JPWO2009057348A1 - 振動型電磁発電機 - Google Patents

Abstract

非磁性材料で形成された中空のパイプ２と、パイプ２の周囲に巻回された少なくとも一つの発電コイル９と、少なくとも１個の磁石からなり、パイプ２内に配置された可動磁石３と、パイプ２の少なくとも一方の端部に固定され、可動磁石を発電コイルの巻軸方向に振動可能に支持する伸縮可能な第１のコイルバネ５ａ及び第２のコイルバネ５ｂと、可動磁石の振動を制限する第１のストッパ部６ａ及び第２のストッパ部６ｂと、を備える。ストッパ部は、パイプ２の少なくとも一方の端部に形成され、ストッパ部と可動磁石３が接触する位置は、パイプ２の端部を始点とした場合に、コイルバネが最も収縮する長さより長い位置とする。

Description

本発明は、例えば、複数個のソレノイドコイルで構成する発電コイルの中で、長さ方向に着磁された少なくとも一つの磁石が振動することにより発電を行う振動型電磁発電機に関する。

近年、携帯電話やゲーム機などの携帯電子機器の普及が進み、これらに内蔵されている２次電池の量がますます多くなってきている。また、無線技術の発展にともない、微小電力で信号を送受するＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）の応用が拡がっている。特に電源を有するアクティブＲＦＩＤは、数百メートル以上の通信も可能である。このため、牧場の牛や馬などの健康管理や、子供達の登下校時の安全管理等への応用に期待が高まっている。

一方、地球環境の維持改善のため、できるだけ環境負荷の少ない電池の研究開発も活発に行われている。その中で、通常無意識かつ無駄に消費されているエネルギーを電気エネルギーに変換して、充電し、この電気エネルギーを携帯機器などの電源として利用することが広く考えられている。

特許文献１には、外部から振動を加えることによって発電する振動型電磁発電機について開示されている。ここで、図１１を参照して、振動型電磁発電機１００の構成例について説明する。振動型電磁発電機１００は、非磁性材料からなるパイプ１０２と、パイプ１０２に収納される長さ方向に着磁した棒状の可動磁石１０１を備える。パイプ１０２の中央部には、ソレノイドコイル１０３が形成される。パイプ１０２の両端部には、可動磁石１０１の極性と同じ極性が対向するような状態で、磁石１０４ａ，１０４ｂが設置される。このため、可動磁石１０１が振動する際に、可動磁石１０１がパイプ１０２の両端部に接触することを防いでいる。

特許文献２には、外部から振動を加えることによって発電し、得られた電力を用いて発光する振動型電磁発電機を備えた懐中電灯について開示されている。ここで、図１２を参照して、懐中電灯１１０の構成例について説明する。懐中電灯１１０は、非磁性材料からなるパイプ１１２と、パイプ１１２に収納される長さ方向に着磁した棒状の可動磁石１１１を備える。パイプ１１２の両端部には、圧縮バネ１１４ａ，１１４ｂが設けられる。この圧縮バネ１１４ａ，１１４ｂの作用により、可動磁石１１１がパイプ１１２の両端部に接触することを防いでいる。パイプ１１２の中央部には、ソレノイドコイル１１３が形成される。パイプ１１２の内部を可動磁石１１１が振動することによって、ソレノイドコイル１１３で電圧が生じ、ＬＥＤ１１５が発光する。この発光によって、ＬＥＤ１１５が発散する光線は、レンズ１１６で拡散されて、対象物に照射される。
特開２００２−２８１７２７号公報 米国特許第５９７５７１４号明細書

ところで、特許文献１に記載された技術では、発電に直接寄与する磁石のほかにパイプの両端部に配置する２個の磁石が必要である。一般に、この種の電磁発電機は、できるだけ小さな寸法とした状態で、大きな発電電力を得ることが要求される。このため、高い磁束密度の磁石を必要とする。すると、全体のコストに占める磁石のコストの割合が比較的高くなってしまう。このように、従来の振動型電磁発電機１００は、コスト面で不利であった。また、磁石を多用することによって、振動型電磁発電機の重量が増し、例えば、手動によって発電を行う際の疲労が大きくなるという問題を有していた。

また、磁石による反発力はバネによる反発力とは異なり、反発力が可動磁石の移動距離に比例しない。このため、可動磁石の質量とコイルバネのバネ定数によって決まる共振振動とは異なる挙動を示し、可動磁石の振動が長時間続かないという問題も生じる。この結果、磁石による反発力を有効的に振動運動に変換することができず、発電力を向上させるだけの作用を持ち合わせるものではない。

