JP2020029893A

JP2020029893A - 蓄転器

Info

Publication number: JP2020029893A
Application number: JP2018154944A
Authority: JP
Inventors: 邦彦轉; Kunihiko UTATA
Original assignee: Utata Kunihiko
Current assignee: Utata Kunihiko
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2020-02-27
Anticipated expiration: 2038-08-21
Also published as: JP2020186720A; WO2020039663A1; CN111183297A; JP6485934B1; CN111183297B; US20200248677A1; DE112019000114T5; DE112019000114B4; US10989176B2; JP6656569B1

Abstract

【課題】ゼンマイバネを典型例とする各種付勢手段のエネルギーをより長時間に亘って放出したり、その付勢力をより増大させて出力したり、することが可能な蓄転器を比較的簡易・軽量な構成で実現すること等を目的とする。【解決手段】回転力を付勢する付勢手段と、付勢手段の一端が外輪または内輪の一方に固定されたワンウェイベアリングと、を備える単位蓄転器、を複数備える蓄転器であって、複数の単位蓄転器の各々のワンウェイベアリングは、外輪または内輪の他方が互いに連結され、付勢手段の他端は、隣接する単位蓄転器の付勢手段の一端と、連結され、ワンウェイベアリングの外輪と内輪との間で、回転力を出力する蓄転器とする。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄えるエネルギー及び放出するエネルギーをより大きくできる蓄転器等に関する。

従来、機械的な動力、特に回転トルクを発生させる機械的な構成としてゼンマイバネが知られている。ゼンマイバネは、現在のような電気的・電子的なモータが普及するまでの間において、動作部分を備える玩具や時計、オルゴール、置物等、比較的安価で軽量な動力貯蓄源として極めて広く使用されてきた。しかし、電気モータの普及とともに二次電池等の軽量・小型な電気エネルギー源が普及するにつれて、次第に電気的な動力に置き換えられることとなって、現在では骨とう品や一部の工芸品等を除けば利用される場面を見出すことが困難となっている。

ここで、特許文献１には、ぜんまいばねの限界を越えた巻き上げを防止しながら、ぜんまいばねに蓄積されるエネルギーを可及的に増大させ、しかも、それ以上のぜんまいばねの巻き上げに対しては、そのエネルギーを保持しながらオーバーランできるようにしたぜんまいばね機構を得ることを解決課題とする発明が開示されている。更に、具体的な技術的課題として、ぜんまいばねを巻き上げるとき、その内端側から次第に縮径し、次第にそのぜんまいばねの外端側まで小径化が及んで、ぜんまいばねに充分なエネルギーが蓄積された後に、その外端部とぜんまいばね収容室内面との係合が外れてオーバーランするような理想的なぜんまいばね機構を得ることが記載されている。

特許文献１のぜんまいばね機構は、うず巻き状のぜんまいばねの内端を入出力部材に連結すると共に、そのぜんまいばねの外端側を、係合用凹凸を介してぜんまいばねのケーシングの内周面に係合させ、該係合用凹凸を、ぜんまいばねの巻上げ量が巻上げ限界を越えたときの該ぜんまいばねの小径化によりその係合を外し、その結果の巻き戻しに伴う大径への復帰により再係合を行うものとしたぜんまいばね機構において、上記うず巻き状のぜんまいばねにおける巻き径の内側の剛性を小さく、外側の剛性を高くしたものである。

特開平７−２６９６２０号公報

しかし、このような機械的なバネの最大の短所は、電気的モータ等に比較すると動作継続時間が大きく制約されて短いことにある。説明を要するまでもないと思われるが、電気モータは故障や製品寿命を除けば電力を供給し続ける限り、極めて長時間に亘って動作し続けることが可能である。一方、ゼンマイバネを典型例とする各種バネ類は、人力等によって反転動作などでバネに蓄えられたエネルギーを、ある程度時間をかけながら徐々に放出していく機構であるため、動作継続時間が圧倒的に短く、エネルギー放出に伴い再度巻き上げ等のエネルギー再蓄積をするための反転動作等が必要となる。

