JP2016005332A - 発電装置およびこれを備えた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】発電装置１ａは、ヨーク６ａ，６ｂに接続された錘２ａ，２ｂと、振動源１０に固定されたフレーム３ａと、磁歪素子４ａ，４ｂと、磁歪素子４ａ，４ｂに巻回された磁気コイル５ａ、５ｂと、一方が支柱８ａに固定され、他方が錘２ａ，２ｂに接続された磁性部材で構成されたヨーク６ａ，６ｂと、ヨーク６ａ，６ｂと磁歪素子４ａ，４ｂに接続されたバイアス磁界用永久磁石７ａ，７ｂ、７ｃ，７ｄと、フレーム３ａに固定された支柱８ａと、磁気コイル５ａ，５ｂに接続された電源回路９ａ，９ｂにより構成される第１及び第２の振動電力変換装置と、振動源１０と、から成る。
【選択図】図１

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１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する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異ならせたことを特徴とする。

また請求項２記載の発明では、請求項１に記載の発明において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発生させるようにしたことを特徴とする。

また請求項３記載の発明では、請求項１に記載の発明において前記錘体と前記支持体の対向位置に一対の永久磁石を備え、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いることを特徴とする。

また請求項４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する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ていることを特徴とする。

また請求項５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する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たことを特徴とする。

また請求項６記載の発明では、請求項５に記載の発明において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発生させるようにしたことを特徴とする。

また請求項７記載の発明では、請求項５に記載の発明において前記錘体と前記支持体の対向位置に一対の永久磁石を備え、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いることを特徴とする。

また請求項８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する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いることを特徴とする。

また請求項９記載の発明では、上記請求項１ないし８のいずれかに記載の発明において前記振動電力変換手段は、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ことを特徴とする。

また請求項１０記載の発明では、上記請求項１ないし９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 (10)

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する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異ならせたことを特徴とする発電装置。
2. 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発生させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記錘体と前記支持体の対向位置に一対の永久磁石を備え、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いることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
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する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てい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する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たことを特徴とする発電装置。
6. 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発生させるようにしたことを特徴とする請求項５に記載の発電装置。
7. 前記錘体と前記支持体の対向位置に一対の永久磁石を備え、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いることを特徴とする請求項５に記載の発電装置。
8. 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する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いることを特徴とする発電装置。
9. 前記振動電力変換手段は、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ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の発電装置。
10. 電子機器が、前記請求項１ないし９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。