JP2010283948A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は電磁誘導により発電を行う発電装置に関し、小形化を図りつつ効率の高い発電を行うことを課題とする。
【解決手段】永久磁石１４と、この永久磁石１４と磁気的に接続され磁路を形成するヨーク１２，１３と、このヨーク１２，１３に装着されるコイル１１Ａ，１１Ｂとを有する発電装置であって、ヨークを固定ヨーク１２と可動ヨーク１３とに分離し、固定ヨーク１２に対して可動ヨーク１３を相対的に一軸方向（Ｘ１，Ｘ２方向）に往復移動させることにより各ヨーク１２，１３を接触及び離間させることによりヨーク１２，１３間に流れる磁束に磁束変化を発生させ、この磁束変化によりコイル１１Ａ，１１Ｂに誘導起電力を発生させる。
【選択図】 図６

Description

本発明は発電装置に係り、特に電磁誘導により発電を行う発電装置に関する。

近年、電子機器に広く開放されている2.5GHz帯の電波周波数帯を利用して、種々のワイヤレスの電子機器が提供されている。そのなかの一つとして、無線スイッチが知られている。この無線スイッチは、例えば壁等に配設され照明器具のＯＮ／ＯＦＦを行うのに使用される。

このような無線スイッチでは、その電源として乾電池や屋内100V電源を用いることが考えられるが、乾電池を用いた場合にはその交換が面倒であり、また屋内電源を用いる場合には無線スイッチの配設位置が固定されてしまい移動させることがでず、いずれの場合も使用性が悪い。このため、無線スイッチ内に発電装置を設け、無線スイッチの使用性を向上させることが提案されている。

従来、このような小型電子機器に搭載される発電装置としては、特許文献１に示されるようなコイルの内部で円盤状の磁石を回転させることよりコイルを貫く磁束を変化させ、これにより発電を行う発電装置が知られている。また他の発電装置としては、特許文献２に示されるように、平面コイルに対して磁石が相対的に移動するよう構成し、磁石の移動により平面コイルを貫く磁束を変化させ、これにより発電を行う発電装置があった。

特開２００５−１０２４１３号公報 特開２００４−１５９４０７号公報

しかしながら、コイルの内部で環状の磁石を回転させる構造の発電装置は、円盤状の磁石の外部にコイルを配設する必要があり、装置の形状が大きくなってしまうという問題点があった。また、磁石が所定の回転速度となるまでは起電力が弱く、発電の立ち上がり時間が長くなるという問題点もあった。

一方、平面コイルに対して磁石が移動させる構造の発電装置は、装置内に比較的形状が大きい磁石を移動させる移動空間を設ける必要があり、やはり装置が大型化してしまうという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、小形化を図りつつ効率の高い発電を行いうる発電装置を提供することを目的とする。

上記の課題は、第１の観点からは、
永久磁石（１４）と、
前記永久磁石（１４）と磁気的に接続されると共に該永久磁石（１４）の磁束の磁路を形成するヨーク（１２，１３）と、
該ヨーク（１２，１３）に装着されるコイル（１１Ａ，１１Ｂ）とを有する発電装置であって、
前記ヨークを第１ヨーク部（１２）と第２ヨーク部（１３）とに分離し、
該第１及び第２ヨーク部（１２，１３）を相対的に一軸方向（Ｘ１，Ｘ２方向）に往復移動させて接触及び離間させることにより、前記第１及び第２ヨーク（１２，１３）を流れる磁束に磁束変化を発生させ、
該磁束変化により前記コイル（１１Ａ，１１Ｂ）に誘導起電力を発生させることを特徴とする発電装置により解決することができる。

