JP2015140896A - 往復回転変換機構 - Google Patents

Abstract

【課題】不規則振幅の往復運動を回転運動に変換する事を簡単な構造で実現する。従来一般的に使われていた往復回転変換機構であるところのクランク機構では不規則振幅の往復運動を回転運動に変換する事が不可能であった。【解決手段】ラチェット機構を内装する２個のピニオンを一回転軸に並列に結合し、双方のピニオンのそれぞれ対向反対側に、同時に往復する２本のラック歯車を常時噛合させ、これを往復させて歯車を回転させて、ラック歯車の往路運動の際には一方のピニオンが回転し他方のピニオンが空転する。復路運動の際は一方のピニオンが空転し他方のピニオンが回転する。これにより往復運動の往路、復路の両不規則往復運動が回転に変換される。ラック歯車を同時に往復させず、相互に反対往復させてもよく、その際は一方のラック歯車に入力された往復力で他方のラック歯車を反対往復させる事により、次なる往復入力準備がなされる。【選択図】図１

Description

本発明は往復運動を回転運動に変換する機構であって、特に不規則振幅の往復運動を回転運動に変換する事を目的にしたものである。

往復運動を回転運動に変換するものとしてクランク機構が一般的に広く使用されている。
しかし、クランク機構は上下死点に達しない不定振幅の往復運動を回転に変換することが出来ない欠点があった。

近年、再生可能エネルギーとして自然エネルギーを活用する事が求められているが、人力を含む自然エネルギーは、殆どが不規則振幅の往復運動である。
例えば海面の不規則な波動や、向きや強さがランダムに変化する風力を利用するにこれを効果的に回転運動に変換することが肝要であり、不規則振幅の往復運動エネルギーを効率よく取り出す簡単な機構が求められている。

この様な不規則振幅の往復運動を回転運動にするものは、ラチェットやワンウェイクラッチ等の一方向回転伝達機構を利用して、往路又は復路のいずれか一方向だけを取り出し回転に変換しているものが殆どであった。

往路と復路の両方の不規則往復運動を回転に変換するものは、僅かに提案されているが、
それらは非効率であったり、複雑な構造であったりした。

本発明は上記する様な欠点を解消し、簡単な機構で不規則振幅の往復運動を一方向回転に変換するものであり、色々な自然エネルギーを回転運動に変換する汎用部品とし利用可能にするものである。

一方向回転伝達機構を内装する２個の回転子を同一回転軸に並列に結合して、この双方に、往復体を噛合させる。そして、この双方の往復体に印加された往復運動で回転子を回転させ、一方向回転伝達機構を介して順方向回転のみを回転軸に伝達するのである。

双方の回転子を、往復体で順逆回転させて、この順回転だけを回転順に出力するのであるが、双方の往復体を結合して同時に往復させる方式と、相互に反対に往復させる方式がある。
同時往復式はたとえば鋸の様に桿体を前後に動かす様な動作や、一方向に往路運動を印加すると共にバネ等に畜勢し、この力で復路運動させる様な用途に使用する。
相互反対往復式はたとえば自転車のようにペダルを相互に踏み込む様な動作に利用する。

同時往復式では双方の往復体を結合して一体的な往復桿となし、これに往復運動を印加してを双方の回転子を同時に回転させるのであるが、往復体と回転子の一方の噛合と他方の噛合は相互に回転子の反対周面である事が特徴である。

これにより、往復桿の往路運動に於いては一方の回転体の順回転が、復路運動に於いては他方の回転体の順回転がそれぞれ回転軸に出力されるのであり、この往復が上死点、下死点に達せずとも、また双方の往復ストロークに差異があっても、回転軸の順回転が継続するのである。

回転体と往復体は、ピニオンとラックが一般的に考えれるが、チェーンを固定した往復体とスプロケットや、ベルトを固定した往復体とピニオン等でもよい。その他、回転子に紐体を巻き付け、この紐体を往復体に固定する方式も可能である。

また、この往復桿を２組にして、これを回転子を共有して襷掛けに噛合させ、一方の往復桿の往復運動より、他方の往復桿を反対運動させる事により、双方の往復桿を交互に反対往復させて往復運動入力する事が出来るので、例えば自転車のペダル動作に利用可能となる。

相互反対往復式に於いては、双方の往復体を結合せずに、独立して運動させるのであり、一方の往復体の往路運動で回転子を順回転させて回転出力すると共に、この往復体に補助回転体を更に噛合させて、これを回転せしめ、この回転力で他方の往復体を復路運動させる事により、双方の往復体を連続的に交互に往復運動させる事が可能になるのである。
一方の往路運動で他方を復路運動させるために補助回転体と双方の往復体の噛合面は、対向反対周面である事が特徴である。

風力、波力、人力等の自然エネルギーは殆どが不規則振動であり、いわゆる再生可能エネルギーを簡単な機構で一方向連続回転に変換して効率的にエネルギーを取り出す事が出来る。
例えば、本発明を波力発電に利用するには、波の不規則振幅エネルギーをフロートの不規則上下往復運動として取り出し、これを回転運動に変換して発電機を駆動する。

