JPWO2015140958A1 - 振動発電機 - Google Patents

Abstract

所望の発電効率を得ることができる周波数範囲を、従来よりも広帯域化することのできる振動発電機を得る。永久磁石と、永久磁石の外周に固定配置されるコイルと、永久磁石の軸方向の両端部にガイド棒を介して設けられた２つの磁気バネ部と、２つの磁気バネ部のそれぞれの磁石間距離を調整可能な調整機構部と、ガイド棒に接続され、永久磁石およびガイド棒の横揺れを抑制する２つの板バネとを備え、永久磁石およびガイド棒で構成される可動部を複数有し、それぞれの可動部を軸方向に沿って連結する連結バネ部をさらに備え、複数の可動部のそれぞれは、連結バネ部の選定、および調整機構部による２つの磁気バネ部の磁極間距離の調整により、共振周波数が個別設定される。

Description

本発明は、板バネを用いた振動発電機に関し、特に、所望の発電効率を得ることができる周波数範囲を、従来よりも広帯域化することができる構成を備えた電磁誘導型の振動発電機に関するものである。

導電性コイルの中を通過するように磁石を振動させると、コイルに誘導電流が生じ、起電力が発生する。この原理を利用したものとして、板バネを用いた電磁誘導型の振動発電機がある。このような振動発電機は、外部環境の振動エネルギーに基づいて、電気エネルギーを発生させることが可能である。

さらに、振動発電機を用いることで、電源ケーブルや電池による電源供給を不要とした上で、電気エネルギーを発生できる。このような観点で、経済的な利点または操作上の利点が見込まれる多くの用途で、振動発電機が活用されることが期待される。そして、板バネを用いた振動発電機の従来技術としては、エネルギー効率の改善を図ったものがある（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１０−５２５７７９号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
板バネを用いた従来の電磁誘導型の振動発電機では、共振周波数の調整機構がない、あるいは、調整機構があったとしても、機械的にバネに応力を加えて調整するものとなっている。このため、自在に共振周波数の調整をすることができず、用途に応じた所望の共振周波数に調整する（合わせ込む）ことが困難であった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、所望の発電効率を得ることができる周波数範囲を、従来よりも広帯域化することのできる振動発電機を得ることを目的とする。

本発明に係る振動発電機は、円柱あるいは円筒形で構成された永久磁石と、永久磁石の外周に、間隔を有して固定配置されるコイルと、永久磁石の軸方向の両端部にガイド棒を介して設けられ、それぞれが一対の磁石として構成される２つの磁気バネ部と、２つの磁気バネ部のそれぞれにおける一対の磁石の磁石間距離を調整可能な調整機構部と、永久磁石の軸方向の両端部に設けられたガイド棒にそれぞれ接続され、永久磁石およびガイド棒からなる可動部が、軸方向と直交する平面内で横揺れすることを抑制する２つの板バネとを備え、永久磁石が軸方向に振動することによる、永久磁石とコイルとの相対運動によって発電する振動発電機であって、永久磁石およびガイド棒で構成される可動部を複数有し、それぞれの可動部を、伸縮可能なバネ材により軸方向に沿って連結する連結バネ部をさらに備え、複数の可動部のそれぞれは、連結バネ部の選定、および調整機構部による２つの磁気バネ部の磁極間距離の調整により、共振周波数が個別設定されるものである。

本発明によれば、板バネを用いた振動発電機において、可動部を、磁気バネまたは巻バネで連結された複数の可動部として構成するとともに、連結された可動部の振動方向の両端部に、ギャップ長を調整可能な磁気バネ部を備え、非接触で複数の可動部の共振周波数を個別に変更可能な機構を有することにより、所望の発電効率を得ることができる周波数範囲を、従来よりも広帯域化することのできる振動発電機を得ることができる。

