WO2022024786A1 - 回転運動機構 - Google Patents

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WO2022024786A1
WO2022024786A1 PCT/JP2021/026652 JP2021026652W WO2022024786A1 WO 2022024786 A1 WO2022024786 A1 WO 2022024786A1 JP 2021026652 W JP2021026652 W JP 2021026652W WO 2022024786 A1 WO2022024786 A1 WO 2022024786A1
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rotation
shaft
inertial body
swing
rotational
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寛 保坂
萌生 豊島
泰久 池田
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国立大学法人東京大学
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    • F16D41/06—Freewheels or freewheel clutches with intermediate wedging coupling members between an inner and an outer surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H1/00—Toothed gearings for conveying rotary motion
    • F16H1/02—Toothed gearings for conveying rotary motion without gears having orbital motion
    • F16H1/04—Toothed gearings for conveying rotary motion without gears having orbital motion involving only two intermeshing members
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    • F16H1/04—Toothed gearings for conveying rotary motion without gears having orbital motion involving only two intermeshing members
    • F16H1/12—Toothed gearings for conveying rotary motion without gears having orbital motion involving only two intermeshing members with non-parallel axes
    • F16H1/14—Toothed gearings for conveying rotary motion without gears having orbital motion involving only two intermeshing members with non-parallel axes comprising conical gears only
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H19/00—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion
    • F16H19/08—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary motion and oscillating motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H35/00—Gearings or mechanisms with other special functional features

Definitions

  • the present invention relates to a rotational movement mechanism that accelerates the rotation of the inertial body by using the precession generated in the inertial body in response to an external force that tilts the rotation axis of the inertial body that rotates around the rotation axis.
  • Patent Document 1 proposes a mechanism that converts precession due to the gyro effect into rotation of the flywheel by friction with the rail. Since this mechanism increases the rotation in the same direction, it requires precession rotation in the same direction and generates gyro torque in the same direction. Therefore, it is necessary to make the motion of the rail surface that guides the rotation axis of the inertial body a tilting vibration that reverses in synchronization with a conical (tilted) constant rotation or precession rotation. Therefore, there is a problem that the rotation does not accelerate due to random vibration in the natural world.
  • Patent Document 2 proposes a mechanism in which a weight is attached to the suspension mechanism to increase the movement of the center of gravity due to waves and to greatly continue the sway. It is possible to further develop this oscillating motion to generate one-way rotational motion by combining plane gears, differential gears, and claw wheels, and a power generation device that utilizes motion with six degrees of freedom has also been put into practical use. Preparations are underway. Since this mechanism uses the inertial force of a simple pendulum as the driving force for rotation, its magnitude is the degree of the product of the mass of the weight and the input acceleration. Unlike the gyro effect, the inertial force is increased by the rotation of the weight. Therefore, there is a problem that the inertial force is remarkably small as compared with Dynaby and the like.
  • Patent Document 3 proposes a mechanism that inputs random vibrations generated in the natural world and realizes an increase in rotation speed by using precession.
  • this mechanism in order to accelerate the rotation of the inertial body, it is necessary to increase the diameter of the rail that guides the rotation axis, and the mechanism, particularly the assembly and mounting thereof, is complicated, and there is a problem in maintainability.
  • the rotational motion mechanism is (i) a rotating shaft, (ii) an inertial body that rotates in conjunction with the rotation of the rotating shaft, and (iii) a swinging shaft.
  • the axis direction of the swing axis is a swing frame that is orthogonal to the axis direction of the rotation axis and holds the swing axis and (iv) the rotation axis rotatably, and responds to an external force that tilts the rotation axis.
  • a swing frame that rotates the swing shaft by the aging motion generated in the inertial body, and (v) a power transmission mechanism that accelerates the rotation of the swing shaft and transmits it to the rotation shaft.
  • the one-way clutch may be directly attached to the swing shaft from the viewpoint of reducing energy loss.
  • vibration generated in a natural environment can be input as an external force and efficiently converted into rotational motion of an inertial body.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of the rotary motion mechanism 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the rotary motion mechanism 100 includes an inertial body 1, a rotating shaft 2, a swing frame 3, a swing shaft 4a, 4b, a housing 5, a one-way clutch 6a, 6b, spur gears 7a, 7b, 8a, 8b, a drive shaft 9a, 9b and bevel gears 10a, 10b, 11 are provided.
  • the direction parallel to the axis direction of the rotation axis 2 is defined as the X direction
  • the two directions orthogonal to the X direction are defined as the Y direction and the Z direction.
  • the axes parallel to each of the X direction, the Y direction, and the Z direction are referred to as the X axis, the Y axis, and the Z axis.
  • the inertial body 1 is an object having a predetermined inertial mass, and may have, for example, two main surfaces parallel to the YZ plane and a disk-shaped shape having a thickness in the X direction.
  • the inertial body 1 is connected to the rotation axis 2 and rotates in conjunction with the rotation of the rotation axis 2.
  • the axis direction (Y direction) of the swing axes 4a and 4b is arranged so as to be orthogonal to the axis direction (X direction) of the rotation axis 2.
  • the axis directions (Y direction) of the drive shafts 9a and 9b are arranged so as to be orthogonal to the axis direction (X direction) of the rotation axis 2.
