するので、滑り軸受の場合と比較して、回転方向の拘束を抑制する効果を向上させ、磁歪棒がＳ字状に変形することをより確実に抑制できる。また、磁歪棒のＳ字状の変形（発電に寄与しない変形）に費やされる力をより少なくできる。その結果、発電効率の更なる向上を図ることができる。

請求項５記載の発電素子によれば、請求項１から４のいずれかに記載の発電素子の奏する効果に加え、一対の磁歪棒を、強制並進運動の直進方向に直交する仮想線を挟んでハの字状に配設するので、強制並進運動が仮想線に対して一方向へ入力される場合には、一対の磁歪棒の内の一方を伸張させると共に他方を収縮させ、強制並進運動が仮想線に対して他方向へ入力される場合には、一対の磁歪棒の変形方向を反転させ、一方を収縮させると共に他方を伸張させることができる。これにより、発電に必要な磁束密度の時間的変化が断続的とならず、連続させることができるので、発電を安定的に行うことができる。

請求項６記載の発電素子によれば、請求項５記載の発電素子の奏する効果に加え、一対の磁歪棒は、仮想線に対して線対称となるハの字状に配設され、仮想線の位置が強制並進運動の振幅の原点とされる（即ち、仮想線の位置で無負荷の状態となり、その状態を起点として正側および負側の最大振幅が等しくなる）ので、一対の磁歪棒にそれぞれ発生する最大変形量（最大応力）を同一とすることができる。よって、一対の磁歪棒の変形態様を均一化して、発電を安定的に行うことができる。また、仮想線を挟んで位置する転がり軸受同士の負荷を同一として、寿命（メンテナンスサイクル）を均一化できる。

（ａ）は、本発明の一実施の形態における発電素子の上面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）の矢印Ｉｂ方向から視た発電素子の側面図である。 （ａ）は、発電素子の下面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線における発電素子の断面図である。 磁歪材料に作用する応力とその応力作用時の磁束密度との関係を図示するグラフである。 磁歪棒の上面模式図である。 （ａ）は、仮想線に対する磁歪棒の傾斜角度とその傾斜角度でのばね定数との関係を図示するグラフであり、（ｂ）は、磁歪棒の上面模式図である。 （ａ）は、従来の発電素子の正面図であり、（ｂ）は、発電素子の正面模式図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、図１及び図２を参照して、発電素子１の全体構成について説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施の形態における発電素子１の上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の矢印Ｉｂ方向から視た発電素子１の側面図である。また、図２（ａ）は、発電素子１の下面図であり、図２（ｂ）は、図１（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線における発電素子１の断面図である。なお、図１及び図２ではコイル３１，３２が、図２（ｂ）では転がり軸受ＢＲの形状および軸ＡＸの支持構造が、それぞれ模式的に図示される。

図１及び図２に示すように、発電素子１は、相対的に強制並進運動（強制振動）される二部材（第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２）の間に介設されて使用され、それら第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２の強制並進運動に伴って磁歪棒１１，１２に軸方向（長手方向）の変形が付与されることで、磁歪棒１１，１２の逆磁歪効果を利用して振動発電を行う。なお、本実施の形態では、第１部材Ｍ１が自動車の車体フレームであり、第２部材Ｍ２がエンジンブラケットである。

なお、第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２は、第１部材Ｍ１に対して第２部材Ｍ２が、矢印Ｘ１又はＸ２方向（図１（ａ）上下方向、図１（ｂ）紙面垂直方向）に相対的に直進する（強制並進運動する）。

