(57)【要約】【課題】高効率の振動エネルギー変換発電システムを提供する。【解決手段】本発明は、振動エネルギーを回転エネルギーに変換する振動収穫機構、回転エネルギーを一方向の回転力へ整列する一方向回転整列機構、逆回転を防止するラッチ機構、整列された回転力による回転速度を減速する第１の変速機構、変換された回転力を第１の変速機構を通して回転エネルギーとして蓄える蓄力機構、蓄力機構に蓄えられた回転エネルギーによる回転速度を増速する第２の変速機構、第２の変速機構により増速された回転速度から発電する発電機構を含む振動エネルギー変換発電機構である。振動収穫機構は、振動を受けて中心軸部の周りを回転するロータ、ロータの中心軸部に連結した自在継手および自在継手の出力軸を含み、出力軸方向の力に対して自在継手が回転して、ロータの回転に活用する機構を有する。【選択図】図１
2012198203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動エネルギーを回転エネルギーに変換する振動収穫機構、前記回転エネルギーを一方向の回転力へ整列する一方向回転整列機構、前記整列された回転力による回転速度を減速する第１の変速機構、変換された前記回転力を第１の変速機構を通して回転エネルギーとして蓄える蓄力機構、前記蓄力機構に蓄えられた回転エネルギーによる回転速度を増速する第２の変速機構、前記第２の変速機構により増速された回転速度から発電する発電機構を含むことを特徴とする振動エネルギー変換発電機構。
【請求項２】
前記一方向回転整列機構と前記第１の変速機構の間に、前記回転方向の逆回転を防止するラッチ機構をさらに含むことを特徴とする振動エネルギー変換発電機構。
【請求項３】
前記ラッチ機構は配向性を有する微細毛を側面に用いた回転円板体を使用していることを特徴とする、請求項１または２に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項４】
前記第１の変速機構に手巻き機構が付随していることを特徴とする、請求項１または２に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項５】
前記第１の変速機構における減速比は１／５であり、および／または第２の変速機構における増速比は５であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかの項に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項６】
前記第２の変速機構にさらに変速制御機構が付加されるとともにゼンマイが完全巻き上げ状態であることを検出してゼンマイを自力解放する機構が付加されており、および／または前記振動エネルギー変換発電機構に充放電制御回路を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかの項に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項７】
前記充放電制御回路において充放電の状況を監視しながら、前記変速制御機構によりゼンマイを断続的に解放することを特徴とする、請求項６に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項８】
前記第１の変速機構および／または前記第２の変速機構に配向性を有する微細毛を側面に用いた回転円板体を使用していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかの項に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項９】
振動を受けて中心軸部の周りを回転するロータと、ロータの中心軸部に連結した自在継手と、自在継手の出力軸に連結したエネルギー蓄積部とを備え、自在継手はその出力軸に対して互いに軸線が交差するロータ側軸を備え、ロータ側軸の回転により出力軸が回転してロータの運動エネルギーをエネルギー蓄積部に伝達することを特徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項１０】
振動を受けて中心軸部の周りを回転するロータと、ロータの中心軸部に連結した自在継手と、自在継手の出力軸に連結したエネルギー蓄積部とを備え、自在継手はその出力軸に対して互いに軸線が交差するロータ側軸を備え、ロータ側軸の回転により出力軸が回転してロータの運動エネルギーをエネルギー蓄積部に伝達することを特徴とする振動エネルギー変換発電機構。
【請求項１１】
前記ロータは中心軸部に孔が形成してあり、前記自在継手は、ロータの中心軸部の孔内に配置してあり、球体と球体の半分以上を囲み内面が球面の一部を形成している受部とを備え、ロータ側軸はその軸線が球体の中心を通り球体から突出する一方及び他方の軸部を有し、一方及び他方のロータ側軸部はロータの回転面の面内方向でロータの中心軸部に取付けてあることを特徴とする請求項９または１０に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項１２】
前記自在継手の出力軸方向と垂直面内方向の力に対して、前記ロータは当該垂直面内方向に回転可能であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかの項に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項１３】
前記自在継手の出力軸方向の力に対して、前記ロータは自在継手と一体で出力軸方向に回転可能であるとともに、出力軸方向と垂直面内方向においても前記ロータは回転可能であることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかの項に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項１４】
前記ロータは、前記ロータの軸受枠部およびロータ錘部の間に可倒部が存在する可倒構造となっており、前記自在継手の出力軸方向の力に対して、前記ロータのロータ錘部側は前記可倒部を中心として回転可能であり、前記自在継手の出力軸方向の力を受けたとき、前記可倒構造によって前記ロータの出力軸方向と垂直面内方向における回転を抑制する作用を軽減できることを特徴とする請求項９〜１３のいずれかの項に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項１５】
前記自在継手の出力軸方向の力に対して、前記ロータのロータ錘部の動作を制限する制限機構が前記ロータのロータ錘部の出力軸方向の両外側に備わっていることを特徴とする請求項９〜１４のいずれかの項に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項１６】
前記ロータのロータ錘部の外周が略Ｕ字状に形成され、前記Ｕ字状の空間に前記自在継手の出力軸方向の力に対して、前記ロータのロータ錘部の動作を制限する制限機構が備わっていることを特徴とする請求項９〜１４のいずれかの項に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項１７】
前記制限機構にベアリング付設され、前記自在継手の出力軸方向の力に対して前記ロータが動作したときに前記ロータ錘部が前記ベアリングに当たるとともにベアリングが回転して、前記ロータを前記ロータの出力軸方向と垂直面内方向へ回転させることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項１８】
