JP6239411B2

JP6239411B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP6239411B2
Application number: JP2014051098A
Authority: JP
Inventors: 宏樹布野
Original assignee: Toyo Tire and Rubber Co Ltd
Current assignee: Toyo Tire Corp
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: JP2015177612A

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装置に関し、特に出力密度を向上できる発電装置に関するものである。

従来より、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知られている（例えば特許文献１）。特許文献１に開示される発電素子は、磁性材料から構成される剛性棒と磁歪効果を有する磁歪棒とが平行に配設され、磁歪棒および剛性棒の対向間に互いに磁極を違えて一対の永久磁石が配置される。発電素子は、少なくとも磁歪棒にコイルが巻回され、一対の保持部材により、磁歪棒および剛性棒の対向間に一対の永久磁石が挟装された状態が保持される。一方の保持部材を振動体に固着し、他方の保持部材を自由端とした状態で設置すると、振動体の振動に伴って他方の保持部材が振動して磁歪棒および剛性棒が伸長および収縮を繰り返す。その結果、磁歪棒の軸方向と平行な方向に磁束密度が変化し（逆磁歪効果）、コイルに電流が発生して発電が行われる。

特開２０１３−２０８０２９号公報

しかしながら上述した従来の技術では、磁歪棒および剛性棒を伸長収縮させるには保持部材を振動させなければならないので、複数の発電素子を振動体に設置して電力を出力する場合には、各発電素子が独立して振動できるようにする必要があった。そのためには、隣り合う発電素子同士が干渉しないように、隣り合う発電素子間（保持部材間）に隙間を設けて発電素子を設置しなければならなかった。その結果、複数の発電素子の占有スペースが大きくなり、出力密度（単位質量または単位体積当たりに取り出せる電力量）が低下するという問題があった。

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、出力密度を向上できる発電装置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記載の発電装置によれば、磁歪棒が磁歪材料から構成され、磁歪棒よりも磁歪効果の低い磁性材料から構成される剛性棒が磁歪棒に並設され、剛性棒または磁歪棒の内の少なくとも磁歪棒にコイルが巻回される。磁歪棒および剛性棒の軸方向一端側および他端側に、互いに磁極を違えて一対の永久磁石が配設される。これにより単位素子が構成される。永久磁石により磁歪棒および剛性棒が磁化されて単位素子に磁気閉回路が形成される。単位素子の軸方向一端側および他端側にそれぞれ一対の保持部材が取着され、一対の保持部材の一方が固定され、一対の保持部材の他方が磁歪棒および剛性棒が並設される方向に振動することで、磁歪棒および剛性棒が交互に軸方向に伸長または収縮して発電が行われる。

単位素子は、軸方向一端側および他端側にそれぞれ一対の保持部材が取着され、磁歪棒および剛性棒が並設される方向と直交する方向に並んで複数が配置される。複数の単位素子は、軸方向一端側および他端側がそれぞれ一括して一対の保持部材に取着されるので、単位素子間の隙間を小さくできる。その結果、独立した単位素子を複数設ける場合と比較して、発電装置の占有スペースを小さくできる。

また、複数の単位素子の磁歪素子に生じる磁束密度の向きが同一になるように磁歪棒、剛性棒および永久磁石が配置されるので、単位素子が外部に作る磁界が影響し合って単位素子の内部に生じる磁束密度が減少することを防止できる。その結果、発電装置は占有スペースを小さくしつつ磁束密度の減少を防止できるので、出力密度を向上できる効果がある。

請求項２記載の発電装置によれば、磁歪棒および剛性棒の対向間に永久磁石が挟装され、磁歪棒および剛性棒の対向間に永久磁石が挟装された状態が、保持部材により保持される。よって、発電中に磁歪棒および剛性棒と永久磁石との間に滑りが発生することを抑制できる。その結果、摩擦抵抗によるエネルギーの損失を抑制できる。また、複数の単位素子は、一方の保持部材に配設される永久磁石の向きが、磁歪棒を吸着する面の磁極が同一になるように設定されるので、磁歪棒、剛性棒および永久磁石を通る磁気閉回路を形成しつつ、磁歪棒の磁束密度の向きを同じにできる。その結果、磁束密度を増加させつつ単位素子の小型化を図ることができる。よって、請求項１の効果に加え、小型化を図りつつ出力密度をさらに向上できる効果がある。

