JP2012040895A - 自転車用ギア変速システム - Google Patents

Abstract

【課題】路面の傾斜や状態により、適切なギア比を自動で選択し、運転者はディレイラの操作を意識せずに運転に集中することができる自転車用ギア変速システムを提供する。
【解決手段】複数枚のギア１を重ね合わせたスプロケット２と、環状のチェーン３と、ディレイラ４と、ワイヤー部材５と、感圧センサ７と、ワイヤー部材５を操作するモータ８および感圧センサ７からの電気信号を処理する制御装置９を有する変速指示装置１０とを備え、変速指示装置１０は、感圧センサ７により感知した運転者の踏力に応じた電気信号を受信し、制御装置９によって当該電気信号を計測するとともに、踏圧がしきい値の範囲未満または超えていた場合に、モータ８を回転させワイヤー部材５を操作してディレイラ４を可動させるとともに、チェーン３を移動させてスプロケット２のギア１間の架け替えを行い、踏圧がしきい値の範囲以内になるように、クランクの回転角とホイールの回転角との比率を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自転車用ギア変速システムに関するものである。

一般的に平坦を走行する自転車においては、ペダルに極端な負荷が加わらないため、クランクの回転角とホイールの回転角とのギア比が一定であっても、無理なく自転車を走行させることができる。しかし、坂道の多い道路を走行する場合や、スピードを必要とするスポーツタイプの自転車、または起伏の激しい道路や悪路を走行するモトクロス用の自転車においては、ディレイラによりクランクの回転角とホイールの回転角との比を、起伏や路面の状況に応じて変更し、ペダルに加わる負荷を和らげ膝などに加わる負担を軽減したり、逆にペダルに負荷を加えスピードを出したりする必要がある。

ところで、自転車に用いられるディレイラは、一般的に内装ディレイラ、外装ディレイラおよび外装＋内装ディレイラの三つに分類されている。
この内、外装ディレイラは、ギアの枚数を増やしたり、フロントディレイラとリアディレイラとを組み合わせることにより、何十段にも及ぶギアの架け替えを行うことが可能で、現在において最も多くの自転車に用いられている。

一方、内装ディレイラは、泥汚れに強く、耐久性もあり、また停止時においても変速が可能であるため、交通量の多き市街地において最適である。しかしながら、ディレイラ自体がハブ内部に設けられているため、部品高交換の際に手間が掛かり、外装変速器ほど発展していないのが現状である。

他方、古くから普及している上記外装ディレイラは、通常ディレイラと呼ばれ、クランク側でチェーンを移動させる装置をフロントディレイラ、ハブのスプロケット側でチェーンを移動させる装置をリアディレイラと呼ばれている。フロントディレイラは、単純にチェーンの移動によりギア間の掛け替えを行うに対して、リアディレイラは、チェーンテンショナーを兼ねているため、構造が複雑になっている。

また、初期においてリアディレイラは、ワイヤーに繋がれた小さいチェーンにより、ディレイラごと軸線方向にずらすタケノコ式ディレイラが使われていたが、現在においてはパンタグラフ式が主流である。このパンタグラフ式は、軽量で確実に操作が行えるものであるために、一般的な自転車からスポーツタイプの自転車まで多くの自転車に用いられている。

そして、ディレイラの操作は、シフタによって行われる。このシフタは、ワイヤにより形成された筒（アウタ）の中に、インナーワイヤを通し、このインナーワイヤを操作することによりディレイラを動かすワイヤ方式が一般的に用いられている。

また、上記インナーワイヤの操作は、レバーにより行われる。このレバーは、ダブルレバ、デュアルコントロールレバ、バーエンドコントローラ、グリップシフトなど様々な形態のものがあり、用途やハンドルの形状などによって使い分けている。

しかし、上記インナーワイヤを操作するためのレバーは、路面の状況や起伏の状態などに合わせ適切なギア比を選択する際に、運転者がその都度手で上記レバーの操作を行われなくてはならず、上記レバーを操作する度にバランスを崩したり、運転に集中できずに走行に支障を来したりするという問題がある。

そこで、上記インナーワイヤを操作する際に、ブレキーレバーによって変速操作を行うデュアルコントロールレバーや、ハンドルの末端に差し込んで変速操作を行うバーエンドコントローラ、または当該バーエンドコントローラの機能をグリップ根本に設けたグリップシフトなどのレバーが開発された。このレバーの開発により、運転者はハンドルから手を離さずに、レバー操作を行うことができ、ハンドルから片手を離すことによりバランスが崩れてしまうことを防止することができる。

