WO2013164892A1 - 振動発電機 - Google Patents

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magnet
coil
coils
permanent magnets
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博盛 野村
大西　健
正隆 坂東
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三菱電機エンジニアリング株式会社
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    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1869—Linear generators; sectional generators
    • H02K7/1876—Linear generators; sectional generators with reciprocating, linearly oscillating or vibrating parts
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K35/00—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
    • H02K35/02—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving magnets and stationary coil systems
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the present invention relates to a vibration generator that uses power generation that occurs when a magnet and a conductive coil are used to relatively vibrate them.
  • a permanent magnet in which the same poles are opposed is integrated to provide a unit.
  • a vibration generator having 70% to 90% of (see, for example, Patent Document 2). In this patent document 2, it is shown that an electromotive force becomes large in FIG. 4, FIG.
  • Patent Document 1 the quantitative explanation that the magnet and the coil have the same length and equal spacing is not sufficiently made.
  • the length of the coil is shorter than the length of the permanent magnet. For this reason, compared with the case where the coil of the same length as a permanent magnet is used, when a coil is produced on the same conditions, the number of turns of a coil decreases and there existed a problem that electromotive force became small.
  • the present invention has been made to solve the problems as described above, and has one or more permanent magnets and a plurality of coils, and occurs more than before when relative motion or free vibration is caused. It is an object of the present invention to obtain a vibration generator capable of increasing the electromotive force.
  • the vibration generator according to the present invention comprises a plurality of permanent magnets integrated with a constant magnet gap with the same poles facing each other, and a plurality of permanent magnets on the outer circumferences of the plurality of permanent magnets. And a plurality of coils arranged with a gap between each of the plurality of coils and generating electric power by the relative motion of the plurality of permanent magnets and the plurality of coils, wherein the length of the coils facing each other and the permanent magnet In relation to the length of the coil, the length of the coil is greater than the length of the permanent magnet and less than or equal to the sum of the length of the permanent magnet and the length of the inter-magnet gap.
  • the coil length is larger than the permanent magnet length and the permanent magnet length and the inter-magnet gap in the relationship between the length of the coils facing each other and the length of the permanent magnet.
  • FIG. 13 is a waveform diagram showing measurement results of electromotive force generated in the circuit of FIG. 8 in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a waveform diagram showing measurement results of electromotive force generated in the circuit of FIG. 10 in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a waveform diagram showing measurement results of electromotive force generated in the circuit of FIG. 10 in the third embodiment of the present invention. It is a block diagram of the wireless transmission apparatus using the vibration generator in Embodiment 4 of this invention. It is a simulation result which shows distribution of magnetic flux density at the time of arrange
  • FIG. 21 is a simulation result showing a distribution diagram of magnetic flux density when the inter-magnet gap is changed and the yokes are arranged at three locations in the fifth embodiment of the present invention. It is the figure which showed the simulation result of electromotive force of the oscillating generator in Embodiment 5 of the present invention.
  • the present invention makes the coil length larger than the permanent magnet length and permanent by utilizing the gap between the coils, which has the purpose of increasing the electromotive force generated by electromagnetic induction due to relative vibration between the magnet and the coil.
  • the technical feature is that it is realized by setting the sum of the length of the magnet and the length of the gap between the magnets or less.
  • the electromotive force is increased by making the coil length longer than the magnet length using the shortened gap between magnets.
  • a coil divided into two or more is disposed in one magnet using a shortened gap between magnets, and a change in magnetic flux density is efficiently extracted to increase an electromotive force. Note that these two methods can be used in combination.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a magnet and a coil portion of a vibration generator according to a first embodiment of the present invention.
  • magnets 1 and 2 cylindrical or cylindrical permanent magnets (hereinafter referred to as magnets) 1 and 2 are disposed with the same poles facing each other. Furthermore, a configuration is provided in which coils 3 (3a and 3b) and coils 4 (4a and 4b) surround the magnets 1 and 2.
  • the diameter of the magnets 1 and 2 is 10 mm
  • the length of the magnets 1 and 2 is 9 mm
  • the distance between the magnets (gap) is 3 mm
  • the length of the coils 3 and 4 is 11 mm
  • the distance between the coils (gap) is 1 mm.
  • FIG. 2 is an explanatory view of a spring in the first embodiment of the present invention. Specifically, they are external views seen from diagonally above and diagonally below a spring called a machined spring as an example for housing the magnets 1 and 2 and the coils 3 and 4.
