JP2011162184A - 自転車強制変速装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自転車強制変速装置の機能性及び使用性を向上させること。
【解決手段】本発明は自転車強制変速装置に関するものであって、爪制御リングに加圧部材が設けられ、キャリアの内周面には、キャリアの回転によって加圧部材を移動させて爪を押圧することにより、爪と太陽歯車との噛み合い状態を解除するスプライン溝が形成されていることをその技術的特徴とする。これにより、自転車強制変速装置の機能性及び使用性を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は自転車の速度切換装置に関するものであって、さらに詳しくは、自転車の後輪のハブ内部に設けられる自転車速度切換装置の動作を補助して、小さい力でも速度切換装置の段数の変更が円滑になされるようにする自転車強制変速装置（Ａ Ｆｏｒｃｅｄ Ｓｐｅｅｄ Ｃｈａｎｇｉｎｇ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｏｆ Ｂｉｃｙｃｌｅ）に関するものである。

ペダルに加えられる力によって運行される自転車には、車輪の回転速度を切り換えるために多数の変速段を有する速度切換装置が設けられているが、このような速度切換装置として、チェーンが掛かる多数のスプロケット（ｓｐｒｏｃｋｅｔ）を後輪に装着し、これらのスプロケットのいずれか一つにチェーンを選択的に結合させるディレーラー（ｄｅｒａｉｌｅｒ）を備えた外装変速装置が一般的に使用されている。

このような外装変速装置は、駆動中にチェーンがスプロケットから離脱される場合が多く、使用者が随時にチェーンをスプロケットに掛け直さなければならないが、このとき、変速のためのチェーンの移動が円滑となるようにグリースなどの潤滑油が塗布されているため、ちょっと間違えばこのような潤滑油が服などにくっつきやすく、かつ、チェーンを掛け直す過程において手に潤滑油がくっつくため、不便であり、さらには自転車の使用者が女性や子供である場合には、このような離脱されたチェーンをスプロケットに掛け直すことが難しいという短所がある。

このような外装変速装置が有する問題を解決するために、自転車のハブ内部に変速装置を設ける内装変速装置が開発されて使用されており、その一例として、本発明者が開発して登録特許を受けた自転車の速度切換装置（日本国特許第３５６３３９０号）が挙げられる。

前記文献に開示された変速装置は、駆動スプロケットの動力を受ける従動スプロケット１００と；前記従動スプロケット１００の一側に取り付けられて動力を受け、他側に複数の多段遊星歯車２２０が設けられるキャリア２１０と、前記多段遊星歯車２２０の各段に噛合し内周面にラチェット歯が形成された２つ以上の太陽歯車２３１，２３２と、前記多段遊星歯車２２０に噛合するリング歯車２４０とからなる多段変速部と；前記キャリア２１０及びリング歯車２４０によって回転して車輪に動力を伝達するハブシェル３１０と、前記キャリア２１０とハブシェル３１０の間に及び前記リング歯車２４０とハブシェル３１０の間に位置して動力を媒介し、先行する方のみ選択的に作用するクラッチ手段３２０とからなる変速出力部と；前記構成要素が設けられ、一側に爪位置付け部が形成されたハブシャフト４１０と、前記２つ以上の太陽歯車２３１，２３２の内周面のラチェット歯に各々係合し又は解除される２組以上の爪４２１，４２２と、前記爪４２１，４２２の位置を制御する爪制御リング４３０と、外周面にワイヤを巻くための溝４５１が形成され、外周面の一側にひっかかり部が形成され、ワイヤの引っ張りによって一定角度回転して変速媒介部４４０を通じて前記爪制御リング４３０の位置を切換える切換ディスク４５０と、前記切換ディスク４５０の位置を復帰させるためのバネ４６０と、前記切換ディスク４５０の円滑な動きのために間隔を維持させるための間隔維持部４７０とからなる変速制御部とからなっている。

そして、切換ディスク４５０のひっかかり部に設けられるワイヤは、ハンドルに装着された変速レバーに連結されている。

上記のような構造からなる変速装置を用いて自転車を変速させるときには、まず、使用者が変速レバーを操作すると、変速レバーに連結されたワイヤが切換ディスクを回転させるようになり、これによって爪制御リングが適正位置に回転されながら爪を制御して、爪が一つ又は多数の太陽歯車のうち、いずれか一つの太陽歯車の内面に形成されたラチェット歯に結合されるようにして回転力を伝達すると、この太陽歯車の外周面に噛合した遊星歯車が回転されることによって適切な変速がなされ、このとき、大きな太陽歯車が選択される場合には高速になり、小さな太陽歯車が選択される場合には中速になり、いずれの太陽歯車も選択されない場合には低速になる。

一方、自転車を高速で運行する間に上り坂を登るようになると、回転トルクが大きくなるように減速させて運転するようになるが、このとき、レバーを操作して爪制御リングを減速位置に回転させようとしても、爪が太陽歯車の内周面に形成されたラチェット歯に噛合した状態で爪がラチェット歯を押し続けているため、爪制御リングを回転させることが容易ではなく、少なくとも爪がラチェット歯の傾斜面を乗り越える程度の過度な力でレバーを操作した後で、やっと変速がなされるという問題がある。

ところで、下り坂では、小さい力でペダルリングをするときには、爪とラチェット歯の間の結合が緩み、このときには小さな力でも変速がなされるため、たとえ、 上り坂の間強い力でペダルリングをするときには変速がなされない問題はあるが、それほど大きな問題ではない。

