JP4592257B2 - 自転車ギアシフト用アクチュエータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は自転車ギアシフト用のアクチュエータに関し、詳細には、チェーンを誘導する変速機を移動させる目的で、異なる歯車間のチェーンの移動(脱線)を行う機械的デバイスであるアクチュエータに関するものである。
【0002】
本明細書および特許請求の範囲の記述において、前述のギアシフトとは、自転車の後輪に結合している異なるスプロケット間でチェーンを移動(脱線)させる後部のギアシフト、またはペダル・クランクに結合している異なるギア間でチェーンを移動させる前部のギアシフトのことをいう。
【0003】
【従来の技術】
一般にギアシフトのアクチュエータ・デバイスは、4つのピン・エレメントにより形成される4つのピン軸によってヒンジ連結された4つのコネクティングロッドを持つ四辺形リンク機構(一般に平行四辺形リンク機構)を備えており、第1コネクティングロッドは自転車フレームに一体に取り付けられ、第2コネクティングロッド(四辺形リンク機構内で第1コネクティングロッドに対向している)は、ギアシフト変速機の支持体に固定されている。四辺形リンク機構が変形することにより、変速機が移動して、ギアチェンジが行われる。
【0004】
四辺形リンク機構の前述の変形は、ボーデン(Bowden)タイプのケーブルを介してアクチュエータに伝達される制御レバーの運動を通じて、手動により得ることができ、または、サイクリストおよび適切な機構を通じて与えられる適切な命令に従い四辺形リンク機構の異なる部分を相互に移動させる電動モーターを用いて得ることができ、それにより変速機を移動させる。
【0005】
ギアシフトのメーカの不断の目的は、ギアシフトの円滑性と信頼性を左右するアクチュエータの精度を改良することである。ギアシフトをハイレベルなサイクリング競技で使用することを目的とすればするほど、その精度に対する要求が一層強くなるのは明らかである。電動モーター部品を使用することにより、そのような要求はさらに強くなる。なぜなら、このような場合の変形動作は極めて直接的であり、ボーデン・ケーブルによる緩衝を介さないからである。
【0006】
本発明は、自転車ギアシフト用のアクチュエータ・デバイスであって、4つのピン・エレメントにより形成される4つのピン軸によってヒンジ連結された4つのコネクティングロッドを持つ四辺形リンク機構であって、第1コネクティングロッドが自転車フレームに一体に取り付けられ、第2コネクティングロッドが四辺形リンク機構内で第1コネクティングロッドに対向しており、かつギアシフト変速機の支持体に固定されるようになっている、四辺形リンク機構と、駆動軸に沿って可変する長さを有し、2つの対向するピン・エレメント間で作動して、これらのピン・エレメントを互いに近付けることおよび引き離すことにより、四辺形リンク機構を変形させる駆動機であって、第1ピン・エレメントに取り付けられた支持体上で内臓されている電動モーターと、駆動軸に沿って軸方向に配置され、電動モーターにより回転するスクリューと、前記スクリューと係合し、第1ピン・エレメントと対向する第2ピン・エレメントに固定されたナット・スクリューとを有する駆動機と、を備え、駆動軸が、2つのピン・エレメントのピン軸にほぼ交差し、かつ、前記ナット・スクリューが、内部がねじ切りされた管状体と、その管状体に垂直な2つの対向するピン部とを備え、前記2つの対向するピン部(542、543)を用いて、前記駆動機(12)が前記四辺形リンク機構(11)の内部空間に配置されていることを特徴とするアクチュエータ・デバイスに関するものである。
【0007】
“ほぼ交差する”との用語は、駆動軸とピン軸との間の距離がピン・エレメントの直径以下であることを意味する。
【0008】
この変形動作は実質的に四辺形リンク機構の対角線の1つに沿って起こるため、変形そのものを制御するための最良条件、したがって変速機と共に第2コネクティングロッドの運動を制御するための最良条件を実現する。
【0009】
変形を制御する条件がより良好な好ましい解決法においては、駆動軸がピン軸の少なくとも1つと完全に交差する。これは、前記ピン軸間の距離が最短になり、機械加工における通常の公差のみを含むことを意味する。
【0010】
