以下、本発明の一実施の形態について、� ��1~図12を参照して説明する。本実施の形態で は、外部から振動を加えて、ソレノイドコイ ル中に設置された磁石を動かすことによって 発電する振動型電磁発電機に適用した例につ いて説明する。

 まず、本発明に係る振動型電磁発電機の� ��体的な構成例について説明する前に、可動� ��石とソレノイドコイルで構成される発電機� ��ついて、図1~図3を参照して説明する。

 図1は、1個の円筒形磁石2と、1個のソレノイ ドコイル1で構成される振動型電磁発電機10の 構成例と、出力電圧波形の例を示す図である 。
 振動型電磁発電機10を構成するソレノイド� �イル1の長さは、円筒形磁石2の長さにほぼ等 しい。そして、1個の円筒形磁石2が、ソレノ� ��ドコイル1の巻軸方向に沿って通過したとき に得られる出力電圧を出力電圧波形3として� �している。
 出力電圧波形3は、周期が磁石長あるいはコ イル長(ソレノイドコイルの長さ)のほぼ2倍で あり、正弦波の波形にほぼ等しい1周期分の� �形となる。つまり、図1において、出力電圧� ��形の横軸を時間軸とした場合には、1周期の 時間は、磁石長の2倍の長さの距離を通過速� �で割った値となる。

 ところで、本発明に係る振動型電磁発電� ��は、ソレノイドコイルと、ソレノイドコイ� ��中を動く可動磁石によって構成される。可� ��磁石は、同じ極性を対向させて接合された� ��数個の磁石で構成される。また、ソレノイ� ��コイルは、逆極性に直列接続される複数個� ��コイルで構成される。そして、本発明に係� ��振動型電磁発電機の出力電圧は、ソレノイ� ��コイル中を動く可動磁石によって、ソレノ� ��ドコイル毎に生じる出力電圧を加えて得ら� ��る。このとき、ソレノイドコイル毎に生じ� ��出力電圧の波形は、図1に示す電圧波形が基 本となる。そして、全てのコイルが発生する 電圧の位相を合わせた上で、この電圧を最大 出力とするように加えることが重要である。 そのためには、磁石長と磁石スペーサの厚さ を加えた磁石ピッチと、コイル長とコイル間 隔を加えたコイルピッチを、ほぼ等しくする 必要がある。

 また、磁石の材質が同じ場合に、小形で� ��り発電効率の高い発電機を得るためには、� ��かに短い磁石長でより大きな出力電圧が得� ��れるかが重要な課題となる。このため、本� ��明の発明者は、様々な条件の下で本発明に� ��る振動型電磁発電機の特性を検証した。

 図2は、1個の可動磁石25と、3個のソレノイ� �コイル(第1のソレノイドコイル21~第3のソレ� �イドコイル23)で構成される振動型電磁発電� �20の断面図である。
 隣り合うソレノイドコイルは、所定の間隔2 4をあけてある。コイルの巻き方向は、隣り� �うソレノイドコイル毎に互いに逆向きの正� �逆・正方向である。この直列接続された第1� ��ソレノイドコイル21~第3のソレノイドコイル 23を、発電コイル26と称する。可動磁石25の長 さは、コイル長とコイル間隔の合計の長さ(� �えば、ソレノイドコイル21と間隔24の合計の� ��さ)に等しい。

 図3は、極性を正・逆・正として直列接続さ れた第1のソレノイドコイル21~第3のソレノイ� ��コイル23に、可動磁石25を通した場合の出力 電圧波形の模式図である。図3の横軸目盛り� �磁石長(=コイル長)に対応した時間となって� �る。
 図3において、グラフ中の数字は、それぞれ のソレノイドコイルの出力電圧と合成出力電 圧の振幅比を示している。

 第1のソレノイドコイル21~第3のソレノイド� �イル23の極性は、それぞれ正・逆・正となっ ている。このため、それぞれの第1のソレノ� �ドコイル21~第3のソレノイドコイル23に発生� �る電圧は、コイル長に対応した時間だけ位� �がずれ、同時に極性が変化する。
 また、第1のソレノイドコイル21~第3のソレ� �イドコイル23は、それぞれ直列に接続されて いる。このため、取り出される電圧は、第1� �ソレノイドコイル21~第3のソレノイドコイル2 3が発生する電圧を足し合わせた合成出力電� �になる。このとき、図3に示す合成出力電圧� ��形が得られる。

