JP2014023367A - 発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、比較的簡単な構成で、効率よく発電を行い得る発電素子を提供することにある。
【解決手段】発電素子１は、磁歪材料で構成され、軸方向に磁力線を通過させる２つの柱状の磁歪体６１、６２と、回動により、磁歪体６１、６２を押圧するよう配置された押圧部５１、５２と、押圧部５１、５２を回動させる棒状部５９とを備える押圧体５と、磁力線が、軸方向に通過するように配置され、その密度の変化に基づいて電圧が発生するコイル７とを有し、棒状部５９の回動中心周りの回動により押圧部５１、５２が回動し、押圧部５１、５２で磁歪体６１、６２を押圧して圧縮することにより、磁力線の密度を変化させるよう構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電素子に関する。

近年、磁歪材料で構成された磁歪棒の透磁率の変化を利用して発電する発電素子が検討されている（例えば、特許文献１参照）。

この発電素子は、例えば、併設された一対の磁歪棒と、これらの磁歪棒を連結する連結ヨークと、各磁歪棒を囲むように設けられたコイルと、磁歪棒にバイアス磁界を印加する永久磁石およびバックヨークとを備えている。そして、磁歪棒の軸方向に対して垂直な方向に、連結ヨークに外力を付与すると、一方の磁歪棒が伸長するように変形し、他方の磁歪棒が収縮するように変形する。このとき、各磁歪棒を通過する磁力線の密度（磁束密度）、すなわち、各コイルを貫く磁力線の密度が変化し、これにより、各コイルに電圧が発生する。

かかる発電素子では、磁歪棒を圧縮および伸長して発電を行うので、磁歪棒と連結ヨークとの間に高い接合力（特に、磁歪棒を伸長する際に）が必要となったり、比較的長いサイズの磁歪棒を使用するので、磁歪棒を構成する高価な磁歪材料を多く使用せざるを得なくなったりする。

また、発電効率を向上する観点から、かかる発電素子では、一方の磁歪棒には引張応力が選択的に生じ、他方の磁歪棒には圧縮応力が選択的に生じることが好ましい。しかしながら、各磁歪棒に生じる応力について解析すると、１つの磁歪棒において、引張応力と圧縮応力との双方が生じてしまう。すなわち、１つの磁歪棒に一様な応力を生じさせることが難しい。

WO２０１１／１５８４７３

本発明は、上記従来の問題点を鑑みたものであり、その目的は、比較的簡単な構成で、効率よく発電を行い得る発電素子を提供することにある。

このような目的は以下の（１）〜（１２）の本発明により達成される。
（１） 磁歪材料で構成され、軸方向に磁力線を通過させる少なくとも１つの柱状の磁歪体と、
回動により、前記磁歪体を押圧するよう配置された押圧部と、該押圧部を回動させる棒状部とを備える押圧体と、
前記磁力線が、軸方向に通過するように配置され、その密度の変化に基づいて電圧が発生するコイルとを有し、
前記棒状部の回動中心周りの回動により前記押圧部が回動し、該押圧部で前記磁歪体を押圧して圧縮することにより、前記磁力線の密度を変化させるよう構成したことを特徴とする発電素子。

（２） 前記押圧体は、前記回動中心周りに回動する中心部を備え、
前記押圧部が前記中心部の側方に突出するよう設けられるとともに、前記棒状部が前記押圧部と異なる位置において、前記中心部に接続されている上記（１）に記載の発電素子。

（３） 前記押圧部は、前記磁歪体を保持する保持構造を備える上記（１）または（２）に記載の発電素子。

（４） 前記少なくとも１つの磁歪体は、前記回動中心を介して両側に配置された２つの磁歪体を含み、該２つの磁歪体が前記押圧部により交互に押圧される上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の発電素子。

（５） 前記コイルは、前記磁歪体の外周側に、前記磁歪体を囲むように配置されている上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の発電素子。

（６） 前記磁歪材料は、鉄−ガリウム系合金を主成分とする上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の発電素子。

（７） 前記磁歪材料は、そのヤング率が４０〜１００ＧＰａである上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の発電素子。

（８） 前記押圧部は、磁性材料で構成され、前記磁歪体を、その軸方向に押圧するよう配置されている上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の発電素子。

（９） 前記磁力線を発生する磁石と、
磁性材料で構成され、前記磁石が発生した前記磁力線が前記磁石に戻るようなループを、少なくとも前記磁歪体および前記押圧部とともに形成するループ形成体とを有する上記（８）に記載の発電素子。

