JP2015223061A - Base and power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ベースおよび発電装置、具体的には、発電素子を保持するベースおよびかかるベースに発電素子とを保持してなる発電装置に関する。 The present invention relates to a base and a power generation device, specifically, a base that holds a power generation element and a power generation device that holds the power generation element on the base.
近年、磁歪材料で構成された磁歪棒の透磁率の変化を利用して発電する発電装置が検討されている(例えば、特許文献1参照)。
この発電装置は、例えば、平行に併設された一対の磁歪棒と、これらの磁歪棒を連結する連結ヨークと、各磁歪棒を囲むように設けられたコイルと、磁歪棒にバイアス磁界を印加する永久磁石およびバックヨークとを備えている。一対の磁歪棒は対向する平行な梁(平行梁)として機能し、この一対の磁歪棒の各軸方向に対して垂直な方向に、連結ヨークに外力を付与すると、一方の磁歪棒が伸長するように変形し、他方の磁歪棒が収縮するように変形する。このとき、各磁歪棒を通過する磁力線の密度(磁束密度)、すなわち、各コイルを貫く磁力線の密度が変化し、これにより、各コイルに電圧が発生する。
かかる発電装置では、その寸法安定性の向上、および製造コスト低減の観点から、部品点数を可能な限り削減することにより、組み立て工数を少なくすることが好ましい。さらに、発電装置のサイズダウン(発電装置の低背化)を図るためにも、部品点数を削減することが好ましい。しかしながら、部品点数については、ある一定程度の削減はできるものの、大幅な削減は難しい。このため、発電装置の組み立て工数の削減、サイズダウンは容易ではない。
In recent years, a power generation apparatus that generates electric power by using a change in magnetic permeability of a magnetostrictive rod made of a magnetostrictive material has been studied (for example, see Patent Document 1).
This power generator applies, for example, a pair of magnetostrictive rods arranged in parallel, a connecting yoke that connects these magnetostrictive rods, a coil provided so as to surround each magnetostrictive rod, and a bias magnetic field to the magnetostrictive rods. A permanent magnet and a back yoke are provided. A pair of magnetostrictive rods function as opposing parallel beams (parallel beams). When an external force is applied to the connecting yoke in a direction perpendicular to the axial direction of the pair of magnetostrictive rods, one magnetostrictive rod extends. It deforms so that the other magnetostrictive rod contracts. At this time, the density of magnetic lines passing through each magnetostrictive rod (magnetic flux density), that is, the density of magnetic lines passing through each coil changes, thereby generating a voltage in each coil.
In such a power generation device, it is preferable to reduce the number of assembly steps by reducing the number of parts as much as possible from the viewpoint of improving the dimensional stability and reducing the manufacturing cost. Furthermore, it is preferable to reduce the number of parts in order to reduce the size of the power generator (to reduce the height of the power generator). However, although the number of parts can be reduced to a certain degree, it is difficult to significantly reduce the number of parts. For this reason, it is not easy to reduce the assembly man-hours and size of the power generation device.
本発明は、上記従来の問題点を鑑みたものであり、その目的は、部品点数を削減することにより、発電装置の組み立て工数の削減および低背化を図ることができるベース、およびかかるベースを備える発電装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to reduce the number of parts, thereby reducing the number of assembly steps of the power generator and reducing the height thereof, and such a base. It is in providing the electric power generating apparatus provided.
このような目的は以下の(1)〜(12)の本発明により達成される。
(1) 発電素子を保持するベースであって、
前記発電素子は、軸方向に磁力線を通過させる磁歪材料で構成された少なくとも1つの磁歪棒と、前記磁歪棒に応力を付与する機能を有する梁部材と、前記磁力線が軸方向に通過するように配置され、その密度の変化に基づいて電圧が発生するコイルとを有し、前記磁歪棒の一端に対して他端を、その軸方向と略垂直な方向に変位させて前記磁歪棒を伸縮させることにより、前記磁力線の密度を変化させて前記コイルに電圧を発生するように構成され、
当該ベースは、前記発電素子を構成する部材のうちの少なくとも前記梁部材を有することを特徴とするベース。
Such an object is achieved by the present inventions (1) to (12) below.
(1) A base for holding a power generation element,
The power generating element includes at least one magnetostrictive rod made of a magnetostrictive material that passes magnetic lines of force in the axial direction, a beam member that has a function of applying stress to the magnetostrictive bar, and the magnetic lines of force pass in the axial direction. And a coil for generating a voltage based on a change in density of the magnetostrictive rod. The other end of the magnetostrictive rod is displaced in a direction substantially perpendicular to the axial direction to expand and contract the magnetostrictive rod. By changing the density of the lines of magnetic force, the coil is configured to generate a voltage,
The base has at least the beam member among members constituting the power generating element.
(2) 当該ベースは、その少なくとも前記梁部材が非磁性材料で構成されている上記(1)に記載のベース。 (2) The base according to (1), wherein at least the beam member is made of a nonmagnetic material.
(3) 当該ベースは、前記梁部材を、その一端を固定端とし、他端を可動端として保持するベース本体を有し、
前記梁部材は、前記ベース本体と一体的に形成されている上記(1)または(2)に記載のベース。
(3) The base has a base body that holds the beam member with one end as a fixed end and the other end as a movable end,
The said beam member is a base as described in said (1) or (2) currently formed integrally with the said base main body.
(4) 前記ベース本体は、前記梁部材を保持する平板部を備え、前記平板部と前記梁部材とのなす角度が、0.5〜10°である上記(3)に記載のベース。 (4) The base according to (3), wherein the base body includes a flat plate portion that holds the beam member, and an angle formed by the flat plate portion and the beam member is 0.5 to 10 °.
(5) 前記梁部材は、そのバネ定数が、前記ベース本体のバネ定数より高い上記(3)または(4)に記載のベース。 (5) The said beam member is a base as described in said (3) or (4) whose spring constant is higher than the spring constant of the said base main body.
(6) 上記(1)ないし(5)のいずれかに記載のベースと、
前記梁部材より応力が付与されるように前記ベースに固定され、軸方向に磁力線を通過させる磁歪材料で構成された少なくとも1つの磁歪棒と、
前記磁力線が軸方向に通過するように配置され、その密度の変化に基づいて電圧が発生するコイルとを有し、
前記磁歪棒の一端に対して他端を、その軸方向と略垂直な方向に変位させて前記磁歪棒を伸縮させることにより、前記磁力線の密度を変化させて前記コイルに電圧を発生するように構成されていることを特徴とする発電装置。
(6) the base according to any one of (1) to (5) above;
At least one magnetostrictive rod made of a magnetostrictive material that is fixed to the base so that stress is applied from the beam member, and that passes magnetic lines of force in the axial direction;
The magnetic field lines are arranged so as to pass in the axial direction, and a coil that generates a voltage based on a change in density thereof,
The other end of the magnetostrictive rod is displaced in a direction substantially perpendicular to the axial direction of the magnetostrictive rod to expand and contract the magnetostrictive rod, thereby changing the density of the lines of magnetic force and generating a voltage in the coil. It is comprised, The electric power generating apparatus characterized by the above-mentioned.
(7) 側面視において、前記磁歪棒と前記梁部材との間隔を前記一端よりも前記他端において小さくした上記(6)に記載の発電装置。 (7) The power generation device according to (6), wherein a distance between the magnetostrictive rod and the beam member is smaller at the other end than at the one end in a side view.
(8) 側面視において、前記磁歪棒と前記梁部材とのなす角度は、0.5〜10°である上記(7)に記載の発電装置。 (8) The power generation device according to (7), wherein an angle formed between the magnetostrictive rod and the beam member is 0.5 to 10 ° in a side view.
(9) 側面視において、前記磁歪棒と前記梁部材とが重ならないよう配置されている上記(6)ないし(8)のいずれかに記載の発電装置。 (9) The power generation device according to any one of (6) to (8), wherein the magnetostrictive rod and the beam member are arranged so as not to overlap in a side view.
(10) 前記少なくとも1つの磁歪棒は、併設された2つ以上の前記磁歪棒を有し、
平面視において、各前記磁歪棒と前記梁部材とが重ならないよう配置されている上記(6)ないし(9)のいずれかに記載の発電装置。
(10) The at least one magnetostrictive rod has two or more magnetostrictive rods provided side by side,
The power generation device according to any one of (6) to (9), wherein the magnetostrictive rods and the beam members are arranged so as not to overlap each other in plan view.
(11) 平面視において、前記梁部材は、前記磁歪棒同士の間に配置されている上記(10)に記載の発電装置。 (11) The power generator according to (10), wherein the beam member is disposed between the magnetostrictive rods in a plan view.
(12) 前記コイルは、各前記磁歪棒の外周側に、前記磁歪棒を囲むように巻回されており、
平面視において、各前記コイルと前記梁部材とが重ならないよう配置されている上記(10)または(11)に記載の発電装置。
(12) The coil is wound on the outer peripheral side of each magnetostrictive rod so as to surround the magnetostrictive rod,
The power generator according to (10) or (11), wherein the coils and the beam members are arranged so as not to overlap each other in a plan view.
本発明によれば、梁部材として独立の部品を用意する必要がなく、梁部材にかかる組み立て工数が削減される。さらには、少なくとも梁部材の厚さ分だけ、発電装置の厚さを薄くすること、すなわち、発電装置の低背化を図ることができる。 According to the present invention, it is not necessary to prepare an independent part as a beam member, and the number of assembling steps for the beam member is reduced. Furthermore, it is possible to reduce the thickness of the power generation device by at least the thickness of the beam member, that is, to reduce the height of the power generation device.
以下、本発明のベースおよび発電装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて説明する。
<第1実施形態>
まず、本発明のベースおよび発電装置10の第1実施形態について説明する。
Hereinafter, a base and a power generator of the present invention will be described based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
<First Embodiment>
First, a base and a first embodiment of the
図1は、本発明の発電装置の第1実施形態を示す斜視図である。図2は、本発明のベースの第1実施形態を示す斜視図である。図3は、本発明の発電装置の第1実施形態を示す分解斜視図である。図4は、本発明の発電装置(コイルは省略)の第1実施形態を示す縦断面図である。図5(a)は、図1に示す発電装置(ベース、コイルおよび梁部材は省略)の先端側における磁力線の流れを示す斜視図であり、図5(b)は、図5(a)に示す発電装置の上側連結部材、永久磁石および磁性部材を通過する磁力線の流れを示す模式図である。 FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of a power generator of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing a first embodiment of the base of the present invention. FIG. 3 is an exploded perspective view showing the first embodiment of the power generator of the present invention. FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of the power generator (coil is omitted) of the present invention. FIG. 5A is a perspective view showing the flow of magnetic lines of force on the front end side of the power generator shown in FIG. 1 (the base, the coil, and the beam member are omitted), and FIG. 5B is the same as FIG. It is a schematic diagram which shows the flow of the magnetic force line which passes the upper side connection member of a power generator shown, a permanent magnet, and a magnetic member.
なお、以下の説明では、図1〜図5中の上側を「上」または「上方」と言い、図1〜図5中の下側を「下」または「下方」と言う。また、図1および図2中の紙面右手前側、図3中の紙面右奥側、図4中の右側、ならびに図5(a)中の紙面左奥側および図5(b)中の紙面手前を「先端側」と言い、図1および図2中の紙面左奥側、図3中の紙面左手前側、図4中の左側、ならびに図5(a)中の右手前側および図5(b)中の紙面奥側を「基端側」と言う。 In the following description, the upper side in FIGS. 1 to 5 is referred to as “upper” or “upper”, and the lower side in FIGS. 1 to 5 is referred to as “lower” or “lower”. Also, the right front side of the paper in FIGS. 1 and 2, the right back side of the paper in FIG. 3, the right side in FIG. 4, the left back side of the paper in FIG. 5 (a), and the front side of the paper in FIG. 5 (b). Is referred to as the “front end side”, the left rear side of the paper surface in FIGS. 1 and 2, the left front side of the paper surface in FIG. 3, the left side in FIG. 4, and the right front side in FIG. 5A and FIG. The back side of the paper is called the “base end side”.
