(57)【要約】【課題】  歩行時などの振動よる運動エネルギーを利用して発電を行う発電装置において、機構の小型簡略化並びに軽量化を計りつつ発電効率を高め、発光体または携帯用電子機器の電源として利用できる振動発電装置を提供する。【解決手段】  圧電素子を固着したばね性レバーからなる片持はりの一端を筺体に固定し支持端を形成し、当該ばね性レバーの自由端とする他端に支持端より上方に重心が位置する錘を設けることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を固着したばね性レバーからなる片持はりの一端を筺体に固定し支持端を形成し、当該ばね性レバーの自由端とする他端に支持端より上方に重心が位置する錘を設けることを特徴とする携帯発電装置。
【請求項２】
請求項１において、筺体に結合部を設け、当該筺体を当該結合部を介して吊支部に吊着することを特徴とする携帯発電装置。
【請求項３】
請求項２において、結合部を筺体の自由端の側に設けることを特徴とする携帯発電装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３において、片持はりの支持端部や当該支持端を固定する筺体の固定部に錘を設けることを特徴とする携帯発電装置。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれかにおいて、ワイヤなどの索材の一端を吊支部に取り付け、当該索材の他端を結合部に固定することを特徴とする携帯発電装置。
【請求項６】
請求項２から請求項５のいずれかにおいて、筺体外側の一部或いは全部に凹凸部を設けることを特徴とする携帯発電装置。
【請求項７】
請求項２から請求項６のいずれかにおいて、自由端側に設ける錘の重心位置を支持端と水平になる位置に設けることを特徴とする携帯発電装置。
【請求項８】
請求項２から請求項７のいずれかにおいて、圧電素子の発生した交流電圧を整流する整流機構と、当該整流機構により直流化した電圧を蓄電する充電機構を筺体内側であり、且つ、片持はりの支持端部に隣接する位置に設けることを特徴とする携帯発電装置。
【請求項９】
請求項１から請求項７のいずれかにおいて、圧電素子の発生した交流電圧を整流する整流機構と、当該整流機構により直流化した電圧を蓄電する充電機構を備えることを特徴とする携帯発電装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、歩行時などの振動による力を圧電素子の歪みとすることで電力に変換し発電を行うものであり、本発明を携帯することで発光体や携帯用電子機器などの電源とする携帯発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  先ず、第１の従来の技術として、腕時計の分野では回転中心と重心が偏心するアンバランス車を用いてランダムな動きを回転力に変換し、自動巻機構に回転力を蓄え永久磁石と電機子で回転磁界を構成し発電を行い電力を得ている。【０００３】  次に、第２の従来の技術では、靴底に圧電素子を設け歩行持に加わる圧力で発生する電圧を発光体の電源とするものがあり、歩行する人間の体重移動による圧力の変化を電力に変換する発電機構である。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかしながら、前記第１の従来の技術による発電手段はアンバランス車や自動巻機構などを用いるため製造コストが高くなるという欠点がある。
【０００５】  次に、前記第２の従来の技術では、圧電素子を設ける位置が靴底に限定されるため、発電による電力を利用できる範囲や方法に制約があるという問題があり、本発明は以上の欠点を解決するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明は歩行時の振動を効率よく振り子運動に変換する手段と、吊支した状態の圧電素子とばね性レバーからなる片持はりにたわみを起こすための手段を前記課題の解決手段としている。先ず、本発明の第１の特徴としては、圧電素子を固着したばね性レバーからなる片持はりの一端を筺体に固定し支持端を形成し、当該ばね性レバーの自由端とする他端に支持端より上方に重心が位置する錘を設けてなる携帯電装置である。
