WO2011158473A1 - 発電素子および発電素子を備えた発電装置 - Google Patents

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WO2011158473A1
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power generation
magnetostrictive
power
generation element
rod
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上野　敏幸
芳雄 池畑
外史 山田
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国立大学法人金沢大学
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    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H02N2/188—Vibration harvesters adapted for resonant operation

Definitions

  • the present invention relates to a power generation element using vibration, and particularly to a power generation element using a magnetostrictive material.
  • Many of the power generation methods using piezoelectric elements are to generate power by deforming the piezoelectric elements by applying external force to the piezoelectric elements in some way.
  • a method of deforming the piezoelectric element by applying vibration for example, a method of indirectly applying a pressure such as wind pressure or sound pressure, a method of causing an object such as a weight to collide with the piezoelectric element, or an object to be deformed
  • a method of attaching a piezoelectric element see, for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 1 describes a sound power generation device that generates electric power using a piezoelectric element using air pressure fluctuation caused by sound, and a vibration force power generation apparatus that generates electric power using a piezoelectric element using pressure fluctuation caused by vibration.
  • the power generation method using the change in the magnetic flux density of the permanent magnet is a method for generating power by temporal change in the interlinkage magnetic flux density of the coil accompanying the vibration of the permanent magnet, that is, a power generation method using electromagnetic induction (for example, see Non-Patent Document 1 and Patent Document 2.)
  • Non-Patent Document 1 discloses a power generation element that generates power when a permanent magnet that vibrates inside a coil in a direction parallel to the direction of magnetization changes the magnetic flux density inside the coil and generates current in the coil. ing.
  • the piezoelectric material described in Patent Document 1 has a large piezoelectric longitudinal constant, and the power generation efficiency of the piezoelectric longitudinal effect (when the direction of force and the direction of extracting voltage are the same) is high.
  • the piezoelectric material is a brittle material and is a material that is weak against bending and impact. Therefore, there is a problem that an excessive load cannot be applied and it is difficult to apply a large bend or impact in order to increase the amount of power generation.
  • the piezoelectric element is an electrically inductive load, when a load having a high impedance at a low frequency and having a lower impedance than the piezoelectric element is connected, the voltage generated at the load is reduced. There is a disadvantage that the electric power obtained is small and the efficiency of power generation is low.
  • an object of the present invention is to provide a power generation element that is resistant to bending and impact and has a large amount of power generation, and an electronic device including the power generation element.
  • a power generation element includes a first magnetostrictive rod made of a magnetostrictive material, and a uniform compressive force or tensile force applied to the first magnetostrictive rod.
  • a rigid rod made of a magnetic material having rigidity and shape, and disposed in parallel with the first magnetostrictive rod; a first coil wound around the first magnetostrictive rod; the first magnetostrictive rod; Two connecting yokes provided so as to connect the first magnetostrictive rod and the rigid rod to both ends of the rigid rod, respectively, in a direction perpendicular to the axial direction of the first magnetostrictive rod
  • the first magnetostrictive rod expands or contracts due to vibration to generate electricity.
  • the rigid rod is a second magnetostrictive rod made of a magnetostrictive material, and further includes a second coil wound around the second magnetostrictive rod, the first magnetostrictive rod and the second magnetostrictive rod Due to the vibration in the direction perpendicular to the axial direction of the magnetostrictive rod, one of the first magnetostrictive rod and the second magnetostrictive rod expands and the other contracts to generate electric power.
  • the two magnetostrictive rods composed of a magnetostrictive material can be expanded and contracted to generate power by changing the magnetic flux density over time using the inverse magnetostrictive effect. Since the power generating element is configured by combining two magnetostrictive rods, when the power generating element is vibrated in a direction perpendicular to the axial direction of the two magnetostrictive rods, one of the two magnetostrictive rods expands and the other contracts. To do. Thereby, it is possible to efficiently generate power with a small force.
  • magnetostrictive rod since a magnetostrictive material that is resistant to external forces such as bending and impact is used for the magnetostrictive rod, a large bending or impact can be applied to the power generation element, and the amount of power generation can be increased.
  • the easy magnetization direction of the first magnetostrictive rod is parallel to the axial direction of the first magnetostrictive rod.
  • the power generating element further includes a back yoke having a permanent magnet.
  • one of the two connecting yokes is fixed and the other has a weight.
  • the power generation element may resonate in the secondary resonance mode, and can efficiently generate power even at the secondary resonance frequency that gives the secondary resonance mode.
  • the voltage generated in the power generation element increases in proportion to the resonance frequency of the power generation element. According to this configuration, the power generation element vibrates in the secondary resonance mode having a resonance frequency higher than that of the primary resonance mode generally generated in the power generation element, so that larger power can be obtained.
  • the length of the weight in the axial direction of the magnetostrictive rod is longer than the length in the direction perpendicular to the axial direction of the magnetostrictive rod.
  • the power generation element can easily cause resonance in the secondary resonance mode.
  • the first coil is composed of K parallel-connected coils having N / K turns.
  • each of the first coil and the second coil is connected in parallel with K pieces having N / K turns. It is preferable that the coil is made up of coils.
  • a plurality of the power generation elements arranged in parallel are provided, and the plurality of power generation elements are connected in series.
  • the connecting yoke for joining the magnetostrictive rods of a plurality of power generation elements is used in common by adjacent power generation elements, and the power generation amount is increased by connecting the plurality of power generation elements in series.
  • the power generation amount can be increased K times by connecting K power generation elements in series.
  • the resonance frequency can be reduced to 1 / K. Therefore, the number of vibrations per unit time increases, so that the amount of power generation can be increased.
  • the shape of the entire power generation device is configured as an elastic spring shape, vibration in the power generation element can be continued for a long time. Thereby, it is possible to easily adjust the frequency and generated power suitable for the environment to be used.
  • the magnetostrictive material preferably has ductility.
  • the magnetostrictive material is preferably an iron gallium alloy.
  • the amount of power generation can be increased by using, as the magnetostrictive material, an iron gallium alloy that is strong against external forces such as bending and impact such as Galfenol and has excellent machinability.
  • the magnetostrictive material is preferably an iron cobalt alloy.
  • the magnetostrictive material for example, an iron cobalt alloy having a high magnetostrictive effect such as permendur.
  • a power generation apparatus including a power generation element according to an embodiment of the present invention includes a power generation element having the above-described characteristics.
  • the present invention it is possible to provide a power generation element that is resistant to bending and impact and has a large amount of power generation, and a power generation device including the power generation element.
  • FIG. 1A is a top view of the power generation element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1B is a side view of the power generation element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2A is a top view showing the arrangement positions of the magnetostrictive rod and the connecting yoke of the power generating element shown in FIG. 1A.
  • FIG. 2B is a side view showing an arrangement position of the magnetostrictive rod and the connecting yoke of the power generating element shown in FIG. 1B.
  • FIG. 2C is a top view showing a method of joining the magnetostrictive rod and the connecting yoke.
  • FIG. 2D is a side view showing a method of joining the magnetostrictive rod and the connecting yoke.
  • FIG. 1A is a top view of the power generation element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1B is a side view of the power generation element according to Embodiment 1 of the present
  • FIG. 2E is a side view showing a method of joining the magnetostrictive rod and the connecting yoke.
  • FIG. 2F is a top view showing a method of joining the magnetostrictive rod and the connecting yoke.
  • FIG. 2G is a side view showing a method of joining the magnetostrictive rod and the connecting yoke.
  • FIG. 2H is a top view showing a method of joining the magnetostrictive rod and the connecting yoke.
  • FIG. 2I is a top view showing a method of joining the magnetostrictive rod and the connecting yoke.
  • FIG. 2J is a side view showing an example of the configuration of the back yoke.
  • FIG. 2K is a side view showing the configuration of the power generation element in which the back yoke is replaced with a magnetostrictive rod wound with a coil.
  • FIG. 2L is a side view showing the configuration of the power generating element in which the back yoke is replaced with a magnetostrictive rod wound with a coil.
  • FIG. 3 is a photograph showing an example of the power generation element shown in FIG. 1A.
  • FIG. 4A is a top view illustrating the power generation operation of the power generation element, and is a diagram illustrating the operation of the magnetostrictive rod.
  • FIG. 4B is a top view illustrating the power generation operation of the power generation element, and is a diagram illustrating a state where a coil and a weight are arranged on the magnetostrictive rod.
  • FIG. 5 is a diagram showing the power generation amount of the power generation element shown in FIG. 1A by voltage.
  • FIG. 6 is a diagram showing the power generation amount of the power generation element shown in FIG. 1A by current.
  • FIG. 7 is a diagram showing the average generated power of the power generation element shown in FIG. 1A.
  • FIG. 8A is a diagram showing the displacement of the power generating element shown in FIG. 1A.
  • FIG. 8B is a diagram showing a generated voltage of the power generation element shown in FIG. 1A.
  • FIG. 9 is a diagram showing a relationship between input work and output electric energy of the power generation element shown in FIG. 1A.
  • FIG. 10A is a diagram showing a change in shape of the power generation element shown in FIG. 1A in the primary resonance mode.
  • FIG. 10A is a diagram showing a change in shape of the power generation element shown in FIG. 1A in the primary resonance mode.
  • FIG. 10B is a diagram illustrating a change in shape of the power generation element illustrated in FIG. 1B in the secondary resonance mode.
  • FIG. 11A is a side view of the power generation element according to Embodiment 2.
  • FIG. 11B is a side view showing the arrangement positions of the magnetostrictive rod and the connecting yoke of the power generation element shown in FIG. 11A.
  • 12A is a top view of the power generation element according to Embodiment 3.
  • FIG. FIG. 12B is a top view of the power generation element according to Embodiment 3.
  • FIG. 12C is a top view of the power generation element according to Embodiment 3.
  • FIG. 12D is a top view of the power generation element according to Embodiment 3.
  • FIG. 11A is a side view of the power generation element according to Embodiment 2.
  • FIG. 11B is a side view showing the arrangement positions of the magnetostrictive rod and the connecting yoke of the power generation element shown in FIG. 11A.
  • FIG. 13A is an equivalent electric circuit diagram of the power generation element shown in FIG. 12A.
  • 13B is an equivalent electric circuit diagram of the power generation element shown in FIG. 12B.
  • FIG. 13C is an equivalent electric circuit diagram of the power generation element shown in FIG. 12B.
  • FIG. 13D is an equivalent electric circuit diagram of the power generation element shown in FIG. 12C.
  • FIG. 13E is an equivalent electric circuit diagram of the power generation element shown in FIG. 12C.
  • FIG. 13F is an equivalent electric circuit diagram of the power generation element shown in FIG. 12D.
  • FIG. 13G is an equivalent electric circuit diagram of the power generation element shown in FIG. 12D.
  • FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a power generation device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a power generation device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 15A is a diagram illustrating a usage example of the power generation device according to Embodiment 4.
  • FIG. 15B is a schematic configuration diagram of the power generation device shown in FIG. 15A.
  • FIG. 15C is a schematic configuration diagram of the power generation device illustrated in FIG. 15A.
  • FIG. 15D is a schematic configuration diagram of the power generation device shown in FIG. 15A.
  • FIG. 16 is a schematic configuration diagram of a mobile phone according to the fifth embodiment.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing a part of the internal structure of the mobile phone shown in FIG. 18A is a top view of the power generation element according to Embodiment 6.
  • FIG. FIG. 18B is a side view of the power generation element according to Embodiment 6.
  • FIG. 18C is a top view showing the operation of the power generating element according to the sixth embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating an application example of the power generation element according to the seventh embodiment.
  • FIG. 20 is a schematic diagram for explaining the air pressure sensor according to the seventh embodiment.
  • FIG. 21 is a schematic diagram for explaining the vibration sensor according to the seventh embodiment.
  • FIG. 22A is a diagram showing a power generation device according to the eighth embodiment.
  • FIG. 22B is a diagram illustrating the power generation device according to the eighth embodiment.
  • FIG. 22C is a diagram showing the power generation device according to Embodiment 8.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating an example of an electronic device using a power generation element.
  • FIG. 1A is a top view of a power generation element according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a side view of the power generation element according to an embodiment of the present invention.
  • the power generating element 1 includes connecting yokes 10a and 10b, magnetostrictive rods 11a and 11b, coils 12a and 12b, permanent magnets 14a and 14b, and a back yoke 15. .
  • FIGS. 2A and 2B are schematic views showing the arrangement positions of the magnetostrictive rods 11a and 11b and the connecting yokes 10a and 10b of the power generating element 1 shown in FIGS. 1A and 1B.
  • FIGS. 2A and 2B are diagrams respectively. Corresponds to 1A and FIG. 1B.
  • the magnetostrictive rods 11a and 11b are made of, for example, Galfenol, which is an iron gallium alloy, have ductility, and each have a rectangular parallelepiped rod shape of 1 mm ⁇ 0.5 mm ⁇ 10 mm.
  • the magnetostrictive rods 11a and 11b are arranged in parallel.
  • a connecting yoke 10a is provided so as to connect the magnetostrictive rods 11a and 11b.
  • a connecting yoke 10b is provided so as to connect the magnetostrictive rods 11a and 11b.
  • the connecting yokes 10a and 10b are made of, for example, a magnetic material containing Fe, and are mechanically and magnetically connected to the magnetostrictive rods 11a and 11b.
  • the magnetostrictive rods 11a and 11b and the connecting yokes 10a and 10b are connected as follows as an example.
  • FIGS. 2C to 2J are diagrams showing a method of joining the magnetostrictive rods 11a and 11b and the connecting yoke 10a.
  • the magnetostrictive rods 11a and 11b and the connecting yoke 10a need to be firmly joined because the power generating element uses vibration.
  • the magnetostrictive rods 11a and 11b and the connecting yoke 10a Can be firmly joined so as to withstand vibrations necessary for power generation.
  • the connecting yoke 10a is formed with two grooves for inserting the magnetostrictive rods 11a and 11b, and the magnetostrictive rods 11a and 11b are inserted into the grooves, respectively.
  • an adhesive is generally used, but the bonding strength between the magnetostrictive rods 11a and 11b and the connecting yoke 10a is insufficient only by using the adhesive. Therefore, as shown in FIG. 2D, the height of the connecting yoke 10a is previously formed larger than the height of the magnetostrictive rods 11a and 11b.
  • the connecting yoke 10a After inserting the magnetostrictive rods 11a and 11b into the grooves formed in the connecting yoke 10a, the connecting yoke 10a is compressed and crushed by a press 17 as shown in FIG. The gap between 11a and 11b and connecting yoke 10a is filled, and magnetostrictive rods 11a and 11b and connecting yoke 10a are in close contact and firmly joined.
  • the compressed connecting yoke 10a has the same height as the magnetostrictive rods 11a and 11b, as shown in FIG. 2G.
  • the portions of the magnetostrictive rods 11a and 11b inserted into the connecting yoke 10a are compressed when the connecting yoke 10a is crushed, and the base portions of the magnetostrictive rods 11a and 11b (the portions inserted into the connecting yoke 10a of the magnetostrictive rods 11a and 11b). It is considered that stress concentrates on the boundary portion between the portion and the portion not inserted. Therefore, as shown in FIG. 2H, by reinforcing the vicinity of the root portions of the magnetostrictive rods 11a and 11b with, for example, an adhesive 18 such as an epoxy resin, the concentration of stress described above is alleviated, and the magnetostrictive rod 11a. And the joint strength of 11b and the connection yoke 10a can be raised more.
  • the magnetostrictive rods 11a and 11b and the connecting yoke 10a may be joined by a pinning method in which the magnetostrictive rods 11a and 11b and the connecting yoke 10a are joined through a single pin. Further, one concave portion is formed in the connecting yoke 10a, the magnetostrictive rods 11a and 11b are inserted into the concave portion, and a crimping portion having, for example, a prismatic shape is inserted between the magnetostrictive rods 11a and 11b and compressed.
  • a press-fitting method in which the caulking portions are crushed and the magnetostrictive rods 11a and 11b and the connecting yoke 10a are brought into close contact may be used.
  • the shape of the connecting yoke may be a shape as shown in FIG. 2I as an example.
  • the connecting yoke 10a shown in FIG. 2C has a shape in which the boundary with the magnetostrictive rods 11a and 11b is substantially perpendicular to the magnetostrictive rods 11a and 11b, but the connecting yoke 10c shown in FIG. 2I is connected to the magnetostrictive rods 11a and 11b.
  • the boundary is inclined toward the magnetostrictive rods 11a and 11b. According to this configuration, the stress concentration in the root portions of the magnetostrictive rods 11a and 11b when the magnetostrictive rods 11a and 11b are bent by vibration can be reduced.
