JP2017175676A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電装置を取り付ける対象が人や動物の場合に、人や動物の活動によって生じる数Ｈｚ程度の低周波数で共振し、小型化が可能な発電装置を提供する。【解決手段】発電装置が、固定端と可動端を有する錐体バネを備え、錐体バネの自由長とは反対側において可動端に取り付けた可動子を有し、可動子の振動により発電する発電部を備えた構造とすることで、低周波数で共振及び発電が可能で、小型の発電装置を構成することができた。【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置に関し、特に可動子の振動運動により発電する発電装置に関する。

近年になって、光や熱、振動などの身の回りにある微小なエネルギーを電気エネルギーに変換して採集する環境発電（エナジーハーベスティング）技術が提案されてきている。環境発電技術を用いた発電装置を用いることで、例えば橋梁、ビル、動物、人などに発電装置を装着して各種電子機器の電力源とすることができる。これによって、電池交換や二次電池の充電を必要とせずに、様々な環境で自立型独立電源を確保して電子機器を長時間駆動させることが可能となる。

対象物の振動により発電を行うタイプの環境発電では、対象物が振動する周波数に共振する機構を用いて、振動による運動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換するように設計される（特許文献１，２等）。このような共振タイプの環境発電は、共振周波数以外では発電効率が著しく劣るため、対象物の振動に発電装置の共振点を如何に合わせてＱ値を下げるかが重要になってくる。

特開２０１４−０５０２０４号公報 特開２０１１−１７２３５１号公報

しかし、特に発電装置を取り付ける対象が人や動物の場合には、人や動物の活動によって生じる振動数が低く、数Ｈｚ程度（人の場合約１．９Ｈｚ程度）という特徴がある。バネと可動子を用いた共振の場合、バネ定数をｋ、可動子の質量をｍ、周波数をν、振幅をＡとすると、振動のエネルギーＥは

と表わされる。したがって、低周波の振動からできるだけ大きなエネルギーを採集するためには、可動子の質量ｍを大きくするか、低周波数で共振し振幅が大きくなるようにバネ定数ｋを小さくする必要がある。

しかし、可動子の質量ｍを大きくすることは、発電装置の小型化や可搬性を損なうため好ましくない。また、バネ定数ｋを小さくすると、可動子の質量ｍによるバネの変位量が大きくなるため、引張バネでは小型化が困難であり、圧縮バネでは座屈する問題があった。

図５は従来の引張バネを用いた可動子の振動について説明する模式図であり、図５（ａ）は引張バネに負荷をかけない状態での自由長Ｌ０を示し、図５（ｂ）は可動子による変位と振幅を示している。引張バネ１に負荷をかけない状態での自由長Ｌ０とすると、引張バネ１の固定端１ａを固定部２に固定し、可動端１ｂに可動子３を取り付けたときの重さでの変位量ｘと振幅Ａ、振動に必要な全長Ｌ１は、図５（ｂ）に示すように


の関係となる。このように従来の引張バネ１を用いた振動では、振幅Ａを得るために必要な全長Ｌ１が大きくなってしまい、発電装置の小型化が困難であるという問題があった。

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、数Ｈｚ程度の低周波数で共振し、小型化が可能な発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の発電装置は、固定端と可動端を有する錐体バネを備え、前記錐体バネの自由長とは反対側において前記可動端に取り付けた可動子を有し、前記可動子の振動により発電する発電部を備えることを特徴とする。

このような本発明の発電装置では、錐体バネの自由長と反対側に可動端を反転させて可動子を取り付けているため、振幅の中心位置と固定端との距離を小さくすることができ、振動に必要な全長を小さくして小型化を図ることが可能となる。

