JP4145836B2 - 自転車用変速駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、変速駆動装置、とくに、変速ケーブルなどの伝達部材により連結された自転車用変速装置を電動駆動するための自転車用変速駆動装置に関する。
自転車のディレーラや内装変速ハブなどの変速装置を変速ケーブルなどの伝達部材を介して電動駆動する自転車用の変速駆動装置が従来知られている(たとえば、特許文献1参照)。従来の変速駆動装置は、ケース部材と、ケース部材に装着されたモータと、モータの回転を減速する減速機構と、減速機構に連結されたカム機構と、カム機構により揺動する揺動リンクと、揺動リンクに装着されたインナー係止部とを有している。揺動リンクは円弧状のケーブル巻取面をインナー係止部の手前側に有し、ばね部材によりインナーケーブルを引っ張る方向に付勢されている。
このような構成の従来の変速駆動装置では、変速指令によりモータが回転すると、減速機構を介してカム機構が回転し、カム機構の回動により揺動リンクが揺動してインナーケーブルを出し入れして変速装置を変速動作させる。また、コイルばねの付勢力を揺動リンクに与えることにより、変速装置の戻しばねの力が増大しても、コイルばねによりその力が相殺され、変速動作自転車にモータに必要なトルクを小さくすることができる。このとき、コイルばねのばね力によるトルクは、低速側から高速側への変速で徐々に大きくなるように設定されている。
特許第3423285号公報
前記従来の構成では、コイルばねやリンク機構を設けることにより、ケーブル巻取時に揺動リンクをコイルばねによりケーブル巻取方向に付勢してモータに必要なトルクを低くしているので、モータを小型化できる。しかし、カム機構や付勢機構などの機構が必要になり、構造が複雑になる。
本発明の課題は、簡素な構造で変速に要するモータのトルクを低くすることができるようにすることにある。
発明1に係る自転車用変速駆動装置は、伝達部材により連結された自転車用変速装置を電動駆動するための装置であって、ケース部材と、モータ駆動機構と、部材連結部とを備えている。ケース部材は、自転車のフレームに装着される部材である。モータ駆動機構は、回動軸を有し、ケース部材を装着された機構である。部材連結部は、伝達部材の一端を係止可能な係止部を有し、回動軸に回転不能に装着され、回動中心から伝達部材と直交する方向に延びる腕の長さが回転位相に応じて変化するものである。また、部材連結部は、モータ駆動機構に第1端が回転不能に装着された第1アーム部材と、第1アーム部材の第2端に回動自在に連結され係止部が設けられた第2アーム部材とを有する。
この変速駆動装置では、モータ駆動機構のモータが回転する回動軸が回動し、部材連結部が揺動し、係止部に連結された伝達部材が移動し、自転車用変速装置が電動駆動される。このとき、回動中心から伝達部材と直交する方向に延びる腕の長さが回転位相に応じて変化するので、自転車用変速装置で最も力を要する回転移送で腕の長さが短くなるように部材連結部の回転位相を設定することにより、同じトルクであっても変速装置に作用する力が強くなる。たとえば、外装変速装置の場合、最も大きいスプロケットに変速するときに腕の長さが短くなるように部材連結部の回転位相を設定することにより、同じトルクでも大きな力で変速装置を動作させることができる。このため、モータのトルクを低くすることができる。ここでは、部材連結部が回動中心から伝達部材と直交する方向に延びる腕の長さが変化するように回動軸に装着されているので、簡素な構造で変速に要するモータのトルクを低くすることができる。また、第2アーム部材が第1アーム部材に回動自在に連結されることにより、伝達部材と直交する腕の長さを簡素な構造で変更できる。
発明2に係る自転車用変速駆動装置は、発明1に記載の装置において、第2アーム部材は、係止部と、係止部から円弧状に湾曲し第1アーム部材に連結される湾曲部とを有する。この場合には、係止部から円弧状に湾曲する湾曲部により回動軸をかわすことができ、腕の長さをさらに短くでき、モータのトルクをさらに低減できる。
