(57)【要約】【課題】簡素な構成でありながら、補助動力源の駆動を間欠とすることができ、よって、回転力を効率的に変換することができる動力変換装置を提供する。【解決手段】中心軸を水平に設置した主軸と、主軸と同軸上に設置した固定ギヤと、主軸に一端を固定して主軸を回転させるように回動する駆動源と、駆動源が非駆動エリアに位置している回動期間にのみ駆動源を強制的に回動させる補助駆動源と、を備え、駆動源は、固定ギヤと噛み合う駆動ギヤと、駆動ギヤの回転軸を回動支点として一端を固定した駆動体と、主軸と駆動ギヤの回転軸とを連結したアームと、を備える。【選択図】図１
2017025804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸を水平に設置した主軸と、
前記主軸と同軸上に設置した固定ギヤと、
前記主軸に一端を固定して前記主軸を回転させるように回動する駆動源と、
前記駆動源が非駆動エリアに位置している回動期間にのみ前記駆動源を強制的に回動させる補助駆動源と、
を備え、
前記駆動源は、
前記固定ギヤと噛み合う駆動ギヤと、
前記駆動ギヤの回転軸を回動支点として一端を固定した駆動体と、
前記主軸と前記駆動ギヤの回転軸とを連結したアームと、
を備える動力変換装置。
【請求項２】
前記駆動体は、
一端を前記駆動ギヤの回転軸に固定した回動アームと、
前記回動アームの他端に固定した分銅と、
を備える請求項１に記載の動力変換装置。
【請求項３】
前記駆動体は、
回動軌跡の位相が均等角度で異なるように前記主軸に複数設置した
請求項１又は請求項２に記載の動力変換装置。
【請求項４】
前記補助駆動源は、
前記駆動体が自重により上死点から下死点へと下向きに回動したうえで下死点から上死点へと慣性により上向きに回動した後の慣性終了地点よりも下死点側の所定地点から上死点までを前記非駆動エリアとするとともに、前記所定地点から前記駆動体を強制的に上向きに回動させる
請求項１乃至請求項３のいずれか１の請求項に記載の動力変換装置。
【請求項５】
前記補助駆動源は、
前記駆動体が前記非駆動エリアに位置している期間にのみ電力供給を受けて駆動する駆動モータである
請求項１乃至請求項４のいずれか１の請求項に記載の動力変換装置。
【請求項６】
前記補助駆動源は、
前記主軸を介して前記駆動体を強制的に上向きに回動させる
請求項１乃至請求項５のいずれか１の請求項に記載の動力変換装置。
【請求項７】
前記固定ギヤ及び前記駆動ギヤの直径が同一である
請求項１乃至請求項６のいずれか１の請求項に記載の動力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動力源の出力を回転エネルギーに変換する動力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、動力源の出力を回転エネルギーに変換する動力変換装置、例えば、車両用エンジンにおけるピストンの直線運動を回転運動に変換する動力変換装置が周知である。
【０００３】
また、このような動力変換装置には、例えば、重力により下降する一対のカウンタウエイトを動力源として用いるとともに、一対のカウンタウエイトの連続上下運動を維持するための補助動力源として駆動モータを用いた技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１４−５０４３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示の動力変換装置は、重力による一方のカウンタウエイトの垂直下降運動を主たる動力源としている。このため、他方のカウンタウエイトを上昇させるためには、補助動力源として駆動モータに高出力なものを用いる必要がある。
【０００６】
