JP5417719B2 - 振動型電磁発電機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、複数個のソレノイドコイルで構成される発電コイルの中で、長さ方向に着磁された少なくとも一つの磁石が振動することにより発電を行う振動型電磁発電機に関する。

近年、携帯電話やゲーム機などの携帯電子機器の普及が進み、これらに内蔵されている２次電池の量がますます多くなってきている。また、無線技術の発展にともない、微小電力で信号を送受するＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）の応用が拡がっている。特に電源を有するアクティブＲＦＩＤは、数百メートル以上の通信も可能である。このため、牧場の牛や馬などの健康管理や、子供達の登下校時の安全管理等への応用に期待が高まっている。

一方、地球環境の維持改善のため、できるだけ環境負荷の少ない電池の研究開発も活発に行われている。その中で、通常無意識かつ無駄に消費されているエネルギーを電気エネルギーに変換して、充電し、この電気エネルギーを携帯機器などの電源として利用することが広く考えられている。

特許文献１には、外部から振動を加えることによって発電する振動型電磁発電機について開示されている。ここで、図６を参照して、振動型電磁発電機１００の構成例について説明する。

振動型電磁発電機１００は、非磁性材料からなるパイプ１０２と、パイプ１０２に収納される長さ方向に着磁した棒状の可動磁石１０１を備える。パイプ１０２の中央部には、ソレノイドコイル１０３が形成される。パイプ１０２の両端部には、可動磁石１０１の極性と同じ極性が対向するような状態で、磁石１０４ａ，１０４ｂが設置される。このため、可動磁石１０１が振動する際に、可動磁石１０１がパイプ１９２の両端部に接触することを防いでいる。

特許文献２には、外部から振動を加えることによって発電し、得られた電力を用いて発光する振動型電磁発電機を備えた懐中電灯について開示されている。ここで、図７を参照して、懐中電灯１１０の構成例について説明する。

懐中電灯１１０は、非磁性材料からなるパイプ１１２と、パイプ１１２に収納される長さ方向に着磁した棒状の可動磁石１１１を備える。パイプ１１２の両端部には、圧縮バネ１１４ａ，１１４ｂが設けられる。この圧縮バネ１１４ａ，１１４ｂの作用により、可動磁石１１１がパイプ１１２の両端部に接触することを防いでいる。パイプ１１２の中央部には、ソレノイドコイル１１３が形成される。パイプ１１２の内部を可動磁石１１１が振動することによって、ソレノイドコイル１１３に電圧が生じ、ＬＥＤ１１５が発光する。この発光によって、ＬＥＤ１１５が発散する光線は、レンズ１１６で拡散されて、対象物に照射される。

特許文献３には、ケースの内部において、複数の永久磁石が締結部材によって締結されてなる可動磁石を移動させて、電圧を発生させる振動発電機１について開示されている。
特開２００２−２８１７２７号公報 米国特許第５９７５７１４号明細書 特開２００６−２９６１４４号公報

ところで、特許文献１に記載された振動型電磁発電機１００では、発電に直接寄与する磁石以外に、パイプの両端部に配置される２個の磁石が必要である。一般に、この種の電磁発電機は、できるだけ小さな寸法としながらも、大きな電力を得ることが要求される。このため、高い磁束密度の磁石を必要とするが、電磁発電機の製造コストに対する磁石のコスト比が高くなってしまう。つまり、従来の振動型電磁発電機１００は、コスト面で不利であった。また、磁石を多用すると、振動型電磁発電機の重量が増す。このため、振動型電磁発電機を振る使用者は、疲労しやすくなる。この結果、一定の発電量を長時間にわたって得ることが困難であった。

また、磁石による反発力はバネによる反発力とは異なり、可動磁石の移動距離に比例しない。そして、磁石による反発力で振動する可動磁石は、可動磁石の質量とコイルバネのバネ定数によって決まる共振振動とは異なる挙動を示す。このため、可動磁石の振動が長時間続かないという問題も生じやすい。この結果、磁石による反発力を有効な振幅運動に変換できくなり、発電量を維持することは困難であった。

また、特許文献２に記載された懐中電灯１１０に振動が加わると、可動磁石１１１は、一旦コイルバネから離れたり衝突したりする。このため、可動磁石とコイルバネは、安定した共振系を構成することができず、発電効率が悪い。また、可動磁石とコイルバネが衝突する際に衝突音が発生するために、使用者にとっては耳障りである。さらに、この種の発電機は、可動磁石が発電コイルを通過する際の速度が、発電（出力電圧）の大きさに寄与する。そして、より多くの発電を得るためには激しい振動を与えなければならないが、可動磁石とコイルバネとが激しく衝突することによってコイルバネが破損しやすかった。

また、特許文献１〜３に記載された技術では、パイプ（ケース）の内面壁と、可動磁石の側周面の接触面積が大きい。例えば、特許文献３には、ボルトのつば部と、ナットの側面及びボルトに装着された磁石の側面に段差がないため、これらの側面がケースの内壁面に接触する。この接触により、発電機や懐中電灯を振る方向とは逆方向に大きな摩擦力が発生してしまう。この摩擦力は、優れた摺動性能が得られないばかりか、可動磁石の振動を減衰させ、発電効率を悪くする要因である。また、磁石、非磁性スペーサに形成される孔と締結部材を厳密に管理し過ぎると、組み付けが困難になる。

