JP2009208753A

JP2009208753A - クランク回転力抑制装置とコントローラ

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Publication number: JP2009208753A
Application number: JP2008088450A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Umeki; 岳志梅木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-01
Filing date: 2008-03-01
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】変速機付の自転車において、容易にかつ安全に変速動作を行うための装置を提供する。
【解決手段】動力伝達機構にクランク回転力抑制装置とクランク回転力抑制装置コントローラを取り付け、ペダルを通して入力された力のうち変速動作の妨げになる力および、推進力とならない力をクランクの回転を妨げる力として分散させることにより解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は、動力伝達機構および変速機構、とくに、自転車の動力伝達機構および、変速機構に関するものである。

通常の自転車用変速機構はクランクと共に回転する複数の前輪歯車と、後車輪とともに回転する複数の後輪歯車または、後車輪のハブに内蔵された複数の歯車と、クランク側の歯車と後車輪側の歯車とを結合する動力伝達用のチェーン、ベルト、歯車付シャフト等を備えている。自転車用フレームにはチェーンを複数の前輪歯車の間で移動させるための前輪変速機とチェーンを複数の後輪歯車の間で移動させるため後輪変速機、後車輪のハブに内蔵された複数の歯車の減速比を切り替えるための後輪変速機が取り付けられている場合がある。前輪および後輪変速機は、手動スイッチまたはレバーによって制御される場合がある。より洗練されたシステムでは、自転車用変速機は小型の電動モータによって制御される。このようなモータは、前記スイッチまたはレバーによって手動で制御されるか、自転車の速度またはクランクの回転速度（あるいは両方）に基づいて変速機コントローラにより自動的に制御される。

自転車の変速装置の制御に関しては、多数の考案がなされている。例としては、以下の特許文献１中に示されているものなどであるが、クランク回転数や走行速度等のパラメータを基に計算し、、あらかじめ設定した値において変速動作を行うことによって制御することによって効率のよい変速を得ることを目的とするものが多く存在する。

特開２００３−３２７１９１

発明が解決しようとする課題

自転車用変速機構における変速動作時には歯車およびチェーンの回転方向または歯車どうしの回転方向と、チェーンおよび歯車の移動方向は互いに垂直に配置されているため、互いの接触面に摩擦力が生じており、この摩擦力が変速動作において、チェーンおよび歯車の、変速のための移動に対する妨げとなっている。

自転車用変速機構における変速動作時にチェーンまたは歯車が歯数の異なった歯車に移動する際に、減速比の差を原因として生じるクランクの空転が、変速時の操縦安定性を低下させる一因となっている。

これらの問題は操縦者本人がペダルを通じてクランクから入力する力を微調整することによって、ある程度は解決が可能ではあるが、その微調整にはそのための操縦技術および慣れが必要であり、全ての操縦者にとって解決可能なものではない。

本発明は、このような課題を解決するものであって自転車用変速機構を備えた自転車を操縦する操縦者が高度な操縦技術を必要とすることなく、変速性能と変速時の走行安定性を向上させることが可能となることを目的とする。

課題を解決するための手段

本発明では、変速機付自転車において、とくに、操縦者本人がペダルを通じてクランクへ入力するクランクを回す力の一部を、クランク回転抑制装置を使用して、クランクを回転させる力と、その力に対する抵抗力に分解することにより、変速時に発生する衝撃およびクランクの空転を抑制することのできるクランク回転力抑制装置と、設定値を記憶することが可能なクランク回転力抑制装置制御用コントローラと、変位センサを用いて自身の変位を測定することが可能な前輪または後輪変速機と、前輪または後輪それぞれ数段の変速用歯車のうち、それぞれ少なくとも一方の変速機と変速用歯車を備えることにより、変速動作時に操縦者本人がペダルを通じてクランクへ入力する、クランクを回す力をほぼ一定または増加させながら、かけ続けていたとしても、変速機の変位を変速機の変位センサからの信号とクランク回転角またはクランク回転速度センサからの信号を基に、設定値を記憶することが可能な変速機コントローラまたは設定値を記憶することが可能なクランク回転力抑制装置制御用コントローラによってクランク回転力抑制装置を作動させるタイミングを判断し、変速機が設定された位置になった時に、変速機コントローラからクランク回転力抑制装置コントローラーへと、クランク回転力抑制装置の作動要求の信号が送られ、それによりもしくは直接にクランク回転力抑制装置コントローラーがクランク回転力抑制装置を作動させる。この一連の動作により、クランク回転力抑制装置が、操縦者本人がペダルを通じてクランクへ入力するクランクを回す力の一部を、クランク回転力抑制装置を使用して、クランクを回転させる力と、その力に対する抵抗力に分解し、変速時に発生する衝撃およびクランクの空転を抑制し、変速性能と変速時の走行安定性を向上させることが可能となる。

