JP7309457B2 - 発電素子、および発電素子を用いた装置 - Google Patents

Description

本明細書の開示は、発電素子、および発電素子を用いた装置に関する。

近年、省エネルギー技術として環境中に存在する未利用エネルギーから電力を得る「環境発電」技術が注目されている。特に、振動から電力を得る振動発電は熱から電力を得る熱電発電と比べてエネルギー密度が高いため常時通信ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ、モノのインターネット）向け電源や携帯機器の充電等への応用が提案されている。例えば、環境中の振動により磁石を振動させ、コイルに誘導起電力を発生させる磁石可動型の発電方式は様々な形態で応用されている。さらに近年では、磁石を振動させる代わりに力の変化で磁束密度を変化させる逆磁歪現象を利用した発電（以下、逆磁歪発電と記す）が提案されている。

特許文献１には、逆磁歪発電素子の構成として、二つの磁歪棒が平行に配置されたバイモルフ構造が記載されている。前記二つの磁歪棒は磁気的に並列に接続しており、かつ逆の応力が印加される構造であるため、一方の磁歪棒の磁気抵抗が大きい場合はもう一方の磁歪棒の磁気抵抗は小さくなる。

また、特許文献２に磁歪材料が各磁気抵抗と直列に接続する閉磁気回路からなり、該閉磁気回路に磁気的に直列に接続された空隙を有する逆磁歪発電素子が記載されている。

特許第４９０５８２０号公報 特許第６３４３８５２号公報

しかしながら、上記の磁気回路の構成に基づく逆磁歪発電素子では、実際に利用する際、大きな電力を必ずしも取り出せないという課題があった。

本明細書の開示は、上述の課題に鑑み、これまでの逆磁歪現象を利用した発電よりも発電量を向上できる発電素子、および発電素子を用いた装置を提供することを目的の一つとする。なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本明細書の開示の他の目的の１つとして位置付けることができる。

本明細書に開示の発電素子は、磁歪材料を含む磁歪部と、一部の面が前記磁歪部に固定された、磁性材料を含む磁性部と、前記磁歪部と前記磁性部のいずれか一方の一部を内包するコイルと、前記磁歪部に固定された、磁石を含む磁石部と、を備え、前記磁性部は、前記磁歪部と磁気的に並列に接続され、且つ前記磁歪部と前記磁性部との間に前記磁性部と磁気的に直列に接続された空隙を有するように前記磁歪部に固定されていることを特徴とする。

本明細書の開示によれば、磁歪材料を用いた発電において、発電量を向上できる発電素子、および発電素子を用いた装置を提供することができる。

第１実施形態の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 第１実施形態の発電素子の原理の一例を説明する模式図。 第１実施形態の発電素子の等価磁気回路の一例を説明する模式図。 第２実施形態の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 第２実施形態の発電素子の原理の一例を説明する模式図。 実施例１の発電素子の製造方法の一例を説明する模式図。 実施例２の発電素子の製造方法の一例を説明する模式図。 実施例２の発電素子の起電力の時間変化の一例を示す図。 比較例１の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 比較例１の発電素子の等価磁気回路の一例を説明する模式図。 比較例２の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 比較例３の発電素子の構成の一例を説明する模式図。

以下に本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書の開示は下記実施形態に限定されるものではなく、本明細書の開示の趣旨に基づき種々の変形（各実施例の有機的な組合せを含む）が可能であり、それらを本明細書の開示の範囲から除外するものではない。即ち、後述する各実施例及びその変形例を組み合わせた構成も全て本明細書に開示の実施形態に含まれるものである。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る発電素子は、磁石を振動させる代わりに力の変化で磁束密度を変化させる逆磁歪現象を利用して発電を行う発電素子である。本実施形態に係る発電素子は、保持板、磁歪材料、磁性材料、コイルおよび磁石を適切に配置することにより、既存の逆磁歪現象を用いた発電素子よりも発電量を向上させる構成を有していることを特徴とする。

（発電素子の構成）
本実施形態の発電素子１００の構成を、図１を参照して説明する。図１（ａ）は本実施形態の発電素子１００の構成を説明する上面模式図、図１（ｂ）は本実施形態の発電素子１００の構成を説明する図１（ａ）Ａ－Ｂ線の断面模式図である。

本実施形態の発電素子１００は、保持部１０６によって保持されており、保持板１０１、磁歪部１０２、磁石１０３ａと磁石１０３ｂで構成された磁石部、コイル１０４、非磁性領域１０５、磁性部１０７、空隙１０８を有する。なお、下記において、ある部材とある部材との「固定」は、接するように固定されていてもよいし、異なる物質を介して固定されていてもよい。すなわち、物理的に２つの部材が固定されている状態であればよい。

