JP2011217431A - 板ばねを用いた振動発電機及び振動発電機用板ばね - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石やコイルの変位量を増大させることができるとともに、永久磁石やコイルのセンタリングを保持することができ、小振幅、低振動数の振動に基づき発電する場合においても高発電量を得ることを可能とする。
【解決手段】平板状の板ばね５０を備える。板ばね５０は、中央部５１と、中央部５１を取り囲むように径方向に間隔をあけて設けられた複数の環状部５３と、中央部５１及び複数の環状部５３のそれぞれの間につき一つ設けられてこれらを互いに接続する複数の接続部５５とが一体的に形成されている。複数の接続部５５は、複数の環状部５３のうちの内周側の環状部５３の外周及び内周に位置するもの同士がその環状部５３の周方向に、例えば、１８０°ずれて位置するよう設けられている。
【選択図】図５

Description

本発明は、振動体の発する振動に基づきコイル又は永久磁石の一方を他方に対して往復移動させて、コイルに誘導電流を発生させるための板ばねを用いた振動発電機及び振動発電機用板ばねに関するものである。

従来より、人や車両、船舶、電車等の移動体、橋梁、高層ビル等の構造物その他の振動体の発する振動に基づいて、コイル又は永久磁石の一方を他方に対して往復移動させて、電磁誘導によりコイルに誘導電流を発生させて発電する振動発電機が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

このような振動発電機では、コイル又は永久磁石を所定方向に往復移動させる必要がある。このための構成としては、例えば、特許文献１に記載のように、永久磁石を圧縮コイルばねにより支持して圧縮コイルばねにより永久磁石を往復移動させるものや、特許文献２に記載のように、一方向に着磁された複数の永久磁石を同極同士が相対向するよう間隔を空けて配置して、永久磁石同士の反発力により永久磁石を往復移動させるものが提案されている。

また、このような振動体の発する振動に基づいて発電させる振動発電機と直接の関係はないが、他の技術分野では、スターリングエンジンにより熱エネルギーから振動を発生させて、その発生させた振動に基づいて発電する発電機としてのリニアアクチュエータも提案されている（例えば、特許文献３、４参照。）。

このリニアアクチュエータは、例えば、特許文献３に示すように、円筒状のインターヨークと、インターヨークの外周側に配置されるアウターヨークとを備えており、アウターヨーク又はインナーヨークの一方に永久磁石が取り付けられ、他方にコイルが取り付けられている。そして、このリニアアクチュエータでは、スターリングエンジンにより熱エネルギーに基づきロッドを介してインナーヨークを振動させて、コイルに誘導電流を発生させている。

ここで、特許文献３では、ロッドの一端部に対して板ばねが連結されたリニアアクチュエータが提案され、特許文献４では、インナーヨークとアウターヨークとの端面が板ばねにより連結されたリニアアクチュエータが提案されている。これら板ばねは、スターリングエンジンにより熱エネルギーに基づき発生させたロッドの振動を共振により増幅させるものとして機能していると考えられる。

特開平１０−１７４４１１号公報（同文献請求項１等参照。） 特開２００２−２８１７２７号公報（同文献図１等参照。） 特開２００７−２７４８７１号公報（同文献図１等参照。） 特開２００９−１７１７９６号公報（同文献図１１等参照。）

しかしながら、特許文献１に記載のような振動発電機では、圧縮コイルばねの両端の固定部と可動部とが永久磁石の往復移動方向に大きく離れており、特許文献２に記載のような振動発電機では、往復移動する永久磁石が他部材に非固定の状態で配置されており、何れの振動発電機でも、永久磁石の往復移動方向に直交する方向に対する永久磁石の固定度が弱くなっている。このため、これら従来の振動発電機では、コイル又は永久磁石が往復移動するときに、これらの往復移動方向の移動方向軸にコイル又は永久磁石の中心位置を保持すること、即ち、往復移動するコイル又は永久磁石のセンタリングを保持することが困難である。このため、これら従来の振動発電機では、永久磁石が外側のケースに容易に接触する等して摩擦が生じてしまい、振動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率に優れていないという問題点がある。

また、振動発電機により発電するための振動源としては、振幅の小さい小振幅の振動の他、橋梁、高層ビル等の構造物の発する振動のような、２０Ｈｚ以下の比較的低振動数の振動が挙げられる。このような小振幅、低振動数の振動に基づき発電する場合は、振幅や振動数自体が小さいということもあり、大振幅、高振動数の振動に基づき発電する場合と比較して、コイルの発電量が小さくなってしまうという問題点がある。

このため、このような小振幅、低振動数の振動に基づき振動発電機により発電する場合は、コイルの発電量を大きくするために、往復移動させるコイル又は永久磁石の変位量を大きくすることが有効であると考えられる。

しかしながら、特許文献１、２に記載の振動発電機では、往復移動するコイル又は永久磁石のセンタリングを保持しつつ変位量を大きくするための工夫が何らされておらず、小振幅、低振動数の振動に基づき高発電量を得ることが困難である。また、特許文献３、４に記載のリニアアクチュエータは、あくまで熱エネルギーから振動を発生させて、その振動に基づき発電するものとして構成されており、振動体の発する振動に基づき発電するものとしては構成されていない。このため、同文献に記載の板ばねは、小振幅、低振動数の振動に基づきコイル又は永久磁石の変位量を大きくするための工夫が何らされておらず、この板ばねを用いたとしても小振幅、低振動数の振動に基づき高発電量を得ることが困難である。

