振動発電機
【課題】振動周波数が低くても所望の発電性能を得られるような振動発電機を得ること。
【解決手段】振動発電機１は、同極が対向して配置される複数の磁石Ｍ１〜Ｍ１２を含み、所定の共振周波数によって振動する振動子１０と、重力方向に落下する振動子１０を支持すると共に、所定の共振周波数によって振動子１０を振動させるコイルバネ５と、振動子１０及びコイルバネ５が内部で振動する筒状の巻線ボビン８と、巻線ボビン８の外周に巻かれ、２以上に分けられるグループ内に直列接続されるコイルＣ１〜Ｃ１２と、コイルＣ１〜Ｃ１２の出力電圧をグループ毎に整流する複数の整流回路を備える。
【解決手段】振動発電機１は、同極が対向して配置される複数の磁石Ｍ１〜Ｍ１２を含み、所定の共振周波数によって振動する振動子１０と、重力方向に落下する振動子１０を支持すると共に、所定の共振周波数によって振動子１０を振動させるコイルバネ５と、振動子１０及びコイルバネ５が内部で振動する筒状の巻線ボビン８と、巻線ボビン８の外周に巻かれ、２以上に分けられるグループ内に直列接続されるコイルＣ１〜Ｃ１２と、コイルＣ１〜Ｃ１２の出力電圧をグループ毎に整流する複数の整流回路を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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磁石が振動子として振動することにより発電を行う振動発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機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次電池の容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。
【０００３】
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や発電機の研究開発も活発に行われている。その中で、従来は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、２次電池に充電し、この電気エネルギーを電子機器等の電源として利用することが検討されてきた。このような発電機の一例として、外部から加わる振動のエネルギーを電気エネルギーに変換して、２次電池に充電する振動発電機の構成が工夫されるようになっている。
【０００４】
特許文献１には、同極対向の磁石からなる振動子と、この振動子を収容するパイプと、このパイプの外周に巻かれたコイルとを備える振動発電機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９６１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来、ＧＰＳ情報を利用して、自機の位置情報等を海上から発信する海洋ブイと呼ばれる観測装置があった。この観測装置は、海上に浮かべて使用するものであり、電池を備えることによって、観測装置の各種の部品を動作させている。しかし、この観測装置は一般に遠洋に浮かべられるため、メンテナンスが容易でない。そこで観測装置に大容量の電池を積み込むことによって、できるだけメンテナンスフリーとすることが望まれていた。
【０００７】
また、海の波を利用して発電できるように、特許文献１に開示されている振動発電機を海洋ブイに入れておくことが検討された。しかし、観測装置に従来の振動発電機を入れると、下記の（１）、（２）に示す場合に発電効率が下がることが判明した。
【０００８】
（１）観測装置の大きさは限られており、装置内に様々な機器が設置されるため、導電ワイヤが所定のターン数で巻回された巻線を設置可能なスペースが制限されている。このため、全てのコイルを直列に接続すると、ＤＣＲ（直流抵抗）が高くなり、コイルから得られる電力の発電効率が下がる。一方、ＤＣＲを下げるために、導電ワイヤの直径を大きくすると、巻線のターン数が少なくなるので、発電効率が下がって出力が下がってしまう。
【０００９】
（２）波の振動による周波数は人間の運動より１桁低く、例えば、１Ｈｚ以下でしかない。このように低い共振周波数の帯域において、従来の振動発電機の構造では振動子の移動速度が遅くなるので、振動発電機の出力電圧が低下し、発電電力量が少なくなる。
【００１０】
ここで、共振周波数ｆｒは、以下の式（１）で与えられる。この式は、質量Ｍのおもりをバネ定数ｋのコイルバネにつるして構成した共振系の共振周波数ｆｒを表すものである。
【００１１】
【数１】
【００１２】
例えば、従来の振動発電機では、振動子の共振周波数が数Ｈｚ以上であった。このため、発電に利用可能となる振動とは、モーターの振動や自転車・車の振動、または人の歩行による振動であった。このため、周波数が１Ｈｚ以下の波しかない海上に浮かべる観測装置に従来の振動発電機を用いると、所望の発電性能が得られなかった。
【００１３】
このため、上述したように振動発電機のコイル数を増やすと出力電圧が上がるため、振動発電機の発電性能が上がり、振動発電機の発電電力量を増やせると考えられる。しかし、実際にはコイルのＤＣＲも上がるため、コイルの電圧降下が大きくなってしまい、発電性能はさほど上がらない。また、巻き線の線径を太くしてＤＣＲを抑えようとすると、コイル自体が巨大化するため、観測装置に取付けることが困難となる。
【００１４】
本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、振動周波数が低くても所望の発電性能を得られるような振動発電機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の振動発電機は、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振動子を支持すると共に、所定の共振周波数によって振動子を振動させる第１の弾性部と、この振動子及び第１の弾性部が内部で振動する筒状の巻線ボビンと、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、グループ内で直列接続される複数のコイルと、コイルの出力電圧をグループ毎に整流する複数の整流回路と、を備えるものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、２以上のグループ毎に分けられ、グループ内で直列接続される複数のコイルを備えることにより、グループ毎にコイルが発電した発電電圧を出力することができる。このため、コイルの直流抵抗を抑えながら、発電電圧を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る振動発電機の構成例を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る振動発電機が備えるコイルと振動子の配置例を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るコイルと負荷の接続例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るパイプの内部を振動子が変位する様子を示す説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る振動発電機が波によって振動する際の出力電圧の電圧波形の例を示す説明図である。
