(57)【要約】【課題】往復動による運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する効率を飛躍的に向上させることを可能とする磁歪発電構造を提供する。【解決手段】歪材料からなる柱状体と前記柱状体の両底面に固定された誘導磁石とで構成される柱状圧電変換部と、前記柱状圧電変換部に対し前記柱状圧電変換部の長手方向に進退する第一加圧部及び第二加圧部を備える。前記第一加圧部と前記第二加圧部は連動して移動する。そして、移動の規制された前記柱状圧電変換部の一方の端面に前記第一加圧部のみが押し当てられる第一発電状態と、移動の規制された前記柱状圧電変換部の他方の端面に前記第二加圧部のみが押し当てられる第二発電状態を交互に発現させ、前記第一発電状態と前記第二発電状態の夫々において、前記柱状体の周面に導電性線材を巻回してなる誘導コイルを介して電力を得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪材料からなる柱状体と前記柱状体の両底面に固定された誘導磁石とで構成される柱状圧電変換部と、前記柱状圧電変換部に対し前記柱状圧電変換部の長手方向に進退する第一加圧部及び第二加圧部を備え、前記第一加圧部と前記第二加圧部は連動して移動し、移動の規制された前記柱状圧電変換部の一方の端面に前記第一加圧部のみが押し当てられる第一発電状態と、移動の規制された前記柱状圧電変換部の他方の端面に前記第二加圧部のみが押し当てられる第二発電状態が繰り返され、前記第一状態と前記第二状態の夫々において、前記柱状体の周面に導電性線材を巻回してなる誘導コイルを介して電力を得ることを特徴とする磁歪発電構造。
【請求項２】
前記第一加圧部と前記第二加圧部は、前記柱状圧電変換部の長さよりも広い間隔を開けて、往復動する軸部材に固定され、前記間隔に前記柱状圧電変換部が配置される請求項１に記載の磁歪発電構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪現象を利用して、振動のような往復動による運動エネルギーを電気エネルギーに変換するための磁歪発電構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、振動を利用して発電するための、様々な手法が提案されている。例えば、特開２０１１−１６６８９４号公報には、コイルが巻回される筒状の筐体の内側の両端または一端に圧電素子を設置し、筐体の内面に沿って往復動可能に磁石体を設置した振動発電機が提案されている。この振動発電機によれば、小型の筐体であっても電力の変換効率に優れ、出力電圧を高めることが可能とされている。
【０００３】
上記振動発電機においては、材料の変形を電力に変換するものとして圧電素子が用いられているが、圧電素子では大きな電力を得ることが難しいという問題がある。これに対し、磁歪材料（外形を変化させると透磁率が変化する材料）をより大きくして、得られる電力を増やす方法も考えられる。そして、圧電素子よりも大きな磁歪材料を用いて発電する手法としては、例えば、特開平９−９００６５号公報に開示されている発電装置が挙げられる。この発電装置では、正または負の磁歪定数を持つ超磁歪部材の両端に永久磁石を貼り付け、その一端を固定したものを発電部としている。そして、発電部の一端に衝撃が与えられると、磁歪部材は圧縮変形した後長軸方向に振動し、繰り返し歪が加わり、磁歪部材の周辺に配置されているコイル部材に電力が発生する。すなわち、衝撃エネルギーが電気エネルギーに変換されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１６６８９４号公報
【特許文献２】特開平９−９００６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
磁歪発電による電力量を上げるにあたっては、磁界を大きく変化させることが重要となるため、磁歪材料を単に大きくすることよりも、磁歪の大きい素材を選定することが特に重要となる。そして、磁歪の大きい素材として、例えば、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ（Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系合金）が挙げられる。しかしながら、磁歪の大きい素材は脆く、引っ張りに対する耐力が低いため、振動のような往復運動による力をそのまま加えた場合、圧縮と伸張が繰り返されることになり、伸縮力により破壊されるおそれがあった。