WO2020241569A1 - 発電素子、および発電素子を用いた装置 - Google Patents

発電素子、および発電素子を用いた装置 Download PDF

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WO2020241569A1
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power generation
magnetostrictive
generation element
plate
magnet
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裕一朗 宮内
森　正和
茅野　紀幸
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キヤノン株式会社
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    • 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
    • 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

Definitions

  • the disclosure of this specification relates to a power generation element and a device using the power generation element.
  • Patent Document 1 describes a bimorph structure in which two magnetostrictive rods are arranged in parallel as a configuration of a magnetostrictive power generation element.
  • Non-Patent Document 1 describes a structure in which two magnetostrictive power generation elements are arranged and adhered in parallel via a magnet.
  • the conventional method using a plurality of magnetostrictive rods has a problem that a large amount of electric power cannot always be taken out when actually used.
  • One of the purposes of the disclosure of the present specification is to provide a power generation element capable of improving the amount of power generation in power generation using a magnetostrictive material, and an apparatus using the power generation element, in view of the above-mentioned problems.
  • the disclosure of the present specification is not limited to the above-mentioned purpose, and is an action and effect derived by each configuration shown in the embodiment for carrying out the invention described later, and exerts an action and effect that cannot be obtained by the conventional technique. It can be positioned as one of the other purposes.
  • the power generation element disclosed in the present specification includes a first magnetostrictive plate and a second magnetostrictive plate containing a magnetostrictive material, and a magnet fixed to at least one of the first magnetostrictive plate and the second magnetostrictive plate.
  • the first magnetostrictive plate and the second magnetostrictive plate include a magnet portion including the first magnetostrictive plate and a coil containing at least a part of the second magnetostrictive plate, and the first magnetostrictive plate and the second magnetostrictive plate are subjected to stress.
  • the magnet portions are arranged so that the directions of the magnetic fields applied to the first magnetostrictive plate and the second magnetostrictive plate are opposite to each other. It is characterized by being.
  • the schematic diagram explaining an example of the structure of the power generation element of 1st Embodiment The schematic diagram explaining an example of the structure of the power generation element of 1st Embodiment.
  • the schematic diagram explaining an example of the principle of the power generation element of 1st Embodiment The schematic diagram explaining an example of the principle of the power generation element of 1st Embodiment.
  • the schematic diagram explaining an example of the manufacturing method of the power generation element of 1st Embodiment The schematic diagram explaining an example of the manufacturing method of the power generation element of 1st Embodiment.
  • the schematic diagram explaining an example of the manufacturing method of the power generation element of 1st Embodiment The schematic diagram explaining an example of the manufacturing method of the power generation element of 1st Embodiment.
  • the schematic diagram explaining an example of the manufacturing method of the power generation element of 1st Embodiment The schematic diagram explaining an example of the manufacturing method of the power generation
  • the schematic diagram explaining an example of the manufacturing method of the power generation element of 1st Embodiment The schematic diagram explaining an example of the structure of the power generation element of Example 2.
  • FIG. The schematic diagram explaining an example of the structure of the power generation element of Example 3.
  • FIG. The schematic diagram explaining an example of the structure of the power generation element of Example 3.
  • FIG. The schematic diagram explaining a part example of the manufacturing method of the power generation element of Example 3.
  • FIG. The schematic diagram explaining a part example of the manufacturing method of the power generation element of Example 3.
  • FIG. The schematic diagram explaining an example of the structure of the power generation element of Example 4.
  • FIG. The schematic diagram explaining an example of the structure of the power generation element of Example 4.
  • FIG. The schematic diagram explaining an example of the structure of the power generation element of Example 4.
  • FIG. The schematic diagram explaining an example of the structure of the power generation element of the comparative example 2.
  • FIG. The schematic diagram explaining an example of the structure of the power generation element of the comparative example 2.
  • FIG. The schematic diagram explaining an example of the structure of the power generation element of the comparative example 3.
  • FIG. The schematic diagram explaining an example of the structure of the power generation element of the comparative example 3.
  • FIG. The schematic diagram
  • the power generation element according to the first embodiment is a power generation element that generates power by utilizing a magnetostrictive phenomenon in which the magnetic flux density is changed by a change in force instead of vibrating a magnet.
  • the power generation element according to the present embodiment is a bimorph type magnetostrictive power generation element, characterized in that the number of coils is reduced by reversing the direction of the magnetic field applied to each magnetostrictive material. ..
  • FIG. 1A is a schematic top view illustrating the configuration of the power generation element of the present embodiment
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along the line AB of FIG. 1A illustrating the configuration of the power generation element of the present embodiment.
  • the power generation element 100 of the present embodiment is held by a holding portion 106, and is a connecting plate 101, a magnetostrictive portion 102 composed of a magnetostrictive plate 102a and a magnetostrictive plate 102b, and a magnet portion 103 composed of a magnet 103a and a magnet 103b. It has a coil 104 and a non-magnetic region 105.
  • the "fixation" between a certain member and a certain member may be fixed so as to be in contact with each other, or may be fixed via different substances. That is, it suffices as long as the two members are physically fixed.
  • the connecting plate 101 is fixed to the magnetostrictive portion 102, and the connecting plate 101 vibrates by receiving an external force such as compressive stress or tensile stress.
  • the method of connecting the connecting plate 101 is not particularly limited as long as the magnetostrictive portion 102 and the connecting plate 101 can be firmly fixed, but is not particularly limited, but laser welding, adhesive bonding, solder bonding, ultrasonic bonding or bolt-nut fixing. Etc. can be used. Further, since the connecting plate 101 is continuously applied with external forces such as compressive stress and tensile stress, a material having ductility is preferable. Further, the material of the connecting plate 101 is selected according to the magnetic circuit configuration with the magnetostrictive portion 102.
  • the connecting plate 101 when used as an element constituting the magnetic circuit, for example, carbon steel, ferritic stainless steel (SUS430, etc.) or martensitic stainless steel (SUS420J2, etc.) magnetic material is used.
  • a non-magnetic material such as austenitic stainless steel (SUS304, SUS303, SUS316, etc.) is used.
  • a force is applied to the connecting plate 101 so as to vibrate in the vertical direction of FIG. 1B.
  • the vertical vibration in FIG. 1B is the vertical vibration in the in-plane direction of the paper surface, and in FIG. 1A, the vibration is in the direction perpendicular to the paper surface.
  • the vibration of the connected plate is not limited to the vertical vibration in FIG. 1B as long as it can generate electricity as a result, and for example, torsional vibration and the like can also be used.
  • An elastic body such as a spring material may be used for the connecting plate 101 in order to reduce the mechanical damping of vibration. The force that induces vertical vibration in FIG.
  • 1B is applied to, for example, ground motion vibration generated by fixing the holding portion 106 to a vibration source that vibrates vertically, or to the tip opposite to the connecting portion of the connecting plate 101. It can be caused by an action such as applying force and flipping.
