(57)【要約】【課題】振動エネルギーの電気エネルギーへの変換効率の向上が図られ得る、新規な構造とされた磁歪素子利用の振動発電装置を提供する。【解決手段】振動発電装置１０において、磁歪材料からなり第一のコイルが２０巻かれた第一の発電素子１６と、磁歪材料でない磁性材料からなり第二のコイル２８が巻かれた第二の発電素子１８とに対して、磁石２４およびヨーク部材２２から及ぼされるバイアス磁界が並列的に及ぼされるようにして、振動部材１１から及ぼされる振動により第一の発電素子１６に惹起されるバイアス磁界による磁束の変化を第一のコイル２０で電気エネルギーとして取り出されるようにすると共に、第一の発電素子１６の圧縮及び引張変形に伴う磁束の変化により及ぼされる第二の発電素子１８の磁束の変化を第二のコイル２８で電気エネルギーとして取り出されるようにした。【選択図】図１
2015070741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動部材に装着されて磁歪材料の逆磁歪効果を利用して振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電装置において、
磁歪材料からなり第一のコイルが巻かれた第一の発電素子と、磁歪材料でない磁性材料からなり第二のコイルが巻かれた第二の発電素子とに対して、磁石およびヨーク部材から及ぼされるバイアス磁界が並列的に及ぼされるようにして、
前記振動部材から及ぼされる振動により該第一の発電素子に惹起される前記バイアス磁界による磁束の変化を前記第一のコイルで電気エネルギーとして取り出されるようにすると共に、該第一の発電素子の圧縮及び引張変形に伴う磁束の変化により及ぼされる前記第二の発電素子の磁束の変化を前記第二のコイルで電気エネルギーとして取り出されるようにしたことを特徴とする磁歪素子利用の振動発電装置。
【請求項２】
前記第一の発電素子と前記第二の発電素子とが、前記振動部材から及ぼされる振動により該第一の発電素子および該第二の発電素子に対して一方への圧縮変形と他方への引張変形とが交互に繰り返し生ぜしめられるように配置されている請求項１に記載の磁歪素子利用の振動発電装置。
【請求項３】
前記第一の発電素子と前記第二の発電素子が互いに並列的に配置されていると共に長さ方向の両端部分が相互に固定されることによって複合構造の振動変形部材が構成されており、
前記振動部材による振動が該振動変形部材に対して曲げ方向に及ぼされた際に、該第一の発電素子および該第二の発電素子の一方に圧縮変形が生ぜしめられると共に他方に引張変形が生ぜしめられる請求項２に記載の磁歪素子利用の振動発電装置。
【請求項４】
前記第一の発電素子と前記第二の発電素子との少なくとも一方の側における磁路上に磁気抵抗調節機構が設けられている請求項１〜３の何れか一項に記載の磁歪素子利用の振動発電装置。
【請求項５】
前記磁気抵抗調節機構として、
前記第一の発電素子側と前記第二の発電素子側との互いに並列的な磁路の少なくとも一方の磁路上に設けられた磁気ギャップと、
前記第一の発電素子側と前記第二の発電素子側との互いに並列的な磁路の少なくとも一方の磁路上に配置された非磁性材と、
前記第一の発電素子および前記第二の発電素子における相対的な形状差と
の、少なくとも一つが採用されている請求項４に記載の磁歪素子利用の振動発電装置。
【請求項６】
前記第一の発電素子側と前記第二の発電素子側との互いに並列的な磁路において、
該第一の発電素子側の磁路における磁気抵抗Ｒ１の最小値Ｒ１min と最大値Ｒ１max に対して、該第二の発電素子側の磁路が下式で表される磁気抵抗Ｒ２を有している請求項１〜５の何れか一項に記載の磁歪素子利用の振動発電装置。
Ｒ１min ＊１．２≦Ｒ２≦Ｒ１max ＊０．８
【請求項７】
前記第一の発電素子の飽和磁化Ｍｓ１に対して、前記第二の発電素子の飽和磁化Ｍｓ２が下式を満たしている請求項１〜６の何れか一項に記載の磁歪素子利用の振動発電装置。
Ｍｓ１＊０．４≦Ｍｓ２
【請求項８】
前記バイアス磁界におけるバイアス磁束Φが、
前記第一の発電素子側の磁路における磁気抵抗Ｒ１の最小値Ｒ１min および最大値Ｒ１maxに対して下式を満たしている請求項１〜７の何れか一項に記載の磁歪素子利用の振動発電装置。
Φ’＊０．４≦Φ≦Φ’＊１．５
Φ’＝（（√（Ｒ１max ＊Ｒ１min ）＋Ｒ１min ）／√（Ｒ１max ＊Ｒ１min ））
＊Ｍｓ１
上式中、Ｍｓ１は第一の発電素子の飽和磁化である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する振動発電装置であって、特に磁歪素子の変形による逆磁歪作用を利用する磁歪式の振動発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置として、磁歪素子の逆磁歪作用を利用した発電装置が提案されている。例えば特許第４９０５８２０号公報（特許文献１）に記載のものがそれであり、磁歪素子としての磁歪棒にコイルが巻回された構造とされている。
【０００３】
そして、このような磁歪素子を利用した発電装置では、振動体に取り付けられて、振動体から及ぼされる振動により磁歪棒が繰り返して圧縮変形せしめられる。この磁歪棒の圧縮変形の繰り返しに伴って逆磁歪作用で惹起される磁界変化をコイルに及ぼすことにより、電磁誘導作用による起電力をコイルから取り出すようになっている。
【０００４】
ところで、このような磁歪素子を利用した発電装置では、振動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率の向上が課題の一つとされている。
【０００５】
