JP5759993B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、トルク測定機能を有する人力車両のための駆動装置に関する。

人力車両、特に自転車のための駆動装置の場合には、人力クランク軸のトルクを測定するための様々な方法がある。例えば、トルクを測定することにより、運転者の体力を測定したり、車両の補助モータを制御することができる。

回転及び／又は移動する部品におけるトルクを測定する駆動装置が知られている。この場合、回転トルクの影響を受けるスリーブに磁石を設け、伝達されるトルクに基づいて変形を誘導的に測定する。あるいは、クランク軸と車両の駆動輪を連結し、循環するチェーンの張力を測定することによってトルクを測定する。

上述したような駆動装置では、回転及び／又は移動する部品におけるトルクを測定することによって不都合が生じる。

そのため、駆動輪の固定軸の屈曲を測定することが知られている。

そのような駆動装置の欠点は、軸の歪み（特に歪みの変動）によって引き起こされる外乱の影響が生じることである。歪みの変動は、例えば、サドルに座っている運転者が立ち上がり、直立姿勢で運転を続ける場合に生じる。

本発明の目的は、簡単なデバイス技術で実現可能であり、測定結果を変化させる外的影響をほとんど受けないトルク測定機能を有する駆動装置を提供することにある。

上記目的は、請求項１に記載された特徴を有する駆動装置によって達成される。

本発明に係る人力車両のための駆動装置は、クランクケース又はフレームに取り付けられたクランク軸を有する。クランク軸には、運転者の筋力を車両の駆動輪に伝達するための少なくとも１つのクランクが固定されている。また、クランク軸から車両の駆動輪に連結された被動歯車までの伝動機構には歯車装置又は歯車機構が設けられている。本発明によれば、クランク軸の総トルクを測定するための、歯車装置又は歯車機構の実質的に固定された部品又はフレームに取り付けられた部品がクランクケース又はフレームに支持されている。本発明に係る駆動装置は、簡単なデバイス技術で実現可能であり、測定結果を変化させる外的影響をほとんど受けない。

本発明のさらなる有利な設計は従属請求項に記載されている。

本発明の好適な実施形態では、車両は自転車であり、クランクケースはボトムブラケットシェルであり、２つのクランクがクランク軸に固定されている。筋力は、運転者の脚によって生み出される。例えば、運転者の体力を測定したり、車両の補助モータを制御するためにトルクを測定する。

好ましくは、被動歯車は、チェーンを介して車両の駆動輪に連結された歯車又はチェーンホイールである。

本発明に係る駆動装置の製造及び組立を容易化するために、実質的に固定された部品はトルクセンサを介して標準ボトムブラケットシェルに支持されていることが好ましい。そのため、トルクセンサを含む本発明に係る駆動装置は、適当な標準ボトムブラケットシェルを備えた完成品の自転車に取り付けることもできる。

トルクセンサは、国際統一チェーンガイドマウント（ＩＳＣＧ）によって標準ボトムブラケットシェルに固定されていることが好ましい。

標準ボトムブラケットシェルとしては、ボトムブラケットシェル国際規格（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ Ｂｏｔｔｏｍ Ｂｒａｃｋｅｔ Ｓｈｅｌｌｓ）（ＢＢ３０）又はＢＳＡ規格に準拠したボトムブラケットシェルを使用することができる。

クランク軸の長手軸が駆動機構の中心軸又は駆動輪に連結される駆動機構の被動歯車の長手軸と一致している場合には、審美的な印象を有するほぼ左右回転対称の配置となる。

好適な実施形態では、トルクセンサは、クランク軸とほぼ同心に配置され、歪み計又はピエゾ素子が固定されたスリーブを含む。スリーブは、国際統一チェーンガイドマウント（ＩＳＣＧ）によって標準ボトムブラケットシェルに固定されている。

歯車機構が、内歯車、太陽歯車、遊星キャリア及び遊星歯車を備えた遊星歯車機構であり、被動歯車が内歯車に固定されている場合には、被動歯車を先行技術と比較して小型化することができる。

