WO2019130862A1

WO2019130862A1 - 発電装置

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Publication number: WO2019130862A1
Application number: PCT/JP2018/041896
Authority: WO
Inventors: 佳子高橋; 笹岡　達雄; 学五閑
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2018-11-13
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2020-06-27

Abstract

磁歪材料からなる磁歪素子と、上記磁歪素子が挿入されるコイルと、上記磁歪素子が配置され、長手方向の一方の端部が固定端、上記長手方向の他方の端部が自由端であるフレームと、上記磁歪素子を上記フレームへ固定する第１接着剤と、上記フレームは配置された磁石と、を有し、上記磁歪素子の上記長手方向の端部には、上記第１接着剤のフィレット部を有する発電装置を用いる。

Description

発電装置

　本発明は、振動を利用した発電装置に関する。特に、磁歪材料を使用した発電装置に関するものである。

　近年、無線でも使用できる機器が求められている。機器自体で発電するために、振動発電が利用できる。

　振動発電には、圧電方式、静電誘導方式、電磁誘導方式、磁歪方式がある。しかし、圧電素子（ピエゾ素子）を使用した圧電方式は、素子の脆弱性により機械的な耐久性が低い。電磁誘導方式では、可動部があるため小型化に課題がある。その中で鉄系の磁歪材料を使用した磁歪方式は、磁歪素子が延性材料のため、機械的特性、加工性に優れる。また、この磁歪方式は、電気的にもインピーダンスが低いため、無線センサーモジュールへの適用に有用である。

　この磁歪方式による振動発電では、磁歪素子に応力を加えることで、逆磁歪効果により発生する磁力線が変化する。電磁誘導の法則により、この磁力線が変化により、磁歪素子の周囲に巻かれたコイルに、起電力を発生する。つまり、この磁歪方式による振動発電は、機械エネルギーを電気エネルギーに変化する発電方式である。

　図６に特許文献１による磁歪方式を適用した発電装置の概略構成図を示す。

　特許文献１においては、振動中の運動エネルギーの損失を抑えて振動を長時間継続させることができる発電素子と発電素子の構造を利用するアクチュエータが提案されている。

　図６に示すように、発電装置１００は、発電部１６０、フレーム１１０、磁石１７０、錘１４０から概略構成される。発電部１６０は、フレーム１１０の自由端側１２０の変位により、逆磁歪効果による発電を行うために設けられている。発電部１６０は、図７に示すように、磁歪素子１６１、コイル１６２、磁性板１６３から構成されている。磁歪素子１６１は、磁性材料で構成される板状の部材である。磁石１７０からの磁力線は、フレーム１１０と磁歪素子１６１を通過することで、磁気回路が形成される。

　図６の発電装置１００では、フレーム１１０の自由端側１２０は、固定端側１３０から開く、または閉じるように変形する。自由端側１２０の端部に錘１４０を取り付けることで、一旦振動を開始した錘１４０は、慣性力により長時間振動し続けるので、フレーム１１０全体の振動を長時間持続させられる。また、固定端側１３０の端部に鉛直方向の大きな衝撃力Ｆを付加することで、錘１４０に大きな慣性力を作用させてフレーム１１０を振動させる。これらの動作により、磁歪素子１６１に引張力または、圧縮力が加わり、逆磁歪効果によりコイル１６２に誘導電流が発生して発電される。

国際公開第２０１５／１４１４１４号

　しかしながら、前記従来の構成では、縦弾性率の異なるフレーム１１０と磁歪素子１６１を固定端側１３０でのみ固定するため、発電装置を振動させた時にフレーム１１０の曲げが磁歪素子１６１の全体に伝わらず減衰してしまい、発電効率が低下するという課題を有している。

　本発明は、前記従来の課題を解決するもので、フレーム１１０の曲げを減衰させずに磁歪素子１６１に伝えることで発電効率を向上する発電装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、磁歪材料からなる磁歪素子と、上記磁歪素子が挿入されるコイルと、上記磁歪素子が配置され、長手方向の一方の端部が固定端、上記長手方向の他方の端部が自由端であるフレームと、上記磁歪素子を上記フレームへ固定する第１接着剤と、上記フレームは配置された磁石と、を有し、上記磁歪素子の上記長手方向の端部には、上記第１接着剤のフィレット部を有する発電装置を用いる。

