JPH1014265A

JPH1014265A - 発電装置および電気機器

Info

Publication number: JPH1014265A
Application number: JP16500396A
Authority: JP
Inventors: Osamu Takahashi; 理高橋; Tsukasa Funasaka; 司舩坂
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-06-25
Filing date: 1996-06-25
Publication date: 1998-01-16

Abstract

(57)【要約】【課題】低密度で変動の大きな自然エネルギーを効率
良く回収して蓄積し、さらに、発電に適した質のエネル
ギーとして提供可能な発電装置を提供する。【解決手段】温度変化によって膨張・収縮する作動液
体を収納した作動容器２１を設け、この変動によって変
動レバー２３を動かし、伝達歯車３０、３１および３２
によってゼンマイ１１を巻き上げる。ゼンマイ１１の出
力側に発電機１５を接続して発電を行う。ゼンマイ１１
は作動容器２１の変動速度が遅い場合であってもそのエ
ネルギーを蓄え、一定のトルクで効率良く発電機１５を
駆動することができる。また、ゼンマイ１１にエネルギ
ーを蓄積できるので大容量の２次電池を省略でき、劣化
や廃棄の問題を未然に防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度差などの自然
エネルギーを用いて発電を行う発電装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】風力発電や、潮力発電など自然エネルギ
ーを用いて発電を行うシステムが開発され、実用化され
ている。自然に存在する風、光、温度などのエネルギー
は、エネルギー密度が低く、強度が一定していないなど
化石エネルギーと比較して利用することが困難である。
従って、電気機器の動力源として実際に利用可能にする
ためにエネルギー密度を大幅に高め、そのエネルギーを
蓄積しておく必要がある。このため、発電システムが大
型になり、電力を蓄えておくための２次電池が必要にな
る。

【０００３】近年、時計を始め身近な機器のほとんどが
電子化されており、作動させるためには電力が必要であ
る。このため、自然エネルギーを利用して発電できる小
型の装置が求められており、例えば、特開平６−３４１
３７１号に気温の変化によって密閉された気体あるいは
液体の圧力変化を用いて発電機を動かし発電をする装置
が記載されている。この発電装置は、気温の変化を用い
て電力を供給できるので、従来は電池を使用する小型機
器を電池無しで動かすことができ、電池交換の煩わしさ
や使用済電池の廃棄といった問題の発生を防止してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】太陽光などによって自
然に気温が変化する場合は、その変動は緩やかであり、
従って、気温の変化に伴う圧力の変化も緩やかである。
このため、密閉された気体の圧力上昇や膨張は緩やかに
進行する。これに対し、ステータの内部でロータが回転
して発電を行う機械的な発電機においては、所定の回転
速度が得られないと効率の良い発電は不可能である。従
って、特開平６−３４１３７１号においては、ある程度
の圧力になるまで密閉された気体の膨張を抑え、その
後、開放し、その時の変位によって発電機を高速で回す
ようにしている。このため、継続的な発電は不可能であ
り、電源として用いるためには化学変化を用いた大容量
の２次電池が必要になる。このような２次電池は液漏れ
やドライアップなどによる劣化があり比較的短命であ
る。従って、製品寿命はそれほど長くない。また、化学
変化を用いた２次電池は、電池と同様に廃棄上の問題が
ある。さらに、気体の膨張を制御するために電動のアク
チュエータやセンサが必要となるので、長期間発電が行
われずに２次電池が放電してしまうと発電を再開できな
いといった問題もある。気体の圧力制御をバネを用いて
機械的に行うことも可能であるが、圧力制御のためにエ
ネルギーが費やされてしまうという問題がある。

【０００５】そこで、本発明においては、エネルギー密
度が低く、さらに、エネルギー密度の変動が激しい自然
エネルギーを効率良く発電のために蓄積することがで
き、小型の電気機器の動力源として用いることができる
発電装置および発電機能を内蔵した電気機器を提供する
ことを目的としている。さらに、大容量の２次電池を必
要とせずに長時間にわたって一定の電力を供給すること
ができる自然エネルギーを用いた発電装置を提供するこ
とを目的としている。また、自然エネルギーを用いて発
電をスタートする際に電気的な制御は不要で、いつでも
どのような状態でも発電を行うことができる発電装置を
提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の発電
装置においては、自然エネルギーをいったんゼンマイに
蓄積して、このゼンマイによって発電機を駆動して発電
を行うようにしている。ゼンマイは、一定の巻上トルク
以上の力があれば巻き上げることが可能であり、その巻
き上げるために要したエネルギーを巻き上げ時の変位の
速度などにかかわらず蓄えることができる。従って、自
然エネルギーの密度が低くとも輪列などを用いてそのエ
ネルギー密度で発生できるトルクでゼンマイが巻き上が
られるようにしておけば、どのような自然エネルギーで
も蓄えることが可能である。また、ゼンマイは、ゼンマ
イを巻き上げる速度とは無関係にエネルギーを蓄えるこ
とができるので、巻き上げる速度を管理する必要はなく
アクチュエータなどの制御機構は不要である。従って、
全く蓄積されたエネルギーのない状態であっても発電を
開始でき、いつでもどのような状態でも発電を行うこと
ができる。さらに、輪列などを用いたゼンマイを巻き上
げる機構を設ければ良いので、簡易な構造で小型の発電
装置を提供することができる。そして、ゼンマイからは
ほぼ一定のトルクの力を長時間にわたって供給できるの
で、発電機を所定の出力で長時間にわたり駆動させるこ
とができる。従って、自然エネルギーの密度が大幅に変
動する場合であっても、ほぼ一定の発電量を確保するこ
とができる。このように、ゼンマイは自然エネルギーを
蓄積するのに非常に適しており、自然エネルギーをゼン
マイに一旦蓄積して発電することにより、自然エネルギ
ーを効率よく、そして安定して利用できる。

【０００７】さらに、ゼンマイは一方の側を巻上側とし
て他方の側を出力側とすることにより、発電機を駆動し
ながら自然エネルギーによって巻き上げることが可能で
ある。このため、エネルギーの充填と発電を同時に行う
ことができるので、安定した電力源とすることができ
る。さらに、ゼンマイは手巻きや他の治具を用いて人為
的に巻けるようにしておくことにより、自然エネルギー
が不足する場合は人為的にエネルギーを与えて不足分を
補うといた処理も可能である。このように、ゼンマイを
エネルギーの蓄積手段として用いることができるので、
大容量の２次電池は不要であり、発電機から出力された
電力を整流する整流手段に平滑用コンデンサとして非電
解質タイプのセラミックフィルムあるいは半導体コンデ
ンサなどを設ければ良い。従って、発電装置から劣化す
る可能性の大きな部品を削除することができ、発電装置
の寿命を大幅に延ばすことができる。また、２次電池の
廃棄にかかる問題も未然に防止できる。

