(57)【要約】  曲げや衝撃に強く発電量が多い発電素子、および発電素子を備えた発電装置を提供する。  発電素子（１）は、磁歪材料で構成された第１の磁歪棒（１１ａ）と、第１の磁歪棒（１１ａ）に一様な圧縮力または引張力を加えるための剛性および形状を有する磁性材料で構成され、第１の磁歪棒（１１ａ）と平行に配置された剛性棒（１１ｂ）と、第１の磁歪棒（１１ａ）に巻かれた第１のコイル（１２ｃ）と、第１の磁歪棒（１１ａ）および剛性棒（１１ｂ）のそれぞれの両端に、第１の磁歪棒（１１ａ）と剛性棒（１１ｂ）とを連結するように設けられた２つの連結ヨーク（１０ａ、１０ｂ）とを備え、第１の磁歪棒（１１ａ）の軸方向と垂直な方向の振動により、第１の磁歪棒（１１ａ）が伸張または収縮することにより発電する。
2011158473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪材料で構成された第１の磁歪棒と、
前記第１の磁歪棒に一様な圧縮力または引張力を加えるための剛性および形状を有する磁性材料で構成され、前記第１の磁歪棒と平行に配置された剛性棒と、
前記第１の磁歪棒に巻かれた第１のコイルと、
前記第１の磁歪棒および前記剛性棒のそれぞれの両端に、前記第１の磁歪棒と前記剛性棒とを連結するように設けられた２つの連結ヨークとを備え、
前記第１の磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動により、前記第１の磁歪棒が伸張または収縮することにより発電する
ことを特徴とする発電素子。
【請求項２】
前記剛性棒は、磁歪材料で構成された第２の磁歪棒であり、
前記第２の磁歪棒に巻かれた第２のコイルをさらに備え、
前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動により、前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒の一方が伸張し、他方が収縮することにより発電する
ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【請求項３】
前記第１の磁歪棒の磁化容易方向は、前記第１の磁歪棒の軸方向に平行である
ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【請求項４】
前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒のそれぞれの磁化容易方向は、前記第１の磁歪棒および第２の磁歪棒のそれぞれの軸方向に平行である
ことを特徴とする請求項２に記載の発電素子。
【請求項５】
前記発電素子は、さらに、磁石を有するバックヨークを備える
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項６】
前記２つの連結ヨークの一方は固定され、他方は錘を有している
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項７】
前記発電素子は、２次共振モードで共振する
ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項８】
前記錘の前記磁歪棒の軸方向の長さは、前記磁歪棒の軸方向と垂直な方向の長さよりも長い形状を有している
ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項９】
前記第１のコイルの巻数をＮ回とすると、
前記第１のコイルは、Ｎ／Ｋ回の巻数を有するＫ個の並列接続されたコイルで構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【請求項１０】
前記第１のコイルおよび前記第２コイルのそれぞれの巻数をＮ回とすると、
前記第１のコイルおよび前記第２のコイルのそれぞれは、Ｎ／Ｋ回の巻数を有するＫ個の並列接続されたコイルで構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の発電素子。
【請求項１１】
平行に配置された複数個の前記発電素子を備え、
前記複数個の発電素子は直列に接続されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の発電素子。
【請求項１２】
前記磁歪材料は、延性を有する
ことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項１３】
前記磁歪材料は、鉄ガリウム合金である
ことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項１４】
前記磁歪材料は、鉄コバルト合金である
ことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の発電素子を備える
ことを特徴とする発電装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動を利用した発電素子に関し、特に、磁歪材料を使用した発電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、身近な振動から発電を行うための技術の開発が盛んに行われており、その技術の１つとして圧電素子を用いた発電方法や永久磁石の磁束密度の変化を利用した発電方法が知られている。【０００３】
圧電素子を利用した発電方法の多くは、圧電素子に何らかの方法で外部から力を加えることにより、圧電素子を変形させて発電するものである。圧電素子を変形させるには、例えば、圧電素子に振動を加えて変形させる方法、風圧や音圧などの圧力を間接的に与える方法、錘などの物体を圧電素子に衝突させる方法、変形する物体に圧電素子を取り付ける方法などがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、音による空気の圧力変動を利用して圧電素子により発電する音力発電装置、および、振動による圧力変動を利用して圧電素子により発電する振動力発電装置が記載されている。【０００４】
また、永久磁石の磁束密度の変化を利用した発電方法は、永久磁石の振動に伴うコイルの鎖交磁束密度の時間的変化で発電を行う方法、つまり、電磁誘導を利用した発電方法である（例えば、非特許文献１、特許文献２参照）。【０００５】
非特許文献１では、コイルの内部を磁化の方向と平行方向に振動する永久磁石により、コイル内部の磁束密度が変化して、コイルに電流が発生することにより発電が行われる発電素子が開示されている。【０００６】
特許文献２では、２極に着磁されたバイアス磁石と、外部からの力を加えることで逆磁歪効果により透磁率が変化して磁束の流れが変化する磁歪材料と、磁歪材料を磁気的な異方性を有する方向に周期的に圧縮する圧縮手段と、この周期的に変化する磁束により電流を誘起するコイル手段とを備えた発電素子が開示されている。この発電素子は、上記した周期的に変化する磁束と、コイル芯に巻き廻されたコイルとが鎖交するように、磁歪材料と、コイルと、圧縮手段が配置されている。つまり、長手方向に磁気異方性を有する磁歪材料を、長手方向に周期的に圧縮し、このときコイルに発生する電流により発電を行う構成である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１６６６９４号公報
【特許文献２】特開２００８−７２８６２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】保坂寛、“ウェアラブル情報機器のための振動発生技術”、電気学会誌、１２６巻４号、２００６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載された圧電材料は、圧電縦定数が大きく、圧電縦効果（力の方向と電圧を取り出す方向が同じ場合）の発電効率は高い。しかし、単板の圧電材料を曲げることによる曲げ変形を利用して発電する場合には、力の方向と直交する方向で電圧を取り出す（圧電横効果）ため、発電効率が低い。また、圧電材料は、脆性材料であり、曲げや衝撃に対して弱い材料である。そのため、過度な負荷を加えることができず、発電量を増加するために大きな曲げや衝撃を加えることが難しいという問題がある。また、圧電素子は、電気的に誘導性の負荷であるため、低周波数でインピーダンスが高く、圧電素子より低いインピーダンスを有する負荷を繋いだときに、負荷に発生する電圧が小さくなるため、発電により得られる電力が小さくなり、発電の効率が低いという欠点を有している。【００１０】
また、非特許文献１に記載された永久磁石の振動に伴うコイルの鎖交磁束密度の変化を利用した発電方法では、発電量を増加するために、大振幅かつ高周波数で振動子を振動させる必要がある。そこで、振動子として使用される永久磁石の大きさを大きくすると、振動子の質量が増加し、振動子の共振周波数が低くなる。その結果、発電量は大きくならないという問題がある。【００１１】
また、特許文献２に記載された、磁歪材料を周期的に圧縮することによる発電方法では、磁歪材料を長手方向に圧縮するために大きな力が必要である。また、圧縮力は磁歪材料に不均一に加えられるため、発電効率が低くなるという欠点を有している。【００１２】
上記課題を鑑み、本発明は、曲げや衝撃に強く発電量が多い発電素子、および発電素子を備えた電子装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を達成するため、本発明の一形態における発電素子は、磁歪材料で構成された第１の磁歪棒と、前記第１の磁歪棒に一様な圧縮力または引張力を加えるための剛性および形状を有する磁性材料で構成され、前記第１の磁歪棒と平行に配置された剛性棒と、前記第１の磁歪棒に巻かれた第１のコイルと、前記第１の磁歪棒および前記剛性棒のそれぞれの両端に、前記第１の磁歪棒と前記剛性棒とを連結するように設けられた２つの連結ヨークとを備え、前記第１の磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動により、前記第１の磁歪棒が伸張または収縮することにより発電する。【００１４】
この構成によれば、第１の磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動により、磁歪材料で構成される第１の磁歪棒がたわみ、第１の磁歪棒には、第１の磁歪棒の軸方向と平行な方向の伸張および収縮が生じる。これにより、第１の磁歪棒の軸方向と平行な方向に磁束密度が変化する逆磁歪効果が生じ、第１の磁歪棒に巻かれたコイルに電流が発生する。つまり、この構成によれば、逆磁歪効果を利用して磁束密度の時間的変化により発電することができる。これにより、小さな力で効率よく発電することができる。【００１５】
また、曲げや衝撃などの外力に強い磁歪材料を磁歪棒に使用するので、発電素子に大きな曲げや衝撃を加えることができ、発電量を多くすることができる。【００１６】
ここで、前記剛性棒は、磁歪材料で構成された第２の磁歪棒であり、前記第２の磁歪棒に巻かれた第２のコイルをさらに備え、前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動により、前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒の一方が伸張し、他方が収縮することにより発電する。【００１７】
この構成によれば、磁歪材料で構成される２つの磁歪棒の伸張および収縮により、逆磁歪効果を利用して磁束密度の時間的変化により発電することができる。２つの磁歪棒を組み合わせて発電素子が構成されているので、発電素子に２つの磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動が与えられると、２つの磁歪棒の一方は伸張し、他方は収縮する。これにより、小さな力で効率よく発電することができる。【００１８】