  • a back yoke 15 is provided on the lower surface side of the power generation element 1.
  • the back yoke 15 is configured to apply bias magnetization to the magnetostrictive rods 11a and 11b.
  • the back yoke 15 has a permanent magnet 14a provided on the connection yoke 10a side and a permanent magnet 14b provided on the connection yoke 10b side, and is connected via the permanent magnets 14a and 14b.
  • the yoke 10a and the connecting yoke 10b are connected.
  • the permanent magnet 14a has an N pole on the side connected to the back yoke 15 and an S pole on the side connected to the connecting yoke 10a.
  • the permanent magnet 14b has an S pole on the surface connected to the back yoke 15 and an N pole on the surface connected to the connecting yoke 10b.
  • the connecting yokes 10a and 10b, the magnetostrictive rods 11a and 11b, the permanent magnets 14a and 14b, and the back yoke 15 form a magnetic loop as indicated by an arrow in FIG. 2B. Thereby, bias magnetization is generated in the magnetostrictive rods 11a and 11b by the magnetomotive force of the permanent magnets 14a and 14b.
  • the magnetization direction of the magnetostrictive rods 11a and 11b or the easy magnetization direction in which the magnetization of the magnetostrictive rods 11a and 11b easily occurs is set in a direction parallel to the axial direction of the magnetostrictive rods 11a and 11b.
  • the magnitude of the magnetization at this time is, for example, 0.85 T (Tesla) which is 1 ⁇ 2 of the saturation magnetic flux density.
  • the permanent magnet of the back yoke 15 is not limited to the configuration using the permanent magnets 14a and 14b as shown in FIG. 2B, and may have the following configuration.
  • FIG. 2J is a side view showing an example of the configuration of the back yoke.
  • the back yoke of the power generation element includes a connecting portion 19a provided on the connecting yoke 10a side, a connecting portion 19b provided on the connecting yoke 10b side, and between the connecting portion 19a and the connecting portion 19b.
  • a permanent magnet 19c provided on the surface. That is, the magnetostrictive rods 11a and 11b and the permanent magnet 19c are not in contact with each other, and the permanent magnet 19c is arranged in parallel to the magnetostrictive rods 11a and 11b.
  • the connecting portions 19a and 19b are made of a magnetic material containing Fe, for example, like the connecting yokes 10a and 10b.
  • arrangement positioning of the permanent magnet in the above-mentioned back yoke is an example, Not only the above-mentioned structure but another structure may be sufficient. Moreover, not only a permanent magnet but an electromagnet may be used. Moreover, as long as the magnetic flux from the outside of the power generation element 1 generates a leakage magnetic flux in the magnetic circuit, a configuration in which a magnet is disposed outside the power generation element 1 or a configuration without a back yoke may be used.
  • coils 12a and 12b are formed on the magnetostrictive rods 11a and 11b, respectively.
  • the coils 12a and 12b are made of, for example, copper wire, and the number of turns is about 300 turns. By changing the number of turns of the coils 12a and 12b, the magnitude of the voltage generated in the power generation element can be adjusted.
  • a gap is provided between the magnetostrictive rod 11a and the coil 12a, and similarly, a gap is also provided between the magnetostrictive rod 11b and the coil 12b.
  • the coils 12a and 12b are integrated by being filled with resin. The coils 12a and 12b do not have to be integrated. Further, the number of turns of the coil may be the same for each coil, or may be different.
  • the power generating element 1 may have a configuration in which the back yoke 15 shown in FIG. 1B is replaced with a magnetostrictive rod wound with a coil.
  • FIG. 2K is a side view showing the configuration of the power generation element in which the back yoke is replaced with a magnetostrictive rod wound with a coil.
  • a coil 12d is wound around a magnetostrictive rod 11d replaced with a back yoke.
  • Movable yokes 10d and 10e are provided at both ends of the magnetostrictive rod 11d.
  • the length of the movable yoke 10d is substantially the same as the length of the connecting yoke 10a.
  • the length of the movable yoke 10b is substantially the same as the length of the connecting yoke 10e.
  • the movable yoke 10d is connected to the connecting yoke 10a by a permanent magnet 14a.
  • the movable yoke 10e is connected to the connecting yoke 10b by a permanent magnet 14b.
  • the permanent magnet 14a has an N pole on the surface connected to the movable yoke 10d and an S pole on the surface connected to the connecting yoke 10a.
  • the permanent magnet 14b has an S pole on the surface connected to the movable yoke 10e and an N pole on the surface connected to the connecting yoke 10b.
  • the connecting yokes 10a and 10b, the magnetostrictive rods 11a and 11b, the permanent magnets 14a and 14b, and the movable yokes 10d and 10e form a magnetic loop as shown in the lower figure of FIG. 2K.
  • the magnetic flux inside the coil 12d is changed by the vibration of the power generation element, a current is generated not only in the coil 12a but also in the coil 12d, so that power can be generated efficiently.
  • the magnetostrictive rod 11d around which the coil 12d is wound is provided in place of the back yoke, it is possible to efficiently generate power while effectively using the space.
  • the movable yokes 10b and 10e have substantially the same length, but the movable yokes 10b and 10e may have different lengths as shown in FIG. 2L.
  • 2L includes a magnetostrictive rod 11d around which a coil 12d is wound instead of the back yoke, and a power generating element 16b, 16c, 16d, 16e having different lengths of the movable yokes 10b and 10e. The structure of is shown.
  • the resonant frequencies of the power generating elements 16b, 16c, 16d, and 16e are different from each other by making the lengths of the movable yokes of the power generating elements 16b, 16c, 16d, and 16e different. Therefore, according to this configuration, it is possible to generate power at a wide frequency simultaneously by the vibration of the vibrating body 16a.
  • FIG. 3 is a photograph showing an example of the power generation element 1.
  • the magnetostrictive rods 11a and 11b have a rectangular parallelepiped (rectangular) rod-like shape having a cross section of 1 mm ⁇ 0.5 mm and an axial length of about 10 mm.
  • the connecting yoke 10 a is fixed to the fixing member 21, and the connecting yoke 10 b includes a weight 20.
  • the weight 20 has a shape that is long in the axial direction of the magnetostrictive rods 11a and 11b, and is, for example, approximately the same length as the magnetostrictive rods 11a and 11b.
  • the power generating element 1 performs bending vibration (resonance) by the vibration of the weight 20 around the connection yoke 10 a fixed to the fixing member 21.
  • vibration can be sustained by resonance.
  • the shape of the weight 20 is not limited to the shape elongated in the axial direction of the magnetostrictive rods 11a and 11b as described above, but may be other shapes. For example, even if a part of the weight 20 formed long in the axial direction is bent in a U shape in the direction of the fixing member 21 and a part of the weight 20 is arranged in parallel with the magnetostrictive rods 11a and 11b. Good. By making the weight 20 into such a shape, the length of the weight 20 can be increased and the space in which the weight 20 is provided can be reduced.
  • FIG. 4A is a diagram showing the operation of the magnetostrictive rods 11a and 11b
  • FIG. 4B is a diagram showing a state where the coils 12a and 12b and the weight 20 are arranged on the magnetostrictive rods 11a and 11b.
  • the inverse magnetostrictive effect is an effect in which magnetization is changed when a stress is applied to a magnetized magnetostrictive material. Due to this change in magnetization, an induced voltage (or induced current) is generated in the coil to generate electricity.
  • the connecting yoke 10a of the power generating element 1 is configured as a cantilever fixed to a fixing member, and a predetermined bending force P is applied to the connecting yoke 10b to generate power.
  • the connecting yoke 10b of the element 1 undergoes bending vibration.
  • the direction of the bending force P is a direction perpendicular to the axial direction of the magnetostrictive rods 11a and 11b.
  • the power generation element 1 resonates due to the bending vibration of the connecting yoke 10b.
  • the resonance frequency at this time is 300 Hz as an example, and may be several tens to 1 kHz.
  • the magnetostrictive rods 11a and 11b are bent and deformed. Specifically, when the power generating element 1 receives the bending force P in the direction shown in FIG. 4A, the magnetostrictive rod 11a expands and the magnetostrictive rod 11b contracts. When the connecting yoke 10b receives the bending force P in the opposite direction to the bending force P, the magnetostrictive rod 11a contracts and the magnetostrictive rod 11a expands. Thus, when the magnetostrictive rods 11a and 11b expand and contract, the magnetization of the magnetostrictive rods 11a and 11b increases or decreases due to the inverse magnetostrictive effect.
  • the magnetic flux density which penetrates the coils 12a and 12b changes. Due to the temporal change of the magnetic flux density, an induced voltage (or induced current) is generated in the coils 12a and 12b as shown in FIG. 4B. Further, since the connecting yoke 10b of the power generating element 1 vibrates and vibrates, the vibration is sustained by resonance, so that continuous power generation can be performed.
  • the power generating element 1 having the above-described configuration includes two magnetostrictive rods made of a magnetostrictive material, but is different from a so-called bimorph power generating element.
  • a bimorph power generation element In a bimorph power generation element, generally, two magnetostrictive plates made of a magnetostrictive material are bonded together, and a coil is wound around the two magnetostrictive plates bonded together in one direction.
  • a coil In the power generation element having such a configuration, even if one magnetostrictive plate expands due to vibration and the other magnetostrictive plate contracts, changes in magnetic flux generated in the two magnetostrictive plates are opposite to each other. Therefore, the changes in the magnetic flux cancel each other, and almost no current is generated in the coil wound in common with the two magnetostrictive plates.
  • the magnetostrictive rods 11a and 11b are stretched or contracted by the magnetostrictive rods 11a and 11b. A current is generated in each of the coils 12a and 12b due to a change in the magnetic flux generated in the coil 12a. Further, since the magnetostrictive rods 11a and 11b are connected in parallel by the connecting yokes 10a and 10b, when one of the magnetostrictive rods 11a and 11b expands, the other always contracts.
  • the stress distribution is almost uniform in the vicinity of the center parallel to the axial direction of the magnetostrictive rods 11a and 11b. Therefore, compared with a power generation element having a so-called bimorph structure, a large power generation amount can be obtained reliably.
  • FIG. 5 is a diagram showing the power generation amount of the power generation element 1 according to the present embodiment by voltage.
  • FIG. 5 is a time response of changes in displacement, generated voltage, and magnetic flux density when the element is forced to vibrate at a primary bending resonance frequency of 393 Hz.
  • the voltage generated by the vibration of the moving element, the change in magnetic flux density, and the amplitude of the moving element when the load is not connected (open) and when the load of 30 ⁇ is connected are shown.
  • the magnetic flux density penetrating the coils 12a and 12b is periodically changed to generate a voltage.
  • the internal magnetic flux density changes to positive and negative, and a voltage is generated in proportion to the time distribution of the magnetic flux density.
  • the change in magnetic flux density is, for example, ⁇ 0.5 T, and the maximum voltage generated at this time is, for example, ⁇ 1.5 V (open).
  • the maximum voltage decreases to 0.6V, but a maximum power of 12 mW can be obtained as instantaneous power.
  • the generated voltage can be calculated by the following (Equation 1).
  • V is the generated voltage
  • N is the number of turns of the coil
  • A is the cross-sectional area of the coil
  • B is the magnetic flux density through the coil
  • f is the resonance frequency of bending vibration.
  • FIG. 6 is a diagram showing the power generation amount of the power generating element according to the present embodiment in terms of current, and shows the induced current obtained when the above-described 30 ⁇ load is connected.
  • the power generation amount W is calculated from the obtained current value by the following (Equation 2).
  • T is the period of vibration.
  • a value of W 2 mW was obtained for the power generation amount W.
  • FIG. 7 is a diagram showing the average generated power P with respect to the load resistance R in the power generating element 1 shown in FIG.
  • the average generated power P is calculated by the following (Formula 3).
  • T is the period of vibration
  • the average generated power P is calculated by measuring the instantaneous voltage v of the load resistance R.
  • the volume density (power density) of the generated power is 10 mW / cm 3 or more.
  • the power density is calculated by the volume including the coil and yoke of the power generating element 1.
  • the value of the power density described above is 10 times or more compared with power generation using a piezoelectric element (1 mW / cm 3 ) or power generation using an electret. It is shown that the amount of power generation can be obtained. That is, according to the power generation element 1, it is possible to realize a reduction in the size of the element.
  • the energy conversion efficiency here means output electric energy with respect to input mechanical energy.
  • 8A is a diagram showing the displacement of the power generating element shown in FIG. 1
  • FIG. 8B is a diagram showing the generated voltage of the power generating element shown in FIG.
  • the energy conversion efficiency ⁇ is calculated by the following (Equation 4) based on the input mechanical energy W i and the output electrical energy W o .
  • the input mechanical energy W i is an initial elastic energy given for excitation, and is obtained from the initial displacement X 0 and the force F 0 .
  • the output electrical energy W o is the time integral of the Joule loss of the load resistance R.
  • the load resistance R is 30 ⁇ .
  • the displacement and generated voltage shown in FIGS. 8A and 8B are the displacement and generation of the position of the weight 20 when a 50 g weight is hung with the thread at the position of the weight 20 of the power generating element 1 and the thread is cut and free vibration is started. Voltage.
  • the output electrical energy W o is 1.2 ⁇ 10 ⁇ 5 J
  • the input mechanical energy W i is 8.9 ⁇ 10 ⁇ 5 J. From these values, the energy conversion efficiency ⁇ is 0.14 (14%). In other words, according to FIG.
  • the peak power is 8.3 mW and the average power is 0.12 mW (1.2 ⁇ 10 ⁇ 5 J / 0.1 s) in one free vibration by separating the weight of 50 g. It turns out that it is obtained.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the input work (input mechanical energy) Wi and the output electrical energy Wo of the power generation element when the excitation condition is changed by the weight.
  • the relationship between the input work (input mechanical energy) W i and the output electric energy W o is almost linear. Further, the energy conversion efficiency ⁇ is calculated to be 15%. Considering that the same Joule loss occurs in the coil resistance, the conversion efficiency is considered to be 30% or more.
  • FIG. 10A is a diagram showing a change in shape of the power generation element shown in FIG. 1A in the primary resonance mode
  • FIG. 10B is a diagram showing a change in shape of the power generation element shown in FIG. 1A in the secondary resonance mode. is there.
  • the power generating element 1 in FIG. 10A is installed as a cantilever. That is, the power generating element 1 is configured such that one connection yoke 10a is fixed and the other connection yoke 10b is not fixed. Note that the connecting yoke 10b that is not fixed may be referred to as a movable portion.
  • the power generating element 1 having such a cantilever configuration can efficiently generate power in a resonance state. Although the resonance mode of the power generation element 1 is infinite, in general, resonance in the primary resonance mode as shown in FIG. 10A is likely to occur.
  • the power generating element 1 In the resonance in the primary resonance mode, the power generating element 1 is deformed so as to bend in one direction as a whole cantilever as shown in FIG. 10A. At this time, the magnetostrictive rod 11a expands and the magnetostrictive rod 11b is compressed. Thereby, the power generation element 1 can perform power generation according to the deformation amount of the magnetostrictive rod.
  • the power generation by the power generation element 1 can be performed also in the secondary resonance mode. That is, the power generation element 1 installed as a cantilever beam resonates even in a higher-order resonance mode having a higher resonance frequency than the primary resonance mode, depending on the shape of the power generation element 1 and the frequency of vibration applied. For example, in the secondary resonance mode, which is a resonance frequency about four times the resonance frequency in the primary resonance mode, the power generating element 1 undergoes deformation as shown in FIG. 10B.
  • the power generating element 1 in the secondary resonance mode when viewed as a cantilever as a whole, the power generating element 1 is in a state where nodes are formed as shown in FIG. 10B.
  • the parallel beam portion of the cantilever that is, the magnetostrictive rods 11a and 11b and the movable portion (the connecting yoke 10a on the non-fixed side of the power generating element 1) are curved in one direction when viewed as a whole.
  • the magnetostrictive rod 11a expands and the magnetostrictive rod 11b is compressed.
  • the electric power generation element 1 can perform electric power generation according to the deformation amount of the magnetostrictive rods 11a and 11b.
  • the power generation element 1 in the secondary resonance mode has a higher resonance frequency than the primary resonance mode. Can be obtained.
  • the power generation element 1 is provided with a part that increases the length of the movable part or connects the movable part and the parallel beam. It is effective to make the portion soft so that vibration nodes are likely to occur in the magnetostrictive rods 11a and 11b of the power generating element 1.
