JP6064865B2 - 振動発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばワイヤレスで検出信号を送信する温度センサや加速度センサ等のワイヤレスセンサに電源を供給可能な振動によって発電する振動発電装置に関する。

振動を利用した発電技術としては、圧電素子を利用した方法がよく知られている。この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。この圧電素子を利用した振動力発電装置としては、例えば特許文献１に記載れているものがある。この振動力発電装置は、圧電材料の少なくとも一方の面に複数の溝が形成されている圧電素子と、この圧電素子と接合され、前記圧電素子に振動を伝える振動板と、圧電素子の出力を整流する手段と、整流された電力を蓄積する手段とを備えている。

しかしながら、この圧電素子を使用した振動力発電装置は、圧電素子を構成する圧電材料は、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、過度な負荷を加えることはできず、発電量を増加するために大きな曲げや衝撃を加えることが困難であるという問題点がある。
また、圧電素子は低周波数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点もある。

このような圧電素子を使用した振動発電装置の問題点を解決するために、特許文献２に記載された磁歪素子を利用した振動発電装置が提案されている。この振動発電装置は、図４（ａ）及び（ｂ）に示す発電素子１００を備えている。この発電素子１００は、連結ヨーク１００ａおよび１００ｂと、連結ヨーク１００ａおよび１００ｂに平行に支持された磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂと、各磁歪棒１１０ａおよび１１０ｂに巻装されたコイル１２０ａおよび１２０ｂと、連結ヨーク１００ａ及び１００ｂに永久磁石１４０ａおよび１４０ｂを介して連結されたバックヨーク１５０とを備えている。

この発電素子１００を図５に示すように、連結ヨーク１００ａを固定部に固定して方持ち梁構造とし、連結ヨーク１００ｂに発電素子１００の軸方向と直交する方向に曲げ応力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って、コイル１２０ａおよび１２０ｂ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（または誘導電力）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。

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変や衝撃に強いため、大きな曲げや衝撃を加えることで発電量を増加することが可能である。また、発電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く、前述した圧電材料の問題点を解決することができる。

特開２００６−１６６６９４号公報 特許第４９０５８２０号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載された従来例にあっては、曲げと捩じれを伴う２次モードでの共振によって発電を行うため、発電効率が低下するという未解決の課題がある。
また、磁歪棒の曲げ変形により電力を発生するため、磁歪棒の曲げ疲労損傷を生じるという未解決の課題もある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、発電効率を高めることができるとともに、曲げ疲労損傷を抑制することができる振動発電装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る振動発電装置の一態様は、振動が伝達される支持部と、該支持部に支持されたトラス構造を有する振動電力変換部と、前記振動電力変換部に接続されて振動する錘体とを備えている。そして、前記振動電力変換部は、磁歪材料で構成され磁気コイルを巻装した磁歪棒と、磁性材料で構成される複数の磁性棒とを節点で組合せたトラス構造を有し、前記磁歪棒に前記錘体の振動による軸方向の伸縮力を作用させるように構成されている。

本発明によれば、振動電力変換部をトラス構造とすることで、錘体に一次モードの共振を発生させ、トラス構造の一部に磁気コイルを巻装した磁歪棒を配置することにより、磁歪棒に軸方向の伸縮変形を発生させることにより、発電効率を向上しつつ曲げ疲労損傷を抑制することができる。しかも、振動を逆磁歪効果によって電力に変換するので、ＣＯ_２排出量を低減できるので、環境負荷を低減できる。

本発明に係る振動発電装置の第１の実施形態を示す正面図である。 本発明に係る振動発電装置の第２の実施形態を示す正面図である。 本発明に係る振動発電装置の第３の実施形態を示す正面図である。 従来の振動発電装置の発電素子を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 図４の発電素子の発電原理を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を伴って説明する。
図１は、本発明に係る振動発電装置の第１の実施形態を示す正面図である。
本発明に係る振動発電装置１は、図１に示すように、振動が伝達される支持部２に振動電力変換部３が支持され、この振動電力変換部３に錘体４が接続されている。
電力変換部３は、水平方向に延長する磁歪材料で構成された上弦部材となる磁歪棒３１と、この磁歪棒３１の両端に節点３２及び３３で回動可能に接続された傾斜部材となる磁性材料で構成された一対の磁性棒３４及び３５とを備え、磁性棒３４及び３５の自由端が節点３６で接続されてトラス構造とされている。

磁歪棒３１には、磁気コイル３７が巻装され、この磁気コイル３７で磁歪棒３１の伸縮による逆磁歪効果によって発生する磁力線の交番状の変化に応じた誘起電圧（誘起電力）を発生する。
そして、磁歪棒３１の例えば左端側の節点３２が支持部２に固定支持され、右端側の節点３３が支持部２に可動支持座３８によって水平方向に可動自在に支持されている。