第１の変形例によれば、実質的に固定された部品又はフレームに取り付けられた部品は太陽歯車であり、遊星キャリアは直接又は間接的にクランク軸に固定されている。

第２の変形例によれば、実質的に固定された部品又はフレームに取り付けられた部品は遊星キャリアであり、太陽歯車は直接又は間接的にクランク軸に固定されている。

駆動装置の別の好適な実施形態では、駆動装置は、クランクケース又はフレームに取り付けられ、２つのクランクが固定されたクランク軸を含み、２つのクランク間には歯車が配置され、歯車を介して運転者の筋力を車両の駆動輪に伝達することができる。また、クランク軸の総トルクに応じてトルクをクランク軸に伝達するモータが設けられている。また、内歯車、太陽歯車、遊星キャリア及び遊星歯車を備えた遊星歯車機構が設けられ、歯車は内歯車の外周に固定されている。遊星キャリア又は太陽歯車はクランク軸に固定されている。それに対応して、太陽歯車又は遊星キャリアはクランクケース又はフレームに固定されている。そのため、固定部品（太陽歯車又は遊星キャリア）の相対的な位置によってクランク軸のトルクを測定することができる。

クランクケース又はフレーム並びに太陽歯車又は遊星キャリアと動作的に連結された少なくとも１つのトルクセンサが設けられていることが特に好ましい。クランク軸の総トルクはトルクセンサによって測定することができる。

実施形態によっては、太陽歯車又は遊星キャリアはクランク軸に取り付けられていてもよい。

好適な実施形態では、歯車及び遊星歯車はクランクケースと第１のクランクとの間に位置し、モータは第２のクランクとクランクケースとの間に位置する。

好ましくは、電気モータ等のモータのハウジングは、クランクケース又は車両のフレームに固定されている。

歯車機構がモータとクランク軸との間のトルク機構に配置され、モータのハウジングに収容されていてもよい。この場合、クランク軸の速度範囲とは異なる定格回転速度を有するモータを使用することができる。

特に好適な実施形態では、車両は自転車であり、筋力は運転者の脚によって生み出され、各クランクはペダルを有し、クランクケースはボトムブラケットシェルである。

あるいは、車両はハンドバイクであり、筋力は運転者の腕によって生み出され、各クランクはハンドグリップを有する。

本発明に係る駆動装置の第１の実施形態を模式的に示す。 本発明に係る駆動装置の第２の実施形態を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る駆動装置の第１の実施形態を示す。

自転車（詳細には図示せず）のフレームに固定（連結）されたボトムブラケットシェル１内には、２つの軸受１２ａ，１２ｂを介してクランク軸２が取り付けられており、クランク軸２の各端部にはクランク１０ａ，１０ｂが固定されている。クランク１０ａ，１０ｂにはペダル１１ａ，１１ｂが回転可能に設けられており、自転車の運転者はペダル１１ａ，１１ｂを介してクランク１０ａ，１０ｂ及びクランク軸２を駆動する。先行技術によれば、チェーンを介して自転車の後輪を駆動するチェーンホイール又は歯車７を介して上記駆動が行われる。

本発明によれば、チェーンホイール又は歯車７はクランク軸２に固定（連結）されておらず、遊星歯車機構を介して駆動される。クランク軸２は、クランク軸２に固定（連結）され、周囲に配置された複数の遊星歯車を有する遊星キャリア４を駆動する。図１では２つの遊星歯車５を示している。

遊星歯車５は、回転するクランク軸２に対向する少なくとも１つの軸受１３を介して取り付けられ、固定された太陽歯車８の周囲を回転する。太陽歯車８は、トルクセンサ９を介してボトムブラケットシェル１又は自転車のフレームに固定されており、太陽歯車８のトルクは、ボトムブラケットシェル１に対する太陽歯車８のねじれを利用してトルクセンサ９によって測定することができる。従って、本発明によれば、固定部品（太陽歯車８及びボトムブラケットシェル１）を介してクランク軸２のトルクを測定することができる。

