特許 6085173 電磁発電機

(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】6085173

(24)【登録日】2017年2月3日

(45)【発行日】2017年2月22日

(54)【発明の名称】電磁発電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 35/02 20060101AFI20170213BHJP

【ＦＩ】

   H02K35/02

【請求項の数】5

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2012-546898(P2012-546898)

(86)(22)【出願日】2011年11月30日

(86)【国際出願番号】JP2011077592

(87)【国際公開番号】WO2012073980

(87)【国際公開日】20120607

【審査請求日】2014年10月7日

【審判番号】不服2016-511(P2016-511/J1)

【審判請求日】2016年1月12日

(31)【優先権主張番号】特願2010-267376(P2010-267376)

(32)【優先日】2010年11月30日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2010-294573(P2010-294573)

(32)【優先日】2010年12月29日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2011-208179(P2011-208179)

(32)【優先日】2011年9月22日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002325

【氏名又は名称】セイコーインスツル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100142837

【弁理士】

【氏名又は名称】内野 則彰

(74)【代理人】

【識別番号】100123685

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 信行

(74)【代理人】

【識別番号】100166305

【弁理士】

【氏名又は名称】谷川 徹

(72)【発明者】

【氏名】木下 伸治

【合議体】

【審判長】 中川 真一

【審判官】 堀川 一郎

【審判官】 矢島 伸一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１４８１４４（ＪＰ，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】

２つの円板状の永久磁石が、積層方向に磁化されて互いに同極面同士を向かい合わせて積層された磁石組立体と、
前記磁石組立体の側面側の周囲に円筒形状に形成され、前記積層方向と平行に円筒軸を有するケースと、
前記ケースの円筒胴部の溝に周方向に巻き回され、前記積層方向と平行に巻装されるソレノイドコイルとを備え、
前記磁石組立体は、前記ソレノイドコイルと相対的な位置が変更可能に構成されており、
前記磁石組立体に対向し前記磁石組立体と反発する反発用磁石を有し、前記永久磁石の同極面同士を向かい合わせた平面位置が、静止位置で前記ソレノイドコイルの巻装軸方向の中心と一致するように、前記磁石組立体を保持する保持部を備え、
前記永久磁石の前記巻装軸方向と垂直方向の端面の直径は、前記永久磁石の前記巻装軸方向長さの２倍以上であることを特徴とする電磁発電機。

【請求項2】

前記保持部は、前記磁石組立体に対向し前記保持部と前記磁石組立体との距離を変更する距離調整機構とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁発電機。

【請求項3】

前記保持部は、前記磁石組立体に対向し前記磁石組立体と反発する磁極の保持部用永久磁石と、前記保持部用永久磁石と前記磁石組立体との距離を変更する距離調整機構とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁発電機。

【請求項4】

前記距離調整機構は、ねじ機構であることを特徴とする請求項２又は３に記載の電磁発電機。

【請求項5】

前記保持部と前記磁石組立体の一方の前記永久磁石との間に第１の気室を備え、前記保持部と前記磁石組立体の他方の前記永久磁石との間に第２の気室を備え、
前記第１の気室と前記第２の気室とは、大気に連通することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電磁発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、永久磁石とソレノイドコイルがコイル巻装軸方向に相対移動することにより発電を行う電磁発電機に関する。

【背景技術】

【0002】

永久磁石とソレノイドコイルがコイル巻装軸方向に相対的に移動して発電する発電機は、永久磁石とソレノイドコイルが間隔を隔てて対向配置される。そして、当該発電機は、永久磁石とソレノイドコイルの相対的な移動による運動エネルギーを、コイルに誘起される電気エネルギーに変換する。

【0003】

ここで、従来の発電機では、複数の永久磁石を同じ極同士が対向する向きに積層させて磁束密度を局所的に高めて、コイルに多くの磁束を鎖交させることで、高い電力を得るようにしている（特許文献１参照）。

【0004】

また、他の従来技術では、単一の永久磁石の外周側にコイルを周方向に巻回して対向配置させて、外部環境の振動周波数と、コイルと相対移動する永久磁石の移動方向の固有振動数を一致させることで、外部の振動との共振により高出力の電力を得るようにした発電機が知られている（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６−２９６１４４号公報

【特許文献2】特開２００２−３７４６６１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、従来技術にあっては、永久磁石が複数のコイルの間を移動して発電する構成になっているため、永久磁石とコイルが磁束密度の小さい位置に対向して、永久磁石がわずかな移動距離で往復運動した場合、十分な電力が得られなくなってしまうという課題がある。

【0007】

また、他の従来技術にあっては、永久磁石をコイルバネで保持する構成になっているため、永久磁石の移動方向の固有振動数を変更して調整する場合は、非線形のコイルバネを用いてたわみ量を調整しても、振動数を大幅に変更する場合はたわみ量が大きくなるため、有効長の長いコイルバネを使用しなければならず、装置が大型化してしまうという課題がある。また、コイルバネの磁化を防止するようにコイルバネと永久磁石の間に磁化防止手段を設けるために、装置が複雑化してしまう。

【0008】

そこで、この発明は、小さい環境振動からでも発生電力が大きく、外部の振動周波数に合わせて永久磁石の移動方向の固有振動数を幅広く調整することができて、小型で、効率の良い電磁発電機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】