本発明は、このような状況に鑑み成されたものであり、パイプの内周面と可動磁石の摺動性を改善した振動型電磁発電機を提供することを目的とする。

本発明の振動型電磁発電機は、非磁性材料で形成されたパイプと、パイプの周囲に巻回された一つ以上の発電コイルと、パイプ内に配置され、中央部に貫通孔が形成される磁石を一つ以上含む可動磁石と、パイプの端部を封止する第１及び第２の封止部材と、を備える。そして、可動磁石は、磁石の貫通孔に挿入される芯部を有する第１の磁石固定部と、芯部に固定される第２の磁石固定部と、を備え、第１の磁石固定部は、パイプの中心軸に対する磁石の幅より大きな幅を有する第１のつば部を備え、第２の磁石固定部は、パイプの中心軸に対する磁石の幅より大きな幅を有する第２のつば部を備え、可動磁石と第１および／又は第２の封止部材の間に、可動磁石を振動させる弾性部材を備え、第１の磁石固定部が有する第１のつば部には、側周面の一周にわたって可動磁石の直線振幅運動と平行な溝が形成されている。

本発明によれば、第１の磁石固定部は、パイプの中心軸に対する磁石の幅より大きな幅を有する第１のつば部を備え、第２の磁石固定部は、パイプの中心軸に対する磁石の幅より大きな幅を有する第２のつば部を備え、可動磁石と第１および／又は第２の封止部材の間に、可動磁石を振動させる弾性部材を備え、第１の磁石固定部が有する第１のつば部には、側周面の一周にわたって可動磁石の直線振幅運動と平行な溝が形成されている振動型電磁発電機が得られる。このため、パイプの内周面と可動磁石の外周面の接触面積が極めて小さくなり、摩擦力が小さくなる。また、可動磁石と第１および／又は第２の封止部材の間に配置された弾性部材が可動磁石を支持して振動させることにより、可動磁石の振幅の減衰量が少なくなり、発電量を維持しやすくなるという効果がある。

以下、本発明の第１の実施形態例に係る振動型電磁発電機１０の構成例について、図１と図２を参照して説明する。以下の説明において、図中に重力方向を示す矢印を表記する。そして、重力方向（矢印方向）を「下側」、重力の反対方向を「上側」として説明する場合がある。

図１は、振動型電磁発電機１０の構造を示す断面図である。
非磁性材料（例えば摺動性に優れたプラスチック）で形成されるパイプ１９の外周には、導電ワイヤが巻回され、発電コイル１１が形成される。発電コイル１１は、４個のコイル１１ａ〜１１ｄを備える。コイル１１ａ〜１１ｄの巻線の向きは、互いに、正・逆・正・逆であり、コイル１１ａ〜１１ｄは、直列に接続される。パイプ１９の内部には、長さ方向に着磁された複数の磁石１２ａ〜１２ｃが連結された可動磁石１２が挿入される。弾性部材としてのコイルバネ１７は、パイプ１９の中を可動磁石１２が移動する全ての位置で、コイルバネ１７の自然長に対して常に圧縮状態にある。このため、可動磁石１２は、コイルバネ１７によって、発電コイル１１の巻軸方向に振動可能に支持され、パイプ１９の内部を移動することが可能である。

パイプ１９の材質として好適なものは、樹脂では、ポリアセタール系素材や、摩擦係数が低いことで知られているポリテトラフルオロエチレン系素材が挙げられる。また、金属では、アルミニウム等が挙げられる。

可動磁石１２は、同じ極が互いに対向するリング状の磁石１２ａ〜１２ｃが、非磁性体からなる第１の磁石固定部１４と第２の磁石固定部１５により挟み固定されて構成される。
第１の磁石固定部１４は、例えば、ボルトである。第１の磁石固定部１４に形成されるつば部の側面は、円または多角形状に形成される。第２の磁石固定部１５は、例えば、ナットである。第２の磁石固定部１５の側面は、円または多角形状に形成され、つば部として機能する。

第１の磁石固定部１４は、中央部に貫通孔が形成された磁石１２ａ〜１２ｃに挿入される芯部１４ａと、略円錐台形の緩衝部１４ｂと、つば部１４ｃを有する。芯部１４ａと、緩衝部１４ｂと、つば部１４ｃは、一体的に形成される。芯部１４ａは、パイプ１９の中心軸上に位置しており、磁石１２ａ〜１２ｃの貫通孔の直径とほぼ等しいか、わずかに細い程度の太さで形成される。芯部１４ａの上側（先端部）には、第２の磁石固定部１５を固定するための雄ネジ（雄状部）が加工・形成される。第２の磁石固定部１５の中心部には、芯部１４ｃの先端が接続される接続孔である雌ネジ（雌状部）が加工・形成される。そして、同極が対向して、互いに反発するリング状の磁石１２ａ〜１２ｃは、芯部１４ａから外れないように、第２の磁石固定部１５によって挟み固定される。

