(57)【要約】【課題】  電動アクチュエータ及びその制御構成を必要とすることなく、機械的な構造によって翼のピッチ角を変更することができる垂直軸型風力発電機を提供すること【解決手段】  垂直軸型風力発電機１の翼可動機構２０は、内輪２１ａ及び内輪２１ａに同軸配置した外輪２１ｂを有し、軸方向が垂直支柱２の軸方向に対して傾斜した状態で垂直支柱２に相対回転可能に取り付けられたスワッシュプレート２１と、スワッシュプレート２１の外輪２１ｂに接続されるとともに、垂直支柱２の軸方向に延設された第一ロッド部材２２１と、翼６にその一方端が接続された第二ロッド部材２２３と、垂直支柱２の軸方向に平行な平面内を回転可能に垂直支柱２に取り付けられるとともに、それぞれ異なる位置にて第一ロッド部材２２１及び第二ロッド部材２２３に接続されたベルクランク２２２と、を備える。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自転可能な垂直支柱と、
前記垂直支柱に取り付けられ、前記垂直支柱の自転によって発電する発電機と、
前記垂直支柱に支持されるとともに、前記垂直支柱から離れる方向に延設されたステーと、
前記垂直支柱に平行に前記ステーに設けられた第一軸回りに回転可能に前記ステーに接続され、風力により前記垂直支柱を中心として前記ステーとともに公転する翼と、
前記翼の公転位置に応じて前記翼のピッチ角を変更するピッチ角可変機構を備え、
前記ピッチ角可変機構は、
第一輪と、前記第一輪に同軸的に配置しているとともに前記第一輪に相対回転可能に前記第一輪に接続された第二輪とを有し、回転軸方向が前記垂直支柱の軸方向に対して傾斜した状態で、前記第一輪が前記垂直支柱に相対回転可能に取り付けられている軸受部材と、
前記軸受部材の前記第二輪にその一方端が接続されるとともに、前記垂直支柱の軸方向に延設された第一ロッド部材と、
前記翼と前記ステーとの接続位置とは異なる位置にて前記翼にその一方端が接続された第二ロッド部材と、
前記垂直支柱の軸方向に平行な平面内を回転可能に前記垂直支柱に取り付けられるとともに、それぞれ異なる位置にて前記第一ロッド部材の他方端及び前記第二ロッド部材の他方端に接続されたベルクランクと、
を備える、
垂直軸型風力発電機。
【請求項２】
請求項１に記載の垂直軸型風力発電機において、
前記垂直支柱の外周側に設けられ、前記軸受部材の前記第一輪と一体的に同軸回転するように前記第一輪に接続された筒状部材と、平板状に形成され、その表面及び裏面が前記垂直支柱の軸方向に平行であるように前記筒状部材の外周面に固定された尾翼と、を有する尾翼ユニットを備える、
垂直軸型風力発電機。
【請求項３】
請求項１または２に記載の垂直軸型風力発電機において、
前記翼の公転位置が、前記翼に作用する抗力の回転方向成分の作用方向が前記翼に作用する遠心力の回転方向成分の作用方向と反対方向である第一公転位置であって、且つ、前記抗力の回転方向成分が前記遠心力の回転方向成分よりも大きいときに、前記第一軸回りにおける前記翼の回転位置が、前記抗力の回転方向成分によって抗力を主体として前記翼を公転させることができる第一回転位置に位置決めされ、前記翼の公転位置が、前記抗力の回転方向成分の作用方向と前記遠心力の回転方向成分の作用方向が同一方向である第二公転位置であるときに、前記第一軸回りにおける前記翼の回転位置が、前記抗力の回転方向成分及び前記遠心力の回転方向成分によって揚力を主体として前記翼を公転させることができる第二回転位置に位置決めされ、前記遠心力の回転方向成分が前記抗力の回転方向成分よりも大きいときに、前記翼の公転位置にかかわらず、前記第一軸回りにおける前記翼の回転位置が前記第二回転位置に位置決めされるように、前記第一軸回りにおける前記翼の回転位置を調整する回転位置調整機構を備える、
垂直軸型風力発電機。
【請求項４】
請求項３に記載の垂直軸型風力発電機において、
前記回転位置調整機構は、前記第二ロッド部材を含み、
前記第二ロッド部材は、
前記垂直支柱に接続された内側連結部と、前記垂直支柱に平行な軸回りに回転可能に前記内側連結部にその一方端が接続された中間ロッド部と、前記垂直支柱に平行な軸回りに回転可能にその一方端が前記中間ロッド部の他方端に接続されるとともに、その他方端が前記ステーとの接続位置とは異なる接続位置にて前記翼に接続された外側ロッド部と、を有し、
前記翼の前記第一軸回りにおける回転位置が前記第二回転位置にあるときに、前記中間ロッド部と前記外側ロッド部が同軸状に配列され、
前記翼の前記第一軸回りにおける回転位置が前記第一回転位置にあるときに、前記中間ロッド部と前記外側ロッド部が交差状に配列されるように構成される、
垂直軸型風力発電機。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の垂直軸型風力発電機において、
前記翼が前記第一回転位置から前記第二回転位置に向かって回転するときに、前記第二回転位置に近づくにつれて大きくなるような、前記翼の回転に対する制動力を発生し、前記翼が前記第二回転位置から前記第一回転位置に向かって回転するときに、前記第一回転位置に近づくにつれて大きくなるような、前記翼の回転に対する制動力を発生する制動部材を備える、
垂直軸型風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直軸型風力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギーとしての風力を利用した様々な風力発電機が開発されている。風力発電機は、水平軸型風力発電機と垂直軸型風力発電機とに大別される。水平軸型風力発電機は、風向に平行な軸回りを公転する翼を有する風車（水平軸風車）を備え、垂直軸型風力発電機は、風向に垂直な軸回りを公転する翼を有する風車（垂直軸風車）を備える。
【０００３】
また、風力発電機は、抗力型風力発電機と揚力型風力発電機とに大別することもできる。抗力型風力発電機は、風力により押される力（抗力）によって公転する翼（抗力翼）を有する風車（抗力型風車）を備え、揚力型風力発電機は、風力により翼に生じる揚力によって公転する翼（揚力翼）を有する風車（揚力型風車）を備える。
【０００４】
抗力型風車に備えられる翼は、弱風によっても公転する。その反面、抗力型風車に備えられる翼の公転速度を風速よりも大きくすることができない。従って、抗力型風車を利用した抗力型風力発電機は、始動性（起動性）が高い（すなわち弱風によっても発電する）というメリットを有する一方で、強風時における最大発電量が小さいというデメリットを有する。
【０００５】
揚力型風車は、翼の公転速度を風速よりも大きくすることができる。しかし、弱風によって翼が公転し難い。従って、揚力型風車を利用した揚力型風力発電機は、強風時における最大発電量が大きいというメリットを有する一方で、始動性が低い（すなわち弱風によっては発電しない）というデメリットを有する。
【０００６】
特許文献１は、回転軸と、回転軸と一体回転する公転軸と、自転可能であり公転軸に沿って回転軸回りを公転する翼と、公転角度（位相角）に応じて翼の自転角度（ピッチ角或いは仰角）を制御する制御手段を備える風車を開示する。また、特許文献１は、制御手段による翼の自転角度の制御方式として、ガイドロッド方式、ガイドウェイ方式、及び、ガイドロッド方式とガイドウェイ方式との複合方式、の３方式を提案している。ガイドロッド方式は、翼にガイドロッドを接続するとともに、回転軸に対するガイドロッドの偏心回転中心位置を電動アクチュエータ等で制御することにより、翼の自転角度を制御する方式である。ガイドウェイ方式は、環状体に形成された環状溝（ガイドウェイ）に係合するカムフォロアに翼を接続するとともに、回転軸に対する環状溝の中心位置を電動アクチュエータ等で制御することにより、翼の自転角度を制御する方式である。特許文献１によれば、公転位置に応じて翼の自転角度（ピッチ角）を制御することにより、始動性を向上させることができるとともに、過大風力に対する対応を容易に行うことができる。
【０００７】
特許文献２は、回転軸を中心として回転可能であり、且つ厚さ方向にカムプロフィールが変化する板カムと、風向に応じて板カムの回動角度を調整するカム回動角度調整機構と、板カムの従動節と翼とを連結するリンク機構と、板カムを回転軸の軸方向に移動するための電動アクチュエータとを有する翼回動角度調整手段を備える風車を開示する。板カムを回転軸の軸方向に移動させて翼のピッチ角（又は仰角）を変更することで、始動性が向上するとともに、これを用いた発電機の発電電力を増大させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１５２９２２号公報
【特許文献２】特開２００６−０７５４８７号公報
【発明の概要】
【０００９】
（発明が解決しようとする課題）
特許文献１及び特許文献２に記載の風車は、いずれも、公転する翼のピッチ角（サイクルピッチ）を変更することにより、高速で翼が公転するように構成されている。しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の風車には、翼のピッチ角を変更させるための電動アクチュエータ及び、翼の公転位置に応じて翼のピッチ角が最適角度になるように電動アクチュエータを制御するための制御構成が必要とされるため、構造が複雑化するとともに、コストアップが懸念される。
【００１０】
本発明は、電動アクチュエータ及びその制御構成を必要とすることなく、機械的な構造によって翼のピッチ角を変更することができる垂直軸型風力発電機を提供することを目的とする。
【００１１】
（課題を解決するための手段）
本発明に係る垂直軸型風力発電機（１）は、自転可能な垂直支柱（２）と、垂直支柱に取り付けられ、垂直支柱の自転によって発電する発電機（３）と、垂直支柱に支持されるとともに、垂直支柱から離れる方向に延設されたステー（４）と、垂直支柱に平行にステーに設けられた第一軸（Ｐ４）回りに回転可能にステーに接続され、風力により垂直支柱を中心としてステーとともに公転する翼（６）と、翼の公転位置に応じて翼のピッチ角を変更するピッチ角可変機構（２０）を備える。
【００１２】
そして、ピッチ角可変機構は、第一輪（２１ａ）と、第一輪に同軸的に配置しているとともに第一輪に相対回転可能に第一輪に接続された第二輪（２１ｂ）とを有し、回転軸方向が垂直支柱の軸方向に対して傾斜した状態で、第一輪が垂直支柱に相対回転可能に取り付けられている軸受部材（２１）と、軸受部材の第二輪にその一方端が接続されるとともに、垂直支柱の軸方向に延設された第一ロッド部材（２２１）と、翼とステーとの接続位置とは異なる位置にて翼にその一方端が接続された第二ロッド部材（２２３）と、垂直支柱の軸方向に平行な平面内を回転可能に垂直支柱に取り付けられるとともに、それぞれ異なる位置にて第一ロッド部材の他方端及び第二ロッド部材の他方端に接続されたベルクランク（２２２）と、を備える。
【００１３】
