(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
左右一対のトグルジョイント機構(1，3)の支持体への可動固定端を差動傘歯車装置(11a,11b，12a,12b)の仲介により結合し、その摺動端は支持体(10)上の溝(7)内を滑りかつ摺動体(4)に連結し、小クランク(5)と一体をなす駆動ギヤ(6)に連結、トグルジョイントの一部(1)と一体をなすベルクランク長辺(2)の末端に設置した左右のペダルからの踏力により、トグルジョイントの摺動部にリンクさせた摺動体(4)および小クランク(5)を経て駆動ギヤ(6)等の後続従動部より高出力を得ることを特色とする連続倍力駆動装置。
【請求項２】
左右一対のトグルジョイント機構(21,22)の一端を支持体へ可動に固定し、同じく左右一対のベルクランクの支点(30)を差動傘歯車装置(31a,31b，32a,32b)の仲介により支持体に可動に固定すると共に、ベルクランクの短辺(28)とトグルジョイントの結合部とを牽引リンク(23)にて結び、トグルジョイントの摺動端は支持体(20)上の溝(27)内を滑りかつ摺動体(24)に連結、更に小クランク(25)と一体をなす駆動ギヤ(26)に連結、ベルクランクの長辺(29)末端に設置した左右のペダルからの踏力により、牽引リンク(23)を経てトグルジョイントの摺動体にリンクさせた摺動体(24)、小クランク(25)を経て駆動ギヤ(26)等の後続従動部より高出力を得ることを特色とする連続倍力駆動装置。
【請求項３】
請求の範囲第２項に記載のベルクランク長辺(29)の上下運動の最下点に、支持体(20)上に設けるスプリング等を使用した踏み止め装置(33)を設置した連続倍力駆動装置。
【請求項４】
請求の範囲第２項に記載のトグルジョイント駆動装置両側の摺動体(24)下端に多数の同一平行四辺形を連ねた多節リンク伸縮機構を水平方向に接続し一方を収縮状態、他方を伸長状態で設置、双方共その初端から末端に至るリンク中央部の要所を延長ピンまたはスライダ(41)を以って両側の本体支持板(34)上の長溝(35)内に懸架させ、両側末端のリンクに連結板(42)を固定した水掻き装置(43)を連結し、左右のペダルからの踏力により両側それぞれ２本の溝型レール(51a,51b)に可動に支持された水掻き装置(43)を前後に駆動させて水を掻くことにより推進力を得る倍力駆動水上移動装置。
【請求項５】
請求の範囲第４項に記載のトグルジョイント駆動装置両側の摺動体(24)下端は、多節リンク伸縮機構の第１長リンク(38)の摺動体(24)側への上方延長線よりやや下向き角度で、且つ、リンク幅に相当する喰違い構造で一体化した小アーム(40)の上端部に連結することを特色とする多節リンク伸縮機構を設置した水上移動装置。
【請求項６】
請求の範囲第４項に記載の多節リンク伸縮機構初端の短リンク(36,37)はそれぞれ固定端に半円形歯車(39)を有し、互いに噛合った状態で支持板(34)初端に可動に固定することを特色とする多節リンク伸縮機構を設置した水上移動装置。
【請求項７】
請求の範囲第４項に記載の水掻き装置(43)は側板(45)と一体であり、水掻き板(44)は支持ロット(46)により側板(45)上に可動に支持され、多節リンクの伸長時には側板(45)上に設けた上部ストッパー(47)、下部ストッパー(48)により水掻き体勢を保持して水を掻き、又、収縮時には前方からの流圧により水圧回避姿勢で伸長前位置に戻ることを特色とする水掻き装置を設置した水上移動装置。
【請求項８】
請求の範囲第７項に記載の下部ストッパー(48)は平面と曲面を組合せた翼型で、水掻き時には水掻き板(44)を平面で支え、収縮時には前方からの流圧により水圧回避姿勢で伸長前位置に戻ることを特色とする下部ストッパーを設置した水上移動装置。
【請求項９】
