(57)【要約】【課題】ランダムな振動によって自転が増速し、単振子の場合よりも大きな慣性力を生むことができる歳差回転機構及び発電装置を提供する。【解決手段】歳差回転機構１は、第１回転軸Ａ１に沿って延伸する軸１１を有し、第１回転軸、第１回転軸と交わる方向に延びる第２回転軸Ａ２並びに第１回転軸及び第２回転軸と交わる方向に延びる第３回転軸Ａ３の３軸について回転運動を行う慣性体１０と、軸を第１回転軸について回転可能に保持する第１回転台２０と、軸の一端を挟むように設けられた第１案内レール３０と、軸の他端を挟むように設けられ、第１案内レールと離間した第２案内レール４０と、第１回転台を第２回転軸について回転可能に保持する第２回転台６０と、第２回転台を第３回転軸について回転可能に保持する第３回転台７０と、を備える。【選択図】図１
2019146477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１回転軸に沿って延伸する軸を有し、前記第１回転軸、前記第１回転軸と交わる方向に延びる第２回転軸並びに前記第１回転軸及び前記第２回転軸と交わる方向に延びる第３回転軸の３軸について回転運動を行う慣性体と、
前記軸を前記第１回転軸について回転可能に保持する第１回転台と、
前記軸の一端を挟むように設けられた第１案内レールと、
前記軸の他端を挟むように設けられ、前記第１案内レールと離間した第２案内レールと、
前記第１回転台を前記第２回転軸について回転可能に保持する第２回転台と、
前記第２回転台を前記第３回転軸について回転可能に保持する第３回転台と、
を備える歳差回転機構。
【請求項２】
前記第３回転軸についての前記第２回転台の回転に対して復元力を与える捩りバネをさらに備える、
請求項１に記載の歳差回転機構。
【請求項３】
前記第１案内レール及び前記第２案内レールは、少なくとも前記軸を挟む領域において、弾性体で覆われている、
請求項１又は２に記載の歳差回転機構。
【請求項４】
前記軸は、少なくとも前記第１案内レール及び前記第２案内レールに挟まれる領域において、弾性体で覆われている、
請求項１から３のいずれか一項に記載の歳差回転機構。
【請求項５】
前記軸は、端部に向かって細くなるテーパ部材を両端部に有する、
請求項１から４のいずれか一項に記載の歳差回転機構。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の歳差回転機構と、磁石と、コイルとを備える発電装置であって、
前記磁石は、前記慣性体とともに回転運動するように前記慣性体に設けられ、
前記コイルは、前記第１回転台、前記第２回転台及び前記第３回転台の少なくともいずれかに固定される、
発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歳差回転機構及び発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ジャイロ効果は、ロケット、航空機等の姿勢制御やジャイロコンパス、カーナビゲーション等の航法、ヘッドマウント姿勢センサ、ゲームコントローラー等の運動計測、陸上運搬車両の揺れ防止、横転防止、さらには車載／艦載アンテナからカメラ／双眼鏡の手振れ防止等において、広く利用されている。このようにセンサではジャイロ効果が広く応用されているが、それ以外の回転機械では、ジャイロ効果は装置の性能を低下させることが多い。ジャイロ効果は回転体に傾斜トルクを発生するため、軸受負荷を増大させ、軸受を劣化させるからである。このため、回転機械におけるジャイロ効果に関する発明は、多くがその低減である。
【０００３】
例えば、フライホイールの慣性エネルギーをエネルギー蓄積として活用するフライホイール電池では、ジャイロ効果を抑制するために、特許文献１に示すように２つのフライホイールを逆向きに回転させることがある。
【０００４】
また、特許文献２では、フライホイールの重量増加や軸受負荷増加等を回避するために、ジャイロ効果による傾きに対してプーリー等で構造的に逆向きの揺動を与えるジンバルを開示している。
【０００５】
特許文献３では、回転入力軸の回転からギヤを介して揺動運動を惹起させ、これにより別の回転体を上下振動させることにより偶力を発生させて、回転エネルギー効率を高めるために、歳差運動を回転エネルギーとして利用しようとする機構が開示されている。しかし、別の回転体を回転させるためにエネルギーが必要であることや、別動力源で回転されている回転軸をさらに回転させようとするなど、エネルギーを有効に取り出すことが困難となっている。
【０００６】
また、特許文献４に示されているように、波力発電等では、ジャイロ式が実用化の域に達している。特許文献５では、さらに効率を向上させるために揺動周期を制御することが提案されているが、依然としてフライホイールの回転には外部からのエネルギーを必要としている。
【０００７】
特許文献６には、ジャイロ効果による歳差運動をレールとの摩擦によりフライホイールの自転に変換するダイナビーと呼ばれる遊具が開示されている。この方式では自転にモータが不要である。
【０００８】
