JPWO2015022752A1 - 発電デバイス及びセンサシステム - Google Patents
発電デバイス及びセンサシステム Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2015022752A1 JPWO2015022752A1 JP2015531714A JP2015531714A JPWO2015022752A1 JP WO2015022752 A1 JPWO2015022752 A1 JP WO2015022752A1 JP 2015531714 A JP2015531714 A JP 2015531714A JP 2015531714 A JP2015531714 A JP 2015531714A JP WO2015022752 A1 JPWO2015022752 A1 JP WO2015022752A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- power generation
- generation device
- coil
- rod
- magnetostrictive rod
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000010248 power generation Methods 0.000 title claims abstract description 131
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 15
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 6
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 5
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 4
- 229910000807 Ga alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/186—Vibration harvesters
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N35/00—Magnetostrictive devices
- H10N35/101—Magnetostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. generators, sensors
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
【課題】発電デバイス及びセンサシステムにおいて、電力を効率的に取り出すこと。【解決手段】第1の磁歪棒1と、第1の磁歪棒1に並行する第2の磁歪棒2と、第1の磁歪棒1と第2の磁歪棒2とを連結する連結部材5、6と、第1の磁歪棒1に巻かれた第1のコイル3と、第2の磁歪棒2に巻かれた第2のコイル4とを備えたコイル群21と有し、第1のコイル3と第2のコイル4とが直列に接続された発電デバイスによる。【選択図】図8
Description
本発明は、発電デバイス及びセンサシステムに関する。
橋梁やトンネル等を監視するためにこれらの監視対象にセンサを設け、そのセンサから無線送信される信号に基づいて監視対象の異常を監視するセンサシステムが研究されている。
このセンサシステムにおいては各センサを駆動するための電源が必要であるが、その電源として電池を使用すると、電池が寿命を迎えたときにセンサを駆動できなくなるという問題がある。更に、寿命を迎えた電池を廃棄することは環境破壊にもつながる。
そこで、電池を用いずにセンサに電源を供給できる技術としてエネルギハーベスティング技術が注目されている。エネルギハーベスティング技術は、熱、振動、及び電波等の身の回りに存在するエネルギから発電を行う技術であり、これらのエネルギが存在する限り発電できるというメリットがある。
エネルギハーベスティング技術で使用する発電デバイスとして、例えば、磁歪材料を用いた発電デバイスが提案されている。この発電デバイスは、磁歪材料の棒に加わる応力が変わることでその棒を貫く磁束が変化することを利用し、棒に巻かれたコイルに起電力を生じさせるものである。
このような発電デバイスを橋梁等に設けることで、橋梁の振動で発電を行うことができる。
但し、この発電デバイスには、得られた電力を効率的に取り出すという点で改善の余地がある。
発電デバイス及びセンサシステムにおいて、電力を効率的に取り出すことを目的とする。
以下の開示の一観点によれば、第1の磁歪棒と、前記第1の磁歪棒に並行する第2の磁歪棒と、前記第1の磁歪棒と前記第2の磁歪棒とを連結する連結部材と、前記第1の磁歪棒に巻かれた第1のコイルと、前記第2の磁歪棒に巻かれた第2のコイルとを備えたコイル群と有し、前記第1のコイルと前記第2のコイルとが直列に接続された発電デバイスが提供される。
更に、その開示の別の観点によれば、磁歪材料の第1の棒と、前記第1の棒から第1の方向に離間し、かつ該第1の棒に並行する第2の棒と、前記第1の棒に巻かれたコイルとを有する発電素子を二つ備え、前記発電素子の各々の前記第1の方向同士が互いに逆方向であり、前記発電素子の各々の前記コイル同士を直列に接続してなるコイル群を備えた発電デバイスが提供される。
また、その開示の他の観点によれば、センサを含む回路部と、前記回路部に電力を供給する発電デバイスとを有し、前記発電デバイスが、第1の磁歪棒と、前記第1の磁歪棒に並行する第2の磁歪棒と、前記第1の磁歪棒と前記第2の磁歪棒とを連結する連結部材と、前記第1の磁歪棒に巻かれた第1のコイルと、前記第2の磁歪棒に巻かれた第2のコイルとを備えたコイル群と備え、前記第1のコイルと前記第2のコイルとが直列に接続されたセンサシステムが提供される。