このとき、上述の雄ネジ、雌ネジと同等の効果を有するその他の変形例としては、例えば、第１の磁石固定部１４の芯部１４ａが先割れ状とされ、かつその先端部を鉤状部（雄状部）とし、第２の磁石固定部１５に、上記鉤状部を嵌合するための孔部（雌状部）を設けた構成が挙げられる。このように構成する場合、互いを嵌合することで磁石を固定することができる。このため、上述の雄ネジ・雌ネジの構成と比較して、可動磁石の組立てが容易になるという利点を有している。

第１の磁石固定部１４のつば部１４ｃは、パイプ１９の中心軸に対する磁石１２ａ〜１２ｃの幅より大きな幅を有する。第２の磁石固定部１５のつば部は、パイプ１９の中心軸に対する磁石１２ａ〜１２ｃの幅より大きな幅を有する。このとき、第１の磁石固定部１４のつば部１４ｃと、第２の磁石固定部１５のつば部の形状、寸法を同じとすることが、より望ましいといえる。そして、第１の磁石固定部１４のつば部１４ｃと第２の磁石固定部１５のつば部の最大直径は、圧縮型のコイルバネ１７の内径よりわずかに大きく、パイプ１９の内径よりわずかに小さい。このため、コイルバネ１７の位置は、緩衝部１４ｂによって自動的に定まる。

第２の磁石固定部１５（ナット）と第１の磁石固定部１４（ボルト）の材質として好適なものは、樹脂では、ポリアセタール系素材、金属では、アルミニウム等が挙げられる。
なお、第２の磁石固定部１５（ナット）と第１の磁石固定部１４（ボルト）の材質として、ポリテトラフルオロエチレン系素材を用いてもよい。この素材は、極めて摩擦係数が低いため、可動磁石１２の摺動性に優れる。ただし、第２の磁石固定部１５に第１の磁石固定部１４を螺合する場合、摩擦が保てないことがある。このため、第１の磁石固定部１４と第２の磁石固定部１５を用いて磁石を固定した後、第１の磁石固定部１４（ボルト）の先端につぶし加工を施す手段、または、第１の磁石固定部１４の芯部１４ａの先端を鉤状部とし、第２の磁石固定部１５に孔部を形成することで、これらを嵌合する手段等によって、第１の磁石固定部１４と第２の磁石固定部１５の緩み防止のための対策を施すことが望ましい。

可動磁石１２とパイプ１９の内周面との接触は、つば部１４ｃと第２の磁石固定部１５の側周面だけとなる。このため、可動磁石１２とパイプ１９の摩擦が小さくなり、可動磁石１２の摺動性が向上するという利点がある。

ところで、コイルバネと可動磁石により共振系を構成する仕様として、コイルバネとして引っ張りバネを使用する場合と、圧縮バネを使用する場合がある。さらに、１個又は２個の引っ張りバネを使用する場合と、１個又は２個の圧縮バネを使用する場合と、がある。

引っ張りバネを使用する場合は、引っ張りバネと可動磁石１２、引っ張りバネとパイプ１９を、結合しなければならない。例えば、可動磁石１２やパイプ１９に引っ張りバネを固定するためには、引っ張りバネにフックを形成する必要がある。さらに、可動磁石１２やパイプ１９の封止部材等にも、この引っ張りバネのフックを引っ掛けるための細孔やフック等を形成する必要がある。

一方、圧縮バネを使用する場合、可動磁石１２がパイプ１９の中を移動したときに、常に圧縮バネから圧縮力を得るように圧縮バネの長さを設計する。この場合、圧縮バネと可動磁石１２、圧縮バネとパイプ１９を結合するフック、細孔等を、特別に形成しなくてもよい。このため、フック、細孔等を形成するための工程や部品を減らすことができるという利点がある。

パイプ１９の一方の端部は、第２の封止部材１６ｂで封止される。第２の封止部材１６ｂには、コイルバネ１７が装着される。第２の封止部材１６ｂには、緩衝部１４ｂと同様に、円錐台状の突起が形成される。この円錐台の底部の直径は、コイルバネ１７の内径よりわずかに小さい寸法とする。このため、コイルバネ１７の位置は、第２の封止部材１６ｂによって自動的に定まる。

さらに、緩衝部１４ｂの円錐台の高さと、第２の封止部材１６ｂの円錐台の高さの合計は、コイルバネ１７の最短長よりわずかに大きく設定してある。このため、可動磁石１２が最も下側に動いても、コイルバネ１７に異常な力が加わらないようにでき、コイルバネの破損を防止することができる。

振動型電磁発電機１０において、コイルバネ１７は、可動磁石１２が最も上側に移動した場合でも、まだ可動磁石１２を上側に押す。このため、コイルバネ１７と可動磁石１２、コイルバネ１７と第２の封止部材１６ｂを、それぞれ結合しなくてよい。

振動型電磁発電機１０の組立ては、第２の封止部材１６ｂにより封止されたパイプ１１に、コイルバネ１７、可動磁石１２を順番に挿入し、最後に、第１の封止部材１６ａでパイプ１９を封止することによって行われる。この組立工程を経るだけで振動型電磁発電機１０の組立てが完了するため、組立てが極めて容易である。

