JP2007129814A - Generating set and charging set using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、外部からの力学的エネルギーを蓄積し、その力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置及びそれを用いた充電装置に関するものである。 The present invention relates to a power generation device that accumulates external mechanical energy and converts the mechanical energy into electrical energy, and a charging device using the power generation device.
近年、災害等の非常時においてラジオ、携帯電話等への電力供給を人の動作をエネルギー源として発電する発電装置が提案されている。
このような発電装置として、例えば特許文献1に示されるように、人の歩行における動作を力学的エネルギーとして用いる力学的エネルギー蓄積式発電装置が知られている。即ち、図10(a),(b)に示すように、力学的エネルギー蓄積式発電装置(以下、「発電装置100」という)は、ケース101を備えており、ケース101からラック110の一部が外部に露出されている。ラック110の一端は、前記ケース101内に配設されたばね111によって、常にケース101の外側に突出する方向に付勢された状態で支持されている。ラック110の一側面には、長手方向に複数の歯が列設されており、歯車機構130と噛合している。歯車機構130は、第1歯車機構131、第2歯車機構132及び第3歯車機構133を備えており、第1歯車機構131が前記ラック110と噛合している。第1歯車機構131は、第2歯車機構132と噛合しており、第2歯車機構132は第3歯車機構133と噛合している。第3歯車機構133の中心には、支軸133aが設けられており、支軸133aは、渦巻き状に形成されたゼンマイ120の中央側の端部と一体回転可能に連結されている。ゼンマイ120の外側の端部は、ケース101の内側壁に固定されている。
2. Description of the Related Art In recent years, power generation apparatuses have been proposed that generate power using human movements as an energy source for power supply to radios, mobile phones, and the like in an emergency such as a disaster.
As such a power generation device, for example, as disclosed in
また、発電装置100は発電機140と、前記ゼンマイ120に蓄えられた力学的エネルギーを同発電機140に伝達する伝達機構150とを備えている。伝達機構150は、前記第3歯車機構133と連結する第1伝達歯車機構151と、第1伝達歯車機構151と連結する第2伝達歯車機構152とを備えている。第2伝達歯車機構152は、発電歯車153を備えており、発電歯車153と一体に回転する回転軸154が発電機140内に支持されている。発電機140は、この回転軸154の回転力に基づく力学的エネルギーを電力に変換する公知の構成である。発電機140によって発電が行われると、発電によって得られたエネルギーは、整流器141を介して充電池に送られる。
The
前述のように構成された発電装置100は、例えば靴底にラック110の一端が突出するように設けられて使用される。
まず、靴が地面に着地したとき、ラック110は、下方から力学的エネルギーとして押圧力Fが入力される。すると、ラック110は、ばね111の付勢力に抗して上方に移動する。そして、ラック110の移動に伴って第1歯車機構131が回転すると、第2歯車機構132を介して第3歯車機構133が回転する。そして、第3歯車機構133の回転に基づいて、ゼンマイ120が巻かれて収縮する。この状態において、ゼンマイ120に力学的エネルギーが蓄積されている。
The
First, when the shoes land on the ground, the
次に、靴が地面から離れたとき、ラック110への押圧力Fが解除され、同ラック110は、ばね111の弾性力により下方に突出する。すると、第1歯車機構131、第2歯車機構132及び第3歯車機構133は、ゼンマイ120に蓄えられた力学的エネルギーの放出に基づいて前記靴が地面に着地したときとはそれぞれ反対に回転する。その際、第1伝達歯車機構151及び第2伝達歯車機構152も前記ゼンマイ120による力学的エネルギーの放出に基づいて回転する。そして、回転軸154も回転して発電機140による発電が行われる。即ち、発電装置100は、通常の歩行に基づいて自動的に発電を行い、発電によって得られたエネルギーが整流器141によって整流されて充電池に送られる。
Next, when the shoe leaves the ground, the pressing force F applied to the
このように、1歩1歩の歩行毎にラック110が上下動することで発電が繰り返され、使用可能な電気エネルギーを充電池に蓄積することが可能となっている。
ところが、上記のような構成の発電装置100では、1回のラック110の移動に伴う入力でゼンマイ120を十分に巻かなければならないために、ラック110の移動量を増幅させてゼンマイ120に伝達させなければならなかった。このため、ゼンマイ120に力学的エネルギーを蓄積するためには、大きな力(押圧力F)が必要であった。
However, in the
本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は小さい力で力学的エネルギーを蓄積することができる発電装置を提供することにある。 This invention is made | formed in view of such a situation, The objective is to provide the electric power generating apparatus which can accumulate | store dynamic energy with a small force.
