WO2017183627A1

WO2017183627A1 - 回生エネルギーを利用した駆動機構

Info

Publication number: WO2017183627A1
Application number: PCT/JP2017/015547
Authority: WO
Inventors: 佳宥森川
Original assignee: 佳宥森川
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2017-10-26
Also published as: JPWO2017183627A1; JP6901144B2

Abstract

本発明は、簡易な構造によって回生エネルギーを蓄積、出力に再利用することのできる駆動機構を提供する。本発明に係る回生エネルギーを利用した駆動機構（１００）は、一方向のみの回転を許容する駆動軸（２１０）を回転駆動する駆動源（２００）と、前記駆動軸を介して前記駆動源に連繋される入力軸（３３０）と、前記入力軸に連繋され回生エネルギーを蓄積可能な蓄積手段（３１０，３６０）と、前記蓄積手段に連繋される入出力軸（３４０）とを有し、前記蓄積手段に回生エネルギーを蓄積し、蓄積された回生エネルギーを前記入出力軸から出力可能な蓄積部（３００）と、前記入出力軸を介して前記蓄積部に連繋される変速機構（４００）と、前記変速機構と連繋される被駆動部材（５００）と、を具える。

Description

回生エネルギーを利用した駆動機構

　本発明は、回生エネルギーを利用した駆動機構に関するものであり、より詳細には、回生エネルギーの蓄積部と変速機構をその構成に含む回生エネルギーを利用した駆動機構に関するものである。

　回生エネルギーを駆動機構で回収、蓄積し、出力に再利用する駆動機構が提案されている。たとえば、特許文献１では、駆動源となるエンジンと、出力となる駆動輪との間に無段変速機構を配置すると共に、エンジンと無段変速機構は、回生エネルギーを蓄積する弾性体に連繋している。

　駆動輪と無段変速機構、無段変速機構とエンジン、無段変速機構と弾性体は、夫々１又は複数のクラッチ機構により接続されており、動力伝達及びその遮断、回転方向の切替等を行なうようにしている。

特開２００３－１８２３９９号公報

　特許文献１は、クラッチ機構の切替を中央制御装置（ＣＰＵ）によって行なっているが、クラッチ機構が多数あるため、機構が複雑になり、さらに、その制御も困難であって、メンテナンス性も十分ではない。

　本発明の目的は、簡易な構造によって回生エネルギーを蓄積、出力に再利用することのできる駆動機構を提供することである。

　本発明に係る回生エネルギーを利用した駆動機構は、
　一方向のみの回転を許容する駆動軸を回転駆動する駆動源と、
　前記駆動軸を介して前記駆動源に連繋される入力軸と、前記入力軸に連繋され回生エネルギーを蓄積可能な蓄積手段と、前記蓄積手段に連繋される入出力軸とを有し、前記蓄積手段に回生エネルギーを蓄積し、蓄積された回生エネルギーを前記入出力軸から出力可能な蓄積部と、
　前記入出力軸を介して前記蓄積部に連繋される変速機構と、
　前記変速機構と連繋される被駆動部材と、
　を具える。

　前記蓄積手段は、ゼンマイバネを例示できる。

　前記入力軸と前記入出力軸は同心に配置され、
　前記ゼンマイバネは、前記入力軸又は前記入出力軸と同心に一体回転可能に連繋されたケーシングの内部に収容され、前記ゼンマイバネの外端は、前記ケーシングに連繋されており、
　前記ゼンマイバネの内端は前記入力軸又は前記入出力軸の他方に連繋されている。

　また、前記蓄積手段は、定荷重バネを例示できる。

　前記入力軸の先端には、入力側ドラムが一体回転可能に取り付けられており、
　入出力軸３４０には、入出力側支持プレートが一体回転可能に取り付けられており、前記入出力側支持プレートには、入出力側ドラムが回転自在に取り付けられており、
　前記入出力側ドラムには、前記定荷重バネが巻き戻し方向に巻回され、前記定荷重バネの他端は前記入力側ドラムに巻回可能となっている構成を例示できる。

　前記変速機構は、正転、逆転、停止の何れかの状態を切替可能であって、変速比が可変である。

　前記変速機構は、変速比が無段に可変である。

　また、本発明の陸上移動体は、上記記載の回生エネルギーを利用した駆動機構を具える。

　本発明の回生エネルギーを利用した駆動機構によれば、駆動源からの動力は、蓄積部にエネルギーを蓄積可能である限り、蓄積部に蓄積される。また、蓄積部に蓄積されたエネルギーは、変速機構に出力可能となっており、変速機構を介して被駆動部材を駆動することができる。

　一方で、駆動源の駆動軸は、一方向のみの回転が許容されているから、蓄積部の回生エネルギーが駆動源に伝達されたり駆動源で消費されることはない。

　また、被駆動部材の制動時等における回生エネルギーは、変速機構を介して蓄積部に伝達され、蓄積される。

　本発明の回生エネルギーを利用した駆動機構によれば、被駆動部材を駆動させるためのエネルギーは、蓄積部に蓄積された駆動源からのエネルギー、及び、被駆動部材の制動時等に生じ変速機構を介して蓄積部に蓄積された回生エネルギーである。

　被駆動部材からの回生エネルギーは、変速機構を介して蓄積部に蓄積できるから、たとえば変速機構に無段変速機構を採用することで、究極的には駆動源や機構的なブレーキを不要とすることも可能である。

　さらに、本発明の回生エネルギーを利用した駆動機構によれば、クラッチ機構は必要とせず、又は、採用する場合であっても少数で済むから、駆動機構の構成や制御を簡略化することができる。

　また、蓄積部としてゼンマイバネや定荷重バネを採用した場合、回生エネルギーはゼンマイバネや定荷重バネに蓄積され、蓄積された回生エネルギーは、効率的に変速機構へ出力することができる。

　本発明の回生エネルギーを利用した駆動機構によれば、運動エネルギーを別の物理系である電気又は化学変化等に変換することなく、同じ物理系で蓄積することができるので、高効率のエネルギー蓄積を実現することができる。

