(57)【要約】【課題】  簡易な構成であって、あらゆる方向の振動により発電することができる発電装置を提供する。【解決手段】  基部と、支持柱と、回転軸と、振子体と、錘と、発電機とを備え、支持柱が、第一軸受を介して基部に垂直向きに取り付けられていて、垂直軸周りに回転自在であり、回転軸が、第二軸受を介して支持柱に水平向きに取り付けられていて、水平軸周りに回転自在であり、振子体が、回転軸に固定されていて、その一端に錘が取り付けられており、発電機が、回転軸に接続されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、支持柱と、回転軸と、振子体と、錘と、発電機とを備え、
支持柱が、第一軸受を介して基部に垂直向きに取り付けられていて、垂直軸周りに回転自在であり、
回転軸が、第二軸受を介して支持柱に水平向きに取り付けられていて、水平軸周りに回転自在であり、
振子体が、回転軸に固定されていて、その一端に錘が取り付けられており、
発電機が、回転軸に接続されていることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
錘が、振子体の長手方向に沿って位置調整可能であることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
振子体の他端に、補助錘が取り付けられていることを特徴とする請求項１または２記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振子の揺動によって、振動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、波に起因する揺れ（振動エネルギ）を電気エネルギに変換する発電装置として、振子と、振子に接続した発電機とを備え、振子の揺動により発電機で発電を行うものが提案されている。たとえば、特許文献１に記載の発電装置は、船に搭載するものであり、ピッチング用とローリング用のそれぞれの支柱および振子を有している。波によって船がピッチング方向およびローリング方向に揺れるのに伴って振子が揺動し、発電機で発電が行われる。また、特許文献２に記載の発電装置は、それ自体が海上に浮かべられるものであり、鉛直方向に延び回転可能なセンターシャフトと、センターシャフトの上端に連結された円錐振子とを有している。波の揺動に伴って円錐振子が円運動し、それによりセンターシャフトが回転して発電機で発電が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１９５０９６号公報
【特許文献２】特開２００９−１２１３１４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、特許文献１の発明は、ピッチング用とローリング用の二つの振子を有しており構造が複雑であることが問題であった。さらに、各振子は一方向の振動のみに対応するものであるから、振子の運動方向以外の方向の振動によって破壊されることがないように、軸受の強度を高める必要があった。また、特許文献２の発明は、センターシャフトを傾けるような振動であれば、円錐振子が円運動してセンターシャフトが回転するが、軸を回転させるには軸垂直方向に力が作用しなければならないので、センターシャフトの回転軸方向（上下方向）の振動では、センターシャフトが回転せず発電できないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情を鑑みたものであり、簡易な構成であって、あらゆる方向の振動により発電することができる発電装置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、基部と、支持柱と、回転軸と、振子体と、錘と、発電機とを備え、支持柱が、第一軸受を介して基部に垂直向きに取り付けられていて、垂直軸周りに回転自在であり、回転軸が、第二軸受を介して支持柱に水平向きに取り付けられていて、水平軸周りに回転自在であり、振子体が、回転軸に固定されていて、その一端に錘が取り付けられており、発電機が、回転軸に接続されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明のうち請求項２の発明は、錘が、振子体の長手方向に沿って位置調整可能で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、振子体の他端に、補助錘が取り付けられてい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、水平軸周りに回転する回転軸が、垂直軸周りに回転する支持柱に支持された構造なので、どの方向の振動に対しても、回転軸が振動方向に直交するように支持柱が回転して、常に振子を揺動させて発電することができる。またそれに伴って、軸受にかかる力を軽減できる。さらに、振子体は、加振力が小さければ往復運動し、加振力が大きければ回転運動するので、広い範囲のエネルギ量に対応できる。また、振動エネルギを電気エネルギに変換するため、設置した構造物などの振動を軽減できる。
【００１０】
