JP5915433B2 - 発電素子 - Google Patents
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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）。
特許文献１に記載の発電部（発電素子）は、例えば、棒状の超磁歪部材（磁歪棒）と、この超磁歪部材の両端に貼り付けられた２つの永久磁石と、超磁歪部材の周りに巻かれたコイルとを備えている。そして、超磁歪部材を、その軸方向へ圧縮変形させたり、その軸方向と垂直な方向に曲げ変形（圧縮変形および伸長変形）させることにより、超磁歪部材の透磁率を変化させる。これにより、超磁歪部材周りの磁界を変化させ、コイルに電圧を発生させる。
かかる構成の発電部では、超磁歪部材を圧縮および伸長して発電を行うので、特に、超磁歪部材を伸長する際に、超磁歪部材と永久磁石との間、すなわち、超磁歪部材と他の部材との間に高い接合力が必要となる。しかしながら、特許文献１に記載の発電部では、各部材間の接合力が十分であるとは言い難い。
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、磁歪棒を他の構成部材に確実に固定して、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）〜（１３）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、
該磁歪棒と併設され、磁性材料で構成された磁性棒と、
前記磁歪棒の一端部と前記磁性棒の一端部とを連結する第１の連結機構と、
前記磁歪棒の他端部と前記磁性棒の他端部とを連結する第２の連結機構と、
前記磁力線が軸方向に通過するように配置され、前記磁歪棒の伸縮により生じる前記磁力線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、
前記磁歪棒の前記一端部および前記他端部の少なくとも一方が、雄ネジ部で構成されていることを特徴とする発電素子。
（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、
該磁歪棒と併設され、磁性材料で構成された磁性棒と、
前記磁歪棒の一端部と前記磁性棒の一端部とを連結する第１の連結機構と、
前記磁歪棒の他端部と前記磁性棒の他端部とを連結する第２の連結機構と、
前記磁力線が軸方向に通過するように配置され、前記磁歪棒の伸縮により生じる前記磁力線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、
前記磁歪棒の前記一端部および前記他端部の少なくとも一方が、雄ネジ部で構成されていることを特徴とする発電素子。
（２） 前記雄ネジ部の有効横断面積は、前記磁歪棒の前記一端部および前記他端部以外の部分の横断面積より大きい上記（１）に記載の発電素子。
（３） 前記磁歪棒は、前記一端部および前記他端部以外の部分に、その周方向に沿って設けられた突出部を備える上記（１）または（２）に記載の発電素子。
（４） 前記突出部は、前記磁歪棒の軸方向に沿って移動可能、かつ、前記磁歪棒の軸回りに回転可能に設けられている上記（３）に記載の発電素子。
（５） 前記コイルは、前記磁歪棒の前記一端部および前記他端部以外の部分の外周側に、当該部分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） 前記磁歪棒の前記一端部に接触して設けられ、前記磁力線を発生する磁石と、
該磁石と、前記磁性棒の前記一端部とを接続し、磁性材料で構成された接続部とを有する上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の発電素子。
該磁石と、前記磁性棒の前記一端部とを接続し、磁性材料で構成された接続部とを有する上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の発電素子。
（７） 前記接続部は、前記磁性棒と一体的に形成されている上記（６）に記載の発電素子。
（８） 前記磁歪棒の前記一端部が、前記雄ネジ部で構成され、
前記第１の連結機構は、前記雄ネジ部と螺合する雌ネジ部が形成された第１のブロック体と、前記磁性棒の前記一端部を前記第１のブロック体に固定する固定構造とを備える上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の発電素子。
前記第１の連結機構は、前記雄ネジ部と螺合する雌ネジ部が形成された第１のブロック体と、前記磁性棒の前記一端部を前記第１のブロック体に固定する固定構造とを備える上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の発電素子。
