(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体で形成されたコアと該コアに巻回した巻線とを有する固定子と、該固定子と空隙を介して相対移動可能に支持された可動子とを備えた発電機で、前記固定子は前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した一方の磁極歯列と、同じく前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した他方の磁極歯列とを有し、該一方の磁極歯列の第１段の磁極歯と該他方の磁極歯列の第１段の磁極歯とが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、同様に該一方の磁極歯列の第２段の磁極歯と該他方の磁極歯列の第２段の磁極歯とが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、前記第１段に属する磁極歯と前記第２段に属する磁極歯との間に前記可動子が挟持されることを特徴とする発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発電機に関し、特に往復運動する物体の運動エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換する発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、往復運動する物体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するには、一旦回転運動に変換した後、回転型発電機で行うことが多い。しかしその方法では、往復運動を回転運動に変換するのにクランクやギア等が必要となるため、システム全体のサイズが大きくなり、摩擦等による損失も発生する。
【０００３】
そのため、往復運動を直接電気エネルギーに変換する提案がこれまでに多数なされている。例として特開平１０−６６３２４号公報にて開示されている発電装置を図１７に示す。ピストン１１及び１２の往復運動に伴い、巻線１４を挟むように配置された永久磁石Ｐ及びＮが往復運動すると、前記巻線に鎖交する磁束が時間変化して前記巻線に起電力が生じる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記の従来技術によると、次のような問題があった。すなわち、短いストロークでの往復運動あるいは低速の往復運動に対しては、巻線に鎖交する磁束の時間変化量が小さいため、十分に起電力が生じない。起電力を増やすには磁極ピッチを狭くして磁極数を増やすのが有効であるが、単に従来の発電装置を複数個並べたのでは、巻線数が増えて構造が複雑になり、装置サイズも大きくなる。
【０００５】
本発明の目的は、上記の課題を解決するために、巻線数が少なくコンパクトな構造でありながら、複数磁極を備え、磁極ピッチが狭く、短いストロークの往復運動や低速の往復運動を効率良く電気エネルギーに変換できる発電機を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の発電機は、磁性体で形成されたコアと該コアに巻回した巻線とを有する固定子と、該固定子と空隙を介して相対移動可能に支持された可動子とを備え、前記固定子は前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した一方の磁極歯列と、同じく前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した他方の磁極歯列とを有し、該一方の磁極歯列の第１段の磁極歯と該他方の磁極歯列の第１段の磁極歯とが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、同様に該一方の磁極歯列の第２段の磁極歯と該他方の磁極歯列の第２段の磁極歯とが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、前記第１段に属する磁極歯と前記第２段に属する磁極歯との間に前記可動子が挟持されている。このとき前記一方及び他方の磁極歯列は、任意の曲線に沿って配列されていてもよい。
【０００７】
また本発明の発電機は、磁性体で形成されたコアと該コアに巻回した巻線とを有する固定子と、該電機子と空隙を介して相対移動可能に支持された可動子とを備え、前記固定子は前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した一方の磁極歯列と、同じく前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した他方の磁極歯列とを有し、該一方の磁極歯列の第１段の磁極歯と該他方の磁極歯列の第１段の磁極歯とが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、同様に該一方の磁極歯列の第２段の磁極歯と該他方の磁極歯列の第２段の磁極歯とが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、前記一方の磁極歯列と前記他方の磁極歯列との間に前記可動子が挟持されている。このとき前記一方及び他方の磁極歯列は、任意の曲線に沿って配列されていてもよい。
【０００８】
さらに本発明の発電機は、前記可動子は巻線又は永久磁石又はその両方を有し、該可動子の移動方向に沿って一方の磁極と他方の磁極とが交互に現れる。
【０００９】
さらに本発明の発電機は、前記固定子が固定的に支持され、前記可動子が移動する。あるいは前記可動子が固定的に支持され、前記固定子が移動する。
【００１０】
さらに本発明の発電機は、前記固定子のコアに巻回した巻線に替えて、前記固定子のコアに固着された永久磁石を有する。
【００１１】
