JPH09222156A - 制動エネルギー回生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 運動体の制動操作に伴う減速や停止後の再加
速あるいは始動時に必要な制動エネルギーを軽減し、適
切に補助することができる制動エネルギー回生装置を軽
量かつ安価に実現することを課題とする。 【解決手段】 制動エネルギー回生装置１はエネルギー
抽出手段１１、エネルギー蓄積手段１２およびエネルギ
ー回生手段１３より構成され、回転体２に対して制動操
作が施されると、同時にエネルギー抽出手段１１が回転
体２に接触し、回転エネルギーが抽出され、エネルギー
はエネルギー蓄積手段１２に蓄積される。続いて、制動
操作が解除されると、エネルギー回生手段１３が回転体
２に接触し、エネルギー蓄積手段１２に蓄積されたエネ
ルギーが回転エネルギーとして回生される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、制動エネルギーの
回生装置に関し、特に自転車等のブレーキ操作時の制動
エネルギーを蓄積し、発進時あるいは加速時に蓄積した
エネルギーを開放して補助力とする制動エネルギー回生
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、回転体等の運動体に対する制動操
作は、運動面に制動部材を押し付けて運動エネルギーを
熱エネルギーに変換することにより、運動体の減速、停
止を制御している。たとえば、自転車等の車両において
も、車輪部のリムやブレーキディスクにブレーキパッド
を押しあてることにより、車両の減速、停止を実現して
いる。一般的に、自転車のように回転体（タイヤ）を回
転させることにより車体を前進させるような構造におい
ては、加速時に運動エネルギー（タイヤを回転させる
力）が必要となり、特に一旦停止した後の車体の始動時
（ペダルのこぎ出し時）には、最大の運動エネルギーを
必要とする。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような問題を解決
する方法として、自動車メーカーでは、制動時の回転エ
ネルギーにより発電機を回転させ、電気エネルギーに変
換するとともに、車両の始動時には変換された電気エネ
ルギーを用いてモーターを回転させて始動エネルギーの
補助として用いる技術が開発されている。また、自転車
メーカーにおいても、ペダルの回転エネルギーから電気
エネルギーを取り出し、走行時の負荷に応じてモーター
を回転させて、補助動力とする技術が開発されている。

【０００４】これらの技術は、いずれも運動エネルギー
を電気エネルギーに変換し、始動時や車両負荷発生時に
電気エネルギーを再び運動エネルギーに変換するという
方法が用いられている。しかしながら、このような構成
は、自動車等の大型の車両においては、簡易に実現する
ことができるが、自転車等の構造が簡単かつ軽量である
ことが望まれる車両においては、発電機や蓄電手段（コ
ンデンサや蓄電池）、補助駆動手段（電動モーター）を
装備することは車体重量やコストを増大させ、自転車の
手軽さを失う問題点を有している。現実に上述した自転
車の例では、車体重量が大幅に増加しているばかりでは
なく、製品価格も通常の数倍と自転車の「手軽さ」を消
失させている。

【０００５】本発明においては、上記問題点を解決し、
エネルギーの蓄積が可能なぜんまいばね等の機械的要素
を用いた簡易な手段により運動体の制動時の運動エネル
ギーを蓄積し、制動解除時に蓄積したエネルギーを運動
体の運動エネルギーとして回生することにより、始動時
あるいは加速時に必要となる運動エネルギーを補助する
ことができる制動エネルギーの回生装置を簡易な構成で
かつ安価に提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、運動体への制動操作によ
り、該運動体に接触し、該運動体の運動エネルギーを取
り出すエネルギー抽出手段と、該エネルギー抽出手段に
より取り出されたエネルギーを蓄積し、前記運動体への
制動操作の解除により、前記エネルギー蓄積手段に蓄積
されたエネルギーを開放するエネルギー蓄積手段と、前
記回転体への制動操作の解除により、前記運動体に接触
し、前記エネルギー蓄積手段に蓄積されたエネルギーを
前記運動体の運動エネルギーとして回生するエネルギー
回生手段とを備えたことを特徴とする。

