JP6004024B2 - 振動型電磁発電機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、１個以上のソレノイドコイルで構成する発電コイルの中を、長さ方向に着磁された複数個の磁石を含む可動磁石が振動又は移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、外部から加わる振動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。
図２３は、振動型電磁発電機１００の構成例を示す。
振動型電磁発電機１００は、中空のパイプ１０５と、パイプ１０５に巻回された２個のソレノイドコイル１０４ａ，１０４ｂと、パイプ１０５の内部を移動可能な可動磁石１０１を備える。可動磁石１０１は、２個の磁石１０２ａ，１０２ｂを備える。磁石１０２ａ，１０２ｂは、非磁性体のスペーサ１０３を介し、同極を向き合わせて接合される。振動型電磁発電機１００に振動が加わると、可動磁石１０１がソレノイドコイル１０４ａ，１０４ｂの巻き軸方向に往復振動し、発電する。
なお、以下の説明では、ソレノイドコイルを単に「コイル」と略称する場合もある。

特表２００７−５２１７８５号公報

従来の振動型電磁発電機１００は、小型でありながら発電効率が高いという利点がある。発電効率を高めるには、Ｎｄ（ネオジム）磁石等に代表されるエネルギー積の大きな磁石を使用する必要がある。しかし、磁石１０２ａ，１０２ｂの同極を向かい合わせて近づけると互いの反発力が大きくなってしまう。このため、通常の製造方法や構造を用いただけでは、磁石１０２ａ，１０２ｂを十分に支持し、固定することが困難であった。

また、隣接した複数個のコイルの内部を、同極対向された複数個の磁石が往復することで、コイルに起電力が発生する。しかし、複数個のコイルのそれぞれの出力が、位相ズレにより出力電圧を互いに打ち消すタイミングがあり、これが発電機の出力を大きく低減させる要因となっていた。

本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、簡素な構成でかつ組立が容易でありながら、起電力が高い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、両端部が閉じられた中空の第１のパイプと、第１のパイプの周囲に巻回され、複数個のソレノイドコイルが設けられた発電コイルと、第１のパイプの内部に配置され、発電コイルの巻き軸方向に沿って移動可能である可動磁石と、を備える。発電コイルは、少なくとも３個のソレノイドコイルを備え、少なくとも３個のソレノイドコイルのうち、両端に位置するソレノイドコイルの長さを、他のソレノイドコイルの長さの１．０５倍以上乃至１．５０倍以下の間の長さとする。
また、本発明の振動型電磁発電機は、非磁性材料で形成され、両端部が閉じられた中空の第１のパイプと、第１のパイプの周囲に巻回され、複数個のソレノイドコイルが設けられた発電コイルと、第１のパイプの内部に配置され、発電コイルの巻き軸方向に沿って移動可能である可動磁石と、を備える。発電コイルは、少なくとも３個のソレノイドコイルを備え、少なくとも３個のソレノイドコイルのうち、両端に位置するソレノイドコイルの長さに片方コイル間隔を加えた長さを、他のソレノイドコイルの長さに片方コイル間隔を加えた長さの１．０５倍以上乃至１．５０倍以下の間の長さとする。

本発明によれば、磁石が発生する磁界がソレノイドコイルを通過する範囲を拡大し、ソレノイドコイルが出力する電圧の位相を合わせる事ができる。このため、振動型電磁発電機の出力電圧を高めることができるという効果がある。また、振動型電磁発電機の構成を極めて簡素としてあるため、組み立てが容易となる。

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。 従来の振動型電磁発電機が備える３個のソレノイドコイルと、２個の磁石の構成例（比較例１）を示す断面図である。 ２個又は３個の磁石から生じる磁束分布の様子を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る振動型電磁発電機が備える３個のソレノイドコイルと、２個の磁石の構成例（実施例１）を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る振動型電磁発電機が備える３個のソレノイドコイルと、２個の磁石の構成例（実施例２）を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る振動型電磁発電機が備える３個のソレノイドコイルと、２個の磁石の構成例（実施例３）を示す断面図である。 従来の振動型電磁発電機が備える３個のソレノイドコイルが出力する電圧波形の例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る振動型電磁発電機が備える３個のソレノイドコイルが出力する電圧波形の例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る可動磁石組立て装置に磁石をセットした状態の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可動磁石組立て装置に２個の磁石をセットした状態の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可動磁石組立て装置にセットされた２個の磁石を第２のパイプに押し込んだ状態の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振動型電磁発電機の構成例を示す外観斜視図である。 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。 従来の振動型電磁発電機が備える４個のソレノイドコイルと、２個の磁石の構成例（比較例２）を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る振動型電磁発電機が備える４個のソレノイドコイルと、２個の磁石の構成例（実施例４）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が備える４個のソレノイドコイルと、３個の磁石の構成例（比較例３）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が備える４個のソレノイドコイルと、３個の磁石の構成例（実施例５）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が備える４個のソレノイドコイルと、３個の磁石の構成例（実施例６）を示す断面図である。 本発明の第４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４の実施の形態に係る可動磁石の端部の構成例を示す断面図である。 本発明の第５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。

以下、本発明の第１の実施の形態例について、図１〜図１２を参照して説明する。本実施の形態例は、複数個のソレノイドコイルの中に、長さ方向に着磁された複数個の円筒形の磁石を振動または移動して発電する振動型電磁発電機１に適用したものである。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本例の振動型電磁発電機１の構成例を示す断面図である。
振動型電磁発電機１は、第１のパイプ２の内部を移動可能に配置される可動磁石３と、ソレノイドコイル４ａ〜４ｃで構成される。ソレノイドコイル４ａ〜４ｃは、中空の第１のパイプ２の外周に巻き付けられる。第１のパイプ２は、非磁性材料で形成される。第１のパイプ２の材質は、金属等の非磁性材料であってもよいが、加工性等を考慮するとプラスチック等の合成樹脂で製造することが望ましい。第１のパイプ２の内部を、可動磁石３が直線往復運動（以下、単に振動とも言う。）すると、ソレノイドコイル４ａ〜４ｃが電圧を発生する。