また本発明の一態様では、前記錐体バネと前記可動子による固有振動数は、０．１〜５Ｈｚの範囲である。

また本発明の一態様では、前記錐体バネのバネ定数は０．００５〜０．０５Ｎ／ｍｍの範囲である。

また本発明の一態様では、前記固定端は曲率半径の大きい側である。

また本発明の一態様では、前記可動子が磁石であり、前記磁石がコイルの内部で振動する。

また本発明の一態様では、前記可動子がコイルであり、前記コイルが磁石の近傍で振動する。

また本発明の一態様では、前記可動子がモーターであり、前記モーターの振動を回転運動に変換して前記モーターのシャフトを回転させる変換機構を備える。

本発明では、数Ｈｚ程度の低周波数で共振し、小型化が可能な発電装置を提供することができる。

第１実施形態における発電装置１０を示す模式断面図である。 円錐バネ１１と磁石１３による振動について説明する模式図であり、図２（ａ）は円錐バネ１１に負荷を加えていない状態での自由長を示し、図２（ｂ）は円錐バネ１１の固定端１１ａと可動端１１ｂとを反転させた状態での振動を示している。 第２実施形態における発電装置２０を示す模式断面図である。 第３実施形態における発電装置３０を示す模式断面図である。 従来の引張バネを用いた可動子の振動について説明する模式図であり、図５（ａ）は引張バネに負荷をかけない状態での自由長Ｌ０を示し、図５（ｂ）は可動子による変位と振幅を示している。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態における発電装置１０を示す模式断面図である。発電装置１０は、錐体バネとなる円錐バネ１１と、固定部１２と、磁石１３と、ガイド１４と、底部１５と、コイル１６とを備えている。

円錐バネ１１は、固定端１１ａから可動端１１ｂにかけて線材の曲率半径が漸減するとともに、高さ方向に螺旋状に加工した部材である。ここで円錐バネ１１と一般的な名称を用いているが、必ずしも円錐形状である必要はなく、曲率半径が漸減して高さ方向に螺旋状に形成されていればよく、円錐台形状や角錐形状などの種々の形状を採用することができる。また、ここでは固定端１１ａ側の曲率半径が可動端１１ｂ側よりも大きい例を示したが、可動端１１ｂ側の曲率半径が固定端１１ａ側よりも大きいとしてもよい。

円錐バネ１１の固定端１１ａは固定部１２の下面に固定されており、可動端１１ｂは後述するように円錐バネ１１の自由長とは反対側に反転されて磁石１３が取り付けられている。固定端１１ａと可動端１１ｂの他部材への取り付けは、接着剤等を用いるとしても良く、他の治具を介在させてもよい。

固定部１２は、円錐バネ１１の固定端１１ａを固定して吊り下げるための部材である。発電装置１０において固定部１２を設ける位置は限定されないが、発電装置１０を構成する筐体の天面とすることで、振動に必要な距離を確保しつつ装置の小型化を図ることができる。

磁石１３は、円錐バネ１１の可動端１１ｂに取り付けて吊り下げられ、円錐バネ１１を振動させる可動子として機能する部材である。図１中では、上方である可動端１１ｂ側をＮ極とし下方である底部１５側をＳ極とした例を示したが、Ｎ極とＳ極が逆向きであってもよい。発電装置１０では、円錐バネ１１のバネ定数ｋと磁石１３の質量ｍによって決まる固有振動数Ｆｎで、磁石１３が振幅Ａで上下方向に振動する。

発電装置１０を人体に取り付けて人の活動による振動で環境発電をする場合には、固有振動数Ｆｎが０．１〜５Ｈｚ、より好ましくは１〜３Ｈｚ、さらに好ましくは１．６〜２．２Ｈｚの範囲となるように円錐バネ１１のバネ定数ｋと磁石１３の質量ｍを選定することが望ましい。また、発電装置１０の可搬性を高めるためには、磁石１３の質量は３０〜１００ｇの範囲であることが好ましく、固有振動数Ｆｎと質量ｍの範囲に基づいて、円錐バネ１１のバネ定数ｋは０．００５〜０．０５Ｎ／ｍｍの範囲であることが好ましい。

ガイド１４は、磁石１３の振幅方向に延在されて、磁石１３の振動方向を規制するための部材であり、ガイド１４の上部は固定部１２に接続され、下部は底部１５に接続されている。図１ではガイド１４が固定部１２と底部１５に接続された例を示したが、磁石１３の振動方向を規制することが可能であればよく、磁石１３の振幅Ａの領域にのみ設けるとしてもよい。ガイド１４の構造としては、磁石１３の水平方向断面と略同一の断面を有する筒状部材であってもよく、磁石１３の一部が接触して摺動するレール状部材であってもよい。

