JP5418485B2 - 振動発電機 - Google Patents

Description

本発明は、移動する一体化した複数の永久磁石を複数のコイルの中で振動または移動することにより、発電電圧、発電効率を高めた小型携帯、移動型の電子機器用の振動発電機に関するものである。

非常用の携帯ラジオ等においては、充電可能なバッテリーと手回し式の発電機を内蔵した携帯ラジオが一般に市販されている。また、非常用の懐中電灯等では永久磁石をコイル内で振動させて誘導電流を発生させ、コンデンサーに充電する振動発電機が利用されている。また、前記永久磁石をコイル内で振動させて発電する別の例として、複数の永久磁石を直列に配列した構造からなり、前記直列に配列された個々の永久磁石は、同極同士が対向するように配置した振動発電機がある。

前記のような手回し式の発電機おいては、発電機本体の回転部の軸受けや本体以外では発電機を回すためのハンドルや歯車等の部材も必要となり、大型化したり、部品が多くなり、手回しの負荷が大きいという課題が生じるものであった。

この改善策として、人が持ち歩くことによる振動や衝撃等を用いて発電を行なう携帯発電機が従来から開発されている。その一例として、永久磁石をコイル内で振動させて誘導電流を発生させ、コンデンサーに充電し、ＬＥＤを点灯させる非常用の懐中電灯等に利用される振動発電機がある（例えば、特許文献１）。

特許文献１の図１に示されている振動発電機の断面図を書き写した図を図８に示す。
このような従来の振動発電機は、図８に示すように、固定磁石１５、１６と互いに同極性となるように配置された1個の可動磁石１０を一種の磁気バネと、前記可動磁石１０の外周に配置した1個のコイル２０の中で振動させて発電している。しかし、発電に寄与する磁石、コイルともに１個の構成のため、発電効率が悪いことと、発生電圧が低いために小型化が困難なだけでなく、磁力を確保するために、体積の大きな希土類磁石を使用する必要があり、コスト的にも、重量的にも問題があった。

従来の振動発電機の別の例として、複数の永久磁石を直列に配列し、前記直列に配列した複数の永久磁石の外周に複数のコイルを配置した構造からなり、前記直列に配列された個々の永久磁石は、同極同士が対向している振動発電機がある（例えば、特許文献２）。

特許文献２の図２、図６および段落０００７によれば、直列に配列した複数の永久磁石は、機械的に拘束して一体化したものではなく、反発によって相互の距離を保つ構成となっている。特許文献２の発明は一見本発明と類似の構成であるが、磁束分布が本発明とはまったく異なる。実際の磁石の磁気分布には不均一性があり、同極同士を対向させると磁気的に非常に不安定である。従って、特許文献２の発明は機械的に拘束して一体化していないため、反発力が不均一となり、個々の磁石の中心軸が一致することはなく、現実的には磁気バネの中で自由に振動するのは困難である。

特開２００２−２８１７２７号公報 特開２００５−０３３９１７号公報

解決しようとする問題点は発電のための負荷が少なく、発生電圧が高い高出力、高効率の小型携帯発電機の構成が困難であるという点である。

本発明は、筒状に形成される筒状部及びスペーサーを一体化し、非磁性体からなるケースと、ケースの外周に形成されたスペーサーにより隔離されて配置され、かつ、交互に巻き方向が逆になるようにスペーサーに巻回される複数のコイルと、ケースの長さ方向に着磁され、ケースの内部に同極を対向して移動可能に配置され、筒状に形成される複数の磁石と、複数の磁石の穴部に挿入され、複数の磁石を一体化する締結部材と、ケースの両端に設けられた蓋部材と、蓋部材に設けられた緩衝部材と、を備え、複数のコイルの一つの長さが複数の磁石の少なくとも一つの長さの７０％〜９０％であることを特徴としている。

この構成を採用することによって、複数個の急峻な磁束密度の変化の磁場を発生させ、複数のコイルに磁場の変化を繰り返し与えることにより、あたかも高効率の複数の発電機を直列接続したような効果を発揮するために、磁石の移動に大きな力を必要としないので、携帯可能な小型で、短い移動距離で高電圧、高効率の発電が可能である。