チェーンホイール又は歯車７の内部には遊星歯車機構の内歯車６が配置されている。運転者がペダルを踏むか、クランク動作を行うと、遊星キャリア４及び遊星歯車５はクランク軸２と共に回転し、内歯車６を介してチェーンホイール又は歯車７を駆動する。

負荷又はトルクが増加すると、電気モータ３が作動する。電気モータ３は比較的平坦な構造を有し、ボトムブラケットシェルと第２のクランク１０ｂの間において、ボトムブラケットシェル１における遊星歯車機構とは反対側に配置されている。電気モータ３は異なる特性曲線を有していてもよく、例えば、特性曲線に応じて連続的又は比例的に作動させることができる。

電気モータ３とクランク軸２の基本速度差を補償するために、歯車機構（図示せず）を電気モータ３のハウジング内に設けることができる。そのため、電気モータ３はクランク軸２を直接駆動するか、歯車機構を介してクランク軸２を間接的に駆動する。

第１の実施形態とは異なり、太陽歯車８の代わりに遊星キャリア４をクランクケース１又はフレームに固定してもよい。従って、クランクケース１又はフレームに連結されたトルクセンサ９は遊星キャリア４に連結される。この場合にも、固定部品を介してクランク軸２のトルクを測定し、電気モータ３を制御することができる。

従って、本発明において以下に記載する構造を採用することができる。

ボトムブラケットシェル１に取り付けられたクランク軸２上では、モータ又はモータギア装置３がボトムブラケットシェル１及び遊星歯車機構に取り付けられている。クランク１０及びペダル１１が両側に配置されている。遊星キャリア４がクランク軸２に固定（連結）されている。クランク軸２に取り付けることができる太陽歯車８が、トルク支持体９を介してボトムブラケットシェル１に固定（連結）されている。太陽歯車８におけるトルクを測定するためのセンサがトルク支持体９に配置されている。内歯車６を介して、全駆動力がモータ及び運転者からチェーンホイール又は歯車７に伝達される。

図２は、本発明に係る駆動装置の第２の実施形態を示す断面図である。

ＩＳＣＧマウントを備えたボトムブラケットシェル１０１は、自転車のフレーム（詳細には図示せず）に固定される。２つの軸受１１２を有するボトムブラケットアセンブリがボトムブラケットシェル１０１内に設けられ、軸受１１２は、軸受カップ１１４を介してボトムブラケットシェル１０１に収容されている。連続中空軸及び中実軸を含むクランク軸１３４が、ボトムブラケットアセンブリ１１２，１１４を介してボトムブラケットシェル１０１内で回転可能に取り付けられている。中実軸は中空軸の（図２における）上部に収容され、中空軸内において固定されている。クランク軸１３４の２つの端部にはクランクがそれぞれ固定されている。図２では、一方のクランク１０７の中央部のみを示している。

クランク１０７の中央部の外周には遊星歯車機構が配置されている。遊星歯車機構は、上部ハウジング部１０４及び下部ハウジング部１０５からなるハウジングを含む（図２を参照）。内周に沿って設けられた４つの遊星又は遊星歯車を有する内歯車１０３がハウジング１０４，１０５と一体的に設けられている。図２では、２つの遊星歯車１１１のみを示している。遊星歯車１１１は、遊星軸１１０を介して遊星キャリア１０９に回転可能に取り付けられており、遊星キャリア１０９は、クランク１０７を介して回転しないようにクランク軸１３４に連結されている。

遊星歯車１１１の内面側に当接する太陽歯車１０２（遊星歯車１１１は太陽歯車１０２に沿って回転する）が、トルクセンサ１０６のスリーブ１０６ａを介して回転しないようにボトムブラケットシェル１０１に連結されている。トルクセンサ１０６は、国際統一チェーンガイドマウント（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｈａｉｎ Ｇｕｉｄｅ Ｍｏｕｎｔ（ＩＳＣＧ））に準拠して回転しないようにボトムブラケットシェル１０１に連結されている。

遊星歯車機構のハウジング部１０４は、軸受を介して回転可能にクランク１０７に取り付けられ、ハウジング部１０５は、太陽歯車１０２とスリーブ１０６ａとの連結部に軸受を介して回転可能に取り付けられている。

