JP6155009B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁歪材料で形成された磁歪素子に入力される力学的エネルギーを電気に変換する発電装置に関するものである。

従来から、振動等の外力のエネルギーを電気に変換して利用することが提案されており、特に昨今の省エネルギー化への高度な要求に対応する手段の一つとして脚光を浴びつつある。このような力学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子としては、圧力を電力に変換する圧電素子等が一般的に知られているが、磁歪材料で形成された磁歪素子も注目されている。この磁歪素子は、特許第４９０５８２０号公報（特許文献１）に示されているように、歪みによって磁束密度の変化が生じるようになっており、磁歪素子に巻回されるコイルに対して磁束密度の変化に応じた誘導起電力が流れるようになっている。

ところで、特許文献１に示されている構造では、図４等に示されているように、棒状の磁歪素子が一端を自由端とされた片持ち状態で振動体等に取り付けられており、磁歪素子を共振によって大きく変形させて、発電効率を高めることが提案されている。

しかしながら、鉄−ガリウム系合金等の金属材料で形成された磁歪素子の共振は、特定周波数の振動入力時にのみ生じることから、共振周波数を外れた振動の入力時には、発電効率が大幅に低下して有効な電力を得られないおそれがある。特に、入力振動の周波数が変化する場合には、発電効率を安定させることが難しく、目的とする電力を安定して得ることが困難であった。

特許第４９０５８２０号公報

本発明は、上述の事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、発電効率の周波数依存性を低減して、広い周波数域の振動入力に対して安定して電力を得ることができる、新規な構造の発電装置を提供することにある。

すなわち、本発明の第１の態様は、磁歪材料で形成された長手状の磁歪素子にバイアス磁界が印加されていると共に、該磁歪素子にコイルが巻回されており、該磁歪素子の変形による磁界の変化によって該コイルに誘導起電力が生じるようにした発電装置において、振動伝達経路を構成する剛性の構造体自体に対して、振動源からの該振動伝達経路上で振動伝達方向に沿った方向に離れた固定点において前記磁歪素子の長手状の両端部分がそれぞれスペーサまたは永久磁石を介してボルト固定されることにより、該構造体自体における振動伝達方向に沿った方向で且つ該構造体から離隔して延びるようにして該磁歪素子が取り付けられており、該構造体の変形によって該磁歪素子が変形して前記コイルに誘導起電力が生じるようにしたことを、特徴とする。

このような第１の態様に記載された発電装置によれば、振動入力による構造体の変形時に、磁歪素子に強制力が及ぼされることにより、磁歪素子の透磁率の変化に伴ってコイルに誘導起電力が生じるようになっている。それ故、入力振動の周波数に大きく影響されることなく、安定した発電効率が実現される。

しかも、磁歪素子の両端部が構造体における互いに所定距離を隔てた部位に固定されており、構造体の変形によって磁歪素子に歪みが入力されるようになっていることから、磁歪素子が過大な変形によって損傷することがなく、磁歪素子の変形量を制限するための特別なストッパ手段も不要になる。
本発明の第２の態様は、磁歪材料で形成された長手状の磁歪素子にバイアス磁界が印加されていると共に、該磁歪素子にコイルが巻回されており、該磁歪素子の変形による磁界の変化によって該コイルに誘導起電力が生じるようにした発電装置において、振動伝達経路を構成する剛性の構造体自体に対して、振動源からの該振動伝達経路上で振動伝達方向に沿った方向で該構造体の屈曲部を挟んだ両側に離れた固定点において前記磁歪素子の長手状の両端部分が固定されることにより、該構造体自体における振動伝達方向に沿った方向で且つ該構造体の屈曲部を斜めに跨いで該磁歪素子が取り付けられており、該構造体の変形によって該磁歪素子が変形して前記コイルに誘導起電力が生じるようにしたことを、特徴とする。
このような第２の態様に記載された発電装置によれば、比較的に変形を生じ易い構造体の屈曲部を挟んだ両側に磁歪素子の各一方の端部が固定されることによって、磁歪素子に歪みを効率的に生ぜしめることができて、逆磁歪効果による発電が有効に実現される。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載された発電装置において、前記磁歪素子の形成材料が鉄系磁歪材料とされているものである。

