(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車軸フレーム（１）に両端固定された中空の固定軸（１０）に回転自在に支持された一対のハブ（３）の間に、前記固定軸（１０）の外周に遊星歯車機構（１６）と、前記遊星歯車機構（１６）の一側部に隣接するエネルギー蓄積用の渦巻ばね（１７）と、前記遊星歯車機構（１６）の他側部に隣接するクラッチ機構（１８）をそれぞれ配置し、前記クラッチ機構に連動するレリーズワイヤ（４）をハンドル（７）の把手レバー（８）に連結した構造において、
前記把手レバー（８）の切替操作により前記クラッチ機構（１８）を切替えて、前記渦巻ばね（１７）の巻縮動作により制動力を生じさせると同時に回転エネルギーを蓄積する動作と、前記渦巻ばね（１７）の巻縮状態に関係なく人力による自由回転可能とする自由回転状態と、前記渦巻ばね（１７）を巻戻しする３動作を選択的に行い、
前記渦巻ばね（１７）の巻縮状態から巻戻し動作によりエネルギー回生を行うことにより、走行時の補助回転動力として使用可能としたことを特徴とする人力走行車における走行エネルギーの蓄積・回生装置。
【請求項２】
前記遊星歯車機構（１６）は、前記固定軸（１０）の外周に回転自在に保持された太陽軸（２１）に固定された太陽ギア（２２）と、太陽ギア（２２）の周囲に噛合して自転しつつ公転する複数の遊星ギア（２３）と、前記遊星ギア（２３）を回転自在に支持したキャリア軸（２７）および前記ハブ（３）に連結して前記遊星ギア（２３）に噛合する内輪ギア（２４）とを備え、
前記クラッチ機構（１８）は、前記固定軸の中空部内を移動可能に支持されるとともに、前記固定軸（１０）からの突出端にリンク機構（３６）を介して前記レリーズワイヤ（４）に連結した制御棒（３１）と、前記固定軸（１０）の外周にあって、前記太陽軸（２１）に隣接して回転自在に保持された制動軸（２９）の外周にワンウエイクラッチ（３３）を介して設けられた第１の固定クラッチ板（３４）と、前記制動軸（２９）の外周に設けられた第２の固定クラッチ板（３５）と、前記固定軸（１０）を貫通して前記制御棒（３１）にその中心を連結されて前記制御棒（３１）の移動に伴い第１または第２の固定クラッチ板（３４，３５）に対し、選択的に離接可能かつ非接触可能な可動クラッチ板（３２）とを備え、
前記渦巻ばね（１７）は、前記太陽軸の外周にラチェット機構（２８ａ）を介して同心状に配置された円筒ケース（２６）の内側に外端を連結され、内端を前記太陽ギア（２２）側に連結されたものであり、かつ前記キャリア軸（２７）の一端は前記円筒ケース（２６）の端面より突出し、他端を前記クラッチ機構（１８）側の制動軸（２９）に固定された端板（３０）に支持されたものであることを特徴とする請求項１に記載の人力走行車における走行エネルギーの蓄積・回生装置。
【請求項３】
前記リンク機構（３６）には、前記把手レバー（８）に設けた指標（８ａ）が常時自由回転状態となる位置に位置させるための付勢手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載の人力走行車における走行エネルギーの蓄積・回生装置。
【請求項４】
前記人力走行車が二輪または三輪自転車であり、装置が該自転車の駆動輪または従動輪に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の人力走行車における走行エネルギーの蓄積・回生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自転車などの人力走行車に装備して、車輪の走行エネルギをばね材に蓄積し、この蓄積エネルギを車輪の走行方向に回転補助動力として回生する装置の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に足踏み動作により運行する所謂自転車において, 始動時から安定走行に至る間は大きな駆動力を必要とし、この間ハンドルのふらつきを起こし不安定な状態になる。これに対し容易に始動が出来る補助動力として電気的な補助動力を与える方法が採用されており、例えば電池を搭載した電動式アシスト自転車が実用的に普及しているが、高価でありまた化石燃料を必要とする。
【０００３】
この電気的補助機構に替る機械的方法として、走行中のエネルギをフライホイルや弾性ゴム材に蓄えてこれを走行エネルギとして利用する方法が考えられているが、実用的ではない。