請求項３記載の発電装置によれば、コイルは磁歪棒のみに巻回される。剛性棒に巻回されるコイルを不要にできるので、部品点数の削減を図ることができる。また、複数の単位素子の内の隣り合う位置に配置される一の単位素子および他の単位素子は、一の単位素子の剛性棒と他の単位素子の磁歪棒とが隣り合うように配置される。コイルは磁歪棒のみに巻回されており、剛性棒にはコイルは巻回されていないので、磁歪棒と剛性棒の両方にコイルが巻回されるものと比較して、隣り合う磁歪棒と剛性棒との距離を近づけることができる。その結果、磁歪棒および剛性棒が並設される方向と直交する方向の発電装置の大きさを小さくできる。よって、発電装置の体積をさらに小さくすることができるので、請求項１又は２の効果に加え、発電装置の出力密度をさらに向上できる効果がある。

本発明の第１実施の形態における発電装置の斜視図である。図１のＩＩ−ＩＩ線における発電装置の断面端面図である。（ａ）は固定部材の正面図であり、（ｂ）は図３（ａ）の矢印ＩＩＩｂ方向視における固定部材の側面図である。（ａ）は磁歪棒の平面図であり、（ｂ）は図４（ａ）の矢印ＩＶｂ方向視における磁歪棒の側面図である。単位素子の配置と磁束密度の向きとの関係を示す発電装置の模式図である。第２実施の形態における発電装置の単位素子の配置と磁束密度の向きとの関係を示す模式図である。比較例における発電装置の単位素子の配置と磁束密度の向きとの関係を示す模式図である。

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は本発明の第１実施の形態における発電素子１の斜視図である。なお、図１の矢印Ｘ，Ｙ，Ｚは、発電装置１の軸方向、幅方向、高さ方向をそれぞれ示している（図２、図５、図６及び図７において同じ）。図１に示すように発電装置１は、第１単位素子１０、第２単位素子２０及び第３単位素子３０と、それら単位素子１０，２０，３０の軸方向両端にそれぞれ取着される一対の保持部材５０とを備えて構成される。

第１単位素子１０は、磁歪材料から構成される磁歪棒１１と、磁性材料から構成されると共に磁歪棒１１に並設される剛性棒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の軸方向両端にそれぞれ取着される固定部材１４とを備えている。第２単位素子２０及び第３単位素子３０も、第１単位素子１０と同様に、磁歪材料から構成される磁歪棒２１，３１と、磁性材料から構成されると共に磁歪棒２１，３１に並設される剛性棒２２，３２と、磁歪棒２１，３１に巻回されるコイル２３，３３と、磁歪棒２１，３１及び剛性棒２２，３２の軸方向両端にそれぞれ取着される固定部材２４，３４とをそれぞれ備えている。

単位素子１０，２０，３０は、磁歪棒１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２の軸方向（Ｘ方向）一端側および他端側にそれぞれ取着された固定部材１４，２４，３４が、保持部材５０の幅方向（Ｙ方向）に列設された孔部５１，５２，５３に嵌装される。これにより単位素子１０，２０，３０は、発電装置１の幅方向（Ｙ方向）に並んで配置されると共に、一括して保持部材５０に取着される。本実施の形態では、第２単位素子２０は第１単位素子１０及び第３単位素子３０の間に配置される。第１単位素子１０及び第３単位素子３０は、磁歪棒１１，３１が剛性棒１２，３２に対して高さ方向（Ｚ方向）下側に配置され、第２単位素子２０は、磁歪棒２１が剛性棒２２に対して高さ方向（Ｚ方向）上側に配置されている。

次に図２から図４を参照して、第１単位素子１０について詳細に説明する。図２は図１のＩＩ−ＩＩ線における発電装置１の断面端面図である。なお、図２では、永久磁石４１，４２の磁極の向きの理解を容易にするため、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３（ａ）は固定部材１４の正面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の矢印ＩＩＩｂ方向視における固定部材１４の側面図であり、図４（ａ）は磁歪棒１１の平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の矢印ＩＶｂ方向視における磁歪棒１１の側面図である。

図２に示すように第１単位素子１０は、磁歪棒１１及び剛性棒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２左側）及び他端側（図２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４１，４２と、永久磁石４１，４２をそれぞれ固定しつつ磁歪棒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固定部材１４とを備えている。保持部材５０に形成された孔部５１に固定部材１４が嵌装されることで、磁歪棒１１及び剛性棒１２の対向間に永久磁石４１，４２が挟装された状態に保持される。本実施の形態では、磁歪棒１１及び剛性棒１２は同一の形状および寸法に設定されている。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、磁歪棒１１は、厚さ（図４（ｂ）上下方向寸法）に対して幅（図４（ａ）上下方向寸法）が大きな断面長方形（即ち、断面が長辺（幅方向に沿う辺）及び短辺（厚さ方向に沿う辺）を有する長方形）から長尺板状に形成される。磁歪棒１１及び剛性棒１２は、互いに略同一形状（寸法）に形成されると共に、面積が大きな面（図４（ａ）紙面手前側または紙面奥側の面）同士を高さ方向（Ｚ方向）に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。