前記エネルギー蓄積部は、前記自在継手の出力軸の回転により巻き締めるぜんまいと、前記ぜんまいの開放により回転する回転用フレームと、前記回転用フレームに固定されたマグネットと、前記マグネットに対向するコイルと、前記コイルに生じた電流を蓄電する蓄電部とを備えることを特徴とする請求項９〜１７のいずれかの項に記載の振動エネルギー変換発電機構。
【請求項１９】
請求項９〜１８のいずれかの項に記載の振動エネルギー変換発電機構を備え、携帯しているときの振動を受けてロータが回転することを特徴とする携帯機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動エネルギーを、効率的に力学的エネルギーを経由して電気エネルギーに変換する振動エネルギー変換発電システム、特に振動エネルギー変換・伝達装置およびそれを用いた携帯機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間は日常活動をしながらも常に情報を得る手段を追求している。たとえば、腕時計、携帯電話、携帯ラジオ、携帯用小型カメラ、携帯ラジオ等種々の携帯機器を身につけている。これらの携帯機器の動力源は電気エネルギーであるため、これらのウエアラブルな装置に通常は乾電池や蓄電池等の小型バッテリーを装着しているが、バッテリーを付加した分装置が重くなるという問題の他に、使用中にエネルギーがなくなる（電池切れ）という問題が発生する。しかし、人間は常に活動しているから、人間の運動からエネルギーを電気エネルギーとして取り出すことができれば、ウエアラブルな装置は電池等の補充なく半永久的に動作する。
【０００３】
人間の運動エネルギーの中で振動エネルギーは最も一般的で身近なエネルギーである。振動エネルギーを回転エネルギーに変換する方法は、たとえば自動巻腕時計では古くから使用されている。近年はさらにこれを電気エネルギーに変換する方式も種々提案されている。たとえば、特許文献１には、腕時計等の携帯機器に設けられて、携帯時の振動を受けてロータが回転し、ロータの回転を出力軸から取り出して、出力軸に連結したマグネットを回転させ、ステータに設けた発電用コイルで生じる電流を蓄電（蓄力）することが開示されている。特許文献１では、ロータと出力軸との連結はロータの回転軸に出力軸を同軸に固定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２５７９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の技術では、振動がロータの回転面（Ｘ−Ｚ方向）の方向の場合には出力軸は振動エネルギーを有効に取出すことができるが、ロータの回転面（Ｘ−Ｚ方向）と直交する成分（Ｙ方向）の振動成分は、出力軸の軸線方向の力であるから、出力軸の回転に寄与できないとう不都合がある。更に、Ｙ方向の振動成分は出力軸を軸線方向に押し付ける力を付与することになり、出力軸の回転を阻害するという不都合がある。一方、携帯機器が受ける振動は、Ｘ−Ｚ方向の二次元に限らず、Ｙ方向を加えた３次元方向の振動を受けることになるから、上述したようにＹ方向の振動成分が蓄力に寄与できないので蓄力効率が低いという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、人間の活動をベースとした振動エネルギーを回転エネルギーに変換し、さらには電気エネルギーとして発電する新しいシステムを提供することを目的とし、特に振動エネルギーを蓄力する蓄力効率を高めることができる蓄力装置及び携帯機器の提供を目的とするものであり、以下の特徴を有する。
（１）本発明は、振動エネルギーを回転エネルギーに変換する振動収穫機構、回転エネルギーを一方向の回転力へ整列する一方向回転整列機構、（オプションとして、回転方向の逆回転を防止するラッチ機構）、整列された回転力による回転速度を減速する第１の変速機構、変換された回転力を第１の変速機構を通して回転エネルギーとして蓄える蓄力機構、蓄力機構に蓄えられた回転エネルギーによる回転速度を増速する第２の変速機構、第２の変速機構により増速された回転速度から発電する発電機構を含むことを特徴とする振動エネルギー変換発電機構である。
【０００７】
（２）本発明は、上記に加えて、ラッチ機構は配向性を有する微細毛を側面に用いた回転円板体を使用していることを特徴とし、また第１の変速機構に手巻き機構が付随していること、さらに、第１の変速機構における減速比は１／５であり、および／または第２の変速機構における増速比は５であることを特徴とする。
（３）本発明は、上記に加えて、第２の変速機構にさらに変速制御機構が付加されるとともにゼンマイが完全巻き上げ状態であることを検出してゼンマイを自力解放する機構が付加されており、および／または振動変換発電機構に充放電制御回路を含むことを特徴とする。
（４）本発明は、上記に加えて、充放電制御回路において充放電の状況を監視しながら、変速制御機構によりゼンマイを断続的に解放でき、さらに、第１の変速機構および／または第２の変速機構に配向性を有する微細毛を側面に用いた回転円板体を使用していることを特徴とする。
【０００８】
（５）本発明は、上記に加えて、あるいは独立に、振動を受けて中心軸部の周りを回転するロータと、ロータの中心軸部に連結した自在継手と、自在継手の出力軸に連結したエネルギー蓄積部とを備え、自在継手はその出力軸に対して互いに軸線が交差するロータ側軸を備え、ロータ側軸の回転により出力軸が回転してロータの運動エネルギーをエネルギー蓄積部に伝達することを特徴とする振動エネルギー変換発電機構である。
（６）本発明は、上記に加えて、ロータは中心軸部に孔が形成してあり、自在継手は、ロータの中心軸部の孔内に配置してあり、球体と球体の半分以上を囲み内面が球面の一部を形成している受部とを備え、ロータ側軸はその軸線が球体の中心を通り球体から突出する一方及び他方の軸部を有し、一方及び他方のロータ側軸部はロータの回転面の面内方向でロータの中心軸部に取付けてあることを特徴とする。
【０００９】
（７）本発明は、上記に加えて、自在継手の出力軸方向と垂直面内方向の力に対して、ロータは当該垂直面内方向に回転可能であり、自在継手の出力軸方向の力に対して、ロータは自在継手と一体で出力軸方向に回転可能であるとともに、出力軸方向と垂直面内方向においてもロータは回転可能であることを特徴とする。
（８）本発明は、上記に加えて、ロータは、ロータの軸受枠部およびロータ錘部の間に可倒部が存在する可倒構造となっており、自在継手の出力軸方向の力に対して、ロータのロータ錘部側は可倒部を中心として回転可能であり、自在継手の出力軸方向の力を受けたとき、可倒構造によってロータの出力軸方向と垂直面内方向における回転を抑制する作用を軽減できることを特徴とする。
（９）本発明は、上記に加えて、自在継手の出力軸方向の力に対して、ロータのロータ錘部の動作を制限する制限機構がロータのロータ錘部の出力軸方向の両外側に備わっており、あるいは、ロータのロータ錘部の外周が略Ｕ字状に形成され、Ｕ字状の空間に自在継手の出力軸方向の力に対して、ロータのロータ錘部の動作を制限する制限機構が備わっていることを特徴とする。
【００１０】
（１０）本発明は、上記に加えて、制限機構にベアリング付設され、自在継手の出力軸方向の力に対してロータが動作したときにロータ錘部がベアリングに当たるとともにベアリングが回転して、ロータをロータの出力軸方向と垂直面内方向へ回転させることを特徴とする。
（１１）本発明は、上記に加えて、エネルギー蓄積部は、自在継手の出力軸の回転により巻き締めるぜんまいと、ぜんまいの開放により回転する回転用フレームと、回転用フレームに固定されたマグネットと、マグネットに対向するコイルと、コイルに生じた電流を蓄電する蓄電部とを備えることを特徴とする。