発電素子１は、磁歪材料から構成される一対の磁歪棒１１，１２と、それら一対の磁歪棒１１，１２の軸方向一端（図１（ａ）左側）に取着される第１取着部２１ａ，２１ｂと、一対の磁歪棒１１，１２の軸方向他端（図１（ａ）右側）に取着される第２取着部２２ａ，２２ｂと、第１取着部２１ａ，２１ｂが回転可能に軸支される第１ヨーク２１ｃと、第２取着部２２ａ，２２ｂが回転可能に軸支される第２ヨーク２２ｃと、一対の磁歪棒１１，１２にそれぞれ巻回される一対のコイル３１，３２と、一対の磁歪棒１１，１２に磁極を違えて配設される一対の永久磁石４１，４２と、それら一対の永久磁石４１，４２を連結するバックヨーク５０とを備える。

磁歪棒１１，１２は、厚み寸法（図１（ｂ）紙面垂直方向寸法）に対して高さ寸法（図１（ｂ）上下寸法）が大きな断面長方形の板状体であり、互いに同一形状に形成されると共に、面積が大きな側面同士を対向させて上面視ハの字状に配置される。なお、本実施の形態では、磁歪材料として、鉄ガリウム合金が採用される。

第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂは、非磁性材料（本実施の形態ではアルミニウム合金）から構成される部材である。この第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂによる磁歪棒１１，１２の支持（接合）は、各取着部２１ａ〜２２ｂに凹設されたスリットに磁歪棒１１，１２の端部を挿入し、スリットの内面と磁歪棒１１，１２との間の隙間に接着剤を充填することで行われる。

但し、かかる支持（接合）は、第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂを圧縮変形させ、スリットの内面を磁歪棒１１，１２に密着させる方法や、各取着部２１ａ〜２２ｂと磁歪棒１１，１２とを締結ねじにより締結固定する方法、或いは、これらを組み合わせた方法であっても良い。

第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂには、磁歪棒１１，１２の軸方向端面に対向する位置に転がり軸受ＢＲが配設される。転がり軸受ＢＲは、各取着部２１ａ〜２２ｂの受入穴に圧入される外輪と、その外輪の内周に位置し軸ＡＸが固着される内輪と、それら内輪および外輪の間に転動可能に配設される転動体とを備える。本実施の形態では、転がり軸受ＢＲが玉軸受として構成され、ラジアル荷重およびアキシャル荷重の両方を支持可能とされる。

転がり軸受ＢＲは、その回転軸を、強制並進運動の直進方向（矢印Ｘ１，Ｘ２方向）と直交する方向（図１（ａ）紙面垂直方向）に向けた姿勢で第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂにそれぞれ配設されると共に、磁歪棒１１，１２の軸方向（長手方向）の延長線上に位置する。即ち、例えば、磁歪棒１１の両端に配設される転がり軸受ＢＲの回転軸をそれぞれ含む仮想平面は、磁歪棒１１の厚み方向（図１（ａ）上下方向寸法）中央に位置する。

第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃは、非磁性材料（本実施の形態ではアルミニウム合金）から構成される部材であり、それぞれ２本の軸ＡＸが固着されると共に各軸ＡＸが下面から突設される。各軸ＡＸは、第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂの転がり軸受ＢＲの内輪にそれぞれ固着される。これにより、各取着部２１ａ〜２２ｂ（磁歪棒１１，１２）が、第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃに回転可能に軸支される。

第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃは、第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２にそれぞれ配設（固着）される。即ち、第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃは、第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２の相対運動に連動して、相対的に強制並進運動される。よって、強制並進運動の直進方向（矢印Ｘ１，Ｘ２方向）をＸ軸、後述する仮想線ＳＹ方向をＹ軸と仮定した場合、磁歪棒１１，１２（及び両取着部２１ａ〜２２ｂ）は、その一端（図１（ａ）左側）に対し他端（図１（ａ）右側）が、Ｙ軸方向（図１（ａ）左右方向の）の変位が拘束された状態で、Ｘ軸に沿って相対的に直進される。一方、Ｚ軸（図１（ａ）紙面垂直方向、即ち、軸ＡＸ）周りの回転は拘束されず、転がり軸受ＢＲにより回転可能とされる。即ち、磁歪棒１１，１２には、軸方向への伸張または収縮のみが付与される。