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、力学的エネルギーを蓄積するとともにそのエネルギーを放出する蓄積手段と、往復動作可能に設けられた入力手段と、前記エネルギーの蓄積時には前記蓄積手段に連係された状態で前記入力手段の一方向の移動に基づいて前記エネルギーを前記蓄積手段に伝達し、当該エネルギーの放出時には前記蓄積手段との連係が解除される伝達機構と、前記蓄積手段により放出された力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電手段とを備えた発電装置であって、前記伝達機構は、前記蓄積手段に対して力学的エネルギーを蓄積する方向にのみ動作可能とするワンウェイ機構を備え、前記入力手段を複数回往復動作させることで、前記蓄積手段に予め設定された量の力学的エネルギーを分割して蓄積するようにしたことを要旨とする。
In order to solve the above problems, the invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発電装置において、前記ワンウェイ機構は、前記入力手段の一方向の移動に基づいて蓄積手段における力学的エネルギーの蓄積方向に回転するラチェットギアと、当該ラチェットギアの歯に係合して前記ラチェットギアにおける前記蓄積方向と反対方向の回転を規制するストッパとを備えたラチェット機構であることを要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, in the power generation device according to the first aspect, the one-way mechanism includes a ratchet gear that rotates in a storage direction of mechanical energy in the storage unit based on a one-way movement of the input unit. The gist of the present invention is a ratchet mechanism including a stopper that engages with the teeth of the ratchet gear and restricts rotation of the ratchet gear in the direction opposite to the accumulation direction.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発電装置において、前記伝達機構は、前記蓄積手段の力学的エネルギーの蓄積時において、当該伝達機構と蓄積手段との連係を許容し、蓄積手段の力学的エネルギー放出時において、前記伝達機構と蓄積手段との連係を解除する連係機構を備え、当該連係機構は、前記蓄積手段に前記予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積されるタイミングで前記伝達機構と前記蓄積手段との連係を解除することを要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, in the power generation device according to the first or second aspect, the transmission mechanism is configured to link the transmission mechanism and the storage unit when the mechanical energy of the storage unit is stored. And a linkage mechanism for releasing the linkage between the transmission mechanism and the storage means when releasing the mechanical energy of the storage means, and the linkage mechanism has the preset amount of mechanical energy in the storage means. The gist is to release the linkage between the transmission mechanism and the storage means at the timing of storage.
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発電装置において、前記連係機構は、互いに噛合う第1伝達歯車及び第2伝達歯車を備え、当該第1伝達歯車は、前記入力手段の往復動作に基づいて回転するとともに、一部に歯の形成されていない切欠部を備え、前記第2伝達歯車は、前記蓄積手段と連係され、前記切欠部は、前記蓄積手段に前記予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積されるタイミングで前記第2伝達歯車と離間して、前記第1伝達歯車と第2伝達歯車との連係を解除するようにしたことを要旨とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the power generation device according to the third aspect, the linkage mechanism includes a first transmission gear and a second transmission gear that mesh with each other, and the first transmission gear is a member of the input unit. The second transmission gear is linked to the accumulating means, and the notch is preset in the accumulating means. The gist is that the first transmission gear and the second transmission gear are disengaged by separating from the second transmission gear at a timing when a sufficient amount of mechanical energy is accumulated.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項4のうちいずれか1項に記載の発電装置において、前記入力手段には、当該入力手段の往復動作を促進させる重り部が設けられていることを要旨とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the power generation device according to any one of the first to fourth aspects, the input means is provided with a weight portion that promotes the reciprocating operation of the input means. It is a summary.
請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項5のうちいずれか1項に記載の発電装置において、前記蓄積手段は、渦巻き状に形成されたゼンマイを備え、前記発電手段は、回転運動を行う回転軸を備えたモータを備え、前記モータの回転軸と、前記ゼンマイとの間には、当該ゼンマイに蓄積された力学的エネルギーを当該モータの回転軸に機械的に伝達するギア機構が設けられ、前記ギア機構は、ゼンマイに蓄積された力学的エネルギーを放出する際に当該ゼンマイで発生する摩擦抵抗と、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する際にモータ内で発生する摩擦抵抗とを考慮してギア比を設定したことを要旨とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the power generation apparatus according to any one of the first to fifth aspects, the accumulating unit includes a spiral spring, and the power generating unit is a rotating unit. A gear mechanism comprising a motor having a rotating shaft for movement, and mechanically transmitting mechanical energy accumulated in the mainspring to the rotating shaft of the motor between the rotating shaft of the motor and the mainspring. The gear mechanism includes a frictional resistance generated in the mainspring when releasing the mechanical energy accumulated in the mainspring, and a frictional resistance generated in the motor when converting the mechanical energy into electric energy. The gist is that the gear ratio is set in consideration of the above.
請求項7に記載の発明は、請求項5に記載の発電装置において、前記入力手段は、支点を軸として回動可能に支持されており、前記重り部は、前記入力手段における支点側と反対側の端部に設けられ、前記支点を軸として当該入力手段とともに振り子運動することを要旨とする。
The invention according to claim 7 is the power generation apparatus according to
請求項8に記載の発明は、請求項1〜請求項7のうちいずれか1項に記載の発電装置と、前記発電手段によって得られた電気エネルギーを蓄積する充電池とを備えたことを特徴とすることを要旨とする。
The invention according to claim 8 is provided with the power generation device according to any one of
(作用)
請求項1に記載の発明の作用によれば、入力手段を複数回操作することによって蓄積手段に予め設定された量の力学的エネルギーを蓄積することができる。その際、蓄積手段が解放して力学的エネルギーが減少しないように、伝達機構がワンウェイ機構によって力学的エネルギーを蓄積する方向にのみ動作可能となっている。即ち、一度に予め設定された量の力学的エネルギーを蓄積する場合に比べて、小さい力で少しずつ力学的エネルギーを蓄積できるようになっている。
(Function)
According to the operation of the first aspect of the present invention, a predetermined amount of mechanical energy can be stored in the storage unit by operating the input unit a plurality of times. At that time, the transmission mechanism can be operated only in the direction in which the mechanical energy is stored by the one-way mechanism so that the storage means is not released and the mechanical energy is not reduced. That is, the mechanical energy can be stored little by little with a small force as compared with the case where a predetermined amount of the mechanical energy is stored at one time.
