(57)【要約】【課題】  ばねの急速変形による衝撃で高周波数の振動を励振することで大きな電力を得ることができる発電素子を提供する。【解決手段】  本発明の発電素子1は、磁歪材料又は圧電材料によって発電する発電部10と、固定端及び自由端を備えており前記発電部が取り付けられるフレーム20と、前記フレームに衝撃力を与えるばね要素30とを備えることを特徴とする。ばね要素としては引張ばねが好ましい。引張ばねは自由長で密着状態にあり、それ以下に縮むことができない性質を有する。引張ばねに引張力を作用させて伸ばしたときに蓄積された弾性エネルギーは、引張ばねが縮んで自由長に戻る際の運動エネルギーに変換される。この運動エネルギーの大部分は引張ばねがフレームに衝突した際の衝撃エネルギーとしてフレームに作用し、更に、フレームの高周波で励振されることに起因して発電素子から得られる電気エネルギーに変換される。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪材料又は圧電材料によって発電する発電部と、
固定端及び自由端を備えており前記発電部が取り付けられるフレームと、
前記フレームに衝撃力を与えるばね要素とを備えることを特徴とする発電素子。
【請求項２】
前記ばね要素のうち前記フレームに固定する側の端部を固定端、他方の端部を自由端とした場合に、当該自由端を、発電素子に対して相対的に変位する物体に固定するための固定手段を備えており、
前記自由端と前記物体との相対距離が一定値以上になった場合に前記固定が解除され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】
前記ばね要素が引張ばねであることを特徴とする請求項1又は2に記載の発電素子。
【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に関し、特にばねの急速変形による衝撃で高周波数の振動を励振することで大きな電力を得ることができる発電素子に関する。
【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（特許文献1）。
振動発電の他の例として圧電素子を利用する技術も知られている。
例えば特許文献2には、シリコン梁の一端を固定した片持ち梁構造で、シリコン梁の他端におもりを取り付け、シリコン梁の上面に圧電素子（ピエゾ素子）を固定した発電素子が開示されている。この発電素子に振動を与えてシリコン梁を振動させることで圧電素子に電圧を発生させる仕組みになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第4905820号公報
【特許文献２】特開2010−259160号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上述した従来技術では次のような問題が生じる。
すなわち、磁歪素子及び圧電素子に発生する電圧は共振周波数に比例して大きくなるため、大きな電力（高い電圧）を得るには高周波数の振動で発電素子を励振させるのが好ましい。
上述した従来技術では、外力を作用させて梁を撓ませたあと、外力を除去することで梁を振動させたり（特許文献1）、あるいは振動が発生している環境下に圧電素子を置くことで当該振動を圧電素子に伝達させる（特許文献2）ことを前提とした構造を備えているため、梁に大きな力を急激に作用させて梁を高い共振周波数で励振させることが難しいという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような問題を考慮して、ばねの急速変形による衝撃で高周波数の振動を励振することで大きな電力を得ることができる発電素子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】
【０００６】
本発明の発電素子は磁歪材料又は圧電材料によって発電する発電部と、固定端及び自由端を備えており前記発電部が取り付けられるフレームと、前記フレームに衝撃力を与えるばね要素とを備えることを特徴とする。
また、前記ばね要素のうち前記フレームに固定する側の端部を固定端、他方の端部を自由端とした場合に、当該自由端を、発電素子に対して相対的に変位する物体に固定するための固定手段を備えており、前記自由端と前記物体との相対距離が一定値以上になった場合に前記固定が解除されることを特徴とする。
また、前記ばね要素が引張ばねであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、ばね要素を用いてフレームに衝撃力を与えるので、フレームが高い共振周波数で励振され、その結果として発電部で大きな電力を得ることができる。