 次に、本発明に係る振動型電磁発電機40の� �成例について、図4の断面図を参照して説明� ��る。
 振動型電磁発電機40は、1個の可動磁石48と� �3個のソレノイドコイル(第1のソレノイドコ� �ル41~第3のソレノイドコイル43)で構成される� ��
 隣り合うソレノイドコイルは、所定の間隔4 4をあけてある。コイルの巻き方向は、隣り� �うソレノイドコイル毎に互いに逆向きの正� �逆・正方向である。この直列接続された第1� ��ソレノイドコイル41~第3のソレノイドコイル 43を、発電コイル49と称する。
 可動磁石48は、長さ方向に着磁された同じ� �さの2個の磁石45、46を、所定の厚さの非磁性 体からなる磁石スペーサ47を介した上で、同� ��極を向かい合わせて一体に接合される。

 磁石長と磁石スペーサ47の合計の寸法で� �る磁石ピッチ51は、ソレノイドコイルとソレ ノイドコイル間隔の合計の寸法であるコイル ピッチ52と等しい。ただし、このような条件� ��おいてもコイル長は磁石長よりも短くする� ��とが望ましい。

 図5は、図4に示した、正・逆・正に接続さ� �た第1のソレノイドコイル41~第3のソレノイド コイル43に2個の磁石45,46を通した場合の出力� ��圧波形の模式図である。図5において、グラ フ中の数字は、それぞれのソレノイドコイル の出力電圧と合成出力電圧の振幅比を示して いる。
 極性が異なる2個の磁石45,46が各ソレノイド� ��イルを通過すると、ソレノイドコイル毎に� ��相がコイル長に対応した時間だけずれた電� ��が発生する。これらの電圧がすべて合成さ� ��た出力電圧は、図5に示す合成出力電圧波形 になる。

 振動型電磁発電機20,40は、図2と図4に示す ように、磁石とソレノイドコイルが近接して 配置されている。このため、図3と図5に示し� ��ように、出力電圧が合成されてその振幅の� ��部が数倍になるという基本特性を有する。� ��の基本特性を利用することで、本発明の発� ��者は、振動型電磁発電機の出力電力を増大� ��せることを目指している。そして、本発明� ��係る振動型電磁発電機においては、磁石ピ� ��チ51と、コイルピッチ52を等しくすることが 重要であると言える。

 ここで、円筒形磁石60が空間に作る磁界の� �布について、図6を参照して説明する。図6は 、円筒形磁石60が空間に作る磁界の分布を示� ��断面図の例である。
 図6より、磁石の端面付近の磁界は円筒形磁 石60の長さよりも長い方向まで達することが� ��される。また、円筒形磁石60の端面付近の� �界の向きは、円筒形磁石60の長さ方向に対し て平行になっていないことが示される。従っ て、コイル長を磁石長よりも短くすることで 、ソレノイドコイルと、磁石の長さ方向に平 行な磁界とを効率よく結合させる必要がある 。

 ここまでは、発電効率を高めるためには� ��磁石ピッチとコイルピッチを等しくする必� ��があることと、コイル長を磁石長よりも短� ��する必要があることについて説明した。以� ��、発電効率を高めるために最適な磁石長お� ��び磁石ピッチを決定する方法について説明� ��る。

 図7は、磁石長が異なる4種類の円筒形磁石� �、一定のコイル長としたソレノイドコイル� �に速度1.2m/sで通過させて得られる出力電圧� �性の実測値の例を示している。
 4種類の円筒形磁石は、直径を同じ4mmとして いるが、磁石ピッチが異なる8mm,16mm,24mm,32mmの 構成としている。
 ソレノイドコイルは、内径6mm、単位長さ当� ��りの巻数60回、コイル長30mmの構成としてい� ��。

 図7より、磁石長が増えた場合の出力電圧 の立ち上がり特性は、いずれの磁石長の場合 もほとんど同じであることが示される。そし て、出力電圧の最大値は、磁石長が8mmから16m mに増えたときは増加するが、磁石長が16mmか� ��32mmまで増えてもほとんど一定である。ただ し、磁石長が長くなるにつれて出力電圧の最 大値が継続する時間が長くなる。

