JP2020165437A - クランク回転駆動伝達機構 - Google Patents

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Abstract

【課題】効率的で安定した連続的クランク回転駆動伝達機構を得る。
【解決手段】交互に駆動回転される第１，第２クランクアームＡＲ，ＡＬと、第１クランクアームに連動して回転入力される第１入力回転体Ｇａと、第２クランクアームに連動して回転入力される第２入力回転体Ｇｂと、第１クランクアームの駆動回転を第２クランクアームに回転角速度を高めて伝達する第１伝達経路Ｔ１と、第２クランクアームの駆動回転を第１クランクアームに回転角速度を高めて伝達する第２伝達経路Ｔ２と、第１入力回転体への回転入力時に第２伝達経路を遮断する第１クラッチＣ１と、第２入力回転体への回転入力時に第１伝達経路を遮断する第２クラッチＣ２と、第１伝達経路および第２伝達経路の少なくとも何れか一方から出力回転を取り出す出力部Ｊ２と、を備える上死点および下死点回避の駆動伝達構成としたクランク回転駆動伝達機構。
【選択図】図４

Description

本発明は、クランク回転駆動力を交互に入力する二つの入力回転体を備えたクランク回転駆動伝達機構に関する。
従来、このようなクランク回転駆動伝達機構としては、例えば、以下の特許文献１に示すものがあった。即ち、この文献に係る技術は、フィットネスマシンに発電機と蓄電池を組み合わせ、発電効率が良く電力を広範に利用しようとするものである。
このクランク回転駆動伝達機構は、ペダルを人力で操作するエアロバイクやステッパーなどのフィットネスマシンに搭載され、ペダルにより駆動されて発電を行うアウターローター型ＤＣブラシレス永久磁石同期発電機若しくはポールチェンジＤＣブラシレス永久磁石同期発電機を備え、この同期発電機に接続され、同期発電機による発電を制御する発電機コントローラーと、同期発電機に接続され、蓄電する蓄電池と、この蓄電池に接続され、蓄電池に蓄電された電気を変換して出力するＤＣ／ＡＣインバーターとを備えている。
このステッパーと称する装置では、例えば、左右の１８０度の回転位相差を持たした固定連結のペダルクランクが前後に配備され、左右のペダルでリンク状につながれている。各ペダルクランク先端の回転軸受けに取付けられた左右の二つのペダルを両脚で交互に踏み込み回転駆動を発電機に伝達する。踏み込み動作で回転するペダルクランクの上死点、下死点はフライホィールを取り付けて回避する機構としている。
また、発電機コントローラーには、ペダル位置センサーが接続され、ペダルがおおよそ水平状態から下方に強く踏み込まれる位置をペダル位置センサーが検出し、この検出値が入力された発電機コントローラーは、それに応じて発電パルスを制御し、発電負荷を増やし、発電量が増強される。
一方のペダルが最も低い位置に達し、他方のペダルが最も高い位置に達した際には、ペダル位置センサーがそれを検出し、この検出値が入力された発電機コントローラーは、それに応じて発電パルスを制御し、発電負荷を減らし、通常発電量に戻すようになっている。
このように、この従来装置によれば、フライホィールを取り付け、１８０度回転位相差を持たせた固定連結ペダルクランクを前後に配備して、平行リンク構造となるように左右のペダルがペダルクランク先端の回転軸受けに取り付けられていて、その左右のペダルを交互に踏み込む機構のフィットネスマシンの使用で得られる発電電力を広範に利用でき、しかも高い発電効率で発電することができるとのことである。
特開２０１１-４５６３５号公報
上記従来技術では、発電効率の根本となるのは作用者によるペダルの操作量である。ペダルを踏み込む際には、例えば、ペダルが最も前方にある位置など、回転軸に対してペダル位置のモーメントが大きくなる位置では発電機に入力される外力は大きくなる。しかし、ペダルが最も低い位置に近い場合は前記モーメントが小さく、発電機に入力される外力が小さくなる。上記従来技術は、そのような入力の大きくなる位置と小さくなる位置とで発電負荷を変更し、発電効率を高めようとするものであった。
しかし、この技術においては、主として以下の三つの課題がある。
（１） 作用者はペダルを最上位置から最下位置まで連続的に漕がなければならず、ペダルが発電機に入力する外力が小さくなる位置にある場合にも所定の負荷が求められる。そのため、作用者の運動によって発せられる運動エネルギーの一部は発電に寄与せず、発電効率を高めるにも限界があった。
（２） 踏み込み動作で回転するペダルクランクの上死点・下死点をフライホィールにより回避する機構では、フライホィールの慣性力のばらつきで、初めて踏み込む時の位置や、継続的に踏み込む時の位置にばらつきが生じ、踏み込みのタイミングがうまく取れない。また、継続的な踏み込みの途中で、一方のペダルの踏み込み動作が不十分となり、他方のペダルの取り付くペダルクランクが上死点を確実に越えることができない場合がある。従って、連続した交互のペダル踏み込み動作が出来ず、なめらかで連続した発電機回転が行えない。
（３） さらに、１８０度回転位相差を持たせて固定したペダルクランクアームの先端の回転軸受に取り付けた二つのペダルを交互に踏み込む機構では、二つのペダルの動きが互いに規制を受けて、時間的に全く同時連動する。このため、例えば、左右の脚で二つのペダルの交互踏み込みする場合に、一方の脚の踏み込みの反発力が即、他方の脚に伝わり違和感を覚える。また、人の脚の入れ替え時の体重移動に必要な時間が十分に取れないため、作用者のペースで体重移動が出来ず安定した連続動作が行えない等、人間工学的な問題を有し、持続力等の体力が不十分な高齢者等には向かない。
このように従来の駆動伝達機構の問題点に鑑み、駆動力の伝達効率がよく、健常者はもちろん、高齢者やリハビリテーション中の作用者にとっても、容易で安定した連続動作が行えるクランク回転駆動伝達機構が求められている。
（特徴構成）
本発明に係るクランク回転駆動伝達機構の特徴構成は、
交互に駆動回転が行われる第１クランクアームおよび第２クランクアームと、
前記第１クランクアームの駆動回転に連動して駆動回転入力が行われる第１入力回転体、および前記第２クランクアームの駆動回転に連動して駆動回転入力が行われる第２入力回転体と、
前記第１クランクアームの駆動回転を、前記第１入力回転体を介して前記第２入力回転体および前記第２クランクアームに従動回転として回転角速度を高めて伝達する第１伝達経路と、前記第２クランクアームの駆動回転を、前記第２入力回転体を介して前記第１入力回転体および前記第１クランクアームに従動回転として回転角速度を高めて伝達する第２伝達経路と、
前記第１入力回転体への駆動回転入力に際し、前記第２伝達経路の伝達を遮断する第１クラッチと、
前記第２入力回転体への駆動回転入力に際し、前記第１伝達経路の伝達を遮断する第２クラッチと、
前記第１伝達経路および前記第２伝達経路のうち、少なくとも何れか一方から出力回転を取り出す出力部と、を備えた点にある。
（効果）
本構成のクランク回転駆動伝達機構では、第１クランクアームと第２クランクアームとを交互に駆動回転させて、第１入力回転体と第２入力回転体とに回転入力を行う。第１クランクアームおよび第２クランクアームは一方が他方を従動回転させるものの、互いに異なる回転角速度で回転する。第１クランクアームと第２クランクアームとのあいだには、第１伝達経路と第２伝達経路とが並設されており、例えば、第１クランクアームに駆動回転力を付与するとき、第１クランクアームに入力された駆動力が出力部から取り出されると共に、当該入力された駆動力の一部が第１伝達経路を介して第２クランクアームに伝達され、第２クランクアームを従動させる。その際、第２クランクアームの回転角速度は第１クランクアームの回転角速度よりも大きくなるように設定してある。
このため、例えば、第１クランクアームの先端にペダルを設けておき、このペダルを特定方向に押し込んで下死点近くまで駆動回転させるとき、他方の第２クランクアームはこれよりも大きな回転角速度で従動回転する結果、上死点を越えた位置まで回動することができる。これに続けて第２クランクアームを押し込むが、第２クランクアームは上死点を越えているため、位置的および負荷的に押込み操作が極めて容易となる。このようなクランク回転が交互に連続する結果、効率的な出力回転の取り出しが可能となる。
（特徴構成）
本発明に係るクランク回転駆動伝達機構にあっては、
前記第１クラッチおよび前記第２クラッチの各々が、
駆動回転を伝達する第１クラッチ部材および第２クラッチ部材と、
前記第１入力回転体または前記第２入力回転体と一体的に結合される第１カム板と、
前記第１クラッチ部材と一体的に結合される回転軸および第２カム板と、
前記第１クラッチ部材を前記第２クラッチ部材に押し付けてクラッチ入り状態とさせる付勢部材と、を備えると共に、
駆動回転入力される側の前記第１入力回転体または前記第２入力回転体と一体的に結合される前記第１カム板と、遮断する側の前記第１クラッチまたは前記第２クラッチにある前記第２カム板との各々に傾斜駆動当接面を設けて、前記第１カム板と前記第２カム板とが当該傾斜駆動当接面で滑動しつつ相対回転して前記第１クラッチ部材を前記付勢部材の付勢力に抗する方向あるいは付勢力の働く方向に移動させて前記第１クラッチまたは前記第２クラッチをクラッチ切り状態あるいは入り状態にさせることを可能とし、しかも、互いの当接を外さずに当該傾斜駆動当接面での押圧状態を維持して一体的に回転駆動を伝達させることができるように前記第１クラッチ部材の移動の全距離を設定する移動規制部を設けたカム機構を備えるものとすることができる。
（効果）
本構成のクランク回転駆動伝達機構では、例えば、初期の状態では第１カム板と、第２カム板とは対向密着しており、第１クランクアームおよび第１入力回転体に駆動力が入力された瞬間には、第１クラッチおよび第２クラッチが入り状態にある。つまり、第１伝達経路および第２伝達経路の双方が連結状態にあり、回転角速度を高めて伝達する部分の二つの伝達経路が閉ループ状態となる。このため、当該伝達経路上に配置されたギヤどうしの伝達回転角速度に不一致が生じ、回転がロックされ、第１クランクアームおよび第１入力回転体の駆動回転が一旦阻止される。
しかし、引き続き第１クランクアームおよび第１入力回転体に駆動力を加えると、第１入力回転体と一体的に結合される第１カム板が第１クラッチ部材と一体的に結合される第２カム板と互いの傾斜駆動当接面で滑動しつつ相対回転するカム機構によって、遮断するべき第１クラッチを少なくともクラッチ切り状態とさせる移動距離だけ第１クラッチの第１クラッチ部材が第２クラッチ部材に対して付勢部材の付勢力に抗する方向に移動する。このため、第１クランクアームおよび第１入力回転体に入力された駆動力は、連結状態にある第２クラッチが設けられた第１伝達経路を介して第２入力回転体および第２クランクアームに伝達される。
第１クラッチ部材が第２クラッチ部材に対して切り状態となった後、例えば、第１入力回転体に駆動回転が入力される間は第１クラッチ部材の切り状態を維持しつつ、第１入力回転体と一体的に結合される第１カム板と、第１クラッチ部材と回転軸を介して一体的に結合される第２カム板とが互いの傾斜駆動当接面での押圧状態を維持し一体化回転して駆動回転を伝達する。
このとき、駆動回転の負荷が大きければ、第１カム板と第２カム板との互いの傾斜駆動当接面での滑動により、第２カム板および回転軸を介して第１クラッチ部材はさらに前記付勢部材の付勢力に抗する方向即ち、第２クラッチ部材から離間する方向に移動を継続する場合があるが、第１カム板と第２カム板との互いの傾斜駆動当接面は一定以上の面積を維持し、互いの係合が外れないように全移動距離を設定する移動規制部を設けたカム機構としている。
それによって、第２カム板に伝わる移動規制部による移動抵抗力が、第１入力回転体に加わる駆動力による移動力と釣り合う状態で、第１カム板と第２カム板は、第１入力回転体に加わる駆動力に基づき、互いの傾斜駆動当接面で押圧反力を発生させつつ一体化し、駆動回転力の伝達が確実に発生して、第１クランクアームおよび第１入力回転体への駆動回転により、第２クランクアームおよび第２入力回転体が、第１クランクアームおよび第１入力回転体より速い回転角速度で従動する。
これに続いて、第２クランクアームおよび第２入力回転体に駆動力を加えると、後述するように、一旦、連結状態にある第１伝達経路を介する逆方向伝達にて、クラッチを構成するカム機構により第１クラッチをクラッチ入り状態に戻すまで、第２クランクアームおよび第２入力回転体が僅か回転し、さらに駆動力を継続して加えると、その後は第１クランクアームおよび第１入力回転体に駆動力を加えるときと同様の動作態様により遮断するべき第２クラッチをクラッチ切り状態とさせ、その結果、第１クランクアームおよび第１入力回転体が、第２クランクアームおよび第２入力回転体の駆動回転より速い回転角速度で従動する。
さらに継続的に、第１クランクアームと第２クランクアームとを交互に駆動回転させて、第１入力回転体と第２入力回転体とに回転入力を行う場合には、駆動側のクランクアームが一旦、僅か回転し、その時点で入り状態である遮断するべき側のクラッチを介して、その時点で切り状態である伝達するべき側のクラッチを、クラッチを構成するカム機構により入り状態に戻し、さらに続けて駆動力を加えると、その後は本来、遮断するべき側のクラッチをクラッチ切り状態とさせる態様が繰り返される。
このように本構成の第１クラッチおよび第２クラッチを有することで、第１クランクアームおよび第１入力回転体と、第２クランクアームおよび第２入力回転体に交互に駆動力を入力するだけで、駆動回転の伝達経路が容易に切り替わる。これによって、各種の装置に適用される汎用性の高いクランク回転駆動伝達機構を得ることができる。
（特徴構成）
本発明に係るクランク回転駆動伝達機構にあっては、
前記第１クランクアームおよび前記第２クランクアームのうち何れか一方が、押し込み作動クランクの回転における上死点を越えた第１位置から下死点の手前の第２位置まで駆動回転される間に、他方が前記第２位置から前記第１位置まで従動回転するように駆動伝達構成がなされ、
前記第１クランクアームの先端に第１作用部を、前記第２クランクアームの先端に第２作用部を、設け、前記第１作用部に対して特定方向に当接する第１ペダルと、前記第２作用部に対して前記特定方向に当接する第２ペダルとが、交互に往復移動するように構成することができる。
（効果）
本構成のように、交互に往復動作する第１ペダルと第２ペダルを備えることで、例えば両ペダルを人の脚で駆動する際に、通常の自転車ペダルを漕ぐときのクランクアームを回転させる場合に比べ、負荷が掛った状態の脚の前後運動を減らすことができる。よって、体力が十分でない作用者であっても体重を利用する等で両ペダルを容易に操作することができる。
また、本構成のクランク回転駆動伝達機構は、例えば、第１クランクアームおよび第２クランクアームを交互に回転駆動する際に一方のアームを下死点の所定角度手前まで回転駆動すると、他方のアームは必ず上死点を所定角度越えた位置まで回転する。このため、同一経路を往復移動する第１ペダルおよび第２ペダルを装着した場合でも、ペダルの踏込開始の位置がフライホィール使用の場合のようにばらつくことがなく、確実に上死点を越えるために、効率が悪く負荷が極めて大きくなる上死点付近を回避でき、ペダル踏み込み操作を容易に行うことができる。
（特徴構成）
本発明に係るクランク回転駆動伝達機構にあっては、
前記第１クランクアームおよび前記第２クランクアームが前記第２位置に到達したとき、前記第１ペダルおよび前記第２ペダルの停止位置を設定するストッパーを備え、当該ストッパーに前記第１ペダルおよび前記第２ペダルの前記特定方向への動作に対向する付勢力を保持させてあると好都合である。
（効果）
例えば、ペダルを特定方向に踏み込んで第１クランクアームを回転させる場合、踏み込み終了位置は必ずしも一定にならない。また特定方向に沿った下死点の近傍では、ペダルの踏み込み方向と第１クランクアームの先端が向かう方向とが直角に近づくため、第１クランク軸に作用する外力のうち第１クランク軸の回転駆動に寄与する分力が小さくなる。
そこで、ペダルの踏み込み方向と第１クランクアームの先端が向かう方向とが大きく乖離する前にペダルの踏み込みを前記ストッパーにより中断することで、第１クランクアームおよび第１入力回転体の回転駆動に殆んど寄与しない無駄な踏込動作を減らすことができる。
また、ストッパーに付勢力を発揮させることで、例えば第１ペダルを踏み込み、第１ペダルがストッパーに当接する際の衝撃を緩和することができる。よって、脚に作用する負担が軽減され、長時間の操作が可能となる。
