(57)【要約】  電気機械装置（１）は、入力軸（１２ａ）の回転を伝達する歯車機構（１２）と、歯車機構（１２）によって伝達された回転に応じて出力端子から電力を発生する発電機（１３）と、歯車機構（１２）の入力軸（１２ａ）に連結された振り子（１１）とを備える。電気機械装置（１）は、歯車機構（１２）及び発電機（１３）に対して相対的な位置が固定されるように設けられたフレーム（１４）を備える。フレーム（１４）は、振り子（１１）が歯車機構（１２）の入力軸（１２ａ）の周りに少なくとも予め決められた角度範囲で往復するとき、振り子（１１）及びその軌跡を少なくとも部分的に包含するように形成される。振り子（１１）は、電気機械装置（１）の全体の振動に応じて、歯車機構（１２）の入力軸（１２ａ）の周りに往復し、発電機（１３）は、振り子（１１）の往復に応じて、出力端子に正及び負の電圧を発生する。
2020110472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力軸を有し、前記入力軸の回転を伝達する歯車機構と、
出力端子を有し、前記歯車機構によって伝達された回転に応じて前記出力端子から電力を発生する発電機と、
前記歯車機構の入力軸に連結された振り子とを備えた電気機械装置であって、
前記電気機械装置は、前記歯車機構及び前記発電機に対して相対的な位置が固定されるように設けられたフレームをさらに備え、
前記フレームは、前記振り子が前記歯車機構の入力軸の周りに少なくとも予め決められた角度範囲で往復するとき、前記振り子及びその軌跡を少なくとも部分的に包含するように形成され、
前記振り子は、前記電気機械装置の全体の振動に応じて、前記歯車機構の入力軸の周りに往復し、前記発電機は、前記振り子の往復に応じて、前記出力端子に正及び負の電圧を発生する、
電気機械装置。
【請求項２】
前記発電機の出力端子を電気的に開放した場合、前記振り子を鉛直線に対して９０度傾けた位置で解放してから前記発電機の出力電圧に少なくとも合計で４個以上の正及び負のピークが発生するように、かつ、前記発電機の出力端子を電気的に開放した場合の機械的損失に関連付けられた第１の時間長よりも、前記発電機の出力端子に負荷装置を接続した場合の機械的損失及び電気的損失に関連付けられた第２の時間長が短くなるように、前記振り子の重さと、前記歯車機構の入力軸から前記振り子の重心までの長さとが設定され、
前記第１の時間長は、前記発電機の出力端子を電気的に開放した場合、前記振り子を鉛直線に対して９０度傾けた位置で解放してから前記発電機の出力電圧がゼロ電圧から開始して正又は負の最初のピーク及び負又は正の第２のピークに達した後でゼロ電圧になるまでの時間長を示し、
前記第２の時間長は、前記発電機の出力端子に前記負荷装置を接続した場合、前記振り子を鉛直線に対して９０度傾けた位置で解放してから前記発電機の出力電圧がゼロ電圧から開始して正又は負の最初のピークに達した後で再びゼロ電圧になるまでの時間長を示す、
請求項１記載の電気機械装置。
【請求項３】
前記フレームは、前記振り子に接触することにより、前記振り子が前記歯車機構の入力軸の周りに往復する角度範囲を制限するように形成された、
請求項１又は２記載の電気機械装置。
【請求項４】
前記振り子及び前記フレームが互いに接触する位置において、前記振り子及び前記フレームの少なくとも一方に設けられた緩衝部材をさらに備えた、
請求項３記載の電気機械装置。
【請求項５】
前記フレームは、前記振り子が前記歯車機構の入力軸の周りに３６０度回転するとき、前記振り子及びその軌跡を包含するように形成された、
請求項１又は２記載の電気機械装置。
【請求項６】
前記フレームは前記電気機械装置の筐体に一体化された、
請求項１〜５のうちの１つに記載の電気機械装置。
【請求項７】
可動物への取り付け具をさらに備えた、
請求項１〜６のうちの１つに記載の電気機械装置。
【請求項８】
前記振り子は、
前記歯車機構の入力軸に連結されたアームと、
錘と、
前記アーム及び前記錘を互いに可動に連結する連結部材とを備えた、
請求項１〜７のうちの１つに記載の電気機械装置。
【請求項９】
前記振り子は弾性体からなる、
請求項１〜７のうちの１つに記載の電気機械装置。
【請求項１０】
前記振り子は、前記電気機械装置の筐体又はケースから部分的に露出した、
請求項１〜９のうちの１つに記載の電気機械装置。
【請求項１１】
前記発電機によって発生された電力を整流する整流回路をさらに備えた、
請求項１〜１０のうちの１つに記載の電気機械装置。
【請求項１２】
前記整流回路によって整流された電力のエネルギーを蓄える蓄電回路をさらに備えた、
請求項１１記載の電気機械装置。
【請求項１３】
前記整流回路及び前記蓄電回路は、複数倍電圧整流回路を構成する、
請求項１２記載の電気機械装置。
【請求項１４】
前記発電機によって発生された電力により動作する負荷装置をさらに備えた、
請求項１〜１３のうちの１つに記載の電気機械装置。
【請求項１５】
前記負荷装置は、照明装置、充電可能なバッテリ、センサ、及び通信装置のうちの少なくとも１つを含む、
請求項１４記載の電気機械装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発電機を備える電気機械装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇及び地球温暖化の防止などを背景に、自然エネルギー及び身の回りにある様々なエネルギーの利用が積極的に推進されている。自然エネルギーの利用として、例えば、太陽電池及び風力発電機による発電が知られている。また、身の回りにあるエネルギーの利用として、例えば、ユーザの生活行動から得られたエネルギーを用いる人力発電、圧電エネルギーを用いる振動発電、放送波などの電磁波のエネルギーを用いる発電、などが知られている。身の回りにあるエネルギーを収穫して利用することは、「エネルギーハーべスティング」として注目されている。【０００３】
例えば、特許文献１は、回動扉のヒンジに設けられた発電装置を用いて、扉の開閉動作によって発電することを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６０８３６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のエネルギーハーベスティングの技術及びその応用製品には、取り出せるエネルギー量が少ないこと、取り出せる時刻又は時間長に制限があること、などの問題点があった。具体的には、太陽電池による発電は、屋外かつ昼間に限定され、さらに、天候に応じて発電電力が低下する。風力発電機による発電もまた、屋外に限定され、風速に応じて発電電力が低下する。また、圧電エネルギーを用いる振動発電は、機械装置などの振動エネルギーから電気エネルギーを連続的に取り出すことができるが、微弱な電力しか得ることができず、従って、任意の装置を動作させるために十分に大きな電力を蓄えることは困難である。さらに、発電機を用いた人力発電は、比較的大きな電力を取り出すことができるが、発電機の回転レバーを数十回〜数百回にわたって意識的に回す必要があり、従って、長時間にわたってユーザを拘束し、ユーザの疲労を伴う。また、特許文献１のように、扉などに組み込まれた発電装置を用いた人力発電は、利用可能な状況が限定される。このように、従来技術によれば、比較的大きな電力を、連続的かつ無意識的に取り出すことができる、実用的な発電方法が存在していない。【０００６】
本開示は、発電機を備えた電気機械装置であって、ユーザの生活行動から比較的大きな電力を連続的かつ無意識的に取り出すことができる電気機械装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様に係る電気機械装置によれば、入力軸を有し、前記入力軸の回転を伝達する歯車機構と、出力端子を有し、前記歯車機構によって伝達された回転に応じて前記出力端子から電力を発生する発電機と、前記歯車機構の入力軸に連結された振り子とを備える。前記電気機械装置は、前記歯車機構及び前記発電機に対して相対的な位置が固定されるように設けられたフレームをさらに備える。前記フレームは、前記振り子が前記歯車機構の入力軸の周りに少なくとも予め決められた角度範囲で往復するとき、前記振り子及びその軌跡を少なくとも部分的に包含するように形成される。前記振り子は、前記電気機械装置の全体の振動に応じて、前記歯車機構の入力軸の周りに往復し、前記発電機は、前記振り子の往復に応じて、前記出力端子に正及び負の電圧を発生する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の一態様に係る電気機械装置によれば、ユーザの生活行動から比較的大きな電力を連続的かつ無意識的に取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る電気機械装置１の構成を示す正面図である。
【図２】図１の電気機械装置１の構成を示す側面図である。
【図３】図１の電力変換回路１５の構成を示す回路図である。
【図４】図１の振り子１１の重さ及び寸法を決定する方法を説明するための概略図である。
【図５】図４の発電機１３の出力端子を電気的に開放したときの発電機１３の出力電圧Ｖ１の時間的変化を概略的に示すグラフである。
【図６】図４の発電機１３の出力端子に負荷値１００Ωを有する負荷装置を接続したときの発電機１３の出力電圧Ｖ１の時間的変化を概略的に示すグラフである。
【図７】図４の発電機１３の出力端子に負荷値２００Ωを有する負荷装置を接続したときの発電機１３の出力電圧Ｖ１の時間的変化を概略的に示すグラフである。
【図８】図４の発電機１３の出力端子に負荷値３２０Ωを有する負荷装置を接続したときの発電機１３の出力電圧Ｖ１の時間的変化を概略的に示すグラフである。
【図９】図４の発電機１３の出力端子に負荷値４９０Ωを有する負荷装置を接続したときの発電機１３の出力電圧Ｖ１の時間的変化を概略的に示すグラフである。