本発明に係る垂直軸型風力発電機によれば、翼は、垂直支柱と平行な軸（第一軸）回りに回転可能にステーに取り付けられる。また、本発明に係る垂直軸型風力発電機が備えるピッチ角可変機構は、傾斜状態で垂直支柱に取り付けられた軸受部材と、軸受部材の第二輪に接続された第一ロッド部材と、第一ロッド部材に接続されたベルクランクと、ベルクランクに接続されるとともに翼に接続された第二ロッド部材とを備える。従って、翼の公転は、第二ロッド部材及びベルクランクを介して第一ロッド部材に伝達され、この第一ロッド部材が、翼の公転に伴って軸受部材の第二輪とともに垂直支柱の回りを回転する。ここで、軸受部材は垂直支柱に傾斜して取り付けられているので、軸受部材のある一点（定点）における垂直支柱の軸方向に沿った位置は、回転位置によって変化する。よって、軸受部材のある一点に接続された第一ロッド部材は、翼の公転に伴って垂直支柱の軸方向に沿って周期的に往復する。斯かる第一ロッド部材の周期的な往復動作がベルクランクの回転動作（揺動動作）を誘発し、さらにベルクランクの回転動作によって第二ロッド部材が軸方向に往復移動する。第二ロッド部材が軸方向に往復移動することによって、翼が第一軸回りを揺動する。このような翼の揺動により、翼のピッチ角が変更される。また、翼は周期的に揺動するため、１サイクル（公転）中に、公転位置に応じてピッチ角が変更されることになる。つまり、サイクルピッチを変更することができる。
【００１４】
このような構成のピッチ角可変機構により、翼が高速で公転しているときに、揚力がより向上するように翼のピッチ角を調整することができる。そのため翼をより高速で公転させることが可能となり、その結果、最大発電量を増大させることができる。また、翼のピッチ角を変更するために電動アクチュエータやその制御構成を必要とせず、機械的な構造によって翼のピッチ角を変更することができるので、従来技術に比べて安価に垂直軸型風力発電機を提供することができる。さらに、上記構成のピッチ角可変機構は、第二ロッド部材、ベルクランク、第一ロッド部材、軸受部材を含む複数の部品が接続されることにより構成されているが、翼が高速で公転しているときには、遠心力及び揚力によって、これらの構成部品が常に翼に引っ張られる。このため、翼の公転中に、ピッチ角可変機構を構成する各部品が接続部位にて押し付け合うことが防止され、各部品が接続位置にて押し付け合うことによる各部品の破損が効果的に防止される。また、上記した各部品の破損を防止するための補強を考慮することなく各部品を作製できるので、部品コストの削減にも寄与する。
【００１５】
この場合、本発明に係る垂直軸型風力発電機は、垂直支柱の外周側に設けられ、軸受部材の第一輪と一体的に同軸回転するように第一輪に接続された筒状部材（１２）と、平板状に形成され、その表面及び裏面が垂直支柱の軸方向に平行であるように筒状部材の外周面に固定された尾翼（１１）と、を有する尾翼ユニット（１０）を備えるのがよい。
【００１６】
これによれば、尾翼が風を受けて風向に平行な方向に回転すると、それに伴い、筒状部材を介して尾翼に接続された軸受部材の第一輪も回転する。第一輪が回転することにより、垂直支柱に対する軸受部材の傾斜方向が変化する。つまり、尾翼の回転位置と軸受部材の傾斜方向が関連付けられる。よって、風向に対して最も好ましい方向に軸受部材が傾斜するように尾翼を筒状部材に固定することにより、特別な制御を行うことなく、最適な翼のピッチ角制御を行うことができる。
【００１７】
また、本発明に係る垂直軸型風力発電機は、翼の公転位置が、翼に作用する抗力の回転方向成分の作用方向が翼に作用する遠心力の回転方向成分の作用方向と反対方向である第一公転位置であって、且つ、抗力の回転方向成分が遠心力の回転方向成分よりも大きいときに、第一軸回りにおける翼の回転位置が、抗力の回転方向成分によって抗力を主体として翼を公転させることができる第一回転位置に位置決めされ、翼の公転位置が、抗力の回転方向成分の作用方向と遠心力の回転方向成分の作用方向が同一方向である第二公転位置であるときに、第一軸回りにおける翼の回転位置が、抗力の回転方向成分及び遠心力の回転方向成分によって揚力を主体として翼を公転させることができる第二回転位置に位置決めされ、遠心力の回転方向成分が抗力の回転方向成分よりも大きいときに、翼の公転位置にかかわらず、第一軸回りにおける翼の回転位置が第二回転位置に位置決めされるように、第一軸回りにおける翼の回転位置を調整する回転位置調整機構（２０）を備えるとよい。
【００１８】
これによれば、回転位置調整機構によって、第一軸回りにおける翼の回転位置が第一回転位置又は第二回転位置に位置決めされる。翼が第一回転位置にあるとき、翼は抗力翼として機能することができる。翼が第二回転位置にあるとき、翼は揚力翼として機能することができる。
【００１９】
ここで、翼の公転速度が低い始動時には、翼に作用する遠心力が小さい。そのため、翼に作用する抗力の回転方向成分（すなわち翼に作用する抗力のうち第一軸回りにおける翼の回転方向成分）の方が、翼に作用する遠心力の回転方向成分（すなわち翼に作用する遠心力のうち第一軸回りにおける翼の回転方向成分）よりも大きい。このような始動時であって、且つ、翼の公転位置が、抗力の回転方向成分の作用方向が遠心力の回転方向成分の作用方向と反対方向である公転位置（第一公転位置）であるときは、抗力の回転方向成分によって、翼が第一回転位置に位置決めされる。一方、始動時であって、且つ、翼の公転位置が、抗力の回転方向成分の作用方向と遠心力の回転方向成分の作用方向が同一方向である公転位置（第二公転位置）であるときは、抗力の回転方向成分及び遠心力の回転方向成分によって、翼が第二回転位置に位置決めされる。このように、始動時（翼の公転速度が低いとき）には、第一軸回りにおける翼の回転位置は、翼の公転位置に応じて、翼が抗力翼として機能することができる第一回転位置と、翼が揚力翼として機能することができる第二回転位置とに切り替えられる。言い換えれば、始動時には、翼が抗力翼として機能する公転領域が存在する。始動時に翼が抗力翼として機能する公転領域が存在するので、弱風が作用した場合でも翼を公転させることができる。つまり、始動性をより一層向上させることができる。
【００２０】
一方、翼の公転速度が高い場合、翼に作用する遠心力が大きい。そのため、遠心力の回転方向成分が、抗力の回転方向成分よりも大きい。この場合、翼の公転位置にかかわらず、翼が第二回転位置に位置決めされて、翼が揚力翼として機能する。このように、翼の公転速度が高い場合には、翼が揚力翼として機能するので、風速よりも高い速度で翼を公転させることができ、それにより、最大発電量を向上させることができる。
【００２１】
この場合、本発明に係る回転位置調整機構は、上記第二ロッド部材を含み、第二ロッド部材は、垂直支柱に接続された内側連結部（２２３ａ）と、垂直支柱に平行な軸回りに回転可能に内側連結部にその一方端が接続された中間ロッド部（２２３ｂ）と、垂直支柱に平行な軸回りに回転可能にその一方端が中間ロッド部の他方端に接続されるとともに、その他方端がステーとの接続位置とは異なる接続位置にて翼に接続された外側ロッド部（２２３ｃ）と、を有するとよい。そして、第二ロッド部は、翼の第一軸回りにおける回転位置が第二回転位置にあるときに、中間ロッド部と外側ロッド部が同軸状に配列され、翼の第一軸回りにおける回転位置が第一回転位置にあるときに、中間ロッド部と外側ロッド部が交差状に配列されるように構成されるとよい。ここで、中間ロッド部と外側ロッド部が「同軸状に配列される」とは、第二ロッド部材が直線状態になるように、中間ロッド部と外側ロッド部が配列されることをいう。また、中間ロッド部と外側ロッド部が「交差状に配列される」とは、第二ロッド部材が、中間ロッド部と外側ロッド部との接続位置を中心に折れ曲がった状態（屈曲状態）となるように、中間ロッド部と外側ロッド部が配列されることをいう。
【００２２】
これによれば、第二ロッド部材を直線状態にすることにより、翼の回転位置を第二回転位置に位置決めすることができる。また、第二ロッド部材を屈曲状態にすることにより、翼の回転位置を第一回転位置に位置決めすることができる。
【００２３】
また、本発明に係る垂直軸型風力発電機は、翼が第一回転位置から第二回転位置に向かって回転するときに、第二回転位置に近づくにつれて大きくなるような、翼の回転に対する制動力を発生し、翼が第二回転位置から第一回転位置に向かって回転するときに、第一回転位置に近づくにつれて大きくなるような、翼の回転に対する制動力を発生する制動部材（２６，２７）を備えるとよい。この場合において、制動部材は、翼が第一回転位置と第二回転位置との間の中間回転位置から第二回転位置に向かって回転するときに、第二回転位置に近づくにつれて大きくなるような、翼の回転に対する制動力を翼に付与し、翼が上記中間位置から第一回転位置に向かって回転するときに、第一回転位置に近づくにつれて大きくなるような、翼の回転に対する制動力を翼に付与するように構成されているのが好ましい。
【００２４】
これによれば、翼が第一回転位置から第二回転位置に回転して第二回転位置に位置決めされる際、及び、翼が第二回転位置から第一回転位置に回転して第一回転位置に位置決めされる際に、制動部材が翼の回転に対して大きな制動力を発生する。斯かる制動力により、翼が第一回転位置又は第二回転位置に位置決めされるときにおける衝撃力が緩和されるので、翼の破損を防止できる。また、発生した制動力は、翼の回転に連動して配列状態を同軸状態から交差状態へと、或いは交差状態から同軸状態へと変化させる中間ロッド部と外側ロッド部を有する第二ロッド部材に作用する。このため、第二ロッド部材の中間ロッド部と外側ロッド部の配列状態の変化に伴い発生する衝撃力が、制動力によって緩和される。よって、第二ロッド部材の信頼性を向上させることができ、ひいては垂直軸型風力発電機の信頼性を向上させることができる。さらに、翼が第一回転位置又は第二回転位置に位置決めされたときに生じる衝突音の大きさを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】本実施形態に係る垂直軸型風力発電機を風上側から見た斜視図である。
【図１Ｂ】本実施形態に係る垂直軸型風力発電機を風下側から見た斜視図である。
【図２】翼可動機構の取付構造を示す斜視図である。
【図３】翼可動機構の取付構造をＸ方向から示す図である。
【図４】ステーと翼との接続構造及び第二ロッド部材と翼との接続構造をＺ方向から見た図である。
【図５】第二ロッド部材が屈曲した状態を、Ｚ方向から見た図である。
【図６】第二ロッド部材が備える中間ロッド部と外側ロッド部との接続部分付近の詳細をＺ方向から見た図である。
【図７】垂直支柱に取り付けられるスワッシュプレート付近の構成をＸ方向から見た図である。
【図８】垂直支柱に取り付けられるスワッシュプレート付近の構成をＹ方向及びＺ方向に平行な平面で切断した断面図である。
【図９Ａ】公転位置がＲ１領域内の位置である翼の軸ピンＰ４回りにおける回転状態を示す図である。
【図９Ｂ】公転位置がＲ１領域とＲ２領域の境界位置である翼の軸ピンＰ４回りにおける回転状態を示す図である。
【図９Ｃ】公転位置がＲ２領域内の位置である翼の軸ピンＰ４回りにおける回転状態を示す図である。
【図９Ｄ】公転位置がＲ２領域とＲ３領域の境界位置である翼の軸ピンＰ４回りにおける回転状態を示す図である。
【図９Ｅ】公転位置がＲ３領域内の位置である翼の軸ピンＰ４回りにおける回転状態を示す図である。
【図９Ｆ】公転位置がＲ３領域とＲ４領域との境界位置またはその近傍位置である翼の軸ピンＰ４回りにおける回転状態を示す図である。
【図９Ｇ】公転位置がＲ４領域内の位置である翼の軸ピンＰ４回りにおける回転状態を示す図である。
【図９Ｈ】公転位置がＲ４領域とＲ１領域の境界位置である翼の軸ピンＰ４回りにおける回転状態を示す図である。
【図１０】垂直支柱の軸回りを低速度で公転している翼の軸ピンＰ４回りにおける回転位置をＺ方向から示す図である。
【図１１】一方の翼が第一回転位置であり、他方の翼が第二回転位置である状態を示す図である。