機械的な他の構造として、本発明者はゼンマイばねにそのエネルギを蓄える構造を開発した（特許文献１，２，３参照）。このものはハンドルの把手レバーに設けた切替え操作部の切替操作により、停止時にはばねに走行エネルギーを吸収することにより、ブレーキをかけると同時にばねに走行エネルギーを蓄積し、ばね開放により、その回生エネルギーを始動時の補助動力として利用するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭５６−５９９１号公報
【特許文献２】特開平１１−３４９６２号公報
【特許文献３】特許第８０３６５１号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、この構造にあっては、特に装置を取付ける駆動輪廻りの構造が複雑で、大形化し、却って機械的ロスが大きくなる課題があった。また、エネルギー蓄積を行った状態では、走り始めには必らず回生動作を伴うため、補助動力が不要な、例えば急勾配の下り坂などでは却って危険を伴い、万一自転車が転倒した場合に車輪が空転し暴走する虞があった。
【０００６】
本発明は以上の課題を解決するものであって、その目的とするところは、慣性エネルギーをばねに蓄積・回生して走行力として利用するための構造を、車輪中心となる一対のハブの内側空間に一体に組付けることにより、装置の小形化と、簡素化および効率化を図るようにした人力走行車における走行エネルギーの蓄積・回生装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、渦巻ばねの巻縮によるエネルギー蓄積状態で、人力による自由な走行を可能とする動作モードを付加することにより、走行安全性を確保し、必要に応じて自由に補助動力の取出しを可能とした人力走行車における走行エネルギーの蓄積・回生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらの目的のため、本発明の請求項1 に記載の人力走行車のエネルギーの蓄積・回生装置は、車軸フレーム（１）に両端固定された中空の固定軸（１０）に回転可能に支持された一対のハブ（３）の間に、前記固定軸（１０）の外周に遊星歯車機構（１６）と、前記遊星歯車機構（１６）の一側部に隣接するエネルギー蓄積用の渦巻ばね（１７）と、前記遊星歯車機構（１６）の他側部に隣接するクラッチ機構（１８）をそれぞれ配置し、前記クラッチ機構に連動するレリーズワイヤ（４）をハンドル（７）の把手レバー（８）に連結した構造において、前記把手レバー（８）の切替操作により前記クラッチ機構（１８）を切替えて、前記渦巻ばね（１７）の巻縮動作により制動力を生じさせると同時に回転エネルギーを蓄積する動作と、前記渦巻ばね（１７）の巻縮状態に関係なく人力による自由回転可能とする自由回転状態と、前記渦巻ばね（１７）を巻戻しする３動作を選択的に行い、前記渦巻ばね（１７）の巻縮状態から巻戻し動作によりエネルギー回生を行うことにより、走行時の補助回転動力として使用可能としたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の請求項２の発明において、前記遊星歯車機構（１６）は、前記固定軸（１０）の外周に回転自在に保持された太陽軸（２１）に固定された太陽ギア（２２）と、太陽ギア（２２）の周囲に噛合して自転しつつ公転する複数の遊星ギア（２３）と、前記遊星ギア（２３）を回転自在に支持したキャリア軸（２７）および前記ハブ（３）に連結して前記遊星ギア（２３）に噛合する内輪ギア（２４）とを備え、
前記クラッチ機構（１８）は、前記固定軸の中空部内を移動可能に支持されるとともに、前記固定軸（１０）からの突出端にリンク機構（３６）を介して前記レリーズワイヤ（４）に連結した制御棒（３１）と、前記固定軸（１０）の外周にあって、前記太陽軸（２１）に隣接して回転自在に保持された制動軸（２９）の外周にワンウエイクラッチ（３３）を介して設けられた第１の固定クラッチ板（３４）と、前記制動軸（２９）の外周に設けられた第２の固定クラッチ板（３５）と、前記固定軸（１０）を貫通して前記制御棒（３１）にその中心を連結されて前記制御棒（３１）の移動に伴い第１または第２の固定クラッチ板（３４，３５）に対し、選択的に離接可能かつ非接触可能な可動クラッチ板（３２）とを備え、