【０００８】ゼンマイは様々な自然エネルギーを用いて
巻き上げることが可能であり、例えば、環境の温度差を
用いて巻き上げることが可能である。環境の時間的な温
度差を用いる場合は、時間的な温度差、すなわち温度変
化によって体積または長さが増減する変動部と、この変
動部の動きでゼンマイを巻き上げる伝達部とを設ければ
良い。伝達部としては、変動部の１方向の変化を捉えて
ゼンマイを巻き上げるものが採用できる。変動部の１方
向でゼンマイを巻き上げる場合は、機構が簡単であり、
変動部および伝達部にかかる負荷も小さくて良いので、
簡易な機構で安価な発電装置を提供できる。一方、変動
部の双方向の変化を捉えてゼンマイを巻き上げる伝達部
を採用することも可能であり、変動部の第１の方向の変
化を捉えてゼンマイを巻き上げた後、変動部をいったん
開放し、さらに、変動部の第２の方向の変化を捉えてゼ
ンマイを巻き上げる動作をする伝達部を設けることによ
り、自然エネルギーをゼンマイへ回収する効率を高める
ことができる。変動部には、環境の時間的な温度差によ
って膨張・収縮を行う気体が充填された作動部を設置す
ることにより温度変化を運動エネルギーに変換できる。
この場合、環境の温度が増加する方向のときに、環境の
温度が減少する方向のときより大きな負荷が伝達部から
作動部にかかるように伝達部を構成することによりゼン
マイへの入力効率を向上できる。また、変動部には、環
境の時間的な温度差によって形状が変化する形状記憶部
材を採用することも可能であり、この形状記憶部材によ
って温度変化を運動エネルギーに変換することができ
る。形状記憶部材によって構成されたバネを作動部とし
て設けることが可能であり、温度が変化してもバネ定数
がほぼ一定であるとすると、双方の温度変化に対しほぼ
一定の負荷が作動部にかかるようにすることが望まし
い。また、所定の温度を境に異なった第１および第２の
安定位置を持つ場合は、温度変化の一方向を捉えてゼン
マイにエネルギーを供給するのであれば、第１および第
２の安定位置の中間位置の負荷を伝達部から作動部に印
加することが望ましく、また、温度変化の双方向を捉え
てゼンマイにエネルギーを供給するのであれば、中間位
置で作動部に発生する作動力のほぼ１／２の負荷を印加
することが望ましい。さらに、開放動作を加えて温度変
化の双方向を捉えてエネルギーを蓄積する場合は、中間
位置で作動部に発生する負荷が伝達部から作動部に印加
されることが望ましい。

【０００９】温度変化を発生させる方法としては、変動
部に太陽光を集光して温度を上昇させ、太陽エネルギー
をゼンマイに蓄積することも可能である。集光手段を用
いる場合は、太陽の動きによって変動部に対する集光量
を変化させることにより、変動部の温度変化の頻度を多
くできるので太陽エネルギーの入力効率を向上できる。
このような集光手段としては、複数の集光レンズを用い
たものや、複数のスリットを設けたものがある。

【００１０】また、環境の場所的な温度差による自然エ
ネルギーをゼンマイに蓄積することも可能であり、ゼー
ベック効果を利用して温度差をいったん電力に変換し、
この電力によってモータでゼンマイを巻き上げることが
可能である。熱電変換手段の温接点側を太陽光を用いて
加温することが考えられる。

【００１１】さらに、太陽電池を用い、太陽電池からの
電力によってゼンマイを巻き上げても良い。また、風や
水力、さらに潮力などの流体の運動エネルギーを用いて
ゼンマイを巻き上げることも可能であり、ゼンマイは自
然エネルギーを捉える媒体の速度が早い場合でも遅い場
合でもそのエネルギーを蓄積することが可能である。一
方、ゼンマイに蓄積されたエネルギーは発電に適した
質、例えば、一定のトルクで出力すことが可能である。
このように、自然エネルギーをいったんゼンマイに蓄え
ることにより、大容量の２次電池を不要にでき、さら
に、エネルギー密度の低く、変動の大きな自然エネルギ
ーを用いて安定した発電を行うことができる。また、ゼ
ンマイを用いた小型で簡易な機構で自然エネルギーを蓄
積することができるので、小型で携帯に適した発電装置
を提供できる。従って、このような発電装置と、この発
電装置から供給された電力によって動作する計時装置や
通信装置などの動作部を結合することにより、何時でも
何処でも使用でき、電池の廃棄などの問題のない電気機
器を提供することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】

〔第１の実施の形態〕以下に図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図１に本発明に係る発電装置１０を
内蔵した計時装置１の概略構成を示してある。本例の計
時装置１は、太陽光を集光して温度変化を引き起こし、
それを用いて発電を行う発電装置１０と、この発電装置
１０から出力された電力を整流し制御する電力制御部５
およびこの電力によって動作する計時部２を備えてい
る。本例の発電装置１０は、密閉された伸縮性の容器２
１の内部に液層と気層が共存する高圧の作動流体、例え
ば、アンモニアなどが収納されており、周囲の温度の変
化によって作動流体の圧力および体積が変動して温度変
化のエネルギーを運動エネルギーとして取り出し、さら
に、この運動エネルギーによってゼンマイ１１を巻き上
げられるようになっている。本例の発電装置１０は、両
側面に下向きおよび上向きの駆動歯２２ａおよび２２ｂ
の形成された細長い変動レバー２３が作動容器２１の伸
縮によって紙面の上下方向に直線的に変動するようにな
っている。さらに、この変動レバー２２の動きが歯車３
０、３１および３２によってゼンマイ１１に伝達され、
ゼンマイ１１を巻き上げて作動流体から得られた運動エ
ネルギーをゼンマイ１１に保存できるようになってい
る。

【００１３】ゼンマイ１１に蓄えられたエネルギーは出
力歯車１２から出力され、１番歯車１３ａおよび２番歯
車１３ｂを備えた輪列１３を介して発電機１５に伝達さ
れる。本例の発電機１５は、ステータ１７の内部で永久
磁石を備えたロータ１６が回転する回転型であり、ロー
タ１６がフライホイール１６ａと共に回転してステータ
コイル１７ａの両側から電力が取り出せるようになって
いる。発電機１５から出力された電力は電力制御部５に
よって整流される。本例の電力制御部５は、発電負荷を
ほぼ一定に保つように発電機１５と並列に接続された電
力消費部５１と、発電機１５から出力された交流を直流
に変換する整流回路５２と、この整流回路５２の出力側
に設置された平滑コンデンサ５３と、発電機１５の負荷
電力を制御できる昇降圧回路５４と、さらに、動作部２
に供給される電力の安定化を図る補助コンデンサ５５を
備えている。

【００１４】ゼンマイ１１はらせん状に巻かれたバネで
あり、巻き上げられることによってエネルギーが蓄積さ
れ、バネが解きほぐされることによって蓄積されたエネ
ルギーが出力される。従って、出力側に所定の負荷（ト
ルク）が印加されていると、図２に示すように、その負
荷に対応したエネルギーを長時間出力することが可能で
ある。一方、出力側に負荷が印加されていないと、バネ
が急激に解きほぐされて蓄積されたエネルギーが散逸し
てしまう。そこで、本例においては、動作部２の消費電
力が少ないときは、電力消費部５１において発電機１５
の出力を適当に消費し、ゼンマイ１１の巻きほどけるス
ピードを低減してゼンマイ１１に蓄積されたエネルギー
が浪費されないようにしている。電力消費を制御する方
法は様々であり、発電機１５と並列に接続される抵抗や
コイルなどの回路素子の値を制御しても良い。あるい
は、モータなどの電力消費機器で電力を消費し、そのモ
ータの出力でゼンマイ１１を巻き上げるといった機構を
採用することも可能である。