さらに、本構成であれば、第１ペダルおよび第２ペダルを交互に踏みこむことにより、第１クランクアームおよび第２クランクアームを交互に駆動および従動回転をさせるため、第１ペダルの踏み込みをストッパーで中断しても、他方の第２ペダルを踏み込むことで第１クランクアームは回転を続ける。第１ペダルに当接していた第１クランクアームの第１作用部はペダルから離間して円弧状に下死点に向かい、さらに下死点を越えて円弧状に移動して、再度、第１ペダルに当接する。このように、第１ペダルの踏み込みが終了したのち、第２クランクアームの回転力に基づき第１クランクアームの第１作用部によって強制的に押し上げられるまでの時間を確保することができる。
このとき、作用者の脚は第２ペダルを踏み込み始めているから、その反動作、あるいは体重が掛かっている場合は体重移動の開始で第１ペダルに掛る力は減少し始める。ストッパーには付勢力が作用しているため、第１ペダルが下死点の側から押し上げられ、第１作用部が第１ペダルに再度当接するまでの時間がさらに長くなる。そのため、第１ペダルに載せている脚が第１クランクアームの第１作用部によって第２クランクアームの回転力で強制的に押し上げられるタイミングをさらに一定時間遅らせ、第１ペダルに載せている脚の作動や体重移動を一定時間遅らせることができる。これにより、通常の固定連結ペダルクランクアームを回転させるときのように、一方の脚の踏み込みの反発力が、直ちに他方の脚に伝わって違和感を生じさせるようなことがなく、作用者のタイミングで円滑な踏込運動を継続することができる。
尚、第１ペダルが付勢力によって上昇を始めた後に第１作用部が当接すれば、両者の相対速度が小さくなっているため、当接時の衝撃がより緩和され違和感の少ない装置を得ることができる。
第１実施形態に係るクランク回転駆動伝達機構の適用例を示す斜視図 ペダルとクランクアームの動作態様を示す説明図 クランクアームの動作態様を示す説明図 クランク回転駆動伝達機構のギヤ列を示す斜視図 クラッチの駆動伝達構成図 クラッチの構造と駆動態様を示す部分的正面図含む上半断面図 ペダルとストッパーの動作態様を示す説明図 第２実施形態に係るペダルとストッパーの動作態様を示す説明図 本発明のクランク回転駆動伝達機構の他の適用例を示す斜視図
本発明のクランク回転駆動伝達機構Ｋ（以降においては「駆動伝達機構Ｋ」と略称する）は、一対のクランクアームＡＲ，ＡＬを交互に駆動回転させて出力を取り出す機構であって、特に、各クランクアームＡＲ，ＡＬが駆動回転する場合と、従動回転する場合とで回転角速度が変化し、その結果、各クランクアームＡＲ，ＡＬどうしの相対回転角速度が変化する点に特徴を有する。以下、本発明に係る各実施形態つき図面を参照しながら説明する。
〔第１実施形態〕
（概要）
本発明に係る駆動伝達機構Ｋは、例えば、図１に示すように左右のペダルＰを交互に並進移動させる健康器具や、図９に示すように自転車タイプの健康器具などに適用可能である。まず、図１乃至図７に基づき、第１実施形態に係る駆動伝達機構Ｋについて説明する。
図１は、本発明のペダルＰを含めた駆動伝達機構Ｋを一種のステアクライマーに適用した例である。このステアクライマーは、平行リンク１によって上下に往復移動する第１ペダルＰＲと第２ペダルＰＬとを備えている。本実施形態では、第１ペダルＰＲを右ペダルＰＲと称し、第２ペダルＰＬを左ペダルＰＬと称する。右ペダルＰＲと左ペダルＰＬとの間には機構部Ｋ１（図４参照）を有する。この機構部Ｋ１には、後述するギヤ列とクラッチＣおよび出力部Ｊ２等が備えられている。
作用者はハンドルＨに手を掛けつつ左ペダルＰＬおよび右ペダルＰＲを交互に踏み込み、入力軸Ｊ１を回転させる。本構成では、例えば両ペダルＰを人の脚で駆動する際に、通常の自転車のクランク回転作動のような負荷が掛かった状態の脚の前後運動を減らすことができ、体力が十分でない高齢者やリハビリテーション中の作用者であっても体重を利用する等で両ペダルＰを容易に操作することができる。また、機構部Ｋ１に所定の負荷を掛けることで筋力アップの効果を得ることができる。
また、機構部Ｋ１に発電機等を装備して発電さらには蓄電を行うこともできる。作用者は、モニターＭにより、自己の運動量や発電量等を確認することができ、さらには機構部Ｋ１の負荷を調節することができる。
駆動伝達機構Ｋは、交互に駆動回転が行われる第１クランクアームＡＲおよび第２クランクアームＡＬを有する。第１クランクアームＡＲの先端からは、第１クランクアームＡＲに直交する棒状の第１作用部ＳＲが機構部Ｋ１とは反対の方向に延出し、同じく第２クランクアームＡＬの先端からは第２作用部ＳＬが延出している。尚、以降においては、第１クランクアームＡＲを右アームＡＲ、第２クランクアームＡＬを左アームＡＬと称し、第１作用部ＳＲを右作用部ＳＲ、第２作用部ＳＬを左作用部ＳＬと称する。
図２および図３に示すように、この駆動伝達機構Ｋでは、右アームＡＲと左アームＡＬが連続回転するとき、一方が駆動側となり他方が従動側となる。駆動回転する場合と従動回転する場合とで回転角速度が変化するため、右アームＡＲと左アームＡＬの相対回転角速度が途中で切り替わり、互いの相対回転位相が変化しながら回転する。
図２は、例えば右ペダルＰＲと右アームＡＲの動作態様を示す説明図である。右ペダルＰＲは平行リンク１で支持されており上下に並進往復する。右ペダルＰＲは右アームＡＲの先端に設けた棒状の右作用部ＳＲに当接しており、右ペダルＰＲを踏み込むことで右アームＡＲが下げられる。本実施形態では、右ペダルＰＲを踏み込むときに、右作用部ＳＲに対して右ペダルＰＲの下面が特定方向に当接しつつ、当接面に沿う方向に右作用部ＳＲが右ペダルＰＲに対し相対的に移動する。右ペダルＰＲと右作用部ＳＲには、例えば右作用部ＳＲと相対回転可能な筒状のローラーを外挿しておき、当接面である右ペダルＰＲの下面に沿って移動する際の摩擦抵抗を低減すると良い。
この駆動伝達機構Ｋでは、左アームＡＬおよび左作用部ＳＬ、あるいは右アームＡＲおよび右作用部ＳＲの回転角速度が変化する。図２および図３に示すように、右アームＡＲおよび右作用部ＳＲが反時計方向に回転するが、上死点ＴＤＣを所定角度α分越えた第１位置１ｐから下死点ＢＤＣの所定角度β分手前の第２位置２ｐまでの第１領域１ｒ、即ち、回転角度θの範囲には後述するように、右アームＡＲおよび第１入力回転体Ｇａに駆動力を加えてから駆動回転に寄与しない左アームＡＬに向けて伝達するべき第２クラッチＣ２を一旦、クラッチ切り状態から入り状態に戻すまでの回転角度γ´と、それに引き続く右アームＡＲに係り遮断するべき第１クラッチＣ１を切り状態とするまでの回転角度γが含まれる。従って、（θ−γ´−γ）の角度範囲では第１回転角速度１ｓで回転する。一方、第２位置２ｐから下死点ＢＤＣおよび上死点ＴＤＣを越え第１位置１ｐに至るまでの第２領域２ｒ即ち、（１８０＋α＋β）の角度範囲では、右アームＡＲおよび右作用部ＳＲは、第１回転角速度１ｓよりも速い第２回転角速度２ｓで回転する。
ここで、回転角度のα、β、θ、γおよびγ´は一周全回転を３６０分割した角度を１度としたときの角度数を表す数値とする。前述の回転角度γ´は、例えば右アームＡＲの踏み込み開始時の反時計方向への回転角度であるが、これは、直前の左アームＡＬの反時計方向への駆動回転によってクラッチ切り状態とされていた第２クラッチＣ２を再び入り状態に復帰させるための角度である。一方、γは引き続いての右アームＡＲの同方向への回転によって、第１クラッチＣ１を切り状態とするまでの回転角度である。
上死点ＴＤＣから第１位置１ｐまでの所定角度αは必ずしも一定でなく、その設定には一定の余裕を持たせるのが良い。例えば右ペダルＰＲを踏み込む際には、踏み込みを終えるときの右アームＡＲおよび右作用部ＳＲの位置、即ち、下死点ＢＤＣ手前の所定角度βも必ずしも一定ではない。しかし、その場合でも左アームＡＬおよび左作用部ＳＬが第１位置１ｐの近傍まで戻っていると次の左ペダルＰＬの踏み込みが容易となる。このように、ペダルを踏み込んだ側のクランクアームおよび作用部の下限位置がばらついた場合でも、そのばらつきの想定される範囲を十分に考慮して、他方のクランクアームが確実に上死点ＴＤＣを越えるように基準の所定角度αおよびβを設定する。
つまり、各クランクアームが小さい回転角速度で回る第１領域１ｒ（駆動側）での駆動回転に寄与する回転角度が（１８０−α−β−γ´−γ）＝（θ−γ´−γ）、大きな回転角速度で回る第２領域２ｒ（従動側）での回転角度が（１８０＋α＋β）であり、従って、基本的には駆動側クランクアームから従動側クランクアームに至る駆動伝達増速比率が（１８０＋α＋β）／（θ−γ´−γ）になるように、駆動伝達経路を設定する。
このように、ペダルＰを踏み込んだ側のクランクアームおよび作用部を第１位置１ｐから第２位置２ｐまで回転させると、他方のクランクアームおよび作用部が第２位置２ｐから第１位置１ｐまで戻るように構成することで、右アームＡＲおよび右作用部ＳＲと、左アームＡＬおよび左作用部ＳＬは各々に対応する右ペダルＰＲおよび左ペダルＰＬの踏み込みに際して必ず上死点ＴＤＣを越えた位置に設定される。よって、健常者はもちろん高齢者やリハビリテーション中の作用者にとっても踏み込みの開始動作が軽く円滑なものとなる。このようなクランク回転が交互に連続する結果、効率的で安定した出力回転の取り出しが可能となる。
図２に示すように、右ペダルＰＲはその先端にある右作用部ＳＲの回転に伴って上下動するが、右作用部ＳＲが第２位置２ｐを過ぎて当該第２位置２ｐから下の領域を移動する際にはストッパーＢによって下降が止められる。よって、下死点ＢＤＣにある右作用部ＳＲは右ペダルＰＲから離間している。これは、右作用部ＳＲが下死点ＢＤＣに近付くほど、右ペダルＰＲに下向きに作用する外力のうち右アームＡＲおよび右作用部ＳＲの回転に寄与する分力が小さくなるため、この状態での入力を省略するものである。
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、右アームＡＲおよび右作用部ＳＲと、左アームＡＬおよび左作用部ＳＬの相対位置を示したものである。例えば、図３（ａ）において破線で示した左アームＡＬおよび左作用部ＳＬが第１位置１ｐにあるとき、実線で示した右アームＡＲおよび右作用部ＳＲは第２位置２ｐにある。図３（ｂ）に示すように、左ペダルＰＬの踏み込みにより、左アームＡＬおよび左作用部ＳＬが前記の（θ−γ´−γ）の角度のおよそ半分の高さまで回転したとき、右アームＡＲおよび右作用部ＳＲは前記の（１８０＋α＋β）の角度のおよそ半分の高さまで持ち上げられる。さらに左ペダルＰＬを踏み込むと、図３（ｃ）に示すように、左アームＡＬおよび左作用部ＳＬが第２位置２ｐまで回転し、右アームＡＲおよび右作用部ＳＲは第１位置１ｐまで回動する。
本構成であれば、左ペダルＰＬの踏み込みにより、左アームＡＬおよび左作用部ＳＬが下死点ＢＤＣに近い第２位置２ｐに到達すると右アームＡＲおよび右作用部ＳＲが第１位置１ｐに復帰しているから、作用者は右ペダルＰＲの踏み込みを容易に開始することができる。よって、左ペダルＰＬについては、第２位置２ｐから下死点ＢＤＣに向かう領域での踏み込み操作は不要である。
図１および図２に示すように、左ペダルＰＬの踏み込みにより、下死点ＢＤＣを通過した右作用部ＳＲは右ペダルＰＲに再び当接し、右ペダルＰＲを持ち上げようとする。このとき、右ペダルＰＲの持ち上げに係る右作用部ＳＲの回転角速度は、左ペダルＰＬの踏み込みに係る左作用部ＳＬの回転角速度よりも大きいから、右ペダルＰＲの慣性などによっては右ペダルＰＲの持ち上げ負荷が大きくなるとも考えられる。ただし、この状態では、作用者は左脚に力を加えており、体重の移動に伴い右脚は脱力しているため、右ペダルＰＲの持ち上げは容易に行われる。
（ギヤ列）
図４には、図３（ａ）のクランクアームの位置関係に対応させた機構部Ｋ１のギヤ列を示す。本実施形態のギヤ列では、右アームＡＲと左アームＡＬとの間に第１伝達経路Ｔ１と第２伝達経路Ｔ２とが設けられる。これら第１伝達経路Ｔ１および第２伝達経路Ｔ２は、図４に２組のギヤ列のセットとして一点鎖線で区切った第１セットＳ１と第２セットＳ２とを組み合わせて構成される。
例えば、第１セットＳ１は、右アームＡＲを端部に有しクランク軸芯Ｘ１の周りに回転する右クランク軸２Ｒと、右クランク軸２Ｒに一体に設けられたアームギヤＧＡと、当該アームギヤＧＡと歯合して第１クラッチ軸芯Ｘ２の周りに回転し、駆動力が最初に入力される第１入力回転体Ｇａとしての第１ギヤＧ１と、当該第１ギヤＧ１と同軸芯で回転する第２ギヤＧ２と、当該第２ギヤＧ２と第１クラッチＣ１を介して連結される第５ギヤＧ５と、第２ギヤＧ２と歯合し第１カウンター軸芯Ｘ３の周りに回転する第３ギヤＧ３と、第３ギヤＧ３と同軸芯上で回転する第４ギヤＧ４とで構成される。
第２セットＳ２も第１セットＳ１と同じ構成であるが、第２セットＳ２の第１ギヤＧ１は第２入力回転体Ｇｂとして機能し、第２セットＳ２の第１ギヤＧ１・第２ギヤＧ２・第５ギヤＧ５は、第２クラッチ軸芯Ｘ４の周りに回転可能であり、第３ギヤＧ３および第４ギヤＧ４は第２カウンター軸芯Ｘ５の周りで回転可能である。
図４に示すように、このような第１セットＳ１と同じ構成を有する第２セットＳ２とが対向する形で、右クランク軸２Ｒと第２セットＳ２の左クランク軸２Ｌとを共にクランク軸芯Ｘ１の上で一致させた状態に配置されている。
この状態で、第１伝達経路Ｔ１は、右クランク軸２Ｒから第１セットＳ１のアームギヤＧＡ→第１ギヤＧ１→第２ギヤＧ２→第３ギヤＧ３→第４ギヤＧ４→第２セットＳ２の第５ギヤＧ５→第２クラッチＣ２→第２ギヤＧ２→第１ギヤＧ１→アームギヤＧＡ→左クランク軸２Ｌの順で伝達される経路である。
一方の第２伝達経路Ｔ２は、左クランク軸２Ｌから第２セットＳ２のアームギヤＧＡ→第１ギヤＧ１→第２ギヤＧ２→第３ギヤＧ３→第４ギヤＧ４→第１セットＳ１の第５ギヤＧ５→第１クラッチＣ１→第２ギヤＧ２→第１ギヤＧ１→アームギヤＧＡ→右クランク軸２Ｒの順で伝達される経路である。
図３に示した、各クランクアームＡＲ，ＡＬの上死点ＴＤＣを越えた角度である所定角度αと、下死点ＢＤＣの手前の角度である所定角度βの合計角度は、駆動回転の回転角速度を高めて従動回転に伝達する回転角速度増大比率（１８０＋α＋β）／（θ−γ´−γ）を変更することで設定できる。例えば、本実施形態では、第１クラッチ軸芯Ｘ２と第１カウンター軸Ｘ３、および第２クラッチ軸Ｘ４と第２カウンター軸Ｘ５の各軸間距離を変えずに第４ギヤＧ４と第５ギヤＧ５の歯数を変えて回転角速度増大比率を変更することができる。そのため、第４ギヤＧ４と第５ギヤＧ５の入れ替え脱着が容易にできる構造とする。
第１伝達経路Ｔ１、第２伝達経路Ｔ２の双方において、駆動回転の回転角速度を高めて従動回転に伝達する回転角速度増大は複数箇所のギヤ歯合伝達で段階的に行ってもよいし、１箇所のギヤ歯合伝達で行ってもよい。いずれにしても、特に本実施形態では、第１伝達経路Ｔ１、第２伝達経路Ｔ２の双方の伝達経路において、第４ギヤＧ４の歯数に対して第５ギヤＧ５の歯数が少なく構成されて回転角速度増大比率の大部分を担わせるようにしている。これらの構成により、具体的には後述するクラッチＣの機能と合わせて、第１伝達経路Ｔ１は、右アームＡＲの駆動回転を左アームＡＬに従動回転として（１８０＋α＋β）／（θ−γ´−γ）の比率で回転角速度を高めて伝達し、第２伝達経路Ｔ２は、左アームＡＬの駆動回転を右アームＡＲに従動回転として（１８０＋α＋β）／（θ−γ´−γ）の比率で回転角速度を高めて伝達する。
右アームＡＲおよび左アームＡＬの右クランク軸２Ｒあるいは左クランク軸２Ｌへの取付けは、適切な角度で割り出し調節が可能なスプライン２ａ等の回転方向に係合するはめ合い部を持ち、例えば左右ペダルの往復踏み込み運動を行う場合の作用者の脚の踏込み方向からみた上死点ＴＤＣ、下死点ＢＤＣから所定角度αおよびβを割り出してはめ込めるように構成してある。
(クラッチ)
図４乃至図６に示すように、第１セットＳ１および第２セットＳ２における第２ギヤＧ２と第５ギヤＧ５との間にはクラッチＣを設けてある。第１セットＳ１にあるものが第１クラッチＣ１であり、第１入力回転体Ｇａ即ち、第１ギヤＧ１への回転入力に際して第２ギヤＧ２と第５ギヤＧ５との伝達を切り操作して第２伝達経路Ｔ２の伝達を遮断する。一方、第２セットＳ２にあるものが第２クラッチＣ２であり、第２入力回転体Ｇｂ即ち、第１ギヤＧ１への回転入力に際して第２ギヤＧ２と第５ギヤＧ５との伝達を切り操作して第１伝達経路Ｔ１の伝達を遮断する。
第１クラッチＣ１および第２クラッチＣ２の構成につき、図５には第１クラッチＣ１の構成を示す。尚、第１クラッチＣ１と第２クラッチＣ２の構成は同じである。
第１クラッチＣ１は、機構本体を構成する第１フレームＫ１ａに固定された内軸３と、この内軸３に外挿され、内軸３と軸方向および回転方向に摺動可能状態ではめ合う外軸４と、後述するように外軸４に支持されている種々の部材および部品によって構成される。第１フレームＫ１ａのボス部にねじ込まれた内軸３の軸段部の内部小径側には第１ベアリングＣｒ１が設けられ、後述する第２クラッチ部材Ｃｂと第５ギヤＧ５が回転支持される。