しかしながら、磁歪素子を利用した発電装置において、振動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を向上させる有効な技術は、未だ実現されるに至っていないのが実情であった。
【０００６】
なお、上記特許文献１では、例えば複数本の磁歪素子を用いることで、曲げ方向の振動荷重を磁歪素子に対して圧縮方向の振動荷重として及ぼすことにより、部材の曲げ共振を利用する等して振動エネルギーの電気エネルギーへの変更効率の向上を図る技術も提案されている。しかし、磁歪素子毎の発電効率としては、未だ十分な効率が得られ難く、製造や入手が困難で高コストの原因となる磁歪素子が多く必要になることから実用化が難しいという問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４９０５８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の事情を背景に為されたものであって、その解決課題は、振動エネルギーの電気エネルギーへの変換効率の向上が図られ得る、新規な構造とされた磁歪素子利用の振動発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第一の態様は、振動部材に装着されて磁歪材料の逆磁歪効果を利用して振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電装置において、磁歪材料からなり第一のコイルが巻かれた第一の発電素子と、磁歪材料でない磁性材料からなり第二のコイルが巻かれた第二の発電素子とに対して、磁石およびヨーク部材から及ぼされるバイアス磁界が並列的に及ぼされるようにして、前記振動部材から及ぼされる振動により該第一の発電素子に惹起される前記バイアス磁界による磁束の変化を前記第一のコイルで電気エネルギーとして取り出されるようにすると共に、該第一の発電素子の圧縮及び引張変形に伴う磁束の変化により及ぼされる前記第二の発電素子の磁束の変化を前記第二のコイルで電気エネルギーとして取り出されるようにした磁歪素子利用の振動発電装置を、特徴とする。
【００１０】
本態様の振動発電装置では、磁歪素子である第一の発電素子に惹起される磁気抵抗の変化に着目し、第一の発電素子と並列的にバイアス磁界が及ぼされる第二の発電素子を、磁歪材料を用いないで構成した。このような並列的な磁気回路では、磁歪素子の逆磁歪作用に基づいて第一の発電素子の磁気抵抗ひいては透磁率が変化せしめられるのに伴って、磁歪素子でなく単なる磁性材料で構成された第二の発電素子においても磁束が変化せしめられることとなる。それ故、振動変形せしめられる第一の発電素子における磁束の主動的な変化を第一のコイルで電気エネルギーとして取り出すと共に、第一の発電素子の磁束の変化に伴って受動的に惹起される第二の発電素子における磁束の変化を第二のコイルで電気エネルギーとして取り出すことができる。その結果、磁歪材料という特別な材質を用いる必要なく単なる磁性材料で構成された第二の発電素子を用いて、磁歪素子利用の振動発電装置における振動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率の向上が図られ得るのである。
【００１１】
なお、本発明の振動発電装置では、主動的な磁束が生ぜしめられる第一の発電素子には振動外力によって応力が惹起される必要があるが、第一の発電素子の磁気抵抗変化に伴って受動的な磁束変化が生ぜしめられる第二の発電素子は振動外力によって応力が生ぜしめられる必要はない。それ故、第二の発電素子を、振動外力が及ぼされる構造とする他、振動外力が及ぼされない構造とすることも可能である。
【００１２】
本発明の第二の態様は、前記第一の態様に係る振動発電装置であって、前記第一の発電素子と前記第二の発電素子とが、前記振動部材から及ぼされる振動により該第一の発電素子および該第二の発電素子に対して一方への圧縮変形と他方への引張変形とが交互に繰り返し生ぜしめられるように配置されているものである。
【００１３】
本態様の振動発電装置では、第一の発電素子に対して第二の発電素子を強度部材として利用することも可能であり、これにより、例えば、第二の発電素子の強度を利用して、第一の発電素子に対して曲げ方向に及ぼされる外力のモーメント中心を第一の発電素子の外部に設定することで、第一の発電素子に対して圧縮／引張方向の応力を生ぜしめて発電効率の向上を図ることが可能となる。
【００１４】
本発明の第三の態様は、前記第二の態様に係る振動発電装置であって、前記第一の発電素子と前記第二の発電素子が互いに並列的に配置されていると共に長さ方向の両端部分が相互に固定されることによって複合構造の振動変形部材が構成されており、前記振動部材による振動が該振動変形部材に対して曲げ方向に及ぼされた際に、該第一の発電素子および該第二の発電素子の一方に圧縮変形が生ぜしめられると共に他方に引張変形が生ぜしめられるようになっているものである。
【００１５】
本態様の振動発電装置では、第一の発電素子と第二の発電素子が機械構造的に並列的に配された梁を構成する複合構造の振動変形部材とされている。それ故、かかる振動変形部材に対して外力が曲げ方向に及ぼされた際の中立軸を、例えば第一の発電素子と第二の発電素子の中間部分に設定することで、磁歪材料からなる第一の発電素子に対して圧縮変形と引張変形を交互に一層効率的に生ぜしめることが可能になる。
【００１６】
本発明の第四の態様は、前記第一〜第三の何れかの態様に係る振動発電装置であって、前記第一の発電素子と前記第二の発電素子との少なくとも一方の側における磁路上に磁気抵抗調節機構が設けられているものである。
【００１７】