しかし、ペダルに代わって電気モーターを自転車の動力として使用する電気自転車に上記のような変速装置を適用する場合には、爪とラチェット歯の間に常に一定の力が加えられた状態で噛み合っているため、上記のような速度切換も難しくなり、これによって、相対的に弱い駆動力が発生される電気スイッチなどの電気的装置を操作して変速をしようとする場合には、さらに難しくなる。

一方、爪が太陽歯車のラチェット歯と噛み合っている状態でも変速が可能となるようにするための技術が日本国公開特許特開平１０−９６４５３号に提案されているが、この方式は、小型変速制御用電気モーターを備えて爪制御リングの回転をこの小型電気モーターで回転させるようにし、この際に要求される回転力が電気モーターの出力より大きい場合には、駆動力取り出し部によって取り出された車輪駆動力を爪制御リングに伝達することによって変速がなされるようにしたものであって、たとえ小型電気モーターを使用しているが、実際には車輪の駆動力を用いるため、構成部品に無理がかかるだけでなく駆動力が損失される問題があり、かつ、駆動力取り出し部から取り出された駆動力を爪制御リングに伝達するためのメカニズムがかなり複雑で、実際に具現して使用することが困難であるという問題がある。

本発明は、上記のような従来の自転車の速度切換装置が有する問題を改善するために開発されたものであって、本発明は、その構造が簡単でありながらも駆動力が損失されることなく、小さな力でも自転車の変速動作が円滑になされるようにする自転車強制変速装置を提供することにその目的がある。

本発明による自転車強制変速装置は、爪制御リングに加圧部材が設けられ、キャリアの内周面には、前記キャリアの回転によって前記加圧部材を移動させて前記爪を押圧することにより、前記爪と前記太陽歯車との噛み合い状態を解除するスプライン溝が形成されていることにその技術的特徴がある。

本発明によると、強制変速装置によって爪の太陽歯車との噛み合い状態を簡便かつ正確に解除することができて変速装置の変速動作に対する信頼性が確保され、強制変速装置の構造が単純なため、組み立て性及び経済性を向上させることができる。

そして、本発明は変速のために一時的に駆動を中断して爪の太陽歯車との噛み合いを解除する必要がないため、電気モーターを使用する電気自転車などに多様に適用することができる。

さらに、本発明の強制変速装置を使用する場合、小さい力によっても変速が可能であるため、変速操作のためのレバー及びワイヤなどといった機械部品に代わって信号線及び電気スイッチなどといった簡単な電気部品に取り替えることができ、便利性を強化させることができる。

従来の自転車変速装置を示した断面図である。 本発明による自転車強制変速装置が適用された変速装置を示した斜視図である。 図２の分解斜視図である。 図２の断面図である。 本発明によるハブ軸を示した斜視図である。 本発明による爪位置付け部及び第１、２爪を示した斜視図である。 本発明による爪位置付け部及び第１、２爪を示した使用状態図である。 本発明による爪制御リングの第１実施形態を示した斜視図である。 本発明による爪制御リングの第１実施形態を示した分解斜視図である。 本発明による爪制御リングの第２実施形態を示した斜視図である。 本発明による爪制御リングの第２実施形態を示した分解斜視図である。 本発明によるキャリアを示した斜視図である。 本発明によるキャリアを示した正面図である。 本発明による第１太陽歯車を示した斜視図である。 本発明による第２太陽歯車を示した斜視図である。 本発明によるキャリアを背面から示した斜視図である。 本発明によるスプライン溝を示した正面図である。 本発明によるスプライン溝を示した正面図である。 本発明によるハブ軸及びキャリアの結合状態を示した断面図である。 本発明によるハブシェルを示した斜視図である。 本発明による爪と爪制御リング、及びスプライン溝の結合構造を示した断面図である。 図１５の作動状態図である。 図１５の作動状態図である。 図１５の作動状態図である。 図１５の作動状態図である。 図１５の作動状態図である。 図１５の作動状態図である。 本発明による爪と爪制御リング、及びスプライン溝の他の結合構造を示した断面図である。 図１７の作動状態図である。 図１７の作動状態図である。 図１７の作動状態図である。 図１７の作動状態図である。 図１７の作動状態図である。 図１７の作動状態図である。 本発明による加圧部材の他の実施形態を示した断面図である。 本発明によるスプライン溝の他の実施形態を示した断面図である。

以下、添付された図面を用いて本発明の好ましい実施形態を説明する。

本発明は強制変速装置１に関するものであって、変速装置が高速段から低速段に減速される場合、使用者（ｒｉｄｅｒ）がレバーを操作して変速を行っても爪と太陽歯車とが常に一定した力が加えられた状態で噛み合っているため変速が困難な問題を解消できるように、選択的に爪に押圧力を印加して、爪と太陽歯車との噛み合い状態を強制に解除できるようにしたものである。

まず、本発明の理解のために、強制変速装置１が適用できる自転車変速装置の構成や動作関係について説明する。

図２乃至図６に示したように、自転車変速装置は、その外面に第１、２爪１２，１３が装着されるハブ軸１０と、前記第１、２爪１２，１３を制御するための爪制御リング１５と、前記爪制御リング１５の外側に位置されるキャリア２０と、前記 第１、２爪１２，１３の動作によって前記ハブ軸１０と噛み合う第１、２太陽歯車２３，２４と、前記第１、２太陽歯車２３，２４と噛み合う多段遊星歯車と、ハブ軸１０とキャリア２０を内部に収容するハブシェル３０と、ハブシェル３０を密閉させる蓋４０と、ハブシェル３０の外側に位置して爪制御リング１５を回動させる変速ユニット５０と、ハブ軸１０を保持する保持ユニット６０とを含む。

