(57)【要約】【課題】小さい力で力学的エネルギーを蓄積することができる発電装置を提供することにある。【解決手段】レバー１１を複数回往復動作させることで、ラチェットギア４５を少しずつ回転させて、ゼンマイを少しずつ収縮させることができる。こうして、操作者は、力学的エネルギーの蓄積を少しずつ行うことができる。また、ストッパ、一対の送り爪及びラチェットギア４５によりラチェット機構が構成されている。このため、ラチェットギア４５は、ラチェット機構のストッパ４によって、反対方向への回転が規制されている。即ち、力学的エネルギーをゼンマイに蓄積する際、ラチェット機構によってゼンマイの意図しない解放によって力学的エネルギーが減少しないようになっている。【選択図】図４
2007129814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力学的エネルギーを蓄積するとともにそのエネルギーを放出する蓄積手段と、往復動作可能に設けられた入力手段と、前記エネルギーの蓄積時には前記蓄積手段に連係された状態で前記入力手段の一方向の移動に基づいて前記エネルギーを前記蓄積手段に伝達し、当該エネルギーの放出時には前記蓄積手段との連係が解除される伝達機構と、前記蓄積手段により放出された力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電手段とを備えた発電装置であって、
前記伝達機構は、前記蓄積手段に対して力学的エネルギーを蓄積する方向にのみ動作可能とするワンウェイ機構を備え、
前記入力手段を複数回往復動作させることで、前記蓄積手段に予め設定された量の力学的エネルギーを分割して蓄積するようにしたことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電装置において、
前記ワンウェイ機構は、前記入力手段の一方向の移動に基づいて蓄積手段における力学的エネルギーの蓄積方向に回転するラチェットギアと、
当該ラチェットギアの歯に係合して前記ラチェットギアにおける前記蓄積方向と反対方向の回転を規制するストッパとを備えたラチェット機構であることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の発電装置において、
前記伝達機構は、前記蓄積手段の力学的エネルギーの蓄積時において、当該伝達機構と蓄積手段との連係を許容し、蓄積手段の力学的エネルギー放出時において、前記伝達機構と蓄積手段との連係を解除する連係機構を備え、
当該連係機構は、前記蓄積手段に前記予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積されるタイミングで前記伝達機構と前記蓄積手段との連係を解除することを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項３に記載の発電装置において、
前記連係機構は、互いに噛合う第１伝達歯車及び第２伝達歯車を備え、
当該第１伝達歯車は、前記入力手段の往復動作に基づいて回転するとともに、一部に歯の形成されていない切欠部を備え、
前記第２伝達歯車は、前記蓄積手段と連係され、
前記切欠部は、前記蓄積手段に前記予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積されるタイミングで前記第２伝達歯車と離間して、前記第１伝達歯車と第２伝達歯車との連係を解除するようにしたことを特徴とする発電装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のうちいずれか１項に記載の発電装置において、
前記入力手段には、当該入力手段の往復動作を促進させる重り部が設けられていることを特徴とする発電装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のうちいずれか１項に記載の発電装置において、
前記蓄積手段は、渦巻き状に形成されたゼンマイを備え、
前記発電手段は、回転運動を行う回転軸を備えたモータを備え、
前記モータの回転軸と、前記ゼンマイとの間には、当該ゼンマイに蓄積された力学的エネルギーを当該モータの回転軸に機械的に伝達するギア機構が設けられ、
前記ギア機構は、ゼンマイに蓄積された力学的エネルギーを放出する際に当該ゼンマイで発生する摩擦抵抗と、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する際にモータ内で発生する摩擦抵抗とを考慮してギア比を設定したことを特徴とする発電装置。
【請求項７】
請求項５に記載の発電装置において、
前記入力手段は、支点を軸として回動可能に支持されており、
前記重り部は、前記入力手段における支点側と反対側の端部に設けられ、前記支点を軸として当該入力手段とともに振り子運動することを特徴とする発電装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のうちいずれか１項に記載の発電装置と、
前記発電手段によって得られた電気エネルギーを蓄積する充電池とを備えたことを特徴とする充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部からの力学的エネルギーを蓄積し、その力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置及びそれを用いた充電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、災害等の非常時においてラジオ、携帯電話等への電力供給を人の動作をエネルギー源として発電する発電装置が提案されている。