そのため、従来の手法では、往復動による運動エネルギーを電気エネルギーへの変換するにあたり、磁歪の大きい素材を利用することが難しく、変換効率を飛躍的に向上させることができないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、往復動による運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する効率を飛躍的に向上させることを可能とする磁歪発電構造を提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る磁歪発電構造は、磁歪材料からなる柱状体と前記柱状体の両底面に固定された誘導磁石とで構成される柱状圧電変換部と、前記柱状圧電変換部に対し前記柱状圧電変換部の長手方向に進退する第一加圧部及び第二加圧部を備える。前記第一加圧部と前記第二加圧部は連動して移動する。そして、移動の規制された前記柱状圧電変換部の一方の端面に前記第一加圧部のみが押し当てられる第一発電状態と、移動の規制された前記柱状圧電変換部の他方の端面に前記第二加圧部のみが押し当てられる第二発電状態を交互に発現させ、前記第一発電状態と前記第二発電状態の夫々において、前記柱状体の周面に導電性線材を巻回してなる誘導コイルを介して電力を得ることを特徴とする。
【０００８】
前記第一加圧部と前記第二加圧部は、前記柱状圧電変換部の長さよりも広い間隔を開けて、往復動する軸部材に固定され、前記間隔に前記柱状圧電変換部が配置されているものであってもよい。
【０００９】
なお、本発明において第一発電状態及び第二発電状態は、一瞬の静的状態ではなく、第一加圧部或いは第二加圧部が柱状圧電変換部の端面に接してから離れるまでの期間全体を意図するものである。すなわち、第一加圧部或いは第二加圧部が柱状圧電変換部の端面に押し当てられる力の大きさが変化し、それにより磁歪材料が変形し続けて磁界も変化し、電力が発生している状態を意図するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る磁歪発電構造では、第一加圧部及び第二加圧部が連動して進退する方向を往復運動の方向と一致させると、往復運動の１周期の中で第一発電状態と第二発電状態が１回ずつ発現する。すなわち、往復運動により第一発電状態と第二発電状態を交互に発現させ、誘導コイルを介して電力を得ることができる。そして、磁歪材料の一端が固定され、固定されていない端部のみが加圧される従来の技術では、往復運動の１周期の中で磁歪材料が加圧され発電する機会は１回のみであったのに対し、本発明に係る磁歪発電構造では往復運動の１周期に２回発電をする機会を得ることができる。すなわち、従来の技術よりも２倍の発電機会を得ることができる。更に、往復運動の１周期の中で磁歪材料が伸張されることはないため、脆くても磁歪の大きい材料を使用することができる。従って、往復運動による運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する効率を飛躍的に向上させることができる。
【００１１】
第一加圧部及び第二加圧部が進退する方向を往復運動の方向と一致させる構造に制限はないが、例えば、第一加圧部と第二加圧部を往復動する軸部材に固定した構造としてもよい。この場合、往復運動を行う動体に軸部材を連結させることで、第一加圧部及び第二加圧部が進退する方向を往復運動の方向に一致させることができる。このとき、第一加圧部及び第二加圧部は柱状圧電変換部の長さよりも広い間隔を開けて固定し、この間隔に柱状圧電変換部を配置すれば、第一発電状態と第二発電状態が交互に発現することになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る磁歪発電構造の実施形態の概略構成図である。
【図２】本発明に係る磁歪発電構造を使用した振動発電装置の概略構想図である。
【図３】第一発電状態及び第二発電状態を示す概略構成図である。
【図４】振動により磁歪材料に加えられる力の方向を示すタイムチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１〜４を参照しながら、本発明に係る磁歪発電構造の実施形態について説明する。
図２に示すように、発電装置１は、往復動部材３を介して搖動部材２と連結されている。搖動部材２は基端が支軸４により設置面に対し搖動自在に固定されている。往復動部材３は搖動部材２の基端寄りに取り付けられており、搖動部材２がその先端近傍に示す白抜き矢線の方向に搖動すると、搖動部材２に連動して往復動するものとなっている。そのため、搖動部材２を、その先端が風に当たる場所に設置し風力で搖動させると、風のエネルギーを往復動部材３の往復運動に変換することができる。また、搖動部材２の先端を水流に挿入してもよく、その場合は、水流のエネルギーを往復動部材３の往復運動に変換することができる。なお、搖動部材２は、風や水流の力を受け止めることのできる面積と強度を有するものであれば、材質や形状に制限はなく、使用状況に応じて、適切な材質と形状を選択すればよい。また、搖動部材２を伸ばす方向も、垂直上方に限定されず、使用状況に応じて、垂直下方、水平方向、その他の方向に伸ばすこととしてもよい。