ハブ軸１０は、図５に示したように、その両端がフレーム（図示せず）に設置固定され、これら両端の間には長さ方向に爪位置付け部１１が設けられ、この爪位置付け部に第１、２爪１２，１３が設置される。

第１、２爪１２，１３は、爪制御リング１５の回転によって設置角度が調節され、これにより、ハブ軸１０が第１、２爪１２，１３の外週面を包みながら回転されるように設けられる第１、２太陽歯車２３，２４のいずれか一つ、又は両方の太陽歯車の内面と噛み合うようになって変速がなされる。

これをさらに詳細に説明すると、図６Ａ（図１０Ａ、１０Ｂ参照）に示したように、爪位置付け部１１に設けられる第１、２爪１２，１３は、第１、２太陽歯車２３，２４の内径に形成された第１、２固定突起２３ｂ，２４ｂに係合される第１、２固定爪１２ａ，１３ａと、前記第１、２固定爪１２ａ，１３ａと同一な線上に位置して、爪位置付け部１１の一側端に延びる第１、２被押圧爪１２ｂ，１３ｂ、及び第１、２固定爪１２ａ，１３ａと第１、２被押圧爪１２ｂ，１３ｂとを互いに連結する第１、２連結部１２ｃ，１３ｃからなる。

上記のような構造からなる第１、２爪１２，１３は、図６Ｂに示したように、これらを連結する環状のバネＳによってその端部が立てられる力を常に受けている。そして、爪位置付け部１１の側端に延びる第１、２被押圧爪１２ｂ，１３ｂの外周縁には、図７乃至図１０に示したように、第１、２被押圧爪１２ｂ，１３ｂを包むように爪制御リング１５が設けられ、この爪制御リング１５の回転によって第１、２被押圧爪１２ｂ，１３ｂの立てられた端部が押圧されるか、解除されるかによって、これらと連結された第１、２固定爪１２ａ，１３ｂもともに押圧されるか、解除され、これらと噛み合っているか、あるいは分離されている第１、２太陽歯車２３，２４内面の第１、２固定突起２３ｂ，２４ｂを分離させるか、噛み合うようにする。このために、爪制御リング１５の内面には第１、２被押圧爪１２ｂ，１３ｂが制御できるように、第１、２押圧突起１６ａ，１６ｂ，１９ａ，１９ｂが形成される。

キャリア２０は、図４、図９Ａ、９Ｂ及び図１１に示したように、その一側面には複数の多段遊星歯車２２が設置され、多段遊星歯車２２の反対側面にはスプロケット２６が設置されるスプロケット設置部２１ａが形成される。

図２、９Ａ及び図１１に示したように、キャリア２０には、ハブシェル３０が正方向に回転されるときはキャリア２０とハブシェル３０が互いに結合されるようにし、逆方向に回転されるときはこれらの間の結合が解除されてハブシェル３０のみ回転されるようにするためのラチェット部材２５がさらに設けられるが、このラチェット部材２５はコイルバネ（図示せず）の弾性力によって常に外側に突出された状態を維持する。

一方、第１、２太陽歯車２３，２４は、図１０Ａ及び図１０Ｂに示したように、その外週面にそれぞれ第１，２歯車部２３ａ，２４ａが形成されており、この第１，２歯車部２３ａ，２４ａは多段遊星歯車２２の大歯車部と小歯車部にそれぞれ噛み合う。そして、第１、２太陽歯車２３，２４の内周面にはそれぞれ第１、２爪１２，１３の立てられた端部と噛み合うように第１、２固定突起２３ｂ，２４ｂが形成される。

キャリア２０は、図１３に示したように、ハブ軸１０に備えられた爪制御リング１５を内部に収容するように設けられる。そして、キャリア２０に設置されている多段遊星歯車２２とハブ軸１０との間に第１、２太陽歯車２３，２４が水平に設けられ、多段遊星歯車２２の大歯車部と小歯車部にそれぞれ噛み合った状態で、爪制御リング１５の回転制御によって第１、２太陽歯車２３，２４の内周面に形成された第１、２固定突起２３ｂ，２４ｂに第１、２爪１２，１３の中どれ一つが立てられて噛み合うようになると、第１、２爪１２，１３と噛み合った第１、２太陽歯車２３，２４がハブ軸１０と連結状態になるとともに、スプロケット２６の回転駆動力が多段遊星歯車２２と噛み合った大歯車部、又は小歯車部のいずれか一つの歯車比で回転され、変速動作がなされる。

そして、多段遊星歯車２２は、図１３に示したように第１、２太陽歯車２３，２４の外周面にそれぞれ形成された第１，２歯車部２３ａ，２４ａと噛み合うように複数のピンＰによってキャリア２０に固定され、キャリア２０が回転すると第１、２太陽歯車２３，２４の中心軸を基準に公転し、ピンＰの中心軸を基準に自転する。

このような多段遊星歯車２２の回転は図１４に示したようにハブシェル３０の内周面に形成されたリング歯車３１に伝達され、これによってハブシェル３０が回転され、第１太陽歯車２３又は第２太陽歯車２４と、これらと噛み合った多段遊星歯車２２の歯車比と、多段遊星歯車２２とリング歯車３１との歯車比によって、低速から高速への変速がなされる。

ハブ軸１０とキャリア２０をその内部に収容するハブシェル３０は、図１４に示したように円筒形のケースであって、その内周面には多段遊星歯車２２と噛み合うリング歯車３１、及びラチェット部材２５と噛み合って一方向にのみ回転力を伝達するラチェット歯３２が形成されている。そして、ハブシェル３０の外週面には自転車の駆動車輪が設けられる。