図１は、本発明の回生エネルギーを利用した駆動機構の概略構成を示すブロック図である。図２は、本発明の一実施形態に係る蓄積部の斜視図である。図３は、図２の軸に沿う断面図である。図４は、本発明の一実施形態に係る変速機構の斜視図である。図５は、変速機構の側面図である。図６は、変速機構を図５の矢印Ａ－Ａに沿って断面した第１軸側から見た断面図である。図７は、第１軸に対する第２軸の変速比が大、第１軸と第２軸の回転方向が逆向きの場合の説明図である。図８は、第１軸に対する第２軸の変速比が小、第１軸と第２軸の回転方向が逆向きの場合の説明図である。図９は、第１軸と第１球状転動体が並んだニュートラル状態、第２軸が停止の状態を示す説明図である。図１０は、第１軸に対する第２軸の変速比が小、第１軸と第２軸の回転方向が同方向の場合の説明図である。図１１は、第１軸に対する第２軸の変速比が大、第１軸と第２軸の回転方向が同方向の場合の説明図である。図１２は、アクチュエーターのストロークと加減速の関係を示している。図１３は、駆動機構の各軸の回転数と変速比を示す説明図である。図１４は、本発明の他の実施形態に係る蓄積部の軸に沿う断面図であって、定荷重バネを採用した実施形態を示している。図１５は、図１４の線Ａ－Ａに沿う断面図である。図１６は、定荷重バネのエネルギー蓄積工程を示す説明図である。図１７は、第２ディスクの停止機構の説明図であって、第２球状転動体が第２ディスクのセンターに達していない状態を示している。図１８は、図１７の線Ａ－Ａに沿う断面図であって、第２球状転動体が第２ディスクのセンターに達した状態を示している。図１９は、本発明の異なる実施形態に係る変速機構の斜視図である。

　本発明の回生エネルギーを利用した駆動機構１００について、図面を参照しながら説明を行なう。本発明の駆動機構１００は、たとえば、自動車やトラック、バス、オートバイ、自転車、鉄道等の陸上移動体の駆動機構に適用することができる。

　図１は、本発明の一実施形態に係る回生エネルギーを利用した駆動機構１００の概略構成を示すブロック図である。図に示すように、駆動機構１００は、駆動源２００と、エネルギー（回生エネルギーを含む）を蓄積する蓄積部３００と、変速比が可変である変速機構４００と、変速機構４００に連繋された被駆動部材５００を具える。

　本発明の駆動機構１００は、駆動源２００からのエネルギーを蓄積部３００に蓄積可能であり、蓄積部３００に蓄積されたエネルギー（回生エネルギーを含む）は変速機構４００を介して被駆動部材５００に供給可能となっている。また、被駆動部材５００の制動時等に発生するエネルギーは、変速機構４００を介して蓄積部３００に蓄積可能となっている。すなわち、蓄積部３００には、駆動源２００と被駆動部材５００の両方からエネルギーを蓄積可能であって、その蓄積されたエネルギーで被駆動部材５００を駆動可能となっている。

　以下、図１等を参照して、各構成について詳述する。

　駆動源２００は、図１に示すように、モーターやエンジンなどを例示することができる。たとえばモーターを駆動源２００とする場合、図示省略するバッテリーや商用電源等を電源として構成する。駆動源２００は、出力軸として軸受等に軸支された駆動軸２１０を具える。駆動軸２１０には、ワンウェイベアリング２２０等によって一方向のみの回転が許容されるよう構成されている。なお、「一方向」とは厳密に一方向だけでなく、多少の逆方向の回転を許容する構成も含む。

　蓄積部３００は、回生エネルギーを蓄積する。蓄積部３００は、図２及び図３に示すように、エネルギーを蓄積する蓄積手段としてゼンマイバネ３１０を例示している。蓄積部３００は、ゼンマイバネに限定されず、コイルバネやゴム、エアーなどの弾性体であってもよい。また、後述するとおり、蓄積部３００に定荷重バネ３６０，３６１を採用することもできる。

　ゼンマイバネ３１０は、鋼板を巻回して構成することができ、回動可能に支持されたケーシング３２０に収容されている。図示の実施形態では、ケーシング３２０は円筒形状であるが、ゼンマイバネ３１０を収容可能であれば、複数のフレームを同心円上に配置した構成等であってもよい。

　ゼンマイバネ３１０の内端は、軸受等に軸支された入力軸３３０に連繋されている。入力軸３３０は、図示の実施形態では駆動軸２１０と一体に構成されている。なお、入力軸３３０と駆動軸２１０は、ギア等を介して接続しても構わない。

　ゼンマイバネ３１０の外端は、ケーシング３２０に接続されている。ケーシング３２０は、一端に縮径した縮径部３２２を有しており、縮径部３２２の中央には、入力軸３３０と同心且つ逆向きに延びる入出力軸３４０に連繋されている。入出力軸３４０は、図示しない軸受等に軸支されている。縮径部３２２は、図２及び図３に示すように円錐形状としたり、円盤形状とすることができる。なお、縮径部３２２は、ケーシング３２０を完全に塞ぐ必要はなく、ケーシング３２０と入出力軸３４０が一体回転可能であれば、フレーム等によって構成しても構わない。

　蓄積部３００について、本実施形態では、上記のとおり、ゼンマイバネ３１０の内端を入力軸３３０、外端をケーシング３２０に連繋しているが、内端をケーシング３２０、外端を入出力軸３４０に連繋するよう構成しても構わない。

　蓄積部３００は、駆動源２００を一方向に回転させることでゼンマイバネ３１０を巻き込む方向に回転し、ゼンマイバネ３１０にエネルギーを蓄積することができる。また、蓄積部３００は、ゼンマイバネ３１０が伸びる方向に変形することで蓄積されたエネルギー（回生エネルギーを含む）を変速機構４００から被駆動部材５００に出力することができる。一方、被駆動部材５００の減速等の際に、変速機構４００からゼンマイバネ３１０を巻き込む方向に回転させることで、ゼンマイバネ３１０に回生エネルギーを蓄積することができる。

