JP2019115200A - 振動発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】振動の減衰を抑制することができる振動発電装置を提供する。【解決手段】一実施形態に係る振動発電装置は、振動を受けた磁石11が移動することによって発電を行う振動発電装置1である。振動発電装置1は、筐体2と、筐体2に支持されると共に、筐体2の内部において磁石11を吊り下げるバネ3と、筐体2の磁石11に対向する底面に固定可能であると共に磁性体15aを含む整流回路15と、を備え、磁石11は、バネ3の伸縮方向に移動可能とされており、整流回路15は、磁性体15aが磁石11の移動可能範囲Aを底面に投影した範囲の外に位置するように固定される。【選択図】図4
Description
本発明は、振動発電装置に関する。
従来から振動発電装置としては種々のものが知られている。特許文献1には、互いに直交するX軸方向及びY軸方向のそれぞれの振動を検出して発電を行う振動発電機が記載されている。振動発電機は、X軸方向への振動を利用して発電を行うX軸方向振動発電ユニットと、Y軸方向への振動を利用して発電を行うY軸方向振動発電ユニットとを備える。X軸方向振動発電ユニット及びY軸方向振動発電ユニットは、互いに直交するようにケースの内部に配置されている。
上記の各振動発電ユニットは、棒状を成す複数の永久磁石を含む振動子と、各振動子を収容するボビンと、ボビンに巻き付けられたソレノイドコイルとを備える。各振動発電ユニットでは、振動発生時に、永久磁石を含む振動子がソレノイドコイルに対して移動することにより、ソレノイドコイルにおいて電圧が誘起されて起電力が生じる。また、各振動発電ユニットでは、ケースの内部において、ソレノイドコイル及びボビンが露出しており、開磁路が形成されている。
前述した振動発電装置では、永久磁石を含む振動子を収容するボビン及びソレノイドコイルが露出しており、ケースの内部において開磁路が形成されている。ところで、振動発電装置では、ケース等の筐体の内部に、磁性体を含む回路を搭載することがある。筐体の内部に磁性体を含む回路が搭載される場合、磁性体が開磁路の磁気を帯びることによって振動子の振動が減衰するという問題が起こりうる。
本発明は、振動の減衰を抑制することができる振動発電装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明者が鋭意検討した結果、振動発電装置に搭載する回路の磁性体の位置を調整することにより、振動の減衰を抑制できることを見出した。本発明の一側面は、かかる知見に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明の一形態に係る振動発電装置は、振動を受けた磁石が移動することによって発電を行う振動発電装置であって、筐体と、筐体に支持されると共に、筐体の内部において磁石を吊り下げるバネと、筐体の磁石に対向する面に固定可能であると共に磁性体を含む回路と、を備え、磁石は、バネの伸縮方向に移動可能とされており、回路は、磁性体が磁石の移動可能範囲を当該面に投影した範囲の外に位置するように固定される。
この振動発電装置は、筐体の内部に磁石を吊り下げるバネと回路とを備え、磁石はバネの伸縮方向に移動可能とされる。回路は、磁性体を含むと共に、筐体の磁石に対向する面に固定可能とされている。回路は、その磁性体が磁石の移動可能範囲を当該面に投影した範囲の外に位置するように固定される。よって、回路の磁性体は磁石の影響を受ける箇所の範囲外に位置するので、磁石に対する磁性体の影響を抑制することができる。従って、磁石を減衰することなく振動させることができる。
また、回路は、発電された交流電力を直流電力に変換すると共に電圧を調整する整流回路であってもよい。この場合、整流回路によって、発電された電力を直流電力に変換すると共に電圧を調整することができる。
また、磁石の当該面との反対側に閉磁路を形成するヨークを備えてもよい。この場合、磁石から見て、回路を固定可能な筐体の面の反対側にヨークが設けられる。従って、ヨークにより、磁石の磁束が当該面の反対側に回り込むことを抑制することができる。その結果、磁石の当該面との反対側は、磁束の影響をうけにくいので、閉磁路を有しない場合と比較して回路の配置の自由度を更に高めることができる。
