JP7430468B2 - Generator, power generation element, power generation device - Google Patents
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
本発明は、再生可能エネルギー、運動エネルギー、振動を利用した発電機、発電素子、該発電機を利用した発電装置、通信装置、センサーに関する。 The present invention relates to a generator that uses renewable energy, kinetic energy, and vibration, a power generation element, a power generation device that uses the generator, a communication device, and a sensor.
近年、自然エネルギーを利用した発電方法が注目されている。特にIoT(Internet of Things)に貢献する発電方法として、様々な振動発電が考案され、公開されている。 In recent years, power generation methods using natural energy have been attracting attention. In particular, various vibration power generation methods have been devised and made public as power generation methods that contribute to the Internet of Things (IoT).
振動発電による発電機や自己発電型センサーがあれば、小型でメンテナンスフリーのIoT機器が構成でき、様々な用途での使用が期待できる。
しかし、これまで考案されてきた方法の多くは、発電力がμW級と微力で、そのパフォーマンスは限られていた。とくに、リチューム電池や電気2重層キャパシタのような蓄電デバイスへの充電能力がないものが多く、実際には、ほとんど実用に供さないものが多い。
If there is a generator that uses vibration power generation or a self-power generation sensor, it is possible to construct a small, maintenance-free IoT device that can be used in a variety of applications.
However, most of the methods that have been devised so far have only a small power generation capacity of μW, and their performance has been limited. In particular, many of them do not have the ability to charge electricity storage devices such as lithium batteries and electric double layer capacitors, and in reality, many of them are of little use.
近年、Feと希土類元素(Tb、Dy等)を混ぜ合わせた材料が0.1%程度の磁歪量を示すことが発見され、巨大磁歪材料として実用化されている。鉄ガリューム合金(Fe-Ga)なども、効率的に逆磁歪効果を上げる材料として、近年、注目されている。 In recent years, it has been discovered that a mixture of Fe and rare earth elements (Tb, Dy, etc.) exhibits a magnetostriction of about 0.1%, and has been put into practical use as a giant magnetostrictive material. Iron-gallium alloys (Fe-Ga) have also attracted attention in recent years as materials that efficiently increase the reverse magnetostriction effect.
こうした、磁歪材料の逆磁歪効果を用いて発電装置を構成する発明は数多く公開されて、その発電量が注目されている。この磁歪材料を利用した発電方式ではmW級の発電が可能なものも多い。 Many inventions for constructing power generation devices using the inverse magnetostriction effect of magnetostrictive materials have been published, and their power generation capacity is attracting attention. Many power generation methods using magnetostrictive materials are capable of generating power in the mW class.
しかし、特殊な磁歪材料を用いたものが多く、材料の量産手法が確立されないことで、価格が高くなるのが欠点である。磁歪材料の供給と価格が妨げになって、製品化が進んでいないのが実状である。 However, many of them use special magnetostrictive materials, and the drawback is that they are expensive because mass production methods for the materials have not been established. The reality is that commercialization has not progressed due to the supply and price of magnetostrictive materials.
小型の発電機や好感度で高出力のセンサーを構成すれば、小型のIoT用通信機や、橋梁や道路の振動測定器などに利用でき、社会貢献の高い製品の開発が可能となる。しかし、それには、量産性と低価格化がもとめられる。 By configuring a small generator and a highly sensitive, high-output sensor, it can be used for small IoT communication devices, vibration measuring instruments for bridges and roads, and it will become possible to develop products that greatly contribute to society. However, this requires mass production and low cost.
簡略で、かつ生産性に富み、低価格での提供が可能な、再生可能エネルギー、運動エネルギー、振動を利用した発電機、該発電機を利用した発電装置、通信装置、センサーなどの提供が求められている。 There is a need to provide generators that use renewable energy, kinetic energy, and vibrations that are simple, highly productive, and can be provided at low prices, as well as power generation devices that use these generators, communication devices, sensors, etc. It is being
発明者は、これまで発明した自己の特許文献を精査し、さらに実験と研究を進め、本発明を考案した。 The inventor has devised the present invention by carefully examining the patent documents of his own inventions so far, further conducting experiments and research.
発明者は、先行する特許文献である特願2020―186201において、磁歪材料の逆磁歪効果を利用する発電機を、複数の磁性材料からなるバネ材を用いて、量産性の容易化と発電性能の両立が可能な発電デバイスの構造を考案した。 In the preceding patent document, Japanese Patent Application No. 2020-186201, the inventor developed a generator that utilizes the inverse magnetostrictive effect of magnetostrictive materials by using spring materials made of multiple magnetic materials to facilitate mass production and improve power generation performance. We have devised a structure for a power generation device that can achieve both.
