JP2019022366A - 発電装置、送信装置及び発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導線の周囲に形成される交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、当該交流磁場に基づいて発電を行うことが可能な発電装置を提供する。【解決手段】発電装置は、圧電部材を有するカンチレバー１と、該カンチレバー１の固定端を、交流が流れる導線Ｗに対して固定する固定部２と、カンチレバー１の自由端に設けられた永久磁石３と、圧電部材に発生した電圧を出力する出力部４とを備える。導線Ｗの周囲に形成される交流磁場によって永久磁石３が振動し、該永久磁石３の振動によって圧電部材に発生した電圧が出力部４から出力される。【選択図】図１

Description

本発明は、交流磁場を永久磁石の運動エネルギーに変換し、当該運動エネルギーを圧電部材によって電力に変換する発電装置、送信装置及び発電方法に関する。

交流磁場をエネルギー源とする発電方法としては、コイルを用いる方法がある。交流磁場は、例えば、系統電源に接続された導線の回りに形成される。導線近傍に配されたコイルには、交流磁場によって起電力が誘起され、発電が行われる。

一方、特許文献１には、導線に流れる電流を検出するＡＣ電流センサが開示されている。ＡＣ電流センサは、くぼみ部を有する基板と、一端部がくぼみ部の縁に固定され、他端部がくぼみ部において変位可能に支持された圧電フィルムと、圧電フィルムの当該他端部に設けられた磁性体とを備える。磁性体は、導線の周囲に形成される磁界の大きさによって変位し、圧電フィルムは当該変位に従って電荷を発生させる。当該電荷の大きさを検出することによって、導線に流れる電流値を検出することができる。

特開２００６−１３８８５２号公報

しかしながら、コイルを用いた発電方法においては、誘導起電力は周波数に比例するため、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの系統電源に対して小型のコイルを用いる場合、電子回路等を駆動させる十分な出力電圧を得ることは困難である。

また、特許文献１のＡＣ電流センサによれば、交流磁場に応じた信号が出力されるものの、電子回路等を駆動させる十分な出力電圧を得ることは困難である。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、導線の周囲に形成される交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、当該交流磁場に基づいて発電を行うことが可能な発電装置及び発電方法を提供することにある。

本発明の一態様に係る発電装置は、圧電部材を有する弾性体と、該弾性体の第１部位を、交流が流れる導線に対して固定する固定部と、外力によって前記導線に対する位置が変化する前記弾性体の第２部位に設けられた永久磁石と、前記圧電部材に発生した電圧を出力する出力部とを備え、前記導線の周囲に形成される交流磁場によって前記永久磁石が振動し、該永久磁石の振動によって前記圧電部材に発生した電圧が前記出力部から出力される。

本態様によれば、弾性体に設けられた永久磁石は、導線の周囲に形成される交流磁場によって振動する。弾性体が有する圧電部材は、永久磁石の振動によって変形して発電し、圧電部材に発生した電圧は出力部から出力される。本発明に係る発電装置は、交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、当該交流磁場をエネルギー源として発電することが可能である。
なお、弾性体に設けられた永久磁石の振動周波数は、交流磁場の周波数に略一致させる構成が好ましい。例えば、交流磁場の周波数が５０Ｈｚである場合、永久磁石の振動周波数を５０Ｈｚとし、交流磁場の周波数が６０Ｈｚである場合、永久磁石の振動周波数を６０Ｈｚとする構成が望ましい。但し、所要の電力が得られる範囲で永久磁石の振動周波数を交流磁場の周波数からずらした構成も本発明に含まれる。
また、本態様に係る導線は、電流を通ずることが可能な材料で形成された線条の部材であり、レール状の導通部材、バスバー、角柱状の導体、長手方向を有する板状の導体も導線に含まれる。また、導線は特定の用途のものに限定されるものでは無く、アース線であっても良い。

本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は、前記導線及び前記永久磁石の離隔方向に対して非直交方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、交流の通流方向及び前記離隔方向に交差する方向に振動する構成が好ましい。

本態様によれば、振動する永久磁石と、導線との衝突する可能性を低減することができ、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である（例えば、図４、図１７等参照）。仮に、永久磁石が、導線及び永久磁石の離隔方向に対して直交方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、前記離隔方向に振動するように構成した場合（図１８参照）、永久磁石の振動によって、当該永久磁石が導線に衝突する可能性がある。
一方、本態様によれば、図４、図１７に示すように、永久磁石は、導線の中心に向かう方向から逸れた方向へ振動するため、永久磁石が導線に衝突する可能性を低減することができる。なお、上記説明は、本態様に係る発明の範囲を限定するものでは無い。

本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は、前記導線及び前記永久磁石の離隔方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、交流の通流方向及び前記離隔方向に直交する方向に振動する構成が好ましい。

本態様によれば、振動する永久磁石と、導線との衝突を確実に回避することができ、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である（例えば、図４参照）。図４に示す実施形態によれば、永久磁石は静止位置において導線から図４中上方に離隔しており、交流磁場によって永久磁石は図４中左右方向に振動する。この場合、永久磁石と、導線との距離は必ず大きくなり、これ以上、導線に接近することは無い。従って、永久磁石が導線と衝突することを確実に回避することができる。なお、上記説明は、本態様に係る発明の範囲を限定するものでは無い。

本態様に係る発電装置は、振動方向における前記永久磁石の幅は、下記式を満たす構成が好ましい。
ｗ≦２（ｄ−√２ａ）
但し、
ｗ：振動方向における前記永久磁石の幅
ｄ：前記導線の中心と、前記永久磁石との距離
ａ：前記永久磁石の振幅

本態様によれば、永久磁石の各部に逆向きの力が働かないようにすることができ、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である。

