JP5768417B2 - 車両搭載用の発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される発電装置の技術に関する。

特許文献１には、リーフスプリングの上下動する部位に軸を設けて、その軸に磁石を取り付けて、その外周にコイルを配置した発電装置が開示されている。
また、非特許文献１には、主として振動抑制の目的で構成されたものであるが、ボールねじナットの直線運動をボールねじ軸の回転運動に変換し、ボールねじ軸に取り付けてある発電機を駆動させる技術が開示されている。

特開２００７−２２１９８４号公報

砂子田、外２名、「４４７ 構造物を対象とした発電式振動抑制装置の開発と特性調査」、日本機械学会、Dynamics & Design Conference 2007、２００７年９月２５日、"447-1"-"447-6"

しかしながら、特許文献１に開示の技術では、リーフスプリングの上下動に連動して発電するためにその電力の大きさが絶えず変化する。また、発生する電気の極性も変化する。さらには、特許文献１の開示の技術では、当然のことながらリーフスプリングが上下動しなくなると、発電もしなくなる。
また、非特許文献１に開示の技術では、ボールねじ軸と発電機等の回転部とが常に一体となり回転するため、突発的な振動（上下動）に対し、一体として回転する発電機等の回転部の慣性に勝てずボールねじ軸が破損してしまう恐れがある。

本発明の目的は、発生する電気の極性を変化させることもなく安定して発電を行うこと、及び発電機等の回転部の慣性によりボールねじ軸が破損してしまうのを防止することである。

前記課題を解決するために、本発明の実施態様によれば、車体側に固定される車体側固定部と、前記車体側固定部に回転自在に取りつけられたボールねじ軸、及び前記ボールねじ軸と相対回転できるように該ボールねじ軸の外周に取り付けられて該ボールねじ軸の軸方向に移動自在とされたボールねじナットを有するボールねじと、前記ボールねじナットの外側面に固定されて該ボールねじナットと車両の懸架装置で往復動作する動作部とを連結する連結部と、回転軸とともに回転するロータの回転によりステータで電気を発生させる発電部と、前記ボールねじ軸と前記回転軸とを断続可能にし、前記ボールねじ軸が一方向に回転するときには該ボールねじ軸と前記回転軸とを接続し、前記ボールねじ軸が他方向に回転するときには該ボールねじ軸と前記回転軸とを切り離す断続部と、を有し、前記連結部は、前記ボールねじナットと前記動作部とを、フレキシブルジョイント構造により連結しており、前記断続部は、前記ボールねじ軸が予め設定した値以上の回転力で回転する場合、前記ボールねじ軸と前記回転軸とを切り離す車両搭載用の発電装置を提供できる。

この実施態様では、懸架装置の動作部が往復動作し連結部に連結されるボールねじナットが往復直線運動をする場合でも、断続部がボールねじ軸が一方向に回転するときにのみボールねじ軸と発電部の回転軸とを接続するため、ボールねじナットの直線運動が変換されて回転運動するボールねじ軸は、一方向に回転するときにのみ発電部の回転軸に接続される。

なお、本発明の実施態様において、前記断続部は、ワンウェイクラッチであることが好ましい。

本発明の実施態様によれば、懸架装置の動作部が往復動作する際、ボールねじナットの直線運動が変換されて回転運動するボールねじ軸は、一方向に回転するときにのみ発電部の回転軸に接続されるため、発電部では、ロータが常に一方向に回転して極性を反転させることなく発電できる。
また、本発明の実施態様によれば、ボールねじ軸の回転が他方向に反転したとき、ボールねじ軸と発電部の回転軸とが切り離されるため、発電部では、慣性により回転するロータにより発電することができる。

このように、本発明の実施態様によれば、発生する電気の極性を変化させることもなく安定して発電を行うことができる。
さらに、本発明の実施態様によれば、ボールねじ軸の回転が他方向に反転したとき、ボールねじ軸と発電部の回転軸とが切り離されるため、他方向に回転するボールねじ軸がロータの慣性により破損してしまうのを防止できる。

本実施形態の発電装置の構成の一例を示す図である。 コイルスプリングの下端部の上下動、ボールねじ軸の回転数、及び発電部の回転数の関係を示す図である。 本実施形態の変形例の発電装置の構成の一例を示す図である。