しかしながら、この発明では、発電部のコイルが外部振動や再生可能エネルギーによって振動することが前提であり、コイルと外部回路の接続信頼性を長期にわたって得るのが難しいという問題があった。 However, this invention is based on the premise that the coil of the power generation section vibrates due to external vibrations or renewable energy, and there is a problem in that it is difficult to maintain connection reliability between the coil and the external circuit over a long period of time.
先行する特許文献である特願2021―169177において、発明者は鋭意研究と実験を行い、特に特別な磁歪材料を用いることなく磁歪効果を得ることに成功するとともに、外部エネルギーの受容方法を考案して、コイルにかかる振動を低減する発明をした。 In the preceding patent document, Japanese Patent Application No. 2021-169177, the inventor conducted intensive research and experiments, succeeded in obtaining a magnetostrictive effect without using any special magnetostrictive material, and devised a method for receiving external energy. Therefore, he invented an invention that reduces the vibrations applied to the coil.
しかしながら、出力を決定するコイルの大きさに応じてデバイス構造が大きくなるので、出力向上に伴って素子の小型化が難しくなるという欠点があった。 However, since the device structure becomes larger depending on the size of the coil that determines the output, there is a drawback that it becomes difficult to miniaturize the device as the output increases.
本発明は、上記課題を解決するためになされた。 The present invention has been made to solve the above problems.
本発明は、コイルに内包されるように配置され固定されたコア磁性体に近接して、振動可能に配置された磁石が振動することで、振動する磁石の磁力を受けてコア磁性体の磁性の向きが反転を繰り返し、コイルに電力が発生する発電機(発電素子)あるいは発電装置である。 In the present invention, a magnet that is arranged so as to vibrate in the vicinity of a core magnetic body that is arranged and fixed so as to be included in a coil vibrates, and the magnetic force of the vibrating magnet is applied to the core magnetic body. It is a generator (power generation element) or power generation device in which the direction of the coil is repeatedly reversed and electric power is generated in the coil.
前記磁石が、弾性体に連動し、周期を伴う振動をすることによって、例えば、不連続な再生可能エネルギーをエネルギー源とする発電や、重力方向のエネルギーが主となる振動発電で従来方法より効率の高い発電が可能となる。 The magnet is interlocked with an elastic body and vibrates periodically, making it more efficient than conventional methods, for example, in power generation using discontinuous renewable energy as an energy source, or vibration power generation in which energy is mainly in the direction of gravity. This enables high power generation.
コイルに内包されるように配置され固定されたコア磁性体の構造は、電気をコアに流すと内部のコア磁性体が磁化する電磁石の基本構造と同一である。従って本発明による発電方法を、逆電磁発電と呼称することができる。 The structure of the core magnetic body arranged and fixed so as to be included in the coil is the same as the basic structure of an electromagnet, in which the internal core magnetic body becomes magnetized when electricity is passed through the core. Therefore, the power generation method according to the present invention can be called reverse electromagnetic power generation.
本発明を考案するにあたり、発明者は、先行する特願2020―186201および特願2021―169177で得た知見に基づいて製作した発電機を用いて、鋭意各種実験を行い、磁石とコイルの振動の関係を精査した。その結果、空芯コイルの端部外側中央に磁石を配置し、コイルの軸方向に対して垂直に、コイル開口部に対して並行に、磁石を往復運動させると、コイルに電気が発生し、磁石の移動速度に応じて増減することに着目した。(電磁誘導)。磁石に、弾性体、例えばスプリングや板バネを接続し、外力を与えて、単振動を発生させたところ、コイルに周期を伴う電気が発生した。発明者はさらに研究を進め、コイルにコイルの長さに相当する磁性体を内包し、同様の実験を行ったところ、空芯状態に比較してほぼ3倍の電力が得られることを発見した。(逆電磁発電)。さらに、同一の電力を得るために必要な運動エネルギーが、コイル内部で磁石を動かして発電する通常の発電機に比べ10分の1で済むことも確認した。そして、磁石をコイル端部面の外側の中央付近に配置し、コイル端部面に平行に(コイル巻き方向に対しては垂直に)往復運動(振動)させるのが最も発電力があることを確認した。また、この往復運動(振動)は、円弧運動の一部を用いたものでも発電できることを確認した。この方法によれば、コイルは振動する必要がなく、さらにはコイルの重量を気にする必要もないので、コイルの巻き数、巻線径等、求める電気性能に合わせて設定することが可能である。そのことがもたらす利便性と長期安定性は疑いの余地がない。さらに、発電力を効果的に高める知見として次の事象を得た。1.コイル端部面と磁石の配置位置は、磁石が自由運動可能な状態で近いほど良い。2.コイル中心に磁性体を内包する場合は、磁性体との磁力の引っ張り合いで磁石が自由運動を阻害されないよう隙間を作るのが良い3.磁石の振幅が大きいほど発電力が高まる。4.使用する磁石に磁力の大きいものを使用すると発電力が高まる。5.コイル内に内包する磁性体は、端面の面積が大きいほど良い。6.磁性体に変えて磁石を用いることもできるが、出力は低下する。なお、本発明はこれら考案に至る過程の知見に限定されるものではない。 