JP6215135B2 - 自転車の駆動機構及び該駆動機構を備えた自転車 - Google Patents

Description

本発明は、自転車の駆動機構及び該駆動機構を備えた自転車に関する。

自転車において、ペダルを逆方向に踏み込むことにより後輪ブレーキを作動させる機構（バックペダルブレーキ）がある。そのような機構として、一般にコースターブレーキ（ＪＩＳ Ｄ９２０１では「コースターハブ」と称されている）と呼ばれる機構がよく知られている。コースターハブは後輪のフリーホイールハブにブレーキ機構を組み込んだものであり、後輪ハブに連結されたスプロケットを逆回転させることによりクラッチを軸方向に移動させ、ブレーキシューをブレーキドラムに押し付け制動力を得る。

しかしながら、コースターブレーキは後輪ハブに逆方向の回転力を伝達できる構造でなければ制動力が得られず、使用することはできない。そのため、例えば何らかの事情によりクランクシャフトとドライブスプロケット間にワンウェイクラッチが設けられている構造の自転車にコースターブレーキは使用できない。

そこで、直接クランクシャフトの逆回転を検出して後輪ブレーキを作動させるような機構が考えられるが、単純に係るこのような機構を採用すると、自転車を後退させたとき、クランクシャフトが後輪の逆回転と連動して逆回転するため、後輪ブレーキが作動してしまう問題がある。

特許文献１には、クランクシャフトの逆回転を検出して後輪ブレーキを作動させる機構において、自転車を後退させたときには後輪（駆動輪）のハブに取り付けられた作動リング２３によりワイヤ１４を引き、ペダル・クランク組立体のリング１１を回転させ、同組立体内のワンウェイクラッチを空転させることにより後輪ブレーキを休止させる機構が記載されている。

特表平２−５０３０７９号公報

本発明はかかる事情に基いてなされたものであり、その課題は、バックペダルブレーキを備えた自転車の駆動機構において、特殊な後輪ハブを必要とすることなく、車両の後退時に後輪ブレーキを非作動とすることである。

上記課題を解決すべく本出願において開発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。

（１）乗員の踏力が入力されるクランク軸と、前記クランク軸と第１のワンウェイクラッチを介して接続され、後輪へと駆動力を伝達する駆動力伝達部材と係合する後輪駆動部材と、前記クランク軸とスリップロック機構を介して接続され、後輪ブレーキを駆動する後輪ブレーキ駆動部材と、を有し、前記第１のワンウェイクラッチは、前記クランク軸から前記後輪駆動部材への順方向の駆動力を伝達するものであり、前記スリップロック機構は、前記クランク軸と前記後輪駆動部材の回転が同期している場合にフリー状態となり、前記クランク軸と前記後輪駆動部材の回転が非同期である場合にロック状態となる自転車の駆動機構。

（２）（１）において、前記クランク軸に入力されるトルクを検出するトルクセンサと、前記トルクセンサにより検出されるトルクに基いて、前記後輪駆動部材に補助駆動力を加えるモータと、を有する自転車の駆動機構。

（３）（１）又は（２）において、前記スリップロック機構は、前記クランク軸と同期回転する第１回転部材と、前記後輪ブレーキ駆動部材と同期回転する第２回転部材と、前記第１回転部材と前記第２回転部材間に配置される複数のトルク伝達部材と、前記トルク伝達部材間に配置されるリテーナと、を有し、前記リテーナと前記後輪駆動部材は同期回転するように接続される自転車の駆動機構。

（４）（３）において、前記リテーナと前記後輪駆動部材は第２のワンウェイクラッチを介して接続され、前記第２のワンウェイクラッチは前記後輪駆動部材から前記リテーナへの逆方向の動力を伝達するものである、自転車の駆動機構。

（５）（４）において、前記リテーナと前記後輪駆動部材は弾性部材により弾性的に接続される自転車の駆動機構。

（６）（３）〜（５）のいずれかにおいて、前記第２回転部材の表面には、前記第１回転部材が相対的に逆方向に回転した際に前記トルク伝達部材と係合する凹凸構造が設けられる自転車の駆動機構。

（７）（３）〜（６）のいずれかにおいて、前記後輪ブレーキ駆動部材と前記第２回転部材は一体の部材である自転車の駆動機構。

（８）（１）〜（７）のいずれかの自転車の駆動機構を搭載した自転車。

上記発明によれば、バックペダルブレーキを備えた自転車の駆動機構において、特殊な後輪ハブを必要とすることなく、車両の後退時に後輪ブレーキを非作動とすることができる。

本発明の第一の実施形態に係る自転車の駆動機構を備えた自転車の側面図である。 駆動機構の構成を示す模式図である。 自転車の状態と、駆動機構の各部の動作状態を表に示した図である。 駆動機構の構成を示す一部破断斜視図である。 駆動機構のクランク軸の中心軸を通る鉛直断面図である。 回転軸方向から見たスリップロック機構の構造を説明する断面図である。 本発明の第１の実施形態において、スリップロック機構としてラチェット機構を用いた変形例を示す、スリップロック機構の一部破断斜視図である。 回転軸方向から見たスリップロック機構の構造を説明する一部破断図である。 自転車の状態と、駆動機構の各部の動作状態を表に示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る駆動機構の構成を示す模式図である。 自転車の状態と、駆動機構の各部の動作状態を表に示した図である。 本発明の第２の実施形態において、第２のワンウェイクラッチとスリップロック機構の位置関係を示す駆動機構の一部破断部分斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る第２のワンウェイクラッチを構成する接続リングをスリップロック機構側から見た一部破断図である。 本発明の第２の実施形態に係る第２のワンウェイクラッチを構成する接続リングをドライブスプロケット側から見た一部破断図である。 本発明の第２の実施形態に係るスリップロック機構の動作を説明する図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係るスリップロック機構の動作を説明する図である。

