JP7068680B2

JP7068680B2 - 発電装置

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Publication number: JP7068680B2
Application number: JP2017002753A
Authority: JP
Inventors: 博司徳永
Original assignee: M.T.C CO.LTD
Current assignee: M.T.C CO.LTD
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2037-01-11
Also published as: JP2018113781A

Description

本発明は、発電装置に関し、特に、振動又は回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置に関する。

従来、振動又は回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置として、様々なものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、磁歪素子の逆磁歪効果を利用した発電装置であって、カンチレバーに磁歪素子を取り付けることで、振動エネルギーを電気エネルギーに変換している。

特開２０１５－２９３７７号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、発電装置自体が高い周波数で振動を受ける必要があり、低い周波数で振動が生じる環境下には適用できないという問題がある。

そこで、本発明は、低い周波数で振動又は回転が生じる環境下であっても効率的に振動又は回転エネルギーを電気エネルギーに変換できる発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る発電装置は、第１磁性体が取り付けられ、前記第１磁性体とともに振動又は回転をする動体と、構造物に固定端が固定され、自由端に第２磁性体が取り付けられたカンチレバーと、前記カンチレバーに取り付けられ、前記カンチレバーの振動を受けて発電する発電素子とを備え、前記動体及び前記カンチレバーは、前記動体及び前記カンチレバーが静止している状態で、前記第１磁性体と前記第２磁性体とが所定距離だけ離間して磁界結合するように設置されている。

本発明により、低い周波数で振動又は回転が生じる環境下であっても効率的に振動又は回転エネルギーを電気エネルギーに変換できる発電装置が実現される。

実施の形態１に係る発電装置の構成を示す断面図実施の形態２に係る発電装置の外観図図２Ａの回転体を下方から見た外観図

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、動作手順等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る発電装置１０について説明する。

図１は、実施の形態１に係る発電装置１０の構成を示す断面図である。

発電装置１０は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、動体２０、カンチレバー３０及び発電素子４０を備える。

動体２０は、第１磁性体２２が取り付けられ、第１磁性体２２とともに振動又は回転をするものであり、本実施の形態では、カンチレバー３０の共振周波数（例えば、約３００Ｈｚ）よりも低い共振周波数（例えば、０．１～１０Ｈｚ）をもち、自由端（ここでは、自由端の先端）に接着等によって第１磁性体２２が取り付けられたカンチレバー２１である。カンチレバー２１は、外部から力を受ける構造物２に固定端が固定された片持ち梁であり、例えば、カンチレバー３０と同じ材料（ステンレス等）で構成されるが、レバーの長さがカンチレバー３０よりも長い。また、第１磁性体２２は、鉄等の強磁性材又は永久磁石である。

カンチレバー３０は、構造物４に固定端が固定され、自由端（ここでは、自由端の先端）に接着等で第２磁性体３２が取り付けられた発電用の片持ち梁である。第２磁性体３２は、鉄等の強磁性材又は永久磁石である。なお、第１磁性体２２と第２磁性体３２とは、磁界結合によって相互に吸引力が生じるように、少なくとも一方が永久磁石である。また、構造物４は、構造物２と固定の位置関係にあり、構造物２と同一物又は一体物であってもよいし、別体であってもよい。

発電素子４０は、ボルト絞め又は溶着等による接合によってカンチレバー３０に取り付けられ、カンチレバー３０の振動を受けて伸縮変形することで発電する素子であり、例えば、圧電素子又は磁歪素子である。磁歪素子としては、強度に優れた鉄系の磁歪材料が望ましく、例えば、鉄－ガリウム系合金、鉄－コバルト系合金、鉄－ニッケル系合金等である。また、発電素子４０が磁歪素子である場合には、発電素子４０として、磁歪素子にバイアス磁界を与えるための永久磁石及びヨークが設けられたり、磁歪素子の伸縮変形の繰り返しに伴って逆磁歪作用で惹起される磁界変化を電気エネルギーに変換するための検知コイル等が設けられたりする。なお、カンチレバー３０の自由端に取り付けられた第２磁性体３２が磁歪素子にバイアス磁界を与えるための永久磁石を兼ねてもよい。発電素子４０で生じた電力は配線（図示せず）を介して、ＬＥＤ等の負荷（図示せず）に供給される。

