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JP6171991B2 - 発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、振動を利用した発電装置に関する。
振動を利用した発電技術としては、圧電素子を利用した発電方法がよく知られている。圧電素子を利用した発電方法の多くは、圧電素子に何らかの方法で外部から力を加えることにより、圧電素子を変形させて発電するものである。
圧電素子を利用した発電方法としては、例えば、下記特許文献1に記載のものがある。すなわち、下記特許文献1では、音による空気の圧力変動を利用して圧電素子により発電する音力発電装置、および、振動による圧力変動を利用して圧電素子により発電する振動力発電装置が記載されている。
また圧電素子に代えて磁歪素子を利用した発電方法も提案されている。磁歪素子を利用した発電方法としては、例えば、下記特許文献2に記載のものがある。
図5は、下記特許文献2に記載の振動を利用した発電素子の構成例を示す図である。すなわち、図5(a)は、下記特許文献2に示された発電素子の構成を示す上面図、図5(b)は、下記特許文献2に示された発電素子の構成を示す側面図である。
図5において発電素子100は、連結ヨーク100aおよび100bと、磁歪棒110aおよび110bと、コイル120aおよび120bと、永久磁石140aおよび140bと、パッシブヨーク150とを備えて構成されている。
図6は、図5に示した発電素子による発電装置の構成例を示す図である。すなわち図5に示した発電素子を片持ち梁構成として発電装置を構成したものである。図6において発電装置は、発電素子100の連結ヨーク100aを固定部材で固定した片持ち梁構成とし、連結ヨーク100bに曲げ応力Pを印加することにより、磁歪棒110aおよび110bが曲げ変形される。これにより磁歪棒110aおよび110bに発生する逆磁歪効果により、コイル120aおよび120b(図5参照)を貫く磁束が変化することで、コイル120aおよび120bに誘導電圧(または誘導電流)が発生する。これにより、発電素子100に振動を印加することで発電が可能となるものである。
特開2006−166694号公報 特許第4905820号明細書
特許文献1に記載された圧電素子を利用する発電方法では、圧電素子を構成する圧電材料が脆性材料であり、曲げや衝撃に対して弱い材料である。そのため過度に力を加えることができず、発電量を増加させるために大きな曲げや衝撃を加えることが難しいという問題がある。また、圧電素子は低周波でインピーダンスが高く、圧電素子より低いインピーダンスを有する負荷を接続した際に、負荷に発生する電圧が小さくなるため、発電により得られる電力が小さくなり、発電の効率が低いという問題がある。
一方、特許文献2に記載された磁歪棒110aおよび110bを構成する磁歪材料は、延性材料であり、圧電材料に比べて曲げや衝撃に強いため、大きな曲げや衝撃を加えることで発電量を増加させることが可能である。また素子のインピーダンスが圧電材料よりも低いことから、インピーダンスの低い負荷の接続による発電効率の低下が少ないため特許文献1に記載の圧電材料の問題点を解消することができる。
このように、特許文献2に記載された発電素子では、大きな曲げや衝撃を加えることで発電量を増加させることが可能となっているが、振動を利用した発電装置としては、振動による発電効率をより高くした発電装置が求められるようになってきている。
そこで本発明の目的は、上記の課題に対応して、振動を磁歪素子に与えて発電する発電装置において、振動による発電効率をより高めることが可能な発電装置を提供することにある。