請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明の作用に加えて、ワンウェイ機構は、ラチェット機構により構成されており、このラチェット機構のストッパによってラチェットギアが反対方向へ回転することが規制されている。このため、蓄積手段に力学的エネルギーを蓄積するときにおいて、蓄積手段に蓄えられた力学的エネルギーの減少を確実に防止することができる。また、入力手段の操作量を複数のギアを用いて増幅して一回で蓄積手段に力学的エネルギーを蓄積する必要がないため、小さい力で少しずつ力学的エネルギーを蓄積することができる。
According to the invention described in
請求項3に記載の発明によれば、請求項1又は請求項2に記載の発明の作用に加えて、予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積手段に蓄えられるタイミングで、伝達機構と蓄積手段との連係が解除されて、蓄積手段の力学的エネルギーが自動的に放出される。このため、力学的エネルギーを放出するために蓄積手段の規制を積極的に解除する必要がない。このため、利便性を向上させることができる。
According to the invention described in claim 3, in addition to the operation of the invention described in
請求項4に記載の発明によれば、請求項3に記載の発明の作用に加えて、連係機構の第1伝達歯車の一部には、切欠部が形成されている。そして、前記入力手段によって蓄積手段に予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積手段に蓄えられるタイミングで、第1伝達歯車と第2伝達歯車との噛合(連係)が切欠部によって解除される。このため、蓄積手段の力学的エネルギーが予め設定された量に到達すると自動的に放出される。従って、構成を複雑にすることなく蓄積手段に蓄えられた力学的エネルギーを自動的に放出することができる。
According to the invention described in
請求項5に記載の発明によれば、請求項1〜請求項4のうちいずれか1項に記載の発明の作用に加えて、入力手段の往復動作は重り部によって促進される。このため、入力手段及び重りに加わる力が小さな力であっても力学的エネルギーを蓄積手段に蓄積することができる。
According to the invention described in
請求項6に記載の発明によれば、請求項1〜請求項5のうちいずれか1項に記載の発明の作用に加えて、ギア機構のギア比が、ゼンマイに蓄積された力学的エネルギーを放出する際に発生する摩擦抵抗と、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する際に発生するモータ内の摩擦抵抗との両摩擦抵抗を考慮して設定されている。このため、力学的エネルギーの損失を考慮した最適なギア比を備えたギア機構を設計する(選択する)ことができる。
According to the invention described in
請求項7に記載の発明によれば、請求項5に記載の発明の作用に加えて、重り部は、入力手段における支点側と反対側の端部に設けられているため、例えば発電装置に振動や衝撃等の加速度が加わると、支点を軸として入力手段は振り子運動する。このため、この振り子運動に基づいて自動的に力学的エネルギーを蓄積手段に蓄積することができる。 According to the seventh aspect of the invention, in addition to the action of the fifth aspect of the invention, the weight portion is provided at the end of the input means opposite to the fulcrum side. When acceleration such as vibration or impact is applied, the input means performs a pendulum motion around the fulcrum. For this reason, mechanical energy can be automatically stored in the storage means based on this pendulum motion.
請求項8に記載の発明によれば、請求項1〜請求項7のうちいずれか1項に記載の発電装置により発電された電気エネルギーを充電池に蓄積することができる。従って、予め力学的エネルギーを利用して発電した電気エネルギーをいつでも利用することができる。このため、利便性を向上させることができる。
According to the invention described in claim 8, the electric energy generated by the power generator according to any one of
本発明によれば、小さい力で力学的エネルギーを蓄積することができる。 According to the present invention, mechanical energy can be stored with a small force.
以下、本発明の発電装置を、携帯電話及びPDA等の携帯端末装置の充電池を手動で充電する充電装置に具体化した実施形態を図1〜図9に従って説明する。
<充電装置1の概要>
図1に示すように、充電装置1は、ケース2と、ケース2に収容された発電装置10と、ケース2から引き出されるとともに図示しない携帯端末に電力を供給する際に接続するコネクタ3とを備えている。
Hereinafter, an embodiment in which the power generation device of the present invention is embodied as a charging device for manually charging a rechargeable battery of a mobile terminal device such as a mobile phone and a PDA will be described with reference to FIGS.