本発明の実施の形態１における振動発電機の構造を説明するための概略断面図である。 ２つの可動部を固定で連結した場合の模式図である。 図２の構成の振動発電機による出力電圧の周波数特性を示す図である。 本発明の実施の形態１における振動発電機において、２つの可動部をバネで連結した場合の模式図である。 本発明の実施の形態１において、２つの可動部を連結バネ部５ｃを介して連結した際の、出力電圧の周波数特性を示す図である。 本発明の実施の形態１において、２つの可動部を連結バネ部５ｃを介して連結した際の、出力電圧の周波数特性を示す図である。 本発明の実施の形態１における振動発電機の周波数調整方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１における板バネの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１における磁気バネ部の磁石間距離の調整により周波数を変更した場合の、出力電圧の周波数特性を示す図である。

本発明は、板バネを用いた振動発電機において、可動部が、磁気バネまたは巻バネで連結された複数の可動部として構成され（第１の特徴）、連結された可動部の振動方向の両端部に、ギャップ長を調整可能な磁気バネ部を設けたこと（第２の特徴）を技術的特徴としている。このような構成を備えることで、非接触で複数の可動部の共振周波数を個別に設定変更することで、所望の発電効率を得ることができる周波数範囲を、従来よりも広帯域化することができるという、優れた効果を得ることができる。

そこで、このような技術的特徴を備えた本発明の振動発電機の好適な実施の形態につき、以下に、図面を用いて詳細に説明する。

実施の形態１．
まず始めに、第２の特徴である「可動部の振動方向の両端部に、ギャップ長を調整可能な磁気バネ部を設けたこと」について、可動部が１つの場合を例に説明する。

図７は、振動発電機の基本構造を説明するための概略断面図である。図７に示した振動発電機は、永久磁石１ａ、１ｂ、コイル２、板バネ３ａ、３ｂ、ガイド棒４ａ、４ｂ、磁気バネ部５ａ、５ｂ、フレーム１０、天板１１、磁石取付け用上板１２、中板１３、磁石取付け用下板１４、底板１５、および周波数調整機構部１６を備えて構成されている。

図７においては、円柱あるいは円筒形をした永久磁石（以下磁石）１ａ、１ｂが、同極を対向して配置されている。さらに、磁石１ａ、１ｂの周りを、コイル２が囲む構成となっている。ここで、コイル２は、中板１３に固定されており、コイル２の中に配置された磁石１ａ、１ｂが振動することで、電気エネルギーが発生することとなる。

さらに、磁石１ａは、ガイド棒４ａを介して磁気バネ部５ａと接続され、ガイド棒４ａの中間部分は、板バネ３ａにより保持されている。同様に、磁石１ｂは、ガイド棒４ｂを介して磁気バネ部５ｂと接続され、ガイド棒４ｂの中間部分は、板バネ３ｂにより保持されている。

ここで、板バネ３ａ、３ｂの構造について、図面を用いて説明する。図８は、板バネ３ａ、３ｂの構成を示す図である。図８に示した板バネ３ａ、３ｂは、円形状のバネ部材に対して、渦巻き状の複数のスリットＳ、中心部の穴Ｈ１、および外周部の複数の穴Ｈ２が形成されている。

中心部の穴Ｈ１は、図７に示したガイド棒４ａ、４ｂとの接続部に相当し、外周部の複数の穴Ｈ２は、図７に示したフレーム１０との接続部に相当する。また、渦巻き状の複数のスリットＳは、可動部であるガイド棒４ａ、４ｂの横揺れを抑制する働きを有している。すなわち、図７において、磁石１ａ、１ｂは、外部環境の振動エネルギーにより、図７の紙面上の上下方向には振動するが、上下方向と直交する横揺れに関しては、スリットＳの働きにより抑制されることとなる。

次に、図７に戻って、本願の技術的特徴の１つである磁気バネ部５ａ、５ｂ、および周波数調整機構部１６について、説明する。磁気バネ部５ａ、５ｂは、磁石１ａ、１ｂの振動方向（図７の紙面上の上下方向）の両端に設けられている。より具体的には、磁気バネ部５ａ、５ｂのそれぞれは、同極が対向して配置された一対の磁石で構成されている。

