JP2017011894A

JP2017011894A - 電磁誘導型発電素子

Info

Publication number: JP2017011894A
Application number: JP2015125598A
Authority: JP
Inventors: 功中島; Isao Nakajima
Original assignee: Tasada Kosakusho KK
Current assignee: Tasada Kosakusho KK
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2017-01-12

Abstract

【課題】歩行や羽ばたきといった微小な動的エネルギーを電磁誘導で電位に変換することの可能な小型の発電素子を得る。
【解決手段】密閉された筒状部材と、筒状部材の外周面に巻回されたコイル部と、筒状部材の内部空間のコイル部捲回領域を通過可能に往復移動される永久磁石製の摺動部材とを備えた電磁誘導型発電素子において、摺動部材は、往復移動方向の両端部を両磁極とし、往復移動する方向と同方向に延びる貫通孔が設けられ、筒状部材の一端部には摺動される摺動部材の磁極と同極の磁石が対向して配され、本発電素子は筒状部材の一端部が垂直方向下向きに立設されて、内部の摺動部材が重力によって一端部方向へ引張られるように設置されるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば小動物又は小動物を模した模型に搭載可能な電磁誘導型発電素子に関するものである。

本発明者は消費電力を抑えることにより、小型の鳥、中型の鳥に搭載できるほど圧倒的に小型化可能な測位装置を提案している（例えば、特許文献１参照）。これは航空機に搭載される放送型自動従属監視 (ＡＤＳ−Ｂ）信号を用いることで、ＧＰＳ受信器を備えた測位装置に比べて消費電力が圧倒的に低いため、駆動電源として小型の電池を採用することができるため、小型化可能な測位装置を得ることができる。これにより、鳥インフルエンザの予防を想定して渡り鳥の位置データの検証に使用することができる。

一方、地球上の人口が増加し、これまで接する機会の少なかった鳥獣に出会うことが増加し、稀有な鳥獣の特殊な病原体に人が感染することが社会問題となってきている。将来、鳥や動物の体内で抗原抗体反応を電気的に検出できれば、鳥インフルエンザ（含低病原性）はもとより、人畜共通感染症（西ナイル熱、ツツガムシ病など）の動物側の感染症をモニタすることができ、地理学的に早期の警戒や予防を実施することができる。

これについては、将来においては分子量変化を計測する電子素子を皮下に埋め込み、鳥インフルエンザＡ型の抗原抗体反応を電気的に検出する等の予防医学に繋げる目的で通信技術を使うことが広義の遠隔医療（ｅＨｅａｌｔｈ）とすることも、国際電気通信連合（ＩＴＵ）において認識されている。

例えば、渡り鳥であれば、１００羽に１羽に埋め込めば群れを把握することが可能と言われている。また、家畜として世界には８００億羽の家禽が飼育されており、例えば、１羽あたり１０円の抗原抗体反応センサーを雛に埋め込んだとしても、その市場は８０００億円となり、きわめて大きな潜在的な需要が見込まれている。

特開２０１５−２５７２８号公報

このような皮下に埋め込み可能な電子素子への電力の供給方法としては、生体外部にある太陽光発電小パネルから電力を供給する等が考慮されるが、高価格となり、生体外部と内部とを連絡する電線からの供給が搭載生体の行動を著しく阻害することとなる。また、太陽光線の当たらない埋め込み式のセンサーでは外部からマイクロ波などでエネルギーを与える等が考慮されるが、大量生産を行っても飛躍的に高価となることは否めない。

本発明は、例えば鳥類の皮下に埋め込み、鳥インフルエンザＡ型の抗原抗体反応を電気的に検出することも可能とする小型の発電素子を得ることを目的とし、具体的には歩行や羽ばたきといった微小な動的エネルギーを電磁誘導で電位に変換することの可能な小型の発電素子を得ることを目的とする。

請求項１に記載された発明に係る電磁誘導型発電素子は、密閉された筒状部材と、前記筒状部材の外周面に巻回されたコイル部と、前記筒状部材の内部空間のコイル部捲回領域を通過可能に往復移動される永久磁石製の摺動部材とを備えた電磁誘導型発電素子において、
前記摺動部材は、往復移動方向の両端部を両磁極とし、往復移動する方向と同方向に延びる貫通孔が設けられ、
前記筒状部材の一端部には摺動される前記摺動部材の磁極と同極の磁石が対向して配され、
本発電素子は、前記筒状部材の一端部が垂直方向下向きに立設されて、内部の摺動部材が重力によって前記一端部方向へ引張られるように設置されるものであることを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明に係る電磁誘導型発電素子は、請求項１に記載の発電素子が小動物又は小動物を模した模型に搭載可能な大きさとしたことを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明に係る電磁誘導型発電素子は、請求項２に記載の小動物を模した模型に搭載される電磁誘導型発電素子には、上下動によって発電された電気を外部に放電する電極が設けられていることを特徴とするものである。

