特許 5798654 振動発電機用の板バネおよび振動発電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5798654

(24)【登録日】2015年8月28日

(45)【発行日】2015年10月21日

(54)【発明の名称】振動発電機用の板バネおよび振動発電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 35/02 20060101AFI20151001BHJP

【ＦＩ】

   H02K35/02

【請求項の数】6

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-56162(P2014-56162)

(22)【出願日】2014年3月19日

(65)【公開番号】特開2015-180135(P2015-180135A)

(43)【公開日】2015年10月8日

【審査請求日】2014年3月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】591036457

【氏名又は名称】三菱電機エンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100147566

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100161171

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 潤一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100117776

【弁理士】

【氏名又は名称】武井 義一

(74)【代理人】

【識別番号】100188329

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 義行

(74)【代理人】

【識別番号】100188514

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 隆裕

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 嘉寿也

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 明宏

(72)【発明者】

【氏名】野村 博盛

(72)【発明者】

【氏名】鶴 翔

(72)【発明者】

【氏名】宮下 真一朗

【審査官】 安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２１７４３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２７８３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１６００９１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表平０９−５１０５３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０１７４１２０８（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ３５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

振動によりコイルの中を永久磁石が変位することによって起電力を得る振動発電機に用いられ、前記永久磁石または前記コイルのいずれかを保持する振動発電機用の板バネであって、
板バネの中心を始端とし、前記始端から終端である外周に向けて３条以上の螺旋状のスリットを設け、前記始端から前記終端に近づくほど、それぞれのスリットの切り欠き幅が狭くなるように形成されている
振動発電機用の板バネ。

【請求項2】

請求項１に記載の振動発電機用の板バネにおいて、
前記板バネは、前記中心から前記外周に向けた径方向に関して、スリット間隔が一定となるように前記スリットが形成されているか、または、バネ幅が徐々に大きくなるように形成されている
振動発電機用の板バネ。

【請求項3】

請求項１または２に記載の振動発電機用の板バネにおいて、
それぞれのスリットの前記終端には、応力集中を緩和するために切欠き幅が広げられたしずく形状が形成されている
振動発電機用の板バネ。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載の振動発電機用の板バネにおいて、
２枚以上の板バネを積層することで形成されている
振動発電機用の板バネ。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載の振動発電機用の板バネであって、
前記始端におけるスリットの切欠き幅をＬｓ、前記終端におけるスリットの切欠き幅をＬｅ、スリット切欠き幅比率Ｕを
Ｕ＝Ｌｓ／Ｌｅ
とした際に、前記スリット切欠き幅比率Ｕが、１．１以上２以下となるようにそれぞれのスリットが形成されている
振動発電機用の板バネ。

【請求項6】

振動によりコイルの中を永久磁石が変位することによって起電力を得る振動発電機であって、
請求項１から５のいずれか１項に記載の板バネを用いて、前記永久磁石または前記コイルのいずれかが保持されている
振動発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動発電機に用いられる板バネに関し、特に、耐久性に優れ、かつ振動発電機の発電効率向上に寄与する構造を備える振動発電機用の板バネ、およびその板バネを用いた振動発電機に関するものである。

【背景技術】

【0002】

導電性コイルの中を通過するように磁石を振動させると、コイルに誘導電流が生じ、起電力が発生する。この原理を利用したものとして、板バネを用いた電磁誘導型の振動発電機がある。このような振動発電機は、外部環境の振動エネルギーに基づいて、電気エネルギーを発生させることが可能である。

【0003】

さらに、振動発電機を用いることで、電源ケーブルや電池による電源供給を不要とした上で、電気エネルギーを発生できる。このような観点で、経済的な利点または操作上の利点が見込まれる多くの用途で、振動発電機が活用されることが期待される。そして、板バネを用いた振動発電機の従来技術としては、エネルギー効率の改善を図ったものがある（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

この特許文献１には、その図２に示されているように、各バネが螺旋構造となっており、複数の螺旋アームが、半径方向における内側の環状端部と、半径方向における外側の環状端部との間で延びている構造が開示されている。そして、このような構造を備えた板バネを用いることで、移動自在の磁心組合せ体の質量を最大化し、出力電力を増大させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２０１０−５２５７７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
振動発電機に用いられる板バネは、板バネの平面に直交する方向である振動方向の変位に比べて、板バネの平面内に相当する横方向の力に対する変位を抑制する働きがある。そして、板バネの長寿命化を図るためには、板バネの振動変位に対する応力集中を低減し、耐久性を高めることのできる構造解析が重要となる。

