JP2008285165A - 自転車の自動制御装置及び自動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サイクリストが実に使用し易い、かつ変速動作が迅速となる自転車用の電子制御変速装置を提供すること。
【解決手段】自転車用の電子制御変速装置に自動動作モードを取り付け、これに、速度比の増加或いは減少に対するサイクリストの要求に応じて、システム自体がペダルの回転毎に自転車が進行する距離に亘り漸次的増加或いは減少を生じさせるのに最適な前部のクラウンホイールと後部のスプロケットの組み合わせを自動的に選択させるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は自転車用の変速装置に関するもので、とくに自転車のペダルユニットを取着されたクランクアームに連係した複数のクラウンホイール上での自転車チェーンの選択的な係合を制御するための前部変速機、及び、自転車の後部車輪のハブに連係した複数のスプロケット上での自転車チェーンの選択的な係合を制御するための後部変速機と、前記前部変速機及び後部変速機にそれぞれ連係してその制御を行う第１及び第２のモータと、前部変速機及び後部変速機の動作位置を検出するための第１及び第２の位置検出手段と、前記第１及び第２のモータを作動させるための、手動制御による第１及び第２の作動手段と、前記第１及び第２のモータ、前記第１及び第２の位置検出手段及び前記第１及び第２の作動手段に接続される前記前部及び後部変速機制御用の電子制御装置とを備えた自転車用の変速装置に関するものである。

上述した型の装置は、１９９３年７月８日に同一出願人により出願され１９９５年１月８日に公開された伊国特許出願第ＴＯ９３Ａ０００５０３号、並びに対応する仏国特許出願第２７０８５５９号、及び対応する独国特許出願第４４２２８４５号の主題を成している。また、この装置を改良したものは、同一出願人により出願され本出願の優先日になお未公開の伊国特許出願第ＴＯ９４Ａ０００１１６の主題を成している。

本発明の目的は、サイクリストによる変速操作を極めて容易且つ迅速に行えるように、上述した特許出願の主題を成す変速装置を改良することである。この必要性は特に競技用自転車の場合に顕著である。もちろん競技用自転車に限定される必要は毛頭ないが、競技用自転車の場合、競技者の神経は競技自体にできるだけ集中する必要があるから、ギヤ切り換えを行うときでさえ、選定すべきクラウンホイールとスプロケットとの組み合わせを決定するために特に貴重な瞬間及び神経を無駄に失いたくないからである。

この目的を達成するために、本発明は、前記各作動手段が、それぞれ、各操作毎に速度比の増加又は減少を制御するための、第１及び第２の手動制御の作動部材から成り、前記電子制御装置が、ペダルを１回転する毎に自転車が進行する距離における漸次的な増加又は減少が生じるように、チェーンが係合すべき前記クラウンホイール及びスプロケットを第１及び第２の作動部材が操作される毎に自動的に選定し、その結果として、前記電子制御装置が、前記モータの一方又は両方の駆動を制御することにより、前記位置検出手段が指示した状態に続いて、前記選定された前部クラウンホイール及び選定された後部スプロケット上のチェーンの所望の係合状態を達成し、最終的に、前記検出手段が、前記所望の状態が達成されたことを検出したとき、作動している一方或いは両方のモータを停止するように成し、更に、前記電子制御装置が、自動作動モードと、前部変速機及び後部変速機を個々に手動動作モードとの切り換えを可能とする動作モードを選定する手段に接続されていることを特徴とする、冒頭に示した型の自転車用変速装置を提供する。

以上のことから明らかなように、本発明の基礎となっている概念は、電子制御装置を駆使してギヤ切り換え毎のクラウンホイールとスプロケットの組み合わせを選定するという特定の戦略にある。例えば、サイクリスト（競技者）が現在の走行速度に対して速度を増加させたいと考えると、サイクリストは、高速方向への変化を制御する作動部材を一度以上操作する。作動部材を操作する毎に速度変化が生じる。ギアの切り換え毎に、電子制御装置はある速度から次の速度への変化に際して、ペダル１回転毎に自転車が走行する距離における漸次的な増加が生じるように、クラウンホイールとスプロケットの組み合わせを選定する。逆に、サイクリストが速度の減少を制御する作動部材を一度以上操作する場合、クラウンホイールとスプロケットの組み合わせは、ペダル１回転毎に進行する距離における漸次的な減少を生じるようにその都度選定される。