  • the method of applying the force is only an example, and any method may be used as long as the force can be applied to the magnetostrictive portion 102.
  • the material used for the holding plate 101 is an example and is not limited thereto.
  • the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b constituting the magnetostrictive portion 102 are members containing a magnetostrictive material. Since the magnetostrictive portion 102 is continuously applied with compressive stress and tensile stress, it is preferable that the magnetostrictive material contains a ductile magnetostrictive material.
  • the type of magnetic strain material is not particularly limited, but is preferably known magnetic strain such as iron-gallium alloy, iron-cobalt alloy, iron-aluminum alloy, iron-gallium-aluminum alloy or iron-silicon-boron alloy. The material is used.
  • the shape of the magnetostrictive portion 102 may be any shape that can be connected to the connecting plate 101, and is not particularly limited, but a rectangular parallelepiped, a cylinder, or the like is preferably used.
  • the magnet 103a and the magnet 103b constituting the magnet portion 103 are attached to magnetize the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b in opposite directions.
  • the magnet 103a and the magnet 103b are not particularly limited, but neodymium magnets, samarium-cobalt magnets, and the like are used.
  • the directions of the magnetic poles of the magnets 103a and 103b are upside down as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 1B.
  • the orientation of the magnetic poles of the magnet in the schematic cross-sectional view of FIG. 1B is merely an example, and the north and south poles may be opposite to those shown. That is, the magnets 103a and 103b may have different magnetic pole surfaces fixed to the magnetostrictive portion 102.
  • the arrangement and number of magnets are not particularly limited to the above as long as the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b are magnetized in opposite directions.
  • the magnet is not particularly limited, but a neodymium magnet, a samarium cobalt magnet, or the like is used. Further, the arrangement and number of magnets, the magnetic pole surface fixed to the magnetostrictive plate, and the like are not particularly limited as long as the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b are magnetized in opposite directions.
  • the coil 104 is arranged so as to include at least a part of each of the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b, and according to the law of electromagnetic induction, the voltage is changed according to the time change of the magnetic flux generated between the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b. Produces. As a result, the number of coil turns can be increased regardless of the distance between the two magnetostrictive plates.
  • the material of the coil 104 is not particularly limited, but copper wire is preferably used.
  • the non-magnetic region 105 is not particularly limited, but a gas or solid is used as the material. Preferably, air, a non-magnetic metal having ductility, or austenitic stainless steel (SUS304, SUS303, SUS316, etc.) is used. Further, the non-magnetic region 105 may be integrated with the connecting plate 101.
  • the power generation element 100 is an electromagnetic induction type power generation element that converts a change in magnetic flux into a voltage by a coil 104.
  • an electromotive force V is generated according to the following (Equation 1).
  • V N ⁇ ⁇ / ⁇ t ... (Equation 1)
  • N is the number of turns of the coil 104
  • ⁇ is the amount of change in magnetic flux with time ⁇ t.
  • the electromotive force increases as the number of turns of the coil increases, but if the number of turns is to be increased with the same volume, the wire diameter of the coil needs to be reduced, and as a result, the resistance of the coil increases. In this case, the electric power that can actually be used in the circuit or the like becomes small. That is, in order to increase the electric power actually available in the circuit or the like, it is important to have a configuration in which the volume of the coil can be increased.
  • the power generation element 100 is a power generation element that causes the change ⁇ of the magnetic flux by the inverse magnetostriction phenomenon.
  • the inverse magnetostrictive phenomenon is a phenomenon in which the magnetic permeability changes according to stress. For example, when a compressive stress is applied to a magnetostrictive material, the magnetic permeability decreases, and when a tensile stress is applied, the magnetic permeability increases. Since the magnitude of magnetic permeability is related to the magnitude of magnetic resistance in a magnetic circuit, as a result, application of stress to the magnetostrictive material causes a change in magnetic flux in the magnetostrictive material. Therefore, by applying a time-varying stress to the magnetostrictive material, a time-varying magnetic flux is generated, and an electromotive force is generated according to (Equation 1).
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the direction of the applied external magnetic field and the applied stress at one time of the power generation element 100 of the present embodiment.
  • FIG. 2A is the direction of the external magnetic field
  • FIG. 2B is the direction of the applied stress. Since the direction of the external magnetic field is determined by the positional relationship of the magnets, it is determined in a fixed direction without changing with time. Further, in the present embodiment, the positions of the magnets are adjusted so that the directions of the external magnetic fields applied to the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b are opposite to each other. On the other hand, the direction of applied stress changes with time.
  • tensile stress may be applied to the magnetostrictive plate 102a, or compressive stress may be applied. Further, a tensile stress may be applied to the magnetostrictive plate 102b, or a compressive stress may be applied to the magnetostrictive plate 102b.
  • the relationship between the directions of the stresses applied to the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b is always opposite. That is, when tensile stress is applied to one side, compressive stress is applied to one side.
  • FIG. 2B consider a case where a tensile stress is applied to the magnetostrictive plate 102a and a compressive stress of the same magnitude is applied to the magnetostrictive plate 102b during ⁇ t.
  • the direction of the magnetic field of the magnetostrictive plate 102a in FIG. 2A is a positive direction
  • the magnetic resistance of the magnetostrictive plate 102a decreases due to the tensile stress, so that a magnetic flux change of + ⁇ occurs.
  • the magnetostrictive plate 102b has an increased magnetic resistance due to compressive stress, a magnetic flux change of ⁇ occurs with respect to the direction of the magnetic field of the magnetostrictive plate 102b.
  • FIG. 2B consider a case where a tensile stress is applied to the magnetostrictive plate 102a and a compressive stress of the same magnitude is applied to the magnetostrictive plate 102b during ⁇ t.
  • the magnetostrictive plate 102b is described above.
  • the change in magnetic flux of is still - ⁇ .
  • the amount of power generated by the power generation element can be improved by adopting the configuration based on this embodiment.
  • the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b are arranged so that the directions of the applied stress are opposite to each other, and the magnet portion 103 is the magnetic field applied to the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate b. Arrange so that the directions are opposite to each other.
  • the change in magnetic flux generated in the coil 104 can be converted into electromotive force without waste, so that the amount of power generation is improved.
  • the bimorph type power generation element by arranging the coil 104 so as to include the two magnetostrictive plates, the number of turns of the coil 104 can be increased without being limited by the area, so that the amount of power generation can be increased. Can be further improved. Further, according to the configuration of the power generation element 100 of the present embodiment, since it is not necessary to wind the coil around the magnetostrictive rod in advance, it is possible to reduce manufacturing problems such as disconnection and short circuit of the coil when the magnetostrictive rod is bonded by welding or the like. be able to.