本発明のうち請求項２の発明によれば、錘の位置を調整して、振子体の固有振動数が加えられる振動の振動数と一致するようにすれば、より発電量を大きくすることができる。また、加振力が小さく振子体が往復運動している場合でも、振子体の揺動に合わせて錘の位置を動かすことにより、往復運動から回転運動へ移行させ、安定して発電することができる。その場合、往復運動において、振子体が最高点から最下点に至るまでは錘の位置を回転中心から遠ざけ、最下点から最高点に至るまでは錘の位置を回転中心に近づけるようにすればよい。
【００１１】
本発明のうち請求項３の発明によれば、振子体の両端に錘または補助錘が取り付けられているので、錘と補助錘の質量比、および回転中心から錘または補助錘までの長さの比を変えるだけで、固有振動数を変えることができる。これにより、加えられる振動の振動数が小さい場合であっても、固有振動数を一致させるために長大な振子体を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の発電装置の側面図である。
【図２】本発明の発電装置の正面図である。
【図３】振子体の動きの説明図であり、（ａ）は加振力が小さい場合、（ｂ）は加振力が大きい場合である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の発電装置の具体的な構成について、各図面に基づいて説明する。この発電装置は、図１および図２に示すように、基部１と、支持柱２と、回転軸３と、振子体４と、錘５と、補助錘９と、発電機６とを備えている。基部１は、発電装置全体を支持するものであり、基部１が振動することで、その振動が振子体４に伝達され、発電が行われる。図面では、模式的に平板状のものとしているが、どのような形状であってもよく、この発電装置の設置面と一体になっていてもよい。支持柱２は、略円柱形状で、第一軸受７を介して基部１に垂直向きに取り付けられている。第一軸受７は、ボールベアリングからなるものであり、支持柱２は、垂直軸周りに回転自在となっている。そして、支持柱２の上端部に、第二軸受８を介して回転軸３が水平向きに取り付けられている。第二軸受８も、ボールベアリングからなるものであり、回転軸３は、水平軸周りに回転自在となっている。さらに、回転軸３の一端には、棒状の振子体４が取り付けられている。振子体４は、回転軸３に対して動かないように固定されており、回転軸３と一体になって回転する。そして、振子体４の一端には、錘５が取り付けられている。ここで錘５は、ボールネジ５１によって振子体４の長手方向に沿って位置調整可能となっている。すなわち、振子体４に、ボールネジ５１を回転させるモータ５２と、ボールネジ５１を振子体４の長手方向に沿った向きに支持する軸受５３が取り付けられており、錘５がボールネジ５１に螺合していて、かつボールネジ５１に平行するガイド５４に沿って摺動可能で、ボールネジ５１を回転させることにより錘５が振子体４の長手方向に沿って移動する。さらに、振子体４の他端には、補助錘９が取り付けられている。補助錘９は、錘５とは異なって振子体４に固定されており、移動不可能である。そして、回転軸３の他端には、発電機６が増速器１０を介して接続されており、回転軸３の回転を電気エネルギに変換している。なお、この発電装置は図示しない制御部を有しており、回転軸３の回転速度に基づいて、モータ５２を駆動し錘５の位置を調整する。
【００１４】
このように構成した発電装置において、基部１が振動すれば、その振動が振子体４に伝達されて振子体４が揺動し、回転軸３が回転して発電が行われる。その際、振動の方向が変わっても、回転軸３が振動方向に直交するように支持柱２が回転して、振子体４は振動方向に揺動するので、常に発電できる。またそれに伴って、第一軸受７および第二軸受８にかかる力を軽減できる。さらに、振動により加えられるエネルギ量によって、振子体４が往復運動（図３（ａ））から回転運動（図３（ｂ））に変わるため、広い範囲のエネルギ量に対応できる。また、振動エネルギを電気エネルギに変換するため、設置した構造物などの振動を軽減できる。
【００１５】
また、錘の位置を調整して、振子体の固有振動数が加えられる振動の振動数と一致するようにすれば、より発電量を大きくすることができる。さらに、加振力が小さく振子体が往復運動している場合でも、振子体の揺動に合わせて錘の位置を動かすことにより、往復運動から回転運動へ移行させることができる。これは、人がブランコを漕ぐのと同じ原理であり、往復運動において、振子体が最高点から最下点に至るまでは錘の位置を回転中心から遠ざけ、最下点から最高点に至るまでは錘の位置を回転中心に近づけるようにすればよい。なお、これらの錘の位置調整は、回転軸の回転速度をパラメータとして行われる。すなわち、振動数は回転速度から求められる。また、振子体の最高点では回転速度が０となり、最下点では回転速度が最速となる。そして、振子体が回転運動することにより、振子体自身がフライホイールの役割を果たし、安定して発電することができる。
【００１６】