（１２）本発明は、上記の振動変換発電機構を備え、携帯しているときの振動を受けてロータが回転することを特徴とする携帯機器である。携帯機器とは、たとえば、腕時計、携帯電話、モバイル端末、レコーダ、音楽再生機、電子書籍、ゲーム機器、携帯パソコン等をいう。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の振動エネルギー変換発電機構は、人間の運動の１つである振動エネルギーを回転エネルギーに変換し、さらにその回転エネルギーを電気エネルギーに変換する振動エネルギー変換発電システムである。小さな振動でも効率的に回転エネルギーに変換する。さらに、その回転エネルギーを蓄力した後電気エネルギーに変換するので、回転エネルギーが小さくても十分な発電をすることができ、振動エネルギーを効率良く回転エネルギーに変換することができるとともに、安定した発電量を得ることができる。また、回転エネルギーが小さい場合でも第１の変速機構で回転速度を減速して通常のゼンマイを巻き上げて力量を蓄積（蓄力）し、その力量を用いて発電することができる。すなわち小さなトルクでゼンマイをどんどん巻き上げて、蓄力機構に充分なトルク量を確保した後で、第２の変速機構で増速することにより充分な回転速度で発電することができる。振動収穫機構の後に一方向回転整列機構を付随することにより、振動の往復運動による二方向の回転も利用できるので、発電効率をさらに向上することができる。さらに、逆回転を防止するラッチ機構を備えているので、エネルギー変換ロスが少ない。またラッチ機構に配向性を有する微細毛を用いることにより、システムを小型化できる。
【００１２】
さらに、ロータは自在継手により出力軸に連結されているからロータの回転面（Ｘ−Ｚ方向）に限らず、Ｙ方向の振動成分はロータを出力軸の軸線方向に振れさせるので、出力軸に作用するＹ方向の力による回転の阻害を防止できる。また、Ｙ方向の力により振れたロータが戻るときには、自在継手が回転しているから、そのロータが戻るときの力の一部をＸ−Ｚ成分の力として取り出すことができる。即ち、三次元の振動エネルギーを出力軸の回転力に変換してエネルギー蓄積部に蓄積できるから、蓄力効率を高めることができる。また、自在継手はロータの中心軸部に形成した孔内に挿入して取付けてあるから、自在継手がロータから突設する寸法を小さくでき、装置の小型化を図ることができる。さらに、自在継手は球体の中心を通る一方側及び他方ロータ側軸をロータの中心軸の孔部に取付けてあるから、ロータ側軸をロータ内に収めることができ、ロータ側軸がロータから突出しないので、この点においても装置の小型化を図ることができる。
【００１３】
さらに、ロータは可倒構造を有するので、出力軸に作用するＹ方向の力による回転の阻害をさらに防止できる。また、ロータのロータ錘部のＹ方向の動作を制限する制限機構が備わっているので、ロータ錘部の破損や他の機器に及ぼすダメッジを軽減できる。また、この制限機構にはＹ方向の動きをいなすベアリングが付随するので、Ｙ方向の力成分をＸ−Ｚ方向のロータ回転力に変換することができる。エネルギー蓄積部は振動エネルギーを簡易な構成で電力として蓄積することができる。
さらに本発明の振動変換発電機構を備えた携帯機器は、振動エネルギー変換効率の良い発電システムを有するので、エネルギー補充の少ない長寿命化の携帯が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の振動エネルギー変換発電機構のシステム構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る蓄力装置の構成を示す概略図である。
【図３】図３は、ぜんまい部の構成を示す平面図であり、（ａ）は解放時であり、（ｂ）は蓄力時の作用を示す図である。
【図４】図４は、ロータに自在継手を連結した状態を示す斜視図である。
【図５】図５は、本実施の形態おける作用を示す図であり、ロータと自在継手の部分を示す側面図である。
【図６】図６は、自在継手を抜き出して示す側面図である。
【図７】図７は、自在継手を抜き出して示す斜視図である。
【図８】図８は、自在継手の球体とロータの連結部を抜き出して示す横断面図である。
【図９】図９は、本発明のＹ方向移動（回転）制限機構を説明する図である。
【図１０】図１０は、ロータのＹ方向移動（回転）を抑制するＹ方向移動（回転）制限機構の別の実施形態を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の可倒構造を有するロータを示す図である。
【図１２】図１２は、振り子構造の周波数特性を示すグラフである。
【図１３】図１３は、振り子（ロータ）構造の違いによるエネルギー発生量を比較する図である。
【図１４】図１４は、可倒式回転錘（ロータ）および（Ｙ方向）自在継手並びにＹ方向移動（回転）制限機構を合わせ持つシステムを示す図である。
【図１５】図１５は、一方向回転整列機構の一例を示す図である。
【図１６】図１６はラッチ機構の一例を示す図である。
【図１７】図１７は、微細毛を用いた回転ラッチ機構を示す模式図である。
【図１８】図１８は、微細毛を用いて逆回転を規制したラッチ機構付き回転体の別の実施形態を示す図である。
【図１９】図１９は、本発明の振動エネルギー変換発電機構を腕時計に適用した実施例を示す図である。
【図２０】図２０は、人体が動いているときに受ける振動スペクトルとパワースペクトルの関係を示す図である。
【図２１】図２１は、S字ぜんまいの（ａ）解放時および（ｂ）蓄力時の状態を示す模式図である。
【図２２】図２２は、S字ぜんまいおよび通常のぜんまいのトルクと蓄力量の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、振動を回転エネルギーに変換し、さらにその回転エネルギーを電気エネルギーに変換する振動エネルギー変換発電システムに関する。さらに、振動エネルギーのロスを最小化して、効率良く回転エネルギーに変換する機構に関する。
【００１６】
図１は、振動エネルギー変換発電機構のシステム構成を示す図である。本発明の基本は人体の運動に由来する振動エネルギーを機械的エネルギー（特に回転エネルギー）、さらに電気的エネルギーに変換することであり、図１の構成図に示すように、最低限、振動エネルギーを力学的エネルギー（力量、あるいは機械的エネルギー、あるいは回転エネルギー）に変換する振動収穫機構１１１およびその振動収穫機構１１１で変換された力量を用いて発電する発電機構１１６からなる。振動収穫機構１１１は振動を効率良く力量として利用できる形態に変換するシステムであり、たとえば人体の腕の動作という振動を自動巻腕時計等で使用される回転錘の振り子振動として取り出す機構である。人体の腕の動きは３次元の動作であるが、本発明はこの３次元動作を効率良く回転錘の振り子振動として変換する。
【００１７】
振動収穫機構１１１で得られた力量を、一方向回転整列機構１１２を通して第１の変速機構により減速して蓄力機構１１４に移転し蓄積する。振動は周期性がある（たとえば、振り子振動は往復運動なので動作方向が２通りある）ので、そのまま回転運動として取り出して第１の変速機構に伝達すると、回転方向が２方向になりエネルギーロスが大きい。そこで振動収穫機構１１１で得られた力量を一方向に整列する機構が必要となる。そのシステムが一方向回転整列機構１１２である。一方向回転整列機構１１２には従来から種々の方法があり、本発明においてはこれらの方法を適宜選択して採用することができる。たとえば、腕時計の自動巻の巻き上げ機構に採用されている切り換え車方式、マジックレバー方式やペラトン方式を適用することができる。
【００１８】