　本発明の発電装置によれば、振動のエネルギーを効率よく電力に変換することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１における発電装置の概略構成図である。図２Ａは、本発明の実施の形態１における発電装置の概略ＡＡ´断面図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態１における発電装置の概略ＢＢ´断面図である。図２Ｃは、本発明の実施の形態１における発電装置の変形例１の概略ＢＢ´断面図である。図２Ｄは、本発明の実施の形態１における発電装置の変形例２の概略ＢＢ´断面図である。図３は、本発明の実施の形態１における発電装置の振動解析モデル図である。図４Ａは、本発明の実施の形態１における発電装置の接着剤ヤング率と磁歪素子ひずみの関係グラフである。図４Ｂは、本発明の実施の形態１における発電装置の接着剤の種類と発電装置の耐久性を表した図である。図４Ｃは、本発明の実施の形態１における発電装置の接着剤の厚みと磁歪素子ひずみの関係グラフである。図５Ａは、本発明の実施の形態２における発電装置の概略ＡＡ´断面図である。図５Ｂは、本発明の実施の形態２における発電装置の概略ＢＢ´断面図である。図５Ｃは、本発明の実施の形態２における発電装置の変形例１の概略ＢＢ´断面図である。図５Ｄは、本発明の実施の形態２における発電装置の変形例２の概略ＢＢ´断面図である。図６は、特許文献１による発電装置の概略構成の側面図である。図７は、特許文献１による発電部の概略構成の断面図である。

　以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

　（実施の形態１）
　＜構造＞
　図１は、本発明の実施の形態１における発電装置の概略構成図である。

　図２Ａは、本発明の実施の形態１における発電装置の概略ＡＡ´断面図であり、図２Ｂは、本発明の実施の形態１における発電装置の概略ＢＢ´断面図、図２Ｃは、本発明の実施の形態１における発電装置の変形例１の概略ＢＢ´断面図、図２Ｄは本発明の実施の形態１における発電装置の変形例２の概略ＢＢ´断面図である。

　図１、図２Ａ～図２Ｄにおいて、発電装置１は、フレーム２と、磁歪素子３と、第１接着剤４と、磁石５と、コイル６から構成される。フレーム２と磁歪素子３は、第１接着剤４で貼り付けられており、曲げ方向の磁歪素子３の端部３ａにフィレット部４ａを有し、曲げ方向と垂直な方向にある磁歪素子３の端部３ｂにはフィレット部、または、樹脂などの接着部を形成しない。

　第１接着剤４は、フレーム２の上面と磁歪素子３の底面とを接着する。第１接着剤４は、磁歪素子３の底面の全体、または、底面のほとんどを接着する。

　フレーム２と磁歪素子３とは接触しないのが好ましい。

　この発電装置１の曲げ方向と垂直な方向にある磁歪素子３の端部３ｂに第１接着剤４のフィレット部を形成しない特徴は、図２Ａ、図２Ｂに示すように、フレーム２と磁歪素子３が同じ幅の場合のみならず、図２Ｃに示すように、フレーム２の幅よりも磁歪素子３の幅が狭い場合や、図２Ｄに示すように、フレーム２の幅よりも磁歪素子３の幅が広い場合も、同様である。

　磁歪素子３の端部３ｂにはフィレット部を形成すると、磁歪素子３が曲がりにくい。

　なお、曲げ方向は、フレーム２の長手方向である。図２Ｂ～図２Ｄでは、コイル６、磁石５等は略して表示している。

　＜効果＞
　かかる構成によれば、第１接着剤４でフレーム２と磁歪素子３の底面を接着することにより、磁歪素子３の端部のみでフレーム２と固定する場合よりもフレーム２の曲げを減衰することなく磁歪素子３に伝えることができる。

　また、発電装置１の曲げ方向である磁歪素子３の端部３ａに、第１接着剤４のフィレット部４ａを形成することで、より強固にフレーム２と磁歪素子３を接着できる。

　さらに、発電装置１の曲げに垂直な方向にある、磁歪素子３の端部３ｂには第１接着剤４のフィレット部を形成しないことで、第１接着剤４のフィレットが磁歪素子３の曲げを阻害することを防ぎ、発電装置１の発電効率を向上することができる。

