JP6908830B2 - 発電装置および電子デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、一般に、発電装置および電子デバイスに関し、より具体的には、操作部を介して印加された外力を利用して発電を行う発電装置および該発電装置を備える電子デバイスに関する。
昨今の科学技術の進歩により、電子回路の駆動電力の省電力化が進んでいる。そのため、操作者のスイッチ操作によって印加される外力やダクト等の振動体によって印加される外力のような、外部から印加される小さな外力を利用して発電を行い、発電された電力を用いて、電子回路を駆動させることが可能となっている。
そのため、小さな外力を利用して発電を行う発電装置が検討されている。例えば、特許文献１は、外力を印加することにより、マグネットをコイルに対して移動させ、発電を実行する発電装置を開示している。一般的に、特許文献１が開示するような、マグネットをコイルに対して移動させ、発電を実行する発電装置では、発電実行後にマグネットの動きを止めるため、発電実行後にマグネットを発電装置のケースやケース内に設けられた他の部材に衝突させることが行われている。
しかしながら、このようなマグネットの衝突は、マグネットの運動エネルギーを大きく損失させるものである。そのため、従来の発電装置では、マグネットの運動エネルギーの損失が大きく、外部から印加された外力を発電のために有効に利用できていなかった。また、マグネットの衝突により、不要な衝突音が発生するという問題やマグネットの衝突の際に生じる衝撃によりマグネットが減磁し、発電装置が故障するという問題も発生していた。
一方、特許文献２は、マグネットを他の部材に衝突させることなくマグネットの動きを止める機構を備える発電装置を開示している。特許文献２の発電装置は、マグネットと磁性材料から構成されるコイルのコアとの間に生じる磁力を利用して、マグネットをコイルに対して往復運動（振動）させることにより発電を実行している。特許文献２の発電装置は、マグネットとコイルのコアとの間に生じる磁力が、マグネットが移動したときにマグネットを所定の位置に戻すための力（バネ力）として作用するよう構成されている。そのため、外力の印加によって生じたマグネットの往復運動（振動）は、マグネットとコイルのコアとの間に生じる磁力によって止められる。このような機構を有する特許文献２の発電装置では、マグネットの他の部材に対する衝突が生じないので、マグネットの衝突によるマグネットの運動エネルギーの損失が存在せず、マグネットの運動エネルギーを発電のために有効に利用することができる。また、マグネットの衝突に起因する衝突音の発生や、マグネットの衝突の際に生じる衝撃によりマグネットが減磁し、発電装置が故障するという上述の問題も存在しない。
しかしながら、発電装置のサイズが小さい場合、十分な発電量を得るために、マグネットのコイルに対する運動の速度を増加させる必要がある。このため、発電装置のサイズが小さい場合、外部から印加された外力を弾性エネルギーとして貯蔵するバネ等の弾性部材と、弾性部材内に大きな弾性エネルギーを貯蔵させ、さらに、所定の条件下（例えば、所定の大きさの弾性エネルギーが弾性部材内に貯蔵されたとの条件下）で弾性部材に弾性エネルギーを解放させ、マグネットをコイルに対して急速に移動させるための弾き機構とを発電装置において用いる必要がある。
このような弾き機構では、弾性部材を弾性変形させ、弾性部材内に弾性エネルギーを貯蔵させている間は、弾性部材の弾性復元を妨げるように弾き機構の部材同士が係合している。一方、弾性部材を弾性復元させ、弾性部材に弾性エネルギーを解放させる際には、部材同士の係合が解除され、部材同士の弾きが実行される。このような弾き機構を用いることにより、マグネットをコイルに対して急速に移動させることができる。
しかしながら、このような弾き機構は、部品点数が多く、構造が複雑である。そのためこのような弾き機構を小さいサイズの発電装置内に設けた場合、発電装置の構造の複雑化に繋がってしまうという問題があった。また、このような複雑な弾き機構を小さいサイズの発電装置内に設けることは困難であり、弾き機構を発電装置に設けた場合、発電装置の製造時の不具合品率の増加に繋がってしまう。また、弾き機構によって、弾性部材内に貯蔵された弾性エネルギーが損失してしまう。そのため、弾性部材と弾き機構を発電装置において用いたとしても、外部から印加された外力を発電のために有効に利用できないという問題があった。また、弾き機構における部材同士の弾きによって、不要な弾き音が発生するという問題があった。
特表２００１−５０７５５７号公報 特開平２−２６２８６６号公報
本発明は、上記従来の問題点を鑑みたものであり、その目的は、弾き機構を用いることなくマグネットを急速に回転させることができ、外部から印加された外力を有効に発電に利用することができる発電装置および該発電装置を備えた電子デバイスを提供することにある。
このような目的は、以下の（１）〜（９）の本発明により達成される。
（１）外力を利用して発電を実行する発電装置であって、
前記外力を印加するために押下され、上下運動する操作部と、
前記操作部と係合し、前記操作部の前記上下運動に伴い回転する第１の回転部材と、
前記第１の回転部材と同方向に回転可能な第２の回転部材と、
前記第１の回転部材が回転するときに弾性エネルギーを貯蔵し、さらに、前記貯蔵された弾性エネルギーを解放することにより前記第２の回転部材を回転させるよう、前記第１の回転部材および前記第２の回転部材に連結された弾性部材と、
前記第２の回転部材と係合し、前記第２の回転部材と共に回転するマグネット組立体と、
前記マグネット組立体から発せられる磁力線がその軸方向に通過するよう配置され、その中央空洞部を通過する前記磁力線の変化に基づいて電圧が発生するコイルと、前記コイルに挿通され、前記マグネット組立体との間で磁気トルクが生じるよう配置されたコイルコアとを含むコイル組立体と、を備え、
前記弾性部材は、前記弾性部材から前記第２の回転部材に加えられる回転トルクが、前記マグネット組立体から前記第２の回転部材に加えられる前記磁気トルクよりも大きくなったときに、前記貯蔵された弾性エネルギーを解放し、前記第２の回転部材および前記マグネット組立体を回転させ、
前記第２の回転部材は、ギア部を有しており、
前記マグネット組立体は、前記第２の回転部材の前記ギア部と係合するマグネットギアと、前記マグネットギア上に取り付けられた円筒状のマグネットとを含み、
前記マグネットは、前記第２の回転部材の回転方向と逆の方向に回転することを特徴とする発電装置。
（２）前記第１の回転部材は、ギア部を有している上記（１）に記載の発電装置。
（３）前記円筒状のマグネットは、前記マグネットギア部と同軸回転する上記（１）または（２）に記載の発電装置。
（４）前記マグネットギアの歯数をＮ１とし、前記第２の回転部材の前記ギア部の歯数をＮ２としたとき、Ｎ２＞Ｎ１の関係が成立している上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の発電装置。
（５）前記コイル組立体の前記コイルコアは、互いに離間して対向する一対の延伸部を有しており、
前記円筒状のマグネットは、前記コイルコアの前記一対の延伸部によって規定される空間内に位置している上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の発電装置。
（６）前記弾性部材は、ねじりバネであり、前記ねじりバネの一端が前記第１の回転部材に連結され、前記ねじりバネの他端が前記第２の回転部材に連結されている上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の発電装置。
（７）前記外力によって前記操作部が操作されたときに、前記外力を弾性エネルギーとして貯蔵し、前記操作部に対する前記外力の印加が解除されたときに、前記貯蔵された弾性エネルギーを解放し、前記操作部を初期位置に戻すよう、前記操作部材を上下運動させる操作部用弾性部材をさらに備え、
前記発電装置は、前記操作部用弾性部材から解放された前記弾性エネルギーを利用して第２回目の発電を実行することを特徴とする上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の発電装置。
（８）前記操作部用弾性部材によって前記操作部が前記初期位置に戻るよう前記操作部材が上下運動させられた際に、前記操作部材と係合している前記第１の回転部材が回転し、それにより、前記弾性部材内に前記弾性エネルギーが再度貯蔵され、
前記弾性部材は、前記弾性部材から前記第２の回転部材に加えられる前記回転トルクが、前記マグネット組立体と前記コイル組立体の前記コイルコアとの間で生じる前記磁気トルクよりも大きくなったときに、前記貯蔵された弾性エネルギーを再度解放し、前記第２の回転部材および前記マグネット組立体を再度逆方向に回転させる上記（７）に記載の発電装置。
（９）上記（１）ないし（８）のいずれかに記載の発電装置と、
該発電装置により駆動される電子回路と、を備えることを特徴とする電子デバイス。
本発明の発電装置によれば、従来技術のような弾き機構を用いることなく、マグネットを急速に回転させることができる。そのため、本発明の発電装置は、従来の弾き機構を用いた発電装置と比較して、部品点数が少なく、構造が単純で、小型である。そのため、発電装置の製造時の不具合品率を低下させることができる。さらに、本発明の発電装置では、マグネットの衝突や弾き機構の弾き動作に起因する外部から印加された外力の損失がなく、外部から印加された外力を発電のために有効に利用できる。また、本発明の発電装置では、マグネットの衝突や弾き機構の弾き動作に起因する音が発生しない。さらに、本発明の発電装置では、マグネットの衝突に起因する衝撃が発生しないため、該衝撃によってマグネットが減磁し、発電装置が故障するという問題も発生しない。