図1に示す発電装置10は、発電素子1と、発電素子1を保持するベース100とを備える。発電素子1の説明に先立って、ベース100について説明する。
A
<ベース>
ベース100は、例えば、照明用スイッチの一部を構成する部材として用いられる。図2に示すベース100は、箱状をなし、底部(平板部)101と、この底部101の四辺に沿って上方に向かって立設した側部102(右側部102a、左側部102b、上側部102cおよび下側部102d)とを有する。
<Base>
The
底部101は、略長方形の板状をなし、その中央部より若干ズレた位置に、所定の形状のスリット108が形成されている。本実施形態では、底部101のスリット108で囲まれた平面視で略T字状をなす部分(T字状部103)が、発電素子1を構成する部材の一部(梁部材8および下側連結部材51)を構成する。
The bottom 101 has a substantially rectangular plate shape, and a
また、底部101には、複数の開口104が形成されている。この開口104には、ベース100に搭載されるセンサーや回路基板等の配線、ベース100を他の部材に固定する際のネジ等が挿通される。これらの開口104の形状、配設位置、個数等は、センサーの種類、ネジの種類および数等に応じて、適宜変更することができる。
A plurality of
底部101の上面には、複数の凹部105が形成されている。この凹部105には、例えば、発電素子1を構成する部材(下側連結部材41)の下面に形成された凸部が挿入される。これにより、発電素子1とベース100との位置決めを容易かつ確実に行うことができる。また、底部101の四隅は、扇状に切り欠かれている。なお、底部101の形状、大きさ等は設置される発電素子1の大きさ、個数等に応じて、適宜変更することができる。
A plurality of
このような底部101の四辺には、図2に示すように、それぞれ右側部102a、左側部102b、上側部102cおよび下側部102dが設けられている。
As shown in FIG. 2, the
各側部102a〜102dは、それぞれ略長方形状をなし、底部101と一体的に形成されている。右側部102aには、底部101の開口104と同様の機能を有する複数の開口106が形成されている。左側部102bは、発電素子1の基端と当接することで、発電素子1のベース100に対する位置決めをする機能を有する。
Each of the
この左側部102bの上端には、底部101の内側に向かって突出する一対の爪部107が形成されている。発電素子1をベース100に載置する際に、発電素子1の凸部を凹部105に挿入するとともに、爪部107と底部101とにより発電素子1の基端部を挟持する。これにより、発電素子1をベース100に確実に固定することができる。
A pair of
発電素子1をより確実に挟持する観点からは、左側部102bの高さは、発電素子1の基端部の高さと略等しいことが好ましい(図4参照)。また、爪部107は、発電素子1の長手方向に沿った中心線を介して同数(本実施形態では、1つずつ)で設けられている。これにより、発電素子1をベース100に固定した際の短手方向の安定性が向上する。なお、発電素子1の中心線上に位置するように、追加の爪部107を設けるようにしてもよい。
From the viewpoint of pinching the
本実施形態では、このような側部102(102a〜102d)と、底部101のT字状部103(スリット108の内側の部分)を除く部分とでベース本体110が構成されている。
In the present embodiment, the
T字状部103は、一端を固定端とし、他端を可動端としてベース本体110(底部101)に設けられている。すなわち、T字状部103は、ベース本体110に片持ち支持されている。このT字状部103を利用して、発電素子1全体がベース本体110に対して保持(固定)されている。T字状部103は、発電素子1が備える磁歪棒2に応力を付与するように機能する梁部材8と、梁部材8の先端に設けられた下側連結部材51とを有する。なお、梁部材8および下側連結部材51の構成および作用・効果については、発電素子1を説明する際に、併せて詳述する。
The T-shaped
このようなT字状部103は、ベース本体110と別部材で構成されてもよいが、本実施形態では、ベース本体110と一体的に形成されている。これにより、ベース100をより容易に形成することができ、かつ、T字状部103とベース本体110との接合強度を向上させることができる。これにより、発電素子1がベース本体110(ベース100)から離脱するのを好適に防止することができる。
Such a T-shaped
T字状部103をベース本体110と一体的に形成する場合、ベース100は、一枚の板材をプレス加工、曲げ加工または鍛造加工等した後、スリット108を形成することにより得られる。また、スリット108は、例えば、レーザー加工、切削加工により形成することができる。なお、T字状部103をベース本体110と別体として形成する場合には、T字状部103は、ベース本体110に対して、例えば溶接、ろう接等により固定すればよい。
When the T-shaped
このようなベース100は、少なくともT字状部103(梁部材8)を非磁性材料で構成することが好ましい。これにより、発電素子1に生じる磁界が短絡するのを防止することができる。かかる非磁性材料としては、例えば、金属材料、半導体材料、セラミックス材料、樹脂材料等が挙げられ、これらの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
In such a
なお、T字状部103の配設位置や数は、ベース100に載置される発電素子1の構成や個数に応じて適宜設定することができる。以上のようなベース100に、発電素子1がT字状部103を介して保持(固定)されている。
In addition, the arrangement position and the number of the T-shaped
<発電素子>
以下、発電素子1について図1および図3〜図5に基づいて詳述する。
図1に示す発電素子1は、軸方向に磁力線を通過させる併設された2つの磁歪棒2と、磁力線が軸方向に通過するように配置されたコイル3と、磁歪棒2の基端部同士を固定する基端側連結部4と、磁歪棒2の先端部同士を固定する先端側連結部5と、磁歪棒2の基端側に設けられた永久磁石6aと、磁歪棒2の先端側に設けられた永久磁石6bと、永久磁石6aに配置された磁性部材7aと、永久磁石6bに配置された磁性部材7bと、磁歪棒2に応力を付与するように機能する梁部材8とを有している。
<Power generation element>
Hereinafter, the
The
この発電素子1では、各磁歪棒2の基端(一端)に対して先端(他端)を、その軸方向と略垂直な方向(図1中、上下方向)に変位させて各磁歪棒2を伸縮させる。このとき、逆磁歪効果により各磁歪棒2の透磁率が変化し、永久磁石6a、6bから発せられ、各磁歪棒2を通過する磁力線の密度(コイル3を貫く磁力線の密度)が変化することにより、各コイル3に電圧が発生する。
In this
以下、発電素子1の各部の構成について説明する。
(磁歪棒2)
本実施形態の発電素子1は、図1に示すように、併設された2つの磁歪棒2を有している。磁歪棒2は、磁歪材料で構成され、磁化が生じ易い方向(磁化容易方向)を軸方向として配置されている。本実施形態では、この磁歪棒2は、長尺の平板状をなしており、その軸方向に磁力線を通過させる。
Hereinafter, the configuration of each part of the
(Magnetostrictive rod 2)
As shown in FIG. 1, the
このような磁歪棒2は、その厚さ(横断面積)が軸方向に沿って略一定となっている。磁歪棒2の平均厚さは、特に限定されないが、0.3〜10mm程度であるのが好ましく、0.5〜5mm程度であるのがより好ましい。また、磁歪棒2の平均横断面積は、0.2〜200mm2程度であるのが好ましく、0.5〜50mm2程度であるのがより好ましい。かかる構成により、磁歪棒2の軸方向に磁力線を確実に通過させることができる。
Such a
磁歪材料のヤング率は、30〜100GPa程度であるのが好ましく、50〜90GPa程度であるのがより好ましく、60〜80GPa程度であるのがさらに好ましい。かかるヤング率を有する磁歪材料で磁歪棒2を構成することにより、磁歪棒2をより大きく伸縮させることができる。このため、磁歪棒2の透磁率をより大きく変化させることができるので、発電素子1(コイル3)の発電効率をより向上させることができる。
The Young's modulus of the magnetostrictive material is preferably about 30 to 100 GPa, more preferably about 50 to 90 GPa, and further preferably about 60 to 80 GPa. By configuring the
かかる磁歪材料としては、特に限定されないが、例えば、鉄−ガリウム系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−ニッケル系合金等が挙げられ、これらの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、鉄−ガリウム系合金(ヤング率:約70GPa)を主成分とする磁歪材料が好適に用いられる。鉄−ガリウム系合金を主成分とする磁歪材料は、前述したようなヤング率の範囲に設定し易い。 Such a magnetostrictive material is not particularly limited, and examples thereof include an iron-gallium alloy, an iron-cobalt alloy, and an iron-nickel alloy, and these can be used alone or in combination. . Among these, a magnetostrictive material whose main component is an iron-gallium alloy (Young's modulus: about 70 GPa) is preferably used. A magnetostrictive material whose main component is an iron-gallium alloy is easy to set in the range of Young's modulus as described above.
また、以上のような磁歪材料は、Y、Pr、Sm、Tb、Dy、Ho、Er、Tmのような希土類金属のうちの少なくとも1種を含むのが好ましい。これにより、磁歪棒2の透磁率の変化をより大きくすることができる。
The magnetostrictive material as described above preferably contains at least one of rare earth metals such as Y, Pr, Sm, Tb, Dy, Ho, Er, and Tm. Thereby, the change of the magnetic permeability of the magnetostriction stick |
かかる2つの磁歪棒2、2の外周側には、それらの両端部(基端部21および先端部22)を除く部分を囲むようにコイル3が巻回(配置)されている(図1および図3参照)。
The
(コイル3)
コイル3は、線材31を磁歪棒2の外周側に巻回することにより構成されている。これにより、コイル3は、磁歪棒2を通過している磁力線が、その軸方向に通過する(内腔部を貫く)ように配設されている。このコイル3には、磁歪棒2の透磁率の変化、すなわち、磁歪棒2を通過する磁力線の密度(磁束密度)の変化に基づいて、電圧が発生する。
(Coil 3)
The
本実施形態の発電素子1では、各磁歪棒2を厚さ方向ではなく、幅方向に併設するため、これらの間隔を大きく設計することができる。そのため、磁歪棒2に巻回するコイル3のスペースを十分に確保することができ、横断面積(線径)が比較的大きい線材31を用いても、その巻き数を多くすることができる。線径が大きい線材は、その抵抗値(負荷インピーダンス)が小さく、効率良く電流を流すことができるため、コイル3に発生した電圧を効率良く利用することができる。
In the
ここで、磁歪棒2の磁束密度の変化に基づいて、コイル3に発生する電圧εは下記(1)式で表される。
ε=N×ΔB/ΔT (1)
(ただし、Nは線材31の巻き数、ΔBはコイル3の内腔部を通過する磁束の変化量、ΔTは時間の変化量を表す。)
Here, the voltage ε generated in the
ε = N × ΔB / ΔT (1)
(Where N is the number of turns of the
このように、コイル3に発生する電圧は、線材31の巻き数および磁歪棒2の磁束密度の変化量(ΔB/ΔT)に比例するため、線材31の巻き数を多くすることにより、発電素子1の発電効率を向上させることができる。
Thus, since the voltage generated in the
線材31としては、特に限定されないが、例えば、銅製の基線に絶縁被膜を被覆した線材や、銅製の基線に融着機能を付加した絶縁被膜を被覆した線材等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
Although it does not specifically limit as the
線材31の巻き数は、特に限定されないが、1000〜10000程度であるのが好ましく、2000〜9000程度であるのがより好ましい。これにより、コイル3に発生する電圧をより大きくすることができる。
The number of windings of the
また、線材31の横断面積は、特に限定されないが、5×10−4〜0.15mm2程度であるのが好ましく、2×10−3〜0.08mm2程度であるのがより好ましい。このような線材31は、その抵抗値が十分に低いため、発生した電圧によってコイル3を流れる電流を効率良く外部に流すことができ、発電素子1の発電効率をより向上させることができる。
Moreover, although the cross-sectional area of the
なお、線材31の横断面形状は、例えば、三角形、正方形、長方形、六角形のような多角形、円形、楕円形等のいかなる形状であってもよい。
In addition, the cross-sectional shape of the
磁歪棒2同士は、コイル3が巻回されていない基端部21および先端部22において、それぞれ基端側連結部4および先端側連結部5により連結されている。本実施形態では、基端側連結部4は、ベース100に固定され、先端側連結部5を構成する部材の一部は、ベース本体110と一体的に形成されている。
The
(基端側連結部4)