以下、本発明の第一の実施形態について図１〜９を適宜参照しつつ説明する。

図１は、本発明の第一の実施形態に係る自転車の駆動機構１０を備えた自転車１の側面図である。自転車１は、一般的な自転車としての構造、すなわち、フレーム２と前輪３及び後輪４、ハンドル５及びサドル６、及び足踏式のペダル１１を持つ駆動機構１０を備えている。一般的な形式では、搭乗者が駆動機構１０のペダル１１を踏み、ペダルクランク１２を順方向に回転させることにより得られる駆動力を後輪４に伝達することにより自転車１は前進する。なお、ここで「順方向」とは、自転車１が前進する際の各部品の動きの方向を指すものとする。これに対し、「逆方向」は、順方向に対し逆となる方向を指すものとする。

ペダルクランク１２は、一般に自転車１において見られる同名の部品と同様の通常の部品であり、クランク軸１３とペダル１１とを繋ぐ部品である。ペダルクランク１２はクランク軸１３に対し回転不能に固定され（すなわち、ペダルクランク１２とクランク軸１３は一体として回転する）、ペダル１１はペダルクランク１２に対し回転可能に固定される。搭乗者による駆動力はクランク軸１３と同軸に設けられたドライブスプロケット１４へと伝達され、さらにチェーン１５を介してドリブンスプロケット１６へと伝達される。これにより、後輪ハブ１７が回転し、後輪ハブ１７に取り付けられた後輪４が順方向に回転する。なお、後輪ハブ１７は一般に自転車に使用されるいわゆるフリーホイールハブであり、ドリブンスプロケット１６から後輪ハブ１７への順方向の駆動力は伝達するが、逆方向の駆動力は伝達しない、いわゆるワンウェイクラッチ機構を備えている。

また、図１に示した駆動機構１０は、搭乗者の踏力を補助する電動機１８と、その動力源であるバッテリ１９を備えている。電動機１８は、搭乗者の踏力に応じてドライブスプロケット１４にアシストトルクを与える。本実施形態では、チェーン１５が巻回されたアシストスプロケット２０を電動機１８が回転させることによりチェーン１５を順方向に引っ張り、ドライブスプロケット１４にアシストトルクを与えている。なお、電動機１８がドライブスプロケット１４にアシストトルクを与える機構は特に限定されず、他にも、直接ドライブスプロケット１４にアシストトルクを与えるようなものであってもよい。電動機１８やアシストスプロケット２０等の部品は電動機カバー２１に覆われ、またドライブスプロケット１４やチェーン１５の上側部分はチェーンカバー２２に覆われ、保護されるとともに、搭乗者の身体や衣服の駆動機構１０内への巻き込みを防止している。

そして、本実施形態では、電動機１８がドライブスプロケット１４にアシストトルクを与える都合上、クランク軸１３とドライブスプロケット１４との間に、クランク軸１３からドライブスプロケット１４への順方向の駆動力は伝達するが、逆方向の駆動力は伝達しないワンウェイクラッチ機構（以降、第１のワンウェイクラッチと呼ぶ。）が組み込まれている。したがって、搭乗者がペダル１１を逆方向に回転させても、かかる回転力はドライブスプロケット１４に伝達されることはない。

なお、以上の説明では、自転車１を電動機１８及びバッテリ１９を備え、乗者の踏力に応じてアシストトルクを与える、いわゆる電動アシスト自転車として示したが、必ずしも動力アシストをする形式の自転車である必要はなく、何らのアシスト機構を持たない、人力によってのみ走行する形式の自転車であってもよい。ただし、その場合であっても、本実施形態は、クランク軸１３とドライブスプロケット１４との間に上述の第１のワンウェイクラッチを備えたものを対象としている。

また、自転車１の駆動機構１０は、後輪４に駆動力を伝達するにあたり、必ずしもここで示したようなチェーン１５を用いた機構を用いなくともよく、その他の機構、例えば、ベルトやシャフトを用いた機構としてもよい。その場合においても、自転車１は、後輪４に駆動力を伝達するための何らかの駆動力伝達部材と、かかる駆動力伝達部材と係合し、クランク軸１３の回転を伝達するための後輪駆動部材を少なくとも有する。本実施形態では、チェーン１５が駆動力伝達部材に、ドライブスプロケット１４が後輪駆動部材に相当することとなるが、ベルト駆動方式ではベルトが駆動力伝達部材、プーリが後輪駆動部材にあたり、シャフト駆動方式ではシャフトが駆動力伝達部材、べベルギアが後輪駆動部材にあたることになる。

本実施形態では、駆動機構１０にさらに、ペダル１１を逆方向に回転させることによりブレーキを作用させる、いわゆるバックペダルブレーキ機構が組み込まれる。ここではバックペダルブレーキ機構は後輪４にブレーキを作用させるものであり、クランク軸１３と同軸に設けられたブレーキアーム２３を逆転させるとブレーキワイヤ２４が引っ張られ、後輪４に取り付けられたドラムブレーキ２５が作動する、というものである。なお、後輪４に取り付ける後輪ブレーキの形式は特に限定されない。ドラムブレーキ２５は後輪ブレーキの一例である。また、後輪ブレーキを作動させるための部材である後輪ブレーキ駆動部材は、ここで示したようなブレーキアーム２３に限定されるものではない。後輪ブレーキを作動させることができれば、その形状や形式は問わない。ブレーキアーム２３は、後輪ブレーキ駆動部材の一例である。