図２に戻って説明する。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。本実施の形態では、コイル１３は自己融着線からなる導線同士が接着固定された空芯コイルであり、磁歪棒１１の断面形状に応じて扁平した断面略楕円の筒状に形成されている。

永久磁石４１，４２は、磁歪棒１１及び剛性棒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。なお、永久磁石４１，４２は、固定部材１４の挟持対向部１６，１７の対向方向（図２上下方向）の寸法が厚さ寸法とされる。また、規制部１９（図３（ｂ）参照）の突設長さ（図３（ｂ）左右方向寸法）が幅寸法とされる。

永久磁石４１，４２は、互いに磁極を違えて配設される。即ち、永久磁石４１は、磁歪棒１１を吸着する面側（図２下側）にＮ極、剛性棒１２を吸着する面側（図２上側）にＳ極が配置される一方、これとは反対に、永久磁石４２は、磁歪棒１１を吸着する面側にＳ極、剛性棒１２を吸着する面側に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４１，４２とにより磁気閉回路が形成され、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、Ｘ方向）に設定される。

固定部材１４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部材であり、保持部材５０は、固定部材１４が圧入されるブロック状の部材である。固定部材１４及び保持部材５０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。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、固定部材１４は、平板状に形成されるベース部１５と、そのベース部１５の側面（図３（ａ）右側側面）から突設されると共に所定間隔を隔てて対向する挟持対向部１６，１７と、それら挟持対向部１６，１７の対向間に位置しつつベース部１５の側面から突設される連結部１８と、連結部１８の先端側側面から突設されると共に挟持対向部１６，１７の対向間に位置する規制部１９とを備える。なお、固定部材１４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。

挟持対向部１６，１７は、磁歪棒１１及び剛性棒１２を永久磁石４１，４２へ向かう方向に挟み込んで挟持する部位であり（図２参照）、対向面１６ａ，１６ｂ及び対向面１７ａ，１７ｂがそれぞれ対向して形成される。対向面１６ａ，１６ｂ及び対向面１７ａ，１７ｂ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４１，４２がそれぞれ収容される（図２参照）。

なお、対向面１６ａ，１７ａは互いに平行とされ、それら対向面１６ａ，１７ａの対向間隔（図３（ａ）上下方向の寸法）は、磁歪棒１１、剛性棒１２及び永久磁石４１，４２の厚さ（図２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１６ｂ，１７ｂは互いに平行とされ、それら対向面１６ｂ，１７ｂの対向間隔は、永久磁石４１，４２の厚さよりも所定量（本実施の形態では０．０２ｍｍ）だけ大きくされる。

ベース部１５及び挟持対向部１６，１７（即ち固定部材１４）の上面側および下面側（図３（ａ）上側または下側）には、保持部材５０の孔部５１（図２参照）へ固定部材１４を圧入する際の圧入方向に沿って傾斜する傾斜面１６ｃ，１７ｃがそれぞれ形成される。傾斜面１６ｃ，１７ｃは、規制部２４からベース部１５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１６ｃは下降傾斜、傾斜面１７ｃ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１４（ベース部１５及び挟持対向部１６，１７）は、図３（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。

連結部１８は、挟持対向部１６，１７の対向面１６ａ，１７ａ間に規制部１９を配置するための部位であり、挟持対向部１６，１７とそれぞれ間隔をあけてベース部１５から突設される。規制部１９は、図３（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１６，１７の対向面１６ａ，１７ａに対して各対向面１９ａ，１９ｂが所定の間隔を隔てて配設される。規制部１９の対向面１９ａと挟持対向部１６の対向面１６ａとの間隔（図３（ａ）及び図３（ｂ）上下方向寸法）は、剛性棒１２の厚さ（図２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１９の対向面１９ｂと挟持対向部１７の対向面１７ａとの間隔（図３（ａ）及び図３（ｂ）上下方向寸法）は、磁歪棒１１の厚さ（図２上下方向寸法）と同等または若干大きくされる。これにより対向面１７ａと対向面１９ｂとの間に、磁歪棒１１の軸方向一端側および他端側に形成された根元部１１ａ，１１ｂ（図４（ａ）及び図４（ｂ）参照）を挿入できる。同様に、剛性棒１２の軸方向一端側および他端側を対向面１６ａと対向面１９ａとの間に挿入できる。