上記課題を解決するために請求項1に記載の発明は、振動電力変換手段の一端を固定または支持する支持体と、該支持体を介して振動源からの振動を受けて振動するように構成され、固有の振動周波数で振動することで振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動電力変換手段とを備えて構成される発電装置であって、前記振動電力変換手段は、磁歪材料で構成された磁歪部材と、該磁歪部材に平行に配置されて磁性材料で構成される磁性部材と、該磁性部材を前記磁歪部材に磁気的に連結する第1及び第2の連結部材と、前記磁歪部材に巻かれた磁気コイルと、前記磁歪部材の両端に配置され前記磁歪部材と前記磁性部材とに磁気バイアスを供給する永久磁石とを有し、前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向の振動が前記振動源から前記振動電力変換手段に与えられた際に、前記支持体の一端にピンにより固定されて前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向の振動が回動自在にされることで前記振動電力変換手段が低振動周波数で動作し前記磁歪部材が伸張または収縮することにより発電すると共に、前記振動電力変換手段の振動増大による振幅を制限する振幅制限手段によって強制的に振幅を制限することで前記磁歪部材に逆磁歪効果をもたらして発電するように構成したことを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、振動電力変換手段の一端を固定または支持する支持体と、該支持体を介して振動源からの振動を受けて振動するように構成され、固有の振動周波数で振動することで振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動電力変換手段とを備えて構成される発電装置であって、前記振動電力変換手段は、磁歪材料で構成された磁歪部材と、該磁歪部材に磁気的に連結されるとともに該磁歪部材に平行に配置されて磁性材料で構成される磁性部材と、前記磁歪部材に巻かれた磁気コイルと、前記磁歪部材の両端に配置され前記磁歪部材と前記磁性部材とに磁気バイアスを供給する永久磁石とを有し、前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向の振動が前記振動電力変換手段に与えられた際に、前記支持体の一端にピンにより固定されて前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向の振動が回動自在にされることで前記振動電力変換手段が低振動周波数で動作し前記磁歪部材が伸張または収縮することにより発電すると共に、前記振動電力変換手段の振動増大による振幅を制限する振幅制限手段によって強制的に振幅を制限することで前記磁歪部材に逆磁歪効果をもたらして発電する第1の発電手段と、振動による前記振動電力変換手段の振幅を制限する振幅制限手段内に磁気コイルを巻回した磁歪部材を有し、該磁歪部材が前記振幅制限手段の振幅制限による応力によって伸張または収縮することにより発電する第2の発電手段を有することを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記磁性部材と前記磁歪部材を長さ方向の端部で磁気的に連結する第1及び第2の連結部材と、前記第1の連結部材に連結され、前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させるとともに前記振動電力変換手段の振動による振幅を前記振幅制限手段との衝突で強制的に制限するための錘体とを備えることを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、振動源からの振動を受けて振動する錘体が、前記振幅制限手段に衝突することで発電する発電装置であって、前記振幅制限手段は、磁歪材料で構成された磁歪部材と、該磁歪部材に巻かれた磁気コイルと、磁性部材からなるヨークと、前記磁歪部材に衝突による衝撃力を伝える変位部材と、前記磁歪部材に磁気バイアスを供給する永久磁石と、前記磁歪部材と前記永久磁石と前記ヨークとで磁気回路を構成することを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、振動源からの振動を受けて振動する錘体が、前記振幅制限手段に衝突することで発電する発電装置であって、前記振幅制限手段は、磁歪材料で構成された磁歪部材と、該磁歪部材に巻かれた磁気コイルと、磁性部材からなるヨークと、前記磁歪部材に衝突による衝撃力を伝える変位部材と、前記磁歪部材に磁気バイアスを供給する中空形状の永久磁石と、前記磁歪部材と前記中空形状の永久磁石と前記ヨークとで磁気回路を構成することを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の発明において、前記中空形状の永久磁石を、前記磁気コイルと前記磁性部材とで形成される空間内の上下に複数配置したことを特徴とする。