【００１５】さらに、動作部２において消費電力が全く
ない場合はゼンマイを巻きほどいてエネルギーを消費す
るのは無駄になる。そこで、本例においては、発電機１
５のフライホイール１６ａの動きを機械的なブレーキ５
６によって停止することによりゼンマイ１１が巻きほど
けるのを防止している。ブレーキ５６は、バイモルフな
どの電気的に動作するアクチュエータを用いて構成する
ことができる。このブレーキ５６は、平滑コンデンサ５
３あるいは補助コンデンサ５５に蓄積された電力によっ
て動作するようになっており、これらのコンデンサ５３
あるいは５５に電力の無い場合はフライホイール１６ａ
を開放するようになっている。従って、電力が全くない
状態では、ゼンマイ１１にエネルギーが蓄積されだす
と、自然に発電機１５が回転して電力が取り出される。
そして、これらのコンデンサ５３あるいは５５の電圧が
一定以上になるとフライホイール１６ａを停止してゼン
マイ１１に蓄積されたエネルギーの無駄遣いを防止す
る。

【００１６】本例の昇降圧回路５４は、ゼンマイ１１に
よって発電機１５が発電を行い電力を出力する際に、出
力電圧が低くとも出力電流が高くなるようにして低い回
転スピードで所定の電力が得られるようにしている。例
えば、図２に示すように、ゼンマイ１１の出力トルクが
十分に得られる状態では、発電機１５には２ｉの電流が
流れるように発電機側の電圧を低下し、昇降圧回路５４
で昇圧して動作部２に供給している。一方、ゼンマイ１
１の出力トルクが低下してくると規定の電流値が確保で
きなくなるので、昇降圧回路５４の昇圧を止めて発電機
１５から高い出力電圧で低い出力電流ｉがえられるよう
にする。これにより、ゼンマイ１１が巻きほどけてトル
クが低下した状態でも所定の出力電圧および電流を得ら
れるようにして動作部２の動作時間を延長できるように
している。さらに、ゼンマイ１１の出力が低下すると、
昇降圧回路５４で降圧して出力することにより、発電機
１５から低トルクで高電圧・低電流の電力が得られるよ
うにして動作部２が作動できる時間をさらに延長するこ
とが可能になる。

【００１７】このような制御が可能なのは、発電機の電
磁ブレーキが出力電流に比例するのを利用してゼンマイ
の開放速度（巻きほどける速度）を制御できるからであ
り、ゼンマイのトルクが大きいときは出力電圧を低く、
出力電流を高くすることによって発電機の電磁ブレーキ
を大きくし、一方、ゼンマイのトルクが小さいときは、
出力電圧を高く、出力電流を低くすることにより発電機
の電磁ブレーキを小さくすることにより、ゼンマイによ
って発電機を動かせる許容範囲を広げることができる。
ゼンマイから発電機への供給されるエネルギーという面
から考えると、トルクが大きなときは、回転数が少ない
状態で必要なエネルギーを供給し、その後、トルクが小
さくなった分だけ回転数を上げて供給エネルギーを必要
量供給できるようにしていることになる。

【００１８】太陽電池などの発電装置を備えた電子機器
が多く開発されているが、これらの電子機器は低密度で
変動の激しい自然エネルギーを電力に変換して蓄えてお
くために非常に大きな２次電子を必要としており、電気
２重層コンデンサなどの電解質系の化学変化を用いた大
型のコンデンサが用いられている。これのような化学変
化を用いたコンデンサは、ドライアップ、液漏れ、蒸
発、充放電抵抗の上昇など幾つかの原因による劣化が比
較的早く、容量は非常に大きいが寿命という点では他の
非電解質系のコンデンサ、例えば、セラミックフィルム
コンデンサ、半導体コンデンサなどに劣っている。しか
しながら、非電解質系のコンデンサは容量が小さいので
従来の発電装置では採用されていない。

【００１９】これに対し、本例においては、ゼンマイ１
１でエネルギーを蓄積できるので、電解質系のコンデン
サを採用する必要がなくなる。従って、本例では、平滑
コンデンサ５３や補助コンデンサ５５に非電解質系のコ
ンデンサを用いることができ、発電装置１０およびこれ
を用いた電気機器１の寿命を大幅に延ばすことができ、
トラブルなしで長期間にわたり使用できる。さらに、非
電解質コンデンサは劣化が少ないので廃棄という問題も
なく、廃棄する場合であっても化学変化を伴う部材はほ
とんど使用されていないので環境汚染という問題も発生
しにくい。

【００２０】発電装置１０に戻って、本例の発電装置１
０の構成をさらに詳しく説明する。本例の発電装置１０
は、太陽光を集光して作動容器２１に照射し、作動容器
２１の温度を制御する集光システム４０を備えている。
本例の集光システム４０は、複数の集光レンズ４１が並
んで配置されており、レンズ毎にそれぞれ異なる入射角
度の太陽光４９を作動容器２１の底部に設けられた吸熱
部４５に集光できるようになっている。さらに、集光レ
ンズ４１が集光可能な入射角度は離散的に設定されてお
り、太陽の位置が変化するに連れて、その太陽からの入
射角度に合致した集光レンズ４１によって吸熱部４５に
断続的に太陽光が集光され、他のレンズ４１からの光は
反射部４４によって反射され作動容器２１には熱が伝わ
らないようになっている。

【００２１】従って、本例の電気機器である時計装置１
を公園などの太陽光が随時照射される場所に設置した
り、あるいは車などに搭載して移動すると、集光システ
ム４０によって断続的に吸熱部４５に太陽光が集光さ
れ、作動容器２１が断続的に加温される。加温されると
作動容器２１の内部の作動流体の圧力が上昇して膨張
し、一方、太陽光が当たらなくなると作動容器２１から
熱が放出されるので作動流体の圧力が減少して収縮す
る。従って、本例の作動容器２１は断続的に膨張収縮を
繰り返す。このため、作動容器２１に連結された変動レ
バー２３が膨張収縮によって上下に変動し、変動レバー
２３の両側に設けられた駆動歯２２ａおよび２２ｂによ
って伝達用の歯車３０、３１および３２が駆動されゼン
マイ１１が巻き上げられ、ゼンマイ１１にエネルギーが
蓄積される。

【００２２】図３に拡大して示すように、本例の巻上機
構は、変動レバー２３の双方向の動きを利用してゼンマ
イ１１を巻き上げられるようになっている。このため、
図３（ａ）に示すように、変動レバー２３の図面上の右
側には、下向きに駆動する駆動歯２２ａが設けられてお
り、これが上向きの歯が設けられた歯車３０とかみ合っ
て変動レバー２３が下方に変動したときにゼンマイ１１
を半時計方向に回転させて巻き上げる。一方、変動レバ
ー２３が上方に変動したときは、図３（ｂ）に示すよう
に、ストッパー３５によって歯車３０は逆転ができない
ようになっているので、変動レバー２３が歯車３０の歯
の背の部分に押されて左側に向かう。この結果、変動レ
バー２３の左側に設けられた上向き駆動歯２２ｂによっ
て、下向きの歯が設けられた歯車３１とかみ合う。従っ
て、変動レバー２３が上方に変動すると、歯車３１が時
計方向に回転し、この動きが図１に示したように、補助
車３１ａに伝達され、さらに伝達補助車３２によって歯
車３０の補助車３０ａに伝達される。このような輪列３
４を経由して変動レバー２３の下向きの変動は、歯車３
０の半時計方向の回転運動になり、これによってもゼン
マイ１１が巻き上げられる。

