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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5943423
(24)【登録日】2016年6月3日
(45)【発行日】2016年7月5日
(54)【発明の名称】発電装置
(51)【国際特許分類】
H02N 2/00 20060101AFI20160621BHJP
【ＦＩ】
H02N2/00 D
【請求項の数】5
【全頁数】22
(21)【出願番号】特願2012-155041(P2012-155041)
(22)【出願日】2012年7月10日
(65)【公開番号】特開2014-18006(P2014-18006A)
(43)【公開日】2014年1月30日
【審査請求日】2015年6月19日
(73)【特許権者】
【識別番号】504160781
【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学
(74)【代理人】
【識別番号】100109210
【弁理士】
【氏名又は名称】新居 広守
(72)【発明者】
【氏名】上野 敏幸
【審査官】
三澤 哲也
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２０１１／１５８４７３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２０１０／１５０８６６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００８−０３６５８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−２９１８４２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０２Ｎ ２／００
Ｂ０６Ｂ １／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁歪材料で構成された磁歪棒を有する発電素子と、
前記発電素子の一端に設けられた弾性棒と、
前記弾性棒に設けられた複数の錘と
を備え、
前記発電素子の他端が固定され、複数の共振周波数で振動することにより発電する
発電装置。
前記発電素子の一端に設けられた弾性棒と、
前記弾性棒に設けられた複数の錘と
を備え、
前記発電素子の他端が固定され、複数の共振周波数で振動することにより発電する
発電装置。
【請求項2】
前記発電素子は、
前記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、前記磁歪棒と平行に配置された磁性棒と、
前記磁歪棒に巻かれたコイルと、
前記磁歪棒および前記磁性棒のそれぞれの両端に、前記磁歪棒と前記磁性棒とを連結するように設けられた２つの連結ヨークと
を有し、
前記弾性棒は、前記発電素子の一端側の前記連結ヨークに設けられている
請求項１に記載の発電装置。
前記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、前記磁歪棒と平行に配置された磁性棒と、
前記磁歪棒に巻かれたコイルと、
前記磁歪棒および前記磁性棒のそれぞれの両端に、前記磁歪棒と前記磁性棒とを連結するように設けられた２つの連結ヨークと
を有し、
前記弾性棒は、前記発電素子の一端側の前記連結ヨークに設けられている
請求項１に記載の発電装置。
【請求項3】
前記複数の錘のそれぞれは、板状の部材を前記弾性棒との接触部分で所定の角度に屈曲した形状を有している
請求項１または２に記載の発電装置。
請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項4】
前記連結ヨークは、前記磁歪棒の軸方向に垂直な方向に屈曲されている
請求項２に記載の発電装置。
請求項２に記載の発電装置。
【請求項5】
前記弾性棒は、平行に２本配置され、
前記複数の錘は、前記２本の弾性棒に共通して配置されている
請求項１または２に記載の発電装置。
前記複数の錘は、前記２本の弾性棒に共通して配置されている
請求項１または２に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、振動を利用した発電装置に関し、特に、磁歪材料を使用した発電装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、身近な振動から発電を行うための技術の開発が盛んに行われており、その技術の１つとして圧電素子を用いた発電方法や永久磁石の磁束密度の変化を利用した発電方法が知られている。
【0003】
圧電素子を利用した発電方法の多くは、圧電素子に何らかの方法で外部から力を加えることにより、圧電素子を変形させて発電するものである。圧電素子を変形させるには、例えば、圧電素子に振動を加えて変形させる方法、風圧や音圧などの圧力を間接的に与える方法、錘などの物体を圧電素子に衝突させる方法、圧電素子を変形する物体に取り付ける方法などがある（例えば、特許文献１、２参照）。
【0004】