前記渦巻ばね（１７）は、前記太陽軸の外周にラチェット機構（２８ａ）を介して同心状に配置された円筒ケース（２６）の内側に外端を連結され、内端を前記太陽ギア（２２）側に連結されたものであり、かつ前記キャリア軸（２７）の一端は前記円筒ケース（２６）の端面より突出し、他端を前記クラッチ機構（１８）側の制動軸（２９）に固定された端板（３０）に支持されたものであることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の請求項３の発明は、請求項２において、前記リンク機構（３６）は、前記把手レバー（８）に設けた指標（８ａ）が常時自由回転状態となる位置に位置させるための付勢手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記人力走行車が二輪または三輪自転車であり、装置が該自転車の駆動輪または従動輪に設けられていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、機構そのものを車輪中心における一対のハブによって囲われる空間内に組付けることにより、簡単な構成で構成部品を少なくでき、小型軽量でかつ廉価製作することが出来、機械効率も向上し、既存の自転車であってもハブの交換だけで容易に実施できる。また、切り替え操作も容易で、安全に運転することが出来、交通安全に寄与することが出来る。
【００１３】
請求項２の構成によれば、コンパクトな構造により請求項１の作用効果を実現できる。
【００１４】
請求項３の構成によれば、人手操作しない限りは自由回転位置に位置しているため、安全性が確保できる。
【００１５】
請求項４の構成によれば、二輪または三輪自転車に好適に適用出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を二輪自転車の駆動輪に適用した実施の形態を示す全体図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】図２のＣ−Ｃ線断面図である。
【図５】図２のＤ−Ｄ線断面図である。
【図６】クラッチ機構を除く機構部品の部品構成を示す分解斜視図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は蓄積モードおよび回生モードを示す図２相当の説明図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は各動作モード時における遊星歯車機構の回転方向を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
図１において、二輪自転車の後部側車軸フレーム１の下端には、後輪２の中心に位置する左右一対のハブ３の内側に本発明に係るエネルギーの蓄積・回生装置が内蔵され、この装置は、レリーズワイヤ４の後端に連動している。ワイヤ４は車体フレーム５に沿って前部側まで引回され、先端を前輪６の上部に設けた舵取り用ハンドル７の把手レバー８に連結している。
【００１８】
把手レバー８は回動可能であって、図の一部に拡大して示すように、図示しないクリック機構を介して蓄積位置（Ｓ・・・ストックの略、以下Ｓと称する）、自由回転位置（Ｎ・・・ニュートラルの略、以下Ｎと称する）、回生位置（Ｄ・・・ドライブの略、以下Ｄと称する）と、指標８ａが示す三位置に回動操作可能であり、通常は後述するばねにより、指標８ａは自由回転位置（Ｎ）に位置し、足踏操作による通常の自転車と同様な走行を可能としている。
【００１９】
図２において、両ハブ３の外周部には多数のスポーク９が放射状に連結され、スポーク９を介して後輪２のリムに接続している。
【００２０】
両ハブ３の中心部は、後輪２の回転中心に位置する内部中空の固定軸１０の両端にボールベアリング１１を介して回転可能に支持されている。
【００２１】
なお、一方のハブ３（図２に向って左側に示す）の中心側の外端面には、一般の自転車と同じくワンウエイクラッチ１２を介してスプロケット１３が軸受けされ、このスプロケット１３は動力伝達用のチェーン１４に連結され、車体フレーム５の中央下部に設けたペダル１５（図１参照）を足踏操作することによってチェーン１４を無端回転させ、後輪２の回転駆動力を得るようにしている。
【００２２】
同図２、図３〜図５および図６に示すように、前記蓄積・回生装置は、前記ハブ３の間において前記固定軸１０の外周の中央位置に同心配置された遊星歯車機構１６と、遊星歯車機構１６の一側部に隣接配置されたエネルギー蓄積用の渦巻ばね１７と、前記遊星歯車機構１６の他側部に隣接して同心配置された制動用のクラッチ機構１８とを備えている。