【００２３】また、本例のゼンマイ１１は、一方の端１
１ａが出力歯車１２に接続されており、他方の端１１ｂ
が巻上用の歯車３０に接続されている。従って、出力歯
車１２をゼンマイ１１で駆動しながらゼンマイ１１を巻
き上げることが可能であり、ゼンマイ１１による発電を
中断しないでゼンマイ１１にエネルギーを蓄えることが
できる。このため、安定した電力を継続して供給するこ
とが可能であり、この点でも大容量の２次電池が不要で
ある。ゼンマイ１１の変わりに重りを巻き上げるなどの
エネルギー蓄積手段を採用することも可能であるが、重
りを巻き上げる間はエネルギーを出力できないので発電
が一時的に停止する。従って、この間の電力を蓄えるた
めの２次電池が必要となる。これに対し、本例のゼンマ
イを用いた発電装置では、ゼンマイにエネルギーが蓄積
されていればこれを用いて常に発電できるので、２次電
池は基本的には不要である。もちろん、電圧の急激な変
動などを考慮して設けておくことも可能である。

【００２４】さらに、本例の変動レバー２３が両方の歯
車３０および３１のいずれともかみ合わない中立状態を
実現できるように変動レバー２３の位置を動かすアクチ
ュエータ３９を備えている。このアクチュエータ３９
は、バイモルフなどによって動かすことが可能であり、
変動レバー２３の上端を動かして両歯車３０および３１
とかみ合わない状態を実現している。このアクチュエー
タ３９も平滑コンデンサ５３などの電力を用いて動かさ
れるようになっており、電力が全く無い状態では、変動
レバー２３が一方の歯車３０あるいは３１と接触した状
態になるようになっている。このため、全く電力がない
状態で作動容器２１が伸縮するといずれかの歯車３０あ
るいは３１を介してゼンマイ１１が巻かれ、必ず発電が
行われるようになっている。

【００２５】図４のＰ−Ｖ線図に基づき、本例の発電装
置１０における発電サイクルを説明する。図４に示した
第１の状態曲線Ａは、作動流体の温度が外界の温度Ｔ１
と等しい状態であり、第２の状態曲線Ｂは、作動流体が
太陽光によって加温され外界より高い温度Ｔ２になった
状態を示してある。１気圧（１ａｔｍ）、温度Ｔ１で体
積ｖ１の状態ａの作動流体が太陽光によって加温される
と、まず、作動流体の圧力が伝達歯車３１を動かせるト
ルクを発生する圧力ｐ１となる状態ｂまで体積が一定の
状態で圧力だけ上昇する。圧力ｐ１に到達すると一定の
トルクでゼンマイ１１を巻き上げることができるので、
圧力ｐ１の状態で体積が膨張し、作動容器２１が膨張あ
るいは伸びて変動レバー２３および伝達歯車を介してゼ
ンマイ１１にエネルギーを注入する。集光システム４０
によって太陽光が吸熱部４５に集光できなくなると、作
動流体の温度は温度Ｔ２に到達した後に低下する。従っ
て、作動流体は、温度Ｔ２で圧力ｐ１となる体積ｖ３の
状態ｃまで膨張し、状態ｂからｃの間に変動レバー２３
によって歯車３１が駆動され、ゼンマイ１１にエネルギ
ーが蓄積される。

【００２６】この状態で変動レバー２３の変動が一時的
に停止するので、本例の発電装置１０では、アクチュエ
ータ３９を用いて変動レバー２３を歯車３１から開放す
る。この結果、作動流体は圧力がｐ１から１気圧となる
まで膨張し、温度Ｔ２の状態曲線Ｂにそって体積ｖ４の
状態ｄに移行する。作動流体の温度がＴ２から周囲の温
度Ｔ１に低下すると、作動流体の圧力は減少し、作動容
器２１の内圧は負圧になる。従って、変動レバー２３に
は下方の力が発生し、この力が歯車３０のトルクと等し
くなる圧力ｐ２まで作動流体の圧力は低下する。圧力ｐ
２の状態ｅに達すると、変動レバー２３が下向きの駆動
歯２２ａによって歯車３０を駆動し、作動容器２１は収
縮する。作動流体の温度が外界の温度Ｔ１と等しくなる
体積ｖ２の状態ｆまで圧力ｐ２が一定の状態で作動容器
２１は収縮あるいは縮むので、この間、歯車３０を介し
てゼンマイ１１が巻き上げられゼンマイ１１にエネルギ
ーが保存される。

【００２７】状態ｆに到達すると、変動レバー２３の動
きが一時的に停止するので、本例の発電装置１０におい
ては、再び変動レバー２３を歯車３０から開放する。こ
の結果、作動容器２１内の作動液体は、圧力ｐ２から１
気圧まで収縮し、体積ｖ１の状態ａに戻る。本例の発電
装置１０は、このような発電サイクルを採用することに
より、作動液体が温度Ｔ１から温度Ｔ２に加温され、再
び冷却される温度変化のサイクルを描き、図４に斜線で
示したような面積ａｂｃｏおよび面積ｏ’ｄｅｆのエネ
ルギーをゼンマイ１１に入力し、蓄積することができ
る。そして、ゼンマイ１１に蓄積されたエネルギーによ
って発電機１５を駆動し、適当な電力を適当な時に得る
ことができる。

【００２８】このようなサイクルでゼンマイに蓄積でき
るエネルギーＵを計算すると以下のようになる。

【００２９】Ｕ＝（ｐ１−１）×（ｖ３−ｖ１）＋（１−ｐ２）×（ｖ４−ｖ２）・・・（１）ここで作動流体がほぼ理想気体に沿った状態変化をする
と仮定し、それぞれの温度における状態曲線ＡおよびＢ
が以下で表されるものとする。

【００３０】ｐｖ＝Ａ（Ｔ＝Ｔ１）・・・（２）ｐｖ＝Ｂ（Ｔ＝Ｔ２）・・・（３）ここで、ｐは圧力、ｖは体積（作動容器の容積）、Ｔは
温度であり、ＡおよびＢは定数である。

【００３１】従って、（１）式は、ｐ１およびｐ２を変
数として以下のようになる。

【００３２】Ｕ＝（ｐ１−１）×（Ｂ／ｐ１−Ａ）＋（１−ｐ２）×（Ｂ−Ａ／ｐ２）・・・（４）圧力ｐ１およびｐ２はそれぞれ独立なので、それぞれに
ついて微分してＵの最大値を求めると、以下のようにな
る。

【００３３】Ｕｍａｘ＝２×（√Ａ−√Ｂ）² （ｐ１＝１／ｐ２＝√（Ｂ／Ａ））・・・（５）このときに変動レバー２３にかかる膨張時の負荷Ｌｕｐ
と収縮時の負荷Ｌｄｏｗｎを比較すると以下のようにな
る。

【００３４】Ｌｕｐ／Ｌｄｏｗｎ＝（ｐ１−１）／（１−ｐ２）＝ √（Ｂ／Ａ）・・・（６）ここで定数ＡはＢより小さいので（６）式は１より大き
くなる。従って、本例のように作動容器２１によって動
かされる変動レバー２３の双方向の動きを用いてゼンマ
イ１１にエネルギーを注入するサイクルを採用する場合
は、膨張時、すなわち、環境の温度が増加する方向のと
きに変動レバー２３に印加される負荷が、収縮時、すな
わち、環境の温度が減少する方向のときに変動レバー２
３に印加される負荷より大きくなるように輪列３４を構
成しておくことが望ましい。そして、作動容器２１に収
納された流体の種類と、ターゲットとなる温度差とを考
慮して負荷を選択することによりゼンマイ１１に蓄積さ
れるエネルギーを最大にでき、作動流体の温度変化によ
るエネルギーを効率良く回収することができる。この作
動流体に発生する温度変化によるエネルギーは本例では
太陽光によって与えられるエネルギーであるが、その他
の単なる室温や水温の変化などであってももちろん良
く、本例の発電装置により環境の時間的な温度差を効率
良くゼンマイに蓄積することができる。

