(57)【要約】【課題】導線の周囲に形成される交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、当該交流磁場に基づいて発電を行うことが可能な発電装置を提供する。【解決手段】発電装置１００は、交流が流れる導線Ｗに対して変位可能に設けられた永久磁石３と、永久磁石３の配置箇所に形成される交流磁場の空間勾配を増大させる磁性体５と、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場によって永久磁石３が振動した場合、永久磁石３の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部とを備える。【選択図】図１
2020137162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流が流れる導線に対して変位可能に設けられた永久磁石と、
前記永久磁石の配置箇所に形成される交流磁場の空間勾配を増大させる磁性体と、
前記導線の周囲に形成される交流磁場によって前記永久磁石が振動した場合、該永久磁石の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部と
を備える発電装置。
【請求項２】
前記磁性体は、
交流磁場が流出入する２つの端部を備え、各端部は交流磁場が流出入する互いに非平行な平面部を有する
請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記磁性体は、
交流磁場が流出入する２つの端部を備え、各端部は交流磁場が流出入する平行的に対向した平面部を有し、
前記永久磁石は、
少なくとも一部が、平行的に対向した各平面部を結ぶ線分の外側に配されている
請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記磁性体は、
交流磁場が流出入する２つの端部を備え、前記２つの端部の少なくとも一つは交流磁場が流出入する曲面部を有する
請求項１に記載の発電装置。
【請求項５】
前記磁性体は、
断面Ｕ字状又はＣ字状をなし、交流磁場が流出入する２つの端部は法線方向が略同一の平面部を有する
請求項２に記載の発電装置。
【請求項６】
前記永久磁石は、
前記磁性体の前記法線方向外側に配されている
請求項５に記載の発電装置。
【請求項７】
前記永久磁石は、
前記導線及び前記永久磁石の離隔方向に対して非直交方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、交流の通流方向及び前記離隔方向に交差する方向に振動する
請求項１〜請求項６までのいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項８】
前記永久磁石は、
前記導線及び前記永久磁石の前記離隔方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、交流の通流方向及び前記離隔方向に直交する方向に振動する
請求項７に記載の発電装置。
【請求項９】
前記永久磁石は、
交流の通流方向と、前記導線及び前記永久磁石の離隔方向とに直交する方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、前記離隔方向に振動する
請求項１〜請求項６までのいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１０】
弾性体と、
該弾性体の第１部位を、交流が流れる前記導線に対して固定する固定部と
を備え、
前記永久磁石は、
外力によって前記導線に対する位置が変化する前記弾性体の第２部位に設けられており、
前記変換部は、
前記弾性体に設けられた圧電部材を備える
請求項１〜請求項９までのいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１１】
前記変換部は、
エレクトレットを有する第１電極基板と、前記エレクトレットに対向する対向電極を有する導電性の第２電極基板とを有し、該永久磁石の振動を電気エネルギーに変換するエレクトレット発電機を備える
請求項１〜請求項１０までのいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１までのいずれか一項に記載の発電装置と、
信号を送信する送信部と
を備え、
前記送信部は、
前記発電装置にて変換された電気エネルギーにて駆動する送信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流磁場を永久磁石の運動エネルギーに変換し、当該運動エネルギーを電力に変換する発電装置及び送信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流磁場をエネルギー源とする発電方法としては、コイルを用いる方法がある。交流磁場は、例えば、系統電源に接続された導線の回りに形成される。導線近傍に配されたコイルには、交流磁場によって起電力が誘起され、発電が行われる。
【０００３】