以下の開示によれば、第1のコイルと第2のコイルとを直列に接続するので、これらのコイルのインピーダンスの時間変動を相殺でき、発電デバイスの合成インピーダンスを時間的に一定にすることができる。よって、ある時刻において発電デバイスと他の回路とのインピーダンス整合を図っておけば、その後の任意の時刻においてもインピーダンス整合が図られた状態が維持され、発電デバイスから他の回路に常に効率的に電力を送ることができる。
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が行った検討事項について説明する。
図1は、その検討に使用した発電デバイスの正面図である。
この発電デバイス10は、磁歪材料に応力を加えて発電を行うものであって、第1及び第2の磁歪棒1、2と、第1及び第2のコイル3、4と、第1及び第2の連結部材5、6とを有する。
各磁歪棒1、2は、例えば鉄ガリウム合金のような磁歪材料から形成されており、その長さは10mm程度である。なお、鉄ガリウム合金はGalfenolと呼ばれることもある。また、各磁歪棒1、2の断面形状は、長辺の長さが約10mmで短辺の長さが約0.5mmの矩形状である。
各磁歪棒1、2は並行しており、それらの一方の端部が第1の連結部材5で連結され、他方の端部が第2の連結部材6で連結される。各連結部材5、6は、鉄を含む磁性材料から形成され、各磁歪棒1、2に機械的かつ磁気的に結合する。
また、第1の磁歪棒1の外周には第1のコイル3が巻かれ、第2の磁歪棒2の外周には第2のコイル4が巻かれる。これらのコイル3、4は、例えば銅線であり、その巻き数はそれぞれ300巻程度である。
図2は、この発電デバイス10の側面図である。
なお、図2において図1で説明したのと同じ要素には図1におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図2に示すように、第1の磁歪棒1の両端にはそれぞれ第1の永久磁石8と第2の永久磁石9が磁気的かつ機械的に接続される。なお、これらの永久磁石8、9は、第1の磁歪棒1だけでなく、第2の磁歪棒2(図1参照)の両端にも磁気的かつ機械的に接続される。
更に、各磁歪棒1、2の横にはヨーク7が並行するように設けられ、そのヨーク7と各永久磁石8、9とが磁気的かつ機械的に接続される。ヨーク7の材料は特に限定されないが、この例では鉄を含む磁性材料でヨーク7を形成する。
このような発電デバイス10においては、各棒1、2とヨーク7により磁路が形成され、各永久磁石8、9で発生した磁界Hがその磁路に沿って周回することになる。
そして、その磁界Hによって、各磁歪棒1、2の磁歪材料の磁化容易軸がこれらの磁歪棒1、2の軸方向に向くようになる。これについては、後述の各実施形態でも同様である。
図3は、この発電デバイス10の発電原理を説明するための模式図である。なお、図3において、図1や図2で説明したのと同じ要素にはこれらの図におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図3に示すように、実使用下においては、発電デバイス10は橋梁やモータ等の振動体13に固定される。この例では、例えば振動体13に第1の連結部材5を固着する。
その振動体13の振動により第1の磁歪棒1と第2の磁歪棒2の各々も振動し、これらの磁歪棒1、2が周期的に伸縮する。この例では上記のように各磁歪棒1、2の両端を連結部材5、6で連結したため、各磁歪棒1、2は独立して振動せずに互いに反対方向A、Bに伸縮する。
このような伸縮運動によって、磁歪材料の磁化が変化する逆磁歪効果が各磁歪棒1、2に誘起される。これにより、各コイル3、4を貫く磁束が時間的に変動し、これらのコイル3、4から誘導起電力を取り出すことができる。
その誘導起電力は、第1のコイル3と第2のコイル4の各々から個別に取り出してもよいし、これらのコイル3、4を並列に接続して取り出してもよい。
このように発電デバイス10により振動体13の振動を電力に変換することで、エネルギハーベスティング技術を実現できると考えられる。
但し、この発電デバイス10には、他の回路とインピーダンス整合を図るのが難しいという問題がある。その問題について以下に説明する。
図4は、第1のコイル3と第2のコイル4の各々のインピーダンスの時間変化を模式的に表すグラフである。そのグラフの横軸は時間を表し、縦軸はインピーダンスの絶対値を表す。
上記のように振動体13の振動に伴い各磁歪棒1、2が伸縮すると、これらの磁歪棒1、2の磁化が変化するため、各磁歪棒1、2の透磁率も時間的に変化する。よって、図4に示すように、各磁歪棒1、2に巻かれた第1のコイル3と第2のコイル4の各々のインピーダンスも各磁歪棒1、2の振動と同じ周期で変化することになる。
特に、この例では第1の磁歪棒1と第2の磁歪棒2の各々の収縮方向A、Bが反対方向であるため、第1のコイル3と第2のコイル4とではインピーダンスの時間変化の位相が逆になる。
このようにインピーダンスが変化すると、発電デバイス10と他の回路とを接続したときに回路側から見た発電デバイス10のインピーダンスが時間変動してしまうため、当該回路と発電デバイスとのインピーダンスの整合を図ることができない。そのため、発電デバイス10から他の回路に効率よく電力を伝送できず、エネルギ損失が起きてしまう。
また、図5は、上記した第1のコイル3と第2のコイル4の各々のインピーダンスを示すスミスチャートである。
この例では、第2の連結部材6に下向きに1.2kgfの力が加えられ、各コイル3、4に誘起される誘導起電力の周波数が80Hz〜120Hzの場合を想定している。
図5に示すように、第1の磁歪棒1と第2の磁歪棒2がいずれも伸縮していないときは、第1のコイル3と第2のコイル4の各々のインピーダンスZ0は、スミスチャートの上半平面に位置する。
