(57)【要約】  振動中の運動エネルギーの損失を抑えて振動を長続きさせることができる発電素子及びこの発電素子の構造を利用するアクチュエータを提供する。  本発明の逆磁歪式の発電素子は、磁歪材料からなる第１の磁歪棒、これに巻かれる第１のコイル、第１の磁歪棒に一様な圧縮力又は引張力を加えるための剛性及び形状を有しており当該第１の磁歪棒と平行に配置される第１の磁性棒から構成される第１の発電部と、コ字状に屈曲した磁性材料からなり当該屈曲箇所を挟んで一方の端部が固定端、他方の端部が自由端になるフレームと、磁石とを備えている。第１の発電部を自由端側のフレームに取り付け、磁石をフレームのうち互いに対峙する２つの内側面のいずれか一方にのみ取り付けることで、フレームの一部をバックヨークとして機能させると共に当該磁石を取り付けない側の内側面と当該磁石との間に空隙を形成する。
2015141414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪材料からなる第１の磁歪棒、第１の磁歪棒に巻かれる第１のコイル、第１の磁歪棒に一様な圧縮力又は引張力を加えるための剛性及び形状を有しており当該第１の磁歪棒と平行に配置される第１の磁性棒から構成される第１の発電部と、コ字状に屈曲した磁性材料からなり当該屈曲箇所を挟んで一方の端部が固定端、他方の端部が自由端になるフレームと、磁石とを備えており、
前記第１の発電部を前記フレームの自由端側及び／又は前記屈曲箇所に取り付け、
前記磁石を前記フレームのうち互いに対峙する２つの内側面のいずれか一方にのみ取り付けることで、フレームの一部をバックヨークとして機能させると共に当該磁石を取り付けない側の内側面と当該磁石との間に空隙を形成し、
外力の付加により当該自由端側のフレームと固定端側のフレームを共に振動させることを特徴とする逆磁歪式の発電素子。
【請求項２】
前記第１の発電部を前記フレームの自由端側に取り付ける場合に、
磁歪材料からなる第２の磁歪棒、第２の磁歪棒に巻かれる第２のコイル、第２の磁歪棒に一様な圧縮力又は引張力を加えるための剛性及び形状を有しており当該第２の磁歪棒と平行に配置される第２の磁性棒から構成される第２の発電部を備え、
前記第２の発電部を前記固定端側のフレームに取り付けると共に、前記屈曲箇所を通って前記フレームを自由端側と固定端側とに二分する直線を対称軸として、前記第１の磁歪棒、第１の磁性棒、第２の磁歪棒及び第２の磁性棒を線対称に配置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の発電部を前記フレームの自由端側に取り付ける場合に、
前記屈曲箇所を通って前記フレームを自由端側と固定端側とに二分する直線に対して、前記磁歪棒を前記磁性棒よりも遠い位置に配置することを特徴とする請求項１又は２に記載の発電素子。
【請求項４】
前記第１の発電部を前記フレームの屈曲箇所に取り付ける場合に、
前記磁歪棒を前記フレームの外側面に配置し、前記磁性棒を前記フレームの内側面に配置することを特徴とする請求項１又は２に記載の発電素子。
【請求項５】
前記磁歪棒を前記フレームに対して半田付け、蝋付け、溶接若しくはボルト締め又はこれらの組み合わせにより接合することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項６】
フレームの長手方向がほぼ水平になるように配置した場合に、前記自由端側の端部であって前記固定端の直上に錘を取り付けることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の発電素子を２つ備えており、各発電素子のフレームの自由端側同士及び固定端側同士を連結することで、２つの発電素子が連結箇所を挟んで対称に変形することを特徴とする発電素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の発電素子と同一の構造を備えており、前記コイルに電流を流すことで前記磁歪棒を伸縮させて前記自由端側のフレームを振動させることを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動を利用する発電素子等に関し、特に、磁歪材料を使用する逆磁歪式の発電素子及びこの発電素子の構造を利用するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、身近な振動を利用して発電する技術の開発が進んでおり、その技術の１つに強磁性体の磁歪効果を利用するものがある。
磁歪効果とは強磁性体に磁場を付与した際（強磁性体が磁化した際）に変形する効果を指し、磁歪効果による変形量が大きい材料は磁歪材料と呼ばれる。
磁歪材料はまた、外力の付加に起因してその内部に生じる圧縮／引張応力によって変形し、磁化（磁力線）を大きく変化させる逆磁歪効果も備えており、例えば圧縮力を受けて１テスラ以上も磁力線が変化する材料も存在する。逆磁歪効果による磁束密度の時間的変化を利用する発電素子は小さな外力の付加に対して高効率で発電できるため注目が高まっている。【０００３】
本願発明者が開発した発電素子の基本構造について例を挙げて説明する（特許文献１の図１及び２参照）。この発電素子はコイルを巻いた２本の磁歪棒を水平面内で左右方向に平行にならべ、その前後両端をヨークに接合した平行梁構造を備える。また、各磁歪棒の前後両端近傍に永久磁石を磁着させ、前後の永久磁石間にバックヨークを架け渡してある。バックヨークは磁歪棒のバイアス磁化を増加させるためのものであり、永久磁石からの磁力線が各磁歪棒及びバックヨークを通過することで一つの磁気回路を形成している。