【0009】

上記の課題を解決するために、本発明に係る電磁発電機の第１の特徴は、複数の永久磁石が、積層方向に磁化されて互いに同極面同士を向かい合わせて積層された磁石組立体と、磁石組立体の側面側の周囲に位置するソレノイドコイルとを備え、磁石組立体はソレノイドコイルと相対的な位置が変更可能に構成されており、磁石組立体の同極面同士を向かい合わせた平面位置が、静止位置でソレノイドコイルの巻装軸方向の中心と一致するように、磁石組立体を保持する保持部を備えることである。

【0010】

かかる特徴によれば、静止位置で、積層方向に磁化された２つの永久磁石の同極面同士を向かい合わせた平面位置は、磁石の周方向に向かって磁束密度が最も大きくなっている。その平面位置にソレノイドコイルの巻装軸方向の中心を一致させることで、ソレノイドコイルに鎖交する磁束を最大にすることができる。このため、永久磁石の移動距離が小さくてもソレノイドコイルは大きな電力が得られる。

【0011】

本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に記載の電磁発電機において、保持部は、永久磁石であることである。
かかる特徴によれば、磁石組立体を、精度良くソレノイドコイルの巻装軸方向の中心を一致させることができる。

【0012】

本発明の第３の特徴は、本発明の第１の特徴に記載の電磁発電機において、保持部は、弾性体であることである。
かかる特徴によれば、磁石組立体を、精度良くソレノイドコイルの巻装軸方向の中心を一致させることができる。

【0013】

本発明の第４の特徴は、本発明の第１から３の特徴に記載の電磁発電機において、保持部は、磁石組立体に対向し保持部と磁石組立体との距離を変更する距離調整機構とを備えることである。
かかる特徴によれば、磁石組立体と保持部の距離を調整して保持部のバネ定数を変更することによって、磁石組立体の移動方向の固有振動数を変更することができる。そのため、外部の振動周波数に応じて磁石組立体を共振させることができて、コイルに大きな電力を発生させることができる。

【0014】

本発明の第５の特徴は、本発明の第１から２または第４の特徴に記載の電磁発電機において、保持部は、磁石組立体に対向し磁石組立体と反発する磁極の保持部用永久磁石と、保持部用永久磁石と磁石組立体との距離を変更する距離調整機構とを備えることである。
かかる特徴によれば、磁石組立体と永久磁石との反発力は離間する距離と指数関数的に変化するバネ特性を持つため、小さな距離の変更で大きく異なるバネ定数に変更できる。このため、保持部を僅かに移動しても固有振動数を大きく変化させることができて、電磁発電機を小型にすることができる。

【0015】

本発明の第６の特徴は、本発明の第４から５の特徴に記載の電磁発電機において、距離調整機構は、ねじ機構であることである。
かかる特徴によれば、微小な距離調整ができるため、精度よく固有振動数を調整できる。

【0016】

本発明の第７の特徴は、本発明の第１から６の特徴に記載の電磁発電機において、保持部と磁石組立体の一方の永久磁石との間に第１の気室を備え、保持部と磁石組立体の他方の永久磁石との間に第２の気室を備え、第１の気室と第２の気室とは、大気に連通することである。
かかる特徴によれば、磁石組立体の移動による第１と第２の気室の体積変化に伴う気室内空気の流動は、磁石組立体外周の狭い通路を通る空気の流動に依存しない。そのため、磁石組立体の振動は、狭い通路を流動する空気による減衰が小さく、共振時の応答倍率が大きくなって、磁石組立体はソレノイドコイルと大きく高速で相対移動できる。このことから大きな電力が得られる。

【0017】

本発明の第８の特徴は、本発明の第１から７の特徴に記載の電磁発電機において、保持部は、磁石組立体を狭持するように保持部を備えていることである。
かかる特徴によれば、磁石組立体を、精度良くソレノイドコイルの巻装軸方向の中心と一致させることができる。

【0018】

本発明の第９の特徴は、複数の永久磁石が、積層方向に磁化されて互いに同極面同士を向かい合わせて積層された磁石組立体と、磁石組立体の側面側の周囲に位置するソレノイドコイルとを備え、ソレノイドコイルは、磁石組立体と相対的な位置が変更可能に構成されており、ソレノイドコイルの巻装軸方向の中心が、静止位置で磁石組立体の同極面同士を向かい合わせた平面位置と一致するように、ソレノイドコイルを保持する保持部を備えることである。
かかる特徴によれば、静止位置で、積層方向に磁化された２つの永久磁石の同極面同士を向かい合わせた平面位置は、磁石の周方向に向かって磁束密度が最も大きくなっており、その平面位置にソレノイドコイルの巻装軸方向の中心を一致させることで、ソレノイドコイルに鎖交する磁束を最大にすることができる。このため、ソレノイドコイルと永久磁石の相対移動距離が小さくてもソレノイドコイルは大きな電力が得られる。

