JP7391301B2 - 磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ - Google Patents
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Description
始端と終端とを有する導電性の可撓性の線材をN回巻回させた巻数Nのフレキシブルコイルと、前記フレキシブルコイルを所定の長さLのループに結束し、前記線材の始端と終端とを該ループから取り出し可能な結束手段と、前記ループから取り出された前記線材の始端と終端とが接続される接続回路と、を備え、前記電波の到来方向に対して、前記ループの張る面(以下、本明細書において「ループ面」という)が該電波の磁界成分を横切るように該ループを配置することにより、電磁誘導を介してエネルギーを収穫し、前記接続回路に該エネルギーを供給可能な磁界型エネルギーハーベスタであって、前記ループの形状を自在に変形可能である。
前記フラットケーブルの前記一端と他端とが接続されて前記ループが形成されると共に、該一端に配置させたN本の前記線材の始端が、該線材とは異なる任意の線材の他端と1対1に接続されて、長さN×Lの線材が形成されると共に、接続されなかった始端と終端とが前記接続回路に接続されており、前記長さN×Lの線材が巻数Nのフレキシブルコイルとして長さLのループに結束されてもよい。
該接続回路に出力機器を接続して、外部電源を用いずに該出力機器を作動させる発電機として機能し得る。
前記接続回路にイヤホン又はスピーカーを接続して、所望の周波数の電波のラジオ放送が聞こえる無電源ラジオとして機能し得る。
前記接続回路に発光ダイオードを接続して、特定の周波数の電波からエネルギーを獲得してLEDライトとして機能し得る。
前記無電源磁界アンテナとして特定周波数のラジオ放送電波を受信するとともに、外部ラジオの内蔵コイルと相互誘導により共振して、前記特定周波数のラジオ放送電波から得た電磁界エネルギーを該外部ラジオの内蔵コイルに伝搬し、該外部ラジオの受信感度を高め得る。
前記フレキシブルコイルの巻数が(n+1)×Nで、前記ループの直径が1/(n+1)の前記小ループにサイズダウンされ得る。
[磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ]
本発明に係る磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1は、図1(a)に示すように、始端3aと終端3bとを有する導電性の可撓性の線材3(図1(b)参照)をN回巻回させたフレキシブルコイル4と、このフレキシブルコイル4を所定の長さLのループ10に結束し、線材3の始端3aと終端3bとをループ10から取り出し可能な結束手段20と、ループ10から取り出された線材3の始端3aと終端3bとが接続される接続回路50と、を備える。このループ10から取り出された線材3の始端3aと終端3bとは連結部40に挿入され、この連結部40の内部で接続回路50に接続されてもよい。
本明細書において、上記導電性の可撓性の線材を単に「線材」ともいうが、この線材3は電子やホールなどが移動可能な導電性であり、形状を自在に変形できる可撓性のあるいはフレキシブルな線状導電体である。本明細書において、この「線材」は被覆されずにそのまま用いられることもあるが、塩化ビニールや絹糸のような絶縁体で被覆されて用いられることもあり、特に絶縁体で被覆する必要がある場合は、以下「被覆線材」3ともよぶこととする。
このような線材3は、例えばリッツ線、金属線、導電性繊維、炭素繊維、あるいはこれらが撚り線化された材料、又は、これらの材料が絶縁体により被覆された材料により形成するのが好適であるが、これらの例に限定されるわけではない。本発明の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1は、線材3をN回巻回させてフレキシブルコイル4を形成し、このフレキシブルコイル4を所定の長さLのループに結束させて構成するので、準備する線材3の長さは約N×L以上であり、線材3の始端3aと終端3bとは接続回路50に接続される。
本発明の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1において、線材3(又は被覆線材3)のガイドとなる結束手段20の素材は、フレキシブルで磁界に影響を与えないものならよく、紙、木材、高分子、樹脂、プラスチック、ゴムなどが好ましく用いられる。そしてこれらの結束手段20を形成するこれらの素材の形態は、磁界に影響を与えない形態であれば特に限定されず、織物状、メッシュ状、スパイラル状などにして用いてもよい。このような素材で製作された磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1は、自在に形を変形できる特徴を持つループ10を有する。図1(a)において磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1はループ状になっているが、図7(a)~(d)のように、結束手段20が楕円状、不規則なループ状、多角形状などに結束しても機能上は特に支障が無<使用できる。
このような結束手段20は、線材3をガイドする磁界に影響を与えないフレキシブルな材料で形成される。結束手段20の材料は、天然高分子、合成高分子、半合成高分子、又は金属から選ばれるいずれか1つの材料から形成されるのが好適である。