さらに好ましくは、駆動軸は2つのピン・エレメントのピン軸と完全に交差し、その2つのピン・エレメント間で駆動機が作動する。このようにして、実際に、四辺形リンク機構の対角線の1つに沿って変形動作が正確に生じる。
【0011】
好ましくは、四辺形リンク機構は平行リンク機構である。実際に、一般には、変速機は自転車フレームに対して並進運動で運動するのが望ましい。しかし、特定の用途では、変速機に対して回転制御を与えることを提案でき、その場合には平行四辺形以外の四辺形を適用させることは除外されない。
【0012】
可変長さを有する駆動機は各種のタイプが可能である。実際に、駆動軸に沿う長さの変化を得る方法は、本発明の目的とは無関係である。しかし、好ましくは、駆動機はピン・エレメントの第1ピン・エレメントに取り付けられた支持体上で内蔵された電動モーターと、駆動軸に沿って軸方向に配置され、かつ電動モーターにより回転するスクリューと、そのスクリューに結合し、かつ第1ピン・エレメントに対向する第2ピン・エレメントに固定されたナット・スクリューとを備え、前記駆動軸は第2ピン・エレメントの軸と完全に交差している。回転するスクリューおよびナット・スクリューを利用する解決法は、その構造が簡単なことおよび駆動機の長さ変化を容易に制御できることに利点がある。実際に、回転の角度(または適正な回転数)と長さ変化との間に正比例関係が成立する。
【0013】
一般に、コネクティングロッドの幅はピン軸方向において大きく、その幅により、四辺形リンク機構の内部空間を形成している。この内部空間に対して、駆動機を内部に配置することができる。実際に、内部への配置はアクチュエータの突出を小さくし、かつバランスを良くするため、駆動機の高精度な動作を可能にする。
【0014】
駆動機の前述の内部配置、およびピン・エレメントの軸と駆動軸との完全交差を可能にするには、好ましくは、ナット・スクリューは内部にねじ切りされた管状体と、その管状体に垂直な2つの対向するピン部とを備える。したがって、実際には、ナット・スクリュー自体が第2ピン・エレメントの一部になる。
【0015】
このようなナット・スクリューを用いて、好ましくは、第2ピン・エレメントはさらに、2つの対向するピンを備え、そのピンの各々は、第2ピン・エレメントに連なるコネクティングロッドと、ナット・スクリューのピン部に形成されたヒンジ孔にはめ込まれる。この解決法により、ピン・エレメントおよびコネクティングロッドの組立てが容易になる。
【0016】
好ましくは、モーターと四辺形リンク機構との間に自由度が与えられる。これは、モーターと四辺形リンク機構との間で少なくとも1つの相対運動が、適度に可能であることを意味する。この自由度により、製作される部品の形状または組立てにおける僅かの非精密性に起因する異常な応力を受けることなく、モーターの動作が四辺形リンク機構に確実に伝達される。
【0017】
このような自由度は各種の方法により達成できる。好ましい方法によれば、自由度は、ナット・スクリューが第2ピン・エレメントの軸方向に僅かに移動できる間隔を設けることにより実現できる。別の好ましい方法によれば、自由度はスクリューとモーターとの間のフック継手により実現できる。第1の解決法は(十分に効率的であるが)明らかに低コストである。第2の解決法はさらに効率的であるが、コストがかさむ。
【0018】
好ましくは、ナット・スクリューの管状体はその一端で密閉されており、駆動機が最も短縮する際、スクリューを収納する分の長さを持つ。管状体の密閉により、アクチュエータが取り付けられた自転車の使用時には、ほこりおよび汚染物に対してスクリューとナット・スクリューとの間のねじ結合の良好な保護が保証される。
【0019】
好ましくは、アクチュエータ・デバイスは、駆動機および四辺形リンク機構間のカップリング内にメカニカルヒューズ(mechanical fuse)(以下「機械ヒューズ」とも称する)を備える。この機械ヒューズにより、モーターおよび四辺形リンク機構の間に配置された動的チェーン内の機械的エレメントは、他のすべてのエレメントの抵抗より小さい、限定された、所定の応力抵抗を有していることを意味する。この方法において、アクチュエータに異常に大きな応力(例えば、自転車の転倒による衝撃に起因する)が存在すると、機械ヒューズにたわみが発生し、その他のエレメントには発生しないため、他のエレメントは保護される。
【0020】
機械ヒューズは各種の方法で実現できる。
【0021】
