JP6661553B2 - サイクリング補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、自転車への原動力を得るために、サイクリストによって加えられる入力エネルギー力を自転車のチェーンセット機構に伝達する過程の間に、機械的利得（ＭＡ，Mechanical Advantage）の恩恵を利用する現在存在するシステムの効率性及び有効性を向上及び増進する手段及び方法に関する。

自転車は、自己推進移動の実績ある形態を提供し、ＭＡの恩恵をチェーンセット機構に組み込む原理が、長年にわたって用いられている。

しかしながら、ＭＡがペダルレバー組み合わせ（ＰＬＣ，Pedal Lever Combination）の長さに適用される場合にＭＡから得られる恩恵を利用し、自転車チェーンセット機構において固定された支点周りで回転する現在の方法では、ＰＬＣの長さを増加するためには限界及び制限がある。

ＰＬＣの長さに対するこれらの制限及び限界は、チェーンセット機構の回転動作（ペダリング）中、ＰＬＣにとって地面とのクリアランスが必要且つ必須であること、また、サイクリストの平均的な脚の長さ、及びＰＬＣが長過ぎてサイクリストの届く範囲外である場合、できるだけ容易にサイクリストが届いてエネルギー力を伝達することができないということに関するさらなる問題が理由なだけである。本発明は、チェーンセットの回転期間中にＰＬＣの長さを増加させるための手段、方法、及び動作を提供し、このとき現在の制限及び限界が克服されて当てはまらなくなる。

異なるサイズの乗り手及び異なる種類のサイクリングに対処するために、様々な固定された長さの自転車クランクを生産することが知られている。クランク長さは、ペダルスピンドルの中心からボトムブラケットスピンドル又は軸の中心までで測定される。異なる固定された長さに調節できる自転車クランクを作ることも知られている。

本発明は、自転車チェーンセットにおける改善、又は、自転車チェーンセットに関する改善を提供しようとするものである。

本発明の態様によれば、回転中にクランク長さを変化させることで機械的利得を得るための手段を備える、自転車チェーンセット用クランクアームが提供される。

さらなる態様は、回転が上死点を過ぎた後に延伸し、下死点の前で引っ込み、回転中に変化するクランク長さを提供するための、自転車チェーンセットクランクアームを提供する。

アームは、長さの変化を引き起こすために、互いに対して移動可能である２又は３以上の区間を備えてもよい。区間同士が互いに対して摺動自在に移動可能であってもよい。

アームは、例えば磁力を用いて、区間同士を互いに吸引させるための、及び／又は、区間同士を互いに反発させるための手段を備えてもよい。ある実施形態では、電磁石が用いられる。

本発明は、本明細書に記載のクランクアームを備える自転車チェーンセットも提供する。

本発明は、本明細書に記載のクランクアーム又はチェーンセットを備える自転車も提供する。

本発明は、ＰＬＣ（ペダルレバー組み合わせ）が２つの別々の区間で構成される、自転車用ＰＬＣシステムも提供する。

自転車チェーンセット機構の回転中に、２つの区間を離すように反発させるために電磁力が提供されてもよく、そのとき、ＰＬＣの長さが、現在のシステム内で存在する限界及び制限を克服する。

再接続するように２つの区間を吸引するために電磁力が提供されてもよい。

電子動作が無線で作動されてもよく、例えば、電子動作は、Ｗｉ−Ｆｉ信号及び／又はＨｉ−Ｆｉ信号で作動される。

サイクリストによる簡単な使用を可能にするために、自転車における位置に、ＥＭＦ（起電力）のための電池源と、スイッチのオン／オフとが設けられてもよい。

ある実施形態では、チェーンセット機構／システムが永久的に作動される。他の実施形態では、システムを作動／非作動させることが可能である。

ある実施形態では、システムが使用者により作動可能である。例えば、プッシュボタンが、ＭＡ改善機の作動を可能にするために、ハンドルバーに設けられてもよい。

アームは、一対の磁石のそれぞれの極性に応じて吸引／反発を引き起こすために良く知られている効果を用いて、一対の反対の磁石（例えば、電磁石）のいずれか又は両方における極性の変化及び／又は極性の生成を用いて延伸され／引き込まれ得る。

ペダルセットがその回転経路においてどこにあるかを決定するために、及び／又は、回転の度合いに応じて使用中のアームの延伸／引込を引き起こすために、コンピュータ制御され得る信号伝達システムが用いられてもよい。