  • the swing frame 3 rotatably holds each of the rotation shaft 2 and the drive shafts 9a and 9b.
  • the swing shafts 4a and 4b are fixed to the swing frame 3.
  • the housing 5 rotatably holds the oscillating shafts 4a and 4b, accommodates the oscillating frame 3 inside, and rotatably holds the oscillating frame 3 around the oscillating shafts 4a and 4b.
  • the one-way clutch 6a is attached to the swing shaft 4a.
  • the one-way clutch 6b is attached to the swing shaft 4b.
  • the spur gear 7a is attached to the swing shaft 4a with the one-way clutch 6a as a bearing.
  • the spur gear 7b is attached to the swing shaft 4b with the one-way clutch 6b as a bearing.
  • the spur gear 8a is attached to one end of the drive shaft 9a, and the bevel gear 10a is attached to the other end of the drive shaft 9a.
  • the spur gear 8b is attached to one end of the drive shaft 9b, and the bevel gear 10b is attached to the other end of the drive shaft 9b.
  • the spur gears 7a and 8a are attached so as to mesh with each other.
  • the spur gears 7b and 8b are attached so as to mesh with each other.
  • the inertial body 1 is attached to a part of the rotation shaft 2 so as to rotate in conjunction with the rotation of the rotation shaft 2. Further, one end of the rotation shaft 2 is attached to the bevel gear 11.
  • the bevel gears 10a and 10b are attached so as to mesh with the bevel gear 11, respectively.
  • the spur gears 7a and 7b are only allowed to rotate in opposite directions by the one-way clutches 6a and 6b. For example, if the one-way clutch 6a slips and the one-way clutch 6b meshes when the swing shafts 4a and 4b rotate in the CW direction (clockwise), the spur gear 7a slips and the spur gear 7b faces the CW. Rotate to. When the spur gear 7b rotates in the CW direction, the spur gear 8b meshing with the spur gear 7b rotates in the CCW direction (counterclockwise).
  • the rotation speed of the spur gear 8b becomes faster than the rotation speed of the spur gear 7b according to the ratio of the number of teeth of both.
  • the rotational torque of the spur gear 8b is transmitted to the bevel gear 10b through the drive shaft 9b.
  • the spur gear 8b rotates in the CCW direction
  • the bevel gear 10b also rotates in the CCW direction.
  • the bevel gear 11 rotates in the CW direction.
  • the inertial body 1 also rotates in the CW direction.
  • the rotational movement of the bevel gear 11 toward CW causes the spur gear 7a to rotate toward CCW through the bevel gear 10a, the drive shaft 9a, and the spur gear 8a.
  • the rotation direction of the swing shaft 4a (CW direction) and the rotation direction of the spur gear 7a (CCW direction) are opposite to each other, but due to the function of the one-way clutch 6a, the rotation of the swing shaft 4a A slip occurs between the spur gear 7a and the rotation of the spur gear 7a, and the rotation of the swing shaft 4a is not hindered.
  • the swing shafts 4a and 4b rotate. Regardless of the direction, the inertial body 1 starts to rotate in one direction (for example, toward CW).
  • the one-way clutch 6b slips and the one-way clutch 6a is set to mesh with each other.
  • the inertial body 1 rotates in one direction (for example, for CCW) regardless of the rotation direction of the swing shafts 4a and 4b. start.
  • the gyro effect causes the inertial body 1 to be in the X direction and the Z direction.
  • a gyro moment that causes rotation around the Y axis perpendicular to is acting.
  • the gyro moment is proportional to the angular momentum of the inertial body 1. Due to this gyro moment, the inertial body 1 precesses. The precession of the inertial body 1 causes the swing frame 3 to rotate about the Y axis.
  • the swing shafts 4a and 4b are fixed to the swing frame 3, the swing shafts 4a and 4b rotate around the Y axis due to the precession of the inertial body 1.
  • the rotation direction of the inertial body 1 when an external force for tilting the rotation shaft 2 acts around the Z axis is one direction regardless of the rotation directions of the swing shafts 4a and 4b.
  • the inertial body 1 In order for the inertial body 1 to precess in response to an external force around the Z axis that tilts the rotation axis 2, the inertial body 1 needs to rotate around the rotation axis 2 in its initial state. .. In order to rotate the inertial body 1, some external force may be applied to the inertial body 1 to forcibly rotate the inertial body 1, or the swing frame 3 and the housing 5 are relative to each other. Rotational motion may be forcibly applied. The forced rotation of the inertial body 1 may be performed only in the initial state before the precession movement starts.
  • the rotational movement of the inertial body 1 is gradually amplified according to the above-mentioned principle, so that it is not necessary to forcibly rotate the inertial body 1.
  • the inertial body 1 becomes one regardless of the rotation direction of the swing shafts 4a and 4b. It starts to rotate in the direction. Therefore, the rotational motion of the inertial body 1 may be generated by utilizing the external force that rotates the swing shafts 4a and 4b.
  • the spur gears 7a, 7b, 8a, 8b, the drive shafts 9a, 9b, and the bevel gears 10a, 10b, 11 are power transmission mechanisms that accelerate the rotation of the swing shafts 4a, 4b and transmit them to the rotation shaft 2.