特許文献７に提案されているように吊設機構に錘を付け、波浪による重心移動の増加を図って搖動を大きく継続する技術も提案されている。この揺動運動をさらに発展させて、平面歯車、差動歯車、爪車を組み合わせて一方向の回転運動を作ることができ、６自由度の運動を利用する発電装置について実用化の準備が進められている。この方法は、単振子の慣性力を回転の駆動力とするため、その大きさは、錘の角運動量と入力角速度の積の程度であるジャイロ効果と異なり、錘の自転による慣性力増大を行わないため、ダイナビーなどに比べ、慣性力は著しく小さい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−２８１０５０号公報
【特許文献２】特開２０００−２４９０４２号公報
【特許文献３】特開２０１０−１１６９３８号公報
【特許文献４】特許第４１８４８０３号公報
【特許文献５】特開２０１２−８７６４３号公報
【特許文献６】米国特許第３７２６１４６号明細書
【特許文献７】特開２０１３−２１７２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献６に記載の技術は、自転を同一方向に増大させるため、同一方向の歳差回転を必要とし、同一方向のジャイロトルクを発生させる。そのため、レール面の運動を円錐状（傾頭）の一定回転又は歳差回転に同期して反転する傾斜振動とする必要がある。このため、ランダムな振動では自転が増速しない。
【００１１】
また、特許文献７に記載の技術は、単振子の慣性力を回転の駆動力とするため、その大きさは、錘の質量と入力加速度の積の程度である。そのため、ジャイロ効果と異なり、錘の自転による慣性力増大を行わないため、ダイナビー等に比べ、慣性力は著しく小さい。
【００１２】
そこで、本発明は、ランダムな振動によって自転が増速し、単振子の場合よりも大きな慣性力を生むことができる歳差回転機構及び発電装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様に係る歳差回転機構は、第１回転軸に沿って延伸する軸を有し、第１回転軸、第１回転軸と交わる方向に延びる第２回転軸並びに第１回転軸及び第２回転軸と交わる方向に延びる第３回転軸の３軸について回転運動を行う慣性体と、軸を第１回転軸について回転可能に保持する第１回転台と、軸の一端を挟むように設けられた第１案内レールと、軸の他端を挟むように設けられ、第１案内レールと離間した第２案内レールと、第１回転台を第２回転軸について回転可能に保持する第２回転台と、第２回転台を第３回転軸について回転可能に保持する第３回転台と、を備える。
【００１４】
この態様によれば、慣性体が、第１回転台、第２回転台及び第３回転台により構成されるジンバルによって、第１回転軸、第２回転軸及び第３回転軸の３軸について回転運動可能に保持される。また、慣性体の軸と第１案内レール及び第２案内レールとの間の摩擦力によって、慣性体の第１回転軸周りの角速度が加速される。そのため、ランダムな振動によって自転が増速し、単振子の場合よりも大きな慣性力を生むことができる。これにより、環境に存在する搖動・振動を慣性体の第１回転軸周りの回転運動に変換することができる。
【００１５】
上記態様において、第３回転軸についての第２回転台の回転に対して復元力を与える捩りバネをさらに備えてもよい。
【００１６】
この態様によれば、歳差運動が反転することを促し、歳差速度を低減し、歳差運動の反転時間を短縮できる。また、慣性体の軸が他の部材に衝突することを防止し、エネルギーの損失を防ぐことができる。また、ジャイロトルクは第１回転軸がレールと直交するときに最大となり、復元力があればその周辺で慣性体が振動するためジャイロトルクが増大する。
【００１７】
上記態様において、第１案内レール及び第２案内レールは、少なくとも軸を挟む領域において、弾性体で覆われていてもよい。
【００１８】
この態様によれば、軸と第１案内レール及び第２案内レールとが衝突した場合の衝撃を吸収し、軸と第１案内レール及び第２案内レールとの間の摩擦を増大させて滑りを防止し、エネルギーの損失を低減することができる。
【００１９】
上記態様において、軸は、少なくとも第１案内レール及び第２案内レールに挟まれる領域において、弾性体で覆われていてもよい。
【００２０】
この態様によれば、軸と第１案内レール及び第２案内レールとが衝突した場合の衝撃を吸収し、軸と第１案内レール及び第２案内レールとの間の摩擦を増大させて滑りを防止し、エネルギーの損失を低減することができる。
【００２１】
上記態様において、軸は、端部に向かって細くなるテーパ部材を両端部に有してもよい。
【００２２】
この態様によれば、慣性体の第１回転軸周りの角速度の変化を緩やかにすることができ、歳差運動の反転時間を短縮して、軸の滑りにより生じるエネルギー損失を低減することができる。
【００２３】
本発明の他の態様に係る発電装置は、上記態様に記載の歳差回転機構と、磁石と、コイルとを備える発電装置であって、磁石は、慣性体とともに回転運動するように慣性体に設けられ、コイルは、第１回転台、第２回転台及び第３回転台の少なくともいずれかに固定されている。
【００２４】