本態様に係る発電装置は、前記離隔方向における前記永久磁石の幅は、前記導線の中心と前記永久磁石との距離の０．５倍以上、２倍以下である構成が好ましい。

本態様によれば、上記のように離隔方向における永久磁石の幅を設定することにより、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である。

本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は、交流の通流方向に直交し、かつ前記導線及び前記永久磁石の離隔方向に対して略４５度の方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、前記Ｓ極及びＮ極の並び方向に振動する構成が好ましい。

本態様によれば、Ｓ極及びＮ極の並び方向に永久磁石を振動させた発電が可能である。

本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は、交流の通流方向と、前記導線及び前記永久磁石の離隔方向とに直交する方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、前記離隔方向に振動する構成が好ましい。

本態様によれば、前記離隔方向に永久磁石を振動させた発電が可能である。

本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は、振動方向に並ぶ複数組みのＳ極及びＮ極を有し、振動方向におけるＳ極及びＮ極の並びは、隣り合う各極が異極になるようにしてある構成が好ましい。

本態様によれば、複数組みのＳ極及びＮ極を有する永久磁石を備え、かつ永久磁石の各部に逆向きの力が働かないようにＳ極及びＮ極を配置することにより、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である。

本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は、前記導線を囲繞するＣ字状をなし、径方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、前記導線の周方向に振動する構成が好ましい。

本態様によれば、導線の周方向に沿って幅広く永久磁石を配置することにより、永久磁石の各部を導線に接近させることができ、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である。

本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は、前記導線及び前記永久磁石の離隔方向に偏平である構成が好ましい。

本態様によれば、永久磁石を離隔方向に偏平となる姿勢で配置することにより、永久磁石の各部を導線に接近させることができ、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である。

本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は前記導線に沿う長手方向を有する構成が好ましい。

本態様によれば、永久磁石の各部を導線に沿って配置することにより、永久磁石の各部を導線に接近させることができ、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である。

本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は、少なくとも振動中心位置で各部が同一方向の磁気力を受ける寸法を有する構成が好ましい。

本態様によれば、少なくとも永久磁石の静止位置において、永久磁石の各部に逆向きの力が働かないようにすることができ、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である。

本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は、任意の振動位置で各部が同一方向の磁気力を受ける寸法を有する構成が好ましい。

本態様によれば、永久磁石の振動時においても、永久磁石の各部に逆向きの力が働かないようにすることができ、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である。

本態様に係る発電装置は、前記弾性体は、第２部位に前記永久磁石を除く他の構造物を有しない構成が好ましい。

本態様によれば、余分な非磁性体部品を備え無いため、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である。

本態様に係る発電装置は、前記弾性体の第２部位は、前記永久磁石の中心部に接続されている構成が好ましい。

本態様によれば、永久磁石を弾性体にバランス良く支持させることができ、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である。

本態様に係る発電装置は、前記弾性体はカンチレバーである構成が好ましい。

本態様によれば、カンチレバーの自由端に永久磁石を設ける簡単な構成で、交流磁場を用いた発電が可能である。

本態様に係る発電装置は、前記弾性体は長板部を有し、前記圧電部材は板状であり、前記長板部の両面にそれぞれ配されている構成が好ましい。

本態様によれば、カンチレバーを構成する長板部の両面に圧電部材を配することによって、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である。

本態様の一態様に係る送信装置は、上述のいずれか一つの発電装置と、信号を送信する送信部とを備え、前記送信部は、前記発電装置から出力される電圧にて駆動する。

本態様によれば、発電装置が出力する電圧を用いて送信部を駆動することができる。従って、電源を用意することができない環境であっても、送信部から信号を送信させることが可能である。

本発明の一態様に係る発電方法は、圧電部材を有する弾性体の第１部位を、交流が流れる導線に対して固定し、外力によって前記導線に対する位置が変化する前記弾性体の第２部位に設けられた永久磁石を、前記導線の周囲に形成される交流磁場によって振動させ、前記永久磁石の振動によって前記圧電部材に発生した電圧を出力させる。

本態様によれば、上記の通り、交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、当該交流磁場をエネルギー源として発電することが可能である。

本発明によれば、導線の周囲に形成される交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、当該交流磁場に基づいて発電を行うことができる。

本発明の実施形態１に係る発電装置の斜視図である。 本実施形態１に係る発電装置の平面図である。 本実施形態１に係る発電装置の側面図である。 本実施形態１に係る発電装置の正面図である。 本実施形態１に係る発電装置の回路図である。 導線の周囲に配された永久磁石に働く力を説明するための概念図である。 導線に対する永久磁石の位置と、当該永久磁石に働く力との関係を示すベクトル図である。 導線に対する永久磁石の位置と、当該永久磁石に働くｘ軸方向の力の大きさ及び向きとの関係を示すコンター図である。 永久磁石の配置及び周波数並びに負荷の抵抗値と、発電量との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。 導線及び永久磁石間の距離と発電量との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。 導線に対する永久磁石の距離と発電量及び変位量との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。 永久磁石の特性が発電量に及ぼす影響を示すシミュレーション結果のグラフである。 永久磁石の配置姿勢の例を示す模式図である。 永久磁石の厚みと発電量の関係を示すシミュレーション結果のグラフである。 実験用発電装置を示す模式図である。 永久磁石の配置及び周波数と、発電量の関係を示す実験結果のグラフである。 本実施形態２に係る発電装置を示す正面図である。 本実施形態３に係る発電装置を示す正面図である。 本実施形態４に係る発電装置を示す斜視図である。 本実施形態５に係る発電装置を示す斜視図である。 本実施形態６に係る電圧調整装置を示すブロック図である。

