(57)【要約】【課題】人力による加振などのような比較的低い周波数であっても効率的に発電することが可能であるとともに小型化の発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】圧電素子を有する発電部と、機械共振部と、を少なくとも有し、この機械共振部により持続して発電を行う発電システムを構成することにより、機械共振部の共振周波数を容易に設定することができるため、人力による加振のような比較的低い周波数であっても効率的に発電することが可能であるとともに小型化の発電システムを提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を有する発電部と、機械共振部と、を少なくとも有し、前記機械共振部により持続して発電を行うことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
機械共振部は、少なくとも重りと、繰り返し伸縮する部材とを有し、前記繰り返し伸縮する部材は発電部と前記重りとの間に位置するものである請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
重りの重さは、前記重りを含む発電システム全体の重さの１／２以下である請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
機械共振部は人の力により加振して機械共振を起こすものである請求項１〜３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項５】
機械共振部の共振周波数が１００Ｈｚ以下である請求項１〜４のいずれかに記載の発電システム。
【請求項６】
発電部は、１つまたは複数の圧電体を用いて機械共振部の運動により発電するものである請求項１〜５のいずれかに記載の発電システム。
【請求項７】
重りは複数の繰り返し伸縮する部材と接続されている請求項１〜６のいずれかに記載の発電システム。
【請求項８】
機械共振部は、一軸方向に変位するようにガイドが設けられた請求項１〜７のいずれかに記載の発電システム。
【請求項９】
ガイド部は、変位の大きさを制限するためのストッパーを設けた請求項８に記載の発電システム。
【請求項１０】
複数の伸縮する部材は、重りを中心に対称に設けられている請求項７に記載の発電システム。
【請求項１１】
２個の発電部と２個の繰り返し伸縮する部材の略中心に重りが設けられている請求項１０に記載の発電システム。
【請求項１２】
少なくとも発電部と、機械共振部と、発光素子とを有し、機械共振部の運動により発電部で発電した電気により前記発光素子を発光させる請求項１〜１１のいずれかに記載の発電システム。
【請求項１３】
少なくとも発電部と、機械共振部と、蓄電部と、制御部とを有し、前記機械共振部の運動により前記発電部で発電した電力により前記マイコンを駆動させる請求項１〜５のいずれかに記載の発電システム。
【請求項１４】
圧電素子を有する発電部と、機械共振部と、蓄電部と、制御部と、入力部と、前記入力部からの情報を外部に送信する送信部と、を少なくとも有し、前記機械共振部の運動により前記発電部で発電した電力により前記制御部を駆動させるとともに、前記入力部からの情報を外部に送信することを特徴とする電子機器。
【請求項１５】
入力部は、電子機器を加振することにより情報を入力する請求項１４に記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発電システム並びにこれを応用した電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子を用いて発電する発電システムは構成が簡単なこと、信頼性が比較的高いことなどの理由により、従来多くの方法が提案されている。
【０００３】
本発明に関する先行技術文献としては、例えば特許文献１をあげることができる。
【特許文献１】特開平７−４９３８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載された発電機は容易で安価な携帯機器用の発電機を実現することができるが、このような発電機に対して人力で加速度運動を起こさせ、発電を行おうとした場合、人力による加振の周波数は１００Ｈｚ以下と低いため、この周波数で共振する機械共振部は非常に大きなものとなり、発電機の大型化は避けることができないため携帯機器等に使用しにくいという課題を有していた。
【０００５】
即ち、機械共振周波数をｆ、バネ定数をｋ、重りの質量をｍ、重りによる静止時のバネのたわみをｘ、重力加速度をｇとしたときに、機械共振周波数ｆは
【０００６】
【数１】
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【０００７】
で表わされ、かつ
ｋｘ＝ｍｇであるため
重りによる静止時のバネのたわみは、ｘ＝ｇ／（２πｆ）2
となる。
【０００８】