本発明に係る発電装置（電子デバイス）の外観を示す斜視図である。 図１に示す発電装置（電子デバイス）の分解斜視図である。 図２に示す発電機構の分解斜視図である。 図３に示す操作部および操作部用弾性部材の斜視図である。 図３に示す発電機構の発電部の分解斜視図である。 図５に示すフレームの一方の面側の構成を示す斜視図である。 図５に示すフレームの他方の面側の構成を示す斜視図である。 図５に示す第１の回転部材の斜視図である。 図５に示すマグネット組立体の分解斜視図である。 図５に示す第１の回転部材、第２の回転部材、弾性部材、シャフト、およびマグネット組立体間の連結関係を説明するための図である。 図５に示すコイル組立体の分解斜視図である。 図５に示すマグネット組立体とコイル組立体と位置関係を説明するための図である。 図５に示すマグネット組立体とコイル組立体との間に生じる磁気トルクを説明するための図である。 図１に示す発電装置の第１回目の発電における動作を説明するための図である。 図１４に示す発電装置の第１回目の発電における動作の間のマグネットの回転角を示す図である。 図１に示す発電装置の第２回目の発電における動作を説明するための図である。 図１に示す発電装置におけるマグネット組立体のマグネットギアのギア部の歯数Ｎ１と、第２の回転部材のギア部の歯数Ｎ２との比（ギア比）Ｎ２／Ｎ１を決定するための方法を説明するための図である。
以下、本発明の発電装置および該発電装置を備えた電子デバイスを、添付図面に示す好適な実施形態に基づいて、説明する。
図１は、本発明に係る発電装置（電子デバイス）の外観を示す斜視図である。図２は、図１に示す発電装置（電子デバイス）の分解斜視図である。図３は、図２に示す発電機構の分解斜視図である。図４は、図３に示す操作部および操作部用弾性部材の斜視図である。図５は、図３に示す発電機構の発電部の分解斜視図である。図６は、図５に示すフレームの一方の面側の構成を示す斜視図である。図７は、図５に示すフレームの他方の面側の構成を示す斜視図である。図８は、図５に示す第１の回転部材の斜視図である。図９は、図５に示すマグネット組立体の分解斜視図である。図１０は、図５に示す第１の回転部材、第２の回転部材、弾性部材、シャフト、およびマグネット組立体間の連結関係を説明するための図である。図１１は、図５に示すコイル組立体の分解斜視図である。図１２は、図５に示すマグネット組立体とコイル組立体と位置関係を説明するための図である。図１３は、図５に示すマグネット組立体とコイル組立体との間に生じる磁気トルクを説明するための図である。
なお、以下の説明では、図１、図２、図３、図４、図１１、図１２、および図１３の上側を「上」または「上方」と言い、下側を「下」または「下方」と言い、左側を「左」または「左側」と言い、右側を「右」または「右側」と言う。
図１および図２に示す本発明の電子デバイス１０は、外部から印加された外力を利用して２回の発電を実行する発電装置１と、発電装置１が発電した電力によって駆動され、任意の機能を提供する電子回路２０とを含む。
なお、電子回路２０が提供する機能は特に限定されず、例えば、電子回路２０は、発電装置１から供給される電力を利用して、外部機器に信号を無線送信する無線送信機能を提供してもよい。この場合、電子デバイス１０は、外部から印加される外力を利用して発電を行い、該電力を用いて外部機器に信号を無線送信するバッテリーレススイッチとして機能する。
図２に示すように、本発明の発電装置１は、大略すると、発電装置１の各コンポーネントおよび電子回路２０を収納するための上側ケース２Ｕおよび下側ケース２Ｌと、上側ケース２Ｕおよび下側ケース２Ｌに対して回動可能に設けられたレバー３と、上側ケース２Ｕおよび下側ケース２Ｌによって規定される内部空間内への浸水を防ぐための防水パッキン４と、操作者のレバー３に対する操作を介して印加された外力を利用して発電を実行する発電機構５とを備えている。なお、本実施形態において、電子回路２０は、発電機構５に接続され、上側ケース２Ｕおよび下側ケース２Ｌによって規定される内部空間内に位置している。
上側ケース２Ｕは、底面を欠いた長尺の箱形状を有している。一方、下側ケース２Ｌは、上面を欠いた長尺の箱形状を有している。上側ケース２Ｕおよび下側ケース２Ｌは、下側ケース２Ｌを上側ケース２Ｕの内部に挿入可能に構成されており、下側ケース２Ｌを上側ケース２Ｕの内部に挿入することにより、発電装置１の各コンポーネントおよび電子回路２０を収容するための内部空間が規定される。
図２中、上側ケース２Ｕの奥側および手前側の側面のそれぞれには、複数の矩形状の開口部２１とＵ字型の開口部２２とが形成されている。一方、図２中、下側ケース２Ｌの奥側および手前側の側面のそれぞれには、上側ケース２Ｕの矩形状の開口部２１に対応する位置に突出部２４が形成されており、上側ケース２ＵのＵ字型の開口部２２に対応する位置に円筒状のレバー支持部２５が形成されている。下側ケース２Ｌが上側ケース２Ｕの内部に挿入されると、図１に示すように、上側ケース２Ｕの矩形状の開口部２１のそれぞれから、下側ケース２Ｌの突出部２４が突出し、上側ケース２Ｕと下側ケース２Ｌとが組み立てられる。上側ケース２Ｕと下側ケース２Ｌとが組み立てられると、上側ケース２Ｕと下側ケース２Ｌは、発電装置１（電子デバイス１０）の筐体として機能し、そのサイズは、例えば、幅約６．６ｍｍ×高さ約１２ｍｍ×長さ約３３ｍｍである。
図１に示すように、上側ケース２Ｕと下側ケース２Ｌとが組み立てられた状態において、下側ケース２Ｌのレバー支持部２５が上側ケース２ＵのＵ字型の開口部２２を介して外部に露出する。
レバー３は、金属材料または樹脂材料から構成されている。レバー３の右側端部には、レバー３の長尺方向に対して直交する方向（図中Ｚ軸の負方向）に突出する一対の係合部３１が形成されており、一対の係合部３１のそれぞれには、下側ケース２Ｌのレバー支持部２５の形状に対応した形状を有する円形開口３２が形成されている。上側ケース２ＵのＵ字型の開口部２２を介して外部に露出する下側ケース２Ｌのレバー支持部２５をレバー３の円形開口３２に挿入することにより、レバー３が上側ケース２Ｕおよび下側ケース２Ｌに対して回動可能に取り付けられる。発電装置１の操作者は、レバー３を上側ケース２Ｕおよび下側ケース２Ｌに対して近づくように回動操作し、発電機構５の操作部５１を操作（押圧）することにより、発電装置１に対して外力を印加することができる。このように、本発明の発電装置１においては、操作者は、レバー３を回動操作することにより、外力を印加するので、レバー３は、発電装置１の操作部とみなすことができる。
上側ケース２Ｕおよび下側ケース２Ｌの構成材料としては、樹脂材料、カーボン材等の非磁性材料や弱磁性材料が挙げられる。費用や重量の観点からは、樹脂材料を用いて上側ケース２Ｕおよび下側ケース２Ｌを構成することが好ましい。上側ケース２Ｕおよび下側ケース２Ｌは、同一の非磁性材料または弱磁性材料で構成されていてもよいし、異なる種類の非磁性材料または弱磁性材料で構成されていてもよい。
また、上側ケース２Ｕの上面には、発電機構５の操作部５１を外部に突出させるための円形開口２３が形成されている。図２に示すように、防水パッキン４は、上側ケース２Ｕの上面と略等しい平面形状を有する板状部材である。防水パッキン４の上面の上側ケース２Ｕの円形開口２３に対応する位置には、発電機構５の操作部５１を挿通させるための挿通部４１が形成されている。挿通部４１は、中空の円錐形状を有しており、その頂点部分に発電機構５の操作部５１を挿通させるための貫通孔が形成されている。
図１および図２に示すように、発電装置１が組み立てられた状態において、防水パッキン４は、上側ケース２Ｕと発電機構５との間に位置し、上側ケース２Ｕの円形開口２３を介して防水パッキン４の挿通部４１が外部に突出し、さらに、防水パッキン４の挿通部４１を介して発電機構５の操作部５１が外部に突出している。このような構成により、防水パッキン４は、発電装置１の内部空間への浸水を防止し、さらに、発電装置１の内部空間への塵や埃等の侵入を防止することができる。防水パッキン４の構成材料としては、ゴム、エラストマー、その他軟質樹脂等の防水性能を有する弾性材料を挙げることができる。
発電機構５は、操作者のレバー３に対する操作を介して印加された外力を利用して発電を実行する機能を有しており、発電装置１の内部空間において、防水パッキン４と下側ケース２Ｌとの間に位置している。
図３に示すように、発電機構５は、レバー３を介して操作者によって操作（押下）される操作部５１と、操作部５１を付勢するための操作部用弾性部材５２と、発電を実行するための発電部６と、発電部６および電子回路２０をカバーするためのインナーカバー５３とを備えている。なお、本実施形態において、電子回路２０は、発電部６に接続されている。
図４には、図３とは別の角度から見た操作部５１および操作部用弾性部材５２が示されている。図４に示すように、操作部５１は、発電装置１の組立時において、上側ケース２Ｕの円形開口２３および防水パッキン４の挿通部４１を介して外部に突出する円柱型の押圧部５１１と、押圧部５１１の下側に押圧部５１１と一体的に設けられた板状部５１２と、板状部５１２の側面に形成されたラック部５１３と、板状部５１２上に形成された操作部用弾性部材５２を受けるための凹部５１４とを備えている。