ここで、第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃは、磁歪棒１１，１２（及び第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂ）を、仮想線ＳＹを対称軸として線対称となる上面視ハの字状に配設（支持）する。仮想線ＳＹは、磁歪棒１１，１２の高さ方向（図１（ｂ）上下方向）の中央を通る平面上に位置し、かつ、第１部材Ｍ１に対して第２部材Ｍ２が相対的に直進する方向（強制並進運動の方向、矢印Ｘ１又はＸ２方向）に直交する直線である。

発電素子１（第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃ）は、強制並進運動の振幅の原点が仮想線ＳＹ上に位置するように、第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２に配設される。よって、強制並進運動（強制振動）の振幅が原点にある状態（発電素子１の初期位置）では、磁歪棒１１，１２が仮想線ＳＹに対して線対称に配置される。この発電素子１の初期位置では、磁歪棒１１，１２に外力が作用せず、無負荷状態となる。

第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂは、磁歪棒１１，１２が突出される面が、磁歪棒１１，１２の軸方向に垂直な平面として形成される。但し、これらの面を磁歪棒１１，１２の軸方向に非垂直な平面（例えば、強制並進運動の直進方向（矢印Ｘ１，Ｘ２方向）に平行な面）としても良い。

コイル３１，３２は、銅線から構成される線材を磁歪棒１１，１２にそれぞれ巻回したコイルである。コイル３１，３２と磁歪棒１１，１２との間には隙間が設けられる。本実施の形態では、コイル３１，３２の巻数が同一の巻数とされる。但し、巻数は、コイル３１，３２で異なっていても良い。

永久磁石４１，４２及びバックヨーク５０は、磁歪棒１１，１２にバイアス磁界を付与するための部材であり、それぞれ断面矩形の棒状に形成される。永久磁石４１，４２は、磁歪棒１１，１２の一端および他端（図２（ａ）左側および右側）の下面にそれぞれ磁着される磁石であり、磁歪棒１１，１２の間に架設される。バックヨーク５０は、磁性材料から構成され、永久磁石４１，４２の間に架設される。

永久磁石４１及び永久磁石４２は、上述したように、磁極を互いに異ならせて磁歪棒１１，１２に配設（磁着）される。即ち、永久磁石４１は、磁歪棒１１，１２に接続される面側にＮ極、バックヨーク５０に接続される面側にＳ極が配置される一方、永久磁石４２は、磁歪棒１１，１２に接続される面側にＳ極、バックヨーク５０に接続される面側にＮ極が配置される。

これにより、磁歪棒１１，１２と、永久磁石４１，４２と、バックヨーク５０とにより磁気ループが形成され、永久磁石４１，４２の起磁力によるバイアス磁界が磁歪棒１１，１２に付与される。その結果、磁歪棒１１，１２の磁化容易方向（磁化の方向または磁化が生じ易い方向）が、磁歪棒１１，１２の軸方向（長手方向）に設定される。

なお、永久磁石４１，４２は、バックヨーク５０に固着され、両者が相対変位不能とされる一方、磁歪棒１１，１２に対しては磁着されるので、両者が相対変位可能（滑動可能）とされる。これにより、強制振動の入力時に、磁歪棒１１，１２の変形が永久磁石４１，４２及びバックヨーク５０により妨げられることが抑制される。

発電素子１は、磁歪棒１１，１２の一端および他端に取着される第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂが、転がり軸受ＢＲを介して、第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃにそれぞれ回転可能に軸支されるので、回転方向の拘束（回転トルクの伝達）を抑制し、その分、磁歪棒１１，１２がＳ字状に変形することを抑制できる。これにより、１の磁歪棒において伸張する部分と収縮する部分とが形成され、これらが磁束密度の変化を打ち消し合うことを抑制できるので、発電に必要な磁束密度の変化を得ることができ、その結果、強制振動においても、発電を可能とすることができる。

