JP6074939B2

JP6074939B2 - 発電機

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Inventors: 裕子森田; 矢島　正一; 正一矢島; 新倉　英生; 英生新倉; 洋平福馬
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Filing date: 2012-07-27
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Description

本技術は、発電素子の相対位置の変動によって発電する発電機に関する。

発電素子の相対運動によって発電する発電機には、コイルと磁性体の相対運動によって生じる電磁誘導を利用するものや、誘電体と誘電回路の相対運動によって生じる静電誘導を利用するもの等が存在する。

例えば特許文献１には、筒状部材内を移動する永久磁石と、当該筒状部材外に固定されたコイルを有する振動発電機が開示されている。この振動発電機は、振動が加えられるとコイルに対して永久磁石が相対運動し、電磁誘導により発電するものである。

特開２０１２−８０６０４号公報

ここで、上述のような発電素子の相対運動を利用する発電機においては、可動子（特許文献１でいえば永久磁石）の摩擦抵抗が小さいものが好適である。摩擦抵抗が大きいと可動子の運動速度が低下し、発電量が減少するためである。

また、特許文献１に記載の振動発電機を含め、各種発電機においては強度や価格の面から環境配慮材料ではない材料が利用されてきた。しかしこのような材料を利用した場合、ライフサイクルアセスメント（ＬＣＡ）の観点からいえば、発電機によって生成するエネルギーから発電機の製造に必要なエネルギーを減産する必要が生じる。

以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、発電効率に優れる発電機を提供することにある。

上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る発電機は、摺動部材と、第１の発電素子と、第２の発電素子とを具備する。
上記摺動部材は、バイオマス含有材料からなる。
上記第１の発電素子は、上記摺動部材に対して摺動する。
上記第２の発電素子は、上記第１の発電素子に対する相対位置が変動することによって電力を生成する。

ここで、バイオマスとは、生物を利用して得た有用物質（生物資源）のことであり、植物由来の材料も含む概念である。また、バイオマス含有材料とは、バイオマスを原料として含む材料である。バイオマスを原料として含んでいればよく、バイオマス含有材料全体に占めるバイオマスの含有比率の大小は問わない。上記構成によれば、バイオマス含有材料を摺動部材に用いることにより、摺動部材の摩擦係数を低減することができ、第１の発電素子の摺動部材に対する摺動性が向上する。したがって、第１の発電素子と第２の発電素子の相対位置の変動によって生じる電力の発電効率を向上させることが可能である。さらに摺動部材をバイオマス含有材料からなるものとすることにより、発電機の製造に必要なエネルギー量を低減することが可能である。

上記第２の発電素子は、上記摺動部材に対して摺動してもよい。

この構成によれば、第１の発電素子に加えて第２の発電素子も摺動部材に対して摺動するため、摺動部材をバイオマス含有材料からなるものとすることによる摺動性の向上が、さらに発電効率の向上に寄与するものとすることが可能である。

上記バイオマス含有材料は、ポリメタクリル酸メチル／ポリ乳酸混合樹脂であってもよい。

ポリメタクリル酸メチル／ポリ乳酸混合樹脂は、摩擦係数が小さく、透明性を備えるため、内部の視認性が求められる発電機の摺動部材に利用するバイオマス含有材料として好適である。

上記バイオマス含有材料は、ひまし油由来ポリアミド樹脂であってもよい。

ひまし油由来ポリアミド樹脂は、摩擦係数が小さく、耐久性が高く、防水、防汚性が十分であるため、耐久性が求められる発電機の摺動部材に利用するバイオマス含有材料として好適である。

上記バイオマス含有材料は、デンプン由来ポリ乳酸樹脂であってもよい。

デンプン由来ポリ乳酸樹脂は、摩擦係数が小さく、生分解性を有するため、生分解性が求められる発電機の摺動部材に利用するバイオマス含有材料として好適である。

上記第１の発電素子は磁石であり、上記第２の発電素子はコイルであってもよい。

この構成によれば、磁石とコイルの相対位置が変動することにより生じる電磁誘導によって発電がなされる。

上記第１の発電素子はエレクトレットを含む誘電体であり、上記第２の発電素子は誘導回路であってもよい。

この構成によれば、誘電体と誘導回路の相対位置が変動することにより生じる静電誘導によって発電がなされる。

上記第１の発電素子は圧電素子であり、上記第２の発電素子は圧電素子に応力を加える構造体であってもよい。

この構成によれば、圧電素子と構造体の相対位置が変動することによって発電がなされる。その点、電磁誘導や静電誘導の場合と同様の態様をとるが、対となる構造体は、圧電素子の場合には非接触とはならない。

上記第１の発電素子は逆磁歪素子であり、上記第２の発電素子は逆磁歪素子に応力を加える構造体であってもよい。

この構成によれば、逆磁歪素子と構造体の相対位置が変動することによって発電がなされる。その点、電磁誘導や静電誘導の場合と同様の態様をとるが、対となる構造体は、逆磁歪発電の場合には非接触とはならない。

上記発電機は、バイオマス含有材料からなり、上記摺動部材、上記第１の発電素子及び上記第２の発電素子を収容する筐体と、バイオマス含有材料からなり、上記摺動部材を上記筐体に固定する固定部材とをさらに具備していてもよい。

この構成によれば、発電機の大部分の部品をバイオマス含有材料からなるものとすることができ、発電機の製造に必要なエネルギー量を低減することが可能である。

上記第１の発電素子は、上記摺動部材に対して摺動する回転体であって、上記第２の発電素子は、上記回転体の周囲に設けられた構造体であってもよい。

この構成によれば、摺動部材をバイオマス含有材料からなるものとすることによって、回転体の摺動部材に対する摺動性が向上するため、回転体の回転による回転体と構造体の相対位置の変動によって生じる電力の発電効率を向上させることが可能である。

