(57)【要約】      （修正有）【課題】自転車の補助動力装置の重量を軽減して自転車の手押しを容易にすると共に出力／重量の比率を増大して単位重量当たりの出力を向上し、さらに連続して供給可能なエネルギー量／重量の比率を増大して単位重量当たりのエネルギー供給可能量の向上を実現することができる自転車内装式補助動力装置の提供。【解決手段】必要とする駆動動力は、円板上を放射方向に走る液体の流れに回転を与えることにより作用するコリオリの力を利用して動力を付加する方式として供給される。放射液流の走る円板は、自転車後輪の駆動体の回転に連動して回転することにより放射液流に直角の方向に力を作用して、ハブ体の回転に動力の補助を与える。液流は駆動体の回転に連動する小型のポンプにより供給される。この補助動力装置はハブ体に内装される簡潔かつ軽量な小型装置である。【選択図】図１
2005335658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一回転軸を中心として回転運動する円板に持続可能な駆動トルクを発生し得る駆動トルク発生機構であって、自転車後輪の駆動用スプロケットに連動する駆動体に一体に形成される回転円板、該回転円板の一面に押圧により接触する第二円板でその中心から放射状に任意本数の液流用流路を設け、かつハブ体に機械的に連動するトルク生成体、前記駆動体に機械的に連動して液をトルク生成体に供給するポンプ、および該ポンプの吸入側に流体的に結合し、かつトルク生成体からの流出液を受容する貯液槽とから構成されることを特徴とする自転車内装式補助動力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】この発明は、自転車が坂道を登るときや加速するときに遭遇する走行抵抗を克服し、それによって自転車の快適な走行を維持し得るように、機械的手段により動力を提供する補助動力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】従来の自転車は、走行抵抗の変化に応じた駆動力を得るために、変速機によって歯車比を選択する機構を備えているが、その選択幅に限界があるために、走行抵抗の変化する範囲全体にわたって変速機が対応することは不可能である。したがって走行抵抗の大きなばあいは、踏力を増したりペダリングピッチを落としたりする対応に迫られて、乗り手のペダリングリズムを乱して疲労を招くばかりでなく、駆動力不足のため走行不能で下車を余儀なくされるばあいがある。
【非特許文献１】自転車産業振興協会編：自転車実用便覧第五版、平成５年８月改訂
【非特許文献２】渡辺茂著、ごま書房刊：自転車の科学、昭和４９年４月初版
【非特許文献３】服部四士主著、講談社刊：自転車の科学、昭和５７年６月発行
【特許文献１】登録実用新案公報：第３０８６３４０号
【特許文献２】公開特許公報：特開２００３−３０６１９２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】自転車が平坦な路面を走行するばあいは、軽いペダル踏力により一定のペダリングピッチでの快適な走行が可能であるが、急な坂道の登り走行や加速走行では必要とするペダル踏力が大き過ぎて、従来の変速機のみの駆動手段では対処し得ない。なおこの事態を克服するために電動機による補助動力装置が提案され、実用に供せられて利便性の向上に寄与している。しかしながら電動機自身とそれに組み合わされる電池とを合わせた重量が大きいために、これらを搭載した自転車の手押しに困難を伴い、さらに電池の一回当たりの充電可能量に限界があって一度の充電での走行可能距離が限られる。ゆえに頻繁な充電作業を要するのみならず電池の劣化が進んで定期的な代替えが求められる。