(57)【要約】  発電システムは、入力軸（３１）の回転に応じて電力を発生する少なくとも１つの発電装置（３）と、発電装置（３）によって発生された電力のエネルギーを蓄える少なくとも１つのコンデンサ（Ｃ１〜Ｃ４）を含む蓄電回路（１２）とを備える。蓄電回路（１２）は、蓄電回路（１２）の容量に対する蓄電回路（１２）に蓄積可能な上限エネルギーとして計算されるエネルギー対容量特性において上限エネルギーを最大化する容量を示すエネルギー最大化容量又はその近傍の容量を有する。エネルギー対容量特性は、蓄電回路（１２）の容量、発電装置（３）の起電力、発電装置（３）の内部抵抗、及び発電装置（３）による１回の発電動作の継続時間に基づいて計算される。
2019012845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力軸の回転に応じて電力を発生する少なくとも１つの発電装置と、
前記発電装置によって発生された電力のエネルギーを蓄える少なくとも１つのコンデンサを含む蓄電回路とを備えた発電システムであって、
前記蓄電回路は、前記蓄電回路の容量に対する前記蓄電回路に蓄積可能な上限エネルギーとして計算されるエネルギー対容量特性において前記上限エネルギーを最大化する容量を示すエネルギー最大化容量又はその近傍の容量を有し、
前記エネルギー対容量特性は、前記蓄電回路の容量、前記発電装置の起電力、前記発電装置の内部抵抗、及び前記発電装置による１回の発電動作の継続時間に基づいて計算される、
発電システム。
【請求項２】
前記蓄電回路は、前記エネルギー対容量特性において前記上限エネルギーが最大値の近傍の所定値以上になる容量の範囲におけるいずれかの容量を有する、
請求項１記載の発電システム。
【請求項３】
前記蓄電回路は、前記エネルギー対容量特性において前記上限エネルギーが最大値の８０％〜９０％のうちの所定値以上になる容量の範囲におけるいずれかの容量を有する、
請求項２記載の発電システム。
【請求項４】
前記蓄電回路は、前記エネルギー対容量特性において前記上限エネルギーが最大値の近傍の所定値以上になり、前記エネルギー最大化容量より小さい容量を下限とし、かつ、前記エネルギー最大化容量に対して１より大きい所定係数を乗算した容量を上限とする範囲におけるいずれかの容量を有する、
請求項１記載の発電システム。
【請求項５】
前記蓄電回路は、前記エネルギー対容量特性において前記上限エネルギーが最大値の８０％〜９０％のうちの所定値以上になり、前記エネルギー最大化容量より小さい容量を下限とし、かつ、前記エネルギー最大化容量の２倍の容量を上限とする範囲におけるいずれかの容量を有する、
請求項４記載の発電システム。
【請求項６】
前記エネルギー対容量特性は、
【数１】
2019012845.tif 000008
によって表され、
ここで、Ｃ１は前記蓄電回路のコンデンサの容量であり、Ｖ０１は前記コンデンサの下限電圧であり、Ｅｍ１は前記発電装置の起電力であり、ｔは前記発電装置による１回の発電動作の継続時間であり、τ１は前記コンデンサの容量Ｃ１及び前記発電装置の内部抵抗に基づく時定数である、
請求項１〜５のうちの１つに記載の発電システム。
【請求項７】
前記発電装置は、
前記発電装置の入力軸の回転を所定の増速比で伝達する歯車機構と、
前記歯車機構によって伝達された回転に応じて電力を発生する発電機とを備える、
請求項１〜６のうちの１つに記載の発電システム。
【請求項８】
前記発電システムは、互いに縦続接続された複数の発電装置を備える、
請求項１〜７のうちの１つに記載の発電システム。
【請求項９】
前記発電システムは、前記発電装置によって発生された電力を整流する整流回路をさらに備え、
前記蓄電回路は、前記発電装置によって発生され、前記整流回路によって整流された電力のエネルギーを蓄える、
請求項１〜８のうちの１つに記載の発電システム。
【請求項１０】
前記蓄電回路は複数のコンデンサを含み、
前記整流回路は倍電圧整流回路を含む、
請求項９記載の発電システム。
【請求項１１】
前記発電システムは、共通の基準軸を有する第１及び第２のヒンジ部品を備えたヒンジ装置をさらに備え、
前記第１及び第２のヒンジ部品は、前記基準軸の周りに相対的に回転可能であるように、かつ、前記第１及び第２のヒンジ部品のうちの一方が他方を支持するように、互いに嵌合し、
前記発電装置の筐体は、前記発電装置の入力軸が前記基準軸の上に位置するように前記第１のヒンジ部品に固定され、
前記発電装置の入力軸は、前記第２のヒンジ部品が前記基準軸の周りに回転したときに前記発電装置の入力軸が前記第２のヒンジ部品と同じだけ回転するように、前記基準軸の周りの回転方向に関して前記第２のヒンジ部品に対して拘束される、
請求項１〜１０のうちの１つに記載の発電システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のうちの１つに記載の発電システムと、
前記発電システムの蓄電回路の放電を制御する制御回路と、
前記制御回路の制御下で前記蓄電回路の電力を消費する負荷装置とを備える、
電力システム。
【請求項１３】
前記制御回路は、前記発電装置の発電動作と同時に、又は、前記発電装置の発電動作から予め決められた時間の経過後に、又は、前記発電装置の発電動作とは独立に、前記蓄電回路から前記負荷装置へ電力を供給する、
請求項１２記載の電力システム。
【請求項１４】
前記制御回路は、前記蓄電回路のコンデンサの両端にわたる電圧が予め決められた下限電圧以下であるとき、前記蓄電回路から前記負荷装置への電力供給を停止する、
請求項１２又は１３記載の電力システム。
【請求項１５】
前記負荷装置は照明装置を含む、
請求項１２〜１４のうちの１つに記載の電力システム。
【請求項１６】
前記負荷装置は通信装置を含む、
請求項１２〜１４のうちの１つに記載の電力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発電装置及びコンデンサを備えた発電システムと、そのような発電システムを含む電力システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇及び地球温暖化の防止などを背景に、自然エネルギー及び身の回りにある様々なエネルギーの利用が積極的に推進されている。自然エネルギーの利用として、例えば、太陽電池及び風力発電機による発電が知られている。また、身の回りにあるエネルギーの利用として、例えば、ユーザの生活行動から得られたエネルギーを用いる人力発電、圧電エネルギーを用いる振動発電、放送波などの電磁波のエネルギーを用いる発電、などが知られている。身の回りにあるエネルギーを収穫して利用することは、「エネルギーハーべスティング」として注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２３１２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
さまざまな発電装置により発電された電力は、後の使用のためにコンデンサ又は二次電池に蓄えられる（特許文献１を参照）。コンデンサの容量が小さいと、すぐに満充電になり、発電された電力の一部が無駄になる可能性がある。また、コンデンサの容量が大きいと、サイズ及びコストが増大する。発電装置及びコンデンサを備えた発電システムにとって、さまざまな要件を考慮してコンデンサの容量を決定することは重要な課題である。従って、コンデンサの最適又はほぼ最適な容量を容易に決定すること、及び、そのようなコンデンサを備えた発電システムを提供することが求められる。【０００５】
本開示は、サイズ及びコストを過度に増大させることなく、発電した電力の無駄が生じにくいように決定された容量を有するコンデンサを備えた発電システムを提供する。本開示はまた、そのような発電システムを含む電力システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係る発電システムによれば、
入力軸の回転に応じて電力を発生する少なくとも１つの発電装置と、
前記発電装置によって発生された電力のエネルギーを蓄える少なくとも１つのコンデンサを含む蓄電回路とを備えた発電システムであって、
前記蓄電回路は、前記蓄電回路の容量に対する前記蓄電回路に蓄積可能な上限エネルギーとして計算されるエネルギー対容量特性において前記上限エネルギーを最大化する容量を示すエネルギー最大化容量又はその近傍の容量を有し、
前記エネルギー対容量特性は、前記蓄電回路の容量、前記発電装置の起電力、前記発電装置の内部抵抗、及び前記発電装置による１回の発電動作の継続時間に基づいて計算される。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の一態様によれば、サイズ及びコストを過度に増大させることなく、発電した電力の無駄が生じにくいように決定された容量を有するコンデンサを備えた発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る電力システムの構成を示す概略図である。
【図２】図１の歯車機構Ｇ１及び発電機Ｍ１を含む発電装置３の構成を示す分解斜視図である。
【図３】図１のヒンジ装置１０を組み立てる第１のステップを示す斜視図である。
【図４】図１のヒンジ装置１０を組み立てる第２のステップを示す斜視図である。
【図５】図１のヒンジ装置１０を組み立てる第３のステップを示す斜視図である。
【図６】図１のヒンジ装置１０を組み立てる第４のステップを示す斜視図である。
【図７】図１のヒンジ装置１０を固定物２１及び可動物２２を含むドアに取り付ける第１のステップを示す斜視図である。
【図８】図１のヒンジ装置１０を固定物２１及び可動物２２を含むドアに取り付ける第２のステップを示す斜視図である。
【図９】図１のヒンジ装置１０を固定物２１及び可動物２２を含むドアに取り付ける第３のステップを示す斜視図である。
【図１０】第１の実施形態に係る電力システムの構成を示す回路図である。
【図１１】第１の実施形態に係る電力システムの動作を示す概略図である。
【図１２】第１の実施形態の第１の変形例に係る電力システムのヒンジ装置１０Ａを組み立てる第１のステップを示す斜視図である。
【図１３】第１の実施形態の第１の変形例に係る電力システムのヒンジ装置１０Ａを組み立てる第２のステップを示す斜視図である。
【図１４】第１の実施形態の第１の変形例に係る電力システムのヒンジ装置１０Ａを組み立てる第３のステップを示す斜視図である。
【図１５】第１の実施形態の第１の変形例に係る電力システムのヒンジ装置１０Ａを組み立てる第４のステップを示す斜視図である。
