JP2023041039A - 発電装置及び発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、調整が困難な共振現象を用いなくても大きな起電力を生み出すことが可能な発電装置および発電方法を提供する。
【解決手段】本発明は、外力によって発電を行う発電装置であって、外力を機械的振動に変換するシーソー部と、機械的振動を電力に変換する発電部とを有し、シーソー部は、外力によって可動なアームと、アームの長手方向のいずれか一点を支持する支点部と、支点部を挟んだアームの両側に、アームを変位方向で支持する弾性部材と、支点部を挟んだ前記アームの両側に、錘とを備え、発電部は、支点部を挟んだアームの両側のうち少なくとも一方側に配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、環境振動などの外力を受けて発電する技術に関する。

近年、環境問題に対して、洋上・陸上ともに大型の風力発電の要求が高まっているが、タービンの回転機構を利用した従来の方法は、設置や運用に多大なコストを要する問題がある。そのため、回転翼を有しない単純構造で、かつ大規模な発電を可能とする方法が盛んに研究されている。

特許文献１では、吊り下げられた羽根車が風の力を受けてゆらゆらと振動や回転し、その運動を受けて発電する装置が示されている。羽根車と連動する磁石と、定位置に固定されたコイルとの間に起電力が生じることで発電する。

特許文献２では、両側自由端の固定プレート構造を用いて、高周波の振動を生み出す方法が開示されている。すなわち、固定プレートに外力を加えて弾性変形させ、その外力の除去と同時に復元力によって振動を起こし、その振動がストッパーにあたったショックで、高周波の分割振動を生み出す方法である。この分割振動を磁歪素子に与えることで、コイルとの間に起電力を発生させる。

特許文献３は、振動部材（橋梁）に錘と弾性部材を備えることで共振周波数を持つ構造をしており、この共振周波数よりも、明らかに高い周波数の振動を受けることで、錘と弾性部材の位置がほとんど動かないことを利用している。すなわち、錘と弾性部材がある位置をてこの原理の支点とみなし、この支点から作用点までの距離により、振動を増幅する増振器である。

特開２０１８－１２３８２１号公報 特開２０２１－０６１７０７号公報 特開２０１９－１６３７４４号公報

一般的に起電力Ｅは磁束φと時間tを用いて以下の式１で表される。

特許文献１はコイルと磁石を用い、この磁束φを変化させて発電している。しかしながら特許文献１に記載された装置は、風力を受けて振動したり回転したりするだけの単純構造なため、単位時間当たりの磁束の変化が小さい。また、吊り下げられた羽根車の動きは、複雑に流れる風の動きの影響を直接受けるため、周波数は極めて低い状態となることが予想でき、その周波数を増幅する手段の開示も無い。

特許文献２は特許文献１と違い、高い周波数を生み出すことが可能である。しかし周波数が高くなるほど振幅が小さくなるため、所望の振幅を維持しつつ、所望の周波数を得ることは困難であり、振幅に伴う磁束の変化も小さくなってしまう。

特許文献３はてこの原理を用いて振動を増幅しているため、特許文献２で示した課題を解消できる。しかし共振現象を用いるため、外力の周波数に合わせて装置側の周波数を設計しなければならず、環境エネルギーに対して利用する用途では調整が難しい。

以上のように、環境振動等の外力を受けて振動する発電において、従来技術では、共振現象を用いずに、所望の周波数と振幅を得て、発電量を確保することは困難であった。そこで、本発明は、調整が困難な共振現象を用いなくても発電可能な発電装置および発電方法の提供を目的とする。

本発明は、外力によって発電を行う発電装置であって、前記外力を機械的振動に変換するシーソー部と、前記機械的振動を電力に変換する発電部とを有し、前記シーソー部は、前記外力によって可動なアームと、前記アームの長手方向のいずれか一点を支持する支点部と、前記支点部を挟んだ前記アームの両側に、前記アームを変位方向で支持する弾性部材と、前記支点部を挟んだ前記アームの両側に、錘とを備え、前記発電部は、前記支点部を挟んだ前記アームの両側のうち少なくとも一方側に配置される。

また、前記発電装置において、前記弾性部材と、前記錘と、前記発電部はそれぞれ着脱可能で、前記支点部からの距離を変更できるように構成されていると好ましい。
また、前記弾性部材と、前記錘と、前記発電部はそれぞれ着脱可能で、相対的な位置の入れ替えができると好ましい。
また、前記アームに、前記アームの長手方向に対して直角方向に受圧部材が立設されていると好ましい。

また、本発明は、長手方向のいずれか一点を支点として支持されたアームに外力が加わっていないときは、前記アームの両側は、前記支点を軸にかかるモーメントが釣り合う状態にあり、前記アームに外力を加えることで、前記支点を軸に前記アームが変位する際、前記アームの変位方向を支持した前記アームの両側にある弾性部材に圧縮と伸びが生じ、前記弾性部材の復元力により前記圧縮と前記伸びが交互に起きることで、前記アームが前記支点を軸に振動し、前記支点を挟んだ前記アームの両側のうちいずれか一方側に配置された発電部によって発電することを特徴とする発電方法である。