また、駆動モータは、一対のカウンタウエイトの連続上下運動を維持するために、一方のカウンタウエイトが上死点から下死点へと下降している際の下降速度と同じ若しくはそれよりも早く他方のカウンタウエイトを下死点から上死点まで上昇させる必要がある。
【０００７】
したがって、一対のカウンタウエイトは、駆動モータに対して独立して下降及び上昇させるためのクラッチなどの連繋機構が必要となり、複雑な構成となってしまう。しかも、一方のカウンタウエイトの下降速度よりも早く他方のカウンタウエイトを上昇させる場合には、一方のカウンタウエイトの下降により得られる出力（例えば、発電力）よりも、駆動モータを駆動させる駆動電力が大きくなる可能性がある。また、駆動モータは、一方のカウンタウエイトの下降速度と他方のカウンタウエイトの上昇速度とを同じとした場合、結果的に常時駆動を余儀なくされてしまう。
【０００８】
本発明は、上述のような課題を解決するために、簡素な構成でありながら、補助動力源を間欠駆動とすることができ、よって、効率的に回転エネルギーを生成することができる動力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の動力変換装置は、中心軸を水平に設置した主軸と、主軸と同軸上に設置した固定ギヤと、主軸に一端を固定して主軸を回転させるように回動する駆動源と、駆動源が非駆動エリアに位置している回動期間にのみ駆動源を強制的に回動させる補助駆動源と、を備え、駆動源は、固定ギヤと噛み合う駆動ギヤと、駆動ギヤの回転軸を回動支点として一端を固定した駆動体と、主軸と駆動ギヤの回転軸とを連結したアームと、を備えるものである。
【００１０】
駆動体は、一端を駆動ギヤの回転軸に固定した回動アームと、回動アームの他端に固定した分銅と、を備えるものである。
【００１１】
駆動体は、回動軌跡の位相が均等角度で異なるように主軸に複数設置したものである。
【００１２】
補助駆動源は、駆動体が自重により上死点から下死点へと下向きに回動したうえで下死点から上死点へと慣性により上向きに回動した後の慣性終了地点よりも下死点側の所定地点から上死点までを非駆動エリアとするとともに、所定地点から駆動体を強制的に上向きに回動させるものである。
【００１３】
補助駆動源は、駆動体が非駆動エリアに位置している期間にのみ電力供給を受けて駆動する駆動モータである。
【００１４】
補助駆動源は、主軸を介して駆動体を強制的に上向きに回動させるものである。
【００１５】
固定ギヤ及び駆動ギヤの直径が同一である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、簡素な構成でありながら、補助動力源の駆動を間欠とすることができ、よって、回転力を効率的に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る動力変換装置を示す正面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る動力変換装置を示す側面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の一実施の形態に係る動力変換装置に適用される主駆動体の動作を時系列で示す説明図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の一実施の形態に係る動力変換装置に適用される主駆動体の回動軌跡を垂直水平方向で分けた状態を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る動力変換装置に適用される主駆動体の回動軌跡を示し、（Ａ）は垂直水平方向を含む場合の回動軌跡の説明図、（Ｂ）は好適な回動軌跡の説明図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の一実施の形