(57)【要約】【課題】磁気飽和による発電量減少がなく、磁束の外部漏洩がなく、小型で振動の少ない直動発電機を提供する。【解決手段】コイル２と外側固定ヨーク４と内側固定ヨーク６と一端側可動ヨーク７と反対端側可動ヨーク８と可動永久磁石９とを備え、一端側可動ヨーク７と反対端側可動ヨーク８と可動永久磁石９が連動して上位置から下位置まで往復運動する。一端側可動ヨーク７と内側固定ヨーク６のエアギャップにより、一端側可動ヨーク７を通る閉磁路が形成されない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルと、
該コイルの内周側に軸方向所定距離の間隙を有し、該間隙の一端から上記コイルの内周外周を経て上記間隙の反対端まで上記コイルを覆う外側固定ヨークと、
該外側固定ヨークに対して上記コイルの径方向に所定距離の間隙を有し、上記軸方向間隙を跨いで上記外側固定ヨークに対向する内側固定ヨークと、
軸方向に所定の長さを有し、軸方向に往復運動して上記径方向間隙内から上記内側固定ヨークの一端よりも一端側まで移動する一端側可動ヨークと、
軸方向に上記一端側可動ヨークと等しい長さを有し、上記一端側可動ヨークに連動し軸方向に往復運動して上記径方向間隙内から上記内側固定ヨークの反対端よりも反対端側まで移動する反対端側可動ヨークと、
上記一端側可動ヨーク及び上記反対端側可動ヨークに連動して上記径方向間隙内を上記軸方向間隙の両側へ往復運動し、径方向に磁極を臨ませた可動永久磁石と、
を備えたことを特徴とする直動発電機。
【請求項２】
上記可動永久磁石の軸方向長さが（上記軸方向間隙の長さ＋往復運動距離）／２であることを特徴とする請求項１記載の直動発電機。
【請求項３】
上記内側固定ヨークの軸方向長さが上記可動永久磁石の一端側から上記反対端側可動ヨークの反対端側までの距離に等しいことを特徴とする請求項１又は２記載の直動発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気飽和による発電量減少がなく、磁束の外部漏洩がなく、小型で振動の少ない直動発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電の原動力には、火力、水力、原子力、熱、風力、潮力などがある。従来の発電機は、これらの原動力から作り出した直線運動を回転運動に変換する運動変換機構を備えている。従来の発電機は、運動変換機構を備えることで大きさが巨大化すると共に、直線運動を回転運動に変換する際の変換損失や機械的接触による摩擦損失のため発電効率が低下する。
【０００３】
上記問題を解決するために直線運動のひとつである往復運動を電力に変換する直動発電機が提案されている。直動発電機は、運動変換機構を備えないので小型化が可能であると共に、運動変換の際の変換損失や摩擦損失がないため発電効率が向上する。従来の発電機では振動運動を回転運動に変換することが困難であることから、往復運動中にストローク変動が発生するフリーピストン型スターリングエンジンや、潮力、振動力を発電に利用する直動発電機は、高効率が期待される。
【０００４】
図４に示されるように、従来の直動発電機４１は、概略円筒状の内側可動ヨーク４２と、その内側可動ヨーク４２と同軸に配置され軸方向に往復運動可能な内側可動ヨーク４２の外側を覆う概略円筒状の外側固定ヨーク４３とを備える。内側可動ヨーク４２の軸方向中央には、径方向に磁極を向けた永久磁石４４が取り付けられている。外側固定ヨーク４３には、周方向に巻かれたコイル４５が収納されている。
【０００５】
外側固定ヨーク４３は、コイル４５の内周側の軸方向中央に位置する軸方向所定距離の間隙４６を有し、この間隙４６の一端からコイル４５の内周、外周、内周を経て間隙４６の反対端までコイル４５を覆っている。すなわち、外側固定ヨーク４３は、コイル４５の内周に位置し、間隙４６によって分離されている一端側内周壁４７及び反対端側内周壁４８と、コイル４５の外周に位置する外周壁４９と、コイル４５の端部を覆い内周壁４７，４８から外周壁４９まで一体的に繋いでいる一端側端部壁５０及び反対端側端部壁５１とからなる。
【０００６】
発電原理は、内側可動ヨーク４２が軸方向に運動して外側固定ヨーク４３との相対位置が変化するとき、コイル４５に交わる磁束の磁束密度が変化して起電力が発生するというものである。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２６２２３４号公報