好ましい実施形態によれば、機械ヒューズは、電動モーターとその支持体との間で校正された適切な締り嵌めによるカップリングを備えているため、所定の保持応力を超えるときのみ、相対的な軸方向移動を可能にする。衝撃の発生時には、モーターがその支持体から軸方向に後退するので、四辺形リンク機構は破壊されることなく自由に変形できる。
【0022】
別の好ましい実施形態によれば、機械ヒューズは、モーターのスクリューに結合されたねじ切りされたブッシュと、ナット・スクリューの管状部材内のブッシュの受座面との間で校正された締り嵌めによるカップリングを備えているため、所定の保持応力を超えるときのみ、相対的な軸方向移動を可能にする。衝撃の発生時には、ブッシュがナット・スクリューから軸方向に後退するので、四辺形リンク機構は破壊されることなく自由に変形できる。
【0023】
別の好ましい実施形態によれば、機械ヒューズは、フック継手と、モーターおよびねじ切りされたスクリューのうちの少なくとも1つとの間で校正された締り嵌めによるカップリングを備える。衝撃の発生時には、フック継手が軸方向に後退するので、四辺形リンク機構は破壊されることなく自由に変形できる。
【0024】
本発明の特性および利点は、添付図面を参考にした以下の好ましい実施形態の説明から明らかになるであろう。
【0025】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
図1〜5において、自転車ギアシフトのアクチュエータ・デバイスは、参照符号10により示される。ギアシフトおよび自転車の両方は本発明の一部を構成するものではないため、図示していない。
【0026】
アクチュエータ・デバイス10は、4つのコネクティングロッドから形成される四辺形リンク機構11を備える。このリンク機構11は、自転車フレームに固定される第1コネクティングロッド21と、ギアシフト変速機に固定され、四辺形リンク機構11内で第1コネクティングロッド21と対向している第2コネクティングロッド22と、第3コネクティングロッド23と、第4コネクティングロッド24とを有している。4つのコネクティングロッド21、22、23および24は、4つのそれぞれのピン・エレメント41、42、43および44により形成される4つの平行ピン軸31、32、33および34によってヒンジ連結されており、それにより、前述の四辺形リンク機構11を形成している。
【0027】
コネクティングロッド21、22、23および24はピン軸31、32、33および34の方向に大きな幅を持つ(図3)。この幅により、コネクティングロッド21、22、23および24ならびにピン・エレメント41、42、43および44の間で四辺形リンク機構11内に内部空間が形成される。
【0028】
また、コネクティングロッド21、22、23および24ならびにピン・エレメント41、42、43および44は共に、多少複雑な、いかなる形状であってもよい。例えば、第1コネクティングロッド21は、第2コネクティングロッド22と同様に、比較的大きな構造を有する。第3コネクティングロッド23はほぼ板状の構造であり、一方、第4コネクティングロッド24はブリッジ243により連結された2つの平行アーム241および242を有する一体構造である。同様に、後述するように、ピン・エレメント43および44は単純なピンであり、一方、ピン・エレメント41および42はより複雑な構造を持つ。
【0029】
サイズに関しては、図示されたアクチュエータ・デバイス10では、ピン軸31、32、33および34間の距離は対で等しい。すなわち、軸31と33との間の距離は軸32と34との間の距離に等しく、同様に、軸31と34との間の距離は、軸32と33との間の距離に等しい。これは、四辺形リンク機構11がより精密な平行四辺形リンク機構であることを意味し、したがって、コネクティングロッド21が自転車フレームに固定されているとすれば、四辺形リンク機構11の変形は、コネクティングロッド22がコネクティングロッド23および24により定められる円軌道に沿って並進運動することを意味する。このコネクティングロッド22の運動により、ギアシフト変速機を駆動する。平行四辺形リンク機構11が平行四辺形でない場合、コネクティングロッド22の運動は並進成分だけでなく回転成分も持つことになるであろう。このような状態は、一般には望ましくないが、特定条況においては、ギアシフト変速機に特定の運動を与えるのに有効なこともある。