  • Example 1 Manufacturing method of power generation element
  • the power generation element shown in FIG. 1 was manufactured. Each manufacturing process will be described below with reference to FIGS. 3A to 3E.
  • FIGS. 3A to 3E The upper view of each of FIGS. 3A to 3E is a schematic view of the upper surface, and the lower figure is a schematic cross-sectional view of lines AB shown in the schematic view of the upper surface.
  • SUS304-CSP which is an austenitic stainless steel for springs having a thickness of 1.5 mm, a width of 16 mm, and a length of 35 mm
  • the connecting plate 101 is used as the connecting plate 101
  • the holding plate 301 has a thickness of 1.5 mm, a width of 16 mm, and a length.
  • a 5 mm SUS304 was used.
  • the reason for using austenitic stainless steel is that it is a non-magnetic metal and does not affect the magnetic circuits of the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b.
  • the reason for using the spring material is that it became clear as a result of the examination that the mechanical damping of the power generation element related to the power generation performance is smaller than that when the ordinary stainless steel material is used [Fig. 3A].
  • an iron-gallium alloy having a thickness of 0.5 mm, a width of 15 mm, and a length of 25 mm was used as the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b, and the connecting plate 101 and the holding plate 301 were adhered with an epoxy adhesive. After that, among the ridges of the magnetostrictive plate, the ridges in contact with the connecting plate 101 and the holding plate 301 were laser-welded and joined [FIG. 3B].
  • a holding screw hole 302 for fixing the power generation element with bolts or the like was made on the magnetostrictive plate and the connecting plate. This screw hole enables installation in various places.
  • a spacer having a screw hole was installed on the optical surface plate, and the spacer was fixed with a bolt through the holding screw hole 302 [FIG. 3C].
  • magnet 103a and the magnet 103b neodymium magnets having a thickness of 1.5 mm, a width of 12 mm, and a length of 1.5 mm were used.
  • the magnet 103a and the magnet 103b were inserted so that the directions of the magnetic poles were opposite to each other as shown in FIG. 3D, and after the insertion, they were bonded and fixed between the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b with an epoxy adhesive [FIG. 3D]. ..
  • a 2,000-roll air-core coil using a copper wire having a wire diameter of 0.2 mm is inserted into the region between the magnet 103a and the magnet 103b so as to include the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate b.
  • Fixed with an electrically insulating varnish [Fig. 3E].
  • V (t) is the open circuit voltage at time t measured by the oscilloscope
  • R is the electrical resistance of the coil
  • ⁇ t is the time resolution of the oscilloscope
  • ⁇ is the sum of time t.
  • the electric resistance of the coil was 46 ⁇
  • the maximum value of the open circuit voltage was 12V
  • the power generation amount P was 1.2mJ from (Equation 2).
  • Example 2 Manufacturing method of power generation element
  • the power generation element shown in FIG. 4 was manufactured.
  • a connecting plate containing a springy elastic body as in this embodiment, mechanical damping is reduced and it is expected that the amount of power generation will be improved. ..
  • FIGS. 5A to 5E The upper view of each of FIGS. 5A to 5E is a schematic view of the upper surface, and the lower figure is a schematic cross-sectional view of lines AB shown in the schematic view of the upper surface.
  • the connecting plate 401 SUS304-CSP, which is an austenitic stainless steel for springs having a thickness of 1.5 mm, a width of 16 mm, and a length of 55 mm, was used.
  • the connecting plate 401 of this embodiment serves as both a holding portion and a non-magnetic portion. Further, a magnet 103a, a hole 402a and a hole 402b for incorporating the magnet 103b, and a screw hole 403 for holding are pre-drilled in the connecting plate [FIG. 5A].
  • an iron-gallium alloy having a thickness of 0.5 mm, a width of 15 mm, and a length of 25 mm was used as the magnetostrictive plate 102b, and was bonded to the connecting plate 401 with an epoxy adhesive. After that, the ridgeline of the magnetostrictive plate in contact with the connecting plate 401 was laser-welded and joined [FIG. 5B].
  • magnet 103a and the magnet 103b neodymium magnets having a thickness of 1.5 mm, a width of 12 mm, and a length of 1.5 mm were used.
  • the magnet 103a and the magnet 103b were inserted so that the directions of the magnetic poles were opposite to each other as shown in FIG. 5C.
  • an iron-gallium alloy having a thickness of 0.5 mm, a width of 15 mm, and a length of 25 mm was used as the magnetostrictive plate 102a, and bonded to the connecting plate 401, the magnet 103a, and the magnet 103b with an epoxy adhesive. After that, the ridgeline of the magnetostrictive plate in contact with the connecting plate 401 was laser-welded and joined [FIG. 5D].
  • a 2,000-roll air-core coil using a copper wire having a wire diameter of 0.2 mm is inserted into the region between the magnets 103a and 103b so as to include the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate b, and is used for electricity.
  • Fixed with insulating varnish [Fig. 5E].
  • FIG. 6 shows an example of the voltage waveform measured by the oscilloscope.
  • the electric resistance of the coil was 46 ⁇
  • the maximum value of the open circuit voltage was 14V
  • the power generation amount P was 3.2mJ.
  • Example 3 Manufacturing method of power generation element
  • the power generation element shown in FIG. 7 was manufactured.
  • the manufacturing process can be simplified by adopting a configuration in which the magnet is not sandwiched between the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b as in the present embodiment.
  • the thickness of the connecting plate 701 is 2 mm or less
  • the magnetic circuit is closed between the magnet 103a and the connecting plate 702a and between the magnet 103b and the connecting plate 702b even if the connecting plate is non-magnetic.
  • the magnetic field is not applied to the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b, and the amount of power generation becomes small. That is, the third embodiment is configured to obtain a large amount of power generation when the connecting plate 701 is thick.
  • the connecting plate 701 SUS304-CSP, which is an austenitic stainless steel for springs having a thickness of 1.5 mm, a width of 16 mm, and a length of 55 mm, was used.
  • the connecting plate 701 of this embodiment serves as both a holding portion and a non-magnetic portion. Further, a holding screw hole 801 is pre-drilled in the connecting plate [FIG. 8A].
  • an iron-gallium alloy having a thickness of 0.5 mm, a width of 15 mm, and a length of 25 mm was used as the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b, and was bonded to the connecting plate 701 with an epoxy-based adhesive. After that, the ridgeline of the magnetostrictive plate in contact with the connecting plate 701 was laser-welded and joined [FIG. 8B].
  • a 2,000-roll air-core coil using a copper wire having a wire diameter of 0.2 mm was inserted so as to include the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate b, and fixed with an electrically insulating varnish [FIG. 8C]. ].
  • neodymium magnets having a thickness of 1.5 mm, a width of 12 mm, and a length of 1.5 mm were used as the magnet 103a and the magnet 103b, and the connecting plate 701a and the connecting plate 701b.