図４に示したようにハブシェル３０の開放された側面を密閉させる蓋４０はハブシェル３０の一側面に設けられた後、外圧によって押圧され、ハブシェル３０と一体に固定されるか、別途締結部材によって締結され、固定される。

上記のような構造からなる変速装置は変速ユニット５０の制御によって動作されるが、このために変速ユニット５０には変速ディスクが備えられる。この変速ディスクは一般的に自転車のハンドルに取り付けられる変速レバー（図示せず）とワイヤ（図示せず）に連結されており、使用者が変速レバーを操作すると、これに連結されたワイヤが引っ張られるか、緩むようになり、ワイヤが引っ張られるときは、変速ディスクがワイヤによって回転されるとともに爪制御リング１５の後方に設けられた調節バー１７を回転させることによって、爪制御リング１５を回転させるようになる。逆にワイヤが緩んだときは、爪制御リング１５の一側に設けられた復帰バネ（図示せず）の弾性力によって爪制御リング１５と変速ディスクが一体に復帰し、これによって爪制御リング１５が第１、２太陽歯車２３，２４と噛み合うか、解除される第１、２爪１２，１３を選択するようになる。

そして、保持ユニット６０は、ハブ軸１０とハブシェル３０の間の空間に設けられるものであって、ハブシェル３０とハブ軸１０との間でボール軸受のような構成によってハブシェル３０を円滑に回転させる。

このような構造からなる本発明の変速装置は、スプロケット２６の駆動力を車輪に伝達するために第１、２爪１２，１３と第１、２太陽歯車２３，２４の内周面に形成されている第１、２固定突起２３ｂ，２４ｂとが強く噛み合って固定された状態を維持するが、このとき、使用者（ｒｉｄｅｒ）が変速装置を高速から低速に減速させるためにハンドルに取り付けられたレバーを操作して段数を低くすると、レバーに連結されたワイヤが変速ユニット５０の切換ディスクを回転させるようになることにより、爪制御リング１５が一定角度だけ回転しながら第１、２固定爪１２ａ，１３ａと第１、２太陽歯車２３，２４の第１、２固定突起２３ｂ，２４ｂとの間の噛み合い状態を解除させなければならないが、上記で説明したようにこれらが強く噛み合っているため、これを解除することは容易ではない。

従って、本発明はレバーによって切換ディスクが回転される場合、第１、２固定爪１２ａ，１３ａと第１、２太陽歯車２３，２４の第１、２固定突起２３ｂ，２４ｂの間の噛み合い状態を後述する爪制御リング１５設置されている加圧部材によって物理的に解除させることによって、大きな力を加えることなく確実かつ容易に段数を変更できる強制変速装置を提供する。加圧部材は、当業者が容易に実施するために加圧ローラーＢ又は加圧球Ｂ’で実施されることができ、以下では強制変速装置についてさらに詳細に説明する。

上記では第１、２爪１２，１３の第１、２被押圧爪１２ｂ，１３ｂを制御する爪制御リング１５の第１、２押圧突起１６ａ，１６ｂが爪制御リング１５のリングハウジング１６の内周面に形成されるとして説明したが、ここで、爪制御リング１５の第１、２押圧突起１６ａ，１６ｂがどこに形成されるのかによってその動作方法及び構成が変わるため、以下ではこれらをそれぞれの実施形態にして説明する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態は、上記の説明と同様に、第１、２押圧突起１６ａ，１６ｂを爪制御リング１５のリングハウジング１６の内周面に形成することに関するものである。このときの強制変速装置は、図７Ａ及び図７Ｂに示したように、円筒形のリングハウジング１６と、リングハウジング１６の外径に形成された多数の装着孔１８に嵌められた加圧部材と、リングハウジング１６の後方に設けられ、変速ユニット５０の回転によってリングハウジング１６を回転させる調節バー１７と、リングハウジング１６の内周面に形成され、第１、２爪１２，１３の第１、２被押圧爪１２ｂ，１３ｂを押圧するか、解除する第１、２押圧突起１６ａ，１６ｂ、及びリングハウジング１６の前方に設けられる円形の固定リング１９によって実施される。

リングハウジング１６の前方に設けられる固定リング１９は、装着孔１８に嵌められた加圧部材が離脱されることを防止するために備えられたものである。

このとき使用される加圧部材としては、球状のボールよりは、一つの回転軸を中心に回転される円筒状の加圧ローラーＢを使用することが好ましい。

装着孔１８は、内部の加圧部材が適正範囲内でリングハウジング１６の上下に動ける程度の遊隔を持つように形成されるが、装着孔１８の内外周面に突起部１８ａが形成されているため、加圧部材が離脱されることなく、遊動がその範囲内に制限される。

そして、爪制御リング１５の外部に設けられるキャリア２０の内周面には、図１１と図１２Ａ及び１２Ｂに示したようなスプライン溝２７，２７ａ，２７ｂが形成されているが、これは爪制御リング１５の加圧部材がスプライン溝２７，２７ａ，２７ｂの形状に沿って転がるようにすることにより、加圧部材が爪制御リング１５の上下（内外）に遊動されるようにしたことによるものである。

