JP2014166011A - 発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】異音の発生やコイルの断線、電圧波形の乱れを抑制できる発電素子を提供すること。
【解決手段】導線が螺旋状に巻回されてコイル１３が形成され、磁歪棒１１がコイル１３に内設される。磁性材料から棒状に構成される剛性棒１２が磁歪棒１１に並設され、磁歪棒１１との間で磁気ループが形成される。磁歪棒１１及び剛性棒１２が並設される方向に磁歪棒１１が振動することで発電が行われる。コイル１３と磁歪棒１１との間に間隔保持部５０が介設され、振動する磁歪棒１１とコイル１３との衝突が間隔保持部５０により阻止される。よって、磁歪棒１１とコイル１３との衝突による異音の発生およびコイル１３（導線）の断線を防止できる。間隔保持部５０により磁歪棒１１がコイル１３に衝突することを防止できるので、電圧波形の乱れを抑制できる。
【選択図】図４

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、特に異音の発生やコイルの断線、電圧波形の乱れを抑制でき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１０（ａ）を参照して説明する。図１０（ａ）は、従来の発電素子９０１の正面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の矢印Ｘｂ方向視における発電素子９０１の側面図である。なお、図１０（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１０（ａ）及び図１０（ｂ）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の他端を支持すると共に質量体（可動マス）として機能する第２ヨーク９２２と、導線が螺旋状に巻回されると共に内側に一対の磁歪棒９１１，９１２がそれぞれ配設される一対のコイル９３１，９３２（但し、コイル９３２の図示は省略）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９４１，９４２と、それら一対の永久磁石９４１，９４２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９５０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（自由振動または強制振動）させることで、磁歪棒９１１，９１２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１０（ａ）に示すように、振り子運動により、磁歪棒９１１，９１２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、それぞれ発生する。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９３１，９３２に電流が発生し、発電が行われる。

国際公開第２０１１／１５８４７３号（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、コイルの内側に配設された磁歪棒が振動するので、磁歪棒がコイルに繰返し衝突すると、衝突音（異音）が発生したりコイル（導線）が断線したりするという問題がある。また、磁歪棒がコイルに衝突する衝撃で、出力される電圧波形が乱れるという問題がある。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、異音の発生やコイルの断線、電圧波形の乱れを抑制でき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、導線が螺旋状に巻回されてコイルが形成され、磁歪材料から棒状に構成される磁歪棒がコイルに内設される。磁性材料から棒状に構成される剛性棒が磁歪棒に並設され、磁歪棒との間で磁気ループが形成される。一対の保持部材により剛性棒および磁歪棒の軸方向両端がそれぞれ保持され、磁歪棒および剛性棒の軸方向一端側が固定される。磁歪棒および剛性棒が並設される方向に軸方向他端側が振動することで磁歪棒が軸方向に伸張または収縮して発電が行われる。

コイルと磁歪棒との間に間隔保持部が介設され、その間隔保持部により磁歪棒とコイルとの間隔が保持される。振動する磁歪棒とコイルとの衝突が間隔保持部により阻止されるので、磁歪棒とコイルとの衝突による異音の発生およびコイル（導線）の断線を防止できる効果がある。また、間隔保持部により磁歪棒がコイルに衝突することを防止できるので、電圧波形の乱れを抑制できる効果がある。

請求項２記載の発電素子によれば、導線が螺旋状に巻回されてコイルが形成され、磁歪材料から棒状に構成される磁歪棒がコイルに内設される。磁性材料から棒状に構成される剛性棒が磁歪棒に並設され、磁歪棒との間で磁気ループが形成される。一対の保持部材により剛性棒および磁歪棒の軸方向両端がそれぞれ保持され、磁歪棒および剛性棒の軸方向一端側が固定される。磁歪棒および剛性棒が並設される方向に軸方向他端側が振動することで磁歪棒が軸方向に伸張または収縮して発電が行われる。

コイルと磁歪棒との間に緩衝部が介設され、その緩衝部により磁歪棒とコイルとの衝突の衝撃が緩和される。振動する磁歪棒とコイルとの衝突の衝撃が緩衝部による緩和されるので、磁歪棒とコイルとの衝突による異音の発生およびコイルの断線を抑制できる効果がある。また、緩衝部により磁歪棒がコイルに衝突する衝撃を緩和するので、電圧波形の乱れを抑制できる効果がある。

請求項３記載の発電素子によれば、間隔保持部が弾性を有することで、間隔保持部は磁歪棒とコイルとの間で弾性変形する。その結果、磁歪棒の振動が間隔保持部を介してコイルにそのまま入力されることを防止できる。また、緩衝部が弾性を有することで、磁歪棒とコイルとの衝突の衝撃を緩衝部が吸収する。よって、磁歪棒の振動によりコイルに入力される曲げ荷重を抑制できる。また、コイルが弾性曲げ変形可能に構成されることにより、磁歪棒の振動（曲げ変形）によりコイルに作用する衝撃を抑制できる。従って、請求項１又は２に記載の効果に加え、コイルに入力される曲げ荷重によりコイル（導線）が断線することを防止できる効果がある。

請求項４記載の発電素子によれば、間隔保持部または緩衝部は、コイルの軸方向の一部に設けられるので、間隔保持部または緩衝部により磁歪棒の曲げ剛性が上昇することを抑制できる。磁歪棒の曲げ剛性の上昇を抑制することで、磁歪棒を振動させるために必要な加振エネルギーの増加を抑制できる。その結果、請求項１から３のいずれかの効果に加え、発電素子の発電効率（発電素子に入力された加振エネルギーに対する電力量の比率）を向上できる。また、間隔保持部または緩衝部による磁歪棒の曲げ剛性（ばね定数）の上昇を抑制できるので、磁歪棒の固有振動数（磁歪棒のばね定数の平方根に反比例する）が設計値からずれることを防止できる効果がある。