　変速機構４００は、蓄積部３００の入出力軸３４０に連繋された第１軸４２０と、被駆動部材５００に連繋された第２軸４３０を正転、逆転、停止の何れかの状態に切替可能且つ動力伝達可能に連繋して構成される。

　変速機構４００は、有段で変速比を可変することのできる有段変速機構を採用することができるが、本実施形態では、変速機構４００は、変速比を無段に可変である無段変速機構を採用している。これにより、蓄積部３００から変速機構４００へのエネルギー伝達、変速機構４００から蓄積部３００への回生エネルギーの蓄積をより細やかに制御することができる。

　変速機構４００として、図４乃至図１１に示す構成を例示できる。なお、変速機構４００は、本実施形態に示すもの以外でも適用可能である。

　図４は、変速機構４００の概略構成を示す斜視図、図５は側面図、図６は第１軸４２０側から見た正面図である。図に示すように、変速機構４００は、蓄積部３００に連繋される第１軸４２０と、被駆動部材５００に連繋される第２軸４３０を平行且つ偏心して配備している。第１軸４２０は、蓄積部３００から変速機構４００へのエネルギーの出力軸と、変速機構４００から蓄積部３００への回生エネルギーの入力軸を兼ねている。また、第２軸４３０は、変速機構４００から被駆動部材５００へのエネルギーの出力軸と、被駆動部材５００から変速機構４００への回生エネルギーの入力軸を兼ねている。

　第１軸４２０は、軸受等により軸支されており、先端に第１ディスク４２１が連繋されている。図示の実施形態では、第１ディスク４２１は、第２軸４３０と対向する第１対向面４２２が、第１軸４２０に対して垂直な円盤体である。第１ディスク４２１の直径は、第１軸４２０と第２軸４３０の偏心距離以上とすることで、第１軸４２０と第２軸４３０の回転方向を切替可能とすることができる。

　第２軸４３０は、軸受等により回転可能に支持されており、先端に第２ディスク４３１が連繋されている。図示の実施形態では、第２ディスク４３１も円盤体であり、第１軸４２０と対向する第２対向面４３２が、第２軸４３０に対して垂直となっており、さらに、第２対向面４３２は、第１対向面４２２と少なくとも一部が対向している。望ましくは、第２対向面４３２は、第１対向面４２２と平行に向かい合っている。第２ディスク４３１の直径は、第１軸４２０と第２軸４３０の偏心距離以上とすることで、第１軸４２０と第２軸４３０の回転方向を切替可能とすることができる。

　第１ディスク４２１と第２ディスク４３１との間には、第１ディスク４２１と第２ディスク４３１を動力伝達可能に連繋する複数の球状転動体４４０，４５０が配置される。図示の実施形態では、球状転動体４４０，４５０は２つであり、第１ディスク４２１側の球状転動体４４０を第１球状転動体、第２ディスク４３１側の球状転動体４５０を第２球状転動体と称する。

　第１球状転動体４４０は、第１対向面４２２と接触しており、第２球状転動体４５０は、第２対向面４３２と接触している。また、第１球状転動体４４０と第２球状転動体４５０も接触している。そして、本実施形態では、第１球状転動体４４０と第２球状転動体４５０は、直径（直径線Ｌと称する）が直線状に並び、この直径線Ｌが、第１軸４２０及び第２軸４３０と平行になるようにホルダー４６０に保持されている（図４にはホルダー４６０は示さず）。なお、直径線Ｌは、第１軸４２０及び第２軸４３０と平行であることが好ましいが、これらに対して非平行とすることもでき、また、第１球状転動体４４０と第２球状転動体４５０は直径が直線状に並ばずにずれていても構わない。

　ホルダー４６０は、第１球状転動体４４０と第２球状転動体４５０を回転自在に保持している。より詳細には、図示のホルダー４６０は、対向する板状の台座の各内面にスラストベアリングの如きベアリング４６１を配備している。台座どうしは、その間隔が一定になるように保持されている。そして、ホルダー４６０の一端から第１対向面４２２に向けて第１球状転動体４４０、他端から第２対向面４３２に向けて第２球状転動体４５０が臨出している。

　ホルダー４６０は、第１球状転動体４４０及び第２球状転動体４５０と共に、第１ディスク４２１と第２ディスク４３１間で第１軸４２０及び第２軸４３０と平行な面内において、第１ディスク４２１と第２ディスク４３１の対向領域にて移動可能となるようにホルダー移動手段４６４に連繋されている。ホルダー４６０の移動方向を図５及び図６中矢印６Ａで示す。ホルダー移動手段４６４は、シリンダーの如きアクチュエーター４６５を例示でき、この場合、ピストンロッド４６６をホルダー４６０に連結した構成とすることができる。

　上記した第１ディスク４２１の第１対向面４２２と第１球状転動体４４０、第１球状転動体４４０と第２球状転動体４５０、第２球状転動体４５０と第２ディスク４３１の第２対向面４３２は、夫々摩擦接触している。たとえば、これら対向面４２２，４３２、球状転動体４４０，４５０は、鋼などの金属、硬質ゴム、硬質樹脂などから作製することが好適である。変速機構４００の効率を高めるには、対向面４２２，４３２と球状転動体４４０，４５０の滑りを低減することが望まれる。

　上述の変速機構４００について、図４乃至図６を用いてその動作原理を説明する。変速機構４００からの動力を受けて、第１軸４２０が図中矢印２Ａ方向に回転すると、第１ディスク４２１も第１軸４２０と共に回転する。第１球状転動体４４０は、第１対向面４２２に摩擦接触しており、ホルダー４６０によって保持されているから、第１ディスク４２１の回転によって図中矢印４Ａ方向に転動する。第１球状転動体４４０と摩擦接触している第２球状転動体４５０は、第１球状転動体４４０の転動によって、図中矢印５Ａ方向に転動する。