なお、図１には前輪ブレーキを示していないが、これは適宜の形式のブレーキ機構を必要に応じて設けてよい。

図２は、駆動機構１０の構成を示す模式図である。クランク軸１３の両端にはペダルクランク１２及びペダル１１が取り付けられる（同図では片方のみ示している）。クランク軸１３には第１のワンウェイクラッチ２６を介してドライブスプロケット１４が取り付けられる。ドライブスプロケット１４にはチェーン１５が回し掛けられ、さらにチェーン１５はドリブンスプロケット１６に巻き掛けられる。後輪ハブ１７はドリブンスプロケット１６と同軸に設けられる。また、同じくクランク軸１３にはスリップロック機構２７を介してブレーキアーム２３が取り付けられる。

さらに、クランク軸１３にはトルクセンサ２８が設けられ、クランク軸１３に作用するトルクを検出し、かかる検出結果に基いてコントローラ２９が電動機１８を制御することにより、適切なアシストトルクがドライブスプロケット１４に加えられるようになっている。

ここで、第１のワンウェイクラッチ２６及び後輪ハブ１７において示した矢印は、動力の伝達方向を示しており、実線矢印が順方向の動力の伝達方向を、破線矢印が逆方向の動力の伝達方向を示す。すなわち、第１のワンウェイクラッチ２６は、クランク軸１３がドライブスプロケット１４に対し順方向に回転しようとするとロック状態となり、クランク軸１３の回転力をドライブスプロケット１４に伝えるが、クランク軸１３がドライブスプロケット１４に対し逆方向に回転する場合にはフリー状態となり、クランク軸１３を空転させるものである。ドライブスプロケット１４側からみると、第１のワンウェイクラッチ２６は、ドライブスプロケット１４がクランク軸１３に対し逆方向に回転しようとした場合にロック状態となり、順方向に回転しようとした場合にはフリー状態となる。

一方、スリップロック機構２７は、クランク軸１３とブレーキアーム２３の間に介在するものであるが、さらにドライブスプロケット１４の回転も入力される。そして、スリップロック機構２７の動作は、クランク軸１３とドライブスプロケット１４の回転が同期している、すなわち、両者が一体となって回転している場合（又は両方とも止まっている場合）にフリー状態となり、クランク軸１３とドライブスプロケット１４の回転が非同期である、すなわち両者の回転の間にすべりがある場合にロック状態となる。

かかる駆動機構１０の動作を、図３をさらに参照しつつ説明する。図３は自転車１の状態と、駆動機構１０の各部の動作状態を表に示した図である。同図中、縦の列は自転車１の状態を、横の列は各部の動作状態を表しており、表中の「ＦＷ」は順方向の動作、「ＲＷ」は逆方向の動作、「Ｎ」は停止状態又は自由回転状態を示し、また、「ＬＯＣＫ」は第１のワンウェイクラッチ２６やスリップロック機構２７がロック状態にあることを、「ＦＲＥＥ」はフリー状態にあることを示している。

まず、搭乗者が自転車１のペダル１１を順方向に漕ぎ、自転車１が前方に走行している状態を考える。ペダル１１からペダルクランク１２を介して伝達された踏力によりクランク軸１３は順方向に回転し、第１のワンウェイクラッチ２６がロックするのでドライブスプロケット１４も順方向に回転する。そしてチェーン１５を介してドリブンスプロケット１６もまた順方向に回転し、後輪ハブ１７へと駆動力が伝達され、後輪ハブ１７が順方向に回転することにより自転車１の後輪４が順方向に回転する。

このとき、第１のワンウェイクラッチ２６がロックしており、クランク軸１３とドライブスプロケット１４の回転が同期するため、スリップロック機構２７はフリー状態となり、ブレーキアーム２３は回転せずドラムブレーキ２５も作動しない。

また、電動機１８は、クランク軸１３に作用するトルクに応じたアシストトルクを発生し、ドライブスプロケット１４に作用させる。

次に自転車１が惰性で走行している状態、すなわち、自転車１は慣性（或いは下り坂）で前方に走行しているが、搭乗者はペダル１１を漕いでいない状態を考える。クランク軸１３は回転しないため、ドライブスプロケット１４もまた回転せず、第１のワンウェイクラッチ２６はフリー状態にある。後輪ハブ１７は後輪４の回転につれて順方向に回転するが、その回転はドリブンスプロケット１６に伝達されることはなく、ドリブンスプロケット１６も回転しない。

このとき、クランク軸１３とドライブスプロケット１４はともに回転しないため、スリップロック機構２７はフリー状態となり、ブレーキアーム２３は回転せずドラムブレーキ２５も作動しない。

また、電動機１８は、クランク軸１３にトルクが作用しないためアシストトルクを発生させない。

さらに、搭乗者が自転車１のペダル１１を逆方向に漕ぎ、バックペダルブレーキを作用させる状態を考える。クランク軸１３は、ペダル１１に加えられた踏力に応じて逆方向に回転する。しかしながら、この回転は、第１のワンウェイクラッチ２６がフリー状態となるためドライブスプロケット１４には伝達されない。ドライブスプロケット１４はフリー回転の状態にあり、通常は回転しない。ドリブンスプロケット１６もまた回転しない状態である。後輪ハブ１７については、自転車１が慣性で走行している場合には順方向に回転しており、自転車１が停止している場合には回転していないことになる。いずれにせよ、後輪ハブ１７の状態はドリブンスプロケット１６には伝達されない。

このとき、クランク軸１３は逆方向に回転するのに対し、ドライブスプロケット１４は回転せず、両者の回転が同期しないためスリップロック機構２７はロックする。これにより、クランク軸１３からブレーキアーム２３に逆方向の回転力が伝達され、ブレーキアーム２３が逆方向に回転し、ドラムブレーキ２５が作動する。

