(57)【要約】【課題】振動で圧電素子を振動させて発電する機構は存在するが、発電電力もわずかであり、商業的に利用するに至っていない．そこで、振動を利用して高電力を発生でき、構造が簡素で設置が容易、さらに、安価かつ耐久性に優れた新しい振動発電機を提供する。【解決手段】永久磁石と、該永久磁石から出た磁束を横切る位置に配置された発電コイルの組合せからなる振動発電機の該発電コイルを振動源から伝達された振動によって転動あるいは回転させて発電させ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】
コイル及び磁石により形成された振動発電機において、振動を受け滑動する滑動部材を介して可動する可動子側にコイルを設け、固定子側に該コイルに対して外側と内側に夫々外側磁石及び内側磁石からなる永久磁石を設け、該永久磁石の少なくとも一側面に磁性体のヨークを設けたことを特徴とする振動発電機。
【請求項２】
不規則な衝撃がバネを介して、滑動部材と連結されたコイルの持続的な振動に変換させるようにした請求項１記載の振動発電機。
【請求項３】
バネ定数を変更することにより、振動あるいは衝撃に対応するように成した請求項１記載の振動発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動発生源における高効率な発電を可能とし、例えばマンホールの蓋の裏に設置することで、マンホール下の地下施設へのメンテナンス作業のための電源供給や公共駐車場などの常備灯に好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来、マンホール下の地下施設には点検用機材のための電源がない状態であった。そこで、地下施設を点検するための機材の電源を確保する必要があり、例えば道路上に設置されたマンホールの近くまで電源装置または発電機を持ち運ばなければならなかった。この解決手段は未だなく、時間と人手を要するため多大な費用を必要としていた。
【０００３】
さらに、マンホールの蓋に限らず、橋梁や交通量の多い道路脇の構造物の不規則に発生する振動を効率よく電力に変換することが省エネルギーの点から求められている。
【０００４】
振動を利用する発電装置は特開平１１−２６２２３４等の刊行物によって知られている。即ち該公開特許は、振動によって往復運動する磁石の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するものであるが、その構造上未だ大きなものであり、体ひとつがすれすれ入るマンホール用の大きさとしては依然使用し得ないものであった。
【０００５】
また、 該公開公報は貨物列車、船舶等の振れの大きい乗り物内で発生する持続的な振動源を発電に必要としているが、本発明は、自然物や人工物に発生する不規則な振動源に対しても、この不規則な振動をばねの持続振動に変換することによって、発電可能としている。さらには、 該公開公報には可動子側に永久磁石、固定子側はコイルと磁性体の外部ヨークが用いられている。このことより、公差等の永久磁石のばらつきによって、永久磁石と固定子の間に吸引力が働き、可動子の滑動部品での摩擦が大きくなることが予想される。
【０００６】
これに対し、本発明は、可動子側にコイル、固定子側に永久磁石と磁性体のヨークを用いることによって、原理的に可動子と固定子の間に吸引力は発生せずこのことに起因する摩擦はない。このことによって高効率な発電が可能である。
【０００７】
該公開公報の図３に示されているように、可動子の磁石と外部ヨークとの空隙が広いために、発電効率を低下させる磁気回路上の磁気抵抗が大きいことが予測される。また、発電に使用されない磁束の漏れが大きくなる。これに対し、本発明では、この空隙を狭くすることによって、磁気回路上の磁気抵抗を低くしている。さらに、コイルを上下方向に長くしたことによって、この空隙から漏れる磁束もコイルを通過するようにでき、この磁束を発電に使用できる。このことによって、コイルを通過する磁束が多くなり高効率な発電を可能としている。
【０００８】
また、該公開公報のものは、不規則な振動への対応がなされてなく、上記のように不規則に発生する振動を発電源とした場合、発電効率が低下することが予測される。
【０００９】