さらに、電気モータの場合の供給等電力は、電気エネルギーから、二次電池や各種バッテリー等に、その形質を変えた電気化学的エネルギーとして大容量で蓄えておくことが可能である。しかし、ゼンマイバネ等の場合には、機械的な反発力であるバネの付勢を静止しておくことにより、機械的にエネルギーを蓄えるものであるから、蓄積エネルギーは電気に比して小さくならざえるを得ない。しかし、化石燃料の大量消費に対する種々の懸念が大きくクローズアップされて、省エネルギーや自然エネルギーが注目される現代においては、機械的により大きなエネルギーを蓄えて適宜放出することができれば、その用途は広範に展開可能であると期待される。

本発明は、上述の問題点に鑑み為されたものであり、ゼンマイバネを典型例とする各種付勢手段のエネルギーをより長時間に亘って放出したり、その付勢力をより増大させて出力したり、することが可能な蓄転器を比較的簡易・軽量な構成で提供すること等を目的とする。また、本発明は、蓄えるエネルギー及び放出するエネルギーがより大きな蓄転器等を提供することを目的とする。

本発明の蓄転器は、回転力を付勢する付勢手段と、付勢手段の一端が外輪または内輪の一方に固定されたワンウェイベアリングと、を備える単位蓄転器、を複数備え、複数の単位蓄転器は、ワンウェイベアリングの外輪または内輪の他方が互いに連結され、付勢手段の他端は、隣接する単位蓄転器の付勢手段の一端と、連結され、ワンウェイベアリングの外輪と内輪との間で、回転力を出力することを特徴とする。

本発明の蓄転器は、好ましくは複数の単位蓄転器が、同軸に位置するように連続配置されることを特徴とする。

本発明の蓄転器は、さらに好ましくは付勢手段が、バネであることを特徴とする。

本発明の蓄転器は、さらに好ましくはバネが、ゼンマイバネであることを特徴とする。

本発明の蓄転器は、さらに好ましくは複数の単位蓄転器の各々の付勢手段が、出力側に向けて次第に大きい回転力の付勢手段であることを特徴とする。

本発明の蓄転器は、さらに好ましくは複数の単位蓄転器の各々の付勢手段が、特性が同一の付勢手段であることを特徴とする。

本発明の蓄転器は、さらに好ましくは蓄転器の回転力を出力可能な継続時間が、単位蓄転器が単独で回転力を出力可能な継続時間より大きいことを特徴とする。

本発明の蓄転器は、さらに好ましくは付勢手段の一端が、ワンウェイベアリングの外輪に連結され、ワンウェイベアリングの内輪には、軸芯棒が連結されることを特徴とする。

本発明の蓄転器は、さらに好ましくは、軸芯棒が回転不可能に固定され、ワンウェイベアリングの外輪が回転力を出力することを特徴とする。

本発明の発電機は、上述の蓄転器を備えることを特徴とする。

本発明の発電機は、好ましくは風力発電機であることを特徴とする。

本発明の自転車は、上述の蓄転器を備えることを特徴とする。

ゼンマイバネを典型例とする各種付勢手段のエネルギーをより長時間に亘って放出したり、その付勢力をより増大させて出力したり、することが可能な蓄転器等を比較的簡易・軽量な構成で実現できる。

（ａ）は、第一の実施形態にかかる蓄転器の構成概要例を説明する側面図であり、（ｂ）は、第一の実施形態にかかる蓄転器を構成する一の単位蓄転器の構成を説明する正面概要図である。第一の実施形態にかかる単位蓄転器の構成をさらに詳細に説明するための構成概要図である。第一の実施形態にかかる単位蓄転器の構成をさらに詳細に説明するための構成概要図である。その他の実施態様について説明する構成概要図である。

本実施形態で説明する蓄転器は、ゼンマイバネやその他の回転力を出力するバネ、ゴム等弾性体等の付勢手段をワンウェイベアリングに接続した単位構成を、任意の複数個だけ連結する構造を備える。そして、このような付勢手段を連結する数を増やす程に、回転力をより増大（増幅）させたり、回転出力継続時間をより長くしたりすることが可能となるものである。

具体的には、例えば同一特性のバネを１０個連結すれば、当該バネ１個の場合に比較して１０倍の回転出力継続時間とすることができ、また、出力側にいくに従って次第に（段階的に）大きな出力のバネを順次連結する構成とすれば、各バネの回転力が増幅されたより大きな回転力を出力することも可能になる。