尚、上記参照符号は、あくまでも参考であり、これによって、特許請求の範囲の記載が限定されるものではない。

開示の発電装置は、分離した第１及び第２ヨーク部を相対的に一軸方向に往復移動させることによりコイルに誘導起電力を発生させるため、装置の薄型化を図ることができる。

図１は、本発明の一実施形態である発電装置の斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態である発電装置を搭載した無線スイッチの要部斜視図である。 図３は本発明の一実施形態である発電装置を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は底面図、（Ｄ）は左側面図、（Ｅ）は右側面図である。 図４は本発明の一実施形態である発電装置の動作を説明するための図であり、固定ヨークと可動ヨークが吸着した状態を示す一部断面とした斜視図である。 図５は本発明の一実施形態である発電装置の動作を説明するための図であり、固定ヨークと可動ヨークが離間した状態を示す一部断面とした斜視図である。 図６は固定ヨーク及び可動ヨークを流れる磁束を示す断面図であり、（Ａ）は固定ヨークと可動ヨークが吸着した状態を示す図、（Ｂ）は固定ヨークと可動ヨークが離間した状態を示す図である。 図７は、図１に示した発電装置の変形例を示す斜視図である。 図８は変形例に係る発電装置において固定ヨーク及び可動ヨークに流れる磁束を示す断面図であり、（Ａ）は固定ヨークと可動ヨークが吸着した状態を示す図、（Ｂ）は固定ヨークと可動ヨークが離間した状態を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１は本発明の一実施形態である発電装置１０Ａを示しており、また図２は発電装置１０Ａが搭載される電子機器の一例として無線スイッチ１を示している。

発電装置１０Ａは、コイル１１Ａ，１１Ｂ、ヨーク、及び永久磁石１４等を有している。この発電装置１０Ａは、後に詳述するようにヨークが固定ヨーク１２と可動ヨーク１３とにより構成されており、固定ヨーク１２に対して可動ヨーク１３を矢印Ｘ１，Ｘ２方向に往復移動させることにより発電を行う構成とされている。

図２に示す無線スイッチ１は、この発電装置１０Ａを装着した構成とされている。無線スイッチ１は、発電装置１０Ａの他に、押しボタン３、ヨーク駆動機構４、及び図示しない高周波通信装置等が設けられている。

押しボタン３は、図中矢印Ａ１方向に操作可能な構成とされている。操作者が押しボタン３を矢印Ａ１方向に押圧操作すると、この操作力はヨーク駆動機構４に伝達される。ヨーク駆動機構４は、回転部材５及び揺動アーム６等を有している。

押しボタン３の１回のＡ１方向の押圧操作により、回転部材５は１８０度回転する構成とされている。また、回転部材５の上面には６個の操作突起５ａが形成されている。この操作突起５ａは、回転部材５の回転に伴い揺動アーム６と係合するよう構成されている。

揺動アーム６は、支軸７を中心として矢印Ｂ１，Ｂ２方向に揺動可能な構成とされている。また、支軸７の近傍位置には連結軸８が設けられ、この連結軸８は発電装置１０Ａを構成する可動ヨーク１３の取り付け用孔２１と係合している。よって、揺動アーム６が揺動することにより、可動ヨーク１３は図２に矢印Ｘ１，Ｘ２方向に移動する。

前記のように、押しボタン３の１回のＡ１方向の押圧操作により回転部材５は１８０度回転する。また、回転部材５には６個の操作突起５ａが等間隔で形成されている。このため回転部材５が１８０度回転する間に、３個の操作突起５ａが揺動アーム６と係合して揺動アーム６を揺動させる。

従って、ヨーク駆動機構４は、１回の押しボタン３の操作により、発電装置１０Ａの可動ヨーク１３をＸ１，Ｘ２方向に３回往復移動させる。可動ヨーク１３がＸ１，Ｘ２方向に移動することにより、発電装置１０Ａは誘導起電力を発生し、この誘導起電力は端子１６を介して高周波通信装置に送られる。これにより、高周波通信装置は2.5GHz帯の電波を無線スイッチ１により作動される電気機器（例えば、照明機器等）に送信し、当該電気機器のＯＮ／ＯＦＦを行う。