態に係る動力変換装置に適用される主駆動体が小径回動軌跡及び大径回動軌跡を経由する際の上死点、下死点、慣性終了地点、及び非駆動エリアの関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明の一実施形態に係る動力変換装置について、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態は本発明の動力変換装置における好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。なお、図１及び図２において、説明の便宜上、一部の部材の図示を省略している。したがって、相互に図示していない部材がある。
【００１９】
図１及び図２において、動力変換装置１は、複数のプレー部を組み付けた躯体２と、躯体２の上方寄り中央に中心軸Ｐ１を水平に設置した主軸３と、主軸３と同軸上に設置した固定ギヤ４と、主軸３に一端を固定して主軸３を回転させるように回動する駆動源１０と、駆動源１０が非駆動エリアに位置している回動期間にのみ駆動源１０を強制的に回動させる補助駆動源２０と、を備える。
【００２０】
躯体２は、基台２ａと、基台２ａから対向するように立ち上がって主軸３の両端を支持する一対の支柱２ｂと、を備える。なお、躯体２は、例えば、補強等の目的のために矩形の枠体を基台２ａに固定してもよい。
【００２１】
主軸３は、支柱２ｂに両端が貫通状態で回転可能に支持されている。具体的には、主軸３は、その両端が支柱２ｂの外壁面にボルト固定されたベアリングユニット５を介して中心軸Ｐ１を中心に回転する。ここで、主軸３の両端は、固定ギヤ４及びベアリングユニット５を貫通している。なお、図１において。ベアリングユニット５を支柱２ｂの外壁面に固定するためのボルト等の図示は省略している。
【００２２】
固定ギヤ４は、ベアリングユニット５に皿ネジ６を介して固定されている。なお、ベアリングユニット５は、皿ネジ６によって固定ギヤ４と一体に支柱２ｂに固定してもよい。
【００２３】
駆動源１０は、固定ギヤ４と噛み合う駆動ギヤ１２と、駆動ギヤ１２の回転軸１２ａを回動支点として一端を固定した駆動体１３と、主軸３と駆動ギヤ１２の回転軸１２ａとを連結したアーム１４と、を備える。
【００２４】
駆動体１３は、一端を駆動ギヤ１２の回転軸１２ａに固定した回動アーム１５と、回動アーム１５の他端に固定した分銅１６と、を備える。なお、本実施の形態においては、駆動体１３は、主軸３の両端にそれぞれ設置している。この際、各駆動体１３は、回動軌跡の位相が１８０°で異なるように均等に設置している。
【００２５】
駆動ギヤ１２は、アーム１４の自由端に、ブラケット１８を介して回転軸１２ａが回転可能に支持されている。
【００２６】
アーム１４は、主軸３と駆動ギヤ１２の回転軸１２ａとを直線状に連結するよう、直線状の金属製の平板が用いられている。アーム１４の基端は、ブラケット７を介して主軸３の端部３ａに固定している。これにより、中心軸Ｐ１を回転中心とする主軸３の回転と、中心軸Ｐを支点とするアーム１４の回動とが同期するようになっている。
【００２７】
回動アーム１５は、直線状の金属製の平板を用いており、基端をブラケット１９を介して回転軸１２ａに固定している。これにより、回動アーム１５は、回転軸１２ａを支点として回動し、回転軸１２ａを介して駆動ギヤ１２を回転させるようになっている。
【００２８】
分銅１６は、金属製の円盤等が用いられており、その中心を回動アーム１５の先端に固定している。なお、回動アーム１５と分銅１６とは一体でもよい。分銅１６は、円形とすることにより、回動アーム１５の回動位置における荷重等を均等とすることができる。したがって、分銅１６は、均一な厚さのものを用いるのが好ましい。
【００２９】
