WO2014021197A1 - 発電素子 - Google Patents

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WO2014021197A1
WO2014021197A1 PCT/JP2013/070227 JP2013070227W WO2014021197A1 WO 2014021197 A1 WO2014021197 A1 WO 2014021197A1 JP 2013070227 W JP2013070227 W JP 2013070227W WO 2014021197 A1 WO2014021197 A1 WO 2014021197A1
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WO
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rod
magnetostrictive
composite
power generation
composite rod
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PCT/JP2013/070227
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English (en)
French (fr)
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憲一 古河
貴之 沼宮内
Original Assignee
ミツミ電機株式会社
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Publication date
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Priority to US14/418,397 priority patent/US20150155472A1/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H10N35/101—Magnetostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. generators, sensors

Definitions

  • the present invention relates to a power generation element.
  • This power generating element includes, for example, a pair of magnetostrictive rods provided together, a connecting yoke for connecting these magnetostrictive rods, a coil provided so as to surround each magnetostrictive rod, and a permanent magnet that applies a bias magnetic field to the magnetostrictive rods. And a back yoke.
  • a pair of magnetostrictive rods provided together, a connecting yoke for connecting these magnetostrictive rods, a coil provided so as to surround each magnetostrictive rod, and a permanent magnet that applies a bias magnetic field to the magnetostrictive rods.
  • a back yoke When an external force is applied to the connecting yoke in a direction perpendicular to the axial direction of the magnetostrictive rod, one of the magnetostrictive rods is deformed to expand, and the other magnetostrictive rod is deformed to contract. At this time, the density of magnetic lines passing through each magnetostrictive rod (magnetic flux density), that is, the density
  • tensile stress is selectively generated in one magnetostrictive rod and compressive stress is selectively generated in the other magnetostrictive rod.
  • both tensile stress and compressive stress are generated in one magnetostrictive rod as shown in FIG. That is, it is difficult to generate a uniform stress on one magnetostrictive rod.
  • the number of windings of the wire constituting the coil is preferably large, but for this, it is necessary to ensure a relatively large interval between the magnetostrictive rods.
  • the interval between the magnetostrictive rods is increased, it tends to be more difficult to generate uniform stress in one magnetostrictive rod.
  • the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a power generation element that can generate uniform stress in a magnetostrictive rod and efficiently generate power.
  • a magnetostrictive rod made of a magnetostrictive material and passing a line of magnetic force in the axial direction, and a reinforcing rod made of a nonmagnetic material and having a function of applying an appropriate stress to the magnetostrictive rod are provided together and joined together.
  • a composite rod joined at the part, The magnetic field lines are arranged so as to pass in the axial direction, and a coil that generates a voltage based on a change in density thereof, The other end of the composite rod is relatively displaced in a direction substantially perpendicular to the axial direction of the composite rod, and the magnetostrictive rod is expanded and contracted to change the density of the lines of magnetic force.
  • a power generation element made of a magnetostrictive material and passing a line of magnetic force in the axial direction, and a reinforcing rod made of a nonmagnetic material and having a function of applying an appropriate stress to the magnetostrictive rod are provided together and joined together.
  • a composite rod joined at the part, The magnetic field lines are
  • the reinforcing rod has a cross-sectional area that decreases from the one end of the composite rod toward the other end
  • the magnetostrictive rod has a cross-sectional area that is the one end of the composite rod.
  • Said coil is provided with the bobbin arrange
  • the displacement of the other end of the composite rod is performed by applying vibration to the composite rod, and the gap has a size such that the bobbin and the composite rod vibrating do not interfere with each other (7 ).
  • a reinforcing rod having a function of imparting an appropriate stress to the magnetostrictive rod is joined to the magnetostrictive rod to form a composite rod, whereby uniform stress is applied to the magnetostrictive rod when the magnetostrictive rod is expanded and contracted.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of the power generating element of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the power generation element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view of the power generating element shown in FIG. 4 is a longitudinal sectional view (a sectional view taken along line AA in FIG. 1) of the power generating element shown in FIG.
  • FIG. 5 is an analysis diagram analyzing the stress generated in the composite rod.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of the power generating element of the present invention.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a third embodiment of the power generating element of the present invention.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing a fourth embodiment of the power generating element of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a fifth embodiment of the power generating element of the present invention.
  • FIG. 10 is an analysis diagram in which stresses generated in two magnetostrictive rods arranged in parallel are analyzed.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of the power generating element of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the power generating element shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a plan view of the power generating element shown in FIG.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the power generating element shown in FIG. 1 (a sectional view taken along the line AA in FIG. 1)
  • FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of the power generating element of the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the power generating element shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a plan view of the power generating element shown in FIG.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the power generating element shown in FIG. 1 (a sectional view taken along the line AA in FIG. 1)
  • FIGS. 1, 2, and 4 and the front side in FIG. 3 are referred to as “upper” or “upward”, and the lower side in FIGS.
  • the back side in FIG. 3 is referred to as “down” or “down”.
  • the right side in FIGS. 1 to 4 is referred to as a “tip”, and the left side is referred to as a “base end”.
  • a power generation element 1 shown in FIGS. 1 and 2 includes a composite rod 4 formed by joining a magnetostrictive rod 2 that passes magnetic lines of force in the axial direction and a reinforcing rod 3 having a function of applying an appropriate stress to the magnetostrictive rod 2;
  • the tip end (the other end) is displaced relative to the base end (one end) of the composite rod 4 in a direction substantially perpendicular to the axial direction, that is, as shown in FIG.
  • the magnetostrictive rod 2 is expanded and contracted by moving in the direction.
  • the magnetic permeability of the magnetostrictive rod 2 changes due to the inverse magnetostriction effect, and the density of the magnetic lines passing through the magnetostrictive rod 2 (the density of the magnetic lines passing through the coil 5) changes, whereby a voltage is generated in the coil 5.
  • the magnetostrictive rod 2 is made of a magnetostrictive material, and is arranged with the direction in which magnetization is likely to occur (direction of easy magnetization) as the axial direction.
  • the magnetostrictive rod 2 has a long rectangular column shape, and passes magnetic lines of force in its axial direction.
  • the magnetostrictive rod 2 includes a main body portion 21 on the distal end side and a thin portion 22 having a thickness smaller than that of the main body portion 21 on the proximal end side.
  • the magnetostrictive rod 2 (composite rod 4) is connected to the first connecting portion 6 at the thin portion 22.
  • the magnetostrictive rod 2 (composite rod 4) is connected to the second connecting portion 7 at the tip thereof.
  • the thickness (transverse area) of the main body portion 21 is substantially constant along the axial direction.
  • the average thickness of the main body 21 is not particularly limited, but is preferably about 0.3 to 10 mm, and more preferably about 0.5 to 5 mm.
  • the average cross-sectional area of the main body 21 is preferably about 0.2 to 200 mm 2 , and more preferably about 0.5 to 50 mm 2 .
  • the average thickness of the thin portion 22 is not particularly limited, but is preferably about 0.2 to 6 mm, and more preferably about 0.3 to 3 mm.
  • the average cross-sectional area of the thin portion 22 is preferably about 0.1 to 80 mm 2 , and more preferably about 0.2 to 20 mm 2 .
  • a through hole 221 is formed in the thin portion 22 so as to penetrate in the thickness direction.
  • the pin 62 of the first connecting portion 6 is inserted into the through hole 221, whereby the magnetostrictive rod 2 (composite rod 4) is fixed (connected) to the main body portion 61 of the first connecting portion 6.
  • a through-hole 211 is formed at the tip of the main body 21 so as to penetrate in the thickness direction.
  • the pin 72 of the second connecting portion 7 is inserted into the through hole 211, whereby the magnetostrictive rod 2 (composite rod 4) is fixed (connected) to the main body portion 71 of the second connecting portion 7.
  • the Young's modulus of the magnetostrictive material is preferably about 40 to 100 GPa, more preferably about 50 to 90 GPa, and further preferably about 60 to 80 GPa.