そして、上記のような材料から形成される結束手段20の形態は、ワイヤ、スリーブ状メッシュ、スリーブ状スパイラル線、チューブ状メッシュ、チューブ状スパイラル線、スリーブ又はチューブなどが好ましく用いられるが(図4(a)、(b)参照)、線材3をガイドする磁界に影響を与えないフレキシブルな素材であれば特に限定されない。
(2-1)ダウンサイズ型の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ
電磁誘導の原理に基づくラジオ放送の電波受信装置において、大きな直径のコイルによる磁界型アンテナはその受信感度を高めることができる。形状変形自在なフレキシブルなコイルを、ループ状の磁界型アンテナに応用すれば、小型化したり、軽量化したりできるので、可搬性や携行性に優れるばかりか、ラジオ放送の高感度な電波受信装置などを様々な形態で創造することができる。
本発明の実施形態3に係る磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタは、図3(b)に示すような無指向性の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1Tである。この無指向性の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1Tは、実施形態2に係るダウンサイズ型のフレキシブルエネルギーハーベスタ1Sの複数(n+1個;nは捻り回数又はノード数)の小ループ10Sの一部を、その一部を除いた残りの小ループ面10Sに対して起立させて得ることができる。起立させた一部の小ループ面10Sに結束されたフレキシブルコイル4の巻回方向が、上記残りの小ループ面10Sに結束されたフレキシブルコイル4の巻回方向に対して垂直方向のベクトル成分を有するので、上記残りの小ループ10Sが捕捉できない磁界変化を、起立させた上記一部の小ループ面10Sが捕捉することができる。
(3-1)フラットケーブル型のフレキシブルエネルギーハーベスタの製造方法
上述した本発明に係る磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1は、従来のように枠に線材3(電線)を巻かなくても、あるいは固いガイドに電線を巻かなくても、フレキシブルな素材の細いスリーブやチューブ状のものをコイル直径2R=L/πの外周長Lの長さで用意し、それに線材をN回巻回させて通せば、直径2Rのコイルとして製造できる。線長が一定なので共振周波数は一定である。しかし、こうした作り方ではなく、図2(a)のような必要巻回数(N回)に対応するN本の線材31~36(N=6の場合)からなるフラットケーブル5の1回巻分の長さを用意し、フレキシブルな素材の細いスリーブやチューブ状のものに通し、ループ状にして、線材31~36の両末端の端子同士を例えば1つずつずらして半田づけや圧着処理により接合しても、上記方法で作成した磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1と同様に、N回巻のコイルとして機能する。このようにして作製するフラットケーブル型の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1の側面図を、図2(b)に示す(N=6の場合)。
電磁波の受信感度は磁束Φ=BS(Bは磁束密度)のS、つまりループ形状の内面積が関係するので、フラットケーブル型の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1の輪形状(ループ10)は、円形である必要が無く、楕円形、不規則なループ状、多角形でも機能することを実験で確認している(形状無依存性)。理論上は面積Sが最大となる円形が最も出力が大きいが、例えば円形を楕円形にしても、その他の形状に変化させても、実用上、受信感度にほとんど影響しないことを確認した。
図7(a)は略5角形の、図7(b)は略4角形のフラットケーブル型の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1であるが、その受信感度は殆ど等しいことが確認された。しかし、図7(c)のようにノード6を形成しない半開状のループを形成すると、受信感度は低下した。これは、閉じたループと半開状のループを貫く磁界の変化を打ち消す方向に流れる誘導電流が、閉じたループと半開状のループでは反対方向になるため、電磁誘導で得られるエネルギーが小さくなるためである。
上記のように、フラットケーブル型の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1は、線材にフラットケーブル5を使用してフレキシブルコイル4を作製するので線間容量(浮遊容量)を下げることができる。フレキシブルコイル4の巻き数Nを同一とすると、線材を密巻したものに比べて線間容量が下がるので、共振周波数fmax=1/2π(LC)1/2であるループアンテナのLC共振においてCの増加を阻止して、より高周波側に電波受信周波数域を広げることができる。