  • the integrated one of the magnets 1 and 2 in FIG. 1 is attached to the inside of the spring and vibrated.
  • the coils 3 and 4 are fixed downward at positions surrounding the magnets 1 and 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing a simulation result of the electromotive force of the vibration generator according to the first embodiment of the present invention. Specifically, it is a simulation result representing a half cycle electromotive force when moving up and down 12 mm by vibration of a spring.
  • the DC component of the electromotive force generated in the coil 3 is shown when the coil length is 11 mm and 8 mm, respectively.
  • the number of turns of the coil is the same as the number of turns per unit length.
  • FIG. 3 the value of the electromotive force on the vertical axis in FIG. 3 is not an absolute value but a relative comparison value, and the horizontal axis is a time axis, and the time required for 12 mm movement is equally divided into 24 parts. .
  • the electromotive force in FIG. 3 indicates that the 11 mm coil is 15% larger than the 8 mm coil.
  • 12 mm is the sum of the lengths 9 mm of the magnets 1 and 2 and the gap 3 mm between the magnets. Therefore, for vibrations larger than this, periodical changes occur, so the tendency shown in FIG. 3 is maintained, and the electromotive force is larger in the 11 mm coil.
  • FIG. 4 is a simulation result which shows distribution map of the magnetic flux density by the magnets 1 and 2 shown in FIG. 1 in Embodiment 1 of this invention.
  • the magnetic flux density of one magnet is about 0.5 Tesla, and assuming that the surroundings are filled with air, the magnetic flux density of the line 1 mm away from the magnet is shown on the upper side of FIG. It looks like a graph.
  • contour lines shown on the lower side of FIG. 4 represent equal parts of the magnetic flux density.
  • the magnetic flux density at the central magnet edge where the same poles are opposite is high, and the magnetic flux density at the outer edge of the magnet is low compared to the central (in absolute value).
  • the electromotive force is proportional to the change in magnetic flux density
  • the electromotive force increases when crossing the center edge of the steeply inclined magnet. Further, the larger the absolute value of the magnetic flux density, the steeper the slope, and hence the generated electromotive force becomes larger.
  • the inter-magnet gap of the plurality of magnets is shortened, the coil length is made larger than the magnet length, and the inter-coil gap is made as small as possible.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a magnet and a coil portion of the vibration generator according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the number of coils per magnet is two, the coil-to-coil gap is reduced, and one side edge of the coil is disposed near the magnet edge in the stationary state.
  • a change in magnetic flux density that is, a position where the derivative has the same polarity, affects the electromotive force. Further, since the electromotive force is proportional to the change in magnetic flux density in the entire coil, it is possible from FIG. 4 that the electromotive force can be efficiently extracted when the length of the coil is short.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram for extracting an electromotive force from the configuration of FIG. 5 described above in the second embodiment of the present invention. Specifically, a block diagram is shown in which a DC voltage is generated at the end of the capacitor 13 through the rectifier circuits 11 and 12 from both ends of the divided coil 5 (5a, 5b) and the coil 6 (6a, 6b).
  • FIG. 7 is a diagram showing a simulation result of an electromotive force of the vibration generator according to the second embodiment of the present invention. Specifically, as in the case of FIG. 3, simulation results of electromotive force generated when the number of coils per magnet is 1 and 2 when free vibrating the spring for 12 mm half cycle is there.
  • two or more coils are disposed in one magnet using the shortened gap between magnets.
  • the total number of turns of the coil can be increased, and by shortening the length of the coil, the change in magnetic flux density can be efficiently taken out to increase the electromotive force. be able to.
  • FIG. 8 is a structural cross-sectional view and an equivalent circuit of a vibration generator in which the configuration of the magnet and coil in the first embodiment is mounted in the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional view in which the integrated magnet unit is attached to the inside of the spring shown in FIG. 2 and the two lower coils are mounted. Moreover, each coil wound 1000 T in the reverse direction, and the electromotive force was measured at each end and at the end of 2000T.
  • FIG. 9 is a waveform diagram showing measurement results of electromotive force generated in the circuit of FIG. 8 in the third embodiment of the present invention.
  • Each coil has peaks of about ⁇ 3 V and ⁇ 1.2 V, and the waveforms are repeated. And, the synthesized voltage was about ⁇ 4.2V.
  • FIG. 10 is a structural cross-sectional view and an equivalent circuit of a vibration generator in which the configuration of the magnet and coil in the second embodiment is mounted in the third embodiment of the present invention.