もちろん、本システムには、上述した半自動モードか或いは完全手動モードによる動作かの動作モードの選定手段が設けられており、そうすることによって、半自動モードによるか或いは使用者が必要に応じて前部変速機或いは後部変速機を別個に制御する完全手動モードによる操作を使用者に行わせることも可能となる。

従って、本発明の基礎となる概念は、ギヤ切り換え時にクラウンホイールとスプロケットの組み合わせを選定するとき、ペダル１回転毎に進行する距離に関する予め選定した基準速度に対する漸次的な増速又は漸次的な減速を任意に可能にすることにある。

本発明の別の特徴と利点は付与した添付図面を参照して以下の説明から明らかになるが、もちろんこの実施例に限定されてしまうべきものではない。

図１を見てわかるように、後輪４を支持するためのシートステー３と前輪６を取付けるためのフォーク５とを形成する管状部材から蝋付け等の公知の方法で製造されたフレーム２を備えた競技用自転車の略全体が、符号１により示されている。前輪６には、同じく管状構造のドロップ型のハンドルバー７０が取り付けられている。同様に図１において、符号１で概略的に示されているのが一般的な競技用自転車で、これは実質的に管状部材から公知の方法で製作された後輪４を支持するためのシートステー３を備えたフレーム２であり、これに前輪６用のフォーク５が、このフレーム２の前端部分に回転可能に取着されている。そしてフォーク５の上端部分には前輪６の方向操作を行うための同じく管状構造のハンドルバー７０が取り付けられている。

フレーム２の下端部にはペダルユニット８が取着された従来型のクランクアームが回転可能に取着されており、このペダルユニット８が全体を符号７で示した本発明に係る変速装置を介して後輪４を回転駆動する。

変速装置７は実質的に後部変速装置９と前部変速装置１０とから形成されている。両者はそれぞれは略公知の態様で次のように構成されている。すなわち、前者は異なる直径、即ち歯数を有する複数枚（図示例では８枚）の歯板から構成されるチェーンスプロケット１１を後輪４に軸線Ａと同軸かつ一体的に取着されており、他方、後者は異なる直径、即ち歯数を有する複数枚（図示例では２枚）の歯付きリングから成るクラウンホイール１２を自転車のクランクアームと一体的に固定されかつ軸線Ｂと同軸に備えている。

これらのスプロケット１１とクラウンホイール１２とは、無端の伝動チェーン１３と選択的に係合可能であり、それぞれ、後部変速装置９を構成する後部変速機１４と前部変速装置７を構成する前部変速機１５とを実質的に車輪の回転軸と平行に移動させることにより、これら変速装置７及び９を介して種々の変速比を得ることができる。

同一出願人による上述した先の特許出願で提案された解決手段によれば、前部変速機１５と後部変速機１４は、いずれも、モータ／減速機（図２に参照符号１４ａと１５ａで図式的にのみ示す）を備えている。これらのモータ／減速機は、種々のスプロケット上で或いは種々のクラウンホイール上のチェーンを強制的に脱線させるように変速機（変速機）をクランク回転軸と平行な方向に移動させるように用いられる。

前記モータ／減速機の構造や変速機上への取り付けの詳細は本出願人の上述した特許出願に開示されているので、ここでは説明を省略する。同様のことは、各モータ／減速機に連係してモータ／減速機の位置従ってそれに係る変速機の作動位置の検出器として機能する、エンコーダ装置（図２に符号１４ｂ及び１５ｂとして図示）についても同様である。

更に、本出願人の先の特許出願に開示されたところのものによれば、モータ／減速機１４ａ、１５ａの電源は、電池３０（図１）が使用される。この電池３０はフレーム２を構成する管の１つ（図示例においてはシートチューブ）に内蔵されるのが好ましいが、他にハンドルバー７０の一方のバーエンド内に収容されても、或いは、例えばクランクアームに近い自転車フレーム２の下端部（ボトム・ブラケット）に固定されかつ以下に詳細に示す態様でシステムを制御するマイクロプロセッサユニットで構成された電子制御装置４０（図１）のハウジング内に収容されてもよい。