保持板１０１は、一端が磁歪部１０２に固定されており、圧縮応力や引張応力などの外力を受けて振動する。保持板１０１の連結方法は、磁歪部１０２と保持板１０１が強固に固定できればよく、特に限定されるものではないがレーザー溶接、接着剤による接着、はんだ接合、超音波接合もしくはボルト－ナットによる固定等が利用できる。また、保持板１０１は圧縮応力、引張応力が連続的に印加されるため、延性を有する材料が好ましい。さらに、保持板１０１の材料は磁歪部１０２との磁気回路構成によって選択される。そのため、磁気回路を構成する要素として保持板１０１を用いる場合は、例えば炭素鋼、フェライト系ステンレス等（ＳＵＳ４３０等）もしくはマルテンサイト系ステンレス等（ＳＵＳ４２０Ｊ２等）磁性材料が用いられる。一方、磁気回路を構成する要素として保持板１０１を用いない場合は、例えばオーステナイト系ステンレス等（ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３０３，ＳＵＳ３１６等）の非磁性材料が用いられる。

また、保持板１０１は、図１（ｂ）の上下方向に振動するように力が印加される。そのため、保持板１０１には、振動の機械的な減衰を低減するためにばね材などの弾性体を用いてもよい。図１（ｂ）の上下方向の振動を誘起する力は、たとえば保持部１０６が上下に振動する振動源に固定されていることで生じる地動加振の印加、もしくは保持板１０１の接続部と逆の先端に力を印加し弾くといった動作によって生じることができる。なお、上記の力の印加方法はあくまで一例であり、磁歪部１０２に力が印加できるような方法であれば良い。さらに、上記の保持板１０１に用いられる材料は一例であってこれに限定されない。

磁歪部１０２は、磁歪材料を含む部材である。磁歪部１０２は圧縮応力、引張応力が連続的に印加されるため、延性を有する磁歪材料が含まれることが好ましい。磁歪材料の種類は特に限定されるものではないが、好適には鉄‐ガリウム合金、鉄‐コバルト合金、鉄‐アルミニウム合金、鉄‐ガリウム‐アルミニウム合金もしくは鉄‐シリコン‐ホウ素合金等の既知の磁歪材料が用いられる。また、磁歪部１０２の形状は、保持板１０１と連結できる形であればよく、特に限定されるものではないが、好適には直方体、円柱等の形状が用いられる。

磁石１０３ａと磁石１０３ｂは磁歪部１０２と磁性部１０７を磁気的に並列に接続するために取り付けられる。磁石１０３ａと磁石１０３ｂには、特に限定されるものではないが、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石等が用いられる。

また、特に限定されるものではないが、磁石１０３ａと磁石１０３ｂの磁極の向きは図１（ｂ）の断面模式図に図示されているように、上下逆であるような構成が考えられる。ただし、図１（ｂ）の断面模式図の磁石の磁極の向きはあくまで一例であり、図１（ｂ）に示す磁石１０３ａと磁石１０３ｂとＮ極、Ｓ極が逆でもよい。すなわち、磁石１０３ａと磁石１０３ｂは、互いに異なる磁極面が磁歪部１０２に固定されていればよい。さらに、磁石の配置や数は、磁歪部１０２と磁性部１０７が磁気的に並列に接続されるのであれば特に上記に限定されるものではない。例えば、図１（ｂ）に示すように、磁歪部１０２における磁性部１０７が固定された面と逆側の面に、互いに異なる磁極面が固定されるように磁石１０３ａと磁石１０３ｂを固定してもよい。もしくは、磁石１０３ａと磁石１０３ｂのうち少なくともいずれか一方を、磁性部１０７が磁歪部１０２に固定された面と同様の面に固定してもよい。もしくは、磁石を１つのみ、あるいは３つ以上用いてもよい。

また、磁石部は磁性材料を含む構成でもよく、その場合磁石１０３ａと磁石１０３ｂのうち少なくとも一つは磁性材料に固定されていてもよい。

コイル１０４は磁歪部１０２の一部を内包しており、電磁誘導の法則に従い、磁歪部１０２で生じる磁束の時間変化に応じて電圧を生じる。コイル１０４の材質は、特に限定されるものではないが、好適には銅線が用いられる。

なお、コイル１０４は、本実施形態では磁歪部１０２の一部を内包するように配置してあるが、磁性部１０７を内包するように配置し、磁歪部１０２に電圧を生じさせてもよい。すなわち、コイル１０４は、磁歪部１０２と磁性部１０７のいずれか一方の一部を内包するように配置されていればよい。また、図１（ｂ）に示すように、コイル１０４は、磁石１０３ａと磁石１０３ｂの間に配置されている。なお、コイル１０４を配置する位置は上記に限定されず、必ずしも２つの磁石の間でなくてもよい。

非磁性領域１０５は、特に限定されるものではないが、材質としては気体や固体が用いられる。好適には空気、または延性を有する非磁性金属、もしくはオーステナイト系ステンレス等（ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３０３，ＳＵＳ３１６等）が用いられる。また、非磁性領域１０５は保持板１０１と一体でもよい。

磁性部１０７は、磁性材料を含む部材である。磁性部１０７は、特に限定されるものではないが、材質としては炭素鋼、フェライト系ステンレス等（ＳＵＳ４３０等）もしくはマルテンサイト系ステンレス等（ＳＵＳ４２０Ｊ２等）が用いられる。

