JP2020056311A - 動力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】重力を回転力に変換することで、回転を動力源とする機器との接続を可能とする動力発生装置を提供することにある。【解決手段】重力を回転する力に変換し、変換された力を動力源として利用する動力発生装置であって、重力の釣り合いをとろうとする自然の法則に対し、釣り合いをとらせないようにすることにより不均衡を生じさせ、不均衡で、回転のエネルギーを作り出す回転力を生む機構を含む。【選択図】図９

Description

本発明は、動力発生装置に関する。

重力を回転の力に変換する代表的な機器として水車などがある。
しかし、水車は、重力で流れ落ちる水を動力源とするので、水を水車に流し続けなければならない。動力源としては水が無限に必要であった。
本発明では、動力源は重力のみであり、他からの動力源の補給なしに、回転力が発生し続ける。
また、回転体を連結することでより多くの動力源となりうる。

本発明は、動力源として重力を利用し、重力のみで回転力を発生させ、その回転力を他の機器へ供給する動力発生装置としての位置づけとなる。

よって、本発明は、重力を利用した、動力発生装置を提供すること目的とする。

本発明は、以下の手段を採用する。
本発明に係る動力発生装置は、重力を回転する力に変換し、変換された力を動力源として利用する動力発生装置であって、重力の釣り合いをとろうとする自然の法則に対し、前記釣り合いをとらせないようにすることにより不均衡を生じさせ、前記不均衡で、回転のエネルギーを作り出す回転力を生む機構を含むことを特徴とする。

本発明に係る動力発生装置は、重力の法則に従った鉛直方向に対して質点の位置を、９０度傾けたことによる不均衡を動力源としていることを特徴とする。

本発明に係る動力発生装置は、さらに、質点を水平方向に保持する水平保持機構を含むことを特徴とする。

本発明は、古典的な手法としての、水車と、シーソーのような梃子の原理を利用している。
そして、本発明は、この２つの古典的な手法を同時に利用し、質点にかかる重力を、左右不均衡にすることで発生する回転力を利用することを、特徴とする。
また、本発明に係る不均衡を発生させる部分に関しては、自然の法則の「釣り合い」が必ず発生するため、その「釣り合い」を発生させないための機能も特徴とする。

本発明によれば、回転を必要とする機器の動力源として利用が可能となる。また、本発明に係る動力発生装置は、他の動力源を必要としないので、環境に配慮した動力源として活用することができる。

偶数の質点の場合の一般化モデルの説明図である。 奇数の質点の場合の一般化モデルの説明図である。 一般化モデルの重力での釣り合いの説明図である。 図３に示した一般化モデルの力学的考察の説明図である。 安定版を利用した動力発生装置の概要図である。 動力発生装置の伝達歯車が作り出す一定方向の説明図である。 安定板の自然なつり合いの状態の説明図である。 安定板への力の掛かり方及び安定板の釣り合い問題の解決の考え方の説明図である。 解決方法及び各部位の力の役目の説明図である。 下段の重り棒の力の方向の説明図である。 連結運用の説明図である。

本発明を、図１及び図２を参照し「一般化モデル」を説明し、その後、「一般化モデル」を実現する具体的な動力発生装置を説明する。
図１は、偶数の質点の場合の一般化モデルの説明図である。図２は、奇数の質点の場合の一般化モデルの説明図である。

図１及び図２に示すように、複数の質点ｍを有する一般化モデルは、鉛直方向Ｚ（重力が作用する方向）に対して直角の方向（水平方向）に伸びる回転中心軸Ｏと、回転中心軸Ｏを中心に回転する回転半径Ｒの回転体Ｄとを有する。

回転体Ｄは、基準となるベース（いわゆる絶対座標軸）から見て、回転中心軸Ｏを中心に回転する。回転体Ｄにおいて、回転中心軸Ｏから離れる方向に回転半径Ｒだけ離れた位置に複数の回転中心位置Ｐがある。複数の回転中心位置Ｐは、互いに回転中心軸Ｏに対して等角度を置いて位置している。複数の回転中心位置Ｐは、回転体Ｄの回転とともに、回転中心軸Ｏを中心に回転する。

図１に示すように、回転中心位置Ｐの数が２つの場合、２つの回転中心位置Ｐは回転中心軸Ｏに対して違いに反対方向に位置している（角度ａ＝３６０度の２分の１＝１８０度）。