すなわち、一般論として磁歪材料又は圧電材料を用いる発電素子では、発生電圧eは発電素子の振動の周波数fと、発電素子に作用する力F（作用力F）に比例し、作用力Fはフレームの変形量sに比例するため、発生電圧eは以下の式1で表すことができる。
e = k f s・・・(式1)
（k:比例定数）
また、これにより発電素子から取り出すことができる電力pは発生電圧eのジュール損との関係において以下の式2で表すことができる。
p = e2 /R・・・(式2)
(Rは抵抗)
運動量を有した物体がフレームに衝突すると、過渡的に大きな衝撃力（パルス状の力）がフレームに作用し、これによりフレームに共振が励振される。フレームを振動させる方法として衝撃力を利用する場合、全ての周波数成分を含んだ理想的な励振をフレームに生じさせることができる場合がある。
そして、フレームのばね剛性（ばね定数）を高くすることで高い共振周波数fが励振されるので、上記式1及び式2のとおり、高い電圧eが発電部で発生し、その結果高い電力pを得ることができる。
【０００８】
本発明では大電力を得るための方法としてフレームに対して大きな衝撃力を作用させる点が特徴の一つであり、また、大きな衝撃力を作用させる方法としてばね要素を用いる点も特徴の一つである。ばね要素のなかでも、軸方向に荷重を付加したときにそれに抵抗する力が生じる引張ばねを使用するのが好ましい。
引張ばねは自由長で密着状態にあり、それ以下に縮むことができない性質を有する。引張ばねに引張力を作用させて伸ばしたときに蓄積された弾性エネルギーは、引張力を除去することで引張ばねが縮んで自由長に戻る際の運動エネルギーに変換される。この運動エネルギーの大部分は引張ばねがフレームに衝突した際の衝撃エネルギーとしてフレームに作用し、一部は引張ばねの跳ね返りの運動エネルギーや音、熱などで消費される。
フレームに与えられた衝撃エネルギーの大部分はフレームの高周波で励振されることに起因して発電素子から得られる電気エネルギーに変換される。
このように、本発明ではフレームに衝撃力を与えることでフレームを高い共振周波数で励振させることができる。従来技術（特許文献1）のようにフレームに直接外力を作用させて撓ませる場合には、フレームのばね剛性が高い場合にはフレームが撓みにくく、フレームに蓄積される弾性エネルギーは小さく、発電素子から得られる電気エネルギーも小さくならざるを得ない。
なお、ばね要素としては、軸方向に引張荷重を負荷したときにそれに抵抗する力が生じる引張ばね、長手方向に引張荷重を負荷したときにそれに抵抗する力が生じるゴム、面に直交する方向に荷重を負荷したときにそれに抵抗する力が生じる板ばねなど、抵抗力を利用してフレームに衝撃力を与えることができるばねであればよく、特に引張コイルばねが適しているが、必ずしもこれに限定されない。
また、ばね要素として、軸方向に圧縮荷重を負荷したときにそれに抵抗する力が生じる圧縮ばねを用いる場合、引張荷重を圧縮ばねに負荷して伸ばしたあと、引張荷重を除去すると、蓄えられた弾性エネルギーの大部分は圧縮ばねを自由長から更に縮ませるための弾性エネルギーに再び蓄積されるため、フレームに大きな衝撃力を作用させるのが難しいという問題がある。
また引張ばねの自由端を、移動する物体に固定するための固定手段を備えており、自由端と物体との相対距離が一定値以上になった場合に固定が解除されることにすれば、固定が解除されると引張ばねが縮み、フレームに衝突することで発電部で発電されるので、固定が解除されたタイミングを検知するセンサとして発電素子を利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第1の実施の形態においてばね要素を引っ張る前の状態を示す断面図（a）、外力を作用させてばね要素を引っ張った状態を示す断面図(b)及び外力を除去してばね要素が縮みきった状態を示す断面図(c)
【図２】フレームが振動している状態を示す断面図(a)及び(b)
【図３】第2の実施の形態においてばね要素を引っ張る前の状態を示す断面図（a）、外力を作用させてばね要素を引っ張った状態を示す断面図(b)及び外力を除去してばね要素が縮みきった状態を示す断面図(c)
【図４】第3の実施の形態においてばね要素を引っ張る前の状態を示す断面図（a）、外力を作用させてばね要素を引っ張った状態を示す断面図(b)及び外力を除去してばね要素が縮みきった状態を示す断面図(c)
【図５】第4の実施の形態において物体としての扉が閉じた状態を示す断面図（a）、扉を開いた状態を示す断面図(b)及び扉を更に開くことで固定手段による自由端の固定が外れた状態を示す断面図(c)
【図６】第5の実施の形態において物体としての皿に錘が入っていない状態を示す断面図（a）、皿に錘を入れた状態を示す断面図(b)及び錘を更に入れることで固定手段による自由端の固定が外れた状態を示す断面図(c)