上記回転体はバイオマス含有材料からなるものであってもよい。

この構成によれば、摺動部材に加えて回転体をバイオマス含有材料からなるものとすることによって、発電機の製造に必要なエネルギー量を低減することが可能である。

以上のように、本技術によれば、発電効率に優れる発電機を提供することが可能である。

本技術の第１の実施形態に係る発電機を示す模式図である。同発電機の発電部を示す模式図である。同発電機の摺動部材として利用するバイオマス含有材料及び比較に係る材料の摩擦係数の測定結果を示す表である。同発電機の摺動部材として利用するバイオマス含有材料の物性値を示す表である。同発電機の摺動部材として利用するバイオマス含有材料と比較に係る材料の摩擦に係る測定結果である。同発電機の摺動部材として利用するバイオマス含有材料と比較に係る材料の摩擦に係る測定結果である。同発電機と比較に係る発電機の発電下限界振動条件の測定結果である。同発電機と比較に係る発電機の発電量の測定結果である。本技術の第２の実施形態に係る発電機の発電部を示す模式図である。本技術の第３の実施形態に係る発電機の発電部を示す模式図である。本技術の第４の実施形態に係る発電機の発電部を示す模式図である。本技術の第５の実施形態に係る発電機の発電部を示す模式図である。本技術の第５の実施形態に係る発電機の発電部を示す模式図である。本技術の第５の実施形態に係る発電機の発電部を示す模式図である。本技術の第５の実施形態に係る発電機の発電部を示す模式図である。

（第１の実施形態）
本技術の第１の実施形態に係る発電機について説明する。

［発電機の全体構成］
図１は、本実施形態に係る発電機１００を示す模式図である。発電機１００は、発電原理学習用の教材として利用される発電機であるものとするが、本技術に係る発電機はこの様な用途に限定されない。

図１に示すように、発電機１００は、筐体１０１、発電部１０２、回路基板１０３及び発光部１０４を有する。発電部１０２、回路基板１０３及び発光部１０４は筐体１０１内に収容されている。

筐体１０１は、上記各構成を収容する部材であり、内部が視認できるように透明材料からなるものが好適である。筐体１０１は、中空円柱状の部材とすることができるが、このような形状に限定されない。筐体１０１は、後述するバイオマス含有材料からなるものとすることができ、これにより発電機１００の製造に必要なエネルギーを低減することが可能である。

発電部１０２は、発電をし、生成した電力を回路基板１０３に供給する。発電部１０２の詳細な構造については後述するが、発電部１０２は、発電機１００に振動が加えられ、又は発電機１００が水平面に対して傾けられると発電をするものとすることができる。

回路基板１０３は、整流回路や蓄電素子を備え、発電部１０２から供給された電力を発光部１０４に供給する。回路基板１０３の構成や配置は特に限定されない。

発光部１０４は、電球やＬＥＤ（Light Emitting Diode）等であり、回路基板１０３から供給された電力を受けて発光する。なお、発光部１０４の替わりに、発電機１００によって発電がされていることの確認ができる機構（モータ等）が設けられても良い。

［発電部の構成］
図２は、発電部１０２の構成を示す模式図である。図２（ａ）は発電部１０２の平面図であり、図２（ｂ）は発電部１０２の断面図である。同図に示すように、発電部１０２は、摺動部材１０５、コイル１０６、コイルストッパ１０７及び磁石１０８を有する。摺動部材１０５はコイルストッパ１０７を介して筐体１０１に固定され、コイル１０６は摺動部材１０５に巻回されると共にコイルストッパ１０７によって摺動部材１０５に固定されている。磁石１０８は摺動部材１０５内に収容されている。

摺動部材１０５は、磁石１０８の摺動部材１０５に対する摺動を可能とする部材である。具体的には、摺動部材１０５は筒形状を有し、その内部に磁石１０８を収容可能に構成されている。なお、摺動部材１０５は筒形状に限られず、磁石１０８の摺動を可能とする形状であればよい。摺動部材１０５は、後述するバイオマス含有材料からなるものとすることができる。摺動部材１０５をバイオマス含有材料からなるものとすることにより、発電機１００の製造に必要なエネルギーを低減することが可能である。

コイル１０６は、磁石１０８との間で電磁誘導を生じる。コイル１０６は、摺動部材１０５の外部に巻回された導線からなるものとすることができ、その両端は回路基板１０３に接続されている（図示せず）。コイル１０６の巻回回数や巻回幅は適宜調節することができる。

コイルストッパ１０７は、コイル１０６の両端に一つずつ配置され、コイル１０６の移動を防止し、コイル１０６を摺動部材１０５に対して固定する。また、コイルストッパ１０７は、筐体１０１の内壁に当接して摺動部材１０５を筐体１０１に固定する。コイルストッパ１０７は、弾性材料からなるものとすることができ、その弾性によって摺動部材１０５を筐体１０１に固定するものとすることができる。コイルストッパ１０７は、後述するバイオマス含有材料からなるものとすることができ、これにより発電機１００の製造に必要なエネルギーを低減することが可能である。

磁石１０８は、摺動部材１０５に摺動可能に収容されている。磁石１０８は、発電機１００が水平面に対して傾けられ、又は振動が加えられると摺動部材１０５内を摺動し、コイル１０６を通過する。磁石１０８がコイル１０６内を通過すると、コイル１０６に電磁誘導が生じ、発電が生じる。磁石１０８の形状や材質は特に限定されないが、摺動部材１０５に対する摩擦係数の小さいものが好適である。

なお、本実施形態において、コイル１０６と磁石１０８は逆であってもよい。即ち、コイル１０６が摺動部材１０５に収容されて摺動部材１０５内を摺動し、磁石１０８は摺動部材１０５に固定されるものとすることも可能である。

［バイオマス含有材料について］
上述のように摺動部材１０５、筐体１０１及びコイルストッパ１０７は、バイオマス含有材料からなるものとすることができる。バイオマス含有材料は具体的には、糖類を原料とするポリ乳酸、バイオポリカーボネート、バイオＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、バイオＰＰ（polypropylene）、バイオＰＥ（polyethylene）、ひまし油由来のポリアミド11、ポリアミド10・10、ポリアミド6・10を挙げることができる。多糖類としては、セルロース、デンプン、キチン、キトサン、デキストランもしくはそれら誘導体のいずれか、又はそれら一つを含む共重合体を挙げることができる。なお多糖類へは熱可塑性を付与する為に、種々の可塑剤を添加することも可能である。