以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る発電装置１００の斜視図、図２は、発電装置１００の平面図、図３は、発電装置１００の側面図、図４は、発電装置１００の正面図である。本発明の実施形態１に係る発電装置１００は、圧電部材１２を有する弾性体としてのカンチレバー１と、カンチレバー１の固定端１ａ（第１部位）を、十Ｈｚオーダの低周波数の交流が流れる導線Ｗに対して固定する固定部２と、カンチレバー１の自由端１ｂ（第２部位）に設けられた永久磁石３と、カンチレバー１の圧電部材１２に発生した電圧を出力する出力部４とを備える。本実施形態１においては、導線Ｗは、電流を通ずることが可能な断面略円形の材料で形成された線条の部材であり、導線Ｗは５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの系統電源に接続されているものとする。発電装置１００は、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場を永久磁石３の運動エネルギーに変換し、永久磁石３の運動エネルギーを圧電部材１２によって電力に変換することによって、発電するものである。発電装置１００は、本発明に係る発電方法を実施ないし実現する装置である。
なお、上記導線Ｗの構成は一例であり、永久磁石３を振動させる交流磁場を形成可能な電流が流れる構成であれば、その形状は特に限定されるものでは無く、レール状の導通部材、バスバー、角柱状の導体、長手方向を有する板状の導体であっても良い。また、導線Ｗは、部分的に方形板状のような非線条部分を有していても良く、全体として所定方向に交流電流が流れるような形状であれば良い。当該非線条部分に発電装置１００を固定する構成も本願発明に含まれる。更に、導線Ｗは、必ずしも直線状である必要は無く、部分的に湾曲していても良い。更にまた、導線Ｗは特定の用途のものに限定されるものでは無く、アース線であっても良い。以下、本実施形態１では、導線Ｗが直線状の部材であるものとして説明する。

カンチレバー１は、バイモルフ型圧電素子を用いてなる発電部材である。カンチレバー１は、外力によって弾性変形が可能な導電部材からなる長板部１１と、厚み方向に分極した２枚の板状ないしシート状の圧電部材１２とを備え、２枚の圧電部材１２が長板部１１を挟み込むように当該長板部１１の両面に貼り合わされている。圧電部材１２の長手方向の長さは、長板部１１の固定部２からの突出部分の長さの２／３程度で十分である。また、２枚の圧電部材１２には、それぞれシート状の電極１３が設けられている。長板部１１を構成する部材は、例えばステンレス等の金属である。圧電部材１２は、例えば圧電セラミックスである。長板部１１の長手方向一端部は固定部２に固定される固定端１ａであり、長板部１１の長手方向他端部は外力によって変位可能な自由端１ｂである。自由端１ｂが変位した場合、２枚の圧電部材１２はそれぞれ伸張及び伸縮し、電極１３及び長板部１１間に電圧が発生する。
なお、ここではバイモルフ型圧電素子を説明したが、片面のみに圧電部材１２を張り付けたユニモルフ構造であっても良い。

固定部２は、カンチレバー１の固定端１ａを導線Ｗに対して固定する部材である。固定部２は、例えば、略直方体形状をなし、導線Ｗが挿通する貫通孔２１を有する。貫通孔２１は、中心部を貫通する正面視円形状であり、貫通孔２１が形成された固定部２の一面側の角部にカンチレバー１の固定端１ａが固定され、カンチレバー１を保持している。より詳細には、固定部２は、カンチレバー１の自由端１ｂが、導線Ｗの中心線方向及び導線Ｗの径方向に略直交する方向に変位又は振動するように、カンチレバー１を保持している。言い換えると、カンチレバー１を構成する長板部１１の厚み方向と、上記中心線方向及び径方向とが略直交するように、固定部２は、長板部１１の固定端１ａを保持している。

永久磁石３は、矩形板状をなし、厚み方向が導線Ｗの径方向を向く姿勢でカンチレバー１の自由端１ｂに接着固定されている。厚み方向とは、永久磁石３の縦寸法、横寸法及び高さ寸法の内、最も長さが短い方向を意味する。なお、接着は、永久磁石３の固定方法の一例である。カンチレバー１の自由端１ｂには永久磁石３及び接着剤を除く他の構造物を有しない。永久磁石３は、導線Ｗ及び永久磁石３の離隔方向、つまり厚み方向に並ぶ単一対のＳ極３ｂ及びＮ極３ａを有する。なお、永久磁石３の形状及び導線Ｗに対する姿勢は本発明の本質的な構成では無く、あくまで一構成例を示したものである。本実施形態１では、永久磁石３を構成するＳ極３ｂ及びＮ極３ａが上記離隔方向に配列している点がより重要である。
カンチレバー１に設けられた永久磁石３の振動周波数は、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場の周波数に略一致するように構成されている。例えば、交流磁場の周波数が５０Ｈｚである場合、永久磁石３の振動周波数を５０Ｈｚとし、交流磁場の周波数が６０Ｈｚである場合、永久磁石３の振動周波数を６０Ｈｚとする。なお、振動周波数が交流磁場の周波数に略一致するとは、所要の電力が得られる範囲で、振動周波数を交流磁場の周波数からずれた構成も本実施形態１に係る発電装置１００に含まれることを意味する。

永久磁石３は、少なくとも振動中心位置で各部が同一方向の磁気力を受ける寸法を有する。好ましくは、永久磁石３は、任意の振動位置で各部が同一方向の磁気力を受ける寸法を有する。具体的には、振動方向における永久磁石３の幅は、下記式（１）を満たすように設定すると良い。
ｗ≦２（ｄ−√２ａ）…（１）
但し、
ｗ：振動方向における永久磁石３の幅
ｄ：導線Ｗの中心と、永久磁石３の導線側端面との距離
ａ：永久磁石３の振幅

