JP6171992B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動を利用した発電装置に関する。

振動を利用した発電技術としては、圧電素子を利用した発電方法がよく知られている。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。

圧電素子を利用した発電方法としては、例えば、下記特許文献１に記載のものがある。すなわち、下記特許文献１では、音による空気の圧力変動を利用して圧電素子により発電する音力発電装置、および、振動による圧力変動を利用して圧電素子により発電する振動力発電装置が記載されている。

また圧電素子に代えて磁歪素子を利用した発電方法も提案されている。磁歪素子を利用した発電方法としては、例えば、下記特許文献２に記載のものがある。
図６は、下記特許文献２に記載の振動を利用した発電素子の構成例を示す図である。すなわち、図６（ａ）は、下記特許文献２に示された発電素子の構成を示す上面図、図６（ｂ）は、下記特許文献２に示された発電素子の構成を示す側面図である。

図６において発電素子１００は、連結ヨーク１００ａおよび１００ｂと、磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂと、コイル１２０ａおよび１２０ｂと、永久磁石１４０ａおよび１４０ｂと、パッシブヨーク１５０とを備えて構成されている。

図７は、図６に示した発電素子による発電装置の構成例を示す図である。すなわち図６に示した発電素子を片持ち梁構成として発電装置を構成したものである。図７において発電装置は、発電素子１００の連結ヨーク１００ａを固定部材で固定した片持ち梁構成とし、連結ヨーク１００ｂに曲げ応力Ｐを印加することにより、磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂが曲げ変形される。これにより磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂに発生する逆磁歪効果により、コイル１２０ａおよび１２０ｂ（図６参照）を貫く磁束が変化することで、コイル１２０ａおよび１２０ｂに誘導電圧（または誘導電流）が発生する。これにより、発電素子１００に振動を印加することで発電が可能となるものである。

特開２００６−１６６６９４号公報 特許第４９０５８２０号明細書

特許文献１に記載された圧電素子を利用する発電方法では、圧電素子を構成する圧電材料が脆性材料であり、曲げや衝撃に対して弱い材料である。そのため過度に力を加えることができず、発電量を増加させるために大きな曲げや衝撃を加えることが難しいという問題がある。また、圧電素子は低周波でインピーダンスが高く、圧電素子より低いインピーダンスを有する負荷を接続した際に、負荷に発生する電圧が小さくなるため、発電により得られる電力が小さくなり、発電の効率が低いという問題がある。

一方、特許文献２に記載された磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂを構成する磁歪材料は、延性材料であり、圧電材料に比べて曲げや衝撃に強いため、大きな曲げや衝撃を加えることで発電量を増加させることが可能である。また素子のインピーダンスが圧電材料よりも低いことから、インピーダンスの低い負荷の接続による発電効率の低下が少ないため特許文献１に記載の圧電材料の問題点を解消することができる。

しかしながら、特許文献２に記載された振動発電素子は、パッシブヨーク１５０と連結ヨーク（１００ａおよび１００ｂ）とを、永久磁石（１４０ａおよび１４０ｂ）を介して接続しているので構造的な強度が不足するという問題があった。振動により磁歪部材（１１０ａおよび１１０ｂ）やパッシブヨーク１５０が伸縮することで、最悪の場合、永久磁石（１４０ａおよび１４０ｂ）との接続部分が外れてしまう可能性がある。

また、磁歪部材（１１０ａおよび１１０ｂ）とパッシブヨーク１５０と連結ヨーク（１００ａおよび１００ｂ）とで構成される磁気回路の磁路中に永久磁石（１４０ａおよび１４０ｂ）があるので、永久磁石（１４０ａおよび１４０ｂ）が大きな磁気抵抗となり、振動による発電量が低下してしまう問題があった。