（１０） 前記コイルは、前記ループ形成体の途中に、前記ループ形成体を囲むように配置されている上記（９）に記載の発電素子。

（１１） 前記磁石は、前記磁歪体と前記ループ形成体との間に配置されている上記（９）または（１０）に記載の発電素子。

（１２） 前記ループ形成体は、前記磁石を保持する保持構造を備える上記（９）ないし（１１）のいずれかに記載の発電素子。

本発明によれば、磁歪体を圧縮するのみで発電を行うので、各部材同士を強固に接合する必要がない。このため、比較的簡単な構成で、効率よく発電を行い得る。

本発明の発電素子の第１実施形態を示す斜視図である。 図１に示す発電素子の分解斜視図である。 図１に示す発電素子の中央付近を示す斜視図である。 図１に示す発電素子の磁歪体付近の拡大図である。 図１に示す発電素子の永久磁石付近の拡大図である。 図１中のＡ−Ａ線断面図である。 棒状部の支点と、棒状部に力を付与する力点との間に、磁歪体を押圧する作用点が存在する場合において、磁歪体に生じる応力を解析した解析図である。 図１に示す発電素子の磁歪体に生じる応力を解析した解析図である。 図１に示す発電素子の磁歪体に生じる応力を解析した解析図である。 本発明の発電素子の第２実施形態を示す斜視図である。 図１０中のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の発電素子の第３実施形態を示す斜視図である。 図１２に示す発電素子の中央付近を示す斜視図である。 本発明の発電素子の第４実施形態の中央付近を示す部分断面拡大図である。 本発明の発電素子の第５実施形態の中央付近を示す斜視図である。 本発明の発電素子の第６実施形態の中央付近を示す断面図である。

以下、本発明の発電素子を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
まず、本発明の発電素子の第１実施形態について説明する。

図１は、本発明の発電素子の第１実施形態を示す斜視図、図２は、図１に示す発電素子の分解斜視図、図３は、図１に示す発電素子の中央付近を示す斜視図、図４は、図１に示す発電素子の磁歪体付近の拡大図、図５は、図１に示す発電素子の磁石付近の拡大図、図６は、図１中のＡ−Ａ線断面図である。

なお、以下の説明では、図１〜図６中の上側を「上」または「上方」と言い、下側を「下」または「下方」と言う。また、図１〜図３および図６中の紙面手前側を「前」または「前方」と言い、紙面奥側を「後」または「後方」と言う。さらに、図１〜図３および図６中の右側を「右」または「右方」と言い、左側を「左」または「左方」と言う。

図１および図２に示す発電素子１は、基体２と、基体２上に設けられたヨーク３と、ヨーク３上に設けられた一対の永久磁石４１、４２と、基体２に対して回動可能に設けられた押圧体５と、各永久磁石４１、４２に対応して押圧体５に設けられた一対の磁歪体６１、６２と、ヨーク３が挿通されたコイル７とを有している。

かかる発電素子１では、押圧体５の回動中心周りの回動により、すなわち、図６に示すような左右方向への回動により、押圧体５と永久磁石４１、４２とで磁歪体６１、６２を、それらの軸方向へ圧縮する。このとき、逆磁歪効果により、磁歪体６１、６２の透磁率が変化し、磁歪体６１、６２を通過する磁力線の密度（コイル７を貫く磁力線の密度）が変化することにより、コイル７に電圧が発生する。

以下、各部の構成について説明する。
＜＜基体２＞＞
基体２は、各部を支持するための部材であり、平板状をなしている。また、基体２は、発電素子１を、筐体等に固定するためにも用いられる。この基体２の前側には、凹部２１が形成されている。この凹部２１に、コイル７が配置されている。

基体２の後側には、一対の板状の軸受け２２、２３が上方に向かって突出形成されており、各軸受け２２、２３には、その厚さ方向に貫通する貫通孔２２１、２３１が形成されている。また、一対の軸受け２２、２３は、基体２の前後方向に沿って対向して配置されている。したがって、各貫通孔２２１、２３１および後述する押圧体５の中心部５０にわたって軸９が挿入されることにより、押圧体５が基体２に対して図３中の左右方向に回動可能になっている。

また、基体２には、軸受け２２、２３を介して左右両側に、ヨーク３を基体２に固定するためのネジ８１、８２を螺合する一対のネジ穴２４１、２４２が形成されている。

かかる基体２の構成材料としては、例えば、金属材料、半導体材料、セラミックス材料、樹脂材料等が挙げられ、これらの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
この基体２の上面には、磁性材料で構成された平板状のヨーク３が固定されている。

＜＜ヨーク３＞＞
ヨーク３は、本実施形態では、右側部位３１と左側部位３２とで構成されている。各部位３１、３２は、長尺の板材を軸方向の途中で屈曲（または湾曲）させたような形状、すなわち、平面視においてほぼＣ字状をなしている。

各部位３１、３２は、図２および図３に示すように、その一端部がコイル７（ボビン７１）の内腔部に挿入され、一端同士がコイル７内で互いに接触している。一方、この状態で、各部位３１、３２の他端同士は、図３および図６に示すように、接触していない。

各部位３１、３２の軸方向の途中には、その厚さ方向に貫通する貫通孔３１１、３２１が形成されている。ネジ８１、８２のネジ部が貫通孔３１１、３２１に挿通され、基体２のネジ穴２４１、２４２に螺合することにより、ヨーク３（右側部位３１および左側部位３２）が基体２に固定されている。

また、図５に示すように、各部位３１、３２の他端部には、その上面に凹部３１２、３２２が形成されている。各凹部３１２、３２２には、永久磁石４１、４２が保持されている。すなわち、各凹部３１２、３２２が永久磁石４１、４２を保持する保持構造を構成する。