可動磁石３は、非磁性材料で形成された中空の第２のパイプ５を備え、第２のパイプ５の内部には、同じ極性が対向して接合された複数個の磁石（例えば、ネオジム磁石）が封止される。長さ方向に着磁された同じ長さの磁石３ａ，３ｂは、同じ極を向かい合わせて一体に接合される。ただし、磁石３ａ，３ｂの間には、磁性体又は非磁性体のいずれかを用いて、スペーサを介して接合してもよい。また、可動磁石３は、複数個の磁石を備えることが望ましい。磁石３ａ，３ｂは、第２のパイプ５の内部に挿入された状態で、第２のパイプ５の両端に施される加締め加工によって、第２のパイプ５の内部に封止される。このため、第２のパイプ５は、複数個の磁石を固定する磁石固定部として用いられる。

なお、以下の説明において、第１のパイプ２の内壁面と可動磁石３が物理的に接触した状態で、相対的に移動する際に、互いの運動を互いに妨げる向きに力が働く現象を、「摩擦」と定義する。摩擦は、可動磁石３が振動する際にブレが生じ、第１のパイプ２の内壁面と可動磁石３との接触箇所や衝突回数が増えることによって発生し、可動磁石３の振動が減衰する要因となりうる。

このような理由から、第１のパイプ２と第２のパイプ５のうち、少なくとも一方または双方に、ポリプロピレン（ＰＰ：polypropylene）等の摩擦係数が低い材質を用いることが望ましい。このような材質を用いることで、第１のパイプ２の内壁面と可動磁石３の摩擦を低減させることができる。

ソレノイドコイル４ａ〜４ｃは、逆極性に直列接続された複数個のコイルであって、所定の間隔を空けた状態で第１のパイプ２の周囲に巻回される。各ソレノイドコイルの巻き方向は、隣り合うソレノイドコイル毎に互いに逆向きの正・逆・正方向である。以下の説明では、直列接続されたソレノイドコイル４ａ〜４ｃを、発電コイル９と称する。第１のパイプ２には、少なくとも１個のソレノイドコイルが、発電コイル９として設けられる。

第１のパイプ２の両端部には、可動磁石３の飛び出しを防止するため、樹脂等で形成された端部材７ａ，７ｂがはめ込まれ、端部材７ａ，７ｂによって第１のパイプ２の両端部が閉じられる。端部材７ａ，７ｂは、同形状であるが、これら端部材を、お互いに異なる形状としてもよい。このようにして、振動型電磁発電機１では、可動磁石３が発電コイル９の巻き軸方向に振動可能となる。そして、操作者が、振動型電磁発電機１を振ると、可動磁石３が発電コイル９の中を振動し、ソレノイドコイル４ａ〜４ｃで電圧が誘起され、起電力が生じる。

そして、ソレノイドコイル４ａ〜４ｃが発生する電圧の位相を合わせて、合成することにより、振動型電磁発電機１が出力する電圧が増大する。そのためには、磁石長と、コイル長と、を調整するか、磁石長と、コイル長にコイル間隔を加えた長さと、を調整する必要がある。以下、コイル長、又は、コイル長にコイル間隔を加えた長さを、「コイルピッチ」とも呼ぶ。
本例では、振動型電磁発電機１が備える複数個のソレノイドコイル４ａ〜４ｃのうち、１個以上のソレノイドコイルのコイル長を、磁石の磁石長以上の長さとしている。磁石長とコイルピッチとの条件については後述する。

次に、磁石の長軸寸法を変えた場合における可動磁石とコイルの構成例について、図２〜図８を参照して説明する。ここで、図２、図４〜図６では、振動型電磁発電機の構成から第２のパイプを省略して示す。

図２は、３個のソレノイドコイルと、２個の磁石を備える従来の振動型電磁発電機１１０の構成例を示す。以下、このような構成とした振動型電磁発電機１１０を「比較例１」とも呼ぶ。

従来の振動型電磁発電機１１０は、互いに接続された２個の磁石１１２ａ，１１２ｂからなる可動磁石１１１と、３個のソレノイドコイル１１３ａ〜１１３ｃと、を備える。各ソレノイドコイル１１３ａ〜１１３ｃの巻き軸方向の長さＬと、磁石１１２ａ，１１２ｂの長軸方向の長さａは等しい。

従来、同極を対向させた振動型電磁発電機１１０において、磁石１１２ａ，１１２ｂとソレノイドコイル１１３ａ〜１１３ｃを以下の構成としていた。
（１）複数個の磁石を、同極を対向させて、隙間無く密着させて、磁石ユニットを構成する。（着磁は磁石の長軸方向とする。）
（２）複数個のコイルを、隣接するコイルの巻方向を反転させ、コイル軸を合わせて構成し、電気的に直列に接続する。
（３）１個の磁石の長軸寸法と、複数個のコイルの巻き軸方向のコイルピッチを等しくする。

本来、磁石とコイルの構成を、上記の（１）〜（３）の条件に合わせた構成とすることにより、各磁石が各コイルを通過するタイミングが一致する。このとき、磁石がコイル内を通過することにより各コイルが発生する電圧の出力波形は、位相が一致するため、各コイルが出力する電圧が加算され、大きな電圧を出力できると考えられる。しかし、従来の構成とした振動型電磁発電機１１０で得られる発電出力は小さかった。