各々のコイルの長さは図４、図７に示す同極対向磁石の磁場解析による磁束密度計算結果のグラフより、逆極性の磁束密度分布領域の大きな部分が同一コイル内に入らないような位置関係にするために、各々のコイルの長さは磁石単体の長さ以下にする必要があり、さらに、実施例１で詳述する図９に示すコイル幅／磁石長さと充電電圧の実験結果のグラフより、各々のコイルの長さは個別磁石の長さの７０％〜９０％にすることを特徴としている。このため、発電効率（充電電圧）が高くなる。最適値は約８０％である。

図４、図７に示す同極対向磁石の磁場解析による磁束密度計算結果のグラフより、同極同士の磁石間距離を短くすると磁束密度のピーク値は高くなるが磁石間の領域が狭くなるので、総磁束が減少し、逆に磁石間距離を十分に長くすると磁石間の領域が広くなるがピーク値が低くなり、中央部がへこむ状態になり、やはり総磁束が減少する。従って、同極同士の磁石間距離にも適値が存在することがわかる。

前記同極同士の磁石間距離の適値を実施例１で詳述する図１０磁石間距離／磁石長さと充電電圧の実験結果を示すグラフより、対向する永久磁石間の距離は磁石単体の長さの１０％〜４０％にすることを特徴としている。このため、発電効率（充電電圧）が高くなる。最適値は約２５％である。

図７に示す同極対向磁石の磁石、コイルの位置関係と磁場解析による磁束密度計算結果のグラフより明らかなように、磁石の長さ、磁石間距離、コイル長さの関係からコイル間距離は計算されるが、コイル間距離にも適値が存在し、実施例１で詳述する図１１磁石間距離／磁石長さと充電電圧の実験結果を示すグラフより、各々のコイル間の距離は個別磁石の長さの１０％〜３０％にすることを特徴としている。このため、発電効率（充電電圧）が高くなる。最適値は約２０％である。

前述のように磁石の長さと磁石間距離とコイル長さが決まるとコイル間距離は計算されるが、計算された結果が最適値近傍よりずれた場合は、磁石の長さと磁石間距離とコイル長さとコイル間距離が最適値近傍になるように再設計する必要がある。

図２に示す本発明の実用構成図より明らかなように、可動磁石ユニット１０が移動可能範囲で少なくとも１個以上の可動磁石の外周にコイルがあれば発電するので、コイルの個数は可動磁石の個数より多いほうが良い。また、製品コストと出力から見れば、磁石はコイルに比して高価であり、さらに小型化する場合は希土類磁石を使用することになるため、磁石の個数を少なくし、コイルの個数を多くするほうが経済的な構成で出力電圧が高くなる。

従って、コイルの個数は磁石数と同じか磁石数＋１個以上にすることを特徴としている。このような構成にすることにより出力電圧が高く、経済的効果が得られるというメリットがある。

前記同極同士の磁石を微小距離まで接近させると大きな反発力が生じ、磁石間距離を一定に保持すること、および組み立てが難しい。従って、図２に示す本発明は、永久磁石が円筒状であり、円筒磁石と内外径同一寸度の薄い円筒状の非磁性磁石用スペーサーの穴部に非磁性の締結部材を挿入し、固定することにより複数の永久磁石と磁石用スペーサーを一体化することを特徴としている。このため、組み立てが容易で、高精度の可動磁石ユニットが量産できる。

図２に示す本発明では、非磁性筒状ケースと非磁性のコイル用スペーサーを一体化し、適宜の間隔を設けられるようにして前記非磁性筒状ケースの外周に複数のコイルが捲回され、前記非磁性筒状ケースの内側に一体化した永久磁石を収納して移動可能に配置したことを特徴とする。このため、部品点数が少なく、コイル間距離の精度が高い、組み立て容易で、高精度の振動発電機が安価に量産できる。

また、複数のコイルを直列に配置し、交互に巻き方向が逆になるように構成すると説明したが、実質的に交互に巻き方向が逆になるように構成すればよいので、コイルはすべて同方向に巻き線し、隣接するコイルの巻始め端と巻終わり端とを交互に入れ換えて直列に接続してもよい。