  • a configuration in which a plurality of power generation elements 1 having different resonance frequencies are arranged side by side may generate a resonance state at a plurality of types of frequencies. According to this configuration, even when the frequency of vibration applied to the power generation element 1 is different, power can be generated evenly.
  • the magnetostrictive material forming the magnetostrictive rods 11a and 11b is not limited to Galfenol, which is an iron gallium alloy, and may be other materials.
  • Galfenol the change in internal magnetization of Galfenol due to application of stress changes the saturation magnetic flux density to about 1 T, so that the amount of power generation in the power generating element 1 can be increased.
  • the magnetostrictive material other than Galfenol for example, permendur which is an iron cobalt alloy may be used, or other materials may be used. Further, not only a crystalline material but also an amorphous material may be used. Furthermore, in order to increase the change in magnetization with respect to the tensile stress, a magnetostrictive material to which a compressive stress is applied by applying a stress annealing process in advance may be used.
  • both the magnetostrictive rod 11a and the magnetostrictive rod 11b are power generation elements made of a magnetostrictive material, but one of the magnetostrictive rods 11a and 11b, for example, the magnetostrictive rod 11b is replaced with a magnetostrictive material.
  • the rigid rod 11b may be made of a material having substantially the same rigidity or a rigidity higher than that of the magnetostrictive material. In this case, since it is not necessary to wind the coil 12b around the rigid rod 11b, the number of turns of the coil 12a wound around the magnetostrictive rod 11a can be increased, and the power generating element 1 can be realized with a simple configuration. Can do.
  • the direction of the bending force P applied to the connecting yoke 10b is a direction perpendicular to the axial direction of the magnetostrictive rods 11a and 11b as long as one of the magnetostrictive rods 11a and 11b expands and the other contracts. It may be given in such a direction.
  • the shape of the magnetostrictive rods 11a and 11b is not limited to a rectangular parallelepiped rod shape, and may be other shapes such as a columnar rod shape, a plate shape, and a strip shape.
  • the power generation element is configured by two magnetostrictive rods.
  • the power generation element is configured by one magnetostrictive rod and a connecting yoke. This is different from the first embodiment.
  • FIG. 11A is a side view of the power generation element according to the present embodiment
  • FIG. 11B is a side view showing the arrangement positions of the magnetostrictive rod and the connecting yoke of the power generation element shown in FIG. 11A.
  • the power generating element includes a magnetostrictive rod 11c, a connecting yoke 10c, and a coil 12c.
  • the magnetostrictive rod 11c and the coil 12c correspond to the first magnetostrictive rod and the first coil in the present invention, respectively.
  • the magnetostrictive rod 11c is made of, for example, Galfenol (Young's modulus 70 GPa), which is an iron gallium alloy, and has ductility, like the magnetostrictive rods 11a and 11b shown in the first embodiment, and is 1 mm ⁇ 0.5 mm ⁇ 10 mm. It has a rectangular parallelepiped rod shape.
  • the connecting yoke 10c is formed of a magnetic material having rigidity and shape for applying a uniform stress (compressive force or tensile force) to the magnetostrictive rod 11c.
  • the rigidity for applying a uniform compressive force or tensile force is, for example, a magnetic material having substantially the same rigidity as the magnetostrictive rod 11c, and the shape for applying a uniform compressive force or tensile force is, for example, magnetostriction. It is a magnetic material having substantially the same shape as the rod 11c. Examples of such a material include a magnetic material containing Fe and stainless steel such as SUS430 (Young's modulus 210 GPa).
  • the connecting yoke 10c has a recess in part as shown in FIG. 11B.
  • One end and the other end of the magnetostrictive rod 11c are mechanically and magnetically connected to the side wall in the recess. Therefore, in the recess, the magnetostrictive rod 11c and the connecting yoke 10c are arranged in parallel. That is, the portion of the connecting yoke 10c disposed in parallel with the magnetostrictive rod 11c corresponds to the rigid rod in the present invention. Further, portions other than the portion of the connecting yoke 10c arranged in parallel with the magnetostrictive rod 11c correspond to the two connecting yokes in the present invention.
  • the magnetostrictive rod 11c is further formed with a coil 12c.
  • the coil 12c is made of, for example, a copper wire and has 250 turns.
  • the magnetostrictive rod 11c expands or contracts to change the magnetic flux density, the magnetic flux in the coil 12c also changes, so that a current is generated in the coil 12c. Thereby, it can generate electric power.
  • it is possible to adjust the magnitude of the voltage generated in the power generation element by changing the number of turns of the coil 12c. Further, the number of turns of the coil is not limited to the number of turns described above, and may be changed as appropriate.
  • connection yoke 10c is configured such that the two connection yokes 10a and 10b and the rigid rod 11b in the power generation element 1 according to Embodiment 1 are integrated, thereby reducing the number of parts of the power generation element and magnetostriction.
  • the connecting portion between the rod and the connecting yoke can be reduced. Thereby, joining of a connection yoke and a magnetostriction stick
  • the coil 12c is wound only around the magnetostrictive rod 11c, the number of turns of the coil can be increased, so that the amount of power generation can be increased.
  • Embodiment 3 Next, Embodiment 3 according to one embodiment of the present invention will be described.
  • a power generation element in which a plurality of coils are wound in parallel on each magnetostrictive rod will be described.
  • 12A to 12D are top views of the power generation element according to the present embodiment
  • FIGS. 13A to 13G are equivalent electric circuit diagrams of the power generation element shown in FIGS. 12A to 12D.
  • 12A to 12D, the coils 12a and 12b are shown as sectional views.
  • the power generation element 1 shown in FIG. 12A has the same configuration as the power generation element 1 shown in FIG. 1A, and shows the basic configuration of the power generation element 1.
  • each of the coils 12a and 12b is wound around the magnetostrictive rods 11a and 11b. According to this configuration, the load resistance internal resistance of the power generating element 1 can be reduced by dividing the coils and connecting them in parallel.
  • each of the two divided coils 12a is R / 2
  • the combined resistance is R / 4 as shown in FIG. 13C.
  • the load resistance of each divided coil 12a is as shown in the equivalent electric circuit diagram of FIG. 13D.
  • R / 3 the combined resistance is R / 9 as shown in FIG. 13E.
  • the generated power can be increased by increasing the number of turns N of each coil 12a (or 12b). Since the generated voltage is proportional to the number N of turns of the coil 12a (or 12b), as shown in FIG. 13D, when the coil 12a (or 12b) is divided into K, the number of turns of the coil 12a is N / K, and the generated voltage is 1 / K times. For example, as shown in FIG. 13B, when the coil 12a (or 12b) is divided into two, the generated voltage is V / 2. Further, as shown in FIG. 13C, when the coil 12a (or 12b) is divided into three, the generated voltage is V / 3.
  • FIG. 14 and FIGS. 15A to 15D are schematic configuration diagrams of the power generation device according to the present embodiment.
  • the coils 12a and 12b are shown as sectional views.
  • FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a power generation apparatus in which a plurality of power generation elements shown in the first embodiment are connected in series.
  • the power generation device 23 a according to the present embodiment includes a fixed portion 24, five power generation elements connected in series to the fixed portion 24, a fixed portion 26, a weight (mover) 27, and It has.
  • Each of the power generation elements connected in series includes magnetostrictive rods 11a and 11b, coils 12a and 12b wound around the magnetostrictive rods 11a and 11b, and connecting yokes 25a, 25b, 25c for connecting the magnetostrictive rods 11a and 11b, respectively. 25d.
  • the five power generating elements are respectively arranged in parallel, and the five power generating elements are connected in series using the connecting yoke in common in the adjacent power generating elements.
  • the other ends of the magnetostrictive rods 11a and 11b of the first power generating element one end of which is connected to the fixing portion 24, are connected to the connecting yoke 25a, and the connecting yoke 25a has a first One ends of the magnetostrictive rods 11a and 11b of the second power generating element arranged in parallel with the power generating element are connected.
  • the other ends of the second power generating element magnetostrictive rods 11a and 11b are connected to the connecting yoke 25b, and the connecting yoke 25b is connected to the second power generating element in parallel with the third power generating element magnetostrictive rod 11a. And one end of 11b are connected.
  • the other ends of the magnetostrictive rods 11a and 11b of the third power generation element are connected to the connection yoke 25c, and the magnetostriction rod 11a of the fourth power generation element arranged in parallel to the third power generation element is connected to the connection yoke 25c. And one end of 11b are connected.
  • the other ends of the fourth power generating element magnetostrictive rods 11a and 11b are connected to the connecting yoke 25d, and the connecting yoke 25d is connected to the fourth power generating element in parallel with the fifth power generating element magnetostrictive rod 11a.
  • one end of 11b are connected.
  • the other ends of the magnetostrictive rods 11 a and 11 b of the fifth power generating element are connected to the fixing portion 26.
  • the entire shape of the power generation device 23a is configured as a spring having elasticity, so that one of the magnetostrictive rods 11a and 11b of the plurality of power generation elements expands due to the vertical vibration of the weight 27, and the other Contracts.
  • power generation can be performed in the same manner as the power generation element 1 shown in the first embodiment.
  • a connecting yoke that joins magnetostrictive rods of a plurality of power generation elements is used in common by adjacent power generation elements, and a plurality of power generation elements are connected in series to increase the amount of power generation. can do.
  • the power generation amount can be increased K times by connecting K power generation elements in series.
  • the resonance frequency can be reduced to 1 / K. Therefore, the number of vibrations per unit time is increased, so that the amount of power generation can be increased.
  • the shape of the entire power generation device is configured as an elastic spring shape, vibration in the power generation element can be continued for a long time. Thereby, it is possible to easily adjust the frequency and generated power suitable for the environment to be used.
  • the weight 27 is made heavy, the effect that the amount of power generation becomes large is acquired.
  • FIG. 15A is a diagram illustrating a usage example of the power generation device. As illustrated in FIG. 15A, the power generation device 23a or the power generation device 23b described below may be installed, for example, in a vehicle body of an automobile.
  • FIGS. 15B to 15D are schematic configuration diagrams of a power generation apparatus in which a plurality of power generation elements shown in the second embodiment are connected in series. 15B to 15D, the coil 12c is shown as a cross-sectional view.
  • the configuration of the power generation device 23b shown in FIGS. 15B to 15D is substantially the same as the configuration of the power generation device 23a described above, but each power generation element is wound around one magnetostrictive rod 11c, the connecting yoke 10c, and the magnetostrictive rod 11c. The difference is that the coil 12c is formed.
  • the power generation device 23b includes a power generation element coupling body in which a plurality of power generation elements are connected in series, a weight 28a, and a magnet provided on a side wall in a recess formed in the weight 28a.
  • the plurality of spheres 29b are provided to reduce friction between the weight 28a and the container 29a.
  • a part of the power generating element coupling body is inserted into a recess formed in the weight 28a.
  • the magnets 28b and 28c provided in the recess are arranged in the axial direction of the magnetostrictive rod 11c. That is, each of the power generating element coupling bodies inserted into the recesses is arranged in a vibrating direction. Since the part of the power generating element coupling body is formed integrally with the coupling yoke 10c formed of a magnetic body, it has magnetism and is attracted to the magnets 28b and 28c.
  • the power generation device 23b is installed in an automobile and vibrates using the inertial force of the automobile.
  • the inertial force is a force due to acceleration when the automobile starts (acceleration) or stops (deceleration).
  • a power generation element connection body in which a plurality of power generation elements are connected is used in order to lower the resonance frequency and the required acting force in the whole power generation device, but it is caused by vibration using inertial force.
  • the power generation device can generate power even if it is not the above-described power generation element assembly. Moreover, it is possible to generate power not only by inertial force but also by vertical vibration.
  • Embodiment 5 Next, Embodiment 5 according to one embodiment of the present invention will be described.
  • a mobile phone as an example of an electronic device including the power generation element described in Embodiment 1 will be described.
  • FIG. 16 is a schematic configuration diagram of the mobile phone according to the present embodiment.
  • FIG. 17 is a schematic view showing a part of the internal structure of the mobile phone shown in FIG. 16, and is a view showing a portion on which a power generation element is mounted.
  • each power generation element 50 is mounted on each side of the lid portion where the display of the mobile phone 30 is mounted, on both sides of the position where the display is disposed.
  • Each power generation element 50 includes connection yokes 60a and 60b, a magnetostrictive rod 61, a coil 62, permanent magnets 63a and 63b, and a back yoke 64, similarly to the power generation element 1 shown in the first embodiment. Yes.
  • connection yoke 60 a is disposed on the shaft side that is the central axis for opening and closing the lid portion of the mobile phone 30, and the connection yoke 60 b is disposed on the end side of the mobile phone 30.
  • the back yoke 64 of the power generation element 50 is disposed closer to the center side of the lid portion of the mobile phone 30 than the magnetostrictive rod 61.
  • a weight 70 is arranged on the end side of the mobile phone 30 so as to connect the connecting yokes 60b of the two power generating elements 50.
  • the magnetostrictive rod 61 provided in the power generation element 50 expands and contracts due to the vibration. Electric power is generated by changing the magnetic flux density penetrating the coil 62 due to the expansion and contraction.
  • the configuration of the mobile phone 30 including the power generation element 50 shown in FIG. 17 is an example for realizing the present invention in the mobile phone, and other than the power generation element 50, for example, a resonance vibration generating mechanism that generates vibrations. It is good also as a structure provided with.
  • Embodiment 6 a power generation element provided with a resonance vibration generating mechanism in the power generation element described in the first embodiment will be described.
  • 18A is a top view of the power generation element according to the present embodiment provided with a pulling mover as a resonance vibration generating mechanism
  • FIG. 18B is a side view of the power generation element according to the present embodiment
  • FIG. 18C is the present embodiment. It is a top view which shows operation
  • a power generation element 80 shown in FIGS. 18A to 18C is similar to the power generation element 50 described above, in that the connecting yokes 90a and 90b, the magnetostrictive rods 91a and 91b, the coils 92a and 92b, the permanent magnets 93a and 93b, and the back yoke. 94. Further, the connecting yoke 90a is provided with a shaft 96. The connecting yoke 90a has a substantially L-shape in the direction from the connecting yoke 90b to 90a on the side opposite to the side where the back yoke 94 is provided with respect to the magnetostrictive rods 91a and 91b. It is configured. In FIG. 18C, the back yoke 94 and the permanent magnets 93a and 93b are not shown.
  • the connecting yoke 90b has a convex portion, and the flipping moving element 97 is provided with a concave portion corresponding to the convex portion.
  • the flipping mover 97 on the side of the connecting yoke 90b is moved using the shaft 96 as the rotation axis, the concave portion of the flipping mover 97 comes into contact with the convex portion of the connecting yoke 90b and is caught.
  • the convex part of the yoke 90 b is bounced by the concave part of the flip moving element 97.
  • the power generation element 80 resonates and vibrates in a direction parallel to the magnetostrictive rods 91a and 91b.
  • the power generation element 80 moves in the connecting yoke 90b in a direction perpendicular to the axial direction of the magnetostrictive rods 91a and 91b with the movement of the flip mover 97 by moving the flip mover 97 with the shaft 96 as the rotation axis. Will receive the power of. As a result, one of the magnetostrictive rods 91a and 91b expands and the other contracts to generate electricity. Further, once the flip mover 97 is moved, the resonance vibration of the power generation element 80 occurs continuously, so that power generation can also be performed continuously.
  • the power generating element 80 has an end surface on the side of the connecting yoke 90a provided with the shaft 96 fixed to a part of a human body, for example, and an electronic device such as a mobile phone is mounted on the flipping mover 97 as a weight, for example.
  • an electronic device such as a mobile phone is mounted on the flipping mover 97 as a weight, for example.
  • the electric power necessary for the electronic device can be continuously supplied from the power generation element 80.
  • the convex portion of the connecting yoke 90b is flipped by the concave portion of the flipping mover 97.
  • the present invention is not limited to this configuration, and other structures, for example, implementation Similarly to the configuration of the part of the power generating element coupling body and the magnet 28b shown in the fourth embodiment, the coupling yoke and the flipping mover may generate vibrations by using the adsorption of the magnet.
  • Embodiment 7 Next, Embodiment 7 according to one embodiment of the present invention will be described.
  • an electronic device including the power generation element described in Embodiment 1 a description will be given of an air pressure sensor that monitors the air pressure of a tire such as an automobile, and a power generation device provided on a road or a bridge.
  • the power generation element 23c attached to the vehicle body of the automobile shown in FIG. 19 is a power generation element that generates power by inertial force due to vibration or acceleration of the vehicle body.