特に、特許文献３、４に記載のような板ばねを特許文献１、２に記載のような振動発電機に用いる場合は、共振により板ばねの変位量を増大させるため、板ばねの固有振動数が、振動体の発する振動の振動数に応じたものとなるよう調整することが有効であると考えられる。ここで、板ばねの固有振動数を低減させるうえでは、所定荷重を負荷したときの板ばねの静的変位量を大きくして板ばねのばね定数を低減させるのが有効であるところ、特許文献３、４に記載のような板ばねでは、板ばねの静的変位量を大きくすることができず、板ばねの固有振動数を低減させることが困難である。この結果、低周波数の振動に基づき発電する場合において、共振による変位量の増大効果を期待できず、高発電量を得ることが困難である。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、永久磁石やコイルの変位量を増大させることができるとともに、永久磁石やコイルのセンタリングを保持することができ、小振幅、低振動数の振動に基づき発電する場合においても高発電量を得ることが可能となる板ばねを用いた振動発電機及び振動発電機用板ばねを提供することにある。

本発明者は、上述した課題を解決するために、鋭意検討の末、下記の板ばねを用いた振動発電機及び振動発電機用板ばねを発明した。

第１発明に係る板ばねを用いた振動発電機は、振動体の発する振動に基づきコイル又は永久磁石の一方を他方に対して往復移動させて当該コイルに誘導電流を発生させるための振動発電機であって、前記コイルが巻き回された非磁性材料からなる筒状体と、前記筒状体内に挿通され、前記永久磁石が組み込まれた棒状磁石体と、前記筒状体又は前記棒状磁石体の一方に取り付けられ、他方に対してその一方を往復移動可能に支持する平板状の板ばねとを備え、前記板ばねは、中央部と、前記中央部を取り囲むように径方向に間隔をあけて設けられた複数の環状部と、前記中央部及び前記複数の環状部のそれぞれの間につき一つ設けられてこれらを互いに接続する複数の接続部とが一体的に形成され、前記複数の接続部は、前記複数の環状部のうちの内周側の環状部の外周及び内周に位置するもの同士が当該環状部の周方向にずれて位置するよう設けられていることを特徴とする。

第２発明に係る板ばねを用いた振動発電機は、第１発明において、前記板ばねは、平板状のばね鋼に前記中央部周りの周方向に延びる複数のスリットが径方向に間隔を空けて設けられることにより、前記中央部、前記複数の環状部及び前記複数の接続部が一体的に形成されていることを特徴とする。

第３発明に係る板ばねを用いた振動発電機は、第１発明又は第２発明において、前記複数の接続部は、最も内側の接続部と最も外側の接続部とが、前記中央部周りの周方向で当該中央部に対して略同一位置又は対称の位置にあるよう設けられていることを特徴とする。

第４発明に係る板ばねを用いた振動発電機は、第１又は第２発明において、前記複数の接続部は、前記複数の環状部のうちの内周側の環状部の外周及び内周に位置するもの同士が前記中央部に対して対称の位置にあるよう設けられていることを特徴とする。

第５発明に係る板ばねを用いた振動発電機は、第１〜第４発明の何れか一つの発明において、前記複数の環状部は、前記中央部側にあるものほどその径方向の幅が小さくなるよう設けられていることを特徴とする。

第６発明に係る板ばねを用いた振動発電機は、第１〜第５発明の何れか一つの発明において、前記板ばねは、前記振動体の発する振動の振動数に応じた固有振動数となるように構成されていることを特徴とする。

第７発明に係る板ばねを用いた振動発電機は、第１〜第６発明の何れか一つの発明において、前記棒状磁石体は、その軸方向に着磁された複数の前記永久磁石が同極同士が相対向するよう直列に組み込まれ、前記筒状体は、前記板ばねが取り付けられた前記筒状体又は前記棒状磁石体の一方が他方に対して往復移動したときに、前記コイルが前記複数の永久磁石間の外周側を相対的に往復移動するように当該コイルが巻き回されていることを特徴とする。

第８発明に係る振動発電機用板ばねは、第１〜第７発明の何れか一つの発明における振動発電機に用いられる振動発電機用板ばねであって、平板状のばね鋼からなり、中央部と、前記中央部を取り囲むように径方向に間隔を空けて設けられた複数の環状部と、前記中央部及び前記複数の環状部のそれぞれの間につき一つ設けられてこれらを互いに接続する複数の接続部とが一体的に形成され、前記複数の接続部は、前記複数の環状部のうちの内周側の環状部の外周及び内周に位置するもの同士が当該環状部の周方向にずれて位置するよう設けられていることを特徴とする。

第１発明〜第８発明によれば、板ばねの変形に寄与する環状部の部位が増大し、その分、筒状体又は棒状磁石体が往復移動するときの変位量を増大させることが可能となる。また、板ばねの固定部と、固定部に対して相対的に往復移動し、筒状体又は棒状磁石体が取り付けられる板ばねの可動部とが、筒状体又は棒状磁石体の往復移動方向に大きく離れておらず、その分、往復移動方向に直交する方向へのブレ、即ちセンタリングのブレに対する板ばねの可動部の固定度が強くなっており、往復移動する筒状体又は棒状磁石体のセンタリングを容易に保持することが可能となる。これにより、筒状体又は棒状磁石体が往復移動したときにこれらが接触して摩擦が生じるのを抑えることができ、振動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率に優れている。これらにより、高発電量を得ることが可能となる。また、これらの効果は、板ばねに設けられる複数のスリットの形状や数を調整するといった簡単な工夫によって発揮することが可能となっている。また、板ばねを製作するに際して、ばね鋼に折り曲げ加工をしたりせず、切欠加工をするのみでよいため、製作が容易であるとともにその製作コストの大幅な低減を図ることが可能となる。