（９） 前記固定構造は、前記磁性棒の前記一端部を前記第１のブロック体に固定するネジと、前記第１のブロック体に形成され、前記ネジと螺合するネジ穴とで構成されている上記（８）に記載の発電素子。
（１０） 前記磁性棒の前記一端部も、雄ネジ部で構成され、
前記固定構造は、前記磁性棒の前記雄ネジ部と、該雄ネジ部と螺合する前記第１のブロック体に形成された前記第２の雌ネジ部とで構成されている上記（８）に記載の発電素子。
前記固定構造は、前記磁性棒の前記雄ネジ部と、該雄ネジ部と螺合する前記第１のブロック体に形成された前記第２の雌ネジ部とで構成されている上記（８）に記載の発電素子。
（１１） 前記磁歪棒の前記他端部が、前記雄ネジ部で構成され、
前記第２の連結機構は、前記磁性棒の前記他端部側に設けられ、前記雄ネジ部を挿通可能な貫通孔を備える磁性材料で構成された平板部と、前記貫通孔に挿通された前記雄ネジ部と螺合する雌ネジ部が形成された第２のブロック体とを備える上記（１）ないし（１０）のいずれかに記載の発電素子。
前記第２の連結機構は、前記磁性棒の前記他端部側に設けられ、前記雄ネジ部を挿通可能な貫通孔を備える磁性材料で構成された平板部と、前記貫通孔に挿通された前記雄ネジ部と螺合する雌ネジ部が形成された第２のブロック体とを備える上記（１）ないし（１０）のいずれかに記載の発電素子。
（１２） 前記平板部は、前記磁性棒と一体的に形成されている上記（１１）に記載の発電素子。
（１３） 前記磁性棒の前記他端部も、雄ネジ部で構成され、
前記平板部は、前記磁性棒の前記雄ネジ部を挿通可能な第２の貫通孔を備え、
さらに、前記第２の貫通孔に挿通された前記磁性棒の前記雄ネジ部と螺合する雌ネジ部が形成された第３のブロック体を有する上記（１１）に記載の発電素子。
前記平板部は、前記磁性棒の前記雄ネジ部を挿通可能な第２の貫通孔を備え、
さらに、前記第２の貫通孔に挿通された前記磁性棒の前記雄ネジ部と螺合する雌ネジ部が形成された第３のブロック体を有する上記（１１）に記載の発電素子。
本発明によれば、磁歪棒を他の構成部材に確実に固定することができるので、磁歪棒の伸縮を効率よく行うことができ、その結果、発電効率を向上することができる。
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。
＜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に示す発電素子の縦断面図（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３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に併設された磁性棒３と、磁歪棒２の外周側に設けられたコイル５と、磁歪棒２の基端部（一端部）と磁性棒３の基端部（一端部）とを連結する第１の連結機構６と、磁歪棒２の先端部（他端部）と磁性棒３の先端部（他端部）とを連結する第２の連結機構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、磁歪棒２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３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。本実施形態では、磁歪棒２は、長尺の円柱状をなしており、その軸方向に磁力線を通過させる。
＜＜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。本実施形態では、磁歪棒２は、長尺の円柱状をなしており、その軸方向に磁力線を通過させる。
この磁歪棒２は、本体部２１と、本体部２１の基端に設けられた基端側雄ネジ部（一端部）２２と、本体部２１の先端に設けられた先端側雄ネジ部（他端部）２３とを備えている。磁歪棒２は、基端側雄ネジ部２２において第１の連結機構６に連結され、先端側雄ネジ部２３において第２の連結機構７に連結されている。
基端側雄ネジ部２２の有効横断面積（有効径）は、本体部２１の横断面積（直径）より大きく設定されている。これにより、磁歪棒２を伸縮させる際に、特に大きい負荷がかかる基端側雄ネジ部２２と第１の連結機構６の第１のブロック体６１との接合強度を高めることができる。一方、先端側雄ネジ部２３の有効横断面積（有効径）は、本体部２１の横断面積（直径）とほぼ等しく設定されている。