ところが、ハンドルから手を離さずに操作が行える上記レバーは、構造が複雑で重く、また高価であるため、一般の自転車に用いることが難しいという問題がある。またハンドルから手を離さずに操作が行えるものの、レバー操作は指を使って行うため、操作に気を取られ、真っ直ぐに走行できなかったり、起伏の激しい道路では、上手く操作が行えないという問題もある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、路面の傾斜や状態により、適切なギア比を自動で選択し、運転者はディレイラの操作を意識せずに運転に集中することができる自転車用ギア変速システムを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、自転車用のギア変速システムであって、異なる直径を有する複数枚のギアを同軸上に重ね合わせたスプロケットと、このスプロケットの上記ギアに係合する環状のチェーンと、このチェーンの移動および複数枚の上記ギア間の架け替えを行うディレイラと、このディレイラを可動させるワイヤー部材と、少なくとも一方のペダルに設けられた感圧センサと、上記ワイヤー部材を操作するモータおよび上記感圧センサからの電気信号を処理する制御装置を有する変速指示装置とを備え、上記変速指示装置は、上記感圧センサにより感知した運転者の踏力に応じた電気信号を受信し、上記制御装置によって当該電気信号を計測するとともに、計測した上記踏圧がしきい値の範囲未満または超えていた場合に、上記モータを回転させ上記ワイヤー部材を操作して上記ディレイラを可動させるとともに、上記チェーンを移動させて上記スプロケットのギア間の架け替えを行い、上記踏圧が上記しきい値の範囲以内になるように、クランクの回転角とホイールの回転角との比率を変更するように構成されていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記感圧センサは、踏力に応じた上記電気信号を無線によって、上記制御装置に送信することを特徴とするものである。

そして、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記制御装置は、上記感圧センサからの信号を受信する受信部と、受信した信号を計測する計測制御装置とを有することを特徴とするものである。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記ワイヤー部材は、筒状のアウターワイヤと、このアウターワイヤ内を摺動可能なインナーワイヤとにより構成されていることを特徴とするものである。

請求項１〜４に記載の本発明によれば、少なくとも一方のペダルに設けられた感圧センサにより運転者の踏圧の変化を感知し、この踏圧に応じた電気信号を変速指示装置に送信するとともに、制御装置によって当該電気信号を計測し、計測した上記踏圧がしきい値の範囲未満または超えていた場合に、上記モータを回転させるとともに、ワイヤー部材を操作しディレイラを可動させて、チェーンの移動および複数枚の上記ギア間の架け替えを行うため、坂道などを走行する際に、運転者の踏圧の変化を感知することにより、自動的に上記ディレイラが可動して、クランクの回転角とホイールの回転角とを適切な比率に変更することができる。これにより、運転者はハンドルから手を離すことなく、また上記ギアの架け替えの操作を気にすることなく、自転車の運転に集中することができる。

請求項２に記載の発明によれば、上記ペダルに設けられた上記感圧センサは、運転者の踏力に応じた上記電気信号を無線によって、上記制御装置に送信するため、上記感圧センサ自体を密閉した状態により、上記ペダルに装着することができる。これにより、雨天時の走行や水溜まりなどの悪路の走行などにより、上記感圧センサを水や泥などから保護することができ、上記感圧センサの故障や誤作動を防止することができる。

請求項３に記載の発明によれば、上記制御装置は、上記感圧センサからの無線信号を受信する受信部と、受信した信号を計測する計測制御装置とにより構成されているため、煩雑な配線を必要とせずに、コンパクトに形成することができる。これにより、上記変速指示装置の小型化が図れるとともに、簡便に上記変速指示装置を自転車に取り付けることができる。

請求項４に記載の発明によれば、モータの回転により、ディレイラを動かすためのワイヤー部材が、筒状のアウターワイヤと、このアウターワイヤ内を摺動可能なインナーワイヤとにより構成されているため、モータの回転が上記インナーワイヤを介して、スムーズにディレイラに伝えることができる。これにより、迅速にクランクの回転角とホイールの回転角とを適切な比率に変更することができる。