請求項５記載の発電素子によれば、間隔保持部または緩衝部は、少なくとも振動端側のコイルの軸方向端部に設けられる。振動端側のコイルの軸方向端部は、コイルの軸方向中央より、振動する磁歪棒との距離が近くなる。そのコイルの軸方向端部に間隔保持部または緩衝部が設けられるので、請求項１から４のいずれかの効果に加え、コイルと磁歪棒との衝突を効率良く抑制できる効果がある。

請求項６記載の発電素子によれば、間隔保持部または緩衝部は、振り子運動をする磁歪棒の少なくとも振動方向に設けられる。振り子運動をする磁歪棒の振動方向は、磁歪棒とコイルとの距離が近づく方向である。その磁歪棒の振動方向に間隔保持部または緩衝部が設けられるので、請求項１から５のいずれかの効果に加え、コイルと磁歪棒との衝突を効率良く抑制できる効果がある。

（ａ）は本発明の第１実施の形態における発電素子の平面図であり、（ｂ）は矢印Ｉｂ方向視における発電素子の側面図である。 （ａ）は固定部材の正面図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線における固定部材の断面図であり、（ｃ）は図２（ａ）の矢印ＩＩｃ方向視における固定部材の側面図である。 （ａ）はホルダ部材の正面図であり、（ｂ）は図３（ａ）の矢印ＩＩＩｂ方向視におけるホルダ部材の側面図である。 （ａ）は図１（ａ）のＩＶａ−ＩＶａ線におけるコイル及び磁歪棒の断面図であり、（ｂ）は図１（ｂ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線におけるコイル及び磁歪棒の断面図である。 第２実施の形態における発電素子のコイルの軸方向における断面図である。 （ａ）は第３実施の形態における発電素子のコイル及び磁歪棒の斜視図であり、（ｂ）はコイル及び磁歪棒の正面図である。 第４実施の形態における発電素子のコイル及び磁歪棒の軸方向における断面図である。 実施例および比較例における発電素子の加振振幅に対する発電圧を示す図である。 実施例および比較例における発電素子により発生した電圧波形を示す図である。 （ａ）は従来の発電素子の正面図であり、（ｂ）は図１０（ａ）の矢印Ｘｂ方向視における発電素子の側面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の第１実施の形態における発電素子１の平面図であり、図１（ｂ）は矢印Ｉｂ方向視における発電素子１の側面図である。なお、図１では、永久磁石１４，１５の磁極の向きの理解を容易とするために、その磁性を「Ｎ」「Ｓ」の表記を利用して便宜的に図中に図示する。

図１に示すように、発電素子１は、振動体に対し、一対の保持部材４０の内の一方を固着すると共に他方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１１及び剛性棒１２の軸直角方向（図１（ｂ）上下方向）へ他方の保持部材４０を振り子運動（自由振動または強制振動）させて使用される。この場合、振り子運動に伴う曲げ変形により軸方向の伸張および収縮が磁歪棒１１に発生することで、磁歪棒１１の軸方向と平行な方向に磁束密度が変化し、コイル１３に電流が発生することで、発電が行われる。

発電素子１は、磁歪材料から構成される磁歪棒１１及び磁性材料から構成される剛性棒１２と、磁歪棒１１に巻回されるコイル１３と、磁歪棒１１及び剛性棒１２の軸方向一端側（図１（ｂ）左側）及び他端側（図１（ｂ）右側）においてこれら磁歪棒１１及び剛性棒１２の対向間に挟装される一対の永久磁石１４，１５と、磁歪棒１１及び剛性棒１２の軸方向一端側および他端側にそれぞれ取着され磁歪棒１１及び剛性棒１２の対向間に永久磁石１４，１５が挟装された状態を保持する一対の保持部材４０とを備える。

磁歪棒１１及び剛性棒１２は、厚み寸法（図１（ｂ）上下方向寸法）に対して高さ寸法（図１（ａ）上下方向寸法）が大きな断面長方形（即ち、断面が長辺（高さ方向に沿う辺）及び短辺（厚み方向に沿う辺）を有する長方形）から長尺板状に形成される。

これら磁歪棒１１及び剛性棒１２は、互いに同一形状（寸法）に形成されると共に、面積が大きな側面（即ち、断面において長辺を含む側面）同士を対向させて平行に配置される。なお、剛性棒１２は、磁歪棒１１よりも磁歪効果の低い磁性材料から構成される。本実施の形態では、磁歪棒１１が鉄ガリウム合金から、剛性棒１２が鉄鋼材料から、それぞれ構成される。

コイル１３は、銅線から構成される線材（導線）を螺旋状に磁歪棒１１に巻回したものであり、コイル１３と磁歪棒１１との間に隙間が設けられる。永久磁石１４，１５は、磁歪棒１１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。なお、永久磁石１４，１５は、挟持対向部２２，２３の対向方向（図１（ｂ）上下方向）の寸法が厚み寸法とされる。

永久磁石１４，１５は、互いに磁極を違えて配設される。即ち、永久磁石１４は、磁歪棒１１に接続される面側（図１（ｂ）上側）にＮ極、剛性棒１２に接続される面側（図１（ｂ）下側）にＳ極が配置される一方、これとは反対に、永久磁石１５は、磁歪棒１１に接続される面側にＳ極、剛性棒１２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と、剛性棒１２と、永久磁石１４，１５とにより磁気ループが形成され、永久磁石１４，１５の起磁力によるバイアス磁界が磁歪棒１１に付与される。その結果、磁歪棒１１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の軸方向（長手方向）に設定される。

