JP2002286112A - 往復運動の定方向回転運動への変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】波の上下運動のように周期が不規則であったり
運動が間欠的である運動体から、簡潔な構成で効率良く
定方向の回転運動を取り出す。そして、運動周期が数Ｈ
ｚ〜０．１Ｈｚ程度と低い事により装置が扱う高トルク
に対応する為、堅牢な構造を可能にする。 【解決手段】不規則に往復運動をする運動体、例えば波
により上下する浮子等の往復運動を軸回転の往復運動に
換えて、本装置の入力軸２に伝達し、さらに入力軸２に
固定された駆動用歯車３より、入力軸２に直交する出力
軸４の軸上にある受動用歯車５，６に回転方向が互いに
逆転するように伝達する。５と６の歯車の運動はそれぞ
れ同一方向にのみ力を伝達するワンウェイクラッチ７，
８を介して出力軸４に伝達する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は数Ｈｚから０．１Ｈ
ｚ程度の不規則な周期の運動や、運動の間隔が間欠的な
状態を含む往復運動を、簡潔で堅牢な機構にて定方向の
回転運動に変換する装置で、構造が簡単な為に、出力に
見合った大きさの装置が制作できることで、安価な装置
を実現でき、多分野に応用できる。波の運動エネルギー
を浮子等により往復運動として取り出し定方向回転エネ
ルギーに変換、波力機関や波力発電とする。海上に設置
するブイの標識灯に電源を供給する揺動エネルギー発電
に使用する。

【０００２】

【従来技術】波のエネルギーの取り出し方法は種々の方
法が発明考案されており、気体の圧力や流体の運動に変
換する等があるが、波の運動周期が遅く不規則なため、
エネルギーをそのまま機関として利用するには向かず、
運動変化量を高めたりエネルギーを蓄積するなど何らか
の方法を用いないと変換効率が上がらず、その為に設備
が大きくなる。従って投資効率を考慮すると大型の機関
や発電設備となる。

【０００３】小規模の機関や発電に利用する為には浮子
を使う方法か振り子を使う方法が一般的であるが、ここ
でも波の周期が不規則で遅いことが問題となる。図３に
おいて１０（ｋｗ）の出力を得ようとし、浮子が１秒に
０．２（ｍ）の速度で上昇すると仮定すると、５１００
（ｋｇ）の浮力を必要とする。腕金の長さを５（ｍ）と
するとそのトルクは約２５００００（Ｎ・ｍ）となる。
同じ１０（ｋｗ）の出力で１８００（ｒｐｍ）の電動機
のトルクが約５３（Ｎ・ｍ）であることから、装置にか
かる負担の差は明確である。この高トルクを扱うため
に、腕金、装置の軸や軸受け、歯車やその他部品の動力
伝達部などに大きな負荷がかかる。その為、波の運動エ
ネルギーを回転運動に変換する機構には堅牢に制作でき
ることが要求される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】請求項１について。周
期が不規則で間欠的に往復運動する運動体のエネルギー
を一方向の回転運動として取り出す装置としては、特許
２９４４４９５が公知であるが、回転出力Ｐ（ｗ）は角
速度ω（ｒａｄ／ｓｅｃ）とトルクＴ（Ｎ・ｍ）の積で
表され、波の運動のように周波数が数Ｈｚから０．１Ｈ
ｚ程度の時は、通常の電動機のように、数百ｒｐｍから
数千ｒｐｍの回転数に比べて、出力が同じならばはるか
に大きなトルクとなる。例えば、１０（ｋｗ）の出力を
得る上下運動では、１秒に０．２（ｍ）の速度で上昇し
５（ｍ）の腕金を使用したと仮定すると、上下方向の力
が５１００（ｋｇ）トルクは２５００００（Ｎ・ｍ）と
なる。しかし１８００（ｒｐｍ）で１０（ｋｗ）の出力
の電動機では約５３（Ｎ・ｍ）のトルクで回転する。こ
の為、装置を構成し運動を伝達する歯車の噛み合わせ部
や、回転する部品を支える軸受けには大きな力が加わ
り、機構の善し悪しが、耐久性、保守性、製造費に大き
く影響する。先の例では、有効半径１０（ｃｍ）の歯車
で運動を伝達する時の噛み合わせ部に掛かる力は、それ
ぞれ約２５５０００（ｋｇ）と５４（ｋｇ）になる。そ
こで、本発明はこの大きなトルクを安定に効率良く変換
する為、簡潔で堅牢な機構の往復運動を定方向運動に変
換する装置を目的とする。