図１５は、一方向回転整列機構の一例を示す図である。一方向回転整列機構に切換車４０８、４０９およびラチェット車４１３、４２３を用いている。振動収穫機構１１１の振り子振動による回転は、切換かな４１４、４２４と同期して切換車４０８、４０９に伝達される。切換車４０８、４０９のそれぞれは、切換かな４１４、４２４と一体になったラチェット車４１３、４２３を備えている。切換車４０８の回転は第１の変速機構４１０に伝達されるように、たとえば切換車４０８の歯車および第１の変速機構４１０の歯車４１１が噛み合っている。切換車４０８、４０９を構成する切換歯車４１２、４２２は、回転自在な切換つめ４１５、４２５と、切換つめ４１５、４２５の一端を押圧し、かつ他端をラチェット車４１３、４２３の歯面に対して付勢する付勢ばね４１６、４２６を備えている。切換つめ４１５、４２５は固定ピン４１７、４２７で切換歯車４１２、４２２に固定されている。また、付勢ばね４１６、４２６も固定ピン４２９、４３０で切換歯車４１２、４２２に固定されている。これらのラチェット車４１３、４２３の回転規制方向（逆回転防止方向）は互いに反対方向であり、振動収穫機構１１１の振り子振動による回転はがいずれの方向（ある方向とそれの逆方向の２方向しかない）に回転しても、第１の変速機構４１０は常に一方向に回転する。
【００１９】
たとえば図１５において、振動収穫機構１１１の振り子振動の一方向の振動（回転）によって、切換車４０８では切換かな４１４を介してラチェット車４１３が反時計方向に回転すると、ラチェット車４１３が切換つめ４１５でロックされないので、ラチェット車４１３の回転は切換歯車４１２に伝達しない。一方、振動収穫機構１１１の振り子振動の他方向（逆方向）の振動よって、切換車４０９では切換かな４２４を介してラチェット車４２３が反時計方向に回転すると、ラチェット車４２３の規制方向が切換車４０８と異なるために、ラチェット車４２３が切換つめ４２５でロックされるので、ラチェット車４２３と同期して切換歯車４２２も反時計方向（Ｒ８方向）に回転する。この回転が切換車４０８側の切換歯車４１２に伝達され（切換歯車４１２と切換歯車４２２はたとえば歯車で噛み合っている）、切換歯車４１２は時計方向（Ｒ７方向）に回転し、さらにこの切換歯車４１２の回転により第１の変速機構４１０の歯車４１１が反時計方向（Ｒ９方向）に回転する。
【００２０】
次に、振動収穫機構１１１の振り子振動の逆振動（逆回転）によって、切換車４０８では切換かな４１４を介してラチェット車４１３が時計方向に回転すると、ラチェット車４１３が切換つめ４１５でロックされるので、ラチェット車４１３の回転に従い切換歯車４１２も時計方向（Ｒ７方向）へ回転する。この切換歯車４１２の回転により第１の変速機構４１０の歯車４１１が反時計方向（Ｒ方向９）に回転する。一方、振動収穫機構の逆回転によって、切換車４０９では切換かな４２４を介してラチェット車４２３が時計方向に回転すると、ラチェット車４２３の規制方向が切換車４０８と異なるために、ラチェット車４２３が切換つめ４２５でロックされないので、ラチェット車４２３の回転は切換歯車４２２に伝達しない。以上のように、振動収穫機構１１１がどのように回転しても、第１の変速機構４１０の歯車４１１は一定方向｛図１５では反時計方向（Ｒ９方向）｝へのみ回転する。
【００２１】
さらに、この機構１１２には逆回転を防止するラッチ機構が配置されている。たとえば、ゼンマイを巻き上げていくとその復元力で巻き戻そうとする力も働き、巻き戻されるとエネルギーが大きくロスしてしまう。これを防止するための機構がラッチ機構である。すなわち、ラッチ機構とは、一方向のみに回転して回転毎に係止し逆回転を防止する機構であり、たとえばつめ車とつめでなるラチェット機構やドーボ機構がある。
【００２２】
図１６はラッチ機構の一例を示す図である。ゼンマイ（渦巻きバネ）５１１を内蔵したつめ車５１２において、ゼンマイ５１１の外側の一端はつめ車５１２の内面に固定され、ゼンマイの他端（ゼンマイ中心）は支軸５１３に固定されている。つめ車５１２はラチェット様の歯車がついており、支持台に固定ピン５１３で回転自在に固定された（ラッチ機構の）つめ５１４がつめ車５１２のラチェット歯に嵌合できるようになっている。ゼンマイ５１１がつめ車５１２の内面に巻かれる（たとえば、図１６の矢印Ｒ６方向につめ車を回転させてゼンマイ５１１を巻く場合）と、その復元力でつめ車５１２は矢印Ｒ６とは逆方向への回転力が働くが、ラッチ機構のつめ５１４がつめ車５１２の歯に係止しているため逆方向への回転が抑えられている。すなわちゼンマイ５１１の逆回転が規制されているので、ゼンマイに回転力を蓄積（蓄力）することができる。充分な蓄力が行なわれたら、つめ５１４をつめ車５１２の歯からはずせば（ラッチ機構解除）、ゼンマイ５１１が一気に力を解放できる。このゼンマイ５１１は、振動収穫機構の振動エネルギーを回転エネルギーとして蓄積したエネルギー形態と考え、解放されたゼンマイの回転力を第１の変速機構を用いて減速すれば良い。また回転方向が２通り存在すればこのようなラッチ機構に一方向回転整列機構を組合せれば良い。Ｓ字ゼンマイのようなゼンマイの場合にも回転方向が２通り存在するので、この一方向回転整列機構を使用できる。尚、Ｓ字ゼンマイを使用することによって、トルクを一定（フラットトルク）にできるので、Ｓ字ゼンマイを巻き上げる力とＳ字ゼンマイを解放する力をほぼ一定にでき、発電能力を一定に保持できるという利点がある。
【００２３】
図１６に示すラッチ機構は、ラチェット機構の一例であるが、他の手段を用いても良い。たとえば、ストッパを設けて逆回転を防止することもでき、そのストッパを外せば（ラッチ機構解除）逆回転させることもできる。尚、ラッチ機構は、本発明の蓄力機構にも使用できる。たとえば、蓄力機構で用いるゼンマイが、図１６で示すゼンマイ（渦巻きバネ）５１１であると考えれば良い。
【００２４】
一方向回転整列機構１１２を通して振動収穫機構１１１の振動エネルギーを回転エネルギーに変換して、第１の変速機構１１３の輪列（歯車）により減速する。第１の変速機構１１３の減速によりトルク力を高めて蓄力機構１１４のゼンマイを巻き上げる。第１の変速機構１１３は複数の歯車からなる輪列機構で、蓄力機構１１４のゼンマイを効率良く巻き上げることができるように輪列機構の変速比を調節することができるようになっている。また、蓄力機構１１４のゼンマイのオーバーチャージを効果的に排除する機構を取り付けても良い。さらに、振動収穫機構１１１の力量の伝達や第１の変速機構の変速比等の調節やオーバーチャージ等をコントロールする制御機構（たとえば、センサー付きIC）を設けても良い。尚、振動収穫機構１１の力量が不足している場合や緊急に発電する必要がある場合などには、自力でゼンマイを回転できるように手動の手巻き機構１１７を第１の変速機構１１３や蓄力機構１１４に備えても良い。この手動の手巻き機構１１７の方式も手動式腕時計などに使用されている従来方法を採用することができる。
【００２５】
蓄力機構１１４に用いるゼンマイは通常の単一材料（たとえば、高炭素鋼、ステンレス鋼、Co-Ni合金）からなるもので、腕時計や置き時計などに使用されている従来のゼンマイを使用することができる。また、このゼンマイは香箱に収納されても良い。蓄力機構１１４のゼンマイが充分に巻き上がった後に（完全蓄力状態で）、第２の変速機構１１５に接続して輪列（歯車）機構を用いて、ゼンマイの解放（巻き戻し）による回転運動を増速させ、発電機構１１６で発電する。発電機構１１６は、たとえば磁石とコイルを用いた電磁誘導発電であり、薄さが要求される場合はフラットタイプとすれば良い。発電機構１１６は充放電制御機構１１９により発電速度や発電量が制御されている。たとえば、発電機構１１６において発電された電気により負荷１２０で仕事をするが、充放電制御機構１１９はその負荷量に応じて放出する電気量をコントロ−ルできる。また、発電速度を制御するために充放電制御機構１１９からの信号を変速機制御機構１１８に送り、第２の変速機構の変速比を変更するなどして、複数の歯車から構成される第２の変速機構の輪列の回転速度を調整することができる。負荷１２０は末端の電子機器であり、たとえば携帯電話や時計等の携帯機器であるが、電流（電荷）むらを吸収したり、蓄電したりする電気二重層キャパシタや二次電池を備えても良い。充放電制御機構や変速機制御機構として充放電制御回路や変速機制御回路等を組み込んだＬＳＩを搭載しても良い。