　なお、本実施の形態において、片持ち梁形状のフレーム２を設けたが、フレームを曲げ、Ｌ字形状やＵ字形状、コの字形状としても良い。

　＜振動解析モデル＞
　図３は、実施の形態１における発電装置の振動解析モデル図である。

　図４Ａは、実施の形態１における発電装置１を図３に示す解析モデルにおいて、第１接着剤４のヤング率を変化させて振動解析した結果の第１接着剤４のヤング率と磁歪素子３のひずみの関係を示す図である。

　図４Ｂは、実施の形態１における発電装置１の第１接着剤４の種類と発電装置１の耐久性実験結果を表した図である。

　図４Ｃは、実施の形態１における発電装置１を、図３に示す解析モデルにおいて、第１接着剤４の厚み（磁歪素子３の下面の第１接着材４の厚み）を変化させて振動解析した結果の第１接着剤４の厚みと磁歪素子のひずみの関係を示す図である。第１接着剤４としては、エポキシ系の接着剤を用いた。しかし、他の接着剤でも同様の傾向があった。

　図３において、発電装置１は、フレーム２と磁歪素子３と第１接着剤４と磁石５とコイル６と錘８からなり、フレーム２の厚みは０．８ｍｍ、幅は８ｍｍの磁性体材料、磁歪素子３の厚みは１ｍｍ、幅８ｍｍの鉄ガリウム系の合金、第１接着剤４の厚みは０．２ｍｍで構成される。

　図４Ａに示すように、第１接着剤４は、ヤング率が大きい程、磁歪素子３のひずみが大きくなることから、ヤング率の大きい材料が好ましい。結果、エポキシ系か、はんだ系がよい。

　また、図４Ｂに示すように、第１接着層４は、耐久性の観点からエポキシ系か、シリコーン系が望ましい。

　第１接着剤４の厚みについては、図４Ｃに示すように、０．２５ｍｍ以下が望ましい。少なくとも、第１接着剤４の厚みは、磁歪素子３の厚みより薄いのがよい。さらに、第１接着剤４の厚みは、磁歪素子３の厚みの３分の１以下がよく、４分の１以下でもよい。

　結果、エポキシ系樹脂を使用し、厚みは、０．２５ｍｍ以下が好ましい。

　＜磁歪素子３＞
　磁歪素子３は、磁性材料で構成される板状の部材である。磁性材料の種類は特に限定されるものではないが、例えば鉄ガリウム系の合金、鉄コバルト系の合金を用いることができるが、その他の材料であってもよい。

　また、磁歪素子３は、結晶状態の材料ではなく、アモルファス状態の材料であってもよい。加えて、磁歪素子３は、外力を受けて伸張／収縮するため、延性を有する磁性材料で構成するのが好ましい。

　＜コイル６＞
　コイル６は、磁歪素子３の周囲に空間もしくは接着層を設けて巻かれており、電磁誘導の法則により磁歪素子３内を通過する磁力線の時間変化に比例して、電圧を発生させる。

　図２Ａでは、コイル６は、磁歪素子３とフレーム２の積層体を外周を巻くように配置されている。

　コイル６の材質は特に限定されるものではないが、例えば銅線、アルミ線を用いることができる。また、コイル６の巻き数を変更することにより電圧の大きさを調整できる。

　なお、本実施の形態においてコイル６は１つ設けたが、コイルは２つ以上に分割して設けても良い。

　＜磁石５＞
　磁石５は、磁歪素子３に対向してフレーム２に固定することで磁気回路が形成される。

　なお、本実施の形態１では、磁石５はネオジウム系の永久磁石を使用するが、フェライト系、コバルト系など、特に限定されるものではない。また、本実施の形態１では磁石５は磁歪素子３を対向して固定しているが、片側に１つ固定しても磁気回路は形成されるので、１つでもよい。

　＜錘８＞
　錘８は、透磁率の低い磁性材料もしくは、非磁性材料からなる。発電装置１の自由端側のフレーム２に磁歪素子３の軸上に固定されており、複数個重ねて固定してもよい。

　本実施の形態１においては、エポキシ系の第１接着剤４を使用して固定しているが、特に限定されるものではなく、ボルトなどで機械的に固定してもよい。また、本実施の形態１では錘を設けているが、設けなくても良い。