【図１０】第１の実施形態の第１の変形例に係る電気機械装置１Ａの構成を示す側面図である。
【図１１】図１の電気機械装置１の第１の使用例を示す図である。
【図１２】図１の電気機械装置１の第２の使用例を示す図である。
【図１３】図１の電気機械装置１の第３の使用例を示す図である。
【図１４】図１の電気機械装置１を照明装置である負荷装置２１とともに使用する第４の使用例を示す図である。
【図１５】図１０の電気機械装置１Ａの第１の使用例を示す図である。
【図１６】図１０の電気機械装置１Ａの第２の使用例を示す図である。
【図１７】図１０の電気機械装置１Ａの第３の使用例を示す図である。
【図１８】図１０の電気機械装置１Ａの第４の使用例を示す図である。
【図１９】第１の実施形態の第２の変形例に係る電気機械装置１Ｂの構成を示す正面図である。
【図２０】第１の実施形態の第３の変形例に係る電気機械装置１Ｃの構成を示す正面図である。
【図２１】図２０の電気機械装置１Ｃの構成を示す側面図である。
【図２２】第２の実施形態に係る電気機械装置１Ｄの構成を示す正面図である。
【図２３】図２２の電気機械装置１Ｄの構成を示す側面図である。
【図２４】第３の実施形態に係る電気機械装置１Ｅの構成を示す正面図である。
【図２５】図２４の電気機械装置１Ｅの構成を示す側面図である。
【図２６】第４の実施形態に係る電気機械装置１Ｆの構成を示す正面図である。
【図２７】図２６の電気機械装置１Ｆの構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。各図面において、同様の構成要素は、同じ参照番号により示す。
【００１１】
［第１の実施形態］
［全体構成］
図１は、第１の実施形態に係る電気機械装置１の構成を示す正面図である。図２は、図１の電気機械装置１の構成を示す側面図である。電気機械装置１は、振り子１１、歯車機構１２、発電機１３、フレーム１４、電力変換回路１５、筐体１６、及び取り付け具１７を備える。電気機械装置１は、例えば、ユーザの身体に装着されるウェアラブル装置である。電気機械装置１は、その全体の振動に応じて電力を発生し、発生した電力を負荷装置２１に供給する。
【００１２】
振り子１１は、歯車機構１２の入力軸１２ａ（後述）に連結される（すなわち嵌合又は一体化される）。振り子１１は、電気機械装置１の全体の振動に応じて、歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに少なくとも予め決められた角度範囲で往復する。振り子１１によって発生したトルクは、入力軸１２ａを介して歯車機構１２に伝達される。振り子１１は、例えば、歯車機構１２の入力軸１２ａに連結されたアーム１１ａと、錘１１ｂと、アーム１１ａ及び錘１１ｂを互いに連結する連結部材１１ｃとを備える。錘１１ｂは、鉄、鉛、合成樹脂（プラスチックなど）、石、砂、液体（水など）、硬貨、などであってもよい。連結部材１１ｃは、ねじ止め、接着、溶接などにより、アーム１１ａ及び錘１１ｂを互いに固定的に連結してもよい。これにより、錘１１ｂに働く力を歯車機構１２へのトルクとして有効に伝達することができる。連結部材１１ｃは、弾性体、リングなどを含み、アーム１１ａ及び錘１１ｂを互いに可動に連結してもよい。これにより、錘１１ｂに働く力は、連結部材１１ｃを介してアーム１１ａに間接的に伝達されるので、トルクの大きさ、伝達される時間長を調整することができる。電気機械装置１の用途に応じて、また、負荷装置２１に応じて、連結部材１１ｃを適宜に構成可能である。代替として、振り子１１は、単一の部材として一体的に形成されてもよい。
【００１３】
歯車機構１２は、入力軸１２ａを有し、入力軸１２ａの回転を発電機１３に伝達する。歯車機構１２は、入力軸１２ａの回転を所定の増速比で発電機１３に伝達するように構成されてもよい。歯車機構１２は複数段の遊星歯車機構を含んでもよい。この場合、大きな増速比を有する歯車機構を、発電機１３の入力軸１２ａに整列してコンパクトに組み込むことができる。歯車機構１２は、平歯車機構又は他の歯車機構を含んでもよい。
【００１４】
発電機１３は、固定子と、回転子と、回転子の回転軸に固定されたギアとを備える。歯車機構１２から伝達された回転は、ギアを介して発電機１３に入力される。発電機１３は、一対の出力端子を有し、歯車機構１２によって伝達された回転に応じて出力端子から電力を発生する。発電機１３は、直流発電機であっても、交流発電機であってもよい。
【００１５】
歯車機構１２及び発電機１３は、一体的に構成されてもよい。
【００１６】
発電機の動作及びモータの動作は互いに可逆である。従って、所定の増速比を有する歯車機構１２と、発電機１３とに代えて、モータと、所定の減速比を有する歯車機構とを用いてもよい。この場合、歯車機構は、出力軸の回転を減速比の逆数の増速比でモータに伝達する。次いで、モータは、歯車機構によって伝達された回転に応じて電力を発生する。
【００１７】
フレーム１４は、歯車機構１２及び発電機１３に対して相対的な位置が固定されるように設けられる。ここで、「相対的な位置が固定される」とは、歯車機構１２及び発電機１３に対して相対的な位置が変化しないように、直接的又は間接的に固定されることを意味する。フレーム１４は、振り子１１が歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに少なくとも予め決められた角度範囲で往復するとき、振り子１１及びその軌跡を少なくとも部分的に包含するように形成される。そのため、図１及び図２の例では、フレーム１４は、ＸＹ面に沿って延在する１つの板状部分と、ＹＺ面に沿って延在する２つの板状部分とを含み、これらの板状部分により、振り子１１及びその軌跡が部分的に包囲される。フレーム１４は、１つの板状部材を折り曲げて構成されてもよく、複数の部材を組み合わせて構成されてもよい。また、図１及び図２の例では、フレーム１４のＹＺ面に沿って延在する２つの板状部分は、振り子１１に接触することにより、振り子１１が歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに往復する角度範囲を制限するように形成される。本明細書では、これらの板状部分を「ストッパ１４ａ」という。
【００１８】
電気機械装置１は、振り子１１及びフレーム１４が互いに接触する位置において、振り子１１及びフレーム１４の少なくとも一方に設けられた緩衝部材１４ｂをさらに備えてもよい。図１の例では、緩衝部材１４ｂはフレーム１４のストッパ１４ａに設けられている。緩衝部材１４ｂは、ゴム、布、バネなどからなる。緩衝部材１４ｂを備えることにより、振り子１１、歯車機構１２、及び発電機１３に過大な負荷がかかって破損することを生じにくくすることができる。また、緩衝部材１４ｂを備えることにより、雑音を低減することができる。また、電気機械装置１をユーザが身につけて使用する場合、緩衝部材１４ｂを備えることにより、ユーザに伝達される衝撃を小さくすることができる。
【００１９】
電力変換回路１５は、発電機１３によって発生された電力を、後段の負荷装置２１による使用のために、整流及び／又は蓄電する。
【００２０】
負荷装置２１は、発電機１３によって発生された電力により動作する。負荷装置２１は、例えば、照明装置、充電可能なバッテリ、センサ、及び通信装置のうちの少なくとも１つを含む。
【００２１】
筐体１６は、図１の例では、振り子１１、歯車機構１２、発電機１３、フレーム１４、及び電力変換回路１５を包囲する。電力変換回路１５は、省略されてもよく、筐体１６の外部に設けられてもよく、また、例えば負荷装置２１に一体化されてもよい。図１及び図２は、説明のため、筐体１６を破断図として示す。
【００２２】
取り付け具１７は、電気機械装置１を可動物に取り付けるために設けられる。取り付け具１７は、発電機１３、フレーム１４、又は筐体１６に固定される。本明細書において、「可動物」は、ヒト又は動物などの生物（例えばユーザの身体）を示してもよく、バッグ、ドア、窓、乗物などの無生物を示してもよい。電気機械装置１は、電気機械装置１が可動物の動きに追従するように、取り付け具１７によって可動物に取り付けられる。取り付け具１７は、例えば、ベルト又は衣服などに差し込むように、又は、挟み込まれるように構成されてもよい。取り付け具１７は、１つの部材から構成されてもよく、バネなどを含む複数の部材から構成されてもよい。また、取り付け具１７は、衣服に取り付け可能な安全ピン又は面ファスナーなどであってもよく、衣服又は皮膚に貼り付け可能な粘着テープであってもよい。また、取り付け具１７は、腕、足、又は胴などに巻き付け可能なベルト又は紐であってもよい。また、取り付け具１７は、靴紐などに結びつけ可能な紐であってもよい。可動物が無生物である場合、取り付け具１７はネジを含んでもよい。
【００２３】
可動物が電気機械装置１を実質的に固定的に保持するように構成されている場合、例えば、衣服などのポケットに電気機械装置１を挿入する場合、取り付け具１７は省略されてもよい。
【００２４】
電気機械装置１の各構成要素は、多様な材料から構成されてもよく、また、多様な動作原理を有してもよい。これらの材料及び動作原理は、電気機械装置１の用途に応じて、また、負荷装置２１に応じて、任意に組み合わせ可能である。
【００２５】
電気機械装置１を可動物に取り付けることで、電気機械装置１は、可動物の動きに追従して、全体的に振動する。可動物の加速又は減速によって振り子１１に慣性力及び遠心力などの力が生じ、この力によって、可動物が静止又は等速直線運動しているときの振り子１１の位置を基準として、振り子１１が変位又は振動する。なお、静止した振り子１１が動き出すときに働く力と、動いている振り子１１が静止あるいは逆方向に動くときに働く力とを、便宜上、「慣性力」と呼ぶ。ヒト又は物体などの可動物の運動の多くが加速及び減速を伴うので、このときに錘１１ｂに働く慣性力及び遠心力を利用することができる。錘１１ｂに働く力が小さくても、アーム１１ａを介して、てこの原理で、大きなトルクを歯車機構１２及び発電機１３に伝達することができる。このように、振り子１１は、電気機械装置１の全体の振動に応じて、歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに往復し、発電機１３は、振り子１１の往復に応じて、出力端子に正及び負の電圧を発生する。発電機１３によって発生された電力は、電力変換回路１５を介して、負荷装置２１に供給される。