このような発電装置として、例えば特許文献１に示されるように、人の歩行における動作を力学的エネルギーとして用いる力学的エネルギー蓄積式発電装置が知られている。即ち、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、力学的エネルギー蓄積式発電装置（以下、「発電装置１００」という）は、ケース１０１を備えており、ケース１０１からラック１１０の一部が外部に露出されている。ラック１１０の一端は、前記ケース１０１内に配設されたばね１１１によって、常にケース１０１の外側に突出する方向に付勢された状態で支持されている。ラック１１０の一側面には、長手方向に複数の歯が列設されており、歯車機構１３０と噛合している。歯車機構１３０は、第１歯車機構１３１、第２歯車機構１３２及び第３歯車機構１３３を備えており、第１歯車機構１３１が前記ラック１１０と噛合している。第１歯車機構１３１は、第２歯車機構１３２と噛合しており、第２歯車機構１３２は第３歯車機構１３３と噛合している。第３歯車機構１３３の中心には、支軸１３３ａが設けられており、支軸１３３ａは、渦巻き状に形成されたゼンマイ１２０の中央側の端部と一体回転可能に連結されている。ゼンマイ１２０の外側の端部は、ケース１０１の内側壁に固定されている。
【０００３】
また、発電装置１００は発電機１４０と、前記ゼンマイ１２０に蓄えられた力学的エネルギーを同発電機１４０に伝達する伝達機構１５０とを備えている。伝達機構１５０は、前記第３歯車機構１３３と連結する第１伝達歯車機構１５１と、第１伝達歯車機構１５１と連結する第２伝達歯車機構１５２とを備えている。第２伝達歯車機構１５２は、発電歯車１５３を備えており、発電歯車１５３と一体に回転する回転軸１５４が発電機１４０内に支持されている。発電機１４０は、この回転軸１５４の回転力に基づく力学的エネルギーを電力に変換する公知の構成である。発電機１４０によって発電が行われると、発電によって得られたエネルギーは、整流器１４１を介して充電池に送られる。
【０００４】
前述のように構成された発電装置１００は、例えば靴底にラック１１０の一端が突出するように設けられて使用される。
まず、靴が地面に着地したとき、ラック１１０は、下方から力学的エネルギーとして押圧力Ｆが入力される。すると、ラック１１０は、ばね１１１の付勢力に抗して上方に移動する。そして、ラック１１０の移動に伴って第１歯車機構１３１が回転すると、第２歯車機構１３２を介して第３歯車機構１３３が回転する。そして、第３歯車機構１３３の回転に基づいて、ゼンマイ１２０が巻かれて収縮する。この状態において、ゼンマイ１２０に力学的エネルギーが蓄積されている。
【０００５】
次に、靴が地面から離れたとき、ラック１１０への押圧力Ｆが解除され、同ラック１１０は、ばね１１１の弾性力により下方に突出する。すると、第１歯車機構１３１、第２歯車機構１３２及び第３歯車機構１３３は、ゼンマイ１２０に蓄えられた力学的エネルギーの放出に基づいて前記靴が地面に着地したときとはそれぞれ反対に回転する。その際、第１伝達歯車機構１５１及び第２伝達歯車機構１５２も前記ゼンマイ１２０による力学的エネルギーの放出に基づいて回転する。そして、回転軸１５４も回転して発電機１４０による発電が行われる。即ち、発電装置１００は、通常の歩行に基づいて自動的に発電を行い、発電によって得られたエネルギーが整流器１４１によって整流されて充電池に送られる。
【０００６】
このように、１歩１歩の歩行毎にラック１１０が上下動することで発電が繰り返され、使用可能な電気エネルギーを充電池に蓄積することが可能となっている。
【特許文献１】特開２００４−２１１６４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上記のような構成の発電装置１００では、１回のラック１１０の移動に伴う入力でゼンマイ１２０を十分に巻かなければならないために、ラック１１０の移動量を増幅させてゼンマイ１２０に伝達させなければならなかった。このため、ゼンマイ１２０に力学的エネルギーを蓄積するためには、大きな力（押圧力Ｆ）が必要であった。
【０００８】
本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は小さい力で力学的エネルギーを蓄積することができる発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、力学的エネルギーを蓄積するとともにそのエネルギーを放出する蓄積手段と、往復動作可能に設けられた入力手段と、前記エネルギーの蓄積時には前記蓄積手段に連係された状態で前記入力手段の一方向の移動に基づいて前記エネルギーを前記蓄積手段に伝達し、当該エネルギーの放出時には前記蓄積手段との連係が解除される伝達機構と、前記蓄積手段により放出された力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電手段とを備えた発電装置であって、前記伝達機構は、前記蓄積手段に対して力学的エネルギーを蓄積する方向にのみ動作可能とするワンウェイ機構を備え、前記入力手段を複数回往復動作させることで、前記蓄積手段に予め設定された量の力学的エネルギーを分割して蓄積するようにしたことを要旨とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発電装置において、前記ワンウェイ機構は、前記入力手段の一方向の移動に基づいて蓄積手段における力学的エネルギーの蓄積方向に