JP3206460U - 自転車用変速ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】自転車の後輪側だけで完結できる、電気制御による変速システムを有する自転車用変速ユニットを提供する。【解決手段】自転車用変速ユニットは、ハブ軸４６に回転不能に装着されるモータユニット２４を備えている。モータユニット２４は、内装変速ハブ２２を変速させるためのモータと、回転速度検出センサ５６と、を有している。【選択図】図５

Description

本考案は、電気制御による変速システムを有する自転車用変速ユニットに関する。

近年、自転車は種々の電気部品を備えており、電機制御による変速システムを備えたものが提供されている。これらの電気制御による変速システムは、自転車の走行状態に基づいて自動的に動作可能であり、又は乗り手によって要望通りに手動で動作可能である。このような電気制御による変速システムは、自転車の前輪及び後輪に、主に、変速機と、モータと、発電機と、速度検出センサなどを備えている。例えば、特許文献１には、自転車の後輪側に内装変速ハブとモータとが配置され、自転車のチェーンテンショナによってモータを駆動するための電気エネルギを生成する構成が開示されている。

特許第５３５８００３号公報

特許文献１には、回転速度を検出するための装置を用いた構成は開示されていないが、電気制御による変速システム、特に自動変速を実現するには、自転車の回転速度を検出するための装置（例えば、速度検出センサ）が必要になる。一般的に、自動変速システムを採用した自転車は、主に前輪のハブに回転速度を検出するための装置が設けられるため、電機制御による変速システムを実現するためのユニットを後輪側で全て完結することができない。

本考案の課題は、電気制御による変速システムを有する自転車用変速ユニットを自転車の後輪側だけで完結できるようにすることにある。

（１）本考案の一側面に係る自転車用変速ユニットは、内装変速ハブを変速させるためのモータと、回転速度検出センサと、を有し、ハブ軸に回転不能に装着されるモータユニットを備えている。

この自転車用変速ユニットでは、モータユニットが回転速度検出センサを有しており、後輪側で自転車の回転速度の検出を行うことができる。これにより、自転車用変速ユニットを自転車の後輪側だけで完結することができる。

（２）好ましくは、少なくとも１つの磁石を有し、ハブ軸に装着され、内装変速ハブと同期して回転する回転部材をさらに備え、回転速度検出センサは磁石に対して対向して配置される。この場合は、回転速度検出センサに対向する磁石によって回転速度を検出するため、正確な回転速度の検出を行うことができる。

（３）好ましくは、磁石は回転部材のモータユニットと対向する面に配置される。

（４）好ましくは、磁石は対向する面の外周部に配置される。

（５）好ましくは、回転部材はチェーンガイドである。この場合は、内装変速ハブと同期して回転する回転部材を別途設ける必要がなくなるため、部品点数の削減を図ることができる。

（６）好ましくは、内装変速ハブに入力される動力伝達部材の回転によってモータを駆動するための電気エネルギを生成する発電機をさらに備える。

（７）好ましくは、発電機はモータユニットに設けられる。この場合は、発電機を含む自転車用変速ユニットを自転車の後輪側だけで完結することができる。

（８）好ましくは、動力伝達部材にはチェーンを含み、チェーンを支持するチェーンテンショナをさらに備え、発電機はチェーンテンショナに設けられる。この場合も前記と同様に、発電機を含む自転車用変速ユニットを自転車の後輪側だけで完結することができる。

（９）好ましくは、チェーンテンショナは、チェーンによって回転されるプーリ部材を有し、発電機は、プーリ部材の回転によって電気エネルギを生成する。

（１０）好ましくは、チェーンテンショナは、プーリ部材の回転による回転速度を検出する入力側回転速度検出部をさらに有し、回転速度検出センサは、内装変速ハブの出力側の回転速度を検出する。この場合は、入力側の回転数検出を行うことで、入力側と出力側との速度情報を比較することができる。これにより、正確なハブのギア段数を検出することができる。また、協調制御等に利用することもできる。