本発明によれば、周波数の調整が困難な共振現象を用いなくても、所望の起電力を生み出すことが可能な発電装置および発電方法が提供される。

バネ－マス－ダンパー系の簡易モデルを示す図の一例である。 簡易モデルから得られる振動波形の一例である。 振動装置の構成を示す図の一例、（ａ）基本構造例（ｂ）変形例である。 弾性部材の配置例を示す図の一例である。 シーソー構造体に複数個の圧縮ばねからなる弾性ユニットを取り付けた場合の例である。 発電機構を示す図の一例である。 振動装置と外力の関係を示す図の一例である。（ａ）は受圧部材を備えた基本的な形態、（ｂ）は受圧部材を長くした場合、（ｃ）は遮断板を設けた場合、（ｄ）は（ｃ）で設けた遮断板の位置を変更した場合である。 本発明の実施例（錘２ｋｇ時）における振動波形と起電力の測定結果である。 本発明の実施例（錘６ｋｇ時）における振動波形と起電力の測定結果である。

本発明の発電装置は、外力を機械的振動に変換するシーソー部と、機械的振動を電力に変換する発電部とを有する。さらにシーソー部は、外力によって可動なアームと、アームの長手方向のいずれか一点を支持する支点部と、支点部を挟んだアームの両側に、アームを変位方向で支持する弾性部材と、支点部を挟んだアームの両側に、錘とを備える。発電部は、支点部を挟んだ前記アームの両側のうち少なくとも一方側に配置されている。

本発明の発電方法は、まず、アームに外力がかかっていない時は、弾性部材や錘によって、支点を中心にアームにモーメントが生じるが、このモーメントが釣り合う状態とする。次にアームに外力を加えると、その力が加わった方向へ、支点を軸にアームが変位する。このときアームの片側にある弾性部材には圧縮が、別の片側にある弾性部材には伸びが生じる。加えられた外力が解放されたとき、伸びた弾性部材が縮まる復元力と、縮んだ弾性部材が伸びる復元力が同時に生じることにより、アームは、前述とは逆の方向に変位する。その後、両弾性部材は交互に圧縮と伸びを繰り返すため、支点を軸にシーソーのように（シーソー運動的に）アームが振動する。
この振動をシーソー運動と呼び、シーソー運動の発生させている構造体を、シーソー構造体と呼ぶ。このとき生じる振動は、シーソー構造体の固有振動である。両アームのいずれか一方側に配置された発電部が、この振動を受けて電力に変換して発電する。

すなわち、本発明の発電方法は、外力によってシーソー運動を生じさせ、前記シーソー運動を弾性部材の復元力で継続させ、前記シーソー運動における周期的な変位を用いて発電する発電方法とも言える。

以下、本発明にかかる発電装置および発電方法を、図を用いて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、以下に説明する各構成は、それ以外の他の構成を設ける趣旨を損なわない限りにおいて他の構成の有無にかかわらず適用することが可能である。

まず、バネ－マス－ダンパー系の簡易モデルを用いた理論式により、本発明にかかる発電装置および発電方法について説明する。
（理論式）
図１は、本実施形態における発電装置を表すバネ－マス－ダンパー系の簡易モデルであり、シーソー構造体の片側に相当する部分を示している。座標は、紙面上下方向（アーム２１の振動方向）をＸ方向、紙面左右方向（アーム２１の長手方向）をＹ方向、紙面奥行方向（アーム２１の幅方向）をＺ方向とする。支点２０からＬ_１の距離に弾性部材２２を、支点２０からＬ_２の距離に錘２３を、支点２０からＬ_３の距離に発電機構２４を設置し、弾性部材２２のばね定数をｋ、錘２３の質量をｍ、発電機構２４の粘性減衰係数をＣとする。図中のx（０）は外力によって与えられる初期変位、ｖ（０）は初速度を示す。x（０）＝０、ｖ（０）＝０というのは、釣り合っている状態を表す。

簡易モデルにおいてアーム２１の変位xがゼロとなる位置を支点２０で支えているとする。このとき構造体における固有振動の基本式は、式２で表すことができる。

アーム２１が変位した時の、支点２０からの回転角度をθとおき、この角度θが微小でx_1～3 = L_1~3 sinθ ≒ L_1~3θとすると、以下の式３が得られる。

式３に対して、角周波数ω_ｎと減衰比ζ、周波数ω_ｄ、振幅ｙ_（ｔ）を導出すると、以下の式４～７が得られる。

ただし、減衰比ζは式８のように置く。

図２に簡易モデルから得られる振動波形の一例を示す。縦軸が振幅で横軸が時間である。外力が一度のみ与えられる時、振動は開始直後に最も大きな振幅となり、徐々に減衰する。この時の周期Ｔは一般的に知られている以下の式９で表され、振動している間一定である。

のちにこの振動から電気を得るため、波形の周波数は高い方が良い。かかる周波数は、特に限定しないが、例えば１Ｈｚ以上であり、好ましくは２０Ｈｚ以上である。
振幅は、所定のデバイスで振動を感知できる程度にその大きさを維持している必要がある。つまり時間の経過とともに振幅が減衰することは免れないが、その減衰比はなるべく小さい方が良い。かかる振幅は、特に限定しないが、例えば０．１ｍｍ上であり、好ましくは１．０ｍｍ以上であり、より好ましくは２ｍｍ以上である。
理想的な波形は、周波数が高く、振動直後の振幅が十分に大きく、振動の減衰が緩やかであることを差す。