第３発明によれば、筒状体又は棒状磁石体が往復移動するときの板ばねの中央部の中心位置を、筒状体又は棒状磁石体の往復移動軸に対して近づけることが可能となり、往復移動する筒状体又は棒状磁石体のセンタリングを更に容易に保持することが可能となる。

第４発明によれば、板ばねの変形に寄与する環状部の部位が特に効果的に増大し、その分、筒状体又は棒状磁石体が往復移動するときに変位量を増大させることが可能となる。また、往復移動する筒状体又は棒状磁石体のセンタリングを更に容易に保持することが可能となる。

第５発明によれば、筒状体又は棒状磁石体が往復移動したときに、幅が他より小さくなっている環状部が変形し易くなることによって、板ばねの変形箇所に大きな応力が作用するのを抑えることができ、その分、板ばねの耐久力を向上させることが可能となる。また、幅が他より小さくなっている環状部が変形し易くなるので、往復移動する筒状体又は棒状磁石体の変位量を更に増大させることが可能となる。

第６発明によれば、往復移動する筒状体又は棒状磁石体の変位量を共振により更に増大させることが可能となる。

第７発明によれば、複数の永久磁石間の外周側において、その軸直交方向の磁束の密度が増大した領域が発生し、筒状体又は棒状磁石体が往復移動したときに、高発電量を得ることが可能となる。

本発明に係る振動発電機が設置される対象となる構造物の一例について模式的に示す図である。 第１実施形態に係る振動発電機の構成を示す側面断面図である。 第１実施形態に係る振動発電機の筒状体及び棒状磁石体の内部構成を示す側面断面図である。 第１実施形態に係る振動発電機の棒状磁石体から発生する磁束について説明するためにその磁束を模式的に表現した側面断面拡大図である。 第１実施形態に係る板ばねの構成を示す平面図である。 （ａ）は第１実施形態に係る板ばねの側面図であり、（ｂ）はその動作状態を示す側面図である。 第１実施形態に係る板ばねの動作状態を示す斜視図である。 第１実施形態に係る振動発電機の動作状態を示す側面断面図である。 第１実施形態に係る板ばねの別の実施形態の構成を示す平面図である。 第１実施形態に係る板ばねの別の実施形態の動作状態を示す斜視図である。 第１実施形態に係る板ばねの更に別の実施形態の構成を示す平面図である。 第１実施形態に係る板ばねの更にまた別の実施形態の構成を示す平面図である。 第２実施形態に係る振動発電機の構成を示す側面断面図である。 第２実施形態に係る振動発電機の動作状態を示す側面断面図である。 第３実施形態に係る振動発電機の構成を示す側面断面図である。 第３実施形態に係る振動発電機の動作状態を示す側面断面図である。

以下、本発明を適用した板ばねを用いた振動発電機及び振動発電機用板ばね（以下、単に板ばねという。）について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る振動発電機１が設置される対象となる振動体３の一例について模式的に示す図である。

本発明に係る振動発電機１は、人や車両、船舶、電車等の移動体、橋梁、高層ビル等の構造物その他の振動体３に設置されるものであり、図１においては振動体３が橋梁からなる構造物である場合を例示している。振動体３が移動体である場合は、その移動体そのものが動いたり、移動体に設置されたエンジン等の駆動源が駆動したときの衝撃等によって、振動体３が振動する。また、振動体３が構造物である場合は、風や自動車の通行等や、構造物に設置された駆動源が駆動したときの衝撃等によって、振動体３が振動する。このとき振動体３は、例えば、その振動体３の持つ固有振動数で振動する。この振動体３の振動は、図１（ａ）や図１（ｂ）に示すように、鉛直方向Ｐ１や水平方向Ｐ２等様々な方向に発生する。ここで振動体３が構造物である場合、振動体３の発する振動の振動数は、例えば、２０Ｈｚ以下である。

本発明に係る振動発電機１は、このような振動体３の発する振動に基づき、コイル又は永久磁石の一方を他方に対して往復移動させて、電磁誘導によりコイルに誘導電流を発電するものとして機能する。このとき、振動発電機１は、振動源となる振動体３の振動方向に対応してその向きが調整されて設置される。例えば、振動体３の鉛直方向Ｐ１の振動を振動源とする場合は、図１（ａ）に示すように、コイル又は永久磁石の往復移動方向Ｑ１が鉛直方向Ｐ１に対して同じ又は傾斜するように振動発電機１が設置され、振動体３の水平方向Ｐ２の振動を振動源とする場合は、図１（ｂ）に示すように、コイル又は永久磁石の往復移動方向Ｑ１が水平方向Ｐ２に対して同じ又は傾斜するように振動発電機１が設置される。

本発明に係る振動発電機１としては、後述の第１実施形態、第２実施形態で説明するようなコイルを永久磁石に対して往復移動させるものと、第３実施形態で説明するような永久磁石をコイルに対して往復移動させるものとがある。

以下、本発明の第１実施形態について説明する。

図２は第１実施形態に係る振動発電機１の構成を示す側面断面図であり、図３はその振動発電機１の筒状体１０及び棒状磁石体２０の内部構成を示す側面断面図であり、図４は棒状磁石体２０から発生する磁束について説明するためにその磁束を模式的に表現した側面断面拡大図である。また、図５は第１実施形態に係る振動発電機１に用いられる板ばね５０の構成を示す平面図であり、図６（ａ）はその側面図であり、図６（ｂ）はその動作状態を示す側面図であり、図７はその動作状態を示す斜視図である。また、図８は第１実施形態に係る振動発電機１の動作状態を示す側面断面図である。