このように、駆動ギヤ１２は、回転軸１２ａを回転中心として回転する。そして、駆動ギヤ１２を固定する回転軸１２ａに回動アーム１５の基端を固定する。これにより、回転軸１２ａを回動アーム１５の回動支点として回動アーム１５及び分銅１６からなる駆動体１３が回動するようになっている。
【００３０】
図３に示すように、駆動源１０は、駆動ギヤ１２が固定ギヤ４を１回りする間に、分銅１６の回動軌跡中の上死点が異なる小径回動軌跡Ｒ１及び大径回動軌跡Ｒ２で２回りするよう、固定ギヤ４に対して駆動ギヤ１２の直径又はギヤ比を設定している。これにより、駆動源１０は、効率の良い回動とすることができ、出力のさらなる高効率化に貢献することができる。
【００３１】
図４に示すように、駆動源１０は、回動アーム１５が水平方向となる場合を基準とした場合、図４（Ａ）に示すように、駆動ギヤ１２と分銅１６との間に固定ギヤ４が位置している際の分銅１６の中心位置Ａを起点とし、図４（Ｂ）に示すように、図４（Ａ）の状態から駆動ギヤ１２が図示時計回り方向に９０°移動した分銅１６の中心位置Ｂ、図４（Ｃ）に示すように、図４（Ｂ）の状態から駆動ギヤ１２が図示時計回り方向に９０°移動した分銅１６の中心位置Ｃ、図４（Ｄ）に示すように、図４（Ｃ）の状態から駆動ギヤ１２が図示時計回り方向に９０°移動した分銅１６の中心位置Ｄ、を有する。
【００３２】
これにより、図５（Ａ）に示すように、これら中心位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを合成した連続状態の回動軌跡では、回転軸１２ａの軸心から小径回動軌跡Ｒ１及び大径回動軌跡Ｒ２の最大離間距離である中心位置Ａ及び中心位置Ｃが片側の水平位置にあることとなる。
【００３３】
そこで、本実施の形態では、駆動ギヤ１２に対する駆動源１０の配置を、図６（Ａ）に示すように、回動アーム１５が小径回動軌跡Ｒ１の経路中においては垂直下向き状態、図６（Ｂ）に示すように、回動アーム１５が大径回動軌跡Ｒ２の経路中においては垂直上向き状態、図６（Ｃ）に示すように、回動アーム１５が大径回動軌跡Ｒ２の経路中においては垂直下向き状態、図６（Ｄ）に示すように、回動アーム１５が小径回動軌跡Ｒ１の経路中においては垂直上向き状態、となるようにする。
【００３４】
これにより、図５（Ｂ）に示すように、回転軸１２ａの軸心から小径回動軌跡Ｒ１及び大径回動軌跡Ｒ２の最大離間距離である中心位置Ａ及び中心位置Ｃを上死点と一致させることができる。このように、駆動源１０は、分銅１６の回動軌跡の小径回動軌跡Ｒ１の上死点及び大径回動軌跡Ｒ２の上死点が鉛直方向最上位置と一致する中心位置Ａ，Ｃとすることにより、分銅１６の自重による落下距離を最大限に長く確保することができ、慣性による分銅１６の上向き（以下、「上昇」ともいう）の回動距離を長く確保することができる。
【００３５】
ところで、小径回動軌跡Ｒ１及び大径回動軌跡Ｒ２は、厳密な円弧ではないため、図５に示すように、回転軸１２ａの軸心から大径回動軌跡Ｒ２の最大離間距離である中心位置Ｃを含む円Ｓに対して図示ハッチングで示す略三日月形状の異形軌跡領域を有している。
【００３６】
ここで、この異形軌跡領域のうち円Ｓの径方向の距離が長い部分は回転軸１２ａと小径回動軌跡Ｒ１及び大径回動軌跡Ｒ２の交点とを結ぶ径方向の線分Ｐの延長線上にある。これにより、特に回転半径が小さいことから慣性力も小さい小径回動軌跡Ｒ１で上死点から中心位置Ａを経由した後に中心位置Ｂに向かう回動作用において、図５（Ａ）に示した回動軌跡よりも図５（Ｂ）に示した回動軌跡とした方が、緩やかな上昇軌跡とすることができ、慣性による回動距離を長く確保することができる。
【００３７】
