(57)【要約】【課題】日常動作を利用して効率よく発電を行なうこと。【解決手段】加重で変形する液体用のタンク１とタンク２を、靴内部の踵近傍と足の親指の付け根の辺りに配置してタンク間で液体の流動を発生させ、流動系路上にタービン３を設ける。タービン３では、ケーシング３１の内部にローター３２を偏心状態で配置し、ローター３２に設けたベーンによって吸入口３８から入る流体と排出口３９から出る流体との間を隔絶し、吸入口側と排出口側との圧力差をベーンに与えることでローターを回転させる。このローターに磁石を設け、コイルとフェライトをケーシング３１に設けることで、流体エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を一体化させる。【選択図】        図１
2008141934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、
前記外筒部材の内部に設けられ、前記外筒部材の内壁からの距離が不均一な回転自在のローターと、
前記ローターから突出し、該突端が前記ローターの回転位置に関わらず前記外筒部材の内壁に接する複数のベーンと、
前記ローターに対して固定され、前記ローターの回転に伴って移動する１以上の磁性体と、
前記磁性体の移動に伴って生じる磁束密度変化を受けて電磁誘導を行なう電磁誘導手段と、
を備え、
前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差を前記ベーンに受けて押圧が生じた場合に、前記ローターと前記外筒部材との距離の変化によって前記ローターが所定方向に回転し、該回転によって前記電磁誘導手段から電力を取り出すことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記電磁誘導手段は、前記外筒部材に対して固定されたフェライトコアと、前記フェライトコアに巻かれた導線コイルと、を備えて構成されることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記ローターを前記外筒部材の中心に対して偏心した位置に設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記外筒部材は、内壁が略円形かつ内周の一部が内側方向に隆起した形状であり、前記ローターは前記外筒部材と中心位置が同一であることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項５】
外部からの加重によって内容積が変化する２以上の液体用タンクと、
利用者の動作に伴って前記液体用タンクに対する加重が変化するように前記利用者の体に装着するための装着手段と、
前記内容積の変化に基づき前記２以上の液体用タンクの間で液体を流動させる流動経路とを備え、
前記流動経路上に前記外筒部材を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の発電装置。
【請求項６】
前記装着手段は靴であり、前記利用者の足の爪先近傍に体重がかかる状態と踵近傍に体重がかかる状態とで異なる液体用タンクに加重が加わることを特徴とする請求項５に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人間の生活の動作によって電力を発生する発電装置に関し、特に歩行を行うことで電力を発生させ、携帯電気機器に電力を供給する発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯機器に搭載される機能が増加しその使用時間が伸びていることから、携帯電話や、音楽プレーヤーなどの電源が外出時に切れてしまうことがある。この問題を解決するには、機器に搭載される電池の容量が十分に大きいこと、もしくは外出時にもどこでも充電が出来ること、もしくは発電によって電力を得ることが必要である。
【０００３】
しかし、現在の電池技術では電池の容量を大きくしようとすると、電池の大きさと重さが増えてしまい、携帯性が悪くなる。また外出時にどこでも充電ができるようなシステムは今のところない。また、手回し充電器など、携帯性の発電機は存在するが、意識的に力を入れて充電しなければならず疲れる。
【０００４】
そこで、意識せずに発電を行うものとして、歩行発電が考案されている。例えば、特許文献１は、踵などの靴内部の稼動部分に圧電素子を配置し、歩行による応力により圧電素子にひずみを発生させ電力を得る方法を開示しており、特許文献２は、歩行運動により靴内部に取り付けられた磁石とコイルとの距離を変化させて電磁誘導により電力を得る方法を開示している。
【０００５】
また、歩行運動により、靴内部のハンドルを体重により押し込み、その仕事によって発電機を回転させて電力を得る方法や、靴内部にポンプを配置し、歩行による圧力によって外部から空気を取り込み、タービンを回して発電機を回転させることで電力を得る方法なども考案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−９６９８０号公報