なお、電動機１８は、クランク軸１３に逆方向のトルクが作用しているので、アシストトルクを発生させない。

最後に、自転車１を後退させた状態、すなわち、搭乗者が自転車１を降りて、自転車１を後ろに押している状態を考える。このときは、後輪４と同期して後輪ハブ１７が逆方向に回転し、その回転はドリブンスプロケット１６に伝達されるため、ドリブンスプロケット１６は逆方向に回転する。さらに、チェーン１５を介して、ドライブスプロケット１４もまた逆方向に回転する。ドライブスプロケット１４が逆方向に回転すると、第１のワンウェイクラッチ２６はロックするため、クランク軸１３もまた逆方向に回転することになる。

ここで、クランク軸１３とドライブスプロケット１４とは、第１のワンウェイクラッチ２６がロックするため同期して逆方向に回転することになる。そのため、スリップロック機構２７はフリー状態となるから、ブレーキアーム２３にこの逆方向の回転が伝達されることはなく、ブレーキアーム２３は回転せずドラムブレーキ２５は作動しないのである。

なお、電動機１８は当然にこの場合にもアシストトルクは発生させない。

このように、スリップロック機構２７の作用により、本実施形態に係る自転車１は、自転車１の走行時又は停車時にバックペダルブレーキを作用させることができ、なおかつ、自転車１を後退させる際にはドラムブレーキ２５が作用することはなく、スムースな自転車１の後退が可能である。そして、後輪ハブ１７は一般的なフリーホイールハブでよく、なんら特殊な品ではない。

続いて、駆動機構１０の具体的な機構の例を図４〜６を参照して説明する。

図４は、駆動機構１０の構成を示す一部破断斜視図である。また、図５は、駆動機構１０のクランク軸１３の中心軸を通る鉛直断面図である。

クランク軸１３とドライブスプロケット１４間に組み込まれる第１のワンウェイクラッチ２６は、クランク軸１３と一体に回転する外筒３０と、クランク軸１３に対し回転可能に支持される内筒３１、及び外筒３０と内筒３１間に配置されるラチェット爪３２を含む。なお、ここでは第１のワンウェイクラッチ２６をラチェット式のものとして示したが、カム式、スプラグ式等他の形式のものとしてもよい。

内筒３１にはドライブスプロケット１４及び接続リング３３が固定され、これらの部材は一体に回転する。なお、これら一体となって回転する部品は、ここで示したように別部材として作成し、一体に組み付けてもよいし、もともと一体の部品としてまとめて作成してもよい。以降の説明においても同様である。接続リング３３のスリップロック機構２７に面する側面には、後述するリテーナ３７が挿入される凹部３４が形成される。

スリップロック機構２７は、クランク軸１３と一体に回転するアクスルアダプタ３５と、クランク軸１３に対し回転可能に支持されるブレーキアーム２３、及びアクスルアダプタ３５とブレーキアーム２３間に配置されるローラ３６とリテーナ３７を含む。アクスルアダプタ３５の外周面の一部分には、ローラ３６を径方向外側へと押しやるカム面３８が形成され、また、ブレーキアーム２３の内周面の一部分には、ローラ３６と接触するローラ接触面３９が形成されている。リテーナ３７はローラ３６間に配置され、隣接するローラ３６同士が互いに接触しないようにその間隔を保持する部材であるが、一部分が第１のワンウェイクラッチ２６方向に延長され、接続リング３３の凹部３４内に挿入され、凹部３４において、スプリング４０により接続リング３３と弾性的に接続される。これにより、接続リング３３とリテーナ３７とは同期回転するよう接続される。そして、接続リング３３とドライブスプロケット１４は一体として回転するから、ドライブスプロケット１４とリテーナ３７とは同期回転するよう接続されることになる。とはいうものの、スプリング４０は弾性体であり、ある程度の変形が可能であるため、ドライブスプロケット１４とリテーナ３７とは常に一体となって回転するわけではなく、多少の回転方向の位置のずれは許容される。

アクスルアダプタ３５には、ペダルクランク１２が一体に回転するように取り付けられる。アクスルアダプタ３５とクランク軸１３とは一体に回転するから、ペダルクランク１２はクランク軸１３と一体として回転することになる。なお、アクスルアダプタ３５を介さず、ペダルクランク１２を直接クランク軸１３に取り付けるようにしてもよい。

図６は、回転軸方向から見たスリップロック機構２７の構造を説明する断面図である。図示のように、スプリング４０の両端はそれぞれ接続リング３３及びリテーナ３７と係合している。そのため、スリップロック機構２７では、接続リング３３とアクスルアダプタ３５とが同期して回転しているか、その両方が回転していない状態では、スプリング４０の働きによりリテーナ３７が所定の位置に保たれる。かかる状態ではローラ３６はカム面３８によって径方向外側へと押されることはなく、ブレーキアーム２３はアクスルアダプタ３５に対し自由回転可能な状態に置かれる。すなわち、この状態ではブレーキアーム２３はクランク軸１３に対しフリー状態となる。

ここで、クランク軸１３とドライブスプロケット１４とが相対回転することにより、接続リング３３とアクスルアダプタ３５の回転が非同期となると、接続リング３３に対しスプリング４０の弾性変形の範囲内でアクスルアダプタ３５が回転し、カム面３８がローラ３６を径方向外側へと追いやる。その結果、ローラ３６がブレーキアーム２３のローラ接触面３９とカム面３８の間に噛みこみ、ブレーキアーム２３はアクスルアダプタ３５と一体に回転するようになる。すなわち、この状態ではブレーキアーム２３はクランク軸１３に対しロック状態となるのである。