本発明によれば、振動の減衰を抑制することができる。
以下では、図面を参照しながら、本発明に係る振動発電装置の実施形態について詳細に説明する。図面の説明において、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、図面は、理解を容易にするため一部を誇張又は簡略化して描いており、寸法比率等は図面に記載したものに限定されない。
図1は、本実施形態に係る振動発電装置を示す斜視図である。図2は、本実施形態に係る振動発電装置を示す側面図である。図3は、図2のIII−III線断面図である。図1〜図3に示されるように、本実施形態に係る振動発電装置1は、例えば、筐体2と、筐体2に取り付けられた複数のバネ3と、筐体2の内部において固定されたコイル4と、バネ3によって吊り下げられた錘体10とを備える。
錘体10には磁石11が取り付けられている。振動発電装置1は外部から振動を受け、受けた振動に伴って錘体10がバネ3の軸線Lの延在方向に共振する。錘体10の共振の振動数は、例えば、50Hzである。そして、固定されたコイル4に対して磁石11が相対移動することにより、電磁誘導によってコイル4に誘導起電力が生じる。すなわち、振動発電装置1は電磁誘導方式で発電を行う振動発電デバイスである。
振動発電装置1は、例えば、工作機械若しくは移動体等を含む機械、又は橋梁等を含む建築物に取り付けられ、機械又は建築物等の振動から起電力を得る。振動発電装置1は、例えば、筐体2に取り付けられたネオジム磁石等の磁力によってモータ等の振動源に取り付けられてもよい。振動発電装置1は、例えば、筐体2とモータ等の振動源とがバンドで固定されることによって振動源に取り付けられてもよい。また、振動発電装置1は、筐体2がモータ等の振動源にボルトで固定されることによって振動源に取り付けられてもよい。
筐体2は、例えば、6つの面2aを備えた直方体状を呈する。なお、筐体2の形状は、直方体状に限られない。例えば、筐体2は、略円柱状又はかまぼこ状(断面略半円形の柱状)等の外形を呈する箱体であってもよい。本実施形態では、6つの面2aのうち最も広い面2aの四隅は面取りされている。また、最も広い1つの面2aには、バネ3、コイル4及び錘体10が収容される凹部2bが形成されている。凹部2bには、複数のバネ3が取り付けられる枠状のフレーム2cが設けられており、フレーム2cは長方形の角部が丸められた形状を成している。フレーム2cは、例えば、金属製であり、アルミニウムによって構成されていてもよい。
また、フレーム2cは、ヤング率が40GPa以上の材料によって構成されてもよい。フレーム2cには、各バネ3の取付部3aが固定部材6によって支持される。取付部3aは、例えば、輪状を成しており、取付部3aに固定部材6が挿通されて固定部材6がフレーム2cにねじ込まれることにより、フレーム2cに固定される。固定部材6は、例えば、六角穴付きボルトである。なお、バネ3の取付部3aのフレーム2cに対する接続手段は、固定部材6に限られず適宜変更可能である。例えば、筐体2のフレーム2cに複数のピンが挿入され、バネ3の取付部3aが複数のピンのそれぞれに引っ掛けられることによってフレーム2cに接続されてもよい。
バネ3は、例えば、引張コイルバネである。一例として、バネ3の線径は0.29mm、バネ3の外径(直径)は2.50mm、バネ3の自由長は11.6mm、バネ3の許容最大長は18.9mm、バネ3のバネ定数は0.225N/mmである。振動発電装置1は複数のバネ3を備え、複数のバネ3は互いに平行となるように配置される。各バネ3の一端はフレーム2cに取り付けられ、各バネ3の他端は錘体10に取り付けられる。錘体10は少なくとも2本のバネ3の間に設けられる。すなわち、複数のバネ3のうちの一部は錘体10から第1方向D1に延びると共に、複数のバネ3のうちの残部は錘体10から第1方向D1の反対方向である第2方向D2に延びている。
