JP6266991B2 - 振動発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁歪素子を用いた振動発電装置に関する。

この種の振動発電装置として、特許文献１には、磁性材料で構成されたヨークと、磁歪材料で構成された磁歪棒（磁歪素子）と、この磁歪棒に巻回されたコイルとを有し、前記ヨークの曲げ振動によって前記磁歪棒が伸縮して発電する発電装置が開示されている。

特許第４９０５８２０号公報

しかし、特許文献１に記載の発電装置では、前記ヨークの曲げ振動によって前記磁歪棒には圧縮力と引張力とが交互に作用する。このため、例えば、優れた磁歪特性を有する（発電効率が高い）ものの、引張変形に弱い超磁歪材料（例えば、ターフェノールＤ）を用いて前記磁歪棒を構成することができないという課題があった。

そこで、本発明は、引張変形に弱い超磁歪素子を用いることを可能とし、これにより、発電効率を高めることのできる振動発電装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面による振動発電装置は、コイルが巻回された磁歪素子と、当該磁歪素子を通る磁気回路を形成するヨークとを含み、前記ヨークの曲げ振動が前記磁歪素子に伝達されて発電するものであって、前記磁歪素子は、前記ヨークに形成された一対の壁部の間に相対移動可能に保持されることによって、前記ヨークの曲げ振動による圧縮力のみを受けるように構成されている。

前記振動発電装置によれば、前記ヨークの曲げ振動によって、前記磁歪素子には引張力が作用せず、圧縮力のみが作用する。このため、例えば、前記磁歪素子を、優れた磁歪特性を有するものの引張変形には弱い超磁歪材料を用いて形成することが可能となり、従来に比べて、発電効率を高めることができる。

本発明の一実施形態による振動発電装置の概略構成を示す図である。 前記振動発電装置の要部拡大図である。 前記振動発電装置の変形例を示す図である。 前記振動発電装置の変形例を示す図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による振動発電装置１の概略構成を示している。
図１に示すように、振動発電装置１は、磁性を有するヨーク２と、一対の保持部材３ａ，３ｂと、永久磁石４ａ，４ｂと、磁歪素子５と、磁歪素子５に巻回されたコイル６と、を含む。そして、振動発電装置１は、ヨーク２の曲げ振動が磁歪素子５に伝達されることによって発電する。

ヨーク２は、永久磁石４ａ，４ｂと協働して磁歪素子５を通る磁気回路を形成するものであり、その一端が振動源（図示省略）によって加振される振動部５０に固定されると共に振動部５０から離れる方向に延伸するように形成されている。本実施形態において、ヨーク２の他端は自由端となっており、ヨーク２はいわゆる片持ち梁を構成している。

ヨーク２には、その延伸方向における中間位置（ここでは、ヨーク２の延伸方向における中央部よりも振動部５０側に寄った位置）に凹部７が形成されている。本実施形態において、凹部７は、ヨーク２の下側面に形成されており、ヨーク２の延伸方向において所定の間隔Ｓをあけて対向する一対の壁部８ａ，８ｂを有している。すなわち、一対の壁部８ａ，８ｂは、凹部７の対向する二つの内側面である。

ヨーク２は、振動部５０の振動によって共振するように形成されており、振動部５０が振動することによって、図１において矢印Ａに示すように、ヨーク２には上下方向の曲げ振動が発生する。なお、ヨーク２の断面形状は、特に制限されないが、本実施形態におけるヨーク２は、矩形断面を有している。

ここで、ヨーク２の一端が固定される振動部５０は、何らかの振動源によって加振される部分、すなわち、振動が入力される部分であればよく、特に制限されないが、例えば列車の走行するレールの側面とすることができる。また、本実施形態では、ヨーク２の下側面に凹部７が形成されているが、凹部７はヨーク２の上側面に形成されてもよい。すなわち、凹部７は、振動部５０の振動によるヨーク２の曲げ振動の方向に応じて、ヨーク２の適切な位置に形成することができる。

