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公開番号2021136826
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210913
出願番号2020033350
出願日20200228
発明の名称発電素子、及び発電素子を用いた装置
出願人キヤノン株式会社
代理人個人,個人
主分類H02N 2/18 20060101AFI20210816BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】 磁歪材料を用いた発電において、発電量を向上できる発電素子、及び発電素子を用いた装置を提供する。
【解決手段】 本明細書に開示の発電素子は、長手方向における一端が固定された磁歪材料を備え、前記磁歪材料に力を印加することにより発電する発電素子であって、前記磁歪材料を含む磁歪部と、磁性材料を含み、少なくとも一部の面が前記磁歪部に固定された磁性部と、前記磁歪材料の少なくとも一部を内包するコイルと、前記コイルを挟むように磁歪部に固定された、磁場を発生させる第1の磁場発生部及び第2の磁場発生部と、を備え、前記磁歪部、前記磁性部、前記コイル、前記第1の磁場発生部及び前記第2の磁場発生部は磁気回路を構成し、前記第1の磁場発生部と前記第2の磁場発生部のうち、前記固定された一端に近い前記第1の磁場発生部から発生する磁場の方が大きいことを特徴とする。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
長手方向における一端が固定された磁歪材料を備え、前記磁歪材料に力を印加することにより発電する発電素子であって、
前記磁歪材料を含む磁歪部と、
磁性材料を含み、少なくとも一部の面が前記磁歪部に固定された磁性部と、
前記磁歪材料の少なくとも一部を内包するコイルと、
前記コイルを挟むように磁歪部に固定された、磁場を発生させる第1の磁場発生部及び第2の磁場発生部と、
を備え、
前記磁歪部、前記磁性部、前記コイル、前記第1の磁場発生部及び前記第2の磁場発生部は磁気回路を構成し、前記第1の磁場発生部と前記第2の磁場発生部のうち、前記固定された一端に近い前記第1の磁場発生部から発生する磁場の方が大きいことを特徴とする発電素子。
続きを表示(約 1,800 文字)【請求項2】
前記第1の磁場発生部は、第1の磁石を含み、
前記第2の磁場発生部は、第2の磁石を含み、
前記第1の磁石と、前記第2の磁石とは互いに異なる磁極面が前記磁歪部の同一面に固定されていることを特徴とする請求項1に記載の発電素子。
【請求項3】
前記第1の磁石に較べ、前記第2の磁石の磁力が弱いことを特徴とする請求項2に記載の発電素子。
【請求項4】
前記第1の磁場発生部は、前記第1の磁石の磁化方向と略直交する磁化方向を有する第3の磁石をさらに含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発電素子。
【請求項5】
前記第3の磁石は、前記磁歪部における前記第1の磁石が固定された面と略直交する面に固定され、且つ前記磁歪部に固定された面と対向する面に磁性材料が固定されていることを特徴とする請求項4に記載の発電素子。
【請求項6】
前記第1の磁場発生部は、前記第1の磁石の磁化方向と略直交する磁化方向を有する第4の磁石をさらに含み、前記第4の磁石は、前記磁歪部における前記第1の磁石が固定された面と略直交する面に、前記第3の磁石とは異なる磁極面が固定され、且つ前記磁歪部に固定された面と対向する面に磁性材料が固定されていることを特徴とする請求項4または5に記載の発電素子。
【請求項7】
前記磁歪部は、第1の磁歪板と第2の磁歪板を含み、前記第1の磁場発生部及び前記第2の磁場発生部の少なくとも一部は、前記第1の磁歪板と前記第2の磁歪板の間に配置されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の発電素子。
【請求項8】
前記磁性部と、前記第1の磁場発生部及び前記第2の磁場発生部は前記磁歪部の互いに対向する面にそれぞれ固定されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の発電素子。
【請求項9】
長手方向における一端が固定された磁歪材料を備え、前記磁歪材料に力を印加することにより発電する発電素子であって、
前記磁歪材料を含む磁歪部と、
磁性材料を含み、少なくとも一部の面が前記磁歪部に固定された磁性部と、
前記磁歪材料の少なくとも一部を内包するコイルと、
前記コイルを隔てて前記磁歪部の前記固定された一端側に配置された、第1の磁石と、前記第1の磁石の磁化方向と略直交する磁化方向を有する第3の磁石とを含む磁場発生部と、
を備えることを特徴とする発電素子。
【請求項10】
前記磁性部と、前記第1の磁場発生部及び前記第2の磁場発生部は前記磁歪部の互いに対向する面にそれぞれ固定されていることを特徴とする請求項9に記載の発電素子。
【請求項11】
前記磁歪部は、第1の磁歪板と第2の磁歪板を含み、前記第1の磁場発生部及び前記第2の磁場発生部の少なくとも一部は、前記第1の磁歪板と前記第2の磁歪板の間に配置されていることを特徴とする請求項9または10に記載の発電素子。