クランク軸１３４の中空軸とクランク１０７との連結領域（矢印で示す）には軸ハブジョイントが設けられている。同様に、クランク１０７と遊星キャリア１０９との間にも軸ハブジョイント（矢印で示す）が設けられている。

遊星歯車機構の（図２における）下部ハウジング部１０５にはチェーンリング又はチェーンホイール１０８が固定されており、チェーンリング又はチェーンホイール１０８は、チェーン（図示せず）を介して自転車の駆動輪又は後輪（図示せず）に連結されている。

以下、図２を参照して本発明の第２の実施形態の機能について説明する。クランク１０７からチェーンホイール１０８までの伝動機構には、クランク軸１３４のトルク及び速度をチェーンホイール１０８のトルク及び速度に変換する遊星歯車機構が設けられている。遊星キャリア１０９及び遊星軸１１０はクランク軸１３４と共に回転する。太陽歯車１０２はトルクセンサ１０６を介してボトムブラケットシェル１０１においてフレームに実質的に固定されているため、遊星歯車１１１は、内歯車１０１を介してハウジング１０４，１０５及びチェーンホイール１０８を回転させる。

クランク軸１３４に導入されるトルクに応じて太陽歯車１０２においてトルクが生成され、ボトムブラケットシェル１０１に固定されたスリーブ１０６ａのねじれが生じる。スリーブ１０６ａは、国際統一チェーンガイドマウント（ＩＳＣＧ）に対応して固定されている。固定されたスリーブ１０６ａのねじれは、簡単なデバイス技術を使用して歯車機構の固定部品において歪み計又はピエゾ素子によって測定され、外乱の影響は受けない。

チェーンホイール１０８が固定された遊星歯車機構及びトルクセンサ１０６は、比較的簡単にモジュールとしてボトムブラケットシェル１０１にねじで取り付けることができる。

図示する実施形態とは異なり、本発明に係る大部分が固定された歯車部材におけるトルク測定は、単純な平歯車装置によって平歯車又はその軸の取付部分において行うこともできる。

本発明は、クランクケース又はフレームに取り付けられたクランク軸を有する人力車両のための駆動装置に関する。クランク軸には、運転者の筋力を車両の駆動輪に伝達するための少なくとも１つのクランクが固定されている。クランク軸から車両の駆動輪に連結された被動歯車までの伝動機構には歯車装置が設けられている。本発明によれば、クランク軸の総トルクを測定するための歯車装置の実質的に固定された部品がクランクケース又はフレームに支持されている。

１，１０１：ボトムブラケットシェル
２，１３４：クランク軸
３：電気モータ
４，１０９：遊星キャリア
５，１１１：遊星歯車
６，１０３：内歯車
７：歯車
８，１０２：太陽歯車
９，１０６：トルクセンサ
１０ａ，１０ｂ，１０７：クランク
１１ａ，１１ｂ：ペダル
１２ａ，１２ｂ，１３，１１２：軸受
１０４，１０５：ハウジング部
１０６ａ：スリーブ
１０８：チェーンホイール
１１０：遊星軸
１１４：軸受カップ

Claims (12)