操作部用弾性部材５２は、長尺のコイルバネであり、発電装置１の組立時において、操作部５１の凹部５１４内に位置し、その上側端部が操作部５１の押圧部５１１の下面に接触し、その下側端部が発電部６に接触する。このような配置により、操作部用弾性部材５２は、操作者がレバー３を介して操作部５１を押下したときに、操作者から印加される外力を弾性エネルギーとして貯蔵し、さらに、操作者のレバー３を介した操作部５１に対する押下が解除されたときに、貯蔵された弾性エネルギーを解放し、操作部５１を所定の初期位置に戻すことができる。
図３に戻り、インナーカバー５３は、発電部６および電子回路２０をカバーするために用いられる。インナーカバー５３は、板材に対して曲げ加工や打ち抜き加工等の加工処理を施すことにより形成されており、発電部６および電子回路２０をカバー可能な形状を有している。インナーカバー５３は、後述するシャフトまたは雄ネジを受け入れるための貫通孔５３１、５３２、５３３を有している。インナーカバー５３および操作部５１は、上側ケース２Ｕおよび下側ケース２Ｌと同様に、非磁性材料または弱磁性材料で構成されている。
次に、図５を参照して、発電部６を説明する。図５には、図３とは異なる角度から見た発電部６および電子回路２０の分解斜視図が示されている。図５に示すように、発電部６は、発電部６の各コンポーネントを保持するためのフレーム６１と、操作部５１のラック部５１３と係合（噛合）し、操作部５１に印加された外力によって回転する第１の回転部材６２と、第１の回転部材６２と同方向に回転可能な第２の回転部材６３と、第１の回転部材６２および第２の回転部材６３用のシャフト６４と、第１の回転部材６２および第２の回転部材６３に連結されている弾性部材６５と、第２の回転部材６３と係合（噛合）し、第２の回転部材６３と共に回転するマグネット組立体６６と、フレーム６１に対し固定的に取り付けられたコイル組立体６７と、を備えている。
フレーム６１は、上側ケース２Ｕおよび下側ケース２Ｌと同様に、非磁性材料または弱磁性材料から構成されている。図６には、フレーム６１の一方の側（図中Ｙ軸の負方向側）の面の構造が示されている。図７には、フレーム６１の他方の側（図中Ｙ軸の正方向側）の面の構造が示されている。
図６および図７に示すように、フレーム６１は、操作部５１および操作部用弾性部材５２を収納するための収納部６１１と、シャフト６４を支持する円柱部６１２と、円柱部６１２の一方の側（図中Ｙ軸の負方向側、図６に示された側）に形成された円状の凹部６１３と、円柱部６１２の略中央に形成された貫通孔６１４と、フレーム６１の他方の側（図中Ｙ軸の正方向側、図７に示された側）に形成された円状の凹部６１５と、凹部６１５の略中央に形成された貫通孔６１６と、雌ネジ部６１７と、貫通孔６１８ａ、６１８ｂとを有している。
収納部６１１は、フレームの高さ方向に沿って形成された円筒状の凹部であり、発電装置１が組み立てられた状態において、収納部６１１とインナーカバー５３の内面によって規定される空間内に操作部５１および操作部用弾性部材５２が位置する。
発電装置１が組み立てられた状態において、円柱部６１２の一方の側（図中Ｙ軸の負方向側、図６に示された側）に第１の回転部材６２が位置し、さらに、他方の側（図中Ｙ軸の正方向側、図７に示された側）に第２の回転部材６３が位置する。また、発電装置１が組み立てられた状態において、円柱部６１２は、弾性部材６５の中央空洞部内に挿入され、弾性部材６５用の装着軸としてしても機能する。
円柱部６１２の一方の側（図中Ｙ軸の負方向側、図６に示された側）には、円柱部６１２と同心の円状の凹部６１３が形成されており、さらに、円柱部６１２の略中央には貫通孔６１４が形成されている。発電装置１が組み立てられた状態において、凹部６１３内において第１の回転部材６２が支持され、貫通孔６１４内に第１の回転部材６２および第２の回転部材６３用のシャフト６４が挿入される。
凹部６１５は、フレーム６１の他方の側（図中Ｙ軸の正方向側、図７に示された側）に形成されており、発電装置１が組み立てられた状態において、マグネット組立体６６が凹部６１５内に配置される。さらに、凹部６１５の略中央には、貫通孔６１６が形成されており、発電装置１が組み立てられた状態において、マグネット組立体６６のシャフト６６５（図９参照）が挿入される。
雌ネジ部６１７は、その中央に貫通するネジ孔を有する円筒状の部材であり、フレーム６１の他方の側（図中Ｙ軸の正方向側、図７に示された側）に形成されている。雌ネジ部６１７のネジ孔には、雄ネジ７（図１１参照）が螺合される。また、発電装置１が組み立てられた状態において、貫通孔６１８ａ、６１８ｂに、ピン８ａ、８ｂ（図１１参照）がそれぞれ挿入される。これにより、コイル組立体６７および電子回路２０が、フレーム６１に対して固定的に取り付けられる。
第１の回転部材６２は、フレーム６１の一方の側（図中Ｙ軸の負方向側、図６に示された側）に取り付けられ、操作部５１に印加された外力によって回転する。図８に示すように、第１の回転部材６２は、円板部６２１と、円板部６２１上に形成されたギア部６２２と、ギア部６２２から延伸するアーム部６２３と、アーム部６２３に形成された貫通孔６２４と、円板部６２１およびギア部６２２の略中央に形成されたシャフト挿通孔６２５を有している。
円板部６２１は、フレーム６１の円柱部６１２上に形成された凹部６１３に対応する形状を有している。また、円板部６２１の厚さは、凹部６１３の深さと略等しい。そのため、発電装置１が組み立てられた状態において、円板部６２１が凹部６１３内に収納される。ギア部６２２は、円板部６２１上に形成され、発電装置１が組み立てられた状態において、操作部５１のラック部５１３と係合（噛合）する。そのため、操作部５１が上下方向に移動すると、操作部５１のラック部５１３と第１の回転部材６２のギア部６２２との係合（噛合）により、第１の回転部材６２が回転する。
アーム部６２３は、ギア部６２２から延伸しており、その先端側には貫通孔６２４が形成されている。貫通孔６２４内に弾性部材６５の一方の端部６５１（図５および図１０参照）が挿入されることにより、第１の回転部材６２に弾性部材６５が連結される。発電装置１が組み立てられた状態において、シャフト挿通孔６２５にシャフト６４が挿通され、シャフト６４が第１の回転部材６２の回転軸となる。
図５に戻り、第２の回転部材６３は、円板状の胴体部６３１と、胴体部６３１の円周上に形成されたギア部６３２と、胴体部６３１の外周近辺に形成された貫通孔６３３と、胴体部６３１の略中央に形成されたシャフト挿通孔６３４を有している。
本実施形態では、第２の回転部材６３の胴体部６３１の径は、第１の回転部材６２の円板部６２１の径よりも大きいが、本発明はこれに限られない。第２の回転部材６３の胴体部６３１の径と、第１の回転部材６２の円板部６２１の径との比は、外力による操作部５１の移動距離、必要とされる第１の回転部材６２および第２の回転部材６３の回転角、弾性部材６５のバネ係数等の要因に応じて適宜設定することができる。
ギア部６３２は、胴体部６３１の円周上に形成されており、発電装置１が組み立てられた状態において、マグネット組立体６６と係合（噛合）する。これにより、第２の回転部材６３の回転をマグネット組立体６６に伝達させること、および、マグネット組立体６６の回転を第２の回転部材６３に伝達させることができる。
貫通孔６３３は、胴体部６３１の外周近辺に形成されている。貫通孔６３３内に弾性部材６５の他方の端部６５２（図５および図１０参照）が挿入されることにより、第２の回転部材６３に弾性部材６５が連結される。上述のように、弾性部材６５の一方の端部６５１が第１の回転部材６２の貫通孔６２４内に挿通され、第１の回転部材６２と弾性部材６５とが連結されているので、第１の回転部材６２と第２の回転部材６３は、弾性部材６５を介して連結されている。
シャフト挿通孔６３４は、胴体部６３１の略中央に形成されており、発電装置１が組み立てられた状態において、シャフト挿通孔６３４にシャフト６４が挿通され、シャフト６４が第２の回転部材６３の回転軸となる。前述のように、発電装置１が組み立てられた状態において、シャフト６４は、第１の回転部材６２の回転軸としても機能するので、第２の回転部材６３は、第１の回転部材６２と同軸回転可能となっている。
シャフト６４は、円柱状の胴体部６４１と、胴体部６４１の端部に形成された拡径部６４２とを有している。胴体部６４１の径は、フレーム６１の貫通孔６１４の径よりも大きく、胴体部６４１は、フレーム６１の貫通孔６１４内に圧入される。また、胴体部６４１の径は、第１の回転部材６２のシャフト挿通孔６２５よりも小さい。一方、拡径部６４２の径は、第２の回転部材６３のシャフト挿通孔６３４の径よりも小さく、拡径部６４２は、第２の回転部材６３のシャフト挿通孔６３４内に挿入される。
シャフト６４の胴体部６４１がフレーム６１の貫通孔６１４および第１の回転部材６２のシャフト挿通孔６２５に挿通され、さらに、シャフト６４の拡径部６４２が第２の回転部材６３のシャフト挿通孔６３４に挿通される。この状態において、第１の回転部材６２および第２の回転部材６３は、回転可能に支持される。また、発電装置１が組み立てられた状態において、シャフト６４の拡径部６４２の端部は、インナーカバー５３の貫通孔５３１内に挿入され、支持される。このような構成により、第１の回転部材６２、シャフト６４、および第２の回転部材６３が同心配置され、第１の回転部材６２と第２の回転部材６３がシャフト６４を中心として同心回転可能となる。
