TWI835777B - 發電元件及致動器 - Google Patents

Abstract

提供一種電動勢增加、可以低成本而大量生產之振動發電用之發電元件及致動器。發電元件1中，主串聯磁路100由以下構件構成：磁軛110，其由磁性材料構成且隔著コ字狀之彎曲部位112，其中一個端部成為固定端113，另一端部成為自由端111；主磁石120，其對磁軛賦予磁偏；以及第1間隙130，其形成在與自由端連接之位置；並且輔助串聯磁路200由以下構件構成：輔助軛210，其由磁性材料構成且安裝於磁軛上；輔助磁石220，其對輔助軛賦予磁偏；第2間隙230，其隔著自由端而形成在與第1間隙對向之位置；磁軛；主磁石；以及第1間隙。利用如下情況，即，藉由外力之附加，自由端振動，第1間隙與第2間隙之磁阻相反地增減之情況，而使通過捲繞於磁軛上之線圈140之內部之主磁通150之變化量增加。

Description

發電元件及致動器

本發明係關於一種振動發電用之發電元件及致動器。

近年來，利用身旁之振動而發電之技術的開發持續進行中，該技術之一有利用強磁性體之磁致伸縮效應者。

所謂磁致伸縮效應，係指於對強磁性體賦予磁場時(強磁性體磁化時)變形之效果，由磁致伸縮效應所引起之變形量大之材料稱為磁致伸縮材料。

磁致伸縮材料亦具備如下之反磁致伸縮效應：藉由因外力之附加而於其內部產生之壓縮/拉伸應力而變形，使磁化(磁力線)大幅度變化。例如存在受到壓縮力而磁力線改變1特斯拉以上之磁致伸縮材料。利用由反磁致伸縮效應所引起之磁通之時間性變化的發電元件對於小的外力之附加，可以高效率來發電，因此受到極大關注(專利文獻1及2)。

圖27(a)中示出利用反磁致伸縮效應之發電元件之一般構成。

該發電元件大致由發電部、磁軛及磁石構成。

發電部大致由以下構件構成：磁致伸縮板，其由磁致伸縮材料構成；線圈，其捲繞於磁致伸縮板上；以及磁性部，其具有用以對磁致伸縮板施加均勻之壓縮力或拉伸力之剛性及形狀，且與磁致伸縮板平行地配置。

磁軛由彎曲為

字狀之磁性材料構成，且隔著該彎曲部位，其中一個端部成為固定端，另一端部成為自由端。自由端與固定端及彎曲部位相比較，寬度 變窄，該變窄之部位相當於磁性部。於磁性部之上表面固定有磁致伸縮板。於固定端之內表面(上表面)安裝有磁石，於磁石與自由端之內表面(下表面)之間形成有空隙。

而且，從圖27(b)所示之靜止狀態起，使振動源驅動，使自由端及固定端振動，於圖27(c)所示之自由端及固定端打開之狀態下，使磁致伸縮板之內部產生壓縮應力，於圖27(d)所示之關閉狀態下產生拉伸應力，藉此，形成利用反磁致伸縮效應而由發電部進行發電之結構。

[現有技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利第4905820號公報

[專利文獻2]國際公開第2015/141414號

但，上述現有技術中產生如下所述之問題。

如圖28所示，因外力之附加而自由端及固定端振動，於在磁致伸縮板之內部產生之應力由壓縮轉為拉伸之間，通過磁致伸縮板之磁通之磁通密度增加(參照箭頭A)，與此相對，通過磁性部之磁通之磁通密度減少(參照箭頭B)。發電部中之電動勢(感應電壓或感應電流)係與通過線圈之內部的磁通(磁力線)之時間變化之大小成比例，因此如現有技術般，於通過磁致伸縮板之磁通之磁通密度增加/減少時，通過磁性部之磁通之磁通密度減少/增加，成為使電動勢下降之重要因素。

又，若使用磁致伸縮材料，則發電元件之製造成本升高，因此謀求可以更低之成本而大量生產之振動發電用之發電元件。

本發明考慮到上述問題，目的為提供一種電動勢增加、可以低成本而大量生產之振動發電用之發電元件及致動器。

本發明之發電元件中，以由磁性材料構成且具備固定端及自由端之磁軛、對上述磁軛賦予磁偏之主磁石、及形成在與上述自由端連接之位置的第1間隙構成主串聯磁路；以由磁性材料構成且安裝於上述磁軛上之輔助軛、對上述輔助軛賦予磁偏之輔助磁石、隔著上述自由端而形成在與上述第1間隙對向之位置的第2間隙、上述磁軛、上述主磁石、及上述第1間隙構成輔助串聯磁路；於將通過上述主串聯磁路之磁通設為主磁通，且將通過上述輔助串聯磁路之磁通設為輔助磁通之情形時，通過上述第1間隙之上述主磁通與上述輔助磁通之朝向一致；並且利用如下情況，即，藉由外力之附加，上述自由端振動，上述第1間隙與上述第2間隙之磁阻相反地增減之情況，而使通過捲繞於上述磁軛上之線圈之內部之主磁通之變化量增加。

又，特徵在於：上述磁軛隔著

字狀之彎曲部位，其中一個端部為上述固定端，另一端部為上述自由端。

又，特徵在於：具備形成於上述磁軛之一部分上之磁性部、及由磁致伸縮材料構成之磁致伸縮板，上述磁性部具有用於對上述磁致伸縮板施加均勻之壓縮力或拉伸力的剛性及形狀，上述磁致伸縮板係以與上述磁性部成為平行之方式安裝於上述磁軛上，並且藉由外力之附加，上述磁致伸縮板伸長或收縮。