また、磁歪棒２は、本体部２１の基端部（基端側雄ネジ部２２より先端側の部分）に、その周方向に沿ってかつ基端側雄ネジ部２２に連続して設けられた環状のフランジ部２４を備えている。このフランジ部２４の先端面は、磁歪棒２の軸方向に対して傾斜する傾斜面を構成する。一方、磁歪棒２は、本体部２１の先端部（先端側雄ネジ部２３より基端側の部分）に、その周方向に沿って設けられた環状のフランジ部２５を備えている。このフランジ部２５の先端面は、磁歪棒２の軸方向に対してほぼ垂直をなす平面を構成し、基端面は、磁歪棒２の軸方向に対して傾斜する傾斜面を構成する。
本体部２１の平均横断面積は、０．２〜１０．０ｍｍ２程度であるのが好ましく、０．７〜７．０ｍｍ２程度であるのがより好ましい。また、本体部２１の長さは、５〜４０ｍｍ程度であるのが好ましく、１０〜３０ｍｍ程度であるのがより好ましい。
また、基端側雄ネジ部２２の有効横断面積は、本体部２１の平均横断面積の１．５倍以上であるのが好ましく、２．０倍程度であるのがより好ましい。また、基端側雄ネジ部２２の長さは、本体部２１の平均横断面積の０．５倍以上であるのが好ましく、２倍程度であるのがより好ましい。これにより、基端側雄ネジ部２２と第１のブロック体６１との接合強度をより高めることができる。
一方、先端側雄ネジ部２３の有効横断面積は本体部２１の平均横断面積の１．０倍以上であるのが好ましく、１．５倍程度であるのがより好ましい。また、先端側雄ネジ部２３の長さは、本体部２１の平均横断面積の０．５倍以上であるのが好ましく、２倍程度であるのがより好ましい。これにより、先端側雄ネジ部２３と第２のブロック体７２との接合強度をより高めることができる。
さらに、フランジ部２５の最大横断面積は、先端側雄ネジ部２３の有効横断面積の１．５倍以上であるのが好ましく、２倍程度であるのがより好ましい。
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（特に、ガリウムを１５〜２０ｗｔ％で含有する鉄−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、かかる磁歪材料は、適度な延性を有し、また、例えば、切削加工、ワイヤー放電加工、レーザ加工等により、基端側雄ネジ部２２および先端側雄ネジ部２３を形成し易い。このため、磁歪棒２の加工コストの削減を図ることができる。
なお、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。
この磁歪棒２に対して、磁性棒３が併設されている。
この磁歪棒２に対して、磁性棒３が併設されている。
＜＜磁性棒３＞＞
磁性棒３は、磁性材料で構成され、その軸方向に、磁歪棒２を通過した磁力線が通過する。本実施形態では、磁性棒３は、ほぼ一定の厚さを有する長尺の平板状をなしている。
磁性棒３は、磁性材料で構成され、その軸方向に、磁歪棒２を通過した磁力線が通過する。本実施形態では、磁性棒３は、ほぼ一定の厚さを有する長尺の平板状をなしている。
この磁性棒３は、本体部３１と、本体部３１の基端に設けられ、本体部３１より太幅の拡幅部（他端部）３９とを備えている。磁性棒３は、拡幅部３９において第１の連結機構６に連結され、先端において第２の連結機構７に連結されている。
また、拡幅部３９には、その厚さ方向に貫通して２つの貫通孔３９１、３９２が形成されている。貫通孔３９１、３９２には、後述する第１の連結機構６のネジ６２、６３が挿通される。
磁性棒３の平均厚さは、磁性棒３の構成材料にもよるが、０．５〜３．０ｍｍ程度であるのが好ましく、０．８〜２．０ｍｍ程度であるのがより好ましい。磁性棒３の平均厚さを前記範囲とすることにより、発電素子１の大型化を防止しつつ、発電素子１に十分な機械的強度を付与することができる。
磁性棒３を構成する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、磁歪棒２を、図３に示すように、上下方向に円滑かつ確実に変位させることができる。具体的には、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。
かかる磁性材料としては、特に限定されないが、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、磁歪棒２の本体部２１の外周には、本体部２１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、線材を本体部２１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。
コイル５は、線材を本体部２１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。
線材の構成材料としては、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。
