JPH10291493A - 補助動力付き人力駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 補助動力付き人力駆動装置において、違和感
なく動力補助を行うことである。 【解決手段】 人力による駆動系５と動力による駆動系
８とを並列に設け、前記人力による駆動系５の駆動力を
検出して前記動力による駆動系８の出力を制御するよう
にした補助動力付き人力駆動装置において、前記人力に
よる駆動系５が、一定軸心回りに回転自在で駆動車輪４
に連結された歯輪１８と、左右に各一個の円形又は非円
形の軌跡を描いて回転するペダル１５とを備え、各ペダ
ル１５と前記歯輪１８とはその回転時において片方のペ
ダル１５が下死点に位置するとき他方のペダル１５が上
死点を越えた位置に位置するように連動する死点回避手
段７を備えているようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人力による駆動系
と動力による駆動系とを並列に設けた補助動力付き人力
駆動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、人力駆動装置として代表される
ものは自転車である。周知のように自転車においては、
ペダル付きの左右のクランクを駆動することにより駆動
輪に駆動力を伝達しているものであるが、そのトルクの
状態は図１１に示される。すなわち、図１１において
は、横軸はクランクの回転角度であり、縦軸はペダルを
踏み込んだときの発生トルクである。そして、駆動力と
して利用されるトルクはプラス方向のみであるため、左
右のクランクによって１８０°毎にサイン曲線状のトル
クが発生する。しかしながら、通常の自転車において
は、クランクが水平状態であるときを０°とした時に、
９０°及び２７０°においてトルクが０となる個所（死
点）がある。

【０００３】一方、エンジン付き自転車と云われるもの
は、人力による駆動系の他に、エンジンによる駆動系が
設けられており、エンジン出力は手動のスロットルレバ
ー等を操作することにより調節できるようにしている。
しかしながら、これは動力走行車に相当するものであ
り、ペダル走行と云う感覚はなくなってしまうため、自
転車として認識することができない。

【０００４】このようなことから、人力による駆動系に
与えられるトルクに応じて補助動力を与えるようにした
ものが、特公昭５１−４２３８８号公報、特開平２−７
４４９１号公報、特開平４−１００７９０号公報、特開
平６−１２２３８９号公報等に開示されている。例え
ば、特開平４−１００７９０号公報に記載された人力駆
動装置においては、補助動力付きの自転車が開示されて
おり、自転車の運転感覚を損なうことなく人力を補助す
ると云う効果を得ているものである。この形式のトルク
の状態は、図１２に示されるものであり、細線で示すも
のが通常の自転車であるのに対し、太線で示したものが
補助動力を与えた状態のトルクを示している。この補助
動力の与え方は、安全性、信頼性の面から人力によるト
ルクが一定値以上の場合にそのトルクに応じた動力を与
えるようにしているため、人力による駆動系の死点付近
では、動力補助を行わない領域が存在する。

【０００５】また、補助動力を用いずに、人力を有効に
利用できるようにしたクランク機構も開発されている。
これは、一方のクランクが下死点に到達する前に、他方
のクランクが上死点を通過させた位置まで回転させるこ
とにより、クランクを常にトルク伝達可能な位置に位置
させて死点を回避するようにしたクランク機構である。
その例としては、特開昭５７−１６４８７８号公報、特
開昭６２−５０２２５５号公報、特開昭６３−３０１１
９１号公報、特開平１−１２７４７７号公報、特開平１
−１２７４７８号公報、特開平１−２４４９９４号公
報、特開平１−２６９６８８号公報、特開平１−２６９
６８９号公報、特開平６−４８３６１号公報、特開平６
−１１５４７８号公報、特開平６−２４７３７２号公
報、実開平１−１４８９９０号公報、実開平１−１７１
７９４号公報等の多数のものがある。この形式のトルク
の状態は、図１３に示されるものであり、細線で示すも
のが通常の自転車であるのに対し、太線で示したものが
死点を回避したクランク機構によるトルクの状態であ
る。そのため、左右のクランクによるトルクの合成され
たものは、常に０以上の状態であり、機械的な構造のみ
で死点を回避しているものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】人力による駆動系に与
えられるトルクに応じて補助動力を与えるようにした補
助動力付き人力駆動装置においては、安全性、信頼性の
面から人力によるトルクが一定値以上の場合にそのトル
クに応じた動力を与えるようにしているため、人力によ
る駆動系の死点付近では、動力補助を行わない領域が存
在する。そのため、乗っている側の感覚としては、脈動
的な補助を受けていると感じ、不快なものとなる。特
に、自転車に利用した場合には、脈動的で間歇的な動力
補助は、自転車の速度が不安定になり、また、急な登り
坂においては蛇行の原因になり危険である。