図２は、第１の磁石固定部１４の外観斜視図である。
緩衝部１４ｂは、略円錐台形である。また、第２の磁石固定部１５と、芯部１４ａを除く第１の磁石固定部１４の側周面の一周にわたって、直線振幅運動と平行な溝が形成される。この溝があることによって、作業者が、可動磁石１２を組立てる工程（特に、第２の磁石固定部に、磁石１２ａ〜１２ｃを挿入し、第２の磁石固定部１５を締め付ける工程）において、第１の磁石固定部１４と第２の磁石固定部１５を滑らずに締め付けられる。このため、可動磁石１２の組立てが容易となる。

さらに、可動磁石１２とパイプ１９の内周面との接触面積は、第１の磁石固定部１４とつば部１４ｃの側面に限られる。このため、当該実施態様のように、側周面の一周にわたって直線振幅運動と平行な溝が形成される構成は、パイプ１９の内周面との接触面積が一層少なくなる。この結果、摺動性に優れた可動磁石１２が得られる。また、第２の磁石固定部１５とつば部１４ｃの形状を、多角形にした場合であっても、その側周面に無数の溝を形成しておくことで、組立てが容易となる。上述の溝については、特に可動磁石１２の組立てにおいて効果を奏するものであるため、可動磁石１２の摺動性を高めるという目的のみを考慮する場合は、必須の構成にはならない。

以上説明した第１の実施の形態に係る振動型電磁発電機１０は、少なくとも１個の圧縮型のコイルバネ１７で可動磁石１２を支持することにより、安定な共振系を構成することができる。また、振動型電磁発電機１０は、第２の封止部材１６ｂを下側に向けて使用する場合に特に好適である。また、可動磁石１２がパイプ１９内を移動する全領域で、常に、コイルバネ１７の圧縮力が作用するため、コイルバネ１７と可動磁石１２は、離れない。このため、コイルバネ１７と可動磁石１２のいずれにも結合用の特別なフックが不要である。その分、コイルバネ１７と可動磁石１２の長さを短くできる。また、可動磁石１２のパイプ１９内における移動範囲が広くなる。このため、発電量が増加するという利点がある。また、コイルバネ１７と可動磁石１２、コイルバネ１７とパイプ１９を結合しなくてもよく、工程、部品を削減でき、組立てが容易となる。

なお、上述した第１の実施の形態に係る振動型電磁発電機１０では、第１の磁石固定部１４と、第２の封止部材１６ｂの両方に円錐台形の突起を形成した場合について説明した。しかし、第１の磁石固定部１４と、第２の封止部材１６ｂののうち、いずれか一方に、突起の代わりとして、コイルバネ１７の外径よりわずかに大きな直径を有する凹部を形成してもよい。この場合、他方の円錐台の高さを、圧縮型のコイルバネ１７の最短長よりわずかに大きくすることで、コイルバネ１７の位置決めを行うことができる。この場合であっても、可動磁石１２が最も下側に動いても、圧縮型のコイルバネ１７に異常な力が加わることを防ぐことができる。

また、第２の磁石固定部１５にも、第１の磁石固定部１４と同様の円錐台形の突起を形成し、圧縮型のコイルバネを装着してもよい。さらに、第１の封止部材１６ａにも同様な円錐台形の突起を形成し、圧縮型のコイルバネを装着することも可能である。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る振動型電磁発電機２０の構成例について、図３を参照して説明する。

図３は、振動型電磁発電機２０の構造を示す断面図である。
非磁性材料（例えば摺動性に優れたプラスチック）で形成されるパイプ２９の外周には、導電ワイヤが巻回され、発電コイル２１が形成される。発電コイル２１は、３個のコイル２１ａ〜２１ｃを備える。コイル２１ａ〜２１ｃの巻線の向きは、互いに、正・逆・正であり、コイル２１ａ〜２１ｃは、直列に接続される。パイプ２９の内部には、長さ方向に着磁された複数の磁石２２ａ〜２２ｃが連結された可動磁石２２が挿入される。弾性部材としてのコイルバネ２７ａ，２７ｂは、パイプ２９の中を可動磁石２２が移動する全ての位置で、コイルバネ２７ａ，２７ｂの自然長に対して常に圧縮状態にある。このため、可動磁石２２は、２個のコイルバネ２７ａ，２７ｂによって、発電コイル２１の巻軸方向に振動可能に支持され、パイプ２９の内部を移動することが可能である。

可動磁石２２は、同じ極が互いに対向するリング状の磁石２２ａ〜２２ｃが、非磁性体からなる第１の磁石固定部２４と第２の磁石固定部２５により挟み固定されて構成される。
第１の磁石固定部２４は、例えば、長手軸方向であって中央部に貫通穴を有したボルトである。第１の磁石固定部２４に形成されるつば部の側面は、円または多角形状に形成される。第２の磁石固定部２５は、例えば、ナットである。第２の磁石固定部２５の側面は、円または多角形状に形成され、つば部として機能する。

