JP7285575B2 - Power generation mechanism and power generation method - Google Patents
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Description
本発明は、発電機構及び発電方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a power generation mechanism and a power generation method.
従来は使用されずに捨てられていた、身近な環境に存在する微弱な運動エネルギー(人力、振動、圧力、熱、太陽光等)を利用して、電力を発電出来る自己発電型の環境発電(エナジーハーベスティング:Energy Harvesting)が注目されている。 A self-powered energy harvester that can generate electric power using weak kinetic energy (human power, vibration, pressure, heat, sunlight, etc.) that was previously unused and discarded in the familiar environment. Energy Harvesting) is attracting attention.
照明等の各種電気機器や装置には、無線通信装置を用いた遠隔操作によって動作を制御可能としている物が有る。この種の無線通信装置を制御する無線スイッチには乾電池等の電源が内蔵されており、電源から供給される電力によって無線通信装置の動作を制御している。 2. Description of the Related Art Various electric appliances and devices such as lighting include those whose operations can be controlled by remote control using a wireless communication device. A wireless switch for controlling this type of wireless communication device has a built-in power source such as a dry battery, and the operation of the wireless communication device is controlled by power supplied from the power source.
一方、環境発電によって電力を発電し、その電力を使って様々な装置に動作指示を無線で送る事で、電源の交換や充電等の作業が不要なスイッチ発電機構の作製が要求されている。具体的には、照明等の機器に点灯や消灯の指示を無線で送る際、電源に依らずに使用者のスイッチング動作で発電させて電力が得られる、自己発電型の発電機構が実現されている。 On the other hand, there is a demand for a switch power generation mechanism that does not require work such as replacing or charging a power supply by generating power by energy harvesting and using that power to wirelessly send operation instructions to various devices. Specifically, a self-power generation type power generation mechanism has been realized in which power can be obtained by generating power by switching operation of the user without depending on the power supply when sending an instruction to turn on or off a device such as a light by wireless. there is
例えば非特許文献1記載の発電機構は、スイッチを押す動作(スイッチング動作)の運動エネルギーで発電させ、照明に点灯や消灯の指示を無線で送っている。 For example, the power generation mechanism described in Non-Patent
このような発電機構の一例として、マグネットを備え、更にボイスコイルが固定されていると共に、マグネットとスイッチ部品が連結されている構成の物が挙げられる。このスイッチ部品を使用者が押す事で、固定されているボイスコイルの中をマグネットが動き、そのマグネットの動きに伴う運動エネルギーによって発電を行う。従って発電される電力量は、ボイルコイル内を動くマグネットの速さ、即ちスイッチ部品を押す速さに大きく影響される。 An example of such a power generation mechanism includes a structure in which a magnet is provided, a voice coil is fixed, and the magnet and the switch part are connected. When the user presses this switch part, the magnet moves inside the fixed voice coil, and the kinetic energy associated with the movement of the magnet generates electricity. Therefore, the amount of electric power generated is greatly affected by the speed of the magnet moving in the voice coil, that is, the speed of pressing the switch component.
詳述すると、発電電圧はマグネットの動きによりボイスコイル内の磁束が変化する速さに比例する。また電力は、(電力W)=(電圧V2)/(ボイスコイルの抵抗R)で表せられる為、ボイスコイル内のマグネット(若しくはマグネット内のボイスコイル)の移動速度が遅い場合、発電電圧が低く十分な電力を発電出来なかった。Specifically, the generated voltage is proportional to the speed at which the magnetic flux in the voice coil changes due to the motion of the magnet. Also, since the power is expressed as (power W) = (voltage V2 ) / (voice coil resistance R), when the moving speed of the magnet in the voice coil (or the voice coil in the magnet) is slow, the generated voltage is It was too low to generate enough power.
更に、使用者によってスイッチを押す速さにはばらつきが有る為、発電可能な電力量にもばらつきが発生し、必要な電力量を発電出来ない事態も有った。 Furthermore, since the speed at which the switch is pressed varies depending on the user, the amount of power that can be generated also varies, and there have been cases where the required amount of power cannot be generated.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、どんなに遅い速度の力で動作させても一定の電力量を高効率で発電する事ができ、確実なスイッチング動作を行う事が可能な発電機構及び発電方法の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and a power generation mechanism capable of generating a constant amount of electric power with high efficiency no matter how slow the power is operated and capable of performing a reliable switching operation. and to provide a power generation method.
前記課題は、以下の本発明により解決される。即ち、本発明の発電機構は少なくとも、第1可動部品と、第2可動部品と、捩りコイルバネと、発電機と、ハウジングとから形成され、第1可動部品が、伝動車の周囲の少なくとも一部に歯が形成された歯車であり、第1中心軸に回転可能に軸支されており、第2可動部品が、伝動車の周囲の少なくとも一部に歯が形成された歯車であり、第2中心軸に回転可能に軸支されており、捩りコイルバネが、少なくとも第1巻回部と第2巻回部を有し、第1巻回部が第1中心軸に巻回されており、第1巻回部の一方の端部が自由端で、他方の端部が第1可動部品、第1中心軸、又は第2巻回部の何れかに連結されており、第1巻回部の捩り形状及び第1巻回部の自由端がハウジングに接触する事により、発電機構の外部から力が伝達されない状態で初期弾性エネルギーie1が第1巻回部に付与されており、第2巻回部が、第1巻回部と逆方向に第1中心軸に巻回されており、第2巻回部の一方の端部が自由端で、他方の端部が第1可動部品、第1中心軸、又は第1巻回部の何れかに連結されており、第2巻回部の捩り形状及び第2巻回部の自由端がハウジングに接触する事により、発電機構の外部から力が伝達されない状態で初期弾性エネルギーie2が第2巻回部に付与されており、初期弾性エネルギーie2の絶対値は初期弾性エネルギーie1の絶対値と等しく設定されており、第1中心軸の軸方向と発電機のシャフトの軸方向が互いに平行に構成され第1中心軸と発電機のシャフトが2つの平歯車で連結されているか、第1中心軸の軸方向と発電機のシャフトの軸方向が互いに非平行に構成され第1中心軸と発電機のシャフトが2つのかさ歯車で連結されており、発電機構の外部から第2中心軸を介して力が第2可動部品に伝達されて、第2可動部品が一定量回転され、第1可動部品の歯と第2可動部品の歯が噛み合って連動し、第1可動部品が一定量回転され、第1可動部品の一定量の回転により第1巻回部が捩られ、その捩りによる弾性エネルギーie12が第1巻回部に蓄積され、第1可動部品が一定量回転した後に、第1可動部品と第2可動部品の互いの歯の噛み合いが外れ、弾性エネルギーie12によって第1可動部品が逆方向に一定量回転されて第1中心軸が回転され、第1中心軸の回転が伝達されて発電機のシャフトが回転されて、発電機で電力が発生されて発電が行われると共に、第1中心軸の回転により第2巻回部の自由端がハウジングに接触して自由端の動きが止められ、初期弾性エネルギーie1と初期弾性エネルギーie2により第1中心軸が回転され、第1中心軸と発電機のシャフトを連結している2つの平歯車間又はかさ歯車間の歯数比が、発電機のシャフトに於けるピーク電力量の50%以上100%以下の電力量を発電可能な歯数比である事を特徴とする。 The above problems are solved by the present invention described below. That is, the power generation mechanism of the present invention is formed from at least a first movable part, a second movable part, a torsion coil spring, a generator, and a housing, and the first movable part covers at least part of the periphery of the transmission wheel. a gear with teeth formed on the first center shaft, the second movable part being a gear with teeth formed on at least a portion of the circumference of the transmission wheel; A torsion coil spring rotatably supported on the central shaft, the torsion coil spring having at least a first winding portion and a second winding portion, the first winding portion being wound on the first central shaft; One end of the one turn is a free end and the other end is connected to either the first movable part, the first central shaft, or the second turn, and the first turn Due to the torsional shape and the contact of the free end of the first winding portion with the housing, the initial elastic energy ie1 is applied to the first winding portion in a state where no force is transmitted from the outside of the power generation mechanism, and the second winding portion is wound around the first central axis in a direction opposite to that of the first winding, one end of the second winding is a free end and the other end is the first movable part, the first It is connected to either the central shaft or the first winding portion, and the twisted shape of the second winding portion and the free end of the second winding portion come into contact with the housing, so that force is applied from the outside of the power generation mechanism. The initial elastic energy ie2 is applied to the second winding portion in a non-transmitted state, the absolute value of the initial elastic energy ie2 is set equal to the absolute value of the initial elastic energy ie1, and the axial direction of the first central axis and the The axial directions of the shaft of the generator are parallel to each other, and the first central shaft and the shaft of the generator are connected by two spur gears, or the axial direction of the first central shaft and the axial direction of the shaft of the generator are connected to each other. The first center shaft and the shaft of the generator are connected by two bevel gears, and the force is transmitted from the outside of the power generation mechanism to the second movable part through the second center shaft, and the second The movable part is rotated by a certain amount, the teeth of the first movable part and the teeth of the second movable part are engaged and interlocked, the first movable part is rotated by a certain amount, and the rotation of the first movable part by the certain amount causes the first winding. The rotating part is twisted, elastic energy ie12 due to the twisting is accumulated in the first rotating part, and after the first moving part rotates by a certain amount, the teeth of the first moving part and the second moving part are disengaged. , the elastic energy ie12 rotates the first movable part by a certain amount in the opposite direction to rotate the first center shaft, the rotation of the first center shaft is transmitted, the shaft of the generator is rotated, and the power is generated by the generator. At the same time as the rotation of the first central shaft causes the free end of the second winding portion to come into contact with the housing to stop the movement of the free end, the initial elastic energy ie1 and the initial elastic energy ie2 cause the first winding to generate power. When the central shaft is rotated and the gear ratio between the two spur gears or bevel gears connecting the first central shaft and the generator shaft is 50% or more of the peak electric energy on the