　そして、第２ディスク４３１は、第２対向面４３２が第２球状転動体４５０と摩擦接触しているから、第２球状転動体４５０の矢印５Ａ方向の転動によって、図中矢印３Ａ方向に回転し、第２軸４３０が第１軸４２０とは逆向きに回転することになる。

　ここで、ホルダー移動手段４６４を作動させると、第１軸４２０と第２軸４３０の変速比を変えることができる。変速比は、第１球状転動体４４０と第２球状転動体４５０の直径が同じである場合、図５に示す第１軸４２０から直径線Ｌまでの距離Ｓ１を、第２軸４３０から直径線Ｌまでの距離Ｓ２で割った値（Ｓ１／Ｓ２）で表わすことができる。変速比が大きいほど、第１軸４２０に対する第２軸４３０の回転数は大きくなるが第２軸４３０のトルクは小さくなり、また、変速比が小さいほど、第１軸に対する第２軸４３０の回転数は小さくなるが第２軸４３０のトルクは大きくなる。

　変速比について、図５では、第１軸４２０から直径線Ｌまでの距離Ｓ１と、第２軸４３０から直径線Ｌまでの距離Ｓ２を１：１としている。従って、第１軸４２０と第２軸４３０の変速比（Ｓ１／Ｓ２）は１である。

　一方、ホルダー移動手段４６４を縮めて、図７に示すように、第１軸４２０から直径線Ｌまでの距離Ｓ１を、第２軸４３０から直径線Ｌまでの距離Ｓ２よりも大きくすると、変速比（Ｓ１／Ｓ２）は１よりも大きくなる。

　逆に、ホルダー移動手段４６４を伸ばして、図８に示すように、第１軸４２０から直径線Ｌまでの距離Ｓ１を、第２軸４３０から直径線Ｌまでの距離Ｓ２よりも小さくすると、変速比（Ｓ１／Ｓ２）は１よりも小さくなる。

　上記のように、本実施形態の変速機構４００によれば、ホルダー移動手段４６４によって第１球状転動体４４０と第２球状転動体４５０の位置を第１軸４２０と第２軸４３０との間で移動させることにより、第１軸４２０の回転を所望の変速比で第２軸４３０に伝達することができる。

　なお、図９に示すように、第１軸４２０の回転中心と直径線Ｌが一致するようにホルダー移動手段４６４を伸縮させることにより、第１球状転動体４４０及び第２球状転動体４５０は、図中矢印４Ｂ及び５Ｂで示すように、第１軸４２０及び第２軸４３０と直交する面内で停止する。この結果、第１軸４２０の回転は、第２軸４３０に伝達されない状態となる。

　上記のような場合に、図９に示すように、第１ディスク４２１や第２ディスク４３１の回転中心に、球状転動体４４０を転動自在とするベアリングの如き空転手段４２９を設ける構成を例示できる。この場合、第１球状転動体４４０が第１ディスク４２１の空転手段４２９上に移動したときに、第１ディスク４２１の回転が第１球状転動体４４０に伝達されないフリー状態となり、第１球状転動体４４０、第２球場移転動体４５０及び第２ディスク４３１は、停止状態を実現できる。

　図１０及び図１１は、第１軸４２０と第２軸４３０を同方向に回転させる例である。図１０及び図１１に示すように、直径線Ｌが、第１軸４２０と第２軸４３０との間にない場合には、図中矢印３Ｂで示すように、第２軸４３０は、第１軸４２０の回転方向と同じ方向に回転する。

　上記を組み合わせることにより、本発明の変速機構４００によれば、第１軸４２０から第２軸４３０への変速比を変えることができることは勿論、第１軸４２０に対する第２軸４３０の回転方向も制御することができる。

　なお、上記変速機構４００は、球状転動体は、第１球状転動体４４０と第２球状転動体４５０の２つであるが、３つ以上とすることもできる。この場合、球状転動体の数が偶数であれば、第１軸４２０と第２軸４３０との回転方向は上記と同じである。一方、球状転動体の数が奇数であれば、第１軸４２０と第２軸４３０との回転方向は上記とは逆になる。

　また、上記実施形態では、第１球状転動体４４０と第２球状転動体４５０の直径は同じであるが、第１球状転動体４４０と第２球状転動体４５０の直径を変えても構わない。

　さらに、上記実施形態では、第１ディスク４２１の第１対向面４２２と、第２ディスク４３１の第２対向面４３２は、夫々平面であるが、一方を凹円錐形状や椀状などの凹形状、他方を凹形状と対応した凸形状とすることもできる。この場合、対向面４２２，４３２と球状転動体４４０，４５０、或いは、球状転動体４４０，４５０どうしの摩擦接触が低下しないように第１対向面４２２と第２対向面４３２の間隔を調整する必要がある。

　上記の変速機構４００によれば、球状転動体４４０，４５０のディスク４２１，４３１への接触位置を調整するだけで、第１軸４２０から第２軸４３０へ伝達される動力の変速比や回転方向を自在に変化させ、さらには動力を伝達しないニュートラルとすることもできる。

　また、変速機構４００は、ディスク４２１，４３１と球状転動体４４０，４５０、球状転動体を保持するホルダー４６０及びホルダー移動手段４６４により構成することができるから、従来の無段変速機構に比べて構成が簡便であり、また、メンテナンス性にもすぐれる。

　上記した変速機構４００は、アクチュエーター４６５を作動させることにより、図１２に示すように、第１軸４２０から入力された駆動力を、正転側の最高速、高速、中速、低速、徐行、停止、逆転側の逆徐行、逆低速、逆中速の状態で、第２軸４３０に出力することができる。なお、さらにアクチュエーター４６５を伸縮させることで、逆高速、逆最高速にも調整可能である。説明では、高速、中速等の段階で示しているが、変速比が無段階に設定可能であるから、速度変化も無段階に調整できる。また、微細調整も可能で、変速比が極小から極大まで大きな可変幅を得ることができる。