また、曲げや衝撃などの外力に強い磁歪材料を磁歪棒に使用するので、発電素子に大きな曲げや衝撃を加えることができ、発電量を多くすることができる。【００１９】
ここで、前記第１の磁歪棒の磁化容易方向は、前記第１の磁歪棒の軸方向に平行であることが好ましい。【００２０】
また、前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒のそれぞれの磁化容易方向は、前記第１の磁歪棒および第２の磁歪棒のそれぞれの軸方向に平行であることが好ましい。【００２１】
この構成によれば、磁歪棒の磁化の方向または磁歪棒に磁化が生じ易い方向である、磁化容易方向と、磁歪棒の伸縮の方向が同一であるので、磁歪棒の伸張または収縮による磁束密度の変化をより大きくすることができる。これにより、効率よく発電することができ、発電量を多くすることができる。【００２２】
ここで、前記発電素子は、さらに、永久磁石を有するバックヨークを備えることが好ましい。【００２３】
この構成によれば、バックヨークにより磁歪棒に磁化をバイアスで発生させるので、残留磁化を持たない材料であっても磁歪棒として使用することができる。【００２４】
ここで、前記２つの連結ヨークの一方は固定され、他方は錘を有していることが好ましい。【００２５】
この構成によれば、発電素子の一端が固定され、他端に配置された錘が曲げ振動をすることにより、発電素子が所定の共振周波数で共振して連続して発電することができる。【００２６】
ここで、前記発電素子は、２次共振モードで共振してもよく、２次共振モードを与える２次共振周波数でも効率よく発電することができる。【００２７】
発電素子に発生する電圧は、発電素子の共振周波数に比例して大きくなる。この構成によれば、発電素子は、発電素子に一般に生じる１次共振モードよりも共振周波数が高い２次共振モードで振動するので、より大きな電力を得ることができる。【００２８】
ここで、前記錘の前記磁歪棒の軸方向の長さは、前記磁歪棒の軸方向に垂直な方向の長さよりも長い形状を有していることが好ましい。【００２９】
この構成によれば、発電素子において２次共振モードによる共振を起こし易くすることができる。【００３０】
ここで、前記第１のコイルの巻数をＮ回とすると、前記第１のコイルは、Ｎ／Ｋ回の巻数を有するＫ個の並列接続されたコイルで構成されていることが好ましい。【００３１】
また、前記第１のコイルおよび前記第２コイルのそれぞれの巻数をＮ回とすると、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルのそれぞれは、Ｎ／Ｋ回の巻数を有するＫ個の並列接続されたコイルで構成されていることが好ましい。【００３２】
この構成によれば、コイルの負荷抵抗Ｒで発生する電力Ｖ２／ＲのＫ２倍の電力を取り出すことができる。【００３３】
ここで、平行に配置された複数個の前記発電素子を備え、前記複数個の発電素子は直列に接続されていることが好ましい。【００３４】
この構成によれば、複数個の発電素子の磁歪棒を接合する連結ヨークを、隣り合う発電素子で共通に使用して、複数個の発電素子を直列に接続することで発電量を大きくすることができる。具体的には、Ｋ個の発電素子を直列に接続することにより、発電量をＫ倍にすることができる。同時に、Ｋ個の発電素子を平行にＫ個並べることにより、共振周波数を１／Ｋに減少させることができるので、単位時間当たりの振動回数が増加するため、発電量を増加することができる。また、発電装置全体の形状が弾性を有するバネ形状に構成されているため、発電素子における振動を長時間継続させることができる。これにより、使用する環境にあった振動数、発電電力に容易に調整することができる。【００３５】
ここで、前記磁歪材料は、延性を有することが好ましい。【００３６】
この構成によれば、延性を有する磁歪材料を使用することにより、曲げや衝撃に強い磁歪棒により、発電量をより多くすることができる。【００３７】
ここで、前記磁歪材料は、鉄ガリウム合金であることが好ましい。【００３８】
この構成によれば、磁歪材料として、例えばＧａｌｆｅｎｏｌなどの曲げや衝撃などの外力に対して強く機械加工性に優れた鉄ガリウム合金を使用することにより、発電量をより多くすることができる。【００３９】
ここで、前記磁歪材料は、鉄コバルト合金であることが好ましい。【００４０】
この構成によれば、磁歪材料として、例えばパーメンジュールなどの磁歪効果の高い鉄コバルト合金を使用することにより、より効率よく発電することができる。【００４１】
また、上記の課題を達成するため、本発明の一形態における発電素子を備えた発電装置は、上記した特徴を有する発電素子を備えている。【００４２】
この構成によれば、上記した特徴を有する発電素子を備える発電装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によると、曲げや衝撃に強く発電量が多い発電素子および発電素子を備えた発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る発電素子の上面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る発電素子の側面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１Ａに示す発電素子の磁歪棒および連結ヨークの配置位置を示す上面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１Ｂに示す発電素子の磁歪棒および連結ヨークの配置位置を示す側面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す上面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す側面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す側面図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す上面図である。
【図２Ｇ】図２Ｇは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す側面図である。
【図２Ｈ】図２Ｈは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す上面図である。
【図２Ｉ】図２Ｉは、磁歪棒および連結ヨークの接合方法を示す上面図である。
【図２Ｊ】図２Ｊは、バックヨークの構成の一例を示す側面図である。
【図２Ｋ】図２Ｋは、バックヨークを、コイルが巻かれた磁歪棒に置き換えた発電素子の構成を示す側面図である。
【図２Ｌ】図２Ｌは、バックヨークを、コイルが巻かれた磁歪棒に置き換えた発電素子の構成を示す側面図である。
【図３】図３は、図１Ａに示した発電素子の一例を示す写真である。
【図４Ａ】図４Ａは、発電素子の発電動作を示す上面図であり、磁歪棒の動作を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、発電素子の発電動作を示す上面図であり、磁歪棒にコイル、錘が配置された状態を示す図である。
【図５】図５は、図１Ａに示した発電素子の発電量を電圧により示した図である。
【図６】図６は、図１Ａに示した発電素子の発電量を電流により示した図である。
【図７】図７は、図１Ａに示した発電素子の平均発生電力を示した図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図１Ａに示した発電素子の変位を示した図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図１Ａに示した発電素子の発生電圧を示した図である。
【図９】図９は、図１Ａに示した発電素子の入力仕事量と出力電気エネルギーの関係を示した図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、図１Ａに示した発電素子の１次共振モードでの形状の変化を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１Ｂに示した発電素子の２次共振モードでの形状の変化を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、実施の形態２に係る発電素子の側面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａに示す発電素子の磁歪棒および連結ヨークの配置位置を示した側面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、実施の形態３に係る発電素子の上面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、実施の形態３に係る発電素子の上面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、実施の形態３に係る発電素子の上面図である。
【図１２Ｄ】図１２Ｄは、実施の形態３に係る発電素子の上面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、図１２Ａに示した発電素子の等価電気回路図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１２Ｂに示した発電素子の等価電気回路図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、図１２Ｂに示した発電素子の等価電気回路図である。
【図１３Ｄ】図１３Ｄは、図１２Ｃに示した発電素子の等価電気回路図である。
【図１３Ｅ】図１３Ｅは、図１２Ｃに示した発電素子の等価電気回路図である。
【図１３Ｆ】図１３Ｆは、図１２Ｄに示した発電素子の等価電気回路図である。
【図１３Ｇ】図１３Ｇは、図１２Ｄに示した発電素子の等価電気回路図である。
【図１４】図１４は、実施の形態４に係る発電装置の概略構成図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、実施の形態４に係る発電装置の使用例を示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、図１５Ａに示した発電装置の概略構成図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、図１５Ａに示した発電装置の概略構成図である。
【図１５Ｄ】図１５Ｄは、図１５Ａに示した発電装置の概略構成図である。
【図１６】図１６は、実施の形態５に係る携帯電話機の概略構成図である。
【図１７】図１７は、図１６に示した携帯電話機の内部構造の一部を示す概略図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、実施の形態６に係る発電素子の上面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、実施の形態６に係る発電素子の側面図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、実施の形態６に係る発電素子の動作を示す上面図である。
【図１９】図１９は、実施の形態７に係る発電素子の応用例を示す図である。