基端側連結部4は、図3に示すように、下側連結部材41と、この下側連結部材41の上側に設けられた上側連結部材42とで構成されている。基端側連結部4は、下側連結部材41と上側連結部材42とで各磁歪棒2の基端部21を挟持することにより、これらを互いに連結する。なお、各部の固定の方法は、特に限定されないが、例えば、溶接(レーザー溶接、電気溶接)、ピンの圧入、接着剤による接着等の方法が挙げられる。
(Base end side connection part 4)
As shown in FIG. 3, the base end
下側連結部材41は、図3に示すように、磁歪棒2を固定するための棒状の固定部411と、固定部411の両端に設けられた棒状の脚部412および脚部413とを有する。脚部412および脚部413は、その軸方向が固定部411の軸方向と略直交するように、固定部411と一体的に形成されている。これにより、下側連結部材41は、平面視で横長のH形状をなしている。
As shown in FIG. 3, the lower connecting
固定部411は、梁部材8の基端よりさらに基端側に位置し、梁部材8の変位に対して干渉することがないように配置されている。また、固定部411の下面には、図示しないが、ベース100の底部101に形成された凹部105に挿入される凸部が形成されている。発電素子1を組み立てる際に、凸部を凹部105に挿入することで、下側連結部材41のベース100に対する位置決めを容易に行うことができる。
The fixing
なお、本実施形態では、位置決めされた下側連結部材41と底部101とを溶接により固定している。これにより、これらをネジ等で互いに固定する場合に比べ、部品点数を削減でき、組み立て工数を削減することができる。また、下側連結部材41と底部101との接合強度を高くすることができるため、ベース100が激しく振動したとしても、発電素子1を安定してベース100に保持することができる。
In the present embodiment, the positioned lower connecting
固定部411の両端部には、それぞれ脚部412および脚部413が設けられ、梁部材8の中心軸から略等しい距離で離間するように配置されている。これにより、下側連結部材41をベース100に固定した際の安定性を高めることができる。
また、固定部411の両端部は、それぞれ各脚部412、413の長手方向の中央付近に接続されている。これにより、下側連結部材41は、固定部411より先端側の空間と基端側の空間とを有している。固定部411より先端側の空間は、下側連結部材41の梁部材8の変位に対する干渉が生じないように(非干渉空間として)機能する。一方、固定部411より基端側の空間は、永久磁石6aを収納する磁石収納空間として機能する。
Further, both end portions of the fixing
下側連結部材41の構成材料としては、磁歪棒2、2および永久磁石6a、6bとで形成された後述する磁界ループが下側連結部材41により短絡するのを防止し得る材料が好ましい。そのため、下側連結部材41は、弱磁性材料または非磁性材料で構成されているのが好ましく、磁界ループの短絡をより確実に防止する観点から、非磁性材料で構成されているのがより好ましい。
The constituent material of the lower connecting
この下側連結部材41の上側には、帯状(長尺の平板状)をなす上側連結部材42が設けられている。上側連結部材42の長手方向の長さは、図1に示すように、下側連結部材41の長手方向の長さよりも若干短くなっている。一方、上側連結部材42の短手方向の長さ(基端から先端までの長さ)は、特に限定されないが、3〜30mm程度であるのが好ましく、5〜10mm程度であるのがより好ましい。なお、発電素子1の厚さを小さく(低背化)する観点からは、上側連結部材42の高さ(厚さ)を小さくすることが好ましい。
On the upper side of the
このような上側連結部材42の底面(下面)の先端側には、2つの磁歪棒2の基端部21に対応して形成された2つの凹部421が形成されている。各凹部421に磁歪棒2の基端部21を挿入した状態で、上側連結部材42と下側連結部材41とを固定する。これにより、各磁歪棒2の基端部21が上側連結部材42と下側連結部材41とにより挟持され、磁歪棒2同士が連結される。
Two
このような上側連結部材42の長手方向の両端には、それぞれ、上側連結部材42の内側に向かって切り欠かれた切欠部422が形成されている。この切欠部422は、永久磁石6aの突起部63が嵌合する。また、上側連結部材42には、その長手方向の略中間に、その厚さ方向に貫通するスリット423が形成されている。このスリット423の作用・効果については、発電素子1の各部材の説明をした後に詳述する。
At both ends of the upper connecting
上側連結部材42の構成材料としては、磁歪棒2の基端部21を確実に固定することができ、磁歪棒2に対して、一様な応力を付与し得る十分な剛性を備え、かつ、磁歪棒2に永久磁石6aからのバイアス磁界を付与し得る強磁性を備える材料が好ましい。上記の特性を備える材料としては、例えば、純鉄(例えば、JIS SUY)、軟鉄、炭素鋼、電磁鋼(ケイ素鋼)、高速度工具鋼、構造鋼(例えば、JIS SS400)、ステンレス、パーマロイ等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
As a constituent material of the upper connecting
なお、上側連結部材42、下側連結部材41および磁歪棒2は、どのような方法で固定されていてもよいが、溶接により固定されることが好ましい。これにより、ネジ等の部品を削減でき、かつ、各部材の接合強度を向上させることができる。
The upper connecting
(先端側連結部5)
先端側連結部5は、図3に示すように、梁部材8の先端に一体的に形成された下側連結部材51と、この下側連結部材51の上側に設けられた上側連結部材52とで構成されている。先端側連結部5は、磁歪棒2に対して外力や振動を付与する錘として機能する部位である。先端側連結部5に対して、上下方向への外力または振動が付与されると、磁歪棒2は、その基端を固定端とし、先端が上下方向に往復動(先端が基端に対して相対的に変位)する。
(Lead side connection part 5)
As shown in FIG. 3, the distal end
下側連結部材51は、帯状(長尺の平板状)をなしており、その長手方向が梁部材8の長手方向とほぼ直交し、かつベース100の底部101と略平行となるように設けられている。かかる下側連結部材51は、梁部材8に対して下側連結部材51が屈曲するように、T字状部103を、例えばプレス加工、曲げ加工または鍛造加工等により変形させて得ることができる。このような方法を用いることにより、下側連結部材51と梁部材8とのなす角度を容易かつ任意に調整することができる。なお、下側連結部材51の構成材料には、下側連結部材41で挙げた構成材料と同様の構成材料を用いることができる。
The lower connecting
この下側連結部材51の上側には、帯状(長尺の平板状)をなす上側連結部材52が設けられている。上側連結部材52および下側連結部材51の平面視での大きさは、略等しい。これにより、上側連結部材52は、下側連結部材51の上面全体に載置されているため、上側連結部材52と下側連結部材51とを安定して固定することができる。なお、上側連結部材52の長手方向の長さは、少なくとも、併設された各磁歪棒2の先端部22を覆う程度の長さがあればよく、下側連結部材51の長手方向の長さよりも短くてもよい。
On the upper side of the
また、上側連結部材52は、図3に示すように、凹部521、切欠部522およびスリット523を有する。これらの作用・効果も、上側連結部材42の凹部421、切欠部422およびスリット423と同様である。また、上側連結部材52の構成材料も、上側連結部材42で挙げた構成材料と同様の構成材料を用いることができる。
Further, as shown in FIG. 3, the upper connecting
なお、上側連結部材52、下側連結部材51および磁歪棒2は、どのような方法で固定されていてもよいが、溶接により固定されることが好ましい。これにより、ネジ等の部品を削減でき、かつ、各部材の接合強度を向上させることができる。
The upper connecting
上側連結部材42の基端側の下面、および上側連結部材52の先端側の上面には、磁歪棒2にバイアス磁界を印加する永久磁石6aおよび6b(以下、これらを総称して、「永久磁石6」と言うこともある)が配設されている(図4参照)。
(永久磁石6a、6b)
永久磁石6a、6bは、それぞれ、長尺の平板状をなしている。図4に示すように、永久磁石6aは、上側連結部材42の基端側の下面に固定され、永久磁石6bは、上側連結部材52の先端側の上面に固定されている。
(
Each of the
永久磁石6a、6bの長手方向の長さは、各上側連結部材42、52の長手方向の長さと同程度であることが好ましい。これにより、永久磁石6a、6bを安定して固定でき、かつ発電素子1の必要以上の大型化を防止することができる。
The lengths of the
また、永久磁石6a、6bの短手方向の長さは、図4に示すように、各上側連結部材42、52の短手方向の長さよりも、短いことが好ましく、各上側連結部材42、52の短手方向の長さの6割程度であることがより好ましい。これにより、平面視において、各上側連結部材42、52と、各磁歪棒2と、各下側連結部材41、51とが永久磁石6a、6bと重ならない領域において一括して溶接することで、発電素子1全体の強度を向上させることができる。
Further, as shown in FIG. 4, the length of the
永久磁石6aは、図1中左手前側の磁歪棒2の上側連結部材42の下面に、S極が図1中上方に、N極が図1中下方にして形成された第1の部分61と、図1中右奥側の磁歪棒2の上側連結部材42の下面に、N極が図1中上方に、S極が図1中下方にして形成された第2の部分62とを有する。すなわち、永久磁石6aは、各磁歪棒2の併設方向に直交する方向(第1の着磁方向)に着磁された第1の部分61と、第1の部分61とは逆向きの方向(第2の着磁方向)に着磁された第2の部分62とを有する2極磁石である。なお、本実施形態では、永久磁石6aの第1の着磁方向および第2の着磁方向が、それぞれ、磁歪棒2の他端が変位する方向(図1中、上下方向)に対して略平行である。
The
また、永久磁石6bは、図1中左手前側の磁歪棒2の上側連結部材52上に、S極が図1中上方に、N極が図1中下方にして形成された第1の部分61と、図1中右奥側の磁歪棒2の上側連結部材52上に、N極が図1中上方に、S極が図1中下方にして形成された第2の部分62とを有する。この永久磁石6bも、永久磁石6aと同様の2極磁石である。
Further, the
このように、発電素子1では、各永久磁石6a、6bが、その着磁方向が併設された2つの磁歪棒2、2の併設方向とは異なる方向となるように配設されている。このように配設されることによる利点を説明する。まず、着磁方向が2つの磁歪棒の併設方向となるように各永久磁石を配設する場合には、磁歪棒に十分なバイアス磁界を付与するために、各永久磁石を2つの磁歪素子の両端部(基端部21および先端部22)間、あるいは、いずれか一方の端部間に配設する必要がある。このような構成では、発電装置10のサイズを小さくする場合には、各磁歪棒の厚さを薄くする必要があるため、各永久磁石と磁歪棒との接触面の面積が制限される。これに対して、各永久磁石6a、6bの着磁方向が併設された2つの磁歪棒2の併設方向とは異なる方向となるように配設されている発電素子1では、各永久磁石6a、6bの各磁歪棒2(各上側連結部材42、52)との接触面の面積の制限が少なく、比較的自由に設計することができる。
As described above, in the
また、本実施形態の発電素子1では、図4に示すように、各永久磁石6a、6bが、それぞれ、上側連結部材42の基端側の下面および上側連結部材52の先端側の上面に配設されているが、これに限定されない。例えば、上側連結部材42の基端側の下面に永久磁石6aを配設する代わりに、上側連結部材42の基端側の端面に永久磁石6aが固定されるような構成とすることもできる。さらに、各永久磁石6a、6bのうちの一方を取り除いた場合でも、永久磁石6a(6b)と上側連結部材42(52)との接触面の面積を大きくする場合には、磁歪棒2に十分なバイアス磁界を付与することができる。
In the
以上のように、本実施形態の構成によれば、各永久磁石6a、6bの各上側連結部材42、52との接触面の面積、永久磁石6の配設位置および配設数を自由に設計すること、すなわち、使用する永久磁石6の設計自由度を高くすることができる。
As described above, according to the configuration of the present embodiment, the area of the contact surface of each
永久磁石6には、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石や、それらを粉砕して樹脂材料やゴム材料に混練した複合素材を成形してなる磁石(ボンド磁石)等を用いることができる。このような永久磁石6は、各上側連結部材42、52と、例えば、接着剤等による接着により固定されるのが好ましい。
As the permanent magnet 6, for example, an alnico magnet, a ferrite magnet, a neodymium magnet, a samarium cobalt magnet, or a magnet (bond magnet) formed by molding a composite material obtained by pulverizing them and kneading them into a resin material or a rubber material is used. be able to. Such a permanent magnet 6 is preferably fixed to the upper connecting
なお、発電素子1では、永久磁石6bが、上側連結部材52ごと、変位するように構成されているため、上側連結部材52と永久磁石6bとの間で摩擦が発生しない。したがって、摩擦によって上側連結部材52が変位するためのエネルギーが消費されないため、発電素子1は、効率良く発電することができる。
In the
永久磁石6aの下面、および永久磁石6bの上面には、それぞれ磁性部材7a、7b(以下、これらを総称して「磁性部材7」と言うこともある)が設けられている。
On the lower surface of the
(磁性部材7a、7b)
磁性部材7a、7bは、長尺の平板状をなしており、その大きさは、永久磁石6と同程度とされている。図3に示すように、磁性部材7a、7bの長手方向の両端には、それぞれ、磁性部材7a、7bの内側に向かって切り欠かれた切欠部71が形成されている。