なお、錘の位置調整についてはボールネジにより行われる構造となっており、錘に働く力はボールネジとガイドにより受け持つので、振子体が揺動しても錘の位置を確実に保持できる。このように直線的な位置調整を行う機構としては、たとえば油圧シリンダを用いる機構や、錘に接続したワイヤをウインチで巻き取る機構なども考えられる。しかしながら、油圧シリンダを用いる機構では、振子体の位置により油圧シリンダのピストンに作用する力が変わるので、錘の位置が変わらないようにするためには、油圧を高くしなければならず、高圧の油圧ポンプが必要となる。また、振子体が回転運動する場合には、回転する配管が必要となり、構造が複雑になる。さらに、ワイヤをウインチで巻き取る機構では、ワイヤは圧縮方向の力を受け持つことができないので、振子体が回転運動する場合には、錘の位置を保持できないおそれがある。よって、本発明の発電装置のように、ボールネジにより位置調整する構造とすることが望ましい。
【００１７】
さらに、この発電装置は、振子体の両端に錘または補助錘が取り付けられていることにより、加えられる振動の振動数が小さい場合であっても、小型の装置で対応することができる。以下、この点についてより詳しく説明する（ただし、以下の式は、振子体が往復運動する場合であって、その振幅が小さい場合のものである）。まず、補助錘がない場合を考える。この場合、回転中心から錘までの距離をｒ、錘の質量をｍ、重力加速度をｇとして、次の式（１）の運動方程式が成り立つ。
【数１】
2013100734.tif 000003
よって、固有振動数は次の式（２）で表される。
【数２】
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したがって、回転中心から錘までの距離ｒ、すなわち振子体の長さを変えることにより、固有振動数を変えることができる。しかし、たとえば固有振動数を０．５Ｈｚという小さな値にするためには、１ｍ以上の長さの振子体が必要となってしまう。
【００１８】
これに対し、振子体の両端に錘または補助錘が取り付けられている場合、回転中心から錘および補助錘までの距離をそれぞれｒ１，ｒ２、錘および補助錘の質量をそれぞれｍ１，ｍ２として、次の式（３）の運動方程式が成り立つ。
【数３】
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よって、固有振動数は次の式（４）で表される。
【数４】
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したがって、錘と補助錘の質量比、および回転中心から錘または補助錘までの長さの比を変えるだけで、固有振動数を変えることができる。これにより、たとえば固有振動数を０．５Ｈｚという小さな値にする場合でも、質量比または長さ比を変えることで対応できるので、１ｍもの長さの振子体は必要ない。
【００１９】
本発明の発電装置は、様々な場面での使用が考えられる。たとえば、波力により揺れる船舶や、風力により揺れる架橋に設置することで、振動エネルギを電気エネルギに変換して発電できる。発電した電力は、船舶であれば、動力やその他の船内機器などの電源として使用できるし、架橋であれば、照明などの電源として使用できる。また、振動エネルギを電気エネルギに変換しているため、振動エネルギが減少し、船舶や架橋の揺れを低減できる。その他にも、電圧や発電量を計測することにより、振動の発生時刻や振幅の大きさなどを測定するセンサとして利用することもできる。さらに、建物の床や窓などに設置し、発電機にブザーや照明を接続することで、防犯装置として利用することもできる。すなわち、床や窓の振動によって発電し、人が近付いたことを音や光で知らせるものであり、電源のないところでも設置可能である。また、この発電装置は人が歩く際の振動により発電することも可能であるから、携帯可能な電子機器に内蔵したり、電子機器の充電器に搭載したりして、電子機器の充電に使用してもよい。
【００２０】
本発明は、上記の実施形態に限定されない。たとえば、第一軸受および第二軸受は、ボールベアリングからなるものに限られず、ローラベアリングのようなその他のベアリングなど、一般に軸受として用いられる種々の構造を適用できる。また、錘の位置調整の機構は、上記のボールネジを用いる機構が望ましいが、振子体の長手方向に沿って錘を移動させ、その位置で保持できるものであれば、それ以外の機構でもよい。さらに、加えられる振動の振動数があらかじめわかっている場合には、錘の位置調整の機構は省略してもよい。また、あらかじめ振動の方向がわかっていて変化しない場合には、第一軸受が回転しない方が安定して振子体を揺動させられる場合もあるので、第一軸受を固定して回転不能な状態にできるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２１】
１  基部
２  支持柱
３  回転軸
４  振子体
５  錘
６  発電機
７  第一軸受
８  第二軸受
９  補助錘
【図１】
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【図２】
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【図３】
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