また、錘体４は、弾性体としてのコイルばね４１を介して振動電力変換部３の節点３６に接続されている。
次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
今、支持部２に振動が伝達されていない状態では、錘体４がコイルばね４１を介して振動電力変換部３のトラス構造を構成する磁性棒３４及び３５の自由端を接続する節点３６に接続されているので、この錘体４の自重によって節点３６が下方に変位する。

このとき、トラス構造を構成する磁歪棒３１は、一方の節点３１が支持部２に固定支持され、他方の節点３３が支持部２に水平方向に可動自在に支持されている。このため、錘体４による節点３６の下方への変位によって磁歪棒３１に軸方向の圧縮力が作用する。
このように磁歪棒３１に圧縮力が作用することにより、磁歪棒３１に磁力線が発生するが、支持部２に振動が伝達されていない状態では、磁力線の方向が変化することがなく、磁気コイル３７には誘起電圧（誘起電力）は発生しない。

この状態から支持部２に上下方向の略一定周波数の振動が伝達されると、その振動エネルギーが振動電力変換部３のトラス構造を介し、コイルばね４１を介して錘体４に伝達される。このため、錘体４が上下方向に振動することになり、節点３６も上下に変位することになる。
このとき、振動発電装置１の共振周波数ωは、コイルばね４１のばね定数をｋとし、錘体４の質量をｍとすると、ω＝√（ｋ／ｍ）で表される。このため、コイルばね４１のばね定数ｋ及び錘体４の質量ｍを調整して錘体４の共振周波数ωを支持部２に伝達される振動の振動周波数に略一致するように設定する。このため、支持部２に伝達される振動によって錘体４が上下方向の一次モードの共振状態となる。

この節点３６の上下変位が磁歪棒３１の節点３２及び３３に伝達され、磁歪棒３１の節点３３が支持部２に水平方向に可動自在に支持されているので、磁歪棒３１の軸方向に伸縮力が伝達されて磁歪棒３１が伸縮変位する。
この磁歪棒３１の伸縮変位によって、逆磁歪効果によって磁力線が交番状となり、磁気コイル３７に誘起電圧（誘起電力）が発生する。この磁気コイル３７に発生する誘起電圧（誘起電力）をワイヤレスで検出信号を送信する温度センサや加速度センサ等のワイヤレスセンサに電源として供給することにより、ワイヤレスセンサを動作させることができる。

このように、上記第１の実施形態によると、支持部２に上下方向の振動が伝達されると、これがトラス構造を通じ、さらにコイルばね４１を通じて錘体４に伝達されて、この錘体４に１次モードの共振現象を発生させる。この錘体の１次モードの共振現象が節点３６から一対の磁性棒３４及び３５を介して磁歪棒３１の両端に長手方向の伸縮力として伝達されることになり、磁歪棒３１で交番状の磁力線が発生され、磁気コイル３７に誘起電圧（誘起電力）が発生する。このとき、磁歪棒３１には長手方向の伸縮力のみが伝達されることになり、曲げ力は作用されないので、磁歪棒３１に均一分布の伸縮歪みを発生させることができる。このため、磁歪棒３１で効率良く交番状の磁力線を発生し、磁気コイル３７に誘起電圧（誘起電力）を発生するので、振動発電効率を向上させることができるとともに、磁歪棒３１の曲げ疲労損傷を確実に抑制することができ、長寿命化を図ることができる。この場合、振動を逆磁歪効果によって電力に変換するので、ＣＯ_２排出量を低減できるので、環境負荷を低減できる。

しかも、支持に伝達される振動の周波数に応じてコイルばね４１のばね定数ｋ及び錘体４の質量の少なくとも一方を調整することにより、錘体４の共振周波数を制御することができ、伝達される振動に応じた最適な振動発電装置１を構成することができる。このためには、コイルばね４１及び錘体４を着脱自在に配置し、コイルばね４１及び錘体４の少なくとも一方を、所望のばね定数ｋのコイルばね及び所望の質量の錘体４１の少なくとも一方に交換するだけで済む。

さらに、ワイヤレスセンサを本実施形態に係る振動発電装置１で駆動する場合には、従来動作電源として必要であった有線による電源供給やバッテリ搭載が不要となるので、電源供給のためのコストやバッテリ交換のためのメンテナンスコストを削減することができる。これによりシステム全体のトータルコストダウンを実現できる。
次に、本発明の第２の実施形態について図２を参照して説明する。

この第２の実施形態では、磁歪棒をトラス構造の下弦部材として配置するようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図２に示すように、前述した第１の実施形態における支持部２、振動電力変換部３及び錘体４を天地逆方向に配置することにより、磁歪棒３１をトラス構造の下弦部材としたことを除いては前述した第１の実施形態における図１と同様の構成を有し、図１との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