この態様によれば、ランダムな振動によって慣性体の自転を増速させ、単振子の場合よりも大きな慣性力を生むことができる。これにより、環境に存在する搖動・振動を慣性体の第１回転軸周りの回転運動に変換することができ、そのような回転運動によってワットオーダーの発電を行うことができる。これにより、センサの電源を供給したり、無線通信可能なウェアラブルなＩｏＴデバイスを継続的に稼働させたりすることができる。また、歳差回転機構によって歳差運動を直線状の構造に収めることにより、携行性を向上させ、人体に装着可能な発電装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、ランダムな振動によって自転が増速し、単振子の場合よりも大きな慣性力を生むことができる歳差回転機構及び発電装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る歳差回転機構の斜視図である。
【図２】本実施形態に係る歳差回転機構の正面図である。
【図３】本実施形態に係る歳差回転機構の上面図である。
【図４】本実施形態に係る歳差回転機構の第１動作を説明する側面図である。
【図５】本実施形態に係る歳差回転機構の第１動作を説明する正面図である。
【図６】本実施形態に係る歳差回転機構の第２動作を説明する側面図である。
【図７】本実施形態に係る歳差回転機構の第２動作を説明する正面図である。
【図８】本実施形態に係る歳差回転機構の第１動作及び第２動作における第１回転軸周りの角速度、第３回転軸周りの歳差角度及び第２回転軸周りの角度を示すグラフである。
【図９】本実施形態に係る歳差回転機構の第３動作を説明する正面図である。
【図１０】本実施形態に係る歳差回転機構の第３動作における第１回転軸周りの角速度、第３回転軸周りの歳差角度及び第２回転軸周りの角度を示すグラフである。
【図１１】本実施形態に係る歳差回転機構が備える捩りバネの拡大図である。
【図１２】本実施形態に係る歳差回転機構が備えるテーパ部材の拡大図である。
【図１３】本実施形態に係る発電装置の正面図である。
【図１４】本実施形態の変形例に係る発電装置の側面図である。
【図１５】本実施形態に係る発電装置の磁石及びコイルの配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」と表記する。）を、図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。
【００２８】
図１は、本発明の実施形態に係る歳差回転機構１の斜視図である。歳差回転機構１は、第１回転軸Ａ１に沿って延伸する軸１１を有し、第１回転軸Ａ１、第１回転軸Ａ１と交わる方向に延びる第２回転軸Ａ２並びに第１回転軸Ａ１及び第２回転軸Ａ２と交わる方向に延びる第３回転軸Ａ３の３軸について回転運動を行う慣性体１０を備える。慣性体１０は、歳差回転機構１に加えられる搖動に応じて、第２回転軸Ａ２周りの往復運動と第３回転軸Ａ３周りの歳差往復運動とを繰り返し、次第に第１回転軸Ａ１周りの角速度を増していく。慣性体１０が、第１回転軸Ａ１周りの角速度を増大させる仕組みについては、後に図４〜８を用いて詳しく説明する。
【００２９】
歳差回転機構１は、軸１１を第１回転軸Ａ１について回転可能に保持する第１回転台２０と、軸１１の一端を挟むように設けられた第１案内レール３０と、軸１１の他端を挟むように設けられ、第１案内レール３０と離間した第２案内レール４０と、第１回転台２０を第２回転軸Ａ２について回転可能に保持する第２回転台６０と、第２回転台６０を第３回転軸Ａ３について回転可能に保持する第３回転台７０と、を備える。
【００３０】
ここで、第１案内レール３０は、第１上側レール３１及び第１下側レール３２を含み、第２案内レール４０は、第２上側レール４１及び第２下側レール４２を含む。第１案内レール３０及び第２案内レール４０は、案内レール台５０によって保持される。第１上側レール３１及び第１下側レール３２は、それぞれｚ方向に延伸し、ｙ方向に離間している。また、第２上側レール４１及び第２下側レール４２は、それぞれｚ方向に延伸し、ｙ方向に離間している。また、第１上側レール３１及び第１下側レール３２と、第２上側レール４１及び第２下側レール４２とは、互いに離間しており、連続していない。なお、本実施形態に係る歳差回転機構１は、第１上側レール３１、第１下側レール３２、第２上側レール４１及び第２下側レール４２の合計４本の直線状のレールを備えるが、第１案内レール３０と第２案内レール４０は、合計４本の曲線状のレールによって構成されてもよいし、合計２本のレールによってｘ−ｚ平面視においてＣ字型で構成されてもよいし、合計２本のレールによってｘ−ｚ平面視においてＯ字型で構成されてもよい。第１案内レール３０と第２案内レール４０が合計２本のレールによって構成される場合、歳差回転機構１は、軸１１の一端を挟むように設けられた第１案内レール３０と、軸１１の他端を挟むように設けられ、第１案内レール３０と離間した第２案内レールと、第１案内レール３０及び第２案内レール４０を連結し、軸１１の端部を挟まない連結部とを備える。
【００３１】
第１回転台２０、第２回転台６０及び第３回転台７０は、第１回転軸Ａ１、第２回転軸Ａ２及び第３回転軸Ａ３の３軸について回転可能なジンバルを構成する。慣性体１０は、第１回転台２０、第２回転台６０及び第３回転台７０により構成されるジンバルにより保持され、第１回転軸Ａ１、第２回転軸Ａ２及び第３回転軸Ａ３の３軸について回転運動可能に保持される。
【００３２】