In devising the present invention, the inventor earnestly conducted various experiments using a generator manufactured based on the knowledge obtained in the preceding patent application No. 2020-186201 and patent application No. 2021-169177. We examined the relationship between As a result, when a magnet is placed at the center outside the end of an air-core coil and the magnet is moved back and forth perpendicular to the axial direction of the coil and parallel to the coil opening, electricity is generated in the coil. We focused on the fact that it increases and decreases depending on the moving speed of the magnet. (electromagnetic induction). When an elastic body such as a spring or a plate spring is connected to a magnet and an external force is applied to generate simple harmonic motion, electricity with a period is generated in the coil. The inventor conducted further research and conducted similar experiments with a coil containing a magnetic material equivalent to the length of the coil, and discovered that almost three times as much power could be obtained compared to an air-core state. . (Reverse electromagnetic power generation). Furthermore, it was confirmed that the kinetic energy required to generate the same amount of electricity is one-tenth that of a regular generator that generates electricity by moving a magnet inside a coil. It has been found that placing the magnet near the center of the outside of the coil end surface and making it reciprocate (vibrate) parallel to the coil end surface (perpendicular to the coil winding direction) generates the most power. confirmed. We also confirmed that this reciprocating motion (vibration) can generate electricity even when part of the arc motion is used. According to this method, the coil does not need to vibrate, and there is no need to worry about the weight of the coil, so the number of turns and diameter of the coil can be set according to the desired electrical performance. be. The convenience and long-term stability it provides are undeniable. Furthermore, the following phenomena were obtained as knowledge for effectively increasing power generation. 1. The closer the coil end surface is to the magnet, the better, so that the magnet can move freely. 2. If a magnetic material is included in the center of the coil, it is best to create a gap so that the free movement of the magnet is not inhibited by the magnetic attraction between the coil and the magnetic material. 3. The larger the amplitude of the magnet, the higher the power generation will be. 4.Using a magnet with a large magnetic force will increase power generation. 5.The larger the area of the end face of the magnetic material contained within the coil, the better. 6. A magnet can be used instead of a magnetic material, but the output will be lower. Note that the present invention is not limited to the knowledge of the process leading to these ideas.
本発明は、発電素子とした方が適切な場合もあるかと思うが、構造的には発電機である。適宜、発電素子あるいは発電機と呼称する。 Although the present invention may be more appropriate as a power generation element in some cases, it is structurally a power generator. It is called a power generation element or a generator as appropriate.
課題を解決する本発明の第1の手段は、少なくとも一つのコアと少なくとも一つのコイルを備え、前記コアは磁性材料によって作られ、前記コイルは前記コアの周りに配置された発電部と、少なくとも一つの磁石が少なくとも一つの支持部材によって支持され振動可能に配置された磁石振動部を備え、前記発電部の前記コアが、前記磁石振動部の前記磁石に近接して配置されたことを特徴とする発電機である。本発明の第2の手段は、前記磁石振動部が、少なくとも一つの可動部材によって支持され振動可能に配置された前記磁石を備えることを特徴とする第1の手段に記載の発電機である。本発明の第3の手段は、前記磁石振動部が、少なくとも一つの弾性部材によって支持され振動可能に配置された前記磁石を備えることを特徴とする第1の手段に記載の発電機である。本発明の第4の手段は、前記磁石振動部の前記磁石からの磁力を受けて前記発電部の前記コアの磁性の向きの反転を繰り返す第1の手段に記載の発電機である。 A first means of the present invention for solving the problem includes at least one core and at least one coil, the core is made of a magnetic material, the coil has a power generation section arranged around the core, and at least one coil. One magnet is provided with a magnet vibrating part supported by at least one support member and arranged so as to be able to vibrate, and the core of the power generation part is arranged close to the magnet of the magnet vibrating part. It is a generator that A second means of the present invention is the generator according to the first means, wherein the magnet vibrating section includes the magnet supported by at least one movable member and arranged so as to be able to vibrate. A third means of the present invention is the generator according to the first means, characterized in that the magnet vibrating section includes the magnet supported by at least one elastic member and arranged so as to be able to vibrate. A fourth means of the present invention is the generator according to the first means, in which the magnetic direction of the core of the power generation section is repeatedly reversed in response to magnetic force from the magnet of the magnet vibrating section.