この発電素子の一方の端部を固定端とする片持ち梁構造において、自由端側に水平面内で外力を付加して湾曲させると、例えば右側の磁歪棒にはその軸方向に圧縮力がかかり、逆磁歪効果によって磁力線が減少し、左側の磁歪棒には軸方向に引張力がかかり、逆磁歪効果によって磁力線が増加する。このように片持ち梁構造の発電素子に水平面内で外力（振動）を与えると各磁歪棒内を通る磁力線は交番状に変化するので、磁力線の時間変化に比例して電圧が発生するという電磁誘導の法則に基づいてコイルに電圧（起電力）を発生させ、これを電気エネルギーとして取り出す仕組みになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
次に、上記従来技術の問題点について、発電素子の変形例も参照しながら説明する（図２１参照）。
この発電素子２００はコイル２０１を巻いた１本の磁歪棒２０２を直線状のフレーム２０３の凹部２０４内に固着し、フレーム２０３の一端を固定端とする片持ち梁構造になっている。また、フレームの側面２０３ａに２つの永久磁石２０５を磁着させ、これら永久磁石２０５にバックヨーク２０６を架け渡すことで、磁歪棒２０２、永久磁石２０５及びバックヨーク２０６によって一つの磁気回路を形成している。
上記特許文献１や図２１に開示した発電素子の問題の一つは、その全体形状を直線状にして一端を固定端とする片持ち梁構造にすると、当該固定端での支持が十分でない場合には、発電素子を振動させるための運動エネルギーの一部が固定端の変形にて外部に散逸するなど、いわゆる固定端損失が生じてしまい、振動が長続きしないという点である。
また、本願発明者の更なる研究により、固定端損失の原因が曲げモーメントと剪断力にあることが分かった。すなわち、発電素子を振動させるための運動エネルギーの一部が、曲げモーメントや剪断力に起因した固定端の変形によって外部に散逸し、この固定端損失によって振動が長続きしないという点が明らかになった。【０００６】
また、永久磁石を接着剤等を用いずにその磁力のみを利用して磁歪棒の近傍に磁着させるため、発電素子全体が振動しているときに永久磁石には慣性力が作用し、発電素子の本体側と永久磁石との接触面に摩擦が生じる。この摩擦により発電素子の運動エネルギーの一部が熱エネルギーとして散逸してしまう結果、振動が長続きしないという問題もある。
更に、磁歪棒の前後両端をヨークやフレームの凹部に固着させる際に、通常はヨークやフレームの凹部に設けた溝の内部に磁歪棒を挿入して接着剤で固着しているが、接着剤の量が多い場合等には溝から溢れ出た接着剤がコイルにまで及び、磁歪棒とコイルとが癒着してしまうことがある。これにより発電素子の運動エネルギーの一部がコイルの運動エネルギーとして伝達される結果、発電素子の振動が長続きしないという問題もある。【０００７】
本発明は、このような問題を考慮して、振動中の運動エネルギーの損失を抑えて振動を長続きさせることができる発電素子及びこの発電素子の構造を利用するアクチュエータ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】
【０００８】
本発明の逆磁歪式の発電素子は、磁歪材料からなる第１の磁歪棒、第１の磁歪棒に巻かれる第１のコイル、第１の磁歪棒に一様な圧縮力又は引張力を加えるための剛性及び形状を有しており当該第１の磁歪棒と平行に配置される第１の磁性棒から構成される第１の発電部と、コ字状に屈曲した磁性材料からなり当該屈曲箇所を挟んで一方の端部が固定端、他方の端部が自由端になるフレームと、磁石とを備えており、前記第１の発電部を前記フレームの自由端側及び／又は前記屈曲箇所に取り付け、前記磁石を前記フレームのうち互いに対峙する２つの内側面のいずれか一方にのみ取り付けることで、フレームの一部をバックヨークとして機能させると共に当該磁石を取り付けない側の内側面と当該磁石との間に空隙を形成し、外力の付加により当該自由端側のフレームと固定端側のフレームを共に振動させることを特徴とする。
また、前記第１の発電部を前記フレームの自由端側に取り付ける場合に、磁歪材料からなる第２の磁歪棒、第２の磁歪棒に巻かれる第２のコイル、第２の磁歪棒に一様な圧縮力又は引張力を加えるための剛性及び形状を有しており当該第２の磁歪棒と平行に配置される第２の磁性棒から構成される第２の発電部を備え、前記第２の発電部を前記固定端側のフレームに取り付けると共に、前記屈曲箇所を通って前記フレームを自由端側と固定端側とに二分する直線を対称軸として、前記第１の磁歪棒、第１の磁性棒、第２の磁歪棒及び第２の磁性棒を線対称に配置することを特徴とする。
また、前記第１の発電部を前記フレームの自由端側に取り付ける場合に、前記屈曲箇所を通って前記フレームを自由端側と固定端側とに二分する直線に対して、前記磁歪棒を前記磁性棒よりも遠い位置に配置することを特徴とする。
また、前記第１の発電部を前記フレームの屈曲箇所に取り付ける場合に、前記磁歪棒を前記フレームの外側面に配置し、前記磁性棒を前記フレームの内側面に配置することを特徴とする。
また、前記磁歪棒を前記フレームに対して半田付け、蝋付け、溶接若しくはボルト締め又はこれらの組み合わせにより接合することを特徴とする。
また、フレームの長手方向がほぼ水平になるように配置した場合に、前記自由端側の端部であって前記固定端の直上に錘を取り付けることを特徴とする。
また、上記発電素子を２つ備えており、各発電素子のフレームの自由端側同士及び固定端側同士を連結することで、２つの発電素子が連結箇所を挟んで対称に変形することを特徴とする。
本発明のアクチュエータは、上記発電素子と同一の構造を備えており、前記コイルに電流を流すことで前記磁歪棒を伸縮させて前記自由端側のフレームを振動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明ではフレームをコ字状にすることで、振動時にその自由端側と固定端側とが共にフレームの開口を開く又は閉じるように同時に変形させる。図１（ａ）は発電素子１を構成するコ字状のフレーム１０の自由端側２０及び固定端側３０の各端部２１、２２、３１及び３２に作用する曲げモーメントを示す概略図であり、自由端側２０のフレーム１０のうち屈曲箇所４０近傍に作用する曲げモーメントＭ１の回転方向に対して、固定端側３０のフレーム１０のうち屈曲箇所４０近傍に作用する曲げモーメントＭ２の回転方向が逆向きになるため、屈曲箇所４０近傍では両モーメントがほぼ相殺される。この結果、固定端側の端部（固定支持箇所５０）に作用する曲げモーメントＭ３が小さくなり、結果的に固定端３２から外部に散逸する固定端損失を抑制し、フレーム１０の振動を長続きさせることが可能となる。このような屈曲箇所４０近傍に作用する曲げモーメントを自由端側２０と固定端側３０で相殺する効果を十分に得るには、フレーム１０の自由端側２０の形状と固定端側３０の形状をできるだけ同じにする必要がある。例えば、自由端側２０と固定端側３０の長さを同じにしたり、両者の材質及び断面形状を同じにするのが好ましい。