【図７】第5の実施の形態において物体として浮きを用い、水位が低い状態を示す断面図（a）、水位上昇中の状態を示す断面図(b)及び水位が更に上昇することで固定手段による自由端の固定が外れた状態を示す断面図(c)
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第１の実施の形態］
次に、本発明の発電素子1の第１の実施の形態について説明する。
図1に示すように、本実施の形態の発電素子1は発電部10、フレーム20及びばね要素30を備える。
発電部10は磁歪材料による逆磁歪効果を利用して発電する。
具体的には、発電部10は磁歪材料からなる磁歪棒11、磁歪棒11に巻かれるコイル12、磁歪棒11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磁歪棒11と平行に配置される磁性棒13、磁石14から構成される。
磁歪棒11は磁歪材料で構成される棒状部材である。磁歪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、磁歪棒11は外力を受けて収縮／伸長するため延性を有する磁歪材料で構成するのが好ましい。磁歪棒11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。
コイル12は磁歪棒11に巻かれており、電磁誘導の法則により磁歪棒11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。コイル12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、コイル12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。
【００１１】
磁性棒13は、磁歪棒11と平行に配置される平行梁構造をとることで、磁歪棒11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）を磁歪棒11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。
磁石14は次に述べるフレーム20に取り付けられており、予め磁歪棒11を磁化するために用いられる。
フレーム20はコ字状に屈曲した磁性材料からなる。フレーム20は、その長手方向がほぼ水平になるように且つ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20の自由端側から固定端側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、自由端側と固定端側の間隔が屈曲箇所から自由端側の端部及び固定端側の端部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。
フレーム20の屈曲箇所に発電部10が取り付けられており、磁歪棒11がフレーム20の外側面に、磁性棒13がフレーム20の内側面に位置するように取り付けられている。
【００１２】
具体的には、フレーム20の屈曲箇所近傍には、自由端側から下方にのびる第1延長部21と、固定端側から上方にのびる第2延長部22とが、各々の端面が対向するように設けられている。そして、第2延長部22の端面に磁石14（永久磁石14）が取り付けられている。
このように永久磁石14を第2延長部22にのみ取り付けることで、永久磁石14と第1延長部21の端面との間に空隙23を設けている。なお、永久磁石14を第1延長部21の端面にのみ取り付けてもよい。
上述の通りフレーム20は磁性材料からなるので、フレーム20の一部（永久磁石14の取り付け位置近傍から磁歪棒11の前端近傍まで）がバックヨークとして機能し、磁石14からの磁力線が磁歪棒11及びバックヨーク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14として永久磁石を使用するが、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20全体のうちバックヨーク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、屈曲箇所近傍に作用する曲げモーメントと剪断力を自由端側と固定端側とで相殺し、フレーム20の振動を長続きさせるという観点からは、可能な限り自由端側と固定端側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20全体を均質の磁性体材料にすることが好ましい。
【００１３】
ばね要素30はフレーム20に衝撃力を与えるための部材である。
本実施の形態ではばね要素30として引張ばね31を用いている。