また本発明の発電機構による発電方法は、発電機構を少なくとも、第1可動部品と、第2可動部品と、捩りコイルバネと、発電機と、ハウジングとから形成し、第1可動部品を、伝動車の周囲の少なくとも一部に歯が形成された歯車とし、第1中心軸に回転可能に軸支し、第2可動部品を、伝動車の周囲の少なくとも一部に歯が形成された歯車とし、第2中心軸に回転可能に軸支し、捩りコイルバネが、少なくとも第1巻回部と第2巻回部を有し、第1巻回部を第1中心軸に巻回し、第1巻回部の一方の端部を自由端とすると共に、他方の端部を第1可動部品、第1中心軸、又は第2巻回部の何れかに連結し、第1巻回部の捩り形状及び第1巻回部の自由端をハウジングに接触させる事により、発電機構の外部から力を伝達しない状態で初期弾性エネルギーie1を第1巻回部に付与し、第2巻回部を、第1巻回部と逆方向に第1中心軸に巻回し、第2巻回部の一方の端部を自由端とすると共に、他方の端部を第1可動部品、第1中心軸、又は第1巻回部の何れかに連結し、第2巻回部の捩り形状及び第2巻回部の自由端をハウジングに接触させる事により、発電機構の外部から力を伝達しない状態で初期弾性エネルギーie2を第2巻回部に付与し、初期弾性エネルギーie2の絶対値を初期弾性エネルギーie1の絶対値と等しく設定し、第1中心軸の軸方向と発電機のシャフトの軸方向を互いに平行にして第1中心軸と発電機のシャフトを2つの平歯車で連結するか、第1中心軸の軸方向と発電機のシャフトの軸方向を互いに非平行にして第1中心軸と発電機のシャフトを2つのかさ歯車で連結し、発電機構の外部から第2中心軸を介して力を第2可動部品に伝達して、第2可動部品を一定量回転し、第1可動部品の歯と第2可動部品の歯を噛み合わせて連動させて、第1可動部品を一定量回転し、第1可動部品の一定量の回転により第1巻回部を捩り、その捩りによる弾性エネルギーie12を第1巻回部に蓄積し、第1可動部品が一定量回転した後に、第1可動部品と第2可動部品の互いの歯の噛み合いを外し、弾性エネルギーie12によって第1可動部品を逆方向に一定量回転させて第1中心軸を回転し、第1中心軸の回転を伝達して発電機のシャフトを回転させ、発電機で電力を発生して発電を行うと共に、第1中心軸の回転により第2巻回部の自由端をハウジングに接触させて自由端の動きを止めて、初期弾性エネルギーie1と初期弾性エネルギーie2により第1中心軸を回転させ、第1中心軸と発電機のシャフトを連結している2つの平歯車間又はかさ歯車間の歯数比を、発電機のシャフトに於けるピーク電力量の50%以上100%以下の電力量を発電可能な歯数比とする事を特徴とする。 Further, in the power generation method using the power generation mechanism of the present invention, the power generation mechanism is formed from at least a first movable part, a second movable part, a torsion coil spring, a generator, and a housing, and the first movable part is a transmission wheel. A gear having teeth formed on at least a portion of the periphery of the transmission wheel, and being rotatably supported on the first central shaft, the second movable part being a gear having teeth formed on at least a portion of the periphery of the transmission wheel; A torsion coil spring rotatably journalled about a second central shaft and having at least a first winding portion and a second winding portion, the first winding portion wound about the first central shaft, and the first winding portion One end of the part is a free end and the other end is connected to either the first movable part, the first central shaft, or the second winding part, and the torsion shape of the first winding part and the By bringing the free end of the first winding portion into contact with the housing, the initial elastic energy ie1 is applied to the first winding portion without transmitting force from the outside of the power generation mechanism, and the second winding portion is connected to the first winding portion. One end of the second winding portion is a free end, and the other end is the first movable part, the first central shaft, or the first center shaft. By connecting one of the windings and bringing the twisted shape of the second winding and the free end of the second winding into contact with the housing, the initial elastic energy ie2 is applied to the second winding portion, the absolute value of the initial elastic energy ie2 is set equal to the absolute value of the initial elastic energy ie1, and the axial direction of the first central axis and the axial direction of the shaft of the generator are parallel to each other The first center shaft and the shaft of the generator are connected by two spur gears, or the axial direction of the first center shaft and the shaft of the generator are made non-parallel to each other to connect the first center shaft and the shaft of the generator. A force is transmitted from the outside of the power generation mechanism to the second movable part through the second central shaft to rotate the second movable part by a certain amount, and the teeth of the first movable part and the second movable part are connected by two bevel gears. The teeth of the movable parts are meshed and interlocked to rotate the first movable part by a certain amount. After the first movable part rotates by a certain amount, the teeth of the first and second movable parts are disengaged, and the elastic energy ie12 rotates the first movable part in the opposite direction by a certain amount. rotates the first central shaft, transmits the rotation of the first central shaft to rotate the shaft of the generator, generates electric power with the generator, and generates power by rotating the first central shaft The free end of the wound part is brought into contact with the housing to stop the movement of the free end, the first central shaft is rotated by the initial elastic energy ie1 and the initial elastic energy ie2, and the first central shaft and the shaft of the generator are connected. The gear ratio between the two spur gears or between the bevel gears is set to a gear ratio that can generate 50% or more and 100% or less of the peak power in the shaft of the generator. do.
本発明の発電機構又は発電方法に依れば、捩りコイルバネを含む事で、第1巻回部の捩りにより弾性エネルギーie12を第1巻回部に蓄積してから、その弾性エネルギーie12を解放して、発電機で発電を行う事が出来る。従って、どんなに遅い速度の力で第2可動部品が回転されて発電機構が動作しても、一定の電力量を発電する事ができ、確実なスイッチング動作を行う事が可能となる。 According to the power generation mechanism or the power generation method of the present invention, since the torsion coil spring is included, elastic energy ie12 is accumulated in the first winding portion due to the twisting of the first winding portion, and then the elastic energy ie12 is released. It is possible to generate electricity with a generator. Therefore, no matter how slow the force at which the second movable part is rotated to operate the power generation mechanism, a constant amount of electric power can be generated, and a reliable switching operation can be performed.
更に、歯車を発電機構の形成部品に用いる事で、第1可動部品と第2可動部品の互いの歯を噛み合わせて発電機構を動作させる事が出来る。従って、動作損失の発生を抑制又は防止する事が出来る為、どのような用途や使用状況でも一定の電力量を発電する事ができ、確実なスイッチング動作を行う事が可能となり、好ましい。 Furthermore, by using a gear as a forming part of the power generation mechanism, the power generation mechanism can be operated by meshing the teeth of the first movable part and the second movable part. Therefore, since it is possible to suppress or prevent the occurrence of operation loss, it is possible to generate a constant amount of electric power in any application and usage conditions, and it is possible to perform a reliable switching operation, which is preferable.
更に発電機構を、歯車、捩りコイルバネ、発電機、ハウジングと云った簡易な部品のみで形成している。従って、耐候性や信頼性に優れ、どのような用途や使用状況でも一定の電力量を発電し、確実なスイッチング動作を行う事が可能な発電機構を形成する事が出来る。 Furthermore, the power generation mechanism is formed only from simple parts such as gears, torsion coil springs, generators, and housings. Therefore, it is possible to form a power generation mechanism that is excellent in weather resistance and reliability, generates a constant amount of electric power in any application and under any usage conditions, and can perform a reliable switching operation.
更に、第1中心軸と発電機のシャフトを連結している2つの平歯車間又はかさ歯車間の歯数比の設定により、ピーク電力量(mJ)の50%以上100%以下の電力量を発電可能となる。従って、第1巻回部又は第2巻回部に蓄積した弾性エネルギーie12又はie22を高効率で発電機での発電へと変換可能となり、一定以上の電力量(mJ)を発電可能な発電機構と発電方法を実現する事が出来る。 Furthermore, by setting the gear ratio between the two spur gears or between the bevel gears that connect the first central shaft and the generator shaft, the electric energy of 50% or more and 100% or less of the peak electric energy (mJ) It becomes possible to generate electricity. Therefore, the elastic energy ie12 or ie22 accumulated in the first winding portion or the second winding portion can be converted into power generation by the generator with high efficiency, and a power generation mechanism capable of generating a certain amount of power (mJ) or more. And the power generation method can be realized.
