歩行運動を電気エネルギーに変換する磁歪振動発電デ

A-4
歩行運動を電気エネルギーに変換する
磁歪振動発電デバイスに関する研究
Study on Vibrational Energy Harvesting Device
Converting Locomotion to Electrical Energy
金沢大学大学院自然科学研究科
電子情報工学専攻
澤村一樹
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発表の流れ
 はじめに
○研究背景
○研究目的
 磁歪振動発電素子
○構成
○発電原理
○自由振動による実験
 歩行運動から電気エネルギーを得る検討
○錘衝突実験
○振り子による振動励起
○磁石の吸着力を利用した振動励起
 まとめ
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はじめに
～研究背景～
我々の周りには小型の電子機器が溢れ
それら全てに電池が使われている
電池は廃棄処分
ボタン電池は年間10億個
クリーンエネルギーに注目
◎太陽発電を搭載した携帯電話
KDDI
その中でも身近な振動での発電が注目
生活の中でも歩行・家事中に振動が発生
東京駅では発電床を実験的に使用
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発電床（音力発電）
はじめに
～歩行運動と製品化された発電装置～
本研究では歩行運動に注目する
周波数2Hz，加速度
F = mα
発電靴(NTT R&Dフォーラム2010)
F：外力，m：質量，a：加速度
万歩計などはこの外力を利用
USB充電器(nPower PEG)4
はじめに
～鉄ガリウム合金～
鉄ガリウム合金(Galfenol) (Fe
81.6Ga18.4)
アメリカ海軍研究所で開発された磁歪材料
○磁歪
○ヤング率
○比透磁率
200 ~ 300 ppm
70 GPa
100
延性材料⇒機械加工性が良い
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はじめに
～逆磁歪効果～
磁歪材料に応力を
加えると磁束に変化が生じる
B   H  dT
B：磁束密度
：透磁率
H：磁界
d：磁歪定数
T：応力
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はじめに
～研究目的～
○歩行運動からの発電を実現
○小型電子機器を歩行運動による発電で駆動
⇒以前までに4.1mWの発電確認
歩行運動から発生する振動で
発電素子に振動を与える方法を検討
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磁歪振動発電素子
～構成～
発電素子の基本構成 (上)側面 (下)上面
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磁歪振動発電素子
～発電原理～
d
E  N
dt
E：誘導電圧
N：コイル巻数
：磁束
応力・磁束
周期的に変化
発電原理
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磁歪振動発電素子
～振動の加え方～
発電するためには上下の振動が必要不可欠
○一定の力を加えて自由振動
⇒錘を吊るして素子を変位させた状態で
錘を切り離す
○強制的に振動を加える
⇒加振器などで一定の振動励起
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自由振動実験
～実験装置～
構成
Weight
100g
自由振動実験装置
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自由振動実験
～開放状態の電圧，変位波形～
開放時
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自由振動実験
～整合条件～
入力エネルギー Wi =
出力エネルギー
1
2
F0 X 0
変換効率
F0：応力
X0：先端変位
η=
Wo
Wi
エネルギー変換効率
120Wが適切な抵抗値
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自由振動実験
～整合条件を満たす時の電圧，変位～
電圧，変位波形
変位波形の減衰が大きくなった
⇒電気エネルギーに変換された
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歩行運動から電気エネルギーを得る検討
～歩行運動から振動を起こす方法～
素子に外力を与えた衝撃で振動させる
歩行運動時に発生する振動を利用
◎錘を動かして素子に衝突させる
⇒錘を歩行周波数2Hzで振動させて衝突
◎磁石の吸着力を利用
⇒歩行時の振動により磁石を移動させて
磁性体の発電素子を磁力で変形させる
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錘衝突実験
～実験装置～
まず，外力を与えることで振動が生じるのかを確かめる
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錘衝突実験装置
錘衝突実験
～電圧波形～
信号がなし
⇒錘と素子が一体になる
0.22V
電圧波形
衝突時・・・高周波数（約1kHz）
自由振動時・・・低周波数（約300Hz）
エネルギーは低周波数部が高い
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錘衝突実験
～出力エネルギー，変換効率～
入力エネルギー
Wi = mgh
m：錘の重さ
g：重力加速度
h：高さ
変換効率
出力エネルギー
最大出力エネルギー・・・1.2J
最大変換効率・・・0.15%
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振り子型の衝突実験
～実験装置～
加振器を歩行周波数2Hzで
振動させる
2Hz
振り子の固有振動数を2Hz
固定具の拡大
振り子型の実験装置
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振り子型の衝突実験
～錘を変化させたときの電圧波形～
電圧波形
錘を重くしていくと電圧が高くなる
20
振り子型の衝突実験
～出力エネルギー，変換効率～
出力エネルギー
変換効率
最大出力エネルギー・・・0.18J
最大変換効率・・・0.9%
21
振り子型の衝突実験
～考察～
錘と素子が同じ方向に動いているため
衝突する時に素子は衝撃を軽減している
○比較のために素子固定
○振り子を安定させて振動
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磁石の吸着力を利用した振動励起
～振動の起こし方～
振動の起こし方
23
磁石の吸着力を利用した振動励起
～実験装置～
1軸自動ステージアクチュエータ
実験部の拡大写真
スペーサー
実験装置
素子先端
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磁石，素子先端の距離を変化
～電圧，変位波形（吸着時）～
電圧波形(磁石：3×7×2mm3)
変位波形(磁石：3×7×2mm3)
吸着された瞬間
素子先端と磁石の距離を長くすると
出力電圧も高くなる
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磁石，素子先端の距離を変化
～電圧，変位波形（外れる時）～
電圧波形(磁石：3×7×2mm3)
変位波形(磁石：3×7×2mm3)
磁石から外れた後も磁石の吸着力により
発電素子が引き寄せられる
磁力を強化⇒変位が大きくなる
吸着時以外での素子への影響を減らす
自由振動
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磁石，素子先端の距離を変化
～出力エネルギー～
吸着時
値が異なる
外れる時
どちらも2次関数的に増加
両方合わせて最大1.1J
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磁石，素子先端の距離を変化
～考察～
近づけると徐々に引き寄せられて吸着するため
磁石の表面積が大きくなるほど吸着力も大きくなる
磁石の表面積を小さく，磁力を大きくすることで
より大きな発電量が得られる
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磁石，素子先端の距離を変化
～変換効率（外れる時）～
今回は・・・
ステージの性能で速度決定
歩行周波数で磁石を振らせる
変換効率
最大値は振り子型とほぼ同じ
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まとめ
歩行運動から電気エネルギーを得るための検討を行った
○錘衝突実験
⇒外力を与えることで発電素子に振動励起を確認
○振り子を利用
⇒歩行周波数2Hzで錘を振らせて衝突させた
出力エネルギー:0.18J，変換効率：0.9%
○磁石の吸着力を利用
⇒吸着時・外れた時の2ヶ所で発電することを確認
出力エネルギー:1.1J，変換効率：0.95%
振り子，磁石の吸引力を利用することで歩行運動から
発電素子に振動を与えて電気エネルギーを得る可能性が得られた
しかし，出力エネルギーと変換効率の小ささからさらなる改良が
必要である
30
ご清聴ありがとうございました
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構造について
バイモルフ型
ユニモルフ型
□バイモルフ型に比べ，ユニモルフ型の方が発電効率が大きい
□使用するGalfenolが1本であることからコスト削減
平行梁構造
○単に磁歪材料の磁化方向に応力を加えた場合と比較して
平行梁構造により大きな軸力を小さな曲げ力で発生
○大きな衝撃を与えたり，摩耗していく部分がない
応力と素子先端変位の関係
F = kX
応力と素子先端変位の関係
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エネルギー Jと電力W
J（ジュール）=m2･kg･s-2
W（ワット）=m2･kg･s-3
W= J/s
ipod（充電）・・・5W
デジカメ・・・3W
携帯（充電）・・・15W
万歩計・・・10.5W
消費電力1Wの物を10分使用
⇒600 J 必要
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共振周波数を低下させる検討
方法
●素子自体を重くする
●剛性を下げて柔らかくする
発電素子を機械系で表すと・・・
質量m，ばね定数k，減衰定数c
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共振周波数を低下させる検討
発電素子を2個連結したと仮定
質量が2m，ばね定数k2
1
1
-1
k
ばね定数
共振周波数
ともに1/2
k2 =  +  =
k k 2
共振周波数f0
f0 =
1
k2
2π
m
P=
V
2
R
=