【図２０】図２０は、実施の形態７に係る空気圧センサについて説明するための模式図である。
【図２１】図２１は、実施の形態７に係る振動センサについて説明するための模式図である。
【図２２Ａ】図２２Ａは、実施の形態８に係る発電装置を示す図である。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、実施の形態８に係る発電装置を示す図である。
【図２２Ｃ】図２２Ｃは、実施の形態８に係る発電装置を示す図である。
【図２３】図２３は、発電素子を用いた電子装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。
【００４６】
（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の一実施の形態に係る発電素子の上面図、図１Ｂは、本発明の一実施の形態に係る発電素子の側面図である。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、発電素子１は、連結ヨーク１０ａおよび１０ｂと、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと、コイル１２ａおよび１２ｂと、永久磁石１４ａおよび１４ｂと、バックヨーク１５とを備えている。
【００４７】
図２Ａおよび図２Ｂは、図１Ａおよび図１Ｂに示した発電素子１の磁歪棒１１ａおよび１１ｂ、連結ヨーク１０ａおよび１０ｂの配置位置を示した概略図であり、図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ図１Ａおよび図１Ｂに対応している。
【００４８】
磁歪棒１１ａおよび１１ｂは、例えば鉄ガリウム合金であるＧａｌｆｅｎｏｌで構成され、延性を有し、それぞれ、１ｍｍ×０．５ｍｍ×１０ｍｍの直方体の棒状の形状をしている。
【００４９】
また、図２Ａに示すように、磁歪棒１１ａおよび１１ｂは平行に配置されている。磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一端には、磁歪棒１１ａおよび１１ｂを接続するように連結ヨーク１０ａが設けられている。磁歪棒１１ａおよび１１ｂの他端には、磁歪棒１１ａおよび１１ｂを連結するように連結ヨーク１０ｂが設けられている。連結ヨーク１０ａおよび１０ｂは、例えばＦｅを含む磁性材料により形成され、機械的および磁気的に磁歪棒１１ａおよび１１ｂに連結されている。
【００５０】
磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａおよび１０ｂとは、一例として以下のようにして接続されている。
【００５１】
図２Ｃ〜図２Ｊは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの接合方法を示す図である。磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとは、発電素子が振動を利用するものであるため強固に接合されている必要があるが、以下の方法によると、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとを、発電に必要な振動に耐えうるように強固に接合することができる。
【００５２】
図２Ｃに示すように、連結ヨーク１０ａには、磁歪棒１１ａおよび１１ｂを挿入するための２つの溝が形成され、溝にはそれぞれ磁歪棒１１ａおよび１１ｂが挿入される。このとき、連結ヨーク１０ａに形成された溝と、この溝に挿入された磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの間には隙間がある。この隙間を埋めるために、一般的には接着剤が使用されるが、接着剤を使用するのみでは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの接合強度は不十分である。そこで、図２Ｄに示すように、連結ヨーク１０ａの高さは、予め磁歪棒１１ａおよび１１ｂの高さよりも大きく形成されている。
【００５３】
磁歪棒１１ａおよび１１ｂを連結ヨーク１０ａに形成された溝に挿入した後、図２Ｅに示すように、プレス１７によって連結ヨーク１０ａを圧縮して潰すことにより、連結ヨーク１０ａの潰れた部分により磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの隙間が埋められ、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとが密着して強固に接合される。なお、圧縮後の連結ヨーク１０ａは、図２Ｇに示すように、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと同様の高さとなる。
【００５４】
磁歪棒１１ａおよび１１ｂの連結ヨーク１０ａに挿入された部分は、連結ヨーク１０ａが潰れたことにより圧縮され、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの根元部分（磁歪棒１１ａおよび１１ｂの連結ヨーク１０ａに挿入された部分と挿入されていない部分との境界部分）には応力が集中すると考えられる。そこで、図２Ｈに示すように、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの根元部分の近傍を、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤１８で補強することで、上記した応力の集中が緩和されるとともに、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの接合強度をより高めることができる。
【００５５】
なお、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの接合は、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとを１本のピンで貫通して接合するピン止め方法により接合してもよい。また、連結ヨーク１０ａに１つの凹部を形成し、この凹部に磁歪棒１１ａおよび１１ｂを挿入し、さらに磁歪棒１１ａおよび１１ｂの間に、例えば、角柱形状を有するかしめ部を挿入して圧縮することにより、かしめ部を潰して磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａを密着させる圧入方法であってもよい。
【００５６】
また、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ａとの接合に限らず、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結ヨーク１０ｂとの接合についても同様である。
【００５７】
また、連結ヨークの形状は、図２Ｃに示した形状以外にも、一例として、図２Ｉに示すような形状であってもよい。図２Ｃに示す連結ヨーク１０ａは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂとの境界が磁歪棒１１ａおよび１１ｂに対してほぼ垂直の形状であるが、図２Ｉに示す連結ヨーク１０ｃは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂとの境界が磁歪棒１１ａおよび１１ｂに向かって傾斜する形状となっている。この構成によれば、振動により磁歪棒１１ａおよび１１ｂが湾曲したときの磁歪棒１１ａおよび１１ｂの根元部分における応力集中を緩和することができる。
【００５８】
また、図２Ｂに示すように、発電素子１の下面側にはバックヨーク１５が設けられている。バックヨーク１５は、磁歪棒１１ａおよび１１ｂにバイアス磁化を印加するための構成である。
【００５９】
バックヨーク１５は、図２Ｂに示すように、連結ヨーク１０ａ側に設けられた永久磁石１４ａと連結ヨーク１０ｂ側に設けられた永久磁石１４ｂとを有し、永久磁石１４ａおよび１４ｂを介して、連結ヨーク１０ａおよび連結ヨーク１０ｂに接続されている。
【００６０】
永久磁石１４ａは、バックヨーク１５と接続される面側にＮ極、連結ヨーク１０ａと接続される面側にＳ極を有している。また、永久磁石１４ｂは、バックヨーク１５と接続される面側にＳ極、連結ヨーク１０ｂと接続される面側にＮ極を有している。連結ヨーク１０ａおよび１０ｂと、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと、永久磁石１４ａおよび１４ｂと、バックヨーク１５とにより、図２Ｂに矢印で示すような磁気ループが形成される。これにより、永久磁石１４ａおよび１４ｂの起磁力により、磁歪棒１１ａおよび１１ｂにバイアス磁化を発生させている。つまり、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの磁化の方向または磁歪棒１１ａおよび１１ｂの磁化が生じ易い磁化容易方向が、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの軸方向と平行な方向に設定される。このときの磁化の大きさは、例えば、飽和磁束密度の１／２となる０．８５Ｔ（テスラ）である。
【００６１】
なお、バックヨーク１５の永久磁石は、図２Ｂに示したような永久磁石１４ａ、１４ｂを用いた構成に限らず、以下のような構成であってもよい。
【００６２】
図２Ｊは、バックヨークの構成の一例を示す側面図である。図２Ｊに示すように、発電素子のバックヨークは、連結ヨーク１０ａ側に設けられた連結部１９ａと、連結ヨーク１０ｂ側に設けられた連結部１９ｂと、連結部１９ａと連結部１９ｂとの間に設けられた永久磁石１９ｃとにより構成されている。つまり、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと永久磁石１９ｃとは接触されておらず、磁歪棒１１ａおよび１１ｂに対して永久磁石１９ｃが平行に配置された構成となっている。連結部１９ａおよび１９ｂは、例えば連結ヨーク１０ａ、１０ｂと同様、Ｆｅを含む磁性材料により形成されている。
【００６３】
磁気回路には漏れ磁束が発生するため、図２Ｊに示すような構成であっても、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと連結部１９ａと永久磁石１９ｃと連結部１９ｂとにより磁気ループが形成されるため、磁歪棒１１ａおよび１１ｂにバイアス磁化が印加される。
【００６４】
なお、上記したバックヨークにおける永久磁石の配置は一例であり、上記した構成に限らずその他の構成であってもよい。また、永久磁石に限らず、電磁石を利用したものであってもよい。また、発電素子１の外部からの磁場により磁気回路に漏れ磁束が発生する構成であれば、発電素子１の外部に磁石を配置した構成や、バックヨークがない構成であってもよい。
【００６５】
さらに、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、磁歪棒１１ａおよび１１ｂには、それぞれコイル１２ａおよび１２ｂが形成されている。コイル１２ａおよび１２ｂは、例えば銅線で構成され、巻数はそれぞれ３００巻程度である。コイル１２ａおよび１２ｂの巻数を変更することにより、発電素子に発生する電圧の大きさを調整することが可能である。磁歪棒１１ａとコイル１２ａとの間には隙間が設けられ、同様に、磁歪棒１１ｂとコイル１２ｂとの間にも隙間が設けられている。また、コイル１２ａおよび１２ｂは、樹脂によりその間が埋められ、一体となっている。なお、コイル１２ａおよび１２ｂは一体となった構成でなくてもよい。また、コイルの巻数は、各コイルで同一であってもよいし、異なっていてもよい。
