JP6424485B2 - 発電装置およびこれを備えた電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、発電装置およびこれを備えた電子機器に関する。
従来、発電装置としては火力、水力、原子力、風力などを利用して発電機を回転駆動して発電するものが一般的である。また、携帯機器においては、太陽光や照明光などにより発電する太陽電池や日常的な振動を利用して発電する発電装置として例えば下記特許文献1に記載されたものが知られている。
図7は、当該特許文献1に記載された発電装置の構成例を示す図である。図7の構成例において発電装置100は、弾性体31,錘体32,変位伝達部材33,圧電体34,支持体35,整流回路36,充電回路37及び発振回路38を備えており、弾性体31と錘体32のバネ定数と質量で決まる一定の共振周波数で振動する場合のみ大きな発電量を得る。
特開2000−197373号公報(図3)
図7に示された従来の発電装置では、日常的な環境振動が一定の周波数で振動することは稀であり、ある一定の幅を持った周波数帯域にて振動するので、図7に示された従来の発電装置を用いて日常的な環境振動で発電する場合は十分な発電量が得られないという問題があった。
そこで本発明は、上記問題点を解決すべく、日常的に広く発生している環境振動現象から効率的に電力を取り出すために、広い周波数帯域にて大きな発電量を得ることのできる発電装置およびこれを備えた電子機器を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため請求項記載の発明では、振動源から振動を受ける支持体と、前記支持体に固定されて振動し、該振動に伴う磁歪手段への応力が因となって逆磁歪効果を生じることで磁束が変化して逆起電力を生むように構成された少なくとも2つ以上の振動電力変換手段と、前記少なくとも2つ以上の振動電力変換手段に1つずつ接続されて振動するように構成された少なくとも2つ以上の錘体とを有し、前記少なくとも2つ以上の振動電力変換手段がそれぞれ異なる共振周波数で振動するように、前記複数の錘体の重量を全て異ならせており、前記錘体と前記支持体の対向位置に永久磁石と電磁石を更に備え、該電磁石の極性を変えることで反発力と吸引力とを選択的に発生させるようにし、前記反発力及び前記吸引力の方向は、前記錘体の振動方向に対して平行であることを特徴とする。
また請求項記載の発明では、振動源から振動を受ける支持体と、前記支持体に固定されて振動し、該振動に伴う磁歪手段への応力が因となって逆磁歪効果を生じることで磁束が変化して逆起電力を生むように構成された少なくとも2つ以上の振動電力変換手段と、前記少なくとも2つ以上の振動電力変換手段に1つずつ接続されて振動するように構成された少なくとも2つ以上の錘体とを有し、前記少なくとも2つ以上の振動電力変換手段がそれぞれ異なる共振周波数で振動するように、前記複数の錘体の重量を全て異ならせており、前記錘体と前記支持体の対向位置に一対の永久磁石を更に備え、該一対の永久磁石が互いに反発するよう極性が設定されており、前記反発する方向は、前記錘体の振動方向に対して平行であることを特徴とする。
また請求項記載の発明では、振動源から振動を受ける支持体と、前記支持体に固定されて振動し、該振動に伴う磁歪手段への応力が因となって逆磁歪効果を生じることで磁束が変化して逆起電力を生むように構成された振動電力変換手段と、前記振動電力変換手段に接続されて振動するように構成された錘体とを有し、前記錘体と前記支持体の対向位置に永久磁石と電磁石が備えられ、該電磁石の極性を変えることで反発力と吸引力とを選択的に発生させるようにし、前記反発力及び前記吸引力の方向は、前記錘体の振動方向に対して平行であることを特徴とする。
