JP6136758B2 - 発電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、発電デバイスに関する。

磁性体は、外部からの応力によって変形すると自身の磁化が変化することが知られている。その磁性体の周囲にコイルを設けておくと、上記のような磁化の変化によってコイルに誘導起電力が生じるため、磁性体とコイルとを発電デバイスとして利用することができる。

特に、磁歪材料は、僅かな変形でも大きな磁化の変化が生じ、発電デバイスの磁性体として有用である。

但し、磁歪材料を用いた発電デバイスには信頼性を向上させるという点で改善の余地がある。

国際公開第２０１１／１５８４７３号パンフレット 特開平９−７５８４７号公報 特開２００５−２７８２２６号公報

発電デバイスにおいて信頼性を向上させることを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、コイルと、振動体から受ける振動により撓むと共に、前記コイルの内周面から間隔をおいて前記コイル内に挿入された磁性体棒と、前記振動体に固定されるベースと、前記ベースの表面に設けられ、前記ベースに前記コイルを固定する固定部材と、前記磁性体棒と前記ベースとを連結する連結部材とを有する発電デバイスが提供される。

以下の開示によれば、コイルの内周面から間隔をおいてコイル内に磁性体棒を挿入するので、振動体から受ける振動により撓んだ磁性体棒がコイルと接触するのが防止される。これにより、磁性体棒との接触によってコイルが断線する可能性が低減し、発電デバイスの信頼性を向上させることができる。

図１は、外部磁界がない状態での磁歪材料の結晶構造を模式的に示す断面図である。 図２は、磁歪材料に対して外部磁界を印加した直後の模式断面図である。 図３は、外部磁界を印加した磁歪材料に現れる変化を模式的に示す断面図である。 図４は、外部磁界により伸びた磁歪材料に応力を加え、磁歪材料を縮めた場合の模式断面図である。 図５は、本願発明者が検討した発電デバイスの正面図である。 図６は、本願発明者が検討した発電デバイスの側面図である。 図７は、本願発明者が検討した発電デバイスの発電原理を説明するための模式図である。 図８は、第１実施形態に係る発電デバイスの一部断面側面図である。 図９は、実使用下における第１実施形態に係る発電デバイスの断面図である。 図１０は、第１実施形態に係る発電デバイスが備える非磁性板の機能を説明するための拡大断面図である。 図１１は、第１実施形態に係る発電デバイスが備える連結部材の他の構造の一例を示す拡大断面図である。 図１２は、第２実施形態に係る発電デバイスの断面図である。 図１３は、第３実施形態に係る発電デバイスの一部断面側面図である。 図１４は、第３実施形態に係る発電デバイスの他の使用方法について示す一部断面側面図である。 図１５は、第４実施形態に係る発電デバイスの一部断面側面図である。 図１５は、第４実施形態に係る発電デバイスの他の使用方法について示す一部断面側面図である。 図１７は、第５実施形態に係る発電デバイスの一部断面側面図である。 図１８は、第５実施形態に係る発電デバイスの他の使用方法について示す一部断面側面図である。 図１９は、第６実施形態に係る発電デバイスの一部断面斜視図である。 図２０は、第６実施形態に係る発電デバイスの他の使用方法について示す一部断面斜視図（その１）である。 図２１は、第６実施形態に係る発電デバイスの他の使用方法について示す一部断面斜視図（その２）である。 図２２は、第６実施形態の別の例に係る発電デバイスの一部断面側面図である。 図２３は、第７実施形態の第１例に係る発電デバイスの断面図である。 図２４は、第７実施形態の第２例に係る発電デバイスの断面図である。 図２５は、第７実施形態の第３例に係る発電デバイスの断面図である。 図２６は、第７実施形態の第４例に係る発電デバイスの断面図である。 図２７は、第７実施形態の第５例に係る発電デバイスの断面図である。 図２８は、第７実施形態に係る緩衝部材を第１実施形態に係る発電デバイスに適用した場合の断面図である。

本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。

まず、磁歪材料を用いた発電デバイスについて説明する。

磁歪材料は、負の磁歪材料と正の磁歪材料とに大別される。以下では正の磁歪材料について説明する。

図１は、外部磁界がない状態での磁歪材料１の結晶構造を模式的に示す断面図である。

この状態では、磁歪材料１の各原子１ａの磁化Mは磁化容易軸Kに向いている。複数の磁化Mは互いに平行又は半平行であるため結晶全体としては磁化がなく、実質的には結晶内には磁束密度が存在しない。

図２は、上記の磁歪材料１に対し、外部磁界Hを印加した直後の模式断面図である。

このように外部磁界Hを印加すると、各原子１ａの磁化Mの向きが外部磁界Hの向きと平行となる。但し、この状態は、外部磁界Hを印加する前よりも磁歪材料１の磁気的なエネルギが高く不安定である。