本態様の振動発電装置では、磁気抵抗調節機構を採用したことで、並列的な磁路を形成する第一の発電素子側の磁路と第二の発電素子側の磁路とにおける磁気抵抗を相対的に調節することが可能になる。そして、第一の発電素子側の磁路と第二の発電素子側の磁路とにおける磁気抵抗を相対的に調節することで、第二の発電素子に惹起される磁束の変化量ひいては第二のコイルで得られる電気エネルギーをより効率的に増大させることが可能になる。
【００１８】
本発明の第五の態様は、前記第四の態様に係る振動発電装置であって、前記磁気抵抗調節機構として、前記第一の発電素子側と前記第二の発電素子側との互いに並列的な磁路の少なくとも一方の磁路上に設けられた磁気ギャップと、前記第一の発電素子側と前記第二の発電素子側との互いに並列的な磁路の少なくとも一方の磁路上に配置された非磁性材と、前記第一の発電素子および前記第二の発電素子における相対的な形状差との、少なくとも一つが採用されているものである。
【００１９】
本態様の振動発電装置では、磁気抵抗調節機構を簡単な部材や構造をもって実現することが可能になる。
【００２０】
本発明の第六の態様は、前記第一〜第五の何れかの態様に係る振動発電装置であって、前記第一の発電素子側と前記第二の発電素子側との互いに並列的な磁路において、該第一の発電素子側の磁路における磁気抵抗Ｒ１の最小値Ｒ１min と最大値Ｒ１max に対して、該第二の発電素子側の磁路が下式で表される磁気抵抗Ｒ２を有しているものである。
Ｒ１min ＊１．２≦Ｒ２≦Ｒ１max ＊０．８
【００２１】
本態様の振動発電装置では、第一の発電素子側と第二の発電素子側との磁路における各磁気抵抗を上式を満足するように調節することで、第一の発電素子側に惹起される逆磁歪作用に基づく磁束の変化に伴って第二の発電素子側に惹起される磁束の変化量を一層大きく確保することが可能になる。その結果、第一及び第二のコイルによって電気エネルギーを一層効率的に得ることが可能になるのである。
【００２２】
本発明の第七の態様は、前記第一〜第六の何れかの態様に係る振動発電装置であって、前記第一の発電素子の飽和磁化Ｍｓ１に対して、前記第二の発電素子の飽和磁化Ｍｓ２が下式を満たしているものである。
Ｍｓ１＊０．４≦Ｍｓ２
【００２３】
本態様の振動発電装置では、第一の発電素子と第二の発電素子とを相互に断面積を大きく異ならせることなく、第一の発電素子側に惹起される逆磁歪作用に基づく磁束の変化に伴って第二の発電素子側に惹起される磁束の変化量をより大きく確保することが可能になる。なお、本態様では、前記第六の態様に記載の条件式も合わせて満たすことが好適である。
【００２４】
本発明の第八の態様は、前記第一〜第七の何れかの態様に係る振動発電装置であって、前記バイアス磁界におけるバイアス磁束Φが、前記第一の発電素子側の磁路における磁気抵抗Ｒ１の最小値Ｒ１min および最大値Ｒ１max に対して下式を満たしているものである。
Φ’＊０．４≦Φ≦Φ’＊１．５
Φ’＝（（√（Ｒ１max ＊Ｒ１min ）＋Ｒ１min ）／√（Ｒ１max ＊Ｒ１min ））
＊Ｍｓ１
なお、上式中、Ｍｓ１は第一の発電素子の飽和磁化である。
【００２５】
本態様の振動発電装置では、バイアス磁界を不必要に大きくすることなく、第一の発電素子の逆磁歪作用による磁束の変化量を効率的に得ることが可能になる。また、本態様では、第二の発電素子の飽和磁化を、第一の発電素子の飽和磁化以上の値に設定することが好ましく、それによって、第二の発電素子においても、断面積を第一の発電素子に比して著しく大きくする必要もなく、大きな磁束の変化量を効率的に確保することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に従う構造とされた磁歪素子利用の振動発電装置では、磁歪材料からなる第一の発電素子に対する磁路を非磁歪材料からなる第二の発電素子によって並列的に構成し、第一の発電素子に対して主動的に惹起される磁束変化に加えて、第二の発電素子に対して受動的に惹起される磁束変化も利用することにより、第一の発電素子に及ぼされる振動エネルギーを第一のコイルと第二のコイルにより電気エネルギーへ効率的に変換することが出来て、発電効率の向上が図られ得る。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第一の実施形態としての振動発電装置を示す図であって、図２におけるＩ−Ｉ断面図。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図。
【図３】図１に示されている振動発電装置の磁気回路を説明するための説明図。
【図４】図１に示されている振動発電装置における振動入力時の作動を説明するための説明図。
【図５】図１に示されている振動発電装置における振動入力時の作動特性を説明するためのグラフ。
【図６】本発明の第二の実施形態としての振動発電装置を示す図であって、図７におけるＶＩ−ＶＩ断面図。
【図７】図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ断面図。
【図８】図６に示されている振動発電装置の磁気回路を説明するための説明図。
【図９】図６に示されている振動発電装置において第二の発電素子として採用され得る３種類の別構造例を示す説明図。
【図１０】本発明の第三の実施形態としての振動発電装置を概略的に示す正面図。
【図１１】図１０に示されている振動発電装置における右側面の概略図。
【図１２】本発明の第四の実施形態としての振動発電装置を概略的に示す正面図。
【図１３】本発明の第五の実施形態としての振動発電装置を概略的に示す縦断面図。
【図１４】図１３に示されている振動発電装置における平面の概略図。
【図１５】本発明の第六の実施形態としての振動発電装置を概略的に示す正面図。
