WO2016175227A1 - 小形スイッチ型発電装置 - Google Patents

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WO2016175227A1
WO2016175227A1 PCT/JP2016/063144 JP2016063144W WO2016175227A1 WO 2016175227 A1 WO2016175227 A1 WO 2016175227A1 JP 2016063144 W JP2016063144 W JP 2016063144W WO 2016175227 A1 WO2016175227 A1 WO 2016175227A1
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WO
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magnet
type power
small switch
power generator
switch type
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PCT/JP2016/063144
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English (en)
French (fr)
Inventor
幸久 田中
恵理 高橋
Original Assignee
Ｎｋｋスイッチズ株式会社
エコハーベスター，インコーポレイテッド
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a small switch type power generator that performs self-power generation in accordance with the operation of a switch.
  • a small switch is not equipped with a power generation device, and functions exclusively to open and close an electric circuit.
  • the present invention provides a small switch-type power generator that can obtain a large electromotive force by moving a magnet faster and longer by using a spring reversal speed mechanism of a switch.
  • the purpose is to do.
  • a small switch type power generator comprising a substrate on which a coil circuit disposed inside a housing is formed, and a magnet disposed at a predetermined distance from the coil circuit, wherein the magnet The electromotive force is generated by moving at a high speed facing the coil circuit.
  • the magnet is interlocked with a spring reversing speed mechanism, and is moved at a high speed by the operation of the spring reversing speed mechanism.
  • the board on which the coil circuit is formed is a printed circuit board disposed on an inner side surface of the casing.
  • the magnet moves at a narrow spatial distance.
  • the board on which the coil circuit is formed is a printed circuit board disposed on both inner side surfaces of the casing, and the printed circuit board The magnets are opposed to each other.
  • a magnetic flux post is further formed on the substrate on which the coil circuit is formed, and the substrate is disposed on the inner bottom surface side of the casing.
  • the magnet is disposed at a predetermined distance above the coil circuit.
  • a large electromotive force can be obtained by moving the magnet faster and longer by using the spring reversing fast moving mechanism of the small switch type power generator. That is, a large electromotive force can be obtained with a very simple structure. Therefore, it can be developed for wireless communication such as a wireless switch that does not require a power source.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a small switch type power generator showing a first embodiment of the present invention. It is a top view of the small switch type power generator which shows the 1st example of the present invention. It is a top view of the small switch type power generator which shows the 2nd example of the present invention. It is a perspective view of PCB of the small switch type power generator which shows the 2nd example of the present invention. It is a schematic diagram of the example of the toggle switch used for the small switch type electric power generating apparatus which shows 3rd Example of this invention. It is a cross-sectional perspective view of the electric power generation mechanism of the small switch type electric power generating apparatus which shows 3rd Example of this invention.
  • FIG. 1 which shows FEM (electromotive force) simulation which obtains the magnetic flux profile of the small switch type
  • FIG. 2 which shows FEM (electromotive force) simulation which obtains the magnetic flux profile of the small switch type
  • FIG. 3 which shows FEM (electromotive force) simulation which obtains the magnetic flux profile of the small switch type
  • FIG. (4) which shows FEM (electromotive force) simulation which obtains the magnetic flux profile of the small switch type electric power generating apparatus which shows 3rd Example of this invention. It is FIG.
  • the small switch type power generator of the present invention includes a substrate on which a coil circuit disposed inside a casing is formed, and a magnet disposed at a predetermined distance from the coil circuit, and the magnet is the coil circuit.
  • An electromotive force is generated by moving at a high speed in opposition to.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a small switch type power generation apparatus showing a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a top view of the small switch type power generation apparatus.
  • 1 is a small switch type power generator
  • 2 is a case of the small switch type power generator
  • 4 is a substrate (PCB: printed circuit) on which a coil circuit 3 disposed on the inner side surface of the case 2 is formed.
  • Substrate) 6 is an operating device on which the magnet 5 is held, and this operating device 6 can move the magnet 5 at a high speed in conjunction with a spring reversing speed moving mechanism (not shown).
  • a spring reversing fast moving mechanism for example, a spring reversing fast moving mechanism in which the movable piece of the switch disclosed in Patent Document 1 is a swing type can be used.
  • 2A is a receiving portion of the swing shaft 6A of the operating device 6
  • 2B is a support groove of the substrate 4
  • a leg portion 4B from which the lead wire 3A of the coil circuit 3 of the substrate 4 is led is provided in the support groove 2B.
  • Supported. 4A is a receiving portion of the swing shaft 6A of the operating device 6, and 6B is a support portion of the magnet 5 formed in the operating device 6.
  • the small switch power generator 1 of the present invention includes the substrate (PCB) 4 on which the coil circuit 3 is formed on the inner side surface of the housing 2. Therefore, when the operating member (not shown) of the small switch type power generator 1 is operated to operate the spring reversing fast moving mechanism, the magnet 5 supported by the operating device 6 faces the coil circuit 3 at a high speed. When moving, an electromotive force is generated and power generation can be performed. In this way, by using the spring reversal fast moving mechanism, the magnet 5 can be moved faster and longer, and a large electromotive force can be obtained.
  • the magnet 5 a magnet with strong magnetic force such as neodymium can be used.
  • the substrate 4 on which the coil circuit 3 is formed and the magnet 5 are arranged with a small spatial distance, for example, a distance of about 0.5 to 1.0 mm.
  • FIG. 3 is a top view of a small switch type power generator showing a second embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a perspective view of a PCB of the small switch type power generator.
  • substrates 14 a and 14 b on which coil circuits 13 a and 13 b are formed are arranged on both inner side surfaces of the casing 12 of the small switch type power generator 11.
  • the spring reversing speed moving mechanism When the spring reversing speed moving mechanism is operated, the magnets 15a (15b) supported on both side surfaces of the operating device 16 are moved so as to face the coil circuit 13a (13b).
