(57)【要約】【課題】  コイルを巻いた筒を垂直に保持し、筒の下部に置いた反発用磁石で筒内部の磁石浮かせ、筒を上下方向に振動させコイルに電圧を発生させる振動発電機では、振動周波数が小さい時、発電できる電圧が低い課題があった。【解決手段】  反発用磁石の代わりに小型のばねと輪軸を用い、等価的にばね定数を下げたばねで磁石を筒の上方から吊り下げて磁石を浮かせ、筒を上下方向に振動させることにより、振動周波数が小さいときにも高い電圧を発電できるようになった。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒、輪軸、輪軸保持部、磁石、ばね、第一の糸、第二の糸、ばね取り付け部およびコイルを有し、輪軸保持部は筒と機械的に結合し輪軸が自由に回転できるように輪軸を保持し、輪軸は大きな半径を持つ溝と小さな半径を持つ溝とを有し、第一の糸の一端は輪軸の大きな半径を持つ溝の一部に結合し、また第一の糸は輪軸の大きな半径を持つ溝に巻き、第一の糸の他の一端は磁石の片端に結合し、磁石は円筒の中に挿入し、第二の糸の一端は輪軸の小さな半径を持つ溝の一部に結合し、また第二の糸は輪軸の小さな半径を持つ溝に巻き、第二の糸の他の一端はばねの一端に結合し、ばねの他の一端は円筒と機械的に結合したばね取り付け部に結合し、筒の周囲にコイル巻いた振動発電機。
【請求項２】
請求項１に記載された振動発電機のコイル両端に接続された多倍圧回路と、コイルの一端と多倍圧回路の出力の間に接続された発光ダイオードとにより構成される表示灯。
【請求項３】
請求項１に記載された振動発電機のコイル両端に発光ダイオードを接続した表示灯。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明はコイルを巻いた筒の中の磁石とコイルとの相対振動を利用して発電を行う発電機で、発電機が発電した電力で発光ダイオードを点灯する表示灯などに利用される技術である。
【背景技術】
【０００２】  垂直に置かれた筒の外側にコイルを施し、筒の内側にはその中を移動可能な第１の磁石が配置され、筒の下端に第１の磁石に反発力を与える極性の第２の磁石を配置し、筒を上下方向に振動させたとき、コイルと磁石の相対振動によりコイルの両端に発生する電圧を得て、その電圧を多倍圧整流回路に入力し、その出力で発光ダイオードを点灯する技術が特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実全昭５９−０４４１８０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかしながら従来から知られている技術には以下のような課題があった。【０００５】  図５は特許文献１の技術を応用した従来技術の振動発電機の特性図である。【０００６】  従来技術の振動発電機の第１の磁石はφ１０、厚み１５ｍｍのネオジム磁石の両端にφ１０厚み５ｍｍの真鍮錘を接着したものであり、筒は円筒で内径１０．２φ、外径１２．４φ、長さ６０ｍｍのアクリルパイプであり、コイルは同パイプの長手方向のほぼ中央に巻き幅１３ｍｍでφ０．１２のポリエステル線を２４００ターン巻き、コイル両端を図６で示した４倍圧回路のＩＮ１及びＩＮ２に接続し、その出力としてＯＵＴ１及びＯＵＴ２間の電圧を測定した。【０００７】  筒を垂直に立て、筒の下端から２ｍｍ下の位置に外径１０φ、内径５φ厚み１ｍｍのネオジム磁石２枚を直列にしたものを第２の磁石として取り付け、第１の磁石が浮く方向に筒の上部から第１の磁石を挿入したところ、第１の磁石の上部がコイル上端とほぼ同じ位置で静止した。【０００８】  従来技術の振動発電機をほぼ垂直を保ちながら、上下方向に±１．２ｃｍ振動可能な図７に示す特性の振動試験機に装着し、振動試験機の周波数を変化させながら４倍圧回路の出力を計測した結果が図５である。