本発明は、歩行や羽ばたきといった微小な動的エネルギーを電磁誘導で電位に変換することの可能な小型の発電素子を得ることができる。これにより、例えば鳥類の皮下に埋め込み、鳥インフルエンザＡ型の抗原抗体反応を電気的に検出することも可能とするという効果がある。

本発明の電磁誘導型発電素子の一実施例の構成を示す説明図である。図１の電磁誘導型発電素子の評価回路の構成を示す説明図である。ニワトリの歩行による発電状況を説明する線図であり、図において、Ｘ軸は時間、Ｙ軸は電圧である。キジの飛翔による発電状況を説明する線図であり、図において、Ｘ軸は時間、Ｙ軸は電圧である。機械的角速度シミュレータを用いた羽ばたき周波数と出力電位の関係を示す線図である。

本発明においては、密閉された筒状部材と、筒状部材の外周面に巻回されたコイル部と、筒状部材の内部空間のコイル部捲回領域を通過可能に往復移動される永久磁石製の摺動部材とを備えた電磁誘導型発電素子において、摺動部材は往復移動方向の両端部を両磁極とし、往復移動する方向と同方向に延びる貫通孔が設けられ、筒状部材の一端部には摺動される摺動部材の磁極と同極の磁石が対向して配され、本発電素子は筒状部材の一端部が垂直方向下向きに立設されて、内部の摺動部材が重力によって一端部方向へ引張られるように設置されるものである。これにより、歩行や羽ばたきといった微小な動的エネルギーを電磁誘導で電位に変換することの可能な小型の発電素子を得ることができる。

即ち、本発明の筒状部材としては、外周面に捲回されたコイル部を備え、内部には永久磁石製の摺動部材がコイル部の内部空間を通過可能に往復移動されるように配置される。筒状部材の断面については三角形状、四角形状等のように何ら制限はないが、摺動部材の摺動を低い抵抗で往復移動させるため、円形状が好ましい。また、筒状部材は、好ましくは、内部の摺動部材を外気に触れさせることがないように筒状部材の両端部は密閉される。これにより、小動物の皮下に埋め込み可能に配置されることも可能となる。

本発明の摺動部材としては、往復移動方向の両端部を両磁極とするものであればよい。また、往復移動する方向と同方向に延びる貫通孔が設けられることにより、密閉された筒状部材の内部を摺動する摺動部材の往復移動の際の空気の抵抗を低減することができ、小さな振動によっても発電可能となる。この摺動部材は、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等の永久磁石製であるが、好ましくは磁束密度が高く、非常に強い磁力を備えたネオジム磁石が選択される。

摺動部材の貫通孔としては、摺動部材の往復移動方向と同方向に形成されたものであれば往復移動の際に進行方向の空間の空気を貫通孔で反対方向の空間に移動させることができるため、摺動部材の摺動を低い抵抗で往復移動させることができる。この場合、貫通孔は摺動部材の側部に溝として形成されてもよいが、磁束密度の影響が少ない摺動部材の中央部を貫通させたものが選択される。尚、このようなリング状の磁石は既に市販されている磁石を利用することができ、発電素子自体を安価に製造することができる。

本発明のコイル部としては、筒状部材の外周面に巻回されればよく、内部の摺動部材が往復移動した際にコイル部の内部空間を通過可能となるため、筒状部材のほぼ中央部にコイル部が形成される。発電素子自体をより小型化するためには、コイル部の導線としてはより細い導線が用いられ、より多くの巻数で捲回することにより高い電位が発電可能である。後述する実施例では、０．０３ｍｍ径の導線を６１００回巻いた６ｍｍ内空のコイル部で約７Ｖ程度の電位が発電可能であった。

本発明の筒状部材の一端部には摺動される前記摺動部材の磁極と同極の磁石が対向して配され、本発電素子は、前記筒状部材の一端部が垂直方向下向きに立設されて、内部の摺動部材が重力によって前記一端部方向へ引張られるように設置されるものである。よって、筒状部材内で摺動部材が磁気浮上状態となる。尚、発電素子の両端部に摺動部材の磁極と同極の磁石を各々対向して配することも考慮されるが、筒状部材の一端部が垂直方向下向きに立設される場合には、他端部への磁石の配置は発電素子の重量を増大させるのみで、動き出しを容易にする等の利点は全くなく、逆に強い磁力の磁石は摺動部材の磁気浮上状態を維持することを阻害したり、摺動部材の往復移動を阻害することもある。