ここで、振動型電磁発電機１１０を試作し、各コイルの出力を測定すると、位相のズレが生じており、出力波形が「＋」から「−」、又は「−」から「＋」に反転するタイミングで、コイル同士が発電出力を打ち消すことが判明した。この原因としては、各磁石の磁束分布のうち、同極対向している部分の磁束分布と、同極対向していない可動磁石１１１の両端部に配置された磁石の磁束分布に差があるためと推定している。

ここで、同極対向する複数個の磁石を連結した場合に生じる磁束分布について説明する。
図３は、３個の磁石１１２ａ〜１１２ｃから生じる磁束分布の様子を示す。
図３Ａは、２個の磁石１１２ａ，１１２ｂを連結した場合における磁束分布の様子を示す。

磁石１１２ａ，１１２ｂは、同極が対向すると互いに反発する。このとき、可動磁石１１１における両端部と、中心部における磁束分布が異なる。具体的には、可動磁石１１１の中心部における磁束の方が、可動磁石１１１における両端部における磁束より密度が高い。このため、従来の振動型電磁発電機１１０では、可動磁石１１１が発生する磁束を有効に活用できず、ソレノイドコイル１１３ａ〜１１３ｃが出力する電圧が低い。

図３Ｂは、３個の磁石１１２ａ〜１１２ｃを連結した場合における磁束分布の様子を示す。

ここで、可動磁石１１１の変形例として、３個の磁石１１２ａ〜１１２ｃを有する可動磁石１１１′を例に挙げる。上述したように、磁石１１２ａ〜１１２ｃは、それぞれの同極が対向すると互いに反発する。このとき、磁束分布は、可動磁石１１１′の両端に配置される磁石１１２ａ，１１２ｃに比べて，真ん中に配置される磁石１１２ｂの方が、磁石１１２ａ〜１１２ｃの長軸方向に対して垂直方向に磁束密度が高い。このため、磁石１１２ｂが発生する磁束と同じだけの磁束が通過するように、ソレノイドコイルの長さを変えなければ各コイルの出力電圧に位相のズレが発生してしまう。

そこで、振動型電磁発電機１において、以下の条件（Ａ）に合わせて磁石長とコイル長を設定する。
（Ａ）複数個のコイルピッチを、１個の磁石の長軸寸法に対して、１．０５倍以上乃至１．５０倍以下、好ましくは１．１０倍以上乃至１．４倍以下の間の長さとする。
このように振動型電磁発電機１を構成すると、コイル間の出力電圧の位相差が補正される。このため、電圧波形が打ち消し合うタイミングを大幅に低減することができ、比較例１の振動型電磁発電機１１０に比べて、振動型電磁発電機１の電圧出力を改善することができることが実験によって求められた。以下、従来の振動型電磁発電機１１０と、本実施の形態に係る振動型電磁発電機１との構成と出力電圧の比較を行う。

図４は、３個のソレノイドコイルと、２個の磁石を備える本発明に係る振動型電磁発電機１の構成例を示す。以下、このような構成とした振動型電磁発電機１を「実施例１」とも呼ぶ。

実施例１に係る振動型電磁発電機１は、上述したように２個の磁石３ａ，３ｂからなる可動磁石３と、３個のソレノイドコイル４ａ〜４ｃと、を備える。ただし、後述する比較例１との発電効率を比較するため、ソレノイドコイル４ａ〜４ｃの間にスペーサを介した構成としている。そして、コイルピッチをＬとし、磁石長をａとした場合に、１．０５ａ≦Ｌ≦１．５０ａの関係を満たす。

図５は、３個のソレノイドコイルと、２個の磁石を備える本発明に係る振動型電磁発電機１の構成例を示す。以下、このような構成とした振動型電磁発電機１を「実施例２」とも呼ぶ。

実施例２に係る振動型電磁発電機１は、ソレノイドコイル４ａ〜４ｃの間にスペーサを有さない構成としている。そして、コイルピッチをＬとし、磁石長をａとした場合に、１．０５ａ≦Ｌ≦１．５０ａの関係を満たす。

図６は、３個のソレノイドコイルと、２個の磁石を備える本発明に係る振動型電磁発電機１の構成例を示す。以下、このような構成とした振動型電磁発電機１を「実施例３」とも呼ぶ。

実施例３に係る振動型電磁発電機１は、ソレノイドコイル４ａ〜４ｃの間にスペーサを有さない構成としている。そして、ソレノイドコイル４ｂのコイルピッチをＬ１とし、ソレノイドコイル４ａ，４ｃのコイルピッチをＬ２とし、磁石長をａとした場合に、Ｌ１＝ａ、１．０５ａ≦Ｌ２≦１．５０ａの関係を満たす。

次に、比較例１として示した従来の振動型電磁発電機１１０と、実施例１として示した振動型電磁発電機１を例に挙げて、各コイルが出力する電圧波形について説明する。

図７は、従来の振動型電磁発電機１１０が備えるソレノイドコイル１１３ａ〜１１３ｃが出力する電圧波形の例を示す。
このグラフにおいて、ソレノイドコイル１１３ａ〜１１３ｃが出力する電圧波形をそれぞれ電圧波形１１５〜１１７で表示している。そして、ソレノイドコイル１１３ａ〜１１３ｃが出力する電圧を合成して得られる電圧波形を電圧波形１１８で表示している。
電圧波形１１８より、振動型電磁発電機１１０では、±３Ｖの電圧を出力することが分かる。