本発明によれば、日常の環境下で生成される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、従来殆ど省みられなかった振動エネルギーを有効利用して電気エネルギーを産み出すことができる。すなわち本発明の発電装置を用いることにより、電気エネルギー産出のための費用を削減できるとともに、CO2排出量を低減できるので、電気エネルギー産出のための環境負荷を低減することができる。
一例として、本発明をワイヤレスセンサに適用した場合、現存するワイヤレスセンサのような有線による電源供給やバッテリ搭載が不要となるので、ワイヤレスセンサにおける電源供給コスト及びメンテナンスコストを削減することができ、ワイヤレスセンサシステム全体のコストダウンを実現することができる。
本発明の第1の実施形態に係る発電装置の構成を示す断面図であり正面から見た図である。 本発明の第1の実施形態に係る発電装置の振動電力変換手段の構造を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る振幅制限手段の第1の構成例を示す断面図であり正面から見た図である。 本発明の第2の実施形態に係る振幅制限手段の第2の構成例を示す断面図であり正面から見た図である。 本発明の第2の実施形態に係る振幅制限手段の第3の構成例を示す断面図であり正面から見た図である。 本発明の第1の実施形態に係る電源回路の構成を示す図である。 本発明の第2の実施形態に係る電源回路の構成を示す図である。 従来の発電素子の構成を示す図である。 図5に示した発電素子による発電装置の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断面図であり正面から見た図である。図1において、1aは発電装置、10は振動源、9aは振動源に固定されるフレーム、2aは錘、3aは鉄ガリウム合金や鉄コバルト合金からなる磁歪部材、4aはヨークを構成する磁性部材、8aはフレームに固定された支柱、7aと7bは磁性部材4aと磁歪部材3aに接続されたバイアス磁界発生用の永久磁石、5aは磁歪部材3aに巻き回された磁気コイル、11aは磁気コイル5aに接続された電源回路、12aと12bは振幅制限部材、13は振動電力変換手段(後述する)を支柱8aに固定するピン、15aと15bは磁性部材4aを磁歪部材3aに磁気的に連結する第1及び第2の連結部材である。
振動源10の矢印(図左端参照)方向の振動によりフレーム9aおよび支柱8aが振動することで、錘2aと磁性部材4aと磁歪部材3aと磁気コイル5aと永久磁石7a,7bと連結部材15a,15bとで構成された振動電力変換手段が以下に示す式(1)に従って振動する。
ここで、kは振動電力変換手段の共振に係る実質的な弾性率に対応するバネ定数値、mは振動電力変換手段の共振に係る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、振動電力変換手段の共振に係るバネ定数値kや質量値mが一定であれば所定値となる。
磁性部材4aと永久磁石7aと磁歪部材3aと永久磁石7bと連結部材15a,15bとで磁気回路を構成する。振動により磁歪部材3aに応力が加わると、逆磁歪効果により磁歪部材3aの磁束が変化するので、これにより磁気コイル5aに誘導電圧(または誘導電流)が発生する。
振動電力変換手段の振動による振幅を、振幅制限手段12a,12bにより強制的に制限することで、磁歪部材3aに衝撃による応力を加えることができる。これにより発電量を大きくすることが出来る。
なお、図1では振幅制限手段を2つ用いているが、1つでも良いし、3つ以上でも良いことは言うまでもない。また、図1は錘2aに振幅制限手段12a,12bが衝突する構成であるが、振幅制限手段が衝突する対象は錘2a以外でも構わないので振幅制限する位置を磁性部材4aの中央でも良いし、支柱8a側に近づけても良いので、自由に振幅制限する位置を設定できることは言うまでもない。さらに、図1では磁性部材4aと磁歪部材3aを長さ方向の両端で連結部材15a,15bにより磁気的に接続する構成を示しているが、磁性部材4aに第1,第2の連結部を形成してなる連結ヨークを用いて磁歪部材3aを支持するようにしても良い。