ここで、動体２０としてのカンチレバー２１と発電用のカンチレバー３０とは、それぞれが静止している状態で、カンチレバー２１の自由端に取り付けられた第１磁性体２２とカンチレバー３０の自由端に取り付けられた第２磁性体３２とが所定距離だけ離間して磁界結合するように設置されている。所定距離は、カンチレバー２１及びカンチレバー３０が振動した場合であっても、それぞれの先端に取り付けられた第１磁性体２２と第２磁性体３２とが接触（つまり、干渉）しない範囲で極力接近した距離であり、例えば、５ｍｍ以下、好ましくは、３ｍｍ以下である。

次に、以上のように構成された本実施の形態に係る発電装置１０の動作について説明する。

構造物２が外部からの力（例えば、振動、衝撃、加速度等に基づく力）を受けると、受けた力がカンチレバー２１に伝わり、カンチレバー２１が固有の共振周波数（例えば、０．１～１０Ｈｚ）で振動し、カンチレバー２１の自由端に取り付けられた第１磁性体２２がおもりとなって上下にゆっくりと往復運動をする。

その結果、カンチレバー３０の自由端に取り付けられた第２磁性体３２の近くを第１磁性体２２が通過するごとに、第２磁性体３２が第１磁性体２２との間で吸引力を受け、その吸引力がトリガーとなってカンチレバー３０が自由振動を起こす。カンチレバー３０の共振周波数は、カンチレバー２１の共振周波数よりも高いために（例えば、約３００Ｈｚであり）、カンチレバー２１からカンチレバー３０への振動の伝達時に、振動周波数のアップコンバートが行われる。つまり、カンチレバー３０の自由端に取り付けられた第２磁性体３２は、振動伝達手段として機能するだけでなく、低周波振動用のカンチレバー２１の振動を広帯域化する手段を兼ねている。

カンチレバー３０の振動は、カンチレバー３０に取り付けられた発電素子４０への伸縮変形を引き起こし、これにより、発電素子４０によって発電が行われる。

発電素子４０が磁歪素子である場合には、発電素子４０で生じる起電圧Ｖは、下記の式１で表される。

Ｖ＝ｎ・Ｓ・ω・ｄＢ／ｄｔ（式１）

ここで、ｎは磁歪素子を巻回している検知コイルの巻数、Ｓは磁歪素子を通過する磁力線に垂直な面での磁歪素子の断面積、ωは２πｆ（ｆはカンチレバー３０の共振周波数）、ｄＢ／ｄｔは磁歪素子を通過する磁束密度の時間変化である。

本実施の形態に係る発電装置１０によれば、構造物２が低い周波数で振動する場合であっても、その振動が、振動周波数のアップコンバートによって、カンチレバー３０がもつ高い共振周波数ｆの振動に変換され、上記式１におけるωが大きな値となり、その結果、大きな発電量が得られる。

以上のように、本実施の形態に係る発電装置１０は、第１磁性体２２が取り付けられ、第１磁性体２２とともに振動又は回転をする動体２０と、構造物４に固定端が固定され、自由端に第２磁性体３２が取り付けられたカンチレバー３０と、カンチレバー３０に取り付けられ、カンチレバー３０の振動を受けて発電する発電素子４０とを備える。そして、動体２０及びカンチレバー３０は、動体２０及びカンチレバー３０が静止している状態で、第１磁性体２２と第２磁性体３２とが所定距離だけ離間して磁界結合するように設置されている。

これにより、発電素子４０が取り付けられたカンチレバー３０は、振動又は回転する動体２０との磁界結合によって動体２０から力を受けて自身の固有の共振周波数で自由振動をするので、動体２０が低い周波数で振動又は回転する場合であっても、固有の高い共振周波数で振動し、カンチレバー３０に取り付けられた発電素子４０によって発電され得る。つまり、動体２０からカンチレバー３０に伝達される振動の周波数がアップコンバートされ得るので、低い周波数で振動又は回転が生じる環境下であっても効率的に振動又は回転エネルギーが電気エネルギーに変換される。

また、カンチレバー３０の自由端に取り付けられた第２磁性体３２は、発電素子４０が磁歪素子である場合に、磁歪素子にバイアス磁界を与えるための永久磁石を兼ねることができる。さらに、カンチレバー３０の自由端に取り付けられた第２磁性体３２は、振動伝達手段として機能するだけでなく、低周波振動用のカンチレバー２１の振動を広帯域化する手段を兼ねている。

