JP2012198203A - Vibration energy conversion power generation system using rotor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動エネルギーを、効率的に力学的エネルギーを経由して電気エネルギーに変換する振動エネルギー変換発電システム、特に振動エネルギー変換・伝達装置およびそれを用いた携帯機器に関する。 The present invention relates to a vibration energy conversion power generation system that efficiently converts vibration energy into electrical energy via mechanical energy, and more particularly to a vibration energy conversion / transmission device and a portable device using the vibration energy conversion power transmission system.
人間は日常活動をしながらも常に情報を得る手段を追求している。たとえば、腕時計、携帯電話、携帯ラジオ、携帯用小型カメラ、携帯ラジオ等種々の携帯機器を身につけている。これらの携帯機器の動力源は電気エネルギーであるため、これらのウエアラブルな装置に通常は乾電池や蓄電池等の小型バッテリーを装着しているが、バッテリーを付加した分装置が重くなるという問題の他に、使用中にエネルギーがなくなる(電池切れ)という問題が発生する。しかし、人間は常に活動しているから、人間の運動からエネルギーを電気エネルギーとして取り出すことができれば、ウエアラブルな装置は電池等の補充なく半永久的に動作する。 Humans are always pursuing ways to obtain information while performing daily activities. For example, various portable devices such as wristwatches, mobile phones, portable radios, portable small cameras, and portable radios are worn. Since the power source of these portable devices is electric energy, these wearable devices are usually equipped with small batteries such as dry batteries or storage batteries. The problem of running out of energy (battery running out) occurs during use. However, since humans are always active, wearable devices operate semi-permanently without replenishment of batteries or the like if energy can be extracted from human movements as electrical energy.
人間の運動エネルギーの中で振動エネルギーは最も一般的で身近なエネルギーである。振動エネルギーを回転エネルギーに変換する方法は、たとえば自動巻腕時計では古くから使用されている。近年はさらにこれを電気エネルギーに変換する方式も種々提案されている。たとえば、特許文献1には、腕時計等の携帯機器に設けられて、携帯時の振動を受けてロータが回転し、ロータの回転を出力軸から取り出して、出力軸に連結したマグネットを回転させ、ステータに設けた発電用コイルで生じる電流を蓄電(蓄力)することが開示されている。特許文献1では、ロータと出力軸との連結はロータの回転軸に出力軸を同軸に固定している。 Vibration energy is the most common and familiar energy of human kinetic energy. The method of converting vibration energy into rotational energy has been used for a long time in, for example, self-winding watches. In recent years, various methods for converting this into electric energy have been proposed. For example, Patent Document 1 is provided in a portable device such as a wristwatch, and a rotor rotates in response to vibrations when being carried, takes out the rotation of the rotor from the output shaft, rotates a magnet connected to the output shaft, It is disclosed to store (accumulate) a current generated by a power generation coil provided in a stator. In Patent Document 1, the connection between the rotor and the output shaft is such that the output shaft is coaxially fixed to the rotation shaft of the rotor.
しかし、特許文献1の技術では、振動がロータの回転面(X−Z方向)の方向の場合には出力軸は振動エネルギーを有効に取出すことができるが、ロータの回転面(X−Z方向)と直交する成分(Y方向)の振動成分は、出力軸の軸線方向の力であるから、出力軸の回転に寄与できないとう不都合がある。更に、Y方向の振動成分は出力軸を軸線方向に押し付ける力を付与することになり、出力軸の回転を阻害するという不都合がある。一方、携帯機器が受ける振動は、X−Z方向の二次元に限らず、Y方向を加えた3次元方向の振動を受けることになるから、上述したようにY方向の振動成分が蓄力に寄与できないので蓄力効率が低いという問題があった。 However, in the technique of Patent Document 1, when the vibration is in the direction of the rotational surface of the rotor (XZ direction), the output shaft can effectively extract vibration energy, but the rotational surface of the rotor (XZ direction). The vibration component of the component orthogonal to () (Y direction) is a force in the axial direction of the output shaft, and therefore has a disadvantage that it cannot contribute to the rotation of the output shaft. Further, the vibration component in the Y direction gives a force for pressing the output shaft in the axial direction, and there is a disadvantage that the rotation of the output shaft is hindered. On the other hand, the vibration received by the mobile device is not limited to two-dimensional in the XZ direction, but is subjected to vibration in the three-dimensional direction including the Y direction. There was a problem that the energy storage efficiency was low because it could not contribute.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、人間の活動をベースとした振動エネルギーを回転エネルギーに変換し、さらには電気エネルギーとして発電する新しいシステムを提供することを目的とし、特に振動エネルギーを蓄力する蓄力効率を高めることができる蓄力装置及び携帯機器の提供を目的とするものであり、以下の特徴を有する。
(1)本発明は、振動エネルギーを回転エネルギーに変換する振動収穫機構、回転エネルギーを一方向の回転力へ整列する一方向回転整列機構、(オプションとして、回転方向の逆回転を防止するラッチ機構)、整列された回転力による回転速度を減速する第1の変速機構、変換された回転力を第1の変速機構を通して回転エネルギーとして蓄える蓄力機構、蓄力機構に蓄えられた回転エネルギーによる回転速度を増速する第2の変速機構、第2の変速機構により増速された回転速度から発電する発電機構を含むことを特徴とする振動エネルギー変換発電機構である。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a new system that converts vibration energy based on human activity into rotational energy and further generates electric power as electric energy. The object is to provide a power storage device and a portable device that can increase the energy storage efficiency of storing energy, and has the following characteristics.
(1) The present invention provides a vibration harvesting mechanism that converts vibration energy into rotational energy, a one-way rotational alignment mechanism that aligns rotational energy into a rotational force in one direction, and (optionally, a latch mechanism that prevents reverse rotation in the rotational direction. ), A first speed change mechanism that decelerates the rotational speed by the aligned rotational force, a power storage mechanism that stores the converted rotational force as rotational energy through the first speed change mechanism, and a rotation by the rotational energy stored in the power storage mechanism A vibration energy conversion power generation mechanism including a second speed change mechanism for increasing a speed and a power generation mechanism for generating power from a rotational speed increased by the second speed change mechanism.
(2)本発明は、上記に加えて、ラッチ機構は配向性を有する微細毛を側面に用いた回転円板体を使用していることを特徴とし、また第1の変速機構に手巻き機構が付随していること、さらに、第1の変速機構における減速比は1/5であり、および/または第2の変速機構における増速比は5であることを特徴とする。
(3)本発明は、上記に加えて、第2の変速機構にさらに変速制御機構が付加されるとともにゼンマイが完全巻き上げ状態であることを検出してゼンマイを自力解放する機構が付加されており、および/または振動変換発電機構に充放電制御回路を含むことを特徴とする。
(4)本発明は、上記に加えて、充放電制御回路において充放電の状況を監視しながら、変速制御機構によりゼンマイを断続的に解放でき、さらに、第1の変速機構および/または第2の変速機構に配向性を有する微細毛を側面に用いた回転円板体を使用していることを特徴とする。
(2) In addition to the above, the present invention is characterized in that the latch mechanism uses a rotating disk body using fine hairs having orientation on the side surface, and the first transmission mechanism is a manual winding mechanism. Further, the reduction ratio in the first transmission mechanism is 1/5 and / or the speed increase ratio in the second transmission mechanism is 5.
(3) In addition to the above, the present invention further includes a transmission control mechanism added to the second transmission mechanism, and a mechanism for detecting that the mainspring is completely wound up and releasing the mainspring by itself. And / or the vibration conversion power generation mechanism includes a charge / discharge control circuit.
(4) In addition to the above, in the present invention, the mainspring can be intermittently released by the shift control mechanism while monitoring the charge / discharge status in the charge / discharge control circuit, and further, the first shift mechanism and / or the second shift mechanism can be released. The speed change mechanism is characterized in that a rotating disk body using fine hairs having orientation on the side surface is used.
(5)本発明は、上記に加えて、あるいは独立に、振動を受けて中心軸部の周りを回転するロータと、ロータの中心軸部に連結した自在継手と、自在継手の出力軸に連結したエネルギー蓄積部とを備え、自在継手はその出力軸に対して互いに軸線が交差するロータ側軸を備え、ロータ側軸の回転により出力軸が回転してロータの運動エネルギーをエネルギー蓄積部に伝達することを特徴とする振動エネルギー変換発電機構である。
(6)本発明は、上記に加えて、ロータは中心軸部に孔が形成してあり、自在継手は、ロータの中心軸部の孔内に配置してあり、球体と球体の半分以上を囲み内面が球面の一部を形成している受部とを備え、ロータ側軸はその軸線が球体の中心を通り球体から突出する一方及び他方の軸部を有し、一方及び他方のロータ側軸部はロータの回転面の面内方向でロータの中心軸部に取付けてあることを特徴とする。
(5) In addition to the above, the present invention is independently or independently connected to a rotor that rotates around the central shaft portion under vibration, a universal joint that is connected to the central shaft portion of the rotor, and an output shaft of the universal joint. The universal joint has a rotor side shaft whose axes intersect each other with respect to its output shaft, and the rotation of the rotor side shaft rotates the output shaft to transmit the kinetic energy of the rotor to the energy storage portion. This is a vibration energy conversion power generation mechanism.
(6) In addition to the above, in the present invention, the rotor has a hole formed in the central shaft portion, and the universal joint is disposed in the hole in the central shaft portion of the rotor. And a rotor side shaft having one and other shaft portions projecting from the sphere through the center of the sphere, the rotor side shaft having one and the other rotor side. The shaft portion is attached to the central shaft portion of the rotor in the in-plane direction of the rotating surface of the rotor.
(7)本発明は、上記に加えて、自在継手の出力軸方向と垂直面内方向の力に対して、ロータは当該垂直面内方向に回転可能であり、自在継手の出力軸方向の力に対して、ロータは自在継手と一体で出力軸方向に回転可能であるとともに、出力軸方向と垂直面内方向においてもロータは回転可能であることを特徴とする。
(8)本発明は、上記に加えて、ロータは、ロータの軸受枠部およびロータ錘部の間に可倒部が存在する可倒構造となっており、自在継手の出力軸方向の力に対して、ロータのロータ錘部側は可倒部を中心として回転可能であり、自在継手の出力軸方向の力を受けたとき、可倒構造によってロータの出力軸方向と垂直面内方向における回転を抑制する作用を軽減できることを特徴とする。
(9)本発明は、上記に加えて、自在継手の出力軸方向の力に対して、ロータのロータ錘部の動作を制限する制限機構がロータのロータ錘部の出力軸方向の両外側に備わっており、あるいは、ロータのロータ錘部の外周が略U字状に形成され、U字状の空間に自在継手の出力軸方向の力に対して、ロータのロータ錘部の動作を制限する制限機構が備わっていることを特徴とする。
(7) In addition to the above, according to the present invention, the rotor can rotate in the vertical in-plane direction with respect to the force in the vertical axis direction with respect to the output axis direction of the universal joint, and the force in the output axis direction of the universal joint On the other hand, the rotor is integral with the universal joint and can rotate in the output shaft direction, and the rotor can also rotate in the direction of the output shaft direction and the vertical plane.
(8) In addition to the above, according to the present invention, the rotor has a collapsible structure in which a collapsible portion exists between the bearing frame portion and the rotor weight portion of the rotor. On the other hand, the rotor weight side of the rotor can rotate around the tiltable part, and when it receives force in the output shaft direction of the universal joint, it rotates in the direction perpendicular to the rotor output shaft direction by the tiltable structure. It is possible to reduce the effect of suppressing the above.
(9) In addition to the above, according to the present invention, a limiting mechanism for restricting the operation of the rotor weight portion of the rotor against the force in the output shaft direction of the universal joint is provided on both outer sides of the rotor weight portion of the rotor in the output shaft direction. Or the outer circumference of the rotor weight portion of the rotor is formed in a substantially U shape, and the operation of the rotor weight portion of the rotor is limited to the U-shaped space against the force in the output shaft direction of the universal joint. A limiting mechanism is provided.