  • the power generation device is disposed in the air pressure sensor 100 of the tire 102. Since the air pressure sensor is generally provided in a tire that rotates as the automobile travels, it is difficult to supply electric power necessary for the air pressure sensor from the automobile body in a wired manner. Therefore, it is usually necessary to provide a small power source such as a button battery in the air pressure sensor.
  • a small power source such as a button battery
  • FIG. 20 is a schematic diagram for explaining the air pressure sensor 100 according to the present embodiment.
  • the air pressure sensor 100 includes a sensor unit 103 and a power generation element 101. A part of the sensor unit 103 is provided in contact with the tire 102.
  • the power generating element 101 is arranged such that the connecting yoke at one end is fixed to the sensor unit 103 and the connecting yoke at the other end where the weight is arranged is directed toward the inside of the tire diameter.
  • the power generation element 101 is vibrated by the vibration of the tire 102 to generate power.
  • the details of the power generation operation are the same as those of the power generation element 50 shown in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • the vibration frequency of the tire is 400 to 500 Hz as an example.
  • FIG. 21 shows an example of a power generation device provided on a bridge or road. Since vibration occurs in the bridge or road 200 every time an automobile or a pedestrian passes, the power generation apparatus 201 can generate power using the vibration by providing the power generation apparatus 201 on the bridge or road. Moreover, the structure which provides an unevenness
  • the electric power generated by the power generation element 201 may be used, for example, as a power source for a vibration sensor attached to a bridge, an electric bulletin board, and an illumination LED.
  • the arrangement position of the power generation element 201 may be below the road surface as shown in FIG. 21, or may be another position where vibration is likely to occur.
  • a power generation device may be arranged in the vicinity of a motor, a machine, etc., and power may be generated using vibrations of the motor, the machine, or the like.
  • the power generation element may be the one shown in the first and second embodiments, or the one shown in the fourth embodiment.
  • this power generation device does not require wiring from the power source, it is useful as a power source for wireless devices.
  • it may be used as a power generator for a wireless sensor network in a plant such as a factory.
  • the air pressure sensor and the vibration sensor are described as examples of the electronic device.
  • the electronic device is not limited to the air pressure sensor, and a power generation element may be provided in another electronic device.
  • a portable electronic device such as a mobile phone or a music player, an in-body sensor, an ultra-small power supply device, or the like may be used as an electronic device, and a power generation element may be provided.
  • Embodiment 8 Next, Embodiment 8 according to one embodiment of the present invention will be described.
  • a power generation system including the power generation element described in Embodiment 1 a power generation system using vibration caused by water flow or wind flow will be described.
  • 22A to 22C are diagrams showing the power generation device according to the present embodiment.
  • the power generation system includes a plurality of power generation devices 300.
  • the power generation device 300 includes a fixed portion 301, a power generation element 302, and a wing blade 303.
  • the power generation element 302 two plate-like magnetostrictive materials (magnetostrictive plates) are arranged in parallel, one end of each of the two magnetostrictive plates is fixed to the fixing portion 301, and the other end is connected to the airfoil blade 303. It has become.
  • the airfoil blade 303 has a substantially plate shape, and the main surface of the airfoil blade 303 is disposed in substantially the same direction as the main surfaces of the two magnetostrictive plates disposed in parallel with the power generation element 302. In this way, the power generation element 302 is connected.
  • the fixed portion 301 corresponds to the connecting yoke in the present invention
  • the wing blade 303 corresponds to the connecting yoke and the weight in the present invention.
  • FIG. 22C is a top view of the airfoil blade 303.
  • the thickness of the airfoil blade 303 is reduced from one side of a substantially plate-like wide surface to the other side facing the one side.
  • a water flow or an air flow is generated from the thicker blade thickness of the airfoil blade 303 to a thinner one, and lift force is generated in the airfoil blade 303 due to a pressure difference caused by a flow path difference.
  • the lift force and the elastic force of the airfoil blade 303 and the power generation element 302 cause self-excited vibration in the airfoil blade 303 and the power generation element 302.
  • one of the two magnetostrictive plates constituting the power generating element 302 expands and the other contracts. Thereby, since the magnetic flux of the magnetostrictive plate is changed and a current is generated in the coil wound around the magnetostrictive plate (or a coil formed by wiring printed on the magnetostrictive plate), power can be generated.
  • the power generation element 302 is configured using a plate-shaped magnetostrictive material.
  • a rod-shaped magnetostrictive material is used.
  • the power generation element 302 may be formed.
  • the airfoil blade 303 is not limited to the shape described above, and may have any configuration as long as it is easy to generate lift due to water flow or wind flow, and easily vibrates.
  • the magnetostrictive material constituting the power generating element 302 is not limited to the one composed of two magnetostrictive plates, but a so-called unimorph structure in which one magnetostrictive plate and another plate-like material having a rigidity are bonded together. There may be.
  • the cantilever type power generation element in which one of the connecting yokes is fixed and the weight is arranged on the other has been described.
  • the invention is not limited to the cantilever type power generation element.
  • the structure may be such that the portion is fixed and the weight is arranged on each of the two connecting yokes.
  • positioned at the both ends of an electric power generation element carries out a bending vibration with a predetermined resonant frequency, and can produce electric power continuously and efficiently.
  • positioned in the center part may be sufficient. By setting it as such a structure, when the weight arrange
  • Galfenol which is an iron gallium alloy
  • the magnetostrictive material is not limited to Galfenol, and may be other materials.
  • permendur which is an iron cobalt alloy may be used, and other materials may be used.
  • a magnetostrictive material to which a compressive stress is added by performing a stress annealing process in advance may be used.
  • the shape of the magnetostrictive rod is not limited to the rectangular parallelepiped rod shape in the above-described embodiment, and may be, for example, a cylindrical rod shape or other shapes. Further, the size of the magnetostrictive rod is not limited to the above example, and may be changed. The shape of the magnetostrictive rod is not limited to a rod shape, and may be a plate shape, a magnetostrictive thin plate, or a magnetostrictive film.
  • the configuration is such that the coils formed on the two magnetostrictive rods are filled with resin and integrated, but the coils may not be integrated.
  • the number of turns of the coil may be the same for each coil, or may be different.
  • the coil may not be formed by being wound around the magnetostrictive rod, but may be formed by, for example, printing a wiring pattern around the magnetostrictive rod.
  • a GPS provided in the power generation device can be operated to grasp human position information, animal behavior, and the like.
  • a system requires a battery.
  • the power generation device according to the present invention when used, it can be used semi-permanently without a battery.
  • the position where the power generation device 403 is mounted may be not only the ankle but also the wrist or other parts.
  • a handicapped person who cannot move his / her finger attaches a power generation device to a part of the body and shakes that part, or wears a power generation device on the floor, bed, etc. By hitting the floor, bed, etc., it can be used as a power generation device that uses vibration to display intentions.
  • the power generating element according to the present invention includes other embodiments realized by combining arbitrary components in the above-described embodiments, and those skilled in the art without departing from the gist of the present invention with respect to the embodiments.