外軸４は、第１クラッチＣ１を構成するバネ受部材Ｃｇおよび第２ベアリングＣｒ２を介して第２フレームＫ１ｂに回転支持されるが、バネ受部材Ｃｇとは第１クラッチ軸芯Ｘ２に沿う方向および回転方向共に摺動可能状態ではめ合っている。
第１クラッチＣ１は、駆動回転を伝達する第１クラッチ部材Ｃａおよび第２クラッチ部材Ｃｂを有する。第１クラッチ部材Ｃａは、内面に雌ネジが切られた筒状の部材であって、外軸４の軸方向に沿って形成された一対の前後壁Ｃａ１と、当該前後壁Ｃａ１を残して削り込まれた平面で構成される４面の第１クラッチ面Ｃｃとを有し、前後壁Ｃａ１のあいだで各々の第１クラッチ面Ｃｃにボール部材Ｃｄを一つずつ保持している。それぞれのボール部材Ｃｄは、前後壁Ｃａ１よりも外側に所定寸法張り出しており、後述の第２クラッチ部材Ｃｂに当接可能である。
一方の円筒状の第２クラッチ部材Ｃｂには、ボール部材Ｃｄが内側から当接可能な円錐穴状の第２クラッチ面Ｃｅを備えている。第２クラッチ部材Ｃｂには第５ギヤＧ５が一体的に結合されている。
第２クラッチ部材Ｃｂに挿入された第１クラッチ部材Ｃａのボール部材Ｃｄは、例えばコイルスプリングで構成された付勢部材Ｃｆによって、第２クラッチ部材Ｃｂの第２クラッチ面Ｃｅに押し付けられ、前後壁Ｃａ１のあいだで第１クラッチ面Ｃｃと第２クラッチ面Ｃｅとで挟持される。第１クラッチ部材Ｃａは、外軸４の一方の端部に切られる雄ネジにねじ込まれた上に第１固定部材Ｃｍ１によって外軸４に一体的に結合され、さらに、隣接する第１クラッチ面Ｃｃどうしの間に設けた雌ネジ部１１ａに固定ネジ１１ｂをねじ込んで固定するようになっている。
付勢部材Ｃｆの端部は、筒状のバネ受部材Ｃｇによって反力支持され、バネ受部材Ｃｇは第２ベアリングＣｒ２を介して第２フレームＫ１ｂによって反力支持されている。この状態で、第１クラッチ部材Ｃａと第２クラッチ部材Ｃｂとが相対回転することで、ボール部材Ｃｄが、平面上の第１クラッチ面Ｃｃに沿って第１クラッチ軸芯Ｘ２に対する周方向に移動させられ、第１クラッチ面Ｃｃと第２クラッチ面Ｃｅとで形成されるくさび状の隙間の狭い側に押し寄せられて係合し、第１クラッチ部材Ｃａと第２クラッチ部材Ｃｂとの相対回転が阻止される。
第１クラッチ部材Ｃａのボール部材Ｃｄを、第２クラッチ部材Ｃｂの第２クラッチ面Ｃｅに十分な付勢力で押し付けることができるよう、付勢部材Ｃｆの付勢力は調節可能である。即ち、第２ベアリングＣｒ２に反力支持されるバネ受部材Ｃｇと第１クラッチ部材Ｃａとの間隔を調節する。
具体的にはまず、外軸４の第１クラッチ部材Ｃａが取付く方の端部と反対側の他端部から、沈みキーである第２キー部材７２と第１クラッチ軸芯Ｘ２の方向に滑り移動が可能な状態に第２ギヤＧ２を挿入する。これにより、第２ギヤＧ２は、外軸４に対して相対回転不能かつ第１クラッチ軸芯Ｘ２の方向に沿って移動自在となる。次に、第２ギヤＧ２のボス部外径に回転滑り可能のスラスト受けリング８ａを外挿させ、次に第１ギヤＧ１を、摺動軸受８ｂを介して回転自在に外挿させる。第１ギヤＧ１には、後述する第１カム板Ｃｈ１が結合されている。さらに第２カム板Ｃｈ２を、第３キー部材７３を効かして外軸４に外挿し、こちら側の外軸４の端部に切られる雄ネジに第２固定部材Ｃｎ１および第２ロックナットＣｎ２をねじ込み結合する。
次に、第２ギヤＧ２および第１ギヤＧ１を組込んだ外軸４を、第２ベアリングＣｒ２を介して第２フレームＫ１ｂに回転支持されるバネ受部材Ｃｇに摺動軸受８ｃを介して挿入し、付勢部材Ｃｆをバネ受部材Ｃｇにはめ込む。その後、外軸４の第２ギヤＧ２および第１ギヤＧ１が取付く反対側のネジ端部に対し、第１クラッチ部材Ｃａを、工具等を使用して付勢部材Ｃｆをその付勢力に抗して所定長さ縮めるまでねじ込んだ後、第１固定部材Ｃｍ１で固定結合する。このとき、内軸３のねじ込み深さを変えることで付勢部材Ｃｆの全長が変化し、付勢力の調節が可能となる。
続いて、その状態の第１クラッチ部材Ｃａに第２クラッチ部材Ｃｂおよび第５ギヤＧ５を外挿する。一方、第１フレームＫ１ａ外側から、そのボス部のネジ穴に内軸３をねじ込みながら、その内軸３の先端から第１ベアリングＣｒ１を介して第２クラッチ部材Ｃｂおよび第５ギヤＧ５をはめ込む。尚、第１フレームＫ１ａのボス部のネジ穴にねじ込まれる内軸３は、二つの筒状の摺動部材８ｄを介して外軸４に内挿され、外軸４の内径部に対して軸方向および回転方向に摺動可能状態に設置される。
第１フレームＫ１ａの外側方向の内軸３の端部には、ネジ部３ａと、工具を装着する角軸部３ｂが形成してある。角軸部３ｂを回すことで内軸３は第１フレームＫ１ａの内部に螺入され、ネジ部３ａの近傍に形成された段部３ｃによって第１ベアリングＣｒ１を内部に押圧する。これにより、第２クラッチ部材Ｃｂが第１クラッチ部材Ｃａにあるボール部材Ｃｄに当接し、さらに第１クラッチ部材Ｃａおよび外軸４を第１ギヤＧ１の方向に向けて押圧する。
第１クラッチ部材Ｃａのボール部材Ｃｄを、第２クラッチ部材Ｃｂの第２クラッチ面Ｃｅに押し付ける付勢部材Ｃｆの付勢力を十分に発揮させるために、第２クラッチ部材Ｃｂが第１クラッチ部材Ｃａにあるボール部材Ｃｄに当接するまで内軸３をねじ込んだ後、付勢部材Ｃｆをさらに若干の追加長さを縮め、第１クラッチ部材Ｃａにあるボール部材Ｃｄと第２クラッチ部材Ｃｂの第２クラッチ面Ｃｅとの当接面に、十分な付勢部材Ｃｆによる押圧力が掛かるようにする。
このとき、付勢部材Ｃｆを縮める追加長さ分、外軸４を第２ギヤＧ２および第１ギヤＧ１の方向に移動させ、第２カム板Ｃｈ２の前後で隙間が生じるので、第１クラッチＣ１の入切の動作性能を高めるため、第２固定部材Ｃｎ１および第２ロックナットＣｎ２を締めてその隙間を詰める。また、同時に内軸３のネジ部３ａにも第３ロックナット３ｄを締結しておくようにする。
第１クラッチＣ１において、第１クラッチ部材Ｃａと第２クラッチ部材Ｃｂとの係合を解除するには、第１クラッチ部材Ｃａを第２クラッチ部材Ｃｂに対して第１クラッチ軸芯Ｘ２の延出方向に沿って離間する方向に移動させる。これによりボール部材Ｃｄは、円錐穴状の第２クラッチ面Ｃｅから離間する方向に移動し、係合状態が解除される。
外軸４には、図５に示すように、第２ギヤＧ２が軸方向に相対移動可能とする第２キー部材７２で回転を同期するように係合し、第１ギヤＧ１は、自身に形成したボス部内径が、回転方向および軸方向に摺動可能に第２ギヤＧ２のボス部に外挿されている。従って、第１ギヤＧ１は、第１クラッチＣ１の切り操作中は、第２ギヤＧ２と相対回転し、第１クラッチＣ１の切り操作が終了した後は、第２ギヤＧ２と一体的に回転する。第１ギヤＧ１の側面にはカム爪Ｃｊが形成された第１カム板Ｃｈ１がボルト９などで一体的に結合されている。
第１カム板Ｃｈ１に隣接する位置にはカム溝Ｃｋが形成された第２カム板Ｃｈ２が設けられていて、第２カム板Ｃｈ２と共にカム機構Ｃｉの主要構成部品となる。第２カム板Ｃｈ２は、外軸４と一体的に回転し、かつ、外軸４の軸方向に移動できるよう第３キー部材７３を用いて外軸４に取り付けられた上、外軸４の端部に設けたネジ部に、第２固定部材Ｃｎ１および第２ロックナットＣｎ２を用いて一体的に結合される。これにより、第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊと、第２カム板Ｃｈ２のカム溝Ｃｋとを対向密着させ、相対回転あるいは押圧一体回転させるカム機構Ｃｉが構成される。
図５および図６に示すように、第１ギヤＧ１のボス部の一方の側面は、前述のスラスト受けリング８ａを介して第２ギヤＧ２の一方の側面に当接している。第１ギヤＧ１の他方の側面には第１カム板Ｃｈ１が一体的に結合されていて、第１ギヤＧ１および第１カム板Ｃｈ１は、第２ギヤＧ２と第２カム板Ｃｈ２とで形成される隙間に挟まれている。
第２ギヤＧ２の他方の側面Ｇ２ａは、第２フレームＫ１ｂに軸方向が規制されて取り付く第２ベアリングＣｒ２の内輪側面に当接している。これにより第１ギヤＧ１および第２ギヤＧ２は、軸方向に沿う一方側の端部位置が設定される。尚、第２ベアリングＣｒ２の内輪のうち反対側の側面にはバネ受部材Ｃｇが当接しており、バネ受部材Ｃｇも軸方向に沿う一方側の端部位置が設定される。図６（ａ）に示すように、第２ギヤＧ２の一部は、バネ受部材Ｃｇの一部に外挿させる状態にし、外軸４の軸方向に沿うサイズのコンパクト化を図っている。
このような第１クラッチＣ１および第２クラッチＣ２を図４に示すように組み合わせた本構成の駆動伝達機構Ｋは次のように機能する。第１クラッチＣ１および第２クラッチＣ２が入り状態にある初期の状態では第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊと、第２カム板Ｃｈ２のカム溝Ｃｋとが対向密着しており、右アームＡＲおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第１ギヤＧ１に駆動力が入力されても、第１伝達経路Ｔ１および第２伝達経路Ｔ２が連結状態にあって、全体の駆動伝達経路の内、回転角速度を高めて伝達する経路が部分的に閉ループとなる。そのため、当該伝達経路上での伝達回転角速度の不一致が生じ、回転伝達がロックされ、例えば、右アームＡＲおよび第１ギヤＧ１即ち、第１入力回転体Ｇａの回転が一旦、阻止される。
しかし、引き続き右アームＡＲおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第１ギヤＧ１に駆動力が入力されると、第１ギヤＧ１と一体的に回転する第１カム板Ｃｈ１が、第１クラッチ部材Ｃａと一体的に回転する第２カム板Ｃｈ２と相対回転する。これにより、第１カム板Ｃｈ１に設けられたカム爪Ｃｊの傾斜駆動当接面Ｃｊ１と、第２カム板Ｃｈ２に設けられたカム溝Ｃｋの傾斜駆動当接面Ｃｋ１とのあいだで押圧状態での滑りが生じる。この結果、第２カム板Ｃｈ２が、外軸４と共に第１クラッチ軸芯Ｘ２の方向に第１クラッチＣ１が切り状態となるまでスライド移動し、図６（ｂ）に示すように、第１セットＳ１にある第１クラッチＣ１の第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２とのあいだに間隔ｄ１が一旦、生じる。
その結果、第２伝達経路Ｔ２にある遮断するべき第１クラッチＣ１だけが切り状態となり、右アームＡＲおよび第１入力回転体Ｇａに入力された駆動力は、連結状態にある第２クラッチＣ２が設けられた第１伝達経路Ｔ１を介して第２入力回転体Ｇｂ、左アームＡＬに伝達される。第１ギヤＧ１に駆動回転力が入力され続ける限り、第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２は傾斜駆動当接面Ｃｊ１，Ｃｋ１どうしの押圧状態が維持され一体化回転し、第１クラッチＣ１も切り状態が維持される。
第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２とのあいだに間隔ｄ１が生じた後、駆動回転の負荷が大きければ、第１カム板Ｃｈ１の傾斜駆動当接面Ｃｊ１と第２カム板Ｃｈ２の傾斜駆動当接面Ｃｋ１とがさらに滑動し、第２カム板Ｃｈ２は第１カム板Ｃｈ１からより離間する方向に移動する場合がある。
ただし、第２カム板Ｃｈ２がさらに外方に移動すると、外軸４に段部４ａを設けること等により構成した移動規制部により、第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との最大間隔が一定の値に設定される。即ち、第２カム板Ｃｈ２がさらに外方に押されるとき、外軸４に形成した段部４ａが第２ギヤＧ２の側面Ｇ２ａに当接するから、第１ギヤＧ１と第２カム板Ｃｈ２との距離は一定以上には広がらない。この結果、第２カム板Ｃｈ２に伝わる移動規制部による移動抵抗力が、第１入力回転体Ｇａに加わる駆動力による移動力と釣り合う状態で、第１カム板Ｃｈ１は、第１ギヤＧ１と第２カム板Ｃｈ２とに挟持固定されて一体化回転することとなり、図６（ｂ）に示すように、この状態での第１クラッチＣ１の第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との間隔が最大のｄＴとなる。
尚このとき、第２セットＳ２にある第２クラッチＣ２が入り状態にあり、第２セットＳ２にある第１伝達経路Ｔ１上の外軸４を介して第２ギヤＧ２および第２カム板Ｃｈ２が従動回転するときは、第２カム板Ｃｈ２のカム溝Ｃｋに設けた従動当接面Ｃｋ２が、第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊに設けた従動当接面Ｃｊ２を押圧する。これら従動当接面Ｃｋ２，Ｃｊ２は第２クラッチ軸芯Ｘ４周りの回転方向に対して略垂直に形成してあり、第２カム板Ｃｈ２の回転駆動力を第１ギヤＧ１に確実に伝達することができる。
引き続いて、左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第２入力回転体Ｇｂに駆動力が入力されようとするときは、第２セットＳ２にある第１伝達経路Ｔ１上の第２クラッチＣ２は入り状態にあるが、第１セットＳ１にある第２伝達経路Ｔ２上の第１クラッチＣ１は切り状態のままで、そちらの第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との間隔はｄ１〜ｄＴとなっており、カム溝Ｃｋに設けた従動当接面Ｃｋ２と、第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊに設けた従動当接面Ｃｊ２とは対向密着せず隙間の空いた状態になっている。
従って、左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第２入力回転体Ｇｂに駆動力を入力すると、まず、逆方向のルートで連結状態にある第１伝達経路Ｔ１を介して、切り状態にある第２伝達経路Ｔ２上の第１クラッチＣ１の第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２とを、隙間の空いた各従動当接面Ｃｋ２，Ｃｊ２が当接する方向に相対回転させて、ｄ１〜ｄＴである第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との間隔をゼロとさせ、その結果、第１クラッチＣ１を入り状態とさせる。
さらに、左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第２入力回転体Ｇｂに駆動力が入力されると、右アームＡＲおよびアームギヤＧＡに駆動力を加えるときと同様に伝達経路の部分的閉ループにより回転伝達ロックが生じ、左アームＡＬおよび第２入力回転体Ｇｂの駆動回転が一旦、阻止される。
これにより、次に左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力が加えられ、第２入力回転体Ｇｂとしての第１ギヤＧ１に駆動力が入力されると、右アームＡＲおよびアームギヤＧＡに駆動力を加えるときと同様の動作態様により、遮断するべき第２クラッチＣ２だけが切り状態となり、入力された駆動力は、入り状態にある第１クラッチＣ１が設けられた第２伝達経路Ｔ２を介して第１入力回転体Ｇａ、右アームＡＲに伝達される。
このとき、第１セットＳ１にある第１クラッチＣ１が入り状態にあり、第２セットＳ２にある第２クラッチＣ２が入り状態にあるときと同様に、第１セットＳ１にある第２カム板Ｃｈ２のカム溝Ｃｋに設けた従動当接面Ｃｋ２と、第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊに設けた従動当接面Ｃｊ２は第１クラッチ軸芯Ｘ２周りの回転方向に対して略垂直に形成してあり、第２カム板Ｃｈ２の回転駆動力を第１ギヤＧ１に確実に伝達することができる。
さらに継続的に、右アームＡＲと左アームＡＬとを交互に駆動回転させて、各アームギヤＧＡに回転入力を行う場合には、駆動側のクランクアームが一旦、僅か回転し、その時点で入り状態である遮断するべき側のクラッチＣを介して、その時点で切り状態である伝達するべき側のクラッチＣを、クラッチＣを構成するカム機構Ｃｉにより入り状態に戻し、さらに続けて駆動力を加えると、その後は本来、遮断するべき側のクラッチＣをクラッチ切り状態とさせる態様が繰り返される。
また、前述の右アームＡＲの踏み込み開始から踏み込み終了までの回転角度θは左アームＡＬの踏み込みの場合も同様の角度であり、このθには、駆動伝達させる側のクラッチＣを切り状態から入り状態に戻すまでの回転角度γ´と、遮断させる側のクラッチＣを入り状態から切り状態とするまでの回転角度γとが含まれ、いずれも実際の駆動回転に寄与しない。この回転角度θに対する回転角度γ´およびγの割合は、傾斜駆動当接面Ｃｊ１，Ｃｋ１の回転径と傾斜角の設定で極力小さなものにすることが可能である。