第1方向D1及び第2方向D2は、各バネ3の軸線Lが延びる方向に一致する。複数のバネ3は、振動発電装置1の幅方向D3に沿って並設されており、例えば幅方向D3に沿って等間隔に配置される。なお、振動発電装置1の厚さ方向D4に沿って1つのバネ3が配置されているが、厚さ方向D4に沿って複数のバネ3が配置されてもよい。一例として、合計12本のバネ3が設けられる。そして、12本のバネ3のうち6本が幅方向D3に沿って並設されると共に錘体10から第1方向D1に延びており、残りの6本が幅方向D3に沿って並設されると共に錘体10から第2方向D2に延びている。錘体10は、第1方向D1に延びる6本のバネ3と第2方向D2に延びる6本のバネ3との間に吊り下げられる。
但し、バネ3の本数は、12本に限られない。例えば、錘体10の四隅から第1方向D1及び第2方向D2それぞれに延びるバネ3が4本設けられていてもよく、バネ3の本数は適宜変更可能である。また、錘体10から第1方向D1に延びる3本のバネ3と、錘体10から第2方向D2に延びる3本のバネ3とを備えていてもよい。更に、複数のバネ3は、錘体10の重心に対して互いに対称となる位置に配置されてもよい。この場合、錘体10の第1方向D1及び第2方向D2以外への振動、及び錘体10の回転を抑制することができると共に、各バネ3のバネ定数の分割、及びバネ3のストロークの確保を両立させることができる。更に、各バネ3を小型化することができるため、振動発電装置1の安定性の向上、及び振動発電装置1自体の小型化を実現させることができる。
コイル4は、筐体2の凹部2bの底面2d(面)と、錘体10との間に配置される。また、振動発電装置1はコイル4を保持するコイルホルダ5を備える。コイルホルダ5は、コイル4を保持した状態で、例えば、テープによって筐体2に固定される。なお、コイルホルダ5の筐体2への固定手段は、テープに限られず適宜変更可能である。コイルホルダ5は、例えば、ネジによって筐体2に固定されてもよい。また、コイルホルダ5は、第2方向D2の端部(図3の下側端部)のみが筐体2に固定されてもよいし、コイルホルダ5の複数の箇所のそれぞれが筐体2に固定されてもよく、筐体2に対するコイルホルダ5の固定部の数及び配置態様は適宜変更可能である。
コイルホルダ5は、例えば、プラスチック製である。また、コイル4は空芯コイルである。例えば、10に取り付けられた磁石11、コイル4及び底面2dの間に開磁路Rが形成される。また、コイルホルダ5と錘体10との間には空間Kが形成されており、コイルホルダ5及び錘体10は互いに非接触配置とされる。これにより、コイルホルダ5への接触に伴う摩擦力が錘体10に生じないので、錘体10の振動の低減を回避することが可能である。
錘体10は、前述した磁石11と、ヨーク12と、高比重材13,14とを含んでいる。ヨーク12は、バネ3の軸線L上に配置されると共に、磁石11はバネ3の軸線Lから見て一方側に配置され、高比重材13は軸線Lから見て磁石11の反対側に配置される。換言すれば、磁石11及び高比重材13は、各バネ3の軸線Lからずれた位置に配置されている。
本明細書において、「バネの軸線から見て一方側に配置されている」ものは、バネの軸線から見て特定の方向に配置されているもの、及び、バネの軸線上に配置されると共に当該軸線に対して特定の方向に偏って配置されているものを含んでいる。例えば、「磁石がバネの軸線から見て一方側に配置されている」ことは、磁石11の一部がバネ3の軸線L上に干渉している状態、及び、磁石11のヨーク12から突出している部分の寸法が磁石11のヨーク12に入り込んでいる部分の寸法より小さい場合等をも含んでいる。
錘体10には、例えば、複数の磁石11が取り付けられており、ヨーク12の中央に4個(図4参照)の磁石11が正方形状を成すように配置されている。4個の磁石11のうち、例えば、第1方向D1側の2個の磁石11はN極面を露出し、第2方向D2側の2個の磁石11はS極面を露出する。各磁石11は、例えば、ネオジム磁石である。各磁石11の磁束密度は5000ガウス、各磁石11の比重は7.4g/cm3である。また、各磁石11は、円柱状を成していてもよく、この場合、各磁石11の直径は6mm、各磁石11の高さは5mmである。
