(57)【要約】【課題】磁場を利用して発電する発電セルであって発電効率を向上可能な新たな構造を有する発電セルを提供すること。【解決手段】発電セル２０は、上下方向において互いに相対的に移動可能な磁性構造体３０とコイル部材４０とを備えている。磁性構造体３０は、軟磁性体からなり上下方向に沿って延びる心棒３２と、軟磁性体からなる２つのフランジ３４と、２つの磁石部材３６とを備えている。２つのフランジ３４は、心棒３２の上端及び下端に夫々取り付けられている。２つの磁石部材３６は、上下方向において同極が互いに向い合い且つ異極が互いに反対側を向くようにして、２つのフランジ３４に夫々取り付けられている。磁石部材３６の夫々は、水平面において心棒３２を囲んでいる。コイル部材４０は、コイル４２を備えている。コイル４２は、水平面において心棒３２を囲むようにして巻回されている。【選択図】図１
2019140709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性構造体と、コイル部材とを備えた発電セルであって、
前記磁性構造体及び前記コイル部材は、所定方向において互いに相対的に移動可能であり、
前記磁性構造体は、軟磁性体からなる心棒と、軟磁性体からなる２つのフランジと、前記２つのフランジに夫々対応する２つの磁石部材とを備えており、
前記心棒は、前記所定方向に沿って延びており、
前記２つのフランジは、前記所定方向において互いに距離をあけて、前記心棒に取り付けられており、
前記磁石部材の夫々は、対応する前記フランジの前記所定方向における内側に位置しており、且つ、前記所定方向と直交する直交平面において前記心棒を囲んでおり、
前記２つの磁石部材は、前記所定方向において同極が互いに向い合い且つ異極が互いに反対側を向くように配置されており、
前記コイル部材は、コイルを備えており、
前記コイルは、前記直交平面において前記心棒を囲むようにして巻回されている
発電セル。
【請求項２】
請求項１記載の発電セルであって、
前記磁石部材の夫々には、前記磁石部材を前記所定方向に貫通する中心孔が形成されており、
前記コイル部材及び前記磁石部材を前記所定方向に沿って見たとき、前記コイルは、前記中心孔の内側に位置している
発電セル。
【請求項３】
請求項２記載の発電セルであって、
前記フランジ及び前記磁石部材を前記所定方向に沿って見たとき、前記磁石部材の前記中心孔は、前記フランジの内側に位置している
発電セル。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれかに記載の発電セルであって、
前記心棒は、主部を有しており、
前記主部は、前記所定方向と平行な中心軸を中心とする円柱形状を有しており、
前記フランジの夫々は、前記中心軸を中心とする円板形状を有しており、
前記２つのフランジは、前記主部の前記所定方向における両端に夫々繋がっており、
前記磁石部材の夫々は、前記中心軸を中心とするリング形状を有しており、且つ、前記直交平面において前記心棒を切れ目なく囲んでいる
発電セル。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の発電セルであって、
前記心棒は、軟磁性磁歪材料からなり、
前記コイルは、２つのコイル部を有しており、
前記２つのコイル部は、前記所定方向に並んでいる
発電セル。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれかに記載の発電セルを備えた
発電装置。
【請求項７】
請求項６記載の発電装置であって、
前記発電セルに加えて、支持部材と、付加的発電機構とを備えており、
前記付加的発電機構は、軟磁性磁歪材料からなる支持梁と、付加的コイルとを備えており、
前記支持梁は、前記支持部材に固定された固定端と、前記所定方向に沿って前記固定端に対して相対的に移動可能な自由端とを有しており、
前記発電セルにおける前記磁性構造体及び前記コイル部材のうちの一方は、前記支持梁に支持されており、且つ、前記自由端の移動に伴って移動可能であり、
前記付加的コイルは、前記自由端の前記移動に起因して前記支持梁に生じる歪に応じて発電する
発電装置。
【請求項８】
請求項７記載の発電装置であって、
前記付加的発電機構は、応力負荷機構を備えており、
前記応力負荷機構は、前記支持梁の前記自由端に対して前記所定方向に沿った応力を印加している
発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場を利用して機械的な運動を電気エネルギーに変換する発電セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、このタイプの発電セルが開示されている。
【０００３】
図４０を参照すると、特許文献１に開示された振動装置兼発電装置（発電装置）９０は、２つの磁石９２２と超磁歪部材９２４とからなる超磁歪ロッド（ロッド）９２と、フェライトからなる質量部材（錘）９４と、コイル９６とを備えている。ロッド９２を、錘９４を使用しつつロッド９２の長手方向に振動させると、逆磁歪効果に起因してコイル９６に電気エネルギーが生じる。即ち、ロッド９２、錘９４及びコイル９６からなる構造体は、磁場を利用して機械的な運動（振動）を電気エネルギーに変換する発電セルとして機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７８２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
磁場を利用して機械的な運動を電気エネルギーに変換する（即ち、発電する）発電セルについて、発電効率の向上が求められている。
【０００６】
そこで、本発明は、磁場を利用して発電する発電セルであって発電効率を向上可能な新たな構造を有する発電セル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】
【０００７】
本発明は、第１の発電セルとして、
磁性構造体と、コイル部材とを備えた発電セルであって、
前記磁性構造体及び前記コイル部材は、所定方向において互いに相対的に移動可能であり、
前記磁性構造体は、軟磁性体からなる心棒と、軟磁性体からなる２つのフランジと、前記２つのフランジに夫々対応する２つの磁石部材とを備えており、
前記心棒は、前記所定方向に沿って延びており、
前記２つのフランジは、前記所定方向において互いに距離をあけて、前記心棒に取り付けられており、
前記磁石部材の夫々は、対応する前記フランジの前記所定方向における内側に位置しており、且つ、前記所定方向と直交する直交平面において前記心棒を囲んでおり、
前記２つの磁石部材は、前記所定方向において同極が互いに向い合い且つ異極が互いに反対側を向くように配置されており、
前記コイル部材は、コイルを備えており、
前記コイルは、前記直交平面において前記心棒を囲むようにして巻回されている
発電セルを提供する。
【０００８】
また、本発明は、第２の発電セルとして、第１の発電セルであって、
前記磁石部材の夫々には、前記磁石部材を前記所定方向に貫通する中心孔が形成されており、
前記コイル部材及び前記磁石部材を前記所定方向に沿って見たとき、前記コイルは、前記中心孔の内側に位置している
発電セルを提供する。
【０００９】
また、本発明は、第３の発電セルとして、第２の発電セルであって、
前記フランジ及び前記磁石部材を前記所定方向に沿って見たとき、前記磁石部材の前記中心孔は、前記フランジの内側に位置している
発電セルを提供する。
【００１０】
また、本発明は、第４の発電セルとして、第１から第３までのいずれかの発電セルであって、
前記心棒は、主部を有しており、
前記主部は、前記所定方向と平行な中心軸を中心とする円柱形状を有しており、
前記フランジの夫々は、前記中心軸を中心とする円板形状を有しており、
前記２つのフランジは、前記主部の前記所定方向における両端に夫々繋がっており、
前記磁石部材の夫々は、前記中心軸を中心とするリング形状を有しており、且つ、前記直交平面において前記心棒を切れ目なく囲んでいる
発電セルを提供する。
【００１１】
また、本発明は、第５の発電セルとして、第１から第４までのいずれかの発電セルであって、
前記心棒は、軟磁性磁歪材料からなり、
前記コイルは、２つのコイル部を有しており、
前記２つのコイル部は、前記所定方向に並んでいる
発電セルを提供する。
【００１２】
また、本発明は、第１の発電装置として、
第１から第５までのいずれかの発電セルを備えた
発電装置を提供する。
【００１３】
また、本発明は、第２の発電装置として、第１の発電装置であって、
前記発電セルに加えて、支持部材と、付加的発電機構とを備えており、
前記付加的発電機構は、軟磁性磁歪材料からなる支持梁と、付加的コイルとを備えており、
前記支持梁は、前記支持部材に固定された固定端と、前記所定方向に沿って前記固定端に対して相対的に移動可能な自由端とを有しており、
前記発電セルにおける前記磁性構造体及び前記コイル部材のうちの一方は、前記支持梁に支持されており、且つ、前記自由端の移動に伴って移動可能であり、
前記付加的コイルは、前記自由端の前記移動に起因して前記支持梁に生じる歪に応じて発電する
発電装置を提供する。
【００１４】
また、本発明は、第３の発電装置として、第２の発電装置であって、
前記付加的発電機構は、応力負荷機構を備えており、
前記応力負荷機構は、前記支持梁の前記自由端に対して前記所定方向に沿った応力を印加している