発明3に係る自転車用変速駆動装置は、発明1又は2に記載の装置において、伝達部材は変速ケーブルであり、係止部は、前記変速ケーブルの一端を係止する。この場合には、伝達部材が可撓性を有する変速ケーブルであるので、係止部の係止構造が簡素になる
発明に係る自転車用変速駆動装置は、発明1からのいずれかに記載の装置において、自転車用変速装置は、高速位置と低速位置とに移動可能であり、第1アーム部材は、高速位置のときの腕の長さが低速位置のときの腕の長さより短くなるように、回動軸に装着されている。
本発明によれば、部材連結部が回動中心から部材連結部に直交する方向に延びる腕の長さが変化するように回動軸に装着されているので、簡素な構造で変速に要するモータのトルクを低くすることができる。また、第2アーム部材が第1アーム部材に回動自在に連結されることにより、伝達部材と直交する腕の長さを簡素な構造で変更できる。
図1において、本発明の一実施形態を採用した自転車101は、ロードレーサであり、フロントフォーク98を有するダイヤモンド形のフレーム102と、フロントフォーク98に固定されたハンドル部104と、チェーン95やペダルPDが装着されたクランク96や前後のディレーラ97f,97rや前後のスプロケット群99f,99r等からなる駆動部105と、フロントフォーク98及びフレーム102後部に装着された前輪及び後輪106f,106rと、前後のブレーキ装置107f,107rと、前後のディレーラ97f,97rを制御する変速制御装置110とを備えている。
ハンドル部104は、ハンドルステム111と、ハンドルステム111の上端で嵌合固定されたハンドルバー112とで構成されている。ハンドルステム111は、フロントフォーク98の上部に嵌合固定されている。ハンドルバー112は、ドロップハンドル型のものであり、左右1対のブレーキレバー113f,113rを備えている。ブレーキレバー113f,113rは、図2から図4に示すように、ハンドルバー112の端部にそれぞれ装着される前後のブレーキブラケット115f,115rと、ブレーキブラケット115f,115rに揺動自在に装着される前後のレバー部材116f,116rとを有している。
ブレーキブラケット115f,115rの内側面及びレバー部材116f,116rの後面には、前後のディレーラ97f,97rの変速操作用の前後の変速操作部120f,120r及び前後の変速操作部121f,121rが各別に設けられている。前変速操作部120f及び後変速操作部120rは、後ブレーキブラケット115r及び前ブレーキブラケット115fに手をおいた状態で変速できるようにするために各別に設けられている。前変速操作部121f及び後変速操作部121rは、後レバー部材116r及び前レバー部材116fに手をおいた状態で変速できるようにするために各別に設けられている。
各変速操作部120f,120r、121f,121rは、中立位置P0と、中立位置P0から下方又は内方に揺動した第1位置P1と、中立位置P0から上方又は外方に揺動した第2位置P2とに揺動自在な変速操作部材125をそれぞれ有している。変速操作部材125は、中立位置P0に向けて付勢されている。また、変速操作部120f,121fには、図6に示すように、前シフトアップスイッチ131f及び前シフトダウンスイッチ132fがそれぞれ内部に設けられている。変速操作部120r,121rにも同様に後シフトアップスイッチ131r及び後シフトダウンスイッチ132rがそれぞれ内部に設けられている。なお、この実施形態では、第1位置P1に変速操作部材125が操作されると前後のシフトアップスイッチ131f,131rがオンし、第2位置P2に変速操作部材125が操作されると前後のシフトダウンスイッチ132f,132rがオンするように構成されている。この組み合わせは適宜に設定される。