本発明の第5の手段は、前記発電部の前記コアが前記コイルに固定されていることを特徴とする第1の手段に記載の発電機である。
本発明の第6の手段は、発生する電力が交流であることを特徴とする第1の手段に記載の発電機である。
A fifth means of the present invention is the generator according to the first means, characterized in that the core of the power generation section is fixed to the coil.
A sixth means of the present invention is the generator according to the first means, characterized in that the electric power generated is alternating current.
発明の第1は、外力を受容し発電する発電機において、該発電機は、少なくとも、コイル、磁石を備え、該コイルの端面外側近傍に、該磁石を運動可能に配置することを特徴とする発電機である。 A first aspect of the invention is a generator that receives an external force and generates electricity, wherein the generator includes at least a coil and a magnet, and the magnet is movably disposed near the outer end surface of the coil. It is a generator.
発明の第2は、前記コイルは、磁性材料を内包することを特徴とする発明の第1に記載の発電機である。 A second aspect of the invention is the generator according to the first aspect, wherein the coil includes a magnetic material.
発明の第3は、前記磁石は弾性体に接続し、該弾性体は前記コイル端部面外側に対して並行に、前記コイル巻き方向に対して垂直方向に、前記磁石が振動するよう配置されたことを特徴とする発明第1に記載の発電機である。 In a third aspect of the invention, the magnet is connected to an elastic body, and the elastic body is arranged so that the magnet vibrates in parallel to the outer side of the end surface of the coil and in a direction perpendicular to the coil winding direction. The generator according to the first aspect of the invention is characterized in that:
発明の第4は、前記弾性体は、少なくともスプリングあるいは板バネを含む構造体であることを特徴とする発明の第1に記載の発電機である。 A fourth aspect of the invention is the generator according to the first aspect, wherein the elastic body is a structure including at least a spring or a leaf spring.
発明の第5は、前記外力は、再生可能エネルギー、運動エネルギー、外部振動、であることを特徴とする発明の第1に記載の発電機である。 A fifth aspect of the invention is the generator according to the first aspect, wherein the external force is renewable energy, kinetic energy, or external vibration.
発明の第6は、前記外力を、回転運動や上下運動に変換した機構を用いて、前記磁石を振動させることを特徴とする発明の第1に記載の発電機である。 A sixth aspect of the invention is the generator according to the first aspect of the invention, characterized in that the magnet is vibrated using a mechanism that converts the external force into rotational motion or vertical motion.
発明の第7は、前記外力により前記弾性体が荷重を受け変形し、除荷されて発生する復元力によって前記磁石が振動することを特徴とする発明の第1に記載の発電機である。 A seventh aspect of the invention is the generator according to the first aspect of the invention, wherein the elastic body is deformed under the load of the external force, and the magnet vibrates due to a restoring force generated when the load is removed.
発明の第8は、前記外力を、回転運動や上下運動に変換した機構を用いて、前記弾性体に弾性力を発生させ、前記磁石を振動させることを特徴とする発明の第1に記載の発電機である。 An eighth aspect of the invention is the method according to the first aspect of the invention, characterized in that an elastic force is generated in the elastic body using a mechanism that converts the external force into rotational motion or vertical motion, and the magnet is vibrated. It is a generator.
発明の第9は、前記外力を、てこの原理を用いた機構あるいは変速機などを用いて、前記弾性体に弾性力を発生させることを特徴とする発明の第1に記載の発電機である。 A ninth aspect of the invention is the generator according to the first aspect of the invention, characterized in that the external force is used to generate an elastic force in the elastic body using a mechanism using a lever principle, a transmission, or the like. .
発明の第10は、前記磁石あるいは前記弾性体に重りを連結して、前記磁石の振動周波数を調整することを特徴とする発明の第1に記載の発電機である。 A tenth aspect of the invention is the generator according to the first aspect, characterized in that a weight is connected to the magnet or the elastic body to adjust the vibration frequency of the magnet.
発明の第11は、発明の第1に記載の発電機を具備することを特徴とする電源装置である。 An eleventh aspect of the invention is a power supply device comprising the generator according to the first aspect of the invention.
発明の第12は、発明の第11に記載の前記電源装置を具備することを特徴とする通信システムである。 A twelfth aspect of the invention is a communication system comprising the power supply device according to the eleventh aspect.
発明の第13は、発明の第1に記載の発電機の発電量をセンサー情報として利用したことを特徴とするセンシングシステムである。 A thirteenth aspect of the invention is a sensing system characterized in that the amount of power generated by the generator according to the first aspect of the invention is used as sensor information.