本発明に係る振動発電機１は、筒状体１０と、棒状磁石体２０と、板ばね５０とを備えている。また、第１実施形態に係る振動発電機１は、筒状体１０、棒状磁石体２０及び板ばね５０を内部に収容してこれらを支持する支持体４０を更に備えている。

筒状体１０は、その材質として、永久磁石２１の磁界が作用しない非磁性材料であればよく、例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート等の樹脂が望ましい。筒状体１０は、第１実施形態において断面円形の筒状に形成されているが、その断面形状としては断面角形等、特に限定するものではない。

筒状体１０は、その周方向にエナメル線等からなるコイル１１が巻き回されている。第１実施形態においては、筒状体１０の外周側に張り出して設けられた二つ一組の環状のコイルガイド部１３が、その筒状体１０の軸方向に間隔を空けて複数設けられており、各組毎の二つのコイルガイド部１３間にコイル１１が巻き回されて固定されている。これにより、複数のコイル１１が筒状体１０の外周側でその軸方向に間隔を空けて固定された状態で巻き回されていることなる。なお、コイル１１は、筒状体１０の外周側で固定されていてもよいし、筒状体１０の内周側で固定されていてもよい。また、複数のコイル１１は、必要に応じて図示しない接続用配線により直列又は並列に電気的に接続され、更に、誘起される誘導電流を外部に出力できるよう出力端子が両端に設けられている。この接続用配線や出力端子は、往復移動する筒状体１１又は棒状磁石体２０の変位を妨げないように配置される。

筒状体１０は、第１実施形態において、その両端に筒状体１０の外周側に張り出して設けられたケース側外フランジ部１５が設けられており、その両端のケース側外フランジ部１５に対して各々一つの板ばね５０が取り付けられている。

棒状磁石体２０は、筒状体１０内に挿通されている。棒状磁石体２０は、筒状体１０又はその棒状磁石体２０の一方が他方の軸方向に対して往復移動自在となるよう、その筒状体１０内に挿通されている。また、棒状磁石体２０は、筒状体１０又はその棒状磁石体２０の一方が他方に対して往復移動したときに、これらの間で摩擦が生じないように、その全周に亘って間隔を空けて筒状体１０内に挿通されている。棒状磁石体２０は、第１実施形態において断面円形の棒状に形成されているが、その断面形状としては断面角形等、特に限定するものではない。

棒状磁石体２０は、一つ又は複数の永久磁石２１が組み込まれている。棒状磁石体２０は、第１実施形態において、図３に示すように、その軸方向に着磁された複数の永久磁石２１が、それらの同極同士が相対向するよう直列に組み込まれている。また、棒状磁石体２０は、第１実施形態において、複数の永久磁石２１間に介装された磁性体からなる複数のヨーク２３と、これら複数の永久磁石２１及び複数のヨーク２３の両端に配置され、これら複数の永久磁石２１等を挟持する一対のエンドプラグ２５と、これら複数の永久磁石２１等を内部に収容する非磁性材料からなるチューブ２７とを備えている。エンドプラグ２５は、溶接や接着、ボルト・ナットによりチューブ２７の両端部に固定されている。また、棒状磁石体２０は、非磁性材料等からなるスタッドボルト２９によりそのエンドプラグ２５が連結部材３１に連結されており、更に、その連結部材３１を介して支持体４０に連結されている。

永久磁石２１としては、アルニコ磁石、ネオジム磁石、フェライト磁石等、特にその材質について限定するものではない。また、ヨーク２３の材質となる磁性体としては、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼等が挙げられる。

棒状磁石体２０は、第１実施形態において、その軸方向に着磁された複数の永久磁石２１の同極同士が相対向するように組み込まれているため、図４に示すように、隣り合う永久磁石２１の相対向する面から発生した磁束Ｆが反発し合い、棒状磁石体２０の軸方向に直交する軸直交方向にその発生した磁束Ｆが流れる。これにより、複数の永久磁石２１間の外周側、第１実施形態の例ではヨーク２３の外周側において、その軸直交方向の磁束の密度が増大した領域Ｓ１が発生することになる。

ここで、第１実施形態においては、筒状体１０又は棒状磁石体２０の一方を他方に対して往復移動させたときに、コイル１１が複数の永久磁石２１間の外周側を相対的に往復移動するように、換言すると、コイル１１が磁束密度の増大した領域Ｓ１内を相対的に往復移動するように、コイル１１の巻き回される位置や複数の永久磁石２１の組み込まれる位置が調整されている。これにより、コイル１１に誘起される誘導電流の起電力が単位時間当たりの磁束の変化量に比例していることから、高発電量を得ることが可能となる。

なお、棒状磁石体２０は、上述のように複数の永久磁石２１が組み込まれたものに限定するものではなく、一つの永久磁石２１のみが組み込まれたものであってもよい。また、棒状磁石体２０は、軸方向に着磁された複数の永久磁石２１が、それらの同極同士が相対向するよう直列に組み込まれた場合においても、その構成について上述のものに限定するものではない。

板ばね５０は、筒状体１０又は棒状磁石体２０の一方に取り付けられ、他方に対してその一方を往復移動可能に支持する平板状のものである。板ばね５０は、図５等に示すように、中央部５１と、中央部５１を取り囲むように径方向に間隔をあけて設けられた複数の環状部５３と、中央部５１及び複数の環状部５３のそれぞれの間につき一つ設けられてこれらを互いに接続する複数の接続部５５とが一体的に形成されている。このような板ばね５０は、平板状のばね鋼に、その中央部５１周りの周方向に延びる複数のスリット５７が径方向に間隔を空けて設けられることにより、一体的に形成されている。複数のスリット５７は、第１実施形態において、Ｃ字状に延びるよう設けられているが、これに限定するものではない。この板ばね５０は、ばね鋼を切欠加工して複数のスリット５７を設けることにより容易に製作できる。