また、特許文献２に記載された技術では、懐中電灯１１０に振動が加わると、可動磁石１１１が一旦コイルバネから離れたり衝突したりする。このため、可動磁石とコイルバネは、安定した共振系を構成することができず、発電効率が向上しない。また、可動磁石とコイルバネが衝突する際に衝突音が発生するために、使用者にとっては耳障りなものとなる。さらに、一般的に、この種の発電機は、可動磁石が発電コイルを通過する際の速度が、発電（出力電圧）の大きさに寄与する。このことから、より多くの発電を得るためには激しい振動を与える必要があったため、可動磁石とコイルバネとが激しく衝突することによってコイルバネが破損しやすかった。

本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、安定な共振系を構成すると共にコイルバネを破損しにくくした振動型電磁発電機を提供することを目的とする。

本発明の振動型電磁発電機は、非磁性材料で形成された中空のパイプと、パイプの周囲に巻回された少なくとも一つの発電コイルと、少なくとも１個の磁石からなり、パイプ内に配置された可動磁石と、パイプの少なくとも一方の端部に固定され、可動磁石を発電コイルの巻軸方向に振動可能に支持する伸縮可能な弾性体と、可動磁石の振動を制限するストッパ部と、を備える。ストッパ部は、パイプの少なくとも一方の端部に形成され、ストッパ部と可動磁石が接触する位置は、パイプの端部を始点とした場合に、弾性体が最も収縮する長さより長い位置とする。

このように構成することによって、弾性体を用いて安定な共振系が構成された状態で、最も収縮した弾性体に対して不要な応力が加わらない。このため、弾性体が破損せずに長期使用に及んでも安定した共振振動を発生することが可能な振動型電磁発電機が得られる。

本発明によれば、弾性体で可動磁石を支持することによって、安定な共振系が構成された振動型発電機が得られる。また、可動磁石が所定の振幅を超えて振動する場合に、可動磁石の振動がストッパ部によって制限されるため、弾性体に余分な応力が加わらず、弾性体の破損を防ぐことができる。このため、振動型電磁発電機に対してメンテナンスの頻度を抑えることができ、振動型電磁発電機は長期にわたって発電可能となるという効果がある。また、弾性体としてコイルバネを用いることができるため、部材コストを下げることができるとともに、振動型電磁発電機の軽量化を実現することも可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る振動型電磁発電機の構成例を示す断面図である。 Ａ，Ｂ 本発明の第１の実施の形態に係る振動型電磁発電機のストッパ部の構成例を示す説明図である。 １個のおもりと１個のコイルバネで構成される振動系の例を示す説明図である。 Ａ，Ｂ 振動系に損失を含めた場合の減衰特性の例を示す説明図である。 Ａ，Ｂ 振動系にパルス状の外力が加わった場合の応答性の例を示す説明図である。 １個のおもりと２個のコイルバネで構成される振動系の例を示す説明図である。 Ａ，Ｂ 本発明の第２の実施の形態に係る振動型電磁発電機の構成例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る振動型電磁発電機の他の構成例を示す断面図である。 Ａ，Ｂ 本発明の第３の実施の形態に係る振動型電磁発電機の構成例を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る振動型電磁発電機の構成例を示す断面図である。 従来の振動型電磁発電機の例を示す構成図である。 従来の振動型電磁発電機の例を示す構成図である。

以下、本発明の第一の実施形態例について、図１〜図６を参照して説明する。本実施の形態例では、長さ方向に着磁された複数個の円筒形の磁石を、複数個のソレノイドコイルの中を振動または移動して発電する振動型電磁発電機１に適用した例について説明する。

まず、本例の振動型電磁発電機１の構成例について、図１の断面図を参照して説明する。振動型電磁発電機１は、可動磁石３と、３個のソレノイドコイル（第１のソレノイドコイル４ａ〜第３のソレノイドコイル４ｃ）で構成される。３個のソレノイドコイルは、中空のパイプ２の外周に巻き付けられて構成される。パイプ２の内部を、可動磁石３が直線往復運動／振動することによって、３個のソレノイドコイルに電圧が発生する。パイプ２は、非磁性体材料で形成される。パイプ２の材質は、金属等の非磁性体材料であってもよいが、加工性等を考慮するとプラスチック等の合成樹脂で製造することが望ましい。