風力発電に於いては、従来の様にプロペラを使わずに、振動体や往復板を自由に運動させて、これを不規則振動運動として取り出し、本発明で回転運動に変換する事が可能になる。

また本案は、人力エネルギーを回転運動に変換して利用する際に最適であり、自転車に利用すれば、ペダルを直線的に押し下げる事が出来るので、足の筋力が最も効果的に発揮されると云う利点がある。また握力を利用して握力発電や調理具、工具等にも効率的に利用出来る。

請求項１の往復桿が無印加状態の斜視図 請求項１の往復桿に往路運動が印加された斜視図 請求項１の往復桿に復路運動が印加された斜視図 請求項２の斜視図 請求項３の往復桿が無印加状態の斜視図 請求項３の第一の往復桿に往路運動が印加された斜視図 請求項３の第二の往復桿に復路運動が印加された斜視図 請求項４の往復体が無印加状態の斜視図 請求項４の第一の往復体に往路運動が印加された斜視図 請求項４の第二の往復体に往路運動が印加された斜視図 請求項５の斜視図

以下図を使って一方向回転伝達機構がラチェット機構であり、回転体と往復体がピニオンラック機構である本発明の実施形態例につて説明する。

図１〜図３は請求項１の説明図である。図１は往復運動が印加されていない初期状態の図である。回転軸４００には、第一のピニオンラック２００と第二のピニオンラック３０がそれぞれラチェット機構２５０、３５０を介して結合されていて、双方のピニオンの順回転だけが伝達される。

往復運動が印加される往復桿１００には第一のラック２１０と第二のラック３１０が結合されていて、同時に同方向に往復運動するが、この双方のラックとピニオンラックとの噛合は相互にピニオンの対向反対周面である事が特徴であり、これにより往復桿１００の往復運動により双方のピニオンは相互に反対回転する。

図２は往路桿１００に往路運動が印加されて、ラックが上死点付近に移動した図である。第一のラック２１０がこれに噛合した第一のピニオン２２０を順回転させ、第二のラック３１０がこれに噛合した第二のピニオン３２０を逆回転させているのであるが、ラチェット機構２５０、３５０の作用により、この順回転だけが回転軸４００に伝達され、逆回転は非伝達となる。

そしてこの後、図３に示す様に、往路桿１００に復路運動が印加されるとラックは下死点付近に達し、第一のラック２１０はこれに噛合した第一のピニオン２２０を逆回転させ、第二のラック３１０が第二のピニオン３２０を順回転させるが、ラチェット機構２５０と３５０の作用により、第二のピニオン３２０の順回転だけを回転軸４００に伝達する。

以上の経緯により、往復桿１００の往復運動がいずれか一方のピニオンラック機構をして回転軸４００に順方向回転を交互に伝達して回転軸４００が連続的に順回転するのであり、この復桿１００の往復運動の往路運動と復路運動のストロークが不規則であっても、この順回転の回転軸４００への伝達が継続するのである。

以上はピニオンラック機構を使った例であるが、リールと紐体を使っても同様に動作する。
図４を用いて、リールとワイヤーを使用した例について説明する。
第一のリール２３０に第一の順巻きワイヤー２７５の一端を固着して巻き付け、他端は第一のワイヤー固定往復体２７０の端部に固着する。更に第一の逆巻きワイヤー２７７を第一のリール２３０に巻き付け、第一のワイヤー固定往復体２７０の反対端に固着する。

つまり、２本のワイヤーが一個のリールに相互に反対に巻きつけられ、このワイヤーの両端が往復体の両端に固着されていて、この往復体の往復がリールの回転に変換されるのである。

第二のリール３２０には、上記したと同様に２本のワイヤーが相互に反対に巻き付けられて、は第二の往復体３７０の両端に固着されている。この巻き付けは第一のリールとは相互に反対巻の関係となっている。

これにより、双方のワイヤー固定往復体を結合した往復桿１００の往復運動により双方のリールは相互に反対回転し、この回転の順方向回転だけがラチェット機構の作用により回転軸４００に回転出力されるのである。

次に往復桿１００と同様の構造を有する第二の往復桿７００を具備し、双方の往復桿を交互に往復させる請求項３の例について図５〜図７を使って説明する。図５は往復力が印加されていない状態である。第二の往復桿７００には第一の往復体７１２と第二の往復体７１３を有し、ピニオン２００と３００にそれぞれ噛合している。

この噛合は、ピニオン２００を共有した噛合である。つまり第一の往復桿１００両方の往復体と第二の往復桿７００の両方の往復体が、ピニオンを共有して襷掛けに噛合しているのである。

これにより、図６に示す様に第一の往復桿１００に往路運動が印可された際には、前記したと同様の経緯で回転軸４００に順回転が出力されるのであるが、これに共なって第二の往復桿７００が復路運動させられて、これに結合された第二のペダル３１５に次なる往路運動の印加がなされる位置へと向かうのである。

そしてこの後、図７に示す様に往復桿７００に往路運動が印加されると、上記とは逆の経緯で回転軸４００を順回転出力すると共に、第一の往復桿１００を復路運動せしめて、この往復録入力端であるところの第一のペダル２１５が復路運動して次なる往路運動の印加がなされる位置へと向かうのである。