【０００９】  図５において横軸は動試験機の振動周波数であり、縦軸は４倍圧回路の出力電圧であって、振動周波数が３Ｈｚ以上から出力が増大してくることが分かる。【００１０】  従来技術の振動発電機を人体の一部に装着し、徒歩またはランニングで発生した電圧で発光ダイオードを点灯することを考えた場合、この３Ｈｚという周波数は１分間で１８０歩に相当し、マラソンであってもピッチ走法と言われるほどの早いピッチであり、特殊なスポーツ選手以外は長期間持続することができない。【００１１】  従ってこの従来技術の振動発電機では、通常人が散歩する１分当たり１００歩＝振動周波数１．６７Ｈｚから速歩の１５０歩＝同２．５Ｈｚの振動周波数では、十分に発光ダイオードを点灯する電圧が得られないという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  この課題を解決するために、本発明では振動発電機を筒、輪軸、輪軸保持部、磁石、ばね、第一の糸、第二の糸、ばね取り付け部およびコイルを有し、輪軸保持部は筒と機械的に結合し輪軸が自由に回転できるように輪軸を保持し、輪軸は大きな半径を持つ溝と小さな半径を持つ溝とを有し、第一の糸の一端は輪軸の大きな半径を持つ溝の一部に結合し、また第一の糸は輪軸の大きな半径を持つ溝に巻き、第一の糸の他の一端は磁石の片端に結合し、磁石は円筒の中に挿入し、第二の糸の一端は輪軸の小さな半径を持つ溝の一部に結合し、また第二の糸は輪軸の小さな半径を持つ溝に巻き、第二の糸の他の一端はばねの一端に結合し、ばねの他の一端は円筒と機械的に結合したばね取り付け部に結合し、筒の周囲にコイル巻いた構成とすることとした。
【発明の効果】
【００１３】  従来例では振動周波数が小さい時に、コイルに対して磁石の振動振幅が小さく発光ダイオードを点灯する十分な電圧が取り出せなかったのに対し、本発明においては、輪軸とばねの効果でコイルに対して磁石の振動振幅が大きくなり、発光ダイオードを点灯する十分な電圧が取り出せる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】  実施例１の振動発電機を用いた表示灯の構成例
【図２】  実施例１と従来技術との特性比較
【図３】  実施例１の発光ダイオード駆動回路
【図４】  実施例２の発光ダイオード駆動回路
【図５】  従来技術の振動発電機の特性例
【図６】  特性測定用４倍圧回路
【図７】  振動試験機の特性
【発明を実施するための形態】
【００１５】  以下、発明の実施例を通じて本発明を説明するが、以下の実施例は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施例の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。また、図面を参照して、実施例について説明するが、図面の記載において、同一または類似の部分には同一の参照番号を付して重複する説明を省く場合がある。
【実施例】
【００１６】  図１は実施例１の振動発電機を用いた表示灯の構成例であり、筒１０、輪軸保持部２０、ばね３０、輪軸４０、磁石５０と、第一の糸５１と、第二の糸３１、コイル６０、ばね取り付け部９１、４倍圧回路７０、発光ダイオード８０およびケース９０から成り立っている。【００１７】  なお図１ではコイル、４倍圧回路および発光ダイオードの間の配線は省略した。【００１８】  本発明の実施例１では、輪軸保持部２０は筒１０と機械的に結合しており、輪軸４０が自由に回転できるよう輪軸を保持している。【００１９】  輪軸４０は回転軸を中心として、大きな半径を持つ溝４１と小さな半径を持つ溝４２とを持っている。