(57)【要約】【課題】従来の振動発電機は、小型化すると発電電圧が低くなる欠点がある。電圧を高くすると小型化が難しくなる。本発明は小型化と発電電圧を高く出来る振動発電機を提供する。【解決方法】軸芯に鉄芯を挿入された電磁誘導コイルと、円形あるいは多角形断面の中実あるいは中空の棒磁石の組合せからなり、該棒磁石は両端面がＮ、Ｓの極性で、該コイル鉄芯の長さ方向の外周面が該棒磁石の外周面に磁気的に吸引されることによって該コイルと磁石の外周面同士が互いに吸引、吸着され、該コイルと磁石のいずれか一方が下になって他の一方に磁気的に懸吊された構造からなることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸芯に鉄芯を挿入された電磁誘導コイルと、円形あるいは多角形断面の中実あるいは中空の棒磁石の組合せからなり、該棒磁石は両端面がＮ、Ｓの極性で、該コイル鉄芯の長さ方向の外周面が該棒磁石の外周面に磁気的に吸引されることによって該コイルと磁石の外周面同士が互いに吸引、吸着され、該コイルと磁石のいずれか一方が下になって他の一方に磁気的に懸吊された構造からなることを特徴とする振動発電機。
【請求項２】
上記磁気的に懸吊された一方の下に離隔して他の一方を配置してなることを特徴とする請求項１に記載の振動発電機。
【請求項３】
上記コイルと磁石外周面の吸着面の間に非磁性の隔壁を挿入してなることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の振動発電機。
【請求項４】
非磁性材料からなる転動板の凹曲面の上を自在に転動する永久磁石と、該永久磁石の少なくとも上下いずれか一方の位置に電磁誘導コイルを配置した組合せからなり、該磁石の中心軸の方向（磁力線の方向）は転動方向に対して直角方向で、該コイルはその中心軸の方向が該磁石の中心軸の方向と交差しない方向に配置され、かつ該コイル芯部に、該コイルの中心軸の方向と同じ方向に鉄芯を挿入された構造からなることを特徴とする振動発電機。
【請求項５】
上記永久磁石と鉄芯の中心軸を同じ方向に配置してなることを特徴とする請求項４に記載の振動発電機。
【請求項６】
上記コイルはシート状コイルを積層した構造にしてなり、かつ上記鉄芯は箔状の鉄芯をシート状コイルの間に挟んだ構造にしてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の振動発電機。
【請求項７】
上記振動発電機を複数併設するに際して、上下に併設してなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の振動発電機。
【請求項８】
上記各コイルの誘導電流を直流変換後、極性を整合させて各コイルを直列あるいは並列に接続してなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の振動発電機。
【請求項９】
上記発電機の誘起起電力を直流に変換後、電池あるいはキャパシタに蓄電して、電源として用いてなることを特徴とする通信機器。
【請求項１０】
上記通信機器が携帯電話である請求項９に記載の通信機器。
【請求項１１】
上記通信機器が自己発信型のICタグである請求項9に記載の通信機器。
【請求項１２】
上記通信機器がGPS端末の発信機である請求項9に記載の通信機器。
【請求項１３】
上記発信機に防犯用警報機能を併設してなる請求項12に記載の通信機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動発電機に係わり、更に詳しくは、人間が歩くときの振動、揺動あるいは自動車や鉄道車両の振動で発電することが出来る発電機の構造とそれを用いた携帯型通信機器に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
近年携帯型電子機器の普及は目覚しく、とりわけ携帯型の通信機器の普及は目覚しいものがある。これら携帯型の電子機器の電源には充電できる小型の電池が使用されているが、問題は、これら電池の容量が小さいために、頻繁な充電作業が必要になることである。そこで、どこででも簡便に充電できる携帯型発電機の開発が待望されている。
特許文献１には、電磁誘導コイルと永久磁石を組合せ、人間が歩く時の振動を利用して永久磁石を転動させて発電する発電機が開示されている。
特許文献２、３には、波の振動で永久磁石を揺動させて発電する発電機が開示されている。