２つの前部変速機１５及び後部変速機１４は、ブレーキレバーハウジング４１（図１）に重なるように枢着された２本の手動制御されるブレーキレバー兼用作動レバー４３、４４から送られる信号に基づいて、前記電子制御装置４０により制御される。

電子制御装置４０（これもブレーキレバーハウジング内に収容することができる）もまた、図２に示すように、２つのエンコーダ１４ｂ、１５ｂに接続されている。エンコーダ１４ｂ、１５ｂはそれぞれ変速機１４、１５の現在位置を検出し、それぞれ高速及び低速の方に移動させる手動式作動レバー４３及び４４により設定された所望の速度伝達比が得られる位置に変速機を移動し、その位置が確認されると、作動しているそれぞれのモータを停止させる。

前記各部品への接続は、フレーム２の管内に収容されたワイヤ（図１では図示なし。）を介して行われるのが好ましい。

更に、本出願人の先の特許出願から公知の別の特徴によれば、電池３０は再充電可能型としてもよく、また、後部変速機には、それ自体公知の型の発電装置を、後部変速機に係る従来の案内部材のガイドプーリ１４ｃの内部に取り付け、電池を再充電できるようにしてもよい。

ここに記載した本発明の好適な実施形態において、電子制御装置４は、サイクリストが選定レバー又はボタンを操作することにより２つの異なる動作モードを選定し得るようにプログラムされる。第１の手動モードによれば、サイクリストは前部変速機１５と後部変速機１４とを別個に操作する。従って、２つの変速機のそれぞれに対して、サイクリストは従来のシフトレバーの如き別個の調節装置を操作して速度比を大きい方へ或いは小さい方へ変える。この調節装置は周知の態様で形成されており、それ自体の詳細な説明は本発明の範囲から逸脱するのでここでは省略する。

本発明の最も重要な側面によれば、電子制御装置４０は完全自動モードの他に半自動作動モードも可能である。この場合も、サイクリストは２つの別個の調節装置例えば作動レバー４３及び４４を操作する必要がある。しかしながら、これらの調節装置はそれぞれ前部変速機１４と後部変速機１５を同時に制御し、速度をそれぞれ予め選定された基準となる現在の走行速度に対して高速或いは低速に変化させる。実際には、前部のクラウンホイールと後部のスプロケットの組み合わせを選定すべきときに、システムが決定を行ない、サイクリストの介在は無用である。

本発明によれば、クラウンホイールとスプロケットの組み合わせを選定するために採用される基準は、高速に向けて或いは低速に向けての変速時に、ペダル１回転毎に自転車が進行する距離において、加速又は減速が漸進的に生じるようにすることである。換言すれば、サイクリストが速度比を変更したい場合は、その要求に最も適したクラウンホイールとスプロケットの組み合わせを決定することにその都度注意を払うことなく、（高速或いは低速に向けてのサイクリストの要求に応じて）、２つの作動レバー４３、４４のうち一方を一度以上操作すれば足りる。レバー４３、４４の一方を操作する毎に、最適な前部クラウンホイールと後部スプロケットの組み合わせを選定するように、システム自体が後部変速機及び必要に応じて前部変速機を自動的に制御する。

この動作原理は、本発明の可能な使用例に関する図表を示す図４を参照するとより良く理解されよう。この図表は、それぞれ１２個、１３個、１４個、１５個、１６個、１７個、１９個及び２１個の歯数を有する８枚のスプロケット（図表に第１から第８まで番号付けしてある。）が設けられ、図表に符号Ａ及びＢで示してそれぞれ３９本と５２本の歯を有する２個の歯付きクラウンホイール（なお、ここでは単に「ホイール」と表記している）が設けられている場合に関する。図表は、スプロケットとクラウンホイールの各組み合わせ毎に、各ペダル１回転毎に自転車が進行する距離をメートル単位で示す。