  • the present invention also includes modifications obtained by performing various modifications that can be conceived, various devices including the power generation element according to the present invention, such as portable electronic devices such as mobile phones and music players, in-body sensors, and micro power supply devices. Included in the invention.
  • the present invention is useful as a power generation element mounted on an electronic device such as a cellular phone or a music player that generates vibrations on a daily basis, particularly devices that generate vibrations. It is also useful for equipment installed in locations where vibrations occur, such as bridges, LED light bulbs for lighting on roads, and electric bulletin boards. Furthermore, it is useful as a power generation device using water flow or wind flow, and can be used in a wide range of fields.

Abstract

　曲げや衝撃に強く発電量が多い発電素子、および発電素子を備えた発電装置を提供する。　発電素子（１）は、磁歪材料で構成された第１の磁歪棒（１１ａ）と、第１の磁歪棒（１１ａ）に一様な圧縮力または引張力を加えるための剛性および形状を有する磁性材料で構成され、第１の磁歪棒（１１ａ）と平行に配置された剛性棒（１１ｂ）と、第１の磁歪棒（１１ａ）に巻かれた第１のコイル（１２ｃ）と、第１の磁歪棒（１１ａ）および剛性棒（１１ｂ）のそれぞれの両端に、第１の磁歪棒（１１ａ）と剛性棒（１１ｂ）とを連結するように設けられた２つの連結ヨーク（１０ａ、１０ｂ）とを備え、第１の磁歪棒（１１ａ）の軸方向と垂直な方向の振動により、第１の磁歪棒（１１ａ）が伸張または収縮することにより発電する。

Description

発電素子および発電素子を備えた発電装置
　本発明は、振動を利用した発電素子に関し、特に、磁歪材料を使用した発電素子に関する。
　従来、身近な振動から発電を行うための技術の開発が盛んに行われており、その技術の１つとして圧電素子を用いた発電方法や永久磁石の磁束密度の変化を利用した発電方法が知られている。
　圧電素子を利用した発電方法の多くは、圧電素子に何らかの方法で外部から力を加えることにより、圧電素子を変形させて発電するものである。圧電素子を変形させるには、例えば、圧電素子に振動を加えて変形させる方法、風圧や音圧などの圧力を間接的に与える方法、錘などの物体を圧電素子に衝突させる方法、変形する物体に圧電素子を取り付ける方法などがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、音による空気の圧力変動を利用して圧電素子により発電する音力発電装置、および、振動による圧力変動を利用して圧電素子により発電する振動力発電装置が記載されている。
　また、永久磁石の磁束密度の変化を利用した発電方法は、永久磁石の振動に伴うコイルの鎖交磁束密度の時間的変化で発電を行う方法、つまり、電磁誘導を利用した発電方法である（例えば、非特許文献１、特許文献２参照）。
　非特許文献１では、コイルの内部を磁化の方向と平行方向に振動する永久磁石により、コイル内部の磁束密度が変化して、コイルに電流が発生することにより発電が行われる発電素子が開示されている。
　特許文献２では、２極に着磁されたバイアス磁石と、外部からの力を加えることで逆磁歪効果により透磁率が変化して磁束の流れが変化する磁歪材料と、磁歪材料を磁気的な異方性を有する方向に周期的に圧縮する圧縮手段と、この周期的に変化する磁束により電流を誘起するコイル手段とを備えた発電素子が開示されている。この発電素子は、上記した周期的に変化する磁束と、コイル芯に巻き廻されたコイルとが鎖交するように、磁歪材料と、コイルと、圧縮手段が配置されている。つまり、長手方向に磁気異方性を有する磁歪材料を、長手方向に周期的に圧縮し、このときコイルに発生する電流により発電を行う構成である。
特開２００６－１６６６９４号公報 特開２００８－７２８６２号公報
保坂寛、"ウェアラブル情報機器のための振動発生技術"、電気学会誌、１２６巻４号、２００６
　特許文献１に記載された圧電材料は、圧電縦定数が大きく、圧電縦効果（力の方向と電圧を取り出す方向が同じ場合）の発電効率は高い。しかし、単板の圧電材料を曲げることによる曲げ変形を利用して発電する場合には、力の方向と直交する方向で電圧を取り出す（圧電横効果）ため、発電効率が低い。また、圧電材料は、脆性材料であり、曲げや衝撃に対して弱い材料である。そのため、過度な負荷を加えることができず、発電量を増加するために大きな曲げや衝撃を加えることが難しいという問題がある。また、圧電素子は、電気的に誘導性の負荷であるため、低周波数でインピーダンスが高く、圧電素子より低いインピーダンスを有する負荷を繋いだときに、負荷に発生する電圧が小さくなるため、発電により得られる電力が小さくなり、発電の効率が低いという欠点を有している。
　また、非特許文献１に記載された永久磁石の振動に伴うコイルの鎖交磁束密度の変化を利用した発電方法では、発電量を増加するために、大振幅かつ高周波数で振動子を振動させる必要がある。そこで、振動子として使用される永久磁石の大きさを大きくすると、振動子の質量が増加し、振動子の共振周波数が低くなる。その結果、発電量は大きくならないという問題がある。
　また、特許文献２に記載された、磁歪材料を周期的に圧縮することによる発電方法では、磁歪材料を長手方向に圧縮するために大きな力が必要である。また、圧縮力は磁歪材料に不均一に加えられるため、発電効率が低くなるという欠点を有している。
　上記課題を鑑み、本発明は、曲げや衝撃に強く発電量が多い発電素子、および発電素子を備えた電子装置を提供することを目的とする。
　上記の課題を達成するため、本発明の一形態における発電素子は、磁歪材料で構成された第１の磁歪棒と、前記第１の磁歪棒に一様な圧縮力または引張力を加えるための剛性および形状を有する磁性材料で構成され、前記第１の磁歪棒と平行に配置された剛性棒と、前記第１の磁歪棒に巻かれた第１のコイルと、前記第１の磁歪棒および前記剛性棒のそれぞれの両端に、前記第１の磁歪棒と前記剛性棒とを連結するように設けられた２つの連結ヨークとを備え、前記第１の磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動により、前記第１の磁歪棒が伸張または収縮することにより発電する。
　この構成によれば、第１の磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動により、磁歪材料で構成される第１の磁歪棒がたわみ、第１の磁歪棒には、第１の磁歪棒の軸方向と平行な方向の伸張および収縮が生じる。これにより、第１の磁歪棒の軸方向と平行な方向に磁束密度が変化する逆磁歪効果が生じ、第１の磁歪棒に巻かれたコイルに電流が発生する。つまり、この構成によれば、逆磁歪効果を利用して磁束密度の時間的変化により発電することができる。これにより、小さな力で効率よく発電することができる。
　また、曲げや衝撃などの外力に強い磁歪材料を磁歪棒に使用するので、発電素子に大きな曲げや衝撃を加えることができ、発電量を多くすることができる。
　ここで、前記剛性棒は、磁歪材料で構成された第２の磁歪棒であり、前記第２の磁歪棒に巻かれた第２のコイルをさらに備え、前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動により、前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒の一方が伸張し、他方が収縮することにより発電する。
　この構成によれば、磁歪材料で構成される２つの磁歪棒の伸張および収縮により、逆磁歪効果を利用して磁束密度の時間的変化により発電することができる。２つの磁歪棒を組み合わせて発電素子が構成されているので、発電素子に２つの磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動が与えられると、２つの磁歪棒の一方は伸張し、他方は収縮する。これにより、小さな力で効率よく発電することができる。
　また、曲げや衝撃などの外力に強い磁歪材料を磁歪棒に使用するので、発電素子に大きな曲げや衝撃を加えることができ、発電量を多くすることができる。
　ここで、前記第１の磁歪棒の磁化容易方向は、前記第１の磁歪棒の軸方向に平行であることが好ましい。
　また、前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒のそれぞれの磁化容易方向は、前記第１の磁歪棒および第２の磁歪棒のそれぞれの軸方向に平行であることが好ましい。
　この構成によれば、磁歪棒の磁化の方向または磁歪棒に磁化が生じ易い方向である、磁化容易方向と、磁歪棒の伸縮の方向が同一であるので、磁歪棒の伸張または収縮による磁束密度の変化をより大きくすることができる。これにより、効率よく発電することができ、発電量を多くすることができる。
　ここで、前記発電素子は、さらに、永久磁石を有するバックヨークを備えることが好ましい。
　この構成によれば、バックヨークにより磁歪棒に磁化をバイアスで発生させるので、残留磁化を持たない材料であっても磁歪棒として使用することができる。
　ここで、前記２つの連結ヨークの一方は固定され、他方は錘を有していることが好ましい。
　この構成によれば、発電素子の一端が固定され、他端に配置された錘が曲げ振動をすることにより、発電素子が所定の共振周波数で共振して連続して発電することができる。
　ここで、前記発電素子は、２次共振モードで共振してもよく、２次共振モードを与える２次共振周波数でも効率よく発電することができる。
　発電素子に発生する電圧は、発電素子の共振周波数に比例して大きくなる。この構成によれば、発電素子は、発電素子に一般に生じる１次共振モードよりも共振周波数が高い２次共振モードで振動するので、より大きな電力を得ることができる。
　ここで、前記錘の前記磁歪棒の軸方向の長さは、前記磁歪棒の軸方向に垂直な方向の長さよりも長い形状を有していることが好ましい。
　この構成によれば、発電素子において２次共振モードによる共振を起こし易くすることができる。
　ここで、前記第１のコイルの巻数をＮ回とすると、前記第１のコイルは、Ｎ／Ｋ回の巻数を有するＫ個の並列接続されたコイルで構成されていることが好ましい。
　また、前記第１のコイルおよび前記第２コイルのそれぞれの巻数をＮ回とすると、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルのそれぞれは、Ｎ／Ｋ回の巻数を有するＫ個の並列接続されたコイルで構成されていることが好ましい。
　この構成によれば、コイルの負荷抵抗Ｒで発生する電力Ｖ２／ＲのＫ２倍の電力を取り出すことができる。
　ここで、平行に配置された複数個の前記発電素子を備え、前記複数個の発電素子は直列に接続されていることが好ましい。
　この構成によれば、複数個の発電素子の磁歪棒を接合する連結ヨークを、隣り合う発電素子で共通に使用して、複数個の発電素子を直列に接続することで発電量を大きくすることができる。具体的には、Ｋ個の発電素子を直列に接続することにより、発電量をＫ倍にすることができる。同時に、Ｋ個の発電素子を平行にＫ個並べることにより、共振周波数を１／Ｋに減少させることができるので、単位時間当たりの振動回数が増加するため、発電量を増加することができる。また、発電装置全体の形状が弾性を有するバネ形状に構成されているため、発電素子における振動を長時間継続させることができる。これにより、使用する環境にあった振動数、発電電力に容易に調整することができる。
　ここで、前記磁歪材料は、延性を有することが好ましい。
　この構成によれば、延性を有する磁歪材料を使用することにより、曲げや衝撃に強い磁歪棒により、発電量をより多くすることができる。
　ここで、前記磁歪材料は、鉄ガリウム合金であることが好ましい。
　この構成によれば、磁歪材料として、例えばＧａｌｆｅｎｏｌなどの曲げや衝撃などの外力に対して強く機械加工性に優れた鉄ガリウム合金を使用することにより、発電量をより多くすることができる。
　ここで、前記磁歪材料は、鉄コバルト合金であることが好ましい。
　この構成によれば、磁歪材料として、例えばパーメンジュールなどの磁歪効果の高い鉄コバルト合金を使用することにより、より効率よく発電することができる。
　また、上記の課題を達成するため、本発明の一形態における発電素子を備えた発電装置は、上記した特徴を有する発電素子を備えている。
　この構成によれば、上記した特徴を有する発電素子を備える発電装置を提供することができる。
　本発明によると、曲げや衝撃に強く発電量が多い発電素子および発電素子を備えた発電装置を提供することができる。
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る発電素子の上面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る発電素子の側面図である。 図２Ａは、図１Ａに示す発電素子の磁歪棒および連結ヨークの配置位置を示す上面図である。 図２Ｂは、図１Ｂに示す発電素子の磁歪棒および連結ヨークの配置位置を示す側面図である。 図２Ｃは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す上面図である。 図２Ｄは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す側面図である。 図２Ｅは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す側面図である。 図２Ｆは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す上面図である。 図２Ｇは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す側面図である。 図２Ｈは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す上面図である。 図２Ｉは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す上面図である。 図２Ｊは、バックヨークの構成の一例を示す側面図である。 図２Ｋは、バックヨークを、コイルが巻かれた磁歪棒に置き換えた発電素子の構成を示す側面図である。 図２Ｌは、バックヨークを、コイルが巻かれた磁歪棒に置き換えた発電素子の構成を示す側面図である。 図３は、図１Ａに示した発電素子の一例を示す写真である。 図４Ａは、発電素子の発電動作を示す上面図であり、磁歪棒の動作を示す図である。 図４Ｂは、発電素子の発電動作を示す上面図であり、磁歪棒にコイル、錘が配置された状態を示す図である。 図５は、図１Ａに示した発電素子の発電量を電圧により示した図である。 図６は、図１Ａに示した発電素子の発電量を電流により示した図である。 図７は、図１Ａに示した発電素子の平均発生電力を示した図である。 図８Ａは、図１Ａに示した発電素子の変位を示した図である。 図８Ｂは、図１Ａに示した発電素子の発生電圧を示した図である。 図９は、図１Ａに示した発電素子の入力仕事量と出力電気エネルギーの関係を示した図である。 図１０Ａは、図１Ａに示した発電素子の１次共振モードでの形状の変化を示す図である。 図１０Ｂは、図１Ｂに示した発電素子の２次共振モードでの形状の変化を示す図である。 図１１Ａは、実施の形態２に係る発電素子の側面図である。 図１１Ｂは、図１１Ａに示す発電素子の磁歪棒および連結ヨークの配置位置を示した側面図である。 図１２Ａは、実施の形態３に係る発電素子の上面図である。 図１２Ｂは、実施の形態３に係る発電素子の上面図である。 図１２Ｃは、実施の形態３に係る発電素子の上面図である。 図１２Ｄは、実施の形態３に係る発電素子の上面図である。 図１３Ａは、図１２Ａに示した発電素子の等価電気回路図である。 図１３Ｂは、図１２Ｂに示した発電素子の等価電気回路図である。 図１３Ｃは、図１２Ｂに示した発電素子の等価電気回路図である。 図１３Ｄは、図１２Ｃに示した発電素子の等価電気回路図である。 図１３Ｅは、図１２Ｃに示した発電素子の等価電気回路図である。 図１３Ｆは、図１２Ｄに示した発電素子の等価電気回路図である。 図１３Ｇは、図１２Ｄに示した発電素子の等価電気回路図である。 図１４は、実施の形態４に係る発電装置の概略構成図である。 図１５Ａは、実施の形態４に係る発電装置の使用例を示す図である。 図１５Ｂは、図１５Ａに示した発電装置の概略構成図である。 図１５Ｃは、図１５Ａに示した発電装置の概略構成図である。 図１５Ｄは、図１５Ａに示した発電装置の概略構成図である。 図１６は、実施の形態５に係る携帯電話機の概略構成図である。 図１７は、図１６に示した携帯電話機の内部構造の一部を示す概略図である。 図１８Ａは、実施の形態６に係る発電素子の上面図である。 図１８Ｂは、実施の形態６に係る発電素子の側面図である。 図１８Ｃは、実施の形態６に係る発電素子の動作を示す上面図である。 図１９は、実施の形態７に係る発電素子の応用例を示す図である。 図２０は、実施の形態７に係る空気圧センサについて説明するための模式図である。 図２１は、実施の形態７に係る振動センサについて説明するための模式図である。 図２２Ａは、実施の形態８に係る発電装置を示す図である。 図２２Ｂは、実施の形態８に係る発電装置を示す図である。 図２２Ｃは、実施の形態８に係る発電装置を示す図である。 図２３は、発電素子を用いた電子装置の一例を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。
　（実施の形態１）
　図１Ａは、本発明の一実施の形態に係る発電素子の上面図、図１Ｂは、本発明の一実施の形態に係る発電素子の側面図である。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、発電素子１は、連結ヨーク１０ａおよび１０ｂと、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと、コイル１２ａおよび１２ｂと、永久磁石１４ａおよび１４ｂと、バックヨーク１５とを備えている。
　図２Ａおよび図２Ｂは、図１Ａおよび図１Ｂに示した発電素子１の磁歪棒１１ａおよび１１ｂ、連結ヨーク１０ａおよび１０ｂの配置位置を示した概略図であり、図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ図１Ａおよび図１Ｂに対応している。
　磁歪棒１１ａおよび１１ｂは、例えば鉄ガリウム合金であるＧａｌｆｅｎｏｌで構成され、延性を有し、それぞれ、１ｍｍ×０．５ｍｍ×１０ｍｍの直方体の棒状の形状をしている。
　また、図２Ａに示すように、磁歪棒１１ａおよび１１ｂは平行に配置されている。磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一端には、磁歪棒１１ａおよび１１ｂを接続するように連結ヨーク１０ａが設けられている。磁歪棒１１ａおよび１１ｂの他端には、磁歪棒１１ａおよび１１ｂを連結するように連結ヨーク１０ｂが設けられている。連結ヨーク１０ａおよび１０ｂは、例えばＦｅを含む磁性材料により形成され、機械的および磁気的に磁歪棒１１ａおよび１１ｂに連結されている。
　磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａおよび１０ｂとは、一例として以下のようにして接続されている。