特許文献１では、複数の振動圧電体Ｂ１を備えた振動発電装置１０００が記載されている。振動圧電体Ｂ１は、筐体内に配設された複数の振動圧電体Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を備えている。振動圧電体Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３はそれぞれの振動周波数に対応して振動するため、振動発電装置１０００は、複数の振動周波数に対応して発電する。
【0005】
また、特許文献２には、少なくとも一端が固定され、空間または媒質を伝播する波動を受信して共振する共振部１１２１と、共振部１１２１に結合して形成され、共振部１１２１の共振に応じて電圧を発生する圧電素子（図示せず）と、圧電素子の対向する面にそれぞれ形成され、圧電素子で発生した電圧を取り出す第１電極および第２電極と、を含む発電装置１１００が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０１１−１５２００４号公報
【特許文献2】特開２０１０−２７３４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１に記載された振動発電装置１０００は、図１５に示すように、筐体と、この筐体内に配設された複数の振動圧電体Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を備えている。振動圧電体Ｂ１は、筐体への入力に応じて振動する振動板Ｐ１と、振動板Ｐ１に接合され該振動板Ｐ１の変位に応じた電圧を出力する圧電素子Ｅ１とを備えている。同様に、振動圧電体Ｂ２は、筐体への入力に応じて振動する振動板Ｐ２と、振動板Ｐ２に接合され該振動板Ｐ２の変位に応じた電圧を出力する圧電素子Ｅ２とを備えている。振動圧電体Ｂ３は、筐体への入力に応じて振動する振動板Ｐ３と、振動板Ｐ３に接合され該振動板Ｐ３の変位に応じた電圧を出力する圧電素子Ｅ３とを備えている。また、振動圧電体Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、それぞれ、重さの異なる錘Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を備えていることで、複数の共振周波数に対応した振動により発電する。
【0008】
したがって、発電を行うことができる振動周波数が、複数の振動圧電体の共振周波数に限定されるため、幅広い周波数領域の振動に対応して発電することが難しかった。
【0009】
また、図１６に示すように、特許文献２に記載された発電装置１１００では、共振部１１２１は、長さの異なる複数の電力ユニット（発電機構）１１２１Ａ〜１１２１Ｅを有している。これにより、発電装置１１００は、電力ユニット１１２１Ａ〜１１２１Ｅそれぞれの共振周波数に対応した振動により発電する。
【0010】
したがって、発電を行うことができる振動周波数が、電力ユニットの共振周波数に限定されるため、幅広い周波数領域の振動に対応して発電することが難しかった。
【0011】
上記課題を鑑み、本発明は、幅広い周波数領域の振動に対応して発電することができる発電装置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】
【0012】
上記の課題を達成するため、本発明の一態様に係る発電装置は、磁歪材料で構成された磁歪棒を有する発電素子と、前記発電素子の一端に設けられた弾性棒と、前記弾性棒に設けられた複数の錘とを備え、前記発電素子の他端が固定され、複数の共振周波数で振動することにより発電する。
【0013】
この構成によれば、発電装置は１または複数の共振モードで共振することができる。これにより、低い周波数の振動であっても、高次共振モードの振動を発生することができるので、幅広い共振周波数の振動に対応して発電することができる。
【0014】
また、前記発電素子は、前記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、前記磁歪棒と平行に配置された磁性棒と、前記磁歪棒に巻かれたコイルと、前記磁歪棒および前記磁性棒のそれぞれの両端に、前記磁歪棒と前記磁性棒とを連結するように設けられた２つの連結ヨークとを有し、前記弾性棒は、前記発電素子の一端側の前記連結ヨークに設けられていてもよい。
【0015】
この構成によれば、磁歪棒の伸張及び収縮を利用して、効率よく発電を行うことができる。
【0016】
また、前記複数の錘のそれぞれは、板状の部材を前記弾性棒との接触部分で所定の角度に屈曲した形状を有していてもよい。
【0017】
この構成によれば、錘の形状が風等により抵抗を受けやすい形状であるため、自然の力を利用して容易に発電することができる。
【0018】
また、前記連結ヨークは、前記磁歪棒の軸方向に垂直な方向に屈曲されていてもよい。
【0019】
この構成によれば、発電装置の形状がコの字型であるため、上下方向および左右方向のいずれの振動に対しても曲げモーメントが加わるため、発電することができる。
【0020】
また、前記弾性棒は、平行に２本配置され、前記複数の錘は、前記２本の弾性棒に共通して配置されていてもよい。
