文部科学省「地域イノベーション・エコシステム形成プログラム」
【楽して安全、振動発電を用いた電池フリー無線センサの事業化とその応用展開】2018年9月〜2023年3月予定

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2019.10.21
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振動によって
電力を生み出す
次世代のテクノロジー。

振動発電とは振動からエネルギーをつくり出す画期的な技術です。当研究室では、磁歪材料を用いた振動発電の研究を行っています。磁歪材料とは磁化すると伸びる材料で、近年、鉄とガリウムの合金で優れた特徴をもつ磁歪材料が開発されました。V-GENERATORはこの材料を用いた振動発電で、従来にない実用的な振動発電を可能にしました。

シンプルこそ至上を
実現した
磁歪式振動発電。

V-GENERATORは磁歪式の振動発電デバイスです。その構造はシンプルで、U字型のフレームに板状の鉄ガリウム合金を貼り付けてコイルを巻き、中央に永久磁石を配置したものです。発電原理は次のとおりです。先端に錘を取り付け機械などの振動源に固定すると、錘に慣性力が作用し上下に振動します。この慣性力でフレームは変形し、鉄ガリウム合金の長手方向に圧縮もしくは引張りの力が作用します。この時に逆磁歪効果で磁束が変化し、この変化に応じてコイルに起電力が発生します。
注)逆磁歪効果 
応力で磁化が変化する効果

V-GENERATORの構造

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発電の仕組み

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5つの特徴

  • 01.VALUE

    シンプルで製造も容易、高い耐久性

    従来技術で製造可能。劣化の要因になる摺動部がない。

  • 02.VALUE

    高出力・高感度

    U字フレームをベースにした画期的な構造で、小さな力で磁化を大きく変化させる。

  • 03.VALUE

    よい電源特性(低出力抵抗)

    電流を取り出しやすい。コイルの仕様で電圧・抵抗が調整可能。

  • 04.VALUE

    高いサイズ,形状自由度

    基本原理を守れば、様々なサイズ・構造にカスタマイズ可能。

  • 05.VALUE

    低コスト

    価格はFe-Ga合金に依存、それ以外はモータに利用される部品。

振動発電×IoT =
新たな技術、
大いなる可能性。

私たちはV-GENERATORとIoTを組み合わせた電池フリーIoTの実用化をめざしています。身近な振動や動きで発電し、様々な場所、モノからセンサ信号を無線送信します。
近距離の範囲では、人、モノの一度の動きや衝撃で発電、信号を送信し、長距離の範囲では、振動で発生した電力を蓄電する、または大きな動きで発電し、様々なセンサ情報をLPWA(920MHz 長距離低消費電力無線モジュール)などで送信します。電池フリーIoTは日本のみならず世界で注目されている技術です。

近距離システム

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長距離システム

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身近な振動や動き

身近な振動

  • 振動や温度の通知
    機械の振動

  • 水漏れの通知
    水道管の振動

  • 橋梁の状態監視
    車や風による振動

  • レールの亀裂発生通知
    台車の振動

  • 温度の通知(節電)
    風やダクトの振動

  • 路面や車体の状態通知
    タイヤや車体の振動

人による動きや振動

  • 不審者の通報
    床の振動

  • 空き巣検知
    窓ガラスの衝撃

  • 防犯・見守り
    ボタンを押す動作

  • 子供の見守り
    おもちゃの動き

  • 防犯・見守り
    ドア開閉の動き

  • 患者の見守り
    ベッドのボタンを
    押す動作

  • スポーツでの判定
    ボールがぶつかる衝撃

自然現象による振動や動き

  • 土砂崩れの通知
    土砂の動き

  • 温度・水位などの通知
    風による振動

  • 海洋の管理
    津波の通知
    波や水位の変化

電池フリーが創りだす、
変えていく、
新しいマーケット。

電池フリーのIoTデバイス実用化は、さまざまなマーケットにおいての活用が期待されています。V-GENERATORは、その将来性を高める一端を担う新技術のひとつです。

適用分野

  • 自動車
    TPMS,電源

  • スポーツ
    ウェアラブル

  • 鉄道船舶

  • 生産
    建設機械

  • 教育

  • 防犯・見守り

  • 農業・漁業

  • プラント

  • インフラ

  • 自転車
    ベビーカーなど

  • 防災・減災

  • エンター
    テインメント

半永久的なパワーと
目を見張る
パフォーマンス。

IoTの一番の課題は電池。電池は必ずなくなり交換が必要です。1個・2個ならまだしも10個・100個ならその手間や寿命管理は馬鹿になりません。近年、電池で3年・5年持つと謳う製品もありますが、状況は同じです。一方でV-GENERATORは電池以上の出力を発生し、一旦セットすれば交換の必要もなく寿命は半永久です。
発生電力は大きさに比例し、小サイズでボタン電池、中サイズで単三乾電池を代替します。またスイッチや衝撃など瞬間的に大きなエネルギーを取り出すことも可能です。さらに電圧は振動や動きに比例することで、センサの役割も兼ねます。水や温度に対する耐性も高く、電池のようなカバーも不要ですので、システムを単純化できます。デバイスは仕様に応じ、大型・小型化することも可能です。

