JP4446331B2 - 人力駆動機構。 - Google Patents

Description

本発明は、主に背もたれ付きの座席を装備し，脚を前に投げ出し座席の前方にあるペダルを駆動し，その反力を背もたれで受けとめることが出来る構造を有する所謂リカンベントと称されている人力２輪車、３輪車、４輪車等の自転車および人力で駆動されるボート、飛行機等の人力乗り物およびトレーニング機器等の人力駆動機構に関する。
本発明で、人力駆動機構とは、人力を人力乗物もしくはトレーニング機器等の変速機構もしくは車輪、プロペラ等の推進手段もしくは動力吸収手段（トレーニング機器等の場合）に動力を伝達するリカンベント型駆動機構のことをいう。

通常のリカンベント型自転車は，背もたれ付きの座席を装備し，脚を前に投げ出し座席の前方にあるペダルを真円軌道に沿って回転させ，その反力を背もたれで受けとめることが出来る構造を基本としている。 この形式によれば、上体は仰向けに腰掛けることが出来通常自転車に比べて圧倒的な開放感を感じることができる。 また性能的には前面投影面積を減ずることができるので空気抵抗が減少し、平坦地では通常自転車に比し、楽に速度を出すことが可能である。 そのことを体感してしまうと，もはや従来型自転車に乗ることが出来なくなってしまう人も多い。 このため、リカンベントの市場が急速に拡大している。
ところがリカンベント型自転車においては、平坦地で高速化が図れる反面、登坂では速度を出せないという問題を有する。 このことはリカンベント型自転車においては従来型自転車に比して脚からのパワーの発生が小さいということに起因する。 登坂時においては低速走行を余儀なくされるが、このような状況ではリカンベント型自転車の空気抵抗が小さいというメリットがなくなり、発生パワーが小さいというデメリットが表に出てくるからである。 脚からのパワーの発生が通常自転車に比して小さいのは、次のような理由によるものである。 すなわち、通常自転車では人間の普通の動きである歩行、走行に近い動きをしながら脚を下方に伸ばしてパワーを発生させているのに対して、リカンベント型自転車ではフロアに座って脚を前方に伸ばして空中で足を回転させるという凡そ通常の人間生活ではしないような動きをしていることと、足からペダルに最も効率的に力が伝えられるのは瞬間で、殆どの期間足からペダルには力が伝えられにくく、背もたれも大きな反力を持続的に発生させるようには機能していない。
これらの通常のリカンベント型自転車でのパワー不足を改善するため、駆動機構の改良の試みがなされている。 すなわち回転運動に伴って力を発生させるのではなく、股関節と踝とを結ぶ方向に真直ぐに力を発生させ、大きな力が一定期間続くような駆動機構を有する自転車がオランダのThijs Industrial
Designs社によってRowingbikeという商品名で販売されている。 この自転車は同社のウェブサイトにおいて詳しく紹介されており、ボート漕ぎのように腕を引き、脚を尻の下から踝の先を結ぶ直線に沿って直線的に屈伸させることによりパワーを発生させている。 足を空中で丸く回す通常型リカンベントに比して、この自転車では脚の直線的な屈伸だけでも大きなパワーを出しているであろうことは容易に想像できる。 脚を直線的に屈伸させる方法は膝関節トルクのみによれば確かに力の伝達に有効である。 この方式によれば、パワーの大部分が膝関節トルクからもたらされており、膝への負荷が集中している。 この方式ではより大きい筋力を有する股関節は殆どパワー発生に寄与していない。 言い換えれば、本来人は歩行習癖から足を後に蹴りだすという自然な動きがあり、その結果足を屈伸方向に対して直角な方向に動かそうとする股関節トルクによる分力が常に発生しており、無駄にエネルギーを消費している可能性がある。

本発明の目的は、背もたれ付きの座席を装備し，脚を前に投げ出し座席の前方にあるペダルを駆動し，その反力を背もたれで受けとめることが出来る構造を有する所謂リカンベントと称されている人力２輪車、３輪車、４輪車等の自転車および人力で駆動されるボート、飛行機等の人力乗り物およびトレーニング機器等の人力駆動機構に好適な、人力を効果的かつ快適に動力に変換することができる人力駆動機構を提供することにある。

本発明は背もたれ付きの座席を装備し，脚を前方に投げ出し、前方にあるペダルを駆動する所謂リカンベント型人力乗り物において、駆動機構が回転体と、支持体と、該回転体および前記支持体に巻回された無端駆動部材と、該無端駆動部材に取付けられた人力駆動受け部とを有し、前記回転体は前記支持体よりも後方手前側に配置されており、該回転体から動力が出力され、前記回転体および前記支持体に巻回された無端駆動部材の前方もしくは上側の直線部と座席深奥部（折れ曲がり点）とペダルが最前方に来るときのペダル軸中心とを結ぶ直線とのなす角度が１７度から２０度とされていることを特徴とする人力駆動機構である。