本發明之致動器之特徵在於：具備與上述發電元件相同之構造，並且藉由於上述線圈中流通電流而使上述第1間隙之長度變化，使上述自由端振動。

本發明之致動器之特徵在於：具備與上述發電元件相同之構造，並且藉由於上述線圈中流通電流而使上述磁致伸縮板伸縮，使上述自由端振動。

本發明中，利用如下情況，即，若藉由外力之附加，自由端振動，則第1間隙與第2間隙之磁阻相反地增減之情況，而使通過線圈之內部之主磁通之變化量增加，因此與現有之發電元件相比較，可使電動勢增加。

又，即便發電元件為不具備磁致伸縮板之構成，亦可使主磁通之變化量增加，因此可以更低之成本而大量生產發電元件。

又，於發電元件為具備磁致伸縮板之構成之情形時，可使隨著自由端振動，第1間隙與第2間隙之磁阻相反地增減而產生的主磁通之磁通密度之減少/增加，以及隨著磁致伸縮板上所產生之壓縮應力/拉伸應力之變化而產生的主磁通之磁通密度之減少/增加之時機一致，因此可進一步增加電動勢。

若對於上述構成之發電元件，於線圈中流通電流，則利用由線圈產生之磁場，第1間隙之長度變化，或磁致伸縮板伸縮，磁軛之自由端振動，因此可使其作為致動器發揮功能。

1:發電元件

2:發電元件

100:主串聯磁路

110:磁軛

111:自由端

112:彎曲部位

113:固定端

120:主磁石

130:第1間隙

140:線圈

150:主磁通

200:輔助串聯磁路

210:輔助軛

211:鉛直部

212:水平部

213:第2水平部

220:輔助磁石

230:第2間隙

240:輔助磁通

300:磁致伸縮板

310:磁性部

320:平行樑部

330:間隔件

340:溝槽

350:電磁石

351:線圈

360:磁軛

361:自由端

362:彎曲部位

363:固定端

370:輔助軛

371:鉛直部

372:水平部

380:錘

400:鉛直部

410:水平部

500:磁軛

501:

字狀之彎曲部位

502:固定端

503:自由端

504:主軛

504a:凸部

505:主磁石

506:輔助軛

506a:凸部

507:輔助磁石

508:錘

509:磁致伸縮板

510:磁性部

511:線圈

512:第1間隙

513:主磁通

514:第2間隙

515:輔助磁通

516:受風用構件

517:受風面

518:主軛

518a:凸部

519:輔助軛

519a:凸部

圖1係表示第1實施方式之發電元件之構造之縱剖面圖(a1)及前視圖(a2)、表示靜止狀態之發電元件之縱剖面圖(b1)及前視圖(b2)、表示打開狀態之發電元件之縱剖面圖(c1)及前視圖(c2)、表示關閉狀態之發電元件之縱剖面圖(d1)及前視圖(d2)。

圖2係磁軛之靜止狀態、打開狀態及關閉狀態之磁化曲線之圖表。

圖3係表示第2實施方式之發電元件之構造之縱剖面圖(a1)及前視圖(a2)、表示靜止狀態之發電元件之縱剖面圖(b1)及前視圖(b2)、表示打開狀態之發電元件之縱剖面圖(c1)及前視圖(c2)、表示關閉狀態之發電元件之縱剖面圖(d1)及前視圖(d2)。

圖4係表示磁軛及磁致伸縮板之靜止狀態、打開狀態及關閉狀態之磁化曲線之圖表。

圖5係表示第3實施方式之發電元件之構造之縱剖面圖(a)及俯視圖(b)。

圖6係表示發電元件之變形例之縱剖面圖。

圖7係表示第4實施方式之發電元件之縱剖面圖(a)、磁致伸縮板300之端部與溝槽之放大圖(b)、發電元件之俯視圖(c)。

圖8係表示第5實施方式之發電元件之縱剖面圖(a)及前視圖(b)。

圖9係表示第6實施方式之發電元件之縱剖面圖。

圖10係表示將第7實施方式之磁軛與輔助軛一體化之構成之側視圖(a)、發電元件之側視圖(b)、發電元件之變形例之側視圖(c)及(d)。

圖11係第8實施方式之發電元件之右側視圖(a)、左側視圖(b)、A-A線剖面圖及其部分放大圖(c)、表示變形狀態之A-A線剖面圖(d)。

圖12係從右側來看第8實施方式之發電元件之情形時之立體圖(a)及從左側來看之情形時之立體圖(b)。

圖13係第8實施方式之發電元件之變形例之右剖面圖(a)及受風用構件之縱剖面圖(b)、表示其他變形例之左側視圖(c)及A-A線剖面圖(d)。

圖14係表示實施例1之模型1之構造之圖。

圖15係表示實施例1之模型2之構造之圖。

圖16係表示實施例1之模型3之構造之圖。

圖17係表示磁通密度之計算方法之圖。

圖18係表示磁通密度計算模型之圖。

圖19係表示模型1之磁通密度之分佈之圖(a)及圖表(b)。

圖20係表示模型2之磁通密度之分佈之圖(a)及圖表(b)。

圖21係表示模型3之磁通密度之分佈之圖(a)及圖表(b)。

圖22係表示模型1~3之磁通變化量及磁通密度變化量之表。

圖23係表示實施例2之發電元件之構造之照片(a)~(c)。

圖24係表示將發電元件安裝於振動產生器上之狀態之照片。

圖25係表示開路電壓之時間變化之圖表(a)以及表示磁通與位移之關係之圖表(b)。

圖26係表示實施例3之發電元件之開路電壓之時間變化之圖表。

圖27係表示現有之發電元件之構造之縱剖面圖(a1)及前視圖(a2)、表示靜止狀態之發電元件之縱剖面圖(b)、表示打開狀態之發電元件之縱剖面圖(c)以及表示關閉狀態之發電元件之縱剖面圖(d)。