ここで式５から、減衰比ζを小さくするためには、支点２０から弾性部材２２までの距離Ｌ₁および支点２０から錘２３までの距離Ｌ_２はできるだけ長くし、支点２０から発電機構２４までの距離Ｌ_３は短い方が良いことがわかる。

次に式６から、高い周波数ω_ｄを得るためには、Ｌ₁／Ｌ₂が大きい方が良いことがわかる。すなわち、支点２０から錘２３までの距離Ｌ_２に比べて、支点２０から弾性部材２２までの距離Ｌ_１が長い方が良い。さらにｋ／ｍより、弾性部材２２のばね定数ｋが大きく、錘２３の質量ｍが小さい方が良い。

さらに式７から、振幅ｙ_（ｔ）を大きくするためには、Ｌ_３／Ｌ_２が小さい方が良いことがわかる。すなわち、支点２０から発電機構２４までの距離Ｌ_３に比べて、支点２０から錘２３までの距離Ｌ_２が長い方が良い。加えてｃ／（２ｍ）より、錘２３の質量ｍは重い方が良い。

本発明は、てこの原理を用いた構造物、より具体的にはシーソー構造体を用いた発電方法であり、固有振動を使用するものである。外力は、支点２０を中心に、アーム２１が回転する方向にかかれば良いため、アーム２１を直接押しても良く、図示していない別の部材や機構を用いて、間接的に押しても良い。例えば、アーム２１の先端に鉛直下向きに力を加えても良い。このとき、アーム２１が長いほど、より小さな力でアームを大きく振動させることができ、大きな起電力を生み出せるため好ましい。

また、振動波形は、錘２３の質量ｍや弾性部材２２のばね定数ｋ、支点２０から弾性部材２２までの距離Ｌ_１、支点２０から錘２３までの距離Ｌ_２のパラメータを変更することで、周波数が高く、振動直後の振幅が十分に大きく、振動の減衰が緩やかである波形を設計することができる。

次に、本発明の発電装置にかかる実施形態に関する構成について例示する。

（発電装置１１の構成）
図３に、本実施形態における発電装置１１の一例を示す。図３（ａ）は基本的な構成で（ｂ）は変形例である。シーソー部は、支点２０を軸に回転するアーム２１と、アーム２１に連結された弾性部材２２ａ、２２ｂと、弾性部材２２ａ、２２ｂの他端を支える固定プレート２５ａ、２５ｂと、アーム２１と一体となっている（または固定されている）錘２３ａ、２３ｂと、支点２０が配置されるベースプレート２６と、固定プレート２５ａ、２５ｂを拘束するフレーム（非図示）とを有する。

発電装置１１は、アーム２１の長手方向の一点（図３におけるアーム２１の長手方向の中央）を支点２０が支えており、外力を受けていない状態のとき、アーム２１にかかるモーメントが釣り合って、アーム２１は地面と水平に静止している。

このとき、アーム２１の形状は支点２０を境に対象でなくても良い。しかしながら、支点２０を境に対称の方が、支点２０から弾性部材２２ａ、２２ｂまでの距離と、支点２０から錘２３ａ、２３ｂまでの距離も対象にできるため、モーメントが釣り合い易く好ましい。すなわち、発電機構２４を除く発電装置１１の構造は左右対称であることが好ましい。

また、図３（ｂ）に示すように、発電装置１１は受圧部材２７を備えても良い。発電装置１１が左右対称であり、受圧部材２７も左右対称になるように設置される場合、モーメントが釣り合い易い状態を維持できるため好ましい。支持部材２８、底面プレート２９については、後述する。

発電装置１１の各構成要素について詳細を以下に述べる。
（支点２０とアーム２１）
支点２０は、アーム２１の長手方向のいずれか１カ所を支えるものである。両者の接触面積は最小限にし、両者の間に生じる摩擦抵抗を減らすことが好ましい。すなわち、図３の紙面において１点（三次元空間において紙面奥行方向の一軸）で支えることが好ましい。
例えば、アーム２１に備えた切り欠きと、支点２０に備えた突起を接触させても良く、例えばアーム２１に備えた突起と支点２０に備えた切り欠きを接触させても良く、例えばアーム２１と支点２０をシャフトと軸受けで連結しても良い。

例えば、図３（ｂ）に示すように、アーム２１の底面に一組の支持部材２８を設置し、上側の支持部材の底面に切り欠きを設け、下側の支持部材を鋭角な突起にして、この２つを接触させて支持しても良い。このように支点部材２８を設けることで、振動によって摩耗するのは支持部材２８だけになるので、部品の交換が容易になる。