本発明では、変速装置は電動モータを使用して可動するもの、手動のレバーからワイヤで結合され伝達された力を利用するもののいずれでもよく、変速機コントローラからクランク回転力抑制装置コントローラーへと、クランク回転力抑制装置の作動要求の信号が送られるための要素となる、変速機の変位センサの位置設定の入力はパーソナルコンピュータを使用したもの、専用の端末を使用したもののいずれでもよく、いずれの場合でも、その設定値の基準の位置は手動にて入力したもの、専用の機械を使用したもののいずれでもよい。基準値からの変位の設定は、前後核歯車の全ての歯数を入力し、それを元にプログラムにより計算された値または、事前に入力されていたと一致するもののいずれでもよい。変速信号の伝達も、ワイヤ、電気信号ケーブル、無線装置のいずれでもよい。変速信号の種類についても、電気信号、光信号、電磁波等いかなるものでもよいクランク軸回転速度またはクランク軸回転角度センサについては、形式、形状および取り付け位置について限定はしない。

発明実施の形態

［実施形態１］図１にクランク回転力抑制装置制御用コントローラ１（図２）とクランク回転力抑制装置８、変速機コントローラ９（図２）と、前輪変速機変位センサ２（図２）、自身の変位を測定することが可能な電動前輪変速機３および、後輪変速機変位センサ１６（図２）を用いて自身の変位を測定することが可能な電動後輪変速機４と、それぞれ数段の前輪変速用歯車５および後輪変速用歯車６とを備えた変速機付自転車７の側面図を示す。

変速機付自転車７の動力伝達機構の構成は、一対のペダル１０、一対のクランク１１、一対のクランクシャフトを結合するクランク軸１８、前輪歯車５、チェーン１９、電動後輪変速機４の張力調整用歯車２２、後輪変速用歯車６、後車輪２０から構成される。一対のペダル１０から入力された動力は、一対のペダル１０、一対のクランク１１、一対のクランクシャフトを結合するクランク軸１８（図６）、前輪歯車５、チェーン１９、電動後輪変速機４の張力調整用歯車２２、後輪変速用歯車６、後車輪２０の順番で伝達し、後車輪２０から路面へと推進力として出力される。

実施形態１では変速機付自転車７の変速機構部分の構成は、一対のペダル１０、クランク回転速度およびクランク回転角度センサ１７により、回転速度および回転角度が計測可能な一対のクランク１１、変速機コントローラ９（図２）、変速スイッチ２６または無線変速スイッチ２７、変速信号用ケーブル１５変速信号用ケーブル１５、電動前輪変速機３、前輪変速用歯車５、電動後輪変速機４、後輪変速用歯車６から構成される。電動前輪変速機３、電動後輪変速機４は、それぞれ、変速信号用ケーブルによって、それぞれ、変速機コントローラ９（図２）と結合され、さらに変速信号用ケーブル変速スイッチ２６または無線変速スイッチ２７と結合され、変速スイッチ２６または無線変速スイッチ２７からの変速指示または、変速機コントローラ９（図２）からの変速指示によって作動する。例えば、後輪変速レバー１２を操作する事によって、後輪変速ワイヤ１３を介して電動後輪変速機４が動かされ後輪変速レバー１２の作動量に応じた量だけ、チェーン１９を後輪変速用歯車６の元の位置から脱線させ、元の位置とは異なる後輪変速用歯車６の位置へと移動させる。

変速の初期に電動後輪変速機４を移動させたときに、クランク回転力抑制装置８を制御するタイミングは、例えば、電動後輪変速機４が図３において、チェーン１９を後輪変速用歯車６−ｃから６−ｂへと移動させるとき、チェーンガイド３６の変速方向と反対側がチェーン１９に触れる位置に来た時の電動後輪変速機４の変位の位置をクランク回転力抑制装置８を作動させるタイミングとする。作動終了のタイミングは図４において、チェーン１９が後輪変速用歯車６−ｃの最外部に乗り上げるときの電動後輪変速機４の変位の位置とし、その時点でクランク回転力抑制装置８を停止する。