次に、図１に加えて図３〜図５を参照し、発電装置１０Ａの各構成要素について説明する。図３は発電装置１０Ａの六面図、図４及び図５は発電装置１０Ａの横断面図である。

本実施形態に係る発電装置１０Ａは、２個のコイル１１Ａ，１１Ｂを設けている。各コイル１１Ａ，１１Ｂは、樹脂製のボビン１５に巻回されている。このコイル１１Ａ，１１Ｂの具体例としては、コイル線材の直径は0.10mmとし、各コイル１１Ａ，１１Ｂのコイル巻数を708回（二つ合計で1416回）、各コイル１１Ａ，１１Ｂの巻線抵抗を28.28Ω（二つ合計で56,57Ω）とすることができる。

ヨークは、軟磁性体（例えば、鉄）により形成されている。本実施形態では、ヨークを固定ヨーク１２と可動ヨーク１３（請求項に記載の第１のヨーク部，第２のヨーク部）に分離したことを特徴としている。固定ヨーク１２は、二股状に分岐した延出部１２Ａと延出部１２Ｂを有している。この延出部１２Ａはコイル１１Ａ内に挿入され、延出部１２Ｂはコイル１１Ｂ内に挿入されている。この際、延出部１２Ａはコイル１１Ａ内に固定され、延出部１２Ｂもコイル１１Ｂ内に固定される。

また、固定ヨーク１２のボビン１５から露出した部分には、界磁用の永久磁石１４が設けられている。この永久磁石１４は、単極着磁されたものが用いられる。この永久磁石１４は、固定ヨーク１２と磁気的に接続している。

また、本実施形態では、延出部１２Ａと延出部１２Ｂは連結部１２Ｃにおいて連結した構成となっている。よって、延出部１２Ａと延出部１２Ｂとを一体的に取り扱えるため、コイル１１Ａ，１１Ｂへの装着時等における作業性を高めることができる。

更に、固定ヨーク１２のボビン１５から露出した部分には、固定用孔２０が形成されている。この固定用孔２０に図示しない固定ねじを挿通しケース２に形成されたねじ孔に螺着することにより、発電装置１０Ａはケース２に固定される。

可動ヨーク１３は、二股状に分岐した延出部１３Ａ，１３Ｂを有している。この延出部１３Ａはコイル１１Ａ内に挿入され、延出部１３Ｂはコイル１１Ｂ内に挿入されている。この際、延出部１３Ａ，１３Ｂはコイル１１Ａ，１１Ｂ内で移動可能となるよう構成されている。また、延出部１３Ａ，１３Ｂがコイル１１Ａ，１１Ｂ内で移動する際、延出部１３Ａ，１３Ｂの移動はボビン１５に案内されるため、図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向のみとなる。即ち、可動ヨーク１３は、一軸方向にのみ往復移動する構成となっている。

また、可動ヨーク１３のボビン１５から露出した部分には、取り付け用孔２１が形成されている。この取り付け用孔２１は、揺動アーム６に設けられた連結軸８と連結されている。よって、揺動アーム６が前記のようにＢ１，Ｂ２方向に揺動することにより、可動ヨーク１３は連結軸８を介して図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向に往復移動する。

上記のように本実施形態では、ヨークを固定ヨーク１２と可動ヨーク１３に分離した構成としているが、各ヨーク１２，１３の重量を異ならせている。具体的には、ケース２に固定される固定ヨーク１２の重量に対し、可動ヨーク１３の重量が軽くなるよう設定している。即ち、重量の重い固定ヨーク１２を固定し、重量の軽い可動ヨーク１３を固定ヨーク１２に対して可動させる構成としている。

このように、往復移動を行う可動ヨーク１３の重量を軽く設定することにより、押しボタン３の操作力の低減を図ることができると共に、無線スイッチ１に設けられるヨーク駆動機構４の機械的強度の低減を図ることができる。更に、可動ヨーク１３が固定ヨーク１２よりも軽く設定されていることで、可動ヨーク１３の速度を増すことができるため、発電量の増加を図ることができる。

