WO2012002109A1

WO2012002109A1 - 振動発電機

Info

Publication number: WO2012002109A1
Application number: PCT/JP2011/062930
Authority: WO
Inventors: 亮也高橋; 飯島　竜太; 佳佑西原
Original assignee: ブラザー工業株式会社
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2012-01-05
Also published as: JP2012010569A; EP2587645A1; JP5370285B2

Abstract

筒状部材の本体部から延設された可動経路部を設けることで、発電効率を向上することができる振動発電機を提供する。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た永久磁石を有する可動子とを備える振動発電機であって、前記筒状部材は、その本体部の少なくとも一端側から突設し、前記コイルの端部を固定する係止部と、前記一端側の前記本体部から延設され、前記可動子が往復移動可能な可動経路部とを有することを特徴とする。

Description

振動発電機

　本開示は、筒状部材の本体部から延設して設けられる可動経路部を備えた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。この振動発電機は、非磁性材料からなる円筒形状のボビンケースと、ボビンケースの内部空間を往復移動可能な永久磁石と、永久磁石の磁束を横切る位置にボビンケースの外側に巻かれたコイルから構成されている。

　ところで、このようなボビンケースにコイルを巻いたものは、他の技術分野でも用いられており、例えば、特許文献１に示すようなインダクタンス素子が知られている。

　このインダクタンス素子は、ボビンケースの胴部にコイルが巻きつけられたものである。コイル端部は、ボビンケースから突出して形成されている係止部に絡められる。コイル端部が絡められた係止部が半田槽に浸されることにより、コイル端部が係止部に半田付けされて固定される。

実開平５－２５７０６号公報

　このようなボビンケースを従来の振動発電機７０で用いる場合、図９のように、ボビンケース７９０内の、永久磁石を備える図示しない可動子が抜け出るのを防止するために、ボビンケース７９０の内側両端部に移動規制部７９６が設けられる。

　この移動規制部７９６により、振動発電機７０のボビンケース７９０の長手方向において、２点波線で示す筐体７１の長さに対して、固定ピン７９３の長さと移動規制部７９６の長さを足したＬＮの分だけ図示しない可動子が往復移動できる距離が短くなる。また、移動規制部をボビンケース７９０の外側に設けた場合であっても、固定ピン７９３の長さ分、可動子が往復移動できる距離が短くなる。そのため、振動発電機７０の発電効率が低下する問題があった。

　本開示は、筒状部材の本体部から延設された可動経路部を設けることで、発電効率を向上することができる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開示の振動発電機は、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た永久磁石を有する可動子とを備える振動発電機であって、前記筒状部材は、その本体部の少なくとも一端側から突設し、前記コイルの端部を固定する係止部と、前記一端側の前記本体部から延設され、前記可動子が往復移動可能な可動経路部とを有することを特徴とする。

　第２開示の振動発電機は、上記第１開示の構成に加えて、前記可動経路部は、前記長手方向において、前記係止部の長さよりも長く形成されることを特徴とする。

　第３開示の振動発電機は、上記第１開示の構成に加えて、前記可動子の移動方向と直交する方向における前記可動経路部の断面積は、前記可動子の移動方向と直交する方向における前記筒状部材の内部の空間部の断面積よりも大きく形成されることを特徴とする。

　第４開示の振動発電機は、上記第１開示の構成に加えて、前記筒状部材は、前記本体部の前記一端側に装着可能であると共に、前記筒状部材の空間部に連結する可動経路部と前記係止部を覆う空洞部を有するガイド部材とを有することを特徴とする。

　第５開示の筒状部材は、第４開示の振動発電機に使用される筒状部材であって、コイルを巻回し、前記コイルの端部を係止する係止部を配設可能な筒状の本体部と、前記本体部の空間部に連結する可動経路部と前記係止部を覆う空洞部を有するガイド部材とを有することを特徴とする。

　第１開示の振動発電機によれば、筒状部材は、その本体部から突設し、少なくとも一端側に形成されるコイルの端部を固定する係止部と、一端側の本体部から延設され、可動子が往復移動可能な可動経路部を有するため、可動子の移動距離を十分に確保して、振動発電機の発電効率を向上させることができる。

　第２開示の振動発電機によれば、第１開示の効果に加え、前記可動経路部は、前記長手方向において、前記固定端部の長さよりも長く形成されるため、より確実に可動子の移動距離を確保して、振動発電機の発電効率を向上させることができる。