【図１６】図１５に示されている振動発電装置における右側面の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２９】
まず、図１および図２には、本発明の第一の実施形態としての磁歪素子利用の振動発電装置１０の正面図および平面図が示されている。この振動発電装置１０は、自動車の車両ボデー等の振動部材に装着されて用いられる。そして、振動部材から加振力として及ぼされる振動エネルギーを電気エネルギーに変換して起電力を取り出し得るようになっている。
【００３０】
より詳細には、振動発電装置１０は、振動部材１１に対して固定的に取り付けられる取付側部材１２を備えていると共に、該取付側部材１２から離隔配置されたマス側部材１４が設けられている。そして、これら取付側部材１２とマス側部材１４とが、第一の発電素子１６および第二の発電素子１８によって連結されている。
【００３１】
第一の発電素子１６と第二の発電素子１８は、何れも、板状やロッド状などの長手状とされている。そして、第一の発電素子１６および第二の発電素子１８は、互いに所定距離を隔てて並列的に配置されており、それぞれ、長さ方向の各端部が取付側部材１２とマス側部材１４に固着されることによって、取付側部材１２とマス側部材１４の間に跨がって配されている。
【００３２】
なお、第一及び第二の発電素子１６，１８における各端部の取付側部材１２やマス側部材１４に対する固定構造は限定されず、圧入や溶着の他、接着やカシメ、ボルトやリベットなどの公知の各種の固定構造が適宜に採用され得る。
【００３３】
而して、長さ方向の両側に配された取付側部材１２とマス側部材１４が、第一及び第二の発電素子１６，１８で連結されることにより、全体として長手状形態をもった単一の梁状部材として振動発電装置１０が構成されている。かかる振動発電装置１０は、取付側部材１２が直接的又は適宜にブラケット等を介して間接的に振動部材１１に取り付けられることにより、振動部材１１から外方に突出する片持梁構造の振動発電装置を構成することとなる。
【００３４】
ここにおいて、第一の発電素子１６は、磁歪素子である材質によって構成されている。即ち、第一の発電素子１６は、変形に伴う応力変化で透磁率が変化するものであり、第一の発電素子１６の逆磁歪効果により機械的エネルギーである振動が磁気的エネルギーに変換されることとなる。なお、第一の発電素子１６を構成する磁歪材料は特に限定されるものでないが、強度に優れた鉄系の磁歪材料が望ましく、例えば、鉄−ガリウム系合金や鉄−コバルト系合金、鉄−ニッケル系合金、テルジウム−ジスプロシウム−鉄系合金等が、好適に採用され得る。
【００３５】
また、第一の発電素子１６には、第一のコイル２０が外挿状態で巻回されており、第一の発電素子１６において逆磁歪効果で惹起される振動変形に伴う磁気エネルギーとしての磁束変化が、第一のコイル２０により電気エネルギーとしての起電力に変換されるようになっている。そして、この第一のコイル２０の巻線の両端が、必要に応じて整流装置等を介して、図示しないキャパシタ等の蓄電装置に電気的に接続されており、第一の発電素子１６で得られる電気エネルギーが外部へ取り出されるようになっている。
【００３６】
一方、第二の発電素子１８は、それ自体が振動変形に伴って能動的に磁束変化を惹起させる必要がなく、磁歪素子でない磁性材料からなる材質によって構成されている。なお、第二の発電素子１８を構成する磁性材料は、鉄および鉄系合金やハーマロイ系合金、フェライト化合物、アモルファスなどの磁路を構成し得る公知の各種の強磁性体が採用可能であり、特に限定されるものでないが、目的とする受動的な発電を効率的に達成するために軟磁性材料であることが望ましい。なかでも、初透磁率や最大透磁率などの透磁率が高いこと、残留磁束密度や飽和磁束密度が高いこと、保磁力が小さいこと、などを指標として選択採用されることが望ましい。具体的には、例えばＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｇｂ，Ｔｂ，Ｄｙ等元素とそれらの合金・金属間化合物，ＦｅＳｉ，ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，ＳｍＣｏ，ＮｄＦｅＢ，ＣｏＣｒ，ＣｏＰｔなどのフェロ磁性を有する強磁性材や、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ酸化物等の如き各種フェライト系材料，ＴｂＦｅ等の如きＦｅ，Ｃｏなどの重希土類金属の金属間化合物などのフェリ磁性を有する強磁性材が好適に用いられ得る。
【００３７】
そして、磁歪素子でない第二の発電素子１８には、ヨーク部材２２が組み付けられており、第一の発電素子１６と並列的な磁気回路が構成されていると共に、かかる磁気回路に対してバイアス磁界を及ぼす磁石手段としての永久磁石２４が設けられている。具体的には、ヨーク部材２２は、第一及び第二の発電素子１６，１８の側方を並列的に延びて配されている。このヨーク部材２２は、取付側部材１２とマス側部材１４との間に跨がって延びる長手形状とされており、第一及び第二の発電素子１６，１８に対して側方に離隔して配置されている。そして、ヨーク部材２２の長さ方向一方の端部が、永久磁石２４を介して、第一及び第二の発電素子１６，１８における取付側部材１２側の端部に対して磁気的に接続されている。また、ヨーク部材２２の長さ方向他方の端部は、接続ヨーク２６を介して、第一及び第二の発電素子１６，１８におけるマス側部材１４側の端部に対して磁気的に接続されている。
【００３８】
これにより、図３にモデル的に示すように、第一及び第二の発電素子１６，１８とヨーク部材２２、接続ヨーク２６および永久磁石２４により、閉磁路状の磁気回路が構成されている。この磁気回路には永久磁石２４の発生磁力に基づいてバイアス磁束が及ぼされていると共に、かかる磁気回路上では第一の発電素子１６と第二の発電素子１８が互いに並列的な磁路を構成している。