そこで本発明の目的は、上記の課題に対応して、振動を磁歪素子に与えて発電する発電装置において、構造的に堅牢で、振動による発電効率をより高めることが可能な発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、振動電力変換手段の一端を固定または支持する支持体と、該支持体を介して振動源からの振動を受けて振動するように構成され、固有の振動周波数で振動することで振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動電力変換手段とを備えて構成される発電装置であって、前記振動電力変換手段は、磁歪材料で構成された磁歪部材と、該磁歪部材に磁気的に連結されるとともに該磁歪部材に平行に配置されて磁性材料で構成される磁性部材と、前記磁歪部材に巻かれた磁気コイルと、磁気バイアスを供給する複数の中空形状の永久磁石とを有し、前記複数の中空形状の永久磁石は、前記磁歪部材に貫通されて該部材の所定の部位で前記永久磁石の内面と前記部材との間に生じる空間を所定の充填材で充填して固着され、前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向の振動が前記振動電力変換手段に与えられた際に、前記振動電力変換手段の前記磁歪部材が伸張または収縮することにより発電することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記充填材は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記磁性部材と前記磁歪部材を磁気的に連結する第１及び第２の連結部材と、前記磁性部材が前記第２の連結部材を介して前記支持体に連結されると共に、前記第１の連結部材に連結され、前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させる錘体を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記中空形状の永久磁石は、円柱状とされ、前記磁歪部材と磁性部材からなるヨークとで前記永久磁石を挟み、更に磁性材からなる固着手段で前記磁歪部材と前記ヨークを固着することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記固着手段は、磁性材からなるネジまたはリベットであることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の発明において、前記ヨークに連結され、前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させる錘体を備えることを特徴とする。

本発明によれば、日常の環境下で生成される振動から効率的に電力を取り出すことが可能となるので、従来殆ど省みられなかった振動エネルギーを有効利用して電気エネルギーを産み出すことができる。すなわち本発明の発電装置を用いることにより、電気エネルギー産出のための費用を削減できるとともに、ＣＯ２排出量を低減できるので、電気エネルギー産出のための環境負荷を低減することができる。

また、構造的に堅牢な発電装置を提供することができるので途中で壊れることなく、長期間メンテナンスフリーで動作させられる。これにより維持管理コストを低減できる。
一例として、本発明をワイヤレスセンサに適用した場合、現存するワイヤレスセンサのような有線による電源供給やバッテリ搭載が不要となるので、ワイヤレスセンサにおける電源供給コスト及びメンテナンスコストを削減することができ、ワイヤレスセンサシステム全体のコストダウンを実現することができる。

また高効率な発電装置であるので、接続するワイヤレスセンサのデータ計測や通信頻度を上げることができる。この為ワイヤレスセンサの付加価値を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る発電装置の構成を示す断面図であり正面から見た図である。 本発明の実施形態に係る発電装置の振動電力変換手段の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る永久磁石の設置の具体例（その１）を示す図である。 本発明の実施形態に係る永久磁石の設置の具体例（その２）を示す図である。 本発明の実施形態に係る電源回路の構成を示す図である。 従来の発電素子の構成を示す図である。 図６に示した発電素子による発電装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態に係る発電装置の構成を示す断面図であり正面から見た図である。図１において、１ａは発電装置、１０は振動源、９aは振動源に固定されるフレーム、２ａは錘、３ａは鉄ガリウム合金や鉄コバルト合金からなる磁歪部材、４ａはヨークを構成する磁性部材、８ａはフレームに固定された支柱、７ａと７ｂは磁歪部材３ａに固着されたバイアス磁界発生用の中空形状の永久磁石、５ａは磁歪部材３ａに巻き回された磁気コイル、１１ａは磁気コイル５ａに接続された電源回路、１３は振動電力変換手段（後述する）を支柱８ａに固定するピン、１５ａと１５ｂは磁性部材４ａを磁歪部材３ａに磁気的に連結する連結部材である。

振動源１０の矢印(図左端参照)方向の振動によりフレーム９ａおよび支柱８ａが振動することで、錘２ａと磁性部材４ａと磁歪部材３ａと磁気コイル５ａと中空部が所定の充填材(後述する)で充填されて固着された永久磁石７ａ，７ｂと第１及び第２の連結部材１５ａ，１５ｂとで構成された振動電力変換手段が以下に示す式（１）に従って振動する。

ここで、ｋは振動電力変換手段の共振に係る実質的な弾性率に対応するバネ定数値、ｍは振動電力変換手段の共振に係る実質的な質量に相当する質量値である。fは共振周波数で、振動電力変換手段の共振に係るバネ定数値ｋや質量値ｍが一定であれば所定値となる。

磁歪部材３ａと磁性部材４ａと中空部が所定の充填材で充填されて固着された永久磁石７ａ，７ｂと連結部材１５ａ，１５ｂとで磁気回路を構成する。振動により磁歪部材３ａに応力が加わると、逆磁歪効果により磁歪部材３ａの磁束が変化するので、これにより磁気コイル５ａに誘導電圧（または誘導電流）が発生する。