削除

本発明において、回転体とは巻き掛けられた無端駆動部材によって回転させられることにより負荷を駆動するスプロケットもしくは滑車のこと云い、支持体とは無端駆動部材が巻き掛けられて周回する円弧状案内レールもしくは基本的に空転する回転体のことを云う。

本発明で、無端駆動部材とは、ベルト、タイミングベルト、チェーン、ビードチェーン、ピンドチェーン、ロープなどの圧縮や曲げに対して抵抗がなく、引張力だけに耐えて回転力を伝達する可撓性部材を云う。 また、フレームとは当該乗物の重量を支え、構造を形成する部材もしくはこれに直接、間接に固定されたパイプ、型材、板等の構造部材を云う。

本願発明者等はリカンベント型駆動機構のパワー増大のため、
特許第３２８２０７７号 オーテック有限会社ＳＤＶカタログによる人力駆動機構を適用することを考えた。 本発明はその最適配置についての研究成果に基づくものである。 特許第３２８２０７７号による人力駆動機構は商品名から一般にＳＤＶ駆動機構と称されている。 ＳＤＶ駆動機構の従来型円軌跡ペダリング型自転車に対する有利性は，上記発明の特許明細書にあるとおりリカンベント型円軌跡自転車に対しても好ましく適用されるものである。

本発明において、無端駆動部材に自転車規格のチェーン、回転体および支持体に自転車規格のスプロケットが好ましく使われる。

ＳＤＶ駆動機構は以下の３点のおいて特にリカンベント型人力乗り物において有利性を発揮する。 すなわち、
１） ＳＤＶ駆動機構では人体にとって力を発生しやすくなっているため円軌跡と比べて同じパワーを発生するに際しての最適ペダリング回転数を低く押さえることが可能である。 ペダルを丸く回す通常型リカンベント型人力乗り物では、脚を空中で前方に伸ばしながら回すためペダリング回転数を上げにくい傾向にある．
２） ＳＤＶ駆動機構では前記無端駆動部材の直線部において力を発生しやすい。この部分のストロークをより長くするためには半円部の半径を小さくする必要がある。 しかしこれを小さくするほどペダルの半円軌跡への追従性が悪化し（踝の回転が追従できない）、ペダリングがぎくしゃくする傾向にある。 このため、非リカンベント型自転車では，小さくてもＳＤＶ駆動機構に使われるスプロケットの歯数は ３９（ＰＣＤ１５７．８ｍｍ、ＪＩＳ Ｄ９４１５、Ｄ９４１８等）以上が好ましく使われている。 しかしリカンベント型人力乗り物では、特に前方の半円部において足が重力に従って半円部に沿って落下するという動きになるため踝の追従性が高まり、上記ＳＤＶ駆動機構に使われるスプロケットの歯数を ２２−３６（ＰＣＤ８９．２−１４５．７ｍｍ）とすることができる。 この場合、好ましくは２６−３２とする。 前記両スプロケットに歯数３０のものを用いれば、非リカンベント型の直線部ストロークが１９６ｍｍ程であったものが最大２５４ｍｍまでにすることができる。 両スプロケットに歯数２２のものを使用すると、直線部ストロークは２７９ｍｍにもなる。
３） リカンベント型自転車においても、ペダルを丸く回す通常型のものでは、有効トルクを発生するために円の接線方向に踏力を加える必要がある。 ところが、固定された座席の背もたれによって踏力に対する反力を発生する形式になっているため水平に近い方向の踏力に対しては充分な反力が得られるが他の方向では反力が得られない。 このため、円の全周にわたって有効トルクを発生することができない。 したがって、これを解決するためには反力が常時得られる水平に近い直線軌跡部を有する駆動機構とすればよく，ＳＤＶ駆動機構はそれに合致するものである。

さらに本発明においては、ＳＤＶ駆動機構の前方側（上側）チェーンの傾斜角度、すなわちペダルの軌跡角度を選ぶことにより、膝関節によって発生されるトルクと股関節によって発生されるトルクとが夫々の部位の筋力に応じた適正な比率に維持されつつ脚が伸びるようにされているため、総合的に大きなトルクが発生され、大きな力でペダルを押すことができる。 膝関節と股関節とがバランスよくトルクを発生させるため、局部疲労や炎症を起こすことがない。

以下、本発明の人力駆動機構を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。

図１は本発明の第１実施例を示す側面図で、本発明を座席位置が調整可能なリカンベント型自転車に適用した場合のものである。 図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 図２は本発明の第１実施例を示す側面図で、本発明をＳＤＶ駆動部の位置が調整可能なリカンベント型自転車に適用した場合のものである。 図４は図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。 図５は本願発明者の一人による試験データで、ペダルを直線的に踏込む場合のペダルの軌跡中心線と、座席深奥部（折れ曲がり点）とペダルが最前方に来るときのペダル軸中心とを結ぶ直線とがなす角度（ペダル軌跡角度）θを横軸にとり、縦軸に後述する正規化パワーをとって、両者の相関をプロットしたものである。