　図２Ｃ～図２Ｊは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの接合方法を示す図である。磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとは、発電素子が振動を利用するものであるため強固に接合されている必要があるが、以下の方法によると、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとを、発電に必要な振動に耐えうるように強固に接合することができる。
　図２Ｃに示すように、連結ヨーク１０ａには、磁歪棒１１ａおよび１１ｂを挿入するための２つの溝が形成され、溝にはそれぞれ磁歪棒１１ａおよび１１ｂが挿入される。このとき、連結ヨーク１０ａに形成された溝と、この溝に挿入された磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの間には隙間がある。この隙間を埋めるために、一般的には接着剤が使用されるが、接着剤を使用するのみでは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの接合強度は不十分である。そこで、図２Ｄに示すように、連結ヨーク１０ａの高さは、予め磁歪棒１１ａおよび１１ｂの高さよりも大きく形成されている。
　磁歪棒１１ａおよび１１ｂを連結ヨーク１０ａに形成された溝に挿入した後、図２Ｅに示すように、プレス１７によって連結ヨーク１０ａを圧縮して潰すことにより、連結ヨーク１０ａの潰れた部分により磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの隙間が埋められ、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとが密着して強固に接合される。なお、圧縮後の連結ヨーク１０ａは、図２Ｇに示すように、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと同様の高さとなる。
　磁歪棒１１ａおよび１１ｂの連結ヨーク１０ａに挿入された部分は、連結ヨーク１０ａが潰れたことにより圧縮され、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの根元部分（磁歪棒１１ａおよび１１ｂの連結ヨーク１０ａに挿入された部分と挿入されていない部分との境界部分）には応力が集中すると考えられる。そこで、図２Ｈに示すように、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの根元部分の近傍を、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤１８で補強することで、上記した応力の集中が緩和されるとともに、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの接合強度をより高めることができる。
　なお、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの接合は、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとを１本のピンで貫通して接合するピン止め方法により接合してもよい。また、連結ヨーク１０ａに１つの凹部を形成し、この凹部に磁歪棒１１ａおよび１１ｂを挿入し、さらに磁歪棒１１ａおよび１１ｂの間に、例えば、角柱形状を有するかしめ部を挿入して圧縮することにより、かしめ部を潰して磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａを密着させる圧入方法であってもよい。
　また、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの接合に限らず、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ｂとの接合についても同様である。
　また、連結ヨークの形状は、図２Ｃに示した形状以外にも、一例として、図２Ｉに示すような形状であってもよい。図２Ｃに示す連結ヨーク１０ａは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂとの境界が磁歪棒１１ａおよび１１ｂに対してほぼ垂直の形状であるが、図２Ｉに示す連結ヨーク１０ｃは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂとの境界が磁歪棒１１ａおよび１１ｂに向かって傾斜する形状となっている。この構成によれば、振動により磁歪棒１１ａおよび１１ｂが湾曲したときの磁歪棒１１ａおよび１１ｂの根元部分における応力集中を緩和することができる。
　また、図２Ｂに示すように、発電素子１の下面側にはバックヨーク１５が設けられている。バックヨーク１５は、磁歪棒１１ａおよび１１ｂにバイアス磁化を印加するための構成である。
　バックヨーク１５は、図２Ｂに示すように、連結ヨーク１０ａ側に設けられた永久磁石１４ａと連結ヨーク１０ｂ側に設けられた永久磁石１４ｂとを有し、永久磁石１４ａおよび１４ｂを介して、連結ヨーク１０ａおよび連結ヨーク１０ｂに接続されている。
　永久磁石１４ａは、バックヨーク１５と接続される面側にＮ極、連結ヨーク１０ａと接続される面側にＳ極を有している。また、永久磁石１４ｂは、バックヨーク１５と接続される面側にＳ極、連結ヨーク１０ｂと接続される面側にＮ極を有している。連結ヨーク１０ａおよび１０ｂと、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと、永久磁石１４ａおよび１４ｂと、バックヨーク１５とにより、図２Ｂに矢印で示すような磁気ループが形成される。これにより、永久磁石１４ａおよび１４ｂの起磁力により、磁歪棒１１ａおよび１１ｂにバイアス磁化を発生させている。つまり、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの磁化の方向または磁歪棒１１ａおよび１１ｂの磁化が生じ易い磁化容易方向が、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの軸方向と平行な方向に設定される。このときの磁化の大きさは、例えば、飽和磁束密度の１／２となる０．８５Ｔ（テスラ）である。
　なお、バックヨーク１５の永久磁石は、図２Ｂに示したような永久磁石１４ａ、１４ｂを用いた構成に限らず、以下のような構成であってもよい。
　図２Ｊは、バックヨークの構成の一例を示す側面図である。図２Ｊに示すように、発電素子のバックヨークは、連結ヨーク１０ａ側に設けられた連結部１９ａと、連結ヨーク１０ｂ側に設けられた連結部１９ｂと、連結部１９ａと連結部１９ｂとの間に設けられた永久磁石１９ｃとにより構成されている。つまり、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと永久磁石１９ｃとは接触されておらず、磁歪棒１１ａおよび１１ｂに対して永久磁石１９ｃが平行に配置された構成となっている。連結部１９ａおよび１９ｂは、例えば連結ヨーク１０ａ、１０ｂと同様、Ｆｅを含む磁性材料により形成されている。
　磁気回路には漏れ磁束が発生するため、図２Ｊに示すような構成であっても、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結部１９ａと永久磁石１９ｃと連結部１９ｂとにより磁気ループが形成されるため、磁歪棒１１ａおよび１１ｂにバイアス磁化が印加される。
　なお、上記したバックヨークにおける永久磁石の配置は一例であり、上記した構成に限らずその他の構成であってもよい。また、永久磁石に限らず、電磁石を利用したものであってもよい。また、発電素子１の外部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、発電素子１の外部に磁石を配置した構成や、バックヨークがない構成であってもよい。
　さらに、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、磁歪棒１１ａおよび１１ｂには、それぞれコイル１２ａおよび１２ｂが形成されている。コイル１２ａおよび１２ｂは、例えば銅線で構成され、巻数はそれぞれ３００巻程度である。コイル１２ａおよび１２ｂの巻数を変更することにより、発電素子に発生する電圧の大きさを調整することが可能である。磁歪棒１１ａとコイル１２ａとの間には隙間が設けられ、同様に、磁歪棒１１ｂとコイル１２ｂとの間にも隙間が設けられている。また、コイル１２ａおよび１２ｂは、樹脂によりその間が埋められ、一体となっている。なお、コイル１２ａおよび１２ｂは一体となった構成でなくてもよい。また、コイルの巻数は、各コイルで同一であってもよいし、異なっていてもよい。
　また、発電素子１は、図２Ｋに示すように、図１Ｂに示すバックヨーク１５を、コイルが巻かれた磁歪棒に置き換えた構成であってもよい。図２Ｋは、バックヨークを、コイルが巻かれた磁歪棒に置き換えた発電素子の構成を示す側面図である。
　図２Ｋに示すように、バックヨークと置き換えられた磁歪棒１１ｄには、コイル１２ｄが巻き回されている。磁歪棒１１ｄの両端には、可動ヨーク１０ｄおよび１０ｅが設けられている。可動ヨーク１０ｄの長さは、連結ヨーク１０ａの長さとほぼ同様である。また、可動ヨーク１０ｂの長さは、連結ヨーク１０ｅの長さとほぼ同様である。また、可動ヨーク１０ｄは、永久磁石１４ａにより連結ヨーク１０ａに接続されている。可動ヨーク１０ｅは、永久磁石１４ｂにより連結ヨーク１０ｂに接続されている。
　永久磁石１４ａは、可動ヨーク１０ｄと接続される面側にＮ極、連結ヨーク１０ａと接続される面側にＳ極を有している。また、永久磁石１４ｂは、可動ヨーク１０ｅと接続される面側にＳ極、連結ヨーク１０ｂと接続される面側にＮ極を有している。連結ヨーク１０ａおよび１０ｂと、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと、永久磁石１４ａおよび１４ｂと、可動ヨーク１０ｄおよび１０ｅとにより、図２Ｋの下の図に示すような磁気ループが形成される。
　これにより、発電素子の振動によりコイル１２ｄの内部の磁束が変化することにより、コイル１２ａだけでなくコイル１２ｄにも電流が発生するので、効率よく発電することができる。また、バックヨークに代えてコイル１２ｄが巻かれた磁歪棒１１ｄを備えるので、スペースを有効利用しつつ効率よく発電することができる。
　また、図２Ｋでは、可動ヨーク１０ｂと１０ｅとはほぼ同じ長さとしたが、可動ヨーク１０ｂと１０ｅとは、図２Ｌに示すように、異なる長さであってもよい。
　図２Ｌは、バックヨークに代えてコイル１２ｄが巻かれた磁歪棒１１ｄを備え、可動ヨーク１０ｂと１０ｅの長さが異なる発電素子１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅを、振動体１６ａに備えた発電素子の構成を示している。
　図２Ｌに示すように、発電素子１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅの可動ヨークの長さを異なる長さとすることにより、発電素子１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅの共振周波数は、それぞれ異なるものとなる。したがって、この構成によれば、振動体１６ａの振動により同時に幅広い周波数で発電を行うことができる。
　なお、図２Ｌにおいて、発電素子１６および１６ｃ、１６ｄおよび１６ｅ永久磁石１４ａおよび１４でそれぞれ接続されているようにも思えるが、磁石の吸着力は小さく、また、吸着力は振動方向には作用しないので、発電素子の振動には影響しないと考えられる。
　図３は、発電素子１の一例を示す写真である。磁歪棒１１ａおよび１１ｂは、断面が１ｍｍ×０．５ｍｍで軸方向の長さが１０ｍｍ程度の直方体（角柱）状の棒状の形状を有している。連結ヨーク１０ａは、固定部材２１に固定され、連結ヨーク１０ｂは、錘２０を備えている。錘２０は、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの軸方向に長い形状を有しており、例えば、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと同程度の長さである。このような構成により、発電素子１は、固定部材２１に固定された連結ヨーク１０ａを中心として、錘２０の振動により曲げ振動（共振）をする。錘２０を設けることにより、共振によって振動を持続させることができる。なお、錘２０の形状は、上記したように磁歪棒１１ａおよび１１ｂの軸方向に長い形状に限らず、その他の形状であってもよい。例えば、軸方向に長く形成された錘２０の一部を固定部材２１の方向へコの字形状に折り曲げ、錘２０の一部が磁歪棒１１ａおよび１１ｂと平行に配置される形状であってもよい。錘２０をこのような形状とすることにより、錘２０の長さを長くするとともに錘２０が設けられるスペースを小さくすることができる。
　図４Ａは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの動作を示す図、図４Ｂは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂにコイル１２ａおよび１２ｂ、錘２０が配置された状態を示す図である。
　発電素子１では、逆磁歪効果が生じる。ここで、逆磁歪効果とは、磁化している磁歪材料に応力を加えると磁化が変化する効果である。この磁化の変化によりコイルに誘導電圧（または誘導電流）が発生し、発電される。
　詳細には、図４Ａに示すように、発電素子１の連結ヨーク１０ａは固定部材に固定された片持ち梁とみなせる構成であり、連結ヨーク１０ｂに所定の曲げ力Ｐが与えられることにより、発電素子１の連結ヨーク１０ｂが曲げ振動する。このとき、曲げ力Ｐの方向は、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの軸方向に対して垂直の方向である。連結ヨーク１０ｂが曲げ振動することにより、発電素子１は共振する。このときの共振周波数は、一例として３００Ｈｚであり、数十～１ｋＨｚであってもよい。
　また、連結ヨーク１０ｂに曲げ力Ｐが与えられると、磁歪棒１１ａおよび１１ｂは、曲げ変形される。具体的には、発電素子１は、図４Ａに示す向きの曲げ力Ｐを受けると、磁歪棒１１ａが伸張し、磁歪棒１１ｂが収縮する。また、連結ヨーク１０ｂが上記した向きの曲げ力Ｐと逆向きの曲げ力Ｐを受けると、磁歪棒１１ａが収縮し、磁歪棒１１ａが伸張する。このように、磁歪棒１１ａおよび１１ｂが伸縮することにより、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの磁化は逆磁歪効果により増加または減少する。これにより、コイル１２ａおよび１２ｂを貫く磁束密度が変化する。この磁束密度の時間的変化により、図４Ｂに示すように、コイル１２ａおよび１２ｂに誘導電圧（または誘導電流）が発生する。また、発電素子１の連結ヨーク１０ｂが曲げ振動することにより、共振により振動が持続するので、連続した発電を行うことができる。
　なお、上記した構成の発電素子１は、磁歪材料で構成される磁歪棒を２つ備えているが、いわゆるバイモルフ構造の発電素子とは異なっている。
　バイモルフ構造の発電素子では、一般的に、磁歪材料で構成される磁歪板を２枚貼り合わせ、張り合わされた２つの磁歪板の周りに一方向にコイルが巻き回されている。このような構成の発電素子では、振動により一方の磁歪板が伸張し、他方の磁歪板が収縮しても、２つの磁歪板のそれぞれに生じる磁束の変化は互いに逆向きとなる。したがって、磁束の変化が互いに打ち消され、２つの磁歪板に共通して巻かれたコイルにはほとんど電流が生じないこととなる。
　これに対し、上記した構成の発電素子１では、磁歪棒１１ａおよび１１ｂのそれぞれにコイル１２ａおよび１２ｂが巻き回されているため、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの伸張または収縮によりそれぞれの磁歪棒１１ａおよび１１ｂに発生した磁束の変化により、コイル１２ａおよび１２ｂのそれぞれに電流が発生する。また、磁歪棒１１ａおよび１１ｂは連結ヨーク１０ａおよび１０ｂにより平行に連結されているので、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一方が伸張すると他方は必ず収縮する構成となっている。このとき、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの軸方向に平行な中央付近では、ほぼ一様の応力分布になっている。したがって、いわゆるバイモルフ構造の発電素子に比べて、確実に、かつ、大きな発電量を得ることができる。
　ここで、発電素子１による発電における発電量について説明する。図５は、本実施の形態に係る発電素子１の発電量を電圧により示した図である。
　図５は、１次の曲げ共振周波数３９３Ｈｚで、素子を強制振動させたときの移動子の変位、発生電圧、磁束密度の変化の時間応答である。ここでは、負荷を接続しない（ｏｐｅｎ）場合と、３０Ωの負荷を接続した場合の、移動子の振動により発生する発生電圧、磁束密度の変化、および、移動子の振幅を示している。
　図５によると、錘２０の周期的な変位に対応してコイル１２ａおよび１２ｂを貫く磁束密度が周期的に変化し、電圧が発生している。図５によると、変位の正負で磁歪板が湾曲するのと同時に、内部の磁束密度が正負に変化し、その磁束密度の時間分布に比例して電圧が発生している。磁束密度の変化は、一例として、±０．５Ｔあり、このとき発生した最大電圧は、一例として、±１．５Ｖ（ｏｐｅｎ）である。また、３０Ωの負荷を接続した場合には、最大電圧は０．６Ｖに減少するが、瞬時電力として最大１２ｍＷの電力が得られる。
　また、図５において、３０Ωの負荷を接続した場合には、移動子の振幅が減少しており、このことからも機械エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されていることがわかる。
　なお、一般に発生電圧は以下の（式１）により計算できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　　
　ここで、Ｖは発生電圧、Ｎはコイルの巻数、Ａはコイルの断面積、Ｂはコイルを貫く磁束密度、ｆは曲げ振動の共振周波数を示している。
　また、図６は、本実施の形態に係る発電素子の発電量を電流により示した図であり、上記した３０Ωの負荷を接続したときに得られる誘導電流を示している。得られた電流値から以下の（式２）により発電量Ｗを計算する。ここで、Ｔは振動の周期である。発電量ＷはＷ＝２ｍＷという値が得られた。なお、負荷抵抗ＲをＲ＝２０Ωとしている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　上記した断面積Ａ、磁束密度Ｂ、共振周波数ｆ、コイルの巻数Ｎを変更することにより、一例として１ｍＷ以上の発電量を得ることが可能である。
　次に、発電素子１による発電における平均発生電力Ｐおよび電力密度について説明する。図７は、図１に示した発電素子１において、負荷抵抗Ｒに対する平均発生電力Ｐを示した図である。
　平均発生電力Ｐは、以下の（式３）により計算している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、Ｔは振動の周期であり、平均発生電力Ｐは、負荷抵抗Ｒの瞬時電圧ｖを測定して計算している。
　図７によると、コイルの抵抗と同程度の負荷抵抗Ｒを繋げた整合条件において、２．０Ｗの最大電力が取り出せることが確認されている。この場合の発生電力の体積密度（電力密度）は、１０ｍＷ／ｃｍ３以上である。なお、この電力密度は、発電素子１のコイルやヨークも含めた体積で算出したものである。
　上記した電力密度の値は、本実施の形態に係る磁歪材料を用いた発電素子１によると、圧電素子を用いた発電（１ｍＷ／ｃｍ３）やエレクトレットを用いた発電に比べて、１０倍以上の発電量を得ることができることを示している。つまり、発電素子１によると、素子の小型化を実現することができる。
　次に、発電素子１による発電におけるエネルギー変換効率ηについて説明する。ここでいうエネルギー変換効率とは、入力機械エネルギーに対する出力電気エネルギーをいう。図８Ａは、図１に示した発電素子の変位を示した図であり、図８Ｂは、図１に示した発電素子の発生電圧を示した図である。
　エネルギー変換効率ηは、入力機械エネルギーＷｉと出力電気エネルギーＷｏにより、以下の（式４）により計算している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、入力機械エネルギーＷｉは、励振のために与えた初期の弾性エネルギーで、初期変位Ｘ０と力Ｆ０から求めている。出力電気エネルギーＷｏは、負荷抵抗Ｒのジュール損の時間積分である。また、負荷抵抗Ｒは、３０Ωとしている。図８Ａおよび図８Ｂに示した変位と発生電圧は、発電素子１の錘２０の位置に５０ｇの錘を糸でつるし、糸を切り自由振動を開始させたときの錘２０の位置の変位と発生電圧である。