隣り合う３個のソレノイドコイルは、所定の間隔を空けた状態で配置されており、逆極性に直列接続された複数個のコイルで構成される。ソレノイドコイルの巻き方向は、隣り合うソレノイドコイル毎に互いに逆向きの正・逆・正方向である。以下の説明では、直列接続された第１のソレノイドコイル４ａ〜第３のソレノイドコイル４ｃを、発電コイル９と称する。パイプ２には、発電コイル９が少なくとも一つ構成される。

可動磁石３は、同じ極性が対向して接合された複数個の磁石（例えば、ネオジム磁石）で構成される。本例の可動磁石３は、長さ方向に着磁された同じ長さの２個の磁石３ａ，３ｂを、所定の厚さの磁石スペーサ１０を介した上で、同じ極を向かい合わせて一体に接合される。磁石スペーサ１０の材質は、磁性体又は非磁性体のいずれでもよい。また、可動磁石３を構成する磁石は少なくとも１つあればよい。

可動磁石３の一方の端部には、磁石３ａを保護する磁石端部材８ａが形成される。磁石端部材８ａには、引っ張りバネである第１のコイルバネ５ａを取り付ける細孔が空けられる。同様に、可動磁石３の他方の端部には、磁石３ｂを保護する磁石端部材８ｂが形成される。磁石端部材８ｂには、引っ張りバネである第２のコイルバネ５ｂを取り付ける細孔が空けられる。ただし、磁石端部材８ａ，８ｂをフック等の形状として、第１のコイルバネ５ａと第２のコイルバネ５ｂを引っ掛けるようにして取り付けてもよい。
このようにして、振動型電磁発電機１では、第１のコイルバネ５ａと第２のコイルバネ５ｂによって、可動磁石３を発電コイル９の巻き軸方向に振動可能に支持している。

パイプ２の両端部には、可動磁石３の飛び出しを防止するため、樹脂等で形成された第１の端部材７ａと第２の端部材７ｂがはめ込まれる。第１の端部材７ａと第２の端部材７ｂは、同形状であり、それぞれ第１のコイルバネ５ａと第２のコイルバネ５ｂの端部を固定する固定部が形成される。ただし、第１の端部材７ａと第２の端部材７ｂに細孔やフック等を形成して、第１のコイルバネ５ａと第２のコイルバネ５ｂの端部を固定してもよい。

本発明に係る振動型電磁発電機１では、上述したように、隣り合う３個のソレノイドコイルが、所定の間隔を空けた状態で直列接続されているとともに、その巻き方向が、隣り合うソレノイドコイル毎に互いに逆向きの正・逆・正方向とされた構成とされている。したがって、それぞれのソレノイドコイルが発生した電圧は位相を合わせた状態となり、合成することにより、出力電圧を増大させることができる。そのためには、磁石長と磁石スペーサの厚さを加えた磁石ピッチと、コイル長とコイル間隔を加えたコイルピッチを、ほぼ等しくする必要がある。さらに、ソレノイドコイルのコイル長は磁石長より短くすることが望ましい。

第１のコイルバネ５ａと第２のコイルバネ５ｂは、同じバネ定数、同じ自然長のコイルバネである。ただし、仕様によっては、各コイルバネのバネ定数と自然長を変えてもよい。
本実施形態における振動型電磁発電機１は、第１のコイルバネ５ａと第２のコイルバネ５ｂの各々が、可動磁石３を引っ張っている状態となり、振動系を構成している。このとき、振動型電磁発電機１に外力が加わると、可動磁石３は、可動磁石３の質量と、第１のコイルバネ５ａと第２のコイルバネ５ｂのバネ定数で定まる共振周波数ｆ_ｒで振動する。この結果、可動磁石３の振動時間が長くなり、長時間電圧が得られる。

次に、パイプ２の端部に衝突する可動磁石の衝撃を緩和するストッパ部の構成例について、図２Ａ，Ｂを参照して説明する。図２Ａ，Ｂでは、第１のストッパ部６ａについて説明するが、第２のストッパ６ｂも同様の構成としてある。
図２Ａは、第１のコイルバネ５ａが伸びた状態の図である。
図２Ｂは、第１のコイルバネ５ａが最も縮んだ状態の図である。