  • the magnetostrictive rod 2 can be expanded and contracted more greatly. For this reason, since the magnetic permeability of the magnetostrictive rod 2 can be changed more greatly, the power generation efficiency of the power generation element 1 (coil 5) can be further improved.
  • Such a magnetostrictive material is not particularly limited, and examples thereof include an iron-gallium alloy, an iron-cobalt alloy, an iron-nickel alloy, and the like, and one or more of these can be used in combination. .
  • a magnetostrictive material mainly composed of an iron-gallium alloy (Young's modulus: about 70 GPa) is preferably used.
  • a magnetostrictive material whose main component is an iron-gallium alloy is easy to set in the Young's modulus range as described above.
  • the magnetostrictive material as described above preferably contains at least one of rare earth metals such as Y, Pr, Sm, Tb, Dy, Ho, Er, and Tm. Thereby, the change of the magnetic permeability of the magnetostriction stick
  • rod 2 can be enlarged more.
  • the magnetostrictive rod 2 is provided with a reinforcing rod 3 which is joined to each other by a joint (joint surface) 41 to form a composite rod 4.
  • the reinforcing bar (rigid bar) 3 is made of a nonmagnetic material.
  • the magnetic lines of force pass through the power generating element 1 (composite bar 4)
  • the magnetic lines of force selectively pass in the axial direction of the magnetostrictive rod 2 without passing in the axial direction of the reinforcing bar 3.
  • This reinforcing bar 3 has the same shape as the magnetostrictive bar 2. That is, the reinforcing rod 3 has a long rectangular column shape, and includes a main body portion 31 on the distal end side and a thin portion 22 whose thickness is thinner than the main body portion 31 on the proximal end side.
  • the reinforcing rod 3 (composite rod 4) is connected to the first connecting portion 6 at the thin portion 32.
  • the reinforcing bar 3 (composite bar 4) is connected to the second connecting part 7 at the tip part.
  • the reinforcing rod 3 has a substantially constant thickness (cross-sectional area) of the main body 31 along the axial direction.
  • the average thickness (average cross-sectional area) of the main body 31 is not particularly limited, but can be equivalent to the average thickness (average cross-sectional area) of the main body 21 of the magnetostrictive rod 2.
  • the average thickness (average cross-sectional area) of the thin portion 32 is not particularly limited, but can be equivalent to the average thickness (average cross-sectional area) of the thin portion 22 of the magnetostrictive rod 2.
  • a through hole 321 is formed in the thin portion 32 so as to penetrate in the thickness direction.
  • the pin 62 of the first connecting portion 6 is inserted into the through-hole 321, whereby the reinforcing rod 3 (composite rod 4) is fixed (connected) to the main body portion 61 of the first connecting portion 6.
  • a through-hole 311 is formed at the tip of the main body 31 so as to penetrate in the thickness direction.
  • the pin 72 of the second connecting portion 7 is inserted into the through hole 311, whereby the reinforcing rod 3 (composite rod 4) is fixed (connected) to the main body portion 71 of the second connecting portion 7.
  • the Young's modulus of the nonmagnetic material constituting the reinforcing rod 3 and the Young's modulus of the magnetostrictive material constituting the magnetostrictive rod 2 may be different, but are preferably substantially equal. Accordingly, the vertical rigidity of the composite rod 4 can be made uniform regardless of the overall shape of the composite rod 4, and the tip of the composite rod 4 is in a direction substantially perpendicular to the axial direction with respect to the base end. It can be displaced smoothly and reliably.
  • the Young's modulus of the nonmagnetic material is preferably about 40 to 100 GPa, more preferably about 50 to 90 GPa, and further preferably about 60 to 80 GPa.
  • Such a non-magnetic material is not particularly limited, and examples thereof include metal materials, semiconductor materials, ceramic materials, resin materials, and the like, and these can be used alone or in combination.
  • a resin material it is preferable to add a filler in a resin material.
  • a nonmagnetic material whose main component is a metal material
  • a nonmagnetic material whose main component is at least one of aluminum, magnesium, zinc, copper and alloys containing these. More preferred.
  • the Young's modulus of aluminum and its alloy is about 70 GPa
  • the Young's modulus of magnesium and its alloy is about 40 GPa
  • the Young's modulus of zinc and its alloy is about 80 GPa
  • the Young's modulus of copper and its alloy (brass) is about 80 GPa.
  • the main body portion 31 of the reinforcing rod 3 and the main body portion 21 of the magnetostrictive rod 2 are joined and integrated with each other at the joint portion 41.
  • a method for joining the reinforcing rod 3 and the magnetostrictive rod 2 for example, ultrasonic joining, solid-phase diffusion joining performed through a solid-state insert metal, or a liquid-phase insert metal is possible.
  • Diffusion bonding such as liquid phase diffusion bonding (TLP bonding) performed through a metal, bonding using a resin adhesive such as an epoxy adhesive, brazing using a metal brazing material such as gold, silver, copper, nickel alloy
  • TLP bonding liquid phase diffusion bonding
  • a resin adhesive such as an epoxy adhesive
  • brazing using a metal brazing material such as gold, silver, copper, nickel alloy
  • the magnetostrictive rod 2 is uniformly compressed. Stress can be generated.
  • the tip of the composite bar 4 is displaced upward, a uniform tensile stress can be generated in the magnetostrictive bar 2.
  • the coil 5 is arranged on the outer periphery of the portion corresponding to the joint portion 41 of the composite rod 4 so as to surround the joint portion 41.
  • the coil 5 is configured by winding the wire 52 around the outer periphery of the joint portion 41. Thereby, the coil 5 is arrange
  • a voltage is generated in the coil 5 based on a change in the magnetic permeability of the magnetostrictive rod 2, that is, a change in the density of magnetic lines of force (magnetic flux density) passing through the magnetostrictive rod 2.
  • the volume of the coil 5 is not limited, the number of windings of the wire constituting the coil 5 and the wire
  • the range of choices such as cross-sectional area (wire diameter) is expanded.
  • the wire 52 Although it does not specifically limit as the wire 52, for example, the wire which coat
  • the number of windings of the wire 52 is appropriately set according to the cross-sectional area of the wire 52, and is not particularly limited, but is preferably about 100 to 500, and more preferably about 150 to 450.
  • the cross-sectional area of the wire 52 is preferably from 5 ⁇ 10 -4 ⁇ 0.126mm 2 mm, and more preferably 2 ⁇ 10 -3 ⁇ 0.03mm 2 approximately.
  • the cross-sectional shape of the wire 52 may be any shape such as a polygon such as a triangle, a square, a rectangle, and a hexagon, a circle, and an ellipse.
  • a first connecting portion 6 is provided at the base end of the composite rod 4.
  • the 1st connection part 6 functions as a fixing
  • the first connecting portion 6 is composed of a main body portion 61 and a pin 62.
  • the main body 61 is composed of a block body in which grooves 611 and 612 that penetrate from the distal end to the proximal end are formed at substantially the center of the upper and lower surfaces. That is, the main body 61 has an H shape when viewed from the base end (or the front end).
  • the main body 61 is formed with a through hole 613 penetrating in the thickness direction at a position corresponding to the central portion of the grooves 611 and 612.
  • the thin portion 32 of the reinforcing rod 3 is inserted into the groove 611 and the thin portion 22 of the magnetostrictive rod 2 is inserted into the groove 612, and the through hole 321, the through hole 613, and the through hole 221 are inserted.
  • the pin 62 is inserted therethrough, whereby the composite rod 4 is fixed to the first connecting portion 6.
  • the pin 62 is formed of a cylindrical member, and for example, by fitting, caulking, welding, bonding with an adhesive, or the like to the magnetostrictive rod 2, the reinforcing rod 3, and the main body 61. It is fixed.
  • the pin 62 may be formed of a screw that is screwed to the magnetostrictive rod 2, the reinforcing rod 3, and the main body portion 61.
  • a second connecting portion 7 is provided at the tip of the composite rod 4.
  • the second connecting portion 7 is a portion that applies an external force or vibration to the composite rod 4.
  • the composite rod 4 has its base end as a fixed end, and the tip reciprocates in the vertical direction. (The distal end is displaced relative to the proximal end).