【0019】

また、ソレノイドコイルが磁石組立体と位置変更可能に構成されているため、振動して変位するソレノイドコイルを軽量に設定することができる。大きな電力を得るように永久磁石を大型にした場合には、永久磁石を可動させる構成は、永久磁石の質量が大きいため外部の環境振動と共振する周波数に、バネ荷重も大きくして合わせる必要がある。大きな質量と大きなバネ荷重は永久磁石が振動するときの移動方向ガイド部材との摩擦が大きくなって効率の良い発電ができない。しかし、軽量のソレノイドコイルを可動させる構成は、バネ荷重も小さくできるため、移動方向ガイド部材との摩擦が小さくて、効率の良い発電ができる。

【0020】

本発明の第１０の特徴は、本発明の第１から９の特徴に記載の電磁発電機において、磁石組立体とソレノイドコイルの相対的な位置が変更する距離をＸ、ソレノイドコイルの巻装軸方向長さをＬ、磁石組立体の積層方向長さをＴとした場合、ＸがＸ≦Ｔ×０．７−Ｌとなるように設定されていることである。
かかる特徴によれば、後述する図３の磁束密度分布に示すように、単一の磁極極性の範囲内をソレノイドコイルと磁石組立体が相対移動するため、ソレノイドコイルに逆向きの起電力が発生しない。このことから大きな電力が得られる。

【0021】

本発明の第１１の特徴は、本発明の第１から１０の特徴に記載の電磁発電機において、永久磁石の巻装軸方向と垂直方向の端面長さは、永久磁石の巻装軸方向長さの２倍以上であることである。
かかる特徴によれば、磁石組立体と反発用磁石の距離が広く確保できて、接触を防止して信頼性の高い電磁発電機が得られる。また、反発用磁石を小さくできるため電磁発電機を小型、軽量にすることができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明に係る電磁発電機によれば、外部の小さい環境振動からでも発生電力の大きい電磁発電機を形成することができる。したがって、本発明は、電磁発電機の効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の実施例１に係る電磁発電機の断面図である。

【図2】本発明の実施例１に係る電磁発電機の動作時の断面図である。

【図3】磁石組立体の磁束密度分布を示す図である。

【図4】厚みの異なる磁石組立体の磁束密度分布を示す図である。

【図5】単位磁石のソレノイドコイルの巻装軸方向と垂直方向の端面長さとソレノイドコイルの巻装軸方向長さを示す断面図である。

【図6】単位磁石の軸方向長さの異なる磁石組立体の反発用磁石とのバネ特性を示す図である。

【図7】磁石組立体を周波数６０Ｈｚ、全振幅１ｍｍで振動させる時のバネ定数の表である。

【図8】厚みの異なる磁石組立体の端面側の磁束密度分布を示す図である。

【図9】厚みの異なる磁石組立体の重量比と端面側の磁束密度の図である。

【図10】本発明の電磁発電機の断面図である。

【図11】本発明の実施例２に係る電磁発電機の断面図である。

【図12】本発明の実施例２に係る電磁発電機の斜視図である。

【図13】本発明の実施例２に係る変形例１の電磁発電機の断面図である。

【図14】本発明の実施例２に係る変形例２の電磁発電機の断面図である。

【図15】本発明の実施例２に係る変形例３の電磁発電機の斜視図である。

【図16】本発明の実施例３に係る電磁発電機の断面図である。

【図17】本発明の実施例３に係る電磁発電機の斜視図である。

【図18】本発明の実施例３に係る変形例１の電磁発電機の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

（実施例１）
以下、本発明に係る電磁発電機の一実施形態（実施例１）を図１から図１０を参照して説明する。
図１に示すように、電磁発電機１は、磁石組立体３と磁石保持体１２と、磁石組立体３の移動を案内するガイド棒１１と、ガイド棒１１を両端から保持するハウジング２３、２４と、磁気ばねとして作用して磁石組立体３を反発させる反発手段としての反発用磁石４、５と、ケース２２と、磁石組立体との電磁誘導作用により電力を発生するソレノイドコイル２１とを備える。

【0025】

ハウジング２３、２４は、円板により形成される。
ガイド棒１１は、丸棒により形成される。また、ガイド棒１１はハウジング２３、２４を形成する円板の一方の面の円中心から他方の面と直交する方向に延長するように設けられる。
磁石保持体１２は、内面をガイド棒１１が貫通するように取り付けられ、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ）等の樹脂で形成されてガイド棒１１の外周面と低摩擦で摺動するようになっている。

【0026】

磁石組立体３は、円の中心に磁石保持体１２の筒の外周面に嵌め込まれる中心孔１４を備えた円板形状の磁石である。磁石組立体３の中心孔１４が磁石保持体１２の筒の外周面に嵌め込まれて、磁石組立体３が磁石保持体１２と同心となるように磁石保持体１２に固定される。これにより外部振動に応じて磁石組立体３が磁石保持体１２を介してガイド棒１１上をガイド棒１１の延長方向に直線的な往復移動が可能に構成される。磁石組立体３は、円の中心に磁石保持体１２の筒の外周面に嵌め込まれる中心孔１４を備えた２つの円板状の単位磁石１５、１６がガイド棒１１に沿った方向に積層された構成からなる。単位磁石１５は、円板の一方の円面１７がＳ極に着磁され、円板の他方の円面側がＮ極に着磁されたものである。磁石組立体３は図１に示すように、単位磁石１５、１６のうち一方の単位磁石の円面１７同士、又は、他方の円面同士を向かい合わせて磁石保持体１２に挟み込まれて固定される。即ち、単位磁石１５、１６は、同極に着磁された面同士を向かい合わせて固定されて磁石組立体３を構成する。