とはいえ、仮にフレーム１０の自由端側２０と固定端側３０の形状及び材質を完全に同一にした場合であっても、例えば自由端側２０に第１の発電部６０を設け、固定端側３０に永久磁石７０を取り付ける場合など、曲げモーメントに影響を与えるこれら要素の取り付け位置を自由端側２０と固定端側３０とで完全一致させることが難しいため、屈曲箇所４０近傍に作用する曲げモーメントを自由端側２０と固定端側３０で完全に相殺する（ゼロにする）ことは現実的には難しい。しかし、曲げモーメントに影響を与える各要素の取り付け位置、重量、寸法等を適宜調節することで屈曲箇所４０近傍に作用する曲げモーメントをほぼ相殺することは十分可能である。【００１０】
また、図１（ｂ）は発電素子１を構成するコ字状のフレーム１０の固定端側３０の端部３２に作用する曲げモーメントＭおよび剪断力Ｑ示す概略図である。本発明ではフレーム１０をコ字状にして、固定端側３０の端部３２における曲げモーメントＭと剪断力Ｑの発生を抑えることで、これらに起因した固定端側３０の端部３２の変形を最小限にすることができる。これにより、運動エネルギーの散逸を最小限にし、振動を長続きさせることができる。
なお、図１（ａ）と比較して図１（ｂ）では外力を作用させる自由端側２０の端部２２の位置を固定支持箇所５０の直上にしているが、これは固定支持箇所５０に生じる曲げモーメントＭ３と剪断力Ｑを極力小さくするためである。【００１１】
また、本発明では磁石７０をフレーム１０の内側面１１及び１２のうちいずれか一方のみ（例えば下側の内側面１２のみ）に取り付けることで、他方の内側面（例えば上側の内側面１１）と磁石７０との間に空隙１３を設ける。上述の通り本発明では振動時にフレーム１０の自由端側２０と固定端側３０とが開口１４を開く又は閉じるように同時に変形するが、この際に空隙１３の幅（上下方向の高さ）は大きく又は小さくなるように変化する。
例えばフレーム１０の開口１４が開くように変形している間は空隙１３の幅は大きくなる。これは、磁石７０、第１の磁歪棒６１及びバックヨーク１５からなる磁気回路において磁気抵抗が大きくなることを意味し、磁気抵抗が大きくなるとバイアス磁束８０が減少し、第１のコイル６２を貫く磁束密度も減少する。一方、フレーム１０の開口１４が閉じるように変形している間は空隙１３の幅は小さくなる。これは磁気抵抗が小さくなることを意味し、磁気抵抗が小さくなるとバイアス磁束８０が増加し、第１のコイル６２を貫く磁束密度も増加する。このようなフレーム１０の振動に伴うバイアス磁束８０の減少／増加によっても、第１のコイル６２を貫く磁束密度に時間的変化が生じて発電量を増加させることができる。【００１２】
また、第１の発電部をフレームの自由端側に取り付ける場合に、屈曲箇所４０を通ってフレーム１０を自由端側２０と固定端側３０とに二分する直線（対称軸）Ｌに対して第１の磁歪棒６１を第１の磁性棒６３よりも遠い位置になるように取り付けることにすれば、開口１４が開くように変形している間は第１の磁歪棒６１に生じる圧縮応力により収縮して第１のコイル６２を貫く磁束密度が減少する。一方、開口１４が閉じるように変形している間は第１の磁歪棒６１に生じる引張応力により伸長して第１のコイル６２を貫く磁束密度が増加する。
あるいは、図１１に示すように、第１の発電部２００を前記フレーム１０の屈曲箇所１０ａに取り付ける場合に、磁歪棒２０１をフレーム１０の外側面１８に取り付け、磁性棒２０２をフレーム１０の内側面１９に取り付けることにすれば、空隙１３の幅の増加／減少にともなう磁束密度の減少／増加と、磁歪棒２０１に生じる圧縮応力／引張応力の変化に伴う磁束密度の減少／増加とを一致させることで、両者の相乗効果による発電量の増加効果を得られる。【００１３】
更に、本発明では磁石７０をフレーム１０の内側面１１又は１２のみに取り付ける。したがって、従来のように振動時にフレームの側面に取り付けた磁石に対して慣性力が作用し、摩擦による熱エネルギーが生じることがないので、運動エネルギーの散逸を抑制して振動を長続きさせることができる。
また、従来フレーム側面の磁歪素子の両端近傍に取り付けていた磁石を、本発明ではフレーム１０の内側面１１又は１２に取り付けるので、従来磁石７０を取り付けていた位置を利用して第１の磁歪棒６１を半田又は蝋９０でフレーム１０に強固に接合することが可能になる。図２は第１の磁歪棒６１とフレーム１０との接合方法の一例を示しており、図２（ａ）ではフレーム１０の上側を長手方向に沿って切り欠いた凹部１６を設けると共に、凹部１６の前後内壁に溝１６ａを形成している。そして、前後の溝１６ａに第１の磁歪棒６１の前後の端部を嵌めこみ、フレーム１０の側面から半田又は蝋９０で接合している。上述の通り半田又は蝋９０を塗布する位置は従来であれば磁石を取り付けていた位置であり、本発明では磁石７０をフレーム１０の内側面１１又は１２に取り付けることにしたためこのような強固な接合方法が可能となった。