図３は、このような高エネルギ状態を解消するために磁歪材料１に現れる変化を模式的に示す断面図である。

図３に示すように、磁歪材料１は、磁気的に高いエネルギ状態を低下させるために、外部磁界Hと同じ方向に伸びようとする。

図４は、上記のように外部磁界Hにより伸びた磁歪材料１に応力を加え、磁歪材料１を縮めた場合の模式断面図である。

この場合は、応力により歪んだ結晶のエネルギを最低状態に維持すべく、各原子１ａの磁化Mが変化する。このような現象は逆磁歪現象と呼ばれる。

次に、この逆磁歪現象を利用した発電デバイスについて説明する。

図５は、本願発明者が検討した発電デバイスの正面図である。

この発電デバイス２０は、磁歪材料に応力を加えて発電を行うものであって、第１及び第２の磁性体棒２１、２２と、第１及び第２のコイル２３、２４と、第１及び第２の連結部材２５、２６とを有する。

各磁性体棒２１、２２は、例えばFeGa系合金のような正の磁歪材料から形成されており、その長さは１００mm程度である。なお、FeGa系合金はGalfenolと呼ばれることもある。また、各磁性体棒１、２の断面形状は、長辺の長さが約１００mmで短辺の長さが約０．５mmの矩形状である。

各磁性体棒２１、２２は並行しており、それらの一方の端部が第１の連結部材２５で連結され、他方の端部が第２の連結部材２６で連結される。各連結部材２５、２６は、鉄を含む磁性材料から形成され、各磁性体棒２１、２２に機械的かつ磁気的に結合する。

また、第１の磁性体棒２１の外周には第１のコイル２３が巻かれ、第２の磁性体棒２２の外周には第２のコイル２４が巻かれる。

図６は、この発電デバイス２０の側面図である。

なお、図６において図５で説明したのと同じ要素には図５におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図６に示すように、第１の磁性体棒２１の両端にはそれぞれ第１の永久磁石２８と第２の永久磁石２９が磁気的かつ機械的に接続される。なお、これらの永久磁石２８、２９は、第１の磁性体棒２１だけでなく、第２の磁性体棒２２（図５参照）の両端にも磁気的かつ機械的に接続される。

更に、各磁性体棒２１、２２の横にはヨーク２７が並行するように設けられ、そのヨーク２７と各永久磁石２８、２９とが磁気的かつ機械的に接続される。ヨーク２７の材料は特に限定されないが、この例では鉄を含む磁性材料でヨーク２７を形成する。

このような発電デバイス２０においては、各棒２１、２２とヨーク２７により磁路が形成され、各永久磁石２８、２９で発生した磁界Hがその磁路に沿って周回することになる。

その磁界Hは、各磁性体棒２１、２２の磁化容易軸をこれらの磁性体棒２１、２２の軸方向に向かせるバイアス磁界として機能する。

図７は、この発電デバイス２０の発電原理を説明するための模式図である。なお、図７において、図５や図６で説明したのと同じ要素にはこれらの図におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図７に示すように、実使用下においては、発電デバイス２０は自動車等の振動体１０に固定される。この例では、例えば振動体１０に第１の連結部材２５を固着する。

その振動体１０の振動により第１の磁性体棒２１と第２の磁性体棒２２の各々も振動し、これらの磁性体棒２１、２２が周期的に伸縮する。

このような伸縮運動によって、前述の逆磁歪現象が各磁性体棒２１、２２に誘起される。これにより、各コイル２３、２４を貫く磁束が時間的に変動し、これらのコイル２３、２４から誘導起電力を取り出すことができる。

特に、この例では各磁性体棒２１、２２の両端を連結部材２５、２６で連結したため、各磁性体棒２１、２２は独立して振動せずに互いに反対方向A、Bに伸縮する。これにより、第１の磁性体棒２１には、圧縮応力と引張応力のいずれか一方のみが作用し、これらの応力の両方が同時に作用することがない。

その結果、圧縮応力と引張応力とが混在することが原因で第１の磁性体棒２１において磁化の変化が相殺されることがなく、逆磁歪現象により第１の磁性体棒２１に大きな磁化の変化を誘起することができる。これについては第２の磁性体棒２２についても同様である。

しかしながら、このように二本の磁性体棒２１、２２を用いたのでは発電デバイス２０が全体として振動し難くなり、振動体１０の振動を効率的に電力に変換するのが難しい。

特に、この例では発電デバイス２０が振動するのをヨーク２７（図６参照）が阻害してしまうため、発電デバイス２０がより一層振動し難くなってしまう。

更に、各磁性体棒２１、２２に各コイル２３、２４を直接巻いているため、発電デバイス２０が振動すると各コイル２３、２４の内周面が各磁性体棒２１、２２の外周面に擦れ、これらのコイル２３、２４が断線するおそれがある。

以下に、発電デバイスのコイルが断線するのを防止しつつ、発電デバイスを容易に振動させることができる各実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図８は、第１実施形態に係る発電デバイスの一部断面側面図である。

この発電デバイス３０は、逆磁歪現象を利用して振動体１０の振動から電力を得るものであり、振動体１０に固定されるベース３１と、コイル３３と、磁性体棒３４とを有する。

このうち、ベース３１は、その内部に磁路を形成するヨークとしての機能を備え、その材料としては軟鉄等の磁性材料を使用し得る。また、ベース３１は、振動体１０に固定される第１の長手面３１ａとこれに対向する第２の長手面３１ｂとを有すると共に、これらの長手面３１ａ、３１ｂを繋ぐ短手面３１ｃを備える。

