JPWO2009057348A1 - 振動型電磁発電機 - Google Patents
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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。
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。
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fr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。
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fr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。
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fr1は、次式(1)で与えられる。
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fr1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fr1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。
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fr2は、次式(2)で与えられる。
式(2)より、共振周波数fr2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。
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。
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fr1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、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。
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)
- 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。 - 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。 - 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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