図6は、それぞれ図6(a)が8本の線材3を平行に配列したフラットケーブル型フレキシブルエネルギーハーベスタ1の斜視写真図、図6(b)が図6(a)のフラットケーブル5を2回巻きにして構成したダウンサイズ型フレキシブルエネルギーハーベスタ1Sの斜視写真図、図6(c)が線材3を均等にスリーブに8回巻き挿入して2重に重畳したダウンサイズ型フレキシブルエネルギーハーベスタ1Sの斜視写真図、図6(d)が線材3をN字型に配列してスリーブに8回巻き挿入して2重に重畳したダウンサイズ型フレキシブルエネルギーハーベスタ1Sの斜視写真図である 。図6(c)のダウンサイズ型フレキシブルエネルギーハーベスタ1Sは、図6(a)のフラットケーブル型フレキシブルエネルギーハーベスタ1で用いたフラットケーブル5を線材3ごとに8分割して略均等に配置し、ゴム管の結束手段20に挿入したものであり、図6(d)のダウンサイズ型フレキシブルエネルギーハーベスタ1Sは、図6(a)のフラットケーブル5をN字型に折って、図6(c)と同じゴム管の結束手段20に挿入したものである。
更に、実施例6で得た16回巻(N=16)の直径約 0.63m(2/π m)程度の16芯フラットケーブル型のフレキシブルコイル4(フレキシブルエネルギーハーベスタ1)を準備し(図2(c)参照)、これより実施例7で得た無電源ラジオを3台製作した(図6(a)、図6(b)等参照)。
接続回路50の構成要素として、抵抗回路(接続線回路)51(図8)、同調コンデンサ回路52(図9)、マッチング回路53(図10)、整流回路54(図11)、蓄電回路55(図12)などが考えられる。そして、これらの構成要素となる回路51~55を適宜組み合わせて接続回路50を構成し、あるいはこのように構成した接続回路50を、出力回路56(図13)に接続することにより、磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1を様々な用途に応用することができる。以下、接続回路50の構成要素となる回路51~55及び接続回路50に外部から接続する出力回路56について説明する。
図8に、接続回路50を抵抗回路51とした回路図を示す。抵抗回路51を単独で接続回路50とすれば、本発明の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1は、フレキシブルな磁界アンテナを構成し得る。抵抗回路51は、ループ10から取り出した線材3の始端3aと終端3bを導線又は抵抗で接続するだけの回路である。
接続回路50を、図9に示す同調コンデンサ回路52とした本発明のフレキシブルエネルギーハーベスタ1は、フレキシブルコイル4を結束手段20がループ状に結束しており、当然にあるインダクタンスL(H)を有している。フレキシブル磁界アンテナについて(4-1)で上述したが、一般にループアンテナの共振周波数fmax=1/2π(LC)1/2であるため、(4-1)のフレキシブル磁界アンテナに所定の共振周波数を持たせるのであれば、図9のように、接続回路50に同調コンデンサ回路52を含ませるのが好適である。
接続回路50はマッチング回路53を含んでもよい。図10に、接続回路50としてトランスを接続したマッチング回路53を示す。マッチング回路53は、接続回路50に接続する出力回路56を、接続回路50に入力するフレキシブルコイル4側の入力回路と分離し、交流電圧を増減する目的や、インピーダンスマッチング(インピーダンス整合)に用いることができる。
接続回路50は、整流回路54を含んでもよい。図11に、整流回路54の代表例541~549の回路図を示す。整流回路54は、フレキシブルコイル4側から入力される交流電圧の負電圧を除去あるいは正電圧に変換し、更に正電圧に変換された波状電圧を平滑化する役割を果たす。
接続回路50は蓄電回路55を含んでもよい。図12に、蓄電回路55の代表例551、552の回路図を示す。この回路図551、552に含まれるコンデンサは、バリコンと呼ばれる(4-2)の同調コンデンサ回路に用いられるコンデンサに比べて容量が大きく、代表的には容量が1Fのオーダーのコンデンサであり、本明細書で蓄電コンデンサともいう。蓄電コンデンサは、例えば電気二重層コンデンサであり、電気を大量に蓄えることができる。蓄電回路55として、電界コンデンサやニッケル水素電池、鉛蓄電池などの二次電池を用いてもよい。また、回路図552はコイルも含み、入力された交流電圧を平滑化してノイズを除去することができる。
図13に、接続回路50に外部から接続する出力回路56を示す。出力回路56は、接続回路50に外部から接続して用いる。回路図561はセラミック・イヤホンを含む回路で、フレキシブルコイル4側から入力される電波を変換してAMラジオを聞くのに用いられる。回路図562は発光ダイオードを含む回路で、フレキシブルコイル4側から入力される交流電圧を整流してLEDが発光する。同様に、回路図563はスピーカーを含む回路で、回路図564はコイルを含む回路である。また、回路図565が含む抵抗負荷は、出力回路56に接続する上記コイルやセラミック・イヤホン、発光ダイオード、スピーカー以外のあらゆる出力機器、例えばIoT機器やモーターなどの負荷を表象するものとする。
上述のような接続回路50の構成要素となる回路、すなわち、抵抗(接続線)回路51(図8)、同調コンデンサ回路52(図9)、マッチング回路53(図10)、整流回路54(図11)、蓄電回路55(図12)などを適宜組み合わせて、例えば図14のような接続回路50を構成し、これに出力回路56(図13)を接続して、本発明に係る磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1は種々の用途に応用することができる。以下、図14に示す回路の番号を用いて接続回路50と出力回路56の回路要素を引用し、磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1の応用例について説明する。