そして、発電コイル９の巻軸方向に垂直な方向の可動磁石３の断面径１２より、第１のストッパ部６ａが可動磁石３に接触する箇所の幅１１を小さくしている。すなわち、コイルバネの伸縮運動の際にストッパ部が干渉しないように、かつストッパ部がと可動磁石３とが確実に接触するように形成されているこのため、所定の振幅を超えて振動する可動磁石３は、第１のストッパ部６ａが可動磁石３に接触する位置で振動が制限される。

図２Ａと図２Ｂに示すように、第１の端部材７ａを始点とする第１のストッパ部６ａの高さ１０ａは、最も収縮した状態である第１のコイルバネ５ａの高さ１０ｂよりも高く設定されている。そして、可動磁石が、所定の振幅を超えてしまうほどの運動エネルギーを有した状態で振動した際には、第１のストッパ部６ａの上端部で接触／衝突することとなる。このため、第１のストッパ部６ａによって振幅が制限される。さらに、第１のストッパ部６ａは、弾性を有するゴム等の樹脂で形成されるため、可動磁石３の衝撃を緩和することも可能である。したがって、第１のコイルバネ５ａが最も収縮した状態であるにもかかわらず、可動磁石３が衝突して過剰な応力を与えた場合に起こり得る、コイルバネの破損を効果的に抑制することができる。

ここで、第１および／または第２の端部材７ａ，７ｂとストッパ部６ａとが一体成型によって形成されるような場合には、硬質であり弾性を有するゴムや樹脂を選定することが望ましい。このような材質を選定するのは、振動する可動磁石３をパイプ２の内部に確実に封入するためである。また、可動磁石３がストッパ部６ａに衝突した際にコイルバネに損傷を与えず、かつストッパ部自身の損傷を避けるためである。

ここで、本発明に係る振動型電磁発電機１の振動特性について、図３〜図６を参照して説明する。
図３は、質量Ｍのおもり１５と、バネ定数ｋのコイルバネ１６を組み合わせて構成される振動系のモデル図である。コイルバネ１６におもり１５が吊るされると、コイルバネ１６の復元力と、おもり１５にかかる重力が釣り合う位置でおもり１５は静止する。この位置を変位ゼロとする。おもり１５に外力が加わると、おもり１５は単振動を始める。この振動系の共振周波数ｆ_ｒ１は、次式（１）で与えられる。

ところで、図３には、摩擦などによる振動の損失が表されていない。しかし、現実の振動系では空気の粘性抵抗を含めて摩擦抵抗や、振動体自身の内部摩擦など、様々な損失が存在する。このため、時間の経過とともに振幅が減衰し、共振周波数もわずかに低下する。

図４Ａ，Ｂは、図３に示した振動系に対して、この振動計の共振周波数ｆ_ｒ１に等しい周波数の外力を加えて、定常振動中とした場合に、急に外力をゼロとした直後の振幅の時間変化の例を示す。
図４Ａは、振動系の損失が比較的に少ない場合である。
図４Ｂは、振動系の損失がやや大きい場合である。

図４Ｂに示すように、振動系の損失が大きい場合、急に外力をゼロとすると、振動は急激に減少する。つまり、図４Ａに示すように、振動系の損失をできるだけ少なくすると、可動磁石が振動する時間が長くなるため、長い間、電圧を得られると言える。

図５Ａ，Ｂは、図３に示した振動系に周期的な衝撃力が加わった場合における、おもり１５の振幅を示す。
パルス状の衝撃力には広い周波数成分が含まれ、振動系の共振周波数成分も含まれる。このため、共振周波数成分の作用によって振動系が励振される。この結果、おもりは図５Ａ，Ｂに示すように振動する。

図５Ａは、振動系の損失が比較的少ない場合である。
図５Ｂは、振動系の損失がやや大きい場合である。
図５Ａ，Ｂに示すように、振動系の損失が小さいと振動が長時間継続する。一方、損失が大きいと、振動は急激に減少する。このため、振幅も、損失が小さいときの方が大きくなる。

図６は、質量Ｍのおもり１５を、鉛直方向に２つのコイルバネ１７，１８で吊るして構成される振動系のモデル図である。コイルバネ１７，１８のバネ定数は、それぞれ、ｋ１，ｋ２である。図６において、下向きを重力の向きとすると、おもりに加わる重力のために、上側のコイルバネ１７が伸ばされたおもり１５の位置が静止点ゼロとなる。おもり１５の振動は、静止点ゼロを中心に行われる。このような振動系における共振周波数ｆ_ｒ２は、次式（２）で与えられる。