規制部１９は、対向面１９ａ，１９ｂ間の厚さが、永久磁石４１，４２の厚さよりも大きくされる。なお、本実施の形態では、規制部１９の厚さが、ベース部１５側に位置する対向面１６ｂ，１７ｂの対向間隔（図３（ａ）上下方向寸法）と同等に設定される。また、挟持対向部１６，１７及び規制部１９は、ベース部１５の反対側に位置する端面（図３（ａ）右側の面）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２参照）。

図２に戻って説明する。保持部材５０は、略直方体形状の部材であり、固定部材１４が圧入される孔部５１が形成される。孔部５１は、固定部材１４の傾斜面１６ｃ，１７ｃ（図３（ａ）参照）に対応して、高さ方向（Ｚ方向）に対向する内面に、固定部材１４を圧入する際の圧入方向に沿って傾斜する傾斜面が形成される。

次に図１、図２及び図５を参照して、発電素子１の組立方法について説明する。図５は単位素子１０，２０，３０の配置と磁束密度の向きとの関係を示す発電装置１の模式図である。なお、図５は、一対の保持部材５０の内の一方の保持部材５０に固定された各単位素子１０，２０，３０の軸方向一端側（図２左側）を、軸方向視において模式的に図示する。・及び×は磁歪棒１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２の内部に発生した磁束密度の向きを示し、・は紙面奥側から手前側の向き、×は紙面手前側から奥側の向きを意味する（図６、図７において同じ）。また、Ｎ及びＳは永久磁石４１の磁極を意味する（図６、図７において同じ）。

図２に示すように発電素子１を組み立てるには、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を挿通し、磁歪棒１１及び剛性棒１２の軸方向一端側を固定部材１４の挟持対向部１６，１７と規制部１９との間に挿入する。次に、永久磁石４１を固定部材１４の収容空間（磁歪棒１１及び剛性棒１２の対向間）に配設する。永久磁石４１は、Ｎ極側が磁歪棒１１へ吸着され、Ｓ極側が剛性棒１２へ吸着される。次いで、接着剤により永久磁石４１を固定部材１４へ接着固定する。

同様に、磁歪棒１１及び剛性棒１２の軸方向他端側を固定部材１４の挟持対向部１６，１７と規制部１９との間に挿入し、永久磁石４２を固定部材１４の収容空間（磁歪棒１１及び剛性棒１２の対向間）に配設する。永久磁石４２は、Ｓ極側が磁歪棒１１へ吸着され、Ｎ極側が剛性棒１２へ吸着される。次いで、接着剤により永久磁石４２を固定部材１４へ接着固定して、第１単位素子１０が組み立てられる。なお、永久磁石４１，４２は接着剤によって固定部材１４に接着しなくても良い。以上のようにして組み立てた第１単位素子１０と同様に、第２単位素子２０及び第３単位素子３０を組み立てる。

次いで図１に示すように、磁歪棒１１及び剛性棒１２が高さ方向（Ｚ方向）に並ぶように、第１単位素子１０の軸方向一端側の固定部材１４を、保持部材５０の孔部５１へ圧入する。次に、第１単位素子１０の固定部材１４が圧入された孔部５１の隣の孔部５２へ、第２単位素子２０の固定部材２４を圧入する。このときは、図５に示すように、第１単位素子１０の磁歪棒１１の隣に第２単位素子２０の剛性棒２２が位置するように、第２単位素子２０の固定部材２４を孔部５２へ圧入する。剛性棒１２，２２にはコイル１３，２３が巻回されていないので、磁歪棒１１と剛性棒２２、剛性棒１２と磁歪棒２１とができるだけ近づくように、孔部５１と孔部５２との幅方向（Ｙ方向）距離を小さくできる。

次いで、第２単位素子２０の固定部材２４が圧入された孔部５２の隣の孔部５３（図１参照）へ、第３単位素子３０の固定部材３４を圧入する。このときは、図５に示すように、第２単位素子２０の磁歪棒２１の隣に第３単位素子３０の剛性棒３２が位置するように、第３単位素子３０の固定部材３４を孔部５３へ圧入する。剛性棒３２にはコイル３３が巻回されていないので、磁歪棒２１と剛性棒３２、剛性棒２２と磁歪棒３１とができるだけ近づくように、孔部５２と孔部５３との幅方向（Ｙ方向）距離を小さくできる。

