JP2016140207A - 振動式発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無駄なエネルギー消費を生じず効率的な発電が可能な振動式発電装置を提供する。
【解決手段】浮上用磁石体３と、補助磁石１１が浮上用磁石体３から受ける磁気反発力で浮上させられ、振動入力に応じて浮上状態で振動させられる可動基板１と、可動基板１に一体に設けられた発電用磁石体５と、発電用磁石体５の相対振動に伴う磁束変化によって発電電力を生じる発電用コイル６とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は振動式発電装置に関し、特に、効率的な発電が可能な振動式発電装置に関する。

環境に存在する微少エネルギーを集めて電力として出力する「エネルギーハーベスティング技術」が注目されており、特許文献１には微小な機械的振動で発電する振動式発電装置が提案されている。ここでは、永久磁石をコイルバネで支持し、振動入力に応じて共振振動する永久磁石を発電用コイル内で前後動させて、この時の磁束変化によって発電用コイルに発電電力を生じさせている。

特開２０１１−１１４８８４

しかし、上記従来の構造では、コイルバネの有する抵抗減衰力によってエネルギーが無駄に消費され、発電効率が悪いという問題があった。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、無駄なエネルギー消費を生じず効率的な発電が可能な振動式発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明では、浮上用磁石体（３）と、浮上用磁石体（３）の磁力によって浮上させられ、振動入力に応じて浮上状態で振動させられる発電用磁石体（５）ないし発電用コイル（６）の一方と、前記発電用磁石体（５）ないし発電用コイル（６）の一方に対して配置された発電用磁石体（５）ないし発電用コイル（６）の他方を備え、前記発電用磁石体（５）の相対振動に伴う磁束変化によって前記発電用コイル（６）に発電電力を生じるようにする。

本第１発明においては、発電用磁石体ないし発電用コイルの一方が磁力によって浮上させられているから、振動時の抵抗減衰を十分に小さく抑えることができ、エネルギーが無駄に消費されないから発電効率が向上する。

本第２発明では、前記浮上用磁石体（３）は前記発電用磁石体（５）の下方に配置されて磁気反発力によって前記発電用磁石体（５）を浮上させ、前記発電用磁石体（５）の上方にさらに浮上抑制用磁石体（４）を配置してその磁気反発力で前記発電磁石体（５）の浮上を抑制するようにする。

本第２発明において、発電用磁石体は、浮上用磁石体から受ける上方への磁気反発力と浮上抑制用磁石体から受ける下方への磁気反発力が均衡した位置に磁気的に拘束された状態で浮上位置させられて、一定の共振周波数を有している。したがって、この共振周波数を振動入力の周波数と一致させることにより、発電用磁石体を大きく振動させて大きな発電電力を得ることができる。

本第３発明では、浮上抑制用磁石体の高さ位置を調節可能とする。

本第３発明において、振動入力の周波数が変化した場合には、その周波数変化に応じて浮上抑制用磁石体を上下動させることにより、発電用磁石体の共振周波数を振動入力の周波数に変更一致させることができる。したがって、振動入力の周波数が変化しても発電用磁石体を大きく振動させて常に大きな発電電力を得ることができる。

本第４発明では、前記発電用磁石体（９）を互いの磁気反発力で上下方向へ間隔をおいて複数位置させ、各発電用磁石体（９）に対しそれぞれ前記発電用コイル（１０）を設ける。

本第４発明においては、複数の発電用コイルの各発電電力を合算することによって大きな発電電力を得ることができる。

上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を参考的に示すものである。

以上のように、本発明の振動式発電装置によれば、無駄なエネルギー消費を生じず効率的な発電を行うことができる。

本発明の第１実施形態における振動式発電装置の概略構成を示す図である。 本発明の第２実施形態における振動式発電装置の概略構成を示す図である。

なお、以下に説明する実施形態はあくまで一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が行う種々の設計的改良も本発明の範囲に含まれる。