式（２）より、共振周波数ｆ_ｒ２は、コイルバネ１７のバネ定数ｋ１と，コイルバネ１８のバネ定数ｋ２の和によって高くなることが分かる。このため、おもり１５に振動を加えると、所定の時間内におもり１５が振動する回数は多くなる。

以上説明した第１の実施の形態に係る振動型電磁発電機１によれば、所定の振幅を超えて可動磁石３が振動する場合に、可動磁石３の振動が、第１のストッパ部６ａと第２のストッパ部６ｂによって制限される。このため、弾性体に余分な応力が加わらず、弾性体の破損を防ぐことができる。この結果、振動型電磁発電機１に対して、部品修理等のメンテナンスの頻度を抑えることができ、振動型電磁発電機１は、長期にわたって発電可能であるという効果がある。

また、振動型電磁発電機１は、可動磁石３の質量、第１のコイルバネ５ａ及び第２のコイルバネ５ｂのバネ定数によって定まる共振系を構成できる。そして、パイプ２の材質を選択し、可動磁石との間の摩擦係数を小さくすることによって、可動磁石３の振動が長時間減衰することない。このようにして、振動型電磁発電機１の発電効率を高めることができるという効果がある。また、図１に示した形態例のように、可動磁石３の両端からパイプ２の両端部、すなわち第１及び第２の端部材７ａ，７ｂにかけて第１及び第２のコイルバネ５ａ，５ｂを配置しておく。このような配置とすることによって、振動型電磁発電機１をどの向きにしても効率の良い発電が可能になるという効果がある。

また、予め計測した可動磁石３の質量に対して、第１のコイルバネ５ａ及び第２のコイルバネ５ｂのバネ定数を選択することにより、共振周波数を任意に調整できる。このため、用途に合わせた発電効率の高い振動型電磁発電機１が得られるという効果がある。
また、振動型電磁発電機１を用いると、微弱な振動エネルギーを効率的に可動磁石３の直線往復運動に変換することができる。このため、重力方向に対して振動型電磁発電機１が平行な状態であって、かつ振動型電磁発電機１の設置方向が一定である場合、例えば、海上船舶の安全な航行のために波の上下運動によって発電し発光する発光ブイ等、への発電機として好適であると言える。また、ストッパ部を有することによって、強い振動が生じても、振動型電磁発電機が損傷する虞が少ないことを加味すれば、自転車の荷台あるいはサドル、または、自動車のサスペンション部等に採用することも可能である。

また、振動型電磁発電機１にインパルス状の衝撃力を与えた場合でも、その衝撃力の中に含まれる自己の共振周波数と同じ成分により可動磁石３が励振される。このため、外力の周波数を必ずしも振動型電磁発電機１の共振周波数に合わせなくても良いという効果がある。

また、従来の振動型電磁発電機で課題となっていた反発用の磁石を用いることによるコストアップと共振系のアンバランス、また、非磁性パイプの端面に反発用のバネを、可動磁石に接触させない状態で配置した場合に生じる騒音の発生と、振動効率の劣化に伴う発電効率の低下という問題を解決できるという効果がある。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る振動型電磁発電機３０の構成例について、図７Ａ，Ｂを参照して説明する。なお、図７Ａ，Ｂにおいて、既に第１の実施の形態で説明した図１と図２Ａ，Ｂに対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
図７Ａは、振動型電磁発電機３０の断面図を示す。
図７Ｂは、ストッパ部の構成例を示す。

図７Ａに示すように、第１のコイルバネ３２ａと第２のコイルバネ３２ｂは、共に圧縮バネである。第１のコイルバネ３２ａと第２のコイルバネ３２ｂは、可動磁石３の両端部に接触することによって、可動磁石３を、発電コイル９の巻き軸方向に振動可能に支持する。この場合、第１および第２のコイルバネ３２ａ，３２ｂは互いに可動磁石３を圧縮して支持しているために、第１の実施形態において用いていた磁石端部材８ａ，８ｂは不要となり、構成が簡略化される。

また、パイプ２の両端付近に位置する内壁には、４個の突起部が形成される。これらの突起部を、それぞれ第１のストッパ部３１ａと第２のストッパ部３１ｂとする。第１のストッパ部３１ａと第２のストッパ部３１ｂが、可動磁石３と接触する位置は、パイプ２の端部７ａ，７ｂを始点とした場合に、第１のコイルバネ３２ａと第２のコイルバネ３２ｂが最も収縮する長さより長い位置とする。そして、発電コイル９の巻軸方向に垂直な方向の可動磁石３の断面径より、第１のストッパ部６ａ又は第２のストッパ部６ｂが可動磁石３に接触する箇所の幅を小さくしている。このため、所定の振幅を超えて振動する可動磁石３は、第１のストッパ部６ａ又は第２のストッパ部６ｂが可動磁石３に接触する位置で振動が制限される。