圖28係現有之發電元件之磁軛及磁致伸縮板之靜止狀態、打開狀態及關閉狀態之磁化曲線之圖表。

[第1實施方式]

其次，對本發明之發電元件1之第1實施方式進行說明。

如圖1(a1)及(a2)所示，本實施方式之發電元件1大致由主串聯磁路100及輔助串聯磁路200構成。

主串聯磁路100具備磁軛110、主磁石120及第1間隙130。

磁軛110由磁性材料構成且具備自由端111及固定端113。本實施方式之磁軛110係具備自由端111、彎曲部位112及固定端113的側視

字狀，且由磁性材料構成。磁軛110用之磁性材料可利用碳鋼(SS400、SC、SK材)、鐵氧體系不鏽鋼(SUS430)等。

磁軛110以隔著彎曲部位112，其中一個端部成為固定端113，且另一端部成 為自由端111之方式，以所謂懸臂梁之狀態來固定支持。本發明中，「

字狀」中亦包含所謂之「U字狀」，其從磁軛110之自由端111側向固定端113側描畫流暢之曲線而彎曲；又，亦包含所謂之「V字狀」，其中自由端111側與固定端113側之間隔隨著從彎曲部位112朝向自由端111側之端部及固定端113側之端部而逐漸擴大。

如圖1(a2)所示，固定端113與彎曲部位112之寬度(左右方向之長度)相等，較固定端113及彎曲部位112而言，自由端111之寬度變窄。

亦可於磁軛110之自由端111上安裝用以調整振動時之共振頻率之錘或振動板。

線圈140捲繞於磁軛110之自由端111上。線圈140根據電磁感應之定律，與通過其空芯部內之磁通之時間變化成比例而產生電壓。線圈140之材質並無特別限定，但例如可使用銅線。又，可藉由變更線圈140之圈數而調整電壓之大小。捲繞線圈140的位置並不限定為自由端111，亦可為固定端113或彎曲部位112。又，亦可將複數個線圈140捲繞於磁軛110上。

亦可於磁軛110之固定端113上安裝用以將發電元件1固定於振動源上之金屬零件。

主磁石120係用以對磁軛110賦予磁偏之構件。本實施方式之主磁石120為永久磁石，將其下部之S極側固定於固定端113之內表面(上表面)。作為主磁石120，亦可不為永久磁石，而使用電磁石。具有如下優點：可藉由調整於電磁石之線圈中流通的電流，而調整對構成主串聯磁路100之各部之磁偏之量。又，於將發電元件1大型化之情形時，難以利用釹鐵硼系之永久磁石。其原因為，大型之永久磁石價格高，並且由於強力之磁力發揮作用而難以組裝。如此一來，對於大型之發電元件1適合使用電磁石。於使用電磁石來作為主磁石120之情形時，只要使固定端113之內表面之一部分向上方突出，且於該突出部位 上纏繞電磁石之線圈，或者於磁軛110之一部分上直接纏繞電磁石之線圈即可。

第1間隙130係形成在與自由端111接觸之位置之空間。本實施方式中，由自由端111之下表面、及主磁石120之上部之N極側夾持上下的空間成為第1間隙130。若因外力之負荷而自由端111振動，則第1間隙130之長度h1變化。

如圖1(b1)及(b2)所示，通過主串聯磁路100的主磁通150從主磁石120之N極出發，通過第1間隙130、磁軛110之自由端111、彎曲部位112、固定端113而返回至主磁石120之S極。主串聯磁路100為一個封閉磁路，成為利用主磁通150而對構成主串聯磁路100之各部施加磁偏之狀態。

只要能使主磁通150通過主串聯磁路100，則主磁石120之位置並無特別限定，較佳為配置於位於固定端113及自由端111之間之內部空間中。

輔助串聯磁路200具備：輔助軛210、輔助磁石220、第2間隙230、磁軛110、主磁石120及第1間隙130。

輔助軛210由磁性材料構成且安裝於磁軛110上。作為輔助軛210用之磁性材料，可利用碳鋼(SS400、SC、SK材)、鐵氧體系不鏽鋼(SUS430)等。本實施方式之輔助軛210是由於鉛直部211及水平部212而成為正視L字狀。將鉛直部211之下端固定於固定端113之側面，將水平部212從鉛直部211之上端延伸至覆蓋自由端111之上方的位置。作為輔助軛210之其他形狀，例如亦可如圖11所示，藉由設置從鉛直部211之下端起於水平方向上延伸之第2水平部213而成為正視

字狀，將第2水平部213之上表面固定於固定端113之下表面。

輔助磁石220係用以對輔助軛210賦予磁偏之構件。本實施方式之輔助磁石220為永久磁石，將其上部之N極側固定於水平部212之下表面。作為輔助磁石220，亦可不為永久磁石，而使用電磁石。

第2間隙230是隔著自由端111而形成在與第1間隙130對向之位置之空間。 本實施方式中，由輔助磁石220之下部之S極側及自由端111之上表面隔著上下的空間成為第2間隙230。此外，第1間隙130與第2間隙230係隔著自由端111而形成於對向之位置，所謂「對向」，意指至少自由端111存在於第1間隙130與第2間隙230之間。

若因外力之負荷而自由端111振動，則第2間隙230之長度h2變化。即，若因外力之附加而自由端111向上方移動，第1間隙130之長度h1增加，則第2間隙230之長度h2減少；若自由端111向下方移動，第1間隙130之長度h1減少，則第2間隙230之長度h2增加。換言之，藉由自由端111，間隙分割為第1間隙130及第2間隙230，且隨著自由端111之上下移動，長度h1與h2相反地增減。此外，長度h1及h2必須設定為於上下方向振動之自由端111不接觸主磁石120及輔助磁石220之程度之值。