ワンウェイベアリングは、ワンウェイクラッチ（One-Way Clutch）やフリーホールとも称されることがあり、特定の一方の方向のみに回転力を伝達することができる。また、ワンウェイベアリングは、同軸上の内輪と外輪の間で一方向のトルクを伝達する構造を備えている。そこで、以下図面に基づいて本実施形態について詳細に説明する。

（第一の実施形態）
図１（ａ）は、第一の実施形態にかかる蓄転器１０００の構成概要例を説明する側面図であり、図１（ｂ）は、第一の実施形態にかかる蓄転器１０００を構成する一の単位蓄転器１００の構成を説明する正面概要図である。図１（ａ）において、蓄転器１０００は、一例として１０個の単位蓄転器１００を連結して構成されるものし、各単位蓄転器１００は同一特性のゼンマイバネ１１００を備える構成例として説明している。

図１に示すように、蓄転器１０００は、単位蓄転器１００のゼンマイバネ１１００（１）の内端１１２０がワンウェイベアリング１２００の外輪１２１０に固定され、ゼンマイバネ１１００（１）の外端１１１０が、隣接するゼンマイバネ１１００（２）の内端にハウジング１１１１を介して固定されている。

また、各単位蓄転器１００は同一の構成を有していることから、すなわち、各ゼンマイバネ１１００の外端１１１０が出力側に隣接配置されるゼンマイバネ１１００の内端１１２０に固定される一方で、各ゼンマイバネ１１００の内端１１２０は各々の備えるワンウェイベアリング１２００の外輪に固定されているものとなる。

また、図１（ａ）に示すように、各単位蓄転器１００のワンウェイベアリング１２００は、それぞれ軸芯棒１３００に固定されている。このような構成により、例えば回転入力端１４００を回転させて各ゼンマイバネ１１００を巻いた状態で、軸芯棒１３００を回転不可に固定することで、回転出力端１５００には、単位蓄転器１００単独よりもさらに大きな（典型例としては１０倍）回転力を出力することができる。また、その回転出力継続時間も単位蓄転器１００単独よりもさらに長い（典型例としては１０倍）ものとできる。

ワンウェイベアリング１２００は、バネの付勢によりその内輪と外輪との間で相対的に一方向の回転力を出力することができるので、仮に、回転入力端１４００を回転させて各ゼンマイバネ１１００を巻いた状態で、回転入力端１４００及び／または回転出力端１５００を回転不可に固定すれば、上述の場合とは逆に、軸芯棒１３００を回転させる構成とすることもできる。

また、図１（ｂ）から理解できるように、ゼンマイバネ１１００の外端１１１０は、ハウジング１１１１の外側内壁に固定されるものとし、ゼンマイバネ１１００の内端１１２０は、ワンウェイベアリング１２００の外輪１２１０に固定されるものとできる。また、ワンウェイベアリング１２００の内輪１２２０は、軸芯棒１３００に固定されるものとする。

図１において軸芯棒１３００は、計１０個の単位蓄転器１００の中心を貫いており、計１０個のワンウェイベアリング１２００の内輪１２２０が、それぞれ軸芯棒１３００に対して固定されている。なお、図１（ｂ）においては、説明の都合上内輪１２２０と軸芯棒１３００との間に隙間があるように描画されているが、この両者間の固定方法としては、同一径に構成して接着剤や溶接等により密着して当接固定してもよいし、ギアや歯車構造等を採用して機械的に噛み合わせ固定する構成としてもよい。

このような固定方法は、外輪１２２０と内端１１２０との間の固定でも同様である。なお、図１（ａ）において、軸芯棒１３００の最も両外側に配置されているワンウェイベアリングは、それぞれ通常の（ツーウェイ）ベアリングで構成することもできるが、回転力の伝達等に関連する機械的な強度をより向上させる観点からは、ワンウェイベアリングとすることが好ましい。

