JP2018057230A

JP2018057230A - 振動発電機

Info

Publication number: JP2018057230A
Application number: JP2016193893A
Authority: JP
Inventors: 林元　和智; Kazutomo Hayashimoto; 和智林元; 遊黒沼; Yu KURONUMA
Original assignee: Fine Motion Gijutsu Institute Co Ltd; Furukawa Co Ltd
Current assignee: Fine Motion Gijutsu Institute Co Ltd; Furukawa Co Ltd
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2018-04-05

Abstract

【課題】磁束密度を増大させて効率的な発電を行うとともに、機器をコンパクトに構成し得る振動発電機を提供する。【解決手段】この振動発電機は、ケーシング１０と、ケーシング１０の軸心部に固定されたシャフト５と、シャフト５の外周に固定されたヨーク６と、ヨーク６の外周に固定されたコイル７と、コイル７の外周に所定の対向隙間Δｔを隔てて対向配置された円筒状をなす複数の永久磁石１，２および複数の永久磁石１，２の外周に装着された円筒状の移動カバー３を一体に有する可動子と、ケーシング１０の内周面に沿って移動カバー３の外周面をスライド移動可能に支承するすべり軸受９とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、振動による運動エネルギを電気エネルギに変換する振動発電機に関する。

従来、振動による運動エネルギを電気エネルギに変換する振動発電機が知られている。
例えば、特許文献１に記載の振動型電磁発電機は、パイプの外周に発電コイルが巻回され、パイプの内部には、複数の磁石が連結された可動磁石が設けられている。

また、特許文献２に記載の振動型電磁発電機は、軟磁性体から成る筐体と、筐体内に設けられて側面の少なくとも一部にコイルが巻回されるとともに軸線方向に延びる筒状部材と、筒状部材の内側を軸線方向に沿って往復運動可能とされるとともに同極同士が対向されて軸線方向に沿って並んで配置された複数の永久磁石と、並んで配置された複数の永久磁石の軸線方向の少なくとも一端側に設けられた非磁性体の錘である非磁性錘と、複数の永久磁石と非磁性錘とを締結する締結部材とを有する可動子を備える。

特許文献１に記載の振動型電磁発電機、特許文献２に記載の振動型電磁発電機ともに、可動磁石がパイプの内部を移動することで発電が行われる。一般的に、可動磁石の磁束密度を大きくすれば、振動発電機の発電量を増すことができる。したがって、特許文献１記載の技術のように、複数の磁石を連結し、さらに、それぞれの磁石の同極を対向配置することで、磁束密度を大きくして発電量を増すことができる。また、磁力の強い磁石を可動磁石に用いた場合も、磁束密度を大きくして発電量を増すことができる。

特開２００９−２１３１９４号公報特開２０１３−５５７１７号公報

ここで、発電量を増すために磁束密度を大きくすると、電磁制動が大きくなり、可動磁石が移動し難くなる。このため、可動子の運動エネルギが低下し、却って発電量が低下するという問題がある。

この問題を解決するために、特許文献２記載の技術では、同極同士が対向されて軸線方向に沿って並んで配置された複数の永久磁石と、軸線方向の少なくとも一端に非磁性体の錘である非磁性錘を設けて可動子を構成することで、可動子の重さを増加させている。これにより、可動子の運動エネルギが大きくなり、電磁制動が抑制される工夫がなされている。

しかしながら、特許文献２記載の技術では、軸線方向に非磁性錘を設けたので、機器の全長が長くなるという問題が生じる。また、筐体の軸心側に可動子の永久磁石が設けられ、外周側に設けられたコイルと可動子の永久磁石との相互の接触を避けるために永久磁石とコイル間に隔壁を設ける必要がある。このため、永久磁石とコイル間に一定の距離を要するので、発電量の低下を招くという問題がある。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、磁束密度を増大させて効率的な発電を行うとともに、機器をコンパクトに構成し得る振動発電機を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る振動発電機は、ケーシングと、該ケーシングの軸心部に固定されたシャフトと、該シャフトの外周に固定されたヨークと、該ヨークの外周に固定されたコイルと、該コイルの外周に所定の対向隙間を隔てて内周面が対向配置された筒状の永久磁石および該永久磁石の外周に装着された筒状の移動カバーを一体に有する可動子と、前記ケーシングの内周面に沿って前記移動カバーの外周面を軸線方向にスライド移動可能に支承する軸受と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、コイルの外周に所定の対向隙間を隔てて筒状をなす複数の永久磁石を対向配置し、複数の永久磁石の外周に筒状の移動カバーを一体に装着したので、これにより、ケーシングの軸心側に可動子の永久磁石を設け、ケーシングの外周側にコイルを設けた場合と比べて可動子を重くできる。そのため、機器の全長を長くすることなく可動子の運動エネルギを大きくできる。よって、電磁制動を抑制して効率的な発電を行うことができる。
また、同じケースサイズの場合、径方向外側にコイルを配し、径方向内側に永久磁石を配したタイプに比べて、本発明のように、径方向外側に永久磁石を配し、径方向内側にコイルを配することにより、永久磁石の体積を相対的に大きくできる。そのため、磁束密度を増大させることができ、発電量も増大する。

