JP2012161238A

JP2012161238A - 発電機及び電子機器

Info

Publication number: JP2012161238A
Application number: JP2012000181A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yagi; 健八木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2012-08-23

Abstract

【課題】振動によって発電する技術において、振動していない時であっても持続的に発電し、かつ、取り出せる電力が多く、小型化に適した技術を提供する。
【解決手段】電子機器１は、発電機１０と、発電機１０によって発電された電力を蓄積する電源部（二次電池）２０と、電源部２０から供給される電力によって駆動する処理部（負荷回路）３０とを備える。発電機１０は、発条部１２と、磁歪材料を用いて形成された発電部１４と、キャパシタ１６とを備える。発条部１２は、振動、操作者の操作、又は、風力によって力を蓄える。発電部は１４、磁歪材料に力が加わっていないときは、発条部１２に蓄えられた力によって発電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電機及び電子機器に関する。

従来、圧電材料が撓むことにより発電する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２３０４４０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、圧電材料が振動していない時は発電ができないという問題がある。また、圧電材料の１つであるセラミックスは、高いインピーダンスであるため、取り出せる電力が少ないという問題がある。また、セラミックスは、脆性材料であるため、小型化に適しないという問題がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、振動によって発電する技術において、振動していない時であっても持続的に発電し、かつ、取り出せる電力が多く、小型化に適した技術を提供する。

上記問題を解決するために、本発明の一態様である発電機は、発条部と、磁歪材料を用いて形成された発電部とを備え、前記発電部は、前記磁歪材料に力が加わっていないときは、前記発条部に蓄えられた力によって発電することを特徴とする。

上記発電機において、前記発条部は、振動、操作者の操作、又は、風力によって力を蓄えるようにしてもよい。

上記問題を解決するために、本発明の他の態様である電子機器は、上記発電機を備えることを特徴とする。

本発明によれば、筐体が振動していない時でも持続的な発電が可能になる。また、例えば、圧電素子に比べ、多くの電力の取り出しが可能であり、丈夫で小型化に適している。

本発明の一実施形態による電子機器１の構成図である。発電部１４の概略模式図である。発電部１１４の概略模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形態による電子機器１の概略機能構成図、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した発電機１０に関しより詳細に図示した構成図である。図２は、発電部１４の概略模式図である。

電子機器１は、例えば、携帯情報機器であって、図１（ａ）に示すように、発電機１０と、発電機１０によって発電された電力を蓄積する電源部（二次電池）２０と、電源部２０から供給される電力によって駆動する処理部（負荷回路）３０とを備える。

処理部３０は、入力部３２と制御部３４と記憶部３６と出力部３８とを備える。入力部３２は、外部から情報を入力する。電子機器１の種類に応じて異なるが、例えば、外部から送信された情報を受信する受信部、操作者による入力操作を受け付ける操作受付部、外部の状況を検出する検出部（例えば磁気センサ）などは入力部３２に該当する。
制御部３４は、入力部３２によって入力された情報、記憶部３６に記憶されている情報などに基づいて種々の処理を実行する。記憶部３６は、入力部３２によって入力された情報、制御部３４による処理に用いられる情報（例えば、制御プログラム）、制御部３４によって生成された情報（例えば、出力用情報）などを記憶する。
出力部３８は、外部に情報を出力する。電子機器１の種類に応じて異なるが、例えば、外部に情報を送信する送信部、操作者に情報を提示する提示部（例えば、ディスプライ、ランプ、スピーカ）、電子機器１の筐体（以下、単に、「筐体」という）を駆動（例えば、バイブレーション機能）させる駆動部などは出力部３８に該当する。

発電機１０は、少なくとも発条部１２及び発電部１４を備え、図１（ｂ）に示すように、発条部１２及び発電部１４に加え更に、キャパシタ１６を備えていてもよい。

発条部１２は、筐体の振動よって力（弾性エネルギー）を蓄える。例えば、ユーザが意識的に筐体を振った場合の振動、又は、ユーザによる持ち運びによる振動、又は、処理部３０の処理による駆動（例えば、バイブレーション機能）などによって随時、力を蓄える。