ここで、第１回転台２０は、第１軸受２１を有し、第１軸受２１により慣性体１０の軸１１を回転可能に保持する。また、第２回転台６０は、第２軸受６１を有し、第２軸受６１により第１回転台２０を回転可能に保持する。さらに、第３回転台７０は、第３軸受７１を有し、第３軸受７１により第２回転台６０を回転可能に保持する。第１軸受２１、第２軸受６１及び第３軸受７１は、それぞれ公知の軸受で構成されてよく、例えばボール軸受で構成されてよい。このように、軸受を用いて慣性体１０、第１回転台２０及び第２回転台６０を回転可能に保持することで、回転運動に伴う摩擦を低減させることができ、歳差回転機構１のエネルギーの損失を低減することができる。
【００３３】
第１回転台２０、第２回転台６０及び第３回転台７０の回転角がそれぞれ０度である場合、第１回転軸Ａ１はｘ軸と並行となり、第２回転軸Ａ２はｚ軸と並行になり、第３回転軸Ａ３はｙ軸と並行になる。その際、第２回転軸Ａ２は、第１案内レール３０及び第２案内レール４０と並行となる。また、第３回転軸Ａ３は、軸１１と第１案内レール３０及び第２案内レール４０がつくる平面に垂直となる。
【００３４】
図２は、本実施形態に係る歳差回転機構１の正面図である。また、図３は、本実施形態に係る歳差回転機構１の上面図である。ここで、正面図とは、ｙ−ｚ平面を示した図であり、上面図とは、ｘ−ｚ平面を示した図である。
【００３５】
歳差回転機構１の軸１１は、その一端が第１案内レール３０の第１上側レール３１と第１下側レール３２の間に挟まれ、他端が第２案内レール４０の第２上側レール４１と第２下側レール４２の間に挟まれる。軸１１の直径は、第１上側レール３１と第１下側レール３２の隙間より細く、第２上側レール４１と第２下側レール４２の隙間より細い。そのため、軸１１は、第２回転軸Ａ２の時計回り及び反時計回りにそれぞれ数度程度回転可能となっている。
【００３６】
また、慣性体１０、第１回転台２０及び第２回転台６０は、第３回転軸Ａ３周りに回転可能となっており、軸１１は、第１案内レール３０及び第２案内レール４０に挟まれたままｚ方向に移動可能となっている。軸１１は、第３回転軸Ａ３の時計回り及び反時計回りにそれぞれ数十度程度回転可能となっている。
【００３７】
第１案内レール３０及び第２案内レール４０は、少なくとも軸１１を挟む領域において、弾性体で覆われていてよい。同様に、軸１１は、少なくとも第１案内レール３０及び第２案内レール４０に挟まれる領域において、弾性体で覆われていてよい。弾性体は、任意の部材により構成されてよいが、例えばシリコーンゴムで構成されてよい。このように弾性体が設けられることで、軸１１と第１案内レール３０及び第２案内レール４０とが衝突した場合の衝撃を吸収し、軸１１と第１案内レール３０及び第２案内レール４０との間の摩擦を増大させて滑りを防止し、歳差回転機構１のエネルギーの損失を低減することができる。
【００３８】
図４は、本実施形態に係る歳差回転機構１の第１動作を説明する側面図である。ここで、側面図とは、ｘ−ｙ平面を示した図である。同図では、案内レール台５０を省略して図示し、第１上側レール３１、第１下側レール３２、第２上側レール４１及び第２下側レール４２の断面を図示している。第１動作は、軸１１の第１回転軸Ａ１周りの回転Ｒ１が、軸１１の一端１１ａと第１下側レール３２との間の摩擦力によって加速され、軸１１の他端１１ｂと第２上側レール４１との間の摩擦力によって加速される動作である。
【００３９】
はじめに、慣性体１０に第１回転軸Ａ１周りのトルクを与えて、低速で回転させる。ここで与えるトルクは、人が与えてもよいし、歳差回転機構１にモータを設けて、モータにより与えることとしてもよい。慣性体１０は、第１回転軸Ａ１周りの回転Ｒ１のジャイロ効果により、一定の姿勢を保とうとする。
【００４０】
次に、歳差回転機構１に対して、外部から傾斜回転Ｒ２を与える。傾斜回転Ｒ２は、例えば第２回転軸Ａ２周りの回転によって与えられてよいが、それに限られず、第１回転軸Ａ１、第２回転軸Ａ２及び第３回転軸Ａ３の任意の軸周りの回転を含んでよい。軸１１は、軸の一端１１ａが第１上側レール３１及び第１下側レール３２に挟まれており、軸の他端１１ｂが第２上側レール４１及び第２下側レール４２に挟まれている。そのため、傾斜回転Ｒ２により、軸の一端１１ａが第１下側レール３２に接触し、軸の他端１１ｂが第２上側レール４１に接触する。これにより、慣性体１０は、歳差回転Ｒ３を開始する。
【００４１】
図５は、本実施形態に係る歳差回転機構１の第１動作を説明する正面図である。傾斜回転Ｒ２により、軸の一端１１ａが第１下側レール３２に接触すると、第１下側レール３２から軸の一端１１ａにｙ軸方向の力Ｆ１が加えられる。すると、ジャイロ効果により、慣性体１０に対してｚ軸と反対方向の力Ｆ２が加わり、歳差回転Ｒ３を開始する。歳差回転Ｒ３により軸の一端１１ａが移動すると、軸の一端１１ａと第１下側レール３２の摩擦力Ｆ３により、軸の一端１１ａには、回転Ｒ１と同じ方向にトルクＦ４が加わる。このトルクＦ４によって、第１回転軸Ａ１周りの回転Ｒ１の角速度が増大する。
【００４２】