【００２６】
次に、図１に示す本発明の振動エネルギー変換発電機構のシステム構成の具体的実施形態を説明する。本実施の形態に係る蓄力装置１は、例えば腕時計に搭載されており、蓄積した電気エネルギーを腕時計に内蔵された発振回路等の電源として用いるものである。
【００２７】
蓄力装置１は、図２に示すように、ロータ３と、自在継手５と、エネルギー蓄積部７とを備えている。ロータ３は、振動を受けて中心軸Ｇの回りを回転するものであり、図４に示すように、正面視扇型形状を成し、フレーム（ロータ腕部）９の外周側部に錘１１が固定されている。尚、図４においては、ロータを扇型形状としているが、半円形形状や逆扇型形状（円形から扇型形状を抜いた形状）等他の形状を有しても良い。
【００２８】
ロータ３のフレーム９にはロータ３の回転中心に正面視円形の孔部１３が形成されており、孔部１３に自在継手５が挿入されている。
【００２９】
自在継手５は、図６〜図８に示すように、球体１５と、球体１５の受部１７と、球体１５に固定したロータ側軸部１９ａ、１９ｂと、受部１７に固定した出力軸２１とを備えている。この自在継手５は、ツエッパ型ジョイント（Rzeppa  joint）またはボール式等速ジョイントと呼ばれているものである。
【００３０】
球体１５は、ロータ３の静止状態における中心軸Ｇ（図２参照）に沿って複数のボール溝２３が形成されており、ボール溝２３には各々ボール２５が配置されている。また、球体１５には、ロータ３の静止状態における中心軸Ｇに直交する面内方向には、球体１５からロータ側軸部１９ａ、１９ｂが突設されている。ロータ側軸部１９ａ、１９ｂは各軸線が球体の中心を通っている。これらのロータ側軸部１９ａ、１９ｂは、図８に示すように、ロータ３の孔部１３の内周面に固定されている。
【００３１】
受部１７は球体１５の半分以上を囲み、内面が球面の一部を形成している。受部１７の内面にはボール２５を受けるボール溝２７が球体１５のボール溝２５に対応した位置に設けてある。また、受部１７には球体１５から突設するロータ側軸１９ａ、１９ｂを通す軸溝２９ａ、２９ｂが形成されており、ロータ側軸１９ａ、１９ｂは対応する各軸溝１９ａ、１９ｂ内を移動自在になっている。
【００３２】
受部１７に固定した出力軸２１は、図２に示すロータ３の静止状態において、ロータ側軸１９ａ、１９ｂと直交した位置にある。尚、出力軸２１は、その位置が固定されており回転のみが可能にしてある。
【００３３】
図２に示すように、受部１７に固定した出力軸２１には、歯車列３１を介してエネルギー蓄積部７に連結されている。エネルギー蓄積部７は、出力軸２１に歯車列３１を介して歯合し、回転する回転軸３３と、ケース３５と、ぜんまい３６（図３参照）と、ケース３５内に設けた回転用フレーム３７と、回転用フレーム３７に固定したマグネット３９と、ケース３５内でマグネットに対向配置したコイル４１と、コイル４１に接続された蓄電回路部４３とを備えている。蓄電回路部４３では、コイル４１で生じた発電電流をキャパシタ４５に蓄電する。そして、キャパシタ４５に接続した負荷に蓄電した電流を供給するようになっている。
【００３４】
図３に示すように、回転軸３３には、ぜんまい３６の内周側端３６ａが固定されており、ぜんまい３６の外周側端３６ｂは回転用フレーム３７に固定されている。また、回転用フレーム３７にはケース３５に係止するストッパ４３が設けてあり、ストッパ４３は所定以上の力を受けるとケース３５に対して引込んでケース３５との圧接が外れるようになっている。
【００３５】
尚、図３に示すぜんまい３６は一方向へ巻き上げるものであるが、図２１に示すようなＳ字状のＳ字ぜんまいを使用しても良い。図２１（ａ）はＳ字ぜんまいが解放された状態を示し、図２１（ｂ）はＳ字ぜんまいが蓄力された状態を示す。Ｓ字ぜんまい１０１は解放時、図２１（ａ）に示すように、ゆるんでおりＳ字形状を示す。またＳ字ぜんまい１０１は蓄力時、図２１（ｂ）に示すように、回転軸１０３（または回転軸１０５）の周りに巻き上げられた状態となる。図２２は、Ｓ字ぜんまいおよび通常のぜんまいのトルクと解放時間との関係を示す図である。通常のぜんまいは、ぜんまいの蓄力量とともにトルクが増大する（曲線Ｂ）が、Ｓ字ぜんまいは蓄力開始まもなくトルクが増大しその後ほぼ一定値のトルクが働く（曲線Ａ）。すなわち、Ｓ字ゼンマイを使用することによって、トルクを一定（フラットトルク）に保持できるので、蓄力量が最大となっても初期とほぼおなじトルクとなる。従来のぜんまいは蓄力量最大で最大のトルクを示すので、逆回転を防止するラッチ機構、前述のラチェットの切換え車ないし後述する微細毛構造において、最大のトルクに合わせた制動力を有するラッチ機構となる。そうすると、機構の寸法が大きくなり、すなわちラッチピッチが大きくなり例えば微小振動でのエネルギー収穫率が低下する。それに対して、このようにＳ字ぜんまいを用いると蓄力量が最大となっても初期とほぼおなじトルクとなるので、ラッチ機構が大きくなることはなく、微小振動でのエネルギー収穫率が向上する。また後述するように広範囲な振動スペクトルを収穫することも可能となる。
【００３６】
次に、本実施の形態にかかる蓄力装置１の作用及び効果について説明する。携帯により受けた振動が、ロータ３に作用してロータ３を回転させる。
この場合、図５に示すように、ロータ３にはロータ３の面内方向（Ｘ−Ｚ方向）成分の力と、Ｘ−Ｚ面に直交するＹ方向成分の力とが作用する。換言すれば、ほとんどの振動はＸ−Ｚ成分と、Ｙ成分の方向の力を持つ。したがって、ロータは図５に示すようにＸ−Ｚ方向の成分の力によりその中心軸周りを回転する。（ロータ３が静止しているときにおいて、Ｚ方向はロータ３の面内方向で上下方向（鉛直方向）であり、Ｘ方向はロータ３の面内方向で水平方向でＺ方向に垂直方向であり、Ｙ方向はロータ３面に垂直方向でＸ方向およびＺ方向に垂直方向である）
【００３７】
ロータ３は自在継手５を介して出力軸２１に連結されているから、Ｙ方向の成分の力を受けると、ロータ３はＹ方向に振れつつ回転する。この場合、Ｙ方向の力は、ロータ３を振れさせて、逃しているので、Ｙ方向の力がロータ３の回転を阻害するのを防止できる。従来のロータの構造では、自在継手構造の部分はベアリング構造だけであるから、Ｙ方向の力成分がベアリングをＹ方向に押しつけるために、Ｘ−Ｚ方向におけるロータの回転を抑制する。しかし、本発明の自在継手５によって、この抑制は大幅に軽減される。
【００３８】
また、ロータ３の振れが戻るときには自在継手５が回転しているからロータ３が戻るときの力の一部をＸ−Ｚ成分の力として取り出すことができる。すなわち、Ｙ方向の力成分がＸ−Ｚ方向の成分の力に変換されて、Ｘ−Ｚ方向のロータの回転を加速し、ロータ３の回転面（Ｘ−Ｚ方向）に限らず、Ｙ方向の振動成分の一部を出力軸２１の回転力として取り出すことができ、蓄力効率を高めることができる。
【００３９】
本実施の形態では、自在継手５はロータ３の中心軸に形成した孔部１３内に挿入して取付けてあるから、自在継手５がロータ３から突設する寸法を小さくでき、装置の小型化を図ることができる。
【００４０】
また、自在継手５は、球体１５の中心を通る一方側及び他方ロータ側軸１９ａ、１９ｂをロータ３の中心軸の孔部１３に取付けてあるから、図８に示すように、ロータ側軸１９ａ、１９ｂはロータ３内に収めることができ、ロータ側軸１９ａ、１９ｇがロータ３から突設しないので、この点においても装置の小型化を図ることができる。
【００４１】