また、従来は第１の磁歪棒６１とフレーム１０との接合に接着剤を使用していたため、溝から溢れ出た接着剤がコイルに癒着し、運動エネルギーの一部がコイルの運動に使用されてしまうという問題があったが、本発明では半田付け又は蝋付けが可能になったことで第１のコイル６２の癒着を防止でき、運動エネルギーの散逸防止及び振動の更なる長時間化を実現できる。なお、第１の磁歪棒６１とフレーム１０との接合強度を増すべく、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すようにフレーム１０の側面に上下方向にのびる溝１７を形成し、この溝１７の内部にも半田又は蝋９０が行き渡るように、あるいは図２（ｄ）に示すように溝１７の内部に埋め込んだ金属棒９１を半田又は蝋９０で覆うようにして接合することで、接合強度を更に高めることができる。
また、図２（ｅ）に示すように第1の磁歪棒６１とフレーム１０とを溶接Ｗで接合してもよく、あるいは図２（ｆ）に示すようにボルトＢで接合してもよい。【００１４】
また、第１の発電部６０（第１の磁歪棒６１及び第１の磁性棒６３）と第２の発電部１００（第２の磁歪棒１０１及び第２の磁性棒１０３  図８参照）を対称軸Ｌに対して線対称に配置することは、振動時における自由端側２０と固定端側３０の変形量（撓み量）を可能な限り等しくして屈曲箇所４０近傍に作用する曲げモーメントや剪断力を自由端側２０と固定端側３０で相殺するという観点から好ましい。また、第１の磁歪棒６１と第２の磁歪棒１０１が同時に伸長／収縮することになるという利点もある。
また、自由端側２０の端部に錘１１０を付ける場合（図６参照）、一旦振動を開始した錘１１０は慣性力により長時間に亘り振動し続けるので、フレーム１０の振動を長時間持続させることに寄与する。なお、錘１１０はできるだけ固定端側の端部３２近傍に配置するのが好ましく、例えば固定端側の端部３２の直上に配置する。錘１１０を固定端側の端部３２の直上に配置することで錘１１０の慣性力は固定端側３０の端部に対して鉛直方向に作用し、当該端部３２において曲げモーメントや剪断力がほぼ生じないことになるので、当該端部３２における固定端損失を防止できるためである。【００１５】
また、２つの発電素子３の自由端側２０同士及び固定端側３０同士を連結して１つの発電素子にする場合（図９参照）、これら２つの発電素子３は連結箇所を挟んで対称に変形する。従って、固定端側の端部３２に生じる曲げモーメントをほぼゼロにすることが可能となり、当該端部３２における曲げモーメントや剪断力に起因する固定端損失をほぼ完全に防止できる。
なお、本発明の発電素子に作用させる外力としては、発電素子の一部に打撃を加えることによる衝撃力、発電素子の一部を弾性変形させた後の復元力、発電素子全体に振動や衝撃を与えた際に生じる慣性力、磁石と発電素子の一部とを磁着させる際の磁力、発電素子に風や水を衝突させることによる流体力など種々挙げられる。
また、本発明の発電素子はアクチュエータ１２０として使用することもできる（図２０参照）。すなわち、アクチュエータ１２０が上記発電素子１と同一の構造を備えるものとし、第１のコイル６２に電流を流して第１の磁歪棒６１を伸長／収縮させることで、自由端側２０及び固定端側３０が振動するアクチュエータとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】フレームの自由端側及び固定端側の各端部に作用する曲げモーメント及び剪断力を示す概略図（ａ）及び（ｂ）
【図２】半田付けや蝋付け等により第１の磁歪棒をフレームに接合した状態を示す図（ａ）〜（ｆ）
【図３】第１の実施の形態における発電素子の概略構成図（ａ）及び（ｂ）
【図４】フレームの変形状態を示す図（ａ）及び（ｂ）
【図５】第２の実施の形態における発電素子の概略構成図
【図６】第３の実施の形態における発電素子の概略構成図（ａ）及び（ｂ）
【図７】第４の実施の形態における発電素子の概略構成図
【図８】第５の実施の形態における発電素子の概略構成図
【図９】第６の実施の形態における発電素子の概略構成図
【図１０】フレームを斜めに固定支持した状態を示す概略構成図
【図１１】第７の実施の形態における発電素子の概略構成図
【図１２】第７の実施の形態における発電素子の他の構成例を示す概略構成図
【図１３】第８の実施の形態における発電素子の概略構成図
【図１４】第８の実施の形態の変形例１の概略構成図
【図１５】第８の実施の形態の変形例２の概略構成図
【図１６】第９の実施の形態における発電素子の概略構成図
【図１７】第１０の実施の形態における発電素子の概略平面図（ａ）及び概略側面図（ｂ）
【図１８】第１１の実施の形態における発電素子の概略平面図（ａ）及び概略側面図（ｂ）
【図１９】第１２の実施の形態における発電素子の概略側面図（ａ）及び概略斜視図（ｂ）
【図２０】アクチュエータの概略構成図
【図２１】従来の発電素子の概略構成を示す側面図（ａ）及び平面図（ｂ）
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［第１の実施の形態］
次に、本発明の発電素子の第１の実施の形態について説明する。
図３（ａ）に示す通り、本発明の発電素子１は第１の発電部６０、フレーム１０、磁石７０から概略構成される。
第１の発電部６０はフレーム１０の自由端側２０において逆磁歪効果による発電を行うために設けられており、第１の磁歪棒６１、第１のコイル６２及び第１の磁性棒６３から概略構成される。
第１の磁歪棒６１は磁性材料で構成される棒状部材である。磁性材料の種類は特に限定されるものではないが、例えば鉄ガリウム合金であるGalfenolを用いることができ、他に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、引張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。詳しい説明は後述するが、第１の磁歪棒６１は外力を受けて収縮／伸長するため延性を有する磁性材料で構成するのが好ましい。第１の磁歪棒６１の形状は棒状であればよく、例えば直方体や円柱状が挙げられる。
第１のコイル６２は第１の磁歪棒６１に巻かれており、電磁誘導の法則により第１の磁歪棒６１内を通る磁力線の時間変化に比例して電圧を発生させる。
第１のコイル６２の材質は特に限定されるものではないが、例えば銅線を用いることができる。また、第１のコイル６２の巻数を変更することにより電圧の大きさを調整できる。
