JP2021136826A - 発電素子、及び発電素子を用いた装置 - Google Patents
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Abstract
Description
第1実施形態に係る発電素子は、磁石を振動させる代わりに力の変化で磁束密度を変化させる逆磁歪現象を利用して発電を行う発電素子である。本実施形態に係る発電素子は、長手方向における一端が固定された磁歪材料を備え、磁歪材料に力を印加することにより発電する発電素子である。そして、発電素子が固定された一端側の磁場発生部の磁力が他方の磁場発生部の磁力よりも強いことにより、磁歪板中の磁場分布が均一となり、逆磁歪効果が向上することを特徴とする。
本実施形態の発電素子の構成を、図1(a)、図1(b)を参照して説明する。図1(a)は本実施形態の発電素子の構成を説明する上面模式図、図1(b)は本実施形態の発電素子の構成を説明する図1(a)A−B線の断面模式図である。
本実施形態の発電素子は、磁束の変化をコイルによって電圧に変換する電磁誘導方式の発電素子の一種である。電磁誘導では以下の(式1)に従い起電力Vが生じる。
V=N×ΔΦ/Δt・・・(式1)
本実施形態では、第1の磁場発生部と第2の磁場発生部のそれぞれに含まれる磁石の大きさを変えることにより、第1の磁場発生部の方が磁力の強い状態を実現した。
本実施形態では、第1の磁場発生部と第2の磁場発生部のそれぞれに含まれる磁石の大きさを変えることにより、第1の磁場発生部の方が磁力の強い状態を実現した。
(発電素子の製造方法)
本実施例では、図3に示す発電素子を作製した。以下で各製造工程について図3(a)〜(f)を参照して説明する。
以上の様に作製した発電素子について、固定部を加振器により振動させ、コイル104に発生した開放電圧をオシロスコープで測定することにより発電性能の評価を行った。加振器により発生する周波数は100Hz、振動加速度1Gとした。また、発電機の先端に固有周波数が100Hzとなるような錘を設置した。発電性能の定量的な指標として、オシロスコープで測定した電圧波形から以下の(式2)により発電量Pを計算したものを用いた。
P=Σ(V(t))2/(4×R)×Δt/t・・・(式2)
本実施例では、図4に示す発電素子を作製した。本実施例のように磁場発生部403を空間的に隔てた磁石403a、磁石403b及び磁石403cの複数の磁石で構成し、かつ、磁石403bと磁石403cの磁極が逆極の関係になるように構成する。さらに磁石403a、磁石403b及び磁石403cの磁極の関係が、磁歪板内で逆に磁場を生じるような位置関係とすることで、磁歪板102内の磁束密度分布が均一化され、発電量が向上することが期待できることが分かった。
以上の様に作製した発電素子について、実施例1と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、コイルの電気抵抗は180Ω、開放電圧の最大値は7V、発電量Pは15mWであった。
本実施例では、図5に示す発電素子を作製した。製造方法は実施例2と同様であるが、磁石がコイルを基準として固定部側のみとして製造した。固定部側のみの製造とすることで、発電素子の小型化や簡素化が可能となるため、コスト低減等に有効である。各構成部材のサイズや種類、磁石の磁化方向等は実施例2と基本的に同様であるが、連結板101のみ材質をマルテンサイト系ステンレスであるSUS420J2とし、異なる材質を用いた。このような構成をとることで、自由端側の磁石を削減でき、プロセスを簡易化できる。
以上の様に作製した発電素子について、実施例1と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、コイルの電気抵抗は180Ω、開放電圧の最大値は5.5V、発電量Pは10mWであった。
本実施例では、図6に示す発電素子を作製した。製造工程については、基本的に実施例1と同様であるが、磁石がコイルを基準として固定部側のみとして製造した。また、磁石604a、604bを設置するためのスリットを102aと102bに設ける点、及び磁石603を厚さ1.0mm、幅12mm、長さ1.0mmのネオジム磁石とし、磁石604aと604bを厚さ0.5mm、長さ0.5mm、幅12mmのネオジム磁石としている点が異なる。また、連結板101はマルテンサイト系ステンレスであるSUS420J2とし、実施例1とは異なる材質を用いた。
以上の様に作製した発電素子について、実施例1と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、コイルの電気抵抗は180Ω、開放電圧の最大値は6V、発電量Pは12mJであった。
本実施例では、図7に示す発電素子を作製した。連結板701を厚さ1.0mmのSUS420J2のコの字様の形状として用いた。また、磁石704は厚さ3mm、長さ7mm、幅7mmのネオジム磁石、磁石703は厚さ4mm、長さ3mm、幅3mmのネオジム磁石を用いた。磁石と連結板701の固定はエポキシ樹脂で接着を行った。
以上の様に作製した発電素子について、実施例1と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、コイルの電気抵抗は180Ω、開放電圧の最大値は5V、発電量Pは8mJであった。
本比較例では、図1の実施例1や図4の実施例2の発電素子と異なり、同一の第1の磁石103と第2の磁石104のみを有する発電素子を作製した。磁石は、厚さ1.0mm、幅12mm、長さ1.0mmのネオジム磁石を用いた。
以上の様に作製した発電素子について、実施例1と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、コイルの電気抵抗は180Ω、開放電圧の最大値は6V、発電量Pは8mJであった。