【００６６】
また、発電素子１は、図２Ｋに示すように、図１Ｂに示すバックヨーク１５を、コイルが巻かれた磁歪棒に置き換えた構成であってもよい。図２Ｋは、バックヨークを、コイルが巻かれた磁歪棒に置き換えた発電素子の構成を示す側面図である。
【００６７】
図２Ｋに示すように、バックヨークと置き換えられた磁歪棒１１ｄには、コイル１２ｄが巻き回されている。磁歪棒１１ｄの両端には、可動ヨーク１０ｄおよび１０ｅが設けられている。可動ヨーク１０ｄの長さは、連結ヨーク１０ａの長さとほぼ同様である。また、可動ヨーク１０ｂの長さは、連結ヨーク１０ｅの長さとほぼ同様である。また、可動ヨーク１０ｄは、永久磁石１４ａにより連結ヨーク１０ａに接続されている。可動ヨーク１０ｅは、永久磁石１４ｂにより連結ヨーク１０ｂに接続されている。
【００６８】
永久磁石１４ａは、可動ヨーク１０ｄと接続される面側にＮ極、連結ヨーク１０ａと接続される面側にＳ極を有している。また、永久磁石１４ｂは、可動ヨーク１０ｅと接続される面側にＳ極、連結ヨーク１０ｂと接続される面側にＮ極を有している。連結ヨーク１０ａおよび１０ｂと、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと、永久磁石１４ａおよび１４ｂと、可動ヨーク１０ｄおよび１０ｅとにより、図２Ｋの下の図に示すような磁気ループが形成される。
【００６９】
これにより、発電素子の振動によりコイル１２ｄの内部の磁束が変化することにより、コイル１２ａだけでなくコイル１２ｄにも電流が発生するので、効率よく発電することができる。また、バックヨークに代えてコイル１２ｄが巻かれた磁歪棒１１ｄを備えるので、スペースを有効利用しつつ効率よく発電することができる。
【００７０】
また、図２Ｋでは、可動ヨーク１０ｂと１０ｅとはほぼ同じ長さとしたが、可動ヨーク１０ｂと１０ｅとは、図２Ｌに示すように、異なる長さであってもよい。
【００７１】
図２Ｌは、バックヨークに代えてコイル１２ｄが巻かれた磁歪棒１１ｄを備え、可動ヨーク１０ｂと１０ｅの長さが異なる発電素子１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅを、振動体１６ａに備えた発電素子の構成を示している。
【００７２】
図２Ｌに示すように、発電素子１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅの可動ヨークの長さを異なる長さとすることにより、発電素子１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅの共振周波数は、それぞれ異なるものとなる。したがって、この構成によれば、振動体１６ａの振動により同時に幅広い周波数で発電を行うことができる。
【００７３】
なお、図２Ｌにおいて、発電素子１６および１６ｃ、１６ｄおよび１６ｅ永久磁石１４ａおよび１４でそれぞれ接続されているようにも思えるが、磁石の吸着力は小さく、また、吸着力は振動方向には作用しないので、発電素子の振動には影響しないと考えられる。
【００７４】
図３は、発電素子１の一例を示す写真である。磁歪棒１１ａおよび１１ｂは、断面が１ｍｍ×０．５ｍｍで軸方向の長さが１０ｍｍ程度の直方体（角柱）状の棒状の形状を有している。連結ヨーク１０ａは、固定部材２１に固定され、連結ヨーク１０ｂは、錘２０を備えている。錘２０は、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの軸方向に長い形状を有しており、例えば、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと同程度の長さである。このような構成により、発電素子１は、固定部材２１に固定された連結ヨーク１０ａを中心として、錘２０の振動により曲げ振動（共振）をする。錘２０を設けることにより、共振によって振動を持続させることができる。なお、錘２０の形状は、上記したように磁歪棒１１ａおよび１１ｂの軸方向に長い形状に限らず、その他の形状であってもよい。例えば、軸方向に長く形成された錘２０の一部を固定部材２１の方向へコの字形状に折り曲げ、錘２０の一部が磁歪棒１１ａおよび１１ｂと平行に配置される形状であってもよい。錘２０をこのような形状とすることにより、錘２０の長さを長くするとともに錘２０が設けられるスペースを小さくすることができる。
【００７５】
図４Ａは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの動作を示す図、図４Ｂは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂにコイル１２ａおよび１２ｂ、錘２０が配置された状態を示す図である。
【００７６】
発電素子１では、逆磁歪効果が生じる。ここで、逆磁歪効果とは、磁化している磁歪材料に応力を加えると磁化が変化する効果である。この磁化の変化によりコイルに誘導電圧（または誘導電流）が発生し、発電される。
【００７７】
詳細には、図４Ａに示すように、発電素子１の連結ヨーク１０ａは固定部材に固定された片持ち梁とみなせる構成であり、連結ヨーク１０ｂに所定の曲げ力Ｐが与えられることにより、発電素子１の連結ヨーク１０ｂが曲げ振動する。このとき、曲げ力Ｐの方向は、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの軸方向に対して垂直の方向である。連結ヨーク１０ｂが曲げ振動することにより、発電素子１は共振する。このときの共振周波数は、一例として３００Ｈｚであり、数十〜１ｋＨｚであってもよい。
【００７８】
また、連結ヨーク１０ｂに曲げ力Ｐが与えられると、磁歪棒１１ａおよび１１ｂは、曲げ変形される。具体的には、発電素子１は、図４Ａに示す向きの曲げ力Ｐを受けると、磁歪棒１１ａが伸張し、磁歪棒１１ｂが収縮する。また、連結ヨーク１０ｂが上記した向きの曲げ力Ｐと逆向きの曲げ力Ｐを受けると、磁歪棒１１ａが収縮し、磁歪棒１１ａが伸張する。このように、磁歪棒１１ａおよび１１ｂが伸縮することにより、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの磁化は逆磁歪効果により増加または減少する。これにより、コイル１２ａおよび１２ｂを貫く磁束密度が変化する。この磁束密度の時間的変化により、図４Ｂに示すように、コイル１２ａおよび１２ｂに誘導電圧（または誘導電流）が発生する。また、発電素子１の連結ヨーク１０ｂが曲げ振動することにより、共振により振動が持続するので、連続した発電を行うことができる。
【００７９】
なお、上記した構成の発電素子１は、磁歪材料で構成される磁歪棒を２つ備えているが、いわゆるバイモルフ構造の発電素子とは異なっている。
【００８０】
バイモルフ構造の発電素子では、一般的に、磁歪材料で構成される磁歪板を２枚貼り合わせ、張り合わされた２つの磁歪板の周りに一方向にコイルが巻き回されている。このような構成の発電素子では、振動により一方の磁歪板が伸張し、他方の磁歪板が収縮しても、２つの磁歪板のそれぞれに生じる磁束の変化は互いに逆向きとなる。したがって、磁束の変化が互いに打ち消され、２つの磁歪板に共通して巻かれたコイルにはほとんど電流が生じないこととなる。
【００８１】
これに対し、上記した構成の発電素子１では、磁歪棒１１ａおよび１１ｂのそれぞれにコイル１２ａおよび１２ｂが巻き回されているため、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの伸張または収縮によりそれぞれの磁歪棒１１ａおよび１１ｂに発生した磁束の変化により、コイル１２ａおよび１２ｂのそれぞれに電流が発生する。また、磁歪棒１１ａおよび１１ｂは連結ヨーク１０ａおよび１０ｂにより平行に連結されているので、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一方が伸張すると他方は必ず収縮する構成となっている。このとき、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの軸方向に平行な中央付近では、ほぼ一様の応力分布になっている。したがって、いわゆるバイモルフ構造の発電素子に比べて、確実に、かつ、大きな発電量を得ることができる。
【００８２】
ここで、発電素子１による発電における発電量について説明する。図５は、本実施の形態に係る発電素子１の発電量を電圧により示した図である。
【００８３】
図５は、１次の曲げ共振周波数３９３Ｈｚで、素子を強制振動させたときの移動子の変位、発生電圧、磁束密度の変化の時間応答である。ここでは、負荷を接続しない（ｏｐｅｎ）場合と、３０Ωの負荷を接続した場合の、移動子の振動により発生する発生電圧、磁束密度の変化、および、移動子の振幅を示している。
【００８４】
図５によると、錘２０の周期的な変位に対応してコイル１２ａおよび１２ｂを貫く磁束密度が周期的に変化し、電圧が発生している。図５によると、変位の正負で磁歪板が湾曲するのと同時に、内部の磁束密度が正負に変化し、その磁束密度の時間分布に比例して電圧が発生している。磁束密度の変化は、一例として、±０．５Ｔあり、このとき発生した最大電圧は、一例として、±１．５Ｖ（ｏｐｅｎ）である。また、３０Ωの負荷を接続した場合には、最大電圧は０．６Ｖに減少するが、瞬時電力として最大１２ｍＷの電力が得られる。
【００８５】
また、図５において、３０Ωの負荷を接続した場合には、移動子の振幅が減少しており、このことからも機械エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されていることがわかる。
【００８６】
なお、一般に発生電圧は以下の（式１）により計算できる。
【００８７】
【数１】
2011158473.tif 000003
【００８８】
ここで、Ｖは発生電圧、Ｎはコイルの巻数、Ａはコイルの断面積、Ｂはコイルを貫く磁束密度、ｆは曲げ振動の共振周波数を示している。
【００８９】
また、図６は、本実施の形態に係る発電素子の発電量を電流により示した図であり、上記した３０Ωの負荷を接続したときに得られる誘導電流を示している。得られた電流値から以下の（式２）により発電量Ｗを計算する。ここで、Ｔは振動の周期である。発電量ＷはＷ＝２ｍＷという値が得られた。なお、負荷抵抗ＲをＲ＝２０Ωとしている。
【００９０】
【数２】
2011158473.tif 000004
【００９１】
上記した断面積Ａ、磁束密度Ｂ、共振周波数ｆ、コイルの巻数Ｎを変更することにより、一例として１ｍＷ以上の発電量を得ることが可能である。
【００９２】
次に、発電素子１による発電における平均発生電力Ｐおよび電力密度について説明する。図７は、図１に示した発電素子１において、負荷抵抗Ｒに対する平均発生電力Ｐを示した図である。
【００９３】
平均発生電力Ｐは、以下の（式３）により計算している。
【００９４】
【数３】
2011158473.tif 000005
【００９５】
ここで、Ｔは振動の周期であり、平均発生電力Ｐは、負荷抵抗Ｒの瞬時電圧ｖを測定して計算している。
【００９６】
図７によると、コイルの抵抗と同程度の負荷抵抗Ｒを繋げた整合条件において、２．０Ｗの最大電力が取り出せることが確認されている。この場合の発生電力の体積密度（電力密度）は、１０ｍＷ／ｃｍ３以上である。なお、この電力密度は、発電素子１のコイルやヨークも含めた体積で算出したものである。
【００９７】
上記した電力密度の値は、本実施の形態に係る磁歪材料を用いた発電素子１によると、圧電素子を用いた発電（１ｍＷ／ｃｍ３）やエレクトレットを用いた発電に比べて、１０倍以上の発電量を得ることができることを示している。つまり、発電素子１によると、素子の小型化を実現することができる。