(10)本発明は、上記に加えて、制限機構にベアリング付設され、自在継手の出力軸方向の力に対してロータが動作したときにロータ錘部がベアリングに当たるとともにベアリングが回転して、ロータをロータの出力軸方向と垂直面内方向へ回転させることを特徴とする。
(11)本発明は、上記に加えて、エネルギー蓄積部は、自在継手の出力軸の回転により巻き締めるぜんまいと、ぜんまいの開放により回転する回転用フレームと、回転用フレームに固定されたマグネットと、マグネットに対向するコイルと、コイルに生じた電流を蓄電する蓄電部とを備えることを特徴とする。
(12)本発明は、上記の振動変換発電機構を備え、携帯しているときの振動を受けてロータが回転することを特徴とする携帯機器である。携帯機器とは、たとえば、腕時計、携帯電話、モバイル端末、レコーダ、音楽再生機、電子書籍、ゲーム機器、携帯パソコン等をいう。
(10) In addition to the above, the present invention is provided with a bearing in the limiting mechanism, and when the rotor operates with respect to the force in the output shaft direction of the universal joint, the rotor weight hits the bearing and the bearing rotates, Is rotated in an in-plane direction perpendicular to the output shaft direction of the rotor.
(11) According to the present invention, in addition to the above, the energy storage unit includes a mainspring that is wound by rotation of the output shaft of the universal joint, a rotation frame that rotates when the mainspring is opened, and a magnet that is fixed to the rotation frame. And a coil facing the magnet and a power storage unit for storing a current generated in the coil.
(12) The present invention is a portable device including the vibration conversion power generation mechanism described above, wherein the rotor rotates in response to vibration when being carried. The portable device refers to, for example, a wristwatch, a mobile phone, a mobile terminal, a recorder, a music player, an electronic book, a game device, a portable personal computer, and the like.
本発明の振動エネルギー変換発電機構は、人間の運動の1つである振動エネルギーを回転エネルギーに変換し、さらにその回転エネルギーを電気エネルギーに変換する振動エネルギー変換発電システムである。小さな振動でも効率的に回転エネルギーに変換する。さらに、その回転エネルギーを蓄力した後電気エネルギーに変換するので、回転エネルギーが小さくても十分な発電をすることができ、振動エネルギーを効率良く回転エネルギーに変換することができるとともに、安定した発電量を得ることができる。また、回転エネルギーが小さい場合でも第1の変速機構で回転速度を減速して通常のゼンマイを巻き上げて力量を蓄積(蓄力)し、その力量を用いて発電することができる。すなわち小さなトルクでゼンマイをどんどん巻き上げて、蓄力機構に充分なトルク量を確保した後で、第2の変速機構で増速することにより充分な回転速度で発電することができる。振動収穫機構の後に一方向回転整列機構を付随することにより、振動の往復運動による二方向の回転も利用できるので、発電効率をさらに向上することができる。さらに、逆回転を防止するラッチ機構を備えているので、エネルギー変換ロスが少ない。またラッチ機構に配向性を有する微細毛を用いることにより、システムを小型化できる。 The vibration energy conversion power generation mechanism of the present invention is a vibration energy conversion power generation system that converts vibration energy, which is one of human movements, into rotational energy, and further converts the rotational energy into electrical energy. Even small vibrations are efficiently converted into rotational energy. Furthermore, since the rotational energy is stored and converted to electrical energy, sufficient power generation can be achieved even when the rotational energy is small, vibration energy can be efficiently converted to rotational energy, and stable power generation is possible. The quantity can be obtained. Further, even when the rotational energy is small, the first speed change mechanism can reduce the rotational speed, wind up a normal spring, accumulate the power (accumulated power), and generate electric power using the power. That is, it is possible to generate electric power at a sufficient rotational speed by winding up the mainspring with a small torque and securing a sufficient amount of torque in the power storage mechanism and then increasing the speed with the second transmission mechanism. By attaching a one-way rotational alignment mechanism to the vibration harvesting mechanism, two-way rotation by reciprocating motion of vibration can also be used, so that power generation efficiency can be further improved. Furthermore, since a latch mechanism for preventing reverse rotation is provided, there is little energy conversion loss. Further, the system can be miniaturized by using fine hair having orientation in the latch mechanism.
さらに、ロータは自在継手により出力軸に連結されているからロータの回転面(X−Z方向)に限らず、Y方向の振動成分はロータを出力軸の軸線方向に振れさせるので、出力軸に作用するY方向の力による回転の阻害を防止できる。また、Y方向の力により振れたロータが戻るときには、自在継手が回転しているから、そのロータが戻るときの力の一部をX−Z成分の力として取り出すことができる。即ち、三次元の振動エネルギーを出力軸の回転力に変換してエネルギー蓄積部に蓄積できるから、蓄力効率を高めることができる。また、自在継手はロータの中心軸部に形成した孔内に挿入して取付けてあるから、自在継手がロータから突設する寸法を小さくでき、装置の小型化を図ることができる。さらに、自在継手は球体の中心を通る一方側及び他方ロータ側軸をロータの中心軸の孔部に取付けてあるから、ロータ側軸をロータ内に収めることができ、ロータ側軸がロータから突出しないので、この点においても装置の小型化を図ることができる。 Furthermore, since the rotor is connected to the output shaft by a universal joint, the vibration component in the Y direction is not limited to the rotor rotation surface (XZ direction), and the rotor vibrates in the axial direction of the output shaft. It is possible to prevent the rotation from being inhibited by the acting Y-direction force. Further, when the rotor shaken by the force in the Y direction returns, the universal joint rotates, so that a part of the force when the rotor returns can be extracted as the force of the XZ component. That is, since the three-dimensional vibration energy can be converted into the rotational force of the output shaft and stored in the energy storage unit, the power storage efficiency can be increased. Further, since the universal joint is inserted and attached in a hole formed in the central shaft portion of the rotor, the size of the universal joint protruding from the rotor can be reduced, and the apparatus can be downsized. Furthermore, since the universal joint has one side passing through the center of the sphere and the other rotor side shaft attached to the hole of the central shaft of the rotor, the rotor side shaft can be accommodated in the rotor, and the rotor side shaft projects from the rotor. Therefore, the size of the apparatus can be reduced also in this respect.
さらに、ロータは可倒構造を有するので、出力軸に作用するY方向の力による回転の阻害をさらに防止できる。また、ロータのロータ錘部のY方向の動作を制限する制限機構が備わっているので、ロータ錘部の破損や他の機器に及ぼすダメッジを軽減できる。また、この制限機構にはY方向の動きをいなすベアリングが付随するので、Y方向の力成分をX−Z方向のロータ回転力に変換することができる。エネルギー蓄積部は振動エネルギーを簡易な構成で電力として蓄積することができる。
さらに本発明の振動変換発電機構を備えた携帯機器は、振動エネルギー変換効率の良い発電システムを有するので、エネルギー補充の少ない長寿命化の携帯が可能となる。
Furthermore, since the rotor has a retractable structure, it is possible to further prevent the rotation from being hindered by the Y-direction force acting on the output shaft. Further, since the limiting mechanism for limiting the operation in the Y direction of the rotor weight portion of the rotor is provided, damage to the rotor weight portion and damage to other devices can be reduced. In addition, since this limiting mechanism is accompanied by a bearing that moves in the Y direction, the force component in the Y direction can be converted into a rotor rotational force in the XZ direction. The energy storage unit can store vibration energy as electric power with a simple configuration.
Furthermore, since the portable device provided with the vibration conversion power generation mechanism of the present invention has a power generation system with high vibration energy conversion efficiency, it can be carried with a long life with little energy replenishment.
本発明は、振動を回転エネルギーに変換し、さらにその回転エネルギーを電気エネルギーに変換する振動エネルギー変換発電システムに関する。さらに、振動エネルギーのロスを最小化して、効率良く回転エネルギーに変換する機構に関する。 The present invention relates to a vibration energy conversion power generation system that converts vibration into rotational energy and further converts the rotational energy into electric energy. Further, the present invention relates to a mechanism for efficiently converting to rotational energy by minimizing vibration energy loss.
図1は、振動エネルギー変換発電機構のシステム構成を示す図である。本発明の基本は人体の運動に由来する振動エネルギーを機械的エネルギー(特に回転エネルギー)、さらに電気的エネルギーに変換することであり、図1の構成図に示すように、最低限、振動エネルギーを力学的エネルギー(力量、あるいは機械的エネルギー、あるいは回転エネルギー)に変換する振動収穫機構111およびその振動収穫機構111で変換された力量を用いて発電する発電機構116からなる。振動収穫機構111は振動を効率良く力量として利用できる形態に変換するシステムであり、たとえば人体の腕の動作という振動を自動巻腕時計等で使用される回転錘の振り子振動として取り出す機構である。人体の腕の動きは3次元の動作であるが、本発明はこの3次元動作を効率良く回転錘の振り子振動として変換する。 FIG. 1 is a diagram showing a system configuration of a vibration energy conversion power generation mechanism. The basis of the present invention is to convert vibration energy derived from the movement of the human body into mechanical energy (especially rotational energy) and further into electrical energy. As shown in the block diagram of FIG. It comprises a vibration harvesting mechanism 111 that converts to mechanical energy (power, mechanical energy, or rotational energy) and a power generation mechanism 116 that generates power using the power converted by the vibration harvesting mechanism 111. The vibration harvesting mechanism 111 is a system that converts the vibration into a form that can be efficiently used as a power, for example, a mechanism that extracts the vibration of the movement of the human arm as the pendulum vibration of a rotary weight used in an automatic wristwatch or the like. Although the movement of the human arm is a three-dimensional movement, the present invention efficiently converts this three-dimensional movement as a pendulum vibration of a rotating weight.
振動収穫機構111で得られた力量を、一方向回転整列機構112を通して第1の変速機構により減速して蓄力機構114に移転し蓄積する。振動は周期性がある(たとえば、振り子振動は往復運動なので動作方向が2通りある)ので、そのまま回転運動として取り出して第1の変速機構に伝達すると、回転方向が2方向になりエネルギーロスが大きい。そこで振動収穫機構111で得られた力量を一方向に整列する機構が必要となる。そのシステムが一方向回転整列機構112である。一方向回転整列機構112には従来から種々の方法があり、本発明においてはこれらの方法を適宜選択して採用することができる。たとえば、腕時計の自動巻の巻き上げ機構に採用されている切り換え車方式、マジックレバー方式やペラトン方式を適用することができる。 The force obtained by the vibration harvesting mechanism 111 is decelerated by the first speed change mechanism through the one-way rotation alignment mechanism 112 and transferred to the force accumulation mechanism 114 for accumulation. Since the vibration has periodicity (for example, the pendulum vibration is a reciprocating motion, there are two directions of movement). If the vibration is extracted as it is and transmitted to the first speed change mechanism, the rotational direction becomes two and the energy loss is large. . Therefore, a mechanism for aligning the force obtained by the vibration harvesting mechanism 111 in one direction is required. The system is a one-way rotational alignment mechanism 112. There are various conventional methods for the one-way rotational alignment mechanism 112, and in the present invention, these methods can be appropriately selected and employed. For example, a switching vehicle system, a magic lever system, and a pellaton system that are employed in an automatic winding mechanism of a wristwatch can be applied.
図15は、一方向回転整列機構の一例を示す図である。一方向回転整列機構に切換車408、409およびラチェット車413、423を用いている。振動収穫機構111の振り子振動による回転は、切換かな414、424と同期して切換車408、409に伝達される。切換車408、409のそれぞれは、切換かな414、424と一体になったラチェット車413、423を備えている。切換車408の回転は第1の変速機構410に伝達されるように、たとえば切換車408の歯車および第1の変速機構410の歯車411が噛み合っている。切換車408、409を構成する切換歯車412、422は、回転自在な切換つめ415、425と、切換つめ415、425の一端を押圧し、かつ他端をラチェット車413、423の歯面に対して付勢する付勢ばね416、426を備えている。切換つめ415、425は固定ピン417、427で切換歯車412、422に固定されている。また、付勢ばね416、426も固定ピン429、430で切換歯車412、422に固定されている。これらのラチェット車413、423の回転規制方向(逆回転防止方向)は互いに反対方向であり、振動収穫機構111の振り子振動による回転はがいずれの方向(ある方向とそれの逆方向の2方向しかない)に回転しても、第1の変速機構410は常に一方向に回転する。 FIG. 15 is a diagram illustrating an example of the one-way rotation alignment mechanism. Switching wheels 408 and 409 and ratchet wheels 413 and 423 are used as the one-way rotational alignment mechanism. The rotation due to the pendulum vibration of the vibration harvesting mechanism 111 is transmitted to the switching wheels 408 and 409 in synchronization with the switching kana 414 and 424. Each of the switching wheels 408 and 409 includes ratchet wheels 413 and 423 integrated with switching wheels 414 and 424. For example, the gear of the switching vehicle 408 and the gear 411 of the first transmission mechanism 410 are meshed so that the rotation of the switching vehicle 408 is transmitted to the first transmission mechanism 410. The switching gears 412 and 422 constituting the switching wheels 408 and 409 press the one end of the switching pawls 415 and 425 and the switching pawls 415 and 425 and the other end against the tooth surface of the ratchet wheels 413 and 423. Urging springs 416 and 426 are provided. The switching pawls 415 and 425 are fixed to the switching gears 412 and 422 by fixing pins 417 and 427, respectively. The biasing springs 416 and 426 are also fixed to the switching gears 412 and 422 by fixing pins 429 and 430, respectively. These ratchet wheels 413 and 423 have their rotation restricting directions (reverse rotation preventing directions) opposite to each other, and the rotation of the vibration harvesting mechanism 111 due to pendulum vibrations is in any direction (only one direction and the opposite direction). 1), the first speed change mechanism 410 always rotates in one direction.