本発明に使用するコイルはボビン巻きのコイル、空芯コイル、シートコイル等巻き線方法、形状に何ら制約を受けることなく使用可能である。

永久磁石についても、鋳造磁石、焼結磁石、ボンド磁石、プラスチック磁石等製法およびフェライト、アルニコ、ＳｍＣｏ，ＮｄＦｅＢ、ＳｍＦｅＮ等材質に何ら制約を受けることなく使用可能である。また、永久磁石の形状は棒状、円筒状、円板状等形状に何ら制約を受けることなく使用可能である。

緩衝部材６０は可動磁石ユニット１０がケース蓋部３１に衝突する衝撃を緩和する目的で設けたものであり、多孔質のゴム、プラスチック、ウレタン等何ら制約を受けることなく使用可能であり、非磁性バネ等も使用できる。さらに、特許文献１に示される磁気バネ構成も利用できる。

締結部材４０は同極同士を微小な距離を有して対向させた複数の磁石を機械的に一体化させる目的で使用されるので、非磁性の材質であれば樹脂だけでなく、磁石の反発力に抗して締結し、衝突の衝撃にも曝されることになるので、非磁性ＳＵＳ等の金属も利用可能であり、さらに、Ｗ、Ｎｉ、ＦｅまたはＷ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅの焼結金属材料であるヘビーメタルで締結部材４０を構成すれば、締結部材４０の比重が２０近くなり、移動時の運動エネルギーが大きいので発電量も多くなり、強度も改善される。

筒状に形成される筒状部及びスペーサーを一体化し、非磁性体からなるケースと、ケースの外周に形成されたスペーサーにより隔離されて配置され、かつ、交互に巻き方向が逆になるようにスペーサーに巻回される複数のコイルと、ケースの長さ方向に着磁され、ケースの内部に同極を対向して移動可能に配置され、筒状に形成される複数の磁石と、複数の磁石の穴部に挿入され、複数の磁石を一体化する締結部材と、ケースの両端に設けられた蓋部材と、蓋部材に設けられた緩衝部材と、を備え、複数のコイルの一つの長さが複数の磁石の少なくとも一つの長さの７０％〜９０％であることにより、磁束の方向をコイル巻き線と概略直交させ、発電効率を向上させる。さらに、複数個の急峻な磁束密度の変化の磁場を発生させ、複数のコイルに磁場の変化を繰り返し与えることにより、あたかも複数の発電機を直列接続したような効果を発揮するために、小型で、短い移動距離でも高電圧、高効率の振動発電機を構成できるので、携帯可能な小型化が可能になるという利点がある。さらに、磁石の移動に大きな力を必要としないので、人が携帯した場合にわずかな力であっても発電可能である。また、スペーサーにより適度な間隔で複数のコイルを隔離し、かつ、交互に巻方向が逆になるように配置することが容易となる。また、ケースの両端に緩衝部材を設けた蓋部材を備えるようにしたため、可動磁石が蓋部材に衝突する際の衝撃を緩和することができる。

本発明にかかる振動発電機の原理的構成を示した断面図である。（実施例１） 本発明にかかる振動発電機の実用構成を示した断面図である。 本発明にかかる同極対向磁石の磁場解析結果である。 本発明にかかる同極対向磁石の磁場解析による磁束密度計算結果のグラフである。 単体磁石の磁場解析結果である。 単体磁石の磁場解析による磁束密度計算結果のグラフである。 本発明にかかる同極対向磁石３個の場合の磁石、コイルの位置関係と磁場解析による磁束密度計算結果のグラフである。 （特許文献１）図１を書き写した振動発電機の断面図である。 実施例１におけるコイル長さ／磁石長さと充電電圧の実験結果を示すグラフである。 実施例１における磁石間距離／磁石長さと充電電圧の実験結果を示すグラフである。 実施例１におけるコイル間距離／磁石長さと充電電圧の実験結果を示すグラフである。 実施例１における充電回路図である。

