JP2021508630A - 足推進アセンブリ - Google Patents

Abstract

自転車ペダルアセンブリは、クランクアームを含み、その一端が自転車の推進軸に回動可能に連結され、他端が補助クランクアームの一端で第１のピボットに回動可能に連結されている。ペダルは補助クランクアームの他端に連結され、ペダル傾斜リミッタが、ペダルに結合されるとともに、ペダルの傾斜または回転を制限するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、アウトドア自転車およびフィットネス自転車などの足で推進される車両に関し、特に、補助クランクアームおよび他の特徴、例えば、調整可能な長さ、ショックアブソーバとしても機能するペダル傾斜リミッタ、測定デバイスなどを有する、自転車用のペダルおよびクランクアセンブリに関する。

ランニングやウォーキング中、人間の体は、体の動く方向にほぼ垂直な上下に、振動運動でその重心を移動する傾向がある。重心の動きの維持および制御は、主に脚の関節、例えば股関節（骨盤）、膝および足首（足）のタイミングを合わせた動きを使用して実行される。脚および脚の関節の動きのタイミングは、動きの性質および速度の関数として変化する。それらの動きは独立しており、機械的または幾何学的に相互に強制されることはない。タイミングは脳とニューロンの制御系により生じ、骨格の機械的機能ではない。人間の動きは、重力に大きく影響を受け、重力により決定される。

その結果、ウォーキングやランニングの様々な段階での動きの持続時間は対称的ではない。例えば、ウォーキング（歩行サイクル）中、足は、約６０％の時間、地面に接触しているが（スタンスフェーズ）、約４０％の時間は自由な動き（スイングフェーズ）である。対照的に、ランニングでは、スタンスフェーズは約４０％の時間に過ぎず、３０％がスイングフェーズ、３０％がフローティングフェーズである。関節（例えば、膝、骨盤、足首）の動きが制限されると、それを乗り越えて動きを持続するために、体に補うことを強いる。その一例は、コンパスのように歩くこと（立ち姿勢のまま自転車に乗るための、後述するコンパス歩行）であり、その場合、膝関節の動きが殆どない状態で脚が動く。このタイプの拘束力は、脚を前に動かすために重心の上下の動きを増加させる。

自転車の乗車は、殆どの場合、座った姿勢で行われ、その姿勢では、重心が基本的に自転車のフレーム（シート上）に対して同じ空間位置に留まる。しかしながら、座ったまま乗車すると、時間の経過とともに多くの健康上の問題が発生する可能性がある。座ったまま乗車すると、限られた数の筋肉しか関与せず、トレーニングの効果が低下する。対照的に、立ち姿勢での自転車の乗車には、後述するように、多くの利点がある。

従来技術の自転車には、特に立ち姿勢での乗車時には、以下のような幾つかの制限がある。

ａ．先行技術の自転車は、柔軟性のない縮退したクランクアセンブリを有する。それは、２つのクランクが共通の軸に取り付けられており、その共通の軸が、ライダーの脚の間をしっかりと連結し、それにより厳しい幾何学的制約が構成されるからである。

このため、ライダーの動き（立ち姿勢でのライディング中）はコンパス歩行のようであり、膝の関節の動きが制限／制約／抑制された状態で脚が動き、それにより重心の上下の動きが増加して、エネルギーのロスに繋がる。

ｂ．従来技術のクランク／推進機構は、ライダーの左右の脚を（中心軸を介して）機械的に結合し、脚を固定半径で対称的に一斉に移動させる。これは、身体の２本の脚が互いに動きを強制しない、ウォーキングまたはランニングの自然な非対称の動きとは対照的である。従来技術の自転車に乗っている間、脚は、時間の５０％をスタンスフェーズに、５０％をスイングフェーズにせざるを得ない。

ｃ．従来のクランクアセンブリには、ペダルが地面に当たったときに安全上の問題が生じる可能性がある（特に、マウンテンバイクでは一般的である）。その衝撃力は直接自転車のフレームにしっかりと伝達され、安定性と平衡性を損ない、怪我を引き起こす可能性もある。

ｄ．人口のかなりの割合で、片方の脚がもう一方の脚よりも長く、脚の長さが等しくない（脚長不同、ＬＬＩ、または脚長不一致、ＬＬＤとも呼ばれる）。その違いの範囲は、軽微で僅かな違いから、生活の機能と質を損なう可能性のある大きなギャップまである。脚の長さの違いは、遺伝（先天性欠損症）、発達不良、怪我などの様々な理由による。従来技術のペダル機構および自転車は、この非対称性を補うことができない。

ｅ．従来技術の自転車用ショックアブソーバは、ＯＮ−ＯＦＦの２状態のみのプリセットを可能にする。ショックアブソーバ機構の移動中には、不可避のエネルギー損失がある。

ｆ．従来技術の自転車インジケータおよび（電力、エネルギーなどの様々なパラメータを測定するための）測定システムは、ペダリング中のクランクアーム、ペダルのねじれ、伸張、曲げ、その他の要因などの測定に同時に影響を与える自転車の幾何学的形状に関連する多数の要因および他の要因により複雑になる。その結果、従来技術の測定システムは、複雑で高価であり、ライダーによる設置が難しい場合がある。

本発明は、以下により詳細に説明するように、補助クランクアームと、他の特徴、例えば、調節可能な長さ、ペダル傾斜リミッタ、ショックアブソーバ、測定デバイスなどを有する自転車用ペダルアセンブリを提供しようとするものである。