【図１６】第１の実施形態の第２の変形例に係る電力システムの構成を示す概略図である。
【図１７】第１の実施形態の第３の変形例に係る電力システムの構成を示す概略図である。
【図１８】第１の実施形態の第４の変形例に係る電力システムの構成を示す概略図である。
【図１９】第１の実施形態の第５の変形例に係る電力システムの構成を示す概略図である。
【図２０】第１の実施形態の第６の変形例に係る電力システムの構成を示す概略図である。
【図２１】第２の実施形態に係る電力システムのヒンジ装置１０Ｂを組み立てる第１のステップを示す斜視図である。
【図２２】第２の実施形態に係る電力システムのヒンジ装置１０Ｂを組み立てる第２のステップを示す斜視図である。
【図２３】第２の実施形態に係る電力システムのヒンジ装置１０Ｂを組み立てる第３のステップを示す斜視図である。
【図２４】図１８のヒンジ装置１０Ｂを固定物２１Ｂ及び可動物２２Ｂを含むドアに取り付ける第１のステップを示す斜視図である。
【図２５】図１８のヒンジ装置１０Ｂを固定物２１Ｂ及び可動物２２Ｂを含むドアに取り付ける第２のステップを示す斜視図である。
【図２６】図１８のヒンジ装置１０Ｂを固定物２１Ｂ及び可動物２２Ｂを含むドアに取り付ける第３のステップを示す斜視図である。
【図２７】第２の実施形態の第１の変形例に係る発電装置３及びヒンジ部品２Ｂの構成を示す斜視図である。
【図２８】第２の実施形態の第２の変形例に係る発電装置３及びヒンジ部品２Ｂの構成を示す斜視図である。
【図２９】第２の実施形態の第３の変形例に係る発電装置３及びヒンジ部品２Ｂの構成を示す斜視図である。
【図３０】第３の実施形態に係る電力システムにおける４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４の動作を説明する概略図である。
【図３１】第３の実施形態に係る電力システムにおける１つのコンデンサＣ１の動作を説明する概略図である。
【図３２】第３の実施形態の第１の実施例に係る電力システムの有効エネルギー対容量特性を示すグラフである。
【図３３】第３の実施形態の第２の実施例に係る電力システムの有効エネルギー対容量特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。各図面において、同様の構成要素は、同じ参照番号により示す。
【００１０】
第１の実施形態．
図１は、第１の実施形態に係る電力システムの構成を示す概略図である。図１の電力システムは、例えば、固定物２１及び可動物２２を含むドアなどに組み込まれる。
【００１１】
図１の電力システムは、ヒンジ装置１０と、整流回路１１と、蓄電回路１２と、制御回路１３と、負荷装置１４とを備える。ヒンジ装置１０は、ヒンジ部品１、ヒンジ部品２、及び発電装置３を備える。ヒンジ部品１は複数のネジ２３により固定物２１に固定される。ヒンジ部品２は複数のネジ２３により可動物２２に固定される。発電装置３は、歯車機構Ｇ１及び発電機Ｍ１を備える。
【００１２】
図２は、図１の歯車機構Ｇ１及び発電機Ｍ１を含む発電装置３の構成を示す分解斜視図である。歯車機構Ｇ１は、筐体３０ａ、入力軸３１、及び内部の複数の歯車を備える。発電機Ｍ１は、筐体３０ｂ、内部の回転子及び固定子（図示せず）、及び回転子に連結された歯車３３を備える。以下、筐体３０ａ，３０ｂをまとめて「筐体３０」という。歯車機構Ｇ１は、入力軸３１の回転を所定の増速比で発電機Ｍ１の歯車３３に伝達する。発電機Ｍ１は、歯車機構Ｇ１によって伝達された回転に応じて電力を発生する。従って、発電装置３は、入力軸３１の回転に応じて電力（電圧及び電流）を発生する。歯車機構Ｇ１は、例えば、複数段の遊星歯車機構を含んでもよい。これにより、大きな増速比を有する歯車機構を、発電機Ｍ１の入力軸３１に整列してコンパクトに組み込むことができる。歯車機構Ｇ１は、例えば、円筒形状の筐体３０ａを有してもよい。円筒形状の筐体３０は、歯車機構Ｇ１をヒンジ装置へ組み込むことに適している。入力軸３１は、図３〜図６を参照して説明するように、入力軸３１をヒンジ部品２に対して拘束するために、その側面において切り欠き３２を有する。発電機Ｍ１は、直流発電機であっても、交流発電機であってもよい。
【００１３】
発電機の動作及びモータの動作は互いに可逆である。従って、所定の増速比を有する歯車機構Ｇ１と、発電機Ｍ１とに代えて、モータと、所定の減速比を有する歯車機構とを用いてもよい。この場合、歯車機構は、出力軸の回転を減速比の逆数の増速比でモータに伝達する。次いで、モータは、歯車機構によって伝達された回転に応じて電力を発生する。
【００１４】
図３〜図６は、図１のヒンジ装置１０を組み立てる第１〜第４のステップを示す斜視図である。
【００１５】
図３に示すように、ヒンジ部品１は、互いに連結された円筒部と板状部とを有する。ヒンジ部品１の円筒部は、ヒンジ部品２と嵌合する凸部１ａと、発電装置３を収容する凹部１ｂ（空洞部）とを有する。ヒンジ部品１の円筒部はさらに、ヒンジ部品１及びヒンジ部品２が互いに嵌合する位置において、発電装置３の入力軸３１がヒンジ部品１からヒンジ部品２に向かって突出するように形成された貫通穴１ｃを備える。ヒンジ部品１の板状部は、ヒンジ部品１を複数のネジ２３により固定物２１に固定するための複数のネジ穴１ｄを有する。ヒンジ部品２もまた、互いに連結された円筒部と板状部とを有する。ヒンジ部品２の円筒部は、ヒンジ部品１の凸部１ａが嵌合する（挿入される）凹部２ａ（空洞部）と、ヒンジ部品２の外部から凹部２ａまでヒンジ部品２を貫通するネジ穴２ｂとを有する。ヒンジ部品２の板状部は、ヒンジ部品２を複数のネジ２３により可動物２２に固定するための複数のネジ穴２ｃを有する。
【００１６】
図４に示すように、ヒンジ部品１及びヒンジ部品２は、共通の基準軸（図３のＡ−Ａ’線で示す）の周りに相対的に回転可能であるように、かつ、ヒンジ部品１及びヒンジ部品２のうちの一方が他方を支持するように、互いに嵌合する。ヒンジ部品１の凸部１ａが円筒形状の外周を有し、ヒンジ部品２の凹部２ａが円筒形状の内周を有することにより、ヒンジ部品１及びヒンジ部品２は互いに回転可能であるように嵌合する。また、図４の例では、ヒンジ部品２がヒンジ部品１の上方に配置され、ヒンジ部品１がヒンジ部品２を支持する。ヒンジ部品１の円筒部は異なる外径を有する２つの部分を有する。これにより、ヒンジ部品２の円筒部の下端がヒンジ部品１の円筒部に接する位置において、ヒンジ部品２の重量がヒンジ部品１にかかる。また、図４に示すように、ヒンジ部品１の凹部１ｂには、発電装置３が挿入される。発電装置３の筐体３０は、発電装置３の入力軸３１が基準軸の上に位置するように、接着剤又はネジ（図示せず）などによりヒンジ部品１に固定される。
【００１７】
ヒンジ部品１及びヒンジ部品２は、それらが互いに回転可能に嵌合する位置（すなわち、ヒンジ部品１の凸部１ａ及びヒンジ部品２の凹部２ａ）以外では、円筒以外の形状、例えば、三角柱、四角柱、他の多角柱、他の多面体の外形形状を有してもよい。
【００１８】
ヒンジ部品２の凹部２ａには、貫通穴１ｃを介して突出した発電装置３の入力軸３１が収容される。発電装置３の入力軸３１は、ヒンジ部品２が基準軸の周りに回転したときに発電装置３の入力軸３１がヒンジ部品２と同じだけ回転するように、基準軸の周りの回転方向に関してヒンジ部品２に対して拘束される。図２を参照して説明したように、発電装置３の入力軸３１は、入力軸３１の側面において切り欠き３２を有する。従って、図５及び図６に示すように、ヒンジ部品２のネジ穴２ｂを介して、ヒンジ部品２の外部から凹部２ａまでヒンジ部品２を貫通して凹部２ａ内の切り欠き３２に接するように延在するネジ４１が挿入される。このネジ４１により、発電装置３の入力軸３１は、基準軸の周りの回転方向に関してヒンジ部品２に対して拘束される。
【００１９】
ヒンジ部品１及びヒンジ部品２を互いに嵌合させ、発電装置３の筐体３０をヒンジ部品１に固定し、発電装置３の入力軸３１をネジ４１によりヒンジ部品２に対して拘束することにより、ヒンジ装置１０が完成する。
【００２０】
ヒンジ装置１０は、図３〜図６の構成を有することにより、発電装置３がヒンジ装置１０に内蔵される。ヒンジ装置１０では、発電装置３の入力軸３１が貫通穴１ｃから突出し、発電装置３の入力軸３１がネジ４１によりヒンジ部品２に対して拘束されている。従って、ヒンジ部品１の凹部１ｂに収容された発電装置３にヒンジ部品２の回転を伝達することができる。これにより、発電装置３をヒンジ装置１０に内蔵した構成が実現される。発電装置３がヒンジ装置１０に内蔵されるので、見栄えが良いヒンジ装置１０を提供することができる。
【００２１】
また、ヒンジ部品１がヒンジ部品２を支持するので、ヒンジ部品２及び可動物２２の重量は発電装置３にかからない。ネジ４１は、発電装置３の入力軸３１を、基準軸の長手方向に関してヒンジ部品２に対して拘束しなくてもよく、少なくとも、基準軸の周りの回転方向に関してヒンジ部品２に対して拘束する。従って、発電装置３の入力軸３１が貫通穴１ｃから突出し、発電装置３の入力軸３１をネジ４１によりヒンジ部品２に対して拘束するとき、ヒンジ部品２及び可動物２２の重量が発電装置３にかからない構成が実現される。ヒンジ部品２及び可動物２２の重量が発電装置３にかからないので、発電装置３に余分な機械的負荷をかけることなく、発電装置３を高い信頼性で動作させることができる。
【００２２】
また、ヒンジ部品１及びヒンジ部品２は、図３〜図６の構成を有することにより、互いに着脱可能であるように互いに嵌合する。例えば、発電装置３の入力軸３１が貫通穴１ｃから突出し、発電装置３の入力軸３１をネジ４１によりヒンジ部品２に対して拘束することにより、ヒンジ部品１及びヒンジ部品２を互いに着脱可能である構成が実現される。従って、ヒンジ装置１０を用いて、固定物２１及び可動物２２を含むドアを簡単に施工することができる。
【００２３】
本開示では、発電装置３の筐体３０が固定されるヒンジ部品１を「第１のヒンジ部品」ともいい、発電装置３の入力軸３１が拘束されるヒンジ部品２を「第２のヒンジ部品」ともいう。また、本開示において、「凹部」は、貫通した構造物を含む。
【００２４】
図７〜図９は、図１のヒンジ装置１０を固定物２１及び可動物２２を含むドアに取り付ける第１〜第３のステップを示す斜視図である。図７〜図９は、図３〜図６のヒンジ装置１０と同様に構成された２つのヒンジ装置１０−１，１０−２を、固定物２１及び可動物２２を含むドアに取り付ける場合を示す。ヒンジ装置１０−１はヒンジ部品１−１，２−１及び発電装置３−１を含み、ヒンジ装置１０−２はヒンジ部品１−２，２−２及び発電装置３−２を含む。