【００３９】
それ故、このような磁気回路では、図４にモデル的に示すように、振動部材１１から振動発電装置１０に振動が及ぼされて第一の発電素子１６が変形することで逆磁歪効果で磁気抵抗が変化すると、第一の発電素子１６と並列回路を構成する第二の発電素子１８の磁気抵抗が相対的に変化する。その結果、磁歪素子からなる第一の発電素子１６の主動的な磁束の変化に伴って、磁歪素子でない第二の発電素子１８にも、受動的にしろ、磁束の変化が惹起されることとなる。因みに、本実施形態に従う構造とされた振動発電装置１０において、振動入力に際して第一の発電素子１６および第二の発電素子１８において主動的および受動的に惹起される磁束の変化態様をシミュレーションした演算結果を、図５に示す。
【００４０】
そして、本実施形態では、かかる第二の発電素子１８に対して、第二のコイル２８が外挿状態で巻回されている。即ち、第二の発電素子１８は、磁歪素子でないものの、振動発電装置１０へ振動が及ぼされた際には、上述のように磁束変化が生ぜしめられることから、かかる第二の発電素子１８に生ぜしめられる磁気エネルギーとしての磁束変化が、第二のコイル２８により電気エネルギーとしての起電力に変換されるようになっている。そして、この第二のコイル２８を通じて得られた電気エネルギーが、第一のコイル２０と同様に、外部へ取り出されるようになっている。
【００４１】
なお、図１，２では、第一の発電素子１６と第二の発電素子１８が略同じ形状で示されているが、異なっていても良く、円形断面や矩形断面などの断面形状も各別に任意に採用され得る。また、これら第一及び第二の発電素子１６，１８は、全長に亘って一定の断面形状である必要もないし、長さ方向に湾曲等していても良い。更にまた、図１，２では、第一の発電素子１６と第二の発電素子１８が略平行に延びる状態で配されているが、相互に平行配置されていなくても良い。
【００４２】
尤も、本実施形態の振動発電装置１０は、振動部材１１に対して片持梁構造をもって装着されて、振動部材１１における振動が曲げ方向の加振力として作用せしめられることとなる。それ故、第一及び第二の発電素子１６，１８の並設面である図１の紙面と略平行な平面内で曲げ方向の加振力が及ぼされるようにすると共に、第一及び第二の発電素子１６，１８が振動部材１１の振動方向に対して略直交する方向に延びる状態で、第一の発電素子１６と第二の発電素子１８を互いに略平行に配置することが望ましい。
【００４３】
これにより、振動部材１１における直線的な往復加振力を、振動発電装置１０の曲げ方向の加振力として高効率で及ぼすことができると共に、振動発電装置１０の曲げ方向の振動変形に基づいて第一の発電素子１６と第二の発電素子１８に対して圧縮応力およびと引張応力をより効率的に交互に惹起せしめことが可能になる。その結果、第一の発電素子１６における主動的な磁束変化量を一層効率的に生ぜしめて、第一及び第二の発電素子１６，１８の磁束変化ひいては第一及び第二のコイル２０，２８によって取得される電気エネルギーの増大を図ることが可能になる。特に、本実施形態では、第一及び第二の発電素子１６，１８の両端が取付側部材１２およびマス側部材１４によって固定されており、これらにより複合構造の振動変形部材が構成されている。これにより、かかる振動変形部材に対して振動が及ぼされることにより、第一の発電素子１６および第二の発電素子１８の一方に圧縮変形が生ぜしめられる一方、他方に引張変形が生ぜしめられる。このように、第一及び第二の発電素子１６，１８に対して一体として振動が加えられることにより、圧縮および引張変形が更に容易に惹起され得る。
【００４４】
なお、ヨーク部材２２は、例えばその剛性を利用して、振動入力時に第一の発電素子１６に圧縮及び引張方向の応力を生ぜしめる強度部材として利用することも可能であるが、本実施形態では、第一及び第二の発電素子１６，１８の側方に配されており、第一の発電素子１６に変形抵抗を及ぼして発生応力ひいては振動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を低下させるおそれがある。そこで、本実施形態では、かかるヨーク部材２２として、曲げ剛性が小さい材質や断面係数の小さい構造を採用することが望ましい。また、後述するように、ヨーク部材２２の一端側を第一及び第二の発電素子１６，１８に対して隙間等を隔てて配置して相対変位可能に構成することも可能である。
【００４５】
上述の如き構造とされた本実施形態の振動発電装置１０では、磁歪素子からなる第一の発電素子１６と並列的磁気回路を構成するように第二の発電素子１８を配したことにより、振動入力に際して、第一の発電素子１６に生ぜしめられる主動的な磁束変化と併せて、第二の発電素子１８にも受動的な磁束変化が生ぜしめられる。それ故、希少な磁歪材料を多く必要とすることなく、単なる磁性材料からなる第二の発電素子１８を巧く利用して、第一の発電素子１６と第一のコイル２０のみからなる場合に比してより効率的に振動エネルギーを電気エネルギーに変換して大きな起電力を取得することが可能になるのである。
【００４６】
なお、第一の発電素子１６と第二の発電素子１８は、磁気回路上で磁束を相互補完的に導く並列回路を構成している。従って、第一の発電素子１６および第二の発電素子１８におけるそれぞれの磁束および磁束変化量を効率的に確保するには、並列磁路において、第一の発電素子１６側の磁路における磁気抵抗Ｒ１の最小値Ｒ１min と最大値Ｒ１max と、第二の発電素子１８側の磁路における磁気抵抗Ｒ２が、下式の関係を満足することが望ましい。尤も、本実施形態では、第一の発電素子１６と第二の発電素子１８が各単独で並列磁路を構成していることから、第一の発電素子１６自体の磁気抵抗をＲ１、第二の発電素子１８自体の磁気抵抗をＲ２として設定することができる。