なお、カム面３８のカムプロファイルは、回転入力方向に依存しない形状、例えば個々の面を単なる平面としてもよいが、本実施形態では図６に示したように回転方向に対し非対称な形状とされており、クランク軸１３の逆方向の回転に対してはカム面３８がローラ３６を押し上げ、ロック状態とするのに対し、クランク軸１３の順方向の回転に対してはカム面３８がローラ３６を押し上げることなく空転するようなカムプロファイルとされている。

ここまでの説明では、スリップロック機構２７はカムローラ機構を用いたものとして説明したが、これ以外の機構を用いてもよい。図７は、本実施形態において、スリップロック機構２７としてラチェット機構を用いた変形例を示す、スリップロック機構２７の一部破断斜視図であり、図８は、回転軸方向から見たスリップロック機構２７の構造を説明する一部破断図である。

この変形例では、先の例のローラ３６に替えて、ラチェット爪４１が所定の間隔をあけてアクスルアダプタ３５の外周面に設けられる。また、隣接するラチェット爪４１同士の間にはリテーナ３７が挿入されている。さらにリテーナ３７と各ラチェット爪４１との間にはコイルスプリング４２が設けられており、ラチェット爪４１を外周方向に開くように付勢している。また、ブレーキアーム２３のラチェット爪４１と接触する内周面である噛み合い面４３は、アクスルアダプタ３５が逆回転した際にラチェット爪４１と噛み合うよう、段差が設けられている。また、リテーナ３７と接続リング３３とはスプリング４０により弾性的に接続され、同期して回転するようになっている。

この変形例に係るスリップロック機構２７では、クランク軸１３がドライブスプロケット１４に対し逆方向に回転することにより、接続リング３３とアクスルアダプタ３５の回転が非同期となり、かつ、接続リング３３に対するアクスルアダプタ３５の回転方向が逆方向である場合には、スプリング４０の働きによりリテーナ３７はラチェット爪４１を外側に開く方向、すなわち、同図では時計回りの方向に押し付ける。その結果、ラチェット爪４１の先端は噛み合い面４３の段差に噛み合い、ブレーキアーム２３はアクスルアダプタ３５と一体に回転するようになる。すなわち、この状態ではブレーキアーム２３はクランク軸１３に対しロック状態となる。

これに対し、接続リング３３とアクスルアダプタ３５とが同期して回転しているか、その両方が回転していない状態では、スプリング４０の働きによりリテーナ３７はラチェット爪４１を内側に閉じる方向、すなわち、同図では反時計周りの方向に押し付ける。その結果、ラチェット爪４１は閉じ、その先端は噛み合い面４３の段差と噛み合うことはなく、ブレーキアーム２３はアクスルアダプタ３５に対し自由回転可能な状態に置かれる。すなわち、この状態ではブレーキアーム２３はクランク軸１３に対しフリー状態となるのである。

この変形例においても、先の例と同様に、スリップロック機構２７はクランク軸１３とドライブスプロケット１４の回転が同期している、すなわち、両者が一体となって回転している場合又は両方とも止まっている場合にフリー状態となり、クランク軸１３とドライブスプロケット１４の回転が非同期である、すなわち両者の回転の間にすべりがある場合にロック状態となる。

以上の例及び変形例では、スリップロック機構２７として、カムローラ機構を用いたもの、ラチェット機構を用いたものをそれぞれ説明したが、さらに、これらとは別の機構、例えば、スプラグ機構を用いてもよい。いずれにせよ、本実施形態に用いられるスリップロック機構２７の具体例では、クランク軸１３と同期回転する第１回転部材と、後輪ブレーキ駆動部材であるブレーキアーム２３と同期回転する第２回転部材とを想定した場合に、かかる第１回転部材と第２回転部材間に複数のトルク伝達部材を配置し、さらにトルク伝達部材間にリテーナを配置し、リテーナと後輪駆動部材であるドライブスプロケット１４が同期回転するように弾性的に接続されるものとして設計されている。

先の例では、ローラ３６がトルク伝達部材に該当し、変形例ではラチェット爪４１がトルク伝達部材に該当する。スプラグ機構を採用するのであれば、スプラグがトルク伝達部材に該当することになろう。また、いずれの例においても、アクスルアダプタ３５が第１回転部材に該当し、ブレーキアーム２３のローラ接触面３９又は噛み合い面４３が設けられている部分が第２回転部材に該当している。もちろん、ブレーキアーム２３を分割し、ブレーキワイヤ２４を取り付けるアームに相当する部分と、第２回転部材に相当する部分とを別々に作成し、後から両者が同期回転するよう一体に固定しても差し支えない。しかしながら本実施形態では、ブレーキアーム２３を一体の部材として制作することで部品点数の削減並びにコストの低減を図っている。

ところで、以上説明した第１の実施形態に係る自転車の駆動機構１０を備えた自転車１では、コントローラ２９により電動機１８の制御如何によっては、自転車１の挙動が意図せぬものとなる懸念がある。かかる挙動について図９を参照して説明する。

同図は、図３に倣い、自転車１の状態と、駆動機構１０の各部の動作状態を表に示した図である。ここで懸念されるのは、電動機１８によるアシストトルクがドライブスプロケット１４に作用している状態である。このときに、搭乗者がペダル１１を漕ぐのをやめる等何らかの理由により、クランク軸１３の順方向の回転速度を、ドライブスプロケット１４の順方向の回転速度が上回った状態を考える（図中、「ＦＷ＞クランク軸」として示した）。このとき、クランク軸１３はドライブスプロケット１４より遅い速度で順方向に回転するか停止しており、ドライブスプロケット１４への駆動力の伝達はなされないので第１のワンウェイクラッチ２６はフリーの状態にある。また、ドリブンスプロケット１６及び後輪ハブ１７はドライブスプロケット１４にしたがって順方向に回転する。