【０００７】また、請求項２の発明は、請求項１の発明
において、前記エネルギー蓄積手段として、ぜんまいば
ねを備えた回転体を用いることを特徴とする。このよう
な構成により、請求項１記載の発明では、直線運動ある
いは回転運動等の運動エネルギーを有する運動体への制
動操作時にエネルギー抽出手段が運動体に接触し、運動
体の運動エネルギーをエネルギー蓄積手段に蓄積し、制
動操作解除時に蓄積エネルギーを運動体の運動エネルギ
ーとして回生する。

【０００８】また、請求項２記載の発明では、直線運動
あるいは回転運動等を行なう運動体の運動エネルギーを
ぜんまいばねのたわみエネルギーとして蓄積し、制動操
作解除時にたわみエネルギーを開放して、運動体の始動
補助エネルギーとして回生する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。図１は本発明の請求項１に係る制動エ
ネルギー回生装置を示す概念構成図である。発明を明瞭
化するために、以下の説明においては運動体として自転
車の車輪を例にして説明する。

【００１０】図１において、１は本発明の制動エネルギ
ー回生装置であり、制動エネルギー回生装置１はエネル
ギー抽出手段１１、エネルギー蓄積手段１２およびエネ
ルギー回生手段１３より構成される。２は自転車の車輪
やブレーキディスク等の回転体である。このような構成
において図１（ａ）のように、回転する回転体２に対し
て制動操作が施されると、たとえばブレーキパッドがブ
レーキディスクに接触する。このとき制動操作と同時に
エネルギー抽出手段１１が回転体２に接触し、回転体２
の回転速度は減速されるとともに、回転エネルギーが抽
出される。抽出されたエネルギーはエネルギー蓄積手段
１２に蓄積される。続いて、停止あるいは減速した回転
体２に対して、図１（ｂ）のように、回転体２に対する
制動操作が解除されると、エネルギー回生手段１３が回
転体２に接触し、エネルギー蓄積手段１２に蓄積された
エネルギーが回転体２の回転エネルギーとして回生され
る。そのため、ペダルを回転させて回転体２を回転させ
ようとしている場合には、エネルギー回生手段１３から
供給される回転エネルギーが補助力として作用する。こ
こで、回転体２への制動操作時にはエネルギー抽出手段
１１が回転体２と接触し、エネルギー回生手段１３は離
間するものとする。また、回転体２への制動操作解除時
にはエネルギー回生手段１３が回転体２と接触し、エネ
ルギー抽出手段１１は離間するものとする。このような
構成により、回転体２への制動操作時には、回転エネル
ギーを抽出する系のみが作動し、制動操作解除時には、
回転エネルギーを回生する系のみが作動する。

【００１１】次に、本発明の請求項２に係る制動エネル
ギー回生装置の具体的な構成例について図２を用いて説
明する。本実施例についても本発明を自転車に適用した
例について説明する。制動エネルギー回生装置１は、軸
Ｐ₂₁を回転中心とする空転ホイル２１（エネルギー抽出
手段）と、空転ホイル２１の外周に接触し、軸Ｐ₂₃を回
転中心とするぜんまいホイル２３（エネルギー蓄積手
段、エネルギー回生手段）とを有し、ぜんまいホイル２
３内には、ぜんまいホイル２３の内周に設けられた掛合
爪２３ａと外方端の折り返し部２２ａが掛合し、内方端
が軸Ｐ₂₃に固定されたぜんまいばね２２が設けられてい
る。軸Ｐ₂₁およびＰ₂₃はそれぞれ固定軸であり、図示さ
れていない連結フレームにて結合されている。連結フレ
ームには、軸Ｐ₂₁およびＰ ₂₃間に傾動支点Ｐ₃₀が設けら
れるとともに、連結フレームの傾動を制御する傾動フレ
ーム３０が設けられている。傾動フレーム３０の一端に
は、ブレーキワイヤーの一端、あるいはブレーキワイヤ
ーと連動する制御ワイヤー３１が接続されている。２は
車輪のリム部あるいはブレーキディスク等の回転体であ
る。

