(57)【要約】【課題】加工性の低下を抑制しつつ振動エネルギを錘体に効率的に伝達することができる振動発電装置を提供する。【解決手段】振動が入力されるフレーム２と、フレーム２に弾性支持される錘体５と、フレーム２に連結されて、互いに反対の方向から錘体５を弾性支持する第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７と、フレーム２に対して錘体５が振動することにより誘導起電力を生じさせる発電部と、を備え、フレーム２のビッカース硬さは、７００以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動が入力されるフレームと、
前記フレームに弾性支持される錘体と、
前記フレームに連結されて互いに反対の方向から前記錘体を弾性支持する第一引張コイルバネ及び第二引張コイルバネと、
前記フレームに対して前記錘体が振動することにより誘導起電力を生じさせる発電部と、を備え、
前記フレームのビッカース硬さは、７００以下である、
振動発電装置。
【請求項２】
前記フレームは、振動が入力される振動入力面と、前記第一引張コイルバネが連結される第一連結部と、前記第二引張コイルバネが連結される第二連結部と、を有し、
前記フレームにおいて、前記振動入力面と前記第一連結部及び前記第二連結部とが、ヤング率が４０ＧＰａ以上の材料により繋がっている、
請求項１に記載の振動発電装置。
【請求項３】
前記第一連結部において前記第一引張コイルバネを前記フレームに連結する第一連結部材と、
前記第二連結部において前記第二引張コイルバネを前記フレームに連結する第二連結部材と、を備え、
前記第一連結部材及び前記第二連結部材は、ヤング率が４０ＧＰａ以上の材料により形成されている、
請求項２に記載の振動発電装置。
【請求項４】
前記フレームの表面の一部を覆うカバー部を更に備える、
請求項１〜３の何れか一項に記載の振動発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動を利用して誘導起電力を生じさせる振動発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、振動を利用して誘導起電力を生じさせるようにした振動発電装置が記載されている。この振動発電装置は、フレーム（ケース）と錘体とをコイルバネセットを介して連結することで、フレームに対して錘体が振動する構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−０２５７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、設備機器や橋梁等の振動体は、所定周波数の環境振動を発生している。このような振動体から発生される環境振動により発電させる振動発電装置は、取り付けの自由度を鑑みて小型化することが好ましい。しかしながら、振動発電装置を小型化すると、錘体の体積及び質量も小さくなるため、発電時にコイルから発生する磁界の影響等により錘体の振動が抑制されて、出力が小さくなるという問題が発生する。このため、小型化した振動発電装置において高出力を得るためには、振動を減衰させ難い材料でフレームを構成して、振動エネルギを錘体に効率的に伝達することが有効であると考えられる。しかしながら、振動を減衰させ難い材料の多くは、硬すぎるため、加工性が悪いという問題がある。振動を減衰させ難い材料としては、例えば、単結晶シリコン等が挙げられる。
【０００５】
そこで、本発明の一側面は、加工性の低下を抑制しつつ振動エネルギを錘体に効率的に伝達することができる振動発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面に係る振動伝達装置は、振動が入力されるフレームと、フレームに弾性支持される錘体と、フレームに連結されて互いに反対の方向から錘体を弾性支持する第一引張コイルバネ及び第二引張コイルバネと、フレームに対して錘体が振動することにより誘導起電力を生じさせる発電部と、を備え、フレームのビッカース硬さは、７００以下である。
【０００７】
この振動発電装置では、フレームのビッカース硬さが７００以下であるため、振動エネルギを錘体に効率的に伝達することができるようにフレームを硬くしても、フレームの加工性の低下を抑制することができる。
【０００８】
フレームは、振動が入力される振動入力面と、第一引張コイルバネが連結される第一連結部と、第二引張コイルバネが連結される第二連結部と、を有し、フレームにおいて、振動入力面と第一連結部及び第二連結部とが、ヤング率が４０ＧＰａ以上の材料により繋がっていてもよい。この振動発電装置では、フレームにおいて、振動入力面と第一連結部及び第二連結部とが、ヤング率が４０ＧＰａ以上の材料により繋がっているため、振動入力面から入力された振動が、第一連結部及び第二連結部に伝達されるまでの間に減衰するのを抑制することができる。このため、振動エネルギを錘体に効率的に伝達することができる。