第１の磁石固定部２４は、中央部に貫通孔が形成された磁石２２ａ〜２２ｃに挿入される芯部２４ａと、リング状のつば部２４ｃが形成される。芯部２４ａとつば部２４ｃは、一体的に形成される。芯部２４ａは、パイプ状に形成され、パイプ２９の中心軸上に位置する。芯部２４ａの中心軸は、パイプ２９の中心軸と一致する。そして、芯部２４ａは、磁石２２ａ〜２２ｃの貫通孔の直径とほぼ等しい太さで形成される。芯部２４ａの上側（先端部）には、第２の磁石固定部２５を固定するための雄ネジが加工される。第２の磁石固定部２５の中心部には、芯部２４ｃの先端が接続される接続孔である雌ネジが加工される。そして、同極が対向して、互いに反発するリング状の磁石２２ａ〜２２ｃは、芯部２４ａから外れないように、第２の磁石固定部２５によって挟み固定される。

第１の磁石固定部２４のつば部２４ｃは、パイプ２９の中心軸に対する磁石２２ａ〜２２ｃの幅より大きな幅を有する。第２の磁石固定部２５のつば部は、パイプ２９の中心軸に対する磁石２２ａ〜２２ｃの幅より大きな幅を有する。このとき、第１の磁石固定部２４のつば部２４ｃと、第２の磁石固定部２５のつば部の形状、寸法を同じとすることが、より望ましいといえる。そして、第１の磁石固定部２４のつば部２４ｃと第２の磁石固定部２５のつば部の最大直径は、圧縮型のコイルバネ２７ａ，２７ｂの内径よりわずかに大きく、パイプ２９の内径よりわずかに小さい。このため、コイルバネ２７ａ，２７ｂの位置は、後述する突起部２４ｂによって自動的に定まる。

可動磁石２２とパイプ２９の内周面との接触は、つば部２４ｃと、第２の磁石固定部２５の側周面だけとなる。このため、可動磁石２２とパイプ２９の摩擦が小さくなり、可動磁石２２の摺動性が向上するという利点がある。

パイプ２９、第１の磁石固定部２４と第２の磁石固定部２５の材質として好適なものは、第１の実施の形態に係る、パイプ１９、第１の磁石固定部１４と第２の磁石固定部１５と同様である。

芯部２４ａは、中心部に貫通孔が形成された中空パイプである。この中空パイプの内径は、コイルバネ２７ａ，２７ｂの外径よりも大きな径である。このため、中空パイプにコイルバネ２７ａ，２７ｂを挿入できる。これら２個のコイルバネにより、可動磁石２２がパイプ２９の内部に摺動可能に支持される。コイルバネ２７ａ，２７ｂとして、圧縮バネを使用する利点については、第１の実施の形態の説明で上述したとおりである。

パイプ２９の端部は、第１の封止部材２６ａ，第２の封止部材２６ｂで封止される。また、第１の封止部材２６ａ，第２の封止部材２６ｂには、コイルバネ２７ｂが装着される。さらに、第１の封止部材２６ａ，第２の封止部材２６ｂには、円錐台形の突起が形成される。この円錐台の底部の直径は、コイルバネ２７ｂの内径よりわずかに小さい寸法とする。このため、コイルバネ２７ｂの位置は、第２の封止部材２６ｂによって、自動的に定まる。

芯部２４ａに形成された中空パイプの内径は、コイルバネ２７ａ，２７ｂの外径よりも大きくしてあり、コイルバネ２７ａ，２７ｂが内壁に強く接触しない状態で挿入できる。さらに、第１の磁石固定部２４の中空パイプの内側のほぼ中央部には、コイルバネ２７ａ，２７ｂの外径よりも小さな径の突起部２４ｂが形成される。突起部２４ｂは、コイルバネ２７ａ，２７ｂの伸びを制限する機能とともに、可動磁石にコイルバネの反発力を伝達する力の作用点として機能する。

さらに、第１の封止部材２６ａの円錐台の高さは、芯部２４ａに形成された中空パイプの開放端から突起部２４ｂまでの距離よりも短ければ良い。その範囲で、できるだけ円錐台の高さが長い方が、可動磁石２２が最上部に移動しても、コイルバネ２７ａに曲がりが生じたり、異常な力が加わったりすることを防ぐことができる。第２の封止部材２６ｂの円錐台の高さについても同様である。

振動型電磁発電機２０において、コイルバネ２７ｂは、可動磁石２２が最も上側に移動した場合でも、まだ可動磁石２２を上側に押すように作用している。このため、コイルバネ２７ａと可動磁石２２、コイルバネ２７ａと第１の封止部材２６ａのそれぞれを結合しなくてもよい。同様に、コイルバネ２７ａは、可動磁石２２が最も下側に移動した場合でも、まだ可動磁石２２を下側に押すように作用している。このため、コイルバネ２７ｂと可動磁石２２、コイルバネ２７ｂと第２の封止部材２６ｂのそれぞれを結合しなくてもよい。

振動型電磁発電機２０の組立ては、第２の封止部材２６ｂにより封止されたパイプ２９に、コイルバネ２７ｂ、可動磁石２２、コイルバネ２７ａを順番に挿入し、最後に、第１の封止部材２６ａでパイプ２９を封止することによって行われる。この組立工程を経るだけで振動型電磁発電機２０の組立てが完了するため、組立てが極めて容易である。

