JP4683373B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、電源システムに関し、特に、人間の動作による運動エネルギーを電気エネルギーに変換して取り出す電源システムに関する。

近年、携帯電話機やデジタルカメラ、ポータブルオーディオ機器等の携帯型の電子機器（以下、便宜的に「携帯機器」と総称する）の普及が著しい。このような携帯機器においては、携帯性や可搬性が重視されるため、駆動用電源として、商用電源ではなく、専用のバッテリや市販の乾電池等（以下、便宜的に「バッテリ」と総称する）から駆動電力が供給される形態が用いられている。

このような駆動用電源を適用した場合、バッテリの電流容量に応じて携帯機器の使用時間や使用状態が制約されることになる。特に、近年の携帯機器においては、通信機能を始めとする様々な機能や、大画面、高輝度の表示パネル等が搭載されることにより、高性能化されているため消費電力が増大する傾向にあり、バッテリの消耗が激しく、商用電源からの充電を頻繁に行わなければならないという問題を有していた。

そこで、このような携帯機器の駆動用電源の問題（バッテリの消耗）を解決する手法の一例として、携帯型の発電装置を適用する技術が知られている。例えば、特許文献１等には、携帯機器の使用者の着用する履き物の底部（踵部）に、磁気歪素子と、該磁気歪素子に巻回された誘導起電力手段としてのコイルと、蓄電池と、を内蔵した構成が開示されている。

この発電装置においては、携帯機器の使用者が、歩行又は走行することにより、踵部が押圧されると、内蔵された磁気歪素子が圧縮変形し、また、足（踵）を浮かせたときには、磁気歪素子が伸張変形するので、磁界の変化によりコイルに誘導起電力が発生する。この電力は一旦蓄電池に蓄積された後、携帯機器の駆動用電源として用いられる。

特開平９−１６３７７１号公報（第４頁〜第５頁、図１、図２）

上述した特許文献１等に記載された発電装置においては、履き物の踵部に印加される外圧に応じて、磁気歪素子を変形させることにより磁界を変化させて誘導起電力を発生させる構成を有していたため、使用者が履き物を履いて歩行又は走行している場合にしか、発電することができない。そのため、履き物を履いていない状態では発電動作は行われず、通常のバッテリを用いた場合と同様に、蓄電池に蓄積された電力が消耗することになり、携帯機器への駆動電力の供給が不安定になったり、遮断されたりして使用が不可能となる場合があった。

また、特許文献１等に記載された発電装置においては、履き物の底部（踵部）に発電装置を内蔵する必要があるため、発電装置の構成を小型化する必要があり、携帯機器を駆動させるために十分な電力を取り出すことが困難であるという問題も有していた。さらに、履き物部分（使用者の足下）に発電装置の構成が集中しているため、駆動電力を取り出して上半身近傍に位置する携帯機器に供給する際の供給経路の取り回しが複雑になり、使い勝手が悪いという問題も有していた。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、携帯機器を駆動するために十分な駆動電力を比較的容易に発電、蓄積して、安定的に携帯機器に供給することができる使い勝手の良好な電源システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る電源システムは、衣服の袖部又は前記衣服の胴脇部のうち一方に設けられ、磁力が加わることによって誘導起電力を発生する誘導起電力手段と、前記衣服の袖部又は前記衣服の胴脇部のうち他方に設けられ、前記誘導起電力手段に対して往復運動することで、当該誘導起電力手段に対して誘導起電力が発生するように磁力を加える磁界発生手段と、前記誘導起電力手段が発生する誘導起電力を蓄積する電力蓄積手段と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明に係る電源システムは、請求項１に記載の発明であって、前記誘導起電力手段は、前記衣服を構成する糸材に金属ワイヤーがコイル状に巻き付けられた構成を有していることを特徴とするとするものである。