請求の範囲第４項に記載の水掻き装置(43)の上面四隅にコロ(50)を取付けた懸垂小板(49)を設置し、コロを２本の溝型レール(51a,51b)内に保持、本体下部の前後中央位置に２個の歯付案内車(52)を設け、前内側の懸垂小板(49)どうし、後ろ内側の懸垂小板どうしに歯付ベルトをかけ廻し円滑な駆動を図る駆動補助装置を設置した水上移動装置。
【請求項１０】
本体下部水面下に水中翼(54)を設けリンク機構によるフラップ(55)の角度上下により航行時の船体浮上と制動を兼ねる水中翼浮上制動装置を設置した請求の範囲第４項に記載の水上移動装置。
【請求項１１】
本体下部水中に、従動軸に固定された舵と本体上部の原動軸に取付けた舵取り部を設けて、両軸間に機械運動機構を介在させることによる操舵装置を設置した請求の範囲第４項に記載の水上移動装置。
【請求項１２】
請求の範囲第４項に記載の水上移動装置の支持体(20)上に操舵席と双胴型浮体構造を設けた人力駆動船。
【請求項１３】
請求の範囲第１項に記載の左右のベルクランク長辺(2)から人力以外の原動力投入により出力を得ることを特色とする連続倍力駆動装置。
【請求項１４】
請求の範囲第２項に記載の左右のベルクランク長辺(2)から人力以外の原動力投入により出力を得ることを特色とする連続倍力駆動装置。
【請求項１５】
請求の範囲第４項に記載の左右のベルクランク長辺(2)から人力以外の原動力投入により推力を得ることを特色とする水上移動装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
駆動力を得るためのペダルは、自転車、水上遊具、その他人力を主な動力源とする各種機械に利用されてきた。トグルジョイントによる倍力機構は、末端で強圧を得る手動プレス機、穿孔機、金属せん断機等への利用が知られるが、ペダルの強力な駆動力として開示された例は見ない。
背景技術
回転式ペダルは簡潔にして汎用性があり広く利用されているが、その原理は単に梃子の作用のみに拠る。故に宿命的な低トルクから脱し得ず、ペダルにより高出力を得る試みは力学的な成功を見ていない。本発明はペダル装置周辺に倍力機構を取り入れることにより高トルクを実現するものである。ペダル装置に於いて倍力利用が可能であれば、実現困難と見られていた高出力性、省力性、資源エネルギー、地球環境問題に貢献することができる。自転車の高出力高積載力化、水上交通手段をはじめ新たな産業分野への応用開発、展開が可能となる。
本発明は複数のリンクの結合を主体とするため、摩擦が生じ易く、各部品の摩耗劣化は性能低下を招き易い。各連結部摺動部には小型、高性能の軸受が必要であり、各部にわたり軽量・精密・高強度・耐磨耗性・耐水耐腐蝕性等は不可欠である。製品化には先端的な技術と素材の融合に加えて、人体の安全と環境保護への配慮は最優先の問題である。
本発明は人力によるペダルの高出力化を実現したトグルジョイント利用によるペダル装置とその実施例であり、その開示を行う。
発明の開示
従来のペダル装置は、クランクと互いに一体化された駆動ギヤからなり、踏力により連続回転する。この方式は簡便であるが倍力性は無く従って低トルクである。本発明は倍力機構を取り入れたリンク装置であり、ペダルは非回転式で、上下動により高出力を生み出す。
倍力機構はベルクランク（曲り梃子）及びトグルジョイント機構を用い前者は入力部、後者は倍力部と見ることができ両者は常に連動し高出力効果を発揮する。
左右一対のリンク装置の一方を上り位置に他方を下り位置に設定し、双方のベルクランクの支点同軸上に夫々固定された傘歯車装置が左右のペダルの上下動を仲介する。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図はトグルジョイント駆動装置の実施例を示す図である。第３図はトグルジョイント駆動装置と多節リンク伸縮機構（パンタグラフ）を接続した水上駆動装置の実施例を示す図である。