  • the second connecting portion 7 is composed of a main body portion 71 and a pin 72.
  • the main body 71 is composed of a block body in which an insertion portion 711 penetrating from the distal end to the proximal end is formed. That is, the main body 71 has a rectangular tube shape. Further, through holes 712 and 713 penetrating in the thickness direction are formed in the central portion of the upper surface and the lower surface of the main body 71.
  • the tip of the composite rod 4 is inserted into the insertion portion 711, and the pin 72 is inserted through the through hole 712, the through hole 311, the through hole 211, and the through hole 713. 4 is fixed to the second connecting portion 7.
  • the pin 72 is composed of a cylindrical member, and for example, by fitting, caulking, welding, bonding with an adhesive, or the like to the magnetostrictive rod 2, the reinforcing rod 3, and the main body 71. It is fixed.
  • the pin 72 may be formed of a screw that is screwed to the magnetostrictive rod 2, the reinforcing rod 3, and the main body portion 71.
  • the composite rod 4 can be securely fixed, and the composite rod 4 (particularly, the magnetostrictive rod 2) has sufficient rigidity to apply a uniform stress.
  • a material having ferromagnetism capable of applying a bias magnetic field to the magnetostrictive rod 2 is not particularly limited. Examples of the material having the above characteristics include pure iron (for example, JIS SUY), soft iron, carbon steel, electromagnetic steel (silicon steel), high-speed tool steel, structural steel (for example, JIS SS400), stainless marmalloy, and the like. These can be used, and one or more of these can be used in combination.
  • constituent material of the pins 62 and 72 for example, a resin material, a ceramic material, or the like can be used in addition to the same material as the constituent material of the main body portions 61 and 71, respectively.
  • a magnetic field application mechanism 8 for applying a bias magnetic field to the magnetostrictive rod 2 is provided on the right side of the composite rod 4.
  • the magnetic field application mechanism 8 includes a permanent magnet 81 fixed to the right side of the main body portion 61, a permanent magnet 82 fixed to the right side of the main body portion 71, and a permanent magnet 81,
  • the plate-shaped yoke 83 is connected to the permanent magnet 82.
  • the permanent magnet 81 is disposed with the S pole on the main body 61 side and the N pole on the yoke 83 side, and the permanent magnet 82 is disposed on the main body 71 side with the S pole on the yoke 71 side. It is arranged on the 83 side. As a result, a magnetic field loop around the counterclockwise direction is formed in the power generating element 1.
  • the constituent material of the yoke 83 for example, the same material as that of the main body portions 61 and 71 can be used.
  • the permanent magnets 81 and 82 may be, for example, alnico magnets, ferrite magnets, neodymium magnets, samarium cobalt magnets, or magnets obtained by molding composite materials obtained by pulverizing them and kneading them into resin materials or rubber materials (bond magnets). ) Etc. can be used.
  • the yoke 83 is preferably fixed together with the permanent magnets 81 and 82, for example, by bonding with an adhesive or the like.
  • the magnetic permeability of the magnetostrictive rod 2 changes due to the inverse magnetostrictive effect, and the density of magnetic lines of force passing through the magnetostrictive bar 2 (density of magnetic lines of force penetrating through the lumen of the coil 5 in the axial direction) changes. As a result, a voltage is generated in the coil 5.
  • uniform stress compressive stress or tensile stress
  • the power generation efficiency of the power generation element 1 can be improved.
  • the ratio which contributes to the electric power generation per volume of a magnetostrictive material can be raised, it contributes also to the weight reduction, size reduction, and price reduction of the electric power generation element 1.
  • FIG. The power generation amount of the power generation element 1 is not particularly limited, but is preferably about 100 to 1400 ⁇ J. If the power generation amount (power generation capability) of the power generation element 1 is within the above range, for example, by combining with a wireless device, it can be effectively used for a home lighting wireless switch, a home security system, and the like described later.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of the power generating element of the present invention.
  • the upper side in FIG. 6 is referred to as “upper” or “upper”, and the lower side in FIG. 6 is referred to as “lower” or “lower”.
  • the right side in FIG. 6 is referred to as “tip”, and the left side is referred to as “base end”.
  • the power generation element of the second embodiment will be described focusing on the differences from the power generation element of the first embodiment, and description of similar matters will be omitted.
  • the overall shape of the composite rod 4 is different, and the rest is the same as the power generation element 1 of the first embodiment. That is, as shown in FIG. 6, the thickness (cross-sectional area of the composite rod 4) in the longitudinal section of the composite rod 4 of the second embodiment continuously decreases from the proximal end toward the distal end.
  • the stress distribution generated in the magnetostrictive rod 2 can be controlled more reliably, Stress can be more uniformly applied to the axial direction of the magnetostrictive rod 2. For this reason, the variation
  • rod 2 can be enlarged more, and the electric power generation efficiency of the electric power generation element 1 can be improved more. Further, since the stress applied to the magnetostrictive rod 2 becomes more uniform, durability against external force and vibration of the magnetostrictive rod 2 can be improved.
  • the power generation element 1 according to the second embodiment produces the same operations and effects as the power generation element 1 according to the first embodiment.
  • the composite bar 4 may have a configuration in which the cross-sectional area gradually decreases from the base end toward the tip end.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a third embodiment of the power generating element of the present invention.
  • the upper side in FIG. 7 is referred to as “upper” or “upper”, and the lower side is referred to as “lower” or “lower”.
  • the right side in FIG. 7 is referred to as “tip”, and the left side is referred to as “base end”.
  • the power generating element of the third embodiment will be described focusing on the differences from the power generating elements of the first and second embodiments, and the description of the same matters will be omitted.
  • the relationship between the thickness of the main body portion 21 of the magnetostrictive rod 2 and the thickness of the main body portion 31 of the reinforcing rod 3 is different, and other than that, the same as the power generation element 1 of the second embodiment. It is. That is, as shown in FIG. 7, in the composite rod 4 of the third embodiment, the thickness (cross-sectional area) of the reinforcing rod 3 continuously decreases from the proximal end to the distal end at the joint portion 41, and The thickness (cross-sectional area) of the magnetostrictive rod 2 is substantially constant from the proximal end to the distal end.
  • the part where the stress generated in the entire composite bar 4 is the most uniform and high is concentrated near the surface in the displacement direction of the composite bar. Therefore, since the amount of the expensive magnetostrictive material used can be reduced by disposing the magnetostrictive rod 2 having a substantially constant thickness (cross-sectional area) in the axial direction in the portion, the production of the power generating element 1 can be reduced. Cost can be further reduced.
  • the reinforcing rod 3 having a relatively complicated shape can be formed using a method such as press working, forging, or casting.
  • the magnetostrictive rod 2 having a relatively simple shape can be formed using a method such as cutting or laser processing.
  • a magnetostrictive material for example, an iron-gallium alloy
  • a method such as cutting or laser processing is a little difficult.
  • the residual stress due to bending, forging, or pressing affects the inverse magnetostriction effect of the magnetostrictive rod 2
  • the ability of the magnetostrictive rod 2 to transmit the lines of magnetic force may be reduced depending on the processing conditions.
  • the magnetostrictive rod 2 is preferably as simple as possible, and a flat plate having a substantially uniform thickness is a particularly preferable shape.
  • the flat magnetostrictive rod 2 since the flat magnetostrictive rod 2 is used, the assembly of the power generating element 1 and the workability of the magnetostrictive rod 2 can be improved.
  • the power generating element 1 that can maximize the effect while minimizing the amount of magnetostrictive material used.
  • B / A is 0.8 or more.
  • B / A is 1 or more, more preferably 1.2 or more.
  • the power generation element 1 according to the third embodiment produces the same operations and effects as those of the power generation element 1 according to the first and second embodiments.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing a fourth embodiment of the power generating element of the present invention.
  • the upper side in FIG. 8 is referred to as “upper” or “upper”, and the lower side is referred to as “lower” or “lower”.
  • the right side in FIG. 8 is referred to as “tip”, and the left side is referred to as “base end”.