また、磁歪部１０２と磁性部１０７は連結されている。連結方法は磁歪部１０２と磁性部１０７が強固に固定できればよく、特に限定されるものではないがレーザー溶接、接着剤による接着、はんだ接合、超音波接合もしくはボルト－ナットによる固定等が利用できる。なお、磁性部１０７は、磁歪部１０２と磁気的に並列に接続するために図１に示すように少なくとも一部を磁歪部１０２に固定する。すなわち、磁性部１０７は、一部の面が磁歪部１０２に固定された、磁性材料を含む部材である。

また、磁性部１０７は、コイル１０４を貫く磁束の変化量を大きくするためにコイル１０４を覆うように固定することが望ましい。そのため、磁性部１０７は、断面コの字形状を一部有していることが望ましい。なお、この場合、磁性部１０７が有する断面コの字形状は必ずしも対称でなくてもよく、例えば、図１（ｂ）に示すように空隙１０８を設けるために非対称の形状でもよい。すなわち、磁性部１０７は、少なくとも一部が断面コの字形状を有し、一端が磁歪部１０２に固定された、磁性材料を含む部材であってもよい。なお、上記の磁歪部１０７の形状は一例であって、これに限定されない。

空隙１０８は、図１（ｃ）に示すように、磁歪部１０２と磁性部１０７の間における磁気的な抵抗が小さい空間である。すなわち、磁歪部１０２と磁性部１０７とが固定されている端部とは異なる他端に設けられている。本実施形態に係る発電素子１００では、空隙１０８は、磁性部１０７と磁気的に直列に接続されており、空隙１０８の磁気的抵抗は、磁歪部１０２に圧縮応力が加わる場合に小さくなり、磁歪部１０２に引張応力が加わる場合に大きくなる。

なお、空気の磁気的抵抗は、磁性部１０７と同一の形状で比較した場合、一般的に数千倍程度大きいことが知られている。そのため、空隙１０８が大きすぎると、応力の有無に関わらず磁歪部１０２にしか磁束が通らなくなり、磁束の時間変化が小さくなることがある。一方で、図（ｄ）の構成で空隙１０８を小さくするには磁性部１０７を磁歪部１０２に近づける方法がある。しかしながら、磁性部１０７を磁歪部１０２に近づけた場合、コイル１０４の巻き数を十分増やすことが難しくなる。

そのため、空隙１０８の大きさを小さくしつつ、且つコイル１０４の巻き数を増やし、磁束の時間変化量を大きくする観点からも、上述のように、磁性部１０７は、図１（ｄ）に示す形状に比べて図１（ｃ）に示す断面コの字形状である方が望ましい。

なお、本実施形態の発電素子１００には空隙１０８を設けたが、同様の役割を例えばゴムなどの物質で代替してもよい。具体的には、例えば空気や液体などのように透磁率が１程度と小さい物質であればよい。さらに、加わる応力によって磁気的抵抗が可変の物質であればよい。なお、空隙１０８の代わりにゴムなどの物質を用いる場合、磁歪部１０２と磁性部１０７が機械的に接続されることになるため、発電素子に加わる振動の機械的な減衰が大きくなる可能性がある。そのため、空隙１０８をゴムなどの物質で代替する場合は、発電素子に加わる振動の機械的な減衰を極力低減できる物質であることが望ましい。

（作用）
本実施形態に係る発電素子１００は、磁束の変化をコイル１０４によって電圧に変換する電磁誘導方式の発電素子である。電磁誘導では以下の（式１）に従い起電力Ｖが生じる。
Ｖ＝Ｎ×ΔΦ／Δｔ・・・（式１）

ここで、Ｎはコイル１０４の巻き数、ΔΦは時間Δｔでのコイル１０４内における磁束の変化量である。なお、コイルの巻き数は多い方が起電力は大きくなるが、仮に同じ体積で巻き数を増やそうとするとコイルの線径を小さくする必要があり、結果として、コイルの抵抗が大きくなってしまう。この場合、実際に回路等で利用できる電力は小さくなる。すなわち、実際に回路等で利用できる電力を大きくするためには、コイルの体積を大きくできるような構成が重要である。

本実施形態の発電素子１００は、磁束の変化ΔΦを逆磁歪現象によって生じさせる発電素子である。逆磁歪現象とは、応力に応じて透磁率が変化する現象である。例えば、磁歪部１０２に圧縮応力が印加されると、透磁率は小さくなり、引張応力が印加されると透磁率は大きくなる。透磁率の大小は磁気回路における磁気抵抗の大小と関連するため、結果として磁歪部１０２への応力の印加は、磁歪部１０２中の磁束の変化を生じる。したがって、磁歪部１０２に時間変化する応力を印加することで、磁束の時間変化を生じ、（式１）に従い起電力を生じる。

本発明者らは鋭意検討の結果、発電素子１００が、磁歪部１０２と磁気的に並列に接続する磁性部１０７と、磁性部１０７と直列に接続した空隙１０８を有する構成をとることで、大きな起電力が得られることを見出した。