【００９８】
次に、発電素子１による発電におけるエネルギー変換効率ηについて説明する。ここでいうエネルギー変換効率とは、入力機械エネルギーに対する出力電気エネルギーをいう。図８Ａは、図１に示した発電素子の変位を示した図であり、図８Ｂは、図１に示した発電素子の発生電圧を示した図である。
【００９９】
エネルギー変換効率ηは、入力機械エネルギーＷｉと出力電気エネルギーＷｏにより、以下の（式４）により計算している。
【０１００】
【数４】
2011158473.tif 000006
【０１０１】
ここで、入力機械エネルギーＷｉは、励振のために与えた初期の弾性エネルギーで、初期変位Ｘ０と力Ｆ０から求めている。出力電気エネルギーＷｏは、負荷抵抗Ｒのジュール損の時間積分である。また、負荷抵抗Ｒは、３０Ωとしている。図８Ａおよび図８Ｂに示した変位と発生電圧は、発電素子１の錘２０の位置に５０ｇの錘を糸でつるし、糸を切り自由振動を開始させたときの錘２０の位置の変位と発生電圧である。
【０１０２】
図８Ａに示すように、錘２０の変位は、振動開始時（図８ＡにおけるＴｉｍｅ＝０．０２ｓ付近）がピークでありその後減少している。また、図８Ｂに示すように、発生電圧は、振動開始時（図８ＢにおけるＴｉｍｅ＝０．０２ｓ付近）においてピーク値０．５Ｖを示し、その後図８Ａに示した変位と同様に減衰（減衰係数０．０８１）している。図８Ｂによると、出力電気エネルギーＷｏは、１．２×１０−５Ｊ、図８Ａによると、入力機械エネルギーＷｉは、８．９×１０−５Ｊとなる。これらに値より、エネルギー変換効率ηは、０．１４（１４％）となる。つまり、図８Ａおよび図８Ｂによると、５０ｇの錘の切り離しによる１回の自由振動で、ピーク電力８．３ｍＷ、平均０．１２ｍＷ（１．２×１０−５Ｊ／０．１ｓ）の電力が得られることがわかる。
【０１０３】
また、図９は、錘により励振条件を変えたときの、発電素子の入力仕事量（入力機械エネルギー）Ｗｉと出力電気エネルギーＷｏの関係を示した図である。
【０１０４】
図９に示すように、入力仕事量（入力機械エネルギー）Ｗｉと出力電気エネルギーＷｏの関係は、ほぼ線形の関係が得られている。また、エネルギー変換効率ηは１５％と算出されている。コイルの抵抗において、これと同程度のジュール損失が発生することを考慮すると、変換効率は３０％以上であると考えられる。
【０１０５】
ここで、発電素子１の振動時の共振モードと形状変化について説明する。図１０Ａは、図１Ａに示した発電素子の１次共振モードでの形状の変化を示す図、図１０Ｂは、図１Ａに示した発電素子の２次共振モードでの形状の変化を示す図である。
【０１０６】
図１０Ａにおける発電素子１は、片持ち梁として設置されている。つまり、発電素子１は、一方の連結ヨーク１０ａが固定され、他方の連結ヨーク１０ｂが固定されない構成となっている。なお、固定されない連結ヨーク１０ｂを可動部と呼ぶこともある。このような片持ち梁の構成をした発電素子１は、共振状態において効率よく発電することができる。発電素子１の共振振動のモードは無限にあるが、一般には、図１０Ａに示すような１次共振モードによる共振が生じ易い。
【０１０７】
１次共振モードによる共振では、発電素子１は、図１０Ａに示すように、片持ち梁全体として一方向へ湾曲するような変形を生じる。このとき、磁歪棒１１ａは伸張し、磁歪棒１１ｂは圧縮される。これにより、発電素子１には磁歪棒の変形量に応じた発電を行うことができる。
【０１０８】
また、発電素子１による発電は、２次共振モードにおいても行うことができる。つまり、片持ち梁として設置された発電素子１は、発電素子１の形状および与えられる振動の周波数により、１次共振モードよりも共振周波数の高い高次共振モードでも共振する。例えば、１次共振モードにおける共振周波数の４倍程度の共振周波数である２次共振モードでは、発電素子１は、図１０Ｂに示すような変形を生じる。
【０１０９】
図１０Ｂに示すように、２次共振モードにおける発電素子１は、全体を片持ち梁としてみたとき、図１０Ｂに示すように、節点ができる状態である。このとき、片持ち梁の平行梁部分、つまり、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと可動部（発電素子１における固定されていない側の連結ヨーク１０ａ）とは、全体としてみたときに一方向へ湾曲するような変形を生じる。このとき、磁歪棒１１ａは伸張し、磁歪棒１１ｂは圧縮される。これにより、発電素子１には磁歪棒１１ａ、１１ｂの変形量に応じた発電を行うことができる。
【０１１０】
ここで、発電素子１に発生する電圧は、発電素子の共振周波数に比例して大きくなるので、２次共振モードにおける発電素子１では、１次共振モードよりも共振周波数が高いため、より大きな電力を得ることができる。
【０１１１】
発電素子１において２次共振モードによる共振を起こし易くするには、発電素子１において可動部の長さを長くしたり、可動部と平行梁を連結する部分を設けこの連結部や可動部の一部を柔らかくして、発電素子１の磁歪棒１１ａおよび１１ｂに振動の節が生じ易い構成としたりすることが効果的である。
【０１１２】
また、共振周波数の異なる複数の発電素子１を並べた構成にすることにより、複数種類の周波数で共振状態が発生する構成としてもよい。この構成によれば、発電素子１に与えられる振動の周波数が異なる場合であっても、まんべんなく発電することができる。
【０１１３】
磁歪棒１１ａおよび１１ｂを形成する磁歪材料は、鉄ガリウム合金であるＧａｌｆｅｎｏｌに限らず、その他の材料であってもよい。Ｇａｌｆｅｎｏｌを用いた場合には、応力を加えることによるＧａｌｆｅｎｏｌの内部磁化の変化は、飽和磁束密度が１Ｔ程度まで変化するので、発電素子１における発電量を上げることができる。
【０１１４】
Ｇａｌｆｅｎｏｌ以外の磁歪材料としては、例えば、鉄コバルト合金であるパーメンジュールであってもよいし、その他の材料であってもよい。また、結晶状態の材料だけでなく、アモルファス状態の材料であってもよい。さらに、引っ張り応力に対する磁化の変化を大きくするために、予め応力焼きなまし処理を施すことにより圧縮応力を付加した磁歪材料を用いてもよい。
【０１１５】
なお、上記した発電素子１では、磁歪棒１１ａおよび磁歪棒１１ｂのいずれも磁歪材料で構成した発電素子であるが、磁歪棒１１ａおよび１１ｂのいずれか一方、例えば、磁歪棒１１ｂを、磁歪材料と略同一の剛性、または、磁歪材料の剛性以上の剛性を有する材料で構成された剛性棒１１ｂとしてもよい。この場合、剛性棒１１ｂにはコイル１２ｂを巻き回す必要はないので、磁歪棒１１ａに巻き回されるコイル１２ａの巻数を増加させることができ、かつ、簡易な構成により発電素子１を実現することができる。
【０１１６】
また、連結ヨーク１０ｂに与えられる曲げ力Ｐの方向は、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの軸方向に対して垂直の方向で、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一方が伸張し他方が収縮するのであれば、どのような向きに与えられてもよい。
【０１１７】
また、磁歪棒１１ａおよび１１ｂの形状は、直方体の棒状の形状に限らず、例えば円柱状の棒状の形状、板状、薄帯状等その他の形状であってもよい。
【０１１８】
（実施の形態２）
次に、本発明の一態様に係る実施の形態２について説明する。上記した実施の形態１では、２本の磁歪棒により発電素子を構成していたが、本実施の形態では、１つの磁歪棒と連結ヨークにより、発電素子を構成している点が、実施の形態１と異なる点である。
【０１１９】
図１１Ａは、本実施の形態に係る発電素子の側面図であり、図１１Ｂは、図１１Ａに示す発電素子の磁歪棒および連結ヨークの配置位置を示した側面図である。
【０１２０】
図１１Ａに示すように、本実施の形態に係る発電素子は、磁歪棒１１ｃと、連結ヨーク１０ｃと、コイル１２ｃとを備えている。なお、磁歪棒１１ｃ、コイル１２ｃは、それぞれ本発明における第１の磁歪棒、第１のコイルに相当する。
【０１２１】
磁歪棒１１ｃは、実施の形態１に示した磁歪棒１１ａおよび１１ｂと同様に、例えば、鉄ガリウム合金であるＧａｌｆｅｎｏｌ（ヤング率７０ＧＰａ）で構成され、延性を有し、１ｍｍ×０．５ｍｍ×１０ｍｍの直方体の棒状の形状をしている。連結ヨーク１０ｃは、磁歪棒１１ｃに一様な応力（圧縮力または引張力）を加えるための剛性および形状を有する磁性材料により形成されている。一様な圧縮力または引張力を加えるための剛性とは、例えば、磁歪棒１１ｃと略同一の剛性を有する磁性材料、一様な圧縮力または引張力を加えるための形状とは、例えば、磁歪棒１１ｃと略同一の形状を有する磁性材料である。このような材料としては、例えば、Ｆｅを含む磁性材料、ＳＵＳ４３０（ヤング率２１０ＧＰａ）などのステンレスがある。
【０１２２】
連結ヨーク１０ｃは、図１１Ｂに示すように、一部に凹部を有している。この凹部内の側壁に、磁歪棒１１ｃの一端および他端がそれぞれ機械的および磁気的に接続されている。したがって、凹部内において、磁歪棒１１ｃと連結ヨーク１０ｃとは平行に配置されている。つまり、磁歪棒１１ｃと平行に配置されている連結ヨーク１０ｃの部分は、本発明における剛性棒に相当する。また、磁歪棒１１ｃと平行に配置されている連結ヨーク１０ｃの部分以外の部分は、本発明における２つの連結ヨークに相当する。この構成により、磁歪棒１１ｃの軸方向と垂直方向に発電素子１が振動すると、磁歪棒１１ｃは伸張または収縮する。これにより、磁歪棒１１ｃにおいて磁束の変化が生じる。
【０１２３】
また、図１１Ａに示すように、磁歪棒１１ｃにはさらに、コイル１２ｃが形成されている。コイル１２ｃは、例えば銅線で構成され、巻数は２５０巻である。上記したように、磁歪棒１１ｃが伸張または収縮して磁束密度が変化することにより、コイル１２ｃ内の磁束も変化するので、コイル１２ｃには電流が発生する。これにより、発電することができる。なお、実施の形態１と同様に、コイル１２ｃの巻数を変更することにより、発電素子に発生する電圧の大きさを調整することが可能である。また、コイルの巻数は、上記した巻数でなくても適宜変更してもよい。
【０１２４】
本実施の形態に係る発電素子によると、実施の形態１に係る発電素子１に比べて、磁歪棒が１本であっても発電することが可能である。また、連結ヨーク１０ｃの構成を、実施の形態１に係る発電素子１における２つの連結ヨーク１０ａおよび１０ｂと剛性棒１１ｂとを一体とした構成とすることにより、発電素子の部品数を減らすとともに磁歪棒と連結ヨークとの接続部分を減らすことができる。これにより、連結ヨークと磁歪棒との接合をより強固にすることができる。また、磁歪棒１１ｃにのみコイル１２ｃを巻き回すので、コイルの巻数を増加することができるため、発電量を増加することができる。
【０１２５】
（実施の形態３）
次に、本発明の一態様に係る実施の形態３について説明する。本実施の形態では、それぞれの磁歪棒に複数のコイルが並列に巻かれている発電素子について説明する。図１２Ａ〜図１２Ｄは、本実施の形態に係る発電素子の上面図であり、図１３Ａ〜１３Ｇは、図１２Ａ〜図１２Ｄに示した発電素子の等価電気回路図である。なお、図１２Ａ〜図１２Ｄにおいて、コイル１２ａおよび１２ｂは断面図として示している。
【０１２６】
図１２Ａに示す発電素子１は、図１Ａに示した発電素子１と同様の構成であり、発電素子１の基本構成を示している。この発電素子１では、磁歪棒１１ａおよび１１ｂに、１つのコイル１２ａおよび１２ｂのそれぞれが巻き回されている。この構成によれば、コイルを分割し、それらを並列に接続することで、発電素子１の負荷抵抗内部抵抗を減少させることができる。
【０１２７】