【００２０】  第一の糸５１の一端は輪軸の大きな半径を持つ溝４１の一部に結合し、また第一の糸は輪軸の大きな半径を持つ溝に巻き、第一の糸の他の一端は磁石５０の片端に結合している。【００２１】  磁石５０は柱状もしくは穴あき柱状であり、その断面形状は筒１０の筒内面形状と相似形で磁石の断面の大きさは筒内面の大きさよりわずかに小さく、筒内に挿入し、筒内を筒の長手方向に自由に移動できるようになっている。【００２２】  第二の糸３１の一端は輪軸の小さな半径を持つ溝４２の一部に結合し、また第二の糸は輪軸の小さな半径を持つ溝に巻き、第二の糸の他の一端はばね３０の一端に結合している。【００２３】  ばね３０の他の一端はケース９０を介して筒１０と機械的に結合したばね取り付け部９１に結合している。【００２４】  筒１０の周囲には導線を多数回巻いたコイル６０がある。【００２５】  このように構成して輪軸保持部を上にして筒を垂直にすると静止状態では、第一の糸は磁石の質量で輪軸を半時計方向に回転させるように動作する。【００２６】  また第二の糸はばねの力で輪軸を時計方向に回転するような力が働き、結果として輪軸は回転せず、磁石の高さの中心がコイルの高さの中心と等しくなるようにできる。【００２７】  ここでケースが上下振動すると、それに伴いコイルも上下振動し、第一の糸で吊り下げられた磁石は、輪軸、第二の糸、ばねの効果でコイルに対して相対的に振動する。【００２８】  コイルと磁石の相対振動で、図３に示したようにコイルＬ１００１の両端に発生した電圧は４倍圧回路に入力され、コイルの一端がカソードに接続され、アノードが４倍圧回路の正側出力に接続された発光ダイオードＤ１００２およびもしくは前記コイルの一端にアノードが接続され、カソードが４倍圧回路の負側出力に発光ダイオードＤ１００１に接続されているため、発光ダイオードに電流が流れ点灯する。【００２９】  本発明は以下の理論に基づく。【００３０】  重力加速度ｇの場の中で、ばね定数ｋで自由長Ｌのばねの一端を支点で支え、ばねの他の一端を質量ｍの錘に係止して、支点を加速度αで移動させた場合、ばねには
Ｆ＝ｍ＊（ｇ−α）
の力Ｆがかかり、ばねの長さｌは
ｌ＝Ｌ＋ｍ＊（ｇ−α）／ｋ
となる。【００３１】  ここで支点をケースの一部、錘を磁石とみなし、コイルを巻いた筒の内部に磁石を入れ、ケースを上下振動させたと考えると、磁石とコイルの相対位置ｒｐは
ｒｐ＝ｍα／ｋ
で現わされる。【００３２】  ここで相対位置ｒｐの変化量を大きくするためには、質量ｍを増すもしくは、加速度αを増すもしくは、ばね定数ｋを減らすことで実現できる。【００３３】  質量ｍを増すことは磁石の重さを増すことであるが、人が歩行する際携帯する装置としては、なるべく軽いことが望ましことから、実用的ではない。【００３４】  加速度αは、これが上下振動の場合、振動振幅をＡとし、振動周波数をｆとすると
α＝Ａ＊（２＊π＊ｆ）２
で現わされる。【００３５】  振動振幅Ａを人の歩行として捉えると歩行時の上下動であり、自然歩行ではＡの値は１０ｍｍ〜１５ｍｍ程度であり、また歩行は個人個人の癖もあり増すことは実際的とは言えず、加速度αの増大には寄与できない。【００３６】  また振動周波数ｆは歩数に比例するため、長時間使用するためには歩数を増すことによる加速度αの増大は実際的でない。【００３７】  一方ばね定数ｋは設計により小さくすることが可能である。【００３８】  今磁石の質量ｍが１５ｇで、歩数が１２０歩すなわち振動周波数が２Ｈｚで、振動振幅Ａが１２ｍｍであり、ばね定数ｋが０．００１［Ｎ／ｍｍ］の場合、磁石とコイルの相対位置ｒｐは
ｒｐ＝ｍα／ｋ＝０．０１５＊０．０１２＊（２＊π＊２）２／０．００１＝２８．４ｍｍ
