(57)【要約】【課題】  バネの振動を利用して往復運動を電気エネルギに変換するものであって、その振幅を大きくできる発電機を提供する。【解決手段】  バネと、錘と、トリガーと、固定基部と、伝達部と、コイルを備え、バネの一端に錘を取り付けてあり、バネの他端は所定角度範囲で回動自在に固定基部に取り付けてあり、トリガーは、バネに交差する向きに往復運動する伝達部に固定してあり、バネの回転中心から離隔していて、往復に伴いバネに当接するものであり、バネは、回転中心からトリガーよりも離隔した位置に、トリガーが通り抜ける切除部を形成してあり、錘が磁石からなり、錘の軌道の近傍にコイルを配置してある。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バネと、錘と、トリガーと、固定基部と、伝達部と、コイルを備え、
バネの一端に錘を取り付けてあり、
バネの他端は所定角度範囲で回動自在に固定基部に取り付けてあり、
トリガーは、バネに交差する向きに往復運動する伝達部に固定してあり、バネの回転中心から離隔していて、往復に伴いバネに当接するものであり、
バネは、回転中心からトリガーよりも離隔した位置に、トリガーが通り抜ける切除部を形成してあり、
錘が磁石からなり、錘の軌道の近傍にコイルを配置してあることを特徴とする発電機。
【請求項２】
バネと、錘と、トリガーと、同軸上に位置する出力軸及び入力軸を備え、
バネの一端に錘を取り付けてあり、
バネの他端は一方回転方向にのみ回動自在な出力軸に固定してあり、
トリガーは、他方回転方向に回転する入力軸に固定してあり、回転中心から離隔していて、回転に伴いバネに当接するものであり、
バネは、回転中心からトリガーよりも離隔した位置に、トリガーが通り抜ける切除部を形成してあることを特徴とする増速機。
【請求項３】
請求項２記載の増速機と、コイルを備え、
錘が磁石からなり、錘の軌道の近傍にコイルを配置してあることを特徴とする発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復運動や回転運動を電気エネルギに変換する発電機および回転運動を増速する増速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に示すように、片持ちバネの先端に磁石を取り付け、磁石に対向してコイルを設けてあり、バネの振動に伴い磁石がコイルの近傍を通過することで、電磁誘導により発電が行われる発電機が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００９−５０４９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような発電機は、構造上、バネの振幅が小さく、振幅がコイルの大きさ以下になるとコイル内の磁界変化が小さくなり、発電量が低下してしまう点が問題であった。
【０００５】
本発明は、上記事情を鑑みたものであり、バネの振動を利用して往復運動を電気エネルギに変換するものであって、その振幅を大きくできる発電機ならびに同様の構成によって回転運動を増速する増速機およびこの増速機を用いた発電機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】
【０００６】
本発明のうち請求項１の発明は、バネと、錘と、トリガーと、固定基部と、伝達部と、コイルを備え、バネの一端に錘を取り付けてあり、バネの他端は所定角度範囲で回動自在に固定基部に取り付けてあり、トリガーは、バネに交差する向きに往復運動する伝達部に固定してあり、バネの回転中心から離隔していて、往復に伴いバネに当接するものであり、バネは、回転中心からトリガーよりも離隔した位置に、トリガーが通り抜ける切除部を形成してあり、錘が磁石からなり、錘の軌道の近傍にコイルを配置してあることを特徴とする。
【０００７】
本発明のうち請求項２の発明は、バネと、錘と、トリガーと、同軸上に位置する出力軸及び入力軸を備え、バネの一端に錘を取り付けてあり、バネの他端は一方回転方向にのみ回動自在な出力軸に固定してあり、トリガーは、他方回転方向に回転する入力軸に固定してあり、回転中心から離隔していて、回転に伴いバネに当接するものであり、バネは、回転中心からトリガーよりも離隔した位置に、トリガーが通り抜ける切除部を形成してあることを特徴とする。
【０００８】
本発明のうち請求項３の発明は、請求項２記載の増速機と、コイルを備え、錘が磁石からなり、錘の軌道の近傍にコイルを配置してあることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のうち請求項１の発明によれば、往復運動する伝達部に設けたトリガーがバネに当接してバネを変形させ、ある程度以上変形させると、トリガーが切除部を通り抜ける。すると、バネに蓄えられた弾性エネルギによって、バネが振動する。この際、バネの他端を所定角度範囲で回動自在に取り付けてあり、バネはその角度範囲内で振動するので、振幅が大きくなり、発電量を大きくすることができる。