図１３Ａは、この発電素子１の等価電気回路図である。図１３Ａにおいて、コイル１２ａおよび１２ｂの巻数をＮ、負荷抵抗をＲ、発生する電圧をＶ、外部負荷抵抗をＲ０とすると、最大の電力が取り出せる整合条件Ｒ０＝Ｒのとき、負荷抵抗Ｒ０で発生する電力はＶ２／４Ｒ０である。
【０１２８】
また、それぞれの分割したコイル１２ａ（または１２ｂ）の負荷抵抗は、コイル１２ａ（または１２ｂ）の巻数をＮ、負荷抵抗をＲとすると、コイル１２ａ（または１２ｂ）を図１２Ｄに示すようにＫ個に分割する場合には、図１３Ｆの等価電気回路図に示すようにＲ／Ｋになる。このとき、Ｋ個に分割されたコイル１２ａ（または１２ｂ）全てを並列に接続した場合の合成抵抗Ｒは、図１３Ｇに示すように、Ｒ＝Ｒ／Ｋ２になる。
【０１２９】
具体的には、図１２Ｂに示すように、２分割したコイル１２ａ（または１２ｂ）を並列接続した場合、図１３Ｂの等価電気回路図に示すように、２つに分割したそれぞれのコイル１２ａ（または１２ｂ）の負荷抵抗はＲ／２となり、図１３Ｃに示すように、合成抵抗はＲ／４となる。また、図１２Ｃに示すように、３分割したコイル１２ａ（または１２ｂ）を並列接続した場合、図１３Ｄの等価電気回路図に示すように、分割したそれぞれのコイル１２ａ（または１２ｂ）の負荷抵抗はＲ／３となり、図１３Ｅに示すように、合成抵抗はＲ／９となる。
【０１３０】
また、それぞれのコイル１２ａ（または１２ｂ）の巻数Ｎを増加させることで、発生電力を増加させることができる。発生電圧はコイル１２ａ（または１２ｂ）の巻数Ｎに比例するから、図１３Ｄに示すように、コイル１２ａ（または１２ｂ）をＫ分割したときのコイル１２ａの巻数はＮ／Ｋで、発生電圧は１／Ｋ倍になる。例えば、図１３Ｂに示すように、コイル１２ａ（または１２ｂ）を２分割した場合、発生電圧はＶ／２である。また、図１３Ｃに示すように、コイル１２ａ（または１２ｂ）を３分割した場合、発生電圧はＶ／３である。
【０１３１】
整合条件で外部負荷抵抗をＲ／Ｋ２としたときの発生電力は、（Ｖ／Ｋ）２／（４Ｒ／Ｋ２）＝Ｖ２／４Ｒとなり、分割しない場合と同じである。つまり、コイル１２ａ（または１２ｂ）をＫ分割して並列に接続することで、発電素子１の内部抵抗１／Ｋ２倍に下げることができる（ただし電圧が１／Ｋ倍になる）。逆に、分割しない場合と同じ負荷抵抗Ｒが許容できるなら、負荷抵抗をＫ２倍、つまり、巻数を“Ｋ２倍”にしてもよい（巻数と負荷抵抗が比例すると仮定している）。この場合、発生電圧は、１／Ｋ＊Ｋ２＝Ｋ倍になる。
【０１３２】
よって取り出せる電力は（ＫＶ）２／４Ｒ＝Ｋ２＊Ｖ２／４Ｒとなり、負荷抵抗Ｒで発生する電力Ｖ２／４ＲのＫ２倍の電力を取り出すことができる。
【０１３３】
（実施の形態４）
次に、本発明の一態様に係る実施の形態４について説明する。本実施の形態では、実施の形態１に示した発電素子を直列に複数個連結した発電装置、および、実施の形態２に示した発電素子を直列に複数個連結した発電装置について説明する。図１４、および、図１５Ａ〜図１５Ｄは、本実施の形態に係る発電装置の概略構成図である。なお、図１４において、コイル１２ａおよび１２ｂは断面図として示している。
【０１３４】
図１４は、実施の形態１に示した発電素子を直列に複数個連結した発電装置の概略構成図である。図１４に示すように、本実施の形態に係る発電装置２３ａは、固定部２４と、固定部２４に直列に接続された５つの発電素子と、固定部２６と、錘（移動子）２７とを備えている。直列に接続された発電素子のそれぞれは、磁歪棒１１ａおよび１１ｂと、磁歪棒１１ａおよび１１ｂにそれぞれ巻かれたコイル１２ａおよび１２ｂと、磁歪棒１１ａおよび１１ｂを連結する連結ヨーク２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄとを有している。５つの発電素子は、それぞれ平行に配置され、隣り合う発電素子において連結ヨークを共通に使用して５つの発電素子を直列に接続している。
【０１３５】
つまり、図１４に示すように、固定部２４に一端が連結された第１の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの他端は、連結ヨーク２５ａに連結され、さらに、連結ヨーク２５ａには第１の発電素子と平行に配置された第２の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一端が連結されている。第２の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの他端は、連結ヨーク２５ｂに連結され、さらに、連結ヨーク２５ｂには第２の発電素子と平行に配置された第３の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一端が連結されている。第３の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの他端は、連結ヨーク２５ｃに連結され、さらに、連結ヨーク２５ｃには第３の発電素子と平行に配置された第４の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一端が連結されている。第４の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの他端は、連結ヨーク２５ｄに連結され、さらに、連結ヨーク２５ｄには第４の発電素子と平行に配置された第５の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一端が連結されている。第５の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの他端は、固定部２６に接続されている。このような構成により、発電装置２３ａ全体の形状が弾性を有するバネ形状に構成されているため、錘２７の上下振動により、複数個の発電素子の磁歪棒１１ａおよび１１ｂの一方は伸張し、他方は収縮する。これにより、実施の形態１に示した発電素子１と同様に発電を行うことができる。
【０１３６】
発電装置２３ａの構成によると、複数個の発電素子の磁歪棒を接合する連結ヨークを、隣り合う発電素子で共通に使用して、複数個の発電素子を直列に接続することで発電量を大きくすることができる。具体的には、Ｋ個の発電素子を直列に接続することにより、発電量をＫ倍にすることができる。同時に、Ｋ個の発電素子を平行にＫ個並べることにより、共振周波数を１／Ｋに減少させることができるので、単位時間あたりの振動回数が増加するため、発電量を増加することができる。また、発電装置全体の形状が弾性を有するバネ形状に構成されているため、発電素子における振動を長時間継続させることができる。これにより、使用する環境にあった振動数、発電電力に容易に調整することができる。なお、錘２７の重さを重くすると、発電量が大きくなるという効果が得られる。
【０１３７】
図１５Ａは、発電装置の使用例を示す図である。図１５Ａに示すように、発電装置２３ａ、または、以下に示す発電装置２３ｂは、例えば、自動車の車体に設置されてもよい。
【０１３８】
図１５Ｂ〜図１５Ｄは、実施の形態２で示した発電素子を直列に複数個連結した発電装置の概略構成図である。図１５Ｂ〜図１５Ｄにおいて、コイル１２ｃは断面図として示している。
【０１３９】
図１５Ｂ〜図１５Ｄに示す発電装置２３ｂの構成は、上記した発電装置２３ａの構成とほぼ同様であるが、それぞれの発電素子が１つの磁歪棒１１ｃと、連結ヨーク１０ｃと、磁歪棒１１ｃに巻かれたコイル１２ｃにより構成されている点が異なる。図１５Ｂ〜図１５Ｄに示すように、発電装置２３ｂは、複数の発電素子が直列に連結された発電素子連結体と、錘２８ａと、錘２８ａに形成された凹部内の側壁に設けられた磁石２８ｂ、２８ｃと、錘２８ａを収納する容器２９ａと、錘２８ａと容器２９ａとの間に配置された複数の球体２９ｂとを備えている。複数の球体２９ｂは、錘２８ａと容器２９ａとの間の摩擦を低減するために設けられている。
【０１４０】
図１５Ｂ〜図１５Ｄに示すように、発電素子連結体の一部は、錘２８ａに形成された凹部内に挿入されている。また、凹部に設けられた磁石２８ｂ、２８ｃは、磁歪棒１１ｃの軸方向に配置されている。つまり、凹部に挿入された発電素子連結体の一部が振動する方向に、それぞれ配置されている。発電素子連結体の当該一部は、磁性体で形成されている連結ヨーク１０ｃと一体に形成されているため、磁性を有しており、磁石２８ｂ、２８ｃと吸着する。
【０１４１】
以下、発電装置２３ｂの動作について説明する。発電装置２３ｂは、例えば、自動車に設置され、自動車の慣性力を利用した振動する構成である。ここで、慣性力とは、自動車が発進する際（加速）、または、停止する際（減速）の加速度による力である。
【０１４２】
定常時、つまり、自動車がほぼ等速で走行している場合には、錘２８ａと発電素子連結体の一部とは、図１５Ｂに示すように、磁石２８ｂの吸着力により吸着して一体になっている。また、ブレーキの作動や減速により自動車が減速すると、錘２８ａには、進行方向にさらに進もうとする慣性力が作用する。これにより、図１５Ｃに示すように、磁石２８ｂの吸着力により吸着されて磁石２８ｂと一体となっていた発電素子連結体は、変形する。この変形が生じる間、複数個の発電素子それぞれの磁歪棒１１ｃまたは連結ヨーク１０ｃの一方は伸張し他方は収縮するため、磁歪棒１１ｃの磁束は変化し、コイル１２ｃには電流が生じる。これにより、発電することができる。なお、錘２８ａは、容器２９ａ内に、球体２９ｂの上に配置されているので、容器２９ａ内での移動のみ可能であり、容器２９ａがストッパーとなり、変位が制限される。
【０１４３】
また、図１５Ｃに示すように、錘２８ａが慣性力により移動し、慣性力が磁石２８ｂの吸着力を越えると、錘２８ａは発電素子連結体の一部から外れる。このとき、慣性力による作用力は零になり、発電素子連結体には自由振動が励振される。この振動より、発電素子２３ｂを構成する複数個の発電素子それぞれの磁歪棒１１ｃおよび連結ヨーク１０ｃの一方は伸張し他方は収縮するので、上記した図１５Ｂに示す場合と同様、発電を行うことができる。
【０１４４】
さらに、図１５Ｄに示すように、錘２８ａが磁石２８ｂから外れた後、発電素子連結体の一部は、磁石２８ｂが配置された凹部の側壁と逆側の側壁に配置された磁石２８ｃに吸着する。これにより、逆の加速度（自動車の発進または加速）の際に同様な発電を行うことができる。
【０１４５】
なお、上記した発電装置２３ｂでは、発電装置全体における共振周波数と必要な作用力を下げるために複数個の発電素子を連結した発電素子連結体を使用しているが、慣性力を利用した振動による発電装置では、上記した発電素子連結体でなくても、発電は可能である。また、慣性力に限らず、上下方向の振動によっても発電することが可能である。
【０１４６】
（実施の形態５）
次に、本発明の一態様に係る実施の形態５について説明する。本実施の形態では、実施の形態１で説明した発電素子を備えた電子装置の一例としての携帯電話機について説明する。
【０１４７】
図１６は、本実施の形態に係る携帯電話機の概略構成図である。図１７は、図１６に示した携帯電話機の内部構造の一部を示す概略図であり、発電素子を搭載した部分を示す図である。
【０１４８】
図１７に示すように、発電素子５０は、携帯電話機３０のディスプレイが搭載された蓋部分の内部において、ディスプレイが配置された位置を挟んで両側にそれぞれ１つずつ搭載されている。各発電素子５０は、実施の形態１に示した発電素子１と同様に、連結ヨーク６０ａおよび６０ｂと、磁歪棒６１と、コイル６２と、永久磁石６３ａおよび６３ｂと、バックヨーク６４とを備えている。
【０１４９】