第３の態様によれば、磁歪素子が充分な強度を有することから、リブ等の特別な補強構造を設けることなく、構造体が磁歪素子によって補強される。しかも、繰り返しの変形に対して磁歪素子の耐久性が確保されると共に、磁歪素子の変形量を比較的に大きく設定可能となって、高い発電効率を実現することもできる。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか１つの態様に記載された発電装置において、前記構造体が強磁性体で形成されており、該構造体と前記磁歪素子を含んで磁気回路が形成されているものである。

第４の態様によれば、磁気回路の一部を構造体で構成することにより、磁気回路を少ない部品点数で構成することができる。

本発明の第５の態様は、第１〜第４の何れか１つの態様に記載された発電装置において、一組の前記磁歪素子が並列に配設されて、それら磁歪素子のそれぞれに前記コイルが巻回されていると共に、それら磁歪素子が強磁性体で形成された連結部によって相互に連結されており、それら磁歪素子と連結部を含んで磁気回路が形成されているものである。

第５の態様によれば、磁気回路が構造体とは独立して構成されることから、構造体が非磁性体であっても発電装置によって有効に発電することができる。しかも、一組の磁歪素子が並列に配設されて、それら磁歪素子にそれぞれコイルが巻回されていることにより、各磁歪素子の変形に応じた発電がなされて、発電効率の向上も図られ得る。

本発明によれば、磁歪素子の両端部が、振動伝達経路を構成する構造体における互いに所定距離を隔てた部位に固定されており、振動入力時の構造体の変形によって磁歪素子に歪みが強制的に入力されるようになっている。それ故、磁歪素子の固有振動数と入力振動の周波数との関係に大きく影響されることなく、振動入力に対する安定した発電が実現される。しかも、複数の部材間の変位ではなく構造体の変形によって磁歪素子に歪みが入力されることから、磁歪素子の歪み量が制限されて、磁歪素子の過大な変形による損傷が、特別なストッパ手段等を設けることなく防止される。

本発明の第１の実施形態としての発電装置を示す平面図。 本発明に係る発電装置の装着状態の一例を概略的に示す斜視図。 本発明の第２の実施形態としての発電装置を示す縦断面図。 本発明の第３の実施形態としての発電装置を示す縦断面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１には、本発明の第１の実施形態としての発電装置１０が示されている。発電装置１０は、一組の磁歪素子１２，１２にそれぞれコイル１４が巻回された構造を有しており、磁歪素子１２の変形による磁界（透磁率）の変化に基づいて、コイル１４に誘導起電力が生じるようになっている。

より詳細には、磁歪素子１２は、略一定の矩形断面で直線的に延びる棒状とされており、一組の磁歪素子１２，１２が略平行に延びるように所定の距離を隔てて並列に配設されている。なお、磁歪素子１２の形成材料は、変形に対して透磁率の変化を充分に生じ得るものであれば特に限定されないが、強度に優れた鉄系の磁歪材料が望ましく、例えば、鉄−ガリウム系合金や鉄−コバルト系合金、鉄−ニッケル系合金、テルビウム−ジスプロシウム−鉄系合金等が、好適に採用され得る。

コイル１４は、各磁歪素子１２の長さ方向の中間部分に巻回されており、その両端部が図示しないキャパシタ等の蓄電装置に電気的に接続されている。

また、一組の磁歪素子１２，１２の間には、永久磁石１６が配設されている。永久磁石１６は、フェライト磁石等の一般的なものであって、コイル１４の巻回部分を外れた磁歪素子１２，１２の一方の端部付近で一組の磁歪素子１２，１２の間に跨って配設されて、磁歪素子１２，１２の対向面に固着されていると共に、それら磁歪素子１２，１２の対向方向に着磁されている。なお、永久磁石１６は、接着やねじ止め等によって磁歪素子１２，１２に固定されていても良いし、磁力によって磁歪素子１２，１２に吸着されていても良い。