本発明の態様及び実施形態は、既存の自転車に組み込み可能であるように構成されてもよい。

ＰＬＣの長さを延長するために電磁力を提供する一方法では、機械的、電気的、物理的、及び液圧によるなど、ＰＬＣの長さを延長するために動力源及び機械的手段を用いることは、この介入の範囲及び領域内にある。しかしながら、この好ましい方法では、ＰＬＣは、２つの別々の区間、すなわち、上方区間と下方区間とで構築される。電磁力が上方区間及び下方区間に加えられ、それによって２つの区間を離すように反発させ、そのためＰＬＣ延伸を得て、ＰＬＣは長さが増大され、電磁力が２つのＰＬＣ区間に加えられ、それによって２つの区間を一体的に吸引する。両方のこれらの電磁力は、ＰＬＣの２つの区間内で電磁力に接続されるＷｉ−Ｆｉ及び／又は有線信号によって作動される。

ある実施形態では、アームは、延伸位置に弾性的に付勢され、収縮位置に移動可能である。ある実施形態では、アームは、収縮位置に弾性的に付勢され、延伸位置に移動可能である。

ある実施形態では、バネなどが用いられてもよい。

本発明のさらなる態様は、回転中にクランク長さを変化させることで機械的利得を得るための手段を備える、自転車チェーンセット用クランクアームを提供し、そのアームは、長さの変化を引き起こすために、互いに対して移動可能である２又は３以上の区間を備え、区間同士を互いに吸引させるための、及び／又は、区間同士を互いに反発させるための手段を備える。

本発明のさらなる態様は、回転が上死点を過ぎた後に延伸し、下死点の前で引っ込み、回転中に変化するクランク長さを提供するための、自転車チェーンセットクランクアームを提供し、そのアームは、長さの変化を引き起こすために、互いに対して移動可能である２又は３以上の区間を備え、区間同士を互いに吸引させるための、及び／又は、区間同士を互いに反発させるための手段を備える。

本発明の異なる態様及び実施形態は、別々に、又は、一緒に用いられてもよい。

本発明のさらなる具体的で好ましい態様が、添付の独立請求項及び従属請求項に提示されている。従属請求項の特徴は、適切である場合、独立請求項の特徴と組み合わされてもよく、請求項で明確に提示された組み合わせ以外の組み合わせであってもよい。

ここで、本発明を、添付の図面を参照しつつより具体的に説明していく。

例の実施形態が、当業者が本明細書に記載されるシステム及び過程を具現化及び実施することができるように、以下において十分詳細に説明されている。実施形態は多くの代替の形態で提供されてもよく、本明細書に提示された例に限定されるとして解釈されるべきではないことを理解することは重要である。

したがって、実施形態は、様々な方法で変更でき、様々な代替の形態を取り得るが、その具体的な実施形態は、図面で示されており、例として以下に詳細に記載されている。開示されている具体的な形態に限定する意図はない。むしろ、添付の請求項の範囲内にあるすべての改良、等価、及び代替は、包含されるべきである。例の実施形態の要素は、適切である場合、図面及び詳細な説明を通じて同じ参照番号によって一貫して示されている。

実施形態を説明するために本明細書で用いられる専門用語は、範囲を限定するように意図されていない。冠詞「ａ、ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、それらが単一の指示対象を持つ点において単数であるが、本書における単数形の使用は、１つを越える指示対象の存在を排除すべきではない。別の言い方をすれば、単数で言及される要素は、文脈が明らかに示していない場合は、１つ又は２つ以上の数があってもよい。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える、含む）」「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える、含む）」「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（含む）」及び／又は「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」が、本明細書で使われるとき、述べられた特徴、品目、ステップ、操作、要素、及び／又は構成部品の存在を明確にしており、１つ又は２つ以上の他の特徴、品目、ステップ、操作、要素、構成部品、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除しないことをさらに理解されたい。

別段定義されていない場合、本明細書で使われるすべての用語（技術的用語及び科学的用語を含む）は、技術的に常用のものとして解釈されるものである。一般的に使用されている用語も、本明細書で明確に定義されていない場合、理想化された意味、又は、過度に形式張った意味ではなく、関連する技術において常用のものとして解釈されるべきであることをさらに理解されたい。

図１では、従来の自転車が、本発明の理解の助けとするために示されており、本発明が駆動系の一部をどのように形成するかが示されている。

駆動系は、駆動源（乗り手）が推進機構と触れる場所であるペダルから始まる。ペダルは、チェーンホイールの外に突き出る頑丈な棒であるクランクによって、所定位置に保持されている。チェーンホイールは、円形の歯車又はスプロケットのセットである（フレームの右側にある）。