アーム２１の材質は、加えた力を吸収したり外部に逃がしたりすることが無いよう金属材料と同等かそれ以上の剛性を持つ。すなわち外力によって実質的に変形しない程度の剛性を持つことが好ましい。アルミニウムやその合金などの軽金属を用いると、シーソー構造体を軽く作製することができ、加工も容易であるため良い。また、鉄やその合金を用いると、剛性を高められるため良い。さらに剛性を高めたい場合は、ニッケルやクロム、タングステン等を含む合金を用いても良い。

また、アーム２１の形状は、図３（ａ）では直方体を想起させる形状になっているが、これに限定するものではない。例えば図３（ｂ）に示すように、アーム２１の両端の一部を切り欠いて面を設け、この面に弾性部材を取り付けるための底面プレート２９等を設置しても良い。さらに、アーム２１の断面の形状は多角形でも一部が曲面でも良い。剛性を高めるために、断面をＨ形やコの字や中空にしても良い。

（弾性部材２２ａ、２２ｂ）
弾性部材２２ａ、２２ｂは、繰返し生じる高負荷な荷重に耐えられる部品やアクチュエータであれば良い。例として、コイルばねや渦巻きばねに代表されるばね類全般が使用できる。この場合、ばねの材質は特に限定しないが、例えば一般的に良く用いられる弾性部材鋼（ＳＵＰ）、硬鋼線（ＳＷ）、ピアノ線（ＳＷＰ）、ステンレス（ＳＵＳ）などから選定することができる。または、空圧シリンダーや油圧シリンダーを使用することもできる。弾性部材としてシリンダーを用いると、一般的なばねよりも強い荷重をかけることができるため、構造体の剛性を高めることができ好ましい。

以下、弾性部材としてばねを使う場合について述べる。弾性部材２２ａ、２２ｂは、圧縮時または延伸時において、弾性部材２２ａ、２２ｂの両端を支持する部材との間に隙間があると、その空間にガタツキが生じ、力を伝えにくくなる。そのため弾性部材２２ａ、２２ｂとして、例えば引張コイルばねを使う場合は、アーム２１が振動中も常に引張方向に力がかかるようにコイルばねの両端を係止等の状態で接続し、逆に圧縮コイルばねを使う場合は、常に圧縮方向に力がかかるようにコイルばねの両端を支持するよう設計することが望ましい。すなわち、圧縮コイルばねの場合は、アーム２１と固定プレート２５ａ、２５ｂに挟まれる状態を作り、振動中もアームと固定プレートとの間に隙間ができないようにすることが好ましい。

弾性部材２２ａ、２２ｂは、アーム２１の両側にそれぞれ１個でも良く、それぞれ複数個でも良い。図４に、それぞれ２つの圧縮ばね（Ｓ1、Ｓ２）からなる弾性部材２２ａ、２２ｂが、アーム２１の両側に配置された発電装置１３の上面図の例を示す。同じ仕様の圧縮ばね（Ｓ_１とＳ_２）をアームの両側にそれぞれ配置する場合、支点２０（上面図においては軸２０）からＳ_１までの距離Ｌ_Ｓ１と、支点２０からＳ_２までの距離Ｌ_Ｓ２が同じ距離になるようにすれば、２つの弾性部材の伸縮量は等しくなる。つまり、ばね定数が２倍の１つの弾性部材を使用したのと同一の効果となり、このような設置も可能である。

圧縮ばねの個数はさらに多くしても良い。図５に、複数個の圧縮ばねからなる弾性ユニット２２０を取り付けた場合の例を示す。図５（ａ）はアーム２１が水平に保たれている時の状態で、シーソー構造体の支点から右側のみを図示しているが、左側も同様である。一般的に流通している圧縮ばねのばね定数には上限があるが、このように複数個の圧縮ばねを用いてユニット化することで、より高い弾性係数の高い状態を作る出すことができる。

この図において、複数個の圧縮ばねＳは、底面プレート２２１と調整プレート２２２の間に設置されている。底面プレート２２１は、下面が凸形状のブロックを介して、アーム２１に押し付けられている。調整プレート２２２は、押込み棒２２３によって圧縮ばねＳが縮む方向に所定量押し込まれる。これにより、圧縮ばね２２が持つ長さのばらつきを吸収し、すべての圧縮ばねが底面プレート２２１と調整プレート２２２に挟まれた状態を維持している。押込み棒２２３は、固定プレート２５に固定されている。図では押込み棒２２３は固定プレート２５を貫通しているように見えるが、貫通する必要は無く、固定方法は特に問わない。また、底面プレート２２１と固定プレート２５は同軸となる貫通穴を備えており、前記貫通穴にシャフト２２４が挿入されている。固定プレート２５は、図示しない土台に固定されている。

図５（ｂ）に、アーム２１が反時計回りに傾いたときの弾性ユニット２２０の状態を示す。固定プレート２５と押込み棒２２３、シャフト２２４は固定されているため、動かない。また、調整プレート２２２は圧縮ばねＳから押し上げる力が働くが、押込ボルト２２３に押し当てられて動かない。一方で、圧縮ばねＳは、底面プレート２２１と調整プレート２２３に挟まれた状態を維持して収縮する。底面プレート２２１は、シャフト２２４に沿って、上下に稼働する。