第４図及び第５図はトグルジョイント水上駆動装置の実施例（収縮時、伸長時）を示す部分平面図である。
第６図トグルジョイント機構を仲介する傘歯車装置の実施例を示す横断面図である。
第７図（ａ）は多節リンク機構の収縮時、同（ｂ）は伸長時の状態を示す実施例の部分拡大図である。第８図は第３図の本体指示機構のみを示す図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明の詳細を添付の図面に従って説明する。
（第１図）
ベルクランクの短辺(1)末端には支持体(10)を挟む内側にベルクランクと一体化された傘歯車(11a)を有し、支持体(10)に可動に固定する。ベルクランクの長辺末端(2)にはペダル(9a)を設置する。
ベルクランク屈曲部に同短辺(1)と同長のリンク(3)をピンにより連結・揺動させ、トグルジョイント構造とする。
リンク(3)の下端は摺動体(4)上端にピンにて連結し、同軸上のスロットは支持体(10)に穿たれた溝(7)内を上下に滑動する。
摺動体(4)下端は、支持体(10)内側に軸支した駆動ギヤ(6)の支持体外側同軸上に固定した小クランク(5)にピンにて回転自在に連結する。駆動ギヤ(6)及び小クランク(5)の回転軸(8)は死点を回避するための溝(7)の下方延長線上より後方に設定する。
前述の、傘歯車及び一連のリンク装置すべてを、支持体(10)を挟む他の側にも左右対称仕様にて同様に設置する。駆動ギヤ(6)は一個を共用し左右の小クランク(5)は同じ位置で駆動ギヤ(6)に一体化させる。
一対のペダル(9a,9b)の一方は上限位置に、他方は下限位置に設定する。ペダルの上限、及び下限位置はベルクランク短辺(1)とリンク(3)が機構上最小角の“く”形、及び二辺が縦一直線状態を経過後の最小角“逆く”形となる位置で、人体による駆動に最適な設計配置を行う。
同型２個の傘歯車(11a,11b)は、支持体(10)内側に可動に固定された仲介傘歯車(12)と噛合せて差動歯車を形成する。これにより一方のペダルを踏み下すとき、他方のペダルはせり上がる。
出力は、駆動ギヤ(6)の回転軸(8)より、又は駆動ギヤの回転をチェン等の懸架による従動ギヤ(13)の回転により回転運動として、又は従動クランク(14)の回転により一端を可動に固定した穴あき揺動アーム(15)による揺振運動として取り出すことが出来る。
枢着端であるベルクランク短辺の末端に傘歯車装置を置き、ペダルを踏み下すと倍力機構を経て摺動体は駆動ギヤに強力なトルクを伝え、末端の出力部を駆動する。ペダルが最下点に達した時、駆動ギヤは一回転を終る。他のペダルは差動傘歯車装置と踏力により駆動ギヤより従動されたリンク装置との連携により最下点から順次最上点にまで無理なく引上げられ、次の一回転の踏力に引継がれる。
駆動ギヤの回転は、歯車やチェン等の伝動系を経て従動ギヤに伝え最適な駆動力として取り出す。そのほか、駆動ギヤの回転運動を揺動アーム(15)による揺振運動、即ち鳥の“はばたき運動”としても利用出来る。
（第２図）
ベルクランク屈曲部(30)には支持体(20)を挟む内側にベルクランクと一体化した傘歯車(31a)を有し、これを軸として支持体前部に可動に固定する。ベルクランク長辺(29)の末端にはペダル(29a)を設置する。
上リンク(21)の上端は支持体(20)外側に可動に固定し、下端は同長の下リンク(22)の上端にピンにより連結揺動させ、下リンク(22)の下端は摺動体(24)上端に連結するトグルジョイント構造とする、上リンク(21)及び下リンク(22)の連結点とベルクランク短辺(28)を牽引リンク(23)を以って連結する。下リンク(22)の下端は摺動体(24)上端にピンにて連結し、同軸のスロットは支持体(20)に穿たれた溝(27)内を上下に滑動する。摺動体(24)下端は、支持体(20)内側に軸支した駆動ギヤ(26)の支持体外側同軸上に固定した小クランク(25)にピンにて回転自在に連結する。駆動ギヤ(26)及び小クランク(25)の回転軸は、死点を回避するため溝(27)の下方延長線上より後方位置に設ける。