【特許文献２】特許第２８７０３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の技術はその実用性に問題があった。例えば、圧電素子を用いる方法は、歩行時の違和感がほとんどないことが利点であるが、現状の技術では、靴底に入る大きさで出力はせいぜい数十ｍＷである。例えば携帯電話などの通信機器の消費電力は１Ｗ以上であるが、１Ｗ以上を出力できるような材料は実用的なものはまだない。
【０００８】
また、電磁誘導を用いる方法については、電磁誘導の起電圧は磁石とコイルの距離の変化の微分に比例するが、通常の歩行速度では１Ｗ以上の出力は期待できない。
【０００９】
ハンドルを体重で押し込む方法は１Ｗ以上の出力を期待できるが、効率をあげるためには増速機構が必要である。そのため、従来の方法ではギアを用いているが、ギアから稼動時に騒音が発生するので、歩いているときに常に足元から音がすることとなり、利用者に不快感を与える。
【００１０】
また、外部から取り込んだ空気圧でタービンを回す方法は、１Ｗ以上の出力を期待でき、増速機構として気体の圧力変化を利用するので騒音も無い。しかし、靴底近くの空気は地面に近いため、塵や、雨水などをとりこみやすい。そのため、タービンなどの稼動部分が磨耗もしくは劣化しやすくなる。また、空気は圧縮性を有する気体であるので、ポンプに体重をかけた際、かけ始めは気体が圧縮し、全体重のエネルギーを気体に伝えることができない。また、エネルギーの一部は熱となってポンプの壁を伝わって失われてしまう。
【００１１】
以上のように、現状において無意識に発電をする技術は、得られる電力が小さい、利用者に不快感を与える、壊れやすい、エネルギーロスを生じるなどの問題点を有しており、どれも実用的ではなかった。
【００１２】
本発明は、上述した従来技術における問題点を解消し、課題を解決するためになされたものであり、人間の日常生活の何気ない動作の中で意識的な作業なしに携帯電気機器を充電し、携帯電気機器の電池切れを予防することのできる、実用的な発電装置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】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明に係る発電装置は、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、前記外筒部材の内部に設けられ、前記外筒部材の内壁からの距離が不均一な回転自在のローターと、前記ローターから突出し、該突端が前記ローターの回転位置に関わらず前記外筒部材の内壁に接する複数のベーンと、前記ローターに対して固定され、前記ローターの回転に伴って移動する１以上の磁性体と、前記磁性体の移動に伴って生じる磁束密度変化を受けて電磁誘導を行なう電磁誘導手段と、を備え、前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差を前記ベーンに受けて押圧が生じた場合に、前記ローターと前記外筒部材との距離の変化によって前記ローターが所定方向に回転し、該回転によって前記電磁誘導手段から電力を取り出すことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項２の発明に係る発電装置は、請求項１に記載の発明において、前記電磁誘導手段は、前記外筒部材に対して固定されたフェライトコアと、前記フェライトコアに巻かれた導線コイルと、を備えて構成されることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項３の発明にかかる発電装置は、請求項１または２に記載の発明において、前記ローターを前記外筒部材の中心に対して偏心した位置に設けたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項４の発明にかかる発電装置は、請求項１または２に記載の発明において、前記外筒部材は、内壁が略円形かつ内周の一部が内側方向に隆起した形状であり、前記ローターは前記外筒部材と中心位置が同一であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項５の発明にかかる発電装置は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の発明において、外部からの加重によって内容積が変化する２以上の液体用タンクと、利用者の動作に伴って前記液体用タンクに対する加重が変化するように前記利用者の体に装着するための装着手段と、前記内容積の変化に基づき前記２以上の液体用タンクの間で液体を流動させる流動経路とを備え、前記流動経路上に前記外筒部材を設けたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項６の発明にかかる発電装置は、請求項５に記載の発明