　図８Ａに示すように、錘２０の変位は、振動開始時（図８ＡにおけるＴｉｍｅ＝０．０２ｓ付近）がピークでありその後減少している。また、図８Ｂに示すように、発生電圧は、振動開始時（図８ＢにおけるＴｉｍｅ＝０．０２ｓ付近）においてピーク値０．５Ｖを示し、その後図８Ａに示した変位と同様に減衰（減衰係数０．０８１）している。図８Ｂによると、出力電気エネルギーＷｏは、１．２×１０－５Ｊ、図８Ａによると、入力機械エネルギーＷｉは、８．９×１０－５Ｊとなる。これらに値より、エネルギー変換効率ηは、０．１４（１４％）となる。つまり、図８Ａおよび図８Ｂによると、５０ｇの錘の切り離しによる１回の自由振動で、ピーク電力８．３ｍＷ、平均０．１２ｍＷ（１．２×１０－５Ｊ／０．１ｓ）の電力が得られることがわかる。
　また、図９は、錘により励振条件を変えたときの、発電素子の入力仕事量（入力機械エネルギー）Ｗｉと出力電気エネルギーＷｏの関係を示した図である。
　図９に示すように、入力仕事量（入力機械エネルギー）Ｗｉと出力電気エネルギーＷｏの関係は、ほぼ線形の関係が得られている。また、エネルギー変換効率ηは１５％と算出されている。コイルの抵抗において、これと同程度のジュール損失が発生することを考慮すると、変換効率は３０％以上であると考えられる。
　ここで、発電素子１の振動時の共振モードと形状変化について説明する。図１０Ａは、図１Ａに示した発電素子の１次共振モードでの形状の変化を示す図、図１０Ｂは、図１Ａに示した発電素子の２次共振モードでの形状の変化を示す図である。
　図１０Ａにおける発電素子１は、片持ち梁として設置されている。つまり、発電素子１は、一方の連結ヨーク１０ａが固定され、他方の連結ヨーク１０ｂが固定されない構成となっている。なお、固定されない連結ヨーク１０ｂを可動部と呼ぶこともある。このような片持ち梁の構成をした発電素子１は、共振状態において効率よく発電することができる。発電素子１の共振振動のモードは無限にあるが、一般には、図１０Ａに示すような１次共振モードによる共振が生じ易い。
　１次共振モードによる共振では、発電素子１は、図１０Ａに示すように、片持ち梁全体として一方向へ湾曲するような変形を生じる。このとき、磁歪棒１１ａは伸張し、磁歪棒１１ｂは圧縮される。これにより、発電素子１には磁歪棒の変形量に応じた発電を行うことができる。
　また、発電素子１による発電は、２次共振モードにおいても行うことができる。つまり、片持ち梁として設置された発電素子１は、発電素子１の形状および与えられる振動の周波数により、１次共振モードよりも共振周波数の高い高次共振モードでも共振する。例えば、１次共振モードにおける共振周波数の４倍程度の共振周波数である２次共振モードでは、発電素子１は、図１０Ｂに示すような変形を生じる。
　図１０Ｂに示すように、２次共振モードにおける発電素子１は、全体を片持ち梁としてみたとき、図１０Ｂに示すように、節点ができる状態である。このとき、片持ち梁の平行梁部分、つまり、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと可動部（発電素子１における固定されていない側の連結ヨーク１０ａ）とは、全体としてみたときに一方向へ湾曲するような変形を生じる。このとき、磁歪棒１１ａは伸張し、磁歪棒１１ｂは圧縮される。これにより、発電素子１には磁歪棒１１ａ、１１ｂの変形量に応じた発電を行うことができる。
　ここで、発電素子１に発生する電圧は、発電素子の共振周波数に比例して大きくなるので、２次共振モードにおける発電素子１では、１次共振モードよりも共振周波数が高いため、より大きな電力を得ることができる。
　発電素子１において２次共振モードによる共振を起こし易くするには、発電素子１において可動部の長さを長くしたり、可動部と平行梁を連結する部分を設けこの連結部や可動部の一部を柔らかくして、発電素子１の磁歪棒１１ａおよび１１ｂに振動の節が生じ易い構成としたりすることが効果的である。
　また、共振周波数の異なる複数の発電素子１を並べた構成にすることにより、複数種類の周波数で共振状態が発生する構成としてもよい。この構成によれば、発電素子１に与えられる振動の周波数が異なる場合であっても、まんべんなく発電することができる。
　磁歪棒１１ａおよび１１ｂを形成する磁歪材料は、鉄ガリウム合金であるＧａｌｆｅｎｏｌに限らず、その他の材料であってもよい。Ｇａｌｆｅｎｏｌを用いた場合には、応力を加えることによるＧａｌｆｅｎｏｌの内部磁化の変化は、飽和磁束密度が１Ｔ程度まで変化するので、発電素子１における発電量を上げることができる。
　Ｇａｌｆｅｎｏｌ以外の磁歪材料としては、例えば、鉄コバルト合金であるパーメンジュールであってもよいし、その他の材料であってもよい。また、結晶状態の材料だけでなく、アモルファス状態の材料であってもよい。さらに、引っ張り応力に対する磁化の変化を大きくするために、予め応力焼きなまし処理を施すことにより圧縮応力を付加した磁歪材料を用いてもよい。
　なお、上記した発電素子１では、磁歪棒１１ａおよび磁歪棒１１ｂのいずれも磁歪材料で構成した発電素子であるが、磁歪棒１１ａおよび１１ｂのいずれか一方、例えば、磁歪棒１１ｂを、磁歪材料と略同一の剛性、または、磁歪材料の剛性以上の剛性を有する材料で構成された剛性棒１１ｂとしてもよい。この場合、剛性棒１１ｂにはコイル１２ｂを巻き回す必要はないので、磁歪棒１１ａに巻き回されるコイル１２ａの巻数を増加させることができ、かつ、簡易な構成により発電素子１を実現することができる。
　また、連結ヨーク１０ｂに与えられる曲げ力Ｐの方向は、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの軸方向に対して垂直の方向で、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一方が伸張し他方が収縮するのであれば、どのような向きに与えられてもよい。
　また、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの形状は、直方体の棒状の形状に限らず、例えば円柱状の棒状の形状、板状、薄帯状等その他の形状であってもよい。
　（実施の形態２）
　次に、本発明の一態様に係る実施の形態２について説明する。上記した実施の形態１では、２本の磁歪棒により発電素子を構成していたが、本実施の形態では、１つの磁歪棒と連結ヨークにより、発電素子を構成している点が、実施の形態１と異なる点である。
　図１１Ａは、本実施の形態に係る発電素子の側面図であり、図１１Ｂは、図１１Ａに示す発電素子の磁歪棒および連結ヨークの配置位置を示した側面図である。
　図１１Ａに示すように、本実施の形態に係る発電素子は、磁歪棒１１ｃと、連結ヨーク１０ｃと、コイル１２ｃとを備えている。なお、磁歪棒１１ｃ、コイル１２ｃは、それぞれ本発明における第１の磁歪棒、第１のコイルに相当する。
　磁歪棒１１ｃは、実施の形態１に示した磁歪棒１１ａおよび１１ｂと同様に、例えば、鉄ガリウム合金であるＧａｌｆｅｎｏｌ（ヤング率７０ＧＰａ）で構成され、延性を有し、１ｍｍ×０．５ｍｍ×１０ｍｍの直方体の棒状の形状をしている。連結ヨーク１０ｃは、磁歪棒１１ｃに一様な応力（圧縮力または引張力）を加えるための剛性および形状を有する磁性材料により形成されている。一様な圧縮力または引張力を加えるための剛性とは、例えば、磁歪棒１１ｃと略同一の剛性を有する磁性材料、一様な圧縮力または引張力を加えるための形状とは、例えば、磁歪棒１１ｃと略同一の形状を有する磁性材料である。このような材料としては、例えば、Ｆｅを含む磁性材料、ＳＵＳ４３０（ヤング率２１０ＧＰａ）などのステンレスがある。
　連結ヨーク１０ｃは、図１１Ｂに示すように、一部に凹部を有している。この凹部内の側壁に、磁歪棒１１ｃの一端および他端がそれぞれ機械的および磁気的に接続されている。したがって、凹部内において、磁歪棒１１ｃと連結ヨーク１０ｃとは平行に配置されている。つまり、磁歪棒１１ｃと平行に配置されている連結ヨーク１０ｃの部分は、本発明における剛性棒に相当する。また、磁歪棒１１ｃと平行に配置されている連結ヨーク１０ｃの部分以外の部分は、本発明における２つの連結ヨークに相当する。この構成により、磁歪棒１１ｃの軸方向と垂直方向に発電素子１が振動すると、磁歪棒１１ｃは伸張または収縮する。これにより、磁歪棒１１ｃにおいて磁束の変化が生じる。
　また、図１１Ａに示すように、磁歪棒１１ｃにはさらに、コイル１２ｃが形成されている。コイル１２ｃは、例えば銅線で構成され、巻数は２５０巻である。上記したように、磁歪棒１１ｃが伸張または収縮して磁束密度が変化することにより、コイル１２ｃ内の磁束も変化するので、コイル１２ｃには電流が発生する。これにより、発電することができる。なお、実施の形態１と同様に、コイル１２ｃの巻数を変更することにより、発電素子に発生する電圧の大きさを調整することが可能である。また、コイルの巻数は、上記した巻数でなくても適宜変更してもよい。
　本実施の形態に係る発電素子によると、実施の形態１に係る発電素子１に比べて、磁歪棒が１本であっても発電することが可能である。また、連結ヨーク１０ｃの構成を、実施の形態１に係る発電素子１における２つの連結ヨーク１０ａおよび１０ｂと剛性棒１１ｂとを一体とした構成とすることにより、発電素子の部品数を減らすとともに磁歪棒と連結ヨークとの接続部分を減らすことができる。これにより、連結ヨークと磁歪棒との接合をより強固にすることができる。また、磁歪棒１１ｃにのみコイル１２ｃを巻き回すので、コイルの巻数を増加することができるため、発電量を増加することができる。
　（実施の形態３）
　次に、本発明の一態様に係る実施の形態３について説明する。本実施の形態では、それぞれの磁歪棒に複数のコイルが並列に巻かれている発電素子について説明する。図１２Ａ～図１２Ｄは、本実施の形態に係る発電素子の上面図であり、図１３Ａ～１３Ｇは、図１２Ａ～図１２Ｄに示した発電素子の等価電気回路図である。なお、図１２Ａ～図１２Ｄにおいて、コイル１２ａおよび１２ｂは断面図として示している。
　図１２Ａに示す発電素子１は、図１Ａに示した発電素子１と同様の構成であり、発電素子１の基本構成を示している。この発電素子１では、磁歪棒１１ａおよび１１ｂに、１つのコイル１２ａおよび１２ｂのそれぞれが巻き回されている。この構成によれば、コイルを分割し、それらを並列に接続することで、発電素子１の負荷抵抗内部抵抗を減少させることができる。
　図１３Ａは、この発電素子１の等価電気回路図である。図１３Ａにおいて、コイル１２ａおよび１２ｂの巻数をＮ、負荷抵抗をＲ、発生する電圧をＶ、外部負荷抵抗をＲ０とすると、最大の電力が取り出せる整合条件Ｒ０＝Ｒのとき、負荷抵抗Ｒ０で発生する電力はＶ２／４Ｒ０である。
　また、それぞれの分割したコイル１２ａ（または１２ｂ）の負荷抵抗は、コイル１２ａ（または１２ｂ）の巻数をＮ、負荷抵抗をＲとすると、コイル１２ａ（または１２ｂ）を図１２Ｄに示すようにＫ個に分割する場合には、図１３Ｆの等価電気回路図に示すようにＲ／Ｋになる。このとき、Ｋ個に分割されたコイル１２ａ（または１２ｂ）全てを並列に接続した場合の合成抵抗Ｒは、図１３Ｇに示すように、Ｒ＝Ｒ／Ｋ２になる。
　具体的には、図１２Ｂに示すように、２分割したコイル１２ａ（または１２ｂ）を並列接続した場合、図１３Ｂの等価電気回路図に示すように、２つに分割したそれぞれのコイル１２ａ（または１２ｂ）の負荷抵抗はＲ／２となり、図１３Ｃに示すように、合成抵抗はＲ／４となる。また、図１２Ｃに示すように、３分割したコイル１２ａ（または１２ｂ）を並列接続した場合、図１３Ｄの等価電気回路図に示すように、分割したそれぞれのコイル１２ａ（または１２ｂ）の負荷抵抗はＲ／３となり、図１３Ｅに示すように、合成抵抗はＲ／９となる。
　また、それぞれのコイル１２ａ（または１２ｂ）の巻数Ｎを増加させることで、発生電力を増加させることができる。発生電圧はコイル１２ａ（または１２ｂ）の巻数Ｎに比例するから、図１３Ｄに示すように、コイル１２ａ（または１２ｂ）をＫ分割したときのコイル１２ａの巻数はＮ／Ｋで、発生電圧は１／Ｋ倍になる。例えば、図１３Ｂに示すように、コイル１２ａ（または１２ｂ）を２分割した場合、発生電圧はＶ／２である。また、図１３Ｃに示すように、コイル１２ａ（または１２ｂ）を３分割した場合、発生電圧はＶ／３である。
　整合条件で外部負荷抵抗をＲ／Ｋ２としたときの発生電力は、（Ｖ／Ｋ）２／（４Ｒ／Ｋ２）＝Ｖ２／４Ｒとなり、分割しない場合と同じである。つまり、コイル１２ａ（または１２ｂ）をＫ分割して並列に接続することで、発電素子１の内部抵抗１／Ｋ２倍に下げることができる（ただし電圧が１／Ｋ倍になる）。逆に、分割しない場合と同じ負荷抵抗Ｒが許容できるなら、負荷抵抗をＫ２倍、つまり、巻数を“Ｋ２倍”にしてもよい（巻数と負荷抵抗が比例すると仮定している）。この場合、発生電圧は、１／Ｋ＊Ｋ２＝Ｋ倍になる。
　よって取り出せる電力は（ＫＶ）２／４Ｒ＝Ｋ２＊Ｖ２／４Ｒとなり、負荷抵抗Ｒで発生する電力Ｖ２／４ＲのＫ２倍の電力を取り出すことができる。
　（実施の形態４）
　次に、本発明の一態様に係る実施の形態４について説明する。本実施の形態では、実施の形態１に示した発電素子を直列に複数個連結した発電装置、および、実施の形態２に示した発電素子を直列に複数個連結した発電装置について説明する。図１４、および、図１５Ａ～図１５Ｄは、本実施の形態に係る発電装置の概略構成図である。なお、図１４において、コイル１２ａおよび１２ｂは断面図として示している。
　図１４は、実施の形態１に示した発電素子を直列に複数個連結した発電装置の概略構成図である。図１４に示すように、本実施の形態に係る発電装置２３ａは、固定部２４と、固定部２４に直列に接続された５つの発電素子と、固定部２６と、錘（移動子）２７とを備えている。直列に接続された発電素子のそれぞれは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと、磁歪棒１１ａおよび１１ｂにそれぞれ巻かれたコイル１２ａおよび１２ｂと、磁歪棒１１ａおよび１１ｂを連結する連結ヨーク２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄとを有している。５つの発電素子は、それぞれ平行に配置され、隣り合う発電素子において連結ヨークを共通に使用して５つの発電素子を直列に接続している。
　つまり、図１４に示すように、固定部２４に一端が連結された第１の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの他端は、連結ヨーク２５ａに連結され、さらに、連結ヨーク２５ａには第１の発電素子と平行に配置された第２の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一端が連結されている。第２の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの他端は、連結ヨーク２５ｂに連結され、さらに、連結ヨーク２５ｂには第２の発電素子と平行に配置された第３の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一端が連結されている。第３の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの他端は、連結ヨーク２５ｃに連結され、さらに、連結ヨーク２５ｃには第３の発電素子と平行に配置された第４の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一端が連結されている。第４の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの他端は、連結ヨーク２５ｄに連結され、さらに、連結ヨーク２５ｄには第４の発電素子と平行に配置された第５の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一端が連結されている。第５の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの他端は、固定部２６に接続されている。このような構成により、発電装置２３ａ全体の形状が弾性を有するバネ形状に構成されているため、錘２７の上下振動により、複数個の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一方は伸張し、他方は収縮する。これにより、実施の形態１に示した発電素子１と同様に発電を行うことができる。
　発電装置２３ａの構成によると、複数個の発電素子の磁歪棒を接合する連結ヨークを、隣り合う発電素子で共通に使用して、複数個の発電素子を直列に接続することで発電量を大きくすることができる。具体的には、Ｋ個の発電素子を直列に接続することにより、発電量をＫ倍にすることができる。同時に、Ｋ個の発電素子を平行にＫ個並べることにより、共振周波数を１／Ｋに減少させることができるので、単位時間あたりの振動回数が増加するため、発電量を増加することができる。また、発電装置全体の形状が弾性を有するバネ形状に構成されているため、発電素子における振動を長時間継続させることができる。これにより、使用する環境にあった振動数、発電電力に容易に調整することができる。なお、錘２７の重さを重くすると、発電量が大きくなるという効果が得られる。
　図１５Ａは、発電装置の使用例を示す図である。図１５Ａに示すように、発電装置２３ａ、または、以下に示す発電装置２３ｂは、例えば、自動車の車体に設置されてもよい。
　図１５Ｂ～図１５Ｄは、実施の形態２で示した発電素子を直列に複数個連結した発電装置の概略構成図である。図１５Ｂ～図１５Ｄにおいて、コイル１２ｃは断面図として示している。
　図１５Ｂ～図１５Ｄに示す発電装置２３ｂの構成は、上記した発電装置２３ａの構成とほぼ同様であるが、それぞれの発電素子が１つの磁歪棒１１ｃと、連結ヨーク１０ｃと、磁歪棒１１ｃに巻かれたコイル１２ｃにより構成されている点が異なる。図１５Ｂ～図１５Ｄに示すように、発電装置２３ｂは、複数の発電素子が直列に連結された発電素子連結体と、錘２８ａと、錘２８ａに形成された凹部内の側壁に設けられた磁石２８ｂ、２８ｃと、錘２８ａを収納する容器２９ａと、錘２８ａと容器２９ａとの間に配置された複数の球体２９ｂとを備えている。複数の球体２９ｂは、錘２８ａと容器２９ａとの間の摩擦を低減するために設けられている。
　図１５Ｂ～図１５Ｄに示すように、発電素子連結体の一部は、錘２８ａに形成された凹部内に挿入されている。また、凹部に設けられた磁石２８ｂ、２８ｃは、磁歪棒１１ｃの軸方向に配置されている。つまり、凹部に挿入された発電素子連結体の一部が振動する方向に、それぞれ配置されている。発電素子連結体の当該一部は、磁性体で形成されている連結ヨーク１０ｃと一体に形成されているため、磁性を有しており、磁石２８ｂ、２８ｃと吸着する。
　以下、発電装置２３ｂの動作について説明する。発電装置２３ｂは、例えば、自動車に設置され、自動車の慣性力を利用した振動する構成である。ここで、慣性力とは、自動車が発進する際（加速）、または、停止する際（減速）の加速度による力である。
　定常時、つまり、自動車がほぼ等速で走行している場合には、錘２８ａと発電素子連結体の一部とは、図１５Ｂに示すように、磁石２８ｂの吸着力により吸着して一体になっている。また、ブレーキの作動や減速により自動車が減速すると、錘２８ａには、進行方向にさらに進もうとする慣性力が作用する。これにより、図１５Ｃに示すように、磁石２８ｂの吸着力により吸着されて磁石２８ｂと一体となっていた発電素子連結体は、変形する。この変形が生じる間、複数個の発電素子それぞれの磁歪棒１１ｃまたは連結ヨーク１０ｃの一方は伸張し他方は収縮するため、磁歪棒１１ｃの磁束は変化し、コイル１２ｃには電流が生じる。これにより、発電することができる。なお、錘２８ａは、容器２９ａ内に、球体２９ｂの上に配置されているので、容器２９ａ内での移動のみ可能であり、容器２９ａがストッパーとなり、変位が制限される。
　また、図１５Ｃに示すように、錘２８ａが慣性力により移動し、慣性力が磁石２８ｂの吸着力を越えると、錘２８ａは発電素子連結体の一部から外れる。このとき、慣性力による作用力は零になり、発電素子連結体には自由振動が励振される。この振動より、発電素子２３ｂを構成する複数個の発電素子それぞれの磁歪棒１１ｃおよび連結ヨーク１０ｃの一方は伸張し他方は収縮するので、上記した図１５Ｂに示す場合と同様、発電を行うことができる。
　さらに、図１５Ｄに示すように、錘２８ａが磁石２８ｂから外れた後、発電素子連結体の一部は、磁石２８ｂが配置された凹部の側壁と逆側の側壁に配置された磁石２８ｃに吸着する。これにより、逆の加速度（自動車の発進または加速）の際に同様な発電を行うことができる。