【図６】従来のコイルの接続例を示すブロック図である。
【図７】振動周波数が約４Ｈｚである場合に、従来の振動発電機から出力される電圧波形の例を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るコイルの接続例を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係るコイルの接続例を示すブロック図である。
【図１０】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説明図である。
【図１１】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１２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説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係るコイルの接続例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜１．第１の実施の形態＞
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。
【００１９】
図１は、振動発電機１の構造を示す断面図である。
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。
【００２０】
外装ケース３は、振動子１０を内部に収容する筒状の収容部として用いられる。外装ケース３の内部には、振動子１０及びコイルバネ５が内部で振動する筒状の巻線ボビン８が設置される。巻線ボビン８には、
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。
【００２１】
なお、外装ケース３は、防水だけでなく、下記の支持部４、コイルバネ５、端部バネ６ａ，６ｂと振動子１０を収容する容器や、または支持部４、コイルバネ５及び端部バネ６ａ，６ｂの取り付け土台として様々な機能を有する。しかし、海洋ブイの内部において、防水性が優れ、その両端に支持部４、コイルバネ５及び端部バネ６ａ，６ｂが取付けられる場所を備える収容部があれば、外装ケース３はなくてもよい。外装ケース３と巻線ボビン８の材質としては絶縁性の材料であることが必要で、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。
【００２２】
外装ケース３の両端には、振動子１０が外装ケース３の外部に飛び出すことを防ぐために蓋部７ａ，７ｂが取付けられる。蓋部７ａ，７ｂの中心には第２の弾性部として用いられる端部バネ６ａ，６ｂをそれぞれ支持する突起が形成されている。端部バネ６ａ，６ｂは圧縮バネであり、外装ケース３の両端の内部に配置されると共に、コイルバネ５の外径より大きい内径を有する。そして、コイルバネ５の一端が端部バネ６ａの芯部を通して、外装ケース３の一端に接続され、コイルバネ５の他端が振動子１０に接続される。
【００２３】
このため、端部バネ６ａ，６ｂは、振動子１０が外装ケース３のいずれかの端部に近づきすぎた際には、振動子１０を押し返す機能を有する。蓋部７ａ，７ｂに形成される突起と端部バネ６ａ，６ｂの直径はほぼ等しくしてあるため、端部バネ６ａ，６ｂは突起に確実に固定される。また、振動発電機１に長時間の振動が加わっても端部バネ６ａ，６ｂが突起から脱落しない。
【００２４】
振動子１０は、同極が互いに対向して配置される複数のリング状の磁石Ｍ１〜Ｍ１２が、互いに逆の極性で隣り合ったまま固定されており、振動子１０の外周面は、巻線ボビン８の内周面に対して摺動するように形成されている。また、振動子１０を構成する磁石Ｍ１〜Ｍ１２については、支持部４を挿通可能とするための貫通孔が形成されている。このため、磁石Ｍ１〜Ｍ１２に形成された孔の直径は支持部４の直径よりもわずかに大きい。また、圧縮型のコイルバネ５の内径は、振動子１０の貫通孔の直径より大きい。このため、振動子１０と巻線ボビン８及び支持部４との摩擦が小さくなり、振動子１０の摺動性が向上するという利点がある。
【００２５】
隣り合う複数のコイルＣ１〜Ｃ１２を形成する導線ワイヤの巻方向は、正・逆・正・逆…と互い違いにしてある。また、導線ワイヤの巻方向は、隣り合うグループ毎に互いに逆である。さらに、コイルＣ１〜Ｃ１２は、２以上のグループ毎に分けられ、グループ内で２以上のコイルが直列接続される。
【００２６】
外装ケース３の内部には、長さ方向に着磁された複数の磁石Ｍ１〜Ｍ１２が連結された振動子１０が挿入されており、振動発電機１に外部から振動が加わると、コイルバネ５の作用により振動子１０が上下に振動する。図中に示す磁石Ｍ１〜Ｍ１２の上下方向の矢印は、それぞれ長さ方向に着磁された磁石の磁界の向きを示す。
【００２７】
コイルバネ５は、重力方向に落下する振動子１０を支持すると共に、所定の共振周波数によって振動子１０を振動させるものである。そして、コイルバネ５は、振動子１０、並びに第１及び第２の弾性部の芯軸に挿通される支持部４によって支持される。そして、コイルバネ５は、振動子１０が移動可能となる外装ケース３内の全ての位置で、コイルバネ５の自然長に対して常に圧縮状態とされる。このため、振動子１０は、コイルバネ５によって、発電コイル２の巻軸方向に振動するように支持され、外装ケース３の内部を上下に移動することが可能である。
【００２８】
また、コイルバネ５に圧縮バネを使用する場合、振動子１０が外装ケース３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、圧縮バネと振動子１０、圧縮バネと外装ケース３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。また、コイルバネ５は、自然長の状態で約８０ｃｍの長さとしてあり、外装ケース３内に設置され、上部から振動子１０が挿入されると、約２０ｃｍの長さに縮む。そして、外部の振動を受けて、コイルバネ５が伸縮することに伴い、振動子１０が上下に振動するようにしている。
【００２９】
振動発電機１の組立ては、外装ケース３の一方の端部に蓋部７ａがはめ込まれた後に、外装ケース３の内部に、コイルバネ５、振動子１０、巻線ボビン８を順番に挿入し、最後に、蓋部７ｂで外装ケース３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発電機１の組立てが完了するため、組立てが極めて容易である。