また、図１７に示すように、各発電素子５０は、携帯電話機３０において蓋部分の開閉の中心軸となる軸側に連結ヨーク６０ａが配置され、携帯電話機３０の端側に連結ヨーク６０ｂが配置されている。また、発電素子５０のバックヨーク６４は、磁歪棒６１よりも携帯電話機３０の蓋部分の中心側に配置されている。さらに、携帯電話機３０の端側には、２つの発電素子５０の連結ヨーク６０ｂを連結するように錘７０が配置されている。
【０１５０】
このような構成により、携帯電話機３０の蓋部分を開閉することにより、発電素子５０に設けられた磁歪棒６１がその振動により伸縮する。そして、その伸縮によってコイル６２を貫く磁束密度が変化することにより、発電される。
【０１５１】
なお、図１７に示した発電素子５０を備えた携帯電話機３０の構成は、本発明を携帯電話機において実現するための一例であり、発電素子５０以外に、例えば、振動を発生する共振振動発生機構を備える構成としてもよい。
【０１５２】
（実施の形態６）
次に、本発明の一態様に係る実施の形態６について説明する。本実施の形態では、実施の形態１で説明した発電素子に共振振動発生機構を備えた発電素子について説明する。図１８Ａは、共振振動発生機構として引き移動子を備えた本実施形態に係る発電素子の上面図であり、図１８Ｂは、本実施形態に係る発電素子の側面図、図１８Ｃは、本実施形態に係る発電素子の動作を示す上面図である。
【０１５３】
図１８Ａ〜図１８Ｃに示す発電素子８０は、上記した発電素子５０と同様に、連結ヨーク９０ａおよび９０ｂと、磁歪棒９１ａおよび９１ｂと、コイル９２ａおよび９２ｂと、永久磁石９３ａおよび９３ｂと、バックヨーク９４とを備えている。また、連結ヨーク９０ａにはシャフト９６が設けられ、連結ヨーク９０ｂから９０ａの方向へ、磁歪棒９１ａおよび９１ｂに対してバックヨーク９４が設けられた側と反対側に、略Ｌ字型の形状に構成されている。なお、図１８Ｃでは、バックヨーク９４および永久磁石９３ａおよび９３ｂは図示を省略している。
【０１５４】
また、図１８Ａに示すように、連結ヨーク９０ｂは凸部を有しており、弾き移動子９７には、この凸部と対応して凹部が設けられている。そして、連結ヨーク９０ｂ側の弾き移動子９７を、図１８Ｃに示すように、シャフト９６を回転軸として移動させると、弾き移動子９７の凹部が連結ヨーク９０ｂの凸部に接触して引っかかり、連結ヨーク９０ｂの凸部が弾き移動子９７の凹部により弾かれる。これにより、発電素子８０は、磁歪棒９１ａおよび９１ｂと平行な方向に共振振動する。
【０１５５】
つまり、弾き移動子９７を、シャフト９６を回転軸として移動させることにより、発電素子８０は、連結ヨーク９０ｂにおいて、弾き移動子９７の移動に伴って磁歪棒９１ａおよび９１ｂの軸方向に垂直な方向の力を受けることになる。これにより、磁歪棒９１ａおよび９１ｂの一方が伸張し他方が収縮し、発電する。また、一度弾き移動子９７を移動すると、発電素子８０の共振振動は連続して起こるので、発電も連続して行うことができる。
【０１５６】
この発電素子８０は、シャフト９６が設けられた連結ヨーク９０ａ側の端面を、例えば人の体の一部に固定し、弾き移動子９７に、例えば錘として携帯電話機等の電子装置を装着することで、電子装置に必要な電力を発電素子８０により連続的に供給することができる。
【０１５７】
なお、上記した弾き移動子９７を備えた発電素子８０では、連結ヨーク９０ｂの凸部が弾き移動子９７の凹部により弾かれる構成としたが、この構成に限らず、その他の構造、例えば、実施の形態４に示した発電素子連結体の一部と磁石２８ｂの構成と同様に、連結ヨークと弾き移動子が磁石の吸着を利用して振動を生じるものであってもよい。
【０１５８】
（実施の形態７）
次に、本発明の一態様に係る実施の形態７について説明する。本実施の形態では、実施の形態１で説明した発電素子を備えた電子装置の一例として、自動車等のタイヤの空気圧をモニタする空気圧センサ、道路または橋梁に設けられた発電装置について説明する。
【０１５９】
実施の形態４に示したように、図１９に示す自動車の車体に取り付けられた発電素子２３ｃは、車体の振動または加速度による慣性力で発電する発電素子であったが、本実施の形態に係る発電装置は、図１９に示すように、タイヤ１０２の空気圧センサ１００に配置されている。空気圧センサは、一般的に、自動車の走行に伴い回転するタイヤに設けられるものであるので、空気圧センサに必要な電力を自動車本体から有線で供給することが難しい。したがって、通常は空気圧センサ内にボタン電池等の小型電源を備える必要がある。ここで、本発明の実施の形態１に示した発電素子を空気圧センサに設けることにより、タイヤの振動により発電することができる。
【０１６０】
図２０は、本実施の形態に係る空気圧センサ１００について説明するための模式図である。図２０に示すように、空気圧センサ１００は、センサ部１０３と、発電素子１０１とを備えている。そして、センサ部１０３の一部が、タイヤ１０２に接触して設けられている。また、発電素子１０１は、一端の連結ヨークがセンサ部１０３に固定され、錘が配置された他端の連結ヨークがタイヤの径の内側に向かうように配置されている。そして、タイヤ１０２の振動により、発電素子１０１が振動し、発電される。発電の動作の詳細は、実施の形態１に示した発電素子５０と同様であるので省略する。なお、タイヤの振動周波数は、一例として、４００〜５００Ｈｚである。
【０１６１】
また、図２１は、橋梁または道路に設けられた発電装置の例である。橋梁または道路２００では、自動車または歩行者が通るたびに振動が起こるので、橋梁または道路に発電装置２０１を設けることにより、この振動を利用して発電装置２０１により発電することができる。また、路面に凹凸を設け、自動車または歩行者が路面の凹凸を通るたびに強制的に振動が発生する構成であってもよい。この発電素子２０１により発電された電力は、例えば、橋梁に取り付けられた振動センサ、電光掲示板および照明用のＬＥＤの電源等に利用されてもよい。
【０１６２】
発電素子２０１の配置位置は、図２１に示すように、路面の下であってもよいし、振動の生じ易いその他の位置であってもよい。また、橋梁または道路に限らず、工場等のプラントにおいて、モータ、機械等の近傍に発電装置を配置し、モータ、機械等の振動を利用して発電してもよい。また、発電素子は、実施の形態１、２に示したものであってもよいし、実施の形態４に示したものであってもよい。
【０１６３】
また、この発電装置は、電源からの配線を必要としないので、無線機器の電源として有用である。例えば、工場等のプラントにおいて、無線センサネットワーク用の発電装置として利用してもよい。
【０１６４】
なお、本実施の形態では、空気圧センサ、振動センサを電子装置の一例として説明したが、空気圧センサに限らずその他の電子装置に発電素子を備えてもよい。例えば、携帯電話機や音楽プレーヤーなどの携帯電子機器、体内センサ、超小型電力供給装置等を電子装置として、発電素子を備えた構成としてもよい。
【０１６５】
（実施の形態８）
次に、本発明の一態様に係る実施の形態８について説明する。本実施の形態では、実施の形態１で説明した発電素子を備えた発電システムの一例として、水流または風流による振動を利用した発電システムについて説明する。図２２Ａ〜図２２Ｃは、本実施の形態に係る発電装置を示す図である。
【０１６６】
図２２Ａおよび図２２Ｂに示すように、本実施の形態に係る発電システムは、複数の発電装置３００を備えている。発電装置３００は、固定部３０１と、発電素子３０２と、翼型ブレード３０３とを備えている。発電素子３０２には板状の磁歪材料（磁歪板）２枚が平行に配置され、２枚の磁歪板それぞれの一端が固定部３０１に固定され、他端が翼型ブレード３０３に連結された構成となっている。翼型ブレード３０３は、略板状の形状を有し、翼型ブレード３０３の主面は、発電素子３０２の平行に配置された２枚の磁歪板の主面と略同一の方向に配置されるように発電素子３０２と連結されている。なお、固定部３０１は、本発明における連結ヨークに相当し、翼型ブレード３０３は、本発明における連結ヨークおよび錘に相当する。
【０１６７】
また、図２２Ｃは、翼型ブレード３０３の上面図である。図２２Ｃに示すように、翼型ブレード３０３は、略板状の広い面の一辺から、この一辺と向かい合う他辺へと翼型ブレード３０３の厚さが薄くなっている。この構成によれば、翼型ブレード３０３の、板厚が厚いほうから薄いほうへと水流または風流が生じ、流路差に伴う圧力差で翼型ブレード３０３には揚力が発生する。この揚力と、翼型ブレード３０３および発電素子３０２の弾性力の作用により、翼型ブレード３０３および発電素子３０２には、自励振動が発生する。この振動により、発電素子３０２を構成する２つの磁歪板の一方は伸張し、他方は収縮する。これにより、磁歪板の磁束が変化して磁歪板に巻かれたコイル（または、磁歪板にプリントされた配線によるコイル）に電流が発生するため、発電することができる。
【０１６８】
このような形状の発電装置３００を、図２２Ａに示すように、一定の水流のある水中または一定の風流のある空気中に向きを揃えて複数個配置した発電システムにより、効率よく発電して大きな電力を得ることができる。
【０１６９】
なお、上記した発電装置３００では、板状の磁歪材料を使用して発電素子３０２を構成しているが、実施の形態１に示した発電素子１と同様に、棒状の磁歪材料を使用して発電素子３０２を形成してもよい。また、翼型ブレード３０３は、上記した形状に限らず、水流または風流による揚力が発生しやすく、振動しやすいものであれば、どのような構成であってもよい。さらに、発電素子３０２を構成する磁歪材料は、２枚の磁歪板で構成されたものに限らず、１枚の磁歪板と他の剛性を有する板状の材料を貼り合わせた、いわゆるユニモルフ構造であってもよい。
【０１７０】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。
【０１７１】
例えば、上記した実施の形態では、連結ヨークの一方が固定され他方に錘が配置された片持ち型の発電素子について説明したが、片持ち型の発電素子に限らず、例えば、発電素子の中央部分が固定され、２つの連結ヨークのそれぞれに錘が配置された構成であってもよい。このような構成とすることにより、発電素子の両端に配置された錘が所定の共振周波数で曲げ振動をすることにより、連続して効率よく発電することができる。また、発電素子の両端が固定され、中央部分に錘が配置された構成であってもよい。このような構成とすることにより、発電素子の中央に配置された錘が所定の共振周波数で曲げ振動をすることにより、連続して効率よく発電することができる。
【０１７２】
また、上記した実施の形態では、磁歪棒を構成する磁歪材料の一例として鉄ガリウム合金であるＧａｌｆｅｎｏｌについて説明したが、磁歪材料はＧａｌｆｅｎｏｌに限らずその他の材料であってもよい。例えば、鉄コバルト合金であるパーメンジュールであってもよいし、その他の材料であってもよい。また、引っ張り応力に対する磁化の変化を大きくするために、予め応力焼きなまし処理を施すことにより圧縮応力を付加した磁歪材料を用いてもよい。
【０１７３】
また、磁歪棒の形状は、上記した実施の形態では直方体の棒状の形状に限らず、例えば円柱状の棒状の形状であってもよいし、その他の形状であってもよい。また、磁歪棒の大きさは、上記した例に限らず変更してもよい。また、磁歪棒の形状は、棒状に限定されず、板状のものであってもよく、磁歪薄板、磁歪膜であってもよい。
【０１７４】
また、上記した発電素子は、永久磁石を有するバックヨークを備える構成としたが、バックヨークを備えない構成であってもよい。また、バックヨークの形状は上記した形状に限らず、その他の形状であってもよい。
【０１７５】