カム機構Ｃｉの動作態様をさらに詳細に説明する。図５に示すように、カム爪Ｃｊは、第１ギヤＧ１および第１カム板Ｃｈ１の回転方向に対して傾斜した傾斜駆動当接面Ｃｊ１と、回転方向に対して略垂直な従動当接面Ｃｊ２とを備えている。一方、第２カム板Ｃｈ２のカム溝Ｃｋにも同様な傾斜駆動当接面Ｃｋ１と従動当接面Ｃｋ２が形成されている。これにより、例えば、右アームＡＲへの駆動回転力の入力によって第１ギヤＧ１即ち、第１入力回転体Ｇａおよびそれと一体的に結合されている第１カム板Ｃｈ１が図６（ｂ）に示す方向に回転する場合、回転駆動力を伝達する第２ギヤＧ２以降のギヤ列に例えば、伝達経路の部分的閉ループにより回転伝達ロックが生じる等の所定以上の駆動抵抗が存在すると、第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊの傾斜駆動当接面Ｃｊ１が第２カム板Ｃｈ２のカム溝Ｃｋの傾斜駆動当接面Ｃｋ１に当接して、第１カム板Ｃｈ１が第２カム板Ｃｈ２に対して押圧状態で滑動しつつ相対回転する。すると、傾斜駆動当接面Ｃｊ１および傾斜駆動当接面Ｃｋ１のくさび効果によって、第２カム板Ｃｈ２が一体的に係合されている外軸４と共に第１クラッチ軸芯Ｘ２の方向にスライドして移動して第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２とのあいだの間隔がｄ１となり、外軸４に一体固定されている第１クラッチ部材Ｃａが第２クラッチ部材Ｃｂから離間する。その結果、第１クラッチＣ１が切り状態となる。
このとき、第２クラッチＣ２は切れておらず、第１セットＳ１の第２ギヤＧ２の回転は、第１伝達経路Ｔ１を介して、第２セットＳ２の第２ギヤＧ２に伝達される。この第２ギヤＧ２と外軸４、第２カム板Ｃｈ２および第１カム板Ｃｈ１を介して連動する第１ギヤＧ１即ち、第２入力回転体Ｇｂは、左アームＡＬに連結されたアームギヤＧＡと歯合しているが、左アームＡＬでは作用者の踏み込みが終了した段階であるからアームギヤＧＡおよび第２入力回転体Ｇｂは駆動側の方向にはほぼ静止したままである。この結果、第２セットＳ２の第２ギヤＧ２に連動して回転しようとする第２カム板Ｃｈ２の従動当接面Ｃｋ２が、静止している第１ギヤＧ１即ち、第２入力回転体Ｇｂに一体的に結合されている第１カム板Ｃｈ１の従動当接面Ｃｊ２を押圧して一体化し、第１ギヤＧ１即ち、第２入力回転体Ｇｂさらに、アームギヤＧＡおよび左アームＡＬを従動させる
またこのとき、駆動回転の負荷が大きい場合等に、第１クラッチ部材Ｃａはさらに第２クラッチ部材Ｃｂから離間する方向に移動を継続することがある。しかし、その場合でも全移動距離ｄＴを設定する移動規制部を設けたカム機構Ｃｉとしているので、第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２は、互いの傾斜駆動当接面Ｃｊ１，Ｃｋ１で一定以上の面積を維持し、その係合が損なわれずに押圧反力を発生させつつ一体化され、駆動回転力の伝達が確実に行なわれる。
一方、左アームＡＬへの駆動回転力の入力によって、第２入力回転体Ｇｂとしての第１ギヤＧ１が回転する場合も同様の理由により、第１クラッチＣ１は切れていないので第２セットＳ２の第２ギヤＧ２の回転は、第２伝達経路Ｔ２を介して、第１セットＳ１の第２ギヤＧ２に伝達され、第１セットＳ１の第２ギヤＧ２に連動して回転しようとする第２カム板Ｃｈ２の従動当接面Ｃｋ２が、静止している第１ギヤＧ１即ち、第１入力回転体Ｇａに一体的に結合されている第１カム板Ｃｈ１の従動当接面Ｃｊ２を押圧して一体化し、第１ギヤＧ１即ち、第１入力回転体Ｇａさらに、アームギヤＧＡおよび右アームＡＲを従動させる。
このとき、右アームＡＲへの駆動回転力の入力が行われるときと同様に、全移動距離ｄＴを設定する移動規制部を設けたカム機構Ｃｉにより、第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２は、互いの傾斜駆動当接面Ｃｊ１，Ｃｋ１で一定以上の面積を維持し、その係合が損なわれずに押圧反力を発生させつつ一体化され、駆動回転力の伝達が確実に行なわれる。
また、前述のように右アームＡＲおよびアームギヤＧＡへの駆動回転力の入力に引き続いて、左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第２入力回転体Ｇｂに駆動力が入力されようとするときは、第１セットＳ１にある第２伝達経路Ｔ２上の第１クラッチＣ１は切り状態のままで、そちらの第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との間隔はｄ１〜ｄＴとなっており、カム溝Ｃｋに設けた従動当接面Ｃｋ２と、第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊに設けた従動当接面Ｃｊ２とは対向密着せず隙間の空いた状態になっている。
従って、左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第２入力回転体Ｇｂに駆動力が入力されると、まず、逆方向のルートで連結状態にある第１伝達経路Ｔ１を介して、切り状態にある第２伝達経路Ｔ２上の第１クラッチＣ１の第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との隙間の空いた各従動当接面Ｃｋ２，Ｃｊ２が当接する方向に相対回転して、ｄ１〜ｄＴである第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との間隔がゼロとなり、その結果、第１クラッチＣ１が入り状態となる。そしてさらに、左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力を加えると、伝達経路の部分的閉ループにより回転伝達ロックが生じる結果、前述のカム機構Ｃｉの動作態様により第２クラッチＣ２が切り状態となる。
尚、駆動側のカム機構Ｃｉのカム爪Ｃｊおよびカム溝Ｃｋに形成されている傾斜駆動当接面Ｃｊ１，Ｃｋ１が傾斜面であるのに対し、従動当接面Ｃｊ２，Ｃｋ２が第１カム板Ｃｈ１および第２カム板Ｃｈ２の回転方向に対して略垂直面である場合は、従動側のクランク負荷がかなり大きい場合でも確実に作動させることができる。しかし例えば、何れか一方のペダルＰの特定方向の踏み込み操作で、踏み込んだ側のクランクアームおよび入力回転体に特定方向の回転駆動力が入力されるときに、他方のペダルが障害物等でロックされていると本機器の損傷を来したり、障害物が人体の一部の場合は傷害を引き起こす可能性がある。これらの可能性をなくすためと、従動側クランクに多少の負荷が掛かっても、駆動側のカム機構Ｃｉのカム爪Ｃｊが確実に先に滑りクラッチＣが切り状態となるように、従動当接面Ｃｊ２，Ｃｋ２は第１カム板Ｃｈ１および第２カム板Ｃｈ２の回転方向に対して垂直面でないが傾斜駆動当接面Ｃｊ１，Ｃｋ１の傾斜角度よりも垂直に近い角度を有する傾斜面としてもよい。
このように第１クラッチＣ１および第２クラッチＣ２を設けることで、例えば、押し込み作動クランクの回転において、右アームＡＲと左アームＡＬとに駆動力を交互に入力するだけで駆動回転の伝達経路が容易に切り替わり、右アームＡＲと左アームＡＬとの回転角速度を変化させ、上死点ＴＤＣを越えた第１位置１ｐから下死点ＢＤＣの手前の第２位置２ｐまでを駆動回転範囲とする上死点ＴＤＣおよび下死点ＢＤＣ回避の駆動伝達構成としたクランク回転の駆動伝達機構Ｋを得ることができる。
本構成の駆動伝達機構Ｋは、図４に示すように、右アームＡＲまたは左アームＡＬに加えた力を取り出す出力部Ｊ２を備えている。この例では、第１セットＳ１のアームギヤＧＡに出力用回転体のスプロケットＪ２ａを設けた。スプロケットＪ２ａの回転はチェーンなどを介して発電機６のスプロケットＪ２ｂに伝達され、発電機６に設けた回転電機子等を回転させる。尚、スプロケットＪ２ａ、Ｊ２ｂおよびチェーンに代わる適切な出力取り出し手段も可能である。ここで生じた電力は蓄電池に充電しておいてもよい。また、発電機６の代わりに摩擦などを利用した負荷部材を設けておき、健康器具として用いることも可能である。
（ストッパー）
図７に示すように、本構成の駆動伝達機構Ｋには、作用者が右ペダルＰＲあるいは左ペダルＰＬを違和感なく踏み込めるようにストッパーＢを設けてある。ストッパーＢは、例えば、一種のステアクライマーのベース１０に設けてあり、上向きに付勢された出退部Ｂａを有する。具体的には、互いにネジ係合された筒状のケースＢｂおよび基部Ｂｃを備えており、基部Ｂｃがベース１０に固定してある。ケースＢｂを基部Ｂｃに対して回転させることで、出退部Ｂａの設定高さを変更することができる。
出退部ＢａとケースＢｂのあいだには、ケースＢｂを上向きに付勢するコイルバネなどの付勢部材Ｂｄが内装されており、この付勢部材Ｂｄを受け止める底部材ＢｅがケースＢｂに螺合してある。底部材Ｂｅの高さを変更することで、付勢部材Ｂｄの付勢力を調節することができる。
底部材Ｂｅの上面には、例えばリング状のゴム等で形成した弾性部材Ｂｆが設けてある。これにより、例えば出退部Ｂａが右ペダルＰＲによって押し下げられたとき、出退部Ｂａの下端部が衝撃を吸収しつつ受け止められる。その結果、作用者がペダルＰを踏み込んだ際の踏み込み感を良好なものにする。
図７（ａ）は例えば右ペダルＰＲの下面が出退部Ｂａに当接し、さらに、右ペダルＰＲが踏み込まれ付勢部材Ｂｄが縮み込んで、出退部Ｂａの下端部が弾性部材Ｂｆに当接した状態である。右ペダルＰＲの可動部の下端がこれにより決定される。
図７（ａ）では、作用者の脚が右ペダルＰＲを踏み続けている状態であり、この後、踏力が作用し始めた左ペダルＰＬの回転に伴って右アームＡＲが回転し、右アームＡＲの右作用部ＳＲが右ペダルＰＲの下面から離間する。
図７（ｂ）は、右作用部ＳＲが右ペダルＰＲの下面に再び当接した状態である。この状態では、作用者の脚の踏み込み力が少なくなっており、付勢部材Ｂｄのストローク上限まで右ペダルＰＲが持ち上げられている。この後、右アームＡＲがさらに従動回転し、右ペダルＰＲが出退部Ｂａから離れる。
本構成によれば、弾性部材ＢｆによってペダルＰへの衝撃が吸収される効果の他、作用者がペダルＰを踏み込んだあとペダルＰが押し戻されるまでの時間を長く感じるという効果が得られる。作用者がペダルＰの踏み込みを終了したと感じる状態は、図７（ａ）の出退部Ｂａが弾性部材Ｂｆに当接した瞬間である。一方、ペダルＰが押し戻されたと感じる状態は、図７（ｂ）のペダルＰの裏に右作用部ＳＲが再度当接した瞬間である。
図７（ａ）の状態から図７（ｂ）の状態にかけて、出退部Ｂａは付勢部材Ｂｄのストロークｈ３の分だけ上方に変位しており、右作用部ＳＲがペダルＰから下方に離間する瞬間の位置と、右作用部ＳＲがペダルＰに再度当接する瞬間の位置とに高程差が生じる。よって、作用者は、ペダルＰを踏み込んでいる時間を長く感じることとなる。これにより、例えば右ペダルＰＲに載せている脚には運動を一定時間遅れる感覚が生まれ、作用者が自己のタイミングとペースで円滑な踏込運動を持続することができる。
尚、右ペダルＰＲが付勢部材Ｂｄによって上昇を始めた後に右作用部ＳＲが当接すれば、両者の相対速度が小さくなっているため、当接時の衝撃がより緩和され違和感の少ない装置を得ることができる。
〔第２実施形態〕
図８（ａ）（ｂ）には、一種のステアクライマーに使用するペダルＰの別実施形態を示す。これらの状態は、図７の各図に示した状態と同じである。ただし、本実施形態では、ペダルＰの下面の内、右作用部ＳＲの当接面に傾斜部Ｐａを設け、例えば、右作用部ＳＲがペダルＰから離間する瞬間の右作用部ＳＲの高さと、右作用部ＳＲが再びペダルＰに当接する瞬間の右作用部ＳＲの高さの差を増大させている。
図８（ａ）（ｂ）に示したように、右作用部ＳＲがペダルＰから下方に離間する瞬間の右作用部ＳＲの高さｈ１と、右作用部ＳＲが再びペダルＰの傾斜部Ｐａに当接する瞬間の高さｈ２とのあいだには、ペダルＰの傾斜部Ｐａの効果もあって行程差（ｈ２−ｈ１）が生じる。本構成であれば、作用者が感じるペダルＰの踏み込み終了の瞬間から再度ペダルＰが持ち上げられる瞬間までの時間がより長く設定される。このように踏み込んだ脚が停止する時間がより長くなることで、階段を上る模擬動作がより自然なものとなる。
ペダルＰの下面の内、右作用部ＳＲの当接面は、上記の如く右作用部ＳＲが離間する位置と再度当接する位置とで高さが異なっており、ペダルＰの持ち上げに際して右作用部ＳＲがペダルＰの下面に沿って摺接する際に過度な障害が生じないものであれば何れの形状であっても良い。例えば、ペダルＰのつま先方向に行くほど上方にカーブする凸曲面であってもよい。
〔第３実施形態〕
本発明の駆動伝達機構Ｋは、図９に示すように通常の自転車のペダルＰを持った背もたれのあるリカンベント式自転車の健康器具に適用することもできる。この実施形態では左ペダルＰＬおよび右ペダルＰＲが特定の踏み込み方向に各々当接する対象としての右作用部ＳＲおよび左作用部ＳＬ自体が、左右のペダルＰの回転芯となっている。この場合でも、踏み込む側のペダルＰが踏み込む方向に沿った上死点ＴＤＣを超えた位置まで戻るように設定できるから、健常者はもちろん、高齢者やリハビリテーション中の作用者にとっても踏み込みの初期動作が非常に楽なものとなる。尚、このようにクランクアームの先端に設けた作用部を中心に回転するペダルＰに、作用者自身の重力がほとんど掛からない両脚を掛けて漕ぐ場合には、左右のペダルＰが下死点ＢＤＣ近傍で停止する領域を特に設けなくてもよい。
さらに、本発明の駆動伝達機構Ｋは、実際に道路を走行する自転車に適用することもできる。例えば上り坂を走行するような場合に、ペダルＰの位置が上死点ＴＤＣを越えているから、体力の消耗の少ない走行を行うことができる。
〔他の実施形態〕
カム爪Ｃｊおよびカム溝Ｃｋの構成については、第１カム板Ｃｈ１にカム溝Ｃｋを設け、第２カム板Ｃｈ２にカム爪Ｃｊを設けてもよい。
各クランクアームは、左右の第１入力回転体Ｇａおよび第２入力回転体Ｇｂに直接取り付け、第１クラッチ軸芯Ｘ２と第２クラッチ軸芯Ｘ４とを同一軸芯にする構成でもよい。
クラッチＣは、本実施形態のように第１クラッチ部材Ｃａにボール部材Ｃｄを、円筒状の第２クラッチ部材Ｃｂの円錐穴面に当接させるものの他に、ボール部材Ｃｄを円錐ころに変えるものでもよい。また例えば、第１クラッチ部材Ｃａと第２クラッチ部材Ｃｂとの相対する面が、第１クラッチ軸芯Ｘ２に垂直または平行な面、あるいは傾斜した面で平面状または円筒状、あるいは円錐状等の任意の摩擦面を形成しておくものでもよい。さらに、摩擦面ではなく、係脱可能な適切な噛み合い凹凸面または機構を形成しておいてもよい。
また、クラッチＣは、電磁式のものや流体式のものでクランクアームの動きやクランクアームへの入力の大きさなどをセンシングしてクラッチＣを切るものであっても良い。このとき、クラッチＣを設ける位置は第１伝達経路Ｔ１および第２伝達経路Ｔ２上であれば、本実施形態の位置に限定する必要はない。
さらに、作用者が押し込み作動により駆動回転力を入力するものの他、作用者に代わり機械的にアクチュエータ等が入力するものであっても良い。その際のクラッチＣの入切の信号は無線あるいは有線で伝達することができる。
本発明に係るクランク回転駆動伝達機構は、例えば押し込み作動や小回転角回転の駆動力を交互に入力して回転出力を得るような装置に対して広く適用することができる。
１ｐ 第１位置
２ｐ 第２位置
ＡＲ 第１クランクアーム
ＡＬ 第２クランクアーム
Ｂ ストッパー
ＢＤＣ 下死点
Ｃ１ 第１クラッチ
Ｃ２ 第２クラッチ
Ｃａ 第１クラッチ部材
Ｃｂ 第２クラッチ部材
Ｃｆ 付勢部材
Ｃｉ カム機構
Ｃｊ１ 傾斜駆動当接面
Ｃｋ１ 傾斜駆動当接面
Ｇａ 第１入力回転体
Ｇｂ 第２入力回転体
Ｊ２ 出力部
Ｋ クランク回転駆動伝達機構
Ｐ ペダル
ＰＲ 第１ペダル
ＰＬ 第２ペダル
ＳＲ 第１作用部
ＳＬ 第２作用部
Ｔ１ 第１伝達経路
Ｔ２ 第２伝達経路
ＴＤＣ 上死点
本発明は、クランク回転駆動力を交互に入力する二つの入力回転体を備えたクランク回転駆動伝達機構に関する。
従来、このようなクランク回転駆動伝達機構としては、例えば、以下の特許文献１に示すものがあった。即ち、この文献に係る技術は、フィットネスマシンに発電機と蓄電池を組み合わせ、発電効率が良く電力を広範に利用しようとするものである。
このクランク回転駆動伝達機構は、ペダルを人力で操作するエアロバイクやステッパーなどのフィットネスマシンに搭載され、ペダルにより駆動されて発電を行うアウターローター型ＤＣブラシレス永久磁石同期発電機若しくはポールチェンジＤＣブラシレス永久磁石同期発電機を備え、この同期発電機に接続され、同期発電機による発電を制御する発電機コントローラーと、同期発電機に接続され、蓄電する蓄電池と、この蓄電池に接続され、蓄電池に蓄電された電気を変換して出力するＤＣ／ＡＣインバーターとを備えている。