【0007】

さらに、振動発電機の発電効率は、永久磁石とコイルのギャップを小さくすることで改善できる。従って、この観点からの、応力集中を低減することで、結果として板バネの横方向の揺れを抑制する構造解析が重要となる。

【0008】

しかしながら、特許文献１は、耐久性を高める、あるいは横方向の揺れを抑制するための板バネの構造に関しては、何ら言及していない。

【0009】

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、耐久性を高め、かつ、振動方向と直交する横方向の揺れを抑制することのできる構造を備えた振動発電機用の板バネおよび振動発電機を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係る振動発電機用の板バネは、振動によりコイルの中を永久磁石が変位することによって起電力を得る振動発電機に用いられ、永久磁石またはコイルのいずれかを保持する振動発電機用の板バネであって、板バネの中心を始端とし、始端から終端である外周に向けて３条以上の螺旋状のスリットを設け、始端から終端に近づくほど、それぞれのスリットの切り欠き幅が狭く、かつ、バネ幅が広くなるように形成されているものである。

【0011】

また、本発明に係る振動発電機は、振動によりコイルの中を永久磁石が変位することによって起電力を得る振動発電機であって、本発明の板バネを用いて、永久磁石またはコイルのいずれかが保持されているものである。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、板バネの中心から外周に向けて３条以上の螺旋状のスリットを設けた構造とし、スリットの幅を外周に近づくほど狭く、かつ、バネ幅が広くなるようにした板バネを採用することで、耐久性を高め、かつ、振動方向と直交する横方向の揺れを抑制することのできる構造を備えた振動発電機用の板バネを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施の形態１における振動発電機の構造を説明するための概略断面図である。

【図2】本発明の実施の形態１における板バネの構成を示す図である。

【図3】本発明の実施の形態１において、異なる種々の形状・構成の板バネに関して、応力および周波数を解析するためのシミュレーション条件を示した図である。

【図4】本発明の実施の形態１における種々の条件の板バネによるシミュレーション結果であり、具体的には、応力・周波数推移を示した図である。

【図5】本発明の実施の形態１におけるスリット終端のしずく形状の効果を検証するための応力分布解析結果を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明は、振動発電機に用いられる板バネの構造として、板バネの中心から外周に向けて３条以上の螺旋状のスリットを設け、それぞれのスリットの切り欠き幅を外周に近づくほど狭く、かつ、バネ幅が広くなるようにする、という技術的特徴を有するものである。そして、このような技術的特徴を備えることで、以下のような効果を得ることができるものである。
（効果１）振動により板バネに発生する応力を低減でき、板バネ自身の耐久性を高めることができる。
（効果２）応力の低減に伴い、横方向の揺れを抑制できることで、永久磁石とコイルのギャップを縮めることができ、本発明の板バネを用いた振動発電機の発電効率を向上させることができる。

【0015】

さらに、以下のような付加的な特徴を備えることで、耐久性、および発電効率のさらなる改善を図ることができる。
（付加特徴１）外周部におけるスリット終端部において、スリットに正接してスリット幅が外周側に向けて広げられたしずく形状を有する。
（付加特徴２）必要に応じて、板バネを複数用いた積層構造を採用する。

【0016】

そこで、このような技術的特徴を備えた本発明の振動発電機用の板バネの好適な実施の形態につき、以下に、図面を用いて詳細に説明する。

【0017】

実施の形態１．
本発明の板バネの構造を説明する前に、まずは、振動発電機に用いられる板バネの役割について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態１における振動発電機の構造を説明するための概略断面図である。図１に示した本実施の形態１における振動発電機は、永久磁石１ａ、１ｂ、コイル２、板バネ３ａ、３ｂ、ガイド棒４ａ、４ｂ、磁気バネ部５ａ、５ｂ、フレーム１０、天板１１、磁石取付け用上板１２、中板１３、磁石取付け用下板１４、底板１５、および周波数調整機構部１６を備えて構成されている。ここでは、板バネ３ａ、３ｂに関連する部分を中心に説明する。

【0018】

図１においては、円柱あるいは円筒形をした永久磁石（以下磁石）１ａ、１ｂが、同極を対向して配置されている。さらに、磁石１ａ、１ｂの周りを、コイル２が囲む構成となっている。ここで、コイル２は、中板１３に固定されており、コイル２の中に配置された磁石１ａ、１ｂが軸方向に振動することで、電気エネルギーが発生することとなる。