【0021】
この構成によれば、発電装置において、発電を引き起こす方向に磁歪棒を湾曲させるための振動が生じやすくなり、発電に関与しない方向に磁歪棒を湾曲させるための振動が抑制される。したがって、効率よく発電することができる。
【発明の効果】
【0022】
本発明によると、幅広い共振周波数の振動に対応した発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1A】発電素子の構成を示す概略図である。
【図1B】発電素子の他の構成を示す概略図である。
【図2A】実施の形態１に係る発電装置の構成を示す概略図である。
【図2B】実施の形態１に係る発電装置の動作を示す概略図である。
【図2C】実施の形態１に係る発電装置の動作を示す概略図である。
【図2D】実施の形態１に係る発電装置の動作を示す概略図である。
【図3A】１次共振モードについて説明するための原理図である。
【図3B】２次共振モードについて説明するための原理図である。
【図3C】３次共振モードについて説明するための原理図である。
【図4A】１次共振モードにおける発電装置の変位を示す図である。
【図4B】２次共振モードにおける発電装置の変位を示す図である。
【図4C】３次共振モードにおける発電装置の変位を示す図である。
【図4D】４次共振モードにおける発電装置の変位を示す図である。
【図4E】５次共振モードにおける発電装置の変位を示す図である。
【図4F】６次共振モードにおける発電装置の変位を示す図である。
【図5A】１次共振モードにおける発電装置の変位を示す拡大図である。
【図5B】２次共振モードにおける発電装置の変位を示す拡大図である。
【図5C】３次共振モードにおける発電装置の変位を示す拡大図である。
【図5D】４次共振モードにおける発電装置の変位を示す拡大図である。
【図5E】５次共振モードにおける発電装置の変位を示す拡大図である。
【図5F】６次共振モードにおける発電装置の変位を示す拡大図である。
【図6A】実施の形態１の変形例に係る発電装置の構成を示す概略図である。
【図6B】実施の形態１の変形例に係る発電装置の共振周波数と発生電圧の関係を示す図である。
【図7A】実施の形態２に係る発電装置の構成を示す概略図である。
【図7B】実施の形態２に係る発電装置の構成を示す概略図である。
【図7C】実施の形態２に係る発電装置の構成を示す概略図である。
【図8】関連技術に係る発電装置の構成を示す概略図である。
【図9】関連技術に係る発電装置の構成を示す概略図である。
【図10】実施の形態３に係る発電装置の構成を示す概略図である。
【図11】実施の形態３に係る発電装置の構成を示す概略図である。
【図12】実施の形態３に係る発電装置の構成を示す概略図である。
【図13】実施の形態４に係る発電装置の構成を示す概略図である。
【図14】実施の形態４の変形例に係る発電装置の構成を示す概略図である。
【図15】従来の発電装置の構成を示す図である。
【図16】従来の発電装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
図１Ａに示されるように、発電素子９００Ａは、固定ヨーク９１２と、可動ヨーク９１４と、コイル９１６Ａ及びコイル９１６Ｂと、磁歪材料からなる磁歪棒９１８Ａ及び磁歪棒９１８Ｂとを備えている。
【0027】
磁歪棒９１８Ａ及び磁歪棒９１８Ｂは、平行梁構造を有する。磁歪棒９１８Ａ及び磁歪棒９１８Ｂの一端は、固定ヨーク９１２により機械的に連結されている。また、磁歪棒９１８Ａ及び磁歪棒９１８Ｂの他端は、可動ヨーク９１４により機械的に連結されている。
【0028】
磁歪棒を構成する磁歪材料は、一例として鉄ガリウム合金であるＧａｌｆｅｎｏｌである。大きさは、例えば、断面が２ｍｍ×０．５ｍｍで軸方向の長さが２０ｍｍ程度の角柱状として形成してもよい。なお、磁歪材料はＧａｌｆｅｎｏｌに限らずその他の材料であってもよい。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。
【0029】
磁歪棒９１８Ａには、コイル９１６Ａが巻かれている。また、磁歪棒９１８Ｂには、コイル９１６Ｂが巻かれている。
【0030】
ここで、磁界中において、磁歪棒９１８Ａ及び磁歪棒９１８Ｂの一方が伸張し、他方が圧縮されるように可動ヨーク９１４を振動させることにより、磁歪棒９１８Ａ及び磁歪棒９１８Ｂに逆磁歪効果が生じる。その結果、コイル９１６Ａ及びコイル９１６Ｂの周囲の磁束が変化する。したがって、コイル９１６Ａ及びコイル９１６Ｂに起電力が生じる。こうして、発電素子９００Ａは振動により発電することができる。
【0031】
図１Ｂは、磁歪棒９１８Ｂの代わりに、連結ヨーク９２０と一体形成された梁を使用して平行梁を構成する発電素子９００Ｂの構成を示す。
【0032】
発電素子９００Ｂにおいても、磁界中において、連結ヨーク９２０を振動させることにより、磁歪棒９１８Ｃに逆磁歪効果が生じる。その結果、コイル９１６Ｃ周囲の磁束が変化する。したがって、コイル９１６Ｃに起電力が生じる。こうして、発電素子９００Ｂは振動により発電することができる。