クランクスピンドルと呼ばれる中心において、チェーンホイールは、バイクのボトムブラケットに連結し、玉軸受によって回転する。チェーンがチェーンホイールのスプロケット周りを走行し、コグと呼ばれる自身のスプロケットを有するフリーホイール又はカセットにおいて、後輪軸周りで結び付けられる。

フリーホイール又はカセットは後輪のハブに取り付けられ、チェーンが移動するときいつでも後輪を回転し、さらにバイクを移動させることになる。

チェーンセット（クランクセットとしても知られている）は、乗り手の脚からのペダリング動力を取り込んで、そのペダリング動力を、チェーンを駆動してさらに後輪を回転するために用いるバイクの駆動系の一部である。クランクセットは、チェーンリングと、ペダルが装着されるクランクアームで構成される。クランクセットは、バイクフレームのボトムブラケットに装着されている。クランクセットは、ペダルによって乗り手に結び付けられ、ボトムブラケットによって自転車フレームに結び付けられ、チェーンを介して後スプロケット、カセット、又はフリーホイールに結び付けられる。

それぞれの側に１つずつあり、通常１８０°離して装着されている２つのクランクは、ボトムブラケット軸をペダルに結び付ける。

ここで、前チェーンセット（これによって、サイクリストが駆動チェーンと共に動かすペダル、レバー、及びスプロケットを意味する）に作用する力の説明を続ける。レバーの特性の議論が、用いられる機械的利得及びエネルギーに関連して、続くことになる。そして、前チェーンセットの性能においてペダルレバーの長さを増大する効果も、説明されることになる。

前チェーンセットに作用する力
サイクリストが自転車における前スプロケットを回すとき、サイクリストは下降するペダルに力を加える。簡単にするために、サイクリストによってペダルに加えられる力は、真っ直ぐ下向きに作用すると仮定する。

ペダルに加えられる力が真っ直ぐ下向きではない場合、分析は原理上同様である。

力が物体をある距離を通じて移動するとき、エネルギーが費やされる。サイクリストは、力をペダルの移動の方向に加えることで、エネルギーを費やす、又は、仕事をする。ペダルは、円形の経路に追従する。ペダルをその円形の経路周りで移動する力は、円形経路の接線に作用し、接線分力（図３におけるＦｔ）と呼ばれる。

サイクリストによってペダルに加えられる力（図３におけるＦａ）は、鉛直方向であり、ペダルの動きが鉛直方向である間のときだけが、ペダルレバーが水平方向であるときである（図２）。この条件において、加えられる力は接線分力Ｆｔと等しい。

常に、ペダルに加えられる力であるＦａは、２つの成分で考えられなければならない（図３）。
・接線成分Ｆｔは、スプロケットを回すように作用する。
・径方向成分Ｆｒは、レバーに沿って作用する。

一定の鉛直方向力がペダルに加えられる場合、スプロケットを回すように作用する接線分力は、ペダルが下降するにつれて変化する（図４）。

サイクリストの能力を高めるために延伸したレバーを用いることは可能か？

レバーは、機械的利得を提供するために使用できる。図５は、（負荷に）力を発揮するために用いられる、レバーの他端へのサイクリストの労力を通じて発揮される力の４倍大きい、４の機械的利得を持つ仮想的な質量−レバーを示している。

レバーの負荷側端は１Ｍを通じて動き、レバーの労力側端は４Ｍを通じて動き、システムに摩擦損失がないと仮定して、１００ニュートンの力で４ｍにわたって押し下げることを通じてサイクリストによって費やされるエネルギーは、１ｍにわたって４００ニュートンの負荷を持ち上げるのに費やされるエネルギーと同じであり、摩擦のないレバーについては、エネルギー出力は、エネルギー入力と等しい（摩擦がある場合、有用なエネルギー出力は、エネルギー入力より若干小さい）。

必要とされる力は、４の係数によって小さくされるが、移動される距離は、同じ係数によって大きくされる。

エネルギーは次のように計算される。
エネルギー入力（ジュール）＝力（ニュートン）×移動される距離（メートル）
エネルギー入力＝１００Ｎ×４Ｎｍ＝４００ジュール
同様に、
エネルギー入力（ジュール）＝力（ニュートン）×移動される距離（メートル）
エネルギー出力＝４００Ｎ×１ｍ＝４００Ｎｍ＝４００ジュール
エネルギー入力＝エネルギー出力＝４００ジュール