なお、以下の説明においては、上述した、図６（Ａ）に示す中心位置Ａを上死点Ａ、中心位置Ｂを下死点Ｂ、図６（Ｂ）に示す中心位置Ｃを上死点C、図６（Ｃ）に示す中心位置Ｄを下死点Ｄ、と称する。また、図６（Ｄ）に示すように、分銅体１６が小径回動軌跡Ｒ１の下死点Ｄを通過して慣性により再び図示時計回り方向に上向きに回動（以下、「上昇回動」ともいう）する慣性終了地点よりも下死点Ｄ側の所定地点Ｅとし、図６（Ｂ）に示すように、分銅体１６が大径回動軌跡Ｒ２の下死点Ｂを通過して慣性による上昇回動中における慣性終了地点よりも下死点Ｂ側の所定地点Ｆとする。したがって、図６（Ｂ）のＦ−Ｃ間と、図６（Ｄ）のＥ−Ａ間は、それぞれ非駆動エリアとなる。
【００３８】
分銅１６は、この下死点Ｂ及び下死点Ｄから再び上昇回動する際、初期は慣性によってそのまま上昇回動するものの、その後、重量によって図示反時計回り方向に下向きに逆戻りしようとする。
【００３９】
そこで、本実施の形態では、この逆戻りを開始する前の所定のタイミングである所定地点Ｅ及び所定地点Ｆから分銅１６が上死点Ａ及び上死点Ｃに達する非駆動エリアＷで補助駆動源２０を駆動させ、強制的に分銅１６が上昇回動するように駆動体１３を回動させるようになっている。
【００４０】
補助駆動源２０は、この所定地点Ｅ及び所定地点Ｆから上死点Ａ及び上死点Ｃに至る非駆動エリアＷにおいて駆動体１３を強制的に上昇回動させるものである。本実施の形態において、補助駆動源２０は、駆動体１３が非駆動エリアＷに位置している期間にのみ電力供給を受けて駆動する駆動モータ２１と、駆動モータ２１の出力軸２１ａに固定した出力ギヤ２２と、出力ギヤ２２と噛み合うように主軸３の中央付近に固定した入力ギヤ２３と、を備える。これにより、駆動モータ２１が駆動して出力ギヤ２２が回転しているときには、入力ギヤ２３を介して主軸３が中心軸Ｐ１を中心として回転するとともに、この主軸３の回転により駆動体１３が強制的に上昇回動される。
【００４１】
駆動モータ２１は、分銅１６を含む駆動体１３の重量を考慮し、駆動体１３の駆動力によって主軸３が回転しない非駆動エリアＷにおいて駆動体１３を回動させることができる出力を備えている。駆動モータ２１は、例えば、躯体２に設けた設置棚２ｃに設置されている。
【００４２】
一方、主軸３には伝達ギヤ９が同軸上に設置され、入力ギヤ２３には発電機ギヤ２４が噛み合っている。すなわち、駆動源１０及び補助駆動源２０の駆動によって中心軸Ｐ１を回転中心として回転すると、その回転力は、伝達ギヤ９と噛み合うギヤ（図示せず）等の伝達機構を介して利用可能となっている。また、主軸３が回転すると、入力ギヤ２３が連動して回転することから、この入力ギヤ２３を出力ギヤとして兼用することにより、伝達ギヤ９とは別に発電機ギヤ２４を介して公知の発電装置（図示せず）に動力伝達し、電力を発電させることも可能である。
【００４３】
なお、発電した電力は、駆動モータ２１の駆動電力として利用することも可能となっている。
【００４４】
このように、本実施の形態に係る動力変換装置１は、中心軸Ｐ１を水平に設置した主軸３と、主軸３と同軸上に設置した固定ギヤ４と、主軸３に一端を固定して主軸３を回転させるように回動する駆動源１０と、駆動源１０が非駆動エリアＷに位置している回動期間にのみ駆動源１０を強制的に回動させる補助駆動源２０と、を備え、駆動源１０は、固定ギヤ４と噛み合う駆動ギヤ１２と、駆動ギヤ１２の回転軸１２ａを回動支点として一端を固定した駆動体１３と、主軸３と駆動ギヤ１２の回転軸１２ａとを連結したアーム１４と、を備えることにより、簡素な構成でありながら、補助駆動源２０の駆動を間欠とすることができ、よって、回転力を効率的に変換することができる。
【００４５】
駆動体１３は、一端を駆動ギヤ１２の回転軸１２ａに固定した回動アーム１５と、回動アーム１５の他端に固定した分銅１６と、を備えることにより、アーム１４とは独立した回動を可能とするとともに、駆動力の設定を回動アーム１５の長さや分銅１６の重量等によって容易に設定することができる。
【００４６】