　被駆動部材５００は、駆動機構１００によって駆動する部材であり、陸上移動体の場合、駆動輪（図１参照）を例示できる。

　そして、駆動機構１００の操作は、アクセル及びブレーキなどの人的操作を受け付ける操作部６００（図１参照）によって行なわれる。

　上記構成の回生エネルギーを利用した駆動機構１００は、図１に示すように、中央制御装置（ＣＰＵ７００を主体として構成される）によって制御される。ＣＰＵ７００には、駆動機構１００のすべての制御のためのプログラムや設定を記憶するＲＯＭやＲＡＭなどの記憶手段（図示せず）が接続されている。

　ＣＰＵ７００は、操作部６００に電気的に接続されており、操作部６００からの操作に基づいて、駆動源２００の出力及び回転数を制御すると共に、変速機構４００のアクチュエーター４６５の伸縮を制御して、変速機構４００の変速比及び動力伝達方向を制御する。また、変速機構４００の第１軸４２０には、回転数やトルクを検出する検出器７１０が配備されており、その検出値は、ＣＰＵ７００に送信される。

　また、蓄積部３００には、蓄積部３００に蓄積されているエネルギー（回生エネルギーを含む）を検出するセンサ７２０が配備されており、その検出値は、ＣＰＵ７００に送信される。

　そして、ＣＰＵ７００は、各軸の回転数、トルク、蓄積部３００の蓄積エネルギー量を把握し、操作部６００からの操作及びセンサ７２０から蓄積部３００のエネルギー蓄積状況を比較部７３０にて比較し、アクチュエーター４６５及び駆動源２００を制御する。なお、詳細は後述する。

　上記構成の回生エネルギーを利用した駆動機構１００の基本的な動作は以下のとおりである。

　駆動源２００を作動させることにより、駆動軸２１０と入力軸３３０が一体に回転し、入力軸３３０に接続されたゼンマイバネ３１０が内端側から巻き込み方向に巻回されて、蓄積部３００にエネルギーが蓄積される。なお、蓄積部３００に蓄えられたエネルギーが最大となったことがセンサ７２０によって検知されると、ＣＰＵ７００は、駆動源２００を停止させるよう制御する。この制御は、以下の何れの場合であっても同様である。

　そして、蓄積部３００に蓄積されたエネルギー（回生エネルギーを含む）は、変速機構４００を通じて被駆動部材５００を駆動させる。たとえば、被駆動部材５００を駆動させたい場合には、操作部６００が操作（アクセル）されることで、ＣＰＵ７００は、センサ７２０によって検知された蓄積部３００に蓄積されたエネルギーと必要な動力を比較部７３０にて算出し、変速機構４００の回転数やトルクを検出器７１０で検出しつつ、被駆動部材５００に最適な駆動力供給ができるようにアクチュエーター４６５を伸縮させる。これにより、蓄積部３００から変速機構４００を介して被駆動部材５００に回転力が伝達され、被駆動部材５００が駆動する。

　被駆動部材５００が駆動している状態で、駆動源２００を作動させておくことにより、入力軸３３０の回転数が、入出力軸３４０の回転数よりも大きければ、蓄積部３００に追加のエネルギーが蓄積される。また、入力軸３３０と入出力軸３４０の回転数が同じであれば、蓄積部３００には追加のエネルギーが蓄積されることなく一定に保持される。さらに、入力軸３３０の回転数が、入出力軸３４０の回転数よりも小さければ、駆動源２００の動力と蓄積部３００のエネルギーの一部が被駆動部材５００で消費されることになり、蓄積部３００に蓄積されているエネルギーは減少することになる。

　一方、被駆動部材５００を減速させる場合には、操作部６００が操作（ブレーキ）されることで、アクチュエーター４６５を操作して、被駆動部材５００の制動力を変速機構４００を介して蓄積部３００に伝達することにより、ゼンマイバネ３１０が巻き込み方向に巻回されて、回生エネルギーが蓄積部３００に蓄積される。このとき、ＣＰＵ７００は、変速機構４００の回転数やトルクを検出器７１０で検出し、また、センサ７２０にて蓄積部３００に既に蓄積されているエネルギー量を参照して、最適に回生エネルギーを蓄積部３００に蓄積できるよう制御する。

　以下、本発明の駆動機構１００について、図１３を参照しながら、等速走行時及び減速時の動作の一実施形態を具体的に説明する。駆動機構１００は、車両に搭載するものとし、被駆動部材５００は、車両の駆動輪を例示する。

　図１３は、駆動機構１００の概略図である。図において、被駆動部材５００を駆動する第２軸４３０の回転数をＡ、入出力軸３４０（第１軸４２０）の回転数をＢ、駆動軸２１０（入力軸３３０）の回転数をＣとする。また、以下の説明では、変速機構４００の変速比は、Ｘ：Ｙ＝第２軸４３０（被駆動部材側）：第１軸４２０（蓄積部側）で表記する。

＜１．時速５０ｋｍの等速走行＞
　たとえば、車両が時速５０ｋｍで走行している状態において、変速機構４００の変速比を１：１に設定すると、回転数は、Ａ＝Ｂ≦Ｃとなる。このとき、蓄積部３００の入力反発トルク（蓄積部３００に蓄積されたエネルギー）は、駆動源２００の出力トルク（駆動源２００から蓄積部３００に入力されるエネルギー）よりも小さいから、蓄積部３００には、駆動源２００からのエネルギーが少しずつ蓄積されていく。

＜２．時速５０ｋｍから時速４０ｋｍへ減速＞
　操作部６００を操作（アクセルを弱める）し、変速機構４００の変速比をたとえば１．２：１に設定する。これにより、変速機構４００からの出力トルクが蓄積部３００のトルクよりも大きくなり、回転数は、Ａ＜Ｂ≦Ｃとなって、被駆動部材５００側のエネルギーが蓄積部３００に移動する。駆動源２００は回転しているから、蓄積部３００には、被駆動部材５００と駆動源２００の両方からエネルギーが蓄積される。すなわち、被駆動部材５００から蓄積部３００にエネルギーが回生エネルギーとして移動することで、被駆動部材５００の回転数は徐々に低下し、車両は減速を開始する。