  • the spring reversing fast moving mechanism for example, the spring reversing fast moving mechanism described in Patent Document 1 can be used.
  • the substrate 14a (14b) on which the coil circuit 13a (13b) is formed is formed with the coil circuit 3 shown in FIGS. 1 and 2 except that the substrate 14a (14b) is disposed on both inner side surfaces of the housing 12.
  • the configuration is the same as that of a substrate (PCB: printed circuit board) 4.
  • the small switch type power generation device 11 showing the second embodiment of the present invention includes the substrate (PCB) 14a (14b) in which the coil circuit 13a (13b) is formed on both inner side surfaces of the housing 12. Magnets 15a and 15b are attached to the operating device 16 that is linked to the spring reversing speed mechanism of the switch so as to face the coil circuits 13a and 13b. Other structures are the same as those in the first embodiment.
  • the substrate (PCB) 14a, 14b on which the coil circuits 13a, 13b are formed and the magnets 15a, 15b arranged so as to be opposed thereto are provided. A stronger output can be obtained as compared with the first embodiment.
  • the small switch type power generator of the present invention is configured so that a large electromotive force can be obtained by moving the magnet faster and longer by utilizing the spring reversal speed mechanism. Yes.
  • FIG. 5 is a schematic view showing an example of a toggle switch used in a small toggle switch type power generator according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 (a) is a front sectional view
  • FIG. 5 (b) is a sectional perspective view. The figure is shown.
  • 21 is a small toggle switch
  • 22 is an operating device
  • 23 is a drawer terminal
  • 24 is a lid
  • 25 is an operating member that works in conjunction with a spring reversing speed mechanism (switch mechanism).
  • the small switch type power generator of the present invention can be manufactured with a slight change on the basis of a toggle switch having such a spring reversal speed mechanism.
  • the spring reversing fast moving mechanism here, for example, the spring reversing fast moving mechanism of Patent Document 1 described above can be used.
  • FIG. 6 is a cross-sectional perspective view of a power generation mechanism of a small switch type power generation apparatus showing a third embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is an operation explanatory view of the power generation mechanism of the small switch type power generation apparatus showing a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A shows the operation when the operation member is tilted to the right
  • FIG. 7B shows the operation when the operation member is in the neutral position
  • FIG. 7C shows the operation when the operation member is tilted to the left.
  • FIGS. 8 and 9 are views showing a power generation mechanism of a small switch type power generation apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A is a perspective view of the power generation mechanism
  • FIG. FIG. 9 is a front view of the power generation mechanism
  • FIG. 9 is a side view of the power generation mechanism.
  • FIG. 10 is a front sectional view of the small switch type power generator shown in FIG.
  • 21 is a small switch type power generator
  • 22 is an operating device
  • 22a is a switch mechanism
  • 22b is a magnet
  • 22c is a magnetic pole piece forming magnetic flux
  • 22d is a bottom substrate
  • 22e is a magnetic flux post (1018) that attracts magnetic flux.
  • Steel and 22f are power generation coils.
  • a substrate on which a coil circuit is formed is arranged on one side surface or both side surfaces inside the small switch type power generator.
  • a bottom substrate 22d having a coil circuit formed on the bottom surface side inside the power generating device is disposed.
  • the magnet 22b is disposed at the lower end of the operating device 22 that is linked to the spring reversing speed mechanism so as to face this.
  • the dimension of the magnet 22b is, for example, 6 mm ⁇ 3 mm ⁇ 7 mm.
  • the small switch type power generator of the present invention can be manufactured by making a slight change to the switch mechanism.
  • the substrate on which the coil circuit is formed is provided with a plurality of magnetic flux posts 22e made of a highly permeable material. For example, 1018 steel is used.
  • the plurality of magnetic flux posts 22e are formed such that their upper surfaces collectively form an arc shape, and correspond to a circular orbit drawn by the magnet 22b.
  • a coil 22f is wound around the magnetic flux post 22e.
  • a magnetic pole piece 22c made of a highly permeable material is attached to the magnet 22b, and the magnetic pole piece 22c forms a magnetic flux.
  • the pole piece 22c is formed so as to concentrate the magnetic flux from a wide area to a narrow area, and the magnetic flux post 22e concentrates the magnetic flux.
  • the region where the magnetic flux is concentrated is a cross section of the material around which the coil is wound.
  • the highly permeable material guides the magnetic flux to stay within the switch boundary.
  • the magnet 22b is integrated with the operating device 22, and a narrow gap exists between the coil 22f / magnetic flux post 22e assembly and the magnet 22b / pole piece 22c assembly.
  • the spring reverse speed mechanism controls the movement of the magnet 22b, and the spring reverse speed mechanism 22 operates in conjunction with the operation of the operation member 25. Since the magnet 22b passes through the plurality of coils 22f at a higher speed at a longer distance while drawing a circular arc orbit by the spring reversal speed mechanism, a higher voltage can be generated.
  • Each coil 22f individually generates an AC voltage and is added in series.
  • the coils 22f are made from one conductor so that the voltage components have the same sign and are added before rectification, and each coil 22f is wound in the opposite direction.
  • the output generated by the coil 22f can be supplied to a battery, a battery, or directly to a wireless transmitter.
  • a single magnet passes a plurality of coils, but a plurality of magnets may pass a plurality of coils.
  • the small switch-type power generator according to the third embodiment of the present invention has a switch structure used as a base by slightly expanding the original internal cavity as compared with the switch structure shown in FIG.
  • a small switch-type power generator can be manufactured with only a slight change inside without changing the external specification.
  • FIG. 11 is a diagram showing a simulation of the output voltage of the small switch type power generator according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 (a) shows the relationship between time and output at a voltage through a load of 22 ohms.