各バネ3の取付部3aとの反対側の端部3bは、2個のヨーク12の間に挟み込まれた状態で固定されている。例えば、2個のヨーク12のうちの一方には端部3bが入り込む凹部12cが設けられており、凹部12cの厚さ方向D4の深さは、バネ3の端部3bの線径と同程度である。2個のヨーク12のうち1個に磁石11が吸着している。各ヨーク12は、鉄又は鋼によって構成されており、例えば、矩形板状とされている。磁石11は、2個のヨーク12の片側に設けられ、且つ凹部2bの底面2dに向けられることにより、底面2d側に前述した開磁路Rが形成される。また、ヨーク12は、磁石11の底面2dとの反対側に閉磁路を形成し、凹部2bの外側への磁束の流れを抑制する。ヨーク12は、SS400材によって構成されていてもよく、この場合、比較的磁気特性が良く且つ安価で入手しやすいヨーク12が得られる。ヨーク12の比重は、例えば、7.8g/cm3である。
ヨーク12は、磁石11が貼り付けられる第1面12aと、第1面12aの反対側を向くと共に高比重材13が貼り付けられる第2面12bとを有する。本明細書において、高比重材は、少なくとも磁石11よりも比重が高い材料によって構成された部材を示しており、例えば、比重が8.0g/cm3以上の材料によって構成された部材であってもよい。すなわち、高比重材は、一般的な鋼材(7.8g/cm3〜7.9g/cm3)よりも比重が高い材料によって構成された部材を含む。
高比重材13は、例えば、タングステン含有樹脂によって構成されている。高比重材13が樹脂を含んで構成される場合、樹脂の射出成形によって高比重材13を製作することができるので、安価且つ大量に高比重材13を製作できると共に、あらゆる形状の高比重材13を製作することが可能である。タングステン含有樹脂は、粉体とされたタングステン及びナイロン等の樹脂を含んでおり、タングステン含有樹脂の比重は、例えば13g/cm3である。高比重材13は、例えば、矩形板状とされており、ヨーク12の磁石11との反対側に貼り付けられている。また、ヨーク12の磁石11側には高比重材14が貼り付けられており、高比重材14は、例えば、磁石11の幅方向D3の両側それぞれに配置されている。高比重材14は、例えば、高比重材13と同一の材料によって構成される。
このように、錘体10が高比重材13,14を備えることにより、小型化を維持しつつ錘体10の質量を大きくすることができる。よって、錘体10の慣性エネルギーを高めて振動の振幅を大きくすることにより、振動発電装置1の小型化を実現すると共に振動発電装置1からの電力の高出力化が可能となる。また、磁石11の比重より高い高比重材13,14を貼り付けることにより、錘体10のバランスを良好にして、錘体10を第1方向D1及び第2方向D2のみに動かすことが可能となる。従って、第1方向D1及び第2方向D2以外の振動モードの入力を抑制して錘体10を第1方向D1及び第2方向D2に沿って安定して振動させることができるので、更なる高出力化が可能となる。
一例として、バネ3の軸線方向(第1方向D1及び第2方向D2)における錘体10の長さは12.8mm、幅方向D3の錘体10の長さは23.0mm、厚さ方向D4の錘体10の長さは13.5mmである。この12.8mm×23.0mm×13.5mmの範囲内に磁石11、ヨーク12、高比重材13及び高比重材14が収められており、錘体10の質量は例えば32gである。
図4は、振動発電装置1を磁石11側から見た図を示しており、簡略化のため一部の図示を省略している。図3及び図4に示されるように、振動発電装置1は、更に、発電した交流電力を直流電力に変換すると共に電圧を調整する整流回路15(回路)を備える。整流回路15は磁性体15aを有する。整流回路15には、磁性体15aとして、例えば、フェライト(磁性材料)から成る鉄芯コイルが含まれる。
図4及び図5に示されるように、整流回路15は、磁性体15aが磁石11の移動可能範囲Aを筐体2の底面2dに投影した範囲Bの外に位置するように固定される。磁石11の移動可能範囲Aは、例えば、バネ3の伸縮に伴って磁石11が移動可能な最大の領域である。具体的には、移動可能範囲Aは振動により磁石11の外郭が形成する最大領域を示しており、整流回路15の磁性体15aは、例えば、底面2dのうち移動可能範囲Aを除いた範囲Cに固定される。範囲Cは、底面2dの中央に設けられた移動可能範囲Aを囲む位置に設けられる。