以上説明した第２の実施の形態に係る振動型電磁発電機２０は、第１の磁石固定部２４と、第２の磁石固定部２５とを構成していることから、第１の実施の形態と同等の効果を得ることができるのはもちろん、コイルバネ２７ａ，２７ｂが圧縮した時に、芯部２４ａに形成された中空パイプ内に収容される。また、パイプ２９の中を移動する可動磁石２２の移動範囲は、コイルバネ２７ａ，２７ｂの長さに制約されない。そして、パイプ２９の長さを短くすることで、振動型電磁発電機２０本体の長さを短く出来る。また、振動型電磁発電機２０は、重力方向によらず、任意の向きで発電できるという効果がある。

また、パイプ２９の内部に挿入されるコイルバネ２７ａ，２７ｂは、可動磁石２２が移動する全ての位置で、コイルバネ２２の自然長に対して、常に圧縮状態としている。また、第１の磁石固定部２６ａと第２の磁石固定部２６ｂの少なくとも一方に、コイルバネの径方向の位置を制限するための、凸状突起部あるいは凹状の窪み部が形成される。このため、コイルバネ２７ａ，２７ｂがたわむことなく、弾性力が減衰しにくい。この結果、効率的に発電することができるという効果がある。

なお、振動型電磁発電機２０に、コイルバネ２７ａ，２７ｂの伸びを制限するストッパとして機能する緩衝部を設けてもよい。
図４は、第１の磁石固定部２４を変形した第１の磁石固定部２８の中空パイプの部分に、緩衝部を構成した振動型電磁発電機２０′の構造を示す断面図である。振動型電磁発電機２０′において、上述した振動型電磁発電機２０と同様の構成物については、同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

振動型電磁発電機２０′は、第１の磁石固定部２８の中心部に芯部２８ａを有することを特徴とする。芯部２８ａの上下には、略円錐台形の緩衝部２８ｂ，２８ｃが形成される。緩衝部２８ｂ，２８ｃの底部は、コイルバネ２７ａ，２７ｂの内径よりわずかに小さい。このため、コイルバネ２７ａ，２７ｂの位置は、緩衝部２８ｂ，２８ｃによって自動的に定まる。また、第１の封止部材２６ａの円錐台と緩衝部２８ｂ、第２の封止部材２６ｂの円錐台と緩衝部２８ｃとを足し合わせたときの高さは、それぞれ、芯部２４ａに形成された中空パイプの開放端から突起部２４ｂまでの距離よりも短く設定している。このため、可動磁石２２が、最上下端に動いても、コイルバネに異常な力が加わらない。

次に、本発明の第３の実施の形態に係る振動型電磁発電機３０の構成例について、図５を参照して説明する。

図５は、振動型電磁発電機３０の構造を示す断面図である。
非磁性材料（例えば摺動性に優れたプラスチック）で形成されるパイプ３９の外周には、導電ワイヤが巻回され、発電コイル３１が形成される。発電コイル３１は、４個のコイル３１ａ〜３１ｄを備える。コイル３１ａ〜３１ｄの巻線の向きは、互いに、正・逆・正・逆であり、コイル３１ａ〜３１ｄは、直列に接続される。パイプ３９の内部には、長さ方向に着磁された複数の磁石３２ａ〜３２ｃが連結される可動磁石３２が挿入される。弾性部材としてのコイルバネ３７ａ，３７ｂは、パイプ３９の中を可動磁石３２が移動する全ての位置で、コイルバネ３７ａ，３７ｂの自然長に対して常に圧縮状態にある。このため、可動磁石３２は、２個のコイルバネ３７ａ，３７ｂによって、発電コイル３１の巻軸方向に振動可能に支持され、パイプ３９の内部を移動することが可能である。

可動磁石３２は、同じ極が互いに対向するリング状の磁石３２ａ〜３２ｃが、非磁性体からなる第１の磁石固定部３４と第２の磁石固定部３５により挟み固定されて構成される。
第１の磁石固定部３４は、例えば、長手軸方向であって中央部に貫通穴を有したボルトである。第１の磁石固定部３４に形成されるつば部３４ｃの側面は、円または多角形状に形成される。第２の磁石固定部３５は、例えば、ナットである。第２の磁石固定部３５の側面は、円または多角形状に形成され、つば部として機能する。

第１の磁石固定部３４は、中央部に貫通孔が形成された磁石３２ａ〜３２ｃに挿入される芯部３４ａと、リング状のつば部３４ｃが形成される。芯部３４ａとつば部３４ｃは、一体的に形成される。芯部３４ａは、パイプ状に形成され、パイプ３９の中心軸上に位置する。芯部３４ａの中心軸は、パイプ３９の中心軸と一致する。そして、芯部３４ａは、磁石３２ａ〜３２ｃの貫通孔の直径とほぼ等しい太さで形成される。芯部３４ａの上側（先端部）には、第２の磁石固定部３５を固定するための雄ネジが加工・形成される。第２の磁石固定部３５の中心部には、芯部３４ｃの先端が接続される接続孔である雌ネジが加工・形成される。そして、同極が対向して、互いに反発するリング状の磁石３２ａ〜３２ｃは、芯部３４ａから外れないように、第２の磁石固定部３５によって挟み固定される。