（第１実施形態）
図１において、可動基体１は略水平姿勢で固定基体２の上方に浮上させられている。すなわち、可動基体１には両端に補助磁石体１１が設けられており、これら補助磁石体１１に同極を対向させてその下方の固定基体上に浮上用磁石体３が設けられている。補助磁石体１１は浮上用磁石体３から上方への磁気反発力を受けており、これによって可動基体１が固定基体２の上方へ浮上させられている。

各補助磁石体１１の上方にはこれらに同極を対向させて浮上抑制用磁石体４が設けられている。補助磁石体１１は浮上抑制用磁石体４から下方への磁気反発力を受けており、可動基体１は、浮上用磁石体３から受ける上方への磁気反発力と浮上抑制用磁石体４から受ける下方への磁気反発力が均衡した位置に磁気的に拘束された状態で浮上位置させられている。このように磁気的な拘束力を受けた可動基体１は一定の共振周波数を有している。可動基体１の中央下面には発電用磁石体５が固定されており、当該発電用磁石体５は、固定基体２上に設けられた発電用コイル６のコイル筒内に進入位置している。

浮上抑制用磁石体４は、固定基体２上に設けられた高さ調節可能な支持部材７に支持されており、支持部材７によって浮上抑制用磁石体４の高さ位置を調節することで可動基体１の受ける磁気拘束力を変更することができる。すなわち、浮上抑制用磁石体４を下方へ移動させると浮上基板１の受ける磁気的拘束力が大きくなってその共振周波数が高くなる。反対に、浮上抑制用磁石体４を上方へ移動させると可動基体１の受ける磁気的拘束力が小さくなってその共振周波数は低くなる。

なお、本実施形態では、浮上用磁石体３および浮上抑制用磁石体４の各外周に発電用の補助コイル３１，４１が巻回されている。そして、上記発電用コイル６および発電用補助コイル３１，４１から発電電力が取り出されるようになっている。

このような構成の振動式発電装置において、可動基体１に振動Ｆが入力すると、特に入力振動Ｆの周波数と可動基体１の共振周波数が一致した場合には、可動基体１が大きく上下に振動し、これに伴って可動基体１と一体の発電用磁石体５が発電用コイル６内で上下に大きく移動する。これにより発電用コイル６のコイル筒内を通過する磁束が大きく変化して、電磁誘導によって発電用コイル６に大きな発電電力が生じる。

この際、可動基体１と一体に振動する補助磁石体１１は上下の発電用補助コイル３１に対して相対的に遠近移動するから、これら発電用補助コイル３１を通過する磁束が変化して、これに伴い発電用補助コイル３１にも発電電力が生じる。

可動基体１に入力する振動Ｆの周波数が変化した場合には、その周波数変化に応じて浮上抑制用磁石体４を上下動させることによって可動基体１の共振周波数を入力振動Ｆの周波数に一致させる。これにより、入力振動Ｆの周波数が変化しても常に大きな発電電力を得ることができる。

なお、可動基体１へ入力する振動の周波数を検出し、これに応じて浮上抑制用磁石体４を自動的に上下動させて可動基体１の共振周波数を入力振動Ｆの周波数に追従一致させる構成としても良い。

このような振動式発電装置は可動基体１を磁気反発力で浮上させているから、振動時の抵抗減衰力は十分に小さくなり、エネルギーが無駄に消費されないから発電効率が向上する。

本実施形態において、可動基体１側に発電用コイル体６を設け、固定基体２側に発電用磁石体５を設けるようにしても、同様の効果が得られる。なお、本実施形態で可動基体１の共振周波数を正確に調節し、ないし変更する必要が無い場合には、支持部材７および浮上抑制用磁石体４を省略することができる。

（第２実施形態）
図２において、固定基体２は長板状をなし、その板面上には長手方向へ複数の浮上用磁石体３が設けられている。各浮上用磁石体３の周囲には発電用補助コイル３１が巻回されており、これら発電用補助コイル３１は隣り合う浮上用磁石体３に巻回されたものが互いに直列に接続されている。