また請求項記載の発明では、振動源から振動を受ける支持体と、前記支持体に固定されて振動し、該振動に伴う磁歪手段への応力が因となって逆磁歪効果を生じることで磁束が変化して逆起電力を生むように構成された少なくとも2つ以上の振動電力変換手段と、前記少なくとも2つ以上の振動電力変換手段に1つずつ接続されて振動するように構成された少なくとも2つ以上の錘体とを有し、前記複数の錘体の重量を全て同じにさせており、前記錘体と前記支持体の対向位置に永久磁石と電磁石を更に備え、該電磁石の極性を変えることで反発力と吸引力とを選択的に発生させるようにし、前記反発力及び前記吸引力の方向は、前記錘体の振動方向に対して平行であることを特徴とする。
また請求項記載の発明では、振動源から振動を受ける支持体と、前記支持体に固定されて振動し、該振動に伴う磁歪手段への応力が因となって逆磁歪効果を生じることで磁束が変化して逆起電力を生むように構成された少なくとも2つ以上の振動電力変換手段と、前記少なくとも2つ以上の振動電力変換手段に1つずつ接続されて振動するように構成された少なくとも2つ以上の錘体とを有し、前記複数の錘体の重量を全て同じにさせており、
前記錘体と前記支持体の対向位置に一対の永久磁石を更に備え、該一対の永久磁石が互いに反発するよう極性が設定されており、前記反発する方向は、前記錘体の振動方向に対して平行であることを特徴とする。
また請求項記載の発明では、振動源から振動を受ける支持体と、前記支持体に固定されて振動し、該振動に伴う磁歪手段への応力が因となって逆磁歪効果を生じることで磁束が変化して逆起電力を生むように構成された振動電力変換手段と、前記振動電力変換手段に接続されて振動するように構成された錘体とを有し、前記錘体と前記支持体の対向位置に一対の永久磁石が備えられており、該一対の永久磁石が互いに反発するよう極性が設定されており、前記反発する方向は、前記錘体の振動方向に対して平行であることを特徴とする。
また請求項記載の発明では、上記請求項1ないしのいずれかに記載された発電装置を備えて構成される電子機器であることを特徴とする。
本発明によれば、日常的なランダムな周波数による環境振動から効率的に電力を取り出すことが可能となるので、従来は浪費されていた振動エネルギーを有効活用できるとともに、電源施設やバッテリ交換が必要であったワイヤレスセンサの動作電源として用いることでメンテナンスフリー化することが可能となる。
本発明の第1の実施形態に係る発電装置の構成を示す図である。 本発明の第1の実施形態に係る発電装置の他の構成例(その1)を示す図である。 本発明の第1の実施形態に係る発電装置の他の構成例(その2)を示す図である。 本発明の第2の実施形態に係る発電装置の構成を示す図である。 本発明の第3の実施形態に係る発電装置の構成を示す図である。 第1ないし第3の実施形態に係る発電装置に用いられる電源回路の構成を示す図である。 従来の発電装置の一構成例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
[実施形態1]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る発電装置の構成を示す図である。図1において、本発明の第1の実施形態に係る発電装置1aは、フレーム3aに固定された支柱8aの左右に複数の振動電力変換装置を設けるように構成したものである。すなわち、第1の振動電力変換装置は、ヨーク6aに接続された錘2aと、振動源10に固定されたフレーム3aと、磁歪素子4aと、磁歪素子4aに巻回された磁気コイル5aと、一方が支柱8aに固定され、他方が錘2aに接続された磁性部材で構成されたヨーク6aと、ヨーク6aと磁歪素子4aに接続されたバイアス磁界用永久磁石7a,7bと、フレーム3aに固定された支柱8aと、磁気コイル5aに接続された電源回路9aと、振動源10と、により構成されている。なお、ヨーク6aと永久磁石7aと磁歪素子4aと永久磁石7bとで磁気回路を構成する。
そして、図左端に示される上下矢印方向に振動する振動源10の振動によりフレーム3aおよび支柱8aが振動することで、錘2aとヨーク6aと磁歪素子4aと磁気コイル5aと永久磁石7a,7bで構成された共振手段が、以下に示す式(1)にしたがって共振する。
ここで、k は共振手段の実質的な弾性率に対応するバネ定数値、m は共振手段の実質的な質量に相当する質量値である。f は共振周波数で、共振手段のバネ定数値k や質量値m が一定であれば所定値となる。