電子制御装置４０は、クラウンホイールとスプロケットの組み合わせの最適な選定を、サイクリストの操作毎に自動的に付与するようにプログラムされている。図示例において、最も低速度に対応する組み合わせは、歯数３９のホイールＡとスプロケット８の組み合わせである（ペダル１回転毎に進行する距離：３．９１ｍ）。この状態でサイクリストがレバー４３を一度以上操作して高速の方へ一度以上変化させると、システムは、図４に矢印で示した経路に従って別の図示組み合わせに自動的に切り換える。従って、組み合わせは、順次、Ａ・７→Ａ・６→Ａ・５→Ａ・４→Ａ・３→Ｂ・６（この変化で、システムは前部変速機も移動させる）→Ｂ・５→Ｂ・４→Ｂ・３→Ｂ・２→Ｂ・１へと変化する。図示したように、前記変化で、ペダル１回転毎に進行する距離は、順次、４．３２ｍ→４．８３ｍ→５．１３ｍ→５．４７ｍ→５．８６ｍ→６．４４ｍ→６．８４ｍ→７．３０ｍ→７．８２ｍ→８．４２ｍ→９．１２ｍと変化する。従って、明らかに、サイクリストにより付与される速度増加の各操作毎に、ペダル１回転で進行する距離の漸次的増加が生じる。サイクリストが減速のためにレバー４４を一度以上操作した場合、過程は当然正反対になる。付言すれば、図表に示したように、Ａ・１、Ａ・２、Ｂ・７、Ｂ・８の組み合わせに対応する距離は、システムにより選択されることはないので、抹消されている。

当然のことであるが、図４に一例として示した歯数と異なる歯数を有するスプロケットとクラウンホイールを使用してもよい。例えば、出願人により実際に試験された事例では、５つの異なるスプロケット及びクラウンホイールのグループに対応して５通りの図表が得られた。電子制御装置４０は、これらの図表のいずれかに従って動作するようにプログラムされ、サイクリストは、自転車に取り付けるスプロケット及びクラウンホイールの関数としてどの図表を適用すべきかをシステムに教示することができる。

しかしながら、既に説明したように、サイクリストが手動作動モードを選択した場合、サイクリストは、前部変速機と後部変速機を直接且つ別個に操作してもよく、これにより任意の所望の組み合わせを得ることができる。上述した本出願人の先の特許出願の主題を形成する特徴によれば、この場合、システムは、自転車の長手方向垂直面に対して大幅に傾斜した位置にチェーンが移動するように後部変速機が手動操作で作動するときのみ、即ち、極めて歯数の異なるスプロケット間の飛び越し移動による変速操作のときのみ、前部変速機の補正移動を制御するような動作を自動的に行わせるようにしてもよい。

図３は、サイクリストのレバー操作に続いて電子制御装置４０により実行される論理演算に対応するフローチャートを示す。この図に示したように、システムは、先ず、自動作動モードが求められているか否か（３０１）を尋ねる。自動作動が求められていない場合（ＮＯ）、システムは、上述した従来のモードで動作する。しかしながら、自動作動が求められている場合（ＹＥＳ）は、システムは、速度の増加が求められているか否か（３０２）を尋ねる。速度の増加が求められている場合（ＹＥＳ）は、システムは、変速位置即ち後部変速機１４の位置が、チェーンにより実際に係合されるクラウンホイール１２の最大限界値にあるか否か（３０４）を尋ねる。

例えば、図４の図表の場合、システムはクラウンホイール１２の「Ａ」が第３スプロケットと係合しているか否かを尋ねる。システムがこの状態にある場合、システムは後続のクラウンホイールに対する後部変速機の位置を計算（３０７）する（図示例では、後続のクラウンホイール１２はクラウンホイール「Ｂ」であり、噛合うスプロケットは第６スプロケットである）。このとき、システムはチェーンを第３スプロケットから第６スプロケットへ移動させるように後部変速機１４を駆動（３０８）する。次に、システムはチェーンをクラウンホイール「Ａ」からクラウンホイール「Ｂ」に移動させるように前部変速機を駆動（３０９）する。