【００１２】このような構成において、リム２が矢印Ｄ
の方向に回転運動しているとする。図２（ａ）のように
制動動作（ブレーキ）操作により、図示していないブレ
ーキワイヤーが引き込まれ、ブレーキパッドがリム部２
に接触して制動状態となるとともに、ブレーキワイヤー
と連動する制御ワイヤー３１が矢印Ｆ₁のように引き込
まれ、傾動フレーム３０が傾動支点Ｐ₃₀を中心に傾動す
る。このような操作により空転ホイル２１はリム２に接
触し、リム２の回転方向Ｄに、回転ｒ₂が与えられる。
空転ホイル２１とぜんまいホイル２３とは外周において
接触しているので、ぜんまいホイル２３には、空転ホイ
ルの回転ｒ₂とは逆方向の回転Ｒ₂が与えられる。ぜんま
いホイル２３の回転Ｒ₂により、内周に設けられた掛合
爪２３ａがぜんまいばね２２の外方端に設けられた折り
返し部２２ａを掛合して回転するため、ぜんまいばね２
２は巻き絞められ、たわみエネルギーが蓄積する。この
とき空転ホイル２１はリム２に接触しているが、ぜんま
いホイル２３は間隙Ａを有して離間している。

【００１３】次に、図２（ｂ）に示すように、ブレーキ
操作が解除されると、図示されていないスプリング等の
通常状態復帰手段により傾動支点Ｐ₃₀を中心に矢印方向
の復帰力Ｆ₂が印加され、制動ワイヤー３１への引き込
み力Ｆ₁が解除され、空転ホイル２１はリム２から間隙
ａを有して離間し、ぜんまいホイル２３はリム２に復帰
力Ｆ₂に基づく所定の押し付け力で接触する。走行状態
（制動解除状態）になると、ぜんまいホイル２３は空転
ホイル２１からの回転が伝えられなくなるため、ぜんま
いばね２２の巻き絞めによって蓄積されたたわみエネル
ギーを開放する。ぜんまいばね２２は、外方端の折り返
し部２２ａをぜんまいホイル２３の内周の掛合爪２３ａ
に掛合させたまま自然状態に戻ろうとしてぜんまいホイ
ル２３に回転Ｒ₁を生じ、外周に接触するリム２を矢印
方向Ｄに運動させようとする。このとき空転ホイル２１
はリム２から離間しているので、回転ｒ₁で空転する。
このブレーキ操作の解除後、自転車を始動させるためペ
ダルを回転させるとぜんまいばね２２により与えられる
回転Ｒ₁はリム２の回転運動Ｄの補助力として作用す
る。

【００１４】ぜんまいばね２２のたわみエネルギーが全
て開放されると、ぜんまいばね２２の外方端の折り返し
部２２ａとぜんまいホイル２３の内周の掛合爪２３後の
掛合は解除され、ぜんまいホイル２３はリム２の回転Ｄ
との接触により回転Ｒ₁で空転する。このような動作を
実現するためには、図２に示すように、ぜんまいホイル
２３の内周に設けられた掛合爪２３ａとぜんまい２２の
折り返し部２２ａとは、ぜんまい２２の巻き絞め方向に
のみ掛合し、反対方向には互いに掛合することなく空転
するように構成される必要がある。そのため、走行時に
本発明の制動エネルギー回生装置がなんら抵抗を生じる
ことはない。

【００１５】このように、ブレーキ操作時のみリム２に
接触する空転ホイル２１と、ブレーキ操作解除時のみリ
ム２に接触するぜんまいホイル２３とを有することによ
り、制動、始動時の回転エネルギーを的確に抽出、蓄
積、回生することができる。そのため、制動時の運動エ
ネルギーは、ブレーキパッドによる熱エネルギーとぜん
まいばねのたわみエネルギーに変換され、車両の制動効
果を向上させることができるとともに、始動時に蓄積し
たたわみエネルギーを回転エネルギーとして回生できる
ので、始動動作を効果的に補助することができる。