回転するラチェットギアと、当該ラチェットギアの歯に係合して前記ラチェットギアにおける前記蓄積方向と反対方向の回転を規制するストッパとを備えたラチェット機構であることを要旨とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発電装置において、前記伝達機構は、前記蓄積手段の力学的エネルギーの蓄積時において、当該伝達機構と蓄積手段との連係を許容し、蓄積手段の力学的エネルギー放出時において、前記伝達機構と蓄積手段との連係を解除する連係機構を備え、当該連係機構は、前記蓄積手段に前記予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積されるタイミングで前記伝達機構と前記蓄積手段との連係を解除することを要旨とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発電装置において、前記連係機構は、互いに噛合う第１伝達歯車及び第２伝達歯車を備え、当該第１伝達歯車は、前記入力手段の往復動作に基づいて回転するとともに、一部に歯の形成されていない切欠部を備え、前記第２伝達歯車は、前記蓄積手段と連係され、前記切欠部は、前記蓄積手段に前記予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積されるタイミングで前記第２伝達歯車と離間して、前記第１伝達歯車と第２伝達歯車との連係を解除するようにしたことを要旨とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のうちいずれか１項に記載の発電装置において、前記入力手段には、当該入力手段の往復動作を促進させる重り部が設けられていることを要旨とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のうちいずれか１項に記載の発電装置において、前記蓄積手段は、渦巻き状に形成されたゼンマイを備え、前記発電手段は、回転運動を行う回転軸を備えたモータを備え、前記モータの回転軸と、前記ゼンマイとの間には、当該ゼンマイに蓄積された力学的エネルギーを当該モータの回転軸に機械的に伝達するギア機構が設けられ、前記ギア機構は、ゼンマイに蓄積された力学的エネルギーを放出する際に当該ゼンマイで発生する摩擦抵抗と、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する際にモータ内で発生する摩擦抵抗とを考慮してギア比を設定したことを要旨とする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の発電装置において、前記入力手段は、支点を軸として回動可能に支持されており、前記重り部は、前記入力手段における支点側と反対側の端部に設けられ、前記支点を軸として当該入力手段とともに振り子運動することを要旨とする。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項７のうちいずれか１項に記載の発電装置と、前記発電手段によって得られた電気エネルギーを蓄積する充電池とを備えたことを特徴とすることを要旨とする。
【００１７】
（作用）
請求項１に記載の発明の作用によれば、入力手段を複数回操作することによって蓄積手段に予め設定された量の力学的エネルギーを蓄積することができる。その際、蓄積手段が解放して力学的エネルギーが減少しないように、伝達機構がワンウェイ機構によって力学的エネルギーを蓄積する方向にのみ動作可能となっている。即ち、一度に予め設定された量の力学的エネルギーを蓄積する場合に比べて、小さい力で少しずつ力学的エネルギーを蓄積できるようになっている。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて、ワンウェイ機構は、ラチェット機構により構成されており、このラチェット機構のストッパによってラチェットギアが反対方向へ回転することが規制されている。このため、蓄積手段に力学的エネルギーを蓄積するときにおいて、蓄積手段に蓄えられた力学的エネルギーの減少を確実に防止することができる。また、入力手段の操作量を複数のギアを用いて増幅して一回で蓄積手段に力学的エネルギーを蓄積する必要がないため、小さい力で少しずつ力学的エネルギーを蓄積することができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は請求項２に記載の発明の作用に加えて、予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積手段に蓄えられるタイミングで、伝達機構と蓄積手段との連係が解除されて、蓄積手段の力学的エネルギーが自動的に放出される。このため、力学的エネルギーを放出するために蓄積手段の規制を積極的に解除する必要がない。このため、利便性を向上させることができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の作用に加えて、連係機構の第１伝達歯車の一部には、切欠部が形成されている。そして、前記入力手段によって蓄積手段に予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積手段に蓄えられるタイミングで、第１伝達歯車と第２伝達歯車との噛合（連係）が切欠部によって解除される。このため、蓄積手段の力学的エネルギーが予め設定された量に到達すると自動的に放出される。