以下に、図２、図３を参照して、本実施形態の発電素子１００で大きな起電力が得られる原理について記載する。

図２は、本実施形態の発電素子１００の一時期における印加外部磁場、および印加応力の方向の一例を断面模式図に示した図である。図３は、本実施形態の発電素子の等価磁気回路を示した図である。Ｒ１０２を磁歪部１０２の磁気抵抗、Ｒ１０７を磁性部１０７の磁気抵抗、Ｒ１０８を空隙１０８の磁気抵抗とする。つまり、磁性部１０７は、磁歪部１０２と磁気的に並列に接続され、且つ磁歪部１０２と磁性部１０７との間に磁性部１０７と磁気的に直列に接続された空隙を有するように固定されている。

ここで、図２（ｂ）のように保持板１０１の先端下方向に力がΔｔの時間で印加された場合を考える。

このとき、磁歪部１０２に引張応力が印加されるため、逆磁歪現象により、磁歪部１０２の透磁率は大きくなる。したがって、磁歪部１０２の磁気抵抗Ｒ１０２は小さくなる。一方、図２（ｂ）に示すように空隙１０８は広がるため、磁気抵抗Ｒ１０８は大きくなる。このように、空隙１０８の磁気抵抗は、磁歪部１０２の磁気抵抗と負の相関を持つ。（以下、これを磁気抵抗が逆相に変化すると定義する。）
このように、磁歪部１０２の磁気抵抗と空隙１０８の磁気抵抗が逆相に変化するように空隙１０８を設けることにより、コイル１０４内における磁束変化ΔΦを大きくできる。

より具体的には、磁歪部１０２の磁気抵抗Ｒ１０２が小さくなる際に、空隙１０８の磁気抵抗Ｒ１０８は大きくなる。そのため、単純に磁歪部１０２の磁気抵抗Ｒ１０２が小さくなる場合に比べ、より多くの磁束がコイル１０４内を通るようになり、結果として、コイル１０４内の磁束の変化量ΔΦは大きくなる。

すなわち、磁歪部１０２に引張応力が印加される場合、本実施形態に基づく構成によれば、コイル内の磁束の変化量ΔΦは大きくなるため、式１より起電力Ｖは向上する。

次に、保持板１０１の先端上方向に力がΔｔの時間で印加された場合（不図示）を考える。

このとき、磁歪部１０２には圧縮応力が印加されるため、逆磁歪現象により、磁歪部１０２の透磁率は小さくなる。したがって、磁歪部１０２の磁気抵抗Ｒ１０２は大きくなる。一方、図２（ｂ）に示すように空隙１０８は狭まるため、磁気抵抗Ｒ１０８は小さくなる。

つまり、逆磁歪現象による、磁歪部１０２を通る磁束の減少分（主に漏れ磁束）は、コイル１０４の外側の磁気抵抗の小さい磁気抵抗Ｒ１０７と磁気抵抗Ｒ１０８側を通るようになるため、コイル１０４内の磁束の変化量ΔΦは大きくなる（仮にＲ１０７とＲ１０８の流路が存在しなかった場合には、漏れ磁束がコイル１０４内で生じ、コイル１０４の中における磁束の総和はほとんど変化しないため磁束の変化量ΔΦは小さくなってしまう）。

すなわち、磁歪部１０２に圧縮応力が印加される場合も、本実施形態に基づく構成によれば、コイル内の磁束の変化量ΔΦは大きくなるため、式１より起電力Ｖは向上する。

上記によれば、磁歪材料を用いた発電において、本実施形態に基づく構成をとることによりコイル１０４内の磁束の変化量ΔΦを大きくすることができるため、発電素子の発電量を向上できる。また、磁性部１０７とコイル１０４との間隔を任意に調整し、コイル１０４の巻き数を容易に増やせるため、発電量をより向上させることができる。また、磁性部１０７の両端が磁歪部１０２に固定されている場合と比べて、磁歪部１０２に印加される応力が大きくなり、さらに磁歪部１０２に加わる振動の機械的減衰も小さくなるため、発電量が向上できる。さらに、磁性部１０７の両端が磁歪部１０２に固定されている場合と比べて、発電素子の固有周波数が小さくなるため、大型化せずに低周波数の地動加振による発電量を向上できる。また、空隙１０８を磁性部１０７と磁気的に並列に接続することにより、逆磁歪効果で生じた磁束変化を効率的に活用できるため発電量を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、発電素子は磁歪部と磁性部をそれぞれ１つずつ備えた構成をとっていたが、第２実施形態では、発電素子は磁歪部と磁性部とをそれぞれ２つずつ備える。上記の構成によれば、発電素子の発電量をさらに向上することができる。なお、磁歪部と磁性部の数は上記に限定されず、発電素子は、例えば磁性部と磁歪部をそれぞれ２つ以上備えていてもよい。

以下、図４及び図５を用いて本実施形態の構成および処理を説明する。

図４（ａ）は本実施形態の発電素子の構成を説明する上面模式図、図４（ｂ）は図４（ａ）Ａ－Ｂ線の断面模式図である。磁歪部４０２、磁性部４０７及び空隙４０８は、第１実施形態と構成が異なるが機能はそれぞれ磁歪部１０２、磁性部１０７及び空隙１０８と同様である。また、その他の構成については第２実施形態と同様の構成であるため説明を省略する。