特許文献４には、車等に積載して、その振動を利用して永久磁石を振動させて発電する発電機が開示されている。
特許文献１は小型化は可能であるが発電電圧が極めて小さい欠点がある。
特許文献２〜４は、装置が大掛かりで小型化が難しく、また発電電圧も小さい欠点がある。
特許文献５には、棒磁石をスプリングで懸吊し、歩行時の振動を利用して棒磁石を上下振動させて発電する発電機が開示されている。この発明は本発明者らの発明に係るものであるが、重くて小型化に限界があり、単位重量あたりの発電電力も小さい欠点がある。
いずれにしても従来の携帯型振動発電機では小型化と発電電圧の両方の課題を同時に解決できる発電機は開発されていないのが現状である。
【０００３】
【特許文献１】特開平10−14200
【特許文献２】実開昭58−67980
【特許文献３】登録実用新案公報第3015921
【特許文献４】実開平４−10583
【特許文献５】特開2002−374661
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はかかる問題点にかんがみてなされたもので、その目的は、小型化と発電電圧の両方の課題を同時に解決できる新しい構造の振動発電機とそれを用いた携帯型の新しい通信機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、上記問題に関して鋭意研究を行い、下記の知見を得た。
すなわち、
小型化には、磁石を転動させる転動型発電機で、その電磁誘導コイルを転動する磁石の上下いずれか（あるいは両方）に配置すると薄い板状の発電機が得られること。
発電電圧を高くするためには、コイルの軸芯に鉄芯を入れること。そしてこの際、磁石が鉄芯に吸着されて転動不能の状態に陥らないようにする必要があり、そのためには、磁石は両端面がＮ、Ｓの棒磁石にして、鉄芯と磁石端面が決して向き合わない位置にコイルを配置することが必須不可欠であることを見出した。
本発明は以上の知見に基づいてなされたもので下記の構成からなるものである。
すなわち、
軸芯に鉄芯を挿入された電磁誘導コイルと、円形あるいは多角形断面の中実あるいは中空の棒磁石の組合せからなり、該棒磁石は両端面がＮ、Ｓの極性で、該コイル鉄芯の長さ方向の外周面が該棒磁石の外周面に磁気的に吸引されることによって該コイルと磁石の外周面同士が互いに吸引、吸着され、該コイルと磁石のいずれか一方が下になって他の一方に磁気的に懸吊された構造からなることを特徴とする振動発電機。
上記磁気的に懸吊された一方の下に離隔して他の一方を配置してなることを特徴とする上記(1)に記載の振動発電機。
上記コイルと磁石外周面の吸着面の間に非磁性の隔壁を挿入してなることを特徴とする上記(1)あるいは(2)に記載の振動発電機。
非磁性材料からなる転動板の凹曲面の上を自在に転動する永久磁石と、該永久磁石の少なくとも上下いずれか一方の位置に電磁誘導コイルを配置した組合せからなり、該磁石の中心軸の方向（磁力線の方向）は転動方向に対して直角方向で、該コイルはその中心軸の方向が該磁石の中心軸の方向と交差しない方向に配置され、かつ該コイル芯部に、該コイルの中心軸の方向と同じ方向に鉄芯を挿入された構造からなることを特徴とする振動発電機。
上記永久磁石と鉄芯の中心軸を同じ方向に配置してなることを特徴とする上記(4)に記載の振動発電機。
上記コイルはシート状コイルを積層した構造にしてなり、かつ上記鉄芯は箔状の鉄芯をシート状コイルの間に挟んだ構造にしてなることを特徴とする上記(1)〜(5)のいずれかに記載の振動発電機。
上記振動発電機を複数併設するに際して、上下に併設してなることを特徴とする上記(1)〜(6)のいずれかに記載の振動発電機。
上記各コイルの誘導電流を直流変換後、極性を整合させて各コイルを直列あるいは並列に接続してなることを特徴とする上記(1)〜(7)のいずれかに記載の振動発電機。
上記発電機の誘起起電力を直流に変換後、電池あるいはキャパシタに蓄電して、電源として用いてなることを特徴とする通信機器。
(10)上記通信機器が携帯電話である上記(9)に記載の通信機器。
(11)上記通信機器が自己発信型のICタグである上記(9)に記載の通信機器。
(12)上記通信機器がGPS端末の発信機である上記(9)に記載の通信機器。