本発明によれば、簡単至便に再生可能エネルギーや、運動エネルギー、あるいは外部振動などをエネルギー源とした小型・高出力の発電機が構成できる。そして、フリーメンテナンスを求められる用途に、本発明の発電機を使った高信頼の電源や蓄電装置、通信装置、あるいはセンサーなどを提供することができる。また、本発明の原理を使用して大掛かりな発電機の製作も可能である。さらにプリント基板用の超小型のコイル等を利用して超小型の本発明の発電機を形成することもできる。さらに、振動状態を発電波形で観測する自己発電型センサーとしても好適であり、安価な低周波観測機などにも利用が考えられる。 According to the present invention, it is possible to easily and conveniently configure a small-sized, high-output power generator using renewable energy, kinetic energy, external vibration, or the like as an energy source. In addition, highly reliable power sources, power storage devices, communication devices, sensors, etc. using the generator of the present invention can be provided for applications that require free maintenance. It is also possible to construct large-scale generators using the principles of the present invention. Furthermore, the ultra-small generator of the present invention can also be formed using an ultra-small coil for a printed circuit board. Furthermore, it is suitable as a self-generating sensor that observes the vibration state in the form of a generated waveform, and can also be used as an inexpensive low-frequency observation device.
2…磁石、5…コア磁性体、6…ボビン、7…コイル、8…磁石ボックス、9…磁石ボックスふた、10…磁石ボックス溝底面、11…ボビン裏面、21…スプリング、22…板バネ、29…打鍵部、30…発電部、31…磁石振動部、32…磁石の移動方向、33…コイル台、34…発電部台座、35…弾性体固定ネジ、36…磁石振動部支柱、37…磁石振動部台座、38…運動エネルギー受容方向39…磁石駆動用弾性体40…板バネ止めネジ、41…板バネ台、42…板バネ、43…弾き受容部、44…弾き爪、45…弾きカム、46…第1歯車、47…動力エネルギー受容部、48…第2歯車、49…台座
2... Magnet, 5... Core magnetic material, 6... Bobbin, 7... Coil, 8... Magnet box, 9... Magnet box lid, 10... Magnet box groove bottom, 11... Bobbin back, 21... Spring, 22... Leaf spring, 29... Keying part, 30... Power generation part, 31... Magnet vibrating part, 32... Magnet movement direction, 33... Coil stand, 34... Power generation part pedestal, 35... Elastic body fixing screw, 36... Magnet vibrating part support, 37... Magnet vibrating unit pedestal, 38... Kinetic
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図中同一又は相当部分については同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、本発明はこれら実施の形態に限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Identical or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals and their description will not be repeated. Note that the present invention is not limited to these embodiments.
図1、図2を参照して、本発明の実施例1を説明する。本実施例は、動力源として運動エネルギー、外力あるいは外部振動を受けて発電する発電機である。動力源には、風力、水力、波力などの自然の再生可能エネルギーによって発生する振動、道路、建物、橋梁など建築物が発生する振動、機械が動作する際の振動、さらには、ボタンを押す動作などの人力によるものなどを利用できる。 Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. This embodiment is a generator that generates electricity by receiving kinetic energy, external force, or external vibration as a power source. Power sources include vibrations generated by natural renewable energy such as wind, water, and wave power, vibrations generated by buildings such as roads, buildings, and bridges, vibrations when machinery operates, and even the press of a button. Human power such as motion can be used.