本実施形態の発電素子１００は、保持部１０６によって保持されており、磁歪部１０２と磁歪部４０２を共に有する。

磁歪部１０２と磁歪部４０２は、磁歪材料を含む部材である。磁歪部１０２と磁歪部４０２の形状は、保持板１０１と連結できる形であればよく、特に限定されるものではないが、好適には直方体、円柱等の形状が用いられる。磁歪部１０２と磁歪部４０２は圧縮応力、引張応力が連続的に印加されるため、延性を有する磁歪材料が好ましい。磁歪材料の種類は特に限定されるものではないが、好適には鉄‐ガリウム合金、鉄‐コバルト合金、鉄‐アルミニウム合金、鉄‐ガリウム‐アルミニウム合金、鉄‐シリコン‐ホウ素合金等の既知の磁歪材料が用いられる。

磁性部１０７と磁性部４０７は、磁性材料を含む部材である。磁気回路を構成する磁性部１０７と磁性部４０７は、磁歪部１０２と磁歪部４０２とそれぞれ磁気的に並列に接続されていればよい。また、特に限定されるものではないが、材質としては炭素鋼やフェライト系ステンレス等（ＳＵＳ４３０等）やマルテンサイト系ステンレス等（ＳＵＳ４２０Ｊ２等）が用いられる。また、磁歪部１０２と磁性部１０７、磁歪部４０２と磁性部４０７は連結されている。連結方法は磁歪部と磁性部が強固に固定できればよく、特に限定されるものではないがレーザー溶接、接着剤による接着、はんだ接合、超音波接合、ボルト－ナットによる固定等が利用できる。

また、磁性部１０７と磁性部４０７は、コイル１０４を貫く磁束の変化量を大きくするためにコイル１０４を覆うように磁歪部１０２と磁歪部４０２それぞれに固定することが望ましい。そのため、磁性部１０７と磁性部４０７は、断面コの字形状を一部有していることが望ましい。この場合、磁性部１０７と磁性部４０７が有する断面コの字形状は必ずしも対称でなくてもよく、例えば、図１（ｂ）に示すように空隙１０８と空隙４０８を設けるために非対称の形状でもよい。なお、上記の磁歪部１０７と磁性部４０７の形状は一例であって、これに限定されない。

空隙１０８と空隙４０８は、図４（ｂ）に示すように、それぞれ磁歪部１０２と磁性部１０７の間における磁気的な抵抗が小さい空間と磁歪部４０２と磁性部４０７の間における磁気的な抵抗が小さい空間である。本実施形態に係る発電素子１００では、空隙１０８は、磁性部１０７と磁気的に直列に接続されており、空隙１０８の磁気的抵抗は、磁歪部１０２に圧縮応力が加わる場合に小さくなり、磁歪部１０２に引張応力が加わる場合に大きくなる。また、空隙４０８は、磁性部４０７と磁気的に直列に接続されており、空隙４０８の磁気的抵抗は、磁歪部４０２に圧縮応力が加わる場合に小さくなり、磁歪部４０２に引張応力が加わる場合に大きくなる。

（作用）
本実施形態の発電素子は、磁束の変化をコイルによって電圧に変換する電磁誘導方式の発電素子である。電磁誘導では以下の（式１）に従い起電力Ｖが生じる。
Ｖ＝Ｎ×ΔΦ／Δｔ・・・（式１）

ここで、Ｎはコイル１０４の巻き数、ΔΦは時間Δｔでの磁束の変化量である。さらに、本実施形態の発電素子１００は、磁束の変化ΔΦを逆磁歪現象によって生じさせる発電素子である。逆磁歪現象とは、応力に応じて透磁率が変化する現象である。

図５は、本実施形態の図４に示す発電素子１００の一時期における印加外部磁場、および印加応力の方向の一例を断面模式図に示した図である。図５（ａ）が外部磁場の方向、図５（ｂ）が印加応力の方向である。外部磁場の方向は磁石の位置関係で決まるため、発電のどの一時期においても同様の方向となる。さらに、本実施形態においては磁歪部１０２と磁歪部４０２に印加される外部磁場の方向はそれぞれ逆の方向になるように磁石の位置が調整されている。一方、印加応力の方向については発明の一時期で変化する。ただし、磁歪部１０２と磁歪部４０２それぞれに印加される応力の方向の関係については常に逆の方向となる。すなわち一方に引張応力が印加されている場合は一方は圧縮応力が印加される。図５（ｂ）において、仮に磁歪部１０２に引張応力、磁歪部４０２に同じ大きさの圧縮応力がΔｔの間に印加された場合を考える。図５（ａ）の１０２の磁場の方向を正の方向とすると、磁歪部１０２は引張応力により磁気抵抗が下がるため＋ΔΦの磁束変化を生じる。一方、磁歪部４０２は圧縮応力により磁気抵抗が上がるため磁歪部４０２の磁場の方向に対して－ΔΦの磁束変化を生じる。しかしながら、磁歪部４０２の磁場の方向は図２（ａ）で図示している通り、磁歪部１０２と逆の方向であるため、磁束の変化としては－（－ΔΦ）＝＋ΔΦとなる。結果として、磁歪部１０２と磁歪部４０２の磁束変化は同一の方向となり、磁歪部１０２と磁歪部４０２の合計の磁束変化はΔΦ＋ΔΦ＝２ΔΦとなる。さらに、空隙１０８と空隙４０８の磁気抵抗は各磁歪部１０２と磁歪部４０２の磁気抵抗と逆相に変化する。