発電装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、軟磁性体からなる２つのフランジは、所定方向において互いに距離をあけて、軟磁性体からなる心棒に取り付けられている。加えて、磁石部材の夫々は、対応するフランジの所定方向における内側に位置しており、且つ、直交平面において心棒を囲んでいる。この構造によれば、磁石部材の夫々に生じた磁力線は、対応するフランジによって心棒の内部を通過するように誘導される。この結果、心棒の内部には、所定方向に沿って急激に強度を変える磁場（急峻な傾斜磁場）が形成される。例えば、コイルを保持しつつ心棒を含む磁性構造体を所定方向に振動させると、磁性構造体の運動エネルギーは、急峻な傾斜磁場によって効率的にコイルの電気エネルギーに変換される。更に、心棒から漏れ出す磁力線は、直交平面に沿ってコイルを横切るため、コイルの発電効率を劣化させない。即ち、本発明によれば、磁場を利用して発電する発電セルであって発電効率を向上可能な新たな構造を有する発電セルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態による発電セルを示す斜視図である。隠れた心棒の輪郭の一部を破線で描画している。発電セルの仮想的な中心軸を１点鎖線で描画している。
【図２】図１の発電セルにおける仮想的な中心軸（１点鎖線参照）を含む断面を示す断面図である。
【図３】図１の発電セルを示す分解斜視図である。発電セルの仮想的な中心軸を１点鎖線で描画している。
【図４】図１の発電セルの磁性構造体を示す斜視図である。発電セルの仮想的な中心軸を１点鎖線で描画している。
【図５】図４の磁性構造体によって生じる磁場の分布を示す図である。矢印線の濃さによって本図内における磁場の相対的な強さを示している。
【図６】図５の磁場の分布を示す別の図である。矢印線のサイズによって本図内における磁場の相対的な強さを示している。
【図７】図４の磁性構造体がフランジを備えていない場合に生じる磁場の分布を示す図である。矢印線の濃さによって本図内における磁場の相対的な強さを示している。
【図８】図４の磁性構造体の２つの磁石部材の間の距離と磁力との関係を例示する図である。
【図９】図３の発電セルの磁石部材の変形例を示す斜視図である。
【図１０】図２の発電セルの変形例を示す断面図である。発電セルの仮想的な中心軸を１点鎖線で描画している。
【図１１】図３の発電セルの変形例におけるコイル部材を示す斜視図である。
【図１２】本実施の形態による発電装置を示す斜視図である。発電セルの隠れた心棒の輪郭の一部を破線で描画している。
【図１３】本実施の形態による別の発電装置を示す側面図である。
【図１４】図１３の発電装置の支持梁における自由端の移動量と固定端の断面平均透磁率との間の関係を示す図である。自由端に荷重を加えていないときの移動量を０ｍｍとして描画している。
【図１５】図１３の発電装置の支持梁における自由端の移動量と固定端の断面平均透磁率との間の関係を示す図である。自由端が錘等の荷重によって下降したときの平衡位置を０ｍｍとして描画している。
【図１６】図１３の発電装置による出力電圧を示す図である。
【図１７】図４の磁性構造体の実施例を示す側面図である。
【図１８】図１７の磁性構造体の比較例を示す側面図である。
【図１９】図１７の磁性構造体によって生じる磁場の分布を示す図である。矢印線のサイズによって本図内における磁場の相対的な強さを示している。
【図２０】図１８の磁性構造体によって生じる磁場の分布を示す図である。矢印線のサイズによって本図内における磁場の相対的な強さを示している。
【図２１】図４の磁性構造体の別の実施例を示す側面図である。
【図２２】図２１の磁性構造体の心棒における磁場傾斜の例を示す図である。
【図２３】図２２の磁場傾斜の別の例を示す図である。
【図２４】図２２の磁場傾斜の更に別の例を示す図である。
【図２５】図４の磁性構造体の更に別の実施例を示す斜視図である。磁性構造体を備えた発電セルの仮想的な中心軸を１点鎖線で描画している。
【図２６】図２５の磁性構造体を備えた発電セルを示す側面図である。コイルの輪郭を１点鎖線で描画している。心棒の隠れた輪郭の一部を２点鎖線で描画している。
【図２７】図２６の発電セルの心棒及びフランジのＢＨ曲線を示す図である。
【図２８】図２６の発電セルの心棒における磁束密度を示す図である。
【図２９】図２６の発電セルによる出力電圧の最大値を示す図である。
【図３０】図２６の発電セルによる出力電圧の最大値を示す別の図である。
【図３１】図２６の発電セルの比較例を示す斜視図である。磁石部材におけるＮ極とＳ極との間の仮想的な境界線を１点鎖線で描画している。コイルの端子を２点鎖線で模式的に描画している。
【図３２】図２６の発電セルの別の比較例を示す斜視図である。隠れた心棒の輪郭を破線で描画している。磁石部材におけるＮ極とＳ極との間の仮想的な境界線を１点鎖線で描画している。コイルの端子を２点鎖線で模式的に描画している。
【図３３】図２６の発電セルの磁性構造体に加えた振動を示す図である。
【図３４】図２６の磁性構造体に図３３の振動を加えたときの出力電圧を示す図である。
【図３５】図２６の磁性構造体に図３３の振動を加えたときの出力電圧を示す別の図である。
【図３６】図３１の発電セルのコイル部材に加えた振動を示す図である。
【図３７】図３１のコイル部材に図３６の振動を加えたときの出力電圧を示す図である。
【図３８】図３２の発電セルのコイル部材に加えた振動を示す図である。
【図３９】図３２のコイル部材に図３８の振動を加えたときの出力電圧を示す図である。
【図４０】特許文献１の発電装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１を参照すると、本発明の実施の形態による発電セル２０は、磁場を利用して機械的な運動を電気エネルギーに変換する電磁誘導式発電セルである。機械的な運動は、例えば、直線運動であってもよいし、振動運動であってもよい。振動運動は、例えば、一時的な衝撃力及びバネ（図示せず）を使用して繰り返してもよいし、振動装置（図示せず）を使用して繰り返してもよい。
【００１８】
図１及び図２を参照すると、発電セル２０は、磁性構造体３０と、コイル部材４０とを備えている。磁性構造体３０及びコイル部材４０は、所定方向（Ｚ方向：上下方向）において互いに相対的に移動可能である。例えば、コイル部材４０を保持具（図示せず）によって保持した状態で、磁性構造体３０を、コイル部材４０に対して相対的に上下（＋Ｚ方向及び−Ｚ方向）に振動させることができる。また、磁性構造体３０を保持具（図示せず）によって保持した状態で、コイル部材４０を、磁性構造体３０に対して相対的に上下に振動させることができる。
【００１９】
以下、本実施の形態による磁性構造体３０及びコイル部材４０の夫々の構造について説明する。
【００２０】
図３及び図４を参照すると、磁性構造体３０は、軟磁性体からなる心棒３２と、軟磁性体からなる２つのフランジ３４と、２つのフランジ３４に夫々対応する２つの磁石部材３６とを備えている。本実施の形態の磁性構造体３０は、Ｚ方向（所定方向）と平行な中心軸ＡＸを中心として任意の角度で回転対称な形状を有してる。但し、本発明はこれに限られず、磁性構造体３０の構造は、後述するように様々に変形可能である。
【００２１】
心棒３２は、Ｚ方向（中心軸ＡＸ）に沿って延びており、主部３２２と、２つの突出部３２８とを有している。主部３２２は、中心軸ＡＸに沿って延びており、中心軸ＡＸを中心とする円柱形状を有している。特に、本実施の形態の主部３２２は、Ｚ方向と直交する直交平面（水平面：ＸＹ平面）において、円形の断面を有している。但し、主部３２２は、これと異なる円柱形状を有していてもよい。例えば、ＸＹ平面における主部３２２の断面は、楕円状に多少扁平していてもよい。また、主部３２２の断面の形状やサイズは、Ｚ方向における位置に係らず一定であってもよいし、Ｚ方向における位置によって多少異なっていてもよい。
【００２２】
２つの突出部３２８は、互いに同じ形状及びサイズを有している。より具体的には、突出部３２８の夫々は、中心軸ＡＸを中心とする円柱形状を有している。ＸＹ平面において、突出部３２８のサイズは、主部３２２のサイズよりも小さい。２つの突出部３２８は、主部３２２のＺ方向における両端面からＺ方向外側に向かって夫々突出している。
【００２３】
２つのフランジ３４は、互いに同じ材料から形成されており、互いに同じ形状及びサイズを有している。フランジ３４の夫々は、対向面３４２と、反対面３４４とを有している。対向面３４２及び反対面３４４の夫々は、ＸＹ平面と平行な平面であり、ＸＹ平面において円形の外周を有している。対向面３４２と反対面３４４とは、Ｚ方向において互いに反対側に位置している。
【００２４】
フランジ３４の夫々は、位置決め溝３４６と、受容部３４８とを有している。位置決め溝３４６は、対向面３４２の外周近傍に形成された凹部である。位置決め溝３４６は、対向面３４２からＺ方向外側に凹んでおり、対向面３４２の外周に沿って切れ目なく延びている。即ち、位置決め溝３４６は、中心軸ＡＸを中心とするリング形状の空間である。受容部３４８は、フランジ３４のＸＹ平面における中心部をＺ方向に貫通する空間であり、ＸＹ平面において円形状を有している。即ち、受容部３４８は、中心軸ＡＸを中心とする円柱形状の空間である。
【００２５】
図２及び図３を参照すると、２つのフランジ３４の受容部３４８は、心棒３２の２つの突出部３２８に夫々対応して設けられている。受容部３４８の夫々のＸＹ平面におけるサイズは、対応する突出部３２８のＸＹ平面におけるサイズと略同じである。
【００２６】
図３及び図４を参照すると、以上のように形成されたフランジ３４の夫々は、中心軸ＡＸを中心とする円板形状を有している。本実施の形態によるフランジ３４の夫々は、上述のように凹部及び孔（位置決め溝３４６及び受容部３４８）を有しており、完全な円板ではない。但し、本発明は、これに限られない。例えば、フランジ３４の夫々のＸＹ平面における断面は、Ｚ方向における位置に係らず一定サイズの円形であってもよい。一方、フランジ３４の夫々のＸＹ平面における断面は、例えば、楕円状に多少扁平していてもよいし、Ｚ方向における位置によって多少異なっていてもよい。フランジ３４の夫々において、対向面３４２及び反対面３４４の夫々は、多少凹凸のある面であってもよいし、中心軸ＡＸに対して多少傾いていてもよい。
【００２７】