請求項３の発明に係る電源システムは、請求項１または２に記載の発明であって、前記磁界発生手段は、前記衣服を構成する糸材に磁性を付与し、所定の分極特性を有するように配列形成された構成を有していることを特徴とするものである。
請求項４の発明に係る電源システムは、請求項１乃至３の何れかに記載の発明であって、前記電力蓄積手段は電気二重層コンデンサを用いたキャパシタであることを特徴とするものである。

請求項５の発明に係る電源システムは、請求項４に記載の発明であって、前記キャパシタは、金属材料からなる糸状の集電極及び当該集電極の外周面に活性炭塗料を塗布することで形成される分極性電極からなる糸状電極と、電解液を含浸した電解紙と、前記糸状電極と前記電解紙を封止するコーティング層と、から成ることを特徴とするものである。
請求項６の発明に係る電源システムは、請求項５に記載の発明であって、前記電力蓄積手段は、前記キャパシタが内部に組み込まれた糸材を用いることで前記衣服に一体的に設けられていることを特徴とするものである。

すなわち、本発明に係る電源システムは、少なくとも誘導起電力を発生するコイル部（誘導起電力手段）が、例えば、衣服を構成する布地に織り込まれるように一体的に設けられた構成を有しているので、該コイル部に対して磁石部（磁界発生手段）を往復運動させることにより、携帯機器（電子機器）を使用する人物が着用した衣服側で、上記誘導起電力を発生させて利用することができる。

また、この場合、上記磁界を発生する磁石部（磁界発生手段）が布地に織り込まれるように一体的に設けられた構成を適用することにより、上着の袖部と胴脇部のように、相対的に往復運動する箇所（又は、領域）に磁石部及びコイル部を設けることができるので、上記衣服の着用者の通常の動作のみで誘導起電力を発生させて、携帯機器に必要な駆動電力を供給することができる。

さらに、上記誘導起電力を蓄積するためのキャパシタ部（電力蓄積手段）が布地に織り込まれるように一体的に設けられた構成を適用することにより、上記衣服の着用者は、蓄積された電力を簡易に持ち運ぶことができるので、携帯機器に対して駆動電力を安定的に供給することができる。

以下、本発明に係る電源システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（概略構成）
図１は、本発明に係る電源システムの一実施形態を示す概略構成図及び概略回路図である。

本発明に係る電源システムは、図１（ａ）に示すように、例えば、上着やジャケット等の衣服１０の袖部１１の延在方向（肩から手首方向）に設けられた磁石部（磁界発生手段）２１と、該袖部１１（磁石部２１）に対向する胴脇部１２に、導線の巻き進み方向が上方（袖部１１の取付近傍）から下方（裾）に延在して設けられたコイル部（誘導起電力手段）２２と、該コイル部２２を構成する導線の両端部に接続されたキャパシタ部（電力蓄積手段）２３と、を備えた構成を有している。

すなわち、本実施形態に係る電源システムは、図１（ｂ）に示すような等価回路により表すことができる。ここで、キャパシタ部２３は、コイル部２２を構成する導線の両端部が接続された接点Ｎ１、Ｎ２間に、ダイオードＤ１〜Ｄ４をブリッジ接続したダイオードブリッジ回路（整流用のダイオードＤ５を含む）２３ａと、該ダイオードブリッジ回２３ａの出力接点Ｎ３、Ｎ４が、各々、正極側電極及び負極側電極に接続されたキャパシタ（コンデンサ）２３ｂからなる回路構成を有している。

なお、袖部１１に設けられる磁石部２１は、少なくとも、柔軟性（可撓性）を有するとともに、耐水性に優れた材質を有するもの、もしくは、特定の保護加工を施した構成を有し、通常の衣服の折り曲げや湾曲、洗濯や雨水による濡れ等に対して十分な耐性を備えた構成を有している。磁石部２１、コイル部２２及びキャパシタ部２３の具体的な構成については、詳しく後述する。