【0027】

反発用磁石４、５は、円板形状の磁石であり、磁石組立体３と互いに向かい合う面同士が同極になるようハウジング２３、２４と接着固定される。これにより、磁石組立体３は、反発用磁石４または５に近づいた場合、同極である反発用磁石４または５により反発するので、反発用磁石４または５より離れる方向に移動する。また、反発用磁石４、５は、単位磁石１５、１６の外径よりも小径で且つ厚みが薄い。これにより、反発用磁石４、５は、反発する力が小さくなって、外部の低い周波数の振動（１００Ｈｚ以下等の振動）でも磁石組立体３が移動する距離を長くできるようになっている。

【0028】

ケース２２は、両端側のハウジング２３、２４に嵌め込まれている。そして、ケース２２は、非磁性体で円筒形状に形成されている。ケース２２は、例えば、樹脂（ＰＰＳ等）等の非導電性材料で形成されることが好ましい。また、ケース２２は、円筒胴部の中央に、ソレノイドコイル２１が収容される溝を備える。ソレノイドコイル２１が収容される溝の積層方向の中心Ｃ１は、磁石組立体３が外部の振動がない静止状態の時、同極面同士を向かい合わせた平面位置Ｃ２とほぼ一致する。

【0029】

ソレノイドコイル２１は、ケース２２の円筒胴部中央の溝において、周方向に巻き回された構成からなる。ケース２２の溝の積層方向の中心Ｃ１が、静止時の磁石組立体の同極面同士を向かい合わせた平面Ｃ２とほぼ一致しているため、ソレノイドコイル２１の巻装軸方向中心も中心Ｃ１と一致し、静止時の磁石組立体の同極面同士を向かい合わせた平面位置Ｃ２とほぼ一致している。

【0030】

以上のように構成された電磁発電機１は、ハウジング２３または２４が電動機（図示省略）等に固定される。そして、電動機を回転させると回転体のアンバランス等により電動機本体が振動し、電磁発電機１が振動する。反発用磁石４、５との磁気力によりガイド棒軸方向の均衡位置に保持された磁石組立体３は、振動によりガイド棒軸方向に直線的な往復移動を行い、外周側のソレノイドコイル２１に誘導起電力が発生する。

【0031】

図３は、円筒軸と直交する方向にホール素子を向けて積層方向に移動させて磁束密度を測定した磁束密度分布の図である。磁石組立体は、積層方向に磁場配向した異方性のサマリウムコバルト磁石を、積層方向に着磁した外径φ４．２ｍｍ、内径１．６ｍｍ、厚み１ｍｍの単位磁石とを同極面同士を向かい合わせて積層したものを用いた。なお、図３における距離はホール素子の移動距離を示す。

【0032】

本発明の構成によって、磁石組立体３は、図３に示すように単位磁石を向かい合わせた平面位置Ｃ２において、磁束密度が最も高くなっている。また、この磁束密度の最も高い向かい合わせ平面位置Ｃ２とソレノイドコイル２１の巻装軸方向中心が静止時に一致している。ソレノイドコイル２１は磁束密度の最も高い位置を中心にして磁石組立体３と相対移動して誘導起電力を発生する。このことから、小さい移動距離であっても大きな誘導起電力を発生することができる。

【0033】

図２は、電磁発電機の動作時の断面図を示す。合計距離Ｘは、磁石組立体３の反発用磁石５側に移動した最大距離Ｘ１と、反発用磁石４側に移動した最大距離Ｘ２を加えたものである。このように、合計距離Ｘは、磁石組立体３とソレノイドコイル２１とが相対的に移動する距離を表す。Ｌはソレノイドコイル２１の巻装軸方向の長さを表し、Ｔは磁石組立体３の積層方向の長さを表す。以上のように構成された電磁発電機１において、好ましくは、図２に示すように、Ｘ≦Ｔ×０．７−Ｌとなるように設定する。

【0034】

このように構成したことによって、磁石組立体３が反発用磁石５側に最も移動した図２（ａ）と反発用磁石４側に最も移動した図２（ｂ）において、磁石組立体３は積層方向長さＴの７０％の範囲にソレノイドコイル２１が対向するようになっている。同極面同士を向かい合わせて積層した磁石組立体の磁束密度分布は図４に示すように、向かい合わせた面の磁極磁束が磁石組立体の積層方向長さのほぼ７０％の範囲にあるため、磁石組立体３が最も大きく移動した場合であっても、ソレノイドコイル２１は単一磁極に対向するようになって、反対の磁極と対向して逆向の誘導起電力を発生することがない。そのため、大きな誘導起電力を発生することができる。