上記に記載の熱可塑性バイオプラスチックに加え、バイオマス含有材料はハードセグメントとソフトセグメントを構成する熱可塑性エラストマー樹脂中のハードセグメント部分にバイオプラスチックを用いていている熱可塑性エラストマー樹脂も含む。熱可塑性エラストマーとは、熱を加えると軟化して流動性を示し、冷却すればゴム状弾性体に戻る性質を持つ樹脂のことである。

また、バイオマス含有材料は、生分解性プラスチックを含む。生分解性プラスチックを利用することにより、摺動部材１０５、筐体１０１及びコイルストッパ１０７を生分解性とすることが可能である。生分解性プラスチックの定義は、使用後は自然界において微生物が関与して低分子化合物、最終的に水と二酸化炭素に分解するプラスチックである（生分解性プラスチック研究会、ＩＳＯ／ＴＣ−２０７／ＳＣ３）。

このような生分解性プラスチックの原料となる生分解性ポリマーとしては、例えば、セルロース、デンプン、デキストラン、キチン等の多糖誘導体、例えばコラーゲン、カゼイン、フィブリン、ゼラチン等のペプチド等、例えばポリアミノ酸、例えばポリビニルアルコール、例えばナイロン４、ナイロン２／ナイロン６共重合体等のポリアミド、例えばポリグリコール酸、ポリ乳酸、ポリコハク酸エステル、ポリシュウ酸エステル、ポリヒドロキシ酪酸、ポリジグリコール酸ブチレン、ポリカプロラクトン、ポリジオキサノン等のポリエステル等が挙げられる。

上述したバイオマス含有材料は、バイオマス材料のみからなるものに限られず、バイオマス材料を５〜１００ｗｔ％、より望ましくは２５ｗｔ％以上含有するものが好適である。バイオマス含有材料は、プラスチック以外にも、バイオマスを原料とする繊維、チップ又は粉末状の材料とすることが可能である。

また、バイオマス含有材料は添加剤を更に含むものとすることができる。添加剤としては、可塑剤、難燃剤、耐光性改良剤、着色剤、離型剤、分散剤、酸化防止剤、結晶化促進剤、加水分解制御剤、紫外線吸収剤、充填剤（補強剤）、熱安定剤、潤滑剤等を利用することができる。

好適なバイオマス含有材料の物性は次に挙げるものである。樹脂の溶融温度が１４０〜３２０℃、好ましくは１８０〜２５０℃。メルトフローレート（樹脂の溶融状態の指標）が０．５〜３０ｇ／１０分、好ましくは０．５〜５ｇ／分、室温での樹脂の貯蔵弾性率が、０．０１ＧＰａ〜２０ＧＰａ、好ましくは０．１ＧＰａ〜１０ＧＰａである。なお、貯蔵弾性率とは、貯物体に外力とひずみにより生じたエネルギーのうち物体の内部に保存する成分、損失弾性率は外部へ拡散する成分であり、動的粘弾性測定装置にて測定することが可能である。

［摺動部材の材料］
摺動部材１０５は、上述したようなバイオマス含有材料からなるものとすることができるが、その中でも摩擦係数の小さいものが好適である。上述のように磁石１０８は摺動部材１０５内を摺動するため、摺動部材１０５の摩擦係数が小さいと磁石１０８の運動が摺動部材１０５との摩擦によって妨げられないためである。

摩擦係数の観点から摺動部材１０５に好適なバイオマス含有材料としては、ポリメタクリル酸メチル／ポリ乳酸混合樹脂（例えば、東レ製エコディアＣＡ１１−０４９）、ポリアミド樹脂（例えばアルケマ社製リルサンクリアＧ８３０、エムスケミー社製グリルアミドＸＥ４０１０）を挙げることができる。なお、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）／ポリ乳酸（ＰＬＡ）混合樹脂を用いた場合の、樹脂中のバイオマス材料ポリ乳酸の含有比率は２５ｗｔ％であるが、このようにバイオマス材料（ポリ乳酸）の含有比率が少ない場合でも、本開示における「バイオマス含有材料」に含まれるものとする。

図３に、これらのバイオマス含有材料（材料Ａ、Ｂ、Ｃ）と、比較対象となるバイオマス材料を含まない材料（以下、本明細書において単に「非バイオマス材料」という。）である材料Ｄの動摩擦係数及び静止摩擦係数の測定結果を示す。

以下の説明において、バイオマス含有材料であるポリメタクリル酸メチル／ポリ乳酸混合樹脂（東レ製エコディアＣＡ１１−０４９）を材料Ａ、ポリアミド樹脂（エムスケミー社製グリルアミドＸＥ４０１０）を材料Ｂ、ポリアミド樹脂（アルケマ社製リルサンクリアＧ８３０）を材料Ｃとし、比較に係るポリメタクリル酸メチル樹脂（アグリペットＶＨ００１）を材料Ｄとする。また、図４に、材料Ａ〜Ｃの各物性値を示す。なお、図４に示すＰＬＡはポリ乳酸（polylactic acid）を意味し、ＰＡはポリアミド（polyamide）を意味する。

図３に示す動摩擦係数及び静止摩擦係数は、ＪＩＳ−Ｋ７１２５規格に準拠した摩擦係数測定によって測定されたものである。具体的には、温度：２３±１℃、湿度：５０±５％ＲＨ、滑り片：８０×８０ｍｍ、相手材：ＳＵＳ３０４（ステンレス）、測定装置：ＩＮＳＴＲＯＮ５５６６型引張モード、ロードＦＳ：１００Ｎ、試験速度：１００ｍｍ／ｍｉｎの測定条件によって測定された。

図３に示すように、バイオマス含有材料である材料Ａ〜Ｃは、比較に係る材料Ｄと比較して動摩擦係数及び静止摩擦係数が小さい値となった。すなわち、非バイオマス材料であるポリメタクリル酸メチル樹脂（材料Ｄ）の静止摩擦係数が０．２３であるのに対し、材料Ａ〜Ｃは０．１９以下と２〜３割程度低い値を有している。これにより、摺動部材１０５をバイオマス含有材料からなるものとすることによって、磁石１０８の摺動性を向上させることが可能である。例えば、摺動部材１０５を材料Ａからなるものとする場合、磁石１０８が動く最低加速度は０．５４Ｇから０．１７Ｇに６８．５％低減する。