【００２５】
図７に示すように、ヒンジ部品１−１，１−２は、複数のネジ２３により固定物２１に固定される。ヒンジ部品２−１，２−２もまた、複数のネジ（図示せず）により可動物２２に固定される。その後、各ヒンジ部品２−１，２−２の凹部に各ヒンジ部品１−１，１−２の凸部が挿入されるようにヒンジ部品２−１，２−２をヒンジ部品１−１，１−２にそれぞれ嵌合させることにより、可動物２２が固定物２１に取り付けられる。ヒンジ部品１−１，１−２及びヒンジ部品２−１，２−２は、図３〜図６の構成を有することにより、互いに着脱可能であるように互いに嵌合する。ヒンジ部品１−１，１−２を固定物２１に固定し、ヒンジ部品２−１，２−２を可動物２２に固定した後、可動物２２を固定物２１に取り付けることにより、固定物２１及び可動物２２を含むドアを簡単に施工することができる。
【００２６】
次いで、図８に示すように、発電装置３−１の入力軸はネジ４１−１によりヒンジ部品２−１に対して拘束され、発電装置３−２の入力軸はネジ４１−２によりヒンジ部品２−２に対して拘束される。このとき、可動物２２の重量は、ヒンジ部品１−１，１−２，２−１，２−２と、固定物２１とによって支持される。可動物２２の重量が発電装置３−１，３−２にかからないので、発電装置３−１，３−２に余分な機械的負荷をかけることなく、発電装置３−１，３−２を高い信頼性で動作させることができる。
【００２７】
その後、図９に示すように、ユーザによってドアが開かれるとき又は閉じられるとき、ヒンジ装置１０−１，１０−２の基準軸の周りにおいて可動物２２が固定物２１に対して回転する。このとき、発電装置３−１，３−２は、入力軸の回転に応じて電力を発生する。
【００２８】
可動物２２を固定物２１に取り付けるために、３つ以上のヒンジ装置１０を用いてもよい。複数のヒンジ装置を用いて可動物２２を固定物２１に取り付ける場合、発電装置３を備えた本開示の実施形態に係るヒンジ装置１０と、発電装置を含まない従来のヒンジ装置とを組み合わせて用いてもよい。
【００２９】
再び図１を参照すると、整流回路１１は、ヒンジ装置１０の発電装置３によって発生された電力を整流する。発電機Ｍ１が直流発電機であっても、ドアを開くとき及びドアを閉じるときでは発電機Ｍ１の回転方向が逆になり、逆極性の電圧が発生するので、発生された電力をコンデンサ又は二次電池に蓄えるためには整流が必要である。蓄電回路１２は、整流回路１１によって整流された電力のエネルギーを蓄える少なくとも１つのコンデンサを備える。制御回路１３は、蓄電回路１２の放電を制御する。負荷装置１４は、制御回路１３の制御下で蓄電回路１２の電力を消費する。負荷装置１４は、例えば、照明装置及び／又は通信装置（有線又は無線）を含む。
【００３０】
図１の電力システムでは、ユーザの身体から作用する力が、ドアの可動物２２を介してヒンジ装置１０の発電装置３に入力される。ドアの固定物２１及び可動物２２と、ヒンジ装置１０のヒンジ部品１、ヒンジ部品２、及び発電装置３とは、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。整流回路１１、蓄電回路１２、制御回路１３は、電気的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。図１の電力システムの出力は、負荷装置１４の仕事である。
【００３１】
整流回路１１、蓄電回路１２、制御回路１３、及び負荷装置１４は、例えば図１に示すように、固定物２１に配置される。
【００３２】
図１０は、第１の実施形態に係る電力システムの構成を示す回路図である。ドアを１回だけ開いて閉じるというごく短い動作から大きな電力（エネルギー）を取り出すことができれば好都合である。このため、図１０の電力システムでは、発電装置をそれぞれ備えた２つのヒンジ装置をドアの２箇所に設置し（図９を参照）、これらの発電装置の発電機を直列にカスケード接続して利用する。さらに、ドアを開くとき及びドアを閉じるときでは発電機の回転方向が逆になり、逆極性の電圧が発生するので、倍電圧整流を行うことで、発生した電力を有効に取り出す。
【００３３】
図１０の電力システムは、２つのヒンジ装置の発電装置にそれぞれ含まれる発電機Ｍ１，Ｍ２を備える。図１０において、整流回路１１は、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４を備える。蓄電回路１２は、４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４を備える。制御回路１３は、コンデンサＣ５〜Ｃ８、ダイオードＤ５〜Ｄ７、コイルＬ１、抵抗Ｒ１〜Ｒ６、可変抵抗ＶＲ１、トランスＴ１、及びトランジスタＴＲ１〜ＴＲ５を備える。また、図１０の電力システムは、図１の負荷装置１４に対応する構成要素として、発光ダイオード１４ａ及び無線送信機１４ｂ１を備える。無線送信機１４ｂ１は、無線受信機１４ｂ２と無線通信可能に接続される。
【００３４】
ダイオードＤ１，Ｄ２及びコンデンサＣ１，Ｃ２は、発電機Ｍ１によって発生された電圧の倍電圧整流を行う倍電圧整流回路を構成する。同様に、ダイオードＤ３，Ｄ４及びコンデンサＣ３，Ｃ４は、発電機Ｍ２によって発生された電圧の倍電圧整流を行う倍電圧整流回路を構成する。ドアの開閉のように逆方向の動きを含む一連の動作を行うとき、ドアを開くとき及びドアを閉じるときでは逆極性の電圧が発生する。この発生した電圧に対して全波整流ではなく倍電圧整流を行うことで、一連の動作で蓄電される電圧を全波整流の場合の２倍にすることができる。これにより、蓄電回路１２の後段の回路を高電圧で動作させ、後段の回路の効率を向上させることができる。なお、全波整流では、ドアを開くとき及びドアを閉じるときで同程度の発電電圧しか得られないので、発電時間を２倍に延ばしても蓄電エネルギーを大きくすることができない。
【００３５】
コンデンサＣ１〜Ｃ４は、例えば、電解コンデンサである。
【００３６】
発電機Ｍ１，Ｍ２は、それらの出力端子が互いに縦続接続（直列接続又はカスケード接続ともいう）される。重い可動物２２を支持する場合、通常、複数のヒンジ装置が使用される。２個のヒンジ装置を使う場合、両方のヒンジ装置に発電装置を組み込むことができる。各発電装置の発電機Ｍ１，Ｍ２で発生された電圧により充電される複数のコンデンサＣ１〜Ｃ４を縦続接続することで、各コンデンサＣ１〜Ｃ４にわたる電圧の和が出力電圧として得られる。これにより、蓄電回路１２の後段の回路を高電圧で動作させ、後段の回路の効率を向上させることができる。
【００３７】
制御回路１３において、コンデンサＣ５〜Ｃ７、ダイオードＤ５、抵抗Ｒ１〜Ｒ６、トランスＴ１、及びトランジスタＴＲ２〜ＴＲ５は、インバータ回路１３ａを構成する。インバータ回路１３ａは、電圧共振型で動作し、ソフトスイッチング（ゼロボルトスイッチング）を行う。また、コンデンサＣ５、抵抗Ｒ１、可変抵抗ＶＲ１、及びトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３は、電圧設定回路１３ｂを構成する。電圧設定回路１３ｂは、可変抵抗ＶＲ１及びトランジスタＴＲ１により、電力システムが動作する電圧範囲、特に、蓄電回路１２の出力電圧の下限電圧を設定する。制御回路１３は、蓄電回路１２のコンデンサＣ１〜Ｃ４の両端にわたる電圧が、電圧設定回路１３ｂに設定された下限電圧以下であるとき、蓄電回路１２から負荷装置（発光ダイオード１４ａ）への電力供給を停止する。また、コンデンサＣ５，Ｃ７、抵抗Ｒ１〜Ｒ３，Ｒ５，Ｒ６、トランスＴ１、及びトランジスタＴＲ２，ＴＲ３，ＴＲ５は、定電流制御回路１３ｃを構成する。定電流制御回路１３ｃは、蓄電回路１２から負荷装置（発光ダイオード１４ａ）に一定の電流が供給する。
【００３８】
一般に、コンデンサは、完全に空の状態から充電すると、充電の理論効率が５０％になる。さらに、発電とは異なる時点に負荷装置を動作させる場合、この電力が必要になるので、コンデンサには常に最低限のエネルギーを蓄えておく必要がある。また、負荷装置を動作させる場合には、制御回路のトランジスタ等が起動できるだけの最低限の電圧が必要である。このような理由から、制御回路１３は、蓄電回路１２に下限電圧を設定する。例えば、１つの発電機Ｍ１あたりの発電時の発電電圧（誘導起電力、速度起電力）が１２（Ｖ）であるとする。この場合、１秒間にわたって発電した後のコンデンサＣ１（容量Ｃ１＝０．０１Ｆとする）の電圧Ｖ１が１０Ｖであったとき、コンデンサＣ１のエネルギーは、１／２×Ｃ１×Ｖ１２＝０．５（Ｊ）になる。その後、制御回路１３で負荷装置１４を動作させ、コンデンサＣ１の電圧が最低電圧Ｖ０１（ここでは１．５（Ｖ）とする）まで低下したとき、コンデンサＣ１に残っているエネルギーは、１／２×Ｃ１×Ｖ０１２＝０．０１１（Ｊ）になる。従って、利用できるエネルギーは、約０．４９（Ｊ）である。このように、下限電圧を設定することにより、コンデンサＣ１〜Ｃ４のエネルギーを十分に利用でき、かつ、負荷装置１４を確実に動作させることができる。
【００３９】
発光ダイオード１４ａは、白熱電球及び蛍光灯に比べて小さいエネルギーかつ小型の装置で同等の照明の効果を得ることができる。従って、発光ダイオード１４ａは、本開示の実施形態に係る電力システムにおける限られたエネルギーを有効に利用するのに適している。また、負荷装置として発光ダイオード１４ａを用いる場合、夜間に門、玄関、廊下のドア等を開閉するとき、ドアの周囲（足下など）に道案内できる程度の明るさで補助的な照明の効果が得られ、夜間の移動を安全かつ安心にすることができる。また、負荷装置として発光ダイオード１４ａを用いる場合、不審者がドアを開閉して侵入しようとするとき、センサーライトと同様に、不審者に対して威嚇すること及び／又は侵入を予防することができる。また、負荷装置として発光ダイオード１４ａを用いる場合、商用電源に接続されていない収納庫又は倉庫（洗面所の下の収納庫、屋外の倉庫、など）において、そのドアの開閉時に、収納庫又は倉庫の中を一定時間にわたって視認することができ、便利である。
【００４０】
本開示では、発光ダイオード１４ａを「照明装置」ともいう。
【００４１】
また、無線送信機１４ｂ１及び無線受信機１４ｂ２により、高齢者等の生活行動を把握する見守り機能を実現することができる。例えば、負荷装置として無線送信機１４ｂ１を用いる場合、ヒンジ装置をトイレのドアに組み込んでおけば、トイレの利用回数等の情報を無線通信で予め決められた人物に報知できる。特に、高齢者とその家族とが離れて暮らす場合には、見守りとして有効である。また、負荷装置として無線送信機１４ｂ１を用いる場合、門及び／又は玄関等のドアを開閉して不審者が侵入しようとするとき、このことを無線通信で予め決められた人物に報知することができ、安心である。