図５において、支点２０から弾性部材（弾性ユニット２２０）までの距離とは、支点２０から弾性ユニット２２０の中央位置までのことを表す。また、図５は弾性ユニット２２０の一例であるから、底面プレート２２１と調整プレート２２２の位置関係を逆にすることもできるし、シャフト２２４を底面プレート２２１に固定して、圧縮ばねが収縮時にシャフト２２４が固定プレート２５よりもさらに上に突き出るように可動させることもできる。このような変形例を含んでも良いことは、言及するまでもない。

弾性部材は着脱可能であることが好ましい。例えば図３のような構成において、アーム２１と固定プレート２５がアルミフレームからなり、前記アルミフレームに弾性部材をボルト締結するような構造の場合、ボルトを緩めてアームの長手方向にスライドさせるだけで、支点２０から弾性部材までの距離を容易に変更できる。

ここで、弾性部材２２ａ、２２ｂは、ばねに限定されない。空圧シリンダーや油圧シリンダーを使用することもできる。弾性部材としてこれらのシリンダーを用いると、ばねを用いる場合よりも構造体の剛性を高めることができるため好ましい。
さらに、弾性部材２２ａ、２２ｂは、アームの上面側に設置しても良く、アームの下面側に設置しても良い。アームの上面側および下面側の少なくとも一方に設置すればよい。

（錘２３ａ、２３ｂ）
錘２３ａ、２３ｂの材質はアーム２１の材質と同じでも良いし、異なっていても良い。空気抵抗を減らすため、アーム２１の材質よりも高密度な材質にして体積を減らすと好ましい。

錘２３ａ、２３ｂとアーム２１の間に隙間があって稼働中にガタツキを生じると、振動が減衰してしまう。そのため錘２３ａ、２３ｂは、アーム２１と一体の部材とするか、もしくは別部材の場合は、強固に固定することが望ましい。この締結方法については、ボルトで締結する他、あらゆる公知の方法を使うことができる。アーム２１に対して錘２３ａ、２３ｂの位置は、アーム２１の上面である必要は無く、下面でも良いし、アーム２１の側面のどの角度に取り付けても良い。

アーム２１に錘２３ａ、２３ｂがボルト締結されている場合、錘は着脱可能である。例えば、アーム２１がアルミフレームからなる場合は、ボルトを緩めてアームの長手方向にスライドさせるだけで、支点２０から弾性部材までの距離を容易に変更できる。

（支点２０と固定プレート２５ａ、２５ｂ）
アーム２１を支える支点２０と、固定プレート２５ａ、２５ｂは、金属などの硬い部材である。アーム２１や弾性部材２２ａ、２２ｂから応力を受けてもこれらの位置関係が変わらないように、図示しないフレーム等を用いて、お互いに強固に固定するか一体とすることが望ましい。

（受圧部材２７）
図３に戻る。アーム２１は、外力を直接受けても良いが、アーム２１の長手方向とほぼ平行な方向に外力が働いている場合は、受けた外力を回転モーメントに変換しにくい。その場合は、アーム２１の長手方向における支点２０によって支持される位置に、アーム２１の長手方向に対して直角方向に受圧部材２７が立設されていることが好ましい。すなわち、シーソー構造体が支点２０を境に左右対称な場合は、アーム２１の長手方向における中央の位置に、受圧部材２７が立設されていることが好ましい。受圧部材２７を備えることで、外力の向きを発電装置が振動しやすい方向に変換することができる。受圧部材２７は、金属などの硬い部材であり、形状は特に限定しないが、例えば板状や棒状、ブロック状にすることができる。

受圧部材２７は、アーム２１と一体の部材とするか、もしくは別部材の場合は、アーム２１に強固に固定することが望ましい。この締結方法については、ボルトで締結する他、あらゆる公知の方法を使うことができる。設置位置は、アーム２１の上面や下面の他、アーム２１の側面のどの角度に取り付けても良い。これらの設計事項は、外力の条件によって変更できる。

受圧部材２７は、支点上に、アームの長手方向に対して直角方向に立設することで、シーソー部のバランスが取りやすくなるため望ましい。また、支点を中心とする回転の径方向に外力が作用するため、外力を効率良く回転のモーメントに変換することができる。

（発電機構２４）
図６に発電部における発電機構２４の一例を示す。この図は、図３のＡ－Ａ断面から見た図の例である。アーム２１の支点２０を挟んだ両側の少なくとも一方側に、磁石Ｓ極３０と、磁石Ｎ極３１で一対を成す磁石を一定の空間を開けて２組取り付け、磁石Ｓ極３０と磁石Ｎ極３１の間に、鉄芯３２に導線３３を巻いたコイルを設置する。コイルは磁石と接触しない位置に取り付けられ、磁力に引き寄せられて移動しないよう鉄心固定部３４に強固に固定される。

アーム２１が振動するのに従い、磁石Ｓ極３０と磁石Ｎ極３１が、図中の矢印方向に周期的に上下運動３６をすると、磁石Ｓ極３０がコイルに近づいたり、磁石Ｎ極３１がコイルに近づいたりを繰り返す。式１で述べたように、短時間の間に磁界が周期的に入れ替わるとコイルに起電力が生じる。この時コイルの両端に電流取り出し用の端子を接続すると、電流を取り出すことができる。