たとえば図15において、振動収穫機構111の振り子振動の一方向の振動(回転)によって、切換車408では切換かな414を介してラチェット車413が反時計方向に回転すると、ラチェット車413が切換つめ415でロックされないので、ラチェット車413の回転は切換歯車412に伝達しない。一方、振動収穫機構111の振り子振動の他方向(逆方向)の振動よって、切換車409では切換かな424を介してラチェット車423が反時計方向に回転すると、ラチェット車423の規制方向が切換車408と異なるために、ラチェット車423が切換つめ425でロックされるので、ラチェット車423と同期して切換歯車422も反時計方向(R8方向)に回転する。この回転が切換車408側の切換歯車412に伝達され(切換歯車412と切換歯車422はたとえば歯車で噛み合っている)、切換歯車412は時計方向(R7方向)に回転し、さらにこの切換歯車412の回転により第1の変速機構410の歯車411が反時計方向(R9方向)に回転する。 For example, in FIG. 15, when the ratchet wheel 413 rotates counterclockwise via the switching pinion 414 in the switching wheel 408 due to one-way vibration (rotation) of the pendulum vibration of the vibration harvesting mechanism 111, the ratchet wheel 413 is switched to the switching pawl 415. , The rotation of the ratchet wheel 413 is not transmitted to the switching gear 412. On the other hand, when the ratchet wheel 423 rotates counterclockwise through the switching pinion 424 in the switching wheel 409 due to the vibration in the other direction (reverse direction) of the pendulum vibration of the vibration harvesting mechanism 111, the regulation direction of the ratchet wheel 423 changes to the switching wheel. Since the ratchet wheel 423 is locked by the switching pawl 425 because it is different from 408, the switching gear 422 also rotates counterclockwise (R8 direction) in synchronization with the ratchet wheel 423. This rotation is transmitted to the switching gear 412 on the switching wheel 408 side (the switching gear 412 and the switching gear 422 are meshed with each other, for example), and the switching gear 412 rotates in the clockwise direction (R7 direction). Rotates the gear 411 of the first speed change mechanism 410 counterclockwise (R9 direction).
次に、振動収穫機構111の振り子振動の逆振動(逆回転)によって、切換車408では切換かな414を介してラチェット車413が時計方向に回転すると、ラチェット車413が切換つめ415でロックされるので、ラチェット車413の回転に従い切換歯車412も時計方向(R7方向)へ回転する。この切換歯車412の回転により第1の変速機構410の歯車411が反時計方向(R方向9)に回転する。一方、振動収穫機構の逆回転によって、切換車409では切換かな424を介してラチェット車423が時計方向に回転すると、ラチェット車423の規制方向が切換車408と異なるために、ラチェット車423が切換つめ425でロックされないので、ラチェット車423の回転は切換歯車422に伝達しない。以上のように、振動収穫機構111がどのように回転しても、第1の変速機構410の歯車411は一定方向{図15では反時計方向(R9方向)}へのみ回転する。 Next, when the ratchet wheel 413 rotates clockwise via the switching pinion 414 in the switching wheel 408 due to the reverse vibration (reverse rotation) of the pendulum vibration of the vibration harvesting mechanism 111, the ratchet wheel 413 is locked by the switching pawl 415. Therefore, according to the rotation of the ratchet wheel 413, the switching gear 412 also rotates clockwise (R7 direction). The rotation of the switching gear 412 causes the gear 411 of the first transmission mechanism 410 to rotate counterclockwise (R direction 9). On the other hand, when the ratchet wheel 423 rotates clockwise through the switching pinion 424 in the switching wheel 409 due to the reverse rotation of the vibration harvesting mechanism, the ratchet wheel 423 switches because the regulation direction of the ratchet wheel 423 differs from the switching wheel 408. Since it is not locked by the pawl 425, the rotation of the ratchet wheel 423 is not transmitted to the switching gear 422. As described above, no matter how the vibration harvesting mechanism 111 rotates, the gear 411 of the first transmission mechanism 410 rotates only in a certain direction {counterclockwise direction (R9 direction in FIG. 15)}.
さらに、この機構112には逆回転を防止するラッチ機構が配置されている。たとえば、ゼンマイを巻き上げていくとその復元力で巻き戻そうとする力も働き、巻き戻されるとエネルギーが大きくロスしてしまう。これを防止するための機構がラッチ機構である。すなわち、ラッチ機構とは、一方向のみに回転して回転毎に係止し逆回転を防止する機構であり、たとえばつめ車とつめでなるラチェット機構やドーボ機構がある。 Further, the mechanism 112 is provided with a latch mechanism for preventing reverse rotation. For example, when the mainspring is wound up, a force to rewind with its restoring force also works, and when it is rewound, energy is greatly lost. A mechanism for preventing this is a latch mechanism. That is, the latch mechanism is a mechanism that rotates only in one direction and is locked at each rotation to prevent reverse rotation. For example, there are a ratchet mechanism and a dovo mechanism that are composed of a pawl wheel and a pawl.
図16はラッチ機構の一例を示す図である。ゼンマイ(渦巻きバネ)511を内蔵したつめ車512において、ゼンマイ511の外側の一端はつめ車512の内面に固定され、ゼンマイの他端(ゼンマイ中心)は支軸513に固定されている。つめ車512はラチェット様の歯車がついており、支持台に固定ピン513で回転自在に固定された(ラッチ機構の)つめ514がつめ車512のラチェット歯に嵌合できるようになっている。ゼンマイ511がつめ車512の内面に巻かれる(たとえば、図16の矢印R6方向につめ車を回転させてゼンマイ511を巻く場合)と、その復元力でつめ車512は矢印R6とは逆方向への回転力が働くが、ラッチ機構のつめ514がつめ車512の歯に係止しているため逆方向への回転が抑えられている。すなわちゼンマイ511の逆回転が規制されているので、ゼンマイに回転力を蓄積(蓄力)することができる。充分な蓄力が行なわれたら、つめ514をつめ車512の歯からはずせば(ラッチ機構解除)、ゼンマイ511が一気に力を解放できる。このゼンマイ511は、振動収穫機構の振動エネルギーを回転エネルギーとして蓄積したエネルギー形態と考え、解放されたゼンマイの回転力を第1の変速機構を用いて減速すれば良い。また回転方向が2通り存在すればこのようなラッチ機構に一方向回転整列機構を組合せれば良い。S字ゼンマイのようなゼンマイの場合にも回転方向が2通り存在するので、この一方向回転整列機構を使用できる。尚、S字ゼンマイを使用することによって、トルクを一定(フラットトルク)にできるので、S字ゼンマイを巻き上げる力とS字ゼンマイを解放する力をほぼ一定にでき、発電能力を一定に保持できるという利点がある。 FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a latch mechanism. In a pinion wheel 512 incorporating a spring (spiral spring) 511, one end outside the spring 511 is fixed to the inner surface of the pinion wheel 512, and the other end (spring center) of the spring is fixed to the support shaft 513. The ratchet wheel 512 has a ratchet-like gear, and a pawl 514 (of a latch mechanism) that is rotatably fixed to the support base by a fixing pin 513 can be fitted to the ratchet teeth of the pawl wheel 512. When the mainspring 511 is wound around the inner surface of the pawl wheel 512 (for example, when the mainspring 511 is wound by rotating the pinwheel in the direction of arrow R6 in FIG. 16), the pawl wheel 512 is moved in the direction opposite to the arrow R6 by its restoring force. However, since the pawl 514 of the latch mechanism is locked to the teeth of the pawl wheel 512, rotation in the reverse direction is suppressed. That is, since the reverse rotation of the mainspring 511 is restricted, the rotational force can be accumulated (accumulated) in the mainspring. When sufficient accumulation is performed, the mainspring 511 can release the force at once by removing the pawl 514 from the teeth of the pawl wheel 512 (release of the latch mechanism). The spring 511 may be considered as an energy form in which the vibration energy of the vibration harvesting mechanism is accumulated as rotational energy, and the rotational force of the released spring may be decelerated using the first transmission mechanism. If there are two rotation directions, a one-way rotation alignment mechanism may be combined with such a latch mechanism. Even in the case of a spring such as an S-shaped spring, there are two rotational directions, so this one-way rotational alignment mechanism can be used. In addition, since the torque can be made constant (flat torque) by using the S-shaped spring, the force for winding up the S-shaped spring and the force for releasing the S-shaped spring can be made almost constant, and the power generation capacity can be kept constant. There are advantages.
図16に示すラッチ機構は、ラチェット機構の一例であるが、他の手段を用いても良い。たとえば、ストッパを設けて逆回転を防止することもでき、そのストッパを外せば(ラッチ機構解除)逆回転させることもできる。尚、ラッチ機構は、本発明の蓄力機構にも使用できる。たとえば、蓄力機構で用いるゼンマイが、図16で示すゼンマイ(渦巻きバネ)511であると考えれば良い。 The latch mechanism shown in FIG. 16 is an example of a ratchet mechanism, but other means may be used. For example, it is possible to prevent reverse rotation by providing a stopper, and reverse rotation can be achieved by removing the stopper (latching mechanism release). The latch mechanism can also be used for the power storage mechanism of the present invention. For example, the spring used in the power storage mechanism may be considered to be the spring (spiral spring) 511 shown in FIG.
一方向回転整列機構112を通して振動収穫機構111の振動エネルギーを回転エネルギーに変換して、第1の変速機構113の輪列(歯車)により減速する。第1の変速機構113の減速によりトルク力を高めて蓄力機構114のゼンマイを巻き上げる。第1の変速機構113は複数の歯車からなる輪列機構で、蓄力機構114のゼンマイを効率良く巻き上げることができるように輪列機構の変速比を調節することができるようになっている。また、蓄力機構114のゼンマイのオーバーチャージを効果的に排除する機構を取り付けても良い。さらに、振動収穫機構111の力量の伝達や第1の変速機構の変速比等の調節やオーバーチャージ等をコントロールする制御機構(たとえば、センサー付きIC)を設けても良い。尚、振動収穫機構11の力量が不足している場合や緊急に発電する必要がある場合などには、自力でゼンマイを回転できるように手動の手巻き機構117を第1の変速機構113や蓄力機構114に備えても良い。この手動の手巻き機構117の方式も手動式腕時計などに使用されている従来方法を採用することができる。 The vibration energy of the vibration harvesting mechanism 111 is converted into rotational energy through the one-way rotational alignment mechanism 112 and is decelerated by the gear train (gear) of the first transmission mechanism 113. The torque of the power storage mechanism 114 is wound up by increasing the torque force by the deceleration of the first transmission mechanism 113. The first speed change mechanism 113 is a gear train mechanism composed of a plurality of gears, and the gear ratio of the gear train mechanism can be adjusted so that the spring of the power storage mechanism 114 can be efficiently wound up. Further, a mechanism for effectively eliminating the spring overcharge of the power storage mechanism 114 may be attached. Furthermore, a control mechanism (for example, an IC with a sensor) that controls transmission of the force of the vibration harvesting mechanism 111, adjustment of the gear ratio of the first transmission mechanism, overcharge, and the like may be provided. In addition, when the power of the vibration harvesting mechanism 11 is insufficient or when it is necessary to generate power urgently, the manual manual winding mechanism 117 is installed in the first transmission mechanism 113 or the accumulator so that the mainspring can be rotated by itself. The force mechanism 114 may be provided. The method of the manual manual winding mechanism 117 can also adopt a conventional method used in a manual wristwatch or the like.