　そして、徐々に時速４０ｋｍに近づき、等速になる。このとき、回転数はＡ＝Ｂ≦Ｃとなり、蓄積部３００の回生エネルギーは、５０ｋｍ－４０ｋｍ＝１０ｋｍに相当する減速エネルギー分だけ増大する。そして、時速が設定速度である４０ｋｍ／ｈに近づくと、変速機構４００の変速比を徐々に元の１：１に戻すことで、車両は等速状態となる。この減速によって、上記１．と同様に、蓄積部３００にはエネルギーが蓄積された状態になる。

＜３．時速４０ｋｍの等速走行＞
　変速機構４００の変速比が１：１の状態で（Ａ＝Ｂ）、蓄積部３００の蓄積エネルギーが、蓄積部３００に蓄積可能なエネルギーの最大になると、駆動源２００を停止する（Ｃ＝０）。これにより、蓄積部３００の蓄積エネルギーのみで被駆動部材５００を駆動することができる。そして、蓄積部３００の蓄積エネルギーが減少すると、再度駆動源２００を作動させて、その減少分のエネルギーを蓄積部３００に追加して蓄積する。

＜４．時速５０ｋｍからの急制動＞
　上記１．の時速５０ｋｍで等速走行している際に、操作部６００を操作（ブレーキ）して急制動した場合には、変速機構４００の変速比をたとえば２：１まで急激に変化させる。これにより、第２軸４３０と第１軸４２０の回転数の比は、Ａ＜＜Ｂとなる。さらに、急制動では蓄積部３００に急激に回生エネルギーが流入するため、駆動源２００から蓄積部３００へのエネルギーの移動を阻止するために、Ｃ＝０となることがある。しかしながら、ワンウェイベアリング２２０により、駆動源２００は逆転することはない。

　変速比が２：１となり、回転数の比がＡ＜＜Ｂとなることで、被駆動部材５００から変速機構４００に伝達されるトルクが急激に増大する。そして、蓄積部３００に大きな回生エネルギーが急激に蓄積されると共に、被駆動部材５００の回転数が減少して、車両の速度が急激に減速する。

　なお、急制動の後、低速での走行を行なう場合には、上記３．と同様の制御を行なえばよい。

　上記のように、ブレーキ操作時に、その制動力を回生エネルギーに変換して蓄積部３００に蓄えることができるようにしたことで、究極的には、被駆動部材５００に運動エネルギーを熱エネルギーに変換して外部に放出する一般的なブレーキを不要とすることができ、駆動機構１００の簡略化を達成できる。

　本発明によれば、上記のように簡易な機構で駆動機構１００を構成することができ、クラッチ機構は必要とせず、又は、採用する場合であっても少数で済む。

　また、蓄積部３００にエネルギー（回生エネルギーを含む）が蓄積されているから、急加速を行なう場合であっても、駆動源２００のみのエネルギーに頼らなくてよいから、駆動源２００は出力の小さいもので済み、駆動機構１００の小型化や軽量化を達成できる。

　上記説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或いは範囲を限縮するように解すべきではない。また、本発明の各部構成は、上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

　図１４及び図１５は、蓄積部３００としてゼンマイバネ３１０に代えて、一対の定荷重バネ３６０，３６１を採用した実施形態である。なお、上記実施形態と同様の部材には同じ符号を付し、適宜その説明を省略する。

　入力軸３３０と入出力軸３４０は、ベアリング３３１、ベアリング３４１に軸支され、同心に配置されている。入力軸３３０の先端には、入力側ドラム３６２が一体回転可能に取り付けられている。また、入出力軸３４０には、円盤状の入出力側支持プレート３６３が一体回転可能に取り付けられている。

　入出力側支持プレート３６３は、入力軸３３０側に向けて一対の入出力側ドラム３６４，３６４が、入力側ドラム３６２を挟んで対称且つ回転自在に取り付けられている。

　入出力側ドラム３６４，３６５には、定荷重バネ３６０，３６１が夫々巻回されている。定荷重バネ３６０，３６１は、巻き戻し方向が入出力側ドラム３６４，３６５への巻回方向である帯状のバネであり、これら定荷重バネ３６０，３６１の巻き戻し方向の端部は、夫々入出力側ドラム３６４，３６５に固定されている。

　定荷重バネ３６０，３６１の他端は、中央の入力側ドラム３６２に固定されており、定荷重バネ３６０，３６１は、その巻回方向を反転させて、反り返った状態で入力側ドラム３６２に巻回可能となっている。

　定荷重バネ３６０，３６１は、入出力側ドラム３６４，３６５に巻き戻し方向に付勢力が作用しており、入力側ドラム３６２に反り返って巻回させることでエネルギーを蓄積し、他方、蓄積されたエネルギーは、入出力ドラム３６４，３６５に定荷重バネ３６０，３６１が巻き戻されることで放出される。

　すなわち、図１６（図１６では定荷重バネ３６０、入力側ドラム３６２、入出力側ドラム３６４のみを示している）に示すように、入力側ドラム３６２を矢印２Ａで示すように回転させることで、図１６の左から右側に示すように、入出力側ドラム３６４から定荷重バネ３６０が送り出されると共に、入力側ドラム３６２に定荷重バネ３６０が巻回されていく。これにより、蓄積部３００にエネルギーが蓄積される。

　上記エネルギーの蓄積は、図１５において、矢印３Ａ方向に入出力側支持プレート３６３を回転させることと同様である。すなわち、入力側ドラム３６２に対する入出力側支持プレート３６３の矢印３Ａ方向の回転は、入力側ドラム３６２が相対的に矢印２Ａ方向に回転することになるからである。