従って、３Ｈｚの機械共振を作成するのには、約２８ｍｍ、１０Ｈｚの機械共振を作成するためには約２５ｍｍ板バネを撓ます必要がある。板バネに直接圧電素子を貼り付けた上記特許文献１の構成では、圧電素子の表面の歪みが破壊限界を超えないようにするためには、板バネ部を非常に長くする必要があり、発電システム自身が大きくなってしまうという課題を有していた。
【０００９】
従って本発明は、人力による加振などの比較的低い周波数であっても大型化することなく、携帯機器などに最適な発電システム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】
【００１０】
この目的を達成するために本発明の発電システムは、圧電素子を有する発電部と、機械共振部と、を少なくとも有し、この機械共振部により持続して発電を行う発電システムであり、機械共振部の共振周波数を容易に設定することができるため、人力による加振のような比較的低い周波数であっても効率的に発電することが可能であるとともに小型化の発電システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の発電システムによると、機械共振により持続して発電を行うシステムとしたため、人力による加振などのような比較的低い周波数であっても効率的に発電することが可能であるとともに小型化の発電システムを提供することができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１について、図１を用いて説明する。
【００１３】
図１は本実施の形態にかかる発電システムの一例を示す断面図であり、圧電素子からなる発電部１１と重り１２との間に位置し、発電部１１と重り１２と結合されている、繰り返し伸縮する部材であるコイルバネ１３とを有する。
【００１４】
図１において機械共振部は重り１２とコイルバネ１３により構成されている。１５は上記の発電部１１と、重り１２とコイルバネ１３よりなる機械共振部１４を保持する箱状の筐体である。
【００１５】
１６は発電部１１で発電された電気を出力するためのリード線などにより構成される端子であり、筐体１５の外部に設けられたＬＥＤなどの発光素子１７に接続されている。
【００１６】
発電部１１は、金属板１８の片面に圧電体１９が貼り付けられた構成で、金属板１８の反対側は機械共振部１４に接続されている。圧電体１９は、表裏に電極が形成してあり厚み方向に分極してある。発電部１１が撓むことにより、金属板に貼り付けられた圧電体１９は、面内の伸びまたは圧縮の応力がかかり、圧電効果により発電し、リード線などにより接続された発光素子を点灯させる。
【００１７】
ここで、上記図１に示した筐体に、人力により振動又は衝撃を加えることにより機械共振部の重りが繰り返し振動し、持続的に発電部１１を撓ますことで持続的な発電を実現することができる。人力での加振によって機械共振部１４を効果的に共振させるためには、人力による加振の周波数と機械共振部１４の共振周波数を出来るだけ近づける必要がある。そのために、機械共振部１４の共振周波数は、１００Ｈｚ以下、１Ｈｚ以上、望ましくは３０Ｈｚ以下、３Ｈｚ以上にする必要があり、この条件を満たすようにコイルバネ１３のバネ定数と、重り１２の重さが設定される。
【００１８】
また、重り１２の重さは、発電システム全体の重さより十分軽くなるように設定されており、発電システムの加振を停止しても、機械共振部のみの振動が持続するようにしている。重り１２の重さが重過ぎると発電システムの加振を停止した後、発電システム自体が振動してしまい効率的な発電が出来ない。そのため、重り１２の重さは、発電システム全体の１／２以下が好ましく、さらに１／５以下とすることが好ましい。そのため、発電システムに、機械共振部以外に発電システムの重量調整用のウエイト２７を設けてもよい。ウエイト２７は重りに対して対称に複数個配置しても良い。ただし、人力で加振するので発電システム全体の重さは、３ｋｇ以下、望ましくは３００ｇ以下にするのが好ましい。
【００１９】
重りの材質は、出来るだけ形状を小さくするため比重の大きな物が好適で、例えば比重５以上の鉄、ステンレス、黄銅などが適している。
【００２０】
本発明の実施の形態１に示した発電システムでは、機械共振部の作用により連続したエネルギーを発電部１１に加えることができるため、１度の加振であっても、数秒にわたってＬＥＤなどの発光素子１７を持続して光らせることができ、また繰り返し加振することにより、さらに持続して発光素子１７を光り続けさせることが可能となる。
【００２１】
なお、圧電体は表裏に電極を形成した単板構成で説明したが、圧電体と電極を交互に積層した積層構造にすることで、なお発光素子の発光輝度を高めることが出来る。
【００２２】
発明の他の応用例としては、本発明の発電システムを腰や自転車に付けて、夜間に位置を知らせる役割をするシステムに利用することもできる。
【００２３】
なお、電力の使用用途として、発光素子を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば整流、蓄電することによりその他の電気、電子機器への電力の供給も可能になる。
【００２４】
（実施の形態２）