  • FIG. 11B is a diagram showing a relationship between time and output when a load voltage is applied to an anti-aligned coil arranged in series. 1.05 mJ was generated through a 22 ohm resistor. Here, each coil was wound 408 times, and the switching time was evaluated as 6.5 milliseconds based on the test.
  • FIG. 12 is a diagram showing a simulation of output energy of the small switch type power generator according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 (a) shows the relationship between energy and time for each coil
  • FIGS. 13 to 17 are diagrams (Nos. 1 to 5) showing FEM (electromotive force) simulations for obtaining a magnetic flux profile of the small switch type power generator according to the third embodiment of the present invention.
  • FIGS. Each drawing up to FIG. 17 is a diagram showing a magnetic flux profile for each magnet movement process.
  • FIG. 18 is an output circuit diagram and a relational expression of the small switch type power generator of the present invention.
  • the inductive impedance is low compared to the coil resistance R c and the load resistance R L.
  • the magnetic flux profile function for simulation is as follows.
  • ⁇ (i) Nl p Acos [B ⁇ x m ⁇ x p (i) ⁇ ]
  • ⁇ (i) is the total flux in the magnetic flux post i
  • N is the number of coils around the magnetic flux post i
  • A is a constant fitted from FEM simulation ⁇ see (3) above
  • B is a constant fitted from FEM simulation ⁇ see (3) above
  • x m is the position of the center of the magnet
  • x p (i) is the position of the magnetic flux post i
  • FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the total flux inside the coil and the magnet position in the small switch type power generator of the present invention.
  • the solid line is the FEM simulation
  • the broken line is the approximate curve
  • FIG. 20 is a diagram showing a simulation of the output voltage of the small switch type power generator of the present invention.
  • FIG. 20 (a) is a diagram showing a relationship between time and output in voltage through a load of 18 ⁇ resistor,
  • FIG. 20 (b) is a diagram showing a relationship between time and output when a load voltage is applied to an anti-aligned coil in series.
  • FIG. 21 is a simulation diagram of output energy of the small switch type power generator of the present invention
  • FIG. 21 (a) is a diagram showing the relationship between energy and time for each coil
  • FIG. It is a figure which shows the relationship of a total energy.
  • each coil was wound 363 times, and the switching time was evaluated in 5 milliseconds based on the test.
  • FIG. 22 is a CAD diagram of the test apparatus of the present invention
  • FIG. 22A is a CAD isometric view
  • FIG. 22B is a CAD top view.
  • test equipment The purpose of the test equipment is to confirm the validity of the model of the present invention with a very low cost bench top test equipment.
  • FIG. 23 is an enlarged top view of the test apparatus of the present invention.
  • 33 is a rotor in which a magnet 31 is embedded and a rotary spring 32 is mounted.
  • 34 is a ferrous post wound with a coil (Ferrous posts (1018 steel)). The two outer ferrous posts 34a and 34c are used for speed measurement, and the inner ferrous post 34b is used for voltage and power measurement. .
  • FIG. 24 is a drawing-substituting photograph showing an enlarged top view of the test apparatus of the present invention.
  • a coil of 200 turns is wound around the inner ferrous post 34b, and the outer ferrous posts 34a and 34c are wound around each other.
  • a 100-turn coil is wound around.
  • FIG. 25 is a diagram showing an FEA used for obtaining the magnetic flux profile of the present invention. Here, simulation was performed at nine positions in order to obtain a magnetic flux pair position profile at the Ferrous posts. 25A shows the position 1, FIG. 25B shows the position 2, and FIG. 25C shows the position 3.
  • FIG. 26 is a sample diagram of the output voltage (N52 magnet) of the present invention.
  • a 44-gauge (diameter 50.8 ⁇ m) wire 200-turn coil is used for the inner post, and a 100-turn series coil is used for both outer magnetic flux posts. 34 ⁇ , open circuit voltage is shown.
  • FIG. 27 is a diagram showing a comparison between the experiment (N52 magnet) of the present invention and the simulation, and shows the relationship between the voltage and time of Test 5 using the N52 magnet. As shown here, the simulation of the open circuit voltage and the experimental results are in good agreement. Here, the speed is 10.6 m / s, 2.9 V open circuit, 1.45 V with a 34 ⁇ load, and 30 ⁇ J.
  • FIG. 28 is a diagram showing a comparison between the experiment of the present invention (N52 magnet) and simulation, and shows the relationship between speed and peak voltage.
  • N52 magnet N52 magnet
  • FIG. 28 shows a comparison between the experiment of the present invention (N52 magnet) and simulation, and shows the relationship between speed and peak voltage.
  • various tests were performed with different preloads to obtain speed versus peak voltage.
  • Speed versus peak voltage is linear as expected. There was good agreement between the simulation and the experimental results.
  • FIG. 29 is a diagram showing a comparison between the experiment (N42 magnet) of the present invention and the simulation, and shows the relationship between the voltage and time of the test 12 using the N42 magnet.
  • the present invention by adding a power generation function to a small switch type device, it is possible to generate power by the small switch itself, and to develop an additional function that enables wireless communication, for example, in an emergency. Can do.
  • the small switch type power generator of the present invention can be applied to various small switch types such as a toggle switch type, a rocker switch type, and a slide switch type.
  • this invention is not limited to the said Example, A various deformation
  • the small switch type power generator of the present invention can be used as a small switch with a power generation function capable of moving a magnet faster and longer distance and obtaining a large electromotive force by using a spring reversing high speed mechanism. it can.

