振動発電機
【課題】振動体の機械的強度を低下させることなく、高い発電効率を実現する振動発電機を提供する。
【解決手段】振動発電機１００は、振動体１０と、その周囲に配置されたコイル４０と、を備え、振動体１０をコイル４０に対して相対移動させることで起電力を得る。振動体１０は、同極の磁極面（Ｎ極、Ｓ極）どうしを互いに対向させた状態で並べて配置された複数の磁石２０（２０ａ〜２０ｄ）と、これらの磁石２０を並び方向の両側より支持する端部支持部１２、１３と、磁極面どうしの反発力を超える応力で圧縮された状態で端部支持部１２と磁石２０とに挟持されて、この反発力に抗して磁石２０を隙間なく連設させる緩衝材１６と、を含む。
【解決手段】振動発電機１００は、振動体１０と、その周囲に配置されたコイル４０と、を備え、振動体１０をコイル４０に対して相対移動させることで起電力を得る。振動体１０は、同極の磁極面（Ｎ極、Ｓ極）どうしを互いに対向させた状態で並べて配置された複数の磁石２０（２０ａ〜２０ｄ）と、これらの磁石２０を並び方向の両側より支持する端部支持部１２、１３と、磁極面どうしの反発力を超える応力で圧縮された状態で端部支持部１２と磁石２０とに挟持されて、この反発力に抗して磁石２０を隙間なく連設させる緩衝材１６と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石を含む振動体をコイルに対して相対移動させることで起電力を得る振動発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境の維持改善や非常時の電源確保などの目的から、使い捨ての乾電池を補完または代替する簡易な発電機の実現が要望されている。このうち、永久磁石をコイルの内側で往復振動させて誘導電流を発生させる方式の振動発電機が提案されている。この種の技術に関し、特許文献１には、二つの磁石の磁極面を同極どうしで対向させて離間配置した振動体をコイルに対して往復振動させる振動発電機が開示されている。二つの磁石は、細い磁気ロッドによって相互に連結されている。
【０００３】
また、特許文献２には、互いに同寸法の複数の磁石を、同極の磁極面が対向するように隙間なく配置してナットとボルトにより固定した振動体、およびこれを用いた振動発電機が開示されている。この振動発電機によれば、磁石どうしが隙間なく配置されていることで、磁極面が当接する位置において、磁極面の法線に対して直交する方向（以下、軸直交方向という場合がある）に急峻な磁場勾配が励起されて高い誘導起電力を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５２１７８５号公報
【特許文献２】特開２００９−２１３１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の振動発電機は、細い磁気ロッドで磁石どうしを連結させているため、往復振動の両端で振動体に衝撃力が作用すると磁気ロッドと磁石との連結部分等が容易に破損するという問題がある。また、特許文献２の振動発電機に関しては、ボルトの締め付け力が過大であると磁石が圧潰する虞がある一方で、締め付け力が不十分であると磁石どうしの間に隙間（ガタ）が生じるため、振動体の振動時に磁石どうしまたは磁石とボルト（もしくはナット）とが衝突して磁石が破損する虞がある。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、機械的強度が高く耐久性に優れる振動発電機を提供することを目的とする。本発明の他の目的は以下の実施形態より明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明の振動発電機は、同極の磁極面どうしを互いに対向させた状態で並べて配置された複数の磁石と、前記複数の磁石を並び方向の両側より支持する端部支持部と、前記磁極面どうしの反発力を超える応力で圧縮された状態で前記端部支持部と前記磁石とに挟持されて、前記反発力に抗して前記複数の磁石を隙間なく連設させる緩衝材と、を含む振動体と、前記振動体の周囲に配置されたコイルと、を備え、前記振動体を前記コイルに対して相対移動させることで起電力を得るものである。
【０００８】
なお、本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、機械的強度が高く耐久性に優れる振動発電機が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態の振動発電機を振動軸に沿って切った縦断面図である。
【図２】振動体を振動軸に沿って切った縦断面図である。
【図３】磁石が形成する磁束を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）は、２個の磁石のＮ極どうしが所定の間隔で離間して配置された状態を示す模式図および軸直交方向の磁束密度を示すグラフである。図４（ｂ）は、２個の磁石の間隔を同図（ａ）よりも狭めた状態を示す模式図および軸直交方向の磁束密度を示すグラフである。
【図５】磁石どうしに作用する反発力を示す模式図である。
【図６】第一磁石および第二磁石が芯部に対して偏心して装着された状態を示す縦断面図である。
【図７】図７（ａ）は、変形例にかかる振動体を振動軸に沿って切った縦断面図である。図７（ｂ）は、かかる振動体を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１２】
図１は本発明の実施形態にかかる振動発電機１００を振動軸に沿って切った縦断面図である。振動軸の方向は、同図の左右方向である。また、図２は振動体１０を振動軸に沿って切った縦断面図である。
【００１３】
はじめに、本実施形態の振動発電機１００の概要について説明する。
振動発電機１００は、複数の磁石２０（２０ａ〜２０ｄ）、端部支持部１２、１３および緩衝材１６を含む振動体１０と、この振動体１０の周囲に配置されたコイル４０と、を備え、振動体１０をコイル４０に対して相対移動させることで起電力を得るための装置である。
磁石２０は、同極の磁極面（Ｎ極、Ｓ極）どうしを互いに対向させた状態で並べて配置されている。端部支持部１２、１３は、これらの複数の磁石２０を並び方向の両側より支持する。緩衝材１６は、磁極面どうしの反発力を超える応力で圧縮された状態で端部支持部１２、１３の少なくとも一方（本実施形態では端部支持部１２）と磁石２０とに挟持されて、この反発力に抗して複数の磁石２０を隙間なく連設させる。
【００１４】
次に、本実施形態の振動発電機１００について詳細に説明する。
磁石２０は、１個または２個以上（本実施形態では２個）の第一磁石２０ａ、２０ｂと、これらの第一磁石２０ａ、２０ｂよりも磁力が弱く振動体１０の端部側に配置された第二磁石２０ｃ、２０ｄと、を少なくとも含む。第二磁石は振動体１０の両端にそれぞれ配置されていてもよく、または一端にのみ配置されていてもよい。すなわち、振動体１０は２個の第二磁石を備えてもよく、１個のみの第二磁石を備えてもよい。本実施形態では、振動体１０の両端にそれぞれ１個、合計２個の第二磁石２０ｃ、２０ｄが配置されている態様を例示する。
そして、本実施形態の振動体１０において、端部支持部１２、１３はこれら複数の磁石２０の両側を内向きに押圧して磁極面どうしの反発力に抗してこれらの磁石２０を隙間なく連設させる。かかる押圧力により、緩衝材１６は圧縮された状態で端部支持部１２と磁石２０（具体的には第二磁石２０ｃ）との間に挟まれている。
【００１５】