【０００７】  次に、本発明の第２の特徴としては、前記第１の特徴における筺体に結合部を設け、当該筺体を当該結合部を介して吊支部に吊着してなる携帯発電装置である。
【０００８】  次に、本発明の第３の特徴としては、前記第２の特徴における結合部を筺体の自由端の側に設けることを特徴とする携帯発電装置である。
【０００９】  次に、本発明の第４の特徴としては、前記第２または３の特徴における片持はりの支持端部や当該支持端を固定する筺体の固定部に錘を設けてなる携帯発電装置である。
【００１０】  次に、本発明の第５の特徴としては、前記第２から４のいずれかの特徴において、ワイヤなどの索材の一端を吊支部に取り付け、当該索材の他端を結合部に固定してなる携帯発電装置である。
【００１１】  次に、本発明の第６の特徴としては、前記第２から５のいずれかの特徴にいて筺体外側の一部或いは全部に凹凸部を設けてなる携帯発電装置である。
【００１２】  次に、本発明の第７の特徴としては、前記第２から６のいずれかの特徴において自由端側に設ける錘の重心位置を支持端と水平になる位置に設けてなる携帯発電装置である。
【００１３】  次に、本発明の第８の特徴としては、前記第２から７のいずれかの特徴において、圧電素子の発生した交流電圧を整流する整流機構と、当該整流機構により直流化した電圧を蓄電する充電機構を筺体内側であり、且つ、片持はりの支持端部に隣接する位置に設けてなる携帯発電装置である。
【００１４】  次に、本発明の第９の特徴としては、前記第１から７のいずれかの特徴において、圧電素子の発生した交流電圧を整流する整流機構と、当該整流機構により直流化した電圧を蓄電する充電機構を備えてなる携帯発電装置である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】  以下、本発明の実施の形態についての説明である。先ず、図１ないし図５に示す構成は発光装置とするものであり、その発電機構から説明すれば、図３に示すようにばね性レバーａ２に圧電素子ａ１を固着し、ばね性レバーａ２の支持端とする一端をスペーサａ３とスペーサｂ５を介して筺体ａ７に固定し、錘４の重心が支持点より上側になるように錘４をばね性レバーａ２の自由端とする他端に設ける構成である（請求項１記載）。【００１６】  次に、発光機構については図４に示すように圧電素子ａ１に全波整流器６を介してＬＥＤ１１を接続する構成である。【００１７】  次に、図５に示す構成は圧電素子ａ１に全波整流器６を介して蓄電機構であるコンデンサ１２を接続し、スイッチを介してコンデンサ１２とＬＥＤ１１を接続するものである。【００１８】  次に、本発明の機能について説明すれば、本発明を携帯することで歩行時の振動により発電を行うものであり、歩行時の上下動を表すものが図６に示すグラフである。このグラフのｔは時間でありｘを本発明の位置とするものであり、このグラフから上方向へ速度は下方向への速度の約２倍であることがわかる。本発明はこの速度の違いに着目し、振り子運動となる錘の重心を上方に設けることで効果を得るものである。なお、この構成はばね性レバーａ２の形状や材質を調整することで適当な振幅とし、歩行時の振動との同期を計るものとする。【００１９】  次に、図７及び図８を参照し説明すれば、図７に静止位置における状態を示し、図８は下側において戻り始めるときの状態を示す図であり、また、図８に示す状態は錘４に下方向への力が作用しばね性レバーａ２のたわみが大きくなり戻り始めるときの位置であり、概ねこの状態のときに上方向への力が作用し戻り運動との合力となり振り子運動を付勢し、上方へのたわみとなる。なお、振動方向Ａはこの戻り運動となる力の方向を示すものであり、重心Ｇは図７に示すように静止位置において支点よりも上方に位置するように設ける配置である。