  • four coils were mounted for 500T each. The coils are wound in the same direction in the magnet and in the opposite direction between the magnets.
  • FIG. 11 and 12 are waveform diagrams showing measurement results of electromotive force generated in the circuit of FIG. 10 in the third embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 11 shows the measurement results of [1], [3] and [1] + [3] of FIG. Each coil has peaks of about ⁇ 2.4 V and ⁇ 0.8 V. [1] + [3] have peaks of about ⁇ 3.4 V and ⁇ 2.2 V.
  • FIG. 12 shows the measurement results of [2], [4] and [2] + [4] of FIG. 10, and almost the same results as in FIG. 11 are obtained.
  • the combination of FIG. 11 and FIG. 12 clearly has a larger electromotive force than the synthesis result of FIG. 9 above, and is consistent with the simulation result shown in FIG. 7 above.
  • the validity of the simulation results in the first and second embodiments can be verified by the actual measurement value.
  • FIG. 13 is a block diagram of a wireless transmission device using a vibration generator according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the wireless transmission device shown in FIG. 13 is configured to include the vibration generator 100, the wireless sensor device 200, and the data receiving unit 300.
  • the wireless sensor device 200 includes a rectifier circuit 210, a constant voltage circuit 220, a storage element 230, a microcomputer 250, a sensor 260, a wireless transmission circuit 270, and an antenna 280. Further, the data reception unit 300 includes an antenna 310, a wireless reception circuit 320, and a processing unit 330.
  • the vibration generator 100 outputs an electromotive force generated by electromagnetic induction based on an externally applied vibration, and inputs the electromotive force to the wireless sensor device 200.
  • the rectification circuit 210 in the wireless sensor device 200 rectifies the electromotive force input from the vibration generator 100 from AC power as shown in FIGS. 11 and 12 and converts it into DC power.
  • the constant voltage circuit 220 stores the DC power input from the rectifier circuit 210 in a storage element 230 such as a capacitor, and boosts or lowers the voltage to a constant voltage to generate a supply voltage 240.
  • the microcomputer 250 periodically processes the measurement data obtained from the sensor 260 using the supply voltage 240 supplied from the constant voltage circuit 220, and outputs the processing data to the wireless transmission circuit 270.
  • the wireless transmission circuit 270 transmits the measurement information input from the microcomputer 250 as wireless information from the antenna 280 using the supply voltage 240 supplied from the constant voltage circuit 220.
  • the data receiving unit 300 receives and processes the wireless signal transmitted from the wireless sensor device 200. Specifically, the wireless receiving circuit 320 in the data receiving unit 300 receives a wireless signal periodically transmitted from the wireless sensor device 200 via the antenna 310, and outputs the wireless signal to the processing unit 330.
  • the processing unit 330 extracts measurement data from the reception data input from the wireless reception circuit 320, and stores and displays the measurement data.
  • the processing unit 330 may be configured by a device including a processing unit such as a microcomputer and a display unit such as an LCD, or a personal computer.
  • the vibration generator of the present invention can be applied to a wireless transmission device.
  • springs are attached and fixed to both sides of the magnet, it can be applied to applications in which vibration direction is any direction.
  • a secondary battery if a secondary battery is mounted, it can also be used as a charger.
  • Embodiment 5 In the fifth embodiment, a case will be described where a flux density is improved by inserting a yoke instead of the air layer between the magnets to increase the electromotive force.
  • FIG. 14 is a simulation result showing a distribution diagram of magnetic flux density when a yoke is disposed between magnets in the fifth embodiment of the present invention. More specifically, it shows a magnetic flux density distribution diagram when a cylindrical yoke (corresponding to a material having a relative magnetic permeability larger than 1) is inserted between the magnets instead of the air layer.
  • the peak value in FIG. 14 is about 0.36 Tesla, which is 1.44 times that of the 0.25 Tesler in FIG. 4 when the yoke is not inserted.
  • FIG. 15 is a diagram showing a simulation result of the electromotive force of the vibration generator according to the fifth embodiment of the present invention. Specifically, the simulation results of the electromotive force in the case where the number of coils per magnet is 1 and in the case of 2 with respect to the magnetic flux density in the case of FIG. The divided 5.5 mm coil total provided 1.51 times the electromotive force as compared to the undivided 11 mm coil.