【０００９】
第一連結部において第一引張コイルバネをフレームに連結する第一連結部材と、第二連結部において第二引張コイルバネをフレームに連結する第二連結部材と、を備え、第一連結部材及び第二連結部材は、ヤング率が４０ＧＰａ以上の材料により形成されていてもよい。この振動発電装置では、第一連結部材及び第二連結部材が、ヤング率が４０ＧＰａ以上の材料により形成されているため、フレームと第一引張コイルバネ及び第二引張コイルバネとの連結位置において振動が減衰されるのを抑制することができる。
【００１０】
フレームの表面の一部を覆うカバー部を更に備えてもよい。この振動発電装置では、カバー部がフレームの表面の一部を覆うため、カバー部を、例えば、樹脂やアルミダイキャスト等の金属により形成することで、安価に大量に所定の形状を得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、加工性の低下を抑制しつつ振動エネルギを錘体に効率的に伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態の振動発電装置の断面図である。
【図２】カバーを外した振動発電装置の斜視図である。
【図３】カバーを外した振動発電装置の正面図である。
【図４】錘体、第一引張コイルバネ及び第二引張コイルバネを外した振動発電装置の正面図である。
【図５】錘体、第一引張コイルバネ及び第二引張コイルバネの斜視図である。
【図６】変形例の振動発電装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態は、本実施形態に係る振動発電装置を、設備機器や橋梁等の振動体が発生する環境振動により発電する振動発電装置に適用したものである。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の振動発電装置１は、フレーム２と、カバー３と、コイルユニット４と、錘体５と、第一引張コイルバネ６と、第二引張コイルバネ７と、を備える。
【００１５】
図１〜図４に示すように、フレーム２は、カバー３と共に振動発電装置１の筐体を形成する部材である。フレーム２は、箱状、円筒状、かまぼこ状（断面略円形の筒状）等に形成されており、その一面が振動入力面１０となっている。振動入力面１０は、振動が入力される面である。つまり、振動発電装置１は、振動入力面１０を振動体（不図示）に直接的又は間接的に接続することで、振動体から発生される環境振動が振動入力面１０から振動発電装置１に入力される。振動体に振動入力面１０を接続する方法としては、例えば、フレーム２にネオジム磁石を取り付け、このネオジム磁石を振動体に取り付けることで、振動体に振動入力面１０を間接的に接続する方法、振動体にフレーム２をバンドで固定して取り付けることで、振動体に振動入力面１０を直接的に接続する方法、振動体にフレーム２をネジで固定して取り付けることで、振動体に振動入力面１０を直接的に接続する方法等が挙げられる。なお、以下の説明において、振動発電装置１の上下等の方向は、振動入力面１０を下面として振動体に設置した状態における方向をいう。
【００１６】
カバー３は、フレーム２の側面１１に着脱可能に取り付けられる。側面１１は、振動入力面１０に隣り合う面である。側面１１には、カバー３との間を気密に保持するためのパッキン１２が設けられている。パッキン１２は、略矩形の環状に形成されている。側面１１におけるパッキン１２の内周側には、略矩形の凹部１３が形成されている。凹部１３は、側面１１に形成された窪みであり、フレーム２にカバー３が取り付けられることで閉じられる。フレーム２対するカバー３の取り付けは、例えば、ねじ止めにより行うことができる。
【００１７】
コイルユニット４は、平板状に形成されている。コイルユニット４は、空芯コイル１４と、コイルホルダ１５と、を有する。空芯コイル１４は、誘導起電力を生じさせる部材の一つである。空芯コイル１４は、長円形となるように巻回されて、その内周側が空洞となっている。つまり、空芯コイル１４は、コイルの内周側に鉄芯が設けられない構成となっている。コイルホルダ１５は、空芯コイル１４を収容して、空芯コイル１４をフレーム２に固定する部材である。コイルホルダ１５は、凹部１３よりも小さい略矩形に形成されている。そして、コイルホルダ１５は、収容している空芯コイル１４が側面１１側から見て錘体５を横断するように、凹部１３に挿入された状態でフレーム２に固定されている。フレーム２に対するコイルホルダ１５の固定は、例えば、テープやネジ等により行うことができる。なお、図６では、コイルホルダ１５の片側の一カ所のみをフレーム２に固定しているが、コイルホルダ１５の固定箇所、固定数等は、特に限定されない。例えば、コイルホルダ１５の両側の二カ所をフレーム２に固定してもよく、コイルホルダ１５の四方の四カ所をフレーム２に固定してもよい。