【００３０】
図２は、振動発電機１が備えるコイルＣ１〜Ｃ１２と磁石Ｍ１〜Ｍ４の配置例を示す。
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。
【００３１】
このように、同極が対向する複数の磁石を含む振動子１０を用い、隣り合う磁石間の磁石ピッチとほぼ同等の厚さとしてコイルを、隣り合うコイルが互いに巻き方向が逆になるように配置する。そして、コイルの中芯部分を振動子が往復運動することにより振動発電機１の発電出力を高めることができる。
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。
【００３２】
図３は、振動発電機１の内部構成例を示すブロック図である。
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。
【００３３】
そこで本実施の形態に係る振動発電機１では、隣り合う複数のコイルを複数のグループに分け、それぞれのグループに含まれるコイルの両端から発電出力を取り出し、その後、複数のグループの発電出力を合成するようにしている。これにより、直流抵抗を増大させることなくコイル数を増やすことができ、効果的に全体の発電電力量を多くすることが可能となった。ただし、グループ毎の発電出力は、互いに干渉することを防ぐために、半導体素子で整流した後に合成することが必要である。
【００３４】
具体的には、コイルＣ１〜Ｃ１２を６個ずつに分割してコイルＣ１〜Ｃ６と、コイルＣ７〜Ｃ１２を含む２つのグループを形成する。そして、振動発電機１は、コイルの出力電圧をグループ毎に整流する整流回路１２−１，１２−２を備える。また、整流回路１２−１，１２−２は、それぞれ交流電圧が入力する交流入力部１１−１，１１−２と、交流電圧を整流した整流電圧を出力する整流出力部１３−１，１３−２を備える。
【００３５】
整流出力部１３−１，１３−２には、電波の発信機等からなる負荷１４が接続されている。そして、複数のコイルが直列接続されるグループ、及びグループ毎に設けられる複数の整流回路１２−１，１２−２が負荷１４に対して並列に配置される。整流出力部１３−１，１３−２が出力する整流電圧は負荷１４に入力すると負荷１４が動作し、位置情報等を電波に乗せて発信する。
【００３６】
上述したように、従来の振動発電機では、振動子がバネ等で懸架されており、外部から振動が加わることによって振動子が振動し、発電していた。このとき、従来の振動発電機に用いられる振動子の共振周波数と同じか、それ以上の周波数で振動子を正弦波振動させることによって、コイルに起電力を発生させて発電出力を得ていた。しかし、外部から加わる振動の周波数が振動子の共振周波数より低い場合、振動子はコイルを収納する筐体と同じ周波数で変位するため、コイルと振動子の相対的な移動がなく、発電を行うことができない。なお、ここで言う変位は、コイルと振動子の相対的な変位量を指す。
【００３７】
一方、振動発電機１の発電出力に伴う電圧は、コイルＣ１〜Ｃ１２の内部を移動する振動子１０の移動速度ｖｍａｇに比例する。ここで、次式（２）は、発電電圧Ｖを表し、次式（３）は、振動子１０の移動速度ｖｍａｇを表す。
【００３８】
【数２】
【００３９】
【数３】
【００４０】
式（２）に示すように、振動発電機１の発電電圧Ｖは、振動子１０内の磁石Ｍ１〜Ｍ１２から発生した磁束のコイルＣ１〜Ｃ１２内における時間微分に導線ワイヤの巻き回数を乗じた値に比例する。また、式（３）に示すように、磁束の時間微分は、磁石Ｍ１〜Ｍ１２を含む振動子１０の移動速度ｖｍａｇに比例する。即ち、振動周波数が低くなるに従って、振動子１０の移動速度ｖｍａｇが小さくなっており、完全な振動波形とするためには、振動子１０の振幅を長くする必要がある。しかし、振動子１０の振幅を長くするためには、振動子１０を収納する外装ケース３の全長を長くしなければならず、振動発電機１が大型化してしまう。
【００４１】
ここで、海洋ブイ等に代表される、波の振動を利用して発電を行う振動発電機１を観測装置に設置することを考える。一般に海の波の振動は、短周期重力波、重力波、長周期重力波、長周期波、表面張力波、潮汐波等があるが、定常的に観測され、かつ周波数が高い波の振動は０．５〜２Ｈｚ程度であることが知られている。従って、振動発電機１の振動子１０を振動させるために波を利用する場合には、バネ等で懸架された振動子１０及びコイルバネ５との共振周波数をおよそ１Ｈｚ以下、可能であれば０．５Ｈｚ程度にする必要がある。
【００４２】
このように従来に比べて低い共振周波数の外部振動を用いる振動子１０を備えた振動系では、振動子１０の振動の振幅が長くなり、振動発電機１（外装ケース３）の全長がきわめて大きくなるため、コスト、強度、重量等の点で、大きなデメリットとなる。そこで、振動子１０の振動を、正弦波ではなく、略矩形波とすることによって、振動子１０の移動速度を維持したまま、振動子１０の振幅を短くし、振動発電機１の全長を小さくすることが可能となることを見いだした。
【００４３】
具体的には、共振周波数を０．５Ｈｚに設計したコイルバネ５で懸架された振動子１０を作製し、これを制限された全長内で得られる振幅の端部に端部バネ６ａ，６ｂ等を配置する。これにより、端部バネ６ａ，６ｂが振動子１０の移動を制限する。こうして外部からの振動により、振動子１０は振幅内で擬似的に矩形波状の振動を行うこととなる。
【００４４】
このように振動子１０を、矩形波状に振動させることによって、振動発電機１を大型化することなく、コイルＣ１〜Ｃ１２内を移動する振動子１０が必要な移動速度を維持することができる。その結果、十分な発電出力が得られる振動発電機１を得られる。
【００４５】
図４は、外装ケース３の内部を振動子１０が変位する様子を示す。
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。
【００４６】
ここで、破線で示す正弦波振動の変位は、周期が２秒で相対変位が±１００ｃｍ程度となることが見込まれる。一方、実線で示す推定変位は、振動子１０が端部バネ６ａ，６ｂによって振動が制限されるため、周期が２秒で相対変位が±２５ｃｍ程度となることを見込める。そして、推定変位の１周期は約２秒であるため、振動子１０の振動周波数が約１Ｈｚであることが分かる。このため、推定変位の１周期を長くすることにより、振動子１０の振動周波数を１Ｈｚより小さくすることができる。
【００４７】
図５は、振動発電機１が波によって振動する際の出力電圧の電圧波形の例を示す。
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。
【００４８】
ここで、第１の実施の形態に係る振動発電機１の発電性能を比較するため、従来の振動発電機１００の構成及び出力電圧の波形を図６と図７を参照して説明する。以下の説明において、既に第１の実施の形態で説明した部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４９】