<Outline of charging
As shown in FIG. 1, the charging
<発電装置10>
発電装置10は、入力手段としてのレバー11、蓄積手段としてのゼンマイ機構20、前記レバー11の移動に基づいて力学的エネルギーを前記ゼンマイ機構20に伝達する伝達機構40、ゼンマイ機構20に蓄えられた力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電手段としての発電機構70を備えている。
<
The
<レバー11>
図2に示すように、レバー11は、操作者の手により操作可能な把持部12と、前記伝達機構40と連結するギア送り部13とを備えている。ギア送り部13には、レバー11の長手方向と平行に1つの貫通孔14と、2つの挿入孔15,15とが列状に配置されている。貫通孔14及び挿入孔15,15は、それぞれ把持部12側から挿入孔15、貫通孔14、挿入孔15の順に配置されている。また、把持部12は、ケース2の側面に形成された長孔状のスライド孔2aから往復動作可能に外部に突出している。
<
As shown in FIG. 2, the
<伝達機構40>
図3に示すように、伝達機構40は、第1歯車機構41、第2歯車機構51及び第3歯車機構61を備えており、前記レバー11の操作力が第1歯車機構41、第2歯車機構51及び第3歯車機構61を介してゼンマイ機構20に伝達される。
<
As shown in FIG. 3, the
<第1歯車機構41>
図2に示すように、第1歯車機構41は、第1シャフト42、2本の送りシャフト43,43、一対の送り爪44,44、ラチェットギア45及び第1伝達歯車としての切り欠けギア46を備えている。第1シャフト42は、前記レバー11の貫通孔14を挿通しており、両端がそれぞれケース2に回転可能に支持されている。レバー11は、第1シャフト42に対して相対回転可能となっており、図4に矢印Xで示す送り方向及び矢印Yで示す戻し方向に、同第1シャフト42を支点として回動する。前記レバー11の挿入孔15,15にはそれぞれ送りシャフト43,43の一端が回転可能に支持されている。また、送りシャフト43,43の他端には、それぞれ送り爪44が一体回転可能に支持されている。
<
As shown in FIG. 2, the
図4に併せて示すように、一対の送り爪44,44は、それぞれ略三日月状を成しており、爪状に形成された係止部44aと、係止部44aを支持する支持部44bとを備えている。支持部44bの中心には、円形の貫通孔44cが形成されており、その貫通孔44cには前記送りシャフト43の他端が貫通支持されている。
As shown in FIG. 4, the pair of
ラチェットギア45は、複数の歯Tが形成されたギア部45aと、歯Tの形成されていない円筒部45bとから形成されている。ギア部45aの歯Tには、図4に矢印Xで示す送り方向に向かって内方に傾斜した傾斜面45iと、ギア部45aの接線と直交する向きに形成された規制面45sとが設けられている。また、送り爪44,44は、前記係止部44aがラチェットギア45の回転方向(矢印Rで示す右方向)に向くように配置されており、図示しないトーションばねによってラチェットギア45側へ常に付勢されている。ラチェットギア45の円筒部45bは、ギア部45aの上面中央に固定されており、ギア部45aと一体に回転する。
The
ラチェットギア45の側方には、ストッパ4が前記規制面45sに対して係合するように配設されている。ストッパ4は、前記送り爪44と同様に三日月状を成しており、ストッパ用シャフト4aを介してケース2に対して相対回転可能に支持されている。ストッパ4の先端は、図4に矢印Rで示す右方向に向いており、ラチェットギア45の規制面45sに係止することで、同ラチェットギア45における図4に矢印Lで示す左方向への回転が規制される。ストッパ4は、図示しないトーションばねの弾性力により常にラチェットギア45側に付勢されている。
A
レバー11を図4に矢印Xで示す送り方向に回動させると、ラチェットギア45の規制面45sが係止部44aによって押圧されることで、同ラチェットギア45は矢印Rで示す右方向に回転する。一方、レバー11を図4に矢印Yで示す戻し方向に回動させると、ラチェットギア45のギア部45aの図4に矢印Lで示す左方向への回転が前記ストッパ4によって規制された状態で、送り爪44が傾斜面45iに沿ってスライド移動する。このため、ラチェットギア45を回転させることなく、レバー11を元の位置に復帰させることができる。このレバー11の往復動作を許容するように、前記スライド孔2aが形成されている。なお、ストッパ4と、一対の送り爪44,44と、ラチェットギア45とによって、ワンウェイ機構及びラチェット機構は構成されている。
When the
図5に併せて示すように、切り欠けギア46は、前記円筒部45bの上面に固定されており、ラチェットギア45と一体に回転する。切り欠けギア46の外周の一部には、歯の形成されていない切欠部46aが形成されている。なお、切欠部46aの切欠き角度は、本実施形態において約45度に設定されている。切り欠けギア46の歯は、前記第2歯車機構51の一部と噛合する。即ち、レバー11の操作力は、ラチェットギア45及び切り欠けギア46を介して第2歯車機構51に力学的エネルギーとして伝達される。
As shown in FIG. 5, the
<第2歯車機構51>
図3に示すように、第2歯車機構51は、第2シャフト52、中歯車53及び大歯車54を備えている。中歯車53及び大歯車54は、第2シャフト52に一体回転可能に固定されており、第2シャフト52を介してケース2に対して回転可能に支持されている。第2シャフト52は、前記第1シャフト42と平行を成しており、中歯車53及び大歯車54の中央を挿通している。
<
As shown in FIG. 3, the
図8(a)に併せて示すように、中歯車53は、前記切り欠けギア46と噛合する。また、図8(b)に併せて示すように、中歯車53は、前記切り欠けギア46の切欠部46aにおいてその噛合が外れる(接触しない)ようになっている。即ち、中歯車53は、切り欠けギア46と噛合した状態において、同切り欠けギア46とともに回転し、切り欠けギア46の切欠部46aが中歯車53に到達すると、それらの噛合が解除される。大歯車54は、前記中歯車53とともに一体回転するとともに、第3歯車機構61と噛合する。なお、中歯車53と切り欠けギア46とから、連係機構が構成されている。中歯車53は、第2伝達歯車を構成する。
