JP2014033508A - 発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、磁歪棒に一様な応力を生じさせ、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磁歪棒２と、非磁性材料で構成され、磁歪棒２に適切な応力を付与する機能を有する補強棒３とを併設するとともに、互いに接合部４１で接合してなる複合棒４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５とを有し、複合棒４の一端に対して他端を、その軸方向とほぼ垂直な方向に相対的に変位させて磁歪棒２を伸縮させることにより、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。

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、図１０に示すように、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。

また、発電効率を向上する観点からは、コイルを構成する線材の巻き数は、多い方がよいが、これには、磁歪棒同士の間隔を比較的大きく確保する必要がある。しかしながら、磁歪棒同士の間隔を大きくすると、１つの磁歪棒に一様な応力を生じさせることがより困難となる傾向がある。

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、磁歪棒に一様な応力を生じさせ、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磁歪棒と、非磁性材料で構成され、前記磁歪棒に適切な応力を付与する機能を有する補強棒とを併設するとともに、互いに接合部で接合してなる複合棒と、
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、
前記複合棒の一端に対して他端を、その軸方向とほぼ垂直な方向に相対的に変位させて前記磁歪棒を伸縮させることにより、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） 前記接合部において、前記磁歪棒の横断面積の平均値をＡ［ｍｍ^２］とし、前記補強棒の横断面積の平均値をＢ［ｍｍ^２］としたとき、Ｂ／Ａが０．８以上である上記（１）に記載の発電素子。

（３） 前記接合部において、前記複合棒は、その横断面積が前記一端から前記他端に向かって減少している上記（１）または（２）に記載の発電素子。

（４） 前記接合部において、前記補強棒は、その横断面積が前記複合棒の前記一端から前記他端に向かって減少し、かつ、前記磁歪棒は、その横断面積が前記複合棒の前記一端から前記他端に向かってほぼ一定である上記（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、前記複合棒の前記接合部の外周側に、前記複合棒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） 前記コイルは、前記複合棒の前記接合部の外周側に、前記複合棒を囲むように配置されたボビンと、該ボビンに巻回された線材とを備える上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の発電素子。

（７） 前記複合棒と前記ボビンとの間には、少なくとも前記複合棒の前記他端の側において空隙が形成されている上記（６）に記載の発電素子。

（８） 前記複合棒の前記他端の変位は、前記複合棒に振動を付与することによりなされ、前記空隙は、前記ボビンと振動する前記複合棒とが干渉しないようなサイズを有する上記（７）に記載の発電素子。

（９） 前記磁歪材料のヤング率と、前記非磁性材料のヤング率とがほぼ等しい上記（１）ないし（８）のいずれかに記載の発電素子。

（１０） 前記磁歪材料のヤング率および前記非磁性材料のヤング率は、それぞれ、４０〜１００ＧＰａである上記（１）ないし（９）のいずれかに記載の発電素子。

（１１） 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（１０）のいずれかに記載の発電素子。

（１２） 前記非磁性材料は、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種を主成分とする上記（１）ないし（１１）のいずれかに記載の発電素子。

本発明によれば、磁歪棒に適切な応力を付与する機能を有する補強棒を、磁歪棒に接合して複合棒とすることにより、磁歪棒を伸縮させる際に磁歪棒に一様な応力を生じさせることができ、その結果、発電効率を向上することができる。

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に示す発電素子の平面図である。 図１に示す発電素子の縦断面図（図１中のＡ−Ａ線断面図）である。 複合棒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実施形態を示す縦断面図である。 本発明の発電素子の第３実施形態を示す縦断面図である。 本発明の発電素子の第４実施形態を示す縦断面図である。 本発明の発電素子の第５実施形態を示す斜視図である。 平行に併設された２つの磁歪棒に生じる応力を解析した解析図である。

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に示す発電素子の平面図、図４は、図１に示す発電素子の縦断面図（図１中のＡ−Ａ線断面図）、図５は、複合棒に生じる応力を解析した解析図である。

なお、以下の説明では、図１、図２および図４中の上側および図３中の紙面手前側を「上」または「上方」と言い、図１、図２および図４中の下側および図３中の紙面奥側を「下」または「下方」と言う。また、図１〜図４中の右側を「先端」と言い、左側を「基端」と言う。