以下では、上記のような構成からなる強制変速装置の動作を変速状態に分けて説明する。

（ｉ）低段から高段への歯車変速の場合
この場合には、爪制御リング１５とキャリア２０とがともに自転車の走行方向と同一な方向（以下、「正回転」という）に回転される。

初期の加速時に、図１６Ａに示したように、ハブ軸１０に設けられた第１、２爪１２，１３の第１、２被押圧爪１２ｂ，１３ｂが爪制御リング１５の第１、２押圧突起１６ａ，１６ｂによって押圧されて第１、２爪１２，１３が折り畳まれた状態で維持される。これにより、第１、２太陽歯車２３，２４がハブ軸１０に固定されなく、多段遊星歯車２２と第１、２太陽歯車２３，２４の歯車比による変速が起こらないようになり、これにより、スプロケット２６による駆動力がすぐにラチェット部材２５を通じてラチェット歯３２に伝達され、ハブシェル３０が回転されるため、このときには増速されなく、１：１で回転される１段状態になる。

その後、使用者が変速レバーを操作して２段に変速すると、変速ユニット５０の切換ディスクが回転され、これによって爪制御リング１５が適正の角度に回転される。

このとき、図１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄに示したように、爪制御リング１５の回転によってリングハウジング１６の内周面に形成された第１、２押圧突起１６ａ，１６ｂの位置が変わるが、これにより、第１押圧突起１６ａによって押圧されていた第１被押圧爪１２ｂの押圧が解除されるとともにバネＳの弾力によって自動で第１被押圧爪１２ｂと連結されている第１爪１２が立てられ、その反面、第２爪１３の第２被押圧爪１３ｂの押圧状態は持続される。

爪制御リング１５による拘束が解除された第１爪１２は、第１太陽歯車２３の内周面に形成された第１固定突起２３ｂと噛み合うようになり、これによって第１太陽歯車２３がハブ軸１０に噛み合って固定されるとともに、第１太陽歯車２３と噛み合った多段遊星歯車２２が回転されることにより、歯車比による２段への変速がなされる。

上記の説明は第１太陽歯車２３が第２太陽歯車２４と比べて、相対的に低段の歯車比に設定された場合を例として説明したものであって、第１太陽歯車２３が第２太陽歯車２４より高段の歯車比に設定された場合には、第１太陽歯車２３の代わりに第２太陽歯車２４が固定される。

上記の過程を経て２段に変速されて走行する間に使用者が高段に再変速すると、図１６Ｅ及び１６Ｆに示したように、爪制御リング１５が変速ユニット５０によって適正の角度だけさらに回転される。これにより、第２押圧突起１６ｂの押圧が解除されて第２爪１３もバネＳによって自動的に立てられ、立てられた第２爪１３の第２被押圧爪１３ａが第２太陽歯車２４の第２固定突起２４ｂに固定されることによって、第１、２太陽歯車２３，２４の両方がハブ軸１０に固定される。

このとき、第１、２太陽歯車２３，２４の両方がハブ軸１０に固定されることによって、これらと噛み合った２組の多段遊星歯車２２が全て回転されても、相対的に回転数の多い高段歯車比である第２太陽歯車２４と噛み合った多段遊星歯車２２の回転速度に合わせて、ハブシェル３０の回転が高段に変速される。

（ｉｉ）高段から低段への変速
この場合は、爪制御リング１５が自転車の走行方向と反対方向に回転（以下、「逆回転」という）し、キャリア２０は正回転する。

高段から低段への変速は図１６Ｆ〜１６Ｅの手順によってなされる。３段状態（図１６Ｆ）から２段状態（図１６Ｅ）へ変速される過程は、２段状態（図１６Ｅ）から１段状態（図１６Ａ）へ変速される過程と実質的に同一であるため、以下では２段状態（図１６Ｅ）から１段状態（図１６Ａ）への変速過程を例として説明する。

２段状態（図１６Ｅ）から１段状態（図１６Ａ）へ変速を進行するとき、ペダルを持続的に駆動させると、噛み合った第１、２爪１２，１３の第１、２固定爪１２ａ，１３ａと第１、２固定突起２３ｂ，２４ｂとの間に強い力が作用しているため、変速が難しくなり、これを解決する過程は次のようである。

第１押圧突起１６ａが第１被押圧爪１２ｂを押圧する前に加圧部材が第１被押圧爪１２ｂに先に接するようになる図１６Ｄの状態になる。このとき、第１固定爪１２ａと第１固定突起２３ｂとの間に強い力がかかっていると、第１被押圧爪１２ｂの傾斜によって加圧部材がリングハウジング１６の外側に突出しようとする。ペダルの駆動中にはキャリア２０が持続的に回転され、これによってスプライン溝２７ａの深い部分（谷）に加圧部材が位置し、図１６Ｃの状態になる。

ここで、ペダルの駆動力によってキャリア２０が駆動方向にさらに回転されるようになり、これによってスプライン溝２７ａの深い部分に位置した加圧部材がスプライン溝２７ａの傾斜面によって段々とリングハウジング１６の内側に突出され、スプライン溝２７ａの最も深さの浅い部分（山）では加圧部材が最大にリングハウジング１６の内側に突出されるようになり、これによって加圧部材と接している第１被押圧爪１２ｂが強く押圧されるとともに第１固定爪１２ａと第１固定突起２３ｂとの噛み合い状態が解除され、図１６Ｂの状態になる。引き続き、復帰バネあるいはワイヤの引っ張り力によって待機していた第１押圧突起１６ａが、噛み合いが解除された状態の第１被押圧爪１２ｂを容易に制圧するようになり、図１６Ａの１段状態への変速がなされる。

従って、爪制御リング１５にごく小さい力を加えても、ペダルの駆動力によって回転されるスプライン溝２７ａと、スプライン溝２７ａの傾斜面に沿ってリングハウジング１６の内側に突出される加圧部材が第１、２固定突起２３ｂ，２４ｂと強く噛み合っている第１、２爪１２，１３を柔らかく制圧するため、変速が容易になされる。