共振により磁歪素子4aが伸縮すると、逆磁歪効果により磁歪素子4aの磁束が変化するので、これにより磁気コイル5aに逆起電力が発生する。したがって、ヨーク6aと永久磁石7aと磁歪素子4aと永久磁石7bは(第1の)振動電力変換装置を構成する。
また第2の振動電力変換装置は、ヨーク6bに接続された錘2bと、振動源10に固定されたフレーム3aと、磁歪素子4bと、磁歪素子4bに巻回された磁気コイル5bと、一方が支柱8aに固定され、他方が錘2bに接続された磁性部材で構成されたヨーク6bと、ヨーク6bと磁歪素子4bに接続されたバイアス磁界用永久磁石7c,7dと、フレーム3aに固定された支柱8aと、磁気コイル5bに接続された電源回路9bと、振動源10と、により構成されている。なお、ヨーク6bと永久磁石7cと磁歪素子4bと永久磁石7dとで磁気回路を構成する。
そして、図左端に示される上下矢印方向に振動する振動源10の振動によりフレーム3aおよび支柱8aが振動することで、錘2bとヨーク6bと磁歪素子4bと磁気コイル5bと永久磁石7c,7dで構成された共振手段が、上記した式(1)にしたがって共振する。
共振により磁歪素子4bが伸縮すると、逆磁歪効果により磁歪素子4bの磁束が変化するので、これにより磁気コイル5bに逆起電力が発生する。したがって、ヨーク6bと永久磁石7cと磁歪素子4bと永久磁石7dは(第2の)振動電力変換装置を構成する。
上記において第1の振動電力変換装置に含まれる錘2aと第2の振動電力変換装置に含まれる錘2bは、質量が異なるようにされており、したがって振動源10で発生する振動によってそれぞれ第1の振動電力変換装置の共振周波数と第2の振動電力変換装置の共振周波数は異なるものとなるため、振動電力変換装置で発電できる周波数帯域が広がり、広い周波数帯域において大きな発電量を得ることができる。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る発電装置の他の構成例(その1)を示す図である。図2において、本発明の他の構成例(その1)に係る発電装置1a’は、図1に示した本発明の第1の実施形態に係る発電装置1aの錘2aとフレーム3aにそれぞれ永久磁石11a、11bを設けるとともに、錘2bとフレーム3aにそれぞれ永久磁石11c、11dを設けるように構成した点を除き、その余の構成は図1に示した本発明の第1の実施形態に係る発電装置1aと同じであるため、説明を省略することにする。
図2においては、永久磁石11aと11b、および、永久磁石11cと11dはそれぞれお互いの磁力で反発するように極性が設定されている。このため、共振による錘2aおよび錘2bの振動に対して反発力が加わることにより、より大きな加速度が発生するので、結果的に第1および第2の振動電力変換装置として大きな発電量が得られるようにしている。また図1に示した本発明の第1の実施形態に係る発電装置1aと同様に、第1の振動電力変換装置に含まれる錘2aと第2の振動電力変換装置に含まれる錘2bとでは質量が異なるようにされており、振動源10で発生する振動によってそれぞれ第1の振動電力変換装置の共振周波数と第2の振動電力変換装置の共振周波数は異なるものとなるため、振動電力変換装置で発電できる周波数帯域が広がり、広い周波数帯域において大きな発電量を得ることができる。
図3は、本発明の第1の実施形態に係る発電装置の他の構成例(その2)を示す図である。図3において、本発明の他の構成例(その2)に係る発電装置1a’’は、図1に示した本発明の第1の実施形態に係る発電装置1aの錘2aとフレーム3aに永久磁石11aと電磁石11eを設けるとともに、錘2bとフレーム3aに永久磁石11cと電磁石11fを設けるように構成した点を除き、その余の構成は図1に示した本発明の第1の実施形態に係る発電装置1aと同じであるため説明を省略することにする。
図3においては、永久磁石11aと電磁石11e、および、永久磁石11cと電磁石11fを設けており、電磁石11e,11fに加える極性により永久磁石11a,11cとの間で反発力および吸引力を発生させることができるようにしている。