  • FIG. 16 is a simulation result showing a distribution diagram of magnetic flux density when the magnet gap is changed and yokes are arranged at three locations in the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a configuration for further enhancing the electromotive force, in which the length of the magnet is 11 mm, the gap between the magnets is 1 mm, and yokes are disposed between the magnets and at both ends of the magnet.
  • the peak magnetic flux density in this case is about 0.54 Tesla and reaches 1.44 times that in the case of FIG. 14 in which the yoke is inserted at only one place between the magnets.
  • FIG. 17 is a diagram showing a simulation result of the electromotive force of the vibration generator according to the fifth embodiment of the present invention. Specifically, simulation results are shown for the cases where the number of coils per magnet is 1 and 2 with respect to the magnetic flux density in the case of FIG. The divided 5.5 mm coil total provided 1.41 times the electromotive force as compared to the undivided 11 mm coil.
  • the configuration in which the yoke is inserted between the magnets instead of the air layer is provided.
  • an increase in electromotive force can be realized as the magnetic flux density is improved.

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Abstract

　永久磁石とコイルとの相対運動で発生する起電力を大きくする。同極同士が対向した状態で一定の磁石間ギャップを有して一体化された複数の永久磁石（１、２）と、複数の永久磁石のそれぞれの外周に、複数の永久磁石のそれぞれと間隔を有して配置される複数のコイル（３、４）とを備え、複数の永久磁石と複数のコイルとの相対運動により発電する振動発電機であって、互いに対向するコイルの長さと、永久磁石の長さとの関係において、コイルの長さは、永久磁石の長さより大きく、永久磁石の長さと磁石間ギャップの長さの合計以下とする。

Description

振動発電機
　本発明は、磁石と導電性コイルとを用いて、これらを相対振動させた場合に生じる発電を利用した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。この起電力は、通常、ミリワットレベルと小さく、これを大きくするためには、複数の磁石および複数のコイルを用いる方法が考えられる。
　従来技術として、同極同士が対向する磁石の周りに、複数のコイルが配置されており、磁石とコイルが等しい長さおよび等しい間隔を有していることが望ましいとされているものがある（例えば、特許文献１参照）。そして、磁石間のギャップを半分にした場合には、より大きな起電力が得られている。
　また、別の従来技術として、複数の永久磁石とそれを取り囲む複数のコイルを用いて、振動により相対運動をさせて発電する装置において、同極同士が対向した永久磁石を、ギャップを設けて一体化したものと、複数の永久磁石の外周に間隔を有して配置し、交互に巻き方向が逆となるように構成された複数のコイルとからなり、コイルの長さが永久磁石の長さの７０％～９０％とした振動発電機がある（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２では、図４、図９において、起電力が大きくなることが示されている。