本実施形態は、自動車の懸架装置の動作を利用して発電する発電装置である。
図１は、自動車の懸架装置のコイルスプリングに取り付けられている発電装置の構成の一例を示す。
（懸架装置の構成）
先ず、発電装置が取り付けられている懸架装置の構成を簡単に説明する。
図１に示すように、懸架装置１０は、一般的な懸架装置であり、その一部として、ショックを吸収するためのコイルスプリング１１と、コイルスプリング１１が挿通され減衰力を発生させるショックアブソーバ１２とを有する。
ショックアブソーバ１２は、下端が車輪側部材に支持された円筒形状のシェルケース１２ａ、シェルケース１２ａに進退可能に挿通され上端が車体側に固定された不図示のロッド、及びロッドの上端側に固定されシェルケース１２ａの外周面に対向する内周面を有する外筒１２ｂ等を有している。コイルスプリング１１は、このようなショックアブソーバ１２に対して、シェルケース１２ａの下端側の外周面に固定された不図示のスプリングシートと、外筒１２ｂの上端側の外周面に固定された不図示のスプリングシートとにより挟み込まれるように取り付けられている。

（発電装置の構成）
このような懸架装置１０に取り付けられる発電装置２０は、図１に示すように、連結部３０、ボールねじナット２１、ボールねじ軸２２、ワンウェイクラッチ２４、発電部４０、及び蓄電池（二次電池）２５を有する。発電装置２０では、ボールねじナット２１、ボールねじ軸２２、ワンウェイクラッチ２４、及び発電部４０が発電装置カバー２６によって覆われている。

連結部３０は、コイルスプリング１１とボールねじナット２１とを連結する。そのため、連結部３０は、コイルスプリング１１側に連結される第１連結部材３１と、ボールねじナット２１側に連結される第２連結部材３２とが連結された構造になっている。
第１連結部材３１は、全体として略Ｌ字形状の棒状体であり、一端にはコイルスプリング１１が取り付けられるコイルスプリング取り付け部３１ａを有している。また、第１連結部材３１は、他端側が発電装置カバー２６内に挿通されており、その他端部には第２連結部材３２に連結される球状部３１ｂが形成されている。コイルスプリング取り付け部３１ａは、端部にコイルスプリング１１の線材直径と同程度又はそれよりも多少小さい幅の嵌合溝３１ａ１が形成されており、嵌合溝３１ａ１にコイルスプリング１１の下端部１１ａが嵌め込まれている。

第２連結部材３２は、ボールねじナット２１の外側面に固定された略平板形状のハウジング３２ａと、ハウジング３２ａの外周から下方向に向かって伸び第１連結部材３１の球状部３１ｂの外側面を覆い保持する保持部３２ｂとを有している。この第２連結部材３２の保持部３２ｂと第１連結部材３１の球状部３１ｂとの連結構造は、いわゆるボールジョイントによるフレキシブルジョイント構造を実現している。

このように構成されている連結部３０は、コイルスプリング１１において動作する下端部１１ａの往復動作をボールねじ軸２２の軸方向におけるボールねじナット２１の往復動作に変換する。
なお、同様な機能を有するものであれば、コイルスプリング１１とボールねじナット２１とを連結する連結部３０は、他の構造であっても良い。

また、好適にはコイルスプリング１１の下端部１１ａに連結部３０が接続されるが、これに限定されるものではない。すなわち、コイルスプリング１１で動作する他の部位、例えば、コイルスプリング１１の中間部位に連結部３０を接続しても良い。
ボールねじナット２１は、ボールねじ軸２２との組み合わせでボールねじ２３を構成している。すなわち、ボールねじ軸２２の外周面には転動体転動溝２２ａが形成され、ボールねじナット２１の内周面にはボールねじ軸２２の転動体転動溝２２ａに対向する不図示の転動体転動溝が形成されており、ボールねじ軸２２の転動体転動溝２２ａとボールねじナット２１の転動体転動溝とで形成される空間に転動自在に不図示のボールが収容されている。本実施形態では、ボールねじ軸２２は、その軸方向が垂直方向に向いて配置されている。

ここで、発電装置２０では、断略コ字形状をなし車両本体１００側に固定されているボールねじ固定機台２７によりボールねじ軸２２の両端を回転自在に支持している。具体的には、ボールねじ固定機台２７は、車両本体１００側に固定される固定部２７ａの上下端それぞれから水平方向に各支持部２７ｂ，２７ｃが突出している。そして、各支持部２７ｂ，２７ｃにはベアリング２８が取り付けてあり、ボールねじ軸２２は、その両端付近がこれら支持部２７ｂ，２７ｃにベアリング２８により回転自在に支持されている。