如圖1(b1)及(b2)所示，通過輔助串聯磁路200之輔助磁通240從輔助磁石220之N極出發，通過輔助軛210之水平部212、鉛直部211，且從磁軛110之固定端113起通過主磁石120、第1間隙130、自由端111、第2間隙230而返回至輔助磁石220之S極。輔助串聯磁路200為一個封閉磁路，成為藉由輔助磁通240而對構成輔助串聯磁路200之各部施加磁偏之狀態。

只要可使輔助磁通240於輔助串聯磁路200中通過，則輔助磁石220之位置並無特別限定，較佳為配置於外部空間，即，由固定端113與自由端111所夾持之內部空間以外之空間中。但，必須使通過第1間隙130之主磁通150與輔助磁通240之朝向一致。

其次，對發電元件1之動作進行說明。

如圖1(b1)及(b2)所示，若對以固定於振動源上之狀態靜止之發電元件1附加外力而使其激振，則重複以下狀態：如圖1(c1)及(c2)所示，磁軛110之自由端111及固定端113以打開之方式變形之狀態(以下稱為「打開狀 態」)；以及如圖1(d1)及(d2)所示，以關閉之方式變形之狀態(以下稱為「關閉狀態」)。

於打開狀態下，與靜止狀態相比較，由於第1間隙130之長度h1增加，故而第1間隙130之磁阻亦增加，且由於第2間隙230之長度h2減少，故而第2間隙230之磁阻亦減少。藉由第1間隙130之磁阻增加，主磁通150減少，但減少之部分之磁通會通過輔助串聯磁路200，因此輔助磁通240增加。

另一方面，於關閉狀態下，與靜止狀態相比較，由於第1間隙130之長度h1減少，故而第1間隙130之磁阻亦減少，且由於第2間隙230之長度h2增加，故而第2間隙230之磁阻亦減少。藉由第2間隙230之磁阻增加，輔助磁通240減少，但減少之部分之磁通會通過主串聯磁路100，因此主磁通150增加。

如上所述，利用如下情況，即，若藉由外力之附加，自由端111振動，則第1間隙130與第2間隙230之磁阻相反地增減之情況，可使通過線圈140之內部之主磁通150之變化量增加，使電動勢增加。

圖2表示磁軛110之靜止狀態、打開狀態及關閉狀態之磁化曲線之圖表。

於發電元件1不具備輔助串聯磁路200之情形時，磁通僅從打開狀態之○變化至關閉狀態之○(參照箭頭C)。另一方面，於如本發明般，發電元件1具備輔助串聯磁路200之情形時，磁通從打開狀態之□變化至關閉狀態之□(參照箭頭D)。即便為發電元件1不具備輔助串聯磁路200之構成，亦可藉由磁軛110振動，第1間隙130之長度h1增減，而使通過磁軛110之磁通變化，從而發電，但如本發明般，藉由具備輔助串聯磁路200，可使主磁通150之變化量進而增加，從而使電動勢進而增加。

[第2實施方式]

其次，對本發明之發電元件之第2實施方式進行說明，但對於成為與上述第1實施方式相同之構造之部位標註同一符號，且省略其說明。

如圖3(a1)及(a2)所示，本實施方式之發電元件2之特徵在於具備磁致伸縮板300及磁性部310。

磁致伸縮板300係由磁致伸縮材料構成之棒狀構件。磁致伸縮板300由於受到外力會收縮/伸長，故較佳為以具有延性之磁致伸縮材料構成。磁致伸縮材料之種類並無特別限定，例如可使用鐵鎵合金，除此以外，例如亦可為鐵鈷合金，或可利用Fe-Al、Fe-Si-B合金等周知之磁致伸縮材料。又，不僅為結晶狀態之材料，亦可為非晶狀態之材料。進而，為了增大相對於拉伸應力之磁化之變化，亦可使用藉由預先實施應力退火處理而附加壓縮應力之磁致伸縮材料。磁致伸縮板300之形狀只要為棒狀即可，例如可舉出長方體。

磁致伸縮板300係利用焊接、硬焊、電阻熔接、雷射熔接、超音波接合等周知之方法而安裝於磁性部310之上表面。

磁性部310形成於磁軛110之一部分上。由磁性部310及磁致伸縮板300而構成平行樑部320。

於本實施方式中，使自由端111之一部分之寬度於左右方向上狹窄，將該部位設為磁性部310。如上所述，磁軛110由磁性材料構成，故而磁性部310亦由磁性材料構成。亦可藉由使磁性部310之上下方向之厚度稍微變薄，而於磁性部310與磁致伸縮板300之間設置空間。

磁性部310具有如下之剛性及形狀：當對磁軛110附加外力時，對磁致伸縮板300之剖面施加均勻之壓縮力或拉伸力。即，以具備必要之剛性及形狀的方式來設計磁性部310，上述剛性及形狀係為了於平行樑部320因外力之附加而撓曲時，使中立軸(不會由於應力成為零而收縮/伸長之面)位於磁致伸縮板300之剖面外。用以使磁致伸縮板300內之應力成為相同之拉伸、或者壓縮之條件為：應力成為零之中立軸位於磁致伸縮板300與磁性部310之間、或者位於磁性部310。

作為磁性部310之形狀之一例，於利用Fe-Ga合金作為磁致伸縮板300之材料之情形時，較佳為磁性部310之左右之寬度為2mm、上下之厚度為0.5mm左右。又，於利用SUS430或者SS400、SC50鋼作為磁軛110之材料之情形時，較佳為磁性部310之左右之寬度為2mm、上下之厚度為0.5mm、平行樑部320(磁致伸縮板300及磁性部310)之長度為7mm左右。又，於磁致伸縮板300與磁性部310之間設置空間之情形時，空間之厚度較佳為1mm左右。