なお、パイプ２とストッパ部を一体的に形成する場合には、パイプ２を筒状に成型してしまうと、突出したストッパ部のために可動磁石を封入することが不可能となる。このため、パイプ２の長手方向と平行に分割成型されたパイプ部材を嵌め合わせる構成や、パイプ２の中央部で長手方向に垂直に２分され、その継ぎ手部分にネジ山・ネジ溝が設けられたパイプ部材を、螺合結合させる構成とすればよい。

ここで、第１のストッパ部３１ａに着目して機能と効果を説明する。第１のストッパ部３１ａを構成する４個の突起部の頂点は、第１のコイルバネ３２ａの巻き半径よりも広い幅、すなわち、コイルバネの伸縮運動の際に、ストッパ部が干渉しないような寸法条件とされ、パイプ２の内壁に固定されている。このため、第１のコイルバネ３２ａは、第１のストッパ部３１ａに伸縮が制限されない。しかし、４個の突起部の頂点の幅は、可動磁石３の断面径より狭く設定されているために、４個の突起部の頂点と可動磁石３とが、確実に接触するように形成されている。このため、第１のコイルバネ３２ａが最も収縮する前段階で、可動磁石３が４個の突起部の頂点付近に接触し、可動磁石３の振動を制限する。この結果、最も収縮した状態の第１のコイルバネ３２ａに過剰な応力が加わって、第１のコイルバネ３２ａや可動磁石３が破損してしまう危険性を回避できるという効果が得られる。また、第２のストッパ部３１ｂについても同様の効果が得られる。

そして、振動型電磁発電機３０は、第１のコイルバネ３２ａと第２のコイルバネ３２ｂをパイプ２に封入するだけで、振動系を構成することができる。このため、構成が容易でありながら長時間コイルバネによって振動可能となり、効率よく発電を行うことができるという効果がある。

なお、第２の実施の形態に係る振動型電磁発電機３０では、ストッパ部として４個の突起部を形成したが、突起部の個数は４個より少なくてもよいし、４個より多くてもよい。また、突起部の形状は、図７Ｂに示す形状に限らない。適正な振幅を超える可動磁石３の振動を制限し、端部への衝突やコイルバネへの不要な応力を抑えることができる形状であれば、どのような形状であってもよい。

また、第２の実施の形態に係る振動型電磁発電機３０では、２個の圧縮バネを用いている。しかし、一個の圧縮バネのみを用いてもよい。この場合、コイルバネを可動磁石３の重力方向（下側）に設置するとともに、磁石端部材８ａと第１の端部材７ａとを固定しておくことが望ましい。このような構成であっても、好適な発電を行うことが可能である。

なお、コイルバネ３２ａ，３２ｂとして圧縮バネを用いる場合には、ストッパ部をコイルバネの内径側に設けることが望ましい。このような構成とした振動型電磁発電機の構成例について、図８を参照して説明する。なお、図８では、第１のコイルバネ３２ａに対するストッパ部３３の状態を示しているが、第２のコイルバネ３２ｂに対するストッパ部も同様の構成としてある。

可動磁石３をパイプ２に封止する第１の端部材３４には、円柱型で、かつ先端にかけてテーパを有するストッパ部３３が形成される。また、第１の端部材３４には、第１のコイルバネ３２ａが設置される。第１のコイルバネ３２ａは、ストッパ部３３によって位置ブレを起こさずに振動する。所定の振幅を超えて振動する可動磁石３は、ストッパ部３３の頂面に接触し、振動が制限される。ただし、ストッパ部３３の頂面と可動磁石３が接触する位置は、第１の端部材３４を始点とした場合に、第１のコイルバネ３２ａが最も収縮する長さより長い位置である。このため、最も収縮した第１のコイルバネ３２ａに余分な応力が加わらず、第１のコイルバネ３２ａが破損してしまう危険性を回避できるという効果が得られる。さらに、ストッパ部がテーパ形状とされていることから、コイルバネの伸縮運動に対して干渉することなく発電を行うことができる。