新規な補助クランクにより、ライダーは管理フェーズ（スイング）にあるときに脚を加速させ、それによって脚の対称的な動きを強制する幾何学的拘束を解除／削減することができる。

本システムは、ウォーキングまたはランニング中の人間の自然な動きをより正確に模倣するため、立ち姿勢での乗車に特に有用である。補助（延長）クランクアームにより、左脚と右脚が一緒に動くように強制される先行技術のサイクリング運動とは対照的に、左脚と右脚との間の依存性が減少する。補助（延長）クランクアームは「腓骨ロッド」として機能し、自転車のクランクアームに一種の「膝関節」を提供する。これにより、立っているライダーの「コンパス」歩行がなくなり、ライダーの動きが、ウォーキングやランニングのときのように自然に近くなる。

補助クランクアームを備えた革新的なペダリングシステムは、ウォーキングまたはランニング中の自然な脚の動きに近い脚の動きを提供する。立ち姿勢では、ライダーの姿勢により、人体の適切な解剖学的構造に合わせたより人間工学的な動きが可能になり、筋肉群のより広範な組合せが可能になる。

本システムは、サイクリングとランニングの両方の利点を保持すると同時に、不都合な圧力と衝撃を伴うサイクリング中に座っているのとは対照的に、衝撃吸収性の向上や足首や膝への衝撃の軽減など、ランニングおよび従来のサイクリングのいくつかの欠点を大幅に軽減する。

補助的に自由に回動するクランクアームが存在するため、左脚の動きは右脚の動きの影響が少なくなる。その結果、ウォーキングやランニングと全く同じように自然な脚の動きが得られる。さらに、脚の動きが円運動に制限されることはなく、半楕円などの他の運動も可能になる。

別の態様では、左右のクランクアームの長さを独立して調整する偏心クランク軸が提供される。これにより、脚の長さが等しくないライダーの問題が解決されるとともに、左右両方のクランクアームの構造は同じであるため、製造コストと在庫コストを削減することもできる。これにより、異なるクランク設計による非対称の重量／荷重の状況も回避される。単一の主クランク上に偏心クランク機構を有する従来技術のペダルシステムとは対照的に、本発明の偏心機構は延長クランクに適用され、それにより主クランク全長に影響を与えることはない。このため、トルクの大きさを決定するレバーアームの長さは、偏心機構の任意の位置において一定のままである。

別の態様では、後述するように、ペダル傾斜リミッタ（回転リミッタとも呼ばれる）が提供される。従来技術のペダルクランクアームでは、ペダルの３６０°の回転運動があるが、本発明では、追加のクランクアームにより、ペダルの完全な回転運動は必要なく、その代わりに、ペダル回転を僅かな傾きに限定することができる。

さらに別の態様では、後述するように、ショックアブソーバが提供される。別の態様では、ペダルが、クランクアームに対して一定の位置に固定的に組み立てられるものであってもよい。

追加のジョイント／軸（自由度）をペダルとクランクの間に追加して、ペダルを折り畳むことができるようにしてもよい。このジョイントは、ペダルと地面の衝突による衝撃をより良好に吸収することができる。

電力測定センサ（または他のセンサ）を、クランクアームに形成された凹部内など、延長されたクランクアームに設置することができる。この位置では、センサは、他のフレームやペダルからのモーメント、曲げ力および他の要因による「ノイズ」なしに、クランクアームの純粋な張力を測定することができる。延長アームは曲げ力のみを受ける。例えば、センサは、これに限定されるものではないが、角度の関数として各脚によって加えられるパワー、およびサイクリング中の全体的なパワーを測定することができる。センサは、角度位置センサまたは他のセンサを含むことができる。

別の態様では、標準的な自転車フレームの改変した幾何学的形状が提供される。第一に、補助クランク長に対応するために、ボトムブラケットの位置を上げることができる。例えば、ボトムブラケットの位置を後輪の中心よりも高くすることができる。ボトムブラケットを高くする結果として、シートステイ、チェーンステイの長さの変更、チェーンリング／スプロケットをより大きくすることなど、追加の変更が可能であるが、それらに限定されるものではない。それにより、トルクを高めることができるとともに、リアギアセットの最小ギアの直径を大きくすることができ、その結果、リアギアセットの信頼性、強度、寿命を改善することができる。本発明は、アウトドア自転車だけではなく、インドア自転車およびエクササイズ自転車、並びに、三輪車、エリプティック乗用マシンなどの他の乗用マシンを含むが、これらに限定されない任意の足推進機構に使用することができる。本明細書および特許請求の範囲において使用される「自転車」という用語は、クランクアームを有する、そのようなすべての足推進機構、乗用および運動マシンを包含する。

新規なクランクアームにより、Ｑファクタ（ペダルのベース／ピボット間の距離）が増加する。これにより、より高いＱファクタを得るために曲げることなく、フラット／直線形状の新規な主クランクアームを使用することができる。

ベアリングをペダルに配置する代わりに、主クランクシャフト内に取り付けることができる。補助クランクアームのベアリングは、主クランクシャフトに取り付けることができる。補助クランクアームは、本明細書に記載の補助クランクアームのサイクリングの利点を含むことなく、より短くかつ太くするようにしてもよい 。