As shown in FIG. 8A, the
<第3歯車機構61>
図3に示すように、第3歯車機構61は、回転軸としての第3シャフト62、同第3シャフト62に一体回転可能に固定された小歯車63を備えている。第3シャフト62は、一端がケース2の側壁に回転可能に支持されており、他端がゼンマイ機構20を貫通して発電機構70に支持されている。小歯車63は、前記大歯車54と噛合しており、同大歯車54の回転に基づいて回転する。
<
As shown in FIG. 3, the
<ゼンマイ機構20>
図3に示すように、ゼンマイ機構20は、ギアボックス21を備えており、ギアボックス21内には、図6(a),(b)に示されるゼンマイ22及びギア機構23が収容されている。ギアボックス21は、前記第3シャフト62によって貫通されている。前記ギア機構23は、第1ギア24、第2ギア25及び第3ギア26を備えている。第1ギア24は、第3シャフト62によってその中央が貫通され、同第3シャフト62と一体回転可能に固定されている。第2ギア25は、シャフト25aによってギアボックス21内に回転可能に支持された状態で第1ギア24と噛合している。第3ギア26は、ゼンマイ22の中心に配設された回転シャフト27によってその中央が貫通され、前記第2ギア25と噛合している。即ち、小歯車63を介して第3シャフト62が回転すると、第1ギア24、第2ギア25、第3ギア26、回転シャフト27の順に力学的エネルギーが伝達されてそれぞれ回転する。
<
As shown in FIG. 3, the
ゼンマイ22は、渦巻き状を成しており、ゼンマイ22の中央に設けられた内端部22aは、前記回転シャフト27の側面に固着されている。また、ゼンマイ22の外側に設けられた外端部22bは、前記ギアボックス21の内側壁に固着されている。即ち、ゼンマイ22は、回転シャフト27が図6(a)に矢印Aで示す蓄積方向に回転すると、弾性変形しながら収縮する。つまり、回転シャフト27が図6(a)に矢印Aで示す蓄積方向に回動されると、ゼンマイ22の内端部22aは、同回転シャフト27に固着されているため、ゼンマイ22は、同ゼンマイ22の弾性力に抗して巻き締められる。このため、ゼンマイ22は、回転シャフト27の回転に伴って収縮し、元の状態に戻ろうとする復元力、即ち「力学的エネルギー」が蓄積される。
The
また、図8(b)に示すように、ゼンマイ22に前記力学的エネルギーが蓄えられた状態で、切り欠けギア46が中歯車53に対応する位置まで回転すると、同切り欠けギア46と中歯車53との噛合が解除される。すると、回転シャフト27、ギア機構23(第1ギア24、第2ギア25及び第3ギア26)、第3シャフト62及び中歯車53がゼンマイ22の力学的エネルギーの放出によって回転する。ゼンマイ22に蓄積された力学的エネルギーが放出しきると、図6(b)に示される元の状態に復帰する。なお、ゼンマイ22に蓄積される力学エネルギーの量は、前記携帯電話及びPDA等の携帯端末装置の充電に必要な電気エネルギーを発生可能な量に予め設定されている。切り欠けギア46の円周長さ及び切欠部46aの切欠き角度は、所定の復元力が得られる程度にゼンマイ22が巻き締められたときに中歯車53との噛合が解除されるように、その長さ及び角度が設定されている。
As shown in FIG. 8B, when the
<発電機構70>
図7に示すように、発電機構70は、ブラシレスモータにより構成されており、固定子71、コイル72及び磁石73を備えている。固定子71は、ケース2に固定されており、円環状の外枠部71aを備えている。外枠部71aの内周面には、3つの枝部71bが突設されている。各枝部71bは、外枠部71aの周方向において、所定間隔をおいて配置されている。各枝部71bの先端は、円弧状の凹面とされており、各枝部71bの先端面により囲まれることにより円形状の空間(以下、「中空部74」という)が形成されている。枝部71bには、それぞれコイル72が巻かれている。
<
As shown in FIG. 7, the
磁石73は、円筒形状に形成されており、中央には貫通孔73aが形成されている。磁石73の貫通孔73aには、前記第3シャフト62が挿通支持されており、磁石73は、第3シャフト62と一体に回転する。磁石73は、中空部74に配設され、周方向に対して交互にN極、S極が設けられている。よって、固定子71には、磁石73の回転に基づく磁界の変化によって、コイル72には誘導電流(交流電流)が発生する。コイル72は、整流器75に接続されており、前記誘導電流は、この整流器75によって整流される。整流器75は、コネクタ3を介して携帯電話の充電池76と電気的に接続可能とされており、その接続した状態において整流された電気エネルギーが同充電池76に蓄積される。
The
<ギア機構23のギア比の設定方法>
次に、上記のような構成のゼンマイ機構20におけるギア機構23のギア比の設定方法について説明する。
<Gear ratio setting method of
Next, a method for setting the gear ratio of the
ギア機構23のギア比は、ゼンマイ22の力学的エネルギーの放出時に発生する発電エネルギーEEと、ゼンマイ22の蓄積時における力学的エネルギーEM(正確には弾性エネルギー)とを比較して発電効率を求め、最も発電効率のよい値に設定する。第3シャフト62における回転角度をθ[rad]とすると運動方程式は、下記数式(1)のようになる。
The gear ratio of the
次に、ゼンマイ22の巻数をM[Turn]として、数式(2)で示される初期条件を与え、解θ´を得る。なお、本実施形態において「θ´」は「θ」の一階微分であり、「θ´´」は「θ」の二階微分である。
Next, assuming that the number of turns of the
なお、θ0、J、D、K、N、R1、R2、KE、T、Rの値は下記の表1のようになっている。 The values of θ 0 , J, D, K, N, R 1 , R 2 , K E , T, and R are as shown in Table 1 below.