永久磁石１４，１５は、固定部材２０に形成（凹設）された収容空間に配設される。この収容空間の内面（挟持対向部２２，２３の対向面２２ｂ，２３ｂ、規制部２４の対向面および連結部２５の対向面、図２参照）や磁歪棒１１及び剛性棒１２の側面と、永久磁石１４，１５の対向面（側面）との対向間には隙間が形成され、この隙間に充填した接着剤により、永久磁石１４，１５が固定部材２０に固着される。

保持部材４０は、磁歪棒１１及び剛性棒１２の軸方向一端側および他端側にそれぞれ取着される一対の固定部材２０と、それら一対の固定部材２０がそれぞれ圧入されるホルダ部材３０とを備える。固定部材２０及びホルダ部材３０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。ここで、図２及び図３を参照して、固定部材２０及びホルダ部材３０の詳細構成について説明する。

図２（ａ）は、固定部材２０の側面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線における固定部材２０の断面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）の矢印ＩＩｃ方向視における固定部材２０の側面図である。

図２に示すように、固定部材２０は、ブロック状に形成されるベース部２１と、そのベース部２１の側面（図２（ａ）紙面手前側面）から突設されると共に所定間隔を隔てて対向される挟持対向部２２，２３と、それら挟持対向部２２，２３の対向間に位置しつつベース部２１の側面から突設される規制部２４と、挟持対向部２２，２３の対向間を連結しつつベース部２１の側面から突設される連結部２５とを備える。なお、固定部材２０は、高さ方向（図２（ａ）上下方向）中央に位置する仮想平面（図示せず）に対して面対称に形成される。

挟持対向部２２，２３は、磁歪棒１１及び剛性棒１２を永久磁石１４，１５へ向かう方向に挟み込んで挟持する部位であり（図１参照）、対向面２２ａ，２２ｂ及び対向面２３ａ，２３ｂがそれぞれ対向して形成される。対向面２２ａ，２２ｂ及び対向面２３ａ，２３ｂの対向間に形成される空間に、磁歪棒１１、剛性棒１２及び永久磁石１４，１５がそれぞれ収容される（図１参照）。

なお、対向面２２ａ，２３ａは互いに平行とされ、それら対向面２２ａ，２３ａの対向間隔（図２（ａ）上下方向の寸法）は、磁歪棒１１、剛性棒１２及び永久磁石１４，１５の厚み寸法（図１（ｂ）上下方向寸法）の合計よりも所定量（本実施の形態では０．０２ｍｍ）だけ大きくされる。同様に、対向面２２ｂ，２３ｂは互いに平行とされ、それら対向面２３ａ，２３ｂの対向間隔は、永久磁石１４，１５の厚み寸法よりも所定量（本実施の形態では０．０２ｍｍ）だけ大きくされる。

ベース部２１及び挟持対向部２２，２３（即ち、固定部材２０）の上面側および下面側（図２（ａ）上側または下側）には、固定部材２０をホルダ部材３０へ圧入する際の圧入方向に沿って傾斜する傾斜面２２ｃ及び傾斜面２３ｃが形成される。傾斜面２２ｃ及び傾斜面２３ｃは、規制部２４から連結部２５へ向かうに従って互いに異なる方向に傾斜（図２（ａ）に示す側面視において、傾斜面２２ｃは下降傾斜、傾斜面２３ｃは上昇傾斜）する傾斜面として形成される。この傾斜（勾配）によって、固定部材２０（ベース部２１及び挟持対向部２２，２３）は、図２（ａ）に示す側面視において、磁歪棒１１及び剛性棒１２の軸方向中央から軸方向端部へ向かうに従って先細りとなる形状に形成される（図１参照）。

なお、傾斜面２２ｃ，２３ｃは、水平面（上述した固定部材２０の対称面となる仮想平面）に対し傾斜角度θ１で傾斜される。この傾斜角度θ１は、本実施の形態では、２度に設定される。

規制部２４は、図２（ａ）に示す側面視形状が矩形とされる部位であり、挟持対向部２２，２３の対向面２２ａ，２３ａに対して所定の間隔を隔てて配設される。規制部２４と挟持対向部２２，２３の対向面２２ａ，２３ａとの間の間隔（図２（ａ）上下方向寸法）は、磁歪棒１１及び剛性棒１２の厚み寸法（図１（ｂ）上下方向寸法）と同等または若干大きくされる。また、規制部２４は、挟持対向部２２，２３の対向方向（図２（ａ）上下方向）の寸法である厚み寸法Ｗ１が、永久磁石１４，１５の厚み寸法よりも大きくされる。なお、本実施の形態では、規制部２４の厚み寸法Ｗ１が、連結部２５側に位置する対向面２２ｂ，２３ｂの対向間隔（図２（ａ）上下方向寸法）と同等に設定される。

挟持対向部２２，２３及び規制部２４は、連結部２５の反対側に位置する端面（図２（ａ）左側の面）が面一に形成されると共に、磁歪棒１１及び剛性棒１２の軸方向に垂直な平坦面として形成される（図１参照）。

連結部２５は、固定部材２０の先細りとなる側（規制部２４の反対側、図２（ａ）右側）に位置し、ベース部２１の側面からの高さ寸法（図２（ｂ）上下方向寸法）が、挟持対向部２２，２３及び規制部２４の高さ寸法と同一に設定される。連結部２５が対向面２２ｂ，２３ｂの間に介在することで、固定部材２０をホルダ部材３０へ圧入する際に、寸法公差が存在する場合や、圧入工程の精度が不足した場合でも、永久磁石１４，１５が対向面２２ｂ，２３ｂに押圧されることを抑制して、かかる永久磁石１４，１５が破損することを抑制できる。

図３を参照して、ホルダ部材３０について説明する。図３（ａ）は、ホルダ部材３０の側面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の矢印ＩＩＩｂ方向視におけるホルダ部材３０の側面図である。