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Abstract

スプリング反転高速機構を利用することにより、磁石をより早く、より距離を長く移動させ、大きな起電力を得ることができる小形スイッチ型発電装置を実現する。上記の目的を実現するために、筐体（２）の内側に配置されるコイル回路（３）が形成された基板（４）と、前記コイル回路（３）から所定の距離を置いて配置される磁石（５）を備え、当該磁石（５）が前記コイル回路（３）に対向して早い速度で移動することにより、起電力を発生させる小形スイッチ型発電装置を提供する。

Description

小形スイッチ型発電装置
　本発明は、スイッチの動作に伴って自己発電を行う小形スイッチ型発電装置に関するものである。
　従来、小形スイッチは発電装置を備えておらず、専ら電路の開閉を行う働きをするものである。
実公昭４１－２０６６５号公報 特表２０１３－５０５６９８号公報 特表２０１３－５０５５３７号公報
　しかしながら、電源不要の無線スイッチ等では、スイッチ自体の発電機能による通信への展開が望まれており、より大きな起電力の実現が求められている。
　本発明は、上記状況に鑑みて、スイッチのスプリング反転速動機構を利用することにより、磁石をより早く、より距離を長く移動させ、大きな起電力を得ることができる小形スイッチ型発電装置を提供することを目的とする。
　本発明は、上記目的を達成するために、
　〔１〕小形スイッチ型発電装置であって、筐体の内側に配置されるコイル回路が形成された基板と、前記コイル回路から所定の距離を置いて配置される磁石を備え、前記磁石が前記コイル回路に対向して早い速度で移動することにより、起電力を発生させることを特徴とする。
　〔２〕上記〔１〕記載の小形スイッチ型発電装置において、前記磁石はスプリング反転速動機構に連動し、このスプリング反転速動機構の動作により、早い速度で移動することを特徴とする。
　〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の小形スイッチ型発電装置において、前記コイル回路が形成された基板が前記筐体の内側側面に配置されるプリント回路基板であり、このプリント回路基板から狭い空間距離をおいて前記磁石が移動することを特徴とする。
　〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の小形スイッチ型発電装置において、前記コイル回路が形成された基板が前記筐体の内側両側面に配置されるプリント回路基板であり、このプリント回路基板にそれぞれ前記磁石を対向させることを特徴とする。
　〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の小形スイッチ型発電装置において、前記コイル回路が形成された基板にはさらに磁束ポストが形成され、この基板は前記筐体の内側底面側に配置され、前記磁石は前記コイル回路の上方に所定の距離を置いて配置されることを特徴とする。
　〔６〕上記〔１〕から〔５〕の何れか一項記載の小形スイッチ型発電装置において、前記磁石が移動する距離が長くなるようにしたことを特徴とする。
　〔７〕上記〔１〕から〔６〕の何れか一項記載の小形スイッチ型発電装置において、前記磁石が磁力の強い磁石であることを特徴とする。
　〔８〕上記〔７〕記載の小形スイッチ型発電装置において、前記磁石の材料がネオジムであることを特徴とする。
　本発明によれば、小形スイッチ型発電装置のスプリング反転速動機構を利用することにより、磁石をより早く、より距離を長く移動させ、大きな起電力を得ることができる。すなわち、非常に簡単な構造で大きな起電力を得ることができる。よって、電源不要の無線スイッチ等の無線通信に展開が可能である。
本発明の第１実施例を示す小形スイッチ型発電装置の分解斜視図である。 本発明の第１実施例を示す小形スイッチ型発電装置の上面図である。 本発明の第２実施例を示す小形スイッチ型発電装置の上面図である。 本発明の第２実施例を示す小形スイッチ型発電装置のＰＣＢの斜視図である。 本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置に用いられるトグルスイッチの例の模式図である。 本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の発電機構の断面斜視図である。 本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の発電機構の動作説明図である。 本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の発電機構を示す図である。 本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の発電機構を示す図である。 図６に示した小形スイッチ型発電装置の正面断面図である。 本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の出力電圧のシミュレーションを示す図である。 本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の出力エネルギーのシミュレーションを示す図である。 本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の磁束プロファイルを得るＦＥＭ（起電力）シミュレーションを示す図（その１）である。 本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の磁束プロファイルを得るＦＥＭ（起電力）シミュレーションを示す図（その２）である。 本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の磁束プロファイルを得るＦＥＭ（起電力）シミュレーションを示す図（その３）である。 