Ｒ１min ＊１．２≦Ｒ２≦Ｒ１max ＊０．８
【００４７】
また、第一の発電素子１６の磁気抵抗が最小になった場合の第二の発電素子１８の磁束Φ２min と、第一の発電素子１６の磁気抵抗が最大になった場合の第二の発電素子１８の磁束Φ２max は、それぞれ下式で表される。なお、Φはバイアス磁束である。
Φ２min ＝Ｒ１min ／（Ｒ１min ＋Ｒ２）＊Φ
Φ２max ＝Ｒ１max ／（Ｒ１max ＋Ｒ２）＊Φ
【００４８】
従って、これら両磁束Φ２min ，Φ２max の差として表される第二の発電素子１８の磁束変化量について、それが最大値となる条件式として下式を得ることができる。
Ｒ２＝√（Ｒ１max ＊Ｒ１min ）
それ故、第二の発電素子１８における磁気抵抗Ｒ２の値は、√（Ｒ１max ＊Ｒ１min ）の値を指標として所定の範囲内、例えば０．８〜１．２倍の範囲内に設定することが好適である。
【００４９】
また、第一の発電素子１６の主動的な磁気抵抗変化に伴って第二の発電素子１８に惹起される受動的な磁気抵抗変化を十分に確保するには、第二の発電素子１８において十分な磁束変化量が許容されるべきである。それ故、第一の発電素子１６の飽和磁化Ｍｓ１に対して、第二の発電素子１８の飽和磁化Ｍｓ２が下式を満たしていることが望ましい。
Ｍｓ１＊０．４≦Ｍｓ２
【００５０】
なお、第一の発電素子１６に対して第二の発電素子１８の断面積を異ならせて設定することができる場合には、第一の発電素子１６の断面積Ａ１と第二の発電素子１８の断面積Ａ２を考慮して、上式は下記のとおり書き換えることができる。
Ｂｍ１＊Ａ１＊０．４≦Ｂｍ２＊Ａ２
なお、上式中、Ｂｍ１は第一の発電素子１６の飽和磁束密度、Ｂｍ２は第二の発電素子１８の飽和磁束密度である。
【００５１】
更にまた、バイアス磁束Φは、小さすぎると発電効率が低下する一方、大きすぎると第二の発電素子１８側の磁束変化量ひいては発電効率が低下するおそれがある。そこで、バイアス磁界におけるバイアス磁束Φは、第一の発電素子１６側の磁路における磁気抵抗Ｒ１の最小値Ｒ１min と最大値Ｒ１max に対して、下式を満足するように設定することが望ましい。
Φ’＊０．４≦Φ≦Φ’＊１．５
Φ’＝（（√（Ｒ１max ＊Ｒ１min ）＋Ｒ１min ）／√（Ｒ１max ＊Ｒ１min ））
＊Ｍｓ１
ただし、上式中、Ｍｓ１は第一の発電素子の飽和磁化である。
また、第二の発電素子１８側における受動的な磁束変化量が許容されるように、第二の発電素子１８側の飽和磁化は、第一の発電素子１６側の飽和磁化以上に確保されることが望ましく、同じ断面積を前提とする場合には、第二の発電素子１８の飽和磁束密度が第一の発電素子１６の飽和磁束密度以上に設定されることが望ましい。
【００５２】
次に、図６〜７には、本発明の第二の実施形態としての磁歪素子利用の振動発電装置３０が示されていると共に、図８には、かかる振動発電装置３０の磁気回路構成がモデル的に示されている。
【００５３】
本実施形態の振動発電装置３０は、第一の実施形態において第一の発電素子１６側の磁路と並列的に設けられた第二の発電素子１８側の磁路の別態様を例示するものである。それ故、第一の実施形態と同様な構造とされた部材および部位については、それぞれ、図中に第一の実施形態と同じ符号を付することにより詳細な説明を省略する。
【００５４】
すなわち、本実施形態では、第一の発電素子１６側の磁路と並列的に設けられた第二の発電素子１８側の磁路において、第二の発電素子１８と直列的に非磁性の特性を有する抵抗部材３２が配設されている。具体的に例示すると、図８に示されているように、第一の発電素子１６として鉄−ガリウム合金からなる磁歪素子を採用することとして、その比透磁率を１００とする一方、第二の発電素子１８としてフェライト系ステンレスからなる軟磁性材を採用することとして、その比透磁率を５００とした場合に、かかる抵抗部材３２として比透磁率が１の非磁性材を介在させることができる。
【００５５】
そして、この抵抗部材３２を介在させたことにより、比透磁率が大きい第二の発電素子１８を採用しつつ、第二の発電素子１８側の磁路の磁気抵抗を増大させることが出来るのである。これにより、互いに並列的な磁路を構成する第一の発電素子１６側の磁気抵抗と第二の発電素子１８側の磁気抵抗とを、抵抗部材３２により相対的に調節することが可能になる。なお、抵抗部材３２としては、合成樹脂の他、非磁性や反磁性を示す金属などを採用することも可能である。
【００５６】
その結果、第一の実施形態において好適なチューニング範囲として例示した前述の各条件式を満足するように設定することが容易になって、より高度な発電効率を得ることが可能になる。しかも、抵抗部材３２を設けたことにより、第二の発電素子１８の材質や形状等の設計自由度も大きく確保され得て、例えば製造の容易化や製造コストの低減等を図ることも容易になる。
【００５７】
なお、第二の発電素子１８側の磁気抵抗を調節する具体的態様は、第二の実施形態に限定的に解釈されるものでない。具体的には、例えば図９（ａ）〜（ｃ）に示す如き態様が、第二の実施形態における第二の発電素子１８側の磁気抵抗を調節する構造として、何れも、第二の実施形態において第二の発電素子１８側に設けられた抵抗部材３２に代えて又は加えて、採用することが可能である。
【００５８】
すなわち、図９（ａ）に示されているように、第二の発電素子１８を、その有効断面積を十分に小さく設定した軟磁性材等で構成することにより、小さな断面積によって磁気抵抗を大きく調節することも可能である。そして、小さな断面積の第二の発電素子１８における強度や剛性は、重ね合わせるように設けた非磁性材からなる補強部材３４で確保することができる。