図１および図２に示す発電素子１は、軸方向に磁力線を通過させる磁歪棒２と磁歪棒２に適切な応力を付与する機能を有する補強棒３とを接合してなる複合棒４と、複合棒４が挿通されたコイル５と、複合棒４の両端部にそれぞれ設けられた第１の連結部６および第２の連結部７と、磁歪棒２にバイアス磁界を印加する磁界印加機構８とを有している。

かかる発電素子１では、複合棒４の基端（一端）に対して先端（他端）を、その軸方向とほぼ垂直な方向に相対的に変位させて、すなわち、図４に示すように上下方向に移動させて、磁歪棒２を伸縮させる。このとき、逆磁歪効果により磁歪棒２の透磁率が変化し、磁歪棒２を通過する磁力線の密度（コイル５を貫く磁力線の密度）が変化することにより、コイル５に電圧が発生する。

以下、各部の構成について説明する。
＜＜磁歪棒２＞＞
磁歪棒２は、磁歪材料で構成され、磁化が生じ易い方向（磁化容易方向）を軸方向として配置されている。この磁歪棒２は、長尺の四角柱状をなしており、その軸方向に磁力線を通過させる。

また、磁歪棒２は、その先端側に本体部２１と、基端側に厚さが本体部２１より薄い薄肉部２２とを備えている。磁歪棒２（複合棒４）は、この薄肉部２２において第１の連結部６に連結されている。一方、磁歪棒２（複合棒４）は、その先端部において第２の連結部７に連結されている。

本実施形態では、磁歪棒２は、本体部２１の厚さ（横断面積）が軸方向に沿ってほぼ一定となっている。本体部２１の平均厚さは、特に限定されないが、０．３〜１０ｍｍ程度であるのが好ましく、０．５〜５ｍｍ程度であるのがより好ましい。なお、本体部２１の平均横断面積では、０．２〜２００ｍｍ^２程度であるのが好ましく、０．５〜５０ｍｍ^２程度であるのがより好ましい。

また、薄肉部２２の平均厚さも、特に限定されないが、０．２〜６ｍｍ程度であるのが好ましく、０．３〜３ｍｍ程度であるのがより好ましい。なお、薄肉部２２の平均横断面積では、０．１〜８０ｍｍ^２程度であるのが好ましく、０．２〜２０ｍｍ^２程度であるのがより好ましい。

かかる構成により、磁歪棒２の軸方向に磁力線を確実に通過させることができるとともに、本体部２１と薄肉部２２との境界部（段差部）における磁歪棒２の機械的強度の低下を防止することができる。

また、薄肉部２２には、その厚さ方向に貫通して貫通孔２２１が形成されている。この貫通孔２２１に第１の連結部６のピン６２が挿入され、これにより、磁歪棒２（複合棒４）が第１の連結部６の本体部６１に固定（連結）される。

一方、本体部２１の先端部には、その厚さ方向に貫通して貫通孔２１１が形成されている。この貫通孔２１１に第２の連結部７のピン７２が挿入され、これにより、磁歪棒２（複合棒４）が第２の連結部７の本体部７１に固定（連結）される。

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磁歪棒２を構成することにより、磁歪棒２をより大きく伸縮させることができる。このため、磁歪棒２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５）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、磁歪棒２の透磁率の変化をより大きくすることができる。

かかる磁歪棒２には、補強棒３が併設され、これらが接合部（接合面）４１で互いに接合され、複合棒４が構成されている。

＜＜補強棒３＞＞
補強棒（剛性棒）３は、非磁性材料で構成されている。これにより、磁力線が発電素子１（複合棒４）を通過する際は、磁力線は、補強棒３の軸方向に通過することなく、選択的に磁歪棒２の軸方向に通過することとなる。

この補強棒３は、磁歪棒２と同様の形状をなしている。すなわち、補強棒３は、長尺の四角柱状をなしており、その先端側に本体部３１と、基端側に厚さが本体部３１より薄い薄肉部２２とを備えている。補強棒３（複合棒４）は、この薄肉部３２において第１の連結部６と連結されている。一方、補強棒３（複合棒４）は、その先端部において第２の連結部７に連結されている。

本実施形態では、補強棒３は、本体部３１の厚さ（横断面積）が軸方向に沿ってほぼ一定となっている。本体部３１の平均厚さ（平均横断面積）は、特に限定されないが、前記磁歪棒２の本体部２１の平均厚さ（平均横断面積）と同等とすることができる。また、薄肉部３２の平均厚さ（平均横断面積）も、特に限定されないが、前記磁歪棒２の薄肉部２２の平均厚さ（平均横断面積）と同等とすることができる。