【図１２】垂直支柱の軸回りを高速度で公転している翼の軸ピンＰ４回りにおける回転位置をＺ方向から示す図である。
【図１３Ａ】基準位置にある第一ロッド部材を示す図である。
【図１３Ｂ】上限位置にある第一ロッド部材を示す図である。
【図１３Ｃ】下限位置にある第一ロッド部材を示す図である。
【図１４】第二ロッド部材の前進移動及び後退移動によって翼が軸ピンＰ４回りを揺動する様子を示す図である。
【図１５】翼の位相角と、その位相角で表される公転位置における翼のピッチ角との関係を示すグラフである。
【図１６】ピッチ角を変化させながら翼が公転する様子をＺ方向から示す図である。
【図１７】翼の公転速度の経時変化を示すグラフである。
【図１８Ａ】本実施形態に係る垂直軸型風力発電機を用いた場合における、風速と発電電力との関係を示す図である。
【図１８Ｂ】従来の固定翼を有する垂直軸型風力発電機を用いた場合における、風速と発電電力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１の斜視図である。ここで、以下において、垂直軸型風力発電機１の構成を説明する際に方向を用いる場合は、その方向を、それぞれ直交する３方向であるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向（又は上下方向）により表すことができる。ここで、Ｘ方向及びＹ方向は、水平面に平行な方向であり、Ｚ方向は鉛直方向（上下方向）を表す。また、図１Ａは、風上側から見た垂直軸型風力発電機１の斜視図であり、図１Ｂは、風下側から見た垂直軸型風力発電機１の斜視図である。
【００２７】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、垂直軸型風力発電機１は、垂直支柱２と、発電機３と、一対の上側ステー４１ａ，４１ｂと、一対の下側ステー４２ａ，４２ｂと、一対の翼６ａ，６ｂと、ベース７と、尾翼ユニット１０と、翼可動機構２０を備える。翼可動機構２０が、本発明におけるピッチ角可変機構（サイクルピッチ可変機構）であり、また、回転位置調整機構である。
【００２８】
ベース７は、Ｚ方向から見て十字状に形成され、地面或いは床面に載置される。このベース７の中心に、垂直支柱２が接続される。垂直支柱２は、第一支柱部２ａと第二支柱部２ｂとを有し、第一支柱部２ａがベース７に回転不能に接続される。第一支柱部２ａは、Ｚ方向に沿って延設される。また、第一支柱部２ａの延設方向における先端部（上端部）に、発電機３を介して第二支柱部２ｂが配設される。第二支柱部２ｂの一方端（下端）には第一フランジ２ｃが取り付けられ、第二支柱部２ｂの他方端（上端）には第二フランジ２ｄが取り付けられる。第二支柱部２ｂは、第一支柱部２ａと同軸的にＺ方向に延設される。
【００２９】
発電機３は、中心孔を有する略ドーナツ形状のロータカバー３ａを備えるアウターロータ型の発電機であり、ロータカバー３ａ内にアウターロータが配設されている。また、発電機３は、後述する図８において図示される中心軸３ｂを備える。中心軸３ｂはロータカバー３ａの中心孔を挿通するとともにロータカバー３ａからＺ方向における下方に延びる。中心軸３ｂのうちロータカバー３ａの中心孔を挿通している部分には、ロータカバー３ａ内のアウターロータに対面するように配置されたステータが取り付けられる。また、中心軸３ｂのうちロータカバー３ａから下方に延びた部分が、第一支柱２ａに同軸的に固定される。発電機３が備えるアウターロータは、ロータカバー３ａとともに、中心軸３ｂを中心として回転することができるように構成される。
【００３０】
また、発電機３のロータカバー３ａは、第二支柱部２ｂの一方端（下端）に取り付けられた第一フランジ２ｃに一体的に接続される。従って、第二支柱部２ｂ、第一フランジ２ｃ及び第二フランジ２ｄは、発電機３のロータカバー３ａ及びロータカバー３ａ内のアウターロータとともに、一体的に回転する。アウターロータが中心軸３ｂに取り付けられたステータに対して相対回転することにより、発電機３が発電する。
【００３１】
一対の上側ステー４１ａ，４１ｂは、共に同一形状の棒状部材であり、その一方端がそれぞれ垂直支柱２の第二フランジ２ｄに接続される。一対の上側ステー４１ａ，４１ｂは、垂直支柱２から離れる方向に延設される。具体的には、一対の上側ステー４１ａ，４１ｂは、垂直支柱２（第二支柱部２ｂ）から垂直支柱２（第二支柱部２ｂ）の軸方向（Ｚ方向）に直交する成分を含む方向に、好ましくは、垂直支柱２（第二支柱部２ｂ）から垂直支柱２（第二支柱部２ｂ）の軸方向（Ｚ方向）に直交する方向に、延設される。また、一対の上側ステー４１ａ，４１ｂのうち一方の上側ステー４１ａは、他方の上側ステー４１ｂとは反対の方向に向かって延設される。
【００３２】
一対の下側ステー４２ａ，４２ｂは、共に同一形状の棒状部材であり、その一方端がそれぞれ垂直支柱２の第一フランジ２ｃに接続される。一対の下側ステー４２ａ，４２ｂは、垂直支柱２から離れる方向に延設される。具体的には、一対の下側ステー４２ａ，４２ｂは、垂直支柱２（第二支柱部２ｂ）から垂直支柱２（第二支柱部２ｂ）の軸方向（Ｚ方向）に直交する成分を含む方向に、好ましくは、垂直支柱２（第二支柱部２ｂ）から垂直支柱２（第二支柱部２ｂ）の軸方向（Ｚ方向）に直交する方向に、延設される。さらに、一対の下側ステー４２ａ，４２ｂのうち一方の下側ステー４２ａは、他方の下側ステー４２ｂとは反対の方向に向かって延設される。
【００３３】
また、図１Ａ及び図１Ｂからわかるように、一方の上側ステー４１ａと一方の下側ステー４２ａは、互いに平行で且つＺ方向から見て同一位置に設けられ、他方の上側ステー４１ｂと他方の下側ステー４２ｂは、互いに平行で且つＺ方向から見て同一位置に設けられる。そして、一方の上側ステー４１ａの延設方向における先端及び一方の下側ステー４２ａの延設方向における先端に、一対の翼６ａ，６ｂのうちの一方の翼６ａが接続され、他方の上側ステー４１ｂの延設方向における先端及び他方の下側ステー４２ｂの延設方向における先端に、一対の翼６ａ，６ｂのうちの他方の翼６ｂが接続される。従って、一対の翼６ａ，６ｂは、Ｚ方向から見た場合、垂直支柱２から所定の等距離離間し、且つ、垂直支柱２を挟んで対称となる位置に配設される。
【００３４】
一対の翼６ａ，６ｂは、共に同一形状である。一対の翼６ａ，６ｂは、通常の垂直軸型風車に用いられ、且つ、風力によって、一対の上側ステー４１ａ，４１ｂ及び一対の下側ステー４２ａ，４２ｂとともに、垂直支柱２（第二支柱部２ｂ）を中心として、その軸回りを公転することができるような形状を有する。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、一対の翼６ａ，６ｂは、外側面６１及び内側面６２を有し、Ｚ方向に長く伸び、Ｚ方向に垂直な断面がＺ方向に沿って一定の形状であるように形成される。外側面６１とは、翼６が公転した場合にその公転軌跡の外周側に主に面する面であり、内側面６２とは、翼６が公転した場合にその公転軌跡の内周側に主に面する面である。
【００３５】
翼可動機構２０は、主に、発電機３の下方位置に取り付けられる。図２は、翼可動機構２０の取付構造を示す斜視図であり、図３は、翼可動機構２０の取付構造をＸ方向から示す図である。
【００３６】
図２及び図３に示すように、翼可動機構２０は、スワッシュプレート２１（軸受部材）と、一対のリンク機構２２ａ，２２ｂと、傾斜角度調整機構２３と、同位相ジョイント２４とを備える。
【００３７】
スワッシュプレート２１は、互いに相対的に同軸回転する内輪２１ａ（第一輪）及び外輪２１ｂ（第二輪）を備える。内輪２１ａが、図示しないベアリングを介して垂直支柱２の第一支柱部２ａの外周に相対回転可能に取り付けられる。そして、内輪２１ａの外周側に、内輪２１ａに同軸的に配置した外輪２１ｂが、図示しないベアリングを介して内輪２１ａに相対回転可能に接続される。従って、スワッシュプレート２１の内輪２１ａは、垂直支柱２及びスワッシュプレート２１の外輪２１ｂにそれぞれ相対的に回転することができる。また、スワッシュプレート２１は、その回転軸方向が、垂直支柱２の軸方向に対して所定の角度だけ傾くように、垂直支柱２に取り付けられる。以下、スワッシュプレート２１の回転軸と垂直支柱２の軸とのなす角を、スワッシュプレート２１の傾斜角度という場合もある。なお、図２は、垂直支柱２の軸に対して傾斜していないスワッシュプレート２１を示し、図３は、垂直支柱２の軸に対して傾斜しているスワッシュプレート２１を示す。
【００３８】
一対のリンク機構２２ａ、２２ｂは、それぞれ、スワッシュプレート２１の外輪２１ｂに接続される。一対のリンク機構２２ａ，２２ｂは、それぞれ、第一ロッド部材２２１と、ベルクランク２２２と、第二ロッド部材２２３を有する。ベルクランク２２２は、発電機３のロータカバー３ａの下部に固定されたケース２５に軸ピンＰ１を介して取り付けられる。このケース２５は、発電機３のロータカバー３ａに同軸配置する筒状部材であり、ロータカバー３ａ及び垂直支柱２の第二支柱部２ｂとともに回転する。ベルクランク２２２は、その平面形状が略直角二等辺三角形となるように形成された板状部材であり、平面方向がＺ方向に平行であるように、軸ピンＰ１を介して軸ピンＰ１の軸回りに回転可能にケース２５に接続される。また、軸ピンＰ１の軸方向は、Ｚ方向に垂直な方向である。従って、ベルクランク２２２は、Ｚ方向（すなわち垂直支柱２の軸方向）に平行な平面内で回転可能にケース２５に接続されていることになる。また、軸ピンＰ１は、略直角二等辺三角形状のベルクランク２２２の頂角近傍に設けられる。従って、ベルクランク２２２は、その頂角近傍を中心として回転可能である。
【００３９】
また、一方のリンク機構２２ａに備えられるベルクランク２２２と、他方のリンク機構２２ｂに備えられるベルクランク２２２は、それぞれ、垂直支柱２の周方向における反対位置にて、ケース２５に取り付けられる。また、一対のリンク機構２２ａ，２２ｂにそれぞれ備えられるベルクランク２２２は、垂直支柱２の第二支柱部２ｂに接続されている一対の上側ステー４１ａ，４１ｂ及び一対の下側ステー４２ａ，４２ｂの延設方向及びＺ方向によって定義される平面に平行な平面内で回転することができるように、ケース２５に取り付けられる。
【００４０】
図２及び図３からわかるように、第一ロッド部材２２１の上端（他方端）は、直角二等辺三角形状のベルクランク２２２の一方の鋭角近傍位置であって、軸ピンＰ１が設けられている位置からＺ方向とは異なる方向（図２及び図３においてはＹ方向）に所定の距離だけオフセットした位置にて、軸ピンＰ２を介してベルクランク２２２の回転平面内で回転可能にベルクランク２２２に連結される。また、第一ロッド部材２２１は、ベルクランク２２２からＺ方向（垂直支柱２の軸方向）における下方に延設される。そして、第一ロッド部材２２１の下端（一方端）が、スワッシュプレート２１の外輪２１ｂに連結される。ここで、スワッシュプレート２１の内輪２１ａと外輪２１ｂは、図示しないベアリング（深溝玉軸受）の内輪及び外輪と一体化されており、上述したように、互いに相対回転可能に構成される。また、ロッド部材２２１の下端には、ピロボールジョイント２２１ａが連結され、このピロボールジョイント２２１ａがスワッシュプレート２１の外輪２１ｂのある一点に回動可能状態で接続される。したがって、ピロボールジョイント２２１ａ及びそれに連結されたロッド部材２２１は、スワッシュプレート２１の外輪２１ｂとともに垂直支柱２の回りを回転することができる。
【００４１】