これに対して、本発電素子では、筒状部材の一端部のみに摺動される摺動部材の磁極と同極の磁石が対向して配されて、筒状部材内で摺動部材が磁気浮上状態となるため、摺動部材の自重と磁気反発による拮抗位置で浮上した状態で摺動部材が筒状部材内に配されることとなり、歩行や羽ばたきといった微小な動的エネルギーであっても、動き出しを容易にし、微小な動的エネルギーでも容易に電磁誘導で電位に変換することが可能となる。

好ましい本発明の電磁誘導型発電素子としては、小動物又は小動物を模した模型に搭載可能な大きさとする。これにより、例えば鳥類の皮下に埋め込み、鳥インフルエンザＡ型の抗原抗体反応を電気的に検出することも可能とすることができる。

一方、小魚等は微小な生体電気を発しており、捕食者はこの微細な生体電気を目標に小魚を補食するとの説もある。そこで、更に好ましい電磁誘導型発電素子としては、小動物を模した模型に搭載される電磁誘導型発電素子には、上下動によって発電された電気を外部に放電する電極が設けられる。これにより、例えば、ルアー等の疑似餌に本電磁誘導型発電素子を装着することにより、疑似餌が上下動した際には微弱な電流が放出されることになり、捕食者の注意を促してヒットする可能性を高める。

本発明の電磁誘導型発電素子の基本動作は次の通りである。レンツの法則より閉ループで発生する起電力は次の通りである。即ち、磁束を磁界の中で磁界に垂直な（法線方向）面の断面積をＳ［ｍ^２］とすれば、磁束密度Ｂ［Ｔ］、積φ＝ＢＳをその面を通る磁束（単位Ｗｂ）、ｎ回巻いたコイルの単位時問当たりに変化する磁束φで発生する電位Ｖは次の数１に示す通りである。

ここで単位を１［Ｔ］＝１［Ｎ／Ａ・ｍ］、１［Ｎ／Ｗｂ］＝１［Ａ／ｍ］、［ＢＳ］＝Ｔ・ｍ^２＝（Ｎ／Ａ・ｍ）×ｍ^２＝Ｎ・ｍ／Ａ＝Ｗｂとすれば、直径７ｍｍ（断面積0.00385ｍ^２）で巻き数が６１００回のコイルを上向きに貫く磁束密度が毎秒0.2Ｔ・ｓｉｎα（テスラ）で変化する具体的な例を考える。

磁束の増加を妨げる向きに電流が流れるので、その誘導起電力を求めると、磁束の増加は毎秒0.2×0.00385・ｓｉｎσ＝0.00077・ｓｉｎσ Ｗｂであるから、端子に発生する電位をＶとすれば＝−6100×0.00077×ｓｉｎσ＝−4.697・ｓｉｎσ［Ｖ］磁石が上下に対時間あたりサインカーブを描いて動いているので、ピークが＋／−4.697Ｖの交流が得られることになる。

後述する実施例では試作コイルをキジに背負わせ飛翔させたり、ニワトリで歩行させ発電量を求め、さらに機械的角速度シミュレーターにて周波数特性を求めた。発電電位は、0.03ｍｍ径を６１００回巻いた６ｍｍ内空の捲回でＰ−Ｐ約７Ｖ程度の電位を得ており満足のいくものであった。

図１は本発明の電磁誘導型発電素子の一実施例の構成を示す説明図である。図２は図１の電磁誘導型発電素子の評価回路の構成を示す説明図である。図３はニワトリの歩行による発電状況を説明する線図であり、図において、Ｘ軸は時間、Ｙ軸は電圧である。図４はキジの飛翔による発電状況を説明する線図であり、図において、Ｘ軸は時間、Ｙ軸は電圧である。図５は機械的角速度シミュレータを用いた羽ばたき周波数と出力電位の関係を示す線図である。

図１に示す通り、本実施例の電磁誘導型発電素子１０では、両端部を密閉栓２０、２２で密閉された筒状部材１２と、この筒状部材１２の外周面に導線を巻回されたコイル部１４と、筒状部材１２の捲回されたコイル部１４の内部空間を通過可能に往復移動される永久磁石製の摺動部材１６とを備える。この摺動部材１６は、往復移動方向の両端部を両磁極とし、往復移動する方向と同方向に延びる貫通孔１８が設けられる。

筒状部材１２の一端部の密閉栓２２は永久磁石で、摺動される摺動部材１６の磁極と同極が対向して配されている。尚、他端部の密閉栓２０は磁石ではなく樹脂製である。この発電素子１０は、筒状部材１２の他端部が一端部より上下の高さ位置で上方に立設されて、内部の摺動部材１６が重力によって一端部方向へ引張られるように設置され、筒状部材１２内で摺動部材１６が反射板としての密閉栓２２の反発する磁力によって磁気浮上状態となる。