そして、各磁歪棒1、2が伸縮運動をすると、第1のコイル3のインピーダンスZ1と第2のコイル4のインピーダンスZ2は、等抵抗円の上において互いに反対の向きに移動する。これは、前述のように各磁歪棒1、2は互いに反対方向に伸縮するため、各磁歪棒1、2の一方ではその磁化が増え、他方では磁化が減るためである。
なお、各インピーダンスZ0、Z1、Z2のとり得る値が等抵抗円の上で弧状となっているのは、各コイル3、4に誘起される誘導起電力の周波数によってこれらのインピーダンスの値が異なるためである。
上記のように各磁歪棒1、2が伸縮運動をしても、各インピーダンスZ1、Z2は依然としてスミスチャートの上半平面にあり、実軸上には位置しない。
電源と回路とのインピーダンス整合は、実軸上の50Ωにおいて行われることが多い。よって、このように各インピーダンスZ1、Z2が上半平面にあると、発電デバイス1と他の回路とのインピーダンス整合が一層困難となる。
以下に、他の回路とインピーダンス整合を図るのが容易であり、その回路を介して電力を効率的に取り出すことが可能な各実施形態について説明する。
(第1実施形態)
図6は、本実施形態に係る発電デバイスの正面図である。なお、図6において、図1で説明したのと同じ要素には図1におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図6は、本実施形態に係る発電デバイスの正面図である。なお、図6において、図1で説明したのと同じ要素には図1におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図6に示すように、この発電デバイス20は、橋梁等の振動体13に固定して使用するものであり、第1の磁歪棒1と第2の磁歪棒2とを有する。
これらの磁歪棒1、2の両端は連結部材5、6によって連結されており、更に磁歪棒1、2の周囲にはそれぞれ300巻き程度の第1のコイル3と第2のコイル4が設けられる。
図1を参照して説明したように、各磁歪棒1、2の材料としては鉄ガリウム合金等の磁歪材料を使用し、各連結部材5、6の材料としては鉄を含む磁性材料を使用し得る。
また、各磁歪棒1、2の長さは10mm程度であり、その断面形状は長辺の長さが約10mmで短辺の長さが約0.5mmの矩形状である。
図7は、この発電デバイス20の側面図である。
図7に示すように、各磁歪棒1、2の両端には第1の永久磁石8と第2の永久磁石9が接続される。そして、各永久磁石8、9には各磁歪棒1、2と共に磁路を形成するヨーク7が接続され、各永久磁石8、9で発生した磁界Hがその磁路に沿って周回する。
図3の例と同様に、この発電デバイス20においても、振動体13の振動で各磁歪棒1、2が伸縮することで各コイル3、4を貫く磁束が時間的に変化し、これらのコイル3、4に誘導起電力が生成される。
図8は、この発電デバイス20の等価回路図である。
図8に示すように、本実施形態では、第1のコイル3と第2のコイル4とを直列に接続することにより、これらのコイル3、4でコイル群21を形成する。また、そのコイル群21にキャパシタCと抵抗Rとをそれぞれ直列に接続する。なお、抵抗Rの抵抗値には各コイル3、4の内部抵抗の値も含まれる。
発電デバイス20においてキャパシタCや抵抗Rを設ける部位は特に限定されず、発電デバイス20の任意の部位にキャパシタCや抵抗Rを設けてよい。これについては後述の各実施形態でも同様である。
発電デバイス20には出力端子20a、20bが設けられ、各コイル3、4で生じた誘導起電力がこれらの端子20a、20bから取り出される。
図9は、コイル群21の合成インピーダンスの時間変化を模式的に表すグラフであって、その横軸は時間を表し、縦軸は合成インピーダンスの絶対値を表す。
なお、図9においては、第1のコイル3と第2のコイル4の各々のインピーダンスについても併記してある。
コイル群21の合成インピーダンスは各コイル3、4のインピーダンスの和になるが、図4を参照して説明したように各コイル3、4のインピーダンスの時間変化は位相が逆であるため、コイル群21の合成インピーダンスは時間によらず一定となる。
よって、ある時刻において発電デバイス20と他の回路とのインピーダンス整合を図っておけば、その後の任意の時刻においてもインピーダンス整合が図られた状態が維持され、発電デバイス20から他の回路に常に効率的に電力を送ることができる。
図10は、この発電デバイス20の合成インピーダンスZを示すスミスチャートである。
この例では、発電デバイス20の第2の連結部材6に下向きに1.2kgfの力が加えられ、各コイル3、4に誘起される誘導起電力の周波数が80Hz〜120Hzの場合を想定している。
また、図10においては、図5の各インピーダンスZ0、Z1、Z2も併記してある。図5を参照して説明したように、インピーダンスZ0は、各磁歪棒1、2が伸縮していないときの各コイル3、4の各々のインピーダンスである。そして、インピーダンスZ1、Z2は、各磁歪棒1、2が伸縮運動をしているときの各コイル3、4の各々のインピーダンスである。
図10に示すように、前述のようにコイル群21に抵抗Rを付加したことで、本実施形態に係る発電デバイス20の合成インピーダンスZは、上記の各インピーダンスZ0、Z1、Z2よりも抵抗が高い等抵抗円上に位置するようになる。
また、コイル群21に付加したキャパシタCにより、合成インピーダンスZは等抵抗円に沿って実軸側に移動する。外部回路とのインピーダンス整合は実軸上において行われることが多いので、このように合成インピーダンスZが実軸に近づくと、発電デバイス20と外部回路とのインピーダンス整合を図るのが容易となる。
なお、合成インピーダンスZのとり得る値が等抵抗円の上で弧状となっているのは、コイル群21に誘起される誘導起電力の周波数によって合成インピーダンスZの値が異なるためである。これについては後述の第2実施形態でも同様である。