において、前記装着手段は靴であり、前記利用者の足の爪先近傍に体重がかかる状態と踵近傍に体重がかかる状態とで異なる液体用タンクに加重が加わることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明によれば発電装置は、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材の内部に外筒部材内壁からの距離が不均一な回転自在のローターを設け、ローターから突出したベーンを外筒部材の内壁に接触させることで吸入口側と排出口側との流体の圧力差を複数のベーンに受けてローターを所定方向に回転させると共に、ローターに１以上の磁性体を固定し、磁性体の移動に伴って生じる磁束密度変化を受けて電磁誘導を行なうので、流量が少なく極低回転でも流体の持つ圧力によりタービンを回転させ、タービンの回転を利用して効率よく発電することができる。
【００２０】
そのため、歩行など人間の日常生活の何気ない動作によって液体の流動を発生させ、流動のエネルギーを効率よく利用した発電を行なうことができ、意識的な作業なしに携帯電気機器を充電し、携帯電気機器の電池切れを予防することのできる、実用的な発電装置を得ることができるという効果を奏する。
【００２１】
また、請求項２の発明によれば発電装置は、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材の内部に外筒部材内壁からの距離が不均一な回転自在のローターを設け、ローターから突出したベーンを外筒部材の内壁に接触させることで吸入口側と排出口側との流体の圧力差を複数のベーンに受けてローターを所定方向に回転させると共に、ローターに１以上の磁性体を固定し、ケーシングにフェライトコアと導線コイルを設けているので、ローターの回転から効率よく発電することのできる、構成の簡易な発電装置を得ることができるという効果を奏する。
【００２２】
また、請求項３の発明によれば発電装置は、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材の内部に回転自在のローターを偏心させて設け、ローターから突出したベーンを外筒部材の内壁に接触させることで吸入口側と排出口側との流体の圧力差を複数のベーンに受けてローターを所定方向に回転させると共に、ローターに１以上の磁性体を固定し、磁性体の移動に伴って生じる磁束密度変化を受けて電磁誘導を行なうので、流量が少なく極低回転でも流体の持つ圧力によりタービンを回転させ、タービンの回転を利用して効率よく発電することができる。
【００２３】
また、請求項４の発明によれば発電装置は、内壁が略円形かつ内周の一部が内側方向に隆起した形状である外筒部材に対してローターを同心状態で配置し、ローターから突出したベーンを外筒部材の内壁に接触させることで、吸入口側と排出口側との流体の圧力差を複数のベーンに受けて押圧が生じた場合に、内壁の隆起の有無によって発生するベーン毎の押圧の差に基づいてローターを所定方向に回転させると共に、ローターに１以上の磁性体を固定し、磁性体の移動に伴って生じる磁束密度変化を受けて電磁誘導を行なうので、流量が少なく極低回転でも流体の持つ圧力によりタービンを回転させ、タービンの回転を利用して効率よく発電することができる。
【００２４】
また、請求項５の発明によれば発電装置は、利用者の動作によって液体を流動させ、流動の圧力と運動量を効率的に利用して発電するので、人間の日常生活の何気ない動作の中で意識的な作業なしに効率的に発電可能な発電装置を得ることができるという効果を奏する。
【００２５】
また、請求項６の発明に係る発電装置は、利用者の体重移動によって液体を流動させ、流動の圧力と運動量を効率的に利用して発電するので、歩行などの動作を利用して効率的に発電可能な発電装置を得ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る発電装置の好適な実施例について詳細に説明する。
【実施例】
【００２７】
本発明は、流速や流量が大きく変化するエネルギー源から回転エネルギーをとりだすものであるが、本実施例では、人間の歩行から流動を発生させ、かかる流動をエネルギー源として取り出した回転エネルギーを発電に利用する場合について説明する。
【００２８】
図１は、本発明の実施例である回転装置を有した靴の概要構成を説明する説明図である。同図に示すように、靴の内部には歩行時に最も圧力がかかる２点、例えば踵と、足の親指の付け根の辺りにそれぞれやわらかいタンク１とタンク２を配置する。そしてタンク１とタンク２は液体で満たし、パイプ４１で接続する。
【００２９】
従って、歩行動作によってタンク１とタンク２に交互に圧力が加わると、パイプ４１内を液体が移動する。この移動経路上に回転装置であるタービン３を設け、タービン３と発電機を接続することで発電機を動作させて発電を行なうことができる。
【００３０】