変速制御装置110は、図2及び図6に示すように、たとえば、ハンドルバー112の中央に装着されたケース部材126と、ケース部材126に収納されたマイクロコンピュータからなる変速制御部130と、前述した変速操作部120f,120r、121f,121rとを有している。また、変速制御装置110は、ケース部材126に収納された液晶表示部135を有している。変速制御部130には、変速操作部120f,120r、121f,121rを構成する前後のシフトアップスイッチ131f,131r及び前後のシフトダウンスイッチ132f,132rと、フロントフォーク98に装着された速度センサ122と、前後のディレーラ97f,97rと、他の入出力部とが接続されている。速度センサ122は、前輪106fのスポーク106sに装着された磁石123を検知することにより前輪106fの回転を検出する。なお、速度センサ122は無線又は有線で回転信号を変速制御部130に出力する。
変速制御部130は、シフトアップスイッチ131f,131r及び前後のシフトダウンスイッチ132f,132rからの信号及び前後の変速位置センサ133f,133rからの信号に応じて前後のディレーラ97f,97rを変速制御する。また、速度センサ122及び変速位置センサ133f,133rからの信号により液晶表示部135に速度及び変速位置を表示するとともに走行距離を表示する。
駆動部105は、前述したようにチェーン95と、チェーン95の架け換えを行う前後のディレーラ97f,97rと、前後のスプロケット群99f,99rとを含んでいる。フロントディレーラ97fは、フレーム102のシートチューブ102aに設けられ2つの変速位置にチェーン95を案内するディレーラである。フロントディレーラ97fは、図7に示すように、フレーム102のハンガー部102bに装着された本発明の一実施形態による自転車用変速駆動装置であるフロント変速駆動部20に変速ケーブル(伝達部材の一例)21を介して連結されている。なお、この実施形態では、変速ケーブル21は、ボーデン型ケーブルのインナーケーブルだけを用いている。リアディレーラ97rは、フレーム102の後部に設けられ10の変速位置を有する電気制御可能な電動ディレーラである。これらのディレーラ97f,97rは、図示しない電源からの電力が供給されて動作する。各フロント変速駆動部20及びリアディレーラ97rには、図6に示すように、変速位置を検出する変速位置センサ133f,133rが設けられている。
前スプロケット群99fは、図5に示すように、クランク軸の軸方向に並べて配置された歯数が異なる2枚のスプロケットF1,F2を有している。後スプロケット群99rは、後輪のハブ軸に沿った軸方向に並べて配置された歯数が異なる10枚のスプロケットR1〜R10を有している。ここでは、内側にあるスプロケットF1が外側にあるスプロケットF2より歯数の少ない。また、最も内側にあるスプロケットR1から順に歯数が少なくなり、最も外側にあるスプロケットR10が最も歯数が少ない。前後のディレーラ97f,97rは、チェーン95を複数のスプロケットF1,F2,R1〜R10のいずれかに移動させて変速動作を行う。この変速操作は、変速操作部120f,120r、121f,121rにより行われる。
フロントディレーラ97fは、図7〜図10に示すように、シートチューブ102aに装着されたベースブラケット40と、ベースブラケット40に対して接離する変速方向に移動自在なチェーンガイド41と、ベースブラケット40とチェーンガイド41とを回動自在に連結する、互いに平行に配置された内リンク42及び外リンク43とを主に有している。また、フロントディレーラ97fは、外リンク43からベースブラケット40から離れかつシートチューブ102aに近づく方向に延びる第1アーム部44と、ベースブラケット40と第1アーム部の先端とに両端が連結され、チェーンガイド41をシートチューブ102aに接近する方向に付勢するコイルばね45と、外リンク43からシートチューブ102aに接近する方向に延び先端に変速ケーブル21が係止される第2アーム部46とをさらに有している。なお、図9では、チェーンガイド41が外側に位置するフロントディレーラ97fが高速位置に配置された状態を示し、図10では、チェーンガイド41が内側に位置するフロントディレーラ97fが低速位置に配置された状態を示している。