ヨーク３を構成する磁性材料としては、例えば、純鉄（例えば、ＪＩＳ ＳＵＹ）、軟鉄、炭素鋼、電磁鋼（ケイ素鋼）、高速度工具鋼、構造鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＳ４００）、ステンレスマーマロイ等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

凹部３１２、３２２には、それぞれ、例えば、嵌合、溶接、接着剤による接着等の方法により、永久磁石４１、４２が固定されている。

＜＜永久磁石４１、４２＞＞
永久磁石４１、４２は、磁歪体６１、６２の直下に配置され、磁歪体６１、６２にバイアス磁界を印加する。

図３に示すように、永久磁石４１は、Ｎ極をヨーク３側に、Ｓ極を磁歪体６１側にして配置され、永久磁石４２は、Ｓ極をヨーク３側に、Ｎ極を磁歪体６２側にして配置されている。これにより、発電素子１には、永久磁石４１、４２が発生する磁力線が、磁歪体６１、６２、押圧体５の下端部（中心部５０および押圧部５１、５２）およびヨーク（ループ形成体）３を通過して、永久磁石４１、４２に戻るようなループ（時計周りの磁界ループ）が形成されている。

永久磁石４１、４２には、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石や、それらを粉砕して樹脂材料やゴム材料に混練した複合素材を成形してなる磁石（ボンド磁石）等を用いることができる。

永久磁石４１、４２の上方には、基体２に回動可能に支持された押圧体５が配置されている。

＜＜押圧体５＞＞
押圧体５は、円筒状の中心部５０と、中心部５０の側方に突出して設けられた一対の押圧部５１、５２と、中心部５０に接続された棒状部５９とで構成されている。そして、回動中心となる軸９が軸受け２２、２３の貫通孔２２１、２３１および中心部５０の貫通孔（中腔部）に挿入され、押圧体５が基体２に対して回動可能となっている。

なお、本実施形態では、軸９と中心部５０とは別体で構成されているが、これらは一体であってもよい。この場合、円柱状の中心部５０の前端面および後端面のそれぞれに、細径の円柱を突出形成して、軸９とすることができる。また、軸受け２２、２３の内側面に、細径の円柱を突出形成して軸９として、これを円筒状の中心部５０の貫通孔に挿入するようにしてもよい。

一対の押圧部５１、５２は、中心部５０と一体的に形成され、軸９を介して対向するように配置されている。押圧部５１は、平板状をなし、その下面には、図４に示すように、Ｃ字状をなすリブ５１１が形成されている。このリブ５１１の内側に磁歪体６１が保持されている。すなわち、リブ５１１が磁歪体６１を保持する保持構造を構成する。なお、押圧部５２も押圧部５１と同様の構成を有し、その下面に磁歪体６２を保持している。

また、棒状部５９は、押圧体５に対して外力や振動を付与する部位であり、押圧部５１、５２と異なる位置（本実施形態では、各押圧部５１、５２とほぼ９０°をなす位置）において、中心部５０の外周面に接続されている。棒状部５９に対して、図６の右または左への外力、または、左右方向の振動を付与して、棒状部５９を、軸９を中心として（回動中心周りに）、左右方向に回動させる。これにより、押圧部５１、５２が回動する。

前述したように、本実施形態では、磁力線が押圧体５の下端部を通過するため、少なくとも中心部５０および押圧部５１、５２は、例えば、ヨーク３の構成材料と同様の磁性材料で構成される。一方、棒状部５９は、磁性材料を用いて、中心部５０および押圧部５１、５２と一体的に形成してもよく、非磁性材料を用いて、中心部５０および押圧部５１、５２と別体として形成してもよい。

かかる非磁性材料としては、特に限定されないが、例えば、金属材料、半導体材料、セラミックス材料、樹脂材料等が挙げられ、これらの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。なお、樹脂材料を用いる場合には、樹脂材料中にフィラーを添加することが好ましい。これらの中でも、金属材料を主成分とする非磁性材料を用いるのが好ましく、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、銅およびこれらを含む合金のうちの少なくとも１種を主成分とする非磁性材料を用いるのがより好ましい。

各押圧部５１、５２のサイズは、押圧部５１、５２の構成材料や、磁歪体６１、６２のサイズ等に応じて適宜設定され、特に限定されないが、その厚さは、０．５〜３ｍｍ程度であるのが好ましく、１〜２．５ｍｍ程度であるのがより好ましく、その幅（左右方向の長さ）は、１〜５ｍｍ程度であるのが好ましく、１．５〜３．５ｍｍ程度であるのがより好ましい。

また、棒状部５９のサイズも、棒状部５９の構成材料等に応じて適宜設定され、特に限定されないが、その厚さ（左右方向の長さ）は、０．５〜３ｍｍ程度であるのが好ましく、１〜２．５ｍｍ程度であるのがより好ましく、その幅（前後方向の長さ）は、２〜７ｍｍ程度であるのが好ましく、３〜６ｍｍ程度であるのがより好ましく、その長さは、１０〜７０ｍｍ程度であるのが好ましく、２０〜６０ｍｍ程度であるのがより好ましい。