線材の巻き数は、線材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、線材の横断面積は、５×１０−４〜０．１２６ｍｍ２程度であるのが好ましく、２×１０−３〜０．０３ｍｍ２程度であるのがより好ましい。
なお、線材の横断面形状は、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。
磁歪棒２の基端側雄ネジ部２２と磁性棒３の拡幅部３９とは、第１の連結機構６により連結されている。
＜＜第１の連結機構６＞＞
第１の連結機構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の連結機構６を介して発電素子１を固定することにより、発電素子１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。
第１の連結機構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の連結機構６を介して発電素子１を固定することにより、発電素子１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。
本実施形態では、第１の連結機構６は、直方体状の第１のブロック体６１と、ネジ６２、６３とを備えている。第１のブロック体６１には、先端面に開口する雌ネジ部６１１と、基端面に開口する磁石収納部６１２と、上面に開口する２つのネジ穴６１３、６１４が形成されている。雌ネジ部６１１には、磁歪棒２の基端側雄ネジ部２２が螺合され、ネジ穴６１３、６１４には、ネジ６２、６３が螺合される。また、磁石収納部６１２には、後述する永久磁石８１が収納される。
雌ネジ部６１１および磁石収納部６１２は、第１のブロック体６１の軸方向に沿って、かつ、同心的（同軸的）に形成されている。また、雌ネジ部６１１と磁石収納部６１２とは連通している。かかる構成により、雌ネジ部６１１に螺合された基端側雄ネジ部２２の基端面に、磁石収納部６１２に収納された永久磁石８１の先端面とを接触させることができる。
また、ネジ６２、６３を、磁性棒３の拡幅部３９に形成された貫通孔３９１、３９２に挿通し、ネジ穴６１３、６１４に螺合させる。これにより、磁性棒３が第１のブロック体６１に固定される。すなわち、本実施形態では、ネジ６２、６３とネジ穴６１３、６１４とにより、磁性棒３の拡幅部（一端部）３９を第１のブロック体６１に固定する固定構造が構成されている。
なお、例えば、ネジ穴６１３、６１４を第１のブロック体６１の厚さ方向に貫通するよう形成し、ネジ６２、６３の全長を長く設計することにより、ネジ６２、６３の発電素子１から突出した部分を、発電素子１を筐体等に固定するために用いることができる。
本実施形態では、後述するように、磁歪棒２の基端と磁性棒３の基端とを磁界印加機構８により接続するので、第１のブロック体６１を非磁性材料で構成することができる。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。
一方、磁歪棒２の先端側雄ネジ部２３と磁性棒３の先端部とは、第２の連結機構７により連結されている。
＜＜第２の連結機構７＞＞
第２の連結機構７は、磁歪棒２に対して外力や振動を付与する部位である。第２の連結機構７に対して、図３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、磁歪棒２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。
第２の連結機構７は、磁歪棒２に対して外力や振動を付与する部位である。第２の連結機構７に対して、図３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、磁歪棒２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。
本実施形態では、第２の連結機構７は、磁性棒３の先端に連続して設けられ、磁歪棒２の先端側雄ネジ部２３を挿通可能な貫通孔７１１が形成された平板部７１と、貫通孔７１１に挿通された先端側雄ネジ部２３と螺合する雌ネジ部７２１が形成された第２のブロック体７２とで構成されている。
平板部７１は、磁性棒３の軸方向に対してほぼ垂直となるように配置され、磁性棒３と一体的に形成されている。また、貫通孔７１１は、平板部７１の厚さ方向に貫通して形成されている。したがって、貫通孔７１１の軸方向と、磁歪棒２の軸方向とはほぼ平行となっている。また、第２のブロック体７２は、円柱状をなしており、雌ネジ部７２１は、第２のブロック体７２の軸方向に沿って形成され、その基端面に開口している。