以上は双方の往復体を結合して一体となった往復桿に印加された往復力で双方の回転子を同時に反対回転させている例であったが、次に、双方の往復体を結合せず、個別に双方を交互に反対往復させる例について説明する。

図８は往復運動が印加されない状態にある図で、第一のラック２１０と第二のラック３１０にはそれぞれ往路運動を印加するための第一のペダル２１５と第二のペダル３１５を有する。
往復体は一体的な往復桿ではなく、この往復体のそれぞれに交互に往復運動を印加する。
これにより、第一のピニオンラック２００と第二のピニオンラック３００は相互に反対動作する事が可能となる。

双方のピニオンラックの噛合面は相互に同一面であることが特徴であり、このため双方のラック共に、往路運動だけがラチェット機構を介して回転軸４００に伝達されるが、このラックに次なる往路運動を印加するために、これを復路運動させる必要が生じる。

このために、ラック復帰ピニオン６００を具備し、これを双方のラックに噛合させて一方ラックの往復運動で他方のラックを復路運動させるのである。つまりラック復帰ピニオン６００で双方のラックを相互反対運動させるのであり、このためこの噛合面はラック復帰ピニオン６００の対向反対側である事が特徴である。
図示する様に、いずれかの一方のラックを屈折させて回転子たるピニオンと、ラック復帰ピニオン６００とを襷掛けに噛合させる。

図９に示すように、第一のラック２１０に往路運動が印加されると、第一のピニオン２２０が回転して回転軸４００に順回転を伝達すると共に、ラック復帰用ピニオ６００を回転せしめ、この回転で第二のラック３１０を復路運動させて、次なる往路入力が可能な位置に第二のペダル３１５を戻す。この際、第二のピニオンが回転するがこれは第二のラチェット機構３５０により回転軸４００には伝達されない。

そして次に、第二のラック３１０に往路運動を印加すると、図１０に示す様に第二のピニオン３２０が回転して回転軸４００に順回転を伝達すると共に、ラック復帰用ピニオ６００を回転させ第一のラック２１０を復路運動せしめて、次なる往路入力が可能な位置にペダルを戻す。この際の第一のピニオンの逆回転はラチェット機構３５０により非伝達となる。

本考案を、運動入力端であるところのペダル又は往復体桿一端と、運動出力端であるところの回転軸の一端を外部に出して図１１に示すように全体を筐体でケーシングする事により、本発明を汎用部品として利用することが可能になる。
符号の説明

１００ 往復桿
２００ 第一のピニオンラック機構
２１０ 第一のラック
２１５ 第一のペダル
２２０ 第一のピニオン
２３０ 第一のリール
２５０ 第一のラチェット機構
２７０ 第一のワイヤー固定往復体
２７５ 第一の順巻きワイヤー
２７７ 第一の逆巻きワイヤー
３００ 第二のピニオンラック機構
３１０ 第二のラック
３１５ 第二のペダル
３２０ 第二のピニオン
３５０ 第二のラチェット機構
３６０ 第二のフリーハブ
３７０ 第二のワイヤー固定往復体
３７５ 第二の順巻きワイヤー
３７７ 第二の逆巻きワイヤー
４００ 回転軸
６００ ラック復帰ピニオン
７００ 第二の往復桿
７２１ 第一の往復桿の第一のラック
７３１ 第一の往復桿の第二のラック
８００ ばね
９００ 筐体

Claims (5)

1. 各々、一方向回転伝達機構を内装する第一の回転子と第二の回転子とを、この一方向回転伝達機構を介して同一回転軸に結合し、双方の回転子にそれぞれ往復体を噛合させて、この往復体の往復運動で回転子を回転させて、いずれか一方の回転子の順回転を回転軸に回転出力する往復回転変換機構であって、
   一方の噛合と他方の噛合がそれぞれ回転体の対向反対周面であり、且つ双方の往復体を結合して往復運動入力桿となし、これを往復させて双方の回転子を相互に反対回転させる事を特徴とする往復回転変換機構
2. 双方の回転子に紐体を巻き付け、この紐体を往復体に固定してなる請求項１記載の往復回転変換機構
3. ２組の往復桿が回転子を共有して襷掛けに噛合し、第一の往復桿と第二の往復桿が相互に逆方向に往復する事を特徴とする請求項１記載の往復回転変換機構
4. 各々、一方向回転伝達機構を内装する第一の回転子と第二の回転子とを、この一方向回転伝達機構を介して同一回転軸に結合し、双方の回転子にそれぞれ往復体を噛合させ、この往復体の往復運動で回転子を回転させて、いずれか一方の回転子の順回転を回転軸に回転出力する往復回転変換機構であって、
   双方の噛合面がそれぞれ回転子の同一周面であり、且つ双方の往復体を相互に反対方向に運動させるための補助回転体を有し、この補助回転体に一方の往復体と他方の往復体を噛合面を対向して噛合させてなる往復回転変換機構
5. 往復桿または往復体の一端と回転軸を外部に露出して全体を筐体でケーシングしてなる請求項１〜請求項４記載の往復回転変換機構