例えば、底面2dの軸線Lが延びる方向の長さをE1、底面2dの幅方向D3の長さをE2、最も縮んだときのバネ3の長さをE3、厚さ方向D4から見たときの磁石11の直径をE4、とすると、移動可能範囲Aは、底面2dの中心2eを中心として、幅方向D3の長さがE4×2、軸線Lが延びる方向の長さがE1−E3×2である長方形状とされる。一方、範囲Cは、中心2eを中心として、幅方向D3の長さが(E2−E4×2)/2、軸線Lが延びる方向の長さがE3である矩形枠状の領域とされる。このように、整流回路15は、磁性体15aが移動可能範囲Aを底面2dに投影した範囲Bの外に位置するように固定される。
次に、本実施形態に係る振動発電装置1から得られる作用効果について詳細に説明する。振動発電装置1は、筐体2の内部に磁石11を吊り下げるバネ3と整流回路15とを備え、磁石11はバネ3の伸縮方向(軸線Lが延びる方向、並びに、第1方向D1及び第2方向D2)に移動可能とされる。整流回路15は、磁性体15aを含むと共に、筐体2の磁石11に対向する底面2dに固定可能とされている。整流回路15は、磁性体15aが磁石11の移動可能範囲Aを底面2dに投影した範囲Bの外(例えば範囲C)に位置するように固定される。よって、整流回路15の磁性体15aは磁石11の影響を受ける箇所である範囲Bの外に配置されるので、磁石11に対する磁性体15aの影響を抑制することができる。従って、磁石11を減衰することなく振動させることができる。
また、整流回路15は、発電された交流電力を直流電力に変換すると共に電圧を調整する。従って、整流回路15によって、発電された交流電力を直流電力に変換すると共に電圧を調整することができる。
また、図3に示されるように、振動発電装置1は、磁石11の底面2dとの反対側に閉磁路を形成するヨーク12を備える。よって、磁石11から見て、整流回路15を固定可能な筐体2の底面2dの反対側にヨーク12が設けられる。従って、磁石11の磁束が底面2dの反対側に回り込むことを抑制することができる。その結果、磁石11の底面2dとの反対側は、磁束の影響を受けにくいので、閉磁路を有しない場合と比較して整流回路15の配置の自由度を更に高めることができる。
以上、本発明に係る振動発電装置の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載した要旨を変更しない範囲において種々の変形が可能である。すなわち、振動発電装置の各部の構成は、前述の実施形態に限定されず適宜変更可能である。
例えば、前述の実施形態では、矩形状の筐体2と、固定部材6によって筐体2のフレーム2cに固定された12本のバネ3と、コイルホルダ5によって筐体2に固定されたコイル4と、を備える振動発電装置1について説明した。しかしながら、筐体、バネ、コイル、コイルホルダ、及びバネを固定する固定部材の形状、大きさ、数、材料及び配置態様は、前述の実施形態のものに限定されず適宜変更可能である。
また、前述の実施形態では、ヨーク12の第1面12aに磁石11及び高比重材14が取り付けられ、ヨーク12の第2面12bに高比重材13が取り付けられる錘体10について説明した。しかしながら、錘体10の構成も適宜変更可能である。すなわち、磁石11、ヨーク12、高比重材13及び高比重材14の形状、大きさ、数、材料及び配置態様は適宜変更可能であり、例えば、高比重材13又は高比重材14を省略することも可能である。
例えば、前述の実施形態では、比重が8.0g/cm3以上の高比重材13,14として、タングステンを含む例を説明したが、タングステン以外の物質を含んでいてもよい。例えば、高比重材13,14は、鉛、銅、真鍮、ベリリウム銅、ニッケル鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及び高速度工具鋼等の材料のいずれか1つ又は2つ以上を含んでいてもよい。磁石11としては、例えば、ネオジム磁石、等方性フェライト磁石、異方性フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、又はアルニコ磁石等の適宜の磁石が用いられ得る。磁石11の形状は、特に限定されないが、例えば、円柱状又は角柱状等とすることができる。また、ヨーク12としては、磁気回路を形成可能な物質であれば、適宜の種類の物質が用いられ得る。例えば、ヨーク12としては、軟鉄、一般構造用圧延鋼、機械構造用炭素鋼、ステンレス鋼、ケイ素鋼、フェライト、FeNi合金、又はFeCo合金等の材料が用いられ得る。