同様に、軸の他端１１ｂが第２上側レール４１に接触することで、第２上側レール４１から軸の他端１１ｂにｙ軸と反対方向の力が加えられる。すると、ジャイロ効果により、慣性体１０に対してｚ軸方向の力が加わり、歳差回転Ｒ３を開始する。歳差回転Ｒ３により軸の他端１１ｂが移動すると、軸の他端１１ｂと第２上側レール４１の摩擦力により、軸の他端１１ｂには、回転Ｒ１と同じ方向にトルクが加わる。このトルクによって、第１回転軸Ａ１周りの回転Ｒ１の角速度が増大する。
【００４３】
図６は、本実施形態に係る歳差回転機構１の第２動作を説明する側面図である。同図では、案内レール台５０を省略して図示し、第１上側レール３１、第１下側レール３２、第２上側レール４１及び第２下側レール４２の断面を図示している。第２動作は、第１動作に続いて行われ、軸１１の第１回転軸Ａ１周りの回転Ｒ１が、軸１１の一端１１ａと第１上側レール３１との間の摩擦力によって加速され、軸１１の他端１１ｂと第２下側レール４２との間の摩擦力によって加速される動作である。
【００４４】
第１動作の後、歳差回転機構１に対して、外部から傾斜回転Ｒ５を与える。傾斜回転Ｒ５は、例えば第２回転軸Ａ２周りの回転によって与えられてよいが、それに限られず、第１回転軸Ａ１、第２回転軸Ａ２及び第３回転軸Ａ３の任意の軸周りの回転を含んでよい。また、傾斜回転Ｒ５は、傾斜回転Ｒ２と必ずしも同じ軸周りに行われなくてもよい。傾斜回転Ｒ５により、軸の一端１１ａが第１上側レール３１に接触し、軸の他端１１ｂが第２下側レール４２に接触する。これにより、慣性体１０は、歳差回転Ｒ６を開始する。歳差回転Ｒ６は、第１動作における歳差回転Ｒ３と逆向きである。
【００４５】
図７は、本実施形態に係る歳差回転機構１の第２動作を説明する正面図である。傾斜回転Ｒ５により、軸の一端１１ａが第１上側レール３１に接触すると、第１上側レール３１から軸の一端１１ａにｙ軸と反対方向の力Ｆ１１が加えられる。すると、ジャイロ効果により、慣性体１０に対してｚ軸方向の力Ｆ１２が加わり、歳差回転Ｒ６を開始する。歳差回転Ｒ６により軸の一端１１ａが移動すると、軸の一端１１ａと第１上側レール３１の摩擦力Ｆ１３により、軸の一端１１ａには、回転Ｒ１と同じ方向にトルクＦ１４が加わる。このトルクＦ１４によって、第１回転軸Ａ１周りの回転Ｒ１の角速度が増大する。
【００４６】
同様に、軸の他端１１ｂが第２下側レール４２に接触することで、第２下側レール４２から軸の他端１１ｂにｙ軸方向の力が加えられる。すると、ジャイロ効果により、慣性体１０に対してｚ軸と反対方向の力が加わり、歳差回転Ｒ６を開始する。歳差回転Ｒ６により軸の他端１１ｂが移動すると、軸の他端１１ｂと第２下側レール４２の摩擦力により、軸の他端１１ｂには、回転Ｒ１と同じ方向にトルクが加わる。このトルクによって、第１回転軸Ａ１周りの回転Ｒ１の角速度が増大する。
【００４７】
このように、第２動作では、軸１１と第１案内レール３０及び第２案内レール４０との接触点が逆転しているため、摩擦力により生じるトルクの向きが、第１動作の場合と同じになる。このため、摩擦力により生じるトルクと第１回転軸Ａ１周りの回転Ｒ１の向きが一致し、自転はさらに増速される。
【００４８】
図８は、本実施形態に係る歳差回転機構１の第１動作及び第２動作における第１回転軸Ａ１周りの角速度、第３回転軸Ａ３周りの歳差角度及び第２回転軸Ａ２周りの角度を示すグラフである。同図では、図４〜７を用いて説明した第１動作及び第２動作を繰り返して、慣性体１０の第１回転軸Ａ１周りの角速度が増大していく様子を示している。同図において実線で示す第１グラフＧ１は、時間に対する慣性体１０の第１回転軸Ａ１周りの角速度の変化を示す。また、破線で示す第２グラフＧ２は、時間に対する慣性体１０の第３回転軸Ａ３周りの歳差角度の変化を示す。また、一点鎖線で示す第３グラフＧ３は、時間に対する慣性体１０の第２回転軸Ａ２周りの角度の変化を示す。
【００４９】
第１案内レール３０及び第２案内レール４０が、時刻Ｔａで傾斜回転Ｒ２を始めると、第３グラフＧ３に示すように、第２回転軸Ａ２周りの角度が増加する。すると、軸１１は第１下側レール３２及び第２上側レール４１に押され、第１回転軸Ａ１周りの角速度と傾斜回転Ｒ２の角速度の積に比例する歳差のジャイロトルクが発生する。その結果、第２グラフＧ２に示すように、慣性体１０は歳差回転Ｒ３を開始し、第３回転軸Ａ３周りの歳差角度が徐々に増大する。また、歳差運動により軸１１と第１下側レール３２及び第２上側レール４１の間に摩擦力が生じてトルクが発生することで、第１グラフＧ１に示すように、慣性体１０の第１回転軸Ａ１周りの角速度も増大する。
【００５０】
次に、第３グラフＧ３に示すように、時刻Ｔｂで第１案内レール３０及び第２案内レール４０の傾斜速度が反転すると、軸１１は第１上側レール３１及び第２下側レール４２と接触する。すると、軸１１は、第１上側レール３１及び第２下側レール４２との間に滑りを生じ、滑りの摩擦力が歳差回転Ｒ３を弱めることとなり、第２グラフＧ２に示すように、第３回転軸Ａ３周りの歳差角度が減少に転じる。また、慣性体１０にはＴａ−Ｔｂ間とは逆向きのジャイロトルクが働くため、これも歳差回転Ｒ３を弱める力となる。この結果、歳差速度は徐々に低下し、やがて逆向きとなる。なお、第１グラフＧ１に示すように、軸１１の滑りによる摩擦力は、第１回転軸Ａ１周りの角速度も低下させる。
【００５１】