しかしながら、システムが上述した最大限界位置にない（クラウンホイール「Ａ」と第３スプロケットの組み合わせ）場合、システムは、単に、チェーン１３を次位の増速側スプロケット（常に図４の矢印により示した経路に従う）に移動させるように、後部変速機１４を駆動（３０６）する。フローチャートの始めに戻ると、速度増加の要求が無い（ＮＯ）場合、システムは、速度減少の要求があるか否か（３０３）を尋ねる。肯定（ＹＥＳ）の場合、システムは、チェーン１３と実際に係合しているクラウンホイール１２に対して後部変速機１４が最小限界位置にあるかどうか（３０５）を尋ねる（換言すれば、システムは、例えば、クラウンホイール「Ｂ」と係合しているスプロケットが第６スプロケットであるか否かを尋ねる）。否定（ＮＯ）の場合、システムは、単に、再び図４の図表に示した経路に従って次位の減速側スプロケットにチェーン１３を位置決めするように、後部変速機１４を駆動（３１０）する。しかしながら、肯定（ＹＥＳ）の場合、システムは、先のクラウンホイール１２に対する後部変速機１４の位置を計算（３１１）し、その後、後部変速機１４を次に前部変速機１５を移動し（３１２；３１３）て最適な組み合わせを得る（図４の場合、Ｂ−６からＡ−３への変化が生じる）。

既に述べたように、後部車輪の交換の場合、スプロケットユニットの端部に配設された２個のスプロケットのいずれかに位置検出装置のゼロ位置を設定することにより、電子制御装置に基く変速機の作動位置に各スプロケットを正確に合わせることができる。実際には、この手順が２個の端部スプロケットの一方に対してのみ可能な場合は、情況に応じて、ゼロ位置を設定可能な位置まで全スプロケットを通ってチェーンを移動させることが必要になる。これにより、この動作の終了時には、サイクリストの妨げとなる前の速度比とは大きく異なる速度比を得ることができる。

システムは、好ましくは、診断用の外部装置及び／又は電源電池を再充電するための装置に接続することができる。

別の特徴によれば、電子制御装置は、電源電池の状態についての診断を実行し、且つ、それを表示することができる。

最後に、本発明の別の可能な特徴によれば、制御装置は、取り分け、前部変速機と後部変速機の位置を表示するためのデジタル表示器を備え、更に、自転車の動作及び性能に関する別のパラメータを表示することができる。

言うまでもなく、本発明の原理は維持したまま、本発明の範囲を逸脱することなく、単に非限定的例示のために説明してきた構造及び実施形態の細部を、様々に変形させることもできる。

本発明に係る装置を備えた自転車の概略斜視図。 本発明に係る装置のブロック図。 本発明に係る装置の動作モードに関連したフローチャート。 本発明に係る装置の動作の可能な基準に対応する図表。

符号の説明

１・・・競技用自転車
２・・・フレーム
３・・・支持構造
４・・・後輪
５・・・フォーク
６・・・前輪
７・・・変速装置
８・・・クランク車軸（ペダルユニット）
９・・・後部変速装置
１０・・・前部変速装置
１１・・・チェーンスプロケット
１２・・・歯付きチェーンクラウンホイール
１３・・・チェーン
１４・・・後部変速機
１５・・・前部変速機
１４ａ、１５ａ・・・電動機／減速機
１４ｂ、１５ｂ・・・位置検出手段（エンコーダ装置）
１４ｃ・・・ホイール
３０・・・電池
４０・・・電子制御装置
４３・・・作動レバー
４４・・・作動レバー
７０・・・ハンドル
３０１・・・自動モードか？
３０２・・・速度増加か？
３０３・・・速度減少か？
３０４・・・後部変速機が実際のクラウンの最大限界値に位置しているか？
３０５・・・後部変速機が実際のクラウンの最小限界値に位置しているか？
３０６・・・後部変速機を次の位置に移動
３０７・・・次のクラウンに対する後部変速機の位置を計算
３０８・・・後部変速機を移動
３０９・・・前部変速機を移動
３１０・・・後部変速機を以前の位置に移動
３１１・・・以前のクラウンに対する後部変速機の位置を計算
３１２・・・後部変速機を移動
３１３・・・前部変速機を移動