図２に示すように、回転中心位置Ｐの数が３つの場合、３つの回転中心位置Ｐは回転中心軸Ｏに対して１２０度開いた位置にある（角度ａ＝３６０度の３分の１＝１２０度）。

図１及び図２に示すように、質点ｍは、回転中心位置Ｐから延長ｒだけ離れた位置にあり、台座Ｂから見て、質点ｍは、常に、回転中心位置Ｐの水平方向側に位置する（図示の例では、右側であるが左側であってもよい）。すなわち、一般化モデルは、重力の法則に従った鉛直方向に対して質点ｍの位置を、９０度傾けたことによる不均衡を動力源としており、また、質点ｍを水平方向に保持する水平保持機構として作用するものを含む。

質点ｍは、回転体Ｄから見て、回転中心位置Ｐを中心に回転するように、回転可能に回転体Ｄに支持されている。また、質点ｍは、回転体Ｄの回転に伴って回転中心位置Ｐを中心に回転するよう回転体Ｄに支持されている。ベース（いわゆる絶対座標軸）Ｂから見て、回転体Ｄが１回転すると、質点ｍが回転体Ｄに対して１回転するよう、質点ｍは回転体Ｄに支持されている。回転体Ｄに対する質点ｍの回転方向は、台座Ｂに対する回転体Ｄの回転方向とは反対方向である。

このため、ベースから見ると、回転体Ｄが回転中心軸Ｏの周りを回転すると、質点ｍは、常に、回転中心位置Ｐに対して同じ側に位置しながら、回転中心軸Ｏの周りを回転するように見える。つまり、例えば、台座Ｂから見て、質点ｍは、回転中心位置Ｐの水平方向右側に位置している場合、回転体Ｄが台座Ｂに対して回転しても、質点ｍは、常に、回転中心位置Ｐの水平方向右側に位置する。

なお、図１に示すように、回転する質点ｍの数は少なくとも２つあればよく、偶数でも奇数でもよい。質点ｍの数が２つの場合、回転中心軸Ｏに対して左右対称に存在すればよい。

また、図２に示すように、質点ｍの数が３であってもよく、さらに、質点ｍの数が多くなればなるほど、後述するように、回転体Ｄに作用する回転力は増す。

図３は、一般化モデルの重力での釣り合いの説明図である。
図３に示すように、質点ｍは、回転中心位置Ｐを中心に回転するので、各質点ｍにおいては、重力ｇに従って釣り合いがとれる位置に移動しようとする。すなわち、質点ｍは、図３（ａ）に示す、回転中心位置Ｐの水平方向右側の位置から、鉛直方向Ｚ下側に移動しようとする。このとき、図３（ｂ）に示すように、質点ｍは、回転中心位置Ｐを中心に回転するよう規制されているので、鉛直方向Ｚより、回転中心軸Ｏ側に寄る。

しかし、本発明では、この移動を阻止することで、各質点ｍがそれぞれ、不均衡状態で、重力ｇの影響を受けるようにする。

図４は、図３に示した一般化モデルの力学的考察の説明図である。
回転力（ローテーション、トルク（Ｎ・ｍ））は、回転中心軸Ｏから質点ｍ１の方向の線分Ｒ２の長さ（ｍ）と、垂直な接線方向成分の力Ｆ１（Ｎ）との積で得られる。

具体的な計算は以下のようになる。
質点ｍ１について、質点によるモーメント（トルク）を計算する。
先ず、回転中心軸Ｏからの接線方向成分の力Ｆ１を求める。

Ｆ１＝ｍ×ｇ×ｃｏｓθ２＝ｍ×ｇ×（Ｒ１／Ｒ２）
ここで、Ｒ１は、水平方向Ｘにおける、回転中心軸Ｏと質点ｍとの間の距離であり、換言するとＺ軸と質点ｍとの間の距離である。
Ｒ２は、回転中心軸Ｏと質点ｍとの間の距離である。
θ２は、回転中心軸Ｏと質点ｍとを結んだ直線と、質点ｍを通りＺ軸と直交する直線とのなす角度である。

