JP6422354B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は発電装置に係り、更に詳しくは、逆磁歪現象を利用し、磁歪材料に応力を付与することで電気エネルギーを発生させる自由共振型の発電装置に関する。

近年、省電力で動作する小型の電子機器が急速に発達している。このような電子機器の電源として、振動エネルギーから電力を取り出す振動発電に関する技術が注目されている。当該発電技術による装置の一つとして、逆磁歪方式の振動発電装置が知られている（例えば、特許文献１等参照）。この振動発電装置は、磁場を加えると変形する磁歪材料からなる部材に対し、応力を付与して変形させたときに、当該部材内部の磁場の変化により、その周りを巻回するように配置されたコイルに誘導起電力を発生させるものである。従来、逆磁歪方式の振動発電装置では、磁歪材料からなる部材を別部材で固定支持する構造が一般的である。

特開２０１４−３６５１２号公報

しかしながら、前述の従来構造では、磁歪材料からなる部材に外力が作用したときに、当該部材内部に存在する物質の微小な振動が、前記別部材での固定支持により早く減衰してしまうため、当該振動が長時間持続せず、前記部材に対する１回の外力の付加に対して、発電を長時間持続させることができないという不都合がある。

本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、逆磁歪現象を利用した発電装置について、従来構造よりも発電を長時間持続させることができる発電装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、主として、磁場を付加すると変形する磁歪材料により形成された芯材と、当該芯材が収容される収容空間を囲んで配置されるコイルとを備え、前記芯材に応力を付与した際に発生する当該芯材内部の磁場の変化を利用して前記コイルに誘導起電力を発生させる逆磁歪方式の発電装置において、前記芯材を前記収容空間内で保持する磁石を備え、前記芯材は、前記磁石により前記収容空間内を浮遊した状態で配置される、という構成を採っている。

本発明によれば、磁歪材料により形成された芯材は、収容空間内で浮いた状態で配置されているため、別部材の連結による支持の必要がなく、芯材に外力を作用させたときに、芯材内部における物質の振動を従来よりも緩やかに減衰させることができ、当該物質の共振時間を長期化させることができる。換言すれば、本発明の発電装置は自由共振型の構造を採っているため、芯材を別部材で支持する従来構造に比べ、芯材内部の磁場を長時間に亘って変化させることができ、コイルで発生する誘導起電力を長時間持続させることができる。加えて、コイルの巻線抵抗を変化させることにより、また、芯材の材質及び形状を変えて当該芯材内部の物質の共振周波数を変化させることにより、幅広い用途の発電装置として利用可能となる。特に、本発明は、例えば、ＬＥＤ等の発光装置、リモコン装置、おもちゃ、オルゴール等のインテリア等の各種電源としての利用の他、自動車や電車等が走行する地面に敷設若しくは埋設され、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電装置としての利用等、様々な機器の電源として利用可能となる。

本実施形態に係る発電装置の概略断面図。 図１の要部の拡大分解図。 発電部の概略分解断面図。 （Ａ）、（Ｂ）は、磁石の貫通穴のバリエーションを例示説明するために、要部のみを表した一部分解断面図。 変形例に係る発電装置における要部の概略断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係る発電装置の概略断面図が示され、図２には、前記発電装置の内部に存在する要部の拡大分解図が示されている。これらの図において、前記発電装置１０は、磁場を加えると変形する磁歪材料について、外部から応力を付与した際に当該磁歪材料の内部の磁場が変化する逆磁歪現象を利用して発電可能な逆磁歪方式の発電装置である。なお、以下の説明において、「上」、「下」は、特に明示しない限り、図１の姿勢で起立配置された発電装置１０の向きを基準とした「上」、「下」をそれぞれ意味する。

この発電装置１０は、逆磁歪現象を利用して起電力を発生させる発電部１１と、発電部１１による発電を開始させるためのプッシュ式のスイッチ１２と、発電部１１を内部に収容するケース１４と、ケース１４内で発電部１１を固定支持するための固定部１５と、ケース１１の上側部分に被さるように配置されたキャップ１７とを備えている。

前記発電部１１は、前記磁歪材料によって形成された芯材１９と、芯材１９の周りに配置されたコイル２０と、芯材１９の上下両側に配置された磁石２２ａ，２２ｂとにより構成されている。

前記芯材１９は、高い磁歪効果を示す鉄−コバルト系合金からなる磁歪材料によって、上下方向に延びる丸棒状に形成されている。なお、本発明においては、後述する作用及び効果を奏する限りにおいて、ターフェノールＤ（鉄−ジスプロシウム−テルビウム合金）やガルフェノール（鉄−ガリウム合金）等の他の磁歪材料、或いは、飽和磁化の高い磁性材料を用いて芯材１９を形成することも可能である。

