JP2012090388A - 発電ユニット及び発電式健康器具 - Google Patents

Abstract

【課題】健康器具に発電機能を融合させた発電式健康器具、より詳しくは、人の動作を回転運動に変換し、その回転運動を基に効率的に発電することができる発電ユニット及び発電式健康器具を提供する。
【解決手段】本発明は、上記課題を解決するため、人の動作を回転運動に変換し、その回転運動を電気エネルギーに変換する発電ユニットであって、回転可能に保持される軸と、運動者の動作を回転運動に変換して前記軸に伝達する伝達手段と、前記軸に連結されたフライホイールと、前記軸の回転で回転する複数の磁石と、前記磁石とで発電する複数のコイルと、前記コイルの電気的接続の切換を前記フライホイールの回転数を基に制御し前記フライホイールに回転負荷を制御する制御装置と、からなることを特徴とする発電ユニットの構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、人の健康増進を図る健康器具に関し、より詳しくは、人の動作を回転運動に変換し、その回転運動を基に効率的かつ安定的な発電することができる発電ユニット及び発電式健康器具に関する。

回転運動を伴う健康器具として、ランニングマシーン、エアロバイクなどが良く知られている。他方、発電する回転運動を伴う健康器具として、特許文献１の「発電・蓄電装置のついた健康装置」、特許文献２の「人力発電エアロバイク」が公開されている。

特開２００４−７３７７２号公報 特開２０１０−５７３４７号公報

健康器具で消費される運動エネルギーは世界中では膨大であるにも関わらず、単なる健康器具の運動エネルーはあまり利用されていない。そして、特許文献１の発明では、負荷変更に対して何ら考慮されておらず、発電は可能であっても健康器具としては不十分であった。

他方、特許文献２では、運動者の体力にあった運動ができるように負荷が考慮されている。その方法としては発電機の出力電圧を制御装置のボリュームを加減する事により可変するというものである。しかしながら、運動負荷により、発電量は低下する。従って、加えられた運動負荷が効率的に発電に使用されていない。さらに、安定した発電について考慮されていない。

そこで、本発明は、健康器具に発電機能を融合させた発電式健康器具、より詳しくは、人の動作を回転運動に変換し、その回転運動を基に効率的かつ安定的な発電をすることができる発電ユニット及び発電式健康器具を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、人の動作を回転運動に変換し、その回転運動を電気エネルギーに変換する発電ユニットであって、回転可能に保持される軸と、運動者の動作を回転運動に変換して前記軸に伝達する伝達手段と、前記軸に連結されたフライホイールと、前記軸の回転で回転する複数の磁石と、前記磁石とで発電する複数のコイルと、前記コイルの電気的接続の切換を前記フライホイールの回転数を基に制御し前記フライホイールに回転負荷を制御する制御装置と、からなることを特徴とする発電ユニットの構成とした。

また、前記軸が、一方向回転駆動機構を介して左右に接続する第１軸及び第２軸からなり、前記伝達手段が第１軸に接続され、前記フライホイールが第２軸に固定され、前記伝達手段による第１軸の回転を前記一方向回転駆動機構により一方向の回転のみ前記第２軸に出力することを特徴とする前記記載の発電ユニットの構成とし、前記伝達手段が、前記第１軸に固定されるドラムと、前記ドラムに一端が接続し他端を運動者が引くベルトと、引き出された前記ベルトを巻き戻す巻き取り器とからなることを特徴とする前記記載の発電ユニットの構成とした。

また、前記複数のコイルは、１箇所に複数個重ねて配置されコイルの巻き数を電気的に可変できるコイルユニットを形成し、前記コイルユニットが複数箇所に散在していることを特徴とする前記何れかに記載の発電ユニットの構成とし、前記磁石が前記フライホイールに備えられ、前記コイルが前記フライホイールを囲む固定具に固定されたことを特徴とする前記何れかに記載の発電ユニットの構成とした。