また、一組の磁歪素子１２，１２の両端部には、それぞれ連結部１８が設けられている。連結部１８は、一組の磁歪素子１２，１２の端部間を相互に連結していると共に、非磁性体のボルト２０によって構造体に取り付けられるようになっている。更に、磁歪素子１２の一方の端部に取り付けられる連結部１８ａが、オーステナイト系ステンレス鋼等で形成された非磁性体とされていると共に、磁歪素子１２の他方の端部に取り付けられる連結部１８ｂが、鉄等で形成された強磁性体とされている。なお、一組の磁歪素子１２，１２が永久磁石１６と連結部１８ｂとによって連結されることで、磁気回路が構成されている。そして、この磁気回路には、永久磁石１６の磁束が常時及ぼされており、磁歪素子１２，１２に所定のバイアス磁界が印加されている。

構造体は、振動伝達系を構成する部材であれば、特に限定されるものではないが、例えば、図２に示されているように、パワーユニット２２と車両ボデー２４の間に介装される防振装置２６のブラケット２８が構造体とされる。このブラケット２８における互いに所定距離を隔てた部位に対して、一組の連結部１８ａ，１８ｂがそれぞれボルト２０で固定されることで、発電装置１０が構成されている。好適には、磁歪素子１２，１２の両端部が、一組の連結部１８ａ，１８ｂによって、ブラケット２８における振動の伝達方向に所定距離を隔てた部位に対して固定されることが望ましい。なお、図２では、見易さのために、発電装置１０の具体的な構造が省略されている。

そして、発電装置１０は、振動入力によるブラケット２８の変形によって、磁歪素子１２に歪みが入力されて、磁歪素子１２の透磁率が変化することにより、磁束の変化に応じた誘導起電力がコイル１４に生じて、図示しない蓄電手段に蓄電されるようになっている。

このように、磁歪素子１２に対してブラケット２８の変形による強制力を入力させることで、磁歪素子１２の変形が入力振動の周波数に大きく影響されることなく安定して生じることから、磁歪素子１２の共振を利用する場合に比して、広い周波数域の振動入力に対して安定した発電効率が実現される。それ故、自動車の振動伝達系のように走行状態等に応じて異なる周波数の振動が入力される場合にも、安定して電力を得ることができる。

しかも、本実施形態では、一組の磁歪素子１２，１２にそれぞれコイル１４が巻回された構造を有しており、振動入力時に各コイル１４に誘導起電力が生じることから、振動エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することができる。

また、ブラケット２８表面の所定距離を隔てた部位に一組の連結部１８ａ，１８ｂが固定されており、ブラケット２８の変形が磁歪素子１２に入力される。それ故、想定される振動入力に対するブラケット２８の変形量を調節することで、磁歪素子１２の変形量をコントロールすることができて、磁歪素子１２の過大変形による損傷等が、特別なストッパ手段等を要することなく回避される。

さらに、本実施形態では、磁歪素子１２が鉄−ガリウム系合金等の鉄系磁歪材料で形成されている。それ故、ブラケット２８の表面上に設けられる磁歪素子１２によってブラケット２８が補強されて、ブラケット２８を補強するためのリブ等を省略することもでき得る。

また、磁気回路が一組の磁歪素子１２，１２と永久磁石１６と連結部１８ｂとによって構成されていることから、ブラケット２８（構造体）がオーステナイト系ステンレス鋼や合成樹脂等の非磁性体であっても、有効に電気を得ることができる。