磁気バネ部５ａを構成する一対の磁石のうち、一方は、ガイド棒４ａの端部に接続され、他方は、磁石取付け用上板１２に固定されている。同様に、磁気バネ部５ｂを構成する一対の磁石のうち、一方は、ガイド棒４ｂの端部に接続され、他方は、磁石取付け用下板１４に固定されている。

また、周波数調整機構部１６は、回転可能な軸を有し、磁石取付け用上板１２および磁石取付け用下板１４に接続されるとともに、天板１１と底板１５の間で固定されている。そして、周波数調整機構部１６に設けられた回転可能な軸は、回転に対して、上下に配置された磁石取付け用上板１２と磁石取付け用下板１４が反転動作を行うように、ねじを切る方向が逆となっている。

この結果、回転可能な軸を一方の方向に回すことで、磁気バネ部５ａ、５ｂのギャップ長をともに狭める方向に調整でき、逆に、回転可能な軸を逆の方向に回すことで、磁気バネ部５ａ、５ｂのギャップ長をともに広げる方向に調整できる。すなわち、周波数調整機構部１６により、磁気バネ部５ａ、５ｂのギャップ長（磁石間距離）を同時に、同じ方向（狭める方向、あるいは広げる方向）に調整することができる。

次に、磁石間距離の調整による効果について説明する。周波数調整機構部１６により、磁気バネ部５ａ、５ｂの磁石間距離を調整した際に、磁石間距離が狭くなった場合には、バネ定数が大きくなり、周波数が高くなる。一方、磁石間距離が広くなった場合には、バネ定数が小さくなり、周波数が低くなる。従って、磁気バネ部５ａ、５ｂの磁極間距離を調整することで、振動発電機の共振周波数を調整することが可能となる。

図９は、図７の基本構造を有する振動発電機の磁気バネ部５ａ，５ｂの磁石間距離の調整により周波数を変更した場合の、出力電圧の周波数特性を示す図である。図９に示すように、基本構造を有する振動発電機の出力電圧は、共振周波数において最大となるような山形の周波数特性を有している。すなわち、振動発電機では、バネ定数と可動部質量によって決まる共振周波数で共振させることで、発電効率を高めることができる。

そこで、磁気バネ部５ａ，５ｂの磁石間距離を調整して、振動発電機が使用される環境の振動源の固有振動に合うように、振動発電機の共振周波数を容易に変更することで、環境に応じて、より大きな電圧値を出力できる振動発電機を得ることが可能となる。

さらに、図７における周波数調整機構部１６は、磁気バネ部５ａ，５ｂの磁石間距離の調整により、非接触により周波数調整を行うことができる。この結果、共振周波数を調整することによる機構上の損失のおそれがなく、耐久性が高く、長寿命の振動発電機が実現できる。

さらに、周波数調整機構部１６による磁石間距離の調整は、軸方向両端のバネ定数を同時に、同じ状態で変更することが可能である。この結果、磁気バネ部５ａ、５ｂのバネ定数がアンバランスとなることで、可動部の磁石、板バネが偏ることを避けることができる。

さらに、磁気バネ部５ａ、５ｂは、磁石間距離が小さくなるに従って反発力が大きくなる。この結果、可動部の両端に磁気バネ部５ａ、５ｂを設けた構成を採用することで、大きな加速度が加わった際にも、可動部が振れ過ぎてバネが破損するといったことを防止でき、かつ、大きな加速度が加わった際の振れ止めの効果を実現できる。

ただし、図７に示した基本構造は、振動する可動部が、磁石１ａ、１ｂによる１つで構成されている。従って、共振周波数を調整することで、発電効率を高めることはできるが、振動発電機が使用される環境の振動源の固有振動が変化した場合には、周波数が、共振周波数からずれてしまい、先の図９に示したように、出力電圧が極端に低下してしまうという問題がある。

この問題に対して、本発明では、上述したように、「可動部が、磁気バネまたは巻バネで連結された複数の可動部として構成されている」という第１の特徴を備えることで、解決を図っている。そこで、「複数の可動部」に関する具体的な構成および効果について、以下に、詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における振動発電機の構造を説明するための概略断面図である。図１に示した本実施の形態１における振動発電機は、永久磁石１ａ（１）、１ｂ（１）、１ａ（２）、１ｂ（２）、コイル２（１）、２（２）、板バネ３ａ、３ｂ、３ｃ（１）、３ｃ（２）、ガイド棒４ａ（１）、４ｂ（１）、４ａ（２）、４ｂ（２）、磁気バネ部５ａ、５ｂ、連結バネ部５ｃ、フレーム１０、天板１１、磁石取付け用上板１２、中板１３（１）、１３（２）、磁石取付け用下板１４、底板１５、および周波数調整機構部１６を備えて構成されている。

先の図７では、可動部が１段として構成されていたが、図１では、可動部が２段として構成されており、１段目の構成には添字「（１）」を付しており、２段目の構成には添字「（２）」を付して、区別している。すなわち、図１の構成においては、永久磁石１ａ、１ｂとガイド棒４ａ、４ｂからなる可動部、およびコイルが、２段構成となっている点が、先の図７の構成とは異なっている。

基本的な動作は、先の図７の構成による動作と同じであるが、可動部を２段としたことにより、２段の可動部を連結するための連結バネ部５ｃを設けている点が異なっており、この連結バネ部５ｃの動作を中心に、以下に説明する。

図１においては、可動部を２段としたことで、それぞれの可動部を連結バネ部５ｃにより接続している。ここで、連結バネ部５ｃとしては、磁気バネ部５ａ、５ｂと同様に、一対の磁石により構成することができるが、一般の巻バネを用いることもできる。このようにして、本実施の形態１では、複数の可動部が固定で連結されているのではなく、伸縮可能なバネ（磁気バネあるいは巻バネ）を介して連結されている。

そこで、バネを介して複数の可動部を連絡した場合に得られる優れた効果について、複数の可動部を固定で連結した場合と対比しながら、図面を用いて、詳細に説明する。なお、以下の説明では、説明を簡略化するために、複数の可動部が２つである場合を具体例として挙げている。

図２は、２つの可動部を固定で連結した場合の模式図である。図２における各符号は、以下の内容を示している。
Ｋ１：１段目の可動部のバネ定数
Ｃ１：１段目の可動部の減衰係数
Ｍ１：１段目の可動部の質量
Ｋ２：２段目の可動部のバネ定数
Ｃ２：２段目の可動部の減衰係数
Ｍ２：２段目の可動部の質量

図２に示すように、複数の可動部が固定で連結されている場合には、１つに連結された可動部と見なすことができ、共振周波数は、Ｋ１＋Ｋ２、Ｃ１＋Ｃ２、Ｍ１＋Ｍ２により決定される１つの周波数となる。図３は、図２の構成の振動発電機による出力電圧の周波数特性を示す図である。この図３に示すように、出力電圧の周波数特性は、図２の構成の振動発電機では広帯域化を実現することはできない。

一方、図４は、本発明の実施の形態１における振動発電機において、２つの可動部をバネで連結した場合の模式図である。図４における各符号は、以下の内容を示している。
Ｋ１：１段目の可動部のバネ定数
Ｃ１：１段目の可動部の減衰係数
Ｍ１：１段目の可動部の質量
Ｋ２：２段目の可動部のバネ定数
Ｃ２：２段目の可動部の減衰係数
Ｍ２：２段目の可動部の質量
Ｋ３：連結バネ部５ｃの働きによるバネ定数
Ｃ３：連結バネ部５ｃの働きによる減衰係数

図４に示すように、複数の可動部が連結バネ部５ｃを介して連結されている場合には、全体としては、１段目の可動部と２段目の可動部の個々の固有振動数の特性を合成したような応答特性となる。すなわち、複数の可動部は、連結バネ部５ｃで結合されているので、それぞれの可動部は、他の可動部の共振周波数でも加振され、発電することができる形となる。

図５、図６は、本発明の実施の形態１において、２つの可動部を連結バネ部５ｃを介して連結した際の、出力電圧の周波数特性を示す図である。図５と図６では、１段目の可動部と２段目の可動部のそれぞれについて調整した個別の共振周波数が異なっており、以下のような具体例としての特性を示している。
図５の条件：１段目の可動部の共振周波数 ２１．５Ｈｚ
２段目の可動部の共振周波数 ２７．３Ｈｚ
図６の条件：１段目の可動部の共振周波数 １９．５Ｈｚ
２段目の可動部の共振周波数 ２５．５Ｈｚ

図３と図５、図６とを比較すると、たとえば、６ｍＷ以上の出力が得られるのは図３では１８Ｈｚから２５Ｈｚの間の約７Ｈｚであるのに対し、図５では、１６Ｈｚから３０Ｈｚの間の約１４Ｈｚ、図６では、１５Ｈｚから２８Ｈｚの間の約１３Ｈｚと広帯域化が実現できている。このように、複数の可動部が連結バネ部５ｃを介して連結されている図１の構成を採用することにより、所望の発電効率を得ることができる周波数範囲を、従来よりも広帯域化できることがわかる。すなわち、それぞれが異なる共振周波数に設定された複数の可動部を組み合わせることで、広帯域化が実現できる。

この結果、色々な周波数の振動源に対応可能な振動発電機が実現できる。さらに、振動源に複数の周波数の振動が混在した場合にも、所望の出力電圧を発電することが可能な振動発電機が実現できる。

以上のように、実施の形態１によれば、板バネを用いた振動発電機として、振動方向の両端部に、ギャップ長を調整可能な磁気バネ部を備えた構成とともに、複数の可動部をバネで連結する構成を実現している。この結果、用途に応じた所望の共振周波数を得るために、複数の可動部の共振周波数を個別設定して、所望の発電効率を得ることができる周波数範囲を広帯域化することができる。従って、振動源の固有振動が変動するような環境においても、出力電圧が極端に低下してしまうことを抑制でき、振動発電機の適用範囲を広げることが可能となる。

なお、本発明の振動発電機の具体的な構成について、図１を用いて説明したが、本発明は、この構成に限定されるものではない。上述した第１の特徴と第２の特徴を兼ね備えた構成が実現できれば、同様の優れた効果を得ることができる。

Claims (2)

1. 円柱あるいは円筒形で構成された永久磁石と、
   前記永久磁石の外周に、間隔を有して固定配置されるコイルと、
   前記永久磁石の前記軸方向の両端部にガイド棒を介して設けられ、それぞれが一対の磁石として構成される２つの磁気バネ部と、
   前記２つの磁気バネ部のそれぞれにおける前記一対の磁石の磁石間距離を調整可能な調整機構部と、
   前記永久磁石の前記軸方向の両端部に設けられた前記ガイド棒にそれぞれ接続され、前記永久磁石および前記ガイド棒からなる可動部が、前記軸方向と直交する平面内で横揺れすることを抑制する２つの板バネと
   を備え、前記永久磁石が軸方向に振動することによる、前記永久磁石と前記コイルとの相対運動によって発電する振動発電機であって、
   前記永久磁石および前記ガイド棒で構成される前記可動部を複数有し、
   それぞれの可動部を、伸縮可能なバネ材により前記軸方向に沿って連結する連結バネ部
   をさらに備え、
   複数の可動部のそれぞれは、前記連結バネ部の選定、および前記調整機構部による前記２つの磁気バネ部の磁極間距離の調整により、共振周波数が個別設定される
   振動発電機。
2. 請求項１に記載の振動発電機において、
   前記連結バネ部は、一対の磁石として構成される磁気バネ部である
   振動発電機。

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