ベースブラケット40は、図7に示すように、第1ベース部材50と、第1ベース部材50に開閉自在に装着され、第1ベース部材50とでシートチューブ102aを抱き込む第2ベース部材51とを有している。第1ベース部材50には、コイルばね45の上端を係止する突出した軸形状のばね係止部50aが上部に設けられているとともに、ばね係止部50aの下方に内リンク42が揺動自在に装着される1対の内リンク支持部50bが設けられている。また、内リンク支持部50bの斜め上方に外リンク43が揺動自在に装着された1対の外リンク支持部50cが設けられている。
チェーンガイド41は、内リンク42及び外リンク43の下端に揺動自在に連結されている。チェーンガイド41はチェーン95を2つの変速位置のいずれかに案内する。
内リンク42は、ベースブラケット40がシートチューブ102aに装着された状態でベースブラケット40の下方に配置され、ベースブラケット40とチェーンガイド41とに両端が回動自在に連結されたものである。内リンク42は、1対の内リンク支持部50bの間に一端が揺動自在に連結されている。内リンク42の他端にはチェーンガイド41が揺動自在に連結されている。
外リンク43は、内リンク42よりベースブラケット40から離れる位置でベースブラケット40の外リンク支持部50cとチェーンガイドと41に両端が回動自在に連結され、内リンク42と平行に配置されたリンクである。外リンク43の中間部が外リンク支持部50cに揺動自在に連結されており、そこから一端に向けてシートチューブ102aに向かって湾曲して延びる第2アーム部46が一体形成されている。第2アーム部46の延びた先端には、変速ケーブル21をボルト止めするケーブル係止部43aが設けられている。ケーブル係止部43aには、固定ボルト52と耳付き座金53とが装着されており、耳付き座金53とケーブル係止部43aとの間に変速ケーブル21の端部を装着し、固定ボルト52を締め込むことにより、変速ケーブル21の一端が係止される。
外リンク43のリンク支持部分の間から、第1アーム部44が延びている。第1アーム部44は、コイルばね45をベースブラケット40との間で係止するために設けられている。したがって、第1アーム部44の先端には、コイルばね45の下端を係止する突出した軸形状のばね係止部44aが設けられている。
ここで、第1アーム部44の先端は、フロントディレーラ97fが、図10に示す低速位置から図9に示す高速位置に移動したとき、第1アーム部44がチェーンガイド41に干渉することなく、かつ外リンク43の回動中心である外リンク支持部50cの回動中心にコイルばね45が最も接近するように配置されている。このように、コイルばね45を外リンク43の回動中心に近づけることにより、ばねの延び量が少なくなり、最もコイルばね45が延びてその付勢力が強くなる高速位置(チェーンガイド41がスプロケットF2に接近した位置)付近での操作力(変速ケーブルを引っ張る力)が少なくて済む。したがって、変速操作部で変速ケーブルを引っ張り操作する際には、そのときの操作力が小さくなり、本実施形態のようにフロント変速駆動部20によりモータで変速動作させる場合には、変速に必要なモータのトルクを低減することができる。
フロント変速駆動部20は、図7、図11及び図12に示すように、たとえば自転車101のフレーム102のハンガー部102bに装着されるケース部材60と、回動軸70を有し、ケース部材60に装着されたモータ駆動機構61と、変速ケーブル21を連結するケーブル連結部62とを有している。なお、図11は、低速位置(チェーンガイド41がスプロケットF1側)にあるときを示し、図12は、フロントディレーラ97fが高速位置(チェーンガイド41がスプロケットF2側)にある時を示している。ケース部材60は内部にモータ駆動機構61を収納可能な空間を有する部材であり、ハンガー部102bに固定された取付ブラケット71に装着されている。
モータ駆動機構61は、モータ72と、モータ72と回動軸70との間に配置された減速機構73と、変速制御部130からの指令に応じてモータ72を駆動するモータ駆動回路74とを有している。