一方、特許文献１には、導線に流れる電流を検出するＡＣ電流センサが開示されている。ＡＣ電流センサは、くぼみ部を有する基板と、一端部がくぼみ部の縁に固定され、他端部がくぼみ部において変位可能に支持された圧電フィルムと、圧電フィルムの当該他端部に設けられた磁性体とを備える。磁性体は、導線の周囲に形成される磁界の大きさによって変位し、圧電フィルムは当該変位に従って電荷を発生させる。当該電荷の大きさを検出することによって、導線に流れる電流値を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１３８８５２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、コイルを用いた発電方法においては、誘導起電力は周波数に比例するため、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの系統電源に対して小型のコイルを用いる場合、電子回路等を駆動させる十分な出力電圧を得ることは困難である。
【０００６】
また、特許文献１のＡＣ電流センサによれば、交流磁場に応じた信号が出力されるものの、電子回路等を駆動させる十分な出力電圧を得ることは困難である。
【０００７】
本発明の目的は、導線の周囲に形成される交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、当該交流磁場に基づいて発電を行うことが可能な発電装置、及び当該発電装置を備えた送信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本態様に係る発電装置は、交流が流れる導線に対して変位可能に設けられた永久磁石と、前記永久磁石の配置箇所に形成される交流磁場の空間勾配を増大させる磁性体と、前記導線の周囲に形成される交流磁場によって前記永久磁石が振動した場合、該永久磁石の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部とを備える。
【０００９】
本態様によれば、導線に流れる交流により、当該導線の周囲に交流磁場が形成される。永久磁石は、導線の周囲に形成される交流磁場によって振動する。永久磁石を振動させる力は、交流磁場が大きい程、また交流磁場が空間勾配を有する程大きい。
本態様に係る発電装置の磁性体は導線の周囲に形成される交流磁場を増強させることができる。また、当該磁性体によって、永久磁石の配置箇所に形成される交流磁場の空間勾配が増大する。従って、より効率的に永久磁石を振動させることができる。変換部は、永久磁石の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。本態様に係る発電装置は、交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、当該交流磁場をエネルギー源として発電することが可能である。
なお、永久磁石の振動周波数、即ち共振周波数は、交流磁場の周波数に略一致させる構成が好ましい。例えば、交流磁場の周波数が５０Ｈｚである場合、永久磁石の振動周波数を５０Ｈｚとし、交流磁場の周波数が６０Ｈｚである場合、永久磁石の振動周波数を６０Ｈｚとする構成が望ましい。但し、所要の電力が得られる範囲で永久磁石の振動周波数を交流磁場の周波数からずらした構成も本発明に含まれる。
また、本態様に係る導線は、電流を通ずることが可能な材料で形成された線状の部材であり、レール状の導通部材、バスバー、角柱状の導体、長手方向を有する板状の導体も導線に含まれる。また、導線は特定の用途のものに限定されるものでは無く、アース線であっても良い。
【００１０】
本態様に係る発電装置は、前記磁性体は、交流磁場が流出入する２つの端部を備え、各端部は交流磁場が流出入する互いに非平行な平面部を有する。
【００１１】
本態様によれば、磁性体を構成する第１の端部の平面部と、第２の端部の平面部とが非平行であるため、第１の端部の平面部と、第２の端部の平面部との間で流出入する交流磁場は２つの端部間で空間勾配を有する。空間勾配を有する交流磁場を増大させることによって、永久磁石をより効率的に振動させ、その振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００１２】
本態様に係る発電装置は、前記磁性体は、交流磁場が流出入する２つの端部を備え、各端部は交流磁場が流出入する平行的に対向した平面部を有し、前記永久磁石は、少なくとも一部が、平行的に対向した各平面部を結ぶ線分の外側に配されている。
【００１３】
本態様によれば、磁性体を構成する第１の端部の平面部と、第２の端部の平面部とが平行的に対向している。平行的に対向した各平面部を結ぶ線分上にある交流磁場の空間勾配は小さいが、当該線分の外側における交流磁場は増大した空間勾配を有する。本態様に係る永久磁石の少なくとも一部は平行的に対向した各平面部を結ぶ線分の外側に配されているため、増大した空間勾配を有する交流磁場が永久磁石を貫く。従って、永久磁石をより効率的に振動させ、その振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００１４】
本態様に係る発電装置は、前記磁性体は、交流磁場が流出入する２つの端部を備え、前記２つの端部の少なくとも一つは交流磁場が流出入する曲面部を有する。
【００１５】
本態様によれば、磁性体を構成する第１の端部、又は第２の端部の少なくとも一つは曲面部を有するため、第１の端部と、第２の端部との間で流出入する交流磁場は空間勾配を有する。空間勾配を有する交流磁場を形成することによって、永久磁石をより効率的に振動させ、その振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００１６】