【0033】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。
【0035】
図２Ａに示すように、発電装置１０は、発電素子１００と、弾性線１３０と、錘１４０とを備えている。
【0036】
発電素子１００は、図１Ｂに示した発電素子９００Ｂと同様、連結ヨーク１２０と、コイル１１６と、磁歪材料からなる磁歪棒１１８とを備えている。磁歪棒１１８は、連結ヨーク１２０と一体形成された梁と、平行梁を構成している。
【0037】
磁歪棒１１８は、例えば、鉄ガリウム合金であるＧａｌｆｅｎｏｌで構成され、断面が２ｍｍ×０．５ｍｍで軸方向の長さが２０ｍｍ程度の角柱状の形状を有している。また、発電素子１００の、連結ヨーク１２０も含めた全体の大きさは、幅２ｍｍ程度、長さ５０ｍｍ程度である。
【0038】
なお、連結ヨーク１２０と一体形成された梁は、本発明における磁性棒に相当する。この梁は、図１Ｂに示すように連結ヨーク１２０と一体に形成されていても良いし、例えば、適度な弾性を有する磁性材料等で連結ヨーク１２０とは別に形成されていてもよい。また、発電素子１００の構成は、上記した構成に限らず、磁歪棒１１８を少なくとも１つ備える構成であれば他の構成であってもよい。
【0039】
弾性線１３０は、本発明の弾性棒であり、例えば、バネ鋼、リン青銅、超弾性材料などで構成される。弾性線１３０は、例えば、直径１ｍｍ程度、長さ５０ｍｍ程度の細線である。弾性線１３０は、２つの連結ヨーク１２０の一方に設けられ、磁歪棒１１８の軸方向に長尺な形状を有している。なお、弾性線１３０は、弾性を有する細線であってもよいし、棒状または板状のものであってもよい。また、弾性線１３０は、上記したように、磁歪棒１１８の軸方向に長尺な形状であってもよいし、その他の方向に長尺な形状であってもよい。また、屈曲した形状や湾曲した形状であってもよい。
【0040】
錘１４０は、所定の間隔ごとに弾性線１３０に複数個配置されている。錘１４０は、例えば、図２Ａに示すように、１辺が２０ｍｍ程度の立方体の形状を有しており、５ｍｍの間隔で弾性線１３０に５個配置されている。なお、弾性線１３０と複数の錘１４０とを合わせた構成を多自由度励振機構と呼ぶ。
【0041】
また、発電装置１０は、振動体１５０に固定され片持ち梁となっている。これにより、発電装置１０は、振動体１５０の振動により振動される。
【0042】
次に、発電装置１０の動作について説明する。図２Ｂ〜図２Ｄは、本実施の形態に係る発電装置１０の動作を示す概略図である。図３Ａ〜図３Ｃは、発電装置１０の共振モードについて説明するための原理図である。
【0043】
図２Ｂにおいて、振動体１５０が上下に振動すると、錘１４０の慣性力により発電装置１０全体が湾曲する。発電装置１０は、図３Ａに示すように、１つの振動の腹を生じる１次共振モードで振動する。振動体１５０の振動周波数を増加すると、発電装置１０全体は一方向に湾曲し共振する。このとき、発電装置１０の根元に配置されている発電素子１００は一方向に湾曲するため、発電を行うことができる。
【0044】
さらに、振動体１５０の振動周波数を増加すると、図２Ｃに示すように、発電装置１０には２次共振モードの振動が発生する。発電装置１０は、図３Ｂに示すように、１つの振動の腹と１つの振動の節を生じる２次共振モードで振動する。このとき、発電素子１００は１次共振モードのときと同様一方向に湾曲するため、発電を行うことができる。
【0045】
さらに、振動体１５０の振動周波数を増加すると、発電装置１０には３次共振モードの振動が発生する。発電装置１０は、図３Ｃに示すように、２つの振動の腹と２つの振動の節を生じる３次共振モードで振動する。このとき、発電素子１００は１次共振モードのときと同様一方向に湾曲するため、発電を行うことができる。
【0046】
このように、発電装置１０全体としては複数の振動の節と振動の腹が存在することで高次共振モードで振動するが、発電素子１００は一様に湾曲するため磁歪効果により発電をすることができる。したがって、発電装置１０は、高次の共振周波数を発生させることで効率よく発電することができる。
【0047】
なお、図２Ｄに示すように、発電装置１０は、自発的に高次共振モードで振動する構成であってもよいし、発電装置１０の一部（例えば、先端に配置された錘１４０）を床等に衝突することにより、強制的に高次の共振振動を発生して高次共振モードで振動する構成であってもよい。
【0048】
図４Ａ〜図４Ｆは、１次〜高次（例えば６次）共振モードにおける発電装置１０の変位を示す図であり、発電素子１００に弾性線１３０と、１０個の錘１４０を配置したときの発電装置１０の共振状態を有限要素数値解析で計算した結果である。また、図５Ａ〜図５Ｆは、図４Ａ〜図４Ｆにおける発電素子１００部分の拡大図である。
【0049】
図４Ａ〜図４Ｆに示す発電装置１０は、左端が振動体１５０に固定されている。また、発電素子１００は、図４Ａ〜図４Ｆに示すように、発電装置１０において振動体１５０側から１／４程度の長さの位置に配置されている。図４Ａ〜図４Ｆでは、この発電装置１０に振動体１５０から振動を与え、共振が生じたときの発電装置１０の外形形状である。
【0050】