この発電機は、コア磁性体5、コイル7、ボビン6、磁石2、磁石ボックス8、とを備えている。図1はボビン6にコイル7が巻かれている構造ではあるが、ボビン6を使わず直接コア磁性体5にコイル7を巻くことも可能である。公知のコイル構造はすべて使いうる。ボビン6は、コイル7巻き方向にパイプが伸びていてコイル両端の端部を磁石ボックスふた9で止めて、内部は空洞になっている。コア磁性体5は、コイル7の空洞に包まれるように棒状でコイルの巻き方向へ伸びて配置されている。このコア磁性体5は、コイル7に固着していることが好ましい。この構造は、コイルに電気を供給すると内部の磁性体が磁石となる電磁石とほぼ同一のものであり、一般に流布している電磁石をそのまま使うことも可能である。従って、本発明の発電方式を逆電磁発電と呼称することができる。
This generator includes a core
コイル7は、図示しないが、外部回路へ発生電力を伝える配線が接続されている。発生した電力は通信機器やセンサーなどの電気機器に利用され、充電装置で充電することも可能である。これら発電機構に含まれる装置や設備の構造、機能、作用などについては、実質的に従来公知の発電機構と同様なので、ここでの詳細な説明は省略する。
Although not shown, the
コイル7の中心、同時にボビン6の中央に、コイル7に内包されるようにコア磁性体5が配置されている。
A core
コア磁性体5は、軟磁性材料が好ましいが、磁性材料に基づくものであればいずれも使いうる。通常コイルの磁心(コア)材料に使われるけい素鋼板やパーマロイなどが好適であるが、たとえば、鉄製のネジなども使用し得る。形状も棒状、角状、平板、パイプ状いずれも使いうる。このコア磁性体5の長さは、好ましくは、コイル7と同等程度の長さが好ましい。コア磁性体5はコイル7に直接圧入や接着剤等を使って固定するか、あるいはコイル7が巻かれたボビン6に挿入されたまま圧入しても良いし、接着剤などを使用してボビン6に固定してもよい。このコイル7とコア磁性体5で構成される構造は、電磁石の基本構造と同一ともいえる。従って、公開されている電磁石の構造はすべて使いうる。磁力を上げるヨークを備えたり、電磁石の性能を上げるための工夫はすべて排除しない。このことから、本発明を、逆電磁発電と呼称することもできる。
The core
図1では、コア磁性体5はボビン6と磁石ボックス8に内包されて、その端部と磁石2との間にわずかに隙間ができるよう配置されている。
ボビン6には磁石ボックス8が接続されている。磁石ボックス8には長方形の溝が中央付近に作られており、その中に円筒状の磁石2が運動可能なように配置されている。
In FIG. 1, the core
A
磁石2は、電磁石なども使いうるが、永久磁石で、好ましくは磁力の高いネオジウム磁石などが適している。形状は、磁石ボックス8の溝の中を動きやすいものであればよく、図1に示した円筒形の他に正方形、球体なども使いうる。
Although an electromagnet can be used as the
これに、便宜上外して書かれている磁石ボックスふた9を接続して全体の構成となる。
To this, the
これにより、磁石2は、外部振動を受けると、コイル端部面外側に対して並行に運動し、コイル巻き方向に対しては垂直に動くようになる。発電機全体に振動が加わると、磁石2はコア磁性体5を横切りながら磁石ボックス8の溝内を往復する。この磁石2の往復運動(振動)により、磁石2の磁力を受けてコア磁性体5の磁性の向きが反転を繰り返し、コイル7に電力が発生し、図示しないがコイル7に配線された線材によって、外部回路へ供給される。
As a result, when the
図示しないが、磁石ボックス溝底面10にスプリングやバネ等の弾性体を配置して磁石の運動速度を速め、発電力を高めることも可能である。
Although not shown, it is also possible to arrange an elastic body such as a spring on the
図2を用いて実施例2を説明する。スプリング21や板バネ22の弾性体を片持ち構造で固定し、その自由端側に図1の発電機を接続している図である。図2の実施の態様に関し、図1と重複する箇所については、その説明および符号を省略する。外部振動を受容して、スプリング21や板バネ22の弾性体がバネ振動子のふるまいをすると図1の発電機が振動し、内部の磁石2が振動、磁石2はコア磁性体5を横切りながら磁石ボックス8の溝内を往復する。この磁石2の運動により、磁石2の磁力を受けてコア磁性体5の磁性の向きが反転を繰り返し、コイル7に電気が発生する。
Example 2 will be explained using FIG. 2. It is a diagram in which the elastic bodies of the
図1のボビン裏面11に弾性体を接続し、外部振動を受けて、主に矢印の方向へ振動することを示している。
An elastic body is connected to the
a)とb)は弾性体スプリング21を使って外部振動を受容する例である。主に機械振動や構造体の振動など揺れの方向が定まらないものに対しては有効な構造である。
A) and b) are examples in which an
c)とb)は弾性体板バネ22を使って外部振動を受容する例である。振幅方向が定まるため、重力方向の振動が発生する場所での利用に向いている。
c) and b) are examples in which an
なお、弾性体は振動エネルギーを弾性力に変換できるものなら、必ずしも金属製に限定するものではなく、ゴムや樹脂などで弾性を持つ材料や構造を使って受容してもよい。 Note that the elastic body is not necessarily limited to metal as long as it can convert vibration energy into elastic force, and elastic materials or structures such as rubber or resin may be used to receive the vibration energy.
図3を用いて、本発明の発電機の実施例3を説明する。 Example 3 of the generator of the present invention will be described using FIG. 3.
図3は、本発明の実施例3の概略図である。 FIG. 3 is a schematic diagram of Example 3 of the present invention.
なお、図3の実施の態様に関し、図1、図2と重複する箇所については、同一の符号を使い、その説明を省略した。 Regarding the embodiment shown in FIG. 3, the same reference numerals are used for the same parts as those in FIGS. 1 and 2, and the explanation thereof is omitted.