本発明は、上記のような構成によって、爪と固定手段が強く噛み合った状態でも変速が可能であるため、変速のために駆動力を一時的に解除する必要がない。

＜第２実施形態＞
第２実施形態は第１実施形態とは違って、爪制御リング１５の第１、２押圧突起１９ａ，１９ｂと加圧部材が全部リングハウジング１６に形成されるのではなく、図８Ａ，８Ｂ及び図１７に示したように、爪制御リングの第１、２押圧突起１９ａ，１９ｂはリングハウジング１６の前方に位置する固定リング１９に形成され、加圧部材は第１実施形態と同様にリングハウジング１６に形成されて、他の構成は第１実施形態の構成と同一である。

また、第２実施形態では、爪制御リング１５とキャリア２０の動作が第１実施形態と反対に行われる。

以下では、上記のような構成ならなる強制変速装置の動作を変速状態に分けて説明する。

（ｉ）高段から低段への変速（爪制御リング１５、キャリア２０＝正回転）
この場合には、爪制御リング１５とキャリア２０がともに正回転で回転される。高段から低段への変速とは、３段（図１８Ａ）から２段（図１８Ｅ）、又は２段（図１８Ｅ）から１段（図１８Ｆ）への変速を意味し、３段（図１８Ａ）から２段（図１８Ｅ）へ変速される過程と、２段（図１８Ｅ）から１段（図１８Ｆ）へ変速される過程とは実質的に同一であるため、以下では３段（図１８Ａ）から２段（図１８Ｅ）への変速過程について説明する。

３段（図１８Ａ）から２段（図１８Ｅ）への変速を進行するとき、ペダルを持続的に駆動させると、噛み合った第２固定爪１３ａと第２固定突起２４ｂとの間に強い力がかかって変速が難しくなり、これを解決する過程は次のようである。

爪制御リング１５のリングハウジング１６の外部には、その内周面に傾斜面とポケット空間からなるスプライン溝２７ｂが形成されたキャリア２０が位置される。キャリア２０はペダルの駆動力によって回転され、キャリア２０の内周面に形成されたスプライン溝２７ｂの傾斜面が加圧部材を押圧し、リングハウジング１６の内側に加圧部材を突出させるか、加圧部材が動けるように空間を形成して加圧部材がリングハウジング１６の外側に突出されるようにする。

図１８Ａの状態は３段駆動状態であって、第２固定爪１３ａが第２太陽歯車２４の第２固定突起２４ｂと噛み合っている。ここで、ペダルを持続的に回転駆動しながらワイヤを操作すると、ワイヤの引っ張り力、又は復帰バネの復帰力によって切換ディスクが回転されるようになる。切換ディスクの回転に合わせて回動されるように切換ディスクと組み立てられている爪制御リング１５の第２押圧突起１９ｂが第２被押圧爪１３ｂと接して噛み合う前に、加圧部材が第２被押圧爪１３ｂに先に接して図１８Ｂの状態になる。このとき、ペダルの駆動回転によって回転体の回転が継続され、回転体のスプライン溝２７ｂのポケット空間が加圧部材の位置と一致するようになると、加圧部材はリングハウジング１６の外側に突出されて図１８Ｃの状態になる。ペダルの駆動回転によって回転体の回転が継続されると、回転体のスプライン溝２７ｂのポケット空間にあった加圧部材がスプライン溝２７ｂの傾斜面によってリングハウジング１６の内側に強制に突出されて第２被押圧爪１３ｂを押すようになり、これによって第２爪１３の第２固定爪１３ａは図１８Ｄの状態になる。これ以上は第２固定爪１３ａと第２固定突起２４ｂが互いに噛み合っていないため、第２押圧突起１９ｂが容易に第２被押圧爪１３ｂを制圧して、次の変速段（２段）状態である図１８Ｅの状態になって変速がなされる。

（ｉｉ）低段から高段への変速
低段から高段へ変速される場合には、まず、図１８Ｆに示したように、第１、２爪１２，１３が両方とも噛み合いが解除された１段状態で、図１８Ｅのように動作されて第１爪１２が立てられるが、このとき、キャリア２０は正回転し、爪制御リング１５は逆回転するようになる。

爪制御リング１５の回転によって第１押圧突起１９ａが回転され、第１被押圧爪１２ｂを押圧していた加圧構成が除去されると、第１被押圧爪１２ｂの端部がバネＳの弾性力によって自動で適正の角度に立てられて第１太陽歯車２３の第１固定突起２３ｂに係合されるようになり、２段に変速された状態になる。

また、２段から３段への変速が行われると、図１８Ｅから図１８Ｄ、図１８Ｃ、図１８Ｂ、図１８Ａの順にリングハウジング１６と固定リング１９がキャリア２０と反対方向に回転し、これによって第２被押圧爪１３ｂが固定リング１９の第２押圧突起１９ｂによる押圧状態から外れると、バネＳの弾性力によって第２固定爪１３ａの端部が自動的に立てられて第２太陽歯車２４の内周面の第２固定突起２４ｂに固定される。従って、第１、２太陽歯車２３，２４がハブ軸１０に全部固定される３段変速状態になる。

上記の第２実施形態では第１、２押圧突起１９ａ，１９ｂは固定リング１９に形成されており、加圧部材はリングハウジング１６に備えられると説明した。しかし、実施する際には、加圧部材と第１、２押圧突起１９ａ，１９ｂの形成位置を相互変換して実施することもでき、これにより、爪制御リング１５の回転方向によって高段から低段にするか、あるいは低段から高段にするかを選択できるため、それだけに設計自由度が高くなる。