【０００５】請求項２について。請求項１の装置を使用
して取り出した回転運動は波の運動が低周期のため、定
方向に変換されているが高トルク低回転速度の運動であ
る。波力機関や波力発電などの目的が必要とする回転速
度やトルクに変換して出力する装置を目的とする。

【０００６】請求項３について。請求項１の装置を使用
して取り出した回転運動は波の運動が不規則で低周期な
ため、定方向に変換されているが不規則な高トルク低回
転速度の運動である。波力機関や波力発電に利用するな
どの目的に合わせて回転速度を平均安定した装置を目的
とする。

【０００７】請求項４について。波の運動が不規則なた
め、一つの浮子を使用するよりも複数の浮子を使用して
異なる位相の運動を取り出して総和を求めることによ
り、波力機関等に平均的な安定した動力を供給できる装
置を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１について。本発
明の装置は周期や間隔の不規則な状態を含む往復回転運
動を入力する入力軸があり、その軸に固定された駆動用
歯車と、入力軸に直交する出力軸の軸上にある２個の受
動用歯車のそれぞれが反対方向に回転するように噛み合
わされている。そして、受動用歯車のそれぞれは同一方
向にのみ回転力を伝達するワンウェイクラッチを介して
出力軸に取り付けられる。以上の構造の装置は軸を保持
する枠材を入れても、基本機能の部品が６種類８点で構
成され、課題となっている高トルクの伝達に関わる歯車
の数が３個、伝達するための噛み合わせ箇所が２カ所、
同一方向に回転を伝えるワンウェイクラッチが２個、負
荷のかかる軸受け箇所が３カ所と最小数になっている簡
潔で堅牢な構造を特徴とする往復運動の定方向回転運動
への変換装置である。

【０００９】請求項２について。本発明の装置は、請求
項１の装置の受動用歯車とワンウェイクラッチの間に、
遊星歯車変速機のような同心軸で加速または減速できる
変速機構を設置した装置。

【００１０】請求項３について。本発明の装置は、請求
項１または請求項２の装置の出力軸にはずみ車を設置し
た装置。または出力軸とはずみ車を変速機を介して設置
した装置。

【００１１】請求項４について。本発明の装置は、請求
項１または請求項２の装置を複数台並べて出力軸を直結
し、この軸より後段の装置に出力する装置。または、請
求項１または請求項２の複数台の装置それぞれに歯車等
の伝達機構を取り付け、共通の出力軸に取り付けた伝達
機構を介して出力する装置。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を示す。請
求項１について。図１の箱形の枠材９に発明に関わる構
成部品が収まる形になる。枠材９には出力軸４用の軸受
け穴が向かい合った側面にあり、隣の正面側に入力軸２
用の軸受け穴がある。枠材９の正面に入力軸２を取り付
け、入力軸２に駆動用の歯車３を固定して取り付ける。
入力軸２に直交する出力軸４の軸上に受動用歯車５，６
を取り付け、それぞれが反対方向に回転するように駆動
用歯車３と噛み合わせる。受動用歯車５，６のそれぞれ
を、同一方向の回転運動のみを出力軸へ伝達するよう取
り付けたワンウェイクラッチ７，８を介して出力軸４に
取り付ける。以上のように構成した往復運動の定方向回
転運動への変換装置の入力軸２に往復回転運動が加わる
と駆動用歯車３から受動用歯車５，６に回転運動が伝達
される。このとき受動用歯車５と６は相反する方向に回
転させられ、例えば受動用歯車５が出力軸４の出力回転
方向に回転すれば、受動用歯車５からワンウェイクラッ
チ７を介して入力軸２の運動が出力軸４に伝達される。
この時、受動用歯車６に伝達された回転運動はワンウェ
イクラッチ８によって滑らせられる。また、その反対方
向に入力軸２が回転した時は、駆動用歯車３から受動用
歯車６、ワンウェイクラッチ８を介して出力軸４に運動
が伝達される。この時受動用歯車５に伝達された回転運
動はワンウェイクラッチ７によって滑らせられる。