（１１）好ましくは、チェーンテンショナは、発電機によって生成された電気エネルギを蓄積する蓄電ユニットをさらに有し、蓄電ユニットは発電機に電気的に連結される。

（１２）好ましくは、回転速度検出センサは、内装変速ハブの回転速度を検出する。

本考案によれば、電気制御による変速システムを有する自転車用変速ユニットを自転車の後輪側だけで完結することができる。

本考案の第１実施形態が採用された自転車の後輪部分の部分側面図。 本考案の第１実施形態が採用された自転車のハンドル部分の斜視図。 本考案の第１実施形態が採用された制御装置の全体構成を示す概略ブロック図。 第１実施形態におけるモータユニットと内装変速ハブの斜視図。 図４とは逆側から見たモータユニットと内装変速ハブの斜視図。 チェーンテンショナ装置の斜視図。 チェーンテンショナ装置のプールの分解斜視図。 本考案の第２実施形態が採用された自転車の後輪部分の部分側面図。 本考案の第２実施形態が採用された制御装置の全体構成を示す概略ブロック図。 第２実施形態におけるモータユニットと内装変速ハブの斜視図。 図１０とは逆側から見たモータユニットと内装変速ハブの斜視図。

［第１実施形態］
＜自転車の駆動部の構成＞
図１及び図２は、本考案の第１実施形態である自転車用変速ユニット１２を備えた自転車１０の一部を示している。自転車１０は、主に、自転車１０の本体を構成するフレーム１４と、フレーム１４に回転可能に取り付けられる前輪（図示せず）および後輪１６と、前輪の向きを変更するためのハンドル１８と、ドライブトレイン２０と、内装変速ハブ２２と、モータユニット２４と、チェーンテンショナ２６と、を備えている。

ハンドル１８には、コンピュータユニット２８が装着されている。コンピュータユニット２８は、自転車１０の速度、走行距離、ペダルの動作速度など種々のパラメータを測定、計算、表示する自転車用コンピュータである。

コンピュータユニット２８には、ハンドル１８に設けられた入力装置３０がワイヤ３２により接続されている。入力装置３０は内装変速ハブ２２を遠隔操作するためのものである。入力装置３０を、ワイヤ３２によってあるいは無線通信を通じてチェーンテンショナ２６に接続することもできる。入力装置３０が無線通信によって自転車１０のチェーンテンショナ２６に接続される場合、ワイヤ３２や配線ハーネス３４は必要ではない。

ドライブトレイン２０は、フロントクランクセット３６と、チェーン３８と、を有している。チェーン３８は、フロントクランクセット３６のチェーンリング４０と内装変速ハブ２２のスプロケット４２とに係合する。スプロケット４２は、内装変速ハブ２２の駆動部の一例である。

内装変速ハブ２２は、図４及び図５に示すように、１対のナット４４によって自転車１０のフレーム１４の後輪１６部分に装着されるとともに、内装変速ハブ２２の回転軸となるハブ軸４６に回転可能に支持されている。また、内装変速ハブ２２は、ドライブトレイン２０の一部を構成している。内装変速ハブ２２は、ハブシェル４８と、遊星ギア変速機（図示せず）と、を有している。ハブシェル４８はハブ軸４６の周囲で回転する。すなわち、ハブ軸４６はハブシェル４８の回転軸である。遊星ギア変速機は、ハブシェル４８内に配置されており、周知の方法で複数の動力伝達経路を通じてハブシェル４８にチェーン３８からの駆動力を伝達する。内装変速ハブ２２は既知の構造であるため、詳細な説明は省略する。

＜チェーンガイド＞
内装変速ハブ２２の出力側には、図４及び図５に示すように、内装変速ハブ２２と同期して回転するチェーンガイド５０（回転部材の一例）が配置されている。詳細には、チェーンガイド５０は、ハブシェル４８とスプロケット４２との間に配置されている。チェーンガイド５０は、スプロケット４２と係合するチェーン３８の脱落を防ぐための環状の部材である。チェーンガイド５０は、モータユニット２４と対向する面の外周部に、少なくとも１つの磁石５２を有している。ここでは、４つの磁石５２が周方向に一定の間隔で配置されている。

＜モータユニット＞
モータユニット２４は、図４及び図５に示すように、ハブ軸４６に回転不能に支持されている。詳細には、モータユニット２４の中心部には貫通孔及び貫通孔の内周面にノッチ２５ａを有する装着部２５が設けられている。一方、装着部２５の貫通孔を貫通するハブ軸４６の外周部には突起部４６ａが形成され、この突起部４６ａと装着部２５のノッチ２５ａが係合している。このようにしてハブ軸４６のモータユニット２４が回転不能に装着された状態で、ナット５３によってモータユニット２４がハブ軸４６に固定されている。モータユニット２４の内部構成は既知の構造であるため、詳細な説明は省略する。