更に、以下のようにキャパシタCの容量値を調節することで合成インピーダンスZのリアクタンス成分を0にし、実軸上に合成インピーダンスZを位置させてもよい。
図8の等価回路はRLC直列回路であるから、発電デバイス20の合成インピーダンスZは次の式(1)のように書ける。
なお、式(1)では、抵抗Rの抵抗値とキャパシタCの容量値をこれらの素子と同一の文字R、Cで表している。また、Lは第1のコイル3と第2のコイル4の合成インダクタンスであり、ωは各磁歪棒1、2の振動の角周波数である。
合成インピーダンスZのリアクタンス成分を0にするには、式(1)の右辺第2項の虚部を0にすればよい。よって、ωL=1/(ωC)を満たすようにキャパシタCの容量を調節することで合成インピーダンスZのリアクタンス成分を0にすることができる。
これにより、実軸上において行われることが多い他の回路と発電デバイス20とのインピーダンス整合を容易に行うことができる。
また、前述のように、インピーダンス整合は実軸上の50Ωの点で行われることが多い。合成インピーダンスZのリアクタンス成分が0のとき、抵抗Rが低下すると合成インピーダンスZは実軸上を左に移動し、抵抗Rが増加すると合成インピーダンスZは実軸上を右に移動する。
よって、抵抗Rの抵抗値を適宜調節することにより、実軸上の50Ωの点に合成インピーダンスZが一致するようにすることができる。
以上説明した本実施形態によれば、図8のように第1のコイル3と第2のコイル4とを直列に接続するため、各コイル3、4のインピーダンスの時間変動を相殺でき、発電デバイス20の合成インピーダンスを時間的に一定にすることができる。
更に、各コイル3、4から形成されるコイル群21にキャパシタCを直列に接続したことで、発電デバイス20の合成インピーダンスのリアクタンス成分を0にし、実軸上で発電デバイス20と他の回路とのインピーダンス整合をとることができる。
そして、コイル群21に付加された抵抗Rの抵抗値を調節することにより、実軸上の50Ωの点でインピーダンス整合を図ることも可能となる。
(第2実施形態)
図11は、本実施形態に係る発電デバイスの正面図である。なお、図11において、第1実施形態で説明したのと同じ要素には第1実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図11は、本実施形態に係る発電デバイスの正面図である。なお、図11において、第1実施形態で説明したのと同じ要素には第1実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図11に示すように、この発電デバイス30においては、第1の磁歪棒1と第2の磁歪棒2の各々に、軸方向に分離された複数の小領域31を設ける。
そして、その小領域31に各コイル3、4を一つずつ配することで、第1の磁歪棒1に複数の第1のコイル3を設け、かつ、第2の磁歪棒2に複数の第2のコイル4を設ける。
また、コイル群21は、第1のコイル3と第2のコイル4の各々を一つずつ直列に接続することにより形成され、本実施形態では複数のコイル群21が設けられる。
図12は、本実施形態に係る発電デバイス30の等価回路図である。
図12に示すように、この発電デバイス30においては、複数のコイル群21ごとに出力端子30a、30bが設けられ、これらの出力端子30a、30bからコイル群21の誘導起電力が取り出される。
上記のように複数のコイル群21を設けたことで、本実施形態ではそのコイル群21の数に相当する独立した電源21aを得ることができる。
また、これらの電源21aの各々の合成インピーダンスを調節するために、第1実施形態と同様に各コイル群21にはキャパシタCと抵抗Rが直列に接続される。なお、第1実施形態で説明したように、その抵抗Rには各コイル群21の内部抵抗も含まれる。
図13は、一つの電源21aの合成インピーダンスZ3を示すスミスチャートである。
この例では、発電デバイス30の第2の連結部材6に下向きに1.2kgfの力が加えられ、各コイル3、4に誘起される誘導起電力の周波数が80Hz〜120Hzの場合を想定している。
なお、図13においては、図5の各インピーダンスZ0、Z1、Z2も併記してある。
本実施形態では上記のように各磁歪棒1、2を小領域31に分割したため、これらの小領域31に設けられる各コイル3、4の長さは第1実施形態のそれらよりも短く、各コイル3、4の抵抗値が低減する。
その結果、図13において矢印Fで示すように、電源21aの合成インピーダンスZ3が第1実施形態よりも実軸上を左に移動し、当該インピーダンスZ3を50Ωに近づけやすくすることができる。
このように、本実施形態によれば各コイル3、4の内部抵抗が低減されるため、電源21aの合成インピーダンスZを50Ωにし易くなる。
(第3実施形態)
第2実施形態では、図12に示したように各電源21aを独立した電源として用いたが、本実施形態ではこれらの電源21aを組み合わせて用いる。
第2実施形態では、図12に示したように各電源21aを独立した電源として用いたが、本実施形態ではこれらの電源21aを組み合わせて用いる。
図14は、本実施形態に係る発電デバイスの正面図である。なお、図14において、第1実施形態や第2実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図14に示すように、本実施形態に係る発電デバイス40においても、第2実施形態と同様に、第1の磁歪棒1に第1のコイル3を複数設け、かつ、第2の磁歪棒2に第2のコイル4を複数設ける。
そして、第1のコイル3と第2のコイル4をそれぞれ一つずつ直列に接続することによりコイル群21が形成される。