【0030】
アクチュエータ・デバイス10はまた、駆動軸13に沿って可変する長さを有する駆動機12を備える。駆動機12は、第1ピン・エレメント41に取り付けられた開口タイプの支持体51を備える。詳細には、支持体51は図3に示すブリッジ514により連結された2つの側面部材512および513を有する一体構造からなる。2つの側面部材512および513はそれぞれアイレット(孔付きフランジ)514および515を備える。これらのアイレットは対向しており、整列されることにより、ボルト(図示なし)のような従来の固定手段を収容できる。
【0031】
支持体51のピン・エレメント41への組付けは以下の方法で行われる。コネクティングロッド21は、コネクティングロッド24のアーム241および242を囲む2つのウイング211および212を有し、それらアームは側面部材512および513を囲む。ピン・エレメント41は2つのピン411および412からなり、各ピンは、軸31に沿ってエレメント211、241および512、ならびに212、242および513に形成される孔に挿入される。
【0032】
さらに、駆動機12は、支持体51に収納され、固定された電動モーター52を備える。モーター52は、四辺形リンク機構11内で第1ピン・エレメント41に対向する第2ピン・エレメント42に取り付けられたナット・スクリュー54と係合するスクリュー53からなる出力シャフトを有する。スクリュー53の回転により、ナット・スクリュー54はスクリュー53上を摺動するので、駆動機12の長さが変化する。この長さとは、ピン・エレメント41に固定されたモーター52と対向するピン・エレメント42に固定されたナット・スクリュー54との間の長さである。駆動機12の長さのこの変化により、四辺形リンク機構11の変形が生じる。
【0033】
ナット・スクリュー54は、その内部がねじ切りされ、かつスクリュー53に結合される管状体541と、互いに対向し、かつ管状体541に垂直な2つのピン部542および543とを備える。管状体541はその一端544が密閉され、かつ軸13に沿って延びているため、駆動機12が最も短縮した状態(図2)のときに、スクリュー53全体を収納できるようになっている。
【0034】
ナット・スクリュー54の四辺形リンク機構11への組付けは、以下の方法で行われる。コネクティングロッド22は、コネクティングロッド24のアーム241および242を囲む2つのウイング221および222を有し、またそれらアームはナット・スクリュー54の2つのピン部542および543を囲む。ピン・エレメント42は2つのピン421および422からなり、各ピンは、軸32に沿ってエレメント221、241および542、ならびに222、242および543に形成される孔に挿入される。
【0035】
本発明によれば、駆動軸13は四辺形の対角上に位置する2つのピン軸31およびピン軸32とほぼ交差しており、これは、駆動軸13とピン軸31との距離がピン・エレメント42の直径以下であること意味している。好ましい解決法では、さらに、駆動軸13はピン軸31もしくはピン軸32、またはその両方と完全に交差しており、これは、前記軸間の距離が最小であり、機械加工における通常の公差のみを含むことを意味する。
【0036】
モーター12および四辺形リンク機構11間のカップリングには自由度が与えられる。つまり、モーター12および四辺形リンク機構11間で少なくとも1つの相対運動が、適度に可能である。図1〜5の例では、このような自由度は、ナット・スクリュー54(詳細には、その2つのピン部542および543)と、コネクティングロッド24のウイング241および242との間に小さな間隔を設けることにより得られ、それにより、ナット・スクリュー54は軸32の方向に移動できる。この隙間は拡大図4および5に明瞭に示されており、これらの図は、前述の隙間により可能な、ナット・スクリュー54の2つの異なる位置を示す。別の例では、図示していないが、自由度は、スクリュー53が駆動シャフト52と分離され、かつフック継手によりシャフト52に連結されることにより得ることができる。いずれの場合にも、前述の自由度は、部品間の僅かな不整合により、作動不良または故障の原因になる可能性のある有害な機械的応力が発生するのを防止する。
【0037】