図１に示すように、中空のパイプ３０の内部には、パイプ３０の軸心に沿って往復揺動（振動）する振動体１０が収容されている。パイプ３０の周囲にはコイル４０が巻回されている。パイプ３０は樹脂などの絶縁性で非磁性の材料からなる。パイプ３０の両端には、コイル４０の弛み止めのための大径の鍔部３１がそれぞれ設けられている。また、パイプ３０の軸方向の中間部（本実施形態では２箇所）には、隣接するコイル４０どうしを隔てる仕切板３５が径方向に突出して形成されている。パイプ３０、鍔部３１および仕切板３５は、複数の部材を互いに組み合わせて構成してもよく、または同一材料により一体成形してもよい。
【００１６】
コイル４０はソレノイドコイルである。本実施形態の振動発電機１００は、複数のコイル４０が直列接続されている。隣り合うコイル４０どうしは逆極性であり巻線方向が互いに逆である。隣接するコイル４０の終端どうしの軸方向距離にあたるコイルピッチＬｃは、第一磁石２０ａ、２０ｂ（図２を参照）の軸方向長さとほぼ同等である。パイプ３０の両端の鍔部３１には絡げ端子３２がそれぞれ形成されており、コイル４０のワイヤの巻端４２が個別に絡げられている。巻端４２が絡げられた絡げ端子３２は樹脂製の端子カバー３３に包埋されて巻端４２の断線が防止されている。端子カバー３３は、絡げ端子３２の端子長と略同等の厚みを有するリング形状をなしている。
【００１７】
パイプ３０は、円筒状の筐体６０に収容されている。筐体６０は、たとえば単三型などの規格化された乾電池と同径および同長さである。筐体６０の両端には金属製の端子５０、５２が配置されている。端子５０はマイナス極にあたり、平坦な円盤状である。端子５２はプラス極にあたり、乾電池と同様に突起部が形成された円盤状をなしている。端子５０、５２のいずれか一方または両方は、筐体６０と絶縁されている。筐体６０が金属などの導電性材料からなる場合、図１に示すように端子５０、５２と筐体６０との間に樹脂シート４６などの絶縁性スペーサを介挿して、端子５０、５２と筐体６０とを絶縁するとよい。なお、筐体６０が絶縁性材料からなる場合には、かかる樹脂シート４６は不要である。
【００１８】
一対の絡げ端子３２は、それぞれ導電スペーサ４４を介して端子５０、５２に個別に接続されている。導電スペーサ４４はリング形状をなしており、その中空部には衝撃吸収用の端部材３４が配置されている。端部材３４は、振動体１０の振動軸の両端に配置されている。また、本実施形態に代えて、一対の絡げ端子３２は、導電スペーサ４４を介して端子５０、５２に接続せず、筐体６０と絶縁された状態で、２線のワイヤにそれぞれ接続され、筐体６０の外部に取り出されるように形成されてもよい。
【００１９】
振動体１０の磁石２０の外径はパイプ３０の内径よりも僅かに小さい。ユーザは振動発電機１００の筐体６０を把持して、これを軸方向に揺動させる。これにより、振動体１０はパイプ３０および端子カバー３３の中空の軸心の内部で振動する。コイル４０が巻回されたパイプ３０の内部で振動体１０を振動させることで、コイル４０には誘導起電力が生じ、端子５０、５２の間には電位差が生じる。したがって、端子５０、５２に接続されたコンデンサなどの外部回路（図示せず）に電流を取りだすことができる。
【００２０】
本実施形態の振動発電機１００は乾電池の形状および寸法を有しており、乾電池に代替して使用することができる。特に、リモコンなど間欠的に使用される電子機器に好適に用いられる。使用時間よりも待機時間の方が長い電子機器の場合、待機電力による乾電池の消耗の無駄が顕著であるところ、本実施形態の振動発電機１００のように使用時にユーザが振動させて発電する方式とすることで、待機電力の無駄を省くことができる。
【００２１】
リング形状の端子カバー３３の内径は、パイプ３０の内径と同径であるか、またはパイプ３０の内径よりも大径であることが好ましい。筐体６０の中央から端部側に進行する振動体１０における先端側に位置する第二磁石２０ｃまたは２０ｄが、端子カバー３３と衝突することを避けるためである。本実施形態の場合、図１に示すように、端子カバー３３の内径はパイプ３０の内径よりも大きく、鍔部３１と端子カバー３３との間には段差３６が存在している。
【００２２】
図２を用いて本実施形態の振動体１０をより詳細に説明する。
振動体１０は複数個の磁石を備えている。本実施形態の振動体１０は、２個の第一磁石および２個の第二磁石の合計４個の磁石を備えている。ただし、磁石の個数はこれに限定されない。第一磁石２０ａ、２０ｂおよび第二磁石２０ｃ、２０ｄは、ともに永久磁石である。磁力の強さからネオジム磁石が好適に用いられる。
【００２３】
第一磁石２０ａ、２０ｂは振動体１０の中間部に配置され、一対の第二磁石２０ｃ、２０ｄが振動体１０の両端にそれぞれ配置されている。第二磁石２０ｃ、２０ｄは第一磁石２０ａ、２０ｂよりも肉厚が小さい。第一磁石２０ａのＮ極の磁極面２１Ｎは、隣接する第一磁石２０ｂのＮ極の磁極面２２Ｎと接している。第一磁石２０ａのＳ極の磁極面２１Ｓは、第一磁石２０ｂと反対側に隣接する第二磁石２０ｃのＳ極の磁極面２３Ｓと接している。そして、第一磁石２０ｂのＳ極の磁極面２２Ｓは、第一磁石２０ａと反対側に隣接する第二磁石２０ｄのＳ極の磁極面２４Ｓと接している。
【００２４】
磁石２０（２０ａ〜２０ｄ）および緩衝材１６には貫通孔２６（２６ａ〜２６ｅ）がそれぞれ形成されている。振動体１０は、貫通孔２６に挿通されて端部支持部１２が両端に形成された芯部１８をさらに含んでいる。
【００２５】
芯部１８は円筒状の非磁性の金属材料からなる。具体的にはアルミニウム、銅、真鍮などが好適に用いられる。本実施形態の芯部１８の両端部には、かしめ加工により貫通孔２６よりも大径に形成された端部支持部１２、１３がそれぞれ設けられている。端部支持部１２、１３は、芯部１８の両端部を９０度折り曲げてフランジ状に潰し、そのフランジ面が磁石２０の端面を抑えるように形成されている。
【００２６】
緩衝材１６は、ゴムなどの粘弾性樹脂材料やバネなどの弾性素子からなる。緩衝材１６の形状は特に限定されないが、リング状または円盤（ディスク）状などとすることができる。本実施形態では貫通孔２６ｅが中心に穿設されたリング状の緩衝材１６（Ｏリング部材）を例示する。このようなＯリング部材については、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ウレタンゴム（Ｕ）などの材質が用いられる。特に、高い耐磨耗性と力学強度をもつニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）またはウレタンゴム（Ｕ）が望ましい。
【００２７】
振動体１０においては、第一磁石２０ａ、２０ｂの両側に、これらの第一磁石よりも磁力が弱い第二磁石２０ｃ、２０ｄが配置されている。これにより、端部支持部１２、１３のフランジ面から軸方向の外側へ放射される磁束が低減される。このため、往復揺動する振動体１０が筐体６０の両端に近接したときにも、第二磁石２０ｃ、２０ｄが端子５０、５２に吸着してしまうことがない。かかる原理を、図３を用いて説明する。図３は磁石２０が形成する磁束を示す模式図である。図３では、説明のため、磁石２０どうしを離間させて図示している。
【００２８】
第一磁石２０ａ、２０ｂのＮ極の磁極面２１Ｎ、２２Ｎからそれぞれ放射された磁束により、軸直交方向の磁束が励起される。同様に、第一磁石２０ａのＮ極の磁極面２１ＮからＳ極の磁極面２１Ｓに向かう磁束と、第二磁石２０ｃのＮ極の磁極面２３ＮからＳ極の磁極面２３Ｓに向かう磁束により軸直交方向の磁束が励起される。一方、第一磁石２０ａよりも磁力が弱い第二磁石２０ｃのＮ極の磁極面２３Ｎから面直方向に放射された磁束φ1の軸方向への広がりは、磁力が強い第一磁石２０ａのＳ極の磁極面２１Ｓに面直に入射する磁束φ2と互いに反発しあうことにより抑制される。第二磁石２０ｄと第一磁石２０ｂとの関係も同様である。
【００２９】