【０００４】したがって、自転車の補助動力装置の重量を軽減して自転車の手押しを容易にすると共に出力／重量の比率を増大して単位重量当たりの出力を向上し、さらに連続して供給可能なエネルギー量／重量の比率を増大して単位重量当たりのエネルギー供給可能量の向上を実現する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】この発明はこのような課題に着目し、自転車後輪の駆動用スプロケットに連動する駆動体に一体に形成される回転円板に押圧により接触する第二円板を設け、その中心から放射状に任意本数の液流用流路を設けることにより、駆動体の回転に伴って前記回転円板が回転すると、これに引きずられて回転しようとする第二円板にコリオリの力が発生して、その向きに駆動トルクが生成する。駆動体が連続して回転すればコリオリの力も継続して発生する。ゆえに通常の乗り方で負荷が大きくなってペダルの踏み込みに困難を生じたとき、駆動体とハブ体との連動と並行して回転円板と第二円板を連動させれば、通常のペダル踏み込みで走破することができる。この発明は、このような特徴を備えた自転車内装式補助動力装置の提供を目的とする。【０００６】この発明の目的は、以下に説明する特徴をもつ補助動力装置を提供することにより達成される。すなわち、自転車後輪の駆動用スプロケットに連動する駆動体に一体に形成される回転円板、該回転円板の一面に押圧により接触する第二円板でその中心から放射状に任意本数の液流用流路を設け、かつハブ体に機械的に連動するトルク生成体、前記駆動体に機械的に連動して液をトルク生成体に供給するポンプ、および該ポンプの吸入側に流体的に結合し、かつトルク生成体からの流出液を受容する貯液槽とから構成されることを特徴とする自転車内装式補助動力装置である。
【発明の効果】
【０００７】この発明によれば第一に、必要とする補助動力は回転中心から放射方向に走る液体の流れに回転運動を与えることにより作用するコリオリの力を利用する構成なので、従来にみられない簡便性と経済性が得られ、動力の生成が極めて容易であるという特徴がある。第二に補助動力は、自転車の走行中に継続的に得られるので、電動式補助動力などの従来装置のように動力源を自転車に搭載する必要がなく、したがって予めエネルギーを蓄積するための準備の条件と時間を要しないという新規な機能を提供し得る特徴がある。第三に、この発明の補助動力装置は、実施例に詳述するようにおよそ０．５ｋｇｆ以下の重量で構成でき、かつその出力は５５ｗであるから、出力／重量比は１１０ｗ／ｋｇｆ以上になるという高性能を提供できるという特徴がある。第四に、動力は自転車の走行に伴って生成されるので、動力の供給能力は無制限であるという特徴を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】この補助動力装置の中枢をなすトルク生成体の放射流路を流れる液体の質量をｍ、液流の回転軸心に関するトルク生成体の回転速度をωと置き、放射流路の本数をｎとすれば、トルク生成体の中心から任意の距離ｒにある放射流路上での任意の質量流量に関する角運動量Ｌについて、ｄＬ＝ｄ（ｎｍωｒ２）と表すことができる。液体の密度をρ、放射流路の断面積をＡと置けば、ｄＬ＝ｎ（ρＡ・ｄｒ）ωｒ２と変形できるから、トルク生成体の回転によりその回転軸心に発生するトルクＴは、次のように表現される。すなわち、
2005335658.tif 000003
ここに、Ｒはトルク生成体上の放射流路の長さである。いま、液流の流速をＶとおけば、Ｖ＝ｄｒ／ｄｔであるから、次式が導かれる。
2005335658.tif 000004
ゆえに、自転車のペダルクランクの回転がチェーンとスプロケットを介して後輪の駆動体に伝動すると、駆動体に一体に形成される回転円板が回転し、これに押圧されて接触するトルク生成体が摩擦により引きずられて角速度ωで回転する。その結果該トルク生成体にコリオリの力が発生して式（１）で示されるトルクが得られ、駆動体からハブ体への伝動に並行してトルク生成体からハブ体への伝動が行われて、後輪の駆動を補助する役割を演じる。したがってペダルクランク駆動の過重な負担を回避することができる。