図６は、直列接続したコイルＣ１〜Ｃ１２から電力を取り出す例を示す。
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。
【００５０】
図７は、振動周波数が約４Ｈｚである場合に、従来の振動発電機１００から出力される交流電圧の電圧波形の例を示す。
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。
【００５１】
＜２．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。
【００５２】
振動発電機２０は、第１のグループとして、直列接続されたコイルＣ１〜Ｃ４、コイルＣ１，Ｃ４の端部に接続される交流入力部１１−１、交流入力部１１−１に入力する交流電圧を整流する整流回路１２−１、整流回路１２−１が整流した整流電圧を出力する整流出力部１３−１を備える。同様に、振動発電機２０は、第２のグループとして、コイルＣ５〜Ｃ８、交流入力部１１−２、整流回路１２−２、整流出力部１３−２を備え、第３のグループとして、コイルＣ９〜Ｃ１２、交流入力部１１−３、整流回路１２−３、整流出力部１３−３を備える。そして、整流出力部１３−１〜１３−３の両端部は、それぞれ負荷１４に接続される。
【００５３】
＜３．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。
【００５４】
振動発電機３０は、第１のグループとして、直列接続されたコイルＣ１〜Ｃ３、コイルＣ１〜Ｃ３の端部に接続される交流入力部１１−１、交流入力部１１−１に入力する交流電圧を整流する整流回路１２−１、整流回路１２−１が整流した整流電圧を出力する整流出力部１３−１を備える。同様に、振動発電機３０は、第２のグループとして、コイルＣ４〜Ｃ６、交流入力部１１−２、整流回路１２−２、整流出力部１３−２を備え、第３のグループとして、コイルＣ７〜Ｃ９、交流入力部１１−３、整流回路１２−３、整流出力部１３−３を備え、第４のグループとして、コイルＣ１０〜Ｃ１２、交流入力部１１−４、整流回路１２−４、整流出力部１３−４を備える。そして、整流出力部１３−１〜１３−４の両端部は、それぞれ負荷１４に接続される。
【００５５】
＜４．直流抵抗と発電電力量の比較例＞
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。
【００５６】
従来の振動発電機１００（図６を参照。）は、１２個のコイルＣ１〜Ｃ１２が直列に接続されるため、ＤＣＲが最高であり、発電電力量は最低である。
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。
【００５７】
図１１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１２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。
【００５８】
従来の振動発電機１００（図６を参照。）は、１２個のコイルＣ１〜Ｃ１２が直列に接続されるため、ＤＣＲが最高であり、発電電力量は最低である。
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。
【００５９】
なお、複数のコイルを分けたグループ数は、１個のコイル毎に整流回路を接続する場合を考慮すれば、総コイル数とすることも可能である。しかし、グループ数が増えると出力電圧が低下するため、負荷の要求電圧に応じて設計することが必要である。また、分割数と同じ数の整流回路が必要となりコストが掛かるため、その点でも最適設計が必要である。
【００６０】
同極が対向する磁石を備えた振動子を用い、複数の磁石ピッチとほぼ同等の厚さの巻き線コイルを、隣り合うコイルが互いに巻き方向が逆になるように配置し、コイルの中芯部分を振動子が往復運動することにより振動発電機の発電出力が改善する。
【００６１】
また、端部バネ６ａにより、外装ケース３の内部で振動子１０を振動させることにより、振動子１０のコイルＣ１〜Ｃ１２に対する相対振動が矩形波状の振動である。このため、振動子１０の共振周波数を１Ｈｚ以下とする振動発電機１とすることが可能となる。これにより、振動発電機１を海洋ブイ等に設置することができる。
【００６２】
なお、グループ毎のコイルの数は異ならせてもよい。
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。
【００６３】
なお、本発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りその他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００６４】
１…振動発電機、２…発電コイル、３…外装ケース、４…支持部、５…コイルバネ、６ａ…端部バネ、７ａ…蓋部、８…巻線ボビン、１０…振動子、１１−１，１１−２…交流入力部、１２−１，１２−２…整流回路、１３−１，１３−２…整流出力部、１４…負荷、１６ａ…第１の封止部材、１６ｂ…第２の封止部材、２０…振動発電機、３０…振動発電機
【技術分野】
【０００１】
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磁石が振動子として振動することにより発電を行う振動発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機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次電池の容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。
【０００３】
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や発電機の研究開発も活発に行われている。その中で、従来は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、２次電池に充電し、この電気エネルギーを電子機器等の電源として利用することが検討されてきた。このような発電機の一例として、外部から加わる振動のエネルギーを電気エネルギーに変換して、２次電池に充電する振動発電機の構成が工夫されるようになっている。
【０００４】