【００１８】
第1の磁性棒６３は、第１の磁歪棒６１と平行に配置される平行梁構造をとることで、第１の磁歪棒６１の断面に一様な圧縮力又は引張力を加えられる剛性及び形状を有している。つまり、外力の付加によりこの平行梁構造が撓む際に、中立軸（応力がゼロになることで収縮／伸長しない軸）を第１の磁歪棒６１の断面外に位置させるために必要な剛性及び形状を有している。
フレーム１０はコ字状に屈曲した磁性材料からなる。フレーム１０は、その長手方向がほぼ水平になるように且つ屈曲箇所４０を挟んで一方の端部が固定端、他方の端部が自由端になるようにいわゆる片持ち梁の状態で固定支持される。本発明において「コ字状」にはフレーム１０の自由端側２０から固定端側３０に滑らかなカーブを描いて曲がるいわゆる「Ｕ字状」も含まれ、また、自由端側２０と固定端側３０の間隔が屈曲箇所４０から自由端側の端部２２及び固定端側の端部３２に向かうにつれて次第に広がっていくいわゆる「Ｖ字状」も含まれるものとする。
本発明の「フレームの自由端側の屈曲箇所近傍に作用する曲げモーメントと剪断力を、固定端側の屈曲箇所近傍に作用する曲げモーメントと剪断力でほぼ相殺する」という効果を十分に奏するには、ほぼ直角或いは直角に近い角度の屈曲点を２つ備えるフレーム形状が最も好ましいが、屈曲点が明確ではないＵ字状、屈曲点が１つのＶ字状、更には屈曲点が３つ以上の多段形状であっても、上述したモーメントと剪断力の相殺効果を得られる形状であれば、本発明において広義の「コ字状」に含むものとする。
上述の通り第１の発電部６０はフレーム１０の自由端側２０に取り付けられており、より詳細には、屈曲箇所４０を通ってフレーム１０を自由端側２０と固定端側３０とに二分する直線Ｌに対して、第１の磁歪棒６１の方が第１の磁性棒６３よりも遠い位置になるように（当該直線から離れる位置に）取り付けられている。
【００１９】
磁石７０は、フレーム１０の互いに対峙する２つの内側面１１及び１２のうち下側の内側面１２に取り付けられる。このように磁石７０を下側の内側面１２にのみ取り付けることで、磁石７０と上側の内側面１１との間に空隙１３を設けている。なお、磁石７０を上側の内側面１１にのみ取り付けてもよい。
上述の通りフレーム１０は磁性材料からなるので、フレーム１０の一部（磁石７０の取り付け位置近傍から第１の磁歪棒６１の前端近傍まで）がバックヨーク１５として機能し、磁石７０からの磁力線が第１の磁歪棒６１及びバックヨーク１５を通過することで一つの磁気回路が形成される。なお、本実施の形態では磁石７０として永久磁石７０を使用するが、これに限らず例えば電磁石を用いてもよい。また、フレーム１０全体のうちバックヨーク１５として機能させる部分のみを磁性体材料で構成してもよいが、屈曲箇所４０近傍に作用する曲げモーメントと剪断力を自由端側２０と固定端側３０とで相殺するという観点からは、可能な限り自由端側２０と固定端側３０を同一の材料で構成するのが好ましく、現実的にはフレーム１０全体を均質の磁性体材料にすることが好ましい。
【００２０】
このような構造を備える発電素子１に対して外力を付加すると、自由端側２０と固定端側３０が共に振動し、逆磁歪効果によって第１のコイル６２に誘導電圧（または誘導電流）が発生して発電される。
詳細には、コ字状のフレーム１０はその固定端側の端部３２が固定部材に固定支持された片持ち梁構造とみなすことができる。その自由端側の端部２２に外力を付加すると、屈曲箇所４０を通ってフレーム１０を自由端側２０と固定端側３０とに二分する直線Ｌを挟んで自由端側２０と固定端側３０はほぼ線対称に変形する。つまり、図４（ａ）に示すようにフレーム１０の自由端側２０が上方に撓む場合、固定端側３０は線対称に下方に撓み、図４（ｂ）に示すように自由端側２０が下方に撓む場合、固定端側３０は線対称に上方に撓む。換言するとコ字状のフレーム１０はその自由端側２０と固定端側３０とが共に開口１４を開く又は閉じるように同時に変形する。
【００２１】
ここで、例えば自由端側２０が下方に撓んでいるとき（開口１４が閉じるように変形しているとき）、これに伴って第１の磁歪棒６１の断面全体には曲げモーメントに対応する引張応力が発生し、第１の磁歪棒６１は伸長する。この際に第１の磁性棒６３の断面全体には曲げモーメントに対応する圧縮応力が発生し、第１の磁性棒６３は収縮する。
一方、自由端側２０が上方に撓んでいるとき、これに伴って第１の磁歪棒６１の断面全体には曲げモーメントに対応する圧縮応力が発生し、第１の磁歪棒６１は収縮する。この際には第１の磁性棒６３の断面全体には曲げモーメントに対応する引張応力が発生し、第１の磁性棒６３は伸長する。
【００２２】
このように、フレーム１０の振動に伴って第１の磁歪棒６１に引張／圧縮応力が生じて伸長／収縮することにより、第１の磁歪棒６１の磁化は逆磁歪効果により増加／減少し、第１の磁歪棒６１に巻かれた第１のコイル６２を貫く磁束密度も増加／減少する。この磁束密度の時間的変化により、第１のコイル６２に誘導電圧（または誘導電流）が発生する。片持ち梁構造のフレーム１０は外力の付加により曲げ振動するので、共振によって連続発電を行うことができる。
なお、本実施の形態では屈曲箇所４０を通ってフレーム１０を自由端側２０と固定端側３０とに二分する直線Ｌに対して、第１の磁歪棒６１を第１の磁性棒６３よりも遠い位置に取り付けるものとしたが、図３（ｂ）に示すように第１の磁歪棒６１を第１の磁性棒６３よりも近い位置に取り付けてもよい。
【００２３】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の発電素子の第２の実施の形態について説明するが、上記第１の実施の形態と同一の構造になる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
図５に示すように本実施の形態の発電素子２は、フレーム１０の自由端側の端部２２が上方に屈曲している点に特徴を有する。