【００２６】
電気機械装置１は、フレーム１４及び筐体１６を備えたことにより、振り子１１がユーザの衣服及び／又は身体（例えば手）などに接触せず、従って、可動物が動いている間は、振り子１１の往復動作を妨げなしに継続させることができる。例えば、電気機械装置１をユーザのベルト又は衣服に装着した場合、電気機械装置１の上からさらに上着などを着ても、振り子１１の往復動作が妨げられることはない。また、電気機械装置１をポケットなどに挿入した場合にも、振り子１１の往復動作が妨げられることはない。従って、歩行、旋回、立ち上がる／座る動作、手足の上げ下ろし、寝返りなど、ユーザの生活行動から、連続的かつ無意識的に電力を取り出すことができる。可動物が動いている間は発電を妨げなしに継続させることができるので、ユーザの生活行動から比較的大きな電力を取り出すことができる。
【００２７】
［電力変換回路１５の構成］
次に、図３を参照して、電力変換回路１５の例示的な構成について説明する。
【００２８】
図３は、図１の電力変換回路１５の構成を示す回路図である。電力変換回路１５は、整流回路３１、蓄電回路３２、及び制御回路３３を備える。整流回路３１は、発電機１３によって発生された電力を整流する。発電機１３が直流発電機であっても、振り子１１が一方に進みとき及びその逆方向に進むときでは発電機１３の回転方向が逆になり、逆極性の電圧が発生するので、発生された電力をコンデンサ又は二次電池に蓄えるためには整流が必要である。蓄電回路３２は、整流回路３１によって整流された電力のエネルギーを蓄える少なくとも１つのコンデンサを備える。制御回路３３は、蓄電回路３２の放電を制御する。制御回路３３は、例えば、パワートランジスタなどを備えたアクティブな昇圧回路を含んでもよく、負荷装置２１の動作に合わせて蓄電回路３２の放電を制御してもよい。
【００２９】
図３において、整流回路３１は、２つのダイオードＤ１，Ｄ２を備える。蓄電回路３２は、２つのコンデンサＣ１，Ｃ２を備える。制御回路３３は、コンデンサＣ３〜Ｃ６、ダイオードＤ３〜Ｄ５、コイルＬ１、抵抗Ｒ１〜Ｒ６、可変抵抗ＶＲ１、トランスＴＦ１、及びトランジスタＴＲ１〜ＴＲ５を備える。また、図３の例では、負荷装置２１は発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える。
【００３０】
ダイオードＤ１，Ｄ２及びコンデンサＣ１，Ｃ２は、発電機１３によって発生された電圧の倍電圧整流を行う倍電圧整流回路を構成する。振り子１１の往復のように逆方向の動きを含む一連の動作を行うとき、振り子１１が一方に進むとき及び振り子１１が他方に進むときでは逆極性の電圧が発生する。この発生した電圧に対して全波整流ではなく倍電圧整流を行うことで、一連の動作で蓄電される電圧を全波整流の場合の２倍にすることができる。これにより、蓄電回路３２の後段の回路を高電圧で動作させ、後段の回路の効率を向上させることができる。なお、全波整流では、振り子１１が右方に進むとき及び振り子１１が左方に進むときで同程度の発電電圧しか得られないので、発電時間を２倍に延ばしても蓄電エネルギーを大きくすることができない。
【００３１】
コンデンサＣ１，Ｃ２は、例えば、電解コンデンサである。また、コンデンサＣ１，Ｃ２は、電気二重層コンデンサ又は２次電池などであってもよい。
【００３２】
制御回路３３において、コンデンサＣ３〜Ｃ５、ダイオードＤ３、抵抗Ｒ１〜Ｒ６、トランスＴＦ１、及びトランジスタＴＲ２〜ＴＲ５は、インバータ回路３３ａを構成する。インバータ回路３３ａは、電圧共振型で動作し、ソフトスイッチング（ゼロボルトスイッチング）を行う。また、コンデンサＣ３、抵抗Ｒ１、可変抵抗ＶＲ１、及びトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３は、電圧設定回路３３ｂを構成する。電圧設定回路３３ｂは、可変抵抗ＶＲ１及びトランジスタＴＲ１により、電気機械装置１が動作する電圧範囲、特に、蓄電回路３２の出力電圧の下限電圧を設定する。制御回路３３は、蓄電回路３２のコンデンサＣ１，Ｃ２の両端にわたる電圧が、電圧設定回路３３ｂに設定された下限電圧以下であるとき、蓄電回路３２から負荷装置２１（発光ダイオード）への電力供給を停止する。また、コンデンサＣ３，Ｃ５、抵抗Ｒ１〜Ｒ３，Ｒ５，Ｒ６、トランスＴＦ１、及びトランジスタＴＲ２，ＴＲ３，ＴＲ５は、定電流制御回路３３ｃを構成する。
【００３３】
一般に、コンデンサは、完全に空の状態から充電すると、充電の理論効率が５０％になる。さらに、発電とは異なる時点に負荷装置を動作させる場合、この電力が必要になるので、コンデンサには常に最低限のエネルギーを蓄えておく必要がある。また、負荷装置を動作させる場合には、制御回路のトランジスタなどが起動できるだけの最低限の電圧が必要である。このような理由から、制御回路３３は、蓄電回路３２に下限電圧を設定する。例えば、１つの発電機１３あたりの発電時の発電電圧（誘導起電力、速度起電力）が１２（Ｖ）であるとする。この場合、１秒間にわたって発電した後のコンデンサＣ１（容量Ｃ１＝０．０１Ｆとする）の電圧Ｖ１が１０Ｖであったとき、コンデンサＣ１のエネルギーは、１／２×Ｃ１×Ｖ１２＝０．５（Ｊ）になる。その後、制御回路３３で負荷装置２１を動作させ、コンデンサＣ１の電圧が最低電圧Ｖ０１（ここでは１．５（Ｖ）とする）まで低下したとき、コンデンサＣ１に残っているエネルギーは、１／２×Ｃ１×Ｖ０１２＝０．０１１（Ｊ）になる。従って、利用できるエネルギーは、約０．４９（Ｊ）である。このように、下限電圧を設定することにより、コンデンサＣ１，Ｃ２のエネルギーを十分に利用でき、かつ、負荷装置２１を確実に動作させることができる。
【００３４】
制御回路３３は、蓄電回路３２に下限電圧を設定しない場合には省略されてもよい。また、負荷装置２１の動作に合わせて蓄電回路３２の放電を制御する制御回路が、負荷装置２１に設けられてもよい。
【００３５】
本開示の各実施形態では、ヒトなどの可動物の加速及び減速により生じる力を利用し、重力及び遠心力などとの併用も含めて、力学的エネルギーの効率的な回収を図っている。蓄積する電気エネルギーを大きくしたり、任意の負荷装置を駆動したりするためには、発電機１３の出力電圧がより高いことが望ましい。このため、歯車機構１２の増速比を大きくしたり、発電機１３の逆起電圧定数（低速回転での高い誘起電圧を生じる指標）を大きくしたりすることが重要になる。しかしながら、サイズ、損失、コストなどの多様な観点で、これらのパラメータの増大には限界がある。ここで、発電機１３の出力電圧を増大するために、発電機１３が交流の出力電圧を発生する場合に利用可能である、整流及び蓄電を利用した倍電圧整流などの複数倍電圧整流（多倍圧整流）が有効である。発電機１３は、振り子１１の往復に応じて正転及び逆転を繰り返し、出力端子に正及び負の電圧を含む交流電圧を継続的に発生する。この交流電圧から倍電圧整流（２倍電圧整流）を行うことで、力学的エネルギーを効率的に回収することができる。また、蓄電回路３２において３つ以上のコンデンサを直列接続することにより、３倍、４倍、…のさらなる複数倍電圧整流を行ってもよい。倍電圧整流（又は複数倍電圧整流）を行うことにより、蓄電回路３２の出力電圧を高くすることができ、また、蓄電回路３２の蓄電量を大きくすることができる。また、電力変換回路１５又は負荷装置２１が昇圧回路を含む場合、倍電圧整流により昇圧前の電圧を高くすることにより、昇圧回路の効率を向上することができる。このように、図３の電力変換回路１５によれば、倍電圧整流を行うことにより、電気機械装置１の全体の効率が向上する。
【００３６】
［振り子１１の構成］
次に、図４〜図９を参照して、振り子１１の重さ及び寸法を決定する方法を説明する。
【００３７】
振り子１１から歯車機構１２の入力軸１２ａに加わるトルクにより、歯車機構１２の各歯車及び発電機１３の回転軸が回転する。発電機１３の回転速度（あるいは角速度）に応じて、速度起電力が生じる。速度起電力は、発電機１３の出力端子における誘起電圧として観測される。
【００３８】
発電機１３の出力端子が電気的に開放されている場合、単に出力端子に電圧が発生しているだけである。この場合、歯車機構１２の入力トルクは、歯車機構１２及び発電機１３の機械的損失、例えば、歯車機構１２の摩擦、発電機１３の軸受けの摩擦、などを主体として生じる。
【００３９】
一方、発電機１３の出力端子に電力変換回路１５及び負荷装置２１が接続されると、閉回路が形成され、発電機１３から整流回路３１を介して蓄電回路３２に電流が流れ込み、発電機１３の発電電力が電気エネルギーとして蓄電回路３２に蓄電される。このとき、蓄電回路３２の出力電力は、振り子１１から歯車機構１２の入力軸１２ａに与えられる力学的な入力（単純に言えば、トルク×回転角速度）から、歯車機構１２及び発電機１３の機械的損失を減算し、さらに、整流回路３１及び蓄電回路３２の電気的損失を減算したものに相当する。この出力電力の瞬時値を時間積分したものが蓄電エネルギーである。発電機１３の出力端子からみれば、蓄電回路３２は電気的な負荷となる。
【００４０】
従って、電気機械装置１から負荷装置２１に十分な電力を供給するために、歯車機構１２及び発電機１３の機械的損失と、電力変換回路１５の電気的損失とを考慮して、振り子１１の重さ及び寸法を決定することが求められる。
【００４１】