図２は、本実施形態に係る電源システムにおける発電動作を示す概念図であり、図３は、本実施形態に係る電源システムにおける駆動電力の供給方法を示す概念図である。
本実施形態に係る電源システムにおける発電動作は、携帯機器の使用者が、上述した構成を有する衣服（上着）１０を着用し、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、腕を前後に動かすことにより、袖部１１に設けられた磁石部２１が胴脇部１２に設けられたコイル部２２の近傍を往復して通過する。このとき、周知のファラデーの電磁誘導の法則により、磁石部２１がコイル部２２の近傍を横切るとき誘導起電力が発生する。

一般に、ファラデーの電磁誘導の法則により発生する起電力は、誘導起電力をＥ、コイル部２２の巻数をｎ、磁束鎖交数をφ、磁束鎖交数の時間的な変化の割合をｄφ／ｄｔとすると、次の（１）式のように表される。
Ｅ＝−ｎ×ｄφ／ｄｔ ・・・（１）

（１）式により発生した電気エネルギーは、コイル部２２を構成する導線の両端端子間に接続されたダイオードブリッジ回路２３ａを介して全波整流されることにより、直流電流が生成されてキャパシタ２３ｂに蓄積される。そして、このキャパシタ２３ｂに蓄積された電気エネルギーが、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、可変抵抗Ｒｅを備えた変換器（電力供給制御手段）２４により所定の電圧値及び電流値に変換されて、所望の携帯機器３０の駆動電力（実質的には、携帯機器３０に内蔵されたバッテリを充電するための電力）として供給される。

ここで、図３に示した携帯機器３０への駆動電力の供給方法において、変換部２４は着脱可能なコネクタＣＮＥを介してキャパシタ部２３に接続されるように構成してもよいし、キャパシタ部２３と一体的に構成してもよい。この場合、当該コネクタ部ＣＮＥ、あるいは、変換部２４から携帯機器３０に至るまでの駆動電力の供給路を、例えば、周知のＵＳＢ（Universal Serial Bus）規格に準拠したケーブルを用いて接続するようにしてもよい。

したがって、本実施形態に係る電源システムによれば、衣服の可動部（袖部）と静止部（胴脇部）の各々に、磁石部及びコイル部を個別に設けた構成を有しているので、携帯機器の使用者が当該電源システムを組み込んだ衣服を着用し、可動部を往復運動させることにより、簡易に電気エネルギーを生成して、キャパシタに蓄積することができる。この場合、常時着用している上着等の衣服に電源システムが組み込まれているので、従来技術に示したような履き物を履いていない通常の室内生活における動作中であっても、使用者が特に意識することなく、電気エネルギーを生成して蓄積することができる。

ここで、本実施形態に係る電源システムにおいては、上着の袖部と胴脇部のように、比較的大きな面積を利用して磁石部及びコイル部を設けることができるので、携帯機器の駆動に十分な電力を容易に生成することができる。また、携帯機器を使用する上半身近傍に電源システムの構成を配置することができるので、駆動電力を供給する際の供給経路の取り回しを簡素化することができ、良好な使い勝手を実現することができる。

なお、本実施形態においては、電源システムを組み込む衣服として、上着やジャケットを示し、袖部に磁石部を設け、胴脇部にコイル部を設けた構成を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁石部とコイル部が対向し、かつ、可動部と静止部の関係、もしくは、相対的に往復運動する関係を有する場所であれば同等の技術思想を適用することができるので、例えば、上着の袖部にコイル部を設け、胴脇部に磁石部を設けた構成や、ズボンの裾の一方に磁石部を設け、他方にコイル部を設けた構成、靴の一方に磁石部を設け、他方にコイル部を設けた構成等、種々の形態に適用することができる。

また、本実施形態に係る電源システムにおいては、携帯機器に駆動電力を供給するためには、少なくとも、コイル部及びキャパシタ部が衣服に組み込まれた構成を有していればよく、該コイル部に対向して往復運動する磁石部を、着用した衣服以外の物品に設けた構成、例えば、ズボンの裾に磁石部を設けた場合には、手提げ鞄や傘等に磁石部を設けた構成等を適用するものであってもよい。

