JP2020078175A

JP2020078175A - 発電装置

Info

Publication number: JP2020078175A
Application number: JP2018210011A
Authority: JP
Inventors: 佳子高橋; Yoshiko Takahashi; 学五閑; Manabu Gokan; 淳也田中; Junya Tanaka
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2020-05-21

Abstract

【課題】発電効率の向上を実現する発電装置を提供すること。【解決手段】発電装置１００は、磁性材料からなり、一端が振動体７に固定された磁性体フレーム２と、非磁性材料からなり、一端が磁性体フレーム２の他端に固定された非磁性体フレーム９と、非磁性体フレーム９の他端に設けられた錘８と、非磁性体フレーム９に設けられた磁歪素子３と、磁歪素子３の外側に設けられたコイル６と、磁性体フレーム２に設けられた磁石５と、を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、振動を利用する発電において、逆磁歪素子に印加された機械エネルギーを電気エネルギーに変換する逆磁歪効果を使用する発電装置に関する。

近年、モノのインターネット（Internet of Things：以下、ＩｏＴという）は、産業分野、防犯・防災分野、社会インフラ分野、医療・福祉分野などの多くの分野での利用が想定されている。

ＩｏＴでは、機械（モノ）間において、例えば、検知された温度、湿度、加速度、画像などの情報の送受信が、無線通信網（例えば、インターネット回線等）を介して行われる。その際に重要となるコンポーネントは、センサー、電源、無線通信が一体となった無線センサーモジュールである。

現在、無線センサーモジュールの電源には、使い切りの１次電池や、充電が可能な２次電池（例えば、ボタン電池等）が使用されている。１次電池では、電池の交換が必須となる。また、２次電池では、充電のための配線や作業が必要となる。

このように電源として電池を使用する場合では、人手による定期的な交換作業または充電作業が必要となる。しかし、無線センサーモジュールが例えば壁の中へ埋め込まれている場合や狭い隙間に設置されている場合、上述した作業を行うことができない。

このような事情から、無線センサーモジュールの設置場所またはその近傍で発生するエネルギーを利用して電力を発生させ、その電力を電源に用いることが考えられる。上記エネルギーは、例えば、モーター、エンジン、または橋梁などで発生する振動エネルギー、プラントの排熱エネルギー、人体の体温の熱エネルギー、太陽・照明の環境光などである。

このようにエネルギーから発生した電力を使用すれば、エネルギー的に自立した無線センサーモジュールが実現され、長期間または半永久的にメンテナンスフリーとなる。また、この無線センサーモジュールは配線を必要としないので、すでに設置済みの機械や、鉄道や橋梁などのインフラに対しても、後付けで容易に設置できる。

上記エネルギーを利用した発電方式としては、例えば、振動発電、熱発電、光発電などが挙げられる。それらの中でも、振動発電は、振動、衝撃、または動きから電気エネルギーを取り出すことができる、極めて汎用性の高い発電方式である。

振動発電には、圧電方式、静電誘導方式、電磁誘導方式、磁歪方式などがある。圧電素子（ピエゾ素子）を使用した圧電方式では、圧電素子の脆弱性により機械的な耐久性が低いという課題がある。電磁誘導方式では、可動部があるため、小型化が難しいという課題がある。鉄系の磁歪材料を使用した磁歪方式では、磁歪素子が延性材料であるため、機械的特性や加工性に優れ、また、電気的にもインピーダンスが低いため、無線センサーモジュールへの適用に有用である。

磁歪式振動発電は、磁歪素子に応力を加えることで、逆磁歪効果により発生する磁力線を変化させ、電磁誘導の法則により、磁歪素子の周囲に巻かれたコイルに起電力を発生させることにより、機械エネルギーを電気エネルギーに変化する発電方式である。

例えば特許文献１には、振動中の運動エネルギーの損失を抑えて振動を長時間継続させることができる発電素子と、その発電素子の構造を利用するアクチュエータとが開示されている。

ここで、図４を用いて、特許文献１の発電装置について説明する。図４は、特許文献１に開示された磁歪方式を適用した発電装置の概略構成図を示す図である。

図４に示すように、発電装置１は、主な構成要素として、発電部１６０、フレーム１１０、磁石１７０、および錘１４０を備える。

発電部１６０は、フレーム１１０の自由端１２０が上下に振動することにより逆磁歪効果による発電を行うために設けられている。発電部１６０は、磁歪素子１６１、コイル１６２、磁性板１６３を備える。