特許第４６８４１０６号公報 特許第４７０４０９３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。
　特許文献１においては、磁石とコイルが等しい長さと等しい間隔がよいという定量的な説明が、十分にはなされていなかった。
　また、特許文献２における振動発電機は、コイルの長さが永久磁石の長さより短い。このため、永久磁石と同じ長さのコイルを用いた場合と比較すると、同じ条件でコイルを作成した場合には、コイルの巻き数が少なくなり、起電力が小さくなるという問題があった。
　また、バネなどを利用した自由振動では、振幅が小さい場合に、磁束密度の大きい永久磁石のエッジ付近を交差しなくなると、起電力が減少するという問題があった。
　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、１個以上の永久磁石と複数のコイルとを有し、相対運動や自由振動をさせた場合に、従来よりも発生する起電力を大きく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、同極同士が対向した状態で一定の磁石間ギャップを有して一体化された複数の永久磁石と、複数の永久磁石のそれぞれの外周に、複数の永久磁石のそれぞれと間隔を有して配置される複数のコイルとを備え、複数の永久磁石と複数のコイルとの相対運動により発電する振動発電機であって、互いに対向するコイルの長さと、永久磁石の長さとの関係において、コイルの長さは、永久磁石の長さより大きく、永久磁石の長さと磁石間ギャップの長さの合計以下のものである。
　本発明に係る振動発電機によれば、互いに対向するコイルの長さと、永久磁石の長さとの関係において、コイルの長さを、永久磁石の長さより大きく、かつ永久磁石の長さと磁石間ギャップの長さの合計以下とすることにより、微小振動時に磁束密度の大きい永久磁石のエッジ付近を交差させることができ、１個以上の永久磁石と複数のコイルとを有し、相対運動や自由振動をさせた場合に、従来よりも発生する起電力を大きく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磁石およびコイル部分の概略断面図である。 本発明の実施の形態１におけるスプリングに関する説明図である。 本発明の実施の形態１における振動発電機の起電力のシミュレーション結果を示した図である。 本発明の実施の形態１における図１に示した磁石による磁束密度の分布図を示すシミュレーション結果である。 本発明の実施の形態２における振動発電機の磁石およびコイル部分の概略断面図である。 本発明の実施の形態２における先の図５の構成から起電力を取り出すための説明図である。 本発明の実施の形態２における振動発電機の起電力のシミュレーション結果を示した図である。 本発明の実施の形態３において、先の実施の形態１における磁石およびコイルの構成を実装した振動発電機の構造断面図および等価回路を示した図である。 本発明の実施の形態３において、図８の回路で発生した起電力の測定結果を示す波形図である。 本発明の実施の形態３において、先の実施の形態２における磁石およびコイルの構成を実装した振動発電機の構造断面図および等価回路を示した図である。 本発明の実施の形態３において、図１０の回路で発生した起電力の測定結果を示す波形図である。 本発明の実施の形態３において、図１０の回路で発生した起電力の測定結果を示す波形図である。 本発明の実施の形態４における振動発電機を用いた無線伝送装置のブロック図である。 本発明の実施の形態５において、磁石間にヨークを配置した場合の磁束密度の分布図を示すシミュレーション結果である。 本発明の実施の形態５における振動発電機の起電力のシミュレーション結果を示した図である。 本発明の実施の形態５において、磁石間ギャップを変更し、ヨークを３箇所に配置した場合の磁束密度の分布図を示すシミュレーション結果である。 本発明の実施の形態５における振動発電機の起電力のシミュレーション結果を示した図である。
　本発明は、磁石とコイルの相対振動による電磁誘導で発生する起電力を大きくするという目的を、短くしたコイル間ギャップを利用して、コイルの長さを、永久磁石の長さより大きく、かつ永久磁石の長さと磁石間ギャップの長さの合計以下とすることで実現したことを技術的特徴としている。
　より具体的には、第１の手法としては、短くした磁石間ギャップを利用してコイルの長さを磁石の長さより大きくして、起電力を増加させるものである。第２の手法としては、短くした磁石間ギャップを利用して１つの磁石に２つ以上に分割したコイルを配置して、磁束密度の変化を効率よく取り出し、起電力を増加させるものである。なお、これら２つの手法は、組み合わされても利用可能である。