図15(a)、(b)は、この発電デバイス40の等価回路図である。なお、図15(a)、(b)において、図12で説明したのと同じ要素には図12におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図15(a)、(b)の各例においては、いずれも複数のコイル群21同士が並列に接続される。但し、図15(a)では各コイル群21に対応してインピーダンス調整用の複数のキャパシタCを設けているのに対し、図15(b)ではそのキャパシタCを一つだけ設けている。
図15(a)と図15(b)のどちらを採用するかは、発電デバイス40に求められる仕様等に応じて適宜選択すればよい。
このように各コイル群21を並列接続することで、各コイル群21を単独で使用する場合と比較して発電デバイス40の抵抗が低減する。そのため、図13の例と同様に、発電デバイス40の合成インピーダンスが実軸上を左に移動し、実軸上の50Ωに合成インピーダンスを合わせやすくすることができる。
また、各コイル3、4の長さを調節し、これらのコイル3、4の内部抵抗を調節することで、発電デバイス40の合成インピーダンスを実軸に沿って調節することも簡単になる。
(第4実施形態)
第1〜第3実施形態では、一つの発電デバイスにおける第1のコイル3と第2のコイル4とを直列に接続した。
第1〜第3実施形態では、一つの発電デバイスにおける第1のコイル3と第2のコイル4とを直列に接続した。
これに対し、本実施形態においては、以下のようにして複数の発電素子を用い、各発電素子のコイル同士を直列に接続する。
図16は、本実施形態に係る発電デバイスの正面図である。
この発電デバイス50は二つの発電素子51を有する。
各発電素子51は、橋梁等の振動体13に固着されており、磁歪材料の第1の棒52と、第1の棒52に並行する第2の棒53とを有する。
なお、第2の棒53は第1の棒52から第1の方向D1に離間しており、その第1の方向D1は二つの発電素子51において互いに逆方向である。
そして、第1の棒52と第2の棒53の一方の端部が第1の連結部材5で連結され、他方の端部が第2の連結部材6で連結される。第1〜第3実施形態と同様に、各連結部材5、6は、鉄を含む磁性材料から形成され、各棒52、53に機械的かつ磁気的に結合する。
なお、第2の棒53の材料は磁歪材料である必要はなく、鉄等の磁性材料を第2の棒53の材料として使用してもよい。
更に、第1の棒52には銅線等のコイル55が巻かれており、複数の発電素子51の各々のコイル55同士が直列に接続され、各コイル55によりコイル群57が形成される。
図17は、一つの発電素子51の側面図である。
なお、図17において、第1〜第3実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図17に示すように、第1の棒52の両端にはそれぞれ第1の永久磁石8と第2の永久磁石9が磁気的かつ機械的に接続される。
更に、第1の磁歪棒52の横にはヨーク7が並行するように設けられ、そのヨーク7と各永久磁石8、9とが磁気的かつ機械的に接続される。ヨーク7の材料としては、例えば、鉄を含む磁性材料がある。
このような発電素子51においては、各棒52、53とヨーク7により磁路が形成され、各永久磁石8、9で発生した磁界Hがその磁路に沿って周回することになる。
図18は、この発電デバイス50の発電原理を説明するための模式図である。なお、図18において、図16や図17で説明したのと同じ要素にはこれらの図におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
また、図18においては、図を見やすくするために、上記のコイル55を省いている。
図18に示すように、振動体13が振動すると、二つの発電素子51の各々において第1の棒52と第2の棒53が振動し、これらの棒52、53が伸縮する。これにより、第1の棒52に巻かれたコイル55を貫く磁束が時間的に変化し、そのコイル55に誘導起電力を生成することができる。
ここで、振動体13の振動によって各発電素子51が略同位相で振動すると、一方の発電素子51においては第1の棒52が矢印Aの方向に縮み、他方の発電素子51においては第1の棒52が矢印Bの方向に伸びる。これは、前述のように第1の方向D1を各発電素子51で互いに逆方向としたためであり、これにより二つの発電素子51においては第1の棒52の伸縮の周期の位相が互いに逆方向になる。
図19は、この発電デバイス50の等価回路図である。
図19に示すように、各発電素子51の各々のコイル55同士は前述のように直列に接続され、これらのコイル55によりコイル群57が形成される。
また、そのコイル群57には、発電デバイス50のインピーダンスを調節するためのキャパシタCと抵抗Rとがそれぞれ直列に接続される。なお、抵抗Rの抵抗値にはコイル55の内部抵抗の値も含まれる。
更に、発電デバイス50には出力端子50a、50bが設けられており、コイル群57で生じた誘導起電力がこれらの端子50a、50bから取り出される。
図20は、コイル群57の合成インピーダンスの時間変化を模式的に表すグラフであって、そのグラフの横軸は時間を表し、縦軸は合成インピーダンスの絶対値を表す。
なお、図20においては、二つの発電素子51のコイル55のインピーダンスについても併記してある。
前述のように第1の棒51の伸縮方向が二つの発電素子51において逆方向になるため、コイル55のインピーダンスの時間変化は二つの発電素子51において位相が逆となる。
その結果、各コイル55のインピーダンスの和で表されるコイル群57の合成インピーダンスは時間によらず一定になる。
以上のように、本実施形態においても第1〜第3実施形態と同様に発電デバイス50の合成インピーダンスが時間的に一定となるため、発電デバイス50と他の回路とのインピーダンス整合を図ることが可能となる。