発電機構２４は着脱可能であることが好ましい。例えば図３のような構成において、ベースプレート２６がアルミフレームからなり、前記アルミフレームに発電機をボルト締結するような構造の場合、ボルトを緩めてアームの長手方向にスライドさせるだけで、支点２０から発電機構２４までの距離を容易に変更できる。

ここで図３を参照して、各構成要素の配列について例示する。
（各構成要素の配列）
発電装置を設計する上でアーム２１の長さに制約が無い場合、アーム２１は製作可能な範囲で十分に長くし、支点２０から最も遠い位置に弾性部材２２を設置すると、周波数が上がるので望ましい。次に支点２０から弾性部材２２までの範囲で、支点２０からなるべく遠い位置に錘２３を設置すると、振動の持続時間が長く保てるので好ましい。そして支点２０から錘２３までの範囲で、支点２０からなるべく遠い位置に発電機構２４を設置すると、振動の振幅が大きくなるため望ましい。
ただし、支点２０から発電機構２４までの距離が遠くなると、振幅の減衰が大きくなってしまう。そのため、発電機構２４が発電できる範囲（発電機構に必要な振幅が得られる範囲）で、発電機構２４を支点２０に近づけて調整すると良い。
つまり、各要素の配列順は、アームの長手方向において、支点２０からアーム端部に向かって、支点２０－発電機２４－錘２３－弾性部材２２とするのが好ましい。

発電装置１１を小型化し、装置の製作費用を安く抑えることを優先する場合は、支点２０に弾性部材２２をなるべく近づけた方が良い。なぜなら、弾性部材２２はその一端をアームに、もう一端を固定プレート２５に取り付けるため、弾性部材２２を支点２０から遠い位置に置くと、固定プレート２５や図示していないフレームも大きく作らなければならないからである。この配置の場合、周波数が下がるため、発電量は期待値より減少するが、振動の持続時間は伸びることになる。その上で発電機構２４を、支点２０からできるだけ遠くに設置すれば振幅も大きく取れる。
つまり、発電装置１１を小型化する場合、各要素の配列順は、アームの長手方向において、支点２０からアーム端部に向かって、支点２０－弾性部材２２－錘２３－発電機構２４とするのが好ましい。

各構成要素（弾性部材、錘、発電部）はそれぞれ着脱可能で、前記支点部からの距離を変更できるように構成されていると、支点からの距離を容易に変更できるため好ましい。
また、各構成要素（弾性部材、錘、発電部）はそれぞれ着脱可能で、相対的な位置の入れ替えができると、配列を容易に組み替えられるため好ましい。

（外力によるモーメント）
本実施形態の発電装置と外力４０の関係を、図７を用いて説明する。アームにかかるモーメントは、外力４０と、支点２０から外力を受ける位置４１までの距離Ｌｏｐの積によって決まる。外力を受ける位置４１というのは、実際には点ではなく、任意の範囲を持った面となるが、その場合は外力４０を受ける領域の中央を代表位置と考えれば良い。

図７（ａ）は、図３に示した受圧部材２７を備えた発電装置１１の基本的な形態とする。この形態で位置４１に外力４０を受けた際、アームが受けるモーメントが足りない場合は、受圧部材２７ａを２７ｂに変更し、支点２０から外力を受ける位置２９までの距離Ｌｏｐを長くとると、モーメントを大きくできる（図７（ｂ））。支点からアーム先端までの長さより、支点から受圧部材先端までの長さの方が長い場合、てこの原理でより力を増幅できるため、好ましい。

外力４０の向きや大きさが時間の経過により変動する場合は、例えば、受圧部材２７ａまたは２７ｂの長さが可変となる機構を設けて伸縮させても良いし、アーム２１に対する受圧部材２７ａまたは２７ｂの位置を可動式にして、その位置を変えても良い。

さらに、受圧部材２７ａまたは２７ｂから任意の距離離れた位置に遮断板４２を設けても良い。時間的に変化する外力４０に対して遮断板４２を設けるというのは、例えば、図６(ｃ)のように受圧部材２７ｂより短い遮断板４２を設けて、受圧部材２７ｂの先端のみが外力４０を受けるようにしたり、 図７（ｄ）のように受圧部材２７ｂの先端を隠して、中央部分までで外力４０を受けるようにすることが考えられる。遮断板４２の位置を可変にすることで、支点２０から外力を受ける位置４１までの距離Ｌｏｐを調整できるため、モーメントを一定に保ち、発電量を安定させることができる。
さらに、受圧部材２７aまたは２７ｂに対して、遮断板４２が外力を遮るタイミングを制御することで、振動を継続させたり増強させたりすることもできる。

（外力の波形）
本実施形態では、外力の波形がパルス波か正弦波か、また断続的か連続的かを問わない。断続的な波の場合、シーソー部が振動している時間は限定的であるが、得られた電力を、増幅器を用いて増幅しても良く、蓄電池等に溜めても良い。