このような押圧体５の押圧部５１、５２（リブ５１１）には、それぞれ、例えば、嵌合、溶接、接着剤による接着等の方法により、磁歪体６１、６２が固定されている。

＜＜磁歪体６１、６２＞＞
磁歪体６１、６２は、それぞれ、磁歪材料で構成され、磁化が生じ易い方向（磁化容易方向）を上下方向（軸方向）として配置されている。各磁歪体６１、６２は、厚さが比較的小さい円柱状をなしており、その軸方向に磁力線を通過させるように配置されている。

また、２つの磁歪体６１、６２は、押圧体５の軸９（回動中心）を介して、左右両側に、永久磁石４１、４２に対応するように配置されている。かかる構成により、２つの磁歪体６１、６２は、それぞれ、対応する押圧部５１、５２で交互に押圧されるようになっている。

各磁歪体６１、６２の横断面積（軸方向に対してほぼ垂直な方向での断面積）は、特に限定されないが、１〜４０ｍｍ^２程度であるのが好ましく、２〜２０ｍｍ^２程度であるのがより好ましい。これにより、各磁歪体６１、６２の軸方向に磁力線を十分に通過させることができる。また、高価な磁歪材料の使用量を低減しつつも、その効果を最大限に発揮し得る発電素子１を得ることができる。

また、各磁歪体６１、６２の長さ（厚さ）は、特に限定されないが、０．１〜２ｍｍ程度であるのが好ましく、０．５〜１．５ｍｍ程度であるのがより好ましい。各磁歪体６１、６２の長さを、かかる範囲に設定することにより、各磁歪体６１、６２により均一な圧縮応力を生じさせることができ、発電素子１の発電効率を向上することができる。

磁歪材料のヤング率は、４０〜１００ＧＰａ程度であるのが好ましく、５０〜９０ＧＰａ程度であるのがより好ましく、６０〜８０ＧＰａ程度であるのがさらに好ましい。かかるヤング率を有する磁歪材料で各磁歪体６１、６２を構成することにより、各磁歪体６１、６２をより大きく圧縮することができる。このため、各磁歪体６１、６２の透磁率をより大きく変化させることができるので、発電素子１（コイル７）の発電効率をより向上させることができる。

かかる磁歪材料としては、特に限定されないが、例えば、鉄−ガリウム系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−ニッケル系合金等が挙げられ、これらの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、鉄−ガリウム系合金（ヤング率：約７０ＧＰａ）を主成分とする磁歪材料が好適に用いられる。鉄−ガリウム系合金を主成分とする磁歪材料は、前述したようなヤング率の範囲に設定し易い。

また、以上のような磁歪材料は、Ｙ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍのような希土類金属のうちの少なくとも１種を含むのが好ましい。これにより、磁歪体６１の透磁率の変化をより大きくすることができる。

前述したヨーク（ループ形成体）３の軸方向の途中、すなわち、磁界ループの途中には、ヨーク３を囲むようにコイル７が配置されている。

＜＜コイル７＞＞
コイル７には、磁歪体６１、６２の透磁率の変化による磁界ループ中の磁力線の密度（磁束密度）の変化に基づいて、電圧が発生する。このコイル７は、ヨーク３の外周側に、ヨーク３を囲むように配置された四角筒状のボビン７１と、このボビン７１に巻回された線材７２とで構成され、基体２の凹部２１内に収容されている。

かかる構成によれば、コイル７の体積の制限がなくなるため、発電効率、負荷インピーダンス、目標とする電圧値、目標とする電流値等に応じて、コイル７を構成する線材７２の巻き数、線材７２の横断面積（線径）等の選択の幅が広がる。

なお、ボビン７１の構成材料としては、例えば、棒状部５９の構成材料と同様の材料を用いることができる。また、線材７２としては、特に限定されないが、例えば、銅製の基線に絶縁被膜を被覆した線材や、銅製の基線に融着機能を付加した絶縁被膜を被覆した線材等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

線材７２の巻き数は、線材７２の横断面積等に応じて適宜設定され、特に限定されないが、１００〜５００程度であるのが好ましく、１５０〜４５０程度であるのがより好ましい。また、線材７２の横断面積は、５×１０^−４〜０．１２６ｍｍ^２程度であるのが好ましく、２×１０^−３〜０．０３ｍｍ^２程度であるのがより好ましい。

なお、線材７２の横断面形状は、例えば、三角形、正方形、長方形、六角形のような多角形、円形、楕円形等のいかなる形状であってもよい。

このような発電素子１では、図６（ａ）に示すように、押圧体５の棒状部５９を右側に傾けると、すなわち、棒状部５９を軸９を中心として右方に回動させると、押圧部５１が下方に移動して、永久磁石４１に接近する。これにより、磁歪体６１が、その軸方向に押圧部５１と永久磁石４１とにより圧縮される。その結果、逆磁歪効果により磁歪体６１の透磁率が変化して、磁歪体６１を通過する磁力線の密度（コイル７の内腔部を軸方向に貫く磁力線の密度）が変化することにより、コイル７に電流が発生する。また、このとき、押圧部５２は、これに保持（固定）された磁歪体６２とともに、永久磁石４２から離間する方向（上方）に移動するが、永久磁石４１と磁歪体６１とは固定されていないため、磁歪体６２は、引張されない。