　（実施の形態２）
　実施の形態２の概略の構造は、図１と同様である。実施の形態２の詳細構造は、以下の図で説明する。

　図５Ａは、本発明の実施の形態２における発電装置の概略ＡＡ´断面図である。図５Ｂは、本発明の実施の形態２における発電装置の概略ＢＢ´断面図である。図５Ｃは、本発明の実施の形態２における発電装置の変形例１の概略ＢＢ´断面図である。図５Ｄは、本発明の実施の形態２における発電装置の変形例２の概略ＢＢ´断面図である。図５Ａ～図５Ｄにおいて、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。説明しない事項は、実施の形態１と同様である。

　図５Ａにおいて、発電装置１はフレーム２と、磁歪素子３と、第１接着剤４と、磁石５と、コイル６と第２接着剤１０から形成される。なお、磁石５と、コイル６は、実施の形態１と同様であり、図示していない。第２接着剤１０は、発電装置１の曲げ方向と垂直な方向にある磁歪素子３の端部３ｂに形成し、フレーム２と磁歪素子３を固定する。第２接着剤１０は磁歪素子３の曲げを阻害しないように、シリコーン系の樹脂を材料に用いる。

　少なくとも、第１接着剤４のヤング率は、第２接着剤１０のヤング率より、大きいのがよい。ヤング率が１００倍以上異なるとよい。

　第２接着剤１０は、フレーム２と磁歪素子３が同じ幅の場合、図５Ｂに示すように、発電装置１の曲げ方向と垂直な方向にある磁歪素子３の端面とフレーム２の端面を固定するように形成する。

　また、フレーム２の幅よりも磁歪素子３の幅が狭い場合、第２接着剤１０は、図５Ｃに示すように、磁歪素子３の端面とフレーム２の磁歪素子３側の面を固定するように形成する。

　さらに、フレーム２の幅よりも磁歪素子３の幅が広い場合、第２接着剤１０は、図５Ｄに示すように、磁歪素子３のフレーム２側の面と、フレーム２の端面を固定するように形成する。

　なお、図５Ｂ～図５Ｄでは、コイル６、磁石５等は略して表示している。

　（全体として）
　実施の形態１，２は、組み合わせることができる。

　実施の形態１，２では、フレーム２は、直線の棒状であったが、湾曲、Ｕ字形状のフレームでもよい。

　本発明の発電装置は、発電効率を向上することが可能であり、産業分野、防犯・防災分野、社会インフラ分野、医療・福祉分野などで多くの利用シーンが想定されているＩｏＴにおいて、キーコンポーネントである無線センサーモジュールへの適用に対して特に有用である。

　１　発電装置
　２　フレーム
　３　磁歪素子
　３ａ　端部
　３ｂ　端部
　４　第１接着剤
　４ａ　フィレット部
　５　磁石
　６　コイル
　８　錘
　１０　第２接着剤
　１００　発電装置
　１１０　フレーム
　１２０　自由端側
　１３０　固定端側
　１４０　錘
　１６０　発電部
　１６１　磁歪素子
　１６２　コイル
　１６３　磁性板
　１７０　磁石

Claims

磁歪材料からなる磁歪素子と、
前記磁歪素子が挿入されるコイルと、
前記磁歪素子が配置され、長手方向の一方の端部が固定端、前記長手方向の他方の端部が自由端であるフレームと、
前記磁歪素子を前記フレームへ固定する第１接着剤と、
前記フレームは配置された磁石と、を有し、
前記磁歪素子の前記長手方向の端部には、前記第１接着剤で形成されたフィレット部を有する発電装置。
前記磁歪素子と前記フレームとの間には、前記第１接着剤の層があり、前記磁歪素子と前記フレームとは接触しない請求項１記載の発電装置。
前記長手方向と垂直な方向にある前記磁歪素子の端部には前記第１接着剤のフィレット部を形成しない請求項１記載の発電装置。
前記第１接着剤がエポキシ樹脂である請求項１に記載の発電装置。
前記長手方向と垂直な方向にある前記磁歪素子の端部には、前記第１接着材と異なる第２接着剤で前記磁歪素子を固定する請求項１に記載の発電装置。
前記第１接着剤のヤング率は、前記第２接着剤のヤング率より、大きい請求項５記載の発電装置。
前記第２接着剤がシリコーン樹脂である請求項５記載の発電装置。
前記第１接着剤の前記磁歪素子の底面部での厚みは、前記磁歪素子より薄い請求項１に記載の発電装置。