(57)【要約】【課題】乾電池や太陽電池、風力発電機を使用せず、日照時間や風向・風速などの気象条件に左右されない全天候型で且つ半永久的に動作を継続する発電装置を電源とする電子時計などの電子機器を構成する。【解決手段】満充電された電気二重層コンデンサなどの大容量蓄電器による蓄電手段から制御手段を経て界磁コイルに通電することで駆動開始する第一のステップモーターの回転軸に取り付けられたカムにてフィルム状の圧電型発電素子に間欠的な力を加え、起電力を得て整流・平滑後に当該蓄電手段を充電する。このサイクルを繰り返すことにより半永久的に発電動作を継続する。第一のステップモーターの他方には、ステーターを共用するより小型のローターを駆動する第二のステップモーターがあり、機械式時計の動力源となる。さらに、機械式時計を構成する部分を省略した残りの発電ブロックと、その電力出力にて動作可能な各種の電子機器とを組み合わせ、半永久的に動作を継続する装置を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径方向に2極に磁化された円筒形の永久磁石で、回転軸先端に1回転で２回のカムリフトが得られる楕円形のカムを有する発電機用ローターと、その外周を囲む２極の界磁である板状のステーターと、ステーターを励磁するためのコイルブロックとで構成する第一のステップモーターと、上記カムを挟み込んでカムの半回転ごとに先端が1回弾かれるように配置される2個のフィルム状の圧電型発電素子と、その起電力を整流する整流手段と、それを平滑・蓄電するための抵抗器と大容量蓄電器から成る蓄電手段と、その出力電圧を安定化する定電圧手段と、その出力電圧で起動し、１秒ごとに正負が反転する間欠状のパルス電圧出力にて当該コイルブロックを励磁して、当該ステップモーターを１秒間に１８０度回転させる制御手段から成る半永久的に動作可能な発電装置。
【請求項２】
前記、1回転で２回のカムリフトが得られる楕円形のカムを十字形に換えて1回転で４回のカムリフトが得られるようにしたカム、またはそれ以上のカムリフトが得られるように工夫された形状のカムを有する請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記、大容量蓄電器をリチウム電池などの二次電池に換えた請求項１記載の発電装置。
【請求項４】
前記、第一のステップモーターから見てコイルブロックを挟んだ反対側に配置され、半径方向に2極に磁化された円筒形の永久磁石で回転軸先端にギヤを有する時計用ローターと、その外周を囲む２極の界磁が前記ステーターを共用して構成されることによって第一のステップモーターと同様に１秒間に１８０度回転する第二のステップモーターと、その回転を所定のギヤ比によって伝達するギヤブロックと、それによって秒針・長針・短針が駆動される半永久的に動作可能な機械式時計。
【請求項５】
前記、発電機用ローターの回転速度を１秒間に１８０度よりも遅く、または速くした請求項１記載の発電装置。
【請求項６】
デジタル時計表示部を請求項１または請求項５の発電装置と組み合わせ、前記制御手段のハードウエア構成とプログラムメモリをデジタル時計が制御できるように変更した半永久的に動作可能なデジタル時計。
【請求項７】
電子センサーを利用した温度計や湿度計、気圧計およびリモコン送信機などの電子機器を請求項１または請求項５の発電装置と組み合わせ、前記制御手段のハードウエア構成とプログラムメモリをそれらの機器が制御できるように変更した半永久的に動作可能な装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
圧電型発電素子を電源とする電子機器に関する技術。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子を利用して発電を行う方法について従来技術では、例えば特許文献１のように圧電型発電素子に外力を加えて物理的に変形させ、起電力を得る方法が一般的であり、その手段として、図１、２では振り子に設けられたピック手段によって発電プレートを弾き、図３〜１１では振り子と発電プレートに設けられた永久磁石の反発・吸引力によって発電プレートを変形させ、図１２、１３ではゼンマイやモーターなどの外力発生部によって振り子を揺動し、発電プレートを変形させて起電力を得る方法が紹介されている。