  • the one-way clutch 6b transmits the rotation of the swing shafts 4a and 4b to the power transmission mechanism only when the rotation directions of the swing shafts 4a and 4b coincide with a specific one direction (for example, the CW direction).
  • the one-way clutch 6a transmits the rotation of the swing shafts 4a and 4b to the power transmission mechanism only when the rotation directions of the swing shafts 4a and 4b coincide with a specific one direction (for example, the direction of CCW).
  • bevel gears 10a, 10b, 11 are the rotational movement of the swing shafts 4a, 4b and the rotational movement parallel to the rotational movement (for example, the rotation of the spur gears 7a, 7b, 8a, 8b, and the drive shafts 9a, 9b). It functions as a bevel gear mechanism that changes the direction of the motion) into the rotational motion of the rotation axis 2.
  • the combination of spur gears 7a, 7b, 8a, 8b is exemplified as an example of the power transmission mechanism, but instead of the combination of spur gears 7a, 7b, 8a, 8b, there are multiple stages.
  • a combination of spur gears may be used, or a combination of a belt and a pulley may be used instead of the combination of spur gears 7a, 7b, 8a, 8b.
  • the ratio of the number of teeth of the spur gears 7a and 7b to the number of teeth of the spur gears 8a and 8b as a mechanism for accelerating the rotational movement of the inertial body 1
  • an example of using the ratio of the number of teeth of the spur gears 8a and 8b is illustrated.
  • the rotational movement of the inertial body 1 may be accelerated by using the ratio between the number and the number of teeth of the bevel gear 11, or a gear mechanism may be provided between the bevel gear 11 and the rotation shaft 2 to provide the inertial body 1.
  • the rotational movement may be accelerated.
  • the one-way clutches 6a and 6b repeat sliding and meshing according to the rotation direction of the swing shafts 4a and 4b.
  • the one-way clutches 6a and 6b slip, a slight friction is generated. Since the energy loss due to friction is proportional to the sliding speed, it is desirable to attach the one-way clutches 6a and 6b to a rotating shaft having a relatively low rotational speed.
  • the one-way clutches 6a and 6b are driven from the viewpoint of reducing energy loss. It is preferable to directly attach the one-way clutches 6a and 6b to the swing shafts 4a and 4b rather than directly attaching them to the shafts 9a and 9b.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of the rotary motion mechanism 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • the rotary motion mechanism 200 includes an inertial body 1, a rotating shaft 2, a swing frame 3, a housing 5, one-way clutches 6a, 6b, drive shafts 9a, 9b, and bevel gears 10a, 10b, 11.
  • the rotary motion mechanism 200 differs from the rotary motion mechanism 100 in that the one-way clutches 6a and 6b are directly attached to the drive shafts 9a and 9b. Further, the rotary motion mechanism 200 is different from the rotary motion mechanism 100 in that the swing shafts 4a and 4b and the spur gears 7a, 7b, 8a and 8b are not provided.
  • the bevel gears 10a, 10b, 11 function as a power transmission mechanism that accelerates the rotation of the drive shafts 9a, 9b and transmits the rotation to the rotation shaft 2, and also causes the rotational movement of the drive shafts 9a, 9b to be transmitted to the rotation shaft 2. It also functions as a bevel gear mechanism that changes direction to rotary motion.
  • the differences between the first and second embodiments will be mainly described, and the detailed description of the points of agreement between the two will be omitted.
  • the rotation direction of the inertial body 1 is limited to one direction by the functions of the one-way clutches 6a and 6b.
  • the direction in which the bevel gears 10a and 10b rotate when the inertial body 1 does not precess and only rotates around the rotation axis 2 is called a positive rotation direction.
  • ⁇ a and ⁇ b be the rotational speeds of the bevel gears 10a and 10b with respect to the respective housings 5, and let ⁇ s be the rotation speed of the inertial body 1. Is ⁇ p, and the reduction ratio between the bevel gears 10a and 10b and the bevel gear 11 is Z, the following equation is established.
  • ⁇ a ⁇ s / Z + ⁇ p ...
  • ⁇ b ⁇ s / Z- ⁇ p ...
  • the maximum rotation speed of the inertial body 1 is determined by Z ⁇ p.
  • the bevel gears 10a, 10b, 11 function as a power transmission mechanism that accelerates the rotation of the drive shafts 9a, 9b and transmits the rotation to the rotation shaft 2.
  • vibration generated in a natural environment can be input as an external force, and this can be converted into rotational motion of the inertial body 1 and accelerated.
  • the inertial body 1 is moved in a specific one direction through the one-way clutches 6a and 6b. Since the power to rotate can be obtained, the vibration energy generated in the natural environment can be efficiently converted into rotary motion.
  • the rotary motion mechanisms 100 and 200 function as a generator that converts the rotary motion of the inertial body 1 into electrical energy.
  • the rotary motion mechanism 100, 200 may be attached to various vibration sources (for example, human body, livestock animal, wild animal, bamboo grove, agricultural area, ship, mobile vehicle, etc.).
  • the rotary motion mechanisms 100 and 200 can also be used as a power source for various IoT (Internet of Things) devices that do not require batteries.