本発明の自転車用ギア変速システムの一実施形態を示す概略図である。 本発明の自転車用ギア変速システムの一実施形態の変速指示装置を示す概略図である。 本発明の自転車用ギア変速システムの一実施形態のモータを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。 本発明の自転車用ギア変速システムの一実施形態のペダルに設けられた感圧センサを示す概略図である。 本発明の自転車用ギア変速システムの一実施形態のギア間の架け替えを示し、（ａ）〜（ｃ）はディレイラの可動によりチェーンがギア間の架け替わる状態を示す概略図である。 本発明の自転車用ギア変速システムの一実施形態のフロー図である。

図１に示すように、本発明の自転車用ギア変速システムは、ハンドル１４の下方のヘッドチューブ１６に設けられた変速指示装置１０と、フレームｔのトップチューブ１７に設けられた電池ＢＯＸ１３と、少なくとも一方のペダル６に設けられた感圧センサ７と、後輪のホイール１２のハブ２０に設けられたスプロケット２と、スプロケット２のギア１に係合するチェーン３と、フレームｔのドロップエンド１８に設けられたディレイラ４と、ディレイラ４を可動させるワイヤー部材５とを備えて概略構成されている。

ここで、変速指示装置１０は、図２に示すように、モータ８と制御装置９とを備えている。モータ８は、φ３５程度のステッピングモータが用いられている。またモータ８の回転軸８ａに、φ４０のプーリ８ｂが設けられている。このプーリ８ｂの外周部には、ワイヤー部材５の一端部側がモータ８の回転により周方向に巻回されている。このワイヤー部材５は、筒状のアウターワイヤ５ａと、このアウターワイヤ５ａ内を摺動可能なインナーワイヤ５ｂとにより構成され、図３に示すように、インナーワイヤ５ｂがプーリ８ｂの外周部に沿って巻回されているとともに、他端部側が変速指示装置１０より後輪のホイール１２側に延在している。

また、制御装置９は、図２に示すように、無線電波を受信する受信部９ａと、この受信部９ａにより受信した電気信号を計測する計測制御装置９ｂとを備えている。この計測制御装置９ｂは、受信部９ａより受信した電気信号を計測するとともに、計測した上記踏圧がしきい値の範囲以内であるかを判断し、その判断に基づき、モータ８の回転を制御している。

そして、電池ＢＯＸ１３は、少なくとも１本以上のアルカリ電池またはリチウムイオン電池が、取出し自在に内装されているとともに、ゴムパッキンなどのシール材により密閉可能に形成されている。そして、電池ＢＯＸ１３には、変速指示装置１０に電源を供給するためのコードが設けられている。

そして、二つのクランク１１に回転自在に取り付けられたペダル６に、感圧センサ７が取り付けられている。この感圧センサ７は、少なくとも一方のペダル６に内装されているとともに、感圧センサ７の電気信号を制御装置９に送信する送信部７ａを備えている。

さらに、後輪のホイール１２のハブ２０には、図５に示すように、スプロケット２が設けられている。このスプロケット２は、異なる直径を有する複数枚のギア１を同軸上に重ね合わせるとともに、各々のギア１の間にスペーサ２ａが設けられている。

また、ギア１には、環状のチェーン３が係合されている。このチェーン３は、ローラーチェーンが用いられ、クランクと連動したクランクスプロケット１９の回転を、後輪のホイール１２のハブ２０に取り付けられたスプロケット２に伝えている。
なお、ギア１の厚さやスペーサ２ａの厚さ、さらにギア１の厚さにスペーサ２ａの厚さを加えたスプロケットピンチは、ギア１の段数および製造メーカによって異なる。

また、フレームｔのドロップエンド１８には、ディレイラ４が設けられている。このディレイラ４は、パンタグラフ式であり、プーリ４ａをスプロケット２の軸線方向に平行移動させる平方四辺形のリンク機構４ｂと、上下２個のプーリが設けれたプーリゲージ４ｃとにより構成されている。また上下２個のプーリは、上側のプーリがチェーン３をスプロケット２のギア１間に案内するガイドプーリであり、下側のプーリがチェーン３の張りを維持するテンションプーリ４ｄである。さらにディレイラ４には、平方四辺形のリンク機構４ｂの動きを規制するコイルスプリングと、変速指示装置１０のモータ８の回転運動を直線運動に変えるワイヤー部材５のインナーワイヤ５ｂの他端部側が接続されている。

以上の構成による本実施形態の自転車用ギア変速システムによるギア変速方法を、図６のフローチャート図および図１〜図５を用いて説明する。
まず、図６に示すように、自転車ｋのペダル６に設けられた感圧センサ７の平地運転時での基準踏圧（しきい値）を手動でセットする。この場合、基準踏圧の変動は±２０％以内で設定する。