【0035】

図４は厚みの異なる磁石組立体３の磁束密度分布を示す図である。具体的には、図４は、積層方向に磁場配向した異方性のサマリウムコバルト磁石を積層方向に着磁し、同極面同士を向かい合わせて積層し、図３と同一方向にホール素子を移動して磁束密度を測定した結果を表す図である。なお、図４における距離はホール素子の移動距離を示す。ここで、図４（ａ）から図４（ｃ）に係る磁石組立体３の単位磁石は、外形φ４．２ｍｍ、内径１．６ｍｍとし、それぞれの厚みを変えている。一例として、図４（ａ）の厚みを１ｍｍ、図４（ｂ）の厚みを２ｍｍ、図４（ｃ）の厚みを３ｍｍとした。同極面同士が向かい合う極性の分布する範囲は、厚み１ｍｍの場合に１．４ｍｍ、厚み２ｍｍの場合に２．７ｍｍ、厚み３ｍｍの場合に４．１ｍｍである。また、磁石組立体の積層方向長さに対するそれぞれの割合は、厚み１ｍｍが７０％、厚み２ｍｍが６８％、厚み３ｍｍが６８％であり、ほぼ７０％の範囲に同一極性の磁束が分布している。したがって、磁石組立体が移動する距離Ｘとソレノイドコイル２１の巻装軸方向長さＬを加えた合計長さが、磁石組立体の積層方向長さのほぼ７０％以下であれば、ソレノイドコイル２１には逆向きの誘導起電力は発生しない。

【0036】

図５は、単位磁石のソレノイドコイル２１の巻装軸方向と垂直方向の端面長さとソレノイドコイル２１の巻装軸方向長さを示す断面図である。図５に示すように、単位磁石１５、１６のソレノイドコイル２１の巻装軸方向と垂直方向の長さＬ１は巻装軸方向長さＬ２の２倍以上とすると良い。このように構成したことによって、磁石組立体３は、所定の固有振動数に設定された反発用磁石４、５とのバネ荷重において、体積の小さな反発用磁石４、５を用いても距離を大きくすることができる。そのため、共振時の大きな振幅においても、磁石組立体３と反発用磁石４、５は接触することがない。

【0037】

磁石組立体３と反発用磁石４、５との距離を大きくすることができる理由について、図６、図７を用いて説明する。図６は重量の異なる磁石組立体を、反発用磁石との距離を変えながら荷重を測定した図である。図７は重量の異なる磁石組立体について周波数６０Ｈｚ、全振幅１ｍｍの減衰を考慮しない固有振動数を計算で求めたバネ定数の表である。また、本発明の電磁発電機による磁石組立体の減衰係数は０．１以下と小さいため、減衰のある固有振動数と減衰のない固有振動数はほぼ等しい値となることから、減衰を考慮しない固有振動数の計算で構わない。使用した磁石は、積層方向に磁場配向したネオジウム焼結磁石である。磁石組立体は、外径φ１４ｍｍ、内径φ３．３ｍｍ、厚み３．５ｍｍの単位磁石を積層した。単位磁石を１個ずつ同極面同士を向かい合わせて積層した磁石組立体は、単位磁石の円筒軸に垂直方向の端面長さ（Ｌ１）は１４ｍｍで、円筒軸方向長さ（Ｌ２）は３．５ｍｍである。また、単位磁石の端面長さ／巻装軸方向長さの比は４である。２個の単位磁石の異極面を向かい合わせて積層して１組の単位磁石とし、２組の単位磁石の同極面同士を積層した磁石組立体は、単位磁石の端面長さ／巻装軸方向長さの比が２である。同様に３個の単位磁石を１組の単位磁石として積層した磁石組立体の単位磁石の端面長さ／巻装軸方向長さの比は１．３３である。同様に４個の単位磁石の単位磁石の端面長さ／巻装軸方向長さの比は１である。それぞれ４組の磁石組立体のバネ特性の測定とバネ荷重の計算を行った。バネ特性の測定に用いた反発用磁石は、外径φ８．５ｍｍ、内径φ５．５ｍｍ、厚み０．９ｍｍの厚み方向に磁場配向したネオジウム焼結磁石である。

【0038】

図６のバネ特性では、端面長さ／巻装軸方向長さの比（以下「比」と示す）が４の磁石組立体と比２の磁石組立体ではバネ特性が大きく異なっている。比４と比較して比２は、バネが大幅に強くなっている。比１．３３と比１のバネ特性は、比２と大きな差はなく、僅かにバネが強くなっている。図６に付したａ、ｂ、ｃ、ｄは、それぞれ４組の磁石組立体において固有振動数６０Ｈｚ、全振幅１ｍｍになる計算で求めたバネ定数をグラフ上にプロットしたものである。比４と比２の距離は１ｍｍ以上でほぼ同じであるが、比１．３３と比１は距離が短くなる方向にシフトしている。このことから、単位磁石の端面長さを巻装軸方向長さの２倍以上とすることにより、反発用磁石と磁石組立体の距離を大きく確保することができることがわかる。

【0039】

次に、実験により得られた、バネ特性の特徴について、根拠を磁石組立体の端面側表面磁束を測定して推察した。
図８は、比４から比１まで４組の磁石組立体の、端面の磁束密度分布の図である。磁束密度の測定は、端面の円面中心線上を一端部から他端部に向けてホール素子を移動して行った。比４から比２では磁束密度が大幅に大きくなっているのに対して、比２から比１．３３、比１は磁束密度の増加分は小さくなっている。このことから、比４から比２で大幅にバネが強くなっており、比２から比１．３３、比１のバネは僅かに強くなるものと推察する。