【０００７】一方、クランクを常にトルク伝達可能な位
置に位置させて死点を回避するようにしたクランク機構
においては、死点が回避できると云う優れた特徴を有し
ているものであるが、この機構においては、一方のクラ
ンクが下死点方向に位置したとき、他方のクランクは上
死点より前進した位置にあるため、必然的にこの駆動機
構を用いた自転車では、１８０°より小さなストローク
角度で従来の自転車と同じ仕事、すなわち、駆動輪に連
結された歯輪を１８０°回転させることになり、必要と
する踏力は一般の自転車よりも大きくなると云う問題を
有している。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
人力による駆動系と動力による駆動系とを並列に設け、
前記人力による駆動系の駆動力を検出して前記動力によ
る駆動系の出力を制御するようにした補助動力付き人力
駆動装置において、前記人力による駆動系が、一定軸心
回りに回転自在で駆動車輪に連結された歯輪と、左右に
各一個の円形又は非円形の軌跡を描いて回転するペダル
とを備え、各ペダルと前記歯輪とはその回転時において
片方のペダルが下死点に位置するとき他方のペダルが上
死点を越えた位置に位置するように連動する死点回避手
段を備えていることを特徴とするものである。従って、
ペダルに与える人力の程度に応じて自然な状態で動力に
よる駆動系の補助を行うことができ、死点のない状態で
の駆動を行うことができる。

【０００９】請求項２記載の発明は、一定軸心回りに回
転自在な歯輪と、この歯輪とは独立して個別に回転自在
な左右一対のクランクと、このクランクの１回転中に前
記歯輪の回転速度が変るように前記歯輪と前記クランク
とを連動させるようにした死点回避手段であることを特
徴とするものである。従って、従来開発されているクラ
ンク機構を利用して違和感のない動力補助を行うことが
できるものである。

【００１０】請求項３記載の発明は、人力による駆動系
の死点回避手段に至る前の位置で人力による駆動力を検
出するようにしたことを特徴とするものである。従っ
て、実際に駆動している人力の程度を直接的に検出する
ことができ、これにより、感覚的に一致した状態での動
力補助を行うことができるものである。

【００１１】請求項４記載の発明は、人力による駆動系
の死点回避手段を経過した後の位置で人力による駆動力
を検出するようにしたことを特徴とするものである。従
って、実際に駆動輪を駆動するトルクを検出することが
でき、有効な補助動力を与えることができるものであ
る。

【００１２】請求項５記載の発明は、人力による駆動系
の死点回避手段を経過した後の位置で前記人力による駆
動系に動力による駆動系で補助動力を与えるようにした
ことを特徴とするものである。従って、比較的平滑な状
態で動力補助を行うことができるものである。

【００１３】請求項６記載の発明は、人力による駆動系
の死点回避手段を経過する前の位置で前記人力による駆
動系に動力による駆動系で補助動力を与えるようにした
ものである。従って、乗る人の感覚に直接的に関連した
違和感のない状態で補助動力を与えることができるもの
である。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態を図１
乃至図４に基づいて説明する。まず、図１に示すもの
は、補助動力付き自転車１であり、自転車本体２は、前
輪３と後輪４（駆動車輪）とを備えている。そして、人
力による駆動系５は、人力付与手段６と死点回避手段７
よりなっている。また、動力による駆動系８は、駆動力
検出手段９と制御手段１０と動力補助手段１１とよりな
っている。