本発明は、図面と併せて以下の詳細な説明からより完全に理解および認識されるであろう。
図１および図２は、本発明の非限定的な一実施形態に従って構成されて作動する、ペダルに連結された補助クランクアームを含む自転車ペダルアセンブリの簡略図である。 図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃは、それぞれ、本発明の非限定的な一実施形態に係る補助クランクアームの簡略化された絵図、平面図および断面図であり、図２Ｃは、図２Ｂの線Ｃ−Ｃに沿って得られたものである。図２Ｄおよび図２Ｅは、本発明の非限定的な一実施形態に係る折り畳みペダルの簡略図である。 図３は、本発明の補助クランクアームを使用してペダルが移動する経路の簡略図であり、補助クランクアームなしの従来技術のペダルが移動する経路とは対照的である。 図４Ａ〜図４Ｈは、ペダリング中のペダルおよび補助クランクアームの様々な角度位置の簡略図であり、図４Ａではライダーの右足が９時の位置にあり、図４Ｂではライダーの右足が１０時の位置にあり、図４Ｃではライダーの右足が１２時の位置にあり、図４Ｄではライダーの右足が２時の位置にあり、図４Ｅではライダーの右足が３時の位置にあり、図４Ｆではライダーの右足が４時の位置、図４Ｇではライダーの右足が６時の位置、図４Ｈではライダーの右足が７〜８時の位置にある。 図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ補助クランクアームを備えた自転車が水平面および傾斜面に乗っている状態の簡略図である。図５Ｃは、補助クランクアームを備えた自転車が傾斜面に乗っている状態の簡略図であり、ライダーの脚が胴に近づくように強制されておらず、かつ脚の動きに制限がないことを示している。 図６Ａ〜図６Ｄは、本発明の非限定的な一実施形態に係る、ペダルまでの補助クランクアームの有効距離（長さ）を調整するための調整部材の簡略図であり、図６Ａは、調整部材、補助クランクアームおよびペダルの全体図、図６Ｂは、ベアリングハウジング内に偏心して配置されたボールベアリングレースである調整部材の絵図であり、図６Ｃは、補助クランクアームに取り付けられたベアリングハウジングを示し、図６Ｄは、補助クランクアームに取り付けられたベアリングハウジングの一部切欠図である。 図７Ａ〜図７Ｄは、本発明の４つの異なる非限定的な実施形態に係る、ペダル傾斜リミッタおよびショックアブソーバの簡略図である。 図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の非限定的な一実施形態に係る、本発明のクランクアームの使用に関連する、電力、エネルギーなどの様々なパラメータを検知および監視する測定装置の簡略ブロック図である。 図９Ａ〜図９Ｃは、補助クランクアーム（図９Ａではチェーンリング軸に取り付けられ、図９Ｂはそれ自体、図９Ｃでは自転車フレームに取り付けられた上面図を示す）の簡略図であり、本発明の一実施形態において、補助クランクアームが、曲がっていないクランクアームを使用しながらＱファクターを増加させるのに如何に役立つのかを示している。 図１０Ａは、本発明の非限定的な一実施形態に係る、エクササイズ自転車で使用される自転車ペダルアセンブリの簡略図である。図１０Ｂは、本発明の非限定的な一実施形態に係る、エリプティカルトレーニングマシン上で使用される自転車ペダルアセンブリの簡略図である。 図１１Ａおよび図１１Ｂは、それぞれ、従来技術および本発明の一実施形態の自転車フレームの簡略図であり、自転車ペダルアセンブリを使用して、ボトムブラケットを持ち上げるとともに、チェーンステーを短くして、チェーンリングの地面からの高さを上げることができることを示している。 図１２Ａおよび図１２Ｂは、本発明の非限定的な一実施形態に係る使い捨ておよび／または交換可能な自転車ペダルの簡略図であり、それぞれペダルシャフトにペダルを取り付ける前および後を示している。図１２Ｃは、ペダル傾斜リミッタにより回転が制限されたペダルの簡略図である。図１２Ｄ、図１２Ｅおよび図１２Ｆは、本発明の非限定的な一実施形態に係る、ペダルシャフトへのペダルの取り付けの簡略図である。 図１３は、本発明の非限定的な一実施形態に係る、補助クランクアームに結合されたライトおよび他の電気構成要素の簡略図である。 図１４Ａおよび図１４Ｂは、本発明の非限定的な一実施形態に係る、上部ピボットアームを中心とする補助クランクアームの回転をロックおよびロック解除するためのロック部材の簡略図であり、それぞれのロック解除された状態およびロックされた状態を示している。

ここで、図１および図２を参照すると、本発明の非限定的な一実施形態に従って構成されて作動する自転車ペダルアセンブリ１０が示されている。

自転車ペダルアセンブリ１０は、クランクアーム１２を含み、その一端が、チェーンリング１４の軸に回動可能に連結され、他端が、補助クランクアーム１８の一端で第１のピボット１６に回動可能に連結されている。この実施形態では、ペダル２２が、補助クランクアーム１８の（第１のピボット１６の反対の）第２のピボット２０に回動可能に連結されている。他の実施形態では、ペダルが、補助クランクアームにしっかりと連結されるようにしてもよい。

図１および図２では、補助クランクアーム１８が、滑らかな表面を備えて構成されて示されている。しかしながら、補助クランクアーム１８は、１または複数の凹部を備えて構成されるものであってもよく、それにより、図７Ａおよび図７Ｄを参照して後述するように、更なる利点および特徴が提供される。