これにより、摺動部材１６の自重と磁気反発による拮抗位置で浮上した状態で摺動部材１６が筒状部材１２内に配されているため、歩行や羽ばたきといった微小な動的エネルギーであっても、動き出しには充分な動的エネルギーとなる。これにより微小な動的エネルギーでも、電磁誘導で電位に変換することが可能となる。

本実施例の評価用として試作接地した発電素子は次のような仕様とした。長さ３０ｍｍ×直径６ｍｍ内空の筒状部材１２の中央部に０．０３ｍｍの銅線を手動のコイル巻きとり装置で丁寧に６１００回（３０５０回：中点タップ）巻き取った。

中に挿入する摺動部材１６は、表１の仕様表に示したネオジム磁石で、これを軸方向に直列に４個つなぎ、合計８ｍｍの円柱状の磁石とした。筒状部材１２の一端部には同じネオジム磁石で対向する摺動部材１６の下端面と同極の磁極を上面として密閉栓２２とし、筒状部材１２の他端部には樹脂製の密閉栓２０で密閉して発電素子１０を得た。

得られた発電素子１０は、図２に示す通り、振動で得られる発電電位を増幅度２倍のオペアンプ（operational amplifier，オペレーショナル・アンプリファイア）を介して小型のデータロガーで記録した。

得られた発電素子１０についてニワトリ（成鳥♀）の歩行と、キジ（成鳥♀）の飛翔とで発電電位を記録した。具体的には、メス２ｋｇの成鳥ニワトリの背中に発電素子１０を搭載させて、５ｍ×５ｍの室内でシートを引いた床を自由に歩行させた。その際の発電電位を図３に示す。また、同様に、メスの成鳥キジの背中に発電素子１０を搭載させて、飛翔させ、その際の発電電位を図４に示す。

図３及び図４に示す通り、歩行によって発電された電位は常に１Ｖ〜２Ｖ程度あり、最大で４Ｖ程度であった。また、飛翔ではより短い時間で多数の電位の変化があることが判る。発電された電位の大きさは同じ発電素子であったため、常に１Ｖ〜２Ｖ程度あり、最大で４Ｖ程度であった。

図１に示した発電素子１０を用いて機械的角速度シミュレーターにて羽ばたき周波数に応じた出力電位を計測した。結果を図５に示す。図５に示す通り、この発電素子では１８０−３２０回／分の羽ばたきの鳥に有効であることが推測された。右側の頭打ちは摺動部材である磁石が他端部の密封栓２０に当たっており、筒状部材１２の長さが不充分であることが判った。

歩行や羽ばたきで得られた電位はPeak-to-Peakで７Ｖ以上もあり、ダイオードのジャンクション電圧３００ｍＶを考慮しても倍電圧整流で効率良く二重層コンデンサーに蓄電できることが判った。

尚、これ以上電圧を高くしても二重層コンデンサーの耐圧絶縁などの別な課題が生じるので、発電電圧としては十分と考えられた。本実施例の発電素子１０では、埋め込み式としてはやや大きいが、成鳥のニワトリサイズには埋め込み可能ではある。さらに小型化を行えば、カモメなど中型の渡り鳥には実用化になると考えられている。

また、本実施例の発電素子１０で得られた平均電流は、０．ｌｍＡ程度であるが、２４時問持続して電位を得られるので、１週間に１度程度ならば抗原抗体反応の検査をできるものと推定された。尚、外部にデータを通信するためには背部に通信装置を設置する必要があることは言うまでもない。

１０…電磁誘導型発電素子、
１２…筒状部材、
１４…コイル部、
１６…摺動部材、
１８…貫通孔、
２０…他端部の密閉栓、
２２…一端部の密閉栓（磁石）、

Claims

密閉された筒状部材と、前記筒状部材の外周面に巻回されたコイル部と、前記筒状部材の内部空間のコイル部捲回領域を通過可能に往復移動される永久磁石製の摺動部材とを備えた電磁誘導型発電素子において、
前記摺動部材は、往復移動方向の両端部を両磁極とし、往復移動する方向と同方向に延びる貫通孔が設けられ、
前記筒状部材の一端部には摺動される前記摺動部材の磁極と同極の磁石が対向して配され、
本発電素子は、前記筒状部材の一端部が垂直方向下向きに立設されて、内部の摺動部材が重力によって前記一端部方向へ引張られるように設置されるものであることを特徴とする電磁誘導型発電素子。
前記発電素子が小動物又は小動物を模した模型に搭載可能な大きさとしたことを特徴とする請求項１に記載の電磁誘導型発電素子。
前記小動物を模した模型に搭載される電磁誘導型発電素子には、上下動によって発電された電気を外部に放電する電極が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電磁誘導型発電素子。