固定基体２から上方へ離れて同じく長板状の可動基体１が位置しており、その下面には上記各浮上用磁石体３に対応させてこれと同数の浮上抑制用磁石体４が固定されている。そして、各浮上用磁石体３から上方の各浮上抑制用磁石体４に向けて長筒状のボビン８が立設されており、これらボビン８の筒空間内の上下位置に複数（本実施形態では２個）の発電用磁石体９が配置されている。

これら発電用磁石体９は、上下のもの同士で同極が対向させられ、また下方の浮上用磁石体３や上方の浮上抑制用磁石体４とも同極が対向させられて、上下方向からの磁気反発力で磁気的に拘束されつつ間隔を保って浮上位置させられている。各ボビン８には各発電用磁石体９の位置に略対応させて長手方向（上下方向）の二箇所に発電用コイル１０が巻回されており、これら発電用コイル１０は隣り合うボビン８に巻回されたものが互いに直列に接続されている。

可動基体１はその両端が、固定基体２上に設けられた高さ調節可能な支持部材７´の上端に形成されたストッパ部７１の、上下方向に間隔を置いて対向するストッパ壁間に進入位置している。このような支持部材７´により、可動基体１は調整された高さ位置において一定範囲で上下動可能である。これにより、可動基体１を上昇させると固定基体２との間に位置する発電用磁石体９の上下の間隔が拡がり、可動基体１および各発電用磁石体９の受ける磁気的拘束力が小さくなってこれらの共振周波数が低くなる。一方、可動基体１を下降させると固定基体２との間に位置する発電用磁石体９の上下の間隔が狭まり、可動基体１および各発電用磁石体９の受ける磁気的拘束力が大きくなってこれらの共振周波数が高くなる。このように、支持部材７´によって可動基体１の位置を上下調整することによって、第１実施形態と同様に発電用磁石体９を含む可動基体１の共振周波数を容易に変更することができる。

本実施形態において、可動基体１に振動Ｆが入力すると、発電用磁石体９がボビン８の筒空間内で共振して大きく上下動し、ボビン８の外周に巻回された各発電用コイル１０を通過する磁束が大きく変化して、電磁誘導によって各発電用コイル１０に発電電力が生じる。この時、各発電用補助コイル３１を通過する磁束もその上方で発電用磁石体９が上下動することによって大きく変化するから、各発電用補助コイル３１にも発電電力が生じる。

このように、本実施形態によっても第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、複数の発電用コイル１０の各発電電力を合算することによって大きな発電電力を得ることができる。なお、本実施形態で可動基体の共振周波数を変更する必要が無い場合には、支持部材７´および浮上抑制用磁石体４を省略して、最上位の発電用磁石体９に可動基体１を一体化させればよい。

なお、上記各実施形態において、磁気反発力に代えて磁気吸引力を利用するようにしても良い。

１…可動基体、２…固定基体、３…浮上用磁石体、４…浮上抑制用磁石体、５…発電用磁石体、６…発電用コイル、７，７´…支持部材、８…ボビン、９…発電用磁石体、１０…発電用コイル。

Claims (4)

1. 浮上用磁石体と、浮上用磁石体の磁力によって浮上させられ、振動入力に応じて浮上状態で振動させられる発電用磁石体ないし発電用コイルの一方と、前記発電用磁石体ないし発電用コイルの一方に対して配置された発電用磁石体ないし発電用コイルの他方を備え、前記発電用磁石体の相対振動に伴う磁束変化によって前記発電用コイルに発電電力を生じるようにした振動式発電装置。
2. 前記浮上用磁石体は前記発電用磁石体の下方に配置されて磁気反発力によって前記発電用磁石体を浮上させ、前記発電用磁石体の上方にさらに浮上抑制用磁石体を配置してその磁気反発力で前記発電磁石体の浮上を抑制するようにした請求項１に記載の振動式発電装置。
3. 前記浮上抑制用磁石体の高さ位置を調節可能とした請求項２に記載の振動式発電装置。
4. 前記発電用磁石体を互いの磁気反発力で上下方向へ間隔をおいて複数位置させ、各発電用磁石体に対しそれぞれ前記発電用コイルを設けた請求項１ないし３のいずれかに記載の振動式発電装置。

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