  • the magnets were bonded to the magnetostrictive plates at both ends of the coil using an epoxy adhesive so that the directions of the magnetic fields in the magnetostrictive plate 102a and the magnetostrictive plate 102b were opposite to each other [FIG. 7].
  • Example 4 Manufacturing method of power generation element
  • the power generation element shown in FIG. 9 was manufactured.
  • the connecting plate 101 as a magnetic metal as in this embodiment, the number of magnets can be reduced to one.
  • the manufacturing process is the same as in FIG. 3 of Example 1, but it is characterized by the absence of the magnet 103b and the difference in the dimensions and materials of the connecting plate.
  • the connecting plate 101 unlike the first embodiment, carbon steel, ferritic stainless steel, etc. (SUS430, etc.), martensitic stainless steel, etc. (SUS420J2, etc.), which are magnetic metals, can be used.
  • SUS420J2 was used, and the thickness was 1.5 mm, the width was 16 mm, and the length was 56.5 mm.
  • Example 1 Manufacturing method of power generation element
  • Example 2 shown in FIG. 4 a power generation element in the case where the directions of the magnetic poles of the magnets are the same was manufactured.
  • the manufacturing method is the same as in FIG. 5, except that the directions of the magnetic poles in FIG. 5C are different from those in the embodiment and are the same for the magnet 103a and the magnet 103b.
  • FIG. 11 (Manufacturing method of power generation element)
  • the power generation element shown in FIG. 11 was manufactured.
  • the manufacturing process is described below.
  • a magnetostrictive plate 102a on which the coil 111a is wound and a magnetostrictive plate 102b on which the coil 111b (thickness 0.5 mm, width 15 mm, length 25 mm) is wound are prepared in advance.
  • the prepared magnetostrictive plate 102 is bonded to a connecting plate 101 (thickness 1.5 mm, width 15 mm, length 35 mm) made of SUS304-CSP with an epoxy resin, and then laser welded while paying attention to the disconnection of the coil. ..
  • the magnet 103a and the magnet 103b are arranged as shown in FIG.
  • the coil installation area is not limited to the structure of the power generation element, and the amount of power generation can be improved by installing only one coil.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments.
  • the present invention can be modified in various ways based on the technical idea.
  • the numerical values and components mentioned in the above-described embodiment are merely examples. If necessary, different numerical values and components may be used.
  • the number of turns of the coil is 2,000, but since there is no limitation other than the installation space, the number of turns may be larger. In that case, the difference in the amount of power generation from the comparative example described above becomes even larger.
  • the generator can be miniaturized. Therefore, it is particularly effective as a generator for equipment of a size that has been difficult to install. For example, it can be used as a generator for mobile devices and the like.
  • it can be used as a generator for mobile devices and the like.
  • it can be used as a power source for various equipment including IoT equipment. Can also be expected. Since the present invention can improve the performance of the generator, it can be applied to a wide range of fields other than those described above.

Abstract

本明細書に開示の発電素子は、磁歪材料を含む第１の磁歪板及び第２の磁歪板と、前記第１の磁歪板と前記第２の磁歪板の少なくとも一方に固定された、磁石を含む磁石部と、前記第１の磁歪板及び前記第２の磁歪板の少なくとも一部を内包するコイルと、を備え、前記第１の磁歪板及び前記第２の磁歪板は、印加される応力の方向が互いに逆方向になるように配置され、且つ、前記磁石部は、前記第１の磁歪板及び前記第２の磁歪板に印加される磁場の方向が互いに逆方向になるように配置されていることを特徴とする。

Description

発電素子、および発電素子を用いた装置
　本明細書の開示は、発電素子、および発電素子を用いた装置に関する。
