WO2020246619A1 - 発電システムおよび振動発電装置 - Google Patents

Abstract

発電素子、特に好適には磁歪素子に、高い周波数と大きな振幅を持つ外力を、簡単至便な方法により加え、高い発電力を引き出すことのできる発電システムおよび振動発電装置を提供する。　再生可能エネルギー、機械振動の群から選択された動力源に連結する回転シャフトの回転力を用いて、前記シャフトに設けられた突起物を磁歪素子あるいは磁歪素子を固定した板の先端に接触させることで、磁歪素子に外力を加え、逆磁歪効果による電力を発生する発電システムおよび振動発電装置を提供する。

Description

発電システムおよび振動発電装置

　本発明は、振動を利用する発電素子に関し、特に好適には磁歪材料を使用する発電素子及びこの発電素子へ外力を加え発電させる発電システムおよび振動発電装置に関する。

　近年、電池などに代わる電源として振動発電などが注目されている。なかでも比較的大きな発電量が期待される磁歪材料を用い、それに外力を加え電気エネルギーを得るアイデアは数多く出されている。その多くは、エネルギー変換をいかに効率よく行うかというところに注目している。
　特許文献１　特願２０１６−５０８６２８は、磁歪材料に加えられた振動を効果的に伝達する発電素子の構造として優れたアイデアであるが、加える振動を能動的に得るかについては思い至っていない。

特願２０１６−５０８６２８

　磁歪素子を用いた発電素子の発電効率は、外部から加えられる振動の振幅および周波数によって、大きく変わる。その効果を決定するのは発電装置の構成によるところが大きい。例えば、人の歩く振動を利用したものがあるが、振幅は得られても、周波数は低く、思うような発電量は得られない。その逆に、例えば、腕時計の中の機械部品のように高速に動く構造を利用して振動を加えるようなアイデアがあるが、周波数は得られるが振幅が得られず、やはり思うような発電量は得られない。この傾向は、磁歪素子に限らず、振動で発電する電磁方式、圧電方式、静電方式なども事情は同じである。
　すなわち本発明は、上記事情にかんがみてなされたもので、磁歪素子を用いた振動素子に、高い周波数で大きな振幅を加え得る振動発電装置並び発電システムを提供することにある。
　なお、発電素子は、特に磁歪素子を用いたものに好適であるが、他にも電磁方式、圧電方式、静電方式などに使用される外力を加えられて発電する素子であるなら、いずれも使用しうる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、以下の構成を具備している。
　発明１は、磁歪材料からなる磁歪素子と、コイルと、磁石と、バックヨークと、を少なくとも備えた発電部と、再生可能エネルギー、機械振動の群から選択された動力源に連結する任意の突起部を設けたシャフトと、を備えており、前記発電部の一方の端部は固定され、他方の端部が自由端になるよう取り付けられ、前記発電部の自由端の一部は、前記突起部に接触するよう配置されたことを特徴とする、振動発電装置である。
　発明２は、再生可能エネルギー、機械振動の群から選択された動力源によって移動可能な突起部を具備する発明１に記載の振動発電装置である。
　発明３は、前期突起部が前記発電部の自由端に接触して移動し、前記発電部の磁歪素子が変形することを特徴とする発明１及び発明２に記載の振動発電装置である。
　発明４は、前記磁歪素子は、保護板に固定され、前記突起部が前記保護板に接触し、移動することで、該磁歪素子が変形することを特徴とする発明１及び発明２及び発明３に記載の振動発電装置である。