図１〜図４において、１は後輪、２は前輪、３は主パイプ３ａを有するフレーム、４はフレーム上に固定され、背面ステー３０によって支持されている座席、１５はハンドル、５は駆動軸ボス５ａ、遊動軸ボス５ｂ、クランク軸ボス５ｃを三角形の頂点とする丸パイプのラーメン構造からなるＳＤＶ駆動部のフレーム、６はボス５ａに軸受を介して支持された回転体である駆動スプロケット、７は長いネジによってボス５ｂに対して一方向に変位可能に支持された軸に回転自由に支持された遊動スプロケット、５０はバネと上記長いネジとで無端駆動部材であるチェーンを常時緊張している緊張機構、８はクランク軸ボスに固定された図示していないクランク軸の回りに一端を回転自由に支持され他端をアーム９の一端に回転自由に連結されたフリークランク、アーム９の他端にはペダル１３を回転自由に支持している図示していないペダル軸がねじ込まれ、かつチェーン１４のひとつのリンクからチェーンの移動面に対して直角に突出する図示していない軸を滑動自由に支持している。 図３および図４において、チェーン１４、駆動スプロケット６、遊動スプロケット７、アーム９、フリークランク８からなる人力駆動ユニットはフレーム５の左右に設けられており、夫々の人力駆動ユニットは踏込み側のチェーンスパンである上側直線部が座席面に対してθの角度をなしている。 ペダルの軌跡角度と呼称されるθは後述する試験データ（図５）から好ましくは１０度から２５度の範囲とされ、より好ましくは１５度から２２度である。

第１の実施例である図１および図３において、駆動スプロケット６に伝達されたトルクは、左側駆動スプロケット６に固定されたＳＤＶチェーンリング２０と中継チェーン１６とを介して中継スプロケット２１に伝えられ、ついで同一軸上に固定された前側チェーンリング２３および２２に伝えられる。 ２３はアウタースプロケット、２２はインナースプロケットと言われる変速用のスプロケットで、図示していないチェーンライン切替手段によって、後輪駆動チェーン１７がいずれかと後輪カセット（変速用小スプロケットの集まり）に巻きかけられている。 図１において、座席４の下方には側面に長穴を有しフレーム３とボルトで固定されたスライドガイド４ｂが固定されている。 座席４は背面ステー３０と前記スライドガイド４ｂとで、ペダル軌跡角度θを一定に保ったまま前後位置を調整可能に支持されている。 背面ステーは上端で座席背面と、下端で後輪を支持するリアエンドに回転可能に連結されている。 図１および図２の構成を有する第１実施例によれば、ＳＤＶチェーンリングと後輪のカセットとは一旦中継チェーンを介するため、スプロケット間に掛け渡されるチェーンの長さが小さくなり、弛みによるたわみが少なく、横揺れによってライダーの衣服や身体に触れる確率が大幅に減少するとともに、弛み、揺れに起因するトルク変動が少ない。 その反面、介在スプロケットが増えることによる摩擦損失が付加されるが、前記トルク変動減少による効果の方が、効率面では大きい。 また、変速時チェーンラインが切り替わる後輪駆動チェーンが座席の下に存在しており、変速時にライダーに触れたりしないという長所を有する。

第２の実施例である図２および図４において、アウタースプロケット２３、インナースプロケット２２はＳＤＶ駆動機構の駆動スプロケット６と同軸上に固定されており、ペダル１３に加えられたパワーは、直接後輪駆動カセットを回転させている。 ＳＤＶ駆動機構は駆動軸ボス５ａに溶接されたノズル５ｄがテレスコピックに主パイプ３ａと連結され、ライダーの足の長さに応じて座席とＳＤＶ駆動部との距離が調節される。 距離調節後、主パイプ３ａの上端部に溶接された一部切り欠きのあるリング状の締め付け金具３ａａをボルトによって締めて、ノズル５ｄをフレーム３に固定する。 ペダル軌跡角度θはＳＤＶ駆動機構の位置調整によって変わることはない。 本実施例の場合、前側変速用のスプロケットがＳＤＶ駆動機構の駆動スプロケット６と同軸に設けられるため、図４に示されるように駆動スプロケット６、遊動スプロケット７はフレーム３の中心線に対して対称で、かつＳＤＶ駆動機構のフレーム５に対しては非対称としており、フレーム５の中心線はフレーム３の中心線に対してδだけ離してある。 δは４−８ｍｍの範囲で選ばれている。