【０００３】
しかしながら、いずれの場合にも継続的な発電を行うためには、振り子を継続的に揺動させるための外力の継続支援が必要であり、その支援が途切れると発電も停止してしまう。このように従来技術では、圧電型発電素子から継続的な電力エネルギーを得るためには外部エネルギーの継続支援を必要とした。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−６０８７号  発電システム
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】該当なし
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこの問題に鑑みて考案されたものである。すなわち、外力の支援を必要とせずに継続的な発電動作が可能な発電装置を実現し、その電力を活用することで乾電池やボタン型電池などの電源を必要とせず、半永久的な持続動作が可能な各種の電子機器を構成することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
満充電された電気二重層コンデンサなどの大容量蓄電器による蓄電手段から制御手段を経て界磁コイルに通電することで駆動開始する第一のステップモーターの回転軸に取り付けられたカムにてフィルム状の圧電型発電素子に間欠的な力を加え、起電力を得て整流・平滑後に当該蓄電手段を充電する。このサイクルを繰り返すことにより半永久的に発電動作を継続する。第一のステップモーターの他方には、ステーターを共用する、より小型のローターを駆動する第二のステップモーターがあり、半永久的に動作を継続する機械式時計の動力源となる。
【０００８】
前記装置の機械式時計を構成する部分を省略した残りの発電ブロックと、その電力出力にて動作可能な各種の電子機器とを組み合わせ、半永久的に動作を継続する装置を構成する。
【発明の効果】
【０００９】
乾電池やボタン型電池の消費量は全世界で膨大な数量に上り、それらの製造と廃棄に要する火力エネルギーからの排出ガスと廃棄される電池の電解液や重金属による公害は地球環境の悪化を招いているが、本発明による発電装置を電源とすることにより電池不要で且つ半永久的に継続動作が可能な電子時計をはじめとする各種の電子機器を構成することができるので、地球環境改善の一助になり得る。さらに、太陽電池や風力発電機のように日照時間や風向・風速などの気象条件に左右されない電力源であるので、全天候型で且つ半永久的に継続動作する気象観測機器や山間部などにおける生態系の長期的な観察・監視装置などにも応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一の実施形態
【図２】側面図とステップモーターの動作
【図３】各部の電圧波形
【図４】第二の実施形態
【図５】第三の実施形態
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１に第一の実施形態を示す。発電機用ローター５は円筒形で半径方向に２極に磁化された永久磁石であり、回転軸の先端には楕円形のカム６を備えている。ラミネート加工された長方形でフィルム状の発電素子２aと２bは先端がカム６を挟み込むように配置され、カム６の半回転ごとに先端が１回弾かれる。ステーター４は、発電機用ローター５とで第一のステップモーターを構成し、２極の界磁部分の先端は二股形状になっており、一方が発電機用ローター５に接近して、他方はやや距離を置いた形状になっていて、制御手段１６から出力される１秒ごとに正負が反転する間欠状のパルス電圧をコイルブロック７に通電することで励磁され、発電機用ローター５は１秒間に１８０度の速度で回転する。ここで言う発電素子とは、ピエゾ発電素子に代表される圧電素子の総称である。
【００１２】
第一のステップモーターから見て、コイルブロック７を挟んだ反対側にはステーター４を共用する第二のステップモーターがあり、やや小型の円筒形で半径方向に２極に磁化された永久磁石であって、回転軸先端にギヤを持つ時計用ローター８が発電機用ローター５と同様に１秒間に１８０度の速度で回転してギヤブロック９を駆動することにより、機械式時計を構成する。第二のステップモーターの界磁部分の先端形状は、第一のステップモーターの界磁形状と同様に、二股形状の一方が時計用ローター８に接近して、他方はやや距離を置いた形になっている。
