CONFIDENTIAL

V-Report-01

作成日：2022/6/9

Ver.2.0

磁歪材料を用いた振動発電

概要と解説（講演資料より抜粋）

本資料は機密扱いでお願いいたします。社外への開示や二次利用はご遠慮ください。
本資料により発生した如何なる損害についても責任は負いかねます。

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振動発電が安全で安心な社会に貢献

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近年，リモートワーク，人手不足，働き方改革も進んでいます。
人手が取れない様々な機械やインフラの予知保全，安全や安心のために，人工知能（AI）と無線センサ（IoT）の活用が期待されています。
密!

このセンサやモジュールの電源 に 身近な振動や動きが利用できます。
異常!

カツ，カツ

シャー

異常!
空気不足!

ガーー

ブーン

崩落注意!
不審者，熱中症注意!

危険!

シャー

移動中!
ガッチャン

ガタ，ガタ

ザー

崩落注意!
降ります!
そよそよ

緊急停止!

乾燥注意!

津波注意!

ゴーー

ポチッ
ザブーン

2

振動発電デバイス V-Generator

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振動から実用的な電気エネルギーをつくるデバイスです。

例） 10Hzの微小振動からLEDを発光する電力を発生する様子です。
V-Generator HP の中程の02/02の動画をご覧下さい。

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振動発電のメリット

CONFIDENTIAL

振動があれば半永久に使えます!

X

IoTが普及しない
理由の1つは電池の面倒さ

電池の寿命の心配，交換，充電の手間もなし

振動発電で楽して安全,安心
4参考：振動の大きさと周波数

CONFIDENTIAL

一般に振動は周波数 f [Hz（ヘルツ）]と加速度a [G または m/s2]で表します。
（1G = 9.8 m/s2）

変位

振幅から加速度，周期から周波数が，振幅算出できます。

周期時間

またスマホで振動を測定できます。

参考に

速度，振幅（変位）を計算する場合，それぞれ 2pf , (2pf) 2 で，加速度を除算します。

例：30Hz ，0.1Gの振動
30Hz，1m/s2
速度：0.0053 m/s (5.3mm/s), 変位：28×10-6 m (28 mm)
5じわい

磁歪材料とはCONFIDENTIAL

磁歪効果… 鉄などが磁化すると伸びる効果です。
磁化歪み（磁歪）

磁化する

磁界を作用
（例えば永久磁石を付ける）

磁歪効果

磁歪（伸び）が大きい材料

磁歪材料です。
6鉄ガリウム合金

CONFIDENTIAL

アメリカ海軍研究所でアメリカ海軍が画期的な磁歪材料を開発されました。
画期的な磁歪材料を開発

それが鉄-ガリウム合金です。
（Fe81.6Ga18.4，通称 Galfenol）

磁歪 max 300 ×10-67

鉄ガリウム合金の特性
組成

Fe81.6Ga18.4

発生歪300 ×10-6

CONFIDENTIAL（圧電素子: 600 ×10-6 ）ヤング率70 GPa

比透磁率

100

キュリー温度700℃

アルミと同程度

高温でも低温でも使える延性材料

鉄の性質に似て，堅牢で，優れた加工性を持っています。
8鉄ガリウム合金の加工例

CONFIDENTIAL板に加工した例です。
インゴットからワイヤー放電加工で切り出しました。
9逆磁歪効果力

CONFIDENTIAL

大きな磁化の変化

最大で1T（テスラ）の磁化（磁束）が変化します。

この効果を発電に利用します。

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発電デバイス （V-Generator） の構造

CONFIDENTIAL

U字型のフレームにFe-Ga合金の板を貼り付けコイルを巻き磁石を配置します。

積層（FeGa合金の板材）

シンプルで堅牢、組み立てが容易で，量産も可能です。
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発電の原理CONFIDENTIAL

先端に錘を付けます。
振動で錘が上下し，フレームが変形します。

この時，合金の圧縮，引張りで磁束が変化し電磁誘導の原理で発電します。

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V-Generatorの特徴

CONFIDENTIAL☑ シンプルで組み上げも簡単，高い量産性☑ 高感度で高出力（微小な振動でも発電）☑ 使いやすい電源☑ 高い耐久性，耐熱性☑ 大小様々なサイズ☑ 高いカスタマイズ性☑ 安価にできる可能性
13振動発電の比較CONFIDENTIAL

磁歪式

圧電式

磁石可動式

静電式

発生電圧 （開放）1V～10V

10～100V～数V～数百V

エネルギー変換効率

40%

10%

NANA

内部抵抗

小大(誘電体)小大(容量性)

耐久性

◎△

○

○

耐熱性

○

△△△

コスト

◎

○

○

△

共振周波数の調整◎◎

×（可動部密封）×（可動部密封）

大型化

◎

△

○×

磁歪式

圧電式

磁石可動式
（ブラザー工業）

磁歪式は従来技術に対しほとんどの点で優位です。

静電式（オムロン）

14サイズラインナップ

小型

中型

CONFIDENTIAL

大型15

使い方のポイントと注意

CONFIDENTIAL☑錘を付ける☑共振させる☑線に注意☑しっかりと固定する

凄く重要

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小型デバイスの仕様(例)CONFIDENTIAL

FeGa合金

4×0.5×16 mm （0.25g）

フレーム

SPCC （鉄板） 0.5mm厚

コイル

線径0.05mm 3500巻 （抵抗500Ω）

永久磁石

ネオジム磁石 4×3×2mm

質量4g

小型

体積 0.5cc

中型

大型
17参考：小型デバイスの発電特性の評価試験

CONFIDENTIAL

小型デバイスと評価試験の様子
錘を付けて加振機で励振、加速度aと電圧e、変位xを測定します。
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参考データ：電圧の振動周波数の依存性

