振動発電とは 原理と実用例を解説

振動発電とは

振動発電とは、機械や建物、人の動きなどにより発生する振動の微小なエネルギーを電気エネルギーに変換する環境発電のことを指し、当社のデバイスではシンプルな機構で高い発電量(数十mWから数百mW)の電力を得られます。振動発電を行う原理には「電磁誘導」「静電誘導」「逆磁歪効果」「圧電効果」の4つがあります。

電磁誘導を用いた振動発電

電磁誘導は、磁束の変化により、コイル内に電位差(電圧)が生じる現象です。例えば、コイルに磁石を出し入れしたり、磁石と磁石との間でコイルを回転させたりすることなどにより、コイルに電圧が生じて電流が流れます。モーターを使った発電も電磁誘導の原理を用いたものです。電磁誘導による起電力(誘導起電力)の大きさは、磁束の変化の速度に比例し(ファラデーの電磁誘導の法則)、起電力によって起こる電流の方向は磁束の変化を妨げる方向に流れます(レンツの法則)。

電磁誘導

電磁誘導による振動発電では、例えば、バネと磁石を使ったメカニカルな構造により磁束の変化をつくり発電する方法があります。磁石とバネを使った構造では、バネが取り付けられた磁石をコイル内に配置します。全体が振動することで磁石がコイル内で往復移動し、磁束の変化が発生します。これにより電位差が生じ、電力が得られます。

他にも、磁石と回転する軸がつけられたコイルを使った構造もあります。軸には重りがつけられ、全体が上下、左右に振られることにより重りが振られて軸が回転します。これによりコイルが磁束内で回転して発電が行われます。電磁誘導を用いた振動発電では数V程度の電圧を得ることが可能です。

静電誘導を用いた振動発電

静電誘導は、帯電した物体に導体が近づいた時、帯電した物体の持つ極性とは逆の極性の電荷が、帯電した物体に近い側の導体の表面に集まる現象です。静電誘導による発電では、回転や落下などの物の動きと静電誘導の現象とを用いて、電荷を連続的に移動させることで正と負の電荷の差を作り発電を行います。摩擦を使った静電発電機などと同じように古くから知られ、利用されてきました。数十から数百Vの電圧を得ることが可能です。

例えば、回転による静電誘導の発電では、複数の電極が外周に沿って均等に設けられた回転する絶縁体の円盤と、電極に触れるブラシ、電極の電荷を誘導する2つの誘導子、電極から正負一方の電荷を集める2つの集電器で構成されます。誘導子は集電器と繋がり、対向する位置に設けられています。対向する位置にある電極は、誘導子の位置でブラシにより電気的に接続され、誘導子の逆の極性の電荷がそれぞれの電極に集まります。円盤が回転することでブラシから電極が離れ、続けて集電器に接触し、電荷が集電器に移動します。

誘導子の逆の極性の電荷がそれぞれの電極に集まります

集電器に接触し、電荷が集電器に移動
電荷が誘電子に移動
誘電子に1の2倍の電荷があるので
2倍の電荷がそれぞれの電極に集まります
繰り返し

これを繰り返すことで、それぞれの集電器に正負どちらかの電荷が集まり発電がおこなれます。回転による静電誘導を用いた振動発電では電磁誘導の際と同様に、重りにより回転する軸などが用いられます。

逆磁歪効果を用いた振動発電

逆磁歪効果を用いた振動発電の例

強磁性体に磁場を印加して磁化させることで、形状が変化する現象を磁歪といいます。逆に、磁性材料に力を加えて歪ませることで、磁束が変化する現象を逆磁歪効果といいます。逆磁歪効果を用いた振動発電では、この特性を用いて発電を行います。 例えば、高い逆磁歪効果を持つ、棒や板状の金属をコイルの中に通します。振動によりコイルに通した金属が歪むと、金属の周囲の磁束が変化します。これによりコイルに電磁誘導が起こり発電が行われます。数V程度の電圧を得ることが可能です。

逆磁歪効果を用いた振動発電の原理

圧電効果を用いた振動発電

圧電効果は、水晶や特定のセラミックス材料などにおいて、力を加えて歪が生じることで電気分極が起こり、電圧が生じる現象です。身近なところでは、ライターやガス台の点火などにも用いられています。加えた力に比例した分極が起こり、数十から数百Vの電圧を得ることが可能です。圧電効果を用いた振動発電では、板状にして連続して強い力が加わる構造が用いられています。

振動発電の実用例

振動発電による環境発電は既に様々な場所で実用化されています。例えば、人が上を歩くと発電する発電床や、車のタイヤが上を通ると発電してセンサーが働く無電源車両検知センサーなどがあります。他にも、ドアの回転で発電する開閉検知無電源センサー、波で揺れるブイによる発電、ボタンを押す際の振動で発電するリモコン、手の振りによる振動を電気に変えて駆動する腕時計なども実用化されてきました。 振動発電用のデバイスについても、加速度、衝撃、重力移動、揺れ、スイッチ、回転など、様々な動きに対応したものが開発されています。
また、アイデアの例としては、トンネルや橋梁、河川などの構造物インフラの遠隔監視、建設機械や産業機器のマシンヘルスモニタリング、車両の運行管理やポジションモニタリング、家畜の健康管理、ホームセキュリティ、見守りネットワーク、防災グッズ等に使用できます。

アイデア例:家畜の健康管理
アイデア例:見守りネットワーク
アイデア例:車両の運行管理

設置が容易であり、高い発電量が得られる高効率な振動発電用デバイスは、IoT技術の普及とともに今後も増えていきます。


アダマンド並木では振動発電デバイスの開発製造を行い、無電源センシング技術IoT市場の電源供給の課題解決に取り組んでいます。

IoT向け振動発電デバイス | アダマンド並木精密宝石株式会社
環境発電/エナジーハーベスタによる無電源でのソリューション

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