なお、上述した第２の実施の形態においては、パイプ２の内周径に対してコイルバネのバネ径が小さい状態でコイルバネ（圧縮バネ）を圧縮させると、コイルバネが屈曲した状態で圧縮される。このような状態であると、最悪の場合、コイルバネの圧縮途中でストッパ部に干渉してしまうことが予想される。このため、より望ましい形態例としては、パイプ２の内周径に対して、コイルバネ３２ａ，３２ｂのバネ径を同等よりもやや小さい値とすることが挙げられる。上述のように構成することによって、圧縮バネが規則的に圧縮されることから、コイルバネが圧縮途中であってもストッパ部に干渉することなく、同時にストッパ機能を十分に得ることが可能となる。

次に、本発明の第３の実施の形態に係る振動型電磁発電機４０の構成例について、図９Ａ，Ｂを参照して説明する。なお、図９Ａ，Ｂにおいて、既に第１の実施の形態で説明した図１と図２Ａ，Ｂに対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
図９Ａは、振動型電磁発電機４０の断面図を示す。
図９Ｂは、棒状のストッパ部の構成例を示す。

パイプ２の側面には、２本の棒状ストッパを差し込むための孔が空けられる。この孔に差し込まれた２本の棒状ストッパを、それぞれ第１のストッパ部４１ａと第２のストッパ部４１ｂとする。第１のストッパ部４１ａと第２のストッパ部４１ｂが可動磁石３と接触する位置は、パイプ２の端部を始点とした場合に、第１のコイルバネ５ａと第２のコイルバネ５ｂが最も収縮する長さより長い位置とする。

ここで、第１のストッパ部４１ａに着目して機能と効果を説明する。第１のストッパ部４１ａを構成する２本の棒状ストッパは、非磁性の樹脂や金属から構成され、第１のコイルバネ５ａの巻き半径より広い幅でパイプ２の内壁に固定される。このため、第１のコイルバネ５ａは、第１のストッパ部４１ａに伸縮が制限されない。しかし、２本の棒状ストッパの幅は、可動磁石３の断面径より狭い。このため、第１のコイルバネ５ａが最も収縮すると、可動磁石３が２本の棒状ストッパに接触し、可動磁石３の振動を制限する。この結果、最も収縮した状態の第１のコイルバネ５ａに過剰な応力が加わることによる、第１のコイルバネ５ａや可動磁石３が破損してしまう危険性を回避できるという効果が得られる。また、第２のストッパ部４１ｂについても同じ構成を採用することができるとともに、同様の効果が得られる。

なお、第３の実施の形態に係る振動型電磁発電機４０では、ストッパ部として２本の棒状ストッパを差し込んだが、棒状ストッパの個数は２本より少なくてもよいし、２本より多くてもよい。また、棒状ストッパの形状は、図９Ｂに示す形状に限らない。例えば、棒状ストッパの断面形状を多角形としたり、楕円形としたりしてもよい。棒状ストッパの形状は、適正な振幅を超える可動磁石３の振動を制限し、端部への衝突やコイルバネへの不要な応力を抑えることができる形状であれば、どのような形状であってもよい。

次に、本発明の第４の実施の形態に係る振動型電磁発電機５０の構成例について、図１０を参照して説明する。なお、図１０において、既に第１の実施の形態で説明した図１と図２Ａ，Ｂに対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

上述した第１〜第３の実施の形態に係る振動型電磁発電機は、可動磁石の両側にそれぞれコイルバネを配置した構成としている。しかし、本実施の形態のように、１個のコイルバネと、可動磁石３によって振動系を構成してもよい。
パイプ２の第２の端部材５１には、コイルバネを固定するための凸部やフック、細孔等は形成されていない。このため、第２の端部材５１は、可動磁石３をパイプ２に封止する機能のみを有する。振動型電磁発電機５０では、第１のコイルバネ５ａによって、可動磁石３を発電コイル９の巻き軸方向に振動可能に支持している。

振動型電磁発電機５０に対して外力が加わると、可動磁石３は振動する。この振動は、可動磁石３の質量と第１のコイルバネ５ａのバネ定数により、上述した（１）式で求まる共振周波数ｆ_ｒ１の共振振動である。

図１０に示す振動型電磁発電機５０は、コイルバネを１個しか用いない。このため、各部材の組立が容易になるという効果がある。なお、振動型電磁発電機５０の取り付け場所は、発電機の取り付けられる向きが重力に対して一定な場合に適する。