本態様に係る発電装置は、前記磁性体は、断面Ｕ字状又はＣ字状をなし、交流磁場が流出入する２つの端部は法線方向が略同一の平面部を有する。
【００１７】
本態様によれば、断面略Ｕ字状又はＣ字状の磁性体の第１の端部の平面部と、第２の端部の平面部とが非平行であるため、第１の端部の平面部と、第２の端部の平面部との間で流出入する交流磁場は２つの端部間で増大した空間勾配を有する。各平面部の法線方向は略同一である場合、交流磁場の空間勾配は比較的大きなものとなる。かかる増大した空間勾配を有する交流磁場を形成することによって、永久磁石をより効率的に振動させ、その振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００１８】
本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は、前記磁性体の前記法線方向外側に配されている。
【００１９】
本態様によれば、磁性体の上記法線方向内側における交流磁場の空間勾配は小さいが、当該法線方向外側における交流磁場の空間勾配は大きい。本態様に係る永久磁石は磁性体の法線方向外側に配されているため、大きな空間勾配を有する交流磁場が永久磁石を貫く。従って、永久磁石をより効率的に振動させ、その振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００２０】
本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は、前記導線及び前記永久磁石の離隔方向に対して非直交方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、交流の通流方向及び前記離隔方向に交差する方向に振動する。
【００２１】
本態様によれば、振動する永久磁石と、導線とが衝突する可能性を低減することができ、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である（例えば、図４参照）。仮に、永久磁石が、導線及び永久磁石の離隔方向に対して直交方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、前記離隔方向に振動するように構成した場合、永久磁石の振動によって、当該永久磁石が導線に衝突する可能性がある。
一方、本態様によれば、図４に示すように、永久磁石は、導線の中心に向かう方向から逸れた方向へ振動するため、永久磁石が導線に衝突する可能性を低減することができる。なお、上記説明は、本態様に係る発明の範囲を限定するものでは無い。
【００２２】
本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は、前記導線及び前記永久磁石の前記離隔方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、交流の通流方向及び前記離隔方向に直交する方向に振動する。
【００２３】
本態様によれば、振動する永久磁石と、導線との衝突を確実に回避することができ、交流磁場を用いた効率的な発電が可能である（例えば、図４参照）。図４に示す実施形態によれば、永久磁石は静止位置において導線から図４中上方に離隔しており、交流磁場によって永久磁石は図４中左右方向に振動する。この場合、永久磁石と、導線との距離は必ず大きくなり、これ以上、導線に接近することは無い。従って、永久磁石が導線と衝突することを確実に回避することができる。なお、上記説明は、本態様に係る発明の範囲を限定するものでは無い。
【００２４】
本態様に係る発電装置は、前記永久磁石は、交流の通流方向と、前記導線及び前記永久磁石の離隔方向とに直交する方向に並ぶＳ極及びＮ極を有し、前記離隔方向に振動する。
【００２５】
本態様に係る発電装置は、前記離隔方向に永久磁石を振動させた発電が可能である。
【００２６】
本態様に係る発電装置は、弾性体と、該弾性体の第１部位を、交流が流れる前記導線に対して固定する固定部とを備え、前記永久磁石は、外力によって前記導線に対する位置が変化する前記弾性体の第２部位に設けられており、前記変換部は、前記弾性体に設けられた圧電部材を備える。
【００２７】
本態様によれば、弾性体に設けられた永久磁石は、導線の周囲に形成される交流磁場によって振動する。弾性体が有する圧電部材は、永久磁石の振動によって変形して発電する。本態様に係る発電装置は、交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、当該交流磁場をエネルギー源として発電することが可能である。
【００２８】
本態様に係る発電装置は、前記変換部は、エレクトレットを有する第１電極基板と、前記エレクトレットに対向する対向電極を有する導電性の第２電極基板とを有し、該永久磁石の振動を電気エネルギーに変換するエレクトレット発電機を備える。
【００２９】
本態様によれば、エレクトレット発電機は、導線の周囲に形成される交流磁場によって振動する永久磁石の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００３０】
本態様に係る送信装置は、上記のいずれか一つの発電装置と、信号を送信する送信部とを備え、前記送信部は、前記発電装置にて変換された電気エネルギーにて駆動する。
【００３１】