さらに、前記何れかに記載の発電ユニットと、前記軸を回転可能に保持する軸受けを備えるフレームとからなることを特徴とする発電式健康器具の構成とした。

そして、前記フレームが、前記軸受けを備える起立部と、前記起立部に連設される水平部とからなり、さらに、前記水平部に載置されたレールと、前記レール上を移動可能な台車と、前記起立部と台車の間に運動者の足を係止するストッパを備え、前記台車に運動者が座り、前記台車を前記垂直部から遠ざける方向に移動させることにより、前記伝達手段を介して前記軸を回転させることを特徴とする前記記載の発電式健康器具の構成とした。
の構成とした。

本発明は、健康器具に効率的かつ安定的な発電をする発電機能を融合させることができる。さらに、コイルの電気的接続の制御をすることで、運動者の動作負荷を効率的に発電に利用することができる。さらに、ライホイールを備えることで、安定的に電気を発電することができる。

本発明である発電ユニットの平面部分断面模式図である。 コイルの電気的接続制御によるフライホイールへの負荷切換の模式図である。 コイルの電気的接続制御の他の実施形である。 本発明である発電式健康器具の説明側面図である。

以下、図面に基づき本発明である発電ユニット及び発電式健康器具について詳細に説明する。

図１に示すように、本発明である発電ユニット１は、フリーホイール５を介在し回転可能に保持される軸と、伝達手段２７と、フライホイール１２と、磁石１３と、コイル１１と、回転計１４と、制御装置１５と、蓄電池１７とからなり、人の動作を伝達手段２７を介して回転運動に変換し、その回転運動を利用して磁石１３とコイル１１とで発電する。

軸は、一方方向に回転するフリーホイール５の左右に接続する第１軸３及び第２軸４からなり、軸の両端は軸受け２に回転可能に保持される。さらに、フリーホイール５近傍の左右には軸受け２ａが配置され、第１軸３、第２軸４を保持して、フリーホイール５の回転、フライホイール１２を安定的な回転を補助する。

フリーホイール５は、自転車のペダル部分に使用されている一方向回転駆動機構である。自転車のフリーホイールは、ハブとチェーンと組み合わせ動力を伝える歯車であるスプロケット（チェーンホイール）のあいだにラチェット機構もしくはワンウェイクラッチを備え動力を一方向のみ伝え、反対方向への回転は空転して出力しない。ペダルからの力はスプロケットからハブへ伝わるが、自転車が持つ慣性によって地面から受ける車輪回転力は本機構が空転しハブからスプロケットへは伝わらずペダルも回転しない。

他の一方向回転駆動機構として、スプラグクラッチ、オートバイエンジンのセルモーター部に使用されるスタータークラッチなどもあり、本発明に採用できる。

ここでは、伝達手段２７から第１軸３に入力された一方向の回転は、フリーホイール５を介して第２軸４に出力され、第２軸４を回転させる。他方、伝達手段２７から第１軸３に入力された反対方向の回転は、フリーホイールが空転して、第２軸に出力されない。これにより、第２軸４は、一方向のみに回転する。

軸受け２は、地上より起立する棒状のもの、上方より吊り下げられるも棒状の、地上に水平に載置される四角形の枠、板などに立設したものが例示できる。軸受け２は、軸を回転可能に保持し、位置固定できれば、どのように形状でも、どのように設置してもよい。発電ユニット１の設置場所及び使用方法により適宜変更できる。

伝達手段２７は、運動者の動作を回転運動に変換して前記軸に伝達する回転機構であり、手段は問わない。例えば、ランニングマシーンの回転ベルトの回転機構、エアロバイクの車輪の回転機構などが例示できる。図１では、一例として、ドラム６と、ベルト７と、巻き取り器８とからなる伝達手段２７を示した。