【特許文献２】特開２００４−８８８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の直動発電機４１の動作を図５により説明する。
【０００９】
図５（ｂ）では、内側可動ヨーク４２が内側可動ヨーク４２の往復運動範囲の中間に位置している状態（中立位置と呼ぶ）を示している。このとき、内側可動ヨーク４２の一端側と反対端側に、永久磁石４４による磁路が形成される。一端側の磁路は、外側固定ヨーク４３の一端側内周壁４７、外側固定ヨーク４３の一端側端部壁５０、内側可動ヨーク４２を通る短い閉磁路を形成する。反対端側の磁路は、外側固定ヨーク４３の反対端側内周壁４８、外側固定ヨーク４３の反対端側端部壁５１、内側可動ヨーク４２を通る短い閉磁路を形成する。これらの閉磁路にはコイル４５は交わらない。
【００１０】
図５（ａ）のように、内側可動ヨーク４２が内側可動ヨーク４２の往復運動範囲の上部に位置している状態（上位置と呼ぶ）では、永久磁石４４によるひとつの磁路は、外側固定ヨーク４３の一端側内周壁４７、外側固定ヨーク４３の一端側端部壁５０、空間、内側可動ヨーク４２を通る短い閉磁路を形成する。この閉磁路にはコイル４５は交わらない。もうひとつの磁路は、外側固定ヨーク４３の一端側内周壁４７、外側固定ヨーク４３の一端側端部壁５０、外側固定ヨーク４３の外周壁４９、外側固定ヨーク４３の反対端側端部壁５１、内側可動ヨーク４２を通る長い閉磁路を形成する。この長い閉磁路は図示した断面においてコイル４５を取り囲んでいる。よって、コイル４５に交わる磁束が発生する。
【００１１】
図５（ｃ）のように、内側可動ヨーク４２が内側可動ヨーク４２の往復運動範囲の下部に位置している状態（下位置と呼ぶ）では、永久磁石４４によるひとつの磁路は、外側固定ヨーク４３の反対端側内周壁４８、外側固定ヨーク４３の反対端側端部壁５１、外側固定ヨーク４３の外周壁４９、外側固定ヨーク４３の一端側端部壁５０、内側可動ヨーク４２を通る長い閉磁路を形成する。このときもコイル４５に交わる磁束が発生するが、磁束の方向が上位置と下位置とでは逆方向である。もうひとつの磁路は、外側固定ヨーク４３の反対端側内周壁４８、外側固定ヨーク４３の反対端側端部壁５１、空間、内側可動ヨーク４２を通る短い閉磁路を形成する。この閉磁路にはコイル４５は交わらない。
【００１２】
以上のように、内側可動ヨーク４２が往復運動すると、コイル４５に交わる磁束が交互に逆方向に発生するので、大きな磁束密度変動が発生して発電が行われる。
【００１３】
ところが、発電に関与しない閉磁路に着目すると、上位置においては、内側可動ヨーク４２の一端側に生じる短い閉磁路が、発電に関与している内側可動ヨーク４２から外側固定ヨーク４３の外周壁４９を回る長い閉磁路と、外側固定ヨーク４３の一端側内周壁４７で重複している（破線で囲んだエリアＥ１）。下位置においても、内側可動ヨーク４２の反対端側に生じる短い閉磁路が、発電に関与している内側可動ヨーク４２から外側固定ヨーク４３の外周壁４９を回る長い閉磁路と、外側固定ヨーク４３の反対端側内周壁４８で重複している（破線で囲んだエリアＥ２）。このように複数の磁路が同じ場所で重複することにより、その場所で磁気飽和が発生する。
【００１４】
発電に関与している長い閉磁路が通る外側固定ヨーク４３の内周壁４７，４８において磁気飽和が発生することにより、当該発電に関与している長い閉磁路の磁束密度が低下し、発電量が減少する。
【００１５】
このように、従来の直動発電機４１には、複数の閉磁路が同じ場所で重複する構造であるため、磁気飽和による発電量減少という問題がある。
【００１６】
また、従来の直動発電機４１は、内側可動ヨーク４２の軸方向長さが外側固定ヨーク４３の軸方向長さより必ず長い。このため、直動発電機４１全体の体積が巨大になる。
【００１７】