このステッパーと称する装置では、例えば、左右の１８０度の回転位相差を持たした固定連結のペダルクランクが前後に配備され、左右のペダルでリンク状につながれている。各ペダルクランク先端の回転軸受けに取付けられた左右の二つのペダルを両脚で交互に踏み込み回転駆動を発電機に伝達する。踏み込み動作で回転するペダルクランクの上死点、下死点はフライホィールを取り付けて回避する機構としている。
また、発電機コントローラーには、ペダル位置センサーが接続され、ペダルがおおよそ水平状態から下方に強く踏み込まれる位置をペダル位置センサーが検出し、この検出値が入力された発電機コントローラーは、それに応じて発電パルスを制御し、発電負荷を増やし、発電量が増強される。
一方のペダルが最も低い位置に達し、他方のペダルが最も高い位置に達した際には、ペダル位置センサーがそれを検出し、この検出値が入力された発電機コントローラーは、それに応じて発電パルスを制御し、発電負荷を減らし、通常発電量に戻すようになっている。
このように、この従来装置によれば、フライホィールを取り付け、１８０度回転位相差を持たせた固定連結ペダルクランクを前後に配備して、平行リンク構造となるように左右のペダルがペダルクランク先端の回転軸受けに取り付けられていて、その左右のペダルを交互に踏み込む機構のフィットネスマシンの使用で得られる発電電力を広範に利用でき、しかも高い発電効率で発電することができるとのことである。
特開２０１１-４５６３５号公報
上記従来技術では、発電効率の根本となるのは作用者によるペダルの操作量である。ペダルを踏み込む際には、例えば、ペダルが最も前方にある位置など、回転軸に対してペダル位置のモーメントが大きくなる位置では発電機に入力される外力は大きくなる。しかし、ペダルが最も低い位置に近い場合は前記モーメントが小さく、発電機に入力される外力が小さくなる。上記従来技術は、そのような入力の大きくなる位置と小さくなる位置とで発電負荷を変更し、発電効率を高めようとするものであった。
しかし、この技術においては、主として以下の三つの課題がある。
（１） 作用者はペダルを最上位置から最下位置まで連続的に漕がなければならず、ペダルが発電機に入力する外力が小さくなる位置にある場合にも所定の負荷が求められる。そのため、作用者の運動によって発せられる運動エネルギーの一部は発電に寄与せず、発電効率を高めるにも限界があった。
（２） 踏み込み動作で回転するペダルクランクの上死点・下死点をフライホィールにより回避する機構では、フライホィールの慣性力のばらつきで、初めて踏み込む時の位置や、継続的に踏み込む時の位置にばらつきが生じ、踏み込みのタイミングがうまく取れない。また、継続的な踏み込みの途中で、一方のペダルの踏み込み動作が不十分となり、他方のペダルの取り付くペダルクランクが上死点を確実に越えることができない場合がある。従って、連続した交互のペダル踏み込み動作が出来ず、なめらかで連続した発電機回転が行えない。
（３） さらに、１８０度回転位相差を持たせて固定したペダルクランクアームの先端の回転軸受に取り付けた二つのペダルを交互に踏み込む機構では、二つのペダルの動きが互いに規制を受けて、時間的に全く同時連動する。このため、例えば、左右の脚で二つのペダルの交互踏み込みする場合に、一方の脚の踏み込みの反発力が即、他方の脚に伝わり違和感を覚える。また、人の脚の入れ替え時の体重移動に必要な時間が十分に取れないため、作用者のペースで体重移動が出来ず安定した連続動作が行えない等、人間工学的な問題を有し、持続力等の体力が不十分な高齢者等には向かない。
このように従来の駆動伝達機構の問題点に鑑み、駆動力の伝達効率がよく、健常者はもちろん、高齢者やリハビリテーション中の作用者にとっても、容易で安定した連続動作が行えるクランク回転駆動伝達機構が求められている。
（特徴構成）
本発明に係るクランク回転駆動伝達機構の特徴構成は、
交互に駆動回転が行われる第１クランクアームおよび第２クランクアームと、
前記第１クランクアームの駆動回転に連動して駆動回転入力が行われる第１入力回転体、および前記第２クランクアームの駆動回転に連動して駆動回転入力が行われる第２入力回転体と、
前記第１クランクアームの駆動回転を、前記第１入力回転体を介して前記第２入力回転体および前記第２クランクアームに従動回転として回転角速度を高めて伝達するギヤ列を有する第１伝達機構と、前記第２クランクアームの駆動回転を、前記第２入力回転体を介して前記第１入力回転体および前記第１クランクアームに従動回転として回転角速度を高めて伝達するギヤ列を有する第２伝達機構と、
前記第１入力回転体への駆動回転入力に際し、前記第２伝達機構の伝達を遮断する第１クラッチと、
前記第２入力回転体への駆動回転入力に際し、前記第１伝達機構の伝達を遮断する第２クラッチと、
前記第１伝達機構および前記第２伝達機構のうち、少なくとも何れか一方から出力回転を取り出す出力部と、を備えた点にある。
（効果）
本構成のクランク回転駆動伝達機構では、第１クランクアームと第２クランクアームとを交互に駆動回転させて、第１入力回転体と第２入力回転体とに回転入力を行う。第１クランクアームおよび第２クランクアームは一方が他方を従動回転させるものの、互いに異なる回転角速度で回転する。第１クランクアームと第２クランクアームとのあいだには、第１伝達機構と第２伝達機構とが並設されており、例えば、第１クランクアームに駆動回転力を付与するとき、第１クランクアームに入力された駆動力が出力部から取り出されると共に、当該入力された駆動力の一部が第１伝達機構を介して第２クランクアームに伝達され、第２クランクアームを従動させる。その際、第２クランクアームの回転角速度は第１クランクアームの回転角速度よりも大きくなるように設定してある。
このため、例えば、第１クランクアームの先端にペダルを設けておき、このペダルを特定方向に押し込んで下死点近くまで駆動回転させるとき、他方の第２クランクアームはこれよりも大きな回転角速度で従動回転する結果、上死点を越えた位置まで回動することができる。これに続けて第２クランクアームを押し込むが、第２クランクアームは上死点を越えているため、位置的および負荷的に押込み操作が極めて容易となる。このようなクランク回転が交互に連続する結果、効率的な出力回転の取り出しが可能となる。
（特徴構成）
本発明に係るクランク回転駆動伝達機構にあっては、
前記第１クラッチおよび前記第２クラッチの各々が、
駆動回転を伝達する第１クラッチ部材および第２クラッチ部材と、
前記第１入力回転体または前記第２入力回転体と一体的に結合される第１カム板と、
前記第１クラッチ部材と一体的に結合される回転軸および第２カム板と、
前記第１クラッチ部材を前記第２クラッチ部材に押し付けてクラッチ入り状態とさせる付勢部材と、を備えると共に、
駆動回転入力される側の前記第１入力回転体または前記第２入力回転体と一体的に結合される前記第１カム板と、遮断する側の前記第１クラッチまたは前記第２クラッチにある前記第２カム板との各々に傾斜駆動当接面を設けて、前記第１カム板と前記第２カム板とが当該傾斜駆動当接面で滑動しつつ相対回転して前記第１クラッチ部材を前記付勢部材の付勢力に抗する方向あるいは付勢力の働く方向に移動させて前記第１クラッチまたは前記第２クラッチをクラッチ切り状態あるいは入り状態にさせることを可能とし、しかも、互いの当接を外さずに当該傾斜駆動当接面での押圧状態を維持して一体的に回転駆動を伝達させることができるように前記第１クラッチ部材の移動の全距離を設定する移動規制部を設けたカム機構を備えるものとすることができる。
（効果）
本構成のクランク回転駆動伝達機構では、例えば、初期の状態では第１カム板と、第２カム板とは対向密着しており、第１クランクアームおよび第１入力回転体に駆動力が入力された瞬間には、第１クラッチおよび第２クラッチが入り状態にある。つまり、第１伝達機構および第２伝達機構の双方が連結状態にあり、回転角速度を高めて伝達する部分の二つの伝達経路が閉ループ状態となる。このため、当該伝達経路上に配置されたギヤどうしの伝達回転角速度に不一致が生じ、回転がロックされ、第１クランクアームおよび第１入力回転体の駆動回転が一旦阻止される。
しかし、引き続き第１クランクアームおよび第１入力回転体に駆動力を加えると、第１入力回転体と一体的に結合される第１カム板が第１クラッチ部材と一体的に結合される第２カム板と互いの傾斜駆動当接面で滑動しつつ相対回転するカム機構によって、遮断するべき第１クラッチを少なくともクラッチ切り状態とさせる移動距離だけ第１クラッチの第１クラッチ部材が第２クラッチ部材に対して付勢部材の付勢力に抗する方向に移動する。このため、第１クランクアームおよび第１入力回転体に入力された駆動力は、連結状態にある第２クラッチが設けられた第１伝達機構を介して第２入力回転体および第２クランクアームに伝達される。
第１クラッチ部材が第２クラッチ部材に対して切り状態となった後、例えば、第１入力回転体に駆動回転が入力される間は第１クラッチ部材の切り状態を維持しつつ、第１入力回転体と一体的に結合される第１カム板と、第１クラッチ部材と回転軸を介して一体的に結合される第２カム板とが互いの傾斜駆動当接面での押圧状態を維持し一体化回転して駆動回転を伝達する。
このとき、駆動回転の負荷が大きければ、第１カム板と第２カム板との互いの傾斜駆動当接面での滑動により、第２カム板および回転軸を介して第１クラッチ部材はさらに前記付勢部材の付勢力に抗する方向即ち、第２クラッチ部材から離間する方向に移動を継続する場合があるが、第１カム板と第２カム板との互いの傾斜駆動当接面は一定以上の面積を維持し、互いの係合が外れないように全移動距離を設定する移動規制部を設けたカム機構としている。
それによって、第２カム板に伝わる移動規制部による移動抵抗力が、第１入力回転体に加わる駆動力による移動力と釣り合う状態で、第１カム板と第２カム板は、第１入力回転体に加わる駆動力に基づき、互いの傾斜駆動当接面で押圧反力を発生させつつ一体化し、駆動回転力の伝達が確実に発生して、第１クランクアームおよび第１入力回転体への駆動回転により、第２クランクアームおよび第２入力回転体が、第１クランクアームおよび第１入力回転体より速い回転角速度で従動する。
これに続いて、第２クランクアームおよび第２入力回転体に駆動力を加えると、後述するように、一旦、連結状態にある第１伝達機構を介する逆方向伝達にて、クラッチを構成するカム機構により第１クラッチをクラッチ入り状態に戻すまで、第２クランクアームおよび第２入力回転体が僅か回転し、さらに駆動力を継続して加えると、その後は第１クランクアームおよび第１入力回転体に駆動力を加えるときと同様の動作態様により遮断するべき第２クラッチをクラッチ切り状態とさせ、その結果、第１クランクアームおよび第１入力回転体が、第２クランクアームおよび第２入力回転体の駆動回転より速い回転角速度で従動する。
さらに継続的に、第１クランクアームと第２クランクアームとを交互に駆動回転させて、第１入力回転体と第２入力回転体とに回転入力を行う場合には、駆動側のクランクアームが一旦、僅か回転し、その時点で入り状態である遮断するべき側のクラッチを介して、その時点で切り状態である伝達するべき側のクラッチを、クラッチを構成するカム機構により入り状態に戻し、さらに続けて駆動力を加えると、その後は本来、遮断するべき側のクラッチをクラッチ切り状態とさせる態様が繰り返される。
このように本構成の第１クラッチおよび第２クラッチを有することで、第１クランクアームおよび第１入力回転体と、第２クランクアームおよび第２入力回転体に交互に駆動力を入力するだけで、駆動回転の伝達機構が容易に切り替わる。これによって、各種の装置に適用される汎用性の高いクランク回転駆動伝達機構を得ることができる。
（特徴構成）
本発明に係るクランク回転駆動伝達機構にあっては、
前記第１クランクアームおよび前記第２クランクアームのうち何れか一方が、押し込み作動クランクの回転における上死点を越えた第１位置から下死点の手前の第２位置まで駆動回転される間に、他方が前記第２位置から前記第１位置まで従動回転するように駆動伝達構成がなされ、
前記第１クランクアームの先端に第１作用部を、前記第２クランクアームの先端に第２作用部を、設け、前記第１作用部に対して特定方向に当接する第１ペダルと、前記第２作用部に対して前記特定方向に当接する第２ペダルとが、交互に往復移動するように構成することができる。
（効果）
本構成のように、交互に往復動作する第１ペダルと第２ペダルを備えることで、例えば両ペダルを人の脚で駆動する際に、通常の自転車ペダルを漕ぐときのクランクアームを回転させる場合に比べ、負荷が掛った状態の脚の前後運動を減らすことができる。よって、体力が十分でない作用者であっても体重を利用する等で両ペダルを容易に操作することができる。
また、本構成のクランク回転駆動伝達機構は、例えば、第１クランクアームおよび第２クランクアームを交互に回転駆動する際に一方のアームを下死点の所定角度手前まで回転駆動すると、他方のアームは必ず上死点を所定角度越えた位置まで回転する。このため、同一経路を往復移動する第１ペダルおよび第２ペダルを装着した場合でも、ペダルの踏込開始の位置がフライホィール使用の場合のようにばらつくことがなく、確実に上死点を越えるために、効率が悪く負荷が極めて大きくなる上死点付近を回避でき、ペダル踏み込み操作を容易に行うことができる。
（特徴構成）
本発明に係るクランク回転駆動伝達機構にあっては、
前記第１クランクアームおよび前記第２クランクアームが前記第２位置に到達したとき、前記第１ペダルおよび前記第２ペダルの停止位置を設定するストッパーを備え、当該ストッパーに前記第１ペダルおよび前記第２ペダルの前記特定方向への動作に対向する付勢力を保持させてあると好都合である。
（効果）
例えば、ペダルを特定方向に踏み込んで第１クランクアームを回転させる場合、踏み込み終了位置は必ずしも一定にならない。また特定方向に沿った下死点の近傍では、ペダルの踏み込み方向と第１クランクアームの先端が向かう方向とが直角に近づくため、第１クランク軸に作用する外力のうち第１クランク軸の回転駆動に寄与する分力が小さくなる。
そこで、ペダルの踏み込み方向と第１クランクアームの先端が向かう方向とが大きく乖離する前にペダルの踏み込みを前記ストッパーにより中断することで、第１クランクアームおよび第１入力回転体の回転駆動に殆んど寄与しない無駄な踏込動作を減らすことができる。
また、ストッパーに付勢力を発揮させることで、例えば第１ペダルを踏み込み、第１ペダルがストッパーに当接する際の衝撃を緩和することができる。よって、脚に作用する負担が軽減され、長時間の操作が可能となる。
さらに、本構成であれば、第１ペダルおよび第２ペダルを交互に踏みこむことにより、第１クランクアームおよび第２クランクアームを交互に駆動および従動回転をさせるため、第１ペダルの踏み込みをストッパーで中断しても、他方の第２ペダルを踏み込むことで第１クランクアームは回転を続ける。第１ペダルに当接していた第１クランクアームの第１作用部はペダルから離間して円弧状に下死点に向かい、さらに下死点を越えて円弧状に移動して、再度、第１ペダルに当接する。このように、第１ペダルの踏み込みが終了したのち、第２クランクアームの回転力に基づき第１クランクアームの第１作用部によって強制的に押し上げられるまでの時間を確保することができる。
このとき、作用者の脚は第２ペダルを踏み込み始めているから、その反動作、あるいは体重が掛かっている場合は体重移動の開始で第１ペダルに掛る力は減少し始める。ストッパーには付勢力が作用しているため、第１ペダルが下死点の側から押し上げられ、第１作用部が第１ペダルに再度当接するまでの時間がさらに長くなる。そのため、第１ペダルに載せている脚が第１クランクアームの第１作用部によって第２クランクアームの回転力で強制的に押し上げられるタイミングをさらに一定時間遅らせ、第１ペダルに載せている脚の作動や体重移動を一定時間遅らせることができる。これにより、通常の固定連結ペダルクランクアームを回転させるときのように、一方の脚の踏み込みの反発力が、直ちに他方の脚に伝わって違和感を生じさせるようなことがなく、作用者のタイミングで円滑な踏込運動を継続することができる。
尚、第１ペダルが付勢力によって上昇を始めた後に第１作用部が当接すれば、両者の相対速度が小さくなっているため、当接時の衝撃がより緩和され違和感の少ない装置を得ることができる。
第１実施形態に係るクランク回転駆動伝達機構の適用例を示す斜視図 ペダルとクランクアームの動作態様を示す説明図 クランクアームの動作態様を示す説明図 クランク回転駆動伝達機構のギヤ列を示す斜視図 クラッチの駆動伝達構成図 クラッチの構造と駆動態様を示す部分的正面図含む上半断面図 ペダルとストッパーの動作態様を示す説明図 第２実施形態に係るペダルとストッパーの動作態様を示す説明図 本発明のクランク回転駆動伝達機構の他の適用例を示す斜視図