第１単位素子１０、第２単位素子２０及び第３単位素子３０の軸方向一端側を保持部材５０の孔部５１，５２，５３に圧入した後、別の保持部材５０を用意して、第１単位素子１０、第２単位素子２０及び第３単位素子３０の軸方向他端側を、別の保持部材５０の孔部５１，５２，５３に圧入する。以上のようにして発電装置１が組み立てられる。

発電素子１は、例えば振動体（図示せず）に対し、一対の保持部材５０の内の一方の保持部材５０を固着すると共に他方の保持部材５０を自由端とした状態で設置される。振動体の振動に伴って、磁歪棒１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２の軸直角方向（Ｚ方向）へ保持部材５０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（Ｘ方向）の伸長および収縮が磁歪棒１１，２１，３１に発生することで、磁歪棒１１、２１，３１の軸方向と平行な方向に磁束密度が変化し、コイル１３，２３，３３に電流が発生することで発電が行われる。

図５に示すように、各単位素子１０，２０，３０において磁歪棒１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２は高さ方向（Ｚ方向）に並設され、単位素子１０，２０，３０は幅方向（Ｙ方向）に並設される。そのため保持部材５０が高さ方向（Ｚ方向）に振り子運動すると、磁歪棒１１，３１及び剛性棒２２は同時に引張力または圧縮力が作用し、剛性棒１２，３２及び磁歪棒２１は同時に引張力または圧縮力が作用する。磁歪棒１１，３１及び剛性棒２２に引張力が作用する時には、剛性棒１２，３２及び磁歪棒２１に圧縮力が作用し、磁歪棒１１，３１及び剛性棒２２に圧縮力が作用する時には、剛性棒１２，３２及び磁歪棒２１に引張力が作用する。

その結果、第１単位素子１０及び第３単位素子３０の磁歪棒１１，３１に引張力が作用する時に第２単位素子２０の磁歪棒２１には圧縮力が作用し、第１単位素子１０及び第３単位素子３０の磁歪棒１１，３１に圧縮力が作用する時に第２単位素子２０の磁歪棒２１には引張力が作用する。しかし、磁歪棒１１，２１，３１の磁束密度の向きは、単位素子１０，２０，３０間で同一になるように設定されている。各単位素子１０，２０，３０は外部に磁界を作り、この磁界は磁歪棒１１，２１，３１の磁束密度の向きが同一のため、各単位素子１０，２０，３０の磁化を強くする方向に働く。よって、発電装置１により発電される電力量を大きくすることができる。

また、剛性棒１２，２２，３２にはコイルが巻回されていないので、剛性棒１２，２２，３２に巻回されるコイルを不要にできる。よって、部品点数の削減を図ることができる。また、剛性棒１２，２２，３２にはコイルが巻回されていないので、幅方向（Ｙ方向）に並設される磁歪棒１１、剛性棒２２及び磁歪棒３１が幅方向に占有するスペース、剛性棒１２、磁歪棒２１及び剛性棒３２が幅方向に占有するスペースを小さくできる。第１単位素子１０、第２単位素子２０及び第３単位素子３０が幅方向（Ｙ方向）に占有するスペースを小さくできるので、発電装置１の体積を小さくすることができる。よって、発電装置１の出力密度（単位体積当たりに取り出せる電力量）を大きくできる。

また、第１単位素子１０のコイル１３の幅方向端部と第２単位素子２０のコイル２３の幅方向端部とが高さ方向（Ｚ方向）に重なり合うようにできる。同様に、第２単位素子２０のコイル２３の幅方向端部と第３単位素子３０のコイル３３の幅方向端部とが高さ方向（Ｚ方向）に重なり合うようにできる。コイル１３，２３，３３同士の間隔を高さ方向（Ｚ方向）に確保できるので、発電装置１が振動したときにコイル１３，２３，３３同士が接触することによる異音の発生を抑制できると共に、発電装置１の幅方向（Ｙ方向）の寸法を小さくできる。