上記第１の実施の形態はフレーム１０の自由端側２０に対して鉛直方向から外力が左右する場合に適した構造であるが、本実施の形態は自由端側の端部２２に対して水平方向から外力が作用する場合に適した構造になる。自由端側の端部２２に対して水平方向から外力が作用すると、上方への屈曲箇所２２ａに曲げモーメントが作用し、この曲げモーメントによってフレーム１０全体が振動し、第１の磁歪棒６１に引張／圧縮応力が作用することになる。
なお、図示は省略するが、図１（ｂ）と同様に自由端側２０の端部２２の位置を固定支持箇所５０の直上にすれば固定支持箇所５０に生じる曲げモーメントと剪断力を極力小さくできる。
【００２４】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の発電素子の第３の実施の形態について説明するが、上記各実施の形態と同一の構造になる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
図６（ａ）に示すように本実施の形態の発電素子３は、フレーム１０の固定端側の端部３２が振動体Ｂに固定支持されており、自由端側の端部２２に錘１１０を取り付けている点に特徴を有する。
この場合、外力は固定端側の端部３２に付加されることになるが、フレーム１０の自由端側２０と固定端側３０は共に開口１４を開く又は閉じるように同時に変形する点は上記各実施の形態と同様である。自由端側の端部２２に錘１１０を付けることで、一旦振動を開始した錘１１０は慣性力により長時間振動し続けるので、フレーム１０全体の振動を長時間持続させられる。なお、発電素子３が錘１１０を備えずに振動体Ｂに固定支持される構造であってもよい。
また、図６（ｂ）に示すように固定端側の端部３２に鉛直方向の大きな衝撃力Ｆを付加することで、錘１１０に大きな慣性力を作用させてフレーム１０を振動させることにしてもよい。
【００２５】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の発電素子の第４の実施の形態について説明するが、上記各実施の形態と同一の構造になる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
図７に示すように本実施の形態の発電素子４は、自由端側の端部２２に磁石１３０を備えており、この磁石７０が固定端側３０の端部に対して周知のスイッチ機構１３１により着脱自在な構造になっている。固定端側３０に磁着した磁石１３０を外すには、例えばスイッチ機構としての棒状部材１３１ａを鉛直方向に回転可能となるように固定端側３０に軸支しておき、テコの原理を利用して棒状部材１３１ａの先端を磁石１３０と共に上方に跳ね上げることで行う仕組みにすればよい。
このようにスイッチ機構１３１で磁石１３０を着脱自在な構造にすることで、スイッチをオン／オフするワンクリック動作で電力を容易に得ることが可能になる。
【００２６】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の発電素子の第５の実施の形態について説明するが、上記各実施の形態と同一の構造になる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
図８に示すように本実施の形態の発電素子５は第２の発電部１００を備える点に特徴を有する。
第２の発電部１００は、磁歪材料からなる第２の磁歪棒１０１、第２の磁歪棒１０１に巻かれる第２のコイル１０２、第２の磁歪棒１０１に一様な圧縮力又は引張力を加えるための剛性及び形状を有しており当該第２の磁歪棒１０１と平行に配置される第２の磁性棒１０３から概略構成される。
第２の発電部１００は固定端側３０に取り付けられており、その際に、上記対称軸Ｌに対して第１の磁歪棒６１、第１の磁性棒６３、第２の磁歪棒１０１及び第２の磁性棒１０３を線対称に配置する。つまり、上方から下方に向かって第１の磁歪棒６１、第１の磁性棒６３、対称軸Ｌ、第２の磁性棒１０３、第２の磁歪棒１０１の順に配置する。
【００２７】
このように、第１の発電部６０と第２の発電部１００の内部構造を対称軸Ｌに対して線対称にすることで、振動時における自由端側２０と固定端側３０の変形量（撓み量）を可能な限り等しくして、屈曲箇所４０近傍に作用する曲げモーメントと剪断力を自由端側２０と固定端側３０で効果的に相殺することができる。
なお、本実施の形態の発電素子５に対して、上記第２の実施の形態で示した自由端側の端部２２の上方への屈曲や、第３の実施の形態で示した振動体Ｂ及び錘１１０の取り付け、第４の実施の形態で示したスイッチ機構１３１を組み合わせてもよい。
【００２８】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の発電素子の第６の実施の形態について説明するが、上記各実施の形態と同一の構造になる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
図９に示すように本実施の形態の発電素子６は、第３の実施の形態で示した発電素子３を２つ備えると共に錘１１０を共通化し、各発電素子３の自由端側２０同士及び固定端側３０同士を連結する点に特徴を有する。
このような構造を備えることで、２つの発電素子３は連結箇所を挟んで対称に変形するので、固定端側の端部３２に生じる曲げモーメントや剪断力を限りなくゼロにすることが可能となり、当該端部３２における固定端損失をほぼ完全に防止できる。なお、発電素子６が錘１１０を備えない構造であってもよい。
【００２９】
本発明の発電素子に対して付加される外力は、必ずしもフレーム１０の長手方向に対して直交する方向からのみ付加されるわけではなく、フレーム１０の長手方向に対して斜め方向から付加されるケースも想定される。このように外力が斜め方向から付加される場合には、当該外力をフレーム１０の長手方向に沿う成分と、長手方向に直交する成分とに分割して、長手方向に直交する外力成分によってフレーム１０に振動が与えられ、上記効果を奏するものとする。また、上記各実施の形態ではフレーム１０の長手方向が水平方向にのびるように固定端側の端部３２を固定支持する場合について説明したが、これに限らず、図１０に示すようにフレーム１０の長手方向が水平方向に対して斜めにのびるように固定支持することにしてもよい。