従って、構成を複雑にすることなく蓄積手段に蓄えられた力学的エネルギーを自動的に放出することができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜請求項４のうちいずれか１項に記載の発明の作用に加えて、入力手段の往復動作は重り部によって促進される。このため、入力手段及び重りに加わる力が小さな力であっても力学的エネルギーを蓄積手段に蓄積することができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜請求項５のうちいずれか１項に記載の発明の作用に加えて、ギア機構のギア比が、ゼンマイに蓄積された力学的エネルギーを放出する際に発生する摩擦抵抗と、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する際に発生するモータ内の摩擦抵抗との両摩擦抵抗を考慮して設定されている。このため、力学的エネルギーの損失を考慮した最適なギア比を備えたギア機構を設計する（選択する）ことができる。
【００２３】
請求項７に記載の発明によれば、請求項５に記載の発明の作用に加えて、重り部は、入力手段における支点側と反対側の端部に設けられているため、例えば発電装置に振動や衝撃等の加速度が加わると、支点を軸として入力手段は振り子運動する。このため、この振り子運動に基づいて自動的に力学的エネルギーを蓄積手段に蓄積することができる。
【００２４】
請求項８に記載の発明によれば、請求項１〜請求項７のうちいずれか１項に記載の発電装置により発電された電気エネルギーを充電池に蓄積することができる。従って、予め力学的エネルギーを利用して発電した電気エネルギーをいつでも利用することができる。このため、利便性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、小さい力で力学的エネルギーを蓄積することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の発電装置を、携帯電話及びＰＤＡ等の携帯端末装置の充電池を手動で充電する充電装置に具体化した実施形態を図１〜図９に従って説明する。
＜充電装置１の概要＞
図１に示すように、充電装置１は、ケース２と、ケース２に収容された発電装置１０と、ケース２から引き出されるとともに図示しない携帯端末に電力を供給する際に接続するコネクタ３とを備えている。
【００２７】
＜発電装置１０＞
発電装置１０は、入力手段としてのレバー１１、蓄積手段としてのゼンマイ機構２０、前記レバー１１の移動に基づいて力学的エネルギーを前記ゼンマイ機構２０に伝達する伝達機構４０、ゼンマイ機構２０に蓄えられた力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電手段としての発電機構７０を備えている。
【００２８】
＜レバー１１＞
図２に示すように、レバー１１は、操作者の手により操作可能な把持部１２と、前記伝達機構４０と連結するギア送り部１３とを備えている。ギア送り部１３には、レバー１１の長手方向と平行に１つの貫通孔１４と、２つの挿入孔１５，１５とが列状に配置されている。貫通孔１４及び挿入孔１５，１５は、それぞれ把持部１２側から挿入孔１５、貫通孔１４、挿入孔１５の順に配置されている。また、把持部１２は、ケース２の側面に形成された長孔状のスライド孔２ａから往復動作可能に外部に突出している。
【００２９】
＜伝達機構４０＞
図３に示すように、伝達機構４０は、第１歯車機構４１、第２歯車機構５１及び第３歯車機構６１を備えており、前記レバー１１の操作力が第１歯車機構４１、第２歯車機構５１及び第３歯車機構６１を介してゼンマイ機構２０に伝達される。
【００３０】
＜第１歯車機構４１＞
図２に示すように、第１歯車機構４１は、第１シャフト４２、２本の送りシャフト４３，４３、一対の送り爪４４，４４、ラチェットギア４５及び第１伝達歯車としての切り欠けギア４６を備えている。第１シャフト４２は、前記レバー１１の貫通孔１４を挿通しており、両端がそれぞれケース２に回転可能に支持されている。レバー１１は、第１シャフト４２に対して相対回転可能となっており、図４に矢印Ｘで示す送り方向及び矢印Ｙで示す戻し方向に、同第１シャフト４２を支点として回動する。前記レバー１１の挿入孔１５，１５にはそれぞれ送りシャフト４３，４３の一端が回転可能に支持されている。また、送りシャフト４３，４３の他端には、それぞれ送り爪４４が一体回転可能に支持されている。
【００３１】
図４に併せて示すように、一対の送り爪４４，４４は、それぞれ略三日月状を成しており、爪状に形成された係止部４４ａと、係止部４４ａを支持する支持部４４ｂとを備えている。支持部４４ｂの中心には、円形の貫通孔４４ｃが形成されており、その貫通孔４４ｃには前記送りシャフト４３の他端が貫通支持されている。
【００３２】
ラチェットギア４５は、複数の歯Ｔが形成されたギア部４５ａと、歯Ｔの形成されていない円筒部４５ｂとから形成されている。ギア部４５ａの歯Ｔには、図４に矢印Ｘで示す送り方向に向かって内方に傾斜した傾斜面４５ｉと、ギア部４５ａの接線と直交する向きに形成された規制面４５ｓとが設けられている。また、送り爪４４，４４は、前記係止部４４ａがラチェットギア４５の回転方向（矢印Ｒで示す右方向）に向くように配置されており、図示しないトーションばねによってラチェットギア４５側へ常に付勢されている。ラチェットギア４５の円筒部４５ｂは、ギア部４５ａの上面中央に固定されており、ギア部４５ａと一体に回転する。
【００３３】