これにより、複合棒４（発電素子１）が大型化するのを防止しつつ、補強棒３により磁歪棒２により適切な応力を付与することができる。また、本体部３１と薄肉部３２との境界部（段差部）における補強棒３の機械的強度の低下を防止することもできる。

また、薄肉部３２には、その厚さ方向に貫通して貫通孔３２１が形成されている。この貫通孔３２１に第１の連結部６のピン６２が挿入され、これにより、補強棒３（複合棒４）が第１の連結部６の本体部６１に固定（連結）される。

一方、本体部３１の先端部には、その厚さ方向に貫通して貫通孔３１１が形成されている。この貫通孔３１１に第２の連結部７のピン７２が挿入され、これにより、補強棒３（複合棒４）が第２の連結部７の本体部７１に固定（連結）される。

補強棒３を構成する非磁性材料のヤング率と、磁歪棒２を構成する磁歪材料のヤング率とは、異なっていてもよいが、ほぼ等しいことが好ましい。これにより、複合棒４の全体形状に係らず、複合棒４において上下方向の剛性を均一にすることができ、複合棒４の基端に対して先端を、その軸方向とほぼ垂直な方向へ円滑かつ確実に変位させることができる。具体的には、非磁性材料のヤング率は、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。

なお、アルムニウムおよびその合金のヤング率は、約７０ＧＰａ、マグネシウムおよびその合金のヤング率は、約４０ＧＰａ、亜鉛およびその合金のヤング率は、約８０ＧＰａ、銅およびその合金（黄銅）のヤング率は、約８０ＧＰａである。これらの金属材料は、安価であるものの、磁歪棒２に適切な応力を付与し得る補強棒３を得ることができるので、発電素子１の製造コストの削減に寄与する。

かかる補強棒３の本体部３１と磁歪棒２の本体部２１とが、接合部４１において互いに接合されて一体化されている。

この補強棒３と磁歪棒２との接合方法（接合部４１の形成方法）としては、例えば、超音波接合、固相状態のインサート金属を介して行う固相拡散接合、液相状態のインサート金属を介して行う液相拡散接合（ＴＬＰ接合）のような拡散接合、エポキシ系接着剤等の樹脂系接着剤を用いた接着、金、銀、銅、ニッケル合金等の金属ろう材を用いたろう接等が挙げられ、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。

このように補強棒３と磁歪棒２とを一体化して複合棒４を構成することにより、図５に示すように複合棒４の先端を下方に変位させると、磁歪棒２に一様な圧縮応力を生じさせることができる。また、図示しないが、複合棒４の先端を上方に変位させると、磁歪棒２に一様な引張応力を生じさせることができる。

このため、高価な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、発電素子１の軽量化、小型化、低価格化を図ることができる。

複合棒４の接合部４１に対応する部分の外周には、接合部４１を囲むように、コイル５が配置されている。

＜＜コイル５＞＞
コイル５は、線材５２を接合部４１の外周に巻回することにより構成されている。これにより、コイル５は、磁歪棒２を通過している磁力線が、その軸方向に通過する（内腔部を貫く）ように配設されている。このコイル５には、磁歪棒２の透磁率の変化、すなわち、磁歪棒２を通過する磁力線の密度（磁束密度）の変化に基づいて、電圧が発生する。

かかる構成によれば、コイル５の体積に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５を構成する線材の巻き数、線材の横断面積（線径）等の選択の幅が広がる。

線材５２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５２の巻き数は、線材５２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５２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５２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。
複合棒４の基端には、第１の連結部６が設けられている。

＜＜第１の連結部６＞＞
第１の連結部６は、発電素子１を筐体等に固定するための固定部として機能する。第１の連結部６を介して発電素子１を固定することにより、複合棒４は、その基端を固定端、先端を可動端として片持ち支持される。この第１の連結部６は、本体部６１とピン６２とで構成されている。

本体部６１は、その上面および下面のほぼ中央部に、先端から基端に貫通する溝６１１、６１２が形成されたブロック体で構成されている。すなわち、本体部６１は、基端（または先端）から見たときにＨ字状をなしている。また、本体部６１には、溝６１１、６１２の中央部に対応する位置に、厚さ方向に貫通する貫通孔６１３が形成されている。

発電素子１を組み立てる際には、溝６１１に補強棒３の薄肉部３２が挿入されるとともに、溝６１２に磁歪棒２の薄肉部２２が挿入され、貫通孔３２１、貫通孔６１３および貫通孔２２１にわたってピン６２が挿通され、これにより、複合棒４が第１の連結部６に対して固定される。