  • IoT Internet of Things
  • various sensors such as a speedometer, a thermo-hygrometer, an illuminance meter, a water flow meter, and a salinity meter can be considered.
  • the rotary motion mechanisms 100 and 200 can also be used for converting natural energy such as a water stream or an ocean current that swings with a large kinetic energy such as on the water or underwater into electric energy. It can be effectively and widely used in places where maintenance and replacement of the battery is difficult. This is significant in combination with the progress of wide area wireless communication such as LPWA (Low Power Wide Area).
  • LPWA Low Power Wide Area
  • the rotational movement mechanisms 100 and 200 into a fixed net observation buoy (for example, a buoy of about 0.2 m 3 ) in coastal fisheries, the wave power of the ocean generates about 20 W of electric power for fishery detection and radio. It can function as a power source for communication equipment.
  • the size can be reduced.

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Abstract

自然環境で発生する振動を外力として入力し、これを慣性体の回転運動に変換する回転運動機構を提案する。 回転運動機構は、（i）自転軸と、（ii）自転軸の回転に連動して回転する慣性体と、（iii）自転軸の軸芯方向に直交する揺動軸と、（iv）自転軸を回転可能に保持する揺動枠であって、自転軸を傾ける外力に応答して慣性体に生じる歳差運動により揺動軸を回転させる揺動枠と、（v）揺動軸の回転を増速して自転軸に伝達する動力伝達機構であって、揺動軸の回転運動を自転軸の回転運動に方向変換する傘歯車機構を備える、動力伝達機構と、（vi）揺動軸の回転方向が特定の一方向に一致するときにのみ揺動軸の回転を動力伝達機構に伝達するワンウェイクラッチを備える。

Description

回転運動機構
　本発明は、自転軸周りに回転する慣性体の自転軸を傾ける外力に応答して慣性体に生じる歳差運動を用いて慣性体の回転を増速させる回転運動機構に関わる。
　光、熱、振動、及び電波などの様々な形態で自然環境中に存在する微小なエネルギーを採取（ハーベスティング）してこれを電力に変換するエネルギーハーベスティングに関する研究開発が進められている。この種のエネルギーハーベスティングにおいては、熱電効果、圧電効果、及び焦電効果などを応用した技術も含めて様々な工夫が検討されており、現時点では、力学的エネルギーを電力エネルギーに変換する電磁誘導を応用した技術のエネルギー変換効率が高いことが知られている。このような電磁誘導を応用した技術では、例えば、往復運動や揺動運動などを電気エネルギーに変換する機構が考えられるが、回転運動を電気エネルギーに変換する機構のエネルギー変換効率が特に高いことが知られている。このため、自然環境で発生する振動や海流などの力学的なエネルギーをどのようにして効率よく回転運動に変換するのかが重要な課題となる。力学的なエネルギーを回転運動へ変換する回転運動機構の例として、例えば、特許文献１乃至３に示すように、ジャイロ効果を利用する機構が知られている。
米国特許出願公開第３７２６１４６号 特開２０１３－２１７２８４号公報 特開２０１９－１４６４７７号公報
　特許文献１は、ジャイロ効果による歳差運動をレールとの摩擦によりフライホイールの自転に変換する機構を提案している。この機構は、自転を同一方向に増大させるため、同一方向の歳差回転を必要とし、同一方向のジャイロトルクを発生させる。そのため、慣性体の回転軸をガイドするレール面の運動を円錐状（傾頭）の一定回転又は歳差回転に同期して反転する傾斜振動とする必要がある。このため、自然界のランダムな振動では自転が増速しないという課題を有する。
