JP5940343B2 - 発電素子 - Google Patents

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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、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確実に抑制できる。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。
また、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。
また、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。
また、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。
<その他>
<手段>
技術的思想1の発電素子は、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、発電を行うものであり、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。
技術的思想2の発電素子は、技術的思想1記載の発電素子において、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。
技術的思想3の発電素子は、技術的思想1又は2に記載の発電素子において、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。
技術的思想4の発電素子は、技術的思想3記載の発電素子において、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。
技術的思想5の発電素子は、技術的思想1から4のいずれかに記載の発電素子において、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。
技術的思想6の発電素子は、技術的思想5記載の発電素子において、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。
<効果>
技術的思想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。
技術的思想2記載の発電素子によれば、技術的思想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。
技術的思想3記載の発電素子によれば、技術的思想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。
技術的思想4記載の発電素子によれば、技術的思想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。
技術的思想5記載の発電素子によれば、技術的思想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。
技術的思想6記載の発電素子によれば、技術的思想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。
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 (1)

  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、
    前記磁歪棒を一対備えると共に、転がり軸受を備え、
    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、
    前記転がり軸受が、前記強制並進運動の直進方向と直交する方向に回転軸を向けた姿勢で配設され、
    前記一対の磁歪棒の一端および他端の両端が、前記転がり軸受を介して前記第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
    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、
    前記ハの字状に配設される一対の磁歪棒が、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発電素子。
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