【実施例】
【０００９】次に図面を参照してこの発明の実施例につき詳細に説明する。図に示すように、この発明になる補助動力装置１０は、自転車後輪の駆動用スプロケットに連動する駆動体５０に一体に形成される回転円板２１、回転円板２１により回転してトルクを生成するトルク生成体３０、およびトルク生成体３０と自転車後輪のハブ体６０との間に設けられて生成トルクをハブ体に伝動する役割を果たす伝動システム４０を主構成要素とする。この他にトルク生成体３０に作動用液体を供給するポンプと貯液槽が付置される。ポンプ（図示せず）は駆動体５０と機械的に連動して作動液体をトルク生成体３１に供給する。貯液槽（図示せず）は該ポンプ吸入側に流体的に結合し、かつトルク生成体３１からの流出液を受容するように配置される。【００１０】図１に示すようにトルク生成体３０は駆動体５０に滑動可能にはめあい、かつ駆動体５０に具備された押圧具５１により回転円板２１を押圧するように駆動体５０に固定される。押圧具５１は軸受５１１、圧縮ばね５１２および締結具５１３とからなり、トルク生成体３０を回転自在に押圧する。トルク生成体３０の円板部分３０１に任意本数の放射状流路３２１が設けられ、その中心部分で駆動体３０の軸心に沿って設けられる流路３２２に連結する。該流路３２２はポンプの吐出口に連なる。前記放射流路３２１は円板部分３０１の円周近傍から還流路（図示せず）を経由して貯液槽に入る。トルク生成体３０の伝動部分３０３は円板部分３０１で生成したトルクを伝動システム４０を介してハブ体６０に伝達し、動力の補助をする。トルク生成体３０で生成されたトルクは伝動システム４０を介することにより、その作動する向きをハブ体に合わせている。伝動システム４０は図２と図１に示すように、ハブ体６０の内壁に設けた内歯歯車６１、伝動部分３０３に取り付けた歯車３１、および両歯車６１と３１との間に介在する三個の歯車４１，４２，４３を一体に構成したもので、歯車３１は三点支持による安定した配置となっている。【００１１】つぎに事例についてこの発明の性能を説明する。自転車の荷重、すなわち乗り手と自転車の合計重量が７５ｋｇｆで３°勾配の坂道を登るばあい、約４ｋｇｆの走行抵抗生じる。平坦な道路を走るばあいの走行抵抗は約１ｋｇｆであり、そのスピードは通常毎時約２０ｋｍ以下であることが知られているから、その出力は５５ｗ程度以下である。ゆえに３°勾配の坂道を登るばあいのスピードを毎時１０ｋｍとすれば、出力はおよそ１１０ｗであるから、所要の補助動力はこの出力から平坦な道路の走行動力、すなわち人力による動力５５ｗを差し引いた値の５５ｗ程度となる。この所要補助動力を供給する補助動力装置の性能は、段落０００８に記載の式（１）に数値を代入して得られる。ここで実用的見地から液体を水、放射流路の長さを５０ｍｍ、放射流路の本数を八本に選定すれば、数値はそれぞれρ＝１×１０３（ｋｇ／ｍ３）、Ｒ２＝２．５×１０−３（ｍ２）、ｎ＝８であるからＴ（Ｎｍ）＝２０ＡＶωとなる。ここで流量ＡＶ（ｍ３／ｓ）＝６×１０４ＡＶ（ｌ／ｍｉｎ）と置き、トルク生成体の回転数Ｎ（ｒｐｍ）についてω（ｒａｄ／ｓ）≒０．１Ｎ（ｒｐｍ）を導くことにより、Ｔ（Ｎｍ）＝１．��×１０５ＡＶ（ｌ／ｍｉｎ）Ｎ（ｒｐｍ）…  …（２）の実用式が得られる。つぎに得られるトルクにトルク生成体の回転角速度を乗算することにより、生成動力が得られる。すなわち、動力Ｐ（ｗ）＝Ｔ（Ｎｍ）・ω（ｒａｄ／ｓ）の関係から、Ｐ（ｗ）≒Ｔ（Ｎｍ）・０．１Ｎ（ｒｐｍ）…  …（３）が導かれる。ゆえに式（３）からたとえば補助動力Ｐ＝５５（ｗ）のばあいについてＴ（Ｎｍ）とＮ（ｒｐｍ）の関係が求められる。  この関係からＴ（Ｎｍ）とＮ（ｒｐｍ）を選定して式（２）に適用することにより、装着するポンプの容量が選定される。