【００１８】
図１〜図３及び図５に示すように、錘体５は、フレーム２に弾性支持される部材である。錘体５は、１又は複数の磁石１６と、ヨーク材１７と、高比重材１８と、を有する。
【００１９】
磁石１６は、空芯コイル１４に磁界を与える部材である。錘体５に設けられる磁石１６の数は、特に限定されるものではないが、本実施形態では、錘体５に４個の磁石１６が設けられるとともに、４個の磁石１６が正方形の四隅の位置に配置されるものとして説明する。磁石１６としては、特に限定されるものではないが、例えば、ネオジム磁石、等方性フェライト磁石、異方性フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、又はアルニコ磁石等の磁石を用いることができる。磁石１６の形状としては、特に限定されるものではないが、例えば、円柱状、角柱状等とすることができる。
【００２０】
ヨーク材１７は、磁石１６のコイルユニット４とは反対側から出る磁束を通すことで、磁石１６の空芯コイル１４側に磁束を集める部材である。このため、ヨーク材１７は、磁石１６のコイルユニット４とは反対側に配置されている。ヨーク材１７としては、特に限定されるものではないが、例えば、軟鉄、一般構造用圧延鋼、ステンレス鋼、ケイ素鋼、フェライト、ＦｅＮｉ合金、又はＦｅＣｏ合金等の材料を用いることができる。
【００２１】
高比重材１８は、錘体５の比重を高めるための部材である。高比重材１８は、磁石１６及びヨーク材１７よりも比重の高い材料により形成されている。高比重材１８は、ヨーク材１７の空芯コイル１４側の面と、ヨーク材１７の空芯コイル１４とは反対側の面と、に固定されている。高比重材１８としては、特に限定されるものではなく、例えば、比重が８ｇ／ｃｍ３以上の材料を用いることができる。このような高比重材１８としては、例えば、タングステン、鉛、銅、真鍮、ベリリウム銅、ニッケル鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及び高速度工具鋼等の材料の何れか１つ又は２つ以上を含んだものとすることができる。
【００２２】
第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７は、フレーム２に連結されて互いに反対の方向から錘体５を弾性支持する部材である。第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７は、それぞれ複数本で構成されており、互いに対向する位置に配置されている。本実施形態では、第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７は、それぞれ６本で構成されている。ここで、本実施形態ではヨーク材１７の上下面にそれぞれ６本ずつ第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７が接続されているが、６本ずつ接続されていることに限定されない。例えば、ヨーク材１７の上下面に３本以上ずつ第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７が接続されていてもよい。例えば、ヨーク材１７に接続されるコイルバネの本数は、錘体５を振動させる際に必要とされるばね定数に応じて決定されてもよい。ヨーク材１７の上面に複数の第一引張コイルバネ６が上方向に沿って２列に並べて配置されていてもよい。同様に、ヨーク材１７の下面に複数の第二引張コイルバネ７が下方向に沿って２列に並べて配置されていてもよい。また、ヨーク材１７の上面の四隅に、４本の第一引張コイルバネ６がそれぞれ接続されていてもよい。同様に、ヨーク材１７の下面の四隅に、４本の第二引張コイルバネ７がそれぞれ接続されていてもよい。また、上記のように複数の第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７をヨーク材１７に接続する場合であっても、上下方向において、上下方向の中央位置に対して対称となるように第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７が配置されることが好ましい。
【００２３】