図８は、実施例１として示した振動型電磁発電機１が備えるソレノイドコイル４ａ〜４ｃが出力する電圧波形の例を示す。
このグラフにおいて、ソレノイドコイル４ａ〜４ｃが出力する電圧波形をそれぞれ電圧波形１３〜１６で表示している。そして、ソレノイドコイル４ａ〜４ｃが出力する電圧を合成して得られる電圧波形を電圧波形２８で表示している。電圧波形２８より、振動型電磁発電機１では、±４Ｖの電圧を出力することが分かる。

さらに、発明者は、比較例１に係る振動型電磁発電機１１０に対して、実施例１に示した振動型電磁発電機１の最適なコイルピッチを求めるため、９パターンのコイルピッチ比（コイル長／磁石の長軸寸法）毎に出力される電圧値を測定した。そして、比較例１に示した振動型電磁発電機１１０が出力する電圧の実効値を基準とした場合に、パターンごとにコイルピッチ比を変えた振動型電磁発電機１が出力する電圧の実効値の比を、出力実効値電圧アップ率として求めた。この測定結果を表１に示す。

表１に示すように、コイルピッチ比を１．０３〜１．５５とした場合に、振動型電磁発電機１が出力する電圧の実効値が上がることが示される。ここで、出力実効値電圧アップ率が０．０％〜５．０％の範囲内である場合に判定結果を“△”で示し、出力実効値電圧アップ率が５．０％以上である場合に判定結果を“○”で示す。このため、望ましくは、コイルピッチ比を１．０５〜１．５０の範囲内とすれば、振動型電磁発電機１は高い電圧を出力する。

同様に、発明者は、実施例２，３に係る振動型電磁発電機１の最適なコイルピッチを求めるため、５パターンのコイルピッチ比毎に出力される電圧値を測定した。

表２、表３に示すように、実施例２，３に係る振動型電磁発電機１においても、コイルピッチ比を１．０５〜１．５０とした場合に、振動型電磁発電機１が出力する電圧の実効値が上がることが示される。

次に、可動磁石３を組立てる可動磁石組立て装置２０の構成例と、可動磁石組立て装置２０を用いて行われる可動磁石３の製造方法の例について、図９〜図１１を参照して説明する。
可動磁石３は、強い磁力を有する磁石３ａ，３ｂを備えるため、弱い磁力を有する磁石を用いた場合に比べて、振動型電磁発電機１の発電コイル９に生じる起電力が上がる。しかし、各磁石の同極がスペーサを介さないで対向すると、対向した磁石は強く反発する。このため、可動磁石３の製造方法には、特別な工夫が必要となる。

図９は、可動磁石組立て装置２０に磁石３ａをセットした状態の例を示す。
可動磁石組立て装置２０は、長さに応じて第２のパイプ５を保持する位置決めストッパ部２１と、第２のパイプ５から磁石が飛び出さないように、磁石を押さえる飛び出し押さえ部２２と、磁石を第２のパイプ５の内部に真っすぐ挿入するための挿入口を有する磁石ガイド２３と、磁石を第２のパイプ５に押し込む押し棒２４と、押し棒２４の押込みを制御する押し棒制御装置２５と、を備える。

第２のパイプ５の一方の端部は、事前に位置決めストッパ部２１に固定されており、予め加締め加工が施されて固定される。そして、磁石３ａが磁石ガイド２３にセットされる。

図１０は、セットした磁石３ａを、押し棒２４で第２のパイプ５に押し込んだ後、可動磁石組立て装置２０に磁石３ｂをセットした状態の例を示す。
図１１は、第２のパイプ５に磁石３ｂを押し込んだ状態の例を示す。

第２のパイプ５の奥には、磁石３ａが押し込まれており、磁石３ａのＮ極が磁石３ｂに向く。一方、磁石３ｂは、磁石３ｂのＮ極が磁石３ａに向いた状態で、第２のパイプ５に挿入される。このように、磁石３ａ，３ｂの同極が対向するため、磁石３ａ，３ｂは互いに反発力が生じる。この反発力によって、第２のパイプ５から磁石３ｂが飛び出すおそれがある。

そこで、磁石３ｂが第２のパイプ５に完全に挿入されると、飛び出し押さえ部２２が動く。飛び出し押さえ部２２は、第２のパイプ５の内径より狭い位置まで動いて、第２のパイプ５から飛び出そうとする磁石３ｂを押さえる。
これにより、磁石３ｂは、押し棒２４が離れても、飛出し押さえ部２２により、第２のパイプ５の中に保持される。

このため、押し棒２４が、磁石３ｂから離れても、磁石３ｂは第２のパイプ５から飛び出さない。そして、加熱冶具（図示せず）により、第２のパイプ５と磁石３ｂの重なっている部分を、熱溶着や接着によって固定・封止、あるいは加締め加工できる。

また、第２のパイプ５の両端部を加締めることによって、可動磁石３が一体に接合されるため、衝撃が加わっても容易に分解することがない。さらに、第２のパイプ５の内壁面に接着剤を塗布して第２のパイプ５と磁石３ａ，３ｂを接着固定してもよい。このとき用いる接着剤としては、使用する樹脂に対して十分に接着力が大きい接着剤を選定することは言うまでもない。

３個以上の磁石を含む可動磁石を形成する場合、図９〜図１１に示したように、可動磁石組立て装置２０に磁石をセットして、第２のパイプ５に押し込む工程を繰り返せばよい。

図１２は、振動型電磁発電機１の外観構成例を示す。
図１２Ａは、振動型電磁発電機１を構成する各部品を分解した状態の斜視図である。
図１２Ｂは、各部品を組み合わせた振動型電磁発電機１のうち、第１のパイプ２を一部透視した部分透視図である。