図３には、本発明の第２の実施形態としての発電装置３０が示されている。発電装置３０は、磁歪素子３２にコイル１４が巻回された構造を有している。なお、以下の説明において、前記実施形態と実質的に同一の部材および部位については、図中に同一の符号を付すことで説明を省略する。

磁歪素子３２は、鉄系の磁歪材料で形成された略長手板状の部材であって、両端部分に厚さ方向で貫通するボルト孔３４が形成されている。また、コイル１４は、磁歪素子３２に対してボルト孔３４，３４の間で巻回されており、図示しない蓄電装置に接続されている。

磁歪素子３２は、ボルト孔３４に挿通される非磁性体のボルト３６によって両端部分が構造体に取り付けられている。構造体は、図２に示されているように、例えば防振装置３８のブラケット４０のような振動伝達系を構成する部材であって、本実施形態では、鉄等の強磁性体とされている。

また、磁歪素子３２とブラケット４０の間には、筒状のスペーサ４２が各ボルト３６に外挿されて配設されており、磁歪素子３２がブラケット４０に対して所定の距離を隔てて対向配置されている。なお、スペーサ４２は、ボルト３６の締付けによる損傷を防ぐために高剛性の部材とされており、本実施形態では、後述する永久磁石４４が外挿される一方のスペーサ４２ａが、非磁性体とされていると共に、他方のスペーサ４２ｂが、強磁性体とされている。

また、磁歪素子３２とブラケット４０の対向面間には、永久磁石４４が配設されている。永久磁石４４は、略円筒形状とされて、軸方向に着磁されており、一方のスペーサ４２ａに外挿されている。また、図中では必ずしも明らかではないが、永久磁石４４は、スペーサ４２ａに対して僅かに軸方向寸法を小さくされていることが望ましく、それによってボルト３６の締付けによる荷重がスペーサ４２ａに及ぼされて、永久磁石４４に作用するのを防ぐことができる。なお、スペーサ４２ａが永久磁石４４に外挿されていても良い。また、永久磁石４４としては、フェライト等の化合物磁石を用いても良いが、合金磁石を用いても良く、例えば、高剛性の鉄系磁石等を用いて、一方のスペーサ４２ａを省略する場合もある。更に、永久磁石４４は、必ずしもボルト３６に外挿して配置する必要はなく、ボルト３６の挿通部分を外れた部分に固着しても良い。この場合には、筒状である必要もなく、中実ブロック状等であっても良い。更にまた、両方のボルト３６，３６にそれぞれ永久磁石４４を外挿して配設しても良く、その場合には、永久磁石４４，４４の着磁方向が軸方向で互いに逆向きとされると共に、両方のスペーサ４２ａ，４２ｂが非磁性体とされる。

そして、本実施形態では、磁歪素子３２と、ブラケット４０と、スペーサ４２ｂと、永久磁石４４とによって、磁気回路が構成されている。このことからも明らかなように、本実施形態では、磁歪素子３２がブラケット４０に取り付けられて発電装置３０が構成されることで、強磁性材料で形成されたブラケット４０をヨークとして利用して、磁歪素子３２とブラケット４０を含んだ磁気回路が構成されるようになっている。

この磁歪素子３２を含んで構成された磁気回路には、永久磁石４４の磁束によるバイアス磁界が印加されている。そして、ブラケット４０が振動入力によって変形すると、両端部をブラケット４０に固定された磁歪素子３２が変形して、磁歪素子３２において透磁率の変化が生じる。これにより、コイル１４を貫通する磁束密度が変化して、磁界の変化によってコイル１４に生じる誘導起電力が図示しない蓄電手段に蓄電されるようになっている。

このような本実施形態に従う構造とされた発電装置３０では、ブラケット４０が強磁性体とされて、磁歪素子３２を含んで構成される磁気回路の一部を構成するようになっている。それ故、部品点数の少ない簡単な構造で磁気回路を構成することができて、発電装置３０の構造の簡略化や軽量化が図られる。