タービン３は、円形のケーシング（外筒）３１の中にローター３２が偏心されて配置されている。ローター３２には複数のベーン（同図ではベーン３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆの６つ）が収納されていて、各ベーンはバネによって押されて常にケーシング３１の内壁と接触している。バネは、ベーンに対してそれぞれ設け、例えばベーン３３ａにはバネ３４ａが対応する。
【００３１】
ローター３２には複数の磁石（同図では３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅ，３５ｆの６つ）が埋め込まれている。そして図１および図２のＡ−Ａ線断面図に示すように、ケーシング３１には磁石を上面と下面から挟むようにコの字型のフェライトコアがついており、フェライトコアにはコイルが巻かれている。
【００３２】
これにより、ローターの磁石のＮ極からフェライトコアを通ってコイルの中を通り、ローターの磁石のＳ極に帰るという磁路が形成される。例えば磁石３５ａから出た磁束は、フェライトコア３６ａを通って、コイル３７ａの中を通り再び磁石３５ａに戻る。
【００３３】
また、吸入口３８と排出口３９はケーシング３１の側面から液体を内部に出し入れできるようにつながっている。
【００３４】
次に動作について説明する。吸入口３８の部分の液体と排出口３９の部分の液体に圧力差が発生すると、各ベーンに断面積×圧力の力がかかる。ローターは偏心しているので、全てのベーンにかかる力の総和がローターの回転力となる。
【００３５】
ローター３２が回転するにつれてケーシング３１内部の各ベーンで挟まれた空間の体積は変化していく。吸入口側ではその体積が増えることにより液体は空間内部に流れ込み、排出口側ではその体積が減ることにより、液体は外へと押し出されていく。この一連の流れで液体はその圧力差と体積の積に当たるエネルギーを各ベーンを介してローター３２に伝えることができる。
【００３６】
高圧側と低圧側がベーンによって完全に仕切られているので、従来の例えばプロペラタービンなどのように流体が羽根にエネルギーを伝えることなくすり抜けてしまうことが無い。そのため、回転数ゼロの領域からエネルギーをロスすることなく確実に圧力を回転エネルギーに変換することができる。
【００３７】
そして、ローターが回転すると、ローターに埋め込まれた磁石も回転し、ローターの上部と下部に交番磁界が発生する。この交番磁界により、フェライトコアの中の磁束密度が変化し、コイルに誘導起電力が発生し、電力を取り出すことができる。
【００３８】
また、図３に示したように、内周が円形のケーシング３１に対し、周の一部について内壁を内側に狭くする隆起部３１ａを設け、ローター３２を同心で配置してもよい。この構成では、ローター３２には複数のベーン（同図ではベーン３３ｇ，３３ｈ，３３ｉ，３３ｊ，３３ｋ，３３ｌの６つ）を取り付け、各ベーンはゴムなど柔らかい素材で構成している。各ベーンは、簡単に曲がり、曲がった状態において伸びる側に弾性を有する。ベーンの長さは、ローター３２の側面から外筒部材３１内側までの距離よりも長いため、折れ曲がった状態でケーシング３１とローター３２の間にあり、各ベーンの先端はベーンの復元力（弾性力）によりケーシング３１を押し付けている。
【００３９】
この図３に示した構成での動作について説明する。吸入口３８の部分の液体と排出口３９の部分の液体に圧力差が発生すると、各ベーンに断面積×圧力の力がかかる。その力の回転方向成分がローター３２の回転力となる。例えば、吸入口３８の圧力が高くなった時、ベーン３３ｈとベーン３３ｌに圧力がかかる。ベーン３３ｌにかかる圧力はローターを時計回りに回す力となり、ベーン３３ｈにかかる圧力はローターを反時計回りに回す力となる。
【００４０】
ここで、ベーン３３ｈは内側に狭くなったケーシングによって曲げられていることにより、ベーンにかかる力の回転方向成分は小さくなっている。ローターは各ベーンにかかる力の回転方向成分の総和によって回転をするため、結果として時計回りに回りだす。
【００４１】
すなわち、ケーシング３１の隆起部３１ａは、ローター内での流体の流動経路の断面積を変化させることで、ローター３２の回転方向を規定する効果を生み出す。
【００４２】
ローター３２が回転するにつれてケーシング３１内部の各ベーンで挟まれた空間の体積は変化していく。吸入口側ではその体積が増えることにより液体は空間内部に流れ込み、排出口側ではその体積が減ることにより、液体は外へと押し出されていく。この一連の流れで液体はその圧力差と体積の積に当たるエネルギーを各ベーンを介してローター３２に伝えることができる。
【００４３】
さらに、図３に示した構成では、ローター３２に単一の磁石３５ｇを設け、ケーシング３１に単一のフェライトコア３６ｇを設け、フェライトコア３６ｇにコイル３７ｇを巻きつけている。
【００４４】
図３のように構成した場合であっても、図１に示した構成と同様に、吸入口側と排出口側との流体の圧力差を用いて効率よくローター３２を所定の方向に回転させることができ、ローターに埋め込まれた磁石の回転によって交番磁界が発生させて電力を取り出すことができる。なお、磁石の数とフェライトコアの数は任意に設定することができ、磁石の数とフェライトコアの数とが同一である必要もない。