(
The
磁性部材7aの切欠部71は、上側連結部材42の切欠部422とともに、永久磁石6aの突起部63と嵌合するように機能する。この際、各部材間を例えば、溶接、接着剤により接着することにより、上側連結部材42の下面に、永久磁石6aおよび磁性部材7aを固定(連結)することができる。このように取り付けられた各部材(上側連結部材42、永久磁石6aおよび磁性部材7a)は、下側連結部材41、上側連結部材42および側部102bにより規定される空間(磁石収納空間)に位置している。
The
磁性部材7aと同様に、磁性部材7bの切欠部71は、上側連結部材52の切欠部522とともに、永久磁石6bの突起部63と嵌合するように機能する。この際、各部材間を例えば、溶接、接着剤により接着することにより、下側連結部材51の上面に、上側連結部材52、永久磁石6bおよび磁性部材7bを固定(連結)することができる。
Similar to the
磁性部材7a、7bの構成材料としては、例えば、各上側連結部材42、52で挙げられた材料と同様の材料を用いることができる。
As a constituent material of the
ここで、発電素子1の各部材を通過する磁力線の流れについて図1および図5を参照して説明する。
図5(a)は、図1に示す発電素子1の先端側における磁力線の流れを示す斜視図であり、図5(b)は、図5(a)に示す発電素子1の先端側連結部5、永久磁石6bおよび磁性部材7bを通過する磁力線の流れを示す模式図である。ここで、図5(a)中の左奥側および図5(b)中の紙面手前側を「先端側」といい、図5(a)中の右手前側および図5(b)中の紙面奥側を「基端側」という。また、図5(a)、(b)中の上側を「上」または「上方」と言い、図5(a)、(b)中の下側を「下」または「下方」と言う。
Here, the flow of the lines of magnetic force passing through each member of the
FIG. 5A is a perspective view showing the flow of magnetic lines of force on the tip side of the
まず、図1を参照して、発電素子1全体の磁力線の流れを外観する。発電素子1では、基端側に配設された永久磁石6aの第1の部分61から発せられた磁力線が、磁性部材7aを介して第2の部分62に流入し、第2の部分62から発せられた磁力線が、図1中右奥側の磁歪棒2を(上側連結部材42、磁歪棒2および上側連結部材52の順に)通過して、先端側に配設された永久磁石6bの第2の部分62に流入する。また、先端側に配設された永久磁石6bの第2の部分62から発せられた磁力線が、磁性部材7bを介して第1の部分61に流入し、第1の部分61から発せられた磁力線が、図1中左手前側の磁歪棒2を(上側連結部材52、磁歪棒2および上側連結部材42の順に)通過して、基端側に配設された永久磁石6aの第1の部分61に流入する。
First, with reference to FIG. 1, the flow of magnetic lines of force of the entire
次に、発電素子1の基端側および先端側のうち、先端側における磁力線の流れを、図5(a)および図5(b)を参照して説明する。なお、発電素子1の基端側における磁力線の流れは、先端側の磁力線の流れを表す図5(b)の上下を逆にすれば同様となる。
Next, the flow of the lines of magnetic force on the distal end side of the
発電素子1の先端側では、図5(a)の紙面手前側の磁歪棒2を基端側から先端側へと通過する磁力線が、上側連結部材52を介して第2の部分62に流入する。第2の部分62から発せられる磁力線は、磁性部材7bの長手方向に通過し(図5(b)参照)、第1の部分61に流入する。さらに、第1の部分61から発せられる磁力線は、上側連結部材52を介して図5(a)の紙面奥側の磁歪棒2を先端側から基端側へと通過する。
On the distal end side of the
このように、発電素子1では、永久磁石6aの第1の部分61から発せられた磁力線が、磁性部材7aを介して永久磁石6aの第2の部分62に流入するとともに、永久磁石6aの第2の部分62から発せられた磁力線が、磁歪棒2を介して永久磁石6bの第2の部分62に流入する。さらに、この永久磁石6bの第2の部分62から発せられた磁力線が、磁性部材7bを介して永久磁石6bの第1の部分61に流入するとともに、永久磁石6bの第1の部分61から発せられた磁力線が、磁歪棒2を介して永久磁石6aの第1の部分61に流入する。これにより、発電素子1には、時計周りの磁界ループが形成される。
As described above, in the
本実施形態では、前述のとおり、発電素子1全体のサイズを抑えるため、または、発電素子1の厚さを小さく(低背化)するため、各上側連結部材42、52の高さ(厚さ)を小さくすることが望ましい。そのため、各上側連結部材42、52の側面の表面積は小さくなるが、各上側連結部材42、52の上面および下面の表面積は、十分に確保することができる。したがって、発電素子1では、平板状の永久磁石6を、各上側連結部材42、52の上面または下面に配設することにより、永久磁石6(第1の部分61、第2の部分62)の各上側連結部材42、52との接触面の面積を十分に大きくすることができる。これにより、磁歪棒2により大きなバイアス磁界が付与され、発電素子1のサイズを抑えつつ、その発電効率を向上させることができる。また、永久磁石6として、保磁力や最大エネルギー積等の特性が希土類磁石よりも劣るフェライト磁石等を用いた場合であっても、磁歪棒2に十分大きなバイアス磁界を付与することができる。フェライト磁石等は安価なため、フェライト磁石を永久磁石6として用いることにより発電装置10の製造コストを抑えることができる。
In the present embodiment, as described above, the height (thickness) of each
また、永久磁石6の各上側連結部材42、52が接触する側の面(上面または下面)の面積は、特に限定されないが、10〜300mm2程度であるのが好ましく、20〜100mm2程度であるのがより好ましい。さらに、永久磁石6の第1の部分61および第2の部分62の各上側連結部材42、52と接触する側の面(上面または下面)の面積は、それぞれ、上側連結部材42の下面および上側連結部材52の上面の領域の半分程度を覆うような大きさであるのが好ましい。これにより、磁歪棒2により大きなバイアス磁界を付与しつつ、各上側連結部材42、52と、各磁歪棒2と、各下側連結部材41、51とが永久磁石6a、6bと重ならない領域において一括して溶接することができるため、基端側連結部4および先端側連結部5の接合強度を向上させるができ、発電素子1全体の強度を向上させることができる。その結果、ネジ等の部材が不要となり、発電素子1のサイズを抑えつつ、発電効率を向上させることもできる。
The area of the surface (upper surface or lower surface) of the permanent magnet 6 on the side where the
上述したような基端側連結部4と先端側連結部5との間、かつ磁歪棒2同士の間に梁部材8が設けられている。
The beam member 8 is provided between the base end
(梁部材8)
梁部材8は、図4に示すように、基端側連結部4の下側連結部材41の厚さが、先端側連結部5の下側連結部材51の厚さより大きく(本実施形態では、底部101の上面から下側連結部材51の上面までの距離と略等しく)設定されることにより、底部101に対して傾斜している。
(Beam member 8)
As shown in FIG. 4, the beam member 8 has a thickness of the
したがって、各磁歪棒2を下側連結部材41および下側連結部材51に固定した状態では、各磁歪棒2は、その基端を固定端、先端を可動端としてベース本体110に片持ち支持されるとともに、自然状態(磁歪棒2が変形していない状態)で底部101と略平行になっている。換言すれば、発電素子1では、自然状態で側面視において、各磁歪棒2と梁部材8との間隔が、基端より先端において小さくなっている(図4参照)。
Therefore, in a state where each
また、図4に示すように、側面視において、梁部材8と磁歪棒2とが重ならないよう配置されており、磁歪棒2、2と梁部材8とが対向する梁として機能し、先端側連結部5の変位に伴って、各磁歪棒2と梁部材8とが同一方向(図1中の上方向または下方向)に変位する。その際に、各磁歪棒2には、梁部材8によって応力が付与される。このように、梁部材8は、発電素子1を構成する磁歪棒2に応力を付与する梁部位(梁部材)として機能しているため、梁部材としての独立した部品を用意する必要がなく、梁部材にかかる組み立て工数を削減することができる。さらに、ベース100の一部が梁部材8として機能するため、少なくとも梁部材8の厚さ分だけ、発電装置10(ベース100および発電素子1)の厚さを薄くすることができ、発電装置10の低背化を図ることができる。
Further, as shown in FIG. 4, the beam member 8 and the
梁部材8は、平面視において、磁歪棒2同士の間に、すなわち各磁歪棒2と梁部材8とが重ならないように配置されている(図1参照)。本実施形態では、梁部材8の幅は、各磁歪棒2の外周側に巻回されたコイル3同士の間隔より小さく設計されている。このため、各磁歪棒2が変位する際に、これらと梁部材8とが互いに接触(干渉)することはない。
The beam members 8 are arranged between the
本実施形態の発電素子1では、基端側連結部4に対して、先端側連結部5が下方に向かって変位(回動)すると、すなわち、磁歪棒2の基端に対して先端が下方に向かって変位すると、梁部材8が軸方向に収縮するように変形し、磁歪棒2が軸方向に伸長するように変形する。一方、先端側連結部5が上方に向かって変位(回動)すると、すなわち、磁歪棒2の基端に対して先端が上方に向かって変位すると、梁部材8が軸方向に伸長するように変形し、磁歪棒2が軸方向に収縮するように変形する。その結果、逆磁歪効果により磁歪棒2の透磁率が変化して、磁歪棒2を通過する磁力線の密度(コイル3の内腔部を軸方向に貫く磁力線の密度)が変化する。これにより、コイル3に電圧が発生する。
In the
発電素子1では、上述したように、側面視において、磁歪棒2と梁部材8との間隔(以下、「梁間隔」とも言う)が、基端から先端に向かって小さくなるように構成されている。言い換えれば、磁歪棒2と梁部材8とが基端から先端にテーパーがかかった梁構造(テーパー梁構造)となっている(図4参照)。かかる構成では、磁歪棒2と梁部材8とからなる一対の梁の変位方向への剛性が一端よりも他端において小さくなる。このため、磁歪棒2の基端に対して先端を変位させると、磁歪棒2および梁部材8は変位方向に円滑に変位することができ、その結果、磁歪棒2に発生する応力の厚さ方向におけるバラつきを少なくすることができる。これにより、磁歪棒2に一様な応力を生じさせることができ、発電素子1の発電効率を優れたものとすることができる。
As described above, the
なお、側面視において、梁部材8と底部101とのなす角度は、自然状態において、0.5〜10°程度であることが好ましく、1〜7°程度であるのがより好ましい。このような角度は、T字状部103をプレス加工、曲げ加工または鍛造加工等により、容易かつ任意に調整することができる。梁部材8と底部101とのなす角度が上記範囲内であれば、磁歪棒2の先端部22の変位量を十分に確保することができるとともに、下側連結部材51と底部101との距離を近づけることができる。これにより、発電素子1の発電量が低下するのを防止しつつ、発電装置10の低背化を図ることができる。
In the side view, the angle formed between the beam member 8 and the bottom 101 is preferably about 0.5 to 10 °, more preferably about 1 to 7 ° in the natural state. Such an angle can be easily and arbitrarily adjusted by pressing, bending or forging the T-shaped
また、磁歪棒2と底部101は平行になっているので、磁歪棒2と梁部材8とのなす角度(テーパー角度)も、0.5〜10°程度であるのが好ましく、1〜7°程度であるのがより好ましい。磁歪棒2と梁部材8とのなす角度が上記範囲内であれば、磁歪棒2と梁部材8とで上記テーパー梁構造を構成しつつも、基端側における磁歪棒2と梁部材8との梁間隔を十分に小さくすることができる。これにより、磁歪棒2により一様な応力を発生させることができる。
Further, since the
このような梁部材8のバネ定数は、各磁歪棒2のバネ定数と異なっていてもよいが、好ましくは、全磁歪棒2のバネ定数の合計、すなわち、2つの磁歪棒2のバネ定数を合わせた値を有していることが好ましい。上述したように、本実施形態では、2つの磁歪棒2と1つの梁部材8とが、対向する一対の梁として機能している。そのため、かかる条件を満足する梁部材8を用いることにより、梁部材8と2つの磁歪棒2との間で上下方向の剛性を均一にすることができる。これにより、基端側連結部4に対して先端側連結部5を上下方向へ円滑かつ確実に変位させることができる。
The spring constant of such a beam member 8 may be different from the spring constant of each
また、一般的に、一端が固定された片持ち梁の可動端(他端)に対して外力Fが付与された際、梁の撓みdは、下記(2)式で表される。
d=FL3/3EI (2)
(ただし、Lは梁の長さ、Eは梁の構成材料のヤング率、Iは梁の断面2次モーメントを表す。)
In general, when an external force F is applied to the movable end (the other end) of the cantilever with one end fixed, the deflection d of the beam is expressed by the following equation (2).
d = FL 3 / 3EI (2)
(However, L represents the length of the beam, E represents the Young's modulus of the constituent material of the beam, and I represents the moment of inertia of the cross section of the beam.)