図２から図４までを参照すると、２つの磁石部材３６は、互いに同じ材料から形成されており、互いに同じ形状及びサイズを有している。磁石部材３６の夫々には、磁石部材３６をＺ方向に貫通する中心孔３６８が形成されている。中心孔３６８は、中心軸ＡＸを中心とする円柱形状の空間である。即ち、磁石部材３６の夫々は、中心軸ＡＸを中心とするリング形状を有している。中心軸ＡＸを中心とする径方向において、磁石部材３６の夫々のサイズ（厚さ）は、対応するフランジ３４の位置決め溝３４６のサイズ（幅）と略同じである。磁石部材３６の夫々は、Ｚ方向において互いに反対の磁極を有するように着磁されている。即ち、磁石部材３６の夫々において、Ｚ方向における一方の側はＮ極３６Ｎに着磁されており、Ｚ方向における他方の側はＳ極３６Ｓに着磁されている。
【００２８】
図２及び図３を参照すると、コイル部材４０は、コイル４２と、樹脂等の絶縁体からなるボビン４４とを備えている。ボビン４４は、全体として円筒形状を有している。コイル４２は、１本の被覆導線を、ボビン４４のＸＹ平面における外周に複数ターンだけ巻回させて形成されている。換言すれば、コイル４２は、ボビン４４の外周を夫々１周する複数の巻線の集合体である。コイル４２は、中心軸ＡＸを中心として、ボビン４４を一定方向（時計方向又は反時計方向）に巻回している。
【００２９】
図１及び図３を参照すると、コイル部材４０は、２つの端子４６を備えている。本実施の形態において、端子４６は、ボビン４４に巻回された１本の被覆導線の両端部である。即ち、コイル４２及び端子４６は、互いに一体の部材である。但し、本発明は、これに限らない。例えば、端子４６は、半田付け等によってコイル４２の両端に夫々接続してもよい。また、ボビン４４は、必要に応じて設ければよい。
【００３０】
図２及び図３を参照すると、コイル部材４０には、通過孔４８を有している。通過孔４８は、ボビン４４をＺ方向に貫通する円柱形状の空間である。コイル部材４０の通過孔４８のＸＹ平面におけるサイズは、心棒３２の主部３２２のＸＹ平面におけるサイズよりも大きい。また、端子４６を除くコイル部材４０のＸＹ平面におけるサイズは、磁石部材３６の夫々の中心孔３６８のＸＹ平面におけるサイズよりも小さい。
【００３１】
以下、本実施の形態による発電セル２０の組立方法の一例について説明する。
【００３２】
図２から図４までを参照すると、まず、磁石部材３６の夫々を、対応するフランジ３４の対向面３４２に取り付けて固定する。図２及び図３を参照すると、本実施の形態において、磁石部材３６の夫々におけるＳ極３６Ｓに着磁された部位は、対応するフランジ３４の位置決め溝３４６に嵌入されており、これにより、磁石部材３６の夫々は、対応するフランジ３４に対して相対的に移動しないように固定されている。このように固定された磁石部材３６の夫々は、対応するフランジ３４と面接触している。但し、本発明は、これに限られない。例えば、磁石部材３６の夫々は、対応するフランジ３４から僅かに離れるようにして対応するフランジ３４に取り付けてもよい。
【００３３】
図３を参照すると、次に、コイル部材４０を、ＸＹ平面において心棒３２を囲むように配置する。図２から図４までを参照すると、次に、２つのフランジ３４に夫々取り付けた２つの磁石部材３６を、Ｚ方向において同極が互いに向い合い且つ異極が互いに反対側を向くように配置する。この結果、２つのフランジ３４は、ＸＹ平面について鏡対称に位置する。本実施の形態によれば、２つの磁石部材３６は、Ｚ方向においてＮ極３６Ｎが互いに向い合うように配置されている。但し、本発明はこれに限られず、２つの磁石部材３６は、Ｚ方向においてＳ極３６Ｓが互いに向い合うように配置されていてもよい。
【００３４】
次に、フランジ３４の夫々を、対応する磁石部材３６と共に、心棒３２に取り付けて固定する。本実施の形態によれば、心棒３２の２つの突出部３２８は、２つのフランジ３４の受容部３４８に夫々嵌入され、これにより、フランジ３４の夫々は、心棒３２に対して相対的に移動しないように固定される。但し、本発明は、これに限られない。例えば、フランジ３４の一方は、心棒３２と一体の部材であってもよい。この場合、フランジ３４の他方のみを、対応する磁石部材３６と共に、心棒３２に取り付ければよい。
【００３５】
図１、図２及び図４を参照すると、上述のように組み立てられた発電セル２０において、２つのフランジ３４は、対向面３４２がＺ方向において距離をあけて互いに向い合うようにして、心棒３２に取り付けられ固定されている。このように固定された２つのフランジ３４は、心棒３２の主部３２２のＺ方向における両端に夫々繋がっている。２つのフランジ３４の対向面３４２は、主部３２２のＺ方向における両端面と夫々面接触している。但し、本発明は、これに限られない。例えば、対向面３４２の夫々は、主部３２２のＺ方向における端面から僅かに離れていてもよい。
【００３６】
上述のように組み立てられた発電セル２０において、磁石部材３６の夫々は、ＸＹ平面において心棒３２を囲んでいる。特に、本実施の形態によれば、磁石部材３６の夫々は、ＸＹ平面において心棒３２の主部３２２を切れ目なく囲んでいる。
【００３７】
本実施の形態において、心棒３２及び２つのフランジ３４は、突出部３２８及び受容部３４８によって互いに固定されている。但し、本発明は、これに限られない。例えば、心棒３２は、主部３２２のみを有していてもよい。この場合、例えば、フランジ３４の夫々に受容部３４８を設けず、主部３２２のＺ方向における両端面を、２つのフランジ３４の対向面３４２に夫々接着してもよい。
【００３８】
図２及び図３を参照すると、本実施の形態において、磁石部材３６の夫々は、位置決め溝３４６によって対応するフランジ３４に固定されている。この結果、心棒３２、２つのフランジ３４及び２つの磁石部材３６は、互いに固定されている。但し、本発明は、これに限られない。例えば、フランジ３４の夫々に位置決め溝３４６を設けず、対応する磁石部材３６を、フランジ３４の対向面３４２に接着してもよい。
【００３９】
図１及び図２を参照すると、上述のように組み立てられた発電セル２０において、コイル４２は、ＸＹ平面において心棒３２を囲むようにして一定方向に巻回されている。コイル部材４０のコイル４２及びボビン４４は、ＸＹ平面において、磁性構造体３０の心棒３２を距離をあけて囲んでいる。即ち、コイル部材４０及び心棒３２をＺ方向に沿って見たとき、心棒３２は、通過孔４８（図３参照）の内側に位置している。また、磁性構造体３０の磁石部材３６の夫々は、ＸＹ平面において、コイル部材４０のコイル４２及びボビン４４を距離をあけて囲んでいる。即ち、コイル部材４０及び磁石部材３６をＺ方向に沿って見たとき、コイル４２及びボビン４４は、中心孔３６８の内側に位置している。上述のように配置されたコイル部材４０は、磁性構造体３０の２つの磁石部材３６の中心孔３６８を通過しつつ、Ｚ方向に沿って移動可能である。
【００４０】
以下、発電セル２０の機能について説明する。
【００４１】
図５を参照すると、軟磁性体からなる２つのフランジ３４は、Ｚ方向において互いに距離をあけて、軟磁性体からなる心棒３２に取り付けられている。加えて、磁石部材３６の夫々は、対応するフランジ３４のＺ方向における内側に位置しており、且つ、ＸＹ平面において心棒３２を囲んでいる。
【００４２】
図５及び図６を参照すると、上述の構造によれば、磁石部材３６の夫々に生じた磁力線は、対応するフランジ３４によって心棒３２の内部を通過するように誘導される。この結果、心棒３２の内部には、Ｚ方向（即ち、中心軸ＡＸ）に沿って急激に強度を変える磁場（急峻な傾斜磁場）が形成される。この傾斜磁場は、心棒３２のＺ方向における中間部において極めて弱く、Ｚ方向における両端部に向かって急激かつ線形に強度を上げる。この傾斜磁場を巻回するようにコイル４２（図２参照）を配置し、磁性構造体３０及びコイル４２をＺ方向に沿って互いに相対的に移動することで、コイル４２に大きな電気エネルギーが生じ、コイル４２の２つの端子４６（図１参照）の間に高い出力電圧が生じる。換言すれば、発電セル２０は、急峻な傾斜磁場を利用して効率よく発電する。
【００４３】
例えば、コイル４２（図２参照）を保持しつつ心棒３２を含む磁性構造体３０をＺ方向に振動させると、磁性構造体３０の運動エネルギーは、心棒３２の内部の急峻な傾斜磁場によって効率的にコイル４２の電気エネルギーに変換される。更に、心棒３２から漏れ出す磁力線は、ＸＹ平面に沿ってコイル４２を横切るため、コイル４２の発電効率を劣化させない。詳しくは、心棒３２から漏れ出してコイル４２と交差する磁力線（漏れ磁力線）は、コイル４２の中心軸ＡＸに対して略垂直方向に延びている。従って、漏れ磁力線は、磁性構造体３０に対するコイル４２の中心軸ＡＸに沿った相対的な移動に伴う逆起電力を発生させず、発電セル２０の発電効率を低下させない。
【００４４】
図７を図５と比較すると、仮に磁性構造体３０がフランジ３４を備えていない場合、磁力線の一部は、心棒３２を通らず、磁石部材３６のＳ極３６Ｓから磁性構造体３０の外部に漏れ出る（図７の磁力線ＦＬ参照）。一方、本実施の形態によれば、磁力線は、フランジ３４によって心棒３２に誘導され、図７の磁力線ＦＬのような漏れ磁力線の発生が抑制される。即ち、本実施の形態によれば、心棒３２の内部の磁束密度を高めて心棒３２の内部に急峻な傾斜磁場を形成でき、これにより発電効率を向上できる。
【００４５】
以上のように、本実施の形態によれば、磁場を利用して発電する発電セルであって発電効率を向上可能な新たな構造を有する発電セル２０を提供できる。
【００４６】
図１及び図２を参照すると、本実施の形態においてコイル４２に生じる出力電圧の最大値は、下記のように求めることができる。
【００４７】
磁性構造体３０がＺ方向（中心軸ＡＸ）に沿ってコイル４２に対して相対的に速度ｖで移動するとき、コイル４２の２つの端子４６の間には、Ｖ＝ｄΦ／ｄｔの式によって表される出力電圧Ｖが生じる。この式において、ｔは時間であり、Φはコイル４２を中心軸ＡＸに沿って貫く磁束である。心棒３２のうちコイル４２の各巻線が巻回する部位における中心軸ＡＸと直交する断面積をコイル４２の全ての巻線について合計した面積Ｓ（以下、単に「面積Ｓ」という。）、及び、心棒３２における磁束密度Ｂを使用すると、Φ＝Ｂ・Ｓである。従って、Ｖ＝ｄΦ／ｄｔ＝Ｓ・（ｄＢ／ｄｔ）＝Ｓ・（ｄＢ／ｄｚ）・（ｄｚ／ｄｔ）である。この式において、ｄＢ／ｄｚは、磁束密度Ｂの中心軸ＡＸに沿った傾斜（磁場傾斜Ｄ）であり、ｄｚ／ｄｔ＝ｖである。従って、Ｖ＝Ｓ・Ｄ・ｖである。