振り子１１が往復する速度及び角度幅が一定である場合、歯車機構１２の増速比が大きいほど、発電機１３の回転速度が上がり、速度起電力が大きくなり、発電機１３の高い出力電圧が得られ、大きな発電電力が得られると期待できる。しかし、増速比を増大させると、歯車機構１２の歯車の枚数及び／又は段数も増大し、歯車の摩擦などに起因して機械的損失が増大する。歯車機構１２の機械的損失が大きい場合、例えば、電気機械装置１がユーザの身体に装着され、普通の歩行で振り子１１を運動させるには、重くて長いアーム１１ａが必要になる。電気機械装置１をユーザの腰などに装着し、歩行しながら発電する場合を想定すると、振り子１１の重さは最大で例えば２５０ｇ程度まで、アーム１１ａの長さは最大で例えば１０ｃｍ程度までが限度であり、これを超えると、ユーザが身につけるには実用的でなくなると考えられる。ヒトの普通の歩行でも電気機械装置１から負荷装置２１に十分な電力を供給するためには、このような振り子１１の重さ及び寸法の条件下で、振り子１１が容易に往復運動できる必要がある。
【００４２】
図４は、図１の振り子１１の重さ及び寸法を決定する方法を説明するための概略図である。振り子１１の重さ及び寸法を決定するために、図１のフレーム１４及び筐体１６を除去し、振り子１１を鉛直線（Ｙ軸に平行な直線）に対して９０度傾けた位置で解放して、発電機１３の出力電圧の時間的変化を観測した。振り子１１の寸法として、歯車機構１２の入力軸１２ａから振り子１１の重心Ｇ１までの長さｄを決定する。
【００４３】
図５は、図４の発電機１３の出力端子を電気的に開放したときの発電機１３の出力電圧Ｖ１の時間的変化を概略的に示すグラフである。図５に示すように、振り子１１を鉛直線に対して９０度傾けた位置で解放してから、発電機１３の出力電圧は次第に減衰する。図５を参照して、機械的損失の大きさがどの程度まで許容できるかを調べた。その結果、発電機１３の出力端子を電気的に開放した場合、振り子１１を鉛直線に対して９０度傾けた位置で解放してから発電機１３の出力電圧に少なくとも合計で４個以上の正及び負のピークが発生すれば、機械的損失が十分に小さく、効率的な発電が可能であると判断される。従って、発電機１３の出力端子を電気的に開放した場合、振り子１１を鉛直線に対して９０度傾けた位置で解放してから発電機１３の出力電圧に少なくとも合計で４個以上の正及び負のピークが発生するように、振り子１１の重さと、歯車機構１２の入力軸１２ａから振り子１１の重心Ｇ１までの長さｄとが設定される。
【００４４】
また、振り子１１の重さ及び寸法を決定するために、図５に示すように、発電機１３の出力端子を電気的に開放した場合の機械的損失に関連付けられた第１の時間長Ｔ１を測定する。第１の時間長Ｔ１は、発電機１３の出力端子を電気的に開放した場合、振り子１１を鉛直線に対して９０度傾けた位置で解放してから発電機１３の出力電圧がゼロ電圧から開始して正又は負の最初のピーク及び負又は正の第２のピークに達した後でゼロ電圧になるまでの時間長を示す。
【００４５】
図６は、図４の発電機１３の出力端子に負荷値１００Ωを有する負荷装置を接続したときの発電機１３の出力電圧Ｖ１の時間的変化を概略的に示すグラフである。図７は、図４の発電機１３の出力端子に負荷値２００Ωを有する負荷装置を接続したときの発電機１３の出力電圧Ｖ１の時間的変化を概略的に示すグラフである。図８は、図４の発電機１３の出力端子に負荷値３２０Ωを有する負荷装置を接続したときの発電機１３の出力電圧Ｖ１の時間的変化を概略的に示すグラフである。図９は、図４の発電機１３の出力端子に負荷値４９０Ωを有する負荷装置を接続したときの発電機１３の出力電圧Ｖ１の時間的変化を概略的に示すグラフである。ここで、図６〜図９では、図１の電力変換回路１５及び負荷装置２１を合わせた仮想的な負荷装置が発電機１３の出力端子に接続されている場合を想定する。振り子１１の重さ及び寸法を決定するために、図６〜図９に示すように、発電機１３の出力端子に電力変換回路１５及び負荷装置２１を接続した場合の機械的損失及び電気的損失に関連付けられた第２の時間長Ｔ２を測定した。第２の時間長Ｔ２は、発電機１３の出力端子に電力変換回路１５及び負荷装置２１を接続した場合、振り子１１を鉛直線に対して９０度傾けた位置で解放してから発電機１３の出力電圧がゼロ電圧から開始して正又は負の最初のピークに達した後で再びゼロ電圧になるまでの時間長を示す。図６〜図９によれば、負荷装置の負荷値の大きさに応じて、第２の時間長Ｔ２、すなわち、発電機１３の出力電圧の減衰時間が変化することがわかる。
【００４６】
図５〜図９を参照して、機械的損失及び電気的損失の大きさがどの程度まで許容できるかを調べた。その結果、第１の時間長Ｔ１よりも第２の時間長Ｔ２が短くなれば、機械的損失及び電気的損失が十分に小さく、効率的な発電が可能であると判断される。従って、第１の時間長Ｔ１よりも第２の時間長Ｔ２が短くなるように、振り子１１の重さと、歯車機構１２の入力軸１２ａから振り子１１の重心Ｇ１までの長さｄとが設定される。
【００４７】
このように、発電機１３の出力端子を電気的に開放した場合、振り子１１を鉛直線に対して９０度傾けた位置で解放してから発電機１３の出力電圧に少なくとも合計で４個以上の正及び負のピークが発生するように、かつ、第１の時間長Ｔ１よりも第２の時間長Ｔ２が短くなるように、振り子１１の重さと、歯車機構１２の入力軸１２ａから振り子１１の重心Ｇ１までの長さｄとが設定される。このように振り子１１の重さ及び寸法を決定することにより、負荷装置２１に供給可能な電力を最大化することができる。
【００４８】
電気機械装置１によれば、振り子１１が最大で数十度程度にわたる角度幅で往復するとき、発電機１３が複数回の正転及び逆転を繰り返す。これにより、電気機械装置１から、高い出力電圧、大きな出力電力、蓄積エネルギーなどが得られる。また、省部品かつ小型の電気機械装置１を、例えばウェアラブル装置として提供することができる。また、可動物の動きに応じて鉛直線から変位した振り子１１には、重力により復元力が働く。この復元力によってさらに発電できるので、効率的な発電が可能である。
【００４９】
歯車機構１２及び発電機１３の機械的負荷と、電力変換回路１５及び負荷装置２１の電気的負荷とは、振り子１１の重さ及び寸法が上述の条件を満たすように、かつ、振り子１１の重さは２５０ｇ以下になり、振り子１１の長さが１０ｃｍ以下になるように決定されてもよい。これにより、小型の電気機械装置１を提供することができる。
【００５０】
振り子１１の重心Ｇ１は、振り子１１において、歯車機構１２の入力軸１２ａに連結される位置とは逆側の先端から振り子１１の全長の１／３以内の位置に設けられてもよい。これにより、高効率の発電を行うことができ、かつ、小型の電気機械装置１を提供することができる。
【００５１】
筐体１６は、その厚さ（Ｚ方向の長さ）が５０ｍｍ以下になるように構成されてもよい。これにより、電気機械装置１をユーザの身体に装着して使用する場合、ユーザは違和感を感じにくくなる。
【００５２】
前述のように、振り子１１において、連結部材１１ｃはアーム１１ａ及び錘１１ｂを互いに可動に連結してもよい。例えば、振り子１１が二重振り子になるように（錘１１ｂが副振子になるように）、アーム１１ａに錘１１ｂを連結してもよい。この場合、振り子１１の寸法を維持しながら、自由振動の周期を変えることができる。これにより、電気機械装置１の用途に応じて、また、負荷装置２１に応じて、設計上の自由度を向上することができる。
【００５３】
［電気機械装置１の使用例］
図１０は、第１の実施形態の第１の変形例に係る電気機械装置１Ａの構成を示す側面図である。電気機械装置１Ａは負荷装置２１をさらに備えてもよい。負荷装置２１を電気機械装置１Ａに一体化することにより、その利便性が向上する。
【００５４】
図１１は、図１の電気機械装置１の第１の使用例を示す図である。図１２は、図１の電気機械装置１の第２の使用例を示す図である。図１３は、図１の電気機械装置１の第３の使用例を示す図である。
【００５５】
図１１に示すように、電気機械装置１は、ユーザ１００の身体に巻き付けられたベルト４１に、例えば取り付け具１７によって取り付けられてもよい。ベルト４１は、例えば、ユーザ１００の胴体（腰など）、上腕、前腕、手首、上腿、下腿、足首などに巻き付けられてもよい。また、ベルト４１は、図１の取り付け具１７に代えて、電気機械装置１に設けられてもよい。また、電気機械装置１は、ユーザ１００の耳などに直接に取り付けられてもよい。また、図１２に示すように、電気機械装置１は、ユーザ１００の衣服（例えば、シャツ、ズボン）などに設けられたポケット４２に挿入されてもよい。また、電気機械装置１は、ユーザ１００の帽子、眼鏡、靴などに取り付けられてもよい。このように、ユーザ１００が直接に身につけているベルト４１又は衣服などに電気機械装置１を取り付けることにより、ユーザ１００の運動又は体動に応じて、簡単に無理なく発電することができる。これにより、例えば、日常生活において、バッテリを充電するために、又は、懐中電灯として、電気機械装置１を利用することができる。
【００５６】
また、図１３に示すように、電気機械装置１は、ユーザ１００によって携行されるバッグ４３（例えば手提げバック）に挿入又は取り付けられてもよい。また、電気機械装置１は、肩掛けバッグ、リュックサック、スーツケース、買い物カート、傘、杖、自転車（ペダル、クランク、ハンドルなど）、椅子（例えば背もたれ）もしくは他の家具などに挿入又は取り付けられてもよい。ユーザ１００の身体の運動は、ユーザ１００が持つあるいは利用する器具にも運動を生じさせる。従って、ユーザ１００が間接的に利用している物に電気機械装置１を取り付けることにより、ユーザ１００の運動又は体動に応じて、簡単に無理なく発電することができる。
【００５７】
電気機械装置１は、ユーザ１００によって動くドア又は窓などに取り付けられてもよく、人力以外の動力で動く可動物に取り付けられてもよい。電気機械装置１を自動車又は電車（例えばつり革など）などの燃料で動く物体、その他のエネルギーにより動く物体に取り付けることで、簡単に無理なく発電することができる。また、電気機械装置１は、家畜又は動物の身体に取り付けられてもよい。また、電気機械装置１は、風を受ける木の枝、水路、又は雨滴を受ける場所などに取り付けられてもよい。このように、電気機械装置１は非常に多様に利用可能である。