一方、図６（ｂ）に示すように、押圧体５の棒状部５９を左側に傾けると、すなわち、棒状部５９を軸９を中心として左方に回動させると、押圧部５２が下方に移動して、永久磁石４２に接近する。これにより、磁歪体６２が、その軸方向に押圧部５２と永久磁石４２とにより圧縮される。その結果、逆磁歪効果により磁歪体６２の透磁率が変化して、磁歪体６２を通過する磁力線の密度（コイル７の内腔部を軸方向に貫く磁力線の密度）が変化することにより、コイル７に電圧が発生する。また、このとき、押圧部５１は、これに保持（固定）された磁歪体６１とともに、永久磁石４１から離間する方向（上方）に移動するが、永久磁石４２と磁歪体６２とは固定されていないため、磁歪体６１は、引張されない。

このように、本発明によれば、各磁歪体６１、６２を引張することなく、圧縮するのみで発電を行う。このため、各磁歪体６１、６２を引張するために他の部材（本実施形態では、押圧体５や各永久磁石４１、４２）との間に強固な接合を要しない。このため、各部材の構成を単純化することができ、発電素子１の製造コストを低減することや、組立に要する手間を省くことができる。

また、梃の原理を用いて押圧部５１、５２で、それぞれ対応する磁歪体６１、６２を圧縮するため、棒状部５９の上端（開放端）に付与する力（外力または振動）が小さくとも、各磁歪体６１、６２に比較的大きな圧縮力を付与することができる。

さらに、磁歪体６１、６２を圧縮することにより逆磁歪効果を発現させるため、磁歪体６１、６２のサイズを小さくしても、十分な逆磁歪効果が効果的に発揮される。このため、磁歪材料の体積当たりの発電に寄与する割合を高めることができるので、高価な磁歪材料の使用量を削減することができる。これは、発電素子１の軽量化、小型化、低価格化に寄与する。

ここで、図７に示すように、棒状部の支点と、棒状部に力を付与する力点との間に、磁歪体を押圧する作用点が存在する場合、棒状部に付与する外力や振動の大きさ、外力や振動を付与する位置および方向、または、棒状部の構成材料等によっては、棒状部の変形（撓み）による荷重が、磁歪体に伝達され、磁歪体に一様な圧縮応力を生じさせることができない場合がある。

これに対して、本実施形態では、押圧体５の回動中心（支点）と、棒状部５９に力を付与する開放端（力点）との間に、各磁歪体６１、６２を押圧する各押圧部５１、５２（作用点）が存在しない。このため、各押圧部５１、５２で各磁歪体６１、６２を押圧する際に、棒状部５９の変形（撓み）による荷重が、各磁歪体６１、６２に伝達されるのを防止することができる。これにより、押圧体５の棒状部５９を右側に傾けた場合には、磁歪体６１に加えられる荷重は、下方に向かう荷重が主となるため、磁歪体６１に一様な圧縮応力を生じさせることができる（図６（ａ）および図８参照）。一方、押圧体５の棒状部５９を左側に傾けた場合には、磁歪体６２に加えられる荷重は、やはり下方に向かう荷重が主となるため、磁歪体６２に一様な圧縮応力を生じさせることができる（図６（ｂ）および図９参照）。これにより、十分な逆磁歪効果がより効果的に発揮される。

また、棒状部５９の大きさ、形状や重量は、適宜変更することが可能である。例えば、棒状部５９の長さを短くすることで、発電素子１を低背化（薄型化）することができる。また、例えば、棒状部５９の上端部の形状を変更して、カム機構や錘を接続することもできる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の発電素子の第２実施形態について説明する。

図１０は、本発明の発電素子の第２実施形態を示す斜視図、図１１は、図１０中のＢ−Ｂ線断面図である。

なお、以下の説明では、図１０および図１１中の上側を「上」または「上方」と言い、下側を「下」または「下方」と言う。また、図１０および図１１中の紙面手前側を「前」または「前方」と言い、紙面奥側を「後」または「後方」と言う。さらに、図１０および図１１中の右側を「右」または「右方」と言い、左側を「左」または「左方」と言う。

以下、第２実施形態の発電素子について、前記第１実施形態の発電素子との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

第２実施形態の発電素子１では、押圧体５の構成が異なり、それ以外は、前記第１実施形態の発電素子１と同様である。すなわち、図１０および図１１に示すように、第２実施形態の押圧体５では、棒状部５９の左端部が中心部５０の後端面に接続されている。

また、棒状部５９の左端部は、中心部５０と同軸的（同心的）に設けられ、これらを貫通して軸９を挿通する貫通孔が形成されている。さらに、棒状部５９は、その軸方向が基体２の上面とほぼ平行となるように、中心部５０に接続されている。
かかる構成により、発電素子１のさらなる低背化（薄型化）を図ることができる。

なお、棒状部５９の軸方向と基体２の上面とのなす角度は、本実施形態のように、ほぼ０°に限定されるものでなく、任意の角度とすることができる。また、前記第１実施形態と同様に、棒状部５９の大きさ、形状や重量は、適宜変更することが可能である。このようなことから、発電素子１の設計の自由度がより高まる。