上述のように、接続回路50を抵抗回路51とすれば、本発明の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1をフレキシブルな磁界アンテナとして利用することができる(図8)。あるいは、図9のように、接続回路50を同調コンデンサ回路52として同調コンデンサ(バリコン)を挿入してもよい。コイルの共振周波数は、fmax=1/2π(LC)1/2なので、バリコンの容量Cを調節して、共振する電磁波の周波数を選ぶことができる。接続回路50が抵抗回路51の場合は、フレキシブルコイル4の浮遊容量が上記容量Cとなる。このようなループアンテナ(フレキシブルな磁界アンテナ)は、上述のように、図3(a)に示すようなダウンサイズ型のエネルギーハーベスタ1Sとして収容あるいは携帯し、使用時に展開して大型磁界型ループアンテナとし、ラジオの受信感度や混信具合を調節することができる。
本発明に係る磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1をLEDライトとして機能させる場合、接続回路50は、(1)51+562、(2)52+562、(3)52+541+562、(4)52+542+562、(5)52+541+551+562、(6)52+542+551+562、などの回路の組み合わせにより実現することができる。
本発明に係る磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1をゲルマラジオとして機能させる場合、接続回路50は、(1)52+541+561、(2)53+52+541+561、(3)52+541+53’+561、(4)53+52+541+53’+561(53は52の前でもよい)などの回路の組み合わせにより実現することができる。
本発明に係る磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1を発電器として機能させる場合、接続回路50は、(1)52+541+565、(2)52+542+565、(3)541+565、(4)542+565などの回路の組み合わせにより実現することができる。なお、駆動する抵抗負荷は565として表記している。541や542は昇圧するためにコッククロフト・ウォルトン回路549であってもよい。
本発明に係る磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ1を蓄電器として機能させる場合、接続回路50は、(1)52+541+551+565、(2)52+541+552+565、(3)541+551+565、(4)542+551+565、(5)541+552+565、(6)542+552+565などの回路の組み合わせにより実現することができる。541や542は昇圧するためにコッククロフト・ウォルトン回路549であってもよい。
1S:ダウンサイズ型の本発明に係る磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ
1T:無指向性の本発明に係る磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ
3: 線材
3a:始端
3b:終端
31~36:フラットケーブルを構成する線材
4:フレキシブルコイル
5:フラットケーブル
6:ノード
10:(フレキシブル)ループ又は(フレキシブル)ループ面
10S:(ダウンサイズ型)小ループ又は小ループ面
10T:無指向性ループ又はそのループ面
12: 端部
12a:一端
12b:他端
20:結束手段
40:連結部
50:接続回路
51:抵抗(接続線)回路
52:同調コンデンサ回路
53:マッチング回路
54:整流回路
549:コッククロフト・ウォルトン回路
55:蓄電回路(蓄電同調コンデンサ回路および2次電池)
56:出力回路
561:イヤホン
562:発光ダイオード
563:スピーカー
564:コイル
565:抵抗負荷(出力機器又は外部回路一般)
Claims (14)
- 伝搬する電波の磁界成分から電磁誘導を介して電磁界エネルギーを収穫し、これを外部に供給し得る磁界型のエネルギーハーベスタにおいて、
始端と終端とを有する導電性の可撓性の線材をN回巻回させた巻数Nのフレキシブルコイルと、
前記フレキシブルコイルを所定の長さLのループに結束し、前記線材の始端と終端とを該ループから取り出し可能な結束手段と、
前記ループから取り出された前記線材の始端と終端とが接続される接続回路と、を備え、
前記電波の到来方向に対して、前記ループの張る面(以下「ループ面」という)が該電波の磁界成分を横切るように該ループを配置することにより、電磁誘導を介してエネルギーを収穫し、
前記接続回路に該エネルギーを供給可能な磁界型エネルギーハーベスタであって、
前記ループの形状を自在に変形可能な磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。 - 前記結束手段は、
前記線材をガイドする磁界に影響を与えないフレキシブルな素材であって、
ワイヤ、スリーブ状メッシュ、スリーブ状スパイラル線、チューブ状メッシュ、チューブ状スパイラル線、スリーブ又はチューブから選ばれるいずれか1つの形態である、請求項1に記載の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。 - 前記結束手段は、