また本発明の発電機は、前記固定子のコアが、前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に該可動子を挿入するのに十分な幅の開口部を有する。
【００１２】
さらに本発明の発電機は、前記可動子を前記開口部方向に変位させた状態で支持し、前記可動子に加わる荷重を相殺するような磁気吸引力を可動子と固定子との間に発生させることで、可動子支持機構に加わる負荷を軽減する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態（実施例１と称する）による発電機の基本構成図である。本実施例の発電機は、磁性体で形成されたコア２１と該コアの一箇所に環状に巻回した巻線２２とを有する固定子２０と、該固定子と空隙を介して相対移動可能に支持された可動子３０とを備える。コア２１を形成する磁性体としては、一般的には鉄が使用されるが、他の材料でもよい。また巻線２２は図１ではコア２１の一箇所に巻回しているが、幾何学的構造が変わらない範囲で複数箇所に分割して巻回してもよい。
【００１４】
前記固定子２０は、前記可動子３０の移動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した一方の磁極歯列２３と、同じく前記可動子３０の移動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した他方の磁極歯列２４とを有し、該一方の磁極歯列の第１段の磁極歯２３ａと該他方の磁極歯列の第１段の磁極歯２４ａとが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、同様に該一方の磁極歯列の第２段の磁極歯２３ｂと該他方の磁極歯列の第２段の磁極歯２４ｂとが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列されている。前記可動子３０は、前記第１段に属する磁極歯２３ａ及び２４ａと前記第２段に属する磁極歯２３ｂ及び２４ｂとの間に挟持される。
【００１５】
前記可動子３０には永久磁石３１が固着されており、該可動子の移動方向に沿って一方の磁極３１ａと他方の磁極３１ｂとが交互に現れている。該可動子が図中の矢印の方向に往復運動すると、磁極ピッチＰだけ移動する毎に、巻線２２を鎖交する総磁束量の符号が反転する。それにより該巻線２２に起電力が生じる。
【００１６】
図２は、コア２１を部分的に表示した概念図である。矢印は、可動子３０の磁極（図示していない）とコア２１の磁極とが略重なったときの磁場のおおよその向きを示す。このように全ての磁極において、巻線２２を貫く磁場の向きは同一となる。よって図２の状態から可動子３０が移動すると、巻線２２には図中に示した向き（×印は紙面奥に向かう向き、黒丸印は紙面手前に向かう向きを示す）に起電力が生じる。
【００１７】
ここで前記可動子３０に固着された永久磁石３１の代わりに、図３に示すように、巻線３２を設置し該巻線に電流を流すことで磁極を生じさせてもよい。その場合、巻線３２の芯として磁性体を設置してもよい。あるいは永久磁石と巻線を併用してもよい。また巻線３２は、互いに一部重なり合うように設置されていてもよい。また巻線３２は、基板上にプリントされた配線であってもよい。
【００１８】
あるいはまた、固定子のコア２１に巻回した巻線２２に電流を流して磁極を生じさせ、前記可動子３０に設置した巻線３２に起電力を生じさせてもよい。その場合はさらに、図４に示すように、固定子のコア２１に巻回した巻線２２に替えて、一方向に着磁された永久磁石２５をコア２１に固着させてもよい。
【００１９】
さらに可動子３０の断面形状は、矩形以外の形状、例えば円形や楕円形であってもよい。
【００２０】
また本実施例の発電機では、固定子２０が固定的に支持されて可動子３０が移動してもよいし、可動子３０が固定的に支持されて固定子２０が移動してもよい。
【００２１】
あるいは図５乃至図７に示すように、往復運動の軌道に合わせて、コア２１の一方及び他方の磁極歯列を任意の曲線に沿って配列してもよい。
【００２２】
また用途に応じて、図８のようにコア２１に開口部を設け、可動子３０を該開口部から挿入できるようにしてもよい。
【００２３】
図９は、本発明の他の実施形態（実施例２と称する）による発電機の基本構成図である。本実施例の発電機は、磁性体で形成されたコア２１と該コアの一箇所に環状に巻回した巻線２２とを有する固定子２０と、該固定子と空隙を介して相対移動可能に支持された可動子３０とを備える。コア２１を形成する磁性体としては、一般的には鉄が使用されるが、他の材料でもよい。
【００２４】
前記固定子２０は、前記可動子３０の移動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した一方の磁極歯列２３と、同じく前記可動子３０の移動方向に対して略垂直方向に第１段と第２段とに分けて配列した他方の磁極歯列２４とを有し、該一方の磁極歯列の第１段の磁極歯２３ａと該他方の磁極歯列の第１段の磁極歯２４ａとが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、同様に該一方の磁極歯列の第２段の磁極歯２３ｂと該他方の磁極歯列の第２段の磁極歯２４ｂとが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列されている。前記可動子３０は、前記第１段に属する磁極歯２３ａ及び２４ａと前記第２段に属する磁極歯２３ｂ及び２４ｂとの間に挟持される。
【００２５】
前記可動子３０には永久磁石３１が固着されており、該可動子の移動方向に沿って一方の磁極３１ａと他方の磁極３１ｂとが交互に現れている。該可動子が図中の矢印の方向に往復運動すると、磁極ピッチＰだけ移動する毎に、巻線２２を鎖交する総磁束量の符号が反転する。それにより該巻線２２に起電力が生じる。
【００２６】