ここで、フレーム２の第一引張コイルバネ６が連結される部分を第一連結部２１といい、フレーム２の第二引張コイルバネ７が連結される部分を第二連結部２２という。本実施形態では、第一連結部２１は、凹部１３の上方に位置する側面１１であり、第二連結部２２は、凹部１３の下方の側面１１である。
【００２４】
第一引張コイルバネ６の一方端部は、第一連結部材２３により、フレーム２の第一連結部２１に連結されている。第二引張コイルバネ７の一方端部は、第二連結部材２４により、フレーム２の第二連結部２２に連結されている。本実施形態では、第一連結部材２３及び第二連結部材２４は、ネジである。そして、第一引張コイルバネ６の一方端部を係止した第一連結部材２３が第一連結部２１にねじ込まれることで、第一引張コイルバネ６の一方端部が第一連結部２１に連結されている。また、第二引張コイルバネ７の一方端部を係止した第二連結部材２４が第二連結部２２にねじ込まれることで、第二引張コイルバネ７の一方端部が第二連結部２２に連結されている。なお、第一連結部材２３及び第二連結部材２４は、フレーム２の側面１１に差し込まれて係止されるピンであってもよい。この場合、第一連結部材２３及び第二連結部材２４であるピンをフレーム２の側面１１に差し込んで係止するとともに、このピンに第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７を係止することで、第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７をフレーム２の側面１１に連結することができる。
【００２５】
フレーム２、第一連結部材２３及び第二連結部材２４は、ビッカース硬さが７００以下の材料により形成されている。この場合、ビッカース硬さは、５５０以下であることが好ましく、４００以下であることが更に好ましい。このような硬さを有するフレーム２、第一連結部材２３及び第二連結部材２４の材料としては、例えば、ステンレス鋼、アルミ材、銅、真鍮、黄銅、ベリリウム銅等が挙げられる。
【００２６】
また、フレーム２、第一連結部材２３及び第二連結部材２４は、ヤング率が４０ＧＰａ以上の材料により形成されていてもよい。この場合、ヤング率は、６０ＧＰａ以上であることが好ましく、１００ＧＰａ以上であることが更に好ましい。フレーム２がこのような材料により形成されていることで、フレーム２において、振動入力面１０と第一連結部２１及び第二連結部２２とが、ヤング率が４０ＧＰａ以上の材料により、好ましくは６０ＧＰａ以上の材料により、更に好ましくは１００ＧＰａ以上の材料により繋がっている。
【００２７】
第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７の他方端部は、錘体５に連結されている。具体的には、第一引張コイルバネ６の他方端部は、錘体５の第一連結部２１側の部分に連結されており、第二引張コイルバネ７の他方端部は、錘体５の第二連結部２２側の部分に連結されている。錘体５に対する第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７の連結は、例えば、ヨーク材１７を２分割するとともに、この２分割されたヨーク材１７に第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７の他方端部を係止して挟み込むことにより行うことができる。但し、第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７の他方端部は、錘体５を構成する何れの部材に連結されていてもよい。
【００２８】
錘体５は、磁石１６とコイルユニット４とが対向するとともにコイルユニット４との間に隙間を形成するように、第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７により宙吊り状態で弾性支持されている。また、錘体５は、第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７の弾性力に抗することにより、フレーム２に対して上下方向Ｄに振動することが可能となっている。そして、錘体５がフレーム２に対して上下方向Ｄに振動すると、磁石１６が空芯コイル１４に対して振動するため、空芯コイル１４の鎖交磁束が変化する。これにより、空芯コイル１４に誘導起電力が発生する。このため、空芯コイル１４及び磁石１６は、フレーム２に対して錘体５が振動することにより誘導起電力を生じさせる発電部として機能する。なお、錘体５（磁石１６、ヨーク材１７、及び高比重材１８）は、振動発電装置１における振動子として機能し、フレーム２、カバー３、及びコイルユニット４（空芯コイル１４及びコイルホルダ１５）は、振動発電装置１における固定子として機能する。
【００２９】