特に、永久磁石と外部ヨークの間に吸引力が働くため、可動子と固定子の間の摩擦が大きくなることが予想される。この摩擦によるエネルギー損失から発電の高効率が望めない。このように、効率低下の問題が解決されていない。
【００１０】
さらに、構造が複雑・比較的大型なものが多く、コストや時間などの点から、その仕様変更や製造などは困難であった。その上、従来の振動発電機は、装置が大掛かりになり、サイズの面で容易に設置することが困難であった。これらの設置などの課題と設計製造コスト。つまり、製造と設置に必要なコストが高くなるという課題が解決されていない。
【特許文献１】特開平１１−２６２２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
自然物または人工物において発生する振動や衝撃をエネルギー源となし、例えばマンホール下の地下施設をメンテナンス作業等する場合の電源を確保し、小型でかつ構造の簡単な廉価で、発電効率の高い発電装置を提供する事を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、可動子側にコイル、固定子側に永久磁石と磁性体のヨークを用いることによって、原理的に可動子と固定子の間に吸引力は発生せずこのことに起因する摩擦はない。このことによって高効率な発電が可能である。
【００１３】
また、可動子の磁石と外部ヨークとの空隙を狭くすることによって、磁気回路上の磁気抵抗を低くしている。さらに、コイルを上下方向に長くしたことによって、この空隙から漏れる磁束もコイルを通過するようにでき、この磁束を発電に使用できる。これらのことによって、コイルを通過する磁束が多くなり高効率な発電を可能とする振動発電機を提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のマンホールの蓋裏面などに設置可能な小型の振動発電機は、構造が簡素で小型であり、低コストで設置可能である．さらに、振動が起こるところなら大半のところに設置可能である。
【００１５】
従来は、地下施設(水道管、電線、情報インフラなど)の保守は人間が直接目でみたりし、行っていた。保守を簡素化するためには地下に機材を設置する必要がある。しかしながら、これら機材を動作させる電源がまったくない状態であった。そのため電源を点検ごとに運び込む必要があり、時間と手間のかかるものであったが、本発明によれば、至る所にあるマンホールの蓋の裏に小型の振動発電機を設置し電源を確保することができ、地下施設保守用の機材が設置でき、保守コストを大幅に削減することができる。
【００１６】
さらにまた、自然物もしくは人工物において、あらゆるところに振動が発生している。それに対して、従来、振動吸収材でエネルギーを熱に変換し回収せずに無駄に浪費していたが、本発明の振動発電機で振動エネルギーを電気エネルギーに変換し電力として回収することとなり、この電力を利用することによって大幅な省エネが実現できる。
【００１７】
本発明は、自然物や人工物に発生する不規則な振動源に対しても、この不規則な振動をばねの持続振動に変換することによって、発電可能としている。
【００１８】
本発明は、可動子側にコイル、固定子側に永久磁石と磁性体のヨークを用いることによって、原理的に可動子と固定子の間に吸引力は発生せずこのことに起因する摩擦はない。このことによって高効率な発電が可能である。
【００１９】
本発明では、この空隙を狭くすることによって、磁気回路上の磁気抵抗を低くしている。さらに、コイルを上下方向に長くしたことによって、この空隙から漏れる磁束もコイルを通過するようにでき、この磁束を発電に使用できる。このことによって、コイルを通過する磁束が多くなり高効率な発電を可能としている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の振動発電機は、永久磁石と、該永久磁石から出た磁束を横切る位置に配置された発電コイルの組合せからなる振動発電機の該発電コイルを振動源から伝達された振動によって転動あるいは回転させて発電させることで、小型化および必要電力の確保を実現した。
【実施例１】
【００２１】