　第３開示の振動発電機によれば、第１開示の効果に加え、前記可動子の移動方向と直交する方向における前記可動経路部の断面積は、前記可動子の移動方向と直交する方向における前記筒状部材の内部の空間部の断面積よりも大きく形成されるため、筒状部材から延設される可動経路部を筒状部材の空間部に対して連結させやすく、可動子がその内部をスムーズに移動することができ、振動発電機の発電効率を向上させることができる。

　第４開示の振動発電機によれば、第１開示の効果に加え、筒状部材は本体部の一端側に装着可能であると共に、前記筒状部材の空間部に連結する可動経路部と係止部を覆う空洞部を有するガイド部材を備えるため、可動経路部を形成しやすく、可動子の移動距離を確実に確保して振動発電機の発電効率の向上することができる。

　第５開示の筒状部材によれば、前記請求項４の振動発電機に使用される筒状部材であって、コイルを巻回し、コイルの端部を係止する係止部を配設可能な筒状の本体部と、本体部の空間部に連結する可動経路部と係止部を覆う空洞部を有するガイド部材とを備えるため、可動経路部を形成しやすく、可動子の移動距離を確実に確保して振動発電機の発電効率の向上に寄与することができる。

本実施形態の振動発電機の断面図である。本実施形態のボビンケースとガイド部材の関係を説明する概略斜視図である。図２のガイド部材のＹ方向に直交する方向における断面図である。ボビンケースのＹ方向に直交する方向における断面図である。本実施形態のボビンケースにコイルを巻いた状態を示す斜視図である。振動発電機を振動させたときの可動子の移動距離と最大発電力の関係を示す図である。別例のボビンケースとガイド部材の関係を説明する概略斜視図である。他の例のガイド部材を用いた他の実施形態の振動発電機である。ボビンケースと他の例のガイド部材の関係を説明する概略斜視図である。従来技術の振動発電機を示す概略斜視図である。

（本実施形態について）
　以下に図面を参照しつつ、本開示の好ましい実施形態を示す。

　本実施形態の振動発電機１０は、図１に示すように、乾電池形状であり、図示しないテレビのリモコン、懐中電灯などの外部機器の図示しない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。電池収容ケースは、振動発電機１０のプラス電極１１０とマイナス電極１１２に接続される正負接点金具を有している。

　以下、本実施形態の振動発電機１０について、図１ないし図４を用いて各構成について説明する。

　筐体１１は振動発電機１０の以下説明する各構成部材を収容するもので、有底の円筒形状に形成され、その上部は開放されている。筐体１１は本実施形態では金属製の磁性体で形成される。筐体１１の胴体部外周は皮膜で覆われている。筐体１１内部に後述のボビンケース１９０、ガイド部材１９５、可動子１４、回路部１７０などが収納された後に、蓋部１６０が嵌合して固定されて、内部の各構成部材が抜け出ないように形成される。磁性体の一例としては、マルテンサイト系やフェライト系のステンレス材料などが挙げられる。

　筐体１１の上部に後述の回路部１７０に接続されるプラス電極１１０が設けられ、筐体１１の下部にはマイナス電極１１２が設けられている。マイナス電極１１２は、回路部１７０に接続されるマイナス電極接続部１１５を介して金属製の磁性材料からなる筐体１１を通じて電流が流れるようになっている。マイナス電極１１２は筐体１１の底部が兼ねている。

　ボビンケース１９０は円筒形状であり、その一端部１９２に後述のコイル１２を固着するための金属製の固定ピンからなる係止部１９３が、図２に示すように、２箇所形成されている。係止部１９３はボビンケース１９０の本体部１９８から可動子の移動方向に突出して形成されている。可動子の移動方向は、図２に示すＹ方向である。なお、本体部１９８はボビンケース１９０を構成しており、本開示の本体部である。

　ボビンケース１９０に係止部１９３が２箇所形成されているのは、後述のコイル１２の両端部をそれぞれ固定するためである。また、ボビンケース１９０の内部には、後述の可動子１４が往復移動可能な空間部１９１が形成されている。ボビンケース１９０の一端部１９２側には、ガイド部材１９５が備えられる。

　本実施形態では、係止部１９３はボビンケースの一端側１９２に２箇所設けられているが、後述の図６のように、ボビンケース１９０の両端側に１箇所ずつ設けられていてもよい。

