JP5811719B2 - 振動発電機 - Google Patents
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Description
以下、本発明の第1の実施の形態例に係る振動発電機1の構成例について、図1〜図5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、矢印が向く方向を「下側」と呼んで説明する場合がある。
振動発電機1は、非磁性材料(例えば摺動性に優れたプラスチック)で形成される中空の外装ケース3と、外装ケース3に形成された発電コイル2を備える。また、外装ケース3の下側に設置され、第1の弾性部として用いられるコイルバネ5と、コイルバネ5の振動によって外装ケース3の内部を上下に移動可能な振動子10を備える。
導電ワイヤが巻回され、複数個のコイルC1〜C12を備える発電コイル2を形成する。外装ケース3は、巻線ボビン8を収容する収容部として用いられる。
ここでは、振動子10を4個の磁石M1〜M4で構成した場合における振動子10の例を説明する。ただし、振動子10を12個の磁石M1〜M12で構成してもよい。図1に示したように振動子10は、振動発電機1に振動が加わると、コイルC1〜C12の中心軸方向に沿ってコイルC1〜C12の内部を移動する。このとき、コイルC1〜C12と磁石M1〜M4により電磁誘導によって生じた交流電圧を出力できる。
さらに、本発明の発明者は、振動発電機1を設計するにあたって、コイルC1〜C12と整流回路との接続方法についても検討した。
従来、複数のコイルは全て直列に接続され、両端のコイルから出力電圧を取り出していた。発電電力量を多くするには、振動子の運動エネルギーを効率的に電力に変換することが有効であるために、コイル数を増やす方法があった。しかし、従来のコイルの接続方法でコイル数を増やした場合、コイル数に比例してコイルの直流抵抗が増大し、このコイルの直流抵抗による電圧降下が大きくなり、期待通りに発電電力量を多くすることができない、という不具合があった。
図4には理論的な正弦波振動の変位を破線で示すグラフと、第1の実施の形態に係る振動子10がコイルC1〜C12を移動する際に推定される変位を実線で示すグラフが併記されている。
この電圧波形において、区間15では振動子10がコイルC1〜C12の内部を移動中であるため、出力電圧が発生していることが示される。なお、区間16では、振動子10がいずれかの端部バネ6a,6bに押しつけられている状態で、移動していないため、出力電圧が発生していないことが示される。このようにして発生した出力電圧により、不図示の2次電池に充電すれば、1回の振動で発生する出力電圧がわずかであっても、負荷14に示される電子機器を動作させるために十分な電力(約0.3W)を不図示の二次電池に蓄電し、所定時間後に取り出すことができる。
従来の振動発電機100は、直列接続されたコイルC1〜C12に加えて、コイルC1〜C12の交流電圧が入力する交流入力部101と、交流電圧を整流する整流回路102と、整流電圧を出力する整流出力部103を備える。そして、整流出力部103には、電波の発信機等からなる負荷104が接続されており、整流出力部103が出力する整流電圧が負荷104に入力すると負荷104が動作する。
従来の振動発電機100では、振動子10が外装ケース3の両端部に衝突しない設計としてあり、高い振動周波数で発電することが可能である。そして、振動発電機100は、直列接続されたコイルC1〜C12により出力電圧を取り出す。しかし、従来の振動発電機100を海上に浮かべた観測装置に用いても、波の周波数が振動周波数よりも低いため、振動子10が振動しない。また、コイルC1〜C12のうち、あるコイルが正電圧を出力するのと同時に別のコイルが負電圧を出力する場合がある。このため、電圧が互いに打ち消され本実施の形態に係る振動発電機1に比べて、振動発電機100の出力電圧が低くなる。
次に、本発明の第2の実施の形態に係る振動発電機20の内部構成例について説明する。
図8は、振動発電機20の内部構成例を示すブロック図である。
振動発電機20は、コイルC1〜C12を備える点が振動発電機1と共通するが、4つのコイル毎にグループ分けして発電電圧を出力する点が異なる。
次に、本発明の第3の実施の形態に係る振動発電機30の内部構成例について説明する。
図9は、振動発電機30の内部構成例を示すブロック図である。