また、離隔方向における永久磁石３の幅は、下記式（２）を満たすように設定すると良い。
０．５ａ≦ｄ≦２ａ…（２）

出力部４は、カンチレバー１の電極１３と、長板部１１とに接続されており、永久磁石３の振動により伸縮した圧電部材１２に発生した電圧を出力する回路である。

図５は、本実施形態１に係る発電装置１００の回路図である。出力部４は、整流回路４１及び平滑コンデンサ４２を備える。整流回路４１は、例えばダイオードブリッジ回路である。ダイオードブリッジは２つの順接続されたダイオードからなる直列回路を２組並列させた回路構成である。整流回路４１の入力端子は圧電部材１２及び長板部１１に接続されており、整流回路４１の出力端子対には平滑コンデンサ４２の各端子が接続されている。整流回路４１は、圧電部材１２に発生した交流を全波整流し、平滑コンデンサ４２にて平滑化された直流の電圧を負荷Ｒへ出力する。

以下、交流磁場を用いた効率的な発電を可能にする発電装置１００の構造及び発電特性の詳細を説明する。

＜導線Ｗの近くに配された永久磁石３に働く力＞
図６は、導線Ｗの周囲に配された永久磁石３に働く力を説明するための概念図である。導線Ｗに電流を流すとアンペールの法則に従って、導線Ｗの周囲に磁界が形成される。図６中、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は直交座標系の座標軸であり、ｚ軸の正方向（紙面手前方向）に電流が流れるものとする。導線Ｗ周辺の磁界はｘ軸方向及びｙ軸方向に勾配を有する。ｙ軸方向を向いた磁気双極子を有する永久磁石３を導線Ｗの近傍に配した場合、永久磁石３が受ける磁気力は下記式（３）及び（４）で表される。

図７は、導線Ｗに対する永久磁石３の位置と、当該永久磁石３に働く力との関係を示すベクトル図である。永久磁石３に働く力の大きさは、導線Ｗからの距離のみに依存するが、永久磁石３に働く力の方向は、導線Ｗに対する位置によって異なる。図７中、導線Ｗの上下及び左右の位置では、ｘ軸方向の力が働き、ｘ軸又はｙ軸に対して４５度の位置ではｙ軸方向の力が働いていることが分かる。

図８は、導線Ｗに対する永久磁石３の位置と、当該永久磁石３に働くｘ軸方向の力の大きさ及び向きとの関係を示すコンター図である。図８Ａは、シミュレーション結果の出力画像をグレースケールで示すコンター図であり、図８Ｂは、グレースケールで表現できない力の向き（色）を便宜上、ハッチングの有無で模式的に示したコンター図である。図８Ｂ中、ハッチングが付されていない白抜きの領域Ｐ１は、永久磁石３に左方向の力が働くことを示し、ハッチングが付されている領域Ｐ２は、永久磁石３に右方向の力が働くことを示している。破線で示すように、ｘ軸及びｙ軸に対して略４５度の境界で区分けされた４つの領域中、図８中、左右の領域Ｐ１（図８Ｂ中、白抜きの領域Ｐ１）に配された永久磁石３には、白抜き左矢印で示すように左方向の力が働き、図８中、上下の領域Ｐ２（図８Ｂ中、ハッチングが付された領域Ｐ２）に配された永久磁石３には、白抜き右矢印で示すように右方向の力が働く。このように、領域Ｐ１と、領域Ｐ２とでは、永久磁石３に働く力の向きが左右逆向きである。発電装置１００の永久磁石３を振動させて発電を行う場合、同一方向の力が働くように、領域Ｐ１又は領域Ｐ２のいずれか一方の領域を利用することが好ましい。

＜圧電振動発電素子の支配方程式＞
カンチレバー１の自由端１ｂに永久磁石３を設けてなる圧電振動発電素子の支配方程式は、図８中、導線Ｗの上下、即ちｙ軸上に永久磁石３を配した場合、下記式（５）及び（６）で表される。なお、導線Ｗの左右、即ちｘ軸上に永久磁石３を配した場合の支配方程式も同様にして表される。

図９は、永久磁石３の配置及び周波数並びに負荷Ｒの抵抗値と、発電量との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。横軸は交流の周波数、縦軸は発電量である。磁気モーメントがｙ軸方向を向いた磁気双極子を、図８中、ｘ軸上、導線Ｗの右側又は、ｙ軸上、導線Ｗの下側に配置したときの発電量を、上記支配方程式に基づいてシミュレートした。ｄは導線Ｗと、永久磁石３の導線Ｗ側の面との距離である。計算条件は以下の通りである。ただし、導線Ｗの径及び永久磁石３の大きさを無限小として取り扱った。
永久磁石３の質量：１ｇ
電流値（実効値）：１０Ａ
導線Ｗと永久磁石３の距離：１０ｍｍ
電気機械連成係数：５％
素子の共振周波数：６０Ｈｚ
カンチレバー１の非線形バネ定数：ｋ３＝０
圧電部材１２の静電容量：１７０ｎＦ
負荷Ｒの抵抗値：３ｋΩ
残留磁束密度：１Ｔ
機械的品質係数（Ｑ値）：１００

なお、導線Ｗに対する永久磁石３の位置及び姿勢を、図８を参照して導線Ｗの「右側」及び「下側」として説明するが、導線Ｗを基準とした鉛直方向又は水平方向の位置は必ずしも問題では無い。永久磁石３を導線Ｗの右側に配置することは、導線Ｗの径方向及び交流の通流方向に対して直交する方向にＳ極３ｂ及びＮ極３ａが並ぶように永久磁石３を配した構成を意味する。永久磁石３を導線Ｗの下側に配置することは、導線Ｗの径方向に沿ってＳ極３ｂ及びＮ極３ａが並ぶように永久磁石３を配した構成を意味する。