【００３５】本例の発電装置１０においては、変動レバ
ー２３の動きが一時的に停止すると歯車３０あるいは３
１から開放することにより作動流体がその温度における
大気圧まで膨張あるいは収縮できるようにしてゼンマイ
１１へのエネルギーの回収率を高めている。もちろん、
アクチュエータ３９を設けずに変動レバー２３が歯車３
０あるいは３１に拘束された状態でエネルギーを回収す
ることも可能である。この場合は、上記（１）式におい
て、ｖ１＝ｖ２およびｖ３＝ｖ４の条件が加わり、発電
サイクルは図４のｃ点およびｆ点を対角とする長方形と
なり、Ｕｍａｘはｐ２＝ｐ１√（Ｂ／Ａ）のときに（√
Ａ−√Ｂ）² とほぼ半分になる。従って、アクチュエー
タ３９を省略して発電装置の構成は簡易化されるがエネ
ルギーの回収率は若干減少する。

【００３６】一方、変動レバー２３の１方向の動きでゼ
ンマイ１１を巻き上げることももちろん可能である。図
５に、その一例を示してある。本例の変動レバー２３
は、下向きの駆動歯２２ａのみが設けられており、板バ
ネ２６によって伝達歯車３０に駆動歯２２ａが押しつけ
られている。従って、変動レバー２３が上方に動くとき
は駆動歯２２ａは伝達歯車３０とかみ合わず、変動レバ
ー２３はほぼ自由に上方に動く。一方、太陽光の角度が
変わり太陽光が吸熱部４５に当たらなくなると作動容器
２１が収縮し、変動レバー２３が下方に引っ張られる。
このときは、駆動歯２２ａと伝達歯車３０がかみ合うの
でゼンマイ１１が巻き上げられ、エネルギーが蓄積され
る。このように、駆動歯２２ａが１方向に設けられてい
る変動レバー２３を採用した発電装置においては、図４
に示したサイクルｏ’ｄｅｆにほぼ沿ってエネルギーを
回収することができる。回収できるエネルギーの最大値
Ｕｍａｘはｐ２＝√（Ａ／Ｂ）のときに（√Ａ−√Ｂ）
² と式（５）のほぼ半分であり、開放せずに温度変化に
よる双方向の動きを捉えてエネルギーを蓄積した場合と
同じ程度になる。このような１方向でゼンマイ１１を巻
き上げる発電装置は構造が簡易であり、コンパクトにで
き、また、安価に提供できる。さらに、変動レバー２３
の動きを開放せずに温度変化による双方向の動きを捉え
る装置とほぼ同じ量のエネルギーを蓄積できるので小型
の発電装置や電気機器に適している。

【００３７】〔第２の実施の形態〕温度変化を変動レバ
ーの運動エネルギーに変換する方法は上記に限定されな
いことはもちろんである。図６に、その一例として作動
流体を密閉した作動容器の代わりに温度によって形状が
変化する形状記憶合金からなる板バネ２５を用いてあ
る。この形状記憶合金製のバネ２５には、集光レンズ４
７および複数のスリット４６ａが形成されたマスク板４
６を用いた集光システム４０によって太陽光４９が断続
的に照射されるようになっている。なお、本図には、ゼ
ンマイ１１にエネルギーを蓄積する部分のみを示してあ
り、発電機などの構成は図１に示した発電装置と同様で
あるので省略してある。また、本図には、上記の第１の
実施の形態の図５に相当する温度変化による変動レバー
２３の一方向の動きを捉えてゼンマイ１１にエネルギー
を蓄積する構成を例示しているが、図１と同様に双方向
の動きを捉えてゼンマイ１１にエネルギーを蓄積する構
成を採用することももちろん可能である。

【００３８】このような発電装置においても、太陽光の
向きが時間的に変動することを利用して形状記憶合金製
のバネ２５に断続的に太陽光が照射され加温される。従
って、形状記憶合金２５の温度が変動し、例えば、図面
の上下方向に変動を繰り返す。この結果、形状記憶合金
製のバネ２５に連結された変動レバー２３が上記と同様
に上下に動き、この動きを用いてゼンマイ１１を巻き上
げることが可能である。本例の変動レバー２３は、下向
きの駆動歯２２ａのみが設けられており、板バネ２６に
よって伝達歯車３０に駆動歯２２ａが押しつけられてい
る。従って、変動レバー２３が上方に動くときは駆動歯
２２ａは伝達歯車３０とかみ合わず、変動レバー２３は
ほぼ自由に上方に動く。一方、太陽光の角度が変わりマ
スク板４６に遮られると形状記憶合金製のバネ２５が下
方に動き、変動レバー２３が下方に引っ張られる。この
ときは、駆動歯２２ａと伝達歯車３０がかみ合うのでゼ
ンマイ１１が巻き上げられ、エネルギーが蓄積される。
形状記憶合金製のバネ２５は、本例のような板バネに限
定されるものではなく、コイル状のバネなど適当な弾性
力を発揮できる形状であれば良い。

【００３９】図７に、所定の温度を境にして第１の安定
位置Ｘ１と、これと異なる第２の安定位置Ｘ２の２つの
安定位置を持った形状記憶合金製のバネ２５を作動部と
して採用した発電装置の動作を示してある。なお、本例
では、簡単のために形状記憶合金製のバネ２５は、温度
変化に係わらず低温側と高温側で一定のバネ定数ｋ１お
よびｋ２を備えているものとする。上記の第１の実施の
形態の説明において図４に基づき述べたように、形状記
憶合金製のバネ２５を用いた発電装置においても、温度
変化の１方向でゼンマイにエネルギーを供給するケース
（第１のケース）と、温度変化の双方向でゼンマイにエ
ネルギーを供給するケース（第２のケース）と、さら
に、バネ２５の変位が停止したときに変動レバー２３を
開放してその温度における平衡な位置（安定位置Ｘ１お
よびＸ２）まで変位させてエネルギーを回収するケース
（第３のケース）が考えられる。

【００４０】安定位置まで変動レバー２３を開放する第
３のケースにおいては、図７に示したように、形状記憶
合金製のバネ２５の低温側における変位−力曲線Ｃと、
高温側における変位−力曲線Ｄに沿って変位する。ま
ず、低温の安定点Ｘ１の点ａの状態で温度が所定の値を
越えるとバネ２５の安定点がＸ２に移動する。従って、
点ａは安定点Ｘ２に対し変位しているので力が発生し、
輪列を介してゼンマイ１１を巻き上げる力Ｆ１が得られ
る点ｂに達すると一定のトルクでゼンマイ１１を巻き上
げる。変位Ｘ４となる点ｃに達するとトルクが不足する
のでゼンマイ１１の巻き上げを停止する。この段階で、
第３のケースでは、変位レバー２３を開放するので、バ
ネ２５は、第２の安定点Ｘ２（点ｄ）まで変位する。一
方、温度が下がって所定の値以下になると、安定点が第
１の安定点Ｘ１に移動するので、第２の安定点Ｘ２で力
が発生し、ゼンマイ１１を巻き上げられる力Ｆ２になる
点ｅにたっすると一定のトルクでゼンマイ１１を巻き上
げる。そして、トルクが不足する点ｆ（変位Ｘ３）に達
するとゼンマイ１１の巻き上げが止まるので、再び変位
レバー２３を開放し、第１の安定点ａ（変位Ｘ１）に移
動する。本例の発電装置においては、第３のケースにお
いてこのような発電サイクルが描かれるので、図７に斜
線で示したような面積ａｂｃｏおよび面積ｏ’ｄｅｆの
エネルギーをゼンマイ１１に入力し、蓄積することがで
きる。そして、ゼンマイ１１に蓄積されたエネルギーに
よって発電機１５を駆動し、適当な電力を適当な時に得
ることができる。