時刻Ｔｃで、軸１１の歳差速度と、軸１１の第１回転軸Ａ１周りの接線速度が一致したとする。このとき、軸１１と第１上側レール３１及び第２下側レール４２の摩擦が静止摩擦となり、以後、軸１１は第１上側レール３１及び第２下側レール４２上を滑ることなく転がり、第２グラフＧ２に示すように歳差角度が減少を続ける。また、ジャイロトルクは軸１１の歳差を加速し、第１グラフＧ１に示すように、第１上側レール３１及び第２下側レール４２との間の摩擦力により第１回転軸Ａ１周りの角速度が増大する。
【００５２】
時刻Ｔｄで、第１案内レール３０及び第２案内レール４０の傾斜速度が反転すると、時刻Ｔｂ−Ｔｃ間と同様に、軸１１と第１案内レール３０及び第２案内レール４０の接触が反転し、軸１１と第１案内レール３０及び第２案内レール４０の間に滑りが生じ、歳差と第１回転軸Ａ１周りの角速度が低下する。以後、同様の動きを繰り返すことで、第１回転軸Ａ１周りの角速度が増大していく。
【００５３】
前述のように、第１案内レール３０及び第２案内レール４０を弾性体で覆い、軸１１の先端を弾性体で覆うことで、軸１１と第１案内レール３０及び第２案内レール４０との衝突時の衝撃力を低減できるとともに、摩擦力を増大させて滑りを低減でき、慣性体１０のエネルギー損失を防止して、歳差回転機構１の揺動を慣性体１０の回転に変換する効率の向上を図ることができる。
【００５４】
本実施形態に係る歳差回転機構１によれば、予め低速の回転を与えた慣性体１０の軸１１を、第１案内レール３０及び第２案内レール４０で挟み、慣性体１０を３軸ジンバルで保持することで、歳差回転機構１に与えられる搖動によってジャイロトルクを生じさせ、惹起される歳差運動によって軸１１と第１案内レール３０及び第２案内レール４０との間の偶力を高めるとともに、歳差運動の往復周期を速め、第１回転軸Ａ１周りの角速度を増大させることができる。また、慣性体１０の歳差運動を活用して、軸１１と第１案内レール３０及び第２案内レール４０との接触を歳差往復運動の過程で変化させることで、第１回転軸Ａ１について継続的な一方向の回転を得ることができる。
【００５５】
図９は、本実施形態に係る歳差回転機構１の第３動作を説明する正面図である。第３動作は、軸１１が案内レール台５０に接触して、滑りが生じる動作である。傾斜回転により、軸の一端１１ａが第１下側レール３２に接触すると、第１下側レール３２から軸の一端１１ａにｙ軸方向の力Ｆ１が加えられる。すると、ジャイロ効果により、慣性体１０に対してｚ軸と反対方向の力Ｆ２が加わり、歳差回転を開始する。歳差回転により軸の一端１１ａが移動すると、軸の一端１１ａと第１下側レール３２の摩擦力Ｆ３により、軸の一端１１ａには、第１回転軸Ａ１周りの回転と同じ方向にトルクＦ４が加わる。このトルクＦ４によって、第１回転軸Ａ１周りの回転の角速度が増大する。
【００５６】
しかしながら、軸の一端１１ａが案内レール台５０に接触すると、それ以上の歳差回転ができなくなり、軸１１はジャイロトルクにより案内レール台５０に押し付けられ、軸１１は、第１下側レール３２及び案内レール台５０との間で滑りを起こす。この滑りにより、第１回転軸Ａ１周りの回転の角速度が低下する。
【００５７】
図１０は、本実施形態に係る歳差回転機構１の第３動作における第１回転軸周りの角速度、第３回転軸周りの歳差角度及び第２回転軸周りの角度を示すグラフである。同図では、図９を用いて説明した第３動作が生じた場合に、慣性体１０の第１回転軸Ａ１周りの角速度が増大と減少を繰り返す様子を示している。同図において実線で示す第４グラフＧ４は、時間に対する慣性体１０の第１回転軸Ａ１周りの角速度の変化を示す。また、破線で示す第５グラフＧ５は、時間に対する慣性体１０の第３回転軸Ａ３周りの歳差角度の変化を示す。また、一点鎖線で示す第６グラフＧ６は、時間に対する慣性体１０の第２回転軸Ａ２周りの角度の変化を示す。
【００５８】
時刻Ｔｅで第１案内レール３０及び第２案内レール４０が傾斜回転Ｒ２を始めたとすると、第６グラフＧ６に示すように、第２回転軸Ａ２周りの角度が増加する。すると、軸１１は、第１下側レール３２及び第２上側レール４１に押され、慣性体１０に歳差のジャイロトルクが加わり、第５グラフＧ５に示すように、慣性体１０は歳差回転Ｒ３を開始し、第３回転軸Ａ３周りの歳差角度が徐々に増大する。また、歳差運動により軸１１と第１下側レール３２及び第２上側レール４１の間に摩擦力が生じてトルクが発生することで、第４グラフＧ４に示すように、慣性体１０の第１回転軸Ａ１周りの角速度も増大する。
【００５９】
時刻Ｔｆで軸１１が案内レール台５０に衝突すると、歳差が停止し、第５グラフＧ５に示すように、歳差角度が一定値以上増大しなくなる。また、第４グラフＧ４に示すように、軸１１と第１下側レール３２及び案内レール台５０との間で滑りが生じることで、第１回転軸Ａ１周りの角速度が減速する。
【００６０】
時刻Ｔｇで第１案内レール３０及び第２案内レール４０の傾斜が反転すると、軸１１は第１上側レール３１及び第２下側レール４２と接触し、慣性体１０に対してＴｅ−Ｔｇ間とは逆向きのジャイロトルクが発生し、軸１１は逆向きに歳差運動を始める。すると、第４グラフＧ４及び第５グラフＧ５に示すように、Ｔｅ−Ｔｆ間と同様に、ジャイロトルクによって歳差角度が徐々に減少し、第１回転軸Ａ１周りの角速度が増速される。以下、同様の動作を繰り返す。
【００６１】