このような発電素子１では、図１１（ａ）に示すように、棒状部５９の右端を下方に移動させると、すなわち、棒状部５９を軸９を中心として下方に回動させると、押圧部５１が下方に移動して、永久磁石４１に接近する。これにより、磁歪体６１が、その軸方向に押圧部５１と永久磁石４１とにより圧縮される。その結果、逆磁歪効果により磁歪体６１の透磁率が変化して、磁歪体６１を通過する磁力線の密度（コイル７の内腔部を軸方向に貫く磁力線の密度）が変化することにより、コイル７に電圧が発生する。また、このとき、押圧部５２は、これに保持（固定）された磁歪体６２とともに、永久磁石４２から離間する方向（上方）に移動するが、永久磁石４１と磁歪体６１とは固定されていないため、磁歪体６２は、引張されない。

一方、図１１（ｂ）に示すように、棒状部５９の右端を上方に移動させると、すなわち、棒状部５９を軸９を中心として上方に回動させると、押圧部５２が下方に移動して、永久磁石４２に接近する。これにより、磁歪体６２が、その軸方向に押圧部５２と永久磁石４２とにより圧縮される。その結果、逆磁歪効果により磁歪体６２の透磁率が変化して、磁歪体６２を通過する磁力線の密度（コイル７の内腔部を軸方向に貫く磁力線の密度）が変化することにより、コイル７に電圧が発生する。また、このとき、押圧部５１は、これに保持（固定）された磁歪体６１とともに、永久磁石４１から離間する方向（上方）に移動するが、永久磁石４２と磁歪体６２とは固定されていないため、磁歪体６１は、引張されない。

かかる第２実施形態の発電素子１によっても、前記第１実施形態の発電素子１と同様の作用・効果を生じる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の発電素子の第３実施形態について説明する。

図１２は、本発明の発電素子の第３実施形態を示す斜視図、図１３は、図１２に示す発電素子の中央付近を示す斜視図である。

なお、以下の説明では、図１２および図１３中の上側を「上」または「上方」と言い、下側を「下」または「下方」と言う。また、図１２および図１３中の紙面手前側を「前」または「前方」と言い、紙面奥側を「後」または「後方」と言う。さらに、図１２および図１３中の右側を「右」または「右方」と言い、左側を「左」または「左方」と言う。

以下、第３実施形態の発電素子について、前記第１および第２実施形態の発電素子との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

第３実施形態の発電素子１では、コイル７の配置位置が異なり、それ以外は、前記第１実施形態の発電素子１と同様である。すなわち、図１２に示すように、第３実施形態の発電素子１では、コイル７が各磁歪体６１、６２の外周側に、各磁歪体６１、６２を囲むように配置されている。本実施形態では、各磁歪体６１、６２が長尺の（厚さが大きい）円柱状をなし、コイル７は、各磁歪体６１、６２の外周面に線材７２を卷回することにより構成されている。

永久磁石４１、４２の直上の部位は、磁力線の密度（磁束密度）が最も高く、かつ、磁力線の密度の変化量が大きい。このため、当該部位に位置する各磁歪体６１、６２の外周側にコイル７を配置することにより、発電素子１の発電効率をより向上することができる。

本実施形態では、各磁歪体６１、６２の長さ（厚さ）は、特に限定されないが、１〜８ｍｍ程度であるのが好ましく、２〜５ｍｍ程度であるのがより好ましい。各磁歪体６１、６２の長さを、かかる範囲に設定することにより、各磁歪体６１、６２の機械的強度が極端に低下するのを防止しつつ、各磁歪体６１、６２に均一な圧縮応力を生じさせることができる。

なお、前記第１および第２実施形態と同様に、コイル７は、各磁歪体６１、６２の外周側に、各磁歪体６１、６２を囲むように配置したボビン７１と、このボビン７１に卷回された線材７２とで構成するようにしてもよい。

かかる第３実施形態の発電素子１によっても、前記第１および第２実施形態の発電素子１と同様の作用・効果を生じる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の発電素子の第４実施形態について説明する。
図１４は、本発明の発電素子の第４実施形態の中央付近を示す部分断面拡大図である。

なお、以下の説明では、図１４中の上側を「上」または「上方」と言い、下側を「下」または「下方」と言う。また、図１４中の紙面手前側を「前」または「前方」と言い、紙面奥側を「後」または「後方」と言う。さらに、図１４中の右側を「右」または「右方」と言い、左側を「左」または「左方」と言う。

以下、第４実施形態の発電素子について、前記第１〜第３実施形態の発電素子との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

第４実施形態の発電素子１では、押圧部が磁歪体を保持する保持構造の構成が異なり、それ以外は、前記第３実施形態の発電素子１と同様である。

図１４に示すように、磁歪体６２は、コイル７の線材７２を卷回する細径部６２１と、細径部６２１より上側に位置し、細径部６２１より拡径したネジ部６２２とを備えている。また、押圧部５２には、その厚さ方向に貫通し、磁歪体６２のネジ部６２２に螺合するネジ孔５２１が形成されている。細径部６２１をネジ孔５２１に挿通し、ネジ部６２２をネジ孔５２１に螺合させることにより、磁歪体６２が押圧部５２に保持（固定）されている。すなわち、本実施形態では、ネジ部６２２とネジ孔５２１とにより、押圧部が磁歪体を保持する保持構造が構成されている。