変速終了時のクランク回転力抑制装置８を制御するタイミングは、例えば、電動後輪変速機４が図３において、チェーン１９を後輪変速用歯車６−ｃから６−ｂへと移動させるとき、電動後輪変速機４が図４において、チェーン１９が後輪変速用歯車６−ｃの最外部に乗り上げるときの電動後輪変速機４の変位の位置に来た時を起点として、その瞬間のクランク１１の位置をクランク回転速度およびクランク回転角度センサ１７により判断し、前輪変速機変位センサ２より、その瞬間に使用している前輪変速用歯車５の歯数を判別する。全ての歯数を変速機コントローラ９またはクランク回転力抑制装置制御用コントローラ１に入力したときにプログラムによって判別している、変速前の状態での後輪変速用歯車６−ｃにチェーン１９が接触している後輪変速用歯車６−ｃの歯数と同じ歯数分クランク１１が回転した時点をクランク回転力抑制装置８を作動させるタイミングとする。作動終了のタイミングは、前記の変速前の状態での後輪変速用歯車６−ｃにチェーン１９が接触している後輪変速用歯車６−ｃの歯数と変速後の状態での後輪変速用歯車６−ｂにチェーン１９が接触している後輪変速用歯車６−ｂの歯数との差分と同じ歯数のその瞬間に使用している前輪変速用歯車５の歯数となる角度クランク１１が回転した時点である。クランクの回転角度はクランク回転速度およびクランク回転角度センサ１７からの信号を基に変速機コントローラ９またはクランク回転力抑制装置制御用コントローラ１において判断し、クランク回転力抑制装置制御用コントローラ１の指示でクランク回転力抑制装置８を停止させる。

上記の方法でクランク回転力抑制装置８を作動させる場合において、チェーン１９が後輪変速用歯車６−ｃから６−ｂへ全く移動していない場合もしくは、移動している最中であった場合にはクランク回転力抑制装置８を作動させるべきではないので、最初に電動後輪変速機４が図４において、チェーン１９が後輪変速用歯車６−ｃの最外部に乗り上げるときの電動後輪変速機４の変位の位置に来た時を後輪変速機変位センサ１６および変速機コントローラ９またはクランク回転力抑制装置制御用コントローラ１で検出し、その瞬間を起点として、電動後輪変速機４が図５において、チェーンガイド３６の変速方向と反対側が後輪変速用歯車６−ｃの延長線上に並ぶ瞬間までの動作を後輪変速機変位センサ１６および変速機コントローラ９またはクランク回転力抑制装置制御用コントローラ１で検出し、その間にクランク１１が回転した角度を上記の全ての歯数を変速機コントローラ９またはクランク回転力抑制装置制御用コントローラ１に入力したときにプログラムによって判別している、変速前の状態での後輪変速用歯車６−ｃにチェーン１９が接している後輪変速用歯車６−ｃの歯数と同じ歯数分クランク１１が回転した角度から差し引いた角度だけクランク１１が回転した時点をクランク回転抑制装置８を作動させるタイミングとする。

上記方法において、電動後輪変速機４が図５において、チェーンガイド３６の変速方向と反対側が後輪変速用歯車６−ｃの延長線上に並ぶ瞬間までの動作を後輪変速機変位センサ１６および変速機コントローラ９またはクランク回転力抑制装置制御用コントローラ１で検出できなかった場合はクランク回転抑制装置８を作動させない。

一度の変速動作で電動前輪変速機３または電動後輪変速機４を３段階以上移動させる場合は以上の操作を前輪変速用歯車５、後輪変速用歯車６それぞれの歯車ごとに平行して行うものとする。

図６においてクランク回転力抑制装置８の例を示す。例として、クランク軸１８を発電機として使用し、充電可能なバッテリー３５を持つ電源ユニット３４に接続する。電源ケーブル３０は、クランク軸ケース３３のストッパー２８のうち、電源取り出し側のクランク軸軸受け３２の外径小さくすることによって余ったスペースより電源ケーブル３０を取り出し、電源ユニット３４を経て充電可能なバッテリー３５に接続される。クランク回転力抑制装置制御用コントローラ１より作動指示があった場合は、クランク回転力抑制装置８は発電機として、電源ユニットのバッテリーを充電する。このときの電気抵抗を利用してクランク軸１８の回転動作を抑制する。