さらに、本実施形態において、磁石部及びコイル部、キャパシタ部を衣服に組み込む構成としては、例えば、衣服の布地の表面又は裏面に各部を貼付する構成や縫い込む構成、布地間に挟み込む構成等を適用することができるほか、後述するように、布地を構成する糸材に磁性を付与したり、電荷蓄積機能を付与したりした構成を適用することもできる。

次に、本発明に係る電源システムに適用可能な各部の具体的な構成について説明する。
（磁石部）
図４は、上述した実施形態に係る電源システムに適用される磁石部の一具体例を示す要部構成図である。

上述した実施形態に係る電源システムに適用可能な磁石部２１は、例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、衣服を構成する布地に縦糸１０２として、磁性を付与した糸材、もしくは、糸状に加工された磁石を織り込んだ構成を有している。なお、図４（ａ）、（ｂ）においては、横糸１０１に綿糸やポリエステル繊維、ナイロン繊維等の、磁性を持たない通常の糸材を用い、縦糸１０２、１０２ａ、１０２ｂに磁性を付与した糸材（糸状磁石）を用いて織り上げ、図面上方がＮ極、図面下方がＳ極になるように、各縦糸１０２の磁極を揃えて配列した布地を示す。

ここで、本実施形態の磁石部２１の構成を明確にするために、磁性を付与した糸材（糸状磁石）については、便宜的にハッチングを施して示した。すなわち、図４（ａ）においては、布地の特定の領域の全ての縦糸１０２を、磁性を付与した糸材を用いて織り上げた構成を有し、また、図４（ｂ）においては、布地の特定の領域の一部の縦糸１０２ａ、１０２ｂのみを、磁性を付与した糸材を用いて織り上げた構成を有している。なお、図４（ｂ）において、１０２ｃは磁性を持たない通常の糸材を用いた縦糸を示す。

また、磁性を付与した糸材又は糸状磁石としては、例えば、ナイロン繊維内に磁石を溶かし込んで異方性化したものや、ゴム状磁石を糸状に成形したもののように、柔軟性に優れた材質を有するものであって、任意の磁界を形成することができるように分極しているものを適用することができる。この場合、糸状磁石の同極を並列に配列するように複数本を撚り合わせて、布地を織り上げるようにしてもよい。

このような磁石部２１の構成は、図１（ａ）に示した上着１０の袖部１１のうち、少なくとも胴脇部１２に対向する部分（領域）にのみ適用することにより、図２（ａ）、（ｂ）に示したように、コイル部２２に対して特定の磁力線方向を有する磁界を発生させることができる。

（コイル部）
図５は、上述した実施形態に係る電源システムに適用されるコイル部の一具体例を示す要部構成図である。
上述した実施形態に係る電源システムに適用可能なコイル部２２は、例えば、図５に示すように、衣服を構成する布地の特定の縦糸２０２ａの周りに、金属ワイヤーを螺旋状に巻き付けて巻きコイルを形成した構成を有している。

なお、図５においては、縦糸、横糸ともに綿糸やポリエステル繊維、ナイロン繊維等の、絶縁性の通常の糸材を用い、特定の縦糸２０２ａにのみ極細の金属ワイヤーを巻き付けた糸材を用いて織り上げた布地を示す。ここで、本実施形態のコイル部の構成を明確にするために、金属ワイヤーが巻き付けられた糸材については、便宜的にハッチングを施して示した。また、図５において、２０１、２０２ｂは金属ワイヤーが巻き付けられていない通常の糸材を用いた横糸、縦糸を示す。

このような構成を有するコイル部２２においては、ファラデーの法則により、誘導起電力はコイルの巻き数と磁束鎖交数の時間的な変化に比例することから、上記特定の縦糸２０２ａに巻き付けた金属ワイヤーの巻き数は、なるべく多くすることが望ましい。また、この場合、金属ワイヤーを巻き付けた糸は、布地に複数本配列されているものであってもよい。