(13)上記発信機に防犯用警報機能を併設してなる上記(12)に記載の通信機器。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、構造が極めて簡単で、軽薄簡便で携帯に便利であって電子機器、通信機器の携帯化と無電源化に大いに貢献するものである。また複数個組合せて車に載せて、大きな電圧を得ることも出来る。また、また車や鉄道、船に積載してこれら交通機関の振動を利用して発電することが出来、エネルギーを有効に活用することが出来る。またICタグやGPS端末の発信機の電源として大いに活用できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図面によって本発明の作用、機能を説明する。
図１〜７は本発明の基本的な構造を説明した図である。
図８〜９は上下２連配置した時の説明図、図10〜11は左右に２連配置した時の説明図である。
図12は転動型発電機で磁石が鉄芯にくっついて転動不能になるときの説明図である。
図13は実施例の構造の説明図、図14、図15は、コイルの構造の説明図、図16は本発明発電機をGPS端末に接続する時の模式図である。
本発明で鉄芯と磁石極面が決して向き合わない位置とは、図12のように鉄芯と磁石のＮ，Ｓ面が向き合わない配置を意味するものである。
本発明の基本構造（図１〜７）は全て鉄芯と磁石極面が決して向き合わない位置関係にある。特に図１，２，６，７は磁石の磁気的吸着力を利用して磁石をコイルに吸着させるものであるが、Ｎ，Ｓ極面に吸着させるものではなく、長さ方向の側面外周にも吸着力が存在することを利用してここを吸着させるものである。ここに本発明の最大の特徴がある。
【０００８】
図１、２、図６、７は、コイルと磁石の外周面同士が互いに吸引、吸着されて、磁石がコイルの下に磁気的に懸吊された構造の転動発電機の構造を説明した図である。
図１は磁石外周面がコイル外周面に直接吸引、吸着されて懸吊されたもの、図２はコイルと磁石の吸着面の間に非磁性の隔壁を挿入して見かけ上は磁石が隔壁に懸吊されたものである。
コイル軸芯には鉄芯が挿入されている。
磁石は端面がＮ、Ｓ極で棒磁石である。鉄芯の長さ方向の外周面は磁石の長さ方向の外周面に吸引されて、見かけ上は図に示すようにコイルを間に挟んで磁力でくっついている。
磁石とコイルは機械的に固定したわけではないので、磁石は自由に転動できる。
図１では磁石はコイルの外周面を自在に転動できる。
図２では非磁性の隔壁表面を自在に転動できる。
外から振動を与えた時、図示したように磁石は左右に転動して、コイルを横切る磁力線が変化するためにコイルに起電力が誘起されることとなる。
【０００９】
コイルと磁石はどちらが上でも良い。図では磁石が下でコイルに懸吊されているが、コイルが下で磁石に懸吊されても良い。
【００１０】
隔壁はあってもなくてもかまわない。長期間の使用でコイル巻線の転動面が損耗するような場合は巻線表面の損耗防止の意味で隔壁が有効となる。なお隔壁は平面でも、曲面でも、形状に限定されるものではない。
【００１１】
図６、図７の場合も本発明範囲に包含されるものであるが、図１，２の構造に比べて発電電圧が小さく、かつコイルと磁石が直交するために、磁石とコイルの収納により広い空間が必要となる。発電電圧を最大にしてなおかつ小型化するためには図１，２の構造が最も好ましい。
【００１２】
図１，２，６，７は磁気的な吸着力で磁石を懸吊した構造であるが、図３の様に棒磁石の端面に中心から偏芯させて軸を取付け、この軸を非磁性の軸受けに回動自在に懸吊する構造でも良い。外から与えられた振動で、磁石は軸受けを中心にして左右に回動してコイルに起電力が誘起される。
【００１３】
図４の様に、非磁性材料からなる転動板の上あるいは下あるいは上下両方の位置にコイルを配置し、転動板の凹曲面の上で磁石を転動させる構造でも良い。この時、磁石の中心軸の方向（磁力線の方向）は転動方向に対して直角方向になる。コイルの方向はその中心軸の方向が磁石の中心軸の方向と交差しない方向に配置することが必要で、とりわけ、コイルの中心軸の方向と磁石の中心軸の方向を同じ方向に配置する時、誘起起電力が最大になる。つまり鉄芯はコイルの中心軸と同じ方向に差し込まれるので、磁石と鉄芯の中心軸を同じ方向にした時、誘起起電力が最大になる。尚この場合、コイルに鉄芯を差込むことによって、差し込まなかった場合に比べて誘起起電力は概ね２〜３倍高くなる。
【００１４】
誘起起電力は凹曲面底部の曲率半径によっても変化し、誘起起電力を最大にする凹曲面底部の曲率半径は、磁石の転動周期を人の歩行周期あるいは積載する車の振動周期と一致させた時である。
【００１５】
磁石が転動時、凹局面から外に逸脱するのを防ぐには、凹局面を挟むように二枚の横板を取付けると有効である。
【００１６】