蓄力機構114に用いるゼンマイは通常の単一材料(たとえば、高炭素鋼、ステンレス鋼、Co-Ni合金)からなるもので、腕時計や置き時計などに使用されている従来のゼンマイを使用することができる。また、このゼンマイは香箱に収納されても良い。蓄力機構114のゼンマイが充分に巻き上がった後に(完全蓄力状態で)、第2の変速機構115に接続して輪列(歯車)機構を用いて、ゼンマイの解放(巻き戻し)による回転運動を増速させ、発電機構116で発電する。発電機構116は、たとえば磁石とコイルを用いた電磁誘導発電であり、薄さが要求される場合はフラットタイプとすれば良い。発電機構116は充放電制御機構119により発電速度や発電量が制御されている。たとえば、発電機構116において発電された電気により負荷120で仕事をするが、充放電制御機構119はその負荷量に応じて放出する電気量をコントロ−ルできる。また、発電速度を制御するために充放電制御機構119からの信号を変速機制御機構118に送り、第2の変速機構の変速比を変更するなどして、複数の歯車から構成される第2の変速機構の輪列の回転速度を調整することができる。負荷120は末端の電子機器であり、たとえば携帯電話や時計等の携帯機器であるが、電流(電荷)むらを吸収したり、蓄電したりする電気二重層キャパシタや二次電池を備えても良い。充放電制御機構や変速機制御機構として充放電制御回路や変速機制御回路等を組み込んだLSIを搭載しても良い。 The mainspring used for the energy storage mechanism 114 is made of an ordinary single material (for example, high carbon steel, stainless steel, Co-Ni alloy), and a conventional mainspring used for a wristwatch or a table clock may be used. it can. The spring may be stored in a barrel. After the mainspring of the power storage mechanism 114 is sufficiently wound up (in a fully stored power state), it is connected to the second transmission mechanism 115 and rotated by releasing (rewinding) the mainspring using a gear train (gear) mechanism. The motion is increased, and the power generation mechanism 116 generates power. The power generation mechanism 116 is, for example, electromagnetic induction power generation using a magnet and a coil, and may be a flat type when thinness is required. In the power generation mechanism 116, the power generation speed and the power generation amount are controlled by the charge / discharge control mechanism 119. For example, although work is performed on the load 120 by the electricity generated by the power generation mechanism 116, the charge / discharge control mechanism 119 can control the amount of electricity released according to the load amount. In addition, in order to control the power generation speed, a signal from the charge / discharge control mechanism 119 is sent to the transmission control mechanism 118 to change the gear ratio of the second transmission mechanism, and so on. The rotation speed of the train wheel of the transmission mechanism can be adjusted. The load 120 is a terminal electronic device, for example, a portable device such as a mobile phone or a watch, and may include an electric double layer capacitor or a secondary battery that absorbs current (charge) unevenness or stores electricity. . An LSI incorporating a charge / discharge control circuit, a transmission control circuit, or the like may be mounted as the charge / discharge control mechanism or the transmission control mechanism.
次に、図1に示す本発明の振動エネルギー変換発電機構のシステム構成の具体的実施形態を説明する。本実施の形態に係る蓄力装置1は、例えば腕時計に搭載されており、蓄積した電気エネルギーを腕時計に内蔵された発振回路等の電源として用いるものである。 Next, a specific embodiment of the system configuration of the vibration energy conversion power generation mechanism of the present invention shown in FIG. 1 will be described. The power storage device 1 according to the present embodiment is mounted on, for example, a wristwatch, and uses the stored electrical energy as a power source for an oscillation circuit or the like built in the wristwatch.
蓄力装置1は、図2に示すように、ロータ3と、自在継手5と、エネルギー蓄積部7とを備えている。ロータ3は、振動を受けて中心軸Gの回りを回転するものであり、図4に示すように、正面視扇型形状を成し、フレーム(ロータ腕部)9の外周側部に錘11が固定されている。尚、図4においては、ロータを扇型形状としているが、半円形形状や逆扇型形状(円形から扇型形状を抜いた形状)等他の形状を有しても良い。 As shown in FIG. 2, the energy storage device 1 includes a rotor 3, a universal joint 5, and an energy storage unit 7. The rotor 3 receives the vibration and rotates around the central axis G. As shown in FIG. 4, the rotor 3 has a fan-like shape when viewed from the front, and has a weight 11 on the outer peripheral side portion of the frame (rotor arm portion) 9. Is fixed. In FIG. 4, the rotor has a fan shape, but may have other shapes such as a semicircular shape or a reverse fan shape (a shape obtained by removing a fan shape from a circle).
ロータ3のフレーム9にはロータ3の回転中心に正面視円形の孔部13が形成されており、孔部13に自在継手5が挿入されている。 The frame 9 of the rotor 3 is formed with a hole 13 having a circular shape when viewed from the front at the rotation center of the rotor 3, and the universal joint 5 is inserted into the hole 13.
自在継手5は、図6〜図8に示すように、球体15と、球体15の受部17と、球体15に固定したロータ側軸部19a、19bと、受部17に固定した出力軸21とを備えている。この自在継手5は、ツエッパ型ジョイント(Rzeppa joint)またはボール式等速ジョイントと呼ばれているものである。 As shown in FIGS. 6 to 8, the universal joint 5 includes a sphere 15, a receiving portion 17 of the sphere 15, rotor-side shaft portions 19 a and 19 b fixed to the sphere 15, and an output shaft 21 fixed to the receiving portion 17. And. This universal joint 5 is called a Rzeppa joint or a ball type constant velocity joint.
球体15は、ロータ3の静止状態における中心軸G(図2参照)に沿って複数のボール溝23が形成されており、ボール溝23には各々ボール25が配置されている。また、球体15には、ロータ3の静止状態における中心軸Gに直交する面内方向には、球体15からロータ側軸部19a、19bが突設されている。ロータ側軸部19a、19bは各軸線が球体の中心を通っている。これらのロータ側軸部19a、19bは、図8に示すように、ロータ3の孔部13の内周面に固定されている。 The spherical body 15 is formed with a plurality of ball grooves 23 along a central axis G (see FIG. 2) when the rotor 3 is stationary, and balls 25 are arranged in the ball grooves 23, respectively. Further, on the spherical body 15, rotor side shaft portions 19 a and 19 b project from the spherical body 15 in an in-plane direction orthogonal to the central axis G in the stationary state of the rotor 3. Each axis of the rotor side shaft portions 19a and 19b passes through the center of the sphere. These rotor side shaft portions 19a and 19b are fixed to the inner peripheral surface of the hole 13 of the rotor 3 as shown in FIG.
受部17は球体15の半分以上を囲み、内面が球面の一部を形成している。受部17の内面にはボール25を受けるボール溝27が球体15のボール溝25に対応した位置に設けてある。また、受部17には球体15から突設するロータ側軸19a、19bを通す軸溝29a、29bが形成されており、ロータ側軸19a、19bは対応する各軸溝19a、19b内を移動自在になっている。 The receiving portion 17 surrounds more than half of the sphere 15 and the inner surface forms a part of a spherical surface. A ball groove 27 for receiving the ball 25 is provided on the inner surface of the receiving portion 17 at a position corresponding to the ball groove 25 of the sphere 15. The receiving part 17 is formed with shaft grooves 29a and 29b through which the rotor side shafts 19a and 19b project from the spherical body 15, and the rotor side shafts 19a and 19b move in the corresponding shaft grooves 19a and 19b. It is free.
受部17に固定した出力軸21は、図2に示すロータ3の静止状態において、ロータ側軸19a、19bと直交した位置にある。尚、出力軸21は、その位置が固定されており回転のみが可能にしてある。 The output shaft 21 fixed to the receiving portion 17 is at a position orthogonal to the rotor side shafts 19a and 19b in the stationary state of the rotor 3 shown in FIG. The output shaft 21 is fixed in position and can only rotate.
図2に示すように、受部17に固定した出力軸21には、歯車列31を介してエネルギー蓄積部7に連結されている。エネルギー蓄積部7は、出力軸21に歯車列31を介して歯合し、回転する回転軸33と、ケース35と、ぜんまい36(図3参照)と、ケース35内に設けた回転用フレーム37と、回転用フレーム37に固定したマグネット39と、ケース35内でマグネットに対向配置したコイル41と、コイル41に接続された蓄電回路部43とを備えている。蓄電回路部43では、コイル41で生じた発電電流をキャパシタ45に蓄電する。そして、キャパシタ45に接続した負荷に蓄電した電流を供給するようになっている。 As shown in FIG. 2, the output shaft 21 fixed to the receiving portion 17 is connected to the energy storage portion 7 via a gear train 31. The energy storage unit 7 meshes with the output shaft 21 via a gear train 31, rotates a rotating shaft 33, a case 35, a mainspring 36 (see FIG. 3), and a rotating frame 37 provided in the case 35. And a magnet 39 fixed to the rotation frame 37, a coil 41 disposed opposite to the magnet in the case 35, and a storage circuit unit 43 connected to the coil 41. In the storage circuit unit 43, the generated current generated in the coil 41 is stored in the capacitor 45. The current stored in the load connected to the capacitor 45 is supplied.
図3に示すように、回転軸33には、ぜんまい36の内周側端36aが固定されており、ぜんまい36の外周側端36bは回転用フレーム37に固定されている。また、回転用フレーム37にはケース35に係止するストッパ43が設けてあり、ストッパ43は所定以上の力を受けるとケース35に対して引込んでケース35との圧接が外れるようになっている。 As shown in FIG. 3, the inner peripheral side end 36 a of the mainspring 36 is fixed to the rotating shaft 33, and the outer peripheral side end 36 b of the mainspring 36 is fixed to the rotation frame 37. Further, the rotation frame 37 is provided with a stopper 43 that is locked to the case 35. When the stopper 43 receives a predetermined force or more, the stopper 43 is pulled into the case 35 so that the pressure contact with the case 35 is released. .
尚、図3に示すぜんまい36は一方向へ巻き上げるものであるが、図21に示すようなS字状のS字ぜんまいを使用しても良い。図21(a)はS字ぜんまいが解放された状態を示し、図21(b)はS字ぜんまいが蓄力された状態を示す。S字ぜんまい101は解放時、図21(a)に示すように、ゆるんでおりS字形状を示す。またS字ぜんまい101は蓄力時、図21(b)に示すように、回転軸103(または回転軸105)の周りに巻き上げられた状態となる。図22は、S字ぜんまいおよび通常のぜんまいのトルクと解放時間との関係を示す図である。通常のぜんまいは、ぜんまいの蓄力量とともにトルクが増大する(曲線B)が、S字ぜんまいは蓄力開始まもなくトルクが増大しその後ほぼ一定値のトルクが働く(曲線A)。すなわち、S字ゼンマイを使用することによって、トルクを一定(フラットトルク)に保持できるので、蓄力量が最大となっても初期とほぼおなじトルクとなる。従来のぜんまいは蓄力量最大で最大のトルクを示すので、逆回転を防止するラッチ機構、前述のラチェットの切換え車ないし後述する微細毛構造において、最大のトルクに合わせた制動力を有するラッチ機構となる。そうすると、機構の寸法が大きくなり、すなわちラッチピッチが大きくなり例えば微小振動でのエネルギー収穫率が低下する。それに対して、このようにS字ぜんまいを用いると蓄力量が最大となっても初期とほぼおなじトルクとなるので、ラッチ機構が大きくなることはなく、微小振動でのエネルギー収穫率が向上する。また後述するように広範囲な振動スペクトルを収穫することも可能となる。 The mainspring 36 shown in FIG. 3 is wound in one direction, but an S-shaped mainspring as shown in FIG. 21 may be used. FIG. 21A shows a state where the S-shaped mainspring is released, and FIG. 21B shows a state where the S-shaped mainspring is accumulated. When the S-shaped mainspring 101 is released, the S-shaped mainspring 101 is loosened and has an S-shape as shown in FIG. In addition, the S-shaped mainspring 101 is wound around the rotating shaft 103 (or the rotating shaft 105) as shown in FIG. FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the torque and the release time of the S-shaped mainspring and the normal mainspring. In a normal mainspring, the torque increases with the amount of power stored in the mainspring (curve B), but in the S-shaped mainspring, the torque increases shortly after the start of power storage, and then a substantially constant value of torque works (curve A). That is, by using the S-shaped spring, the torque can be kept constant (flat torque), so that the torque is almost the same as the initial torque even if the amount of accumulated power is maximized. Since the conventional mainspring shows the maximum torque with the maximum amount of power storage, a latch mechanism that prevents reverse rotation, a latch mechanism that has a braking force that matches the maximum torque in the aforementioned ratchet switching wheel or a fine bristle structure that will be described later, Become. As a result, the dimensions of the mechanism increase, that is, the latch pitch increases and, for example, the energy harvesting rate due to minute vibrations decreases. On the other hand, when the S-shaped mainspring is used in this manner, even if the amount of accumulated power is maximized, the torque is almost the same as the initial value, so that the latch mechanism is not increased, and the energy harvesting rate by minute vibration is improved. In addition, as described later, it is possible to harvest a wide range of vibration spectra.