また、発条部１２は、振動以外から力を蓄えるようにしてもよい。例えば、操作者の操作、又は、風力などによって力を蓄えるようにしてもよい。なお、風力を用いる場合には、風車（ファン）を利用してもよい。
操作者の操作としては、直接的に発条部１２に力を蓄えさせるような操作（例えば、意識的に発条を巻き上げる操作）に加え、間接的に発条部１２に力を蓄えさせるような操作であってもよい。なお、間接的に発条部１２に力を蓄えさせるような操作の一例は、筐体に配された釦押下である。つまり、発条部１２は、釦押下時の力を蓄える。

なお、発条部１２に蓄えられた力は、発電部１４の磁歪材料を変形（振動、撓み）させる力として利用する（詳細は後述）。

発電部１４は、図２に示すように、磁歪材料５０とコイル５２とを有して構成される。なお、図２は、コイル５２内の磁歪材料５０も見えるように図示した断面図である。なお、図２において、２本の磁歪材料５０を図示したが、発電部１４は、１本又は３本以上の磁歪材料５０を有していてもよい（後述の図３の発電部１１４も同様）。また、図２は、２本の磁歪材料５０の何れにもコイル５２が巻かれている旨を示しているが、コイル５２の巻き方としては、磁歪材料５０毎にコイル５２を巻くとよい。

発電部１４が有する磁歪材料５０は、力（曲げる力、引っ張る力、伸ばす力）によって変形し磁束密度に変化を生じさせる（逆磁歪効果）。発電部１４が有するコイル５２は、当該磁束密度の変化によって誘導電流を発生させる。つまり、発電部１４は、磁歪材料５０に力が加わっているときは（即ち、振動や撓みがあるときは）、磁歪材料５０に加えられた力を電気に変える、即ち、発電する（電気エネルギーを得る）。例えば、発電部１４は、筐体の振動よって磁歪材料５０に力が加わった場合に発電する。

なお、磁歪材料５０を用いた場合、例えば、下記の効果を得ることができる。また、磁歪材料５０としては、Ｆｅ−Ｇａ系の材料（鉄−ガリウム合金）が好適である。
・容量性インピーダンス（高インピーダンス）である圧電素子の場合には負荷で取り出せる電力は小さいが、磁歪材料５０は低インピーダンスであるため負荷で取り出せる電力は大きい（負荷とのマッチングがよい）。
・セラミックス（脆弱材料）を用いる圧電素子は加工に不向きであるが、磁歪材料５０は、壊れ難く、また、延性材料であるため、機械加工ができる。よって、超小型化（数ミリ程度）ができるため、小型の電子機器（例えば、携帯音楽プレーヤ、携帯通信機器、人体埋め込み型医療機器）などの搭載に有用である。
・磁歪材料５０は、発電量が材料の大きさに比例する。
・圧電素子は低効率（圧電横効果）であるが、磁歪材料５０は高効率である。
・共振振動による発電
・高温度使用範囲（−１００℃〜１００℃）である。

また、発電部１４は、筐体が振動している場合、上述の如く、当該振動よって磁歪材料５０が変形し発電するが、筐体が振動していない場合にも、発条部１２に蓄えられた力によって磁歪材料５０が変形し発電する。例えば、図２に示すように、磁歪材料５０が板状（又は棒状）に形成されている場合、磁歪材料５０が撓む方向（図２の矢印方向）に、発条部１２に蓄えられた力を伝え、発電部１４に発電させるようにしてもよい。なお、発条部１２に蓄えられた力が伝えられる部分（図２の矢印部分）の逆側（図２の上部側）は固定されており、発条部１２に蓄えられた力が伝わると、磁歪材料５０は撓むようになっている。
また、磁歪材料５０が長手方向に伸縮する方向に、発条部１２に蓄えられた力を伝え、発電部１４に発電させるようにしても構わない。