このように構成される振動発電装置１を用いて発電を行う際は、振動入力面１０が振動体に直接的又は間接的に接続されるように、振動発電装置１を振動体に設置（固定）する。振動体に対する振動発電装置１の設置は、例えば、ねじ止め、接着等により行うことができる。
【００３０】
すると、振動体からの環境振動は、振動入力面１０から振動発電装置１に入力される。振動発電装置１では、錘体５が第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７によりフレーム２に弾性支持されているため、錘体５（磁石１６、ヨーク材１７、及び高比重材１８）が、フレーム２、カバー３、及びコイルユニット４（空芯コイル１４及びコイルホルダ１５）に対して上下方向Ｄに振動する。このとき、振動体が発生する環境振動に対して錘体５が共振するように第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７のばね定数を設定しておくことで、錘体５を共振させて、その振幅を大きくすることができる。なお、第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７のばね定数は、例えば、第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７の本数、巻き数、線径等により設定することができる。そして、空芯コイル１４に対して磁石１６が振動し、空芯コイル１４の鎖交磁束が変化することにより、空芯コイル１４に誘導起電力が発生する。これにより、振動発電装置１が発電する。
【００３１】
このように、本実施形態に係る振動発電装置１では、フレーム２のビッカース硬さが７００以下であるため、振動エネルギを錘体５に効率的に伝達することができるようにフレーム２を硬くしても、フレーム２の加工性の低下を抑制することができる。
【００３２】
また、フレーム２において、振動入力面１０と第一連結部２１及び第二連結部２２とが、ヤング率が４０ＧＰａ以上の材料により繋がっているため、振動入力面１０から入力された振動が、第一連結部２１及び第二連結部２２に伝達されるまでの間に減衰するのを抑制することができる。このため、振動エネルギを錘体５に効率的に伝達することができる。
【００３３】
また、第一連結部材２３及び第二連結部材２４が、ヤング率が４０ＧＰａ以上の材料により形成されているため、フレーム２と第一引張コイルバネ６及び第二引張コイルバネ７との連結位置において振動が減衰されるのを抑制することができる。
【００３４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではない。
【００３５】
例えば、フレームは、一つの材料で構成されている必要はなく、複数の材料により構成されていてもよい。また、振動発電装置は、フレームの表面の一部を覆うカバー部を備えていてもよい。例えば、図６に示す振動発電装置１Ａは、フレーム２Ａの表面の一部を覆うカバー部３１Ａを備えている。カバー部３１Ａは、安価で大量に製造することができる樹脂やアルミダイキャスト等の金属により形成することができる。なお、カバー部３１Ａは、フレーム２Ａと同じ材料により形成されていてもよい。このように、カバー部３１Ａがフレーム２Ａの表面の一部を覆うことで、安価に大量に所定の形状を得ることができる。カバー部３１Ａを樹脂製とする場合は、振動入力面１０Ａから振動が入力される際に振動が減衰されるのを抑制するために、振動入力面１０Ａがカバー部３１Ａから露出していることが好ましい。なお、カバー３Ａを樹脂製とすることで、更に生産性が向上する。
【００３６】
また、上記実施形態では、振動入力面をフレームの特定の面として説明したが、振動入力面は、フレームの如何なる面であってもよい。また、振動入力面は、フレームの一つの面の全体である必要はなく、フレームの一つの面の一部分のみであってもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１，１Ａ…振動発電装置、２，２Ａ…フレーム、３，３Ａ…カバー、４…コイルユニット、５…錘体、６…第一引張コイルバネ、７…第二引張コイルバネ、１０，１０Ａ…振動入力面、１１…側面、１２…パッキン、１３…凹部、１４…空芯コイル（発電部）、１５…コイルホルダ、１６…磁石（発電部）、１７…ヨーク材、１８…高比重材、２１…第一連結部、２２…第二連結部、２３…第一連結部材、２４…第二連結部材、３１Ａ…カバー部。
【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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