また、各単位素子１０，２０，３０は磁歪棒１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２の対向間に永久磁石４１，４２が挟装され、その状態が保持部材５０により保持される。よって、発電中に磁歪棒１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２と永久磁石４１，４２との間に滑りが発生することを抑制できる。その結果、摩擦抵抗によるエネルギーの損失を抑制できる。また、各単位素子１０，２０，３０は、保持部材５０の一方に配設される永久磁石４１の向きが、磁歪棒１１，２１，３１を吸着する面の磁極が同一（本実施の形態ではＮ極）になるように設定されるので、磁歪棒１１，２１，３１、剛性棒１２，２２，３２及び永久磁石４１，３２をそれぞれ通る磁気閉回路を形成しつつ、磁束密度の向きを同じにできる。その結果、発電素子１の系外に磁石を配置する構造や、永久磁石や電磁石の起磁力により磁歪棒１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２にバイアス磁化を印加するバックヨークを設ける構造とする場合と比較して、磁束密度を増加させつつ単位素子の小型化を図ることができる。

次に図６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、各単位素子１０，２０，３０の磁歪棒１１、剛性棒２２及び磁歪棒３１が幅方向（Ｙ方向）に並設されると共に、それら磁歪棒１１、剛性棒２２及び磁歪棒３１とそれぞれ対向する剛性棒１２、磁歪棒２１及び剛性棒３２が、幅方向に並設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、各単位素子１０，２０，３０の磁歪棒１１，２１，３１が幅方向（Ｙ方向）に並設されると共に、それら磁歪棒１１，２１，３１とそれぞれ対向する剛性棒１２，２２，３２が、幅方向に並設され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６は第２実施の形態における発電装置１０１の単位素子１０，２０，３０の配置と磁束密度の向きとの関係を示す模式図である。

図６に示すように発電素子１０１は、第１単位素子１０、第２単位素子２０及び第３単位素子３０の各磁歪棒１１，２１，３１が保持部材１５０の高さ方向（Ｚ方向）一方（本実施の形態では図６上側）に位置するように、第１単位素子１０、第２単位素子２０及び第３単位素子３０を一括して保持部材１５０に保持させる。これにより、磁歪棒１１，２１，３１が幅方向（Ｙ方向）に並設されると共に、それら磁歪棒１１，２１，３１とそれぞれ対向する剛性棒１２，２２，３２が、幅方向（Ｙ方向）に並設される。

発電素子１０１は、例えば振動体（図示せず）に対し、一対の保持部材１５０の内の一方の保持部材１５０を固着すると共に他方の保持部材１５０を自由端とした状態で設置される。振動体の振動に伴って、磁歪棒１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２の軸直角方向（Ｚ方向）へ保持部材１５０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（Ｘ方向）の伸長および収縮が磁歪棒１１，２１，３１に発生することで、磁歪棒１１、２１，３１の軸方向と平行な方向に磁束密度が変化し、コイル１３，２３，３３に電流が発生することで発電が行われる。

図６に示すように、各単位素子１０，２０，３０において磁歪棒１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２は高さ方向（Ｚ方向）に並設され、単位素子１０，２０，３０は幅方向（Ｙ方向）に並設される。そのため保持部材１５０が高さ方向（Ｚ方向）に振り子運動すると、磁歪棒１１，２１，３１は同時に引張力または圧縮力が作用し、剛性棒１２，２２，３２は同時に引張力または圧縮力が作用する。磁歪棒１１，２１，３１に引張力が作用するときには剛性棒１２，２２，３２に圧縮力が作用し、磁歪棒１１，２１，３１に圧縮力が作用するときには剛性棒１２，２２，３２に引張力が作用する。

本実施の形態によれば、磁歪棒１１，２１，３１の磁束密度の向きは、単位素子１０，２０，３０間で同一になるように設定されている。各単位素子１０，２０，３０は外部に磁界を作り、この磁界は磁歪棒１１，２１，３１の磁束密度の向きが同一のため、各単位素子１０，２０，３０の磁化を強くする方向に働く。よって、発電装置１０１により発電される電力量を大きくすることができる。

また、単位素子１０，２０，３０は軸方向両端に一対の保持部材１５０が取着され、磁歪棒１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２がそれぞれ並設される方向（Ｚ方向）と直交する方向（Ｙ方向）に並んで複数が配置される。複数の単位素子１０，２０，３０は、それぞれ一括して一対の保持部材１５０に取着される。

ここで、単位素子１０，２０，３０を別々に振動体（図示せず）に設置する場合には、各単位素子１０，２０，３０が独立して振動できるように（他の単位素子１０，２０，３０に干渉しないように）、単位素子１０，２０，３０間に適当な間隔を設ける必要がある。その場合には、単位素子１０，２０，３０間に設ける隙間の分だけ占有スペースが大きくなるという問題が生じる。