図５及び図６は、バイオマス含有材料と比較に係る非バイオマス材料の摩擦に係る測定結果である。これらの図に示すように、バイオマス含有材料は非バイオマス材料に比較して摺動部材としての利用に適しているといえる。

なお、図５及び図６に示す試料質量変化（摩耗質量）及び動摩擦係数はＪＩＳ−Ｋ７２１８Ａ法に準拠した滑り摩耗試験によって測定されたものである。具体的には、試験片：３０×３０×ｔ３ｍｍ、相手材：Ｓ４５Ｃリング（表面粗さ：０．８μｍＲａ）、滑り速度：０．５ｍ／ｓ、荷重：５０Ｎ、試験時間：１００分、温度：２３±２℃、湿度：５０±１０％ＲＨ、測定装置：オリエンテック製摩擦摩耗試験機ＥＭＦ−３−Ｆの測定条件によって測定された。

図６は動摩擦係数μの経時変化を示した結果である。５分時において、材料Ｂ、Ｃについては比較例の材料Ｄよりも動摩擦係数が大きいが、６０分時、１００分時と長時間経過した場合、植物由来の材料Ａ〜Ｃは動摩擦係数の変化が少なく、長時間効率的な使用が可能であることがわかる。

以上のように、バイオマス含有材料は、摩擦係数（動摩擦係数及び静止摩擦係数）が小さく、また摩耗質量も少ないことから、摺動部材１０５をバイオマス含有材料からなるものとすることによって、磁石１０８の摺動性に優れる発電機１００を得ることが可能である。これにより、後に説明するように、発電機１００の発電性能の向上が実現される。

加えて、ポリメタクリル酸メチル／ポリ乳酸混合樹脂は、摩擦係数が小さく、透明性を備えるため、内部の視認性が求められる発電機（下記、応用例１参照）の摺動部材に利用するバイオマス含有材料として好適である。また、ひまし油由来ポリアミド樹脂は、摩擦係数が小さく、耐久性が高く、防水、防汚性が十分であるため、耐久性が求められる発電機（下記、応用例２参照）の摺動部材に利用するバイオマス含有材料として好適である。さらに、デンプン由来ポリ乳酸樹脂は、摩擦係数が小さく、生分解性を有するため、生分解性が求められる発電機（下記、応用例５参照）の摺動部材に利用するバイオマス含有材料として好適である。

［製造方法］
発電機１００のバイオマス含有材料を利用した各部材（筐体１０１、摺動部材１０５、コイルストッパ１０７）は任意の製造方法によって成形することが可能である。具体的には、射出成形、ブロー成形、チューブ成形、圧空成形、フィルム成形、押出成形または射出成形等を利用することができ、特に射出成形が好ましい。より具体的には、押出成形は、常法に従い、例えば単軸押出機、多軸押出機、タンデム押出機等の公知の押出成形機を用いて行うことができる。

［本実施形態の効果］
本実施形態に係る発電機１００の効果について説明する。

図７は、発電下限界振動条件の比較を示すグラフである。同図は、本実施形態に係る発電機１００と比較に係る発電機（以下、発電機α）の発電が可能な最低限の加速度を示す。なお、発電機αは、発電機１００の摺動部材１０５に替えて非バイオマス材料からなる摺動部材を有するものである。図７において、発電機１００についての測定値を「バイオマス含有材料」として示し、発電機αについての測定値を「非バイオマス材料」として示す。

同図に示すグラフは、加振装置上に３軸加速度センサと測定対象の発電機を設置し、加振装置の振動スピードを次第に上昇させ、測定対象の発電機の出力が閾値を超えたときの加速度、振動周波数及び発電機の出力電圧を計測することによって測定された。

図７において、発電機１００（バイオマス含有材料）の場合、最大加速度：０．１７Ｇ、平均加速度：０．１２Ｇ、最小加速度：０．０７Ｇ、平均周波数：１．１７Ｈｚであった。発電機α（非バイオマス材料）の場合、最大加速度０．５４Ｇ、平均加速度０．３７Ｇ、最小加速度：０．２０Ｇ、平均周波数１．４５Ｈｚであった。即ち、発電機１００は、発電機αに比べてより小さい加速度（６８．５％低減）で発電が可能であり、また、より小さい振動周波数（１９．３％減）で発電が可能であることがわかる。したがって、本実施形態に係る発電機１００は、非バイオマス材料を利用した発電機に比較して、より弱い振動でも発電が可能であり、発電しやすさが向上しているといえる。

図８は、発電量の比較を示すグラフである。同図は、本実施形態に係る発電機１００と比較に係る発電機αの特定の振動周波数における発電量を示す。特定の振動周波数は、上記発電下限界振動の測定における発電機αの発電下限界の振動摺動周波数である。図８において、発電機１００についての測定値を「バイオマス含有材料」として示し、発電機αについての測定値を「非バイオマス材料」として示す。

同図に示すグラフは、加振装置上に３軸加速度センサと測定対象の発電機を設置し、発電機αの発電下限界の振動周波数において、発電機の出力電圧を計測することによって測定された。

図８において、発電機１００（バイオマス含有材料）の場合、抵抗：２６．７Ω、ピーク間電圧（Ｖ_ｐ−ｐ）：２７９ｍＶ、最大電圧（Ｖ_ｍａｘ）：１９８ｍＶ、最大電力：７１４μＷ、∫Ｖｄｔ：０．３０であった。発電機α（非バイオマス材料）の場合、抵抗：２６，９Ω、ピーク間電圧（Ｖ_ｐ−ｐ）：２７ｍＶ、最大電圧（Ｖ_ｍａｘ）：１５ｍＶ、最大電力：７μＷ、∫Ｖｄｔ：０．０５あった。即ち、発電機１００は、発電機αに比べてピーク間電圧が１０．３倍、最大発生電力が１３．２倍、最大発生電力が１０２倍となった。したがって、本実施形態に係る発電機１００は、非バイオマス材料を利用した発電機に比較して、同じ振動であってもより大きな電力を発電可能であるといえる。