本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の磁束プロファイルを得るＦＥＭ（起電力）シミュレーションを示す図（その４）である。 本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の磁束プロファイルを得るＦＥＭ（起電力）シミュレーションを示す図（その５）である。 本発明の小形スイッチ型発電装置の出力回路図と関係式である。 本発明の小形スイッチ型発電装置のコイル内部のトータルフラックスと磁石位置の関係を示す図である。 本発明の小形スイッチ型発電装置の出力電圧のシミュレーションを示す図である。 本発明の小形スイッチ型発電装置の出力エネルギーのシミュレーション図である。 本発明のテスト装置ＣＡＤ図である。 本発明のテスト装置の拡大上面図である。 本発明のテスト装置の拡大上面図を示す図面代用写真である。 本発明の磁束プロファイルを得るために用いられるＦＥＡを示す図である。 本発明の出力電圧（Ｎ５２磁石）のサンプル図である。 本発明の実験（Ｎ５２磁石）とシミュレーションの対比を示す図である。 本発明の実験（Ｎ５２磁石）とシミュレーションの対比を示す図である。 本発明の実験（Ｎ４２磁石）とシミュレーションの対比を示す図である。
　本発明の小形スイッチ型発電装置は、筐体の内側に配置されるコイル回路が形成された基板と、前記コイル回路から所定の距離を置いて配置される磁石を備え、前記磁石が前記コイル回路に対向して早い速度で移動することにより、起電力を発生させる。
　以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
　図１は本発明の第１実施例を示す小形スイッチ型発電装置の分解斜視図、図２はその小形スイッチ型発電装置の上面図である。
　これらの図において、１は小形スイッチ型発電装置、２は小形スイッチ型発電装置の筐体、４はその筐体２の内側側面に配置されるコイル回路３が形成された基板（ＰＣＢ：プリント回路基板）、６は磁石５が保持される操作装置であり、この操作装置６はスプリング反転速動機構（図示なし）に連動し、早い速度で磁石５を移動させることができる。なお、スプリング反転速動機構としては、例えば、上記した特許文献１に開示されるスイッチの可動片がブランコ式のスプリング反転速動機構を用いることができる。また、２Ａは操作装置６の揺動軸６Ａの受け部、２Ｂは基板４の支持溝であり、この支持溝２Ｂには基板４のコイル回路３のリード線３Ａが導出される脚部４Ｂが支持される。４Ａは操作装置６の揺動軸６Ａの受け部であり、６Ｂは操作装置６に形成される磁石５の支持部である。
　上記したように、本発明の小形スイッチ型発電装置１は、筐体２の内側側面にコイル回路３が形成された基板（ＰＣＢ）４を備えている。そこで、この小形スイッチ型発電装置１の操作部材（図示なし）を操作して、スプリング反転速動機構が動作すると、操作装置６に支持された磁石５がコイル回路３に対向して早いスピードで移動する際に起電力が発生し、発電を行うことができる。このように、スプリング反転速動機構を用いることで、磁石５をより早く、より距離を長く移動させ、大きな起電力を得ることができるように構成している。
　なお、磁石５としては、ネオジム等の磁力の強い磁石を用いることができる。また、コイル回路３が形成された基板４と磁石５は狭い空間距離、例えば、０．５～１．０ｍｍ程度の距離をあけて配置されるものとする。
　図３は本発明の第２実施例を示す小形スイッチ型発電装置の上面図、図４はその小形スイッチ型発電装置のＰＣＢの斜視図である。
　この実施例では、小形スイッチ型発電装置１１の筐体１２の内側両側面にコイル回路１３ａ、１３ｂが形成された基板１４ａ、１４ｂが配置されている。スプリング反転速動機構が動作すると、操作装置１６の両側面に支持された磁石１５ａ（１５ｂ）がコイル回路１３ａ（１３ｂ）に対向するように移動される。なお、ここでもスプリング反転速動機構としては、例えば上記した特許文献１のスプリング反転速動機構を用いることができる。また、コイル回路１３ａ（１３ｂ）が形成された基板１４ａ（１４ｂ）は、筐体１２の内側両側面に配置される点を除くと図１と図２に示されたコイル回路３が形成された基板（ＰＣＢ：プリント回路基板）４と同じ構成である。
　上記したように、本発明の第２実施例を示す小形スイッチ型発電装置１１は、筐体１２の内側両側面にコイル回路１３ａ（１３ｂ）が形成された基板（ＰＣＢ）１４ａ（１４ｂ）を備えており、スイッチのスプリング反転速動機構と連動する操作装置１６には、それぞれのコイル回路１３ａ、１３ｂに対向するように磁石１５ａ、１５ｂが取り付けられている。その他の構造は上記第１実施例と同様である。このように、本発明の第２実施例によれば、コイル回路１３ａ、１３ｂが形成された基板（ＰＣＢ）１４ａ、１４ｂとそれに対向するように配置された磁石１５ａ、１５ｂを備えるので、片側だけに備える第１実施例と比較してより強い出力を得ることができる。
　このように、本発明の小形スイッチ型発電装置は、スプリング反転速動機構を利用することにより、磁石をより早く、より距離を長く移動させ、大きな起電力を得ることができるように構成している。
　図５は本発明の第３実施例を示す小形トグルスイッチ型発電装置に用いられるトグルスイッチの例を示す模式図であり、図５（ａ）は正面断面図、図５（ｂ）は断面斜視図を示している。
　図５において、２１は小形トグルスイッチ、２２は操作装置、２３は引き出し端子、２４は蓋体、２５はスプリング反転速動機構（スイッチ機構）と連動する操作部材を示している。このようなスプリング反転速動機構を備えるトグルスイッチを基礎として、わずかな変更を加えるだけで本発明の小形スイッチ型発電装置を作製することができる。なお、ここでのスプリング反転速動機構としても、例えば、上記した特許文献１のスプリング反転速動機構を用いることができる。