本比較例では、図5の実施例3や図6の実施例4の発電素子と異なり、一つの磁石のみを有する発電素子を作製した。磁石のサイズは、厚さ1.0mm、幅12mm、長さ1.0mmとした。
以上の様に作製した発電素子について、実施例1と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、コイルの電気抵抗は180Ω、開放電圧の最大値は6V、発電量Pは8mJであった。
本比較例では、図7の実施例5の発電素子と異なり、磁石703を有さない発電素子を作製した。
以上の様に作製した発電素子について、実施例1と同様に発電性能の評価を行った。評価の結果、コイルの電気抵抗は180Ω、開放電圧の最大値は3V、発電量Pは3mJであった。
101 連結板
102a 第1の磁歪板
102b 第2の磁歪板
103 第1の磁石
104 第2の磁石
105 コイル
106 非磁性領域
107 保持部
108a 第1の磁性板
108b 第2の磁性板
Claims (17)
- 長手方向における一端が固定された磁歪材料を備え、前記磁歪材料に力を印加することにより発電する発電素子であって、
前記磁歪材料を含む磁歪部と、
磁性材料を含み、少なくとも一部の面が前記磁歪部に固定された磁性部と、
前記磁歪材料の少なくとも一部を内包するコイルと、
前記コイルを挟むように磁歪部に固定された、磁場を発生させる第1の磁場発生部及び第2の磁場発生部と、
を備え、
前記磁歪部、前記磁性部、前記コイル、前記第1の磁場発生部及び前記第2の磁場発生部は磁気回路を構成し、前記第1の磁場発生部と前記第2の磁場発生部のうち、前記固定された一端に近い前記第1の磁場発生部から発生する磁場の方が大きいことを特徴とする発電素子。 - 前記第1の磁場発生部は、第1の磁石を含み、
前記第2の磁場発生部は、第2の磁石を含み、
前記第1の磁石と、前記第2の磁石とは互いに異なる磁極面が前記磁歪部の同一面に固定されていることを特徴とする請求項1に記載の発電素子。 - 前記第1の磁石に較べ、前記第2の磁石の磁力が弱いことを特徴とする請求項2に記載の発電素子。
- 前記第1の磁場発生部は、前記第1の磁石の磁化方向と略直交する磁化方向を有する第3の磁石をさらに含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発電素子。
- 前記第3の磁石は、前記磁歪部における前記第1の磁石が固定された面と略直交する面に固定され、且つ前記磁歪部に固定された面と対向する面に磁性材料が固定されていることを特徴とする請求項4に記載の発電素子。
- 前記第1の磁場発生部は、前記第1の磁石の磁化方向と略直交する磁化方向を有する第4の磁石をさらに含み、前記第4の磁石は、前記磁歪部における前記第1の磁石が固定された面と略直交する面に、前記第3の磁石とは異なる磁極面が固定され、且つ前記磁歪部に固定された面と対向する面に磁性材料が固定されていることを特徴とする請求項4または5に記載の発電素子。
- 前記磁歪部は、第1の磁歪板と第2の磁歪板を含み、前記第1の磁場発生部及び前記第2の磁場発生部の少なくとも一部は、前記第1の磁歪板と前記第2の磁歪板の間に配置されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の発電素子。
- 前記磁性部と、前記第1の磁場発生部及び前記第2の磁場発生部は前記磁歪部の互いに対向する面にそれぞれ固定されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の発電素子。
- 長手方向における一端が固定された磁歪材料を備え、前記磁歪材料に力を印加することにより発電する発電素子であって、
前記磁歪材料を含む磁歪部と、
磁性材料を含み、少なくとも一部の面が前記磁歪部に固定された磁性部と、
前記磁歪材料の少なくとも一部を内包するコイルと、
前記コイルを隔てて前記磁歪部の前記固定された一端側に配置された、第1の磁石と、前記第1の磁石の磁化方向と略直交する磁化方向を有する第3の磁石とを含む磁場発生部と、
を備えることを特徴とする発電素子。 - 前記磁性部と、前記第1の磁場発生部及び前記第2の磁場発生部は前記磁歪部の互いに対向する面にそれぞれ固定されていることを特徴とする請求項9に記載の発電素子。
- 前記磁歪部は、第1の磁歪板と第2の磁歪板を含み、前記第1の磁場発生部及び前記第2の磁場発生部の少なくとも一部は、前記第1の磁歪板と前記第2の磁歪板の間に配置されていることを特徴とする請求項9または10に記載の発電素子。
- 前記第1の磁石の磁化方向と略直交する磁化方向を有する磁石は、前記磁歪部における前記第1の磁石が固定された面と略直交する面に固定され、且つ前記磁歪部に固定された面と対向する面に磁性材料が固定されていることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項に記載の発電素子。
- 外力を受けて振動する保持板をさらに備え、
前記保持板の一端は、前記磁歪部に固定されていることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の発電素子。 - 請求項1乃至13のいずれか1項に記載の発電素子を有し、前記発電素子に力を印加する機構を有する発電装置。
- 請求項1乃至13のいずれか1項に記載の発電素子を有し、前記発電素子が地動加振から振動する機構を有する発電装置。
- 請求項1乃至13のいずれか1項に記載の発電素子を有し、前記発電素子を収める筐体を有する発電装置。
- 前記筐体が磁性材料であることを特徴とする請求項16に記載の発電装置。
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