第１の磁石固定部３４のつば部３４ｃは、パイプ３９の中心軸に対する磁石３２ａ〜３２ｃの幅より大きな幅を有する。第２の磁石固定部３５のつば部は、パイプ３９の中心軸に対する磁石３２ａ〜３２ｃの幅より大きな幅を有する。このとき、第１の磁石固定部３４のつば部３４ｃと、第２の磁石固定部３５のつば部の形状、寸法を同じとすることが、より望ましいといえる。そして、第１の磁石固定部３４のつば部３４ｃと第２の磁石固定部３５のつば部の最大直径は、パイプ３９の内径よりわずかに小さい。また、第１の磁石固定部３４の芯部３４ｃに形成された貫通孔の直径は、圧縮型のコイルバネ３７ａ，３７ｂの外形よりわずかに大きく設定されている。このため、コイルバネ３７ａ，３７ｂの位置は、後述する突起部３４ｂによって自動的に定まる。

可動磁石３２とパイプ３９の内周面との接触は、つば部３４ｃと、第２の磁石固定部３５の側周面だけとなる。このため、可動磁石３２とパイプ３９の摩擦が小さくなり、可動磁石３２の摺動性が向上するという利点がある。

パイプ３９、第１の磁石固定部３４と第２の磁石固定部３５の材質として好適なものは、第１の実施の形態に係る、パイプ１９、第１の磁石固定部１４と第２の磁石固定部１５と同様である。

芯部３４ａは、中心部に貫通孔が形成された中空パイプである。この中空パイプは、コイルバネ３７ａ，３７ｂの外径よりも大きな径である。このため、中空パイプには、コイルバネ３７ａ，３７ｂを挿入できる。これらの２個のコイルバネにより、可動磁石３２がパイプ３９の内部に摺動可能に支持される。コイルバネ３７ａ，３７ｂとして、圧縮バネを使用する利点については、第１の実施の形態の説明で上述したとおりである。

パイプ３９の両端部は、第１の封止部材３６ａと、第２の封止部材３６ｂで封止される。第１の封止部材３６ａには、コイルバネ３７ａが装着される。第２の封止部材３６ｂには、コイルバネ３７ｂが装着される。

第１の磁石固定部３４の中空パイプの内径は、コイルバネ３７ａ，３７ｂの外径よりも大きくしてあり、コイルバネ３７が内壁に強く接触しない状態で挿入できる。さらに、第１の磁石固定部３４の中空パイプの内側のほぼ中央部には、コイルバネ３７ａ，３７ｂの外径よりも小さな径の突起部３４ｂが形成される。突起部３４ｂは、コイルバネ３７ａ，３７ｂの伸びを制限する機能とともに、可動磁石にコイルバネの反発力を伝達する力の作用点として機能する。

突起部３４ｂから第１の磁石固定部３４の上端までの長さは、コイルバネ３７ａの最短長より大きく設定してある。このため、可動磁石３２が、最上部に移動しても、コイルバネ３７ａに異常な力が加わらないようにでき、コイルバネ３７ａの破損を防止することができる。同様に、突起部３４ｂから第１の磁石固定部３４の下端までの長さは、コイルバネ３７ｂの最短長より大きく設定してある。このため、可動磁石３２が、最も下側に動いても、コイルバネ３７ｂに異常な力が加わらないようにでき、コイルバネ３７ｂの破損を防止することができる。

パイプ３９の中心には、突起部３４ｂの直径よりも小さい直径である摺動軸３３が装着される。摺動軸３３の両端部は、第１の封止部材３６ａと第２の封止部材３６ｂの中心部に固定される。摺動軸３３は、コイルバネ３７ａ，３７ｂの中心を通り、コイルバネ３７ａ，３７ｂのガイド機能を果たす。このため、可動磁石３２の移動時に、コイルバネ３７ａ，３７ｂの歪みを抑えることができる。また、コイルバネ３７ａ，３７ｂにより、可動磁石３２がパイプ３９の内部に摺動可能に支持される。このため、外部から振動型電磁発電機３０を振ることにより、少ない労力で確実に可動磁石３２を摺動軸３３に沿って往復運動させることができる。

振動型電磁発電機３０において、コイルバネ３７ｂは、可動磁石３２が最も上側に移動した場合でも、まだ可動磁石３２を上側に押すように作用している。このため、コイルバネ３７ａと可動磁石３２、コイルバネ３７ａと第１の封止部材３６ａのそれぞれを結合しなくてもよい。同様に、コイルバネ３７ａは、可動磁石３２が最も下側に移動した場合でも、まだ可動磁石３２を下側に押すように作用している。このため、コイルバネ３７ｂと可動磁石３２、コイルバネ３７ｂと第２の封止部材３６ｂのそれぞれを結合しなくてもよい。

振動型電磁発電機３０の組立ては、第２の封止部材３６ｂにより封止されたパイプ３９の中心部に摺動軸３３を挿入した後、コイルバネ３７ｂ、可動磁石３２、コイルバネ３７ａを順番に挿入し、第１の封止部材３６ａでパイプ３９を封止することによって行われる。この組立工程を経るだけで振動型電磁発電機３０の組立てが完了するため、組立てが極めて容易である。