【００１３】
ステーター４は、より大きなトルクを必要とする発電機用ローター５と、小さなトルクでよい時計用ローター８を同時に駆動するため、発電ブロック界磁には時計ブロック界磁よりも大きい磁束密度が得られるように、ステーター４のA部分をB部分よりも広くして時計ブロック側よりも磁気抵抗が小さくなる形状となっている。
【００１４】
発電素子２aと２bは支点３aと３bとで支えられ、先端はカム６をお互いに挟み込むように配置される。発電素子２aと２bは、より高い出力電流容量を確保するために同位相で並列接続（X１＋X２、Y１＋Y２）となるように結線される。
【００１５】
整流手段１０は、整流効率の良いシリコンダイオードのブリッジ接続による全波整流回路である。一般的なシリコンダイオードの順方向電圧は約０．６Vなので、効率をさらに改善するために順方向電圧が約０．２Vのショットキーダイオードを使用してもよい。
【００１６】
平滑＆蓄電手段１１において、平滑用抵抗器１２は蓄電器１３とでローパスフィルタを構成し、後段の電力消費を十分に補う速度で充電するように時定数が決定される。電源スイッチ１４は、満充電された蓄電器１３を無負荷状態に開放するためのもので、本発明を商品として製造する工場から出荷される時点でOFFされ、その後、流通機関、販売業者を経てユーザーに届き、商品を使用する直前にONされる。
【００１７】
定電圧手段１５は２uA前後の超低消費電流の定電圧装置で、CMOS型三端子レギュレータ、またはそれに相当する回路構成であり、出力は後段の制御手段１６が必要とする電圧に変換して供給される。このブロックは制御手段１６のマイクロプロセッサー内部に組み込んでも構わない。
【００１８】
制御手段１６は非アクセス時の消費電流が２uA程度のマイクロプロセッサーで、CPUの他にプログラムメモリや入出力インターフェイス、クロック発振回路など本発明の制御に必要な機能を備え、図３−１−１に示すようなパルス電圧を出力してコイルブロック７に供給し、ステーター４を励磁する。タイミングクロックは、共振周波数が３２．７６８KHzの時計用水晶振動子17とで構成する発振回路にて生成され、その出力を１５分周して１秒を割り出すが、これに限るものではなく、他の発振周波数を用いてもよい。
【００１９】
第一の実施形態の動作順序は次の通りである。先ず電源スイッチ１４がONされると蓄電器１３からの電圧が定電圧手段１５にて安定化されて制御手段１６に印加され、ただちにパワーオンリセットから始まる一連の動作を、プログラムされた手順に沿って行い、図３−１−１に示すような、１秒ごとに正負が反転する間欠状のパルス電圧をZ１、Z２端子から出力してコイルブロック７に供給し、ステーター４を励磁して発電機用ローター５と時計用ローター８を１秒間に１８０度の速度で回転させる。
【００２０】
ここで時計用ステップモーターの動作原理を確認するが、公知の技術であるので簡単な説明とする。図２−２において、ステップ１では界磁は磁化されておらず、ローターの両極は二股形状の界磁先端の、よりローターに近い部分に引き寄せられる。この場合、ローターのN、S極は図の通りの位置で静止しているものとする。次に、ステップ２のように界磁が磁化されると界磁N極（S極）とローターN極（S極）は反発し、ローターN極（S極）は界磁S極（N極）に引き寄せられて時計回りに回転を始める。
【００２１】
ステップ３では界磁の磁化は遮断されるがローターは惰力にて回転を続け、ステップ４ではステップ１から見て時計回りに半回転した位置で一旦静止する。次に、ステップ５では、界磁はステップ２とは逆方向に磁化されてローターは再び時計回りに回転を始め、ステップ６の状態を経過し、ステップ４の位置から１８０度回転してステップ１の位置に戻る。これを繰り返すことでローターは回転を継続する。
【００２２】
前記ステップモーターの回転原理に基づいて、図１における発電機用ローター５は電源スイッチ１４がONされると回転を開始し、１秒間に１８０度回転するごとに発電素子２aと２bの先端を同時に１回弾いて起電力を生じさせ、両者を同位相に並列接続し、図３−１−２のような出力波形として次段の整流手段１０へ送る。なお、カム６は、発電素子２aと２bの先端を１秒間に１回弾く形状になっているが、発電・充電効率をより改善するために十字形状のカムに変更して１秒間に２回弾く構造や、さらにカム形状を変更して２回以上弾く構造でも構わない。