なお、磁歪体６１および押圧部５１も、磁歪体６２および押圧部５２と同様の構成を有している。

かかる構成により、発電素子１に不要な外力が付与され、基体２、ヨーク３、磁歪体６１、６２または押圧体５に撓みが生じても、押圧体５（押圧部５１、５２）と磁歪体６１、６２とを安定的に固定することができる。

また、コイル７の最大外径を、ネジ孔５２１の最小外径より小さくすることにより、予め、細径部６２１の外周に線材７２を卷回してコイル７を形成しておき、コイル７を備える磁歪体６２をネジ孔５２１に挿通し、ネジ部６２２をネジ孔５２１に螺合させることで、磁歪体６２を押圧部５２に固定することもできる。これにより、発電素子１の組み立てに要する手間をより削減することができる。

さらに、ネジ部６２２のネジ孔５２１へのねじ込み深さを変更することにより、磁歪体６２の下端と永久磁石４２との距離を調整することができる。これにより、磁歪体６２を通過する磁力線の密度を任意に設定することが可能である。また、磁歪体６２の下端を永久磁石４２に接触させた状態で、例えば、ネジロック剤や接着剤等で磁歪体６２と押圧部５２とを固定（固着）したり、中心部５０と軸９とを固定（固着）すれば、押圧体５の基体２に対するガタツキを防止することができる。これにより、押圧体５のガタツキにより磁歪体６２を圧縮できないような不都合を確実に防止することができる。

なお、磁歪体６２のネジ部６２２は、細径部６２１より単に拡径した拡径部（すなわち、外周面にネジ溝またはネジ山が形成されていない拡径部）で構成することもできる。この場合、押圧部５２に、ネジ孔５２１に代えて、内径が磁歪体６２の拡径部の外径より若干小さい貫通孔を設け、拡径部を貫通孔に嵌合することにより、磁歪体６２を押圧部５２に固定することができる。

また、磁歪体６２の細径部６２１の外周面にも、すなわち、磁歪体６２の全長にわたってネジ溝（またはネジ山）を形成するようにしてもよい。この場合、細径部６２１にコイル７を構成する線材７２を卷回し易くなるとともに、細径部６２１にコイル７を確実に保持し易い。

かかる第４実施形態の発電素子１によっても、前記第１〜第３実施形態の発電素子１と同様の作用・効果を生じる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の発電素子の第５実施形態について説明する。
図１５は、本発明の発電素子の第５実施形態の中央付近を示す斜視図である。

なお、以下の説明では、図１５中の上側を「上」または「上方」と言い、下側を「下」または「下方」と言う。また、図１５中の紙面手前側を「前」または「前方」と言い、紙面奥側を「後」または「後方」と言う。さらに、図１５中の右側を「右」または「右方」と言い、左側を「左」または「左方」と言う。

以下、第５実施形態の発電素子について、前記第１〜第４実施形態の発電素子との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

第５実施形態の発電素子１では、押圧体の構成が異なり、それ以外は、前記第１実施形態の発電素子１と同様である。すなわち、図１５に示すように、第５実施形態の押圧体５では、押圧部５２が省略され、かつ、棒状部５９の左端部が軸受け２３を介して中心部５０の後方側（反対側）において軸９に接続されている。なお、中心部５０は、各磁歪体６１、６２と接触して設けられるか、磁界ループが遮断されない程度に、各磁歪体６１、６２から離間して設けられている。

かかる構成によれば、棒状部５９をほぼ１８０°回動させることにより、１つの押圧部５１で、磁歪体６１、６２を交互に押圧して、それらを軸方向に圧縮することができる。

かかる第５実施形態の発電素子１によっても、前記第１〜第４実施形態の発電素子１と同様の作用・効果を生じる。

＜第６実施形態＞
次に、本発明の発電素子の第６実施形態について説明する。
図１６は、本発明の発電素子の第６実施形態の中央付近を示す断面図である。

なお、以下の説明では、図１６中の上側を「上」または「上方」と言い、下側を「下」または「下方」と言う。また、図１６中の紙面手前側を「前」または「前方」と言い、紙面奥側を「後」または「後方」と言う。さらに、図１６中の右側を「右」または「右方」と言い、左側を「左」または「左方」と言う。

以下、第６実施形態の発電素子について、前記第１〜第５実施形態の発電素子との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

第６実施形態の発電素子１では、永久磁石４１、押圧体５および磁歪体６１の構成が異なり、それ以外は、前記第２実施形態の発電素子１と同様である。

図１６に示す発電素子１では、ヨーク３を構成する右側部位３１と左側部位３２との間に、左側部位３２の他端に接触して、平板状の永久磁石４３が設けられ、永久磁石４３および右側部位３１の他端の双方に接触して平板状の磁歪体６３が設けられている。また、磁歪体６３は、その磁化容易方向を左右方向（軸方向）として配置されている。このような発電素子１においても、時計周りの磁界ループが形成されている。なお、本実施形態の場合、磁界ループを形成する磁力線は、押圧体５を通過しないため、押圧体５全体を非磁性材料で構成することができる。