このような構成により、発電素子１を組み立てる際に、磁歪棒２の先端側雄ネジ部２３を貫通孔７１１に挿通し、第２のブロック体７２の雌ネジ部７２１に螺合させると、フランジ部２５の先端面および第２のブロック体７２の基端面がそれぞれ平板部７１に当接する。さらに、フランジ部２５と第２のブロック体７２とが接近するように、先端側雄ネジ部２３を雌ネジ部７２１へねじ込むと、先端側雄ネジ部２３は、その軸方向に伸長されるようになる。この状態で、先端側雄ネジ部２３には、引張応力が常時かかる状態となり、磁歪材料の逆磁歪効果により透磁率が増加し、磁力線がより効率よく通過し得るようになる。
平板部７１は、磁性材料を用いて、磁性棒３と一体的に形成されており、本実施形態では、図３に示すように、磁歪棒２を通過した磁力線は、平板部７１を介して磁性棒３に向かうよう構成されている。このため、第２のブロック体７２は、磁性材料で構成してもよいが、前述したような非磁性材料で構成することもできる。
磁歪棒２の基端側には、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２および図３に示すように、永久磁石８１と、磁性棒３の基端に連続して設けられ、磁歪棒２の基端面との間に永久磁石８１を保持する接続部８２とで構成されている。
磁界印加機構８は、図２および図３に示すように、永久磁石８１と、磁性棒３の基端に連続して設けられ、磁歪棒２の基端面との間に永久磁石８１を保持する接続部８２とで構成されている。
永久磁石８１は、円盤状（厚さの比較的薄い円柱状）をなしている。一方、接続部８２は、平板状をなし、磁性棒３の軸方向に対してほぼ垂直となるように、磁性棒３と一体的に形成されている。永久磁石８１が第１のブロック体６１の磁石収納部６１２内に収納された状態で、磁歪棒２の基端面と接続部８２とにより磁石収納部６１２に保持される。
かかる構成により、永久磁石８１と磁性棒３の拡幅部３９とが接続部８２を介して接続される。また、図３に示すように、永久磁石８１は、Ｎ極を磁歪棒２側に、Ｓ極を接続部８２側にして配置されており、これにより、発電素子１には、反時計周りの磁界ループが形成されている。
永久磁石８１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。また、接続部８２は、磁性棒３と一体的に、磁性材料を用いて形成されている。
このような発電素子１では、第１のブロック体６１を、例えば筐体等に固定した状態（図３参照）から、第２のブロック体７２を下方に向かって変位（回動）させると、すなわち、磁歪棒２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のブロック体７２を上方に向かって変位（回動）させると、すなわち、磁歪棒２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、本実施形態では、磁歪棒２と第１のブロック体６１および第２のブロック体７２とが螺合により接続されている。このため、磁歪棒２が伸縮した際にも、これらの間に高い接合力が維持され、発電素子１では、効率のより発電が可能である。
また、フランジ部２５を設けることにより、先端側雄ネジ部２３を第２のブロック体７２の雌ネジ部７２１へねじ込む深さを調整することができる。その結果、先端側雄ネジ部２３を常に伸長した状態とすることができるので、先端側雄ネジ部２３での透磁率が向上する。これにより、磁歪棒２から磁性棒３に向かって磁力線を円滑に通過させることができる。したがって、発電素子１の発電効率の上昇を図ることができる。
さらに、永久磁石８１が磁歪棒２と接触し、かつ、磁歪棒２と同軸上に配置することができる。このため、永久磁石８１が発生させる磁力線の発電素子１による利用効率を高めることができる。かかる観点からも、発電素子１の発電効率の上昇を図ることができる。
＜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。
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４は、本発明の発電素子の第２実施形態の先端側の部分を示す拡大図である。
なお、以下の説明では、図４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４中の右側を「先端」と言い、左側を「基端」と言う。
なお、以下の説明では、図４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４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、磁歪棒２の周方向に沿って設けられた突出部の構成が異なり、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４に示す発電素子１では、突出部が、フランジ部２５に代えて、ナット２６で構成されている。