解析結果によると、発電装置１０は、３．５、２１．５、５８．０、１１０、２７５、３９９Ｈｚの周波数で共振し、図４Ａ〜図４Ｆに示すように、３．５Ｈｚは１次の共振周波数（１次共振モード）、２１．５Ｈｚは２次の共振周波数（２次共振モード）、５８．０Ｈｚは３次の共振周波数（３次共振モード）、１１０Ｈｚは４次の共振周波数（４次共振モード）、２７５Ｈｚは５次の共振周波数（５次共振モード）、３９９Ｈｚは６次の共振周波数（６次共振モード）により振動していることがわかる。
【0051】
また、１次〜６次共振モードのそれぞれにおいて、発電装置１０全体としてはそれぞれの高次共振モードで共振しているにもかかわらず、図５Ａ〜図５Ｆに示すように、発電素子１００は一方向にのみ湾曲していることが分かる。したがって、発電素子１００において、磁歪棒１１８は伸張または収縮することになり発電を行うことができる。
【0052】
また、一般に、磁歪による発電素子は、２次以上の高次の共振周波数に対しても効率よく発電できる。しかし、発電素子を構成する連結ヨークの剛性が高い場合、２次以上の高次の共振周波数は数百Ｈｚから数千Ｈｚと高い周波数領域で発生する。本実施の形態に係る発電装置１０によると、３．５Ｈｚ〜３９９Ｈｚ程度の低い周波数領域であっても高次の共振周波数を発生させることができる。したがって、低い周波数領域における振動発電にも有効である。
【0053】
ここで、発電装置１０において、低い周波数領域における振動であっても共振振動を生じやすい理由は以下のとおりである。
【0054】
一般に、発電装置１０においては、弾性線１３０のバネ定数が低くなるほど共振振動を生じやすい周波数領域が低くなり、錘１４０の質量が大きくなるほど共振周波数が低くなる。発電装置１０においては、弾性線１３０の直径を細くすることで弾性線１３０のバネ定数を低くすることができ、錘１４０の質量を重くすることによりバネ定数を低くすることができる。したがって、発電装置１０において共振周波数を低くすることができる。弾性線１３０は、例えば、バネ鋼、リン青銅、超弾性材料等の高い引張強度を有する材料で構成されることが好ましい。
【0055】
以上、本実施の形態に係る発電装置１０によると、発電装置１０は、弾性線１３０と複数の錘１４０で構成された多自由度励振機構を発電素子１００に連結した構成により、低い周波数領域で複数の共振周波数を発生させることができる。また、各共振周波数において発電素子１００が一方向に湾曲することで、効率よく発電を行うことができる。
【0056】
なお、発電装置１０の構成において、全ての錘１４０は必ずしも同じ質量である必要はなく、また、弾性線１３０に等間隔に配置する必要はない。また、発電装置１０が所望の共振周波数の分布を有するように、適時、錘１４０の大きさや個数、配置を調整してもよい。各共振モードにおいて発電素子１００が一方向に湾曲するのであれば任意の構成でもよい。
【0057】
また、弾性線（または、弾性板）は、必ずしも直線である必要はなく、直角に折れ曲がっていたり、円弧状や波状など湾曲していたりしてもよい。
【0058】
また、多自由度励振機構を構成する弾性線１３０と錘１４０とは、ＳＵＳ４３０（ステンレス鋼）などの同一材料で一体に成形されていてもよい。同様に、多自由度励振機構と連結ヨーク１２０も一体に成形されていてもよい。
【0059】
また、磁歪棒１１８の形状は、直方体の棒状の形状に限らず、例えば円柱状の棒状の形状、板状、薄帯状等その他の形状であってもよい。
【0060】
（実施の形態１の変形例）次に実施の形態１の変形例について説明する。
【0061】
図６Ａは、本変形例に係る発電装置の構成を示す概略図である。図６Ｂは、発電装置の共振周波数と発生電圧との関係を示す図である。図６Ｂでは、１次〜４次共振モードにおける共振周波数と発生電圧との関係を示している。
【0062】
図６Ａに示すように、実施の形態１に係る発電装置１０は、弾性線１３０の周囲にダンパ部１６０を備えていてもよい。ダンパ部１６０は、ゴムまたはスポンジ等の弾性材料で構成され、弾性線１３０の周囲を覆うように配置されている。
【0063】
また、図６Ｂに示すように、ダンパ部１６０を備えた発電装置１０とダンパ部１６０を備えない発電装置１０において、いずれも１次〜４次共振モードそれぞれの共振周波数での発生電圧は大きくなっているが、ダンパ部１６０を備えた発電装置１０のほうが、ダンパ部１６０を備えない発電装置１０よりも共振のＱ値（共振の鋭さ）を下げることができ、かつ、発電を行うことができる周波数領域（例えば、定格値の１／２以上の電圧を出力することができる周波数領域）を拡大することができる。したがって、ダンパ部１６０を設けることにより、発電装置１０は、過大な振幅によって発電素子１００が破壊されるのを抑制することができるとともに、広い周波数領域の振動に対応して発電することができる。
【0064】
（実施の形態２）次に、本発明の一態様に係る実施の形態２について説明する。上記した実施の形態１では、発電素子の磁歪棒と多自由度励振機構は、同一方向に連続して配置された構成となっていたが、本実施の形態では、発電素子の磁歪棒と多自由度励振機構とは平行となるように配置されている点が、実施の形態１と異なる。
【0066】