永久磁石が転動する面の形状は、要は永久磁石が振動で左右に転動すればよいので、凹曲面のみに限定されるものではない。単純な凹形状あるいはＶ型形状等でも勿論かまわない。
【００１７】
コイルの数は、磁石の上、下、いずれか一方の側、あるいは上下両方に、それぞれ１〜数個並べても良い。
【００１８】
永久磁石を転動させる代わりに、図５に示すようにコイルと鉄芯の間で振り子運動させても良い。
【００１９】
発電電圧を高くするためにはコイルは複数個配置することが望ましい。
図８，９はコイルを上下に２連配置した時の説明図である。
図８は、図２の構造の永久磁石の下に、更にコイルを配置したもので、下のコイルにもほぼ同じ起電力が誘起される。従って直列につなげば約２倍の起電力が得られる。
【００２０】
図９は、図４の構造の転動磁石の上に更にコイルを配置したものである。上下のコイルにはほぼ同じ起電力が誘起される。
【００２１】
図10，11はコイルを左右に２連配置した時の説明図である。
図10の様に、隣り合う極は同じ極になるように配置する。この時隣り合う磁石の距離が近い時、同極同士反発して反転してＮ，Ｓの組合せでくっついてしまい、発電不能に陥る。これを防ぐためには図11の構造の様に左右の磁石の中心に軸を取付け、これを連結板に回動自在に差込んで拘束して反転を防止する。各磁石は軸の周りに自在に回動できるので、外から振動を与えた時、磁石は揺動してコイルに起電力が誘起される。
【００２２】
本発明で使用する永久磁石は図５の振り子構造の場合を除いて、いずれも外表面が転動するものである。従って転動しやすい断面形状が好ましい。円断面、あるいは円に近い多角形断面形状が好ましい。また断面は中実、中空、いずれでも良い。
磁石は、鋳造磁石、焼結磁石、永久磁石粒子をプラスチックで固めた磁石等、いかなる製法のものでも使用することができる。またいかなる材質のものでも使用できる。
【００２３】
電磁誘導で誘起される電圧は、コイルの巻き数に比例するので本発明コイル巻線は隙間なく集積するほうが良い。また上下のコイル及び同じ側の隣同士のコイルには逆の電流が誘起されるので、隣り合うコイルは電流が打ち消されないように接続する。
本発明に使用するコイルは、図１〜14に記載した中心部に鉄芯を挿入できる構造が良い。あるいは図15に記載したシート状コイルを積層した構造でも良い。シート状コイルを使用する場合、鉄芯も薄い箔状にして、シートコイルの間に鉄芯の箔を挟んで、これを積層する構造することが好ましい。
【００２４】
鉄芯には、電磁軟鉄、珪素鋼板、パーマロイ、センダスト、Fe-Al合金、アモルファス合金、軟磁性フェライト等、通常この種の用途に使用されている高透磁率材料が好適に使用できる。
【００２５】
本発明の振動源が常に一定した振動が得られない場合、たとえば、人の歩行時の振動、常時使用しない車に積載する場合等の様に常時一定した振動が得られない場合は、発電した電力は一旦電池やキャパシタに充電して使用するほうが好ましい。コイルには交流が誘起されるので、コイルの最終端末に整流器を接続して直流に変換して、あるいは必要に応じて更にレギュレーター（定電圧装置）で定電圧にして電池、キャパシタに充電する。
【００２６】
発電電圧を高くする場合、一坦直流変換して、極性を整合させて直列に接続して電圧を高くする。
【００２７】
１個の発電機だけでは電力不足のときに、発電機を複数個併設すればよい。上下左右いずれにも併設できるが、左右の場合、近すぎると転動磁石がくっつきあって作動不能になることがあるので、上下併設が最も良い。
【００２８】
本発明は、携帯型あるいは車載型電子機器の電源として直接利用しても良いし、又電池あるいは蓄電器（キャパシタ）に蓄電して利用してもよいし良いし、あるいは直接電源と充電の両方に同時に利用できるようにしてもよい。
【００２９】
本発明を適用できる通信機器は、電源を必要とする携帯型通信機器全てに適用できる。
携帯電話、GPS（全地球測位システム）の端末の発信機、自己発信できるICタグの電源として、その他各種携帯型受発信機器の電源として利用できる。図16はGPS端末のICタグから人工衛星(測位衛星)に電波を発信して個体の現在位置を送信する例を模式図で表したものである。
【００３０】
自己発信型GPS端末には防犯用の警報装置を取付けて防犯グッズとして利用できる。すなわち犯罪に遭遇した時、警報を鳴らして犯罪を周囲に通報せしめて未遂に終わらせる器具として、また不幸にして連れ去り、誘拐に遭遇した時、GPSで位置を通報して人質の救出に威力を発揮する。