電池に対する優位性イメージ図

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従来の振動発電技術を
凌駕する
V-GENERATOR

従来のハーベスター(Harvester)と呼ばれる振動発電技術に圧電素子やエレクトレット(永久電荷)、永久磁石の往復運動を利用するものがあります。これらの技術が実用化しない理由は、発生電力・耐久性・電源特性の低さにあります。電池を代替するには少なくとも電池以上の出力を発生し、耐久性・寿命を持たなくては意味がありません。
また電圧が出ればよいわけでなく、電源として使うには出力抵抗の大きさも重要です。元来、圧電素子やエレクトレットは出力抵抗が高く、電流(電力)が取り出しにくい性質を有しています。さらにさまざまな振動や要求に応えるには、デバイスの調整やカスタマイズも必要です。V-GENERATORはこれらの調整や大きさ・形状のカスタマイズも容易にできることが特徴です。実用化においてはデバイスのコストも重要ですが、V-GENERATORはFe-Ga合金の合金の価格に依存し、量産することで電池並みの価格になります。

磁歪振動発電の優位性

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V-GENERATOR 圧電 磁石可動 エレクトレット
発生電力 mW μW mW μW
エネルギー変換効率 40% 10% NA NA
内部抵抗
耐久性
※引張りで割れ

※摺動部あり

※摺動部あり
調整・カスタマイズ
※錘で調整可

※周波数固定

※周波数固定
サイズ
コスト

金沢大学
理工研究域
電子情報通信学系
准教授

上野 敏幸

UENO Toshiyuki

次世代の振動発電。
世界に電池フリーの
衝撃を。

次世代の振動発電、世界に電池フリーの衝撃をもたらす技術は、振動を高効率で電力に変換し、工夫次第でちょっとした動きや衝撃、流れや波から発電することも可能です。磁気現象を利用した普遍的なエネルギー変換技術で、モータと同等のインパクトと市場性があると自負しています。



使い方は無限です。無線センサの電源として生産機械や工作機械の状態を知らせ、ドアの動きや窓の衝撃を知らせることで見守りや防犯もできます。靴に取り付ければ歩行でLEDが点滅し、夜間の歩行の安全に役立ちます。このように、発電デバイスはさまざまな使い方ができ、あらゆるモノ・場面で利用することができます。またデバイスの大型化で自動車や鉄道など大きな物体の振動から電力を回収し、従来にないシンプルな風力(水力)・波力発電ができることでエネルギー問題の解決にも寄与します。



デバイスを効率よく使うには、もともと振動しないようにできている機械やモノの動きをいかに捉え「振動させる」かがポイントです。また電池に対する導入障壁も実用化の課題です。実際、デバイスを効果的に使うには振動を知り目的に応じたデバイスの選定と、現場での設置・調整作業が必要です。これをいかに簡単にするかが普及の鍵です。当プロジェクトではこの技術課題に挑戦します。振動発電の技術モデルを確立し、日本から世界に向けて技術を発信します。

PROFILE

金沢大学
理工研究域
電子情報通信学系
准教授

上野 敏幸

UENO Toshiyuki

専門分野
振動発電、磁歪材料、アクチュエータ、磁気応用

研究課題
磁歪材料を利用した振動発電技術の第一人者。2000年に東北大学工学研究科機械電子工学専攻で博士(工学)の学位を取得。日本学術振興会特別研究員、東京大学特任助教などを経て、2009年に金沢大学理工研究域電子情報学系准教授に着任。現在に至る。振動・磁歪材料・磁気応用技術・アクチュエータ等に精通し、2010年に逆磁歪効果を利用した振動発電技術の基本原理(平行梁型)を発明。その特許(特許第4905820)は40以上の特許で引用されている。2016年に現在のデバイス構造(ユニモルフ型)を発明し、2017年に特許(特許第6343852)を取得。ほか多数の特許を出願している。現在デバイスのコアになるFe-Ga合金の特性評価から発電デバイスの設計・試作・無線センサシステムの開発、IoT応用まで様々な研究開発を実施している。

研究室 動画を見る

劇的なスケールアップと
スケールダウン
振動発電は未知の領域へ

社会に貢献する新しい技術。
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