本実施の形態の第一の特徴は、電源を含まずスイッチング動作により発電する発電機構において、発電機構が少なくとも、第1可動部品と、第2可動部品と、捩りコイルバネと、発電機と、ハウジングとから形成され、第1可動部品が、伝動車の周囲の少なくとも一部に歯が形成された歯車であり、第1中心軸に回転可能に軸支されており、第2可動部品が、伝動車の周囲の少なくとも一部に歯が形成された歯車であり、第2中心軸に回転可能に軸支されており、捩りコイルバネが、少なくとも第1巻回部と第2巻回部を有し、第1巻回部が第1中心軸に巻回されており、第1巻回部の一方の端部が自由端で、他方の端部が第1可動部品、第1中心軸、又は第2巻回部の何れかに連結されており、第1巻回部の捩り形状及び第1巻回部の自由端がハウジングに接触する事により、発電機構の外部から力が伝達されない状態で初期弾性エネルギーie1が第1巻回部に付与されており、第2巻回部が、第1巻回部と逆方向に第1中心軸に巻回されており、第2巻回部の一方の端部が自由端で、他方の端部が第1可動部品、第1中心軸、又は第1巻回部の何れかに連結されており、第2巻回部の捩り形状及び第2巻回部の自由端がハウジングに接触する事により、発電機構の外部から力が伝達されない状態で初期弾性エネルギーie2が第2巻回部に付与されており、初期弾性エネルギーie2の絶対値は初期弾性エネルギーie1の絶対値と等しく設定されており、第1中心軸の軸方向と発電機のシャフトの軸方向が互いに平行に構成され第1中心軸と発電機のシャフトが2つの平歯車で連結されているか、第1中心軸の軸方向と発電機のシャフトの軸方向が互いに非平行に構成され第1中心軸と発電機のシャフトが2つのかさ歯車で連結されており、発電機構の外部から第2中心軸を介して力が第2可動部品に伝達されて、第2可動部品が一定量回転され、第1可動部品の歯と第2可動部品の歯が噛み合って連動し、第1可動部品が一定量回転され、第1可動部品の一定量の回転により第1巻回部が捩られ、その捩りによる弾性エネルギーie12が第1巻回部に蓄積され、第1可動部品が一定量回転した後に、第1可動部品と第2可動部品の互いの歯の噛み合いが外れ、弾性エネルギーie12によって第1可動部品が逆方向に一定量回転されて第1中心軸が回転され、第1中心軸の回転が伝達されて発電機のシャフトが回転されて、発電機で電力が発生されて発電が行われると共に、第1中心軸の回転により第2巻回部の自由端がハウジングに接触して自由端の動きが止められ、初期弾性エネルギーie1と初期弾性エネルギーie2により第1中心軸が回転され、第1中心軸と発電機のシャフトを連結している2つの平歯車間又はかさ歯車間の歯数比が、発電機のシャフトに於けるピーク電力量の50%以上100%以下の電力量を発電可能な歯数比である事である。 A first feature of this embodiment is that in a power generation mechanism that generates power by switching operation without including a power source, the power generation mechanism includes at least a first movable part, a second movable part, a torsion coil spring, a generator, and a housing. wherein the first movable part is a gear having teeth formed on at least a portion of the periphery of the transmission wheel and is rotatably supported on the first central shaft; and the second movable part is the transmission A toothed gear formed on at least a portion of the circumference of the wheel and rotatably supported on a second central shaft, the torsion coil spring having at least a first turn and a second turn. , a first winding wound around a first central shaft, one end of the first winding being a free end and the other end being the first movable part, the first central shaft, or the first It is connected to either one of the two winding parts, and the twisted shape of the first winding part and the free end of the first winding part contact the housing, so that the power is not transmitted from the outside of the power generation mechanism at the initial stage. The elastic energy ie1 is applied to the first winding, the second winding is wound on the first central axis in the opposite direction to the first winding, and one side of the second winding is wound. One end is a free end and the other end is connected to either the first movable part, the first central shaft, or the first winding, and the twist shape of the second winding and the second winding Since the free end of the portion contacts the housing, the initial elastic energy ie2 is applied to the second winding portion in a state where no force is transmitted from the outside of the generator mechanism, and the absolute value of the initial elastic energy ie2 is the initial elastic energy It is set equal to the absolute value of ie1, the axial direction of the first central shaft and the axial direction of the shaft of the generator are configured to be parallel to each other, and the first central shaft and the shaft of the generator are connected by two spur gears. Or, the axial direction of the first central shaft and the axial direction of the shaft of the generator are configured to be non-parallel to each other, and the first central shaft and the shaft of the generator are connected by two bevel gears. force is transmitted to the second movable part through the two central shafts, the second movable part is rotated by a certain amount, the teeth of the first movable part and the teeth of the second movable part mesh and interlock, and the first movable part is rotated by a certain amount, the first winding part is twisted by the rotation of the first movable part by a certain amount, elastic energy ie12 due to the twist is accumulated in the first winding part, and the first movable part is rotated by a certain amount Later, the teeth of the first movable part and the second movable part are disengaged, and the elastic energy ie12 causes the first movable part to rotate in the opposite direction by a certain amount, thereby rotating the first central shaft. The rotation is transmitted to rotate the shaft of the generator, and the generator generates electric power to generate electricity. The end motion is stopped, the first central shaft is rotated by the initial elastic energy ie1 and the initial elastic energy ie2, the teeth between the two spur or bevel gears connecting the first central shaft and the shaft of the generator The number ratio is a gear ratio that can generate electric energy of 50% or more and 100% or less of the peak electric energy in the shaft of the generator.
また第二の特徴は、電源を含まずスイッチング動作により発電する発電機構による発電方法において、発電機構を少なくとも、第1可動部品と、第2可動部品と、捩りコイルバネと、発電機と、ハウジングとから形成し、第1可動部品を、伝動車の周囲の少なくとも一部に歯が形成された歯車とし、第1中心軸に回転可能に軸支し、第2可動部品を、伝動車の周囲の少なくとも一部に歯が形成された歯車とし、第2中心軸に回転可能に軸支し、捩りコイルバネが、少なくとも第1巻回部と第2巻回部を有し、第1巻回部を第1中心軸に巻回し、第1巻回部の一方の端部を自由端とすると共に、他方の端部を第1可動部品、第1中心軸、又は第2巻回部の何れかに連結し、第1巻回部の捩り形状及び第1巻回部の自由端をハウジングに接触させる事により、発電機構の外部から力を伝達しない状態で初期弾性エネルギーie1を第1巻回部に付与し、第2巻回部を、第1巻回部と逆方向に第1中心軸に巻回し、第2巻回部の一方の端部を自由端とすると共に、他方の端部を第1可動部品、第1中心軸、又は第1巻回部の何れかに連結し、第2巻回部の捩り形状及び第2巻回部の自由端をハウジングに接触させる事により、発電機構の外部から力を伝達しない状態で初期弾性エネルギーie2を第2巻回部に付与し、初期弾性エネルギーie2の絶対値を初期弾性エネルギーie1の絶対値と等しく設定し、第1中心軸の軸方向と発電機のシャフトの軸方向を互いに平行にして第1中心軸と発電機のシャフトを2つの平歯車で連結するか、第1中心軸の軸方向と発電機のシャフトの軸方向を互いに非平行にして第1中心軸と発電機のシャフトを2つのかさ歯車で連結し、発電機構の外部から第2中心軸を介して力を第2可動部品に伝達して、第2可動部品を一定量回転し、第1可動部品の歯と第2可動部品の歯を噛み合わせて連動させて、第1可動部品を一定量回転し、第1可動部品の一定量の回転により第1巻回部を捩り、その捩りによる弾性エネルギーie12を第1巻回部に蓄積し、第1可動部品が一定量回転した後に、第1可動部品と第2可動部品の互いの歯の噛み合いを外し、弾性エネルギーie12によって第1可動部品を逆方向に一定量回転させて第1中心軸を回転し、第1中心軸の回転を伝達して発電機のシャフトを回転させ、発電機で電力を発生して発電を行うと共に、第1中心軸の回転により第2巻回部の自由端をハウジングに接触させて自由端の動きを止めて、初期弾性エネルギーie1と初期弾性エネルギーie2により第1中心軸を回転させ、第1中心軸と発電機のシャフトを連結している2つの平歯車間又はかさ歯車間の歯数比を、発電機のシャフトに於けるピーク電力量の50%以上100%以下の電力量を発電可能な歯数比とする事である。 A second feature is a power generation method using a power generation mechanism that generates power by switching operation without including a power supply, wherein the power generation mechanism comprises at least a first movable part, a second movable part, a torsion coil spring, a generator, and a housing. , the first movable part is a gear having teeth formed on at least a portion of the periphery of the transmission wheel and is rotatably supported on the first central shaft, and the second movable part is the periphery of the transmission wheel A gear at least partially toothed and rotatably supported on a second central shaft, a torsion coil spring having at least a first turn and a second turn, the first turn being the first turn Winding around a first central axis, with one end of the first winding being a free end and the other end being either the first movable part, the first central axis or the second winding. By bringing the twisted shape of the first winding portion and the free end of the first winding portion into contact with the housing, the initial elastic energy ie1 is applied to the first winding portion without transmitting force from the outside of the power generation mechanism. The second winding portion is wound around the first central axis in the opposite direction to the first winding portion, one end of the second winding portion is a free end, and the other end is a first winding portion. 1 movable part, the first central shaft, or the first winding portion, and by bringing the twisted shape of the second winding portion and the free end of the second winding portion into contact with the housing, the power generating mechanism An initial elastic energy ie2 is applied to the second winding portion in a state where no force is transmitted from the outside, the absolute value of the initial elastic energy ie2 is set equal to the absolute value of the initial elastic energy ie1, and the axial direction of the first central axis and the The axial direction of the shaft of the generator is parallel to each other, and the first central shaft and the shaft of the generator are connected by two spur gears, or the axial direction of the first central shaft and the axial direction of the shaft of the generator are non-parallel to each other. Then, the first central shaft and the shaft of the generator are connected by two bevel gears, a force is transmitted from the outside of the generator mechanism to the second movable part through the second central shaft, and the second movable part is moved by a certain amount. The teeth of the first movable part and the teeth of the second movable part are engaged and interlocked to rotate the first movable part by a certain amount, and the first winding part is rotated by the fixed amount of rotation of the first movable part. After twisting and accumulating the elastic energy ie12 due to the twisting in the first winding part and rotating the first movable part by a certain amount, the teeth of the first movable part and the second movable part are disengaged, and the elastic energy ie12 is released. rotates the first movable part in the reverse direction by a certain amount to rotate the first central shaft, transmits the rotation of the first central shaft to rotate the shaft of the generator, and generates electric power with the generator. while the rotation of the first central shaft brings the free end of the second winding portion into contact with the housing to stop the movement of the free end, and rotates the first central shaft by the initial elastic energy ie1 and the initial elastic energy ie2; The gear ratio between the two spur gears or between the bevel gears that connect the first central shaft and the shaft of the generator is defined as the amount of power that is 50% or more and 100% or less of the peak power amount on the shaft of the generator. The gear ratio should be such that power can be generated.