次に、本実施の形態にかかる蓄力装置1の作用及び効果について説明する。携帯により受けた振動が、ロータ3に作用してロータ3を回転させる。
この場合、図5に示すように、ロータ3にはロータ3の面内方向(X−Z方向)成分の力と、X−Z面に直交するY方向成分の力とが作用する。換言すれば、ほとんどの振動はX−Z成分と、Y成分の方向の力を持つ。したがって、ロータは図5に示すようにX−Z方向の成分の力によりその中心軸周りを回転する。(ロータ3が静止しているときにおいて、Z方向はロータ3の面内方向で上下方向(鉛直方向)であり、X方向はロータ3の面内方向で水平方向でZ方向に垂直方向であり、Y方向はロータ3面に垂直方向でX方向およびZ方向に垂直方向である)
Next, the effect | action and effect of the energy storage apparatus 1 concerning this Embodiment are demonstrated. The vibration received by the mobile phone acts on the rotor 3 to rotate the rotor 3.
In this case, as shown in FIG. 5, a force in the in-plane direction (XZ direction) component of the rotor 3 and a force in the Y direction component orthogonal to the XZ plane act on the rotor 3. In other words, most vibrations have forces in the direction of the XZ component and the Y component. Therefore, as shown in FIG. 5, the rotor rotates around its central axis by the component force in the XZ direction. (When the rotor 3 is stationary, the Z direction is the vertical direction (vertical direction) in the in-plane direction of the rotor 3, and the X direction is the horizontal direction in the in-plane direction of the rotor 3 and perpendicular to the Z direction. The Y direction is perpendicular to the rotor 3 surface and perpendicular to the X and Z directions)
ロータ3は自在継手5を介して出力軸21に連結されているから、Y方向の成分の力を受けると、ロータ3はY方向に振れつつ回転する。この場合、Y方向の力は、ロータ3を振れさせて、逃しているので、Y方向の力がロータ3の回転を阻害するのを防止できる。従来のロータの構造では、自在継手構造の部分はベアリング構造だけであるから、Y方向の力成分がベアリングをY方向に押しつけるために、X−Z方向におけるロータの回転を抑制する。しかし、本発明の自在継手5によって、この抑制は大幅に軽減される。 Since the rotor 3 is connected to the output shaft 21 via the universal joint 5, when the force of the component in the Y direction is received, the rotor 3 rotates while swinging in the Y direction. In this case, since the force in the Y direction causes the rotor 3 to shake and escape, the force in the Y direction can be prevented from inhibiting the rotation of the rotor 3. In the conventional rotor structure, since the universal joint structure is only the bearing structure, the force component in the Y direction presses the bearing in the Y direction, so that the rotation of the rotor in the XZ direction is suppressed. However, this suppression is greatly reduced by the universal joint 5 of the present invention.
また、ロータ3の振れが戻るときには自在継手5が回転しているからロータ3が戻るときの力の一部をX−Z成分の力として取り出すことができる。すなわち、Y方向の力成分がX−Z方向の成分の力に変換されて、X−Z方向のロータの回転を加速し、ロータ3の回転面(X−Z方向)に限らず、Y方向の振動成分の一部を出力軸21の回転力として取り出すことができ、蓄力効率を高めることができる。 Further, when the swing of the rotor 3 returns, the universal joint 5 rotates, so that a part of the force when the rotor 3 returns can be extracted as the force of the XZ component. In other words, the force component in the Y direction is converted into the force of the component in the XZ direction to accelerate the rotation of the rotor in the XZ direction, and not only the rotation surface (XZ direction) of the rotor 3 but also the Y direction. A part of the vibration component can be taken out as the rotational force of the output shaft 21, and the energy storage efficiency can be improved.
本実施の形態では、自在継手5はロータ3の中心軸に形成した孔部13内に挿入して取付けてあるから、自在継手5がロータ3から突設する寸法を小さくでき、装置の小型化を図ることができる。 In the present embodiment, since the universal joint 5 is inserted and attached in the hole 13 formed in the central axis of the rotor 3, the size of the universal joint 5 protruding from the rotor 3 can be reduced, and the apparatus can be downsized. Can be achieved.
また、自在継手5は、球体15の中心を通る一方側及び他方ロータ側軸19a、19bをロータ3の中心軸の孔部13に取付けてあるから、図8に示すように、ロータ側軸19a、19bはロータ3内に収めることができ、ロータ側軸19a、19gがロータ3から突設しないので、この点においても装置の小型化を図ることができる。 Since the universal joint 5 has one side and the other rotor side shafts 19a and 19b passing through the center of the sphere 15 attached to the hole 13 of the central shaft of the rotor 3, as shown in FIG. , 19b can be accommodated in the rotor 3, and the rotor side shafts 19a, 19g do not protrude from the rotor 3, so that also in this respect, the apparatus can be miniaturized.
自在継ぎ手5はY方向に比較的自由に回転するので、上記のロータ3はY方向に自由に回転する。このロータ3が他の機器に衝突して破損する恐れもあるので、ロータ3のY方向の動きを抑制することが望ましい。また、Y方向の力成分の一部をX−Z成分の力として取りだすことができるが、Y方向の自由な回転はエネルギー的にロスが大きい。そこで、図9(a)に示すようにロータ3の錘部51の端部の両外側にガイド53を設ける。ガイド53には回転自在なベアリング55が備わっている。紙面に垂直方向はX方向、上下方向がZ方向であり、ロータ3はX−Z面で回転し、エネルギーを蓄積する。本発明のロータは上述したようにY方向にも移動(回転)可能であるが、移動が大きすぎると破損やエネルギーロスが発生するので、ガイド53によってロータ3のY方向移動(回転)が抑制される。 Since the universal joint 5 rotates relatively freely in the Y direction, the rotor 3 rotates freely in the Y direction. Since the rotor 3 may collide with other equipment and be damaged, it is desirable to suppress the movement of the rotor 3 in the Y direction. Further, a part of the force component in the Y direction can be taken out as the force of the XZ component, but free rotation in the Y direction has a large energy loss. Therefore, as shown in FIG. 9A, guides 53 are provided on both outer sides of the end portion of the weight portion 51 of the rotor 3. The guide 53 is provided with a rotatable bearing 55. The direction perpendicular to the paper surface is the X direction, and the vertical direction is the Z direction, and the rotor 3 rotates in the XZ plane and accumulates energy. As described above, the rotor of the present invention can also move (rotate) in the Y direction. However, if the movement is too large, damage or energy loss occurs, so the guide 53 suppresses the movement (rotation) of the rotor 3 in the Y direction. Is done.
図9(b)および図9(c)は図9(a)に示すY方向移動(回転)制限機構を説明する図で、上方から見た図でロータ3の錘51がY方向移動(回転)制限機構53に当たる部分で見ている。すなわち、X−Y面の図であり、紙面に垂直方向がZ方向である。ロータ3の錘51がY方向のみにPの力でベアリング55に当たった場合、Y方向のみの力であるからベアリング55は動かない。このときはロータ3の錘51へ及ぼす摩擦が大きい。図9(c)に示すように、Y方向だけではなく他の方向の力も加わった力Sでベアリング55に当たると、ベアリング55はR方向へ回転する。この回転によってロータ3の錘51はT方向(X方向を向いている)へ動く。これはロータ3の錘51がX−Z平面でロータ3が回転することを意味するので、ロータ3のX−Z平面における回転を加速させて、エネルギー蓄積に寄与することになる。通常Y方向だけの力は極めてまれであり、殆どが図9(c)に示すようなY方向よりも傾いた斜め方向の力Sであるから、本発明のガイド機構53を備えることによって、さらにエネルギー蓄積を増大させることができる。 FIGS. 9B and 9C are diagrams for explaining the Y-direction movement (rotation) limiting mechanism shown in FIG. 9A, and the weight 51 of the rotor 3 moves in the Y-direction (rotation) as viewed from above. ) Looking at the portion that hits the limiting mechanism 53. That is, it is a view of the XY plane, and the direction perpendicular to the paper surface is the Z direction. When the weight 51 of the rotor 3 hits the bearing 55 with a force of P only in the Y direction, the bearing 55 does not move because the force is only in the Y direction. At this time, the friction exerted on the weight 51 of the rotor 3 is large. As shown in FIG. 9C, when the bearing 55 hits the bearing 55 with a force S not only in the Y direction but also in other directions, the bearing 55 rotates in the R direction. With this rotation, the weight 51 of the rotor 3 moves in the T direction (facing the X direction). This means that the rotor 3 rotates in the XZ plane with the weight 51 of the rotor 3, so that the rotation of the rotor 3 in the XZ plane is accelerated and contributes to energy storage. Normally, the force only in the Y direction is extremely rare, and most of them are the force S in the oblique direction tilted with respect to the Y direction as shown in FIG. 9C. Therefore, by providing the guide mechanism 53 of the present invention, Energy storage can be increased.
図10はロータのY方向移動(回転)を抑制するY方向移動(回転)制限機構の別の実施形態を示す図である。図9では、ロータ3の錘51の両外側に設けたガイドであったが、図10はロータ3の錘51がガイドの両側に配置されたY方向移動(回転)制限機構である。図10(a)に示すように、自在継手5にロータ3はX−Z平面で回転自在に取り付けられている。また、ロータ3は自在継手5を介して出力軸21に連結されており、Y方向の力を受けると、ロータ3はY方向にも振れながら回転する。ロータ3の外周には錘51が備わりロータ3と一体に動作する。この錘51の外端はU字形に外側から巻いた形状をしており。そのU字形の内側にガイド57が入り込んでいる。このU字形錘部の断面形状を図10(b)に示す。錘部51の外端は、両側の平行な板状体51aおよび51b、底部板状体51cでU字形状を形成する。ロータ3がX−Z面で鉛直方向(Z方向)に静止しているとき、ガイド57は、錘部51の平行な板状体51aおよび51bの間に、これらの板状体から離間して略中間位置になるように、またU字形の底部51bからも離間して配置されている。ガイド57の先端部にはベアリング59が回転自在に取り付けられている。 FIG. 10 is a diagram showing another embodiment of a Y-direction movement (rotation) limiting mechanism that suppresses the Y-direction movement (rotation) of the rotor. In FIG. 9, the guides are provided on both outer sides of the weight 51 of the rotor 3, but FIG. 10 illustrates a Y-direction movement (rotation) limiting mechanism in which the weights 51 of the rotor 3 are arranged on both sides of the guide. As shown in FIG. 10A, the rotor 3 is attached to the universal joint 5 so as to be rotatable in the XZ plane. Further, the rotor 3 is connected to the output shaft 21 via the universal joint 5, and when receiving a force in the Y direction, the rotor 3 rotates while swinging in the Y direction. A weight 51 is provided on the outer periphery of the rotor 3 and operates integrally with the rotor 3. The outer end of the weight 51 is U-shaped and wound from the outside. A guide 57 is inserted inside the U-shape. The cross-sectional shape of this U-shaped weight portion is shown in FIG. The outer end of the weight portion 51 forms a U-shape with parallel plate-like bodies 51a and 51b and a bottom plate-like body 51c on both sides. When the rotor 3 is stationary in the vertical direction (Z direction) on the XZ plane, the guide 57 is separated from these plate-like bodies between the parallel plate-like bodies 51 a and 51 b of the weight portion 51. It is arranged so as to be in a substantially intermediate position and also away from the U-shaped bottom 51b. A bearing 59 is rotatably attached to the tip of the guide 57.