図１および図２において、ライダーは座席に座り、背もたれ４ａに寄りかかって座り、脚は前方に伸ばして、左右に配置されたペダル１３，１３に足を掛け、ＳＤＶ駆動機構のチェーン軌道上の上方に位置するペダルを踏込み、矢印の方向にペダルを動かす。 ペダル軌跡角度、すなわち座席面に対するペダルの踏込み軌跡の角度が、最適に選ばれかつ踏込み期間の大部分持続しているため、ライダーは股関節、膝関節をバランスよく動かすことができ、大きなパワーを発生する。

図５はライダーが直線的に脚を伸ばしながらパワーを発生させる場合のペダル軌跡角度と発生パワーとの関係を、ペダルが直線的に往復動しながらパワーを発生させる直線往復駆動機構とエルゴメータを用いて試験した結果の典型例である。 図中、正規化パワーとはすなわち真円上にペダルを回す場合における同一の心拍数のときの発生パワーＰ０に対する直線往復動駆動機構での発生パワーＰの比のことを云う。 Ｓは直線部のストローク（ｍ），Ｗはエルゴメーターの負荷（ｋｇ）で、ストロークは２種類示してある。 図５によれば、ライダーが可能な限り、直線部のストロークが大きいほどパワーの発生が大きく、ストロークが小さい範囲では直線往復動駆動機構の発生パワーは真円ペダリングに劣ることがわかる。 しかし、大きい領域ではパワーがペダル軌跡角度θが１８度付近で極大となり、真円ペダリングを大きく凌駕する。 これは，すなわち股関節と踝とを結ぶ方向よりも１８度後方へと蹴り出すのが人間にとって効率的ということと解釈される。 股関節トルクは股関節と踝とを結ぶ方向に直交し立位ならば後方へと蹴り出す力の成分を発生するため、膝関節トルクによる力との合力で１８度という角度が最適になるものと考えられる。 考察の過程は割愛するが、前記１８度は

膝関節トルク／股関節トルク＝約 ０．４
に相当する。

本発明による人力駆動機構によればリカンベント型駆動機構が発生するパワーが増大し、 例えば、自転車に適用した場合、速度、登坂性能ともに向上させることができる。 さらに、本発明を３輪自転車、４輪自転車、車椅子、ボートおよび人力飛行機に適用した場合も同様にパワーが増大し、速度、トルクともに増大させることが可能となる。
本発明をトレーニング機器に適用すれば、自転車、ボートを模した体力増強装置の提供が可能となる。

本発明の人力駆動機構をリカンベント型自転車に適用した場合の第１実施例を示す人力駆動機構の側面図。 本発明の人力駆動機構をリカンベント型自転車に適用した場合の第２実施例を示す人力駆動機構の側面図。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図。 図２のＩＶ−ＩＶ断面図。 本発明の基となる試験データ示すグラフ。

符号の説明

１：後輪
２：前輪
３：フレーム
３ａ：主パイプ
３ａａ：主パイプ締め金具
３ｂ：中継軸ボス
４：座席
５：ＳＤＶ駆動機構のフレーム
５ａ：駆動軸ボス
５ｂ：遊動軸ボス
５ｃ：クランク軸ボス
５ｄ：テレスコノズル
６：駆動軸スプロケット
７：遊動軸スプロケット
８：フリークランク
９：アーム
１３：ペダル
１４：ＳＤＶ駆動機構のチェーン
１５：ハンドル
１６：中継チェーン
１７：後輪駆動チェーン
１８：後輪変速装置（ディレーラ）
２０：ＳＤＶ駆動機構のチェーンリング
２２：インナースプロケット
２３：アウタースプロケット
２５：アイドラー
４５：中継軸
４６：駆動軸
４７：遊動軸
５０：常時緊張機構
θ：座席深奥部（折れ曲がり点）とペダルが最前方に来るときのペダル軸中心とを結ぶ直線とＳＤＶ駆動機構の踏込み側直線部とのなす角度
δ：ＳＤＶ駆動機構のフレーム５の本体フレーム３に対する偏心量

Claims (2)

1. 背もたれ付きの座席を装備し，脚を前方に投げ出し、前方にあるペダルを駆動する所謂リカンベント型人力乗り物において、駆動機構が回転体と、支持体と、該回転体および前記支持体に巻回された無端駆動部材と、該無端駆動部材に取付けられた人力駆動受け部とを有し、前記回転体は前記支持体よりも後方手前側に配置されており、該回転体から動力が出力され、前記回転体および前記支持体に巻回された無端駆動部材の前方もしくは上側の直線部と座席深奥部（折れ曲がり点）とペダルが最前方に来るときのペダル軸中心とを結ぶ直線とのなす角度が１７度から２０度とされていることを特徴とする人力駆動機構。
2. 前記角度が１７度から２０度とされていることを特徴とする人力駆動機構。