雖將線圈140捲繞於平行樑部320之周圍，但並不限定於此，亦可捲繞於固定端113之周圍。

在如圖3(b1)及(b2)所示，對以固定於振動源上之狀態靜止之發電元件2附加外力而使其激振後，重複以下狀態：如圖3(c1)及(c2)所示般磁軛110為打開狀態以及如圖3(d1)及(d2)所示般為關閉狀態。

由於平行樑部320之中立軸(應力為零之位置)位於磁致伸縮板300與磁性部310之間，故而於打開狀態下，磁致伸縮板300之內部之應力成為均勻之壓縮，且於關閉狀態下，磁致伸縮板300之內部之應力成為均勻之拉伸。其結果為，通過磁致伸縮板300之主磁通150由於反磁致伸縮效應而於打開狀態下減少，且於關閉狀態下增加。

如第1實施方式中所說明，於打開狀態下，藉由第1間隙130之磁阻增加，主磁通150之磁通密度減少。進而於本實施方式中，亦藉由磁致伸縮板300壓縮，主磁通150之磁通密度減少。另一方面，於關閉狀態下，藉由第1間隙130之磁阻減少，主磁通150之磁通密度增加。進而，藉由磁致伸縮板300伸長，主磁通150之磁通密度增加。

圖4表示磁軛110之靜止狀態(無負荷)、打開狀態(磁致伸縮板300壓縮)以及關閉狀態(磁致伸縮板300拉伸)之磁化曲線之圖表。

於在磁致伸縮板300之內部產生之應力從壓縮轉為拉伸之期間，通過磁致 伸縮板300之磁通之磁通密度從○增加至○(參照箭頭E)，進而，通過磁性部310之磁通之磁通密度亦從□增加至□(參照箭頭F)。

本實施方式中，可使隨著自由端111振動，第1間隙130與第2間隙230之磁阻相反地增減而產生的主磁通150之磁通密度之減少/增加，與隨著磁致伸縮板300上所產生之壓縮應力/拉伸應力之變化而產生的主磁通150之磁通密度之減少/增加之時機一致，因此與第1實施方式之構成相比較，可進一步增加電動勢。

[第3實施方式]

其次，對本發明之發電元件之第3實施方式進行說明，但對成為與上述各實施方式相同之構造之部位標註同一符號，且省略其說明。

如圖5所示，本實施方式之發電元件之特徵在於：於固定端113與主磁石120之間具備間隔件330。

於不具備間隔件330之構成之情形時，於固定端113之內表面(上表面)中與主磁石120之端部接觸之位置附近之磁通密度局部地升高，存在產生磁飽和之可能性。局部之磁飽和會阻礙主磁通150之通過，成為使電動勢下降之主要原因。藉由如本實施方式般，使固定端113與主磁石120之間具備間隔件330，則主磁石120不直接接觸固定端113，可防止局部之磁飽和之發生。

間隔件330之材料可為磁性體，亦可為非磁性體，但於磁性體之情形時，獲得使主磁通150所通過之磁路擴展之效果，主磁通150容易通過，因此更佳。

於如圖6所示，於在自由端111與固定端113上分別安裝磁致伸縮板300之構成之情形時，安裝有主磁石120之固定端113側之主磁通150之磁通密度增大，自由端111側之主磁通150之磁通密度減小。因此，導致自由端111側之磁致伸縮板300之特性與固定端113側之磁致伸縮板300之特性不同，存在磁通難以流通之問題。如本實施方式般，於固定端113與主磁石120之間配置間隔件330，使從固定端113之上表面至主磁石120為止之距離與從主磁石120至自由端111之下 表面為止之距離大致相等，藉此，固定端113與自由端111之主磁通150之磁通密度大致相等，從而可使固定端113側之磁致伸縮板300之特性與自由端111側之磁致伸縮板300之特性大致一致。

[第4實施方式]

其次，對本發明之發電元件之第4實施方式進行說明，但對成為與上述各實施方式相同之構造之部位標註同一符號，且省略其說明。

如圖7所示，本實施方式中特徵在於，於自由端111之上表面中與磁致伸縮板300之下表面之角部接觸之位置附近設置溝槽340。

本發明中，主磁通150之變化量增大，且由於磁致伸縮效應，磁致伸縮板300之伸縮量增加，因此存在固定於磁性部310上之磁致伸縮板300脫離之顧慮。會有此現象，於磁致伸縮板300之端部與磁軛110之自由端111之上表面所形成之角部產生之應力集中之影響甚大。如本實施方式般，於磁軛110之自由端111之上表面設置溝槽340，設為磁致伸縮板300之端部直線狀地與溝槽340之端部相連之構造，可藉由消除角部而防止應力集中，從而可防止磁致伸縮板300脫落。

溝槽340之形狀較佳為於縱剖面中沿著前後方向之半圓形，但並不限定於此。又，溝槽340之左右方向之長度若為較磁致伸縮板300之寬度(左右方向之長度)更長，且較磁軛110之寬度更短之程度，則不會使磁軛110之耐久性下降，因此較佳。

亦可將溝槽340設置於自由端111之上表面中與磁致伸縮板300之角部接觸之前後2個部位。

[第5實施方式]

其次，對本發明之發電元件之第5實施方式進行說明，但對成為與上述各實施方式相同之構造之部位標註同一符號，且省略其說明。

如圖8所示，本實施方式中特徵在於：使用電磁石350作為輔助磁石220。構成電磁石350之線圈351捲繞於輔助軛210之鉛直部211。具有如下優點：可藉由調整於線圈351中流通之電流而調整輔助軛210之磁偏之量。