そして、上述したような糸材を用いて磁石部２１やコイル部２２を織り込んだ布地を用いて、上記実施形態に示したような衣服１０（図１（ａ）参照）を縫製することにより、当該衣服１０を着用した使用者の動作に応じて、袖部１１の磁石部２１が胴脇部１２のコイル部２２に対して、相対的に往復運動することになるので、コイル部２２において発生した誘導起電力を取り出して、図１（ｂ）に示したキャパシタ部２３に蓄積することができ、さらに、図３に示したように所望の携帯機器３０の駆動電力として用いることができる。

（キャパシタ部）
図６は、上述した実施形態に係る電源システムに適用されるキャパシタ部の一具体例を示す要部構成図である。
上述した各具体例においては、衣服１０を構成する布地に用いる糸材に磁性を付与することにより（又は、糸状磁石を用いることにより）、磁石部２１を衣服１０に一体的に織り込み、また、絶縁性の糸材に金属ワイヤーを巻き付けることにより、コイル部２２を衣服１０に一体的に織り込んだ構成について示した。

ここで、同様の技術思想に基づいて、衣服１０を構成する布地、特に、当該布地に用いる糸材にキャパシタ部２３としての機能を付与する場合、当該キャパシタ部は、充放電効率に優れ、メンテナンスが不要であって、さらには破裂や破損等の危険性がなく、廃棄時の環境への負荷がない（又は、極めて低い）ことが望ましい。

このような各種の条件を満たす容量素子（電荷蓄積手段）を検討した場合、本実施形態に係る電源システムにおいては、例えば、周知の電気二重層コンデンサをキャパシタ部２３として良好に適用することができる。
すなわち、電気二重層コンデンサを適用したキャパシタ部２３は、図６（ａ）に示すように、概略、電解液３０１を介して対向するように配置された一対の分極性電極３０２ａ、３０２ｂと、各分極性電極３０２ａ、３０２ｂに密着して設けられるとともに、上述した磁石部２１及びコイル部２２からなる発電部ＧＮＥの正極及び負極に接続された集電極３０３ａ、３０３ｂと、を備えた構成を有している。

ここで、キャパシタ部を構成する集電極３０３ａ、３０３ｂの電気的特性は、当該キャパシタ部の内部抵抗に大きく影響するので、例えば、アルミニウム等の低抵抗の金属材料を使用することが望ましい。また、分極性電極３０２ａ、３０２ｂには、以下に示す充電動作時における電荷イオンの吸着量を多くするために、表面積の大きい活性炭等の多孔質の材料を使用することが望ましい。

このような電気二重層コンデンサは、図６（ａ）に示すように、分極性電極３０２ａ、３０２ｂを電解液３０１に浸漬した状態で、上記発電部ＧＮＥにより、電気分解が生じない程度に集電極３０３ａ、３０３ｂ間に所定の電圧を印加すると、各分極性電極３０２ａ、３０２ｂの表面にプラスイオンとマイナスイオンが個別に吸着されて、電気が蓄えられる（充電動作）。

一方、図６（ｂ）に示すように、各集電極３０３ａ、３０３ｂに個別に接続された外部出力端子３０４ａ、３０４ｂ（図３に示したコネクタＣＮＥに相当する）を介して、電気二重層コンデンサに蓄積された電気を放出（携帯機器３０に駆動電力として供給）すると、矢印の通りに電流が流れ、分極性電極３０２ａ、３０２ｂの表面に吸着されていたプラスイオンとマイナスイオンが当該電極から分離して中和状態に戻る（放電動作）。

図７は、上述した実施形態に係る電源システムに適用されるキャパシタ部の機能が付与される糸材の一具体例を示す要部構成図である。
上述した電気二重層コンデンサを適用したキャパシタ部としての機能を、布地に用いる糸材に付与する場合の具体的な構成は、例えば、図７に示すように、まず、アルミニウム等の金属材料からなる糸状の集電極３０３ａ、３０３ｂの外周面に、活性炭塗料を塗布、乾燥して分極性電極３０２ａ、３０２ｂを密着形成することにより、正極側の糸状電極３１０ａと負極側の糸状電極３１０ｂを形成する。そして、これらの糸状電極３１０ａ、３１０ｂを、電解液を含浸した電解紙３０１Ｐを間に挟んで密着するように配置する。