また、このように、磁歪棒１１，１２（各取着部２１ａ〜２２ｂ）が、転がり軸受ＢＲを介して、第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃに回転可能に軸支されることで、その分、磁歪棒１１，１２をＳ字状に変形させる力（即ち、発電に寄与しない変形に要する力）を少なくできる。その結果、より少ない力で磁歪棒１１，１２に軸方向への変形を付与することができるので、発電効率の向上を図ることができる。

更に、発電素子１は、磁歪棒１１，１２が、仮想線ＳＹに対して傾斜して配設されるので、その傾斜の分、磁歪棒に軸方向への変形を付与しやすくすることができる。よって、発電に必要な磁束密度の変化を大きくして、発電効率の向上を図ることができる。

この場合、発電素子１は、磁歪棒１１，１２が仮想線ＳＹを挟んでハの字状に配設される。よって、強制振動の入力により、第１ヨーク２１ｃに対して第２ヨーク２２ｃが初期位置（図１（ａ）の状態）から一方向（矢印Ｘ１方向、図１（ａ）上方向）に相対的に直進（強制並進運動）されると、発電素子１は、磁歪棒１１，１２の内の一方の磁歪棒１２を伸張させると共に他方の磁歪棒１１を収縮させ、逆に、第１ヨーク２１ｃに対して第２ヨーク２２ｃが初期位置から他方向（矢印Ｘ２方向、図１（ａ）下方向）に相対的に直進されると、磁歪棒１１，１２の変形方向を反転させ、磁歪棒１１，１２の内の一方の磁歪棒１２を収縮させると共に他方の磁歪棒１１を伸張させる。これにより、発電に必要な磁束密度の時間的変化が断続的とならず、連続させることができるので、発電を安定的に行うことができる。

更に、発電素子１によれば、磁歪棒１１，１２のハの字状が、仮想線ＳＹに対して線対称に配設され、仮想線ＳＹの位置が強制並進運動の振幅の原点とされる（即ち、仮想線ＳＹの位置で無負荷の状態となり、その状態を起点として矢印Ｘ１方向および矢印Ｘ２方向の最大振幅が等しくなる）ので、磁歪棒１１，１２のそれぞれに発生する最大変形量（最大応力）を同一とすることができる。よって、磁歪棒１１，１２の変形態様を均一化して、発電を安定的に行うことができる。また、磁歪棒１１，１２の負荷、及び、仮想線ＳＹを挟んで位置する転がり軸受ＢＲ同士の負荷を同一として、寿命（メンテナンスサイクル）を均一化できる。

次いで、図３及び図４を参照して、仮想線ＳＹに対する磁歪棒１１，１２の傾斜角度の設定方法について説明する。図３は、磁歪材料に作用する応力とその応力作用時の磁束密度との関係を図示するグラフであり、図４は、磁歪棒１１の上面模式図である。なお、図３では、実測値の内の代表的な３つの特性のみを図示する。また、図４は、図１（ａ）に対応する。

図３に特性Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３として図示するように、磁歪材料（磁歪棒１１）の磁束密度は、付与される応力（図３では圧縮応力）の値によって変化すると共に、その応力の変化に対する磁束密度の変化の態様は、永久磁石４１，４２により付与される磁歪棒１１のバイアス磁界の大きさに応じて異なる。なお、特性Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３のそれぞれのバイアス磁界は、７．８ｋＡ／ｍ、２３．４ｋＡ／ｍ及び３９．０ｋＡ／ｍである。

発電素子１の発電効率を高めるためには、磁歪棒１１に作用する応力の変化に対して、磁束密度の変化が大きな領域（即ち、傾きが大きい領域）で使用されることが好ましい。また、発電素子１は、上述したように、強制並進運動の振幅の原点において無負荷状態とされるので、図３の原点付近（即ち、応力が０ＭＰａ）から磁束密度が大きく変化する特性であることが好ましい。