ここで、支持部２には、振動が伝達されず、錘体４は、コイルばね４１とは反対側がコイルばね４２によって振動が伝達される支持部２１に接続されている。
この第２の実施形態によると、前述した第１の実施形態と同様に、コイルばね４１及び４２のばね定数ｋ及び錘体４の質量ｍとを支持部２１に伝達される振動の周波数で錘体１が１次モードで共振するように設定することにより、錘体４で伝達される振動エネルギーを直接吸収し、コイルばね４１からトラスト構造の節点３６に振動からのばね反力を作用させることにより、磁歪棒３１に軸方向に方向が同じで大きさの一致した伸縮歪みを発生させることができる。

したがって、上記第１の実施形態と同様に、振動電力変換部３で発電効率を向上させることができるとともに、磁歪棒の曲げ疲労損傷を低減して長寿命化を図ることができる。この場合、振動を逆磁歪効果によって電力に変換するので、ＣＯ_２排出量を低減できるので、環境負荷を低減できる。
また、コイルばね４１及び４２のばね定数ｋ及び錘体４の質量ｍを調整することにより、錘体４の共振周波数を伝達される振動の周波数に一致させるように制御することができる。このためには、コイルばね４１，４２及び錘体４を着脱自在に配置し、コイルばね４１，４２及び錘体４の少なくとも一方を、所望のばね定数ｋのコイルばね及び所望の質量の錘体４１の少なくとも一方に交換するだけで済む。

さらに、ワイヤレスセンサを本実施形態に係る振動発電装置１で駆動する場合には、従来動作電源として必要であった有線による電源供給やバッテリ搭載が不要となるので、電源供給のためのコストやバッテリ交換のためのメンテナンスコストを削減することができる。これによりシステム全体のトータルコストダウンを実現できる。
次に、本発明の第３の実施形態について図３を伴って説明する。

この第３の実施形態は、磁歪棒の配置数を増加させて発電能力を向上させるようにしたものである。
すなわち、第３の実施形態では、振動電力変換部３の構成が、図３に示すように、第１の実施形態におけるトラス構造と第２の実施形態におけるトラス構造とを組み合わせたトラス構造とされている。

すなわち、磁性材料で構成される磁性棒５１が水平に配置されている。この磁性棒５１の上方側に、左右端部の節点５２，５３から斜め上方に延長して先端の自由端が節点５４で接続された磁歪材料で構成される一対の磁歪棒５５，５６が配置されている。また、磁性棒５１の下方側に、左右端部の節点５２，５３から斜め上方に延長して先端の自由端が節点５７で接続された磁歪材料で構成される一対の磁歪棒５５，５６が配置されている。

各磁歪棒５５，５６及び５８，５９には、磁気コイル６０，６１及び６２，６３が巻装されている。
そして、節点５４と５７とが上下の支持部６５及び６６に固定され、磁性棒５１の左右の節点５２及び５３に個別にコイルばね７１及び７２を介して錘体７３及び７４が接続されている。

この第３の実施形態によると、支持部６５及び６６に同期した上下方向の振動が伝達されると、その振動エネルギーが磁歪棒５５，５６及び５８，５９を介して磁性棒５１の節点５２及び５３に伝達され、これら節点５２及び５３からコイルばね７１及び７２を介して錘体７３及び７４に伝達される。
このとき、上述した第１及び第２の実施形態と同様にコイルばね７１及び７２のばね定数ｋと錘体７３及び７４の質量ｍとによって決まる共振周波数ωを振動の周波数に一致させることにより、錘体７３及び７４を１次モードで共振させることができる。

このため、錘体７３の共振によるばね反力が磁性棒５１で支持された磁歪棒５５，５６及び５８，５９に入力される。これら磁歪棒５５，５６及び５８，５９の他端側の節点５４及び５７が支持部６５及び６６に固定されているので、磁歪棒５５，５６及び５８，５９に軸方向で均一な収縮歪みが生じ、磁力線が交番状となる。したがって、各磁歪棒５５，５６及び５８，５９に巻装された磁気コイル６０、６１及び６２，６３に誘起電圧（誘起電力）が発生する。この場合、磁歪棒及び磁気コイルが４組配置されているので、前述した第１及び第２の実施形態に対して４倍の誘起電圧（誘起電力）を発生することができる。そして、各磁気コイル６０、６１及び６２，６３で発生した誘起電圧（誘起電力）をワイヤレスで検出信号を送信する温度センサや加速度センサ等のワイヤレスセンサに電源として供給することができる。