ドラム６は、円筒形で第１軸３に固定され、側面の中央部に凹部６ａがあり第１軸３と同一方向に回転する。側面の凹部６ａにベルト７が巻き付けられる。ドラム６は、ベルト７の引き出し、巻き取りにより回転し、第１軸３を回転させる。

ベルト７は、ドラム６の凹部６ａに一端が接続し巻き付けられ、他端は運動者によって引かれる。ベルト７は、運動者の動作、後述の巻き取り器８との作用により、ドラム６に巻かれ、引き出せされること（図１両矢印）を繰り返す。ベルト７としては、動作伝達のロスをなくすため低伸縮性の素材が好ましく、ワイヤー、チェーン、革の帯などが例示できる。

なお、ドラム６の形状は、ベルト７の形状、材質に併せて適宜変更する。ベルト７がチェーンのときは、ドラム６としてスプロケット（歯車）も採用できる。ベルト７がエンジンに使用されるタイミングベルト様の素材であえば、ドラム６とは別に回転体を備え、ドラム６と前記回転体とにベルト７を係止し、テンションを付与して摩擦による回転方式が採用できる。

巻き取り器８は、ベルト７をドラム６に巻き付ける方向に回転させる装置である。巻きバネが例示できる。また、ここでは、ドラム６と別体としたが、一体とすることもできる。例えば、バネによる自動巻き取り式の巻尺構造が例示できる。一体であればコンパクトになるが、メンテナンスを考慮すると別体としたほうがよい。

磁石１３は、永久磁石で後述のコイル１０、１１にフレミングの右手の法則により、電流を誘導する。従って、磁石１３は、磁束がコイル１０、１１内を通過する位置で磁石に近接して配置される。ここでは、円筒形のフライホイール１２の外周部に複数埋め込み、フライホイール１２の半径方向にコイル１１を配置した。さらに、フライホイール１２の側面に磁石を配置し、固定具１３の側面（第１、２軸３、４方向）にコイルを配置してもよい。磁石１３は、回転体の回転中心角を等分にする位置に配置することで、回転体の回転ブレが防止され好ましい。

フライホイール１２は、第２軸４に連結固定され、第２軸４と同一方向に回転する。一般に、フライホイールには次の機能がある。第１の機能は、エネルギーの蓄積である。電気エネルギーや蒸気機関のエネルギーを、一旦力学的な回転運動に置き換えることで、エネルギーそのものを蓄積保存するのであり、比較的大きなエネルギーの蓄積に適している。

フライホイールの第２の機能は、種々の運動の安定化である。これはフライホイールの有する慣性の作用で、例えば回転が遅くなる場合はそれを抑え維持しようとする力が働き、回転が速くなろうとするときにも同じ回転速度を維持しようとする。またフライホイールは回転運動であるため、回転軸の安定化というジャイロ機能も有する。

コイル１０、１１は、磁石１３の磁束の通過により、電流を誘導する。即ち発電する。コイル１０、１１を固定するため、図１では、第２軸４を挿通させフライホイール１２を断面コの字状に覆うカップ形状の固定具９内にあって、フライホイール１２の半径方向の位置に埋め込まれている。なお、コイルを固定する固定具９は、電磁気的反発に耐える構造で、樹脂や非磁性体で形成するとよい。より好ましくは、最適な磁力線制御を考慮した磁性体による構造体である。

そして、コイル１１の両端は、それぞれ配線１１ａ、１１ｂを介して蓄電値の＋端子１７ａ、−端子１７ｂに接続する。コイル１１に誘導された電流は、蓄電池１７に蓄積される。図１の状態では、スイッチ１６によりコイル１０と蓄電池１７との接続（配線１０ａ、１０ｂ）は遮断されている。スイッチ１６は、制御装置１５によりコイル１０、１１と蓄電池１７との電気的接続を遮断・接続する。

スイッチ１６が、図１の弧状矢印方向に切り替わることで、コイル１０も電気的に蓄電池１７と接続し、フライホイール１２に負荷が増加することになる。従って、ドラム６を回転させる伝達手段２７にも負荷がかかることとなる。