図４は、可動ヨーク１３が矢印Ｘ２方向に移動することにより、固定ヨーク１２に吸着された状態を示している（以下、この状態を吸着状態という）。前記のように固定ヨーク１２には永久磁石１４が設けられているため、可動ヨーク１３は永久磁石１４の磁力により固定ヨーク１２に吸着される。

また、延出部１２Ａ，１２Ｂの先端部１７Ａ，１７Ｂ、及び延出部１３Ａ，１３Ｂの先端部１８Ａ，１８Ｂは平坦面とされている。よって吸着状態では、延出部１２Ａ，１２Ｂの先端部１７Ａ，１７Ｂと延出部１３Ａ，１３Ｂの先端部１８Ａ，１８Ｂは、その全面が接触した状態となる。よって、先端部１７Ａと先端部１８Ｂとの接触位置、及び先端部１７Ｂと先端部１８Ｂとの接触位置において、流れる磁束数を増大させることができる。

一方、図５は、可動ヨーク１３が矢印Ｘ１方向に移動することにより、固定ヨーク１２から離間した状態を示している（以下、この状態を離間状態という）。このように離間状態では固定ヨーク１２に対して可動ヨーク１３が離間しているため、固定ヨーク１２と可動ヨーク１３との間には磁気抵抗が高い空気層が形成される。よって、先端部１７Ａと先端部１８Ｂとの間、及び先端部１７Ｂと先端部１８Ｂとの間で磁束の流れは遮断される。

次に、図６を用いて発電装置１０Ａの発電原理について説明する。

発電装置１０Ａは、電磁誘導を用いて発電を行う構成とされている。いま、誘導起電圧[V]をe(t)、コイル巻回数[turns]をＮ、磁束[Wb]をφ(t)、可動ヨーク１３の移動量[m]をx(t)とすると、e(t)＝−Ｎ（dφ／dt）＝−Ｎ×（dφ／dx(t)）×（dx(t)／dt）となる。よってこの式より、可動ヨーク１３の位置による磁束数の変化と、可動ヨーク１３の移動速度に比例して誘導起電圧e(t)が発生することがわかる。

図６（Ａ）は、吸着状態の発電装置１０Ａを示している。この吸着状態では可動ヨーク１３は固定ヨーク１２に吸着されているため、永久磁石１４の磁束は図６（Ａ）中に実線の矢印で示すように各ヨーク１２，１３内で閉磁路を形成するため、コイル１１Ａ，１１Ｂを貫く磁束（以下、錯交磁束という）の数は多い。

これに対し、図６（Ｂ）に示すように可動ヨーク１３をＸ１方向に移動させることにより発電装置１０Ａを分離状態にすると、固定ヨーク１２と可動ヨーク１３とにより構成される磁気回路に磁気抵抗が高い空気層（エア・ギャップ）が形成される。これにより、永久磁石１４の磁束は図６（Ｂ）中に実線の矢印で示すように固定ヨーク１２の永久磁石１４に近い位置で閉磁路を形成してしまい、コイル１１Ａ，１１Ｂに対する錯交磁束数は急激に減少してしまう。

このように、吸着状態と分離状態でコイル１１Ａ，１１Ｂを貫く錯交磁界が短時間に急激に変化することにより、コイル１１Ａ，１１Ｂには電磁誘導による誘導起電力が発生する。上記の原理に基づき、発電装置１０Ａは発電を行う。

ここで、上記構成とされた発電装置１０Ａは、薄板状の可動ヨーク１３を一軸方向（Ｘ１，Ｘ２方向）に移動させることにより発電を行う構成であるため、従来のように磁石を回転させる構成や磁石を移動させる構成に比べ、装置の薄型化を図ることができる。また、本実施形態に係る発電装置１０Ａは、永久磁石１４は移動させずに、各ヨーク１２，１３を分離或いは吸着させることにより錯交磁界を急激に変化させ発電を行うため、磁石を移動させることにより発電を行う構成に比べて急激な磁束変化を発生させることができ、発電の立ち上がり時間の短縮を図ることが可能となる
また、本実施形態のように一対のヨーク１２，１３間に流れる磁束を急激に変化させる構成では、各ヨーク１２，１３に渦電流が発生するおそれがある。この渦電流の発生は発電効率の低下を招くと共にジュール熱の発生により高周波通信装置等に悪影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、ヨーク１２，１３を金属層を積層した構造とすることにより、渦電流の発生を抑制することができる。