本実施形態では、ピン６２は、円柱状部材で構成されており、磁歪棒２、補強棒３および本体部６１に対して、例えば、嵌合、カシメ、溶接、接着剤による接着等の方法により固定されている。なお、ピン６２は、磁歪棒２、補強棒３および本体部６１に対して螺合する螺子で構成されてもよい。
一方、複合棒４の先端部には、第２の連結部７が設けられている。

＜＜第２の連結部７＞＞
第２の連結部７は、複合棒４に対して外力や振動を付与する部位である。第２の連結部７に対して、図４の上または下への外力、または、上下方向の振動を付与すると、複合棒４は、その基端を固定端とし、先端が上下方向に往復動（先端が基端に対して相対的に変位）する。この第２の連結部７は、本体部７１とピン７２とで構成されている。

本体部７１は、その先端から基端に貫通する挿入部７１１が形成されたブロック体で構成されている。すなわち、本体部７１は、四角筒状をなしている。また、本体部７１の上面および下面の中央部には、厚さ方向に貫通する貫通孔７１２、７１３が形成されている。

発電素子１を組み立てる際には、挿入部７１１に複合棒４の先端部が挿入され、貫通孔７１２、貫通孔３１１、貫通孔２１１および貫通孔７１３にわたってピン７２が挿通され、これにより、複合棒４が第２の連結部７に対して固定される。

本実施形態では、ピン７２は、円柱状部材で構成されており、磁歪棒２、補強棒３および本体部７１に対して、例えば、嵌合、カシメ、溶接、接着剤による接着等の方法により固定されている。なお、ピン７２は、磁歪棒２、補強棒３および本体部７１に対して螺合する螺子で構成されてもよい。

本体部６１、７１の構成材料としては、それぞれ、複合棒４を確実に固定することができ、複合棒４（特に、磁歪棒２）に対して、一様な応力を付与し得る十分な剛性を備え、かつ、磁歪棒２にバイアス磁界を付与し得る強磁性を備える材料であれば、特に限定されない。上記の特性を備える材料としては、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。

また、ピン６２、７２の構成材料としては、それぞれ、本体部６１、７１の構成材料と同様の材料の他、例えば、樹脂材料、セラミックス材料等を用いることもできる。

複合棒４の右側方には、磁歪棒２にバイアス磁界を印加する磁界印加機構８が設けられている。

＜＜磁界印加機構８＞＞
磁界印加機構８は、図１および図２に示すように、本体部６１の右側方に固定された永久磁石８１と、本体部７１の右側方に固定された永久磁石８２と、永久磁石８１と永久磁石８２とを接続する平板状のヨーク８３とで構成されている。

図３に示すように、永久磁石８１は、Ｓ極を本体部６１側に、Ｎ極をヨーク８３側にして配置され、永久磁石８２は、Ｎ極を本体部７１側に、Ｓ極をヨーク８３側にして配置されている。これにより、発電素子１には、反時計間周りの磁界ループが形成されている。

ヨーク８３の構成材料としては、例えば、本体部６１、７１の構成材料と同様の材料を用いることができる。また、永久磁石８１、８２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。なお、ヨーク８３は、永久磁石８１、８２とともに、例えば、接着剤等による接着により固定されるのが好ましい。

このような発電素子１では、第１の連結部６を、例えば筐体等に固定した状態（図３参照）から、第２の連結部７を下方に向かって変位（回動）させると、すなわち、複合棒４の基端に対して先端を下方に向かって変位させると、磁歪棒２が軸方向に圧縮されるように変形する。一方、第２の連結部７を上方に向かって変位（回動）させると、すなわち、複合棒４の基端に対して先端を上方に向かって変位させると、磁歪棒２が軸方向に伸長されるように変形する。その結果、逆磁歪効果により磁歪棒２の透磁率が変化して、磁歪棒２を通過する磁力線の密度（コイル５の内腔部を軸方向に貫く磁力線の密度）が変化する。これにより、コイル５に電圧が発生する。

特に、本発明では、磁歪棒２に一様な応力（圧縮応力または引張応力）を生じさせることができる。このため、発電素子１の発電効率を向上することができる。また、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、発電素子１の軽量化、小型化、低価格化にも寄与する。