[第6實施方式]

其次，對本發明之發電元件之第6實施方式進行說明，但對成為與上述各實施方式相同之構造之部位標註同一符號，且省略其說明。

如圖9所示，本實施方式中特徵在於：可將輔助軛210之位置於前後方向上變更。

用以變更輔助軛210之位置之機構並無特別限定，例如可舉出如下構成：於固定端113之側面設置於前後方向延伸之凸部，於輔助軛210之鉛直部211之側面設置於前後方向延伸之凹部，且將凸部嵌入凹部中。輔助軛210之向前後方向之移動係由凸部來引導。藉由調節輔助軛210之前後方向之位置，可調整對構成輔助串聯磁路200之各部的磁偏之量。

[第7實施方式]

其次，對本發明之發電元件之第7實施方式進行說明，但對成為與上述各實施方式相同之構造之部位標註同一符號，且省略其說明。

如圖10(a)所示，本實施方式中特徵在於：使磁軛360與輔助軛370一體化。

磁軛360係與上述各實施方式同樣，包括自由端361、彎曲部位362及固定端363。輔助軛370之鉛直部371從固定端363之端部向上方延伸，且水平部372從鉛直部371之上端向前方延伸。於水平部372之前端之下表面安裝有輔助磁石220。

藉由將磁軛360與輔助軛370設為一體構造，例如僅利用模具來衝壓磁性體，可將磁軛360與輔助軛370同時成形，因此可對發電元件之低成本化及大量 生產做出貢獻。

亦可如圖10(b)所示，於磁軛360之自由端361之前端安裝錘380。藉由安裝錘380，可調整振動時之共振頻率。

如圖10(c)所示，亦可使輔助軛370之水平部372之上下方向之長度隨著從後方向前方而增大(或者減小)，設為可變更輔助磁石220之位置之構造。藉由變更輔助磁石220之前後方向之位置，變更第2間隙230之長度h2，可調整對構成輔助串聯磁路200之各部的磁偏之量。

如圖10(d)所示，亦可為使鉛直部400從磁軛360之彎曲部位362向上方延伸，且使水平部410從鉛直部400之上端向後方延伸之構成。於該情形時，於自由端361之前端側形成大空間，因此藉由於該空間內配置錘380，可增大錘380之向上下方向之振幅量。又，亦具有可延長自由端361之優點、或可將線圈140從自由端361之前端側容易地插入之優點。

[第8實施方式]

其次，對本發明之發電元件之第8實施方式進行說明，但對成為與上述各實施方式相同之構造之部位標註同一符號，且省略其說明。

如圖11及圖12所示，本實施方式中特徵在於：磁軛500在平面上彎曲。具體而言，磁軛500以平面之形狀來夾持2個

字狀之彎曲部位501而具備2個固定端502及1個自由端503，更包括將2個固定端502之表面之前端彼此連結，而擔負磁路之作用之主軛504。

主軛504藉由其長邊方向之中央隆起而形成凸部504a。如圖11(c)所示，於主軛504之凸部504a之內表面安裝有主磁石505之S極側。

輔助軛506將固定端502之背面之前端彼此連結。輔助軛506藉由其長邊方向之中央隆起而形成凸部506a。如圖11(c)所示，於輔助軛506之凸部506a之內表面安裝有輔助磁石507之N極。

自由端503從

字狀之彎曲部位501起通過凸部504a、506a內之空間，進而向前方延伸。於自由端503之前端安裝有錘508。若外力作用於錘508，則自由端503之前端於紙面上下方向振動。

如圖11(c)及圖12(b)所示，將磁致伸縮板509安裝於自由端503之輔助軛506側之表面。即便為未安裝磁致伸縮板509之構成，亦獲得發電效果，但安裝磁致伸縮板509者獲得更大之發電效果。

本實施方式中，自由端503中安裝有磁致伸縮板509之部分相當於第2實施方式中之磁性部510。由磁性部510及磁致伸縮板509來構成平行樑部。如上所述，磁軛500由磁性材料構成，因此磁性部510亦由磁性材料構成。亦可藉由使磁性部510之上下方向之厚度稍微變薄，而於磁性部510與磁致伸縮板509之間設置空間。

將線圈511捲繞於自由端503。於本實施方式之構成之情形時，若使自由端503通過線圈511之空芯部內後，將主軛504與輔助軛506連結於固定端502之前端，則可省去將線圈511捲繞於自由端503上之作業之工夫。

第1間隙512係由自由端503之表面與主磁石505之N極側來夾持左右之空間。若藉由外力之負荷，自由端503振動，則第1間隙512之長度h1變化。

主串聯磁路包括：磁軛500(固定端502、主軛504及自由端503)、主磁石505及第1間隙512。如圖11所示，通過主串聯磁路之主磁通513從主磁石505之N極出發，通過第1間隙512、自由端503、固定端502、主軛504而返回至主磁石505之S極。主串聯磁路為一個封閉磁路，成為藉由主磁通513而對構成主串聯磁路之各部施加磁偏之狀態。

本實施方式中，如圖12(b)所示，由於磁致伸縮板509延伸至輔助磁石507之最近處，故而第2間隙514成為由輔助磁石507之S極側與磁致伸縮板509之表面之間之空間。亦可縮短磁致伸縮板509，將由輔助磁石507之S極 側與自由端503(不為磁致伸縮板509之磁性體之部分)之間之空間設為第2間隙514。

若藉由外力之附加，自由端503振動，則第2間隙514之長度h2變化。即，若藉由外力之附加，自由端503向輔助磁石507側移動，第1間隙512之長度h1增加，則第2間隙514之長度h2減少；若自由端503向主磁石505側移動，第1間隙512之長度h1減少，則第2間隙514之長度h2增加。換言之，利用自由端503，間隙被分割為第1間隙512及第2間隙514，隨著自由端503之振動，長度h1與h2相反地增減。此外，長度h1及h2必須設定為振動之自由端503不與主磁石505及輔助磁石507接觸之程度之值。