また、第１磁性体２２及び第２磁性体３２の少なくとも一方は、永久磁石である。

これにより、永久磁石による吸引力によって、カンチレバー３０は、動体２０から力を受けて振動するので、力を伝達するのに電力が必要とされない。

また、本実施の形態では、動体２０は、カンチレバー３０の共振周波数よりも低い共振周波数をもち自由端に第１磁性体２２が取り付けられたカンチレバーである。

これにより、低い共振周波数をもつ第１のカンチレバー２１から高い共振周波数をもつ第２のカンチレバー３０に振動が伝達され、振動周波数のアップコンバートが実現される。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る発電装置１０ａについて説明する。

図２Ａは、実施の形態２に係る発電装置１０ａの外観図である。

発電装置１０ａは、回転又は振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、基本的な構成として、実施の形態１と同様に、動体２０ａ、カンチレバー３０ａ～３０ｃ及び発電素子４０ａ～４０ｃを備える。ただし、本実施の形態では、動体２０ａ及びカンチレバー３０ａ～３０ｃの具体的な構造及び数が実施の形態１と異なる。

動体２０ａは、４つの第１磁性体２２ａ～２２ｄが取り付けられ、第１磁性体２２ａ～２２ｄとともに振動又は回転（ここでは、回転）をするものであり、本実施の形態では、後述するように、受けた振動を回転に変換する機構を有する自転可能な回転体２１ａである。４つの第１磁性体２２ａ～２２ｄは、回転体２１ａの外周に、一定間隔を置いて、接着等で取り付けられている。４つの第１磁性体２２ａ～２２ｄは、実施の形態１と同様に、鉄等の強磁性材又は永久磁石である。

カンチレバー３０ａ～３０ｃは、構造物４に固定端が固定され、それぞれ、自由端（ここでは、自由端の先端）に接着等で第２磁性体３２ａ～３２ｃが取り付けられた発電用の片持ち梁である。本実施の形態では、カンチレバー３０ａ～３０ｃは、回転体２１ａの周辺に、一定間隔を置いて回転体２１ａの回転中心から放射状に延在するように設置されている。つまり、構造物４は、回転体２１ａの外周を囲むような環状構造体として形成され、構造物４の内周側面に、カンチレバー３０ａ～３０ｃが、回転体２１ａの回転中心に向かって延び、かつ、回転体２１ａの回転方向に沿う方向に自由振動できるように、取り付けられている。また、構造物４は、回転体２１ａを構成する一部の構造物（後述する固定板）と接続される等により、回転体２１ａとの位置関係が固定されている。

発電素子４０ａ～４０ｃは、それぞれ、ボルト絞め又は溶着等による接合によってカンチレバー３０ａ～３０ｃに取り付けられ、カンチレバー３０ａ～３０ｃの振動を受けて伸縮変形することで発電する素子であり、例えば、圧電素子又は磁歪素子である。発電素子４０ａ～４０ｃは、配線（図示せず）によって直列又は並列に接続され、発電素子４０ａ～４０ｃからの発電電力が取り出される。

なお、本実施の形態では、カンチレバー、第２磁性体及び発電素子の組が複数設けられているが、各組のカンチレバー、第２磁性体及び発電素子が、実施の形態１におけるカンチレバー３０、第２磁性体３２及び発電素子４０と同じ構成を有する。

図２Ｂは、図２Ａの回転体２１ａを下方から見た外観図である。

回転体２１ａは、振動を回転に変換する機構を有する金属又はＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）等で構成される構造物であり、自動巻式腕時計の自動巻メカニズムに相当する機構として、固定板２３ａ、回転板２３ｂ、ローター２４及び回転軸２５を有する。

ローター２４は、半円形状の板体であり、固定板２３ａによって回転可能に支持される回転軸２５を介して、回転板２３ｂと固定されている。ローター２４は、固定板２３ａと離間した状態で回転軸２５によって支持され、振動を受けた場合に回転軸２５を中心軸として回転することで、回転板２３ｂを回転させる。回転板２３ｂの表面（本図における底面）には、図２Ａに示されるように、４つの第１磁性体２２ａ～２２ｄが取り付けられている。

このような回転体２１ａの構成により、回転体２１ａが振動を受けると回転体２１ａの自転が引き起こされ、回転体２１ａの表面に取り付けられた４つの第１磁性体２２ａ～２２ｄが回転する。