また、梁部材8のバネ定数は、ベース本体110のバネ定数よりも高いことが好ましい。これにより、先端側連結部5に対して、上下方向への外力または振動が付与された場合に、この外力または振動がベース本体110よりも優先的に梁部材8へと伝わるため、各磁歪棒2の基端(一端)に対して先端(他端)を、その軸方向と略垂直な方向へより円滑かつ確実に変位させることができる。
The spring constant of the beam member 8 is preferably higher than the spring constant of the
発電素子1では、各磁歪棒2と梁部材8とが、略同じ横断面積および横断面形状を有しているため、これらの断面2次モーメントは略等しい。また、各磁歪棒2と梁部材8との長さも略等しい。そのため、上記(2)式によれば、梁部材8の構成数が1本であり、磁歪棒2の構成数が2本である発電素子1では、梁部材8のヤング率を磁歪棒2のヤング率の2倍程度とすることが好ましい。これにより、外力によって各梁(梁部材8、2つの磁歪棒2)が同じように変形する(撓む)、言い換えれば、各梁の上下方向の剛性のバランスを取ることができる。
In the
また、このような梁部材8のヤング率は、80〜200GPa程度であるのが好ましく、100〜190GPa程度であるのがより好ましく、120〜180GPa程度であるのがさらに好ましい。 The Young's modulus of such a beam member 8 is preferably about 80 to 200 GPa, more preferably about 100 to 190 GPa, and further preferably about 120 to 180 GPa.
前述したように、梁部材8は、非磁性材料で構成されているのが好ましい。かかる非磁性材料としては、特に限定されないが、例えば、金属材料、半導体材料、セラミックス材料、樹脂材料等が挙げられ、これらの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。なお、樹脂材料を用いる場合には、樹脂材料中にフィラーを添加することが好ましい。これらの中でも、金属材料を主成分とする非磁性材料を用いるのが好ましく、ステンレス鋼、ベリリウム銅、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、銅およびこれらを含む合金のうちの少なくとも1種を主成分とする非磁性材料を用いるのがより好ましい。 As described above, the beam member 8 is preferably made of a nonmagnetic material. Examples of such nonmagnetic materials include, but are not limited to, metal materials, semiconductor materials, ceramic materials, resin materials, and the like, and these can be used alone or in combination. In addition, when using a resin material, it is preferable to add a filler in a resin material. Among these, it is preferable to use a nonmagnetic material whose main component is a metal material, and a nonmagnetic material whose main component is at least one of stainless steel, beryllium copper, aluminum, magnesium, zinc, copper, and alloys containing them. More preferably, a magnetic material is used.
なお、各磁歪棒2の構成材料として鉄−ガリウム系合金(ヤング率:約70GPa)を主成分とする磁歪材料を用いた場合には、梁部材8の構成材料としてステンレス鋼(SUS316、ヤング率:約170GPa)を用いるのが好ましい。各磁歪棒2および梁部材8の構成材料として、このようなヤング率を有する材料を用いることにより、梁部材8と2つの磁歪棒2との上下方向の剛性のバランスを取ることができる。これにより、基端側連結部4に対して先端側連結部5を上下方向へより円滑かつ確実に変位させることができる。
When a magnetostrictive material mainly composed of an iron-gallium alloy (Young's modulus: about 70 GPa) is used as the constituent material of each
このような梁部材8は、その厚さ(横断面積)が略一定となっている。梁部材8の平均厚さは、特に限定されないが、0.3〜10mm程度であるのが好ましく、0.5〜5mm程度であるのがより好ましい。また、梁部材8の平均横断面積は、0.2〜200mm2程度であるのが好ましく、0.5〜50mm2程度であるのがより好ましい。 Such a beam member 8 has a substantially constant thickness (cross-sectional area). The average thickness of the beam member 8 is not particularly limited, but is preferably about 0.3 to 10 mm, and more preferably about 0.5 to 5 mm. The average cross-sectional area of the beam member 8 is preferably from 2 about 0.2~200Mm, and more preferably 2 about 0.5 to 50 mm.
また、発電素子1では、磁歪棒2、2と梁部材8との梁間隔を自由に設計することができる。具体的には、基端側連結部4を構成する下側連結部材41の大きさ、および下側連結部材51の大きさを調整することにより、基端側および先端側の梁間隔を自由に設計し、磁歪棒2、2と梁部材8の梁間隔を自由に設計することができる。
In the
梁間隔については、本発明者らにより、一対の梁の梁間隔と、その先端に外力を付与した際に発生する応力との関係が解明されており、以下の検討結果から、梁間隔を小さくすることによって各梁に略一様な応力が発生することが分かっている。 Regarding the beam spacing, the present inventors have elucidated the relationship between the beam spacing of a pair of beams and the stress generated when an external force is applied to the tip of the beam. From the following examination results, the beam spacing is reduced. By doing so, it is known that a substantially uniform stress is generated in each beam.
図6は、基端が基体に固定された1つの棒材(1つの梁)の先端に対して、下方向に外力を付与した状態を模式的に示す側面図である。図7は、基端が基体に固定された対向する一対の平行な梁(平行梁)の先端に対して、下方向に外力を付与した状態を模式的に示す側面図である。図8は、先端に外力が付与された一対の平行梁にかかる応力(伸長応力、収縮応力)を模式的に示す図である。 FIG. 6 is a side view schematically showing a state in which an external force is applied in the downward direction to the distal end of one bar (one beam) whose base end is fixed to the base body. FIG. 7 is a side view schematically showing a state in which an external force is applied downward to the distal ends of a pair of opposed parallel beams (parallel beams) whose base ends are fixed to the base body. FIG. 8 is a diagram schematically showing stress (elongation stress, contraction stress) applied to a pair of parallel beams to which an external force is applied to the tip.
なお、図6〜図8中の上側を、「上」または「上側」と言い、図6〜図8中の下側を、「下」または「下側」と言う。また、図6〜図8中の左側を、「基端」と言い、図6〜図8中の右側を、「先端」と言う。 The upper side in FIGS. 6 to 8 is referred to as “upper” or “upper side”, and the lower side in FIGS. 6 to 8 is referred to as “lower” or “lower side”. Further, the left side in FIGS. 6 to 8 is referred to as a “base end”, and the right side in FIGS. 6 to 8 is referred to as a “tip”.
1つの梁の先端に対して下方に曲げ変形するように外力を付与した場合には、図6に示すように、梁の曲げ変形に伴い、梁に応力がかかり、梁上側には一様な引張(伸長)応力、梁下側には一様な圧縮(収縮)応力が発生する。一方、一定の梁間隔を有する平行梁の先端に対して外力を付与した場合には、各梁は、図6に示すように曲げ変形するとともに、図7に示すように外力の付与前後で先端側の梁間隔を一定に保つために平行リンク動作を行うように変形する。このような平行梁では、梁間隔が大きいほど、この平行リンク動作が顕著に表れ、逆に、梁間隔が小さいほど、平行リンク動作が抑制されて、図6に示すような1つの梁の曲げ変形に近い変形をするようになる。 When an external force is applied so as to bend and deform downward with respect to the tip of one beam, as shown in FIG. 6, stress is applied to the beam along with the bending deformation of the beam, and the upper side of the beam is uniform. Tensile (elongation) stress, and uniform compression (shrinkage) stress occurs below the beam. On the other hand, when an external force is applied to the tips of parallel beams having a fixed beam interval, each beam is bent and deformed as shown in FIG. In order to keep the beam spacing on the side constant, it is deformed to perform a parallel link operation. In such a parallel beam, the parallel link operation becomes more prominent as the beam interval is larger, and conversely, the parallel link operation is suppressed as the beam interval is smaller, and the bending of one beam as shown in FIG. Deforms close to deformation.
したがって、梁間隔が比較的大きい平行梁の構成では、曲げ変形と平行リンク動作による変形とが混在することにより、各梁が、図8に示すような略S字状に変形する。平行梁が下側に変形する際には、上側の梁には一様な伸長応力が発生するのが好ましいが、図8に示すように、中央部に伸長応力Aが発生するものの、基端側の下部および先端側の上部に大きな収縮応力Bが発生する。また、下側の梁には一様な収縮応力が発生するのが好ましいが、中央部に収縮応力Bが発生するものの、基端側の上部および先端側の下部に大きな伸長応力Aが発生する。すなわち、各梁に発生する伸長応力と収縮応力との双方がいずれも大きいため、梁全体に発生するいずれか一方の応力(伸長応力または収縮応力)の絶対値を大きくすることができない。このような平行梁として磁歪棒を用いた場合、磁歪棒中の磁束密度の変化量を大きくすることができない。 Therefore, in the configuration of parallel beams having a relatively large beam interval, bending deformation and deformation due to the parallel link operation coexist, whereby each beam is deformed into a substantially S shape as shown in FIG. When the parallel beam is deformed downward, it is preferable that a uniform extension stress is generated in the upper beam. However, although the extension stress A is generated in the central portion as shown in FIG. A large shrinkage stress B is generated in the lower part on the side and the upper part on the tip side. In addition, it is preferable that a uniform shrinkage stress is generated in the lower beam. However, although a contraction stress B is generated in the central portion, a large elongation stress A is generated in the upper portion on the proximal end side and the lower portion on the distal end side. . That is, since both the elongation stress and the contraction stress generated in each beam are large, the absolute value of any one stress (elongation stress or contraction stress) generated in the entire beam cannot be increased. When a magnetostrictive rod is used as such a parallel beam, the amount of change in magnetic flux density in the magnetostrictive rod cannot be increased.
なお、バイアス磁界が印加された磁歪棒において、発生する応力(伸長応力または収縮応力)の大きさと磁束密度の変化量とは、以下に示すような関係を有する。 In the magnetostrictive rod to which the bias magnetic field is applied, the magnitude of the generated stress (elongation stress or contraction stress) and the amount of change in the magnetic flux density have the following relationship.
図9は、鉄−ガリウム系合金(ヤング率:約70GPa)を主成分とする磁歪材料で構成された磁歪棒において、発生する応力に応じた、印加される磁場(H)と磁束密度(B)との関係を示すグラフである。 FIG. 9 shows the applied magnetic field (H) and magnetic flux density (B) according to the generated stress in a magnetostrictive rod composed of an iron-gallium alloy (Young's modulus: about 70 GPa) as a main component. ).
なお、図9において、(a)は、磁歪棒に応力が発生していない状態、(b)は、磁歪棒に90MPaの収縮応力が発生した状態、(c)は、磁歪棒に90MPaの伸長応力が発生した状態、(d)は、磁歪棒に50MPaの収縮応力が発生した状態、(e)は、磁歪棒に50MPaの伸長応力が発生した状態をそれぞれ示す。 9A shows a state in which no stress is generated in the magnetostrictive rod, FIG. 9B shows a state in which a contraction stress of 90 MPa is generated in the magnetostrictive rod, and FIG. 9C shows an extension of 90 MPa in the magnetostrictive rod. A state in which stress is generated, (d) shows a state in which a 50 MPa contraction stress is generated in the magnetostrictive rod, and (e) shows a state in which a 50 MPa extensional stress is generated in the magnetostrictive rod.