磁歪素子１６１は、磁性材料で構成される板状の部材である。磁石１７０からの磁力線は、フレーム１１０、磁歪素子１６１を通過する。これにより、磁気回路が形成される。

自由端１２０は、固定端１３０側のフレーム１１０に近づいたり、固定端１３０側のフレーム１１０から遠ざかったりするように、変形可能である。固定端１３０には、振動体１５０が固定されている。振動体１５０の振動は、フレーム１１０および錘１４０に伝達される。

自由端１２０には、錘１４０が取り付けられている。これにより、一旦振動を開始した錘１４０は、慣性力により長時間振動し続ける。その結果、フレーム１１０全体の振動を長時間持続させることができる。

また、固定端１３０には、鉛直方向の大きな衝撃力が付加される。これにより、錘１４０に大きな慣性力を作用させてフレーム１１０を振動させる。

これらの動作により、磁歪素子１６１に引張力または圧縮力が加わり、逆磁歪効果によりコイル１６２に誘導電流が発生して発電される。

国際公開第２０１５／１４１４１４号

しかしながら、特許文献１の構成では、磁歪素子１６１の直下に磁性板１６３が設けられているため、磁石１７０の磁束が磁歪素子１６１および磁性板１６３のそれぞれに分散してしまう。よって、磁歪素子１６１に磁束が集中しないため、発電量が低下する。

本開示の一態様の目的は、発電効率の向上を実現できる発電装置を提供することである。

本開示の一態様に係る発電装置は、磁性材料からなり、一端が振動体に固定された磁性体フレームと、非磁性材料からなり、一端が前記磁性体フレームの他端に固定された非磁性体フレームと、前記非磁性体フレームの他端に設けられた錘と、前記非磁性体フレームに設けられた磁歪素子と、前記磁歪素子の外側に設けられたコイルと、前記磁性体フレームに設けられた磁石と、を有する。

本開示の一態様に係る発電装置は、非磁性材料からなり、一端が振動体に固定された非磁性体フレームと、前記非磁性体フレームの他端に設けられた錘と、前記非磁性体フレームに設けられた磁歪素子と、前記磁歪素子の外側に設けられたコイルと、前記非磁性体フレームに設けられた磁石と、磁性材料からなり、前記非磁性体フレームに沿って前記磁歪素子から前記磁石まで設けられた磁性体箔と、を有する。

本開示によれば、発電効率の向上を実現できる。

本開示の実施の形態１に係る発電装置の概略構成図本開示の実施の形態１に係る発電装置の断面図本開示の実施の形態２に係る発電装置の断面図特許文献１の発電装置の概略構成図

以下、本開示の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。

（実施の形態１）
本開示の実施の形態１に係る発電装置１００について説明する。

＜構成＞
図１および図２を用いて、本実施の形態の発電装置１００の構成について説明する。図１は、本実施の形態の発電装置１００の概略構成図である。図２は、図１に示した発電装置１００の断面図である。

図１、図２に示すように、発電装置１００は、磁性体フレーム２、磁歪素子３、磁石５、コイル６、非磁性体フレーム９、固定冶具１１a、固定冶具１１ｂ、固定冶具１２、固定冶具１３、固定冶具１４、ボルト１５ａ、ボルト１５ｂ、および錘８を備える。

磁性体フレーム２は、Ｊ字型（略Ｕ字型といってもよい）の部材である。磁性体フレーム２の一端（固定端）は、振動体７に固定されている。

磁性体フレーム２の他端は、固定治具１１ｂ、１３、１４およびボルト１５ａ、１５ｂによって、非磁性体フレーム９の一端に固定されている。すなわち、磁性体フレーム２と非磁性体フレーム９とは、接続されている。

磁性体フレーム２の上面には、磁石５が設けられている。具体的には、磁石５は、磁歪素子３の錘８側の端部に対向して磁性体フレーム２に固定されている。このように、１つの磁石５を磁性体フレーム２に設ける構成であっても、磁気回路が形成される。

非磁性体フレーム９は、平面状の部材である。上述したとおり、非磁性体フレーム９の一端は、固定治具１１ｂ、１３、１４およびボルト１５ａ、１５ｂによって、磁性体フレーム２の他端に固定されている。非磁性体フレーム９の他端は、上下に移動可能な自由端である。すなわち、非磁性体フレーム９は、片持ち梁形状であると言える。非磁性体フレーム９の他端には、錘８が固定されている。