【００５８】
図１４は、図１の電気機械装置１を照明装置である負荷装置２１とともに使用する第４の使用例を示す図である。図１４の例では、電気機械装置１は、ベルト４１を用いて、負荷装置２１とともにユーザ１００の身体に装着される。図１４の負荷装置２１は、発光ダイオードなどの発光素子を備える。また、図１４の負荷装置２１は、充電可能なバッテリ（例えば、電気二重層コンデンサなどの大容量のコンデンサ）をさらに備えてもよい。また、図１４の負荷装置２１は、暗いときのみ発光素子をオンし、明るいときには内部のバッテリに充電するために、光センサ及び制御回路をさらに備えてもよい。図１４の使用例によれば、電気機械装置１は、ユーザ１００の歩行によって、負荷装置２１の発光素子を点灯させるために十分な電力を発生することができる。
【００５９】
ここで、電気機械装置１がユーザ１００の歩行に応じて発電する原理について述べる。例えば図１４に示すように、電気機械装置１がユーザ１００の腰に装着される場合、ユーザ１００が静止しているとき、錘１１ｂは鉛直線に沿って（通常は地面に対して最も近い位置に）静止している。ユーザ１００の歩行は、等速直線運動ではなく、時間的に見れば、進行方向への加速及び減速の繰り返しである。ユーザ１００が歩き出すとき（すなわち、ユーザ１００が加速するとき）、錘１１ｂは慣性により静止しつづけようとし、歯車機構１２及び発電機１３がユーザ１００とともに移動する。このとき、アーム１１ａを介して歯車機構１２の入力軸１２ａにモーメント（回転力）がかかり、歯車機構１２及び発電機１３を回転させ、発電機１３の出力端子に速度起電力を発生する。アーム１１ａが少しの角度にわたって回転したとき、錘１１ｂは静止時の位置に対して高くなるので、錘１１ｂに位置エネルギーが生じる。歩行時の等速運動期間には、この錘１１ｂが戻ることにより位置エネルギーが回収される。また、ユーザ１００が減速するとき、ユーザ１００が加速するときとは逆方向のモーメント（回転力）が歯車機構１２の入力軸１２ａにかかる。ユーザ１００及び電気機械装置１がこのように加速及び減速する場合、振り子１１が往復する周期を加速及び減速の周期にあわせれば、振り子１１を効率的に運動させ、効率的に発電できると考えられる。本開示に係る各実施形態では、振り子１１が往復する周期は、振り子１１の重さ及び寸法で決まる単振動の周期（振り子の等時性として知られる）を考慮するだけでなく、前述のように、機械的損失及び電気的損失をさらに考慮して決定される。
【００６０】
一般に、激しい加減速を含む運動（例えばランニング）であれば、少々無駄なエネルギーが生じても、負荷装置を動作させるために十分な電力を容易に発生することができる。一方、激しい加減速を含まないユーザの生活行動から発電するためには、高効率の発電システムが求められる。本開示の各実施形態では、ユーザのゆっくりとした歩行、ユーザの通勤時などの通常の歩行においても、十分に利用価値のある発電システムを提供する。ここで、「十分に利用価値のある発電システム」とは、例えば、ユーザが夜間の歩行時に携行するＬＥＤ懐中電灯の明るさに相当する電力を、無理なく発生できることを意味する。ＬＥＤ懐中電灯の消費電力に相当する電力を発生することができれば、一般的な通信回路又はセンサ回路などを十分に動作させることができると考えられる。ここで、「無理なく」とは、ユーザに発電のための過剰な運動を意識させず、身につけている違和感を生じさせないことを意味する。これにより、小型かつ軽量のウェアラブル可能な発電システムを実現することができる。
【００６１】
以下、電気機械装置１がユーザ１００の比較的ゆっくりとした歩行に応じて発電する原理について詳細に述べる。
【００６２】
（１）  ユーザ１００が進行方向に片足を１歩踏み出すとき、錘１１ｂには慣性力が働いて錘１１ｂはそこにとどまろうとする一方、歯車機構１２の入力軸１２ａは、静止しようとする錘１１ｂよりも前方に略平行に移動し始める。従って、ユーザ１００が進行方向に片足を１歩踏み出すとき、錘１１ｂは最初、鉛直線から、ユーザ１００の進行方向に対して反対側に変位する。ユーザ１００が片足を踏み出して歩き始めるとき、ユーザ１００及び電気機械装置１には正の加速度が働く。錘１１ｂは、ユーザ１００に対し、入力軸１２ａの回転角度を増やしながら、ユーザ１００と同じ方向にユーザ１００よりやや遅い速度で平行移動する。アーム１１ａを介して入力軸１２ａにモーメント（回転力）がかかり、発電機１３は電力を発生する。なお、このときの入力軸１２ａの回転角度を負の角度であると定義し、このときの発電機１３の出力電圧を負の電圧であると定義する。
【００６３】
（２）  ユーザ１００が足を踏み出して足が地面につく前又はついた直後には、ユーザ１００の平行移動の運動は等速あるいはやや減速の動作となり、ユーザ１００及び電気機械装置１の加速度が小さくなり、あるいはゼロになる。ユーザ１００及び電気機械装置１に負の加速度が働くと、錘１１ｂの今までの方向の慣性力は弱まる。歯車機構１２の入力軸１２ａは、その負の最大の回転角度、すなわち、錘１１ｂが重力とつりあう位置まで変位して停止する。このとき、発電機１３の出力電圧は負の電圧である。
【００６４】
（３）  その後、錘１１ｂが重力により反対方向（ユーザ１００の進行方向）に動き始め、従って、歯車機構１２の入力軸１２ａは正の方向に回転し始める。重力による回転方向の力は、錘１１ｂが鉛直線上に到来した時点でゼロになるが、このとき、錘１１ｂは速度及び運動エネルギーを有している。この運動エネルギーにより、錘１１ｂはさらに重力に逆らってユーザ１００の進行方向へ動こうとし、入力軸１２ａはさらに正の回転角度を増やす。このとき、錘１１ｂには、ユーザ１００が減速したことによる負の加速度がさらに働き、入力軸１２ａは回転角度を増やす。ユーザ１００の片足が着地して反対側の足が踏み出される間、ユーザ１００の速度は小さくなっている。この間、錘１１ｂへの慣性力が小さくなっている。錘１１ｂの運動エネルギーがすべて位置エネルギーに変換された時点で、入力軸１２ａは正の最大の回転角度で停止する。この間、発電機１３は電力の発生を継続している。なお、このとき、発電機１３の出力電圧は正の電圧である。
【００６５】
（４）  次に、ユーザ１００が他方の足を踏み出す前あるいは踏み出した直後、錘１１ｂは、重力及び減速による慣性力によりユーザ１００の進行方向とは逆側に動き始め、従って、歯車機構１２の入力軸１２ａは負の方向に回転し始める。錘１１ｂが鉛直線を通過した後もさらに、運動エネルギー及び減速による慣性力により、入力軸１２ａの負の回転はさらに続く。入力軸１２ａは、上記（３）とほぼ同じ角度あるいはそれよりも大きな角度まで回転して停止する。なお、このとき、発電機１３の出力電圧は負の電圧である。
【００６６】
（５）  以降、ユーザ１００が両足を交互に踏み出すときに上記動作が反復され、発電機１３は電力の発生を継続する。
【００６７】
（６）  上記の動作を行うことができれば、ユーザ１００の歩行から力学的エネルギーを最も有効に取り出すことができる。ただし、以上の説明においては、力学的エネルギー（錘１１ｂの慣性力、錘１１ｂの運動エネルギー、及び重力の位置エネルギー）の変換の原理のみに言及している。実際の実用的な発電では、上記の動作により発生する発電機１３の出力電圧を、負荷装置２１により直接に消費してもよく、負荷装置２１に供給する前に整流及び／又は蓄電してもよい。すなわち、エネルギーの変換、蓄電、及び／又は消費を行ないながら、上記の動作を行うことがある。
【００６８】
（７）  蓄電量（蓄電エネルギー）を増大するために、発電機１３の出力電圧及び／又は発電時間を増大させることが考えられる。ただし、電気機械装置１の用途により発電時間は決まっているので、ここでは、発電機１３の出力電圧を大きくする方法を検討する。発電機１３の出力電圧（すなわち、回転速度に比例する誘導電圧（誘導起電力））を大きくするには、発電機１３の回転速度を増大させる、すなわち、歯車機構１２の入力軸１２ａの回転速度（あるいは角速度）を増大させる。本発明者は、実験において、ユーザ１００が１歩進む時間に振り子１１が１往復する場合に発電量が最大化されることを見出し、この時間を１周期として振り子１１が大きな角度で回転するための条件を求めた。
【００６９】
（８）  エネルギーの消費が非常に小さい場合、例えば、小さな歯車機構１２の摩擦損のみが機械的損失として生じると仮定した場合、振り子１１の一連の動作は、振り子の単振動の動作に近似できる。振り子１１の周期Ｔは、概ね、以下の式（１）で決まる。錘１１ｂの質量は周期Ｔには無関係である。エネルギーの大半は保存され、摩擦損で失われたエネルギーのみを、ユーザ１００の歩行により生じる慣性力で補えばよい。なお、式（１）から、歯車機構１２の入力軸１２ａから振り子１１の重心Ｇ１までの長さｄは、以下の式（２）で求められる。例えば、ユーザ１００の平均歩行速度が時速４．８ｋｍ（秒速１．３３ｍ）であり、歩幅が０．７ｍであると仮定する。このとき、１歩あたりの歩行時間は０．５２５秒になる。上記（７）で述べたように、振り子１１の１周期が１歩進む時間に相当する場合、式（１）にＴ＝０．５２５秒、重力加速度ｇ＝９．８ｍ／ｓを代入すると、ｄ＝６８ｍｍになる。従って、十分に携帯可能な小型の電気機械装置１を提供することができる。
【００７０】
Ｔ＝２π√（ｄ／ｇ）      （１）
ｄ＝ｇＴ２／（２π）２      （２）
【００７１】
（９）  これに対し、発電機１３によって発生された電力を負荷装置２１により消費するか又は蓄電回路３２に蓄電する場合、力学的エネルギーの大半は消費又は蓄電のために費やされ、すぐに振り子１１の振幅が減少する。また、この場合、錘１１ｂの質量が小さいとその慣性力が小さく、微小振幅（微小角度）の運動しかできなくなり、十分に大きなエネルギーを取り出すことができない。大きなエネルギーを継続的に取り出すためには、錘１１ｂの質量を大きくして、ユーザ１００が歩行して加速及び減速するときの慣性力を大きくする。ただし、錘１１ｂをあまり重くしすぎると、ユーザ１００が歩行時に発電機１３を重く感じたり、体がゆすられるように感じたりするなどの違和感が生じる。本発明者は、実験上、数十ｇ〜数百ｇの重さまでなら、この違和感を感じにくくできる感触を得た。