本実施例は、磁石振動部31と発電部30に概略構成される。図3のA)は側面図、B)は上面図である。ここではA)の側面図を用いて説明する。
The present embodiment is generally configured with a
磁石振動部31は、磁石2と磁石駆動用弾性体39と磁石振動部支柱36磁石振動部台座37で概略構成される。磁石駆動用弾性体39は弾性のある材料を板状にして伸ばし、端部を弾性体固定ネジ35で磁石振動部支柱36に固定した、片梁構造である。そして、自由端側の端部付近に、磁石2を配置している。静止状態にある磁石2の位置は、発電部30のコア磁性体5に近接して磁石振動部支柱36によって配置されている。図3では、磁石2はコア磁性体5の端面に対峙するよう配置されているが、例えば、コア磁性体5を伸ばして、コア磁性体5の側面に近接して配置することも可能である。
The
磁石駆動用弾性体39は、バネ性を有する磁性金属が望ましいが、必ずしも磁性を持つ必要はない。従って、金属ではなく樹脂やゴムといった弾性材料でも可能である。形状も板状だけでなく、棒状、スプリング状、でもよく、さらには振動と周期を得られる構造であればいずれも使いうる。さらにエネルギー受容しやすいよう、打鍵部等別機構を追加したりすることもできる。さらに、磁石駆動用弾性体39の自然振動数を調整するための重り等を付けたり、屈折部を設けてバネ力を調整したり、することも可能である。
The magnet driving
発電部30は、図1で説明したものと概略同じものは、同じ符号を付して、説明を省略する。発電部30は、コイル7、ボビン6、コア磁性体5、コイル台33、発電部台座34で概略構成される。
Components of the
コア磁性体5は棒状に伸びてボビン6,コイル7に内包されるように配置・固定され両端部がわずかにボビンから出ている。ボビン6,コイル7は、コイル台33によって発電部台座34に固定されている。
コア磁性体5の端部位置を磁石振動部31の静止状態の磁石2に近接するように発電部台座34を配置する。
The core
The power
磁石振動部31の磁石2は、片梁構造の自由端側にある重りとして作用する。磁石2にさらに別材料の重りを付けることも可能である。運動エネルギーが運動エネルギー受容方向38に伝わると磁石駆動用弾性体39は変形し、弾性力によって振動する。あるいは、荷重が除荷されて振動する。その結果、磁石2の位置は磁石2の移動方向32のように振動し、磁石2の磁力を受けてコア磁性体5の磁性の向きが反転を繰り返しコイル7に電力が発生する。運動エネルギーが例えば地震や構造物の揺れであれば、本発電機の全体が揺れ、この揺れによって自由端側の重りとして、磁石2には重力に従って下にひかれる力と、慣性力によって上に押し上げられる力が働き、磁石駆動用弾性体39は、バネ振動子としてふるまう。そして、磁石2には、周期を伴なう振動が生じ、磁石2の磁力を受けてコア磁性体5の磁性の向きが反転を繰り返しコイル7に電力が発生する。図示しないが発生電力はコイル7に配線された線材によって、外部回路へ供給される。
The
静止状態の磁石2とコア磁性体5の距離が近づけば近づくほど、磁石2の振動が生じた時の発電部30の発生電圧は高くなる。ただし、近づきすぎると磁力によるブレーキ効果が発生して、振動時間(周期)が短くなり、電力量は低下する。ただし、運動エネルギーが連続している場合はその限りではない。したがって、運動エネルギーの質や希望する電力の状態に応じて、静止状態の磁石2とコア磁性体5の距離を決定するのが望ましい。
The closer the distance between the
磁石振動部台座37と発電部台座34は、分離しても同一としても問題ない。その際、磁性材料で構成する必要もない。
There is no problem whether the magnet vibrating
磁石駆動用弾性体39は、振動する際に固有振動数を有している。運動エネルギーである外部振動を受けて発電機全体が振動した時、外部振動の周波数と磁石駆動用弾性体39の固有振動数が近づくほど、磁石駆動用弾性体39の振幅は大きくなり、発電量も大きくなる。発明者は、この2つの周波数が近づいて共振状態に至った時、振幅はもっとも大きくなり発電量は10倍以上にもなることを実験によって確認している。
The magnet driving
図示しないが、前述の磁石2あるいは追加する重りの位置を変えたり、追加できるようにする固有振動周波数調整機構を磁石駆動用弾性体39に加えることもできる。これにより磁石駆動用弾性体39の固有振動周波数を外部振動の周波数に合わせて調整し、発電機の発電効率を高めることができる。さらに、共振による破壊を避けるためにも使用できる。固有振動周波数調整機構は、公知の技術であるので、図示しない。
Although not shown in the drawings, a natural vibration frequency adjustment mechanism may be added to the magnet drive
図4を用いて、本発明の実施例4を説明する。図4は運動エネルギーを回転エネルギーに変換し、変速機を通じて打鍵装置を駆動して、運動エネルギー受容部(磁石を振動させる弾性体をふくむ機構)に運動エネルギーを与える機構を備えた本発明の発電機の実施例である。 Example 4 of the present invention will be described using FIG. 4. Figure 4 shows the power generation system of the present invention, which is equipped with a mechanism that converts kinetic energy into rotational energy, drives a key-pressing device through a transmission, and provides kinetic energy to a kinetic energy receiving section (a mechanism that includes an elastic body that vibrates a magnet). This is an example of a machine.