弾性部材６５は、中央空洞部を有する円筒状のコイルバネである。弾性部材６５の内径は、フレーム６１の円柱部６１２の外径よりも大きい。そのため、発電装置１が組み立てられた状態において、弾性部材６５の中央空洞部内にフレーム６１の円柱部６１２が位置し、フレーム６１の円柱部６１２が弾性部材６５用の装着軸として機能する。
前述のように弾性部材６５の一方の端部６５１は、第１の回転部材６２の貫通孔６２４内に挿通され、第１の回転部材６２に連結されている。弾性部材６５の他方の端部６５２は、第２の回転部材６３の貫通孔６３３内に挿通され、第２の回転部材６３に連結されている。このような構成により、操作部５１の運動によって第１の回転部材６２が回転すると、弾性部材６５を介して、第２の回転部材６３に回転トルクが加えられ、第２の回転部材６３が、第１の回転部材６２と同方向に回転する。
図５および図９に示すように、マグネット組立体６６は、中央に貫通孔を有するマグネットギア６６１と、マグネットギア６６１上に取り付けられた円筒状のマグネット６６４と、マグネットギア６６１の貫通孔および円筒状のマグネット６６４の中央空洞部内に挿通されるシャフト６６５とを有している。
図９に示すように、マグネットギア６６１は、中央に貫通孔を有する円板部６６２と、円板部６６２の他方の側（図中Ｙ軸の正方向側）の面上に形成されたギア部６６３とを有している。ギア部６６３は、発電装置１が組み立てられた状態において、第２の回転部材６３のギア部６３２と係合（噛合）するよう構成されている。このような構成により、第２の回転部材６３の回転をマグネット組立体６６に伝達させること、および、マグネット組立体６６の回転を第２の回転部材６３に伝達させることが可能となる。また、マグネットギア６６１の円板部６６２の径は、第２の回転部材６３の径よりも小さい。そのため、マグネットギア６６１のギア部６６３の歯数をＮ１、第２の回転部材６３のギア部６３２の歯数をＮ２としたとき、Ｎ２＞Ｎ１の関係が成立している。なお、図５に示すように、第２の回転部材６３の胴体部６３１の円周上であって、貫通孔６３３が形成されている部分の近辺には、ギア部６３２が形成されていない。第２の回転部材６３の歯数Ｎ２は、胴体部６３１の円周全面にギア部６３２が形成されているものと仮定したときの歯数である。
マグネット６６４は、円筒状の永久磁石であり、マグネットギア６６１の他方の側（図中Ｙ軸の負方向側）の面上に接着剤等により固定的に取り付けられている。図９に示すように、マグネット６６４は、マグネット６６４の平面方向の一方の側がＮ極、他方の側がＳ極となるように着磁されている。
シャフト６６５は、拡径部６６６と、縮径部６６７とを有している。拡径部６６６および縮径部６６７は、同軸の円柱部材であって、一体的に成形されている。拡径部６６６の径は、縮径部６６７の径よりも大きい。また、拡径部６６６の径は、マグネット６６４の中央空洞部の径よりも小さく、マグネットギア６６１の貫通孔の径よりも大きい。縮径部６６７の径は、マグネットギア６６１の貫通孔の径よりも小さい。拡径部６６６がマグネット６６４の中央空洞部内に挿入され、縮径部６６７がマグネットギア６６１の貫通孔に挿入される。これにより、マグネット６６４は、マグネットギア６６１が回転したときに、マグネットギア６６１と同時に同軸回転することができる。また、発電装置１が組み立てられた状態において、シャフト６６５の縮径部６６７の端部は、インナーカバー５３の貫通孔５３２内に挿入、支持され、シャフト６６５の拡径部６６６の端部は、フレーム６１の貫通孔６１６内に挿入、支持される。
マグネットギア６６１は、非磁性材料または弱磁性材料から構成されている。シャフト６６５は、非磁性材料、弱磁性材料、または磁性材料から構成することができるが、磁性材料でシャフト６６５を構成ことが好ましい。マグネット６６４の中央空洞部内に挿入されるシャフト６６５を磁性材料で構成することにより、マグネット６６４から発生する磁力線の数を増加させることができ、発電装置１の発電効率を向上させることができる。
図１０には、発電装置１が組み立てられた状態における第１の回転部材６２、第２の回転部材６３、シャフト６４、弾性部材６５、およびマグネット組立体６６の連結関係が示されている。なお、説明のため、図１０中では、第１の回転部材６２、第２の回転部材６３、シャフト６４、弾性部材６５、およびマグネット組立体６６以外のコンポーネントは省略されている。
図１０に示すように、第１の回転部材６２、第２の回転部材６３、および弾性部材６５は、シャフト６４を中心として同心配置されている。弾性部材６５は、第１の回転部材６２と第２の回転部材６３との間に位置している。弾性部材６５の一方の端部６５１は、第１の回転部材６２の貫通孔６２４内に挿入され、第１の回転部材６２に連結されている。弾性部材６５の他方の端部６５２は、第２の回転部材６３の貫通孔６３３内に挿入され、第２の回転部材６３に連結されている。また、第２の回転部材６３のギア部６３２は、マグネット組立体６６のマグネットギア６６１のギア部６６３と係合（噛合）している。
このような連結関係によって、第１の回転部材６２の回転を利用して、マグネット組立体６６のマグネット６６４を回転させることができる。より具体的には、第１の回転部材６２の回転は、以下のようにしてマグネット組立体６６に伝達される。最初に、外部から印加された外力によって操作部５１が上下方向に移動されると、操作部５１のラック部５１３と第１の回転部材６２のギア部６２２との係合（噛合）によって、第１の回転部材６２が回転する。第１の回転部材６２が回転すると、第１の回転部材６２に連結された弾性部材６５が弾性変形し、弾性部材６５から第２の回転部材６３に回転トルクが加えられる。加えられた回転トルクによって、第２の回転部材６３が第１の回転部材６２の回転と同方向に回転されると、第２の回転部材６３のギア部６３２とマグネット組立体６６のマグネットギア６６１のギア部６６３との係合（噛合）によって、マグネットギア６６１が回転する。マグネット６６４は、マグネットギア６６１に取り付けられているので、マグネットギア６６１が回転すると、マグネット６６４も回転する。
図５に戻り、コイル組立体６７は、雄ネジ７およびピン８ａ、８ｂによって、電子回路２０と共に発電部６のフレーム６１に対して固定的に設けられている。図１１に示すように、コイル組立体６７は、ボビン６７１と、ボビン６７１に巻き付けられたコイル６７２と、コイル６７２（ボビン６７１）の中央空洞部内に挿通されるコイルコア６７３とを備えている。
コイルコア６７３は、磁性材料から構成された複数の板材を積層することによって形成されている。コイルコア６７３用の板材を構成する磁性材料としては、例えば、フェライト系ステンレス鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＵＳ４３０）、マルテンサイト系ステンス鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＵＳ４０３）、純鉄（例えば、ＪＩＳ ＳＵＹ）、軟鉄、炭素鋼、電磁鋼（ケイ素鋼）、高速度工具鋼、構造鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＳ４００）、パーマロイ、またはこれらの組み合わせを挙げることができる。これらの中でも、電磁的およびコスト的な観点から、電磁鋼を用いてコイルコア６７３用の板材を構成することが特に好ましい。
図１１に示すように、コイルコア６７３は、一方の側（図中のＸ軸の負方向側）に向かって開放する略コの字形状を有している。コイルコア６７３は、円弧部６７４を有し、互いに離間して対向する上下一対の延伸部６７５と、ピン８ａ、８ｂを挿通させるための貫通孔６７６ａ、６７６ｂを有している。
一対の延伸部６７５の図中Ｘ軸の正方向側の端部は、接続部によって接続され、略コの字形状を形成している。円弧部６７４は、マグネット組立体６６のマグネット６６４に対応した形状を有しており、一対の延伸部６７５の途中に形成されている。発電装置１が組み立てられた状態において、互いに離間して対向する一対の延伸部６７５によって規定される空間にマグネット組立体のマグネット６６４が位置する。また、発電装置１が組み立てられた状態において、コイルコア６７３の上側の延伸部６７５は、コイル６７２（ボビン６７１）の中央空洞部内に挿通される。
電子回路２０は、コイルコア６７３に固定され、コイル６７２の両端部（電力引き出し線）が電子回路２０に接続されている。これにより、コイル６７２内に発生した電力を電子回路２０に供給し、電子回路２０を駆動することができる。
電子回路２０は、雄ネジ７を挿通させるための貫通孔２０１と、ピン８ａ、８ｂを挿通させるための貫通孔２０２ａ、２０２ｂとを有している。発電装置１が組み立てられた状態において、雄ネジ７は、電子回路２０の貫通孔２０１に挿通された状態で、フレーム６１の雌ネジ部６１７と螺合される。ピン８ａは、電子回路２０の貫通孔２０２ａおよびコイルコア６７３の貫通孔６７６ａに挿通された状態で、一方の側（図中Ｙ軸の負方向側）の端部がフレーム６１の貫通孔６１８ａ内に挿入され、支持される。ピン８ｂは、電子回路２０の貫通孔２０２ｂおよびコイルコア６７３の貫通孔６７６ｂに挿通された状態で、一方の側（図中Ｙ軸の負方向側）の端部がフレーム６１の貫通孔６１８ｂ内に挿入され、支持される。このような構成により、コイル組立体６７および電子回路２０が発電部６のフレーム６１に対して固定的に設けられる。