ハウジング外または可能な限りハウジング側端部に近い位置からイメージを入力するという目的を、最小の部品点数で、光学系構成部品の厚みを損なわずに実現した。

図１により全体構成を説明する。円筒形の可動磁石１１、１２は磁石と内外径同一寸度の薄い円筒状の非磁性磁石用スペーサー５０により適宜な間隔で、同極同士対向するように可動磁石１１、１２、非磁性磁石用スペーサー５０の穴部に非磁性の締結部材４０を挿入し、固定することにより複数の可動磁石と磁石用スペーサー５０を一体化した可動磁石ユニット１０を構成する。

前記可動磁石ユニット１０は非磁性のケース３０の中を可動磁石ユニット１０の軸方向に自由自在に移動できるようになっている。ケース３０の外周にコイル２１，２２が適宜な間隔で配置され、直列に接続されている。前記コイル２１，２２はコイル断面２１ａ、２１ｂおよび２２ａ、２２ｂに示すとおり逆方向に巻き線されている。なお、２１ａ、２２ａは紙面方向に巻き線されたコイルの断面であり、２１ｂ、２２ｂは紙背方向に巻き線されたコイルの断面である。

ケース蓋部３１には多孔質ゴム等の緩衝部材６０が設けられ、ケース蓋部３１はケース３０に固着され、可動磁石ユニット１０がケース蓋部３１に衝突する衝撃を緩和している。

次に磁場解析について説明する。図５は単体磁石の磁場解析結果であり、発生磁束の方向と密度の様子を示したものである。磁石の両極の発生磁束は磁石の中心軸に対して直角の成分が少ないことがわかる。これに反して、本発明にかかる同極対向磁石の磁場解析結果を示す図３では、２個の同極対向磁石の対向部分では発生磁束の密度が高く、磁石の中心軸に対して直角の成分が多いことがわかる。さらに、磁石の中心軸から離れた外周部まで磁束の直角成分が達しているため、コイルの厚み(外周方向)が厚くても、磁束はコイルに鎖交するので、コイルの巻き数を多くしてコイル厚みが厚くなっても発生磁束を有効に利用でき、発電量の増加を図ることができる。

発電ではフレミングの右手の法則として知られているように、磁界の方向、運動の方向が互いに直角になったときに、直角方向に電流が流れる。従って、磁石の移動方向と磁束の方向、コイル巻き線方向が互いに直角になった場合には発電効率が最も良い。本発明では、磁石の移動方向と磁束の方向、コイル巻き線方向は互いにほぼ直角で、発電効率が最も良い構成となっている。

次に磁場解析による磁束密度計算結果について説明する。図４は本発明にかかる同極対向した２個の永久磁石外周長さ方向の磁場解析による磁束密度計算結果のグラフであり、図６は本発明と比較するために、磁石単体の永久磁石の磁場解析結果による磁束密度計算結果のグラフである。なお、グラフの横軸は可動磁石１個の長さを１（基準）として示す。図４、図６ともに図３、図４で解析した磁場解析結果の磁石外周表面における磁束の磁石中心軸に直角な成分の磁束密度分布をグラフ化したものである。

電磁誘導による発電では、ファラデーの法則によりコイル内の磁束変化による起電力は次式となる。
−ｅ＝Ｎ＊ｄφ／ｄｔ
Ｎ：コイルの巻き数 φ：磁束（ｗｂ） ｔ：時間（ｓ）
起電力の式より、コイルの巻き数が一定の場合には、磁束の時間に対する変化量が大きいほど起電力は大きくなるので、磁束密度変化が急峻であるほど、同一の速度で磁石が移動した場合は、発電能力は高いということになる。

前記起電力の式に対する観点から図４、図６のグラフを比較すると、単体磁石に比して本発明による同極対向磁石の磁束密度のピーク値が格段に高くなること、磁束密度変化が急峻であること、磁束密度の高い範囲が広いことが明らかである。従って、総磁束は単体磁石に比して格段の差が生じるので、本発明の可動磁石ユニットを移動させた場合、ｄφ／ｄｔが大きくなり、高出力の発電が可能となる。

図７に本発明の実用的な構成に対する最適設計を行うために、同極対向磁石３個の場合の磁石、コイルの位置関係と磁場解析による磁束密度計算結果のグラフを示す。同極対向磁石３個による磁束密度分布を前述のように、横軸は可動磁石１個を基準にして示している。