　近年、省エネルギー技術として環境中に存在する未利用エネルギーから電力を得る「環境発電」技術が注目されている。特に、振動から電力を得る振動発電は熱から電力を得る熱電発電と比べてエネルギー密度が高いため常時通信ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ、モノのインターネット）向け電源や携帯機器の充電等への応用が提案されている。例えば、環境中の振動により磁石を振動させ、コイルに誘導起電力を発生させる磁石可動型の発電方式は様々な形態で応用されている。さらに近年では、磁石を振動させる代わりに力の変化で磁束密度を変化させる逆磁歪現象を利用した発電（以下、逆磁歪発電と記す）が提案されている。
　特許文献１には、逆磁歪発電素子の構成として、二つの磁歪棒が平行に配置されたバイモルフ構造が記載されている。
　また、非特許文献１には二つの逆磁歪発電素子が磁石を介して平行に並べて接着する構造が記載されている。
特許第４９０５８２０号公報
八田茂之、上野敏幸、山田外史、　「磁歪式振動発電スイッチを用いた電池フリーリモコンの実用化に関する研究」、日本ＡＥＭ学会誌　Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．１（２０１５）
　しかしながら、従来の複数の磁歪棒を用いた方式では、実際に利用する際、大きな電力を必ずしも取り出せないという課題があった。
　本明細書の開示は、上述の課題に鑑み、磁歪材料を用いた発電において、発電量を向上できる発電素子、および発電素子を用いた装置を提供することを目的の一つとする。なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本明細書の開示の他の目的の１つとして位置付けることができる。
　本明細書に開示の発電素子は、磁歪材料を含む第１の磁歪板及び第２の磁歪板と、前記第１の磁歪板と前記第２の磁歪板の少なくとも一方に固定された、磁石を含む磁石部と、前記第１の磁歪板及び前記第２の磁歪板の少なくとも一部を内包するコイルと、を備え、前記第１の磁歪板及び前記第２の磁歪板は、印加される応力の方向が互いに逆方向になるように配置され、且つ、前記磁石部は、前記第１の磁歪板及び前記第２の磁歪板に印加される磁場の方向が互いに逆方向になるように配置されていることを特徴とする。
　本明細書の開示によれば、磁歪材料を用いた発電において、発電量を向上できる発電素子、および発電素子を用いた装置を提供することができる。
第１実施形態の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 第１実施形態の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 第１実施形態の発電素子の原理の一例を説明する模式図。 第１実施形態の発電素子の原理の一例を説明する模式図。 第１実施形態の発電素子の製造方法の一例を説明する模式図。 第１実施形態の発電素子の製造方法の一例を説明する模式図。 第１実施形態の発電素子の製造方法の一例を説明する模式図。 第１実施形態の発電素子の製造方法の一例を説明する模式図。 第１実施形態の発電素子の製造方法の一例を説明する模式図。 実施例２の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 実施例２の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 実施例２の発電素子の製造方法の一例を説明する模式図。 実施例２の発電素子の製造方法の一例を説明する模式図。 実施例２の発電素子の製造方法の一例を説明する模式図。 実施例２の発電素子の製造方法の一例を説明する模式図。 実施例２の発電素子の製造方法の一例を説明する模式図。 実施例２の発電素子の起電力の時間変化の一例を示す図。 実施例３の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 実施例３の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 実施例３の発電素子の製造方法の一部の一例を説明する模式図。 実施例３の発電素子の製造方法の一部の一例を説明する模式図。 実施例３の発電素子の製造方法の一部の一例を説明する模式図。 実施例４の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 実施例４の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 比較例２の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 比較例２の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 比較例３の発電素子の構成の一例を説明する模式図。 比較例３の発電素子の構成の一例を説明する模式図。
　以下に本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書の開示は下記実施形態に限定されるものではなく、本明細書の開示の趣旨に基づき種々の変形（各実施例の有機的な組合せを含む）が可能であり、それらを本明細書の開示の範囲から除外するものではない。即ち、後述する各実施例及びその変形例を組み合わせた構成も全て本明細書に開示の実施形態に含まれるものである。
　＜第１実施形態＞
　第１実施形態に係る発電素子は、磁石を振動させる代わりに力の変化で磁束密度を変化させる逆磁歪現象を利用して発電を行う発電素子である。本実施形態に係る発電素子は、バイモルフ型の逆磁歪発電素子であって、それぞれの磁歪材料に印加される磁場の方向を逆向きにすることにより、コイルの数を低減することを特徴とする。
　（発電素子の構成）
　本実施形態の発電素子の構成を、図１Ａ、図１Ｂを参照して説明する。図１Ａは本実施形態の発電素子の構成を説明する上面模式図、図１Ｂは本実施形態の発電素子の構成を説明する図１ＡのＡ－Ｂ線の断面模式図である。
　本実施形態の発電素子１００は、保持部１０６によって保持されており、連結板１０１、磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂで構成される磁歪部１０２、磁石１０３ａと磁石１０３ｂで構成される磁石部１０３、コイル１０４、非磁性領域１０５を有する。なお、下記において、ある部材とある部材との「固定」は、接するように固定されていてもよいし、異なる物質を介して固定されていてもよい。すなわち、物理的に２つの部材が固定されている状態であればよい。
　連結板１０１は、一端が磁歪部１０２に固定されており、圧縮応力や引張応力などの外力を受けて振動する。連結板１０１の連結方法は、磁歪部１０２と連結板１０１が強固に固定できればよく、特に限定されるものではないがレーザー溶接、接着剤による接着、はんだ接合、超音波接合もしくはボルト－ナットによる固定等が利用できる。また、連結板１０１は圧縮応力や引張応力などの外力が連続的に印加されるため、延性を有する材料が好ましい。さらに、連結板１０１の材料は磁歪部１０２との磁気回路構成によって選択される。そのため、磁気回路を構成する要素として連結板１０１を用いる場合は、例えば炭素鋼、フェライト系ステンレス等（ＳＵＳ４３０等）もしくはマルテンサイト系ステンレス等（ＳＵＳ４２０Ｊ２等）磁性材料が用いられる。一方、磁気回路を構成する要素として連結板１０１を用いない場合は、例えばオーステナイト系ステンレス等（ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３０３，ＳＵＳ３１６等）の非磁性材料が用いられる。
　また、連結板１０１は、図１Ｂの上下方向に振動するように力が印加される。ここで、図１Ｂにおける上下方向の振動とは、紙面の面内方向の上下であり、図１Ａでいうと、紙面に垂直な方向の振動となる。但し、連結版の振動は、結果として発電できるのであれば、図１Ｂにおける上下方向の振動に限定されるものではなく、たとえばねじり振動等も利用できる。連結板１０１には、振動の機械的な減衰を低減するためにばね材などの弾性体を用いてもよい。図１Ｂの上下方向の振動を誘起する力は、たとえば保持部１０６が上下に振動する振動源に固定されていることで生じる地動加振の印加、もしくは連結板１０１の接続部と逆の先端に力を印加し弾くといった動作によって生じることができる。なお、上記の力の印加方法はあくまで一例であり、磁歪部１０２に力が印加できるような方法であれば良い。さらに、上記の保持板１０１に用いられる材料は一例であってこれに限定されない。