ソレノイドコイル４ａ〜４ｃは、所定のコイル間隔を空けて、可動磁石３を収納する円筒形の第１のパイプ２の外周面に巻きつけられている。ソレノイドコイル４ａ〜４ｃは、直列接続されている。そして、各ソレノイドコイルは互いに逆方向に巻回されており、それぞれ正巻、逆巻、正巻としている。
ソレノイドコイル４ａとソレノイドコイル４ｃからは、それぞれコイル端部１２が引き出されており、図示しない外部負荷に接続される。

可動磁石３を第１のパイプ２内に収納するため、第１のパイプ２の両端には、端部材７ａ，７ｂが取り付けられる。
可動磁石３は、第１のパイプ２の内部をなめらかに動くため、ソレノイドコイル４ａ〜４ｃの内側であって巻き軸方向に移動する。このため、ソレノイドコイル４ａ〜４ｃは、電圧を生じ、発電機として機能する。

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１において、１個以上のソレノイドコイルのコイル長を、磁石の磁石長以上の長さとしている。このため、磁石が発生する磁界がソレノイドコイルを通過する範囲を拡大し、ソレノイドコイルが出力する電圧の位相を合わせる事ができ、振動型電磁発電機１の出力電圧を高めることができるという効果がある。

また、可動磁石３は、対向する磁極が互いに同極となるように配置された複数個の磁石（磁石３ａ，３ｂ）を備える。これら複数個の磁石は、第２のパイプ５の内部に挿入されるという簡素な構成であるため、可動磁石３の組み立ては、極めて容易であるという効果がある。

また、可動磁石３の形成工程は、第２のパイプ５の内壁面に沿って磁石３ａ，３ｂを挿入するという簡単な作業のみである。そして、第２のパイプ５に挿入された複数個の磁石と、磁石端部材は、強制的に整列されるため、可動磁石３の外周面が歪まない。このため、可動磁石３が振動する際に、可動磁石３と第１のパイプ２の内壁面に生じていた不要な摩擦抵抗が抑えられる。この結果、発電効率に優れた振動型電磁発電機１を実現できるという効果がある。

また、複数個の磁石が同極対向するため、発電コイル９に鎖交する磁束の磁束分布は、急激に大きくなる。この結果、振動型電磁発電機１の発電効率が高まるという効果がある。また、第２のパイプ５が樹脂材料で構成される場合には、加熱や溶剤による溶着処理を封止加工とすることができる。このため、可動磁石３の製造を容易化できるという効果がある。

また、磁石の外周径は、第２のパイプ５の内周径よりわずかに小さくしてある。このようにしておくと、可動磁石組立て装置２０で可動磁石３を組立てる場合に、第２のパイプ５の内部に空気が圧縮されることがなく、押し棒２４の押下力に対する抵抗力とならない。または、磁石に溝等を形成して、圧縮される空気を逃がしてもよい。

＜第２の実施の形態＞
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４０の構成例について、図１３を参照して説明する。なお、図１３において、既に説明した図１に対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１３は、４個のソレノイドコイルと、２個の磁石を備える振動型電磁発電機３０の構成例を示す。

振動型電磁発電機３０は、互いに接続された２個の磁石３ａ，３ｂからなる可動磁石３と、４個のソレノイドコイル４ａ〜４ｄと、を備える。４個のソレノイドコイル４ａ〜４ｄを、発電コイル３９とも呼ぶ。

図１４は、４個のソレノイドコイルと、２個の磁石を備える従来の振動型電磁発電機１２０の構成例を示す。以下、このような構成とした振動型電磁発電機１２０を「比較例２」とも呼ぶ。

従来の振動型電磁発電機１２０は、互いに接続された２個の磁石１１２ａ，１１２ｂからなる可動磁石１１１と、４個のソレノイドコイル１１３ａ〜１１３ｄと、を備える。ソレノイドコイル１１３ａ〜１１３ｄのコイルピッチをＬとし、磁石長をａとした場合に、Ｌ＝ａの関係を満たす。

図１５は、４個のソレノイドコイルと、２個の磁石を備える本発明に係る振動型電磁発電機３０の構成例を示す。以下、このような構成とした振動型電磁発電機３０を「実施例４」とも呼ぶ。

実施例４に係る振動型電磁発電機３０は、上述したように２個の磁石３ａ，３ｂからなる可動磁石３と、４個のソレノイドコイル４ａ〜４ｄと、を備える。そして、両端部に配置されるソレノイドコイル４ａ，４ｄのコイルピッチをＬ２とし、真ん中に配置されるソレノイドコイル４ｂ，４ｃのコイルピッチをＬ１とし、磁石長をａとした場合に、Ｌ１＝ａ、１．０５ａ≦Ｌ２≦１．５０ａの関係を満たす。

ここで、発明者は、比較例２に係る振動型電磁発電機１２０に対して、実施例４に示した振動型電磁発電機３０の最適なコイルピッチを求めるため、５パターンのコイルピッチ比毎に出力される電圧値を測定した。そして、比較例２に示した振動型電磁発電機１２０が出力する電圧の実効値を基準とした場合に、パターンごとにコイルピッチ比を変えた振動型電磁発電機３０が出力する電圧の実効値の比を、出力実効値電圧アップ率として求めた。この測定結果を表４に示す。

表４に示すように、コイルピッチ比を１．０５〜１．５０とした場合に、振動型電磁発電機３０が出力する電圧の実効値が上がることが示される。このため、コイルピッチ比を１．０５〜１．５０の範囲内とすれば、振動型電磁発電機３０は高い電圧を出力する。

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３０によれば、両端部に配置されたソレノイドコイル４ａ，４ｄのコイルピッチを、磁石３ａ，３ｂの磁石長より長くしたことにより、振動型電磁発電機３０が出力する電圧が高まるという効果がある。