この第３の実施形態によっても、振動発電効率を向上しつつ曲げ疲労損傷を確実に抑制することができ、さらに発電能力を向上させることができる。この場合、振動を逆磁歪効果によって電力に変換するので、ＣＯ_２排出量を低減できるので、環境負荷を低減できる。
この第３の実施形態でも、コイルばね７１及び７２のばね定数ｋ及び錘体７１，７２の質量ｍを調整することにより、錘体４の共振周波数を伝達される振動の周波数に一致させるように制御することができる。このためには、コイルばね７１，７２及び錘体７３，７４を着脱自在に配置し、コイルばね７１，７２及び錘体７３，７４の少なくとも一方を、所望のばね定数ｋのコイルばね及び所望の質量の錘体の少なくとも一方に交換するだけで済む。

さらに、ワイヤレスセンサを本実施形態に係る振動発電装置１で駆動する場合には、従来動作電源として必要であった有線による電源供給やバッテリ搭載が不要となるので、電源供給のためのコストやバッテリ交換のためのメンテナンスコストを削減することができる。これによりシステム全体のトータルコストダウンを実現できる。
なお、上記第１〜第３の実施形態においては、錘体をトラス構造に接続する弾性体としてコイルばねを適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、弾性変形によって伸縮可能な弾性体を適用することができる。

１…振動発電装置、２…支持部、３…振動電力変換部、４…錘体、３１…磁歪棒、３２，３３…節点、３４，３５…磁性棒、３６…節点、４１，４２…コイルばね、５１…磁性棒、５２〜５４，５７…節点、５５，５６，５８，５９…磁歪棒、６０〜６３…磁気コイル、６５，６６…支持部、７１，７２…コイルばね、７３，７４…錘体

Claims (10)

1. 振動が伝達される支持部と、
   該支持部に支持されたトラス構造を有する振動電力変換部と、
   前記振動電力変換部に接続されて振動する錘体とを備え、
   前記振動電力変換部は、磁歪材料で構成され磁気コイルを巻装した磁歪棒と、磁性材料で構成される複数の磁性棒とを節点で組合せたトラス構造を有し、前記磁歪棒に前記錘体の振動による軸方向の伸縮力を作用させるように構成されている
   ことを特徴とする振動発電装置。
2. 前記トラス構造は、前記磁歪棒の一端を前記支持部に固定し、当該磁歪棒の他端を前記支持部に可動自在に支持して上弦部材とし、前記磁歪棒の両端に節点を介して一対の前記磁性棒を接続し、当該一対の前記磁性棒の自由端を節点で接続した構成を有し、前記一対の磁性棒の自由端の節点に前記錘体を垂下したことを特徴とする請求項１記載の振動発電装置。
3. 前記錘体は前記一対の磁性体棒の自由端の節点に弾性体を介して垂下されていることを特徴とする請求項２に記載の振動発電装置。
4. 前記トラス構造は、前記磁歪棒の一端を前記支持部に固定し、当該磁歪棒の他端を前記支持部に可動自在に支持して下弦部材とし、前記磁歪棒の両端に節点を介して一対の前記磁性棒を接続し、当該一対の前記磁性棒の自由端を節点で接続した構成を有し、前記一対の磁性棒の自由端の節点と前記下弦部材とは反対側の第２の支持部との間に前記錘体を振動可能に配置したことを特徴とする請求項１記載の振動発電装置。
5. 前記錘体は、前記一対の磁性棒の自由端の節点と前記第２の支持部との間に個別に弾性体が介挿されていることを特徴すとる請求項４に記載の振動発電装置。
6. 振動が伝達される支持部と、
   該支持部に支持されたトラス構造を有する振動電力変換部と、
   前記振動電力変換部に接続されて振動する錘体とを備え、
   前記振動電力変換部は、磁歪材料で構成され磁気コイルを巻装した複数の磁歪棒と、磁性材料で構成された磁性棒とを節点で組合せたトラス構造を有し、前記各磁歪棒に前記錘体の振動による軸方向の伸縮力を作用させるように構成されている
   ことを特徴とする振動発電装置。
7. 前記トラス構造は、水平配置された前記磁性棒と、該磁性棒の両端に上下対称的にそれぞれ一対の磁歪棒が配置され、上側の一対の磁歪棒の自由端の節点が上部支持部に固定され、下側の一対の磁性棒の自由端が下部支持部に固定された構成を有し、前記磁性棒の両端に個別に前記錘体が垂下されていることを特徴とする請求項６に記載の振動発電装置。
8. 前記各錘体は弾性体を介して前記磁性体の両端に個別に垂下されていることを特徴とする請求項７に記載の振動発電装置。
9. 前記錘体に接続される弾性体のバネ定数を選択することにより、装置の共振周波数を調整することを特徴とする請求項３、５及び８の何れか１項に記載の振動発電装置。
10. 前記錘体の質量を調整することにより、装置の共振周波数を調整することを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の振動発電装置。

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