図２に示すように、非磁性体フレーム９の上面には、磁歪素子３が設けられている。磁歪素子３は、固定冶具１１a、１１ｂ、１２、１４、ボルト１５ａ、ボルト１５ｂによって非磁性体フレーム９に固定されている。すなわち、磁歪素子３と非磁性体フレーム９とは、接続されている。

図２に示すように、磁歪素子３は、コイル６に挿入されている。換言すれば、コイル６は、磁歪素子３の外側に配置され、磁歪素子３に固定されている。

なお、磁性体フレーム２の形状は、Ｊ字型に限定されず、例えば、Ｌ字型、Ｕ字型、Ｖ字型、または多段状（階段型）等であってもよい。

また、非磁性体フレーム９の形状は、平面状に限定されず、例えば、Ｌ字型、多段状（階段型）等であってもよい。

また、磁性体フレーム２と非磁性体フレーム９との接続手段、および、磁歪素子３と非磁性体フレーム９との接続手段は、固定冶具１１a、１１ｂ、１２、１３、１４、ボルト１５ａ、１５ｂに限定されない。例えば、固定治具を用いずに、ボルト１５ａ、１５ｂだけで、磁性体フレーム２と非磁性体フレーム９とを接続し、かつ、磁歪素子３と非磁性体フレーム９とを接続してもよい。または、例えば、接着剤を用いて、磁性体フレーム２と非磁性体フレーム９とを接続し、かつ、磁歪素子３と非磁性体フレーム９とを接続してもよい。

＜動作＞
図１および図２を用いて、本実施の形態の発電装置１００の動作について説明する。

例えば、振動体７が図中の上方向に振動した場合、その振動は、磁性体フレーム２に伝達される。そして、この振動は、磁性体フレーム２に設けられた磁石５、磁性体フレーム２と接続された非磁性体フレーム９、非磁性体フレーム９と接続された磁歪素子３、非磁性体フレーム９に設けられた錘８のそれぞれに伝達される。そして、錘８の慣性力により磁歪素子３は伸張し、磁歪素子３に引張応力が発生する。

また、例えば、振動体７が図中の下方向に振動した場合、その振動は、磁性体フレーム２に伝達される。そして、この振動は、磁性体フレーム２に設けられた磁石５、磁性体フレーム２と接続された非磁性体フレーム９、非磁性体フレーム９と接続された磁歪素子３、非磁性体フレーム９に設けられた錘８のそれぞれに伝達される。そして、錘８の慣性力により磁歪素子３は収縮し、磁歪素子３に圧縮応力が発生する。

このように、振動体７の上下の振動に伴って、磁歪素子３に引張応力／圧縮応力が発生する。したがって、磁歪素子３の磁化は、逆磁歪効果により増加／減少し、磁歪素子３の周囲に巻かれたコイル６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６に誘導電流が発生する。非磁性体フレーム９は振動体７に対して自由端である。よって、非磁性体フレーム９は振動体７からの外力の付加によって伸張／収縮の振動をするため、共振によって連続発電を行うことが可能である。

以下、図１、図２に示した発電装置１００の各構成要素の詳細について説明する。

＜磁性体フレーム２＞
磁性体フレーム２は、図１、図２に示したとおりＪ字状であり、透磁率の高い磁性材料からなる。

＜磁歪素子３＞
磁歪素子３は、板状であり、磁性材料で構成される。磁性材料としては、例えば、鉄ガリウム系の合金、鉄コバルト系の合金等を用いることができるが、これらに限定されない。

また、磁歪素子３は、結晶状態の材料ではなく、アモルファス状態の材料で構成されてもよい。さらに、磁歪素子３、外力を受けて伸張／収縮するため、延性を有する磁性材料で構成されることが好ましい。磁歪素子３の形状は、直方体、立方体、円柱、多角形でもよく、特に限定されない。

＜コイル６＞
コイル６は、磁歪素子３の周囲に空間または接着層を設けて巻かれている。コイル６は、電磁誘導の法則により磁歪素子３内を通過す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６の材質としては、例えば、銅線、アルミ線等を用いることができるが、これらに限定されない。また、コイル６の巻き数を変更することにより、電圧の大きさを調整できる。