なお本発明において、第1可動部品と第2可動部品の回転量に於ける「一定量」は同一とは限らず、各回転方向に応じて「一定量」が異なる場合や、各部品の寸法の差異によって生じる回転角の差異も含むものとする。 In the present invention, the "fixed amount" in the amount of rotation of the first movable part and the second movable part is not necessarily the same. It also includes the difference in rotation angle caused by the difference in
また、第1可動部品と第1中心軸の回転量に於ける「一定量」と、発電機のシャフトの回転量に於ける「一定量」は、それぞれ異なる回転量とする。 In addition, the "fixed amount" in the amount of rotation of the first movable part and the first central shaft and the "fixed amount" in the amount of rotation of the shaft of the generator are different amounts of rotation.
以上の発電機構又は発電方法は、照明、又は車両用の報知装置等に使用する事が出来る。 The power generation mechanism or power generation method described above can be used for lighting, an alarm device for vehicles, or the like.
なお本発明では、バネ、第1捩りコイルバネ(第1巻回部)、又は第2捩りコイルバネ(第2巻回部)に付与若しくは蓄積されるトルク(N・mm)を「弾性エネルギー」(mJ)と表記して、説明する。よって、図3の縦軸も「トルク(N・mm)」では無く「弾性エネルギー(mJ)」と表記する。 In the present invention, the torque (N mm) applied or accumulated in the spring, the first torsion coil spring (first winding portion), or the second torsion coil spring (second winding portion) is referred to as "elastic energy" (mJ). ) to explain. Therefore, the vertical axis in FIG. 3 is also written as "elastic energy (mJ)" instead of "torque (N·mm)".
以下、図1~図10を参照して本発明に係る実施形態の発電機構1、及びその発電機構1による発電方法を説明する。図1及び図2に示すように、発電機構1は少なくとも、第1可動部品2aと、第2可動部品3aと、捩りコイルバネ4と、発電機5と、ハウジング6とから形成されている。更にハウジング6の内部に、少なくとも第1可動部品2aと第2可動部品3aと捩りコイルバネ4と発電機5が収められている。また、第2中心軸3bの他端側(即ち、第2可動部品3aが軸支されている一端側の反対端側)は、ハウジング6に設けた孔を通って、ハウジング6の外部へと突出されている。 A
第1可動部品2aは、カム形状の伝動車の外形周囲における少なくとも一部に、複数の歯が形成された歯車であり、第1中心軸2bを中心に回転可能に軸支されている。第1中心軸2bはハウジング6内部で両端が固定されている。 The first
また第2可動部品3aも、カム形状の伝動車の外形周囲における少なくとも一部に、複数の歯が形成された歯車であり、第2中心軸3bを中心に回転可能に軸支されている。 The second
第1可動部品2a及び第2可動部品3aの歯形は、本実施形態では共にインボリュート歯形である。インボリュート歯形とする事により、互いの歯車の中心距離(第1中心軸2bの中心と、第2中心軸3bの中心との間の直線間隔)が若干変化しても噛み合いが正しく保たれると共に、容易に作製でき、滑りも少ない為好ましい。なお2a又は3aの歯形を、インボリュート歯形に換えて、サイクロイド歯形に形成する事も可能である。 The tooth profiles of the first
捩りコイルバネ4は、少なくとも第1巻回部と第2巻回部の2つの巻回部を有するバネとする。発電機構1では、第1巻回部と第2巻回部が個別に形成された2つの捩りコイルバネ(第1捩りコイルバネ4aと第2捩りコイルバネ4b)が設けられている。 The
図4に示すように、第1捩りコイルバネ4aの巻回部(第1巻回部)は第1中心軸2bに巻回されており、第1巻回部の一方の端部が自由端4a1である。一方、他方の端部は、第1可動部品2a、第1中心軸2b、又は第2巻回部の何れかに連結するものとし、本実施形態の発電機構1では第1可動部品2aに連結されている。 As shown in FIG. 4, the winding portion (first winding portion) of the first
更に、第1巻回部の捩り形状及び第1巻回部の自由端4a1がハウジング6の側面に接触している。この接触により、発電機構の外部から力が伝達されない状態で初期弾性エネルギーie1(mJ)が第1巻回部(即ち、第1捩りコイルバネ4a)に付与されている。Further, the twisted shape of the first winding portion and the free end 4a1 of the first winding portion are in contact with the side surface of the
一方、図7に示すように、第2捩りコイルバネ4bの巻回部(第2巻回部)は、第1巻回部とは逆方向に第1中心軸2bに巻回されており、第2巻回部の一方の端部は自由端4b1である。また他方の端部は、第1可動部品2a、第1中心軸2b、又は第1巻回部の何れかに連結するものとし、本実施形態の発電機構1では第1可動部品2aに連結されている。 On the other hand, as shown in FIG. 7, the winding portion (second winding portion) of the second
更に、第2巻回部の捩り形状及び第2巻回部の自由端4b1がハウジング6の側面に接触している。この接触により、発電機構の外部から力が伝達されない状態で初期弾性エネルギーie2(mJ)が第2巻回部(即ち、第2捩りコイルバネ4b)に付与されている。 Furthermore, the twisted shape of the second winding portion and the free end 4b1 of the second winding portion are in contact with the side surface of the
図3のグラフに示すように、ie2の絶対値はie1の絶対値と等しく設定されている。更に、各巻回部でのグラフの傾きが異なる事からも分かる通り、第1巻回部のバネ定数K1と第2巻回部のバネ定数K2との間で、K1>K2の大小関係が成り立っている。 As shown in the graph of FIG. 3, the absolute value of ie2 is set equal to the absolute value of ie1. Furthermore, as can be seen from the fact that the slopes of the graphs differ for each winding portion, the magnitude relationship K1>K2 holds between the spring constant K1 of the first winding portion and the spring constant K2 of the second winding portion. ing.