　特許文献２は、吊設機構に錘を付け、波浪による重心移動の増加を図って搖動を大きく継続さる機構を提案している。この揺動運動を更に発展させて、平面歯車、差動歯車、爪車を組み合わせて一方向の回転運動を生成することは可能であり、６自由度の運動を利用する発電装置も実用化の準備が進められている。この機構は、単振子の慣性力を回転の駆動力とするため、その大きさは、錘の質量と入力加速度の積の程度である、ジャイロ効果と異なり、錘の自転による慣性力増大を行わないため、ダイナビーなどに比べて、慣性力は著しく小さいという課題を有する。
　特許文献３は、自然界で発生するランダムな振動を入力し、歳差運動を利用して回転の増速を実現する機構を提案している。この機構は、慣性体の回転を増速するためにその回転軸をガイドするレールの直径を大きくとる必要があり、また、その機構とりわけその組立実装が複雑で保守保全性に課題がある。
　そこで、本発明は、上述の課題を解決し、自然環境で発生する振動を外力として入力し、これを慣性体の回転運動に変換する回転運動機構を提案することを課題とする。　
　上述の課題を解決するため、本発明に関わる回転運動機構は、（i）自転軸と、（ii）自転軸の回転に連動して回転する慣性体と、（iii）揺動軸であって、揺動軸の軸芯方向は、自転軸の軸芯方向に直交する、揺動軸と、（iv）自転軸を回転可能に保持する揺動枠であって、自転軸を傾ける外力に応答して慣性体に生じる歳差運動により揺動軸を回転させる揺動枠と、（v）揺動軸の回転を増速して自転軸に伝達する動力伝達機構であって、揺動軸の回転運動を自転軸の回転運動に方向変換する傘歯車機構を備える、動力伝達機構と、（vi）揺動軸の回転方向が特定の一方向に一致するときにのみ揺動軸の回転を動力伝達機構に伝達するワンウェイクラッチを備える。このような構成によれば、慣性体の歳差運動に起因して生じる揺動軸の回転から、ワンウェイクラッチを通じて、慣性体を特定の一方向の回転させる動力を得ることができるため、自然環境で発生する振動エネルギーを効率よく回転運動に変換することができる。
　動力伝達機構を構成する自転軸の回転速度は、揺動軸の回転速度よりも速いため、エネルギー損失の低減を図る観点から、ワンウェイクラッチを揺動軸に直接取り付けてもよい。
　本発明に関わる回転運動機構によれば、自然環境で発生する振動を外力として入力し、これを慣性体の回転運動に効率よく変換することができる。
本発明の第１の実施形態に関わる回転運動機構の構成の一例を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に関わる回転運動機構の構成の一例を示す説明図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の構成要素を示すものとし、重複する説明は省略する。
　図１は、本発明の第１の実施形態に関わる回転運動機構１００の構成の一例を示す説明図である。回転運動機構１００は、慣性体１、自転軸２、揺動枠３、揺動軸４ａ，４ｂ、筐体５、ワンウェイクラッチ６ａ，６ｂ、平歯車７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ、駆動軸９ａ，９ｂ、及び傘歯車１０ａ，１０ｂ，１１を備えている。説明の便宜上、自転軸２の軸芯方向に平行な方向をＸ方向とし、Ｘ方向に直交する２方向をＹ方向及びＺ方向とする。また、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向のそれぞれに平行な軸をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸と呼ぶ。
　慣性体１は、所定の慣性質量を有する物体であり、例えば、ＹＺ平面に平行な２つの主面と、Ｘ方向に厚みを有する円盤状の形状を有してもよい。慣性体１は、自転軸２に接続されており、自転軸２の回転に連動して回転する。
　揺動軸４ａ，４ｂの軸芯方向（Ｙ方向）は、自転軸２の軸芯方向（Ｘ方向）に直交するように配置される。同様に、駆動軸９ａ，９ｂの軸芯方向（Ｙ方向）は、自転軸２の軸芯方向（Ｘ方向）に直交するように配置される。揺動枠３は、自転軸２及び駆動軸９ａ，９ｂのそれぞれを回転可能に保持する。揺動軸４ａ，４ｂは、揺動枠３に固定されている。筐体５は、揺動軸４ａ，４ｂを回転可能に保持するとともに、その内部に揺動枠３を収容し、揺動軸４ａ，４ｂ周りに揺動枠３を回転可能に保持する。
　ワンウェイクラッチ６ａは、揺動軸４ａに取り付けられている。同様に、ワンウェイクラッチ６ｂは、揺動軸４ｂに取り付けられている。平歯車７ａは、ワンウェイクラッチ６ａを軸受けとして、揺動軸４ａに取り付けられている。同様に、平歯車７ｂは、ワンウェイクラッチ６ｂを軸受けとして、揺動軸４ｂに取り付けられている。
　平歯車８ａは、駆動軸９ａの一端に取り付けられ、傘歯車１０ａは、駆動軸９ａの他端に取り付けられている。同様に、平歯車８ｂは、駆動軸９ｂの一端に取り付けられ、傘歯車１０ｂは、駆動軸９ｂの他端に取り付けられている。平歯車７ａ，８ａは、互いに噛合するように取り付けられている。同様に、平歯車７ｂ，８ｂは、互いに噛合するように取り付けられている。