以上のように、本実施形態に係る発電機１００は、バイオマス含有材料からなる摺動部材１０５と磁石１０８の摺動性が良好であることによって、非バイオマス材料からなる摺動部材を有する発電機に比較して発電性能を向上させることが可能である。

（第２の実施形態）
本技術の第２の実施形態に係る発電機について説明する。本実施形態に係る発電機において、発電部以外の構成は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

図９は、本実施形態に係る発電機の発電部２０１を示す模式図である。図９（ａ）は発電部２０１の平面図であり、図９（ｂ）は発電部２０１の断面図である。同図に示すように、発電部２０１は、摺動部材２０２、コイル部品２０３、磁石部品２０４を有する。摺動部材２０２は、図示しない筐体に固定され、コイル部品２０３及び磁石部品２０４はそれぞれ摺動部材２０２に摺動可能に装着されている。

摺動部材２０２は、コイル部品２０３及び磁石部品２０４の摺動部材２０２に対する摺動を可能とする部材である。具体的には、摺動部材２０２は筒形状を有し、その内部にコイル部品２０３及び磁石部品２０４を収容可能に構成されている。コイル部品２０３及び磁石部品２０４は摺動部材２０２に固定されず、即ち摺動部材２０２が水平面に対して傾けられ、又は振動を加えられると、摺動部材２０２に対して摺動する。なお、摺動部材２０２は筒形状に限られず、コイル部品２０３及び磁石部品２０４の摺動を可能とする形状であればよい。摺動部材２０２は、第１の実施形態と同様にバイオマス含有材料からなるものとすることができる。

コイル部品２０３は、支持部材２０３ａとコイル２０３ｂから構成されている。支持部材２０３ａはコイル２０３ｂを支持し、発電機が傾けられ、又は振動が加えられると摺動部材２０２上を摺動する。コイル２０３ｂは支持部材２０３ａに固定され、支持部材２０３ａが摺動部材２０２上を摺動するに伴なって摺動部材２０２に対して移動する。支持部材２０３ａは、第１の実施形態において説明した各種バイオマス含有材料からなるものとすることが可能である。

磁石部品２０４は、支持部材２０４ａと磁石２０４ｂから構成されている。支持部材２０４ａは磁石２０４ｂを支持し、発電機が傾けられ、又は振動が加えられると摺動部材２０２上を摺動する。磁石２０４ｂは支持部材２０４ａに固定され、支持部材２０４ａが摺動部材２０２上を摺動するに伴って摺動部材２０２に対して移動する。支持部材２０４ａは、第１の実施形態において説明した各種バイオマス含有材料からなるものとすることが可能である。

このように、コイル部品２０３と磁石部品２０４が摺動部材２０２上を独立して摺動することにより、コイル２０３ｂと磁石２０４ｂの相対位置が変動し、電磁誘導による発電がなされる。したがって、摺動部材２０２、支持部材２０３ａ及び支持部材２０４ａを摩擦係数の小さいバイオマス含有材料からなるものとすることによって、発電性能を向上させることが可能である。

なお、本実施形態において、コイル２０３ｂに替えて電極を配置し、磁石２０４ｂに替えてエレクトレット等の誘導体を配置することにより、電極とエレクトレットの静電誘導によってこれらの間に電位差を生じさせ、発電させることも可能である。

（第３の実施形態）
本技術の第３の実施形態に係る発電機について説明する。本実施形態に係る発電機において、発電部以外の構成は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

図１０は、本実施形態に係る発電機の発電部３０１を示す模式図である。図１０（ａ）は発電部３０１の平面図であり、図１０（ｂ）は発電部３０１の断面図である。同図に示すように、発電部３０１は、摺動部材３０２、コイル３０３、磁石３０４を有する。摺動部材３０２は、図示しない筐体に固定され、コイル３０３及び磁石３０４はそれぞれ摺動部材３０２に摺動可能に装着されている。

摺動部材３０２は、コイル３０３及び磁石３０４の摺動部材３０２に対する摺動を可能とする部材である。具体的には、摺動部材３０２は内周空間と外周空間を有する２重の筒形状を有し、内周空間にコイル３０３を、外周空間に磁石３０４を収容可能に構成されている。コイル３０３及び磁石３０４は摺動部材３０２に固定されず、即ち摺動部材３０２が水平面に対して傾けられ、又は振動を加えられると、それぞれが摺動部材３０２に対して摺動する。なお、摺動部材３０２は２重の筒形状に限られず、コイル３０３及び磁石３０４の摺動を可能とする形状であればよい。摺動部材３０２は、第１の実施形態と同様にバイオマス含有材料からなるものとすることができる。

コイル３０３は、摺動部材３０２の内周空間に摺動可能に収容されている。コイル３０３は、発電機が傾けられ、又は振動が加えられると摺動部材３０２内を摺動する。コイル３０３の形状や材質は特に限定されないが、摺動部材３０２に対する摩擦係数の小さいものが好適である。

磁石３０４は、摺動部材３０２の外周空間に摺動可能に収容されている。磁石３０４は、円筒状形状を有するものとすることができるが、その形状は特に限定されない。磁石３０４は、発電機が傾けられ、又は振動が加えられると摺動部材３０２内を摺動する。

このように、コイル３０３と磁石３０４が摺動部材３０２内を独立して摺動することにより、コイル３０３と磁石３０４の相対位置が変動し、電磁誘導による発電がなされる。したがって、摺動部材３０２を摩擦係数の小さいバイオマス含有材料からなるものとすることによって、発電性能を向上させることが可能である。

なお、本実施形態において、コイル３０３に替えて電極を配置し、磁石３０４に替えてエレクトレット等の誘導体を配置することにより、電極とエレクトレットの静電誘導によってこれらの間に電位差を生じさせ、発電させるものとすることも可能である。

（第４の実施形態）
本技術の第４の実施形態に係る発電機について説明する。本実施形態に係る発電機において、発電部以外の構成は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

図１１は、本実施形態に係る発電機の発電部４０１を示す模式図である。図１１（ａ）は発電部４０１の平面図であり、図１１（ｂ）は発電部４０１の断面図である。同図に示すように、発電部４０１は、摺動部材４０２、誘電体４０３、誘導回路４０４及び支持部材４０５を有する。摺動部材４０２及び支持部材４０５は図示しない筐体に固定され、誘電体４０３は摺動部材４０２に摺動可能に収容されている。誘導回路４０４は支持部材４０５に固定されている。