また、内側可動ヨーク４２からなる可動質量が大きいため、直動発電機４１に振動が発生する。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、磁気飽和による発電量減少がなく、磁束の外部漏洩がなく、小型で振動の少ない直動発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために本発明は、コイルと、該コイルの内周側に軸方向所定距離の間隙を有し、該間隙の一端から上記コイルの内周外周を経て上記間隙の反対端まで上記コイルを覆う外側固定ヨークと、該外側固定ヨークに対して上記コイルの径方向に所定距離の間隙を有し、上記軸方向間隙を跨いで上記外側固定ヨークに対向する内側固定ヨークと、軸方向に所定の長さを有し、軸方向に往復運動して上記径方向間隙内から上記内側固定ヨークの一端よりも一端側まで移動する一端側可動ヨークと、軸方向に上記一端側可動ヨークと等しい長さを有し、上記一端側可動ヨークに連動し軸方向に往復運動して上記径方向間隙内から上記内側固定ヨークの反対端よりも反対端側まで移動する反対端側可動ヨークと、上記一端側可動ヨーク及び上記反対端側可動ヨークに連動して上記径方向間隙内を上記軸方向間隙の両側へ往復運動し、径方向に磁極を臨ませた可動永久磁石と、を備えたものである。
【００２０】
上記可動永久磁石の軸方向長さが（上記軸方向間隙の長さ＋往復運動距離）／２であってもよい。
【００２１】
上記内側固定ヨークの軸方向長さが上記可動永久磁石の一端側から上記反対端側可動ヨークの反対端側までの距離に等しくてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００２３】
（１）磁気飽和による発電量減少がない。
【００２４】
（２）小型化できる。
【００２５】
（３）振動が少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２７】
図１に示されるように、本発明に係る直動発電機１は、コイル２と、コイル２の内周側に軸方向所定距離の間隙３を有し、間隙３の一端からコイル２の内周外周を経て間隙３の反対端までコイル２を覆う外側固定ヨーク４と、外側固定ヨーク４に対してコイル２の径方向に所定距離の間隙５を有し、軸方向間隙３を跨いで外側固定ヨーク４に対向する内側固定ヨーク６と、軸方向に所定の長さを有し、軸方向に往復運動して径方向間隙５内から内側固定ヨーク６の一端よりも一端側まで移動する一端側可動ヨーク７と、軸方向に一端側可動ヨーク７と等しい長さを有し、一端側可動ヨーク７に連動し軸方向に往復運動して径方向間隙５内から内側固定ヨーク６の反対端よりも反対端側まで移動する反対端側可動ヨーク８と、一端側可動ヨーク７及び反対端側可動ヨーク８に連動して径方向間隙５内を軸方向間隙３の両側へ往復運動し、径方向に磁極を臨ませた可動永久磁石９とを備える。直動発電機１は、一端が上、反対端が下となる姿勢に描かれている。
【００２８】
コイル２は、直動発電機１の中心軸Ｃに対して直角に、中心軸Ｃの周囲に所定の径で巻かれている。
【００２９】
外側固定ヨーク４は、コイル２の内周側の軸方向中央に位置する所定距離の軸方向間隙３を有し、この軸方向間隙３の一端からコイル２の内周、外周、内周を経て軸方向間隙３の反対端までコイル２を覆っている。すなわち、外側固定ヨーク４は、コイル２の内周に位置し、軸方向間隙３によって分離されている一端側内周壁１０及び反対端側内周壁１１と、コイル２の外周に位置する外周壁１２と、コイル２の端部を覆い両内周壁１０，１１から外周壁１２まで一体的に繋いでいる一端側端部壁１３及び反対端側端部壁１４とからなる。外側固定ヨーク４は、円筒状であり、外側固定ヨーク４の外周で固定構造物に固定されている。
【００３０】
内側固定ヨーク６は、中心軸Ｃを中心とする円筒状もしくは円柱状に形成され、軸方向に所定の長さを有する。内側固定ヨーク６の外径は外側固定ヨーク４の内径より小さい。内側固定ヨーク６が軸方向間隙３を跨いで配置されることにより、軸方向間隙３よりも両端側に径方向間隙５がそれぞれ形成されている。内側固定ヨーク６は、図示しない箇所において固定構造物に固定されている。内側固定ヨーク６の軸方向長さＬは、可動永久磁石９の一端側から反対端側可動ヨーク８の反対端側までの距離ｂに等しいか同程度であるのが好ましい。
【００３１】
一端側可動ヨーク７と反対端側可動ヨーク８は、内側固定ヨーク６及び外側固定ヨーク４に対して近接して臨みつつ円滑に往復運動できるよう適宜な内径及び外径を有する円筒状に形成されている。図中に示した往復運動距離ｓは、一端側可動ヨーク７の一端が運動する範囲を示している。
【００３２】