　慣性体１は、自転軸２の回転に連動して回転するように自転軸２の一部に装着されている。また、自転軸２の一端は、傘歯車１１に装着されている。傘歯車１０ａ，１０ｂは、それぞれ、傘歯車１１に噛合するように取り付けられている。
　平歯車７ａ，７ｂは、ワンウェイクラッチ６ａ，６ｂによって、互いに逆方向への回転のみが許容されている。例えば、揺動軸４ａ，４ｂがＣＷ向き（時計回り）に回転したときに、ワンウェイクラッチ６ａが滑り、ワンウェイクラッチ６ｂが噛み合ったとすると、平歯車７ａは、空転し、平歯車７ｂは、ＣＷ向きに回転する。平歯車７ｂがＣＷ向きに回転すると、平歯車７ｂに噛合する平歯車８ｂは、ＣＣＷ向き（反時計回り）に回転する。平歯車８ｂの歯数は、平歯車７ｂの歯数よりも少ないため、両者の歯数の比率に応じて、平歯車８ｂの回転速度は、平歯車７ｂの回転速度よりも速くなる。平歯車８ｂの回転トルクは、駆動軸９ｂを通じて傘歯車１０ｂに伝達される。平歯車８ｂがＣＣＷ向きに回転すると、傘歯車１０ｂもＣＣＷ向きに回転する。傘歯車１０ｂがＣＣＷ向きに回転すると、傘歯車１１は、ＣＷ向きに回転する。傘歯車１１がＣＷ向きに回転すると、慣性体１もＣＷ向きに回転する。
　傘歯車１１のＣＷ向きの回転運動は、傘歯車１０ａ、駆動軸９ａ、及び平歯車８ａを通じて、平歯車７ａをＣＣＷ向きに回転させる。この結果、揺動軸４ａの回転方向（ＣＷ向き）と、平歯車７ａの回転方向（ＣＣＷ向き）とは、互いに逆向きになるが、ワンウェイクラッチ６ａの機能により、揺動軸４ａの回転と平歯車７ａの回転との間に滑りが生じ、揺動軸４ａの回転が妨げられることはない。
　一方、揺動軸４ａ，４ｂがＣＣＷ向きに回転すると、ワンウェイクラッチ６ｂが滑り、ワンウェイクラッチ６ａが噛み合う。これにより、平歯車７ｂは、空転し、平歯車７ａは、ＣＣＷ向きに回転する。この結果、平歯車８ａ、傘歯車１０ａ，１１は、それぞれＣＷ向きに回転し、慣性体１もＣＷ向きに回転する。なお、揺動軸４ｂの回転方向（ＣＣＷ向き）と、平歯車７ｂの回転方向（ＣＷ向き）とは、互いに逆向きになるが、ワンウェイクラッチ６ｂの機能により、揺動軸４ｂの回転と平歯車７ｂの回転との間に滑りが生じ、揺動軸４ｂの回転が妨げられることはない。
　このように、慣性体１がその初期状態において静止している場合に、揺動軸４ａ，４ｂを回転させる外力（例えば、自然環境で生じる振動）が加わると、揺動軸４ａ，４ｂの回転方向に関わらず、慣性体１は一方向（例えば、ＣＷ向き）に回転し始める。なお、揺動軸４ａ，４ｂがＣＷ向きに回転したときに、ワンウェイクラッチ６ｂが滑り、ワンウェイクラッチ６ａが噛み合うように設定すると、慣性体１がその初期状態において静止している場合に、揺動軸４ａ，４ｂを回転させる外力（例えば、自然環境で生じる振動）が加わると、揺動軸４ａ，４ｂの回転方向に関わらず、慣性体１は、一方向（例えば、ＣＣＷ向き）に回転し始める。
　慣性体１が回転運動している状態の下で、自然環境で生じる振動により、自転軸２を傾ける外力がＺ軸周りに作用すると、ジャイロ効果により、慣性体１には、Ｘ方向及びＺ方向に直交するＹ軸周りの回転を引き起こすジャイロモーメントが作用する。ジャイロモーメントは、慣性体１の角運動量に比例する。このジャイロモーメントにより、慣性体１は、歳差運動を行う。慣性体１の歳差運動により、揺動枠３のＹ軸周りの回転が引き起こされる。揺動軸４ａ，４ｂは、揺動枠３に固定されているため、慣性体１の歳差運動に起因して、揺動軸４ａ，４ｂは、Ｙ軸周りに回転する。自転軸２を傾ける外力がＺ軸周りに作用したときの慣性体１の回転方向は、揺動軸４ａ，４ｂの回転方向に関わらず、一方向である。
このように、慣性体１が回転運動している状態の下で、自転軸２を傾ける外力がＺ軸周りに作用すると、慣性体１は、歳差運動を開始し、揺動軸４ａ，４ｂは、揺動回転し始める。この揺動回転により、平歯車７ａ，７ｂがそれぞれ一方向に回転し始め、その回転運動は、平歯車８ａ，８ｂによって増速される。増速された回転運動は、傘歯車１０ａ，１０ｂを通じて傘歯車１１に伝達され、慣性体１の回転運動を増速させる。
　自転軸２を傾けるＺ軸周りの外力に応答して、慣性体１が歳差運動をするためには、慣性体１は、その初期状態において、自転軸２周りに回転している必要がある。慣性体１を回転させるには、慣性体１に何等かの外力を加えて、慣性体１を強制的に回転させてもよいし、或いは、揺動枠３と筐体５との間に相対的な回転運動を強制的に加えてもよい。慣性体１の強制的な回転は、歳差運動が始まる前の初期状態においてのみ行えばよい。慣性体１が歳差運動を開始した後は、慣性体１の回転運動は、上述の原理に従って、次第に増幅されるため、慣性体１を強制的に回転させる必要はない。なお、慣性体１がその初期状態において静止している場合に、揺動軸４ａ，４ｂを回転させる外力が加わると、揺動軸４ａ，４ｂの回転方向に関わらず、慣性体１は、一方向に回転し始める。このため、揺動軸４ａ，４ｂを回転させる外力を利用して慣性体１の回転運動を生じさせてもよい。