【００２０】  次に、図９に示す状態は上方においてばね性レバーａ２のたわみが大きくなり戻り始めるときの状態を示す図であり、概ねこの状態のときに錘４に下方向への力が作用し振り子運動を付勢する。振動方向Ｂはこのときの戻り運動となる力の方向を示すものである。【００２１】  次に、図１０は前記振動方向Ａと振動方向Ｂを示す図であり、それらを比較することで本機構は振動方向Ａとなる下方の位置において上方向へ作用する力を振り子運動に変換することに重点を置く構成であることがわかる。【００２２】  前記したように歩行時の振動において上方向への速度は下方向への速度の２倍であり、力に換算すれば４倍の力であり、本機構はこの上方向への力を効率よく振り子運動に変換することで効果を得ており、振り子運動によりばね性レバーａ２がたわみ、さらに圧電素子ａ１の歪みとなり電圧を発生するものである。【００２３】  次に、図１及び図２を参照し本構成のストッパ機能について説明すれば、錘４の振り子運動で大きな力がセラミックス系の素材である圧電素子ａ１に加わった場合に割れてしまうという問題があるが、これは振り子の振幅が大きいときに筺体ａ７内側上下部が錘部分と当接するように位置を調整して設け、ばね性レバーａ２のたわみを抑えることで解決手段とすることができる。【００２４】  次に、図４に示す構成は圧電素子ａ１の発生する交流電圧を両波整流器６で直流化しＬＥＤ１１を駆動するものであり、この構成にコンデンサ１２とスイッチを加えた例が図５に示す構成であり、これは前記両波整流器６で直流化した電圧をコンデンサ１２に充電しスイッチを介してＬＥＤ１１を駆動するものである。この構成により、本発明を懐中電灯の電源とすることができ、また、この構成のＬＥＤ１１を携帯可能な電子機器と置き換えこれらの電源とすることもできる。【００２５】  なお、図５の構成においてトランジスタとコイルなどを用いる昇圧機構をコンデンサ１２にスイッチを介して接続することで白色ＬＥＤを駆動することができる。なお、蓄電機構であるコンデンサ１２については電気二重層コンデンサまたは二次電池を用いることも可能である。【００２６】  次に、図１１に示す構成は前記図１及び図２に示す構成の筺体ａ７に結合部８を設け、索材９の一端を結合部８に固着し、索材９の他端を吊支部１３を介して吊支具１０に取り付ける構成である（請求項２記載）。【００２７】  次に、本発明の機能について図１１を参照し説明すれば、本発明は吊支した状態で両端が共に振動する圧電素子とばね性レバーａ２からなる片持はりにたわみを生じさせるための手段である。振動により錘４が振動し振動方向Ｃへの力となり、この力はまた索材９のたわむ部分であるＥ点を支点とする支持端部の回転力となる。しかしながら、このときスペーサａ３とスペーサｂ５などの重量がＥ点を支点とし回転方向Ｄへの回転力となり、前記支持端部の回転力と回転方向Ｄへの回転力が相対し筺体ａ７の回転を抑えばね性レバーａ２のたわみとすることができ、そのたわみを圧電素子ａ１の歪みとし電圧を発生することができる。【００２８】  なお、この構成の錘４の配置位置については、前記図１及び図２に示す構成と同様に錘４の重心位置を支点よりも上方に設けることで、歩行時の振動を効率よく振り子運動に変換することができる。【００２９】  次に、結合部８を設ける位置について説明すれば、錘４の振動方向Ｃへの力による筺体ａ７の回転力とスペーサａ３とスペーサｂ５の回転方向Ｄへの回転力が相対するように、図１１に示すように筺体ａ７の自由端の側である位置に結合部８を設けている（請求項３記載）。【００３０】  この配置により支点Ｅとスペーサａ３及びスペーサｂ５との距離を長くすることができ回転方向Ｄへの回転力を高めることができるため、錘としての機能を有するスペーサａ３及びスペーサｂ５の重量を軽くすることができ、軽量化を計る上で効果がある。また、この配置は振り子運動による錘４の重心位置の変化で生じる筺体ａ７の回転を抑える効果もある。