図6〜8は、図1〜5のアクチュエータと同様な、自転車ギアシフト用の別のアクチュエータ・デバイス100を示す。ただし、このデバイス100は、さらに機械ヒューズを備えている。簡潔化のために、アクチュエータ10と比べて異なっている(または正確には追加の)、アクチュエータ100の部品だけを記載する。アクチュエータ10の部品および要素に相当するアクチュエータ100の部品および要素は、前に使用したものと同一参照符号で示すものとする。
【0038】
ナット・スクリュー54の管状体541は、その内部がねじ切りされていないが、管状ブッシュ545を備えており、このブッシュは、その内部がねじ切りされており、モーター52のスクリュー53に結合される。ブッシュ545は、管状体541内に形成された軸方向の受座面546に押し込められている。ブッシュ545の外径および受座面546の内径は慎重に決定されているため、ブッシュ545を受座面546から取り外すには所定の値を持つ力が必要である。いずれの場合にも、受座面546内でブッシュ545が回転しないことを保証するために、少なくとも1つの接触面に軸方向の細い溝(このような溝は図8のみに示されている)を設けることが可能である。
【0039】
図6および7は、矢印Uの方向から衝撃(一般に、アクチュエータ・デバイスを取り付けた自転車の転倒の場合の衝撃)を受けた場合において、ブッシュ545が受座面546から後退して、その衝撃を吸収し、その結果アクチュエータのモーター52および他の構成部品を保護する様子を示す。ブッシュ545および受座面546間の校正された締り嵌めによる前述のカップリングは、このようにして、機械ヒューズを構成する。ブッシュ545を受座面546内に戻すことにより、正常な動作状況に容易に戻すことができる。
【0040】
図示していないが、別の解決法では、機械ヒューズは、モーター52およびその支持体51間の校正された締り嵌めによるカップリングからなる。この解決法では、追加部品(前述の解決法のブッシュ545のような)を必要としないが、一方で、一般には必要とされない、モーター52の外形サイズの製造公差の管理を必要とする。
【0041】
図示していないが、自由度がフック継手により得られる場合の別の解決法では、駆動シャフト52の側面またはスクリュー53の側面でそのような継手上に校正された締り嵌めによるカップリングが設けられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態にかかるアクチュエータ・デバイスの部分断面図である。
【図2】異なる動作位置にある同デバイスを示す部分断面図である。
【図3】別の動作位置(図1および2に示す動作位置の中間)における同デバイスを矢印III方向から見た一部切欠正面図である。
【図4】図3の細部の拡大図である。
【図5】異なる動作状況における図4と同一の細部の拡大図である。
【図6】本発明の第2実施形態にかかるアクチュエータ・デバイスの部分断面図である。
【図7】異なる動作位置にある同デバイスを示す部分断面図である。
【図8】図7のデバイスを矢印VIII−VIII線に沿って切断した、該デバイスの細部を示す拡大部分断面図である。
Claims (15)
- 4つのピン・エレメント(41、42、43、44)により形成される4つのピン軸(31、32、33、34)によってヒンジ連結された4つのコネクティングロッド(21、22、23、24)を持つ四辺形リンク機構(11)であって、第1コネクティングロッド(21)が自転車フレームに一体に取り付けられており、第2コネクティングロッド(22)が、四辺形リンク機構(11)内で第1コネクティングロッド(21)と対向しており、かつギアシフト変速機の支持体に固定されている、四辺形リンク機構(11)と、
駆動軸(13)に沿って可変する長さを有し、かつ2つの対向するピン・エレメント(41、42)間で作動して、これらピン・エレメントを互いに近付けることおよび引き離すことにより、四辺形リンク機構(11)を変形させる駆動機(12)であって、第1ピン・エレメント(41)に取り付けられた支持体(51)上で内蔵された電動モーター(52)と、駆動軸(13)に沿って軸方向に配置され、かつ電動モーター(52)により回転するスクリュー(53)と、前記スクリュー(53)と係合し、第1ピン・エレメント(41)と対向する第2ピン・エレメント(42)に固定されたナット・スクリュー(54)とを有する駆動機(12)と、
を備える自転車ギアシフト用アクチュエータ・デバイス(10、100)において、