【００４５】
このように、流体エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を一体化させることにより、装置を小型化することができ、靴底など狭い場所に組み込むのに最適になる。
【００４６】
また、流体の満たされたタービン内部から外部の空気中に動力軸を取り出す必要が無いため、ローターをケーシングの中に完全に密閉することができ、Ｏリングなどのシーリングに係る損失をなくすことができる。
【００４７】
つづいて、靴内部の構造例について、図４を参照してさらに詳しく説明する。同図に示すように、タンク１とタンク２は、パイプ４１およびパイプ４２によって繋がれる。さらにパイプ４３がパイプ４１と４２とを接続し、逆止弁５１，５２，５３，５４により、パイプ４３には常に一方向にしか液体は流れない。
【００４８】
例えば、タンク１に圧力をかけたときは、逆止弁５１，５３が閉じて逆止弁５２からパイプ４３を通り逆止弁５４へ液体が流れる。同様に、タンク２に圧力を掛けた場合には、逆止弁５２，５４が閉じて逆止弁５１からパイプ４３を通り逆止弁５３へ液体が流れる。
【００４９】
パイプ４３の途中にあるタービン３は、パイプ４３に流れる液体の圧力と運動量によって回転する。そして、この回転によってタービン３は交流電流を発生する。蓄電素子７は発生した電力を蓄える素子である。また、充電回路６は、タービン３と蓄電素子７の間にあり、タービン３で発生する交流電流を整流する機能と蓄電素子７の電圧を調整する機能を有する。
【００５０】
なお、ここでは発生した電源を一旦蓄電素子８に蓄積する場合の構成を例に説明を行なっているが、例えばタービン３で発生した電流を直接外部に出力するなど、任意の構成とすることもできる。
【００５１】
上述してきたように、ベーンはケーシング３１の壁に接しながら回ることにより、吸入側と排出側とが繋がることなく完全に隔てられている。これにより、流量が少なく極低回転でも流体の持つ圧力によりタービンを回転させることができる。
【００５２】
そのため、安定した流速、流量が得られないために利用することができなかった様々なエネルギーを利用できるようになる。それは例えば、波の力や、人の歩行などに起因する力、ビルの間に吹く突風などである。
【００５３】
また、コイル、フェライト、磁石という発電機の要素をタービンに組み込むことにより、流体エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を一体化させ、装置の小型化を実現することができ、靴底などの狭い場所に組み込むのに最適になる。また、流体の満たされたタービン内部から外部の空気中に動力軸を取り出す必要がないため、ローターをケーシングの中に完全に密閉することができ、Ｏリングなどのシーリングに係る損失をなくすことができる。
【００５４】
なお、本実施例に示した構成はあくまで一例であり、適宜変更して実施することができるものである。例えば、設置場所も靴の中に限らず、圧力差を生じさせる場所、例えば股関節などに設置し、股関節を曲げたり伸ばしたりする動作によって発電をすることも可能である。
【００５５】
さらに利用者が手回しなどで発電を行なう場合や、波の力、ビル風を利用するにも、本発明を適用することで効率的にエネルギーを取り出すことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明にかかる発電装置は、流体の持つエネルギーの電気エネルギーへの変換に適しており、特に靴の底などの小型にしなければならない場所に配置することに適している。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施例である回転装置を有した靴の概要構成を説明する説明図である（その１）。
【図２】図１に示したタービンのＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の実施例である回転装置を有した靴の概要構成を説明する説明図である（その２）。
【図４】図１および図３に示した靴内部の構造例について説明する説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１，２    タンク
３    タービン
３１  ケーシング
３２  ローター
３３ａ〜３３ｌ  ベーン
３４ａ  バネ
３５ａ〜３５ｇ  磁石
３６ａ〜３６ｇ  フェライトコア
３７ａ〜３７ｇ  コイル
３８    吸入口
３９    排出口
４１〜４３    パイプ
５１〜５４    逆止弁
６    充電回路
７    蓄電素子
【図１】
2008141934.tif 000003
【図２】
2008141934.tif 000004
【図３】
2008141934.tif 000005
【図４】
2008141934.tif 000006