また、押圧体５は、中心部５０から側方かつ下方に向かって突出して設けられた１つの押圧部５３を備えている。この押圧部５３は、回動により、磁歪体６３を、その軸方向とほぼ直交する方向（上下方向）に圧縮する。これにより、磁歪体６３は、その軸方向に伸長する。このとき、逆磁歪効果により、磁歪体６３の透磁率が変化し、磁歪体６３を通過する磁力線の密度（コイル７の内腔部を貫く磁力線の密度）が変化することにより、コイル７に電圧が発生する。

かかる第６実施形態の発電素子１によっても、前記第１〜第５実施形態の発電素子１と同様の作用・効果を生じる。

以上のような発電素子は、送信器用電源、センサーネットワーク用電源、住宅照明用無線スイッチ、車両の各部の状態を監視するシステム（例えば、タイヤ空気圧センサー、シートベルト着装検知センサー）、住宅セキュリティー用システム（特に、窓やドアの操作検知を無線で知らせるシステム）等に用いることができる。

以上、本発明の発電素子を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各構成は、同様の機能を発揮し得る任意のものと置換することができ、あるいは、任意の構成のものを付加することができる。
例えば、前記第１〜第６実施形態の任意の構成を組み合わせることもできる。

また、２つの磁石のうち一方を省略することもでき、磁石の一方または双方を電磁石に置き換えることもできる。さらに、本発明の発電素子は、双方の磁石を省略し、外部磁場（外部磁界）を用いて発電する構成とすることもできる。

また、前記第１〜第５実施形態において、磁歪体は、その横断面形状（軸方向に対してほぼ直交する断面形状）が円形状をなしているが、例えば、楕円形状、三角形状、正方形状、長方形、六角形状のような多角形状であってもよい。

１…発電素子 ２…基体 ２１…凹部 ２２、２３…軸受け ２２１、２３１…貫通孔 ２４１、２４２…ネジ穴 ３…ヨーク ３１…右側部位 ３２…左側部位 ３１１、３２１…貫通孔 ３１２、３２２…凹部 ４１、４２、４３…永久磁石 ５…押圧体 ５０…中心部 ５１、５２、５３…押圧部 ５１１…リブ ５２１…ネジ孔 ５９…棒状部 ６１、６２、６３…磁歪体 ６２１…細径部 ６２２…ネジ部 ７…コイル ７１…ボビン ７２…線材 ８１、８２…ネジ ９…軸

Claims (12)

1. 磁歪材料で構成され、軸方向に磁力線を通過させる少なくとも１つの柱状の磁歪体と、
   回動により、前記磁歪体を押圧するよう配置された押圧部と、該押圧部を回動させる棒状部とを備える押圧体と、
   前記磁力線が、軸方向に通過するように配置され、その密度の変化に基づいて電圧が発生するコイルとを有し、
   前記棒状部の回動中心周りの回動により前記押圧部が回動し、該押圧部で前記磁歪体を押圧して圧縮することにより、前記磁力線の密度を変化させるよう構成したことを特徴とする発電素子。
2. 前記押圧体は、前記回動中心周りに回動する中心部を備え、
   前記押圧部が前記中心部の側方に突出するよう設けられるとともに、前記棒状部が前記押圧部と異なる位置において、前記中心部に接続されている請求項１に記載の発電素子。
3. 前記押圧部は、前記磁歪体を保持する保持構造を備える請求項１または２に記載の発電素子。
4. 前記少なくとも１つの磁歪体は、前記回動中心を介して両側に配置された２つの磁歪体を含み、該２つの磁歪体が前記押圧部により交互に押圧される請求項１ないし３のいずれかに記載の発電素子。
5. 前記コイルは、前記磁歪体の外周側に、前記磁歪体を囲むように配置されている請求項１ないし４のいずれかに記載の発電素子。
6. 前記磁歪材料は、鉄−ガリウム系合金を主成分とする請求項１ないし５のいずれかに記載の発電素子。
7. 前記磁歪材料は、そのヤング率が４０〜１００ＧＰａである請求項１ないし６のいずれかに記載の発電素子。
8. 前記押圧部は、磁性材料で構成され、前記磁歪体を、その軸方向に押圧するよう配置されている請求項１ないし７のいずれかに記載の発電素子。
9. 前記磁力線を発生する磁石と、
   磁性材料で構成され、前記磁石が発生した前記磁力線が前記磁石に戻るようなループを、少なくとも前記磁歪体および前記押圧部とともに形成するループ形成体とを有する請求項８に記載の発電素子。
10. 前記コイルは、前記ループ形成体の途中に、前記ループ形成体を囲むように配置されている請求項９に記載の発電素子。
11. 前記磁石は、前記磁歪体と前記ループ形成体との間に配置されている請求項９または１０に記載の発電素子。
12. 前記ループ形成体は、前記磁石を保持する保持構造を備える請求項９ないし１１のいずれかに記載の発電素子。

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