　磁歪部１０２を構成する磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂは、磁歪材料を含む部材である。磁歪部１０２は圧縮応力、引張応力が連続的に印加されるため、延性を有する磁歪材料が含まれることが好ましい。磁歪材料の種類は特に限定されるものではないが、好適には鉄‐ガリウム合金、鉄‐コバルト合金、鉄‐アルミニウム合金、鉄‐ガリウム‐アルミニウム合金もしくは鉄‐シリコン‐ホウ素合金等の既知の磁歪材料が用いられる。また、磁歪部１０２の形状は、連結板１０１と連結できる形であればよく、特に限定されるものではないが、好適には直方体、円柱等の形状が用いられる。
　磁石部１０３を構成する磁石１０３ａと磁石１０３ｂは、磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂを逆方向に磁化するために取り付けられる。磁石１０３ａと磁石１０３ｂには、特に限定されるものではないが、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石等が用いられる。
　また、特に限定されるものではないが、磁石１０３ａと１０３ｂの磁極の向きは図１Ｂの断面模式図に図示されているように、上下逆であるような構成が考えられる。ただし、図１Ｂの断面模式図の磁石の磁極の向きはあくまで一例であり、図示されたものとＮ極、Ｓ極が逆でもよい。すなわち、磁石１０３ａと磁石１０３ｂは、互いに異なる磁極面が磁歪部１０２に固定されていればよい。さらに、磁石の配置や数は、磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂが逆方向に磁化されるのであれば特に上記に限定されるものではない。また、磁石として、特に限定されるものではないが、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石等が用いられる。さらに、磁石の配置や数、磁歪板に固定される磁極面などは、磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂが逆方向に磁化されるのであれば特に上記に限定されるものではない。
　コイル１０４は、磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂのそれぞれ少なくとも一部を内包するように配置されており、電磁誘導の法則に従い、磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂとで生じる磁束の時間変化に応じて電圧を生じる。これにより、２つの磁歪板の間の距離に依らず、コイルの巻き数を増やすことができる。
　コイル１０４の材質は、特に限定されるものではないが、好適には銅線が用いられる。
　非磁性領域１０５は、特に限定されるものではないが、材質としては気体や固体が用いられる。好適には空気、または延性を有する非磁性金属、もしくはオーステナイト系ステンレス等（ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３０３，ＳＵＳ３１６等）が用いられる。また、非磁性領域１０５は連結板１０１と一体でもよい。
　（作用）
　本実施形態に係る発電素子１００は、磁束の変化をコイル１０４によって電圧に変換する電磁誘導方式の発電素子である。電磁誘導では以下の（式１）に従い起電力Ｖが生じる。
Ｖ＝Ｎ×ΔΦ／Δｔ・・・（式１）
　ここで、Ｎはコイル１０４の巻き数、ΔΦは時間Δｔでの磁束の変化量である。なお、コイルの巻き数は多い方が起電力は大きくなるが、仮に同じ体積で巻き数を増やそうとするとコイルの線径を小さくする必要があり、結果として、コイルの抵抗が大きくなってしまう。この場合、実際に回路等で利用できる電力は小さくなる。すなわち、実際に回路等で利用できる電力を大きくするためには、コイルの体積を大きくできるような構成が重要である。
　本実施形態に係る発電素子１００は、前記磁束の変化ΔΦを逆磁歪現象によって生じさせる発電素子である。逆磁歪現象とは、応力に応じて透磁率が変化する現象である。例えば、磁歪材料に圧縮応力が印加されると、透磁率は小さくなり、引張応力が印加されると透磁率は大きくなる。透磁率の大小は磁気回路における磁気抵抗の大小と関連するため、結果として磁歪材料への応力の印加は、磁歪材料中の磁束の変化を生じる。したがって、磁歪材料に時間変化する応力を印加することで、磁束の時間変化を生じ、（式１）に従い起電力を生じる。
　本発明者らは鋭意検討の結果、二つの磁歪板に応力が逆に印加される発電装置について、二つの磁歪板に逆方向の磁場を印加する構成をとることにより、一つのコイルで大きな起電力が得られることを見出した。
　以下に、図２を参照して、本実施形態の発電素子１００で大きな起電力が得られる原理について記載する。
　図２は、本実施形態の発電素子１００の一時期における印加外部磁場、および印加応力の方向の一例を断面模式図に示した図である。図２Ａが外部磁場の方向、図２Ｂが印加応力の方向である。外部磁場の方向は磁石の位置関係で決まるため、時間変化せずに一定の方向に定まる。さらに、本実施形態においては磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂに印加される外部磁場の方向はそれぞれ逆の方向になるように磁石の位置が調整されている。一方、印加応力の方向は時間変化する。すなわち、例えば、磁歪板１０２ａに対して、引張応力が加わることもあれば、圧縮応力が加わることがある。また、磁歪板１０２ｂに対して、引張応力が加わることもあれば、圧縮応力が加わることがある。なお、磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂそれぞれに印加される応力の方向の関係については常に逆の方向となる。すなわち一方に引張応力が印加されている場合は一方は圧縮応力が印加される。
　ここで、図２Ｂにおいて、磁歪板１０２ａに引張応力、磁歪板１０２ｂに同じ大きさの圧縮応力がΔｔの間に印加された場合を考える。図２Ａの磁歪板１０２ａの磁場の方向を正の方向とすると、磁歪板１０２ａは引張応力により磁気抵抗が下がるため＋ΔΦの磁束変化を生じる。一方、磁歪板１０２ｂは圧縮応力により磁気抵抗が上がるため磁歪板１０２ｂの磁場の方向に対して－ΔΦの磁束変化を生じる。しかしながら、磁歪板１０２ｂの磁場の方向は図２Ａで図示している通り、磁歪板１０２ａと逆の方向であるため、磁束の変化としては－（－ΔΦ）＝＋ΔΦとなる。結果として、磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂの磁束変化は同一の方向となり、磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂの合計の磁束変化はΔΦ＋ΔΦ＝２ΔΦとなる。すなわち、二つの磁歪板で構成される磁歪部１０２をコイル１０４が内包することにより、一つのコイルで二つの磁歪板において生じる磁束変化を起電力に変換することができる。なお、仮に本実施形態の発電素子１００の特徴である、二つの磁歪板に応力が逆に印加される発電機において磁場の方向を逆にするという構成をとらない場合は、前記の磁歪板１０２ｂの磁束の変化が－ΔΦのままである。その場合は、磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂの合計の磁束変化はΔΦ－ΔΦ＝０となり、一つのコイルでは二つの磁歪板に生じる磁束変化を起電力に変換できない、または一つの磁歪板により生じる起電力よりも小さくなる。
　上記によれば、本実施形態に基づく構成をとることにより発電素子の発電量を向上できる。具体的には磁歪板１０２ａ及び磁歪板１０２ｂを、印加される応力の方向が互いに逆方向になるように配置し、且つ、磁石部１０３を、磁歪板１０２ａ及び磁歪板ｂに印加される磁場の方向が互いに逆方向になるように配置する。この構成により、コイル１０４において生じる磁束変化を無駄なく起電力に変換することができるため、発電量が向上する。さらに、バイモルフ型の発電素子において、コイル１０４を、２つの磁歪板を内包するように配置することにより、コイル１０４の巻き数を、領域的な制限を受けずに増やすことができるため、発電量をさらに向上させることができる。また、本実施形態の発電素子１００の構成によれば、磁歪棒にあらかじめコイルを巻く必要がないため、磁歪棒を溶接等で接着する際にコイルの断線や短絡といった製造上の問題を低減することができる。
　以下に、具体的な実施例をあげて本発明を詳しく説明する。なお、本発明は下記の実施例の構成や形態に限定されるものではない。
　［実施例１］
　（発電素子の製造方法）