【００３０】
［第７の実施の形態］
次に、本発明の発電素子の第７の実施の形態について説明するが、上記各実施の形態と同一の構造になる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
図１１に示すように本実施の形態の発電素子７は第１の発電部２００をフレーム１０の屈曲箇所１０ａに取り付けると共に、第1の磁歪棒２０１をフレーム１０の外側面１８に取り付け、第1の磁性棒２０２をフレーム１０の内側面１９に取り付ける点に特徴を有する。
発電素子７への外力の付加は、自由端側２０の端部２２に行ってもよく、或いは固定端側３０の端部３２に振動体（図示略）を取り付け、当該振動体で行ってもよい。
このような構造を備えることで、上述のとおり、開口１４が開くように変形している間は圧縮応力により第１の磁歪棒２０１は収縮して第１のコイル２０３を貫く磁束密度が減少する。一方、開口１４が閉じるように変形している間は引張応力により第１の磁歪棒２０１は伸長して第１のコイル２０３を貫く磁束密度が増加するので、空隙１３の幅の増加／減少にともなう磁束密度の減少／増加と、第１の磁歪棒２０１に生じる圧縮応力／引張応力の変化に伴う磁束密度の減少／増加とを一致させることができる。
また、屈曲箇所１０ａに第1の発電部２００を設けることで、振動時に自由端側２０の長手方向に対して垂直に作用する力によって、第1の発電部２００を湾曲させる曲げモーメントのみが当該第1の発電部２００に対して作用することになるので発電効率を向上させることができる。
また、第５の実施の形態と第７の実施の形態とを組み合わせた例として、図１２に示すように第１の発電部２００ａ、２００ｂをフレーム１０の自由端側２０と屈曲箇所１０ａのそれぞれに取り付け、第２の発電部２０４を固定端側３０に取り付ける構造にしてもよい。
【００３１】
［第８の実施の形態］
次に、本発明の発電素子の第８の実施の形態について説明するが、上記各実施の形態と同一の構造になる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
図１３に示すように本実施の形態の発電素子８は第７の実施の形態で示したような第1の発電部２００をフレームの屈曲箇所１０ａに取り付けた２つの発電素子３００ａ、３００ｂを対向配置すると共に両発電素子の固定端３０１ａ、３０１ｂを共通化した点と、各々の自由端側の端部に同一質量の錘３０２ａ、３０２ｂを付けた点に特徴を有する。
本実施の形態の発電素子８によれば、振動時に固定端３０１ａ、３０１ｂにかかるモーメントの向きが逆になり、互いに打ち消し合うことで、いわゆる音叉の原理により振動を長時間持続させることができる。
図１４は変形例1を示しており、錘３０３ａ、３０３ｂの質量を異ならせることで、発電素子全体が2種類の固有振動数で共振する構造になるため、高効率で発電できる周波数を広帯域化できる。
また、図１５は変形例2を示しており、各錘３０２ａ、３０２ｂの側面に対抗して磁石３０４ａ、３０４ｂを配置することで、磁力の吸引力や反発力によってバネ性が非線形になり、高効率で発電できる周波数帯を広域化できる。
【００３２】
［第９の実施の形態］
次に、本発明の発電素子の第９の実施の形態について説明するが、上記各実施の形態と同一の構造になる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
図１６に示すように本実施の形態の発電素子９は、自由端側２０の端部２２に磁石３０５を備えると共に、固定端側３０の一部から長手方向にのびるスイッチ板３０６を備える点に特徴を有する。
スイッチ板３０６は磁石３０５と着脱自在な構造になっており、スイッチ板３０６に磁石３０５が磁着した状態からスイッチ板３０６を矢印で示すように下方に押し下げることで磁着が解除され、自由端側２０が上方に跳ね上がることで振動する仕組みになっている。
本実施の形態の発電素子９も上記第４の実施の形態と同様にスイッチをオン／オフするワンクリック動作で電力を容易に得ることが可能になる。
【００３３】
［第１０の実施の形態］
次に、本発明の発電素子の第９の実施の形態について説明するが、上記各実施の形態と同一の構造になる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
図１７（ａ）及び（ｂ）に示すように本実施の形態の発電素子４００ａは、第１の磁歪棒４０１、第１のコイル４０２及び第１の磁性棒４０３から成る第１の発電部４０４において、第1の磁歪棒４０１を幅方向（左右方向）に2分割した点に特徴を有する。
このような構造を採用できるのはフレーム１０の側面に磁石を配置しなくてよい本発明特有の効果であり、左右いずれか一方の第1の磁歪棒（例えば左の磁歪棒４０１ａ）に割れや欠け等の破損が生じたり、接合箇所から剥がれる等によって機能しなくなった場合でも、他方の第1の磁歪棒（例えば右の磁歪棒４０１ｂ）が機能するので、性能は落ちるものの、発電素子４００ａが使用不可の状態に陥る事態を防ぐことができる。
また、他方の第1の磁歪棒４０１ｂのみで作動している間に破損した方の第1の磁歪棒４０１ａを用意し、交換すればよいので発電素子４００ａが使用不可の期間を短時間で終わらせることができる。
また、一般的に磁歪棒は丸棒から短冊の板状に切り出して作製されるため、その幅に製造上の制約がある。しかし、磁歪棒を幅方向に2つ組み合わせて一つの磁歪棒として使用する本実施の形態によれば幅方向に広い発電素子を得られる。
【００３４】
［第１１の実施の形態］
次に、本発明の発電素子の第１１の実施の形態について説明するが、上記各実施の形態と同一の構造になる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