更に、図19のようにコイル群57にインピーダンス調整用のキャパシタCや抵抗Rを接続することで、第1実施形態と同じ理由により、実軸上で発電デバイス50と他の回路とのインピーダンス整合をとることができる。
(第5実施形態)
本実施形態では、第1〜第4実施形態で説明した発電デバイスを用いたセンサシステムについて説明する。
本実施形態では、第1〜第4実施形態で説明した発電デバイスを用いたセンサシステムについて説明する。
図21は、本実施形態に係るセンサシステムの構成図である。
このセンサシステム60は、エネルギハーベスティング技術で得られた電力で橋梁等を監視するものであり、第1実施形態で説明した発電デバイス20と、その発電デバイス20から電力が供給される回路部61とを有する。
なお、発電デバイス20に代えて、第2〜第4実施形態で説明した発電デバイス30、40、50を用いてもよい。
回路部61は、昇圧整流回路62、二次電池63、センサ64、マイコン65、及び通信部66を有する。
このうち、昇圧整流回路62は、発電デバイス20の出力電流を整流する。また、昇圧整流回路62は、発電デバイス20の出力電圧を所定電圧の直流電圧に昇圧する。
その直流電圧によって二次電池63が充電され、二次電池63の出力電圧によりセンサ64、マイコン65、及び通信部66が駆動する。
センサ64は、例えば、橋梁やトンネル等の振動を検出する加速度センサであって、その振動の大きさや周期等を含むセンサ信号Sをマイコン65に送る。なお、加速度センサに代えて、大気の温度や圧力を測定するための温度センサや圧力センサをセンサ64として用いてもよい。
センサ信号Sを取得する周期はマイコン65により制御され、例えば、1日に一回の周期でセンサ信号Sが取得される。
マイコン65は、通信部66にセンサ信号Sを送る。そして、通信部66は、センサ信号Sを所定の無線規格で外部に無線送信する。
無線送信されたセンサ信号Sは、例えばパーソナルコンピュータ等の端末によって受信され、その端末を利用することでセンサ64が置かれた環境の情報をユーザが把握することができる。
このようなセンサシステム60によれば、第1実施形態で説明したように、発電デバイス20のインピーダンスが時間的に一定である。そのため、発電デバイス20と回路部61とのインピーダンス整合が図られた状態を常に維持することができ、発電デバイス20から回路部61に供給される電力にロスが発生するのを抑制できる。
Claims (9)
- 第1の磁歪棒と、
前記第1の磁歪棒に並行する第2の磁歪棒と、
前記第1の磁歪棒と前記第2の磁歪棒とを連結する連結部材と、
前記第1の磁歪棒に巻かれた第1のコイルと、前記第2の磁歪棒に巻かれた第2のコイルとを備えたコイル群と有し、
前記第1のコイルと前記第2のコイルとが直列に接続されたことを特徴とする発電デバイス。 - 前記コイル群に直列に接続されたキャパシタを更に有し、
前記コイル群と前記キャパシタとの合成インピーダンスのリアクタンス成分が0にされたことを特徴とする請求項1に記載の発電デバイス。 - 前記合成インピーダンスの実部は50Ωであることを特徴とする請求項2に記載の発電デバイス。
- 前記第1の磁歪棒に前記第1のコイルを複数設け、かつ、前記第2の磁歪棒に前記第2のコイルを複数設けることにより、前記コイル群を複数設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の発電デバイス。
- 複数の前記コイル群同士を並列に接続したことを特徴とする請求項4に記載の発電デバイス。
- 前記第1の磁歪棒と前記第2の磁歪棒の各々に接続された永久磁石と、
前記永久磁石に接続され、前記第1の磁歪棒と前記第2の磁歪棒の各々に並行するヨークとを更に有することを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の発電デバイス。 - 磁歪材料の第1の棒と、前記第1の棒から第1の方向に離間し、かつ該第1の棒に並行する第2の棒と、前記第1の棒に巻かれたコイルとを有する発電素子を二つ備え、
前記発電素子の各々の前記第1の方向同士が互いに逆方向であり、
前記発電素子の各々の前記コイル同士を直列に接続してなるコイル群を備えたことを特徴とする発電デバイス。 - センサを含む回路部と、
前記回路部に電力を供給する発電デバイスとを有し、
前記発電デバイスが、
第1の磁歪棒と、
前記第1の磁歪棒に並行する第2の磁歪棒と、
前記第1の磁歪棒と前記第2の磁歪棒とを連結する連結部材と、
前記第1の磁歪棒に巻かれた第1のコイルと、前記第2の磁歪棒に巻かれた第2のコイルとを備えたコイル群と備え、
前記第1のコイルと前記第2のコイルとが直列に接続されたことを特徴とするセンサシステム。 - 前記回路部は、前記センサから出力されるセンサ信号を無線送信する通信部を有することを特徴とする請求項8に記載のセンサシステム。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2013/072025 WO2015022752A1 (ja) | 2013-08-16 | 2013-08-16 | 発電デバイス及びセンサシステム |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2015022752A1 true JPWO2015022752A1 (ja) | 2017-03-02 |
JP6146473B2 JP6146473B2 (ja) | 2017-06-14 |
Family
ID=52468152
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015531714A Active JP6146473B2 (ja) | 2013-08-16 | 2013-08-16 | 発電デバイス及びセンサシステム |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US10164552B2 (ja) |
