(57)【要約】【課題】効率的な振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。【解決手段】振動ヨーク１ａ，１ｂの中間部には、振動発電素子３が配置される。振動ヨーク１ａ，１ｂは、一端が基板台座１１に固定された片持ち梁振動子構造を有し、振動ヨークの先端より振動発電素子３の配置部にかけて拡大するようテーパーを施した形状を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加振により発電した電力により外部機器を充電するための充電装置であって、
加振される基板台座と、
一端側が基板台座に固定され、他端が揺動可能な自由端となっており、前記他端から中間部分に向かって徐々に拡大するテーパ形状を有する振動ヨークと、
前記振動ヨークの中間部分に配置され、前記振動ヨークの振動が伝達されて発電する振動発電素子と、
を含む、
充電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の充電装置であって、
一対の前記振動ヨークの一端側が固定部に固定または一体成形されており、この固定部が前記基板台座に固定される、
充電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の充電装置であって、
前記振動ヨークの中間部分は、両側に比べ細い切り欠き部になっており、この切り欠き部に前記振動発電素子が取り付けられている、
充電装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の充電装置であって、
前記ヨークに結合された前記振動発電素子は、前記振動ヨークの自由端より固定部に近い部分に配置されている、
充電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の充電装置であって、
前記基板台座を周囲を覆ってケースが形成され、このケース内であって、前記振動ヨークに隣接する領域に加振によって移動する加振部材が収容されており、
加振部材がケースの加振によって移動し、前記振動ヨークに衝突することによって前記振動ヨークが加振される、
充電装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の充電装置であって、
さらに、太陽電池セルを備える、
充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加振により発電し、携帯電話やスマートホンなどの外部機器を充電する充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の行動から振動を収穫して発電させるエネルギー・ハーベスティング技術は産学問わず進められているが、振動発電素子の開発は進むものの、それに力を加える機構は使用用途により相応の工夫が必要なため、実用的振動発電機としては技術的困難性が伴う。振動発電のための発電素子としては、圧電素子、エレクトレット、永久磁石可動、磁歪素子などがあげられ、マイクロ発電からｋＷオーダーの発電までの研究が進んでいる。
【０００３】
ここで、磁歪素子による発電は身体振動発電とも呼ばれ、人間の動き、振動の機械エネルギーを電気エネルギーに変える方式として多くの機関で研究が進められている。このような身体振動発電によれば、電池レスの充電が可能であり、人々のコミュニケーションツールとして益々普及しているスマートホンなど小型情報端末（外部機器）に使用するものとして着目されている。しかしながら、従来の振動発電機構は、エネルギー変換効率などの諸課題により、未だ普及されていない。
【０００４】
特許文献１においては、磁歪棒の一端が固定され、他端側に圧縮力または引張力を加える方式により人体の移動によるエネルギーを電気エネルギーに変換する構成例が提案されている。このようなエネルギー変換方式においては、人の日常生活の行動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換し、実用に耐える起電力を得ることが求められる。
【０００５】