上記によれば、発電素子を本実施形態の構成とすることにより、１つのコイルで２つの磁歪部に生じる磁束変化を効率的に大きな発電量に変換できる。

また、従来のバイモルフ構造の逆磁歪発電素子に比べ、コイルの巻き数を増やすための空間を任意に設定することができるため、発電量をさらに向上させることができる。また、磁性部１０７の両端が磁歪部１０２に固定されている場合と比べて、磁歪部１０２に印加される応力が大きくなり、発電量が向上する。さらに磁性部１０７の両端が磁歪部１０２に固定されている場合と比べて、発電素子の固有周波数が小さくなるため、大型化せずに低周波数の地動加振による発電量を向上できる。また、磁歪棒にあらかじめコイルを巻く必要がないため、磁歪棒を溶接等で接着する際にコイルの断線や短絡といった製造上の問題を低減することができる。

以下に、具体的な実施例をあげて本発明を詳しく説明する。なお、本発明は下記の実施例の構成や形態に限定されるものではない。

［実施例１］
（発電素子の製造方法）
本実施例では、図１に示す発電素子を作製した。ただし、実施例１では非磁性領域１０５と保持板１０１は同一部材である。以下で各製造工程について図６（ａ）～（ｆ）を参照して説明する。図６（ａ）～（ｅ）の各図の上図はそれぞれ上面模式図、および下図は上面模式図で図示されているＡ－Ｂ線の断面模式図である。

まず、非磁性領域１０５を兼ねた保持板１０１として、厚さ１．５ｍｍ、幅１６ｍｍ、長さ５５ｍｍのばね用のオーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３０４－ＣＳＰを用いた。本実施例の保持板１０１は保持部と非磁性部を兼ねている。また、保持板には磁石１０３ａ、磁石１０３ｂを内蔵するための穴６０１ａと穴６０１ｂ、および保持用のネジ穴６０２をあらかじめ開けておく［図６（ａ）］。

次に、磁歪部１０２として厚さ０．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ２５ｍｍの鉄‐ガリウム合金を用い、エポキシ系の接着剤によって保持板４０１と接着した。そののち、保持板４０１と接している磁歪部１０２の稜線についてレーザー溶接を行い接合した［図６（ｂ）］。

続いて、磁石１０３ａと磁石１０３ｂとして、厚さ１．５ｍｍ、幅１２ｍｍ、長さ１．５ｍｍのネオジム磁石を用いた。磁石１０３ａと磁石１０３ｂはそれぞれ図５（ｃ）に示すように磁極の向きが逆になるように挿入した。挿入の際、エポキシ系接着剤によって磁歪部１０２と接着し固定した［図６（ｃ）］。

次にコイル１０４として、線径０．２ｍｍの銅線を用いた二千巻の空芯コイルを磁石１０３ａと磁石１０３ｂの間の領域に挿入し、電気絶縁ワニスによって固定した［図６（ｄ）］。

最後に、磁気回路を構成する磁性部１０７として、厚さ０．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ２５ｍｍの冷間圧延鋼板ＳＰＣＣを用い、ねじ穴６０２を通して固定した［図６（ｅ）］。

（発電素子の評価）
以上の様に作製した発電素子について、保持板の先端を弾き、コイル１０４に発生した開放電圧をオシロスコープで測定することにより発電性能の評価を行った。弾く際の印加力は、徐々に印加力を上げていった際に起電力が飽和する印加力を用いた。この印加力は発電素子構成によってさまざまな値となるが、発電素子の最大の発電性能といえるため採用した。また、発電性能の定量的な指標として、オシロスコープで測定した電圧波形から以下の（式２）により発電量Ｐを計算したものを用いた。
Ｐ＝Σ（Ｖ（ｔ））２／（４×Ｒ）×Δｔ・・・（式２）

Ｖ（ｔ）はオシロスコープで測定した時間ｔにおける開放電圧、Ｒはコイルの電気抵抗、Δｔはオシロスコープの時間分解能、Σは時間ｔについて総和を取るという意味である。この発電量Ｐの式では、コイルのインダクタンスによる効果は除いているが、これは本実施例、および比較例では同様の寸法のコイルを用いるため、相対的な比較が可能であるためである。上記の方法による測定、評価の結果、コイルの電気抵抗は４６Ω、開放電圧の最大値は１５Ｖ、発電量Ｐは（式２）から２．４ｍＪであった。

［実施例２］
（発電素子の製造方法）
本実施例では、図４に示す発電素子を作製した。ただし、実施例２では非磁性領域１０５と保持板１０１は同一部材である。本実施例のように磁歪部１０２と磁歪部４０２の稜線の全体をばね性のある保持板により支持することによって、機械的な減衰が低減されるため発電量が向上することが期待できる。