【００１４】
発電装置１には、本発明に係る磁歪発電構造が採用されており、図１に示すように、磁歪材料からなる柱状体１１と柱状体１１の両底面に固定された誘導磁石１２とで構成される柱状圧電変換部１０を利用して発電するものとなっている。
【００１５】
柱状圧電変換部１０を構成する柱状体１１の周面には導電性線材が巻回され誘導コイル１４が設けられている。そして、柱状圧電変換部１０は誘導コイル１４と一体にケーシング２０に収容され、長手方向への移動が規制された状態で設置されている。ケーシング２０は、外部に磁界が漏れにくい材質（例えばステンレス。ただし、材質に制限はない）で形成され、柱状圧電変換部１０の両端が当接する部分の各々に貫通孔２１が設けられている。そして、柱状圧電変換部１０の両端面の一部がケーシング２０の外部に露出された状態とされている。また、誘導コイル１４を形成する導電性線材を外部へ導く誘導孔２２が設けられ、磁歪材料の変形による電磁誘導で誘導コイル１４に発生した電力をケーシング２０の外部で得られるものとなっている。
【００１６】
ケーシング２０の外部には、ケーシング２０に対し相対移動する軸部材１６が、柱状圧電変換部１０と平行に配置されている。軸部材１６は、前記往復動部材３に連結され、往復動部材３と連動して、図１の白抜矢線で示すように、長手方向に往復運動を行うものとなっている。また、軸部材１６には、鉤形の棒材で形成した第一加圧部１７と第二加圧部１８が固定されている。第一加圧部１７と第二加圧部１８の配置間隔は、柱状圧電変換部１０の長さよりも大きくとられており、柱状圧電変換部１０は、これら第一加圧部１７と第二加圧部１８の間に配置されている。
【００１７】
第一加圧部１７及び第二加圧部１８の各先端部は、それぞれ、前記ケーシング２０の貫通孔２１に挿入されている。そして、軸部材１６の往復動と連動し、柱状圧電変換部１０の長手方向に移動することで、どちらか一方の先端部のみが柱状圧電変換部１０の端面に押し当てられた状態となる。すなわち、図３（ａ）に示す、柱状圧電変換部１０の一方の端面に第一加圧部１７のみが押し当てられる第一発電状態と、図３（ｂ）に示す、柱状圧電変換部１０の他方の端面に第二加圧部１８のみが押し当てられる第二発電状態が繰り返されることになる。
【００１８】
第一発電状態と第二発電状態の夫々において、第一加圧部１７の先端部或いは第二加圧部１８の先端部が柱状圧電変換部１０の端面に押し当てられる力の大きさは、図４（ａ）に示すように、常に変化している。そして、磁歪材料からなる柱状体１１も変形し続けて磁界も変化するため、これら第一状態と第二状態の夫々において、柱状体１１の周面に形成した誘導コイル１４を介して電力を得ることができる。なお、図４において、縦軸は力の大きさ、横軸は時間であり、（ａ）における期間Ｔ１が第一発電状態と、期間Ｔ２が第二発電状態となる。
【００１９】
また、往復運動による力をそのまま磁歪材料に加えた場合、図４（ｃ）に示すように、磁歪材料には圧縮力と引張り力が繰り返しかかるため、引張り力により破壊されるおそれがあった。これに対し、この磁歪発電構造では、図４（ａ）に示すように、往復運動の１周期（Ｔ１＋Ｔ２）の中で磁歪材料が伸張されることはないため、脆くても磁歪の大きい材料を使用することができる。例えば、磁歪材料としてＴｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄを採用することができる。Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄは引張強度は低いが、磁歪は２０００ｐｐｍと大きく、引張強度を考慮して使用されるＧａｌｆｅｎｏｌ（Ｆｅ−Ｇａ系合金）の磁歪（３００ｐｐｍ）６倍以上となり、往復動の運動エネルギーから電力エネルギーへの変換効率が飛躍的に向上する。
【００２０】
更に、  磁歪材料として磁歪が大きいが脆く引張力への耐久性に劣るものを使用する場合、一端が固定され、固定されていない端部のみが加圧される従来の技術では、図４（ｂ）に示すように、往復運動の１周期Ｔ０の中で磁歪材料が加圧され発電する機会は１回のみであった。これに対し、この磁歪発電構造では、往復運動の１周期（Ｔ１＋Ｔ２）に２回発電をする機会を得ることができるため、同じ磁歪材料を使用した従来の発電技術の２倍の電力を得ることができる。
【符号の説明】
【００２１】
１    発電装置
２    搖動部材
３    往復動部材
４    支軸
１０  柱状圧電変換部
１１  柱状体
１２  誘導磁石
１４  誘導コイル
１６  軸部材
１７  第一加圧部
１８  第二加圧部
２０  ケーシング
２１  貫通孔
２２  誘導孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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