ロータ3がX−Z面だけで回転するとき、すなわちY方向の力が働かないときは、ガイド57およびベアリング59には接触しないで、図10(b)に示すようなガイド57とU字形錘部の状態を保持しながら、回転する。図10(a)に示されているように、ロータ3の錘51の先端部は扇形状になっており、ガイド57はその内側に入って中空状の円板形状となっており、固定されている。ガイド57の円板の両平面板にベアリング59が取り付けられている。ロータ3がY方向の力を受けるとロータ3および錘部51はY方向に移動(回転)するので、U字形状の錘部51の先端部51aまたは51bはベアリング59に接触し、ベアリング59をY方向に押すが、ガイド57は固定されているので、ロータ3および錘部51のY方向への移動(回転)が制限される。また、ベアリング59は回転自在なので、図9(c)において説明したように、Y方向から少しでも傾斜した力によってロータ3および錘部51はX−Z平面で回転する。図9および図10に示すような簡単なY方向移動(回転)制限機構によって、Y方向への移動(回転)を制限でき、内部に配置される機器や部品の破損等を防止できるとともに、Y方向の力をX−Z平面におけるロータの回転力へ変換して利用できる。 When the rotor 3 rotates only in the XZ plane, that is, when no force in the Y direction is applied, the guide 57 and the U-shaped weight as shown in FIG. It rotates while maintaining the state of the part. As shown in FIG. 10A, the tip of the weight 51 of the rotor 3 has a fan shape, and the guide 57 enters the inside thereof to have a hollow disk shape and is fixed. ing. Bearings 59 are attached to both flat plates of the circular plate of the guide 57. When the rotor 3 receives a force in the Y direction, the rotor 3 and the weight portion 51 move (rotate) in the Y direction, so that the tip portion 51a or 51b of the U-shaped weight portion 51 contacts the bearing 59, and the bearing 59 Although pushed in the Y direction, since the guide 57 is fixed, movement (rotation) of the rotor 3 and the weight portion 51 in the Y direction is restricted. Since the bearing 59 is rotatable, the rotor 3 and the weight 51 are rotated in the XZ plane by a force slightly inclined from the Y direction as described in FIG. 9C. A simple Y-direction movement (rotation) restriction mechanism as shown in FIGS. 9 and 10 can restrict movement (rotation) in the Y-direction, prevent damage to equipment and components arranged inside, and the like. The directional force can be converted into the rotational force of the rotor in the XZ plane.
モーションロガーをカバン内に入れて歩行時の加速度周波数スペクトルの時間変化を測定によって、Z軸方向(人体の立ち位置方向)のモーションが加速度・周波数成分とともに大きいことが分かった。従って、Z軸方向の動作によるエネルギーを有効に収穫(エネルギーハーベスト)する必要がある。従来のロータはY方向への力が働くと(X−Z平面における)ロータ芯(回転軸)に配置されるベアリングを回転軸方向に押すため、ロータの回転を抑制してしまうが、さらにZ方向(上下方向)の動きに関してもロータは振り子構造であるため、ロータの重心に対して平衡状態の時にZ方向の純粋な力が加わっても動かない。しかし、本発明の自在継手を有するロータはX方向にもY方向にも動くので一旦X方向またはY方向へ動き始めると、重心がオフセットするので、Z軸方向の力もロータの回転に寄与できる。従って、Z軸方向の動作によるエネルギーも効率良く活用できる。 It was found that the motion in the Z-axis direction (the standing position direction of the human body) was large along with the acceleration and frequency components by measuring the time change of the acceleration frequency spectrum during walking with a motion logger placed in the bag. Therefore, it is necessary to harvest energy (energy harvest) effectively by the movement in the Z-axis direction. When the force in the Y direction acts on the conventional rotor (in the XZ plane), the bearing disposed on the rotor core (rotating shaft) is pushed in the rotating shaft direction, and thus the rotation of the rotor is suppressed. The rotor also has a pendulum structure with respect to the movement in the direction (vertical direction), and therefore does not move even if a pure force in the Z direction is applied in an equilibrium state with respect to the center of gravity of the rotor. However, since the rotor having the universal joint of the present invention moves in both the X direction and the Y direction, the center of gravity is offset once the movement starts in the X direction or the Y direction, so that the force in the Z axis direction can also contribute to the rotation of the rotor. Therefore, the energy due to the operation in the Z-axis direction can be used efficiently.
また、従来のロータの場合、力(加速度等による)のY方向成分によってロータ芯(回転軸または出力軸)を押しつける力が作用してロータの回転が抑制される。そこで、図11に示すような可倒式のロータ61を採用すると、従来のロータでもロータ芯(回転軸)に及ぼすY方向への力を大きく低減できる。図11は、本発明の可倒構造を有するロータ61を示す図である。ロータ芯(回転軸)63にロータ芯枠65が一体となっている。また、ロータ芯枠65はロータ腕部(フレーム部)67につながり、ロータ腕部67の外周は回転錘69となり、回転エネルギーが大きくなるように他の部分のロータに比べ重くなっている。 In the case of a conventional rotor, a force that presses the rotor core (rotation shaft or output shaft) is applied by the Y-direction component of the force (according to acceleration or the like) to suppress the rotation of the rotor. Therefore, when a retractable rotor 61 as shown in FIG. 11 is employed, the force in the Y direction exerted on the rotor core (rotating shaft) can be greatly reduced even with a conventional rotor. FIG. 11 is a diagram showing a rotor 61 having a collapsible structure according to the present invention. A rotor core frame 65 is integrated with the rotor core (rotating shaft) 63. Further, the rotor core frame 65 is connected to a rotor arm portion (frame portion) 67, and the outer periphery of the rotor arm portion 67 becomes a rotating weight 69, which is heavier than the other portions of the rotor so as to increase the rotational energy.
ロータ芯枠65とロータ腕部67は可倒構造71で接続している。図11(b)はこの可倒構造71を拡大して示している。すなわち、ロータ芯枠65およびロータ腕部67は蝶番構造73になっており、Y方向(図11(a)および図11(b)では紙面に垂直方向で、図11(c)では図に示すように紙面の左右方向)に回転できるようになっている。しかし、X方向(図11(a)および図11(b)では図に示すように紙面の左右方向で、図11(c)では紙面に垂直方向)やZ方向(図11(a)、図11(b)および図11(c)において、図に示すように紙面の上下方向)には動かない。図11に示す可倒構造71を有するロータ61はX−Z平面の動き(ロータ芯およびロータ軸受75の周りの回転運動)においては、ロータ芯枠65、ロータ腕部67および錘部69は一体物として機能する。従ってロータ61全体が一体に動作する。 The rotor core frame 65 and the rotor arm portion 67 are connected by a tiltable structure 71. FIG. 11B shows the collapsible structure 71 in an enlarged manner. That is, the rotor core frame 65 and the rotor arm portion 67 have a hinge structure 73, which is shown in the Y direction (in FIG. 11 (a) and FIG. 11 (b), the direction perpendicular to the paper surface, and in FIG. 11 (c)). As shown in FIG. However, in the X direction (FIG. 11 (a) and FIG. 11 (b), the left and right direction of the paper surface as shown in the figure, and in FIG. 11 (c), the direction perpendicular to the paper surface) and the Z direction (FIG. In FIG. 11 (b) and FIG. 11 (c), it does not move in the vertical direction of the paper surface as shown. The rotor 61 having the retractable structure 71 shown in FIG. 11 is integrated with the rotor core frame 65, the rotor arm portion 67, and the weight portion 69 in the XZ plane motion (rotational motion around the rotor core and the rotor bearing 75). It functions as a thing. Therefore, the entire rotor 61 operates integrally.
一方、Y方向の加速度αに対して、ロータ61全体に加速度αが作用するが、ロータ61の質量の大半はロータ腕部67およびロータ回転錘69が占めているので、加速度αにより一体となったロータ腕部67およびロータ回転錘69が可倒部71を中心として移動(回転)する。可倒部71の蝶番構造73はY方向に対しては回転自在(回転面はY−Z平面)なので、このロータ腕部67およびロータ回転錘69の回転はロータ芯枠65の動作には殆ど影響しない。また、加速度αは一体となったロータ芯枠65およびロータ芯63にも作用するが、ロータ芯枠65およびロータ芯63の質量は小さいので、ロータ芯枠65およびロータ芯63のY方向への力の作用は小さい。従って、Y方向の加速度αが作用しても、ロータ芯63がロータ軸受75を押す力は小さいので、ロータ軸受75に配置されるベアリングを押す力も小さく、ロータ芯63のX方向の移動(X−Z面での回転)に対する影響は少ない。 On the other hand, the acceleration α acts on the entire rotor 61 with respect to the acceleration α in the Y direction. However, since most of the mass of the rotor 61 is occupied by the rotor arm portion 67 and the rotor rotating weight 69, they are integrated by the acceleration α. The rotor arm portion 67 and the rotor rotating weight 69 move (rotate) around the tiltable portion 71. Since the hinge structure 73 of the retractable portion 71 is rotatable in the Y direction (the rotation surface is a YZ plane), the rotation of the rotor arm portion 67 and the rotor rotating weight 69 is almost free from the operation of the rotor core frame 65. It does not affect. The acceleration α also acts on the rotor core frame 65 and the rotor core 63 that are integrated, but the mass of the rotor core frame 65 and the rotor core 63 is small, so that the rotor core frame 65 and the rotor core 63 move in the Y direction. The action of force is small. Therefore, even if the acceleration α in the Y direction acts, the force with which the rotor core 63 pushes the rotor bearing 75 is small, so the force with which the bearing disposed on the rotor bearing 75 is pushed is also small, and the movement of the rotor core 63 in the X direction (X -Rotation on the Z plane) is small.
図12は、振り子構造の周波数特性を示すグラフである。図12(a)は可倒構造のない従来の振り子(全体が一体のロータ)の周波数特性であり、重心距離を9.46mmとしたときの周波数特性と加速度との関係曲線である。可倒式でない回転錘(ロータ)の場合、周波数特性は加速度による依存性が小さい。図12(b)は可倒構造を有する本発明の振り子の周波数特性であり、加速度を1Gに一定としたときの周波数と重心距離との関係曲線である。可倒式回転錘(ロータ)の場合、周波数依存性が高く広い帯域のエネルギー収穫が可能であることが分かる。 FIG. 12 is a graph showing frequency characteristics of the pendulum structure. FIG. 12A is a frequency characteristic of a conventional pendulum (a whole rotor integrated) without a retractable structure, and is a relationship curve between the frequency characteristic and acceleration when the center-of-gravity distance is 9.46 mm. In the case of a rotating weight (rotor) that is not retractable, the frequency characteristic is less dependent on acceleration. FIG. 12B is a frequency characteristic of the pendulum of the present invention having a collapsible structure, and is a relationship curve between the frequency and the center-of-gravity distance when the acceleration is constant at 1G. In the case of a tiltable rotary weight (rotor), it can be seen that the frequency dependence is high and energy harvesting in a wide band is possible.
可倒構造とすることによって、Y方向の加速度(力)が作用したときに振り子(ロータ)の重心位置の変動が発生する。振り子の振動周期Tは、T=2π(l/g)1/2で表される。従って、重心位置が変化することによって、ロータ(回転錘)の共振周期が変わり、エネルギーハーベスト(収穫)帯域幅が向上する。以上説明したように、回転錘(ロータ)内部を可倒構造とすることによって、Y方向の過渡的な摩擦力を軽減することができる。 By adopting a tiltable structure, the position of the center of gravity of the pendulum (rotor) varies when acceleration (force) in the Y direction is applied. The pendulum vibration period T is represented by T = 2π (l / g) 1/2. Therefore, when the position of the center of gravity changes, the resonance period of the rotor (rotating weight) changes, and the energy harvest (harvest) bandwidth improves. As described above, a transitional frictional force in the Y direction can be reduced by making the inside of the rotary weight (rotor) a tiltable structure.
図13は、振り子(ロータ)構造の違いによるエネルギー発生量を比較する図であり、水平方向の蓄力と上下運動の蓄力との関係を示している。縦軸に上下運動蓄力時動作時間(分)、横軸に水平方向蓄力時動作時間(分)を示す。図13において、菱形印が可倒式回転錘を(腕に)装着した場合、正方形印が従来の可倒構造のない回転錘(未加工回転錘)を(腕に)装着した場合における測定結果である。可倒式回転錘を装着した場合は未加工回転錘を装着した場合と比較して、上下運動時は平均+130%、水平運動時は平均+77%エネルギー収穫能力が優れていることが分かる。さらに水平方向より上下方向(Z軸方向)における効果がより大きいことも分かり、Y方向の力を利用する本発明の可倒式回転錘は3次元の動作に関して効率を向上させることも分かる。 FIG. 13 is a diagram comparing energy generation amounts due to differences in pendulum (rotor) structures, and shows the relationship between the horizontal accumulation force and the accumulation force of the vertical motion. The vertical axis represents the operating time (minutes) during vertical motion accumulation, and the horizontal axis represents the operation time (minutes) during horizontal accumulation. In FIG. 13, when the rhombus mark is attached with a tiltable rotary weight (on the arm), the square mark is the measurement result when the conventional rotary weight without an inclinable structure (unprocessed rotary weight) is attached (on the arm). It is. It can be seen that when the retractable rotary weight is attached, the energy harvesting ability is excellent on average + 130% in the vertical movement and on average + 77% in the horizontal movement, compared with the case where the raw rotary weight is attached. It can also be seen that the effect in the vertical direction (Z-axis direction) is greater than that in the horizontal direction, and that the tiltable rotary weight of the present invention using the force in the Y direction improves the efficiency with respect to the three-dimensional operation.