電磁石11e,11fの各極性をそれぞれ永久磁石11a,11cとの間で互いに反発するように設定した場合は、図2に示した本発明の第1の実施形態に係る発電装置の他の構成例(その1)の場合と同様となり、共振による錘2aおよび錘2bの振動に対して反発力が加えられてより大きな加速度が発生するので、結果的に第1および第2の振動電力変換装置として大きな発電量が得られる。一方、電磁石11e,11fの各極性をそれぞれ永久磁石11a,11cとの間で互いに吸引するように設定した場合は、第1および第2の振動電力変換装置の共振周波数の調整が可能となるので、振動源10の振動周波数が共振手段の共振周波数から外れている場合に、共振周波数を調整することで大きな発電量を得ることが可能となる。
以上、図1ないし図3に示した本発明の第1の実施形態に係る発電装置は、フレーム3aに固定された支柱8aの左右に複数の振動電力変換装置を備えた構成としたことにより、錘2a,2bの重量を変えた場合は第1の振動電力変換装置および第2の振動電力変換装置で共振周波数を異なるものにすることができるので、錘2a,2bの重量を適切に変えることで振動源10の振動周波数がある帯域幅で変化した場合でも安定した発電量を得ることが可能になる。
一方、錘2a,2bの重量を同じにした場合は、第1の振動電力変換装置および第2の振動電力変換装置で共振周波数が同じになるので、全体として一つの振動電力変換装置を構成したことになり、一つの振動電力変換装置から大きな発電量を得ることが可能となる。なお図示例は、錘2a,2bの重量を変えた場合における構成例を示したもので、錘2a,2bの重量が同じ場合については図示省略している。
ここで本発明の実施形態に係る電源回路9a〜9dの構成について図6を用いて説明する。図6では、図1ないし図3に示した第1の実施形態に係る発電装置で用いられる電源回路の構成例について説明するが、第2および第3の実施形態に係る発電装置においても構成は基本的に同じであるのでその説明を省略することにする。すなわち、
図1ないし図3に示した電源回路9a,9bを合わせた全体の電源回路は、図6に示すように、磁気コイル(コイル巻線)5a,5bに発生する交流電流を整流する整流手段91,97、整流手段91,97で整流された脈流を平滑する平滑手段92,98、二次電池やコンデンサで構成される蓄電手段94、蓄電手段94に蓄電された電力を出力端子96に出力する出力手段95、および、平滑手段92,98の平滑出力を充電入力として蓄電手段94に蓄電させ、蓄電手段94に蓄電された電力を出力手段95から出力端子96に出力する制御を行う制御手段93を備えて構成されている。ここで、磁気コイル(コイル巻線)5aに対応する整流手段91および平滑手段92は電源回路9a内に設けられ、磁気コイル(コイル巻線)5bに対応する整流手段97および平滑手段98は電源回路9b内に設けられる。磁気コイル(コイル巻線)5aおよび磁気コイル(コイル巻線)5bに対して共通の回路要素である蓄電手段94、出力手段95、制御手段93、および、出力端子96は、電源回路9a,9bのいずれに設けてもよい。また、図1ないし図3においては、電源回路9a,9bをそれぞれ独立した回路部として示しているが、電源回路9a,9bを一体の回路部として構成してもよい。なお後述する第2の実施形態に係る発電装置に用いられる電源回路9c、および第3の実施形態に係る発電装置に用いられる電源回路9dについては、磁気コイル(コイル巻線)5aをそれぞれ磁気コイル(コイル巻線)5c,5dと読み替え、また磁気コイル(コイル巻線)5b、整流手段97、平滑手段98が不要になる以外は、図6に示した構成と同様である。
[実施形態2]