また、太陽電池セルを利用した充電装置が販売されているが、現状では、小型の太陽電池セルでは、十分な電流を得ることが難しく、１つ端末機器を満充電するための充電量を得るためには十数時間という充電時間を要している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開特許ＷＯ２０１１/１５８４７３公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
各種携帯端末の使用においては電池切れの心配や充電施設の確保などを解決する必要がある。この解決策として、小型携帯端末の電源として人の生活振動を電気エネルギーに変換し、端末を充電することが提案されている。特に小型携帯端末が何時でも、どこでも機能させるユビキタス社会では、電源を常時、どこでも確保できるニーズが高まっており、人の生活振動を効率的に利用できれば常に電池切れや電源の心配をすることなく安心してユビキタス端末を使用することができる。
【０００８】
しかし、これら人の日常行動における生活振動を電気エネルギーに変換するには、特許文献１などに開示された構成においてもより効率的で安定的に発電できる技術が求められている。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、より効率的に振動エネルギーを電気エネルギーに変換し充電ができる充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】
【００１０】
本発明は、加振により発電した電力により外部機器を充電するための充電装置であって、加振される基板台座と、一端側が基板台座に固定され、他端が揺動可能な自由端となっており、前記他端から前記中間部分に向かって徐々に拡大するテーパ形状を有する振動ヨークと、前記振動ヨークの中間部分に配置され、前記振動ヨークの振動が伝達されて発電する振動発電素子と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、一対の前記振動ヨークの一端側が固定部に固定または一体成形されており、この固定部が前記基板台座に固定されることが好適である。
【００１２】
また、前記振動ヨークの中間部分は、両側に比べ細い切り欠き部になっており、この切り欠き部に前記振動発電素子が取り付けられていることが好適である。
【００１３】
また、前記ヨークに結合された前記振動発電素子は、前記振動ヨークの自由端より固定部に近い部分に配置されていることが好適である。
【００１４】
また、前記基板台座を周囲を覆ってケースが形成され、このケース内であって、前記振動ヨークに隣接する領域に加振によって移動する加振部材が収容されており、加振部材がケースの加振によって移動し、前記振動ヨークに衝突することによって前記振動ヨークが加振されることが好適である。
【００１５】
さらに、太陽電池セルを備えることが好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、加振による振動を効率的に振動発電素子に伝達することができ、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する変換効率に優れ、高出力の電気エネルギーを得る装置を実現させることができる。従って、身体の振動や手で振れば振動発電素子に的確な応力が加えられ、スマートホンや小型情報端末を効果的に充電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る振動ヨークを示す図である。
【図２】実施形態に係る振動ヨークを有する充電装置の説明図である。
【図３】他の加振部を用いる充電装置の説明図である。
【図４】振動発電装置の構成を示す説明図である。
【図５】太陽電池セルを有する実施形態に係る充電装置の説明図である。
【図６】充電装置の回路の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。以下の説明では、２つの振動ヨークを用いた発電装置を例示として説明しているが、本発明の振動ヨークは１本で構成しても、２つ以上多数の振動ヨークを用いて構成してもよい。
【００１９】
また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の実施形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）の充電装置１０に用いられる振動ヨーク体１の構成を示す図である。また、図２は、本発明の一実施形態の振動ヨーク体１を充電装置１０に取り付けた構造を説明する説明図である。