【請求項12】
前記第1の磁石の磁化方向と略直交する磁化方向を有する磁石は、前記磁歪部における前記第1の磁石が固定された面と略直交する面に固定され、且つ前記磁歪部に固定された面と対向する面に磁性材料が固定されていることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項に記載の発電素子。
【請求項13】
外力を受けて振動する保持板をさらに備え、
前記保持板の一端は、前記磁歪部に固定されていることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の発電素子。
【請求項14】
請求項1乃至13のいずれか1項に記載の発電素子を有し、前記発電素子に力を印加する機構を有する発電装置。
【請求項15】
請求項1乃至13のいずれか1項に記載の発電素子を有し、前記発電素子が地動加振から振動する機構を有する発電装置。
【請求項16】
請求項1乃至13のいずれか1項に記載の発電素子を有し、前記発電素子を収める筐体を有する発電装置。
【請求項17】
前記筐体が磁性材料であることを特徴とする請求項16に記載の発電装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本明細書の開示は、発電素子、及び発電素子を用いた装置に関する。
続きを表示(約 6,200 文字)【背景技術】
【0002】
近年、省エネルギー技術として環境中に存在する未利用エネルギーから電力を得る「環境発電」技術が注目されている。特に、振動から電力を得る振動発電は熱から電力を得る熱電発電と比べてエネルギー密度が高いため常時通信IoT(Internet of Things、モノのインターネット)向け電源や携帯機器の充電等への応用が提案されている。例えば、環境中の振動により磁石を振動させ、コイルに誘導起電力を発生させる磁石可動型の発電方式は様々な形態で応用されている。さらに近年では、磁石を振動させる代わりに力の変化で磁束密度を変化させる逆磁歪現象を利用した発電(以下、逆磁歪発電と記す)が提案されている。
【0003】
特許文献1には、逆磁歪発電素子の構成として、二つの磁歪棒を平行に配置し、磁石を磁歪棒に接着するような逆磁歪発電素子が記載されている。また、特許文献2には、磁石を磁歪部材によって挟むように配置する逆磁歪発電素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特許第4905820号公報
特許第5954406号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、従来の方式では、磁歪材料に十分かつ均一な磁場を印加できないために大きな電力を必ずしも取り出せないという課題があった。
【0006】
本明細書の開示は、上述の課題に鑑み、磁歪材料を用いた発電において、発電量を向上できる発電素子、及び発電素子を用いた装置を提供することを目的の一つとする。なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本明細書の開示の他の目的の1つとして位置付けることができる。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本明細書に開示の発電素子は、長手方向における一端が固定された磁歪材料を備え、前記磁歪材料に力を印加することにより発電する発電素子であって、前記磁歪材料を含む磁歪部と、磁性材料を含み、少なくとも一部の面が前記磁歪部に固定された磁性部と、前記磁歪材料の少なくとも一部を内包するコイルと、前記コイルを挟むように磁歪部に固定された、磁場を発生させる第1の磁場発生部及び第2の磁場発生部と、を備え、前記磁歪部、前記磁性部、前記コイル、前記第1の磁場発生部及び前記第2の磁場発生部は磁気回路を構成し、前記第1の磁場発生部と前記第2の磁場発生部のうち、前記固定された一端に近い前記第1の磁場発生部から発生する磁場の方が大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本明細書の開示によれば、磁歪材料を用いた発電において、発電量を向上できる発電素子、及び発電素子を用いた装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
第1実施形態の発電素子の構成の一例を説明する模式図
第1実施形態の発電素子の原理の一例を説明する模式図
第1実施形態の発電素子の製造方法の一例を説明する模式図
実施例2の発電素子の構成の一例を説明する模式図
実施例3の発電素子の構成の一例を説明する模式図
実施例4の発電素子の構成の一例を説明する模式図
実施例5の発電素子の構成の一例を説明する模式図
実施例5の発電素子の原理の一例を説明する模式図
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下に本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書の開示は下記実施形態に限定されるものではなく、本明細書の開示の趣旨に基づき種々の変形(各実施例の有機的な組合せを含む)が可能であり、それらを本明細書の開示の範囲から除外するものではない。即ち、後述する各実施例及びその変形例を組み合わせた構成も全て本明細書に開示の実施形態に含まれるものである。