　ガイド部材１９５はボビンケース１９０の本体部１９８の上側に備えられる。ガイド部材１９５はボビンケース１９０と同様に円筒形状であり、後述の可動子１４が往復移動可能な可動経路部１９６が形成されている。可動経路部１９６は、ボビンケース１９０の空間部１９１と連結して、可動子１４が空間部１９１と可動経路部１９６の内部をスムーズに往復移動することができるように形成される。なお、ボビンケース１９０とガイド部材１９５は、本開示の筒状部材である。

　可動経路部１９６の形状は特に限定されないが、本実施形態では、ボビンケース１９０の空間部１９１と略同一形状の円筒形状である。

　ガイド部材１９５は、図１において、ボビンケース１９０から突出される係止部１９３を収容することができる空洞部１９７が備えられる。この空洞部１９７は、ガイド部材１９５を貫通する。図１に示すように、この空洞部１９７を通じて係止部１９３に連結する結線部１７５から伸びる導線が回路部１７０へ接続される。

　ガイド部材１９５は、ボビンケース１９０の上部の一端部１９２側に備えられる。図２に示すように、ガイド部材１９５に形成された２つの空洞部１９７が、ボビンケース１９０の一端部１９２側に形成された２つの係止部１９３に装着され、ガイド部材１９５がボビンケース１９０の一端部１９２側に固定される。この固定状態において、ボビンケース１９０の空間部１９１と、ガイド部材１９５の可動経路部１９６が連結されて、後述の可動子１４がＹ方向にスムーズに移動することができる。

　ガイド部材１９５のＹ方向の長さＬＡは、係止部１９３のＹ方向の長さＬＢよりも長く形成されている。これにより、可動子１４が移動するための可動経路部１９６を確実に確保することができる。

　図３Ａに示すガイド部材１９５の可動経路部１９６の内径Ｌ１０は、図３Ｂに示すボビンケース１９０の空間部１９１の内径Ｌ２０よりも若干大きく形成されていることが望ましい。すなわち、可動子１４の移動方向と直交する方向における可動経路部１９６の断面積は、可動子１４の移動方向と直交する方向におけるボビンケース１９０の内部の空間部１９１の断面積よりも大きく形成されればよい。この長さの相対関係により、ボビンケース１９０の空間部１９１に対して、ガイド部材１９５の可動経路部１９６が連結されやすい。従って、可動子１４がスムーズにボビンケース１９０の空間部１９１とガイド部材１９５の可動経路部１９６を移動することができる。また、ガイド部材１９５の可動経路部１９６がボビンケース１９０の空間部１９１に対して若干ずれて固定されるような場合があっても、ガイド部材１９５が可動子１４の移動を妨げるおそれが少なくなる。

　なお、可動子１４がスムーズにボビンケース１９０の空間部１９１とガイド部材１９５の可動経路部１９６を移動することができれば、ガイド部材１９５の可動経路部１９６の内径Ｌ１０は、ボビンケース１９０の空間部１９１の内径Ｌ２０と同じ大きさに形成されていたり、ガイド部材１９５の可動経路部１９６の内径Ｌ１０は、ボビンケース１９０の空間部１９１の内径Ｌ２０より小さく形成されていても構わない。

　なお、本実施形態ではガイド部材１９５がボビンケース１９０の形状と略同一形状の円筒形状に形成されているが、特にこの形状に限られず、ボビンケース１９０の空間部１９１から連結して、可動子が往復移動可能なように可動経路部が延設されていれば、ボビンケース１９０の形状とガイド部材１９６の形状が異なっていてもよい。例えば、ボビンケース１９０の断面形状の外径よりも小さい管状の可動経路部が、ボビンケース１９０の一端部１９２側から内接するなどして、突出して設けられていてもよい。

　なお、ボビンケース１９０とガイド部材１９５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で構成される。

　本実施形態では、ボビンケース１９０とガイド部材１９５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、カード型の平板状等その他の多角筒形状であってもよい。

　移動規制部１６１と移動規制部１６２は、図１に示すように、略円柱形状の平板状に形成される。移動規制部１６１と移動規制部１６２は、ボビンケース１９０の内部から後述の可動子１４が抜け出ないように、ボビンケース１９０の下部外側と、ガイド部材１９５の上部外側にそれぞれ設けられる。ボビンケース１９０の上部外側に配置される移動規制部１６２は、結線部１７５からの導線が貫通できるように、切り欠きが設けられている。