ここで、図２Ａ〜図２Ｃを参照すると、補助クランクアーム１８の可能性のある一構成が示されている。補助クランクアーム１８は、拡大端部１３および細い端部１５を含むことができ、各々には、取付穴１７Ａ、１７Ｂがそれぞれ形成されている。補助クランクアーム１８の幅は、細い端部１５から拡大端部１３まで角度Ａで徐々に増加している。角度Ａは、２〜１０°の範囲内であるが、これに限定されるものではない。細い端部１５は、直径Ｄおよび幅Ｗを有する丸みを帯びたものであってもよく、拡大端部１３は、半径Ｒを有する丸みを帯びたものであってもよい。補助クランクアーム１８には、その中央部分に長手方向の凹部１９Ａが形成されるようにしてもよい。図２Ｃに示すように、補助クランクアーム１８には、前面および後面上に凹部１９Ｂ、１９Ｃがそれぞれ形成されるようにしてもよい。凹部１９Ｂ、１９Ｃにより、補助クランクアーム１８は、拡大端部１３および細い端部１５の近傍に（長手方向の凹部１９Ａから離れた）断面Ｈ形状を有する。拡大端部１３に近い断面Ｈ形状は、補助クランクアーム１８に、比較的大きな慣性モーメントによる曲げに対する強い耐性を与えると同時に、Ｈ形状の切欠部分により重量を軽減する。

別の実施形態では、補助クランクアーム１８が、内部の凹部、すなわち、アームの外側からは見えないアームの内部の凹部を備えて構成されるものであってもよい。

ここで、図２Ｄおよび図２Ｅを参照すると、ペダル２２が折り畳みペダルであってもよいことが示されている。ペダル２２は、ピボット機構２３を用いて補助クランクアーム１８に取り付けられるようにしてもよく、それにより、任意の適切なピボット軸に沿ってペダル２２を折り畳むこと、例えば、ペダル２２を補助クランクアーム１８に向けてかつ補助クランクアーム上に折り畳むことが可能となっている。

補助クランクアーム１８は、従来技術のクランクアームと同様に任意の適切な材料で（または通常はクランクアームに使用されない材料を用いて）構成することができ、そのような材料には、任意の適切な金属（例えば、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金など）またはその複合材料または組合せが含まれるが、それらに限定されるものではなく、また、任意の適切な方法によって製造することができ、そのような方法には、例えば、鍛造、鋳造、機械加工、金属射出成形（ＭＩＭ）などが含まれるが、それらに限定されるものではない。左および右の補助クランクアーム１８（およびクランクアーム１２）は、同一の構造を有することができ、それにより、製造および在庫コストを削減することができる。

補助的な自由に回動するクランクアーム１８によって、左脚の動きは右脚の動きから独立したものとなる。その結果、ウォーキングやランニングと全く同じかほぼ同じ自然な脚の動きになる。さらに、従来技術とは対照的に、脚の動きは、図３および図４Ａ〜図４Ｈを参照して説明するように、円運動に制約されることはない。

図３は、補助クランクアーム１８を使用してペダル２２が（第２のピボット２０で）移動する（符号Ａで示す）経路を示しており、これは、補助クランクアーム１８を使用せずに（クランクアーム１２と同様の）従来のクランクアームにより、（第１のピボット１６に配置される）ペダル２２が移動する（符号Ｂで示す）経路とは対照的である。経路Ｂは円形の経路であり、第１のピボット１６のペダルは、チェーンリング１４の車軸の周りを一定の半径で移動する。しかしながら、経路Ａには一定の半径はなく、補助クランクアーム１８の追加された長さによりペダルはさらに下がるが、第２のピボット２０周りのペダル２２の回動により、行程の上側部分において低いままとなる。

ここで、図４Ａ〜図４Ｈを参照する。図４Ａでは、ライダーの右足が９時の位置にある。これは、補助クランクが後方に傾いているアクティブな状況とは対照的に、左ペダルを左足で押す直前にライダーが受動的に立っているニュートラルポジションである。

図４Ｂでは、ライダーの右足が１０時の位置にある。この位置において、ライダーは加速を開始し、その際に右足が前進を始め、推力を再生する。右足への負担は殆どない。一方、左足は下向きの推力を作り出す。本発明の機構は、身体の一方の側から他方の側への抵抗なしに、自然な膝の動きをシミュレートする。ライダーは、ライダーの体を上下に動かすことを強いる、先行技術のように左脚と右脚の間の強制的な繋がりを補う必要がない。

図４Ｃでは、ライダーの右足が１２時の位置にある。この位置は、従来技術では、トルクの生じない上死点である。対照的に、本発明では、１２時の位置では、補助クランクアーム１８によってライダーがトルクをもたらし、上死点を超えた右足の幾分水平な動きを可能にする。

図４Ｄでは、ライダーの右足が２時の位置にある。この位置では、右足が下向きの推力を生み出し、左足が楽に後方に移動して加速に寄与する。

図４Ｅでは、ライダーの右足が３時の位置にあり、動きを続けるとさらにトルクが発生する。

図４Ｆでは、ライダーの右足が４時の位置にあり、動きを続けるとさらにトルクが発生し、地面に触れそうなときにランナーまたは歩行者の脚の膝の角度と似たようになる。

図４Ｇでは、ライダーの右足は６時の位置にあり、左足は１２時の位置にある。図４Ｃに関して述べたように、先行技術における左足のこの位置は、トルクを生じない上死点である。対照的に、本発明では、１２時の位置において、補助クランクアーム１８によってライダーは多少のトルクを作り出し、上死点を通る左足のほぼ水平な動きを可能にする。