　従って、蓄積部３００へのエネルギーの蓄積は、入力軸３３０の回転又は入出力軸３４０の逆回転によって行なうことができる。

　一方、蓄積部３００に蓄積されたエネルギーは、入出力側ドラム３６４，３６５に定荷重バネ３６０，３６１が巻き戻されることで放出される。入出力側ドラム３６４，３６５は、入出力側支持プレート３６３に連繋されているから、入出力側ドラム３６４，３６５が定荷重バネ３６０，３６１を巻き戻すときに、入出力ドラム３６４，３６５が回転しながら入出力側支持プレート３６３も矢印３Ａとは逆方向に回転することになる。これにより、蓄積部３００に蓄積されたエネルギーが入出力側支持プレート３６３、すなわち、入出力軸３４０を回転させることができる。

　然して、上記した実施形態と同様に、駆動源２００からのエネルギーを蓄積部３００に蓄積しつつ、被駆動部材５００に放出し、また、被駆動部材５００からの回生エネルギーを蓄積部３００に蓄積することができる。

　定荷重バネ３６０，３６１を蓄積部３００に採用することで、入力側ドラム３６２への定荷重バネ３６０，３６１の巻回量によらず、一定のトルクによってエネルギーを蓄積、放出可能であるが、蓄積部３００のバネは必ずしも定荷重バネである必要はない。

　また、図１７及び図１８は、被駆動部材５００側の第２ディスク４３１の停止機構を示している。図に示すように、第２ディスク４３１は、その回転中心に貫通孔４３３が形成されており、第２対向面４３２とは逆側の面に、筒状の突起が形成されている。突起の外周側には駆動軸伝達用歯車４３４が刻設されており、内周側には歯車状のブレーキ摩耗部４３５が刻設されている。駆動軸伝達歯車４３４は、第２軸４３０の基端に形成された歯車４３６と噛合している。

　第２ディスク４３１は、固定側の筐体４７０から突設された軸４７１にベアリング４７２を介して回動自在に支持されている。軸４７１には、中央に凹みが形成されており、凹みには、オルダム軸継手４７４が収容されている。オルダム軸継手４７４の先端には、第２ディスク４３１の貫通孔４３３よりも小径であり、オルダム軸継手４７４が、第２ディスク４３１の回転面と平行な面内でスライド可能な感知軸４７５が突設されている。オルダム軸継手４７４の先端側には、感知軸４７５が第２ディスク４３１の貫通孔４３３の内面と当接又は接近したときに第２ディスク４３１のブレーキ摩耗部４３５と当接又は噛合するブレーキ摩耗部４７６が形成されている。オルダム軸継手４７４は、無負荷の状態では感知軸４７５が貫通孔４３３の中央に位置するよう図示省略する付勢手段によって支持されている。

　上記構成の停止機構において、図１７に示すように、第２球状転動体４５０が第２ディスク４３１の中央に移動したときには、感知軸４７５が第２球状転動体４５０と当接して、感知軸４７５が位置ずれし、ブレーキ摩耗部４３５，４７６どうしが当接又は噛合することで、第２ディスク４３１は、筐体４７０に対して回転不能に係合される。これにより、第２ディスク４３１の回転を停止させることができる。

　他方、感知軸４７５に第２球状転動体４５０が当接していない状態では、オルダム軸継手４７４は付勢手段によって第２ディスク４３１の貫通孔４３３の中央に位置するから、ブレーキ摩耗部４３５，４７６どうしは離れているから、第２ディスク４３１の回転は許容される。

　上記構成の停止機構を採用することで、第２球状転動体４５０、すなわち、アクチュエーター４６５の操作のみで第２ディスク４３１の回転を停止させることができる。

　一方、第２ディスク４３１の中心に第２球状転動体４５０が位置した場合、アクチュエーター４６５の位置情報により、それを検知して、ＣＰＵ７００の判断で被駆動部材５００の停止或いはニュートラル状態を作ることができる。

＜変速機構の異なる実施形態＞
　図１９は、本発明の駆動機構における変速機構４００の異なる実施形態を示している。図１９の変速機構４００は、図４等で説明した変速機構に代えて駆動機構に配置することができる。なお、蓄積部３００等の構成は上記実施形態と同様であるため説明を省略する。また、上記実施形態と同じ符号を付した部材は、同じ又は同等の構成であり、適宜説明を省略する。

　図１９の変速機構４００では蓄積部に第１軸４２０を介して動力伝達可能に配置された第１ディスク４２１と、第２軸４３０を介して出力側に連繋される第２ディスク４３１に加えて、第１ディスク４２１側に第１ディスク４２１により従動する補助ディスク４８０を配置している。補助ディスク４８０は、第１ディスク４２１と外接する円盤体とすることができ、補助ディスク４８０は第１ディスク４２１と平行な面内に配置され、軸受４８２に支持されて第１ディスク４２１の回転に従動し、第１ディスク４２１とは逆向きに回転する。

　たとえば、第１ディスク４２１と補助ディスク４８０は、周面に歯の刻設されたギアとし、ギアが噛合することで第１ディスク４２１の回転を補助ディスク４８０に伝達可能とすることができる。また、第１ディスク４２１と補助ディスク４８０の周面を粗に形成し、周面どうしを当接させても構わない。

　すなわち、第１軸４２０の駆動により、第１ディスク４２１と補助ディスク４８０が共に回転する構成であれば、その動力伝達機構はとくに限定されるものではない。

　図示の実施形態では、補助ディスク４８０は第１ディスク４２１と同じ直径であるが異なる直径であっても構わない。

　第２ディスク４３１は、図１９に示すように、第１ディスク４２１と補助ディスク４８０の両方に対向する位置に配置される。より詳細には、第２ディスク４３１は、第１ディスク４２１と補助ディスク４８０の回転中心を結ぶ線Ｌｍ上に直径が配置される、すなわち、第２軸４３０の延長線がＬｍと直交するよう配置される。第２ディスク４３１は、第１ディスク４２１と補助ディスク４８０の回転中心間距離以上の直径とし、第２軸４３０は、第１ディスク４２１と補助ディスク４８０の接点に回転中心が位置することが望ましい。