以下で各製造工程について図７（ａ）～（ｅ）を参照して説明する。

図７（ａ）～（ｅ）の各図の上図はそれぞれ上面模式図、および下図は上面模式図で図示されているＡ－Ｂ線の断面模式図である。

まず、保持板１０１として、厚さ１．５ｍｍ、幅１６ｍｍ、長さ５５ｍｍのばね用のオーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３０４－ＣＳＰを用いた。本実施例の保持板１０１は保持部と非磁性部を兼ねている。また、保持板には磁石１０３ａ、磁石１０３ｂを内蔵するための穴６０１ａと６０１ｂ、および保持用のネジ穴６０２をあらかじめ開けておく［図７（ａ）］。

次に、磁歪部４０２として厚さ０．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ２５ｍｍの鉄‐ガリウム合金を用い、エポキシ系の接着剤によって保持板１０１と接着した。そののち、保持板１０１と接している磁歪材料の稜線についてレーザー溶接を行い接合した［図６（ｂ）］。

続いて、磁石１０３ａと磁石１０３ｂとして、厚さ１．５ｍｍ、幅１２ｍｍ、長さ１．５ｍｍのネオジム磁石を用いた。磁石１０３ａと磁石１０３ｂはそれぞれ図６（ｃ）に示すように磁極の向きが逆になるように挿入した。挿入の際、エポキシ系接着剤によって磁歪部４０２と接着し固定した［図６（ｃ）］。

次に、磁歪部１０２として厚さ０．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ２５ｍｍの鉄‐ガリウム合金を用い、エポキシ系の接着剤によって保持板１０１、および磁石１０３ａ、磁石１０３ｂと接着した。そののち、保持板１０１と接している磁歪材料の稜線についてレーザー溶接を行い接合した［図６（ｄ）］。

続いてコイル１０４として、線径０．２ｍｍの銅線を用いた二千巻の空芯コイルを磁石１０３ａと磁石１０３ｂの間の領域に挿入し、電気絶縁ワニスによって固定した［図６（ｅ）］。

最後に、磁気回路を構成する磁性部１０７、４０７として、厚さ０．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ２５ｍｍの冷間圧延鋼板ＳＰＣＣを用い、ねじ穴６０２を通して固定した［図６（ｆ）］。

（発電素子の評価）
以上の様に作製した発電素子について、実施例１と同様に発電性能の評価を行った。オシロスコープで測定した電圧波形の一例を図８に示す。評価の結果、コイルの電気抵抗は４６Ω、開放電圧の最大値は３０Ｖ、発電量Ｐは９．６ｍＪであった。

［比較例１］
（発電素子の製造方法）
本比較例では、図９に示す発電素子を作製した。製造方法は図６とおおむね同様であるが、図６（ａ）において１０１に磁石用の穴６０１ａと６０２ｂを有していない点、および磁石を内蔵する工程（ｃ）が不要であり、その代わりに磁気回路を構成する磁性部１０７を構成する工程（ｅ）において、磁性部１０７の先端に磁石（厚さ３．０ｍｍ、幅１２ｍｍ、長さ１．５ｍｍのネオジム磁石）をエポキシ樹脂で接着する工程を有する点が異なる。また、比較例１の等価磁気回路を図１０に示す。このように比較例１は各磁気抵抗が直列に接続している。

（発電素子の評価）
以上の様に作製した発電素子について、実施例１と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、開放電圧の最大値は１２Ｖ、発電量Ｐは１．６ｍＪであった。

［比較例２］
（発電素子の製造方法）
本比較例では、図１０に示す発電素子を作製した。製造プロセスは比較例１と同様であるが、磁歪材料と磁石、磁気回路を構成する磁性部がそれぞれ二つずつとなっている点が異なる。

（発電素子の評価）
以上の様に作製した発電素子について、実施例１と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、開放電圧の最大値は３Ｖ、発電量Ｐは０．１ｍＪであった。

［比較例３］
（発電素子の製造方法）
本比較例では、図１２に示す発電素子を作製した。製造プロセスを以下に記す。あらかじめコイル１２１ａを巻いた磁歪部１０２、コイル１２１ｂ（厚さ０．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ２５ｍｍ）を巻いた磁歪部４０２を準備する。準備した磁歪材料をＳＵＳ３０４－ＣＳＰ製の保持板１０１（厚さ１．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ３５ｍｍ）にエポキシ系樹脂で接着、その後コイルの断線に注意しながら、レーザー溶接を行い接合する。磁石１０３ａと磁石１０３ｂは図１１に示すように配置する。この配置により、磁歪部１０２と４０２には同一の方向の磁場が印加される。また、前記コイルをそれぞれの磁歪部１０２と４０２に巻くため、磁歪部１０２と４０２の間の距離による制約から、０．２ｍｍの銅線を用いたコイルでは百八十巻程度しか巻くことができなかった。

（発電素子の評価）
以上の様に作製した発電素子について、実施例１と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、開放電圧の最大値は２Ｖ、発電量Ｐは０．１ｍＪであった。