このようなボールねじナット２１及びボールねじ軸２２にかかる構造により、ボールねじナット２１が上下動すると、ボールねじ軸２２がその動作に合わせて正逆回転する。すなわち、ボールねじナット２１の直線運動をボールねじ軸２２の回転運動に変換する。
そして、このような構造において、ボールねじ軸２２の上端部２２ｂが支持部２７ｂから上側に突出しており、その上端部２２ｂにはワンウェイクラッチ２４が取り付けられている。

ワンウェイクラッチ２４は、ボールねじ軸２２と発電部４０の回転軸４１とを断続可能にする。このワンウェイクラッチ２４は、ボールねじ軸２２が取り付けられている第１回転部材２４ａと、発電部４０の回転軸４１が取り付けられている第２回転部材２４ｂとが断続可能となるような構造になっている。これにより、ワンウェイクラッチ２４は、ボールねじ軸２２が一方向に回転するときには該ボールねじ軸２２と発電部４０の回転軸４１とを接続し、ボールねじ軸２２が他方向に回転するときには該ボールねじ軸と発電部４０の回転軸４１とを切り離すようになっている。具体的には、ワンウェイクラッチ２４は、コイルスプリング１１の下端部１１ａが上昇したときにのみ、すなわちコイルスプリング１１が縮んだときにのみボールねじ軸２２と発電部４０の回転軸４１とを繋げる構造になっている。さらに、ワンウェイクラッチ２４は、発電部４０の回転軸４１の回転力に対してボールねじ軸２２の回転力が予め設定されたよりも大きい値になったときにはボールねじ軸２２と発電部４０の回転軸４１とを切り離す構造になっている。すなわち、ワンウェイクラッチ２４は、切り離しのための予め設定した値以上の回転力でボールねじ軸２２が回転する場合、ボールねじ軸２２と発電部４０の回転軸４１とを切り離す構造になっている。このように、ワンウェイクラッチ２４は、いわゆるトルクリミッタ付ワンウェイクラッチを構成している。
なお、同様な機能を有するものであればワンウェイクラッチ２４に限定されるものではなく、他の構造を有する断続部であっても良い。

発電部４０は、ロータである円筒回転磁石フライホイール（円筒回転磁石付きのフライホイール）４２と、円筒回転磁石フライホイール４２の外周に配置されているステータである円筒コイル４３とを有している。発電部４０では、円筒コイル４３がケース４４に固定されており、円筒回転磁石フライホイール４２の回転軸４１がケース４４に対して回転自在に支持されている。この発電部４０は、配線２９により蓄電池２５に接続されている。蓄電池２５としては、鉛蓄電池やリチウムイオン二次電池等がある。

（動作例）
以上のような構成において、自動車が走行すると、路面からの振動がタイヤ、ショックアブソーバ１２、及びコイルスプリング１１にて吸収される。これにより、コイルスプリング１１が伸縮すると、コイルスプリング１１の下端部１１ａに連結部３０により連結されたボールねじナット２１が上下動する。このとき、連結部３０では、その途中がフレキシブルジョイント構造になっていることで、コイルスプリング１１の伸縮に応じて第１連結部材３１が姿勢を変化させつつコイルスプリング１１の下端部１１ａからボールねじナット２１に力を伝達する。

そして、ボールねじナット２１の上下動にあわせてボールねじ軸２２が正逆回転する。このとき、ワンウェイクラッチ２４は、このボールねじ軸２２の回転方向及び回転力に応じてボールねじ軸２２と発電部４０の回転軸４１とを断続する。すなわち、ワンウェイクラッチ２４は、ボールねじナット２１の上方向への移動に（コイルスプリング１１が縮むのに）応じてボールねじ軸２２が一方向に回転しているときにのみ、その一方向に回転するボールねじ軸２２と発電部４０の回転軸４１とを接続する。

さらに、ワンウェイクラッチ２４は、ボールねじ軸２２が前記一方向に回転するようなときでも、発電部４０の回転軸４１の回転力に対してボールねじ軸２２の回転力が予め設定されたよりも大きい値になったときにはボールねじ軸２２と発電部４０の回転軸４１とを切り離す。これにより、例えば、路面の急激な変化によりコイルスプリング１１が伸縮するような場合において、発電部４０の回転軸４１の回転力に対してボールねじ軸２２の回転力が予め設定されたよりも大きい値になったときには、ワンウェイクラッチ２４は、トルクリミッタの機能により、ボールねじ軸２２の回転力が発電部４０の回転軸４１に伝わらないようにしている。