図７Ａに示すように、発電装置２０は、発電素子２００と、弾性線２３０と、錘２４０とを備えている。
【0067】
発電素子２００は、連結ヨーク２２０と、コイル２１６と、磁歪材料からなる磁歪棒２１８とを備えている。磁歪棒２１８は、連結ヨーク２２０と一体形成された梁と、平行梁を構成している。また、連結ヨーク２２０は、磁歪棒２１８が配置された位置を挟んで両側が磁歪棒２１８の軸方向に対して垂直な方向に屈曲された構成をしている。そして、連結ヨーク２２０の屈曲された一方は振動体（図示せず）に配置され、屈曲された他方には、弾性線２３０が配置されている。弾性線２３０と磁歪棒２１８は平行に配置されている。なお、連結ヨーク２２０と一体形成された梁は、本発明における磁性棒に相当する。
【0068】
弾性線２３０には、複数の錘２４０が所定の間隔で配置されている。錘２４０は、例えば、図７Ａに示すように、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍ程度の直方体の形状を有しており、５ｍｍの間隔で弾性線２３０に３個配置されている。なお、弾性線２３０と複数の錘２４０とを合わせた構成を多自由度励振機構と呼ぶ。
【0069】
弾性線２３０が配置された連結ヨーク２２０の上記した一方と反対側の、連結ヨーク２２０の上記した他方は振動体に固定され、振動体の振動による力（錘２４０の慣性力）が作用する。ここで、この連結ヨーク２２０の他方に対して磁歪棒２１８の軸方向の力、または、磁歪棒２１８の軸方向と垂直な方向のいずれの力が作用しても、磁歪棒２１８には曲げモーメントが作用する。したがって、磁歪棒２１８は湾曲し、磁歪発電が行われる。
【0070】
例えば、図７Ｂに示すように、振動体が上下に振動するときは、発電装置２０は、磁歪棒２１８の軸方向と平行な方向に振動し、複数の共振周波数で大きく伸縮する。この時、伸縮に伴う弾性線２３０の弾性力は連結ヨーク２２０に垂直に作用し、同時に磁歪棒２１８には曲げモーメントが作用する。この場合、複数のいずれの共振周波数においても磁歪棒２１８は一方向に湾曲し、磁歪発電を行うことができる。
【0071】
一方、図７Ｃに示すように、振動体が左右に振動するときは、発電装置２０は、磁歪棒２１８の軸方向と垂直な方向に振動し、複数の共振周波数で大きく湾曲する。この時、湾曲に伴う弾性線２３０の変形は、磁歪棒２１８に曲げモーメントを作用させる。この場合、複数の共振周波数において、磁歪棒２１８は一方向に湾曲し、発電を行うことができる。
【0072】
以上、本実施の形態に係る発電装置２０によると、磁歪棒２１８の軸方向に対して垂直な方向に屈曲された連結ヨーク２２０の上記した他方に、弾性線２３０と複数の錘２４０とで構成される多自由度励振機構を連結することで、上下左右のいずれの振動によっても、磁歪棒２１８が伸縮または湾曲するため、複数の方向および複数の共振周波数で効率よく発電を行うことができる。
【0073】
なお、多自由度励振機構は、磁歪棒２１８の軸方向に対して垂直な方向に屈曲された連結ヨーク２２０の上記した他方に片持ち梁の構成で固定されているが、多自由度励振機構は、屈曲された連結ヨーク２２０の上記した一方にも固定されている両持ち梁の構成でもよい。また、弾性線２３０は、屈曲された連結ヨーク２２０と平行な方向に長尺な構成であってもよい。つまり、発電装置２０は、コの字型の構成に限らず、連結ヨーク２２０がＬ字型の形状やその他の角度に屈曲された形状であってもよい。
【0074】
（実施の形態３）次に、本発明の一態様に係る実施の形態３について説明する。上記した実施の形態１に示した発電装置は、風力発電用の発電装置としても応用できる。以下にその例について説明する。
【0077】
発電素子３００は、連結ヨーク３２０と、コイル３１６と、磁歪材料からなる磁歪棒３１８とを備えている。磁歪棒３１８は、連結ヨーク３２０と一体形成された梁と、平行梁を構成している。
【0078】
台形板３４０は、例えばＣＦＲＰ（ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ：炭素繊維強化プラスチック）、やジュラルミン（アルミニウムと亜鉛とマグネシウムによるアルミニウム合金）等、軽量で変形しにくい材料で構成された板状の部材により形成されている。台形板３４０は、図８の（ａ）に示すように、連結ヨーク３２０に接続された側の幅が小さく、連結ヨーク３２０から遠ざかるにつれて幅が大きくなる台形形状の板で構成されている。例えば、台形板３４０は、磁歪棒３１８の軸方向と同じ方向の長さが１００ｍｍ程度であり、連結ヨーク３２０に近い側の幅が１０ｍｍ程度、連結ヨーク４２０から遠い側の幅が３０ｍｍ程度の長さを有している。
【0079】
また、台形板３４０は、図８の（ｃ）に示すように、右側面からみたときに所定の角度（例えば、直角）に屈曲された形状をしている。例えば、台形形状の板を線対称の対称線において所定の角度に屈曲した形状を有している。
【0080】
また、台形板３４０は、連結ヨーク３２０に、発電素子３００が発電することができる湾曲方向（図８の（ｂ）に示す上下方向）と垂直の方向（図８の（ｂ）に示す奥から手前方向）に、屈曲した台形板３４０の角度が開いた開口部を有するように配置されている。