なお、本実施の形態では、１つのコイル６を設けた場合を例示したが、コイル６は２つ以上に分割して設けられてもよい。

＜磁石５＞
上述したとおり、磁石５は、磁歪素子３に対向して固定される。これにより、磁気回路が形成される。

磁石５としては、ネオジウム系の永久磁石を用いることができるが、これに限定されず、例えば、フェライト系、コバルト系などの磁石を用いてもよい。

＜錘８＞
錘８は、透磁率の低い磁性材料または非磁性材料で構成される。上述したとおり、錘８は、非磁性体フレーム９の他端（自由端）に固定されている。錘８は、複数個重ねて設けられてもよい。

また、錘８は、例えば、エポキシ系の接着剤を使用して固定されてもよいし、ボルトなどで機械的に固定されてもよいし、これら以外の固定方法であってもよい。

＜非磁性体フレーム９＞
非磁性体フレーム９は、板状であり、非磁性材料で構成される。非磁性材料としては、例えば、バネ鋼やベリリウム銅などの、バネ性を持つ材料を用いることが好ましい。これにより、低周波数で共振しやすくなり、低加速度でも振動が持続しやすくなる。なお、バネ性とは、変形しても元にもどる性質をいう。

＜固定冶具１１ａ＞
固定冶具１１ａの材料は、特に限定されないが、磁石５の磁束を磁歪素子３に効率的に通すために、非磁性体の材料であることが好ましい。

＜固定冶具１１ｂ＞
固定冶具１１ｂの材料は、特に限定されないが、磁石５の磁束を磁歪素子３に通し、磁歪素子３を通った磁束を磁性体フレーム２に効率的に通すために、磁性体の材料であることが好ましい。

＜固定冶具１２＞
固定冶具１２の材料は、特に限定されないが、磁石５の磁束を磁歪素子３に通し、磁歪素子３を通った磁束を磁性体フレーム２に効率的に通すために、非磁性体の材料であることが好ましい。

＜固定冶具１３＞
固定冶具１３の材料は、特に限定されないが、磁石５の磁束を磁歪素子３に通し、磁歪素子３を通った磁束を磁性体フレーム２に効率的に通すために、非磁性体の材料であることが好ましい。

＜固定冶具１４＞
固定冶具１４の材料は、特に限定されないが、磁石５の磁束を磁歪素子３に通し、磁歪素子３を通った磁束を磁性体フレーム２に効率的に通すために、非磁性体の材料であることが好ましい。

＜ボルト１５ａ＞
ボルト１５ａの材料は、特に限定されないが、磁石５の磁束を効率的に磁歪素子３に通すために、非磁性体の材料であることが好ましい。

＜ボルト１５ｂ＞
ボルト１５ｂの材料は、特に限定されないが、磁石５の磁束を効率的に磁歪素子３に通すために、磁性体の材料であることが好ましい。

以上、発電装置１００の各構成要素の詳細について説明した。

本実施の形態の発電装置１００では、特許文献１の発電装置（図４参照）のように磁性板を備えないため、磁石５から出る磁束が磁歪素子３に集中し、磁歪素子３を通った磁束は磁性体フレーム２を通り、磁石５に戻る閉磁路が形成される。これにより、磁歪素子３に磁束を集中させることができるので、発電量の低下を防止できる。したがって、発電装置１００は、発電効率（発電量）の向上を実現できる。

また、仮に非磁性体フレーム９が剛性の大きい材料で構成されているとすると、低周波数、低加速度である振動は持続しにくいため、発電量が低下する。そこで、本実施の形態の発電装置１００では、非磁性体フレーム９を剛性の小さい材料（例えば、バネ鋼やベリリウム銅などの、バネ性を有する材料）で構成してもよい。これにより、低周波数、低加速度の振動であっても、衝撃１回あたりの振動が持続しやすくなり、発電効率（発電量）を向上させることができる。

（実施の形態２）
本開示の実施の形態２に係る発電装置２００について説明する。

＜構成＞
図３を用いて、本実施の形態の発電装置２００の構成について説明する。図３は、発電装置２００の断面図である。図３では、図１および図２と共通する構成要素について同一の符号を付している。それらの構成要素の説明は適宜省略する。

図３に示すように、発電装置２００は、磁歪素子３、磁石５、コイル６、非磁性体フレーム２０、磁性体箔１０、および錘８を備える。

非磁性体フレーム２０は、Ｊ字型の部材である。具体的には、非磁性体フレーム２０は、Ｕ字型に湾曲した湾曲部２０ａと、湾曲部２０ａから延伸した長さが第１の長さである第１延伸部２０ｂと、湾曲部２０ａから延伸した長さが第１の長さよりも短い第２の長さである第２延伸部２０ｃと、を有する。