【0040】

また、図９に、比４の磁石組立体の重量を１とした重量比と、測定した磁束密度を合計した磁束密度の図を示す。重量比２までは重量に比例して磁束密度が増大しているが、重量比２から重量比４まではグラフの傾きが小さくなって、重量の増加よりも磁束密度の増加は少ない。したがって、比２までは巻装軸方向長さの増加に比例して端面側の磁束密度も増加するが、比２を越えて巻装軸方向長さが増加しても端面側磁束密度は、長さ増加分よりも小さい割合で増加することを示している。このことから、比２までは磁石重量の増加とほぼ比例してバネも強くなるため、反発用磁石との距離を変えずに必要なバネ荷重を得ることができるが、比２を超えて円筒軸方向に磁石を大きくしても重量の増加に見合ったバネ強度が得られないため、反発用磁石と磁石組立体の距離を小さくして必要なバネ荷重を得なければならないと推察する。

【0041】

ハウジング２３、２４及び単位磁石１５、１６は、円板でなくても良く、多角板でも良い。また、反発用磁石４、５及び単位磁石１５、１６は穴を有しなくても良く、ガイド棒１１、磁石保持体１２を有しなくても良い。

【0042】

（実施例１の変形例）
図１０は、実施例１に係る電磁発電機１の変形例を示す。反発用磁石４、５の代わりに、コイルばねのような弾性体３１、３２によって磁石組立体３とハウジング２３、２４とを連結しても良い。振動によって弾性体３１、３２が伸縮することで、磁石組立体３がガイド棒１１に沿って直線的に往復移動可能なように構成された電磁発電機１としてもよい。

【0043】

このように構成したことによって、磁石組立体３は、単位磁石１５、１６の同極面同士を向かい合わせた面Ｃ２の、磁束密度が最も高い位置にソレノイドコイル２１の巻装軸方向中心Ｃ１が静止時に一致しているため、磁束密度が最も高い位置を中心に磁石組立体３とソレノイドコイル２１が相対往復移動する。このことから、大きな誘導起電力を発生することができる。

【0044】

（実施例２）
図１１と図１２は、実施例２に係る電磁発電機１を示す。
図１１に示すように、電磁発電機１は、磁石組立体３と、磁石組立体３を移動方向に保持する保持部２７、２８と、保持部２７、２８を収容するケース８と、磁石組立体３との電磁誘導作用により電力を発生するソレノイドコイル２１とを備える。

【0045】

保持部２７、２８は、ハウジング２３、２４と反発用磁石４、５からなる。さらに保持部２７、２８は、保持部２７、２８と磁石組立体３の距離を調節する距離調整機構を有する。具体的には、ハウジング２３、２４は外周におねじが形成され、反発用磁石４、５を収容する窪みと、マイナスドライバー等の工具先端が嵌る溝２５、２６を備え、マイナスドライバー等の工具による回転で、ハウジング２３、２４のおねじとケース内周面のめねじによりねじ軸方向に移動可能である。

【0046】

反発用磁石４、５は、磁石組立体３の向かい合う極と同極となる面を磁石組立体３に向けて、ハウジング２２、２３に接着により固定される。
単位磁石１５、１６は反発用磁石４、５に対向する面がＳ極に着磁され、他方の面がＮ極にされたものである。磁石組立体３は反発用磁石４、５と向かい合う極が同極のため、これにより、磁石組立体３が反発用磁石４または５に近づいた場合に磁石組立体３が、反発用磁石４または５により反発して反発用磁石４または５より離れる方向に移動する。

【0047】

ケース８は、非磁性体で形成され、好ましくは、樹脂（ＰＰＳ等）の非導電性材料で形成されている。ケース８の胴部の中央にはソレノイドコイル２１が収容される溝が備えられている。ソレノイドコイル２１が収容される溝のケース８の軸方向の中心Ｃ１は、磁石組立体３が反発用磁石４、５の磁力によって反発用磁石４、５から離れて、外部の振動がない静止状態の時、同極面同士を向かい合わせた平面位置Ｃ２とほぼ一致している。

【0048】

ソレノイドコイル２１は、ケース８の胴部の中央の溝に周方向に巻き回された構成である。ケース８の溝の筒軸方向の中心Ｃ１が、静止時の磁石組立体の同極面同士を向かい合わせた平面Ｃ２とほぼ一致しているため、ソレノイドコイル２１の巻装軸方向中心も中心Ｃ１と一致し、静止時の磁石組立体の同極面同士を向かい合わせた平面位置Ｃ２とほぼ一致している。

【0049】

以上のように構成された電磁発電機１は、ケース８が取り付け部３５により電動機等に固定され、電動機等を回転させると回転体のアンバランス等により電動機等の本体が振動し、電磁発電機１が振動する。そして、電動機等の振動周波数と磁石組立体３の移動方向の固有振動数が一致するように、ハウジング２３、２４を回転させて反発用磁石４、５と磁石組立体３との距離を調節することで、磁石組立体３が共振して振動する。磁石組立体３は、振動によりケース８の軸方向に直線的な往復移動を行い、外周側のソレノイドコイル２１に誘導起電力が発生する。