【００４８】
磁性構造体３０がＺ方向（中心軸ＡＸ）に沿って周波数ｆで単振動する場合、磁性構造体３０の移動量ｚは、磁性構造体３０の最大移動量をｚＭＡＸとすると、ｚ＝ｚＭＡＸ・ｓｉｎ（２πｆｔ）である。この場合、磁性構造体３０の移動速度ｖ＝ｄｚ／ｄｔ＝２πｆｚＭＡＸ・ｃｏｓ（２πｆｔ）であり、磁性構造体３０の加速度ａ＝ｄ２ｚ／ｄ２ｔ＝−（２πｆ）２ｚＭＡＸ・ｓｉｎ（２πｆｔ）である。例えば、ｆ＝５０Ｈｚ、加速度ａの最大値ＧＭＡＸ＝９８ｍ／ｓ２の場合、ｚＭＡＸ＝ＧＭＡＸ／（２πｆ）２＝９８／（１００π）２＝０．９９ｍｍであり、移動速度ｖの最大値ｖＭＡＸは、ｖＭＡＸ＝３１２ｍｍ／ｓである。
【００４９】
上述のＳ、Ｄ、ｖＭＡＸ及びＧＭＡＸを使用すると、磁性構造体３０がコイル４２に対して相対的にＺ方向（中心軸ＡＸ）に沿って周波数ｆで単振動する場合、コイル４２の２つの端子４６の間に生じる出力電圧の最大値（最大電圧）ＶＭＡＸは、以下の最大電圧式によって表される。
（最大電圧式）ＶＭＡＸ＝Ｓ・Ｄ・ｖＭＡＸ＝Ｓ・Ｄ・（ＧＭＡＸ／２πｆ）
【００５０】
上述の最大電圧式から理解されるように、本実施の形態による発電セル２０の最大電圧は、磁性構造体３０及びコイル４２の相対運動に対応して面積Ｓ及び磁場傾斜Ｄを調整することで大きくでき、これにより発電セル２０の発電効率を向上できる。より具体的には、以下に説明するように、高い周波数による小さな振幅の振動から低い周波数による大きな振幅の振動に亘って高い発電効率の発電セル２０を提供できる。
【００５１】
例えば、磁性構造体３０及びコイル４２の相対運動が小さな振幅の振動である場合、２つのフランジ３４の間のＺ方向における距離を小さくすることで、２つの磁石部材３６を互いに近づけてもよい。この構造によれば、心棒３２の内部に、より急峻な傾斜磁場を形成できる。即ち、上述した最大電圧式における磁場傾斜Ｄを大きくすることで、小さな振幅の振動における発電効率を向上できる。
【００５２】
図８を図２と併せて参照すると、本実施の形態によれば、磁石部材３６の夫々のＺ方向外側に軟磁性体からなるフランジ３４が配置されているため、２つの磁石部材３６を、対向する同極による反発力を生じさせることなく、例えば数ｍｍの距離まで近づけることができる。即ち、本実施の形態によれば、２つの磁石部材３６の間の距離ｄ０（図２参照）について、吸引力と反発力との間の転換点が存在する。図８に示した例において、転換点に対応する距離ｄ０は、３〜４ｍｍである。
【００５３】
２つの磁石部材３６を互いに近づける場合、２つの磁石部材３６の間の吸引力と反発力とを考慮して、２つの磁石部材３６の間の距離を設定すればよい。例えば、２つの磁石部材３６を、転換点に対応する距離ｄ０だけ互いに離せばよい。この配置により、不要な磁気的応力の発生を防止できる。加えて、強い反発力が生じないため、発電セル２０を容易に組み立てられる。
【００５４】
図１及び図２を参照すると、例えば、磁性構造体３０及びコイル４２の相対運動が大きな振幅の振動である場合、２つのフランジ３４の間のＺ方向における距離を大きくして、２つの磁石部材３６を互いに大きく離す必要がある。この構造によれば、磁場傾斜Ｄは、小さくなる。一方、２つのフランジ３４の間の空間を利用して、コイル４２のターン（巻回数）を大きくし、これにより発電効率を向上できる。即ち、上述した最大電圧式における面積Ｓを大きくすることで、大きな振幅の振動における発電効率を向上できる。
【００５５】
図５及び図６を参照すると、本実施の形態によれば、心棒３２の各部位における傾斜磁場は、Ｚ方向における心棒３２の中間部に対する当該部位の位置に応じて、概ね直線的に変化する。このため、２つの磁石部材３６の間の距離を大きくした場合でも、発電セル２０の出力電圧の波形は、殆ど歪まない。また、図２を参照すると、コイル４２は、一方の磁石部材３６のＺ方向における中間部と他方の磁石部材３６のＺ方向における中間部との間の領域（発電領域）において、特に効率的に発電する。本実施の形態のコイル４２は、この発電領域に配置されている。この配置により、コイル４２全体が効果的に発電するため、大きな振幅の振動に対応して磁場傾斜Ｄが小さくなっても高い発電効率が得られる。
【００５６】
コイル４２をより効果的に発電させるという観点から、発電領域全体に亘ってコイル４２を巻回することが好ましい。この場合、コイル４２のＺ方向における両端部は、本実施の形態と同様に、２つの磁石部材３６によって夫々囲まれる。即ち、コイル４２の両端部は、ＸＹ平面において、２つの磁石部材３６の中心孔３６８の内部に夫々位置する。但し、本発明は、これに限られない。例えば、コイル４２を、Ｚ方向において２つの磁石部材３６の間に配置して、且つ、コイル４２のＸＹ平面における外周を、中心孔３６８のＸＹ平面における外部に位置させてもよい。この場合、コイル４２は、Ｚ方向において２つの磁石部材３６の間のみを移動可能である。即ち、磁性構造体３０及びコイル部材４０の相対的な移動範囲は、発電領域の一部に限定される。但し、この配置によれば、コイル４２の巻回数を特に制限なく大きくでき、これにより発電効率を向上できる。
【００５７】
図１を参照すると、本実施の形態によれば、上述したように、磁性構造体３０及びコイル４２の様々な相対運動に対応して発電セル２０の構造を調整でき、これにより発電効率を向上できる。本実施の形態によれば、心棒３２、フランジ３４及び磁石部材３６の夫々のサイズ、２つの磁石部材３６の間の距離、コイル４２のサイズ、コイル４２の巻回数、コイル４２の各巻線の太さ（線径）等を特に限定なく自由に設計できる。但し、用途を考慮しつつ高い発電効率を有する発電セル２０を得るためには、例えば、以下のような設計アルゴリズムによって発電セル２０の構造を設計すればよい。
【００５８】
まず、ステップ１として、心棒３２及びフランジ３４の材料として使用する軟磁性体のＢＨ曲線を実測する。次に、ステップ２として、必要な出力電圧及び出力電力等の発電要求仕様を明確にする。次に、ステップ３として、発電要求仕様を満たすために必要な磁場構造を設計する。例えば、面積Ｓの値や磁場傾斜Ｄの値を設定する。また、２つの磁石部材３６の間の反発力及び吸引力を考慮しつつ、２つの磁石部材３６の間の距離を設定する。次に、ステップ４として、ステップ１のＢＨ曲線から得た透磁率および飽和磁束密度Ｂｓ、ステップ２で明確にした発電要求仕様、及び、ステップ３で設計した磁場構造に基づき、コイル４２の巻線密度、コイル４２の直流抵抗値（以下、単に「抵抗値」という。）等の磁場構造の細部をシミュレーションによって調整しつつ、磁場構造を最適化する。
【００５９】
以下、発電セル２０の構造を設計する際に考慮すべき各部材の好ましい材料及び構造について、より具体的に説明する。
【００６０】
図３を参照すると、心棒３２及びフランジ３４の材料は、軟磁性体である限り、特に限定されない。但し、飽和磁束密度Ｂｓの大きな軟磁性体を使用することで、磁場傾斜Ｄを大きくでき、これにより発電効率をより向上できる。飽和磁束密度Ｂｓを大きくするという観点から、ニッケルやフェライトに比べて、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ）、パーメンジュール（Ｆｅ−Ｃｏ）、珪素鋼板（Ｆｅ−Ｓｉ）等の鉄系又はコバルト系の材料を使用することが好ましい。但し、Ｓ４５ＣやＳＳ４００等の安価で入手し易い構造用鉄鋼材を使用した場合でも、磁場傾斜Ｄ（発電効率）は殆ど低下しない。従って、製造コストを低減するという観点から、パーメンジュール等の高価な材料に代えて、上述の構造用鉄鋼材を使用してもよい。
【００６１】
磁石部材３６の材料は、ネオジム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石等の所謂「磁石」である限り、特に限定されない。但し、発電効率を向上させるという観点から、磁力がより強い磁石が好ましい。
【００６２】
コイル４２の材料は、巻線の導電体の間が絶縁被覆によって絶縁されている限り、特に限定されない。但し、コイル４２の抵抗値を小さくするという観点から、コイル４２の導電体は、抵抗率の小さな材料、例えば銅や銀であることが好ましい。また、コイル４２における導電体の密度を高くして発電効率を向上させるという観点から、絶縁被覆は、薄い方が好ましい。例えば、絶縁被覆を可能な限り薄くしてコイル４２を可能な限り密に巻回させる場合、コイル４２を形成する１本の被覆導線の断面積とコイル４２の巻回数との組み合わせを変えても、発電効率は変わらない一方、コイル４２の抵抗値の変化によって出力電圧と出力電流との間の比率は変わる。従って、発電セル２０の用途に応じて、被覆導線の断面積と巻回数との組み合わせを調整すればよい。
【００６３】
図３を参照すると、本実施の形態において、心棒３２、フランジ３４、磁石部材３６及びコイル４２等の各部材は、ＸＹ平面において中心軸ＡＸを中心とする円形状を有している。また、フランジ３４及び磁石部材３６の夫々は、心棒３２（中心軸ＡＸ）に対して直交するように配置されている。ＸＹ平面における磁束分布の偏りを抑制して発電効率を向上させるという観点から、本実施の形態が好ましい。但し、本発明は、これに限られない。例えば、各部材は、ＸＹ平面において多角形形状を有していてもよい。また、フランジ３４及び磁石部材３６の夫々は、心棒３２に対して多少傾いていてもよい。また、２つのフランジ３４は、多少異なる形状やサイズを有していてもよい。同様に、２つの磁石部材３６は、多少異なる形状やサイズを有していてもよい。
【００６４】