図７及び図８は、図１〜図６を用いて説明した発電装置１０Ａの変形例である発電装置１０Ｂを示している。尚、図７及び図８で、図１〜図６に示した構成と対応する構成のついては同一符号を付し、その説明は省略するものとする。

前記した発電装置１０Ａは、組み立て時等の作業性を考慮して固定ヨーク１２の延出部１２Ａと延出部１２Ｂが連結部１２Ｃにより連結された構成とされていた。しかしながら、連結部１２Ｃを有した構成では、この連結部１２Ｃも磁路を形成することとなり、吸着時において図６（Ａ）に実線で示す発電に寄与する磁束の流れの他に、同図に破線で示す連結部１２Ｃを通る磁束のループが発生してしまう。この連結部１２Ｃを通る磁束の流れが発生すると発電に寄与する磁束数が低減し、発電効率が低下してしまう。

そこで本変形例では、連結部１２Ｃを除去し、固定ヨーク１９を構成する延出部１９Ａと延出部１０Ｂとの間に磁気ギャップ２２を形成し、この磁気ギャップ２２内に永久磁石１４を配置したことを特徴とするものである。本変形性では、延出部１９Ａと延出部１０Ｂとを分離して二つの部品とし、その間に永久磁石１４を配置した構成としている。

このように、連結部１２Ｃを除去することにより、図８（Ａ）に示すように吸着時において発電効率を低下させる磁束のループの発生は抑制される。よって、本変形例に係る発電装置１０Ｂによれば、より効率の高い発電を行うことが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

例えば、上記した実施形態では発電装置１０Ａ，１０Ｂを無線スイッチ１に適用した例を示したが、本発明に係る発電装置の適用はこれに限定されるものではなく、いわゆるバッテリーレス化を行いたい各種電気機器及び電子機器に適用が可能なものである。

１ 無線スイッチ
３ 押しボタン
４ ヨーク駆動機構
６ 揺動アーム
７ 支軸
８ 連結軸
１０Ａ，１０Ｂ 発電装置
１１Ａ，１１Ｂ コイル
１２ 固定ヨーク
１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ，１９Ａ，１９Ｂ 延出部
１２Ｃ 連結部
１３ 可動ヨーク
１４ 永久磁石
１５ ボビン
１７Ａ，１７Ｂ，１８Ａ，１８Ｂ 先端部
１９ 固定ヨーク
２２ 磁気ギャップ

Claims (4)

1. 永久磁石と、
   前記永久磁石と磁気的に接続されると共に該永久磁石の磁束の磁路を形成するヨークと、
   該ヨークに装着されるコイルとを有する発電装置であって、
   前記ヨークを第１ヨーク部と第２ヨーク部とに分離し、
   該第１及び第２ヨーク部を相対的に一軸方向に往復移動させて接触及び離間させることにより、前記第１及び第２ヨーク部を流れる磁束に磁束変化を発生させ、
   該磁束変化により前記コイルに誘導起電力を発生させることを特徴とする発電装置。
2. 前記第１ヨーク部と前記第２ヨーク部の重量を異ならせ、
   重量の重いヨーク部を固定し、重量の軽いヨークを前記重量の重いヨーク部に対して可動させることにより、前記第１及び第２ヨーク部を接触及び離間させることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
3. 前記ヨークに磁路を切断する磁気ギャップを設け、該磁気ギャップ内に前記永久磁石を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の発電装置。
4. 前記ヨークは、金属層を積層した構造であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電装置。
   

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