このため、振動体１０の両端に配置された第二磁石２０ｃ、２０ｄから振動軸方向の外側に向かう磁束の大きさは大幅に低下する。よって、金属製の端子５０、５２に対して第二磁石２０ｃ、２０ｄが吸着することがなく、振動体１０の振動が阻害されることがない。
【００３０】
第二磁石２０ｃ、２０ｄは第一磁石２０ａ、２０ｂよりも磁力が弱い。本実施形態の第二磁石２０ｃ、２０ｄは、第一磁石２０ａ、２０ｂと同種のネオジム磁石からなり、第一磁石２０ａ、２０ｂよりも厚みが小さい。このほか、第一磁石２０ａ、２０ｂを磁力の強いネオジム磁石とし、第二磁石２０ｃ、２０ｄを磁力の弱いフェライト磁石としてもよい。ネオジム磁石、フェライト磁石とも脆性を有し、耐衝撃性が低い。このため、振動体１０が振動して筐体６０の端部に衝突すると、特に本実施形態のように薄い第二磁石２０ｃ、２０ｄの場合には破損するおそれがある。そこで本実施形態の振動発電機１００においては、筐体６０の端部に柔軟な端部材３４を配置して振動体１０の衝突衝撃を吸収している。また、振動体１０の内部においては、磁石２０どうしを隙間なく配置して磁石間の衝撃を防止し、さらに端部支持部１２と磁石２０（第二磁石２０ｃ）との間に緩衝材１６を挟み込んで磁石２０に負荷される衝撃を吸収している。
【００３１】
ここで、隣接する磁石２０の磁極面どうしを密着させることで軸直交方向の磁場勾配が励起されて高い誘導起電力が得られることについて説明する。
図４（ａ）、（ｂ）は、同極の磁極面どうしを対向させた磁石における磁力線を示す模式図と、軸直交方向の磁束密度Ｂを示すグラフである。磁束密度Ｂの空間分布は磁場勾配の大きさに相当する。図４（ａ）は２個の磁石２０ａと２０ｂのＮ極どうしが所定の間隔で離間して配置された状態を示しており、図４（ｂ）は磁石２０ａと２０ｂの間隔を同図（ａ）よりも狭めた状態を示している。これらの図において、磁石２０ａと２０ｂの磁極面（Ｎ極）から垂直内向きに放射された磁束は、軸直交方向に曲げられる。このため、単体の磁石を用いる場合に比べて、同極の磁極面どうしを内向きに対向させることで軸直交方向の磁場勾配が励起される。このため、コイルの内側でかかる磁石を振動させた場合には、励起された磁場勾配によって高い誘導起電力が得られる。そして図４（ｂ）に示すように、磁石２０ａと２０ｂの磁極面の距離を近づけることで磁場勾配の励起が顕著となる。
【００３２】
逆にいうと、磁石２０ａ、２０ｂの間に微細の隙間ができると、軸直交方向の磁束密度の空間分布がブロードになって誘導起電力が低下するという問題が生じる。このため、図２に示す本実施形態の振動体１０においては、磁石２０の磁極面どうしを直接に当接させて、軸直交方向の磁場勾配を励起させている。なお、ここでいう磁石２０の磁極面とは磁石の素地面またはコーティング面を意味している。コーティングの例としては、磁石２０の防錆のためのメッキ処理が挙げられる。そして、磁石２０の磁極面どうしが直接に当接しているとは、スペーサなど磁石以外の部材を介挿することなく磁極面（コーティング面）どうしが接触している状態をいう。
【００３３】
隣接する磁石２０は、同極の磁極面どうしを互いに対向させて連設されている。したがって、磁石２０どうしには反発力が作用する。図５は、磁石２０どうしに作用する反発力を示す模式図である。説明のため、端部支持部１２、１３、緩衝材１６および磁石２０は互いに離間させて図示してあるが、本実施形態の振動体１０において、磁極面どうしは直接に接している。緩衝材１６は、隣接する磁極面どうしの最大反発力よりも高い応力で圧縮されている。
【００３４】
図５に示されるように、第一磁石２０ａ、２０ｂにおいては、それぞれの左右から受ける力Ｆ12およびＦ43の大きさが同じで、方向が正反対であるので、第一磁石２０ａ、２０ｂは相対的に静止状態になる。同じように、第二磁石２０ｃにおいても、第一磁石２０ａから受ける力Ｆ21（第一磁石２０ａから受ける磁気反発力と、圧接力に対する反力との和）が、緩衝材１６の復位力Ｆrと釣り合っている。したがって、圧縮された緩衝材１６の復位力が磁石２０間の最大反発力より大きければ、同極対向する複数の磁石２０は隙間なく緊密的に接触して所定の圧接力で互いに圧接される。本実施形態では第一磁石２０ａ、２０ｂの磁力が第二磁石２０ｃ、２０ｄの磁力よりも強いことから、最大反発力は第一磁石２０ａ、２０ｂどうしの間、すなわち磁極面２１Ｎ、２２Ｎの間で生じる。そして、緩衝材１６の復位力はこの最大反発力よりも大きく、磁石２０（第一磁石２０ａ、２０ｂおよび第二磁石２０ｃ、２０ｄ）を隙間なく緊密的に接触させる。ここで、磁極面どうしの最大反発力を超える応力で緩衝材１６が圧縮されているとは、緩衝材１６が端部支持部１２から受ける圧縮応力が、磁石２０の最大反発力を磁石２０と緩衝材１６との接触面積で除した値よりも大きいことをいう。
【００３５】
緩衝材１６の復位力Ｆrは、磁石２０どうしの最大反発力の１．１倍以上、かつ、この最大反発力の２倍以下が好ましい。これにより、隣接する磁石２０どうしは最大反発力の０．１倍から１倍の圧接力で互いに密着しているため、振動体１０がコイル４０を通過する際に磁石２０どうしが離間することがない。また、上記範囲とすることで、磁石２０に負荷される圧接力が過大にならず、磁石２０の圧潰が抑えられる。具体的には、磁石２０の最大反発力を２ｋｇｆとした場合、緩衝材１６の復位力Ｆrが３ｋｇｆ程度となるように、芯部１８のかしめ加工を行って端部支持部１２、１３を形成するとよい。
【００３６】
図２に戻り、端部支持部１２と磁石２０とで圧縮された状態の緩衝材１６の貫通孔２６ｅの穴径は、端部支持部１２の外径よりも小さい。このため、緩衝材１６（Ｏリング）が端部支持部１２から離脱することがない。
【００３７】
端部支持部１２と１３のフランジ径の大小は任意であり、互いに同じフランジ径でもよい。本実施形態の場合、振動体１０の両側に設けられた端部支持部１２、１３は、互いに外径が異なるフランジ状に形成されている。そして、フランジ径がより大径の端部支持部１２と磁石２０との間に緩衝材１６が配置されている。これにより、緩衝材１６を介して端部支持部１２、１３から磁石２０に押圧力が良好に伝達される。
【００３８】
振動体１０を製造するための工程について簡単に説明する。まず、磁石２０間の最大反発力にあたる、第一磁石２０ａ、２０ｂどうしの反発力を測定する。一般に、この反発力は磁石の体積に比例するので、磁石の径が一定の場合、長い磁石（第一磁石）ほど、互いの反発力が高くなる。次に、上記の芯部１８の片側の端部を潰して端部支持部１２を形成し、緩衝材１６（Ｏリング）を芯部１８に装着する。次に、第二磁石２０ｃ、第一磁石２０ａ、２０ｂ、第二磁石２０ｄの順に芯部１８に装着したうえで、芯部１８の他方側の端部をかしめ加工してフランジ状の端部支持部１３を形成する。端部支持部１３のかしめ長さ（フランジ径）を増すことで芯部１８の軸長が短くなり、磁石２０が圧接される。そして、緩衝材１６（Ｏリング）を圧縮する圧力が、上記磁石間の最大反発力よりも大きくなるように設定された所定のフランジ径で端部支持部１３を形成する。これにより、緩衝材１６が圧縮された状態で磁石２０どうしが緊密に密着する。なお、端部支持部１３と第二磁石２０ｄとの間にも第二の緩衝材を装着してもよい。
【００３９】
本実施形態の第一磁石２０ａ、２０ｂおよび第二磁石２０ｃ、２０ｄは円環状であり、第二磁石２０ｃ、２０ｄの外径は、第一磁石２０ａ、２０ｂの外径よりも小さく形成されている。また、端部支持部１２、１３の外径は、第一磁石２０ａ、２０ｂの外径よりも小さく、さらに第二磁石２０ｃ、２０ｄの外径よりも小さい。これにより、パイプ３０の内部で振動体１０が振動する際に、第二磁石２０ｃ、２０ｄよりも肉厚で機械強度が高い第一磁石２０ａ、２０ｂがパイプ３０の内周面に接することになる。このため、振動体１０における脆弱部にあたる第二磁石２０ｃ、２０ｄの損耗が抑制されて振動体１０の耐久性が良好となる。