【0011】
<第1実施形態>
第1実施形態に係る発電素子は、磁石を振動させる代わりに力の変化で磁束密度を変化させる逆磁歪現象を利用して発電を行う発電素子である。本実施形態に係る発電素子は、長手方向における一端が固定された磁歪材料を備え、磁歪材料に力を印加することにより発電する発電素子である。そして、発電素子が固定された一端側の磁場発生部の磁力が他方の磁場発生部の磁力よりも強いことにより、磁歪板中の磁場分布が均一となり、逆磁歪効果が向上することを特徴とする。
【0012】
(発電素子の構成)
本実施形態の発電素子の構成を、図1(a)、図1(b)を参照して説明する。図1(a)は本実施形態の発電素子の構成を説明する上面模式図、図1(b)は本実施形態の発電素子の構成を説明する図1(a)A−B線の断面模式図である。
【0013】
本実施形態の発電素子100は、保持部107によって保持されており、連結板101、磁歪板102aと磁歪板102bで構成される磁歪部102、第1の磁場発生部に含まれる第1の磁石103と第2の磁場発生部に含まれる第2の磁石104、コイル105、非磁性領域106、磁性板108aと磁性板108bで構成される磁性部108を有する。なお、下記において、ある部材とある部材との「固定」は、物理的に2つの部材が固定されている状態であればよい。すなわち、接するように固定されていてもよいし、異なる物質を介して固定されていてもよい。また、本実施形態においては、A−B線の方向を長手方向と定義する。すなわち、圧力が印加される物体における、固定された一端から圧力を受ける一端に伸びる方向を長手方向とする。なお、方向の定義の仕方は上記に限定されない。
【0014】
連結板101は、一端が磁歪部102に固定されており、圧縮応力や引張応力などの外力を受けて振動する。連結板101の連結方法は、磁歪部102と連結板101が強固に固定できればよく、特に限定されるものではないがレーザー溶接、接着剤による接着、はんだ接合、超音波接合もしくはボルト−ナットによる固定等が利用できる。また、連結板101は圧縮応力や引張応力などの外力が連続的に印加されるため、延性を有する材料が好ましい。さらに、連結板101の材料は磁歪部102との磁気回路構成によって選択される。そのため、磁気回路を構成する要素として連結板101を用いる場合は、例えば炭素鋼、フェライト系ステンレス等(SUS430等)もしくはマルテンサイト系ステンレス等(SUS420J2等)磁性材料が用いられる。一方、磁気回路を構成する要素として連結板101を用いない場合は、例えばオーステナイト系ステンレス等(SUS304やSUS303,SUS316等)の非磁性材料が用いられる。
【0015】
また、連結板101は、図1(b)の上下方向に振動するように力が印加される。そのため、連結板101には、振動の機械的な減衰を低減するためにばね材などの弾性体を用いてもよい。図1(b)の上下方向の振動を誘起する力は、たとえば保持部106が上下に振動する振動源に固定されていることで生じる地動加振の印加、もしくは連結板101の接続部と逆の先端に力を印加し弾くといった動作によって生じることができる。なお、力を印加する機構や地動加振から振動する機構は、発電装置として例えば筐体内に発電素子100と一体となっていてもよい。
【0016】
なお、上記の力の印加方法はあくまで一例であり、磁歪部102に力が印加できるような方法であれば良い。さらに、上記の保持板101に用いられる材料は一例であってこれに限定されない。
【0017】
磁歪部102を構成する磁歪板102aと磁歪板102bは、磁歪材料を含む部材である。磁歪部102は圧縮応力、引張応力が連続的に印加されるため、延性を有する磁歪材料が含まれることが好ましい。磁歪材料の種類は特に限定されるものではないが、好適には鉄‐ガリウム合金、鉄‐コバルト合金、鉄‐アルミニウム合金、鉄‐ガリウム‐アルミニウム合金もしくは鉄‐シリコン‐ホウ素合金等の既知の磁歪材料が用いられる。また、磁歪部102の形状は、連結板101と連結できる形であればよく、特に限定されるものではないが、好適には直方体、円柱等の形状が用いられる。
【0018】
磁性板108a、108bは、磁歪材料102a、102bとそれぞれ磁気的に接続されていればよく、特に限定されるものではないが、材質としては炭素鋼やフェライト系ステンレス等(SUS430等)やマルテンサイト系ステンレス等(SUS420J2等)が用いられる。また、磁歪部102と磁性部108は連結されている。連結方法は磁歪部と磁性部が強固に固定できればよく、特に限定されるものではないがレーザー溶接、接着剤による接着、はんだ接合、超音波接合、ボルト−ナットによる固定等が利用できる。
【0019】
第1の磁場発生部に含まれる第1の磁石103と第2の磁場発生部に含まれる第2の磁石104は、磁歪板102aと磁歪板102bを逆方向に磁化するために取り付けられる。第1の磁石103と第2の磁石104には、特に限定されるものではないが、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石等が用いられる。