＜第３の実施の形態＞
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４０の構成例について、図１６〜図１９を参照して説明する。なお、図１６において、既に説明した図１に対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

図１６は、４個のソレノイドコイルと、３個の磁石を備える振動型電磁発電機４０の構成例を示す。

振動型電磁発電機４０は、互いに接続された３個の磁石３ａ〜３ｃからなる可動磁石４３と、４個のソレノイドコイル４ａ〜４ｄからなる発電コイル３９と、を備える。
ここで、振動型電磁発電機４０は、磁石長に対して、発電コイル３９の両端部に配置されるソレノイドコイル長を、磁石長より長くする。
具体的には、振動型電磁発電機４０は、複数コイルのピッチに対して、可動磁石３の両端部に配置される磁石の長軸寸法を０．７０倍以上乃至０．９５倍以下の間、好ましくは０．８０倍以上乃至０．９２倍以下の間の長さとし、可動磁石３の両端部以外に配置される磁石の長軸寸法をコイルピッチに等しくする。以下、従来の振動型電磁発電機１３０と、本実施の形態に係る振動型電磁発電機４０との構成と出力電圧の比較を行う。

図１７は、４個のソレノイドコイルと、３個の磁石を備える従来の振動型電磁発電機１３０の構成例を示す。以下、このような構成とした振動型電磁発電機１３０を「比較例３」とも呼ぶ。

従来の振動型電磁発電機１３０は、互いに接続された３個の磁石１３２ａ〜１３２ｃからなる可動磁石１３１と、４個のソレノイドコイル１３３ａ〜１３３と、を備える。各ソレノイドコイル１３３ａ〜１３３ｄの巻き軸方向の長さＬと、磁石１３２ａ，１３２ｂ、１３２ｃの長軸方向の長さａは等しい。つまり、Ｌ＝ａの関係を満たす。

図１８は、４個のソレノイドコイルと、３個の磁石を備える本発明に係る振動型電磁発電機４０の構成例を示す。以下、このような構成とした振動型電磁発電機４０を「実施例５」とも呼ぶ。

実施例５に係る振動型電磁発電機４０において、磁石３ａ〜３ｃの磁石長をａと、ソレノイドコイル４ｂ，４ｃのコイルピッチをＬ１とし、ソレノイドコイル４ａ，４ｄのコイルピッチをＬ２とする。このとき、Ｌ１＝ａ、１．０５ａ≦Ｌ２≦１．５０ａの関係を満たすように、コイルピッチと磁石長を調整する。

図１９は、４個のソレノイドコイルと、３個の磁石を備える本発明に係る振動型電磁発電機４０の構成例を示す。以下、このような構成とした振動型電磁発電機４０を「実施例６」とも呼ぶ。

実施例６に係る振動型電磁発電機４０において、磁石３ａ，３ｃの磁石長をａとし、磁石３ｂの磁石長をｂとする。また、ソレノイドコイル４ａ〜４ｄのコイルピッチをＬとする。このとき、０．７０Ｌ≦ａ≦０．９５Ｌ、ｂ＝Ｌの関係を満たすように、コイルピッチと磁石長を調整する。

ここで、発明者は、比較例３に係る振動型電磁発電機１３０に対して、実施例５に示した振動型電磁発電機４０の最適なコイルピッチを求めるため、５パターンのコイルピッチ比（両端部コイルピッチ長／マグネット長軸寸法）毎に出力される電圧値を測定した。そして、比較例３に示した振動型電磁発電機１３０が出力する電圧の実効値を基準とした場合に、パターンごとにコイルピッチ比を変えた振動型電磁発電機４０が出力する電圧の実効値の比を、出力実効値電圧アップ率として求めた。この測定結果を表５に示す。

表５に示すように、コイルピッチ比を１．０５〜１．５０とした場合、望ましくは１．３０〜１．５０とした場合に、振動型電磁発電機４０が出力する電圧の実効値が上がることが示される。このため、コイルピッチ比を１．０５〜１．５０の範囲内とすれば、振動型電磁発電機４０は高い電圧を出力する。

同様に、発明者は、実施例６に係る振動型電磁発電機４０の最適なコイルピッチを求めるため、９パターンのマグネットピッチ比毎に出力される電圧値を測定した。

表６に示すように、実施例６に係る振動型電磁発電機４０では、マグネットピッチ比を０．６８〜０．９７とした場合、望ましくは０．７０〜０．９５とした場合に、振動型電磁発電機４０が出力する電圧の実効値が上がることが示される。

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４０によれば、両端部に配置されたソレノイドコイル４ａ，４ｄのコイルピッチを、磁石３ａ，３ｂの磁石長より長くしたことにより、振動型電磁発電機４０が出力する電圧が高まるという効果がある。

＜第４の実施の形態＞
次に、本発明の第４の実施の形態に係る振動型電磁発電機５０の構成例について、図２０と図２１を参照して説明する。なお、図２０と図２１において、既に説明した図１と図１３に対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

振動型電磁発電機５０の構成は、上述した振動型電磁発電機１の構成とほぼ同じであるが、可動磁石５３の構成が可動磁石３と異なる。可動磁石５３は、第２のパイプ５に配置された磁石３ａ，３ｂを保護するために非磁性体材料からなる磁石端部材５１ａ，５１ｂを備える。

磁石端部材５１ａ，５１ｂは、第２のパイプ５の両端部を確実に封止するために、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂によって形成される。磁石端部材５１ａ，５１ｂは、後述するように第２のパイプ５と熱溶着により接合されるため、これらの材質は同じであることが望ましい。なお、第２のパイプ５と磁石端部材５１ａ，５１ｂを、接着剤等を用いて接着固定してもよい。ただし、接着性が良好な接着剤を用いるのであれば、第２のパイプ５と磁石端部材５１ａ，５１ｂの材質を同じにする必要はない。

