特許 7285575 発電機構及び発電方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-25

(45)【発行日】2023-06-02

(54)【発明の名称】発電機構及び発電方法

(51)【国際特許分類】

   H02N 11/00 20060101AFI20230526BHJP

   H02K 7/116 20060101ALI20230526BHJP

【ＦＩ】

H02N11/00 Z

H02K7/116

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020530179

(86)(22)【出願日】2019-07-08

(86)【国際出願番号】 JP2019027037

(87)【国際公開番号】W WO2020013141

(87)【国際公開日】2020-01-16

【審査請求日】2022-06-29

(31)【優先権主張番号】P 2018130634

(32)【優先日】2018-07-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000240477

【氏名又は名称】Ｏｒｂｒａｙ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】青柳 智英

【審査官】服部 俊樹

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１３／０８５０５７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】実開昭６１－０６９４８３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭５４－１２１０９３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０１８／１８１３４１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｎ １１／００

Ｈ０２Ｋ ７／１１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項10】

前記発電機の前記シャフトの平歯車の歯数対前記第１中心軸の平歯車の前記歯数比、又は前記発電機の前記シャフトのかさ歯車の歯数対前記第１中心軸のかさ歯車の前記歯数比を、１：7.5とする請求項９に記載の発電機構による発電方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電機構及び発電方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【文献】エネルギーハーベスティング、[online]、[平成28年2月9日]、インターネット<URL:https://www.enocean.com/jp/technology/energy-harvesting/>

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

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。

【0008】

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Ｖ^２）／（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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【課題を解決するための手段】

【0011】

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。

【0012】

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。

【発明の効果】

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施形態及び実施例に係る発電機構の構成を示す平面図である。

【図2】図１の発電機構における、第１可動部品、第１中心軸、捩りコイルバネ、第２可動部品、及びハウジングを抜粋した斜視図である。

【図3】図１に示す捩りコイルバネの、第１巻回部と第２巻回部の各バネ定数の傾きと、各巻回部に付与される初期弾性エネルギーie1とie2の大きさを示すグラフである。実線が第１巻回部を、点線が第２巻回部である。

【図4】(a) 図１の発電機構における、第１可動部品、第１中心軸、捩りコイルバネ、第２可動部品、及び第２中心軸を抜粋し、各部品の初期状態を図２に示すX1方向から示した模式図である。(b) 同図(a)にハウジングが組み込まれた状態を図示した模式図である。

【図5】(a) 図４の状態から、第２可動部品及び第１可動部品が回転された状態を示す模式図である。(b) 同図(a)にハウジングが組み込まれた状態を図示した模式図である。

【図6】(a) 図５の状態から、弾性エネルギーie12によって第１可動部品が逆方向に回転された状態を示す模式図である。(b) 同図(a)にハウジングが組み込まれた状態を図示した模式図である。

【図7】図６(a)の状態を、図２に示すX2方向から示した模式図である。

【図8】(a) 図６の状態から、第２可動部品及び第１可動部品がそれぞれ逆方向に回転された状態を示す模式図である。(b) 同図(a)にハウジングが組み込まれた状態を図示した模式図である。

【図9】図８(a)の状態を、図２に示すX2方向から示した模式図である。

【図10】図１の発電機構に於ける２つの平歯車７及び８の各基準円を、図２に示すX1方向から示した説明図である。

【図11】本発明の実施例に係る歯数比－電力量（ｍJ）のグラフである。

【図12】本発明の実施形態の変更形態に係る、発電機構の構成を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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）。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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）。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【実施例】

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

【数1】

【0083】

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。

【0084】

【表1】

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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。

【符号の説明】

【0091】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】