【００１２】段落００１１での事例によれば放射流路の長さが５０ｍｍであるから、この数値を基に図に示す構成からトルク生成体と関連の運動体の体積を概算すればおよそ１×１０−４ｍ３以下である。またほとんどが合成樹脂から作られ、その比重は１．５×１０３ｋｇｆ／ｍ３であることから、概算重量は０．１５ｋｇｆとなる。したがって、所要出力が５５ｗであることから出力／重量比は５５ｗ／０．１５ｋｇｆ≒３７０ｗ／ｋｇｆ以下という高性能を呈する。【００１３】トルク生成体はハブ体内部に装着する構成であるからハブ体の径をある程度大きくするすれば構成が容易であるが、ハブ体の径を余り大きくしないばあいはトルク生成体を複数個設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】駆動体に沿って配列される補助動力装置の説明図。
【図２】伝動系を説明する図１のＡ−Ａ線横断面図。
【符号の説明】
【００１４】２１    回転円板
３０    トルク生成体
３０１  トルク生成体の円板部分
３１    トルク生成体の伝動部分
３２１  トルク生成体の円板部分の放射流路
４０    伝動システム
５０    駆動体
５１    押圧具
６０    ハブ体
７０    ハブ軸
【図１】
2005335658.tif 000005
【図２】
2005335658.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成17年1月5日(2005.1.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
一回転軸を中心として回転運動する円板に持続可能な駆動トルクを発生し得る駆動トルク生成機構であって、自転車後輪の駆動用スプロケットに連動する駆動体に一体に形成される回転円板、該回転円板の一面に押圧により接触する第二円板でその中心から放射状に任意本数の液流用流路を設け、かつハブ体に機械的に連動するトルク生成体、前記駆動体に機械的に連動して液をトルク生成体に供給するポンプ、および該ポンプの吸入側に流体的に結合し、かつトルク生成体からの流出液を受容する貯液槽とから構成されることを特徴とする自転車内装式増力機構。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】  この発明はこのような課題に着目し、自転車後輪の駆動用スプロケットに連動する駆動体に一体に形成される回転円板に押圧により接触する第二円板を設け、その中心から放射状に任意本数の液流用流路を設けることにより、駆動体の回転に伴って前記回転円板が回転すると、これに引きずられて回転しようとする第二円板にコリオリの力が発生して、その向きに駆動トルクが生成する。駆動体が連続して回転すればコリオリの力も継続して発生する。ゆえに通常の乗り方で負荷が大きくなってペダルの踏み込みに困難を生じたとき、駆動体とハブ体との連動と並行して回転円板と第二円板を連動させれば、通常のペダル踏み込みで走破することができる。この発明は、このような特徴を備えた自転車内装式増力機構の提供を目的とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】  この発明の目的は、以下に説明する特徴をもつ補助動力装置を提供することにより達成される。すなわち、自転車後輪の駆動用スプロケットに連動する駆動体に一体に形成される回転円板、該回転円板の一面に押圧により接触する第二円板でその中心から放射状に任意本数の液流用流路を設け、かつハブ体に機械的に連動するトルク生成体、前記駆動体に機械的に連動して液をトルク生成体に供給するポンプ、および該ポンプの吸入側に流体的に結合し、かつトルク生成体からの流出液を受容する貯液槽とから構成されることを特徴とする自転車内装式増力機構である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】  この補助動力装置の中枢をなすトルク生成体の放射流路を流れる液体の質量をｍ、液流の回転軸心に関するトルク生成体の回転速度をωと置き、放射流路の本数をｎとすれば、トルク生成体の中心から任意の距離ｒにある放射流路上での任意の質量流量に関する角運動量Ｌについて、ｄＬ＝ｄ（ｎｍωｒ２）と表すことができる。