減速機構73は、モータ72の回転を減速して回動軸70に伝達するものであり、モータ72の出力軸72aに回転自在に装着されたウォームギア81と、ウォームギア81に噛み合うウォームホイール82と、ウォームホイール82と同芯に配置された第1小径ギア83とを有している。また、減速機構73は、第1小径ギア83に噛み合う第1大径ギア84と、第1大径ギア84と同芯に配置された第2小径ギア85と、第2小径ギア85に噛み合う第2大径ギア86とを有している。この第2大径ギア86に回動軸70が設けられている。また、第2大径ギア86及びその対向するケース部材60の内側面には、変速位置を検出する(第2大径ギア86の回転位置を検出する)前述した前変速位置センサ133fが設けられている。ここでは、ロック機能を有するウォームギア81とウォームホイール82とを用いて減速しているので、出力側に力が作用しても減速機構73が回転しなくなり、ケーブル連結部62を低速位置と高速位置とに確実に位置決めできる。
モータ駆動回路74は、たとえばFET等の電子部品を用いてモータをPWM駆動する。モータ駆動回路74は、変速制御部130からの指令に応じてモータ72を駆動する。
ケーブル連結部62は、回動軸70に回転不能に装着され、回動中心O1から変速ケーブル21と直交する方向に延びる腕ARの長さLが回転位相に応じて変化するものである。なお、図11及び図12では、回動中心O1から変速ケーブル21の延長線21bに対して直交する方向に延びる腕ARを示している。ケーブル連結部62は、回動軸70に基端が回転不能に装着された第1アーム部材90と、第1アーム部材90の先端に回動自在に連結され、先端に変速ケーブル21の他端に設けられた円柱部21aを係止可能なケーブル係止部92を有する第2アーム部材91とを有している。
第1アーム部材90は、板状の部材であり、回動中心O1から径方向外方に延びている。第1アーム部材90の基端側は、取付ブラケット71及びケース部材60により両側が支持されている。
第2アーム部材91は、前述したケーブル係止部92と、ケーブル係止部92から円弧状に湾曲し、第1アーム部材90に連結される湾曲部93とを有している。第2アーム部材91は、第1アーム部材90の先端両面を挟むように第1アーム部材90に連結されている。したがって、第2アーム部材91には溝部91aが形成されている。このように第2アーム部材91に湾曲部93を設けることにより、図12に示すように、フロントディレーラ97fを高速位置に移動させるとき、変速ケーブル21を回動軸70に干渉させることなく、腕ARの長さを短くすることができる。このため、同じトルクをモータ72が発生しても変速ケーブル21に作用する力が強くなり、より低いトルクのモータ72で強い力が必要な高速位置への変速を行える。また、フロントディレーラ97fを低速位置側に配置させるときは、腕ARの長さLは高速位置のときより長くなり、変速ケーブル21に作用する力は弱くなる。
このような構成のフロント変速駆動部20では、フロントディレーラ97fが低速位置にある状態で前変速操作部120f,121fのいずれかの操作により、前シフトアップスイッチ131fがオンすると、モータ72が一方向に回転してケーブル連結部62が図11に示す低速位置から図12に示す高速位置に移動する。この結果、変速ケーブル21が引っ張られてフロントディレーラ97fが図10に示す低速位置から図9に示す高速位置に移動する。このとき、低速位置での腕ARの長さLが回転位相に応じて徐々に短くなり、高速位置では腕ARの長さLが最小になる。この結果、低速位置から高速位置にケーブル連結部62が回動すると、変速ケーブル21に作用する力が徐々に強くなる。
一方、フロントディレーラ97fが高速位置にある状態で前変速操作部120f,121fのいずれかの操作により、前シフトダウンスイッチ132fがオンすると、モータ72が他方向に回転してケーブル連結部62が図12に示す高速位置から図11に示す低速位置に移動する。この結果、変速ケーブル21に力が作用しなくなり、フロントディレーラ97fがコイルばね45の付勢力により図9に示す高速位置から図10に示す低速位置に移動する。