本発明のクランク回転駆動伝達機構Ｋ（以降においては「駆動伝達機構Ｋ」と略称する）は、一対のクランクアームＡＲ，ＡＬを交互に駆動回転させて出力を取り出す機構であって、特に、各クランクアームＡＲ，ＡＬが駆動回転する場合と、従動回転する場合とで回転角速度が変化し、その結果、各クランクアームＡＲ，ＡＬどうしの相対回転角速度が変化する点に特徴を有する。以下、本発明に係る各実施形態つき図面を参照しながら説明する。
〔第１実施形態〕
（概要）
本発明に係る駆動伝達機構Ｋは、例えば、図１に示すように左右のペダルＰを交互に並進移動させる健康器具や、図９に示すように自転車タイプの健康器具などに適用可能である。まず、図１乃至図７に基づき、第１実施形態に係る駆動伝達機構Ｋについて説明する。
図１は、本発明のペダルＰを含めた駆動伝達機構Ｋを一種のステアクライマーに適用した例である。このステアクライマーは、平行リンク１によって上下に往復移動する第１ペダルＰＲと第２ペダルＰＬとを備えている。本実施形態では、第１ペダルＰＲを右ペダルＰＲと称し、第２ペダルＰＬを左ペダルＰＬと称する。右ペダルＰＲと左ペダルＰＬとの間には機構部Ｋ１（図４参照）を有する。この機構部Ｋ１には、後述するギヤ列とクラッチＣおよび出力部Ｊ２等が備えられている。
作用者はハンドルＨに手を掛けつつ左ペダルＰＬおよび右ペダルＰＲを交互に踏み込み、入力軸Ｊ１を回転させる。本構成では、例えば両ペダルＰを人の脚で駆動する際に、通常の自転車のクランク回転作動のような負荷が掛かった状態の脚の前後運動を減らすことができ、体力が十分でない高齢者やリハビリテーション中の作用者であっても体重を利用する等で両ペダルＰを容易に操作することができる。また、機構部Ｋ１に所定の負荷を掛けることで筋力アップの効果を得ることができる。
また、機構部Ｋ１に発電機等を装備して発電さらには蓄電を行うこともできる。作用者は、モニターＭにより、自己の運動量や発電量等を確認することができ、さらには機構部Ｋ１の負荷を調節することができる。
駆動伝達機構Ｋは、交互に駆動回転が行われる第１クランクアームＡＲおよび第２クランクアームＡＬを有する。第１クランクアームＡＲの先端からは、第１クランクアームＡＲに直交する棒状の第１作用部ＳＲが機構部Ｋ１とは反対の方向に延出し、同じく第２クランクアームＡＬの先端からは第２作用部ＳＬが延出している。尚、以降においては、第１クランクアームＡＲを右アームＡＲ、第２クランクアームＡＬを左アームＡＬと称し、第１作用部ＳＲを右作用部ＳＲ、第２作用部ＳＬを左作用部ＳＬと称する。
図２および図３に示すように、この駆動伝達機構Ｋでは、右アームＡＲと左アームＡＬが連続回転するとき、一方が駆動側となり他方が従動側となる。駆動回転する場合と従動回転する場合とで回転角速度が変化するため、右アームＡＲと左アームＡＬの相対回転角速度が途中で切り替わり、互いの相対回転位相が変化しながら回転する。
図２は、例えば右ペダルＰＲと右アームＡＲの動作態様を示す説明図である。右ペダルＰＲは平行リンク１で支持されており上下に並進往復する。右ペダルＰＲは右アームＡＲの先端に設けた棒状の右作用部ＳＲに当接しており、右ペダルＰＲを踏み込むことで右アームＡＲが下げられる。本実施形態では、右ペダルＰＲを踏み込むときに、右作用部ＳＲに対して右ペダルＰＲの下面が特定方向に当接しつつ、当接面に沿う方向に右作用部ＳＲが右ペダルＰＲに対し相対的に移動する。右ペダルＰＲと右作用部ＳＲには、例えば右作用部ＳＲと相対回転可能な筒状のローラーを外挿しておき、当接面である右ペダルＰＲの下面に沿って移動する際の摩擦抵抗を低減すると良い。
この駆動伝達機構Ｋでは、左アームＡＬおよび左作用部ＳＬ、あるいは右アームＡＲおよび右作用部ＳＲの回転角速度が変化する。図２および図３に示すように、右アームＡＲおよび右作用部ＳＲが反時計方向に回転するが、上死点ＴＤＣを所定角度α分越えた第１位置１ｐから下死点ＢＤＣの所定角度β分手前の第２位置２ｐまでの第１領域１ｒ、即ち、回転角度θの範囲には後述するように、右アームＡＲおよび第１入力回転体Ｇａに駆動力を加えてから駆動回転に寄与しない左アームＡＬに向けて伝達するべき第２クラッチＣ２を一旦、クラッチ切り状態から入り状態に戻すまでの回転角度γ´と、それに引き続く右アームＡＲに係り遮断するべき第１クラッチＣ１を切り状態とするまでの回転角度γが含まれる。従って、（θ−γ´−γ）の角度範囲では第１回転角速度１ｓで回転する。一方、第２位置２ｐから下死点ＢＤＣおよび上死点ＴＤＣを越え第１位置１ｐに至るまでの第２領域２ｒ即ち、（１８０＋α＋β）の角度範囲では、右アームＡＲおよび右作用部ＳＲは、第１回転角速度１ｓよりも速い第２回転角速度２ｓで回転する。
ここで、回転角度のα、β、θ、γおよびγ´は一周全回転を３６０分割した角度を１度としたときの角度数を表す数値とする。前述の回転角度γ´は、例えば右アームＡＲの踏み込み開始時の反時計方向への回転角度であるが、これは、直前の左アームＡＬの反時計方向への駆動回転によってクラッチ切り状態とされていた第２クラッチＣ２を再び入り状態に復帰させるための角度である。一方、γは引き続いての右アームＡＲの同方向への回転によって、第１クラッチＣ１を切り状態とするまでの回転角度である。
上死点ＴＤＣから第１位置１ｐまでの所定角度αは必ずしも一定でなく、その設定には一定の余裕を持たせるのが良い。例えば右ペダルＰＲを踏み込む際には、踏み込みを終えるときの右アームＡＲおよび右作用部ＳＲの位置、即ち、下死点ＢＤＣ手前の所定角度βも必ずしも一定ではない。しかし、その場合でも左アームＡＬおよび左作用部ＳＬが第１位置１ｐの近傍まで戻っていると次の左ペダルＰＬの踏み込みが容易となる。このように、ペダルを踏み込んだ側のクランクアームおよび作用部の下限位置がばらついた場合でも、そのばらつきの想定される範囲を十分に考慮して、他方のクランクアームが確実に上死点ＴＤＣを越えるように基準の所定角度αおよびβを設定する。
つまり、各クランクアームが小さい回転角速度で回る第１領域１ｒ（駆動側）での駆動回転に寄与する回転角度が（１８０−α−β−γ´−γ）＝（θ−γ´−γ）、大きな回転角速度で回る第２領域２ｒ（従動側）での回転角度が（１８０＋α＋β）であり、従って、基本的には駆動側クランクアームから従動側クランクアームに至る駆動伝達増速比率が（１８０＋α＋β）／（θ−γ´−γ）になるように、伝達機構を設定する。
このように、ペダルＰを踏み込んだ側のクランクアームおよび作用部を第１位置１ｐから第２位置２ｐまで回転させると、他方のクランクアームおよび作用部が第２位置２ｐから第１位置１ｐまで戻るように構成することで、右アームＡＲおよび右作用部ＳＲと、左アームＡＬおよび左作用部ＳＬは各々に対応する右ペダルＰＲおよび左ペダルＰＬの踏み込みに際して必ず上死点ＴＤＣを越えた位置に設定される。よって、健常者はもちろん高齢者やリハビリテーション中の作用者にとっても踏み込みの開始動作が軽く円滑なものとなる。このようなクランク回転が交互に連続する結果、効率的で安定した出力回転の取り出しが可能となる。
図２に示すように、右ペダルＰＲはその先端にある右作用部ＳＲの回転に伴って上下動するが、右作用部ＳＲが第２位置２ｐを過ぎて当該第２位置２ｐから下の領域を移動する際にはストッパーＢによって下降が止められる。よって、下死点ＢＤＣにある右作用部ＳＲは右ペダルＰＲから離間している。これは、右作用部ＳＲが下死点ＢＤＣに近付くほど、右ペダルＰＲに下向きに作用する外力のうち右アームＡＲおよび右作用部ＳＲの回転に寄与する分力が小さくなるため、この状態での入力を省略するものである。
図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、右アームＡＲおよび右作用部ＳＲと、左アームＡＬおよび左作用部ＳＬの相対位置を示したものである。例えば、図３（ａ）において破線で示した左アームＡＬおよび左作用部ＳＬが第１位置１ｐにあるとき、実線で示した右アームＡＲおよび右作用部ＳＲは第２位置２ｐにある。図３（ｂ）に示すように、左ペダルＰＬの踏み込みにより、左アームＡＬおよび左作用部ＳＬが前記の（θ−γ´−γ）の角度のおよそ半分の高さまで回転したとき、右アームＡＲおよび右作用部ＳＲは前記の（１８０＋α＋β）の角度のおよそ半分の高さまで持ち上げられる。さらに左ペダルＰＬを踏み込むと、図３（ｃ）に示すように、左アームＡＬおよび左作用部ＳＬが第２位置２ｐまで回転し、右アームＡＲおよび右作用部ＳＲは第１位置１ｐまで回動する。
本構成であれば、左ペダルＰＬの踏み込みにより、左アームＡＬおよび左作用部ＳＬが下死点ＢＤＣに近い第２位置２ｐに到達すると右アームＡＲおよび右作用部ＳＲが第１位置１ｐに復帰しているから、作用者は右ペダルＰＲの踏み込みを容易に開始することができる。よって、左ペダルＰＬについては、第２位置２ｐから下死点ＢＤＣに向かう領域での踏み込み操作は不要である。
図１および図２に示すように、左ペダルＰＬの踏み込みにより、下死点ＢＤＣを通過した右作用部ＳＲは右ペダルＰＲに再び当接し、右ペダルＰＲを持ち上げようとする。このとき、右ペダルＰＲの持ち上げに係る右作用部ＳＲの回転角速度は、左ペダルＰＬの踏み込みに係る左作用部ＳＬの回転角速度よりも大きいから、右ペダルＰＲの慣性などによっては右ペダルＰＲの持ち上げ負荷が大きくなるとも考えられる。ただし、この状態では、作用者は左脚に力を加えており、体重の移動に伴い右脚は脱力しているため、右ペダルＰＲの持ち上げは容易に行われる。
（ギヤ列）
図４には、図３（ａ）のクランクアームの位置関係に対応させた機構部Ｋ１のギヤ列を示す。本実施形態のギヤ列では、右アームＡＲと左アームＡＬとの間に第１伝達機構Ｔ１と第２伝達機構Ｔ２とが設けられる。これら第１伝達機構Ｔ１および第２伝達機構Ｔ２は、図４に２組のギヤ列のセットとして一点鎖線で区切った第１セットＳ１と第２セットＳ２とを組み合わせて構成される。
例えば、第１セットＳ１は、右アームＡＲを端部に有しクランク軸芯Ｘ１の周りに回転する右クランク軸２Ｒと、右クランク軸２Ｒに一体に設けられたアームギヤＧＡと、当該アームギヤＧＡと歯合して第１クラッチ軸芯Ｘ２の周りに回転し、駆動力が最初に入力される第１入力回転体Ｇａとしての第１ギヤＧ１と、当該第１ギヤＧ１と同軸芯で回転する第２ギヤＧ２と、当該第２ギヤＧ２と第１クラッチＣ１を介して連結される第５ギヤＧ５と、第２ギヤＧ２と歯合し第１カウンター軸芯Ｘ３の周りに回転する第３ギヤＧ３と、第３ギヤＧ３と同軸芯上で回転する第４ギヤＧ４とで構成される。
第２セットＳ２も第１セットＳ１と同じ構成であるが、第２セットＳ２の第１ギヤＧ１は第２入力回転体Ｇｂとして機能し、第２セットＳ２の第１ギヤＧ１・第２ギヤＧ２・第５ギヤＧ５は、第２クラッチ軸芯Ｘ４の周りに回転可能であり、第３ギヤＧ３および第４ギヤＧ４は第２カウンター軸芯Ｘ５の周りで回転可能である。
図４に示すように、このような第１セットＳ１と同じ構成を有する第２セットＳ２とが対向する形で、右クランク軸２Ｒと第２セットＳ２の左クランク軸２Ｌとを共にクランク軸芯Ｘ１の上で一致させた状態に配置されている。
この状態で、第１伝達機構Ｔ１は、右クランク軸２Ｒから第１セットＳ１のアームギヤＧＡ→第１ギヤＧ１→第２ギヤＧ２→第３ギヤＧ３→第４ギヤＧ４→第２セットＳ２の第５ギヤＧ５→第２クラッチＣ２→第２ギヤＧ２→第１ギヤＧ１→アームギヤＧＡ→左クランク軸２Ｌの順で伝達される経路を持つ。
一方の第２伝達機構Ｔ２は、左クランク軸２Ｌから第２セットＳ２のアームギヤＧＡ→第１ギヤＧ１→第２ギヤＧ２→第３ギヤＧ３→第４ギヤＧ４→第１セットＳ１の第５ギヤＧ５→第１クラッチＣ１→第２ギヤＧ２→第１ギヤＧ１→アームギヤＧＡ→右クランク軸２Ｒの順で伝達される経路を持つ。
図３に示した、各クランクアームＡＲ，ＡＬの上死点ＴＤＣを越えた角度である所定角度αと、下死点ＢＤＣの手前の角度である所定角度βの合計角度は、駆動回転の回転角速度を高めて従動回転に伝達する回転角速度増大比率（１８０＋α＋β）／（θ−γ´−γ）を変更することで設定できる。例えば、本実施形態では、第１クラッチ軸芯Ｘ２と第１カウンター軸Ｘ３、および第２クラッチ軸Ｘ４と第２カウンター軸Ｘ５の各軸間距離を変えずに第４ギヤＧ４と第５ギヤＧ５の歯数を変えて回転角速度増大比率を変更することができる。そのため、第４ギヤＧ４と第５ギヤＧ５の入れ替え脱着が容易にできる構造とする。
第１伝達機構Ｔ１、第２伝達機構Ｔ２の双方において、駆動回転の回転角速度を高めて従動回転に伝達する回転角速度増大は複数箇所のギヤ歯合伝達で段階的に行ってもよいし、１箇所のギヤ歯合伝達で行ってもよい。いずれにしても、特に本実施形態では、第１伝達機構Ｔ１、第２伝達機構Ｔ２の双方の伝達機構において、第４ギヤＧ４の歯数に対して第５ギヤＧ５の歯数が少なく構成されて回転角速度増大比率の大部分を担わせるようにしている。これらの構成により、具体的には後述するクラッチＣの機能と合わせて、第１伝達機構Ｔ１は、右アームＡＲの駆動回転を左アームＡＬに従動回転として（１８０＋α＋β）／（θ−γ´−γ）の比率で回転角速度を高めて伝達し、第２伝達機構Ｔ２は、左アームＡＬの駆動回転を右アームＡＲに従動回転として（１８０＋α＋β）／（θ−γ´−γ）の比率で回転角速度を高めて伝達する。
右アームＡＲおよび左アームＡＬの右クランク軸２Ｒあるいは左クランク軸２Ｌへの取付けは、適切な角度で割り出し調節が可能なスプライン２ａ等の回転方向に係合するはめ合い部を持ち、例えば左右ペダルの往復踏み込み運動を行う場合の作用者の脚の踏込み方向からみた上死点ＴＤＣ、下死点ＢＤＣから所定角度αおよびβを割り出してはめ込めるように構成してある。
(クラッチ)
図４乃至図６に示すように、第１セットＳ１および第２セットＳ２における第２ギヤＧ２と第５ギヤＧ５との間にはクラッチＣを設けてある。第１セットＳ１にあるものが第１クラッチＣ１であり、第１入力回転体Ｇａ即ち、第１ギヤＧ１への回転入力に際して第２ギヤＧ２と第５ギヤＧ５との伝達を切り操作して第２伝達機構Ｔ２の伝達を遮断する。一方、第２セットＳ２にあるものが第２クラッチＣ２であり、第２入力回転体Ｇｂ即ち、第１ギヤＧ１への回転入力に際して第２ギヤＧ２と第５ギヤＧ５との伝達を切り操作して第１伝達機構Ｔ１の伝達を遮断する。
第１クラッチＣ１および第２クラッチＣ２の構成につき、図５には第１クラッチＣ１の構成を示す。尚、第１クラッチＣ１と第２クラッチＣ２の構成は同じである。
第１クラッチＣ１は、機構本体を構成する第１フレームＫ１ａに固定された内軸３と、この内軸３に外挿され、内軸３と軸方向および回転方向に摺動可能状態ではめ合う外軸４と、後述するように外軸４に支持されている種々の部材および部品によって構成される。第１フレームＫ１ａのボス部にねじ込まれた内軸３の軸段部の内部小径側には第１ベアリングＣｒ１が設けられ、後述する第２クラッチ部材Ｃｂと第５ギヤＧ５が回転支持される。
外軸４は、第１クラッチＣ１を構成するバネ受部材Ｃｇおよび第２ベアリングＣｒ２を介して第２フレームＫ１ｂに回転支持されるが、バネ受部材Ｃｇとは第１クラッチ軸芯Ｘ２に沿う方向および回転方向共に摺動可能状態ではめ合っている。
第１クラッチＣ１は、駆動回転を伝達する第１クラッチ部材Ｃａおよび第２クラッチ部材Ｃｂを有する。第１クラッチ部材Ｃａは、内面に雌ネジが切られた筒状の部材であって、外軸４の軸方向に沿って形成された一対の前後壁Ｃａ１と、当該前後壁Ｃａ１を残して削り込まれた平面で構成される４面の第１クラッチ面Ｃｃとを有し、前後壁Ｃａ１のあいだで各々の第１クラッチ面Ｃｃにボール部材Ｃｄを一つずつ保持している。それぞれのボール部材Ｃｄは、前後壁Ｃａ１よりも外側に所定寸法張り出しており、後述の第２クラッチ部材Ｃｂに当接可能である。
一方の円筒状の第２クラッチ部材Ｃｂには、ボール部材Ｃｄが内側から当接可能な円錐穴状の第２クラッチ面Ｃｅを備えている。第２クラッチ部材Ｃｂには第５ギヤＧ５が一体的に結合されている。
第２クラッチ部材Ｃｂに挿入された第１クラッチ部材Ｃａのボール部材Ｃｄは、例えばコイルスプリングで構成された付勢部材Ｃｆによって、第２クラッチ部材Ｃｂの第２クラッチ面Ｃｅに押し付けられ、前後壁Ｃａ１のあいだで第１クラッチ面Ｃｃと第２クラッチ面Ｃｅとで挟持される。第１クラッチ部材Ｃａは、外軸４の一方の端部に切られる雄ネジにねじ込まれた上に第１固定部材Ｃｍ１によって外軸４に一体的に結合され、さらに、隣接する第１クラッチ面Ｃｃどうしの間に設けた雌ネジ部１１ａに固定ネジ１１ｂをねじ込んで固定するようになっている。
付勢部材Ｃｆの端部は、筒状のバネ受部材Ｃｇによって反力支持され、バネ受部材Ｃｇは第２ベアリングＣｒ２を介して第２フレームＫ１ｂによって反力支持されている。この状態で、第１クラッチ部材Ｃａと第２クラッチ部材Ｃｂとが相対回転することで、ボール部材Ｃｄが、平面上の第１クラッチ面Ｃｃに沿って第１クラッチ軸芯Ｘ２に対する周方向に移動させられ、第１クラッチ面Ｃｃと第２クラッチ面Ｃｅとで形成されるくさび状の隙間の狭い側に押し寄せられて係合し、第１クラッチ部材Ｃａと第２クラッチ部材Ｃｂとの相対回転が阻止される。