図２１は、可動磁石３に取り付けられる磁石端部材５１ａ付近を示す拡大図である。

第２のパイプ５に、磁石３ａ，３ｂを封止する工程では、第２のパイプ５の両端部に熱が加えられる。この工程において、熱可塑性樹脂で形成される磁石端部材５１ａを第２のパイプ５の端部に配置する。第２のパイプ５の端部に熱が加わると、磁石端部材５１ａと第２のパイプ５の端部が熱溶着し、熱溶着部５４が形成される。通常、この工程において、磁石３ａ，３ｂに熱が加わると磁気特性が著しく劣化してしまう。このため、第２のパイプ５の端部に磁石端部材５１ａを設けると、磁石３ａ，３ｂに熱が伝わりにくくなる。つまり、磁石端部材５１ａを第２のパイプ５の端部に配置する構成は、加熱手段によって封止処理を行う場合に望ましい形態であると言える。

また、第２のパイプ５に、磁石３ａ，３ｂを封止する工程では、可動磁石３の両端部に接着剤５５が用いられる。接着剤５５は、使用する樹脂に対して十分な接着性を示す接着剤が用いられる。可動磁石３の両端部に用いられた接着剤５５は、第２のパイプ５と磁石端部材５１ａとの接合面に浸透する。そして、第２のパイプ５と磁石端部材５１ａは、強固に結合する。

また、第２のパイプ５と磁石端部材５１ａの材質に、熱硬化性樹脂や非磁性金属を使用する場合、有機接着剤等を用いて、第２のパイプ５と磁石端部材５１ａを十分に接着固定する必要がある。このためには、第２のパイプ５と磁石端部材５１ａの隙間に接着剤が十分に流れ込むように、隙間の大きさや形を工夫するとよい。
なお、可動磁石３の磁石端部材５１ｂ付近についても、磁石端部材５１ａと同様の構成であるため、磁石端部材５１ｂ付近の構成例については詳細な説明を省略する。

以上説明した第４の実施の形態に係る振動型電磁発電機５０によれば、第２のパイプ５の内部に磁石３ａ，３ｂが封止され、接着剤等によって固定され、強度もまた向上する。このため、発電を行う際の振動によって可動磁石３に衝撃が加えられても、可動磁石が損傷する虞が小さくなる。

また、可動磁石３の両端部には、磁石端部材５１ａ，５１ｂが配置される。そして、第２のパイプ５の材質に、例えば、アルミニウムや銅、真鍮等に代表される非磁性金属を用いる。この場合、第２のパイプ５に複数個の磁石を挿入した後に、第２のパイプ５の両端部を加締め加工によって封止する。このような製造方法を用いると、磁石端部材５１ａ，５１ｂが変形するのみであり、複数個の磁石の端部に不要な応力が加わったり、変形したりすることがない。また、複数個の磁石に対して熱が加わらないため、磁石の劣化が抑えられる。この結果、複数個の磁石が生じる磁束密度のバラつきを減らせるという効果がある。ただし、加締め加工の方法を最適化し、磁石に対して過度の応力を与えないようにすれば、磁石端部材５１ａ，５１ｂは必ずしも必須の構成にはならない。

なお、非磁性体材料で形成された第２のパイプ５と、磁石端部材５１ａ及び磁石端部材５１ｂの材質として熱可塑性樹脂を用い、それらを熱溶着により接合した場合について説明した。しかし、非磁性体材料として熱硬化性樹脂を用いる場合でも、接着剤による固定手段を用いれば上述した第１の実施の形態とほぼ同じ製造方法で可動磁石３を製造できる。また、第２のパイプ５と、磁石端部材５１ａ，５１ｂは、接着剤を用いて接着するのではなく、予め第２のパイプ５の内壁面と、磁石端部材５１ａ，５１ｂにネジを切っておき、磁石端部材５１ａ，５１ｂを第２のパイプ５にネジ締め固定してもよい。

＜第５の実施の形態＞
次に、本発明の第５の実施の形態に係る振動型電磁発電機６０の構成例について、図２２を参照して説明する。なお、図２２において、既に説明した図１に対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

可動磁石６３は、同じ極が互いに対向し、中央部に貫通孔が形成されたリング状の磁石６５ａ〜６５ｃが、非磁性体からなる磁石固定部６１ａ，６１ｂにより挟み固定されて構成される。
磁石固定部６１ａは、例えば、ボルトである。磁石固定部６１ｂは、例えば、ナットである。磁石固定部６１ａ，６１ｂには、つば部の側面は、円または多角形状に側面が加工されたつば部が形成される。

磁石固定部６１ａは、磁石６５ａ〜６５ｃの貫通孔に挿入される芯部と、つば部を有しており、芯部とつば部は、一体に形成される。芯部は、第１のパイプ２の中心軸上に位置しており、磁石６５ａ〜６５ｃ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。芯部の上側（先端部）には、磁石固定部６１ｂを固定するための雄ネジ（雄状部）が加工・形成される。磁石固定部６１ｂの中心部には、芯部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６５ａ〜６５ｃは、芯部から外れないように、磁石固定部６１ｂ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、磁石固定部６１ａの芯部が先割れ状とされ、かつその先端部を鉤状部（雄状部）とし、磁石固定部６１ｂ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。

磁石固定部６１ａのつば部は、第１のパイプ２の中心軸に対する磁石６５ａ〜６５ｃの幅より大きな幅を有する。磁石固定部６１ｂのつば部は、第１のパイプ２の中心軸に対する磁石６５ａ〜６５ｃの幅より大きな幅を有する。このとき、磁石固定部６１ａのつば部と、磁石固定部６１ｂのつば部の形状、寸法を同じとすることが、より望ましい。