前記、一連のリンク装置を、支持体(20)を挟む他の側にも左右対称仕様にて同様に設置する。駆動ギヤ(26)と一体化する左右２個の小クランク(25)は互いに半回転位置で固定し夫々の摺動体(24)に連結する。
一対のペダル(29a,29b)の一方は上限位置に、即ち上リンク(21)下リンク(22)が機能的に最小角の“く”形となった時、他方は両者が支持者(20)に沿って略縦一直線となる位置に下限位置を設ける結合とする。この位置で互いの傘歯車(31a,31b)を支持体(20)内側に軸支した仲介傘歯車(32)と噛合せて連携、差動傘歯車装置とする。これにより一方のペダルを踏み下すとき、牽引された上下のリンクの伸長により駆動ギヤは半回転する。その間、他方のペダルは傘歯車装置と駆動ギヤの協力関係、リンク装置との連携により最下点から順次最上点まで無理なく引上げられ、次の半回転の踏力に引継がれる体制となる。
出力は、第１図の場合と比較し、より強力である。駆動ギヤ(26)の回転軸より、又は駆動ギヤの回転を歯車やチェン等の連携を経た従動ギヤの回転により、又は回転軸上に固定した従動クランク(14)の回転により一端を可動に固定した穴あき揺動アーム(15)による揺振運動として取り出すことも出来る。ベルクランク長辺(29)の上下運動の最下点にスプリング等を使用した踏み止め装置(33)を支持体(20)上に設ける場合もある。
（第３図）
多数の等長リンクの中心部、両端部を互いに可動に連結したレイジートングと称する多節リンク（パンタグラフ）は、一端に加えた力により他端は急速、かつ著しく伸長収縮する特性を有する。この特性と、機構に内在する倍力構造性を利用し、駆動システムとして採用する。
水上移動は人力にとって極めて非効率であったが、倍力ペダルと多節リンク利用により省力性、スピード性に於て従来の方法に優る。
駆動装置の構造は第２図とほぼ同様である。第３図ではベルクランク長辺(29)と同短辺(28)との作用面を異ならせると共に、駆動ギヤ(26)および小クランク(25)は使用しない。以下は第２図の駆動装置の記述に続き述べるものとする。
支持体(20)下端外側に水平方向に長溝(35)を施した支持板(34)を設置し、本体構造の一部として全体を固定する。
多数の等長リンク(38)のそれぞれ中央部、両端部を互いにピンを以ってパンタグラフ構造に連結し、初端には短リンク一対(36,37)を連結し、多数の同一平行四辺形を連ねた多節リンク構造を、初端中央部から末端中央部に至るピンの延長軸の要所にスライダ(41)を以って支持板(34)上の長溝(35)内に嵌め込み懸架する。
初端の短リンク(36,37)はそれぞれ初端に半円形歯車(39)を有し、互いに噛合った状態にて支持板(34)初端に可動に固定する。短リンク(36)及び第１長リンク(38)の中央連結部に至る二辺は倍力機構として機能させる。第１長リンク(38)は短リンク(36)との連結点より上部に固定一体化した小アーム(40)を有する。小アーム(40)は第１長リンク(38)の上部延長線よりやや下向き角度に設け、且つ又、リンク機構の伸長時に短リンク(36)との衝突を避けるため、第１長リンク(38)の厚み分の喰違い構造とする。摺動体(24)下端は、第１長リンク(38)の上端に一体化した小アーム(40)上端部に連結する。
多節リンク構造の末端中央部は水掻き装置(43)と一体となった連結板(42)をピンにより連結し、長溝内には同軸にスライダを滑動させる。
水掻き装置(43)は側板(45)と一体であり、水掻き板(44)数枚を擁する。水掻き板(44)はリンク機構の伸長時に前面に受ける水圧により水掻き体勢(44a)になり水を掻き、またリンク機構が収縮するときは後方からの流圧を受け、直ちに水流受け流し姿勢(44b)となり収縮位置に戻る。