【００７２】
（１０）  上記の力学的エネルギーから電気エネルギーへの変換及び蓄積において重要なことは、いかに無駄なく、楽に、力学的エネルギーから電気エネルギーを取り出せるかということである。ここで、「無駄なく」とは、ユーザ１００の歩行運動から最大限の電気エネルギーを取り出すことであり、「楽に」とは、発電の違和感を感じさせず、また、発電システムの重さ及び大きさを感じさせないことである。すなわち、「取り出す電気エネルギーの最大化」と「小型及び軽量化」との両立が重要であるといえる。本開示の各実施形態によれば、これらの条件を両立した電気機械装置を提供することができる。
【００７３】
以上説明したように、可動物が加速及び減速を繰り返すとき、電気機械装置１の錘１１ｂには、加速の慣性力及び減速の慣性力に加え、重力が働く。これらの力により生じたトルクは、アーム１１ａを介して歯車機構１２及び発電機１３に伝達され、発電機１３は正転及び逆転を繰り返す。発電機１３が正転及び逆転を繰り返すように歯車機構１２及び発電機１３を回転させるトルクを継続的に発生することができ、従って、負荷装置２１を連続的に動作させること、及び／又は、大きな電気エネルギーを蓄積することができる。
【００７４】
また、電気機械装置１は、ユーザ１００の身体に装着されたとき、歩行など、ユーザ１００の連続的な動作により電力を継続的かつ安定的に発生することができる。電気機械装置１は、例えば数十ｍＷ〜数Ｗ以上の電力を発生することができ、通勤又は買い物などの数分〜数時間を越える歩行により、数Ｊ〜１００００Ｊ程度のエネルギーを発生することができる。例えば、１Ｗの電力を発生する電気機械装置１を装着したユーザ１００が２時間にわたって歩行する場合、１Ｗ×２時間×６０分×６０秒＝７２００Ｊ、すなわち１７１８ｃａｌのエネルギーを発生することができる。このエネルギーにより、２５度の水２３ｃｃを１００度まで加熱することができる。本発明者が試作した電気機械装置１は、ユーザ１００の身体に装着したとき、数秒間の歩行により、ＬＥＤ懐中電灯を数秒〜数十秒にわたって点灯させるエネルギーを発生することができた。電気機械装置１は、例えば、照明装置を含む負荷装置２１に電力を供給してもよい。この場合、電気機械装置１は、ユーザ１００が夜間に歩行しているときに十分に明るい照明を提供するように、負荷装置２１を動作させることができる。また、電気機械装置１は、例えば、スマートフォンなどの充電器を含む負荷装置２１に電力を供給してもよい。また、電気機械装置１は、例えば、ユーザ１００の脈拍、呼吸、体温、及び／又は血圧などを測定するセンサを含む負荷装置２１に電力を供給してもよい。この場合、電気機械装置１は、例えばユーザ１００の歩行中に、ユーザ１００の脈拍、呼吸、及び／又は血圧などをリアルタイムで測定するように、また、必要に応じて、測定結果を負荷装置２１から他の装置に通知するように、負荷装置２１を動作させることができる。これにより、ユーザ１００の体調を管理することができる。また、電気機械装置１は、例えば、ＧＰＳ信号を受信可能な通信装置などを含む負荷装置２１に電力を供給してもよい。この場合、電気機械装置１は、常に又は定期的にユーザ１００の位置情報を得るように、負荷装置２１を動作させることができる。
【００７５】
また、電気機械装置１は、ユーザ１００の身体に装着されたとき、旋回、立ち上がる／座る動作、手足の上げ下ろし、寝返りなど、ユーザ１００の短時間の動作（例えば瞬間的な動作）又は小さな動作により電力を発生することができる。電気機械装置１は、ユーザ１００の短時間の動作又は小さな動作からであっても、センサ及び／又は通信装置など、小さな消費電力を有する回路を動作させるために十分な電力、例えば数十ｍＷ〜数Ｗの電力を発生することができる。電気機械装置１は、例えば、ユーザ１００の脈拍又は呼吸などを測定するセンサを含む負荷装置２１に電力を供給してもよい。この場合、電気機械装置１は、ユーザ１００の脈拍又は呼吸などをリアルタイムで測定するように、また、必要に応じて、測定結果を負荷装置２１から他の装置に通知するように、負荷装置２１を動作させることができる。電気機械装置１は、例えば、ＧＰＳ信号を受信可能な通信装置などを含む負荷装置２１に電力を供給してもよい。電気機械装置１は、例えば、ユーザ１００の宅内の受信機にポーリング信号を送信可能な通信装置などを含む負荷装置２１に電力を供給してもよい。この場合、宅内の受信機は、ユーザ１００の状況を、遠隔の場所に在住するユーザ１００の親戚などに通知してもよい。
【００７６】
図１５は、図１０の電気機械装置１Ａの第１の使用例を示す図である。図１６は、図１０の電気機械装置１Ａの第２の使用例を示す図である。図１７は、図１０の電気機械装置１Ａの第３の使用例を示す図である。図１８は、図１０の電気機械装置１Ａの第４の使用例を示す図である。図１５〜１７の例では、電気機械装置１Ａは、ベルト４１を用いてユーザ１００の身体に装着される。図１８の例では、電気機械装置１Ａは、ユーザ１００の衣服に設けられたポケット４２に挿入される。図１５〜図１８の電気機械装置１Ａは、図１０に示すように負荷装置２１をさらに備える。図１５〜図１８の例では、負荷装置２１は、ユーザ１００の自宅、病院、他の施設などに設けられたサーバ装置５１にポーリング信号を送信可能な通信装置を含む。電気機械装置１Ａは、旋回（図１５）、立ち上がる／座る動作（図１６）、手足の上げ下ろし（図１７）、寝返り（図１８）などに応じて電力を発生し、これにより、ポーリング信号をサーバ装置５１に送信するように負荷装置２１を動作させる。
【００７７】
電気機械装置１（又は１Ａ）がユーザ１００の身体に装着されたとき、電気機械装置１は、前述のように、ユーザ１００の短時間の動作又は小さな動作により振り子１１に働く力（慣性力など）から電力を発生することができる。従って、通信装置を含む負荷装置２１をユーザ１００の挙動センサとして使用することができる。図１５〜図１８の例では、例えば、自宅、病院、他の施設などにおいてユーザ１００（例えば高齢者）の挙動及び／又は場所を把握し、これにより、ユーザ１００の状態をモニタリング（見守り）することができる。
【００７８】
例えば、ユーザ１００が立ち上がる／座る動作では、振り子１１は、ユーザ１００の動作により動くとともに、振り子１１に働く重力により動く。また、例えば、ユーザ１００が旋回する動作（すなわち、腰が回って振り向く動作）では、振り子１１は、ユーザ１００の動作により動くとともに、振り子１１に働く遠心力により動く。ユーザ１００の身体の異なる動きに応じて、発電機１３の出力電圧の大きさ、波形、正及び負の極性は異なる。従って、発電機１３の出力電圧のこれらの特性に基づいて、ユーザ１００の身体の動きを検出することができる。
【００７９】
また、電気機械装置１は、無生物である可動物に取り付けられてもよい。例えば、物流センターなどにおいて、電気機械装置１と通信装置を含む負荷装置２１とを荷物に取り付けることにより、荷物を追跡したり、盗難防止機能を提供したりすることができる。電気機械装置１と通信装置を含む負荷装置２１とをドア又は窓などに取り付けることにより、家族の帰宅を通知したり、侵入者を検出して通報したりすることができる。
【００８０】
以下に、実施形態に係る電気機械装置１及び負荷装置２１の例示的な用途を示す。
【００８１】
・携帯電話機の充電
・歩行中又は走行中の照明（懐中電灯、安全ライト）
・ユーザの身体の動きを検出して信号を送信することによる見守り及び位置検出
・可動物の運動量の測定
・ユーザの身体の動きにより発電する超高効率の非常用発電機（携帯電話機などの充電）
・片手動作により発電する楽な非常用発電機、座ったままの足踏みにより発電する楽な発電機（携帯電話機などの充電）
・自然の揺らぎによるイルミネーション（木の枝などに設けられる複数の電気機械装置及びＬＥＤ）
・盗難検出（ブザー音の発生、信号の送信）
・家畜などの位置情報、運動情報、体温もしくは脈拍情報などの送受信
【００８２】
ヒトの動作の力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する場合、仮に効率が１００％であるとしても、エネルギー保存則に従って、ヒトはそのエネルギーを消費する（正確には、電気エネルギーとして外部に蓄積する）。ヒトは、食べ物及び空気からエネルギーを取得し、筋肉の動作を通じて力学的出力、すなわち力及び変位を発生し、動作時間分のエネルギーを消費する。過度に長い運動を行ったとき、ヒトは疲労感を感じ、その後、空腹感を持つ。例えば、自転車の照明に電力を供給する発電機として従来から利用されているダイナモでは、光源である白熱灯に電流を流すと、流さない場合に比べて、疲労感までは感じないが、ある種の違和感、すなわち、足こぎが重くなることを自覚できる。
【００８３】
本開示の各実施形態では、ヒトのエネルギーを負荷装置２１の消費エネルギー又は蓄電回路３２の蓄電エネルギーに変えるという点では従来と同じであるが、違和感及び疲労感を感じにくくする工夫をしている。本開示の各実施形態では、その原理から分かるように、ヒトの動作から力を受けるのは振り子１１であり、振り子１１の質量（重量）に起因する加速及び減速するときの慣性力が起点となる。振り子１１（又は錘１１ｂ）の重量は、電気機械装置１の用途に応じて、また、負荷装置２１に応じて多様に設定可能であり、例えば１００ｇに設定される。これは、コップに半分程度だけ注がれた水の重さに相当し、手の平に置くと、明らかに重さを認識することができる。しかし、ヒトは、普段から、数百ｇ〜数ｋｇの衣服を身につけている。また、財布、バッグ、水筒などの携行品も数百ｇ以上の重さを有する。従って、衣服及び他の携行品を全て合わせると、ヒトは常に５ｋｇ程度を身につけていることが実態である。にもかかわらず、普段、衣服及び他の携行品の重さを感じないのは、それらの重さが全身に分散されていることと、身につけている場所の違いとに起因する。後者については、携行品を、例えば腰及び肩など、胴体に近い場所に装着しても、その重さを感じにくい。本開示の各実施形態では、電気機械装置１は、既に身につけている衣服及び他の携行品の重量より十分小さい重量を有し、また、身体の中心に近い場所（例えば腰など）に取り付けられる。従って、静止時及び運動時ともに、重たさを感じにくい電気機械装置１を実現することができる。また、アーム１１ａの長さを長くすれば、錘１１ｂの重さを軽減することができる。従って、本開示の各実施形態では、違和感及び重量感を感じにくい、無意識的な楽な発電が可能になる。