スイッチ１６は、コイル１０、１１毎に設けても、図１のようにコイル１０、１１を直列に接続するように設けられてもよい。コイル１０、１１が、磁石１３の近傍でよい多くの垂直入射の磁束を受けるように、コイル１０、１１、磁石１３を配置することが望ましい。その配置は図１に限定されるものでない。

回転計１４は、第２軸４の回転数を計測する装置であればよく、タコメーター、ストロバスコープなどが例示できる。そして、計測した第２軸４の回転を電気信号である回転信号１４ａとして制御装置１５に出力する。回転信号１４ａは、フライホイール１２の回転負荷制御に利用される。

制御装置１５は、回転計１４からの第２軸４の回転数を回転信号１４ａとして受けて、また運動者が選択した負荷パターン或いは負荷レベルに基づいて、第２軸４の回転数に応じた負荷をフライホイール１２に備えられた磁石１３の動作に生じさせ、磁石１３を備える回転体（ここではフライホール１２）の回転運動の制動制御を行う。結果的に、フライホール１２の回転、第１、２軸３、４への回転負荷となり、さらには運動者の運動負荷となる。

ここでは、第２軸４と磁石１３を備えるフライホイール１２は同じ回転数を示すので、第２軸４の回転数を回転信号１４ａとして使用したが、フライホイール１２の回転数を回転信号１４ａとしてもよい。また、フライホイール１２と磁石１３を別体としたときは、磁石１３の回転数を回転信号１４ａとして使用してもよい。

その制動制御手段としては、スイッチ１６の開閉を制御する制御信号をスイッチ１６に出力し、コイルの電気的接続を制御する。さらに、制御装置１５は、コイル１１、磁石１３による発電量を計測し、別体の表示部に表示することもできる。

蓄電池１７は、磁石１３とコイル１１によって発電された電気を蓄積する装置である。発電された電気は、勿論整流されて蓄電される。なお、発電した電気は、蓄電池１７を介さず電気器機の電力として直接使用してもよい。

図２は、実施例１のコイルの電気的接続制御によるフライホイールへの負荷切換の模式図である。図２（Ａ）は、フライホイール１２と固定具９の側面模式図、図２（Ｂ）（Ｃ）では、固定具９のみを示した。

フライホイール１２が回転することで、その外周部に埋設された磁石１３がコイル１０、１１近傍を通過し、コイルに磁束変化を与え発電する。グレーに着色されたコイルは、電気的に蓄電池１７に接続していることを意味する（図３、４においても同じ）。

図２（Ａ）から（Ｃ）に行くにしたがって、磁石１３に対向するコイルの電気的接続数が増加している。コイルの電気的接続数が増加するにしたがって、磁石１３を備える回転体の回転運動を制動する作用が大きくなる。

図２に示すように、コイルの電気的接続制御は、フライホイール１２の回転初期では少ないコイルを電気的に蓄電池１７に接続させ、フライホイール１２の回転数が上がった状態ではより多くのコイルが電気的に蓄電池１７に接続されるように制御装置１５で制御する。

結果的に、フライホイール１２に同一回転力を与えた場合には、コイルの電気的接続数が多いときの方が、電気的接続が少ない場合よりもフライホール１２の回転スピードが遅くなる。

コイルの蓄電池１７への電気的接続が多いほど、フライホイール１２の回転を抑える作用が大きくなり、運動者の運動負荷が高まる。単なる機械的ブレーキによる負荷付与では発電量の無駄が生じるところ、図２に示すような電気的接続制御をすることにより、フライホイール１２の回転負荷を有効に発電に利用することができるので、効率的な発電を実現することができる。