可動永久磁石９は、外周にＮ極、内周にＳ極を有する円筒状（環状）の永久磁石であり、内径及び外径に関しては一端側可動ヨーク７及び反対端側可動ヨーク８に準ずる。可動永久磁石９の軸方向長さは、
（軸方向間隙３の長さａ＋往復運動距離ｓ）／２
であるか同程度であることが好ましい。
【００３３】
一端側可動ヨーク７と反対端側可動ヨーク８と可動永久磁石９は、図示しない構造により所定の距離ずつ隔てた状態で一体化されている。これにより、一端側可動ヨーク７と反対端側可動ヨーク８と可動永久磁石９は、相互の距離を保ったまま連動して同じ方向に同じ速度で往復運動することができる。
【００３４】
次に、直動発電機１の動作を説明する。
【００３５】
図２（ｂ）に示されるように、一端側可動ヨーク７と反対端側可動ヨーク８と可動永久磁石９が往復運動範囲の中間に位置している状態（中立位置）のとき、一端側可動ヨーク７は、外側固定ヨーク４の一端側内周壁１０に近接して臨み、内側固定ヨーク６にも部分的に近接して臨んでいる。反対端側可動ヨーク８は、外側固定ヨーク４の反対端側内周壁１１に近接して臨み、内側固定ヨーク６にも部分的に近接して臨んでいる。可動永久磁石９は、外側固定ヨーク４に対しては軸方向間隙３を跨いで部分的に一端側内周壁１０と反対端側内周壁１１に近接して臨み、内側固定ヨーク６にも近接して臨んでいる。
【００３６】
このとき、一端側と反対端側に、可動永久磁石９による磁路がそれぞれ形成される。一端側の磁路は、外側固定ヨーク４の一端側内周壁１０、一端側可動ヨーク７、内側固定ヨーク６を通る短い閉磁路を形成し、反対端側の磁路は、外側固定ヨーク４の反対端側内周壁１１、反対端側可動ヨーク８、内側固定ヨーク６を通る短い閉磁路を形成する。これらの閉磁路にはコイル２は交わらない。
【００３７】
図２（ａ）のように、一端側可動ヨーク７と反対端側可動ヨーク８と可動永久磁石９が往復運動範囲の上部に位置している状態（上位置）になると、可動永久磁石９による磁路は、外側固定ヨーク４の一端側内周壁１０、一端側端部壁１３、外周壁１２、反対端側端部壁１４、反対端側内周壁１１、反対端側可動ヨーク８、内側固定ヨーク６を通る長い閉磁路を形成する。
【００３８】
一方、一端側可動ヨーク７が内側固定ヨーク６から大きく離間しているため、その箇所（破線円内）ではエアギャップが大きく、一端側可動ヨーク７を通る閉磁路はほとんど発生しない。
【００３９】
可動永久磁石９による長い閉磁路が図示した断面においてコイル２を取り囲むことにより、コイル２に交わる磁束が発生して発電に寄与する。この点は、従来の直動発電機４１とほぼ同じである。しかし、発電に関与しない閉磁路が発生しない点が従来の直動発電機４１と大きく異なる。
【００４０】
図２（ｃ）のように、一端側可動ヨーク７と反対端側可動ヨーク８と可動永久磁石９が往復運動範囲の下部に位置している状態（下位置）になると、可動永久磁石９による磁路は、外側固定ヨーク４の反対端側内周壁１１、反対端側端部壁１４、外周壁１２、一端側端部壁１３、一端側内周壁１０、一端側可動ヨーク７、内側固定ヨーク６を通る長い閉磁路を形成する。
【００４１】
このときも、従来の直動発電機４１とは異なり、反対端側可動ヨーク８が内側固定ヨーク６から大きく離間しているため（破線円内）、反対端側可動ヨーク８を通る閉磁路はほとんど発生しない。
【００４２】
既に述べたように、従来の直動発電機４１では、発電に関与していない閉磁路が発電に関与している閉磁路と同じ場所で重複するため、磁気飽和が発生して発電量が減少した。これに対して、本発明の直動発電機１は、発電に関与していない閉磁路が発生しない。よって、発電に関与している上記長い閉磁路において磁気飽和が発生することがなくなり、従来に比べて発電量が増加し、効率的な発電が可能となる。
【００４３】
以上説明したように、本発明によれば、発電に関与していない閉磁路が発生しないように構成したので、複数の閉磁路が同じ場所で重複することによる磁気飽和を回避して発電量減少を防止することができる。本発明の直動発電機１は、ほぼ理論上の最大効率で磁束が切り替わるために、発電量が増加する。従来の直動発電機４１と同規模発電量の場合、使用する永久磁石を小さくすることができる。
【００４４】
また、本発明の直動発電機１は、磁束の漏れが従来の直動発電機４１よりも少なくなるので、他の機器（例えば、磁気センサ）への磁気的影響が少なくなる。
【００４５】