すなわち、コイルバネとして引っ張りバネを用いる場合は、コイルバネを可動磁石に対して重力方向の上側に配置し、可動磁石を吊り下げる構成とすればよい。逆に、コイルバネを圧縮バネとするならば、コイルバネを可動磁石に対して重力方向の下側に配置し、可動磁石を下から持ち上げるように構成すればよい。このように、振動型電磁発電機５０の用途，設置形態によって最適な手段を選定することができる。

また、上述のいずれの構成においても、可動磁石，端部材とコイルバネとは、フック固定等の手段を採用することが望ましく、コイルバネの振動系を十分に活用できる。また、コイルバネを２つ用いた第１〜第３の実施の形態に係る振動型電磁発電機と同等の発電特性を得ることができるという効果がある。

なお、上述した第１〜第４の実施の形態では、隣り合ったソレノイドコイルの間隔を空けたが、樹脂等の部材でスペーサを形成してもよい。また、磁性体と非磁性体の磁石スペーサを組み合わせて可動磁石を構成してもよい。

また、上述した第１〜第４の実施の形態では、パイプと可動磁石の形状を円筒形としたが、断面形状が多角形、楕円形、又は曲線と直線とを組合せた形状としてもよい。この場合、ソレノイドコイルと磁石スペーサの断面形状は、可動磁石の断面形状に合わせた形状とすればよい。

また、上述した第１〜第４の実施の形態では、パイプ２の両端部に可動磁石３を封止するための封止部材として第１及び第２の端部材を取り付けるようにしたが、熱加工等を施すことによって、パイプ２の端部を変形して可動磁石３を封止してもよい。
また、上述した第１〜第４の実施の形態に示した各ストッパ部を組み合わせて構成してもよい。

また、ストッパ部は、コイルバネの個数によって、パイプ２の少なくとも一方の端部に形成してあればよい。このため、コイルバネを１個用いる場合は、ストッパ部は１個で足り、部材の成型が容易となる。

また、コイルバネが配置される側の可動磁石３の端部に磁石端部材を設けてあればよい。可動磁石３の端部には、コイルバネの端部が接触するため、磁石端部材を設ける事によって、磁石の損傷を防ぐことができる。また、磁石端部材とパイプ２の端部とは、コイルバネによって結合されていればよい。さらに、ストッパ部は、パイプ２の両端部に形成されると共に、コイルバネは、可動磁石の両端からパイプ２の可動磁石３の両端からパイプ２の両端部にかけて配置されていればよい。このようにすることで、可動磁石３は、確実に支持され、振動エネルギーが損失することがなく、長時間にわたって振動が継続する。

引用符号の説明

１…振動型電磁発電機、２…パイプ、３…可動磁石、３ａ，３ｂ…磁石、４ａ…第１のソレノイドコイル、４ｂ…第２のソレノイドコイル、４ｃ…第３のソレノイドコイル、５ａ…第１のコイルバネ、５ｂ…第２のコイルバネ、６ａ…第１のストッパ部、６ｂ…第２のストッパ部、７ａ…第１の端部材、７ｂ…第２の端部材、１０ａ…第１のストッパ部の高さ、１０ｂ…最も収縮した第１のコイルバネの高さ、１５…おもり、１６，１７，１８…コイルバネ、３０，４０，５０…振動型電磁発電機

Claims (3)

1. 非磁性材料で形成された中空のパイプと、
   前記パイプの周囲に巻回された少なくとも一つの発電コイルと、
   少なくとも１個の磁石からなり、前記パイプ内に配置された可動磁石と、
   前記パイプの少なくとも一方の端部に固定され、前記可動磁石を前記発電コイルの巻軸方向に振動可能に支持する伸縮可能な弾性体と、
   前記可動磁石の振動を制限するストッパ部と、を備え、
   前記ストッパ部は、前記パイプの少なくとも一方の端部に形成され、
   前記ストッパ部と前記可動磁石が接触する位置は、前記パイプの端部を始点とした場合に、前記弾性体が最も収縮する長さより長い位置である
   振動型電磁発電機。
2. 前記弾性体が配置される側の前記可動磁石の端部に磁石端部材を設けるとともに、
   前記磁石端部材と前記パイプの端部とは、前記弾性体によって結合されている
   請求の範囲第１項記載の振動型電磁発電機。
3. 前記ストッパ部は、前記パイプの両端部に形成されるとともに、
   前記弾性体は、前記可動磁石の両端から前記パイプの両端部にかけて配置されている
   請求の範囲第１項又は２項記載の振動型電磁発電機。

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