図４Ｈでは、ライダーの右足は７〜８時の位置にあり、左足は１〜２時の位置にある。左足は下向きの推力を生み出し、右足は楽に後方に動き、加速に寄与する。

ここで、図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、補助クランクアーム１８を有する自転車３０が水平面および傾斜面にそれぞれ乗ることが示されている。補助クランクアーム１８の周りのペダル２２の自由な揺動により、水平位置と傾斜位置の両方で、補助クランクアーム１８が重力ベクトルと整列したままとなる。これは、補助クランクアームを備えていない従来技術の自転車とは対照的に、坂でより良好にパワーアップすべく、ライダーの重心に対してライダーの膝と足首を最適な方向に維持するという有利な効果を有する。

傾斜面で乗っている間、ライダーは後ろにスライドしないように前かがみになる。従来技術の自転車の場合、この状況では、ライダーの脚が胴体に近付き、その動きが制限される。対照的に、図５Ｃに示すように、補助クランクアーム１８を備えた本発明では、傾斜面で乗っている間、ライダーの脚は胴体に無理に近付けられることはなく、脚の動きに制限はない。

上述したように、人口の大部分およびかなりの割合は片方の足が他方よりも長く、その違いはほんの僅かな違いから、生活の機能と質を損なう可能性のある大きなギャップにまで及んでいる。本発明は、ここで述べるように、この問題に対する解決策を提供する。

ここで、図６Ａ〜図６Ｄを参照すると、ペダル２２までの補助クランクアーム１８の長さを調整するための調整部材が示されている。主クランクアームの長さを一定に保つことにより、左右の補助クランクアームが異なる長さを有していても、両脚によって生じるトルクは等しくなる。単一の主クランクアームに偏心機構を有する従来技術のクランクは、左クランク長が右クランク長と異なり、それにより、非対称のトルク機構がもたらされるという欠点を有している。

非限定的な一実施形態では、補助クランク長の調整が、第１のピボット１６に配置された偏心クランク軸３２によって達成される。偏心クランク軸３２は、円筒形ベアリングハウジング３８に形成された開口３６に取り付けられたボールベアリングレース３４を含む。なお、開口３６は、ベアリングハウジング３８の中心に形成されるのではなく、ベアリングハウジング３８の中心軸から外れて配置されることに留意されたい。ベアリングハウジング３８は、留め具４０（例えば、３本のネジなど）によって補助クランクアーム１８の端部に固定される。補助クランクアーム１８の有効長は、留め具４０を取り外し、ベアリングハウジング３８を異なる角度方向に回し、留め具４０を締め直すことによって調整することができる。新しい角度方向は、開口３６とボールベアリングレース３４の中心から外れた位置を変更し、それにより、それらを第２ピボット２０およびペダル２２に近付けるか、または遠ざける。（図６Ｃおよび図６Ｄは、ボールベアリングレース３４に取り付けられたチェーンリングの車軸３３も示している。）こうして、本発明は、左右のクランクアームの長さを個別に調整することができる。これにより、脚の長さが等しくないライダーに関する問題が解決されるとともに、左右のクランクアームはともに構造／特性が同じであるため、製造コストおよび在庫コストを削減することができる。

例えば、長さを伸長可能な補助クランクアーム（例えば、ラチェット機構などのロック機能を有する伸縮アーム）に限定されるものではないが、そのような他の調整部材を使用することができる。

ここで、図７Ａ〜図７Ｄを参照すると、本発明の４つ非限定的な実施形態に係るショックアブソーバとしても機能し得るペダル傾斜リミッタが示されている。

図７Ａを参照すると、ペダル傾斜リミッタ４２が、ペダル２２と補助クランクアーム１８の端部との間に設けられている。ペダル傾斜リミッタ４２は、第２のピボット２０の軸を中心とするペダル２２の傾斜を制限する１または複数のエラストマ部材であり、それには、シリンダ、ポスト、ロッド、グロメットおよびバンパなどが含まれるが、それらに限定されるものではない。ペダル傾斜リミッタ４２をエラストマ材料で作ることにより、当該ペダル傾斜リミッタ４２は、ライダーの足に伝達される衝撃を減衰可能なショックアブソーバにもなる。図示の実施形態では、補助クランクアーム１８およびペダル２２下方の第２のピボット２０の軸の両側に取り付けられた２つのペダル傾斜リミッタ４２がある。それは片側のみ、または両側を制限することができる。それは、調整することができる。ペダルは、完全に固定されていて、第２のピボット２０の周りを移動することができなくともよい。

代替的には、図７Ｄに示すように、ペダル傾斜リミッタ４２が１つのみ、補助クランクアーム１８の片側およびペダル２２の下方の第２のピボット２０の軸の片側に取り付けられるものであってもよい。そのような実施形態では、ペダル傾斜リミッタ４２が、ライダーの足の後側に対応する側に取り付けられ、ライダーの足の前側に対応する側に取り付けられなくともよい。このようにして、ペダル傾斜リミッタ４２は、ライダーが下り坂に近付いたり、障害物（図７Ｄのペダルの右側の下向き矢印）を乗り越えたりする際に、ライダーの足の後側に対する力を緩和するのを補助することができるが、推進時に足の前で押したとき（図７Ｄのペダルの左側の下向きの矢印）に、ライダーの足のすべての力を（減衰なしで）許容する。

図７Ｂを参照すると、ペダル傾斜リミッタ４４が、ペダル２２の下方の補助クランクアーム１８下端に設けられている。ペダル傾斜リミッタ４４は、第２のピボット２０の軸を中心とするペダル２２の傾きを制限する１または複数のエラストマ部材であり、それには、パッドまたはシートなどが含まれるが、それらに限定されるものではない。