本態様によれば、発電装置にて変換された電気エネルギーを用いて送信部を駆動することができる。従って、電源を用意することができない環境であっても、送信部から信号を送信させることが可能である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、導線の周囲に形成される交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、当該交流磁場に基づいて発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態１に係る発電装置の斜視図である。
【図２】本実施形態１に係る発電装置の平面図である。
【図３】本実施形態１に係る発電装置の側面図である。
【図４】本実施形態１に係る発電装置の正面図である。
【図５】本実施形態１に係る発電装置の回路図である。
【図６】導線の周囲に配された永久磁石に働く力を説明するための概念図である。
【図７】導線に対する永久磁石の位置と、当該永久磁石に働く力との関係を示すベクトル図である。
【図８】導線に対する永久磁石の位置と、当該永久磁石に働くｘ軸方向の力の大きさ及び向きとの関係を示すコンター図である。
【図９】導線及び磁性体によって形成される交流磁場の様子を示した説明図である。
【図１０】発電装置のシミュレーションモデルを示す模式図である。
【図１１】シミュレーション結果を示すグラフである。
【図１２】実験用発電装置を示す模式図である。
【図１３】実験用発電装置を示す模式図である。
【図１４】磁性体を備えることによって発電電力が増大することを示すグラフである。
【図１５】本実施形態２に係る発電装置を示す斜視図である。
【図１６】本実施形態３に係る発電装置を示す正面図である。
【図１７】本実施形態４に係る電圧調整装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る発電装置１００の斜視図、図２は、発電装置１００の平面図、図３は、発電装置１００の側面図、図４は、発電装置１００の正面図である。本発明の実施形態１に係る発電装置１００は、圧電部材（変換部）１２を有する弾性体としてのカンチレバー１と、カンチレバー１の固定端１ａ（第１部位）を、十Ｈｚオーダの低周波数の交流が流れる導線Ｗに対して固定する固定部２と、カンチレバー１の自由端１ｂ（第２部位）に設けられた永久磁石３と、カンチレバー１の圧電部材１２に発生した電圧を出力する出力部４と、永久磁石３の配置箇所に形成される交流磁場の空間勾配を増大させる磁性体５とを備える。本実施形態１においては、導線Ｗは、電流を通ずることが可能な断面略円形の材料で形成された線状の部材であり、導線Ｗは５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの系統電源に接続されているものとする。発電装置１００は、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場を永久磁石３の運動エネルギーに変換し、永久磁石３の運動エネルギーを圧電部材１２によって電気エネルギーに変換することによって、発電するものである。
なお、上記導線Ｗの構成は一例であり、永久磁石３を振動させる交流磁場を形成可能な電流が流れる構成であれば、その形状は特に限定されるものでは無く、レール状の導通部材、バスバー、角柱状の導体、長手方向を有する板状の導体であっても良い。また、導線Ｗは、部分的に方形板状のような非線状部分を有していても良く、全体として所定方向に交流電流が流れるような形状であれば良い。当該非線状部分に発電装置１００を固定する構成も本願発明に含まれる。更に、導線Ｗは、必ずしも直線状である必要は無く、部分的に湾曲していても良い。更にまた、導線Ｗは特定の用途のものに限定されるものでは無く、アース線であっても良い。以下、本実施形態１では、導線Ｗが直線状の部材であるものとして説明する。
【００３５】
カンチレバー１は、バイモルフ型圧電素子を用いてなる発電部材である。カンチレバー
１は、外力によって弾性変形が可能な導電部材からなる長板部１１と、厚み方向に分極した２枚の板状ないしシート状の圧電部材１２とを備え、２枚の圧電部材１２が長板部１１を挟み込むように当該長板部１１の両面に貼り合わされている。圧電部材１２の長手方向の長さは、長板部１１の固定部２からの突出部分の長さの２／３程度で十分である。また、２枚の圧電部材１２には、それぞれシート状の電極１３が設けられている。長板部１１を構成する部材は、例えばステンレス等の金属である。圧電部材１２は、例えば圧電セラミックスである。長板部１１の長手方向一端部は固定部２に固定される固定端１ａであり、長板部１１の長手方向他端部は外力によって変位可能な自由端１ｂである。自由端１ｂが変位した場合、２枚の圧電部材１２はそれぞれ伸張及び伸縮し、電極１３及び長板部１１間に電圧が発生する。
なお、ここではバイモルフ型圧電素子を説明したが、片面のみに圧電部材１２を張り付けたユニモルフ構造であっても良い。圧電部材１２は、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場によって振動する永久磁石３の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部の一例である。
【００３６】