【0019】

さらに、磁石１ａは、ガイド棒４ａを介して磁気バネ部５ａと接続され、ガイド棒４ａの中間部分は、板バネ３ａにより保持されている。同様に、磁石１ｂは、ガイド棒４ｂを介して磁気バネ部５ｂと接続され、ガイド棒４ｂの中間部分は、板バネ３ｂにより保持されている。

【0020】

ここで、板バネ３ａ、３ｂは、磁石１ａ、１ｂ、およびガイド棒４ａ、４ｂからなる可動部の両端を支え、板バネ３ａ、３ｂの平面に直交する方向である振動方向（永久磁石の軸方向）の変位を許容するとともに、板バネ３ａ、３ｂの平面内に相当する横方向の力に対する変位を抑制する働きを有している。

【0021】

そこで、耐久性を高め、かつ横方向の揺れを抑制することのできる本発明の板バネの具体的な構造について、図面を用いて説明する。なお、板バネ３ａ、３ｂは、同一の構成であり、以下の説明では、板バネ３として説明する。図２は、本発明の実施の形態１における板バネ３の構成を示す図である。より具体的には、図２（ａ）は、板バネ３の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の右下部分の拡大図を示している。

【0022】

図２（ａ）に示すように、本実施の形態１における板バネ３は、板バネの中心から外周に向けて３条の螺旋状のスリット３１（１）〜３１（３）が設けられている。さらに、スリット３１（１）〜３１（３）のそれぞれは、外周部におけるスリット終端部において、スリットに正接してスリット幅が外周側に広げられたしずく形状３２（１）〜３２（３）を有している。

【0023】

また、図２（ｂ）に示された３つの寸法は、以下の内容を意味している。
Ｌｓ：スリットの始端（中心部側）における切欠き幅
Ｌｅ：スリットの終端（外周側）における切欠き幅
Ｗｓ：バネ幅

【0024】

ここで、本実施の形態１における各スリット３１（１）〜３１（３）の切欠き幅は、始端が最も広く、外周に近づくにつれて狭くなり、終端で最も狭くなるように構成される。そして、以下の説明では、スリット切欠き幅比率Ｕを、
Ｕ＝Ｌｓ／Ｌｅ
と規定している。また、Ｕ＝１のときは、バネ幅Ｗｓは一定となる。

【0025】

図３は、本発明の実施の形態１において、異なる種々の形状・構成の板バネに関して、応力および周波数を解析するためのシミュレーション条件を示した図である。シミュレーション解析は、以下の４つのパターンについて行った。
パターンＡ：可動部の両端のそれぞれに、板厚ｔ＝０．５ｍｍの１枚の板バネを配置した構成
パターンＢ：可動部の両端のそれぞれに、板厚ｔ＝０．２５ｍｍの板バネを２枚積層して配置した構成
パターンＣ：可動部の両端のそれぞれに、板厚ｔ＝０．１６ｍｍの板バネを３枚積層して配置した構成
パターンＤ：可動部の両端のそれぞれに、板厚ｔ＝０．１ｍｍの板バネを５枚積層して配置した構成

【0026】

そして、パターンＡ〜パターンＤのそれぞれについて、スリット切欠き幅比率Ｕとして、Ｕ＝１、Ｕ＝１．５、Ｕ＝２の３通りでシミュレーションを行った。また、以下の条件は、全てのパターンで共通としている。
外形寸法：６２ｍｍ
切欠き終端寸法：１．０ｍｍ
バネ幅：２．９ｍｍ（Ｕ＝１のとき）

【0027】

図４は、本発明の実施の形態１における種々の条件の板バネによるシミュレーション結果であり、具体的には、スリット切欠き幅比率Ｕを変化させた際の、応力・周波数推移を示した図である。また、図４においては、推移を明確化するために、図３に示したＵ＝１、Ｕ＝１．５、Ｕ＝２の３つの条件以外のＵの値に対するシミュレーション結果も、必要に応じて追記している。なお、応力は、強制変位として、軸方向に５ｍｍ変位させたときの値として求めている。