次いで、これらの一対の糸状電極３１０ａ、３１０ｂと電解紙３０１Ｐを、ゴムやプラスチック等の柔軟性及び防水性、絶縁性を有するコーティング層３１１で封止する。これにより、電解紙３０１Ｐを介在させて平行に配置された糸状電極３１０ａ、３１０ｂが内部に組み込まれた（内蔵された）糸材が形成される。

そして、このような糸材を用いてキャパシタ部を織り込んだ布地を用いて、上記実施形態に示したような衣服（図１（ａ）参照）を縫製し、上記各糸状電極３１０ａ、３１０ｂ（より詳しくは、集電極３０３ａ、３０３ｂ）を上記発電部ＧＮＥ（コイル部２２）に接続することにより、当該衣服を着用した使用者の動作に応じて、発電部ＧＮＥにおいて発生した電力をキャパシタ部に蓄積することができる。

したがって、このような磁石部、コイル部及びキャパシタ部の各機能を、糸材に付与し、該糸材を織り込んだ布材により衣服を縫製することにより、本発明に係る電源システムを組み込んだ衣服を、通常の衣類と同様に取り扱うことができる。
なお、このキャパシタ部に接続される外部出力端子３０４ａ、３０４ｂ（コネクタＣＮＥ）は、防水型コネクタを適用し、当該衣服の洗濯時や雨等による濡れが生じる場合には、防水キャップ等を装着することにより、水による短絡や放電を防止することができる。

本発明に係る電源システムの一実施形態を示す概略構成図及び概略回路図である。 本実施形態に係る電源システムにおける発電動作を示す概念図である。 本実施形態に係る電源システムにおける駆動電力の供給方法を示す概念図である。 本実施形態に係る電源システムに適用される磁石部の一具体例を示す要部構成図である。 本実施形態に係る電源システムに適用されるコイル部の一具体例を示す要部構成図である。 本実施形態に係る電源システムに適用されるキャパシタ部の一具体例を示す要部構成図である。 本実施形態に係る電源システムに適用されるキャパシタ部の機能が付与される糸材の一具体例を示す要部構成図である。

符号の説明

１０ 衣服
１１ 袖部
１２ 胴脇部
２１ 磁石部
２２ コイル部
２３ キャパシタ部
２３ａ ダイオードブリッジ回路
２３ｂ キャパシタ
２４ 変換部
３０ 携帯機器

Claims (6)

1. 衣服の袖部又は前記衣服の胴脇部のうち一方に設けられ、磁力が加わることによって誘導起電力を発生する誘導起電力手段と、
   前記衣服の袖部又は前記衣服の胴脇部のうち他方に設けられ、前記誘導起電力手段に対して往復運動することで、当該誘導起電力手段に対して誘導起電力が発生するように磁力を加える磁界発生手段と、
   前記誘導起電力手段が発生する誘導起電力を蓄積する電力蓄積手段と、
   を備えることを特徴とする電源システム。
2. 前記誘導起電力手段は、前記衣服を構成する糸材に金属ワイヤーがコイル状に巻き付けられた構成を有していることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記磁界発生手段は、前記衣服を構成する糸材に磁性を付与し、所定の分極特性を有するように配列形成された構成を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の電源システム。
4. 前記電力蓄積手段は電気二重層コンデンサを用いたキャパシタであることを特徴とする請求項1乃至３の何れかに記載の電源システム。
5. 前記キャパシタは、金属材料からなる糸状の集電極及び当該集電極の外周面に活性炭塗料を塗布することで形成される分極性電極からなる糸状電極と、
   電解液を含浸した電解紙と、
   前記糸状電極と前記電解紙を封止するコーティング層と、から成ることを特徴とする請求項４に記載の電源システム。
6. 前記電力蓄積手段は、前記キャパシタが内部に組み込まれた糸材を用いることで前記衣服に一体的に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の電源システム。
   

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