ベース３１の大きさは特に限定されない。この例では長手面３１ａ、３１ｂの長さを１００mm〜２００mm程度とし、振動体１０の表面から測った短手面３１ｃの高さを５mm〜１０mm程度とする。

ベース３１の第２の長手面３１ｂには接着剤等の固定部材３２が設けられ、その固定部材３２にコイル３３の外周面３３ａが固定される。

コイル３３は、円筒状の樹脂製のボビン３９の外周面に銅線を巻いてなるソレノイドコイルであり、その軸方向は磁性体棒３４の延在方向と一致する。なお、ボビン３９はコイル３３の整形時に使用するものであり、ボビン３９がなくてもコイル３３の形状を維持できるときは、ボビン３９を省略してもよい。

また、この例では、コイル３３の内径を５mm〜１０mm程度とし、コイル３３の巻き数を１０００回程度とする。

磁性体棒３４は、コイル３３の内周面３３ｂから２．５mm〜７．５mm程度の間隔L1をおいてコイル３３内に挿入されると共に、ベース３１に並行するように設けられる。

磁性体棒３４の材料は、逆磁歪現象が生じる磁性体であれば特に限定されない。但し、僅かな歪でも大きな磁化の変化を得ることができる磁性体材料を磁性体棒１４の材料として用いるのが好ましい。

そのような材料としては、例えば、磁歪係数が数１００ppm以上の超磁歪材料がある。超磁歪材料の一例としては、Tb-Dy-Fe系合金であるTerfenol-Dや、FeGa系合金であるGalfenolが挙げられる。

また、外部磁界がない場合には磁化しておらず、外部磁界に曝されたときのみ磁化する軟磁性材料も磁性体棒３４の材料として好適である。そのような軟磁性材料としては、例えば、フェライト、アモルファスFe、及びFe系金属ガラスがある。

更に、双晶変形に伴い磁化の向きが変わる強磁性形状記憶合金を磁性体棒３４の材料として使用してもよい。この強磁性形状記憶合金の一例としては、NiMnAl合金、NiCoMnSn合金、NiFeGaCo合金、及びCoNiAl合金がある。

また、これらの強磁性体形状記憶合金に代えて、メタ強磁性形状記憶合金を使用してもよい。メタ強磁性記憶合金は、応力に起因してマルテンサイト転移点が変化し、オーステナイト相が強磁性であるような材料であり、その一例としてはNiCoMnIn合金がある。

更に、応力による変位エネルギの一部を磁壁の移動により免散する材料であるSUS430、Fe-Al系合金、及びFeCrAl合金（サイレンタロイ）のいずれかで磁性体棒３４を形成してもよい。

なお、前述のTerfenol-D、フェライト、NiCoMnSn合金、及びNiCoMnIn合金は機械的に脆いので、これらの材料を粉砕して樹脂と混練したコンポジット材料で磁性体棒３４を形成するのが好ましい。

また、磁性体棒３４は短冊状であり、その長さはベース３１と同様に１００mm〜２００mm程度である。そして、磁性体棒３４の厚さは０．２mm〜０．７mm程度である。

このような磁性体棒３４の表面には、不図示の接着剤により非磁性板３７が貼付される。非磁性板３７の材料としては、FRP(Fiber Reinforced Plastic)等の強度に優れた樹脂、ガラスやセラミック等の無機材料、及び銅やアルミ等の金属がある。

非磁性板３７も磁性体棒３４と同様に短冊状である。その非磁性板３７の長さは１００mm〜２００mm程度であり、厚さは１mm〜３mm程度である。

また、非磁性板３７は、コイル３３の内周面３３ｂから２．５mm〜７．５mm程度の間隔L2をおいてコイル３３内に挿入される。

そして、磁性体棒３４と非磁性板３７は、それらの両端が連結部材３５を介してベース３１と連結される。このように磁性体棒３４がその両端で支持された構造は両持ち梁構造も呼ばれる。

また、この例では永久磁石を連結部材３５として使用する。そして、不図示の接着剤により、連結部材３５と磁性体棒３４とを接着し、連結部材３５とベース３１とを接着する。

なお、連結部材３５の高さは、例えば５mm〜２０mm程度である。

また、連結部材３５から発生した磁界Hは、磁性体棒３４の磁化容易軸をその軸方向に向かせるバイアス磁界として機能する。なお、磁性体棒３４に自発磁化がある場合には、逆磁歪効果でその自発磁化が変化することでコイル３３に誘導起電力を誘起し得る。よって、この場合はバイアス磁界が不要となり、永久磁石に変えて軟鉄等の磁性材料で連結部材３５を形成してもよい。

また、磁性材料から形成されたベース３１は、上記の磁界Hの磁路の一部を担うヨークとしての役割を担い、これによりベース３１と磁性体棒３４とを周回する磁路が形成される。

本実施形態では、磁性体棒３４の両端３４ａ、３４ｂに連結部材３５を設け、これらの両端３４ａ、３４ｂをベース３１に連結する。そして、両端３４ａ、３４ｂの間の磁性体棒３４には金属製の錘３６が設けられる。