　発明５は、前記突起部に接触する発電部の端部は、金属、樹脂、ゴムの群れから選択された材料によって保護されたことを特徴とする発明１に記載の振動発電装置である。
　発明６は、前記再生可能エネルギー、機械振動の群れから選択された動力源は、回転運動であることを特徴とする発明１に記載の振動発電装置である。
　発明７は、発電部に現れる電力は、データ通信用電力として利用されることを特徴とする発明１に記載の振動発電装置である。
　発明８は、前記動力源は、ドアの開閉、騒音、道路の振動、建物の振動、生活動作から発生する振動によって移動可能な前記突起部を具備する発明１に記載の振動発電装置である。
　発明９は、前記動力源は、ドアの開閉の位置変化を、ひもやワイヤーやチェーンやアーム等を用いて、生成した回転運動であることを特徴とした発明１に記載の振動発電装置である。
　発明１０は、前記動力源の再生可能エネルギーは、風力、波力、水力、重力、の群れから選択されたものであることを特徴とする発明１及び発明２に記載の振動発電装置である。
　発明１１は、複数の前記発電部を配置したことを特徴とする発明１および発明２に記載の振動発電装置である。
　発明１２は、ドラム状の筐体に、複数の前記発電部を配置したことを特徴とする発明１及び発明２に記載の振動発電装置である。
　発明１３は、前記磁歪素子と前記保護板を打撃できるように一方の端部は固定され一方の端部は自由端である柄にばね性を持つハンマーが、前記磁歪素子と前記保護板の近傍に配置されていることを特徴とする振動発電装置の発電部である。
発明１４は、前記ハンマーの自由端は前記突起部と接触する位置に配置し、前記磁歪素子と前記保護板は、前記突起部と接触しない位置に配置されていることを特徴とする発明１３に記載の発電部である。
　発明１５は、前記保護板は、音叉の形をしていることを特徴とする発明１３に記載の振動発電装置の発電部である。
　発明１６は、再生可能エネルギーから回転エネルギーを発生する受容装置と、前記回転エネルギーを用いて物体を打撃する打撃装置と、を備え、さらに発電素子と、コイルと、磁石と、バックヨークと、を少なくとも備えた発電部と、を備え、前記打撃装置が、前記受容装置が発生する回転エネルギーを用いて、前期発電部の発電素子あるいは該発電素子に連結する部分を打撃し、前期発電部の発電素子が変形することで、電力を発生する、発電システムである。
　発明１７は、前記回転エネルギーは、風力、波力、水力、潮力等の自然エネルギー、ドアの開閉、騒音、道路の振動、建物の振動、生活動作から発生する振動、モーターやエンジン等が動作時に発生する機械振動の、群から選択されたエネルギーによって生成することを特徴とする請求項１６に記載の発電システムである。
　発明１８は、前記受容装置は、さらに変速機を備え、前記回転エネルギーの動力を変更することを特徴とする請求項１６および１７に記載の発電システムである。
　発明１９は、前記発電部の前記発電素子は、材料の一部に少なくとも鉄ガリウム合金（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）を用いたことを特徴とする請求項１６乃至１８に記載の発電システム。
　発明２０は、前記発電部は、前記発電素子の逆磁歪効果を利用したものであることを特徴とする請求項１６乃至１９に記載の発電システムである。
　発明２１は、請求項１乃至請求項１５に記載の振動発電装置を備えたことを特徴とする発明１６乃至２０に記載の発電システムである。