【0050】

このように構成したことによって、磁石組立体３は、図３に示すように単位磁石を向かい合わせた平面位置の磁束密度が最も高くなっており、この磁束密度の最も高い、向かい合わせた平面位置とソレノイドコイル２１の巻装軸方向中心が静止時に一致しており、ソレノイドコイル２１は磁束密度の最も高い位置を中心にして磁石組立体３と相対移動して誘導起電力を発生する。このことから、小さい移動距離であっても大きな誘導起電力を発生することができる。

【0051】

また、反発用磁石４、５は、ハウジング２３、２４をマイナスドライバー等の工具の回転により、ハウジング２３、２４のおねじとケース内周面のめねじによりねじ軸方向に移動可能に構成されているため、ハウジング２３、２４と磁石組立体３との距離を調整することができる。反発用磁石４、５と磁石組立体３との距離は、距離と荷重の関係が図６に示すように距離に対して荷重が指数関数的に変化する関係にあるため、僅かな距離の調整で大幅に傾きの異なるバネ定数に設定することができる。このことから、磁石組立体３の移動方向の固有振動数は、僅かな距離の変更で幅広い周波数に変更することができるため電磁発電機の厚みを薄型にすることができる。さらに、ねじの回転による微少な距離調整ができるため、外部振動周波数に合わせた磁石組立体３の移動方向の固有振動数の調整を高精度に行うことができて、共振により磁石組立体３はソレノイドコイル２１と大きく高速で相対移動できる。そのため、大きな誘導起電力を発生することができる。

【0052】

以上のように構成された電磁発電機１において、好ましくは、磁石組立体３と保持部２７、２８とケース８との間に形成される気室６、７が大気と連通する連通孔４１、４２をケース８に備えている。

【0053】

このように構成したことによって、磁石組立体３が一方の反発用磁石側に移動した場合において、体積が減少する一方側の気室と体積が増加する他方側の気室は、それぞれの気室が連通孔から空気の流入流出を行うことができる。そのため、磁石組立体３の外周面とケース８との間に形成される狭い通路を通る空気の流通を少なくすることができて、磁石組立体３の振動を減衰させる減衰係数を小さくすることができる。外部振動の入力に対する磁石組立体３の共振応答倍率Ｑは、一般にＱ＝１／２ζで与えられる。すなわち共振時の最大応答は減衰係数ζの２倍の逆数であるため、狭い通路を流動する空気による減衰を小さくすることができて共振応答倍率Ｑが大きくなり、磁石組立体はソレノイドコイルと大きく高速で相対移動できる。そのため、大きな誘導起電力を発生することができる。ただし、連通孔４１、４２はケース８になくてもハウジング２３、２４に形成しても良い。

【0054】

図１２は、図１１の電磁発電機の斜視図である。ただし、図１２のようにケース８は円筒形でなくても良く、多角柱形でもよい。それに伴い、図１２のハウジング２３、２４、単位磁石１５は、ケース８の形状に合わせて、円板でなくても良く、多角板でも良い。単位磁石１５が多角板であり、電磁発電機１が単位磁石１５と同様の多角柱形である場合、電磁発電機１を複数設置する場合に、電磁発電機同士の間に無駄なスペースを作ることなく、設置することができる。よって、電磁発電機設置範囲あたりの発電効率が上昇する。

【0055】

（実施例２の変形例１）
図１３は、実施例２の変形例１に係る電磁発電機１を示す。
図１１に示した実施例２と共通する構成には、同じ符号を示し、説明は省略する。
実施例２と実施例２の変形例１では、単位磁石１５、１６が十字穴付皿小ねじ１４とナット１３により締め付けられ、磁石組立体３が形成されている点で異なる。
反発用磁石４、５は、磁石組立体３の向かい合う極と同極となる面を磁石組立体３に向けて、ハウジング２３、２４に接着により固定される。

【0056】

単位磁石１５、１６は、中心孔と孔の一方に円錐の面取を備える皿孔付の磁石である。単位磁石１５、１６の中心孔に十字穴付皿小ねじ１４とナット１３が嵌め込まれて、十字穴付皿小ねじ１４とナット１３を締め付けて磁石組立体３が形成される。単位磁石１５、１６はそれぞれ保持部に対向する面がＳ極に着磁され、他方の面がＮ極にされたものである。反発する単位磁石１５の面同士を容易に一体化し、磁石組立体３を形成することが可能である。

【0057】

（実施例２の変形例２）
図１４は、実施例２の変形例２に係る電磁発電機１を示す。
図１１に示した実施例２と共通する構成には、同じ符号を示し、説明は省略する。
実施例２と実施例２の変形例２では、保持部２７、２８と磁石組立体３の距離を調節する距離調整機構が異なる。

【0058】

保持部２７、２８は、ハウジング２３、２４と反発用磁石４、５からなる。さらにハウジング２３、２４は、ケース８の軸方向に垂直な方向から貫通ねじ４３により締め付けられている。貫通ねじ４３の締め付けを緩めることで、ハウジング２３、２４は筒軸方向に移動可能となる。