ホルダ部材３０は、略直方体形状のベース部３１と、そのベース部３１の一側（図３（ａ）左側）から突設されると共に所定間隔を隔てて対向して配設される被圧入対向部３２，３３とを備える。なお、ホルダ部材３０は、高さ方向（図３（ａ）上下方向）中央に位置する仮想平面（図示せず）に対して面対称に形成される。

被圧入対向部３２，３３は、固定部材２０が圧入される部位であり、それら被圧入対向部３２，３３の互いに対向する面には、固定部材２０をホルダ部材３０へ圧入する際の圧入方向に沿って傾斜する傾斜面３２ａ，３３ａが形成される。傾斜面３２ａ，３３ａは、被圧入対向部３２，３３の突設先端側からベース部３１へ向かうに従って互いに異なる方向に傾斜（図３（ａ）に示す側面視において、傾斜面３２ａは下降傾斜、傾斜面３３ａは上昇傾斜）する傾斜面として形成される。この傾斜（勾配）によって、傾斜面３２ａ，３３ａの対向間隔は、ベース部３１へ向かうに従って狭くなる。

なお、傾斜面３２ａ，３３ａは、水平面（上述したホルダ部材３０の対称面となる仮想平面）に対し傾斜角度θ２で傾斜される。この傾斜角度θ２は、本実施の形態では、傾斜角度θ１（図２（ａ）参照）と同一とされ、２度に設定される。

次に図４を参照して、コイル１３と磁歪棒１１との関係について説明する。図４（ａ）は図１（ａ）のＩＶａ−ＩＶａ線におけるコイル１３及び磁歪棒１１の断面図であり、図４（ｂ）は図１（ｂ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線におけるコイル１３及び磁歪棒１１の断面図である。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）では、剛性棒１２の図示を省略している。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、螺旋状に形成されたコイル１３は、磁歪棒１１の幅（図４（ｂ）左右方向寸法）より内径が大きく設定される。そのコイル１３の内側に磁歪棒１１が配設され、コイル１３と磁歪棒１１との間に間隔保持部５０が介設される。間隔保持部５０はコイル１３と磁歪棒１１との間隔を保持するための部材であり、ゴム状弾性体により構成され、コイル１３の軸方向両端部にそれぞれ設けられている。本実施の形態では、間隔保持部５０は、磁歪棒１１の振動方向（図４（ｂ）上下方向）を臨む一面とコイル１３の内周面とに接着された第１間隔保持部５１と、磁歪棒１１の反対面を臨む一面とコイル１３の内周面とに接着された第２間隔保持部５２とを備えている。

次に発電素子１の組み立て方法について説明する。まず、自己融着線からなる導線同士が接着固定されたコイル１３（空芯コイル）に磁歪棒１１を挿通する。次いで、シリンジノズル（図示せず）の先端をコイル１３の軸方向端部に近づけ、シリンジノズルの先端から弾性接着剤をコイル１３と磁歪棒１１との間に注入する。弾性接着剤は、磁歪棒１１の振動方向（図４（ｂ）上下方向）を臨む一面とコイル１３の内周面との間に注入され、磁歪棒１１の反対面を臨む一面とコイル１３の内周面との間に注入される。注入された弾性接着剤は硬化後、第１間隔保持部５１及び第２間隔保持部５２となり、ゴム状弾性を維持する。

なお、弾性接着剤は、シリコーン系、変性シリコーン系、ポリウレタン系、ニトリルゴム系、合成ゴム系などの高分子化合物を含有するものが用いられる。また、弾性接着剤は、予め成分が混合された１成分型（１液性）、注入時に２液以上を混ぜる多成分型（２液性など）のいずれも用いることができる。

第１間隔保持部５１及び第２間隔保持部５２（間隔保持部５０）が形成された後、磁歪棒１１及び剛性棒１２の軸方向端部を、固定部材２０の収容空間に配設すると共に、永久磁石１４，１５を、固定部材２０の収容空間（磁歪棒１１及び剛性棒１２の対向間）に配設し、接着剤により接着固定する。次いで、ホルダ部材３０の被圧入対向部３２，３３の対向間へ固定部材２０を、磁歪棒１１及び剛性棒１２の軸方向（図１（ｂ）左右方向）を圧入方向として、圧入する。但し、永久磁石１４，１５の収容空間への取り付け（接着剤による接着固定）は、圧入が完了した後に行っても良い。

なお、固定部材２０は、上述したように、ベース部２１の側面から挟持対向部２２，２３が突設されることで、磁歪棒１１及び剛性棒１２と永久磁石１４，１５とを収容する収容空間が形成される（図２参照）。即ち、かかる収容空間は、ベース部２１と反対側（即ち、磁歪棒１１及び剛性棒１２を挟み込む方向と磁歪棒１１及び剛性棒１２の軸方向とにそれぞれ直交する方向の一方側、図２（ａ）紙面手前側）が開放して形成されるので、かかる収容空間に磁歪棒１１及び剛性棒１２と永久磁石１４，１５とを容易に配設することができる。

また、固定部材２０（挟持対向部２２，２３）の外面（傾斜面２２ｃ，２３ｃ）とホルダ部材３０の被圧入対向部３２，３３の内面（傾斜面３２ａ，３３ａ）とが、圧入方向に沿って傾斜する傾斜面として形成されるので、圧入の進行に伴い、固定部材２０（挟持対向部２２，２３）の傾斜面２２ｃ，２３ｃが、ホルダ部材３０の被圧入対向部３２，３３における傾斜面３２ａ，３３ａにより押圧される。これにより、挟持対向部２２，２３が互いに近接する方向（永久磁石１４，１５及び規制部２４を挟み込む方向）へ向けて撓み変形され、磁歪棒１１及び剛性棒１２が挟持される。その結果、発電素子１の組み立てが完了する。