摺動部材４０２は、誘電体４０３の摺動部材４０２に対する摺動を可能とする部材である。具体的には、摺動部材４０２は筒形状を有し、その内部に誘電体４０３を収容可能に構成されている。なお、摺動部材４０２は筒形状に限られず、誘電体４０３の摺動を可能とする形状であればよい。摺動部材４０２は、第１の実施形態と同様にバイオマス含有材料からなるものとすることができる。

誘電体４０３は、誘電性材料からなり、摺動部材４０２に摺動可能に収容されている。誘電体４０３は摺動部材４０２に固定されず、即ち摺動部材４０２が水平面に対して傾けられ、又は振動を加えられると、摺動部材４０２に対して摺動する。誘電体４０３の形状や材質は特に限定されないが、摺動部材４０２に対する摩擦係数の小さいものが好適である。

誘導回路４０４は、誘電体４０３との間で静電誘導を生じる回路であり、その構成は特に限定されない。誘導回路４０４は、支持部材４０５に支持され、筐体に対してその位置が固定されている。

支持部材４０５は、誘導回路４０４を筐体に支持する。支持部材４０５の材質や形状は特に限定されないが、支持部材４０５を第１の実施形態と同様に各種バイオマス含有材料からなるものとすることにより、これにより発電機の製造に必要なエネルギーを低減することが可能である。

発電機に振動や傾きが加えられると、誘電体４０３が摺動部材４０２内を摺動し、誘電体４０３と誘導回路４０４の間で静電誘導による電位差が生じる。したがって、摺動部材４０２を摩擦係数の小さいバイオマス含有材料からなるものとすることによって、発電性能を向上させることが可能である。

なお、本実施形態において、誘電体４０３と誘導回路４０４は逆であってもよい。即ち、誘導回路４０４が摺動部材４０２に収容されて摺動部材４０２内を摺動し、誘電体４０３は支持部材４０５に固定されるものとすることも可能である。

（第５の実施形態）
本技術の第５の実施形態に係る発電機について説明する。本実施形態に係る発電機において、摺動部以外の構成は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

図１２は、本実施形態に係る発電機の摺動部５０１を示す模式図である。図１２（ａ）は摺動部５０１の平面図（上面図）であり、図１２（ｂ）は摺動部５０１の断面図である。同図に示すように、摺動部５０１は、摺動部材５０２、回転体５０３及びガイド５０４を示す。ガイド５０４は図示しない筐体に固定され、摺動部材５０２はガイド５０４に固定されている。回転体５０３は、図１２のように球体状であり、回転体５０３に設けられた二つの突起部を介して、摺動部材５０２に摺動可能に嵌合されている。また、図示しないが、発電素子である回転体５０３の対となる構造体が回転体５０３の周囲に設けられており、回転体５０３と構造体の間の相対位置の変動によって発電することができる。

ここで摺動部材５０２は、発電機に用いられるベアリングまたは軸受（回転体５０３との接触部品）を表している。いわゆるジャイロ発電方式などでは、一般的に、直接回転体に磁石などを埋め込んで発電するタイプのものと、回転体とその相対運動をする部分には発電素子を入れず、歳差運動を発生させるタイプのものが利用される。後者の場合は発電素子の対となる部材は回転体には関係のない箇所に設置する。ただし、回転体の速度を維持するため、外力を加えるので、この外力を少しでも少なくするように回転体の周囲の摩擦を減らしたいという要求がある。この場合、結果的に発電素子と対になる部材が仮に回転体の周りにないとしても間接的に回転体の周囲の摩擦を減らすことでシステム効率が上がる。

摺動部材５０２は、回転体５０３の摺動部材に対する摺動を可能とする部材である。具体的には摺動部材５０２は、環状のレール状形状を有するものとすることができる。なお、摺動部材５０２はこのような形状に限られず、回転体５０３の摺動を可能とする形状であればよい。摺動部材５０２は、第１の実施形態と同様にバイオマス含有材料からなるものとすることができる。

回転体５０３は、摺動部材５０２に対して摺動することにより、回転する。回転体５０３には、上述したような発電素子の対（コイルと磁石、エレクトレットを含む誘電体と誘導回路）のいずれかのうち、一方の発電素子が収容されていてもよいし、発電素子の対は他の場所に設けられていてもよい。また、回転体５０３は、バイオマス含有材料からなるものとすることができる。この場合には、摺動部材５０２はバイオマス含有材料からなるものでなくてもよいが、バイオマス含有材料からなるものとすることが望ましい。

ガイド５０４は、回転体５０３に収容されている発電素子と対となる発電素子が収容されているものとすることができる。また、ガイド５０４もバイオマス含有材料からなるものとすることができる。

回転体５０３に上述したような発電素子の対（コイルと磁石、エレクトレットを含む誘導体と誘導回路）のいずれかのうち、一方の発電素子が収容されていた場合、回転体５０３が摺動部材５０２と摺動し、ガイド５０４に対して回転すると、回転体５０３とガイド５０４にそれぞれ収容されている発電素子の対の相対位置が変動し、発電が生じる。また、回転体５０３に上述したような発電素子の対（コイルと磁石、エレクトレットを含む誘電体と誘導回路）のいずれかのうち、一方の発電素子が収容されていない場合であっても、例えば回転体５０３の回転により、歳差運動を利用する場合は回転体５０３を外部エネルギーにより初期回転もしくは回転維持する必要があり、摩擦が大きいと消費電力を必要とする。したがって、摺動部材５０２を摩擦係数の小さいバイオマス含有材料からなるものとすることによって、消費電力を抑え、発電効率を向上させることが可能である。

図１３乃至図１５に、本実施形態に係る摺動部５０１の他の形態を示す。各図（ａ）はは摺動部５０１の平面図（上面図）であり、各図（ｂ）は摺動部５０１の断面図である。これらの図に示すように、回転体５０３や摺動部材５０２の形状は適宜変更することが可能である。