【００２３】
遊星歯車機構１６は、固定軸１０の外周にボールベアリング２０を介して回転可能に遊嵌された太陽軸２１と、太陽軸２１の外周に中心固定された太陽ギア２２と、太陽ギア２２の外周に噛合されてこれの周囲に自転しつつ公転可能な４つの遊星ギア２３と、遊星ギア２３の外周に噛合する内輪ギア２４とを備えている。
【００２４】
内輪ギア２４は、前記両ハブ３，３の外周部内側に両端連結した外筒２５の内側中央部に固定されている。また、各遊星ギア２３は太陽ギアに隣接して配置された円筒ケース２６の端面に突設された４つのキャリア軸２７に回転自在に軸承されている。
【００２５】
円筒ケース２６は、前記渦巻ばね１７を収装したものであって、渦巻ばね１７の外端は、円筒ケース２６の内面側に固定され、内端は太陽軸２１の外周または太陽ギア２２の端面に固定され、円筒ケース２６と太陽軸２１との相対的回転差に応じて渦巻きばね１７は巻縮または巻戻し可能となっている。
【００２６】
円筒ケース２６の一端側は、ラチェット機構２８ａを介して渦巻きばね１７の巻回方向を規制する一方の端板２８（図２，６の向って左側に示す）が取付けられており、また  キャリア軸２７の先端側は、前記クラッチ機構１８側の制動軸２９の外周に固定された他方の端板３０に軸受されている。
【００２７】
制動軸２９は前記太陽軸２１に隣接するこれと同径であって、やや長さの短いものであり、前記と同様にボールベアリング２０を介して固定軸１０の外周に回転自在に遊嵌されている。
【００２８】
前記クラッチ機構１８は、固定軸１０の中空内部を摺動可能に貫通した制御棒３１と、固定軸１０の一部（右端側）に切り欠かれた開口１０ａを通じてその中心を制御棒３１に連結した可動クラッチ板３２と、前記制動軸２９の外周にワンウエイクラッチ３３を介して連結され、可動クラッチ板３２の外周にオーバハングした状態でこれと対面する第１の固定クラッチ板３４と、前記制動軸２９の端部外周に固定されて、可動クラッチ板３２の他端面側に対面する第２の固定クラッチ板３５とを備えている。
【００２９】
前記制御棒３１の固定軸１０からの突出端は、リンク機構３６を構成する複数のリンク板３６ａ、３６ｂを通じて前記ワイヤ４に連結している。また、リンク板３６ｂは前述するばね３７によって、把手レバー８の指標８ａが自由回転（Ｎ）位置に位置すべく自由回転位置に付勢されており、把手レバー８を離せば図２に示すごとく、可動クラッチ板３２は第１、第２のクラッチ板３４、３５の双方から離間する。
【００３０】
なお図２には説明的にリンク板３６ａ，３６ｂの傾動方向を制御棒３１の軸方向に向けて描かれているが、実際には軸方向に対して９０度方向変換してワイヤ４に連結している。
【００３１】
次に以上の構成における本発明装置の作動を説明すると、まず図２に示す可動クラッチ板３２の離間状態においては、図８（ａ）に示すように、遊星歯車機構１６は自由回転の状態となる。即ちこの状態においては、遊星歯車機構１６の太陽軸２１とキャリヤ軸２７および内輪ギア２４は同期して矢印方向に回転し、後輪２と連結した固定軸１０に対し自由に回転し、従って渦巻ばね１７には何ら回転力が加わらない。
【００３２】
この状態から手動により、把手レバー８の指標８ａを蓄積（Ｓ）位置に切り替えると、制動棒３１の作用により、図７（ａ）に示すように、可動クラッチ板３２が第２の固定クラッチ板３５に接触し、制動軸２９並びにキャリア軸２７は固定軸１０に固定される。
【００３３】
今、後輪２に走行回転動力が加わっていると、図８（ｂ）に示すように、これに連結された内輪ギア２４が回転し、キャリア軸２７を軸とする遊星ギア２３を介して太陽ギア２２及び太陽軸２１に矢印方向の回転力が加わる。従ってこれと連結する渦巻ばね１７は内側に回転し、外側はキャリヤ軸２７、クラッチ機構１８を介して円筒ケース２６に固定されているので、渦巻ばね１７には巻縮されて回転エネルギーが蓄積され、かつ後輪２にはこのエネルギー蓄積によりブレーキが加わることになる。なお、この状態においては端板２８に設けたラチェット機構が渦巻ばね１７の逆転を阻止するため、不意の巻戻し動作は阻止される。
【００３４】