 また、図7に示すように、立ち上がり特性 は、磁石長によりほとんど変化していない。 このことから、立ち上がり特性を決める要因 は、磁石の直径とソレノイドコイルの寸法、 特にソレノイドコイルの内径と考えられる。 このため、ソレノイドコイルの内径を、磁石 の直径に近づけることにより、立ち上がり時 間をより短くすることができる。

 ここで、最大出力電圧を発生している長さ1 6mm,24mm,32mmの円筒形磁石に注目し、図7の出力� ��圧の立ち上がり特性より、出力電圧が最大� ��の10%から90%に達する時間を求める。この場� ��、図中に示したように約5msであることが示� ��れる。このとき、磁石の移動速度は1.2m/sな� ��で、立ち上がり時間5msの2倍に対応する移動 距離は、1.2(m/s)×5(ms)×2=12mmとなる。
 つまり、磁石長を12mmとすることが、出力電 圧をほぼ最大値に等しくし、同時に磁石長を 最も短くできることになると言える。

 図8は、一定の磁石長の円筒形磁石を、コイ ル長が異なる3種類のソレノイドコイル中に� �過させたときの出力電圧特性の実測値の例� �示している。
 円筒形磁石は、直径4mm、磁石長8mmの構成と� ��ている。
 ソレノイドコイルは、単位長当りの巻数が� ��しく、コイル長が異なる7mm、10mm、30mmの構� �としている。

 図8から、磁石長8mmの場合、コイル長が7mmか ら10mmに長くなったとしても、出力電圧がわ� �かに増加するだけである。また、コイル長� �7mmから30mmになっても、出力電圧の最大振幅� ��、ほとんど一定の値(約0.5V)になっている。
 つまり、長さ8mmの一個の磁石に対しては、� ��1に示したように、コイル長を磁石長と同じ 長さの8mmとすれば、出力電圧がほぼ最大値(� �和電圧)となる。

 図7と図8を参照して、可動磁石が一つであ� �振動型発電機を例として説明した。しかし� �複数個の磁石(少なくとも2つ以上)で構成さ� �る可動磁石と、複数個のソレノイドコイル� �で構成される振動型発電機40では、同様の条 件をもって、所定のコイル寸法に対して出力 電圧が最大となる最短の磁石ピッチを選定す ることができる。
 すなわち、磁石長とスペーサ厚さの合計寸� ��からなる磁石ピッチと、コイル長とコイル� ��隔の合計寸法からなるコイルピッチを等し� ��することにより、高い発電効率を得ながら� ��全体の寸法を小さくすることができる。な� ��、磁石ピッチとコイルピッチを等しくする� ��ともに、コイル長を磁石長よりも短くする� ��とが望ましい。

 このようにして、複数個の磁石と複数個� ��ソレノイドコイルからなる振動型電磁発電� ��40では、所定のソレノイドコイル寸法に対� �て出力電圧が最大となる最も短い磁石長を� �定することができる。このため、寸法が小� �くても、発電効率が高い振動型電磁発電機40 が得られる。

 ここで、発電効率を高めるために最適な磁� ��ピッチを求める手順について、以下に説明� ��る。
(1)まず、所定のコイル径と所定の単位長当た りの巻数を有し、コイル長がコイル径の少な くとも3倍以上のソレノイドコイルを製作す� �。
(2)次に、このソレノイドコイル中を、所定の 磁石径を有し、コイル長とほぼ同じ長さの磁 石を一定の速度で通過させて、そのときの出 力電圧の立ち上がり特性を測定する。
(3)この立ち上がり特性において、最大振幅の 10%から90%に達するまでの時間を求める。
(4)この結果、求めた時間と通過速度から求め た距離のほぼ2倍の長さを、求める磁石ピッ� �とする。
 磁石ピッチを求めた後、ソレノイドコイル� ��コイル長とコイル間隔の合計寸法を磁石ピ� ��チと等しく設定し、かつ上述のソレノイド� ��イルのコイル長よりも、磁石長を長くする� ��いう条件の下、コイル間隔と磁石スペーサ� ��寸法条件を設定する。こうして、最大出力� ��近い電圧を得られると共に、発電機本体の� ��法を小さくすることが可能な振動型電磁発� ��機を得ることができる。
 なお、上述において、所定のコイル径,所定 の単位長当たりの巻数,所定の磁石径とは、� �れぞれ作製しようとする振動型電磁発電機� �用いられる寸法を意味する。