【００５９】
また、図９（ｂ）には、第二の発電素子１８が、磁路の長さ方向で複数（図示では２つ）に分断された軟磁性材１８ａ，１８ｂで構成されることで、各分断部分に設定された磁気ギャップにて磁気抵抗を大きく調節した態様が例示されている。なお、本実施形態において第二の発電素子１８の強度や剛性は、軟磁性材１８ａ，１８ｂの分断部分を非磁性材からなる連結部材３６で相互に連結固定することによって確保されている。
【００６０】
更にまた、図９（ｃ）には、第二の発電素子１８自体に肉抜状のスリットや薄肉部を設けることにより、全体として強度や剛性を確保しつつ、有効断面積を小さくすることで磁気抵抗を大きく調節可能にした態様が例示されている。なお、第二の発電素子１８に設けるスリットや薄肉部の具体的形状や大きさ等は、何等限定されるものでない。
【００６１】
さらに、前記第一及び第二の実施形態では、第二の発電素子１８にも振動入力に伴う外力が及ぼされるようになっており、また、第一の発電素子１６と機械的にも並設構造とされて、曲げ方向の振動入力に際して第一の発電素子１６に圧縮／引張方向の応力を生ぜしめる強度部材として作用するようになっていた。しかし、かかる第二の発電素子１８は、そもそも、変形や応力に基づいて主動的に磁束変化を生ずるものでないことから、変形や応力が生ぜしめられる構造である必要はない。第二の発電素子１８に対して振動入力が積極的に及ぼされない構造とした態様を、以下に実施形態として幾つか例示する。
【００６２】
図１０〜１１に示された本発明の第三の実施形態としての磁歪素子利用の振動発電装置４０は、振動部材４１が図中の左右方向に往復振動するものであり、片持梁構造をもって図中で上方に突出して設けられた振動発電装置４０は、取付側部材１２とマス側部材１４の間に跨がって並列的に延びるように設けられた第一の発電素子１６と強度部材４２を備えている。そして、振動方向となる図中の左右方向へのマス側部材１４の揺動変位に際して、第一の発電素子１６と強度部材４２とが協働して変形することとなり全体的な断面係数が大きくされて、第一の発電素子１６には圧縮／引張方向の変形と応力が生ぜしめられるようになっている。
【００６３】
一方、第一の発電素子１６には、第二の発電素子１８が並列的な磁路を構成するように設けられている。この第二の発電素子１８の一方の端部は、永久磁石４４を介して、第一の発電素子１６と並列的に、ヨーク部材４６の一方の端部に固定されている。また、第二の発電素子１８の他方の端部は、第一の発電素子１６と並列的に、ヨーク部材４６の他方の端部に対して磁気的に接続されている。なお、磁気的な接続構造として、本実施形態では、隙間を隔てて対向配置された構造が採用されており、第二の発電素子１８やヨーク部材４６に対して、振動外力が直接には及ぼされないようになっている。
【００６４】
また、図１２に示された本発明の第四の実施形態としての磁歪素子利用の振動発電装置５０は、第三の実施形態と同様に振動部材４１が図中の左右方向に往復振動するものであって、取付側部材１２とマス側部材１４の間に跨がって並列的に延びるようにして、２本の第一の発電素子１６，１６が設けられている。そして、これら２本の第一の発電素子１６，１６が相互に補強部材として機能することで、振動入力に際して第一の発電素子１６に圧縮／引張方向の変形と応力が生ぜしめられるようになっている。
【００６５】
一方、それぞれの第一の発電素子１６には、第三の実施形態と同様に、第二の発電素子１８が並列的な磁路を構成するように設けられている。また、それぞれ対を為す第一の発電素子１６と第二の発電素子１８には、図１１に示されている振動発電装置４０と同様な構造をもって、ヨーク部材４６が配されてバイアス磁路が構成されている。即ち、本実施形態においても、第二の発電素子１８やヨーク部材４６には、振動外力が直接には及ぼされない。
【００６６】
さらに、図１３〜１４に示された本発明の第五の実施形態としての振動発電装置６０は、前記第三の実施形態における強度部材４２の機能が、振動部材を利用して発揮されるようになっている。即ち、長手状の第一の発電素子１６が、平板状の振動部材６１の表面に沿って延びる状態で所定距離を隔てて配されている。かかる振動部材６１は、表面が湾曲するような曲げ変形を伴う振動が生ぜしめられるものとされている。第一の発電素子１６の長さ方向の両端は、それぞれ、所定厚さのスペーサ６２を介して、振動部材６１の表面に重ね合わされており、固定用ボルト６３ａ，６３ｂによって、振動部材６１の互いに離隔した部位に固定されている。
【００６７】
これにより、振動部材６１における曲げ振動が、スペーサ６２の厚さを利用して増幅されて、第一の発電素子１６に対して長さ方向の圧縮／引張変形を生ぜしめるようになっている。従って、本実施形態では、第三の実施形態における強度部材４２を設けることなく、振動部材６１の振動を第一の発電素子１６に及ぼすことで、第一の発電素子１６に圧縮／引張応力を有効に生ぜしめることができる。
【００６８】
また、本実施形態では、第二の発電素子１８が、第一の発電素子１６に沿って長さ方向に延びるようにして、第一の発電素子１６と並列的に離隔して配されている。そして、第二の発電素子１８の一方の端部が、第一の発電素子１６の一方の端部に重ね合わされて、固定用ボルト６３ａにより、振動部材６１に対して固定されている。また、第二の発電素子１８の他方の端部は、第二の発電素子１６の他方の端部に対して隙間を隔てて磁気的に接続された状態で、相対変位可能に対向配置されている。
【００６９】