また、従来の直動発電機４１では、永久磁石４４を含む内側可動ヨーク４２が往復運動するため、可動質量が大きい。これに対して、本発明の直動発電機１は、重量の大きい外側固定ヨーク４、コイル２、及び内側固定ヨーク６が固定であり、一端側可動ヨーク７と反対端側可動ヨーク８と可動永久磁石９が往復運動するだけなので、可動質量が小さい。本発明における可動質量は従来の１／２以下にすることができる。
【００４６】
本発明の直動発電機１は、可動質量が小さいため、従来に比べて極めて小さい駆動力で発電することが可能である。これにより、同じ発電力を得るための直動発電機１全体を従来よりも小型化し、体積を小さくすることができる。
【００４７】
本発明の直動発電機１は、可動質量が小さいため、従来に比べて直動発電機１の振動を低減することができる。
【００４８】
本発明の直動発電機１は、可動質量が小さいため、可動質量に対抗させるカウンターマスを減少させることができる。
【００４９】
本発明の直動発電機１は、従来と異なり、外側固定ヨーク４からはみ出す部材が無く、往復運動する部材が外側固定ヨーク４の外へ出ることもない。これにより、直動発電機１の体積を減少させることができる。
【００５０】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。
【００５１】
図３に示した直動発電機３１は、内側固定ヨーク６が内側固定ヨーク６と同内外径のスペーサ３２に取り付けられることで、内側固定ヨーク６が所定の軸方向位置に固定されている。スペーサ３２は、図外にて外側固定ヨーク４と共に筐体（図示せず）に固定されている。
【００５２】
一端側可動ヨーク７と可動永久磁石９の間、及び可動永久磁石９と反対端側可動ヨーク８の間は、それぞれスペーサ３３，３４で連結されている。これにより、一端側可動ヨーク７と反対端側可動ヨーク８と可動永久磁石９が連動して往復運動できる。また、ここでは、一端側可動ヨーク７の内周部が薄く伸ばされて反対端側可動ヨーク８の内周に達する可動ベース３５が形成され、この可動ベース３５に可動永久磁石９と反対端側可動ヨーク８が取り付けられている。このようにしても、一端側可動ヨーク７と反対端側可動ヨーク８と可動永久磁石９が連動して往復運動できる。
【００５３】
一端側可動ヨーク７、反対端側可動ヨーク８、可動永久磁石９を支持するスパイラルリング３６を設けてもよい。スパイラルリング３６が筐体（図示せず）、外側固定ヨーク４及び内側固定ヨーク６に対して自由であることにより、スパイラルリング３６が筐体外部から駆動されることで、一端側可動ヨーク７と反対端側可動ヨーク８と可動永久磁石９が連動して往復運動できる。
【００５４】
なお、ここまでの実施形態では、可動永久磁石９のＮ極を径方向外方に向けＳ極を径方向内方に向けたが、Ｓ極を径方向外方に向けＮ極を径方向内方に向けてもよい。
【００５５】
また、ここまでの実施形態では、一端側可動ヨーク７と反対端側可動ヨーク８と可動永久磁石９の往復運動方向が上下方向となる姿勢に直動発電機１を配置したが、往復運動方向が上下方向以外の方向となる姿勢であっても、本発明は適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態を示す直動発電機の断面図である。
【図２】（ａ）は図１の直動発電機の上位置における断面図、（ｂ）は図１の直動発電機の中立位置における断面図、（ｃ）は図１の直動発電機の下位置における断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態による直動発電機の破断立体図である。
【図４】従来の直動発電機の断面図である。
【図５】（ａ）は図４の直動発電機の上位置における断面図、（ｂ）は図４の直動発電機の中立位置における断面図、（ｃ）は図４の直動発電機の下位置における断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  直動発電機
２  コイル
３  軸方向間隙
４  外側固定ヨーク
５  径方向間隙
６  内側固定ヨーク
７  一端側可動ヨーク
８  反対端側可動ヨーク
９  可動永久磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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