第二ロッド部材２２３は、複数のロッドが接続されることにより構成される棒状部材である。この第二ロッド部材２２３の一方端は、直角二等辺三角形上のベルクランク２２２の他方の鋭角近傍位置にて、軸ピンＰ３を介してベルクランク２２２の回転平面内で回転可能にベルクランク２２２に連結される。つまり、ベルクランク２２２は、それぞれ異なる位置にて第一ロッド部材２２１の一方端（下端）及び第二ロッド部材２２３の一方端に接続されていることになる。また、第二ロッド部材２２３は、ベルクランク２２２からＺ方向に垂直な方向に延設される。一方のリンク機構２２ａに備えられる第二ロッド部材２２３のベルクランク２２２からの延設方向は、一方の上側ステー４１ａ及び一方の下側ステー４２ａの延設方向と同じであり、他方のリンク機構２２ｂに備えられる第二ロッド部材２２３のベルクランク２２２からの延設方向は、他方の上側ステー４１ｂ及び他方の下側ステー４２ｂの延設方向と同じである。そして、一方のリンク機構２２ａに備えられる第二ロッド部材２２３の他方端が一方の翼６ａに接続され、他方のリンク機構２２ｂに備えられる第二ロッド部材２２３の他方端が他方の翼６ｂに接続される。
【００４２】
また、図２に示すように、翼可動機構２０は、ストッパ２８を有する。ストッパ２８は、下側ステー４２の先端部分に設けられており、後述するように、翼６の回転を規制する。
【００４３】
図１Ｂに示すように、尾翼ユニット１０は、尾翼１１と、筒状部材１２と、接続部材１３とを備える。筒状部材１２は、垂直支柱２の第一支柱部２ａの外周側に設けられる。筒状部材１２は、垂直支柱２と同軸的に配置され、且つ、Ｚ方向に沿って延設される。この筒状部材１２は、後述するように、傾斜角度調整機構２３を介して、スワッシュプレート２１の内輪２１ａに固定される。従って、筒状部材１２は、スワッシュプレート２１の内輪２１ａとともに同軸回転する。また、筒状部材１２の外周に、接続部材１３を介して尾翼１１が固定される。尾翼１１は薄板状であり、その表面及び裏面がＺ方向（すなわち垂直支柱２の軸方向）に平行であるように、筒状部材１２の外周に固定される。
【００４４】
ここで、以下の説明において、一方の上側ステー４１ａと他方の上側ステー４１ｂとを区別することなく説明する場合には、これらを総称して上側ステー４１ということもある。一方の下側ステー４２ａと他方の下側ステー４２ｂとを区別することなく説明する場合には、これらを総称して下側ステー４２ということもある。さらに、上側ステー４１と下側ステー４２とを区別することなく説明する場合には、これらを総称してステー４ということもある。また、一方の翼６ａと他方の翼６ｂとを区別することなく説明する場合には、これらを総称して翼６ということもある。さらに、一方のリンク機構２２ａと他方のリンク機構２２ｂとを区別することなく説明する場合には、これらを総称してリンク機構２２ということもある。
【００４５】
上記説明からわかるように、翼６は、上側ステー４１、下側ステー４２、及び、リンク機構２２の第二ロッド部材２２３に、それぞれ接続される。図４は、ステー４と翼６との接続構造及び第二ロッド部材２２３と翼６との接続構造をＺ方向から見た図である。
【００４６】
図４に示すように、垂直支柱２から延設されたステー４の先端部分に、軸ピンＰ４が設けられている。軸ピンＰ４の軸方向は、Ｚ方向（垂直支柱２の軸方向）である。この軸ピンＰ４を介して、棒状の連結部材５１の一方の端部がＺ方向軸回りに回転可能にステー４に接続される。そして、連結部材５１の他方の端部が図４のＡ部にて、翼６の内側面６２に固定される。このような接続構成により、翼６は、連結部材５１を介して、垂直支柱２と平行な軸回り（軸ピンＰ４の軸回り）に回転可能に、ステー４に接続されることになる。
【００４７】
また、図４に示すように、第二ロッド部材２２３は、内側連結部２２３ａと、中間ロッド部２２３ｂと、外側ロッド部２２３ｃとを有する。内側連結部２２３ａの一方端側には二股状に形成された部分が設けられており、この二股状に形成された部分がベルクランク２２２を挟み込むようにして、ベルクランク２２２の回転平面内で回転可能にベルクランク２２２に連結される。ここで、上述したように、ベルクランク２２２は、垂直支柱２の第二支柱部２ｂと一体回転するケース２５に取り付けられている。従って、内側連結部２２３ａは、ベルクランク２２２及びケース２５を介して垂直支柱２の第二支柱部２ｂに接続されていることになる。
【００４８】
また、内側連結部２２３ａの他方端側に中間ロッド部２２３ｂが連結される。中間ロッド部２２３ｂは長尺状に形成されており、その一方端が、垂直支柱２に平行な軸方向（Ｚ方向）に延設された軸ピンＰ５を介して回転可能に内側連結部２２３ａに接続される。つまり、中間ロッド部２２３ｂは、垂直支柱２に平行な軸回りに回転可能に内側連結部２２３ａに接続される。また、中間ロッド部２２３ｂの他方端に、垂直支柱２に平行な軸方向（Ｚ方向）に延設された軸ピンＰ６を介して回転可能に外側ロッド部２２３ｃの一方端が接続される。つまり、中間ロッド部２２３ｂは、垂直支柱２に平行な軸回りに回転可能に外側ロッド部２２３ｃに接続される。また、外側ロッド部２２３ｃの他方端が、翼６の内側面６２から延びた接続片６３に軸ピンＰ７を介して固定される。軸ピンＰ７は、垂直支柱２に平行な軸方向（Ｚ方向）に延設されている。従って、外側ロッド部２２３ｃは、垂直支柱２に平行な軸回りに回転可能に翼６に接続される。
【００４９】
また、図４からわかるように、Ｚ方向（垂直支柱２の軸方向）から見た場合において、ステー４の翼６への接続位置（図４中の接続位置Ａ）と、第二ロッド部材２２３（外側ロッド部２２３ｃ）の翼６への接続位置（図４中の接続位置Ｂ）は、異なっている。つまり、第二ロッド部材２２３の翼６への接続位置は、ステー４の翼６への接続位置から、図４の−Ｘ方向、具体的には、翼６が回転できるように、オフセットされている。従って、第二ロッド部材２２３が図４に示す位置から軸方向移動した場合、翼６は、ステー４に対して軸ピンＰ４の軸回りに回動することになる。後述するように、第二ロッド部材２２３は、翼６の公転位置に応じて周期的に軸方向に往復移動する。このため、翼６は、公転しながら軸ピンＰ４回りを揺動することにより、サイクルピッチ（１サイクルにおけるピッチ角）が変更されるように構成される。
【００５０】
また、上述の説明のように、第二ロッド部材２２３は、本実施形態では３つの部材（内側連結部２２３ａ、中間ロッド部２２３ｂ、外側ロッド部２２３ｃ）が接続されることにより構成されており、それぞれの部材は、垂直支柱２に平行な軸回りを回転可能である。従って、第二ロッド部材２２３は、Ｚ方向軸回りに屈曲可能な３つの関節（Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７）を備えていることになる。そして、これらの関節がＺ方向軸回りに屈曲することにより、翼６と第二ロッド部材２２３の外側ロッド部２２３ｃとの接続位置（図４中の軸ピンＰ７の位置）と、第二ロッド部材２２３の内側連結部２２３ａと中間ロッド部２２３ｂとの接続位置（図４中の軸ピンＰ５の位置）との間の距離Ｌを変更することができる。言い換えれば、第二ロッド部材２２３は、それが備える３つの関節を屈曲させることで、長さを変更することができるように構成される。図５は、第二ロッド部材２２３が屈曲した状態を、Ｚ方向から見た図である。図５に示すように、第二ロッド部材２２３が屈曲状態であるとき、中間ロッド部２２３ｂと外側ロッド部２２３ｃは、交差状態に配列される。また、第二ロッド部材２２３が屈曲状態であるとき、距離Ｌが、図４に示す場合（第二ロッド部材２２３が屈曲していない場合）に比べて短くされる。距離Ｌが短くされた場合、第二ロッド部材２２３との接続を維持するために、翼６は、軸ピンＰ４の軸回りに大きく回転する。このように、第二ロッド部材２２３が直線状態であるか屈曲状態であるかによって、翼６の軸ピンＰ４回りにおける回転位置が大きく変化する。
【００５１】
軸ピンＰ４回りにおける翼６の回転位置が図４に示す回転位置であるときには、第二ロッド部材２２３が直線状態であり、第二ロッド部材２２３の中間ロッド部２２３ｂと外側ロッド部２２３ｃが同軸状に配列している。ここで、翼６を図４に示す回転位置からさらに反時計回り方向に回転させようとする場合、距離Ｌをさらに長くしなければならないが、第二ロッド部材２２３が図４に示す状態においてすでに直線状態にされているため、それ以上距離Ｌを長くすることはできない。従って、そのような回転は、第二ロッド部材２２３の設計寸法の制約により、物理的に阻止される。つまり、図４に示す回転位置から反時計回り方向への翼６の回転は規制される。
【００５２】
また、軸ピンＰ４回りにおける翼６の回転位置が図５に示す回転位置であるときには、下側ステー４２に設けられているストッパ２８（図３参照）に翼６が係合しており、図５に示す回転位置からの翼６のそれ以上の時計回り方向への回転は、ストッパ２８によって規制される。
【００５３】
以上のことからわかるように、翼６は、図４に示す回転位置と図５に示す回転位置との間の回転領域を、回転可能に構成される。後述の説明において、図５に示す回転位置を第一回転位置と呼び、図４に示す回転位置を第二回転位置と呼ぶ場合もある。
【００５４】
翼６が図４に示すような第二回転位置にあるとき、第二ロッド部材２２３が直線状態にされるとともに、中間ロッド部２２３ｂと外側ロッド部２２３ｃが同軸状に配列される。翼６が図５に示すような第二回転位置にあるとき、第二ロッド部材２２３が屈曲状態にされるとともに、中間ロッド部２２３ｂと外側ロッド部２２３ｃが交差状に配列される。また、第一回転位置から第二回転位置に向かって翼６が回転した場合、第二ロッド部材２２３が直線状にされることにより、翼６が第二回転位置に位置決めされる。また、第二回転位置から第一回転位置に向かって翼６が回転した場合、第二ロッド部材２２３が屈曲状態にされるとともに、翼６が下側ステー４２に設けられているストッパ２８に突き当てられることにより、翼６が第一回転位置に位置決めされる。つまり、第二ロッド部材２２３及びストッパ２８により、翼６の回転位置が第一回転位置又は第二回転位置に位置決めされる。
【００５５】
図６は、第二ロッド部材２２３が備える中間ロッド部２２３ｂと外側ロッド部２２３ｃとの接続部分付近（すなわち軸ピンＰ６付近）の詳細をＺ方向から見た図である。図６に示すように、中間ロッド部２２３ｂと外側ロッド部２２３ｃとを接続する軸ピンＰ６の回りには、外周にカム面２６ａが形成されたカム部材２６が設けられている。また、外側ロッド部２２３ｃに、ダンパー２７が取り付けられている。カム部材２６及びダンパー２７により、本発明の制動部材が構成される。
【００５６】
ダンパー２７は、固定ブロック２７１と、圧縮バネ２７２と、接触指２７３とを有する。固定ブロック２７１は、ボルト等によって外側ロッド部２２３ｃに固定される。固定ブロック２７１内に圧縮バネ２７２がその一方端を固定された状態で設けられており、この圧縮バネ２７２の他方端に接触指２７３が係止される。従って、接触指２７３は、圧縮バネ２７２の弾性力によって常に付勢される。また、接触指２７３は、カム部材２６のカム面２６ａに対面するように固定ブロック２７１から延設される。従って、接触指２７３は、圧縮バネ２７２の弾性力によってカム部材２６のカム面２６ａに付勢されるとともに、カム面２６ａから付勢力の反力である押圧力を常に受ける。
【００５７】