図17は、一定角度を持って基板に配置された微細毛を用いた回転ラッチ機構を示す模式図である。図17(a)に示すように、基板321に微細毛322を、一定角度αをつけて成長あるいは植毛させる。たとえば、図17(b)に示すように、基板321上に微細毛322のシーズ膜323を形成した後絶縁膜324を積層する。この絶縁膜324に一定角度αを有する溝(斜溝)325を微細毛322のシーズ膜323に達するまで形成した後、微細毛322の膜を溝325内にシーズ膜323から選択成長させることによって、基板面に対して一定角度αを有する微細毛322を形成できる。この選択成長法としてたとえば、CVD(化学気相成長)法、蒸着法、メッキ法等がある。微細毛322の材料は、たとえば有機系材料、導電体材料、ガラス繊維などがある。図17(c)に示すように、このような一定角度を持って配置(配向)された微細毛を回転円板体326および327の側面に形成し、これらの円板体326および327の側面を合わせて回転伝達系を作ることができる。 FIG. 17 is a schematic diagram showing a rotation latch mechanism using fine hairs arranged on a substrate at a certain angle. As shown in FIG. 17 (a), fine hairs 322 are grown or implanted on the substrate 321 at a fixed angle α. For example, as shown in FIG. 17B, a sheath film 323 of fine hair 322 is formed on a substrate 321 and then an insulating film 324 is laminated. A groove (slanted groove) 325 having a certain angle α is formed in the insulating film 324 until reaching the sheath film 323 of the fine hair 322, and then a film of the fine hair 322 is selectively grown from the sheath film 323 in the groove 325. Fine hairs 322 having a certain angle α with respect to the substrate surface can be formed. Examples of the selective growth method include a CVD (chemical vapor deposition) method, a vapor deposition method, and a plating method. Examples of the material of the fine hair 322 include an organic material, a conductor material, and glass fiber. As shown in FIG. 17C, fine hairs arranged (orientated) with such a fixed angle are formed on the side surfaces of the rotating disk bodies 326 and 327, and the side surfaces of these disk bodies 326 and 327 are formed. Rotation transmission system can be made by combining
回転円板体326の側面(回転面)に形成された微細毛331の配向方向に合わせて、配向された微細毛332を有する回転円板体327の側面(回転面)を配置する。(微細毛は回転円板体の側面(回転面)における接面に対して一定角度で傾いて植毛または成長している。)円板体326の側面に配置された微細毛331の配向方向はR3と逆方向で、円板体327の側面に配置された微細毛332の配向方向はR4と逆方向とする。円板体326が回転軸328の周りにR3と逆方向に回転すると、微細毛331と微細毛332は噛み合わないので、円板体326は空回りして円板体327は回転しない。円板体326が回転軸328の周りにR3方向に回転すると、微細毛331と微細毛332は噛み合うので、円板体327はR4の方向に回転する。このときは、円板体326や327は歯車と同じ働きをして互いの回転を伝達することができる。 The side surface (rotating surface) of the rotating disk body 327 having the aligned fine hairs 332 is arranged in accordance with the orientation direction of the fine hairs 331 formed on the side surface (rotating surface) of the rotating disk body 326. (The fine hairs are planted or grown at a fixed angle with respect to the contact surface on the side surface (rotation surface) of the rotating disk body.) The orientation direction of the fine hairs 331 arranged on the side surface of the disk body 326 is The orientation direction of the fine hair 332 arranged on the side surface of the disc body 327 in the reverse direction to R3 is the reverse direction to R4. When the disk body 326 rotates around the rotation axis 328 in the direction opposite to R3, the fine hairs 331 and the fine hairs 332 do not mesh with each other, so that the disk body 326 runs idle and the disk body 327 does not rotate. When the disk body 326 rotates around the rotation axis 328 in the R3 direction, the fine hairs 331 and the fine hairs 332 mesh with each other, so that the disk body 327 rotates in the R4 direction. At this time, the disk bodies 326 and 327 can transmit the mutual rotation by performing the same function as the gear.
図18は、一定角度を持って配置(配向)された微細毛を用いて逆回転を規制したラッチ機構付き回転体の別の実施形態を示す図である。この実施形態はボルト状回転体とナット状回転体を構成するラッチ機構付き回転体である。ボルト状回転体346は軸348の中心Mの周りに回転できる。ボルト状回転体346の円柱軸347の側面には、多数の微細毛351が一定角度を有して配置されている。また、このボルト状回転体346を受けるナット状回転体349の円筒状内側面350にも多数の微細毛352が一定角度を有して配置されている。このナット状(円筒状)回転体349はその中心Nの周りに回転できる。 FIG. 18 is a diagram showing another embodiment of a rotating body with a latch mechanism in which reverse rotation is regulated using fine hair arranged (orientated) at a certain angle. This embodiment is a rotating body with a latch mechanism that constitutes a bolt-shaped rotating body and a nut-shaped rotating body. The bolt-shaped rotating body 346 can rotate around the center M of the shaft 348. A large number of fine hairs 351 are arranged at a certain angle on the side surface of the cylindrical shaft 347 of the bolt-shaped rotating body 346. In addition, a large number of fine hairs 352 are arranged at a certain angle on the cylindrical inner side surface 350 of the nut-shaped rotating body 349 that receives the bolt-shaped rotating body 346. The nut-shaped (cylindrical) rotating body 349 can rotate around its center N.
図18(b)は、この微細毛を用いたボルト・ナット状ラッチ機構付き回転体の側面断面図を示す図である。図18(b)に示すようにボルト状回転体346の円柱軸347はナット状回転体349の内側にはまる。このとき、微細毛351および352は互いに同じ向きに揃うように略対称形で、微細毛351および352は、円柱軸347および円筒状内側面350の円周方向に傾斜して配置されて、組み合わさっている。(図18(b)は回転体347および349の側面断面図であるから、微細毛351および352は回転体側面に垂直方向に揃って噛み合っているが、実際には円周方向に傾斜しながら噛み合っている。)微細毛351および352が同じ向きを向いている方向と逆方向に回転させる場合、すなわちボルト状回転体346をR5の向きに回転させる場合、微細毛351と微細毛352が噛み合って摩擦力が大きくなるため、ナット状回転体349がR6の向きに回転する。逆に微細毛351および352が同じ向きを向いている方向に回転させる場合、すなわちボルト状回転体346をR5と逆向きに回転させる場合、微細毛351と微細毛352の噛み合いは全くなくなり摩擦力が殆どなくなるため、ボルト状回転体346は空回りしてナット状回転体349は回転しない。 FIG. 18B is a side sectional view of a rotating body with a bolt / nut-like latch mechanism using the fine hairs. As shown in FIG. 18B, the cylindrical shaft 347 of the bolt-shaped rotating body 346 fits inside the nut-shaped rotating body 349. At this time, the fine bristles 351 and 352 are substantially symmetrical so as to be aligned in the same direction, and the fine bristles 351 and 352 are arranged so as to be inclined in the circumferential direction of the cylindrical shaft 347 and the cylindrical inner surface 350. ing. (FIG. 18B is a side cross-sectional view of the rotating bodies 347 and 349, so that the fine hairs 351 and 352 mesh with the side surfaces of the rotating body in the vertical direction. When the fine hairs 351 and 352 are rotated in the direction opposite to the same direction, that is, when the bolt-shaped rotating body 346 is rotated in the direction of R5, the fine hairs 351 and the fine hairs 352 are engaged with each other. Therefore, the nut-like rotating body 349 rotates in the direction of R6. On the contrary, when the fine bristles 351 and 352 are rotated in the direction facing the same direction, that is, when the bolt-shaped rotating body 346 is rotated in the opposite direction to R5, the fine bristles 351 and the fine bristles 352 are completely disengaged and have frictional force. Therefore, the bolt-shaped rotating body 346 is idle and the nut-shaped rotating body 349 does not rotate.
このようにして微細毛を用いて、逆回転を規制した(逆回転に対して他方が回転しない)ラッチ機構付き回転体を作製できる。この微細毛を用いたラッチ機構付き回転体は微細毛のピッチを細かくできるので、微細な回転体も形成でき、本発明の振動発電機構を小型化することが可能となる。また、微細毛を用いたラッチ機構付き回転体は接触形態が面接触なので、強度が大きく耐久性に優れている。微細毛の各々が数十μmとしても、ラッチはランダムに行なわれるので、数μm程度の分解能ラッチすることが可能となり、微細化の点でも利点がある。さらに、ラッチ機構付き回転体を2つ組み合わせることによって、どちらの方向の回転に関しても一方向の回転に変換できるので、切換え車として使用することもできる。このラッチ機構は、第1の変速機構、第2の変速機構に適用することができる。 In this way, it is possible to produce a rotating body with a latch mechanism in which reverse rotation is restricted (the other does not rotate with respect to reverse rotation) using fine hairs. Since the rotating body with a latch mechanism using fine hair can make the pitch of the fine hair fine, a fine rotating body can also be formed, and the vibration power generation mechanism of the present invention can be miniaturized. Further, the rotating body with a latch mechanism using fine bristles has a high strength and excellent durability because the contact form is surface contact. Even if each of the fine hairs is several tens of μm, since the latching is performed at random, a resolution of about several μm can be latched, which is advantageous in terms of miniaturization. Furthermore, by combining two rotating bodies with a latch mechanism, rotation in either direction can be converted into rotation in one direction, so that it can also be used as a switching vehicle. This latch mechanism can be applied to the first transmission mechanism and the second transmission mechanism.
図12に示す本発明の可倒式回転錘(ロータ)を本発明の(Y方向)自在継手と組み合わせることによって、Y方向の力またはY方向の力成分を利用してさらに効率の良いエネルギー収穫機構(エネルギーハーベスト)を構築することができる。また、図9および図10に示すようなY方向の過度な移動(回転)を制限したY方向移動(回転)制限機構と組み合わせることによって、Y方向の過度な移動(回転)によるロータや他のシステムの破損を防止することが可能となる。図14は、可倒式回転錘(ロータ)および(Y方向)自在継手並びにY方向移動(回転)制限機構を合わせ持つシステムを示す図である。図14に示すロータは自在継手5に取り付けられておりY方向の力に対してもロータがX−Z方向に力のロスがなく回転できるようになっている。 By combining the retractable rotary weight (rotor) of the present invention shown in FIG. 12 with the (Y-direction) universal joint of the present invention, more efficient energy harvesting using the Y-direction force or the Y-direction force component. A mechanism (energy harvest) can be established. Further, by combining with a Y-direction movement (rotation) limiting mechanism that restricts excessive movement (rotation) in the Y direction as shown in FIG. 9 and FIG. It becomes possible to prevent damage to the system. FIG. 14 is a diagram showing a system having both a retractable rotary weight (rotor), a (Y direction) universal joint, and a Y direction movement (rotation) limiting mechanism. The rotor shown in FIG. 14 is attached to the universal joint 5 so that the rotor can rotate without any loss of force in the XZ direction even with respect to the force in the Y direction.