図１３は、図１２の球体状の回転体５０３に代えて、円柱状の回転体５０３を用いた場合の例を示す。

図１４の摺動部５０１では、球体状の回転体５０３が、回転体５０３に設けられた一つの突起部を介して、摺動部材５０２に摺動可能に嵌合されている。摺動部材５０２はガイド５０４の略中央部に設けられており、ガイド５０４は図示しない筐体に固定されている。

図１５は、図１４の球体状の回転体５０３に代えて、円柱状の回転体５０３を用いた場合の例を示す。

なお、図１３〜図１５の構成において、図示しないが、発電素子である回転体５０３の対となる構造体が回転体５０３の周囲に設けられており、回転体５０３と構造体の間の相対位置の変動によって発電することができる。

なお、図１２〜図１５で示した摺動部５０１、摺動部材５０２、回転体５０３、ガイド５０４等の形状、構成は例示であって、他の形状、構成を採用することも可能である。

（応用例）
上記各実施形態に係る発電機の応用例について説明する。

［応用例１］
教育用振動発電キット：ＣＥ（Consumer Electronics）機器ほどハイスペックではなく、耐久性が限定されないもの

本技術の応用例１として教育用振動発電キットを示す。本振動発電機は例えば電磁誘導方式を使ったものであり、発電のしくみを学習するための学習教材である。この用途に要求される特性としては内部構造の視認性が高いこと、組み立てが容易であることが求められる。

また、このような発電機は、腕力の弱い子供が扱う場合が多いため、低加速度、低周波数での振動であっても磁石を動き易くするため、摺動部材は静止摩擦係数・動摩擦係数が小さい材料である必要がある。これらを実現する樹脂材料として摺動部材には、バイオマス含有材料であるポリメタクリル酸メチル／ポリ乳酸混合樹脂（上記材料Ａ）を用いることができる。

材料Ａは、摩擦摺動性において優れた摩擦性を持ち、透明性も備える。図３によれば、ＪＩＳ−Ｋ７１２５準拠法で測定した静止摩擦係数は、非バイオマス材料であるポリメタクリル酸メチル樹脂（上記材料Ｄ）の静止摩擦係数が０．２３であるのに対し、材料Ａ〜Ｃは０．１９以下と２〜３割程度低い値を有している。動摩擦係数についてもＪＩＳ−Ｋ７２１８Ａ法準拠滑り摩耗試験の結果、比較例における材料Ｄの６０分時及び１００分時における動摩擦係数が０．４７であるのに対し、本発明に係る材料Ａ〜Ｃの動摩擦係数は０．４４以下と低い値を示している。

この結果、磁石が動く最低加速度が０．５４Ｇから０．１７Ｇと６８．５％低減している。これにより発電下限界振動においては従来の材料を摺動部材に使用した場合とバイオマス含有材料を使用した場合とで１００倍程度の出力差が確認された。コイルストッパについてはポリアミド樹脂（上記材料Ｃ）からなるものとすることができる。従来はシリコーンゴムやゴム材料が使われているが、コイルを担持するのに十分な剛性を得られなく、透明性もない。

これに対して材料Ｃは十分な剛性を持ち、かつ透明性がある。磁石抜け防止ストッパーについてはＰＡ（polyamide）を使用することで弾性をいかした磁石の固定および、磁石の筺体への衝突による筺体破壊の防止、さらに運動エネルギーのロスをなくす構造が実現可能である。筺体材料についてはポリアミド樹脂（上記材料Ｂ）を使用する。これにより透明性・耐衝撃性・対擦過性を従来のＰＰ（polypropylene）に比べ改善できる。このように従来の機能面よりもすぐれた環境配慮材料を使うことで従来のデバイスよりも高機能なデバイスを実現できるだけではなく、同様の性能を得る場合に、コストでも優位性を得ることが可能である。

［応用例２］
ＣＥ（Consumer Electronics）機器：携行し使うもので３年程度の耐久性が求められるもの

本技術の応用例２として発電機一体型携帯型電子機器を示す。本機器は小型であり、人が携帯可能な機器であり、音楽再生・動画再生・静止画再生・録音・録画・通信・演算回路による処理を行う機能のうちいずれかもしくは一部を備える機器である。意匠性、耐久性（落下衝撃・経年劣化少なきこと・防水・防汚性）、難燃性が求められる。また、携行することで発電することが要求される場合、より低加速度での発電が求められる。

また、振動周波数は低い（１ｋＨｚ程度）。ゆえに本機器は応用例１に挙げた構成に加え、電気製品に対応した環境配慮材料である必要がある。とくに筺体は一般的に難燃性及び落下衝撃強度が十分である必要があり、図４に掲げるような、難燃性がＵＬ９４ＨＢに相当し、落下衝撃（シャルピー衝撃強度）が９〜１０ｋＪ／ｍ^２に相当するひまし油由来のポリアミド材料（上記材料ＢまたはＣ）を利用するのが望ましい。このような材料を使用しても応用例１に挙げた機能を有するため、従来材料で同様の性能を得る場合に比較し、コストで優位性を得ることが可能である。

なお、図４でいう難燃性のＵＬ９４規格とは、装置及び器具部品のプラスチック材料燃焼性試験で、材料の燃えにくさの度合いを表す規格であり、その規格の中でも今回のバイオマス含有材料Ａ〜Ｃは、ＵＬ９４ＨＢ試験をクリアするものである。当該試験は、試験片(１２５±５×１３±０．５×ｔｍｍ）を水平に保持し、２０ｍｍ炎を３０秒間接炎し、標線間７５ｍｍの燃焼速度により判定を行う。

［応用例３］
ワイヤレスセンサ：設置後移動体で５年程度使うもの（小型／薄型構造）

本技術の応用例３としてワイヤレスセンサを示す。小型・薄型であることが要求される。この応用例の動作環境は振動周波数が高く、加速度が大きく（３Ｇ以上の加速度への対応が必要）、振動周波数も高い（１ｋＨｚ以上）ことが多い、１００℃以上の高温部分も存在する。意匠性は必要とされることはない。発電機としては移動体の振動による発電・熱といった発電が想定される。想定される発電機と使用環境が高熱・高衝撃下であることを考慮すれば、環境配慮材料として、廃光学ディスク等を原料とする再生材PC（Polycarbonate）が好適である。同様の性能を得る場合に、コストでも優位性を得ることが可能である。