【００４０】
さらに、磁石２０の貫通孔２６の内周面と芯部１８の外周面との間に間隙（クリアランス）があることで、磁石２０に芯部１８を挿通する際に磁石２０の損耗がなく良好である。この場合において、第二磁石２０ｃ、２０ｄの軸心位置と第一磁石２０ａ、２０ｂの軸心位置とが互いにずれることが考えられる。
【００４１】
図６は、第一磁石２０ａ、２０ｂおよび第二磁石２０ｃが芯部１８に対して偏心して装着された状態を示す縦断面図である。第二磁石２０ｃは同図の下方に偏心し、第一磁石２０ａ、２０ｂは同図の上方に偏心して芯部１８に装着されている。ただし、かかる状態においても、本実施形態の第二磁石２０ｃの外周面２５ｃは、第一磁石２０ａ、２０ｂの外周面２５ａ、２５ｂの外側に突出しない。これにより、磁石２０がたとえ偏心して芯部１８に装着されたとしても、パイプ３０の内部で振動体１０が振動する際に、第二磁石２０ｃの外周面２５ｃがパイプ３０の内周面と接触することが防止される。すなわち、本実施形態の振動体１０においては、円環状の第二磁石２０ｃの環幅と、貫通孔２６ｃと芯部１８とのクリアランスと、の合計が、第一磁石２０ａ、２０ｂの環幅を超えないことが好ましい。第二磁石２０ｄの外周面２５ｄに関しても同様である。
【００４２】
また、図１に示したように端子カバー３３と鍔部３１との間に段差３６が存在する場合にも、本実施形態のように第二磁石２０ｃ、２０ｄの外周面２５ｃ、２５ｄが第一磁石２０ａ、２０ｂの外周面２５ａ、２５ｂから径方向の外側に突出しないことにより、第二磁石２０ｃ、２０ｄが段差３６に衝突することがない。これにより、第二磁石２０ｃ、２０ｄの損耗が抑制されて振動体１０の耐久性が良好となる。
【００４３】
なお本実施形態については種々の変形を許容する。
上記実施形態では、複数の磁石に貫通孔をそれぞれ設けて芯部をこれらに挿通することで磁石どうしを連設した。かかる態様に代えて、金属パイプに磁石を内包する形式としてもよい。
【００４４】
図７（ａ）は、本実施形態の変形例にかかる振動体１０を振動軸に沿って切った縦断面図である。図７（ｂ）は、かかる振動体１０を模式的に示す斜視図である。
【００４５】
本変形例の振動体１０は、非磁性材料からなる金属パイプ２７に磁石２０が収容され、この金属パイプ２７の両端に端部支持部１２、１３がそれぞれ形成されているとともに、緩衝材１６が配置された側の端部支持部１２には、緩衝材１６の一部を露出させる開口窓２９が形成されている。
【００４６】
以下、より詳細に説明する。本変形例の振動体１０は、非磁性金属材料からなる金属パイプ２７の内部に、同極の磁極面どうしを互いに対向させて圧接した複数の磁石２０（第一磁石２０ａ、２０ｂおよび第二磁石２０ｃ、２０ｄ）が内包されている。金属パイプ２７は一端が開口した有底円筒状をなしている。底面は端部支持部１３にあたる。開口端は、磁石２０および緩衝材１６を内包した状態で所定の押圧力で潰されて端部支持部１２となっている。緩衝材１６は、端部支持部１２と磁石２０（第二磁石２０ｃ）との間に介挿されてもよく、端部支持部１３と磁石２０（第二磁石２０ｄ）との間に介挿されてもよく、または両者に介挿されてもよい。緩衝材１６は外部応力無負荷の自然状態に対して、所定の厚みに圧縮されて金属パイプ２７に収容されている。
【００４７】
本変形例の端部支持部１２は複数個（本実施形態では４個）の折曲片２８からなる。折曲片２８は、金属パイプ２７の周面に切れ込みを入れて、これを軸心に向かって折り曲げたものである。端部支持部１２には、互いに突き合わされた折曲片２８の隙間に開口窓２９が形成されており、緩衝材１６の一部が露出している。金属パイプ２７の内部で圧縮されている緩衝材１６は、折曲片２８による押圧力が作用しない開口窓２９の内側で膨出して、膨出部１７が形成されている。かかる膨出部１７の存在を、開口窓２９を通じて目視確認することにより、磁石２０どうしが所定の押圧力で隙間なく圧接されていることが確認される。このため、本変形例のように、緩衝材１６が介挿されている側の端部支持部１２、１３に、緩衝材１６の一部を露出させる開口窓２９を形成することが好ましい。
【００４８】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される限りにおける種々の変形、改良等の態様も含む。
【００４９】
上記実施形態は以下の技術的思想を包含する。
（１）同極の磁極面どうしを互いに対向させた状態で並べて配置された複数の磁石と、
前記複数の磁石を並び方向の両側より支持する端部支持部と、
前記磁極面どうしの反発力を超える応力で圧縮された状態で前記端部支持部と前記磁石とに挟持されて、前記反発力に抗して前記複数の磁石を隙間なく連設させる緩衝材と、を含む振動体と、
前記振動体の周囲に配置されたコイルと、
を備え、前記振動体を前記コイルに対して相対移動させることで起電力を得る振動発電機；
（２）前記緩衝材が、隣接する前記磁極面どうしの最大反発力よりも高い応力で圧縮されており、前記磁極面どうしが直接に接している上記（１）項に記載の振動発電機；
（３）前記磁石および前記緩衝材に貫通孔がそれぞれ形成されており、前記振動体は、前記貫通孔に挿通されて前記端部支持部が両端に形成された芯部をさらに含むとともに、圧縮された状態の前記緩衝材の前記貫通孔の穴径が、前記端部支持部の外径よりも小さいことを特徴とする上記（２）項に記載の振動発電機；
（４）前記振動体の両側に設けられた前記端部支持部が、互いに外径が異なるフランジ状に形成されており、大径の前記端部支持部と前記磁石との間に前記緩衝材が配置されている上記（３）項に記載の振動発電機；
（５）非磁性材料からなる金属パイプに前記磁石が収容され、前記金属パイプの両端に前記端部支持部がそれぞれ形成されているとともに、前記緩衝材が配置された側の前記端部支持部には、前記緩衝材の一部を露出させる開口窓が形成されていることを特徴とする上記（１）項または（２）項に記載の振動発電機。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 振動体
１２、１３ 端部支持部
１６ 緩衝材
１７ 膨出部
１８ 芯部
２０ 磁石
２０ａ、２０ｂ 第一磁石
２０ｃ、２０ｄ 第二磁石
２１Ｎ〜２４Ｎ、２１Ｓ〜２４Ｓ 磁極面
２５ａ〜２５ｄ 外周面
２６ 貫通孔
２７ 金属パイプ
２８ 折曲片
２９ 開口窓
３０ パイプ
３１ 鍔部
３２ 絡げ端子
３３ 端子カバー
３４ 端部材
３５ 仕切板
３６ 段差
４０ コイル
４２ 巻端
４４ 導電スペーサ
４６ 樹脂シート
５０、５２ 端子
６０ 筐体
１００ 振動発電機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石を含む振動体をコイルに対して相対移動させることで起電力を得る振動発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境の維持改善や非常時の電源確保などの目的から、使い捨ての乾電池を補完または代替する簡易な発電機の実現が要望されている。このうち、永久磁石をコイルの内側で往復振動させて誘導電流を発生させる方式の振動発電機が提案されている。この種の技術に関し、特許文献１には、二つの磁石の磁極面を同極どうしで対向させて離間配置した振動体をコイルに対して往復振動させる振動発電機が開示されている。二つの磁石は、細い磁気ロッドによって相互に連結されている。
【０００３】