 ここで、振動型電磁発電機40の外観構成例� �ついて、図9の斜視図を参照して説明する。
 図9Aは、振動型電磁発電機40を構成する各部 品を分解した状態の斜視図である。
 図9Bは、各部品を組み合わせた振動型電磁� �電機40のうち、収納ケース55を一部透視した� ��分透視図である。

 第1のソレノイドコイル41~第3のソレノイド� �イル43は、ソレノイドコイル間隔44をあけて� ��可動磁石48を収納する円筒形の収納ケース55 の外周面に巻きつけられている。第1のソレ� �イドコイル41~第3のソレノイドコイル43は、� �列接続されている。そして、各ソレノイド� �イルは互いに逆方向に巻回されており、そ� �ぞれ正巻、逆巻、正巻としている。
 第1のソレノイドコイル41と第3のソレノイド コイル43からは、それぞれコイル端部53が引� �出されており、図示しない外部部品(負荷)に 接続される。

 可動磁石48を収納ケース55内に収納するため 、収納ケース55の両端には、エンドキャップ5 6が取り付けられる。エンドキャップ56は、可 動磁石に対する衝撃を緩和する樹脂等で形成 される。
 可動磁石48は、収納ケース55の内部をなめら かに動くため、第1のソレノイドコイル41~第3� ��ソレノイドコイル43の内側であって巻軸方� �に移動することとなる。このため、第1のソ� ��ノイドコイル41~第3のソレノイドコイル43は� ��電圧を生じ、発電機として機能する。

 ここで、実際に振動型電磁発電機40を用� �て得られる出力電圧波形の実測値の例につ� �て、図10を参照して説明する。

 可動磁石は、直径4mm、長さ8mmのNd(ネオジム) 磁石を2個、厚さ1.5mmの磁石スペーサを介して 同極対向接合した構成としている。
 ソレノイドコイルは、コイル長6.5mm、コイ� �内径5mm、巻数3000回のコイルを3個、コイル間 隔3mmで正・逆・正に直列接続した構成として いる。
 そして、ソレノイドコイル中の巻き線軸方� ��に沿って、可動磁石を速度約1.2m/sで移動さ� ��た場合の出力電圧波形を図10に示している� �
 図10を図5の合成出力電圧波形と比較すると� ��常によく一致している。このことは、図1か ら図5を参照して説明した内容の妥当性を示� �ていると言える。

 ここで、磁石スペーサの材質が異なる可動� ��石毎の磁束密度の例について、図11と図12を 参照して説明する。
 図11は、円筒形磁石と、磁石スペーサを介� �て円筒形磁石を接合された可動磁石の構成� �を示す。

 図11Aは、円筒形磁石61の構成例を示す。円� �形磁石61の軸方向の長さは、約10mmとし、直� �は、約5mmとする。
 図11Bは、磁石スペーサ71,81の構成例を示す� �磁石スペーサ71を形成する材料には、非磁性 体材料として、例えば樹脂が用いられる。磁 石スペーサ81を形成する材料には、磁性体材� ��として、例えば純鉄が用いられる。磁石ス� ��ーサ71,81の軸方向の長さは、約2mmとし、直� �は、約5mmとする。
 図11Cは、可動磁石70,80の構成例を示す。可� �磁石70は、非磁性体材料で形成された磁石ス ペーサ71を介して、3つの円筒形磁石61の同極� ��対向した状態で接合される。一方、可動磁� ��80は、磁性体材料で形成された磁石スペー� �81を介して、3つの円筒形磁石61の同極が対向 した状態で接合される。

 図12は、円筒磁石61と可動磁石70、80により� �ずる前記円筒磁石61と可動磁石70、80の長さ� �向、表面近傍の磁束密度の測定結果の例を� �す。
 図12Aは、1個の円筒形磁石61の磁束密度の測� ��結果を示す。
 図12Bは、可動磁石70の磁束密度の測定結果� �示す。
 図12Cは、可動磁石80の磁束密度の測定結果� �示す。
 図12A~図12Cにおいて、磁束密度を示す縦軸に は、等間隔の目盛り(B ₁ ~B ₆ )を付して、各図を比較する。