【００１３】駆動用歯車３と受動用歯車５，６の形状は
互いの軸が直交している為に傘歯車が一般的であるが、
動力伝達が行えれば形状は問わない。駆動用歯車３と受
動用歯車５，６の大きさは、有効径が同等であれば装置
の大きさを最小に出来、駆動用歯車３の有効径を受動用
歯車５，６に比べ大きくすれば回転運動伝達時に加速が
行われ出力軸４以降に連結される機構のトルクを軽減で
きる。ワンウェイクラッチ７，８は一方向の力のみを伝
達する機械部品としてベアリング型等種々の製品が市販
されており目的のトルクに合わせて選択する。

【００１４】請求項２について。図４に示すように請求
項１の装置の受動用歯車５、６とワンウェイクラッチ
７、８の間に、遊星歯車変速機のような同心軸型の変速
機１０を接続し、後段の目的に合わせたトルク、回転速
度を得る。

【００１５】請求項３について。請求項１および請求項
２の装置の特徴に入力軸２の運動が確実に出力軸４に伝
達されるが、出力軸４の正規の方向への回転は、入力軸
２の状態により妨げられない事がある。すなわち、入力
軸２が停止していてもどちらかの方向に回転していて
も、入力軸２によって駆動される以上の回転速度でなら
ば、出力軸４は自由に回転できる。この為図５に示すよ
うに請求項１または請求項２の装置にラチェット機構な
ど特別な機構を取り付けず、出力軸４にはずみ車１１を
装着できる。また、加速機を介してはずみ車１１と連結
すればその効果を増大できる。

【００１６】請求項４について。出力軸４が正規回転方
向の回転を妨げられない為に、図６に示すように複数台
の装置の出力軸４を直結したり、出力軸４を共通の軸に
歯車等で連結したりして請求項１または請求項２の装置
を複数台結合し、複数の往復運動エネルギーの総和を取
り出すことができる。

【００１７】

【実施例】図７に波の上下運動エネルギーを定方向回転
エネルギーとして取り出す為に使用する例を示します。
請求項１または請求項２の装置の入力軸２に直交する腕
金ａを固定し、腕金ａの先端に重力方向の力を加える為
の錘ｂと上向きの浮力を得るための浮子ｃを取り付け
る。波の上下運動エネルギーは、浮子ｃによる上向きの
力と錘ｂによる下向きの力によって腕金ａの往復運動と
なり、入力軸２に軸回転の往復運動として伝わる。この
往復運動が請求項１または請求項２の装置によって定方
向回転運動エネルギーとして取り出される。この出力は
定方向回転なのでポンプなどに接続して直接波力機関と
して利用したり、発電機と組み合わせて波力発電機とし
て利用できる。

【００１８】図８は海上に置かれるブイの標識灯の電源
を供給するする揺動発電に使用する例を示します。ブイ
は前後左右に揺動し、この運動エネルギーを有効に電気
エネルギーとして変換するため、請求項４の装置を用い
入力軸２を９０度ずらして取り付ける。Ｕ字型の板ｅ，
ｆを片端は請求項４の装置の入力軸２に固定し、反対は
自由に回転できるように取り付ける。Ｕ字型の板ｅ，ｆ
の中程に縦方向に長い穴をあけておき、その穴に振り子
ｇの心棒を通してぶら下げる。ブイが波により揺動運動
をすることで振り子ｇが前後左右に揺れ、この運動エネ
ルギーが心棒からＵ字型の板ｅ，ｆを介して入力軸２に
軸回転の往復運動として伝わる。この往復運動が請求項
４の装置によって定方向回転運動エネルギーとして取り
出される。これを発電機ｄに伝達することにより電気エ
ネルギーに変換できる。必要なら、発電機ｄの前段に加
速機やはずみ車を設置することにより、効率の向上を図
ることもできる。複数台を連結することが簡単である特
徴と装置が安価の利点を生かし、２台の装置を連結して
使用することにより、振り子の運動エネルギーを無駄無
く電気エネルギーとして取り出すことが出来、同一の出
力ならば単方向の揺動エネルギーを変換した場合に比
べ、振り子の重量を軽く出来、総合的に小さく軽くでき
る。