  • the power generation element of the fourth embodiment will be described focusing on the differences from the power generation elements of the first to third embodiments, and description of similar matters will be omitted.
  • the power generation element 1 of the fourth embodiment is different from the power generation element 1 of the third embodiment except for the arrangement position and configuration of the coil 5. That is, as shown in FIG. 8, in the power generating element 1 of the fourth embodiment, the coil 5 is disposed on the outer peripheral side of the joint portion 41 of the composite rod 4 so as to surround the composite rod 4, and the bobbin 51 The wire 52 is wound around the bobbin 51.
  • the bobbin 51 is composed of a rectangular cylinder, and is fixed to the front end surface of the main body 61 of the first connecting portion 6 by a method such as fusion, welding, or adhesion using an adhesive. For this reason, in this embodiment, the composite rod 4 can be displaced independently from the coil 5 inside the bobbin 51. Therefore, even if the composite rod 4 is displaced, the wire constituting the coil 5 is not deformed. As a result, the durability of the coil 5 can be improved.
  • the rectangular cylindrical body constituting the bobbin 51 has a lumen portion having a substantially constant cross-sectional area, a gap in which the separation distance gradually increases toward the distal end side between the composite rod 4 and the bobbin 51. 511 is formed.
  • the gap 511 is set to have a size such that the bobbin 51 and the vibrating composite rod 4 do not interfere with each other, that is, a size larger than the amplitude of the composite rod 4 when the composite rod 4 is displaced by vibration. Thereby, the electric power generation element 1 can generate electric power efficiently.
  • the constituent material of the bobbin 51 for example, the same material as the constituent material of the reinforcing rod 3 can be used.
  • the power generation element 1 according to the fourth embodiment produces the same operations and effects as the power generation elements 1 according to the first to third embodiments.
  • the bobbin 51 may be omitted by fixing and integrating the wire 52 of the coil 5. Further, the gap 511 may be formed between the composite rod 4 and the bobbin 51 and over the entire joint portion 41 (full length).
  • FIG. 9 is a perspective view showing a fifth embodiment of the power generating element of the present invention.
  • the upper side in FIG. 9 is referred to as “upper” or “upper”, and the lower side is referred to as “lower” or “lower”.
  • the right side in FIG. 9 is referred to as “tip”, and the left side is referred to as “base end”.
  • the power generation element of the fifth embodiment will be described focusing on the differences from the power generation elements of the first to fourth embodiments, and description of similar matters will be omitted.
  • the power generation element 1 of the fifth embodiment is different from the power generation element 1 of the first embodiment except that the arrangement position of the coil 5 is different. That is, as shown in FIG. 9, in the power generating element 1 of the fifth embodiment, the coil 5 is configured by winding the wire 52 around the outer periphery of the yoke 83 instead of the outer periphery of the composite rod 4. That is, the coil 5 is disposed so that the magnetic lines of force after passing through the magnetostrictive rod 2 pass in the axial direction (penetrate the lumen portion).
  • the power generation element 1 according to the fifth embodiment produces the same operations and effects as the power generation elements 1 according to the first to fourth embodiments.
  • the power generation element as described above includes a transmitter power source, a sensor network power source, a home lighting wireless switch, a system for monitoring the state of each part of the vehicle (for example, a tire pressure sensor, a seat belt wearing detection sensor), and a home security system. (In particular, it can be used for a system that notifies operation detection of windows and doors wirelessly).