固定部２は、カンチレバー１の固定端１ａを導線Ｗに対して固定する部材である。固定部２は、例えば、略直方体形状をなし、導線Ｗが挿通する貫通孔２１を有する。貫通孔２１は、中心部を貫通する正面視円形状であり、貫通孔２１が形成された固定部２の一面側の角部にカンチレバー１の固定端１ａが固定され、カンチレバー１を保持している。より詳細には、固定部２は、カンチレバー１の自由端１ｂが、導線Ｗの中心線方向及び導線Ｗの径方向に略直交する方向に変位又は振動するように、カンチレバー１を保持している。言い換えると、カンチレバー１を構成する長板部１１の厚み方向と、上記中心線方向及び径方向とが略直交するように、固定部２は、長板部１１の固定端１ａを保持している。
【００３７】
永久磁石３は、矩形板状をなし、厚み方向が導線Ｗの径方向を向く姿勢でカンチレバー１の自由端１ｂに接着固定されている。厚み方向とは、永久磁石３の縦寸法、横寸法及び高さ寸法の内、最も長さが短い方向を意味する。なお、接着は、永久磁石３の固定方法の一例である。カンチレバー１の自由端１ｂには永久磁石３及び接着剤を除く他の構造物を有しない。永久磁石３は、導線Ｗ及び永久磁石３の離隔方向、つまり厚み方向に並ぶ単一対のＳ極３ｂ及びＮ極３ａを有する。なお、永久磁石３の形状及び導線Ｗに対する姿勢は本発明の本質的な構成では無く、あくまで一構成例を示したものである。本実施形態１では、永久磁石３を構成するＳ極３ｂ及びＮ極３ａが上記離隔方向に配列している点がより重要である。
カンチレバー１に設けられた永久磁石３の振動周波数は、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場の周波数に略一致するように構成されている。例えば、交流磁場の周波数が５０Ｈｚである場合、永久磁石３の振動周波数を５０Ｈｚとし、交流磁場の周波数が６０Ｈｚである場合、永久磁石３の振動周波数を６０Ｈｚとする。なお、振動周波数が交流磁場の周波数に略一致するとは、所要の電力が得られる範囲で、振動周波数を交流磁場の周波数からずれた構成も本実施形態１に係る発電装置１００に含まれることを意味する。
【００３８】
出力部４は、カンチレバー１の電極１３と、長板部１１とに接続されており、永久磁石３の振動により伸縮した圧電部材１２に発生した電圧を出力する回路である。
【００３９】
磁性体５は、断面Ｕ字状又はＣ字状をなし、導線Ｗを囲繞するように導線Ｗの周囲に配されている。より詳細には、磁性体５は、導線Ｗの中心線方向に垂直な平面における断面が略Ｕ字状又はＣ字状であり、円筒状磁性部材をその中心線に略平行な平面で切り欠いたような部材である。
磁性体５は、例えばフェライトである。磁性体５の材質は、透磁率が高い物質であれば特に限定されるものでは無い。
磁性体５は、永久磁石３が配されている側に開口を有し、交流磁場が流出入する２つの端部５ａ，５ａを備える。２つの端部５ａ，５ａは、法線方向が略同一の平面部５ｂ，５ｂと、交流磁場が流出入する平行的に対向した平面部５ｃ，５ｃとを有する。永久磁石３は、平行的に対向した各平面部５ｃ，５ｃを結ぶ線分の外側に配されている。言い換えると、永久磁石３は、磁性体５の法線方向外側に配されている。平面部５ｂ，５ｂは、永久磁石３のＮ極３ａ及びＳ極３ｂの並び方向に対して略垂直な面であり、平面部５ｃ、５ｃは、平面部５ｂ，５ｂに対して略垂直な面である。
【００４０】
図５は、本実施形態１に係る発電装置１００の回路図である。出力部４は、整流回路４１及び平滑コンデンサ４２を備える。整流回路４１は、例えばダイオードブリッジ回路である。ダイオードブリッジは２つの順接続されたダイオードからなる直列回路を２組並列させた回路構成である。整流回路４１の入力端子は圧電部材１２及び長板部１１に接続されており、整流回路４１の出力端子対には平滑コンデンサ４２の各端子が接続されている。整流回路４１は、圧電部材１２に発生した交流を全波整流し、平滑コンデンサ４２にて平滑化された直流の電圧を負荷Ｒへ出力する。
【００４１】
以下、交流磁場を用いた効率的な発電を可能にする発電装置１００の構造及び発電特性の詳細を説明する。
【００４２】
＜導線Ｗの近くに配された永久磁石３に働く力＞
図６は、導線Ｗの周囲に配された永久磁石３に働く力を説明するための概念図である。導線Ｗに電流を流すとアンペールの法則に従って、導線Ｗの周囲に磁界が形成される。図６中、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は直交座標系の座標軸であり、ｚ軸の正方向（紙面手前方向）に電流が流れるものとする。導線Ｗ周辺の磁界はｘ軸方向及びｙ軸方向に勾配を有する。ｙ軸方向を向いた磁気双極子を有する永久磁石３を導線Ｗの近傍に配した場合、永久磁石３が受ける磁気力は下記式（１）及び（２）で表される。
【００４３】
【数１】
2020137162.tif 000003
【００４４】
図７は、導線Ｗに対する永久磁石３の位置と、当該永久磁石３に働く力との関係を示すベクトル図である。永久磁石３に働く力の大きさは、導線Ｗからの距離のみに依存するが、永久磁石３に働く力の方向は、導線Ｗに対する位置によって異なる。永久磁石３は、導線Ｗに対する位置にかかわらず、図７に示すように、ｘ軸方向に並ぶＳ極及びＮ極を有するものとする。電流は紙面奥向きに流れている。図７中、導線Ｗの上下及び左右の位置では、ｘ軸方向の力が働き、ｘ軸又はｙ軸に対して４５度の位置ではｙ軸方向の力が働いていることが分かる。
【００４５】
図８は、導線Ｗに対する永久磁石３の位置と、当該永久磁石３に働くｘ軸方向の力の大きさ及び向きとの関係を示すコンター図である。図８Ａは、シミュレーション結果の出力画像をグレースケールで示すコンター図であり、図８Ｂは、グレースケールで表現できない力の向き（色）を便宜上、ハッチングの有無で模式的に示したコンター図である。図８Ｂ中、ハッチングが付されていない白抜きの領域Ｐ１は、永久磁石３に左方向の力が働く