以上説明した第３の実施の形態に係る振動型電磁発電機３０は、第１の磁石固定部３４と、第２の磁石固定部３５とを構成していることから、第１および第２の実施の形態と同等の効果を得ることができるのはもちろん、コイルバネ３７ａ，３７ｂが圧縮した時に、可動磁石３２の内部（中空パイプ内）に収容される。また、パイプ３９の中を移動する可動磁石３２の移動範囲は、コイルバネ３７ａ，３７ｂの長さに制約されない。そして、パイプ３９の長さを短くすることで、振動型電磁発電機３０本体の長さを短く出来る。また、振動型電磁発電機３０は、重力方向によらず、任意の向きで発電が可能になるという効果がある。

また、パイプ３９の内部に挿入されるコイルバネ３７ａ，３７ｂは、可動磁石３２が移動する全ての位置で、コイルバネ３２の自然長に対して、常に圧縮状態としている。このため、コイルバネ３７ａ，３７ｂがたわむことなく、弾性力が減衰しにくい。この結果、効率的に発電することができるという効果がある。

また、振動型電磁発電機３０は、摺動軸３３を備える。このため、可動磁石３２の移動距離が長い場合や、コイルバネ３７ａ，３７ｂの線径が細く、コイルバネ３７ａ，３７ｂ自身で形状を保持できない場合に、コイルバネ３７ａ，３７ｂが曲がって可動磁石３２の中空パイプに収納されなくなるという不具合を防ぐ効果がある。

以上説明した第１〜第３の実施の形態例に係る振動型電磁発電機では、長さ方向に着磁された複数個の磁石を同じ極性を対向させて、第２の磁石固定部と第１の磁石固定部により締め付け、固定して可動磁石とした場合について説明した。しかし、同極の対向面に非磁性あるいは磁性のスペーサを挟むことにより、可動磁石の組立を容易にすることも可能である。

また、少なくとも1個のコイルバネと、磁石があれば、振動型電磁発電機を構成することも可能である。第２及び第３の実施の形態に係る振動型電磁発電機において、パイプ状の第２の磁石固定部の内部に設けた突起部に、パイプの内径よりも小さくコイルバネの外径よりわずかに大きな径の凹部を形成してもよい。この突起部により、コイルバネの位置決めの精度を高めることも可能である。

さらに、可動磁石の組み立てに係る簡易性をより向上させる場合は、第１の磁石固定部の芯部の外径寸法に対して、磁石の貫通孔の内径寸法を所定の値だけ大きくすれば良い。その場合は、第１および第２の磁石固定部のつば部の半径寸法を、上記の所定の値よりも大きくすることによって、例えば、複数の磁石が、それぞれ異なる方向にずれるような状態となっても、磁石がパイプの内周面に接触せずに、つば部とパイプの内周面との接触を維持することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る振動型電磁発電機の構成例を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る第１及び第２の磁石固定部の構成例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る振動型電磁発電機の構成例を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る他の振動型電磁発電機の構成例を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る振動型電磁発電機の構成例を示す断面図である。 従来の振動型電磁発電機の例を示す構成図である。 従来の振動型電磁発電機の例を示す構成図である。

符号の説明

１０…振動型電磁発電機、１１ａ〜１１ｄ…コイル、１２…可動磁石、１２ａ〜１２ｃ…磁石、１４…第１の磁石固定部、１５…第２の磁石固定部、１６ａ…第１の封止部材、１６ｂ…第２の封止部材、１７…コイルバネ、１９…パイプ、２０，３０…振動型電磁発電機

Claims (3)

1. 非磁性材料で形成されたパイプと、
   前記パイプの周囲に巻回された一つ以上の発電コイルと、
   前記パイプ内に配置され、中央部に貫通孔が形成される磁石を一つ以上含む可動磁石と、
   前記パイプの端部を封止する第１及び第２の封止部材と、を備える振動型電磁発電機であって、
   前記可動磁石は、
   前記磁石の貫通孔に挿入される芯部を有する第１の磁石固定部と、
   前記芯部に固定される第２の磁石固定部と、を備え、
   前記第１の磁石固定部は、前記パイプの中心軸に対する前記磁石の幅より大きな幅を有する第１のつば部を備え、
   前記第２の磁石固定部は、前記パイプの中心軸に対する前記磁石の幅より大きな幅を有する第２のつば部を備え、
   前記可動磁石と前記第１および／又は第２の封止部材の間に、前記可動磁石を振動させる弾性部材を備え、
   前記第１の磁石固定部が有する前記第１のつば部には、側周面の一周にわたって前記可動磁石の直線振幅運動と平行な溝が形成されていることを特徴とする
   振動型電磁発電機。
2. 請求項１に記載の振動型電磁発電機において、
   前記第１の磁石固定部の芯部、および、前記第２の磁石固定部が、雄状部，雌状部を有していることにより、前記第１および第２の磁石固定部が互いに係合されて、前記芯部に挿入される前記磁石を挟み固定することを特徴とする
   振動型電磁発電機。
3. 請求項２に記載の振動型電磁発電機において、
   前記第１および第２の磁石固定部の前記芯部の中心部に前記弾性部材の外径より大きな内径を有する中空パイプ部が形成され、
   前記中空パイプ部には突起部が設けられ、
   前記弾性部材が前記中空パイプ部の突起部に接続されていることを特徴とする
   振動型電磁発電機。

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