また、特許文献２には、互いに同寸法の複数の磁石を、同極の磁極面が対向するように隙間なく配置してナットとボルトにより固定した振動体、およびこれを用いた振動発電機が開示されている。この振動発電機によれば、磁石どうしが隙間なく配置されていることで、磁極面が当接する位置において、磁極面の法線に対して直交する方向（以下、軸直交方向という場合がある）に急峻な磁場勾配が励起されて高い誘導起電力を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５２１７８５号公報
【特許文献２】特開２００９−２１３１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の振動発電機は、細い磁気ロッドで磁石どうしを連結させているため、往復振動の両端で振動体に衝撃力が作用すると磁気ロッドと磁石との連結部分等が容易に破損するという問題がある。また、特許文献２の振動発電機に関しては、ボルトの締め付け力が過大であると磁石が圧潰する虞がある一方で、締め付け力が不十分であると磁石どうしの間に隙間（ガタ）が生じるため、振動体の振動時に磁石どうしまたは磁石とボルト（もしくはナット）とが衝突して磁石が破損する虞がある。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、機械的強度が高く耐久性に優れる振動発電機を提供することを目的とする。本発明の他の目的は以下の実施形態より明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明の振動発電機は、同極の磁極面どうしを互いに対向させた状態で並べて配置された複数の磁石と、前記複数の磁石を並び方向の両側より支持する端部支持部と、前記磁極面どうしの反発力を超える応力で圧縮された状態で前記端部支持部と前記磁石とに挟持されて、前記反発力に抗して前記複数の磁石を隙間なく連設させる緩衝材と、を含む振動体と、前記振動体の周囲に配置されたコイルと、を備え、前記振動体を前記コイルに対して相対移動させることで起電力を得るものである。
【０００８】
なお、本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、機械的強度が高く耐久性に優れる振動発電機が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態の振動発電機を振動軸に沿って切った縦断面図である。
【図２】振動体を振動軸に沿って切った縦断面図である。
【図３】磁石が形成する磁束を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）は、２個の磁石のＮ極どうしが所定の間隔で離間して配置された状態を示す模式図および軸直交方向の磁束密度を示すグラフである。図４（ｂ）は、２個の磁石の間隔を同図（ａ）よりも狭めた状態を示す模式図および軸直交方向の磁束密度を示すグラフである。
【図５】磁石どうしに作用する反発力を示す模式図である。
【図６】第一磁石および第二磁石が芯部に対して偏心して装着された状態を示す縦断面図である。
【図７】図７（ａ）は、変形例にかかる振動体を振動軸に沿って切った縦断面図である。図７（ｂ）は、かかる振動体を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１２】
図１は本発明の実施形態にかかる振動発電機１００を振動軸に沿って切った縦断面図である。振動軸の方向は、同図の左右方向である。また、図２は振動体１０を振動軸に沿って切った縦断面図である。
【００１３】
はじめに、本実施形態の振動発電機１００の概要について説明する。
振動発電機１００は、複数の磁石２０（２０ａ〜２０ｄ）、端部支持部１２、１３および緩衝材１６を含む振動体１０と、この振動体１０の周囲に配置されたコイル４０と、を備え、振動体１０をコイル４０に対して相対移動させることで起電力を得るための装置である。
磁石２０は、同極の磁極面（Ｎ極、Ｓ極）どうしを互いに対向させた状態で並べて配置されている。端部支持部１２、１３は、これらの複数の磁石２０を並び方向の両側より支持する。緩衝材１６は、磁極面どうしの反発力を超える応力で圧縮された状態で端部支持部１２、１３の少なくとも一方（本実施形態では端部支持部１２）と磁石２０とに挟持されて、この反発力に抗して複数の磁石２０を隙間なく連設させる。
【００１４】
次に、本実施形態の振動発電機１００について詳細に説明する。
磁石２０は、１個または２個以上（本実施形態では２個）の第一磁石２０ａ、２０ｂと、これらの第一磁石２０ａ、２０ｂよりも磁力が弱く振動体１０の端部側に配置された第二磁石２０ｃ、２０ｄと、を少なくとも含む。第二磁石は振動体１０の両端にそれぞれ配置されていてもよく、または一端にのみ配置されていてもよい。すなわち、振動体１０は２個の第二磁石を備えてもよく、１個のみの第二磁石を備えてもよい。本実施形態では、振動体１０の両端にそれぞれ１個、合計２個の第二磁石２０ｃ、２０ｄが配置されている態様を例示する。
そして、本実施形態の振動体１０において、端部支持部１２、１３はこれら複数の磁石２０の両側を内向きに押圧して磁極面どうしの反発力に抗してこれらの磁石２０を隙間なく連設させる。かかる押圧力により、緩衝材１６は圧縮された状態で端部支持部１２と磁石２０（具体的には第二磁石２０ｃ）との間に挟まれている。
【００１５】
図１に示すように、中空のパイプ３０の内部には、パイプ３０の軸心に沿って往復揺動（振動）する振動体１０が収容されている。パイプ３０の周囲にはコイル４０が巻回されている。パイプ３０は樹脂などの絶縁性で非磁性の材料からなる。パイプ３０の両端には、コイル４０の弛み止めのための大径の鍔部３１がそれぞれ設けられている。また、パイプ３０の軸方向の中間部（本実施形態では２箇所）には、隣接するコイル４０どうしを隔てる仕切板３５が径方向に突出して形成されている。パイプ３０、鍔部３１および仕切板３５は、複数の部材を互いに組み合わせて構成してもよく、または同一材料により一体成形してもよい。
【００１６】
コイル４０はソレノイドコイルである。本実施形態の振動発電機１００は、複数のコイル４０が直列接続されている。隣り合うコイル４０どうしは逆極性であり巻線方向が互いに逆である。隣接するコイル４０の終端どうしの軸方向距離にあたるコイルピッチＬｃは、第一磁石２０ａ、２０ｂ（図２を参照）の軸方向長さとほぼ同等である。パイプ３０の両端の鍔部３１には絡げ端子３２がそれぞれ形成されており、コイル４０のワイヤの巻端４２が個別に絡げられている。巻端４２が絡げられた絡げ端子３２は樹脂製の端子カバー３３に包埋されて巻端４２の断線が防止されている。端子カバー３３は、絡げ端子３２の端子長と略同等の厚みを有するリング形状をなしている。
【００１７】
パイプ３０は、円筒状の筐体６０に収容されている。筐体６０は、たとえば単三型などの規格化された乾電池と同径および同長さである。筐体６０の両端には金属製の端子５０、５２が配置されている。端子５０はマイナス極にあたり、平坦な円盤状である。端子５２はプラス極にあたり、乾電池と同様に突起部が形成された円盤状をなしている。端子５０、５２のいずれか一方または両方は、筐体６０と絶縁されている。筐体６０が金属などの導電性材料からなる場合、図１に示すように端子５０、５２と筐体６０との間に樹脂シート４６などの絶縁性スペーサを介挿して、端子５０、５２と筐体６０とを絶縁するとよい。なお、筐体６０が絶縁性材料からなる場合には、かかる樹脂シート４６は不要である。
【００１８】
一対の絡げ端子３２は、それぞれ導電スペーサ４４を介して端子５０、５２に個別に接続されている。導電スペーサ４４はリング形状をなしており、その中空部には衝撃吸収用の端部材３４が配置されている。端部材３４は、振動体１０の振動軸の両端に配置されている。また、本実施形態に代えて、一対の絡げ端子３２は、導電スペーサ４４を介して端子５０、５２に接続せず、筐体６０と絶縁された状態で、２線のワイヤにそれぞれ接続され、筐体６０の外部に取り出されるように形成されてもよい。