図４には、本発明の第３の実施形態としての発電装置５０が示されている。発電装置５０は、磁歪素子５２にコイル１４を巻回した構造を有している。

磁歪素子５２は、全体として長手板状であって、中央部分が平板状の変形許容部５４とされていると共に、両端部分には変形許容部５４に対して傾斜した一組の取付部５６，５６が一体形成されている。また、平板状とされた取付部５６，５６には、厚さ方向に貫通するボルト孔３４がそれぞれ貫通形成されている。なお、一組の取付部５６，５６は、変形許容部５４との境界部分で厚さ方向の同じ側に屈曲しており、互いに略直交する方向で広がっている。また、コイル１４は、一組の取付部５６，５６間を延びる磁歪素子５２の中央部分（変形許容部５４）に巻回されている。

また、磁歪素子５２は、一組の取付部５６，５６において、構造体としての車両ボデー２４に取り付けられている。車両ボデー２４は、振動伝達系を構成する部材であって、鉄等の強磁性体で形成されている。更に、本実施形態の車両ボデー２４は、複数の部材が溶接によって一体とされた構造であって、磁歪素子５２の固定部位では、図４に示されているように、二つの部材の接合部分に屈曲部５８が設けられている。車両ボデー２４において、屈曲部５８を挟んだ両側は、互いに略直交する方向に広がっている。なお、本実施形態では、屈曲部５８が二つの部材の接合部分に設けられているが、例えば、一つの板状部材が屈曲されて略Ｌ字形の縦断面形状とされており、かかる板状部材の屈曲部分によって屈曲部を構成することもできる。

そして、磁歪素子５２の取付部５６，５６が、車両ボデー２４における屈曲部５８を挟んだ各一方の側にボルト３６で取り付けられており、車両ボデー２４における互いに所定距離を隔てた部位に固定されている。これにより、磁歪素子５２は、両端部分（取付部５６，５６）が車両ボデー２４の屈曲部５８を挟んだ両側に重ね合わされて固定されていると共に、中央部分（変形許容部５４）が屈曲部５８を斜めに跨いで延びている。このように磁歪素子５２が強磁性体の車両ボデー２４に取り付けられることで、磁歪素子５２と車両ボデー２４によって磁気回路が構成されている。

また、磁歪素子５２は、一方の端部が車両ボデー２４に対して直接重ね合わされて固定されていると共に、他方の端部が車両ボデー２４に対してボルト３６に外挿される非磁性体のスペーサ４２ａを介して重ね合わされて取り付けられている。更に、磁歪素子５２の他方の端部と車両ボデー２４との間には、略円環形状の永久磁石４４が配設されており、永久磁石４４がスペーサ４２ａに外挿されている。なお、本実施形態の永久磁石４４においても、軸方向寸法がスペーサ４２ａよりも僅かに小さくされていることが望ましい。

このように永久磁石４４が取り付けられることで、磁歪素子５２と車両ボデー２４を含んで構成された磁気回路には、永久磁石４４の磁束による所定のバイアス磁界が印加されている。

そして、振動が入力されると、車両ボデー２４の変形によって、屈曲部５８を挟んだ一方の側と他方の側との間で相対的な変位が生じて、磁歪素子５２に歪みが入力される。これにより、磁歪素子５２において透磁率の変化が生じて、コイル１４に生じる誘導起電力が蓄電乃至は利用されるようになっている。

本実施形態では、車両ボデー２４が屈曲部５８を備えており、変形を生じ易い屈曲部５８を挟んだ両側に磁歪素子５２の各一方の端部が固定されている。それ故、磁歪素子５２の両端部（一組の取付部５６，５６）間において相対的な変位が効率的に生じて、磁歪素子５２の変形許容部５４の変形による透磁率の変化と、それに伴う発電が有効に実現される。