  • one of the two permanent magnets can be omitted, and one or both of the permanent magnets can be replaced with an electromagnet.
  • the power generation element of the present invention may be configured to generate power using an external magnetic field (external magnetic field), omitting both permanent magnets.
  • the magnetostrictive rod and the reinforcing rod both have a rectangular cross-sectional shape, such as a circular shape, an elliptical shape, a triangular shape, a square shape, and a hexagonal shape. It may be a polygonal shape. However, from the viewpoint of securing the bonding strength between the magnetostrictive rod and the reinforcing rod, a shape in which both the magnetostrictive rod and the reinforcing rod have a flat joining surface, particularly a rectangular shape, is preferable.
  • a reinforcing rod having a function of imparting an appropriate stress to the magnetostrictive rod is joined to the magnetostrictive rod to form a composite rod, whereby uniform stress is applied to the magnetostrictive rod when the magnetostrictive rod is expanded and contracted.
  • the present invention has industrial applicability.

Abstract

　発電素子は、磁歪材料で構成され、軸方向に磁力線を通過させる磁歪棒と、非磁性材料で構成され、磁歪棒に適切な応力を付与する機能を有する補強棒とを併設するとともに、互いに接合部で接合してなる複合棒と、磁力線が軸方向に通過するように配置され、その密度の変化に基づいて電圧が発生するコイルとを有し、複合棒の一端に対して他端を、その軸方向とほぼ垂直な方向に相対的に変位させて磁歪棒を伸縮させることにより、磁力線の密度を変化させるよう構成した。

Description

発電素子
　本発明は、発電素子に関する。
　近年、磁歪材料で構成された磁歪棒の透磁率の変化を利用して発電する発電素子が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
　この発電素子は、例えば、併設された一対の磁歪棒と、これらの磁歪棒を連結する連結ヨークと、各磁歪棒を囲むように設けられたコイルと、磁歪棒にバイアス磁界を印加する永久磁石およびバックヨークとを備えている。そして、磁歪棒の軸方向に対して垂直な方向に、連結ヨークに外力を付与すると、一方の磁歪棒が伸長するように変形し、他方の磁歪棒が収縮するように変形する。このとき、各磁歪棒を通過する磁力線の密度（磁束密度）、すなわち、各コイルを貫く磁力線の密度が変化し、これにより、各コイルに電圧が発生する。
　発電効率を向上する観点から、かかる発電素子では、一方の磁歪棒には引張応力が選択的に生じ、他方の磁歪棒には圧縮応力が選択的に生じることが好ましい。しかしながら、各磁歪棒に生じる応力について解析すると、図１０に示すように、１つの磁歪棒において、引張応力と圧縮応力との双方が生じてしまう。すなわち、１つの磁歪棒に一様な応力を生じさせることが難しい。
　また、発電効率を向上する観点からは、コイルを構成する線材の巻き数は、多い方がよいが、これには、磁歪棒同士の間隔を比較的大きく確保する必要がある。しかしながら、磁歪棒同士の間隔を大きくすると、１つの磁歪棒に一様な応力を生じさせることがより困難となる傾向がある。
WO２０１１／１５８４７３
　本発明は、上記従来の問題点を鑑みたものであり、その目的は、磁歪棒に一様な応力を生じさせ、効率よく発電を行い得る発電素子を提供することにある。
　このような目的は以下の（１）～（１２）の本発明により達成される。
　（１）　磁歪材料で構成され、軸方向に磁力線を通過させる磁歪棒と、非磁性材料で構成され、前記磁歪棒に適切な応力を付与する機能を有する補強棒とを併設するとともに、互いに接合部で接合してなる複合棒と、
　前記磁力線が軸方向に通過するように配置され、その密度の変化に基づいて電圧が発生するコイルとを有し、
　前記複合棒の一端に対して他端を、その軸方向とほぼ垂直な方向に相対的に変位させて前記磁歪棒を伸縮させることにより、前記磁力線の密度を変化させるよう構成したことを特徴とする発電素子。
　（２）　前記接合部において、前記磁歪棒の横断面積の平均値をＡ［ｍｍ２］とし、前記補強棒の横断面積の平均値をＢ［ｍｍ２］としたとき、Ｂ／Ａが０．８以上である上記（１）に記載の発電素子。
　（３）　前記接合部において、前記複合棒は、その横断面積が前記一端から前記他端に向かって減少している上記（１）または（２）に記載の発電素子。
　（４）　前記接合部において、前記補強棒は、その横断面積が前記複合棒の前記一端から前記他端に向かって減少し、かつ、前記磁歪棒は、その横断面積が前記複合棒の前記一端から前記他端に向かってほぼ一定である上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の発電素子。
　（５）　前記コイルは、前記複合棒の前記接合部の外周側に、前記複合棒を囲むように配置されている上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の発電素子。
　（６）　前記コイルは、前記複合棒の前記接合部の外周側に、前記複合棒を囲むように配置されたボビンと、該ボビンに巻回された線材とを備える上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の発電素子。
　（７）　前記複合棒と前記ボビンとの間には、少なくとも前記複合棒の前記他端の側において空隙が形成されている上記（６）に記載の発電素子。
　（８）　前記複合棒の前記他端の変位は、前記複合棒に振動を付与することによりなされ、前記空隙は、前記ボビンと振動する前記複合棒とが干渉しないようなサイズを有する上記（７）に記載の発電素子。
　（９）　前記磁歪材料のヤング率と、前記非磁性材料のヤング率とがほぼ等しい上記（１）ないし（８）のいずれかに記載の発電素子。
　（１０）　前記磁歪材料のヤング率および前記非磁性材料のヤング率は、それぞれ、４０～１００ＧＰａである上記（１）ないし（９）のいずれかに記載の発電素子。
　（１１）　前記磁歪材料は、鉄－ガリウム系合金を主成分とする上記（１）ないし（１０）のいずれかに記載の発電素子。
　（１２）　前記非磁性材料は、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、銅およびこれらを含む合金のうちの少なくとも１種を主成分とする上記（１）ないし（１１）のいずれかに記載の発電素子。
　本発明によれば、磁歪棒に適切な応力を付与する機能を有する補強棒を、磁歪棒に接合して複合棒とすることにより、磁歪棒を伸縮させる際に磁歪棒に一様な応力を生じさせることができ、その結果、発電効率を向上することができる。
図１は、本発明の発電素子の第１実施形態を示す斜視図である。 図２は、図１に示す発電素子の分解斜視図である。 図３は、図１に示す発電素子の平面図である。 図４は、図１に示す発電素子の縦断面図（図１中のＡ－Ａ線断面図）である。 図５は、複合棒に生じる応力を解析した解析図である。 図６は、本発明の発電素子の第２実施形態を示す縦断面図である。 図７は、本発明の発電素子の第３実施形態を示す縦断面図である。 図８は、本発明の発電素子の第４実施形態を示す縦断面図である。 図９は、本発明の発電素子の第５実施形態を示す斜視図である。 図１０は、平行に併設された２つの磁歪棒に生じる応力を解析した解析図である。
　以下、本発明の発電素子を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて説明する。
　＜第１実施形態＞
　まず、本発明の発電素子の第１実施形態について説明する。
　図１は、本発明の発電素子の第１実施形態を示す斜視図、図２は、図１に示す発電素子の分解斜視図、図３は、図１に示す発電素子の平面図、図４は、図１に示す発電素子の縦断面図（図１中のＡ－Ａ線断面図）、図５は、複合棒に生じる応力を解析した解析図である。
　なお、以下の説明では、図１、図２および図４中の上側および図３中の紙面手前側を「上」または「上方」と言い、図１、図２および図４中の下側および図３中の紙面奥側を「下」または「下方」と言う。また、図１～図４中の右側を「先端」と言い、左側を「基端」と言う。