図２及び図３は、第一の実施形態にかかる単位蓄転器１００の構成をさらに詳細に説明するための構成概要図である。図２及び図３においては図１に示した単位蓄転器１００のハウジングを開放してゼンマイバネ１１００を露出させた状態について示しているが、説明の便宜上、ワンウェイベアリング及び軸芯棒は記載を省略している。図２において、ゼンマイバネ１１００の外端１１１０は、当該ハウジング１１１１の外周の内壁のスリット孔Ｓ１に固定される。また、ゼンマイバネ１１００の内端１１２０は、筒状部材１１１のスリット孔Ｓ２に固定されている。スリット孔Ｓ１やスリット孔Ｓ２への固定は、図に示すようにゼンマイバネ１１００の端部をそれぞれこれに挿入したうえで脱抜されないように折り曲げておくものとしてもよい。

また、図３から理解できるように、ある一つのゼンマイバネ１１００を収納する空間を形成する筒状部材１１１（１）及びハウジング１１１１（２）は、当該ゼンマイバネ１１００を介してのみ物理的に連結されている。そして、図３においては、当該筒状部材１１１は図３（ａ）のハウジング１１１１（１）と一体的に連結固定（または一体的に成形）されており、当該ハウジング１１１１（１）は単位蓄転器１００の筒状部材１１１（１）と一体的に連結固定（または一体的に成形）されている。ここで、図３において図３（ａ）と図３（ｂ）として示した各部品は、図３に示す状態において、それぞれが別途独立に不図示の軸芯棒に対して回転可能に構成された回転部品である。

すなわち、図２及び図３において、ある一つの巻かれたゼンマイバネ１１００に着目すれば、当該ゼンマイバネ１１００の内端１１２０と外端１１１０とはバネ中心に対して互いに逆回転方向に回転力を有するところ、その両端は隣接するワンウェイベアリングの外輪に対して当該逆方向の回転力をそれぞれ付勢するものとなる。

より詳細には図３において、内端１１２０は筒状部材１１１（１）を介してワンウェイベアリングの外輪に回転力を付勢しようとするし、外端１１１０はそれが係止されたハウジング１１１１（２）及びこれに連結固定（または一体的に成形）された筒状部材１１１（２）を介して隣接する単位蓄転器のワンウェイベアリングの外輪に逆方向の回転力を付勢しようとする。

そして、隣接配置された外輪へそれぞれ一つのバネから付与される異なる方向の回転力のいずれか一方は、ワンウェイベアリングの特性に基づいて、内輪へ伝えられることはなく遮断されるものとなる。このようなワンウェイベアリングを含む作用機序によって、ある一つの巻かれたゼンマイバネ１１００は、軸芯棒に対して特定の一方向にのみに回転力を出力することができる。

また、当該ベアリングの内輪と外輪との間に付勢される回転力は相対的なものであるから、いずれか一方を回転不能に固定すれば、他方に回転力が出力される関係性を有することもできる。従って、本実施形態の軸芯棒１３００と、回転入力端１４００と、もこのような関係性を有するものとしてもよい。

（他の実施態様）
図４は、その他の実施態様について説明する構成概要図である。図４（ａ）は、第二の実施形態にかかる蓄転器２０００を示しており、回転入力端２４００が紙面左端の単位蓄転器のワンウェイベアリングと共通の大型ベアリングとして構成されている。また、軸芯棒２３００は軸心を貫く一本の棒状体ではなく、例えば蓄転器２０００を収納する筐体ケースに各単位蓄転器の各々のワンウェイベアリングの内輪が回転不能に係止されるものとしてもよい。また、図４（ａ）に示すように、回転出力端２５００は、軸芯棒２３００等にベアリングで連結しない構成としてもよく、最も右側のゼンマイバネの外端等から回転力を出力可能なように、その形状や直径、大きさ等は任意のものとできる。

また、図４（ｂ）は、第三の実施形態にかかる蓄転器３０００を示しており、回転入力端３４００と回転出力端３５００とが、ワンウェイベアリングの外輪より大きな径とされている。もちろん、回転入力端３４００と回転出力端３５００との双方またはいずれか一方を歯車や任意のギア構成としてもよい。また、軸芯棒３３００は、蓄転器３０００の筐体ケース等に回転不能に固定してもよい。逆に、回転出力端３５００を筐体ケース等に回転不能に固定した場合には、軸芯棒３３００が回転力を出力する構成とすることもできる。なお、例えば回転入力端３４００を回転させることで、放出されて枯渇した回転力であっても再度回転力を蓄えることが可能である。さらに、回転入力端３４００と回転出力端３５００とはその機能を互いに入れ替えることも可能である。