図１８に示すように本実施の形態の発電素子４００ｂは、上記第１０の実施の形態で示した左右2つの磁歪棒４０１ａ、４０１ｂのそれぞれに対して第1のコイル４０５ａ、４０５ｂを巻いた点に特徴を有する。
これにより、左右いずれか一方の第1のコイル（例えば左の第1のコイル４０５ａ）が断線や短絡等によって機能しなくなった場合でも、他方の第1のコイル（例えば右の第1のコイル４０５ｂ）が機能するので、性能は落ちるものの、発電素子４００ｂが使用不可の状態に陥る事態を防ぐことができる。
また、他方の第1のコイル４０５ｂのみで作動している間に破損した方の第1のコイル４０５ａを用意し、交換すればよいので発電素子４００ｂが使用不可の期間を短時間で終わらせることができる。
なお、上記第１０の実施の形態で示した第1の磁歪棒４０１を幅方向に分割する構成や上記第１１の実施の形態で示した第1のコイル４０５ａ、４０５ｂを第1の磁歪棒４０１ａ、４０１ｂ各々に巻く構成を、第７又は第８の実施の形態に示したような第1の発電部を屈曲箇所に設ける発電素子に採用してもよい。
【００３５】
［第１２の実施の形態］
次に、本発明の発電素子の第１２の実施の形態について説明するが、上記各実施の形態と同一の構造になる箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。
図１９に示すように本実施の形態の発電素子５００は、２つの発電素子５００ａ、５００ｂを左右方向に平行に並べ、各々の自由端同士、固定端同士を板体５０１ａ、５０１ｂ（振動板）で繋いだ点に特徴を有する。
具体的には、各発電素子５００ａ、５００ｂの自由端側のフレーム及び固定端側のフレームの後端を短くし、当該後端から後方にのびるような寸法の振動板５０１ａ、５０１ｂを接合している。
振動板５０１ａ、５０１ｂはバネ性のある金属や樹脂等の材料で構成している。振動板５０１ａ、５０１ｂの寸法（長さ及び厚さ）や振動板に錘を付けることによってバネ特性を変えて共振周波数を調節できる。
【００３６】
上記各実施の形態ではフレームの一部を屈曲させたり、２つの発電素子のフレーム同士を接合したり、或いはフレームに対して衝撃力、復元力、慣性力、磁力、流体力等を与えるものとしたが、本実施の形態では振動板にこのようなフレームの機能を与えることになる。
本実施の形態では２つの発電素子を左右方向に並べるものとしたが、これに限らず発電素子を３つ以上並べてもよい。
【００３７】
次に本発明のアクチュエータ１２０について説明する。
図２０に示すように本発明のアクチュエータ１２０は、第１の実施の形態で示した発電素子１と同一の構造を備えている。なお、説明の便宜上、アクチュエータ１２０を構成する各要素については上記発電素子１を構成する各要素の名称をそのまま使用する。
すなわち、アクチュエータ１２０は第１の磁歪棒６１、第１のコイル６２、第１の磁性棒６３、フレーム１０、磁石７０から概略構成されており、第１のコイル６２に電流を流すことで第１の磁歪棒６１を伸長／収縮させ、これによりまず自由端側２０を振動させる。自由端側２０の振動は次に屈曲箇所４０を挟んで固定端側３０に伝達され、時間の経過と共に自由端側２０と固定端側３０とが共振し、振動が維持される仕組みになっている。
なお、本発明のアクチュエータ１２０は第１の実施の形態で示した発電素子１に限らず、上記各実施の形態で示した発電素子と同一の構造にしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、振動中の運動エネルギーの損失を抑えて振動を長続きさせることができる発電素子及びこの発電素子の構造を利用するアクチュエータに関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００３９】
B  振動体
F  衝撃力
L  直線（対称軸）
1  発電素子
2  発電素子
3  発電素子
4  発電素子
5  発電素子
6  発電素子
7 発電素子
8 発電素子
9 発電素子
10 フレーム
10a 屈曲箇所
11 内側面
12 内側面
13 空隙
14 開口
15 バックヨーク
16 凹部
16a 溝
17 溝
18 外側面
19 内側面
20 自由端側
21 端部
22 端部
22a 屈曲箇所
30 固定端側
31 端部
32 端部
40 屈曲箇所
50 固定支持箇所
60 第１の発電部
61 第１の磁歪棒
62 第１のコイル
63 第１の磁性棒
70 磁石
80 バイアス磁束
90 半田又は蝋
91 金属棒
100 第２の発電部
101 第２の磁歪棒
103 第２の磁性棒
110 錘
120 アクチュエータ
130 磁石
131 スイッチ機構
131a棒状部材
200 第１の発電部
201 第1の磁歪棒
202 第1の磁性棒
203 第１のコイル
204 第２の発電部
300a,300b発電素子
301a,301b 固定端
302a,302b 錘
303a,303b 錘
304a,304b 磁石
305 磁石
306 スイッチ板
400a 発電素子
400b 発電素子
401 第１の磁歪棒
402 第１のコイル
403 第１の磁性棒
404 第１の発電部
405a,405b 第1のコイル
500 発電素子
500a,500b 発電素子
501a,501b振動板
【図１】
2015141414.tif 000003
【図２】
2015141414.tif 000004
【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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【国際調査報告】
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2015141414.tif 000025
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