特許文献１には、同極対向の磁石からなる振動子と、この振動子を収容するパイプと、このパイプの外周に巻かれたコイルとを備える振動発電機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９６１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来、ＧＰＳ情報を利用して、自機の位置情報等を海上から発信する海洋ブイと呼ばれる観測装置があった。この観測装置は、海上に浮かべて使用するものであり、電池を備えることによって、観測装置の各種の部品を動作させている。しかし、この観測装置は一般に遠洋に浮かべられるため、メンテナンスが容易でない。そこで観測装置に大容量の電池を積み込むことによって、できるだけメンテナンスフリーとすることが望まれていた。
【０００７】
また、海の波を利用して発電できるように、特許文献１に開示されている振動発電機を海洋ブイに入れておくことが検討された。しかし、観測装置に従来の振動発電機を入れると、下記の（１）、（２）に示す場合に発電効率が下がることが判明した。
【０００８】
（１）観測装置の大きさは限られており、装置内に様々な機器が設置されるため、導電ワイヤが所定のターン数で巻回された巻線を設置可能なスペースが制限されている。このため、全てのコイルを直列に接続すると、ＤＣＲ（直流抵抗）が高くなり、コイルから得られる電力の発電効率が下がる。一方、ＤＣＲを下げるために、導電ワイヤの直径を大きくすると、巻線のターン数が少なくなるので、発電効率が下がって出力が下がってしまう。
【０００９】
（２）波の振動による周波数は人間の運動より１桁低く、例えば、１Ｈｚ以下でしかない。このように低い共振周波数の帯域において、従来の振動発電機の構造では振動子の移動速度が遅くなるので、振動発電機の出力電圧が低下し、発電電力量が少なくなる。
【００１０】
ここで、共振周波数ｆｒは、以下の式（１）で与えられる。この式は、質量Ｍのおもりをバネ定数ｋのコイルバネにつるして構成した共振系の共振周波数ｆｒを表すものである。
【００１１】
【数１】
【００１２】
例えば、従来の振動発電機では、振動子の共振周波数が数Ｈｚ以上であった。このため、発電に利用可能となる振動とは、モーターの振動や自転車・車の振動、または人の歩行による振動であった。このため、周波数が１Ｈｚ以下の波しかない海上に浮かべる観測装置に従来の振動発電機を用いると、所望の発電性能が得られなかった。
【００１３】
このため、上述したように振動発電機のコイル数を増やすと出力電圧が上がるため、振動発電機の発電性能が上がり、振動発電機の発電電力量を増やせると考えられる。しかし、実際にはコイルのＤＣＲも上がるため、コイルの電圧降下が大きくなってしまい、発電性能はさほど上がらない。また、巻き線の線径を太くしてＤＣＲを抑えようとすると、コイル自体が巨大化するため、観測装置に取付けることが困難となる。
【００１４】
本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、振動周波数が低くても所望の発電性能を得られるような振動発電機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の振動発電機は、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振動子を支持すると共に、所定の共振周波数によって振動子を振動させる第１の弾性部と、この振動子及び第１の弾性部が内部で振動する筒状の巻線ボビンと、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、グループ内で直列接続される複数のコイルと、コイルの出力電圧をグループ毎に整流する複数の整流回路と、を備えるものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、２以上のグループ毎に分けられ、グループ内で直列接続される複数のコイルを備えることにより、グループ毎にコイルが発電した発電電圧を出力することができる。このため、コイルの直流抵抗を抑えながら、発電電圧を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る振動発電機の構成例を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る振動発電機が備えるコイルと振動子の配置例を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るコイルと負荷の接続例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るパイプの内部を振動子が変位する様子を示す説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る振動発電機が波によって振動する際の出力電圧の電圧波形の例を示す説明図である。
【図６】従来のコイルの接続例を示すブロック図である。
【図７】振動周波数が約４Ｈｚである場合に、従来の振動発電機から出力される電圧波形の例を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るコイルの接続例を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係るコイルの接続例を示すブロック図である。
【図１０】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説明図である。
【図１１】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１２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説明図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係るコイルの接続例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜１．第１の実施の形態＞
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。
【００１９】
図１は、振動発電機１の構造を示す断面図である。
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。
【００２０】
外装ケース３は、振動子１０を内部に収容する筒状の収容部として用いられる。外装ケース３の内部には、振動子１０及びコイルバネ５が内部で振動する筒状の巻線ボビン８が設置される。巻線ボビン８には、
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。
【００２１】
なお、外装ケース３は、防水だけでなく、下記の支持部４、コイルバネ５、端部バネ６ａ，６ｂと振動子１０を収容する容器や、または支持部４、コイルバネ５及び端部バネ６ａ，６ｂの取り付け土台として様々な機能を有する。しかし、海洋ブイの内部において、防水性が優れ、その両端に支持部４、コイルバネ５及び端部バネ６ａ，６ｂが取付けられる場所を備える収容部があれば、外装ケース３はなくてもよい。外装ケース３と巻線ボビン８の材質としては絶縁性の材料であることが必要で、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。