一対の保持部材３ａ，３ｂは、それぞれ一対の壁部８ａ、８ｂに取り付けられて、一対の壁部８ａ、８ｂの間に永久磁石４ａ，４ｂ及び磁歪素子５を保持する。具体的には、一対の保持部材３ａ，３ｂは、磁歪素子５の両端に永久磁石４ａ，４ｂを配置した状態で、これらを一対の壁部８ａ，８ｂの間に保持する。各保持部材３ａ，３ｂは、樹脂などの非磁性材料で形成されており、図２の要部拡大図に示すように、円筒部３１と、円筒部３１の一端に形成されたフランジ部３２とを有している。そして、各保持部材３ａ，３ｂは、その円筒部３１に永久磁石４ａ又は４ｂと、磁歪素子５の端部及びその近傍とを収容（内包）した状態で、そのフランジ部３２が、例えば接着剤によって一対の壁部８ａ，８ｂに取り付け固定されている。一対の保持部材３ａ，３ｂによって保持された磁歪素子５は、その一方の端面が保持部材３ａ内で永久磁石４ａに当接しており、その他方の端面が保持部材３ｂ内で永久磁石４ｂに当接している。

ここで、各保持部材３ａ，３ｂは、永久磁石４ａ，４ｂと、磁歪素子５の端部及びその近傍を円筒部３１内に緩く（すなわち、遊びを有して）収容（内包）しており、永久磁石３ａ及び磁歪素子５は、保持部材３ａに対して相対移動が可能であり、永久磁石３ｂ及び磁歪素子５は、保持部材３ｂに対して相対移動が可能になっている。

磁歪素子５は、磁歪材料で棒状（又は板状）に形成されている。磁歪素子５は、両端に永久磁石４ａ，４ｂが配置された状態で、一対の壁部８ａ，８ｂの間隔Ｓとほぼ同じ長さ又はそれよりも僅かに小さい長さを有するように形成されている。なお、磁歪素子５の断面形状は、特に制限されないが、本実施形態における磁歪素子５は、円形断面を有している。

コイル６は、例えば銅線で形成され、磁歪素子５の周囲に所定の間隔をあけて巻回されている。本実施形態において、コイル６の両端部は、それぞれ保持部材３ａ，３ｂの円筒部３１の外周面に巻きつけられて固定されており、これにより、コイル６は、磁歪素子５に接触しない状態で保持されるようになっている。すなわち、一対の保持部材３ａ，３ｂは、磁歪素子５の周囲に所定の間隔をあけた状態でコイル６を保持するコイル保持機能をも有している。

次に、以上のような構成を有する振動発電装置１の作用を説明する。
振動部５０が振動するとヨーク２には上下方向の曲げ振動（図１の矢印Ａ参照）が発生し、これによって、一対の壁部８ａ，８ｂの間隔Ｓが変動する。すなわち、一対の壁部８ａ，８ｂは、ヨーク２の曲り方向に応じて互いに接近又は離反する。そして、ヨーク２が曲げ振動している間、一対の壁部８ａ，８ｂは接近と離反とを繰り返すことになる。

ここで、磁歪素子５は、保持部材３ａ，３ｂによって一対の壁部８ａ，８ｂの間に保持されているものの、磁歪素子５の両端及びその近傍は、保持部材３ａ、３ｂの円筒部３１内で相対移動が可能なように円筒部３１内に緩く収容（内包）されている。このため、一対の壁部８ａ，８ｂが互いに接近することによって磁歪素子５には圧縮力が作用することになるが、一対の壁部８ａ，８ｂが互いに離反しても、一対の壁部８ａ，８ｂに取り付けられた一対の保持部材３ａ，３ｂが互いに離れる方向に移動するだけで、磁歪素子５には引張力が作用しない。つまり、磁歪素子５は、ヨーク２の曲げ振動によって圧縮力を受けるが、引張力を受けない。したがって、磁歪素子５には、振動部５０の振動により発生するヨーク２の曲げ振動によって、圧縮変形のみが繰り返して生じることとなる。そして、この圧縮変形によって、磁歪素子５には逆磁歪効果が生じて磁歪素子５と平行な方向の磁束密度が変化し、これにより、コイル６に電流が発生する（すなわち、発電する）。