図9に示すように、応力が発生していない状態の磁歪棒に比べて、伸長応力が発生している磁歪棒では、その透磁率が高くなる結果、これを軸方向に通過する磁力線の密度(磁束密度)が高くなる((c)および(e))。一方、応力が発生していない状態の磁歪棒に比べて、収縮応力が発生している磁歪棒では、その透磁率が低くなる結果、これを通過する磁束密度が低くなる((b)および(d))。 As shown in FIG. 9, the magnetic permeability of the magnetostrictive rod in which elongational stress is generated is higher than that of the magnetostrictive rod in the state where no stress is generated. (Magnetic flux density) increases ((c) and (e)). On the other hand, compared to a magnetostrictive rod in a state where no stress is generated, a magnetostrictive rod in which a contraction stress is generated has a lower magnetic permeability, resulting in a lower magnetic flux density passing therethrough ((b) and ( d)).
このため、図9中に示す一定のバイアス磁界が印加された状態で、磁歪棒の一端に対して他端を振動(変位)させることにより、磁歪棒に90MPaの伸長応力と90MPaの収縮応力とを交互に発生させると、これを通過する磁束密度の変化量は1T程度となり、その変化量が最大となる((b)、(c)参照)。一方、この磁歪棒に発生させる伸長応力および収縮応力を50MPaに低下させると、これを通過する磁束密度の変化量は小さくなる((d)、(e)参照)。 For this reason, in the state where the constant bias magnetic field shown in FIG. 9 is applied, the other end of the magnetostrictive rod is vibrated (displaced), thereby causing the magnetostrictive rod to have an extension stress of 90 MPa and a contraction stress of 90 MPa. Are alternately generated, the amount of change in the magnetic flux density passing through this is about 1 T, and the amount of change is maximized (see (b) and (c)). On the other hand, when the elongation stress and the contraction stress generated in the magnetostrictive rod are reduced to 50 MPa, the amount of change in the magnetic flux density passing through this is reduced (see (d) and (e)).
したがって、磁歪棒を通過する磁束密度の変化量を大きくするためには、磁歪棒に発生させる一定方向の応力(伸長応力または収縮応力)を十分に大きくする必要がある。なお、上記磁歪材料で構成された磁歪棒であれば、70MPaの伸長応力と70MPaの収縮応力とを交互に発生させることにより、磁歪棒を通過する磁束密度の変化量を十分に大きくすることができる。 Therefore, in order to increase the amount of change in the magnetic flux density that passes through the magnetostrictive rod, it is necessary to sufficiently increase the stress (elongation stress or contraction stress) in a certain direction generated in the magnetostrictive rod. In the case of a magnetostrictive rod made of the above-described magnetostrictive material, the amount of change in magnetic flux density passing through the magnetostrictive rod can be sufficiently increased by alternately generating an extension stress of 70 MPa and a contraction stress of 70 MPa. it can.
以上の検討結果から、磁歪棒と梁部材とが一対の平行梁をなすような発電装置では、磁歪棒と梁部材との梁間隔を小さくして、梁の平行リンク動作を抑制することにより、図6に示すような1つの梁の曲げ変形挙動に近づけることが、発電効率を向上する観点から望ましい。 From the above examination results, in the power generation device in which the magnetostrictive rod and the beam member form a pair of parallel beams, by reducing the beam interval between the magnetostrictive rod and the beam member, and suppressing the parallel link operation of the beam, It is desirable from the viewpoint of improving the power generation efficiency to approach the bending deformation behavior of one beam as shown in FIG.
ところが、磁歪棒と梁部材との梁間隔を小さくすることにより、磁歪棒に発生する応力の均一化を向上させることができるものの、本発明者らによって、その両端部においては、磁歪棒の厚さ方向に応力のバラつきが残存することが分かった。 However, by reducing the beam spacing between the magnetostrictive rod and the beam member, it is possible to improve the uniformity of the stress generated in the magnetostrictive rod. It was found that the stress variation remained in the vertical direction.
そこで本発明者らは、さらに検討した結果、磁歪棒2と梁部材8との梁間隔を基端よりも先端において小さくすることにより、磁歪棒2の両端部における厚さ方向に残存するバラつきをも小さくすることができることを見出した。
Therefore, as a result of further investigation, the present inventors have made the remaining gap in the thickness direction at both ends of the
以上のような理由から、発電素子1では、磁歪棒2、2と梁部材8とをテーパー梁構造としながら、磁歪棒2と梁部材8との梁間隔を小さくして、図6に示すような1つの梁の曲げ変形挙動に近づけることが、その発電効率を向上する観点から望ましい。
For the above reasons, in the
また、このような発電素子1では、コイル3の体積が、磁歪棒2と梁部材8との梁間隔によって制限されないため、コイル3の体積を十分に大きくしながらも、磁歪棒2と梁部材8との梁間隔を十分に小さく設計することができる。これにより、コイル3の体積を増大させつつも、磁歪棒2に生じる応力をより均一にすることができ、発電素子1の発電効率を優れたものとすることができる。
Moreover, in such a
さらに、発電素子1では、磁歪棒2と梁部材8とからなる一対の梁が、基端から先端に向かって変位方向への剛性が低くなっているため、比較的小さい外力でも、磁歪棒2を上下方向に大きく変形させることができ、発電効率を優れたものとすることができる。
Further, in the
なお、磁歪棒2に、自然状態で梁部材8により伸長応力または収縮応力、すなわち初期荷重(バイアス応力)を付与するように構成してもよい。
Note that the
具体的には、梁部材8の長さを短くすることによって、磁歪棒2には自然状態で伸長応力が付与される。この場合には、先端側連結部5に対して下方に外力が付与されると、バイアス応力が付与されていない場合に比べて、磁歪棒2がより大きく下方へと変位する。これにより、磁歪棒2に発生する伸長応力をより大きくすることができ、発電素子1の発電効率をさらに向上させることができる。
Specifically, by reducing the length of the beam member 8, the
また、梁部材8の長さを長くすることによって、磁歪棒2には自然状態で収縮応力が付与される。この場合には、先端側連結部5に対して上方に外力が付与されると、バイアス応力が付与されていない場合に比べて、磁歪棒2がより大きく上方へと変位する。これにより、磁歪棒2に発生する収縮応力をより大きくすることができ、発電素子1の発電効率をさらに向上させることができる。
Further, by increasing the length of the beam member 8, the
次に、上側連結部材42および上側連結部材52にスリット423、523を設けることで得られる作用・効果について説明する。
Next, operations and effects obtained by providing
(スリットの作用・効果)
上側連結部材42、52の長手方向の略中間には、その厚さ方向に貫通するスリット423、523が形成されている。これにより、発電素子1に形成される磁界ループを部分的に短絡させることができ、磁歪棒2が変形した際の磁束密度の変化量が、磁歪棒2の軸方向全体にわたってより均一になる。その結果、発電素子1の発電効率をより向上させることができる。
(Slit action / effect)
図10(b)は、図1に示す発電素子1および図10(a)に示す発電素子1の先端側連結部5に応力を付与した際に、磁歪棒2の長手方向に沿った磁束密度の変化を示すグラフである。より具体的には、図10(b)のグラフは、図1および図10(a)の発電素子1にかかるそれぞれの磁歪棒2に60MPaの伸長応力と60MPaの収縮応力とを付与した際に、磁歪棒2のコイル3が巻回される領域の軸方向の基端(0mm)から先端側への距離と、磁歪棒2を通過する磁束密度との関係を示す。
FIG. 10B shows the magnetic flux density along the longitudinal direction of the
ここで、図10(a)の発電素子1は、上側連結部材42、52が、各磁歪棒2ごとに分割して配設されている点で、図1の発電素子1と異なっている。
Here, the
なお、図10(b)において、図1に示す発電素子1および図10(a)に示す発電素子1は、いずれも磁歪棒2の長さ(上側連結部材42の先端から上側連結部材52の基端までの距離)が22mmのものを用いて評価を行った。また、図1および図10(a)に示す発電装置10の各上側連結部材42、52は、それぞれ、基端から先端までの長さが、7.5mmである。また、図1に示す発電素子1の各上側連結部材42、52に形成されたスリット423、523は、それぞれ、各上側連結部材42、52の略中央に、幅が1.5mm、長さが6mmとなるように形成した。
10B, the
図10(b)に示すように、図10(a)の発電素子1では、磁歪棒2の略中央(11mm付近)において、磁束密度の変化量が最大となっているが、磁歪棒2の基端側(0mm付近)および先端側(22mm付近)においては、中央付近に比べて、磁束密度の変化量が小さくなる。これに対して、図1の発電素子1では、磁歪棒2の中央付近のみならず、その基端側および先端側においても、中央付近と同様に磁束密度の変化量が大きい。
As shown in FIG. 10 (b), in the
このように、本実施形態の発電素子1では、磁歪棒2が変形した際の磁束密度の変化量が、磁歪棒2の軸方向全体にわたって十分に大きく、かつ、均一にすることができる。これにより、発電素子1の発電効率がより向上する。
Thus, in the
スリット423(523)の長手方向の長さは、上側連結部材42(52)の短手方向(基端から先端までの長さ)よりも短ければよく、特に限定されないが、0.5〜20mm程度であるのが好ましく、2〜9mm程度であるのがより好ましい。また、スリット423(523)の幅(短手方向の長さ)は、特に限定されないが、0.1〜5mm程度であるのが好ましく、0.5〜1.5mm程度であるのがより好ましい。上記条件を満足することにより、磁歪棒2が変形した際の磁束密度の変化量を、磁歪棒2の軸方向全体にわたってより均一にすることができる。これにより、発電素子1の発電効率をより向上させることができる。
The length of the slit 423 (523) in the longitudinal direction is not particularly limited as long as it is shorter than the short side direction (length from the base end to the tip end) of the upper connecting member 42 (52), but it is 0.5 to 20 mm. Is preferably about 2 to 9 mm. Further, the width (length in the short direction) of the slit 423 (523) is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 5 mm, more preferably about 0.5 to 1.5 mm. . By satisfying the above conditions, the amount of change in magnetic flux density when the
また、上側連結部材42(52)の短手方向の長さ(基端から先端までの長さ)をLB、スリット423(523)の長手方向の長さをLSとしたとき、LB−LSの値は、0.5〜5mm程度であるのが好ましく、1〜3mm程度であるのがより好ましい。これにより、上側連結部材42(52)の耐久性を十分に高くしつつ、磁歪棒2が変形した際の磁束密度の変化量を、磁歪棒2の軸方向全体にわたってより均一にすることができる。
Further, when the length in the short direction (length from the base end to the tip) of the upper connecting member 42 (52) is L B , and the length in the longitudinal direction of the slit 423 (523) is L S , L B the value of -L S is preferably about 0.5 to 5 mm, more preferably about 1 to 3 mm. Thereby, the amount of change in magnetic flux density when the
なお、上側連結部材42(52)には、例えば、図11に示すようなパターンのスリットを形成することもできる。図11(a)は、図1に示す発電素子1が備える上側連結部材42(52)を模式的に示す平面図であり、図11(b)〜(e)は、図1に示す発電素子1が備える上側連結部材42(52)の他の構成例を模式的に示す平面図である。
For example, a slit having a pattern as shown in FIG. 11 may be formed in the upper connecting member 42 (52). Fig.11 (a) is a top view which shows typically the upper side connection member 42 (52) with which the electric
前述したように、図1に示す発電素子1の上側連結部材42(52)では、併設される磁歪棒2、2の各端部間(基端部21、21間または先端部22、22間)の略中央にスリット423(523)が形成されている。一方、このようなスリット423(523)は、図11(b)に示すように、上側連結部材42(52)の基端または先端が開放されるように形成されていてもよい。また、図11(c)〜(e)に示すように、上側連結部材42(52)に複数のスリットが形成されていてもよい。図11(c)に示す上側連結部材42(52)には、その基端および先端のいずれもが開放されるように2つのスリットが形成されている。また、図11(d)に示す上側連結部材42(52)には、その基端および先端が開放されて形成された2つのスリットと、これらの間に設けられた1つのスリットとを有している。また、図11(e)に示す上側連結部材42(52)には、その基端および先端が開放されて形成された2つのスリットと、これらの間に設けられた3つのスリットとを有している。図11(b)〜(e)に示すような上側連結部材42(52)を用いた場合でも、本実施形態の発電素子1と同様の作用効果を得ることができる。