［応用例４］
無電源スイッチ：設置後同じ場所で１０年程度使うもの・変色しないもの

本技術の応用例４として無電源スイッチを示す。応用例１乃至３に比較し、設置数が多く意匠性・防汚性が求められる。一方で室内利用において、温湿度環境はある程度一定であり、耐熱性も必要とされない。スイッチを押す動作などの人力を用いた発電、太陽光・熱・電波・糖など様々な発電機の利用が想定される。意匠性の高さと耐環境劣化の低さから耐久性を改善したポリ乳酸組成物やポリアミド系材料が相当する。このようにすることで従来材料と同様の性能を得る場合に、コストでも優位性を得ることが可能である。

［応用例５］
動物生態系調査用センサ、環境センサ：取り付け後２、３年程度で分解するもの・環境低負荷求められるもの・動物を傷つけない（低殺傷性）もの・食べても害にならないもの

本技術の応用例５として、動物生態系調査のための発電機一体型モニタリングセンサもしくは農業・環境測定に用いる環境センサを挙げる。応用例１乃至４に比較し、設置数は格段に多く、回収をしないことも多い。−６０℃〜６０℃程度と幅広い温度・高湿への対応、雨・水に対する防水・耐酸性、対紫外線対策が必要となる。高温側はさほど高温ではないものの、応用例１乃至４に比較し、屋外で用いるための耐久性とデバイスそのものが環境低付加材料であることが求められる。

また発電に関する環境としては極端に大きな加速度はなく３Ｇ以下である。振動周波数も小さく１ｋＨｚ以下である。発電機としては動物の動作、風・水などの圧力差を用いた振動発電、温度差・温度変動を用いた熱発電、太陽発電や木と土のイオン濃度差をつかった発電、電波発電などが挙げられる。環境と発電機から応用例１に示した低周波・低加速度にあった材料Ａの利用や、耐候性や要生分解性の観点から、デンプン由来ポリ乳酸を主成分とする材料を利用する。こうすることで、従来材料で同様の性能を得る場合に、コストでも優位性を得ることが可能である。

本技術は、上記各実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において変更することが可能である。例えば、本実施形態では筒状の発電機を中心に説明したが、球体状やその他の形状の発電機にも本開示を適用することができる。その際、球体状の発電機においては、特に上述した図１２〜１６の摺動部を採用することが可能である。

なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。

（１）
バイオマス含有材料からなる摺動部材と、
上記摺動部材に対して摺動する第１の発電素子と、
上記第１の発電素子に対する相対位置が変動することによって電力を生成する第２の発電素子と
を具備する発電機。

（２）
上記（１）に記載の発電機であって、
上記第２の発電素子は、上記摺動部材に対して摺動する
発電機。

（３）
上記（１）又は（２）に記載の発電機であって、
上記バイオマス含有材料は、ポリメタクリル酸メチル／ポリ乳酸混合樹脂である
発電機。

（４）
上記（１）から（３）のいずれか一つに記載の発電機であって、
上記バイオマス含有材料は、ひまし油由来ポリアミド樹脂である
発電機。

（５）
上記（１）から（４）のいずれか一つに記載の発電機であって、
上記バイオマス含有材料は、デンプン由来ポリ乳酸樹脂である
発電機。

（６）
上記（１）から（５）のいずれか一つに記載の発電機であって、
上記第１の発電素子は磁石であり、
上記第２の発電素子はコイルである
発電機。

（７）
上記（１）から（５）のいずれか一つに記載の発電機であって、
上記第１の発電素子はエレクトレットを含む誘電体であり、
上記第２の発電素子は誘導回路である
発電機。

（８）
上記（１）から（５）のいずれか一つに記載の発電機であって、
上記第１の発電素子は圧電素子であり、
上記第２の発電素子は圧電素子に応力を加える構造体である
発電機。

（９）
上記（１）から（５）のいずれか一つに記載の発電機であって、
上記第１の発電素子は逆磁歪素子であり、
上記第２の発電素子は逆磁歪素子に応力を加える構造体である
発電機。

（１０）
上記（１）から（９）のいずれか一つに記載の発電機であって、
バイオマス含有材料からなり、上記摺動部材、上記第１の発電素子及び上記第２の発電素子を収容する筐体と、
バイオマス含有材料からなり、上記摺動部材を上記筐体に固定する固定部材と
をさらに具備する発電機。

（１１）
上記（１）から（１０）のいずれか一つに記載の発電機であって、
上記第１の発電素子は、上記摺動部材に対して摺動する回転体であって、
上記第２の発電素子は、上記回転体の周囲に設けられた構造体である
発電機。

（１２）
上記（１１）に記載の発電機であって、
上記回転体はバイオマス含有材料からなる
発電機。

１００…発電機
１０１…筐体
１０２、２０１、３０１、４０１…発電部
１０５、２０２、３０２、４０２、５０２…摺動部材
１０６、３０３…コイル
１０７…コイルストッパ
１０８、３０４…磁石
２０３…コイル部品
２０３ｂ…コイル
２０４…磁石部品
２０４ｂ…磁石
４０３…誘電体
４０４…誘導回路
５０１…摺動部
５０３…回転体

Claims

ポリメタクリル酸メチル／ポリ乳酸混合樹脂からなり、筒形状を有する摺動部材と、
前記摺動部材に収容され、前記摺動部材に対して摺動する第１の発電素子と、
前記摺動部材の外周に配置され、前記第１の発電素子に対する相対位置が変動することによって電力を生成する第２の発電素子と
ポリメタクリル酸メチル／ポリ乳酸混合樹脂からなる筐体と、
ポリメタクリル酸メチル／ポリ乳酸混合樹脂からなり、前記摺動部材と前記筐体の間に配置され、前記摺動部材を前記筐体に対して固定し、かつ前記第２の発電素子の前記筐体に対する移動を防止する固定部材と
を具備する発電機。
請求項１に記載の発電機であって、
前記第１の発電素子は磁石であり、
前記第２の発電素子はコイルである
発電機。
請求項１に記載の発電機であって、
前記第１の発電素子はエレクトレットを含む誘電体であり、
前記第２の発電素子は誘導回路である
発電機。