　なお、上記した発電装置２３ｂでは、発電装置全体における共振周波数と必要な作用力を下げるために複数個の発電素子を連結した発電素子連結体を使用しているが、慣性力を利用した振動による発電装置では、上記した発電素子連結体でなくても、発電は可能である。また、慣性力に限らず、上下方向の振動によっても発電することが可能である。
　（実施の形態５）
　次に、本発明の一態様に係る実施の形態５について説明する。本実施の形態では、実施の形態１で説明した発電素子を備えた電子装置の一例としての携帯電話機について説明する。
　図１６は、本実施の形態に係る携帯電話機の概略構成図である。図１７は、図１６に示した携帯電話機の内部構造の一部を示す概略図であり、発電素子を搭載した部分を示す図である。
　図１７に示すように、発電素子５０は、携帯電話機３０のディスプレイが搭載された蓋部分の内部において、ディスプレイが配置された位置を挟んで両側にそれぞれ１つずつ搭載されている。各発電素子５０は、実施の形態１に示した発電素子１と同様に、連結ヨーク６０ａおよび６０ｂと、磁歪棒６１と、コイル６２と、永久磁石６３ａおよび６３ｂと、バックヨーク６４とを備えている。
　また、図１７に示すように、各発電素子５０は、携帯電話機３０において蓋部分の開閉の中心軸となる軸側に連結ヨーク６０ａが配置され、携帯電話機３０の端側に連結ヨーク６０ｂが配置されている。また、発電素子５０のバックヨーク６４は、磁歪棒６１よりも携帯電話機３０の蓋部分の中心側に配置されている。さらに、携帯電話機３０の端側には、２つの発電素子５０の連結ヨーク６０ｂを連結するように錘７０が配置されている。
　このような構成により、携帯電話機３０の蓋部分を開閉することにより、発電素子５０に設けられた磁歪棒６１がその振動により伸縮する。そして、その伸縮によってコイル６２を貫く磁束密度が変化することにより、発電される。
　なお、図１７に示した発電素子５０を備えた携帯電話機３０の構成は、本発明を携帯電話機において実現するための一例であり、発電素子５０以外に、例えば、振動を発生する共振振動発生機構を備える構成としてもよい。
　（実施の形態６）
　次に、本発明の一態様に係る実施の形態６について説明する。本実施の形態では、実施の形態１で説明した発電素子に共振振動発生機構を備えた発電素子について説明する。図１８Ａは、共振振動発生機構として引き移動子を備えた本実施形態に係る発電素子の上面図であり、図１８Ｂは、本実施形態に係る発電素子の側面図、図１８Ｃは、本実施形態に係る発電素子の動作を示す上面図である。
　図１８Ａ～図１８Ｃに示す発電素子８０は、上記した発電素子５０と同様に、連結ヨーク９０ａおよび９０ｂと、磁歪棒９１ａおよび９１ｂと、コイル９２ａおよび９２ｂと、永久磁石９３ａおよび９３ｂと、バックヨーク９４とを備えている。また、連結ヨーク９０ａにはシャフト９６が設けられ、連結ヨーク９０ｂから９０ａの方向へ、磁歪棒９１ａおよび９１ｂに対してバックヨーク９４が設けられた側と反対側に、略Ｌ字型の形状に構成されている。なお、図１８Ｃでは、バックヨーク９４および永久磁石９３ａおよび９３ｂは図示を省略している。
　また、図１８Ａに示すように、連結ヨーク９０ｂは凸部を有しており、弾き移動子９７には、この凸部と対応して凹部が設けられている。そして、連結ヨーク９０ｂ側の弾き移動子９７を、図１８Ｃに示すように、シャフト９６を回転軸として移動させると、弾き移動子９７の凹部が連結ヨーク９０ｂの凸部に接触して引っかかり、連結ヨーク９０ｂの凸部が弾き移動子９７の凹部により弾かれる。これにより、発電素子８０は、磁歪棒９１ａおよび９１ｂと平行な方向に共振振動する。
　つまり、弾き移動子９７を、シャフト９６を回転軸として移動させることにより、発電素子８０は、連結ヨーク９０ｂにおいて、弾き移動子９７の移動に伴って磁歪棒９１ａおよび９１ｂの軸方向に垂直な方向の力を受けることになる。これにより、磁歪棒９１ａおよび９１ｂの一方が伸張し他方が収縮し、発電する。また、一度弾き移動子９７を移動すると、発電素子８０の共振振動は連続して起こるので、発電も連続して行うことができる。
　この発電素子８０は、シャフト９６が設けられた連結ヨーク９０ａ側の端面を、例えば人の体の一部に固定し、弾き移動子９７に、例えば錘として携帯電話機等の電子装置を装着することで、電子装置に必要な電力を発電素子８０により連続的に供給することができる。
　なお、上記した弾き移動子９７を備えた発電素子８０では、連結ヨーク９０ｂの凸部が弾き移動子９７の凹部により弾かれる構成としたが、この構成に限らず、その他の構造、例えば、実施の形態４に示した発電素子連結体の一部と磁石２８ｂの構成と同様に、連結ヨークと弾き移動子が磁石の吸着を利用して振動を生じるものであってもよい。
　（実施の形態７）
　次に、本発明の一態様に係る実施の形態７について説明する。本実施の形態では、実施の形態１で説明した発電素子を備えた電子装置の一例として、自動車等のタイヤの空気圧をモニタする空気圧センサ、道路または橋梁に設けられた発電装置について説明する。
　実施の形態４に示したように、図１９に示す自動車の車体に取り付けられた発電素子２３ｃは、車体の振動または加速度による慣性力で発電する発電素子であったが、本実施の形態に係る発電装置は、図１９に示すように、タイヤ１０２の空気圧センサ１００に配置されている。空気圧センサは、一般的に、自動車の走行に伴い回転するタイヤに設けられるものであるので、空気圧センサに必要な電力を自動車本体から有線で供給することが難しい。したがって、通常は空気圧センサ内にボタン電池等の小型電源を備える必要がある。ここで、本発明の実施の形態１に示した発電素子を空気圧センサに設けることにより、タイヤの振動により発電することができる。
　図２０は、本実施の形態に係る空気圧センサ１００について説明するための模式図である。図２０に示すように、空気圧センサ１００は、センサ部１０３と、発電素子１０１とを備えている。そして、センサ部１０３の一部が、タイヤ１０２に接触して設けられている。また、発電素子１０１は、一端の連結ヨークがセンサ部１０３に固定され、錘が配置された他端の連結ヨークがタイヤの径の内側に向かうように配置されている。そして、タイヤ１０２の振動により、発電素子１０１が振動し、発電される。発電の動作の詳細は、実施の形態１に示した発電素子５０と同様であるので省略する。なお、タイヤの振動周波数は、一例として、４００～５００Ｈｚである。
　また、図２１は、橋梁または道路に設けられた発電装置の例である。橋梁または道路２００では、自動車または歩行者が通るたびに振動が起こるので、橋梁または道路に発電装置２０１を設けることにより、この振動を利用して発電装置２０１により発電することができる。また、路面に凹凸を設け、自動車または歩行者が路面の凹凸を通るたびに強制的に振動が発生する構成であってもよい。この発電素子２０１により発電された電力は、例えば、橋梁に取り付けられた振動センサ、電光掲示板および照明用のＬＥＤの電源等に利用されてもよい。
　発電素子２０１の配置位置は、図２１に示すように、路面の下であってもよいし、振動の生じ易いその他の位置であってもよい。また、橋梁または道路に限らず、工場等のプラントにおいて、モータ、機械等の近傍に発電装置を配置し、モータ、機械等の振動を利用して発電してもよい。また、発電素子は、実施の形態１、２に示したものであってもよいし、実施の形態４に示したものであってもよい。
　また、この発電装置は、電源からの配線を必要としないので、無線機器の電源として有用である。例えば、工場等のプラントにおいて、無線センサネットワーク用の発電装置として利用してもよい。
　なお、本実施の形態では、空気圧センサ、振動センサを電子装置の一例として説明したが、空気圧センサに限らずその他の電子装置に発電素子を備えてもよい。例えば、携帯電話機や音楽プレーヤーなどの携帯電子機器、体内センサ、超小型電力供給装置等を電子装置として、発電素子を備えた構成としてもよい。
　（実施の形態８）
　次に、本発明の一態様に係る実施の形態８について説明する。本実施の形態では、実施の形態１で説明した発電素子を備えた発電システムの一例として、水流または風流による振動を利用した発電システムについて説明する。図２２Ａ～図２２Ｃは、本実施の形態に係る発電装置を示す図である。
　図２２Ａおよび図２２Ｂに示すように、本実施の形態に係る発電システムは、複数の発電装置３００を備えている。発電装置３００は、固定部３０１と、発電素子３０２と、翼型ブレード３０３とを備えている。発電素子３０２には板状の磁歪材料（磁歪板）２枚が平行に配置され、２枚の磁歪板それぞれの一端が固定部３０１に固定され、他端が翼型ブレード３０３に連結された構成となっている。翼型ブレード３０３は、略板状の形状を有し、翼型ブレード３０３の主面は、発電素子３０２の平行に配置された２枚の磁歪板の主面と略同一の方向に配置されるように発電素子３０２と連結されている。なお、固定部３０１は、本発明における連結ヨークに相当し、翼型ブレード３０３は、本発明における連結ヨークおよび錘に相当する。
　また、図２２Ｃは、翼型ブレード３０３の上面図である。図２２Ｃに示すように、翼型ブレード３０３は、略板状の広い面の一辺から、この一辺と向かい合う他辺へと翼型ブレード３０３の厚さが薄くなっている。この構成によれば、翼型ブレード３０３の、板厚が厚いほうから薄いほうへと水流または風流が生じ、流路差に伴う圧力差で翼型ブレード３０３には揚力が発生する。この揚力と、翼型ブレード３０３および発電素子３０２の弾性力の作用により、翼型ブレード３０３および発電素子３０２には、自励振動が発生する。この振動により、発電素子３０２を構成する２つの磁歪板の一方は伸張し、他方は収縮する。これにより、磁歪板の磁束が変化して磁歪板に巻かれたコイル（または、磁歪板にプリントされた配線によるコイル）に電流が発生するため、発電することができる。
　このような形状の発電装置３００を、図２２Ａに示すように、一定の水流のある水中または一定の風流のある空気中に向きを揃えて複数個配置した発電システムにより、効率よく発電して大きな電力を得ることができる。
　なお、上記した発電装置３００では、板状の磁歪材料を使用して発電素子３０２を構成しているが、実施の形態１に示した発電素子１と同様に、棒状の磁歪材料を使用して発電素子３０２を形成してもよい。また、翼型ブレード３０３は、上記した形状に限らず、水流または風流による揚力が発生しやすく、振動しやすいものであれば、どのような構成であってもよい。さらに、発電素子３０２を構成する磁歪材料は、２枚の磁歪板で構成されたものに限らず、１枚の磁歪板と他の剛性を有する板状の材料を貼り合わせた、いわゆるユニモルフ構造であってもよい。
　なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。
　例えば、上記した実施の形態では、連結ヨークの一方が固定され他方に錘が配置された片持ち型の発電素子について説明したが、片持ち型の発電素子に限らず、例えば、発電素子の中央部分が固定され、２つの連結ヨークのそれぞれに錘が配置された構成であってもよい。このような構成とすることにより、発電素子の両端に配置された錘が所定の共振周波数で曲げ振動をすることにより、連続して効率よく発電することができる。また、発電素子の両端が固定され、中央部分に錘が配置された構成であってもよい。このような構成とすることにより、発電素子の中央に配置された錘が所定の共振周波数で曲げ振動をすることにより、連続して効率よく発電することができる。
　また、上記した実施の形態では、磁歪棒を構成する磁歪材料の一例として鉄ガリウム合金であるＧａｌｆｅｎｏｌについて説明したが、磁歪材料はＧａｌｆｅｎｏｌに限らずその他の材料であってもよい。例えば、鉄コバルト合金であるパーメンジュールであってもよいし、その他の材料であってもよい。また、引っ張り応力に対する磁化の変化を大きくするために、予め応力焼きなまし処理を施すことにより圧縮応力を付加した磁歪材料を用いてもよい。
　また、磁歪棒の形状は、上記した実施の形態では直方体の棒状の形状に限らず、例えば円柱状の棒状の形状であってもよいし、その他の形状であってもよい。また、磁歪棒の大きさは、上記した例に限らず変更してもよい。また、磁歪棒の形状は、棒状に限定されず、板状のものであってもよく、磁歪薄板、磁歪膜であってもよい。
　また、上記した発電素子は、永久磁石を有するバックヨークを備える構成としたが、バックヨークを備えない構成であってもよい。また、バックヨークの形状は上記した形状に限らず、その他の形状であってもよい。
　また、上記した実施の形態では、２つの磁歪棒にそれぞれ形成された各コイルの間は樹脂で埋められて一体とされた構成であるが、コイルは一体とされた構成でなくてもよい。また、コイルの巻数は、各コイルで同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、コイルは磁歪棒に巻き回して形成されたものでなくても、例えば、磁歪棒の周囲に配線パターンをプリントして形成されたものであってもよい。
　また、本発明に係る発電素子の電子装置への応用は、上記した携帯電話機、空気圧センサ等に限らず、例えば、人間や動物の歩行による振動を利用した振動発電システムとして、人間や動物に使用する無線センサ等に適用してもよい。具体的には、図２３に示すように、発電素子４０１に適度な錘４０２を付けた発電デバイス４０３を、ゴム等の弾性体で構成された弾性バンド４０５で足首に固定する。歩行時に足を床に着地させたときに、速度が急速に０になり、大きな加速度が発生し、それが錘４０２に瞬間的に大きな慣性力を作用させる。この慣性力により、連結された発電素子４０１に自由振動が励振され、発電を行うことができる。
　さらに、この電力で、例えば、発電デバイスに設けられたＧＰＳを動作し、人間の位置情報や動物の行動等を把握したりできる。一般には、このようなシステムには電池が必要であるが、本発明に係る発電装置を用いると、電池なしに半永久的に利用することが可能である。なお、上記した発電デバイス４０３を装着する位置は、足首だけでなく、手首、その他の部位であってもよい。このような構成とすることで、例えば、指を動かせない身体の不自由な人が、身体の一部に発電デバイスを装着してその部分を振ったり、床、ベッド等に発電デバイスを装着して床、ベッド等を叩いたりすることで、振動を利用して意思表示をする発電デバイスとして使用することができる。
　また、本発明に係る発電素子には、上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る発電素子を備えた各種機器等、例えば、携帯電話機や音楽プレーヤーなどの携帯電子機器、体内センサ、超小型電力供給装置等も本発明に含まれる。
　本発明は、振動が発生する機器等、特に、日常的に振動が発生する携帯電話機や音楽プレーヤー等の電子装置に搭載される発電素子として有用である。また、振動が発生する場所に設置される機器、例えば、橋梁、道路における照明用ＬＥＤ電球や電光掲示板などに有用である。さらに、水流または風流を利用した発電装置として有用であり、幅広い分野に利用可能である。
１、２３、５０、８０、１０１、３０２、４０１　発電素子
１０ａ、１０ｂ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、６０ａ、６０ｂ、９０ａ、９０ｂ　連結ヨーク
１０ｃ　連結ヨーク（連結ヨーク、剛性棒）
１０ｄ、１０ｅ　可動ヨーク（バックヨーク）
１１ａ、１１ｃ、６１、９１ａ、　磁歪棒（第１の磁歪棒）
１１ｂ、９１ｂ　磁歪棒（第２の磁歪棒、剛性棒）
１１ｄ　磁歪棒（バックヨーク）
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、６２、９２ａ、９２ｂ　コイル
１２ｄ　コイル（バックヨーク）
１４ａ、１４ｂ、１９ｃ、６３ａ、６３ｂ、９３ａ、９３ｂ　永久磁石
１５、１９ａ、１９ｂ、６４、９４　バックヨーク
２０、２７、２９ａ、７０、４０２　錘
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２０１、３００　発電装置
２４、２６　固定部（連結ヨーク）
３０　携帯電話機（電子装置、発電装置）
１００　空気圧センサ（電子装置、発電装置）
３０１　固定部（連結ヨーク）
３０３　翼型ブレード（連結ヨーク）
４０３　発電デバイス（電子装置）

Claims (15)

  1. 　磁歪材料で構成された第１の磁歪棒と、
    　前記第１の磁歪棒に一様な圧縮力または引張力を加えるための剛性および形状を有する磁性材料で構成され、前記第１の磁歪棒と平行に配置された剛性棒と、
    　前記第１の磁歪棒に巻かれた第１のコイルと、
    　前記第１の磁歪棒および前記剛性棒のそれぞれの両端に、前記第１の磁歪棒と前記剛性棒とを連結するように設けられた２つの連結ヨークとを備え、
    　前記第１の磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動により、前記第１の磁歪棒が伸張または収縮することにより発電する
    ことを特徴とする発電素子。
  2. 　前記剛性棒は、磁歪材料で構成された第２の磁歪棒であり、
    　前記第２の磁歪棒に巻かれた第２のコイルをさらに備え、
    　前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動により、前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒の一方が伸張し、他方が収縮することにより発電する
    ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
  3. 　前記第１の磁歪棒の磁化容易方向は、前記第１の磁歪棒の軸方向に平行である
    ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
  4. 　前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒のそれぞれの磁化容易方向は、前記第１の磁歪棒および第２の磁歪棒のそれぞれの軸方向に平行である
    ことを特徴とする請求項２に記載の発電素子。
  5. 　前記発電素子は、さらに、磁石を有するバックヨークを備える
    ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発電素子。
  6. 　前記２つの連結ヨークの一方は固定され、他方は錘を有している
    ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発電素子。
  7. 　前記発電素子は、２次共振モードで共振する
    ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発電素子。
  8. 　前記錘の前記磁歪棒の軸方向の長さは、前記磁歪棒の軸方向と垂直な方向の長さよりも長い形状を有している
    ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の発電素子。
  9. 　前記第１のコイルの巻数をＮ回とすると、
    　前記第１のコイルは、Ｎ／Ｋ回の巻数を有するＫ個の並列接続されたコイルで構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
  10. 　前記第１のコイルおよび前記第２コイルのそれぞれの巻数をＮ回とすると、
    　前記第１のコイルおよび前記第２のコイルのそれぞれは、Ｎ／Ｋ回の巻数を有するＫ個の並列接続されたコイルで構成されている
    ことを特徴とする請求項２に記載の発電素子。
  11. 　平行に配置された複数個の前記発電素子を備え、
    　前記複数個の発電素子は直列に接続されている
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の発電素子。
  12. 　前記磁歪材料は、延性を有する
    ことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の発電素子。
  13. 　前記磁歪材料は、鉄ガリウム合金である
    ことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の発電素子。
  14. 　前記磁歪材料は、鉄コバルト合金である
    ことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の発電素子。
  15. 　請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の発電素子を備える
    ことを特徴とする発電装置。 
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