次に、この発電デバイス３０の動作について説明する。

図９は、実使用下における発電デバイス３０の断面図である。

なお、図９において、図８で説明したのと同じ要素には図８におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図９に示すように、実使用下においては、振動体１０の振動によって磁性体棒３４がその短手方向Zに撓みながら上下に振動する。これにより磁性体棒３４に周期的に応力が加わり、その応力によって磁性体棒３４に逆磁歪現象が誘起され、磁性体棒３４の磁化が周期的に変化する。そして、その磁化の変化によりコイル３３に誘導起電力が発生し、振動体１０の振動から電力を得ることができる。

ここで、本実施形態では、上記のようにコイル３３の内周面３３ｂから間隔をおいて磁性体棒３４を設けたので、磁性体棒３４とコイル３３とが擦れることがない。これにより、磁性体棒３４との摺接によってコイル３３が断線するのを防止でき、発電デバイス３０の信頼性を高めることができる。

なお、磁性体棒３４との接触を確実に避けるために、コイル３３の中央部分を拡幅してもよい。また、コイル３３を円筒形状の以外の形状にして、コイル３３と磁性体棒３４との接触を防止してもよい。

更に、本実施形態ではヨークとして機能するベース３１を振動体１０に固定したため、ベース３１が磁性体棒３４の振動を阻害することがなく、振動体１０の振動によって磁性体棒３４を大きく振動させ、効率的に電力を得ることもできる。

しかも、磁性体棒３４に錘３６を設けたので、錘３６の慣性によって磁性体棒３４の振幅が大きくなり、コイル３３に生じる誘導起電力を増大させることができる。

ここで、本実施形態では上記のように磁性体棒３４に非磁性板３７を貼付した。

図１０は、非磁性板３７の機能を説明するための拡大断面図である。

図１０に示すように、振動体１０（図８参照）の振動により、非磁性板３７は磁性体棒３４と共に撓む。これにより磁性体棒３４と非磁性板３７との積層体３８には圧縮応力D1と引張応力D2が発生するが、これらのどちらが発生するかは積層体３８の部位による。

例えば、図１０の方向に積層体３８が撓んでいる場合は、応力中心Cよりも下の積層体３８には圧縮応力D1が作用し、応力中心Cよりも上の積層体３８には引張応力D2が作用する。

なお、応力中心Cは、積層体３８において、その上面と下面からの距離が等しい仮想面である。

その応力中心Cよりも下にある磁性体棒３４には圧縮応力D1が支配的に作用し、引張応力D2は殆ど作用しない。その結果、圧縮応力と引張応力とが混在することが原因で磁性体棒３４において磁化の変化が相殺されることがなく、逆磁歪現象により磁性体棒３４に大きな磁化の変化を誘起することができる。

特に、非磁性板３７の厚さT1を磁性体棒３４の厚さT2よりも厚くすると、磁性体棒３４が応力中心Cよりも確実に下に位置するようになり、圧縮応力と引張応力のいずれか一方のみを磁性体棒３４に誘起することができる。

また、非磁性体３７の材料として絶縁材料を使用することで、磁性体棒３４に誘起した磁化で非磁性体３７に渦電流が発生するのを抑制でき、当該磁化のエネルギを渦電流の生成に無駄に消費するのを防止できる。

以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態は上記に限定されない。

例えば、上記では連結部材３５（図８参照）として永久磁石を使用し、それを接着剤を用いてベース３１や磁性体棒３４と接着したが、連結部材３５の構成はこれに限定されない。

図１１は、連結部材３５の他の構造の一例を示す拡大断面図である。

なお、図１１において、図８で説明したのと同じ要素には図８におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図１１の例では、鉄等の金属材料で柱３５ａ形成し、その柱３５ａと磁性体棒３４とを溶接し、かつ、柱３５ａとベース３１とを溶接する。

そして、柱３５ａに設けられた空洞３５ｘにバイアス磁界を発生させるための永久磁石３５ｂを嵌め込み、その永久磁石３５ｂと柱３５ａとで連結部材３５を形成する。

永久磁石３５ｂと磁性体棒３４とを溶接により接続したのでは、溶接時の熱により永久磁石３５ｂの磁化が低下してしまが、このように柱３５ａを磁性体棒３４に溶接することで永久磁石３５ｂの磁化が低下するのを防止できる。

（第２実施形態）
本実施形態では、以下のようにベースの短手面を振動体に固定する。

図１２は、本実施形態に係る発電デバイス４０の断面図である。なお、図１２において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのを同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図１２に示すように、本実施形態では、ベース３１の短手面３１ｃを振動体１０に固定する。

また、磁性体棒３４の一方の端部３４ｂとベース３１の端部３１ｄには錘３６が設けられる。

このような発電デバイス４０によれば、第１実施形態と同様に振動体１０の振動で磁性体棒３４がその短手方向Zに撓み、コイル３３に誘導起電力を生成することができる。

また、第１実施形態と同様にコイル３３の内周面３３ｂから磁性体棒３４が離れているので、磁性体棒３４との接触が原因でコイル３３が断線するおそれがない。

更に、図５〜図７の例のように二本の磁性体棒２１、２２と一本のヨーク２７の計３本が並行している構造とは異なり、本実施形態では磁性体棒３４とベース３１の二つのみが並行している。よって、磁性体棒３４の振動がベース３１で抑制され難く、振動体１０で磁性体棒３４を大きく振動させることができる。