As described above, in the upper coupling member 42 (52) of the
また、上側連結部材42(52)には、磁性材料で構成されたピンが挿入可能に構成されているのが好ましい。図示はしていないが、かかるピンを上側連結部材42(52)に挿入することにより、2つの磁歪棒2、2の一方の基端部21(先端部22)から他方の基端部21(先端部22)へと流れる磁力線の量(短絡量)を調整することができる。これにより、磁歪棒2を通過する磁束密度(磁力線の密度)の変化量を調整することができ、結果として、コイル3に発生する電圧(発電素子1の発電量)を、発電素子1の使用目的に応じて適宜調整することができる。かかるピンの構成材料としては、上側連結部材42(52)と同様の材料を用いることができる。
Moreover, it is preferable that the upper connecting member 42 (52) is configured so that a pin made of a magnetic material can be inserted therein. Although not shown, by inserting such a pin into the upper connecting member 42 (52), the one base end 21 (the front end 22) of the two
発電素子1を取り付けるベース100は、前述のように照明用スイッチの一部として用いることができる。具体的には、発電素子1の先端側連結部5に直接外部から力を与える構造を付加し、無線装置と組み合わせることで人が操作するスイッチとして用いることができる。このようなスイッチは、電源、信号線の配線をしなくとも機能し、例えば、住宅照明用無線スイッチ、住宅セキュリティー用システム(特に、窓やドアの操作検知を無線で知らせるシステム)等に用いることができる。
The base 100 to which the
また、車両の各スイッチに発電装置10を応用することで、電源、信号線の配線がなくなり、組立工数の削減だけではなく、車両に設ける配線に必要な重量を軽減し、車両などの軽量化を得て、タイヤ、車体、エンジンにかかる負荷を抑制し、その基本性能および安全性にも寄与することができる。
In addition, by applying the
なお、発電素子1を取り付けるベース100を一部に含む装置としては、特に限定されず、例えば、蒸気、水、燃料油、気体(空気、燃料ガス等)等をパイプやダクトを通して移動(排気、換気、吸気、廃液、循環)させる装置が挙げられる。より具体的には、大型施設、ビル、駅等の空調用ダクトが挙げられる。また、発電素子1を取り付けるベース100を一部に含む装置のその他の例としては、輸送機(貨物列車や自動車、トラックの荷台)、線路を構成するレール(枕木)、高速道路やトンネルの壁面パネル、架橋、ポンプやタービン等の機器等が挙げられる。さらに、ベース100は、発電素子1を小型化することにより、携帯通信機器の一部を構成する部材としても用いることができる。
In addition, it does not specifically limit as an apparatus which includes the base 100 which attaches the
これらの装置等に発生する振動は、目的とする媒体(空調用ダクトの場合、ダクト内を通過する気体等)の移動には不必要な振動であり、騒音や不快な振動を発生させる原因となっている。このような装置等の一部をベース100として用いて、発電素子1を取り付けることにより、この不必要な振動(運動エネルギー)を電気エネルギーとして変換(回生)して得ることができる。
The vibrations that occur in these devices are vibrations that are unnecessary for the movement of the target medium (in the case of air-conditioning ducts, gas that passes through the ducts, etc.) and may cause noise and unpleasant vibrations. It has become. By using a part of such a device as the
この得られた電力を、センサーや無線装置等の電源として用いることで、センサー等の機能を発揮することができる。例えば、施設居住空間の照度、温度、湿度、圧力、騒音を計測したり、無線装置で検出データを送信して、各種制御信号やモニタリング信号として利用することができる。また、車両の各部の状態を監視するシステム(例えば、タイヤ空気圧センサー、シートベルト着装検知センサー)としても利用することができる。また、このように不必要な振動を電力に変換することで、振動を発する装置等からの騒音や不快な振動を軽減する効果も得られる。なお、これらの装置等に取り付けられる発電素子1の発電量は、特に限定されないが、20〜2000μJ程度であるのが好ましい。発電素子1の発電量(発電能力)が上記範囲内であれば、例えば、無線装置と組み合わせることで、上述した住宅照明用無線スイッチや住宅セキュリティー用システム等に有効に利用することができる。
The function of the sensor or the like can be exhibited by using the obtained power as a power source for the sensor or wireless device. For example, illuminance, temperature, humidity, pressure, and noise in a facility living space can be measured, or detection data can be transmitted by a wireless device and used as various control signals and monitoring signals. It can also be used as a system for monitoring the state of each part of the vehicle (for example, a tire air pressure sensor, a seat belt wearing detection sensor). In addition, by converting unnecessary vibration into electric power in this way, it is possible to obtain an effect of reducing noise and unpleasant vibration from a device that generates vibration. In addition, the power generation amount of the
<第2実施形態>
次に、本発明の発電装置10の第2実施形態について説明する。
図12は、本発明の発電装置10の第2実施形態を示す斜視図である。図13(a)および図13(b)は、図12に示す発電装置10が備えるコイルのボビンを示す斜視図である。図14(a)および図14(b)は、図12に示す発電装置10が備える磁歪棒およびコイルを示す斜視図である。図14(c)は、図14(a)の磁歪棒2およびコイル3をB−B線で切断した断面を示す斜視図である。図15は、図12に示す発電装置10の縦断面図である。
Second Embodiment
Next, 2nd Embodiment of the electric
FIG. 12 is a perspective view showing a second embodiment of the
なお、以下の説明では、図12〜図15中の上側を「上」または「上方」と言い、図12〜図15中の下側を「下」または「下方」と言う。また、図12中の紙面右手前側および図15中の右側を「先端側」と言い、図12中の紙面左奥側および図15中の左側を「基端側」と言う。 In the following description, the upper side in FIGS. 12 to 15 is referred to as “upper” or “upper”, and the lower side in FIGS. 12 to 15 is referred to as “lower” or “lower”. Also, the right front side in FIG. 12 and the right side in FIG. 15 are referred to as “front end side”, and the left back side in FIG. 12 and the left side in FIG. 15 are referred to as “base end side”.
また、図13(a)では、ボビンの先端側が紙面右手前側となるように示されている。一方、図13(b)では、ボビンの基端側が紙面右手前側となるように示されている。また、図14(a)、(c)では、磁歪棒およびコイルの先端側が紙面右手前側となるように示されており、図14(b)では、磁歪棒およびコイルの基端側が紙面右手前側となるように示されている。 Also, in FIG. 13A, the bobbin tip side is shown to be the right front side of the page. On the other hand, in FIG. 13B, the base end side of the bobbin is shown to be the right front side of the drawing. 14 (a) and 14 (c), the magnetostrictive rod and the tip of the coil are shown to be on the right front side of the paper, and in FIG. 14 (b), the base end of the magnetostrictive rod and the coil is on the right front side of the paper. Is shown to be
以下、第2実施形態の発電装置10について、前記第1実施形態の発電装置10との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
Hereinafter, the
第2実施形態の発電装置10では、コイル3の構成が異なり、それ以外は、前記第1実施形態の発電装置10と同様である。すなわち、本実施形態の発電装置10では、コイル3が、磁歪棒2の外周側に、磁歪棒2を囲むように配置されたボビン32と、このボビン32に巻回された線材31とで構成されている。
In the electric
図13(a)、(b)に示すように、ボビン32は、線材31が巻回される長尺状の本体部33と、本体部33の基端と連結する第1の鍔部34と、本体部33の先端と連結する第2の鍔部35とを有している。なお、このようなボビン32は、各部材を溶接等により連結した構成であってもよいが、各部材が一体的に形成されているのが好ましい。
As shown in FIGS. 13A and 13B, the
本体部33は、長尺状の一対の側板部331、332と、基端側において、一対の側板部331、332の上端部同士を連結する上板部333および下端部同士を連結する底板部334とを備えている。なお、本体部33を構成する各側板部331、332、上板部333および底板部334は、いずれも、平板状をなしている。この本体部33は、その基端側に、一対の側板部331、332、上板部333および底板部334で規定される四角筒状の部分を有しており、この四角筒状の部分の内側に磁歪棒2が挿通される。
The
一対の側板部331、332同士の間隔は、磁歪棒2の幅よりも大きく設計されており、磁歪棒2は、一対の側板部331、332から離間した状態で、これらの間に配置される。また、上板部333と底板部334との間隔は、磁歪棒2の厚さと略等しくなるように構成されている。磁歪棒2は、この上板部333と底板部334との間に挿入され、これにより、磁歪棒2の基端側の一部が上板部333と底板部334とにより狭持される(図14(c)参照)。
この本体部33の外周側に、その基端から先端にわたって線材31が巻回される。
The distance between the pair of
The
本体部33の基端側には、本体部33(側板部331、332、上板部333および底板部334)と連結する平板状の第1の鍔部34が設けられている(図13(b)参照)。
第1の鍔部34は、略楕円形状をなしている。この第1の鍔部34には、本体部33と連結する位置に、磁歪棒2が挿通されるスリット341が形成されている。このスリット341の形状は、磁歪棒2の横断面形状と略等しくなるように形成されている。
On the base end side of the
The
さらに、第1の鍔部34の上側には、その幅方向の両端部に、第1の鍔部34から基端方向に突出する2つの突出部36が設けられている。突出部36には、ピン37を挿通するための貫通孔が2つ設けられている。発電素子1(ボビン32)をベース100に取り付けた状態で、第1の鍔部34のスリット341より下側の部分(下端部342)が下側連結部材41の固定部411の先端面に当接するとともに、各突出部36が上側連結部材42の上面の先端側に当接する(図12参照)。また、この状態で、ピンが突出部36の貫通孔に挿通されることにより、ボビン32が基端側連結部4に固定されている。このピン37は、前述したように、2つの磁歪棒2、2の一方の基端部21(先端部22)から他方の基端部21(先端部22)へと流れる磁力線の量(短絡量)を調整する機能を有していてもよい。
Furthermore, on the upper side of the
また、本体部33の先端側には、本体部33(側板部331、332)と連結する平板状の第2の鍔部35が設けられている(図13(a)参照)。第2の鍔部35は、略楕円形状をなしている。この第2の鍔部35には、本体部33(側板部331、332)が連結する位置に、磁歪棒2が挿通される略四角形状の開口部351が形成されている。この開口部351の幅は、一対の側板部331、332同士の間隔と略等しく、また、開口部351の上端から下端までの距離は、各側板部331(332)の短手方向の長さと略等しくなるように設計されている。
Further, a flat plate-like
また、第2の鍔部35の下端部352には、その幅方向の両端部側から下方向に突出する2つの突起部353が形成されている。発電素子1(ボビン32)をベース100に取り付けた状態で、下端部352が底部101に当接するとともに、突起部353は、ベース100のスリット108を規定する縁部に係合するように構成されている。また、この状態で、第2の鍔部35は、先端側連結部5と離間している。
In addition, the
図14(c)に示すように、本実施形態の発電素子1では、磁歪棒2の変位(振動)方向(図14(c)の上下方向)における磁歪棒2とボビン32または線材31との間に、ボビン32の中央付近から先端にわたって、空隙が形成されている。この空隙は、磁歪棒2が変位する際に、磁歪棒2とボビン32または線材31とが干渉しないサイズ、すなわち、磁歪棒2の振幅より大きいサイズを有するように設計されている。そのため、磁歪棒2は、コイル3(線材31およびボビン32)と接触することなく振動することができ、磁歪棒2とコイル3との間の摩擦によるエネルギーロスの発生を防止することができる。
As shown in FIG. 14C, in the
また、本実施形態の発電素子1では、磁歪棒2および梁部材8が変形する際に、その変形とともにコイル3(線材31およびボビン32)は変形しない。一般的に、コイルを構成する線材やボビンは、その変形に伴うエネルギー損失量が大きい、すなわち、損失係数が大きい部材である。したがって、本実施形態の発電素子1では、損失係数の大きいコイル3の線材31およびボビン32が変形することによるエネルギーロス(構造減衰)の発生が防止される。さらに、発電素子1では、質量が大きいコイル3が、磁歪棒2の振動に付随して変位しない。すなわち、かかる発電素子1では、磁歪棒2を振動させる振動系の質量として、コイル3の質量が含まれない。そのため、発電素子1では、磁歪棒とともにコイルも変位するような発電素子に比べて、磁歪棒2(振動系)の振動周波数の低下を防止することができる。これにより、磁歪棒2の時間当たりの磁束密度の変化量(磁束密度の変化勾配)が小さくなるのを防止し、発電効率の低下を防止することができる。
Further, in the
このように、本実施形態の発電素子1では、磁歪棒2とコイル3との間の摩擦によるエネルギーロス、および損失係数が大きいコイル3が変形することによるエネルギーロスの発生を防止することができる。さらに、質量が大きいコイル3が変位することによる振動周波数の低下を防止することができる。これにより、磁歪棒2を効率良く変形させることができ、その結果、発電素子1の発電効率を向上させることができる。
As described above, in the
また、ボビン32内に形成される空隙のサイズは、一対の側板部331、332の短手方向の長さを変更し、この変更に合わせて開口部351の上端から下端までの距離を変更することにより、自由に設定することができる。なお、ボビン32の構成材料としては、例えば、梁部材8の構成材料として挙げた材料と同様の材料を用いることができる。かかる第2実施形態の発電素子1によっても、前記第1実施形態の発電素子1と同様の作用・効果を生じる。
Further, the size of the gap formed in the
<第3実施形態>
次に、本発明の発電装置10の第3実施形態について説明する。
図16は、本発明の発電装置10(ベースは省略)の第3実施形態を示す斜視図である。
<Third Embodiment>
Next, 3rd Embodiment of the electric
FIG. 16 is a perspective view showing a third embodiment of the power generation apparatus 10 (base is omitted) of the present invention.