【００１９】図９に足踏み運動による踏み板の上下運動
を定回転方向の回転運動に変換し、さらに電気エネルギ
ーに変換する例を示す。左右の踏み板の上下運動をラッ
クｉ，ｊとピニオンギヤーｋにて往復回転運動に変換し
請求項１または請求項２の装置の入力軸２に伝達し、定
方向回転運動エネルギーとして取り出す。これを発電機
ｄに伝達することにより電気エネルギーに変換できる。
回転速度が不十分ならばさらに加速器を介して接続でき
る。また、複数台の出力軸４を連結することにより複数
の人員による人力発電の装置も実現でき、教育機材等に
も利用できる。以上のように規則的、不規則に関わらず
往復運動を簡単に効率良く定方向の回転運動に変換で
き、簡潔で製作しやすい装置である。しかも、他の機能
部品を使用することなく、複数台の組み合わせや、はず
み車の連結もできるので、多方面に使用可能である。

【００２０】

【発明の効果】請求項１について。本発明は波などの運
動のように、数Ｈｚから０．１Ｈｚ程度の周期の不規則
な往復運動を定方向の回転運動に変換するのに最適で、
この低周期のエネルギーを利用するために必要な高トル
クを伝達する機構という課題に対し、より簡潔で堅牢な
構造になっている。公知の技術に比べても加重が加わる
軸受け数が３カ所、運動伝達の噛み合わせ部が２カ所、
基本部品点数も８点と最小数で構成され耐久性、信頼
性、製造コストが格段に向上している。しかも、他の機
能部品を使用することなく複数の組み合わせや、はずみ
車の連結も出来るので、多方面に使用可能である。

【００２１】請求項２について。請求項１の装置に、請
求項１の機能に加えて変速機構を取り込み、外形の変更
をすることなく、必要とするトルクや回転速度の定方向
回転運動を取り出せる。変速機によって加速する場合は
ワンウェイクラッチ７、８や出力軸４に加わるトルクを
軽減でき設計の自由度がさらに向上する。

【００２２】請求項３について。請求項１または請求項
２の装置にはずみ車を取り付けることにより、波の運動
エネルギーのように不規則に変動するエネルギーを平均
化された安定な定回転運動にして取り出すことができ
る。しかも請求項１または請求項２の装置はラチェット
機構などの特別な機能部品を必要としないではずみ車が
連結できる。

【００２３】請求項４について。複数の運動の総和を取
り出せることで、不規則な周期の運動を組み合わせたり
異なる位相の運動を組み合わせて平均化され安定した出
力を得られる。また、それぞれが断続する運動を複数組
み合わせることで連続した運動としても取り出すことが
できる。そして、取り出したエネルギーを電気に変換す
る場合、個々の出力軸４に発電機を取り付けるのに比べ
設備費が軽減出来、さらに出力が平均されているので発
電機の定格出力に対する利用率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】装置の基本構成図。

【図２】装置の外観。

【図３】従来技術の問題点の説明補足図。

【図４】請求項２の構成図

【図５】請求項３の構成図

【図６】請求項４の構成図

【図７】波の上下運動エネルギーの取り出しに使用した
例。

【図８】海上ブイの標識灯用の波力発電に使用した例。

【図９】足踏み運動機の消費エネルギー計測に使用した
例。

【符号の説明】

１−−−−往復運動の定方向回転運動への変換装置 ２−−−−入力軸 ３−−−−駆動用歯車 ４−−−−出力軸 ５，６−−受動用歯車 ７，８−−ワンウェイクラッチ ９−−−−枠材 １０−−−同心軸型変速機 １１−−−はずみ車 １２−−−連結用歯車 ａ−−−−腕金 ｂ−−−−錘 ｃ−−−−浮子 ｄ−−−−発電機 ｅ，ｆ−−Ｕ字板 ｇ−−−−振り子 ｈ−−−−加速機 ｉ，ｊ−−ラック ｋ−−−−ピニオンギヤー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】往復回転運動を入力する入力軸があり、入
   力軸に固定された駆動用歯車と入力軸に直交する出力軸
   の軸上にある２つの受動用歯車が互いに逆転するよう噛
   み合わされ、受動側の歯車はそれぞれ同一方向の回転力
   のみを出力軸に伝達する為のワンウェイクラッチを介し
   て出力軸に固定されることを特徴とした往復運動の定方
   向回転運動への変換装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載した装置の歯車とワンウェ
   イクラッチの間に遊星歯車変速機のような同心軸型の変
   速機を設置した装置。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載した装置の
   出力軸にはずみ車、または出力軸に加速機を介してはず
   み車を設置した装置。
4. 【請求項４】請求項１または請求項２に記載した装置を
   複数台同一軸上に設置、または並列接続し別々の往復運
   動の総和を取り出す装置。