ナット２６の内周面および磁歪棒２の外周面の一方には、ネジ山が形成され、他方にはネジ山に螺合するネジ溝が形成されている。これにより、ナット２６は、磁歪棒２の軸方向に沿って移動可能、かつ、磁歪棒２の軸回りに回転可能となっている。
かかる構成によれば、ナット２６を磁歪棒２の軸方向に移動させることにより、磁歪棒２の先端側雄ネジ部２３の伸長の程度を調整することができる。この場合、ナット２６は、磁歪材料で構成する必要がないため、前記第１実施形態の磁歪棒２と比較して、磁歪棒２の構成を簡略化することができるため、高価な磁歪材料の使用量を削減して、磁歪棒２の作製コスト（発電素子１の製造コスト）の削減を図ることができる。
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。
＜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。
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５は、本発明の発電素子の第３実施形態を示す分解斜視図、図６は、図５に示す発電素子の縦断面図である。
なお、以下の説明では、図５および図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５および図６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、以下の点が異なること以外は、前記第１実施形態の発電素子１と同様である。
すなわち、磁歪棒２において、基端側雄ネジ部２２と先端側雄ネジ部２３とが、また、フランジ部２４とフランジ部２５とが同様の構成とされ、さらに、磁歪棒２の全体構成と磁性棒３の全体構成とが同様の構成とされている。すなわち、磁性棒３は、長尺の円柱状をなし、本体部３１と、本体部３１の基端に設けられた基端側雄ネジ部（一端部）３２と、本体部３１の先端に設けられた先端側雄ネジ部（他端部）３３と、本体部３１の基端部および先端部の周方向に沿ってそれぞれ設けられた環状のフランジ部３４、３５とを備えている。
また、第１の連結機構６の第１のブロック体６１には、磁歪棒２の基端側雄ネジ部２２および磁性棒３の基端側雄ネジ部３２がそれぞれ螺合可能な雌ネジ部６１１および第２の雌ネジ部６１５が、第１のブロック体６１の軸方向（先端面から基端面）に貫通して形成されている。すなわち、本実施形態では、磁性棒３の基端側雄ネジ部３２と第１のブロック体６１の第２の雌ネジ部６１５とにより、磁性棒３の一端部を第１のブロック体６１に固定する固定構造が構成されている。
さらに、第２の連結機構７の平板部７１は、磁性棒３とは別体とされ、平板部７１には、貫通孔７１１の他に、磁性棒３の先端側雄ネジ部３３を挿通可能な第２の貫通孔７１２が形成されている。また、本実施形態の発電素子１は、第２のブロック体７２とは別に、平板部７１の第２の貫通孔７１２に挿通された磁性棒３の先端側雄ネジ部３３と螺合する雌ネジ部７３１が形成された円柱状の第３のブロック体７３とを有している。この第３のブロック体７３は、発電素子１を組み立てた状態で、例えば、接着剤等により構成される接着層７４を介して第２のブロック体７２に固定されている。
また、磁界印加機構８の接続部８２は、磁性棒３とは別体とされ、平板を屈曲させたような段差形状をなしている。この接続部８２は、磁性材料で構成され、永久磁石８１と磁性棒３の基端側雄ネジ部（一端部）３２とを接続するように配置されている。なお、本実施形態では、接続部８２は、好ましくは、永久磁石８１とともに、例えば、接着剤等による接着により第１のブロック体６１に対して固定されている。
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。
また、上記構成とすることにより、磁歪棒２と第１のブロック体６１および第２のブロック体７２との接合強度と、磁性棒３と第１のブロック体６１および第３のブロック体７３との接合強度とを同等にすることができる。これは、発電素子１全体の強度の向上および安定化に寄与する。
なお、コイル５は、磁歪棒２の外周側に代えて、磁性棒３の外周側に設けてもよく、磁歪棒２の外周側および磁性棒３の外周側の双方に設けるようにしてもよい。また、磁性棒３を磁歪材料を用いて構成するようにしてもよい。
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３実施形態の任意の構成を組み合わせることもできる。