【0028】

図４のシミュレーション結果から、以下の点が明確となった。
＜応力に関する解析結果＞
・積層枚数が増加するほど、応力は、低下する。
・ただし、積層枚数を１枚から２枚にした場合には、応力低下の効果が大きいが、２枚から３枚あるいは５枚に増やしても、応力低下の効果は小さい。従って、製造コストや製造の容易性を考慮すると、積層枚数２枚の構造が適切である。
・スリット切欠き幅比率Ｕに関しては、Ｕ＝１からＵ＝１．１とすることで、大幅な応力低下の効果が得られている。その一方で、Ｕ＝１．１〜Ｕ＝２の間では、ほぼ同等の応力となっている。ただし、Ｕがより大きい方が、応力分布が分散傾向にあり、強度的には有利であるという結果が得られた。
・図４の結果を総括すると、スリット切欠き幅比率Ｕを１．１以上とすることで、応力緩和が実現でき、さらに、積層構造を採用することで、Ｕ＝１で１枚構造の場合に対して、応力を約６５％低減できることがわかった。

【0029】

＜周波数に関する解析結果＞
・積層枚数が多くなるほど、周波数が低下している。今回のシミュレーションは、板厚ｔ＝０．５ｍｍとしたものであるが、使用環境での共振周波数に合わせて、板厚および積層枚数を適切に選定することで、所望の周波数に合わせ込むことが可能である。
・スリット切欠き幅比率Ｕが大きくなるほど、周波数がわずかに低下するが、積層枚数を増やすことで、周波数の低下傾向も抑えられている。

【0030】

次に、終端部に設けるしずく形状の効果について、応力分布解析結果に基づいて説明する。図５は、本発明の実施の形態１におけるスリット終端のしずく形状の効果を検証するための応力分布解析結果を示した図である。図５におけるＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２の４つの図は、それぞれ以下の内容を示している。
Ａ１：パターンＡ、Ｕ＝１の条件で、終端にしずく形状を設けていない場合の応力分布
Ａ２：パターンＡ、Ｕ＝１．５の条件で、終端にしずく形状を設けた場合の応力分布
Ｂ１：パターンＢ、Ｕ＝１の条件で、終端にしずく形状を設けていない場合の応力分布
Ｂ２：パターンＢ、Ｕ＝１．５の条件で、終端にしずく形状を設けた場合の応力分布

【0031】

パターンＡにおけるＡ１とＡ２を比較すると、しずく形状を設けることで、終端（特に、Ａ１において図示した矢印部分を参照）の応力集中が緩和されていることがわかる。また、パターンＢでは、１枚の板バネに係る応力自体が、パターンＡよりも減少するため、パターンＡほど顕著ではないが、同様に、終端の応力集中が緩和されている状態が確認できる。

【0032】

以上のように、実施の形態１によれば、振動発電機に用いる板バネとして、板バネの中心から外周に向けて３条以上の螺旋状のスリットを設け、それぞれのスリットの切り欠き幅を外周に近づくほど狭く、かつ、バネ幅が広くなるようにしている。特に、スリット切欠き幅比率Ｕが１．１以上となるようにスリットを形成することで、Ｕ＝１の場合よりも大幅に応力を低減させることができる。この結果、耐久性に優れた板バネを実現できる。

【0033】

さらに、付加的な特徴として、外周部におけるスリット終端部に、しずく形状を設けている。この構造により、スリット終端での応力集中を緩和でき、耐久性をさらに向上させることができる。また、さらなる付加的な特徴として、板バネを複数枚、積層する構成を採用することで、１枚の板バネに係る応力を低減することが可能である。

【0034】

そして、応力を緩和できる結果、横方向の力に対する変位を抑制する効果も得られる。従って、永久磁石とコイルのギャップを縮めることができ、発電効率の高い振動発電機を実現できる。具体的には、本発明による板バネを採用することで、軸方向の変位に対して、横方向の変位を１／５０以下に抑えることができる。例えば、永久磁石とコイルとのギャップが１．５ｍｍの場合と比べて、０．５ｍｍとすることができれば、約３５％の起電力向上を図ることができる。

【0035】

なお、上述した実施の形態では、板バネの中心から外周に向けた径方向に関して、バネ幅が徐々に大きくなるように形成されている場合について説明したが、本願発明の板バネは、このような構成に限定されるものではない。バネ幅を徐々に大きくする代わりに、スリット間隔が一定となるようにスリットを形成することによっても、同様の効果を得ることができる。

【符号の説明】

【0036】

１ａ、１ｂ 永久磁石（磁石）、２ コイル、３ａ、３ｂ 板バネ、３１ スリット、３２ しずく形状。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】