第１延伸部２０ｂの端部（固定端）には、振動体７が固定されている。また、第１延伸部２０ｂには、磁石５が固定されている。

第２延伸部２０ｃの端部（自由端）には、錘８が固定されている。また、第２延伸部２０ｃには、磁歪素子３が固定されている。

非磁性体フレーム２０は、非磁性体フレーム９と同様に、非磁性材料で構成される。非磁性材料としては、例えば、バネ鋼やベリリウム銅などの、バネ性を持つ材料を用いることが好ましい。これにより、低周波数で共振しやすくなり、低加速度でも振動が持続しやすくなる。

非磁性体フレーム２０の内側の面（磁石５が設けられている側の面）には、磁性体箔１０が、磁歪素子３の端部３ａから磁石５の直下まで設けられている。具体的には、磁性体箔１０の全面または一部が、接着剤により、非磁性体フレーム９に貼り付けられている。

磁性体箔１０は、磁性材料からなる箔である。磁性材料としては、例えば鉄が挙げられるは、これに限定されない。また、磁性体箔１０の厚みは、例えば、数１０μmから数１００μｍ程度が望ましい。

なお、発電装置２００の動作は、上述した発電装置１００の動作を同じであるので、ここでの説明は省略する。

本実施の形態の発電装置２００では、磁石５から出る磁束が磁歪素子３に集中し、磁歪素子３を通った磁束は磁性体箔１０を通り、磁石５に戻る閉磁路が形成される。これにより、磁歪素子３に磁束を集中させることができるので、発電量の低下を防止できる。したがって、発電装置２００は、発電効率（発電量）の向上を実現できる。

また、本実施の形態の発電装置２００では、非磁性体フレーム２０を剛性の小さい材料（例えば、バネ鋼やベリリウム銅などの、バネ性を有する材料）で構成してもよい。これにより、低周波数、低加速度の振動であっても、衝撃１回あたりの振動が持続しやすくなり、発電効率（発電量）を向上させることができる。

なお、本開示は、上記実施の形態１、２の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。

本開示の発電装置は、発電効率を向上することが可能であり、産業分野、防犯・防災分野、社会インフラ分野、医療・福祉分野などで多くの利用シーンが想定されているＩｏＴにおいて、キーコンポーネントである無線センサーモジュールへの適用に対して特に有用である。

１、１００、２００発電装置
２磁性体フレーム
３、１６１磁歪素子
５、１７０磁石
６、１６２コイル
７、１５０振動体
８、１４０錘
９、２０非磁性体フレーム
１０磁性体箔
１１ａ、１１ｂ、１２、１３、１４固定治具
１５ａ、１５ｂボルト
２０ａ湾曲部
２０ｂ第１延伸部
２０ｃ第２延伸部
１１０フレーム
１２０自由端
１３０固定端
１６０発電部
１６３磁性板

Claims

磁性材料からなり、一端が振動体に固定された磁性体フレームと、
非磁性材料からなり、一端が前記磁性体フレームの他端に固定された非磁性体フレームと、
前記非磁性体フレームの他端に設けられた錘と、
前記非磁性体フレームに設けられた磁歪素子と、
前記磁歪素子の外側に設けられたコイルと、
前記磁性体フレームに設けられた磁石と、を有する、
発電装置。
非磁性材料からなり、一端が振動体に固定された非磁性体フレームと、
前記非磁性体フレームの他端に設けられた錘と、
前記非磁性体フレームに設けられた磁歪素子と、
前記磁歪素子の外側に設けられたコイルと、
前記非磁性体フレームに設けられた磁石と、
磁性材料からなり、前記非磁性体フレームに沿って前記磁歪素子から前記磁石まで設けられた磁性体箔と、を有する、
発電装置。
前記非磁性体フレームは、
Ｕ字型に湾曲した湾曲部と、
前記湾曲部から延伸した長さが第１の長さである第１延伸部と、
前記湾曲部から延伸した長さが前記第１の長さよりも短い第２の長さである第２延伸部と、を有し、
前記第１延伸部の端部は、前記振動体に固定され、
前記第２延伸部の端部には、前記錘が固定され、
前記第１延伸部には、前記磁石が固定され、
前記第２延伸部には、前記磁歪素子が固定されている、
請求項２に記載の発電装置。
前記非磁性材料は、バネ性を有する材料である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の発電装置。