以上のようにして組み立てられた発電素子１によれば、磁歪棒１１及び剛性棒１２の軸方向一端側が固定され、磁歪棒１１及び剛性棒１２が並設される方向（図１（ｂ）上下方向）に軸方向他端側が振動することで磁歪棒１１が軸方向に伸張または収縮して発電が行われる。コイル１３と磁歪棒１１との間に間隔保持部５０が介設され、その間隔保持部５０により磁歪棒１１とコイル１３との間隔が保持される。振動する磁歪棒１１とコイル１３との衝突が間隔保持部５０により阻止されるので、磁歪棒１１とコイル１３との衝突による異音の発生およびコイル１３（導線）の断線を防止できる。また、間隔保持部５０により磁歪棒１１がコイル１３に衝突することを防止できるので、電圧波形の乱れを抑制できる。

また、弾性を有する間隔保持部５０は、磁歪棒１１の振動に伴い磁歪棒１１とコイル１３との間で弾性変形する。その結果、磁歪棒１１の振動が間隔保持部５０を介してコイルにそのまま入力されることを防止できる。よって、磁歪棒１１の振動によりコイル１３に入力される曲げ荷重を抑制できる。従って、コイル１３に入力される曲げ荷重によりコイル１３（導線）が断線することを防止できる。また、コイル１３の剛性により磁歪棒１１の振動が抑制されることを防止できるので、発電効率が低下することを抑制できる。

また、間隔保持部５０は、コイル１３の軸方向の一部に設けられるので、間隔保持部５０により磁歪棒１１の曲げ剛性が上昇することを抑制できる。磁歪棒１１の曲げ剛性の上昇を抑制することで、磁歪棒１１を振動させるために必要な加振エネルギーの増加を抑制できる。その結果、発電素子１の発電効率（発電素子１に入力された加振エネルギーに対する電力量の比率）を向上できる。また、間隔保持部５０による磁歪棒１１の曲げ剛性（ばね定数）の上昇を抑制できるので、磁歪棒１１の固有振動数（磁歪棒１１のばね定数の平方根に反比例する）が設計値からずれることを防止できる。

コイル１３の軸方向端部は、コイル１３の軸方向中央より、振動する磁歪棒１１との距離が近くなる。そのコイル１３の軸方向端部に間隔保持部５０が設けられるので、コイル１３と磁歪棒１１との衝突を効率良く抑制できる。また、振り子運動をする磁歪棒１１の振動方向（図４（ｂ）上下方向）は、磁歪棒１１とコイル１３との距離が近づく方向である。その磁歪棒１１の振動方向に間隔保持部５０が設けられるので、コイル１３と磁歪棒１１との衝突を効率良く抑制できる。

また、コイル１３に磁歪棒１１を挿通した後、弾性接着剤がコイル１３と磁歪棒１１との間に注入されるので、注入された弾性接着剤によりコイル１３と磁歪棒１１との隙間に応じて間隔保持部５０が形成される。よって、コイル１３と磁歪棒１１との隙間を見込んで間隔保持部を予め成形して準備しておくことを不要にできる。また、弾性接着剤によりコイル１３と磁歪棒１１とが接着されるので、コイル１３と磁歪棒１１とが軸方向に相対移動（位置ずれ）することを防止できると共に、磁歪棒１１の振動により間隔保持部５０が摩耗することを抑制できる。

また、磁歪棒１１を固定部材２０に固定する前に、弾性接着剤をコイル１３と磁歪棒１１との間に注入するので、固定部材２０が弾性接着剤の注入の妨げ（コイル１３と磁歪棒１１との間へのシリンジノズルの挿入の妨げ）になることを防ぐことができ、コイル１３の軸方向両端部に間隔保持部５０を確実に設けることができる。

次に図５を参照して、第２実施の形態について説明する。第１実施の形態では、間隔保持部５０が磁歪棒１１及びコイル１３に接着される場合について説明した。これに対し第２実施の形態では、間隔保持部６０がコイル１３に接着される一方、磁歪棒１１を圧接する場合について説明する。なお、第１実施の形態と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図５は第２実施の形態における発電素子のコイル１３の軸方向における断面図である。図５では、便宜上、剛性棒１２等の図示を省略する。

図５に示すように、間隔保持部６０は、コイル１３の軸方向両端部の内周面にそれぞれ設けられる。間隔保持部６０は、熱硬化型の弾性接着剤がコイル１３の内周面の対向位置に塗布された後、加熱により硬化・形成される。弾性接着剤が硬化すると、間隔保持部６０がコイル１３の内周面の対向位置に凸起状に形成される。対向する間隔保持部６０の間隔（間隔保持部６０の凸起間の隙間）は、磁歪棒１１の厚さより少し狭めに設定される。次いで、間隔保持部６０の対向間に磁歪棒１１を圧入しつつコイル１３に磁歪棒１１を挿通する。その後、第１実施の形態と同様に、磁歪棒１１及び剛性棒１２を固定部材２０に圧入して、発電素子１を組み立てる。

第２実施の形態によれば、磁歪棒１１をコイル１３に挿入する前に、弾性接着剤をコイル１３の内周面に塗布して硬化させるので、磁歪棒１１が、コイル１３の内周面への弾性接着剤の塗布の妨げになることを防ぐことができ、コイル１３の軸方向両端部に間隔保持部６０を確実に設けることができる。

また、磁歪棒１１をコイル１３に挿入する前に、弾性接着剤をコイル１３の内周面に塗布して硬化させるので、弾性接着剤の硬化条件により磁歪棒１１の磁歪効果が低下することを防止できる。熱硬化型の弾性接着剤の場合、弾性接着剤を硬化させるためにコイル１３が加熱されるだけでなくキュリー温度以上に磁歪棒１１が加熱されると、磁歪効果が低下するからである。