図７からわかるようにコイル１個の長さは磁石１個の長さ＋磁石間の距離より長くなると、逆極性の磁束分布の領域までコイル内に入るため、コイル内に極性の異なる起電力が発生し、実際の出力電圧は低下してしまうことは明らかであり、逆極性の磁束分布の領域が１個のコイル内に入らないようにするためには、コイル１個の長さは磁石１個の長さ＋磁石間の距離より短くなければならない。実験結果は実施例で詳述するが、コイル１個の長さの最適値は磁石１個の長さの約８０％である。

同様に、同極同士の磁石間距離の最適値は磁石長さの約２５％であり、コイル間の距離の最適値は磁石長さの約２０％である。しかし、磁石が３個以上の場合は、コイル１個の長さ、同極同士の磁石間距離、コイル間の距離を独立に決めると、各コイル間の発生電圧に位相差が生じ、逆位相の電圧が発生すると、出力電圧が減少するので、
（磁石１個の長さ）＋（同極同士の磁石間距離）＝（コイル１個の長さ）+（コイル間の距離）
にする必要がある。磁石２個でコイル３個以下の場合は、大きな位相差は生じないので、前記関係式によらなくても良く、コイル長、磁石間距離、コイル間距離の最適値に設定しても良い。磁石２個でコイル４個以上の場合は、位相差が大きくなるので前記関係式を満足する構成とする。

ここまでは、本発明の原理を説明するための構成を示してきたが、図２に本発明にかかる製品としての振動発電機の実用的構成を示す。基本構成は図１と同様であるが、コイル長、磁石間距離、コイル間距離は最適設計条件に合う設計条件とし、比較的長さの短い長さ方向に着磁した円筒状の可動磁石を複数個同極同士、非磁性磁石用スペーサー５０により最適な距離を有して対向させて一体化して可動磁石ユニット１０とし、樹脂等の非磁性材で筒状ケースと最適値の間隔としたコイル用スペーサー７０を一体成型し、コイル用スペーサー７０をコイルボビンと兼用して、複数の隣接するコイルの巻き方向が逆方向になるように巻き線が捲回されたコイルよりなるケースと一体化したコイルユニット２０の内側に可動磁石ユニット１０を収納して移動可能に配置した。コイルの個数は多いほうが発電量を多くすることができるので、可動磁石ユニット１０の移動範囲に配置できる可能な数を設置する。１個の可動磁石を短くすることにより、磁束変化のピッチを短くし、多段の発電機の縦続接続効果を狙い、高電圧発生可能な小型振動発電機とすることができる。

図１は、本発明の振動発電機の原理的構成を示した断面図であり、この構成により試作、実験を行った。可動磁石はＮｄＦｅＢの円筒形焼結磁石で長さ方向に着磁されている。磁石は外径φ８ｍｍ、内径φ２ｍｍ、長さ１０ｍｍである。また、可動磁石ユニット１０の移動距離が１００ｍｍとなるようにケース３０の長さを設定した。

最初にコイル長さの最適値を調べるために前記可動磁石２個を厚み２．５ｍｍの樹脂製磁石用スペーサー５０により磁石間距離を設定して、可動磁石ユニット１０とし、コイル長さを４〜１３ｍｍまで変化させた。なお、コイル２１、２２の巻き数はそれぞれ５０巻きで、巻き方向は互いに逆とし、直列接続した。

前記の振動発電機の構成により試作した発電機０１を３０秒間振り、発生する起電力を図１２に示す充電回路８０により充電し、その充電電圧を測定することによりコイル長さによる発電量を評価した。

前記実験による結果を図９に示す。横軸は磁石の長さを基準にしたコイル長さの比である。図９に示すグラフにより、各々のコイルの長さは個別の可動磁石長さの７０％〜９０％の範囲がよい。最適値は約８０％である。