図２を参照すると、発電効率を向上させるという観点から、フランジ３４及び磁石部材３６をＺ方向に沿って見たとき、磁石部材３６の中心孔３６８は、フランジ３４の内側に位置していることが好ましく、フランジ３４と磁石部材３６とは、殆ど重なっていることが更に好ましい。
【００６５】
特に、フランジ３４及び磁石部材３６の夫々がＸＹ平面において円形状を有している場合、フランジ３４の中心軸ＡＸを中心とする直径φｘは、対応する磁石部材３６の中心孔３６８の中心軸ＡＸを中心とする直径φｍｉ（即ち、磁石部材３６の内径φｍｉ）よりも大きいことが好ましく、且つ、対応する磁石部材３６の中心軸ＡＸを中心とする直径φｍｏ（即ち、磁石部材３６の外径φｍｏ）と略同じであることが好ましい。また、磁石部材３６を対応するフランジ３４に対して容易に取り付けるという観点から、φｘは、φｍｏよりも多少大きいことが好ましい。
【００６６】
上述したφｘ、φｍｏ、φｍｉを含む発電セル２０のサイズは、磁性構造体３０（又は、コイル部材４０）を振動させる振動源の振動特性に合わせて、数ｍｍから数十ｍまでの広い寸法範囲において設計可能である。
【００６７】
例えば、振動源は、数Ｈｚ〜数十Ｈｚの周波数で振動する機械的な共振梁（図示せず）であってもよい。磁性構造体３０を共振梁と同じ周波数（数Ｈｚ〜数十Ｈｚの周波数）で振動させる場合、振幅は１ｍｍ程度になる。この場合、φｘ及びφｍｏを１０〜３０ｍｍ程度とし、φｍｉを５〜２０ｍｍ程度とし、心棒３２の主部３２２の長さＬｃ（２つのフランジ３４の間の距離）を数ｍｍ〜２０ｍｍ程度とすればよい。また、磁性構造体３０を共振梁の逓倍周波数で振動させる場合、周波数が高くなり振幅が小さくなるため、これらの値を小さくすればよい。
【００６８】
振動源は、発電セル２０の用途に応じて、海面に生ずる波、歩行等の運動、運動体が設置された床等の非機械装置であってもよい。例えば、磁性構造体３０を、波（１〜３ｍ程度の大きな振幅による振動）によって振動させる場合、φｘ及びφｍｏを２ｍ程度とし、φｍｉを１ｍ程度とし、Ｌｃを２ｍ程度としてもよい。一方、磁性構造体３０を、床面の微小振動（１ｍｍ未満の微小な振幅による振動）によって振動させる場合、φｘ及びφｍｏを２ｍｍ程度とし、φｍｉを１ｍｍ程度とし、Ｌｃを２ｍｍ程度としてもよい。
【００６９】
フランジ３４の厚さＴｆは、磁石部材３６の夫々に生じた磁力線を誘導できる程度に厚い限り、特に限定されない。即ち、Ｔｆの上限値は、特に限定されない。一方、できるだけＴｆを薄くしたい場合、Ｔｆの下限値は、磁力線が発電セル２０の外側に漏れず、且つ、フランジ３４内部の磁束分布が一定であるという所定条件下における計算式によって求めることができる。この所定条件によれば、心棒３２のＸＹ平面における外周部分において、磁束密度が最大になる。また、この所定条件下において、Ｔｆの下限値＝{（φｍｏ＋φｍｉ）（φｍｏ−φｍｉ）・Ｂｍ}／（４・φｃ・Ｂｆ）（但し、Ｂｍは、磁石部材３６の表面磁束密度であり、φｃは、心棒３２の直径であり、Ｂｆは、フランジ３４の飽和磁束密度Ｂｓ）である。
【００７０】
磁性構造体３０は、コイル部材４０に対して相対的にＺ方向のみに沿って移動することが好ましい。従って、磁性構造体３０がスムーズに移動できる限り、ＸＹ平面におけるコイル部材４０と心棒３２との間の隙間は小さいことが好ましい。同様に、磁性構造体３０がスムーズに移動できる限り、ＸＹ平面におけるコイル部材４０と磁石部材３６の夫々との間の隙間は小さいことが好ましい。また、磁性構造体３０の移動に伴うコイル４２の破損を防止するため、ＸＹ平面におけるコイル４２の外周を絶縁体によって保護してもよい。
【００７１】
図３を参照すると、本実施の形態の磁石部材３６の夫々は、切れ目のないリング形状を有する永久磁石（切れ目のないリング磁石）である。磁力線を心棒３２の内部に誘導して発電効率を向上させるという観点から、磁石部材３６の夫々は、このようなリング磁石であることが好ましい。但し、本発明は、これに限られない。例えば、磁石部材３６の夫々は、部分的に切れ目を有するリング磁石であってもよい。また、図９を参照すると、発電セル２０（図３参照）は、磁石部材３６と異なる２つの磁石部材３６Ｂを備えていてもよい。磁石部材３６Ｂの夫々は、永久磁石からなる複数の磁石３６２と、絶縁体等の非磁性材料からなる複数の非磁性部材３６４とから形成されていてもよい。この場合、磁石３６２と非磁性部材３６４とは、リング状に交互に並べればよい。また、磁石３６２は、Ｚ方向において互いに同じ磁化方向を有するように着磁すればよい。
【００７２】
本実施の形態による発電セル２０は、既に説明した変形例に加えて、以下に説明するように、更に様々に変形可能である。
【００７３】
図１０を図２と比較すると、変形例による発電セル２０Ｂは、発電セル２０の磁性構造体３０と異なる磁性構造体３０Ｂと、発電セル２０と同じコイル部材４０とを備えている。磁性構造体３０Ｂは、軟磁性体からなる心棒３２Ｂと、軟磁性体からなる２つのフランジ３４Ｂと、磁性構造体３０と同じ２つの磁石部材３６とを備えている。
【００７４】
フランジ３４Ｂの夫々は、フランジ３４と同様な円板形状を有している。但し、フランジ３４Ｂの直径は、フランジ３４の直径よりも小さい。また、フランジ３４Ｂの夫々は、位置決め溝３４６を有していない。心棒３２Ｂは、心棒３２と同じ主部３２２と、２つの突出部３２８Ｂとを有している。突出部３２８Ｂの夫々は、心棒３２の突出部３２８と同様な円柱形状を有している。但し、突出部３２８ＢのＺ方向におけるサイズは、突出部３２８のＺ方向におけるサイズよりも大きい。突出部３２８Ｂの夫々は、対応するフランジ３４Ｂの受容部３４８を通過してＺ方向外側に突出している。
【００７５】
図１０を参照すると、磁性構造体３０Ｂは、磁性構造体３０Ｂ及びコイル部材４０に加えて、軟磁性体からなり磁石部材３６と夫々対応する２つの位置決め部材２２と、弾性体からなり位置決め部材２２と夫々対応する２つの弾性部材２４とを備えている。位置決め部材２２及び弾性部材２４の夫々は、中心軸ＡＸを中心とする円板形状を有しており、且つ、中心軸ＡＸを中心とする孔部を有している。位置決め部材２２及び弾性部材２４の夫々の直径は、磁石部材３６の中心孔３６８の直径と略同じであり、位置決め部材２２及び弾性部材２４の夫々の孔部の直径は、心棒３２Ｂの主部３２２の直径と略同じである。
【００７６】
本変形例において、位置決め部材２２は、心棒３２Ｂの主部３２２のＺ方向における両端に夫々取り付けられて固定されている。また、磁石部材３６の夫々は、対応する位置決め部材２２によって位置決めしつつ、対応するフランジ３４Ｂの対向面３４２に取り付けられて固定されている。但し、発電セル２０（図２参照）及び発電セル２０Ｂにおける各部材の取り付け方法は、前述した実施の形態や本変形例に限られない。例えば、発電セル２０や発電セル２０Ｂにおいて、各部材は、圧接力のみによって互いに取り付けられて固定されていてもよいし、圧接力に加えて又は圧接力に代えて接着剤によって固定されていてもよい。
【００７７】
本変形例において、位置決め部材２２の夫々は、心棒３２Ｂと同じ材料からなる一方、心棒３２Ｂと別体の部材である。但し、本発明は、これに限られない。例えば、位置決め部材２２の夫々は、絶縁体から形成してもよい。また、位置決め部材２２の一方は、心棒３２Ｂと一体の部材であってもよいし、２つの位置決め部材２２は、心棒３２Ｂと一体の部材であってもよい。但し、コイル部材４０を心棒３２Ｂに容易に取り付けるという観点から、位置決め部材２２の一方は、心棒３２Ｂと別体に形成して、コイル部材４０を心棒３２Ｂに取り付けた後に心棒３２Ｂに固定することが好ましい。
【００７８】
本変形例において、弾性部材２４の夫々は、対応する位置決め部材２２のＺ方向内側の面に取り付けられて固定されている。弾性部材２４が設けられているため、磁性構造体３０Ｂを振動した際に、コイル部材４０が位置決め部材２２やフランジ３４Ｂに衝突することによる発電セル２０Ｂの破損及び意図しない振動が防止される。但し、発電セル２０Ｂの破損及び意図しない振動を防止する方法は、本変形例に限られない。例えば、２つの弾性部材２４に代えて２つのコイルばね（図示せず）を設けてもよい。この場合、コイル部材４０を２つのコイルばねによって上下に引っ張ればよい。
【００７９】
本変形例において、突出部３２８Ｂの夫々のＺ方向における端面は、対応するフランジ３４Ｂの反対面３４４と面一になっていない。この構造によっても、発電セル２０（図２参照）と同様に発電効率を向上できる。突出部３２８Ｂの夫々のＺ方向における端面が対応するフランジ３４Ｂの反対面３４４に比べてＺ方向内側に多少凹んでいる場合にも、発電セル２０と同様に発電効率を向上できる。但し、突出部３２８の夫々の端面のＺ方向における位置は、発電セル２０と同様に、対応するフランジ３４Ｂの反対面３４４と面一になっていることが好ましい。
【００８０】
図１１を参照すると、別の変形例による発電セル２０Ｃは、コイル部材４０（図３参照）と異なるコイル部材４０Ｃを備えていることを除き、発電セル２０（図２参照）又は発電セル２０Ｂ（図１０参照）と同じ構造を有している。
【００８１】
コイル部材４０Ｃは、コイル部材４０（図３参照）のコイル４２（図３参照）と異なるコイル４２Ｃと、コイル部材４０と同じボビン４４とを備えている。コイル４２Ｃは、２つのコイル部４２２，４２４を有している。コイル部４２２，４２４の夫々は、１本の被覆導線を、ボビン４４のＸＹ平面における外周に複数ターンだけ巻回させて形成している。２つのコイル部４２２，４２４は、Ｚ方向に並んでいる。コイル部４２２，４２４の夫々の両端は、２つの端子４６に夫々接続されている。即ち、コイル部材４０Ｃは、４つの端子４６を備えている。本変形例によれば、コイル部４２２，４２４の夫々における２つの端子４６を整流回路（図示せず）に接続し、２つの整流回路の出力を合成することで、コイル部材４０と同様な出力電力を得ることができる。
【００８２】