【００２１】
図１において、振動ヨーク体１は、加振・振動部２、振動発電素子挿入部７、固定部４を主要構成部として形成されており、２本の振動ヨーク１ａ，１ｂが固定部４に左右対称の形で固定されている。従って、振動ヨーク体１は、四角形の３辺で構成され、全体としてＣ字状を呈する。この例では、２本の振動ヨーク１ａ，１ｂは、固定部４と一体成形されているが、振動ヨーク１ａ，１ｂを固定部４とは別に形成し、これらを互いに固着してもよい。
【００２２】
固定部４には、充電器の本体ケースを構成する筐体に固定されるためのねじ穴５が設けられており、振動ヨーク体１はねじ穴５を利用して固定部４が本体ケースの台座にねじ止め固定されることによって、本体ケースに固定される。従って、振動ヨーク１ａ，１ｂは、固定部４と反対側が自由端となって自由に振動可能な片持ち梁を構成する。
【００２３】
振動ヨーク１ａ，１ｂの固定部４に近い側には振動発電素子を取り付けるための切り欠き部からなる振動発電素子挿入部７が形成されている。この振動発電素子挿入部７の切り欠きは本実施形態では２本の左右対称な振動ヨークの外側に向かって形成されているが、両方の切り欠きを内側に向けた形状でも、一方のみを外側、他方を内側に形成しても構わない。
【００２４】
図２は、図１で示した本実施形態の振動ヨーク体１を充電装置１０に取り付けた構造を説明する説明図である。振動ヨーク体１は充電装置１０の筐体の基板台座１１にねじ穴５によりねじ止めされ振動ヨーク１ａ，１ｂの自由端が加振部６と衝突することにより自由端が片持ち梁振動を起こすように形成されている。加振部６は、本体ケースに固定されており、本体ケースが加振される（衝撃または振動が与えられる）ことによって、本体ケースと共に振動する。一方、振動ヨーク１ａ，１ｂの加振・振動部２は、自由端となっていることから、本体ケースとは異なる振動を呈する。従って、加振・振動部２が加振部６と衝突し、振動ヨーク１ａ，１ｂが振動する。衝撃または振動を与える台座などに固定された振動ヨーク１ａ，１ｂの固定部４の側（固定側）に近い部分に形成された振動発電素子挿入部７には振動発電素子３が取り付けられており、この振動発電素子３からの電気出力が取り出される。
【００２５】
振動発電素子３には、種々の構成が利用可能であるが、振動ヨーク１ａ，１ｂから伝達される振動エネルギーを電気エネルギーに変換する素子が採用される。通常はコイルに発生する電流をコンデンサに充電することで平滑化し、これを充電電力として出力する物が採用される。
【００２６】
複数の振動ヨークにおいては、それぞれの振動ヨーク１ａ，１ｂに振動発電素子３ａ，３ｂがそれぞれ取り付けられており、それぞれの電気出力を統合することでより高い出力を得ることができる。また、２つの電気出力を統合することで出力の平均化も図ることができる。取り出された電気出力は、コンデンサ、蓄電池などに一旦蓄えられ、その後、携帯端末などの電子機器または各種電気利用外部機器へ送られ、その内部の二次電池などの充電に利用されることとなる。通常は充電装置１０にコネクタが設けられ、このコネクタに接続ケーブルを介し、外部機器が接続される。
【００２７】
（加振部の構成）
上述の例では、加振部を本体ケースに固定した。しかし、加振部６として、移動可能なボール状の部材を採用してもよい。図３には、球体の加振部６を採用した構成を示す。両側が振動ヨーク１ａ，１ｂで構成された部屋２０を区画形成し、ここに球体の加振部６を収容する。この部屋２０は、すべての面が閉塞されている平空間とし、この部屋２０内部において、加振部６が自由に移動できる。
【００２８】
このような構成にすると、本体ケースを人が握り、振動させる（上下左右に往復移動させる）ことで、部屋２０内部の加振部６が振動ヨーク１ａ，１ｂの自由端に形成された加振・振動部２に衝突し、この衝撃によって振動ヨーク１ａ，１ｂが振動する。
【００２９】
（振動ヨークの構成）