なお、本実施形態では、振動体１０の振動により磁性体棒３４だけでなくベース３１も撓む。よって、図７の例と同様に、磁性体棒３４には圧縮応力と引張応力のいずれか一方のみが作用し、これらの応力が同時に作用することはない。そのため、圧縮応力と引張応力の両方が磁性体棒３４に作用することを避けるために第１実施形態で使用した非磁性板３７（図１０参照）は本実施形態では不要である。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態で説明した磁性体棒３４の共振周波数を調節し得る発電デバイスについて説明する。

図１３は、本実施形態に係る発電デバイスの一部断面側面図である。なお、図１３において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ要素を付し、以下ではその説明を省略する。

図１３に示すように、この発電デバイス５０は、磁性体棒３４をその長手方向に伸張して該磁性体棒３４の張力を調節する調節機構５１を有する。

調節機構５１は、シャフト５５と、ベース３１に固定されたプレート５４とを有する。

このうち、シャフト５５は、磁性体棒３４、連結部材３５、及び非磁性板３７の各々を貫通する共に、二つのネジ穴５５ａが設けられる。

各ネジ穴５５ａは雌ネジであり、それぞれ第１のネジ５６と第２のネジ５７が挿入される。これらのネジ５６、５７は、プレート５４の孔５４ａに挿通される。また、本実施形態では、二つの連結部材３５のうち、シャフト５５が通されている連結部材３５はベース３１に固定されず、ベース３１の上で摺接可能となっている。

このような調節機構５１によれば、ユーザが各ネジ５６、５７を回転させることでプレート５４にシャフト５５が引き付けられ、磁性体棒３４の張力を調節することができる。

発電デバイス５０が設置される振動体１０には、自動車や工作機械等のように様々なものがある。これらは異なる振動数で振動するため、共振により磁性体棒３４の振動の振幅が大きくなる振動体１０もあれば、その振幅が小さくなってしまう振動体１０もある。

本実施形態によれば、振動体１０に発電デバイス５０を設置した後であっても、調節機構５１で磁性体棒３４の共振周波数を調節できる。よって、振動体１０の振動の特性に合わせて磁性体棒３４の共振周波数を調節することで、磁性体棒３４を共振させてその振幅を大きくすることができ、振動体１０の種類の如何を問わず、発電デバイス５０の発電効率を高めることができる。

なお、発電デバイス５０の使用方法は上記に限定されない。

図１４は、発電デバイス５０の他の使用方法について示す一部断面側面図である。

図１４の例では、ベース３１の短手面３１ｃを振動体１０に固定する。このようにしても、振動体１０の振動によって磁性体棒３４が振動し、発電デバイス５０が発電を行うことができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態よりも発電効率がよい発電デバイスについて説明する。

図１５は、本実施形態に係る発電デバイス６０の一部断面側面図である。なお、図１５において、第１〜第３実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらにおけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

この発電デバイス６０においては固定部材３２を二つに分割し、各々の固定部材３２の間の隙間に錘３６を導出することで、コイル３３の外側に錘３６が位置するようにする。

なお、コイル３３も二つに分割し、各コイル３３の間に錘３６を導出するための隙間を設ける。更に、ボビン３９にも錘３６を導出するためのスリット３９ｘを形成する。

これによれば、磁性体棒３４が振動しているときにボビン３９の内周面３９ａに錘３６が触れることがないので、ボビン３９の直径を小さくしてコイル３３と磁性体棒３４との間隔Dを狭めることができる。

よって、振動によって磁性体棒３４に生じる磁化の変化をコイル３３が敏感に捉えることができ、コイル３３に誘起される誘導起電力を増大させることが可能となる。

更に、このようにコイル３３の外部に錘３６を導出すると、錘３６の大きさがコイル３３の内径で制限されなくなるので、錘３６を大きくしてその質量を増加させることができる。錘３６の質量の増加は、磁性体棒３４の振幅を増大させて該磁性体棒３４に大きな磁化の変化を生じさせるので、コイル３３に生じる誘導起電力を高めるのに有効である。

なお、発電デバイス６０の使用方法は上記に限定されない。

図１６は、発電デバイス６０の他の使用方法について示す一部断面側面図である。

図１６の例では、ベース３１の短手面３１ｃを振動体１０に固定する。このようにしても、振動体１０の振動によって磁性体棒３４が振動し、発電デバイス６０が発電を行うことができる。

（第５実施形態）
第１〜第４実施形態では、磁性体棒１４の両端部が連結部材３５で支持された両持ち梁構造の発電デバイスについて説明した。

これに対し、本実施形態では以下のように片持ち梁構造の発電デバイスについて説明する。

図１７は、本実施形態に係る発電デバイス７０の一部断面側面図である。なお、図１７において、第１〜第３実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図１７に示すように、この発電デバイス７０においては、磁性体棒３４の一端３４ａのみに連結部材３５を設け、磁性体棒３４の他端３４ｂには連結部材３５を設けない。

これにより、磁性体棒３４の他端３４ｂは、ベース３１から直接的に拘束力を受けない自由端となり、磁性体棒３４の一端３４ａのみが連結部材３５で支持された片持ち梁構造が得られる。

このように自由端となった他端３４ｂは、振動体１０のわずかな振動によっても大きく撓み、逆磁歪現象により磁性体棒３４に大きな磁化の変化を誘起するため、発電デバイス７０の発電効率を高めることができる。