【００１５】まず、人力による駆動系５の構成を説明す
る。自転車本体２には、それぞれ左右の軸受１２ａ，１
２ｂに独立的に回転自在に支持されて前記人力付与手段
６を構成するクランク回転軸１３ａ，１３ｂが設けられ
ている。これらのクランク回転軸１３ａ，１３ｂには、
それぞれ楕円形をして死点回避手段７を構成する駆動歯
車１４ａ，１４ｂが楕円の焦点を軸位置としてペダル１
５ａ，１５ｂと逆方向に長軸を向けて固定的に結合され
ている。そして、従動軸１６が設けられ、この従動軸１
６には、前記駆動歯車１４ａ，１４ｂにそれぞれ噛み合
う楕円形の従動歯車１７ａ，１７ｂがそれぞれ長軸方向
が一直線になるように固定されている。前記従動軸１６
には、歯輪１８の大径歯車１９に噛み合う円形の中間歯
車２０が固定されている。前記歯輪１８の小径歯車２１
には、チェーン２２を介して前記後輪４に固定された後
輪駆動歯車２３が連結されている。

【００１６】次に、動力による駆動系８の構成を説明す
る。前記駆動力検出手段９は、歪ゲージにより構成さ
れ、人力による駆動系５の死点回避手段７に至る前の位
置となる前記クランク回転軸１３ａ，１３ｂに設けられ
ている。これらの左右の駆動力検出手段９は、制御手段
１０に接続され、この制御手段１０はバッテリ２４を介
在させて動力補助手段１１としてのモータ２５に接続さ
れている。このモータ２５は、一方向クラッチ２６を介
在させて前記歯輪１８の大径歯車１９に連結されてい
る。

【００１７】このような構成において、図３に示すよう
に、左右のペダル１５ａ，１５ｂが水平状態で反対位置
に位置している状態において、２組の楕円形の駆動歯車
１４ａ，１４ｂは、その組み合わせが１８０°の位相差
をもって設置されている。そして、この状態から右ペダ
ル１５ｂを踏むと、駆動歯車１４ｂと従動歯車１７ｂと
のギヤ比は最も大きい状態にあり、その右ペダル１５ｂ
が水平状態から垂直状態まで回動したとすると、その回
転は、駆動歯車１４ｂ、従動歯車１７ｂ、従動軸１６、
従動歯車１７ａ、駆動歯車１４ａを経て左側のペダル１
５ａに伝達される。その角度をみると、右ペダル１５ｂ
の９０°の回転で、従動歯車１７ｂは、（９０＋θ）°
回転することになる。右ペダル１５ｂは、９０°回転の
後、下死点に到達していることになる。

【００１８】一方、左ペダル１５ａは、力を加えること
ができない角度から、右ペダル１５ｂの回転により水平
位置から上方向へ回転させられる過程にある。左ペダル
１５ａは、この回転を従動歯車１７ａによる駆動歯車１
４ａの回転により、上方へ回転させられる。その角度
は、右側とは１８０°の位相差をもって固定させている
ため、従動歯車１７ａ側からみるとギヤ比が大きい状態
からスタートすることになり、従動歯車１７ｂ及び従動
歯車１７ａの回転角度（９０＋θ）°に対しては、
｛（９０＋θ）＋α｝°回転させられることになり、左
ペダル１５ａは、上死点を越えた位置まで達することに
なる。その後、左ペダル１５ａを踏み込み、水平位置ま
で来ると、丁度、図３とは位相が逆の状態となり、その
後は、前述した動きとは左右反対で同様な動作をする。
つまり、片方のペダル１５ａ，１５ｂが下死点に達する
と、他方のペダル１５ａ，１５ｂは、必ず、上死点を越
えて位置する。この時の左右のペダル１５ａ，１５ｂに
よるクランク回転軸１３ａ，１３ｂにそれぞれ与えられ
るトルク変動は、ペダル１５ａ，１５ｂに下方向に一定
の力を加えてペダル１５ａ，１５ｂを回転させると云う
過程で、左右のそれぞれのペダル１５ａ，１５ｂにより
トルクを算出すると、図４の細線のようになる。そし
て、実際の自転車走行時には、どちらかのペダル１５
ａ，１５ｂに駆動力を与えているとき他方のペダル１５
ａ，１５ｂには力を加えることはなく足を載せているだ
けの状態であるので、片方が下死点近くまで達した時、
他方は既に、上死点を越えた位置まで回転させられてい
るため、踏み込み可能となり、瞬時に踏み込むペダル１
５ａ，１５ｂが交代する。すなわち、通常の自転車のク
ランク機構とは相違して、同時にトルクが０になる死点
が存在しないことがわかる。