JP (1) | JP6146473B2 (ja) |
WO (1) | WO2015022752A1 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7483328B2 (ja) * | 2019-05-31 | 2024-05-15 | キヤノン株式会社 | 発電素子、および発電素子を用いた装置 |
JP2021072707A (ja) * | 2019-10-31 | 2021-05-06 | 一般財団法人電力中央研究所 | 振動発電装置 |
WO2024101439A1 (ja) * | 2022-11-09 | 2024-05-16 | 国立大学法人九州大学 | 電源回路、および電源モジュール |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006521198A (ja) * | 2003-03-03 | 2006-09-21 | アダプティブ マテリアルズ テクノロジー オイ | 磁歪性材料を含む減衰・作動装置、振動減衰デバイス、および上記装置の使用方法 |
JP2009071960A (ja) * | 2007-09-12 | 2009-04-02 | Meleagros Corp | 電力伝送装置、電力伝送装置の送電装置、電力伝送装置の受電装置、高周波電力回路用キャパシタの性能評価方法および性能評価装置 |
JP2009130988A (ja) * | 2007-11-21 | 2009-06-11 | Namiki Precision Jewel Co Ltd | 磁歪式多軸駆動アクチュエータ |
JP2009542177A (ja) * | 2006-06-22 | 2009-11-26 | クーパー タイヤ アンド ラバー カンパニー | 磁歪/圧電体による遠隔発電、電池、および方法 |
WO2011158473A1 (ja) * | 2010-06-18 | 2011-12-22 | 国立大学法人金沢大学 | 発電素子および発電素子を備えた発電装置 |
JP2012161238A (ja) * | 2011-01-12 | 2012-08-23 | Nikon Corp | 発電機及び電子機器 |
JP2013118766A (ja) * | 2011-12-02 | 2013-06-13 | Kanazawa Univ | 発電装置 |
WO2013103009A1 (ja) * | 2012-01-05 | 2013-07-11 | 富士通株式会社 | 発電装置 |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5014321A (en) * | 1988-10-11 | 1991-05-07 | Commissariat A L'energie Atomique | Wide passband omnidirectional loudspeaker |
US5369625A (en) * | 1991-05-31 | 1994-11-29 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Thermoacoustic sound generator |
US5239514A (en) * | 1992-10-09 | 1993-08-24 | Exxon Production Research Company | Narrow band magnetostrictive acoustic source |
JP2008072862A (ja) | 2006-09-15 | 2008-03-27 | Citizen Holdings Co Ltd | 発電デバイスおよびそれを備えた発電装置 |
CN103270686A (zh) * | 2011-01-12 | 2013-08-28 | 株式会社尼康 | 发电机、电子机器及发电装置 |
-
2013
- 2013-08-16 JP JP2015531714A patent/JP6146473B2/ja active Active
- 2013-08-16 WO PCT/JP2013/072025 patent/WO2015022752A1/ja active Application Filing
-
2016
- 2016-02-09 US US15/019,213 patent/US10164552B2/en active Active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006521198A (ja) * | 2003-03-03 | 2006-09-21 | アダプティブ マテリアルズ テクノロジー オイ | 磁歪性材料を含む減衰・作動装置、振動減衰デバイス、および上記装置の使用方法 |
JP2009542177A (ja) * | 2006-06-22 | 2009-11-26 | クーパー タイヤ アンド ラバー カンパニー | 磁歪/圧電体による遠隔発電、電池、および方法 |
JP2009071960A (ja) * | 2007-09-12 | 2009-04-02 | Meleagros Corp | 電力伝送装置、電力伝送装置の送電装置、電力伝送装置の受電装置、高周波電力回路用キャパシタの性能評価方法および性能評価装置 |
JP2009130988A (ja) * | 2007-11-21 | 2009-06-11 | Namiki Precision Jewel Co Ltd | 磁歪式多軸駆動アクチュエータ |
WO2011158473A1 (ja) * | 2010-06-18 | 2011-12-22 | 国立大学法人金沢大学 | 発電素子および発電素子を備えた発電装置 |