さらに、筒状をなす永久磁石の外周に筒状の移動カバーを一体に装着し、ケーシングの内周面に沿って移動カバーの外周面を軸線方向にスライド移動可能に支承する軸受を設けたので、永久磁石とコイルとが相互に接触することなく、対向隙間を可及的に狭く配置できる。そのため、機器をコンパクトに構成しつつ、効率的な発電が可能となる。

本発明の一態様に係る振動発電機の一実施形態の説明図であり、同図は、軸線に沿った断面を示している。

以下、本発明の一実施形態について、図１を適宜参照しつつ説明する。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。

本実施形態の振動発電機は、図１に示すように、円筒形状のケーシング１０と、ケーシング１０の内部にケーシング１０と同軸に設けられたシャフト５と、シャフト５を固定するサイドカバー１１とを備える。

ケーシング１０は、ステンレス鋼材（例えばＳＵＳ３０４）から形成され、一端に設けられた底面部１０ｔと、中空円筒状の円筒部１０ｓとを有する。ケーシング１０の底面部１０ｔには、内側中心の軸心部に、シャフト５の先端部５ｇが嵌め込まれる円筒状凹部１０ｃが形成されている。円筒部１０ｓは、底面部１０ｔとは反対側が開口部とされ、開口部の内周面に雌ねじ１０ｎが形成されている。

サイドカバー１１は、ケーシング１０の円筒部１０ｓと同径をなすステンレス鋼材（例えばＳＵＳ３０４）製の円盤状部材である。サイドカバー１１は、後端側の鍔部１１ｔと、鍔部１１ｔよりも前方側に設けられて雌ねじ部１０ｎに螺合する雄ねじ部１１ｎとを有する。雄ねじ部１１ｎは、ケーシング１０の円筒部１０ｓの開口部に対向する側の外周面に設けられている。雄ねじ部１１ｎは、外周面途中部分まで形成され、雄ねじ部１１ｎよりも後ろ側が鍔部１１ｔになっている。サイドカバー１１の適所には、不図示のリード通し穴が形成されている。

サイドカバー１１内側中心の軸心部には、シャフト５の後端部５ｋが嵌め込まれる円筒状凹部１１ｃが形成されている。シャフト５は、一般構造用圧延鋼材（例えばＳＳ４００）製であり、シャフト５の後端部５ｋよりも所定距離先端側の位置には、円環状の鍔部５ｔが形成されている。

シャフト５の外周には、多数の円環状部材が軸方向に積層されたヨーク６が、シャフト５の先端部５ｇから嵌め込まれ、ヨーク６の前側端面とケーシング１０の底面部１０ｔ内面との間には、円筒状のシャフトカラー８が介装されている。ヨーク６およびシャフトカラー８は、例えば一般構造用圧延鋼材（例えばＳＳ４００）から形成されている。

ヨーク６の外周面には、絶縁被覆された銅線を巻回して形成されたコイル７が固定されている。コイル７のリード端子（不図示）は、サイドカバー１１のリード通し穴から外部に導出される。

コイル７の外周には、円筒状をなす複数の永久磁石１，２が、コイル７の外周面に対して所定の対向隙間Δｔを隔てて対向配置されている。複数の永久磁石１，２は、種々の材料を用いることができるが、本実施形態ではネオジム磁石を用いている。
複数の永久磁石１，２のそれぞれは、着磁方向が軸方向とされ、軸方向側面にＳ極とＮ極とを有するものであり、軸線ＣＬ方向で互いに隣り合う永久磁石１，２相互は、対向する磁極が同極となるように配置されている。
さらに、複数の永久磁石１，２の外周には、例えば一般構造用圧延鋼材（例えばＳＳ４００）製の円筒状の移動カバー３が一体に装着されている。これにより、本実施形態では、複数の永久磁石１，２と移動カバー３とによって可動子が構成されている。なお、複数の永久磁石１，２全体の軸方向での全長は、コイル７の全長よりも短い。
なお、本発明は、永久磁石の個数は複数に限定されず、例えば永久磁石を一つに限って配置してよい。また、永久磁石の形状についても円筒形状に限定されず、例えば横断面形状を多角形とする角筒状としてもよい。移動カバー３の形状についても同様である。

移動カバー３の内周面には、前端側のやや軸方向後方寄りに、鍔部３ｔが設けられており、この鍔部３ｔの内側面に当接するように永久磁石１，２が順に装着されるとともに、反対側の側面に当接するように、例えば一般構造用圧延鋼材（例えばＳＳ４００）製の円環状の永久磁石保護ピース４が同軸に装着されている。
ケーシング１０の内周面と移動カバー３の外周面との間には、軸受として円筒状のすべり軸受９が介装されている。すべり軸受９は、自己潤滑性を有する樹脂製が好ましく、本実施形態では、潤滑油または充填剤を樹脂内に分散含有させたポリアセタール樹脂を用いている。このすべり軸受９によって、可動子（つまり、複数の永久磁石１，２と移動カバー３）が軸線ＣＬ方向に沿って円滑にスライド移動可能に支承されている。