【0081】
台形板３４０の開口部に図９の（ｂ）に示す奥から手前方向に風が作用すると、台形板３４０の開口部の後方にカルマン渦が発生する。このカルマン渦により、台形板３４０は、発電素子３００が発電することができる湾曲方向（図９の（ｂ）に示す上下方向）に自励する。この振動により、発電素子３００は湾曲し発電が行われる。
【0082】
ここで、台形板３４０が変形しにくい弾性体（剛体と見なせる弾性体）で構成されている場合には、発電装置３０は１次の共振周波数で大きく振動することはあるが、発電装置３０において２次以上の共振周波数は生じにくく、高次の共振周波数による振動で効率よく発電を行うことは難しい。
【0083】
そこで、例えば、台形板を複数に分割し、これを弾性線に間隔を空けて配置した多自由度励振機構を構成し、これを発電素子に連結した構成とすることにより、高次の共振周波数でも発電を行うことができる。以下にその構成について説明する。
【0085】
図１０に示すように、発電装置４０は、発電素子４００と、弾性線４３０と、複数の台形板４４０とを備えている。
【0086】
発電素子４００は、連結ヨーク４２０と、コイル４１６と、磁歪材料からなる磁歪棒４１８とを備えている。磁歪棒４１８は、連結ヨーク４２０と一体形成された梁と、平行梁を構成している。なお、連結ヨーク４２０と一体形成された梁は、本発明における磁性棒に相当する。
【0087】
弾性線４３０は、例えば、バネ鋼、リン青銅、超弾性材料などで構成される。弾性線４３０は、例えば、直径１ｍｍ程度の細線である。なお、弾性線４３０は、針金のような細線であってもよいし、板状のものであってもよい。
【0088】
台形板４４０は、所定の間隔ごとに弾性線４３０に複数個配置されている。台形板３４０は、例えばＣＦＲＰやジュラルミン等、軽量で変形しにくい材料で構成された板状の部材により形成されている。また、台形板４４０は、例えば、図１０の（ｂ）に示すように、弾性線４３０の軸方向に２０ｍｍ程度の長さを有している。台形板４４０は、５ｍｍの間隔で弾性線４３０に４個配置されている。連結ヨーク４２０に最も近い位置に配置された台形板４４０は、連結ヨーク４２０側の軸方向と垂直の方向の幅が１０ｍｍ程度であり、連結ヨーク４２０から最も遠い位置に配置された台形板４４０は、連結ヨーク４２０と反対側の軸方向と垂直の方向の幅が３０ｍｍ程度の長さを有している。なお、台形板４４０は、板状の部材により形成されていれば、台形の形状に限らず、長方形または正方形、その他の形状であってもよい。この場合、板状の部材の大きさは、連結ヨーク４２０から遠ざかるにつれて大きくなる形状であってもよいし、連結ヨーク４２０からの距離にかかわらず同じ大きさであったり異なる大きさであったりしてもよい。
【0089】
また、台形板４４０は、図１０の（ｃ）に示すように、右側面からみたときに弾性線４３０との接触部分で所定の角度（例えば、直角）に屈曲された形状をしている。例えば、各台形板４４０は、台形形状の板を線対称の対称線において所定の角度に屈曲した形状を有している。なお、弾性線４３０と複数の台形板４４０とを合わせた構成を多自由度励振機構と呼ぶ。
【0090】
発電装置４０は、変形しやすく、また、低い周波数領域において複数の共振周波数により共振する。例えば、実施の形態１に示した発電装置１０と同様、図１１に示すように、発電装置４０は、１次共振モードによって振動する。また、発電装置４０は、図１２に示すように、２次共振モードによっても振動する。また、３次以上の高次共振モードによっても振動する。よって、風速の変化でカルマン渦の発生する周波数が変化しても、発電装置４０は共振周波数に一致しやすく、一致はしていなくても共振周波数付近の周波数で効率よく発電を行うことができる。
【0091】
なお、発電装置４０は、風力発電に限らず水力発電その他の発電に利用してもよい。
【0092】
以上、本実施の形態に係る発電装置によると、発電装置４０は、弾性線４３０と複数の台形板４４０で構成された多自由度励振機構を発電素子４００に連結した構成により、低い周波数領域で多くの共振周波数を発生させることができる。また、各共振周波数において発電素子４００が一方向に湾曲することで、効率よく発電を行うことができる。
【0093】
（実施の形態４）次に、本発明の一態様に係る実施の形態４について説明する。上記した実施の形態１に係る発電装置は、発電素子及び弾性線を１つ備える構成であったが、本実施の形態に係る発電装置は、発電素子及び弾性線を各々平行に２つ備える点が、実施の形態１と異なる。
【0095】
図１３の（ｂ）に示すように、発電素子５００は、発電素子５００Ａと発電素子５００Ｂとが連結ヨーク５２０により連結された構成をしている。また、連結ヨーク５２０の先端には、２本の弾性線５３０が平行に設けられ、２本の弾性線５３０には、直方体の形状を有する錘５４０が共通して５個配置されている。
【0096】
弾性線５３０を２本設けることにより、発電装置５０は、図１３の（ａ）に示す上下方向には湾曲しやすく、同図の（ｂ）に示す上下方向には、湾曲しにくい構成となっている。したがって、発電装置５０では、発電を引き起こす方向に磁歪棒５１６を湾曲させるための振動が生じやすくなり、発電に関与しない方向に磁歪棒５１６を湾曲させるための振動が抑制される。