を得ることができる。【００３９】  ここで、ばね定数ｋが０．００１Ｎ／ｍｍのばねを、材質をリン青銅Ｃ５１９１Ｗ−Ｈ、線径が０．４ｍｍ、中心径が９ｍｍ、巻き数が１８０巻で自由長９０ｍｍとして質量ｍが１５ｇの磁石を吊り下げた時、ばねの長さは１４０ｍｍとなる。【００４０】  このように、ばね定数が０．００１Ｎ／ｍｍのような小さいばね定数を持つばねの長さは一般的に長くなるため、ケースの上部にばねの一端を固定しばねの他の一端を磁石に結合し、コイルを巻いた筒の内部を磁石が上下し、筒をケースで固定する構造では、ケースの高さ方向のサイズが大きくなり、歩行者が携帯するには不便である。【００４１】  これに対し本発明では大きな半径Ｒ１および小さな半径Ｒ２の溝を持つ輪軸の、Ｒ１の溝には磁石に結合された糸を巻き、Ｒ２の溝にはばねに結合された糸を巻き、ばねと磁石に働く重力のバランスをとるように構成されている。【００４２】  この構成ではばねには磁石質量のＲ１／Ｒ２倍の力がかかり、またばねの伸びの移動量は磁石移動量のＲ２／Ｒ１倍となる。【００４３】  従ってこの構造で磁石をばね定数ｋと同等のばねで吊るしたと同等の効果を持たせるためには、この構造で使用するばねのばね定数をｋｓとすれば
ｋｓ＝（Ｒ１／Ｒ２）２＊ｋ
が成り立つ。【００４４】  ここでｋ＝０．００１Ｎ／ｍｍとし、Ｒ１＝９．５ｍｍ、Ｒ２＝２．７ｍｍとするとばね定数ｋｓは０．０１２Ｎ／ｍｍとなる。【００４５】  ばね定数ｋが０．０１２Ｎ／ｍｍのばねを、材質をリン青銅Ｃ５１９１Ｗ−Ｈ、線径が０．３ｍｍ、中心径が４．５ｍｍ、巻き数が３８巻で作成すると自由長２０．４ｍｍとなり、質量ｍが１５ｇの磁石が前記輪軸を介してばねを引く力が５３ｇとなるときばね長さが４５ｍｍとなり、ばねで直接磁石を吊るす場合に比べ、ばねは大幅に小型化ができる。【００４６】  図２は図１のコイルの両端を図６の４倍圧回路７０のＩＮ１，ＩＮ２に接続し、ＯＵＴ１，ＯＵＴ２間の電圧を出力電圧として、図７の特性の振動試験機を用いて振動させたときの振動試験機の周波数を横軸にとり、出力電圧を縦軸にとったものである。【００４７】  図２において実線が本実施例１の振動発電機の特性であり、破線が図５に掲載したものと同じ従来技術による振動発電機の特性である。【００４８】  両者を比較すると、従来技術においては出力電圧が４Ｖを超えるためには振動周波数を３Ｈｚ程度にする必要があったが、本実施例１においては１．８５Ｈｚとなった。【００４９】  これを歩数に換算すると、従来技術においては出力電圧を４Ｖとするためには１分あたり１８０歩が必要であったが、実施例１においては１１１歩で可能となり徒歩でも従来技術での振動発電機と同等の電圧を得ることが可能となった。【００５０】  図４は実施例２の発光ダイオード駆動回路であり、振動発電機としては図１の構成から４倍圧回路を削除したものであり、コイルＬ１００１の両端に直接発光ダイオードを接続している。【００５１】  実施例２では発光ダイオードが点灯し始める振動周波数は実施例１に比べ高くなるが、コストは実施例１に比べ低下し、また従来例に比べれば発光ダイオードが点灯し始める振動周波数を低下させる効果がある。
【符号の説明】
【００５２】１０・・・筒
２０・・・輪軸保持部
３０・・・ばね
３１・・・第二の糸
４０・・・輪軸
４１・・・大きな半径を持つ溝
４２・・・小さな半径を持つ溝
５０・・・磁石
５１・・・第一の糸
６０・・・コイル
７０・・・４倍圧回路
８０・・・発光ダイオード
９０・・・ケース
９１・・・ばね取り付け部
【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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【図６】
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【図７】
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