次に本発明における振動発電機の実態の形態を説明する。図１は振動発電機の断面図である。また図２は、磁石で発生する磁束Ａ、コイル６、磁石Ｂを模式的に示し、コイル６の図面上の可動方向をＣとして原理を説明したものである。
【００２２】
図１の1は振動や衝撃の発生する自然物または人工物であり、例えばマンホールの蓋である。本発明の振動発電機は図１に示すように、固定ボルト１４または、接着剤でこれらの振動または衝撃が発生するものに固定する。
【００２３】
樹脂、アルミニウム等の非磁性体がからなる筒状のケース２内には、リング状の永久磁石３・４は、内周がN極ならば外周がS極というようにラジアル方向に着磁された異方性リング磁石として設けている。図１では内側と外側の磁石３・４の磁力が整合するように二つ用いた場合の例を示している。
【００２４】
図１の磁石3は内周がS極で外周がN極である。また同図の磁石4は内周がS極で外周がN極である。このように互いに異なる磁極を対向するように配置する。図１の5は磁石３・４から出る磁束の通り道である磁路を形成するヨークであり、機構部品を把持し、ケース2と連結することを兼ねた円筒状のケースである。該ヨーク５の材質は鉄、電磁鋼板等からなる磁性体である。この部品を用いることで、図１の磁石3のN極より発生する磁束が図１の磁石4のS極へ効率よく導かれる。このことによって、図１の磁石4のN極から磁石3のS極へ流れる磁束密度を高めることができる。磁石３・４の間にはコイル６が設けられる。
【００２５】
コイル6は、発電に使用される円筒状に形成されている。コイル６の材質は一般的に知られているように銅、銀等の電気抵抗が低い導電体である。ここで、コイル６、磁石３・４と磁束の関係を図２に示す。図２の６はコイルである。図２のＡは磁束の流れを模擬している。図2のＢは磁石である。このようにコイル６を薄くすると磁石と磁石の間のコイル６を含めた隙間が減少し磁気抵抗も減少する。このことによってコイル６を通過する磁束密度を高くすることができる。コイル６部分を薄くするとコイル６の巻き数が減少し起電力が減少するかに思われるが、コイル自体の電気抵抗が減少することと、磁束密度が高くなることによって高効率となる。尚、コイル６は図中、上下方向のコイル可動方向Ｃとして示している。
【００２６】
滑動部品7は、図１のコイル固定部品8と、該固定部品８に固定されたコイル6を保持し、図１のコイル固定部品8、コイル6に対して、中央棒状に設けられ、ステンレスやチタン等の非磁性体よりなるガイド11上を滑動させる部品である。滑動部材7、及びガイド11によって、コイル６は図１の外側磁石3、内側磁石4との隙間を保持したまま、磁石と接触することなく円滑に上下運動することができる。
【００２７】
コイル固定部品8は、コイル6と滑動部品7を接続する円盤状の部品で、材質は樹脂、アルミニウム等の非磁性体である。従って、コイル6、滑動部品７、コイル固定部品８により可動部分を形成している。
【００２８】
図１の9は、自然物もしくは人工物で発生した振動または衝撃を受けて、コイル6、滑動部品7、コイル固定部品8を持続的に上下運動させるバネである。このバネ９のバネ定数は自然物もしくは人工物で発生した振動または衝撃にあわせて調整する。よって、この図１のバネ９を変更するだけで、あらゆる自然物もしくは人工物などを発電に使用する振動源として利用可能である。
【００２９】
本発明の振動発電機を取り付けた自然物もしくは人工物で振動もしくは衝撃が発生すると、バネ9によってその衝撃または振動を持続振動に変換する。その結果、バネ９に接続された可動部分(図１の6、7、8)におけるコイル６は、外側磁石3、内側磁石4よる磁束中を図２のＣのように持続的に上下運動することとなり、電磁誘導の原理から電流が発生し発電が可能となる。
【００３０】
図１の10は、バネ9を図１の可動部分(コイル6、滑動部品7、コイル固定部品8)と図１の固定部分(内側磁石4、ヨーク5)に固定する部位である。
図１の11は、滑動部品7を滑動させる際のガイドである。材料はステンレス等の非磁性体で、焼きいれなどを行い表面を硬化させた上で使用する。
図１の12は、図１のコイル６で発生した電力を外部へ伝達する電力引出し線であり、材料は銅、銀等の電気抵抗が低い導電体である。
図１の13は、外部の機器へ電力を送るため、交流を直流に変換する直流交流変換回路である。