【００１９】
振動体１０の磁石２０の外径はパイプ３０の内径よりも僅かに小さい。ユーザは振動発電機１００の筐体６０を把持して、これを軸方向に揺動させる。これにより、振動体１０はパイプ３０および端子カバー３３の中空の軸心の内部で振動する。コイル４０が巻回されたパイプ３０の内部で振動体１０を振動させることで、コイル４０には誘導起電力が生じ、端子５０、５２の間には電位差が生じる。したがって、端子５０、５２に接続されたコンデンサなどの外部回路（図示せず）に電流を取りだすことができる。
【００２０】
本実施形態の振動発電機１００は乾電池の形状および寸法を有しており、乾電池に代替して使用することができる。特に、リモコンなど間欠的に使用される電子機器に好適に用いられる。使用時間よりも待機時間の方が長い電子機器の場合、待機電力による乾電池の消耗の無駄が顕著であるところ、本実施形態の振動発電機１００のように使用時にユーザが振動させて発電する方式とすることで、待機電力の無駄を省くことができる。
【００２１】
リング形状の端子カバー３３の内径は、パイプ３０の内径と同径であるか、またはパイプ３０の内径よりも大径であることが好ましい。筐体６０の中央から端部側に進行する振動体１０における先端側に位置する第二磁石２０ｃまたは２０ｄが、端子カバー３３と衝突することを避けるためである。本実施形態の場合、図１に示すように、端子カバー３３の内径はパイプ３０の内径よりも大きく、鍔部３１と端子カバー３３との間には段差３６が存在している。
【００２２】
図２を用いて本実施形態の振動体１０をより詳細に説明する。
振動体１０は複数個の磁石を備えている。本実施形態の振動体１０は、２個の第一磁石および２個の第二磁石の合計４個の磁石を備えている。ただし、磁石の個数はこれに限定されない。第一磁石２０ａ、２０ｂおよび第二磁石２０ｃ、２０ｄは、ともに永久磁石である。磁力の強さからネオジム磁石が好適に用いられる。
【００２３】
第一磁石２０ａ、２０ｂは振動体１０の中間部に配置され、一対の第二磁石２０ｃ、２０ｄが振動体１０の両端にそれぞれ配置されている。第二磁石２０ｃ、２０ｄは第一磁石２０ａ、２０ｂよりも肉厚が小さい。第一磁石２０ａのＮ極の磁極面２１Ｎは、隣接する第一磁石２０ｂのＮ極の磁極面２２Ｎと接している。第一磁石２０ａのＳ極の磁極面２１Ｓは、第一磁石２０ｂと反対側に隣接する第二磁石２０ｃのＳ極の磁極面２３Ｓと接している。そして、第一磁石２０ｂのＳ極の磁極面２２Ｓは、第一磁石２０ａと反対側に隣接する第二磁石２０ｄのＳ極の磁極面２４Ｓと接している。
【００２４】
磁石２０（２０ａ〜２０ｄ）および緩衝材１６には貫通孔２６（２６ａ〜２６ｅ）がそれぞれ形成されている。振動体１０は、貫通孔２６に挿通されて端部支持部１２が両端に形成された芯部１８をさらに含んでいる。
【００２５】
芯部１８は円筒状の非磁性の金属材料からなる。具体的にはアルミニウム、銅、真鍮などが好適に用いられる。本実施形態の芯部１８の両端部には、かしめ加工により貫通孔２６よりも大径に形成された端部支持部１２、１３がそれぞれ設けられている。端部支持部１２、１３は、芯部１８の両端部を９０度折り曲げてフランジ状に潰し、そのフランジ面が磁石２０の端面を抑えるように形成されている。
【００２６】
緩衝材１６は、ゴムなどの粘弾性樹脂材料やバネなどの弾性素子からなる。緩衝材１６の形状は特に限定されないが、リング状または円盤（ディスク）状などとすることができる。本実施形態では貫通孔２６ｅが中心に穿設されたリング状の緩衝材１６（Ｏリング部材）を例示する。このようなＯリング部材については、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ウレタンゴム（Ｕ）などの材質が用いられる。特に、高い耐磨耗性と力学強度をもつニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）またはウレタンゴム（Ｕ）が望ましい。
【００２７】
振動体１０においては、第一磁石２０ａ、２０ｂの両側に、これらの第一磁石よりも磁力が弱い第二磁石２０ｃ、２０ｄが配置されている。これにより、端部支持部１２、１３のフランジ面から軸方向の外側へ放射される磁束が低減される。このため、往復揺動する振動体１０が筐体６０の両端に近接したときにも、第二磁石２０ｃ、２０ｄが端子５０、５２に吸着してしまうことがない。かかる原理を、図３を用いて説明する。図３は磁石２０が形成する磁束を示す模式図である。図３では、説明のため、磁石２０どうしを離間させて図示している。
【００２８】
第一磁石２０ａ、２０ｂのＮ極の磁極面２１Ｎ、２２Ｎからそれぞれ放射された磁束により、軸直交方向の磁束が励起される。同様に、第一磁石２０ａのＮ極の磁極面２１ＮからＳ極の磁極面２１Ｓに向かう磁束と、第二磁石２０ｃのＮ極の磁極面２３ＮからＳ極の磁極面２３Ｓに向かう磁束により軸直交方向の磁束が励起される。一方、第一磁石２０ａよりも磁力が弱い第二磁石２０ｃのＮ極の磁極面２３Ｎから面直方向に放射された磁束φ1の軸方向への広がりは、磁力が強い第一磁石２０ａのＳ極の磁極面２１Ｓに面直に入射する磁束φ2と互いに反発しあうことにより抑制される。第二磁石２０ｄと第一磁石２０ｂとの関係も同様である。
【００２９】
このため、振動体１０の両端に配置された第二磁石２０ｃ、２０ｄから振動軸方向の外側に向かう磁束の大きさは大幅に低下する。よって、金属製の端子５０、５２に対して第二磁石２０ｃ、２０ｄが吸着することがなく、振動体１０の振動が阻害されることがない。
【００３０】
第二磁石２０ｃ、２０ｄは第一磁石２０ａ、２０ｂよりも磁力が弱い。本実施形態の第二磁石２０ｃ、２０ｄは、第一磁石２０ａ、２０ｂと同種のネオジム磁石からなり、第一磁石２０ａ、２０ｂよりも厚みが小さい。このほか、第一磁石２０ａ、２０ｂを磁力の強いネオジム磁石とし、第二磁石２０ｃ、２０ｄを磁力の弱いフェライト磁石としてもよい。ネオジム磁石、フェライト磁石とも脆性を有し、耐衝撃性が低い。このため、振動体１０が振動して筐体６０の端部に衝突すると、特に本実施形態のように薄い第二磁石２０ｃ、２０ｄの場合には破損するおそれがある。そこで本実施形態の振動発電機１００においては、筐体６０の端部に柔軟な端部材３４を配置して振動体１０の衝突衝撃を吸収している。また、振動体１０の内部においては、磁石２０どうしを隙間なく配置して磁石間の衝撃を防止し、さらに端部支持部１２と磁石２０（第二磁石２０ｃ）との間に緩衝材１６を挟み込んで磁石２０に負荷される衝撃を吸収している。
【００３１】
ここで、隣接する磁石２０の磁極面どうしを密着させることで軸直交方向の磁場勾配が励起されて高い誘導起電力が得られることについて説明する。
図４（ａ）、（ｂ）は、同極の磁極面どうしを対向させた磁石における磁力線を示す模式図と、軸直交方向の磁束密度Ｂを示すグラフである。磁束密度Ｂの空間分布は磁場勾配の大きさに相当する。図４（ａ）は２個の磁石２０ａと２０ｂのＮ極どうしが所定の間隔で離間して配置された状態を示しており、図４（ｂ）は磁石２０ａと２０ｂの間隔を同図（ａ）よりも狭めた状態を示している。これらの図において、磁石２０ａと２０ｂの磁極面（Ｎ極）から垂直内向きに放射された磁束は、軸直交方向に曲げられる。このため、単体の磁石を用いる場合に比べて、同極の磁極面どうしを内向きに対向させることで軸直交方向の磁場勾配が励起される。このため、コイルの内側でかかる磁石を振動させた場合には、励起された磁場勾配によって高い誘導起電力が得られる。そして図４（ｂ）に示すように、磁石２０ａと２０ｂの磁極面の距離を近づけることで磁場勾配の励起が顕著となる。