図９Ａ及び図９Ｂは、永久磁石３をそれぞれ導線Ｗの下側及び右側に配置したときの、複数の負荷抵抗値（１００Ω、３００Ω、１ｋΩ、３ｋΩ、１０ｋΩ）毎のシミュレーション結果を示している。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、共振周波数付近で発電量が最大となる。また、負荷Ｒの抵抗値が３ｋΩのとき、発電装置１００及び負荷Ｒがインピーダンス整合し、発電量が最大となることが分かる。上記条件においては、永久磁石３の配置による発電量の際はほとんど無い。

図１０は、導線Ｗ及び永久磁石３間の距離と発電量との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。横軸は負荷Ｒの抵抗値、縦軸は発電量である。図１０Ａ及び図１０Ｂは、上記と同様の条件で永久磁石３をそれぞれ導線Ｗの下側及び右側に配置したときのシミュレーション結果を示している。ただし、交流の周波数は、各抵抗値において発電量が最大になるときの周波数を用いて、発電量をプロットしている。
導線Ｗ及び永久磁石３間の距離が１５ｍｍ以上では、永久磁石３の配置による発電量の差は僅かであるが、１０ｍｍでは永久磁石３を右側に配置したときの方が、発電量が数％大きい。導線Ｗ及び永久磁石３間の距離を５ｍｍまで接近させると、永久磁石３を導線Ｗの右側に配置した場合においては、永久磁石３が導線Ｗに衝突してしまい、シミュレーション結果が得られなかった。

以上の通り、導線Ｗの下側に永久磁石３を配置した場合、導線Ｗに永久磁石３を接近させても衝突の問題は生じないため、結果として、導線Ｗの右側に永久磁石３を配置する場合に比べて大きな発電量を得ることができる。

図１１は、導線Ｗに対する永久磁石３の距離と発電量及び変位量との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。横軸は導線Ｗ及び永久磁石３間の距離を示し、図１１Ａの縦軸は発電量、図１１Ｂの縦軸は変位量を示している。各グラフには、異なる機械的品質係数Ｑの値（３０、５０、１００、２００、５００）毎に、距離と、発電量及び変位量との関係がプロットされている。図１１中の「Ｑ値」は、機械的品質係数を示す。図１１のグラフから、発電量は機械的品質係数Ｑに比例することが分かる。
また、図１１のグラフから、永久磁石３と導線Ｗとの距離が１０ｍｍ以上である場合、発電量は永久磁石３と導線Ｗの距離の４乗に反比例することが分かる。しかし、永久磁石３と導線Ｗとの距離が１０ｍｍ未満である場合、反比例関係が崩れ始め、永久磁石３の変位量が永久磁石３及び導線Ｗ間の距離と同程度になると、それ以上、永久磁石３を導線Ｗに近づけても発電量と変位量が減少することが分かる。これは、永久磁石３の振幅が大きくなり、図８に示す領域Ｐ２で振動していた永久磁石３が、領域Ｐ１に進入し、永久磁石３に逆方向の力が働くためであると考えられる。
以上の結果から、永久磁石３の横方向の長さ、つまり永久磁石３の振動方向であるｘ軸方向の長さが大きいと、振動を制限するような逆方向の力が働く領域に永久磁石３が進入し易くなってしまうことが分かる。永久磁石３の横方向の長さは、永久磁石３が領域Ｐ２内に留まるように設計することが好ましい。

図１２は、永久磁石３の特性が発電量に及ぼす影響を示すシミュレーション結果のグラフである。当該シミュレーションにおいては、共振周波数を４９Ｈｚとした。横軸は交流の周波数、縦軸は発電量を示す。図１２Ａは、永久磁石３の残留磁束密度（０．２２Ｔ、０．４４Ｔ、０．８８Ｔ、１．７６Ｔ）と、発電量との関係を示すグラフであり、図１２Ｂは、永久磁石３の質量（０．５ｇ、１ｇ、２ｇ、４ｇ、８ｇ）と発電量との関係を示すグラフである。なお、永久磁石３の質量を変化させた際、係数ｋ１の値を調整し、共振周波数が変化しないようにしてシミュレーションを行った。図１２Ａに示すグラフから、発電量は残留磁束密度の２乗に比例することが分かる。また、図１２Ｂに示すグラフから、共振周波数一定の条件では、発電量は永久磁石３の質量に比例することが分かる。

以上の結果を総括すると、発電量と４乗の比例関係を有するパラメータは、導線Ｗ及び永久磁石３間の距離であり、２乗の比例関係を有するのは永久磁石３の残留磁束密度であり、１乗の比例関係を有するのは永久磁石３の質量及び機械的品質係数Ｑであることが分かる。大きな発電量を得るためには、４乗又は２乗の比例関係を有するパラメータを優先して発電装置１００を設計すると良い。
例えば、カンチレバー１の自由端１ｂに部品を取り付ける場合、可能な限り、磁性体からなる部品を用いることが望ましい。カンチレバー１の自由端１ｂに非磁性体部品を取り付けた場合、その質量に比例して発電量が増加すると考えられるが、磁性体部品を取り付ける場合に比べて、２乗の比例関係を有する残留磁束密度が低下し、結果として発電特性は低下してしまう。

また、永久磁石３は可能な限り導線Ｗに近い位置に配置し、永久磁石３の振動方向が導線Ｗに接近しない方向に設定することが望ましい。

更に、振動を抑制する力が永久磁石３に作用しないよう、振動方向における永久磁石３の寸法を短く形成することが望ましい。

図１３は、永久磁石３の配置姿勢の例を示す模式図である。３辺の長さが異なる直方体の永久磁石３を配置する方法としては、図１３Ａ〜図１３Ｃに示す３通りがある。上記の見地から、図１３Ａ〜図１３Ｃに示す永久磁石３の体積及び質量が同じ永久磁石３であっても、発電量は図１３Ａに示す配置姿勢で最も大きく、図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃの順に発電量が小さくなると考えられる。
つまり、永久磁石３の厚み方向が導線Ｗの径方向を向き、永久磁石３の長辺方向が導線Ｗに沿うように配置すると良い。