第１クラッチ部材Ｃａのボール部材Ｃｄを、第２クラッチ部材Ｃｂの第２クラッチ面Ｃｅに十分な付勢力で押し付けることができるよう、付勢部材Ｃｆの付勢力は調節可能である。即ち、第２ベアリングＣｒ２に反力支持されるバネ受部材Ｃｇと第１クラッチ部材Ｃａとの間隔を調節する。
具体的にはまず、外軸４の第１クラッチ部材Ｃａが取付く方の端部と反対側の他端部から、沈みキーである第２キー部材７２と第１クラッチ軸芯Ｘ２の方向に滑り移動が可能な状態に第２ギヤＧ２を挿入する。これにより、第２ギヤＧ２は、外軸４に対して相対回転不能かつ第１クラッチ軸芯Ｘ２の方向に沿って移動自在となる。次に、第２ギヤＧ２のボス部外径に回転滑り可能のスラスト受けリング８ａを外挿させ、次に第１ギヤＧ１を、摺動軸受８ｂを介して回転自在に外挿させる。第１ギヤＧ１には、後述する第１カム板Ｃｈ１が結合されている。さらに第２カム板Ｃｈ２を、第３キー部材７３を効かして外軸４に外挿し、こちら側の外軸４の端部に切られる雄ネジに第２固定部材Ｃｎ１および第２ロックナットＣｎ２をねじ込み結合する。
次に、第２ギヤＧ２および第１ギヤＧ１を組込んだ外軸４を、第２ベアリングＣｒ２を介して第２フレームＫ１ｂに回転支持されるバネ受部材Ｃｇに摺動軸受８ｃを介して挿入し、付勢部材Ｃｆをバネ受部材Ｃｇにはめ込む。その後、外軸４の第２ギヤＧ２および第１ギヤＧ１が取付く反対側のネジ端部に対し、第１クラッチ部材Ｃａを、工具等を使用して付勢部材Ｃｆをその付勢力に抗して所定長さ縮めるまでねじ込んだ後、第１固定部材Ｃｍ１で固定結合する。このとき、内軸３のねじ込み深さを変えることで付勢部材Ｃｆの全長が変化し、付勢力の調節が可能となる。
続いて、その状態の第１クラッチ部材Ｃａに第２クラッチ部材Ｃｂおよび第５ギヤＧ５を外挿する。一方、第１フレームＫ１ａ外側から、そのボス部のネジ穴に内軸３をねじ込みながら、その内軸３の先端から第１ベアリングＣｒ１を介して第２クラッチ部材Ｃｂおよび第５ギヤＧ５をはめ込む。尚、第１フレームＫ１ａのボス部のネジ穴にねじ込まれる内軸３は、二つの筒状の摺動部材８ｄを介して外軸４に内挿され、外軸４の内径部に対して軸方向および回転方向に摺動可能状態に設置される。
第１フレームＫ１ａの外側方向の内軸３の端部には、ネジ部３ａと、工具を装着する角軸部３ｂが形成してある。角軸部３ｂを回すことで内軸３は第１フレームＫ１ａの内部に螺入され、ネジ部３ａの近傍に形成された段部３ｃによって第１ベアリングＣｒ１を内部に押圧する。これにより、第２クラッチ部材Ｃｂが第１クラッチ部材Ｃａにあるボール部材Ｃｄに当接し、さらに第１クラッチ部材Ｃａおよび外軸４を第１ギヤＧ１の方向に向けて押圧する。
第１クラッチ部材Ｃａのボール部材Ｃｄを、第２クラッチ部材Ｃｂの第２クラッチ面Ｃｅに押し付ける付勢部材Ｃｆの付勢力を十分に発揮させるために、第２クラッチ部材Ｃｂが第１クラッチ部材Ｃａにあるボール部材Ｃｄに当接するまで内軸３をねじ込んだ後、付勢部材Ｃｆをさらに若干の追加長さを縮め、第１クラッチ部材Ｃａにあるボール部材Ｃｄと第２クラッチ部材Ｃｂの第２クラッチ面Ｃｅとの当接面に、十分な付勢部材Ｃｆによる押圧力が掛かるようにする。
このとき、付勢部材Ｃｆを縮める追加長さ分、外軸４を第２ギヤＧ２および第１ギヤＧ１の方向に移動させ、第２カム板Ｃｈ２の前後で隙間が生じるので、第１クラッチＣ１の入切の動作性能を高めるため、第２固定部材Ｃｎ１および第２ロックナットＣｎ２を締めてその隙間を詰める。また、同時に内軸３のネジ部３ａにも第３ロックナット３ｄを締結しておくようにする。
第１クラッチＣ１において、第１クラッチ部材Ｃａと第２クラッチ部材Ｃｂとの係合を解除するには、第１クラッチ部材Ｃａを第２クラッチ部材Ｃｂに対して第１クラッチ軸芯Ｘ２の延出方向に沿って離間する方向に移動させる。これによりボール部材Ｃｄは、円錐穴状の第２クラッチ面Ｃｅから離間する方向に移動し、係合状態が解除される。
外軸４には、図５に示すように、第２ギヤＧ２が軸方向に相対移動可能とする第２キー部材７２で回転を同期するように係合し、第１ギヤＧ１は、自身に形成したボス部内径が、回転方向および軸方向に摺動可能に第２ギヤＧ２のボス部に外挿されている。従って、第１ギヤＧ１は、第１クラッチＣ１の切り操作中は、第２ギヤＧ２と相対回転し、第１クラッチＣ１の切り操作が終了した後は、第２ギヤＧ２と一体的に回転する。第１ギヤＧ１の側面にはカム爪Ｃｊが形成された第１カム板Ｃｈ１がボルト９などで一体的に結合されている。
第１カム板Ｃｈ１に隣接する位置にはカム溝Ｃｋが形成された第２カム板Ｃｈ２が設けられていて、第２カム板Ｃｈ２と共にカム機構Ｃｉの主要構成部品となる。第２カム板Ｃｈ２は、外軸４と一体的に回転し、かつ、外軸４の軸方向に移動できるよう第３キー部材７３を用いて外軸４に取り付けられた上、外軸４の端部に設けたネジ部に、第２固定部材Ｃｎ１および第２ロックナットＣｎ２を用いて一体的に結合される。これにより、第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊと、第２カム板Ｃｈ２のカム溝Ｃｋとを対向密着させ、相対回転あるいは押圧一体回転させるカム機構Ｃｉが構成される。
図５および図６に示すように、第１ギヤＧ１のボス部の一方の側面は、前述のスラスト受けリング８ａを介して第２ギヤＧ２の一方の側面に当接している。第１ギヤＧ１の他方の側面には第１カム板Ｃｈ１が一体的に結合されていて、第１ギヤＧ１および第１カム板Ｃｈ１は、第２ギヤＧ２と第２カム板Ｃｈ２とで形成される隙間に挟まれている。
第２ギヤＧ２の他方の側面Ｇ２ａは、第２フレームＫ１ｂに軸方向が規制されて取り付く第２ベアリングＣｒ２の内輪側面に当接している。これにより第１ギヤＧ１および第２ギヤＧ２は、軸方向に沿う一方側の端部位置が設定される。尚、第２ベアリングＣｒ２の内輪のうち反対側の側面にはバネ受部材Ｃｇが当接しており、バネ受部材Ｃｇも軸方向に沿う一方側の端部位置が設定される。図６（ａ）に示すように、第２ギヤＧ２の一部は、バネ受部材Ｃｇの一部に外挿させる状態にし、外軸４の軸方向に沿うサイズのコンパクト化を図っている。
このような第１クラッチＣ１および第２クラッチＣ２を図４に示すように組み合わせた本構成の駆動伝達機構Ｋは次のように機能する。第１クラッチＣ１および第２クラッチＣ２が入り状態にある初期の状態では第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊと、第２カム板Ｃｈ２のカム溝Ｃｋとが対向密着しており、右アームＡＲおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第１ギヤＧ１に駆動力が入力されても、第１伝達機構Ｔ１および第２伝達機構Ｔ２が連結状態にあって、全体の伝達機構の内、回転角速度を高めて伝達する経路が部分的に閉ループとなる。そのため、当該伝達経路上での伝達回転角速度の不一致が生じ、回転伝達がロックされ、例えば、右アームＡＲおよび第１ギヤＧ１即ち、第１入力回転体Ｇａの回転が一旦、阻止される。
しかし、引き続き右アームＡＲおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第１ギヤＧ１に駆動力が入力されると、第１ギヤＧ１と一体的に回転する第１カム板Ｃｈ１が、第１クラッチ部材Ｃａと一体的に回転する第２カム板Ｃｈ２と相対回転する。これにより、第１カム板Ｃｈ１に設けられたカム爪Ｃｊの傾斜駆動当接面Ｃｊ１と、第２カム板Ｃｈ２に設けられたカム溝Ｃｋの傾斜駆動当接面Ｃｋ１とのあいだで押圧状態での滑りが生じる。この結果、第２カム板Ｃｈ２が、外軸４と共に第１クラッチ軸芯Ｘ２の方向に第１クラッチＣ１が切り状態となるまでスライド移動し、図６（ｂ）に示すように、第１セットＳ１にある第１クラッチＣ１の第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２とのあいだに間隔ｄ１が一旦、生じる。
その結果、第２伝達機構Ｔ２にある遮断するべき第１クラッチＣ１だけが切り状態となり、右アームＡＲおよび第１入力回転体Ｇａに入力された駆動力は、連結状態にある第２クラッチＣ２が設けられた第１伝達機構Ｔ１を介して第２入力回転体Ｇｂ、左アームＡＬに伝達される。第１ギヤＧ１に駆動回転力が入力され続ける限り、第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２は傾斜駆動当接面Ｃｊ１，Ｃｋ１どうしの押圧状態が維持され一体化回転し、第１クラッチＣ１も切り状態が維持される。
第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２とのあいだに間隔ｄ１が生じた後、駆動回転の負荷が大きければ、第１カム板Ｃｈ１の傾斜駆動当接面Ｃｊ１と第２カム板Ｃｈ２の傾斜駆動当接面Ｃｋ１とがさらに滑動し、第２カム板Ｃｈ２は第１カム板Ｃｈ１からより離間する方向に移動する場合がある。
ただし、第２カム板Ｃｈ２がさらに外方に移動すると、外軸４に段部４ａを設けること等により構成した移動規制部により、第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との最大間隔が一定の値に設定される。即ち、第２カム板Ｃｈ２がさらに外方に押されるとき、外軸４に形成した段部４ａが第２ギヤＧ２の側面Ｇ２ａに当接するから、第１ギヤＧ１と第２カム板Ｃｈ２との距離は一定以上には広がらない。この結果、第２カム板Ｃｈ２に伝わる移動規制部による移動抵抗力が、第１入力回転体Ｇａに加わる駆動力による移動力と釣り合う状態で、第１カム板Ｃｈ１は、第１ギヤＧ１と第２カム板Ｃｈ２とに挟持固定されて一体化回転することとなり、図６（ｂ）に示すように、この状態での第１クラッチＣ１の第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との間隔が最大のｄＴとなる。
尚このとき、第２セットＳ２にある第２クラッチＣ２が入り状態にあり、第２セットＳ２にある第１伝達機構Ｔ１上の外軸４を介して第２ギヤＧ２および第２カム板Ｃｈ２が従動回転するときは、第２カム板Ｃｈ２のカム溝Ｃｋに設けた従動当接面Ｃｋ２が、第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊに設けた従動当接面Ｃｊ２を押圧する。これら従動当接面Ｃｋ２，Ｃｊ２は第２クラッチ軸芯Ｘ４周りの回転方向に対して略垂直に形成してあり、第２カム板Ｃｈ２の回転駆動力を第１ギヤＧ１に確実に伝達することができる。
引き続いて、左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第２入力回転体Ｇｂに駆動力が入力されようとするときは、第２セットＳ２にある第１伝達機構Ｔ１上の第２クラッチＣ２は入り状態にあるが、第１セットＳ１にある第２伝達機構Ｔ２上の第１クラッチＣ１は切り状態のままで、そちらの第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との間隔はｄ１〜ｄＴとなっており、カム溝Ｃｋに設けた従動当接面Ｃｋ２と、第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊに設けた従動当接面Ｃｊ２とは対向密着せず隙間の空いた状態になっている。
従って、左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第２入力回転体Ｇｂに駆動力を入力すると、まず、逆方向のルートで連結状態にある第１伝達機構Ｔ１を介して、切り状態にある第２伝達機構Ｔ２上の第１クラッチＣ１の第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２とを、隙間の空いた各従動当接面Ｃｋ２，Ｃｊ２が当接する方向に相対回転させて、ｄ１〜ｄＴである第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との間隔をゼロとさせ、その結果、第１クラッチＣ１を入り状態とさせる。
さらに、左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第２入力回転体Ｇｂに駆動力が入力されると、右アームＡＲおよびアームギヤＧＡに駆動力を加えるときと同様に伝達経路の部分的閉ループにより回転伝達ロックが生じ、左アームＡＬおよび第２入力回転体Ｇｂの駆動回転が一旦、阻止される。
これにより、次に左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力が加えられ、第２入力回転体Ｇｂとしての第１ギヤＧ１に駆動力が入力されると、右アームＡＲおよびアームギヤＧＡに駆動力を加えるときと同様の動作態様により、遮断するべき第２クラッチＣ２だけが切り状態となり、入力された駆動力は、入り状態にある第１クラッチＣ１が設けられた第２伝達機構Ｔ２を介して第１入力回転体Ｇａ、右アームＡＲに伝達される。
このとき、第１セットＳ１にある第１クラッチＣ１が入り状態にあり、第２セットＳ２にある第２クラッチＣ２が入り状態にあるときと同様に、第１セットＳ１にある第２カム板Ｃｈ２のカム溝Ｃｋに設けた従動当接面Ｃｋ２と、第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊに設けた従動当接面Ｃｊ２は第１クラッチ軸芯Ｘ２周りの回転方向に対して略垂直に形成してあり、第２カム板Ｃｈ２の回転駆動力を第１ギヤＧ１に確実に伝達することができる。
さらに継続的に、右アームＡＲと左アームＡＬとを交互に駆動回転させて、各アームギヤＧＡに回転入力を行う場合には、駆動側のクランクアームが一旦、僅か回転し、その時点で入り状態である遮断するべき側のクラッチＣを介して、その時点で切り状態である伝達するべき側のクラッチＣを、クラッチＣを構成するカム機構Ｃｉにより入り状態に戻し、さらに続けて駆動力を加えると、その後は本来、遮断するべき側のクラッチＣをクラッチ切り状態とさせる態様が繰り返される。
また、前述の右アームＡＲの踏み込み開始から踏み込み終了までの回転角度θは左アームＡＬの踏み込みの場合も同様の角度であり、このθには、駆動伝達させる側のクラッチＣを切り状態から入り状態に戻すまでの回転角度γ´と、遮断させる側のクラッチＣを入り状態から切り状態とするまでの回転角度γとが含まれ、いずれも実際の駆動回転に寄与しない。この回転角度θに対する回転角度γ´およびγの割合は、傾斜駆動当接面Ｃｊ１，Ｃｋ１の回転径と傾斜角の設定で極力小さなものにすることが可能である。
カム機構Ｃｉの動作態様をさらに詳細に説明する。図５に示すように、カム爪Ｃｊは、第１ギヤＧ１および第１カム板Ｃｈ１の回転方向に対して傾斜した傾斜駆動当接面Ｃｊ１と、回転方向に対して略垂直な従動当接面Ｃｊ２とを備えている。一方、第２カム板Ｃｈ２のカム溝Ｃｋにも同様な傾斜駆動当接面Ｃｋ１と従動当接面Ｃｋ２が形成されている。これにより、例えば、右アームＡＲへの駆動回転力の入力によって第１ギヤＧ１即ち、第１入力回転体Ｇａおよびそれと一体的に結合されている第１カム板Ｃｈ１が図６（ｂ）に示す方向に回転する場合、回転駆動力を伝達する第２ギヤＧ２以降のギヤ列に例えば、伝達経路の部分的閉ループにより回転伝達ロックが生じる等の所定以上の駆動抵抗が存在すると、第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊの傾斜駆動当接面Ｃｊ１が第２カム板Ｃｈ２のカム溝Ｃｋの傾斜駆動当接面Ｃｋ１に当接して、第１カム板Ｃｈ１が第２カム板Ｃｈ２に対して押圧状態で滑動しつつ相対回転する。すると、傾斜駆動当接面Ｃｊ１および傾斜駆動当接面Ｃｋ１のくさび効果によって、第２カム板Ｃｈ２が一体的に係合されている外軸４と共に第１クラッチ軸芯Ｘ２の方向にスライドして移動して第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２とのあいだの間隔がｄ１となり、外軸４に一体固定されている第１クラッチ部材Ｃａが第２クラッチ部材Ｃｂから離間する。その結果、第１クラッチＣ１が切り状態となる。
このとき、第２クラッチＣ２は切れておらず、第１セットＳ１の第２ギヤＧ２の回転は、第１伝達機構Ｔ１を介して、第２セットＳ２の第２ギヤＧ２に伝達される。この第２ギヤＧ２と外軸４、第２カム板Ｃｈ２および第１カム板Ｃｈ１を介して連動する第１ギヤＧ１即ち、第２入力回転体Ｇｂは、左アームＡＬに連結されたアームギヤＧＡと歯合しているが、左アームＡＬでは作用者の踏み込みが終了した段階であるからアームギヤＧＡおよび第２入力回転体Ｇｂは駆動側の方向にはほぼ静止したままである。この結果、第２セットＳ２の第２ギヤＧ２に連動して回転しようとする第２カム板Ｃｈ２の従動当接面Ｃｋ２が、静止している第１ギヤＧ１即ち、第２入力回転体Ｇｂに一体的に結合されている第１カム板Ｃｈ１の従動当接面Ｃｊ２を押圧して一体化し、第１ギヤＧ１即ち、第２入力回転体Ｇｂさらに、アームギヤＧＡおよび左アームＡＬを従動させる