移動カバー３の鍔部３ｔの外側面とケーシング１０の底面部１０ｔ内面との間には、円筒コイルばねからなるスプリング１２Ａが介装されている。また、移動カバー３の後端側に装着された永久磁石保護ピース４の外側面とサイドカバー１１内面との間には、円筒コイルばねからなるスプリング１２Ｂが介装されている。スプリング１２Ａ、１２Ｂは、例えばステンレス鋼材（例えばオーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４））から形成されている。

本実施形態の振動発電機を組み立てる際は、内周面にすべり軸受９が装着された状態のケーシング１０の底面部１０ｔ内面に、まず、スプリング１２Ａを挿入する。次いで、ヨーク６およびコイル７並びにシャフトカラー８が装着された状態のシャフト５をケーシング１０に同軸に挿入する。
次いで、複数の永久磁石１，２と移動カバー３とが一体化された可動子を鍔部３ｔの側から、鍔部３ｔ端面にスプリング１２Ａ端面が当接するように挿入し、次いで、スプリング１２Ｂの内周にリード端子を挿通するとともに、スプリング１２Ｂが永久磁石保護ピース４の端面に当接するように挿入する。

その状態で、サイドカバー１１のリード通し穴にコイル７のリード端子を挿通して、各部品が軸線ＣＬと同軸となる位置を保持しつつ、サイドカバー１１の雄ねじ部１１ｎを、ケーシング１０の雌ねじ部１０ｎに締結する。サイドカバー１１が所期の締結位置まで締め込まれると、シャフト５は、ケーシング１０の円筒状凹部１０ｃとサイドカバー１１の円筒状凹部１１ｃとによって両端が支持されてケーシング１０と同軸に固定されるとともに、シャフト５の両側のスプリング１２Ａ、１２Ｂが所期の弾圧力にて可動子を往復移動可能に支持する。これにより、本実施形態の振動発電機によれば、振動発電機が軸線ＣＬ方向に沿って加振されると、可動子の往復移動により、シャフト５の外周に配置したコイル７に誘導起電力を発生可能になっている。

次に、本実施形態の振動発電機の作用・効果について説明する。
本実施形態の振動発電機によれば、コイル７の外周に所定の対向隙間Δｔを隔てて円筒状をなす複数の永久磁石１，２を対向配置し、複数の永久磁石１，２の外周に円筒状の移動カバー３を一体に装着したので、ケーシング１０の軸心側に可動子の永久磁石を設け、ケーシングの外周側にコイルを設けた場合と比べて可動子を重くできる。そのため、本実施形態の振動発電機を含む機器の全長を長くすることなく可動子の運動エネルギを大きくできる。よって、電磁制動を抑制して効率的な発電を行うことができる。
また、同じケースサイズの場合、径方向外側にコイルを配し、径方向内側に永久磁石を配した振動発電機に比べて、本実施形態の振動発電機のように、径方向外側に永久磁石１，２を配し、径方向内側にコイル７を配することにより、永久磁石１，２の体積を相対的に大きくできる。そのため、磁束密度を増大させることができ、発電量を増大させることができる。

さらに、円筒状をなす複数の永久磁石１，２の外周に円筒状の移動カバー３を一体に装着し、ケーシング１０の内周面と移動カバー３の外周面との間にすべり軸受９を介装し、このすべり軸受９によって移動カバー３を軸線ＣＬ方向にスライド可能に支承したので、永久磁石１，２とコイル７とが相互に接触することなく、対向隙間Δｔを可及的に狭く配置できる。そのため、本実施形態の振動発電機を含む機器をコンパクトに構成しつつ、効率的な発電が可能となる。
なお、本発明に係る振動発電機は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能なことは勿論である。

１・・・永久磁石（Ｓ極Ｎ極）
２・・・永久磁石（Ｎ極Ｓ極）
３・・・移動カバー
４・・・永久磁石保護ピース
５・・・シャフト
６・・・ヨーク
７・・・コイル
８・・・シャフトカラー
９・・・すべり軸受（軸受）
１０・・・ケーシング
１１・・・サイドカバー
１２Ａ、１２Ｂ・・・スプリング

Claims

ケーシングと、該ケーシングの軸心部に固定されたシャフトと、該シャフトの外周に固定されたヨークと、該ヨークの外周に固定されたコイルと、該コイルの外周に所定の対向隙間を隔てて内周面が対向配置された筒状の永久磁石および該永久磁石の外周に装着された筒状の移動カバーを一体に有する可動子と、前記ケーシングの内周面に沿って前記移動カバーの外周面を軸線方向にスライド移動可能に支承する軸受と、を備えることを特徴とする振動発電機。