このように、本実施形態による振動発電装置１において、磁歪素子５は、ヨーク２の曲げ振動によって圧縮力を受ける一方、引張力を受けないように保持されている。具体的には、磁歪素子５は、一対の保持部材３ａ，３ｂによって、一対の壁部８ａ，８ｂの間に、ヨーク２の曲げ振動によって接近した一対の壁部８ａ，８ｂによって圧縮される一方、離反した一対の壁部８ａ，８ｂによっては引っ張られないように保持されている。そして、振動発電装置１は、磁歪素子５がヨーク２の曲げ振動によって互いに接近した一対の壁部８ａ，８ｂによって圧縮されて発電する。

このため、引張変形には弱いが、優れた磁歪特性を有する（高い磁歪定数の）ターフェノールＤ（Ｔｅｌｆｅｎｏｌ−Ｄ）などの超磁歪材料で磁歪素子５を形成すること、すなわち、磁歪素子５として超磁歪素子を採用することが可能となり、従来に比べて、発電効率の高い振動発電装置１を実現できる。但し、前記超磁歪材料で形成した磁歪素子５に限るものではなく、ガルフェノール（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）などの通常の磁歪材料で磁歪素子５を形成してもよいことはもちろんである。この場合、発電効率を高めることはできないものの、圧縮力と引張力とが繰り返して作用しないので、磁歪素子５の寿命等の面で有利である。

また、保持部材３ａ，３ｂは、非磁性材料で形成されており、その円筒部３１の外周面に、コイル６の各端部が巻きつけ固定されている。これにより、磁歪素子５とコイル６との接触が防止されるので、磁歪素子５とコイル６とを樹脂などによって固定しなくて、振動発電装置１の発電特性等の変動を抑制できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて更なる変形や変更が可能である。以下にいくつか例示する。

例えば、上述の実施形態では、一対の壁部８ａ，８ｂの両方に保持部材３ａ，３ｂが取り付けられている。しかし、これに限るものではなく、例えば、保持部材における円筒部の長さを十分に確保することで、一対の壁部８ａ，８ｂの一方のみに保持部材を取り付けるようにすることもできる。この場合、保持部材に収容されない永久磁石は、例えば、磁歪素子５の端部又はヨーク２に形成された凹部７の壁部に接着剤などによって固定する。

また、ヨークを複数の部材によって構成してもよい。例えば、図３に示すように、所定の間隔をあけて設けられた二つのヨークブロック（第１ヨークブロック２１１，第２ヨークブロック２１２）と、この二つのヨークブロックを連結する連結部材２１３とでヨーク２１を構成する。連結部材２１３は、磁性及び弾性を有する材料で板状又は棒状に形成することができる。この場合には、例えば、第１ヨークブロック２１１の第２ヨークブロック２１２側の側面（内側面）とは反対側の側面（外側面）が振動部５０に固定され、第１ヨークブロック２１１の内側面及び第２ヨークブロック２１２の第１ヨークブロック２１１側の側面（内側面）が一対の壁部８ａ，８ｂとなる。

このようなヨーク２１を用いれば、特に連結部材２１３の作用によって、振動部５０の振動に伴うヨーク２１の曲げ振動を大きくすることができ、振動発電装置の発電効率をさらに向上できる。なお、図３においては、第１ヨークブロック２１１の上面と第２ヨークブロック２１２の上面とを板状の連結部材２１３によって連結しているが、これに限るものではなく、例えば、棒状の連結部材２１３によって二つのヨークブロック２１１，２１２の対向する側面（内側面）同士を連結するようにしてもよい。

また、磁歪素子５に圧縮与圧を付与可能な構成としてもよい。例えば、図４に示すように、上述の実施形態におけるヨーク２に対し、磁歪素子５の延長上となる位置にヨーク２の自由端から凹部７まで延びる（貫通する）ねじ孔（めねじ）１０を形成する。そして、このねじ孔１０に、外周面にねじ部（おねじ）が形成された与圧付与部材１１をねじ結合（螺合）して与圧付与部材１１を進退させることにより、永久磁石４ｂを介して磁歪素子５に圧縮与圧を調整可能に付与できるように構成する。このように、磁歪素子５に圧縮与圧を付与することにより、振動発電装置の発電効率をさらに向上させることができる。