ここで本発明の第1の実施形態に係る発電装置で用いられる電源回路11aの構成について説明する。図4Aは、本発明の第1の実施形態に係る電源回路の構成例を示す図である。図4Aにおいて、111は磁気コイル5a(コイル巻線)に発生する交流信号を整流する整流手段、112は整流手段111の整流信号を平滑する平滑手段、114は二次電池やコンデンサで構成される蓄電手段、115は蓄電手段114に蓄電した電力を出力端子116に出力する出力手段である。113は平滑手段112で平滑した直流電圧を蓄電手段114に蓄電させるとともに、蓄電手段114に蓄電された電力を出力手段115に供給する制御を行う制御手段である。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る発電装置の振動電力変換手段の構造を示す断面図であり、図1に示した図を上面から見た図である。図2において本発明の第1の実施形態に係る発電装置の振動電力変換手段は、支柱8aにピン13で振動電力変換手段を固定し、振動電力変換手段を振り子状に振動させるものである。このように構成することで、磁歪部材3aの軸方向と垂直な方向の振動(図1の左端の両矢視線参照)が振動電力変換手段に加えられた際に、支柱8aの一端にピン13により固定されている磁歪部材3aの軸方向と垂直な方向の振動がフリーになることで振動電力変換手段が低い振動周波数で動作し磁歪部材3aが伸縮または収縮することにより発電できるので、低い振動周波数領域で発電することができる。
このように本発明の第1の実施形態に係る発電装置は、振動電力変換手段を振り子状に振動させる構造としたことで、低い周波数でも大きな発電量が得られるという格別の作用効果を有するものである。
なお、図示していないが、磁気コイル5aを巻き回す位置は、上述した第1の実施形態に係る発電装置のような磁歪部材3aのみに限定されず、例えば、磁性部材4a、継ぎ手を付加して連結部材15a,15b、若しくは、磁歪部材3aと磁性部材4aの両方、更には、磁歪部材3aと継ぎ手を付加した連結部材15a,15bの両方に巻き回すことができることはいうまでもない。
またピン13を介して支柱8aに固定せず、支柱8aに直接的に固定するようにしてもよい。但し、この場合には上記第1の実施形態に係る発電装置と同じような低い振動周波数領域で動作させるのは難しくなる。
さらに取付面は、図1に示した取付面に限定されず、振動源からの振動方向と支柱とが平行となるように取り付けることで、例えば縦方向に発電装置を設置できる。
[実施形態2]
本発明の第2の実施形態に係る発電装置は、上記第1の実施形態に係る発電装置に設けられている振幅制限手段内に発電機構を組み込んだものである。その他の構成は上記第1の実施形態に係る発電装置と同じなのでその説明を省くことにする。
振幅制限手段内に発電機構を組み込んだ振幅制限手段の第1の構成例を図3Aに示す。図3Aにおいて、3bは鉄ガリウム合金や鉄コバルト合金からなる磁歪部材、6a,6b,6cは磁性部材からなるヨーク、7cはバイアス磁界発生用の永久磁石、5bは磁歪部材3bに巻き回された磁気コイル、14aは振動源からの振動を受けて振動し、振動中に錘2aに衝突した際に、その衝撃力を磁歪部材3bに伝える変位部材である。衝撃力が磁歪部材3bに伝わると磁歪部材3bが衝撃力に応じて伸縮し、それに応じて磁歪部材3b内の磁束が変化する。その磁束変化を電源回路11aに接続された磁気コイル5bで取り出す構成である。電源回路については図4Bで説明する。