前記駆動軸(13)が、2つのピン・エレメント(41、42)のピン軸(31,32)とほぼ交差し、かつ、前記ナット・スクリュー(54)が、内部がねじ切りされた管状体(541)と、その管状体(541)に垂直な2つの対向するピン部(542、543)とを備え、
前記2つの対向するピン部(542、543)を用いて、前記駆動機(12)が前記四辺形リンク機構(11)の内部空間に配置されていることを特徴とするアクチュエータ・デバイス(10,100)。 - 請求項1において、前記駆動軸(13)が、前記2つのピン・エレメント(41、42)のピン軸(31、32)の少なくとも1つと完全に交差し、これらピン軸間で駆動機(12)が作動するアクチュエータ・デバイス。
- 請求項2において、前記駆動機(12)が、前記ピン・エレメントの第1ピン・エレメント(41)に取り付けられた支持体上で内蔵された電動モーター(52)と、駆動軸(13)に沿って軸方向に配置され、かつ電動モーター(52)により回転するスクリュー(53)と、そのスクリュー(53)に結合し、かつ第1ピン・エレメント(41)に対向する、ピン・エレメントの第2ピン・エレメンント(42)に固定されたナット・スクリュー(54)とを備え、前記駆動軸(13)が第2ピン・エレメント(42)の軸(32)と完全に交差しているアクチュエータ・デバイス。
- 請求項3において、コネクティングロッド(21、22、23、24)はピン軸(31、32、33、34)の方向に大きな幅を有することにより、四辺形リンク機構(11)内に内部空間を形成し、駆動機(12)がその内部空間内に配置されているアクチュエータ・デバイス。
- 請求項1において、前記第2ピン・エレメント(42)はまた、2つの対向するピン(421、422)を備え、これらのピンの各々が、第2ピン・エレメント(42)に連なるコネクティングロッド(22、23)と、ナット・スクリュー(54)のピン部(542、543)とに形成されたヒンジ孔にはめ込まれているアクチュエータ・デバイス。
- 請求項3において、モーター(52)と四辺形リンク機構(11)との間に自由度が与えられているアクチュエータ・デバイス。
- 請求項6において、ナット・スクリュー(54)が第2ピン・エレメント(42)のピン軸(32)の方向に僅かに移動できる間隔を設けることにより、自由度が得られるアクチュエータ・デバイス。
- 請求項6において、自由度が、スクリュー(53)とモーター(52)との間のフック継手により得られるアクチュエータ・デバイス。
- 請求項1において、ナット・スクリュー(54)の管状体(541)が、その一端(544)で密閉されており、駆動機(12)が最も短縮する際、スクリュー(53)を収納する分の長さを有するアクチュエータ・デバイス。
- 請求項1〜9のいずれかにおいて、駆動機(12)と四辺形リンク機構(11)との間のカップリング内にメカニカルヒューズを備えているアクチュエータ・デバイス。
- 請求項3または10において、メカニカルヒューズが、電動モーター(52)およびその支持体(51)間で、校正された締り嵌めによるカップリングを備えることにより、所定の保持応力を超えるときのみ、相対的な軸方向移動を可能にしているアクチュエータ・デバイス。
- 請求項3または10において、メカニカルヒューズが、モーター(52)のスクリュー(52)に結合されたねじ切りされたブッシュ(545)と、ナット・スクリュー(54)の円筒エレメント(541)内のブッシュの受座面との間で、校正された締り嵌めによるカップリングを備えることにより、所定の保持応力を超えるときのみ、相対的な軸方向移動を可能にしているアクチュエータ・デバイス。
- 請求項8または10において、メカニカルヒューズが、フック継手と、モーター(52)およびねじ切りされたスクリュー(53)の内の少なくとも1つとの間で、校正された締り嵌めによるカップリングを備えているアクチュエータ・デバイス。
- 請求項1〜13のいずれかにおいて、駆動軸(13)が、2つのピン・エレメント(41、42)のピン軸(31、32)と完全に交差し、これらピン軸間を駆動機(12)が作動するアクチュエータ・デバイス。
- 請求項1〜14のいずれかにおいて、四辺形リンク機構(11)が平行四辺形リンク機構であるアクチュエータ・デバイス。
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