＜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６は、本発明の発電素子の第２実施形態を示す縦断面図である。
なお、以下の説明では、図６中の上側を「上」または「上方」と言い、図６中の下側を「下」または「下方」と言う。また、図６中の右側を「先端」と言い、左側を「基端」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、複合棒４の全体形状が異なり、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６に示すように、第２実施形態の複合棒４の縦断面における厚さ（複合棒４の横断面積）が基端から先端に向かって連続的に減少している。

このように、複合棒４を、その厚さが固定側において大きく、可動側において小さくなるようなテーパ状とすることにより、磁歪棒２に生じる応力の分布をより確実に制御することができ、磁歪棒２の軸方向に対して、より均一に応力を付与することができる。このため、磁歪棒２の透磁率の変化量をより大きくすることができ、発電素子１の発電効率をより向上することができる。また、磁歪棒２に付与される応力がより均一となることで、磁歪棒２の外力や振動に対する耐久性も向上することができる。

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。

なお、複合棒４は、その横断面積が基端から先端に向かって段階的に減少するような構成であってもよい。

＜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７は、本発明の発電素子の第３実施形態を示す縦断面図である。
なお、以下の説明では、図７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７中の右側を「先端」と言い、左側を「基端」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、磁歪棒２の本体部２１の厚さと補強棒３の本体部３１の厚さとの関係が異なり、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。すなわち、図７に示すように、第３実施形態の複合棒４は、接合部４１において、補強棒３の厚さ（横断面積）が基端から先端に向かって連続的に減少し、かつ、磁歪棒２の厚さ（横断面積）が基端から先端に向かってほぼ一定である。

複合棒４全体において生じる応力が最も一様で、かつ、高くなる部位は、複合棒の変位方向における表面付近に集中する。したがって、当該部分に、厚さ（横断面積）が軸方向に対してほぼ一定の磁歪棒２を配置することにより、高価な磁歪材料の使用量を減少させることができるので、発電素子１の製造コストをさらに削減することができる。

このような構成にすることにより、比較的複雑な形状の補強棒３を、例えば、プレス加工、鍛造、鋳造等の方法を用いて形成することができる。一方、比較的単純な形状の磁歪棒２を、例えば、切削加工、レーザー加工等の方法を用いて形成することができる。

ここで、磁歪材料（例えば、鉄−ガリウム系合金）は、ある程度の延性を有するので、切削加工、レーザー加工等の方法を用いて形成することは容易であるが、曲げ加工、鍛造加工やプレス加工は若干難しい。また、曲げ加工、鍛造加工やプレス加工による残留応力は、磁歪棒２の逆磁歪効果に影響を与えるので、加工条件等によっては、磁歪棒２の磁力線を透過する能力が低下するおそれがある。したがって、磁歪棒２は、可能な限りシンプルな形状が好ましく、ほぼ均一な厚さを有する平板状は特に好ましい形状である。本実施形態では、この平板状の磁歪棒２を用いるため、発電素子１の組立性や、磁歪棒２の加工性を向上することができる。

このように、本実施形態では、磁歪材料の使用量を最小にしつつも、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、磁歪棒２の横断面積の平均値をＡ［ｍｍ^２］とし、補強棒３の横断面積の平均値をＢ［ｍｍ^２］としたとき、Ｂ／Ａが０．８以上であるのが好ましく、１以上であるのがより好ましく、１．２以上であるのがさらに好ましい。これにより、発電素子１の製造コストをより確実に低減しつつ、発電素子１の発電効率をより向上することができる。

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８は、本発明の発電素子の第４実施形態を示す縦断面図である。
なお、以下の説明では、図８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８中の右側を「先端」と言い、左側を「基端」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、コイル５の配置位置および構成が異なり、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。すなわち、図８に示すように、第４実施形態の発電素子１では、コイル５が、複合棒４の接合部４１の外周側に、複合棒４を囲むように配置されたボビン５１と、このボビン５１に巻回された線材５２とで構成されている。

ボビン５１は、四角筒体で構成され、第１の連結部６の本体部６１の先端面に、例えば、融着、溶接、接着剤による接着等の方法により固定されている。このため、本実施形態では、ボビン５１の内側において、複合棒４がコイル５から独立して変位することができる。したがって、複合棒４を変位させても、コイル５を構成する線材が変形することがない。その結果、コイル５の耐久性を向上することができる。