なお、発電機構1では第1巻回部と第2巻回部のそれぞれの他方の端部を、第1可動部品2aに連結しているが、他方の端部同士を互いに接続する事で、第1巻回部と第2巻回部を有する1つの捩りコイルバネを、捩りコイルバネ4の換わりに用いても良い。 In the
また図1に示す様に、第1中心軸2bの軸方向と、発電機5のシャフト5aの軸方向を、互いに平行に構成すると共に、第1中心軸2bにおける第1可動部品2aの軸支側と反対側に、平歯車7を軸支している。更に、シャフト5aの端部には平歯車8が軸支されている。従って図1と図10に示す様に、第1中心軸2bと発電機5のシャフト5aが、2つの平歯車7及び8で連結されている。なお図1と図10では、第1可動部品2a、第2可動部品3a、シャフト5a端部、及び平歯車7及び8の歯形の図示は省略している。図10では、2つの平歯車7及び8の各基準円が互いに接している状態を、図2に示すX1方向から示した説明図である。 Further, as shown in FIG. 1, the axial direction of the first
発電機5は、少なくともコイルとマグネットを含むモータであり、更にシャフト5aの回転と共にコイルとマグネットのどちらかが回転する型式のものである。 The
ハウジング6は外形が四角形のバスタブ形に成形された部品であり、内部には発電機5を固定する為の複数の仕切り板6aや側面部品が設けられている。なおハウジング6は、一体成形された一つの部品でも良いし、幾つかの側面部品や底面部品等からなる組合せ品に変更しても良い。 The
第1可動部品2a、第2可動部品3a、平歯車7、8及びハウジング6の材料はそれぞれ任意に選択可能であり、例えばプラスチックや、無潤滑で摺動可能な樹脂、ステンレス、鋼などを用いれば良い。 Materials for the first
次に、発電機構1における自己発電の動作原理に関して説明する。図示しない例えばスイッチ部品等を第2中心軸3bに取り付け、そのスイッチ部品等に発電機構の外部から人力または使用用途毎の発電対象物からの押圧力と云った力が加わってスイッチ部品等を押す事で第2中心軸3bが回転される。 Next, the operating principle of self-power generation in the
その第2中心軸3bの回転により、発電機構1の外部から第2中心軸3bを介して力が第2可動部品3aに伝達され、第2可動部品3aが一定量(図4及び図5では、反時計方向に約35°~45°)回転して可動する。従って、第2可動部品3aは発電機構1内ではスイッチ部分として機能し、スイッチング動作により可動する部品である。 Due to the rotation of the second
第2可動部品3aの回転が第1可動部品2aに伝達される前段階では、第1可動部品2aは図3のグラフに示すように、ie2とie1とが釣り合う位置に保持されている。次に第2可動部品3aが回転すると、第1可動部品2aの歯と第2可動部品3aの歯が噛み合って連動が開始される。 Before the rotation of the second
第2可動部品3aに力が伝達され続け、第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯が噛み合わされている間は、第1可動部品2aは回転し続ける。よって、第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯の噛み合いが外れるまで、第1可動部品2aは一定量回転される(本実施形態の場合、図4及び図5で約70°~80°の時計方向の回転となる)。 Force continues to be transmitted to the second
第1可動部品2aの一定量の回転に伴い、第1中心軸2bと前記第1巻回部も、第1可動部品2aと連動して一定量回転する。しかし、第1巻回部の自由端4a1はハウジング6の側面に接触している為、動きが止められている。一方、第1巻回部の他端側は、第1可動部品2aに連結されている為、第1可動部品2aの一定量の回転に伴って回転移動していく。よって第1巻回部は捩られる事となり、第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯の噛み合いに伴う捩りにより、弾性エネルギーie12(mJ)が第1巻回部に蓄積される。 As the first
第1巻回部の捩りは、第2可動部品3aに力が伝達され続けて第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯が噛み合わされている間は保持される。従って、第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯の噛み合いが外れる直前における、第1巻回部の弾性エネルギーie12が最大量となる。本実施形態では、第1可動部品2a及び第1中心軸2bが約70°~80°回転した時点での弾性エネルギーie12が最大となる。 The torsion of the first winding is maintained as long as force continues to be transmitted to the second
第1可動部品2aが一定量回転した後に、図5に示すように第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯の噛み合いが外れる。すると、第1巻回部の捩りによる変形保持が外れ、第1巻回部の変形が解放され、ハウジング6側面に接触して止められていた第1巻回部の自由端4a1を支点にして、ie12により第1可動部品2aが逆方向に一定量回転する。本実施形態では反時計方向への約70°~80°の回転となる(図5及び図6を参照)。即ち、ie12が第1可動部品2aの一定量の逆方向の回転に変換される。 After the first
第1可動部品2aの一定量の逆方向の回転に伴い、第1中心軸2bも一定量だけ逆方向に回転すると共に平歯車7も連動して回転し、更に平歯車8を介してシャフト5aが一定量及び一定の速度で回転される。なお、平歯車7と8の歯数比により、第1可動部品2aと第1中心軸2bの回転量に於ける「一定量」と、発電機5のシャフト5aの回転量に於ける「一定量」は、それぞれ異なる。シャフト5aが一定量及び一定の速度で回転される事で、発電機5内部で電力が発生されて発電が行われる。その電力により、発電機構1の用途に応じて、別途任意に設置可能な赤外線など無線通信装置を起動する事が可能となる。 As the first
シャフト5aの回転量及び速度は、第1可動部品2aの逆方向の回転量即ちie12の最大値と、平歯車7と8の歯数比に応じて変わる。第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯が噛み合うピッチ円の円弧長に伴って、ie12は任意の一定量で設定可能である。一方で、平歯車7と8の歯数比も任意の一定量に設定可能である。従って、発電機構1毎の仕様に応じて、シャフト5aの回転量も任意の一定量で設定する事が出来る為、発電機5による電力量も、第2可動部品3aに伝わる外部からの力の速度に関係無く一定値に設定可能となる。 The amount of rotation and speed of the
以上により、発電機構1又は発電機構1による発電方法に依れば、捩りコイルバネ4を含む事で、捩りによりie12を第1巻回部に蓄積してからie12を解放して発電機5で発電を行う事が出来る。従って、どんなに遅い速度の力で第2可動部品3aが回転されて発電機構1が動作しても、一定の電力量を発電する事ができ、確実なスイッチング動作を行う事が可能となる。 As described above, according to the
更に、歯車を発電機構1の形成部品に用いる事で、第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯を噛み合わせて発電機構1を動作させる事が出来る。従って、動作損失の発生を抑制又は防止する事が出来る為、どのような用途や使用状況でも一定の電力量を発電する事ができ、確実なスイッチング動作を行う事が可能となり、好ましい。 Furthermore, by using gears as forming parts of the
更に発電機構1を、歯車(第1可動部品2aと第2可動部品3a)、捩りコイルバネ4、発電機5、ハウジング6と云った簡易な部品のみで形成している。従って、耐候性や信頼性に優れ、どのような用途や使用状況でも一定の電力量を発電し、確実なスイッチング動作を行う事が可能な発電機構1を形成する事が出来る。 Furthermore, the
次に、第1中心軸2bの逆方向の回転に伴って、第2巻回部の自由端4b1もその回転に伴って移動し、第2巻回部の自由端4b1がハウジング6の側面に接触して自由端4b1の動きが止められる。一方、第2巻回部の他端側は、第1可動部品2aに連結されている為、第1可動部品2aの一定量の逆方向の回転に伴って回転移動していく。よって自由端4b1の動きが止まった時から第2巻回部は捩られる事となり、その捩りによる弾性エネルギーの第2巻回部への蓄積が開始される。 Next, as the
しかしながら、第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯はこの時点では既に噛み合っていない為、第2巻回部の捩れは保持されずに直ちに解放される。よって、この時点での弾性エネルギーの第2巻回部への蓄積は行われない。その一方、ハウジング6側面に接触して止められていた第2巻回部の自由端4b1を支点にして、ie1とie2のみによって第1中心軸2bが回転されてie1とie2とが等しくなって釣り合う回転位置に保持される。この第1中心軸2bの回転により、第1可動部品2aは初期状態(第1可動部品2aの歯と第2可動部品3aの歯が噛み合う前の状態)に復帰される。 However, since the teeth of the first
更に、第1巻回部のバネ定数K1と第2巻回部のバネ定数K2との間で、K1>K2の大小関係を成立させる事により、第1中心軸2bの回転で第1可動部品2aを初期状態(第1可動部品2aの歯と第2可動部品3aの歯が噛み合う前の状態)に復帰させる際に、弾性エネルギーie12以上の弾性エネルギーの第2巻回部への蓄積が抑制される。従って前記各効果に加えて、過大な弾性エネルギーの蓄積による第2巻回部の破損防止や、発電機5による不要な発電を抑制する事が可能となり、発電機構のより一層確実なスイッチング動作と、耐用性と信頼性の向上を実現する事が出来る。 Furthermore, by establishing a magnitude relationship of K1>K2 between the spring constant K1 of the first winding portion and the spring constant K2 of the second winding portion, the rotation of the first
更に、発電機構1を形成する部品(第1可動部品2a、第2可動部品3a、捩りコイルバネ4、発電機5)をハウジング6に収める事により、前記各効果に加えて、第1可動部品2aと第2可動部品3a間の伝達部分や各部品における防塵性や防水性を確保する事が可能となる。また、歯車部分の防錆効果も得られる。従って、発電機構1の耐候性や信頼性をより一層向上させる事ができ、より確実なスイッチング動作を実現する事が可能となる。 Furthermore, by housing the parts (the first
次に、発電機構1の外部からの、人力または使用用途毎の発電対象物からの押圧力と云った力が逆方向に加わると、図7の状態から、図8及び図9の状態へと第2可動部品3aが逆方向に一定量回転される(図8では、約35°~45°の時計方向の回転となる)。 Next, when a force such as a human force or a pressing force from an object to be used for power generation is applied from the outside of the