図3Bは、振幅制限手段内に発電機構を組み込んだ振幅制限手段の第2の構成例を示す図である。図3Bにおいて、3cは鉄ガリウム合金や鉄コバルト合金からなる磁歪部材、6d,6e,6fは磁性部材からなるヨーク、7dはバイアス磁界発生用の永久磁石、5cは磁歪部材3cに巻き回された磁気コイル、14bは振動源からの振動を受けて振動し、振動中に錘2aに衝突した際に、その衝撃力を磁歪部材3cに伝える変位部材である。この場合、永久磁石7dを中空形状とし、磁気コイル5cとヨーク6dにより形成される空間下部に納まるように構成し、変位部材14bの変位方向に着磁することで、変位部材14bと磁歪部材3cとヨーク6d〜6fからなる磁気回路において、永久磁石が磁気抵抗にならず効率よくバイアス磁界を印加することができる。このように永久磁石7dを中空形状として小型化することで、結果的に振幅制限手段の小形化が可能となる。そして衝撃力が変位部材14bを介して磁歪部材3cに伝わると磁歪部材3cが衝撃力に応じて伸縮し、それに応じて磁歪部材3c内の磁束が変化する。その磁束変化を電源回路11aに接続された磁気コイル5cで取り出す構成にしている。なお図4Bに示す電源回路に図示されている磁気コイル5bを磁気コイル5cと読み替えるものとする。
また図3Cは、振幅制限手段内に発電機構を組み込んだ振幅制限手段の第3の構成例を示す図である。図3Cにおいて、3dは鉄ガリウム合金や鉄コバルト合金からなる磁歪部材、6g,6h,6iは磁性部材からなるヨーク、7e,7fはバイアス磁界発生用の永久磁石であり、5dは磁歪部材3dに巻き回された磁気コイル、14cは振動源からの振動を受けて振動し、振動中に錘2aに衝突した際に、その衝撃力を磁歪部材3dに伝える変位部材である。この場合、永久磁石7e,7fを中空形状とし、磁気コイル5dとヨーク6g,6h,6iにより形成される空間の上下に納まるよう構成し、変位部材14cの変位方向に着磁することで、変位部材14cと磁歪部材3dとヨーク6g,6h,6iからなる磁気回路において、永久磁石が磁気抵抗にならず効率よくバイアス磁界を印加することができる。このように永久磁石7e,7fを中空形状として小型化することで、結果的に振幅制限手段の小形化が可能となる。そして衝撃力が変位部材14cを介して磁歪部材3dに伝わると磁歪部材3dが衝撃力に応じて伸縮し、それに応じて磁歪部材3d内の磁束が変化する。その磁束変化を電源回路11aに接続された磁気コイル5dで取り出す構成にしている。なお図4Bに示す電源回路に図示されている磁気コイル5bを磁気コイル5dと読み替えるものとする。
ここで本発明の第2の実施形態に係る発電装置で用いられる電源回路11a’の構成について説明する。図4Bは、本発明の第2の実施形態に係る電源回路の構成例を示す図である。図4Bにおいて、図4Aに示した本発明の第1の実施形態に係る電源回路の構成と異なるところは、本発明の第2の実施形態に係る電源回路では、発電機構を組み込んだ振幅制限手段内に設けられた磁気コイル5bと、該磁気コイル5b(コイル巻線)に発生する交流信号を整流する整流手段111’と、整流手段111’の整流信号を平滑する平滑手段112’の構成を備え、平滑手段112’の出力を蓄電手段114に付加するものであり、その他の構成は、図4Aに示した本発明の第1の実施形態に係る電源回路の構成と同じであるので、その説明を割愛する。
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る。ワイヤレスセンサは、振動を計測するセンサとして、高速道路や鉄道、建物、回転機などの構造ヘルスモニタリング用の振動センサや加速度センサ、タイヤ圧のモニタリングセンサ等に実用化されている。
1a 発電装置
2a 錘体
3a〜3d 磁歪部材
4a 磁性部材
5a〜5d 磁気コイル
6a〜6i ヨーク
7a〜7e 永久磁石
8a 支持体(支柱)
9a フレーム
10 振動源
11a、11a’ 電源回路
12a〜12b 振幅制限手段
13 ピン
14a〜14c 変位部材
15a〜15b 連結部材
111、111’ 整流手段
112、112’ 平滑手段
113 制御手段
114 蓄電手段
115 出力手段
116 出力端子

Claims (6)

  1. 振動電力変換手段の一端を固定または支持する支持体と、該支持体を介して振動源からの振動を受けて振動するように構成され、固有の振動周波数で振動することで振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動電力変換手段とを備えて構成される発電装置であって、
    前記振動電力変換手段は、