以上の結果から、本発明では、比較例で示した既存の逆磁歪現象を用いた発電素子よりも発電量を向上できることが分かる。

本発明の実施形態及び実施例について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明は技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構成要素はあくまでも一例に過ぎない。必要に応じてこれと異なる数値、構成要素を用いても良い。例えば、本実施例ではコイルの巻き数は二千巻であったが、設置空間以外の制限はないためより大きな巻き数にしてもよい。その場合は、前記で説明した比較例３との発電量の差はさらに大きくなる。

上述の実施形態及び実施例の発電素子を用いれば、既存の磁歪発電装置よりも大きな発電量が得られるため、発電装置の小型化が可能である。したがって、これまで設置が困難であったような大きさの機器の発電装置として特に有効である。例えば、携帯機器等のための発電装置として用いることができる。また、振動を発生するような産業機器や事務機、医療機、または自動車や鉄道車両、航空機、重機、船舶などの筐体に設置することで、ＩｏＴ機器を含む各種機器の電力源として用いることも期待できる。なお本発明は、発電装置の性能を向上することができるため、上記で記載した分野以外の幅広い分野での応用が可能である。

１０１ 保持板
１０２ 磁歪部
１０３ａ 磁石
１０３ｂ 磁石
１０４ コイル
１０５ 非磁性領域
１０６ 保持部
１０７ 磁性部
１０８ 空隙

Claims (18)

1. 磁歪材料を含む磁歪部と、
   一部の面が前記磁歪部に固定された、磁性材料を含む磁性部と、
   前記磁歪部と前記磁性部のいずれか一方の一部を内包するコイルと、
   前記磁歪部に固定された、磁石を含む磁石部と、
   を備え、
   前記磁性部は、前記磁歪部と磁気的に並列に接続され、且つ前記磁歪部と前記磁性部との間に前記磁性部と磁気的に直列に接続された空隙を有するように前記磁歪部に固定されていることを特徴とする発電素子。
2. 前記磁性部は、少なくとも一部が断面コの字形状を有し、前記コイルを覆うように前記磁歪部に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
3. 前記磁性部は、炭素鋼、フェライト系ステンレスもしくはマルテンサイト系ステンレスのうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の発電素子。
4. 前記コイルは、前記磁歪部と前記磁石部が接続している磁極面の間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電素子。
5. 前記磁石部が第１の磁石と第２の磁石を含み、前記第１の磁石と第２の磁石の互いに異なる磁極面が前記磁歪部に固定されており、前記第１の磁石と前記第２の磁石は、前記磁歪部における前記磁性部と前記磁歪部が接続された面とは異なる面に固定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電素子。
6. 前記磁石部が磁性材料を含み、前記磁石部の磁性材料が前記磁石と物理的に固定されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発電素子。
7. 前記磁歪部は、鉄‐ガリウム合金、鉄‐コバルト合金、鉄‐アルミニウム合金、鉄‐ガリウム‐アルミニウム合金もしくは鉄‐シリコン‐ホウ素合金のうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発電素子。
8. 前記空隙は、前記磁歪部と前記磁性部の間における磁気的な抵抗が小さい空間であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発電素子。
9. 前記空隙の磁気的抵抗は、前記磁歪部に圧縮応力が加わる場合に小さくなり、前記磁歪部に引張応力が加わる場合に大きくなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発電素子。
10. 外力を受けて振動する保持板をさらに備え、
    前記保持板の一端は、前記磁歪部に固定されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の発電素子。
11. 前記保持板は非磁性材料であることを特徴とする請求項１０に記載の発電素子。
12. 前記保持板が弾性体であることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の発電素子。
13. 前記磁歪部および前記磁性部を少なくとも２つ以上備え、
    前記コイルは、前記少なくとも２つ以上の磁歪部を内包することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の発電素子。
14. 前記空隙の磁気抵抗は、前記磁歪部の磁気抵抗と負の相関を持つことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の発電素子。
15. 磁歪材料を含む磁歪部と、
    断面コの字形状を有し、一端が前記磁歪部に固定された、磁性材料を含む磁性部と、
    前記磁歪部における前記磁性部が固定された面と逆側の面に、互いに異なる磁極面が固定された第１の磁石と第２の磁石と、
    前記第１の磁石と前記第２の磁石の間に前記磁歪部の一部を内包するように配置されたコイルと、
    を備え、
    前記磁性部は、前記コイルを覆うように配置され、且つ前記磁性部の前記一端とは異なる他端と前記磁歪部との間に磁気的に直列に接続された空隙を有することを特徴とする発電素子。
16. 磁性材料を含む磁性部が、磁歪材料を含む磁歪部と磁気的に並列に接続され、且つ前記磁歪部と前記磁性部との間に前記磁性部と磁気的に直列に接続された空隙を有するように前記磁性部と前記磁歪材料と磁石とが配置されていることを特徴とする発電素子。
17. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の発電素子を有し、前記発電素子に力を印加する機構を有する発電装置。
18. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の発電素子を有し、前記発電素子が地動加振から振動する機構を有する発電装置。

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