なお、本実施の形態では、熱硬化型の弾性接着剤を用いる場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、熱硬化型以外の他の弾性接着剤を採用することは当然可能である。他の弾性接着剤としては、例えば、光硬化型、紫外線硬化型、湿気硬化型が挙げられる。

次に図６を参照して、第３実施の形態について説明する。第１実施の形態および第２実施の形態では、磁歪棒１１やコイル１３に塗布した弾性接着剤を硬化させることにより間隔保持部５０，６０を形成する場合について説明した。これに対し第３実施の形態では、弾性を有する環状の部材に磁歪棒１１を圧入する場合について説明する。なお、第１実施の形態で説明したものと同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図６（ａ）は第３実施の形態における発電素子のコイル１３及び磁歪棒１１の斜視図であり、図６（ｂ）はコイル１３及び磁歪棒１１の正面図である。

図６（ａ）に示すように、緩衝部７０は、磁歪棒１１の軸方向に所定の間隔をあけて配置される一対の部材により形成される。本実施の形態では、一対の緩衝部７０は、弾性を有する断面円形状の環状の部材（Ｏリング）により構成され、磁歪棒１１の軸方向一端側および軸方向他端側がそれぞれ圧入される。一対の緩衝部７０の間隔は、コイル１３の軸方向長さより少し小さめに設定される。これにより、一対の緩衝部７０が外装された磁歪棒１１をコイル１３に挿通すると、コイル１３の軸方向両端と磁歪棒１１との間に緩衝部７０がそれぞれ介設される。

図６（ｂ）に示すように、略一様の太さで形成された弾性を有する緩衝部７０が磁歪棒１１に外装されると、緩衝部７０は磁歪棒１１に倣って弾性変形する。磁歪棒１１は厚さ（図６（ｂ）上下方向寸法）が幅（図６（ｂ）左右方向寸法）より小さく設定されているので、緩衝部７０は磁歪棒１１の幅方向に拡がる。コイル１３の内径は、磁歪棒１１に外装された緩衝部７０の左右（磁歪棒１１の幅方向）と同一の大きさに設定されているので、緩衝部７０が外装された磁歪棒１１がコイル１３に挿通されると、緩衝部７０の左右（磁歪棒１１の幅方向）がコイル１３の内周面に接触する。一方、緩衝部７０の上下（磁歪棒１１の厚さ方向）とコイル１３の内周面とに隙間Ｓ１，Ｓ２が形成される。

磁歪棒１１が加振振動されると（振動方向は図６（ｂ）上下方向）、磁歪棒１１は、隙間Ｓ１を拡げつつ隙間Ｓ２を狭くするか、又は、隙間Ｓ１を狭くしつつ隙間Ｓ２を拡げるように、繰り返しコイル１３に対して相対変位する。振動する磁歪棒１１とコイル１３との衝突の衝撃が緩衝部７０により緩和されるので、第１実施の形態で説明した効果に加え、磁歪棒１１とコイル１３との衝突による異音の発生およびコイルの断線を抑制できる。また、緩衝部７０により磁歪棒１１がコイル１３に衝突する衝撃が緩和されるので、電圧波形の乱れを抑制できる。

また、緩衝部７０の左右（磁歪棒１１の幅方向）がコイル１３の内周面に接触するので、その間の摩擦力により、緩衝部７０とコイル１３とが軸方向に相対移動（位置ずれ）することが抑制される。緩衝部７０により磁歪棒１１の角部がコイル１３に衝突することが防止されるので、磁歪棒１１の角部がコイル１３に衝突する衝撃で導線が断線することを防止できる。

次に図７を参照して、第４実施の形態について説明する。第１実施の形態から第３実施の形態では、間隔保持部５０，６０や緩衝部７０が弾性を有する場合について説明した。これに対し第４実施の形態では、間隔保持部１１１ａが弾性変形不能に構成される一方、コイル１１３が弾性曲げ変形可能に構成される場合について説明する。なお、第１実施の形態で説明したものと同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図７は第４実施の形態における発電素子のコイル１１３及び磁歪棒１１１の軸方向における断面図である。図７では、便宜上、剛性棒１２等の図示を省略する。

図７に示すように磁歪棒１１１は、コイル１１３の軸方向長さより少し小さめの間隔をあけて一対の間隔保持部１１１ａが設けられている。間隔保持部１１１ａは、磁歪棒１１１の厚さ方向（図７上下方向）両側に凸起状に形成される部位であり、本実施の形態では、磁歪棒１１１と一体に形成されている。間隔保持部１１１ａの上下方向長さ（図７上下方向寸法）は、コイル１１３の内径（図７上下方向寸法）と同一乃至は少し小さめに設定されている。これにより、コイル１１３に磁歪棒１１１が挿通されると、コイル１１３と間隔保持部１１１ａとは密接される。

コイル１１３は、螺旋状に巻回された導線同士を弾性接着剤で接着した空芯コイルであり、弾性曲げ変形可能に構成されている。その結果、磁歪棒１１１が振動すると（振動方向は図７上下方向）、間隔保持部１１１ａの変位に追随してコイル１１３が弾性曲げ変形される。従って、コイル１１３に作用する衝撃を抑制できる。よって、コイル１１３に入力される曲げ荷重によりコイル１１３（導線）が断線することを防止できる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。実施例、比較例１及び比較例２の発電素子は、いずれも同一材質かつ同一寸法の磁歪棒１１、コイル１３等の部品を用いて作成されている。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例）
第１実施の形態で説明した発電素子１を作成するために、コイル１３に磁歪棒１１を挿通した後、ペースト状の高分子化合物（シリコーン製）をコイル１３の軸方向両端部と磁歪棒１１との間に注入して、コイル１３の軸方向両端部に間隔保持部５０を形成した。シリコーン製の高分子化合物（間隔保持部５０）が硬化した後、磁歪棒１１、剛性棒１２及び永久磁石１４，１５を一対の保持部材４０により保持させた。これにより、実施例における発電素子を得た。