【００４２】
本開示の実施形態に係る電力システムは、図１の負荷装置１４に対応する構成要素として、音声案内のための再生装置、デジタル画像を撮影するためのカメラ、などを備えてもよい。
【００４３】
第１の実施形態に係る電力システムは、３つ以上の発電装置を備えてもよい。
【００４４】
本開示では、無線送信機１４ｂ１を「通信装置」ともいう。本開示の実施形態に係る電力システムは、無線送信機の代替及び／又は追加として、有線の通信装置を備えてもよい。
【００４５】
図１１は、第１の実施形態に係る電力システムの動作を示す概略図である。図１１は、ユーザの生活行動から得られたエネルギーを用いて発電し、その発電された電力を利用する場面を示す。図１１（ａ）に示すように、例えば夜間又は暗所にて、ユーザは、可動物２２の取っ手（ドアノブ）を引いてドアを開く。図１１（ｂ）〜図１１（ｃ）に示すように、ドアが開くように可動物２２が移動している間、各ヒンジ装置１０−１，１０−２の発電装置は、電力を発生し、発生した電力のエネルギーを蓄電回路１２（図１１には図示せず）に蓄える。また、図１１（ｄ）に示すように、ドアが閉じるように可動物２２が移動している間も、各ヒンジ装置１０−１，１０−２の発電装置は、電力を発生し、発生した電力のエネルギーを蓄電回路１２に蓄える。図１１（ｃ）に示すように、ユーザがドアを開き始めてから（すなわち、発電を開始してから）例えば０．５秒後に、制御回路１３（図１１には図示せず）は、蓄電回路１２のエネルギーを負荷装置１４に供給し、負荷装置１４（照明装置）を点灯させる。図１１（ｄ）に示すように、ユーザがドアを閉めて先に進もうとするとき、制御回路１３は、蓄電回路１２のエネルギーを負荷装置１４に供給し、これにより照明を前方に照らし、ユーザの足元を案内する。負荷装置１４は、ユーザが進んでいる間、例えば５秒間にわたって点灯し続け、ユーザは目的地（例えば次のドア）に到着する。図１１（ｅ）に示すように、ドアを開き始めてから例えば５秒後に、制御回路１３は負荷装置１４を消灯する。
【００４６】
制御回路１３は、発電装置３の発電動作と同時に、蓄電回路１２から負荷装置１４へ電力を供給してもよい。また、制御回路１３は、発電装置３の発電動作から予め決められた時間の経過後に、蓄電回路１２から負荷装置１４へ電力を供給してもよい。また、制御回路１３は、発電装置３の発電動作とは独立に、蓄電回路１２から負荷装置１４へ電力を供給してもよい。従って、発電装置３の動作中、動作後、及び動作前を含む任意の時点において、負荷装置１４を動作させることができるので、便利かつ安心である。
【００４７】
以上説明したように、第１の実施形態に係る電力システムによれば、ヒンジ装置１０に発電装置３を組み込んだので、ユーザの生活行動からエネルギーを効率的に取り出して発電することができる。
【００４８】
図１２〜図１５は、第１の実施形態の第１の変形例に係る電力システムのヒンジ装置１０Ａを組み立てる第１〜第４のステップを示す斜視図である。ヒンジ装置のヒンジ部品の形状は、図３〜図６に示すものに限定されない。図１２に示すように、ヒンジ部品１Ａは、図３のヒンジ部品１の凸部１ａ、凹部１ｂ、貫通穴１ｃ、及びネジ穴１ｄにそれぞれ対応する凸部１Ａａ、凹部１Ａｂ、貫通穴１Ａｃ、及びネジ穴１Ａｄを有する。ヒンジ部品２Ａは、図３のヒンジ部品２の凹部２ａ、ネジ穴２ｂ、及びネジ穴２ｃにそれぞれ対応する凹部２Ａａ，２Ａａａ、ネジ穴２Ａｂ、及びネジ穴２Ａｃを有する。ヒンジ部品２Ａの円筒部は異なる内径を有する２つの凹部２Ａａ，２Ａａａを有する。これにより、ヒンジ部品１Ａの円筒部の上端がヒンジ部品２Ａの凹部２Ａａの上端に接する位置において、ヒンジ部品２Ａの重量がヒンジ部品１Ａにかかる。ネジ穴２Ａｂは、ヒンジ部品２Ａの外部から凹部２Ａａａまでヒンジ部品２Ａを貫通する。その後のヒンジ装置１０Ａの組み立ては、図１３〜図１５に示すように、図４〜図６を参照して説明したヒンジ装置１０の組み立てと同様である。
【００４９】
図１６は、第１の実施形態の第２の変形例に係る電力システムの構成を示す概略図である。図１６のヒンジ装置１０は、図１のヒンジ装置１０と同様に構成されるが、発電装置３の筐体３０が固定されるヒンジ部品１が、発電装置３の入力軸３１が拘束されるヒンジ部品２の上方に配置され、ヒンジ部品２がヒンジ部品１を支持する。このように、ヒンジ部品１がヒンジ部品２を支持することに代えて、ヒンジ部品２がヒンジ部品１を支持してもよい。また、発電装置３の筐体３０が固定されるヒンジ部品１が可動物２２に固定されてもよく、発電装置３の入力軸３１が拘束されるヒンジ部品２が固定物２１に固定されてもよい。
【００５０】
図１７は、第１の実施形態の第３の変形例に係る電力システムの構成を示す概略図である。整流回路１１、蓄電回路１２、制御回路１３、及び負荷装置１４は、図１７に示すように、可動物２２に配置されてもよい。
【００５１】
図１８は、第１の実施形態の第４の変形例に係る電力システムの構成を示す概略図である。整流回路１１、蓄電回路１２、及び制御回路１３のうちの少なくとも１つは、発電装置３とともにヒンジ部品１に配置されてもよい。図１８の例では、整流回路１１及び蓄電回路１２が、発電装置３とともに、ヒンジ部品１の凹部（空洞部）に設けられ、制御回路１３及び負荷装置１４が固定物２１に配置される。図１８の構成によれば、電力システムの外観をシンプルにして、見栄えをよくすることができる。
【００５２】
図１９は、第１の実施形態の第５の変形例に係る電力システムの構成を示す概略図である。整流回路１１、蓄電回路１２、及び制御回路１３のうちの少なくとも１つは、ヒンジ部品１の凹部に限らず、ヒンジ部品１の上の他の位置に配置されてもよい。図１９の例では、整流回路１１及び蓄電回路１２が、ヒンジ部品１の上に設けられ、制御回路１３及び負荷装置１４が固定物２１に配置される。ヒンジ部品１の内部に回路部品を収納できない場合であっても、ユーザの使い方及び見栄えに合わせて、他の任意の場所に回路部品を設けることができる。
【００５３】
図２０は、第１の実施形態の第６の変形例に係る電力システムの構成を示す概略図である。整流回路１１、蓄電回路１２、及び制御回路１３のうちの少なくとも１つは、ヒンジ部品２に配置されてもよい。図２０の例では、整流回路１１及び蓄電回路１２が、ヒンジ部品２の上に設けられ、制御回路１３及び負荷装置１４が可動物２２に配置される。ヒンジ部品２に凹部（空洞部）を設けて、この凹部に、整流回路１１、蓄電回路１２、及び制御回路１３のうちの少なくとも１つを設けてもよい。このように、ユーザの使い方及び見栄えに合わせて、整流回路１１、蓄電回路１２、制御回路１３、及び負荷装置１４を所望の場所に配置することができる。
【００５４】
第１の実施形態に係るヒンジ装置及び電力システムは、以下の構成を備えたことを特徴とする。
【００５５】
第１の実施形態に係るヒンジ装置によれば、共通の基準軸を有する第１のヒンジ部品１及び第２のヒンジ部品２と、発電装置３とを備えたヒンジ装置１０が提供される。第１のヒンジ部品１及び第２のヒンジ部品２は、基準軸の周りに相対的に回転可能であるように、かつ、第１のヒンジ部品１及び第２のヒンジ部品２のうちの一方が他方を支持するように、互いに嵌合する。発電装置３は、筐体３０及び入力軸３１を備え、入力軸３１の回転に応じて電力を発生する。発電装置３の筐体３０は、発電装置３の入力軸３１が基準軸の上に位置するように第１のヒンジ部品１に固定される。発電装置３の入力軸３１は、第２のヒンジ部品２が基準軸の周りに回転したときに発電装置３の入力軸３１が第２のヒンジ部品２と同じだけ回転するように、基準軸の周りの回転方向に関して第２のヒンジ部品２に対して拘束される。
【００５６】
これにより、発電装置３を備えたヒンジ装置１０であって、ユーザの生活行動からエネルギーを効率的に取り出して発電することができるヒンジ装置１０を提供することができる。
【００５７】
第１の実施形態に係るヒンジ装置によれば、第１のヒンジ部品１は、第１のヒンジ部品１及び第２のヒンジ部品２が互いに嵌合する位置において、発電装置３の入力軸３１が第１のヒンジ部品１から第２のヒンジ部品２に向かって突出するように形成された貫通穴１ｃを備えてもよい。第２のヒンジ部品２は、第１のヒンジ部品１及び第２のヒンジ部品２が互いに嵌合する位置において、貫通穴１ｃを介して突出した発電装置３の入力軸３１を収容する凹部２ａを有するように形成される。
【００５８】
これにより、発電装置３の入力軸３１を貫通穴１ｃから突出させて凹部２ａに収容させることにより、ヒンジ部品２の回転を第１のヒンジ部品１に固定された発電装置３に伝達するように、ヒンジ装置１０に発電装置３を内蔵することができる。
【００５９】
第１の実施形態に係るヒンジ装置によれば、発電装置３の入力軸３１は、入力軸３１の側面において切り欠き３２を有してもよい。発電装置３の入力軸３１は、第２のヒンジ部品２の外部から凹部２ａまで第２のヒンジ部品２を貫通して凹部２ａ内の切り欠き３２に接するように延在するネジ４１により、基準軸の周りの回転方向に関して第２のヒンジ部品２に対して拘束される。
【００６０】
これにより、発電装置３の入力軸３１は、第２のヒンジ部品２が基準軸の周りに回転したときに発電装置３の入力軸３１が第２のヒンジ部品２と同じだけ回転する。ネジ４１は、発電装置３の入力軸３１を、基準軸の長手方向に関してヒンジ部品２に対して拘束しなくてもよい。従って、ヒンジ部品１がヒンジ部品２を支持する場合、ヒンジ部品２の重量が発電装置３にかからないので、発電装置３に余分な機械的負荷をかけることなく、発電装置３を高い信頼性で動作させることができる。
【００６１】
第１の実施形態に係るヒンジ装置によれば、第１のヒンジ部品１及び第２のヒンジ部品２は、互いに着脱可能であるように互いに嵌合してもよい。
【００６２】
これにより、ヒンジ装置１０を用いて、例えば、固定物２１及び可動物２２を含むドアを簡単に施工することができる。
【００６３】
第１の実施形態に係るヒンジ装置によれば、発電装置３は、発電装置３の入力軸３１の回転を所定の増速比で伝達する歯車機構Ｇ１と、歯車機構Ｇ１によって伝達された回転に応じて電力を発生する発電機Ｍ１とを備えてもよい。
【００６４】
これにより、歯車機構Ｇ１を用いて、ユーザの生活行動から得られたエネルギーから効率的に発電することができる。
【００６５】