図１１は、本実施形態に係る歳差回転機構１が備える捩りバネ６５の拡大図である。図８を用いて説明したように、軸１１の歳差運動の方向が反転する際に軸１１に滑りが生じて摩擦力が発生し、第１回転軸Ａ１周りの角速度が低下してしまう。また、図１０を用いて説明したように、軸１１の歳差角度が大きくなって案内レール台５０に衝突すると、歳差が停止し、軸１１に滑りが生じてしまい、第１回転軸Ａ１周りの角速度が減速してしまう。このような角速度の減速を防ぐためには、歳差運動の方向の反転を促して、図８の時刻Ｔｂ−Ｔｃ間及び図１０の時刻Ｔｆ−Ｔｇ間に生じる軸１１の滑りを低減すればよい。
【００６２】
本実施形態に係る歳差回転機構１は、第３回転軸Ａ３についての第２回転台６０の回転に対して復元力を与える捩りバネ６５を備える。捩りバネ６５は、第２回転台６０と第３回転台７０を連結する軸７２に巻き付けられ、一端が第２回転台６０に固定され、他端が第３回転台７０に固定される。捩りバネ６５を備えることで、歳差回転Ｒ３，Ｒ６に対して復元力が働き、図８の時刻Ｔｂ及びＴｄにおいて歳差運動が反転することを促し、歳差速度を低減し、反転時間を短縮できる。また、図９のように軸１１が案内レール台５０に衝突することを防止し、エネルギーの損失を防ぐことができる。また、ジャイロトルクは第１回転軸Ａ１が第１案内レール３０及び第２案内レール４０と直交するときに最大となり、復元力があればその周辺で慣性体１０が振動するためジャイロトルクが増大する。
【００６３】
図１２は、本実施形態に係る歳差回転機構１が備えるテーパ部材１１ｃの拡大図である。本実施形態に係る歳差回転機構１の軸１１は、端部に向かって細くなるテーパ部材１１ｃを両端部に有する。同図では、一例として第１下側レール３２の上を転がるテーパ部材１１ｃを図示している。軸１１の第１回転軸Ａ１周りにおける回転Ｒ１の角速度は、滑りもあることから一定ではないが、軸１１と第１案内レール３０及び第２案内レール４０との間の速度に大きく依存する。軸１１の半径と第１回転軸Ａ１周りの角速度の積は、第１案内レール３０及び第２案内レール４０に沿った進行速度となる。すなわち、軸１１の第１回転軸Ａ１周りの角速度は、軸１１の進行速度に比例し、軸１１の半径に反比例する。
【００６４】
第１案内レール３０及び第２案内レール４０に沿った軸１１の進行速度は、歳差回転Ｒ３，Ｒ６が０度のときに最大となり、方向転換するときに０となる。ここで、軸１１の端部にテーパ部材１１ｃを設けることで、歳差回転Ｒ３，Ｒ６が反転するときにテーパ部材１１ｃが外側軌跡Ｔ１に沿って第１案内レール３０及び第２案内レール４０と接触し、軸１１の半径が相対的に小さくなり、軸１１の第１回転軸Ａ１周りの角速度が相対的に大きくなることで、角速度の変化が緩やかになる。また、歳差回転Ｒ３，Ｒ６が０度のときにテーパ部材１１ｃが内側軌跡Ｔ２に沿って第１案内レール３０及び第２案内レール４０と接触し、軸１１の半径が相対的に大きくなり、軸１１の第１回転軸Ａ１周りの角速度が相対的に小さくなることで、角速度の変化が緩やかになる。
【００６５】
このように、テーパ部材１１ｃを設けることで、慣性体１０の第１回転軸Ａ１周りの角速度の変化を緩やかにすることができ、歳差運動の反転時間を短縮して、軸１１の滑りにより生じるエネルギー損失を低減することができる。
【００６６】
図１３は、本実施形態に係る発電装置２の正面図である。発電装置２は、歳差回転機構１と、磁石８０と、第１コイル８５及び第２コイル８６とを備える。同図では、ｘ軸の原点を通るｙ−ｚ平面を示しており、慣性体１０の内部に設けられた磁石８０と、第１回転台２０に巻き付けられた第１コイル８５及び第２コイル８６とを示している。磁石８０は、慣性体１０とともに回転運動するように慣性体１０に設けられ、本実施形態では、磁石８０は、２つの円盤状の慣性体１０に挟まれるように配置される。また、本実施形態では、第１コイル８５及び第２コイル８６を第１回転台２０に巻き付けているが、コイルは、第１回転台２０、第２回転台６０及び第３回転台７０の少なくともいずれかに巻き付けられていればよい。
【００６７】
本実施形態に係る発電装置２の歳差回転機構１のうち、第１回転台２０、第２回転台６０、第３回転台７０、第１案内レール３０、第２案内レール４０及び案内レール台５０は、アルミニウムにより形成されてよい。また、慣性体１０は、非磁性安定性の高い素材で形成されてよく、例えばステンレスで形成されてよく、特にＳＵＳ３０４で形成されてよい。磁石８０は、例えばネオジム磁石であってよい。図１３では、磁石８０のＮ極８１から発してＳ極８２に向かう磁力線を破線で示している。
【００６８】
第１コイル８５及び第２コイル８６は、互いに離間して、ｘ−ｚ平面を周回するように第１回転台２０に巻き付けられている。慣性体１０が、第１回転軸Ａ１の周りに回転することで、磁石８０が回転し、第１コイル８５及び第２コイル８６を貫く磁束が変化し、電磁誘導により起電力が生じる。
【００６９】