このときのスリップロック機構２７の動作を図６を参照して考えると、クランク軸１３と連動するアクスルアダプタ３５に対し、ドライブスプロケット１４に連動する接続リング３３が順方向に回転する状態であるが、このとき、スプリング４０の働きにより、リテーナ３７も接続リング３３と同様に順方向に回転しようとする。そして、ローラ３６はリテーナ３７に押され、やはりアクスルアダプタ３５に対し、順方向に回転しようとする。

この結果、ローラ３６がアクスルアダプタ３５のカム面３８を順方向に押し、クランク軸１３に順方向に回転させるトルクが伝達されてしまう（図中、「Ｈａｌｆ ＬＯＣＫ」として示した）。さらに、このクランク軸１３に加えられた順方向のトルクは、図２に示すトルクセンサ２８によっては、搭乗者の踏力によるものであるのか否か判別することはできない。そのため、コントローラ２９において、ドライブスプロケット１４がクランク軸１３を上回る速度で回転するようなアシストトルクを発生させないよう適切な制御がなされていなければ、搭乗者のペダル操作にかかわらず電動機１８がアシストトルクを発生させ続ける事態になりかねない。

もちろん、かかる挙動は搭乗者の意図しないものであるから、コントローラ２９による制御により防止すればよいのであるが、次に述べる本発明の第２の実施形態では、上述した事態の発生を機械的な機構によっても防止するものである。以下、本発明の第２の実施形態に係る駆動機構１０を備えた自転車１を、図１０〜１５を参照しつつ説明する。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る駆動機構１０の構成を示す模式図である。なお、本実施形態に係る自転車１の外形は、先の実施形態におけるものと特段の差異はないため、先の実施形態に係る自転車１のものとして示した図１を、本実施形態に係る自転車１のものとして援用する。また、本実施形態において、先の実施形態と同一又は同等の部材については同符号を付し、その重複する説明を省略するものとする。

ここで示した駆動機構１０において、図２で示したものとの差異は、ドライブスプロケット１４の回転をスリップロック機構２７に入力する際に、第２のワンウェイクラッチ４４が介在されており、その駆動力の伝達方向が制限されている点である。この第２のワンウェイクラッチ４４の動力伝達方向は、第１のワンウェイクラッチ２６と同じ方向とされている。すなわち、ドライブスプロケット１４からスリップロック機構２７のリテーナ３７への逆方向の駆動力を伝達するが、順方向の駆動力は伝達しない。もちろん、このことは同時に、スリップロック機構２７のリテーナ３７からドライブスプロケット１４への順方向の駆動力は伝達するが、逆方向の駆動力は伝達しないことを意味している。

本実施形態に係る駆動機構１０の動作を、図１１をさらに参照しつつ説明する。図１１は図３と同様に、自転車１の状態と、駆動機構１０の各部の動作状態を表に示した図である。

搭乗者が自転車１のペダル１１を順方向に漕ぎ、自転車１が前方に走行している状態では、第１のワンウェイクラッチ２６がロックしドライブスプロケット１４も順方向に回転し、チェーン１５、ドリブンスプロケット１６を介して後輪ハブ１７が順方向に回転する。この時第２のワンウェイクラッチ４４はフリー状態となり、スリップロック機構２７のリテーナ３７もまたフリー回転可能な状態となる。このとき、図６を参照すると、スリップロック機構２７のアクスルアダプタ３５は順方向に回転し、カム面３８は先述したように、ローラ３６を押し上げることなく空転させるため、スリップロック機構２７は表中に示したようにフリー状態となり、ドラムブレーキ２５は作動しない。なお、スリップロック機構２７が先の変形例に示したようにラチェット機構を用いたものであったり、スプラグ機構を用いたものである場合にも同様である。

自転車１が惰性で走行している状態では、後輪４の回転は後輪ハブ１７から上流の機構に伝達されることはなく、クランク軸１３、ドライブスプロケット１４、ドリブンスプロケット１６はいずれも回転せず、当然にブレーキアーム２３によりドラムブレーキ２５が作動することもない。第１のワンウェイクラッチ２６、第２のワンウェイクラッチ４４及びスリップロック機構２７はいずれもフリー状態となる。

搭乗者が自転車１のペダル１１を逆方向に漕いだ状態では、クランク軸１３は逆方向に回転するとともに、第１のワンウェイクラッチ２６がフリー状態となりドライブスプロケット１４は回転しない。そして、クランク軸１３とドライブスプロケット１４の回転が同期しないためスリップロック機構２７はロックする。これにより、クランク軸１３からブレーキアーム２３に逆方向の回転力が伝達され、ブレーキアーム２３が逆方向に回転し、ドラムブレーキ２５が作動する。

なお、ここでスリップロック機構２７がロックする動作の詳細については、後ほど詳述する。

さらに、自転車１を後退させた状態では、後輪４と同期して後輪ハブ１７、ドリブンスプロケット１６、ドライブスプロケット１４及びクランク軸１３が逆方向に回転し、第１のワンウェイクラッチ２６及び第２のワンウェイクラッチ４４は共にロック状態となる。しかしながら、クランク軸１３とドライブスプロケット１４とは同期して逆方向に回転するため、スリップロック機構２７はフリー状態となり、ドラムブレーキ２５は作動しない。