自在継ぎ手５はＹ方向に比較的自由に回転するので、上記のロータ３はＹ方向に自由に回転する。このロータ３が他の機器に衝突して破損する恐れもあるので、ロータ３のＹ方向の動きを抑制することが望ましい。また、Ｙ方向の力成分の一部をＸ−Ｚ成分の力として取りだすことができるが、Ｙ方向の自由な回転はエネルギー的にロスが大きい。そこで、図９（ａ）に示すようにロータ３の錘部５１の端部の両外側にガイド５３を設ける。ガイド５３には回転自在なベアリング５５が備わっている。紙面に垂直方向はＸ方向、上下方向がＺ方向であり、ロータ３はＸ−Ｚ面で回転し、エネルギーを蓄積する。本発明のロータは上述したようにＹ方向にも移動（回転）可能であるが、移動が大きすぎると破損やエネルギーロスが発生するので、ガイド５３によってロータ３のＹ方向移動（回転）が抑制される。
【００４２】
図９（ｂ）および図９（ｃ）は図９（ａ）に示すＹ方向移動（回転）制限機構を説明する図で、上方から見た図でロータ３の錘５１がＹ方向移動（回転）制限機構５３に当たる部分で見ている。すなわち、Ｘ−Ｙ面の図であり、紙面に垂直方向がＺ方向である。ロータ３の錘５１がＹ方向のみにＰの力でベアリング５５に当たった場合、Ｙ方向のみの力であるからベアリング５５は動かない。このときはロータ３の錘５１へ及ぼす摩擦が大きい。図９（ｃ）に示すように、Ｙ方向だけではなく他の方向の力も加わった力Ｓでベアリング５５に当たると、ベアリング５５はＲ方向へ回転する。この回転によってロータ３の錘５１はＴ方向（Ｘ方向を向いている）へ動く。これはロータ３の錘５１がＸ−Ｚ平面でロータ３が回転することを意味するので、ロータ３のＸ−Ｚ平面における回転を加速させて、エネルギー蓄積に寄与することになる。通常Ｙ方向だけの力は極めてまれであり、殆どが図９（ｃ）に示すようなＹ方向よりも傾いた斜め方向の力Ｓであるから、本発明のガイド機構５３を備えることによって、さらにエネルギー蓄積を増大させることができる。
【００４３】
図１０はロータのＹ方向移動（回転）を抑制するＹ方向移動（回転）制限機構の別の実施形態を示す図である。図９では、ロータ３の錘５１の両外側に設けたガイドであったが、図１０はロータ３の錘５１がガイドの両側に配置されたＹ方向移動（回転）制限機構である。図１０（ａ）に示すように、自在継手５にロータ３はＸ−Ｚ平面で回転自在に取り付けられている。また、ロータ３は自在継手５を介して出力軸２１に連結されており、Ｙ方向の力を受けると、ロータ３はＹ方向にも振れながら回転する。ロータ３の外周には錘５１が備わりロータ３と一体に動作する。この錘５１の外端はＵ字形に外側から巻いた形状をしており。そのＵ字形の内側にガイド５７が入り込んでいる。このＵ字形錘部の断面形状を図１０（ｂ）に示す。錘部５１の外端は、両側の平行な板状体５１ａおよび５１ｂ、底部板状体５１ｃでＵ字形状を形成する。ロータ３がＸ−Ｚ面で鉛直方向（Ｚ方向）に静止しているとき、ガイド５７は、錘部５１の平行な板状体５１ａおよび５１ｂの間に、これらの板状体から離間して略中間位置になるように、またＵ字形の底部５１ｂからも離間して配置されている。ガイド５７の先端部にはベアリング５９が回転自在に取り付けられている。
【００４４】
ロータ３がＸ−Ｚ面だけで回転するとき、すなわちＹ方向の力が働かないときは、ガイド５７およびベアリング５９には接触しないで、図１０（ｂ）に示すようなガイド５７とＵ字形錘部の状態を保持しながら、回転する。図１０（ａ）に示されているように、ロータ３の錘５１の先端部は扇形状になっており、ガイド５７はその内側に入って中空状の円板形状となっており、固定されている。ガイド５７の円板の両平面板にベアリング５９が取り付けられている。ロータ３がＹ方向の力を受けるとロータ３および錘部５１はＹ方向に移動（回転）するので、Ｕ字形状の錘部５１の先端部５１ａまたは５１ｂはベアリング５９に接触し、ベアリング５９をＹ方向に押すが、ガイド５７は固定されているので、ロータ３および錘部５１のＹ方向への移動（回転）が制限される。また、ベアリング５９は回転自在なので、図９（ｃ）において説明したように、Ｙ方向から少しでも傾斜した力によってロータ３および錘部５１はＸ−Ｚ平面で回転する。図９および図１０に示すような簡単なＹ方向移動（回転）制限機構によって、Ｙ方向への移動（回転）を制限でき、内部に配置される機器や部品の破損等を防止できるとともに、Ｙ方向の力をＸ−Ｚ平面におけるロータの回転力へ変換して利用できる。
【００４５】
モーションロガーをカバン内に入れて歩行時の加速度周波数スペクトルの時間変化を測定によって、Ｚ軸方向（人体の立ち位置方向）のモーションが加速度・周波数成分とともに大きいことが分かった。従って、Ｚ軸方向の動作によるエネルギーを有効に収穫（エネルギーハーベスト）する必要がある。従来のロータはＹ方向への力が働くと（Ｘ−Ｚ平面における）ロータ芯（回転軸）に配置されるベアリングを回転軸方向に押すため、ロータの回転を抑制してしまうが、さらにＺ方向（上下方向）の動きに関してもロータは振り子構造であるため、ロータの重心に対して平衡状態の時にＺ方向の純粋な力が加わっても動かない。しかし、本発明の自在継手を有するロータはＸ方向にもＹ方向にも動くので一旦Ｘ方向またはＹ方向へ動き始めると、重心がオフセットするので、Ｚ軸方向の力もロータの回転に寄与できる。従って、Ｚ軸方向の動作によるエネルギーも効率良く活用できる。
【００４６】
また、従来のロータの場合、力（加速度等による）のＹ方向成分によってロータ芯（回転軸または出力軸）を押しつける力が作用してロータの回転が抑制される。そこで、図１１に示すような可倒式のロータ６１を採用すると、従来のロータでもロータ芯（回転軸）に及ぼすＹ方向への力を大きく低減できる。図１１は、本発明の可倒構造を有するロータ６１を示す図である。ロータ芯（回転軸）６３にロータ芯枠６５が一体となっている。また、ロータ芯枠６５はロータ腕部（フレーム部）６７につながり、ロータ腕部６７の外周は回転錘６９となり、回転エネルギーが大きくなるように他の部分のロータに比べ重くなっている。
【００４７】
ロータ芯枠６５とロータ腕部６７は可倒構造７１で接続している。図１１（ｂ）はこの可倒構造７１を拡大して示している。すなわち、ロータ芯枠６５およびロータ腕部６７は蝶番構造７３になっており、Ｙ方向（図１１（ａ）および図１１（ｂ）では紙面に垂直方向で、図１１（ｃ）では図に示すように紙面の左右方向）に回転できるようになっている。しかし、Ｘ方向（図１１（ａ）および図１１（ｂ）では図に示すように紙面の左右方向で、図１１（ｃ）では紙面に垂直方向）やＺ方向（図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）において、図に示すように紙面の上下方向）には動かない。図１１に示す可倒構造７１を有するロータ６１はＸ−Ｚ平面の動き（ロータ芯およびロータ軸受７５の周りの回転運動）においては、ロータ芯枠６５、ロータ腕部６７および錘部６９は一体物として機能する。従ってロータ６１全体が一体に動作する。
【００４８】
一方、Ｙ方向の加速度αに対して、ロータ６１全体に加速度αが作用するが、ロータ６１の質量の大半はロータ腕部６７およびロータ回転錘６９が占めているので、加速度αにより一体となったロータ腕部６７およびロータ回転錘６９が可倒部７１を中心として移動（回転）する。可倒部７１の蝶番構造７３はＹ方向に対しては回転自在（回転面はＹ−Ｚ平面）なので、このロータ腕部６７およびロータ回転錘６９の回転はロータ芯枠６５の動作には殆ど影響しない。また、加速度αは一体となったロータ芯枠６５およびロータ芯６３にも作用するが、ロータ芯枠６５およびロータ芯６３の質量は小さいので、ロータ芯枠６５およびロータ芯６３のＹ方向への力の作用は小さい。従って、Ｙ方向の加速度αが作用しても、ロータ芯６３がロータ軸受７５を押す力は小さいので、ロータ軸受７５に配置されるベアリングを押す力も小さく、ロータ芯６３のＸ方向の移動（Ｘ−Ｚ面での回転）に対する影響は少ない。