モータユニット２４は、図３に示すように、内装変速ハブ２２を変速させるためのモータ５４と、回転速度検出センサ５６と、ポテンショメータ５８と、を有している。モータ５４は、例えばギア減速ユニット（図示せず）を有するＤＣモータあるいは三相ブラシレスＤＣモータである。

回転速度検出センサ５６は、内装変速ハブ２２の出力側の回転速度を検出するためのものである。回転速度検出センサ５６は、例えばホール素子等によって構成される。回転速度検出センサ５６は、図５に示すように、チェーンガイド５０の磁石５２と対向する位置に配置されている。チェーンガイド５０の磁石５２とモータユニット２４の回転速度検出センサ５６とを対向させることで、内装変速ハブ２２の出力側の回転速度を検出することができる。検出された回転速度は、モータユニット２４から後述するモータ制御部６６に送信される。

ポテンショメータ５８は、モータ５４のギア減速ユニットの可動部に連結される。ポテンショメータ５８は、ギア減速ユニットの可動部の現在のポジションを示す信号を出力し、これにより、入力装置３０からの切換信号に基づいて内装変速ハブ２２をシフトアップ、又はシフトダウンさせるようモータユニット２４を動作させることができる。

＜チェーンテンショナ＞
チェーンテンショナ２６は、チェーン３８を支持するための装置であるとともに、ここでは内装変速ハブ２２を電気的に駆動させるための電力を生成する。図３及び図６に示すように、チェーンテンショナ２６は、ベース部材６０と、プーリ部材６２と、蓄電ユニット６４と、モータ制御部６６と、変速通信ユニット６８と、を有している。

ベース部材６０は、フレーム取付部７０と、アーム部７２と、を有している。フレーム取付部７０は、フレーム取付用のボルト７４が挿入される開口部７０ａを有している。ボルト７４は、フレーム取付部７０の開口部７０ａを貫通し、フレーム１４のハンガー部に形成されたネジ孔１４ａに螺合する。これにより、フレーム取付部７０は、フレーム１４に固定される。

アーム部７２は、ボルト７５によってフレーム取付部７０に固定されている。アーム部７２は、フレーム取付部７０に固定される第１端部と、プーリ部材６２を回転可能に支持する第２端部と、を有する。アーム部７２は、第１端部と第２端部との間で所定の方向に延びている。アーム部７２の第２端部には、プーリ部材６２を回転可能に支持するためのピボットシャフト７６が形成されている。

プーリ部材６２は、プーリ７８と、１対のプーリガイド８０と、発電機８２と、を有している。プーリ７８は、チェーンテンショナ２６のベース部材６０によって支持されている。詳細には、プーリ７８はベース部材６０のアーム部７２のピボットシャフト７６に回転可能に支持されている。図７に示すように、プーリ７８は、チェーン３８と係合する複数のチェーン係合歯７８ａと、少なくとも１つの磁石８４（ここでは４つ）と、を有している。磁石８４は、プーリ７８のプーリガイド８０と対向する一方の側面に配置されている。

１対のプーリガイド８０は、図６に示すように、チェーン３８をプーリ７８に案内するためのものであり、プーリ７８の軸方向に対向する側部に配置される円板状の部材である。１対のプーリガイド８０の一方には、プーリ７８の磁石８４と対向する位置に、プーリ７８の回転速度を検出するための入力側回転速度検出センサ８６が配置されている。

入力側回転速度検出センサ８６は、例えばホール素子等により構成される。入力側回転速度検出センサ８６を、チェーン３８の駆動によって回転するプーリ７８の磁石８４と対向する位置に配置することで、入力側の回転速度を検出することができる。検出された回転速度は、モータユニット２４から後述するモータ制御部６６に送信される。

発電機８２は、チェーン３８によって回転されるプーリ７８の回転に応じて電気エネルギを生成する。発電機８２は、蓄電ユニット６４に電気的に接続されており、発電機８２によって生成された電気エネルギが蓄電ユニット６４に供給される。