ラチェットギア４５の側方には、ストッパ４が前記規制面４５ｓに対して係合するように配設されている。ストッパ４は、前記送り爪４４と同様に三日月状を成しており、ストッパ用シャフト４ａを介してケース２に対して相対回転可能に支持されている。ストッパ４の先端は、図４に矢印Ｒで示す右方向に向いており、ラチェットギア４５の規制面４５ｓに係止することで、同ラチェットギア４５における図４に矢印Ｌで示す左方向への回転が規制される。ストッパ４は、図示しないトーションばねの弾性力により常にラチェットギア４５側に付勢されている。
【００３４】
レバー１１を図４に矢印Ｘで示す送り方向に回動させると、ラチェットギア４５の規制面４５ｓが係止部４４ａによって押圧されることで、同ラチェットギア４５は矢印Ｒで示す右方向に回転する。一方、レバー１１を図４に矢印Ｙで示す戻し方向に回動させると、ラチェットギア４５のギア部４５ａの図４に矢印Ｌで示す左方向への回転が前記ストッパ４によって規制された状態で、送り爪４４が傾斜面４５ｉに沿ってスライド移動する。このため、ラチェットギア４５を回転させることなく、レバー１１を元の位置に復帰させることができる。このレバー１１の往復動作を許容するように、前記スライド孔２ａが形成されている。なお、ストッパ４と、一対の送り爪４４，４４と、ラチェットギア４５とによって、ワンウェイ機構及びラチェット機構は構成されている。
【００３５】
図５に併せて示すように、切り欠けギア４６は、前記円筒部４５ｂの上面に固定されており、ラチェットギア４５と一体に回転する。切り欠けギア４６の外周の一部には、歯の形成されていない切欠部４６ａが形成されている。なお、切欠部４６ａの切欠き角度は、本実施形態において約４５度に設定されている。切り欠けギア４６の歯は、前記第２歯車機構５１の一部と噛合する。即ち、レバー１１の操作力は、ラチェットギア４５及び切り欠けギア４６を介して第２歯車機構５１に力学的エネルギーとして伝達される。
【００３６】
＜第２歯車機構５１＞
図３に示すように、第２歯車機構５１は、第２シャフト５２、中歯車５３及び大歯車５４を備えている。中歯車５３及び大歯車５４は、第２シャフト５２に一体回転可能に固定されており、第２シャフト５２を介してケース２に対して回転可能に支持されている。第２シャフト５２は、前記第１シャフト４２と平行を成しており、中歯車５３及び大歯車５４の中央を挿通している。
【００３７】
図８（ａ）に併せて示すように、中歯車５３は、前記切り欠けギア４６と噛合する。また、図８（ｂ）に併せて示すように、中歯車５３は、前記切り欠けギア４６の切欠部４６ａにおいてその噛合が外れる（接触しない）ようになっている。即ち、中歯車５３は、切り欠けギア４６と噛合した状態において、同切り欠けギア４６とともに回転し、切り欠けギア４６の切欠部４６ａが中歯車５３に到達すると、それらの噛合が解除される。大歯車５４は、前記中歯車５３とともに一体回転するとともに、第３歯車機構６１と噛合する。なお、中歯車５３と切り欠けギア４６とから、連係機構が構成されている。中歯車５３は、第２伝達歯車を構成する。
【００３８】
＜第３歯車機構６１＞
図３に示すように、第３歯車機構６１は、回転軸としての第３シャフト６２、同第３シャフト６２に一体回転可能に固定された小歯車６３を備えている。第３シャフト６２は、一端がケース２の側壁に回転可能に支持されており、他端がゼンマイ機構２０を貫通して発電機構７０に支持されている。小歯車６３は、前記大歯車５４と噛合しており、同大歯車５４の回転に基づいて回転する。
【００３９】
＜ゼンマイ機構２０＞
図３に示すように、ゼンマイ機構２０は、ギアボックス２１を備えており、ギアボックス２１内には、図６（ａ），（ｂ）に示されるゼンマイ２２及びギア機構２３が収容されている。ギアボックス２１は、前記第３シャフト６２によって貫通されている。前記ギア機構２３は、第１ギア２４、第２ギア２５及び第３ギア２６を備えている。第１ギア２４は、第３シャフト６２によってその中央が貫通され、同第３シャフト６２と一体回転可能に固定されている。第２ギア２５は、シャフト２５ａによってギアボックス２１内に回転可能に支持された状態で第１ギア２４と噛合している。第３ギア２６は、ゼンマイ２２の中心に配設された回転シャフト２７によってその中央が貫通され、前記第２ギア２５と噛合している。即ち、小歯車６３を介して第３シャフト６２が回転すると、第１ギア２４、第２ギア２５、第３ギア２６、回転シャフト２７の順に力学的エネルギーが伝達されてそれぞれ回転する。
【００４０】
ゼンマイ２２は、渦巻き状を成しており、ゼンマイ２２の中央に設けられた内端部２２ａは、前記回転シャフト２７の側面に固着されている。また、ゼンマイ２２の外側に設けられた外端部２２ｂは、前記ギアボックス２１の内側壁に固着されている。即ち、ゼンマイ２２は、回転シャフト２７が図６（ａ）に矢印Ａで示す蓄積方向に回転すると、弾性変形しながら収縮する。つまり、回転シャフト２７が図６（ａ）に矢印Ａで示す蓄積方向に回動されると、ゼンマイ２２の内端部２２ａは、同回転シャフト２７に固着されているため、ゼンマイ２２は、同ゼンマイ２２の弾性力に抗して巻き締められる。このため、ゼンマイ２２は、回転シャフト２７の回転に伴って収縮し、元の状態に戻ろうとする復元力、即ち「力学的エネルギー」が蓄積される。
【００４１】