【００１０】
本発明のうち請求項２の発明によれば、他方回転方向に回転する入力軸に設けたトリガーがバネに当接してバネを変形させ、ある程度以上変形させると、トリガーが切除部を通り抜ける。すると、バネに蓄えられた弾性エネルギによって、出力軸が一方回転方向に回転する。この際、入力軸の運動エネルギをバネに蓄えてそれを一度に放出するので、回転速度を増速できる。そして、請求項３の発明のように磁石とコイルを配置することで、この増速機を発電機として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第一実施形態（発電機）の模式図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は第一実施形態のバネ部分の動作を示す説明図。
【図３】第一実施形態における発電の電圧変化を示すグラフであり、（ａ）はバネが短い場合、（ｂ）はバネが長い場合。
【図４】第一実施形態における発電の電圧変化を示すグラフであり、（ａ）はバネ端部を固定支持した場合、（ｂ）はバネ端部を可動支持した場合。
【図５】本発明の第二実施形態（増速機）の説明図。
【図６】（ａ）は図５のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図５のＢ−Ｂ線断面図。
【図７】（ａ）〜（ｆ）は第二実施形態のバネ部分の動作を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の発電機および増速機の具体的な構成について、各図面に基づいて説明する。図１に示す第一実施形態は、往復運動を電気エネルギに変換する発電機である。この発電機は、たとえば海岸に設置するものであり、堤防などからなる固定基部４と、バネ１と、錘２と、トリガー３と、伝達部５と、コイル６を備える。バネ１は、矩形の板バネからなるものであり、その一端（一辺）に、磁石からなる略直方体形の錘２を取り付けてある。一方、バネ１の他端（錘２を取り付けた辺に対向する辺）には、略直方体形の支持部１２を取り付けてある。そして、固定基部４の側面には、水平方向に向けて延びる断面略コ字形の溝部４１を形成してあり、支持部１２を溝部４１内に納めてあって、支持部１２を固定基部４に対して、支持部１２を取り付けた辺に平行な軸（水平方向軸）周りに回動自在に取り付けてある。支持部１２は、溝部４１の側壁面（上下壁面）に当接する角度範囲で回動できる。また、バネ１の下側には、伝達部５を設けてある。伝達部５は、上下に延びる丸棒からなり、上端が直角に屈曲していて、当該屈曲部分がトリガー３となっている。なお、伝達部５はバネ１の真下からずれた位置にあり、トリガー３のみがバネ１の真下に位置している。一方、伝達部５の下端には、フロート５１を取り付けてあり、フロート５１は水面上に浮かんでいる。そして、固定基部４の、バネ１の下側位置から、ガイド部５２が突出している。ガイド部５２には上下に貫通する孔を形成してあり、この孔に伝達部５を通してあって、伝達部５が上下動自在に支持されている。このように構成した伝達部５およびトリガー３は、波力により上下方向、すなわちバネ１に交差する向きに往復運動し、往復に伴って、トリガー３が、バネ１の回転中心から離隔した位置に当接する。また、バネ１の回転軸に直交する一辺には、コ字形に切り欠いた切除部１１を形成してある。切除部１１は、トリガー３が当接する位置よりも、バネ１の回転中心からより離隔した位置に設けてあり、トリガー３が通り抜けられる大きさである。さらに、バネ１が回動した際の錘２の軌道の近傍に、コイル６を設けてある。コイル６は、固定基部４またはその他の固定部に動かないように取り付けてあり（取付部は図示省略）、発電用の回路６１を接続してある。
【００１３】