駆動体１３は、回動軌跡Ｌ２の位相が均等角度で異なるように主軸３に複数設置したことにより、主軸３を効率的に回転させることができる。なお、上記実施の形態では、躯体２に２つの駆動体１３を１８０°位相を変えて設置したものを開示したが、例えば、１２０°位相を変えて３つの駆動体１３を設置してもよい。
【００４７】
補助駆動源２０は、駆動体１３が自重により上死点Ａ及び上死点Ｃから下死点Ｂ及び下死点Ｄへと下向きに回動したうえで下死点Ｂ及び下死点Ｄから上死点Ａ及び上死点Ｃへと慣性により上昇回動した後の慣性終了地点よりも下死点Ｂ及び下死点Ｄ側の所定地点Ｅ及び所定地点Ｆから上死点Ａ及び上死点Ｃまでを非駆動エリアＷとするとともに、所定地点Ｅ及び所定地点Ｆから駆動体１３を強制的に上昇回動させることにより、補助駆動源２０の起動電力を小さく設定することができる。
【００４８】
なお、駆動源１０を１８０°位相を変えて２つ設置した場合、例えば、一方の分銅１６が上死点Ｃに位置しているとき、他方の分銅１６は上死点Ａに位置している関係を有している。
【００４９】
このため、補助駆動源２０は、一対の駆動源１０は、所定地点Ｅ及び所定地点Ｆから分銅１６が上死点Ａ及び上死点Ｃに達するタイミングを共通とすることができ、補助駆動源２０の駆動タイミング及び駆動時間を同期させることができる。したがって、補助駆動源２０は、常時駆動とする必要がなく、消費電力を抑制することが可能となる。
【００５０】
このように、補助駆動源２０は、駆動体１３が非駆動エリアＷに位置している期間にのみ電力供給を受けて駆動する駆動モータ２１とすることにより、確実に駆動体１３を上昇回動させることが可能となる。
【００５１】
また、補助駆動源２０は、主軸３を介して駆動体１３を強制的に上昇回動させることにより、主軸３の回転を直接維持することができるうえ、補助駆動源２０からの補助駆動力を駆動源１０に容易に伝達することができる。
【００５２】
なお、以上の説明において、例えば、「水平」「垂直」「鉛直」等の各記載は厳密な意味ではない。すなわち、「水平」「垂直」「鉛直」とは、設計上や製造上等における公差や誤差が許容され、「実質的に水平」「実質的に垂直」「実質的に鉛直」という意味である。なお、ここでの公差や誤差とは、本発明の構成・作用・効果を逸脱しない範囲における単位のことを意味するものである。
【００５３】
また、以上の説明において、外観上の寸法や大きさが「同一」「等しい」「異なる」等の記載がある場合に、これらの各記載は厳密な意味ではない。すなわち、「同一」「等しい」「異なる」とは、設計上や製造上等における公差や誤差が許容され、「実質的に同一」「実質的に等しい」「実質的に異なる」という意味である。なお、ここでの公差や誤差とは、本発明の構成・作用・効果を逸脱しない範囲における単位のことを意味するものである。
【００５４】
以上説明したように、本発明に係る動力変換装置は、簡素な構成でありながら、補助駆動源の駆動を間欠とすることができ、よって、回転力を効率的に変換することができるという効果を有し、駆動源の出力を回転エネルギーに変換する動力変換装置全般に有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１    動力変換装置
３    主軸
４    固定ギヤ
１０    駆動源
２０    補助駆動源
１２    駆動ギヤ
１２ａ  回転軸
１３    駆動体
１４    アーム
１５    回動アーム
１６    分銅
【図１】
2017025804.tif 000003
【図２】
2017025804.tif 000004
【図３】
2017025804.tif 000005
【図４】
2017025804.tif 000006
【図５】
2017025804.tif 000007
【図６】
2017025804.tif 000008