　図６は本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の発電機構の断面斜視図、図７は本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の発電機構の動作説明図であり、図７（ａ）は操作部材を右に倒した場合、図７（ｂ）は操作部材が中立位置にある場合、図７（ｃ）は操作部材を左に倒した場合の動作をそれぞれ示している。また、図８，図９は本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の発電機構を示す図であり、図８（ａ）はその発電機構の斜視図、図８（ｂ）はその発電機構の正面図、図９はその発電機構の側面図である。また、図１０は図６に示した小形スイッチ型発電装置の正面断面図である。
　これらの図において、２１は小形スイッチ型発電装置、２２は操作装置、２２ａはスイッチ機構、２２ｂは磁石、２２ｃは磁束を形成する磁極片、２２ｄは底基板、２２ｅは磁束を引き寄せる磁束ポスト（１０１８スチール）、２２ｆは発電コイルである。
　図１，２に示した本発明の第１、第２実施例では小形スイッチ型発電装置内側の片側側面または両側側面にコイル回路を形成した基板を配置した。これに対して、本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置においては、図６に示すように、発電装置内側の底面側にコイル回路を形成した底基板２２ｄを配置しており、これに対向するように、磁石２２ｂがスプリング反転速動機構と連動する操作装置２２の下端部に配置されている。ここで、磁石２２ｂの寸法は例えば、６ｍｍ×３ｍｍ×７ｍｍである。このように、スイッチ機構にわずかな変更を加えるだけで、本発明の小形スイッチ型発電装置を作製することができる。
　次に、本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の発電機構の動作を図７（ａ）～（ｃ）で説明する。スプリング反転速動機構（スイッチ機構２２ａ）と接続される操作部材（図示なし）を右に倒した場合、操作部材とスプリング反転速動機構との間に載置されるバネ（図示なし）の押圧力により、操作装置２２は図７（ａ）のように急速に右方向へ移動し、接触点に接触して停止する。また、操作部材２５を左に倒した場合は、操作装置２２は同様に図７（ｃ）のように急速に左方向へ移動し、接触点に接触して停止する。ここで、スプリング反転速動機構の下端部が描く円弧の曲率半径は例えば１１ｍｍである。このようにして、コイル回路に対向して配置される磁石２２ｂがコイル回路上を早いスピードで通過する際に起電力が発生し、発電を行うことができる。また、スプリング反転速動機構を利用することにより、磁石２２ｂをより早く、より距離を長く移動させ、大きな起電力を得ることができるように構成している。
　ここで、本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の構成をより詳細に説明する。
　コイル回路を形成した基板には、高透磁性材料からなる磁束ポスト２２ｅが複数設けられており、例えば１０１８スチールが用いられる。複数の磁束ポスト２２ｅはその上面が集合的に円弧形状をなすように形成されていて、磁石２２ｂの描く円形軌道と対応している。磁束ポスト２２ｅの周囲にコイル２２ｆが巻かれている。
　磁石２２ｂには高透磁性材料からなる磁極片２２ｃが取り付けられており、この磁極片２２ｃが磁束を形成する。磁極片２２ｃは磁束を広い領域から狭い領域へ集中させるように形成され、磁束ポスト２２ｅが磁束を集中させる。磁束が集中した領域はコイルが巻かれる材料の断面となる。高透磁性材料は磁束をスイッチ境界内に留めるようガイドする。また、磁石２２ｂは操作装置２２と一体化しており、コイル２２ｆ／磁束ポスト２２ｅ組立体と磁石２２ｂ／磁極片２２ｃ組立体の間には狭い空隙（ａｉｒ　ｇａｐ）が存在する。
　スプリング反転速動機構が磁石２２ｂの動きを制御しており、操作部材２５の操作と連動してスプリング反転速動機構２２が動作する。磁石２２ｂはスプリング反転速動機構により円弧軌道を描きながらより長い距離で、複数のコイル２２ｆを早い速度で通過するので、より高い電圧を発生させることができる。
　個々のコイル２２ｆは個別にＡＣ電圧を発生し、直列に足しあわされる。電圧の成分が同じ符号となり、整流前に足しあわされるように、コイル２２ｆは１つの導体から作製され、それぞれのコイル２２ｆは逆方向に巻回される。
　コイル２２ｆで発生する出力は、バッテリー、蓄電器、または直接ワイヤレス送信機に供給することができる。
　上記第３実施例では単一の磁石が複数のコイルを通過する構成としているが、複数の磁石が複数のコイルを通過する構成としてもよい。
　本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置は、図１０に示すように、図５に示したスイッチ構造と比較して、元々の内部空洞をわずかに広げ、基礎として用いたスイッチ構造では使用されていなかった領域も利用して磁束ポストとコイルを配置することで、内部のわずかな変更のみで外形仕様は変更することなく小形スイッチ型発電装置を作製することができる。
　図１１は本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の出力電圧のシミュレーションを示す図であり、図１１（ａ）は２２オームの負荷を通じた電圧における時間と出力の関係を示し、図１１（ｂ）は直列に反対に配置された（ａｎｔｉ－ａｌｉｇｎｅｄ）コイルに負荷電圧をかけた場合の時間と出力の関係を示している図である。２２オームの抵抗を通じて１．０５ｍＪが発生した。なお、ここで、各コイルは４０８巻回され、スイッチング時間はテストに基づき６．５ｍ秒と評価された。
　図１２は本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の出力エネルギーのシミュレーションを示す図であり、図１２（ａ）はコイル毎のエネルギーと時間の関係を示し、図１２（ｂ）は時間とトータルエネルギーの関係を示す図である。
　ここでも、２２オームの抵抗を通じて１．０５ｍＪが発生した。なお、各コイルは４０８巻回され、スイッチング時間はテストに基づき６．５ｍ秒と評価された。