【００４１】このようなサイクルでゼンマイに蓄積でき
るエネルギーＵを計算すると以下のようになる。

【００４２】Ｕ＝｜Ｆ１×（Ｘ４−Ｘ１）｜＋｜Ｆ２×（Ｘ２−Ｘ３）｜・・・（７）ここで形状記憶合金のバネ２５が同じバネ定数ｋで変位
するとすると、それぞれの温度における変位−力曲線Ｃ
およびＤが以下で表される。

【００４３】Ｆ＝ｋ１・Ｘ１−ｋ１・ｘ・・・（８）Ｆ＝ｋ２・Ｘ２−ｋ２・ｘ・・・（９）ここで、Ｆは力、ｘは変位である。

【００４４】従って、（７）式は、Ｆ１およびＦ２を変
数として以下のようになる。

【００４５】Ｕ＝Ｆ１（Ｘ２−Ｆ１／ｋ２−Ｘ１）−Ｆ２（Ｘ２−Ｘ１＋Ｆ２／ｋ１）＝Ｆ１（Ｘ２−Ｘ１）−Ｆ１² ／ｋ２−Ｆ２（Ｘ２−Ｘ１）−Ｆ２² ／ｋ１・・・（１０）力Ｆ１およびＦ２はそれぞれ独立なので、それぞれにつ
いて微分してＵの最大値を求めると、以下のようにな
る。

【００４６】Ｕｍａｘ＝ｋ１／４（Ｘ２−Ｘ１）² ＋ｋ２／４（Ｘ２−Ｘ１）² Ｆ１＝ｋ２（Ｘ２−Ｘ１）／２＝ｋ２・Ｘ２−ｋ２・（Ｘ１＋Ｘ２）／２Ｆ２＝−ｋ１（Ｘ２−Ｘ１）／２＝ｋ１・Ｘ１−ｋ１・（Ｘ１＋Ｘ２）／２・・・（１１）従って、上記の形状記憶合金を用いたバネのように２つ
の安定点Ｘ１およびＸ２を備えているバネを用いた場合
は、変動レバー２３に印加される負荷が２つの安定点Ｘ
１およびＸ２の中間点の負荷となるように輪列３４を構
成しておくことにより、環境の温度変化によるエネルギ
ーを効率良く回収することができる。この中間点の負荷
は、安定点Ｘ１およびＸ２における力の半分に相当す
る。

【００４７】また、低温側のバネ定数ｋ１と高温側のバ
ネ定数ｋ２が等しいバネ２５によって変動レバー２３を
駆動し、この変動レバー２３の双方向の動きを用いてゼ
ンマイ１１にエネルギーを注入するサイクルを採用する
場合は、環境の温度が増加する方向のときに変動レバー
２３に印加される負荷と、環境の温度が減少する方向の
ときに変動レバー２３に印加される負荷がほぼ等しくな
るように輪列３４を構成しておくことにより、環境の温
度変化によるエネルギーを効率良く回収することができ
る。

【００４８】上記の第３のケースでは、変動レバー２３
の動きが一時的に停止すると歯車３０あるいは３１から
開放することにより安定位置までバネを変位してゼンマ
イ１１へのエネルギーの回収率を高めているが、第２の
ケースのようにアクチュエータ３９を設けずに変動レバ
ー２３が歯車３０あるいは３１に拘束された状態でエネ
ルギーを回収するとも可能である。この場合は、上記
（７）式において、Ｕ＝｜Ｆ１×（Ｘ４−Ｘ３）｜＋｜Ｆ２×（Ｘ４−Ｘ３）｜・・・（１２）となり、発電サイクルは図７に一点鎖線で示したｃ’点
（変位Ｘ４’）およびｆｆ’点（変位Ｘ３’）を対角と
する長方形となる。従って、ｋ１＝ｋ２およびＦ１＝−
Ｆ２のときのＵｍａｘおよびそのときのＦ１、Ｆ２は以
下のようになる。

【００４９】Ｕｍａｘ＝ｋ１／４（Ｘ２−Ｘ１）² Ｆ１＝ｋ１（Ｘ２−Ｘ１）／４Ｆ２＝−ｋ１（Ｘ２−Ｘ１）／４・・・（１３）従って、安定点Ｘ１およびＸ２の中間点の半分の負荷を
変動レバー２３にかけることが望ましく、アクチュエー
タ３９を省略して発電装置の構成は簡易化されるがエネ
ルギーの回収率は若干減少する。

【００５０】一方、駆動歯２２ａが１方向に設けられて
いる変動レバー２３を採用した発電装置においては、図
７に示したサイクルｏ’ｄｅｆにほぼ沿ってエネルギー
を回収することができる。回収できるエネルギーの最大
値ＵｍａｘとＦ２は以下のようになる。

【００５１】Ｕｍａｘ＝ｋ１／４（Ｘ２−Ｘ１）² Ｆ２＝−ｋ１（Ｘ２−Ｘ１）／２＝ｋ１・Ｘ１−ｋ１・（Ｘ１＋Ｘ２）／２・・・（１４）従って、安定点Ｘ１およびＸ２の中間点の負荷が変動レ
バー２３にかかるように輪列を構成することにより高い
エネルギーをゼンマイ１１に蓄積することができる。ま
た、この１方向の動きを取られた簡単な構成の発電装置
でも、開放せずに温度変化による双方向の動きを捉えて
エネルギーを蓄積した場合と同じ程度のエネルギーを蓄
積できるので、小型の発電装置や電気機器に適してい
る。

【００５２】以上のように、図１、図５および図６に示
した発電装置１０においては、温度変化という自然エネ
ルギーをいったんゼンマイに蓄積して、このゼンマイに
よって発電機を駆動して発電を行うようにしている。ゼ
ンマイは、一定の巻上トルク以上の力があれば巻き上げ
ることが可能であり、その巻き上げるために要したエネ
ルギーを作動容器の膨張・収縮速度や形状記憶合金の変
位速度の大小にかかわらず蓄えることができる。従っ
て、温度変化の速度が非常に遅く、それによってもたら
される自然エネルギーの密度が低くとも、伝達歯車３
０、３１、３２などの輪列を用いて作動容器あるいは形
状記憶合金が発生できる力で回せるトルクでゼンマイが
巻き上がられるようにしてあるので、密度の低い自然エ
ネルギーをゼンマイに蓄えることが可能である。そし
て、ゼンマイは巻き上げる速度とは無関係にエネルギー
を蓄えることができるので、巻上速度を管理するような
機構も不要であり、非常に簡易な機構で自然エネルギー
を回収することができる。本例においては、ゼンマイに
蓄えられたエネルギーの浪費を防止したり、あるいは、
エネルギーの回収率を高めるために幾つかのアクチュエ
ータを用いているが、もちろん、これらのアクチュエー
タがなくとも自然エネルギーを回収することができる。
さらに、これらのアクチュエータはゼンマイにエネルギ
ーがある状態で使用できれば良いものであって、発電を
開始する、あるいはゼンマイへのエネルギー回収をスタ
ートするために必要なものではない。従って、ゼンマイ
に全くエネルギーが保存されていない状態であっても自
然エネルギーを確実にゼンマイに回収することができ
る。