【0020】
また、特に限定されるものではないが、第1の磁石103と第2の磁石104は、図1(b)の断面模式図に図示されているように、磁化方向が互いに逆になるように配置することが望ましい。ただし、図1(b)の断面模式図の磁石の磁化方向はあくまで一例であり、図示されたものとN極、S極が逆でもよい。すなわち、第1の磁石103と第2の磁石104は、互いに異なる磁極面が磁歪部102の同一面に固定されていればよい。また、第1の磁場発生部と第2の磁場発生部の磁力の強さは、第1の磁場発生部の方が第2の磁場発生部よりも強くなるような構成であればよく、特に限定されるものではない。例えば、図1(b)に示すように第1の磁場発生部に含まれる第1の磁石103の方が第2の磁場発生部に含まれる第2の磁石104よりも大きなサイズをとる構成でもよい。もしくは、同じサイズであっても第1の磁場発生部に含まれる第1の磁石103の方が第2の磁場発生部に含まれる第2の磁石104に比べて磁力の強い材質の磁石である構成でもよい。または、図4(b)に示すように、第1の磁場発生部を複数の磁石で構成することにより第2の磁場発生部よりも磁歪板の位置におけるコイル軸方向の磁場を強くする構成でもよい。
【0021】
さらに、第1の磁場発生部と第2の磁場発生部の配置は、磁歪板102aと磁歪板102bが逆方向に磁化されるのであれば特に上記に限定されるものではない。また、磁石は、特に限定されるものではないが、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石等が用いられる。
【0022】
コイル105は、磁歪板102aと磁歪板102bのそれぞれ少なくとも一部を内包するように配置されており、電磁誘導の法則に従い、磁歪板102aと磁歪板102bとで生じる磁束の時間変化に応じて電圧を生じる。これにより、2つの磁歪板の間の距離に依らず、コイルの巻き数を増やすことができる。
【0023】
コイル105の材質は、特に限定されるものではないが、好適には銅線が用いられる。
【0024】
非磁性領域106は、特に限定されるものではないが、材質としては気体や固体が用いられる。好適には空気、または延性を有する非磁性金属、もしくはオーステナイト系ステンレス等(SUS304やSUS303,SUS316等)が用いられる。また、非磁性領域106は連結板101と一体でもよい。
【0025】
また、発電素子100を保持部107と一体化して筐体に内包してもよく、これにより、発電素子100を備える発電装置として堅牢性を向上できる。筐体の材質は特に限定されるものではないが、磁性材料である炭素鋼やフェライト系ステンレス等(SUS430等)やマルテンサイト系ステンレス等(SUS420J2等)を用いることで、磁気シールドの効果を得ることができ、外的な磁気の影響を低減することができる。
【0026】
(作用)
本実施形態の発電素子は、磁束の変化をコイルによって電圧に変換する電磁誘導方式の発電素子の一種である。電磁誘導では以下の(式1)に従い起電力Vが生じる。
V=N×ΔΦ/Δt・・・(式1)
【0027】
ここで、Nはコイル105の巻き数、ΔΦは時間Δtでのコイル内の磁束の変化量である。なお、コイルの巻き数は多い方が起電力は大きくなるが、仮に同じ体積で巻き数を増やそうとするとコイルの線径を小さくする必要があり、結果として、コイルの抵抗が大きくなってしまう。この場合、実際に回路等で利用できる電力は小さくなる。すなわち、実際に回路等で利用できる電力を大きくするためには、コイルの体積を大きくできるような構成が重要である。
【0028】
本実施形態の発電素子100は、磁束の変化ΔΦを逆磁歪現象によって生じさせる発電素子である。逆磁歪現象とは、応力に応じて透磁率が変化する現象である。しかしながら、この透磁率の変化は、磁場が小さい場合は、磁区を磁場方向にそろえるためにエネルギーが消費されるため、透磁率の変化としては小さい。さらに大きな磁場が印加されると磁区方向がそろい、磁化が変化しやすくなるため透磁率の変化が大きくなる。より大きな磁場が印加されると、磁気的に飽和してしまうため、透磁率の変化は小さくなる。そのため、磁歪材料に適切な磁場が印加されていない場合は透磁率の変化は非常に小さなものとなる。従って、適切な磁場を磁歪材料に印加しておく必要がある。また、前記理由から適切な磁場とは大きければよいというものではないため、磁歪材料には均一に磁場を印加する必要がある。さらに、透磁率の変化の結果生じた磁束の変化をコイル外に誘導するための磁性体も必要となる。
【0029】
ここで、図2を用いて、本実施形態の作用について詳説する。
【0030】
図2(a)は、逆磁歪現象によって発電する発電素子の磁歪板を通過する磁束密度の大きさと向きを矢印とその太さによって模式的に図示した断面模式図である。図2(b)は、本実施形態の一例である図1に示す発電素子100の磁束密度の大きさと向きを、矢印とその太さによって模式的に図示した断面模式図である。
(【0031】以降は省略されています)

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