【００２２】
外装ケース３の両端には、振動子１０が外装ケース３の外部に飛び出すことを防ぐために蓋部７ａ，７ｂが取付けられる。蓋部７ａ，７ｂの中心には第２の弾性部として用いられる端部バネ６ａ，６ｂをそれぞれ支持する突起が形成されている。端部バネ６ａ，６ｂは圧縮バネであり、外装ケース３の両端の内部に配置されると共に、コイルバネ５の外径より大きい内径を有する。そして、コイルバネ５の一端が端部バネ６ａの芯部を通して、外装ケース３の一端に接続され、コイルバネ５の他端が振動子１０に接続される。
【００２３】
このため、端部バネ６ａ，６ｂは、振動子１０が外装ケース３のいずれかの端部に近づきすぎた際には、振動子１０を押し返す機能を有する。蓋部７ａ，７ｂに形成される突起と端部バネ６ａ，６ｂの直径はほぼ等しくしてあるため、端部バネ６ａ，６ｂは突起に確実に固定される。また、振動発電機１に長時間の振動が加わっても端部バネ６ａ，６ｂが突起から脱落しない。
【００２４】
振動子１０は、同極が互いに対向して配置される複数のリング状の磁石Ｍ１〜Ｍ１２が、互いに逆の極性で隣り合ったまま固定されており、振動子１０の外周面は、巻線ボビン８の内周面に対して摺動するように形成されている。また、振動子１０を構成する磁石Ｍ１〜Ｍ１２については、支持部４を挿通可能とするための貫通孔が形成されている。このため、磁石Ｍ１〜Ｍ１２に形成された孔の直径は支持部４の直径よりもわずかに大きい。また、圧縮型のコイルバネ５の内径は、振動子１０の貫通孔の直径より大きい。このため、振動子１０と巻線ボビン８及び支持部４との摩擦が小さくなり、振動子１０の摺動性が向上するという利点がある。
【００２５】
隣り合う複数のコイルＣ１〜Ｃ１２を形成する導線ワイヤの巻方向は、正・逆・正・逆…と互い違いにしてある。また、導線ワイヤの巻方向は、隣り合うグループ毎に互いに逆である。さらに、コイルＣ１〜Ｃ１２は、２以上のグループ毎に分けられ、グループ内で２以上のコイルが直列接続される。
【００２６】
外装ケース３の内部には、長さ方向に着磁された複数の磁石Ｍ１〜Ｍ１２が連結された振動子１０が挿入されており、振動発電機１に外部から振動が加わると、コイルバネ５の作用により振動子１０が上下に振動する。図中に示す磁石Ｍ１〜Ｍ１２の上下方向の矢印は、それぞれ長さ方向に着磁された磁石の磁界の向きを示す。
【００２７】
コイルバネ５は、重力方向に落下する振動子１０を支持すると共に、所定の共振周波数によって振動子１０を振動させるものである。そして、コイルバネ５は、振動子１０、並びに第１及び第２の弾性部の芯軸に挿通される支持部４によって支持される。そして、コイルバネ５は、振動子１０が移動可能となる外装ケース３内の全ての位置で、コイルバネ５の自然長に対して常に圧縮状態とされる。このため、振動子１０は、コイルバネ５によって、発電コイル２の巻軸方向に振動するように支持され、外装ケース３の内部を上下に移動することが可能である。
【００２８】
また、コイルバネ５に圧縮バネを使用する場合、振動子１０が外装ケース３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、圧縮バネと振動子１０、圧縮バネと外装ケース３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。また、コイルバネ５は、自然長の状態で約８０ｃｍの長さとしてあり、外装ケース３内に設置され、上部から振動子１０が挿入されると、約２０ｃｍの長さに縮む。そして、外部の振動を受けて、コイルバネ５が伸縮することに伴い、振動子１０が上下に振動するようにしている。
【００２９】
振動発電機１の組立ては、外装ケース３の一方の端部に蓋部７ａがはめ込まれた後に、外装ケース３の内部に、コイルバネ５、振動子１０、巻線ボビン８を順番に挿入し、最後に、蓋部７ｂで外装ケース３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発電機１の組立てが完了するため、組立てが極めて容易である。
【００３０】
図２は、振動発電機１が備えるコイルＣ１〜Ｃ１２と磁石Ｍ１〜Ｍ４の配置例を示す。
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。
【００３１】
このように、同極が対向する複数の磁石を含む振動子１０を用い、隣り合う磁石間の磁石ピッチとほぼ同等の厚さとしてコイルを、隣り合うコイルが互いに巻き方向が逆になるように配置する。そして、コイルの中芯部分を振動子が往復運動することにより振動発電機１の発電出力を高めることができる。
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。
【００３２】
図３は、振動発電機１の内部構成例を示すブロック図である。
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。
【００３３】
そこで本実施の形態に係る振動発電機１では、隣り合う複数のコイルを複数のグループに分け、それぞれのグループに含まれるコイルの両端から発電出力を取り出し、その後、複数のグループの発電出力を合成するようにしている。これにより、直流抵抗を増大させることなくコイル数を増やすことができ、効果的に全体の発電電力量を多くすることが可能となった。ただし、グループ毎の発電出力は、互いに干渉することを防ぐために、半導体素子で整流した後に合成することが必要である。
【００３４】
具体的には、コイルＣ１〜Ｃ１２を６個ずつに分割してコイルＣ１〜Ｃ６と、コイルＣ７〜Ｃ１２を含む２つのグループを形成する。そして、振動発電機１は、コイルの出力電圧をグループ毎に整流する整流回路１２−１，１２−２を備える。また、整流回路１２−１，１２−２は、それぞれ交流電圧が入力する交流入力部１１−１，１１−２と、交流電圧を整流した整流電圧を出力する整流出力部１３−１，１３−２を備える。
【００３５】
整流出力部１３−１，１３−２には、電波の発信機等からなる負荷１４が接続されている。そして、複数のコイルが直列接続されるグループ、及びグループ毎に設けられる複数の整流回路１２−１，１２−２が負荷１４に対して並列に配置される。整流出力部１３−１，１３−２が出力する整流電圧は負荷１４に入力すると負荷１４が動作し、位置情報等を電波に乗せて発信する。
【００３６】
上述したように、従来の振動発電機では、振動子がバネ等で懸架されており、外部から振動が加わることによって振動子が振動し、発電していた。このとき、従来の振動発電機に用いられる振動子の共振周波数と同じか、それ以上の周波数で振動子を正弦波振動させることによって、コイルに起電力を発生させて発電出力を得ていた。しかし、外部から加わる振動の周波数が振動子の共振周波数より低い場合、振動子はコイルを収納する筐体と同じ周波数で変位するため、コイルと振動子の相対的な移動がなく、発電を行うことができない。なお、ここで言う変位は、コイルと振動子の相対的な変位量を指す。