【００５３】さらに、先に説明したように、ゼンマイか
らはほぼ一定のトルクの力を長時間にわたって供給でき
るので、発電機を所定の出力で長時間にわたり駆動させ
ることができる。このため、温度変化などの自然エネル
ギーの密度が大幅に変動する場合であっても、ほぼ一定
の発電量を確保することができる。このように、本例の
発電装置に採用しているゼンマイは自然エネルギーを蓄
積し、さらに、発電用の放出する蓄積手段として非常に
適しており、自然エネルギーをゼンマイにいったん蓄積
して発電することにより、自然エネルギーを効率よく、
そして安定して利用できる。また、本例では、温度の時
間的な変化として現れる自然エネルギーを回収できるよ
うにしてあるが、これ以外の自然エネルギーをゼンマイ
を用いて回収することももちろん可能である。

【００５４】〔第３の実施の形態〕図８には、ゼーベッ
ク効果を利用した熱電変換ユニット２７を用いた発電装
置１０および電気機器１の例を示してある。本例の発電
装置１０においては、熱電変換ユニット２７の温接点側
２７ａに集光システム４０を用いて太陽光４９を照射し
て、室温となっている冷接点側２７ｂとの間に温度差を
設け、この温度差で熱電変換ユニット２７から電力が取
り出せるようにしている。さらに、熱電変換ユニット２
７から得られた電力によってモータ３７を駆動し、輪列
３４を介してゼンマイ１１を巻き上げる。ゼンマイ１１
は輪列１３によって発電機１５を接続され、一定のトル
クで発電機１５を回転させて発電を行う。本例の電気機
器も、発電機１５の出力を制御する電力制御部５を備え
ており、ゼンマイ１１に蓄積されたエネルギーをより効
率よく利用できるようになっている。なお、上述した温
度変化を用いた発電装置１０あるいは電力制御部５と共
通する部分は、同じ機能を備えたものを採用できるの
で、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

【００５５】本例の発電装置１０においても、温度差と
して現れる自然エネルギーをいったんゼンマイ１１に蓄
えることにより、密度が薄く、変動の激しい自然エネル
ギーを発電に都合の良い質を持ったエネルギーとして取
り出すことができる。

【００５６】さらに、本例の発電装置１０においては、
ゼンマイ１１を巻き上げる輪列３４に手巻き用の治具３
８がついており、太陽光が得られないときや、ゼンマイ
１１が解けてしまったときなどにはユーザが手やバッテ
リー駆動のモータなどの治具を用いてゼンマイを巻いて
電力が得られるようになっている。従って、災害の時の
ように確実に電力が欲しい状況であっても、本例の発電
装置１０を用いることにより、電池切れを気にすること
なく時計やラジオ、あるいは通信装置などの機能を備え
た動作部２を使用することができる。

【００５７】〔第４の実施の形態〕図９および図１０に
は、太陽電池２８と風車２９を自然エネルギーの入力手
段として用いた発電装置１０と、これを用いた電気機器
である照明装置１の例を示してある。本例の発電装置１
０は、図１０に示してあるように、太陽電池２８によっ
て発電された電力でモータ３７を駆動してゼンマイ１１
を巻き上げるようにしてあり太陽光のエネルギーをゼン
マイ１１に蓄積できる。一方、風車２９は、風力として
得られる自然エネルギーを用いてゼンマイ１１を巻き上
げ、そのエネルギーをゼンマイ１１に蓄積することがで
きる。ゼンマイ１１は、巻き上げ速度には関係なく巻き
上げられた変位によってエネルギーを蓄積できるので、
風車２９のように回転速度の早い入力手段からも簡単に
エネルギーを入力することができる。このように、ゼン
マイには運動速度が異なる媒体から簡単にエネルギーを
注入できるので、エネルギーを回収可能な流体の運動は
風に限定されることはなく、川や潮汐などの水の流れで
ゼンマイを巻き上げることが可能であり、また、潮力を
波の上下動を介してゼンマイのエネルギーとして蓄積す
ることも可能である。そして、上記と同様のゼンマイか
ら出力されるエネルギーによって所定の電力を得ること
ができる。

【００５８】図９および図１０に示した発電装置１０
は、さらに、太陽電池２８と風車２９という２種類の自
然エネルギーを捉える手段を備えており、自然エネルギ
ーのばらつきを平滑化してより確実にゼンマイ１１にエ
ネルギーを蓄積できるようにしている。本例の照明装置
１は、公園などの照明に適したものであり、上部には太
陽電池２８が設置され、風がなくとも太陽光が照射され
ると発電を行い、そのエネルギーでゼンマイ１１を巻け
るようになっている。一方、装置１の前方には風車２９
が設けられており、尾部の羽６０によって照明装置１が
旋回し、風車２９が風上を向くようになっている。従っ
て、風が吹けば夜間であっても発電が行われ、ゼンマイ
１１にエネルギーが蓄積される。そして、照明装置１の
４方にはライト６２が装着されており、ゼンマイ１１の
出力側に接続された発電機１５によって発電された電力
でライト６２が点灯し、公園を照明できるようになって
いる。本例の電力制御部５は、光センサーなどによって
昼間であることを検出すると、図１に示したブレーキ５
６によって発電機１５の回転を停止してゼンマイ１１の
エネルギーの浪費を防止している。そして、夜間になる
と、ブレーキ５６を開放して発電機１５を昼間にゼンマ
イ１１に蓄積されたエネルギーを用いて回し、一定の電
力をライト６２に供給できるようになっている。

【００５９】このように、自然エネルギーをいったんゼ
ンマイに蓄積して発電を行うことにより、密度が低く、
変動の激しい自然エネルギーを定常的に発電を行うのに
適したエネルギーとして得ることができる。さらに、ゼ
ンマイにエネルギーを入力する際は、変位の速度に影響
されず低速でも確実にエネルギーを蓄積することができ
るので、簡単な機構で密度の薄い自然エネルギーを回収
できる。また、ゼンマイからはいつも一定のトルクを発
生させることができるので、発電機を一定速度で回転さ
せることは容易であり、複雑な制御を行わなくとも高い
発電効率が得られる。とくに夜間の照明などのように消
費電力がほぼ一定している場合は、ゼンマイの出力も一
定になるので回転制御などは不要である。また、発電機
は本例のように回転式のものに限定されず、圧電体を用
いた発電機などであってもゼンマイに蓄積されたエネル
ギーを用いて発電を行うことができる。このような発電
装置を用いて、上述した街灯、非常灯、庭園灯などの照
明や時計に限らず、車に搭載した電子温度計、高度計、
方位計、さらに、通信機器や携帯型の情報処理装置など
に対して電力を供給することが可能であり、いつでも何
処でも性能を発揮できる電気機器を提供することができ
る。

【００６０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、エネルギー密度が低く、さらに、エネルギー密度の
変動が激しい自然エネルギーを効率良く発電のためにゼ
ンマイに自然エネルギーをいったん蓄積して利用してい
る。従って、本発明により、温度変化、温度差、太陽
光、風力、潮力、水力などの様々な自然エネルギーを電
気機器の動力源として用いることができる発電装置およ
び本発明の発電機能を内蔵した電気機器を提供すること
が可能である。さらに、エネルギーを蓄積する手段とし
てメカニカル的なゼンマイを用いているので、大容量の
２次電池を必要とせずに長時間にわたって一定の電力を
供給することができ、さらに、劣化や廃棄といった問題
の少ない発電装置および電気機器を提供できる。そし
て、本発明の発電装置および電気機器においては、いつ
でも何処でも時計などの動作部に必要な電力を確保で
き、動作部の機能を発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発電装置および電気機器の概略構成を
示す図である。