最後に、何らかの理由により、クランク軸１３の順方向の回転速度を、ドライブスプロケット１４の順方向の回転速度が上回った状態を考える。このとき、第１のワンウェイクラッチ２６はフリーの状態となり、クランク軸１３に対し、ドライブスプロケット１４は相対的に順方向に回転する。そのため、第２のワンウェイクラッチ４４はフリー状態となり、ドライブスプロケット１４の回転はスリップロック機構２７に伝達されることはなく、スリップロック機構２７もまたフリー状態となる。したがって、電動機１８が発生したトルクはクランク軸１３に伝達されることはなく、トルクセンサ２８により検出されることはないので、コントローラ２９はこの場合は電動機１８によるアシストを搭乗者の踏力にのみ依存して制御することとなるから、自転車１の挙動が意図せぬものとなることはない。

また、本実施形態に係る駆動機構１０の機構の副次的効果として、電動押し歩きを容易に実現できることが挙げられる。電動押し歩きとは、搭乗者が自転車１から降りた状態でスイッチを押す等の明示的な操作により、一時的に電動機１８を駆動させ、ペダル１１を漕ぐことなく電動機動力により自転車１を前進させる操作を指す。

先に説明した第１の実施形態に係る駆動機構１０では、ドライブスプロケット１４とリテーナ３７はスプリング４０によって弾性的に結合されているので、ドライブスプロケット１４が順方向に回転するとリテーナ３７がローラ３６を順方向に動かし、スリップロック機構２７がロックする。そのためクランク軸１３は順方向に回転し、結果的としてペダルクランク１２及びペダル１１は順方向に回転してしまう。

これに対し、第２の実施形態に係る駆動機構１０では、ドライブスプロケット１４が回転しても、第１のワンウェイクラッチ２６と第２のワンウェイクラッチ４４は共にフリーの状態であるため、クランク軸１３を回転させることはなく、結果としてペダルクランク１２及びペダル１１は回転しない。したがって自転車１を押し歩いている搭乗者にペダルクランク１２やペダル１１が干渉することはなく、快適な操作が可能である。

図１２は、本実施形態において、第２のワンウェイクラッチ４４とスリップロック機構２７の位置関係を示す駆動機構１０の一部破断部分斜視図である。同図に示すように、本実施形態に係る駆動機構１０では、接続リング３３が第１の接続リング４５と第２の接続リング４６に分割されており、第１の接続リング４５と第２の接続リング４６間に設けられたラチェット機構により接続リング３３自体が第２のワンウェイクラッチ４４として機能する。図１２には、第１の接続リング４５が第２の接続リング４６の内側に配置され、両者の間にラチェット爪４７が配された様子が示されている。しかしながら、第１の接続リング４５と第２の接続リング４６の内外等の配置関係は限定されず、また、第２のワンウェイクラッチ４４の機構はラチェット機構以外の機構、例えば、カムローラ機構やスプラグ機構であってもよい。さらに、第２のワンウェイクラッチ４４を接続リング３３とは別に設け、両者を接続するようにしてもよい。

図１３Ａは本実施形態に係る第２のワンウェイクラッチ４４を構成する接続リング３３をスリップロック機構２７側から見た一部破断図、図１３Ｂは本実施形態に係る第２のワンウェイクラッチ４４を構成する接続リング３３をドライブスプロケット１４側から見た一部破断図である。

第１の接続リング４５と第２の接続リング４６とは、軸方向に互いにかみ合うように凹凸形状を有しており、その隙間にラチェット爪４７が配置される。ラチェット爪４７は、スプリング４８により外方に開くように付勢される。また、第２の接続リング４６のスリップロック機構２７側の面には、リテーナ３７の延長部が挿入される凹部３４と、スプリング４０の端部と係合するスプリング固定部４９が形成されている。第１の接続リング４５のドライブスプロケット１４側の面には、ドライブスプロケット１４と嵌合し、第１の接続リング４５とドライブスプロケット１４とが一体となって回転するための突起であるドグ５０が設けられている。

図１４は、本実施形態に係るスリップロック機構２７の動作を説明する図である。同図は、スリップロック機構２７の内部構造を軸方向から見た図であり、同時に第２のワンウェイクラッチ４４の構造を破線で示している。

同図でスリップロック機構２７がロックする方向は、アクスルアダプタ３５が逆方向に回転する方向であり、図中反時計回りとなる。このとき、カム面３８と接触しているローラ３６にもまた反時計周りに移動させる力が作用し、それに合わせてリテーナ３７にもまた全体として反時計回りのトルクが作用する。このトルクは、スプリング４０を介して第２の接続リング４６に伝達され、第２の接続リング４６を反時計周りに回転させようとする。この方向は、ラチェット爪４７が外れる方向であるから、第２のワンウェイクラッチ４４はフリー状態となる。

ここで、アクスルアダプタ３５とローラ３６、リテーナ３７、スプリング４０及び第２の接続リング４６が全て完全に同期して回転すると、カム面３８はローラ３６を外方に押し上げることができず、スリップロック機構２７はロックしないことになる。

しかしながら、図１４に示した機構では、アクスルアダプタ３５が逆方向に回転したときに、ローラ３６は慣性が働くため直ちに回転はしない。また、スプリング４０は弾性変形するため、逆方向の回転トルクを第２の接続リング４６に伝達し、第２の接続リング４６が反時計回りに回転を始めるまでは遅れが生じる。そのため、リテーナ３７にはローラ３６をアクスルアダプタ３５と共に逆方向に回転させようとするトルクに対する反力が生じる。さらに、ローラ３６の転がり抵抗や第２の接続リング４６の回転抵抗等の機械抵抗もまた、ローラ３６をアクスルアダプタ３５と共に逆方向に回転させようとするトルクに対する反力として作用する。そのため、アクスルアダプタ３５が逆方向に回転した際に、ローラ３６は直ちに軸周りに回転せず、カム面３８により外方に押し上げられ、ローラ接触面３９との間に噛みこみ、アクスルアダプタ３５とブレーキアーム２３間の回転をロックするのである。