一方、永久磁石３に振動を抑制する力が作用しないようにするためには、振動する永久磁石３が常に図８に示す領域Ｐ２にあることが望ましく、振動方向の永久磁石３の幅は、上記式（３）の範囲内で設定すると良いことが分かる。

図１４は、永久磁石３の厚みと発電量の関係を示すシミュレーション結果のグラフである。横軸は永久磁石３の厚み、縦軸は発電量を示す。導線Ｗの上側に永久磁石３を配置した場合を考える。導線Ｗの中心と、永久磁石３の導線側の面（下面）との距離をａ、永久磁石３の厚み（上下方向の幅）をｄとすると、発電量Ｐは、下記式（７）で表される。

ただし、導線Ｗの径を無限小とし、永久磁石３の振幅は距離ａよりも十分に小さいものと仮定する。図１４は、上記式（７）をグラフ化したものである。図１４のグラフからｄ≒ａのとき、発電量が最大となることが分かる。最大発電量の９０％以上の発電量が得られる永久磁石３の厚みｄは、約０．５ａ以上、２ａ以下である。

＜実験結果＞
図１５は、実験用発電装置を示す模式図である。実験用発電装置の基本的な構成は、図１に示した発電装置１００と同様である。長手方向が鉛直方向となるようにカンチレバー１の下端を固定部２によって固定している点が図１に示した発電装置１００と異なるが、永久磁石３に働く磁気力Ｆの向き、永久磁石３の振動方向、磁気双極子の向き等は同じであり、原理的には同一構造と見なせる。なお図１５は、導線Ｗの右側に永久磁石３を配置した例を図示している。永久磁石３を導線Ｗの下側に配置すると、図１に示す発電装置１００と実質的に同じ構成となる。
圧電発電部であるカンチレバー１にはＰＺＴセラミックスをステンレス基板の両面に接着したバイモルフ素子（ＦＤＫ製ＰＺＢＡ０００３０）を用いた。圧電体の長さと幅はそれぞれ４８ｍｍ及び２０ｍｍである。永久磁石３には、残留磁束密度が０．４３ＴのＮｄ−Ｆｅ−Ｂを用いた。永久磁石３の体積と質量は、それぞれ２５０ｍｍ^３、１．８ｇである。
また、素子の共振周波数が５０Ｈｚ程度になるように永久磁石３の質量や取り付け位置を調整した。Ｑ値の低下を防ぐために圧電バイモルフ素子の固定端１ａは精密バイスで固定している。永久磁石３は双極子が下向きになるように固定している。圧電部材１２の静電容量は１４０ｎＦである。発電量の評価のために負荷Ｒとして抵抗を接続した。共振周波数との関係からインピーダンス整合する負荷Ｒの抵抗値は２４ｋΩであった。永久磁石３の振動振幅はレーザ変位計を用いて測定した。負荷Ｒに発生する起電力はロックインアンプで測定した。

図１６は、永久磁石３の配置及び周波数と、発電量の関係を示す実験結果のグラフである。横軸は周波数、縦軸は発電量である。図１６Ａ、図１６Ｂ及び図１６Ｃは、永久磁石３を、それぞれ導線Ｗの右側、右下側及び下側に配置した場合の発電量と、周波数の関係を示している。電流量は０．０６Ａ、０．１２Ａ、０．２５Ａと変化させ、素子の共振周波数付近で、発電量の周波数依存性を調べた。導線Ｗと永久磁石３の距離は６ｍｍで一定になるように調整した。すべての測定において共振周波数付近で発電量が最大になっている。永久磁石３が導線Ｗに対して右と下の位置ではほぼ同じ発電量であるのに対し、右下位置では発電量が減少している。上記構成において永久磁石３を導線Ｗの右側又は下側に配置した場合、発電装置１００は、約１μＷの電力を発電していることが分かる。

＜本実施形態に係る発電装置１００の作用効果＞
以上の通り、本実施形態１に係る発電装置１００によれば、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、当該交流磁場に基づいて発電を行うことができる。

また、振動する永久磁石３と、導線Ｗとの衝突を確実に回避することができ、交流磁場を用いて効率的に発電することができる。

更に、永久磁石３を離隔方向に偏平となる姿勢で配置することにより、永久磁石３の各部を導線Ｗに接近させることができ、効率的に発電することができる。

更にまた、本発明によれば、永久磁石３の各部を導線Ｗに沿って配置することにより、永久磁石３の各部を導線Ｗに接近させることができ、効率的に発電することができる。

更にまた、離隔方向における永久磁石３の幅を、導線Ｗ及び永久磁石３の距離の０．５倍以上、２倍以下に設定することにより、効率的に発電することができる。

更にまた、永久磁石３の静止位置及び振動時の任意の位置において、永久磁石３の各部に逆向きの力が働かないようにすることができ、効率的に発電することができる。

更にまた、余分な非磁性体部品を備え無いため、効率的に発電することができる。

更にまた、カンチレバー１の自由端１ｂに永久磁石３を設ける簡単な構成で、交流磁場を用いた発電を行うことができる。

更にまた、カンチレバー１を構成する長板部１１の両面に圧電部材１２を配することによって、効率的に発電することができる。

（実施形態２）
実施形態２に係る発電装置２００は、導線Ｗに対する永久磁石３の配置及び姿勢、振動方向が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１７は、本実施形態２に係る発電装置２００を示す正面図である。本実施形態２に係る永久磁石３は、導線Ｗ及び永久磁石３の離隔方向に対して略４５度の方向に並ぶＳ極３ｂ及びＮ極３ａを有する。そして、カンチレバー１は、永久磁石３がＳ極３ｂ及びＮ極３ａの並び方向（図１７中、上下方向）に振動するように固定部２に固定されている。