この点より、図３に図示される３つの態様であれば、原点付近から傾きの大きな線形領域を得ることのできる特性Ｓ１が好ましい。なお、バイアス磁界を特性Ｓ１の場合（７．８ｋＡ／ｍ）よりも小さくした場合には、磁束密度の変化が飽和する（即ち、傾きが小さくなる）最大応力（特性Ｓ１の場合は約５０ＭＰａ）が小さくなり、使用できる（即ち、発電に寄与する）応力範囲が狭くなる。

このように、使用する磁歪材料を用いて、図３に示す応力と磁束密度の関係を作成することで、磁歪棒１１に付与すべきバイアス磁界の大きさを決定することができ、本実施の形態では、特性Ｓ１が採用され、バイアス磁界の大きさが７．８ｋＡ／ｍと決定される。その結果、使用すべき永久磁石４１，４２の特性、及び、磁歪棒１１に付与すべき最大応力（約５０ＭＰａ）を得ることができる。

図４に示すように、磁歪棒１１の軸方向（長手方向）の長さ寸法（第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂによる支持部位間の距離）をＬ、強制振動により入力される振幅（図１（ａ）の矢印Ｘ１方向の振幅）をＤ、仮想線ＳＹに対する磁歪棒１１の傾斜角度をθ、と定義する。

この場合、磁歪棒１１の軸方向の収縮量（たわみ量）は、Ｄ×ｓｉｎθであるので、磁歪棒１１の軸方向のひずみεは、ε＝Ｄ×ｓｉｎθ／Ｌとなり、よって、磁歪棒１１の軸方向の応力（圧縮応力）は、σ＝Ｅ×ε＝Ｅ×（Ｄ×ｓｉｎθ／Ｌ）となる（以下「式１」と称す）。なお、Ｅは、磁歪棒１１のヤング率（本実施の形態ではＥ＝７００００Ｎ／平方ｍｍ）である。

上述したように、本実施の形態では、磁歪棒１１に作用すべき応力σの最大値は５０ＭＰａである（即ち、磁歪棒１１に０ＭＰａ〜５０ＭＰａの範囲での応力変動を付与する形態が、磁束密度の変化が大きくなり、最も発電効率が良い。図３参照）。よって、式１において、応力σが５０ＭＰａとなるように、振幅Ｄ、傾斜角度θ及び磁歪棒１１の長さ寸法Ｌをそれぞれ設定することで、傾斜角度θが決定される。

なお、発電素子１の使用環境（即ち、第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２の間隔および相対変位量）により振幅Ｄ及び磁歪棒１１の長さ寸法Ｌがそれぞれ確定している場合には、傾斜角度θが一の値に決定される。

次いで、図５を参照して、発電素子１のばね定数Ｋについて説明する。図５（ａ）は、仮想線ＳＹに対する磁歪棒１１の傾斜角度θとその傾斜角度θでのばね定数Ｋとの関係を図示するグラフであり、図５（ｂ）は、磁歪棒１１の上面模式図である。なお、図５（ａ）は、傾斜角度θが比較的小さな領域での関係を図示するものであり、よって、特性Ｓ４，Ｓ５が模式的に直線状に図示される。

図５（ａ）では、本実施の形態における発電素子１の傾斜角度θとばね定数Ｋとの関係が特性Ｓ４として、比較品の傾斜角度θとばね定数Ｋとの関係が特性Ｓ５として、それぞれ図示される。比較品は、軸ＡＸ及び転がり軸受ＢＲが省略され第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂが第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃにそれぞれ相対変位不能に固着される点が発電素子１と異なり、その他は発電素子１と同一に構成される。