【0059】

（実施例２の変形例３）
図１５は、実施例２の変形例３に係る電磁発電機１を示す。
図１１に示した実施例２と共通する構成には、同じ符号を示し、説明は省略する。
実施例２と実施例２の変形例３では、ケース部８が、磁石組立体３の位置を確認することができる、位置確認部３６を有する点で異なる。位置確認部３６はケース８の内部を目視できる構造であり、磁石組立体３の位置を目視で確認しながら、ハウジング２３、２４をケース８の軸方向に移動させることができる。また、位置確認部３６に目盛等を付している場合、より正確に磁石組立体３の位置を確認でき、ハウジング２３、２４のより、高精度に反発用磁石４、５と磁石組立体３の距離を調節することが可能となる。

【0060】

（実施例３）
図１６と図１７は、実施例３に係る電磁発電機１を示す。
図１６に示すように、電磁発電機１は、ハウジング７１と、ハウジング７１に十字穴付皿小ねじ５１により固定される磁石組立体３と、コイルボビン２５に巻回されたソレノイドコイル２１と、ソレノイドコイル２１を移動方向に保持する保持部６１とを備える。

【0061】

ハウジング７１は、非磁性材で形成され、中央には磁石組立体３の円錐の面取り部が当接する凸部と、十字穴付皿小ねじ５１が嵌め込まれるねじ孔を備えており、外周側に保持部６１が取り付く円筒部を備えている。

【0062】

磁石組立体３は、単位磁石１５、１６が十字穴付皿小ねじ５１とハウジング７１により締め付けられて形成されている。単位磁石１５、１６は、中心孔と孔の一方に円錐の面取を備える皿孔付の磁石である。単位磁石１５、１６の中心孔に十字穴付皿小ネジ５を貫通させてハウジング２４のネジ孔に締め付けて磁石組立体３が形成される。単位磁石１５、１６はそれぞれ向かい合う面がＮ極に着磁され、他方の面がＳ極にされたものである。

【0063】

保持部６１は、例えばＳＵＳ３０４で形成された板バネである。保持部６１の基端側はハウジング７１の外周側円筒部に固定され、先端側はコイルボビン２５に固定されている。コイルボビン２５とソレノイドコイル７１は、外部の振動に共振するよう保持部６１のバネ荷重が設定されている。

【0064】

コイルボビン２５は、非磁性材で形成され、好ましくは、樹脂（ＰＰＳ等）の非導電性材料で形成されている。ソレノイドコイル２１はコイルボビン２５に周方向に巻回された構成である。ソレノイドコイル２１の巻装軸方向の中心Ｃ１は、外部の振動がない静止状態の時、磁石組立体３の同極面同士を向かい合わせた平面位置Ｃ２とほぼ一致している。

【0065】

以上のように構成された電磁発電機１は、ハウジング７１が電動機等に固定される。そして、電動機を回転させると回転体のアンバランス等により電動機本体が振動し、電磁発電機１が振動する。ハウジング７１の振動は、保持部６１からコイルボビン２５に伝達される。コイルボビン２５とソレノイドコイル２１は、外部の振動周波数と共振するように保持部６１のバネ荷重が設定されているため、ソレノイドコイル２１は共振して外部振動の振幅よりも大きく巻装軸方向に振動し、磁石組立体３と相対移動してソレノイドコイル２１に誘導起電力が発生する。

【0066】

このように構成したことによって、磁石組立体３は、図３に示すように単位磁石を向かい合わせた平面位置Ｃ２の磁束密度が最も高くなっており、この磁束密度の最も高い向かい合わせ平面位置Ｃ２とソレノイドコイル２１の巻装軸方向の中心Ｃ１が静止時に一致しており、ソレノイドコイル２１は磁束密度の最も高い位置を中心にして磁石組立体３と相対移動して誘導起電力を発生する。このことから、小さい移動距離であっても大きな誘導起電力を発生することができる。
図１７は、図１６の電磁発電機の斜視図である。

【0067】

（実施例３の変形例１）
図１８は実施例３の変形例１に係る電磁発電機１を示す。
保持部６１の板バネの代わりに、コイルバネ８１、８２によってハウジング７１とコイルボビン２５を連結し、振動によってコイルバネ８１、８２が伸縮することで、コイルボビン２５とソレノイドコイル２１が直線的な往復移動可能なように構成された電磁発電機１としてもよい。

【0068】

このように構成したことによって、ソレノイドコイル２１は、磁石組立体３の、単位磁石１５、１６の同極面同士を向かい合わせた面Ｃ２の、磁束密度が最も高い位置に巻装軸方向中心Ｃ１が静止時に一致しているため、磁束密度が最も高い位置を中心にソレノイドコイル２１と磁石組立体３が相対往復運動する。このことから、大きな誘導起電力を発生することができる。
本発明は上述した実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

【産業上の利用可能性】

【0069】

本発明の電磁発電機は外部の小さい環境振動からでも発生電力の大きい電磁発電機を形成することができるので、産業上有用である。

【符号の説明】

【0070】

１ 電磁発電機
３ 磁石組立体
４、５ 反発用磁石
１１ ガイド棒
１２ 磁石保持体
１４ 磁石組立体の中心孔
１５、１６ 単位磁石
１７ 単位磁石の円面
２１ ソレノイドコイル
２２ ケース
２３、２４、７１ ハウジング

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】