<実施形態の作用>
次に、上記充電装置1の動作について説明する。なお、充電装置1の切り欠けギア46の切欠部46aは、図8(b)に示すように、中歯車53と噛合しない状態である。また、コネクタ3は、携帯電話に接続されている。
<Operation of Embodiment>
Next, the operation of the
<力学的エネルギー蓄積時>
まず、操作者は、レバー11を図4に矢印Xで示す送り方向に回転する。すると、ラチェットギア45は、同ラチェットギア45の歯Tが送り爪44の係止部44aに押圧されることより図4に矢印Rで示す右方向に回転する。この結果、円筒部45b及び切り欠けギア46も一体に図4に矢印Rで示す右方向に回転する。そして、レバー11を図4に矢印Yで示す戻し方向に回転して操作前の状態に復帰させる。このとき、ラチェットギア45は、ストッパ4によって矢印Lで示す左方向への回転が規制されるため、レバー11の回動動作とともに係止部44aがラチェットギア45の歯Tの傾斜面45iに沿ってスライド移動する。このため、ラチェットギア45を回転させることなく、レバー11を元の位置に復帰させることができる。即ち、レバー11の往復動作に対して、ラチェットギア45が矢印Rで示す右方向にのみ回転する。
<When accumulating mechanical energy>
First, the operator rotates the
そして、ラチェットギア45の回転に伴い、切り欠けギア46が図8(a)に矢印Rで示す右方向に回転して、切り欠けギア46の切欠部46aも矢印Rで示す右方向に回転する。その結果、切り欠けギア46の回動動作に基づいて、同切り欠けギア46と噛合した中歯車53が回転し、第2シャフト52及び大歯車54が一体に回転する。そして、大歯車54の回転によって小歯車63及び第3シャフト62が回転して、図6(a)に示すように、回転シャフト27が矢印Aで示す蓄積方向に回転して、ゼンマイ22が巻き締められる。このように、ラチェットギア45における図4に矢印Lで示す左方向への回転がストッパ4によって規制されることで第1歯車機構41及び第2歯車機構51の回転も規制されるため、ゼンマイ22の復元力による意図しない力学的エネルギーの放出が抑制される。このため、レバー11を往復動作させたとしてもゼンマイ22の力学的エネルギーが減少することなく、同エネルギーを蓄積することができる。
As the
さらに、レバー11の往復動作を続けることで、切り欠けギア46が少しずつ回転して、ゼンマイ22に蓄積される力学的エネルギーも少しずつ増加していく。そして、切り欠けギア46の切欠部46aが中歯車53の直前で、ゼンマイ22の収縮及び力学的エネルギーの蓄積量が最大となる。
Furthermore, by continuing the reciprocating operation of the
<力学的エネルギー放出時>
レバー11の往復動作によって、切り欠けギア46の切欠部46aが中歯車53に到達すると、図8(b)に示すように、切り欠けギア46と中歯車53との噛合が解除される。この結果、第3歯車機構61の回転規制が解除されるため、収縮されたゼンマイ22の復元力によって回転シャフト27が図6(a)に矢印Bで示す放出方向に回転する。即ち、ゼンマイ22に蓄積された力学的エネルギーが放出される。図7に示すように、回転シャフト27が回転すると、前記ギア機構23を介して第3シャフト62が回転され、同第3シャフト62の端部に配設された磁石73も一体に回転する。この磁石73の回転に伴う磁界の変化に基づいて固定子71に巻かれたコイル72の両端に誘導電流が発生する。その誘導電流は、整流器75によって整流され、コネクタ3を介して電気エネルギーとして携帯電話の充電池76に蓄積される。このとき、ギア機構23のギア比が最適なギア比に設定されているため、最も高い発電効率が確保されている。
<When releasing mechanical energy>
When the
<実施形態の効果>
従って、上記実施形態の充電装置1によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)レバー11を複数回往復動作させることで、ラチェットギア45を少しずつ回転させて、ゼンマイ22を少しずつ収縮させることができる。こうして、操作者は、力学的エネルギーの蓄積を少しずつ行うことができる。このため、レバー11における一往復の動作に係る力を小さくすることができ、小さい力で力学的エネルギーをゼンマイ22に蓄積させることができる。
<Effect of embodiment>
Therefore, according to the
(1) By reciprocating the lever 11 a plurality of times, the
(2)ストッパ4、一対の送り爪44,44及びラチェットギア45によりラチェット機構が構成されている。このため、ラチェットギア45は、ラチェット機構のストッパ4によって、反対方向(図4に矢印Lで示す左方向)への回転が規制されている。即ち、力学的エネルギーをゼンマイ22に蓄積する際、ラチェット機構によってゼンマイ22の意図しない解放によって力学的エネルギーが減少しないようになっている。よって、ゼンマイ22に蓄えられた力学的エネルギーの減少を確実に防止することができる。
(2) A ratchet mechanism is constituted by the
(3)切り欠けギア46の円周長さ及び切欠部46aの切欠き角度は、前記ゼンマイ22に蓄積される力学エネルギーがちょうど必要な電気エネルギーに達した時点で中歯車53との噛合が解除されるようにその長さ及び角度が設定されている。このため、予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積手段に蓄えられたことを条件にして、切り欠けギア46と中歯車53との連係が解除されて、ゼンマイ22に蓄積された力学的エネルギーが自動的に放出される。このため、力学的エネルギーを放出するためにゼンマイ22の規制を積極的に解除する必要がない。従って、構成を複雑にすることなくゼンマイ22に蓄えられた力学的エネルギーを自動的に放出することができる。よって、利便性を向上させることができる。
(3) The circumferential length of the
(4)ギア機構23のギア比が、ゼンマイ22に蓄積された力学的エネルギーを放出する際に発生する摩擦抵抗と、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する際に発生する発電機構70(ブラシレスモータ)内の摩擦抵抗とを考慮して設定されている。このため、力学的エネルギーの損失を考慮した最適のギア比を備えたギア機構23を設計する(選択する)ことができる。
(4) The friction ratio generated when the gear ratio of the
(他の実施形態)
尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態において、蓄積手段にゼンマイ22を用いたが、ワイヤ、ゴム、ベルト等の弾性力を有する弾性部材を用いてもよい。
(Other embodiments)
In addition, you may change the said embodiment as follows.