ここで、ばね定数Ｋとは、図５（ｂ）に示すように、第１ヨーク２１ｃ（第１取着部２１ａ，２１ｂ）に対し第２ヨーク２２ｃ（第２取着部２２ａ，２２ｂ）を強制並進運動の直進方向（矢印Ｘ１，Ｘ２方向）に移動させる（即ち、磁歪棒１１を変形させる）際に必要な荷重をその移動量（矢印Ｘ１方向変位）で割った定数である。

比較品のばね定数Ｋは、次のようにして得られる。即ち、図５（ｂ）に示すように、磁歪棒１１の軸方向（長手方向）におけるばね定数Ｋａと、磁歪棒１１の軸直角方向におけるばね定数Ｋｒとから、それら両ばね定数Ｋａ，Ｋｒの合成ばね定数Ｋｓを幾何学的に算出する。これにより、比較品のばね定数Ｋを、合成ばね定数Ｋｓの矢印Ｘ１方向成分（＝Ｋｓ×ｓｉｎ（θ＋α））として得ることができる。

なお、ばね定数Ｋａは、Ｋａ＝Ｅ×Ｓ／Ｌにより算出され、ばね定数ｋｒは、Ｋｒ＝Ｇ×Ｓ／Ｌにより算出される。Ｅは磁歪棒１１のヤング率、Ｓは磁歪棒１１の軸直角断面における断面積、Ｇは磁歪棒１１の横弾性係数（＝Ｅ／（２×（１＋Ｐ）））、Ｐは磁歪棒１１のポアソン比である。また、ばね定数Ｋｓ及び角度αは、ばね定数Ｋａ及びばね定数Ｋｒから幾何学的に算出される（Ｋｓ＝（Ｋａ２＋Ｋｒ２）１／２、α＝ｔａｎ−１（Ｋｒ／Ｋａ））。

このように、比較品のばね定数Ｋは、Ｋ＝Ｋｓ×ｓｉｎ（θ＋α）となる。比較品は、強制並進運動（矢印Ｘ１方向変位）の入力に伴い、磁歪棒１１が、軸方向への収縮だけでなく、Ｓ字状にも曲げられるため、その分、軸方向のばね定数Ｋａに比例する荷重だけでなく、軸直角方向のばね定数Ｋｒに比例する荷重も発生する。即ち、角度αが０にはならないため、比較品のばね定数Ｋは、図５（ａ）に特性Ｓ５で示すように、傾斜角度θが０の場合に縦軸切片（磁歪棒１１をＳ字状に曲げるのに要する分）を有し、傾斜角度θに応じて所定の傾き（磁歪棒１１を軸方向に収縮させるのに要する分）で増加する。

一方、本実施の形態における発電素子１は、磁歪棒１１，１２（第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂ）の一端および他端の両端が、転がり軸受ＢＲを介して、第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃに回転可能に軸支され、回転方向に拘束されない（回転トルクが伝達されない）ため、強制並進運動（矢印Ｘ１方向変位）の入力に伴う磁歪棒１１の変形は、軸方向への収縮のみであり、Ｓ字状に曲げる変形は生じない。よって、軸方向のばね定数Ｋａに比例する荷重だけが発生し、軸直角方向のばね定数Ｋｒに比例する荷重は発生しない。

その結果、本実施の形態における発電素子１のばね定数Ｋは、Ｋ＝Ｋａ×ｓｉｎθとなり、図５（ａ）に特性Ｓ４で示すように、磁歪棒１１をＳ字状に曲げるのに要する荷重が不要となったことで、原点を通り、傾斜角度θに応じて所定の傾き（磁歪棒１１を軸方向に収縮させるのに要する分）で増加する。即ち、本実施の形態における発電素子１のばね定数Ｋ（特性Ｓ４）は、比較品のばね定数Ｋ（特性Ｓ５）に対し、磁歪棒１１をＳ字状に曲げるのに要する荷重が不要となった分だけ、図５（ａ）において下方に平行移動された特性となる。