図７に示すように、発電機８２は、ロータ８８と、ステータ９０と、カバー９２と、を有している。ロータ８８は、プーリ７８に固定されて、プーリ７８とともに回転する。ステータ９０は、アーム部７２のピボットシャフト７６に回転不能に装着される。カバー９２は、その一部に設けられた複数の弾性爪によるスナップフィット連結によってプーリ７８に固定される。ロータ８８およびステータ９０は、カバー９２およびプーリ７８によって形成された空間に配置される。ロータ８８は、一定の磁界を生成するため複数の永久磁石９４を有する。ステータ９０は複数の電機子巻線を有し、これにより、電機子巻線がロータ８８上の永久磁石９４の磁界を通るとき、電流が生成される。

このように、ロータ８８およびステータ９０は、発電機８２を形成し、プーリ７８の回転を電気エネルギに変換する。具体的には、ロータ８８がステータ９０の周囲を回転して、これにより、チェーン３８によって回転されるプーリ７８に応じて電気エネルギが生成される。

また、図３に示すように、チェーンテンショナ２６には電力制限回路９６が設けられている。電力制限回路９６は、発電機によって生成される交流（ＡＣ）を直流（ＤＣ）に変換するための整流器９６ａを有し、電気エネルギを交流から直流に変換するとともに電力を制限する。

図６に示すように、蓄電ユニット６４、モータ制御部６６および変速通信ユニット６８は、ベース部材６０上に配置されており、これらには、外部からの水濡れや埃などを防ぐためのアームカバー７２ａが装着されている。また、蓄電ユニット６４およびモータ制御部６６は、図１に示す電気ケーブル９８によってモータユニット２４に接続されている。

蓄電ユニット６４は、内装変速ハブ２２および他の電気的な自転車部品のための電源として機能する電気エネルギ蓄積デバイスあるいは蓄積要素を構成する。蓄電ユニット６４は例えばニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池とすることができる。

図３に示すように、モータ制御部６６は、蓄電ユニット６４に電気的に接続されて、蓄電ユニット６４に蓄積された電気エネルギを受け取る。モータ５４はモータ制御部６６に機能的に連結されて、モータ制御部６６からの制御信号に応じて動作する。具体的には、ポテンショメータ５８からの信号に基づいて、蓄電ユニット６４に蓄積された電気エネルギのモータ５４への供給を制御することによって、モータ制御部６６はモータ５４を動作させる。

また、モータ制御部６６は、モータユニット２４の回転速度検出センサ５６およびプーリガイド８０の入力側回転速度検出センサ８６から、それぞれのセンサが検出した回転速度に関する信号を受け取る。これにより、入力側（入力側回転速度検出センサ８６）と出力側（回転速度検出センサ５６）の速度情報を比較することで、実際の変速段数を検出することができる。また、協調制御等にも利用することができる。さらに、この場合はポテンショメータ５８を設ける必要がない。

変速通信ユニット６８は、モータ制御部６６に機能的に連結されて、変速通信ユニット６８の受信機１００が受け取ったモータ動作信号をモータ制御部６６に送信する。これにより、モータ制御部６６がモータユニット２４を動作させて内装変速ハブ２２を変速させる。このように、ライダーは、入力装置３０を操作することによって、内装変速ハブ２２を容易にシフトアップまたはシフトダウンできる。

［第２実施形態］
図８は、本考案の第２実施形態である自転車用変速ユニット１１２を備えた自転車１１０の一部を示している。第１実施形態と異なり、第２実施形態では、発電機１８２がモータユニット１２４に設けられている。また、第２実施形態では、チェーンテンショナ２６は含まれていない。これら以外は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるため、以下からは第１実施形態と異なる構成、特にモータユニット１２４の構成について主に説明する。なお、第１実施形態と同様の部材については同じ符号を付している。

モータユニット１２４は、ハブ軸４６に回転不能に装着されている。モータユニット１２４は、図９に示すように、モータ５４と、ポテンショメータ５８と、回転速度検出センサ５６と、蓄電ユニット６４と、モータ制御部６６と、変速通信ユニット６８と、回転受け部材１０４と、発電機１８２と、を有している。回転受け部材１０４および発電機１８２以外の構成は、モータユニット１２４内に配置されたことを除いて、第１実施形態とほぼ同様の構成であるため、説明を省略する。