板ばね５０の中央部５１や環状部５３は、第１実施形態において円形の環状に設けられているが、その形状としては図９、図１０に示すように、四角形の環状に設けられていてもよいし、多角形、楕円形の環状等、特に限定するものではない。板ばね５０の材質となるばね鋼としては、例えば、ＳＵＳ３０１等のばね用ステンレス鋼が挙げられるが、特にその材質について限定するものではない。また、板ばね５０の材質としては、板ばね５０を永久磁石２１から離れた箇所に配置するのであれば、磁性体であってもよいが、永久磁石２１の磁界の影響を避ける観点から、磁性のない非磁性材料であることが好ましい。

板ばね５０は、筒状体１０又は棒状磁石体２０か、支持体４０かの何れか一方がその中央部５１に取り付けられ、他方が複数の環状部５３のうちの外周側の環状部５３の一つに取り付けられる。このとき、支持体４０に取り付けられた側を固定部６１、筒状体１０又は棒状磁石体２０が取り付けられた側を可動部６３として、可動部６３が筒状体１０又は棒状磁石体２０とともに固定部６１に対して往復移動することになる。第１実施形態においては、図３等に示すように、筒状体１０が板ばね５０の中央部５１に取り付けられ、複数の環状部５３のうちの最も外周側の環状部５３が支持体４０に取り付けられ、板ばね５０の中央部５１が可動部６３、最も外周側の環状部５３が固定部６１として機能している。

このとき、筒状体１０は、環状かつ平板状の非磁性材料からなる板ばね押さえ部材７１と、そのケース側外フランジ部１５との間に板ばね５０の中央部５１を挟み付けたうえで、非磁性材料からなるポリカボルト等の固定具８１によってそれら板ばね押さえ部材７１とケース側外フランジ部１５とを連結することにより、板ばね５０の中央部５１に取り付けられている。また、第１実施形態においては、板ばね５０の中央部５１と板ばね押さえ部材７１とに貫通孔５２、７２が形成されており、それらの貫通孔５２、７２に棒状磁石体２０が挿通されている。また、第１実施形態においては、図５等に示すように、板ばね５０の中央部５１と最も外周側の環状部５３に固定具８１を挿通させるための貫通孔６５が形成されている。

板ばね５０の複数の接続部５５は、複数の環状部５３のうちの内周側の環状部５３の外周及び内周に位置するもの同士がその環状部５３の周方向にずれて位置するよう設けられている。例えば、中央部５１の一つ外周側に位置する環状部５３について、その外周に位置する接続部５５とその内周に位置する接続部５５とでは、その環状部５３の周方向に１８０°ずれて位置するよう設けられている。

これは次の理由による。板ばね５０の可動部６３が筒状体１０又は棒状磁石体２０とともに往復移動したときには、板ばね５０の固定部６１から可動部６３に至るまでの間にある連続した部分が、固定部６１を固定端、可動部６３を自由端とする片持ち梁のように変形することになる。このとき、複数の接続部５５が環状部５３の周方向にずれて位置していると、この片持ち梁のような変形に寄与する環状部５３の部位が増大し、その分、筒状体１０又は棒状磁石体２０が往復移動するときの変位量を増大させることが可能となる。この変位量を増大させる効果は、環状部５３の周方向に対して複数の接続部５５のずれる量が大きいほど好ましい。

また、複数の接続部５５は、第１実施形態において、複数の環状部５３のうちの内周側の環状部５３の外周及び内周に位置するもの同士が、その環状部５３の周方向に対してほぼ１８０°ずれて位置するように、換言すると、中央部５１に対して対称の位置にあるように設けられている。これにより、片持ち梁のような変形に寄与する環状部５３の部位が特に効果的に増大し、筒状体１０又は棒状磁石体２０が往復移動するときの変位量を特に効果的に増大させることが可能となる。また、これにより、図５に示すような板ばね５０の面内方向のうちの一方向Ｑ２に複数の接続部５５が並ぶことになり、筒状体１０又は棒状磁石体２０を往復移動させたときに、その一方向Ｑ２の軸周りの方向Ｑ３にモーメントを作用させにくくすることが可能となる。この結果、筒状体１０又は棒状磁石体２０の往復移動方向Ｑ１の移動方向軸にこれらの中心位置を容易に保持すること、即ち、往復移動する筒状体１０又は棒状磁石体２０のセンタリングを容易に保持することが可能となる。

なお、図１１においては、複数の接続部５５が、環状部５３の周方向に１２０°ずれて位置するよう設けられている例を示している。このとき、複数の接続部５５は、環状部５３を周方向に三等分するように設けられているが、この他に、例えば、環状部５３が５つで接続部５５が５つの構成による板ばねの場合は、環状部５３を周方向に四等分するよう９０°ずれて位置する配置で、接続部５５が設けられていてもよい。

また、複数の接続部５５は、図５、図１１に示すように、最も外側の接続部５５と最も内側の接続部５５とが、中央部５１周りの周方向でその中央部５１に対して略同一位置又は対称の位置にあるよう設けられていることが望ましい。これにより、筒状体１０又は棒状磁石体２０が往復移動するときの板ばね５０の中央部５１の中心位置を、筒状体１０又は棒状磁石体２０の往復移動軸に対して近づけることが可能となり、往復移動する筒状体１０又は棒状磁石体２０のセンタリングを更に容易に保持することが可能となる。