図１２には、発電装置１が組み立てられた状態におけるマグネット組立体６６とコイル組立体６７（および電子回路２０）の位置関係が示されている。なお、説明のため、図１２中では、マグネット組立体６６とコイル組立体６７（および電子回路２０）以外のコンポーネントは省略されている。
図１２に示すように、発電装置１が組み立てられた状態において、マグネット組立体６６のマグネット６６４は、コイルコア６７３の一対の延伸部６７５の間に規定される空間内に位置している。一対の円弧部６７４は、マグネット６６４の円周部分の一部分に対向しており、一対の延伸部６７５は、マグネット６６４から離間する方向に直線状に延伸している。上述のように、コイルコア６７３は、板状の磁性材料を複数積層することにより形成されている。そのため、マグネット６６４のＮ極から発せられた磁力線は、コイルコア６７３を通過して、マグネット６６４のＳ極に入る。すなわち、本発明においては、コイルコア６７３、マグネット６６４、およびコイル６７２によって磁気回路が形成されている。
コイルコア６７３は、マグネット６６４の円周部分の一部分に対向する円弧部６７４と、マグネット６６４から離間する方向に直線状に延伸している延伸部６７５を有しているので、マグネット６６４の回転によってマグネット６６４のＮ極またはＳ極の磁力が最も強い部分と、コイルコア６７３との離間距離が変化する。このため、マグネット６６４が回転するとコイルコア６７３を通過する磁力線の数（磁束密度）が変化する。
上述のようにコイルコア６７３の上側の延伸部６７５は、コイル６７２（ボビン６７１）の中央空洞部内に挿通されているので、マグネット６６４の回転によりコイルコア６７３を通過する磁力線の数（磁束密度）が変化すると、誘電効果によりコイル６７２内に電力が発生する。
また、マグネット６６４とコイルコア６７３との間には引き付けあう磁力が発生する。上述のようにコイルコア６７３は、マグネット６６４の円周部分の一部分に対向する円弧部６７４と、マグネット６６４から離間する方向に延伸している延伸部６７５を有しているので、マグネット６６４とコイルコア６７３との間には、マグネット６６４を、マグネット６６４とコイルコア６７３との間の磁力が最も強くなるような回転位置にマグネット６６４を回転させる磁気トルクが発生する。
また、マグネット６６４の回転によってマグネット６６４のＮ極またはＳ極の磁力が最も強い部分と、コイルコア６７３との離間距離が変化することから、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に生じる磁気トルクは、マグネット６６４の回転（回転位置の変化）によって変化する。
マグネット６６４（マグネット組立体６６）は、第２の回転部材６３の回転に伴って回転するため、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に生じる磁気トルクは、マグネット組立体６６から第２の回転部材６３に伝達し、第２の回転部材６３の回転に影響を与える。そのため、以下、図１３を参照して、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に生じる磁気トルクについて詳述する。
図１３の右側には、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に生じる磁気トルクの変化を説明するためのグラフが示されている。なお、図１３のグラフのＹ軸において、正側の磁気トルクは、反時計回り方向の磁気トルクを意味し、負側の磁気トルクは、時計回り方向の磁気トルクを意味する。
また、図１３の左図の矢印を回転角θの基準とする。すなわち、マグネット６６４のＮ極の磁力が最も強い部分がコイルコア６７３の上側の円弧部６７４に対向し、かつ、マグネット６６４のＳ極の磁力が最も強い部分がコイルコア６７３の下側の円弧部６７４に対向している状態を「０°」とする。このとき、磁気トルクは、０［ｍＮ］となる。
第２の回転部材６３の回転によってマグネット６６４が反時計周り（θが増加する方向）に回転すると、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に、マグネット６６４をθ＝０°の状態に戻そうとする時計回り方向の磁気トルクが発生する。図１３に示されているように、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に発生する時計回り方向の磁気トルクは、マグネット６６４の回転に伴い増加する（図１３のグラフ中、θ＝０°〜約４５°までの範囲）。
マグネット６６４とコイルコア６７３との間に発生する時計回り方向の磁気トルクが増大している間、マグネット６６４のＮ極側とコイルコア６７３との間の磁力は、マグネット６６４のＮ極側とコイルコア６７３の上側の円弧部６７４および延伸部６７５との間の磁力が支配的となっている。同様に、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に発生する時計回り方向の磁気トルクが増大している間、マグネット６６４のＳ極側とコイルコア６７３との間の磁力は、マグネット６６４のＳ極側とコイルコア６７３の下側の円弧部６７４および延伸部６７５との間の磁力が支配的となっている。そのため、第２の回転部材６３の回転によってマグネット６６４が回転し、マグネット６６４のＮ極側とコイルコア６７３の上側の円弧部６７４および延伸部６７５との間の離間距離、および、マグネット６６４のＳ極側とコイルコア６７３の下側の円弧部６７４および延伸部６７５との間の離間距離が増大するにつれて、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に生じる時計回り方向の磁気トルクが増大する（図１３のグラフ中、θ＝０°〜約４５°までの範囲）。
その後、マグネット６６４が一定以上回転する（図１３のグラフ中、θ＝約４５°〜９０°までの範囲）と、マグネット６６４のＮ極側とコイルコア６７３の上側の円弧部６７４および延伸部６７５との間の磁力が減少し、逆に、マグネット６６４のＮ極側とコイルコア６７３の下側の円弧部６７４および延伸部６７５との間の磁力が増加する。同様に、マグネット６６４のＳ極側とコイルコア６７３の下側の円弧部６７４および延伸部６７５との間の磁力が減少し、逆に、マグネット６６４のＳ極側とコイルコア６７３の上側の円弧部６７４および延伸部６７５との間の磁力が増加する。これにより、時計回り方向の磁気トルクが減少する。
図１３に示すように、マグネット６６４の回転角θが９０°に到達すると、時計回り方向の磁気トルクが０［ｍＮ］となる。マグネット６６４の回転角θが９０°を超えると（図１３のグラフ中、θ＝９０°〜約１３５°の範囲）、マグネット６６４のＮ極側とコイルコア６７３の下側の円弧部６７４および延伸部６７５との間の磁力、および、マグネット６６４のＳ極側とコイルコア６７３の上側の円弧部６７４および延伸部６７５との間の磁力が増加するので、マグネット６６４に対する反時計回り方向の磁気トルクがマグネット６６４とコイルコア６７３との間に発生する。この反時計回り方向の磁気トルクは、マグネット６６４の回転角θが０〜９０°の範囲にある場合と同様のメカニズムによって増減する。
ここまで、第２の回転部材６３の回転によってマグネット６６４が反時計回り方向に回転する場合のマグネット６６４とコイルコア６７３との間に発生する磁気トルクについて説明したが、第２の回転部材６３の回転によってマグネット６６４が時計回り方向に回転する場合も、第２の回転部材６３の回転によってマグネット６６４が反時計回り方向に回転する場合と同様のメカニズムによって、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に発生する磁気トルクが変化する。
このように、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に発生する磁気トルクは、マグネット６６４の回転によって変化し、マグネット６６４の回転角θの大きさによって、マグネット６６４の回転を妨げる作用またはマグネット６６４の回転を促進する作用を提供する。したがって、本発明において、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に発生する磁気トルクは、マグネット６６４が所定の量だけ回転するまでは、マグネット６６４の回転を妨げるストッパーとして機能し、マグネット６６４が所定の量だけ回転した後は、マグネット６６４の回転を促進する回転加速手段として機能する。
図１０において示したように、マグネット組立体６６のマグネットギア６６１のギア部６６３は、第２の回転部材６３のギア部６３２と係合（噛合）している。そのため、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に発生する磁気トルクは、マグネット組立体６６のマグネットギア６６１のギア部６６３と第２の回転部材６３のギア部６３２との係合（噛合）によって、第２の回転部材６３に伝達される。また、前述のように、マグネットギア６６１の円板部６６２の径は、第２の回転部材６３の径よりも小さいことから、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に発生する磁気トルクは、増幅されて第２の回転部材６３に伝達される。
本発明の発電装置１では、このような構成により、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に発生する磁気トルクと、第１の回転部材６２および第２の回転部材６３に連結された弾性部材６５とを利用し、従来技術のような弾き機構なしに、マグネット６６４を急速に回転させ、発電に実行することができる。以下、図１４〜図１６を参照して、発電装置１の発電動作について説明する。
