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電気エネルギー
振動発電の概念とメリット 振動発電が利用できる場所
発電素子
振動
利用されないエネルギーから
半永久的に発電
ボタン電池が不要
（年間10億個が廃棄されている）
振動発電のメリット
振動発電＋センサ＋ワイヤレス信号送信回路
電源ケーブルが不要（自動車，プラント等でメリット）
自動車でのWSN
Power cable
ケーブル不要
振動発電の実用化
• タイヤの空気圧モニタシステム 米国では装着を義務化
市場規模 7000万台
発生する振動は400Hz～500Hz
振動発電ボタン電池不要
インフラ，工場，プラントでのWSN
インフラ設備（橋や道路），工場やプラントの
• 状態量の監視システム （振動発電＋センサ+無線通信）
• LED照明（ワットオーダ）
発電スイッチ
• ボタンを押す動作で発電
照明用リモコン 電池フリーリモコン
電池が不要
従来の振動発電
圧電素子 エレクトレット 永久磁石可動
原理 圧電効果 永久電荷の移動による電流
電磁誘導
発生電圧 高 数10～数100V
高 数10～数100V
低 ～数V
動作周波数 高 数10～数100 Hz
低 ～20 Hz
低 ～10 Hz
内部抵抗 大 大 小
発電床 （音力発電）
エレクトレット発電機 （オムロン）
乾電池型発電機 （ブラザー工業）
圧電素子の欠点
• セラミックス（脆性材料）壊れやすい
• 加工不可小型化に不利 (薄膜は使えない)
• キャパシタ（高インピーダンス）負荷で取り出せる電力小
ほとんど実用化されていない。
クリーンエネルギーの啓蒙活動など
磁歪材料
磁歪効果とは 磁化すると形状が変化する（伸びる）効果
磁歪効果
伸びる量は 鉄でだいたい 6ppm（6×10-6）程度 例えば1kmの 長さの鉄の棒で 6mmの伸び 非常に小さい!!
革新的な磁歪材料の開発
アメリカ海軍研究所（NSWC）で 鉄系磁歪材料の開発に成功
鉄-ガリウム合金（Fe81.4Ga18.6） 磁歪 ～300 ppm
ヤング率 70 GPa
比透磁率 100
延性材料 頑健で，機械加工ができる！
きっかけ
鉄ガリウム合金を用いて 画期的な振動発電素子ができる！！
小型 頑健 高効率
電気エネルギー 機械エネルギー（振動，音）
機械エネルギー（振動） 電気エネルギー
逆磁歪効果
力 磁束の変化
逆磁歪効果
1 T（テスラ）の磁束密度の変化
構成と原理（特許）
構成 原理
平行梁構造 曲げ力を一軸方向の力として効率よく磁歪素子に負荷！
平行梁構造のメリット
大きな軸力 Fa
小さな曲げ力 Fb < 1/20 Fa
軸方向の応力分布
20MPa
20MPa
20 N
1 N - 20MPa
20MPa
Area 0.5 ×1 mm2
均一
磁歪振動発電のメリット
• シンプルで作製が容易
• 堅牢
• 逆磁歪（縦）効果を用いた高効率な発電
• 共振振動での高出力の発電
• 低出力インピーダンス （負荷とのマッチングがよい）
• 広温度使用範囲（-100℃～100℃）
試作機（小型版）
評価結果
• 発生電力 2mW （300～400Hz, 出力密度10mW/cm3）
• エネルギー変換効率 15%以上
• 共振振動でも破損しない （堅牢な構成，接合方法を確立）
• 作製，組み立てが容易（切削やワイヤー放電で可，MEMSプロセスは不要）
• 低出力インピーダンス （20～100Ω，負荷とのマッチングがよい）
• 広温度使用範囲（-100℃～100℃），要確認
振動発電の比較
圧電素子 エレクトレット 永久磁石可動 磁歪
発生電圧 高 数10～数100V
高 数10～数100V
低 ～数V
低 ～数V
（調整可能）
共振周波数 高 ～数100 Hz
低 ～20 Hz
低 ～10 Hz
高 ～数100 Hz
内部抵抗 大 大 小 小
耐久性 × × ○ ○
温度特性 △ × ○ ○
コスト ○ △ △ △○
発電床 （音力発電）
エレクトレット発電機 （オムロン）
乾電池型発電機 （ブラザー工業）
磁歪
試作機（大型版）
大型発電素子 体積比で小型版に対しおおよそ1000倍
発電の動画
電力 体積
出力 2W
将来的に，kWオーダの電力を取り出すことも可能！！
応用：自動車での利用
100Hz ～ 500Hz
～ 20Hz
エンジンや路面の振動 発電
mW オーダ 発生電力
応用：人の動きから発電
mJ オーダ 電気エネルギー
動きに伴う慣性力や押しつけ力自由振動発電
現状
• 原理，構成，設計方法は確立済み。
• 改良により2倍程度出力の向上が可能。
• 基本，応用特許（発電スイッチ）済み。 発明の名称：発電素子および発電素子を備えた発電装置（PCT/JP2011/003276)
出願人：金沢大学 発明者：上野敏幸、山田外史、池畑芳雄
発明の名称発電スイッチ（2011-109928）
出願人：金沢大学 発明者：上野敏幸、山田外史、池畑芳雄
• 実用化のための温度特性，耐久性試験を実施予定。
• 磁歪材料は量産化で安価に大量に供給される可能性大。
• 磁歪振動発電は、当学（上野）が発明、大きく先行している。
• いち早くノウハウを取得し、研究を開始するのが有利。
連絡先
（有）金沢大学ティ・エル・オー（KUTLO/キュトロ）
ライセンシング・アソシエイト
山田 光俊
TEL： ０７６－２６４－６１１４
FAX： ０７６－２３４－４０１８
e-mail: [email protected]