また、第１実施形態において、複数の環状部５３は、図５等に示すように、中央部５１側にあるものほどその径方向の幅Ｗが小さくなるよう設けられている。これは次の理由による。板ばね５０の可動部６３が筒状体１０又は棒状磁石体２０とともに往復移動したときには、板ばね５０の可動部６３に対して集中荷重が負荷していると考えることができる。このとき、板ばね５０の固定部６１から可動部６３に至るまでの間にある連続した部分のうち、固定部６１に近い部分では、この集中荷重による大きなモーメントが作用して、大きな応力が作用し、全体の応力分布が比較的急峻なものになる。第１実施形態の例では、板ばね５０の最も外周側の環状部５３とその内周側の環状部５３との間の接続部５５に最も大きな応力が作用することになる。

このとき、複数の環状部５３が中央部５１側にあるものほどそれらの幅Ｗが小さくなるよう設けられていると、それらの幅Ｗが同一である場合と比較して、幅Ｗが他より小さくなっている可動部６３に近い環状部５３が変形し易くなってその環状部５３に作用する応力が増大する結果、固定部６１に近い部分で作用していた応力が反対に低減されて、全体の応力分布が比較的緩やかなものになる。これにより、筒状体１０又は棒状磁石体２０が往復移動したときに、板ばね５０の変形箇所に大きな応力が作用するのを抑えることができ、その分、板ばね５０の耐久力を向上させることが可能となる。また、幅Ｗが他より小さくなっている可動部６３に近い環状部５３は変形し易くなるので、往復移動する筒状体１０又は棒状磁石体２０の変位量を更に増大させることが可能となる。

なお、複数の環状部５３は、図１２に示すように、それらの幅Ｗが同一となるよう設けられていてもよいのは勿論である。

また、第１実施形態において、板ばね５０は、その固有振動数ｆ１が、振動体３の発する振動の振動数ｆ０に応じたものとなるように構成されている。具体的には、板ばね５０は、振動体３の振動数ｆ０に対してほぼ同一の固有振動数ｆ１となるように、主として板ばね５０のばね係数が設定されている。板ばね５０のばね係数を設定するうえでは、主としてその複数のスリット５７の形状や数を調整することによって、板ばね５０の複数の環状部５３の幅Ｗや、所定荷重を負荷したときの板ばね５０の静的変位量が増減するよう調整され、これにより、所望のばね係数となるように設定される。また、板ばね５０のばね係数を設定するうえでは、この他にも、板ばね５０の材質、板厚等も適宜調整される。また、板ばね５０の固有振動数ｆ１を設定するうえでは、板ばね５０全体の重量や可動部６３に取り付けられる筒状体１０又は棒状磁石体２０の重量も適宜調整される。これにより、振動体３に振動が発生したときに、その振動体３の振動に基づいて板ばね５０を共振させることが可能となり、往復移動する筒状体１０又は棒状磁石体２０の変位量を大きくすることが可能となる。

なお、板ばね５０の固有振動数ｆ１は、例えば、下記の数式（１）により表され、これを適宜用いて板ばね５０の固有振動数ｆ１が調整される。また、振動体３の発する振動の振動数ｆ０の特定方法は、特に限定するものではないが、例えば、振動体３の任意の箇所で発する振動についてその振動数分布を測定し、測定された振動数分布の中で高振幅の振動が得られる振動数をここでの振動数ｆ０として用いるようにしてもよい。また、高振幅の振動が得られる振動数としては、振動体３の１次等の固有振動数が挙げられるが、板ばね５０の可動部６３を固定部６１に対して往復移動させるための振動体３の発する振動は、振動体３の固有振動に限定するものではない。

ｋ ：板ばね５０のばね係数（Ｎ／ｍ）
ｇ ：重力加速度（ｍ／ｓ²）
Ｗ ：板ばね５０の可動部６３に取り付けられる筒状体１０又は棒状磁石体２０の重量（Ｎ）
δ ：重量Ｗが負荷されたときの板ばね５０の可動部６３の静的変位量（ｍ）

支持体４０は、第１実施形態においては、非磁性材料であるアクリル樹脂、ポリカーボネト等の樹脂からなるケーシングとして構成されており、筒状のケーシング胴部４１と、ケーシング胴部４１の軸方向端部に連結された有底筒状のケーシング端部４３とを備えている。ケーシング胴部４１とケーシング端部４３との軸方向端部には、それらの外周側に張り出して設けられた支持体側外フランジ部４５が設けられている。ケーシング胴部４１とケーシング端部４３とは、板ばね５０の複数の環状部５３のうちの一つの環状部５３を、それらの支持体側外フランジ部４５の間に挟んだうえで、ポリカボルト等の固定具８１により連結されている。これにより、板ばね５０の環状部５３が支持体４０に取り付けられることになる。

ケーシングとして構成される支持体４０を振動体３に対して設置するうえでは、例えば、支持体４０をボルト、接着等により振動体３に固定したり、振動体３に設けられた孔等の内部に嵌合させたりして設置される。また、第１実施形態において支持体４０は、振動体３と別体のケーシングとして構成される例について説明したが、この他に、振動体３の柱、梁等に筒状体１０、棒状磁石体２０、板ばね５０等を直接取り付けれるような構造を設けて、振動体３と一体のものとして構成されるようにしてもよい。