次に、図２に基づき、この発電機の動作について説明する。上記のとおり、発電機の伝達部５がフロート５１によって水面上に浮かんでおり、波力によって上下に往復運動する。ここでは、伝達部５が下から上に向かって動く場合の挙動を説明する。まず、図２（ａ）に示すように、伝達部５が上昇することで、伝達部５の上端に設けたトリガー３が、バネ１の下面に当接する。そのまま伝達部５はさらに上昇し、支持部１２を回転させながらバネ１を持ち上げる。支持部１２が固定基部４の溝部４１の上壁面に当接すると、それ以上回転できなくなり、図２（ｂ）に示すように、トリガー３がバネ１を下側に凸となる形状に変形させる。そして、この過程において、トリガー３のバネ１に対する接触位置は、最初の接触位置から先端側（錘２を取り付けた側）に移動していき、ある時点において、トリガー３が切除部１１に到達してバネ１を通り抜ける。すると、変形によりバネ１に蓄積された弾性エネルギが解放され、図２（ｃ）に示すように、バネ１は上下に振動する。この際、支持部１２が溝部４１の上下壁面に当接すると、錘２の慣性によりバネ１が変形して弾性エネルギが蓄積され、その後、錘２は反対方向に移動する。これを繰り返すので、バネ１は大きな振幅で振動する。なお、伝達部５の水平方向位置はバネ１とずれているので、トリガー３がバネ１よりも上側に位置している間は、伝達部５がバネ１の振動の妨げになることはない。そして、バネ１の振動に伴って、磁石からなる錘２がコイル６の近傍を通過し、電磁誘導により発電が行われる。その後、伝達部５が下降すると、トリガー３がバネ１の上面に当接し、上記の場合とは上下逆向きに動作して、またバネ１が振動し、これを繰り返す。
【００１４】
このように構成した発電機（本発明の第一実施形態）は、バネ１の端部を、支持部１２が溝部４１の上下壁面に当接する角度範囲で回動自在に取り付けてあり、バネ１はその角度範囲内で振動するので、コイル６の大きさよりも振幅が大きくなり、発電量を大きくすることができる。そして、端部を回動自在にして可動領域を大きくした分、バネの長さを短くして全体をコンパクトにすることもできる。また、風力や波力などの周期が長い（速度が遅い）振動をエネルギ源とする場合であっても、バネ１にエネルギを蓄積し、それを一度に放出することで、増速機などを用いることなく、高速で磁石を移動させて、発電効率を高めることができる。なお、伝達部の往復運動の速度が速くなると、発電が行われる時間間隔が短くなり、時間平均の発電量は大きくなるが、起電力の最大値は、バネ１のバネ定数などにより定まり、速度やトルクで変わることがないので、電子部品へ過剰な負荷をかけることはない。さらに、この発電機は小型化や軽量化が可能であり、様々な場所での電力供給が可能となる。また、この発電機は構造が非常に単純であり、メンテナンスが容易である。
【００１５】
ここで、この発電機の性能を確認するための実験の結果を示す。まず、第一の実験は、バネの端部（錘を取り付けた側の反対側）を回動自在に支持（可動支持）した場合と、固定支持した場合を、バネの長さを変えて比較した。なお、実験は、バネの変形量が同じ状態で行った。図３はその結果を示すグラフであり、図３（ａ）は、バネの長さが９０ｍｍの場合、図３（ｂ）は、バネの長さが３００ｍｍの場合であって、横軸に時間［ｓ］、縦軸に電圧［Ｖ］をとったものである。両グラフからわかるように、バネを回動自在に支持することで、コイルに発生する電圧値が大きくなっている。これは、磁石の移動速度がより高速になったためである。また、振動数は低くなっている。そして、バネが長くなり、バネ定数が小さくなるほど、電圧値は大きくなっている。さらに、磁石のコイル近傍の通過回数に対する電圧値の減衰割合は変わらないと考えられる。以上により、バネを回動自在に支持することで、磁石の移動速度が高速になり、発生電圧を高くできることが確認された。
【００１６】
次に、第二の実験は、錘の軌道の近傍に三つのコイルを配置した装置を用いて、バネの端部（錘を取り付けた側の反対側）を回動自在に支持した場合と、固定支持した場合とで、発電量を比較した。なお、コイルは振幅の中央付近とその両側に配置してあり、それぞれ中央コイル、側部コイルＡ，Ｂとする。まず、図４は電圧の測定結果を示すグラフであり、図４（ａ）は、バネの端部を固定支持した場合、図４（ｂ）は、バネの端部を回動自在に支持した場合であって、横軸に時間［ｓ］、縦軸に電圧［Ｖ］をとったものである。両グラフから、各コイルにおいて発電が行われており、バネを回動自在に支持した場合の方が、電圧値が大きく、振動数が低いことがわかる。そして、発電量は、（電圧）＾２／（抵抗）より電力を求め、（電力量）×（計測間隔時間）で振動している時間の計測データを加算して求めた。表１は、バネの変形量（たわみ量）を三段階に変えて実験を行った結果を示したものである。何れの場合も、バネを回動自在に支持（可動支持）した場合の発電量が、固定支持した場合の発電量よりも大きくなっており、平均で１．６倍程度となっている。以上により、バネを回動自在に支持することで、発電量を大きくできることが確認された。
【表１】
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【００１７】