図4は、本発明の第2の実施形態に係る発電装置の構成を示す図である。図4において、本発明の第2の実施形態に係る発電装置1bは、ヨーク6cに接続された錘2cと、振動源10に固定されたフレーム3bと、磁歪素子4cと、磁歪素子4cに巻回された磁気コイル5cと、一方が支柱8bに固定され、他方が錘2cに接続された磁性部材で構成されたヨーク6cと、ヨーク6cと磁歪素子4cに接続されたバイアス磁界用永久磁石7e,7fと、フレーム3bに固定された支柱8bと、お互いの磁力が反発するように対向位置に錘2cに固定された一方の永久磁石11gとフレーム3bに固定された他方の永久磁石11hと、磁気コイル5cに接続された電源回路9cと、振動源10と、により構成されている。
そして、図左端に示される上下矢印方向に振動する振動源10の振動によりフレーム3bおよび支柱8bが振動することで、錘2cとヨーク6cと磁歪素子4cと磁気コイル5cと永久磁石7e,7fで構成された共振手段が、上記第1の実施形態で説明した式(1)にしたがって共振する。
ヨーク6cと永久磁石7eと磁歪素子4cと永久磁石7fとで磁気回路を構成する。共振により磁歪素子4cが伸縮すると、逆磁歪効果により磁歪素子4cの磁束が変化するので、これにより磁気コイル5cに逆起電力が発生する。したがって、ヨーク6cと永久磁石7eと磁歪素子4cと永久磁石7fは振動電力変換装置を構成する。
永久磁石11gと11hはお互いの磁力で反発するように極性が設定されている。このため、共振による錘2cの振動に対して反発力が加わることにより、より大きな加速度が発生するので、結果的に振動電力変換装置として大きな発電量が得られることになる。
[実施形態3]
図5は、本発明の第3の実施形態に係る発電装置の構成を示す図である。図5において、本発明の第3の実施形態に係る発電装置1cは、図4に示した本発明の第2の実施形態に係る発電装置1bにおける永久磁石11gと永久磁石11hの代わりに、永久磁石11jと電磁石11kを対向させた構成にしたものである。そして本実施形態では、電磁石11kの極性を変える(電流方向を変える)ことで永久磁石11jとの間で反発力と吸引力を発生させることができる。
電磁石11kの極性を変えて反発力を発生させた場合は、上記第2の実施形態と同様の動作となり、上記第2の実施形態と同様に大きな発電量を得ることが可能となる。一方、電磁石11kの極性を変えて吸引力を発生させた場合は、共振周波数の調整が可能となるので、振動源10の振動周波数が共振手段の共振周波数から外れている場合に、共振周波数を調整することで大きな発電量を得ることが可能となる。それ以外の構成は、上記第2の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。また図5では、図4に示したバイアス磁界発生用永久磁石7e,7gの符合を変えてバイアス磁界発生用永久磁石7g,7hとしている。
上述した本発明の発電装置をワイヤレスセンサの電源装置として適用することで、ワイヤレスセンサにおける電力供給に関する問題点を克服することが可能となり、電源施設不要で、メンテナンスフリーなワイヤレスセンサを実現することができる。つまり、ワイヤレスセンサは動作電源として、一般に外部電源からの電力供給やバッテリ搭載による電力供給が必要となるが、外部電源から電力を供給する場合には、電源が近くに無い場合には新たな電源施設を設ける必要があり、またバッテリ搭載を行う場合には、バッテリ寿命に合わせてバッテリ交換を頻繁に行う必要があり、ワイヤレスセンサにおける上述した電力供給における諸問題を本発明の発電装置を適用することで、解決することが可能となる。
1a〜1c 発電装置
2a〜2d 錘
3a〜3c フレーム
4a〜4d 磁歪素子
5a〜5d 磁気コイル(コイル巻線)
6a〜6d ヨーク
7a〜7h バイアス磁界発生用永久磁石
8a〜8c 支柱
9a〜9d 電源回路
10 振動源
11a〜11d,11g〜11h,11j 永久磁石
11e〜11f,11k 電磁石
91,97 整流手段
92,98 平滑手段
93 制御手段
94 蓄電手段
95 出力手段
96 出力端子

Claims (7)