【００３１】  次に、全波整流器６の配置位置についてはスペーサａ３及びスペーサｂ５に隣接するように設けるものであり、この配置により全波整流器６の重量をスペーサａ３及びスペーサｂ５の重量に加えて錘とすることができ、前記同様に軽量化を計る上で効果がある。また、昇圧機構や蓄電機構を設ける場合についてもこの位置に設けることで錘とすることができる（請求項８記載）。【００��２】  なお、図１１に示す構成はスペーサａ３及びスペーサｂ５を錘として用いているが、支持端側に錘を設けることでスペーサを省略し筺体ａ７に直接ばね性レバーａ２を固定する構成とすることもできる（請求項４記載）。【００３３】  次に、吊支具１０と筺体ａ７を連結する索材９について説明すれば、吊支具１０の振動を結合部８に伝動するものであり、ワイヤなど弾性を有する素材を用いて形成し筺体ａ７に作用する下方向への力を索材９のたわみとすることで伝動し、筺体ａ７の動きとすることができる。さらに、索材９と結合部８を固着して取り付けことで、横方向の振動において筺体ａ７の回転を抑え振動方向Ｃと回転方向Ｄへの力とすることができる（請求項５記載）。【００３４】  前記した支持端側の重量や吊支具１０の配置位置並びに索材９の弾性や結合部８への取り付け方法などは振動時に筺体ａ７の回転を抑え、ばね性レバーａ２のたわみとするための手段であり、これは筺体ａ７外側の形状や材質によりこの効果を得ることも可能である。例えば、本発明を鞄などに吊着する場合に筺体ａ７外側と鞄表面が摺接することになる。従って、筺体ａ７外側に凹部や凸部を設けることで摺接部分の摩擦をより強くすることができ、前記効果を高めることができる。さらに、筺体ａ７外側をゴムなどの摩擦係数の高い素材で形成することでも同様の効果を得ることができる（請求項６記載）。【００３５】  また、前記筺体ａ７外側に凹凸部を設ける構成は自動車の鍵に取り付けるキーホルダーとすることでも効果があり、走行時の振動で発電を行い蓄電することができ、懐中電灯やドアの開閉を行うリモコンの電源とすることも可能である。この場合は自動車のエンジンキー差込部下方の膨出部と当接するように筺体ａ７外側に凹部を形成することで効果を高めることができる。【００３６】  なお、前記鞄などに吊着する場合は歩行時における振動を利用するものであるが、この場合は自動車の走行時の振動を利用するため、前記支持端より上方に錘４の重心位置を設ける配置とは異なり支持端と水平となる位置に錘４の重心位置を設ける配置とすることで効果を高めることができる（請求項７記載）。【００３７】  次に、図１２に示す構成は本発明の小型化を計る第１の変化例であり、筺体ａ７を小型な形状である筺体ｂ１４に置き換える例である。【００３８】  次に、図１３に示す構成は本発明の小型化を計る第２の変化例であり、前記圧電素子ａ１をより小型なものである圧電素子ｂ１５に置き換え、ばね性レバーａ２もまた小型な形状であるばね性レバーｂ１６に置き換える例である。この構成により本発明を小型化することが可能であり、キーホルダー型として利用することができる。
【実施例】
【００３９】  次に、本発明の実施例について説明すれば、先ず、第１の実施例は図１ないし図５に示す発光装置とする構成であり、図１及び図２に示す錘４の重量は５ｇであり、圧電素子ａ１を固着するばね性レバーａ２についてはスパン４０ｍｍ厚さ０．１ｍｍの焼入鋼板であり、幅については平均１０ｍｍである。錘４の重心位置については支持端から１０°上方に位置するように設け、次に、図４に示すように圧電素子ａ１に全波整流器６を接続し、全波整流器６に発光素子であるＬＥＤ１１を接続した構成である。【００４０】  この構成の歩行時の振動による振幅は１０〜２０ｍｍであり発生電圧は概ね０．５Ｖ〜３Ｖである。この振幅並びに発生電圧は錘４の重心位置を支持端と水平になるように配置したときよりおよそ３０％〜５０％程高い値である。なお、発生電圧については振り子運動と振動が同期したときに振幅が大きくなり高い発生電圧となる。概ね２回の振動周期でＬＥＤ１１が駆動する電圧となる。