Claims (5)

1. 前部変速機（１５）と複数のクラウンホイール（１２）を有する前部変速装置（１０）と、後部変速機（１４）と複数のスプロケット（１１）を有する後部変速装置（９）と、上記複数のクラウンホイール（１２）のいずれか一つと複数のスプロケット（１１）のいずれか一つに選択的に係合される伝動チェーン（１３）を備えた自転車の自動制御装置であって、
   上記自動制御装置は、
   速度比の増加又は減少が求められているかを判断する手段（３０２，３０３）と、
   速度比の増加が求められているとき、後部変速機（１４）の位置が、上記複数のスプロケットの中で上記チェーンが実際に係合しているクラウンホイール（１２）について予め決められている最大限界値にあるか否か判断する手段（３０４）と、
   上記変速機が上記最大限界値にあれば、上記チェーンが次に係合されるべきクラウンホイールに対する後部変速機の位置を求め、該位置に後部変速機を移動させて速度比を増加する手段（３０７，３０８）と、
   速度比の減少が求められているとき、後部変速機（１４）の位置が、上記複数のスプロケットの中で上記チェーンが実際に係合しているクラウンホイール（１２）について予め決められている最小限界値にあるか否か判断する手段（３０５）と、
   上記変速機が上記最小限界値にあれば、上記チェーンが次に係合されるべきクラウンホイールに対する後部変速機の位置を求め、該位置に後部変速機を移動させて速度比を減少する手段（３１１，３１２）と、
   上記チェーンを上記次に係合されるべきクラウンホイールに移動させて係合させる手段（３０９、３１３）を有することを特徴とする自転車の制御装置。
2. 上記後部変速機の位置が上記最大限界値にない場合、上記後部変速機を移動して、上記チェーンを現在係合しているスプロケットから隣接する歯数のより少ない次のスプロケットに移動して手段（３０６）し、
   上記後部変速機の位置が上記最小限界値にない場合、上記後部変速機を移動して、上記チェーンを現在係合しているスプロケットから隣接する歯数のより多い次のスプロケットに係合させる手段（３１０）を有することを特徴とする請求項１の制御装置。
3. 請求項１又は２の制御装置を備えた自転車。
4. 前部変速機（１５）と複数のクラウンホイール（１２）を有する前部変速装置（１０）と、後部変速機（１４）と複数のスプロケット（１１）を有する後部変速装置（９）と、上記複数のクラウンホイール（１２）のいずれか一つと複数のスプロケット（１１）のいずれか一つに選択的に係合されるエンドレスの伝動チェーン（１３）を備えた自転車の自動制御方法であって、
   変速比の増加が求められている場合、
   後部変速機（１４）の位置が、上記複数のスプロケットの中で上記チェーンが実際に係合しているクラウンホイール（１２）について予め決められている最大限界値にあるか否か判断し、上記変速機が上記最大限界値にあれば、上記チェーンが次に係合されるべきクラウンホイールに対する後部変速機の位置を求めた後に該位置に後部変速機を移動させて速度比を増加し、続いて、上記チェーンを上記次に係合されるべきクラウンホイールに移動させて係合させ、
   変速比の減少が求められている場合、
   後部変速機（１４）の位置が、上記複数のスプロケットの中で上記チェーンが実際に係合しているクラウンホイール（１２）について予め決められている最小限界値にあるか否か判断し、上記変速機が上記最小限界値にあれば、上記チェーンが次に係合されるべきクラウンホイールに対する後部変速機の位置を求めた後に該位置に後部変速機を移動させて速度比を減少し、続いて、上記チェーンを上記次に係合されるべきクラウンホイールに移動させて係合させることを特徴とする自転車の制御方法。
5. 上記後部変速機の位置が上記最大限界値にない場合、上記後部変速機を移動して、上記チェーンを現在係合しているスプロケットから隣接する歯数のより少ない次のスプロケットに係合し、
   上記後部変速機の位置が上記最小限界値にない場合、上記後部変速機を移動して、上記チェーンを現在係合しているスプロケットから隣接する歯数のより多い次のスプロケットに係合することを特徴とする請求項４の制御方法。

Images