以上のようにしてワンウェイクラッチ２４を介してボールねじ軸２２の回転力が発電部４０の回転軸４１に伝わり、発電部４０の円筒回転磁石フライホイール４２が回転するようになる。これにより、発電部４０では、円筒回転磁石フライホイール４２の回転に応じて発電する。そして、発電部４０で発電した電力は配線２９を介して蓄電池２５に充電される。

以上より、本実施形態では、コイルスプリング１１が伸縮する場合でも縮むときにのみ発電部４０で発電され、発電された電力が蓄電池２５に充電される。そして、本実施形態では、コイルスプリング１１が激しい伸縮動作をするようなときには、ボールねじ軸２２と発電部４０の回転軸４１とが切り離される。

図２は、車両の懸架装置のコイルスプリング１１の下端部１１ａの上下動、ボールねじ軸２２の回転数、及び発電部４０（円筒回転磁石フライホイール４２又は回転軸４１）の回転数の関係の一例を示す特性図である。図２（ａ）は、コイルスプリング１１の下端部１１ａの上下動の振動状態を示す。図２（ｂ）は、ボールねじ軸２２の回転数を示す。図２（ｃ）は、発電部４０の回転数を示す。

図２（ａ）において、Ａは、エンジン始動直後の微細振動状態を示し、Ｂは、縁石等に車両が乗り上げた際の極過大振動状態を示し、Ｃは、マンホール上面を車両が通る際の中振動状態を示し、Ｄ、Ｅ、Ｆは、一般的な路面の凹凸による振動状態を示し、Ｇは、車両が停止したときを示す。
図２（ｂ）に示すように、ボールねじ軸２２は、図２（ａ）に示すコイルスプリング１１の下端部１１ａの振動に対応した回転数及び回転方向で回転する。

これに対して、図２（ｃ）に示すように、発電部４０は、ワンウェイクラッチ２４により正方向にのみ回転するようになる。そして、図２（ｃ）のＩに示すように、発電部４０は、図２（ａ）のＢで縁石等に車両が乗り上げて極過大振動が発生するようなときでも、ワンウェイクラッチ２４のトルクリミッタの機能によりボールねじ軸２２の急激な回転力の伝達が遮断され回転数が増加するようなこともない。さらに、図２（ｃ）のＪに示すように、発電部４０は、フライホイールの慣性により、図２（ｂ）のＨで車両停止に伴いボールねじ軸２２の回転が停止してもなおしばらく回転する。そして、図２（ｃ）のＫに示すように、発電部４０は、ある時点で停止する。
なお、本実施形態において、ボールねじ固定機台２７は、例えば、車体側固定部を実現している。また、コイルスプリング１１の下端部１１ａは、例えば、懸架装置で往復動作する動作部を実現している。

（本実施形態の効果）
本実施形態では、ワンウェイクラッチ２４は、ボールねじ軸２２が一方向に回転するときにはボールねじ軸２２の端部２２ｂと発電部４０の回転軸４１とを接続し、ボールねじ軸２２が他方向に回転するときにはボールねじ軸２２の端部２２ｂと発電部４０の回転軸４１とを切り離している。

これにより、本実施形態では、懸架装置１０のコイルスプリング１１の下端部１１ａが往復動作し連結部３０に連結されるボールねじナット２１が往復直線運動をする場合でも、ワンウェイクラッチ２４がボールねじ軸２２が一方向に回転するときにのみボールねじ軸２２の端部２２ｂと発電部４０の回転軸４１とを接続するため、ボールねじナット２１の直線運動が変換されて回転運動するボールねじ軸２２は、一方向に回転するときにのみ発電部４０の回転軸４１に接続される。

よって、本実施形態では、懸架装置１０のコイルスプリング１１の下端部１１ａが往復動作する際、ボールねじナット２１の直線運動が変換されて回転運動するボールねじ軸２２が一方向に回転するときにのみ発電部４０の回転軸４１に接続されるため、発電部４０は、円筒回転磁石フライホイール４２が常に一方向に回転し極性を反転させることなく発電できる。

また、本実施形態では、ボールねじ軸２２の回転が反対方向（他方向）に反転したとき、ボールねじ軸２２の端部２２ｂと発電部４０の回転軸４１とが切り離されるため、発電部４０では、慣性により回転する円筒回転磁石フライホイール４２により発電を継続できる。すなわち例えば、本実施形態では、自動車が停止した直後、すなわち、車体の振動が無くなっても、しばらくの間円筒回転磁石フライホイール４２が慣性により回転を続け、発電部４０は発電し続けることができる。