なお、図１では振動電力変換手段の一部に錘２ａを設ける構成を示しているが、図１に示す例ではピン１３で振動電力変換手段を支柱８ａに固定しているので回転方向の自由度がフリーなので錘２ａが無くても振動電力変換手段を動作させることが可能である。また、図１では磁性部材４aと磁歪部材３aを長さ方向の両端で連結部材１５a,１５bにより磁気的に接続する構成を示しているが、磁性部材４aに第１、第２の連結部を形成してなる連結ヨークを用いて磁歪部材３aを支持するようにしても良い。

ここで本発明の実施形態に係る発電装置で用いられる電源回路１１ａの構成について説明する。図５は、本発明の実施形態に係る電源回路の構成を示す図である。図５において、１１１は磁気コイル５ａ（コイル巻線）に発生する交流信号を整流する整流手段、１１２は整流手段１１１の整流信号を平滑する平滑手段、１１４は二次電池やコンデンサで構成される蓄電手段、１１５は蓄電手段１１４に蓄電した電力を出力端子１１６に出力する出力手段である。１１３は平滑手段１１２で平滑した直流電圧を蓄電手段１１４に蓄電させるとともに、蓄電手段１１４に蓄電された電力を出力手段１１５に供給する制御を行う制御手段である。

図２は、本発明の実施形態に係る発電装置の振動電力変換手段の構造を示す断面図であり、図１に示した図を上面から見た図である。図２において本発明の実施形態に係る発電装置の振動電力変換手段は、支柱８ａにピン１３で振動電力変換手段を固定し、振動電力変換手段を振り子状に振動させるものである。このように構成することで、磁歪部材３ａの軸方向と垂直な方向の振動（図１の左端の両矢視線参照）が振動電力変換手段に加えられた際に、支柱８ａの一端にピン１３により固定されている磁歪部材３ａの軸方向と垂直な方向の振動がフリーになることで振動電力変換手段が低振動周波数で動作し磁歪部材３ａが伸縮または収縮することにより発電できるので、低い振動周波数領域で発電することができる。

次に、バイアス磁界発生用の中空形状の永久磁石７ａ，７ｂの設置の具体例について説明する。
［具体例１］
図３は、本発明の実施形態に係る永久磁石の設置の具体例（その１）を示す図である。図３においては、幅を有する環状の永久磁石７ａ，７ｂを所定の充填材、例えば、フェノール樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂などの熱硬化性樹脂を用いて、この例では磁歪部材３ａに充填し磁歪部材３ａに固定するものである。そして図２に示しているようにこの例では磁気回路を構成する磁歪部材３ａにバイアス磁界を供給できるように永久磁石７ａ，７ｂの幅方向（矢印参照）に着磁させている。

また本例では幅を有する環状の永久磁石を２個使用する例を示しているが、１個でもよく、さらには３個以上設けてもよいことは云うまでもない。また、幅を有する環状の永久磁石を磁歪部材３ａに設ける例を示しているが、これに限定されず、磁気回路の磁路を形成する部材、例えば、上記した磁性部材４ａ、連結部材１５ａなど、のいずれかの箇所に設ければよい。

また環状の永久磁石の例を実施例として示したが、中空形状にした永久磁石であれば環状のものに限定されないことは云うまでもない。
このように本発明の実施形態に係る発電装置は、振動電力変換手段を構成する磁気回路の磁路中のいずれかの部材の所定の部位に中空形状の永久磁石を固着したことを特徴とするものである。

また振動電力変換手段を振り子状に振動させる構造にしているので、低い周波数で大きな発電量が得られるという格別の作用効果を有するものである。
なお、図示していないが、磁気コイル５ａを巻き回す位置は、上記した実施形態に係る発電装置のような磁歪部材３ａのみに限定されず、例えば、磁性部材４ａ、継ぎ手を付加して連結部材１５ａ，１５ｂ、若しくは、磁歪部材３ａと磁性部材４ａの両方、更には、磁歪部材３ａと継ぎ手を付加した連結部材１５ａ，１５ｂの両方に巻き回すことができることはいうまでもない。

またピン１３を介して支柱８ａに固定せず、支柱８ａに直接固定するようにしてもよい。但し、この場合には上記の実施形態に係る発電装置と同じように振動周波数領域を低減させるのは難しくなる。