　本発明によれば、再生可能エネルギー、モーターやエンジン等が動作時に発生する機械振動の群から選択された動力源に連結する回転シャフトの回転力を利用し、磁歪素子等の発電素子を打撃することで、高い周波数で、大きな振幅の振動を該発電素子に与えることができ、大型、小型を問わず、使用目的に応じた振動発電装置を提供することができる。

図１は、一実施形態に係る振動発電装置の概略的な構成を示す上面図である。
図２は、一実施形態に係る振動発電装置の概略的な構成を示す側面図である。
図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、一実施形態に係る振動発電装置の発電部を複数配置した場合の構造を上部、斜視図、外観図で示した構成図である。
図４は、一実施形態に係る振動発電装置の発電部に磁歪素子を保護する磁歪素子保護板を用いた構造を示す構成図である。
図５は、一実施形態に係る振動発電装置の発電部の磁歪素子を保護するとともに、ハンマー板を用いて磁歪素子を振動させる構造を示す構成図である。

発明に係る一実施形態につき説明する。なお、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。
　図１は、一実施形態にかかる振動発電装置の概略的な構成を示す上面図である。図２は、一実施形態にかかる振動発電装置の概略的な構成を示す側面図である。
図示しないが、回転シャフト（１）には、再生可能エネルギーから回転エネルギーを発生する受容装置が連結されている。回転シャフト（１）には、突起部（３）が配置されたセットカラー（２）が固定され、打撃装置を構成している。突起部（３）は、磁歪素子（４）に接触する位置に配置されている。
磁歪材料からなる磁歪素子（４）、前記磁歪素子（４）に巻かれるコイル（５）、磁石（８）（９）、バックヨーク（１０）、を備えた発電部は、前記磁歪素子（４）が一方の端部が磁歪素子固定部（７）に固定され、他方の端部が自由端になるよう取り付けられている。磁歪素子（４）は磁性を持つ金属による磁歪素子保護板（１２）の上に配置されてもよい。この保護板はバックヨークの効果を併せ持つこともある。従って、保護板をバックヨークと言い換えることも可能である。
　この発電部の構造は、磁歪素子に外力を加えて発電する発電部であるなら、すべての公知の構造を使い得る。
　前記受容装置からの回転エネルギーによって、回転シャフト（１）が回転すると、突起部（３）は磁歪素子（４）に接触し、磁歪素子（４）を変形させる。そして、回転シャフト（１）の回転が進み、突起部（４）が磁歪素子（４）から離れると、磁歪素子（４）が解放される。この動作にあって、磁歪素子（４）に逆磁歪効果が発生し、コイル（５）に電力が発生し、電力出力部（６）に電力が出力される。
　なお、回転シャフト（１）に連動して回転するように固定されたセットカラー（２）と、前記セットカラー（２）に設けられる任意の好適には複数の突起部（３）は、その代わりとして、例えば、回転シャフト（１）に突起部を設けてもよく、あるいは、ギヤーのようにセットカラーと突起部が一体化したものでもよい。あるいは、偏心カムのような形状も使いうる。また、効率的には劣るが、ラックギヤーのように配置された突起部にスプリングなどを設けて上下動させ使用することも可能である。さらに、公知の移動可能の突起部であれば、いずれも使いうる。
　さらに、打撃装置に対して、発電部を複数配置し、発電量を増やすことも出来得る。

図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、発電部をドラム状の筐体に複数配置し、回転シャフト（１）の突起部（３）からの圧力で、効率よく発電できるよう工夫した実施例である。図示しないが、好適には、発電部に、図４あるいは図５の構造を使用すると、長期使用に適した発電を効率よく行うことができる。なお、このドラム状の筐体には、図示しないが、複数の発電部から発生する電力を繋げ、外部に出力する外部回路が内包されていることは論を待たない。　また、ドラム状の筐体は、筐体を固定して回転シャフトを回す構造にしたり、その逆に、回転シャフトを固定して、筐体側を回す構造にしたりすることも可能である。
この実施形態の発電部では、好適には磁歪素子を発電源とするが、圧電セラミックなど、公知の、外力を加えられて発電する材料を発電源とすることもできる。
　このように発電部をドラム状の筐体に複数配置して、突起部（３）で複数の発電部の磁歪素子（４）を打撃すると、打撃装置の回転に対して、効率よく発電ができ得る。