実施形態２に係る発電装置２００によれば、実施形態１と同様、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場に基づいて発電を行うことができる。

また、永久磁石３は、導線Ｗ及び永久磁石３の離隔方向に対して略４５度の角度で振動するため、永久磁石３を導線Ｗから所定距離離隔させることにより、振動する永久磁石３と、導線Ｗとの接触を回避することができる。

（実施形態３）
本実施形態３に係る永久磁石３は、導線Ｗに対する永久磁石３の配置及び姿勢、振動方向が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１８は、本実施形態３に係る発電装置３００を示す正面図である。本実施形態３に係る永久磁石３は、交流の通流方向と、導線Ｗ及び永久磁石３の離隔方向とに直交する方向に並ぶＳ極３ｂ及びＮ極３ａを有する。そして、カンチレバー１は、永久磁石３の離隔方向、つまり導線Ｗの径方向に振動するように固定部２に固定されている。

実施形態３に係る発電装置３００によれば、実施形態１と同様、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場に基づいて発電を行うことができる。

（実施形態４）
本実施形態４に係る永久磁石４０３は、永久磁石４０３及びカンチレバー４０１の構成が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１９は、本実施形態４に係る発電装置４００を示す斜視図である。カンチレバー４０１は、長板部１１の厚み方向が、導線Ｗの径方向及び交流の通流方向に交差する姿勢、つまり、自由端１ｂが導線Ｗの径方向及び上記通流方向に略直交する方向に変位する姿勢で固定部２に固定されている。

カンチレバー４０１の自由端１ｂには、複数の磁極対４３１，４３２，４３３を有する永久磁石４０３が設けられている。カンチレバー４０１の自由端１ｂは、永久磁石４０３の中心部に接続されている。永久磁石４０３は、複数の磁極対４３１，４３２，４３３を支持するための矩形板状の支持板４３０を有し、支持板４３０の長手方向が長板部１１の厚み方向を向き、支持板４３０の厚み方向が導線Ｗの径方向と略一致するように、カンチレバー４０１の自由端１ｂに固定されている。

支持板４３０の長手方向略中央部及び両端部にはそれぞれ、厚み方向に着磁された磁極対４３１，４３２，４３３が設けられている。上記略中央部に設けられた磁極対４３１は導線Ｗ側がＳ極、反導線側がＮ極である。上記両側に設けられた磁極対４３２，４３３は導線Ｗ側がＮ極、反導線側がＳ極である。

支持板４３０に設けられた３つの磁極対４３１，４３２，４３３は、間隙を設けて配されている。支持板４３０の略中央部に配された磁極対４３１は、導線Ｗに電流が流れて永久磁石４０３が振動する際、同一方向の力が作用するように配されている。具体的には、支持板４３０の略中央部に設けられた磁極対４３１は図８に示すように、領域Ｐ２に位置し、支持板４３０の両端部に設けられた磁極対４３２，４３３は、領域Ｐ１に位置するように構成されている。

実施形態４に係る発電装置４００によれば、複数組みのＳ極及びＮ極を有する永久磁石４０３を備え、かつ上記の通り、永久磁石４０３の各部に逆向きの力が働かないようにＳ極及びＮ極を配置することにより、効率的に発電することができる。

また、永久磁石４０３の中心部分にカンチレバー４０１の自由端１ｂが接続されているため、永久磁石４０３を弾性体にバランス良く支持させることができ、効率的に発電することができる。

（実施形態５）
本実施形態５に係る永久磁石５０３は、永久磁石５０３及びカンチレバー５０１の構成が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

図２０は、本実施形態５に係る発電装置５００を示す斜視図である。実施形態５に係る発電装置５００は、２本のカンチレバー５０１を備える。各カンチレバー５０１の固定端１ａは、貫通孔２１を挟んで上部及び下部に固定されている。各カンチレバー５０１の長板部１１の厚み方向が、導線Ｗの径方向及び交流の通流方向に交差する姿勢で固定部２に固定されている。

各カンチレバー５０１の自由端１ｂには、導線Ｗを囲繞する正面視略Ｃ字状をなし、径方向に並ぶＮ極５０３ａ及びＳ極５０３ｂを有する永久磁石５０３が固定されている。第１のカンチレバー５０１の自由端１ｂは、Ｃ字状の永久磁石５０３の一端部が固定され、第２のカンチレバー５０１の自由端１ｂには、当該永久磁石５０３の他端部が固定されている。

このように構成された永久磁石５０３は、導線Ｗの周方向に沿って幅広く永久磁石５０３を配置することにより、永久磁石５０３の各部を導線Ｗに接近させることができ、交流磁場を用いて効率的に発電することができる。

実施形態５に係る発電装置５００によれば、導線Ｗの周囲に沿って幅広く永久磁石５０３を配置することができ、効率的に発電することができる。

（実施形態６）
図２１は、本実施形態６に係る電圧調整装置を示すブロック図である。実施形態６に係る電圧調整装置は、系統に接続された導線Ｗの電圧を調整するための電圧調整機６０５と、電圧調整機６０５の状態を検出する検出装置６０６と、当該検出装置６０６にて検出された検出情報を外部へ無線送信する送信装置６０７とを備える。電圧調整機６０５は、例えば、SVR（Step Voltage Regulator）、ＳＶＣ（static var compensator）等であり、検出情報は、電圧調整機６０５の上流側及び下流側の電圧、電流、電圧調整内容等である。