（発電装置の拡張性）
発電装置１１は左右対称でなくても良い。例えばアーム２１が断面不均一な形状の場合、アーム２１の長手方向の中心ではないアーム２１の重心に支点２０を設置して、先述した理論式のもとで振動できれば良い。
また、例えば受圧部材２７は、外力の状態に応じて、支点２０の直上からずれた位置に設置しても良いし、アーム２１の長手方向に対して直角以外の方向に立設しても良い。
さらに、発電装置全体の大きさは、求める発電量や設置環境に応じて、例えば数センチメートルから数百メートルまで、いかなる大きさにも作製できる。

本実施形態は、共振現象ではなく、構造体の固有振動現象を用いる方法である。共振現象を用いる場合は、周波数の調整がしばしば厳密に行われ、その構造物特有の周波数に一位に定める必要がある。それに対し、固有振動を用いた本発明は、式４に従い、弾性体のばね係数を増加させて、支点からの距離を長くしたり、錘の重量を減少させて支点からの距離を短くしたりすることで、周波数を上げることが可能となる。そのため、式1により、起電力を容易に増加できる。

従来技術は、外力を受ける部材と、起電力を生み出す発電機構との位置関係を近づけることが望ましい構成、または構造上の問題で、両者を離すことが困難な構成であった。これに対して、本実施形態は、前述の通り、発電機構４０の設置位置（支点２０からの距離）も、受圧部材２７の伸縮や移動も自由に行えるため、設置環境に応じた柔軟な設計ができる。

本実施形態は、支点と呼称している位置が、てこの原理の支点であり、力点はこの支点以外の場所に存在する。これに対し特許文献３は、段落［００２８］に「錘部６は支点Ｃと、作用部材２０は作用点Ａと、支持部３は力点Ｂと見ることができる。すなわち、支点Ｃが錘部６の慣性力により静止され、被設置物５０の振動が力点Ｂである支持部３に加わると、その振動が増幅されて作用点Ａである作用部材２０に伝わることを意味している。」と記載されているように、支持部や錘部の機能は、本実施形態とは全く異なる。

本実施形態によれば、例えば発電装置１１を地上に置き、アーム２１から受圧部材２７を上空に伸ばすことで風力を受けることが可能となる。その力を装置の固有振動に変え、高周波数の振動を発生させるとともに、てこの原理により振動の振幅を増加させることで、大きな起電力を得ることができる。

また、本実施形態によれば、海洋の波や川の流れを利用することもできる。例えば、橋などの構造物上に発電装置を置き、アームから鉛直下向きに受圧部材を伸ばし、川の流れを受けることで発電することができる。

また、本実施形態によれば、人間の手足の動作を利用することもできる。例えば、団扇を仰ぐ動作や、足踏みをする動作など、特定の方向に何度も生じる力を利用して、振動を発生させ、発電することもできる。この場合、発電装置を人間の近くに設置するなら、受圧部材は人間の手足の長さ等に合わせて、設計することも可能である。

また、本実施形態によれば、橋やビルなどの構造物の振動を利用することもできる。例えば、橋の場合は橋げた、ビルの場合はビルの土台部分など、強固に固定された位置に発電装置を置き、受圧部材を橋のよく撓む位置やビルのよく揺れる部分（例えば免震構造体の可動部等）に接するように設置すると、橋やビルの揺れを受けて振動を生じさせ発電することができる。

（実験装置）
上述した発電装置を製作し、外力をかけた際の変位と電力を測定した。シーソー構造体は左右対称な形状とした。アームは、材質がアルミ合金（Ａ５０５２）、全長が１１００ｍｍで、長手方向の中央の位置を支点とした。この支点から、両側２７０ｍｍの位置に弾性体を設置し、支点から両側３７０ｍｍに錘を設置した。弾性体は、図５に示すような弾性ユニット２２０とし、丸コイルスプリング（ミスミ製、ＷＴ１０－４０、ばね定数２Ｎ／ｍｍ）を４０本（両側で８０本）配置して、固定プレート２２１と調整プレート２２２で挟み、全長３７ｍｍになるよう圧縮した状態にした。すなわち、支点から弾性体までの距離が２７０ｍｍというのは、この弾性ユニットの中央までの距離のことを指す。

発電機構は図６のように構成した。図６を用いて説明する。材質が炭素鋼で断面積７．２ｍｍ^２、長さ４０ｍｍの鉄心の外周に銅線を巻き付けたコイルを用意した。これを鉄心固定部３４に、磁力に引き寄せられて移動しないよう強固に固定した。また、このコイルと接触しないように隙間を開けて、Ｎ極とＳ極の磁石を対角に配置してアームに固定した。発電機構は、支点から５５０ｍｍの位置に片側に設置した。５５０ｍｍというのは、鉄心の中心までの距離である。

（実験条件）
前記錘の重さを２種類（２ｋｇと６ｋｇ）用意し、アームに片側２ｋｇ（両側４ｋｇ）の錘を備えた場合と、アームに片側６ｋｇ（両側１２ｋｇ）の錘を備えた場合について実験した。外力は、アームの支点を挟んだ両側のうち、発電機構を備えていない側の先端（支点から５５０ｍｍの位置）に加えた。具体的には、アームが回転する方向に強制変位を与えて（アーム先端を鉛直下向きに押し込んで)クランプ治具で抑え、そのクランプ治具を外して、加えていた力を瞬間的に開放することで、これを外力とした。アームが支点を中心に振動することを確認した。