第１の実施形態に係る電力システムによれば、ヒンジ装置１０と、整流回路１１と、蓄電回路１２と、制御回路１３と、負荷装置１４とを備える。整流回路１１は、ヒンジ装置１０の発電装置３によって発生された電力を整流する。蓄電回路１２は、整流回路１１によって整流された電力のエネルギーを蓄える。制御回路１３は、蓄電回路１２の放電を制御する。負荷装置１４は、制御回路１３の制御下で蓄電回路１２の電力を消費する。
【００６６】
これにより、整流回路１１、蓄電回路１２、制御回路１３、及び負荷装置１４を用いて、ユーザの生活行動から得られたエネルギーから発電された電力を、負荷装置１４の用途に応じて効果的に利用することができる。
【００６７】
第１の実施形態に係る電力システムによれば、発電装置３と、整流回路１１、蓄電回路１２、及び制御回路１３のうちの少なくとも１つとは、ヒンジ装置１０の第１のヒンジ部品１に配置されてもよい。
【００６８】
これにより、電力システムの各構成要素を高い自由度で配置することができる。
【００６９】
第１の実施形態に係る電力システムによれば、整流回路１１、蓄電回路１２、及び制御回路１３のうちの少なくとも１つは、ヒンジ装置１０の第２のヒンジ部品２に配置されてもよい。
【００７０】
これにより、電力システムの各構成要素を高い自由度で配置することができる。
【００７１】
第１の実施形態に係る電力システムによれば、ヒンジ装置１０の第１のヒンジ部品１及び第２のヒンジ部品２のうちの一方は固定物２１に固定され、他方は可動物２２に固定されてもよい。可動物２２の重量は、第１のヒンジ部品１及び第２のヒンジ部品２と、固定物２１とによって支持される。発電装置３は、ヒンジ装置１０の基準軸の周りにおいて可動物２２が固定物２１に対して回転するとき、入力軸３１の回転に応じて電力を発生する。
【００７２】
これにより、ヒンジ部品２及び可動物２２の重量が発電装置３にかからないので、発電装置３に余分な機械的負荷をかけることなく、発電装置３を高い信頼性で動作させることができる。
【００７３】
第１の実施形態に係る電力システムによれば、整流回路１１、蓄電回路１２、及び制御回路１３のうちの少なくとも１つは、固定物２１に配置されてもよい。
【００７４】
これにより、電力システムの各構成要素を高い自由度で配置することができる。
【００７５】
第１の実施形態に係る電力システムによれば、整流回路１１、蓄電回路１２、及び制御回路１３のうちの少なくとも１つは、可動物２２に配置されてもよい。
【００７６】
これにより、電力システムの各構成要素を高い自由度で配置することができる。
【００７７】
第１の実施形態に係る電力システムによれば、発電システムは、互いに縦続接続された複数の発電装置３を備えてもよい。
【００７８】
これにより、単一の発電装置３を備える場合よりも、高電圧又は大電流を発生することができる。
【００７９】
第１の実施形態に係る電力システムによれば、蓄電回路１２は複数のコンデンサＣ１〜Ｃ４を含んでもよい。整流回路１１は倍電圧整流回路を含む。
【００８０】
これにより、一連の動作で蓄電される電圧を全波整流の場合の２倍にすることができる。従って、蓄電回路１２の後段の回路を高電圧で動作させ、後段の回路の効率を向上させることができる。
【００８１】
第１の実施形態に係る電力システムによれば、制御回路１３は、発電装置３の発電動作と同時に、又は、発電装置３の発電動作から予め決められた時間の経過後に、又は、発電装置３の発電動作とは独立に、蓄電回路１２から負荷装置１４へ電力を供給してもよい。
【００８２】
これにより、発電装置３の動作中、動作後、及び動作前を含む任意の時点において、負荷装置１４を動作させることができる。従って、ユーザの生活行動から得られたエネルギーから発電された電力を、負荷装置１４の用途に応じて効果的に利用することができる。
【００８３】
第１の実施形態に係る電力システムによれば、制御回路１３は、蓄電回路１２のコンデンサＣ１〜Ｃ４の両端にわたる電圧が予め決められた下限電圧以下であるとき、蓄電回路１２から負荷装置１４への電力供給を停止してもよい。
【００８４】
これにより、コンデンサＣ１〜Ｃ４のエネルギーを十分に利用でき、かつ、負荷装置１４を確実に動作させることができる。
【００８５】
第１の実施形態に係る電力システムによれば、負荷装置１４は照明装置を含んでもよい。
【００８６】
これにより、照明装置を含む電力システムは、照明、不審者に対する威嚇、及び／又は不審者の侵入防止などの目的に利用可能である。
【００８７】
第１の実施形態に係る電力システムによれば、負荷装置１４は通信装置を含んでもよい。
【００８８】
これにより、通信装置を含む電力システムは、高齢者の見守り及び／又は不審者の報知などの目的に利用可能である。
【００８９】
第１の実施形態に係るヒンジ装置は、ドア、窓、扉、蓋など、ヒンジ装置を用いる任意の構造物に適用可能である。一般家庭、公共施設、などの門、回動型ドア、片開きドアの開閉動作において、上述の全ての効果が得られる。
【００９０】
第２の実施形態．
ヒンジ装置のヒンジ部品の形状は、図３〜図６、図１２〜図１５に示すものに限定されない。以下、第２の実施形態に係る電力システムのヒンジ装置について説明する。
【００９１】
図２１〜図２３は、第２の実施形態に係る電力システムのヒンジ装置１０Ｂを組み立てる第１〜第３のステップを示す斜視図である。ヒンジ装置１０Ｂは、ヒンジ部品１Ｂ１、ヒンジ部品１Ｂ２、ヒンジ部品２Ｂ、及び発電装置３を備える。
【００９２】
図２１に示すように、ヒンジ部品１Ｂ１は、互いに連結された円筒部と板状部とを有する。ヒンジ部品１Ｂ１の円筒部は、ヒンジ部品２Ｂと嵌合する凹部１Ｂ１ａと、発電装置３を収容する凹部１Ｂ１ｂとを有する。ヒンジ部品１Ｂ１の円筒部はさらに、ヒンジ部品１Ｂ１及びヒンジ部品２Ｂが互いに嵌合する位置において、発電装置３の入力軸３１がヒンジ部品１Ｂ１からヒンジ部品２Ｂに向かって突出するように形成された貫通穴１Ｂ１ｃを備える。ヒンジ部品１Ｂ１の板状部は、ヒンジ部品１Ｂ１を複数のネジにより固定物に固定するための複数のネジ穴１Ｂ１ｄと、ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２を互いに連結するためのネジ穴を含む連結部１Ｂ１ｅとを有する。ヒンジ部品１Ｂ２もまた、互いに連結された円筒部と板状部とを有する。ヒンジ部品１Ｂ２の円筒部は、ヒンジ部品２Ｂと嵌合する凹部１Ｂ２ａを有する。ヒンジ部品１Ｂ２の板状部は、ヒンジ部品１Ｂ２を複数のネジにより固定物に固定するための複数のネジ穴１Ｂ２ｄと、ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２を互いに連結するためのネジ穴を含む連結部１Ｂ２ｅとを有する。ヒンジ部品２Ｂもまた、互いに連結された円筒部と板状部とを有する。ヒンジ部品２Ｂの円筒部は、基準軸（図２１のＡ−Ａ’線で示す）に沿って第１の端部（図２１の下端）及び第２の端部（図２１の上端）を有する。ヒンジ部品２Ｂの円筒部は、第１の端部において、ヒンジ部品１Ｂ１の凹部１Ｂ１ａと嵌合する凸部２Ｂａ１を有し、第２の端部において、ヒンジ部品１Ｂ２の凹部１Ｂ２ａと嵌合する凸部２Ｂａ２を有する。ヒンジ部品２Ｂの円筒部は、第１の端部において、発電装置３の入力軸３１と嵌合する凹部２Ｂｂを有する。ヒンジ部品２Ｂの板状部は、ヒンジ部品２Ｂを複数のネジにより可動物に固定するための複数のネジ穴２Ｂｃを有する。
【００９３】
発電装置３の入力軸３１は、図２の切り欠き３２に代えて、基準軸の周りの回転方向に関してヒンジ部品２Ｂに対して拘束されるように、その先端において所定形状の凸部３４を有する。図２１の例では、発電装置３の入力軸３１は、歯車形状の凸部３４を有する。ヒンジ部品２Ｂの凹部２Ｂｂは、基準軸の上の点から見て、発電装置３の凸部３４に対して相補的な形状に形成される。
【００９４】
図２２に示すように、ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２及びヒンジ部品２Ｂは、共通の基準軸の周りに相対的に回転可能であるように、かつ、ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２及びヒンジ部品２Ｂのうちの一方が他方を支持するように、互いに嵌合する。ヒンジ部品１Ｂ１の凹部１Ｂ１ａが円筒形状の内周を有し、ヒンジ部品２Ｂの凸部２Ｂａ１が円筒形状の外周を有することにより、ヒンジ部品１Ｂ１及びヒンジ部品２Ｂは互いに回転可能であるように嵌合する。同様に、ヒンジ部品１Ｂ２の凹部１Ｂ２ａが円筒形状の内周を有し、ヒンジ部品２Ｂの凸部２Ｂａ２が円筒形状の外周を有することにより、ヒンジ部品１Ｂ２及びヒンジ部品２Ｂは互いに回転可能であるように嵌合する。また、図２２の例では、ヒンジ部品２Ｂがヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２の間に配置され、ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２がヒンジ部品２Ｂを支持する。ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２は、連結部１Ｂ１ｅ，１Ｂ２ｅにおいてネジ１Ｂ３により互いに連結される。
【００９５】
ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２及びヒンジ部品２Ｂは、それらが互いに回転可能に嵌合する位置（すなわち、ヒンジ部品１Ｂ１の凹部１Ｂ１ａ、ヒンジ部品１Ｂ２の凹部１Ｂ２ａ、及びヒンジ部品２Ｂの凸部２Ｂａ１，２Ｂａ２）以外では、円筒以外の形状、例えば、三角柱、四角柱、他の多角柱、他の多面体の外形形状を有してもよい。
【００９６】
図２３に示すように、ヒンジ部品１Ｂ１の凹部１Ｂ１ｂには、発電装置３が挿入される。発電装置３の筐体３０は、発電装置３の入力軸３１が基準軸の上に位置するように、接着剤又はネジ（図示せず）などによりヒンジ部品１Ｂ１に固定される。ヒンジ部品２Ｂの凹部２Ｂｂには、貫通穴１Ｂ１ｃを介して突出した発電装置３の入力軸３１の先端の凸部３４が収容される。発電装置３の凸部３４及びヒンジ部品２Ｂの凹部２Ｂｂが互いに相補的な形状を有するので、発電装置３の入力軸３１は、基準軸の周りの回転方向に関してヒンジ部品２Ｂに対して拘束される。従って、ヒンジ部品２Ｂが基準軸の周りに回転したとき、発電装置３の入力軸３１がヒンジ部品２Ｂと同じだけ回転する。
【００９７】
ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２及びヒンジ部品２Ｂを互いに嵌合させ、発電装置３の筐体３０をヒンジ部品１Ｂ１に固定し、発電装置３の入力軸３１をヒンジ部品２Ｂに対して拘束し、ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２をネジ１Ｂ３により互いに連結することにより、ヒンジ装置１０Ｂが完成する。
【００９８】
ヒンジ装置１０Ｂは、図２１〜図２３の構成を有することにより、発電装置３がヒンジ装置１０Ｂに内蔵される。ヒンジ装置１０Ｂでは、発電装置３の入力軸３１が貫通穴１Ｂ１ｃから突出し、互いに相補的な形状を有する発電装置３の凸部３４及びヒンジ部品２Ｂの凹部２Ｂｂにより発電装置３の入力軸３１がヒンジ部品２Ｂに対して拘束されている。従って、ヒンジ部品１Ｂ１の凹部１Ｂ１ｂに収容された発電装置３にヒンジ部品２Ｂの回転を伝達することができる。これにより、発電装置３をヒンジ装置１０Ｂに内蔵した構成が実現される。発電装置３がヒンジ装置１０Ｂに内蔵されるので、見栄えが良いヒンジ装置１０Ｂを提供することができる。
【００９９】
また、ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２がヒンジ部品２Ｂを支持するので、ヒンジ部品２Ｂの重量は発電装置３にかからない。互いに相補的な形状を有する発電装置３の凸部３４及びヒンジ部品２Ｂの凹部２Ｂｂは、発電装置３の入力軸３１を、基準軸の長手方向に関してヒンジ部品２Ｂに対して拘束しなくてもよく、少なくとも、基準軸の周りの回転方向に関してヒンジ部品２Ｂに対して拘束する。従って、発電装置３の入力軸３１が貫通穴１Ｂ１ｃから突出し、互いに相補的な形状を有する発電装置３の凸部３４及びヒンジ部品２Ｂの凹部２Ｂｂにより発電装置３の入力軸３１をヒンジ部品２Ｂに対して拘束するとき、ヒンジ部品２Ｂ（及び後述の可動物２２Ｂ）の重量が発電装置３にかからない構成が実現される。ヒンジ部品２Ｂ（及び可動物２２Ｂ）の重量が発電装置３にかからないので、発電装置３に余分な機械的負荷をかけることなく、発電装置３を高い信頼性で動作させることができる。
【０１００】
また、ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２及びヒンジ部品２Ｂは、図２１〜図２３の構成を有することにより、互いに回転可能な状態で一体的に構成される。従って、ヒンジ装置１０Ｂを用いて、固定物及び可動物を含むドアを簡単に施工することができる。
【０１０１】
本開示では、ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２を「第１のヒンジ部品」ともいい、ヒンジ部品２Ｂを「第２のヒンジ部品」ともいう。また、本開示では、ヒンジ部品１Ｂ１を「第１のヒンジ部品の第１の部分」ともいい、ヒンジ部品１Ｂ２を「第１のヒンジ部品の第２の部分」ともいう。
【０１０２】
図２４〜図２６は、図１８のヒンジ装置１０Ｂを固定物２１Ｂ及び可動物２２Ｂを含むドアに取り付ける第１〜第３のステップを示す斜視図である。図２４に示すように、固定物２１Ｂは、ヒンジ装置１０Ｂを収容する凹部２１Ｂａを有する。ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２は、固定物２１Ｂの凹部２１Ｂａにおいて、複数のネジ（図示せず）により固定物２１Ｂに固定される。ヒンジ部品２Ｂもまた、複数のネジ２３により可動物２２Ｂに固定される。図２５に示すように、ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２を固定物２１Ｂに固定した後、固定物２１Ｂの凹部２１Ｂａはカバー２１Ｂｂにより覆われてもよい。その後、図２６に示すように、ユーザによってドアが開かれたとき又は閉じられたとき、ヒンジ装置１０Ｂの基準軸の周りにおいて可動物２２Ｂが固定物２１Ｂに対して回転する。このとき、発電装置３は、入力軸の回転に応じて電力を発生する。
【０１０３】
互いに相補的な発電装置３の凸部３４及びヒンジ部品２Ｂの凹部２Ｂｂの形状は、歯車形状に限らず、発電装置３の入力軸３１をヒンジ部品２Ｂに対して拘束することができるのであれば、他の任意の形状であってもよい。
【０１０４】
図２７は、第２の実施形態の第１の変形例に係る発電装置３及びヒンジ部品２Ｂの構成を示す斜視図である。発電装置３の入力軸３１は三角形の凸部３４Ａを有し、ヒンジ部品２Ｂは相補的な三角形の凹部２ＢｂＡを有してもよい。
【０１０５】
図２８は、第２の実施形態の第２の変形例に係る発電装置３及びヒンジ部品２Ｂの構成を示す斜視図である。発電装置３の入力軸３１は四角形の凸部３４Ｂを有し、ヒンジ部品２Ｂは相補的な四角形の凹部２ＢｂＢを有してもよい。
【０１０６】
図２９は、第２の実施形態の第３の変形例に係る発電装置３及びヒンジ部品２Ｂの構成を示す斜視図である。発電装置３の入力軸３１は十字形の凸部３４Ｃを有し、ヒンジ部品２Ｂは相補的な十字形の凹部２ＢｂＣを有してもよい。
【０１０７】
また、発電装置３の入力軸３１が所定形状の凹部を有し、ヒンジ部品２Ｂの凹部２Ｂｂが相補的な形状の凸部を有してもよい。
【０１０８】
第２の実施形態に係るヒンジ装置は、以下の構成を備えたことを特徴とする。
【０１０９】
第２の実施形態に係るヒンジ装置によれば、発電装置３の入力軸及びヒンジ部品２Ｂの凹部は、基準軸の上の点から見て互いに相補的な形状に形成されてもよい。
【０１１０】
これにより、発電装置３の入力軸３１は、第２のヒンジ部品２Ｂが基準軸の周りに回転したときに発電装置３の入力軸３１が第２のヒンジ部品２Ｂと同じだけ回転する。互いに相補的な形状を有する発電装置３の凸部３４及びヒンジ部品２Ｂの凹部２Ｂｂは、発電装置３の入力軸３１を、基準軸の長手方向に関してヒンジ部品２Ｂに対して拘束しなくてもよい。従って、ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ１２がヒンジ部品２Ｂを支持する場合、ヒンジ部品２Ｂの重量が発電装置３にかからないので、発電装置３に余分な機械的負荷をかけることなく、発電装置３を高い信頼性で動作させることができる。
【０１１１】
第２の実施形態に係るヒンジ装置によれば、ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２は第１の部分（ヒンジ部品１Ｂ１）及び第２の部分（ヒンジ部品１Ｂ２）を含んでもよい。ヒンジ部品２Ｂは、基準軸に沿って第１及び第２の端部を有し、第１の端部においてヒンジ部品１Ｂ１と嵌合し、第２の端部においてヒンジ部品１Ｂ２と嵌合する。ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２は互いに連結される。
【０１１２】
これにより、ヒンジ装置１０Ｂを用いて、例えば、固定物及び可動物を含むドアを簡単に施工することができる。
【０１１３】
第２の実施形態において、追加又は代替として、ヒンジ部品１Ｂ２に発電装置３を設けてもよい。
【０１１４】
第１及び第２の実施形態を組み合わせてもよい。例えば、第１の実施形態において、切り欠き３２及びネジ４１に代えて、発電装置３の入力軸３１の先端とヒンジ部品２の凹部２ａとを互いに相補的な形状に形成してもよい。また、第２の実施形態において、ヒンジ部品２Ｂを貫通するネジ４１により、発電装置３の入力軸３１をヒンジ部品２Ｂに対して拘束してもよい。用途及びサイズに応じて、発電装置３の入力軸３１をヒンジ部品２Ｂに対して拘束するさまざまな方法を選択可能である。また、第１の実施形態において、ヒンジ部品１がヒンジ部品２と嵌合する凹部を有し、ヒンジ部品２がヒンジ部品１と嵌合する凸部を有してもよい。また、第２の実施形態において、ヒンジ部品１Ｂ１，１Ｂ２の少なくとも一方がヒンジ部品２Ｂと嵌合する凸部を有し、ヒンジ部品２Ｂが対応する凹部を有してもよい。
【０１１５】
第３の実施形態．
蓄電回路１２のコンデンサの容量が小さいと、すぐに満充電になり、発電された電力の一部が無駄になる可能性がある。また、蓄電回路１２のコンデンサの容量が大きいと、サイズ及びコストが増大する。発電装置３、整流回路１１、及び蓄電回路１２を備えた発電システムにとって、さまざまな要件を考慮して蓄電回路１２のコンデンサの容量を決定することは重要な課題である。従って、コンデンサの最適又はほぼ最適な容量を容易に決定すること、及び、そのようなコンデンサを備えた電力システムを提供することが求められる。
【０１１６】
第３の実施形態では、サイズ及びコストを過度に増大させることなく、発電した電力の無駄が生じにくいように決定された容量を有するコンデンサを備えた電力システムを提供する。
【０１１７】
本開示の各実施形態に係る電力システムでは、発電装置３が、できるだけゆっくりとした小さい角速度で機械的エネルギーが入力されているとき、なるべく大きな電圧を発生できることが有効であると考えられる。従って、以下、高い増速比を有する歯車機構Ｇ１と、高い定格出力電圧を有する発電機Ｍ１とを組み合わせて用いる場合を例示する。
【０１１８】
以下、本発明者が行ったシミュレーションについて説明する。
【０１１９】
シミュレーションでは、減速比１／Ｇ＝１／２４２の遊星歯車機構と、定格入力電圧Ｖｍ＝２４（Ｖ）を有するマイクロモータとを組み合わせ、これらの遊星歯車機構及びマイクロモータを発電装置３として用いた。この場合、ゆっくりと小さい角速度で入力軸を回したときに、大きな速度起電力（発電機の出力端子における電圧）が得られる必要がある。ここで、Ｎｍａ（ｒｐｍ）は、無負荷時のモータの出力軸の回転速度である。Ｎｄａ（ｒｐｍ）は、無負荷時の歯車機構の出力軸の回転速度である。モータに電圧２４（Ｖ）が印加されたときの無負荷回転速度Ｎｄａ（ｒｐｍ）は、２８（ｒｐｍ）である。これから、このモータを発電機として用いるために必要な設計値を求める。
【０１２０】
まず、逆起電圧定数Ｋｅｄ（Ｖ／（ｒａｄ／ｓ））の計算について説明する。逆起電圧定数Ｋｅｄは、発電装置３の入力軸の回転速度に対する発電装置３の出力端子の電圧を示す重要な指標である。逆起電圧定数Ｋｅｄが大きいほど、ゆっくりとした回動動作で大きな電圧出力が得られる。単位はＳＩ（国際）単位系に統一して示す。無負荷時の歯車機構の出力軸の回転速度Ｎｄａ＝２８（ｒｐｍ）をＳＩ単位に換算すると、次式の回転角速度ωｄａ（ｒａｄ／ｓ）が得られる。
【０１２１】
ωｄａ＝２８×２×π／６０＝２．９３２（ｒａｄ／ｓ）
【０１２２】
従って、歯車機構及びモータの逆起電圧定数Ｋｅｄは、次式で表される。
【０１２３】
Ｋｅｄ＝２４／（２８×２×π／６０）
＝２４／２．９３２
＝８．１８５（Ｖ／（ｒａｄ／ｓ））
【０１２４】