また、図４（ｃ）は、第四の実施形態にかかる蓄転器４０００を示しており、回転入力端４４００と回転出力端４５００とがそれぞれ、軸芯棒４３００に対して二つのベアリングで支持される構成となっている。このような構成によって、回転入力端４４００と回転出力端４５００とに様々な方向からの力が加わるような場合においても、その機械的強度を向上させて耐久性や信頼性を高い構成とできるので好ましい。

上述した本願発明の蓄転器は、風力発電機や自転車等の回転力を蓄えたり出力したり利用したりする機械・器具に適用可能である。例えば、風力発電機は自然エネルギーであるため、風の強い時と弱い時とがあって、一定の発電を維持することは困難であるが、風の強い時に本願蓄転器のバネ巻きをして回転力を蓄えておき、風の弱い時にこれを出力して、発電を機械的に平滑化することも可能である。また、自転車においては、下り坂や平坦道を走行する場合に本願蓄転器のバネ巻きをして回転力を蓄えておき、発進時や登坂時等の大きなトルクが必要な場合に、蓄えた回転力を出力させる機械的アシスト機能として利用することが可能である。また、その他のモーターや回転を用いる各種機械・器具に適用することも可能であることは、説明を要するまでもないと思われる。

上述の説明による蓄転器等は、実施形態での説明に限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内かつ当業者に自明な範囲内で適宜構成や構造・素材を変更したり、アレンジすることができるものである。

本発明は、特に自転車や風力発電等の機械的動力を蓄えておいて、適宜任意に出力する機械構造等として好適に採用可能である。

１０００・・蓄転器、１１００・・ゼンマイバネ、１１１０・・外端、１１２０・・内端、１２００・・ワンウェイベアリング、１２１０・・外輪、１２２０・・内輪、１３００・・軸芯棒。

Claims

回転力を付勢する付勢手段と、前記付勢手段の一端が外輪または内輪の一方に固定されたワンウェイベアリングと、を備える単位蓄転器、を複数備える蓄転器であって、
前記複数の単位蓄転器の各々の前記ワンウェイベアリングは、外輪または内輪の他方が互いに連結され、
前記付勢手段の他端は、隣接する単位蓄転器の付勢手段の一端と、連結され、
前記ワンウェイベアリングの前記外輪と前記内輪との間で、回転力を出力する
ことを特徴とする蓄転器。
請求項１に記載の蓄転器において、
前記複数の単位蓄転器は、同軸に位置するように連続配置される
ことを特徴とする蓄転器。
請求項１または請求項２に記載の蓄転器において、
前記付勢手段は、バネである
ことを特徴とする蓄転器。
請求項３に記載の蓄転器において、
前記バネは、ゼンマイバネである
ことを特徴とする蓄転器。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の蓄転器において、
前記複数の単位蓄転器の各々の前記付勢手段は、出力側に向けて次第に大きい回転力の付勢手段である
ことを特徴とする蓄転器。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の蓄転器において、
前記複数の単位蓄転器の各々の前記付勢手段は、特性が同一の付勢手段である
ことを特徴とする蓄転器。
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の蓄転器において、
前記蓄転器の回転力を出力可能な継続時間は、前記単位蓄転器が単独で回転力を出力可能な継続時間より大きい
ことを特徴とする蓄転器。
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の蓄転器において、
前記付勢手段の一端は前記ワンウェイベアリングの外輪に連結され、
前記ワンウェイベアリングの内輪には、軸芯棒が連結される
ことを特徴とする蓄転器。
請求項８に記載の蓄転器において、
前記軸芯棒は回転不可能に固定され、前記ワンウェイベアリングの外輪が回転力を出力する
ことを特徴とする蓄転器。
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の蓄転器を備える
ことを特徴とする発電機。
請求項１０に記載の発電機において、
前記発電機は風力発電機である
ことを特徴とする発電機。
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の蓄転器を備える
ことを特徴とする自転車。