よって、モーメント（トルク）Ｍ１を求めると、
Ｍ１＝Ｆ１×Ｒ２＝ｍ×ｇ×（Ｒ１／Ｒ２）×Ｒ２＝ｍ×ｇ×Ｒ１
となる。

また、
Ｒ１＝Ｒ×ｓｉｎθ＋ｒ
であることは明らかである。
ここで、θは、回転中心軸Ｏを通るＹ軸の上側に伸びる直線と回転中心位置Ｐとのなす角度である。

そうすると、
Ｍ１＝ｍ×ｇ×（Ｒ×ｓｉｎθ＋ｒ）
となる。

同様に、質点ｍ２のモーメントＭ２を求める。
質点ｍ２の位置は、回転中心軸Ｏに対して質点ｍ１と反対側に位置している（１８０度）ので、回転中心軸Ｏを通るＺ軸の上側に伸びる直線と回転中心位置Ｐとのなす角度をθを用いて示すと、θ＋π（θ＋１８０度）である。

よって、
Ｍ２＝ｍ×ｇ×（Ｒ×ｓｉｎ（θ＋π）＋ｒ）＝ｍ×ｇ×（−Ｒ×ｓｉｎθ＋ｒ）
となる。

２つの質点ｍ１、ｍ２のモーメント力を合成すると、
Ｍ１＋Ｍ２＝ｍ×ｇ×（Ｒ×ｓｉｎθ＋ｒ）＋ｍ×ｇ×（−Ｒ×ｓｉｎθ＋ｒ）＝２ｍｇｒ＞０
となる。

よって、回転力を表すモーメントは必ず正の値をとるので、θがどんな値をとっても、回転力は常に発生することになる。

図５を参照して、「一般化モデル」を実現した一例である動力発生装置１０の説明をする。動力発生装置１０は、重力を回転する力に変換し、変換された力を動力源として利用するものであり、重力の釣り合いをとろうとする自然の法則に対し、釣り合いをとらせないようにすることで、不均衡を生じさせ、不均衡で、回転のエネルギーを作り出す回転力を生む機構１１（図９参照）を含む。
図５は、安定版を利用した動力発生装置の概要図である。

動力発生装置１０は、回転中心軸Ｏと、複数の伝達歯車１６と、伝達歯車１６の相対的回転不能に取り付けられた安定板１８と、安定板１８に相対的移動不能に取り付けられた重り（質点ｍ）とを備える。

回転中心軸Ｏは、回転体Ｄとともに回転するが、回転中心にある中心歯車１４は、外部の回転体Ｄを回転可能に支持している台座Ｂに固定されているので、台座Ｂに対して回転はしない。

複数の伝達歯車１６は、回転体Ｄに回転可能に支持されている。複数の伝達歯車１６は、中心歯車１４に噛み合う伝達歯車１６と、その伝達歯車１６に直列に噛み合う複数の伝達歯車１６とが、回転中心軸Ｏから外側に向けて一列に並んでいる。図５では、４つの列が形成されている。

よって、複数の伝達歯車１６は、回転体Ｄと一緒に、回転中心軸Ｏを中心に回転するとともに、各伝達歯車１６の回転中心軸２０を中心に回転することになる。

図６は、動力発生装置の伝達歯車が作り出す一定方向の説明図である。図７は、安定板の自然なつり合いの状態の説明図である。図８は、安定板への力の掛かり方及び安定板の釣り合い問題の解決の考え方の説明図である。

中心歯車１４が台座Ｂに対して固定であって、伝達歯車１６は回転中心軸２０を中心に自由に回転できるものとし、中心歯車１４を１番目の歯車として数えた場合、回転体Ｄが回転しても、３以上の奇数番目の伝達歯車１６は、一定の方向を示すような、回転しないように見える動きをする。本発明は、この回転していないような動きを、姿勢制御へと利用することに特徴を有する。

詳細に説明すると、複数の伝達歯車１６は、中心歯車１４と同じ歯車（すなわし、モジュール、かつ、ピッチ円直径が同じ）であるので、中心歯車１４を１番目の歯車とすると、奇数番目の伝達歯車１６は、常に、一定方向に向く。

つまり、回転体Ｄを台座Ｂに対して時計方向ＣＷに回転させると、中心歯車１４は回転しないので、中心歯車１４に噛み合っている伝達歯車１６（偶数番目の伝達歯車１６）が中心歯車１４を中心に台座Ｂに対して時計方向ＣＷに回転するとともに、回転体Ｄに対して時計方向ＣＷに自転もする。

他方、奇数番目の伝達歯車１６は、偶数の伝達歯車１６の回転を受けて時計方向ＣＷに回転する回転体Ｄに対して反時計方向に回転するが、回転体Ｄは台座Ｂに対して時計方向ＣＷに回転しているので、台座Ｂから見た奇数番目の伝達歯車１６は、一定方向に向くように、平行移動する。