参考値として、歯車機構を含まないモータのみの逆起電圧定数Ｋｅｍ（Ｖ／（ｒａｄ／ｓ））は、次式で表される。
【０１２５】
Ｋｅｍ＝Ｋｅｄ／Ｇ
＝２４／（２８×２×π／６０）／２４２
＝０．０３３８２（Ｖ／（ｒａｄ／ｓ））
【０１２６】
次に、発電装置３の出力電圧Ｅｍ（Ｖ）の計算について説明する。
【０１２７】
上述のモータ及び歯車機構を発電装置３として用いる場合、歯車機構は増速比Ｇ＝２４２を有する。ここで、歯車機構の入力軸に回動トルクＴｄを与える。このときの回動角速度ωｄ（ｒａｄ／ｓ）は、ドアの１回の開動作又は閉動作の継続時間ｔ（ｓ）及び回動角度θｄｄ（ｄｅｇ（度））から求められる。ｔ＝１（ｓ）、θｄｄ＝９０（ｄｅｇ（度））である場合、θｄ＝９０×π／１８０＝π／２（ｒａｄ）から、ωｄ（ｒａｄ／ｓ）は、次式で得られる。
【０１２８】
ωｄ＝（π／２）／１＝１．５７１（ｒａｄ／ｓ）
【０１２９】
参考として、歯車機構を含まないモータのみの回転角速度ωｍ（ｒａｄ／ｓ）は、次式で表される。
【０１３０】
ωｍ＝Ｇ×ωｄ＝３８０．２（ｒａｄ／ｓ）
【０１３１】
ここで、Ｋｅｄ＝８．１８５（Ｖ／（ｒａｄ／ｓ））であるので、発電装置３の出力電圧Ｅｍ（Ｖ）は、次式で得られる。
【０１３２】
Ｅｍ（Ｖ）＝Ｋｅｄ×ωｄ＝８．１８５×１．５７１＝１２．８６
【０１３３】
すなわち、ドアを１秒間に９０度の定速度で開けた場合、発電装置３の出力端子に発生する電圧（速度起電力）は、１２．８６（Ｖ）になる。
【０１３４】
次に、整流回路１１及び蓄電回路１２の動作について説明する。以下、整流回路１１及び蓄電回路１２が図１０の構成を有するものとする。
【０１３５】
図３０は、第３の実施形態に係る電力システムにおける４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４の動作を説明する概略図である。先に述べたように、２つの発電機Ｍ１，Ｍ２によって発生された電圧をそれぞれ倍電圧整流し、また、各発電機Ｍ１，Ｍ２で発生された電圧により充電されるコンデンサＣ１〜Ｃ４を縦続接続する。このとき、ドアを１回だけ開いて閉じる動作によって蓄積できる電気エネルギーを調べる。
【０１３６】
Ｅｍ１，Ｅｍ２はそれぞれ、発電機Ｍ１，Ｍ２の出力電圧を示す。Ｒｍ１，Ｒｍ２は、発電機Ｍ１，Ｍ２の巻線の抵抗を示す。Ｃ１〜Ｃ４は、コンデンサＣ１〜Ｃ４の容量値を示す。Ｖ１〜Ｖ４は、各コンデンサＣ１〜Ｃ４に蓄えられている電圧である。Ｖｏは、縦続接続された４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４の両端子間にわたる電圧である。ここで電圧Ｅｍ１，Ｅｍ２の波形は、ドアの開動作及び閉動作による方形波（交流電圧波形）を示す。電圧Ｖｏの波形は、抵抗Ｒｍ１，Ｒｍ２及び容量Ｃ１〜Ｃ４の時定数に応じた蓄電電圧の時間的変化を示す。実施形態では、コンデンサＣ１〜Ｃ４の両端の電圧がゼロになるまで蓄えられたエネルギーを全て使い切るのではなく、１個のコンデンサの電圧が所定のしきい値の電圧Ｖ０１（Ｖ）に低下したとき、蓄電回路１２から負荷装置１４への電力供給を停止する。従って、１個のコンデンサに充電するとき電圧が下限電圧（初期電圧）Ｖ０１（Ｖ）になる状態と、ドアの開閉動作の終了時に電圧がＶ１に達している状態とを繰り返す。
【０１３７】
図３１は、第３の実施形態に係る電力システムにおける１つのコンデンサＣ１の動作を説明する概略図である。図３１を参照して、ドアを開くとき、１個の発電機Ｍ１によって発生された電力を１つのコンデンサＣ１に蓄える動作に関して解析する。実施形態では、この動作が基本単位になり、２つの発電機Ｍ１，Ｍ２を含む電力システムにおいてドアを１回だけ開いて閉じる場合には、この基本単位の４倍の蓄電量が得られる。
【０１３８】
図３１において、コンデンサＣ１の両端の電圧Ｖ１（Ｖ）は、次式で表される。
【０１３９】
【数１】
2019012845.tif 000003
【０１４０】
ここで、Ｖ０１（Ｖ）は、前述のように、コンデンサＣ１の下限電圧の値である。τ１はコンデンサＣ１の容量Ｃ１及び発電機Ｍ１の抵抗Ｒｍ１に基づく時定数τ１＝Ｃ１Ｒｍ１である。
【０１４１】
従って、コンデンサＣ１に蓄えられる最大エネルギーＷＥ１Ｍ（Ｊ）は、次式で表される。
【０１４２】
【数２】
2019012845.tif 000004
【０１４３】
コンデンサＣ１から負荷装置１４に供給可能な有効エネルギーＷＥ１（Ｊ）は、次式で表される。
【０１４４】
【数３】
2019012845.tif 000005
【０１４５】
ここで、計算例として、Ｖ０１＝１．５（Ｖ）、Ｃ１＝０．０１（Ｆ）、Ｒｍ１＝６０（Ω）、ｔ＝１（ｓ）、Ｅｍ１＝１２．８６（Ｖ）とする。この場合、コンデンサＣ１の両端の電圧は、Ｖ１＝１０．７１２（Ｖ）になる。コンデンサＣ１に蓄えられる最大エネルギーは、ＷＥ１Ｍ＝０．５７３８（Ｊ）になる。コンデンサＣ１から負荷装置１４に供給可能な有効エネルギーは、ＷＥ１＝０．５６２５（Ｊ）になる。
【０１４６】
次に、図３０のコンデンサＣ１〜Ｃ４の全体に蓄えられるエネルギーを計算する。ここで、条件として、Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＝Ｖ４、及びＶ０１＝Ｖ０２＝Ｖ０３＝Ｖ０４を設定する。このとき、次式が得られる。
【０１４７】
Ｖｏ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４＝４Ｖ１＝４２．８（Ｖ）
Ｖｏ１＝Ｖ０１＋Ｖ０２＋Ｖ０３＋Ｖ０４＝４Ｖ１＝６（Ｖ）
【０１４８】
条件として、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４を設定する。コンデンサＣ１〜Ｃ４の合計の容量Ｃｏは、Ｃｏ＝（１／４）Ｃ１で表される。コンデンサＣ１〜Ｃ４の合計の蓄積エネルギーＷＥＭ（Ｊ）は、次式で表される。
【０１４９】
ＷＥＭ＝４・ＷＥ１Ｍ＝２Ｃ１Ｖ１２＝２．２９５（Ｊ）
【０１５０】
コンデンサＣ１〜Ｃ４の有効エネルギーＷＥＥ（Ｊ）は、次式で表される。
【０１５１】
【数４】
2019012845.tif 000006
【０１５２】
有効エネルギーＷＥＥは、例えば、２．２５（Ｊ）になる。
【０１５３】
また、発電機Ｍ１，Ｍ２からの平均出力電力ＰＥＭ（Ｗ）は、次式で表される。
【０１５４】
ＰＥＭ＝ＷＥＭ／（２ｔ）＝２．２９５／（２・１）＝１．１４７（Ｗ）
【０１５５】
以上の一例によれば、実施形態に係る電力システムが、１（Ｗ）及び１（Ｊ）を超える発電性能を持つことが確認できた。
【０１５６】
次に、コンデンサＣ１〜Ｃ４で利用できる有効エネルギーに関して、上記の関係式を用いて、いくつかのパラメータを変えたときの特性を計算する。
【０１５７】
図３２は、第３の実施形態の第１の実施例に係る電力システムの有効エネルギー対容量特性を示すグラフである。図３３は、第３の実施形態の第２の実施例に係る電力システムの有効エネルギー対容量特性を示すグラフである。
【０１５８】
図３２及び図３３の実施例において、以下の共通のパラメータを設定した。
【０１５９】
ドアの１回の開動作の継続時間：ｔ＝１（ｓ）
ドアの１回の閉動作の継続時間：ｔ＝１（ｓ）
ドアの開動作及び閉動作の角度：９０（度）
モータの定格入力電圧：Ｖｍ＝２４（Ｖ）
モータの巻線の抵抗：Ｒｍ１＝Ｒｍ２＝６０（Ω）
各コンデンサＣ１〜Ｃ４の容量：可変
各コンデンサＣ１〜Ｃ４の下限電圧：Ｖ０１＝Ｖ０２＝Ｖ０３＝Ｖ０４＝１．５（Ｖ）
【０１６０】
図３２の実施例において、以下のパラメータを設定した。
【０１６１】
歯車機構の増速比：Ｇ＝２４２
各発電装置の逆起電圧定数：Ｋｅｄ＝８．１８５（Ｖ／（ｒａｄ／ｓ））
速度起電力：Ｅｍ１＝Ｅｍ２＝１２．８５７（Ｖ）
【０１６２】
図３３の実施例において、以下のパラメータを設定した。
【０１６３】
歯車機構の増速比：Ｇ＝１０７
各発電装置の逆起電圧定数：Ｋｅｄ＝３．６２（Ｖ／（ｒａｄ／ｓ））
速度起電力：Ｅｍ１＝Ｅｍ２＝５．６９（Ｖ）
【０１６４】
これらの条件下で、コンデンサＣ１〜Ｃ４の合計の容量に対するコンデンサＣ１〜Ｃ４に蓄積可能な上限の有効エネルギーとして計算される有効エネルギー対容量特性は、図３２及び図３３に示すように計算された。
【０１６５】
図３２及び図３３によれば、各コンデンサＣ１〜Ｃ４の容量を増やしても、利用可能な有効エネルギーがある容量において上限に達することがわかる。また、図３２の場合、有効エネルギーがピーク値を持つことがはっきりわかる。図３２及び図３３を比較すると、１５ｍＦ程度の容量のとき、有効エネルギーが最大値に達している。この最大値の存在は、発電装置の出力電圧Ｅｍ１，Ｅｍ１が図３２及び図３３の各場合で同じであることと、発電機Ｍ１，Ｍ２の巻線の抵抗Ｒｍ１，Ｒｍ２が存在することとにより説明できる。この特性から、１５ｍＦ付近の容量のとき、有効エネルギーがピークになることがわかる。従って、これより大きい容量を有するコンデンサを用いても、サイズ及びコストが増大するデメリットのみになることがわかる。コンデンサＣ１〜Ｃ４の容量を次第に増やしていき、有効エネルギーがピーク値に近づいた時、このときの容量Ｃｐをエネルギー最大化容量として決定する。本開示の実施形態に係る電力システムでは、エネルギー最大化容量Ｃｐを設計値として選べば、小型かつ低コストでありながら、最大又はほぼ最大の性能が得られることがわかる。
【０１６６】
コンデンサＣ１〜Ｃ４の容量は、必ずしも、有効エネルギーのピーク値に厳密に合わせる必要はない。例えば、図３２のように有効エネルギーが明確なピーク値を持つ場合、実験的に決定された厳密なピーク値に対し、そのピーク値の有効エネルギーの９０％（１０％低い）〜８０％（２０％低い）になる容量の範囲におけるいずれかの容量を選択すればよい。この容量の範囲は、厳密なピーク値を与えるエネルギー最大化容量Ｃｐよりも低い容量Ｃｐｓ１から、エネルギー最大化容量Ｃｐよりも高い容量Ｃｐｓ２にわたる。ここで、有効エネルギーのピークの９０％〜８０％になる容量Ｃｐｓ１，Ｃｐｓ２を選択する理由は、一般的な部品のばらつきの範囲レベルを考慮するためである。
【０１６７】
また、図３３に示すように、実験的に決定された厳密なピーク値に達した後の有効エネルギーの大きさが、コンデンサＣ１〜Ｃ４の容量をさらに大きくしてもピーク値からあまり変化しないことがある。この場合、厳密なピーク値を与えるエネルギー最大化容量Ｃｐに対し、そのピーク値の有効エネルギーの９０％（１０％低い）〜８０％（２０％低い）になる容量Ｃｐｓ１（エネルギー最大化容量Ｃｐよりも小さい容量）を下限とし、エネルギー最大化容量Ｃｐの２倍の容量Ｃｐ２を上限とする範囲におけるいずれかの容量を選択すればよい。ここで、範囲の上限をエネルギー最大化容量Ｃｐの２倍とした理由は、コンデンサのサイズが２倍近くなり、価格もその分増加するので、小型かつ低コストで提供する電力システムとしては２倍までが許容可能であると考えられる、ということにある。