例えば、前記第１〜第３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、本発明の発電素子は、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、磁歪棒および磁性棒は、いずれも、その横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、長方形状、正方形状、六角形状のような多角形状であってもよい。
また、コイルは、ボビンと、このボビンに巻回される線材とで構成するようにしてもよい。
１…発電素子 ２…磁歪棒 ２１…本体部 ２２…基端側雄ネジ部 ２３…先端側雄ネジ部 ２４、２５…フランジ部 ２６…ナット ３…磁性棒 ３１…本体部 ３２…基端側雄ネジ部 ３３…先端側雄ネジ部 ３４、３５…フランジ部 ３９…拡幅部 ３９１、３９２…貫通孔 ５…コイル ６…第１の連結機構 ６１…第１のブロック体 ６１１…雌ネジ部 ６１２…磁石収納部 ６１３、６１４…ネジ穴 ６１５…第２の雌ネジ部 ６２、６３…ネジ ７…第２の連結機構 ７１…平板部 ７１１…貫通孔 ７１２…第２の貫通孔 ７２…第２のブロック体 ７２１…雌ネジ部 ７３…第３のブロック体 ７３１…雌ネジ部 ７４…接着層 ８…磁界印加機構 ８１…永久磁石 ８２…接続部
Claims (13)
- 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、
該磁歪棒と併設され、磁性材料で構成された磁性棒と、
前記磁歪棒の一端部と前記磁性棒の一端部とを連結する第１の連結機構と、
前記磁歪棒の他端部と前記磁性棒の他端部とを連結する第２の連結機構と、
前記磁力線が軸方向に通過するように配置され、前記磁歪棒の伸縮により生じる前記磁力線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、
前記磁歪棒の前記一端部および前記他端部の少なくとも一方が、雄ネジ部で構成されていることを特徴とする発電素子。 - 前記雄ネジ部の有効横断面積は、前記磁歪棒の前記一端部および前記他端部以外の部分の横断面積より大きい請求項１に記載の発電素子。
- 前記磁歪棒は、前記一端部および前記他端部以外の部分に、その周方向に沿って設けられた突出部を備える請求項１または２に記載の発電素子。
- 前記突出部は、前記磁歪棒の軸方向に沿って移動可能、かつ、前記磁歪棒の軸回りに回転可能に設けられている請求項３に記載の発電素子。
- 前記コイルは、前記磁歪棒の前記一端部および前記他端部以外の部分の外周側に、当該部分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。
- 前記磁歪棒の前記一端部に接触して設けられ、前記磁力線を発生する磁石と、
該磁石と、前記磁性棒の前記一端部とを接続し、磁性材料で構成された接続部とを有する請求項１ないし５のいずれかに記載の発電素子。 - 前記接続部は、前記磁性棒と一体的に形成されている請求項６に記載の発電素子。
- 前記磁歪棒の前記一端部が、前記雄ネジ部で構成され、
前記第１の連結機構は、前記雄ネジ部と螺合する雌ネジ部が形成された第１のブロック体と、前記磁性棒の前記一端部を前記第１のブロック体に固定する固定構造とを備える請求項１ないし７のいずれかに記載の発電素子。 - 前記固定構造は、前記磁性棒の前記一端部を前記第１のブロック体に固定するネジと、前記第１のブロック体に形成され、前記ネジと螺合するネジ穴とで構成されている請求項８に記載の発電素子。
- 前記磁性棒の前記一端部も、雄ネジ部で構成され、
前記固定構造は、前記磁性棒の前記雄ネジ部と、該雄ネジ部と螺合する前記第１のブロック体に形成された前記第２の雌ネジ部とで構成されている請求項８に記載の発電素子。 - 前記磁歪棒の前記他端部が、前記雄ネジ部で構成され、
前記第２の連結機構は、前記磁性棒の前記他端部側に設けられ、前記雄ネジ部を挿通可能な貫通孔を備える磁性材料で構成された平板部と、前記貫通孔に挿通された前記雄ネジ部と螺合する雌ネジ部が形成された第２のブロック体とを備える請求項１ないし１０のいずれかに記載の発電素子。 - 前記平板部は、前記磁性棒と一体的に形成されている請求項１１に記載の発電素子。
- 前記磁性棒の前記他端部も、雄ネジ部で構成され、
前記平板部は、前記磁性棒の前記雄ネジ部を挿通可能な第２の貫通孔を備え、
さらに、前記第２の貫通孔に挿通された前記磁性棒の前記雄ネジ部と螺合する雌ネジ部が形成された第３のブロック体を有する請求項１１に記載の発電素子。
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