前記フレキシブルコイルの1又は複数の位置において、これを束ねる結束手段であって、
磁界に影響を与えないフレキシブルな素材で形成された、バインダ、紐、紐状バンド、帯状バンド、輪状バンド、テープ、接着剤から選ばれるいずれか1つの形態である、
請求項1に記載の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。 - 一端と他端とを有する長さLのフレキシブルなスリーブ又はチューブに、該一端と他端とにその始端と終端とを配置させた長さLの前記線材が、N本絶縁されて並行に接合されたフラットケーブルにおいて、
前記フラットケーブルの前記一端と他端とが接続されて前記ループが形成されると共に、
該一端に配置させたN本の前記線材の始端が、該線材とは異なる任意の線材の他端と1対1に接続されて、長さN×Lの線材が形成されると共に、接続されなかった始端と終端とが前記接続回路に接続されており、
前記長さN×Lの線材が巻数Nのフレキシブルコイルとして長さLのループに結束された、請求項1に記載の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。 - 少なくとも同調コンデンサ回路及び整流回路を接続して請求項1に記載の接続回路を構成したフレキシブルエネルギーハーベスタであって、
該接続回路に出力機器を接続して、外部電源を用いずに該出力機器を作動させる発電機として機能する磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。 - 少なくとも前記同調コンデンサ回路及び前記整流回路及び蓄電回路を順に接続して請求項5に記載の接続回路を構成したフレキシブルエネルギーハーベスタであって、
電波からエネルギーを獲得して蓄電する蓄電機として機能する磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。 - 前記整流回路を昇圧回路のコッククロフト・ウォルトン回路とした、請求項6に記載の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。
- 少なくとも前記同調コンデンサ回路及び前記整流回路を順に接続して請求項5に記載の接続回路を構成したフレキシブルエネルギーハーベスタであって、
前記接続回路にイヤホン又はスピーカーを接続して、所望の周波数の電波のラジオ放送が聞こえる無電源ラジオとして機能する磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。 - 少なくとも同調コンデンサ回路を接続して請求項1に記載の接続回路を構成したフレキシブルエネルギーハーベスタであって、
前記接続回路に発光ダイオードを接続して、特定の周波数の電波からエネルギーを獲得してLEDライトとして機能する磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。 - 少なくとも同調コンデンサ回路を接続して請求項1に記載の接続回路を構成し、ラジオの近傍で無電源磁界アンテナとして用いるフレキシブルエネルギーハーベスタであって、
前記無電源磁界アンテナとして特定周波数のラジオ放送電波を受信するとともに、
外部ラジオの内蔵コイルと相互誘導により共振して、前記特定周波数のラジオ放送電波から得た電磁界エネルギーを該外部ラジオの内蔵コイルに伝搬し、
該外部ラジオの受信感度を高め得る磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。 - 前記ループに、略180度の捻りをn回入れることにより形成されたn個のノードにおいて、n回の該捻りにより形成されたn+1個の小ループを夫々反転させ、重畳させた磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタであって、
前記フレキシブルコイルの巻数が(n+1)×Nで、前記ループの直径が1/(n+1)の前記小ループにサイズダウンされた、請求項1に記載の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。 - 請求項11に記載のサイズダウンされたフレキシブルエネルギーハーベスタにおいて、
n+1個の小ループ面の一部を、その一部を除いた残りの小ループ面に対して起立させ、
前記小ループ面の一部に結束されたフレキシブルコイルの巻回方向が、前記残りの小ループ面に結束されたフレキシブルコイルの巻回方向に対して垂直方向のベクトル成分を有する磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。 - 前記線材は、リッツ線、金属線、導電性繊維、炭素繊維、あるいはこれらが撚り線化された材料、又は、これらの材料が絶縁体により被覆された材料から選ばれるいずれか1つの材料から形成される、
請求項1に記載の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。 - 前記結束手段は、
前記線材をガイドする磁界に影響を与えないフレキシブルな材料であって、
天然高分子、合成高分子、半合成高分子、又は金属から選ばれるいずれか1つの材料から形成される、請求項2又は請求項3に記載の磁界型フレキシブルエネルギーハーベスタ。
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