本変形例によれば、コイル４２Ｃは、２つに分割されている。但し、本発明は、これに限られず、コイル４２Ｃは、３つ以上に分割されていてもよい。また、２つのコイル部４２２，４２４は、互いに同じ向きに巻回されていてもよく、互いに逆向きに巻回されていてもよい。但し、いずれの場合も、２つのコイル部４２２，４２４は、Ｚ方向において近接しており、これにより前述の発電領域全体に亘ってボビン４４を巻回していることが好ましい。
【００８３】
以下、上述した発電セルを使用した発電装置について説明する。
【００８４】
図１２を参照すると、発電装置１０は、発電セル２０Ｃを備えると共に、支持部材１２と、コイル保持部１６と、伝達部材１３２と、コイルばね１３４とを備えている。発電セル２０Ｃの心棒３２及びフランジ３４の夫々は、ＦｅＣｏやガルフェノール（ＦｅＧａ）等の軟磁性磁歪材料からなる。支持部材１２は、支持孔１２４が形成された上板１２２と、バネ支持部１２８が設けられた底板１２６とを備えている。コイル保持部１６は、コイル部材４０Ｃを、支持部材１２に対して相対的に移動しないように保持している。コイルばね１３４は、下端（−Ｚ側の端）においてバネ支持部１２８に支持されており、上端（＋Ｚ側の端）において磁性構造体３０を支持している。伝達部材１３２は、磁性構造体３０の上端に固定されており、支持孔１２４を通過して上方（＋Ｚ方向）に延びている。
【００８５】
上述のように配置された磁性構造体３０は、Ｚ方向に沿ってコイル部材４０Ｃに対して相対的に振動可能である。例えば、伝達部材１３２に対して下方（−Ｚ方向）に向かう衝撃力を加えると、磁性構造体３０は、コイルばね１３４に支持されて上下に振動し、これにより、コイル４２Ｃのコイル部４２２，４２４の夫々に交流波形的な電圧が生じる。加えて、伝達部材１３２に加えられた衝撃力は、心棒３２及びフランジ３４に伝達され、心棒３２及びフランジ３４の夫々は、瞬間的に弾性変形する。この結果、コイル４２Ｃを貫く磁束は、逆磁歪効果によって変化し、コイル部４２２，４２４の夫々は、瞬間的に大きな電圧を生じる。即ち、発電装置１０は、振動による発電機能（振動発電機能）に加えて、衝撃力による付加的発電機能（衝撃発電機能）を有している。
【００８６】
衝撃発電機能によってコイル部４２２，４２４に生じる電圧の位相は、互いに逆である。このため、コイル部材４０（図３参照）に代えてコイル部材４０Ｃを使用する必要がある。また、磁性構造体３０が静止した状態において、コイル部材４０ＣのＺ方向における中間部は、心棒３２のＺ方向における中間部に位置していることが好ましい。加えて、コイル部４２２，４２４は、コイル部材４０ＣのＺ方向における中間部の上下に分割されており、且つ、互いに同じ巻回数だけ巻回されていることが好ましい。
【００８７】
発電装置１０は、上述した構造に限られず、様々に変形可能である。例えば、心棒３２を磁歪特性を有する軟磁性体から形成する一方、フランジ３４の夫々を磁歪特性を有さない軟磁性体から形成してもよい。また、本発明による付加的発電機能は、衝撃発電機能に限られず、様々に変形可能である。
【００８８】
図１３を参照すると、発電装置１０Ｋは、発電セル２０に加えて、支持台１２Ｋと、支持柱（支持部材）１４Ｋと、コイル保持部１６Ｋと、付加的発電機構５０Ｋとを備えている。支持台１２Ｋは、ＸＹ平面と平行な上面（＋Ｚ側の面）を有している。支持部材１４Ｋ及びコイル保持部１６Ｋの夫々は、支持台１２Ｋに固定されており、支持台１２Ｋの上面から上方に延びている。支持部材１４Ｋは、前後方向（Ｘ方向）においてコイル保持部１６Ｋの前方（＋Ｘ側）に位置している。発電セル２０のコイル部材４０は、コイル保持部１６Ｋによって保持されており、支持台１２Ｋ及びコイル保持部１６Ｋに対して相対的に移動しないように固定されている。付加的発電機構５０Ｋは、支持部材１４Ｋによって支持されている。
【００８９】
付加的発電機構５０Ｋは、軟磁性磁歪材料からなる２つの支持梁５２２Ｋ，５２４Ｋと、錘（応力負荷機構）５４Ｋと、永久磁石からなる２つの付加的磁石５６２Ｋ，５６４Ｋと、付加的コイル５８Ｋとを備えている。支持梁５２２Ｋは、支持部材１４Ｋから後方（−Ｘ方向）に延びており、支持梁５２４Ｋは、支持梁５２２Ｋから更に後方に延びている。詳しくは、支持梁５２２Ｋの前端（＋Ｘ側の端）は、支持部材１４Ｋに固定された固定端５２６Ｋであり、支持台１２Ｋ及び支持部材１４Ｋに対して相対的に移動しない。支持梁５２４Ｋの前端は、支持梁５２２Ｋの後端（−Ｘ側の端）に連結されている。支持梁５２４Ｋの後端は、支持台１２Ｋ及び支持部材１４Ｋに対して相対的にＺ方向に移動可能な自由端５２８Ｋである。
【００９０】
上述したように、２つの支持梁５２２Ｋ，５２４Ｋは互いに連結されており、これにより１つの支持梁５２Ｋとして機能する。支持梁５２Ｋは、支持部材１４Ｋに固定された固定端５２６Ｋと、Ｚ方向に沿って固定端５２６Ｋに対して相対的に移動可能な自由端５２８Ｋとを有している。但し、本発明はこれに限られず、付加的発電機構５０Ｋは、Ｘ方向沿って延びる１つの支持梁５２Ｋのみを備えていてもよい。
【００９１】
発電セル２０の磁性構造体３０は、支持梁５２Ｋによって片持ち梁状に支持されている。詳しくは、磁性構造体３０は、支持梁５２Ｋの自由端５２８Ｋに固定されており、自由端５２８Ｋの移動に応じて、Ｚ方向においてコイル部材４０に対して相対的に移動する。磁性構造体３０の相対移動によって、コイル部材４０は発電する。上述したように、発電セル２０において、磁性構造体３０が支持梁５２Ｋに支持されている。但し、本発明は、これに限られず、発電セル２０における磁性構造体３０及びコイル部材４０のうちの一方が支持梁５２Ｋに支持されており、且つ、自由端５２８Ｋの移動に伴って移動可能であればよい。
【００９２】
図１３に示されるように、付加的コイル５８Ｋは、支持梁５２Ｋの固定端５２６Ｋ近傍の部位に巻回されている。即ち、付加的コイル５８Ｋが巻回する中心軸（巻回軸）は、Ｘ方向と平行に延びている。また、付加的コイル５８Ｋは、発電セル２０のコイル４２と直列に接続されている。このように接続されたコイル４２及び付加的コイル５８Ｋは、２つの端子４６を有している。付加的磁石５６２Ｋは、支持部材１４Ｋの上部（＋Ｚ側の部位）に固定されており、付加的磁石５６４Ｋは、Ｘ方向における支持梁５２Ｋの中間部に固定されている。この配置により、付加的磁石５６２Ｋ及び付加的磁石５６４Ｋから生じる磁力線は、付加的コイル５８Ｋの巻回軸に沿って付加的コイル５８Ｋを貫いている。
【００９３】
発電装置１０Ｋの上述の部材は、エネルギー回収を行う振動源（図示せず）の上に設置されている。振動源は、支持梁５２Ｋを所定周波数で振動させる。支持梁５２Ｋは、この所定周波数に共振するように設計されている。支持梁５２Ｋは、振動源によって共振すると弾性変形し、これにより、自由端５２８Ｋは上下に振動する。この結果、発電セル２０が発電すると共に、支持梁５２Ｋが歪む。支持梁５２Ｋは、固定端５２６Ｋ近傍において最も大きく歪む。固定端５２６Ｋ近傍の歪に起因する逆磁歪効果により、付加的コイル５８Ｋを貫く磁束が変化し、付加的コイル５８Ｋに電圧が生じる。即ち、付加的コイル５８Ｋは、自由端５２８ＫのＺ方向における移動に伴って支持梁５２Ｋに生じる歪に応じて発電する。
【００９４】
上述したように、発電装置１０Ｋは、振動発電機能に加えて、歪の周期的な変化による付加的発電機能（磁歪発電機能）を有している。２つの端子４６の間には、振動発電機能による発電セル２０の出力電圧と磁歪発電機能による付加的コイル５８Ｋの出力電圧とを併せた出力電圧が生じる。特に、支持梁５２Ｋの共振周波数を振動源（図示せず）の振動周波数に合わせているため、磁歪発電機能による出力電圧を大きくできる。
【００９５】
発電装置１０Ｋにおいて、錘５４Ｋは、支持梁５２Ｋの自由端５２８Ｋに固定されており、支持梁５２Ｋの自由端５２８Ｋに対してＺ方向に沿った応力を印加している。自由端５２８Ｋには、錘５４Ｋの質量による応力に加えて、支持梁５２Ｋの自重による応力や発電セル２０の磁性構造体３０の質量による応力が印加されている。以下の説明において、錘５４Ｋが自由端５２８Ｋに印加する応力は、これらの応力の全てを含んでいる。錘５４Ｋは、自由端５２８Ｋに対して応力を印加する応力負荷機構の一例である。即ち、付加的発電機構５０Ｋは、応力負荷機構５４Ｋを備えており、応力負荷機構５４Ｋは、支持梁５２Ｋの自由端５２８Ｋに対してＺ方向に沿った応力を印加している。応力負荷機構は、錘５４Ｋに限られず、様々な部材や機器によって構成できる。
【００９６】
図１４を図１３と併せて参照すると、仮に、応力負荷機構５４Ｋが設けられていない場合、自由端５２８Ｋに対して応力が全く加わらず、支持梁５２Ｋは、全く歪んでいない。この場合、自由端５２８Ｋの移動量は０であり、自由端５２８Ｋは平衡位置にある。このとき、支持梁５２Ｋの固定端５２６Ｋの断面平均透磁率（支持梁５２ＫのＹＺ平面と平行な断面全体の平均透磁率）は、自由端５２８ＫのＺ方向における移動量に応じて変化する。詳しくは、固定端５２６Ｋの断面平均透磁率は、自由端５２８Ｋの下方への移動量に対して略比例して変化し（図１４において移動量がマイナスである範囲参照）、且つ、自由端５２８Ｋの上方への移動量に対して同様に比例して変化する（図１４において移動量がプラスである範囲参照）。即ち、固定端５２６Ｋの断面平均透磁率は、自由端５２８Ｋの移動量の絶対値に比例して変化する。
【００９７】
一方、図１５を図１３と併せて参照すると、自由端５２８Ｋが応力負荷機構５４Ｋの応力のみによって移動した状態において、自由端５２８Ｋの移動量は０であり、自由端５２８Ｋは平衡位置にある。このように自由端５２８Ｋに応力負荷機構５４Ｋの応力が加わっている場合、固定端５２６Ｋの断面平均透磁率は、自由端５２８Ｋが平衡位置にあるときではなく、自由端５２８Ｋが平衡位置よりも上方に移動して所定の限界点（図１５において移動量１ｍｍの点）に位置しているときに最小になる。自由端５２８Ｋが限界点を越えない範囲において平衡位置を中心として上下に移動するようにして、支持梁５２Ｋを単振動させると、固定端５２６Ｋの断面平均透磁率は、単調変化し、振動の上死点において最小になる。
【００９８】