図4の実施の態様に関し、図1、図2、図3と重複する箇所については、同じ符号を付し、その説明を省略した。本実施例の他にも、運動エネルギーを変換し利用する方法は、変速機や、てこの原理を利用した機構、あるいはぜんまい等エネルギーをバッファする機構、一定の周波数の振動に変更する振動発生機構など、運動エネルギーを伝達する際に使用する機構が考えられる。それら、従来公知の機構であればいずれも使いうる。従って、ここでの詳細な説明は省略する。 Regarding the embodiment of FIG. 4, parts that overlap with those of FIGS. 1, 2, and 3 are given the same reference numerals, and their explanations are omitted. In addition to this example, methods for converting and utilizing kinetic energy include a transmission, a mechanism that uses the lever principle, a mechanism that buffers energy such as a mainspring, and a vibration generation mechanism that changes vibration to a constant frequency. Mechanisms used to transmit kinetic energy can be considered, such as: Any of these conventionally known mechanisms can be used. Therefore, detailed explanation here will be omitted.
回転運動に変換された運動エネルギーを動力エネルギー受容部47に入力すると、第1歯車46が回転し、さらに歯数を増やした第2歯車48が回転する。第2歯車48に連結する軸は、さらに連結する弾きカム45を回す。
When the kinetic energy converted into rotational motion is input to the power
弾きカム45が備わる弾き爪44は回転によって板バネ42の弾き受容部43に荷重を与え変形させる。さらに回って、弾き爪44が弾き受容部43から外れると、板バネ42に加えられた変形は除荷されて、板バネ42が振動する。
The
なお、弾きカムの内部には、図示しないがワンウェイクラッチをはめ込んである。
この構成により、小さく、不連続である自然エネルギーからの運動エネルギーであっても、板バネ42を十分変形させて弾くことができる。
Note that a one-way clutch (not shown) is fitted inside the flip cam.
With this configuration, even if the kinetic energy from natural energy is small and discontinuous, the
板バネ42は、コイル7およびボビン6を囲むように設計され、一方の端を固定する片梁構造となっている。コイル7の中央に備え、棒状に伸びて両端をわずかに出したコア磁性体5にわずかに隙間を作って対峙する位置に、磁石2を備えている。磁石2を備える側は、板バネ42の自由端であり、弾き受容部43の近傍となる。
The
板バネ42が振動すると、それにならって磁石2も振動する。この振動は、コイル巻き方向に対してはほぼ垂直、磁性材料5の端面に対してはほぼ平行に振動して、コア磁性体5の磁性の向きが反転を繰り返し、コイル7に電力が発生し、図示しないがコイル7に配線された線材によって、外部回路へ供給される。
When the
なお、板バネ42の振動は、バネ振動子としてふるまいである。
Note that the vibration of the
図5を使用して本発明の実施例5を説明する。図5は、片持ち梁による磁石駆動用弾性体39の取り付け向きを変更し、磁石2の振れ方を変えた例の斜視図である。風車などに連結した回転子などにより磁石駆動用弾性体39の打鍵部29を打撃することで、磁石駆動振動体39を振動させる。発電までのプロセスは実施例3と同一であるので省略する。図5の実施の態様に関し、図1、図2、図3、図4と重複する箇所については、同一の符号を使い、その説明を省略した。
Example 5 of the present invention will be described using FIG. FIG. 5 is a perspective view of an example in which the direction in which the magnet driving
実施例1.2、3、4、5に係る、図1、図2、図3、図4、図5のいずれの例も、複数の発電機を電気的に連結して大出力を得ることができるが、説明は省略する。 In any of the examples shown in FIGS. 1, 2, 3, 4, and 5 according to Examples 1.2, 3, 4, and 5, multiple generators are electrically connected to obtain large output. can be done, but the explanation will be omitted.
本発明の発電機並びに発電装置、センサーは、一般的な材料を使用し、単純な構造と一般的な加工技術で生産でき、大量生産による小型化及び低価格化が可能である。そのことにより、特殊用途だけでなく、民生用製品として、広く利用される可能性を持っている。
The generator, power generation device, and sensor of the present invention can be produced using common materials, simple structures, and common processing techniques, and can be made smaller and lower in price through mass production. As a result, it has the potential to be widely used not only for special purposes but also as a consumer product.
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