図２は本発明の他の実施の形態における発電システムの一例を示す断面図であり、実施の形態２が実施の形態１と異なるのは、重り１２が２個のコイルバネ１３と対称に接続されていることである。それにより、重り１２は対称に配置された発電部１１の中心を結ぶ軸上（図示せず）に均等な力がかかるので、重り１２は発電部１１の中心を結ぶ軸（図示せず）を中心に往復振動する。重り１２の振動が軸よりはずれると、発電効率が悪くなるので、このような構成を取ることで、効率の高い発電が可能になる。また持続的な加振があった場合、発電部１１が２個になることで、２倍の電力が得られる。
【００２５】
さらに、重り１２の変位方向を規制するガイドが設けてあることで、より重り１２の変位は軸上に規制され、効率の高い発電が出来る。
【００２６】
また、過度の加振により重り１２が大きく変位して発電部１１などを破壊することのないように、重り１２の変位を規制するストッパー２０を設けている。
【００２７】
また本実施の形態２では、金属板１８の両面に圧電体が接着されており、持続的な加振があった場合に、効率の高い発電が可能である。この構成を取る場合には、強度の弱い圧電体に機械共振部１４を接着する必要があるため、破損防止の対策をとる必要がある。
【００２８】
なお、繰り返し振動は、コイルバネ１３で説明したが、それ以外の材質を使用しても良く、特にゴムを用いることで、軽量化が図れる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、一軸上に対称に重り１２が２個のコイルバネ１３と２個の発電部１１と接続されている例を示したが、発電部１１の中心を結ぶ複数軸に対称に２個のコイルバネ１３と２個の発電部１１を接続してもよい。例えば、図３に示すように筐体の中心に重り１２を配置し、３軸に対称に６個のコイルバネ１３と６個の発電部１１を配置することにより、いかなる方向からの加振に対しても効率よく発電できる。
【００３０】
この発電ユニットを、ボールなどの内部に実装することで、ボールの中を光らせることが出来る。
【００３１】
（実施の形態３）
図４は本発明の他の実施の形態３における電子機器の一例を表すブロック図である。発電ユニット２１は、本発明の実施の形態１または２に記載の発電部であり、筐体を加振する事で発電する。蓄電部２２は、発電ユニット２１で発電された電力をダイオードなどを用いて整流し、電気二重層コンデンサや二次電池などの蓄電部品に蓄電する。また、蓄電部品からの出力は、３端子レギュレータなどにより所定の電圧になるように調整される。制御部２３は、蓄電部２２を介して発電ユニット２１で発電された電力により動作する。入力部２４は、重力センサ、加速度センサ、角加速度センサ、方位センサなどの電子機器の位置情報、変位、加速度を元にする入力装置で、電子機器を人の力により加振または移動することにより情報を制御部２３に伝達する。送信部２５は制御部２３により駆動され、入力部２４からの情報を外部機器２６に送信する。
【００３２】
従来のリモートコントロールユニット（以下リモコン）は、本体側とケーブルなどで結ばれて情報のやりとりおよび電力の供給を行うか、赤外線などで通信をワイヤレスで行う場合には電池などを内蔵していた。本発明では、特にゲーム機などでリモコンへの入力が、その位置情報による場合、センサなどを主とする入力部２４と共に本発明の発電ユニット２１を設けることで、入力時のリモコンの振動を発電ユニットにて電力に変換するので、ケーブルおよび一次電池などが不要になる。
【００３３】
なお、入力部は位置情報を元にした例で説明したが、通常のスイッチやレバーなどの入力装置でも問題ない。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明にかかる発電システムは、圧電素子を有する発電部と、機械共振部と、を少なくとも有し、この機械共振部により持続して発電を行う発電システムであり、機械共振部の共振周波数を容易に設定することができるため、人力による加振のような比較的低い周波数であっても効率的に発電することが可能であり、携帯用などの小型の発電システム等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１における発電システムの一例の断面図
【図２】本発明の実施の形態２における発電システムの一例の断面図
【図３】本発明の実施の形態２における発電システムの他の一例の断面図
【図４】本発明の実施の形態３における電子機器のブロック図
【符号の説明】
【００３６】
１１  発電部
１２  重り
１３  コイルバネ
１４  機械共振部
１５  筐体
１６  端子
１７  発光素子
１８  金属板
１９  圧電体
２０  ストッパー
２１  発電ユニット
２２  蓄電部
２３  制御部
２４  入力部
２５  送信部
２６  外部機器
２７  ウエイト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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