続いて、本発明の第二実施形態について説明する。図５に示す第二実施形態は、回転運動を増速する増速機である。この増速機は、バネ１と、錘２と、トリガー３と、同軸上に位置する出力軸７及び入力軸８を備える。バネ１は、矩形の板バネからなるものであり、その一端（一辺）に、略直方体形の錘２を取り付けてある。一方、バネ１の他端（錘２を取り付けた辺に対向する辺）は、出力軸７に固定してある。出力軸７には、図６（ａ）に示すように、歯が傾いた歯車７１を外挿して取り付けてあり、歯車７１の下側の設置面には薄板状の歯止板７２を設けてある。歯止板７２の上端は歯車７１の歯に係合していて、ラチェット構造を形成しており、出力軸７が一方回転方向（図６（ａ）において時計回り方向）にのみ回動自在となっている。また、入力軸８は、他方回転方向（出力軸７の回転方向の逆方向）に回転するものであって、端部に椀形のカップリング８１を取り付けてあり、出力軸７の端部がカップリング８１内に納まっていて、軸受８２を介してカップリング８１が出力軸７の端部を支持している。そして、図５および図６（ｂ）に示すように、カップリング８１の出力軸７側面には、出力軸７および入力軸８と平行な丸棒状のトリガー３を設けてある。トリガー３は、出力軸７および入力軸８の回転中心からは離隔しており、入力軸８の回転に伴って、バネ１に当接する。また、バネ１は先端部の入力軸８側を切除して細くしてある（切除部分を切除部１１とする）。切除部１１は、トリガー３が当接する位置よりも、回転中心からより離隔した位置に設けてあり、トリガー３が通り抜けられる形状である。
【００１８】
次に、図７に基づき、この増速機の動作について説明する。上記のとおり、増速機の出力軸７は一方回転方向（図７において時計回り方向）にのみ回動自在となっており、入力軸８は他方回転方向（図７において反時計回り方向）に回転する。まず、入力軸８が反時計回りに回転すると、それに伴ってトリガー３が移動し（図７（ａ））、ある時点においてトリガー３がバネ１に当接する。バネ１を固定した出力軸７は、反時計回りには回転しないので、トリガー３がバネ１を変形させる（図７（ｂ））。そして、この過程において、トリガー３のバネ１に対する接触位置は、最初の接触位置から先端側（錘２を取り付けた側）に移動していき、ある時点において、トリガー３が切除部１１に到達してバネ１を通り抜ける。すると、変形によりバネ１に蓄積された弾性エネルギが解放され、錘２が移動するのに伴って出力軸７が時計回りに回転する（図７（ｃ））。その後、出力軸７と入力軸８は互いに逆方向に回転し、再びトリガー３がバネ１に当接し（図７（ｄ））、バネ１を変形させ（図７（ｅ））、ある時点においてトリガー３が切除部１１に到達してバネ１を通り抜け、弾性エネルギが解放されて出力軸７が時計回りに回転し（図７（ｆ））、これを繰り返す。
【００１９】
このように構成した増速機（本発明の第二実施形態）は、バネ１の端部を、一方回転方向にのみ回転する出力軸７に固定したことにより、バネ１にエネルギを蓄積し、それを一度に放出して、回転速度を増速することができる。増速率は、バネ１のバネ定数と錘２の質量により定まるものであり、発電量などを考慮して適宜設定すればよい。また、この増速機は構造が非常に単純であり、メンテナンスが容易である。
【００２０】
なお、このように構成した増速機において、錘を磁石からなるものとし、さらに錘の軌道の近傍にコイルを配置することで、電磁誘導により発電を行う発電機として用いることができる。上記のとおり、入力軸の回転速度が増速されて、錘が高速で移動するので、発電量を大きくすることができる。なお、入力軸の回転速度が速くなると、発電が行われる時間間隔が短くなり、時間平均の発電量は大きくなるが、起電力の最大値は、バネのバネ定数などにより定まり、速度やトルクで変わることがないので、電子部品へ過剰な負荷をかけることはない。また、出力軸の回転速度は一定ではなく、間欠的な発電となるが、コンデンサなどにより整流するので問題ない。さらに、この発電機は小型化や軽量化が可能であり、様々な場所での電力供給が可能となる。
【００２１】
本発明は、上記の実施形態に限定されない。たとえば、バネは板バネ以外の種類のバネであってもよく、バネに当接するトリガーやトリガーが通り抜ける切除部の形状はどのようなものであってもよい。また、発電機として用いる際には、バネの大きさやバネ定数およびバネの変形量に応じて、コイルの大きさや数を適宜設定して最適化を行うことができる。さらに、錘として磁石の代わりに電磁石を用いることもできる。また、第二実施形態の増速機の出力軸に、別途発電機を接続して発電を行ってもよい。
【符号の説明】
【００２２】
１  バネ
２  錘
３  トリガー
４  固定基部
５  伝達部
６  コイル
７  出力軸
８  入力軸
１１  切除部
【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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