また、上述の実施形態では、磁歪素子５の両端に永久磁石４ａ，４ｂが配置されているが、これに限るものではない。ヨーク２と永久磁石４ａ，４ｂによって磁歪素子５を通る磁気回路が形成されればよく、永久磁石４ａ，４ｂの配置は適宜設定することができる。この場合、一対の保持部材３ａ，３ｂは、例えば、磁歪素子５の両端を一対の壁部８ａ，８ｂに当接させた状態で磁歪素子５を保持するように構成する。

また、上述の実施形態では、ヨーク２とは別体で構成された一対の保持部材３ａ，３ｂによって永久磁石４ａ，４ｂ及び磁歪素子５が保持されている。しかし、これに限るものではなく、一対の保持部材３ａ，３ｂと同様の機能を有する部分をヨーク２に一体形成してもよい。この場合には、例えば、一方の保持部材３ａと同様の機能を有する部分を一方の壁部８ａに突出形成し、他方の保持部材３ｂと同様の機能を有する部分を他方の壁部８ｂに突出形成する。

また、上述の実施形態では、ヨーク２の一端を振動部５０に固定し、他端を自由端としているが、振動部５０が振動することによってヨーク２に上下方向の曲げ振動が発生すればよく、上述の構成に限るものではない。例えば、ヨーク２の一端を振動部５０に固定することに代えて、ヨーク２の一端が振動部に支持（単純支持）されるように構成してもよい。さらに、ヨーク２の他端を、振動部で支持したり、非振動部で支持したり、振動部又は非振動部に固定したりすることもできる。
なお、以上の各変形例は、必要に応じて、組み合わせて適用することが可能である。

１…振動発電装置、２…ヨーク、３ａ，３ｂ…保持部材、４ａ，４ｂ…永久磁石、５…磁歪素子、６…コイル、７…凹部、８ａ，８ｂ…壁部、１１…与圧付与部材、５０…振動部

Claims (9)

1. コイルが巻回された磁歪素子と、当該磁歪素子を通る磁気回路を形成するヨークとを含み、前記ヨークの曲げ振動が前記磁歪素子に伝達されて発電する振動発電装置であって、
   前記磁歪素子は、前記ヨークに形成された一対の壁部の間に相対移動可能に保持されることによって、前記ヨークの曲げ振動による圧縮力のみを受けるように構成された、振動発電装置。
2. 前記磁歪素子が超磁歪素子である、請求項１に記載の振動発電装置。
3. 前記一対の壁部は、前記ヨークの曲げ振動によって互いに接近及び離反するように形成されており、
   前記磁歪素子を、互いに接近した前記一対の壁部によって圧縮される一方、互いに離反した前記一対の壁部によっては引っ張られないように、前記一対の壁部の間に保持する保持部を有し、
   前記磁歪素子が、互いに接近した前記一対の壁部によって圧縮されて発電する、請求項１又は２に記載の振動発電装置。
4. 前記ヨークは、振動源によって加振される振動部に一端が固定又は支持されると共に前記振動部から離れる方向に延伸しており、
   前記一対の壁部は、前記ヨークの延伸方向の中間位置に当該延伸方向において対向するように形成されている、請求項３に記載の振動発電装置。
5. 前記一対の壁部は、前記ヨークに形成された凹部の対向する二つの内側面である、請求項３又は４に記載の振動発電装置。
6. 前記保持部は、前記ヨークとは別体で構成されて、前記一対の壁部のそれぞれに取り付けられている、請求項３〜５のいずれか一つに記載の振動発電装置。
7. 前記保持部は、非磁性材料で形成されて前記磁歪素子の端部及びその近傍を移動可能に内包し、その外周面に前記コイルの端部が巻き付けられている、請求項６に記載の振動発電装置。
8. 前記保持部は、前記ヨークと一体に形成されている、請求項３〜５のいずれか一つに記載の振動発電装置。
9. 前記磁歪素子の軸方向に圧縮与圧を付与する与圧付与部をさらに備えた、請求項１〜８のいずれか一つに記載の振動発電装置。