図１６を図１３と併せて参照すると、支持梁５２Ｋを上述のように単振動させたとき、発電セル２０のコイル４２を貫く磁束は、磁性構造体３０の移動速度に対して略比例して変化する。従って、振動発電機能によるコイル４２の出力電圧は、交流波形的に変化し、移動速度が最大になる平衡位置において最大になる。また、磁歪発電機能による付加的コイル５８Ｋの出力電圧も、移動速度が最大になる平衡位置において最大になる。従って、振動発電と磁歪発電との合成出力電圧は、平衡位置において最大になる。
【００９９】
発電装置１０Ｋによれば、支持梁５２Ｋに対して予め応力を印加することにより、振動発電機能による出力電圧の位相と磁歪発電機能による出力電圧の位相とを互いに一致させることができる。このため、発電装置１０Ｋの複合発電によれば、２つの発電機構を電気的に直列接続することにより大きな出力電圧が得られ、簡易な回路構造且つ大きな出力電圧を有する発電装置１０Ｋを低コストで作製できる。但し、本発明は、これに限られない。例えば、コイル４２及び付加的コイル５８Ｋを、夫々整流回路（図示せず）に接続し、２つの整流回路の出力を合成してもよい。この場合、応力負荷機構５４Ｋを設けなくてもよい。
【実施例】
【０１００】
以下、本発明による発電セルの構造及び機能について、本発明の実施例及び比較例を使用して、より具体的に説明する。
【０１０１】
（実施例１及び比較例１）
図１７から図２０を参照すると、シミュレータを使用して、本発明の実施例１の磁性構造体３０Ｕと、比較例１の磁性構造体３０Ｖとを作製し、磁性構造体３０Ｕによる磁場を、磁性構造体３０Ｖによる磁場と比較した。
【０１０２】
図１７に示されるように、磁性構造体３０Ｕは、磁性構造体３０（図４参照）と同じ構造を有していた。詳しくは、磁性構造体３０Ｕは、軟磁性体からなる心棒３２Ｕと、軟磁性体からなる２つのフランジ３４Ｕと、永久磁石からなる２つの磁石部材３６Ｕとを備えていた。心棒３２Ｕ及びフランジ３４Ｕの夫々は、磁歪特性を有さないＦｅＣｏやＳ４５Ｃ相当の機械構造用炭素鋼等の材料と同等の磁気特性を有していた。心棒３２Ｕは、直径８ｍｍ及び長さ１１．８ｍｍの円柱形状を有していた。フランジ３４Ｕの夫々は、直径３０ｍｍ及び厚さ２ｍｍの円板形状を有していた。磁石部材３６Ｕの夫々は、外径３０ｍｍ、内径１４ｍｍ及び高さ４ｍｍの閉じたリング形状を有していた。２つの磁石部材３６Ｕの間の距離は、３．８ｍｍだった。
【０１０３】
図１８を図１７と比較すると、磁性構造体３０Ｖは、実施例１の磁性構造体３０Ｕと同じ２つのフランジ３４Ｕを備える一方、実施例１の磁性構造体３０Ｕと異なる心棒３２Ｖ及び２つの磁石部材３６Ｖを備えていた。心棒３２Ｖは、心棒３２Ｕと同じ軟磁性体からなり、直径８ｍｍ及び長さ３．８ｍｍの円柱形状を有していた。磁石部材３６Ｖの夫々は、磁石部材３６Ｕと同じ永久磁石からなり、直径３０ｍｍ及び高さ４ｍｍの孔のない円板形状を有していた。心棒３２ＶのＺ方向における両端は、２つの磁石部材３６Ｖに夫々繋がっていた。以上のように構成された磁性構造体３０Ｖは、横方向（Ｙ方向）に沿って見たとき、磁性構造体３０Ｕと同じ形状及びサイズを有していた。
【０１０４】
シミュレータにより、磁性構造体３０Ｕ及び磁性構造体３０Ｖの夫々によって生じる磁場の分布を得た。磁性構造体３０Ｕにおける磁場の分布を図１９に示し、磁性構造体３０Ｖにおける磁場の分布を図２０に示す。
【０１０５】
図１９及び図２０を比較すると、円板形状の磁石部材３６Ｖを備えた磁性構造体３０Ｖにおいて、磁力線は、磁石部材３６ＶのＸＹ平面における外周部分に集中し、心棒３２Ｖを殆ど通過しない。一方、リング形状の磁石部材３６Ｕを備えた磁性構造体３０Ｕにおいて、磁力線は、心棒３２に効果的に集中する。図１９及び図２０から理解されるように、リング形状の磁石部材３６Ｕは、心棒３２Ｕに磁力線を集中させて急峻な傾斜磁場を形成するために効果的である。
【０１０６】
（実施例２〜４及び比較例２〜４）
表１を参照すると、シミュレータを使用して、本発明の実施例２〜４の磁性構造体と、比較例２〜４の磁性構造体とを作製し、磁場傾斜Ｄを比較した。実施例２〜４の磁性構造体の夫々は、磁性構造体３０Ｕ（図１７参照）と同様な構造を有していた。実施例２〜４の磁性構造体の夫々における各部材は、磁性構造体３０Ｕと同じ材料からなり、表１に示すサイズを有していた。比較例２〜４の磁性構造体の夫々は、磁性構造体３０Ｖ（図１８参照）と同様な構造を有していた。比較例２〜４の磁性構造体の夫々における各部材は、磁性構造体３０Ｖと同じ材料からなり、表１に示すサイズを有していた。
【０１０７】
【表１】
2019140709.tif 000003
【０１０８】
シミュレータにより、実施例２〜４及び比較例２〜４の夫々におけるコイル部材の有効可動範囲（発電領域のＺ方向におけるサイズ）での中心軸ＡＸ（図１９及び図２０参照）に沿った磁場傾斜Ｄを得た。実施例２〜４のコイル部材の有効可動範囲は、一方の磁石部材のＺ方向における中心と他方の磁石部材のＺ方向における中心との間のＺ方向における距離である。一方、比較例２〜４のコイル部材の有効可動範囲は、Ｚ方向における心棒の両端部の間の距離である。得られた値を表１に示す。表１から理解されるように、磁石部材のサイズや２つの磁石部材の間の距離に係らず、円板形状の磁石部材に代えてリング形状の磁石部材を備えることにより、コイル部材の有効可動範囲を大きくでき、且つ、磁場傾斜Ｄを顕著に大きくできる。
【０１０９】
（実施例５）
図２１に示されるように、シミュレータを使用して、本発明の実施例５の磁性構造体３０Ｗを作製した。磁性構造体３０Ｗは、磁性構造体３０Ｕ（図１７参照）と同じ材料から同様な構造を有するように形成した。詳しくは、磁性構造体３０Ｗは、軟磁性体からなる心棒３２Ｗと、軟磁性体からなる２つのフランジ３４Ｗと、永久磁石からなる２つの磁石部材３６Ｗとを備えていた。心棒３２Ｗは、直径８ｍｍの円柱形状を有していた。フランジ３４Ｗの夫々は、厚さ２ｍｍの円板形状を有していた。磁石部材３６Ｗの夫々は、内径１４ｍｍ及び高さ４ｍｍの閉じたリング形状を有していた。
【０１１０】
シミュレータにより、心棒３２Ｗの長さ（即ち、２つの磁石部材３６Ｗの間の距離ｄ０）、磁石部材３６Ｗの夫々の外径φｍｏ、及び、フランジ３４Ｗの直径φｘ（ｍｍ）を様々に変更して、心棒３２Ｗの磁場傾斜Ｄを得た。図２２から図２４までに、直径φｘと得られた磁場傾斜Ｄとの間の関係を示す。図２２は、距離ｄ０＝１０ｍｍ且つ外径φｍｏ＝１９．５ｍｍの場合の磁場傾斜Ｄを示している。図２３は、距離ｄ０＝３．８ｍｍ且つ外径φｍｏ＝１９．５ｍｍの場合の磁場傾斜Ｄを示している。図２４は、距離ｄ０＝３．８ｍｍ且つ外径φｍｏ＝３０ｍｍの場合の磁場傾斜Ｄを示している。
【０１１１】
図２２から図２４を参照すると、フランジ３４Ｗ（図２１参照）の直径φｘ＜磁石部材３６Ｗ（図２１参照）の内径φｍｉの場合、フランジ３４Ｗと磁石部材３６Ｗとの間に隙間が生じ、この隙間から磁束が漏れるため、磁場傾斜Ｄが小さい。一方、直径φｘ＞内径φｍｉの条件が満たされているとき、磁場傾斜Ｄが大きく、発電効率が高い。直径φｘ＞外径φｍｏの場合にも、フランジ３４Ｗの外周部から外部に磁束が漏れるものの、直径φｘの増大により磁路長が長くなるため、漏れ磁束は大きく増加しない。即ち、外径φｍｏに比べて直径φｘを大きくしても、磁場傾斜Ｄは、それほど小さくならない。但し、直径φｘを大きくすると発電セルのサイズが不必要に大きくなり好ましくない。従って、直径φｘは、例えば、内径φｍｉ＋１ｍｍ＜直径φｘ＜外径φｍｏ＋４ｍｍの条件を満たしていることが好ましい。
【０１１２】
（実施例６）
図２５から図３０を参照すると、実施例６の発電セル２０Ｘを実際に作製し、発電セル２０Ｘの発電効率を検証した。図２５及び図２６を参照すると、発電セル２０Ｘは、磁性構造体３０（図４参照）と同じ構造の磁性構造体３０Ｘと、コイル部材４０（図３参照）と同じ構造のコイル部材４０Ｘとを備えていた。
【０１１３】
磁性構造体３０Ｘは、磁歪特性を有するＦｅＣｏからなる心棒３２Ｘと、心棒３２Ｘと同じ材料からなる２つのフランジ３４Ｘと、ネオジム磁石からなる２つの磁石部材３６Ｘとを備えていた。心棒３２Ｘは、フランジ３４Ｘに夫々圧入した２つの突出部３２８Ｘを除き、直径８ｍｍ及び長さ１６ｍｍの円柱形状を有していた。磁石部材３６Ｘの夫々は、外径１９．５ｍｍ、内径１４ｍｍ及び高さ４ｍｍの閉じたリング形状を有していた。フランジ３４Ｘの夫々は、直径２０ｍｍ及び厚さ２ｍｍの円板形状を有していた。図２６を参照すると、コイル部材４０Ｘは、コイル４２Ｘを備えていた。コイル４２Ｘは、線径０．２ｍｍのホルマル線を２７５ターン巻回して形成した。コイル４２Ｘの抵抗値は、５．８Ωだった。
【０１１４】
図２７を図２５と併せて参照すると、心棒３２Ｘ及びフランジ３４Ｘの材料であるＦｅＣｏのＢＨ曲線をＢＨトレーサーで測定した。図２８を図２６と併せて参照すると、実測したＢＨ曲線に基づいて透磁率および飽和磁束密度Ｂｓを求め、求めた透磁率および飽和磁束密度Ｂｓと同等なシミュレーションパラメータを使用して磁場分布の解析を行った。詳しくは、実測に基づき比透磁率１，４２０、飽和磁束密度２．１６Ｔという値を求め、ＡＮＳＹＳ社のMaxwell 3Dシミュレータにおいて、これと同等なシミュレーションパラメータを設定して磁場解析を行った。磁場解析の結果、中心軸ＡＸ上の中心点ＣＰを基準とする心棒３２Ｘの各位置における磁束密度Ｂを得た。図２８の実線は、得られた磁束密度Ｂを示している。図２８に示されるように、心棒３２Ｘにおける磁束密度Ｂは、−６ｍｍ〜６ｍｍの位置範囲において線形に変化していた。この位置範囲における磁束密度Ｂの変化の傾斜（磁場傾斜Ｄ）は、１点鎖線で示すように、１５５Ｔ／ｍだった。
【０１１５】
図２６を参照すると、コイル４２Ｘの端子４６を、抵抗ＲＬの両端に夫々接続した。保持具（図示せず）を使用してコイル部材４０Ｘを保持した状態で、磁性構造体３０Ｘをコイル部材４０Ｘに対して相対的に振動させた。詳しくは、磁性構造体３０Ｘを、５０Ｈｚの振動周波数及び１００ｍ／ｓ２（約１０Ｇ）の加速度により、中心軸ＡＸに沿って単振動させた。この単振動によって抵抗ＲＬの両端に生じる出力電圧の最大値（最大電圧）を得た。このとき、前述した最大電圧式によって最大電圧の理論値を算定すると共に、最大電圧を測定した。最大電圧の理論値は、６８２ｍＶであり、最大電圧の測定値は、６７１ｍＶだった。