またこのとき、駆動回転の負荷が大きい場合等に、第１クラッチ部材Ｃａはさらに第２クラッチ部材Ｃｂから離間する方向に移動を継続することがある。しかし、その場合でも全移動距離ｄＴを設定する移動規制部を設けたカム機構Ｃｉとしているので、第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２は、互いの傾斜駆動当接面Ｃｊ１，Ｃｋ１で一定以上の面積を維持し、その係合が損なわれずに押圧反力を発生させつつ一体化され、駆動回転力の伝達が確実に行なわれる。
一方、左アームＡＬへの駆動回転力の入力によって、第２入力回転体Ｇｂとしての第１ギヤＧ１が回転する場合も同様の理由により、第１クラッチＣ１は切れていないので第２セットＳ２の第２ギヤＧ２の回転は、第２伝達機構Ｔ２を介して、第１セットＳ１の第２ギヤＧ２に伝達され、第１セットＳ１の第２ギヤＧ２に連動して回転しようとする第２カム板Ｃｈ２の従動当接面Ｃｋ２が、静止している第１ギヤＧ１即ち、第１入力回転体Ｇａに一体的に結合されている第１カム板Ｃｈ１の従動当接面Ｃｊ２を押圧して一体化し、第１ギヤＧ１即ち、第１入力回転体Ｇａさらに、アームギヤＧＡおよび右アームＡＲを従動させる。
このとき、右アームＡＲへの駆動回転力の入力が行われるときと同様に、全移動距離ｄＴを設定する移動規制部を設けたカム機構Ｃｉにより、第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２は、互いの傾斜駆動当接面Ｃｊ１，Ｃｋ１で一定以上の面積を維持し、その係合が損なわれずに押圧反力を発生させつつ一体化され、駆動回転力の伝達が確実に行なわれる。
また、前述のように右アームＡＲおよびアームギヤＧＡへの駆動回転力の入力に引き続いて、左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第２入力回転体Ｇｂに駆動力が入力されようとするときは、第１セットＳ１にある第２伝達機構Ｔ２上の第１クラッチＣ１は切り状態のままで、そちらの第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との間隔はｄ１〜ｄＴとなっており、カム溝Ｃｋに設けた従動当接面Ｃｋ２と、第１カム板Ｃｈ１のカム爪Ｃｊに設けた従動当接面Ｃｊ２とは対向密着せず隙間の空いた状態になっている。
従って、左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力を加え、第２入力回転体Ｇｂに駆動力が入力されると、まず、逆方向のルートで連結状態にある第１伝達機構Ｔ１を介して、切り状態にある第２伝達機構Ｔ２上の第１クラッチＣ１の第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との隙間の空いた各従動当接面Ｃｋ２，Ｃｊ２が当接する方向に相対回転して、ｄ１〜ｄＴである第１カム板Ｃｈ１と第２カム板Ｃｈ２との間隔がゼロとなり、その結果、第１クラッチＣ１が入り状態となる。そしてさらに、左アームＡＬおよびアームギヤＧＡに駆動力を加えると、伝達経路の部分的閉ループにより回転伝達ロックが生じる結果、前述のカム機構Ｃｉの動作態様により第２クラッチＣ２が切り状態となる。
尚、駆動側のカム機構Ｃｉのカム爪Ｃｊおよびカム溝Ｃｋに形成されている傾斜駆動当接面Ｃｊ１，Ｃｋ１が傾斜面であるのに対し、従動当接面Ｃｊ２，Ｃｋ２が第１カム板Ｃｈ１および第２カム板Ｃｈ２の回転方向に対して略垂直面である場合は、従動側のクランク負荷がかなり大きい場合でも確実に作動させることができる。しかし例えば、何れか一方のペダルＰの特定方向の踏み込み操作で、踏み込んだ側のクランクアームおよび入力回転体に特定方向の回転駆動力が入力されるときに、他方のペダルが障害物等でロックされていると本機器の損傷を来したり、障害物が人体の一部の場合は傷害を引き起こす可能性がある。これらの可能性をなくすためと、従動側クランクに多少の負荷が掛かっても、駆動側のカム機構Ｃｉのカム爪Ｃｊが確実に先に滑りクラッチＣが切り状態となるように、従動当接面Ｃｊ２，Ｃｋ２は第１カム板Ｃｈ１および第２カム板Ｃｈ２の回転方向に対して垂直面でないが傾斜駆動当接面Ｃｊ１，Ｃｋ１の傾斜角度よりも垂直に近い角度を有する傾斜面としてもよい。
このように第１クラッチＣ１および第２クラッチＣ２を設けることで、例えば、押し込み作動クランクの回転において、右アームＡＲと左アームＡＬとに駆動力を交互に入力するだけで駆動回転の伝達機構が容易に切り替わり、右アームＡＲと左アームＡＬとの回転角速度を変化させ、上死点ＴＤＣを越えた第１位置１ｐから下死点ＢＤＣの手前の第２位置２ｐまでを駆動回転範囲とする上死点ＴＤＣおよび下死点ＢＤＣ回避の駆動伝達構成としたクランク回転の駆動伝達機構Ｋを得ることができる。
本構成の駆動伝達機構Ｋは、図４に示すように、右アームＡＲまたは左アームＡＬに加えた力を取り出す出力部Ｊ２を備えている。この例では、第１セットＳ１のアームギヤＧＡに出力用回転体のスプロケットＪ２ａを設けた。スプロケットＪ２ａの回転はチェーンなどを介して発電機６のスプロケットＪ２ｂに伝達され、発電機６に設けた回転電機子等を回転させる。尚、スプロケットＪ２ａ、Ｊ２ｂおよびチェーンに代わる適切な出力取り出し手段も可能である。ここで生じた電力は蓄電池に充電しておいてもよい。また、発電機６の代わりに摩擦などを利用した負荷部材を設けておき、健康器具として用いることも可能である。
（ストッパー）
図７に示すように、本構成の駆動伝達機構Ｋには、作用者が右ペダルＰＲあるいは左ペダルＰＬを違和感なく踏み込めるようにストッパーＢを設けてある。ストッパーＢは、例えば、一種のステアクライマーのベース１０に設けてあり、上向きに付勢された出退部Ｂａを有する。具体的には、互いにネジ係合された筒状のケースＢｂおよび基部Ｂｃを備えており、基部Ｂｃがベース１０に固定してある。ケースＢｂを基部Ｂｃに対して回転させることで、出退部Ｂａの設定高さを変更することができる。
出退部ＢａとケースＢｂのあいだには、ケースＢｂを上向きに付勢するコイルバネなどの付勢部材Ｂｄが内装されており、この付勢部材Ｂｄを受け止める底部材ＢｅがケースＢｂに螺合してある。底部材Ｂｅの高さを変更することで、付勢部材Ｂｄの付勢力を調節することができる。
底部材Ｂｅの上面には、例えばリング状のゴム等で形成した弾性部材Ｂｆが設けてある。これにより、例えば出退部Ｂａが右ペダルＰＲによって押し下げられたとき、出退部Ｂａの下端部が衝撃を吸収しつつ受け止められる。その結果、作用者がペダルＰを踏み込んだ際の踏み込み感を良好なものにする。
図７（ａ）は例えば右ペダルＰＲの下面が出退部Ｂａに当接し、さらに、右ペダルＰＲが踏み込まれ付勢部材Ｂｄが縮み込んで、出退部Ｂａの下端部が弾性部材Ｂｆに当接した状態である。右ペダルＰＲの可動部の下端がこれにより決定される。
図７（ａ）では、作用者の脚が右ペダルＰＲを踏み続けている状態であり、この後、踏力が作用し始めた左ペダルＰＬの回転に伴って右アームＡＲが回転し、右アームＡＲの右作用部ＳＲが右ペダルＰＲの下面から離間する。
図７（ｂ）は、右作用部ＳＲが右ペダルＰＲの下面に再び当接した状態である。この状態では、作用者の脚の踏み込み力が少なくなっており、付勢部材Ｂｄのストローク上限まで右ペダルＰＲが持ち上げられている。この後、右アームＡＲがさらに従動回転し、右ペダルＰＲが出退部Ｂａから離れる。
本構成によれば、弾性部材ＢｆによってペダルＰへの衝撃が吸収される効果の他、作用者がペダルＰを踏み込んだあとペダルＰが押し戻されるまでの時間を長く感じるという効果が得られる。作用者がペダルＰの踏み込みを終了したと感じる状態は、図７（ａ）の出退部Ｂａが弾性部材Ｂｆに当接した瞬間である。一方、ペダルＰが押し戻されたと感じる状態は、図７（ｂ）のペダルＰの裏に右作用部ＳＲが再度当接した瞬間である。
図７（ａ）の状態から図７（ｂ）の状態にかけて、出退部Ｂａは付勢部材Ｂｄのストロークｈ３の分だけ上方に変位しており、右作用部ＳＲがペダルＰから下方に離間する瞬間の位置と、右作用部ＳＲがペダルＰに再度当接する瞬間の位置とに高程差が生じる。よって、作用者は、ペダルＰを踏み込んでいる時間を長く感じることとなる。これにより、例えば右ペダルＰＲに載せている脚には運動を一定時間遅れる感覚が生まれ、作用者が自己のタイミングとペースで円滑な踏込運動を持続することができる。
尚、右ペダルＰＲが付勢部材Ｂｄによって上昇を始めた後に右作用部ＳＲが当接すれば、両者の相対速度が小さくなっているため、当接時の衝撃がより緩和され違和感の少ない装置を得ることができる。
〔第２実施形態〕
図８（ａ）（ｂ）には、一種のステアクライマーに使用するペダルＰの別実施形態を示す。これらの状態は、図７の各図に示した状態と同じである。ただし、本実施形態では、ペダルＰの下面の内、右作用部ＳＲの当接面に傾斜部Ｐａを設け、例えば、右作用部ＳＲがペダルＰから離間する瞬間の右作用部ＳＲの高さと、右作用部ＳＲが再びペダルＰに当接する瞬間の右作用部ＳＲの高さの差を増大させている。
図８（ａ）（ｂ）に示したように、右作用部ＳＲがペダルＰから下方に離間する瞬間の右作用部ＳＲの高さｈ１と、右作用部ＳＲが再びペダルＰの傾斜部Ｐａに当接する瞬間の高さｈ２とのあいだには、ペダルＰの傾斜部Ｐａの効果もあって行程差（ｈ２−ｈ１）が生じる。本構成であれば、作用者が感じるペダルＰの踏み込み終了の瞬間から再度ペダルＰが持ち上げられる瞬間までの時間がより長く設定される。このように踏み込んだ脚が停止する時間がより長くなることで、階段を上る模擬動作がより自然なものとなる。
ペダルＰの下面の内、右作用部ＳＲの当接面は、上記の如く右作用部ＳＲが離間する位置と再度当接する位置とで高さが異なっており、ペダルＰの持ち上げに際して右作用部ＳＲがペダルＰの下面に沿って摺接する際に過度な障害が生じないものであれば何れの形状であっても良い。例えば、ペダルＰのつま先方向に行くほど上方にカーブする凸曲面であってもよい。
〔第３実施形態〕
本発明の駆動伝達機構Ｋは、図９に示すように通常の自転車のペダルＰを持った背もたれのあるリカンベント式自転車の健康器具に適用することもできる。この実施形態では左ペダルＰＬおよび右ペダルＰＲが特定の踏み込み方向に各々当接する対象としての右作用部ＳＲおよび左作用部ＳＬ自体が、左右のペダルＰの回転芯となっている。この場合でも、踏み込む側のペダルＰが踏み込む方向に沿った上死点ＴＤＣを超えた位置まで戻るように設定できるから、健常者はもちろん、高齢者やリハビリテーション中の作用者にとっても踏み込みの初期動作が非常に楽なものとなる。尚、このようにクランクアームの先端に設けた作用部を中心に回転するペダルＰに、作用者自身の重力がほとんど掛からない両脚を掛けて漕ぐ場合には、左右のペダルＰが下死点ＢＤＣ近傍で停止する領域を特に設けなくてもよい。
さらに、本発明の駆動伝達機構Ｋは、実際に道路を走行する自転車に適用することもできる。例えば上り坂を走行するような場合に、ペダルＰの位置が上死点ＴＤＣを越えているから、体力の消耗の少ない走行を行うことができる。
〔他の実施形態〕
カム爪Ｃｊおよびカム溝Ｃｋの構成については、第１カム板Ｃｈ１にカム溝Ｃｋを設け、第２カム板Ｃｈ２にカム爪Ｃｊを設けてもよい。
各クランクアームは、左右の第１入力回転体Ｇａおよび第２入力回転体Ｇｂに直接取り付け、第１クラッチ軸芯Ｘ２と第２クラッチ軸芯Ｘ４とを同一軸芯にする構成でもよい。
クラッチＣは、本実施形態のように第１クラッチ部材Ｃａにボール部材Ｃｄを、円筒状の第２クラッチ部材Ｃｂの円錐穴面に当接させるものの他に、ボール部材Ｃｄを円錐ころに変えるものでもよい。また例えば、第１クラッチ部材Ｃａと第２クラッチ部材Ｃｂとの相対する面が、第１クラッチ軸芯Ｘ２に垂直または平行な面、あるいは傾斜した面で平面状または円筒状、あるいは円錐状等の任意の摩擦面を形成しておくものでもよい。さらに、摩擦面ではなく、係脱可能な適切な噛み合い凹凸面または機構を形成しておいてもよい。
また、クラッチＣは、電磁式のものや流体式のものでクランクアームの動きやクランクアームへの入力の大きさなどをセンシングしてクラッチＣを切るものであっても良い。このとき、クラッチＣを設ける位置は第１伝達機構Ｔ１および第２伝達機構Ｔ２上であれば、本実施形態の位置に限定する必要はない。
さらに、作用者が押し込み作動により駆動回転力を入力するものの他、作用者に代わり機械的にアクチュエータ等が入力するものであっても良い。その際のクラッチＣの入切の信号は無線あるいは有線で伝達することができる。
本発明に係るクランク回転駆動伝達機構は、例えば押し込み作動や小回転角回転の駆動力を交互に入力して回転出力を得るような装置に対して広く適用することができる。
１ｐ 第１位置
２ｐ 第２位置
ＡＲ 第１クランクアーム
ＡＬ 第２クランクアーム
Ｂ ストッパー
ＢＤＣ 下死点
Ｃ１ 第１クラッチ
Ｃ２ 第２クラッチ
Ｃａ 第１クラッチ部材
Ｃｂ 第２クラッチ部材
Ｃｆ 付勢部材
Ｃｉ カム機構
Ｃｊ１ 傾斜駆動当接面
Ｃｋ１ 傾斜駆動当接面
Ｇａ 第１入力回転体
Ｇｂ 第２入力回転体
Ｊ２ 出力部
Ｋ クランク回転駆動伝達機構
Ｐ ペダル
ＰＲ 第１ペダル
ＰＬ 第２ペダル
ＳＲ 第１作用部
ＳＬ 第２作用部
Ｔ１ 第１伝達機構
Ｔ２ 第２伝達機構
ＴＤＣ 上死点

Claims (4)

  1. 交互に駆動回転が行われる第１クランクアームおよび第２クランクアームと、
    前記第１クランクアームの駆動回転に連動して駆動回転入力が行われる第１入力回転体、および前記第２クランクアームの駆動回転に連動して駆動回転入力が行われる第２入力回転体と、
    前記第１クランクアームの駆動回転を、前記第１入力回転体を介して前記第２入力回転体および前記第２クランクアームに従動回転として回転角速度を高めて伝達する第１伝達経路と、前記第２クランクアームの駆動回転を、前記第２入力回転体を介して前記第１入力回転体および前記第１クランクアームに従動回転として回転角速度を高めて伝達する第２伝達経路と、
    前記第１入力回転体への駆動回転入力に際し、前記第２伝達経路の伝達を遮断する第１クラッチと、
    前記第２入力回転体への駆動回転入力に際し、前記第１伝達経路の伝達を遮断する第２クラッチと、
    前記第１伝達経路および前記第２伝達経路のうち、少なくとも何れか一方から出力回転を取り出す出力部と、を備えるクランク回転駆動伝達機構。
  2. 前記第１クラッチおよび前記第２クラッチの各々が、
    駆動回転を伝達する第１クラッチ部材および第２クラッチ部材と、
    前記第１入力回転体または前記第２入力回転体と一体的に結合される第１カム板と、
    前記第１クラッチ部材と一体的に結合される回転軸および第２カム板と、
    前記第１クラッチ部材を前記第２クラッチ部材に押し付けてクラッチ入り状態とさせる付勢部材と、を備えると共に、
    駆動回転入力される側の前記第１入力回転体または前記第２入力回転体と一体的に結合される前記第１カム板と、遮断する側の前記第１クラッチまたは前記第２クラッチにある前記第２カム板との各々に傾斜駆動当接面を設けて、前記第１カム板と前記第２カム板とが当該傾斜駆動当接面で滑動しつつ相対回転して前記第１クラッチ部材を前記付勢部材の付勢力に抗する方向あるいは付勢力の働く方向に移動させて前記第１クラッチまたは前記第２クラッチをクラッチ切り状態あるいは入り状態にさせることを可能とし、しかも、互いの当接を外さずに当該傾斜駆動当接面での押圧状態を維持して一体的に回転駆動を伝達させることができるように前記第１クラッチ部材の移動の全距離を設定する移動規制部を設けたカム機構を備える請求項１に記載のクランク回転駆動伝達機構。
  3. 前記第１クランクアームおよび前記第２クランクアームのうち何れか一方が、押し込み作動クランクの回転における上死点を越えた第１位置から下死点の手前の第２位置まで駆動回転される間に、他方が前記第２位置から前記第１位置まで従動回転するように駆動伝達構成がなされ、
    前記第１クランクアームの先端に第１作用部を、前記第２クランクアームの先端に第２作用部を、設け、前記第１作用部に対して特定方向に当接する第１ペダルと、前記第２作用部に対して前記特定方向に当接する第２ペダルとが、交互に往復移動するように構成してある請求項１または２に記載のクランク回転駆動伝達機構。
  4. 前記第１クランクアームおよび前記第２クランクアームが前記第２位置に到達したとき、前記第１ペダルおよび前記第２ペダルの停止位置を設定するストッパーを備え、当該ストッパーに前記第１ペダルおよび前記第２ペダルの前記特定方向への動作に対向する付勢力を保持させてある請求項３に記載のクランク回転駆動伝達機構。
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