水掻き板(44)は、上から約１／３の位置に支持ロット(46)により側板(45)上に可動に支持させる。水掻き板(44)が水掻き体勢を保持するためのストッパー(47,48)を同側板(45)上端及び下端に設ける。上部ストッパー(47)は水掻き面の側に固定し、下部ストッパー(48)は水掻き面の反対側にロットにより可動に設け、双方とも水掻き時に水掻き板(44)を受け止め支える。下部ストッパー(48)は水掻き時に水掻き板(44)に掛かる強圧を平面で支持するのが望ましく、水流受流し時には水抵抗を極力減らすため水掻き板(44)と同理で水流浮動型とするのが最適である。
水掻き装置(43)上面四隅にコロ(50)を取付けた懸垂小板(49)を設置し、４個のコロは本体下部及び船体フロート側面に水平に取付けた２本の溝型レール(51a,51b)内を多節リンクの伸縮に伴い前後に転動し、水掻き装置(43)が後方移動の時、水掻き板(44)は水圧を受けストッパー(47,48)の支持により自動的に水掻き動作を行う。
前記の一連の装置を、本体(20)を挟む他の側にも左右対称仕様にて同様に設置し、一方が収縮体勢の時、他方は伸長体勢とする。
本体下部の前後中央位置に２個の歯付案内車(52)を設け、前内側の懸垂小板(49)どうし、後ろ内側の懸垂小板どうしに歯付案内車を介して歯付ベルト(53)を架ける。歯付ベルトを懸架することにより左右の水掻き装置(43)の前後運動が相互に連携し、駆動部との連携を保つ円滑な全体運動となる。
本体下部またはフロート下部に水中翼(54)を設ける。水中翼(54)の前半分は水平に固定し、後半分は前半分に可動に取付けたフラップ(55)の角度により航行時の船体浮上及び制動装置を兼ねる。本体上部の制動ペダル、またはハンドレバーの操作によりトグルジョイント機構(56)を作動させてフラップ(55)を押下し、水圧の発生により航行を制動する。また、本体上部の舵取り操作により水中翼(54)の前部に取付けた方向舵(57)の角度を変え進路変更する。
ペダルの踏下しによりトグルジョイント部分で倍力された強大な力は摺動体を押し下げ、その下部に位置する小アームは短リンクとの連結点を支点とする梃子の作用により最収縮状態にある第一長リンクを開脚させ、同時に短リンクを水平方向に押し倒す。短リンク初端の半円形歯車どうしの噛合いにより下部短リンクは常に同角度に連動し力の伝動を担う。依って力のズレ、不均衡が発生することなく力は後続のリンクに伝動する。
第２のトグルジョイント機構である短リンク及び第１長リンクの中央連結部に至る二辺は２本のリンクの連結点を押し潰す力により開脚し、その角度が拡がるにつれて倍力性を発揮する。多節リンク構造全体は瞬時に伸長し、先端の水掻き装置では、その倍数比の速度で伸長する故に同理による高い水圧を受けるが、第１、第２の２重のトグルジョイントによる相乗倍力効果はその速度と高水圧のもと水掻き機能を充分に達成する。
水掻き板は上部約１／３の位置にロットによる支点を有し、自然懸架のため停止時には上下の重力比のままに水掻き姿勢である。多節リンク構造が伸長し、水掻き板の前面に水圧を受けると支点上下の水圧比により水掻き作用をおこなう。この時複数のストッパーの支えが必要である。また、収縮する時には逆に水掻き板後面から受ける流圧により水掻き板は水平状態になって水圧を回避しながら収縮時の位置に戻る。
産業上の利用可能性
倍力機構応用の本発明のトグルジョイントペダルは、自転車の高出力高積載力化をはじめ、人力を主動力源とする自転車、遊具、水陸交通手段、人力飛行機具、各種機械分野に従来以上の人的駆動力、生産性向上をもたらし、人力以外の動力源もこの機構に適用できる。省エネルギー問題、地球環境保護問題への貢献も見込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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