図１に示すように、振動ヨーク１ａ，１ｂは、自由端側に向かって先細り状の板材であり、高さは一定である。そして、自由端側の加振・振動部２が加振部６と衝突することによって面内横方向に振動する。すなわち、固定部４に固定された状態で振動ヨーク１ａ，１ｂの自由端に振動を与える（加振する）ことで、振動ヨーク１ａ，１ｂは固定端と自由端との間で圧縮、引張による応力が加えられる。振動は人が日常生活において行動する際ごく自然に生じる振動（生活振動）を利用する。この生活振動は人の歩行、運動、ランニング、手や足の移動の際に生じる振り子動作、上下前後動、回転動作などの振動エネルギーを意味するもので、生活上常に発生している振動である。このような振動エネルギーが振動ヨーク１ａ，１ｂに伝えられ、振動発電素子により電気エネルギーに変換して、外部機器の充電に利用する。
【００３０】
図２の例では、この生活振動を利用する構成として、本実施形態では振動ヨーク１ａ，１ｂの自由端側近くには振動により衝撃または打撃を与える加振部６が台座または充電装置１０の筐体などに固定されている。充電装置１０を腕や足などに取り付けて利用するか、手動により振る事で加振部６と振動ヨーク１ａ，１ｂの自由端が衝突し、振動ヨーク１ａ，１ｂが固定部４を固定として先端部が振動し、振動ヨークの固定部近傍に取り付けられた振動発電素子３に振動による応力が加えられる。
【００３１】
図３の例では、上述のような振動によって、加振部６が移動して、振動ヨーク１ａ，１ｂに衝突して、振動ヨーク１ａ，１ｂが振動する。
【００３２】
この振動ヨーク１ａ，１ｂの加振・振動部２の形状は自由端より固定端の方に向かって拡大するテーパー部が設けられている、つまり自由端の先端部が細く、振動発電素子３に向かって太く増加する構成となっている。振動ヨーク１ａ，１ｂの先端が細く構成されることで先端部近傍に加振部６を設置し、加振部６と振動ヨーク１ａ，１ｂの先端部が衝突することで、僅かな振動にも先端部が反応しやすくなり、より大きな振動発電素子３による起電力を生じさせることができる。振動ヨーク１ａ，１ｂの加振・振動部２は振動発電素子３の取り付け部近くまで拡大するテーパー構造とし、残りは固定部４に至る部分に振動発電素子３を取り付けるための凹部（切り欠き）からなる振動発電素子挿入部７が設けられている。振動発電素子挿入部７を埋め込む凹部が振動ヨーク１ａ，１ｂの固定端側に設けられていることで振動発電素子３の一端は固定され、他端は振動ヨーク１ａ，１ｂの自由端側からの振動により振動発電素子３に応力が生じ振動発電を効率的に行うことができる。
【００３３】
（振動発電素子）
振動発電素子３としては圧電素子、エレクトレット、永久磁石可動、磁歪素子など種々の素子が適用できる。一例として、磁歪素子を用いた振動発電素子３の場合、磁歪効果または反磁歪効果を利用した磁歪素子にコイルを巻回した構成があり、この構成では、振動ヨーク１ａ，１ｂの振動により曲げモーメントで振動ヨーク１ａ，１ｂのしなりが発生し、振動発電素子３の磁歪素子に応力が加わることで、磁歪効果または反磁歪効果により巻回したコイルに電気が発生する。このしなりは加振による曲げモーメントをできるだけ大きく吸収するよう振動発電素子３を取り付ける必要があり、一端は固定部に近い場所で他端はできるだけスパン長を確保できることが望ましい。
【００３４】
図４に、磁歪素子上にコイルを巻回した振動発電素子３の構成例の模式図を示す。図４（ａ）は図３の上から見た図であり、図４（ｂ）は図３の右下から見た図である。
【００３５】
振動ヨーク１ｂの固定部４に近い側にその外側を切り欠いて、振動発電素子挿入部７が設けられており、ここに振動発電素子３ｂが配置される。振動発電素子３はコイル３０と、磁歪素子３２を有しており、磁歪素子３２の両端部が振動ヨーク１ｂに固着されて振動ヨーク１ｂに固定されている。また、磁歪素子３２の両端には、永久磁石３４がそれぞれ外側から接続されている。なお、振動ヨーク１ａ、１ｂを磁性体で構成することで、振動ヨーク１ａ、１ｂが磁路となる。
【００３６】
一対の永久磁石３４によって、磁歪素子３２には一方向の磁化されており、振動ヨーク１ｂの振動によって伸縮する。磁歪素子３２の伸縮によってコイル３０に電流が流れ、このコイル３０に流れる電流が発電電力として出力される。
【００３７】
ここで、振動発電素子３の出力を高めるには、できるだけコイル３０の巻回数を増加させたものが望ましいが、小型化およびヨークの振動周波数設定が生活振動による振動をより多く吸収する設計を行う必要性があるため振動ヨーク１ａ，１ｂに振動発電素子挿入部７を設け、振動ヨーク１ａ，１ｂの固定部近傍に振動発電素子３を取り付けるように構成する。このようにすることでコイルの巻回数を増加できると共に、振動ヨーク全体の振動周波数へ大きな影響を与えないように構成することができる。