なお、この例では一端３４ａの下の連結部材３５のみにより磁性体棒３４にバイアス磁化が印加され、第１実施形態（図８参照）のようにベース３１にバイアス磁界を通す必要がない。よって、ベース３１の材料として磁性体以外の非磁性材料を使用してもよい。

発電デバイス７０の使用方法は上記に限定されない。

図１８は、発電デバイス６０の他の使用方法について示す一部断面側面図である。

図１８の例では、磁性体棒３４の一端３４ａ寄りのベース３１の短手面３１ｃを振動体１０に固定する。このようにしても、振動体１０の振動によって磁性体棒３４が振動し、発電デバイス７０が発電を行うことができる。

（第６実施形態）
本実施形態においては、以下のようにして磁性体棒３４に強い衝撃を与え、コイル３３に誘起される誘導起電力を高める。

図１９は、本実施形態に係る発電デバイス８０の一部断面斜視図である。なお、図１９において、第１〜第５実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのを同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図１９に示すように、この発電デバイス８０は、第５実施形態と同様に片持ち梁構造を有しており、磁性体棒３４の一端３４ａのみが連結部材３５で支持される。

その一端３４ａには、磁性体棒３４と連結部材３５とを繋ぐ回転軸８１が設けられ、回転軸８１を中心にして磁性体棒３４は一平面内で揺動可能である。なお、回転軸８１に代えて球関節等の自在継手を用い、磁性体棒３４を多方向に揺動可能としてもよい。

一方、磁性体棒３４の他端３４ｂはコイル３３の外側に位置しており、当該他端３４ｂに錘３６が設けられる。

更に、その錘３６の周囲には、ベース３１に固定されたストッパ８２が設けられる。ストッパ８２には凹部８２ａが形成されており、その凹部８２ａにより錘３６が囲われる。また、凹部８２ａの表面には当接片８２ｂが設けられており、その当接片８２ｂに錘３６が当接することで、磁性体棒３４の他端３４ｂの振動の幅が規制される。

この発電デバイス８０によれば、振動体１０の振動に伴い磁性体棒３４が振動し、ストッパ８２の当接片８２ｂに錘３６が当接する。このとき、錘３６が当接片８２ｂから撃力を受け、磁性体棒３４がその短手方向Zに撓む。その結果、逆磁歪現象により磁性体棒３４に大きな磁化の変化が生じ、コイル３３に発生する誘導起電力を高めることができる。

このようにストッパ８２に錘３６が当たるためには振動体１０の振動が周期的である必要はなく、振動体１０がパルス型振動等の任意の振動を行っても発電を行うことができ、振動体１０の選択の幅が広がる。

特に、回転軸８１を中心にして磁性体棒３４を揺動可能としたことで、僅かな振動でもストッパ８２に錘３６を当てることができる。

なお、回転軸８１がなくても錘３６とストッパ８２との間に作用する撃力が十分に大きい場合には回転軸８１を省いてもよい。この場合には、第１〜第５実施形態と同様に連結部材３５に磁性体棒３４を固定し、磁性体棒３４の弾性変形によって錘３６がストッパ８２に当たることになる。

更に、本実施形態ではストッパ８２によって磁性体棒３４の振動の幅が規制されるので、ボビン３９の内周面３９ａに磁性体棒３４が接触するのを防止でき、接触時の衝撃でコイル３３が断線するのを防ぐことができる。

発電デバイス８０の使用方法は上記に限定されない。

図２０は、発電デバイス８０の他の使用方法について示す一部断面側面図である。

図２０の例では、振動体１０の壁面に発電デバイス８０を設けることで、磁性体棒３４を鉛直下向きに垂らす。

また、図２１のように、振動体１０の天井面にベース３１の短手面３１ｃを固定し、振動体３４を鉛直下向きに垂らしてもよい。

図２０と図２１のどちらにおいても、振動体１０の振動によって磁性体棒３４が振り子運動をすることで、発電デバイス８０が発電を行うことができる。

特に、このように磁性体棒３４を垂らすことで、人体に発電デバイス８０を装着して徒歩中における人体の振動を利用して発電することが可能となる。

更に、上記ではストッパ８２で磁性体棒３４の振幅を制限したが、以下のようにボビン３９を利用して磁性体棒３４の振幅を制限してもよい。

図２２は、本実施形態の別の例に係る発電デバイスの一部断面側面図である。

この例では、磁性体棒３４の他端３４ｂ寄りのボビン３９の内周面３９ａにストッパとして突起３９ｙを設け、その突起３９ｙで磁性体棒３４の振幅を制限し、コイル３３が磁性体棒３４から受ける衝撃を緩和する。

（第７実施形態）
本実施形態では、二つのコイルを備えた発電デバイスの各例について、図２３〜図２７を参照しながら説明する。なお、図２３〜図２７において、第１〜第５実施形態で説明したのと同じ要素には同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

第１例
図２３は、第１例に係る発電デバイスの断面図である。

この発電デバイス９１においては、二本の磁性体棒３４を互いに並行するように設け、その各々の周囲にコイル３３を巻く。

また、各磁性体棒３４の一端３４ａ同士が連結部材３５で連結され、その磁性体棒３４の他端３４ｂ同士も連結部材３５で連結される。なお、第１実施形態で説明したように、連結部材３５としては永久磁石を使用し、その永久磁石で発生した磁界Hが各磁性体棒３４を周回する。