【００１９】上述した機構を、自転車の動きから説明す
る。自転車の走行は、停止した状態からペダル１５ａ，
１５ｂを踏み込むことにより、徐々に加速し、希望の速
度で略定速走行する。本機構の場合、クランク回転軸１
３ａ，１３ｂは、別個に歯輪１８とは独立して回転す
る。歯輪１８は、後輪４とチェーン２２などにより連結
されているため、定速走行の場合、定速回転をする。こ
のとき、クランク回転軸１３ａ，１３ｂは、左右とも別
個に、連続的に回転速度が変化し、片方のペダル１５
ａ，１５ｂが下死点に達したとき、他方のペダル１５
ａ，１５ｂは、上死点を越えて位置する。

【００２０】このように人力による駆動系５で駆動され
ているトルクは、クランク回転軸１３ａ，１３ｂに取り
付けられた駆動力検出手段９ａ，９ｂにより検出されて
動力による駆動系８が動作する。すなわち、ペダル１５
ａ，１５ｂを踏むことによって発生する駆動トルクは、
クランク回転軸１３ａ，１３ｂに伝達され、駆動力検出
手段９ａ，９ｂにより常時検出され、検出値は電気信号
として制御手段１０に入力される。この制御手段１０で
は、検出トルクの２倍の駆動力を与えるようにモータ２
５の駆動力を制御し、歯輪１８、チェーン２２、後輪駆
動歯車２３を経て駆動輪としての後輪４を駆動する。こ
の駆動トルクは、図４においては、太線の実線により示
す状態であり、人力により駆動力を与えている限り、後
輪４に加えられるトルクが０になる死点は発生しない。

【００２１】なお、前記実施の形態においては、駆動力
検出手段９ａ，９ｂは、歪ゲージによるものであると説
明したが、磁気歪み型、電気容量型、位相比較型などの
歪み計を用いることも有効である。

【００２２】次に、図５乃至図７に基づいて、第二の実
施の形態を説明する。図１乃至図４について説明した部
分と同一部分は同一符号を用い説明も省略する（以下、
同じ）。本実施の形態は、駆動力検出手段９を死点回避
手段７を経過した後の位置、すなわち、従動軸１６の中
間歯車２０の取付け部に設置したものである。具体的に
は、中間歯車２０と従動軸１６の間に取り付け、従動軸
１６と中間歯車２０の間のねじり歪みを検出するように
している。そのため、検出されるトルクは、前記第一の
実施の形態とは異なるカーブとなる。これは死点回避手
段７では、ペダル１５ａ，１５ｂによる回転が、楕円形
状をした駆動歯車１４ａ，１４ｂと従動歯車１７ａ，１
７ｂとが一定ではないギヤ比をもって駆動力伝達がなさ
れることによる。その検出カーブは、図７の細線に示す
ものである。この位置でのトルクは、正の領域において
は、図４に示すものよりも滑らかなカーブであり、負の
領域では起伏が激しいカーブとなる。実際の自転車走行
時には、どちらかのペダル１５ａ，１５ｂに駆動力を与
えているとき他方のペダル１５ａ，１５ｂには力を加え
ることはなく足を載せているだけの状態であるので、片
方が下死点近くまで達した時、他方は既に、上死点を越
えた位置まで回転させられているため、踏み込み可能と
なり、瞬時に踏み込むペダル１５ａ，１５ｂが交代す
る。このため、制御手段１０に取り込まれる検出トルク
は、左右のそれぞれのペダル１５ａ，１５ｂによる２つ
のトルクカーブのうち、それぞれのペダル１５ａ，１５
ｂが踏み込まれた状態、すなわち、２つのトルクカーブ
のうち、大きい、滑らかに変化している部分を結んだも
のが検出される。それ以外は無視できる。そして、この
ような検出されたトルクの２倍のトルクを与えるように
制御される動力による駆動系８の動作により図７の太い
実線に示すような落差の小さい滑らかな補助動力を与え
ることができる。