次に、第１実施形態に係る振動発電機１及び板ばね５０の動作についてその効果とともに説明する。

振動体３に振動が発生したときは、振動体３に設置されている振動発電機１にその振動が伝わり、板ばね５０の可動部６３が固定部６１に対して往復移動することになる。このとき、筒状体１０又は棒状磁石体２０のうち板ばね５０の可動部に取り付けられている一方が他方に対して往復移動することになり、その結果、電磁誘導によりコイル１１に誘導電流が発生する。

ここで、板ばね５０の可動部６３と固定部６１とは、筒状体１０又は棒状磁石体２０の往復移動方向Ｑ１に大きく離れておらず、その分、その往復移動方向Ｑ１に直交する方向へのブレ、即ち、センタリングのブレに対する板ばね５０の可動部６３の固定度が強くなっている。このため、第１実施形態に係る振動発電機１によれば、往復移動する筒状体１０又は棒状磁石体２０のセンタリングを容易に保持することが可能となる。

また、第１実施形態に係る振動発電機１によれば、上述のように、板ばね５０の複数の接続部５５が、複数の環状部５３のうちの内周側の環状部５３の外周及び内周に位置するもの同士がその環状部５３の周方向にずれて位置するよう設けられているため、往復移動する筒状体１０又は棒状磁石体２０の変位量を増大させることが可能となる。

また、第１実施形態に係る振動発電機１によれば、上述のように、板ばね５０の複数の接続部５５が、複数の環状部５３のうちの内周側の環状部５３の外周及び内周に位置するもの同士が、中央部５１に対して対称の位置にあるように設けられているため、往復移動する筒状体１０又は棒状磁石体２０の変位量を更に効果的に増大させることが可能となるうえ、これらのセンタリングを更に容易に保持することが可能となる。

また、第１実施形態に係る振動発電機１によれば、上述のように、振動体３の発する振動の振動数に応じた固有振動数となるように板ばね５０が構成されているため、往復移動する筒状体１０又は棒状磁石体２０の変位量を共振により更に増大させることが可能となる。特に、第１実施形態に係る振動発電機１では、主として複数のスリット５７の形状や数を調整するのみで、所定荷重を付加したときの板ばね５０の静的変位量を大きくして板ばね５０のばね定数を低減させることが可能となっているため、低周波数の振動に基づき発電する場合でも、共振による変位量の増大効果を期待することが可能となっている。

このように、第１実施形態に係る振動発電機１によれば、小振幅、低振動数の振動であっても、往復移動する筒状体１０又は棒状磁石体２０の変位量を大きく増大させることが可能となっているので、その分、単位時間当たりのコイル１１内の磁束の変化量が大きくなり、コイル１１に誘起される誘導電流の起電力が増大し、高発電量を得ることが可能となる。また、第１実施形態に係る振動発電機１によれば、往復移動する筒状体１０又は棒状磁石体２０のセンタリングを保持することが容易となっているので、その分、筒状体１０と棒状磁石体２０とが接触して摩擦が生じるのを抑えることができ、振動エネルギーから電気エネルギーへの変換効率に優れ、高発電量を得ることが可能となる。また、これらの効果は、板ばね５０の複数のスリット５７の形状や数を調整するといった簡単な工夫によって発揮することが可能となっている。

また、第１実施形態に係る振動発電機１によれば、上述のように、板ばね５０の複数の環状部５３が、その中央部５１側にあるものほど径方向の幅が小さくなるよう設けられているため、板ばね５０の耐久力を向上させることが可能となる。また、幅Ｗが他より小さくなっている可動部６３に近い環状部５３は変形し易くなるので、往復移動する筒状体１０又は棒状磁石体２０の変位量を更に増大させることが可能となる。

また、第１実施形態に係る振動発電機１によれば、板ばね５０を製作するに際して、ばね鋼に折り曲げ加工をしたりせず、切欠加工をするのみでよいため、製作が容易であるとともにその製作コストの大幅な低減を図ることが可能となる。

なお、コイル１１に誘起される誘導電流の利用方法であるが、例えば、その誘導電流は交流電流であるので整流器を介して直流電流に変換し、変換した直流電流を蓄電用コンデンサ、二次電池に蓄電して、その電力を種々の目的に用いることができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図１３は、第２実施形態に係る振動発電機１の構成を示す側面断面図であり、図１４はその動作状態を示す側面断面図である。なお、上述した構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付すことにより以下での説明を省略する。

第１実施形態では、振動発電機１として、筒状体１０に対してその両端に各々一つの板ばね５０が取り付けられている例について説明したが、第２実施形態では、筒状体１０に対して一つの板ばね５０が取り付けられている点で相違している。

第２実施形態に係る振動発電機１は、筒状体１０が直列に二つ配置されており、各筒状体１０の相対向する端部にケース側外フランジ部１５が設けられている。板ばね５０の中央部５１は、各筒状体１０の相対向する端部に設けられたケース側外フランジ部１５に挟み付けられたうえで、固定具８１によりそれらケース側外フランジ部１５を連結することにより取り付けられている。

第２実施形態に係る支持体４０は、第１実施形態に係る支持体４０からケーシング胴部４１を省略されて、互いの軸方向端部が連結された有底筒状の二つのケーシング端部４３を備えている。二つのケーシング端部４３は、板ばね５０の複数の環状部５３のうちの一つの環状部５３を、それらの支持体側外フランジ部４５の間に挟んだうえで、ポリカボルト等の固定具８１により連結されている。これにより、板ばね５０の環状部５３が支持体４０に取り付けられることになる。