振動発電機30は、コイルC1〜C12を備える点が振動発電機1と共通するが、3つのコイル毎にグループ分けして発電電圧を出力する点が異なる。
図10は、本発明の第1〜第3の実施の形態に係る振動発電機の磁石が4個、コイルが12個の場合における直流抵抗と発電電力量の比較例を示す。
ここでは、振動子10に4個の磁石M1〜M4を設けた第1〜第3の実施の形態に係る振動発電機の発電出力と、従来の振動発電機100(図中では「比較例」と呼ぶ。)の発電出力を比較した例を示す。このとき、振動子10は共振周波数が5Hz、振動可能な振幅が20cmとする。
一方、第1〜第3の実施の形態に係る振動発電機1,20,30は、順にDCRが低く、いずれも従来の振動発電機100の発電電力量に比べて2倍以上となっているため、発電出力が大きいことが分かる。なお、グループ分けの数が増えるとグループ毎に設けられる整流回路の数も増えるが、このとき整流回路による消費電力量が上がるため、グループ分けの数を増やしても発電電力量が上がり続けるわけではない。
ここでは、振動子10に12個の磁石M1〜M12を設けた第1〜第3の実施の形態に係る振動発電機の発電出力と、従来の振動発電機100の発電出力を比較した例を示す。このとき、振動子10は共振周波数が1Hz、振動可能な振幅が50cmとする。
一方、第1〜第3の実施の形態に係る振動発電機1,20,30は、順にDCRが低く、いずれも従来の振動発電機100の発電電力量に比べて2倍以上となっており、発電出力が大きいことが分かる。
図12は、グループ毎にコイルの数が異なる場合における振動発電機40の内部構成例を示すブロック図である。
本例では、10個のコイルC1〜C10を4つのグループに分けている。ここで、各グループには、コイルC1,C2、コイルC3〜C5、コイルC6〜C8、コイルC9,C10が分けて設置される。そして、各グループ内で直列接続されるコイルには、上述した第3の実施の形態に係る振動発電機30と同様に、交流入力部11−1〜11−4、整流回路12−1〜12−4、整流出力部13−1〜13−4が接続される。
このように、各グループ内に含まれるコイルの数は異なっていても、全てのコイルを直列接続する場合に比べて十分に高い発電電力量を得ることが可能である。
Claims (9)
- 同極が対向して配置される複数の磁石を有する振動子と、
重力方向に落下する前記振動子を支持すると共に、所定の共振周波数によって前記振動子を振動させる第1の弾性部と、
前記第1の弾性部の外側に位置し、前記第1の弾性部の外径より大きい内径を有する第2の弾性部と、
前記振動子及び前記第1の弾性部が内部で振動する筒状の巻線ボビンと、
前記巻線ボビンの外周面に形成され、2以上のグループ毎に分けられ、前記グループ内で直列接続される複数のコイルと、
前記コイルの出力電圧を前記グループ毎に整流する複数の整流回路と、を備え、
前記第2の弾性部は、前記振動子の移動を制限し、前記振動子及び前記第1の弾性部の振動波形を略矩形波とする
振動発電機。 - さらに、
前記巻線ボビンを収容する収容部を備え、
前記収容部の両端の内部には、前記第2の弾性部が収容され、
前記第1の弾性部の一端が前記収容部の一端に接続され、前記第1の弾性部の他端が前記振動子に接続される
請求項1に記載の振動発電機。 - 前記グループ、及び前記グループ毎に設けられる複数の前記整流回路が負荷に対して並列に配置される
請求項1又は2に記載の振動発電機。 - 前記グループ毎に直列接続されている前記コイルの数は2以上である
請求項3に記載の振動発電機。 - 前記グループ毎に直列接続されている複数の前記コイルを形成するワイヤの巻き方向は、前記グループ内の隣り合う前記コイル毎に互いに逆である
請求項4に記載の振動発電機。 - 隣り合う前記グループ毎に隣り合う前記コイルを形成するワイヤの巻き方向は、互いに逆である
請求項5に記載の振動発電機。 - 前記振動子の振動周波数は1Hz以下である
請求項1〜6のいずれか1項に記載の振動発電機。 - 前記振動子、並びに前記第1及び第2の弾性部に挿通される支持部を備える
請求項1〜7のいずれか1項記載の振動発電機。 - 前記振動子及び前記第1の弾性部との共振周波数が0.5Hzである
請求項1〜8のいずれか1項に記載の振動発電機。
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