【００２３】ついで、図８乃至図１０に基づいて、第三
の実施の形態を説明する。本実施の形態においては、駆
動力検出手段９ａ，９ｂが設けられた位置は、第一の実
施の形態と同様であるが、動力による駆動系８が相違す
るものである。すなわち、駆動力検出手段９ａ，９ｂに
それぞれ接続される制御手段２７ａ，２７ｂを別個に設
け、これらにより制御されるモータ２８ａ，２８ｂをそ
れぞれバッテリ２９ａ，２９ｂを介して接続し、一方向
クラッチ３０ａ，３０ｂを介して前記モータ２８ａ，２
８ｂをクランク回転軸１３ａ，１３ｂに固定した伝動歯
車３１ａ，３１ｂに連結したものである。

【００２４】このような構成において、左右別々に制御
されるものであり、図１０の細線は、ペダル１５ａ，１
５ｂに下方向に一定の力を加えてペダル１５ａ，１５ｂ
を回転させるという過程で、この位置における左右ペダ
ル１５ａ，１５ｂ各々によるトルクを算出した値であ
る。実際には、どちらかのペダル１５ａ，１５ｂにより
駆動力を与えているとき、他方のペダル１５ａ，１５ｂ
には力を加えることはなく足を載せているだけの状態で
ある。そして、片方が下死点近くまで達したとき、他方
は既に、上死点を越え対地まで回転させられているた
め、踏み込み可能となり、瞬時に踏み込むペダル１５
ａ，１５ｂが交代する。つまり、駆動力を与えない方の
ペダル１５ａ，１５ｂでは、トクルを与えていない。し
かし、厳密には、駆動力を与えない側のペダル１５ａ，
１５ｂによっても、踏み込むペダル１５ａ，１５ｂが交
代する直前や直後、すなわち、他方のペダル１５ａ，１
５ｂにより踏み込みを継続している状態ではあるが上死
点を越えた位置に到達している場合、また、踏み込むペ
ダル１５ａ，１５ｂが交代したあとであるが、まだ下死
点に達していない場合など、トルクを発生することがで
きる。すなわち、左右個別にトルクを検出し、個別に動
力補助を与えることにより、図１０の太線に示すよう
に、踏み込む足が他方に移る直前、直後も保持すること
ができ、人間の踏み込みにさらに忠実な、自然な動力補
助が可能となる。

【００２５】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、人力による駆動
系と動力による駆動系とを並列に設け、前記人力による
駆動系の駆動力を検出して前記動力による駆動系の出力
を制御するようにした補助動力付き人力駆動装置におい
て、前記人力による駆動系が、一定軸心回りに回転自在
で駆動車輪に連結された歯輪と、左右に各一個の円形又
は非円形の軌跡を描いて回転するペダルとを備え、各ペ
ダルと前記歯輪とはその回転時において片方のペダルが
下死点に位置するとき他方のペダルが上死点を越えた位
置に位置するように連動する死点回避手段を備えている
ので、ペダルに与える人力の程度に応じて自然な状態で
動力による駆動系の補助を行うことができ、死点のない
状態での駆動を行うことができると云う効果を有する。

【００２６】請求項２記載の発明は、一定軸心回りに回
転自在な歯輪と、この歯輪とは独立して個別に回転自在
な左右一対のクランクと、このクランクの１回転中に前
記歯輪の回転速度が変るように前記歯輪と前記クランク
とを連動させるようにした死点回避手段であるので、従
来開発されているクランク機構を利用して違和感のない
動力補助を行うことができると云う効果を有する。

【００２７】請求項３記載の発明は、人力による駆動系
の死点回避手段に至る前の位置で人力による駆動力を検
出するようにしたので、実際に駆動している人力の程度
を直接的に検出することができ、これにより、感覚的に
一致した状態での動力補助を行うことができると云う効
果を有する。

【００２８】請求項４記載の発明は、人力による駆動系
の死点回避手段を経過した後の位置で人力による駆動力
を検出するようにしたので、実際に駆動輪を駆動するト
ルクを検出することができ、有効な補助動力を与えるこ
とができると云う効果を有する。