図３に、コイルの電気的接続制御によるフライホイールへの負荷切換の他の実施形を示した。図３（Ａ）はコイルユニット１８の模式図である。図３（Ｂ）はフライホイール１２と固定部具の側面模式図、（Ｃ）では固定具９のみを示した。

実施例２では、固定具９のフライホイール１２の半径方向の１箇所に、コイルを複数個重ねて（内コイル１９、外コイル１９ａ）配置し、コイルの巻き数を電気的に可変できるコイルユニットを形成する。そして、コイルユニット１８を固定具９のフライホイール１２の半径方向に複数箇所に散在させている。

図３（Ａ）に示す端子ａ、ｂのみを蓄電池１７に電気的に接続（ｏｎ）すれば、内コイル１９のみに電気が誘導され、端子ａ、ｄを接続して、端子ｂ、ｃを蓄電池１７に電気的に接続（ｏｎ）すれば、内外コイル１９、１９ａに電気が誘導される。即ち、コイルの巻き数を電気的に可変できる。このように、コイルを配置することで、省スペースでより多くの発電を可能にすることができる。

次に、本発明の一例として図４に示した発電式健康器具について説明する。発電式健康器具２０は、実施例１の発電ユニット１と、フレーム２１と、背もたれ２２と、ストッパ２３、レール２４と、台車２５とからなる。

フレーム２１は、第１軸３、第２軸４からなる軸を左右で回転可能に保持する軸受け２を備える起立部２１ａと、起立部２１aに連設される水平部２１ｂとからなる。ここでは、フレーム２１は、左右の起立部２１の間の水平部２１ｂには軸受け２ａも垂設された四角状の枠、板、格子などである。そして、起立部２１ａと図１の軸受け２は同じものである。

水平部２１ｂには、背もたれ２２が接続し、図４（Ｂ）に示すように、ベルト７を引いたときのストッパとなる。背もたれ２２には運動者２６の頭部２６ａを保護する保護部材２２ａを備えるとよい。

水平部２１ｂにはレール２４が載置される。レール２４上には、水平移動可能な台車２５が滑車２５ａを介して載置される。図４（Ａ）に示すように、台車２５には運動者２６が発電ユニット１のベルト７端部に設けられた取っ手７ａを握り座る。

起立部２１ａと台車２５の間には運動者２６の足２６ｂを係止するストッパ２３が備えられ、運動者２６は足２６ｂの裏をストッパ２３に係止した上で、ベルト２３ａなどで足２６ｂの甲をストッパ２３に固定する。

そして、図４（Ｂ）に示すように、運動者２６が足２６ｂを伸ばすことにより、台車２５が背もたれ２２方向にスライド（図４（Ａ）右矢印方向）するとともに、ベルト７がドラム６から引き出され、第１軸３を回転させ、フリーホイール５を介して第２軸４及びフライホイール１２及び磁石を備える回転体を回転させ、発電する。図４中の弧状矢印がフライホイール１２の回転方向を示す。

その後、運動者２６は、図４（Ｃ）に示すように、足２６ｂを縮めることにより、台車２５が発電ユニット１に近づくようにスライド（図４（Ｃ）左矢印方向）させことで、ベルト７が巻き取り器８の作用により、ドラム６に巻き取られる。

このとき、第１軸３は引き出された方向と逆向きに回転するが、第２軸４及びフライホイール１２はフリーホイール５の作用により、ベルト７が引き出されたときの回転方向に回転し続ける。そして、フライホール１２は、発電に伴う制動を受け回転スピードは遅くなる。

なお、図４に示すように、スライド式の場合で、フライホイール１２を大型にする場合には、滑車でベルト７を屈曲させればよい。発電式健康器具として、腕で引く、或いは押すだけの構造としても、足で回転させる構造など種々の構造を採用することができる。