そして、上記では爪制御リング１５の形状について明示的に明らかにしなかったが、爪制御リング１５の形状は必ずしも閉じられたリング形状に限らなく、内周面に形成される押圧突起の数によって半円形状、あるいは弧形状になり得ることは自明であり、これによって本発明で爪制御リングとは、このような形状を全て含む。

上記の実施形態では、ペダルの駆動によって駆動力を加えた状態、すなわち、第１、２固定爪１２ａ，１３ａと第１、２固定突起２３ｂ，２４ｂとが強く噛み合った状態で変速がなされることを例にして説明したが、ペダルを駆動させない状態での変速、あるいは第１、２固定爪１２ａ，１３ａと第１、２固定突起２３ｂ，２４ｂとの噛み合いが緩んだ状態での変速にも適用することができる。

また、上記では３段歯車を例にして説明したが、６段、９段などといったさらに高い段数を備えるか、又は設計の柔軟性を付与するために爪制御リング１５の構造及び配置形態を多様に変更することもできる。

一方、前記第１、２実施形態では第１、２爪１２，１３を先に押圧する加圧部材として、円筒状のローラーからなる加圧ローラーＢを例にして説明したが、加圧部材の他の例として、円筒状の加圧ローラーＢに代わって、図１９に示したようにコイルバネによって一端が爪制御リング１５のリングハウジング１６の内側又は外側に回転されるように弾持される加圧球Ｂ’でも実施されることができる。

上記のような構造からなる加圧球Ｂ’は、加圧ローラーＢと同様にスプライン溝２７ｂの形状に沿ってリングハウジング１６の内側に段々と移動され、スプライン溝２７ｂの最も浅い部分（山）に位置すると、加圧球Ｂ’がリングハウジング１６の内側に最大に押し込まれながら第１、２爪１２，１３を選択的に押圧し、またスプライン溝２７ｂの深い部分（谷）に位置すると、コイルバネの弾性力によって加圧球Ｂ’が回動されて、加圧球Ｂ’がリングハウジング１６の内側又は外側に突出される。

また、第１、２実施形態においてキャリア２０の内部にスプライン溝２７が一体に形成されると明示されているが、本発明のさらに他の例として、図１２Ａ，１２Ｂ及び図２０に示したように、スプライン溝２７が形成されたスプライン溝胴体２９がさらに備えられてキャリア２０の内部に設けられ、キャリア２０の内周面と接して回転されるように変更して実施されることができる。

このようにスプライン溝２７を有したスプライン溝胴体２９をキャリア２０と別途構成することは、キャリア２０の内部面にスプライン溝２７が一体に形成されると、キャリア２０の回転量によるスプライン溝２７の回転量が同一であるしかないが、変速なしで走行中である場合には、キャリア２０が高速で回転されても爪制御リング１５の加圧部材がスプライン溝２７の影響を受けずにいられるが、変速操作によって爪制御リング１５を回転させると、第１、２爪１２，１３によって加圧部材が爪制御リング１５の外側に押し出されてスプライン溝２７の影響を受けるようになり、従って、高速で走行する途中で急に変速をすると、過度な回転力が加圧部材と爪制御リング１５に伝達され、強制変速装置が損傷されかねない。

これにより、スプライン溝２７が形成されたスプライン溝胴体２９をキャリア２０と別途構成して、スプライン溝胴体２９とキャリア２０とが互いに接する面の摩擦力によって適正の回転力以下でのみ爪制御リング１５に回転力を伝達するようにし、それ以上の回転力が伝達されると、相互間の滑り（スリップ）が発生して、過度な回転力が爪制御リング１５の加圧部材に伝達されることを防止することによって変速装置を保護することができる。

なお、本発明の他の実施形態として、構成を簡略化するために、１つのみの第１爪１２と１つのみの第２爪１３との両方、又は、そのいずれか一方が設けられるとよい。また、本発明の他の有利な実施形態においては、負荷の分配を助長すべく、ちょうど２つの第１爪１２とちょうど２つの第２爪１３との両方、又は、そのいずれか一方が設けられるとよい。

ここで、前記スプライン溝胴体２９とキャリア２０とは、互いに接して回転しながら、両側材質間の摩擦力を用いて伝達可能な回転力の大きさを設定することができるが、これをさらに容易にするために、スプライン溝胴体２９とキャリア２０との間に互いに両側の構成と接する伝達部材２８をさらに備えることができるが、この伝達部材２８は耐熱性、耐磨耗性と摩擦力などを考慮して、キャリア２０とスプライン溝胴体２９と違う異種金属で実施されることができる。

一方、本発明ではキャリア２０の内部に爪制御リング１５が備えられ、キャリア２０の内周面又はスプライン溝胴体２９に形成されたスプライン溝２７，２７ａ，２７ｂによって加圧部材が選択的に押圧されて変速を補助するものと明示された。しかし、これは一実施形態に過ぎなく、爪制御リング１５の位置を変更する場合には、キャリア２０ではない回転される他の構成の内部に爪制御リング１５が設置され得ることはもちろん、この場合には回転される他の構成の内周面にスプライン溝が形成される。