また、ボビン５１を構成する四角筒体は、横断面積がほぼ一定の内腔部を備えるため、複合棒４とボビン５１との間には、先端側に向かって徐々に離間距離が大きくなる空隙５１１が形成されている。なお、この空隙５１１は、複合棒４を振動により変位させる場合、ボビン５１と振動する複合棒４とが干渉しないようなサイズ、すなわち、複合棒４の振幅より大きいサイズを有するよう設定される。これにより、発電素子１は、効率よく発電することができる。

ボビン５１の構成材料としては、例えば、補強棒３の構成材料と同様の材料を用いることができる。

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。

なお、コイル５の線材５２を固定して一体化することにより、ボビン５１を省略してもよい。また、空隙５１１は、複合棒４とボビン５１との間であって、接合部４１の全体（全長）にわたって形成されていてもよい。

＜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９は、本発明の発電素子の第５実施形態を示す斜視図である。
なお、以下の説明では、図９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９中の右側を「先端」と言い、左側を「基端」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、コイル５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９に示すように、第５実施形態の発電素子１では、コイル５は、複合棒４の外周ではなく、ヨーク８３の外周に線材５２を巻回することにより構成されている。すなわち、コイル５は、磁歪棒２を通過した後の磁力線が、その軸方向に通過する（内腔部を貫く）ように配設されている。

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。

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５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つの永久磁石のうち一方を省略することもでき、永久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、双方の永久磁石を省略し、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、前記各実施形態において、磁歪棒および補強棒は、いずれも、その横断面形状が長方形状をなしているが、例えば、円形状、楕円形状、三角形状、正方形状、六角形状のような多角形状であってもよい。ただし、磁歪棒と補強棒との接合強度を確保する観点からは、磁歪棒および補強棒の双方が平坦な接合面を有する形状、特に、長方形状が好ましい。

１…発電素子 ２…磁歪棒 ２１…本体部 ２１１…貫通孔 ２２…薄肉部 ２２１…貫通孔 ３…補強棒 ３１…本体部 ３１１…貫通孔 ３２…薄肉部 ３２１…貫通孔 ４…複合棒 ４１…接合部 ５…コイル ５１…ボビン ５２…線材 ５１１…空隙 ６…第１の連結部 ６１…本体部 ６１１、６１２…溝 ６１３…貫通孔 ６２…ピン ７…第２の連結部 ７１…本体部 ７１１…挿入部 ７１２、７１３…貫通孔 ７２…ピン ８…磁界印加機構 ８１、８２…永久磁石 ８３…ヨーク

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磁歪棒と、非磁性材料で構成され、前記磁歪棒に適切な応力を付与する機能を有する補強棒とを併設するとともに、互いに接合部で接合してなる複合棒と、
   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、
   前記複合棒の一端に対して他端を、その軸方向とほぼ垂直な方向に相対的に変位させて前記磁歪棒を伸縮させることにより、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. 前記接合部において、前記磁歪棒の横断面積の平均値をＡ［ｍｍ^２］とし、前記補強棒の横断面積の平均値をＢ［ｍｍ^２］としたとき、Ｂ／Ａが０．８以上である請求項１に記載の発電素子。
3. 前記接合部において、前記複合棒は、その横断面積が前記一端から前記他端に向かって減少している請求項１または２に記載の発電素子。
4. 前記接合部において、前記補強棒は、その横断面積が前記複合棒の前記一端から前記他端に向かって減少し、かつ、前記磁歪棒は、その横断面積が前記複合棒の前記一端から前記他端に向かってほぼ一定である請求項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、前記複合棒の前記接合部の外周側に、前記複合棒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. 前記コイルは、前記複合棒の前記接合部の外周側に、前記複合棒を囲むように配置されたボビンと、該ボビンに巻回された線材とを備える請求項１ないし５のいずれかに記載の発電素子。
7. 前記複合棒と前記ボビンとの間には、少なくとも前記複合棒の前記他端の側において空隙が形成されている請求項６に記載の発電素子。
8. 前記複合棒の前記他端の変位は、前記複合棒に振動を付与することによりなされ、前記空隙は、前記ボビンと振動する前記複合棒とが干渉しないようなサイズを有する請求項７に記載の発電素子。
9. 前記磁歪材料のヤング率と、前記非磁性材料のヤング率とがほぼ等しい請求項１ないし８のいずれかに記載の発電素子。
10. 前記磁歪材料のヤング率および前記非磁性材料のヤング率は、それぞれ、４０〜１００ＧＰａである請求項１ないし９のいずれかに記載の発電素子。
11. 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１０のいずれかに記載の発電素子。
12. 前記非磁性材料は、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種を主成分とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の発電素子。

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