    磁歪材料で構成された磁歪部材と、該磁歪部材に平行に配置されて磁性材料で構成される磁性部材と、該磁性部材を前記磁歪部材に磁気的に連結する第1及び第2の連結部材と、前記磁歪部材に巻かれた磁気コイルと、前記磁歪部材の両端に配置され前記磁歪部材と前記磁性部材とに磁気バイアスを供給する永久磁石とを有し、
    前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向の振動が前記振動源から前記振動電力変換手段に与えられた際に、前記支持体の一端にピンにより固定されて前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向の振動が回動自在にされることで前記振動電力変換手段が低振動周波数で動作し前記磁歪部材が伸張または収縮することにより発電すると共に、前記振動電力変換手段の振動増大による振幅を制限する振幅制限手段によって強制的に振幅を制限することで前記磁歪部材に逆磁歪効果をもたらして発電するように構成したことを特徴とする発電装置。
  2. 振動電力変換手段の一端を固定または支持する支持体と、該支持体を介して振動源からの振動を受けて振動するように構成され、固有の振動周波数で振動することで振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動電力変換手段とを備えて構成される発電装置であって、
    前記振動電力変換手段は、
    磁歪材料で構成された磁歪部材と、該磁歪部材に平行に配置されて磁性材料で構成される磁性部材と、該磁性部材を前記磁歪部材に磁気的に連結する第1及び第2の連結部材と、前記磁歪部材に巻かれた磁気コイルと、前記磁歪部材の両端に配置され前記磁歪部材と前記磁性部材とに磁気バイアスを供給する永久磁石とを有し、
    前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向の振動が前記振動電力変換手段に与えられた際に、前記支持体の一端にピンにより固定されて前記磁歪部材の軸方向と垂直な方向の振動が回動自在にされることで前記振動電力変換手段が低振動周波数で動作し前記磁歪部材が伸張または収縮することにより発電すると共に、前記振動電力変換手段の振動増大による振幅を制限する振幅制限手段によって強制的に振幅を制限することで前記磁歪部材に逆磁歪効果をもたらして発電する第1の発電手段と、
    振動による前記振動電力変換手段の振幅を制限する振幅制限手段内に磁気コイルを巻回した磁歪部材を有し、該磁歪部材が前記振幅制限手段の振幅制限による応力によって伸張または収縮することにより発電する第2の発電手段を有することを特徴とする発電装置。
  3. 前記第2の連結部材に連結され、前記振動電力変換手段に与えられた振動を持続させるとともに前記振動電力変換手段の振動による振幅を前記振幅制限手段との衝突で強制的に制限するための錘体を備えることを特徴とする請求項2に記載の発電装置。
  4. 振動源からの振動を受けて振動する錘体が、前記振幅制限手段に衝突することで発電する発電装置であって、
    前記振幅制限手段は、
    磁歪材料で構成された磁歪部材と、該磁歪部材に巻かれた磁気コイルと、磁性部材からなるヨークと、前記磁歪部材に衝突による衝撃力を伝える変位部材と、前記磁歪部材に磁気バイアスを供給する永久磁石と、前記磁歪部材と前記永久磁石と前記ヨークとで磁気回路を構成することを特徴とする請求項2に記載の発電装置。
  5. 振動源からの振動を受けて振動する錘体が、前記振幅制限手段に衝突することで発電する発電装置であって、
    前記振幅制限手段は、
    磁歪材料で構成された磁歪部材と、該磁歪部材に巻かれた磁気コイルと、磁性部材からなるヨークと、前記磁歪部材に衝突による衝撃力を伝える変位部材と、前記磁歪部材に磁気バイアスを供給する中空形状の永久磁石と、前記磁歪部材と前記中空形状の永久磁石と前記ヨークとで磁気回路を構成することを特徴とする請求項2に記載の発電装置。
  6. 前記中空形状の永久磁石を、前記磁気コイルと前記磁性部材とで形成される空間内の上下に複数配置したことを特徴とする請求項5に記載の発電装置。
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