第2可動部品3aが一定量逆方向に回転する際に、第1可動部品2aの歯と第2可動部品3aの歯が再び噛み合って互いに連動し、第1可動部品2aが逆方向に一定量回転される(本実施形態では反時計方向に約70°~80°の回転となる。図6及び図8参照。)。第1可動部品2aの逆方向の回転量は、第2可動部品3aの逆方向の一定量の回転量に依る。 When the second
第1可動部品2aの一定量の逆方向の回転により、第1中心軸2bと前記第2巻回部も、第1可動部品2aと連動して一定量回転する。しかし、第2巻回部の自由端4b1はハウジング6の側面に接触している為、動きが止められている。一方、第2巻回部の他端側は、第1可動部品2aに連結されている為、第1可動部品2aの一定量の回転に伴って回転移動していく。よって第2巻回部は捩られる事となり、第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯の噛み合いに伴う捩りにより、弾性エネルギーie22(mJ)が第2巻回部に蓄積される。 When the first
第2巻回部の捩りは、第2可動部品3aに前記逆方向の力が伝達され続けて第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯が噛み合わされている間は保持される。従って、第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯の噛み合いが外れる直前における、第2巻回部の弾性エネルギーie22が最大量となる。本実施形態では、第1可動部品2a及び第1中心軸2bが約70°~80°回転した時点での弾性エネルギーie22が最大となる。 The torsion of the second winding portion is maintained while the force in the opposite direction continues to be transmitted to the second
第1可動部品2aが逆方向に一定量回転した後に、図8及び図9に示すように第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯の噛み合いが外れる。すると、第2巻回部の捩りによる変形保持が外れ、第2巻回部の変形が解放され、ハウジング6側面に接触して止められていた第2巻回部の自由端4b1を支点にして、ie22により第1中心軸2bが一定量回転する。(本実施形態では時計方向への約70°~80°の回転となる。図8及び図4を参照。)。即ち、ie22が第1中心軸2bの一定量の回転に変換される。 After the first
第1中心軸2bの一定量の回転に伴い、平歯車7も連結して一定量回転し、平歯車8を介してシャフト5aが一定量及び一定の速度で回転される。シャフト5aの回転量及び速度は、第1可動部品2aの逆方向の回転量即ちie22の最大値と、平歯車7と8の歯数比に応じて変わる。 As the first
発電機5で発生させたい所望の電圧(逆起電力)[V]を仮にA[V]とし、そのA[V]の発生に必要なシャフト5a及び第1中心軸2bの回転速度を得る為には、弾性エネルギーie12、及び平歯車8と7の歯数比(平歯車8の歯数対平歯車7の歯数)で1:2.467以上が必要だと仮定する。しかしこのような場合でも、図3のグラフより、第2巻回部のバネ定数の傾きは第1巻回部のバネ定数の傾きよりも緩やかに設定される(即ち、K1>K2)。従って、第1巻回部と同一の捩り角度によって第2巻回部に蓄積される弾性エネルギーをie12未満とする事が出来る。以上により、発電機5による不要な発電動作が抑制される事となる。 Assuming that the desired voltage (counter electromotive force) [V] to be generated by the
また、第1中心軸2bの一定量の回転により、第1巻回部の自由端4a1がハウジング6の側面に再度接触して自由端4a1の動きが止められる。一方、第1巻回部の他端側は、第1中心軸2bに連結されている為、第1中心軸2bの一定量の回転に伴って回転移動していく。よって自由端4a1の動きが止まった時から第1巻回部は捩られる事となり、その捩りによる弾性エネルギーの第1巻回部への蓄積が開始される。 Further, by rotating the first
しかしながら、第1可動部品2aと第2可動部品3aの互いの歯はこの時点では既に噛み合っていない為、第1巻回部の捩れは保持されずに直ちに解放される。よって、この時点での弾性エネルギーの第1巻回部への蓄積は行われない。その一方、ハウジング6側面に接触して止められていた第1巻回部の自由端4a1を支点にして、ie1とie2のみによって第1中心軸2bが回転されてie1とie2とが等しくなって釣り合う回転位置に保持される。この第1中心軸2bの回転により、第1可動部品2aは初期状態(第1可動部品2aの歯と第2可動部品3aの歯が噛み合う前の状態)に復帰される。 However, since the teeth of the first
なお本実施形態で説明したように、第1可動部品2aと第2可動部品3aの回転量における「一定量」は同一とは限らない。本実施形態のように各部品の各回転方向に応じて「一定量」は異なる場合がある。また、各部品(2a、3a)の寸法の差異によって回転角にも差異が生じる。 As described in the present embodiment, the "constant amount" of the amount of rotation of the first
また図12を参照して、本発明の実施形態の変更形態を説明する。図12に示す発電機構1は、第1中心軸2bの軸方向と発電機5のシャフト5aの軸方向を、互いに非平行に構成すると共に、第1中心軸2bとシャフト5aが2つのかさ歯車9と10で連結されている。図12では、第1中心軸2bとシャフト5aの互いの軸方向を直交とした形態を図示している。なお、かさ歯車9及び10の歯形の図示は省略している。 Also referring to FIG. 12, a modification of the embodiment of the present invention will be described. The
かさ歯車9、10の材料はそれぞれ任意に選択可能であり、例えばプラスチックや、無潤滑で摺動可能な樹脂、ステンレス、鋼などを用いれば良い。なお、かさ歯車9と10の歯数比により、第1可動部品2aと第1中心軸2bの回転量に於ける「一定量」と、シャフト5aの回転量に於ける「一定量」は、それぞれ異なる。またシャフト5aの回転量及び速度は、第1可動部品2aの逆方向の回転量即ちie22の最大値と、かさ歯車9と10の歯数比に応じて変わる。 Materials for the
かさ歯車9、10としては、すぐばかさ歯車、普通かさ歯車、鋭角かさ歯車、鈍角かさ歯車などが使用可能である。 As the
平歯車7及び8と、かさ歯車9及び10の内、より好ましい実施形態は、平歯車7及び8である。その理由は、第1中心軸2bとシャフト5aを2つの平歯車7と8で連結する事により、第1中心軸2bの軸方向と発電機5のシャフト5aの軸方向を互いに平行に構成する事が可能となり、軸方向の変換部品の使用を解消する事が可能となる。従って発電機構1の公差に余裕が生まれ、発電機構1の歩留まりの改善と、発電動作の信頼性の向上が図れる為である。 Of the spur gears 7 and 8 and the
2つの平歯車7、8間、又はかさ歯車9、10間の歯数比は、発電機5のシャフト5aの回転により発生可能なピーク電力量の50%以上100%以下の電力量を発電可能とする歯数比か、又は前記ピーク電力量の100%の電力量を発電可能な歯数比とする。 The gear ratio between the two
この様な2つの平歯車7、8間、又はかさ歯車9、10間の歯数比の設定により、前記ピーク電力量(mJ)の50%以上100%以下の電力量を、発電機5で発電可能となる。従って、第1巻回部又は第2巻回部に蓄積されたie12又はie22を高効率で発電機5での発電へと変換可能となり、一定以上の電力量(mJ)を発電可能な発電機構1と発電方法を実現する事が出来る。 By setting the gear ratio between the two
なおピーク電力量とは、発電機5で発電されてシャフト5aから取り出し可能な電力量に於ける最大の電力量であり、シャフト5aの回転によって発電機5で発電可能な最大の電力量を指す。 The peak power amount is the maximum amount of power that can be generated by the
2つの平歯車7、8間、又はかさ歯車9、10間の歯数比は、何れも平歯車8又はかさ歯車10を1.0として記載している。即ち、平歯車8又はかさ歯車10の歯数を1と見なして、平歯車7又はかさ歯車9の歯数を2.467~7.5に設定する。よって歯数比は1:2.467乃至1:7.5である。 The gear ratio between the two
平歯車7及び8間の歯数比の設定範囲は、発電機5の仕様、及びその発電機5からピーク電力量の少なくとも50%以上の電力量(mJ)を得る事が可能な、最小限の平歯車7又は8の各基準円直径d7、d8とモジュールによって設定する。この様に各基準円直径d7、d8とモジュールを設定する事で、平歯車7及び8の寸法の拡大が防止され、平歯車7及び8を収めるハウジング6の外形寸法の拡大も防止可能となる。また、ハウジング6の外形寸法が一定以内に設定する必要性が有る場合、ハウジング6内部での平歯車7及び8の余計な占有空間も解消可能となる。 The setting range of the gear ratio between the spur gears 7 and 8 is the specification of the
第1中心軸2bと発電機5のシャフト5aを連結する歯車は、本発明のように2つが望ましい。その理由として、3つ以上の多段歯車構成にすると各歯車間のバックラッシュが積み重なり、1段目と最終段での歯車間の回転動作の伝達遅れと発電開始までの遅れを招いてしまう。また歯車の多段化に伴い、ハウジング6内部での歯車占有空間の拡大とハウジング6の大型化も招いてしまう。 It is desirable that the number of gears connecting the first
また発電機5は、少なくともコイルとマグネットを含み、電力を発生させて発電する装置であれば、モータに限定されない。なお、発電機5にモータを使用する場合、モータのイナーシャが低い場合は歯数比(平歯車8の歯数に対する平歯車7の歯数比)も低く設定し、イナーシャが大きい場合は歯数比を高く設定すれば良い。 Further, the
なお、第1可動部品2a又は第2可動部品の歯車に換えて、ワンウェイクラッチ (One-way clutch、1-Way clutch)を使用しても良い。 A one-way clutch (1-way clutch) may be used instead of the gears of the first
以下に本発明に係る実施例を説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。 EXAMPLES Examples according to the present invention will be described below, but the present invention is not limited only to the following examples.