自転車チェーンセット
より長いレバー、又は、延伸したレバーを持つ自転車に関して、サイクリストは、ペダルをより容易に押せることが分かる。

しかしながら、ペダルが押されなければならない距離も長くなってしまう。

機械的利得
１５０ｍｍの直径の前スプロケットと、１５０ｍｍの長さを持つペダルレバーとを持つ前チェーンセットが示されている。ペダルレバーが水平方向にあるとき、ペダルに加えられる１５０ニュートンの力は、チェーンに３００ニュートンの張力をもたらす。ペダルレバーが水平方向にある場合、この前チェーンセットの機械的利得は２である。

同じく示すのは、１５０ｍｍの直径の前スプロケットと、２２５ｍｍの長さを持つペダルレバーとを持つ前チェーンセットである。ペダルレバーが水平方向にあるとき、ペダルに加えられる１００ニュートンの力は、チェーンに３００ニュートンの張力をもたらす。ペダルレバーが水平方向にある場合、この前チェーンセットの機械的利得は３である。

ペダルが水平位置にある状態で、１５０ｍｍのレバーチェーンと２２５ｍｍのレバーチェーンとの機械的利得は、２対３の割当で設定される。チェーンに等しい力を発生させるためには、２２５ｍｍのレバーを回すのに必要とされる力は、３対２である。

進められる距離
下降する行程の間、１５０ｍｍのレバーの端にあるペダルは、半径１５０ｍｍの半円形の円弧と表せる接線分力の方向に４７１ｍｍにわたって移動する。下降するストロークの間、２２５ｍｍのレバーの端にあるペダルは、接線分力の方向に７０６ｍｍにわたって移動する。

１５０ｍｍのレバーにあるペダルによって移動される距離と、２２５ｍｍのレバーにあるペダルによって移動される距離とは、２対３の比となっている。

サイクリストによって使用されるエネルギー
サイクリストによって使用されるエネルギーは、次のように計算される。
エネルギー（ジュール）＝力（ニュートン）×移動される距離（メートル）
まとめると、次のようになる。

結論
ペダルにおけるレバーを長くすることは、自転車を移動するために必要とされるエネルギーの低減をもたらさない。サイクリストは、レバーがより長い場合、ペダルをより容易に動かせると分かるが、より長いレバーではペダルをより大きな距離にわたって移動しなければならず、そのため同じ量のエネルギーを使用する。

可変長さのレバーに関して、レバーが延伸するにつれて、レバーを移動するために必要とされる力は低減され、レバーが移動されなければならない距離は比例して増加する。レバーを操作する際に使用されるエネルギーは、変わらないままである。

しかしながら、自転車のペダルレバーを長くすることによってＭＡを得るこの具体的な適合には、１つの新しい有益な要因がある。それは、脚による「前方へ押す」動作が「下向き」の動作よりも容易に加えられるとき、サイクリストのより好ましくて効率の良い位置である。これは、網羅される余分な距離にわたるサイクリストによるエネルギーの拡大した展開を完全に無効にする。

図５には、本発明の背後にある法則及び一般的な原理が示されている。

図６〜図１１を参照すると、次のようになっている。
Ａは、自転車のチェーンセット機構を示している。
Ｂは、足ペダル機構を示している。
Ｃは、現在の固定されたペダルレバー組み合わせ（ＰＬＣ）を示している。
Ｄは、自転車におけるＰＬＣのＭＡ支軸点を示している。
Ｅは、２部品のＰＬＣの上方区間を示している。
図Ｆは、２部品のＰＬＣの下方区間を示している。
Ｇは、電磁プレートとやり取りするＷｉ−Ｆｉ又は有線接続の信号受信機及び信号送信機を示している。
Ｈは、電磁プレートを示している。
Ｉは、ＰＬＣの２つの区間を連結する摺動アーム棒を示している。
Ｊは、２つのＰＬＣが連結されるときに摺動アーム棒を収容するための空洞室を示している。
Ｋは、ＰＬＣ延伸を制限するための摺動アーム棒の制限フランジを示している。
Ｌは、ＰＬＣ長さにおける初期増加を示している。
Ｍは、利用可能な延伸の領域を示している。
Ｎは、ＰＬＣ引込の開始を示している。
Ｘは、ＰＬＣ延伸の開始領域を示している。
Ｙは、ＰＬＣ延伸の最適領域を示している。
Ｚは、ＰＬＣ引込の領域を示している。