さらに取付面は、図１に示した取付面に限定されず、振動源からの振動方向と支柱とが平行となるように取り付けることで、例えば縦方向に発電装置を設置可能である。
［具体例２］
図４は、本発明の実施形態に係る永久磁石の設置の具体例（その２）を示す図である。図４(ａ)は、図２と同様、本発明の実施形態に係る発電装置の振動電力変換手段の構造を示す断面図であり上面から見た図であり、また図４(ｂ)は本発明の実施形態に係る発電装置の振動電力変換手段の構造を示す断面図であり正面から見た図で、それぞれ磁気コイルの巻き回しを省略している。図４(ａ)，(ｂ)においては、円柱状で中空の永久磁石７ａ’，７ｂ’を磁歪部材３ａとヨーク１６で挟み、磁性体のネジ（例えば、鉄製ネジ）６ａ，６ｂで固定するようにしたものである。

図４に示されるように本方法は、永久磁石７ａ’，７ｂ’の中空部を図３に示したような所定の充填材を用いて充填し所定の部材に固着する必要がない。そして図４に示す例では磁気回路を構成する磁歪部材３ａに磁性部材からなるネジ６ａ，６ｂを介してヨーク１６と磁歪部材３ａにバイアス磁界を供給することができる。

また本例では円柱状で中空の永久磁石を２個使用する例を示しているが、１個でもよいことは云うまでもない。なお、本例ではヨーク１６が図１に示す磁性材料４ａと連結部材１５ａ，１５ｂを一体に構成したものに相当する。

また図４に示す具体例では、円柱状で中空の永久磁石７ａ’，７ｂ’を磁性部材からなるネジ６ａ，６ｂで固定し、ネジ６ａ，６ｂが磁気回路の磁路の一部を形成するようにしているが、ネジに限定されず、磁性体であれば他の固着手段（例えば、リベット等）を用いてもよいことは云うまでもない。

上述した本発明の発電装置をワイヤレスセンサの電源装置として適用することで、ワイヤレスセンサにおける電力供給に関する問題点を克服することが可能となる。ワイヤレスセンサは、振動を計測するセンサとして、高速道路や鉄道、建物、回転機などの構造ヘルスモニタリング用の振動センサや加速度センサ、タイヤ圧のモニタリングセンサ等に実用化されている。

１ａ 発電装置
２ａ 錘体
３ａ 磁歪部材
４ａ 磁性部材
５ａ 磁気コイル
６ａ，６ｂ ネジ
７ａ，７ａ’，７ｂ，７ｂ’ 永久磁石
８ａ 支持体（支柱）
９ａ フレーム
１０ 振動源
１１ａ 電源回路
１３ ピン
１５ａ，１５ｂ 連結部材
１６ ヨーク
１１１ 整流手段
１１２ 平滑手段
１１３ 制御手段
１１４ 蓄電手段
１１５ 出力手段
１１６ 出力端子

Claims (6)

1. 振動電力変換手段の一端を固定または支持する支持体と、該支持体を介して振動源からの振動を受けて振動するように構成され、固有の振動周波数で振動することで振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動電力変換手段とを備えて構成される発電装置であって、
   前記振動電力変換手段は、
   磁歪材料で構成された磁歪部材と、該磁歪部材に磁気的に連結されるとともに該磁歪部材に平行に配置されて磁性材料で構成される磁性部材と、前記磁歪部材に巻かれた磁気コイルと、磁気バイアスを供給する複数の中空形状の永久磁石とを有し、
   前記複数の中空形状の永久磁石は、前記磁歪部材に貫通されて該部材の所定の部位で前記永久磁石の内面と前記部材との間に生じる空間を所定の充填材で充填して固着され、
   前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向の振動が前記振動電力変換手段に与えられた際に、前記振動電力変換手段の前記磁歪部材が伸張または収縮することにより発電することを特徴とする発電装置。
2. 前記充填材は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記磁性部材と前記磁歪部材を磁気的に連結する第１及び第２の連結部材と、前記磁性部材が前記第２の連結部材を介して前記支持体に連結されると共に、前記第１の連結部材に連結され、前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させる錘体を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
4. 前記中空形状の永久磁石は、円柱状とされ、前記磁歪部材と磁性部材からなるヨークとで前記永久磁石を挟み、更に磁性材からなる固着手段で前記磁歪部材と前記ヨークを固着することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
5. 前記固着手段は、磁性材からなるネジまたはリベットであることを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
6. 前記ヨークに連結され、前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させる錘体を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の発電装置。