【０１６８】
このように、第３の実施形態に係る電力システムによれば、蓄電エネルギーを実質的に最大化することができるコンデンサに蓄電できるので、負荷装置を動作させるために、発電された電力を最大限に利用することができる。また、第３の実施形態に係る電力システムによれば、最も小型かつ低コストのコンデンサを用いながら最大のエネルギーを蓄電及び利用できるので、発電システムをコンパクトかつ低コストにすることができる。
【０１６９】
以上の説明では、蓄電回路１２の容量に対する蓄電回路１２に蓄積可能な上限の有効エネルギーを示す有効エネルギー対容量特性を計算した。しかしながら、有効エネルギー対容量特性に代えて、蓄電回路１２の容量に対する蓄電回路１２に蓄積可能な上限のエネルギーを示すエネルギー対容量特性を計算してもよい。エネルギー対容量特性を計算する場合もまた、エネルギー対容量特性において上限エネルギーを最大化する容量を示すエネルギー最大化容量又はその近傍の容量を蓄電回路１２の容量として設定することができる。
【０１７０】
第３の実施形態に係る発電システム及び電力システムは、以下の構成を備えたことを特徴とする。
【０１７１】
第３の実施形態に係る発電システムによれば、発電システムは、入力軸３１の回転に応じて電力を発生する少なくとも１つの発電装置３と、発電装置３によって発生された電力のエネルギーを蓄える少なくとも１つのコンデンサＣ１〜Ｃ４を含む蓄電回路１２とを備える。蓄電回路１２は、蓄電回路１２の容量に対する蓄電回路１２に蓄積可能な上限エネルギーとして計算されるエネルギー対容量特性において上限エネルギーを最大化する容量を示すエネルギー最大化容量又はその近傍の容量を有する。エネルギー対容量特性は、蓄電回路１２の容量、発電装置３の起電力、発電装置３の内部抵抗、及び発電装置３による１回の発電動作の継続時間に基づいて計算される。
【０１７２】
これにより、サイズ及びコストを過度に増大させることなく、発電した電力の無駄が生じにくいように決定された容量を有するコンデンサを備えた発電システムを提供することができる。
【０１７３】
第３の実施形態に係る発電システムによれば、蓄電回路１２は、エネルギー対容量特性において上限エネルギーが最大値の近傍の所定値以上になる容量の範囲におけるいずれかの容量を有してもよい。
【０１７４】
これにより、小型かつ低コストのコンデンサを用いながら、エネルギー対容量特性において上限エネルギーを最大化又はほぼ最大化することができる。
【０１７５】
第３の実施形態に係る発電システムによれば、蓄電回路１２は、エネルギー対容量特性において上限エネルギーが最大値の８０％〜９０％のうちの所定値以上になる容量の範囲におけるいずれかの容量を有してもよい。
【０１７６】
これにより、小型かつ低コストのコンデンサを用いながら、一般的な部品のばらつきの範囲レベルを考慮して、エネルギー対容量特性において上限エネルギーをほぼ最大化することができる。
【０１７７】
第３の実施形態に係る発電システムによれば、蓄電回路１２は、エネルギー対容量特性において上限エネルギーが最大値の近傍の所定値以上になり、エネルギー最大化容量より小さい容量を下限とし、かつ、エネルギー最大化容量に対して１より大きい所定係数を乗算した容量を上限とする範囲におけるいずれかの容量を有してもよい。
【０１７８】
これにより、小型かつ低コストのコンデンサを用いながら、コンデンサのサイズ及び価格の増大を許容可能な範囲に抑えながら、エネルギー対容量特性において上限エネルギーをほぼ最大化することができる。
【０１７９】
第３の実施形態に係る発電システムによれば、蓄電回路１２は、エネルギー対容量特性において上限エネルギーが最大値の８０％〜９０％のうちの所定値以上になり、エネルギー最大化容量より小さい容量を下限とし、かつ、エネルギー最大化容量の２倍の容量を上限とする範囲におけるいずれかの容量を有してもよい。
【０１８０】
これにより、小型かつ低コストのコンデンサを用いながら、コンデンサのサイズ及び価格の増大を許容可能な範囲に抑えながら、エネルギー対容量特性において上限エネルギーを最大化又はほぼ最大化することができる。
【０１８１】
第３の実施形態に係る発電システムによれば、エネルギー対容量特性は、
【数５】
2019012845.tif 000007
によって表されてもよい。ここで、Ｃ１は蓄電回路１２のコンデンサＣ１の容量である。Ｖ０１はコンデンサＣ１の下限電圧である。Ｅｍ１は発電装置３の起電力である。ｔは発電装置３による１回の発電動作の継続時間である。τ１はコンデンサＣ１の容量Ｃ１及び発電装置３の内部抵抗に基づく時定数である。
【０１８２】
これにより、エネルギー対容量特性に基づいてエネルギー最大化容量を計算することができる。
【０１８３】
第３の実施形態に係る発電システムによれば、発電装置３は、発電装置３の入力軸３１の回転を所定の増速比で伝達する歯車機構Ｇ１と、歯車機構Ｇ１によって伝達された回転に応じて電力を発生する発電機Ｍ１とを備えてもよい。
【０１８４】
これにより、歯車機構Ｇ１を用いて、ユーザの生活行動から得られたエネルギーから効率的に発電することができる。
【０１８５】
第３の実施形態に係る発電システムによれば、発電システムは、互いに縦続接続された複数の発電装置３を備えてもよい。
【０１８６】
これにより、単一の発電装置３を備える場合よりも、高電圧又は大電流を発生することができる。
【０１８７】
第３の実施形態に係る発電システムによれば、発電システムは、発電装置３によって発生された電力を整流する整流回路１１をさらに備えてもよい。蓄電回路１２は、発電装置３によって発生され、整流回路１１によって整流された電力のエネルギーを蓄える。
【０１８８】
これにより、発電装置３により交流電力を発電して蓄電回路１２に蓄えることができる。
【０１８９】
第３の実施形態に係る発電システムによれば、蓄電回路１２は複数のコンデンサＣ１〜Ｃ４を含んでもよい。整流回路１１は倍電圧整流回路を含む。
【０１９０】
これにより、一連の動作で蓄電される電圧を全波整流の場合の２倍にすることができる。従って、蓄電回路１２の後段の回路を高電圧で動作させ、後段の回路の効率を向上させることができる。
【０１９１】
第３の実施形態に係る発電システムによれば、発電システムは、共通の基準軸を有する第１のヒンジ部品１及び第２のヒンジ部品２を備えたヒンジ装置１０をさらに備えてもよい。第１のヒンジ部品１及び第２のヒンジ部品２は、基準軸の周りに相対的に回転可能であるように、かつ、第１のヒンジ部品１及び第２のヒンジ部品２のうちの一方が他方を支持するように、互いに嵌合する。発電装置３の筐体３０は、発電装置３の入力軸３１が基準軸の上に位置するように第１のヒンジ部品１に固定される。発電装置３の入力軸３１は、第２のヒンジ部品２が基準軸の周りに回転したときに発電装置３の入力軸３１が第２のヒンジ部品２と同じだけ回転するように、基準軸の周りの回転方向に関して第２のヒンジ部品２に対して拘束される。
【０１９２】
これにより、発電装置３を備えたヒンジ装置１０であって、ユーザの生活行動からエネルギーを効率的に取り出して発電することができるヒンジ装置１０を提供することができる。
【０１９３】
第３の実施形態に係る電力システムによれば、発電システムと、発電システムの蓄電回路１２の放電を制御する制御回路１３と、制御回路１３の制御下で蓄電回路１２の電力を消費する負荷装置１４とを備える。
【０１９４】
これにより、制御回路１３及び負荷装置１４を用いて、ユーザの生活行動から得られたエネルギーから発電された電力を、負荷装置１４の用途に応じて効果的に利用することができる。
【０１９５】
第３の実施形態に係る電力システムによれば、制御回路１３は、発電装置３の発電動作と同時に、又は、発電装置３の発電動作から予め決められた時間の経過後に、又は、発電装置３の発電動作とは独立に、蓄電回路１２から負荷装置１４へ電力を供給してもよい。
【０１９６】
これにより、発電装置３の動作中、動作後、及び動作前を含む任意の時点において、負荷装置１４を動作させることができる。従って、ユーザの生活行動から得られたエネルギーから発電された電力を、負荷装置１４の用途に応じて効果的に利用することができる。
【０１９７】
第３の実施形態に係る電力システムによれば、制御回路１３は、蓄電回路１２のコンデンサＣ１〜Ｃ４の両端にわたる電圧が予め決められた下限電圧以下であるとき、蓄電回路１２から負荷装置１４への電力供給を停止してもよい。
【０１９８】
これにより、コンデンサＣ１〜Ｃ４のエネルギーを十分に利用でき、かつ、負荷装置１４を確実に動作させることができる。
【０１９９】
第３の実施形態に係る電力システムによれば、負荷装置１４は照明装置を含んでもよい。
【０２００】
これにより、照明装置を含む電力システムは、照明、不審者に対する威嚇、及び／又は不審者の侵入防止などの目的に利用可能である。
【０２０１】
第３の実施形態に係る電力システムによれば、負荷装置１４は通信装置を含んでもよい。
【０２０２】
これにより、通信装置を含む電力システムは、高齢者の見守り及び／又は不審者の報知などの目的に利用可能である。
【符号の説明】
【０２０３】
１，１−１，１−２，１Ａ，１Ｂ１，１Ｂ２…ヒンジ部品（第１のヒンジ部品）、
２，２−１，２−２，２Ａ，２Ｂ…ヒンジ部品（第２のヒンジ部品）、
３…発電装置、
１０，１０−１，１０−２，１０Ａ，１０Ｂ…ヒンジ装置、
１１…整流回路、
１２…蓄電回路、
１３…制御回路、
１４…負荷装置、
１４ａ…発光ダイオード（照明装置）、
１４ｂ１…無線送信機（通信装置）、
１４ｂ２…無線受信機、
２１，２１Ｂ…固定物、
２２，２２Ｂ…可動物、
３０ａ，３０ｂ…筐体、
３１…入力軸、
３２…切り欠き、
３３…歯車、
３４，３４Ａ〜３４Ｃ…凸部、
４１…ネジ、
Ｃ１〜Ｃ４…コンデンサ、
Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、
Ｇ１…歯車機構、
Ｍ１，Ｍ２…発電機。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【国際調査報告】
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