図７Ｃを参照すると、ロッドであるペダル傾斜リミッタ４６が提供され、その一端がペダル２２に連結され、他端がベアリングハウジング３８に連結されたフランジ４７に連結されている。ペダル傾斜リミッタ４６は、ショックアブソーバ４８を含むことができ、このショックアブソーバが、リミッタ４６のロッド全体を構成する上部ロッドと下部ロッドの間に取り付けられたクッションであってもよい。この場合も、補助クランクアーム１８の片側および第２のピボット２０の軸の片側に取り付けられたペダル傾斜リミッタ４６が１つのみである。代替的には、補助クランクアーム１８および第２のピボット２０の軸の両側に２つのペダル傾斜リミッタ４６が取り付けられるものであってもよい。

図７Ａおよび図７Ｄを参照すると、補助クランクアーム１８が、補助クランクアーム１８の外面（代替的または追加的には、補助クランクアーム１８の内面）に形成された凹部５０、および／または補助クランクアーム１８の前面および／または後面に形成された凹部５２など、１または複数の凹部を有するように構成されている。なお、補助クランクアーム１８は、その上端近くのベアリングハウジング３８で相対的に広く、徐々に先細となって、その下端近くのペダル２２で相対的に細くなっている。追加の幅が上端にあるのは、その領域が下端よりも遙かに大きな力とトルクに耐える必要があるためである。同様に、凹部５０は、その上端の近くで相対的に広く、徐々に先細となって、その下端近くで相対的に細くなっている。

凹部は、重量を減らすために使用することができる。また、凹部は、その中に様々な付属品を取り付けるために使用することもできる。例えば、（図７Ｄに示す）一実施形態では、反射板５４（例えば、光または反射テープなど）が１または複数の凹部内に配置され、それによりライダーをより見易くしている。別の例では、次に説明するように、センサを凹部（図２Ａ〜図２Ｃの凹部１９Ａ、１９Ｂおよび／または１９Ｃ、または他の凹部）に取り付けるようにしてもよい。他の任意選択的な反射板を、凹部ではなく、補助クランクアームの他の場所に配置することもできる。凹部は、任意の電気デバイス／回路を収容するなど、様々な目的に使用することができる。

図８Ａおよび図８Ｂには、本発明のクランクアームの使用に関連する様々なパラメータを検知するための測定装置のブロック図が示されている。

測定装置は、補助クランクアーム１８の上端に取り付けられた回転位置センサ６０（例えば、シャフトエンコーダ）、および凹部５０に取り付けられた力センサ６２（例えば、ロードセル、歪みゲージ）を含むことができるが、それらに限定されるものではない。センサは、プロセッサと通信することができる。プロセッサは、信号調整要素６３（例えば、増幅器、フィルタなど）、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）６４、コントローラ６５およびトランシーバ６６を含むことができるが、それらに限定されるものではない。トランシーバ６６は、パーソナル通信デバイスなどのユーザインターフェース６７と通信することができる。代替的または追加的には、図８Ｂに示すように、センサは、集積プリント回路基板上のコンポーネントを含むことができ、それには、ホイートストンブリッジ、信号調整回路、ＡＤＣ、コントローラ、トランシーバ、バッテリおよび他のコンポーネントが含まれるが、それらに限定されるものではない。

図１３は、補助クランクアーム１８に取り付けられたハウジング１５０内に設けられた、歪みゲージセンサ１４７および／またはホール効果センサ１４９などの回転センサの別の例を示している。これらのセンサは、（電動自転車の場合には）自転車の推進を補助する電気モータ１５３（図８Ａ）への電気を発生させるために、プロセッサ１５１と通信することができる。（代替的には、プロセッサ１５１は、それ自体が、例えば、揺動運動によって電気を生成する往復動デバイスなどの発電機であってもよい。）回転センサがペダル２２の前傾を検知した場合には、電気モータが自転車の前進を補助し、反対に、回転センサがペダル２２の後方傾斜を検知した場合には、電気モータは自転車の前進を補助することはない（例えば、電気モータがシャットダウンするか、または代わりに電気を生成してオルタネータまたは発電機として動作するが、自転車を推進することからは切り離される）。

図１３は、補助クランクアーム１８に結合された（例えば、ハウジング１５０の前面または後面に取り付けられた）１または複数の反射板またはライト１６０（例えば、ＬＥＤ）も示している。反射板またはライト１６０は、補助クランクアーム１８の前面または後面に向かう方向に光を反射または放射する。この利点は、補助クランクアームにより、自転車に乗っているときに、反射板またはライト１６０が、メインクランクの回転中にずっとこの方向を常に向いていることである。

回転の各部分で異なる様々な量の機械的力（ねじれ、伸張、曲げなど）を処理する必要がある従来の測定システムとは対照的に、本発明の補助クランクアームは、ライダーの姿勢が重力のベクトルとペダルとの関係で一定に維持されるという事実に少なくとも部分的に起因して、脚の回転の過程において遙かに均一な力を有する。

補助クランクアームの構造設計により、センサを取り付けることが可能になり、そのセンサの出力を電子制御ユニットでモニタリングして、データを中央データ処理ユニットに無線で転送（無線通信）することができる。その後、データを分析して保存することができる。異なる脚の長さなどを分析する目的等で、ライダーの左右の脚のパフォーマンスパラメータを比較するためにセンサを使用することができる。