【０１１６】
発電セル２０Ｘ（図２５及び図２６参照）の磁性構造体３０Ｘ（図２５参照）を様々な振動周波数で振動させた。このとき、様々な振動周波数における加速度は、互いに異なっていた。例えば、５０Ｈｚの振動周波数における加速度は２４．６ｍ／ｓ２だった。各振動周波数において、最大電圧の理論値を算定すると共に、最大電圧を測定した。図２９に磁場傾斜Ｄ＝１５５Ｔ／ｍの場合の理論値及び測定値を示す。また、図３０に磁場傾斜Ｄ＝１６６Ｔ／ｍの場合の理論値及び測定値を示す。図２９及び図３０を参照すると、いずれの振動周波数においても、測定値は理論値と殆ど一致しており、前述した発電セルの設計アルゴリズムが有効であることが理解できる。
【０１１７】
（実施例６及び比較例５、６）
図２６及び図３１から図３９までを参照すると、比較例５の発電セル２０Ｙ及び比較例６の発電セル２０Ｚを実際に作製し、発電セル２０Ｘの発電効率を、発電セル２０Ｙの発電効率及び発電セル２０Ｚの発電効率と対比した。
【０１１８】
図３１を図２６と比較すると、発電セル２０Ｙは、発電セル２０Ｘの磁性構造体３０Ｘと異なる磁性構造体３０Ｙと、発電セル２０Ｘのコイル部材４０Ｘと同様なコイル部材４０Ｙとを備えていた。磁性構造体３０Ｙは、直径１５ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱形状の磁石部材３６Ｙのみからなる単一部材だった。磁石部材３６は、ネオジム磁石からなり、上端にＳ極を有し、下端にＮ極を有していた。コイル部材４０Ｙのコイル４２Ｙは、コイル４２Ｘと同じ内径及び高さを有していた。但し、コイル４２Ｙは、線径０．２ｍｍのホルマル線をコイル４２Ｘの約１．７倍の４６２ターン巻回して形成した。
【０１１９】
図３２を図３１と比較すると、発電セル２０Ｚは、発電セル２０Ｙの磁性構造体３０Ｙと異なる磁性構造体３０Ｚと、発電セル２０Ｙと同じコイル部材４０Ｙとを備えていた。磁性構造体３０Ｚは、磁石部材３６Ｙと、心棒３２Ｚとを備えていた。心棒３２Ｚは、飽和磁束密度２．１６ＴのＦｅＣｏからなり、直径８ｍｍ及び長さ１６ｍｍの円柱形状を有していた。心棒３２Ｚは、磁石部材３６Ｙの下面（−Ｚ側の面）から下方に延びており、心棒３２Ｚの下端は、コイル４２Ｙに囲まれていた。この構造により、磁石部材３６Ｙから生じる磁力線は、心棒３２Ｚによってコイル４２Ｙ内部に誘導された。
【０１２０】
磁性構造体３０Ｘ（図２６参照）に対して図３３に示す振動を加えて、出力電圧を測定した。このとき、５０Ｈｚの振動周波数及び１００ｍ／ｓ２（約１０Ｇ）の最大加速度によって磁性構造体３０Ｘを単振動した。抵抗ＲＬの抵抗値を１０ｋΩとしたときの出力電圧を図３４に示し、抵抗ＲＬの抵抗値を１０Ωとしたときの出力電圧を図３５に示す。図３４を参照すると、磁性構造体３０Ｘの片振幅は、約１ｍｍであり、最大電圧は、６７１ｍＶだった。図３５を参照すると、最大電圧は、４２２ｍＶであり、出力電力は、１２．５ｍＷだった。
【０１２１】
コイル部材４０Ｙ（図３１参照）に対して図３６に示す振動（図３１の矢印参照）を加えて、出力電圧を測定した。このとき、コイル部材４０Ｙを磁性構造体３０Ｙ（図３１参照）の下に配置し、５０Ｈｚの振動周波数及び１００ｍ／ｓ２（約１０Ｇ）の最大加速度によってコイル部材４０Ｙを単振動した。抵抗ＲＬの抵抗値を１０ｋΩとしたときの出力電圧を図３７に示す。図３７を参照すると、最大電圧は、１７０ｍＶだった。
【０１２２】
コイル部材４０Ｚ（図３２参照）に対して図３８に示す振動（図３２の矢印参照）を加えて、出力電圧を測定した。このとき、心棒３２Ｚ（図３２参照）の下端をコイル部材４０Ｚによって囲んだ状態で、５０Ｈｚの振動周波数及び１００ｍ／ｓ２（約１０Ｇ）の最大加速度によってコイル部材４０Ｚを単振動した。抵抗ＲＬの抵抗値を１０ｋΩとしたときの出力電圧を図３９に示す。図３９を参照すると、最大電圧は、４２０ｍＶだった。
【０１２３】
図３４を参照すると、コイル４２Ｘ（図２６参照）の巻回数は２７５ターンであり、コイル４２Ｙ（図３１及び図３２参照）に比べて少ないにも関わらず、０．６Ｖ程度の出力電圧が得られている。図３５を参照すると、コイル４２Ｘの抵抗値が小さいため、抵抗ＲＬの抵抗値（出力抵抗）を１０Ωに下げた場合でも、出力電圧は０．４Ｖ程度であり、出力抵抗が１０ｋΩの場合に比べた電圧減少は、３割程度に留まっている。
【０１２４】
一方、図３７を参照すると、比較例５のコイル４２Ｙ（図３１参照）の巻回数は、コイル４２Ｘ（図２６参照）の巻回数の１．７倍であるにも係らず、出力電圧は、コイル４２Ｘの約１／４であり、出力電力は、コイル４２Ｘの約１／８である。同様に、図３９を参照すると、比較例６のコイル４２Ｙの巻回数は、コイル４２Ｘの巻回数の１．７倍であるにも係らず、出力電圧は、コイル４２Ｘの約６３％であり、出力電力は、コイル４２Ｘの約３７％である。これらの比較から、本発明による発電セルは、高い発電性能を有していることが分かる。
【符号の説明】
【０１２５】
１０，１０Ｋ                              発電装置
１２                                      支持部材
１２Ｋ                                    支持台
１２２                                    上板
１２４                                    支持孔
１２６                                    底板
１２８                                    バネ支持部
１３２                                    伝達部材
１３４                                    コイルばね
１４Ｋ                                    支持柱（支持部材）
１６，１６Ｋ                              コイル保持部
２０，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｘ              発電セル
２０Ｙ，２０Ｚ                            （比較例の）発電セル
２２                                      位置決め部材
２４                                      弾性部材
３０，３０Ｂ，３０Ｕ，３０Ｗ，３０Ｘ      磁性構造体
３０Ｖ，３０Ｙ，３０Ｚ                    （比較例の）磁性構造体
３２，３２Ｂ，３２Ｕ，３２Ｗ，３２Ｘ      心棒
３２Ｖ，３２Ｚ                            （比較例の）心棒
３２２                                    主部
３２８，３２８Ｂ                          突出部
３４，３４Ｂ，３４Ｕ，３４Ｗ，３４Ｘ      フランジ
３４２                                    対向面
３４４                                    反対面
３４６                                    位置決め溝
３４８                                    受容部
３６，３６Ａ，３６Ｕ，３６Ｗ，３６Ｘ      磁石部材
３６Ｖ，３６Ｙ                            （比較例の）磁石部材
３６Ｎ                                    Ｎ極
３６Ｓ                                    Ｓ極
３６２                                    磁石
３６４                                    非磁性部材
３６８                                    中心孔
４０，４０Ｃ，４０Ｘ，４０Ｙ              コイル部材
４２，４２Ｃ，４２Ｘ，４２Ｙ              コイル
４２２，４２４                            コイル部
４４                                      ボビン
４６                                      端子
４８                                      通過孔
５０Ｋ                                    付加的発電機構
５２Ｋ，５２２Ｋ，５２４Ｋ                支持梁
５２６Ｋ                                  固定端
５２８Ｋ                                  自由端
５４Ｋ                                    錘（応力負荷機構）
５６２Ｋ，５６４Ｋ                        付加的磁石
５８Ｋ                                    付加的コイル
ＡＸ                                      中心軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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