乗り手がペダル行程の上死点の位置の近くでペダルを漕ぐとき、クランク長さが増加される。

これは、レバー軸点支端の動力入力からの恩恵を得るために、ＭＡの法則を示している。

実施形態は、ＭＡを最大化するために、クランク長さの自動的な延伸を提供し、ペダルが地面に当たらないように、クランク長さの引込も提供する。この実施形態では、クランクアームは、ペダルが上死点をまさに越えたときに延伸し、ペダルがおおよそ９０度進んだ後に引っ込み始める。これは、（通常の円形の経路ではなく）楕円のペダル経路を作り出す。

ある実施形態では、クランクアームがどれだけ延伸するかを変えることが可能である。

直接的な動力が、回転する連結を通じて動力源（電池、太陽電池など）から、柔軟な電線管により下方区間を介して、「上方区間」（ペダルを担持している）に提供されてもよい。

アームの延伸及び収縮は、チェーンセットの２つのクランクアームが回転経路のどこにあるか依存する命令を与える有線接続及び／又は無線接続によって、制御できる。例えば、カム接触が動力を与えるために用いられてもよい。

本実施形態では、アームの延伸は引込より素早く起こる。

図１２では、摺動棒往復式長さのクランクアームの例が示されている。受信機／送信機１０が、電磁石１５の通電及び非通電を制御して、クランクアームの２つの区間２０、２５を（極性配置に応じて）吸引／反発させるために用いられる。本実施形態では、ワッシャ又は他のエラストマ部材３０が、区間同士が互いと衝突するのを防ぐために設けられている。また、蛇腹のカフ３５などが、区間同士の間の領域の周囲に設けられている。

図１３では、本発明の実施形態による分離可能なクランクアーム区間のさらなる説明が提供されている。

本発明の例示の実施形態が、添付の図面を参照しつつ、本明細書において詳細に開示されてきたが、本発明が示した緻密な実施形態に限定されないこと、及び、様々な変更及び改良が、添付の請求項によって定義されるような本発明の範囲及びそれらの等価から逸脱することなく、当業者によってもたらされ得ることは、理解される。

なし。

Claims (9)

1. 自転車チェーンセット用クランクアームであって、
   前記アームが、回転中に変化するクランク長さを有し、それにより機械的利得を得るアームであり、
   前記アームが、上方区間及び下方区間を備え、
   前記区間が互いに対して移動可能であり、
   前記区間が、摺動棒によって接続され、
   前記棒が、前記上方区間に固定され、
   前記下方区間が、前記棒を摺動可能に収容するための空洞、及び一対の磁石を有し、前記一対の磁石のうち少なくとも１つが、少なくとも１つの電磁石における極性の変化及び／又は極性の生成を用いて前記上方及び下方区間を互いに吸引させ、及び／又は、区間同士を互いに反発させ、前記アームの長さの変化を引き起こす電磁石である、
   前記自転車チェーンセット用クランクアーム。
2. クランクアームが、回転が上死点を過ぎた後に延伸し、下死点の前で引っ込む、請求項１記載の自転車チェーンセット用クランクアーム。
3. 電磁石が無線で作動する、請求項１又は２に記載の自転車チェーンセット用クランクアーム。
4. 電磁石がＷｉ−Ｆｉ信号で作動する、請求項３に記載の自転車チェーンセット用クランクアーム。
5. アームが延伸可能な長さの量が、可変である、請求項１〜４のいずれかに記載の自転車チェーンセット用クランクアーム。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のクランクアームを２つ含む自転車足ペダル機構であり、各クランクアームがペダルを担持する前記自転車足ペダル機構。
7. 自転車足ペダル機構が機械的利得を得るための方法であって、
   ｉ）請求項６に記載の自転車足ペダル機構を提供するステップと、
   ii)前記ペダルがその回転経路においてどこにあるかを決定するステップと、
   iii)それぞれのペダルが上死点を通過したときに各クランクの延伸を開始するステップと、
   iv）各クランクが下死点に到達する前に各クランクの引込を開始するステップ、
   とを含む、前記方法。
8. ステップiii）が、各ペダルそれぞれが上死点を通過したときに開始され、かつステッ
   プiv)が、各ペダルが約９０度進んだときに開始される、請求項７に記載の方法。
9. 自転車足ペダル機構が機械的利得を得るための方法であって
   ｉ）請求項１に記載のクランクアームを提供するステップであって、前記クランクアームがペダルを備えるステップと、
   ii) 前記ペダルがその回転経路においてどこにあるかを決定するステップと、
   iii)前記クランクアームの延伸を前記ペダルが上死点を通過したときに開始するステップと、
   iv)前記クランクアームの引込を、前記アームが下死点に到達する前に開始するステップ
   と、
   を含む、前記方法。