　実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１における振動発電機の磁石およびコイル部分の概略断面図である。図１において、円柱あるいは円筒形をした永久磁石（以下磁石）１、２が、同極を対向して配置されている。さらに、磁石１、２の周りを、コイル３（３ａおよび３ｂ）と、コイル４（４ａおよび４ｂ）が囲む構成を備えている。
　ここで、磁石１、２の直径は１０ｍｍ、磁石１、２の長さは９ｍｍ、磁石間距離（ギャップ）は３ｍｍとする。また、コイル３、４の長さは１１ｍｍ、コイル間距離（ギャップ）は１ｍｍとする。磁石１、２とコイル３、４との間の距離については、小さい方がコイルの磁束密度の変化が大きいため、起電力が大きくなり、距離に反比例することがわかる。
　図２は、本発明の実施の形態１におけるスプリングに関する説明図である。具体的には、磁石１、２とコイル３、４を収納する例としてのマシーンドスプリングとよばれているスプリングの斜め上方、および斜め下方からみた外形図である。図１の磁石１、２を一体化したものを、スプリング内部に取り付けて振動させる。コイル３、４は、磁石１、２を取り囲む位置に、下方に固定する。
　図３は、本発明の実施の形態１における振動発電機の起電力のシミュレーション結果を示した図である。具体的には、バネの振動により１２ｍｍ上下運動した場合の半周期の起電力を表すシミュレーション結果である。コイルの長さが１１ｍｍと８ｍｍのそれぞれの場合に、コイル３に発生する起電力の直流成分を示している。ここで、コイルの巻き数は、単位長さ当たりの巻き数を同じとしている。
　なお、先の図１は、静止状態にあるため、ここを中心に上下運動することになる。また、図３における縦軸の起電力の値は、絶対値でなく、相対比較値であり、また、横軸は、時間軸であり、１２ｍｍの運動に要する時間を２４等分したものである。
　図３における起電力は、１１ｍｍコイルが、８ｍｍコイルに比べて１５％大きくなることを示している。ここで、１２ｍｍは、磁石１、２の長さ９ｍｍと、磁石間のギャップ３ｍｍの合計である。従って、これよりも大きい振動に対しては、周期的変化となるため、この図３に示した傾向は維持され、１１ｍｍコイルの方が、起電力が大きくなる。
　図４は、本発明の実施の形態１における図１に示した磁石１、２による磁束密度の分布図を示すシミュレーション結果である。ネオジム磁石を用いると、磁石１個の磁束密度は、約０．５テスラーであり、周りが空気で満たされているとすると、磁石から１ｍｍ離れたラインの磁束密度は、図４の上側に示したグラフのようになる。
　また、図４の下側に示した等高線は、磁束密度の等しい部分を表す。上側のグラフでは、同極が対向している中央の磁石エッジの磁束密度が高く、磁石の外側エッジの磁束密度は、中央と比較すると（絶対値で比較すると）低い。
　起電力は、磁束密度の変化に比例するため、急峻な傾きのある磁石の中央エッジを交差すると起電力が大きくなる。また、磁束密度の絶対値が大きいほど傾きが急峻になるため、発生する起電力は大きくなる。
　また、小さい振動に対しては、８ｍｍコイルの位置により変わるが、図４の磁束密度の分布から、磁石１、２のエッジ付近を交差しなくなると、起電力が小さくなる。
　以上のように、実施の形態１によれば、複数の磁石の磁石間ギャップを短くするとともに、コイルの長さを磁石の長さより大きくし、コイル間ギャップをできるだけ小さくしている。この結果、微小振動時に磁束密度の大きい永久磁石のエッジ付近を交差するため、従来に比べて、大きな起電力が発生し、かつ、微小振動時にも、従来よりも起電力が大きくなるという効果がある。
　実施の形態２．
　図５は、本発明の実施の形態２における振動発電機の磁石およびコイル部分の概略断面図である。図５においては、磁石１つあたりのコイル数を２とし、かつ、コイル間ギャップを小さくし、静止状態でコイルの片側エッジを磁石エッジ付近に配置したものである。
　磁石の長さより長いコイルでは、磁束密度の変化、すなわち、微分係数が同じ極性となる位置があるため、起電力に影響がある。また、起電力は、コイル全体での磁束密度の変化に比例するので、先の図４から、コイルの長さが短いほうが効率よく起電力を取り出せる可能性がある。
　図６は、本発明の実施の形態２における先の図５の構成から起電力を取り出すための説明図である。具体的には、分割したコイル５（５ａ、５ｂ）、コイル６（６ａ、６ｂ）の両端から、整流回路１１、１２を経て、コンデンサ１３端に直流電圧を発生させるブロック図を示している。
　図７は、本発明の実施の形態２における振動発電機の起電力のシミュレーション結果を示した図である。具体的には、先の図３と同じく、スプリングを１２ｍｍ半周期分、自由振動させた場合に、磁石１つあたりのコイル数が１の場合と２の場合に発生する起電力のシミュレーション結果である。
　図５の構成による起電力は、コイル５ａとコイル５ｂを合成するため、ピークが３箇所発生し、結果として、先の実施の形態１のように磁石の長さより長い１つのコイルを用いる場合と比較して、１．４倍の起電力が得られた。