また、カム部材２６のカム面２６ａのカムプロフィールは、外側ロッド部２２３ｃが中間ロッド部２２３ｂに同軸状に配列されている位置（図６のＤ位置）にあるとき、すなわち、翼６の回転位置が第二回転位置であるとき、及び、外側ロッド部２２３ｃが中間ロッド部２２３ｂに対して最も大きく交差して配列されている位置（図６のＦ位置）にあるとき、すなわち、翼６の回転位置が第一回転位置であるときに、固定ブロック２７１までの距離が最も小さく、且つ、外側ロッド部２２３ｃが図６のＤ位置とＦ位置との中間の回転位置（図６のＥ位置）にあるときに、固定ブロック２７１までの距離が最も大きくなるように設計される。
【００５８】
第二ロッド部材２２３が図４に示す直線状態から図５に示す屈曲状態に変化する場合、すなわち翼６が第二回転位置から第一回転位置へと回転位置を変化させる場合、その変化に伴って、外側ロッド部２２３ｃが図６のＤ位置からＦ位置まで回転するとともに、外側ロッド部２２３ｃに取り付けられたダンパー２７の接触指２７３が、カム部材２６のカム面２６ａを摺動する。このとき、外側ロッド部２２３ｃが図６のＥ位置を超えてＦ位置に近づくにつれて、カム面２６ａと固定ブロック２７１との間の距離が短くなるため、圧縮バネ２７２がより圧縮される。このため、接触指２７３が圧縮バネ２７２の強い弾性力によって強くカム面２６ａに押し付けられ、それによりカム面２６ａから接触指２７３に作用する押圧力が増大する。この押圧力は、翼６の軸ピンＰ４回りにおける回転に対する制動力として、翼６に作用する。つまり、カム部材２６及びダンパー２７からなる制動部材は、翼６が第二回転位置から第一回転位置に向かって回転するときに、第一回転位置に近づくにつれて大きくなるような、翼６の回転に対する制動力を発生する。このため、翼６が第一回転位置に至る直前には、非常に大きな制動力が翼６に作用する。斯かる大きな制動力の作用によって、翼６が第一回転位置にて回転を停止したときに発生する衝撃が緩和される。このため、例えば翼６がストッパ２８に当接する際に発生する衝撃による翼６の故障が防止されるとともに、衝撃音が軽減される。
【００５９】
同様に、第二ロッド部材２２３が図５に示す屈曲状態から図４に示す直線状態に変化する場合、すなわち翼６が第一回転位置から第二回転位置へと回転位置を変化させる場合、その変化に伴って、外側ロッド部２２３ｃが図６のＦ位置からＤ位置まで回転するとともに、外側ロッド部２２３ｃに取り付けられたダンパー２７の接触指２７３が、カム部材２６のカム面２６ａを摺動する。このとき、外側ロッド部２２３ｃが図６のＥ位置を超えてＤ位置に近づくにつれて、カム面２６ａと固定ブロック２７１との間の距離が短くなるため、圧縮バネ２７２がより圧縮される。このため、接触指２７３が圧縮バネ２７２の強い弾性力によって強くカム面２６ａに押し付けられ、それによりカム面２６ａから接触指２７３に作用する押圧力が増大する。この押圧力は、翼６の軸ピンＰ４回りにおける回転に対する制動力として、翼６に作用する。つまり、カム部材２６及びダンパー２７からなる制動部材は、翼６が第一回転位置から第二回転位置に向かって回転するときに、第二回転位置に近づくにつれて大きくなるような、翼６の回転に対する制動力を発生する。このため、翼６が第二回転位置に至る直前には、非常に大きな制動力が翼６に作用する。斯かる大きな制動力の作用によって、翼６が第二回転位置にて回転を停止したときに発生する衝撃が緩和される。このため、例えば第二ロッド部材２２３が直線状態になる際に発生する衝撃による第二ロッド部材２２３の故障が防止されるとともに、衝撃音が軽減される。
【００６０】
また、第二ロッド部材２２３が直線状態から屈曲状態へと変化する際において、外側ロッド部２２３ｃが図６のＤ位置からＥ位置に近づくにつれて、カム面２６ａと固定ブロック２７１との間の距離が長くされるので、圧縮バネ２７２が伸ばされる。よって、圧縮バネ２７２から接触指２７３に作用する弾性力が弱められ、それに伴い、カム面２６ａから接触指２７３に作用する押圧力は低下する。このため、第二回転位置にある翼６は、僅かな力で第一回転位置に向かって回転する。同様に、第二ロッド部材２２３が屈曲状態から直線状態へと変化する際において、外側ロッド部２２３ｃが図６のＦ位置からＥ位置に近づくにつれて、カム面２６ａと固定ブロック２７１との間の距離が長くされるので、圧縮バネ２７２が伸ばされる。よって、圧縮バネ２７２から接触指２７３に作用する弾性力が弱められ、それに伴い、カム面２６ａから接触指２７３に作用する押圧力は低下する。このため、第一回転位置にある翼６は、僅かな力で第二回転位置に向かって回転する。
【００６１】
図７は、垂直支柱２に取り付けられるスワッシュプレート２１付近の構成をＸ方向から見た図である。また、図８は、垂直支柱２に取り付けられるスワッシュプレート２１付近の構成をＹ方向及びＺ方向に平行な平面で切断した断面図である。図８に示すように、上記した発電機３の中心軸３ｂが、垂直支柱２の第一支柱部２ａの内部に挿通された状態で、第一支柱部２ａに同軸的に固定されている。また、図７及び図８からもわかるように、スワッシュプレート２１は、その回転軸方向が垂直支柱２の軸方向に対して傾斜するように垂直支柱２に取り付けられる。そして、このスワッシュプレート２１に、傾斜角度調整機構２３及び同位相ジョイント２４が取り付けられる。
【００６２】
傾斜角度調整機構２３は、第一固定部材２３１と、連結ロッド２３２と、第二固定部材２３３と、ボルト・ナット２３４を有する。第一固定部材２３１が第一ブラケットＢ１を介してスワッシュプレート２１の内輪２１ａに固定される。連結ロッド２３２は、軸ピンＰ８を介して回転可能に第一固定部材２３１に接続される。連結ロッド２３２は、第一固定部材２３１からＺ方向における下方に延設される。連結ロッド２３２の下方端部に第二固定部材２３３が接続される。第二固定部材２３３は、尾翼ユニット１０が備える筒状部材１２の外周面に第二ブラケットＢ２を介して固定される。第二固定部材２３３には、Ｚ方向位置（上下方向位置）が異なる複数の貫通孔が形成されている。複数の貫通孔のいずれかを用いて、ボルト・ナット２４を介して第二固定部材２３３が第二ブラケットＢ２に接続される。
【００６３】
上記構成の傾斜角度調整機構２３において、ボルト・ナット２３４が取り付けられている第二固定部材２３３の貫通孔からボルト・ナット２３４を一旦外し、異なる貫通孔にボルト・ナット２３４を取り付けて第二固定部材２３３に連結ロッド２３２を接続することにより、連結ロッド２３２及び連結ロッド２３２の上端に接続された第一固定部材２３１のＺ方向位置が変化する。第一固定部材２３１のＺ方向位置の変化により、第一固定部材２３１に連結されたスワッシュプレート２１の接続位置におけるＺ方向位置が変化する。その結果、スワッシュプレート２１の傾斜角度が変化する。このようにして、傾斜角度調整機構２３によってスワッシュプレート２１の傾斜角度が調整される。
【００６４】
また、図７に示すように、スワッシュプレート２１の外輪２１ｂに同位相ジョイント２４が取り付けられる。この同位相ジョイント２４は、複数の関節を備えており、Ｚ方向に伸縮可能に構成される。同位相ジョイント２４の一方の端部(上端部）はケース２５に固定される。同位相ジョイント２４の他方の端部（下端部）にはピロボールジョイント２４１が連結され、このピロボールジョイント２４１がスワッシュプレート２１の外輪２１ｂのある一点であってロッド部材２２１の下端に連結されたピロボールジョイント２２１ａの接続位置とは異なる位置に回動可能状態で連結される。したがって、ピロボールジョイント２４１及びそれに連結された同位相ジョイント２４は、スワッシュプレート２１の外輪２１ｂとともに垂直支柱２の回りを回転することができる。
【００６５】
また、上記したように、傾斜角度調整機構２３の第一固定部材２３１がスワッシュプレート２１の内輪２１ａに接続され、傾斜角度調整機構２３の第二固定部材２３３が尾翼ユニット１０の筒状部材１２に固定される。つまり、尾翼ユニット１０の筒状部材１２は、傾斜角度調整機構２３を介してスワッシュプレート２１の内輪２１ａに接続される。よって、スワッシュプレート２１の内輪２１ａが回転すると、筒状部材１２及び筒状部材１２の外周面の所定位置に固定された尾翼１１が垂直支柱２回りを回転する。つまり、スワッシュプレート２１の内輪２１ａと尾翼１１は連動して回転するように構成されている。言い換えれば、尾翼１１が回転した場合、それに連動して、スワッシュプレート２１の内輪２１ａが回転する。
【００６６】
上記構成の垂直軸型風力発電機１において、翼６が風を受けると、風力によって翼６がステー４と共に垂直支柱２を中心としてその軸回りを公転する。翼６の公転に伴い、ステー４を介して翼６に接続された垂直支柱２の第二支柱部２ｂが自転する。垂直支柱２の第二支柱部２ｂの自転により、第二支柱部２ｂと一体回転する発電機３のロータカバー３ａ及びロータカバー３ａ内のロータが、発電機３の中心軸３ｂに取り付けられたステータに対して相対回転する。これにより発電機３が発電する。つまり、発電機３は、垂直支柱２（第二支柱部２ｂ）の自転により発電する。
【００６７】
図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ，図９Ｄ，図９Ｅ、図９Ｆ、図９Ｇ、図９Ｈは、翼６が垂直支柱２（第二支柱部２ｂ）の軸まわりを低速度で公転しているときの翼６の軸ピンＰ４回りにおける回転状態を、翼６の公転順にＺ方向から示す図である。これらの図において、左方から右方に風が吹いていると仮定する。さらに、これらの図において、翼６は、時計回り方向に低速度で公転していると仮定する。また、以下の説明においては、一対の翼６ａ，６ｂのうち、一方の翼６ａの回転状態について説明する。
【００６８】
図９Ａ〜図９Ｈにおいて、翼６の公転位置は、各図に示すＲ１領域、Ｒ２領域、Ｒ３領域、Ｒ４領域のいずれかの領域内の位置であるといえる。Ｒ１領域及びＲ２領域は、風上側の領域であり、Ｒ３領域及びＲ４領域は、風下側の領域である。また、Ｒ１領域及びＲ４領域は、翼６が向かい風を受ける領域であり、Ｒ２領域及びＲ３領域は、翼６が追い風を受ける領域である。翼６が各図において時計回り方向に公転する場合、翼６の公転位置は、Ｒ１領域、Ｒ２領域、Ｒ３領域、Ｒ４領域、Ｒ１領域、・・・というように、順に変化する。
【００６９】
図９Ａは、公転位置がＲ１領域内の位置である翼６ａの軸ピンＰ４回りにおける回転状態を示す図である。図９Ａにおいて、軸ピンＰ４回りにおける回転位置が第二回転位置である翼６ａが実線で示され、軸ピンＰ４回りにおける回転位置が第一回転位置である翼６ａが破線で示される。公転位置がＲ１領域内の位置である翼６ａが、図９Ａの左方から右方に向かって吹く風を受けたとき、翼６ａの主に外側面６１に風力が作用する。この場合において、翼６ａに作用する抗力は、翼６ａを第二回転位置（実線位置）から第一回転位置（破線位置）に向かって回転させる。すなわち、翼６ａに作用する抗力のうち軸ピンＰ４回りにおける回転方向成分（抗力の回転方向成分）の作用方向は、翼６ａを第二回転位置から第一回転位置に向かって回転させる方向である。言い換えれば、翼６ａの公転位置がＲ１領域（風上側であって且つ向かい風を受ける領域）である場合に、抗力によって翼６ａが第二回転位置から第一回転位置に向かう方向に回転するように、翼６ａの回転中心位置（軸ピンＰ４の位置）が翼６ａの重心位置からオフセットされるように設計される。
【００７０】