CONFIDENTIAL

おおよそ，この範囲で共振を調整できます。
 動作（設定）可能な周波数19参考データ：錘10.2 gの場合の電圧の波形 （周波数28.4Hz）

CONFIDENTIAL

電圧 1V 以上

振動の周波数 28.4Hz, 0.49m/s2 （0.05G） = 振幅0.015mm
 微小な振動 （指で触れてもほとんど感じません）
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参考データ：錘10.2 gの場合，28.4Hz, 0.075Gの発生電力

CONFIDENTIAL

1mW 以上実用的（無線モジュールの動作に十分）な電力です。

21参考データ：錘1.7 gの場合の電圧の波形 （周波数88.7Hz）

CONFIDENTIAL

電圧 5V 以上

22参考データ：錘1.7 gの場合，88.7Hz, 0.6Gの発生電力

CONFIDENTIAL

5.2mW

世界最高レベル2mW

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デバイスサイズと動作可能周波数，発生電力

CONFIDENTIAL

電力 ∝ 体積周波数 ∝ 1/長さ

自然の摂理と同じ：大きいほどゆっくり，小さいほどはやく振動する
デバイスの特性はこれに従います。

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超小型の電力（例）0.68 mWmax

0.23 mWrms

加振条件 500Hz, 1G程度

CONFIDENTIAL

超大型の電力（例）CONFIDENTIAL

ワットレベルの電力も実証しています。

2.8 WmaxMax

1.2 Wrms
Rms

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耐久性や経年劣化••

CONFIDENTIAL

磁性また磁歪の経年劣化はありません。
錆びも大きな問題ではありません（水中での利用も可）。

加振試験，破壊試験を実施中

超大型の疲労試験
強度振動で連続6時間後の電圧を比較
劣化なし
27応用 予知保全： 機械やインフラの無線モニタリング

CONFIDENTIAL

データ分析で状態判別

AI

機械振動がエネルギー源，その状態（センサ情報）を無線で通知

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様々な無線通信モジュール
BLEモジュールTWELITE DIPCONFIDENTIAL

IMシリーズSigfox，LoRaなども可磁歪振動発電のmW （ミリワット） の電力があれば多くのモジュールが動作します。

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V-INNOVATION 01の動画をご覧下さい。

インフラモニタリングのニーズ
異音

亀裂

橋の崩落（イタリア,2018）

CONFIDENTIAL
異常振動

水道管の破裂

新幹線の台車の亀裂（2017）
写真：JR西日本

老朽化したインフラや検査が必要な機械はたくさんある。
崩落，破損，事故が起こる可能性は高まっている。

一方

検査を行う
人手が足りない
費用もない
打音検査
出典：NEXCO 中日本 センサ，無線の活用

 振動を電源に電池を気にせず半永久のヘルスモニタリングができる可能性があります。

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インフラモニタリングの可能性を示す動画

CONFIDENTIAL

V-INNOVATION 02の動画をご覧下さい。
高架橋の振動で2次電池を蓄電し，無線信号が送信できます。
長期の動作試験を実施中
現状，この用途では大型サイズが適しています。

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見守り，防犯，点検，呼び出しボタン

14:20 ドア開いた 温度 32℃

CONFIDENTIAL

無事でよかった

空き巣かも？

Line

10:14 ドア開いた 温度 32℃
Line

AI

見守り
防犯ヒートショック！
熱中症注意！

8:14 ドア開いた 温度 22℃
Line

温度 5℃, 湿度 50 %
温度 4.5℃, 湿度 43 %ガチャ

たくさんあればな～

呼び出しボタン

自動記録中
呼び出し

点検が楽で助かる～

電池を気にせず，たくさん使えます。

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動きによる無線通知の動画

CONFIDENTIAL

V-INNOVATION 03,04の動画をご覧下さい。
長期の実装試験も行っています。

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振動発電の電力を回生する

CONFIDENTIAL

V-INNOVATION 04/04 の動画をご覧下さい。

小さい振動でワットの電力を発生し，ポータブル電源（Jackery）に蓄電する様子（V-INNOVATION 05の動画をご覧下さい）

更に高い効率で蓄電する原理が実証されつつあります。

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さいごにCONFIDENTIAL

振動発電の応用を検討する際に，対象とする振動や動きが実用的な発電を行うに十分かを考えてください。極端な話、動かないものからエネルギーは取れません。同様にゆっくりとした動きから発電を行うことも難しいです。振動や動きが常時か、間欠なのかも重要です。振動や動きが十分でも、間欠にしか発生しない場合、常時エネルギーが必要なモジュールを動かすことはできません。よく聞かれますが、スマートフォンの充電や大きなモジュールの駆動は相当の振動がないとできません（実用的ではありません。）
また振動発電は共振させて使います。このため振動やデバイスの使い方に関するある程度の知識も必要です。現在，これに簡易的に行う技術も開発しています。

最後に振動発電が適用できる分野は数多く存在すると思います。この革新的な技術を活用した新製品やビジネスを是非ともご検討下さい。
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