引張ばね31のうちフレーム20の自由端側に固定する側の端部を固定端32、他方の端部を自由端33とした場合に、図1(a)に示すように自由端33を上方に引っ張って引張ばね31を伸ばすことで、引張ばね31に弾性エネルギーが蓄積される。
図1(b)に示すように引張ばね31を充分に引っ張ったあと、自由端33を離すと引張ばね31は下方に縮んでいき、図1(c)に示すように完全に縮みきった状態では剛体となり、フレーム20の自由端側に衝撃力を与える。
図2に示すように、衝撃力を受けたフレーム20はその自由端側と固定端側が共に高周波で振動し、逆磁歪効果によってコイル12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20はその固定端側の端部が固定部材34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に衝撃力が加わると、屈曲箇所を通ってフレーム20を自由端側と固定端側とに二分する直線Lを挟んで自由端側と固定端側はほぼ線対称に変形する。つまり、図2(a)に示すようにフレーム20の自由端側が上方に撓む場合、固定端側は線対称に下方に撓み、図2(b)に示すように自由端側が下方に撓む場合、固定端側は線対称に上方に撓む。換言するとコ字状のフレーム20はその自由端側と固定端側とが共に開口を開く又は閉じるように同時に変形する。
そして、開口が開くように変形している間は圧縮応力により磁歪棒11は収縮してコイル12を貫く磁束密度が減少する。一方、開口が閉じるように変形している間は引張応力により磁歪棒11は伸長してコイル12を貫く磁束密度が増加する。このように、空隙23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11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。
【００１４】
フレーム20の振動に伴って磁歪棒11に引張／圧縮応力が生じて伸長／収縮することにより、磁歪棒11の磁化は逆磁歪効果により増加／減少し、磁歪棒11に巻かれたコイル12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、コイル12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20は衝撃力の付加により高周波数で共振するので高い電圧が発生する。
また、フレーム20の屈曲箇所に発電部10を設けることで、振動時に自由端側の長手方向に対して垂直に作用する力によって、発電部10を湾曲させる曲げモーメントのみが当該発電部10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。
なお、本実施の形態では発電部10をフレーム20の屈曲箇所に設けることにしたが、フレーム20の自由端側や固定端側に設けてもよく、また、複数の発電部10をフレーム20に設けてもよい。
【００１５】
［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3(a)〜(c)に示すように本実施の形態の発電素子2は、直線状のフレーム40を用いる点に特徴を有する。
フレーム40の自由端側の端部に取り付けた引張ばね31により衝撃力が加わると、第1の実施の形態と同様にフレーム40は高周波数で励振される。そして、フレーム40が下方に撓むように変形している間は圧縮応力により磁歪棒11は収縮してコイル12を貫く磁束密度が減少する。一方、フレーム40が上方に撓むように変形している間は引張応力により磁歪棒11は伸長してコイル12を貫く磁束密度が増加する。この磁束密度の時間的変化を利用して発電部10で発電できる。
【００１６】
［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4(a)〜(c)に示すように本実施の形態の発電素子3は、発電部10として圧電素子50を用いる点に特徴を有する。
フレーム20の自由端側の端部に取り付けた引張ばね31により衝撃力が加わると、第2の実施の形態と同様にフレーム20は高周波数で励振される。そして、フレーム40が下方に撓むように変形している間と上方に撓むように変形している間に圧電素子50が変形して発電される。
【００１７】
［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5に示すように本実施の形態の発電素子4は、引張ばね31の自由端33に固定手段60を備える点を特徴とする。
固定手段60は引張ばね31の自由端33を、発電素子1に対して相対的に移動する物体70に接合させるためのものである。
固定手段60としては磁石、面ファスナー、両面テープ、吸盤、クリップ、ボタン、接着剤等が挙げられるが、これらに限定されず、例えば静電気力を利用するものでもよい。