実施形態６に係る送信装置６０７は、実施形態１に係る発電装置１００と、当該発電装置１００が出力する電力にて駆動し、検出装置６０６によって検出された検出情報に係る信号を無線送信する送信部６７１とを備える。発電装置１００は、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場に基づいて発電し、電圧を送信部６７１へ出力し、送信部６７１は、発電装置１００から出力される電圧にて駆動する。

実施形態６に係る電圧調整装置によれば、発電装置１００が出力する電圧を用いて送信部６７１を駆動することができる。従って、電源を用意することができない環境、例えば、送電線の途中に設けられた電圧調整機６０５の側に発電装置１００及び送信部６７１を配し、電圧調整機６０５に係る情報を外部へ無線送信することができる。

なお、実施形態６では、実施形態１に係る発電装置１００を備える例を説明したが、言うまでも無く、実施形態２〜実施形態５に係る発電装置２００，３００，４００，５００を用いて、実施形態６に係る電圧調整装置を構成しても良い。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００、２００，３００，４００，５００ 発電装置
１、４０１、５０１ カンチレバー
１ａ 固定端
１ｂ 自由端
２、４０２、５０２ 固定部
２１ 貫通孔
３、４０３、５０３ 永久磁石
３ａ Ｎ極
３ｂ Ｓ極
４ 出力部
１１ 長板部
１２ 圧電部材
１３ 電極
４１ 整流回路
４２ 平滑コンデンサ
６０５ 電圧調整機
６０６ 検出装置
６０７ 送信装置
６７１ 送信部
Ｗ 導線
Ｒ 負荷

Claims (19)

1. 圧電部材を有する弾性体と、
   該弾性体の第１部位を、交流が流れる導線に対して固定する固定部と、
   外力によって前記導線に対する位置が変化する前記弾性体の第２部位に設けられた永久磁石と、
   前記圧電部材に発生した電圧を出力する出力部と
   を備え、
   前記導線の周囲に形成される交流磁場によって前記永久磁石が振動し、該永久磁石の振動によって前記圧電部材に発生した電圧が前記出力部から出力される発電装置。
2. 前記永久磁石は、
   前記導線及び前記永久磁石の離隔方向に対して非直交方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、交流の通流方向及び前記離隔方向に交差する方向に振動する
   請求項１に記載の発電装置。
3. 前記永久磁石は、
   前記導線及び前記永久磁石の離隔方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、交流の通流方向及び前記離隔方向に直交する方向に振動する
   請求項２に記載の発電装置。
4. 振動方向における前記永久磁石の幅は、下記式を満たす
   請求項３に記載の発電装置。
   ｗ≦２（ｄ−√２ａ）
   但し、
   ｗ：振動方向における前記永久磁石の幅
   ｄ：前記導線の中心と、前記永久磁石との距離
   ａ：前記永久磁石の振幅
5. 前記離隔方向における前記永久磁石の幅は、前記導線の中心と前記永久磁石との距離の０．５倍以上、２倍以下である
   請求項３又は請求項４に記載の発電装置。
6. 前記永久磁石は、
   交流の通流方向に直交し、かつ前記導線及び前記永久磁石の離隔方向に対して略４５度の方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、前記Ｓ極及びＮ極の並び方向に振動する
   請求項１に記載の発電装置。
7. 前記永久磁石は、
   交流の通流方向と、前記導線及び前記永久磁石の離隔方向とに直交する方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、前記離隔方向に振動する
   請求項１に記載の発電装置。
8. 前記永久磁石は、
   振動方向に並ぶ複数組みのＳ極及びＮ極を有し、振動方向におけるＳ極及びＮ極の並びは、隣り合う各極が異極になるようにしてある
   請求項３に記載の発電装置。
9. 前記永久磁石は、
   前記導線を囲繞するＣ字状をなし、径方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、前記導線の周方向に振動する
   請求項３に記載の発電装置。
10. 前記永久磁石は、
    前記導線及び前記永久磁石の離隔方向に偏平である
    請求項１〜請求項９までのいずれか一項に記載の発電装置。
11. 前記永久磁石は前記導線に沿う長手方向を有する
    請求項１〜請求項１０までのいずれか一項に記載の発電装置。
12. 前記永久磁石は、
    少なくとも振動中心位置で各部が同一方向の磁気力を受ける寸法を有する
    請求項１〜請求項１１までのいずれか一項に記載の発電装置。
13. 前記永久磁石は、
    任意の振動位置で各部が同一方向の磁気力を受ける寸法を有する
    請求項１〜請求項１２までのいずれか一項に記載の発電装置。
14. 前記弾性体は、第２部位に前記永久磁石を除く他の構造物を有しない
    請求項１〜請求項１３までのいずれか一項に記載の発電装置。
15. 前記弾性体の第２部位は、前記永久磁石の中心部に接続されている
    請求項１〜請求項１４までのいずれか一項に記載の発電装置。
16. 前記弾性体はカンチレバーである
    請求項１〜請求項１５までのいずれか一項に記載の発電装置。
17. 前記弾性体は長板部を有し、
    前記圧電部材は板状であり、前記長板部の両面にそれぞれ配されている
    請求項１６に記載の発電装置。
18. 請求項１〜請求項１７までのいずれか一項に記載の発電装置と、
    信号を送信する送信部と
    を備え、
    前記送信部は、
    前記発電装置から出力される電圧にて駆動する送信装置。
19. 圧電部材を有する弾性体の第１部位を、交流が流れる導線に対して固定し、
    外力によって前記導線に対する位置が変化する前記弾性体の第２部位に設けられた永久磁石を、前記導線の周囲に形成される交流磁場によって振動させ、
    前記永久磁石の振動によって前記圧電部材に発生した電圧を出力させる
    発電方法。

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