【００３２】
逆にいうと、磁石２０ａ、２０ｂの間に微細の隙間ができると、軸直交方向の磁束密度の空間分布がブロードになって誘導起電力が低下するという問題が生じる。このため、図２に示す本実施形態の振動体１０においては、磁石２０の磁極面どうしを直接に当接させて、軸直交方向の磁場勾配を励起させている。なお、ここでいう磁石２０の磁極面とは磁石の素地面またはコーティング面を意味している。コーティングの例としては、磁石２０の防錆のためのメッキ処理が挙げられる。そして、磁石２０の磁極面どうしが直接に当接しているとは、スペーサなど磁石以外の部材を介挿することなく磁極面（コーティング面）どうしが接触している状態をいう。
【００３３】
隣接する磁石２０は、同極の磁極面どうしを互いに対向させて連設されている。したがって、磁石２０どうしには反発力が作用する。図５は、磁石２０どうしに作用する反発力を示す模式図である。説明のため、端部支持部１２、１３、緩衝材１６および磁石２０は互いに離間させて図示してあるが、本実施形態の振動体１０において、磁極面どうしは直接に接している。緩衝材１６は、隣接する磁極面どうしの最大反発力よりも高い応力で圧縮されている。
【００３４】
図５に示されるように、第一磁石２０ａ、２０ｂにおいては、それぞれの左右から受ける力Ｆ12およびＦ43の大きさが同じで、方向が正反対であるので、第一磁石２０ａ、２０ｂは相対的に静止状態になる。同じように、第二磁石２０ｃにおいても、第一磁石２０ａから受ける力Ｆ21（第一磁石２０ａから受ける磁気反発力と、圧接力に対する反力との和）が、緩衝材１６の復位力Ｆrと釣り合っている。したがって、圧縮された緩衝材１６の復位力が磁石２０間の最大反発力より大きければ、同極対向する複数の磁石２０は隙間なく緊密的に接触して所定の圧接力で互いに圧接される。本実施形態では第一磁石２０ａ、２０ｂの磁力が第二磁石２０ｃ、２０ｄの磁力よりも強いことから、最大反発力は第一磁石２０ａ、２０ｂどうしの間、すなわち磁極面２１Ｎ、２２Ｎの間で生じる。そして、緩衝材１６の復位力はこの最大反発力よりも大きく、磁石２０（第一磁石２０ａ、２０ｂおよび第二磁石２０ｃ、２０ｄ）を隙間なく緊密的に接触させる。ここで、磁極面どうしの最大反発力を超える応力で緩衝材１６が圧縮されているとは、緩衝材１６が端部支持部１２から受ける圧縮応力が、磁石２０の最大反発力を磁石２０と緩衝材１６との接触面積で除した値よりも大きいことをいう。
【００３５】
緩衝材１６の復位力Ｆrは、磁石２０どうしの最大反発力の１．１倍以上、かつ、この最大反発力の２倍以下が好ましい。これにより、隣接する磁石２０どうしは最大反発力の０．１倍から１倍の圧接力で互いに密着しているため、振動体１０がコイル４０を通過する際に磁石２０どうしが離間することがない。また、上記範囲とすることで、磁石２０に負荷される圧接力が過大にならず、磁石２０の圧潰が抑えられる。具体的には、磁石２０の最大反発力を２ｋｇｆとした場合、緩衝材１６の復位力Ｆrが３ｋｇｆ程度となるように、芯部１８のかしめ加工を行って端部支持部１２、１３を形成するとよい。
【００３６】
図２に戻り、端部支持部１２と磁石２０とで圧縮された状態の緩衝材１６の貫通孔２６ｅの穴径は、端部支持部１２の外径よりも小さい。このため、緩衝材１６（Ｏリング）が端部支持部１２から離脱することがない。
【００３７】
端部支持部１２と１３のフランジ径の大小は任意であり、互いに同じフランジ径でもよい。本実施形態の場合、振動体１０の両側に設けられた端部支持部１２、１３は、互いに外径が異なるフランジ状に形成されている。そして、フランジ径がより大径の端部支持部１２と磁石２０との間に緩衝材１６が配置されている。これにより、緩衝材１６を介して端部支持部１２、１３から磁石２０に押圧力が良好に伝達される。
【００３８】
振動体１０を製造するための工程について簡単に説明する。まず、磁石２０間の最大反発力にあたる、第一磁石２０ａ、２０ｂどうしの反発力を測定する。一般に、この反発力は磁石の体積に比例するので、磁石の径が一定の場合、長い磁石（第一磁石）ほど、互いの反発力が高くなる。次に、上記の芯部１８の片側の端部を潰して端部支持部１２を形成し、緩衝材１６（Ｏリング）を芯部１８に装着する。次に、第二磁石２０ｃ、第一磁石２０ａ、２０ｂ、第二磁石２０ｄの順に芯部１８に装着したうえで、芯部１８の他方側の端部をかしめ加工してフランジ状の端部支持部１３を形成する。端部支持部１３のかしめ長さ（フランジ径）を増すことで芯部１８の軸長が短くなり、磁石２０が圧接される。そして、緩衝材１６（Ｏリング）を圧縮する圧力が、上記磁石間の最大反発力よりも大きくなるように設定された所定のフランジ径で端部支持部１３を形成する。これにより、緩衝材１６が圧縮された状態で磁石２０どうしが緊密に密着する。なお、端部支持部１３と第二磁石２０ｄとの間にも第二の緩衝材を装着してもよい。
【００３９】
本実施形態の第一磁石２０ａ、２０ｂおよび第二磁石２０ｃ、２０ｄは円環状であり、第二磁石２０ｃ、２０ｄの外径は、第一磁石２０ａ、２０ｂの外径よりも小さく形成されている。また、端部支持部１２、１３の外径は、第一磁石２０ａ、２０ｂの外径よりも小さく、さらに第二磁石２０ｃ、２０ｄの外径よりも小さい。これにより、パイプ３０の内部で振動体１０が振動する際に、第二磁石２０ｃ、２０ｄよりも肉厚で機械強度が高い第一磁石２０ａ、２０ｂがパイプ３０の内周面に接することになる。このため、振動体１０における脆弱部にあたる第二磁石２０ｃ、２０ｄの損耗が抑制されて振動体１０の耐久性が良好となる。
【００４０】
さらに、磁石２０の貫通孔２６の内周面と芯部１８の外周面との間に間隙（クリアランス）があることで、磁石２０に芯部１８を挿通する際に磁石２０の損耗がなく良好である。この場合において、第二磁石２０ｃ、２０ｄの軸心位置と第一磁石２０ａ、２０ｂの軸心位置とが互いにずれることが考えられる。
【００４１】
図６は、第一磁石２０ａ、２０ｂおよび第二磁石２０ｃが芯部１８に対して偏心して装着された状態を示す縦断面図である。第二磁石２０ｃは同図の下方に偏心し、第一磁石２０ａ、２０ｂは同図の上方に偏心して芯部１８に装着されている。ただし、かかる状態においても、本実施形態の第二磁石２０ｃの外周面２５ｃは、第一磁石２０ａ、２０ｂの外周面２５ａ、２５ｂの外側に突出しない。これにより、磁石２０がたとえ偏心して芯部１８に装着されたとしても、パイプ３０の内部で振動体１０が振動する際に、第二磁石２０ｃの外周面２５ｃがパイプ３０の内周面と接触することが防止される。すなわち、本実施形態の振動体１０においては、円環状の第二磁石２０ｃの環幅と、貫通孔２６ｃと芯部１８とのクリアランスと、の合計が、第一磁石２０ａ、２０ｂの環幅を超えないことが好ましい。第二磁石２０ｄの外周面２５ｄに関しても同様である。
【００４２】
また、図１に示したように端子カバー３３と鍔部３１との間に段差３６が存在する場合にも、本実施形態のように第二磁石２０ｃ、２０ｄの外周面２５ｃ、２５ｄが第一磁石２０ａ、２０ｂの外周面２５ａ、２５ｂから径方向の外側に突出しないことにより、第二磁石２０ｃ、２０ｄが段差３６に衝突することがない。これにより、第二磁石２０ｃ、２０ｄの損耗が抑制されて振動体１０の耐久性が良好となる。
【００４３】
なお本実施形態については種々の変形を許容する。
上記実施形態では、複数の磁石に貫通孔をそれぞれ設けて芯部をこれらに挿通することで磁石どうしを連設した。かかる態様に代えて、金属パイプに磁石を内包する形式としてもよい。
【００４４】
図７（ａ）は、本実施形態の変形例にかかる振動体１０を振動軸に沿って切った縦断面図である。図７（ｂ）は、かかる振動体１０を模式的に示す斜視図である。