本実施例の発電機構の構成は、図1~図10に示す様な発電機構1の構成であり、第1捩りコイルバネ4aの弾性エネルギーは回転角度80.1°で116.5(mJ)であり、第2捩りコイルバネ4bの弾性エネルギーは回転角度90.1°で46.8(mJ)に設定した。発電機5には、鉄芯を備えたモータを使用した。 1 to 10, the elastic energy of the first
第1中心軸2bと、発電機5のシャフト5aを連結している、2つの平歯車7及び8のモジュールは0.5で共通とした。また2つの平歯車7及び8間の歯数比は、前記ピーク電力量の50%以上100%以下の電力量を発電可能な歯数比とした。なお電力量は、キャパシタ430(μF)蓄電電圧をオシロスコープで測定した値である。実施例1~5に於ける平歯車8の歯数を、24(実施例1)、16(実施例2)、12(実施例3)、12(実施例4)、12(実施例5)に設定した。一方で平歯車7の歯数は、48(実施例1)、56(実施例2)、60(実施例3)、72(実施例4)、90(実施例5)に設定した。従って、各実施例に於ける平歯車8の歯数対平歯車7の歯数比は、1:2.0(実施例1)、1:3.5(実施例2)、1:5.0(実施例3)、1:6.0(実施例4)、1:7.5(実施例5)となる。 The two
また比較例としては、平歯車8の歯数を48に設定すると共に、平歯車7の歯数を24に設定した。従って、比較例に於ける平歯車8の歯数対平歯車7の歯数比は、1:0.5となる。 As a comparative example, the number of teeth of the
各実施例1~5及び比較例に於ける6つの電力量(mJ)の測定結果を、表1に示す。及び表1の6つの電力量(mJ)で多項式近似を行った結果、電力量(mJ)をy、歯数比(平歯車8の歯数に対する平歯車7の歯数比)をxとすると、下記数1の近似式が得られた。 Table 1 shows the measurement results of six electric energy (mJ) in each of Examples 1 to 5 and Comparative Example. And as a result of polynomial approximation with the six power amounts (mJ) in Table 1, if the power amount (mJ) is y and the gear ratio (the ratio of the number of teeth of the
6つの電力量(mJ)の測定結果及び近似式を図11に示す。図11より、6つの測定点の内4点が近似曲線上に乗る事が確認された。なお、図11のグラフに於ける横軸の「歯数比」は、平歯車8の歯数を1.0と見なした時の、平歯車7の歯数を示すものである。 FIG. 11 shows the measurement results and approximation formulas for the six power amounts (mJ). From FIG. 11, it was confirmed that four of the six measurement points were on the approximation curve. The "tooth ratio" on the horizontal axis in the graph of Fig. 11 indicates the number of teeth of the
表1及び図11より歯数比が1:7.5以下の範囲では、平歯車8の歯数に対する平歯車7の歯数比(即ち、図11の横軸での歯数比)が1.0大きくなるに伴い、電力量の増加量も1.0(mJ)以上となる事が確認された。しかし歯数比が1:7.5を超えると、図11の横軸での歯数比が1.0大きくなっても、電力量の増加量は1.0(mJ)未満となる。以上の測定結果より、1:7.5を超えると歯数比の増加分に見合う電力量の増加が得られないと本出願人は判断した。 From Table 1 and FIG. 11, when the gear ratio is 1:7.5 or less, the ratio of the number of teeth of the
従って、図11の横軸での歯数比が1.0以上増加した時に電力量の増加が1.0(mJ)未満となる、最小の歯数比での電力量をピーク電力量と定義し、前述のピーク電力量の定義に追加する。図11より本実施例では歯数比1:7.5での20.6(mJ)をピーク電力量と見なす。従って、歯数比1:7.5でピーク電力量が100%得られる事が確認された。 Therefore, when the gear ratio on the horizontal axis of FIG. Add to the definition of peak power consumption. From FIG. 11, in this embodiment, 20.6 (mJ) at a gear ratio of 1:7.5 is regarded as the peak electric energy. Therefore, it was confirmed that 100% of the peak electric energy can be obtained with a gear ratio of 1:7.5.
図11より、歯数比が1:2.467乃至1:7.5の範囲で、ピーク電力量である20.6(mJ)の50%である10.3(mJ)以上の電力量が発電可能となる事が分かった。1:2.467未満の歯数比では前記近似式より10.3(mJ)未満となり、ピーク電力量の50%未満となる。 From Fig. 11, it was found that power generation of 10.3 (mJ) or more, which is 50% of the peak power of 20.6 (mJ), can be generated when the gear ratio is in the range of 1:2.467 to 1:7.5. . When the gear ratio is less than 1:2.467, it is less than 10.3 (mJ) according to the above approximation formula, which is less than 50% of the peak power amount.
更に表1及び図11より、歯数比1:2.0では電力量は9.4(mJ)であったのに対し、歯数比1.0:3.5以上での歯数比では電力量は13.8(mJ)以上となる事が確認された。従って歯数比1.0:3.5以上で、ピーク電力量20.6(mJ)の50%の電力量である10.3(mJ)を超える事が確認された。よって、1:2.467乃至1:7.5の範囲の歯数比の中でも、1:3.5、1:5.0、1:6.0、1:7.5の、何れかの歯数比で確実にピーク電力量の50%以上の電力量が得られる事が確認された。 Furthermore, from Table 1 and Fig. 11, while the power consumption was 9.4 (mJ) at a gear ratio of 1:2.0, the power consumption was 13.8 (mJ) or more at a gear ratio of 1.0:3.5 or more. It was confirmed that Therefore, it was confirmed that at a gear ratio of 1.0:3.5 or more, the power amount exceeds 10.3 (mJ), which is 50% of the peak power amount of 20.6 (mJ). Therefore, within the range of 1:2.467 to 1:7.5, any gear ratio of 1:3.5, 1:5.0, 1:6.0, or 1:7.5 ensures 50% of the peak power consumption. It was confirmed that more electric energy could be obtained.
なお図11より7.5を超える歯車比の数値範囲では、前記近似式より20.6(mJ)よりも電力量は大きくならないと推測される。7.5を超える歯車比の数値範囲では、平歯車7の寸法拡大が顕著となり、ハウジング6の拡大も抑制出来ないと思われる。従って、ピーク電力量20.6(mJ)の50%以上100%以下の電力量の発生は、歯車比2.467乃至7.5の数値範囲を選択する方が最適である。 From FIG. 11, it is estimated that in the numerical range of the gear ratio exceeding 7.5, the amount of electric power does not exceed 20.6 (mJ) from the approximate expression. In the numerical range of the gear ratio exceeding 7.5, the size expansion of the
本実施例の発電機構を、特に自動車の一車両分の駐車スペースに於ける駐車車両の有無判定に使用する場合、第2中心軸3bに別途接続される、タイヤとの接触板を含む発電機構の外形寸法は、およそ2000mm以内に収めなければならない。接触板は1つのタイヤ幅以上の横幅が必要となるため、接触板に割り当てる幅寸法を考慮すると、ハウジング6はなるべく小型化する必要が有る。ハウジング6の小型化と、そのハウジング6内に収納可能な発電機5、第1捩りコイルバネ4a及び第2捩りコイルバネ4bの巻回径と発生可能な弾性エネルギー、平歯車7と8の基準円直径d7とd8及びモジュールを考慮した結果、ピーク電力量の50%以上の発電を可能とする為には、前記近似式より歯数比1:2.467以上が必要となる事が確認された。ピーク電力量の50%以上である10.3(mJ)以上が発電されると、駐車車両の有無判定を発電機構から無線発信により連続で行える事を動作確認した。従って、自動車の駐車スペースへの発電機構の適用として最適である事が分かった。
なお、本実施例はかさ歯車9と10を使用した場合でも、同様に成り立つ。When the power generation mechanism of this embodiment is used to determine whether or not there is a parked vehicle in a parking space for one vehicle, the power generation mechanism includes a tire contact plate that is separately connected to the second
It should be noted that this embodiment is similarly established even when the
1 発電機構
2a 第1可動部品
2b 第1中心軸
3a 第2可動部品
3b 第2中心軸
4 捩りコイルバネ
4a 第1捩りコイルバネ
4a1 第1捩りコイルバネの巻回部の自由端
4b 第2捩りコイルバネ
4b1 第2捩りコイルバネの巻回部の自由端
5 発電機
5a シャフト
6 ハウジング
6a 仕切り板
7、8 平歯車
9、10 かさ歯車
d7 平歯車7の基準円直径
d8 平歯車8の基準円直径1 power generation mechanism
2a First moving part
2b 1st central axis
3a second moving part
3b Second
4a 1st torsion coil spring
4a1 Free end of the winding part of the first torsion coil spring
4b Second torsion coil spring
4b1 Free end of the winding part of the second
d7 Reference circle diameter of
d8 Reference circle diameter of
Claims (10)
第1可動部品が、伝動車の周囲の少なくとも一部に歯が形成された歯車であり、第1中心軸に回転可能に軸支されており、
第2可動部品が、伝動車の周囲の少なくとも一部に歯が形成された歯車であり、第2中心軸に回転可能に軸支されており、
捩りコイルバネが、少なくとも第1巻回部と第2巻回部を有し、第1巻回部が第1中心軸に巻回されており、第1巻回部の一方の端部が自由端で、他方の端部が第1可動部品、第1中心軸、又は第2巻回部の何れかに連結されており、
第1巻回部の捩り形状及び第1巻回部の自由端がハウジングに接触する事により、発電機構の外部から力が伝達されない状態で初期弾性エネルギーie1が第1巻回部に付与されており、
第2巻回部が、第1巻回部と逆方向に第1中心軸に巻回されており、第2巻回部の一方の端部が自由端で、他方の端部が第1可動部品、第1中心軸、又は第1巻回部の何れかに連結されており、
第2巻回部の捩り形状及び第2巻回部の自由端がハウジングに接触する事により、発電機構の外部から力が伝達されない状態で初期弾性エネルギーie2が第2巻回部に付与されており、
初期弾性エネルギーie2の絶対値は初期弾性エネルギーie1の絶対値と等しく設定されており、
第1中心軸の軸方向と発電機のシャフトの軸方向が互いに平行に構成され第1中心軸と発電機のシャフトが2つの平歯車で連結されているか、第1中心軸の軸方向と発電機のシャフトの軸方向が互いに非平行に構成され第1中心軸と発電機のシャフトが2つのかさ歯車で連結されており、
発電機構の外部から第2中心軸を介して力が第2可動部品に伝達されて、第2可動部品が一定量回転され、第1可動部品の歯と第2可動部品の歯が噛み合って連動し、第1可動部品が一定量回転され、
第1可動部品の一定量の回転により第1巻回部が捩られ、その捩りによる弾性エネルギーie12が第1巻回部に蓄積され、
第1可動部品が一定量回転した後に、第1可動部品と第2可動部品の互いの歯の噛み合いが外れ、弾性エネルギーie12によって第1可動部品が逆方向に一定量回転されて第1中心軸が回転され、第1中心軸の回転が伝達されて発電機のシャフトが回転されて、発電機で電力が発生されて発電が行われると共に、
第1中心軸の回転により第2巻回部の自由端がハウジングに接触して自由端の動きが止められ、初期弾性エネルギーie1と初期弾性エネルギーie2により第1中心軸が回転され、
第1中心軸と発電機のシャフトを連結している2つの平歯車間又はかさ歯車間の歯数比が、発電機のシャフトに於けるピーク電力量の50%以上100%以下の電力量を発電可能な歯数比である発電機構。the generator mechanism is formed from at least a first movable part, a second movable part, a torsion coil spring, a generator, and a housing;
the first movable part is a gear having teeth formed on at least a part of the periphery of the transmission wheel, and is rotatably supported on the first central shaft;
the second movable part is a gear having teeth formed on at least a part of the periphery of the transmission wheel, and is rotatably supported on the second central shaft;
A torsion coil spring has at least a first turn and a second turn, the first turn being wound around the first central axis, and one end of the first turn being a free end. and the other end is connected to either the first movable part, the first central shaft, or the second winding,
Due to the twisted shape of the first winding portion and the contact of the free end of the first winding portion with the housing, the initial elastic energy ie1 is applied to the first winding portion in a state where no force is transmitted from the outside of the power generation mechanism. cage,