しかも、鉄系磁歪材料で形成された磁歪素子５２が、屈曲部５８を跨いで配設されて、直線的に延びる変形許容部５４が、屈曲部５８を挟んだ両側に対して斜めに配設されている。これにより、車両ボデー２４の屈曲部５８での変形が磁歪素子５２によって低減されて、磁歪素子５２が車両ボデー２４に対する補強部材としても機能している。それ故、リブ等の特別な補強構造を設けることなく、車両ボデー２４の剛性を高めることも可能となる。

以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、本発明はその具体的な記載によって限定されない。例えば、磁歪素子の具体的な形状や形成材料等は、あくまでも例示であって、特に限定されるものではない。

また、磁歪素子の構造体への取付構造としては、ボルトによる固定に限定されるものではなく、接着や係止等の各構造が採用され得る。

また、磁歪素子における永久磁石の取付部分は、磁歪素子の構造体への固定部分と共通していても良いが、構造体への固定部分とは別に設けられていても良い。

また、構造体は、振動伝達系を構成する部材であれば良く、例えば、サブフレームやサスペンションアーム等も採用され得る。

さらに、構造体は、自動車の構造体のみに限定されるものではなく、自動二輪車や鉄道用車両、産業用車両等の構造体であっても良い。更にまた、構造体は、車両の構造体にも限定されず、洗濯機や橋梁、建築物等における振動伝達系を構成する部材が何れも構造体として採用可能である。

１０，３０，５０：発電装置、１２，３２，５２：磁歪素子、１４：コイル、１８：連結部、２４：車両ボデー（構造体）、２８，４０：ブラケット（構造体）、５８：屈曲部

Claims (5)

1. 磁歪材料で形成された長手状の磁歪素子にバイアス磁界が印加されていると共に、該磁歪素子にコイルが巻回されており、該磁歪素子の変形による磁界の変化によって該コイルに誘導起電力が生じるようにした発電装置において、
   振動伝達経路を構成する剛性の構造体自体に対して、振動源からの該振動伝達経路上で振動伝達方向に沿った方向に離れた固定点において前記磁歪素子の長手状の両端部分がそれぞれスペーサまたは永久磁石を介してボルト固定されることにより、該構造体自体における振動伝達方向に沿った方向で且つ該構造体から離隔して延びるようにして該磁歪素子が取り付けられており、該構造体の変形によって該磁歪素子が変形して前記コイルに誘導起電力が生じるようにしたことを特徴とする発電装置。
2. 磁歪材料で形成された長手状の磁歪素子にバイアス磁界が印加されていると共に、該磁歪素子にコイルが巻回されており、該磁歪素子の変形による磁界の変化によって該コイルに誘導起電力が生じるようにした発電装置において、
   振動伝達経路を構成する剛性の構造体自体に対して、振動源からの該振動伝達経路上で振動伝達方向に沿った方向で該構造体の屈曲部を挟んだ両側に離れた固定点において前記磁歪素子の長手状の両端部分が固定されることにより、該構造体自体における振動伝達方向に沿った方向で且つ該構造体の屈曲部を斜めに跨いで該磁歪素子が取り付けられており、該構造体の変形によって該磁歪素子が変形して前記コイルに誘導起電力が生じるようにしたことを特徴とする発電装置。
3. 前記磁歪素子の形成材料が鉄系磁歪材料とされている請求項１又は２に記載の発電装置。
4. 前記構造体が強磁性体で形成されており、該構造体と前記磁歪素子を含んで磁気回路が形成されている請求項１〜３の何れか１項に記載の発電装置。
5. 一組の前記磁歪素子が並列に配設されて、それら磁歪素子のそれぞれに前記コイルが巻回されていると共に、それら磁歪素子が強磁性体で形成された連結部によって相互に連結されており、それら磁歪素子と連結部を含んで磁気回路が形成されている請求項１〜４の何れか１項に記載の発電装置。

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