図９Ａ〜図９Ｃを参照すると、本発明の一実施形態に係る、補助クランクアームの簡略図が示されており、特に図９Ｃには、補助クランクアーム１８が如何にしてＱファクタの増加を助けるのかが示されている。

Ｑファクタは、一方のクランクアームの外側から反対側のクランクアームの外側までの距離である。同様の用語であるスタンス幅は、ペダル上の足と足の間の距離である。

一般に、従来技術では、クランクアームは、脚およびペダルの運動の平面と自転車のフレームの平面との間に距離（例えば、２０ｍｍ）を作るように設計されている。この目標を達成するために、単一のクランクアームは外側に曲げられて、ライダーの足が自転車のフレームの部品と衝突するのを防ぐ。クランクアームを外側に曲げると、Ｑファクタが増加する。欠点は、曲げたクランクアームは弱く、通常はそれをクランクアームの材料を厚くするか、より強い材料を使用することで補われるが、どちらも自転車をより高価にする。

これに対して、補助クランクアーム１８を使用する本発明では、補助クランクアーム１８を追加することで、ライダーの足が自転車フレームの部品との干渉から離れるとともに、曲げられていないクランクアームでもＱファクタが増加するため、クランクアーム１２および補助クランクアーム１８を全く曲げる必要がない。

図１０を参照すると、本発明の非限定的な一実施形態に係る、エクササイズ自転車６９で使用される自転車ペダルアセンブリ１０の簡略図が示されている。これは限定的ではなく、本発明は、任意のサイクリングマシンに実装することができ、それには、エキササイズバイク、インドアおよびアウトドア自転車（マウンテン、ロード、オールテレーン、ダートなど）、エリプティカルマシン、一輪車、トレーニングマシンなどが含まれるが、それらに限定されるものではない。

図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すると、従来技術および本発明の一実施形態の自転車フレームの簡略図がそれぞれ示されており、自転車ペダルアセンブリを使用して、ボトムブラケットを持ち上げるとともに、チェーンステーを短くし、かつ地面からのチェーンリングの高さを上げることが示されている。

補助クランクアーム１８による追加の長さによって、補助クランクアーム１８が地面に衝突するのを防ぐために、主推進アセンブリの取付点、すなわちチェーンリング１４の中心軸を上げなければならない可能性もある。一実施形態では、自転車のフレームのボトムブラケットを地面からより高くなるように上げることによって、それを達成することができる。従来技術とは対照的に、自転車フレームのボトムブラケットは、自転車の後輪の回転中心よりも高い。自転車フレームのボトムブラケットが高くなっているため、より大きな直径のチェーンリング１４（図１および図２）を使用することができる。これには、ライダーの脚の推進力によって生じるトルクが増加するという利点があり、さらに、リアギアセットの最小のギアにより大きな直径を使用することができるという利点もある。これにより、ギアセットの強度、信頼性および寿命が向上する。高くしたことにより、より大きなチェーンリングが地面から同じ距離／間隔に留まる。

ボトムブラケットとチェーンリングを上げる別の利点は、地面からの距離が大きいほど、地面の岩やその他の物体に衝突する可能性が低くなるため、ライダーの安全性が高まることである。

自転車フレームのボトムブラケットとチェーンリング１４の中心軸を上げているため、チェーンステー７０の長さを短くすることができる。実際に、自転車フレームのボトムブラケットを持ち上げなくても、本発明では、チェーンステー７０の長さを短くすることができる。さらに、シートステー７２およびシートポスト７４の長さを短くすることができる。シートチューブも短くすることができる。自転車フレームにこれらの変更を加えることにより、立ち上がったときのフィット感が向上するとともに、ライダーが後輪のより近くに位置するため、自転車の操縦性が向上する。さらに、自転車フレームの形状に変更を加えることにより、自転車の全体重量を減らし、しかも自転車フレームの剛性を高くすることもできる。

本発明の利点の１つは、新規な使い捨て可能かつ／または交換可能な自転車ペダルを提供することである。ペダル自体は、ベアリングやシャフトなしで、定位置にクリック留めするなどして簡単にペダルシャフトに取り付けることができる。ペダルシャフトは殆ど回転しないため、クリック留めで簡単に装着することができる（基本的には押圧力のみである）。ペダルの取り付けに工具は必要ない。装着は、ベアリングやシャフトではなく、ペダル自体にある。

図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すると、ペダルをペダルシャフトに取り付ける前および取り付けた後の、使い捨て可能かつ／または交換可能な自転車ペダルの例示的な一実施形態がそれぞれ示されている。

図６Ａおよび図７Ａを参照して述べたように、ペダル（図１２Ａおよび図１２Ｂではペダル１２２と呼ばれる）は、補助クランクアーム１８の第１のピボット１６とは反対の第２のピボット２０（図１２Ａ）であるペダルシャフトに取り付けられるようにしてもよい。また、前述したように、非限定的な一実施形態では、補助クランク長の調整が、第１のピボット１６に配置された偏心クランク軸３２によって達成される。

ペダル１２２は、ペダル傾斜リミッタ４２を含むことができ、このペダル傾斜リミッタは、第２のピボット２０の軸周りのペダル１２２の傾斜を制限する１または複数の弾性部材を含むことができ、それには、シリンダ、ポスト、ロッド、グロメットおよびバンパなどが含まれるが、それらに限定されるものではない。ペダル傾斜リミッタ４２は、補助クランクアーム１８の下端に形成された円弧状凹部４３に収容されるものであってもよい。ペダル傾斜リミッタ４２をエラストマ材料で作ることにより、ペダル傾斜リミッタ４２が、ライダーの足に伝わる衝撃を減衰させることができるショックアブソーバにもなる。ペダル傾斜リミッタ４２は、第２のピボット２０を中心とするペダル１２２の回転運動を非常に僅かに制限するか、または全く制限しなくともよい。