ロータ77は自在継手5と連結したロータ芯枠65とロータ腕部67の間において可倒構造71を有している。従ってY方向成分の加速度を受けても可倒構造71を中心としてロータ腕部67およびロータ回転錘69が往復矢印R方向に回転するだけで、ロータ芯枠65および自動継手5にこの回転力は殆ど伝達しない。従って自動継手5においてY方向へ押しつけられる力はロータ芯枠65および自動継手5自身に対する加速度が与える力だけなので非常に小さい。本発明の自動継手5は既に説明した様にY方向の力を受けてもX−Z方向における発電に有効なロータ71の回転に対する影響は殆どないが、図14に示す可倒構造71を取り入れることによって、Y方向の力がロータ71の回転へ及ぼす影響をさらに軽減することができる。またロータ71の回転半径が可倒構造71により小さくなるのでその変位量も小さくなる。 The rotor 77 has a tiltable structure 71 between the rotor core frame 65 connected to the universal joint 5 and the rotor arm portion 67. Therefore, even if the acceleration in the Y direction component is received, the rotor arm 67 and the rotor rotating weight 69 rotate only in the reciprocating arrow R direction around the retractable structure 71, and this rotational force is applied to the rotor core frame 65 and the automatic joint 5. Almost no transmission. Accordingly, the force pressed in the Y direction in the automatic joint 5 is very small because it is only the force applied by the acceleration to the rotor core frame 65 and the automatic joint 5 itself. As described above, the automatic coupling 5 of the present invention has almost no influence on the rotation of the rotor 71 effective for power generation in the X-Z direction even if it receives a force in the Y direction, but incorporates the collapsible structure 71 shown in FIG. As a result, the influence of the force in the Y direction on the rotation of the rotor 71 can be further reduced. Further, since the rotation radius of the rotor 71 is reduced by the retractable structure 71, the amount of displacement is also reduced.
さらに図14(a)に示す構造は、図9に示すようなY方向移動(回転)制限機構53を備えているので、回転錘69の過度な回転を防止するとともに、ベアリング55によってY方向の回転錘69の力がX−Z方向への力へ変換されるので、発電に有効なロータ77の回転にY方向の力を活用することができる。また、図14(b)に示す構造は、図10に示すようなY方向移動(回転)制限機構58(ガイド57、ベアリング59を含む)を備えているので、回転錘51(51a、b、cを含む)の過度な回転を防止するとともにベアリング59によってY方向の回転錘69の力がX−Z方向への力へ変換されるので、発電に有効なロータ77の回転にY方向の力を活用することができる。このように図11に示すような可倒構造およびY方向移動(回転)制限機構を本発明の振動エネルギー変換発電機構に付加することができ、Y方向の力がX−Z方向の移動(回転)に及ぼす影響(阻害効果)を軽減できるとともに、逆にY方向の力をX−Z方向の移動(回転)を加速する効果を高めることができる。 Further, the structure shown in FIG. 14A includes the Y-direction movement (rotation) limiting mechanism 53 as shown in FIG. 9, so that excessive rotation of the rotary weight 69 is prevented and the bearing 55 is used in the Y-direction. Since the force of the rotary weight 69 is converted into a force in the XZ direction, the force in the Y direction can be used for the rotation of the rotor 77 effective for power generation. 14B includes a Y-direction movement (rotation) limiting mechanism 58 (including a guide 57 and a bearing 59) as shown in FIG. c), and the force of the rotary weight 69 in the Y direction is converted into a force in the XZ direction by the bearing 59. Therefore, the force in the Y direction is used to rotate the rotor 77 effective for power generation. Can be utilized. As described above, the retractable structure and the Y-direction movement (rotation) limiting mechanism as shown in FIG. 11 can be added to the vibration energy conversion power generation mechanism of the present invention. ) Can be reduced, and conversely, the effect of accelerating the movement (rotation) in the X-Z direction with the force in the Y-direction can be enhanced.
図19は、本発明の振動エネルギー変換発電機構を腕時計に適用した実施例を示す図である。自在継手を有するジョイント部84、Y方向移動(回転)制限機構であるガイド83、ベアリング部85、回転錘部81を含む振動収穫機構の振動エネルギーを1番車から各穴車の輪列歯車(一方向回転整列機構+第1の変速機構)86によって回転エネルギーが伝達され、香箱(蓄力機構)88内のぜんまいに蓄力される。輪列歯車86は一番受け等の各種受け87でカバーされ、これらは字板89に組み付けられる。香箱88内の巻き上げられたぜんまいからの回転エネルギーを発電機用輪列(第2の変速機構)90で増速回転させて、発電機構91で発電させる。得られた電気で内蔵したLSIや表示素子を表示させる。あるいは、このような本発明のシステムを用いた腕時計用自動巻き機構を用いて発電させ、各種の携帯機器を動作させることもできる。 FIG. 19 is a diagram showing an embodiment in which the vibration energy conversion power generation mechanism of the present invention is applied to a wristwatch. The vibration energy of a vibration harvesting mechanism including a joint part 84 having a universal joint, a guide 83 that is a Y-direction movement (rotation) limiting mechanism, a bearing part 85, and a rotary weight part 81 is transmitted from the first wheel to the wheel train gears ( Rotational energy is transmitted by the one-way rotational alignment mechanism + first transmission mechanism) 86 and is stored in the mainspring in the barrel (power storage mechanism) 88. The gear train 86 is covered with various receivers 87 such as a first receiver, and these are assembled to the character plate 89. Rotational energy from the wound mainspring in the barrel 88 is rotated at an increased speed by a generator wheel train (second transmission mechanism) 90 and is generated by a power generation mechanism 91. The obtained built-in LSI or display element is displayed. Alternatively, various portable devices can be operated by generating electric power using an automatic wristwatch winding mechanism using the system of the present invention.
本発明の振動エネルギー変換発電システムの変換効率は30%以上であり、取り出せるエネルギー総量は10μW〜1mWであり、効率の点では他のエネルギー変換発電システム(たとえば、光/電気変換(太陽電池)システムは10%程度)に比較すると非常に高く、取り出せるエネルギー量(たとえば、光/電気変換(太陽電池)システムは2〜10μW程度)も非常に大きい。 The conversion efficiency of the vibration energy conversion power generation system of the present invention is 30% or more, and the total amount of energy that can be extracted is 10 μW to 1 mW. In terms of efficiency, other energy conversion power generation systems (for example, optical / electrical conversion (solar cell) systems) Is about 10%), and the amount of energy that can be taken out (for example, about 2 to 10 μW for an optical / electrical conversion (solar cell) system) is also very large.
図20は、人体が動いているときに受ける振動スペクトルとパワースペクトルの関係を示す図である。人間が歩行しているときは、20Hz以下の振動のパワー密度が多く、車中内にいるときは、100Hz程度までの振動エネルギーが多い。従来の振動発電(振動→発電→充電)システムで収穫可能な周波数スペクトルは20〜50Hzの間であるから、歩行時は殆どエネルギーを収穫できないし、低周波および高周波帯の振動には対応できない。これに対して本発明の振動エネルギー変換発電システムは1Hz以下(0.2Hz程度)〜300Hz程度までの広範囲な振動スペクトルに追随できるので、広いスペクトルの振動エネルギーを収穫できる。従って、本発明の振動エネルギー変換発電システムは高効率で高収穫の発電システムである。 FIG. 20 is a diagram illustrating a relationship between a vibration spectrum and a power spectrum received when the human body is moving. When a person is walking, the power density of vibrations of 20 Hz or less is large, and when the person is in the vehicle, there is a large amount of vibration energy up to about 100 Hz. Since the frequency spectrum that can be harvested by a conventional vibration power generation (vibration → power generation → charge) system is between 20 and 50 Hz, energy cannot be harvested during walking, and vibrations in low and high frequency bands cannot be handled. On the other hand, since the vibration energy conversion power generation system of the present invention can follow a wide vibration spectrum from 1 Hz or less (about 0.2 Hz) to about 300 Hz, it can harvest a broad spectrum of vibration energy. Therefore, the vibration energy conversion power generation system of the present invention is a high efficiency and high yield power generation system.
本発明を概要すると、本発明は、高効率の振動エネルギー変換発電システムを提供するもので、振動エネルギーを回転エネルギーに変換する振動収穫機構、回転エネルギーを一方向の回転力へ整列する一方向回転整列機構、逆回転を防止するラッチ機構、整列された回転力による回転速度を減速する第1の変速機構、変換された回転力を第1の変速機構を通して回転エネルギーとして蓄える蓄力機構、蓄力機構に蓄えられた回転エネルギーによる回転速度を増速する第2の変速機構、第2の変速機構により増速された回転速度から発電する発電機構を含む振動エネルギー変換発電機構である。特に、振動収穫機構は、振動を受けて中心軸部の周りを回転するロータ、ロータの中心軸部に連結した自在継手および自在継手の出力軸を含み、出力軸方向の力に対して自在継手が回転して、ロータの回転に活用する機構を有することを特徴とするものである。 In summary, the present invention provides a highly efficient vibration energy conversion power generation system, a vibration harvesting mechanism that converts vibration energy into rotational energy, and a unidirectional rotation that aligns rotational energy into a unidirectional rotational force. Alignment mechanism, latch mechanism for preventing reverse rotation, first transmission mechanism for reducing rotational speed due to aligned rotational force, accumulator mechanism for storing converted rotational force as rotational energy through first transmission mechanism, accumulator The vibration energy conversion power generation mechanism includes a second speed change mechanism that increases the rotational speed of the rotational energy stored in the mechanism, and a power generation mechanism that generates power from the speed increased by the second speed change mechanism. In particular, the vibration harvesting mechanism includes a rotor that rotates around a central shaft portion under vibration, a universal joint connected to the central shaft portion of the rotor, and an output shaft of the universal joint. Has a mechanism that is utilized for rotating the rotor.
尚、明細書のある部分に記載し説明した内容について記載しなかった他の部分においても矛盾なく適用できることに関しては、当該他の部分に当該内容を適用できることは言うまでもない。さらに、前記実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施でき、本発明の権利範囲が前記実施形態に限定されないことも言うまでもない。たとえば、エネルギー蓄積部7は、電流の蓄電に限らず、出力軸21がぜんまい36を締め付けた状態で運動エネルギーとして保持し、運動エネルギーの取り出し時に、ぜんまい36を開放して、回転用フレーム37の回転力を駆動力として取り出すものであっても良い。蓄力装置は、携帯機器に限らず、海洋の波等による振動をロータが受けるものであっても良い。 In addition, it cannot be overemphasized that the said content can be applied to the said other part regarding that it can apply without contradiction also to the other part which was not described about the content described and demonstrated in a certain part of the specification. Furthermore, the above-described embodiment is an example, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say, the scope of rights of the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the energy storage unit 7 is not limited to storing electric current, and the output shaft 21 holds the mainspring 36 in a state where the mainspring 36 is tightened, and when the kinetic energy is taken out, the mainspring 36 is opened so that the rotation frame 37 You may take out rotational force as a driving force. The energy storage device is not limited to a portable device, and the rotor may be subjected to vibration due to ocean waves or the like.
本発明の振動エネルギー変換発電システムは、各種の携帯用機器だけでなく、車体等の振動を発生する装置に付随する機器に適用することができ、振動を発生している限りは常に充電される状態になっている。また、図1に示す各機構は独立して使用し、または他のシステムに組み合わせることも可能である。特に、自在継手を有するロータは振動エネルギーを回転エネルギーに変換するシステムに組み込むことができる。 The vibration energy conversion power generation system of the present invention can be applied not only to various portable devices but also to devices associated with a device that generates vibrations such as a vehicle body, and is always charged as long as vibrations are generated. It is in a state. Also, each mechanism shown in FIG. 1 can be used independently or combined with other systems. In particular, a rotor with a universal joint can be incorporated into a system that converts vibrational energy into rotational energy.
1・・・蓄力装置、3・・・ロータ、5・・・自在継手、
7・・・エネルギー蓄積部、13・・・ロータ軸の孔部、15・・・球体、
17・・・受部、19a、19b・・・ロータ側軸、21・・・出力軸、
111・・・振動収穫機構、112・・・一方向回転整列機構、
113・・・第1の変速機構、114・・・蓄力機構、115・・・第2の変速機構、
116・・・発電機構、117・・・手巻き機構、118・・・変速機制御機構、
119・・・充放電制御機構、120・・・負荷、
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Power storage device, 3 ... Rotor, 5 ... Universal joint,
7 ... energy storage unit, 13 ... hole of rotor shaft, 15 ... sphere,
17 ... receiving part, 19a, 19b ... rotor side shaft, 21 ... output shaft,
111 ... Vibration harvesting mechanism, 112 ... One-way rotational alignment mechanism,
113 ... 1st speed change mechanism, 114 ... Power storage mechanism, 115 ... 2nd speed change mechanism,
116 ... Power generation mechanism, 117 ... Manual winding mechanism, 118 ... Transmission control mechanism,
119 ... Charge / discharge control mechanism, 120 ... Load,
Claims (19)
A portable device comprising the vibration energy conversion power generation mechanism according to any one of claims 9 to 18, wherein the rotor rotates in response to vibration when being carried.
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