ことを示し、ハッチングが付されている領域Ｐ２は、永久磁石３に右方向の力が働くことを示している。破線で示すように、ｘ軸及びｙ軸に対して略４５度の境界で区分けされた４つの領域中、図８中、左右の領域Ｐ１（図８Ｂ中、白抜きの領域Ｐ１）に配された永久磁石３には、白抜き左矢印で示すように左方向の力が働き、図８中、上下の領域Ｐ２（図８Ｂ中、ハッチングが付された領域Ｐ２）に配された永久磁石３には、白抜き右矢印で示すように右方向の力が働く。このように、領域Ｐ１と、領域Ｐ２とでは、永久磁石３に働く力の向きが左右逆向きである。発電装置１００の永久磁石３を振動させて発電を行う場合、同一方向の力が働くように、領域Ｐ１又は領域Ｐ２のいずれか一方の領域を利用することが好ましい。
【００４６】
＜圧電振動発電素子の支配方程式＞
カンチレバー１の自由端１ｂに永久磁石３を設けてなる圧電振動発電素子の支配方程式は、図８中、導線Ｗの上下、即ちｙ軸上に永久磁石３を配した場合、下記式（３）及び（４）で表される。なお、導線Ｗの左右、即ちｘ軸上に永久磁石３を配した場合の支配方程式も同様にして表される。
【００４７】
【数２】
2020137162.tif 000004
【００４８】
以上の結果を総括すると、発電量と４乗の比例関係を有するパラメータは、導線Ｗ及び永久磁石３間の距離であり、２乗の比例関係を有するのは永久磁石３の残留磁束密度であり、１乗の比例関係を有するのは永久磁石３の質量及び機械的品質係数Ｑであることが分かる。大きな発電量を得るためには、４乗又は２乗の比例関係を有するパラメータを優先して発電装置１００を設計すると良い。
例えば、カンチレバー１の自由端１ｂに部品を取り付ける場合、可能な限り、磁性体からなる部品を用いることが望ましい。カンチレバー１の自由端１ｂに非磁性体部品を取り付けた場合、その質量に比例して発電量が増加すると考えられるが、磁性体部品を取り付ける場合に比べて、２乗の比例関係を有する残留磁束密度が低下し、結果として発電特性は低下してしまう。
【００４９】
また、永久磁石３は可能な限り導線Ｗに近い位置に配置し、永久磁石３の振動方向が導線Ｗに接近しない方向に設定することが望ましい。
【００５０】
更に、振動を抑制する力が永久磁石３に作用しないよう、振動方向における永久磁石３の寸法を短く形成することが望ましい。
つまり、永久磁石３の厚み方向が導線Ｗの径方向を向き、永久磁石３の長辺方向が導線Ｗに沿うように配置すると良い。
【００５１】
一方、永久磁石３に振動を抑制する力が作用しないようにするためには、振動する永久磁石３が常に図８に示す領域Ｐ２にあることが望ましいことが分かる。
【００５２】
また、上記式（３）、（４）から、永久磁石３が受ける力を増大させるためには、交流磁場の空間勾配を大きくすることが重要であることが分かる。
【００５３】
図９は、導線Ｗ及び磁性体５によって形成される交流磁場の様子を示した説明図である。図９に示すように、磁性体５の２つの端部５ａ，５ａ間に交流磁場が流出入している。磁性体５における平面部５ｂ，５ｂの法線方向外側、例えば四角枠Ａで囲まれる箇所には空間勾配を有する交流磁場が形成されていることが分かる。一方、平行的に対向する平面部５ｃ，５ｃに挟まれる箇所、例えば四角枠Ｂで囲まれる箇所には空間勾配が小さい平行的な交流磁場が形成されていることが分かる。以上のことから、永久磁石３は、四角枠Ａで示す箇所に配置することが好ましいことが分かる。
【００５４】
図１０は発電装置１００のシミュレーションモデルを示す模式図、図１１はシミュレーション結果を示すグラフである。ｒは磁性体５の外径を示し、ｄは磁性体５の開口の距離を示している。磁性体５の内径は１１ｍｍである。永久磁石３は１０ｍｍ四方の正方形状である。永久磁石３と、磁性体５との距離Ｌは３ｍｍとした。
図１１中、横軸は開口の距離ｄを示し、縦軸は永久磁石３に働く力を示している。丸印のプロット、四角印のプロット、三角印のプロット、アスタリスクのプロット、菱形印のプロットは、それぞれ磁性体５の外径が１２ｍｍ、１３ｍｍ、１４ｍｍ、１５ｍｍ、１６ｍｍであることを示している。図１１のグラフから磁性体５の開口の大きさは、永久磁石３の振動方向における幅よりも大きい構成が好ましい。また磁性体５の開口が大き過ぎると永久磁石３に働く力が低減してしまう。具体的には、開口の大きさを示す距離ｄは、永久磁石３の横幅の１．２倍以上１．５倍以下が好ましい。より好ましくは、距離ｄは、永久磁石３の横幅の１．３倍以上１．５倍以下、更に好ましくは１．４倍が望ましい。
【００５５】
＜実験結果＞
図１２は実験用発電装置を示す模式図である。図１３は、導線Ｗの中心線方向からみた永久磁石３、導線Ｗ及び磁性体５の断面図である。実験用発電装置の基本的な構成は、図１に示した発電装置１００と同様である。図１３に示すように磁性体５が鉄板を曲げ加工により略Ｕ字状に形成してなる点が異なるが、永久磁石３に働く磁気力Ｆの向き、永久磁石３の振動方向、磁気双極子の向き等は同じであり、原理的には同一構造と見なせる。磁性体５の２つの端部は平面部ないし曲面部を有する。圧電発電部であるカンチレバー１にはＰＺＴセラミックスをガラスエポキシ基板の両面に接着したバイモルフ素子を用いた。永久磁石３にはネオジウム磁石を用いた。