輔助串聯磁路包括：輔助軛506、輔助磁石507、第2間隙514、磁軛500(固定端502、主軛504及自由端503)、主磁石505及第1間隙512。如圖11所示般通過輔助串聯磁路之輔助磁通515從輔助磁石507之N極出發，通過輔助軛506，從固定端502起通過主軛504、主磁石505、第1間隙512、自由端503、第2間隙514而返回至輔助磁石507之S極。輔助串聯磁路為一個封閉磁路，成為藉由輔助磁通515而對構成輔助串聯磁路之各部施加磁偏之狀態。

平行樑部之中立軸(應力為零之位置)由於位於磁性部510，故而於藉由振動，自由端503向輔助磁石507側移動之狀態下，磁致伸縮板509之內部之應力成為均勻之壓縮，於自由端503向主磁石505側移動之狀態下，磁致伸縮板509之內部之應力成為均勻之拉伸。其結果為，通過磁致伸縮板509之主磁通513藉由反磁致伸縮效應，於自由端503向輔助磁石507側移動之狀態下減少，且於自由端503向主磁石505側移動之狀態下增加。

如第1實施方式中所說明，於自由端503向輔助磁石507側移動之狀態下，與靜止狀態相比較，由於第1間隙512之長度h1增加，故而第1間隙512之磁阻亦增加，且由於第2間隙514之長度h2減少，故而第2間隙514之磁阻亦減少。藉由 第1間隙512之磁阻增加，主磁通513減少，進而亦藉由磁致伸縮板509壓縮，主磁通513之磁通減少。但是，減少之部分之磁通會通過輔助串聯磁路，故而輔助磁通515增加。

另一方面，於自由端503向主磁石505側移動之狀態下，與靜止狀態相比較，由於第1間隙512之長度h1減少，故而第1間隙512之磁阻亦減少，且由於第2間隙514之長度h2增加，故而第2間隙514之磁阻增加。藉由第1間隙512之磁阻減少，主磁通513增加，進而亦藉由磁致伸縮板509伸長，主磁通513之磁通密度增加。又，藉由第2間隙514之磁阻增加，輔助磁通515減少，但減少之部分之磁通會通過主串聯磁路，因此主磁通513增加。

如此一來，可使隨著自由端503振動、第1間隙512與第2間隙514之磁阻相反地增減而產生的主磁通513之磁通之減少/增加，與隨著磁致伸縮板509上所產生之壓縮應力/拉伸應力之變化而產生的主磁通513之磁通之減少/增加之時機一致，因此與第1實施方式之構成相比較，可進而增加電動勢。

於本實施方式之構成之情形時，具有固定端502及自由端503之磁軛為平面之形狀，可藉由衝壓加工等而一體成形，因此與如第1實施方式般，藉由彎曲加工等而將磁軛500成形之情形相比較，可抑制製造成本。又，可使錘508之可動範圍與第1實施方式之構成相比較而言增大。又，如圖11(d)中由箭頭B所示，可使主軛504或輔助軛506變形而變更凸部504a或凸部506a之高度，因此可容易調整第1間隙512之長度h1及第2間隙514之長度h2。

如圖13(a)及(b)所示，亦可於自由端503之前端安裝受風用構件516。若將受風用構件516之剖面設為半圓形，將其平面部分作為受風面517，則受風面517受到由箭頭C表示之風，可利用舞動現象、或形成於其後方之卡門渦列而使自由端503振動。即便不利用風而改為利用水流，亦同樣可使自由端503振動。

又，如圖13(c)及(d)所示，磁軛隔著1個

字狀之彎曲部位501而具備1個固定端502及1個自由端503，亦可進一步具備從固定端502之表面之前端延伸至自由端503之附近之主軛518。於該情形時，輔助軛519只要從固定端502之背面之前端延伸至自由端503之附近即可。主軛518具備凸部518a，輔助軛519具備凸部519a。於該構成之情形時，與圖11所示之具備2個固定端502之構成相比較，可使構造簡化，可抑制製造成本。另一方面，於圖11所示之具備2個固定端502之構成之情形時，具有如下優點：可使作為磁軛之一部分的固定端502之寬度擴大，故而可使磁通之流通順暢，並且提高剛性。

[實施例1]

關於本發明之發電元件之磁通之變化量及磁通密度之變化量，進行模擬。

模型1為具備磁致伸縮板、磁性部、輔助軛及輔助磁石之構成(圖14)；模型2為代替磁致伸縮板而使用磁性材(SPCC材)，且具備磁性部、輔助軛及輔助磁石之構成(圖15)；模型3為具備磁致伸縮板及磁性部，且不具備輔助軛及輔助磁石之構成(圖16)。模型1及2包含於本發明中，模型3成為本發明之發電元件中所不包含之比較例。

圖17中示出磁通密度之計算方法，圖18中示出磁通密度計算模型(壓縮應力作用時、無應力及拉伸應力作用時)。

圖19~圖21中示出模型1~3之模擬結果。

根據圖22之表可知，於具備輔助軛及輔助磁石之模型1及3、即具備輔助串聯磁路之構成之情形時，磁通之變化量及磁通密度之變化量特別大。又可知，模型1及3中，具備磁致伸縮板之模型1的磁通之變化量及磁通密度之變化量更大。

[實施例2]