図５に示すように、一番外側にある奇数番目の伝達歯車１６には、安定板１８が取り付けられている。安定板１８は、姿勢制御機能と、回転力を生む機構の役割を有する。

さらに、回転力を生むための重り（質点ｍ）は、安定板１８に取り付けられている。
具体的には、安定板１８は、一番外側の奇数番目の伝達歯車１６の軸に揺動可能に釣り下げられている。また、一番外側の奇数番目の伝達歯車１６は外部の伝達歯車１６と噛み合っている。このため、安定板１８は、安定板１８が吊り下げられた伝達歯車１６の動きと一致する。

回転中心軸Ｏに作用する回転力は、安定板１８が、釣り合ってしまうと回転しない。よって、この釣り合いを、不均衡状態のまま維持することが、重要な点となる。

これを実現するために、吊り下げ軸（図７参照、例えば、伝達歯車１６の回転中心軸２０と同じ軸）と、その他の１点で、安定版を不均衡な状態に維持できれば、不均衡になった力が、回転軸へと伝わり、回転軸が釣り合いをとろうとして、回転を始める。

つまり、図７に示すように、重り（質点ｍ）の重心の位置が吊り下げ軸の鉛直方向Ｚから離れた位置になるように、重り（質点ｍ）を安定板１８に取り付けると、安定板１８が釣り合いの位置になるように、安定板１８は吊り下げ軸を中心に回転をする（図７の場合、右回転）。この回転を「回転力を生む機構」を用い阻止することで、つり合いの不均衡状態を作り上げる。不均衡状態には、必ず均衡状態へと移行しようとする力が働く。この力を利用して、回転力を発生させる構造が、本発明の特徴となる。

しかし、図８に示すように、安定板１８に、直接、重り（質点ｍ）を取り付けると、伝達歯車１６から伝わる力（吊り下げ軸を中心とする左回転力）と、重り（質点ｍ）から受ける力（吊り下げ軸を中心とする右回転力）が、相殺されて、回転力は生まれない。

そこで、重り（質点ｍ）が受ける力（右回転力ＦＲ）を、左回転力ＦＬへと変換し、相殺されていた力関係を、回転する方向の左回転力へと変換することで、相殺問題を解決させる。

この、「左回転力＞右回転力」である状態を作ることを、本発明では回転力を生む機構と呼ぶことにする。

回転力を生む機構は色々な方法が考えられるが、図９に、１つの実例を示す。
図９は、解決方法及び各部位の力の役目の説明図である。

回転力を生む機構１１は、重力の釣り合いをとろうとする自然の法則に対し、釣り合いをとらせないようにすることで、不均衡を生じさせ、生じさせた不均衡で、回転のエネルギーを作り出す。回転力を生む機構１１は、重力の法則に従った鉛直方向に対して質点ｍの位置を、９０度傾けたことによる不均衡を動力源としていることが好ましい。

回転力を生む機構１１は、伝達歯車１６に取り付けた歯車板２２、伝達歯車１６を取り付けている回転中心軸２０に固定されている固定板６２、回転中心軸２０に釣り下げられた上段の重り棒４０、歯車板２２に取り付けられた下段の重り棒４４、下段の重り棒４４に取り付けられた停止車６０、歯車板２２から下段の重り棒４４を経て上段の重り棒４０に繋がる紐である伝動紐５２を含む。

歯車板２２は、伝達歯車１６に相対的に回転不能にネジ等で組み付けられている。
固定板６２は、回転中心軸２０を中心とする円盤形状を有する。

上段の重り棒４０は、中央を回転中心軸２０で回転可能に支持され、一方の端部４１には、重りｍａが取り付けられて、鉛直方向Ｚへの力Ｆａを受けている。他方の端部に設けられたピン４２には、伝動紐５２の一方の端部が止められている。つまり、重りｍａに力Ｆａが作用すると、他方の端部に設けられたピン４２は伝動紐５２の一方の端部を上方向に力Ｆ２で引っ張る。

下段の重り棒４４は、中央を歯車板２２の回転中心軸２０下方に設けられた中心軸３０で回転可能に支持され、一方の端部４６には、重りｍｂが取り付けられて、他方の端部には、停止車６０を支持する支持軸４８と、伝動紐５２が引っかかるピン５０とが設けられている。ピン５０は、上方から伸びた伝動紐５２を上方に折り返す滑車の機能を有する。