【００３７】
一方、振動発電機１の発電出力に伴う電圧は、コイルＣ１〜Ｃ１２の内部を移動する振動子１０の移動速度ｖｍａｇに比例する。ここで、次式（２）は、発電電圧Ｖを表し、次式（３）は、振動子１０の移動速度ｖｍａｇを表す。
【００３８】
【数２】
【００３９】
【数３】
【００４０】
式（２）に示すように、振動発電機１の発電電圧Ｖは、振動子１０内の磁石Ｍ１〜Ｍ１２から発生した磁束のコイルＣ１〜Ｃ１２内における時間微分に導線ワイヤの巻き回数を乗じた値に比例する。また、式（３）に示すように、磁束の時間微分は、磁石Ｍ１〜Ｍ１２を含む振動子１０の移動速度ｖｍａｇに比例する。即ち、振動周波数が低くなるに従って、振動子１０の移動速度ｖｍａｇが小さくなっており、完全な振動波形とするためには、振動子１０の振幅を長くする必要がある。しかし、振動子１０の振幅を長くするためには、振動子１０を収納する外装ケース３の全長を長くしなければならず、振動発電機１が大型化してしまう。
【００４１】
ここで、海洋ブイ等に代表される、波の振動を利用して発電を行う振動発電機１を観測装置に設置することを考える。一般に海の波の振動は、短周期重力波、重力波、長周期重力波、長周期波、表面張力波、潮汐波等があるが、定常的に観測され、かつ周波数が高い波の振動は０．５〜２Ｈｚ程度であることが知られている。従って、振動発電機１の振動子１０を振動させるために波を利用する場合には、バネ等で懸架された振動子１０及びコイルバネ５との共振周波数をおよそ１Ｈｚ以下、可能であれば０．５Ｈｚ程度にする必要がある。
【００４２】
このように従来に比べて低い共振周波数の外部振動を用いる振動子１０を備えた振動系では、振動子１０の振動の振幅が長くなり、振動発電機１（外装ケース３）の全長がきわめて大きくなるため、コスト、強度、重量等の点で、大きなデメリットとなる。そこで、振動子１０の振動を、正弦波ではなく、略矩形波とすることによって、振動子１０の移動速度を維持したまま、振動子１０の振幅を短くし、振動発電機１の全長を小さくすることが可能となることを見いだした。
【００４３】
具体的には、共振周波数を０．５Ｈｚに設計したコイルバネ５で懸架された振動子１０を作製し、これを制限された全長内で得られる振幅の端部に端部バネ６ａ，６ｂ等を配置する。これにより、端部バネ６ａ，６ｂが振動子１０の移動を制限する。こうして外部からの振動により、振動子１０は振幅内で擬似的に矩形波状の振動を行うこととなる。
【００４４】
このように振動子１０を、矩形波状に振動させることによって、振動発電機１を大型化することなく、コイルＣ１〜Ｃ１２内を移動する振動子１０が必要な移動速度を維持することができる。その結果、十分な発電出力が得られる振動発電機１を得られる。
【００４５】
図４は、外装ケース３の内部を振動子１０が変位する様子を示す。
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。
【００４６】
ここで、破線で示す正弦波振動の変位は、周期が２秒で相対変位が±１００ｃｍ程度となることが見込まれる。一方、実線で示す推定変位は、振動子１０が端部バネ６ａ，６ｂによって振動が制限されるため、周期が２秒で相対変位が±２５ｃｍ程度となることを見込める。そして、推定変位の１周期は約２秒であるため、振動子１０の振動周波数が約１Ｈｚであることが分かる。このため、推定変位の１周期を長くすることにより、振動子１０の振動周波数を１Ｈｚより小さくすることができる。
【００４７】
図５は、振動発電機１が波によって振動する際の出力電圧の電圧波形の例を示す。
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。
【００４８】
ここで、第１の実施の形態に係る振動発電機１の発電性能を比較するため、従来の振動発電機１００の構成及び出力電圧の波形を図６と図７を参照して説明する。以下の説明において、既に第１の実施の形態で説明した部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４９】
図６は、直列接続したコイルＣ１〜Ｃ１２から電力を取り出す例を示す。
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。
【００５０】
図７は、振動周波数が約４Ｈｚである場合に、従来の振動発電機１００から出力される交流電圧の電圧波形の例を示す。
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。
【００５１】
＜２．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。
【００５２】
振動発電機２０は、第１のグループとして、直列接続されたコイルＣ１〜Ｃ４、コイルＣ１，Ｃ４の端部に接続される交流入力部１１−１、交流入力部１１−１に入力する交流電圧を整流する整流回路１２−１、整流回路１２−１が整流した整流電圧を出力する整流出力部１３−１を備える。同様に、振動発電機２０は、第２のグループとして、コイルＣ５〜Ｃ８、交流入力部１１−２、整流回路１２−２、整流出力部１３−２を備え、第３のグループとして、コイルＣ９〜Ｃ１２、交流入力部１１−３、整流回路１２−３、整流出力部１３−３を備える。そして、整流出力部１３−１〜１３−３の両端部は、それぞれ負荷１４に接続される。
【００５３】
＜３．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。
【００５４】
振動発電機３０は、第１のグループとして、直列接続されたコイルＣ１〜Ｃ３、コイルＣ１〜Ｃ３の端部に接続される交流入力部１１−１、交流入力部１１−１に入力する交流電圧を整流する整流回路１２−１、整流回路１２−１が整流した整流電圧を出力する整流出力部１３−１を備える。同様に、振動発電機３０は、第２のグループとして、コイルＣ４〜Ｃ６、交流入力部１１−２、整流回路１２−２、整流出力部１３−２を備え、第３のグループとして、コイルＣ７〜Ｃ９、交流入力部１１−３、整流回路１２−３、整流出力部１３−３を備え、第４のグループとして、コイルＣ１０〜Ｃ１２、交流入力部１１−４、整流回路１２−４、整流出力部１３−４を備える。そして、整流出力部１３−１〜１３−４の両端部は、それぞれ負荷１４に接続される。
【００５５】
＜４．直流抵抗と発電電力量の比較例＞
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。
【００５６】
従来の振動発電機１００（図６を参照。）は、１２個のコイルＣ１〜Ｃ１２が直列に接続されるため、ＤＣＲが最高であり、発電電力量は最低である。
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。