【００４１】  次に、第２の実施例は図５に示す構成であり、コンデンサ１２に容量３３μＦの電解コンデンサを用いており、前記同様に歩行時の振動により発電を行い測定した結果約１２歩の歩行で蓄電電圧は約２Ｖとなり、ＬＥＤ１１を駆動することのできる電圧となる（請求項９記載）。【００４２】  次に、第３の実施例は図１１に示す構成であり、前記第１の実施例における筺体ａ７に結合部８を設け、索材９の一端に吊支部１３を介して吊支具１０を取り付け、索材９の他端を結合部８に固着した構成であり、この構成の錘４重量は５ｇであり、スペーサａ３及びスペーサｂ５の重量は４ｇである。索材９には線径１．５ｍｍのワイヤを用いている。【００４３】  この構成は筺体ａ７を吊支しているため、歩行時の振動により筺体ａ７はランダムな動きをすることになり、錘４の振幅もまたその動きに従い変化し、発生電圧についても高低があるが、その測定結果は概ね０．５Ｖ〜３Ｖである。【００４４】  この構成における筺体ａ７の動きは複雑ではあるが、ポイントは振動方向ｃ及び回転方向Ｄへの力と錘４の重心と支持点を結ぶ直線の角度であり、スペーサａ３及びスペーサｂ５とＥ点との距離や各部の重量などの調整で効果を高めることができる。
【発明の効果】
【００４５】  以上の説明にあるように、本発明の携帯発電装置は、歩行時などの振動を効率よく電力に変換するものであり、吊支式とする構成では鞄などに取り付けることが可能であり、携帯することのできる電子機器であれば本発明と組み合わせることができる。さらに、本発明は小型で簡単な構成であるため少ない工程で製造することが可能であり、製造コストを低く抑えることができる。加えて、本発明を発光装置とし傘やランドセルに取り付けることで交通安全対策として利用することもできる。以上のように、本発明は携帯する人間の歩行時などの振動により発電を行うため、電池や電力の供給のない地域や場所であっても携帯用電子機器や発光装置の機能を維持することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施例に係わる携帯発電装置を示す実施形態の、一部を断面にした正面図である。
【図２】  本発明の第１の実施例に係わる携帯発電装置を示す実施形態の、分解斜視図である。
【図３】  本発明の第１の実施例に係わる携帯発電装置を示す実施形態の、要部分解斜視図である。
【図４】  本発明の第１の実施例に係わる携帯発電装置の結線方式を示す図である。
【図５】  本発明の第２の実施例に係わる携帯発電装置の結線方式を示す図である。
【図６】  歩行時の振動を示すグラフである。
【図７】  本発明の第１の実施例に係わる携帯発電装置を示す実施形態の、要部正面図である。
【図８】  本発明の第１の実施例に係わる携帯発電装置の下方に位置する振り子を示す実施形態の、要部正面図である。
【図９】  本発明の第１の実施例に係わる携帯発電装置の上方に位置する振り子を示す実施形態の、要部正面図である。
【図１０】  本発明の第１の実施例に係わる携帯発電装置の振り子の運動方向を示す図である。
【図１１】  本発明の第２の実施例に係わる携帯発電装置を示す実施形態の、一部を断面にした正面図である。
【図１２】  本発明の携帯発電装置の第１の変化例を示す実施形態の、一部を断面にした正面図である。
【図１３】  本発明の携帯発電装置の第２の変化例を示す実施形態の、要部分解斜視図である。
【符号の説明】
１  圧電素子ａ
２  ばね性レバーａ
３  スペーサａ
４  錘
５  スペーサｂ
６  全波整流器
７  筺体ａ
８  結合部
９  索材
１０  吊支具
１１  ＬＥＤ
１２  コンデンサ
１３  吊支部
１４  筺体ｂ
１５  圧電素子ｂ
１６  ばね性レバーｂ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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