このように、本発明においては、筒状体１０又は棒状磁石体２０のうち一方に取り付けられる板ばね５０の数については特に限定するものではない。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。図１５は、第３実施形態に係る振動発電機１の構成を示す側面断面図であり、図１６はその動作状態を示す側面断面図である。

第１実施形態、第２実施形態では、振動発電機１として、コイル１１を永久磁石２１に対して往復移動させるものについて説明したが、第３実施形態では、永久磁石２１をコイル１１に対して往復移動させる点で相違している。

第３実施形態では、支持体４０から内周側に張り出して設けられた支持体側内フランジ部４７が設けられている。この支持体側内フランジ部４７には貫通孔４８が形成されており、その貫通孔４８に棒状磁石体２０が挿通されている。筒状体１０は、支持体４０の支持体側内フランジ部４７と筒状体１０のケース側外フランジ部１５とを互いに当接させて固定具８１により連結することにより、支持体４０に取り付けられている。

第３実施形態では、棒状磁石体２０の両端が板ばね５０の中央部５１に取り付けられ、板ばね５０の複数の環状部５３のうちの最も外周側の環状部５３が支持体４０に取り付けられている。このとき、棒状磁石体２０は、平板状の非磁性材料からなる板ばね押さえ部材７３と、その棒状磁石体２０の端部との間に板ばね５０の中央部５１を挟み付けたうえで、非磁性材料からなるポリカボルト等の固定具８１によってそれら板ばね押さえ部材７３と棒状磁石体２０の端部とを連結することにより、板ばね５０の中央部５１に取り付けられている。

なお、第１実施形態では、棒状磁石体２０を挿通させるために板ばね５０の中央部５１に貫通孔５２が形成されていたが、第３実施形態では、板ばね５０の中央部５１に貫通孔５２が形成されていない。

以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明したが、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。

例えば、本発明に係る振動発電機１は、低振動数、小振幅の振動に基づき発電するように用いられる場合の他、高振動数、高振幅の振動に基づき発電するように用いられていてもよい。

１ ：振動発電機
３ ：振動体
１０ ：筒状体
１１ ：コイル
２０ ：棒状磁石体
２１ ：永久磁石
４０ ：支持体
５０ ：板ばね
５１ ：中央部
５２ ：貫通孔
５３ ：環状部
５５ ：接続部
５７ ：スリット
６１ ：固定部
６３ ：可動部
７１、７３ ：板ばね押さえ部材
８１ ：固定具

Claims (8)

1. 振動体の発する振動に基づきコイル又は永久磁石の一方を他方に対して往復移動させて当該コイルに誘導電流を発生させるための振動発電機であって、
   前記コイルが巻き回された非磁性材料からなる筒状体と、
   前記筒状体内に挿通され、前記永久磁石が組み込まれた棒状磁石体と、
   前記筒状体又は前記棒状磁石体の一方に取り付けられ、他方に対してその一方を往復移動可能に支持する平板状の板ばねとを備え、
   前記板ばねは、中央部と、前記中央部を取り囲むように径方向に間隔をあけて設けられた複数の環状部と、前記中央部及び前記複数の環状部のそれぞれの間につき一つ設けられてこれらを互いに接続する複数の接続部とが一体的に形成され、
   前記複数の接続部は、前記複数の環状部のうちの内周側の環状部の外周及び内周に位置するもの同士が当該環状部の周方向にずれて位置するよう設けられていること
   を特徴とする板ばねを用いた振動発電機。
2. 前記板ばねは、平板状のばね鋼に前記中央部周りの周方向に延びる複数のスリットが径方向に間隔を空けて設けられることにより、前記中央部、前記複数の環状部及び前記複数の接続部が一体的に形成されていること
   を特徴とする請求項１記載の板ばねを用いた振動発電機。
3. 前記複数の接続部は、最も内側の接続部と最も外側の接続部とが、前記中央部周りの周方向で当該中央部に対して略同一位置又は対称の位置にあるよう設けられていること
   を特徴とする請求項１又は２記載の板ばねを用いた振動発電機。
4. 前記複数の接続部は、前記複数の環状部のうちの内周側の環状部の外周及び内周に位置するもの同士が前記中央部に対して対称の位置にあるよう設けられていること
   を特徴とする請求項１又は２記載の板ばねを用いた振動発電機。
5. 前記複数の環状部は、前記中央部側にあるものほどその径方向の幅が小さくなるよう設けられていること
   を特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の板ばねを用いた振動発電機。
6. 前記板ばねは、前記振動体の発する振動の振動数に応じた固有振動数となるように構成されていること
   を特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の板ばねを用いた振動発電機。
7. 前記棒状磁石体は、その軸方向に着磁された複数の前記永久磁石が同極同士が相対向するよう直列に組み込まれ、
   前記筒状体は、前記板ばねが取り付けられた前記筒状体又は前記棒状磁石体の一方が他方に対して往復移動したときに、前記コイルが前記複数の永久磁石間の外周側を相対的に往復移動するように当該コイルが巻き回されていること
   を特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の板ばねを用いた振動発電機。
8. 請求項１〜７の何れか１項記載の振動発電機に用いられる振動発電機用板ばねであって、
   平板状のばね鋼からなり、
   中央部と、前記中央部を取り囲むように径方向に間隔を空けて設けられた複数の環状部と、前記中央部及び前記複数の環状部のそれぞれの間につき一つ設けられてこれらを互いに接続する複数の接続部とが一体的に形成され、
   前記複数の接続部は、前記複数の環状部のうちの内周側の環状部の外周及び内周に位置するもの同士が当該環状部の周方向にずれて位置するよう設けられていること
   を特徴とする振動発電機用板ばね。

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