これに対し本実施の形態によれば、複数の単位素子１０，２０，３０は一括して保持部材１５０に取着されるので、単位素子１０，２０，３０を同調して振動させることができる。そのため、各単位素子１０，２０，３０が独立して振動できるような隙間を設ける必要がないので、単位素子１０，２０，３０間の隙間を小さくできる。その結果、単位素子１０，２０，３０を独立して複数設ける場合と比較して、発電装置１０１の占有スペースを小さくできる。

また、保持部材１５０が振動することによって複数の単位素子１０，２０，３０の磁気閉回路に生じる磁束密度の向きが同一になるように磁歪棒１１，２１，３１、剛性棒１２，２２，３２及び永久磁石４１，４２が配置されるので、単位素子１０，２０，３０が外部に作る磁界が影響し合って単位素子１０，２０，３０の内部に生じる磁束密度が減少することを防止できる。その結果、発電装置１０１は占有スペースを小さくしつつ磁束密度の減少を防止できるので、出力密度を向上できる。

次に図７を参照して、比較例における発電装置２０１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７は比較例における発電装置２０１の単位素子２１０，２０，２３０の配置と磁束密度の向きとの関係を示す模式図である。

図７に示すように、比較例における発電素子２０１を構成する第１単位素子２１０は、コイル１３が巻回される磁歪棒１１と剛性棒１２との対向間（軸方向一端側）に永久磁石４１（図２参照）が装着される。永久磁石４１は、Ｎ極側が剛性棒１２へ吸着され、Ｓ極側が磁歪棒１１へ吸着される。同様に、磁歪棒１１と剛性棒１２との対向間（軸方向他端側）に永久磁石４２（図２参照）が装着される。永久磁石４２は、Ｓ極側が剛性棒１２へ吸着され、Ｎ極側が磁歪棒１１へ吸着される。これにより第１単位素子２１０が組み立てられる。第３単位素子２３０も第１単位素子２１０と同様に組み立てられる。

次いで図７に示すように、磁歪棒１１及び剛性棒１２が高さ方向（Ｚ方向）に並ぶように、第１単位素子２１０の軸方向一端側を保持部材５０へ圧入する。次に、第１単位素子２１０が保持部材５０へ圧入された隣へ第２単位素子２０を圧入する。このときは、第１単位素子２１０の磁歪棒１１の隣に第２単位素子２０の剛性棒２２が位置するように、第２単位素子２２０を配置する。次いで、第２単位素子２０が保持部材５０へ圧入された隣へ第３単位素子２３０を圧入する。このときは、第２単位素子２０の磁歪棒２１の隣に第３単位素子２３０の剛性棒３２が位置するように、第３単位素子２３０を配置する。

第１単位素子２１０、第２単位素子２０及び第３単位素子２３０の軸方向一端側を保持部材５０へ圧入した後、別の保持部材５０を用意して、第１単位素子２１０、第２単位素子２０及び第３単位素子２３０の軸方向他端側を、別の保持部材５０へ圧入する。以上のようにして比較例における発電装置２０１が組み立てられる。

発電素子２０１は、例えば振動体（図示せず）に対し、一対の保持部材５０の内の一方の保持部材５０を固着すると共に他方の保持部材５０を自由端とした状態で設置される。振動体の振動に伴って、磁歪棒１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２の軸直角方向（Ｚ方向）へ保持部材５０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（Ｘ方向）の伸長および収縮が磁歪棒１１，２１，３１に発生することで、磁歪棒１１、２１，３１の軸方向と平行な方向に磁束密度が変化し、コイル１３，２３，３３に電流が発生することで発電が行われる。

図７に示すように、各単位素子２１０，２０，２３０において磁歪棒１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２は高さ方向（Ｚ方向）に並設され、単位素子２１０，２０，２３０は幅方向（Ｙ方向）に並設される。そのため保持部材５０が高さ方向（Ｚ方向）に振り子運動すると、磁歪棒１１，３１及び剛性棒２２は同時に引張力または圧縮力が作用し、剛性棒１２，３２及び磁歪棒２１は同時に引張力または圧縮力が作用する。磁歪棒１１，３１及び剛性棒２２に引張力が作用する時には、剛性棒１２，３２及び磁歪棒２１に圧縮力が作用し、磁歪棒１１，３１及び剛性棒２２に圧縮力が作用する時には、剛性棒１２，３２及び磁歪棒２１に引張力が作用する。