回転受け部材１０４（図１０，図１１では表れていない）は、モータユニット１２４内に配置され、図１１に示すように、内周側にタブ１０５（ここでは３つ）を有している。タブ１０５は、スプロケット４２と同期して回転する回転部１０７のノッチ１０７ａと係合する。これにより、回転受け部材１０４は、チェーン３８の回転によって回転する。

発電機１８２は、回転受け部材１０４に連結されており、回転受け部材１０４の回転によって電気エネルギが生成される。発電機の内部構造については、既知の構造であるため、詳細な説明は省略する。

第２実施形態においても、図１０及び図１１に示すように、チェーンガイド５０の磁石５２と、モータユニット１２４の回転速度検出センサ５６とが、お互いに対向する位置に配置されている。これにより、内装変速ハブ２２の出力側の回転速度を検出することができる。

［他の実施形態］
本考案は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本考案の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

（ａ）回転部材は、チェーンガイド５０に限定されるものではなく、内装変速ハブ２２やチェーン３８およびスプロケット４２等と同期して回転する他の部材でもよい。

（ｂ）第２実施形態に、チェーンテンショナを設けて、第１実施形態のチェーンテンショナ２６が有する入力側回転速度検出センサ８６の構成を含めてもよい。

（ｃ）第２実施形態の回転受け部材１０４に磁石を有し、モータユニット１２４の回転受け部材１０４の磁石と対向する位置に、回転受け部材１０４の回転速度を検出するための入力側回転速度検出センサが配置されていてもよい。

１２ 自転車用変速ユニット
２２ 内装変速ハブ
２４，１２４ モータユニット
２６ チェーンテンショナ
３８ チェーン
４６ ハブ軸
５０ チェーンガイド（回転部材の一例）
５２ 磁石
５４ モータ
５６ 回転速度検出センサ
６２ プーリ部材
６４ 蓄電ユニット
８２，１８２ 発電機
８６ 入力側回転速度検出センサ

Claims (12)

1. ハブ軸に装着される内装変速ハブを駆動するための自転車用変速ユニットであって、
   前記内装変速ハブを変速させるためのモータと、回転速度検出センサと、を有し、前記ハブ軸に回転不能に装着されるモータユニットを備えた自転車用変速ユニット。
2. 少なくとも１つの磁石を有し、前記ハブ軸に装着され、前記内装変速ハブと同期して回転する回転部材をさらに備え、
   前記回転速度検出センサは前記磁石に対して対向して配置される、請求項１に記載の自転車用変速ユニット。
3. 前記磁石は、前記回転部材の前記モータユニットと対向する面に配置される、請求項２に記載の自転車用変速ユニット。
4. 前記磁石は、前記対向する面の外周部に配置される、請求項３に記載の自転車用変速ユニット。
5. 前記回転部材はチェーンガイドである、請求項２から４のいずれか１項に記載の自転車用変速ユニット。
6. 前記内装変速ハブに入力される動力伝達部材の回転によって前記モータを駆動するための電気エネルギを生成する発電機をさらに備える、請求項１に記載の自転車用変速ユニット。
7. 前記発電機はモータユニットに設けられる、請求項６に記載の自転車用変速ユニット。
8. 前記動力伝達部材にはチェーンを含み、前記チェーンを支持するチェーンテンショナをさらに備え、
   前記発電機は前記チェーンテンショナに設けられる、請求項６に記載の自転車用変速ユニット。
9. 前記チェーンテンショナは、前記チェーンによって回転されるプーリ部材を有し、
   前記発電機は、前記プーリ部材の回転によって前記電気エネルギを生成する、請求項８に記載の自転車用変速ユニット。
10. 前記チェーンテンショナは、前記プーリ部材の回転による回転速度を検出する入力側回転速度検出部をさらに有し、
    前記回転速度検出センサは、前記内装変速ハブの出力側の回転速度を検出する、請求項９に記載の自転車用変速ユニット。
11. 前記チェーンテンショナは、前記発電機によって生成された電気エネルギを蓄積する蓄電ユニットをさらに有し、
    前記蓄電ユニットは前記発電機に電気的に連結される、請求項８から１０のいずれか１項に記載の自転車用変速ユニット。
12. 前記回転速度検出センサは、前記内装変速ハブの回転速度を検出する、請求項１から１１のいずれか１項に記載の自転車用変速ユニット。

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