その連結部材３５の側面には固定部材３２として接着剤が設けられ、その固定部材３２にコイル３３とボビン３９が固定される。本実施形態では、磁性体棒３４との接触によってコイル３３が断線するのを防止するために、コイル３３の内周面３３ｂが磁性体棒３４の外周面３４ｘから離れるように、固定部材３４にコイル３３を固定する。

また、各磁性体棒３４の一端３４ａにはベース３１が設けられ、各磁性体棒３４の他端３４ｂには錘３６が設けられる。そして、ベース３１を介して発電デバイス９１が振動体１０に固定される。

本例によれば、上記のようにコイル３３の内周面３３ｂを磁性体棒３４の外周面３４ｘから離したため、磁性体棒３４が短手方向Zに撓んでもその外周面３４ｘがコイル３３に擦れることがない。これにより、磁性体棒３４との接触が原因でコイル３３が断線するのを防止することができる。

更に、コイル３３を二つ設けることで、各コイル３３を直列に接続したり並列に接続したりすることがき、発電デバイス９１の出力電圧を調節することもできる。

第２例
図２４は、第２例に係る発電デバイス９２の断面図である。

この例では二つの磁性体棒３４のうちの一方の一端３４ａと他端３４ｂに永久磁石４８を設け、これらの永久磁石４８により二つの磁性体棒３４の各々にバイアス磁界を印加する。

なお、この場合は連結部材３５として永久磁石を用いる必要はなく、永久磁石４８で発生した磁界を通し易い磁性体で連結部材３５を形成するのが好ましい。

第３例
図２５は、第３例に係る発電デバイス９３の断面図である。

本例では、第２例で説明した永久磁石４８を、二つの磁性体棒３４の各々の端部３４ａ、３４ｂに設ける。

第４例
図２６は、第４例に係る発電デバイス９４の断面図である。

本例では、各磁性体棒３４の外周面３４ｘに緩衝部材４９を設け、その緩衝部材４９を介して各磁性体棒３４にコイル３３を巻く。

緩衝部材４９の材料は特に限定されないが、各磁性体棒３４の振動を阻害せず、かつコイル３３を傷つけないようにするため、フレキシブルで柔らかな材料で緩衝部材４９を形成するのが好ましい。そのような材料としては、例えば、シリコーンゴムを含む接着剤がある。

一方、緩衝部材４９としてシリコーンゴムよりも硬度の高いエポキシ樹脂を用いることで、各磁性体棒３４の変形にコイル３３を速やかに追従させ、磁性体棒３４とコイル３３とを同周期で振動させてもよい。

このようにコイル３３と磁性体棒３４との間に緩衝部材４９を設けることで、振動時に磁性体棒３４がコイル３３に直接擦れないため、コイル３３が断線する危険性を低減することができる。

また、磁性体棒３４の表面に緩衝部材４９を設けたり、その緩衝部材４９を介して磁性体棒３４にコイル３３を巻くことは技術的に容易であるため、発電デバイス９４を簡単に組み立てることもできる。

第５例
図２７は、第５例に係る発電デバイス９５の断面図である。

本例では、各磁性体棒３４の外周面３４ｘの一部にのみ緩衝部材４９を設け、その緩衝部材４９を介して磁性体棒３４にコイル３３を固定する。磁性体棒３４の外周面３４ｘにおいて緩衝部材４９がない部位では、磁性体棒３４の外周面３４ｘからコイル３３が浮き、コイル３３と磁性体棒３４とが接触するのが防止される。

これにより、第４例と同様に、磁性体棒３４との接触が原因でコイル３３が断線するのを防止できる。

なお、第４例や第５例で説明した緩衝部材４９を第１〜第６実施形態に適用してもよい。

図２８は、第１実施形態に緩衝部材４９を適用して得られた発電デバイス１００の断面図である。その発電デバイス１００においても、第４例や第５例と同様に、緩衝部材４９により磁性体棒３４とコイル３３とを隔離することができる。この場合は、ベース３１にコイル３３を固定する固定部材３２（図８参照）は不要となる。

以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１） コイルと、
振動体から受ける振動により撓むと共に、前記コイルの内周面から間隔をおいて前記コイル内に挿入された磁性体棒と、
を有する発電デバイス。

（付記２） 前記磁性体棒の表面に設けられた非磁性板を更に有することを特徴とする付記１に記載の発電デバイス。

（付記３） 前記非磁性板は、前記磁性体棒よりも厚いことを特徴とする付記２に記載の発電デバイス。

（付記４） 前記振動体に固定されるベースと、
前記ベースの表面に設けられ、前記ベースに前記コイルを固定する固定部材と、
前記磁性体棒と前記ベースとを連結する連結部材とを更に有することを特徴とする付記１乃至付記３のいずれかに記載の発電デバイス。