比較例によれば、磁歪棒１１，３１の磁束密度の向きは、磁歪棒２１の磁束密度の向きと異なるように設定されている。各単位素子２１０，２０，２３０は外部に磁界を作り、第２単位素子２０には、第１単位素子２１０及び第３単位素子２３０によって、磁歪棒２１の内部の磁束密度の向きとは逆向きの外部磁界が加わる。これにより第２単位素子２０は、磁束密度が変化し減磁される。よって、比較例における発電装置２０１は、第１実施の形態および第２実施の形態で説明した発電装置１，１０１より発電される電力量が小さくなる。

第１実施の形態および第２実施の形態における発電装置１，１０１によれば、各単位素子１０，２０，３０が作る外部磁界によって各単位素子１０，２０，３０が減磁されることを防止できる。よって、発電装置１，１０１によれば出力密度を向上できる。

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。例えば、発電装置１，１０１が有する単位素子１０，２０，３０の数は３つに限定するものではなく、２つ以上（複数）であれば、上記実施の形態と同様の作用・効果を実現できる。

上記各実施の形態では、保持部材５０，１５０に固定部材１４を圧入して発電素子１，１０１を組み立て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、保持部材５０，１５０と固定部材１４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５０，１５０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１１，２１，３１のみにコイル１３，２３，３３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１１，２１，３１と剛性棒１２，２２，３２との両者にそれぞれコイル１３，２３，３３を巻回しても良い。

上記各実施形態では、各単位素子を、第１単位素子１０、第２単位素子２０及び第３単位素子３０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長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、単位素子１０，２０，３０の系外（磁歪棒と剛性棒とに挟持された永久磁石以外）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、単位素子１０，２０，３０の系外に永久磁石を配置した構成とすることは可能である。また、永久磁石の起磁力により磁歪棒１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２（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１１，２１，３１及び剛性棒１２，２２，３２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１１，２１，３１の寸法に対し、剛性棒１２，２２，３２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１１，２１，３１、剛性棒１２，２２，３２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１１，２１，３１等を断面円形としたことで、永久磁石４１，４２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４１，４２の寸法または起磁力を大きくするか、或いは、磁歪棒１１，２１，３１等と永久磁石４１，４２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。

１，１０１発電装置
１０第１単位素子（単位素子）
１１磁歪棒
１２剛性棒
１３コイル
２０第２単位素子（単位素子）
２１磁歪棒
２２剛性棒
２３コイル
３０第３単位素子（単位素子）
３１磁歪棒
３２剛性棒
３３コイル
４１，４２永久磁石
５０，１５０保持部材

Claims

磁歪材料から構成される磁歪棒と、
前記磁歪棒に並設されると共に前記磁歪棒よりも磁歪効果の低い磁性材料から構成される剛性棒と、
前記剛性棒または前記磁歪棒の内の前記磁歪棒に少なくとも巻回されるコイルと、
互いに磁極を違えて前記磁歪棒および前記剛性棒の軸方向一端側および他端側に配設される一対の永久磁石とを有し、前記永久磁石により前記磁歪棒および前記剛性棒が磁化されて磁気閉回路が形成される単位素子と、
前記単位素子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保持部材とを備え、
前記一対の保持部材の一方が固定され、前記一対の保持部材の他方が前記磁歪棒および前記剛性棒が並設される方向に振動することで前記磁歪棒および前記剛性棒が交互に軸方向に伸長または収縮して発電が行われる発電装置であって、
前記単位素子は、前記磁歪棒および前記剛性棒が並設される方向と直交する方向に並んで複数が配置され、
前記複数の単位素子は、軸方向一端側および他端側がそれぞれ一括して前記一対の保持部材に取着され、
前記複数の単位素子の前記磁歪棒に生じる磁束密度の向きが同一になるように前記磁歪棒、前記剛性棒および前記永久磁石が配置されていることを特徴とする発電装置。
前記永久磁石は、前記磁歪棒および前記剛性棒の対向間に挟装され、
前記保持部材は、前記磁歪棒および前記剛性棒の対向間に前記永久磁石が挟装された状態を保持するものであり、
前記複数の単位素子は、前記一方の保持部材に配設される永久磁石の向きが、前記磁歪棒を吸着する面の磁極が同一になるように設定されることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
前記コイルは、前記磁歪棒のみに巻回され、
前記複数の単位素子の内の隣り合う位置に配置される一の単位素子および他の単位素子は、前記一の単位素子の剛性棒と前記他の単位素子の磁歪棒とが隣り合うように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。