また、翼６の公転により翼６に作用する遠心力は、翼６の公転軌跡により描かれる円の径外方に作用する。この遠心力は、翼６とステー４の先端に設けられた連結部材５１との接続位置Ａ（図４参照）を公転中心から最も遠ざけるように作用する。このため、遠心力によって、連結部材５１は、公転中心と翼６の回転中心（軸ピンＰ４）とを結ぶ直線上に接続位置Ａが位置するように、軸ピンＰ４を中心として回転する。その結果、翼６が、図４に示すような第二回転位置に位置される。つまり、遠心力のうち翼６の軸ピンＰ４回りにおける回転方向成分（遠心力の回転方向成分）の作用方向は、翼６を第一回転位置から第二回転位置に向かって回転させる方向である。このような遠心力の回転方向成分は、翼６の公転位置にかかわらず、翼６を第一回転位置から第二回転位置に向かって回転させる方向に作用する。
【００７１】
従って、公転位置がＲ１領域内の位置である翼６ａに作用する抗力の回転方向成分の作用方向は、翼６ａに作用する遠心力の回転方向成分の作用方向と反対方向である。また翼６ａが低速で公転している場合に発生する遠心力は弱い。このような状況においては、遠心力の回転方向成分が抗力の回転方向成分よりも小さいため、公転位置がＲ１領域内の位置にあって且つその回転位置が第二回転位置（図９Ａの実線位置）にある翼６ａは、抗力の回転方向成分によって、第一回転位置（図９Ａの破線位置）まで回転し、その位置にて位置決めされる。つまり、公転位置がＲ１領域内の位置であるときに、軸ピンＰ４回りにおける翼６ａの回転位置が、第二回転位置から第一回転位置に切り替わる。
【００７２】
回転位置が第一回転位置に位置決めされ且つ公転位置がＲ１領域内の位置にある翼６ａは、風力の抗力或いは揚力により垂直支柱２を中心として図９Ａの時計回り方向に公転する。このため、翼６ａは、図９Ａに示すＲ１領域内の公転位置から、図９Ｂに示す公転位置（Ｒ１領域とＲ２領域との境界位置）を経由して、Ｒ２領域内の公転位置まで公転する。
【００７３】
図９Ｃは、公転位置がＲ２領域内の位置である翼６ａの軸ピンＰ４回りにおける回転状態を示す図である。公転位置がＲ２領域内の位置である翼６ａが、図９Ｃの左方から右方に向かって吹く風を受けたとき、翼６ａの主に外側面６１に風力が作用する。この場合において、翼６ａに作用する抗力は、図９Ａに示す場合と同様に、翼６ａを第二回転位置から第一回転位置に向かって回転させる方向に作用する。つまり、公転位置がＲ２領域の翼６ａに作用する抗力の回転方向成分の作用方向は、翼６ａを第二回転位置から第一回転位置に向かって回転させる方向である。また、翼６ａに作用する遠心力の回転方向成分の作用方向は、抗力の回転方向成分の作用方向と反対方向であるが、翼６ａが低速で公転している間はその大きさは抗力の回転方向成分よりも小さい。従って、公転位置がＲ２領域内の翼６ａは、抗力の回転方向成分によって、軸ピンＰ４回りにおける回転位置を維持する。すなわち、翼６ａが第一回転位置に位置決めされる。
【００７４】
回転位置が第一回転位置に位置決めされ且つ公転位置がＲ２領域内の位置にある翼６ａは、風力の抗力或いは揚力により、図９Ｃに示すＲ２領域内の公転位置からさらに時計回り方向に公転し、図９Ｄに示す公転位置（Ｒ２領域とＲ３領域との境界位置）を経由して、Ｒ３領域内の公転位置まで公転する。
【００７５】
図９Ｅは、公転位置がＲ３領域内の位置である翼６ａの軸ピンＰ４回りにおける回転状態を示す図である。公転位置がＲ３領域内の位置である翼６ａが、図９Ｅの左方から右方に向かって吹く風を受けたとき、翼６ａの主に外側面６１に風力が作用する。この場合において、翼６ａに作用する抗力は、図９Ａ及び図９Ｃに示す場合と同様に、翼６ａを第二回転位置から第一回転位置に向かって回転させる方向に作用する。つまり、公転位置がＲ３領域の翼６ａに作用する抗力の回転方向成分の作用方向は、翼６ａを第二回転位置から第一回転位置に向かって回転させる方向である。また、翼６ａに作用する遠心力の回転方向成分の作用方向は、抗力の回転方向成分の作用方向と反対方向であるが、翼６ａが低速で公転している間はその大きさは抗力の回転方向成分よりも小さい。従って、公転位置がＲ３領域内の翼６ａは、抗力の回転方向成分によって、軸ピンＰ４回りにおける回転位置を維持する。すなわち、翼６ａが第一回転位置に位置決めされる。
【００７６】
回転位置が第一回転位置に位置決めされ且つ公転位置がＲ３領域内の位置にある翼６ａは、風力の抗力或いは揚力により、図９Ｅに示す公転位置からさら時計回り方向に回転して図９Ｆに示す公転位置まで公転する。
【００７７】
図９Ｆは、公転位置がＲ３領域とＲ４領域との境界位置又はその近傍位置である翼６ａの軸ピンＰ４回りにおける回転状態を示す図である。この位置まで翼６ａが公転した場合、翼６ａの内側面６２にも風力が作用することにより、翼６ａに作用する抗力の回転方向成分の作用方向が反転する。よって、抗力の回転方向成分は、翼６ａを第一回転位置から第二回転位置に向かって回転させる方向に作用する。
【００７８】
また、翼６ａに作用する遠心力の回転方向成分も、翼６ａを第一回転位置から第二回転位置に向かって回転させる方向である。つまり、翼６ａの公転位置が図９Ｆに示す公転位置である場合、抗力の回転方向成分の方向と遠心力の回転方向成分の方向が一致する。従って、公転位置がＲ３領域とＲ４領域との境界位置又はその近傍位置であって且つ軸ピンＰ４回りにおける回転位置が第一回転位置である翼６ａは、抗力の回転方向成分及び遠心力の回転方向成分により、軸ピンＰ４回りを図９Ｆの時計回り方向に回転することによって、実線で示す第一回転位置から破線で示す第二回転位置に回転するとともに、第二回転位置にて位置決めされる。つまり、公転位置がＲ３領域とＲ４領域との境界位置またはその近傍の位置であるときに、軸ピンＰ４回りにおける翼６ａの回転位置が、第一回転位置から第二回転位置に切り替わる。
【００７９】
回転位置が第二回転位置に位置決めされ且つ公転位置がＲ３領域とＲ４領域の境界位置またはその近傍位置にある翼６ａは、風力の抗力或いは揚力により、図９Ｆに示す公転位置からさらに時計回り方向に回転して図９Ｇに示す公転位置まで公転する。
【００８０】
図９Ｇは、公転位置がＲ４領域内の位置である翼６ａの軸ピンＰ４回りにおける回転状態を示す図である。公転位置がＲ４領域内の位置である翼６ａが、図９Ｇの左方から右方に向かって吹く風を受けたとき、翼６ａの主に内側面６２に風力が作用する。この場合において、翼６ａに作用する抗力は、翼６ａを第一回転位置から第二回転位置に向かって回転させる方向に作用する。つまり、公転位置がＲ４領域の翼６ａに作用する抗力の回転方向成分の作用方向は、翼６ａを第一回転位置から第二回転位置に向かって回転させる方向である。また、翼６ａに作用する遠心の回転方向成分の作用方向は、抗力の回転方向成分の作用方向と一致する。従って、公転領域がＲ４領域内の位置である翼６ａは、抗力の回転方向成分及び遠心力の回転方向成分によって、軸ピンＰ４回りにおける回転位置を維持する。すなわち、翼６ａが第二回転位置に位置決めされる。
【００８１】
回転位置が第二回転位置に位置決めされ且つ公転位置がＲ４領域内の位置にある翼６ａは、風力の抗力或いは揚力により、図９Ｇに示すＲ４領域内の公転位置からさらに時計回り方向に公転し、図９Ｈに示す公転位置（Ｒ４領域とＲ１領域との境界位置）を経由して、図９Ａに示す公転位置（Ｒ１領域内の位置）まで公転する。そして、上述したように、Ｒ１領域内の公転位置にて、翼６ａは、軸ピンＰ４回りを図９Ａの時計回り方向に回転することによって、実線で示す第一回転位置から破線で示す第二回転位置に回転する。このようにして、翼６は、垂直支柱２を中心としてその軸回りを低速で公転する際に、１周当たり２度の回転動作を行う。
【００８２】
図１０は、垂直支柱２を中心としてその軸回りを低速度で公転している翼６の軸ピンＰ４回りにおける回転位置をＺ方向から示す図である。図１０において、屈曲状態の第二ロッド部材２２３に接続された翼６の回転位置が、第一回転位置であり、直線状態の第二ロッド部材２２３に接続された翼６の回転位置が、第二回転位置である。図１０からわかるように、軸ピンＰ４回りにおける翼６の回転位置は、翼６がＲ１領域の途中からＲ２領域及びＲ３領域内を公転する際には第一回転位置に位置決めされ、Ｒ４領域からＲ１領域の途中までの領域内を公転する際には第二回転位置に位置決めされる。
【００８３】
軸ピンＰ４回りにおける翼６の回転位置が第一回転位置に位置決めされているときにおける翼６の公転位置を第一公転位置と定義し、軸ピンＰ４回りにおける翼６の回転位置が第二回転位置に位置決めされているときにおける翼６の公転位置を第二公転位置と定義する。この場合、第一公転位置は、翼６に作用する抗力の回転方向成分の作用方向が、翼６の公転により翼６に作用する遠心力の回転方向成分の作用方向と反対方向である公転位置である。また、第二公転位置は、翼６に作用する抗力の回転方向成分の作用方向と遠心力の回転方向成分の作用方向が同一方向である公転位置である。
【００８４】
また、図１０に示すような翼６の回転状態は、翼６が低速で公転しているとき、すなわち始動時においてのみ成立する。具体的には、翼６に作用する抗力の回転方向成分が翼６に作用する遠心力の回転方向成分よりも大きいときに成立する。以上のことからすれば、翼６は、始動時であって、且つ、公転位置が第一公転位置に位置するときに、第一回転位置に位置決めされ、始動時であって、且つ、公転位置が第二公転位置に位置するときに、第二回転位置に位置決めされることになる。
【００８５】
Ｒ２領域及びＲ３領域（風下領域）の範囲内を翼６が公転するときには、図１０からよくわかるように、第一回転位置に位置決めされた翼６が風向に対して垂直に近い姿勢にされており、風を受ける面積が拡大している。このため、主に風の抗力によって翼６が公転する。つまり、Ｒ２領域及びＲ３領域の範囲内を公転する翼６は、抗力により公転する抗力翼としての機能を有する。
【００８６】
一般的に、風の抗力を受けて公転する風車は、始動性に優れ、弱風でも公転する。本実施形態においては、上述したようにＲ２領域及びＲ３領域の範囲内を公転する翼が抗力翼として機能するため、始動性を向上させることができ、それ故に、弱風でも翼６を公転させることができる。
【００８７】
また、上記したように、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１においては、始動時において、１サイクル当たり２回、翼６の回転位置が変化する。翼６の回転位置が変化するときに、翼６がストッパ２８等に衝突する音が発生するが、本実施形態では、翼６の回転位置が第一回転位置から第二回転位置に変化する際、及び、翼６の回転位置が第二回転位置から第一回転位置に変化する際に、第二ロッド部材２２３に設けられたダンパー２７の接触指２７３がカム部材２６のカム面２６ａから大きな押圧力を受けることにより、翼６の軸ピンＰ４回りにおける回転に対する制動力が翼６に作用する。このため、軸ピンＰ４回りに翼６が回転して翼６が第一回転位置又は第二回転位置に位置決めされた際における衝突音を軽減することができる。また、翼６の回転停止時における衝撃が上記制動力により緩和されることにより、翼６の故障及び、翼６の回転に伴ってその姿勢を変化させる第二ロッド部材２２３の故障を防止できる。これにより、垂直軸型風力発電機１の信頼性を向上させることができる。
【００８８】
さらに、本実施形態では、図１１に示すように、一方の翼６ａが第一回転位置であり、他方の翼６ｂが第二回転位置である状態を実現することができる。このため、翼６の公転が停止している時からの始動において、２つの翼６ａ，６ｂに作用する風力により生じる力（抗力及び揚力）の合力が０になることが防止される。よって、どのような方向から風が翼６ａ，６ｂに作用しても、翼６ａ，６ｂを公転させることができる。つまり、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１は、始動が不可能であるような翼６の公転位置が存在しない。よって、より一層、始動性を向上させることができる。