　なお、平歯車７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ、駆動軸９ａ，９ｂ、及び傘歯車１０ａ，１０ｂ，１１は、揺動軸４ａ，４ｂの回転を増速して自転軸２に伝達する動力伝達機構として機能する。ワンウェイクラッチ６ｂは、揺動軸４ａ，４ｂの回転方向が特定の一方向（例えば、ＣＷ向き）に一致するときにのみ揺動軸４ａ，４ｂの回転を動力伝達機構に伝達する。同様に、ワンウェイクラッチ６ａは、揺動軸４ａ，４ｂの回転方向が特定の一方向（例えば、ＣＣＷ向き）に一致するときにのみ揺動軸４ａ，４ｂの回転を動力伝達機構に伝達する。
　また、傘歯車１０ａ，１０ｂ，１１は、揺動軸４ａ，４ｂの回転運動及びその回転運動に平行な回転運動（例えば、平歯車７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ、及び駆動軸９ａ，９ｂの回転運動）を自転軸２の回転運動に方向変換する傘歯車機構として機能する。
　なお、図１に示す例では、動力伝達機構の一例として、平歯車７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの組み合わせが例示されているが、平歯車７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの組み合わせに替えて、多段化された平歯車の組み合わせを用いてもよく、或いは、平歯車７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの組み合わせに替えて、ベルトとプーリーとの組み合わせを用いてもよい。
　また、慣性体１の回転運動を増速させる機構として、平歯車７ａ，７ｂの歯数と平歯車８ａ，８ｂの歯数との比を用いる例を例示したが、傘歯車１０ａ，１０ｂの歯数と傘歯車１１の歯数との比を用いて慣性体１の回転運動を増速させてもよく、或いは、傘歯車１１と自転軸２との間に歯車機構を設けて慣性体１の回転運動を増速させてもよい。
　また、図１に示す例では、ワンウェイクラッチ６ａ，６ｂは、揺動軸４ａ，４ｂに直接取り付けられている例が示されているが、ワンウェイクラッチ６ａ，６ｂを駆動軸９ａ，９ｂに直接取り付けても、図１に示す構成と同様の機能を果たすことができる。なお、「直接取り付ける」とは、伝達機構（例えば、歯車、プーリー、ベルトなど）を介さずに取り付けることを意味する。
　なお、ワンウェイクラッチ６ａ，６ｂは、揺動軸４ａ，４ｂの回転方向に応じて、滑りと噛み合いを繰り返す。ワンウェイクラッチ６ａ，６ｂが滑るときは、僅かに摩擦が発生する。摩擦によるエネルギーの損失は、滑りの速度に比例するため、ワンウェイクラッチ６ａ，６ｂは、回転速度が比較的低い回転軸に取り付けるのが望ましい。図１に示す例では、駆動軸９ａ，９ｂの回転速度よりも、揺動軸４ａ，４ｂの回転速度の方が低いため、エネルギー損失の低減を図る観点からは、ワンウェイクラッチ６ａ，６ｂを駆動軸９ａ，９ｂに直接取り付けるよりも、ワンウェイクラッチ６ａ，６ｂを揺動軸４ａ，４ｂに直接取り付ける方が望ましい。
　図２は、本発明の第２の実施形態に関わる回転運動機構２００の構成の一例を示す説明図である。回転運動機構２００は、慣性体１、自転軸２、揺動枠３、筐体５、ワンウェイクラッチ６ａ，６ｂ、駆動軸９ａ，９ｂ、及び傘歯車１０ａ，１０ｂ，１１を備えている。回転運動機構２００は、ワンウェイクラッチ６ａ，６ｂが駆動軸９ａ，９ｂに直接取り付けられている点において、回転運動機構１００とは異なる。また、回転運動機構２００は、揺動軸４ａ，４ｂ及び平歯車７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂを備えていない点においても、回転運動機構１００とは異なる。なお、傘歯車１０ａ，１０ｂ，１１は、駆動軸９ａ，９ｂの回転を増速して自転軸２に伝達する動力伝達機構として機能するとともに、駆動軸９ａ，９ｂの回転運動を自転軸２の回転運動に方向変換する傘歯車機構としても機能する。以下の説明においては、実施形態１，２の相違点を中心に説明し、両者の一致点についてはその詳細な説明を省略する。
　自然環境で生じる振動により、自転軸２を傾ける外力がＺ軸周りに作用すると、ジャイロ効果により、慣性体１には、Ｘ方向及びＺ方向に直交するＹ軸周りの回転を引き起こすジャイロモーメントが作用する。このジャイロモーメントにより、慣性体１は、歳差運動を行う。駆動軸９ａ，９ｂは、慣性体１の歳差運動に起因してＹ軸周りに回転する。図２の駆動軸９ａ，９ｂは、図１の揺動軸４ａ，４ｂの機能と同等の機能を有するものであり、図２の駆動軸９ａ，９ｂを揺動軸と呼ぶこともできる。
　慣性体１の回転方向は、ワンウェイクラッチ６ａ，６ｂの機能により、一方向に制限されている。慣性体１が歳差運動をせずに、自転軸２の周りに自転のみをしているときに、傘歯車１０ａ，１０ｂが回転する方向を正の回転方向と呼ぶ。傘歯車１０ａ，１０ｂのそれぞれの筐体５に対する回転速度をωａ，ωｂとし、慣性体１の自転速度をωｓとし、慣性体１の歳差運動に起因する駆動軸９ａ，９ｂの歳差回転速度をωｐとし、傘歯車１０ａ，１０ｂと傘歯車１１との減速比をＺとすると、下式が成立する。
ωａ＝ωｓ／Ｚ＋ωｐ　…（１）
ωｂ＝ωｓ／Ｚ－ωｐ　…（２）