　次に、一実施形態に係る振動発電装置の発電プロセスについて図１を用いて説明する。図示しないが、回転シャフト（１）には、再生可能エネルギーから回転エネルギーを発生する受容装置が連結されている。回転シャフト（１）には、突起部（３）が配置されたセットカラー（２）が固定され、打撃装置を構成している。突起部（３）は、磁歪素子（４）に接触する位置に配置されている。
前記外力伝達部のセットカラー（２）に設けられた任意の突起部（３）は、前記発電部の磁歪素子（４）先端に触れるように配置されている。
　回転シャフト（１）が再生可能エネルギーを受けた受容装置が回転エネルギーを発生し、それにより回転すると、突起部（３）は磁歪素子（４）先端を回転方向に従って押す。この時、磁歪素子（４）に曲げ応力が加わり、
　回転シャフト（１）の回転がさらに進むと、磁歪素子（４）の先端は、突起部（３）から外れ、曲げ応力が加わる前の状態に戻る。この動作で逆磁歪効果が発生し、前記発電部の回路構成であるコイル（５）、磁石（８）（９）、バックヨーク（１０）を介して電力が電力出力部（６）に現れる。この動作を繰り返すことで、回転シャフト（１）の回転トルク、回転数、ならびに磁歪素子（４）の長さ、突起部（３）の形状と、に応じた周波数、振幅をもとに電力を発生することができる。
　なお、再生可能エネルギー、機械振動の群から選択された動力源は、前記打撃装置に連結せず、前記発電部に連結して、前記発電部を回転させても、同様の電力を発生することができる。
また、前期発電部を回転シャフト（１）側に配置し、突起部（３）を前期発電部が固定されていた側に配置しても同様の電力を発生することができる。
　突起部（３）は、磁歪素子（４）が接触する際の回転シャフト（１）の回転への負荷を減らすために回転可能な球体あるいはローラーによって構成することも出来る。
　磁歪素子（４）の少なくとも突起部（３）と接触する部分には、摩耗を避けるための金属メッキや、別素材によるソケットあるいはカバーなどを付加することもできる。
　磁歪素子（４）の一方の端部を固定する磁歪素子固定部（７）は、磁歪素子（４）の先端が摩耗した際に自動で磁歪素子（４）をセットカラー（２）方向へ押し出すばね構造などを設けても良い。
　磁歪素子（４）あるいは、磁歪素子を配置する磁歪素子保護板（１２）と、突起部（３）については、摩耗をできるだけ防ぐ、すべての公知の技術が使い得る。
　電力出力部（６）に現れた電力は、公知の技術によって、さまざまな電気を使用する機器に使いうる。好適には、災害等の緊急時の電力、各種環境データを採取するセンサー、画像や映像等を記録するカメラ設備、コンピュータによるデータ分析、データ通信、等のための電力として利用され、ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ）に資する使用が考えられる。
　なお、再生可能エネルギーとは、風力、波力、水力、等の自然エネルギーのほかに、ドアの開閉、騒音、道路の振動、建物の振動、生活動作から発生する振動、等も含まれる。
　また、再生可能エネルギーは、公知の技術によって回転運動にされ、利用し得る。ギヤーやプーリー等を利用し、変速機を通じて、回転力を変更して、利用効果を増す使用も可能である。さらに、ドアの開閉等の位置変化を、ひもやワイヤーやチェーンやアーム等を用いて、回転運動に変更する機構なども使用しうる。

　次に一実施形態に係る振動発電装置の、前記発電部の、磁歪素子（４）を摩耗から保護した構造例を図４及び図５を用いて説明する。
図４は、磁歪素子（４）に磁歪素子保護板（１２）を貼り合わせ、磁歪素子保護板（１２）に、図１の突起部（３）を接触させることで、磁歪素子（４）を摩耗から保護している。この構造では、摩耗の保護に加えて、磁歪素子保護板（１２）の材質を工夫することで、磁歪素子（４）に加える振動の周波数を調整することができる。
図５は、磁歪素子（４）が貼り合わされた磁歪素子保護板（１２）と、それに平行に配置された、ハンマー（１３）が接着したハンマー板（１４）が備えられている。ハンマー板（１４）に図１の突起部（３）が接触することでハンマー板（１４）が変形し、突起部（３）がハンマー板（１４）から離れるとハンマー板（１４）が反力で戻ることで、ハンマー（１３）が磁歪素子保護板（１２）を打撃し、貼り合わされた磁歪素子（４）が振動する。この構造によれば磁歪素子（４）の摩耗を保護することができるとともに、磁歪素子（４）に加わる振動を調整することができる。なお、ハンマー板（１４）は、ばね性をもつ金属で構成されるのが好適である。また、磁歪素子保護板（１２）を使わず、ハンマー（１３）で磁歪素子（４）を直接打撃する構造も可能である。さらに、磁歪素子（４）や磁歪素子保護板（１２）には、重りをつけ、振動周波数を調整して共振エネルギーを得る等の、振動制御に関するすべての公知の技術を使い得る。
図示しないが、磁歪素子保護板（１２）を音叉の形にして、特定周波数で共鳴するようにすれば、振動時間は長くなり、発電時間を伸ばすことも可能になる。

本発明を利用すれば、例えば風力発電の風車の回転を利用して、発電を行うことが可能になり、その発電力を、防霜、防雪などを防止するヒーターや超音波振動装置などに利用でき、さらには回転する装置の状態観察を行うセンサー端末の電力源も作り出すことが可能である。また、風力や水力、振動などで簡単に回転力を得られる構造に利用すれば、簡易で小型の再生可能エネルギー発電機を構成することも可能である。こうした電力が、災害等の緊急時の電力、各種環境データを採取するセンサー、画像や映像等を記録するカメラ設備、コンピュータによるデータ分析、データ通信、等のための電力として利用され、有線の電力供給が期待できない屋外のＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ）機器に資する電力となり、社会に貢献できることは論を待たない。