（比較例１）
コイル１３に磁歪棒１１を挿通した後、磁歪棒１１、剛性棒１２及び永久磁石１４，１５を一対の保持部材４０により保持させた。これにより、比較例１における発電素子を得た。比較例１は、間隔保持部５０を有していない点で、間隔保持部５０を有する実施例と異なる。

（比較例２）
コイル１３に磁歪棒１１を挿通した後、磁歪棒１１、剛性棒１２及び永久磁石１４，１５を一対の保持部材４０により保持させた。次いで、コイル１３の軸方向両端部から磁歪棒１１を通って保持部材４０まで合成樹脂系（エラストマー製）の接着剤を連続的に塗布し硬化させた。これにより、比較例２における発電素子を得た。比較例２は、コイル１３及び磁歪棒１１から保持部材４０まで弾性を有する接着剤が連続的に塗布されている点で、コイル１３の軸方向両端部に間隔保持部５０が形成された実施例と異なる。

なお、比較例２のように磁歪棒１１、剛性棒１２及び永久磁石１４，１５を一対の保持部材４０により保持させた後に、コイル１３と磁歪棒１１との間に接着剤を塗布する場合は（図１（ｂ）参照）、コイル１３の軸方向両端部と保持部材４０との間隔が狭いので、接着剤が、コイル１３及び磁歪棒１１から保持部材４０まで連続的に塗布されてしまう。

（試験結果）
実施例、比較例１及び比較例２における発電素子の加振振幅と発生電圧との関係を測定した。一対の保持部材４０の内、一方を固定端とし、他方を振動端として、振動端に加振振幅を与えた。図８は実施例および比較例における発電素子の加振振幅に対する発電圧（発生電圧）を示す図である。横軸は加振振幅（ｍｍ）であり、縦軸は発生電圧（Ｖ）である。図８に示すように、実施例および比較例１における発電素子は、０．０３ｍｍ程度の加振振幅を与えると約２Ｖの発電圧が得られた。

これに対し、比較例２における発電素子は、０．１ｍｍ程度の加振振幅を与えないと約２Ｖの発電圧が得られないことがわかった。これは、比較例２における発電素子は、コイル１３及び磁歪棒１１から保持部材４０まで連続的に接着剤が塗布されているので、磁歪棒１１の曲げ剛性（ばね定数）が上がり、発電効率（発電素子に入力された加振エネルギーに対する電力量の比率）が低下したためであると推察される。

次に図９を参照して、実施例および比較例１における発電素子の電圧波形について説明する。図９は実施例および比較例における発電素子により発生した電圧波形を示す図である。横軸は時間（ｓ）であり、縦軸は発生電圧（Ｖ）である。図９に示すように、実施例における発電素子は約０．００７秒の周期で±４Ｖの電圧波形が得られた。

これに対し、比較例１における発電素子は、実施例の電圧波形（基本波）に、これよりも高い周波数をもった交流電圧が重畳することで、電圧波形が乱れている。電圧波形の乱れは過大な電流が流れることに繋がるので、機器の誤動作や過熱等の原因となる。電圧波形の乱れの原因は、コイル１３に磁歪棒１１が衝突する衝撃によるものであると推察される。

以上説明したように、実施例における発電素子１は、間隔保持部５０により磁歪棒１１とコイル１３との間隔が保持されることで、振動する磁歪棒１１とコイル１３との衝突が阻止される。その結果、電圧波形の乱れを抑制できることが明らかになった。また、磁歪棒１１とコイル１３との衝突を阻止することで、磁歪棒１１とコイル１３との衝突による異音の発生およびコイル１３（導線）の断線を防止できる。

なお、説明は省略したが、第２実施の形態から第４実施の形態における発電素子についても、実施例と同様に、電圧波形の乱れを抑制できることを確認した。また、磁歪棒とコイルとの衝突を阻止することで、磁歪棒とコイルとの衝突による異音の発生およびコイル（導線）の断線を防止できることは推察できる。

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は、保持部材４０が固定部材２０とホルダ部材３０との２部材から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、固定部材２０とホルダ部材３０とを一体に形成しても良い。なお、この場合には、圧入による磁歪棒１１等の挟圧保持作用を得られないため、磁歪棒１１等の保持部材４０への固着を、接着剤による接着固定で行う。

上記各実施形態では、磁歪棒１１のみにコイル１３を巻回する場合を説明したが、必ずしもこれに限られるのもではなく、磁歪棒１１と剛性棒１２との両者にそれぞれコイル１３を巻回しても良い。なお、この場合には、磁歪棒１１及び剛性棒１２を同じ磁歪材料から構成する（即ち、剛性棒１２を磁歪棒１１よりも磁歪効果の低い材料で構成する必要はない）。

上記各実施形態では、発電素子１を例示して説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、「磁歪材料から構成される磁歪棒と、その磁歪棒に巻回されるコイルとを備え、磁歪棒の軸方向一端側が固定端とされると共に軸方向他端側が自由振動可能または強制振動可能な自由端（振動端）とされ、磁歪棒が軸方向に伸張または収縮されることで、逆磁歪効果により発電を行うもの」であれば、他の発電素子を採用することは当然可能である。

他の発電素子としては、例えば、永久磁石１４，１５に代えて、電磁石を利用するものを採用することができる。また、発電素子１の系外からの磁場により磁気回路に漏れ磁束が発生する構成であれば、発電素子１の系外に磁石を配置した構成とすることは可能である。また、永久磁石や電磁石の起磁力により磁歪棒１１及び剛性棒１２（磁歪棒）にバイアス磁化を印加するバックヨークを設けることも可能である。