【００８９】
次に、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１の翼６が高速で垂直支柱２のまわりを公転している場合の翼６の軸ピンＰ４回りにおける回転位置について説明する。上述したように、垂直軸型風力発電機１の始動時、すなわち翼６が低速で公転している場合は、翼６に作用する遠心力が小さい。よって、翼６が低速で公転しているときには、遠心力は、軸ピンＰ４回りにおける翼６の回転位置の変化に及ぼす影響が小さく、それ故に、公転位置と風向との関係により、１サイクル当たりに翼６が第一回転位置に位置決めされる状態と第二回転位置に位置決めされる状態が交互に生じる。しかし、翼６が高速で公転している場合、翼６に作用する遠心力が大きい。この遠心力の回転方向成分は、上記したように、翼６の公転位置にかかわらず、翼６を第一回転位置から第二回転位置に向かう方向に作用する。従って、高速公転時においては、遠心力の回転方向成分によって、翼６は常に第二回転位置に位置決めされる。
【００９０】
図１２は、翼６が高速で垂直支柱２を中心としてその軸回りを公転している場合における翼６の回転位置をＺ方向から示す図である。図１０と図１２とを比較してわかるように、翼６が高速で公転しているときは、低速で公転しているときよりも、翼６の公転軌跡内で風が通り抜ける面積が大きい。このため翼６が揚力翼として機能する。つまり、翼６の回転位置が第二回転位置であるとき、翼６は、風力の揚力を主体として公転する。本実施形態においては、翼６の高速公転時に翼６の回転位置が常に第二回転位置であるので、翼６をより高速で公転させることができる。その結果、最大発電力を向上させることができる。
【００９１】
このように、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１は、翼６の公転位置が、翼６に作用する抗力の回転方向成分の作用方向が、翼６の公転により翼６に作用する遠心力の回転方向成分の作用方向と反対方向である第一公転位置であって、且つ、抗力の回転方向成分が遠心力の回転方向成分よりも大きい始動時に、軸ピンＰ４回りにおける翼６の回転位置が、抗力の回転方向成分によって、風力の抗力を主体として翼６を公転させることができる回転位置である第一回転位置に位置決めされ、翼６の公転位置が、抗力の回転方向成分の作用方向と遠心力の回転方向成分の作用方向が同一方向である第二公転位置であるときに、軸ピンＰ４回りにおける翼６の回転位置が、抗力の回転方向成分及び遠心力の回転方向成分によって、揚力を主体として翼を公転させることができる第二回転位置に位置決めされ、遠心力の回転方向成分が抗力の回転方向成分よりも大きい高速公転時に、翼６の公転位置にかかわらず、軸ピンＰ４回りにおける翼６の回転位置が第二回転位置に位置決めされるように、軸ピンＰ４回りにおける翼６の回転位置を調整する回転位置調整機構としての翼可動機構２０（第二ロッド部材２２３、ストッパ２８）を備える。このため、垂直軸型風力発電機１の始動性を向上させることができるとともに、翼６を高速で公転させることができ、それによって最大発電力を向上させることができる。
【００９２】
さらに、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１に備えられる翼可動機構２０は、１サイクルあたりに公転位置に応じて翼６のピッチ角（サイクルピッチ）を変更することができるように構成されている。つまり、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１は、ピッチ角可変機構（サイクルピッチ可変機構）としての翼可動機構２０を備えている。以下、翼可動機構２０により実現されるサイクルピッチの変更動作について説明する。なお、翼可動機構２０によるサイクルピッチの変更は、翼６が低速で公転している場合も高速で公転している場合にも行われるが、ここでは、翼６が高速で公転している場合、すなわち翼６が常に第二回転位置に位置決めされている場合における、翼６のピッチ角の変更動作について説明する。
【００９３】
上記したように、垂直支柱２にはスワッシュプレート２１が取り付けられており、このスワッシュプレート２１の外輪２１ｂに、リンク機構２２が取り付けられている。そして、リンク機構２２が備える第二ロッド部材２２３に翼６が接続される。よって、翼６は、リンク機構２２を介してスワッシュプレート２１の外輪２１ｂに接続されていることになる。
【００９４】
また、スワッシュプレート２１は、その回転軸方向が垂直支柱２の軸方向に対して傾斜した状態で、垂直支柱２に取り付けられている。また、リンク機構２２の第一ロッド部材２２１の一方端（図２及び図３における下端）は、ピロボールジョイント２２１ａを介して、スワッシュプレートの外輪２１ｂのある一点（定点）に接続（固定）されている。
【００９５】
また、翼６が公転した場合、翼６の公転とともに、翼６に接続されたリンク機構２２も公転する。このとき、リンク機構２２の第一ロッド部材２２１が、翼６の公転に伴って、スワッシュプレート２１の外輪２１ｂとともに垂直支柱２の回りを回転する。ここで、上記したようにスワッシュプレート２１は垂直支柱２の軸方向（Ｚ方向すなわち上下方向）に対して傾斜しているため、傾斜したスワッシュプレート２１の外輪２１ｂのある一点に接続された第一ロッド部材２２１の上下方向（Ｚ方向）における位置は、スワッシュプレート２１の外輪２１ｂの回転位置（具体的には、外輪２１ｂのうち第一ロッド部材２２１が接続されている部分の回転位置）に応じて変化する。つまり、第一ロッド部材２２１は、翼６の公転に伴い、垂直支柱２の回りを回転しながら垂直支柱２の軸方向（上下方向）に周期的に往復移動する。
【００９６】
翼６の公転に伴い垂直支柱２の軸方向（上下方向）に周期的に往復移動する第一ロッド部材２２１の上下方向における中間位置を、基準位置と定義し、最も上方に変位した位置を上限位置と定義し、最も下方に変位した位置を下限位置と定義する。図１３Ａは、基準位置にある第一ロッド部材２２１を示す図であり、図１３Ｂは、上限位置にある第一ロッド部材２２１を示す図であり、図１３Ｃは、下限位置にある第一ロッド部材２２１を示す図である。
【００９７】
翼６の公転に伴って、第一ロッド部材２２１が、図１３Ａに示す基準位置から図１３Ｂに示す上限位置まで上方に軸方向移動（変位）した場合、第一ロッド部材２２１の上端に接続されたベルクランク２２２は、第一ロッド部材２２１によって上方に押されることによって、軸ピンＰ１を中心として、図１３Ｂにおいて反時計回り方向に回転する。ベルクランク２２２の反時計回り方向への回転によって、第一ロッド部材２２１とは異なった位置にてベルクランク２２２に接続された第二ロッド部材２２３が、図１３Ｂの左方側に軸方向移動する。以下、図１３Ｂの左方側への第二ロッド部材２２３の軸方向移動を、前進移動と呼ぶ。
【００９８】
また、翼６の公転に伴って、第一ロッド部材２２１が、図１３Ａに示す基準位置から図１３Ｃに示す下限位置まで下方に軸方向移動（変位）した場合、第一ロッド部材２２１の上端に接続されたベルクランク２２２は、第一ロッド部材２２１によって下方に引かれることによって、軸ピンＰ１を中心として、図１３Ｃにおいて時計回り方向に回転する。ベルクランク２２２の時計回り方向への回転によって、第一ロッド部材２２１とは異なった位置にてベルクランク２２２に接続された第二ロッド部材２２３が、図１３Ｃの右方側に軸方向移動する。以下、図１３Ｃの右方側への第二ロッド部材２２３の軸方向移動を、後退移動と呼ぶ。
【００９９】
以上の動作からわかるように、翼６の公転に伴ってスワッシュプレート２１の外輪２１ｂとともに垂直支柱２の回りを回転する第一ロッド部材２２１は、スワッシュプレート２１が垂直支柱２に傾斜して取り付けられているが故に、垂直支柱２の軸方向に沿って周期的に往復移動する。こうした第一ロッド部材２２１の周期的な往復動作がベルクランク２２２の回転動作（揺動動作）を誘発し、さらにベルクランク２２２の回転動作によって第二ロッド部材２２３が軸方向に往復移動する。
【０１００】
第二ロッド部材２２３が前進移動した場合、第二ロッド部材２２３の先端に接続された翼６が、第二ロッド部材２２３に押されることによって、軸ピンＰ４回りを回転する。一方、第二ロッド部材２２３が後退移動した場合、第二ロッド部材２２３の先端に接続された翼６が、第二ロッド部材２２３に引かれることによって、軸ピンＰ４回りを回転する。つまり、第二ロッド部材２２３は、翼６を軸ピンＰ４回りで揺動させるためのプシュプルロッドとして機能する。
【０１０１】
図１４は、第二ロッド部材２２３の前進移動及び後退移動によって翼６が軸ピンＰ４回りを揺動する様子を示す図である。図１４には３つの揺動位置（Ａ１、Ａ２、Ａ３）が示される。揺動位置Ａ１は、第一ロッド部材２２１が基準位置にあるときにおける翼６の揺動位置（基準揺動位置）を示し、位置Ａ２は、第一ロッド部材２２１が上限位置にあるときにおける翼６の揺動位置（上限揺動位置）を示し、位置Ａ３は、第一ロッド部材２２１が下限位置にあるときにおける翼６の揺動位置（下限揺動位置）を示す。
【０１０２】
翼６が図１４の基準揺動位置Ａ１にあるときに、翼６の公転に伴って第二ロッド部材２２３が前進移動した場合、翼６は軸ピンＰ４回りを図１４において反時計回り方向に揺動して上限揺動位置Ａ２に至る。一方、翼６が図１４の基準揺動位置Ａ１にあるときに、翼６の公転に伴って第二ロッド部材２２３が後退移動した場合、翼６は軸ピンＰ４回りを図１４において時計回り方向に揺動して下限揺動位置Ａ３に至る。つまり、第二ロッド部材２２３の前進移動及び後退移動によって、翼６は、基準揺動位置を中心として軸ピンＰ４回りを揺動する。
【０１０３】
このように、第二ロッド部材２２３が軸方向に往復移動（前進移動及び後退移動）することによって、翼６が軸ピンＰ４回りを揺動する。このような翼６の揺動により、翼６のピッチ角が変更される。また、翼６は周期的に揺動するため、１サイクル（１公転）中に、公転位置に応じてピッチ角が変更されることになる。つまり、サイクルピッチを変更することができる
【０１０４】
翼６の公転位置は、風向に対する位相角により表すことができる。例えば、翼６の公転位置が最も風上側の公転位置であるときに位相角が９０°であり、最も風下側の公転位置であるときに位相角が２７０°であると定義することができる。この場合、翼６の公転位置が、最も風上側の公転位置と最も風下側の公転位置との中間位置（風向に平行な公転位置）であるときの位相角は、０°又は１８０°である。
【０１０５】
図１５は、上記のようにして定義した位相角と、その位相角で表される公転位置における翼６のピッチ角との関係を示すグラフ（グラフＡ）である。図１５の横軸が位相角、縦軸がピッチ角を示す。また、図１５には、位相角と第一ロッド部材２２１の上下方向位置との関係を示すグラフ（グラフＢ）も示される。図１５に示すように、翼６のピッチ角は、１周期（３６０°）の間に正弦波的に周期変動する。また、位相角が０°及び１８０°のときにおける翼６のピッチ角を基準ピッチ角とした場合、位相角が９０°のとき、ピッチ角が基準ピッチ角から正方向に最も大きく変動し、位相角が２７０°のとき、ピッチ角が基準ピッチ角から負方向に最も大きく変動する。ピッチ角が基準ピッチ角であるとき（位相角が０°及び１８０°のとき）、翼６の揺動位置は基準揺動位置であり、ピッチ角が基準ピッチ角から正方向に最も大きく変動したとき（位相角が９０°のとき）、翼６の揺動位置は下限揺動位置であり、ピッチ角が基準ピッチ角から負方向に最も大きく変動したとき（位相角が２７０°のとき）、翼６の揺動位置は上限揺動位置である。