　図１および図２に示す発電素子１は、軸方向に磁力線を通過させる磁歪棒２と磁歪棒２に適切な応力を付与する機能を有する補強棒３とを接合してなる複合棒４と、複合棒４が挿通されたコイル５と、複合棒４の両端部にそれぞれ設けられた第１の連結部６および第２の連結部７と、磁歪棒２にバイアス磁界を印加する磁界印加機構８とを有している。
　かかる発電素子１では、複合棒４の基端（一端）に対して先端（他端）を、その軸方向とほぼ垂直な方向に相対的に変位させて、すなわち、図４に示すように上下方向に移動させて、磁歪棒２を伸縮させる。このとき、逆磁歪効果により磁歪棒２の透磁率が変化し、磁歪棒２を通過する磁力線の密度（コイル５を貫く磁力線の密度）が変化することにより、コイル５に電圧が発生する。
　以下、各部の構成について説明する。
　＜＜磁歪棒２＞＞
　磁歪棒２は、磁歪材料で構成され、磁化が生じ易い方向（磁化容易方向）を軸方向として配置されている。この磁歪棒２は、長尺の四角柱状をなしており、その軸方向に磁力線を通過させる。
　また、磁歪棒２は、その先端側に本体部２１と、基端側に厚さが本体部２１より薄い薄肉部２２とを備えている。磁歪棒２（複合棒４）は、この薄肉部２２において第１の連結部６に連結されている。一方、磁歪棒２（複合棒４）は、その先端部において第２の連結部７に連結されている。
　本実施形態では、磁歪棒２は、本体部２１の厚さ（横断面積）が軸方向に沿ってほぼ一定となっている。本体部２１の平均厚さは、特に限定されないが、０．３～１０ｍｍ程度であるのが好ましく、０．５～５ｍｍ程度であるのがより好ましい。なお、本体部２１の平均横断面積では、０．２～２００ｍｍ２程度であるのが好ましく、０．５～５０ｍｍ２程度であるのがより好ましい。
　また、薄肉部２２の平均厚さも、特に限定されないが、０．２～６ｍｍ程度であるのが好ましく、０．３～３ｍｍ程度であるのがより好ましい。なお、薄肉部２２の平均横断面積では、０．１～８０ｍｍ２程度であるのが好ましく、０．２～２０ｍｍ２程度であるのがより好ましい。
　かかる構成により、磁歪棒２の軸方向に磁力線を確実に通過させることができるとともに、本体部２１と薄肉部２２との境界部（段差部）における磁歪棒２の機械的強度の低下を防止することができる。
　また、薄肉部２２には、その厚さ方向に貫通して貫通孔２２１が形成されている。この貫通孔２２１に第１の連結部６のピン６２が挿入され、これにより、磁歪棒２（複合棒４）が第１の連結部６の本体部６１に固定（連結）される。
　一方、本体部２１の先端部には、その厚さ方向に貫通して貫通孔２１１が形成されている。この貫通孔２１１に第２の連結部７のピン７２が挿入され、これにより、磁歪棒２（複合棒４）が第２の連結部７の本体部７１に固定（連結）される。
　磁歪材料のヤング率は、４０～１００ＧＰａ程度であるのが好ましく、５０～９０ＧＰａ程度であるのがより好ましく、６０～８０ＧＰａ程度であるのがさらに好ましい。かかるヤング率を有する磁歪材料で磁歪棒２を構成することにより、磁歪棒２をより大きく伸縮させることができる。このため、磁歪棒２の透磁率をより大きく変化させることができるので、発電素子１（コイル５）の発電効率をより向上させることができる。
　かかる磁歪材料としては、特に限定されないが、例えば、鉄－ガリウム系合金、鉄－コバルト系合金、鉄－ニッケル系合金等が挙げられ、これらの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、鉄－ガリウム系合金（ヤング率：約７０ＧＰａ）を主成分とする磁歪材料が好適に用いられる。鉄－ガリウム系合金を主成分とする磁歪材料は、前述したようなヤング率の範囲に設定し易い。
　また、以上のような磁歪材料は、Ｙ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍのような希土類金属のうちの少なくとも１種を含むのが好ましい。これにより、磁歪棒２の透磁率の変化をより大きくすることができる。
　かかる磁歪棒２には、補強棒３が併設され、これらが接合部（接合面）４１で互いに接合され、複合棒４が構成されている。
　＜＜補強棒３＞＞
　補強棒（剛性棒）３は、非磁性材料で構成されている。これにより、磁力線が発電素子１（複合棒４）を通過する際は、磁力線は、補強棒３の軸方向に通過することなく、選択的に磁歪棒２の軸方向に通過することとなる。
　この補強棒３は、磁歪棒２と同様の形状をなしている。すなわち、補強棒３は、長尺の四角柱状をなしており、その先端側に本体部３１と、基端側に厚さが本体部３１より薄い薄肉部２２とを備えている。補強棒３（複合棒４）は、この薄肉部３２において第１の連結部６と連結されている。一方、補強棒３（複合棒４）は、その先端部において第２の連結部７に連結されている。
　本実施形態では、補強棒３は、本体部３１の厚さ（横断面積）が軸方向に沿ってほぼ一定となっている。本体部３１の平均厚さ（平均横断面積）は、特に限定されないが、前記磁歪棒２の本体部２１の平均厚さ（平均横断面積）と同等とすることができる。また、薄肉部３２の平均厚さ（平均横断面積）も、特に限定されないが、前記磁歪棒２の薄肉部２２の平均厚さ（平均横断面積）と同等とすることができる。
　これにより、複合棒４（発電素子１）が大型化するのを防止しつつ、補強棒３により磁歪棒２により適切な応力を付与することができる。また、本体部３１と薄肉部３２との境界部（段差部）における補強棒３の機械的強度の低下を防止することもできる。
　また、薄肉部３２には、その厚さ方向に貫通して貫通孔３２１が形成されている。この貫通孔３２１に第１の連結部６のピン６２が挿入され、これにより、補強棒３（複合棒４）が第１の連結部６の本体部６１に固定（連結）される。
　一方、本体部３１の先端部には、その厚さ方向に貫通して貫通孔３１１が形成されている。この貫通孔３１１に第２の連結部７のピン７２が挿入され、これにより、補強棒３（複合棒４）が第２の連結部７の本体部７１に固定（連結）される。
　補強棒３を構成する非磁性材料のヤング率と、磁歪棒２を構成する磁歪材料のヤング率とは、異なっていてもよいが、ほぼ等しいことが好ましい。これにより、複合棒４の全体形状に係らず、複合棒４において上下方向の剛性を均一にすることができ、複合棒４の基端に対して先端を、その軸方向とほぼ垂直な方向へ円滑かつ確実に変位させることができる。具体的には、非磁性材料のヤング率は、４０～１００ＧＰａ程度であるのが好ましく、５０～９０ＧＰａ程度であるのがより好ましく、６０～８０ＧＰａ程度であるのがさらに好ましい。
　かかる非磁性材料としては、特に限定されないが、例えば、金属材料、半導体材料、セラミックス材料、樹脂材料等が挙げられ、これらの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。なお、樹脂材料を用いる場合には、樹脂材料中にフィラーを添加することが好ましい。これらの中でも、金属材料を主成分とする非磁性材料を用いるのが好ましく、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、銅およびこれらを含む合金のうちの少なくとも１種を主成分とする非磁性材料を用いるのがより好ましい。
　なお、アルムニウムおよびその合金のヤング率は、約７０ＧＰａ、マグネシウムおよびその合金のヤング率は、約４０ＧＰａ、亜鉛およびその合金のヤング率は、約８０ＧＰａ、銅およびその合金（黄銅）のヤング率は、約８０ＧＰａである。これらの金属材料は、安価であるものの、磁歪棒２に適切な応力を付与し得る補強棒３を得ることができるので、発電素子１の製造コストの削減に寄与する。
　かかる補強棒３の本体部３１と磁歪棒２の本体部２１とが、接合部４１において互いに接合されて一体化されている。
　この補強棒３と磁歪棒２との接合方法（接合部４１の形成方法）としては、例えば、超音波接合、固相状態のインサート金属を介して行う固相拡散接合、液相状態のインサート金属を介して行う液相拡散接合（ＴＬＰ接合）のような拡散接合、エポキシ系接着剤等の樹脂系接着剤を用いた接着、金、銀、銅、ニッケル合金等の金属ろう材を用いたろう接等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
　このように補強棒３と磁歪棒２とを一体化して複合棒４を構成することにより、図５に示すように複合棒４の先端を下方に変位させると、磁歪棒２に一様な圧縮応力を生じさせることができる。また、図示しないが、複合棒４の先端を上方に変位させると、磁歪棒２に一様な引張応力を生じさせることができる。
　このため、高価な磁歪材料の体積当たりの発電に寄与する割合を高めることができるので、発電素子１の軽量化、小型化、低価格化を図ることができる。
　複合棒４の接合部４１に対応する部分の外周には、接合部４１を囲むように、コイル５が配置されている。
　＜＜コイル５＞＞
　コイル５は、線材５２を接合部４１の外周に巻回することにより構成されている。これにより、コイル５は、磁歪棒２を通過している磁力線が、その軸方向に通過する（内腔部を貫く）ように配設されている。このコイル５には、磁歪棒２の透磁率の変化、すなわち、磁歪棒２を通過する磁力線の密度（磁束密度）の変化に基づいて、電圧が発生する。
　かかる構成によれば、コイル５の体積に制限がなくなるため、発電効率、負荷インピーダンス、目標とする電圧値、目標とする電流値等に応じて、コイル５を構成する線材の巻き数、線材の横断面積（線径）等の選択の幅が広がる。
　線材５２としては、特に限定されないが、例えば、銅製の基線に絶縁被膜を被覆した線材や、銅製の基線に融着機能を付加した絶縁被膜を被覆した線材等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
　線材５２の巻き数は、線材５２の横断面積等に応じて適宜設定され、特に限定されないが、１００～５００程度であるのが好ましく、１５０～４５０程度であるのがより好ましい。