【００４５】
本変形例の振動体１０は、非磁性材料からなる金属パイプ２７に磁石２０が収容され、この金属パイプ２７の両端に端部支持部１２、１３がそれぞれ形成されているとともに、緩衝材１６が配置された側の端部支持部１２には、緩衝材１６の一部を露出させる開口窓２９が形成されている。
【００４６】
以下、より詳細に説明する。本変形例の振動体１０は、非磁性金属材料からなる金属パイプ２７の内部に、同極の磁極面どうしを互いに対向させて圧接した複数の磁石２０（第一磁石２０ａ、２０ｂおよび第二磁石２０ｃ、２０ｄ）が内包されている。金属パイプ２７は一端が開口した有底円筒状をなしている。底面は端部支持部１３にあたる。開口端は、磁石２０および緩衝材１６を内包した状態で所定の押圧力で潰されて端部支持部１２となっている。緩衝材１６は、端部支持部１２と磁石２０（第二磁石２０ｃ）との間に介挿されてもよく、端部支持部１３と磁石２０（第二磁石２０ｄ）との間に介挿されてもよく、または両者に介挿されてもよい。緩衝材１６は外部応力無負荷の自然状態に対して、所定の厚みに圧縮されて金属パイプ２７に収容されている。
【００４７】
本変形例の端部支持部１２は複数個（本実施形態では４個）の折曲片２８からなる。折曲片２８は、金属パイプ２７の周面に切れ込みを入れて、これを軸心に向かって折り曲げたものである。端部支持部１２には、互いに突き合わされた折曲片２８の隙間に開口窓２９が形成されており、緩衝材１６の一部が露出している。金属パイプ２７の内部で圧縮されている緩衝材１６は、折曲片２８による押圧力が作用しない開口窓２９の内側で膨出して、膨出部１７が形成されている。かかる膨出部１７の存在を、開口窓２９を通じて目視確認することにより、磁石２０どうしが所定の押圧力で隙間なく圧接されていることが確認される。このため、本変形例のように、緩衝材１６が介挿されている側の端部支持部１２、１３に、緩衝材１６の一部を露出させる開口窓２９を形成することが好ましい。
【００４８】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される限りにおける種々の変形、改良等の態様も含む。
【００４９】
上記実施形態は以下の技術的思想を包含する。
（１）同極の磁極面どうしを互いに対向させた状態で並べて配置された複数の磁石と、
前記複数の磁石を並び方向の両側より支持する端部支持部と、
前記磁極面どうしの反発力を超える応力で圧縮された状態で前記端部支持部と前記磁石とに挟持されて、前記反発力に抗して前記複数の磁石を隙間なく連設させる緩衝材と、を含む振動体と、
前記振動体の周囲に配置されたコイルと、
を備え、前記振動体を前記コイルに対して相対移動させることで起電力を得る振動発電機；
（２）前記緩衝材が、隣接する前記磁極面どうしの最大反発力よりも高い応力で圧縮されており、前記磁極面どうしが直接に接している上記（１）項に記載の振動発電機；
（３）前記磁石および前記緩衝材に貫通孔がそれぞれ形成されており、前記振動体は、前記貫通孔に挿通されて前記端部支持部が両端に形成された芯部をさらに含むとともに、圧縮された状態の前記緩衝材の前記貫通孔の穴径が、前記端部支持部の外径よりも小さいことを特徴とする上記（２）項に記載の振動発電機；
（４）前記振動体の両側に設けられた前記端部支持部が、互いに外径が異なるフランジ状に形成されており、大径の前記端部支持部と前記磁石との間に前記緩衝材が配置されている上記（３）項に記載の振動発電機；
（５）非磁性材料からなる金属パイプに前記磁石が収容され、前記金属パイプの両端に前記端部支持部がそれぞれ形成されているとともに、前記緩衝材が配置された側の前記端部支持部には、前記緩衝材の一部を露出させる開口窓が形成されていることを特徴とする上記（１）項または（２）項に記載の振動発電機。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 振動体
１２、１３ 端部支持部
１６ 緩衝材
１７ 膨出部
１８ 芯部
２０ 磁石
２０ａ、２０ｂ 第一磁石
２０ｃ、２０ｄ 第二磁石
２１Ｎ〜２４Ｎ、２１Ｓ〜２４Ｓ 磁極面
２５ａ〜２５ｄ 外周面
２６ 貫通孔
２７ 金属パイプ
２８ 折曲片
２９ 開口窓
３０ パイプ
３１ 鍔部
３２ 絡げ端子
３３ 端子カバー
３４ 端部材
３５ 仕切板
３６ 段差
４０ コイル
４２ 巻端
４４ 導電スペーサ
４６ 樹脂シート
５０、５２ 端子
６０ 筐体
１００ 振動発電機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同極の磁極面どうしを互いに対向させた状態で並べて配置された複数の磁石と、
前記複数の磁石を並び方向の両側より支持する端部支持部と、
前記磁極面どうしの反発力を超える応力で圧縮された状態で前記端部支持部と前記磁石とに挟持されて、前記反発力に抗して前記複数の磁石を隙間なく連設させる緩衝材と、を含む振動体と、
前記振動体の周囲に配置されたコイルと、
を備え、前記振動体を前記コイルに対して相対移動させることで起電力を得る振動発電機。
【請求項２】
前記緩衝材が、隣接する前記磁極面どうしの最大反発力よりも高い応力で圧縮されており、前記磁極面どうしが直接に接している請求項１に記載の振動発電機。
【請求項３】
前記磁石および前記緩衝材に貫通孔がそれぞれ形成されており、
前記振動体は、前記貫通孔に挿通されて前記端部支持部が両端に形成された芯部をさらに含むとともに、
圧縮された状態の前記緩衝材の前記貫通孔の穴径が、前記端部支持部の外径よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の振動発電機。
【請求項１】
同極の磁極面どうしを互いに対向させた状態で並べて配置された複数の磁石と、
前記複数の磁石を並び方向の両側より支持する端部支持部と、
前記磁極面どうしの反発力を超える応力で圧縮された状態で前記端部支持部と前記磁石とに挟持されて、前記反発力に抗して前記複数の磁石を隙間なく連設させる緩衝材と、を含む振動体と、
前記振動体の周囲に配置されたコイルと、
を備え、前記振動体を前記コイルに対して相対移動させることで起電力を得る振動発電機。
【請求項２】
前記緩衝材が、隣接する前記磁極面どうしの最大反発力よりも高い応力で圧縮されており、前記磁極面どうしが直接に接している請求項１に記載の振動発電機。
【請求項３】
前記磁石および前記緩衝材に貫通孔がそれぞれ形成されており、
前記振動体は、前記貫通孔に挿通されて前記端部支持部が両端に形成された芯部をさらに含むとともに、
圧縮された状態の前記緩衝材の前記貫通孔の穴径が、前記端部支持部の外径よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の振動発電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２０００９３（Ｐ２０１２−２０００９３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６３１５４（Ｐ２０１１−６３１５４）
【出願日】平成２３年３月２２日（２０１１．３．２２）
【出願人】（０００１０７８０４）スミダコーポレーション株式会社 (285)
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２２日（２０１１．３．２２）
【出願人】（０００１０７８０４）スミダコーポレーション株式会社 (285)
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
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