本実施の形態では物体70の例として扉71を用い、固定手段60として磁石61及び磁性体62を用いている。
図5(a)に示すように扉71を閉じた状態では引張ばね31は縮んでおり、自由端33に設けた磁性体としての鉄片62は扉71に設けた磁石61に一時的に固定されている。そして、図5(b)に示すように扉71を開けると、鉄片62は磁石61及び扉71と一体に移動し、引張ばね31が伸びた状態になる。そして、図5(c)に示すように一定量以上扉71が開いた状態（自由端33と物体70との相対距離が一定値以上になった状態）では、固定が解除されて鉄片62が磁石61から離れ、これと同時に引張ばね31が縮んでいき、フレーム40の自由端側に衝撃力を与えて発電部10で発電される。
固定手段60として磁石、面ファスナー、両面テープ、吸盤、クリップ、ボタン等の繰り返し脱着可能な手段を用いることにすれば、繰り返し発電することができる。なお、衝撃による破損を防止する観点から磁石61は物体70側に設けるのが好ましい。また、磁性体62（鉄片）は必ず必要というわけではなく、物体70の一部が磁性材から成る場合には、引張ばね31の自由端33に磁石61を設けて、磁石61を物体70の磁性材部分に一時的に固定する構成にしてもよい。
物体70は発電素子4に対して相対的に移動するものであればよく、物体70は移動せずに発動素子4が移動する構成であってもよい。発電部10で発電されたことを検知するセンサを設けておくことで扉が開いたことを検知でき、防犯装置等として利用できる。
【００１８】
［第５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6に示すように本実施の形態の発電素子5は、物体70の例として皿72を用いる点に特徴を有する。
引張ばね31はその固定端32が上方、自由端33が下方になるように吊り下げられた状態になっており、自由端33側に鉄片62を設け、皿72に磁石61を設けている。
図6(a)に示すように皿72に錘73が入っていない状態では引張ばね31は縮んだ状態で自由端33の鉄片62は皿72の磁石61に固定されている。そして、図6(b)に示すように錘73の数を増やしていくと、皿71が下方に移動し、引張ばね31が伸びた状態になる。そして、図6(c)に示すように錘73の数が一定量以上になると鉄片62が磁石61から離れ、これと同時に引張ばね31が上方に縮んでいき、フレーム20の自由端側に衝撃力を与えて発電部10で発電される。錘73ではなく水等の液体を入れてもよい。発電部10で発電されたことを検知するセンサを設けておくことで皿72の中の錘73の総重量が一定値以上になったことを検知でき、重量計として利用できる。
【００１９】
［第６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7に示すように本実施の形態の発電素子6は、物体70の例として浮き73を用いる点に特徴を有する。
図7(a)に示すように水量が少ない状態(水線W.L.が低い状態)では、引張ばね31は縮んだ状態で、その自由端33の鉄片62が浮き73の磁石61に固定されている。また、浮き73は水面に浮かんだ状態になっている。そして、図7(b)に示すように水かさが増すと、浮き73が水面とともに上方に移動し、引張ばね31が伸びた状態になる。そして、水かさが一定量以上になると鉄片62が磁石61から離れ、これと同時に引張ばね31が下方に縮んでいき、フレーム40の自由端側に衝撃力を与えて発電部10で発電される。発電部10で発電されたことを検知するセンサを設けておくことで水位が一定量以上になったことを検知でき、水位計として利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、ばねの急速変形による衝撃で高周波数の振動を励振することで大きな電力を得ることができる発電素子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】
【００２１】
L 直線
W.L. 水線
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
10 発電部
11 磁歪棒
12 コイル
13 磁性棒
14 磁石
20 フレーム
21 第1延長部
22 第2延長部
23 空隙
30 ばね要素
31 引張ばね
32 固定端
33 自由端
34 固定部材
40 フレーム
50 圧電素子
60 固定手段
61 磁石
70 物体
71 扉
72 皿
73 錘
73 浮き
【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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