  1. 振動源から振動を受ける支持体と、前記支持体に固定されて振動し、該振動に伴う磁歪手段への応力が因となって逆磁歪効果を生じることで磁束が変化して逆起電力を生むように構成された少なくとも2つ以上の振動電力変換手段と、前記少なくとも2つ以上の振動電力変換手段に1つずつ接続されて振動するように構成された少なくとも2つ以上の錘体とを有し、前記少なくとも2つ以上の振動電力変換手段がそれぞれ異なる共振周波数で振動するように、前記複数の錘体の重量を全て異ならせており、
    前記錘体と前記支持体の対向位置に永久磁石と電磁石を更に備え、該電磁石の極性を変えることで反発力と吸引力とを選択的に発生させるようにし、前記反発力及び前記吸引力の方向は、前記錘体の振動方向に対して平行であることを特徴とする発電装置。
  2. 振動源から振動を受ける支持体と、前記支持体に固定されて振動し、該振動に伴う磁歪手段への応力が因となって逆磁歪効果を生じることで磁束が変化して逆起電力を生むように構成された少なくとも2つ以上の振動電力変換手段と、前記少なくとも2つ以上の振動電力変換手段に1つずつ接続されて振動するように構成された少なくとも2つ以上の錘体とを有し、前記少なくとも2つ以上の振動電力変換手段がそれぞれ異なる共振周波数で振動するように、前記複数の錘体の重量を全て異ならせており、
    前記錘体と前記支持体の対向位置に一対の永久磁石を更に備え、該一対の永久磁石が互いに反発するよう極性が設定されており、前記反発する方向は、前記錘体の振動方向に対して平行であることを特徴とする発電装置。
  3. 振動源から振動を受ける支持体と、前記支持体に固定されて振動し、該振動に伴う磁歪手段への応力が因となって逆磁歪効果を生じることで磁束が変化して逆起電力を生むように構成された振動電力変換手段と、前記振動電力変換手段に接続されて振動するように構成された錘体とを有し、前記錘体と前記支持体の対向位置に永久磁石と電磁石が備えられ、該電磁石の極性を変えることで反発力と吸引力とを選択的に発生させるようにし、前記反発力及び前記吸引力の方向は、前記錘体の振動方向に対して平行であることを特徴とする発電装置。
  4. 振動源から振動を受ける支持体と、前記支持体に固定されて振動し、該振動に伴う磁歪手段への応力が因となって逆磁歪効果を生じることで磁束が変化して逆起電力を生むように構成された少なくとも2つ以上の振動電力変換手段と、前記少なくとも2つ以上の振動電力変換手段に1つずつ接続されて振動するように構成された少なくとも2つ以上の錘体とを有し、前記複数の錘体の重量を全て同じにさせており、
    前記錘体と前記支持体の対向位置に永久磁石と電磁石を更に備え、該電磁石の極性を変えることで反発力と吸引力とを選択的に発生させるようにし、前記反発力及び前記吸引力の方向は、前記錘体の振動方向に対して平行であることを特徴とする発電装置。
  5. 振動源から振動を受ける支持体と、前記支持体に固定されて振動し、該振動に伴う磁歪手段への応力が因となって逆磁歪効果を生じることで磁束が変化して逆起電力を生むように構成された少なくとも2つ以上の振動電力変換手段と、前記少なくとも2つ以上の振動電力変換手段に1つずつ接続されて振動するように構成された少なくとも2つ以上の錘体とを有し、前記複数の錘体の重量を全て同じにさせており、
    前記錘体と前記支持体の対向位置に一対の永久磁石を更に備え、該一対の永久磁石が互いに反発するよう極性が設定されており、前記反発する方向は、前記錘体の振動方向に対して平行であることを特徴とする発電装置。
  6. 振動源から振動を受ける支持体と、前記支持体に固定されて振動し、該振動に伴う磁歪手段への応力が因となって逆磁歪効果を生じることで磁束が変化して逆起電力を生むように構成された振動電力変換手段と、前記振動電力変換手段に接続されて振動するように構成された錘体とを有し、前記錘体と前記支持体の対向位置に一対の永久磁石が備えられており、該一対の永久磁石が互いに反発するよう極性が設定されており、前記反発する方向は、前記錘体の振動方向に対して平行であることを特徴とする発電装置。
  7. 記請求項1ないしのいずれか一項に記載の発電装置を備えて構成されていることを特徴とする電子機器。
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