【００８４】
なお、電気機械装置１を、ランニングなどのトレーニングを行うユーザの身体又はトレーニング装置に取り付ける場合、振り子１１の重量を増やし、発電電力を飛躍的に増大することも可能になる。
【００８５】
［第１の実施形態の他の変形例］
図１９は、第１の実施形態の第２の変形例に係る電気機械装置１Ｂの構成を示す正面図である。電気機械装置１Ｂは、図１及び図２の振り子１１に代えて、バネ又はゴムなどの弾性体からなる振り子１１Ｂを備える。弾性体からなる振り子１１Ｂを用いることにより、電気機械装置１Ｂの用途に応じて、また、負荷装置２１に応じて、振り子から歯車機構１２の入力軸１２ａに伝達されるトルクの大きさと、伝達される時間長とを最適に調整することができる。また、振り子が剛体として構成されている場合、振り子に大きな力がかかったときに振り子自体又は歯車機構１２を破壊するおそれがある。弾性体からなる振り子１１Ｂを用いることにより、このような破壊を生じにくくすることができる。
【００８６】
図１及び図２の振り子１１もまた、バネ又はゴムなどの弾性体からなるアーム１１ａを備えてもよい。これにより、電気機械装置１の用途に応じて、また、負荷装置２１に応じて、振り子１１から歯車機構１２の入力軸１２ａに伝達されるトルクの大きさと、伝達される時間長とを最適に調整することができる。
【００８７】
図２０は、第１の実施形態の第３の変形例に係る電気機械装置１Ｃの構成を示す正面図である。図２１は、図２０の電気機械装置１Ｃの構成を示す側面図である。電気機械装置１Ｃは、図１及び図２の筐体１６に代えて、布又は皮革などからなる、柔らかいケース１６Ｃを備える。
【００８８】
電気機械装置１Ｃは、図１及び図２の電気機械装置１と同様に、歯車機構１２及び発電機１３に対して相対的な位置が固定されるように設けられたフレーム１４を備える。フレーム１４は、前述のように、振り子１１が歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに少なくとも予め決められた角度範囲で往復するとき、振り子１１及びその軌跡を少なくとも部分的に包含するように形成される。これにより、振り子１１の自由な運動を維持しながら、電気機械装置１Ｃの各構成要素を柔らかいケース１６Ｃで覆うことができる。
【００８９】
電気機械装置の全体を硬い筐体により覆う場合、装置のサイズが大きくなり、ユーザの手などが筐体に当たりやすくなり、また、ユーザの身体に装着したときの違和感（ごつごつした感覚）が大きくなる。また、この場合、電気機械装置は、「機械的」な印象が強くなりがちになる。これに対し、図２０及び図２１の電気機械装置１Ｃは、電気機械装置の全体を硬い筐体により覆う必要がなく、これにより、装置を小型化することができ、装着時の違和感を解消することができる。また、全体の形状、色、模様、及びデザインの自由度（例えばスケルトンなど）が向上するので、見た目の自然さ及びファッション性をもたすことができる。
【００９０】
電気機械装置は、図１及び図２に示すような固い筐体１６を覆うように、柔らかいケース１６Ｃをさらに備えていてもよい。また、電気機械装置は、その一部が固い筐体により覆われ、他の部分が柔らかいケースにより覆われるように構成されてもよく、この場合、固い筐体及び柔らかいケースは別個の部材として構成されてもよく、一体的に構成されてもよい。
【００９１】
［第１の実施形態のまとめ］
第１の実施形態に係る電気機械装置によれば、電気機械装置１は、入力軸１２ａを有し、入力軸１２ａの回転を伝達する歯車機構１２と、出力端子を有し、歯車機構１２によって伝達された回転に応じて出力端子から電力を発生する発電機１３と、歯車機構１２の入力軸１２ａに連結された振り子１１とを備える。電気機械装置１は、歯車機構１２及び発電機１３に対して相対的な位置が固定されるように設けられたフレーム１４をさらに備える。フレーム１４は、振り子１１が歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに少なくとも予め決められた角度範囲で往復するとき、振り子１１及びその軌跡を少なくとも部分的に包含するように形成される。振り子１１は、電気機械装置１の全体の振動に応じて、歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに往復し、発電機１３は、振り子１１の往復に応じて、出力端子に正及び負の電圧を発生する。
【００９２】
これにより、ユーザの生活行動から比較的大きな電力を連続的かつ無意識的に取り出すことができる。
【００９３】
第１の実施形態に係る電気機械装置によれば、発電機１３の出力端子を電気的に開放した場合、振り子１１を鉛直線に対して９０度傾けた位置で解放してから発電機１３の出力電圧に少なくとも合計で４個以上の正及び負のピークが発生するように、かつ、発電機１３の出力端子を電気的に開放した場合の機械的損失に関連付けられた第１の時間長Ｔ１よりも、発電機１３の出力端子に電力変換回路１５及び負荷装置２１を接続した場合の機械的損失及び電気的損失に関連付けられた第２の時間長Ｔ２が短くなるように、振り子１１の重さと、歯車機構１２の入力軸１２ａから振り子１１の重心Ｇ１までの長さｄとが設定されてもよい。第１の時間長Ｔ１は、発電機１３の出力端子を電気的に開放した場合、振り子１１を鉛直線に対して９０度傾けた位置で解放してから発電機１３の出力電圧がゼロ電圧から開始して正又は負の最初のピーク及び負又は正の第２のピークに達した後でゼロ電圧になるまでの時間長を示す。第２の時間長Ｔ２は、発電機１３の出力端子に電力変換回路１５及び負荷装置２１を接続した場合、振り子１１を鉛直線に対して９０度傾けた位置で解放してから発電機１３の出力電圧がゼロ電圧から開始して正又は負の最初のピークに達した後で再びゼロ電圧になるまでの時間長を示す。
【００９４】
このように振り子１１の重さ及び寸法を決定することにより、負荷装置２１に供給可能な電力を最大化することができる。
【００９５】
第１の実施形態に係る電気機械装置によれば、フレーム１４は、振り子１１に接触することにより、振り子１１が歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに往復する角度範囲を制限するように形成されてもよい。
【００９６】
これにより、小型の電気機械装置１を提供することができる。
【００９７】
第１の実施形態に係る電気機械装置によれば、振り子１１及びフレーム１４が互いに接触する位置において、振り子１１及びフレーム１４の少なくとも一方に設けられた緩衝部材をさらに備えてもよい。
【００９８】
これにより、振り子１１、歯車機構１２、及び発電機１３に過大な負荷がかかって破損することを生じにくくすることができる。また、雑音を低減することができる。また、電気機械装置１をユーザが身につけて使用する場合、緩衝部材１４ｂを備えることにより、ユーザに伝達される衝撃を小さくすることができる。
【００９９】
第１の実施形態に係る電気機械装置によれば、可動物への取り付け具をさらに備えてもよい。
【０１００】
これにより、電気機械装置１をヒト又は他の物体に容易に取り付けることができる。
【０１０１】
第１の実施形態に係る電気機械装置によれば、振り子１１は、歯車機構１２の入力軸１２ａに連結されたアームと、錘と、アーム及び錘を互いに可動に連結する連結部材とを備えてもよい。
【０１０２】
これにより、振り子１１の寸法を維持しながら、自由振動の周期を変えることができる。
【０１０３】
第１の実施形態に係る電気機械装置によれば、振り子１１は弾性体からなってもよい。
【０１０４】
これにより、振り子１１、歯車機構１２、及び発電機１３に過大な負荷がかかって破損することを生じにくくすることができる。
【０１０５】
第１の実施形態に係る電気機械装置によれば、発電機１３によって発生された電力を整流する整流回路をさらに備えてもよい。
【０１０６】
これにより、発電機１３によって発生された交流の出力電力を、直流で動作する負荷装置２１に提供することができる。
【０１０７】
第１の実施形態に係る電気機械装置によれば、整流回路によって整流された電力のエネルギーを蓄える蓄電回路をさらに備えてもよい。
【０１０８】
これにより、負荷装置２１にリアルタイムで電力を供給できるとともに、いったん蓄電してから負荷装置２１に電力を供給することもできる。従って、エネルギーを任意の時点で利用することができる。
【０１０９】
第１の実施形態に係る電気機械装置によれば、整流回路及び蓄電回路は、複数倍電圧整流回路を構成してもよい。
【０１１０】
これにより、蓄電回路３２の出力電圧を高くすることができ、また、蓄電回路３２の蓄電量を大きくすることができる。また、後段の回路が昇圧回路を含む場合、倍電圧整流により昇圧前の電圧を高くすることにより、昇圧回路の効率を向上することができる。
【０１１１】
第１の実施形態に係る電気機械装置によれば、発電機１３によって発生された電力により動作する負荷装置２１をさらに備えてもよい。
【０１１２】
これにより、これにより、負荷装置２１の利便性を向上することができる。
【０１１３】
第１の実施形態に係る電気機械装置によれば、負荷装置２１は、照明装置、充電可能なバッテリ、センサ、及び通信装置のうちの少なくとも１つを含んでもよい。
【０１１４】
これにより、電気機械装置１及び負荷装置２１をさまざまな用途に利用可能である。