【００３８】
（振動ヨークの材質）
振動ヨーク体１の材質としては、特に制限されるものでないが、常に振動させるため耐震性など強度を有すること、および生活振動を吸収するのに適した周波数特性を生じさせるものが望ましい。前述したように生活振動（人の日常生活の行動により生じる振動）を吸収するには、ランニングなどでの振動を吸収する場合は１秒間に数回に渡って上下、左右あるいは回転する振動エネルギーを加振部６により打撃または衝撃を起こし、振動ヨーク１ａ，１ｂの加振・振動部２を振動させる。そのため振動ヨークの材質は、共振周波数が高く縦弾性係数や密度が高いステンレスが望ましい。また、磁性体を採用することで、磁路として機能するので、発電効率を上昇することができる。
【００３９】
（太陽電池）
本実施形態においては、振動発電素子３の他に太陽電池セル５０を有している。すなわち、図５に示すように、図４，５に示すような構成の充電装置１０を内部に収容する本体ケース５２の前面に太陽電池セル５０を設けている。なお、本体ケース５２の底面は基板台座１１の裏面で兼用することも可能である。そこで、この太陽電池セル５０による発電電力も外部機器の充電電力として利用できる。なお、本体ケース５２を人がもって振ることによって充電装置１０に振動を与えることもでき、また単に携行して歩いたりすることでも充電装置１０に振動を与えることができる。
【００４０】
（回路）
図６には、充電電力出力のための回路構成が示してある。振動発電素子３からの出力は、磁歪素子３２の伸縮に応じた交流の電流であり、整流回路４０によって直流電力に変換される。整流回路４０は、ダイオード、コンデンサなどで構成される。そして、整流された直流電力は、充電制御回路４２により蓄電池４４に供給される。また、充電制御回路４２には、太陽電池セル５０も接続されており、太陽電池セル５０からの電力も充電制御回路４２により蓄電池４４に供給される。このようにして、蓄電池４４に外部機器充電のための電力が蓄えられる。そして、蓄電池４４の出力はＤＣ−ＤＣコンバータ４８によって適切な電圧に変換されて外部に出力され、外部機器を充電する。接続には、ＵＳＢケーブルなどを利用することが好適である。
【００４１】
（その他の実施形態）
上述した本実施形態では、小型化のため、ほぼ同様の振動ヨークを２本を左右対称に配置し、固定部と同一材質のもので一体化して形成した構造であるが、振動ヨーク数を増加すればそれに取り付けられた発電素子による出力も増加する。そのため、高出力の起電力が必要な場合本発明の振動ヨークを複数配置した発電装置を構成することも可能である。また、本実施形態では振動ヨーク１ａ，１ｂ本に対し、１個の発電素子を取り付ける構造となっているが複数の振動発電素子を１本の振動ヨーク上に配置することも可能である。
【００４２】
また、本実施形態では、振動ヨークが角柱状のもので構成しているが、円錐形、棒状、など種々の形状であっても本発明の趣旨から外れないかぎり適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、本発明に係る振動ヨークを用いた発電装置は、日常の生活行動に於ける振動エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換し、外部の電源、電池を必要とせず、省エネルギー化に寄与し、産業上の利用可能性は極めて高いものである。
【符号の説明】
【００４４】
１  振動ヨーク体、１ａ，１ｂ  振動ヨーク、２  加振・振動部、３  振動発電素子、４  固定部、５  ねじ穴、６  加振部、７  振動発電素子挿入部、１０  充電装置、１１  基板台座、２０  部屋、３０  コイル、３２磁歪素子、３４  永久磁石、４０  整流回路、４２  充電制御回路、４４  蓄電池、４８  ＤＣ−ＤＣコンバータ、５０  太陽電池セル。
【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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