　（１）出力パラメーターの要約
　パラメーター　　　　　　　　　　　　　　　　　値　　　　　　単位
　２２Ω負荷を通して得られたエネルギー　　　　１．０５　　　　ｍＪ
　最大電圧（開放回路、シングルコイル）　　　　４．３４　　　　ｖ
　２２Ω負荷を通じた最大電圧（シングルコイル）２．１７　　　　ｖ
　最大電圧（開放回路、逆接続コイル）　　　　　　８．２　　　　ｖ
　２２Ω負荷を通じた最大電圧（逆接続）　　　　　４．１ 　　 　ｖ
　各コイルの抵抗　　　　　　　　　　　　　　　　　２２　　　　Ω
　（２）デザインパラメーターの要約
　パラメーター　　　　　　　　　　　　　　　　　値　　　　　　単位
　発電機のトータル幅　　　　　　　　　　　　　　　１１　　　　ｍｍ
　発電機のトータル長さ　　　　　　　　　　　　　　１８　　　　ｍｍ
　コイル毎の巻数（３コイル合計）　　　　　　　　４０８
　電線直径（３８標準寸法）　　　　　　　　０．１０１６　　　　ｍｍ
　磁束ポスト/ コイルの数　　　　　　　　　　　　　　３
　磁束ポストの形状　　　　　　　　　　　　　３×４×７　　　　ｍｍ
　磁束ポストの材料　　　　　　　　　　１０１８スチール
　磁石寸法　　　　　　　　　　　　　　　　　６×３×７　　　　ｍｍ
　磁石の材料　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｎ５２
　磁極片の厚さ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１　　　　ｍｍ
　磁極片の材料　　　　　　　　　　　　１０１８スチール
　磁石と磁束ポストのとの間隔　　　　　　　　　　０．５　　　　ｍｍ
　（３）重要なシミュレーションパラメーターの要約
　パラメーター　　値　　単位　　　コメント
　スイッチ期間　６．５　ｍｓｅｃ　測定３－５ｍｓｅｃ、しかしこの設計は約３０％間隔が増加する。
　　Ａ　０．００２５５　Ｔ－ｍ2 　　このパラメーターは磁束プロファイル関数を作るのに用いられる。
　　Ｂ　　　　　４０８　　　ｍ-1　　このパラメーターは磁束プロファイル関数を作るのに用いられる。
　図１３～図１７は本発明の第３実施例を示す小形スイッチ型発電装置の磁束プロファイルを得るＦＥＭ（起電力）シミュレーションを示す図（その１～その５）であり、図１３（ａ）～図１７までの各図は、磁石の移動プロセス毎の磁束プロファイルを示す図である。
　以下に重要な前提条件（ｃｒｉｔｉｃａｌ　ａｓｓｕｍｐｔｉｏｎ）を示す。
１．トータルスイッチング時間は現在のスイッチでは３～５ｍｓｅｃと測定された。トータルのスイッチ距離は現在のスイッチに対して３０％増加したので、これに伴い時間も増加した。
２．磁石は一定の速度で移動する。
３．コイルの数は割り当てられた空間に収まるコイルの最大数の８５％である。
４．電磁力がスイッチを著しく遅らせる（つまり、スイッチング時間を増加させる）ことはない。
　図１８は本発明の小形スイッチ型発電装置の出力回路図と関係式である。
　なお、図１８の関係式において、
　　　　　Φはコイル内部のトータルフラックス
　　　　　Ｂは磁束密度べクトル
　　　　　Ａはコイルによって囲まれる領域
　　　　　Ｎはコイル巻回の数
　　　　　Ｌc はコイルのインダクタンス
　　　　　Ｒc はコイル抵抗
　　　　　ＲL は負荷抵抗
　　　　　最適出力のためにはＲc ＝ＲL ＝Ｒとする。
　　　　　Ｐは負荷の電力
　　　　　Ｅは負荷によって消散されるエネルギー、である。
　誘導性インピーダンスはコイル抵抗Ｒc および負荷抵抗ＲL に比べて低い。
　また、シミュレーションのための磁束プロファイル関数は以下の通りである。
　Φ（ｉ）＝Ｎｌp Ａｃｏｓ[ Ｂ｛ｘm －ｘp （ｉ）｝] 
　ここで、Φ（ｉ）は磁束ポストｉにおけるトータルフラックス
　　　　　Ｎは磁束ポストｉまわりのコイルの数
　　　　　ＡはＦＥＭシミュレーションからフィットされた定数｛上記（３）参照｝
　　　　　ＢはＦＥＭシミュレーションからフィットされた定数｛上記（３）参照｝
　　　　　ｘm は磁石の中心の位置
　　　　　ｘp （ｉ）は磁束ポストｉの位置
　図１９は本発明の小形スイッチ型発電装置のコイル内部のトータルフラックスと磁石位置の関係を示す図である。
　この図において、実線はＦＥＭシミュレーション、破線は近似曲線である。
　図２０は本発明の小形スイッチ型発電装置の出力電圧のシミュレーションを示す図であり、図２０（ａ）は１８Ω抵抗の負荷を通じた電圧における時間と出力の関係を示す図、図２０（ｂ）は直列に反対に配置された（ａｎｔｉ－ａｌｉｇｎｅｄ）コイルに負荷電圧をかけた場合の時間と出力の関係を示す図である。
　１８Ωの抵抗を通じて０．８０ｍＪが発生した。ここで、各コイルは３６３巻回され、スイッチング時間はテストに基づいて５ｍ秒で評価された。
　図２１は本発明の小形スイッチ型発電装置の出力エネルギーのシミュレーション図であり、図２１（ａ）は、コイル毎のエネルギーと時間の関係を示す図であり、図２１（ｂ）は、時間とト－タルエネルギーの関係を示す図である。
　ここでも、各コイルは３６３巻回され, スイッチング時間はテストに基づいて５ｍ秒で評価された。
　次に、実験モデルの妥当性を確認する。
　図２２は本発明のテスト装置ＣＡＤ図であり、図２２（ａ）はＣＡＤ等角図、図２２（ｂ）はＣＡＤ上面図である。
　テスト装置の目的は大変低いコストのベンチトップテスト装置で本発明のモデルの妥当性を確認することである。
　図２３は本発明のテスト装置の拡大上面図であり、この図において、３３は磁石３１が埋め込まれ、回転スプリング３２が搭載されたローターである。３４はコイルが巻回されたフェラスポスト〔Ｆｅｒｒｏｕｓ　ｐｏｓｔｓ（１０１８スチール）〕であり、外側の２つのフェラスポスト３４ａ，３４ｃは速度の計測に、内側のフェラスポスト３４ｂは電圧及び電力の計測に用いられる。
　図２４は本発明のテスト装置の拡大上面図を示す図面代用写真であり、この図において、内側のフェラスポスト３４ｂの回りには２００ターンのコイルの巻回、各外側のフェラスポスト３４ａ，３４ｃの回りには１００ターンのコイルの巻回がなされている。