　そして、第１ディスク４２１と補助ディスク４８０側に第１球状転動体４４０が当接し、第２ディスク４３１に第２球状転動体４５０が当接している。第１球状転動体４４０と第２球状転動体４５０は上記実施形態と同様に互いに当接し、ホルダー（図示せず）保持され、ホルダー移動手段（図示せず）によって線Ｌｍ方向に移動可能となっている。

　然して、ホルダー移動手段の操作によって、球状転動体４４０，４５０をディスク４２１，４８０，４３１上で移動させることにより、第１軸４２０から第２軸４３０に出力される回転方向、回転数、回転トルクを適宜調整することができる。

　具体的には、第１軸４２０を回転させると、第１ディスク４２１が回転し（方向２Ａ）、補助ディスク４８０は、第１ディスク４２１とは逆向きに従動する（方向８Ａ）。

　第１球状転動体４４０は、第１ディスク４２１又は補助ディスク４８０との摩擦接触により、ディスク４２１，４８０の回転方向と直交する垂直面内で従動回転する。図１９の例では、第１球状転動体４４０は第１ディスク４２１上にあるから、図中矢印４Ａで示す方向に回転する。

　第２球状転動体４５０は、第１球状転動体４４０と摩擦接触しているから、第１球状転動体４４０の回転により、第１球状転動体４４０と同じ面内で第１球状転動体４４０とは逆向きに従動回転する（方向５Ａ）。

　そして、第２球状転動体４５０と摩擦接触している第２ディスク４３１は、第２球状転動体４５０の回転により従動回転する。図示の実施形態では、第２ディスク４３１は、矢印３Ａに示す方向に回転する。これにより、第２ディスク４３１に接続された第２軸４３０が、第２ディスク４３１と同じ３Ａ方向に回転し、負荷（図示せず）を駆動することができる。

　第２ディスク４３１の回転方向、回転数及び回転トルクは、第１球状転動体４４０と第２球状転動体４５０の位置によって決定される。たとえば、図１９の状態から、球状転動体４４０，４５０を第１ディスク４２１の外周側、第２ディスク４３１の中心側に移動させると、回転方向は上記と同じであるが、第１軸４２０の回転数が同じであれば、第２軸４３０の回転数は大きくなり、回転トルクは小さくなる。

　一方、第１球状転動体４４０が補助ディスク４８０側に移動しても、第１球状転動体４４０と第２球状転動体４５０の回転方向は図１９と同じままである。しかしながら、第２球状転動体４５０が、第２ディスク４３１の回転中心を越えるから、第２ディスク４３１及び第２軸４３０の回転方向は図１９の矢印３Ａとは逆になる。すなわち、矢印３Ａを負荷の前進方向と考えると、負荷の後進方向に駆動力が伝達されることになる。また、補助ディスク４８０の回転中心と第１球状転動体４４０との距離、第２ディスク４３１の回転中心と第２球状転動体４５０との距離の比に応じた回転数、回転トルクで負荷に動力が伝達できる。

　逆に、負荷が減速状態にある場合には、負荷から第２軸４３０に伝達される回転力を第２ディスク４３１、球状転動体４５０，４４０、第１ディスク４２１或いは補助ディスク４８０を介して第１ディスク４２１に伝達し、第１軸４２０から蓄積部に回生エネルギーとして蓄積することもできる。

　蓄積部から負荷の駆動に必要なエネルギーの放出、或いは、回生エネルギーの蓄積は、図１を用いて説明したＣＰＵ７００による制御により達成される。

１００　駆動機構
２００　駆動源
２１０　駆動軸
２２０　ワンウェイベアリング
３００　蓄積部
３１０　ケーシング
３３０　入力軸
３４０　入出力軸
３６０　定トルクバネ
３７０　ケーシング
４００　変速機構
４２０　第１軸
４３０　第２軸
５００　被駆動部材

Claims

　回生エネルギーを利用した駆動機構であって、
　一方向のみの回転を許容する駆動軸を回転駆動する駆動源と、
　前記駆動軸を介して前記駆動源に連繋される入力軸と、前記入力軸に連繋され回生エネルギーを蓄積可能な蓄積手段と、前記蓄積手段に連繋される入出力軸とを有し、前記蓄積手段に回生エネルギーを蓄積し、蓄積された回生エネルギーを前記入出力軸から出力可能な蓄積部と、
　前記入出力軸を介して前記蓄積部に連繋される変速機構と、
　前記変速機構と連繋される被駆動部材と、
　を具えることを特徴とする回生エネルギーを利用した駆動機構。
　前記蓄積手段は、ゼンマイバネである、
　請求項１に記載の回生エネルギーを利用した駆動機構。
　前記入力軸と前記入出力軸は同心に配置され、
　前記ゼンマイバネは、前記入力軸又は前記入出力軸と同心に一体回転可能に連繋されたケーシングの内部に収容され、前記ゼンマイバネの外端は、前記ケーシングに連繋されており、
　前記ゼンマイバネの内端は前記入力軸又は前記入出力軸の他方に連繋されている、
　請求項２に記載の回生エネルギーを利用した駆動機構。
　前記蓄積手段は、定荷重バネである、
　請求項１に記載の回生エネルギーを利用した駆動機構。
　前記入力軸の先端には、入力側ドラムが一体回転可能に取り付けられており、
　入出力軸には、入出力側支持プレートが一体回転可能に取り付けられており、前記入出力側支持プレートには、入出力側ドラムが回転自在に取り付けられており、
　前記入出力側ドラムには、前記定荷重バネが巻き戻し方向に巻回され、前記定荷重バネの他端は前記入力側ドラムに巻回可能となっている、
　請求項４に記載の回生エネルギーを利用した駆動機構。
　前記変速機構は、正転、逆転、停止の何れかの状態を切替可能であって、変速比が可変である、
　請求項１乃至請求項５の何れかに記載の回生エネルギーを利用した駆動機構。
　前記変速機構は、変速比が無段に可変である、
　請求項６に記載の回生エネルギーを利用した駆動機構。
　請求項１乃至請求項７の何れかに記載の回生エネルギーを利用した駆動機構を具える陸上移動体。