A second winding portion is wound around the first central axis in a direction opposite to that of the first winding portion, one end of the second winding portion being a free end and the other end being a first movable portion. connected to either the component, the first central shaft, or the first winding;
Due to the twisted shape of the second winding portion and the contact of the free end of the second winding portion with the housing, the initial elastic energy ie2 is applied to the second winding portion in a state where no force is transmitted from the outside of the power generation mechanism. cage,
The absolute value of the initial elastic energy ie2 is set equal to the absolute value of the initial elastic energy ie1,
The axial direction of the first central shaft and the axial direction of the shaft of the generator are configured to be parallel to each other, and the first central shaft and the shaft of the generator are connected by two spur gears, or the axial direction of the first central shaft and the power generation The axial directions of the shafts of the generator are configured to be non-parallel to each other, and the first central shaft and the shaft of the generator are connected by two bevel gears,
A force is transmitted from the outside of the power generation mechanism to the second movable part through the second central shaft, the second movable part is rotated by a certain amount, and the teeth of the first movable part and the teeth of the second movable part are engaged and interlocked. and the first movable part is rotated by a certain amount,
A certain amount of rotation of the first movable part twists the first winding portion, and elastic energy ie12 due to the twisting is accumulated in the first winding portion,
After the first movable part rotates by a certain amount, the teeth of the first movable part and the second movable part are disengaged, and the elastic energy ie12 rotates the first movable part in the opposite direction by a certain amount to rotate the first central axis. is rotated, the rotation of the first central shaft is transmitted, the shaft of the generator is rotated, and electric power is generated by the generator to generate power,
The rotation of the first central shaft causes the free end of the second wound portion to come into contact with the housing to stop the movement of the free end, and the first central shaft is rotated by the initial elastic energy ie1 and the initial elastic energy ie2,
The gear ratio between the two spur gears or between the bevel gears that connect the first central shaft and the shaft of the generator must be 50% or more and 100% or less of the peak power of the shaft of the generator. A power generation mechanism that is a gear ratio that can generate power.
第1可動部品を、伝動車の周囲の少なくとも一部に歯が形成された歯車とし、第1中心軸に回転可能に軸支し、
第2可動部品を、伝動車の周囲の少なくとも一部に歯が形成された歯車とし、第2中心軸に回転可能に軸支し、
捩りコイルバネが、少なくとも第1巻回部と第2巻回部を有し、第1巻回部を第1中心軸に巻回し、第1巻回部の一方の端部を自由端とすると共に、他方の端部を第1可動部品、第1中心軸、又は第2巻回部の何れかに連結し、
第1巻回部の捩り形状及び第1巻回部の自由端をハウジングに接触させる事により、発電機構の外部から力を伝達しない状態で初期弾性エネルギーie1を第1巻回部に付与し、
第2巻回部を、第1巻回部と逆方向に第1中心軸に巻回し、第2巻回部の一方の端部を自由端とすると共に、他方の端部を第1可動部品、第1中心軸、又は第1巻回部の何れかに連結し、
第2巻回部の捩り形状及び第2巻回部の自由端をハウジングに接触させる事により、発電機構の外部から力を伝達しない状態で初期弾性エネルギーie2を第2巻回部に付与し、
初期弾性エネルギーie2の絶対値を初期弾性エネルギーie1の絶対値と等しく設定し、
第1中心軸の軸方向と発電機のシャフトの軸方向を互いに平行にして第1中心軸と発電機のシャフトを2つの平歯車で連結するか、第1中心軸の軸方向と発電機のシャフトの軸方向を互いに非平行にして第1中心軸と発電機のシャフトを2つのかさ歯車で連結し、
発電機構の外部から第2中心軸を介して力を第2可動部品に伝達して、第2可動部品を一定量回転し、第1可動部品の歯と第2可動部品の歯を噛み合わせて連動させて、第1可動部品を一定量回転し、
第1可動部品の一定量の回転により第1巻回部を捩り、その捩りによる弾性エネルギーie12を第1巻回部に蓄積し、
第1可動部品が一定量回転した後に、第1可動部品と第2可動部品の互いの歯の噛み合いを外し、弾性エネルギーie12によって第1可動部品を逆方向に一定量回転させて第1中心軸を回転し、第1中心軸の回転を伝達して発電機のシャフトを回転させ、発電機で電力を発生して発電を行うと共に、
第1中心軸の回転により第2巻回部の自由端をハウジングに接触させて自由端の動きを止めて、初期弾性エネルギーie1と初期弾性エネルギーie2により第1中心軸を回転させ、
第1中心軸と発電機のシャフトを連結している2つの平歯車間又はかさ歯車間の歯数比を、発電機のシャフトに於けるピーク電力量の50%以上100%以下の電力量を発電可能な歯数比とする発電機構による発電方法。forming a power generation mechanism from at least a first movable part, a second movable part, a torsion coil spring, a generator, and a housing;
The first movable part is a gear having teeth formed on at least a part of the periphery of the transmission wheel, and is rotatably supported on the first central shaft;
The second movable part is a gear having teeth formed on at least a part of the periphery of the transmission wheel, and is rotatably supported on the second central shaft;
A torsion coil spring has at least a first winding portion and a second winding portion, the first winding portion being wound around the first central axis, and one end of the first winding portion being a free end. , connecting the other end to either the first movable part, the first central shaft, or the second winding;
By bringing the twisted shape of the first winding portion and the free end of the first winding portion into contact with the housing, the initial elastic energy ie1 is applied to the first winding portion without transmitting force from the outside of the power generation mechanism,
A second winding portion is wound around the first central axis in a direction opposite to that of the first winding portion, one end of the second winding portion is a free end, and the other end is a first movable part. , the first central axis, or the first winding,
By bringing the twisted shape of the second winding portion and the free end of the second winding portion into contact with the housing, the initial elastic energy ie2 is applied to the second winding portion without transmitting force from the outside of the power generation mechanism,
Set the absolute value of the initial elastic energy ie2 equal to the absolute value of the initial elastic energy ie1,
The axial direction of the first central shaft and the axial direction of the shaft of the generator are parallel to each other, and the first central shaft and the shaft of the generator are connected by two spur gears, or the axial direction of the first central shaft and the axial direction of the generator are connected. connecting the first central shaft and the shaft of the generator with two bevel gears with the axial directions of the shafts being non-parallel to each other;
A force is transmitted from the outside of the power generating mechanism to the second movable part through the second central shaft to rotate the second movable part by a certain amount to engage the teeth of the first movable part and the teeth of the second movable part. Rotating the first movable part by a certain amount in conjunction with
The first winding portion is twisted by a certain amount of rotation of the first movable part, and elastic energy ie12 due to the twisting is accumulated in the first winding portion,
After the first movable part rotates by a certain amount, the teeth of the first and second movable parts are disengaged, and the elastic energy ie12 rotates the first movable part in the opposite direction by a certain amount to rotate the first central axis. to transmit the rotation of the first central shaft to rotate the shaft of the generator, generate electric power with the generator, and
By rotating the first central shaft, the free end of the second winding portion is brought into contact with the housing to stop the movement of the free end, and the first central shaft is rotated by the initial elastic energy ie1 and the initial elastic energy ie2,
The gear ratio between the two spur gears or between the bevel gears that connect the first central shaft and the shaft of the generator is defined as the amount of power that is 50% or more and 100% or less of the peak power amount on the shaft of the generator. A power generation method using a power generation mechanism with a gear ratio that allows power generation.
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