また、素子の共振周波数が５０Ｈｚ程度になるように永久磁石３の質量や取り付け位置を調整した。永久磁石３は双極子が下向きになるように固定している。発電量の評価のために負荷Ｒとして抵抗を接続した。共振周波数との関係からインピーダンス整合する負荷Ｒの抵抗値は５０ｋΩであった。負荷Ｒに発生する起電力はロックインアンプで測定した。
【００５６】
図１４は発電装置１００の発電電力を示すグラフである。横軸は負荷Ｒの抵抗値、縦軸は発電電力を示すグラフである。符号Ｐ０で示すグラフは、磁性体５を備えない発電装置の発電電力を示し、符号Ｐ１で示すグラフは磁性体５を備えた発電装置１００の発電電力を示している。図１４に示すように、本実施形態１に係る発電装置１００の発電電力は、磁性体５を備えない場合に比べて、発電電力が約３．５倍に改善されていることが分かる。
【００５７】
＜本実施形態に係る発電装置１００の作用効果＞
以上の通り、本実施形態１に係る発電装置１００によれば、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、当該交流磁場に基づいて発電を行うことができる。特に、磁性体５によって、永久磁石３の配置箇所に形成される交流磁場の空間勾配を増大させることにより、より効率的に永久磁石３を振動させ、発電することができる。本実施形態１では、圧電部材１２を用いた簡単な構成で永久磁石３の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００５８】
また、永久磁石３は、平行的に対向した各平面部５ｃ，５ｃを結ぶ線分の外側に配され、更に磁性体５の各平面部５ｂ，５ｂの法線方向外側に配されているため、大きな空間勾配を有する交流磁場が永久磁石３を貫くことになる。従って、永久磁石３をより効率的に振動させ、その振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００５９】
更にまた、振動する永久磁石３と、導線Ｗとの衝突を確実に回避することができ、交流磁場を用いて効率的に発電することができる。
【００６０】
更に、永久磁石３を離隔方向に偏平となる姿勢で配置することにより、永久磁石３の各部を導線Ｗに接近させることができ、効率的に発電することができる。
【００６１】
更にまた、本発明によれば、永久磁石３の各部を導線Ｗに沿って配置することにより、永久磁石３の各部を導線Ｗに接近させることができ、効率的に発電することができる。
【００６２】
更にまた、永久磁石３の静止位置及び振動時の任意の位置において、永久磁石３の各部に逆向きの力が働かないようにすることができ、効率的に発電することができる。
【００６３】
更にまた、余分な非磁性体部品を備え無いため、効率的に発電することができる。
【００６４】
更にまた、カンチレバー１の自由端１ｂに永久磁石３を設ける簡単な構成で、交流磁場を用いた発電を行うことができる。
【００６５】
更にまた、カンチレバー１を構成する長板部１１の両面に圧電部材１２を配することによって、効率的に発電することができる。
【００６６】
なお、本実施形態１では主に図４に示すように磁性体５が有する２つの端部５ａ，５ａは平面部５ｂ，５ｃを有する例を説明したが、図１３に示すように磁性体５が有する２つの端部５ａ，５ａの少なくとも一方が曲面部を有するように構成しても良い。
この場合も、空間勾配を有する交流磁場を形成することができ、永久磁石３をより効率的に振動させ、その振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００６７】
また、本実施形態１では、導線Ｗ及び永久磁石３の離隔方向に並ぶＮ極３ａ及びＳ極３ｂを有する永久磁石３を説明したが、その並びは完全に永久磁石３の径方向に一致する必要は無く、導線Ｗ及び永久磁石３の離隔方向に対して非直交方向であれば、導線Ｗと永久磁石３とが衝突する可能性を低減することができる。
【００６８】
（実施形態２）
実施形態２に係る発電装置２００は、導線Ｗに対する永久磁石３の配置及び姿勢、振動方向が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６９】
図１５は、本実施形態２に係る発電装置２００を示す斜視図である。本実施形態３に係る永久磁石２０３は、交流の通流方向と、導線Ｗ及び永久磁石２０３の離隔方向とに直交する方向に並ぶＳ極２０３ｂ及びＮ極２０３ａを有する。そして、カンチレバー２０１は、永久磁石２０３の離隔方向、つまり導線Ｗの径方向に振動するように固定部２に固定されている。
【００７０】
実施形態３に係る発電装置３００によれば、実施形態１と同様、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場に基づいて発電を行うことができる。実施形態３では、永久磁石３は導線Ｗの径方向に振動することになる。
【００７１】
（実施形態３）
本実施形態３に発電装置３００は永久磁石３の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する構成が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７２】
図１６は本実施形態３に係る発電装置３００を示す正面図である。作図の便宜上、固定部２の図示を省略している。実施形態３に係る発電装置３００は、弾性体としてのカンチレバー３０１と、カンチレバー３０１の固定端１ａ（第１部位）を、十Ｈｚオーダの低周波数の交流が流れる導線Ｗに対して固定する固定部２と、カンチレバー３０１の自由端１ｂ（第２部位）に設けられた永久磁石３と、永久磁石３の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するエレクトレット発電機３０６と、エレクトレット発電機３０６によって変換された電気エネルギーを出力する出力部４とを備える。