【0097】
また、弾性線５３０を２本設けることにより発電装置５０の幅が大きくなるため、発電素子５００も２本配置されるように、発電素子５００Ａ及び５００Ｂを平行に設けている。これにより、発電装置５０における振動を安定させるとともに、発電量を増加することができる。
【0098】
（実施の形態４の変形例）次に、実施の形態４の変形例について説明する。本変形例に係る発電装置６０は、実施の形態４に示した発電装置５０と錘の形状が異なっている。
【0100】
図１４の（ａ）に示すように、発電装置６０は、実施の形態４に示した発電装置５０と同様に、平行に配置された２本の弾性線５３０と、発電素子５００Ａ及び５００Ｂが平行に配置された発電素子５００を備えている。また、２本の弾性線５３０には、錘５５０が共通して５個配置されている。ここで、錘５５０は、図１４の（ｂ）に示すように、翼型の形状を有するように形成されている。これにより、発電装置６０は、風や水流によるフラッタ現象により多自由度の共振周波数を有する振動を生じることができる。また、発電に関与しない方向に磁歪棒５１８を湾曲させるための振動を抑制することができる。
【0101】
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。
【0102】
例えば、上記した発電装置の構成において、全ての錘は必ずしも同じ質量である必要はなく、また、錘および台形板は、弾性線に等間隔に配置される必要はない。また、発電装置が所望の共振周波数の分布を有するように、適時、錘の大きさや個数、配置を調整してもよく、各共振モードにおいて発電素子が一方向に湾曲するのであれば、錘の大きさや個数、配置は任意に変更してもよい。
【0103】
また、上記した弾性線は針金状の細線でなくても、板状のものであってもよい。弾性線が板状の形状である場合、振動方向が一方向に規定され、一方向に安定して振動しやすいという効果が生じる。また、弾性線は、伸縮と湾曲の両方の変形ができる形状、材質であることが望ましい。
【0104】
また、弾性線は、必ずしも直線である必要はなく、直角に折れ曲がっていたり、円弧状や波状など湾曲していたりしてもよい。
【0105】
また、磁歪棒の形状は、例えば、直方体の棒状の形状、円柱状の棒状の形状、板状、薄帯状等その他の形状であってもよい。
【0106】
また、上記した実施の形態では、磁歪棒を構成する磁歪材料の一例として鉄ガリウム合金であるＧａｌｆｅｎｏｌについて説明したが、磁歪材料はＧａｌｆｅｎｏｌに限らずその他の材料であってもよい。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、引っ張り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。
【0107】
また、多自由度励振機構を構成する弾性線と錘とは、同一材料で一体に成形されていてもよいし、別々で形成されていてもよい。同様に、多自由度励振機構と連結ヨークも一体に形成されていてもよいし、別々に形成されていてもよい。
【0108】
また、発電素子の構成は、上記したように１本の構成であってもよいし、２本を平行に配置した構成や音叉形状であってもよい。
【0109】
また、発電装置は、発電素子を２つ備え、１つの弾性棒の両端に発電素子が１つずつ配置された構成であってもよい。つまり、一の発電素子と、弾性棒と、他の発電素子が順に直列に配置され、弾性棒に複数の錘が配置される構成である。この構成の場合、各発電素子は、弾性棒が配置されていない側の連結ヨークが振動体へ固定される構成であってもよい。
【0110】
また、本発明の発電装置への応用は、上記した風力発電に限らず、水力発電やその他の振動発電に適用してもよい。
【0111】
また、本発明に係る発電素子には、上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る発電装置を備えた各種機器等、例えば、携帯電話機や音楽プレーヤーなどの携帯電子機器、発電システム、自動車用振動発電装置、超小型電力供給装置等も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【0112】
本発明は、振動が発生する機器等、特に、広帯域の振動が発生する電子装置、発電システム、その他の発電装置として有用である。
【符号の説明】
【0113】
１０、２０、３０、４０、５０、６０ 発電装置１００、２００、３００、４００、５００、５００Ａ、５００Ｂ、９００Ａ、９００Ｂ 発電素子
１１６、２１６、３１６、４１６、５１６、９１６Ａ、９１６Ｂ、９１６Ｃ コイル
１１８、２１８、３１８、４１８、５１８、９１８Ａ、９１８Ｂ、９１８Ｃ 磁歪棒
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、９２０ 連結ヨーク
１３０、２３０、５３０ 弾性線（弾性棒）
１４０、２４０、５４０、５５０ 錘
１５０ 振動体
１６０ ダンパ部
３４０、４４０ 台形板（錘）
９１４ 可動ヨーク
９１２ 固定ヨーク