In the above embodiment, the
・上記実施形態において、連係機構として切り欠けギア46及び中歯車53を用いたが、次のようにしてもよい。例えば、クラッチ機構を用いてもよい。このような構成にした場合、ゼンマイ22に力学的エネルギーを蓄積する際には、前記クラッチ機構を連結させて伝達機構40を蓄積方向に回転可能とし、ゼンマイ22に予め設定された力学的エネルギーが蓄積されたことを条件にして、クラッチ機構を解除して、同力学的エネルギーを放出する。
In the above embodiment, the
・切り欠けギア46の切欠部46aは、一つに限定しない。即ち、一つの切り欠けギア46に複数の切欠部46aを形成するようにしてもよい。このような構成にした場合、切り欠けギア46を一回転させるだけで、複数回力学的エネルギーを放出することができる。
-
・充電池76を充電装置1に内蔵してもよい。そして、充電池76から供給される電力を、コネクタ3を介して外部に供給するようにしてもよい。このような構成にした場合、発電装置10により発電された電気エネルギーを充電池76に蓄積することができる。従って、予め力学的エネルギーを利用して得られた電気エネルギーをいつでも利用することができる。このため、利便性を向上させることができる。
The
・上記実施形態の発電装置10は、携帯電話のバッテリの充電装置に限定しない。例えば、ラジオ、懐中電灯等に電気エネルギーを供給するようにしてもよい。また、発電装置10を靴に搭載してもよい。このような構成にした場合、歩行するだけで、自動的に電気エネルギーが充電池76に蓄積されるため、利便性が向上する。
-The electric
・上記実施形態では、発電手段としてブラシレスモータの発電機構70を使用したが、ブラシ付きモータを使用してもよい。このような構成にした場合であっても、ギア機構23のギア比を数式(1)〜(5)を利用することで最適なギア比を導き出すことができる。なお、この場合、ブラシと整流子(コミュテータ)との接触による摩擦抵抗を考慮する必要があるため、数式(1)におけるモータの摩擦係数R2を用いることで、より最適なギア比を導き出すことができる。
In the above embodiment, the brushless motor
・図1に二点鎖線で示すように、レバー11の先端に、重り部12aを備えてもよい。重り部12aは、略半球状を成しており、レバー11とともに往復動作する。例えば、靴のかかとの内部に重り部12aが下になるように充電装置1を配設する。そして、その靴を履いた状態で歩行すると、歩行の動作に基づいて重り部12aが振り子のような動作を行う。このため、手でレバー11を操作することなく、ゼンマイ22に力学的エネルギーを蓄積することができる。また、重り部12aによりレバー11の往復動作が促進されるため、少しの充電装置1の動きに対してもレバー11を往復動作させることができる。また、ワンウェイ機構により小さい力で力学的エネルギーを少しずつゼンマイ22に蓄積させることができるため、重り部12aを極力小さくすることができ、ひいては充電装置1全体を小型化することができる。
-As shown with a dashed-two dotted line in FIG. 1, you may equip the front-end | tip of the
・上記実施形態では、入力手段としてのレバー11を図4に矢印Xで示す送り方向に回転する操作に基づいてラチェットギア45を回転させてゼンマイ22に力学的エネルギーを蓄積するようにしたが、次のように変更してもよい。図10に示すようなラック110と第1歯車機構131とを備えたラックアンドピニオン機構を用いてラチェットギア45(図1参照)を回転させるようにしてもよい。このような構成にした場合にも、小さい力で力学的エネルギーをゼンマイ22に蓄積させることができる。また、このラック110に重り部12aを設けてもよい。
In the above embodiment, the
1…充電装置、4…ストッパ、10…発電装置(発電手段)、11…レバー(入力手段)、12a…重り部、20…ゼンマイ機構(蓄電手段)、22…ゼンマイ、23…ギア機構、40…伝達機構、41…第1シャフト(支点)、44…送り爪(ラチェット機構)、45…ラチェットギア(ラチェット機構)、46…切り欠けギア(連係機構及び第1伝達歯車)、46a…切欠部、53…中歯車(連係機構及び第2伝達歯車)、62…第3シャフト(回転軸)、70…発電機構(発電手段及びモータ)、76…充電池、N…ギア比、T…歯、EM…力学的エネルギー。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記伝達機構は、前記蓄積手段に対して力学的エネルギーを蓄積する方向にのみ動作可能とするワンウェイ機構を備え、
前記入力手段を複数回往復動作させることで、前記蓄積手段に予め設定された量の力学的エネルギーを分割して蓄積するようにしたことを特徴とする発電装置。 Accumulating means for storing and releasing mechanical energy, input means provided so as to be able to reciprocate, and movement of the input means in one direction while being linked to the accumulating means when storing the energy A transmission mechanism that transmits the energy to the storage unit based on the relationship between the energy storage unit and the storage unit when the energy is released, and a power generation unit that converts the mechanical energy released by the storage unit into electrical energy. A power generation device comprising:
The transmission mechanism includes a one-way mechanism that can be operated only in a direction in which mechanical energy is stored in the storage means,
A power generation apparatus characterized in that a predetermined amount of mechanical energy is divided and stored in the storage means by reciprocating the input means a plurality of times.