次に、図１に示す自転車ｋのサドル１４に運転者が腰掛け走行する。このとき、図４に示すように、ペダル６を漕ぐことによって、ペダル６に載せた足の踏圧を感圧センサ７が感知するとともに、その踏圧を電気信号に変えて、送信部７ａより制御装置９の受信部９ａに無線によって送信する。この際に、制御装置９の計測制御装置９ｂは、感圧センサ７からの１０分間走行時の平均踏圧が基準踏圧の±２０％以内であれば、最適踏圧として判断し、モータ８の回転は行われない。

しかし、上記基準値踏圧の＋２０％を超えた場合には、ペダル６に掛かる踏圧が大であることを感圧センサ７から送信された電気信号に基づいて計測制御装置９ｂが判断し、モータ８を回転させ、回転軸８ａに設けられたプーリ８ｂに巻回されているワイヤー部材５のインナーワイヤ５ｂを摺動させて、ディレイラ４を可動させ、１０分走行時の平均踏圧が、基準踏圧の＋２０％以下になるまで、ギア１を１枚ずつ架け替えていく。

この際のギア１の架け替えは、図５（ａ）に示すように、小ギア１にチェーン３が係合している場合には、ワイヤー部材５のインナーワイヤ５ｂをモータ８の回転によって引き、ディレイラ４の平方四辺形のリンク機構４ｂを規制しているコイルスプリングに抗して、テンションプーリ４ｄを可動させることにより、図５（ｂ）の中ギア１または図５（ｃ）の大ギア１に移動させ、クランクの回転角とホイールの回転角との比率を変更する。

また、上記基準値踏圧の−２０％を未満になった場合には、ペダル６に掛かる踏圧が小であることを感圧センサ７から送信された電気信号に基づいて計測制御装置９ｂが処理し、モータ８を回転させ、回転軸８ａに設けられたプーリ８ｂに巻回されているワイヤー部材５のインナーワイヤ５ｂを摺動させて、ディレイラ４を可動させ、１０分走行時の平均踏圧が、基準踏圧の−２０％以上になるまで、ギア１を１枚ずつ架け替えていく。

この際のギア１の架け替えは、図５（ｃ）に示すように、大ギア１にチェーン３が係合していた場合には、ワイヤー部材５のインナーワイヤ５ｂをモータ８の回転によって戻し、ディレイラ４の平方四辺形のリンク機構４ｂを規制しているコイルスプリングを開放して、テンションプーリ４ｄを可動させることにより、図５（ｂ）の中ギア１または図５（ａ）の小ギア１に移動させ、クランクの回転角とホイールの回転角との比率を変更する。

なお、スプロケット２の直径の異なるギア１は、小ギア１にチェーン３が係合している場合にペダル６が重くなり、大ギア１にチェーン３が係合している場合にペダル６が軽くなる。

さらに、急な坂道などに差し掛かり、ペダル６の踏圧に急激な変化が起きた場合には、その急激な変化を感圧センサ７からの電気信号を受信した計測制御装置９ｂが判断し、すぐさまモータ８を回転させ、回転軸８ａに設けられたプーリ８ｂに巻回されているワイヤー部材５のインナーワイヤ５ｂを摺動させて、ディレイラ４を可動させ、基準踏圧の±２０％以内になるまで、チェーン３をスプロケット２のギア１間を架け替え、クランクの回転角とホイールの回転角とを適切な比率になるまで変更する。

上述の実施形態による自転車用ギア変速システムによれば、運転者の踏圧をペダル６に設けられた感圧センサ７により感知した電気信号を計測制御装置９ｂによって計測することにより、モータ８を回転させて、ワイヤー部材５のインナーワイヤ５ｂを操作しディレイラ４を可動させて、チェーンを移動させスプロケット２のギア１間の架け替えを行うため、坂道などを走行する際に、運転者はハンドル１４から手を離すことなく、自動的にディレイラ４を可動させて、クランクの回転角とホイールの回転角とを適切な比率に変更することができる。これにより、運転に集中することができるとともに、安全に走行することができる。

また、運転者の１０分間走行時の平均踏圧を計測して、クランクの回転角とホイールの回転角とを適切な比率にするため、例えば、起伏の間隔が短い路面では、その都度ギア１の架け替えを行うことにより、チェーン３が外れてしまったり、走行に支障を来すことなく運転することができる。