1
k
4
m
 2πf0 SNB 
2
R
共振周波数を下げることで出力電力も低下
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錘衝突の際のエネルギー減少
入力エネルギー
1
錘を離す前 Wi = mgh
衝突直前
Wi =
1
2
mv 2
2
mv 2 =
1
2
錘が素子から離れる
衝突
1
2
1
2
 m + M  v12
v1  v
Mv12
1
Mv12  mv 2
2
入力エネルギーが減少
m：錘の質量
g：重力加速度
h：錘の高さ
v：衝突直前の速度
M：発電素子の質量
v1：衝突後の速度
振動モードについて
基本振動
2倍振動
3倍振動
錘衝突実験
～変位波形～
40
振り子型の電圧波形
41
磁石に吸着された瞬間
素子の中央部のみ
振動が起こっている
磁石の移動速度を変化
～電圧，変位波形（吸着時）～
電圧波形(3×7×2mm3)
変位波形(3×7×2mm3)
43
磁石の移動速度を変化
～電圧，変位波形（外れる時）～
電圧波形(3×7×2mm3)
変位波形(3×7×2mm3)
44
磁石の移動速度を変化
～出力エネルギー～
吸着時
外れる時
吸着時・・・0.11J
外れた時・・・1.0J
45
磁石の移動速度を変化
～変換効率（外れた時）～
外れる直前の素子の
変位から入力機械
エネルギーを算出
変換効率
速度に関わらず一定値
46

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