停止車６０は、円盤形状を有し、下段の重り棒４４に設けられた支持軸４８で支持されている。停止車６０の側面が固定板６２の側面に接触するように、停止車６０は中心軸３０を中心に回転する。
伝動紐５２は、他方の端部が歯車板２２に設けられたピン２４に取り付けられている。

回転力を生む機構１１の各部品には、左回転を生む力（反時計方向の回転力）、鉛直方向Ｚ下方向の力のみが発生する。このため、すべての力は、反時計方向に回転する回転力ＦＬとして伝わる。

具体的には、上段の重り棒４０の一方の端部４１には、重りｍａが取り付けられているので、鉛直方向Ｚ下方向の力Ｆａが作用する。そうすると、梃子の原理における、力点が端部４１、支点が回転中心軸２０、作用点がピン４２となり、伝動紐５２の端部を引き上げる鉛直方向Ｚ上方向の力Ｆ２が作用する。これにより、伝動紐５２がピン５０を介して伝動紐５２の端部が取り付けられているピン２４が鉛直方向Ｚ下方向の力Ｆ１が作用する。ピン２４は、回転中心軸２０よりも左側に位置するので、回転中心軸２０を中心に歯車板２２を反時計方向に回転させる回転力ＦＬが作用する。

図１０は、下段の重り棒の力の方向の説明図である。
図１０の中で、下段の重り棒４４が固定されている中心軸３０と、固定板６２が固定されている回転中心軸２０とは、若干離れているので、両者を中心とする円周には、交点Ｑが存在することが分かる。

固定板６２及び停止車６０の半径が可変ではないので、停止車６０は、端部４６に重りｍｂをぶら下げているときは、固定板６２の下側側面に押しつけられた状態になり、固定されているように見える。

このことにより、停止車６０が、梃子の原理における支点の役目を果たし、重りｍｂが端部４６にぶら下がっている状態では、下段の重り棒４４を固定している中心軸３０を介して歯車板２２に対して力を発生させる。この歯車板２２は、回転中心軸２０を中心に回転可能であるため、反時計方向への回転力を作り出すことができる。

よって、回転力を生む機構１１により「左回転力＞ 右回転力」の状態を生み出し、回転する力は自然と発生し、その力の大きさは、回転力となって利用可能な状態になる。
本発明による回転力は、一定の回転力を持った、回転を主動力とする機器の動力源となりうる。

「一般化モデル」上の力関係と比べた場合、詳細な位置が少しずれるが、実装置上では近似するため、回転する力が、常に、発生する。

図１１は、連結運用の説明図である。
運用の際には、１つの回転体Ｄの前後に１６の安定板１８を取り付けることが好ましい。この場合、１つの回転体Ｄの各面に８個程度の安定板１８を取り付けることになり、運用上理想になる。また、回転体Ｄを並列に接続することで、回転力は、足し算で大きくなっていく。

そこで、実運用の際には、この複数の安定板１８と複数の回転体Ｄとを利用することで、大きな動力源とすることが可能である。

回転力を発電用モータへと接続すると、重力による発電が可能となる。数式からも安定的な、動力源としての活用が可能なため、応用範囲は広い。

Ｏ 回転中心軸
Ｐ 回転中心位置
Ｒ 回転半径
１０ 動力発生装置
１１ 回転力を生む機構
１４ 中心歯車
１６ 伝達歯車
１８ 安定板
２０ 回転中心軸
２２ 歯車板
３０ 中心軸
４０ 上段の重り棒
４４ 下段の重り棒
４８ 支持軸
５２ 伝動紐
６０ 停止車
６２ 固定板

Claims (3)

1. 重力を回転する力に変換し、変換された力を動力源として利用する動力発生装置であって、
   重力の釣り合いをとろうとする自然の法則に対し、前記釣り合いをとらせないようにすることにより不均衡を生じさせ、前記不均衡で、回転のエネルギーを作り出す回転力を生む機構を含む、動力発生装置。
2. 重力の法則に従った鉛直方向に対して質点の位置を、９０度傾けたことによる不均衡を動力源としている、請求項１に記載の動力発生装置。
3. さらに、質点を水平方向に保持する水平保持機構を含む、請求項２に記載の動力発生装置。

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