このように、本実施の形態における発電素子１（特性Ｓ４）は、比較品（特性Ｓ５）に対し、強制並進運動の直進方向（矢印Ｘ１方向）におけるばね定数Ｋが小さくされるので、その分、磁歪棒１１をＳ字状に変形させる力（即ち、発電に寄与しない変形に要する力）を少なくできる。その結果、上述した通り、より少ない力で磁歪棒１１に軸方向への変形を付与することができるので、発電効率の向上を図ることができる。

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

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

上記実施の形態では、第１ヨーク２１ｃが一の部材として形成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、磁歪棒１１を支持する部分と磁歪棒１２を支持する部分とが別体とされた二の部材から形成されていても良い。第２ヨーク２２ｃについても同様である。

上記実施の形態では、磁歪棒１１，１２が仮想線ＳＹに対して線対称に配設される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、磁歪棒１１，１２が仮想線ＳＹに対して非対称（仮想線ＳＹに対する磁歪棒１１の傾斜方向と仮想線ＳＹに対する磁歪棒１２の傾斜方向とが同じ方向の場合を含む）であっても良い。

或いは、磁歪棒１１，１２は、仮想線ＳＹに対して平行に配設されていても良い。即ち、この場合（仮想線ＳＹに対し平行）であっても、本発明では、磁歪棒１１，１２の一端または他端の少なくとも一方が、第１ヨーク２１ｃ又は第２ヨーク２２ｃに回転可能に軸支され、回転方向に拘束されないので、磁歪棒１１，１２がＳ字状に変形することを抑制できる。よって、発電に必要な磁束密度の変化を得ることができ、強制振動においても、発電を可能とすることができる。更に、仮想線ＳＹに対し平行であっても、磁歪棒１１，１２をＳ字状に変形させる力（即ち、発電に寄与しない変形に要する力）を少なくできるので、より少ない力で磁歪棒１１，１２に軸方向への変形を付与することができ、発電効率の向上を図ることができる。

上記実施の形態では、初期位置（強制並進運動の振幅の原点にある状態）では磁歪棒１１，１２が無負荷状態とされる状態で発電素子１が構成（使用）される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、初期位置において、磁歪棒１１，１２に一定荷重が付与される状態で発電素子１を使用しても良い。即ち、磁歪棒１１，１２を軸方向に収縮させた（軸方向に圧縮応力を付与した）状態で、発電素子１を構成（使用）しても良い。

ここで、このように、磁歪棒１１，１２に初期応力（初期圧縮応力）を付与する場合には、永久磁石４１，４２の磁力を変更し、付与するバイアス磁界の値を設定し直す。例えば、磁歪棒１１，１２に付与される初期応力が８０ＭＰａであれば、磁歪棒１１に８０ＭＰａ〜１３０ＭＰａの範囲での応力変動を付与できるように、バイアス磁界を２３．４ｋＡ／ｍとする。これにより、図３の特性Ｓ２における線形領域を使用できるので、発電効率の向上を図ることができる。なお、バイアス磁界の値だけでなく、長さ寸法Ｌ等の他のパラメータも併せて変更することは当然可能である。

上記実施の形態では、その説明を省略したが、発電素子１の適用対象として、自動車を例示したが、必ずしもこれに限られるものではなく、船舶や鉄道車両などの移動体、工場設備（例えば、プレス機）などの固定物、人体などであっても良い。即ち、その移動や駆動、運動に起因して少なくとも強制振動（共生並進運動）を発生するものであれば良くその形態は限定されない。

また、第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２として、自動車の車体フレーム及びエンジンブラケットを例示したが、これに限られるものではない。例えば、自動車の車体フレーム及びサスペンションアーム、自動車の車体フレームとドア、などであっても良い。いずれの場合であっても、発電素子１は、例えば、車体フレーム及びエンジンブラケットに直接配設される必要はない。即ち、車体フレーム及びエンジンブラケットは必ずしも強制並進運動のみを発生させるものではないので、車体フレームに対するエンジンブラケットの相対移動に伴い強制並進運動する二部材を備えた構造体を設け、その構造体の二部材（第１部材Ｍ１及び第２部材Ｍ２）の間に発電素子１は配設することが好ましい。