（測定方法）
変位は、発電機構の上下運動している位置の上部に、ＣＣＤレーザ変位計（キーエンス製、ＬＫ―Ｇ８２）を設置して、サンプリング周波数０．２ｍｓで変位を計測した。これをグラフにプロットすることで、振動波形を得た。
電力は、パワーメータ（日置電機製、ＰＷ３３３５）を用いて、サンプリング周波数１００ｍｓで計測した。鉄心に巻いた銅線に抵抗２．２ｋΩを接続し、この抵抗値による電流と電圧を計測し、電力を求めた。

（測定結果）
錘２ｋｇ（片側）の測定結果を図８に、錘６ｋｇ（片側）の測定結果を図９に示す。第１縦軸に変位（ｍｍ）、第２縦軸にパワーメーターで測定した電力（Ｗ）を、横軸に経過時間（ｓ）を記載した。この振動波形から、振動開始後の第一ピークの経過時間と第二ピークの経過時間の差（振動の周期Ｔ）を求め、その逆数を周波数ｆ（Ｈｚ）とした。また、計測された起電力(Ｗ)のうち最大値を最大起電力とした。また、第一ピーク発生時から変位量が１ｍｍになるまでの時間を持続時間とした。以上の項目をまとめて表１に示す。

錘２ｋｇ（片側）の結果では、錘６ｋｇ（片側）に比べ、周波数が上がり、最大起電力も大きくなり、持続時間が短くなった。持続時間が減少した理由は、式７に示す錘ｍが小さくなったことで、構造の減衰ｃの影響が大きくなったことが原因と考える。また、この結果から、錘の重さを変更することで、容易に周波数を調整できることが分かった。

以上より、本発明によれば、共振現象を用いずに、シーソー構造体（てこの原理）によって所望の振動数と振幅を得て、起電力を生み出すことが可能である。

１０：バネーマスーダンパー系の簡易モデル
１１：発電装置
１２：発電装置
１３：発電機構の一例
２０：支点Ｏ
２１：アーム
２２、２２ａ、２２ｂ：弾性部材
２３、２３ａ、２３ｂ：錘
２４：発電機構
２５、２５ａ、２５ｂ：固定プレート
２６：ベースプレート
２７、２７ａ、２７ｂ：受圧部材
２８：支持部材
２９：底面プレート
３０：磁石Ｓ極
３１：磁石Ｎ極
３２：鉄芯
３３：コイル
３４：鉄芯固定部
３５：支柱（フレーム）
３６：上下運動
４０：外力Ｆ
４１：外力を受ける位置Ｐ
４２：遮断板
２２０：弾性ユニット
２２１：底面プレート
２２２：調整プレート
２２３：押込み棒
２２４：シャフト
Ｃ：ダンパー係数
ｋ：ばね定数
ｍ：質量
Ｓ、Ｓ_１、Ｓ_２：弾性体
Ｔ：周期
Ｌ_１：支点から弾性部材までの距離
Ｌ_２：支点から錘までの距離
Ｌ_３：支点からダンパー系までの距離
Ｌ_ＯＰ：支点２０から外力を受ける位置４１までの距離
Ｌ_Ｓ１：支点２０から弾性部材Ｓ_１までの距離
Ｌ_Ｓ２：支点２０から弾性部材Ｓ_２までの距離
θ：アームが変位した時の回転角度

Claims (5)

1. 外力によって発電を行う発電装置であって、
   前記外力を機械的振動に変換するシーソー部と、
   前記機械的振動を電力に変換する発電部とを有し、
   前記シーソー部は、
   前記外力によって可動なアームと、
   前記アームの長手方向のいずれか一点を支持する支点部と、
   前記支点部を挟んだ前記アームの両側に、前記アームを変位方向で支持する弾性部材と、
   前記支点部を挟んだ前記アームの両側に、錘とを備え、
   前記発電部は、前記支点部を挟んだ前記アームの両側のうち少なくとも一方側に配置された発電装置。
2. 前記弾性部材と、前記錘と、前記発電部はそれぞれ着脱可能で、前記支点部からの距離を変更できるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記弾性部材と、前記錘と、前記発電部はそれぞれ着脱可能で、相対的な位置の入れ替えができることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
4. 前記アームに、前記アームの長手方向に対して直角方向に受圧部材が立設されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
5. 長手方向のいずれか一点を支点として支持されたアームに外力が加わっていないときは、前記アームの両側は、前記支点を軸にかかるモーメントが釣り合う状態にあり、
   前記アームに外力を加えることで、前記支点を軸に前記アームが変位する際、
   前記アームの変位方向を支持した前記アームの両側にある弾性部材に圧縮と伸びが生じ、
   前記弾性部材の復元力により前記圧縮と前記伸びが交互に起きることで、
   前記アームが前記支点を軸にシーソー運動的に振動し、
   前記支点を挟んだ前記アームの両側のうちいずれか一方側に配置された発電部によって前記振動を電力に変換して
   発電することを特徴とする発電方法。
   
   
   
   

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