また、芯材１９としては、前記磁歪材料からなる本体部分の表面をポリエチレンテレフタレート等の樹脂によりコーティングした態様のものを採用したり、当該樹脂製のパイプ（図示省略）を前記本体部分の外側に被覆した態様のものを採用することが好ましい。当該態様の芯材１９によれば、磁歪材料の脆弱性を補完して外力に対する芯材１９の強度を高めることができる。また、後述するように芯材１９がコイル２０に対して上下動する際、これらの間の接触抵抗を低減することが可能になる。

前記コイル２０は、樹脂等の非磁性材料からなるボビン２４と、ボビン２４に巻回される電線であって、両端側が電力取り出し用の出力端子対２５Ａに繋がる巻線２５とにより構成されている。

前記ボビン２４は、図３に示されるように、その中央で上下方向に延びる円筒部材２７と、円筒部材２７の上下両側寄りとなる外周面に固定された円盤部材２８ａ，２８ｂとからなり、これら円盤部材２８ａ，２８ｂの間で、巻線２５が円筒部材２７に多重に巻き付けられている。

前記円筒部材２７は、上下両端側が開放しており、その内部空間が、芯材１９を収容する収容空間３０となっている。円筒部材２７の長さは、芯材１９の長さよりも短く設定されており、収容空間３０に芯材１９が収容された状態で、芯材１９の上下両端側及び／又は何れか一端側が、円筒部材２７の端部から突出するようになっている。また、収容空間３０の内径は、芯材１９の外径よりも僅かに大きくなっており、収容空間２７内での芯材１９の軸線方向の移動を阻害せず、且つ、発電効果を低減させない程度の芯材１９とコイル２０との離間幅にするサイズに設けられている。すなわち、芯材１９は、後述する磁石２２ａ，２２ｂの作用により、周囲の部材に対して、非接触の状態、若しくは、自身の移動を規制しない程度に僅かに接触する状態で保持されることになる。

前記磁石２２ａ，２２ｂは、円筒部材２７を挿通可能なサイズの貫通穴３２が中央に形成されたドーナツ状の永久磁石が用いられており、特に限定されるものではないが、本実施形態では、ネオジム磁石が用いられている。各磁石２２ａ，２２ｂは、ボビン２４の円盤部材２８ａ，２８ｂに固定されており、貫通穴３２の内部で周方向に均等に形成された永久磁石の磁場の作用により、芯材１９が、磁石２２ａ，２２ｂに非接触で収容空間３０内を浮遊した状態となるように設けられている。

貫通穴３２の形状としては、図３に示される円筒状の丸穴に限定されるものではない。例えば、図４に示されるように、断面円錐台の形状の貫通穴３２を有する磁石２２ａ，２２ｂを採用することもできる。ここでの貫通穴３２は、その内径が同図中上方若しくは下方に向かって次第に変化するテーパ状の内周面を有しており、円筒部材２７の上下両端側を円盤部材２８ａ，２８ｂから突出させないような同図の場合に、芯材１９の径方向の移動を制御可能になる。また、図３の形状の貫通穴３２を有する磁石２２ａ，２２ｂを何れか一方の磁石、例えば磁石２２ａとして採用し、図４の形状の貫通穴３２を有する磁石２２ａ，２２ｂを何れか他方の磁石、例えば磁石２２ｂとして採用することもできる。更に、図１から図４の態様では、磁石２２ａ，２２ｂが上下両側に配置されているが、本発明はこれに限らず、芯材１９を収容空間３０内で浮いた状態で保持できる限りにおいて、磁石２２ａ，２２ｂの何れか一方の磁石、例えば、磁石２２ｂを省略することも可能である。

前記スイッチ１２は、図１及び図２に示されるように、キャップ１７の上端側に表出して外部からの押圧部位となるボタン３４と、当該ボタン３４の押圧によって、芯材１９をその上端側から打突可能に設けられたハンマー３５と、内部に介装されたコイルばね３７とを備えたトリガー機構を有する公知の構造のものが採用されている。すなわち、このスイッチ１２によれば、コイルばね３７の作用によって、ボタン３４に所定値以上の押圧力が付加された場合のみ、その押圧力の大きさに応じた外力がハンマー３５を通じて芯材１９の軸線に沿う圧縮方向にばねの反発力で高速に作用することになる。その一方、それ以外の場合には、ハンマー部３５が、芯材１９に対して非接触となる初期位置に戻るようになっている。なお、スイッチ１２としては、当該構造のものに限定されず、発電部１１での発電の際に、芯材１９に圧縮方向の外力を作用させることが可能な限りにおいて、種々の構造のものを採用することができる。

前記ケース１４は、樹脂やアルミニウム等の非磁性物質により形成され、上端側が開放する一方で下端側が閉塞した有底円筒形状をなしている。

前記固定部１５は、下側の磁石２２とケース１４の底部１４Ａとの間に固定されており、下側の磁石２２の下面側に固定されるアクリル樹脂等からなるパイプ３９と、当該パイプ３９と底部１４Ａとの間に介装された円盤状のストッパ４２とを備えている。