將具備磁致伸縮板且不具備輔助串聯磁路之發電元件、與具備磁致伸縮板且具備輔助串聯磁路之發電元件之發電量進行比較。

將試作之發電元件之照片示於圖23中。圖23(a)為不具備輔助串聯磁路之發電元件，圖23(b)及(c)為具備輔助串聯磁路之發電元件。

磁致伸縮板為Fe-Ga合金之4×0.5×16mm，框架(貝氏體鋼)之厚度為0.5mm，線圈為1494圈(電阻值為59.3Ω)。又，主磁石為永久磁石，關於其尺寸，不具備輔助串聯磁路之發電元件使用5×3×3mm，具備輔助串聯磁路之發電元件係使用將5×5×2mm與3×4×2mm上下重疊而成者。又，輔助串聯磁路中使用之輔助磁石亦為永久磁石，將其尺寸設為2×3×1mm。

輔助串聯磁路之輔助軛係與圖14同樣地設為

字狀，安裝於磁軛之固定端之下表面。於輔助磁石與磁致伸縮板之間設置適當之間隙而作為第2間隙。將各發電元件如圖24般安裝於振動產生器上，以各自之共振頻率(不具備輔助串聯磁路之發電元件為120Hz，具備輔助串聯磁路之發電元件為115.1Hz)，以磁致伸縮板之端部之位移成為相同之方式使其振動。磁致伸縮板之端部之位移係利用周知之雷射位移感測器來測量。

其結果為，產生圖25(a)所示之開路電壓。於具備輔助串聯磁路之情形時，雖然與不具備之情形相比較而言頻率低，但發生電壓增加20.0%。圖25(b)係表示將磁致伸縮板之端部之位移與發生電壓進行積分而算出之磁通之關係，可知發生電壓增加之原因為由輔助串聯磁路之效果所引起的磁通增加。

[實施例3]

將代替磁致伸縮元件而具備磁性材(SPCC)且不具備輔助串聯磁路之發電元件、與代替磁致伸縮元件而具備磁性材(SPCC)且具備輔助串聯磁路之發電元件之發電量進行比較。

將代替磁致伸縮板而使用之磁性材(SPCC材)之尺寸設為4×0.5×16mm。

框架(貝氏體鋼)之厚度設為1.0mm，線圈設為1494圈(電阻值為59.3Ω)。又，主磁石為永久磁石，其尺寸係使用將5×5×2mm與3×4×2mm上下重疊而成者。又，輔助串聯磁路中使用之輔助磁石亦為永久磁石，將其尺寸設為3×4×1mm。

輔助串聯磁路之輔助軛係與圖14同樣地設為

字狀，安裝於磁軛之固定端之下表面。於輔助磁石與SPCC材之間設置適當之間隙而作為第2間隙。將各發電元件安裝於振動產生器上，以各自之共振頻率(115.6Hz)，以SPCC材之端部之位移成為相同之方式使其振動。將位移設為0.1mm、0.2mm、0.3mm之3個圖案。SPCC材之端部之位移係以周知之雷射位移感測器來測量。

其結果為，產生圖26所示之開路電壓。具備輔助串聯磁路之情形與不具備之情形相比較而言，發生電壓增加，但與實施例2中所示之具備磁致伸縮板且具備輔助串聯磁路之發電元件相比較，則發生電壓降低。又可知，越增大位移，發生電壓越大。

[產業上之可利用性]

本發明係關於電動勢增加、可以低成本而大量生產之振動發電用之發電元件及致動器，具有產業上之可利用性。

1:發電元件

100:主串聯磁路

110:磁軛

111:自由端

112:彎曲部位

113:固定端

120:主磁石

130:第1間隙

140:線圈

150:主磁通

200:輔助串聯磁路

210:輔助軛

211:鉛直部

212:水平部

220:輔助磁石

230:第2間隙

240:輔助磁通

Claims (5)

1. 一種發電元件，其特徵在於：以由磁性材料構成且具備固定端及自由端之磁軛、對上述磁軛賦予磁偏之主磁石、及形成在與上述自由端連接之位置的第1間隙構成主串聯磁路；以由磁性材料構成且安裝於上述磁軛上之輔助軛、對上述輔助軛賦予磁偏之輔助磁石、隔著上述自由端而形成在與上述第1間隙對向之位置的第2間隙、上述磁軛、上述主磁石、及上述第1間隙構成輔助串聯磁路；於將通過上述主串聯磁路之磁通設為主磁通，且將通過上述輔助串聯磁路之磁通設為輔助磁通之情形時，通過上述第1間隙之上述主磁通與上述輔助磁通之朝向一致；並且係藉由外力之附加，上述自由端振動，上述第1間隙與上述第2間隙之磁阻相反地增減者，利用上述主串聯磁路與上述輔助串聯磁路，使通過捲繞於上述磁軛上之一個線圈之內部之主磁通之變化量增加。
2. 如請求項1所述之發電元件，其中對於上述磁軛，隔著

   

   字狀之彎曲部位，其中一個端部為上述固定端，另一端部為上述自由端。
3. 如請求項1或2所述之發電元件，其中具備形成於上述磁軛之一部分上之磁性部、以及由磁致伸縮材料構成之磁致伸縮板，上述磁性部具有用以對上述磁致伸縮板施加均勻之壓縮力或拉伸力之剛性及形狀，上述磁致伸縮板係以成為與上述磁性部平行之方式安裝於上述磁軛上，並且 藉由外力之附加，上述磁致伸縮板伸長或收縮。
4. 一種致動器，其特徵在於：具備與如請求項1或2所述之發電元件相同之構造，藉由於上述線圈中流通電流而使上述第1間隙之長度變化，使上述自由端振動。
5. 一種致動器，其特徵在於：具備與如請求項3所述之發電元件相同之構造，藉由於上述線圈中流通電流而使上述磁致伸縮板伸縮，使上述自由端振動。