更にまた、第一及び第二の発電素子１６，１８には、側方に離隔して延びるヨーク部材６４が並設されている。そして、ヨーク部材６４の一方の端部が、永久磁石６６を挟んで、第一及び第二の発電素子１６，１８の一方の端部に対して磁気的に接続されていると共に、ヨーク部材６４の他方の端部が、第一及び第二の発電素子１６，１８の他方の端部に対して磁気的に接続されている。これにより、全体として閉磁路構造の磁路が構成されており、かかる磁路上で、第一の発電素子１６と第二の発電素子１８が、互いに並列的な磁路を構成している。なお、第一の発電素子１６は、軸方向両端側において、ヨーク部材６４に対して直接に接続されているが、第二の発電素子１８は、軸方向一端側だけがヨーク部材６４に直接に接続されており、軸方向他端側はヨーク部材６４に対して所定の隙間からなる磁気抵抗調節機構を介して接続されている。
【００７０】
このような構造とされた振動発電装置６０においては、強度部材を特別に設けなくても、振動部材における曲げ振動によって第一の発電素子１６に対して圧縮／引張変形が生ぜしめられ、逆磁歪作用による発電作用が有効に発揮される。また、第二の発電素子１８やヨーク部材６４には、振動外力が直接に及ぼされないようにされて、第一の発電素子１６における応力変化が一層効率的に惹起されるようになっている。
【００７１】
更にまた、図１５，１６には、本発明の第六の実施形態としての振動発電装置７０が示されている。本実施形態の振動発電装置７０では、第一の発電素子１６が、図中の上下方向に延びるロッド状とされていると共に、第二の発電素子１８もロッド状とされて、第一の発電素子１６の側方に所定距離を隔てて並設されている。なお、本実施形態では、第一の発電素子１６の両側において、一対の第二の発電素子１８，１８が配設されている。
【００７２】
そして、第一の発電素子１６の下端はベース部材７１上に固定的に取り付けられた支持部材７２に固定されている一方、第一の発電素子１６の上端は、振動部材７３に対して固定的に取り付けられている。かかる振動部材７３は、ベース部材７１に対して、図中の上下方向で相互に接近および離隔する方向に振動変位せしめられるようになっている。そして、この振動部材７３の振動が第一の発電素子１６に対して、軸方向の圧縮／引張方向に直接に及ぼされるようになっている。
【００７３】
一方、第二の発電素子１８は、その下端が支持部材７２に固定されている一方、上端は、振動部材７３から離隔した自由端とされており、振動外力が及ぼされないようになっている。特に本実施形態では、第二の発電素子１８の上端は、第一の発電素子１６からも離隔した構造となっている。
【００７４】
さらに、第一及び第二の発電素子１６，１８の側方には、上下方向に延びるヨーク部材７４が配されている。かかるヨーク部材７４は、下端が支持部材７２に固定されている一方、上端が振動部材７３から離隔した自由端とされており、接続部材７６を介して、第二の発電素子１８，１８の上端に対して固定的に連結されている。このように、強磁性材で形成されて磁路を構成するヨーク部材７４が設けられることで、全体として閉磁路構造の磁路が構成されており、かかる磁路上で、第一の発電素子１６と第二の発電素子１８，１８が、互いに並列的な磁路を構成している。
【００７５】
また、かかる閉磁路構造の磁路上には、例えば図示されるようにヨーク部材７４の長さ方向中間部分などに位置して、永久磁石７８が配されており、磁路上にバイアス磁束が及ぼされるようになっている。なお、第二の発電素子１８は、軸方向両端側において、ヨーク部材７４に対して直接的に接続されているが、第一の発電素子１６は、軸方向下端側だけがヨーク部材７４に直接的に接続されており、軸方向上端側はヨーク部材７４に対して所定の隙間からなる磁気抵抗調節機構を介して接続されている。
【００７６】
本実施形態の振動発電装置７０においては、振動部材のベース部材に対する接近および離隔の外力が、第一の発電素子１６に対して圧縮／引張方向の振動外力として及ぼされる。従って、第一の実施形態等のように曲げ振動に際して圧縮／引張応力を生ぜしめるための強度部材等の特別な構造が不要となり、構造の簡略化が図られ得る。
【００７７】
また、第二の発電素子は単一でも３つ以上でも良いが、本実施形態のように複数設ければ各第二の発電素子の断面積を小さくすることもできる。なお、ヨーク部材や第二の発電素子に対しては外力が及ぼされないことが好ましい。蓋し、振動外力が及ぼされてもヨーク部材や第二の発電素子が主動的に磁束変化を生ずるものでないし、第一の発電素子にだけ振動外力を及ぼすことで振動エネルギーの電気エネルギーへの変換効率の一層の向上が図られ得るからである。
【００７８】
以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、本発明は上述の実施形態における具体的な記載によって限定的に解釈されるものでない。
【００７９】
例えば、前記第二の実施形態等では、第二の発電素子１８側の磁路に対して磁気抵抗調節機構が採用されている一方、前記第六の実施形態では、第一の発電素子１６側の磁路に対して隙間からなる磁気抵抗調節機構が採用されていたが、互いに並列的な磁路を構成するそれら第一の発電素子１６側と第二の発電素子１８側との双方に少なくとも一つの磁気抵抗調節機構を採用して調節自由度の増大を図ることも可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１０，３０，４０，５０，６０，７０：（磁歪素子利用の）振動発電装置、１１，４１，６１，７３：振動部材、１６：第一の発電素子、１８：第二の発電素子、２０：第一のコイル、２２，４６，６４，７４：ヨーク部材、２４，４４，６６，７８：永久磁石、２６：接続ヨーク、２８：第二のコイル
【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５】
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