　歳差回転運動が加速し、ωｐとωｓ／Ｚとが等しくなると、傘歯車１０ｂの回転は、停止する。歳差運動が更に増速されると、駆動軸９ｂは、ワンウェイクラッチ６ｂと噛み合う。ワンウェイクラッチ６ｂは、筐体５に固定されているため、駆動軸９ｂの回転は、傘歯車１０ｂを通じて傘歯車１１に伝達される。これにより、慣性体１の回転運動が増速する。このとき、駆動軸９ａは、空転する。
　歳差回転運動が反転して加速し、ωｐとωｓ／Ｚとが等しくなると、傘歯車１０ａの回転は、停止する。歳差運動が更に増速されると、駆動軸９ａは、ワンウェイクラッチ６ａと噛み合う。ワンウェイクラッチ６ａは、筐体５に固定されているため、駆動軸９ａの回転は、傘歯車１０ａを通じて傘歯車１１に伝達される。これにより、慣性体１の回転運動が増速する。このとき、駆動軸９ｂは、空転する。
　このように、歳差回転運動が大きくなると、歳差回転運動の方向が何れの方向でも、慣性体１の回転は増速される。慣性体１の最高回転速度は、Ｚωｐにより定まる。
　なお、傘歯車１０ａ，１０ｂ，１１は、駆動軸９ａ，９ｂの回転を増速して自転軸２に伝達する動力伝達機構として機能する。
　上述の回転運動機構１００，２００によれば、自然環境で発生する振動を外力として入力し、これを慣性体１の回転運動に変換及び増速することができる。特に、慣性体１の歳差運動に起因して生じる揺動軸４ａ，４ｂの回転（又は駆動軸９ａ，９ｂの回転）から、ワンウェイクラッチ６ａ，６ｂを通じて、慣性体１を特定の一方向の回転させる動力を得ることができるため、自然環境で発生する振動エネルギーを効率よく回転運動に変換することができる。慣性体１の自転速度が高まると、歳差振動の振幅が増大し、慣性体１の自転がさらに高速化する正帰還系の機構により、慣性体１の自転速度は指数関数的に増大する。これにより、自然環境で発生するごく僅かな振動又は揺動を外力として入力し、これを慣性体１の回転運動に変換及び増速することができる。
　例えば、慣性体１に磁石を取り付け、揺動枠３にコイルを取り付けることにより、回転運動機構１００，２００は、慣性体１の回転運動を電気エネルギーに変換する発電機として機能する。回転運動機構１００，２００は、各種の振動源（例えば、人体、畜産動物、野生動物、竹林、農産地、船上、及び移動車両など）に取り付けてもよい。また、回転運動機構１００，２００は、電池を不要とする各種のＩｏＴ（Internet of Things）デバイスの電力源として活用することもできる。ＩｏＴデバイスの例として、例えば、速度計、温湿度計、照度計、流水計、及び塩分濃度計などの各種センサが考えられる。
　また、例えば、回転運動機構１００，２００は、水上や水中などの大きな運動エネルギーで揺動運動を行う水流又は海流などの自然エネルギーを電気エネルギーに変換する用途にも活用できるため、水上又は水中などのバッテリーの保守及び交換が困難な場所で有効に幅広く利用することができる。これは、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）などの広域無線通信の進展と相俟って有意義である。例えば、沿岸漁業における定置網の観測ブイ（例えば、０．２ｍ３程度のブイ）に回転運動機構１００，２００を組み込むことにより、海洋の波力により、２０Ｗ程度の電力を発電し、漁業探知や無線通信機器の電力源として機能することができる。
　また、回転運動機構１００，２００によれば、自転軸２をガイドする大型のレールを必要としないため、小型化することができる。
　なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更又は改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。すなわち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも、本発明の特徴を含む限り、本発明の範囲に包含される。
１…慣性体　２…自転軸　３…揺動枠　４ａ，４ｂ…揺動軸　５…筐体　６ａ，６ｂ…ワンウェイクラッチ　７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ…平歯車　９ａ，９ｂ…駆動軸　１０ａ，１０ｂ，１１…傘歯車　１００，２００…回転運動機構

Claims (2)

  1. 　自転軸と、
    　前記自転軸の回転に連動して回転する慣性体と、
    　揺動軸であって、前記揺動軸の軸芯方向は、前記自転軸の軸芯方向に直交する、揺動軸と、
    　前記自転軸を回転可能に保持する揺動枠であって、前記自転軸を傾ける外力に応答して前記慣性体に生じる歳差運動により前記揺動軸を回転させる揺動枠と、
    　前記揺動軸の回転を増速して前記自転軸に伝達する動力伝達機構であって、前記揺動軸の回転運動を前記自転軸の回転運動に方向変換する傘歯車機構を備える、動力伝達機構と、
    　前記揺動軸の回転方向が特定の一方向に一致するときにのみ前記揺動軸の回転を前記動力伝達機構に伝達するワンウェイクラッチと、
    　を備える、回転運動機構。
  2. 　請求項１に記載の回転運動機構であって、
    　前記ワンウェイクラッチは、前記揺動軸に直接取り付けられている、回転運動機構。
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