【００７３】
エレクトレット発電機３０６は、実施形態１の圧電部材１２に代えて設けられたものであり、永久磁石３の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。エレクトレット発電機３０６は、複数のエレクトレット３６１ａを有する第１電極基板３６１と、複数の各エレクトレット３６１ａそれぞれに対向する複数の対向電極３６２ａを有する導電性の第２電極基板３６２とを備える。エレクトレット３６１ａは電荷を蓄えた荷電体である。エレクトレット３６１ａは半永久的に電荷を保持し、電場を形成する。第１電極基板３６１は、複数のエレクトレット３６１ａが永久磁石３の振動方向に並ぶような姿勢で永久磁石３に固定されている。
【００７４】
第２電極基板３６２は、複数の対向電極３６２ａが複数のエレクトレット３６１ａそれぞれに対向する姿勢で、導線Ｗに対する位置が変化しないように固定されている。例えば、第２電極基板３６２は固定部２に固定されている。対向電極３６２ａは導電性の部材であり、静電誘導によって電荷が蓄えられる。
【００７５】
導線Ｗの周囲に形成される交流磁場によって永久磁石３は図１６中、横方向に振動する。永久磁石３が振動すると、エレクトレット３６１ａと、対向電極３６２ａとの相対位置が変化し、電荷が移動する。エレクトレット発電機３０６は、このようにして、永久磁石３の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、電荷の移動によって生じた電圧は出力部４から出力される。
【００７６】
本実施形態３に係る発電装置３００によれば、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場の周波数が十Ｈｚオーダの低周波数であっても、当該交流磁場に基づいて発電を行うことができる。本実施形態３では、エレクトレット発電機３０６を用いた簡単な構成で永久磁石３の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【００７７】
実施形態３では、実施形態１の圧電部材１２に代えてエレクトレット発電機３０６を備える例を説明したが、実施形態２に係る圧電部材１２に代えて、エレクトレット発電機３０６を備えても良い。また、第１電極基板３６１を永久磁石３に設け、第２電極基板３６２を導線Ｗに対して固定する例を説明したが、第２電極基板３６２を永久磁石３に設け、第１電極基板３６１を導線Ｗに対して固定しても良い。
【００７８】
圧電部材１２の代替手段としてエレクトレット発電機３０６を説明したが、磁歪素子を有する発電機等、永久磁石３の振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能な公知の発電機を圧電部材１２に代えて用いても良い。
【００７９】
（実施形態４）
図１７は、本実施形態４に係る電圧調整装置を示すブロック図である。実施形態４に係る電圧調整装置は、系統に接続された導線Ｗの電圧を調整するための電圧調整機４０７と、電圧調整機４０７の状態を検出する検出装置４０８と、当該検出装置４０８にて検出された検出情報を外部へ無線送信する送信装置４０９とを備える。電圧調整機４０７は、例えば、SVR（Step Voltage Regulator）、ＳＶＣ（static var compensator）等であり、
検出情報は、電圧調整機４０７の上流側及び下流側の電圧、電流、電圧調整内容等である。
【００８０】
実施形態４に係る送信装置４０９は、実施形態１に係る発電装置１００と、当該発電装置１００が出力する電力にて駆動し、検出装置４０８によって検出された検出情報に係る信号を無線送信する送信部４９１とを備える。発電装置１００は、導線Ｗの周囲に形成される交流磁場に基づいて発電し、電圧を送信部４９１へ出力し、送信部４９１は、発電装置１００から出力される電圧にて駆動する。
【００８１】
実施形態４に係る電圧調整装置によれば、発電装置１００が出力する電圧を用いて送信部４９１を駆動することができる。従って、電源を用意することができない環境、例えば、送電線の途中に設けられた電圧調整機４０７の側に発電装置１００及び送信部４９１を配し、電圧調整機４０７に係る情報を外部へ無線送信することができる。
【００８２】
なお、実施形態４では、実施形態１に係る発電装置１００を備える例を説明したが、言うまでも無く、実施形態２〜３に係る発電装置２００，３００を用いて、実施形態４に係る電圧調整装置を構成しても良い。
また、永久磁石３を変位可能に支持する構成としてカンチレバー１を例示したが、振動磁場によって永久磁石３が移動できる構成であれば、支持機構は特にカンチレバー１に限定されるものでは無い。
【００８３】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８４】
１００発電装置、１カンチレバー、１ａ固定端、１ｂ自由端、２固定部、３永久磁石、４出力部、５磁性体、Ｗ導線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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