また、図８（ｂ）に示すように、ゼンマイ２２に前記力学的エネルギーが蓄えられた状態で、切り欠けギア４６が中歯車５３に対応する位置まで回転すると、同切り欠けギア４６と中歯車５３との噛合が解除される。すると、回転シャフト２７、ギア機構２３（第１ギア２４、第２ギア２５及び第３ギア２６）、第３シャフト６２及び中歯車５３がゼンマイ２２の力学的エネルギーの放出によって回転する。ゼンマイ２２に蓄積された力学的エネルギーが放出しきると、図６（ｂ）に示される元の状態に復帰する。なお、ゼンマイ２２に蓄積される力学エネルギーの量は、前記携帯電話及びＰＤＡ等の携帯端末装置の充電に必要な電気エネルギーを発生可能な量に予め設定されている。切り欠けギア４６の円周長さ及び切欠部４６ａの切欠き角度は、所定の復元力が得られる程度にゼンマイ２２が巻き締められたときに中歯車５３との噛合が解除されるように、その長さ及び角度が設定されている。
【００４２】
＜発電機構７０＞
図７に示すように、発電機構７０は、ブラシレスモータにより構成されており、固定子７１、コイル７２及び磁石７３を備えている。固定子７１は、ケース２に固定されており、円環状の外枠部７１ａを備えている。外枠部７１ａの内周面には、３つの枝部７１ｂが突設されている。各枝部７１ｂは、外枠部７１ａの周方向において、所定間隔をおいて配置されている。各枝部７１ｂの先端は、円弧状の凹面とされており、各枝部７１ｂの先端面により囲まれることにより円形状の空間（以下、「中空部７４」という）が形成されている。枝部７１ｂには、それぞれコイル７２が巻かれている。
【００４３】
磁石７３は、円筒形状に形成されており、中央には貫通孔７３ａが形成されている。磁石７３の貫通孔７３ａには、前記第３シャフト６２が挿通支持されており、磁石７３は、第３シャフト６２と一体に回転する。磁石７３は、中空部７４に配設され、周方向に対して交互にＮ極、Ｓ極が設けられている。よって、固定子７１には、磁石７３の回転に基づく磁界の変化によって、コイル７２には誘導電流（交流電流）が発生する。コイル７２は、整流器７５に接続されており、前記誘導電流は、この整流器７５によって整流される。整流器７５は、コネクタ３を介して携帯電話の充電池７６と電気的に接続可能とされており、その接続した状態において整流された電気エネルギーが同充電池７６に蓄積される。
【００４４】
＜ギア機構２３のギア比の設定方法＞
次に、上記のような構成のゼンマイ機構２０におけるギア機構２３のギア比の設定方法について説明する。
【００４５】
ギア機構２３のギア比は、ゼンマイ２２の力学的エネルギーの放出時に発生する発電エネルギーＥＥと、ゼンマイ２２の蓄積時における力学的エネルギーＥＭ（正確には弾性エネルギー）とを比較して発電効率を求め、最も発電効率のよい値に設定する。第３シャフト６２における回転角度をθ［ｒａｄ］とすると運動方程式は、下記数式（１）のようになる。
【００４６】
【数１】
2007129814.tif 000003
なお、上記数式（１）において、Ｊは全体の慣性モーメント、Ｄは発電機構７０（モータ）の粘性係数、Ｋはゼンマイ２２のばね定数、Ｎはギア機構２３のギア比、Ｒ１はゼンマイ２２の摩擦係数、Ｒ２は発電機構７０の摩擦係数である。但し、第３シャフト６２は、ゼンマイ２２に電気的エネルギーを蓄積する際において、一方にしか回転しないため、シー≧０、Ｋ＝０となっている。
【００４７】
次に、ゼンマイ２２の巻数をＭ［Ｔｕｒｎ］として、数式（２）で示される初期条件を与え、解θ´を得る。なお、本実施形態において「θ´」は「θ」の一階微分であり、「θ´´」は「θ」の二階微分である。
【００４８】
【数２】
2007129814.tif 000004
発電機構７０の起電力定数ＫＥ、負荷抵抗Ｒ［Ω］を用いると発電エネルギーＥＥは数式（３），（４）によって導き出される。なお、数式（４）のＴは、発電時間である。
【００４９】
【数３】
2007129814.tif 000005
【００５０】
【数４】
2007129814.tif 000006
ゼンマイ２２の力学的エネルギーＥＭを用いると発電効率Ｑは、次の数式（５）のように示される。
【００５１】
【数５】
2007129814.tif 000007
このギア比Ｎと、発電効率Ｑとの関係示す発電効率グラフＰを図９に示す。発電効率グラフＰの縦軸は発電効率Ｑとなっており、横軸は前記ギア機構２３のギア比Ｎとなっている。上記数式（１）〜（５）により、ギア比Ｎに対応する発電効率Ｑを求め、それらをプロットした点を結ぶことにより図９に示される理論曲線Ｃを得ることができる。
【００５２】
なお、θ０、Ｊ、Ｄ、Ｋ、Ｎ、Ｒ１、Ｒ２、ＫＥ、Ｔ、Ｒの値は下記の表１のようになっている。
【００５３】
【表１】
2007129814.tif 000008
また、実際に発電効率を実験によって確認した結果、発電効率Ｑは最大で４７％となり、そのときのギア機構２３のギア比が２２．０５であった。これは、理論曲線Ｃにおけるギア比が２０のときの発電効率４５％に近似する。このため、数式（１）〜（５）を利用することで、ギア機構２３の最適なギア比を容易に計算することができる。なお、本実施形態における発電機構７０はブラシレスモータのため、発電機構７０内におけるブラシと第３シャフト６２（回転軸）との摩擦抵抗における力学的エネルギーの損失がほとんどない。このため数式（１）におけるＲ２（発電機構７０の摩擦係数）を省略して計算してもよい。
【００５４】
＜実施形態の作用＞
次に、上記充電装置１の動作について説明する。なお、充電装置１の切り欠けギア４６の切欠部４６ａは、図８（ｂ）に示すように、中歯車５３と噛合しない状態である。また、コネクタ３は、携帯電話に接続されている。
【００５５】
＜力学的エネルギー蓄積時＞