【００４９】
図１２は、振り子構造の周波数特性を示すグラフである。図１２（ａ）は可倒構造のない従来の振り子（全体が一体のロータ）の周波数特性であり、重心距離を９．４６ｍｍとしたときの周波数特性と加速度との関係曲線である。可倒式でない回転錘（ロータ）の場合、周波数特性は加速度による依存性が小さい。図１２（ｂ）は可倒構造を有する本発明の振り子の周波数特性であり、加速度を１Ｇに一定としたときの周波数と重心距離との関係曲線である。可倒式回転錘（ロータ）の場合、周波数依存性が高く広い帯域のエネルギー収穫が可能であることが分かる。
【００５０】
可倒構造とすることによって、Ｙ方向の加速度（力）が作用したときに振り子（ロータ）の重心位置の変動が発生する。振り子の振動周期Ｔは、Ｔ＝２π（ｌ／ｇ）１／２で表される。従って、重心位置が変化することによって、ロータ（回転錘）の共振周期が変わり、エネルギーハーベスト（収穫）帯域幅が向上する。以上説明したように、回転錘（ロータ）内部を可倒構造とすることによって、Ｙ方向の過渡的な摩擦力を軽減することができる。
【００５１】
図１３は、振り子（ロータ）構造の違いによるエネルギー発生量を比較する図であり、水平方向の蓄力と上下運動の蓄力との関係を示している。縦軸に上下運動蓄力時動作時間（分）、横軸に水平方向蓄力時動作時間（分）を示す。図１３において、菱形印が可倒式回転錘を（腕に）装着した場合、正方形印が従来の可倒構造のない回転錘（未加工回転錘）を（腕に）装着した場合における測定結果である。可倒式回転錘を装着した場合は未加工回転錘を装着した場合と比較して、上下運動時は平均＋１３０％、水平運動時は平均＋７７％エネルギー収穫能力が優れていることが分かる。さらに水平方向より上下方向（Ｚ軸方向）における効果がより大きいことも分かり、Ｙ方向の力を利用する本発明の可倒式回転錘は３次元の動作に関して効率を向上させることも分かる。
【００５２】
図１７は、一定角度を持って基板に配置された微細毛を用いた回転ラッチ機構を示す模式図である。図１７（ａ）に示すように、基板３２１に微細毛３２２を、一定角度αをつけて成長あるいは植毛させる。たとえば、図１７（ｂ）に示すように、基板３２１上に微細毛３２２のシーズ膜３２３を形成した後絶縁膜３２４を積層する。この絶縁膜３２４に一定角度αを有する溝（斜溝）３２５を微細毛３２２のシーズ膜３２３に達するまで形成した後、微細毛３２２の膜を溝３２５内にシーズ膜３２３から選択成長させることによって、基板面に対して一定角度αを有する微細毛３２２を形成できる。この選択成長法としてたとえば、ＣＶＤ（化学気相成長）法、蒸着法、メッキ法等がある。微細毛３２２の材料は、たとえば有機系材料、導電体材料、ガラス繊維などがある。図１７（ｃ）に示すように、このような一定角度を持って配置（配向）された微細毛を回転円板体３２６および３２７の側面に形成し、これらの円板体３２６および３２７の側面を合わせて回転伝達系を作ることができる。
【００５３】
回転円板体３２６の側面（回転面）に形成された微細毛３３１の配向方向に合わせて、配向された微細毛３３２を有する回転円板体３２７の側面（回転面）を配置する。（微細毛は回転円板体の側面（回転面）における接面に対して一定角度で傾いて植毛または成長している。）円板体３２６の側面に配置された微細毛３３１の配向方向はＲ３と逆方向で、円板体３２７の側面に配置された微細毛３３２の配向方向はＲ４と逆方向とする。円板体３２６が回転軸３２８の周りにＲ３と逆方向に回転すると、微細毛３３１と微細毛３３２は噛み合わないので、円板体３２６は空回りして円板体３２７は回転しない。円板体３２６が回転軸３２８の周りにＲ３方向に回転すると、微細毛３３１と微細毛３３２は噛み合うので、円板体３２７はＲ４の方向に回転する。このときは、円板体３２６や３２７は歯車と同じ働きをして互いの回転を伝達することができる。
【００５４】
図１８は、一定角度を持って配置（配向）された微細毛を用いて逆回転を規制したラッチ機構付き回転体の別の実施形態を示す図である。この実施形態はボルト状回転体とナット状回転体を構成するラッチ機構付き回転体である。ボルト状回転体３４６は軸３４８の中心Ｍの周りに回転できる。ボルト状回転体３４６の円柱軸３４７の側面には、多数の微細毛３５１が一定角度を有して配置されている。また、このボルト状回転体３４６を受けるナット状回転体３４９の円筒状内側面３５０にも多数の微細毛３５２が一定角度を有して配置されている。このナット状（円筒状）回転体３４９はその中心Ｎの周りに回転できる。
【００５５】
図１８（ｂ）は、この微細毛を用いたボルト・ナット状ラッチ機構付き回転体の側面断面図を示す図である。図１８（ｂ）に示すようにボルト状回転体３４６の円柱軸３４７はナット状回転体３４９の内側にはまる。このとき、微細毛３５１および３５２は互いに同じ向きに揃うように略対称形で、微細毛３５１および３５２は、円柱軸３４７および円筒状内側面３５０の円周方向に傾斜して配置されて、組み合わさっている。（図１８（ｂ）は回転体３４７および３４９の側面断面図であるから、微細毛３５１および３５２は回転体側面に垂直方向に揃って噛み合っているが、実際には円周方向に傾斜しながら噛み合っている。）微細毛３５１および３５２が同じ向きを向いている方向と逆方向に回転させる場合、すなわちボルト状回転体３４６をＲ５の向きに回転させる場合、微細毛３５１と微細毛３５２が噛み合って摩擦力が大きくなるため、ナット状回転体３４９がＲ６の向きに回転する。逆に微細毛３５１および３５２が同じ向きを向いている方向に回転させる場合、すなわちボルト状回転体３４６をＲ５と逆向きに回転させる場合、微細毛３５１と微細毛３５２の噛み合いは全くなくなり摩擦力が殆どなくなるため、ボルト状回転体３４６は空回りしてナット状回転体３４９は回転しない。
【００５６】
このようにして微細毛を用いて、逆回転を規制した（逆回転に対して他方が回転しない）ラッチ機構付き回転体を作製できる。この微細毛を用いたラッチ機構付き回転体は微細毛のピッチを細かくできるので、微細な回転体も形成でき、本発明の振動発電機構を小型化することが可能となる。また、微細毛を用いたラッチ機構付き回転体は接触形態が面接触なので、強度が大きく耐久性に優れている。微細毛の各々が数十μｍとしても、ラッチはランダムに行なわれるので、数μｍ程度の分解能ラッチすることが可能となり、微細化の点でも利点がある。さらに、ラッチ機構付き回転体を２つ組み合わせることによって、どちらの方向の回転に関しても一方向の回転に変換できるので、切換え車として使用することもできる。このラッチ機構は、第１の変速機構、第２の変速機構に適用することができる。
【００５７】
図１２に示す本発明の可倒式回転錘（ロータ）を本発明の（Ｙ方向）自在継手と組み合わせることによって、Ｙ方向の力またはＹ方向の力成分を利用してさらに効率の良いエネルギー収穫機構（エネルギーハーベスト）を構築することができる。また、図９および図１０に示すようなＹ方向の過度な移動（回転）を制限したＹ方向移動（回転）制限機構と組み合わせることによって、Ｙ方向の過度な移動（回転）によるロータや他のシステムの破損を防止することが可能となる。図１４は、可倒式回転錘（ロータ）および（Ｙ方向）自在継手並びにＹ方向移動（回転）制限機構を合わせ持つシステムを示す図である。図１４に示すロータは自在継手５に取り付けられておりＹ方向の力に対してもロータがＸ−Ｚ方向に力のロスがなく回転できるようになっている。
【００５８】