【００１６】なお、本実施例においては、運動体として
回転体を例に説明したが、これに限定されるものではな
く、直線運動をするものであってもよいことはいうまで
もない。また、ぜんまいばねのエネルギー蓄積能力は、
自転車の車体重量等に合わせ的確に設定されるものであ
り、ぜんまいの巻き絞め力を調整できる形態としてもな
んら問題はない。また、実施例中では、通常状態（制動
解除状態）の復帰手段として、傾動フレーム３０に復帰
力Ｆ₂を印加する方式を示したが、本発明はこれに限ら
れるものではなく、軸Ｐ₂₃をリム２に押し付ける方向、
あるいは軸Ｐ₂₁をリム２から離す方向に力が加わるもの
であれば良いことはいうまでもない。

【００１７】さらに、本発明のより具体的な実施形態と
しては、金属性のリム２に接触する空転ホイル２１の外
周をゴムや樹脂等の軟性材料で形成することによりリム
２の運動エネルギーを効率的に空転ホイル２１の回転エ
ネルギーに伝達できるようにし、ぜんまいホイル２３の
空転ホイル２１と接触する外周部をリム２のような金属
性として、空転ホイル２１の回転ｒ₂に対し、ぜんまい
ばね２２の最大巻能力まで巻き上げると、すべり摩擦に
よりぜんまいホイル２３が回転しないように構成する。
また、リム２と接触するぜんまいホイル２３の外周をゴ
ムや樹脂等の軟性材料で形成することにより、ぜんまい
バネ２２に蓄積されたたわみエネルギーによるぜんまい
ホイル２３の回転エネルギーを効率的にリム２に伝達す
ることができる。

【００１８】加えて、本発明のエネルギー蓄積手段は、
ぜんまい等の基本的な機械要素を用いているため、極め
て簡易な構成で実現できるとともに、ぜんまいばねの巻
き絞め量を調整することにより容易に所望の回生力を発
生させることができる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、制動操
作時の運動エネルギーをたとえばぜんまいばねを用いた
簡易な構成で抽出、蓄積することができるとともに、制
動操作解除時に蓄積したエネルギーを開放して、再び運
動エネルギーとして回生することができる。

【００２０】したがって、制動操作に伴う減速や停止後
の再加速あるいは始動時の大きな始動エネルギーを必要
とする際に、蓄積されたエネルギーを回生することによ
り、適切に補助することができるとともに、装置を軽量
かつ安価に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１に係る制動エネルギー回生装
置の基本概念を示す図である。

【図２】本発明の請求項２に係る制動エネルギー回生装
置を自転車に適用した実施例を示す機構図である。

【符号の説明】

１ 制動エネルギー回生装置 ２ 回転体 １１ エネルギー抽出手段 １２ エネルギー蓄積手段 １３ エネルギー回生手段 ２１ 空転ホイル ２２ ぜんまいばね ２２ａ 折り返し部 ２３ ぜんまいホイル ２３ａ 掛合爪 ３０ 傾動フレーム ３１ 制御ワイヤー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】運動体への制動操作により、該運動体に接
   触し、該運動体の運動エネルギーを取り出すエネルギー
   抽出手段と、該エネルギー抽出手段により取り出された
   エネルギーを蓄積し、前記運動体への制動操作の解除に
   より、前記エネルギー蓄積手段に蓄積されたエネルギー
   を開放するエネルギー蓄積手段と、前記回転体への制動
   操作の解除により、前記運動体に接触し、前記エネルギ
   ー蓄積手段に蓄積されたエネルギーを前記運動体の運動
   エネルギーとして回生するエネルギー回生手段とを備え
   たことを特徴とする制動エネルギー回生装置。
2. 【請求項２】前記エネルギー蓄積手段として、ぜんまい
   ばねを備えた回転体を用いることを特徴とする請求項１
   記載の制動エネルギー回生装置。