　また、線材５２の横断面積は、５×１０－４～０．１２６ｍｍ２程度であるのが好ましく、２×１０－３～０．０３ｍｍ２程度であるのがより好ましい。
　なお、線材５２の横断面形状は、例えば、三角形、正方形、長方形、六角形のような多角形、円形、楕円形等のいかなる形状であってもよい。
　複合棒４の基端には、第１の連結部６が設けられている。
　＜＜第１の連結部６＞＞
　第１の連結部６は、発電素子１を筐体等に固定するための固定部として機能する。第１の連結部６を介して発電素子１を固定することにより、複合棒４は、その基端を固定端、先端を可動端として片持ち支持される。この第１の連結部６は、本体部６１とピン６２とで構成されている。
　本体部６１は、その上面および下面のほぼ中央部に、先端から基端に貫通する溝６１１、６１２が形成されたブロック体で構成されている。すなわち、本体部６１は、基端（または先端）から見たときにＨ字状をなしている。また、本体部６１には、溝６１１、６１２の中央部に対応する位置に、厚さ方向に貫通する貫通孔６１３が形成されている。
　発電素子１を組み立てる際には、溝６１１に補強棒３の薄肉部３２が挿入されるとともに、溝６１２に磁歪棒２の薄肉部２２が挿入され、貫通孔３２１、貫通孔６１３および貫通孔２２１にわたってピン６２が挿通され、これにより、複合棒４が第１の連結部６に対して固定される。
　本実施形態では、ピン６２は、円柱状部材で構成されており、磁歪棒２、補強棒３および本体部６１に対して、例えば、嵌合、カシメ、溶接、接着剤による接着等の方法により固定されている。なお、ピン６２は、磁歪棒２、補強棒３および本体部６１に対して螺合する螺子で構成されてもよい。
　一方、複合棒４の先端部には、第２の連結部７が設けられている。
　＜＜第２の連結部７＞＞
　第２の連結部７は、複合棒４に対して外力や振動を付与する部位である。第２の連結部７に対して、図４の上または下への外力、または、上下方向の振動を付与すると、複合棒４は、その基端を固定端とし、先端が上下方向に往復動（先端が基端に対して相対的に変位）する。この第２の連結部７は、本体部７１とピン７２とで構成されている。
　本体部７１は、その先端から基端に貫通する挿入部７１１が形成されたブロック体で構成されている。すなわち、本体部７１は、四角筒状をなしている。また、本体部７１の上面および下面の中央部には、厚さ方向に貫通する貫通孔７１２、７１３が形成されている。
　発電素子１を組み立てる際には、挿入部７１１に複合棒４の先端部が挿入され、貫通孔７１２、貫通孔３１１、貫通孔２１１および貫通孔７１３にわたってピン７２が挿通され、これにより、複合棒４が第２の連結部７に対して固定される。
　本実施形態では、ピン７２は、円柱状部材で構成されており、磁歪棒２、補強棒３および本体部７１に対して、例えば、嵌合、カシメ、溶接、接着剤による接着等の方法により固定されている。なお、ピン７２は、磁歪棒２、補強棒３および本体部７１に対して螺合する螺子で構成されてもよい。
　本体部６１、７１の構成材料としては、それぞれ、複合棒４を確実に固定することができ、複合棒４（特に、磁歪棒２）に対して、一様な応力を付与し得る十分な剛性を備え、かつ、磁歪棒２にバイアス磁界を付与し得る強磁性を備える材料であれば、特に限定されない。上記の特性を備える材料としては、例えば、純鉄（例えば、ＪＩＳ　ＳＵＹ）、軟鉄、炭素鋼、電磁鋼（ケイ素鋼）、高速度工具鋼、構造鋼（例えば、ＪＩＳ　ＳＳ４００）、ステンレスマーマロイ等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
　また、ピン６２、７２の構成材料としては、それぞれ、本体部６１、７１の構成材料と同様の材料の他、例えば、樹脂材料、セラミックス材料等を用いることもできる。
　複合棒４の右側方には、磁歪棒２にバイアス磁界を印加する磁界印加機構８が設けられている。
　＜＜磁界印加機構８＞＞
　磁界印加機構８は、図１および図２に示すように、本体部６１の右側方に固定された永久磁石８１と、本体部７１の右側方に固定された永久磁石８２と、永久磁石８１と永久磁石８２とを接続する平板状のヨーク８３とで構成されている。
　図３に示すように、永久磁石８１は、Ｓ極を本体部６１側に、Ｎ極をヨーク８３側にして配置され、永久磁石８２は、Ｎ極を本体部７１側に、Ｓ極をヨーク８３側にして配置されている。これにより、発電素子１には、反時計間周りの磁界ループが形成されている。
　ヨーク８３の構成材料としては、例えば、本体部６１、７１の構成材料と同様の材料を用いることができる。また、永久磁石８１、８２には、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石や、それらを粉砕して樹脂材料やゴム材料に混練した複合素材を成形してなる磁石（ボンド磁石）等を用いることができる。なお、ヨーク８３は、永久磁石８１、８２とともに、例えば、接着剤等による接着により固定されるのが好ましい。
　このような発電素子１では、第１の連結部６を、例えば筐体等に固定した状態（図３参照）から、第２の連結部７を下方に向かって変位（回動）させると、すなわち、複合棒４の基端に対して先端を下方に向かって変位させると、磁歪棒２が軸方向に圧縮されるように変形する。一方、第２の連結部７を上方に向かって変位（回動）させると、すなわち、複合棒４の基端に対して先端を上方に向かって変位させると、磁歪棒２が軸方向に伸長されるように変形する。その結果、逆磁歪効果により磁歪棒２の透磁率が変化して、磁歪棒２を通過する磁力線の密度（コイル５の内腔部を軸方向に貫く磁力線の密度）が変化する。これにより、コイル５に電圧が発生する。
　特に、本発明では、磁歪棒２に一様な応力（圧縮応力または引張応力）を生じさせることができる。このため、発電素子１の発電効率を向上することができる。また、磁歪材料の体積当たりの発電に寄与する割合を高めることができるので、発電素子１の軽量化、小型化、低価格化にも寄与する。
　なお、発電素子１の発電量は、特に限定されないが、１００～１４００μＪ程度であるのが好ましい。発電素子１の発電量（発電能力）が上記範囲内であれば、例えば、無線装置と組み合わせることで、後述する住宅照明用無線スイッチや住宅セキュリティー用システム等に有効に利用することができる。
　＜第２実施形態＞
　次に、本発明の発電素子の第２実施形態について説明する。
　図６は、本発明の発電素子の第２実施形態を示す縦断面図である。
　なお、以下の説明では、図６中の上側を「上」または「上方」と言い、図６中の下側を「下」または「下方」と言う。また、図６中の右側を「先端」と言い、左側を「基端」と言う。
　以下、第２実施形態の発電素子について、前記第１実施形態の発電素子との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
　第２実施形態の発電素子１では、複合棒４の全体形状が異なり、それ以外は、前記第１実施形態の発電素子１と同様である。すなわち、図６に示すように、第２実施形態の複合棒４の縦断面における厚さ（複合棒４の横断面積）が基端から先端に向かって連続的に減少している。
　このように、複合棒４を、その厚さが固定側において大きく、可動側において小さくなるようなテーパ状とすることにより、磁歪棒２に生じる応力の分布をより確実に制御することができ、磁歪棒２の軸方向に対して、より均一に応力を付与することができる。このため、磁歪棒２の透磁率の変化量をより大きくすることができ、発電素子１の発電効率をより向上することができる。また、磁歪棒２に付与される応力がより均一となることで、磁歪棒２の外力や振動に対する耐久性も向上することができる。
　かかる第２実施形態の発電素子１によっても、前記第１実施形態の発電素子１と同様の作用・効果を生じる。
　なお、複合棒４は、その横断面積が基端から先端に向かって段階的に減少するような構成であってもよい。
　＜第３実施形態＞
　次に、本発明の発電素子の第３実施形態について説明する。
　図７は、本発明の発電素子の第３実施形態を示す縦断面図である。
　なお、以下の説明では、図７中の上側を「上」または「上方」と言い、下側を「下」または「下方」と言う。また、図７中の右側を「先端」と言い、左側を「基端」と言う。
　以下、第３実施形態の発電素子について、前記第１および第２実施形態の発電素子との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
　第３実施形態の発電素子１では、磁歪棒２の本体部２１の厚さと補強棒３の本体部３１の厚さとの関係が異なり、それ以外は、前記第２実施形態の発電素子１と同様である。すなわち、図７に示すように、第３実施形態の複合棒４は、接合部４１において、補強棒３の厚さ（横断面積）が基端から先端に向かって連続的に減少し、かつ、磁歪棒２の厚さ（横断面積）が基端から先端に向かってほぼ一定である。
　複合棒４全体において生じる応力が最も一様で、かつ、高くなる部位は、複合棒の変位方向における表面付近に集中する。したがって、当該部分に、厚さ（横断面積）が軸方向に対してほぼ一定の磁歪棒２を配置することにより、高価な磁歪材料の使用量を減少させることができるので、発電素子１の製造コストをさらに削減することができる。
　このような構成にすることにより、比較的複雑な形状の補強棒３を、例えば、プレス加工、鍛造、鋳造等の方法を用いて形成することができる。一方、比較的単純な形状の磁歪棒２を、例えば、切削加工、レーザー加工等の方法を用いて形成することができる。