【０１０６】
図１６は、本実施形態に示す方法によってピッチ角を変化させながら翼６が公転する様子をＺ方向から示す図である。なお、比較のために、ピッチ角が固定された翼（固定翼）が公転する様子を破線で示す。また、図１６には、翼６の公転位置に対応する位相角も示されている。図１６からわかるように、位相角０°及び１８０°の公転位置、すなわち翼６の公転方向が風向にほぼ平行である位置に翼６が位置しているときには、翼６のピッチ角は固定翼のピッチ角とほぼ等しい。しかし、位相角９０°及び位相角２７０°の公転位置、すなわち翼６の公転方向が風向にほぼ垂直である位置に翼６が位置しているときには、翼６は、破線で示す固定翼と比べて、風向に対してより傾いている。このため、風が翼６を通り抜ける面積を大きくすることができる。つまり、揚力が向上するような方向に翼のピッチ角を調整することができる。その結果、揚力によってより高速で翼６を公転させることができ、これにより、最大発電量を増大させることができる。
【０１０７】
また、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１は、上述したように尾翼ユニット１０を備えており、この尾翼ユニット１０の尾翼１１は筒状部材１２に取り付けられ、筒状部材１２は傾斜角度調整機構２３を介してスワッシュプレート２１の内輪２１ａに同軸回転可能に接続されている。また、尾翼１１は、風を受けた場合、風向に平行な方向に向くような回転位置に回転する。このため、上記のように尾翼１１が風向に平行な方向に回転すると、それに伴い、筒状部材１２を介して尾翼に接続されたスワッシュプレート２１の内輪２１ａが回転する。こうしてスワッシュプレート２１の内輪２１ａが回転することにより、垂直支柱２に対するスワッシュプレート２１の傾斜方向が変化する。つまり、尾翼１１の回転位置とスワッシュプレート２１の傾斜方向が関連付けられる。よって、位相角に対して翼６のピッチ角が図１５に示すように変化するように尾翼１１を筒状部材１２に固定することにより、言い換えれば、風向に対して最も好ましい方向にスワッシュプレート２１が傾斜するように尾翼１１を筒状部材１２に固定することにより、特別な制御を行うことなく、最適な翼６のピッチ角制御を行うことができる。
【０１０８】
このように、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１は、翼６の公転位置に応じて翼６のピッチ角を変更するピッチ角可変機構としての翼可動機構２０を備える。この翼可動機構２０は、内輪２１ａと、内輪２１ａに同軸的に配置しているとともに内輪２１ａに相対回転可能に内輪２１ａに接続された外輪２１ｂとを有し、回転軸方向が垂直支柱２の軸方向に対して傾斜した状態で、内輪２１ａが垂直支柱２に相対回転可能に取り付けられているスワッシュプレート２１と、スワッシュプレート２１の外輪２１ｂにその一方端が接続されるとともに、垂直支柱２の軸方向に延設された第一ロッド部材２２１と、垂直支柱２の軸方向から見て翼６とステー４との接続位置とは異なる位置にて翼６にその一方端が接続された第二ロッド部材２２３と、垂直支柱２の軸方向に平行な平面内を回転可能に垂直支柱２に取り付けられるとともに、それぞれ異なる位置にて第一ロッド部材２２１の他方端及び第二ロッド部材２２３の他方端（内側連結部２２３ａ）に接続されたベルクランク２２２とを備える。
【０１０９】
上記のように構成された翼可動機構２０によれば、翼６が高速で公転しているときに、揚力がより向上するように翼６のピッチ角を調整することができる。そのため翼６をより高速で公転させることが可能となり、その結果、最大発電量を増大させることができる。また、翼６のピッチ角を変更するために電動アクチュエータやその制御構成を必要とせず、機械的な構造によって翼６のピッチ角を変更することができるので、安価に垂直軸型風力発電機を提供することができる。さらに、上記構成の翼可動機構２０は、第二ロッド部材２２３、ベルクランク２２２、第一ロッド部材２２１、スワッシュプレート２１を含む複数の部品が接続されることにより構成されているが、翼６が高速で公転しているときには、遠心力及び揚力によって、これらの部品が常に翼６に引っ張られる。このため、翼６の公転中に、これらの部品が押し付け合うことが防止され、各部品が接続位置で押し付け合うことによる破損が効果的に防止される。また、上記した各部品の破損を防止するための補強を考慮することなく各部品を作製できるので、部品コストの削減に寄与する。
【０１１０】
また、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１は、尾翼ユニット１０を備える。この尾翼ユニット１０の尾翼１１が風を受けて風向に平行な方向に配置する位置まで自動的に回転することにより、スワッシュプレート２１の垂直支柱２に対する傾斜方向が、自動的に、翼６を高速で公転させるために最も望ましい方向に定められる。このため、複雑な制御を実行することなしに、最適な状態で、垂直軸型風力発電機１を運転させることができる。
【０１１１】
図１７は、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１に一定風速の風を作用させた場合における、翼６の公転速度（すなわち垂直支柱２の回転速度）の経時変化を示すグラフ（グラフＧ１）と、従来の固定翼を有する垂直軸型風力発電機に同一速度の風を作用させた場合における、翼の公転速度の経時変化とを示すグラフ（グラフＧ２）とを併記した図である。図１７のグラフの横軸は経過時間であり、縦軸が公転速度である。また、縦軸の公転速度ｎ１とは、翼の公転（垂直支柱の回転）によって、利用可能な電圧の電力が発電される公転速度の下限値である。以下、この公転速度ｎ１を、利用可能電圧発生公転速度と呼ぶ。また、参考までに、図１７にはグラフＧ１ａとグラフＧ１ｂが示されている。グラフＧ１ａは、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１のリンク機構２２が備える第二ロッド部材２２３を常に直線状態とした場合における、経過時間と公転速度との関係を示すグラフである。グラフＧ１ｂは、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１のスワッシュプレート２１の傾斜角度を０°とした場合における、経過時間と公転速度との関係を示すグラフである。
【０１１２】
図１７のグラフＧ１とグラフＧ２とを比較してわかるように、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１を用いた場合に利用可能電圧発生公転速度ｎ１に達するまでの時間（Ｔ１）は、従来の固定翼を有する垂直軸型風力発電機を用いた場合に利用可能電圧発生公転速度ｎ１に達するまでの時間（Ｔ４）よりもはるかに短い。従って、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１の始動性は極めて良いことがわかる。また、グラフＧ１ａによって、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１のピッチ角可変機構（サイクルピッチ可変機構）による効果が示される。グラフＧ１ａからわかるように、本実施形態に係るピッチ角可変機構を採用することにより、始動の初期には若干公転速度の上昇率が低いが、始動の後期において公転速度の上昇率を高めることができる。さらに、グラフＧ１ａとグラフＧ２とを比較してわかるように、本実施形態に係るピッチ角可変機構のみを搭載した垂直軸型風力発電機を用いた場合に利用可能電圧発生公転速度ｎ１に達するまでの時間（Ｔ２）は、従来の固定翼を有する垂直軸型風力発電機を用いた場合に利用可能電圧発生公転速度ｎ１に達するまでの時間（Ｔ４）よりもはるかに短い。このことから、本実施形態に係るピッチ角可変機構によっても始動性を向上できることがわかる。また、グラフＧ１ｂによって、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１の回転位置調整機構による効果が示される。グラフＧ１ｂからわかるように、本実施形態に係る回転位置調整機構を採用することにより、始動の初期における公転速度の上昇率を高めることができる。従って、これらの機構（回転位置調整機構及びピッチ角可変機構）を併せ持つ本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１においては、始動初期であっても始動後期であっても公転速度の上昇率を高めることができる。
【０１１３】
図１８Ａは、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１を用いた場合における、風速と発電電力との関係を示す図であり、図１８Ｂは、従来の固定翼を有する垂直軸型風力発電機を用いた場合における、風速と発電電力との関係を示す図である。図１８Ａからわかるように、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１によれば、風が短時間の間に作用した場合においても、速やかに応答して発電電力を得ることができることがわかる。つまり、本実施形態に係る垂直軸型風力発電機１は、風に対する発電の応答性が高い。一方、図１８Ｂに示すように、従来の垂直軸型風力発電機によれば、風に対する発電の応答性が低く、大きな風速の風が吹いていてもその期間が短ければ発電電力を得ることができないことがわかる。このように、本実施形態によれば、風に対する発電の応答性が極めて高い垂直軸型風力発電機１を提供することができる。
【符号の説明】
【０１１４】
１…垂直軸型風力発電機、２…垂直支柱、２ａ…第一支柱部、２ｂ…第二支柱部、２ｃ…第一フランジ、２ｄ…第二フランジ、３…発電機、３ａ…ロータカバー、３ｂ…中心軸、４…ステー、４１，４１ａ，４１ｂ…上側ステー、４２，４２ａ，４２ｂ…下側ステー、６，６ａ，６ｂ…翼、６１…外側面、６２…内側面、１０…尾翼ユニット、１１…尾翼、１２…筒状部材、１３…接続部材、２０…翼可動機構（回転位置調整機構、ピッチ角可変機構）、２１…スワッシュプレート（軸受部材）、２１ａ…内輪（第一輪）、２１ｂ…外輪（第二輪）、２２，２２ａ，２２ｂ…リンク機構、２２１…第一ロッド部材、２２１ａ…ピロボールジョイント、２２２…ベルクランク、２２３…第二ロッド部材、２２３ａ…内側連結部、２２３ｂ…中間ロッド部、２２３ｃ…外側ロッド部、２３…傾斜角度調整機構、２４…同位相ジョイント、２５…ケース、２６…カム部材（制動部材）、２６ａ…カム面、２７…ダンパー（制動部材）、２７１…固定ブロック、２７２…圧縮バネ、２７３…接触指、２８…ストッパ、５１…連結部材、Ｐ４…軸ピン（第一軸）
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図９Ｇ】
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【図９Ｈ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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