図１４は、図１に示す発電装置の第１回目の発電における動作を説明するための図である。図１５は、図１４に示す発電装置の第１回目の発電における動作の間のマグネットの回転角を示す図である。図１６は、図１に示す発電装置の第２回目の発電における動作を説明するための図である。なお、図１４および図１６では、発電装置１の内部構造を説明するため、上側ケース２Ｕ、下側ケース２Ｌ、インナーカバー５３、およびフレーム６１が省略されている。
最初に、図１４および図１５を参照して、発電装置１の第１回目の発電について説明する。図１４（ａ）には、操作者によって操作部５１に外力が付与されていない待機状態の発電装置１が示されている。操作者によってレバー３が操作され、発電装置１の操作部５１に外力が印加されると、発電装置１は、図１４（ｂ）に示す状態に移行する。
図１４（ｂ）に示す状態では、レバー３を介して印加された外力によって、操作部５１が押下される。操作部５１が押下されると、操作部５１とフレーム６１との間に保持されている操作部用弾性部材５２が弾性変形され、操作者によって印加された外力が、操作部用弾性部材５２内に弾性エネルギーとして貯蔵される。
また、操作部５１が押下されると、操作部５１のラック部５１３と第１の回転部材６２のギア部６２２との係合（噛合）により、第１の回転部材６２が反時計回り方向に回転する。第１の回転部材６２が反時計回り方向に回転すると、弾性部材６５を介して第２の回転部材６３に反時計回り方向の回転トルクが加えられる。
弾性部材６５から第２の回転部材６３に反時計回り方向の回転トルクが加えられると、第２の回転部材６３が第１の回転部材６２と同様に反時計回り方向に回転する。第２の回転部材６３が反時計回り方向に回転すると、第２の回転部材６３のギア部６３２とマグネット組立体６６のマグネットギア６６１のギア部６６３との係合（噛合）によって、マグネットギア６６１が時計回り方向に回転する。マグネットギア６６１が時計回り方向に回転すると、マグネットギア６６１上のマグネット６６４も時計回り方向に回転する。
マグネット６６４が時計回り方向に回転すると、図１３を参照して説明したメカニズムにより、マグネット６６４とコイル組立体６７のコイルコア６７３との間の磁気トルクが増大する。この際のマグネット６６４とコイル組立体６７のコイルコア６７３との間の磁気トルクは、マグネット６６４（マグネット組立体６６）の回転を妨げるよう作用する反時計回り方向の回転トルクである。このマグネット６６４とコイル組立体６７のコイルコア６７３との間の反時計回り方向の磁気トルクは、第２の回転部材６３のギア部６３２とマグネット組立体６６のマグネットギア６６１のギア部６６３との係合（噛合）によって、マグネット組立体６６から第２の回転部材６３に伝達される。弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクが、マグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルク（回転トルク）よりも大きい場合、第２の回転部材６３およびマグネット組立体６６は回転する。
図１４（ｂ）に示す状態から操作部５１がさらに押下されると、マグネット６６４とコイル組立体６７のコイルコア６７３との間の反時計回り方向の磁気トルクがさらに増大する。その結果、マグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルク（回転トルク）が弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクと略等しくなると、発電装置１は、図１４（ｃ）に示す状態に移行する。
図１４（ｃ）に示す状態では、マグネット６６４の時計回り方向の回転により、マグネット６６４とコイル組立体６７のコイルコア６７３との間の反時計回り方向の磁気トルクが増大した結果、マグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルク（回転トルク）が弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクと略等しくなっている。そのため、第２の回転部材６３の回転速度が急激に低下し、第２の回転部材６３およびマグネット６６４の回転が実質的に停止する。図１４（ｃ）に示す状態で操作部５１がさらに押下されると、発電装置１は、図１４（ｄ）に示す状態に移行する。
図１４（ｄ）に示す状態では、操作部５１がさらに押下され、操作部５１のラック部５１３と第１の回転部材６２のギア部６２２との係合（噛合）により、第１の回転部材６２が反時計回り方向にさらに回転する。一方、第２の回転部材６３は、実質的に回転しないので、第１の回転部材６２と第２の回転部材６３とに連結された弾性部材６５が弾性変形し、弾性部材６５内に弾性エネルギーが貯蔵される。なお、この際、第２の回転部材６３（およびマグネット６６４）の回転が完全に停止しないのは、操作部５１のさらなる押下によって弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクが増大するのに伴い、増大した回転トルクと略等しい磁気トルクが発生するよう、第２の回転部材６３およびマグネット６６４もわずかに回転するためである。
弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクは、弾性部材６５の弾性変形量、すなわち、弾性部材６５内に貯蔵されている弾性エネルギーの量に依存する。そのため、弾性部材６５内に貯蔵された弾性エネルギーが増大するにつれて、弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクが増大する。図１４（ｄ）に示す状態から操作部５１がさらに押下され、弾性部材６５内に貯蔵された弾性エネルギーが増大し、弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクがマグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルク（回転トルク）よりも大きくなると、発電装置１は、図１４（ｅ）に示す状態に移行する。
図１４（ｅ）に示す状態では、弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクがマグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルク（回転トルク）よりも大きくなった結果、弾性部材６５内に貯蔵された弾性エネルギーが解放され、第２の回転部材６３およびマグネット６６４が急速に回転される。前述したように、マグネット６６４の回転角θが所定の値を越えて増大するとマグネット６６４とコイル組立体６７のコイルコア６７３との間の反時計回り方向の磁気トルクが減少するので、第２の回転部材６３およびマグネット６６４が時計回り方向に急速に回転する。
マグネット６６４が急速に回転するとコイルコア６７３内を流れる磁力線の密度（磁束密度）が急速に変化する。この際、コイル６７２の中央空洞部内を通過する磁力線の密度（磁束密度）が急速に変化するので、電磁誘導効果によって、コイル６７２内に起電圧が発生する。また、発電装置１は、マグネット６６４の回転により、マグネット６６４のＮ極およびＳ極が反転するよう構成されている。そのため、マグネット６６４の回転によるコイル６７２の中央空洞部内を通過する磁力線の密度（磁束密度）の変化が大きく、発電装置１は、効率的な発電を実行することができる。以上のような動作により、発電装置１では第１回目の発電が実行される。第１回目の発電が実行され、弾性部材６５から解放された弾性エネルギーによるマグネット６６４の回転が終了すると、発電装置１は、図１４（ｆ）に示す状態に移行し、第１回目の発電が終了する。
図１５には、マグネット６６４の回転角θと、操作部５１の変位量（押下距離）との関係が示されている。操作部５１が変位すると、第１の回転部材６２、第２の回転部材６３、およびマグネット６６４（マグネット組立体６６）が回転し、マグネット６６４の回転角θが増加する。その後、操作部５１の変位量が増加し、図１４（ｃ）に対応する図中の点線を超えると、マグネット６６４の回転が実質的に停止し、マグネット６６４の回転角θの増加速度は、減少する。その後、図１４（ｄ）に対応する領域では、マグネット６６４は実質的に回転しない。一方、図１４（ｄ）に対応する領域では、弾性部材６５内に貯蔵された弾性エネルギーが増加する。
その後、操作部５１の変位量がさらに増大し、図１４（ｅ）に示す状態に対応する図中の点線部分を超えると、弾性部材６５内に貯蔵された弾性エネルギーが解放され、マグネット６６４が急激に回転し、マグネット６６４の回転角θが急激に増加する。このように、本発明の発電装置１においては、弾性部材６５は、第１の回転部材６２が回転するときに弾性エネルギーを貯蔵し、さらに、貯蔵された弾性エネルギーを解放することにより第２の回転部材６３およびマグネット６６４を急速に回転させるよう、第１の回転部材６２および第２の回転部材６３に連結されている。したがって、発電装置１では、マグネット６６４とコイルコア６７３との間に発生する磁気トルクと、第１の回転部材６２および第２の回転部材６３に連結された弾性部材６５とを利用することによって、マグネット６６４を急速に回転させ、発電に実行することができる。