（付記５） 前記連結部材が前記磁性体棒の両端に設けられ、該両端が前記ベースに連結されたことを特徴とする付記４に記載の発電デバイス。

（付記６） 前記連結部材は永久磁石であることを特徴とする付記５に記載の発電デバイス。

（付記７） 前記ベースは、磁性材料のヨークであることを特徴とする付記６に記載の発電デバイス。

（付記８） 前記両端の間の前記磁性体棒に設けられた錘を更に有することを特徴とする付記５乃至付記７のいずれかに記載の発電デバイス。

（付記９） 前記固定部材が二つに分割され、各々の前記固定部材の間の隙間に前記錘が導出されたことを特徴とする付記８に記載の発電デバイス。

（付記１０） 前記磁性体棒をその長手方向に伸張し、前記磁性体棒の張力を調節する調節機構を更に有することを特徴とする付記１乃至付記９のいずれかに記載の発電デバイス。

（付記１１） 前記連結部材が前記磁性体棒の一端に設けられ、かつ、前記磁性体棒の他端が自由端となっていることを特徴とする付記４に記載の発電デバイス。

（付記１２） 前記磁性体棒の前記他端に錘が設けられたことを特徴とする付記１１に記載の発電デバイス。

（付記１３） 前記磁性体棒の前記他端の振動の幅を規制するストッパを更に有することを特徴とする付記１１に記載の発電デバイス。

（付記１４） 前記磁性体棒の前記一端と前記連結部材とを繋ぐ回転軸を更に有し、
前記磁性体棒が、前記回転軸を中心にして揺動可能であることを特徴とする付記１３に記載の発電デバイス。

（付記１５） 前記磁性体棒の両端のうちの一方と前記ベースの端部とに錘が設けられたことを特徴とする付記５乃至付記７のいずれかに記載の発電デバイス。

（付記１６） 前記磁性体棒の外周面に設けられた緩衝部材を更に有し、
前記コイルが、前記緩衝部材を介して前記磁性体棒に巻かれたことを特徴とする付記１に記載の発電デバイス。

（付記１７） 前記磁性体棒が並行して二つ設けられ、各々の磁性体棒の端部同士が連結されたことを特徴とする付記１６に記載の発電デバイス。

１…磁歪材料、１ａ…原子、１０…振動体、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９１〜９５、１００…発電デバイス、２１、２２…第１及び第２の磁性体棒、２３、２４…第１及び第２のコイル、２５、２６…第１及び第２の連結部材、２７…ヨーク、２８、２９…第１及び第２の永久磁石、３１…ベース、３１ａ、３１ｂ…第１及び第２の長手面、３１ｃ…短手面、３２…固定部材、３３…コイル、３３ａ…外周面、３３ｂ…内周面、３４…磁性体棒、３４ａ…一端、３４ｂ…他端、３４ｘ…外周面、３５…連結部材、３５ａ…柱、３５ｂ…永久磁石、３５ｘ…空洞、３６…錘、３７…非磁性板、３８…積層体、３９…ボビン、３９ａ…内周面、３９ｘ…スリット、３９ｙ…突起、４８…永久磁石、４９…緩衝部材、５１…調節機構、５４…プレート、５４ａ…孔、５５…シャフト、５５ａ…ネジ穴、５６、５７…第１及び第２のネジ、８１…回転軸、８２…ストッパ、８２ａ…凹部、８２ｂ…当接片。

Claims (13)

1. コイルと、
   振動体から受ける振動により撓むと共に、前記コイルの内周面から間隔をおいて前記コイル内に挿入された磁性体棒と、
   前記振動体に固定されるベースと、
   前記ベースの表面に設けられ、前記ベースに前記コイルを固定する固定部材と、
   前記磁性体棒と前記ベースとを連結する連結部材と、
   を有する発電デバイス。
2. 前記磁性体棒の表面に設けられた非磁性板を更に有することを特徴とする請求項１に記載の発電デバイス。
3. 前記磁性体棒をその長手方向に伸長し、前記磁性体棒の張力を調節する調節機構を更に有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発電デバイス。
4. 前記連結部材が前記磁性体棒の一端に設けられ、かつ、前記磁性体棒の他端が自由端となっていることを特徴とする請求項１に記載の発電デバイス。
5. 前記磁性体棒の前記他端の振動の幅を規制するストッパを更に有することを特徴とする請求項４に記載の発電デバイス。
6. 前記連結部材が前記磁性体棒の両端に設けられ、該両端が前記ベースに連結されたことを特徴とする請求項１に記載の発電デバイス。
7. 前記連結部材は永久磁石であることを特徴とする請求項６に記載の発電デバイス。
8. 前記ベースは、磁性材料のヨークであることを特徴とする請求項７に記載の発電デバイス。
9. 前記両端の間の前記磁性体棒に設けられた錘を更に有することを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の発電デバイス。
10. 前記固定部材が二つに分割され、各々の前記固定部材の間の隙間に前記錘が導出されたことを特徴とする請求項９に記載の発電デバイス。
11. 前記磁性体棒の前記他端に錘が設けられたことを特徴とする請求項４に記載の発電デバイス。
12. 前記磁性体棒の前記一端と前記連結部材とを繋ぐ回転軸を更に有し、前記磁性体棒が、前記回転軸を中心にして揺動可能であることを特徴とする請求項５に記載の発電デバイス。
13. 前記磁性体棒の両端のうちの一方と前記ベースの端部とに錘が設けられたことを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の発電デバイス。

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