液体の密度をρ、放射流路の断面積をＡと置けば、ｄＬ＝ｎ（ρＡ・ｄｒ）ωｒ２と変形できるから、トルク生成体の回転によりその回転軸心に発生するトルクＴは、次のように表現される。すなわち、
2005335658.tif 000007
ここに、Ｒはトルク生成体上の放射流路の長さである。いま、液流の流速をＶとおけば、Ｖ＝ｄｒ／ｄｔであるから、次式が導かれる。
2005335658.tif 000008
ゆえに、自転車のペダルクランクの回転がチェーンとスプロケットを介して後輪の駆動体に伝動すると、駆動体に一体に形成される回転円板が回転し、これに押圧されて接触するトルク生成体が摩擦により引きずられて角速度ωで回転する。その結果該トルク生成体にコリオリの力が発生して式（１）で示されるトルクが得られ、駆動体からハブ体への伝動に並行してトルク生成体からハブ体への伝動が行われて、後輪の駆動を補助する役割を演後輪を駆動する力を増力する役割を演じる。したがってペダルクランク駆動の過重な負担を回避することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】  つぎに事例についてこの発明の性能を説明する。自転車の荷重、すなわち乗り手と自転車の合計重量が７５ｋｇｆで３°勾配の坂道を登るばあい約４ｋｇｆの走行抵抗生じる。平坦な道路を走るばあいの走行抵抗は約１ｋｇｆであり、そのスピードは通常毎時約２０ｋｍ以下であることが知られているから、その出力は５５ｗ程度以下である。ゆえに３°勾配の坂道を登るばあいのスピードを毎時１０ｋｍとすれば、出力はおよそ１１０ｗであることから所要の付加動力はこの出力から平坦な道路を走行する動力５５ｗを差し引いた値５５ｗ程度となる。この所要付加動力を供給する増力機構の性能は段落０００８に記載の式（１）に数値を代入して得られる。ここで実用的見地から液体を水とし、放射流路の長さを５０ｍｍ、放射流路の本数を八本に選定すれば、数値はそれぞれにρ＝１×１０３（ｋｇ／ｍ３）、Ｒ２＝２．５×１０−３（ｍ２）、ｎ＝８であるから、Ｔ（Ｎｍ）＝２０ＡＶωとなる。ここで流量ＡＶ（ｍ３／ｓ）＝６×１０４ＡＶ（ｌ／ｍｉｎ）と置き、トルク生成体の回転数Ｎ（ｒｐｍ）についてω（ｒａｄ／ｓ）≒０．１Ｎ（ｒｐｍ）を導くことにより、Ｔ（Ｎｍ）＝１．２×１０５ＡＶ（ｌ／ｍｉｎ）Ｎ（ｒｐｍ）…  …（２）の実用式が得られる。つぎに得られるトルクにトルク生成体の回転角遠度を乗算して生成動力が得られる。すなわち、動力Ｐ（ｗ）＝Ｔ（Ｎｍ）・ω（ｒａｄ／ｓ）の関係から、次式が導かれる。Ｐ（ｗ）≒Ｔ（Ｎｍ）・０．１Ｎ（ｒｐｍ）…  …  …  …  …  …（３）ゆえに、式（３）からたとえば付加動力Ｐ＝５５（ｗ）のばあいについてＴ（Ｎｍ）とＮ（ｒｐｍ）の関係が求められる。この関係から、Ｔ（Ｎｍ）とＮ（ｒｐｍ）を選定して式（２）に適用することにより、装着するポンプの容量が選定される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】段落００１１での事例によれば放射流路の長さが５０ｍｍであるから、この数値を基に図に示す構成からトルク生成体と関連の運動体の体積を概算すれば、およそ１×１０−４ｍ３以下である。またほとんどを合成樹脂から構成することにより、その比重を１．５×１０３ｋｇｆ／ｍ３とすることができるから、概算重量は０．１５ｋｇｆとなる。したがって、付加出力が５５ｗであることから付加出力／重量比は５５ｗ／０．１５ｋｇｆ≒３７０ｗ／ｋｇｆ以下という高性能を呈する。