発電部１４は、キャパシタ１６を介して、発電した電力（筐体の振動による電力、又は、発条部１２に蓄えられた力による電力）を二次電池２０に供給する。なお、キャパシタ１６は、二次電池２０への供給電力の安定化のために用いている。

以上、本発明の一実施形態による電子機器１によれば、筐体が振動しているときには、筐体の振動を利用して発電部１４は発電し、発条部１２は力を蓄え、筐体が振動していないときは、発条部１２に蓄えられた力を利用して発電部１４は発電する。従って、筐体が振動していない時でも持続的な発電が可能になる。
また、磁歪材料５０を用いた発電であるため、上述の如く、圧電素子に比べ、多くの電力の取り出しが可能であり、丈夫で小型化に適している。更に、上述の如く磁歪材料５０の特性により、或いは、筐体の振動のエネルギーを磁歪材料５０において電気エネルギーに代えるだけでなく、発条部１２においても一旦、弾性エネルギーとして保持するため、高効率な発電が可能になる。また、振動の大小によらず安定した発電量を得ることができる。

図２に示した発電部１４の構成の場合、磁歪材料５０の振動が共振振動であると発電の効率が向上する。以下、共振周波数を変更できる構成について説明する。
図３は、発電部１１４の概略模式図である。図３（ａ）はコイル５２内の磁歪材料５０も見えるように図示した断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の破線Ｓの位置の断面を図示した断面図である。なお、図３（ａ）（ｂ）は、２本の磁歪材料５０の何れにもコイル５２が巻かれている旨、及び、磁歪材料５０毎にコイル５２が巻かれている旨を示している。

発電機１０は、図２に示した発電部１４に代えて、図３に示すような発電部１１４を備えていてもよい。発電部１１４は、磁歪材料５０とコイル５２と可動部（錘）５４とを有して構成される。可動部５４は、磁歪材料５０の長手方向（図３（ａ）の矢印Ａ方向）に移動可能である。可動部５４の移動によって固定部と可動部５４との間の距離が変化する。

図３に示した発電部１１４の構成の場合、可動部５４の位置が変化し、固定部と可動部５４との間の距離が変化するため、共振周波数を変更することができる。即ち、固定部と可動部５４との間の距離を短くすれば共振周波数は高くなり、固定部と可動部５４との間の距離を長くすれば共振周波数は低くなる。

可動部５４の位置（固定部と可動部５４との間の距離）の変更方法（調整方法）として、幾つかの方法が考えられる。例えば、可動部５４の外部にアクチュエータ（不図示）を配置し、磁歪材料５０の長手方向に可動部５４が移動するように、アクチュエータが可動部５４に力を加え、可動部５４の位置を変更する。また、可動部５４の内部にアクチュエータ（不図示）を配置し、アクチュエータの駆動によって可動部５４を自走させ、可動部５４の位置を変更してもよい。

最適な共振周波数は、筐体が振動している状態で、発生発電量が最大となる可動部５４の位置から決めることができる。なお、筐体が振動していないときは、発条部１２に蓄えられた力を利用して、磁歪材料５０が撓む方向（図３（ａ）の矢印Ｂ方向）に可動部５４を動かし、磁歪材料５０を変形させて発電を行ってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１…電子機器１０…発電機１２…発条部１４、１１４…発電部１６…キャパシタ２０…電源部（二次電池）３０…処理部（負荷回路）３２…入力部３４…制御部３６…記憶部３８…出力部５０…磁歪材料５２…コイル５４…可動部

Claims

発条部と、
磁歪材料を用いて形成された発電部と
を備え、
前記発電部は、前記磁歪材料に力が加わっていないときは、前記発条部に蓄えられた力によって発電することを特徴とする発電機。
請求項１に記載の発電機において、
前記発条部は、振動、操作者の操作、又は、風力によって力を蓄えることを特徴とする発電機。
請求項１又は請求項２に記載の発電機を備えることを特徴とする電子機器。