磁石固定部６１ｂ（ナット）と磁石固定部６１ａ（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、磁石固定部６１ｂ（ナット）と磁石固定部６１ａ（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６３の摺動性に優れる。ただし、磁石固定部６１ｂに磁石固定部６１ａを螺合する場合、摩擦が保てないことがある。このため、磁石固定部６１ａ，６１ｂを用いて磁石を固定した後、磁石固定部６１ａ（ボルト）の先端につぶし加工を施したり、磁石固定部６１ａの芯部の先端を鉤状部とし、磁石固定部６１ｂに孔部を形成することで、これらを嵌合したりすることによって、磁石固定部６１ａ，６１ｂの緩みを防止することが望ましい。

以上説明した第５の実施の形態に係る振動型電磁発電機５０は、同極対向する３個の磁石６５ａ〜６５ｃを、磁石固定部６１ａ，６１ｂによって固定した可動磁石６３を備える。また、可動磁石６３の両端部は、磁石固定部６１ａ，６１ｂのつば部で保護されるため、磁石端部材７ａ，７ｂに接触しても、衝撃が直接伝わらない。このため、振動型電磁発電機５０が長時間振られた場合であっても、磁石６５ａ〜６５ｃが破損しない。

可動磁石６３と第１のパイプ２の内周面との接触は、つば部と磁石固定部６１ｂの側周面だけとなる。このため、可動磁石６３と第１のパイプ２の摩擦が小さくなり、可動磁石６３の摺動性が向上するという利点がある。

なお、上述した第１〜第５の実施の形態に係る振動型電磁発電機によれば、第１のパイプ２の内部で可動磁石を移動可能としたが、可動磁石を支持するため、第１のパイプ２の内部に少なくとも１本のコイルバネ（引っ張りバネ）を設置してもよい。この場合、可動磁石の重力方向（上側）にコイルバネを設置すればよい。

また、弾性体として２本の圧縮バネを用いてもよい。圧縮バネであっても、可動磁石の両端部を発電コイルの巻き軸方向に振動可能に支持することができる。さらに、一個の圧縮バネを用いてもよい。この場合、圧縮バネを可動磁石の重力方向（下側）に設置すればよい。このような構成であっても、好適に発電を行うことが可能である。

この場合、微弱な振動エネルギーを効率的に可動磁石の直線往復運動に変換することができる。このため、重力方向に対して振動型電磁発電機が平行な状態であって、かつ振動型電磁発電機の設置方向が一定である場合、例えば、海上船舶の安全な航行のために波の上下運動によって発電し発光する発光ブイ等、への発電機として好適であると言える。また、自転車の荷台あるいはサドル、または、自動車のサスペンション部等に採用することも可能である。

また、上述した実施の形態において、可動磁石を構成する複数個の磁石うち、隣り合う磁石の同極を対向させて配置したが、異極を対向させて配置してもよい。また、磁石の個数は、ソレノイドコイルの個数より多くても良い。

１…振動型電磁発電機、２…第１のパイプ、３…可動磁石、３ａ，３ｂ…磁石、４ａ〜４ｃ…ソレノイドコイル、５…第２のパイプ、７ａ，７ｂ…端部材、９…発電コイル、１２…コイル端部、２０…可動磁石組立て装置、３０…振動型電磁発電機、３９…発電コイル、４０…振動型電磁発電機、４３…可動磁石、５０…振動型電磁発電機、５１ａ，５１ｂ…磁石端部材、５３…可動磁石、６０…振動型電磁発電機、６１ａ，６１ｂ…磁石固定部、６３…可動磁石、６５ａ，６５ｂ…磁石

Claims (4)

1. 非磁性材料で形成され、両端部が閉じられた中空の第１のパイプと、
   前記第１のパイプの周囲に巻回され、複数個のソレノイドコイルが設けられた発電コイルと、
   前記第１のパイプの内部に配置され、前記発電コイルの巻き軸方向に沿って移動可能である可動磁石と、を備え、
   前記発電コイルは、
   少なくとも３個の前記ソレノイドコイルを備え、
   少なくとも３個の前記ソレノイドコイルのうち、両端に位置する前記ソレノイドコイルの長さを、他の前記ソレノイドコイルの長さの１．０５倍以上乃至１．５０倍以下の間の長さとする
   振動型電磁発電機。
2. 非磁性材料で形成され、両端部が閉じられた中空の第１のパイプと、
   前記第１のパイプの周囲に巻回され、複数個のソレノイドコイルが設けられた発電コイルと、
   前記第１のパイプの内部に配置され、前記発電コイルの巻き軸方向に沿って移動可能である可動磁石と、を備え、
   前記発電コイルは、
   少なくとも３個の前記ソレノイドコイルを備え、
   少なくとも３個の前記ソレノイドコイルのうち、両端に位置する前記ソレノイドコイルの長さに片方コイル間隔を加えた長さを、他の前記ソレノイドコイルの長さに片方コイル間隔を加えた長さの１．０５倍以上乃至１．５０倍以下の間の長さとする
   振動型電磁発電機。
3. 前記可動磁石は、
   少なくとも３個の磁石と、
   少なくとも３個の磁石を固定する非磁性体からなる磁石固定部と、を備え、
   前記磁石固定部は、中空の第２のパイプであって、前記第２のパイプの内部に複数個の磁石が封止される
   請求項１又は２に記載の振動型電磁発電機。
4. 前記磁石は、中央部に貫通孔が形成され、
   前記磁石固定部は、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のつば部を備える
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動型電磁発電機。

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