　移動規制部１６１、移動規制部１６２は、本実施形態では、図１において、可動子１４がボビンケース１９０の内部を移動するときに、その衝撃で破損するのを防止するための緩衝材も兼ねている。移動規制部１６１、移動規制部１６２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、シリコンゴム、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。

　コイル１２は電磁誘導コイルである。コイル１２は、ボビンケース１９０の外周面に沿って、ボビンケース１９０の長手方向と直交する方向に巻きつけられて固定される。ボビンケース１９０の長手方向は図１のＹ方向である。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。コイル１２の材質は、銅製のエナメル線等である。

　コイル１２は、図４のように、ボビンケース１９０本体に形成された溝部１９９に巻回される。コイル１２の巻き始めは、コイル一端部１２ａを係止部１９３ａに絡めて仮止めしておく。コイル１２はボビンケース１９０の上部の溝部１９９から巻回を開始され、下部の溝部１９９まで均一になるように巻回されたら、再び上部の溝部１９９に向かって巻回される。最上部の溝部１９９まで巻き終わったら、コイル１２の終端部１２ｂを係止部１９３ｂに巻きつける。

　そして、ボビンケース１９０へのコイル１２の巻きつけが完了したら、係止部１９３ａ、係止部１９３ｂを半田槽に浸して、コイルの一端部１２ａと終端部１２ｂをそれぞれ係止部１９３ａ，係止部１９３ｂに半田付けして固着させる。

　このようにして、ボビンケース１９０にコイル１２を巻きつけて係止部１９３に固定した後で、図２に示すガイド部材１９５をボビンケース１９０の上部側から装着する。そのため、組み立てやすく、ボビンケース１９０の空間部１９１とガイド部材１９５の可動経路部１９６を連結させやすい。

　なお、本実施形態では、図１ではコイル１２は中空部材１９０の一部の外面に巻回されて設けられているが、コイル１２が中空部材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、コイル１２は本開示のコイルである。

　可動子１４は、図１のボビンケース１９０内にＹ方向に往復移動可能に設けられる。可動子１４は永久磁石１５を備えており、本実施形態では円柱形状の２つの永久磁石１５が同極対向に固定されて可動子１４を構成している。なお、可動子１４は１つの永久磁石によって固定されていてもよく、複数の永久磁石が同極対向に備えられていなくてもよい。

　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、空間部１９１と可動経路部１９６と同じ断面形状を有することが望ましい。

　回路部１７０は、図１のように、移動規制部１６２の上部に配置され、図示しない整流部と蓄電部を有している。整流部には、コイル１２に連結される結線部１７５から伸びる導線が接続されている。整流部は、導線を介してコイル１２からの交流電流を直流電流に変換する。このような整流部としては、例えばダイオードブリッジが使用できる。

　整流部は導線を介して蓄電部と接続している。蓄電部は整流部によって整流された電流を蓄電する。蓄電部として、例えばコンデンサや二次電池が使用される。整流部と蓄電部は、プラス電極１１０とマイナス電極接続部１１５に配線を介して接続している。蓄電部はブラス電極１１０とマイナス電極接続部１１５を介して筐体１１を通じてマイナス電極１１２から蓄電した電流を外部に出力する。

（振動発電機の動作について）
　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、ユーザは振動発電機１０が組み込まれた外部機器をボビンケース１９０の長手方向に振動させる。ボビンケース１９０の長手方向は図１のＹ方向である。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はボビンケース１９０の内部を長手方向に往復移動し、コイル１２に覆われたボビンケース１９０の空間部１９１とガイド部材１９５の可動経路部１９６を出入りする。

　可動子１４がコイル１２内の空間を通過する際に、可動子１４から発生する磁束線が、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がコイル１２の内側のボビンケース１９０の空間部１９１とガイド部材１９５の可動経路部１９６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。交番電流は回路部１７０の整流部で整流され、整流された電流により、電圧が蓄電部で所定の電圧まで蓄電される。蓄電部に蓄電された電力は、外部機器の電源オンと共に外部機器へ出力される。これにより、外部機器は振動発電機１０から出力される電圧で作動する。