　ここで、磁歪材料（例えば、鉄－ガリウム系合金）は、ある程度の延性を有するので、切削加工、レーザー加工等の方法を用いて形成することは容易であるが、曲げ加工、鍛造加工やプレス加工は若干難しい。また、曲げ加工、鍛造加工やプレス加工による残留応力は、磁歪棒２の逆磁歪効果に影響を与えるので、加工条件等によっては、磁歪棒２の磁力線を透過する能力が低下するおそれがある。したがって、磁歪棒２は、可能な限りシンプルな形状が好ましく、ほぼ均一な厚さを有する平板状は特に好ましい形状である。本実施形態では、この平板状の磁歪棒２を用いるため、発電素子１の組立性や、磁歪棒２の加工性を向上することができる。
　このように、本実施形態では、磁歪材料の使用量を最小にしつつも、その効果を最大限に発揮し得る発電素子１を得ることができる。
　また、磁歪棒２の横断面積の平均値をＡ［ｍｍ２］とし、補強棒３の横断面積の平均値をＢ［ｍｍ２］としたとき、Ｂ／Ａが０．８以上であるのが好ましく、１以上であるのがより好ましく、１．２以上であるのがさらに好ましい。これにより、発電素子１の製造コストをより確実に低減しつつ、発電素子１の発電効率をより向上することができる。
　かかる第３実施形態の発電素子１によっても、前記第１および第２実施形態の発電素子１と同様の作用・効果を生じる。
　＜第４実施形態＞
　次に、本発明の発電素子の第４実施形態について説明する。
　図８は、本発明の発電素子の第４実施形態を示す縦断面図である。
　なお、以下の説明では、図８中の上側を「上」または「上方」と言い、下側を「下」または「下方」と言う。また、図８中の右側を「先端」と言い、左側を「基端」と言う。
　以下、第４実施形態の発電素子について、前記第１～第３実施形態の発電素子との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
　第４実施形態の発電素子１では、コイル５の配置位置および構成が異なり、それ以外は、前記第３実施形態の発電素子１と同様である。すなわち、図８に示すように、第４実施形態の発電素子１では、コイル５が、複合棒４の接合部４１の外周側に、複合棒４を囲むように配置されたボビン５１と、このボビン５１に巻回された線材５２とで構成されている。
　ボビン５１は、四角筒体で構成され、第１の連結部６の本体部６１の先端面に、例えば、融着、溶接、接着剤による接着等の方法により固定されている。このため、本実施形態では、ボビン５１の内側において、複合棒４がコイル５から独立して変位することができる。したがって、複合棒４を変位させても、コイル５を構成する線材が変形することがない。その結果、コイル５の耐久性を向上することができる。
　また、ボビン５１を構成する四角筒体は、横断面積がほぼ一定の内腔部を備えるため、複合棒４とボビン５１との間には、先端側に向かって徐々に離間距離が大きくなる空隙５１１が形成されている。なお、この空隙５１１は、複合棒４を振動により変位させる場合、ボビン５１と振動する複合棒４とが干渉しないようなサイズ、すなわち、複合棒４の振幅より大きいサイズを有するよう設定される。これにより、発電素子１は、効率よく発電することができる。
　ボビン５１の構成材料としては、例えば、補強棒３の構成材料と同様の材料を用いることができる。
　かかる第４実施形態の発電素子１によっても、前記第１～第３実施形態の発電素子１と同様の作用・効果を生じる。
　なお、コイル５の線材５２を固定して一体化することにより、ボビン５１を省略してもよい。また、空隙５１１は、複合棒４とボビン５１との間であって、接合部４１の全体（全長）にわたって形成されていてもよい。
　＜第５実施形態＞
　次に、本発明の発電素子の第５実施形態について説明する。
　図９は、本発明の発電素子の第５実施形態を示す斜視図である。
　なお、以下の説明では、図９中の上側を「上」または「上方」と言い、下側を「下」または「下方」と言う。また、図９中の右側を「先端」と言い、左側を「基端」と言う。
　以下、第５実施形態の発電素子について、前記第１～第４実施形態の発電素子との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
　第５実施形態の発電素子１では、コイル５の配置位置が異なり、それ以外は、前記第１実施形態の発電素子１と同様である。すなわち、図９に示すように、第５実施形態の発電素子１では、コイル５は、複合棒４の外周ではなく、ヨーク８３の外周に線材５２を巻回することにより構成されている。すなわち、コイル５は、磁歪棒２を通過した後の磁力線が、その軸方向に通過する（内腔部を貫く）ように配設されている。
　かかる第５実施形態の発電素子１によっても、前記第１～第４実施形態の発電素子１と同様の作用・効果を生じる。
　以上のような発電素子は、送信器用電源、センサーネットワーク用電源、住宅照明用無線スイッチ、車両の各部の状態を監視するシステム（例えば、タイヤ空気圧センサー、シートベルト着装検知センサー）、住宅セキュリティー用システム（特に、窓やドアの操作検知を無線で知らせるシステム）等に用いることができる。
　以上、本発明の発電素子を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各構成は、同様の機能を発揮し得る任意のものと置換することができ、あるいは、任意の構成のものを付加することができる。
　例えば、前記第１～第５実施形態の任意の構成を組み合わせることもできる。
　また、２つの永久磁石のうち一方を省略することもでき、永久磁石の一方または双方を電磁石に置き換えることもできる。さらに、本発明の発電素子は、双方の永久磁石を省略し、外部磁場（外部磁界）を用いて発電する構成とすることもできる。
　また、前記各実施形態において、磁歪棒および補強棒は、いずれも、その横断面形状が長方形状をなしているが、例えば、円形状、楕円形状、三角形状、正方形状、六角形状のような多角形状であってもよい。ただし、磁歪棒と補強棒との接合強度を確保する観点からは、磁歪棒および補強棒の双方が平坦な接合面を有する形状、特に、長方形状が好ましい。
　本発明によれば、磁歪棒に適切な応力を付与する機能を有する補強棒を、磁歪棒に接合して複合棒とすることにより、磁歪棒を伸縮させる際に磁歪棒に一様な応力を生じさせることができ、その結果、発電素子の発電効率を向上することができる。したがって、本発明は産業上の利用可能性を有する。
　１…発電素子　２…磁歪棒　２１…本体部　２１１…貫通孔　２２…薄肉部　２２１…貫通孔　３…補強棒　３１…本体部　３１１…貫通孔　３２…薄肉部　３２１…貫通孔　４…複合棒　４１…接合部　５…コイル　５１…ボビン　５２…線材　５１１…空隙　６…第１の連結部　６１…本体部　６１１、６１２…溝　６１３…貫通孔　６２…ピン　７…第２の連結部　７１…本体部　７１１…挿入部　７１２、７１３…貫通孔　７２…ピン　８…磁界印加機構　８１、８２…永久磁石　８３…ヨーク

Claims (12)

  1. 　磁歪材料で構成され、軸方向に磁力線を通過させる磁歪棒と、非磁性材料で構成され、前記磁歪棒に適切な応力を付与する機能を有する補強棒とを併設するとともに、互いに接合部で接合してなる複合棒と、
    　前記磁力線が軸方向に通過するように配置され、その密度の変化に基づいて電圧が発生するコイルとを有し、
    　前記複合棒の一端に対して他端を、その軸方向とほぼ垂直な方向に相対的に変位させて前記磁歪棒を伸縮させることにより、前記磁力線の密度を変化させるよう構成したことを特徴とする発電素子。
  2. 　前記接合部において、前記磁歪棒の横断面積の平均値をＡ［ｍｍ２］とし、前記補強棒の横断面積の平均値をＢ［ｍｍ２］としたとき、Ｂ／Ａが０．８以上である請求項１に記載の発電素子。
  3. 　前記接合部において、前記複合棒は、その横断面積が前記一端から前記他端に向かって減少している請求項１または２に記載の発電素子。
  4. 　前記接合部において、前記補強棒は、その横断面積が前記複合棒の前記一端から前記他端に向かって減少し、かつ、前記磁歪棒は、その横断面積が前記複合棒の前記一端から前記他端に向かってほぼ一定である請求項１ないし３のいずれかに記載の発電素子。
  5. 　前記コイルは、前記複合棒の前記接合部の外周側に、前記複合棒を囲むように配置されている請求項１ないし４のいずれかに記載の発電素子。
  6. 　前記コイルは、前記複合棒の前記接合部の外周側に、前記複合棒を囲むように配置されたボビンと、該ボビンに巻回された線材とを備える請求項１ないし５のいずれかに記載の発電素子。
  7. 　前記複合棒と前記ボビンとの間には、少なくとも前記複合棒の前記他端の側において空隙が形成されている請求項６に記載の発電素子。
  8. 　前記複合棒の前記他端の変位は、前記複合棒に振動を付与することによりなされ、前記空隙は、前記ボビンと振動する前記複合棒とが干渉しないようなサイズを有する請求項７に記載の発電素子。
  9. 　前記磁歪材料のヤング率と、前記非磁性材料のヤング率とがほぼ等しい請求項１ないし８のいずれかに記載の発電素子。
  10. 　前記磁歪材料のヤング率および前記非磁性材料のヤング率は、それぞれ、４０～１００ＧＰａである請求項１ないし９のいずれかに記載の発電素子。
  11. 　前記磁歪材料は、鉄－ガリウム系合金を主成分とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の発電素子。
  12. 　前記非磁性材料は、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、銅およびこれらを含む合金のうちの少なくとも１種を主成分とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の発電素子。
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