図１２Ｃに示すように、ペダルの一部の上にスナップ留めされて、ペダルが傾かないように（ペダル傾斜リミッタ４２とともに）ロックするキャッチまたはフック１２８など、追加のペダルリミッタ１２８を設けることができる。

ペダル１２２は、プラスチック材料または他の材料から形成されるものであってもよい。ペダル１２２は、組立および分解を容易にするために、単にシャフト（第２のピボット）２０にクリック留めまたはシャフトから解放されるようにしてもよい。代替的には、図１２Ｄ〜図１２Ｆに示すように、ペダル１２２がシャフト２０の上を滑り動くことができ、シャフト２０がペダル１２２の下側に形成された凹部１２７にカチッと嵌まるものであってもよい。

ペダル１２２は、クリートまたは他の靴要素を受け入れるための開口を備えたプラットフォームなどの足受け部材１２４を含むことができる。

図１４Ａおよび図１４Ｂは、第１のピボット１６を中心に補助クランクアーム１８の回転をロックおよびロック解除するためのロック部材１７０を示している。ロック部材１７０は、第１のピボット１６を中心に揺動する上部および下部の弓状ロックアーム１７２、１７４を含むことができるが、これに限定されるものではない。下部アーム１７４は、リンクアーム１７６によってペダル傾斜リミッタ４２に結合される。下部アーム１７４は、上部アーム１７２上のタブ１８０と係合する（例えば、クリックする）ラグ１７８によって、上部アーム１７２とロック係合され得る。下部アーム１７４は、リンクアーム１７６の適切な上向きの動きによって上部アーム１７２とロック係合状態にされる一方、リンクアーム１７６の適切な下向きの動きによって上部アーム１７２に対してロック解除される。ロック係合状態においては、上部アーム１７２および下部アーム１７４は、第１のピボット１６を締め付けるか、または第１のピボット周囲の摩擦を増加させ（例えば、Ｏリング１８２に対して圧迫し）、それにより、第１のピボット１６の周りの補助クランクアーム１８の回転がロックされる。

Claims (13)

1. クランクアームであって、その一端が自転車の推進軸に回動可能に連結され、その他端が補助クランクアームの一端で第１のピボットに回動可能に連結された、クランクアームと、
   前記補助クランクアームの他端に連結されたペダルと、
   前記ペダルに結合され、前記ペダルの傾斜または回転を制限するように構成されたペダル傾斜リミッタとを備えることを特徴とする足推進機構。
2. 請求項１に記載の足推進機構において、
   前記ペダル傾斜リミッタが、前記補助クランクアームの片側のみに配置されていることを特徴とする足推進機構。
3. 請求項１に記載の足推進機構において、
   前記ペダル傾斜リミッタが、前記補助クランクアームの両側に配置された一対のペダル傾斜リミッタを含むことを特徴とする足推進機構。
4. 請求項１に記載の足推進機構において、
   前記ペダル傾斜リミッタが、前記ペダルの下方の前記補助クランクアームの下端に配置されていることを特徴とする足推進機構。
5. 請求項１に記載の足推進機構において、
   前記ペダル傾斜リミッタの一端が前記ペダルに連結され、前記ペダル傾斜リミッタの他端が前記第１のピボットに連結されていることを特徴とする足推進機構。
6. 請求項１に記載の足推進機構において、
   前記補助クランクアームに連結され、前記補助クランクアームの前面または後面に向かう方向に光を反射または放射するように配置された反射板またはライトをさらに備えることを特徴とする足推進機構。
7. 請求項１に記載の足推進機構において、
   前記補助クランクアームに結合されたセンサをさらに備え、前記センサが、力センサ、回転センサまたは位置センサを含むことを特徴とする足推進機構。
8. 請求項１に記載の足推進機構において、
   前記ペダルまでの前記補助クランクアームの長さを調整するための調整部材をさらに備えることを特徴とする足推進機構。
9. 請求項１に記載の足推進機構において、
   前記補助クランクアームまたは前記ペダルに連結されたショックアブソーバをさらに備えることを特徴とする足推進機構。
10. 請求項９に記載の足推進機構において、
    前記ペダル傾斜リミッタが前記ショックアブソーバを含むことを特徴とする足推進機構。
11. 請求項７に記載の足推進機構において、
    前記回転センサが自転車の電気モータに連結され、前記回転センサが前記ペダルの前方傾斜を検知した場合に、前記電気モータが自転車の前方推進を補助し、前記回転センサが前記ペダルの後方傾斜を検知した場合に、前記電気モータが自転車の前方推進を補助しないことを特徴とする足推進機構。
12. 請求項１に記載の足推進機構において、
    前記第１のピボットを中心とする前記補助クランクアームの回転をロックおよびロック解除するように構成されたロック部材をさらに備えることを特徴とする足推進機構。
13. 請求項１に記載の足推進機構において、
    当該足推進機構が自転車に連結され、前記自転車が、ボトムブラケットを有する自転車フレームと、回転中心をそれぞれ有する前輪および後輪とを備え、前記自転車フレームのボトムブラケットが、前記自転車の後輪の回転中心よりも高いことを特徴とする足推進機構。
    

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