【図２】ゼンマイのトルク特性を示すグラフである。

【図３】図１に示す発電装置の変動レバーの駆動状態を
示す図である。

【図４】図１に示す発電装置のサイクルを示すグラフで
ある。

【図５】図１に示した発電装置と異なる本発明に係る発
電装置であり、変動レバーの１方向の動きでゼンマイを
巻き上げる例である。

【図６】本発明に係る形状記憶合金を用いてゼンマイを
巻き上げる発電装置の例である。

【図７】図６に示す発電装置のサイクルを示すグラフで
ある。

【図８】本発明に係る温度差を用いてゼンマイを巻き上
げる発電装置の例である。

【図９】本発明に係る太陽電池と風車を用いてゼンマイ
を巻き上げる発電装置の外観を示す斜視図である。

【図１０】図９に示した発電装置の構成を示すブロック
図である。

【符号の説明】

１・・電気機器２・・動作部５・・電力制御部１０・・発電装置１１・・ゼンマイ１２・・出力歯車１３・・輪列１５・・発電機１６・・ロータ１６ａ・・フライホイール１７・・ステータ２１・・作動液体を内蔵した作動容器２２・・駆動歯２３・・変動レバー２５・・形状記憶合金２７・・熱電変換ユニット２８・・太陽電池２９・・風車３０、３１、３２・・伝達歯車３４・・伝達用の輪列３５・・ストッパー３７・・モータ３８・・手巻き用治具３９・・変動レバーの開放用アクチュエータ４０・・集光システム４１、４７・・レンズ４５・・吸熱部４６・・マスク板４６ａ・・スリット５１・・電力消費部５２・・整流部５３・・平滑コンデンサ５４・・昇降圧回路５５・・補助コンデンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ゼンマイと、このゼンマイを環境の温度
差を用いて巻き上げる巻上手段と、前記ゼンマイにより
駆動される発電機とを有することを特徴とする発電装
置。
【請求項２】請求項１において、前記巻上手段は、前
記環境の時間的な温度差によって体積または長さが増減
する変動部と、この変動部の動きで前記ゼンマイを巻き
上げる伝達部とを備えていることを特徴とする発電装
置。
【請求項３】請求項２において、前記伝達部は、前記
変動部の１方向の変化を捉えて前記ゼンマイを巻き上げ
ることを特徴とする発電装置。
【請求項４】請求項２において、前記伝達部は、前記
変動部の双方向の変化を捉えて前記ゼンマイを巻き上げ
ることを特徴とする発電装置。
【請求項５】請求項４において、前記伝達部は、前記
変動部の第１の方向の変化を捉えて前記ゼンマイを巻き
上げた後、前記変動部を開放し、さらに、前記変動部の
第２の方向の変化を捉えて前記ゼンマイを巻き上げるこ
とを特徴とする発電装置。
【請求項６】請求項５において、前記変動部は前記環
境の時間的な温度差によって膨張・収縮を行う気体が充
填された作動部を備えており、前記伝達部は前記環境の
温度が増加する方向のときに前記作動部に印加される負
荷が、前記環境の温度が減少する方向のときに前記作動
部に印加される負荷より大きくなるように設定されてい
ることを特徴する発電装置。
【請求項７】請求項５において、前記変動部は前記環
境の時間的な温度差によって変位の方向が異なる作動部
を備えており、前記環境の温度が増加する方向のとき
と、前記環境の温度が減少する方向のときに前記伝達部
から前記作動部に印加される負荷がほぼ等しいことを特
徴する発電装置。
【請求項８】請求項２において、前記変動部は前記環
境の時間的な温度差によって膨張・収縮を行う気体が充
填された作動部を備えていることを特徴とする発電装
置。
【請求項９】請求項２において、前記変動部は前記環
境の時間的な温度差によって形状が変化する形状記憶部
材を備えていることを特徴とする発電装置。
【請求項１０】請求項３において、前記変動部は、所
定の温度を境に異なった第１および第２の安定位置を持
つ形状記憶部材のバネを作動部として備えており、前記
第１および第２の安定位置の中間位置で前記作動部に発
生する負荷が前記伝達部から前記作動部に印加されるこ
とを特徴とする発電装置。
【請求項１１】請求項４において、前記変動部は、所
定の温度を境に異なった第１および第２の安定位置を持
つ形状記憶部材のバネを作動部として備えており、前記
第１および第２の安定位置の中間位置で前記作動部に発
生する作動力のほぼ１／２の負荷が前記伝達部から前記
作動部に印加されることを特徴とする発電装置。
【請求項１２】請求項５において、前記変動部は、所
定の温度を境に異なった第１および第２の安定位置を持
つ形状記憶部材のバネを作動部として備えており、前記
第１および第２の安定位置の中間位置で前記作動部に発
生する負荷が前記伝達部から前記作動部に印加されるこ
とを特徴とする発電装置。
【請求項１３】請求項２において、前記変動部に太陽
光を集光する集光手段を有することを特徴とする発電装
置。
【請求項１４】請求項１３において、前記集光手段
は、太陽の動きによって前記変動部に対する集光量を変
化できることを特徴とする発電装置。
【請求項１５】請求項１４において、前記集光手段
は、複数の集光レンズを備えていること特徴とする発電
装置。
【請求項１６】請求項１４において、前記集光手段
は、複数のスリットを備えていることを特徴とする発電
装置。
【請求項１７】請求項１において、前記巻上手段は、
前記環境の場所的な温度差によって発電を行う熱電変換
手段と、この熱電変換手段からの電力によって前記ゼン
マイを巻き上げる伝達部とを備えていることを特徴とす
る発電装置。
【請求項１８】請求項１７において、前記熱電変換手
段の温接点側を太陽光を用いて加温する手段を有するこ
とを特徴とする発電装置。
【請求項１９】太陽電池と、ゼンマイと、このゼンマ
イを前記太陽電池からの電力によって巻き上げる巻上手
段と、前記ゼンマイにより駆動される発電機とを有する
ことを特徴とする発電装置。
【請求項２０】ゼンマイと、このゼンマイを流体の運
動エネルギーを用いて巻き上げる巻上手段と、前記ゼン
マイにより駆動される発電機とを有することを特徴とす
る発電装置。
【請求項２１】請求項１、１９および２０のいずれか
において、前記ゼンマイは一方の側が巻上側で、他方の
側が出力側であり、前記発電機を駆動しながら前記巻上
手段によって前記ゼンマイを巻き上げることが可能であ
ることを特徴とする発電装置。
【請求項２２】請求項１、１９および２０のいずれか
において、前記ゼンマイを人為的に巻き上げる手段を有
することを特徴とする発電装置。
【請求項２３】請求項１、１９および２０のいずれか
において、前記発電機から出力された電力を整流する整
流手段を有し、この整流手段の平滑用コンデンサは非電
解質タイプであることを特徴とする発電装置。
【請求項２４】請求項１、１９および２０のいずれか
に記載の発電装置と、この発電装置から供給された電力
によって動作する動作部とを有することを特徴とする電
気機器。