１…回転シャフト
２…セットカラー
３…突起部
４…磁歪素子
５…コイル
６…電力出力部
７…磁歪素子固定部
８…磁石
９…磁石
１０…バックヨーク
１１…止めネジ
１２…磁歪素子保護板（バックヨークとも言いうる）
１３…ハンマー
１４…ハンマー板

Claims (21)

1. 磁歪材料からなる磁歪素子と、コイルと、磁石と、バックヨークと、を少なくとも備えた発電部と、再生可能エネルギー、機械振動の群から選択された動力源に連結する任意の突起部を設けたシャフトと、を備えており、前記発電部の一方の端部は固定され、他方の端部が自由端になるよう取り付けられ、前記発電部の自由端の一部は、前記突起部に接触するよう配置されたことを特徴とする、振動発電装置。
2. 再生可能エネルギー、機械振動の群から選択された動力源によって移動可能な突起部を具備する請求項１に記載の振動発電装置。
3. 前期突起部が前記発電部の自由端に接触して移動し、前記発電部の磁歪素子が変形することを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の振動発電装置。
4. 前記磁歪素子は、保護板に固定され、前記突起部が前記保護板に接触し、移動することで、該磁歪素子が変形することを特徴とする請求項１及び請求項２及び請求項３に記載の振動発電装置。
5. 前記突起部に接触する発電部の端部は、金属、樹脂、ゴムの群れから選択された材料によって保護されたことを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
6. 前記再生可能エネルギー、機械振動の群れから選択された動力源は、回転運動であることを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
7. 発電部に現れる電力は、データ通信用電力として利用されることを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
8. 前記動力源は、ドアの開閉、騒音、道路の振動、建物の振動、生活動作から発生する振動によって移動可能な前記突起部を具備する請求項１に記載の振動発電装置。
9. 前記動力源は、ドアの開閉の位置変化を、ひもやワイヤーやチェーンやアーム等を用いて、生成した回転運動であることを特徴とした請求項１に記載の振動発電装置。
10. 前記動力源の再生可能エネルギーは、風力、波力、水力、重力、の群れから選択されたものであることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の振動発電装置。
11. 複数の前記発電部を配置したことを特徴とする請求項１および請求項２に記載の振動発電装置。
12. ドラム状の筐体に、複数の前記発電部を配置したことを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の振動発電装置。
13. 前記磁歪素子と前記保護板を打撃できるように一方の端部は固定され一方の端部は自由端である柄に、ばね性を持つハンマーが、前記磁歪素子と前記保護板の近傍に配置されていることを特徴とする振動発電装置の発電部。
14. 前記ハンマーの自由端は前記突起部と接触する位置に配置し、前記磁歪素子と前記保護板は、前記突起部と接触しない位置に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の振動発電装置の発電部。
15. 前記保護板は、音叉の形をしていることを特徴とする請求項１３に記載の振動発電装置の発電部。
16. 再生可能エネルギーから回転エネルギーを発生する受容装置と、前記回転エネルギーを用いて物体を打撃する打撃装置と、を備え、さらに発電素子と、コイルと、磁石と、バックヨークと、を少なくとも備えた発電部と、を備え、前記打撃装置が、前記受容装置が発生する回転エネルギーを用いて、前期発電部の発電素子あるいは該発電素子に連結する部分を打撃し、前期発電部の発電素子が変形することで、電力を発生する、発電システム。
17. 前記回転エネルギーは、風力、波力、水力、潮力等の自然エネルギー、ドアの開閉、騒音、道路の振動、建物の振動、生活動作から発生する振動、モーターやエンジン等が動作時に発生する機械振動の、群から選択されたエネルギーによって生成することを特徴とする請求項１６に記載の発電システム。
18. 前記受容装置は、さらに変速機を備え、前記回転エネルギーの動力を変更することを特徴とする請求項１６および請求項１７に記載の発電システム。
19. 前記発電部の前記発電素子は、材料の一部に少なくとも鉄ガリウム合金（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）を用いたことを特徴とする請求項１６乃至請求項１８に記載の発電システム。
20. 前記発電部は、前記発電素子の逆磁歪効果を利用したものであることを特徴とする請求項１６乃至請求項１９に記載の発電システム。
21. 請求項１乃至請求項１５に記載の振動発電装置を備えたことを特徴とする請求項１６並びに請求項２０に記載の発電システム。

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