次に、以上のように構成された本実施の形態に係る発電装置１０ａの動作について説明する。

動体２０ａが外部からの力（例えば、振動、衝撃、加速度等に基づく力）を受けると、回転体２１ａにおいて、ローター２４が回転し、これに伴って、ローター２４と固定された回転板２３ｂが回転し、回転板２３ｂの表面に取り付けられた４つの第１磁性体２２ａ～２２ｄが回転する。

その結果、カンチレバー３０ａ～３０ｃの自由端に取り付けられた第２磁性体３２ａ～３２ｃの近くを第１磁性体２２ａ～２２ｄのいずれかが通過するごとに、第２磁性体３２ａ～３２ｃのそれぞれは、第１磁性体２２ａ～２２ｄのいずれかとの間で吸引力を受け、その吸引力がトリガーとなってカンチレバー３０ａ～３０ｃが、回転体２１ａの回転方向に沿う方向に自由振動を起こす。つまり、動体２０ａが外部から受けた振動が低い周波数であっても、その周波数に拘わらず、カンチレバー３０ａ～３０ｃは、固有の高い共振周波数で、自由振動をする。

カンチレバー３０ａ～３０ｃの振動は、カンチレバー３０ａ～３０ｃに取り付けられた発電素子４０ａ～４０ｃへの伸縮変形を引き起こし、これにより、発電素子４０ａ～４０ｃによって発電が行われる。

発電素子４０ａ～４０ｃが磁歪素子である場合には、発電素子４０ａ～４０ｃで生じる起電圧Ｖは、上記式１で表される。本実施の形態では、発電素子４０ａ～４０ｃは、配線によって直列又は並列に接続されているので、実施の形態１に比べ、発電素子４０ａ～４０ｃの個数に相当する倍数の大きな発電量が得られる。

以上のように、本実施の形態に係る発電装置１０ａは、第１磁性体２２ａ～２２ｄが取り付けられ、第１磁性体２２ａ～２２ｄとともに回転をする動体２０ａと、構造物４に固定端が固定され、自由端に第２磁性体３２ａ～３２ｃが取り付けられたカンチレバー３０ａ～３０ｃと、カンチレバー３０ａ～３０ｃに取り付けられ、カンチレバー３０ａ～３０ｃの振動を受けて発電する発電素子４０ａ～４０ｃとを備える。そして、動体２０ａ及びカンチレバー３０ａ～３０ｃは、動体２０ａ及びカンチレバー３０ａ～３０ｃが静止している状態で、第１磁性体２２ａ～２２ｄと第２磁性体３２ａ～３２ｃとが所定距離だけ離間して磁界結合するように設置されている。

これにより、発電素子４０ａ～４０ｃが取り付けられたカンチレバー３０ａ～３０ｃは、回転する動体２０ａとの磁界結合によって動体２０ａから力を受けて自身の固有の共振周波数で自由振動をするので、動体２０ａが低速で回転する場合であっても、固有の高い共振周波数で振動し、カンチレバー３０ａ～３０ｃに取り付けられた発電素子４０ａ～４０ｃによって発電され得る。つまり、動体２０ａからカンチレバー３０ａ～３０ｃに伝達される振動の周波数がアップコンバートされ得るので、低い周波数で振動又は回転が生じる環境下であっても効率的に振動又は回転エネルギーが電気エネルギーに変換される。

また、本実施の形態では、動体２０ａは、自転可能な回転体２１ａであり、第１磁性体２２ａ～２２ｄは、回転体２１ａの外周に取り付けられ、カンチレバー３０ａ～３０ｃは、回転体２１ａの周辺に、回転体２１ａの回転中心から放射状に延在するように設置されている。

これにより、動体２０ａが自転することにより、カンチレバー３０ａ～３０ｃに取り付けられた第２磁性体３２ａ～３２ｃの近くを、動体２０に取り付けられた第１磁性体２２ａ～２２ｄが通過するごとに、カンチレバー３０ａ～３０ｃが自由振動を起こす。よって、低い回転速度で動体２０ａが回転する場合であっても、カンチレバー３０ａ～３０ｃは、固有の高い共振周波数で振動することができる。