次に、図１６を参照して、発電装置１の第２回目の発電について説明する。図１６（ａ）には、図１４（ｆ）に示す第１回目の発電の後、操作者が操作部５１を押し切った状態の発電装置１が示されている。操作者によるレバー３を介した操作部５１への外力の印加が解除されると、発電装置１は、図１６（ｂ）に示す状態に移行する。
図１６（ｂ）に示す状態では、操作者によるレバー３を介した操作部５１への外力の印加が解除され、操作部用弾性部材５２が弾性復元することにより、操作部用弾性部材５２内に貯蔵されていた弾性エネルギーが解放され、操作部５１が押し上げられる。操作部５１が押し上げられると、操作部５１のラック部５１３と第１の回転部材６２のギア部６２２との係合（噛合）により、第１の回転部材６２が時計回り方向に回転する。第１の回転部材６２が時計回り方向に回転すると、弾性部材６５を介して第２の回転部材６３に時計回り方向の回転トルクが加えられる。
弾性部材６５から第２の回転部材６３に時計回り方向の回転トルクが加えられると、第２の回転部材６３が第１の回転部材６２と同様に時計回り方向に回転する。第２の回転部材６３が時計回り方向に回転すると、第２の回転部材６３のギア部６３２とマグネット組立体６６のマグネットギア６６１のギア部６６３との係合（噛合）によって、マグネットギア６６１が反時計回り方向に回転する。マグネットギア６６１が反時計回り方向に回転すると、マグネットギア６６１上のマグネット６６４も反時計回り方向に回転する。
マグネット６６４が回転すると、図１３を参照して説明したメカニズムにより、マグネット６６４とコイル組立体６７のコイルコア６７３との間の磁気トルクが増大する。この際のマグネット６６４とコイル組立体６７のコイルコア６７３との間の磁気トルクは、マグネット６６４（マグネット組立体６６）の回転を妨げるよう作用する時計回り方向の回転トルクである。このマグネット６６４とコイル組立体６７のコイルコア６７３との間の時計回り方向の磁気トルクは、第２の回転部材６３のギア部６３２とマグネット組立体６６のマグネットギア６６１のギア部６６３との係合（噛合）によって、マグネット組立体６６から第２の回転部材６３に伝達される。弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクが、マグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルク（回転トルク）よりも大きい場合、第２の回転部材６３およびマグネット組立体６６は回転する。
図１６（ｂ）に示す状態から操作部５１がさらに押し上げられると、マグネット６６４とコイル組立体６７のコイルコア６７３との間の時計回り方向の磁気トルクがさらに増大する。その結果、マグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルク（回転トルク）が弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクと略等しくなると、発電装置１は、図１６（ｃ）に示す状態に移行する。
図１６（ｃ）に示す状態では、マグネット６６４の反時計回り方向の回転により、マグネット６６４とコイル組立体６７のコイルコア６７３との間の時計回り方向の磁気トルクが増大した結果、マグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルクが弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクと略等しくなっている。そのため、第２の回転部材６３の回転速度が急激に低下し、第２の回転部材６３およびマグネット６６４の回転が実質的に停止する。図１６（ｃ）に示す状態で操作部５１がさらに押し上げられると、発電装置１は、図１６（ｄ）に示す状態に移行する。
図１６（ｄ）に示す状態から操作部５１がさらに押し上げられ、弾性部材６５内に貯蔵された弾性エネルギーが増大し、弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクがマグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルクよりも大きくなると、発電装置１は、図１６（ｅ）に示す状態に移行する。
図１６（ｅ）に示す状態では、弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクがマグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルクよりも大きくなった結果、弾性部材６５内に貯蔵された弾性エネルギーが解放され、第２の回転部材６３およびマグネット６６４が急速に回転される。前述したように、マグネット６６４の回転角θが所定の値を越えて増大するとマグネット６６４とコイル組立体６７のコイルコア６７３との間の時計回り方向の磁気トルクが減少するので、第２の回転部材６３およびマグネット６６４が反時計回り方向に急速に回転する。
マグネット６６４が急速に回転するとコイルコア６７３内を流れる磁力線の密度（磁束密度）が急速に変化する。この際、コイル６７２の中央空洞部内を通過する磁力線の密度（磁束密度）が急速に変化するので、電磁誘導効果によって、コイル６７２内に起電圧が発生する。以上のような動作により、発電装置１では第２回目の発電が実行される。第２回目の発電が実行され、弾性部材６５から解放された弾性エネルギーによるマグネット６６４の回転が終了すると、発電装置１は、図１６（ｆ）に示す状態に移行し、第２回目の発電が終了する。このように、発電装置１の第２回目の発電における動作では、マグネット６６４の回転方向が第１回目の発電における動作と逆になっている。
以上説明したように、発電装置１においては、第２の回転部材６３およびマグネット６６４の回転は、以下の３つの段階を経る。第１の段階、すなわち、弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクがマグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルク（回転トルク）よりも大きい段階においては、第１の回転部材６２の回転に伴い、第２の回転部材６３およびマグネット６６４が回転する。第２の段階、すなわち、マグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルク（回転トルク）が弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクと略等しくなる段階においては、第１の回転部材６２が回転しても、第２の回転部材６３およびマグネット６６４は実質的に回転せず、弾性部材６５が弾性変形され、弾性部材６５内に弾性エネルギーが貯蔵される。最後に、第３の段階、すなわち、弾性部材６５から第２の回転部材６３に加えられる回転トルクがマグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルク（回転トルク）よりも再度大きくなった段階においては、弾性部材６５内の弾性エネルギーが解放され、第２の回転部材６３およびマグネット６６４が急速に回転されて、発電が実行される。
このように、発電装置１では、マグネット６６４を急速に回転（または移動）させるために従来技術において用いられていた弾き機構を用いる必要がない。発電装置１は、従来の弾き機構を用いた発電装置と比較して、部品点数が少なく、構造が単純で小型である。そのため、発電装置の製造時の不具合品率を低下させることができる。さらに、発電装置１では、マグネットの衝突や弾き機構の弾き動作に起因する外部から印加された外力の損失がなく、外部から印加された外力を発電のために有効に利用できる。また、発電装置１では、マグネットの衝突や弾き機構の弾き動作に起因する音が発生しない。さらに、発電装置１では、マグネットの衝突に起因する衝撃が発生しないため、該衝撃によってマグネットが減磁し、発電装置が故障するという問題も発生しない。
なお、発電装置１においては、上述した第１回目および第２回目の発電における動作を実行可能とするため、マグネット組立体６６のマグネットギア６６１のギア部６６３の歯数Ｎ１と、第２の回転部材６３のギア部６３２の歯数Ｎ２との比（ギア比）Ｎ２／Ｎ１は、以下のような考えに基づいて設定されている。
図１７は、図１に示す発電装置におけるマグネット組立体のマグネットギアのギア部の歯数Ｎ１と、第２の回転部材のギア部の歯数Ｎ２との比（ギア比）Ｎ２／Ｎ１を決定するための方法を説明するための図である。図１７（ａ）には、発電装置１の内部構造を示すための正面図が示されている。図１７（ｂ）には、発電装置１の内部構造を示すための背面図が示されている。なお、図１７（ａ）および図１７（ｂ）では、発電装置１の内部構造を説明するため、上側ケース２Ｕ、下側ケース２Ｌ、インナーカバー５３、およびフレーム６１が省略されている。
図示のように、操作部５１の移動量（押下量または押し上げ量）をｘ、弾性部材６５のバネ定数をｋ、弾性部材６５の初期角度をθ０、マグネット組立体６６のマグネットギア６６１のギア部６６３の角度をθ１、第２の回転部材６３の角度をθ２、第１の回転部材６２の角度をθ３、マグネット６６４とコイルコア６７３との間の磁気トルクをＴｍ（θ１）とする。
操作部５１を押下または押し上げることによって、操作部５１がｘだけ移動されると、第１の回転部材６２が角度θ３＝θ３（ｘ）だけ回転する。この際、弾性部材６５の力による回転トルクは、第１の回転部材６２の角度θ３（ｘ）と第２の回転部材６３の角度θ２の差からさらに自由角度θ０を引いたΔθ＝θ３（ｘ）−θ２−θ０から、ｋΔθとなる。