ところで、ここで示した構造では、アクスルアダプタ３５の回転に対するローラ３６の回転抵抗は、各部材の慣性と、スリップロック機構２７と第２のワンウェイクラッチ４４の内部の機械抵抗のみであるから、カム面３８とローラ接触面３９間にローラ３６が十分に噛みこまなかった場合には、ローラ３６がローラ接触面３９の表面を滑り、スリップロック機構２７によるロックが不十分となることが懸念される。

図１５は、本実施形態の変形例に係るスリップロック機構２７の動作を説明する図である。同図は、図１４と同様に、スリップロック機構２７の内部構造を軸方向から見た図であり、同時に第２のワンウェイクラッチ４４の構造を破線で示している。

この変形例は、先に示した例と比して、ブレーキアーム２３に設けられたスリップロック機構２７のローラ接触面３９の形状が単なる円筒面ではなく、アクスルアダプタ３５が相対的に逆方向に回転した際にローラ３６と係合する凹凸構造が設けられた面となっている点が異なっている。すなわち、ローラ接触面３９には、ローラ３６が回転軸に対して逆方向に回転しようとすると引っ掛かる向きに段差が設けられている。

したがって、ローラ３６は、一旦カム面３８により外方に押し上げられ、ローラ接触面３９と接触すると、かかる段差に引っかかる。そのため、一度ローラ３６がローラ接触面３９と接触すると、ローラ３６がローラ接触面３６の表面を滑ることはなく、スリップロック機構２７によるロックは強固なものとなるから、ロック状態においてアクスルアダプタ３５とブレーキアーム２３とが互いに滑ることはない。

以上具体的な実施形態を例として本発明について説明したが、本発明はこれら例示された具体例における具体的構成に限定されるものではない。実施形態において示した各部材の具体的な配置、形状、数等は一例であり、ここで説明したと同様の技術的効果を有する限り、諸事情に鑑みて当業者が適宜設計し、変更してよい。

１ 自転車、２ フレーム、３ 前輪、４ 後輪、５ ハンドル、６ サドル、１０ 駆動機構、１１ ペダル、１２ ペダルクランク、１３ クランク軸、１４ ドライブスプロケット、１５ チェーン、１６ ドリブンスプロケット、１７ 後輪ハブ、１８ 電動機、１９ バッテリ、２０ アシストスプロケット、２１ モータカバー、２２ チェーンカバー、２３ ブレーキアーム、２４ ブレーキワイヤ、２５ ドラムブレーキ、２６ 第１のワンウェイクラッチ、２７ スリップロック機構、２８ トルクセンサ、２９ コントローラ、３０ 外筒、３１ 内筒、３２ ラチェット爪、３３ 接続リング、３４ 凹部、３５ アクスルアダプタ、３６ ローラ、３７ リテーナ、３８ カム面、３９ ローラ接触面、４０ スプリング、４１ ラチェット爪、４２ コイルスプリング、４３ 噛み合い面、４４ 第２のワンウェイクラッチ、４５ 第１の接続リング、４６ 第２の接続リング、４７ ラチェット爪、４８ スプリング、４９ スプリング固定部、５０ ドグ。

Claims (8)

1. 乗員の踏力が入力されるクランク軸と、
   前記クランク軸と第１のワンウェイクラッチを介して接続され、後輪へと駆動力を伝達する駆動力伝達部材と係合する後輪駆動部材と、
   前記クランク軸とスリップロック機構を介して接続され、後輪ブレーキを駆動する後輪ブレーキ駆動部材と、
   を有し、
   前記第１のワンウェイクラッチは、前記クランク軸から前記後輪駆動部材への順方向の駆動力を伝達するものであり、
   前記スリップロック機構は、前記クランク軸と前記後輪駆動部材の回転が同期している場合にフリー状態となり、前記クランク軸と前記後輪駆動部材の回転が非同期である場合にロック状態となる
   自転車の駆動機構。
2. 前記クランク軸に入力されるトルクを検出するトルクセンサと、
   前記トルクセンサにより検出されるトルクに基いて、前記後輪駆動部材に補助駆動力を加えるモータと、
   を有する請求項１に記載の自転車の駆動機構。
3. 前記スリップロック機構は、
   前記クランク軸と同期回転する第１回転部材と、
   前記後輪ブレーキ駆動部材と同期回転する第２回転部材と、
   前記第１回転部材と前記第２回転部材間に配置される複数のトルク伝達部材と、
   前記トルク伝達部材間に配置されるリテーナと、
   を有し、
   前記リテーナと前記後輪駆動部材は同期回転するように接続される
   請求項１又は２に記載の自転車の駆動機構。
4. 前記リテーナと前記後輪駆動部材は第２のワンウェイクラッチを介して接続され、
   前記第２のワンウェイクラッチは前記後輪駆動部材から前記リテーナへの逆方向の動力を伝達するものである、
   請求項３に記載の自転車の駆動機構。
5. 前記リテーナと前記後輪駆動部材は弾性部材により弾性的に接続される請求項４に記載の自転車の駆動機構。
6. 前記第２回転部材の表面には、前記第１回転部材が相対的に逆方向に回転した際に前記トルク伝達部材と係合する凹凸構造が設けられる請求項３〜５のいずれかに記載の自転車の駆動機構。
7. 前記後輪ブレーキ駆動部材と前記第２回転部材は一体の部材である請求項３〜６のいずれかに記載の自転車の駆動機構。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の自転車の駆動機構を搭載した自転車。

Images