また、回転体２１ａの外周には、複数の第１磁性体２２ａ～２２ｄが一定間隔を置いて取り付けられ、回転体２１ａの周辺には、複数のカンチレバー３０ａ～３０ｃが一定間隔を置いて回転体２１ａの回転中心から放射状に延在するように設置されている。

これにより、動体２０ａの自転によって、複数のカンチレバー３０ａ～３０ｃが自由振動し、複数のカンチレバー３０ａ～３０ｃのそれぞれに取り付けられた発電素子４０ａ～４０ｃによって発電されるので、大きな電力が発電される。さらに、動体２０ａの外周には複数の第１磁性体２２ａ～２２ｄが取り付けられているので、複数のカンチレバー３０ａ～３０ｃは、高い頻度で動体２０ａから力を受けて自由振動が起動され、複数のカンチレバー３０ａ～３０ｃのそれぞれに取り付けられた発電素子４０ａ～４０ｃによって大きな電力が発電される。

また、動体２０ａは、受けた振動を回転に変換する機構を有する。

これにより、動体２０ａにおいて振動エネルギーが回転エネルギーに変換され、動体２０ａとカンチレバー３０ａ～３０ｃとの磁界結合によってカンチレバー３０ａ～３０ｃで固有の高い共振周波数による自由振動が生じるので、低い周波数での振動エネルギーが高い周波数への振動エネルギーに変換され、効率的に発電され得る。

なお、本実施の形態では、回転体２１ａの外周に４つの第１磁性体２２ａ～２２ｄが取り付けられたが、回転体２１ａに取り付けられる第１磁性体の個数は、これに限られず、１個以上であればよい。

また、本実施の形態では、カンチレバー３０ａ～３０ｃは、回転体２１ａとの磁界結合によって自由振動を起こしたが、回転体２１ａとの接触をトリガーとして自由振動をしてもよい。この場合には、回転体２１ａに、第１磁性体２２ａ～２２ｄに代えて、回転体２１ａの外側に向かって延びる１以上の爪（例えば、一定間隔を置いて取り付けられた４つの爪）を設け、回転体２１ａが回転したときに、その爪がカンチレバー３０ａ～３０ｃを弾くことで、カンチレバー３０ａ～３０ｃを自由振動させてもよい。

以上、本発明の発電装置１０及び１０ａについて、実施の形態１及び２に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態１及び２に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態１又は２に施したものや、実施の形態１及び２における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上記実施の形態１及び２では、第１磁性体と第２磁性体とは磁界結合による吸引力を受けたが、反発力を受けてもよい。その場合であっても、第２磁性体の近くを第１磁性体が通過するごとに、それらの間に働く反発力がトリガーとなってカンチレバー３０及び３０ａ～３０ｃが自由振動を起こす。

本発明は、振動又は回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置として、特に、低い周波数で振動又は回転が生じる環境下であっても効率的に振動又は回転エネルギーを電気エネルギーに変換できる発電装置として、利用できる。

２、４構造物
１０、１０ａ発電装置
２０、２０ａ動体
２１カンチレバー
２１ａ回転体
２２、２２ａ～２２ｄ第１磁性体
２３ａ固定板
２３ｂ回転板
２４ローター
２５回転軸
３０、３０ａ～３０ｃカンチレバー
３２、３２ａ～３２ｃ第２磁性体
４０、４０ａ～４０ｃ発電素子

Claims

第１磁性体が取り付けられ、前記第１磁性体とともに外部からの力を受けて振動又は回転をする動体と、
構造物に固定端が固定され、自由端に第２磁性体が取り付けられたカンチレバーと、
前記カンチレバーに取り付けられ、前記カンチレバーの振動を受けて発電する発電素子とを備え、
前記動体及び前記カンチレバーは、前記動体及び前記カンチレバーが静止している状態で、前記第１磁性体と前記第２磁性体とが所定距離だけ離間して磁界結合するように設置されており、
前記動体は、前記カンチレバーの共振周波数よりも低い共振周波数をもち、自由端に前記第１磁性体が取り付けられた、前記カンチレバーよりも長手方向に長いカンチレバーであり、
前記第１磁性体の回転方向に沿った寸法は、前記第２磁性体の回転方向に沿った寸法よりも大きい
発電装置。
前記第１磁性体及び前記第２磁性体の少なくとも一方は、永久磁石である
請求項１に記載の発電装置。
前記発電素子は、圧電素子又は磁歪素子である
請求項１又は２に記載の発電装置。