【００２３】
一般的にフィルム状のピエゾ発電素子の起電力は、数ボルトから数十ボルトの高い電圧を得やすいが、電流容量は数十uAから数百uAと微小であるので、各種センサーへの応用は容易であるが、電源として用いるには相応の対策が必要である。すなわち、電圧よりも電流容量を優先した素材を選択することは勿論であるが、本発明で採用しているように発電素子を複数個設置して同位相で並列接続するなどの方法が用いられる。
【００２４】
整流手段１０では、整流効率を上げるためにシリコンダイオードによる全波整流を行う。さらに効率を改善するには、順方向電圧が一般のシリコンダイオードの約０．６Vよりも低い０．２V前後のショットキーダイオードを採用してもよい。この段の出力波形は図３−１−３の通りである。
【００２５】
整流手段１０の出力を受ける平滑＆蓄電手段１１では、平滑用抵抗器１２と電気二重層コンデンサなどの大容量蓄電器１３とでローパスフィルタを構成して平滑効率を改善する。この段の出力波形は図３−１−４の通りである。
【００２６】
定電圧手段１５は前述の通り超低消費電流の定電圧回路で、入力電圧V１（図３−１−４）を次段の制御手段１６が必要とするV２（図３−１−５）に安定化して出力するが、前述のようにこのブロックは制御手段１６の内部に組み込まれてもよい。
【００２７】
以上のサイクルを繰り返すことにより、発電ブロックは半永久的に発電を継続し、時計ブロックでは、時計用ローター８が発電機用ローター５と同様に１秒間に１８０度の速度で回転してギヤブロック９を駆動し、半永久的に動作を継続する機械式時計を構成する。
【００２８】
図２−１は、第一の実施形態を側面から示したものである。時計ブロックでは長針２２と短針２３のみを示しているが、必要あれば秒針を加えてもよい。制御手段１６などの電子回路を組み込んだプリント基板２４は、図のように筐体の空きスペースに配置される。
【００２９】
本装置の動作原理上の焦点は、発電素子から得られる発電量が後段の電力消費を十分に補えるかにある。そのため本発明では発電素子からの電力を整流して一旦大容量の電気二重層コンデンサに蓄電し、後段の過渡的電力消費のバッファとなるように考慮されている。コイルブロック７に印加される電圧は図３−１−１のような間欠状のパルス波形なので瞬間的に大きな電流が流れてもその平均値は小さく、また電気二重層コンデンサはパルス状の間欠電流負荷には強い耐性を持つので、本発明の蓄電手段として最適である。このように本発明の発電ブロックの負荷となるものは、常時一定の微小電力を消費するもの、または間欠的、且つ短時間のパルス状の電力消費で動作可能な負荷が理想的である。これらは第二、第三の実施形態として後述する。
【００３０】
満充電された電気二重層コンデンサの蓄電量が無負荷状態でも低下する主因は自己放電であるが、一般的に蓄電量の半減期は約３か月なので、本発明を応用した商品を生産するメーカーで出荷直前に満充電されたあと、物流倉庫、小売業者を経て消費者が使用を開始するまでの期間を十分にカバーできる。万一、長期在庫が原因で蓄電器の電圧が想定外に低下しても、蓄電器を数秒間充電すれば本装置の起動に十分な蓄電量が得られるので、図３−２に示すように商品の背面や側面に予備充電口を設け、外部から蓄電器に通電できるように配慮するとよい。これ以外の対応として、電気二重層コンデンサの代りにリチウム電池などの二次電池を使用してもよい。
【００３１】
図４は第二の実施形態で、第一の実施形態から機械式時計ブロックを省略した残りの発電ブロックと、デジタル時計表示部とを組み合わせたものであり、制御手段では時計表示部の液晶表示板を動作させるドライバが追加になり、プログラムメモリには本装置の制御に必要とされる新しいプログラムが格納される。この場合、発電機用ローター５の回転速度は１秒間に１８０度である必要はなく、それ以下、またはそれ以上でも構わない。
【００３２】