この状態から、把手レバー８を手放すと、リンク機構３６と圧接するばね３７の作用により、リンク板３６ａは中立位置に自動復帰し、指標８ａは再び自由回転位置（Ｎ）位置に戻される。この状態においては渦巻ばね１７は相当量に巻き取られたままで維持され、また、後輪２は固定軸１０に対し自由に回転する状態にあり、通常の足踏による走行が可能である。つまり、回生エネルギーを蓄積した状態で足踏による通常走行が可能となる。
【００３５】
次に把手レバー８を回動操作して指標８ａを回生位置（Ｄ）に切替えると、図７（ｂ）に示すように、可動クラッチ板３２が第１の固定クラッチ板３４側に接続する。この状態では、図８（ｃ）に示すように、渦巻ばね１７の内側は太陽ギア２２と遊星ギア２３を介してキャリヤ軸２７に回転力が加わる。この回転力は、渦巻ばね１７の外側のキャリヤ軸２７及びラチェット機構よりなるワンウエイクラッチ２８ａを介して固定軸１０と連結されているので、この巻戻し力によりキャリヤ軸２７は内輪ギア２４に沿って一定方向に移動回転し、遊星ギア２３を介してキャリヤ軸２７と内輪ギア２４間に動力として放出される。この結果、渦巻ばね１７は巻戻しされ、回生エネルギとして車輪２，１０の走行方向の回転力として回生され、ペダル１５のこぎ出し時における補助動力として有効活用されることになる。
【００３６】
以上のように、本発明によれば、渦巻ばね１７と内輪ギア２４即ち後輪２との間においてエネルギの授受を行う切り替え時における渦巻ばね１７のバッククラッシュを防止する工夫がなされている。これを表にまとめると以下の通りとなる。
【００３７】
レバー位置      太陽軸    キャリヤ軸  内輪（走行）  渦巻ばね
蓄積（Ｓ）      左回転    停止        右回転        巻縮
自由回転（Ｎ）  右回転    右回転      右回転        保持
回生（Ｄ）      右回転    右回転      右回転        巻戻し
【００３８】
以上において、把手レバー８は常時自由回転位置（Ｎ）にあることが好ましく、このため実施形態のごとく、把手レバー８を手放すと、自動的にＮ位置にあるようにリンク機構３６をばね３７により自動復帰させることが好ましい。
【００３９】
また、渦巻ばね１７の動作は、通常はその巻縮度合が４０％〜８０％の範囲で動作するが、この規制範囲の上限を超えた場合は、蓄積（Ｓ）の状態で、８０％以上に巻かれ、渦巻ばね１７の回転が停止すると、内輪ギア２５及び車輪２は固定軸１０に固定され制動状態になる。また回生（Ｄ）の状態で渦巻ばね１７が４０％以下となり停止すると、内輪ギア２５及び後輪２は自由回転状態となる。従って自転車は常時安全な運転環境となる。
【００４０】
本発明の装置は、単体として既存の自転車のハブ機構と交換することが出来るため、既存自転車にも容易に実施可能である。また、ハブ内に一体化した本発明の装置は既存の２輪ないし３輪自転車のほか、介護用車いす等人力によって動く車両にも装備することが出来る。さらに実施形態では、本発明を自転車の後輪側に設けたが、前輪側にも設けることが出来ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４１】
１  軸フレーム
２，６  車輪（２  後輪、６  前輪）
３  ハブ
４  リレーズワイヤ
５  車体フレーム
７  ハンドル
８  把手レバー
８ａ  指針
９  スポーク
１０  固定軸
１０ａ  切欠き
１１、２０  ボールベアリング
１２  ワンウエイクラッチ
１３  スプロケット
１４  チェーン
１５  ペダル
１６  遊星歯車機構
１７  渦巻ばね
１８  クラッチ機構
２１  太陽軸
２２  太陽ギア
２３  遊星ギア
２４  内輪ギア
２５  外筒
２６  円筒ケース
２７  キャリア軸
２８、３０  端板
２８ａ  ワンウエイクラッチ
２９  制動軸
３１  制御棒
３３  ワンウエイクラッチ
３２  可動クラッチ板
３４  第１の固定クラッチ板
３５  第２の固定クラッチ板
３６  リンク機構
３６ａ，３６ｂ  リンク板
３７  ばね
【図１】
0005207415.tif 000002
【図２】
0005207415.tif 000003
【図３】
0005207415.tif 000004
【図４】
0005207415.tif 000005
【図５】
0005207415.tif 000006
【図６】
0005207415.tif 000007
【図７】
0005207415.tif 000008
【図８】
0005207415.tif 000009