【００３１】
本発明の発電機は、歩行時の振動、揺動、あるいは車、鉄道車両、船等の交通機関に載せて発生する振動、揺動、あるいは橋梁、道路、木々の振動、揺動等を利用して発電するものであり、特定の振動源、揺動源の種類に何ら限定されるものではなく、少なくとも振動揺動を発生させるものであればすべて本発明に適用可能である。
【実施例１】
【００３２】
図２に示した構造の発電機を試作した。
外径5mm、内径3mm、厚さ1mm、長さ10mmの樹脂パイプに線径0.08mmのエナメル被覆銅線を3400回巻いたコイル(抵抗300Ω)を、縦12×横40×厚さ2mmのアクリル板の上面に載置し、固定した。
コイル内径には直径3mm、長さ10mmの軟鉄製の鉄心を挿入、固定した。
アクリル板の下の面に、半径12mm、長さ10mm、長さ方向がＮ，Ｓに着磁された円柱状棒磁石（ネオジウム磁石：残表面留磁束密度1.3T）を横に寝かせて近づけると、磁石の長さ方向、円柱面がアクリル板の下面にくっついて懸吊された。磁石の軸心をコイルの鉄心と同じ方向に整え、アクリル板に横方向の振動を与えると懸吊された磁石の円柱面は左右に転動し、コイルに起電力が誘起された。
［発電テスト］
本発電機に5.7Hz、振幅2mmの振動を与えたとき、平均電圧は0.1V、平均電力33μ
であった。
【実施例２】
【００３３】
図13に示した構造の発電機を試作した。
［転動面とコイル嵌入孔の形成］
厚さ12mmのアクリル板の内面を図13の様にくり抜き、コイルを嵌め込む穴と磁石を載せて転動させる面を形成した。
くり抜いた部分の転動面に半径12mm、長さ10mm、長さ方向がＮ，Ｓに着磁された円柱状棒磁石（ネオジウム磁石：残表面留磁束密度1.3T）を載せて、両端から横板で挟んで固定した。
コイル２個を、転動面の上下の穴に差し込んで固定した。コイルには、直径5mm、長さ10mmの樹脂パイプに線径0.08mmのエナメル被覆銅線を3400回巻いたものを使用した、コイル内径の穴には、直径3mm、長さ10mmの軟鉄製の鉄芯を差し込んで固定した。２個のコイルはお互いの誘起起電力を打ち消さないように直列に接続した  
転動面に載せた棒磁石は左右自在に転がって転動することが出来た。なおくり抜いた転動面の半径は66.3mm、転動面の長さは100mmである。
【００３４】
［発電テスト］
本発電機に1.7Hz、振幅2.5mm（Peak to Peak）の振動を与えたとき、平均電圧0.08V
の電圧が誘起された。この電圧を小型の昇圧形チョッパに接続して昇圧を行い、直流に整
流して電池の充電を行うことができた。
なお、コイルから鉄芯を抜き取ると、平均発電電圧は、0.04Vであった。
鉄心の挿入により起電力が２倍高くなることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は携行型の電子機器、通信機器の電源として活用できる。またまた車や鉄道、船に積載してこれら交通機関の振動を利用して発電することが出来、エネルギーを有効に活用することが出来る。省エネに多大な貢献をなすものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明の基本構造の説明図である。
【図２】図２は、本発明の基本構造の説明図である。
【図３】図３は、本発明の基本構造の説明図である。
【図４】図４は、本発明の基本構造の説明図である。
【図５】図５は、本発明の基本構造の説明図である。
【図６】図６は、本発明の基本構造の説明図である。
【図７】図７は、本発明の基本構造の説明図である。
【図８】図８は、コイルを上下２連配置した時の説明図である。
【図９】図９は、コイルを上下２連配置した時の説明図である。
【図１０】図10は、コイルと永久磁石を左右に２連配置した時の説明図である。
【図１１】図11は、コイルと永久磁石を左右に２連配置した時の説明図である。
【図１２】図12は、転動型発電機で磁石が鉄芯にくっついて転動不能になるときの説明図である。
【図１３】図13は、実施例の構造の説明図である。
【図１４】図14は、コイルと鉄芯の構造（扁平構造）の説明図である。
【図１５】図15は、コイル（シートコイル）と鉄芯の構造の説明図である。
【図１６】図16は、本発明電池をGPS端末に接続する時の模式図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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