JP5921005B2 - 振動発電機 - Google Patents

Description

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、コイル５ｂとコイル６ａ、コイル６ｂ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 (4)

1. 同極同士が対向した状態で一定の永久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、
   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または３）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の１／Ｎと同等以上であり、かつ前記永久磁石の長さと前記永久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。
2. 請求項１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であって、
   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つのコイルの片端は、静止状態において、前記永久磁石の端部の外周、もしくは、前記永久磁石間ギャップの位置の外周にある
   振動発電機。
3. 請求項１に記載の振動発電機において、
   前記永久磁石間ギャップおよび永久磁石端部は、比透磁率が１より大きい材料が挿入される
   振動発電機。
4. 請求項１に記載の振動発電機において、
   前記Ｎ分割されたコイルは、隣接する永久磁石外周のＮ分割コイルとそれぞれ直列に接続されており、コイルの出力を入力とするＮ個の整流回路を有する
   振動発電機。

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