ロータ７７は自在継手５と連結したロータ芯枠６５とロータ腕部６７の間において可倒構造７１を有している。従ってＹ方向成分の加速度を受けても可倒構造７１を中心としてロータ腕部６７およびロータ回転錘６９が往復矢印Ｒ方向に回転するだけで、ロータ芯枠６５および自動継手５にこの回転力は殆ど伝達しない。従って自動継手５においてＹ方向へ押しつけられる力はロータ芯枠６５および自動継手５自身に対する加速度が与える力だけなので非常に小さい。本発明の自動継手５は既に説明した様にＹ方向の力を受けてもＸ−Ｚ方向における発電に有効なロータ７１の回転に対する影響は殆どないが、図１４に示す可倒構造７１を取り入れることによって、Ｙ方向の力がロータ７１の回転へ及ぼす影響をさらに軽減することができる。またロータ７１の回転半径が可倒構造７１により小さくなるのでその変位量も小さくなる。
【００５９】
さらに図１４（ａ）に示す構造は、図９に示すようなＹ方向移動（回転）制限機構５３を備えているので、回転錘６９の過度な回転を防止するとともに、ベアリング５５によってＹ方向の回転錘６９の力がＸ−Ｚ方向への力へ変換されるので、発電に有効なロータ７７の回転にＹ方向の力を活用することができる。また、図１４（ｂ）に示す構造は、図１０に示すようなＹ方向移動（回転）制限機構５８（ガイド５７、ベアリング５９を含む）を備えているので、回転錘５１（５１ａ、ｂ、ｃを含む）の過度な回転を防止するとともにベアリング５９によってＹ方向の回転錘６９の力がＸ−Ｚ方向への力へ変換されるので、発電に有効なロータ７７の回転にＹ方向の力を活用することができる。このように図１１に示すような可倒構造およびＹ方向移動（回転）制限機構を本発明の振動エネルギー変換発電機構に付加することができ、Ｙ方向の力がＸ−Ｚ方向の移動（回転）に及ぼす影響（阻害効果）を軽減できるとともに、逆にＹ方向の力をＸ−Ｚ方向の移動（回転）を加速する効果を高めることができる。
【００６０】
図１９は、本発明の振動エネルギー変換発電機構を腕時計に適用した実施例を示す図である。自在継手を有するジョイント部８４、Ｙ方向移動（回転）制限機構であるガイド８３、ベアリング部８５、回転錘部８１を含む振動収穫機構の振動エネルギーを１番車から各穴車の輪列歯車（一方向回転整列機構＋第１の変速機構）８６によって回転エネルギーが伝達され、香箱（蓄力機構）８８内のぜんまいに蓄力される。輪列歯車８６は一番受け等の各種受け８７でカバーされ、これらは字板８９に組み付けられる。香箱８８内の巻き上げられたぜんまいからの回転エネルギーを発電機用輪列（第２の変速機構）９０で増速回転させて、発電機構９１で発電させる。得られた電気で内蔵したＬＳＩや表示素子を表示させる。あるいは、このような本発明のシステムを用いた腕時計用自動巻き機構を用いて発電させ、各種の携帯機器を動作させることもできる。
【００６１】
本発明の振動エネルギー変換発電システムの変換効率は３０％以上であり、取り出せるエネルギー総量は１０μＷ〜１ｍＷであり、効率の点では他のエネルギー変換発電システム（たとえば、光／電気変換（太陽電池）システムは１０％程度）に比較すると非常に高く、取り出せるエネルギー量（たとえば、光／電気変換（太陽電池）システムは２〜１０μＷ程度）も非常に大きい。
【００６２】
図２０は、人体が動いているときに受ける振動スペクトルとパワースペクトルの関係を示す図である。人間が歩行しているときは、２０Ｈｚ以下の振動のパワー密度が多く、車中内にいるときは、１００Ｈｚ程度までの振動エネルギーが多い。従来の振動発電（振動→発電→充電）システムで収穫可能な周波数スペクトルは２０〜５０Ｈｚの間であるから、歩行時は殆どエネルギーを収穫できないし、低周波および高周波帯の振動には対応できない。これに対して本発明の振動エネルギー変換発電システムは１Ｈｚ以下（０．２Ｈｚ程度）〜３００Ｈｚ程度までの広範囲な振動スペクトルに追随できるので、広いスペクトルの振動エネルギーを収穫できる。従って、本発明の振動エネルギー変換発電システムは高効率で高収穫の発電システムである。
【００６３】
本発明を概要すると、本発明は、高効率の振動エネルギー変換発電システムを提供するもので、振動エネルギーを回転エネルギーに変換する振動収穫機構、回転エネルギーを一方向の回転力へ整列する一方向回転整列機構、逆回転を防止するラッチ機構、整列された回転力による回転速度を減速する第１の変速機構、変換された回転力を第１の変速機構を通して回転エネルギーとして蓄える蓄力機構、蓄力機構に蓄えられた回転エネルギーによる回転速度を増速する第２の変速機構、第２の変速機構により増速された回転速度から発電する発電機構を含む振動エネルギー変換発電機構である。特に、振動収穫機構は、振動を受けて中心軸部の周りを回転するロータ、ロータの中心軸部に連結した自在継手および自在継手の出力軸を含み、出力軸方向の力に対して自在継手が回転して、ロータの回転に活用する機構を有することを特徴とするものである。
【００６４】
尚、明細書のある部分に記載し説明した内容について記載しなかった他の部分においても矛盾なく適用できることに関しては、当該他の部分に当該内容を適用できることは言うまでもない。さらに、前記実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施でき、本発明の権利範囲が前記実施形態に限定されないことも言うまでもない。たとえば、エネルギー蓄積部７は、電流の蓄電に限らず、出力軸２１がぜんまい３６を締め付けた状態で運動エネルギーとして保持し、運動エネルギーの取り出し時に、ぜんまい３６を開放して、回転用フレーム３７の回転力を駆動力として取り出すものであっても良い。蓄力装置は、携帯機器に限らず、海洋の波等による振動をロータが受けるものであっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の振動エネルギー変換発電システムは、各種の携帯用機器だけでなく、車体等の振動を発生する装置に付随する機器に適用することができ、振動を発生している限りは常に充電される状態になっている。また、図１に示す各機構は独立して使用し、または他のシステムに組み合わせることも可能である。特に、自在継手を有するロータは振動エネルギーを回転エネルギーに変換するシステムに組み込むことができる。
【符号の説明】
【００６６】
１・・・蓄力装置、３・・・ロータ、５・・・自在継手、
７・・・エネルギー蓄積部、１３・・・ロータ軸の孔部、１５・・・球体、
１７・・・受部、１９ａ、１９ｂ・・・ロータ側軸、２１・・・出力軸、
１１１・・・振動収穫機構、１１２・・・一方向回転整列機構、
１１３・・・第１の変速機構、１１４・・・蓄力機構、１１５・・・第２の変速機構、
１１６・・・発電機構、１１７・・・手巻き機構、１１８・・・変速機制御機構、
１１９・・・充放電制御機構、１２０・・・負荷、
【図４】
2012198203.tif 000003
【図７】
2012198203.tif 000004
【図８】
2012198203.tif 000005
【図１】
2012198203.tif 000006
【図２】
2012198203.tif 000007
【図３】
2012198203.tif 000008
【図５】
2012198203.tif 000009
【図６】
2012198203.tif 000010
【図９】
2012198203.tif 000011
【図１０】
2012198203.tif 000012
【図１１】
2012198203.tif 000013
【図１２】
2012198203.tif 000014
【図１３】
2012198203.tif 000015
【図１４】
2012198203.tif 000016
【図１５】
2012198203.tif 000017
【図１６】
2012198203.tif 000018
【図１７】
2012198203.tif 000019
【図１８】
2012198203.tif 000020
【図１９】
2012198203.tif 000021
【図２０】
2012198203.tif 000022
【図２１】
2012198203.tif 000023
【図２２】
2012198203.tif 000024