まず、操作者は、レバー１１を図４に矢印Ｘで示す送り方向に回転する。すると、ラチェットギア４５は、同ラチェットギア４５の歯Ｔが送り爪４４の係止部４４ａに押圧されることより図４に矢印Ｒで示す右方向に回転する。この結果、円筒部４５ｂ及び切り欠けギア４６も一体に図４に矢印Ｒで示す右方向に回転する。そして、レバー１１を図４に矢印Ｙで示す戻し方向に回転して操作前の状態に復帰させる。このとき、ラチェットギア４５は、ストッパ４によって矢印Ｌで示す左方向への回転が規制されるため、レバー１１の回動動作とともに係止部４４ａがラチェットギア４５の歯Ｔの傾斜面４５ｉに沿ってスライド移動する。このため、ラチェットギア４５を回転させることなく、レバー１１を元の位置に復帰させることができる。即ち、レバー１１の往復動作に対して、ラチェットギア４５が矢印Ｒで示す右方向にのみ回転する。
【００５６】
そして、ラチェットギア４５の回転に伴い、切り欠けギア４６が図８（ａ）に矢印Ｒで示す右方向に回転して、切り欠けギア４６の切欠部４６ａも矢印Ｒで示す右方向に回転する。その結果、切り欠けギア４６の回動動作に基づいて、同切り欠けギア４６と噛合した中歯車５３が回転し、第２シャフト５２及び大歯車５４が一体に回転する。そして、大歯車５４の回転によって小歯車６３及び第３シャフト６２が回転して、図６（ａ）に示すように、回転シャフト２７が矢印Ａで示す蓄積方向に回転して、ゼンマイ２２が巻き締められる。このように、ラチェットギア４５における図４に矢印Ｌで示す左方向への回転がストッパ４によって規制されることで第１歯車機構４１及び第２歯車機構５１の回転も規制されるため、ゼンマイ２２の復元力による意図しない力学的エネルギーの放出が抑制される。このため、レバー１１を往復動作させたとしてもゼンマイ２２の力学的エネルギーが減少することなく、同エネルギーを蓄積することができる。
【００５７】
さらに、レバー１１の往復動作を続けることで、切り欠けギア４６が少しずつ回転して、ゼンマイ２２に蓄積される力学的エネルギーも少しずつ増加していく。そして、切り欠けギア４６の切欠部４６ａが中歯車５３の直前で、ゼンマイ２２の収縮及び力学的エネルギーの蓄積量が最大となる。
【００５８】
＜力学的エネルギー放出時＞
レバー１１の往復動作によって、切り欠けギア４６の切欠部４６ａが中歯車５３に到達すると、図８（ｂ）に示すように、切り欠けギア４６と中歯車５３との噛合が解除される。この結果、第３歯車機構６１の回転規制が解除されるため、収縮されたゼンマイ２２の復元力によって回転シャフト２７が図６（ａ）に矢印Ｂで示す放出方向に回転する。即ち、ゼンマイ２２に蓄積された力学的エネルギーが放出される。図７に示すように、回転シャフト２７が回転すると、前記ギア機構２３を介して第３シャフト６２が回転され、同第３シャフト６２の端部に配設された磁石７３も一体に回転する。この磁石７３の回転に伴う磁界の変化に基づいて固定子７１に巻かれたコイル７２の両端に誘導電流が発生する。その誘導電流は、整流器７５によって整流され、コネクタ３を介して電気エネルギーとして携帯電話の充電池７６に蓄積される。このとき、ギア機構２３のギア比が最適なギア比に設定されているため、最も高い発電効率が確保されている。
【００５９】
＜実施形態の効果＞
従って、上記実施形態の充電装置１によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）レバー１１を複数回往復動作させることで、ラチェットギア４５を少しずつ回転させて、ゼンマイ２２を少しずつ収縮させることができる。こうして、操作者は、力学的エネルギーの蓄積を少しずつ行うことができる。このため、レバー１１における一往復の動作に係る力を小さくすることができ、小さい力で力学的エネルギーをゼンマイ２２に蓄積させることができる。
【００６０】
（２）ストッパ４、一対の送り爪４４，４４及びラチェットギア４５によりラチェット機構が構成されている。このため、ラチェットギア４５は、ラチェット機構のストッパ４によって、反対方向（図４に矢印Ｌで示す左方向）への回転が規制されている。即ち、力学的エネルギーをゼンマイ２２に蓄積する際、ラチェット機構によってゼンマイ２２の意図しない解放によって力学的エネルギーが減少しないようになっている。よって、ゼンマイ２２に蓄えられた力学的エネルギーの減少を確実に防止することができる。
【００６１】
（３）切り欠けギア４６の円周長さ及び切欠部４６ａの切欠き角度は、前記ゼンマイ２２に蓄積される力学エネルギーがちょうど必要な電気エネルギーに達した時点で中歯車５３との噛合が解除されるようにその長さ及び角度が設定されている。このため、予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積手段に蓄えられたことを条件にして、切り欠けギア４６と中歯車５３との連係が解除されて、ゼンマイ２２に蓄積された力学的エネルギーが自動的に放出される。このため、力学的エネルギーを放出するためにゼンマイ２２の規制を積極的に解除する必要がない。従って、構成を複雑にすることなくゼンマイ２２に蓄えられた力学的エネルギーを自動的に放出することができる。よって、利便性を向上させることができる。
【００６２】
（４）ギア機構２３のギア比が、ゼンマイ２２に蓄積された力学的エネルギーを放出する際に発生する摩擦抵抗と、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する際に発生する発電機構７０（ブラシレスモータ）内の摩擦抵抗とを考慮して設定されている。このため、力学的エネルギーの損失を考慮した最適のギア比を備えたギア機構２３を設計する（選択する）ことができる。
【００６３】
（他の実施形態）
尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態において、蓄積手段にゼンマイ２２を用いたが、ワイヤ、ゴム、ベルト等の弾性力を有する弾性部材を用いてもよい。
【００６４】