ここでは、ケーブル連結部62が回動中心O1から変速ケーブル21に直交する方向に延びる腕ARの長さLが変化するように回動軸70に装着されているので、簡素な構造で変速に要するモータ72のトルクを低くすることができる。
また、フロントディレーラ97fにおいても、第1アーム部44の先端は、フロントディレーラ97fが、図10に示す低速位置から図9に示す高速位置に移動したとき、第1アーム部44がチェーンガイド41に干渉することなく、かつ外リンク43の回動中心である外リンク支持部50cの回動中心にコイルばね45が最も接近するように配置されている。このように、コイルばね45を外リンク43の回動中心に近づけることにより、ばねの延び量が少なくなり、最もコイルばね45が延びてその付勢力が強くなる高速位置(チェーンガイド41がスプロケットF2に接近した位置)付近での操作力(変速ケーブルを引っ張る力)が少なくて済む。
〔他の実施形態〕
(a) 前記実施形態では、フロントディレーラ97fを駆動する変速駆動装置を例示したが、変速駆動装置は、リアディレーラ97rの駆動用のものでもよく、また内装変速装置を駆動するものであってもよい。
(b) 前記実施形態では、ウォームギア81とウォームホイール82とによりケーブル連結部62に力が作用してもモータ72が回転しないように位置決め及びロックするとともに減速したが、減速とロック及び位置決めとを分けて、たとえばロック爪等によりケーブル連結部62の位置決め及びロックを行ってもよい
(c) 前記実施形態では、伝達部材として変速ケーブルを例示したが、伝達部材はリンやロッド等の他の部材でもよい。
本発明の一実施形態が採用された自転車の側面図 そのハンドル部分の正面図。 その後ブレーキレバーの側面図。 その後ブレーキレバーの正面図。 前後のスプロケット群の模式的配置図。 変速制御装置の構成を示すブロック図。 フロントディレーラ周りの斜視図。 フロントディレーラの側面図。 高速位置に配置されたフロントディレーラの背面図。 低速位置に配置されたフロントディレーラの背面図。 低速位置に配置されたフロント変速駆動部の側面図。 高速位置に配置されたフロント変速駆動部の側面図
符号の説明
20 フロント変速駆動部
21 変速ケーブル(伝達部材の一例)
60 ケース部材
61 モータ駆動機構
62 ケーブル連結部(部材連結部の一例)
70 回動軸
90 第1アーム部材
91 第2アーム部材
92,192 係止部
93 湾曲部
97f フロントディレーラ(自転車用変速装置の一例)
101 自転車
102 フレーム
102b ハンガー
R 腕
L 長さ
O1 回動中心

Claims (4)

  1. 伝達部材により連結された自転車用変速装置を電動駆動するための自転車用変速駆動装置であって、
    前記自転車のフレームに装着されるケース部材と、
    回動軸を有し、前記ケース部材に装着されたモータ駆動機構と、
    前記伝達部材の一端を係止可能な係止部を有し、前記回動軸に回転不能に装着され、回動中心から前記伝達部材と直交する方向に延びる腕の長さが回転位相に応じて変化する部材連結部と、を備え、
    前記部材連結部は、
    前記モータ駆動機構に第1端が回転不能に装着された第1アーム部材と、
    前記第1アーム部材の第2端に回動自在に連結され前記係止部が設けられた第2アーム部材とを有する、自転車用変速駆動装置。
  2. 前記第2アーム部材は、
    前記係止部と、
    前記係止部から円弧状に湾曲し前記第1アーム部材に連結される湾曲部とを有する、請求項1に記載の自転車用変速駆動装置。
  3. 前記伝達部材は変速ケーブルであり、前記係止部は、前記変速ケーブルの一端を係止する、請求項1又は2に記載の自転車用変速駆動装置。
  4. 前記自転車用変速装置は、高速位置と低速位置とに移動可能であり、
    前記第1アーム部材は、前記高速位置のときの前記腕の長さが前記低速位置のときの前記腕の長さより短くなるように、前記回動軸に装着されている、請求項1からのいずれか1項に記載の自転車用変速駆動装置。
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