振動発電装置1は、コイルバネであるバネ3に代えて、コイルバネ以外の構成のバネを備えていてもよい。また、バネ3は、高比重材13,14に接続されていてもよい。更に、前述の実施形態では、ヨーク12の上下面のそれぞれに6本ずつのバネ3が接続されている例について説明した。しかしながら、前述したようにバネの本数及び配置態様は適宜変更可能である。例えば、ヨーク12の上下面のそれぞれに1本ずつのバネ3が接続されていてもよい。すなわち、バネ3は、それぞれ複数本で構成されていなくてもよい。
また、ヨーク12の上下面のそれぞれに3本以上ずつのバネ3が接続されていてもよい。例えば、ヨーク12に接続されるバネ3の本数は、錘体10を振動させるときに必要とされるバネ定数に応じて決定されてもよい。ヨーク12の上面に複数のバネ3が幅方向D3に沿って2列に並べて配置されていてもよい。同様に、ヨーク12の下面に複数のバネ3が幅方向D3に沿って2列に並べて配置されていてもよい。また、ヨーク12の上面の四隅に、4本のバネ3のそれぞれが接続されていてもよい。また、上記のように複数のバネ3をヨーク12に接続する場合であっても、幅方向D3において、幅方向D3の中央位置に対して対称となるようにバネ3が配置されてもよい。これらのバネ3の接続構成であっても、錘体10を安定して振動させることができると共に錘体10の移動量を大きくできる等、前述した実施形態と同様の効果を奏する。
更に、前述の実施形態では、整流回路15を備え、整流回路15が底面2dに固定可能であることについて説明した。しかしながら、整流回路15は、底面2d以外の箇所に固定されてもよい。また、振動発電装置は、整流回路15に代えて、別の回路を備えていてもよい。すなわち、本発明は、整流回路15以外の回路に対しても適用可能である。
1…振動発電装置、2…筐体、2a…面、2b…凹部、2c…フレーム、2d…底面、3…バネ、3a…取付部、3b…端部、4…コイル、5…コイルホルダ、6…固定部材、10…錘体、11…磁石、12…ヨーク、12a…第1面、12b…第2面、12c…凹部、13,14…高比重材、15…整流回路(回路)、A…移動可能範囲、B…範囲、C…範囲、D1…第1方向、D2…第2方向、D3…幅方向、D4…厚さ方向、K…空間、L…軸線、R…開磁路。
Claims (3)
- 振動を受けた磁石が移動することによって発電を行う振動発電装置であって、
筐体と、
前記筐体に支持されると共に、前記筐体の内部において前記磁石を吊り下げるバネと、
前記筐体の前記磁石に対向する面に固定可能であると共に磁性体を含む回路と、
を備え、
前記磁石は、前記バネの伸縮方向に移動可能とされており、
前記回路は、前記磁性体が前記磁石の移動可能範囲を前記面に投影した範囲の外に位置するように固定される、
振動発電装置。 - 前記回路は、発電された交流電力を直流電力に変換すると共に電圧を調整する整流回路である、
請求項1に記載の振動発電装置。 - 前記磁石の前記面との反対側に閉磁路を形成するヨークを備える、
請求項1又は2に記載の振動発電装置。
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WO2023181138A1 (ja) * | 2022-03-22 | 2023-09-28 | 株式会社レゾンテック | 発電装置及び発電システム |
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JPH10323006A (ja) * | 1997-05-14 | 1998-12-04 | Sharp Corp | 発電電池 |
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2017
- 2017-12-25 JP JP2017247964A patent/JP2019115200A/ja active Pending
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