前記ワンウェイ機構は、前記入力手段の一方向の移動に基づいて蓄積手段における力学的エネルギーの蓄積方向に回転するラチェットギアと、
当該ラチェットギアの歯に係合して前記ラチェットギアにおける前記蓄積方向と反対方向の回転を規制するストッパとを備えたラチェット機構であることを特徴とする発電装置。 The power generator according to claim 1,
The one-way mechanism is a ratchet gear that rotates in a storage direction of mechanical energy in the storage unit based on movement in one direction of the input unit;
A power generation device comprising a ratchet mechanism including a stopper that engages with teeth of the ratchet gear and restricts rotation of the ratchet gear in a direction opposite to the accumulation direction.
前記伝達機構は、前記蓄積手段の力学的エネルギーの蓄積時において、当該伝達機構と蓄積手段との連係を許容し、蓄積手段の力学的エネルギー放出時において、前記伝達機構と蓄積手段との連係を解除する連係機構を備え、
当該連係機構は、前記蓄積手段に前記予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積されるタイミングで前記伝達機構と前記蓄積手段との連係を解除することを特徴とする発電装置。 In the electric power generating apparatus of Claim 1 or Claim 2,
The transmission mechanism allows the transmission mechanism and the storage means to be linked when storing the mechanical energy of the storage means, and the transmission mechanism and the storage means are linked when releasing the mechanical energy of the storage means. With a linkage mechanism to release,
The linkage mechanism releases the linkage between the transmission mechanism and the storage means at a timing when the preset amount of mechanical energy is stored in the storage means.
前記連係機構は、互いに噛合う第1伝達歯車及び第2伝達歯車を備え、
当該第1伝達歯車は、前記入力手段の往復動作に基づいて回転するとともに、一部に歯の形成されていない切欠部を備え、
前記第2伝達歯車は、前記蓄積手段と連係され、
前記切欠部は、前記蓄積手段に前記予め設定された量の力学的エネルギーが蓄積されるタイミングで前記第2伝達歯車と離間して、前記第1伝達歯車と第2伝達歯車との連係を解除するようにしたことを特徴とする発電装置。 In the electric power generating apparatus of Claim 3,
The linkage mechanism includes a first transmission gear and a second transmission gear that mesh with each other;
The first transmission gear rotates based on the reciprocating motion of the input means, and includes a notch part in which teeth are not formed.
The second transmission gear is linked to the storage means;
The notch is separated from the second transmission gear at a timing when the preset amount of mechanical energy is stored in the storage means, and the linkage between the first transmission gear and the second transmission gear is released. A power generator characterized by that.
前記入力手段には、当該入力手段の往復動作を促進させる重り部が設けられていることを特徴とする発電装置。 In the electric power generating apparatus of any one of Claims 1-4,
The power generator according to claim 1, wherein the input means is provided with a weight portion that promotes reciprocation of the input means.
前記蓄積手段は、渦巻き状に形成されたゼンマイを備え、
前記発電手段は、回転運動を行う回転軸を備えたモータを備え、
前記モータの回転軸と、前記ゼンマイとの間には、当該ゼンマイに蓄積された力学的エネルギーを当該モータの回転軸に機械的に伝達するギア機構が設けられ、
前記ギア機構は、ゼンマイに蓄積された力学的エネルギーを放出する際に当該ゼンマイで発生する摩擦抵抗と、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する際にモータ内で発生する摩擦抵抗とを考慮してギア比を設定したことを特徴とする発電装置。 In the electric power generating apparatus of any one of Claims 1-5,
The accumulating means includes a spring formed in a spiral shape,
The power generation means includes a motor having a rotating shaft that performs rotational movement,
Between the rotating shaft of the motor and the spring, a gear mechanism that mechanically transmits the mechanical energy accumulated in the spring to the rotating shaft of the motor is provided.
The gear mechanism takes into account the frictional resistance generated in the mainspring when releasing the mechanical energy accumulated in the mainspring and the frictional resistance generated in the motor when converting the mechanical energy into electrical energy. A power generator characterized by setting a gear ratio.
前記入力手段は、支点を軸として回動可能に支持されており、
前記重り部は、前記入力手段における支点側と反対側の端部に設けられ、前記支点を軸として当該入力手段とともに振り子運動することを特徴とする発電装置。 The power generator according to claim 5,
The input means is supported so as to be rotatable about a fulcrum,
The power generator according to claim 1, wherein the weight portion is provided at an end portion of the input means opposite to the fulcrum side and performs a pendulum motion together with the input means around the fulcrum.
前記発電手段によって得られた電気エネルギーを蓄積する充電池とを備えたことを特徴とする充電装置。 The power generator according to any one of claims 1 to 7,
A charging device comprising: a rechargeable battery that stores electrical energy obtained by the power generation means.
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