底部１５は、磁石１３の振幅領域よりも下方に位置してガイド１４に取り付けられた部材である。発電装置１０において底部１５を設ける位置は限定されないが、発電装置１０を構成する筐体の底面とすることで、振動に必要な距離を確保しつつ装置の小型化を図ることができる。また、底部１５は必ずしも設ける必要はないが、ガイド１４の下端に取り付けることで、磁石１３が過大な振動によって通常使用での振幅領域を超えて移動することを防止するとともに円錐バネ１１と磁石１３とを保護することができる。

コイル１６は、電気伝導性の巻線を所定の内径を有する筒状に巻回した部材であり、その中心軸が磁石１３の振動方向と一致するように配置されている。これにより、磁石１３はコイル１６の内部で振動することになり、電磁誘導によって発電が行われる。

図１では図示を省略しているが、コイル１６の巻線の両端は外部に延長されて回路部に電気的に接続され、整流回路や電圧変換回路、充電回路などにより二次電池への充電や、外部機器への電流供給が行われる。また、図１ではコイル１６をガイド１４とは別体として外側に配置した例を示したが、コイル１６とガイド１４を一体してもよく、ガイド１４の内側に配置してもよい。また、コイル１６を振動方向に沿って複数設ける構成としてもよい。

図２は、円錐バネ１１と磁石１３による振動について説明する模式図であり、図２（ａ）は円錐バネ１１に負荷を加えていない状態での自由長を示し、図２（ｂ）は円錐バネ１１の固定端１１ａと可動端１１ｂとを反転させた状態での振動を示している。

図２（ａ）に示したように、円錐バネ１１は負荷を加えていない状態では自由長Ｌ０の長さであり、固定端１１ａを下方とし可動端１１ｂを上方としている。この円錐バネ１１を発電装置１０に用いる際には、固定端１１ａと可動端１１ｂとが同一面内となるまで円錐バネ１１を上方から圧縮した後、可動端１１ｂが固定端１１ａよりも下方となる位置にまで下方から引っ張って状態で可動端１１ｂに磁石１３を取り付ける。これにより、可動端１１ｂは、円錐バネ１１の自由長とは反対側にまで反転されて、磁石１３の自重によって反転状態が維持される。

図２（ｂ）に示すように、円錐バネ１１の反転状態での振動は、自由長Ｌ０のときの円錐バネの可動端１１ｂが固定端１１ａよりも上方であるから、磁石１３の重さでの変位量をｘとし、振幅をＡとすると、振動に必要な全長Ｌ１は

で表わされる。

ここで、可動子である磁石１３の質量をｍ、円錐バネ１１のバネ定数をｋとすると、変位量ｘは

であり、固有振動数Ｆｎは

となる。

これらの数式を用い、円錐バネ１１のバネ定数ｋと可動子である磁石１３の質量ｍを適切に選択することで、振動に必要な全長Ｌ１と固有振動数Ｆｎを設計することができ、発電装置１０によるエネルギー採集を人の活動による１．９Ｈｚ程度に最適化できる。

このように、円錐バネ１１を反転させて自由長とは反対側において可動端１１ｂに可動子である磁石１３を取り付けることで、通常の引張バネを用いた場合の数２よりも振動に必要な全長Ｌ１を２Ｌ０短くすることができる。したがって本実施形態の発電装置１０では、小型化を図りながらも数Ｈｚ程度の低周波数で共振し、効率よく振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能となる。

また、円錐バネ１１を反転させて引張バネとして用いることから、圧縮バネのように座屈対策としてバネ径を大きくする必要がなく、バネの設計自由度が高くなる。また、特殊なバネ形状を設計しなくてもよく、既存設備で製造可能な円錐バネ１１を用いることから、製造コストの低減や量産性の向上を図ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態と共通の部分については説明を省略する。図３は、本実施形態における発電装置２０を示す模式断面図である。発電装置２０は、円錐バネ２１と、固定部２２と、コイル２３と、ガイド２４と、底部２５と、磁石２６とを備えている。

円錐バネ２１は固定端２１ａと可動端２１ｂを備え、固定端２１ａは固定部２２の下面に固定されており、可動端２１ｂは円錐バネ２１の自由長とは反対側に反転されてコイル保持部２３ａが取り付けられている。コイル２３はコイル保持部２３ａに取り付けられ、円錐バネ２１の可動端２１ｂに吊り下げられ、円錐バネ２１を振動させる可動子として機能する。磁石２６は、磁石２６の両極方向にコイル２３の中心軸が一致するように底部２５上に立設されている。図３ではコイル２３をガイド２４の内側に配置した例を示したが、ガイド２４の外側に配置してもよい。