一方、マグネット組立体６６から第２の回転部材６３に加えられる磁気トルク（回転トルク）Ｔｍ（θ１）は、マグネット組立体６６のマグネットギア６６１のギア部６６３の歯数Ｎ１と、第２の回転部材６３のギア部６３２の歯数Ｎ２との比（ギア比）Ｎ２／Ｎ１によって増幅され、Ｎ２／Ｎ１×Ｔｍ（θ１）となる。また、マグネット６６４とコイルコア６７３との間の磁気トルクの最大値をＴｍａｘとすれば、マグネット６６４が回転する前には、以下のような不等式（１）が成立する。
ｋΔθ≦Ｎ２／Ｎ１×Ｔｍａｘ （１）
また、弾性部材６５内に貯蔵される弾性エネルギーは、１／２×ｋΔθ２となる。次に、弾性部材６５内に貯蔵される弾性エネルギーの条件に付いて考える。弾性部材６５内に貯蔵される弾性エネルギーは、１／２×ｋΔθ２なので、発電装置１の発電効率をαとすると、発電装置１で発電されるエネルギーは、１／２×αｋΔθ２である。ここで、目標となる発電量をＷとすると、以下のような不等式（２）が成立しなければならない。
１／２×αｋΔθ２＞Ｗ （２）
上記不等式（１）の条件より、Δθの最大値（すなわち、等号成立時のΔθの値）が決定されるので、Δθが最大となったときに、上記不等式（２）が満足されるか否かを確認する。上記不等式（２）が満足されない場合には、ギア比Ｎ２／Ｎ１を調整して、上記不等式（２）が満足されるようにする。このようにして、マグネット組立体６６のマグネットギア６６１のギア部６６３の歯数Ｎ１と、第２の回転部材６３のギア部６３２の歯数Ｎ２とのギア比Ｎ２／Ｎ１が設定される。このようにして、マグネット組立体６６のマグネットギア６６１のギア部６６３の歯数Ｎ１と、第２の回転部材６３の歯数をＮ２とのギア比Ｎ２／Ｎ１を設定することにより、発電装置１の発電量Ｗを所望の値にすることができる。
以上、本発明の発電装置および電子デバイスを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。本発明の各構成は、同様の機能を発揮し得る任意のものと置換することができ、あるいは、本発明の各構成に任意の構成のものを付加することができる。
また、上述した実施形態における発電装置および電子デバイスの構成要素の数や種類は、説明のための例示にすぎず、本発明は必ずしもこれに限られない。本発明の原理および意図から逸脱しない範囲において、任意の構成要素が追加、若しくは組み合わされ、または任意の構成要素が削除された様態も、本発明の範囲内である。
例えば、上述した実施形態において、電子回路２０は、発電装置１の内部に設けられているが、本発明はこれに限られない。例えば、電子回路２０が発電装置１の外部に設けられており、発電装置１から外部に延伸している電力引出線に電子回路２０が直接または他の機器を介して接続されている様態も本発明の範囲内である。
また、上述した実施形態において、第１の回転部材６２および第２の回転部材６３は、操作部５１の移動に伴って回転するギア状の部材であるが、本発明はこれに限られない。例えば、第１の回転部材６２および第２の回転部材６３は、操作部５１の移動に伴って回転する回転レバーであってもよい。
さらに、上述した実施形態において、第２の回転部材６３は、第１の回転部材６２と同軸回転可能となっているが、本発明はこれに限られない。第２の回転部材６３は、第１の回転部材６２と同じ方向に回転可能となっていればよい。例えば、第２の回転部材６３の回転軸と、第１の回転部材６２の回転軸とがずれている構成も本発明の範囲内である。
また、上述した実施形態において、マグネット６６４は円筒磁石であるが、本発明に限られない。例えば、マグネット６６４は、棒磁石であってもよい。また、上述した実施形態において、弾性部材としてコイルバネを用いたが、本発明はこれに限定されず、他の構成のバネ、ゴム、エアシリンダ等を用いた弾性機構を弾性部材として用いることができる。
１…発電装置 ２Ｕ…上側ケース ２Ｌ…下側ケース ２１、２２…開口部 ２３…円形開口 ２４…突出部 ２５…レバー支持部 ３…レバー ３１…係合部 ３２…円形開口 ４…防水パッキン ４１…挿通部 ５…発電機構 ５１…操作部 ５１１…押圧部 ５１２…板状部 ５１３…ラック部 ５１４…凹部 ５２…操作部用弾性部材 ５３…インナーカバー ５３１、５３２、５３３…貫通孔 ６…発電部 ６１…フレーム ６１１…収納部 ６１２…円柱部 ６１３…凹部 ６１４…貫通孔 ６１５…凹部 ６１６…貫通孔 ６１７…雌ネジ部 ６１８ａ、６１８ｂ…貫通孔 ６２…第１の回転部材 ６２１…円板部 ６２２…ギア部 ６２３…アーム部 ６２４…貫通孔 ６２５…シャフト挿通孔 ６３…第２の回転部材 ６３１…胴体部 ６３２…ギア部 ６３３…貫通孔 ６３４…シャフト挿通孔 ６４…シャフト ６４１…胴体部 ６４２…拡径部 ６５…弾性部材 ６５１…一方の端部 ６５２…他方の端部 ６６…マグネット組立体 ６６１…マグネットギア ６６２…円板部 ６６３…ギア部 ６６４…マグネット ６６５…シャフト ６６６…拡径部 ６６７…縮径部 ６７…コイル組立体 ６７１…ボビン ６７２…コイル ６７３…コイルコア ６７４…円弧部 ６７５…延伸部 ６７６ａ、６７６ｂ…貫通孔 ７…雄ネジ ８ａ、８ｂ…ピン １０…電子デバイス ２０…電子回路 ２０１、２０２ａ、２０２ｂ…貫通孔

Claims (9)

  1. 外力を利用して発電を実行する発電装置であって、
    前記外力を印加するために押下され、上下運動する操作部と、
    前記操作部と係合し、前記操作部の前記上下運動に伴い回転する第１の回転部材と、
    前記第１の回転部材と同方向に回転可能な第２の回転部材と、
    前記第１の回転部材が回転するときに弾性エネルギーを貯蔵し、さらに、前記貯蔵された弾性エネルギーを解放することにより前記第２の回転部材を回転させるよう、前記第１の回転部材および前記第２の回転部材に連結された弾性部材と、
    前記第２の回転部材と係合し、前記第２の回転部材と共に回転するマグネット組立体と、
    前記マグネット組立体から発せられる磁力線がその軸方向に通過するよう配置され、その中央空洞部を通過する前記磁力線の変化に基づいて電圧が発生するコイルと、前記コイルに挿通され、前記マグネット組立体との間で磁気トルクが生じるよう配置されたコイルコアとを含むコイル組立体と、を備え、
    前記弾性部材は、前記弾性部材から前記第２の回転部材に加えられる回転トルクが、前記マグネット組立体から前記第２の回転部材に加えられる前記磁気トルクよりも大きくなったときに、前記貯蔵された弾性エネルギーを解放し、前記第２の回転部材および前記マグネット組立体を回転させ、
    前記第２の回転部材は、ギア部を有しており、
    前記マグネット組立体は、前記第２の回転部材の前記ギア部と係合するマグネットギアと、前記マグネットギア上に取り付けられた円筒状のマグネットとを含み、
    前記マグネットは、前記第２の回転部材の回転方向と逆の方向に回転することを特徴とする発電装置。
  2. 前記第１の回転部材は、ギア部を有している請求項１に記載の発電装置。
  3. 前記円筒状のマグネットは、前記マグネットギア部と同軸回転する請求項１または２に記載の発電装置。
  4. 前記マグネットギアの歯数をＮ１とし、前記第２の回転部材の前記ギア部の歯数をＮ２としたとき、Ｎ２＞Ｎ１の関係が成立している請求項１ないし３のいずれかに記載の発電装置。
  5. 前記コイル組立体の前記コイルコアは、互いに離間して対向する一対の延伸部を有しており、
    前記円筒状のマグネットは、前記コイルコアの前記一対の延伸部によって規定される空間内に位置している請求項１ないし４のいずれかに記載の発電装置。
  6. 前記弾性部材は、ねじりバネであり、前記ねじりバネの一端が前記第１の回転部材に連結され、前記ねじりバネの他端が前記第２の回転部材に連結されている請求項１ないし５のいずれかに記載の発電装置。
  7. 前記外力によって前記操作部が操作されたときに、前記外力を弾性エネルギーとして貯蔵し、前記操作部に対する前記外力の印加が解除されたときに、前記貯蔵された弾性エネルギーを解放し、前記操作部を初期位置に戻すよう、前記操作部材を上下運動させる操作部用弾性部材をさらに備え、
    前記発電装置は、前記操作部用弾性部材から解放された前記弾性エネルギーを利用して第２回目の発電を実行することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の発電装置。
  8. 前記操作部用弾性部材によって前記操作部が前記初期位置に戻るよう前記操作部材が上下運動させられた際に、前記操作部材と係合している前記第１の回転部材が回転し、それにより、前記弾性部材内に前記弾性エネルギーが再度貯蔵され、
    前記弾性部材は、前記弾性部材から前記第２の回転部材に加えられる前記回転トルクが、前記マグネット組立体と前記コイル組立体の前記コイルコアとの間で生じる前記磁気トルクよりも大きくなったときに、前記貯蔵された弾性エネルギーを再度解放し、前記第２の回転部材および前記マグネット組立体を再度逆方向に回転させる請求項７に記載の発電装置。
  9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の発電装置と、
    該発電装置により駆動される電子回路と、を備えることを特徴とする電子デバイス。
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