１ 発電ユニット
２ 軸受け
２ａ 軸受け
３ 第１軸
４ 第２軸
５ フリーホイール
６ ドラム
６ａ 凹部
７ ベルト
７ａ 取っ手
８ 巻き取り器
９ 固定具
１０ コイル
１０ａ 配線
１０ｂ 配線
１１ コイル
１１ａ 配線
１１ｂ 配線
１２ フライホイール
１３ 磁石
１４ 回転計
１４ａ 回転信号
１５ 制御装置
１５ａ 制御信号
１６ スイッチ
１７ 蓄電池
１７ａ ＋端子
１７ｂ −端子
１８ コイルユニット
１９ 内コイル
１９ａ 外コイル
２０ 発電式健康器具
２１ フレーム
２１ａ 起立部
２１ｂ 水平部
２２ 背もたれ
２２ａ 保護部材
２３ ストッパ
２３ａ ベルト
２４ レール
２５ 台車
２５ａ 滑車
２６ 運動者
２６ａ 頭部
２６ｂ 足
２７ 伝達手段

本発明は、上記課題を解決するため、人の動作を回転運動に変換し、その回転運動を電気エネルギーに変換する発電ユニットであって、回転可能に保持される軸と、運動者の動作を回転運動に変換して前記軸に伝達する伝達手段と、前記軸に連結されたフライホイールと、前記軸の回転で回転する複数の磁石と、前記磁石とで発電する複数のコイルと、前記コイルの電気的接続の切換を前記フライホイールの回転数を基に制御し前記フライホイールに回転負荷を制御する制御装置と、前記コイルで発電した電気を蓄電する蓄電池と、からなり、前記コイルの電気的接続の切換を、前記フライホイールの回転初期では少ないコイルを電気的に前記蓄電池に接続させ、前記フライホイールの回転数が上がった状態ではより多くのコイルを電気的に前記蓄電池に接続させることを特徴とする発電ユニットの構成とした。

Claims (7)

1. 人の動作を回転運動に変換し、その回転運動を電気エネルギーに変換する発電ユニットであって、
   回転可能に保持される軸と、運動者の動作を回転運動に変換して前記軸に伝達する伝達手段と、前記軸に連結されたフライホイールと、前記軸の回転で回転する複数の磁石と、前記磁石とで発電する複数のコイルと、前記コイルの電気的接続の切換を前記フライホイールの回転数を基に制御し前記フライホイールに回転負荷を制御する制御装置と、からなることを特徴とする発電ユニット。
2. 前記軸が、一方向回転駆動機構を介して左右に接続する第１軸及び第２軸からなり、前記伝達手段が第１軸に接続され、前記フライホイールが第２軸に固定され、前記伝達手段による第１軸の回転を前記一方向回転駆動機構により一方向の回転のみ前記第２軸に出力することを特徴とする請求項１に記載の発電ユニット。
3. 前記伝達手段が、前記第１軸に固定されるドラムと、前記ドラムに一端が接続し他端を運動者が引くベルトと、引き出された前記ベルトを巻き戻す巻き取り器とからなることを特徴とする請求項２に記載の発電ユニット。
4. 前記複数のコイルは、１箇所に複数個重ねて配置されコイルの巻き数を電気的に可変できるコイルユニットを形成し、前記コイルユニットが複数箇所に散在していることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の発電ユニット。
5. 前記磁石が前記フライホイールに備えられ、前記コイルが前記フライホイールを囲む固定具に固定されたことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の発電ユニット。
6. 請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の発電ユニットと、前記軸を回転可能に保持する軸受けを備えるフレームとからなることを特徴とする発電式健康器具。
7. 前記フレームが、前記軸受けを備える起立部と、前記起立部に連設される水平部とからなり、さらに、前記水平部に載置されたレールと、前記レール上を移動可能な台車と、前記起立部と台車の間に運動者の足を係止するストッパを備え、前記台車に運動者が座り、前記台車を前記垂直部から遠ざける方向に移動させることにより、前記伝達手段を介して前記軸を回転させることを特徴とする請求項６に記載の発電式健康器具。

Images