次に前記と同様に、同極同士対向する永久磁石間の距離の最適値を調べるために、コイル長さ８ｍｍ, コイル間距離２ｍｍとし、コイル２１、２２の巻き数はそれぞれ５０巻きで、巻き方向は互いに逆とし、直列接続した。前記構成で、磁石間距離を０．５〜４．０ｍｍ間で変化せたときの充電電圧を測定することにより永久磁石間の距離による発電量の変化を評価した。前記同様充電実験は、試作した発電機０１を３０秒間振り、発生する起電力を図１２に示す充電回路８０により充電し、その充電電圧を測定した。

前記実験による結果を図１０に示す。横軸は磁石の長さを基準にした。図１０に示すグラフより、対向する永久磁石間の距離は磁石単体の長さの１０％〜４０％の範囲が良い。最適値は約２５％である。

次に前記と同様, コイル間距離の最適値を調べるために、永久磁石間の距離を２．５ｍｍとし、コイル長さ８ｍｍ, コイル２１、２２の巻き数はそれぞれ５０巻きで、巻き方向は互いに逆とし、直列接続した。コイル間距離を１〜４ｍｍ間で変化させたときの充電電圧を測定することによりコイル間距離による発電量の変化を評価した。充電実験、充電回路は前記と同様である。

前記実験による結果を図１１に示す。横軸は磁石の長さを基準にした。図１１に示すグラフより、各々のコイル間距離は個別の磁石長さの１０％〜３０％の範囲が良い。最適値は約２０％である。

以上、一連の実験より本発明の振動発電機について、可動磁石の長さを決めれば、コイル長さ、磁石間距離、コイル間距離を最適値に設定し、再度詳細実験により要求仕様にあった最適設計が可能となる。

なお、図８に示す従来の振動発電機の構成（ただし、固定磁石１５，１６は使用せず、磁石の移動距離は１００ｍｍとした）で磁石を本発明の実施例と同じ外径φ８ｍｍ、内径φ２ｍｍとし、長さを２０ｍｍとして、コイルは長さが２０ｍｍのものを１個、巻き数１００巻きとしたときの同様の充電実験では、本発明の充電電圧の４０％以下であった。従って、本発明の効果が実証された。

０１ 発電機
１０ 可動磁石ユニット
１１，１２，１３ 可動磁石
１５，１６ 固定磁石
２０ ケースと一体化したコイルユニット
２１，２２ コイル
２１ａ、２２ａ 紙面方向に巻き線されたコイルの断面
２１ｂ、２２ｂ 紙背方向に巻き線されたコイルの断面
３０ ケース
３１ ケース蓋部
４０ 締結部材
５０ 磁石用スペーサー
６０ 緩衝部材
７０ コイル用スペーサー
８０ 充電回路

Claims (6)

1. 筒状に形成される筒状部及びスペーサーを一体化し、非磁性体からなるケースと、
   前記ケースの外周に形成された前記スペーサーにより隔離されて配置され、かつ、交互に巻き方向が逆になるように前記スペーサーに巻回される複数のコイルと、
   前記ケースの長さ方向に着磁され、前記ケースの内部に同極を対向して移動可能に配置され、筒状に形成される複数の磁石と、
   前記複数の磁石の穴部に挿入され、前記複数の磁石を一体化する締結部材と、
   前記ケースの両端に設けられた蓋部材と、
   前記蓋部材に設けられた緩衝部材と、を備え、
   前記複数のコイルの一つの長さが前記複数の磁石の少なくとも一つの長さの７０％〜９０％であることを特徴とする
   振動発電機。
2. 前記締結部材の材質は、非磁性体であることを特徴とする
   請求項１に記載の振動発電機。
3. 前記締結部材の材質は、樹脂であることを特徴とする
   請求項２に記載の振動発電機。
4. 前記締結部材の材質は、金属であることを特徴とする
   請求項２に記載の振動発電機。
5. 前記締結部材は、前記複数の磁石の穴部の内径より大きな外径で形成される二つの端部を有し、
   前記二つの端部は、前記複数の磁石を両端から挟んで固定することを特徴とする
   請求項２に記載の振動発電機。
6. 前記締結部材は、前記二つの端部を連結する芯部を有し、この芯部の外径が前記複数の磁石の穴部の内径と略同寸法であることを特徴とする
   請求項５に記載の振動発電機。

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