　このとき、本実施形態の振動発電機１０には、ボビンケース１９０の係止部１９３が備えられた一端部１９２側にガイド部材１９５が設けられている。ボビンケース１９０の内部の空間部１９１とガイド部材１９５の内部の可動経路部１９６が連結されているので、可動子１４の移動距離を確実に確保することができ、振動発電機１０の発電効率を向上させることができる。

　特に、本実施形態のように、振動発電機１０が乾電池形状である場合、その形状や大きさが規格で定められており、限られた大きさの中で可動子１４の移動距離を確保することが非常に重要である。そのため、本実施形態のように、可動子１４が移動することができる可動経路部を設けることで、可動子の移動距離が大きくなり、振動発電機１０の発電効率を向上させることができる。

　仮に、ボビンケース１９０の係止部１９３が形成された一端側を開放した場合、可動子１４の移動方向において、見かけ上は可動子の移動距離は確保することができるが、可動子１４が端部で、がたつくなどして可動子の移動速度が低下して発電効率が低下する傾向がある。そのため、確実に発電効率を上げるためには、本開示の可動経路部を設けることが必要である。

　次に、一定の条件下で振動発電機を振動させたときの可動子の移動距離と最大発電力の関係を説明する。図５に示すように、可動子の移動距離が長くなるに従って、振動発電機の最大発電力が向上することが分かる。すなわち、可動子の移動距離が長くなるに従って、振動発電機の発電効率が向上する。例えば、可動子の移動距離を３８ｍｍから４０ｍｍと２ｍｍ長くすることによって、最大発電力が２０％ほど向上させることができる。

　本実施形態では、ガイド部材１９５がボビンケース１９０の一端部１９２に設けられている例を示したが、図６のように、ボビンケース１９０の両端部側に設けられていてもよい。なお、図６において、図２と同じ符号は同じ構成を示すものとして、その説明は省略する。

　ボビンケース１９０Ａには、コイル１２を係止するための係止部１９３が、ボビンケース１９０Ａの図６の上部側と下部側に、それぞれ１つずつ形成されている。

　ガイド部材１９５Ａは、ボビンケース１９０Ａの空間部１９１の上部側にガイド部材１９５Ａの可動経路部１９６Ａが連結するように配置される。また、ガイド部材１９５Ｂは、ボビンケース１９０Ａの空間部１９１の下部側にガイド部材１９５Ｂの可動経路部１９６Ｂが連結するように配置される。

　このように、係止部１９３がボビンケース１９０Ａの両端部側に形成されている場合には、可動経路部１９６Ａと可動経路部１９６Ｂがボビンケース１９０Ａの両端部側から延設されているので、振動発電機１０の筐体の内部における図１に示す可動子１４の移動距離をより確実に確保することができ、振動発電機１０の発電効率を向上させることができる。

　また、図７及び図８のように、ガイド部材１９５Ｃは、その上側端部１６３が閉塞していてもよい。この場合、ガイド部材１９５Cの構成材料を適宜選択することにより、上側端部１６３が移動規制部あるいは緩衝部材の役割を兼ねることが可能となり、移動規制部や緩衝部材を別途配設する必要が無く、部品点数を減らすことができる。

　なお、本実施形態では振動発電機１０は乾電池形状であるが、この形状には特に限られない。また、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。

　１０　　振動発電機
　１１　　筐体
　１２　　コイル
　１４　　可動子
　１９０　　ボビンケース
　１９６　　可動経路部

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た永久磁石を有する可動子とを備える振動発電機であって、
　前記筒状部材は、その本体部の少なくとも一端側から突設し、前記コイルの端部を固定する係止部と、前記一端側の前記本体部から延設され、前記可動子が往復移動可能な可動経路部とを有することを特徴とする振動発電機。
　前記可動経路部は、前記長手方向において、前記係止部の長さよりも長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。
　前記可動子の移動方向と直交する方向における前記可動経路部の断面積は、前記可動子の移動方向と直交する方向における前記筒状部材の内部の空間部の断面積よりも大き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。
　前記筒状部材は、前記本体部の前記一端側に装着可能であると共に、前記筒状部材の空間部に連結する前記可動経路部と前記係止部を覆う空洞部を有するガイド部材とを有することを特徴とする請求項１に記載の振動発電機。
　コイルを巻回し、前記コイルの端部を係止する係止部を配設可能な筒状の本体部と、
　前記本体部の空間部に連結する可動経路部と前記係止部を覆う空洞部を有するガイド部材とを有する請求項４の振動発電機に使用される筒状部材。