【００５７】
図１１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１２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。
【００５８】
従来の振動発電機１００（図６を参照。）は、１２個のコイルＣ１〜Ｃ１２が直列に接続されるため、ＤＣＲが最高であり、発電電力量は最低である。
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。
【００５９】
なお、複数のコイルを分けたグループ数は、１個のコイル毎に整流回路を接続する場合を考慮すれば、総コイル数とすることも可能である。しかし、グループ数が増えると出力電圧が低下するため、負荷の要求電圧に応じて設計することが必要である。また、分割数と同じ数の整流回路が必要となりコストが掛かるため、その点でも最適設計が必要である。
【００６０】
同極が対向する磁石を備えた振動子を用い、複数の磁石ピッチとほぼ同等の厚さの巻き線コイルを、隣り合うコイルが互いに巻き方向が逆になるように配置し、コイルの中芯部分を振動子が往復運動することにより振動発電機の発電出力が改善する。
【００６１】
また、端部バネ６ａにより、外装ケース３の内部で振動子１０を振動させることにより、振動子１０のコイルＣ１〜Ｃ１２に対する相対振動が矩形波状の振動である。このため、振動子１０の共振周波数を１Ｈｚ以下とする振動発電機１とすることが可能となる。これにより、振動発電機１を海洋ブイ等に設置することができる。
【００６２】
なお、グループ毎のコイルの数は異ならせてもよい。
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。
【００６３】
なお、本発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りその他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００６４】
１…振動発電機、２…発電コイル、３…外装ケース、４…支持部、５…コイルバネ、６ａ…端部バネ、７ａ…蓋部、８…巻線ボビン、１０…振動子、１１−１，１１−２…交流入力部、１２−１，１２−２…整流回路、１３−１，１３−２…整流出力部、１４…負荷、１６ａ…第１の封止部材、１６ｂ…第２の封止部材、２０…振動発電機、３０…振動発電機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、を備える
振動発電機。
【請求項２】
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に記載の振動発電機。
【請求項３】
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１又は２に記載の振動発電機。
【請求項４】
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３に記載の振動発電機。
【請求項５】
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４に記載の振動発電機。
【請求項６】
前記振動子の振動周波数は１Ｈｚ以下である
請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動発電機。
【請求項７】
さらに、
前記巻線ボビンを収容する収容部と、
前記収容部の両端の内部には、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、を備え、
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１〜３のいずれか１項に記載の振動発電機。
【請求項８】
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７記載の振動発電機。
【請求項９】
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８に記載の振動発電機。
【請求項１０】
前記振動子及び前記第１の弾性部の振動波形は略矩形波である
請求項９に記載の振動発電機。
【請求項１】
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、を備える
振動発電機。
【請求項２】
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に記載の振動発電機。
【請求項３】
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１又は２に記載の振動発電機。
【請求項４】
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３に記載の振動発電機。
【請求項５】
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４に記載の振動発電機。
【請求項６】
前記振動子の振動周波数は１Ｈｚ以下である
請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動発電機。
【請求項７】
さらに、
前記巻線ボビンを収容する収容部と、
前記収容部の両端の内部には、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、を備え、
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１〜３のいずれか１項に記載の振動発電機。
【請求項８】
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７記載の振動発電機。
【請求項９】
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８に記載の振動発電機。
【請求項１０】
前記振動子及び前記第１の弾性部の振動波形は略矩形波である
請求項９に記載の振動発電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−６２９８４（Ｐ２０１３−６２９８４Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２００９３９（Ｐ２０１１−２００９３９）
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００１０７８０４）スミダコーポレーション株式会社 (285)
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００１０７８０４）スミダコーポレーション株式会社 (285)
[ Back to top ]