　本実施例では、図１に示す発電素子を作製した。以下で各製造工程について図３Ａ～３Ｅを参照して説明する。
　図３Ａ～３Ｅの各図の上図はそれぞれ上面模式図、および下図は上面模式図で図示されているＡ－Ｂ線の断面模式図である。
　まず、連結板１０１として厚さ１．５ｍｍ、幅１６ｍｍ、長さ３５ｍｍのばね用のオーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３０４－ＣＳＰを用い、保持用板３０１として、厚さ１．５ｍｍ、幅１６ｍｍ、長さ５ｍｍのＳＵＳ３０４を用いた。オーステナイト系ステンレスを用いた理由は非磁性金属であるため、磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂの磁気回路に影響を与えないためである。また、ばね材を用いた理由は発電性能に関連する発電素子の機械減衰が通常のステンレス材料を用いた場合よりも小さいことが検討の結果明らかになったためである［図３Ａ］。
　次に、磁歪板１０２ａ、磁歪板１０２ｂとして厚さ０．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ２５ｍｍの鉄‐ガリウム合金を用い、エポキシ系の接着剤によって連結板１０１と保持用板３０１と接着した。そののち、磁歪板の稜線のうち、連結板１０１と保持用板３０１に接している稜線についてレーザー溶接を行い接合した［図３Ｂ］。
　続いて、磁歪板、連結板に発電素子をボルトなどで固定するための保持用ネジ穴３０２を作製した。このネジ穴によって、様々な場所への設置が可能となる。本実施例の発電量評価では、光学定盤上にネジ穴の開いたスペーサーを設置し、前記スペーサーに前記保持用ネジ穴３０２を通してボルトで固定した［図３Ｃ］。
　次に、磁石１０３ａと磁石１０３ｂとして、厚さ１．５ｍｍ、幅１２ｍｍ、長さ１．５ｍｍのネオジム磁石を用いた。磁石１０３ａと磁石１０３ｂはそれぞれ図３Ｄに示すように磁極の向きが逆になるように挿入し、挿入後エポキシ系接着剤によって磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂの間に接着し固定した［図３Ｄ］。
　最後にコイル１０４として、線径０．２ｍｍの銅線を用いた二千巻の空芯コイルを磁石１０３ａと磁石１０３ｂの間の領域に、磁歪板１０２ａと磁歪板ｂを内包するように挿入し、電気絶縁ワニスによって固定した［図３Ｅ］。
　（発電素子の評価）
　以上の様に作製した発電素子について、連結板の先端を弾き、コイル１０４に発生した開放電圧をオシロスコープで測定することにより発電性能の評価を行った。弾く際の印加力は、徐々に印加力を上げていった際に起電力が飽和する印加力を用いた。この印加力は発電素子構成によってさまざまな値となるが、発電素子の最大の発電性能といえるため採用した。また、発電性能の定量的な指標として、オシロスコープで測定した電圧波形から以下の（式２）により発電量Ｐを計算したものを用いた。
Ｐ＝Σ（Ｖ（ｔ））２／（４×Ｒ）×Δｔ・・・（式２）
　Ｖ（ｔ）はオシロスコープで測定した時間ｔにおける開放電圧、Ｒはコイルの電気抵抗、Δｔはオシロスコープの時間分解能、Σは時間ｔについて総和を取るという意味である。この発電量Ｐの式では、コイルのインダクタンスによる効果は除いているが、これは本実施例、および比較例では同様の寸法のコイルを用いるため、相対的な比較が可能であるためである。上記の方法による測定、評価の結果、コイルの電気抵抗は４６Ω、開放電圧の最大値は１２Ｖ、発電量Ｐは（式２）から１．２ｍＪであった。
　［実施例２］
　（発電素子の製造方法）
　本実施例では、図４に示す発電素子を作製した。本実施例のように磁歪板１０２ａと１０２ｂの稜線の全体をばね性のある弾性体を含む連結板により支持することによって、機械的な減衰が低減されるため発電量が向上することが期待できる。
　以下で各製造工程について図５Ａ～５Ｅを参照して説明する。
　図５Ａ～５Ｅの各図の上図はそれぞれ上面模式図、および下図は上面模式図で図示されているＡ－Ｂ線の断面模式図である。
　まず、連結板４０１として、厚さ１．５ｍｍ、幅１６ｍｍ、長さ５５ｍｍのばね用のオーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３０４－ＣＳＰを用いた。本実施例の連結板４０１は保持部と非磁性部を兼ねている。また、連結板には磁石１０３ａ、磁石１０３ｂを内蔵するための穴４０２ａと穴４０２ｂ、および保持用のネジ穴４０３をあらかじめ開けておく［図５Ａ］。
　次に、磁歪板１０２ｂとして厚さ０．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ２５ｍｍの鉄‐ガリウム合金を用い、エポキシ系の接着剤によって連結板４０１と接着した。そののち、連結板４０１と接している磁歪板の稜線についてレーザー溶接を行い接合した［図５Ｂ］。
　続いて、磁石１０３ａと磁石１０３ｂとして、厚さ１．５ｍｍ、幅１２ｍｍ、長さ１．５ｍｍのネオジム磁石を用いた。磁石１０３ａと磁石１０３ｂはそれぞれ図５Ｃに示すように磁極の向きが逆になるように挿入した。挿入の際、エポキシ系接着剤によって磁歪板１０２ｂと接着し固定した［図５Ｃ］。
　次に、磁歪板１０２ａとして厚さ０．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ２５ｍｍの鉄‐ガリウム合金を用い、エポキシ系の接着剤によって連結板４０１、および磁石１０３ａ、磁石１０３ｂと接着した。そののち、連結板４０１と接している磁歪板の稜線についてレーザー溶接を行い接合した［図５Ｄ］。
　最後にコイル１０４として、線径０．２ｍｍの銅線を用いた二千巻の空芯コイルを磁石１０３ａと１０３ｂの間の領域に磁歪板１０２ａと磁歪板ｂを内包するように挿入し、電気絶縁ワニスによって固定した［図５Ｅ］。
　（発電素子の評価）
　以上の様に作製した発電素子について、実施例１と同様に発電性能の評価を行った。オシロスコープで測定した電圧波形の一例を図６に示す。評価の結果、コイルの電気抵抗は４６Ω、開放電圧の最大値は１４Ｖ、発電量Ｐは３．２ｍＪであった。
　［実施例３］
　（発電素子の製造方法）
　本実施例では、図７に示す発電素子を作製した。本実施例のように磁石を磁歪板１０２ａ、磁歪板１０２ｂで挟まない構成にすることで、製造プロセスを簡易にできる。ただし、連結板７０１の厚さが２ｍｍ以下であるような場合は連結板が非磁性であっても、磁石１０３ａと連結板７０２ａ、磁石１０３ｂと連結板７０２ｂの間で磁気回路が閉じてしまう。結果として磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂに磁場が印加されなくなり、発電量は小さくなってしまう。すなわち、本実施例３は連結板７０１が厚い場合に大きな発電量を得るための構成である。
　以下で各製造工程について図８Ａ～８Ｃを参照して説明する。
　まず連結板７０１として、厚さ１．５ｍｍ、幅１６ｍｍ、長さ５５ｍｍのばね用のオーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３０４－ＣＳＰを用いた。本実施例の連結板７０１は保持部と非磁性部を兼ねている。また、連結板には保持用のネジ穴８０１をあらかじめ開けておく［図８Ａ］。
　次に、磁歪板１０２ａ、磁歪板１０２ｂとして厚さ０．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ２５ｍｍの鉄‐ガリウム合金を用い、エポキシ系の接着剤によって連結板７０１と接着した。そののち、連結板７０１と接している磁歪板の稜線についてレーザー溶接を行い接合した［図８Ｂ］。
　続いて、コイル１０４として、線径０．２ｍｍの銅線を用いた二千巻の空芯コイルを磁歪板１０２ａと磁歪板ｂを内包するように挿入し、電気絶縁ワニスによって固定した［図８Ｃ］。
　最後に、磁石１０３ａと磁石１０３ｂ、連結板７０１ａと連結板７０１ｂとして、厚さ１．５ｍｍ、幅１２ｍｍ、長さ１．５ｍｍのネオジム磁石を用いた。磁石はそれぞれ図７に示すように磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂ内の磁場の向きが逆になるようにコイルの両端の磁歪板上にエポキシ系接着剤を用いて接着した［図７］。
　（発電素子の評価）
　以上の様に作製した発電素子について、実施例１と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、コイルの電気抵抗は４６Ω、開放電圧の最大値は１０Ｖ、発電量Ｐは０．４ｍＪであった。
　［実施例４］
　（発電素子の製造方法）