　図２５は本発明の磁束プロファイルを得るために用いられるＦＥＡを示す図であり、ここでは、フェラスポスト（Ｆｅｒｒｏｕｓ　ｐｏｓｔｓ）における磁束対位置のプロファイルを得るために９つの位置でシミュレーションを行った。図２５（ａ）はポジション１を、図２５（ｂ）はポジション２を、図２５（ｃ）はポジション３を示している。
　図２６は本発明の出力電圧（Ｎ５２磁石）のサンプル図である。ここでは、内側のポストには、４４ゲージ（直径５０．８μｍ）線の２００巻回コイルが用いられ、外側の両磁束ポストには、１００巻回の直列のコイルが用いられている。３４Ωであり、開放回路電圧が示されている。
　図２７は本発明の実験（Ｎ５２磁石）とシミュレーションの対比を示す図であり、Ｎ５２磁石を用いたテスト５の電圧と時間の関係を示している。ここに示されるように、開放回路電圧のシミュレーションと実験結果とはみごとに一致している。ここで、１０．６ｍ／ｓ速度、２．９ボルト開放回路、３４Ω負荷で１．４５Ｖ、３０μＪである。
　図２８は本発明の実験（Ｎ５２磁石）とシミュレーションの対比を示す図であり、速度とピーク電圧の関係を示している。ここでは、速度対ピーク電圧を得るために異なったプレ負荷をかけて種々の試験を行った。速度対ピーク電圧は予測されたように直線的である。シミュレーションと実験結果とは良好な一致をみた。
　図２９は本発明の実験（Ｎ４２磁石）とシミュレーションの対比を示す図であり、Ｎ４２磁石を用いたテスト１２の電圧と時間の関係を示している。
　Ｎ５２磁石に変えてＮ４２磁石で同様のテストを行った。ここでも、開放回路電圧のシミュレーションと実験結果はみごとに一致している。ここで、１０．６ｍ／ｓ速度、２．５ボルト開放回路、３４Ω負荷で１．４５Ｖ、２１．３μＪである。
　上記からして、以下のよう結論を得ることができた。
（１）同じスイッチング機構で１ｍＪのエネルギーを発生させることができる。この場合、
　（ａ）２２Ω抵抗で３つのコイルは各々２．１Ｖを発生させた。
　（ｂ）スイッチの内部空間を少しだけ大きくする必要がある。
　（ｃ）外的なスイッチ寸法は変わらない。
（２）同じ内部空間の大きさを保持して０．８ｍＪのエネルギーを発生させることができる。
　本発明によれば、小形スイッチ型装置に発電機能を付加することにより、小形スイッチ自体によって発電することができ、緊急時などに、例えば、無線通信を可能にする付加的な機能を展開することができる。
　また、本発明の小形スイッチ型発電装置は、トグルスイッチ型をはじめ、ロッカスイッチ型、スライドスイッチ型など各種の小形スイッチ型に適用可能である。
　なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
　本発明の小形スイッチ型発電装置は、スプリング反転高速機構を利用することにより、磁石をより早く、より距離を長く移動させ、大きな起電力を得ることができる発電機能付小形スイッチとして利用することができる。
　１、１１　小形スイッチ型発電装置
　２、１２　小形スイッチ型発電装置の筐体
　２Ａ、４Ａ　操作装置の揺動軸の受け部
　２Ｂ　基板の支持溝
　３、１３ａ、１３ｂ　コイル回路
　３Ａ　コイル回路のリード線
　４、１４ａ、１４ｂ　基板（ＰＣＢ）
　４Ｂ　コイル回路のリード線が導出される脚部
　５、１５ａ、１５ｂ、２２ｂ、３１　磁石
　６、１６、２２　　操作装置
　６Ａ　操作装置の揺動軸
　６Ｂ　磁石の支持部
　２１　小形トグルスイッチ
　２２ａ　スイッチ機構
　２２ｃ　磁束を形成する磁極片
　２２ｄ　底基板
　２２ｅ　磁束を引き寄せる磁束ポスト（１０１８スチール）
　２２ｆ　発電コイル
　２３　引き出し端子
　２４　蓋体
　２５　操作部材
　３２　回転スプリング
　３３　ローター
　３４　フェラスポスト〔Ｆｅｒｒｏｕｓ　ｐｏｓｔｓ（１０１８スチール）〕
　３４ａ、３４ｃ　外側の２つのフェラスポスト
　３４ｂ　内側のフェラスポスト

Claims (8)

  1. 　筐体の内側に配置されるコイル回路が形成された基板と、前記コイル回路から所定の距離を置いて配置される磁石を備え、前記磁石が前記コイル回路に対向して早い速度で移動することにより、起電力を発生させることを特徴とする小形スイッチ型発電装置。
  2. 　請求項１記載の小形スイッチ型発電装置において、前記磁石はスプリング反転速動機構に連動し、該スプリング反転速動機構の動作により、早い速度で移動することを特徴とする小形スイッチ型発電装置。
  3. 　請求項１または２記載の小形スイッチ型発電装置において、前記コイル回路が形成された基板が前記筐体の内側側面に配置されるプリント回路基板であり、該プリント回路基板から狭い空間距離をおいて前記磁石が移動することを特徴とする小形スイッチ型発電装置。
  4. 　請求項１または２記載の小形スイッチ型発電装置において、前記コイル回路が形成された基板が前記筐体の内側両側面に配置されるプリント回路基板であり、該プリント回路基板にそれぞれ前記磁石を対向させることを特徴とする小形スイッチ型発電装置。
  5. 　請求項１または２記載の小形スイッチ型発電装置において、前記コイル回路が形成された基板にはさらに磁束ポストが形成され、該基板は前記筐体の内側底面側に配置され、前記磁石は前記コイル回路の上方に所定の距離を置いて配置されることを特徴とする小形スイッチ型発電装置。
  6. 　請求項１から５の何れか一項記載の小形スイッチ型発電装置において、前記磁石が移動する距離が長くなるようにしたことを特徴とする小形スイッチ型発電装置。
  7. 　請求項１から６の何れか一項記載の小形スイッチ型発電装置において、前記磁石が磁力の強い磁石であることを特徴とする小形スイッチ型発電装置。
  8. 　請求項７記載の小形スイッチ型発電装置において、前記磁石の材料がネオジムであることを特徴とする小形スイッチ型発電装置。
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