【０１１５】
［第２の実施形態］
図２２は、第２の実施形態に係る電気機械装置１Ｄの構成を示す正面図である。図２３は、図２２の電気機械装置１Ｄの構成を示す側面図である。電気機械装置１Ｄは、図１及び図２の振り子１１及び筐体１６に代えて、振り子１１Ｄ及び筐体１６Ｄを備える。
【０１１６】
筐体１６Ｄは、その一部（図２２及び図２３の上部）に、開口１６Ｄａを有する。振り子１１Ｄは、図１及び図２の振り子１１よりも上方に延長され、電気機械装置１Ｄの筐体１６Ｄの開口１６Ｄａから部分的に露出する。
【０１１７】
振り子１１Ｄの長さ、位置、及び形状は、ユーザの指、手、及び／又は腕などで力を加えやすいように決定される。これにより、ユーザの身体が実質的に静止しているときであっても（例えば、歩行していないとき）、ユーザは、筐体１６Ｄから露出している振り子１１Ｄの部分に能動的に力を加えて、容易に手動で発電することができる。ユーザは、振り子１１Ｄの振動周期にあわせて、筐体１６Ｄから露出している振り子１１Ｄの部分を軽く押してもよい。例えば、負荷装置２１が照明装置を含む場合、ユーザが夜間に歩行しているときに信号などで停止しても、手動で発電することにより、安全のために照明装置の点灯を継続することができる。また、負荷装置２１が充電器を含む場合、手動で発電することにより、例えば緊急時に携帯電話機を充電することができる。
【０１１８】
本開示の各実施形態によれば、ユーザの身体の運動が停止しても数秒間にわたって負荷装置２１に電力を供給するのに十分な大きな発電電力が得られる。図２２及び図２３の電気機械装置１Ｄは、ユーザの身体の運動が停止した後、負荷装置２１への電力の供給が停止しても、手動で発電することができる。
【０１１９】
代替として、振り子１１Ｄは、図２０及び図２１に示すような柔らかいケース１６Ｃから部分的に露出してもよい。
【０１２０】
［第２の実施形態のまとめ］
第２の実施形態に係る電気機械装置によれば、振り子１１Ｄは、電気機械装置１Ｄの筐体又はケースから部分的に露出してもよい。
【０１２１】
これにより、ユーザの身体が実質的に静止しているときであっても、容易に手動で発電することができる。
【０１２２】
［第３の実施形態］
図２４は、第３の実施形態に係る電気機械装置１Ｅの構成を示す正面図である。図２５は、図２４の電気機械装置１Ｅの構成を示す側面図である。電気機械装置１Ｅは、図１及び図２のフレーム１４及び筐体１６に代えて、それらが一体化された筐体１６Ｅを備える。
【０１２３】
筐体１６Ｅは、歯車機構１２及び発電機１３に対して相対的な位置が固定されるように設けられる。筐体１６Ｅは、振り子１１が歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに少なくとも予め決められた角度範囲で往復するとき、振り子１１及びその軌跡を少なくとも部分的に包含するように形成される。また、図２４の例では、緩衝部材１４ｂは筐体１６Ｅに設けられる。振り子１１及びその軌跡を少なくとも部分的に包含するのであれば、図２４及び図２５に示すように、筐体１６Ｅが図１及び図２のフレーム１４としても機能してもよい。
【０１２４】
［第３の実施形態のまとめ］
第３の実施形態に係る電気機械装置によれば、フレーム１４は電気機械装置１Ｅの筐体１６Ｅに一体化されてもよい。
【０１２５】
これにより、電気機械装置の部品数を削減し、電気機械装置の構成を第１の実施形態の場合よりも簡単化することができる。
【０１２６】
［第４の実施形態］
図２６は、第４の実施形態に係る電気機械装置１Ｆの構成を示す正面図である。図２７は、図２６の電気機械装置１Ｆの構成を示す側面図である。電気機械装置１Ｆは、図２４及び図２５の筐体１６Ｅに代えて、筐体１６Ｆを備える。
【０１２７】
筐体１６Ｆは、振り子１１が歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに３６０度回転するとき、振り子１１及びその軌跡を包含するように形成される。図２６及び図２７の電気機械装置１Ｆでは、振り子１１は、歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに予め決められた角度範囲で往復してもよく、また、歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに３６０度回転してもよい。これにより、走行中など、ユーザの激しい運動時には、振り子１１の同一方向への連続的な回転を利用して発電することができる。
【０１２８】
図２６及び図２７は、フレームが筐体１６Ｆに一体化された場合を示す。図１及び図２のようにフレーム及び筐体の両方を備えた電気機械装置において、フレーム及び筐体が、振り子１１が歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに３６０度回転するとき、振り子１１及びその軌跡を包含するように形成されてもよい。
【０１２９】
［第４の実施形態のまとめ］
第４の実施形態に係る電気機械装置によれば、フレーム又は筐体は、振り子１１が歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに３６０度回転するとき、振り子１１及びその軌跡を包含するように形成されてもよい。
【０１３０】
これにより、振り子の往復運動から発電し、さらに、振り子の回転運動から発電することができる。
【０１３１】
［他の変形例］
本開示の各実施形態では、振り子１１などが、歯車機構１２の入力軸１２ａの周りに、すなわち、１つの軸の周りに少なくとも予め決められた角度範囲で往復する場合について説明した。ヒトは足で動くので、ヒトの歩行は、歩行路の状態及び歩き方の癖などに起因して、上下方向への運動を含む３次元的な運動である。従って、電気機械装置は、振り子が、互いに直交又は交差する２つ又は３つの軸の周りに少なくとも予め決められた角度範囲で往復し、１つの発電機が振り子の往復に応じて発電するように構成されてもよい。また、電気機械装置は、互いに直交又は交差する２つ又は３つの軸に沿って配置された回転軸をそれぞれ備える２つ又は３つの発電機を備えてもよい。複数の発電機の出力電力は、共通の蓄電回路に蓄電されてもよく、異なる蓄電回路に蓄電されてもよい。これにより、可動物の動作により空間的に発生する２次元的又は３次元的な慣性力、遠心力、及び重力などの作用力を効率的に利用し、発電量を増大させることができる。
【０１３２】
本開示の各実施形態では、振り子の往復に応じて、固定子及び回転子を備える発電機を正転及び逆転させる場合について説明したが、このような発電機に代えて、往復動リニア発電機を用いてもよい。往復動リニア発電機は、例えばリニアモータであってもよい。この場合、電気機械装置は、振り子に代えて、電気機械装置の全体の振動に応じて往復動リニア発電機を駆動する任意の往復運動機構を備える。往復動リニア発電機は、往復運動機構の動作に応じて、出力端子に正及び負の電圧を発生する。
【０１３３】
発電機１３の出力電圧が十分に高い場合、歯車機構１２は省略されてもよく、又は、歯車機構１２は、入力軸１２ａの回転を所定の減速比で発電機１３に伝達するように構成されてもよい。また、歯車機構１２の入力軸１２ａと発電機１３の回転軸とは、同軸上にあってもよく、同軸上になくてもよい。また、平歯車列と、扁平な発電機とを並行に配置してもよい。
【０１３４】
図３では、整流回路３１及び蓄電回路３２が倍電圧整流する場合について説明したが、整流回路３１は、半波整流、全波整流、又はその他の整流を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３５】
本開示によれば、可動物に装着し、可動物の運動又は動作の力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する電気機械装置が提供される。本開示によれば、ユーザの生活行動から比較的大きな電力を連続的かつ無意識的に取り出すことができる電気機械装置が提供される。【０１３６】
本開示によれば、可動物の加速及び減速の動作が生じた時刻、時間長、及び種類を判別することもできるので、ヒト又は物体の挙動を検出することもできる。
【符号の説明】
【０１３７】
１，１Ａ〜１Ｆ…電気機械装置、
１１，１１Ｂ…振り子、
１１ａ…アーム、
１１ｂ…錘、
１１ｃ…連結部材、
１２…歯車機構、
１２ａ…入力軸、
１３…発電機、
１４…フレーム、
１４ａ…ストッパ、
１４ｂ…緩衝部材、
１５…電力変換回路、
１６，１６Ｄ，１６Ｅ，１６Ｆ…筐体、
１６Ｃ…ケース、
１６Ｄａ…開口、
１７…取り付け具、
２１…負荷装置、
３１…整流回路、
３２…蓄電回路、
３３…制御回路、
４１…ベルト、
４２…ポケット、
４３…バッグ、
５１…サーバ装置。
【図１】
2020110472.tif 000003
【図２】
2020110472.tif 000004
【図３】
2020110472.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020110472.tif 000009
【図８】
2020110472.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2020110472.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2020110472.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
2020110472.tif 000026
【図２５】
2020110472.tif 000027
【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
2020110472.tif 000030
2020110472.tif 000031
2020110472.tif 000032
2020110472.tif 000033