図５は第三の実施形態で、第二の実施形態のデジタルクロック部分を他の電子機器に置き換え、それらの制御に必要なプログラムを制御手段内のプログラムメモリに格納したものである。前述したように、発電ブロックの負荷は常時一定の微小電力を消費するもの、または間欠的で短時間のパルス状に電力を消費する機器が理想的である。その条件を満たすものとしては、一定間隔の計測でよい温度計や湿度計、気圧計など、さらに通常は待機状態で送信時のみ電力を消費するリモコン送信機などがある。
【００３３】
図５−１は、室内における温度・湿度計とエアコン、TVのリモコン送信機への応用例で、従来技術で電池を電源としていたものに応用可能である。図５−２は、山頂や中腹部、峡谷部など遠隔地の温度・湿度・気圧などの定点観測を行う、無人・無電源で全天候型の気象観測所への応用例である。中継基地５５とは電波を介して通信するので、長大な電源・通信ケーブルを省略できる利点がある。
【実施例】
【００３４】
電池不要のアナログ及びデジタル腕時計や置時計、室内用の温度・湿度計や山間部・峡谷部の無人・無電源で全天候型の気象観測所の温度・湿度・気圧計などへの応用をはじめ、各種機器を制御するリモコン送信機などへの応用が可能である。さらに山間部などにおいて、動体センサーカメラに応用して、熊などの猛獣の動態や絶滅危惧種の生態観察に供すれば、従来の電池式カメラでは困難であった長期的な監視・観察が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明を、前記「実施例」に挙げた機器に応用して商品化することで地球環境改善に貢献し、且つそれらの画期的な商品がもたらす経済効果が産業を発展させることに期待がかかる。
【符号の説明】
【００３６】
各図面の下段に符号説明あり。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成29年9月28日(2017.9.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径方向に2極に磁化された円筒形の永久磁石で、回転軸先端に1回転で２回のカムリフトが得られる楕円形のカムを有する発電機用ローターと、その外周を囲む２極の界磁である板状のステーターと、ステーターを励磁するためのコイルブロックとで構成する第一のステップモーターと、上記カムを挟み込んでカムの半回転ごとに先端が1回弾かれるように配置される2個のフィルム状の圧電型発電素子と、その起電力を整流する整流手段と、それを平滑・蓄電するための抵抗器と大容量蓄電器から成る蓄電手段と、その出力電圧を安定化する定電圧手段と、その出力電圧で起動し、１秒ごとに正負が反転する間欠状のパルス電圧出力にて当該コイルブロックを励磁して、当該ステップモーターを１秒間に１８０度回転させる制御手段から成る発電装置。
【請求項２】
前記、1回転で２回のカムリフトが得られる楕円形のカムを十字形に換えて1回転で４回のカムリフトが得られるようにしたカム、またはそれ以上のカムリフトが得られるように工夫された形状のカムを有する請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記、大容量蓄電器をリチウム電池などの二次電池に換えた請求項１記載の発電装置。
【請求項４】
前記、請求項１に記載の発電装置と組み合わせた機械式時計であって、第一のステップモーターから見てコイルブロックを挟んだ反対側に配置され、半径方向に2極に磁化された円筒形の永久磁石で回転軸先端にギヤを有する時計用ローターと、その外周を囲む２極の界磁が前記ステーターを共用して構成されることによって第一のステップモーターと同様に１秒間に１８０度回転する第二のステップモーターと、その回転を所定のギヤ比によって伝達するギヤブロックと、それによって秒針・長針・短針が駆動される機械式時計。
【請求項５】
前記、発電機用ローターの回転速度を１秒間に１８０度よりも遅く、または速くした請求項１記載の発電装置。
【請求項６】
デジタル時計表示部を請求項１または請求項５の発電装置と組み合わせ、前記制御手段のハードウエア構成とプログラムメモリをデジタル時計が制御できるように変更したデジタル時計。
【請求項７】
電子センサーを利用した温度計や湿度計、気圧計およびリモコン送信機などの電子機器を請求項１または請求項５の発電装置と組み合わせ、前記制御手段のハードウエア構成とプログラムメモリをそれらの機器が制御できるように変更した装置。