1. ボトムブラケットシェル（１；１０１）又はフレームに取り付けられたクランク軸（２；１３４）と、前記クランク軸（２；１３４）に固定され、運転者の筋力を自転車の駆動輪に伝達するための２つのクランク（１０ａ，１０ｂ；１０７）と、前記クランク軸（２；１３４）から前記駆動輪に連結された被動歯車（７；１０８）までの伝動機構に配置された歯車機構と、を有する人力自転車のための駆動装置であって、前記クランク軸（２；１３４）の総トルクを測定するための前記歯車機構の実質的に固定された部品（８；１０２）が、標準ボトムブラケットシェルにおけるＢＳＡ規格又はボトムブラケットシェル国際規格（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ Ｂｏｔｔｏｍ Ｂｒａｃｋｅｔ Ｓｈｅｌｌｓ）（ＢＢ３０）に準拠して、トルクセンサ（９；１０６）を介して標準ボトムブラケットシェル（１；１０１）に支持されており、
   前記トルクセンサ（１０６）は、前記クランク軸（１３４）とほぼ同心に配置され、歪み計又はピエゾ素子が固定されたスリーブ（１０６ａ）を有し、前記スリーブ（１０６ａ）は、国際統一チェーンガイドマウント（ＩＳＣＧ）によって前記標準ボトムブラケットシェル（１０１）に固定されていることを特徴とする駆動装置。
2. 請求項１において、
   前記歯車機構は、内歯車（６；１０３）、太陽歯車（８；１０２）、遊星キャリア（４；１０９）及び遊星歯車（５；１１１）を備えた遊星歯車機構（４，５，６，８；１０２，１０３，１０９，１１１）であり、前記被動歯車（７；１０８）は前記内歯車（６；１０３）に固定されており、
   前記実質的に固定された部品は前記太陽歯車（８；１０２）であり、前記遊星キャリア（４；１０９）は、直接又は間接的に前記クランク軸（２；１３４）に固定されている駆動装置。
3. 請求項1において、
   前記実質的に固定された部品は前記遊星キャリアであり、前記太陽歯車は、直接又は間接的に前記クランク軸に固定されている駆動装置。
4. 請求項１において、
   ２つのクランク（１０ａ，１０ｂ）が前記クランク軸（２）に固定され、前記運転者の筋力を前記自転車の前記駆動輪に伝達することができる歯車（７）並びに前記クランク軸（２）の総トルクに応じてトルクを前記クランク軸（２）に伝達することができるモータ（３）が前記クランク（１０ａ，１０ｂ）間に配置され、前記歯車機構は、内歯車（６）、太陽歯車（８）、遊星キャリア（４）及び遊星歯車（５）を備えた遊星歯車機構であり、前記歯車（７）は前記内歯車（６）の外周に固定され、前記遊星キャリア（４）は前記クランク軸（２）に固定され、前記太陽歯車（８）はボトムブラケットシェル（１）又は前記フレームに固定されている駆動装置。
5. 請求項１において、
   ２つのクランクが前記クランク軸に固定され、前記運転者の筋力を前記自転車の前記駆動輪に伝達することができる歯車並びに前記クランク軸の総トルクに応じてトルクを前記クランク軸に伝達することができるモータが前記クランク間に配置され、前記歯車機構は、内歯車、太陽歯車、遊星キャリア及び遊星歯車を備えた遊星歯車機構であり、前記歯車は前記内歯車の外周に固定され、前記太陽歯車は前記クランク軸に固定され、前記遊星キャリアはボトムブラケットシェル又は前記フレームに固定されている駆動装置。
6. 請求項4において、
   前記ボトムブラケットシェル（１）又は前記フレーム及び前記太陽歯車（８）と動作的に連結され、前記クランク軸（２）の総トルクを測定することができる少なくとも１つのトルクセンサ（９）をさらに含む駆動装置。
7. 請求項5において、
   前記ボトムブラケットシェル又は前記フレーム及び前記遊星キャリアと動作的に連結され、前記クランク軸の総トルクを測定することができる少なくとも１つのトルクセンサをさらに含む駆動装置。
8. 請求項4又は6において、
   前記太陽歯車（８）は前記クランク軸（２）に取り付けられている駆動装置。
9. 請求項5又は7において、
   前記遊星キャリアは前記クランク軸に取り付けられている駆動装置。
10. 請求項4〜9のいずれか１項において、
    前記歯車（７）及び前記遊星歯車は前記ボトムブラケットシェル（１）と第１のクランク（１０ａ）との間に配置され、前記モータ（３）は第２のクランク（ｌ０ｂ）と前記ボトムブラケットシェル（１）との間に配置されている駆動装置。
11. 請求項4〜１1のいずれか１項において、
    前記モータは電気モータ（３）であり、前記電気モータ（３）のハウジングは前記ボトムブラケットシェル（１）又は前記自転車の前記フレームに固定されている駆動装置。
12. 請求項11において、
    前記モータ（３）の前記ハウジングに収容された歯車機構が前記モータ（３）に割り当てられている駆動装置。

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