JP2012161238A (ja) * | 2011-01-12 | 2012-08-23 | Nikon Corp | 発電機及び電子機器 |
JP2013118766A (ja) * | 2011-12-02 | 2013-06-13 | Kanazawa Univ | 発電装置 |
WO2013103009A1 (ja) * | 2012-01-05 | 2013-07-11 | 富士通株式会社 | 発電装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6146473B2 (ja) | 2017-06-14 |
US10164552B2 (en) | 2018-12-25 |
US20160156286A1 (en) | 2016-06-02 |
WO2015022752A1 (ja) | 2015-02-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Mur-Miranda et al. | Wireless power transfer using weakly coupled magnetostatic resonators | |
US7928634B2 (en) | System and method for providing a piezoelectric electromagnetic hybrid vibrating energy harvester | |
Lallart et al. | High efficiency, wide load bandwidth piezoelectric energy scavenging by a hybrid nonlinear approach | |
JP2017536072A5 (ja) | ||
JP2011160634A (ja) | 電力伝送システム及び送電装置 | |
JP6146473B2 (ja) | 発電デバイス及びセンサシステム | |
JP5764032B2 (ja) | ワイヤレス給電装置、受電装置および給電システム | |
JPWO2014014062A1 (ja) | 移動可能なカプセル装置及びその制御方法 | |
Challa et al. | Wireless power transmission to an electromechanical receiver using low-frequency magnetic fields | |
Lallart et al. | Transient performance of energy harvesting strategies under constant force magnitude excitation | |
RU2505919C1 (ru) | Способ, система и устройство для беспроводной передачи энергии (варианты) | |
Yan et al. | Self-powered electromagnetic energy harvesting for the low power consumption electronics: Design and experiment | |
JP5921005B2 (ja) | 振動発電機 | |
EP2688075A1 (en) | High efficiency energy harvester and methods thereof | |
JP2015154681A (ja) | 発電装置及び方法並びに電子機器 | |
Menon et al. | Efficient wireless power transfer using underground relay coils | |
Jiang et al. | Design and modelling of a novel linear electromagnetic vibration energy harvester | |
Rendon-Hernandez et al. | Magnetically Coupled Microelectromechanical Resonators for Low-Frequency Wireless Power Transfer | |
JP2020088933A (ja) | 発電装置 | |
JPWO2014168008A1 (ja) | 発電装置 | |
JP6581816B2 (ja) | 振動発電装置、電子機器及び振動発電方法 | |
JP2016005332A (ja) | 発電装置およびこれを備えた電子機器 | |
JP2017147937A (ja) | 電磁発電機およびこれを搭載した直動アクチュエータ装置 | |
CN105529899A (zh) | 高效稳定电磁发电装置 | |
Murillo et al. | Heterogeneous integration of autonomous systems in package for wireless sensor networks |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20161201 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170418 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170501 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6146473 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |