WO2011114822A1

WO2011114822A1 - 振動発電機

Info

Publication number: WO2011114822A1
Application number: PCT/JP2011/053003
Authority: WO
Inventors: 竜太飯島; 佳佑西原; 亮也高橋
Original assignee: ブラザー工業株式会社
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2011-09-22
Also published as: JP5327110B2; JP2011199916A

Abstract

可動子の端部から発生する漏洩磁場を低減し、振動発電機が発生する誘導起電力を向上することができる提供する。筒状をなす筐体内に設けられ、非磁性体によって形成される筒状部材と、前記筒状部材に沿って配置されたコイルと、前記筒状部材内にその長手方向に往復移動可能に設けられ、第１永久磁石と前記第１永久磁石と互いに同極が対向するように配置された第２永久磁石とを有する可動子とを備える振動発電機であって、前記筒状部材の長手方向において、前記第２永久磁石は前記第１永久磁石の長さよりも短く形成されると共に、前記筒状部材の長手方向に垂直な短手方向において、前記第１永久磁石に対向する側と反対側の第２永久磁石の端部の長さが、前記第２永久磁石と対向する側の第１永久磁石の端部の長さよりも短く形成される。

Description

振動発電機

　本発明は、第１永久磁石と同極対向に配置された第２永久磁石とを備えた可動子及び振動発電機に関する。

　従来、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置として、構造が比較的簡単な電磁誘導方式の振動発電機が知られている。例えば、図１２に示されるように、従来の振動発電機８０は、外周にコイル８２が配置された非磁性体から成る中空の円筒部材８３と、円筒部材８３の中空内部を、永久磁石から成る可動子８４が往復運動することにより、誘導起電力が発生することを利用するものである（特許文献１参照）。

　このような電磁誘導方式の振動発電機８０は、可動子８４を構成する永久磁石の磁束密度が誘導起電力に比例するため、発電効率の向上を目的として永久磁石に磁力の強いネオジム磁石が好適に用いられている。

実用新案登録第３０２６３９１号公報

　しかしながら、ネオジム磁石のような強力な永久磁石から発生する強い磁場は、永久磁石の移動方向において、振動発電機の外部に大量に漏洩する（図４（Ｂ）参照）。そのため、例えば、磁気記録媒体などの周辺物に悪影響を与えたり、振動発電機を外部機器に組み込んで使用する場合に、接点金具が鉄などの磁性体で構成されていると、永久磁石が接点金具に磁着してしまうおそれがある。

　本発明は、可動子の長手方向の端部から発生する漏洩磁場を低減した可動子及び誘導起電力の高い振動発電機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、第１発明の振動発電機は、筒状をなす筐体内に設けられ、非磁性体によって形成される筒状部材と、前記筒状部材に沿って配置されたコイルと、前記筒状部材内にその長手方向に往復移動可能に設けられ、第１永久磁石と前記第１永久磁石と互いに同極が対向するように配置された第２永久磁石とを有する可動子とを備える振動発電機であって、前記筒状部材の長手方向において、前記第２永久磁石は前記第１永久磁石の長さよりも短く形成されると共に、前記筒状部材の長手方向に垂直な短手方向において、前記第１永久磁石に対向する側と反対側の第２永久磁石の端部の長さが、前記第２永久磁石と対向する側の第１永久磁石の端部の長さよりも短く形成されることを特徴とする。

　第２発明の振動発電機は、上記第１発明の構成に加えて、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石は円柱形状であって、前記第１永久磁石に対向する側と反対側の第２永久磁石の端部の直径が、前記第２永久磁石と対向する側の第１永久磁石の端部の直径よりも小さく形成されることを特徴とする。

　第３発明の振動発電機は、上記第２発明に加えて、前記筒状部材の長手方向における前記第２永久磁石の長さは、前記第１永久磁石の断面半径の９０％以下であって、０より大きい長さであることを特徴とする。

　第４発明の振動発電機は、上記第１ないし第３発明のいずれかににおいて、前記可動子は前記第１永久磁石と前記第２永久磁石を固定する固定部材を有し、前記固定部材は、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石を同一軸線状に固定することを特徴とする。

　第５発明の振動発電機は、上記第１ないし第４発明のいずれかに加えて、前記第２永久磁石の本体部は、前記第１永久磁石に対向する側の端部から反対側の端部に向かってテーパ状に形成されていることを特徴とする。

　第６発明の振動発電機は、上記第１ないし第５発明のいずれかに加えて、前記第１永久磁石の両端部に前記第２永久磁石が配置されていることを特徴とする。

　第７発明の可動子は、第１永久磁石と前記第１永久磁石と互いに同極が対向するように配置された第２永久磁石とを有する可動子であって、前記可動子の長手方向において、前記第２永久磁石は前記第１永久磁石の長さよりも短く形成されると共に、前記可動子の長手方向に垂直な短手方向において、前記第１永久磁石に対向する側と反対側の第２永久磁石の端部の長さが、前記第２永久磁石と対向する側の第１永久磁石の端部の長さよりも短く形成されることを特徴とする。

　請求項１の発明の振動発電機によれば、筒状部材の長手方向において、第２永久磁石は第１永久磁石の長さよりも短く形成されると共に、筒状部材の長手方向に垂直な短手方向において、第１永久磁石に対向する側と反対側の第２永久磁石の端部の長さが、前記第２永久磁石と対向する側の第１永久磁石の端部の長さよりも短く形成されるので、可動子の長手方向の漏洩磁場を低減することができると共に、高い誘導起電力を発生することができる振動発電機を得ることができる。

　請求項２の発明の振動発電機によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、第１永久磁石と第２永久磁石が円柱形状で形成されるので、第１永久磁石に対向する側と反対側の第２永久磁石の端部の直径を、第２永久磁石と対向する側の第１永久磁石の端部の直径よりも小さく形成しやすく、筒状部材に対してその断面形状に近い可動子を作製しやすい。

　請求項３の発明の振動発電機によれば、請求項２に記載の発明の効果に加え、筒状部材の長手方向における第２永久磁石の長さは、第１永久磁石の断面半径の９０％以下であって、０より大きい長さであるので、第１永久磁石と第２永久磁石との同極対向面における磁束密度と第２永久磁石の端部に反対方向の磁束密度が発生しても、より高い誘導起電力を発生することができる振動発電機が得られる。

　請求項４の発明の振動発電機によれば、請求項１ないし３のいずれかに記載の発明の効果に加え、前記可動子は前記第１永久磁石と前記第２永久磁石を固定する固定部材を有し、前記固定部材は、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石を同一軸線状に固定するいずれかの同極対向磁石により得られた同極対向磁石を備える可動子を有するため、可動子の周辺に発生する磁束密度を比較的均一にすることで、安定した誘導起電力を得ることができる。

　請求項５の発明の振動発電機によれば、請求項１ないし４のいずれかに記載の発明の効果に加え、前記第２永久磁石の本体部は、前記第１永久磁石に対向する側の端部から反対側の端部に向かってテーパ状に形成されているため、さらに高い誘導起電力を発生することができる振動発電機が得られる。

　請求項６の発明の振動発電機によれば、請求項１ないし５のいずれかに記載の発明の効果に加え、前記第１永久磁石の両端部に前記第２永久磁石が配置されているため、より効果的に漏洩磁場を低減することができる。

　請求項７の発明の可動子によれば、第１永久磁石と前記第１永久磁石と互いに同極が対向するように配置された第２永久磁石とを有する可動子であって、前記可動子の長手方向において、前記第２永久磁石は前記第１永久磁石の長さよりも短く形成されると共に、前記可動子の長手方向に垂直な短手方向において、前記第１永久磁石に対向する側と反対側の第２永久磁石の端部の長さが、前記第２永久磁石と対向する側の第１永久磁石の端部の長さよりも短く形成されるので、可動子の長手方向の漏洩磁場を低減することができる。

本発明の第１実施形態の振動発電機の断面図である。図１の可動子を拡大した一部破断面を含む拡大断面図である。（Ａ）は図２の３Ａ－３Ａ線、及び（Ｂ）は３Ｂ－３Ｂ線で切断した断面図である。（Ａ）は第１実施形態の振動発電機の磁場シミュレーション結果、（Ｂ）は比較例である従来技術の振動発電機の磁場シミュレーション結果を示す図である。第２永久磁石の移動方向の長さを変化させたときの磁束密度のシミュレーション結果を示す図である。第２永久磁石の移動方向と垂直な方向の長さを変化させたときの磁束密度のシミュレーション結果を示す図である。第２永久磁石を備えたことによる可動子と筒状部材の間の流体シミュレーション結果を示す図である。本発明の第２実施形態の振動発電機の断面図である。図８の可動子を拡大した一部破断面を含む拡大断面図である。第２実施形態の第２永久磁石の移動方向と垂直な方向の長さを変化させたときの磁束密度のシミュレーション結果を示す図である。本発明の第３実施形態の振動発電機の断面図である。従来技術の振動発電機を示す断面図である。

　（第１実施形態について）
　以下に、本発明の好ましい実施形態を示す。まず、本発明の第１実施形態の振動発電機１０を図１ないし図３を用いて説明する。図１に示されるように、振動発電機１０は、筐体１１、筒状部材１９０、筒状部材１９０の外面に巻回されている電磁誘導コイル１２、第１永久磁石１３０と２つの第２永久磁石１４１，１４２を備えた可動子１４とから構成されている。

　筐体１１は円筒形状に形成され、その両端は開放されている。筐体１１の内部には、非磁性体によって形成される筒状部材１９０、電磁誘導コイル１２、可動子１４を備えている。

　筒状部材１９０は円筒形状であり、筐体１１内部に収納されて固定されている。本実施形態では、筒状部材１９０の両端部と筐体１１の両端部を覆うように配置された移動規制部１６１、１６２を介して筐体１１に固定される。

　筐体１１と筒状部材１９０は非磁性体で形成される。例えば、アクリル、ＡＢＳ、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタラート等の樹脂やアルミナやガラス等のセラミック、アルミニウム、真鍮等の金属などで構成される。本実施形態では、例えば筒状部材の外径が９．０ｍｍ、内径が８．２ｍｍ、長さが４０ｍｍ程度である。

　移動規制部１６１，１６２は、筒状部材１９０の内部１８０から可動子１４が抜け出ないように設けられる。移動規制部１６１，１６２としては、例えば平板状の部材が設けられており、アクリル樹脂等にて形成される。これにより、筒状部材１９０の内部１８０は密閉構造とされ、外気と遮断されている。

　このように筒状部材１９０の内部１８０が密閉構造とすることで、例えば、可動子１４を構成する永久磁石としてネオジム磁石を用いた場合、主要構成元素が酸化しやすい鉄であるネオジム磁石の錆びの発生を効果的に防止することができる。錆びが発生すると、永久磁石の磁力が低下する原因となる。

　また、筒状部材１９０の内部１８０に異物が混入しないので、異物による可動子の運動性能が低下することを防止できる。よって、信頼性が高く性能が安定する振動発電機１０を得るためには、筒状部材１９０の内部１８０が密閉構造であることが好ましい。

　なお、本実施形態では、筒状部材１９０と筐体１１は円筒形状であるが、この形状には限定されず、例えば、楕円筒形状、四角筒等その他の多角筒形状であってもよい。

　緩衝部材１７１、１７２は略円柱形状に形成されており、筒状部材１９０内における移動規制部１６１、１６２の内側に設けられている。緩衝部材１７１、１７２は、可動子１４が筒状部材１９０の内部１８０を移動するときに、固定部材２０の端部が移動規制部１６１，１６２に当接して、可動子１４、筒状部材１９０あるいは移動規制部１６１，１６２が破損するのを防止するために設けられている。

　緩衝部材１７１，１７２は、弾性材料により形成されており、その材質の例としては、イソブレンゴム、ニトリルゴム、ブタジエンゴム等が挙げられる。

　電磁誘導コイル１２は、筒状部材１９０の外周面に沿って筒状部材１９０の外周面の長手方向（図１のＸ方向）と直交する方向に巻きつけて固定されている。電磁誘導コイル１２の両端は、図示されない整流部、蓄電部を介して外部配線に接続されている。電磁誘導コイル１２の材質は、銅製のエナメル線等である。

　なお、本実施形態では、図１では電磁誘導コイル１２は筒状部材１９０の一部の外面に巻回されて設けられているが、電磁誘導コイル１２が筒状部材１９０の全周にわたって設けられていたり、複数個所に設けられていたり、内周に沿うように設けられてもよい。ここで、電磁誘導コイル１２は本発明のコイルである。

　可動子１４は、図１に示すように、固定部材２０によって固定された１つの第１永久磁石１３０と、その両端部に同極が対向するように配置された２つの第２永久磁石１４１，１４２とから構成されている。可動子１４は、筒状部材１９０の内部１８０に対して、断面方向の大きさがほぼ同じ大きさで形成されており、筒状部材内部１８０の長手方向（図１のＸ方向）に対して自在に往復移動可能に形成されている。

　可動子１４は本実施形態では円柱形状であるが、この形状には限定されない。ただし、筒状部材内部１８０の空間と同じ断面形状を有することが望ましい。

　可動子１４は本実施形態では、１つの第１永久磁石１３０と２つの第２永久磁石１４１，１４２とから構成され、第１永久磁石１３０の両端部に第２永久磁石１４１、１４２が配置されている。このような構成とすることで、後述のように、第１永久磁石１３０の両端部からの漏洩磁場を低減することができる。

　なお、可動子は第１永久磁石と互いに同極が対向する第２永久磁石を有していれば、第１永久磁石と第２永久磁石の数は特に限定されず、１つの第１永久磁石の端部に１つの第２永久磁石が配置されたり、第１永久磁石と第２永久磁石がそれぞれ２つ以上複数配置されていてもよい。

　第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１，１４２は、その磁化方向が移動方向（図１のＸ方向）と同一方向であり、図２のように、第１永久磁石１３０は貫通孔１３５、第２永久磁石１４１，１４２は貫通孔１５６，１５７を備えた円柱形状に形成されている。第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１，１４２は、筒状部材１９０の内部１８０で往復移動する方向（Ｘ方向）と同一方向に並べて配置される。

　本実施形態では、図２において、第１永久磁石１３０の左端部に第２永久磁石１４１が同極が対向するように着磁された状態で配置され、第１永久磁石１３０の右端部に第２永久磁石１４２が同極が対向するように着磁された状態で配置される。第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１，１４２としては特に限定されないが、高い磁力を示すネオジム磁石が好適に用いられる。

　続いて、第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１，１４２の関係についてさらに詳しく説明する。第１永久磁石１３０は可動子１４を構成する主な永久磁石であり、後述するように、第１永久磁石１３０から発生する磁力線の方向を変化させるために第２永久磁石１４１，１４２が配置されている。なお、本実施形態では、２つの第２永久磁石１４１，１４２は同様の構成であるので、１つの第２永久磁石１４１について説明し、第２永久磁石１４２の説明は省略する。

　筒状部材１９０の長手方向（図１及び図２のＸ方向）において、図２における第２永久磁石１４１の長さＬ２は、第１永久磁石の長さＬ１よりも短く形成される。このように構成することで、後述のように、可動子１４から発生する漏洩磁場を軽減することができる。

　特に、本実施形態では、第２永久磁石１４１の長さＬ２は、第１永久磁石１３０の断面半径の概ね９０％以下の長さに形成されていることが好ましい。なお、第１永久磁石１３０の断面半径とは、図２の直径Ｄ１÷２に相当する。このように構成することで、さらに、後述のように、漏洩磁場を軽減することができる。

　一方、筒状部材１９０の長手方向に垂直な短手方向（図１及び図２のＹ方向）において、図２及び図３に示すように、第１永久磁石１３０に対向する側と反対側の第２永久磁石１４１の端部１４７の直径Ｄ２が、第２永久磁石１４１と対向する側の第１永久磁石１３０の端部１３７の直径Ｄ１よりも短く形成される。

　なお、本実施形態では、第１永久磁石１３０の端部１３７の直径Ｄ１は、本発明の第２永久磁石１４１と対向する側の第１永久磁石１３０の端部１３７の長さに相当し、第２永久磁石１４１の端部１４７の直径Ｄ２は、本発明の第１永久磁石１３０に対向する側と反対側の第２永久磁石１４１の端部１４７の長さに相当する。すなわち、第２永久磁石の直径Ｄ２が、第１永久磁石の直径Ｄ１よりも小さく形成されている。

　また、可動子１４において、第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１が対向して配置される境界部分と、第２永久磁石１４１の端部１４７とでは、後述のように逆方向の磁場が発生している。そのため、上記のように構成することで、境界部分からの磁束成分による起電圧が、第２永久磁石の端部１４７付近の逆方向の磁束成分による逆起電圧により相殺される影響を低減することができ、振動発電機１０はより高い誘導起電力を発生することができる。なお、この効果についてはシミュレーション結果を用いて後述する。

　次に、固定部材２０は、両端部につば状の係止部を有する筒状形状であり、図１ないし図３において、第１永久磁石１３０、第２永久磁石１４１，１４２を同極が対向するように配置固定するために設けられる。

　固定部材２０は第１永久磁石１３０の貫通孔１３５と第２永久磁石１４１，１４２の貫通孔１５６，１５７の内径よりも小さい外径を有しており、第１永久磁石１３０の貫通孔１３５と第２永久磁石１４１，１４２の貫通孔１５６，１５７に挿通されて、第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１，１４２が同心円状になるように固定している。

　第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１，１４２が同一軸線状に固定されることで、図２に示すように、第１永久磁石１３０の端部１３７の外周部から、第２永久磁石１４１の端部１４７の外周部までの距離が全角度に渡って均一になり、可動子１４の端部の外周方向に全体として略均一な磁束密度の分布が得られることが期待できる。固定部材２０は非磁性体で形成されることが好ましく、例えば、オーステナイト系ステンレス材料やアルミ合金材料、真鍮が挙げられる。

　また、固定部材２０を筒状にすることで、可動子１４も貫通孔１９を有する形状となる（図３参照）。本実施形態では筒状部材内部１８０は密閉されているため、貫通孔１９がないと可動子１４と筒状部材１９０はピストン状の弁のようになり、可動子の移動速度は低下し、発電効率が低下することが懸念される。よって、筒状部材内部１９０が密閉構造となっている場合には、高い発電効率を得るために、可動子１４は貫通孔１９を有することが好ましい。

　なお、本実施形態の固定部材２０は、第１永久磁石１３０の貫通孔１３５と第２永久磁石１４１，１４２の貫通孔１５６，１５７に挿入して第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１，１４２を固定しているが、第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１，１４２を、第２永久磁石１４１，１４２の外側から、断面コ字状の固定部材によって押さえ込むようにして嵌め込んで固定してもよい。

　（第１実施形態の動作について）
　ここで、図１を用いて、本実施形態の振動発電機１０の動作を説明する。まず、振動発電機１０を筒状部材１９０の長手方向（図１のＸ方向）に振動させる。振動させたことにより振動発電機１０に加えられた力は、可動子１４に運動エネルギーとして伝達される。可動子１４は筒状部材１９０の内部１８０を長手方向に往復移動し、電磁誘導コイル１２に覆われた空間に出入りする。

　電磁誘導コイル１２内の空間を通過する際に、第１永久磁石１３０及び第２永久磁石１４１，１４２を備えた可動子１４から発生する磁束線が、電磁誘導コイル１２を直交し、その際に誘導起電力としての誘導電流が発生する。可動子１４が電磁誘導コイル１２内の空間への出入りを繰り返すことで、交番電流を発生することができる。

　（可動子１４の磁場シミュレーション結果について）
　次に、図４を用いて、本実施形態の可動子１４の磁場シミュレーション結果について説明する。図４（Ａ）に示すように、本実施形態の可動子１４を構成する第１永久磁石１３０の端部１３７に同極が対向するように配置された第２永久磁石１４１との境界付近０において、第１永久磁石１３０から放射される磁力線と、第２永久磁石１４１から放射される磁力線は、互いに反発し合うため、可動子１４の移動方向であるＸ方向と略垂直方向に曲げられた磁力線Ｌ５となる。

　さらに、第２永久磁石１４１の端部１４７から第１永久磁石１３０と逆方向に放射される磁力線Ｌ６は、第２永久磁石１４１の移動方向の長さＬ２が短いため（図２参照）、第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１が対向する境界付近０の強い磁場に引き寄せられる。そのため、第２永久磁石１４１の端部１４７において、移動方向の磁力線の磁束密度が減少する。これにより、振動発電機１の可動子４の移動方向の漏洩磁場が低減される。

　一方、１つの永久磁石７００のみから構成される従来技術の可動子の場合、図４（Ｂ）に示すように、永久磁石７００の端部から放射される磁力線Ｌ７は移動方向に拡がり、可動子から比較的多量の漏洩磁場が発生している。

　（第２永久磁石の長さＬ２を変化させたときの磁束密度のシミュレーション結果について）
　続いて、図５を用いて、本実施形態の第２永久磁石１４１の長さＬ２を変化させたときの磁束密度のシミュレーション結果について説明する。なお、この磁束密度は、図４（Ａ）の第１永久磁石１３０の端面１３８からＹ方向へ５ｍｍ離れた位置において、第２永久磁石の長さＬ２（図２参照）を第１永久磁石の断面半径（Ｄ１÷２）に対して変化させた場合の磁束密度を示している。図５において、横軸の０％は第１永久磁石１３０のみで可動子１４を構成した場合についてであり、このときの漏洩磁場の磁束密度を縦軸で１００％として、その他の場合を相対的な数値で示している。

　図２及び図５に示されるように、第２永久磁石１４１の長さＬ２が、第１永久磁石１３０の半径の長さ（Ｄ１÷２）の９０％程度以下の長さであって０より大きいときに、漏洩磁場の磁束密度が１００％より小さくなって低減されており、可動子１４の漏洩磁場防止に効果がある。そのため、移動方向（Ｘ方向）における第２永久磁石の長さＬ２は、第１永久磁石の断面半径の長さ（Ｄ１÷２）の９０％程度以下の長さであることが好ましい。

　さらに、第２永久磁石１４１の長さＬ２が第１永久磁石１３０の断面半径の長さ（Ｄ１÷２）の５０～６０％付近の長さにおいて、漏洩磁場の磁束密度が約２０％程度であり、極めて小さい値を示している。そのため、移動方向（Ｘ方向）における第２永久磁石１４１の長さＬ２は、第１永久磁石１３０の断面半径の長さ（Ｄ１÷２）の５０～６０％であることがさらに好ましい。なお、第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１の長さが相対的に大きく異なる場合であっても、同様の結果を示す。

　（第２永久磁石の直径Ｄ２を変化させたときの磁束密度のシミュレーション結果について）
　図６を用いて、本実施形態の第２永久磁石１４１の直径Ｄ２を変化させたときの磁束密度のシミュレーション結果について説明する。図６において、縦軸の磁束密度は、図２の可動子１４からＹ方向に外側に向けて発生している磁場で電磁誘導コイル１２面での磁束密度を正の値とし、その逆側に発生している磁場の磁束密度を負とする。また、横軸における数値は、第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１が対向している同極対向面の位置を０とし、目盛りの「１」～「５」の数値はＸ方向の同極対向面から第２永久磁石１４１に向かう方向への距離（ｍｍ）を示している。

　また、図６中において、第１永久磁石１３０の直径Ｄ１に対する第２永久磁石の直径Ｄ２の比率が１００％、９５％、８０％の場合について、磁束密度のシミュレーション結果をプロットしている。比較として、従来のような永久磁石が１つの場合のシミュレーション結果もプロットしている。

　ここで、第１永久磁石１３０の直径Ｄ１に対する第２永久磁石の直径Ｄ２の比率が９５％のときの磁束密度を例に挙げて説明すると、図２に示す第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１が対向する同極対向面の位置（図６の横軸の目盛りは「０」）付近の磁束密度は、図６の右下斜線で囲まれた領域Ａのように正の値を示している。

　一方、図２の同極対向面の位置（図６の横軸の目盛りは「０」）から第２永久磁石１４１の端部１４７側に近づくと、左下斜線で囲まれた領域Ｂのように、磁束密度は負の値を示している。このことは、第１永久磁石１３０と第２永久磁石１４１の同極対向面付近と、第２永久磁石の端部１４７付近では逆極性の誘起電力が発生していることを示している。

　図６の結果は、第２永久磁石１４１の端部１４７の直径Ｄ２を小さくすると、電磁誘導コイル１２までの距離が増加して（図１及び図２参照）、負の磁束密度成分が減少することを示している。最も磁束密度が高く、起電力の大半を誘導する同極対向面の位置付近の磁束密度成分に対して、負の磁束密度成分は逆方向の起電圧を発生するため、低減することが望ましい。第２永久磁石１４１の端部１４７の直径Ｄ２を小さくしすぎると、正の値の磁束密度も小さくなるため（図６の領域Ａに相当）、全体の磁束密度として低下してしまう場合がある。本実施形態では第２永久磁石１４１の端部１４７の直径Ｄ２が、第１永久磁石の端部１３７の直径Ｄ１に対して９５％程度のときに、可動子が発生する磁束密度の値が相対的に高くなり、それに比例して振動発電機１０に発生する誘導起電力も高い値が得られる。

　（可動子と筒状部材の間の摩擦低減効果について）
　図７を用いて、本実施形態の第２永久磁石１４１を備えたことによる可動子１４と筒状部材１９０の間の流体シミュレーション結果について説明する。図７の横軸は第１永久磁石１３０の端部１３７の直径Ｄ１に対する第２永久磁石１４１の端部１４７の直径Ｄ２の比率（％）であり、縦軸は図１の可動子１４と第１永久磁石１３０の間の第１永久磁石１３０の周辺領域の動圧力（％）を示している。

　なお、この動圧力は第１永久磁石１３０の直径Ｄ１と第２永久磁石の直径Ｄ２の比が同じであって、横軸の目盛りが１００のときの動圧力を１００％とし、その他の場合を相対的な数値で示している。

　図７に示すように、第１永久磁石１３０の直径Ｄ１と第２永久磁石の直径Ｄ２が同じであるとき（横軸が１００％のとき）と比較して、第１永久磁石１３０の直径Ｄ１に対して、第２永久磁石１４１の直径Ｄ２の比が９５％のときは、第１永久磁石１３０外面の周辺領域の動圧力の圧力が２０％以上上昇する。

　これは本実施形態の振動発電機１０を重力に対して、垂直方向に振動させた場合、可動子１４の移動速度の増加と共に、可動子４に揚力が加わることを意味している。

　すなわち、これにより、可動子１４と筒状部材１９０の内部１８０の摩擦を低減することができ、発電効率の改善と振動発電機１０が長寿命化することが可能になる。なお、この効果は筒状部材１９０の内部１８０が密閉構造であることが前提条件である。

　例えば、図１において、移動規制部１６１及び緩衝材１７１に図示しない貫通孔を設けて筒状部材１９０の内側の空気を外部に開放した場合、可動子１４の移動により、可動子１４によって押し出された筒状部材１９０の内部１８０の空気が、貫通孔を通して筒状部材１９０の外部に押し出されて、可動子１４と筒状部材１９０の間の空間に送り込まれる流体の運動量も減少する。そのため、可動子１４に加わる揚力も減少して、可動子１４と筒状部材１９０の間の摩擦力が増加することにより、振動発電機の信頼性が減少することが懸念される。

　（第２実施形態について）
　続いて、第２実施形態の振動発電機１０Ａについて、図８及び図９を用いて説明する。第２実施形態の振動発電機１０Ａは、第１実施形態の振動発電機１０とは、可動子１４を可動子１４Ａに置き換えた点で異なる。なお、図８及び図９において、図１及び図２と同じ符号のものは同じ構成を示すものとして、その説明を省略する。

　可動子１４Ａは、第１実施形態の第１永久磁石１３０と、その両端部に第２永久磁石１５１，１５２を同極対向になるように配置されている。

　第２永久磁石１５１は、図９に示すように、本体部が第１永久磁石１３０に対向する側の端部１５８から反対側の端部１５７に向かってテーパ形状に形成されている。なお、第２永久磁石１５１と第２永久磁石１５２は同様の構成であるので、第２永久磁石１５２の説明は省略する。

　このように、第２永久磁石１５１，１５２を形成することで、図１のように、筒状部材１９０の内部１８０が移動規制部１６１，１６２に塞がれて密閉状態になっている場合には、可動子１４Ａが受ける空気抵抗を低減することができる。また、以下に説明するように、より高い磁束密度を得ることにより、それに比例して高い誘導起電力を得ることができる。

　（第２実施形態の第２永久磁石の直径Ｄ３を変化させたときの磁束密度のシミュレーション結果について）
　図１０を用いて、本実施形態の第２永久磁石１５１の端部１５８から端部１５７にかけて本体部に形成されたテーパの角度Ｍを変化させたときの磁束密度のシミュレーション結果について説明する。なお、この角度Ｍは、図９において、第１永久磁石１３０の端部１３７のＸ方向の延長線と、第２永久磁石１５１の端部１５８から端部１５７に形成されるテーパ面とで形成される角度である。

　図１０において、縦軸の磁束密度は、図９の可動子１４ＡからＹ方向に外側に向けて発生している磁場の電磁誘導コイル１２面での磁束密度を正の値とし、その逆側に発生している磁場の磁束密度を負とする。また、横軸における数値は、第１永久磁石１３０と第２永久磁石１５１が対向している同極対向面の位置を０とし、目盛りの「１」～「５」の数値は同極対向面からのＸ方向への距離（ｍｍ）を示している。

　また、図１０中において、第２永久磁石１５１のテーパの角度Ｍが０°、１２°、２７°の場合について、磁束密度のシミュレーション結果をプロットしている。比較として、従来のような永久磁石が１つの場合のシミュレーション結果もプロットしている。
ここで、第２永久磁石１５１の角度Ｍが１２°のときの磁束密度を例に挙げて説明すると、図９に示す第１永久磁石１３０と第２永久磁石１５１が対向する同極対向面の位置（図１０の横軸の目盛りは「０」）付近の磁束密度は、図１０の右下斜線で囲まれた領域Ｓのように正の値を示している。

　一方、図２の同極対向面の位置（図１０の横軸の目盛りは「０」）から第２永久磁石１５１の端部１５７側に近づくと、図１０の左下斜線で囲まれた領域Ｔのように磁束密度は負の値を示している。これは、第１実施形態で説明したのと同様に、第１永久磁石１３０と第２永久磁石１５１の同極対向面付近と、第２永久磁石１５１の端部１５７付近では逆極性の誘起電力が発生していることを示している。

　この場合において、第２永久磁石１５１の端部１５８から端部１５７に向かってテーパ形状にすることで、第２の永久磁石１５１の端部１５７からコイル１２までの距離が増加して（図９参照）、負の磁束密度成分が減少する。

　第１実施形態と異なるのは、第２永久磁石１５１の第１永久磁石１３０に近い側の端部１５８の長さが、第１永久磁石１３０端部１３７の直径Ｄ１と同じ長さであることである。そのため、第１実施形態と比較して、テーパ角度Ｍが増加しても、原点付近の磁束密度の低下が少ないことから、それに比例して振動発電機として発生する誘起電力が相対的に大きくなる。本実施形態では、∠Ｍが１２°付近で可動子が発生する磁束密度の値が最適となり、それに伴い得られる誘起電力も高い値が得られた。

　（第３実施形態について）
　次に、図１１に示す第３実施形態の振動発電機１０Ｂを用いて、その構成と使用方法を説明する。この振動発電機１０Ｂは乾電池形状であり、テレビのリモコン、懐中電灯などの図示しない外部機器の電池収容ケースに収納されて、乾電池の代用品として使用される。図１１中において、図１ないし図３と符号が同じものは同じ構成であるものとしてその説明を省略する。

　外部電極は、プラス電極２１とマイナス電極２２を有しており、図示しない外部機器に設けられた電池収容ケースの正負接点金具に接続される。振動発電機１０Ｂで発生した電力を外部機器に出力可能に構成されている。

　筐体１１Ａは、規格型乾電池と同様の形状を有しており、筒状部材１９０と下記回路ユニット３０をその内部に固定して備えている。筒状部材１９０の両端部は筐体１１Ａと壁部２１０に覆われるように密閉固定され、壁部２１０の反対側に回路ユニット３０が固定されている。

　回路ユニット３０は、図示しない整流回路、蓄電回路、定電圧回路を有し、これらの回路はプリント基板上に配置されている。なお、例えば、整流回路にはショットキーバリアダイオードから成るダイオードブリッジ、蓄電回路には電気二重層コンデンサ、定電圧回路には定電圧ダイオード等が用いられる。

　続いて、第３実施形態による振動発電機１０Ａの使用方法を説明する。まず、ユーザは振動発電機１０Ｂが組み込まれた外部機器を振る。これにより、前述のように誘導電流としての交流電流が発生する。

　交流電流はブリッジダイオードで整流され、整流された電圧が蓄電部で所定の電圧まで蓄電される。ユーザが外部機器を動作させるためのスイッチを入力することにより、蓄電部の電力が外部機器へ出力される。

　なお、このように振動発電機１０Ｂを使用する場合、外部機器の電池収納ケースの正負接点金具には、鉄系の材料が用いられることが多い。そのため、可動子１４から磁場が漏洩していると、電池収容ケースの正負接点金具に磁着してしまい、筒状部材１９０の内部１８０で可動子１４がスムーズに往復移動できなくなる。

　本発明の可動子１４を用いることで、その端部から漏洩する磁場が軽減される。すなわち、その移動方向において（図１１のＸ方向）、磁気シールドされているので、筒状部材１９０の内部１８０をスムーズに可動子１４が往復移動できる。

　加えて、振動発電機１０Ｂを外部機器に組み込む前に振って、回路ユニット３０の蓄電部に電力を蓄電した後に、外部機器に振動発電機１０Ｂを組み込んで使用してもよい。

　なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えてもよい。

　例えば、本実施形態の振動発電機は、コイルが捲回され、可動子が内部を往復移動する筒状部材を密閉にすることで成し得ているが、本発明の技術的思想はこれに限定されることなく、筒状部材とコイルを覆う筐体により、密閉が成されても良い。

　また、本実施形態において、さらに強磁性体からなるリング状の磁気ヨークを永久磁石間に配置させても良い。この場合、磁気ヨークの断面形状は永久磁石と略同一であることが望ましい。その他、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

　１０，１０Ａ，１０Ｂ　　振動発電機
　１１，１１Ａ　　筐体
　１２　　電磁誘導コイル（コイル）
　１４，１４Ａ　　可動子
　１３０　　第１永久磁石
　１４１，１４２，１５１，１５２　　第２永久磁石
　１４７　　端部
　１９０　　筒状部材

Claims

　筒状をなす筐体内に設けられ、非磁性体によって形成される筒状部材と、
　前記筒状部材に沿って配置されたコイルと、
　前記筒状部材内にその長手方向に往復移動可能に設けられ、第１永久磁石と前記第１永久磁石と互いに同極が対向するように配置された第２永久磁石とを有する可動子とを備える振動発電機であって、
　前記筒状部材の長手方向において、前記第２永久磁石は前記第１永久磁石の長さよりも短く形成されると共に、
　前記筒状部材の長手方向に垂直な短手方向において、前記第１永久磁石に対向する側と反対側の第２永久磁石の端部の長さが、前記第２永久磁石と対向する側の第１永久磁石の端部の長さよりも短く形成されることを特徴とする振動発電機。
　前記第１永久磁石と前記第２永久磁石は円柱形状であって、
　前記第１永久磁石に対向する側と反対側の第２永久磁石の端部の直径が、前記第２永久磁石と対向する側の第１永久磁石の端部の直径よりも小さく形成されることを特徴とする請求項１に記載の振動発電機。
　前記筒状部材の長手方向における前記第２永久磁石の長さは、前記第１永久磁石の断面半径の９０％以下であって、０より大きい長さであることを特徴とする請求項２に記載の振動発電機。
　前記可動子は前記第１永久磁石と前記第２永久磁石を固定する固定部材を有し、前記固定部材は、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石を同一軸線状に固定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の振動発電機。
　前記第２永久磁石の本体部は、前記第１永久磁石に対向する側の端部から反対側の端部に向かってテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の振動発電機。
　前記第１永久磁石の両端部に前記第２永久磁石が配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の振動発電機。
　第１永久磁石と前記第１永久磁石と互いに同極が対向するように配置された第２永久磁石とを有する可動子であって、
　前記可動子の長手方向において、前記第２永久磁石は前記第１永久磁石の長さよりも短く形成されると共に、
　前記可動子の長手方向に垂直な短手方向において、前記第１永久磁石に対向する側と反対側の第２永久磁石の端部の長さが、前記第２永久磁石と対向する側の第１永久磁石の端部の長さよりも短く形成されることを特徴とする可動子。