なお、以下の説明では、図16中の上側を「上」または「上方」と言い、図16中の下側を「下」または「下方」と言う。また、図16中の紙面右奥側を「先端」と言い、図16中の紙面左手前側を「基端」と言う。 In the following description, the upper side in FIG. 16 is referred to as “upper” or “upper”, and the lower side in FIG. 16 is referred to as “lower” or “lower”. Further, the right rear side of the paper surface in FIG. 16 is referred to as “front end”, and the left front side of the paper surface in FIG. 16 is referred to as “base end”.
以下、第3実施形態の発電装置10について、前記第1実施形態の発電装置10との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
Hereinafter, the
図16に示す発電素子1は、外周側にコイル3が巻回された1本の磁歪棒2および梁部材8と、これらの基端部21および先端部22をそれぞれ連結する基端側連結部4および先端側連結部5と、磁歪棒2および梁部材8と併設されたヨーク9と、上側連結部材42とヨーク9との間および上側連結部材52とヨーク9との間に設けられた2つの永久磁石6c、6dとを有している。
The
かかる構成の発電素子1では、磁歪棒2と梁部材8とが厚さ方向に併設されており、第1実施形態の発電素子1と同様に、磁歪棒2と梁部材8との梁間隔が、基端から先端に向かって小さくなるように構成されている。
In the
なお、本実施形態の磁歪棒2、コイル3、基端側連結部4、先端側連結部5および梁部材8としては、第1実施形態で記載したのと同様の構成とすることができる。
The
ヨーク9は、長尺の平板状をなしており、磁歪棒2および梁部材8に対して、これらの幅方向に併設されている。ヨーク9の構成材料としては、第1実施形態の基端側連結部4および先端側連結部5で挙げた材料と同様の材料を用いることができる。
The
永久磁石6c、6dは、円柱状をなしている。このような永久磁石6c、6dの構成材料としては、第1実施形態の永久磁石6a、6bと同様の材料を用いることができる。
The
本実施形態では、上側連結部材42とヨーク9との間に設けられた永久磁石6cは、S極を上側連結部材42側に、N極をヨーク9側にして配置され、上側連結部材52とヨーク9との間に設けられた永久磁石6dは、図16に示すように、S極をヨーク9側に、N極を上側連結部材52側にして配置されている。これにより、発電素子1には、時計間周りの磁界ループが形成されている。
In the present embodiment, the permanent magnet 6 c provided between the upper connecting
本実施形態の発電素子1では、磁歪棒2と梁部材8とが厚さ方向に併設されているため、磁歪棒2に巻回するコイル3の体積が制限されるものの、第1実施形態の発電素子1と同様に、磁歪棒2と梁部材8との梁間隔が、基端から先端に向かって小さくなるように構成されている。そのため、先端側連結部5に外力が付与されると、磁歪棒2および梁部材8は変位方向(上下方向)に円滑に変位することができ、その結果、磁歪棒2に発生する応力の厚さ方向におけるバラつきを少なくすることができる。これにより、磁歪棒2に一様な応力を生じさせることができ、発電素子1の発電効率を優れたものとすることができる。
In the
なお、本実施形態では、コイル3を磁歪棒2に巻回する代わりに、ヨーク9の外周側に巻回する構成にしてもよい。磁歪棒2中の磁束密度の変化に伴い、ヨーク9を通過する磁束密度も同様に変化するため、上記構成の発電素子1と同様にコイル3に電圧を発生させることができる。また、かかる構成では、上側連結部材42、52の幅(長手方向の長さ)を大きくしたり、各永久磁石6c、6dの厚さを厚くすることにより、磁歪棒2および梁部材8とヨーク9との間隔を大きくすることができるため、第1実施形態の発電素子1と同様に、コイル体積を大きくすることが可能である。これにより、発電素子1の発電効率をさらに優れたものとすることができる。
In the present embodiment, the
なお、各部材の固定、連結は、例えば、ネジ止め、ピンの圧入、溶接、接着剤による接着等の方法により各部材同士を固定、連結することができる。 In addition, fixation and connection of each member can fix and connect each member by methods, such as screwing, pin press-fit, welding, adhesion | attachment with an adhesive agent, for example.
かかる第3実施形態の発電素子1によっても、第1実施形態の発電素子1と同様の作用・効果を生じる。
The
以上、本発明の発電装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各構成は、同様の機能を発揮し得る任意のものと置換することができ、あるいは、任意の構成のものを付加することができる。 As mentioned above, although the electric power generating apparatus of this invention was demonstrated based on embodiment of illustration, this invention is not limited to this, Each structure is substituted with the arbitrary things which can exhibit the same function. Or an arbitrary configuration can be added.
例えば、前記第1〜第3実施形態の任意の構成を組み合わせることもできる。
また、2つの永久磁石のうち一方を省略することもでき、永久磁石の一方または双方を電磁石に置き換えることもできる。さらに、本発明の発電装置は、双方の永久磁石を省略し、外部磁場(外部磁界)を用いて発電する構成とすることもできる。
For example, the arbitrary configurations of the first to third embodiments can be combined.
One of the two permanent magnets can be omitted, and one or both of the permanent magnets can be replaced with an electromagnet. Furthermore, the power generation device of the present invention may be configured to generate power using an external magnetic field (external magnetic field), omitting both permanent magnets.
また、前記各実施形態において、磁歪棒2および梁部材8は、いずれも、その横断面形状が長方形状をなしているが、例えば、円形状、楕円形状、三角形状、正方形状、六角形状のような多角形状であってもよい。
In each of the above embodiments, the
また、前記各実施形態の永久磁石6は、いずれも平板状または円柱状をなしているが、角柱状や三角柱状をなしていてもよい。 Moreover, although the permanent magnet 6 of each said embodiment has comprised flat form or the column shape, all may have comprised the prism shape or the triangular prism shape.
前記各実施形態では、ベース100が発電素子1を構成する部材のうちの梁部材8と下側連結部材51とを備えているが、ベース100は、少なくとも梁部材8を備えていればよく、下側連結部材51を備えていなくてもよい。また、ベース100は、梁部材8および下側連結部材51に加えて、下側連結部材41を備えていてもよい。
In each of the above-described embodiments, the
10…発電装置 1…発電素子 2…磁歪棒 21…基端部 22…先端部 3…コイル 31…線材 32…ボビン 33…本体部 331、332…側板部 333…上板部 334…底板部 34…第1の鍔部 341…スリット 342…下端部 35…第2の鍔部 351…開口部 352…下端部 353…突起部 36…突出部 37…ピン 4…基端側連結部 41…下側連結部材 411…固定部 412…脚部 413…脚部 42…上側連結部材 421…凹部 422…切欠部 423…スリット 5…基端側連結部 51…下側連結部材 52…上側連結部材 521…凹部 522…切欠部 523…スリット 6a…永久磁石 6b…永久磁石 6c…永久磁石 6d…永久磁石 61…第1の部分 62…第2の部分 63…突起部 7a…磁性部材 7b…磁性部材 71…切欠部 8…梁部材 100…ベース 101…底部(平板部) 102a…側部 102b…側部 102c…側部 102d…側部 103…T字状部 104…開口 105…凹部 106…開口 107…爪部 108…スリット 110…ベース本体 9…ヨーク
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記発電素子は、軸方向に磁力線を通過させる磁歪材料で構成された少なくとも1つの磁歪棒と、前記磁歪棒に応力を付与する機能を有する梁部材と、前記磁力線が軸方向に通過するように配置され、その密度の変化に基づいて電圧が発生するコイルとを有し、前記磁歪棒の一端に対して他端を、その軸方向と略垂直な方向に変位させて前記磁歪棒を伸縮させることにより、前記磁力線の密度を変化させて前記コイルに電圧を発生するように構成され、
当該ベースは、前記発電素子を構成する部材のうちの少なくとも前記梁部材を有することを特徴とするベース。 A base for holding a power generation element,
The power generating element includes at least one magnetostrictive rod made of a magnetostrictive material that passes magnetic lines of force in the axial direction, a beam member that has a function of applying stress to the magnetostrictive bar, and the magnetic lines of force pass in the axial direction. And a coil for generating a voltage based on a change in density of the magnetostrictive rod. The other end of the magnetostrictive rod is displaced in a direction substantially perpendicular to the axial direction to expand and contract the magnetostrictive rod. By changing the density of the lines of magnetic force, the coil is configured to generate a voltage,
The base has at least the beam member among members constituting the power generating element.
前記梁部材は、前記ベース本体と一体的に形成されている請求項1または2に記載のベース。 The base has a base body that holds the beam member with one end as a fixed end and the other end as a movable end,
The base according to claim 1, wherein the beam member is formed integrally with the base body.
前記梁部材より応力が付与されるように前記ベースに固定され、軸方向に磁力線を通過させる磁歪材料で構成された少なくとも1つの磁歪棒と、
前記磁力線が軸方向に通過するように配置され、その密度の変化に基づいて電圧が発生するコイルとを有し、
前記磁歪棒の一端に対して他端を、その軸方向と略垂直な方向に変位させて前記磁歪棒を伸縮させることにより、前記磁力線の密度を変化させて前記コイルに電圧を発生するように構成されていることを特徴とする発電装置。 A base according to any of claims 1 to 5,
At least one magnetostrictive rod made of a magnetostrictive material that is fixed to the base so that stress is applied from the beam member, and that passes magnetic lines of force in the axial direction;
The magnetic field lines are arranged so as to pass in the axial direction, and a coil that generates a voltage based on a change in density thereof,
The other end of the magnetostrictive rod is displaced in a direction substantially perpendicular to the axial direction of the magnetostrictive rod to expand and contract the magnetostrictive rod, thereby changing the density of the lines of magnetic force and generating a voltage in the coil. It is comprised, The electric power generating apparatus characterized by the above-mentioned.
平面視において、各前記磁歪棒と前記梁部材とが重ならないよう配置されている請求項6ないし9のいずれかに記載の発電装置。 The at least one magnetostrictive rod has two or more magnetostrictive rods attached thereto;
The power generator according to any one of claims 6 to 9, wherein the magnetostrictive rod and the beam member are arranged so as not to overlap each other in a plan view.
平面視において、各前記コイルと前記梁部材とが重ならないよう配置されている請求項10または11に記載の発電装置。 The coil is wound around the magnetostrictive rod on the outer peripheral side of each magnetostrictive rod,
The power generation device according to claim 10 or 11, wherein each of the coils and the beam member are arranged so as not to overlap each other in a plan view.
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