・上記実施形態において、連係機構として切り欠けギア４６及び中歯車５３を用いたが、次のようにしてもよい。例えば、クラッチ機構を用いてもよい。このような構成にした場合、ゼンマイ２２に力学的エネルギーを蓄積する際には、前記クラッチ機構を連結させて伝達機構４０を蓄積方向に回転可能とし、ゼンマイ２２に予め設定された力学的エネルギーが蓄積されたことを条件にして、クラッチ機構を解除して、同力学的エネルギーを放出する。
【００６５】
・切り欠けギア４６の切欠部４６ａは、一つに限定しない。即ち、一つの切り欠けギア４６に複数の切欠部４６ａを形成するようにしてもよい。このような構成にした場合、切り欠けギア４６を一回転させるだけで、複数回力学的エネルギーを放出することができる。
【００６６】
・充電池７６を充電装置１に内蔵してもよい。そして、充電池７６から供給される電力を、コネクタ３を介して外部に供給するようにしてもよい。このような構成にした場合、発電装置１０により発電された電気エネルギーを充電池７６に蓄積することができる。従って、予め力学的エネルギーを利用して得られた電気エネルギーをいつでも利用することができる。このため、利便性を向上させることができる。
【００６７】
・上記実施形態の発電装置１０は、携帯電話のバッテリの充電装置に限定しない。例えば、ラジオ、懐中電灯等に電気エネルギーを供給するようにしてもよい。また、発電装置１０を靴に搭載してもよい。このような構成にした場合、歩行するだけで、自動的に電気エネルギーが充電池７６に蓄積されるため、利便性が向上する。
【００６８】
・上記実施形態では、発電手段としてブラシレスモータの発電機構７０を使用したが、ブラシ付きモータを使用してもよい。このような構成にした場合であっても、ギア機構２３のギア比を数式（１）〜（５）を利用することで最適なギア比を導き出すことができる。なお、この場合、ブラシと整流子（コミュテータ）との接触による摩擦抵抗を考慮する必要があるため、数式（１）におけるモータの摩擦係数Ｒ２を用いることで、より最適なギア比を導き出すことができる。
【００６９】
・図１に二点鎖線で示すように、レバー１１の先端に、重り部１２ａを備えてもよい。重り部１２ａは、略半球状を成しており、レバー１１とともに往復動作する。例えば、靴のかかとの内部に重り部１２ａが下になるように充電装置１を配設する。そして、その靴を履いた状態で歩行すると、歩行の動作に基づいて重り部１２ａが振り子のような動作を行う。このため、手でレバー１１を操作することなく、ゼンマイ２２に力学的エネルギーを蓄積することができる。また、重り部１２ａによりレバー１１の往復動作が促進されるため、少しの充電装置１の動きに対してもレバー１１を往復動作させることができる。また、ワンウェイ機構により小さい力で力学的エネルギーを少しずつゼンマイ２２に蓄積させることができるため、重り部１２ａを極力小さくすることができ、ひいては充電装置１全体を小型化することができる。
【００７０】
・上記実施形態では、入力手段としてのレバー１１を図４に矢印Ｘで示す送り方向に回転する操作に基づいてラチェットギア４５を回転させてゼンマイ２２に力学的エネルギーを蓄積するようにしたが、次のように変更してもよい。図１０に示すようなラック１１０と第１歯車機構１３１とを備えたラックアンドピニオン機構を用いてラチェットギア４５（図１参照）を回転させるようにしてもよい。このような構成にした場合にも、小さい力で力学的エネルギーをゼンマイ２２に蓄積させることができる。また、このラック１１０に重り部１２ａを設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本実施形態における充電装置を示す斜視図。
【図２】発電装置を示す正面図。
【図３】発電装置を示す右側面図。
【図４】ラチェット機構を示す平面図。
【図５】発電装置を示す平面図。
【図６】（ａ）は力学的エネルギー蓄積状態のゼンマイ機構を示す部分断面図、（ｂ）は力学的エネルギー放出後の状態を示す部分断面図。
【図７】発電機構を示す部分断面図。
【図８】（ａ）は連係機構の連係状態を示す部分断面図、（ｂ）は連係機構の解除状態を示す部分断面図。
【図９】発電効率とギア比との関係を示すグラフ。
【図１０】（ａ）は従来の発電装置を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図。
【符号の説明】
【００７２】
１…充電装置、４…ストッパ、１０…発電装置（発電手段）、１１…レバー（入力手段）、１２ａ…重り部、２０…ゼンマイ機構（蓄電手段）、２２…ゼンマイ、２３…ギア機構、４０…伝達機構、４１…第１シャフト（支点）、４４…送り爪（ラチェット機構）、４５…ラチェットギア（ラチェット機構）、４６…切り欠けギア（連係機構及び第１伝達歯車）、４６ａ…切欠部、５３…中歯車（連係機構及び第２伝達歯車）、６２…第３シャフト（回転軸）、７０…発電機構（発電手段及びモータ）、７６…充電池、Ｎ…ギア比、Ｔ…歯、ＥＭ…力学的エネルギー。
【図１】
2007129814.tif 000009
【図２】
2007129814.tif 000010
【図３】
2007129814.tif 000011
【図４】
2007129814.tif 000012
【図５】
2007129814.tif 000013
【図６】
2007129814.tif 000014
【図７】
2007129814.tif 000015
【図８】
2007129814.tif 000016
【図９】
2007129814.tif 000017
【図１０】
2007129814.tif 000018