前記パイプ３９は、その内部空間を芯材１９の下側領域が上下動可能となる長さに設けけられている。すなわち、芯材１９が図１の前記初期状態にあるときに、当該芯材１９の下端とストッパ４２との間に所定の隙間が生じるサイズに設けられており、当該隙間の範囲内で芯材１９が上下動可能になる。

前記ストッパ４２は、アクリルやシリコーン等の弾性材料により形成されており、芯材１９が上方から大きな外力が付加されて芯材１９の移動が前記隙間の範囲を越えたときに、当該移動を柔軟に規制するようになっている。なお、ストッパ４２と同様の機能を有する部材を、パイプ３９の内部空間の下端側に配置しても良いし、芯材１９に非接触状態で芯材１９の上下動が所定範囲内で可能になるように、パイプ３９内に充填するように配置しても良い。

前記キャップ１７は、樹脂やアルミニウム等の非磁性物質により、上下両端側が開放する円筒状に形成されており、上端の開放部分から前記ボタン３４が表出するようになっている。

以上の発電装置１０によれば、所定の大きさ以上の押圧力でボタン３４が押圧されると、その押圧力に応じて、ハンマー３５を通じて、芯材１９の上方から軸線方向に外力が付加され、そのときの芯材１９の圧縮応力による磁場の変化により、コイル２０に誘導起電力が発生し、出力端子対２５Ａから電力を取り出すことができる。この際、芯材１９は、特定の部材に支持されずに、収容空間３０内で浮いた状態で上下に振動することになるため、芯材１９の内部の物質の共振時間を従来よりも長くすることができ、長時間の発電が可能になるという効果を得る。

なお、図５に示されるように、芯材１９として、磁歪材料からなる本体部分の一端側、すなわち、加圧部位の反対側となる下端側に、鉄−コバルト合金、或いは鉄等からなる磁性体４４を連ねてなるものを採用した変形例を採用することもできる。当該変形例によれば、ハンマー３５によって、上方から芯材１９に外力が加えられたときに、磁性体４４により、コイル２０の外側に突出した芯材１９の下側領域を磁石２２ｂの磁力によってコイル２０の内側の収容空間３０に素早く引き戻すことが可能になる。従って、磁性体４４は、芯材１９に外力を作用させたときに、外力作用前の元の位置への芯材１９の復元を促進する復元補助手段を構成する。この際、磁性体４４が磁石２２ｂに密着して芯材１９の内部の物質の振動を低下させないように、磁性体４４の上側に非磁性材料からなるスペーサ（図示省略）を介装した芯材１９としたり、磁性体４４の形状を、磁歪材料からなる本体部分から次第に大径となるテーパ状にすることが望ましい。

前記復元補助手段としては、各種ばねや弾性を有するクッション等の弾性体からなり、パイプ３９の下部に配置される付勢部材（図示省略）により構成し、芯材１９に作用した下向きの外力によって、芯材１９の下端側が前記付勢部材に当接したときに、芯材１９を上方の元の位置に復元する方向に付勢する構成としても良い。

また、本実施形態においては、中央に貫通穴３２が形成された円盤状の磁石２２ａ，２２ｂをベースに作用及び効果を説明しているが、例えば、穴無しの磁石を適用した類似構造を採用することもできる。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、形状等、種々の変更が可能である。

１０ 発電装置
１１ 発電部
１２ スイッチ
１４ ケース
１４Ａ 底部
１５ 固定部
１７ キャップ
１９ 芯材
２０ コイル
２２ａ，２２ｂ 磁石
２４ ボビン
２５ 巻線
２５Ａ 出力端子対
２７ 円筒部材
２８ａ，２８ｂ 円盤部材
３０ 収容空間
３２ 貫通穴
３４ ボタン
３５ ハンマー
３７ コイルばね
３９ パイプ
４２ ストッパ
４４ 磁性体（復元補助手段）

Claims (5)

1. 磁場を付加すると変形する磁歪材料により形成された芯材と、当該芯材が収容される収容空間を囲んで配置されるコイルとを備え、前記芯材に応力を付与した際に発生する当該芯材内部の磁場の変化を利用して前記コイルに誘導起電力を発生させる逆磁歪方式の発電装置において、
   前記芯材を前記収容空間内で保持する磁石を備え、
   前記芯材は、前記磁石により前記収容空間内を浮遊した状態で配置されていることを特徴とする発電装置。
2. 前記芯材は、周囲の部材に対し、非接触の状態、若しくは、自身の移動を規制しない程度に僅かに接触する状態で保持されることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
3. 前記芯材に対し、圧縮方向の外力を作用させるスイッチを更に備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の発電装置。
4. 前記芯材に外力を作用させたときに、外力作用前の元の位置への前記芯材の復元を促進する復元補助手段を更に備えたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の発電装置。
5. 前記復元補助手段は、前記芯材の端部に設けられ、前記磁石の磁力による前記復元を可能にする磁性体からなり、若しくは、前記復元方向に前記芯材を付勢する付勢部材からなることを特徴とする請求項４記載の発電装置。
   

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