　以上のように、実施の形態２によれば、短くした磁石間ギャップを利用して１つの磁石に２つ以上のコイルを配置している。この結果、先の実施の形態１の構成と比較して、コイルの合計巻き数が大きくでき、かつ、コイルの長さを短くしたことで磁束密度の変化を効率よく取り出し、起電力を増加させることができる。
　実施の形態３．
　本実施の形態３では、先の実施の形態１、２で説明した磁石およびコイルの構成を実装した振動発電機による起電力の測定結果について詳細に説明する。
　図８は、本発明の実施の形態３において、先の実施の形態１における磁石およびコイルの構成を実装した振動発電機の構造断面図および等価回路を示した図である。この図８においては、先の図２で示したスプリングの内側に、一体化した磁石ユニットを取り付け、下から２個のコイルを実装した断面図を示している。また、それぞれのコイルは、逆向きに１０００Ｔ巻き、それぞれの端部、および２０００Ｔの端部で起電力を測定した。
　図９は、本発明の実施の形態３において、図８の回路で発生した起電力の測定結果を示す波形図である。それぞれのコイルは、±３Ｖと±１．２Ｖ程度のピークを有し、その波形が繰り返されている。そして、その合成された電圧は、約±４．２Ｖであった。
　図１０は、本発明の実施の形態３において、先の実施の形態２における磁石およびコイルの構成を実装した振動発電機の構造断面図および等価回路を示した図である。この図１０において、４つのコイルは、それぞれ５００Ｔ実装した。また、コイルは、磁石内では同方向、磁石間では逆方向に巻いている。
　図１１、図１２は、本発明の実施の形態３において、図１０の回路で発生した起電力の測定結果を示す波形図である。具体的には、図１１は、図１０の［１］、［３］および［１］＋［３］の測定結果である。それぞれのコイルは、±２．４Ｖと±０．８Ｖ程度のピークを有している。［１］＋［３］では、±３．４Ｖと±２．２Ｖ程度のピークを有している。
　また、図１２は、図１０の［２］、［４］および［２］＋［４］の測定結果であり、先の図１１とほぼ同じ結果が得られている。図１１、図１２を合成したものは、明らかに先の図９の合成結果よりも起電力が大きく、先の図７に示したシミュレーション結果と一致している。
　以上のように、実施の形態３によれば、先の実施の形態１、２におけるシミュレーション結果の妥当性を、実測値により検証することができた。
　実施の形態４．
　本実施の形態４では、本発明の振動発電機を適用した無線伝送装置について説明する。
　図１３は、本発明の実施の形態４における振動発電機を用いた無線伝送装置のブロック図である。この図１３に示した無線伝送装置は、振動発電機１００、無線センサ装置２００、およびデータ受信部３００を備えて構成されている。
　そして、無線センサ装置２００は、整流回路２１０、定電圧回路２２０、蓄電素子２３０、マイコン２５０、センサ２６０、無線送信回路２７０、およびアンテナ２８０を備えている。また、データ受信部３００は、アンテナ３１０、無線受信回路３２０、および処理部３３０を備えている。
　次に、この無線伝送装置の動作について説明する。振動発電機１００は、外部から加えられた振動に基づく電磁誘導により発電した起電力を出力し、無線センサ装置２００に入力する。無線センサ装置２００内の整流回路２１０は、振動発電機１００から入力された起電力を、先の図１１および図１２に示すような交流電力から整流され直流電力に変換する。
　定電圧回路２２０は、整流回路２１０から入力された直流電力をコンデンサなどの蓄電素子２３０に蓄えるとともに、一定の電圧になるように昇圧または降圧し、供給電圧２４０を生成する。
　マイコン２５０は、定電圧回路２２０から供給された供給電圧２４０を使用して、定期的にセンサ２６０から得られる計測データを処理し、無線送信回路２７０へ出力する。無線送信回路２７０は、定電圧回路２２０から供給された供給電圧２４０を利用して、マイコン２５０から入力された計測情報を、アンテナ２８０から無線情報として送信する。
　一方、データ受信部３００は、無線センサ装置２００から送信された無線信号を受信処理する。具体的には、データ受信部３００内の無線受信回路３２０は、アンテナ３１０を介して無線センサ装置２００から定期的に送信された無線信号を受信し、処理部３３０に出力する。
　処理部３３０は、無線受信回路３２０から入力された受信データから計測データを抽出し、蓄積および表示を行う。なお、処理部３３０は、マイコン等の処理装置とＬＣＤ等の表示部を備えた装置、またはパソコンで構成してもよい。
　以上のように、実施の形態４によれば、本発明の振動発電機を無線伝送装置に適用することができる。また、磁石の両側にバネを取り付けて固定すれば、振動方向がどの方向の用途でも適用できる。さらに、２次電池を搭載すれば充電器としても利用できる。
　実施の形態５．
　本実施の形５では、磁石間に、空気層の代わりにヨークを挿入して磁束密度の改善を図り、起電力を増大させる場合について説明する。