また、本発明は自転車に適用される強制変速装置を中心として説明されたが、スクーター、バイク、車椅子等で適用し得るのは当然である。

以上のような自転車強制変速装置は、高段から低段への変速がなされるとき、噛み合った状態が維持されることによって解除が容易ではないために発生していた既存の変速装置の問題を解決するために、加圧部材とこの加圧部材の移動を制御するスプライン溝２７をさらに備えたものである。これによって、高段から低段へ歯車が変速されるとき、加圧部材が第１、２被押圧爪１２ｂ，１３ｂを押圧して第１、２固定突起２３ｂ，２４ｂとの噛み合い状態を強制的に解除し、これによって、第１、２押圧突起１６ａ，１６ｂ，１９ａ，１９ｂが第１、２被押圧爪１２ｂ，１３ｂを確実かつ正確に制圧することができる。

結果的に、第１、２固定爪１２ａ，１３ａと第１、２固定突起２３ｂ，２４ｂとの噛み合い状態を解除するために駆動力の供給を一時的に中断することなく、容易に変速させることができる。さらに、非常に小さい力によっても変速装置の変速操作が可能であるため、変速操作のために備えられたレバー及びこれと連結されたワイヤに代わって、信号線と電気スイッチに変更することができ、変速操作部品の画期的な改善を達成することができる。

１…強制変速装置、１０…ハブ軸、１１…爪位置付け部、１２…第１爪、１２ａ…第１固定爪、１２ｂ…第１被押圧爪、１２ｃ…第１連結部、１３…第２爪、１３ａ…第２固定爪、１３ｂ…第２被押圧爪、１３ｃ…第２連結部、１５…爪制御リング、１６…リングハウジング、１６ａ…第１押圧突起、１６ｂ…第２押圧突起、１７…調節バー、１８…装着孔、１８ａ…突起部、１９…固定リング、１９ａ…第１押圧突起、１９ｂ…第２押圧突起、２０…キャリア、２１…ハウジング、２１ａ…スプロケット設置部、２２…多段遊星歯車、２３…第１太陽歯車、２３ａ…第１歯車部、２３ｂ…第１固定突起、２４…第２太陽歯車、２４ａ…第２歯車部、２４ｂ…第２固定突起、２５…ラチェット部材、２６…スプロケット、２７，２７ａ，２７ｂ…スプライン溝、２８…伝達部材、２９…スプライン溝胴体、３０…ハブシェル、３１…リング歯車、３２…ラチェット歯 、４０…蓋、５０…変速ユニット、６０…保持ユニット、Ｂ…加圧ローラー、Ｂ’…加圧球、Ｓ…バネ、Ｐ…ピン

Claims (10)

1. 第１爪及び第２爪が装着されるハブ軸と、
   前記爪を制御するための爪制御リングと、
   前記爪制御リングの外側に位置されるキャリアと、
   前記爪の動作によって前記ハブ軸と噛み合う複数の太陽歯車と、
   前記太陽歯車と噛み合う多段遊星歯車と、
   前記キャリアが収容され、前記多段遊星歯車と噛み合うリング歯車が備えられるハブシェルと、
   前記爪制御リングを回転させる変速ユニットと
   を含む自転車変速装置において、
   前記爪制御リングには加圧部材が設けられ、
   前記キャリアの内周面には、前記キャリアの回転によって前記加圧部材を移動させて前記爪を押圧することにより、前記爪と前記太陽歯車との噛み合い状態を解除するスプライン溝が形成されていることを特徴とする、自転車強制変速装置。
2. １つのみの前記第１爪と１つのみの前記第２爪との両方、又は、そのいずれか一方が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の自転車強制変速装置。
3. ２つの前記第１爪と２つの前記第２爪との両方、又は、そのいずれか一方が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の自転車強制変速装置。
4. 前記爪制御リングには装着孔が形成され、
   前記加圧部材は、前記装着孔に収容された状態で前記スプライン溝によって前記爪制御リングの内側に移動される加圧ローラーであることを特徴とする、請求項１に記載の自転車強制変速装置。
5. 前記加圧部材は、コイルバネによって弾持され、前記スプライン溝によって前記爪制御リングの内側に回転移動される加圧球であることを特徴とする、請求項１に記載の自転車強制変速装置。
6. 前記爪制御リングは、リングハウジングと、前記リングハウジングと結合される固定リングとを含み、
   前記リングハウジング１６と前記固定リングのいずれか一つには、前記爪を選択的に制圧する押圧突起が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の自転車強制変速装置。
7. 第１爪及び第２爪が装着されるハブ軸と、
   前記爪を制御するための爪制御リングと、
   前記爪制御リングの外側に位置されるキャリアと、
   前記爪の動作によって前記ハブ軸と噛み合う複数の太陽歯車と、
   前記太陽歯車と噛み合う多段遊星歯車と、
   前記キャリアが収容され、前記多段遊星歯車と噛み合うリング歯車が備えられるハブシェルと、
   前記爪制御リングを回転させる変速ユニットと
   を含む自転車変速装置において、
   前記爪制御リングには加圧部材が設けられ、
   前記キャリアと接して回転され、内周面には前記加圧部材を移動させて前記爪を押圧することによって前記爪と前記太陽歯車との噛み合い状態を解除するスプライン溝が形成されているスプライン溝胴体を含むことを特徴とする、自転車強制変速装置。
8. １つのみの前記第１爪と１つのみの前記第２爪との両方、又は、そのいずれか一方が設けられていることを特徴とする、請求項７に記載の自転車強制変速装置。
9. ２つの前記第１爪と２つの前記第２爪との両方、又は、そのいずれか一方が設けられていることを特徴とする、請求項７に記載の自転車強制変速装置。
10. 前記スプライン溝胴体と前記キャリアとの間に備えられる伝達部材をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の自転車強制変速装置。

Images