さらに、急な坂道の場合には、その変化に対応してギア１の架け替えを行い、速やかにクランクの回転角とホイールの回転角とを適切な比率に変更することができるため、ペダルが重くなることによって起こる膝への急激な負担を防止することができる。

また、ディレイラ４を可動させるワイヤー部材５のインナーワイヤ５ｂを動かすモータ８がステッピングモータであるため、スプロケット２の複数枚のギア１を一段ずつ架け替えることができる。この結果、段数の多いスプロケット２でも、確実にチェーン３を架け替えることがでる。

そして、ペダル６に設けられた感圧センサ７が感知した運転者の踏力に応じた電気信号を無線によって、制御装置９の受信部９ａに送信することができるため、感圧センサ７自体を密閉した状態でペダル６に装着することができる。これにより、雨天時の走行や水溜まりなどの悪路の走行などにでも、水や泥などにより感圧センサ７が故障したり誤動作したりすることを防止することができる。

さらに、制御装置９が感圧センサ７からの電気信号を無線により受信する受信部９ａと、受信した電気信号を計測する計測制御装置９ｂとにより構成されているため、煩雑な配線を必要とせずに、コンパクトに形成することができる。この結果、変速指示装置１０の小型化を図ることができるとともに、変速指示装置１０を簡便に自転車ｋに取り付けることができる。

なお、上記実施の形態において、後輪のホイール１２にスプロケット２を設けた場合のみ説明したが、これに限定されるものでなく、例えば、クランクスプロケット１９に、異なる直径を有する複数枚のギア１を同軸上に重ね合わせ、後輪のホイール１２と併用し、クランクの回転角とホイールの回転角とを適切な比率に変更するように構成しても対応可能である。この場合には、後輪のホイール１２に設けたスプロケット２と、ギア１を複数枚重ね合わせたクランクスプロケット１９とにディレイラ４を各々設けるとともに、各々のディレイラ４を可動させるモータ８を変速指示装置１０に設け、制御装置９の計測制御装置９ｂに設定された基準踏圧によって、各々のモータ８を回転させて、最も適切なクランクの回転角とホイールの回転角との比率になるように、ギア１の架け替えを行うようにする。

ディレイラを備えた一般的な自転車、およびスポーツタイプの自転車に利用することができる。

１ ギア
２ スプロケット
３ チェーン
４ ディレイラ
５ ワイヤー部材
５ａ アウターワイヤ
５ｂ インナーワイヤ
６ ペダル
７ 感圧センサ
８ モータ
９ 制御装置
９ａ 受信部
９ｂ 計測制御装置
１０ 変速指示装置
１１ クランク
１２ ホイール
ｋ 自転車

Claims (4)

1. 自転車用のギア変速システムであって、
   異なる直径を有する複数枚のギアを同軸上に重ね合わせたスプロケットと、このスプロケットの上記ギアに係合する環状のチェーンと、このチェーンの移動および複数枚の上記ギア間の架け替えを行うディレイラと、このディレイラを可動させるワイヤー部材と、少なくとも一方のペダルに設けられた感圧センサと、上記ワイヤー部材を操作するモータおよび上記感圧センサからの電気信号を処理する制御装置を有する変速指示装置とを備え、
   上記変速指示装置は、上記感圧センサにより感知した運転者の踏力に応じた電気信号を受信し、上記制御装置によって当該電気信号を計測するとともに、計測した上記踏圧がしきい値の範囲未満または超えていた場合に、上記モータを回転させ上記ワイヤー部材を操作して上記ディレイラを可動させるとともに、上記チェーンを移動させて上記スプロケットのギア間の架け替えを行い、上記踏圧が上記しきい値の範囲以内になるように、クランクの回転角とホイールの回転角との比率を変更するように構成されていることを特徴とする自転車用ギア変速システム。
2. 上記感圧センサは、踏力に応じた上記電気信号を無線によって、上記制御装置に送信することを特徴とする請求項１に記載の自転車用ギア変速システム。
3. 上記制御装置は、上記感圧センサからの信号を受信する受信部と、受信した信号を計測する計測制御装置とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の自転車用ギア変速システム。
4. 上記ワイヤー部材は、筒状のアウターワイヤと、このアウターワイヤ内を摺動可能なインナーワイヤとにより構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の自転車用ギア変速システム。

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