本実施形態では、コイル２３およびコイル保持部２３ａが円錐バネ２１の可動子となり、磁石２６の磁界内でコイル２３が振動する。したがって発電装置２０では、コイル２３およびコイル保持部２３ａの合計質量をｍとして、数３〜数５で示される振動をして、コイル２３での電磁誘導によって振動エネルギーの採集が行われる。

このように、円錐バネ２１を反転させて自由長とは反対側において可動端２１ｂに可動子であるコイル２３を取り付けることで、通常の引張バネを用いた場合の数２よりも振動に必要な全長Ｌ１を２Ｌ０短くすることができる。したがって本実施形態の発電装置２０でも、小型化を図りながらも数Ｈｚ程度の低周波数で共振し、効率よく振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第１実施形態と共通の部分については説明を省略する。図４は、本実施形態における発電装置３０を示す模式断面図である。発電装置３０は、円錐バネ３１と、固定部３２と、モーター３３と、ガイド３４と、底部３５と、ラック３６とを備えている。

円錐バネ３１は固定端３１ａと可動端３１ｂを備え、固定端３１ａは固定部３２の下面に固定されており、可動端３１ｂは円錐バネ３１の自由長とは反対側に反転されてモーター３３が取り付けられている。モーター３３のシャフト３３ａにはピニオンギヤ３３ｂが取り付けられており、ラック３６の歯とピニオンギヤ３３ｂの歯が噛み合ってラックアンドピニオン機構を構成している。また、モーター３３には通常のモーターと同様に磁石およびコイルが内蔵されており、図示しない端子から外部に導線が延長されて回路部に電気的に接続され、整流回路や電圧変換回路、充電回路などにより二次電池への充電や、外部機器への電流供給が行われる。

本実施形態では、モーター３３が円錐バネ３１の可動子となり、モーター３３の質量をｍとして、モーター３３がラック３６に沿って数３〜数５で示される振動をする。したがって発電装置３０では、モーター３３の振動運動がラック３６とピニオンギヤ３３ｂとで回転運動に変換され、シャフト３３ａが回転することでモーター３３が発電して振動エネルギーの採集が行われる。

このように、円錐バネ３１を反転させて自由長とは反対側において可動端３１ｂに可動子であるモーター３３を取り付けることで、通常の引張バネを用いた場合の数２よりも振動に必要な全長Ｌ１を２Ｌ０短くすることができる。したがって本実施形態の発電装置３０でも、小型化を図りながらも数Ｈｚ程度の低周波数で共振し、効率よく振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能となる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１…引張バネ
２…固定部
３…可動子
１０，２０，３０…発電装置
１１，２１、３１…円錐バネ
１ａ，１１ａ，２１ａ，３１ａ…固定端
１ｂ，１１ｂ，２１ｂ，３１ｂ…可動端
１２，２２，３２…固定部
１３，２６…磁石
１４，２４，３４…ガイド
１５，２５，３５…底部
１６，２３…コイル
２３ａ…コイル保持部
３３…モーター
３３ａ…シャフト
３３ｂ…ピニオンギヤ
３６…ラック

Claims (7)

1. 固定端と可動端を有する錐体バネを備え、
   前記バネの自由長とは反対側において前記可動端に取り付けた可動子を有し、
   前記可動子の振動により発電する発電部を備えることを特徴とする発電装置。
2. 請求項１に記載の発電装置であって、
   前記錐体バネと前記可動子による固有振動数は、０．１〜５Ｈｚの範囲であることを特徴とする発電装置。
3. 請求項１または２に記載の発電装置であって、
   前記錐体バネのバネ定数は０．００５〜０．０５Ｎ／ｍｍの範囲であることを特徴とする発電装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の発電装置であって、
   前記固定端は曲率半径の大きい側であることを特徴とする発電装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の発電装置であって、
   前記可動子が磁石であり、前記磁石がコイルの内部で振動することを特徴とする発電装置。
6. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の発電装置であって、
   前記可動子がコイルであり、前記コイルが磁石の近傍で振動することを特徴とする発電装置。
7. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の発電装置であって、
   前記可動子がモーターであり、前記モーターの振動を回転運動に変換して前記モーターのシャフトを回転させる変換機構を備えることを特徴とする発電装置。