上記実施の形態では、転がり軸受ＢＲが、第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂに配設されると共に、軸ＡＸが、第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃに配設される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、これとは逆に、転がり軸受ＢＲが、第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃに配設され、軸ＡＸが、第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂに配設される構成であっても良い。

上記実施の形態では、転がり軸受ＢＲが玉軸受として構成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の種類の転がり軸受であっても良い。他の種類の転がり軸受としては、例えば、ころ軸受、針軸受、円錐ころ軸受、球面ころ軸受、スラスト軸受などが例示される。

上記実施の形態では、転がり軸受ＢＲを使用する場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、転がり軸受ＢＲを省略しても良い。即ち、磁歪棒１１，１２（第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂ）の一端または他端が、第１ヨーク２１ｃ又は第２ヨーク２２ｃに回転可能に軸支されていれば足りる趣旨である。よって、転がり軸受ＢＲに代えて、滑り軸受を採用しても良い。或いは、軸ＡＸを、第１取着部２１ａ，２１ｂ又は第２取着部２２ａ，２２ｂの受入穴が直接軸支しても良い。

上記実施の形態では、磁歪棒１１，１２（第１取着部２１ａ，２１ｂ及び第２取着部２２ａ，２２ｂ）の一端および他端の両端を、第１ヨーク２１ｃ及び第２ヨーク２２ｃに回転可能に軸支する場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、一端または他端の一方のみを回転可能とし、一端または他端の他方は回転不能に固着する構成であっても良い。

１ 発電素子
１１，１２ 磁歪棒
２１ｃ 第１ヨーク
２２ｃ 第２ヨーク
３１，３２ コイル
４１，４２ 永久磁石
５０ バックヨーク
Ｘ１，Ｘ２ 強制並進運動の直進方向
ＳＹ 仮想線
ＢＲ 転がり軸受

Claims (6)

1. 磁歪材料から構成される磁歪棒と、前記磁歪棒の一端を支持する第１ヨークと、前記磁歪棒の他端を支持する第２ヨークと、前記磁歪棒に巻回されるコイルと、前記磁歪棒の一端および他端にそれぞれ磁極を違えて配設される一対の永久磁石と、それら一対の永久磁石を連結するバックヨークと、を備え、前記第１ヨークに対する第２ヨークの相対移動により、前記磁歪棒が伸張または収縮することで、発電を行う発電素子において、
   前記第１ヨークに対する第２ヨークの相対移動が強制並進運動であり、
   前記磁歪棒の一端または他端の少なくとも一方が、前記第１ヨークまたは第２ヨークに回転可能に軸支されることを特徴とする発電素子。
2. 前記磁歪棒は、前記強制並進運動の直進方向に直交する仮想線に対して傾斜して配設されることを特徴とする請求項１記載の発電素子。
3. 前記磁歪棒の一端および他端の両端が、前記第１ヨークおよび第２ヨークにそれぞれ回転可能に軸支されることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電素子。
4. 転がり軸受を備え、
   その転がり軸受を介して、前記磁歪棒の一端および他端の両端が、前記第１ヨークおよび第２ヨークにそれぞれ回転可能に軸支されることを特徴とする請求項３記載の発電素子。
5. 前記磁歪棒を一対備えると共に、前記一対の磁歪棒が、前記強制並進運動の直進方向に直交する仮想線を挟んでハの字状に配設されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発電素子。
6. 前記ハの字状に配設される一対の磁歪棒は、前記仮想線を対称軸として線対称に配設されると共に、前記仮想線の位置が前記強制並進運動の振幅の原点とされることを特徴とする請求項５記載の発電素子。

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