このように、本実施形態では、発生する電気の極性を変化させることもなく安定して発電を行うことができる。
さらに、本実施形態では、ボールねじ軸２２の回転が反対方向に反転したとき、ボールねじ軸２２の端部２２ｂと発電部４０の回転軸４１とが切り離されるため、反対方向に回転するボールねじ軸２２、さらにはボールねじ軸２２と発電部４０の回転軸４１とを断続するワンウェイクラッチ２４が円筒回転磁石フライホイール４２の慣性により破損してしまうのを防止できる。

また、本実施形態では、発電部４０の回転軸４１の回転力に対してボールねじ軸２２の回転力が予め設定されたよりも大きい値になったときには、ボールねじ軸２２の回転力が発電部４０の回転軸４１に伝わらないようにしている。
このようにすることでも、本実施形態では、例えば強振動の発生時に、円筒回転磁石フライホイール４２の慣性によりボールねじ軸２２、さらにはワンウェイクラッチ２４が破損してしまうのを防止することができる。

（本実施形態の変形例）
本実施形態では、コイルスプリング１１及びショックアブソーバ１２を有する懸架装置１０の具体例を説明した。しかし、本実施形態は、これに限定されることなく、他の構造の懸架装置１０にも適用できる。
図３は、自動車のリーフスプリングに取り付けられている発電装置２０の構成を示す。
リーフスプリングの構造を説明すると、図３に示すように、リーフスプリング５０は、３枚の板バネを有しており、最長の親板バネ５１の両端部それぞれにはリーフスプリングを車両フレームに連結するためのスプリングアイ５１ａ、５１ｂが形成されている。そして、一端のスプリングアイ５１ａはピポット５２で車両フレームに支持され、他端のスプリングアイ５１ｂはシャクル５３を介して車両フレームに支持されている。

このようなリーフスプリング５０に対して、発電装置２０は、第１連結部材３１がリーフスプリング５０の中間部位に連結されている。本実施形態では、例えば、自在継手５４を介して第１連結部材３１がリーフスプリング５０の中間部位に連結されている。
このような構成とした場合でも、リーフスプリング５０が上下動する場合でも上方向に移動するときにのみ発電部４０で発電され、発電された電力が蓄電池２５に充電されるようになる。そして、本実施形態では、リーフスプリング５０が激しい上下動作をするようなときには、ボールねじ軸２２と発電部４０の回転軸４１とが切り離される。

１０ 懸架装置、１１ コイルスプリング、１１ａ 下端部、２０ 発電装置、２１ ボールねじナット、２２ ボールねじ軸、２３ ボールねじ、２４ ワンウェイクラッチ、２５ 蓄電池、２７ ボールねじ固定機台、３０ 連結部、４０ 発電部、４１ 回転軸、４２ 円筒回転磁石フライホイール、４３ 円筒コイル

Claims (2)

1. 車体側に固定される車体側固定部と、
   前記車体側固定部に回転自在に取りつけられたボールねじ軸、及び前記ボールねじ軸と相対回転できるように該ボールねじ軸の外周に取り付けられて該ボールねじ軸の軸方向に移動自在とされたボールねじナットを有するボールねじと、
   前記ボールねじナットの外側面に固定されて該ボールねじナットと車両の懸架装置で往復動作する動作部とを連結する連結部と、
   回転軸とともに回転するロータの回転によりステータで電気を発生させる発電部と、
   前記発電部が発生させた電気を蓄電する蓄電池と、
   前記ボールねじ軸と前記回転軸とを断続可能にし、前記ボールねじ軸が一方向に回転するときには該ボールねじ軸と前記回転軸とを接続し、前記ボールねじ軸が他方向に回転するときには該ボールねじ軸と前記回転軸とを切り離す断続部と、
   を有し、
   前記連結部は、前記ボールねじナットと前記動作部とを、フレキシブルジョイント構造により連結しており、
   前記断続部は、前記ボールねじ軸が予め設定した値以上の回転力で回転する場合、前記ボールねじ軸と前記回転軸とを切り離すことを特徴とする車両搭載用の発電装置。
2. 前記断続部は、ワンウェイクラッチであることを特徴とする請求項１に記載の車両搭載用の発電装置。

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