図１の14は、本発明の振動発電機を振動が発生する自然物もしくは人工物に設置するための固定ボルトである。これは、接着が可能な自然物もしくは人工物であれば固定ボルト１４を使用せずに設置可能である。
【００３１】
図１では本発明の振動発電機は紙面に向かって上下方向の振動をエネルギーに変換することを示しているが、横方向に取り付けることによって左右方向の振動をエネルギーに変換することも可能である。
さらに、図3に示す構造とすることで、振動が発生する自然物もしくは人工物が磁性体の場合、固定用のボルトや接着剤を使用することなく発電に利用する磁石の吸引力を利用し簡単に設置することが可能である。図３においても先に説明したように基本的な動作原理は図１に示す振動発電機と同じである。
【実施例２】
【００３２】
本発明の振動発電機をマンホールの蓋に取り付けた場合を想定し、実際にマンホールに発生している振動の測定データとコンピュータシュミレーションを用いることで、発電量を概算した。
【００３３】
従来は、地下施設(水道管、電線、情報インフラなど)の保守は人間が直接目でみたりし、行っていた。保守を簡素化するためには地下に機材を設置する必要がある。しかしながら、これら機材を動作させる電源がまったくない状態であった。そのため電源を点検ごとに運び込む必要があり、時間と手間のかかるものであったが、本発明によれば、至る所にあるマンホールの蓋の裏に小型の振動発電機を設置し電源を確保することができ、地下施設保守用の機材(ここでは比較的少消費電力の電子機器・センサなど)が設置でき、保守コストを大幅に削減することができる。
【００３４】
図４にマンホールの蓋が受けて発生したマンホール自身の加速度の実測値を示す。また、図５は図４の衝撃によって起こる可動部分(図１のコイル6、滑動部材7、コイル固定部品8)の持続振動を表している。
【００３５】
図４において横軸は時間[T]、縦軸は加速度[G]である。一般的な直径80[cm]のJIS規格のマンホールの蓋上を約1．8[t]の四輪車が時速約30[km]で通過した状態を測定した。一番目のピークは前輪が通過したときにマンホールの蓋に発生した衝撃を表している。また、二番目のピークは、後輪が通過したときに発生した衝撃を表している。
【００３６】
この測定データをもとにコンピュータシュミレーション用い、可動部分(図１のコイル6、滑動部材7、コイル固定部品8)に発生する持続振動を計算すると、図5となる。図５において横軸は時間(T)、縦軸は可動部分(図１のコイル6、滑動部材7、コイル固定部品8)の変位(cm)である。図５のように、図１のバネ9によって、衝撃が効率よく持続振動に変換され、可動部分(図１のコイル6、滑動部材7、コイル固定部品8)が持続振動している。
【００３７】
可動部分が振動すると、図２で示したように、磁石Ｂによる磁束Ａ中をコイル６がコイルの可動方向Ｃのように上下運動することとなり、電流が発生し発電できる。図５の振動波形より、発電電力を概算すると平均約1．5[W]となった。これは、携帯電話などの比較的省電力な電子機器を駆動するに十分であり、マンホールで閉ざされた地下施設保守用のセンサなどの電源を供給することが可能となる。ただし、大容量な電源が必要な場合は設置する本発明の振動発電機の数を増やすことによって対応可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の発明の実施形態１における振動発電機の断面図
【図２】図1の拡大して、磁束の流れを模擬的に示した図
【図３】本発明の発明の実施形態2における振動発電機の断面図
【図４】振動または衝撃のデータ(実測値)
【図５】可動部分の持続振動(計算値)
【符号の説明】
【００３９】
１  自然物または人工物
２  ケース
３  外側磁石
４  内側磁石
５  ケース兼ヨーク
６  コイル
７  滑動部品
８  コイル固定部品
９  バネ
１０  バネ固定用部位
１１  ガイド
１２  電力引出し線
１３  直流交流変換回路
１４  固定ボルト
Ａ  磁束
Ｂ  磁石
Ｃ  コイル可動方向  
【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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