上記各実施の形態では、磁歪棒１１及び剛性棒１２の寸法（即ち、厚み寸法および幅寸法）を同一と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、磁歪棒１１の寸法に対し、剛性棒１２の寸法を異なる値（厚み寸法および幅寸法の一方のみ又は両方が異なる値）としても良い。

上記各実施の形態では、磁歪棒１１、剛性棒１２を断面長方形に形成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、他の形状とすることは当然可能である。他の形状としては、断面正方形、断面円形、断面楕円形、断面多角形（例えば、断面六角形）などが例示される。

なお、例えば、磁歪棒１１等を断面円形としたことで、永久磁石１４，１５と線接触となり、接触面積が確保できない場合には、永久磁石１４，１５の寸法または起磁力を大きくするか、或いは、磁歪棒１１等と永久磁石１４，１５との間に磁性体からなり両者の形状に対応した形状（即ち、両者に面接触する形状）のスペーサを介在させ、接触面積を確保することが好ましい。これらにより、付与可能なバイアス磁界の増加を図ることができるからである。

上記各実施の形態では、間隔保持部５０，６０，１１１ａや緩衝部７０を、それぞれコイル１３，１１３の軸方向両端部の２箇所に配置する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の部位に配置することは当然可能である。他の部位としては、コイル１３，１１３の軸方向中央部の１箇所に配置すること、コイル１３，１１３の振動端側の軸方向端部の１箇所に配置すること、コイル１３，１１３の軸方向の複数箇所に配置することが例示される。

なお、間隔保持部５０，６０，１１１ａや緩衝部７０を２箇所以上に配置する場合には、少なくともコイル１３，１１３の軸方向両端部に配置することが好ましい。コイル１３，１１３の軸方向の全長に亘ってコイル１３，１１３と磁歪棒１１，１１１との干渉を防ぐことができるからである。また、間隔保持部５０，６０，１１１ａや緩衝部７０を１箇所に配置する場合には、振動端側（固定端から遠い側）のコイル１３，１１３の軸方向端部に配置することが好ましい。コイル１３，１１３の変位の大きいところでコイル１３，１１３と磁歪棒１１，１１１との干渉を防ぐことができるからである。

上記第３実施の形態では、磁歪棒１１に外装される緩衝部７０が、断面円形状のＯリングとして形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、断面矩形状の形状にしたり、隙間Ｓ１，Ｓ２（図６（ｂ）参照）を小さくするために部分的に厚くしたりする等、適宜選択できることは当然である。

上記第３実施の形態では、磁歪棒１１に緩衝部７０を装着する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、磁歪棒１１にコーキング等の弾性接着剤を塗布・硬化させて、弾性を有する緩衝部を設けるようにすることは当然可能である。

上記第４実施の形態では、磁歪棒１１１と一体に間隔保持部１１１ａを形成する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、別部材として形成された間隔保持部１１１ａを磁歪棒１１１に接着したり装着したりすることは当然可能である。また、別部材として形成された間隔保持部１１１ａを磁歪棒１１１に装着する代わりに、間隔保持部１１１ａをコイル１１３の内周側に装着することは当然可能である。これらの場合もコイル１１３と磁歪棒１１１との衝突による衝撃を抑制できるので、第４実施の形態と同様の効果を奏する。

１ 発電素子
１１，１１１ 磁歪棒
１２ 剛性棒
１３，１１３ コイル
４０ 保持部材
５０，６０，１１１ａ 間隔保持部
７０ 緩衝部

Claims (6)

1. 導線が螺旋状に巻回されて形成されるコイルと、
   前記コイルに内設されると共に磁歪材料から棒状に構成される磁歪棒と、
   前記磁歪棒に並設されると共に磁性材料から棒状に構成され前記磁歪棒との間で磁気ループが形成される剛性棒と、
   前記剛性棒および前記磁歪棒の軸方向両端をそれぞれ保持する一対の保持部材とを備え、前記磁歪棒および前記剛性棒の軸方向一端側が固定され、前記磁歪棒および前記剛性棒が並設される方向に軸方向他端側が振動することで前記磁歪棒が軸方向に伸張または収縮して発電が行われる発電素子であって、
   前記コイルと前記磁歪棒との間に介設されると共に前記磁歪棒と前記コイルとの間隔を保持する間隔保持部を備えていることを特徴とする発電素子。
2. 導線が螺旋状に巻回されて形成されるコイルと、
   前記コイルに内設されると共に磁歪材料から棒状に構成される磁歪棒と、
   前記磁歪棒に並設されると共に磁性材料から棒状に構成され前記磁歪棒との間で磁気ループが形成される剛性棒と、
   前記剛性棒および前記磁歪棒の軸方向両端をそれぞれ保持する一対の保持部材とを備え、前記磁歪棒および前記剛性棒の軸方向一端側が固定され他端側が振動することで前記磁歪棒が軸方向に伸張または収縮して発電が行われる発電素子であって、
   前記コイルと前記磁歪棒との間に介設されると共に前記磁歪棒と前記コイルとの衝突を緩和する緩衝部を備えていることを特徴とする発電素子。
3. 前記間隔保持部若しくは前記緩衝部は弾性を有する、又は、前記コイルは弾性曲げ変形可能に構成されてい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. 前記間隔保持部または前記緩衝部は、前記コイルの軸方向の一部に設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発電素子。
5. 前記間隔保持部または前記緩衝部は、少なくとも振動端側の前記コイルの軸方向端部に設けら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. 前記間隔保持部または前記緩衝部は、振り子運動をする前記磁歪棒の少なくとも振動方向に設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発電素子。

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