実施例１との相違点は、前記固定子のコア２１が、前記可動子３０の移動方向に対して略垂直方向に該可動子を挿入するのに十分な幅の開口部を有することである。そのため、組立時の可動子３０の挿入は、該可動子の移動方向に行っても開口部方向に行ってもよい。なお本実施例では、巻線２２がコア２１に囲まれていて傷つきにくいという利点もある。
【００２７】
図１０は、コア２１を部分的に表示した概念図である。矢印は、可動子３０の磁極（図示していない）とコア２１の磁極とが略重なったときの磁場のおおよその向きを示す。このように全ての磁極において、巻線２２を貫く磁場の向きは同一となる。よって図２の状態から可動子３０が移動すると、巻線２２には図中に示した向き（×印は紙面奥に向かう向き、黒丸印は紙面手前に向かう向きを示す）に起電力が生じる。
【００２８】
ここで前記可動子３０に固着された永久磁石３１の代わりに、図１１に示すように、巻線３２を設置し該巻線に電流を流すことで磁極を生じさせてもよい。その場合、巻線３２の芯として磁性体を設置してもよい。あるいは永久磁石と巻線を併用してもよい。また巻線３２は、互いに一部重なり合うように設置されていてもよい。また巻線３２は、基板上にプリントされた配線であってもよい。
【００２９】
あるいはまた、固定子のコア２１に巻回した巻線２２に電流を流して磁極を生じさせ、前記可動子３０に設置した巻線３２に起電力を生じさせてもよい。その場合はさらに、図１２に示すように、固定子のコア２１に巻回した巻線２２に替えて、一方向に着磁された永久磁石２５をコア２１に固着させてもよい。
【００３０】
さらに可動子３０の断面形状は、矩形以外の形状、例えば円形や楕円形であってもよい。
【００３１】
また本実施例の発電機では、固定子２０が固定的に支持されて可動子３０が移動してもよいし、可動子３０が固定的に支持されて固定子２０が移動してもよい。
【００３２】
あるいは図１３乃至図１５に示すように、往復運動の軌道に合わせて、コア２１の一方及び他方の磁極歯列を任意の曲線に沿って配列してもよい。特に図１６に示すように、コア２１の一方及び他方の磁極歯列を円周に沿って配列し、可動子３０をリング状にしてもよい。
【００３３】
上記２つの実施例で示したような本発明による発電機は、エンジンにより往復運動するピストンに連結されて用いられるほか、潮力発電や波力発電のための大型発電機から携帯機器用小型発電機に至るまで、広く電子機器を含む電気機器へ搭載可能又は応用可能である。例えば携帯電話に組み込んだ応用例を図１８に示す。図１８（ａ）のような発電機ユニット４０は、コア２１，巻線２２，可動子３０、該可動子３０に取りつけられたスプリング３３、及び整流回路４１を備える。外部からの振動を受けると可動子３０はスプリング３３から力を受けながら往復運動する。それにより巻線２２には起電力が生じ、その起電力は整流回路４１を経由して直流電圧として外部に取り出される。前記発電機ユニット４０は、図１８（ｂ）のように携帯電話の胴体部分、あるいは図１８（ｃ）のように蝶番部分に埋め込まれ、バッテリー４２と接続される。前記発電機ユニットからの直流電圧は、バッテリー４２の充電及び携帯電話の駆動に用いられる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、巻線数が少なくコンパクトな構造でありながら、複数磁極を備え、磁極ピッチが狭く、短いストロークの往復運動や低速の往復運動を効率良く電気エネルギーに変換できるような発電機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１による発電機の基本構成図。
【図２】本発明の実施例１による発電機において、コアを部分的に表示した概念図。
【図３】本発明の実施例１の第１変形案による発電機の基本構成図。
【図４】本発明の実施例１の第２変形案による発電機の基本構成図。
【図５】磁極歯列を曲線に沿って配列した、本発明の実施例１による発電機の概念図（タイプ１）。
【図６】磁極歯列を曲線に沿って配列した、本発明の実施例１による発電機の概念図（タイプ２）。
【図７】磁極歯列を曲線に沿って配列した、本発明の実施例１による発電機の概念図（タイプ３）。
【図８】本発明の実施例１の別の変形案による発電機において、コアを部分的に表示した概念図。
【図９】本発明の実施例２による発電機の基本構成図。
【図１０】本発明の実施例２による発電機において、コアを部分的に表示した概念図。
【図１１】本発明の実施例２の第１変形案による発電機の基本構成図。
【図１２】本発明の実施例２の第２変形案による発電機の基本構成図。
【図１３】磁極歯列を曲線に沿って配列した、本発明の実施例２による発電機の基本構成図（タイプ１）。
【図１４】磁極歯列を曲線に沿って配列した、本発明の実施例２による発電機の基本構成図（タイプ２）。
【図１５】磁極歯列を曲線に沿って配列した、本発明の実施例２による発電機の基本構成図（タイプ３）。
【図１６】磁極歯列を円周に沿って配列した、本発明の実施例２による発電機の平面図。
【図１７】従来技術による発電機の概念図。
【図１８】本発明による発電機を携帯電話に組み込んだ概念図。
【符号の説明】
１１，１２…ピストン、１３…連結棒、１４…巻線、２０…固定子、２１…コア（固定子）、２２…巻線（固定子）、２３，２４…磁極歯列、２５…永久磁石（固定子）、３０…可動子、３１…永久磁石（可動子）、３２…巻線（可動子）、Ｐ，Ｎ…永久磁石、３３…スプリング、４０…発電機ユニット、４１…整流回路、４２…バッテリー。
【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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【図１７】
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【図１８】
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