【００２９】請求項５記載の発明は、人力による駆動系
の死点回避手段を経過した後の位置で前記人力による駆
動系に動力による駆動系で補助動力を与えるようにした
ので、比較的平滑な状態で動力補助を行うことができる
と云う効果を有する。

【００３０】請求項６記載の発明は、人力による駆動系
の死点回避手段を経過する前の位置で前記人力による駆
動系に動力による駆動系で補助動力を与えるようにした
ので、乗る人の感覚に直接的に関連した違和感のない状
態で補助動力を与えることができると云う効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態を示すもので、補助
動力付き自転車の側面図である。

【図２】人力による駆動系と動力による駆動系とが並列
された状態を示すブロック図である。

【図３】第一の実施の形態における人力による駆動系と
動力による駆動系との構造を示す斜視図である。

【図４】第一の実施の形態における歯輪の回転角度とト
ルクとの関係を示す説明図である。

【図５】第二の実施の形態を示す駆動系とが並列された
状態を示すブロック図である。

【図６】第二の実施の形態における人力による駆動系と
動力による駆動系との構造を示す斜視図である。

【図７】第二の実施の形態における歯輪の回転角度とト
ルクとの関係を示す説明図である。

【図８】第三の実施の形態を示す駆動系とが並列された
状態を示すブロック図である。

【図９】第三の実施の形態における人力による駆動系と
動力による駆動系との構造を示す斜視図である。

【図１０】第三の実施の形態における歯輪の回転角度と
トルクとの関係を示す説明図である。

【図１１】一般的な自転車の歯輪の回転角度とトルクと
の関係を示す説明図である。

【図１２】従来の補助動力付き自転車の歯輪の回転角度
とトルクとの関係を示す説明図である。

【図１３】従来のクランク機構、すなわち、一方のクラ
ンクが下死点に到達する前に、他方のクランクが上死点
を通過させた位置まで回転させる機構の歯輪の回転角度
とトルクとの関係を示す説明図である。

【符号の説明】

４ 駆動車輪 ５ 人力による駆動系 ７ 死点回避手段 ８ 動力による駆動系 １５ａ ペダル １５ｂ ペダル １８ 歯輪

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人力による駆動系と動力による駆動系と
   を並列に設け、前記人力による駆動系の駆動力を検出し
   て前記動力による駆動系の出力を制御するようにした補
   助動力付き人力駆動装置において、前記人力による駆動
   系が、一定軸心回りに回転自在で駆動車輪に連結された
   歯輪と、左右に各一個の円形又は非円形の軌跡を描いて
   回転するペダルとを備え、各ペダルと前記歯輪とはその
   回転時において片方のペダルが下死点に位置するとき他
   方のペダルが上死点を越えた位置に位置するように連動
   する死点回避手段を備えていることを特徴とする補助動
   力付き人力駆動装置。
2. 【請求項２】 一定軸心回りに回転自在な歯輪と、この
   歯輪とは独立して個別に回転自在な左右一対のクランク
   と、このクランクの１回転中に前記歯輪の回転速度が変
   るように前記歯輪と前記クランクとを連動させるように
   した死点回避手段であることを特徴とする請求項１記載
   の補助動力付き人力駆動装置。
3. 【請求項３】 人力による駆動系の死点回避手段に至る
   前の位置で人力による駆動力を検出するようにしたこと
   を特徴とする請求項１又は２記載の補助動力付き人力駆
   動装置。
4. 【請求項４】 人力による駆動系の死点回避手段を経過
   した後の位置で人力による駆動力を検出するようにした
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の補助動力付き人
   力駆動装置。
5. 【請求項５】 人力による駆動系の死点回避手段を経過
   した後の位置で前記人力による駆動系に動力による駆動
   系で補助動力を与えるようにしたことを特徴とする請求
   項１，２，３又は４記載の補助動力付き人力駆動装置。
6. 【請求項６】 人力による駆動系の死点回避手段を経過
   する前の位置で前記人力による駆動系に動力による駆動
   系で補助動力を与えるようにしたことを特徴とする請求
   項３記載の補助動力付き人力駆動装置。