　本実施例では、図９に示す発電素子を作製した。本実施例のように連結板１０１を磁性金属とすることで、磁石を一つに削減することができる。
　製造工程については、実施例１の図３と同様であるが、磁石１０３ｂがないこと、および連結板の寸法、材質の違いが特徴である。連結板１０１は実施例１と異なり磁性金属である炭素鋼やフェライト系ステンレス等（ＳＵＳ４３０等）、マルテンサイト系ステンレス等（ＳＵＳ４２０Ｊ２等）を用いることができる。本実施例ではＳＵＳ４２０Ｊ２を用い、厚さ１．５ｍｍ、幅１６ｍｍ、長さ５６．５ｍｍとした。
　（発電素子の評価）
　以上の様に作製した発電素子について、実施例１と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、コイルの電気抵抗は４６Ω、開放電圧の最大値は４Ｖ、発電量Ｐは０．２ｍＪであった。
　［比較例１］
　（発電素子の製造方法）
　本比較例では、図４に示す実施例２において磁石の磁極の方向が同じ場合の発電素子を作製した。製造方法は図５と同様であるが、図５Ｃにおいて磁極の方向が実施例と異なり磁石１０３ａと磁石１０３ｂで同じという点が異なる。
　（発電素子の評価）
　以上の様に作製した発電素子について、実施例１と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、発電を観測することはできなかった。
　［比較例２］
　（発電素子の製造方法）
　本比較例では、図１０に示す発電素子を作製した。製造プロセスは図８と同様であるが、磁石の位置が異なる。図１０のような磁石の位置とすることで磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂには同一方向の磁場が印加される。
　（発電素子の評価）
　以上の様に作製した発電素子について、実施例１と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、発電を観測することはできなかった。
　［比較例３］
　（発電素子の製造方法）
　本比較例では、図１１に示す発電素子を作製した。製造プロセスを以下に記す。あらかじめコイル１１１ａを巻いた磁歪板１０２ａ、コイル１１１ｂ（厚さ０．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ２５ｍｍ）を巻いた磁歪板１０２ｂを準備する。準備した磁歪板１０２をＳＵＳ３０４－ＣＳＰ製の連結板１０１（厚さ１．５ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ３５ｍｍ）にエポキシ系樹脂で接着、その後コイルの断線に注意しながら、レーザー溶接を行い接合する。磁石１０３ａと磁石１０３ｂは図１１に示すように配置する。この配置により、磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂには同一の方向の磁場が印加される。また、前記コイルをそれぞれの磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂに巻くため、磁歪板１０２ａと磁歪板１０２ｂの間の距離による制約から、０．２ｍｍの銅線を用いたコイルでは百八十巻程度しか巻くことができなかった。
　（発電素子の評価）
　以上の様に作製した発電素子について、実施例１と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、開放電圧の最大値は２Ｖ、発電量Ｐは０．１ｍＪであった。
　以上の結果から、本発明では、磁歪棒を増やしてもコイルの設置領域が発電素子の構造に制限されることなくかつコイルを一つ設置するだけで発電量を向上できることが分かる。
　本発明の実施形態及び実施例について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明は技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構成要素はあくまでも一例に過ぎない。必要に応じてこれと異なる数値、構成要素を用いても良い。例えば、本実施例ではコイルの巻き数は二千巻であったが、設置空間以外の制限はないためより大きな巻き数にしてもよい。その場合は、前記で説明した比較例との発電量の差はさらに大きくなる。
　上述の実施形態及び実施例の発電素子を用いれば、既存の磁歪発電機よりも大きな発電量が得られるため、発電機の小型化が可能である。したがって、これまで設置が困難であったような大きさの機器の発電機として特に有効である。例えば、携帯機器等のための発電機として用いることができる。また、振動を発生するような産業機器や事務機、医療機、または自動車や鉄道車両、航空機、重機、船舶などの筐体に設置することで、ＩｏＴ機器を含む各種機器の電力源として用いることも期待できる。なお本発明は、発電機の性能を向上することができるため、上記で記載した分野以外の幅広い分野での応用が可能である。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。
　本願は、２０１９年５月３１日提出の日本国特許出願特願２０１９－１０３２３１を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てをここに援用する。

Claims (12)

  1. 　磁歪材料を含む第１の磁歪板及び第２の磁歪板と、
    　前記第１の磁歪板と前記第２の磁歪板の少なくとも一方に固定された、磁石を含む磁石部と、
    　前記第１の磁歪板及び前記第２の磁歪板の少なくとも一部を内包するコイルと、
    　を備え、
    　前記第１の磁歪板及び前記第２の磁歪板は、印加される応力の方向が互いに逆方向になるように配置され、且つ、前記磁石部は、前記第１の磁歪板及び前記第２の磁歪板に印加される磁場の方向が互いに逆方向になるように配置されていることを特徴とする発電素子。
  2. 　外力を受けて振動する連結板を、前記第１の磁歪板と前記第２の磁歪板との間にさらに備え、前記第１の磁歪板と前記第２の磁歪板は、前記連結板から応力を印加されることを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
  3. 　前記磁石部は、前記第１の磁歪板と前記第２の磁歪板の間に固定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。
  4. 　前記磁石部は、第１の磁石と第２の磁石を含み、前記第１の磁石及び前記第２の磁石は、互いに異なる磁極面が前記第１の磁歪板と前記第２の磁歪板に固定されていることを特徴とする請求項３に記載の発電素子。
  5. 　前記コイルは、前記第１の磁石と前記第２の磁石の間に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の発電素子。
  6. 　前記磁石部は、少なくとも２つ以上の磁石を含み、前記少なくとも２つ以上の磁石は前記第１の磁歪板と前記第２の磁歪板のいずれか一方に固定され、且つ、少なくとも１つ以上の前記磁石が前記第１の磁歪板及び前記第２の磁歪板のそれぞれに固定されていることを特徴とする請求項３に記載の発電素子。
  7. 　前記磁石部は、１つの磁石であって、前記コイルは、前記１つの磁石と前記連結板との間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の発電素子。
  8. 　前記連結板が非磁性材料、磁性材料もしくは弾性体のうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発電素子。
  9. 　前記第１の磁歪板と前記第２の磁歪板は、鉄‐ガリウム合金、鉄‐コバルト合金、鉄‐アルミニウム合金、鉄‐ガリウム‐アルミニウム合金もしくは鉄‐シリコン‐ホウ素合金のうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発電素子。
  10. 　前記印加される応力の方向が互いに逆方向とは、一方に圧縮応力が加わり、他方には引張応力が加わることである請求項１から９のいずれか１項に記載の発電素子。
  11. 　請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発電素子を有し、前記発電素子に力を印加する機構を有する発電装置。
  12. 　請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発電素子を有し、前記発電素子が地動加振から振動する機構を有する発電装置。
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