　図１４は、本発明の実施の形態５において、磁石間にヨークを配置した場合の磁束密度の分布図を示すシミュレーション結果である。より具体的には、磁石間に、空気層の代わりに、円柱形のヨーク（比透磁率が１より大きい材料に相当）を入れた場合の磁束密度分布図を示したものである。
　ヨークを挿入することにより、ヨーク表面に磁束が集中し、その結果、磁石間の磁束密度が大きくなる。図１４のピーク値は、約０．３６テスラーであり、ヨークを挿入していない場合の先の図４の０．２５テスラーと比較して、１．４４倍になっている。
　図１５は、本発明の実施の形態５における振動発電機の起電力のシミュレーション結果を示した図である。具体的には、図１４の場合の磁束密度に対して、磁石１つあたりのコイル数が１の場合と２の場合の起電力のシミュレーション結果である。分割した５．５ｍｍコイル合計は、分割していない１１ｍｍコイルに比較して、１．５１倍の起電力が得られた。
　また、ヨークを用いていない図７と比較して、１１ｍｍのコイルでは１．１４倍、５．５ｍｍコイルでは１．２２倍の起電力が得られた。
　図１６は、本発明の実施の形態５において、磁石間ギャップを変更し、ヨークを３箇所に配置した場合の磁束密度の分布図を示すシミュレーション結果である。この図１６は、起電力をさらに高めるための構成であり、磁石の長さを１１ｍｍ、磁石間ギャップを１ｍｍとし、磁石間および磁石の両端にヨークを配置したものである。この場合のピーク磁束密度は、約０．５４テスラーであり、磁石間の１箇所のみにヨークを挿入した先の図１４の場合の１．４４倍に達する。
　図１７は、本発明の実施の形態５における振動発電機の起電力のシミュレーション結果を示した図である。具体的には、図１６の場合の磁束密度に対して、磁石１つあたりのコイル数が１の場合と２の場合のシミュレーション結果である。分割した５．５ｍｍコイル合計は、分割していない１１ｍｍコイルに比較して、１．４１倍の起電力が得られた。
　また、磁石間の１箇所のみにヨークを挿入した先の図１５と比較して、１１ｍｍのコイルでは１．１６倍、５．５ｍｍコイルでは、１．０９倍の起電力が得られた。
　以上のように、実施の形態５によれば、磁石間に、空気層の代わりにヨークを挿入した構成を備えている。この結果、先の実施の形態１、２の効果に加え、磁束密度の改善に伴う起電力の増加を実現できる。
　なお、上述した実施の形態では、磁石が２個の場合について説明したが、３個以上にも同様の効果が期待できるのは言うまでもない。また、コイルの分割数については、２分割の場合を説明したが、３分割以上であってもよい。また、コイル間ギャップは、なくしてもよい。

Claims (6)

  1. 　同極同士が対向した状態で一定の磁石間ギャップを有して一体化された複数の永久磁石と、
    　前記複数の永久磁石のそれぞれの外周に、前記複数の永久磁石のそれぞれと間隔を有して配置される複数のコイルと
    　を備え、前記複数の永久磁石と前記複数のコイルとの相対運動により発電する振動発電機であって、
    　互いに対向するコイルの長さと、永久磁石の長さとの関係において、前記コイルの長さは、前記永久磁石の長さより大きく、前記永久磁石の長さと前記磁石間ギャップの長さの合計以下である
    　振動発電機。
  2. 　１つ以上の永久磁石と、永久磁石の外周に間隔を有して配置されるコイルとからなり、前記永久磁石と前記コイルとの相対運動により発電する振動発電機であって、
    　前記コイルは、前記永久磁石のそれぞれに対向するコイルが、コイル間に一定のコイル間ギャップを有するようにＮ（Ｎ：２以上の整数）分割された分割コイルとして構成され、
    　互いに対向する分割コイルの長さと、永久磁石の長さとの関係において、前記分割コイルの長さは、前記永久磁石の長さと前記磁石間ギャップの長さの合計の１／Ｎ以下である
    　振動発電機。
  3. 　請求項１または２に記載の振動発電機において、
    　前記永久磁石は、スプリングに取り付けられ、強制振動もしくは自由振動することにより発電する
    　振動発電機。
  4. 　請求項１に記載の振動発電機において、
    　それぞれの永久磁石と対向するそれぞれのコイルの両端は、静止状態において、前記永久磁石の端部の外周、もしくは、前記磁石間ギャップの位置の外周にある
    　振動発電機。
  5. 　請求項２に記載の振動発電機において、
    　１つ以上のそれぞれの永久磁石と対向するＮ分割された前記分割コイルの内、２つのコイル端は、静止状態において、前記永久磁石の端部の外周、もしくは、前記磁石間ギャップの位置の外周にある
    　振動発電機。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか１項に記載の振動発電機において、
    　前記磁石間ギャップないし磁石端部は、比透磁率が１より大きい材料が挿入される
    　振動発電機。
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