 図12Aに示すように、一般に、円筒形磁石61� �端部(N極とS極付近)では、磁束が集中するた� ��、磁束密度が高くなる。
 また、図12Bと図12Cに示すように、同極を対� ��して接合された可動磁石のN極とS極付近は� �1個の円筒形磁石61の磁束密度よりもピーク� �高い。これは、同極が対向して接合される� �とによって、磁束が互いに反発し、磁束密� �が高まるためである。

 さらに、図12Bと図12Cを比べると、磁性体材� ��で形成された磁石スペーサ81を含む可動磁� �80は、非磁性体材料で形成された磁石スペー サ71を含む可動磁石70よりも磁束密度のピー� �が高いことが読み取れる。このとき、可動� �石80のピークは、可動磁石70のピークより、3 /2倍程度高くなっている。これは、透磁率が� ��い磁性体材料で形成された磁石スペーサ81� �、円筒形磁石61から出る磁力線を引き込みや すいため、磁束の指向性が高まるとともに、 磁束密度もまた高まると考えられる。
 図12A~図12Cの測定結果より、磁性体材料で形 成された磁石スペーサ81を含む可動磁石80を� �いて振動型発電機を構成すると、磁束密度� �高くなり、ソレノイドコイルと交差する磁� �が多くなる。このため、磁石スペーサに用� �られる材質が磁性体材料である場合、非磁� �体材料の場合と比べて、さらに振動型電磁� �電機の発電効率を高めることができると言� �る。

 以上説明したように、振動型電磁発電機4 0の発電効率を高めるための具体的な条件を� �らかにしたことにより、振動型電磁発電機40 の磁石ピッチとコイルピッチを適切に設計す ることが可能である。このため、小型であり ながら発電効率の高い、振動型電磁発電機40� ��得られるという効果がある。

 また、振動型電磁発電機40は、簡易に構� �されている。このため、組み付け時の工程� �容易になるとともに、壊れにくく、信頼性� �高い振動型電磁発電機40が得られるという効 果がある。

 また、磁石スペーサを磁性体とすると、� ��束密度が高くなるため、振動型電磁発電機� ��発電力が高まるという効果がある。このこ� ��から、得られる発電量に注目すると、非磁� ��体材料で形成された磁石スペーサを用いる� ��動型電磁発電機より外寸法を小さくしても� ��同じ発電量を得られる。この場合、ソレノ� ��ドコイルの巻き数を少なくしてもよい。こ� ��ため、振動型電磁発電機をさらに小さくで� ��ると共に軽量化することができという効果� ��ある。また、使用部材の量を削減すること� ��よって、コスト低減を図ることができると� ��う効果がある。

 一方、磁石スペーサを非磁性体とするこ� ��によって、磁石スペーサを磁性体とする場� ��と比べて、安価に製造できるという効果が� ��る。また、非磁性体には、プラスチック等� ��合成樹脂を用いるため、加工性に優れてお� ��、製造速度が高まるという効果がある。

 なお、振動型電磁発電機40は、複数個の� �石と複数個のソレノイドコイルの組合せで� �成したが、3個以上の磁石、4個以上のソレノ イドコイルを組み合わせて振動型電磁発電機 を構成してもよい。

 また、上述した実施の形態では、隣り合� ��たソレノイドコイルの間隔をあけるように� ��たが、樹脂等の部材でスペーサを形成して� ��よい。また、磁性体と非磁性体の磁石スペ� ��サを組み合わせて可動磁石を構成してもよ� ��。

 また、上述した実施の形態では、可動磁� ��の形状を円筒形としたが、断面形状が多角� ��、楕円形、又は曲線と直線とを組合せた形� ��としてもよい。この場合、ソレノイドコイ� ��と磁石スペーサの断面形状は、可動磁石の� ��面形状に合わせた形状とすればよい。

 また、ソレノイドコイルの内径にガイド� ��ールを設け、可動磁石の側面にローラを取� ��付けてもよい。逆に、ソレノイドコイルの� ��径にローラを取り付け、可動磁石にガイド� ��ールを設けるようにしてもよい。このよう� ��構成することで、わずかな力を加えただけ� ��あっても、可動磁石を滑らかに動かし、発� ��力が得られるという効果がある。