発明の効果

本発明によれば、変速機構付自転車において、特殊な変速操作技術を必要とせずに、変速性能の向上と変速時の走行安定性の向上が可能となる。

本発明の一実施形態による、自転車用変速機の制御用装置を備えた自転車の側面図。本発明の一実施形態による、クランク回転力抑制装置のブロック図。本発明の実施形態１による、電動後輪変速機の位置信号を生成する位置を示す図。本発明の実施形態１による、電動後輪変速機の位置信号を生成する位置を示す図。本発明の実施形態１による、電動後輪変速機の位置信号を生成する位置を示す図。本発明の実施形態１による、クランク回転力抑制装置の断面図。

符号の説明

１クランク回転力抑制装置コントローラ
２前輪変速機変位センサ
３電動前輪変速機
４電動後輪変速機
５前輪変速用歯車
６後輪変速用歯車
８クランク回転力抑制装置
９変速機コントローラ
１６後輪変速機変位センサ
１７クランク回転速度およびクランク回転角度センサ
１８クランク軸
２２張力調整用歯車
２４電気信号ケーブル
２７無線変速用スイッチ
２８コイル
３０電源用ケーブル
３１クランク軸軸受け
３２クランク軸軸受け
３３永久磁石
３４電源ユニット
３５充電式バッテリー
３７ケーブル取り出しスペーサー

Claims

変位センサを用いて変位を測定することが可能な前輪または後輪変速機のうち、少なくとも一方の変速機および各数段の変速用歯車、設定値を記憶することが可能な変速機制御用コントローラを持つ自転車において、回転角度および回転速度が測定可能なクランクの回転力を抑制する、クランク回転力抑制装置。
前記の回転力抑制装置であって前記のクランクの回転軸と一体化された前記のクランク回転力抑制装置。
請求項１の回転力抑制装置であって請求項１のクランクの回転軸とは異なる軸に取り付けられ、クランクの回転力から機械的に動力を伝達され、その動力を抑制する機能を備えた請求項１のクランク回転力抑制装置。
請求項２、請求項３のクランク回転力抑制装置であって、請求項１のクランクの回転軸の回転力を利用した発電装置からの電気出力に対して電気的抵抗をかけることによって、クランク軸の回転力を電力消費に変換する回路を有する、クランク軸の回転を抑制する、請求項１のクランク回転力抑制装置。
前記クランク回転力抑制装置であって、電気回路に蓄電回路もしくは蓄電装置を有する請求項１のクランク回転力抑制装置。
請求項１のクランクに取り付けられた制動装置を用いてクランクの回転力を摩擦力に変換することによりクランクの回転力を抑制する、請求項１のクランク回転力抑制装置。
請求項１の変位センサを用いて変位を測定することが可能な前輪または後輪変速機のうち、少なくとも一方の変速機および各数段の変速用歯車、設定値を記憶することが可能な変速機制御用コントローラを持つ自転車において、請求項１のクランクの回転力を抑制する、クランク回転抑制装置を用いて請求項１のクランク軸の回転を抑制し、変速時の動力伝達装置の初期動作を円滑にするための請求項１のクランク回転抑制装置の制御用コントローラ。
上記のクランク回転抑制装置の制御方法として、請求項１の変速機の変位センサからの信号をもとに請求項１の変速機コントローラで請求項１の変速機の位置を判別し、変速機があらかじめ設定された位置にあるときに、請求項１のクランク回転力抑制装置を作動させクランクの回転を抑制する、上記のクランク回転抑制装置制御用コントローラ。
請求項１のクランク回転抑制装置を用いて、請求項１のクランク軸の回転を抑制し、変速動作完了時に、請求項１の変速用歯車の減速比の差によって生じる動力伝達装置からの衝撃の低減、また、クランクの空転を防止するための請求項１のクランク回転抑制装置の制御用コントローラ。
上記のクランク回転抑制装置の制御方法として、請求項１の変速機の変位センサからの信号をもとに請求項１ので請求項１の変速機の位置を判別し、変速機が所定の位置に到達した時点から、請求項１のクランク軸もしくは、クランク軸と機械的に結合した軸の回転速度および回転角度センサからの信号を基に回転角度を請求項１のコントローラによって判断し、あらかじめ設定された回転角度に達したときに、請求項１のクランク回転力抑制装置を作動させクランクの回転を抑制する、上記のクランク回転抑制装置制御用コントローラ。