また、上記した実施の形態では、２つの磁歪棒にそれぞれ形成された各コイルの間は樹脂で埋められて一体とされた構成であるが、コイルは一体とされた構成でなくてもよい。また、コイルの巻数は、各コイルで同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、コイルは磁歪棒に巻き回して形成されたものでなくても、例えば、磁歪棒の周囲に配線パターンをプリントして形成されたものであってもよい。
【０１７６】
また、本発明に係る発電素子の電子装置への応用は、上記した携帯電話機、空気圧センサ等に限らず、例えば、人間や動物の歩行による振動を利用した振動発電システムとして、人間や動物に使用する無線センサ等に適用してもよい。具体的には、図２３に示すように、発電素子４０１に適度な錘４０２を付けた発電デバイス４０３を、ゴム等の弾性体で構成された弾性バンド４０５で足首に固定する。歩行時に足を床に着地させたときに、速度が急速に０になり、大きな加速度が発生し、それが錘４０２に瞬間的に大きな慣性力を作用させる。この慣性力により、連結された発電素子４０１に自由振動が励振され、発電を行うことができる。
【０１７７】
さらに、この電力で、例えば、発電デバイスに設けられたＧＰＳを動作し、人間の位置情報や動物の行動等を把握したりできる。一般には、このようなシステムには電池が必要であるが、本発明に係る発電装置を用いると、電池なしに半永久的に利用することが可能である。なお、上記した発電デバイス４０３を装着する位置は、足首だけでなく、手首、その他の部位であってもよい。このような構成とすることで、例えば、指を動かせない身体の不自由な人が、身体の一部に発電デバイスを装着してその部分を振ったり、床、ベッド等に発電デバイスを装着して床、ベッド等を叩いたりすることで、振動を利用して意思表示をする発電デバイスとして使用することができる。
【０１７８】
また、本発明に係る発電素子には、上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る発電素子を備えた各種機器等、例えば、携帯電話機や音楽プレーヤーなどの携帯電子機器、体内センサ、超小型電力供給装置等も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１７９】
本発明は、振動が発生する機器等、特に、日常的に振動が発生する携帯電話機や音楽プレーヤー等の電子装置に搭載される発電素子として有用である。また、振動が発生する場所に設置される機器、例えば、橋梁、道路における照明用ＬＥＤ電球や電光掲示板などに有用である。さらに、水流または風流を利用した発電装置として有用であり、幅広い分野に利用可能である。
【符号の説明】
【０１８０】
１、２３、５０、８０、１０１、３０２、４０１  発電素子
１０ａ、１０ｂ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、６０ａ、６０ｂ、９０ａ、９０ｂ  連結ヨーク
１０ｃ  連結ヨーク（連結ヨーク、剛性棒）
１０ｄ、１０ｅ  可動ヨーク（バックヨーク）
１１ａ、１１ｃ、６１、９１ａ、  磁歪棒（第１の磁歪棒）
１１ｂ、９１ｂ  磁歪棒（第２の磁歪棒、剛性棒）
１１ｄ  磁歪棒（バックヨーク）
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、６２、９２ａ、９２ｂ  コイル
１２ｄ  コイル（バックヨーク）
１４ａ、１４ｂ、１９ｃ、６３ａ、６３ｂ、９３ａ、９３ｂ  永久磁石
１５、１９ａ、１９ｂ、６４、９４  バックヨーク
２０、２７、２９ａ、７０、４０２  錘
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２０１、３００  発電装置
２４、２６  固定部（連結ヨーク）
３０  携帯電話機（電子装置、発電装置）
１００  空気圧センサ（電子装置、発電装置）
３０１  固定部（連結ヨーク）
３０３  翼型ブレード（連結ヨーク）
４０３  発電デバイス（電子装置）
【図１Ａ】
2011158473.tif 000007
【図１Ｂ】
2011158473.tif 000008
【図２Ａ】
2011158473.tif 000009
【図２Ｂ】
2011158473.tif 000010
【図２Ｃ】
2011158473.tif 000011
【図２Ｄ】
2011158473.tif 000012
【図２Ｅ】
2011158473.tif 000013
【図２Ｆ】
2011158473.tif 000014
【図２Ｇ】
2011158473.tif 000015
【図２Ｈ】
2011158473.tif 000016
【図２Ｉ】
2011158473.tif 000017
【図２Ｊ】
2011158473.tif 000018
【図２Ｋ】
2011158473.tif 000019
【図２Ｌ】
2011158473.tif 000020
【図３】
2011158473.tif 000021
【図４Ａ】
2011158473.tif 000022
【図４Ｂ】
2011158473.tif 000023
【図５】
2011158473.tif 000024
【図６】
2011158473.tif 000025
【図７】
2011158473.tif 000026
【図８Ａ】
2011158473.tif 000027
【図８Ｂ】
2011158473.tif 000028
【図９】
2011158473.tif 000029
【図１０Ａ】
2011158473.tif 000030
【図１０Ｂ】
2011158473.tif 000031
【図１１Ａ】
2011158473.tif 000032
【図１１Ｂ】
2011158473.tif 000033
【図１２Ａ】
2011158473.tif 000034
【図１２Ｂ】
2011158473.tif 000035
【図１２Ｃ】
2011158473.tif 000036
【図１２Ｄ】
2011158473.tif 000037
【図１３Ａ】
2011158473.tif 000038
【図１３Ｂ】
2011158473.tif 000039
【図１３Ｃ】
2011158473.tif 000040
【図１３Ｄ】
2011158473.tif 000041
【図１３Ｅ】
2011158473.tif 000042
【図１３Ｆ】
2011158473.tif 000043
【図１３Ｇ】
2011158473.tif 000044
【図１４】
2011158473.tif 000045
【図１５Ａ】
2011158473.tif 000046
【図１５Ｂ】
2011158473.tif 000047
【図１５Ｃ】
2011158473.tif 000048
【図１５Ｄ】
2011158473.tif 000049
【図１６】
2011158473.tif 000050
【図１７】
2011158473.tif 000051
【図１８Ａ】
2011158473.tif 000052
【図１８Ｂ】
2011158473.tif 000053
【図１８Ｃ】
2011158473.tif 000054
【図１９】
2011158473.tif 000055
【図２０】
2011158473.tif 000056
【図２１】
2011158473.tif 000057
【図２２Ａ】
2011158473.tif 000058
【図２２Ｂ】
2011158473.tif 000059
【図２２Ｃ】
2011158473.tif 000060
【図２３】
2011158473.tif 000061
【手続補正書】
【提出日】平成23年10月31日(2011.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪材料で構成された第１の磁歪棒と、
前記第１の磁歪棒に一様な圧縮力または引張力を加えるための剛性および形状を有する磁性材料で構成され、前記第１の磁歪棒と平行に配置された剛性棒と、
前記第１の磁歪棒に巻かれた第１のコイルと、
前記第１の磁歪棒および前記剛性棒のそれぞれの両端に、前記第１の磁歪棒と前記剛性棒とを連結するように設けられた２つの連結ヨークとを備え、
前記第１の磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動により、前記第１の磁歪棒が伸張または収縮することにより発電する
ことを特徴とする発電素子。
【請求項２】
前記剛性棒は、磁歪材料で構成された第２の磁歪棒であり、
前記第２の磁歪棒に巻かれた第２のコイルをさらに備え、
前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒の軸方向と垂直な方向の振動により、前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒の一方が伸張し、他方が収縮することにより発電する
ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【請求項３】
前記第１の磁歪棒の磁化容易方向は、前記第１の磁歪棒の軸方向に平行である
ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【請求項４】
前記第１の磁歪棒および前記第２の磁歪棒のそれぞれの磁化容易方向は、前記第１の磁歪棒および第２の磁歪棒のそれぞれの軸方向に平行である
ことを特徴とする請求項２に記載の発電素子。
【請求項５】
前記発電素子は、さらに、磁石を有するバックヨークを備える
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項６】
前記２つの連結ヨークの一方は固定され、他方は錘を有している
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項７】
前記発電素子は、２次共振モードで共振する
ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項８】
前記第１のコイルの巻数をＮ回とすると、
前記第１のコイルは、Ｎ／Ｋ回の巻数を有するＫ個の並列接続されたコイルで構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
【請求項９】
前記第１のコイルおよび前記第２コイルのそれぞれの巻数をＮ回とすると、
前記第１のコイルおよび前記第２のコイルのそれぞれは、Ｎ／Ｋ回の巻数を有するＫ個の並列接続されたコイルで構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の発電素子。
【請求項１０】
平行に配置された複数個の前記発電素子を備え、
前記複数個の発電素子は直列に接続されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の発電素子。
【請求項１１】
前記磁歪材料は、延性を有する
ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項１２】
前記磁歪材料は、鉄ガリウム合金である
ことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項１３】
前記磁歪材料は、鉄コバルト合金である
ことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の発電素子。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の発電素子を備える
ことを特徴とする発電装置。
【国際調査報告】
2011158473.tif 000062
2011158473.tif 000063
2011158473.tif 000064
2011158473.tif 000065