図１４は、本発明の他の実施形態に係る発電装置２ａの側面図である。また、図１５は、本発明の他の実施形態に係る発電装置２ａの磁石及びコイルの配置図である。発電装置２ａでは、第１磁石８３と第２磁石８４は、慣性体１０の側面に固定され、慣性体１０とともに回転運動する。第１コイル８５と第２コイル８６は、第１磁石８３と第２磁石８４の内側にあり、第１回転台２０の内側に固定されている。第１磁石８３と第２磁石８４は、上下方向に着磁されている。第１コイル８５及び第２コイル８６は上下方向を軸として巻いてある。慣性体１０が第１回転軸Ａ１の周りに回転することで、第１磁石８３と第２磁石８４が回転し、第１コイル８５及び第２コイル８６を貫く磁束が変化し、電磁誘導により起電力が生じる。発電装置２ａによれば、第１回転台の外側にコイルを巻き付ける場合に比べ、コイルと磁石の距離が近接するので、電磁誘導の起電力が増大する。本実施形態に係る発電装置２ａの慣性体１０の第１回転軸Ａ１回りの慣性モーメントを３．８×１０-4ｋｇ・ｍ2とし、平均周波数を４Ｈｚとして、振幅２０°でランダムに加振したところ、３２ｒｐｓで回転し、平均１．６Ｗを発電した。
【００７０】
従来、慣性体からエネルギーを取り出すためには、慣性体の上下運動又は回転運動を利用している。ここで、慣性体の回転運動を発生させるためには、モータ等の動力機関が用いられたり、水力や風力等の環境エネルギーが用いられたりする。
【００７１】
近年、あらゆるものの状態を、ネットワークを介して把握しようとするＩｏＴ環境の構築が進められており、加速度計、温湿度計、照度計、フォトリフレクタ等の各種センサがネットワークに接続されつつある。
【００７２】
これら各種センサを稼働せるためのエネルギーは、多くの場合電池により供給されている。しかし、使用されるセンサの種類・個数が増加するに伴い、電池交換の回数が増大し、電池切れによってセンサ機能が無効となり、システム全体の機能・性能に大きく影響を及ぼすことがある。
【００７３】
一方で、無線技術の進展に伴い、人々が各種センサも含めた情報機器を携行することが可能となっており、ウェアラブルと称される機器が普及してきた。もっとも、ウェアラブル機器においても電池によりエネルギーが供給されており、電池の充電が日常的な行動となっている。充電の煩わしさを回避するため、太陽電池等も導入されてきているが、屋内、カバン内、ポケット内等での使用が困難であるし、収容される場所に制限がある。
【００７４】
本実施形態に係る歳差回転機構１は、人体、車両、浮遊物の動き等のランダムな振動を慣性体１０の第１回転軸Ａ１周りの回転運動に変換することで、エネルギー変換を実現するものである。本実施形態に係る歳差回転機構１によれば、環境に存在するランダムな搖動・振動を慣性体１０の第１回転軸Ａ１周りの回転運動に変換することができる。また、本実施形態に係る発電装置２によれば、そのような回転運動によってワットオーダーの発電を行うことができる。これにより、センサの電源を供給したり、無線通信可能なウェアラブルなＩｏＴデバイスを継続的に稼働させたりすることができる。また、歳差回転機構１によって歳差運動を直線状の構造に収めることにより、携行性を向上させ、人体に装着可能な発電装置２を提供することができる。
【００７５】
本実施形態に係る歳差回転機構１は、人体の動き、空気や水の動き等の環境振動からエネルギーを得て、慣性体１０の第１回転軸Ａ１周りの回転運動を惹起するものであり、風呂場等の水遊びの玩具に利用したり、回転速度を競う玩具に利用したりすることもできる。また、本実施形態に係る発電装置２は、ウェアラブルな発電機として、人体、畜産動物、野生動物、竹林、農産地、ヨットを含む船及び移動車両等に搭載して電源として用いることができる。また、発電装置２によって、電池を不要としてＩｏＴ技術を普及させたり、波の揺動を利用した波力発電を行ったり、風力による揺動運動によって回転プロペラを用いない風力発電を行ったりする等、自然エネルギー発電にまで幅広く利用することができる。
【００７６】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１…歳差回転機構、２，２ａ…発電装置、１０…慣性体、１１…軸、１１ａ…軸の一端、１１ｂ…軸の他端、１１ｃ…テーパ部材、２０…第１回転台、２１…第１軸受、３０…第１案内レール、３１…第１上側レール、３２…第１下側レール、４０…第２案内レール、４１…第２上側レール、４２…第２下側レール、５０…案内レール台、６０…第２回転台、６１…第２軸受、６５…捩りバネ、７０…第３回転台、７１…第３軸受、７２…軸、８０…磁石、８１…Ｎ極、８２…Ｓ極、８３…第１磁石、８４…第２磁石、８５…第１コイル、８６…第２コイル、Ａ１…第１回転軸、Ａ２…第２回転軸、Ａ３…第３回転軸
【図１】
2019146477.tif 000003
【図２】
2019146477.tif 000004
【図３】
2019146477.tif 000005
【図４】
2019146477.tif 000006
【図５】
2019146477.tif 000007
【図６】
2019146477.tif 000008
【図７】
2019146477.tif 000009
【図８】
2019146477.tif 000010
【図９】
2019146477.tif 000011
【図１０】
2019146477.tif 000012
【図１１】
2019146477.tif 000013
【図１２】
2019146477.tif 000014
【図１３】
2019146477.tif 000015
【図１４】
2019146477.tif 000016
【図１５】
2019146477.tif 000017