(57)【要約】【課題】変速比の変化幅を十分確保しつつ、汎用自転車に搭載可能な低コストの無段変速機を提供する。【解決手段】無段変速機Ａは、車軸１１回りに互いに連動して回転する入力ギア１２および大円板１３と、車軸１１にほぼ直交する角軸２７と連動して回転するとともに、大円板１３に接触する１対の小円板２１と、第１，第２かさ歯車１５，１７と、出力側ブッシュ１９と、出力側ブッシュ１９と連動して回転可能な第１，第２連結部材４５，４７とを備えている。また、４分割されたＮ極，Ｓ極を有する内側よび外側磁石体３０，３１と、往復運動板３９によって位置が変化する位置制御板３５とを備え、小円板２１の角軸２７上の滑動位置を制御し、トルクに応じて変速比を制御している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転力を受けて、第１軸回りに回転可能な大円板と、
上記第１軸に交差する第２軸回りに回転可能に，かつ、第２軸に沿って滑動可能に設けられ、上記大円板の回転を摩擦力によって伝達する小円板と、
上記小円板の回転を車輪側に伝達する出力側回転体と、
上記出力側回転体に加わる負荷に応じて、上記第２軸上における上記小円板の位置を制御することにより、変速比を制御する滑動位置制御機構と、
を備えている、無段変速機。
【請求項２】
請求項１記載の無段変速機において、
上記小円板の内周は、テーパを有している、無段変速機。
【請求項３】
請求項１または２記載の無段変速機において、
上記滑動位置制御機構は、
円周方向に交互に配置された複数個のＮ極とＳ極とを有し、上記出力側回転体と連動して回転する内側磁石体と、
円周方向に交互に配置された複数個のＮ極とＳ極とを有し、上記内側磁石体の周囲に回動可能に設けられた外側磁石体と、
上記外側磁石体と連動可能に設けられた往復運動体と、
上記往復運動体の回動範囲を制限する制限機構と、
上記往復運動体の回動幅と上記小円板の第２軸上での滑動位置とを連動させる連動機構と、
を有している、無段変速機。
【請求項４】
請求項３記載の無段変速機において、
上記滑動位置制御機構は、設定値以上の負荷が作用したときに、上記外側磁石体と上記往復運動体との連結状態を解除する機構を有している、無段変速機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自転車などの乗り物に搭載される無段変速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自転車の変速比を変化させる機構として、手動による切り換えが不要な無段変速機についての種々の提案がなされている。
たとえば、特許文献１に開示される技術では、クランクペダルの踏み力が強くなったとき、たとえば登坂時に、クランクペダル軸から伝達されるトルクが設定トルクを超えたときに、自動的に減速位置を変化させるべく、Ｖ溝を有するプーリの幅を可変にして、所定幅のベルトの位置に応じて変速比を連続的に変化させるようにしている。
また、特許文献２には、入力軸の回転運動を揺動運動に変換する複数のリンクユニットや、この揺動運動を出力軸の回転運動に変換する一方向クラッチとを設けた構造が開示されている。
さらに、特許文献３には、身障者や老人などの三輪車，四輪車の無段変速機として、相接触する１対の大円板と小円板とを備え、両者を無段変速機であるとともに差動変速機としても機能させた構造が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１４４８２４号公報
【特許文献２】特開２００４−１６５０号公報
【特許文献３】特開平１０−８９４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１，２の無段変速機の構造では、構造が複雑になり、汎用自転車の部品として実用化できる程度までのコストの低減が困難である。一方、特許文献３の無段変速機の構造では、比較的コスト低減が可能な簡素な構造ではあるものの、無段変速機としての機能からみると、変速比の変化幅を大きく確保できないという不具合がある。
【０００５】
本発明の目的は、変速比の変化幅を十分確保しつつ、汎用の自転車等に搭載可能な低コストの無段変速機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の無段変速機は、第１軸回りに回転可能な大円板と、第１軸に交差する第２軸回りに回転可能に，かつ、第２軸に沿って滑動可能に設けられた小円板とを備えており、大円板の回転を摩擦力によって小円板から出力側回転体に伝達し、出力側回転体に加わる負荷に応じて、第２軸上における小円板の位置を制御することにより、変速比を制御する滑動位置制御機構を備えている。
【０００７】
これにより、簡素な構成で、負荷に応じて変速比を連続的に制御することが可能になる。そして、小円板の滑動範囲を長くすれば、変速比の変化範囲を容易に広く確保できる。よって、汎用の自転車等に搭載が可能な低コストの無段変速機が得られることになる。
【０００８】
小円板の内周がテーパを有していることにより、小円板の滑動がスムーズになり、変速比の迅速な切り換えが可能になる。特に、小円板の内周を途中部位で最小径にして、両側に拡大するテーパを設けることがより好ましい。
【０００９】
滑動位置制御機構は、複数個のＮ極とＳ極とを有し、出力側回転体と連動して回転するする内側磁石体と、複数個のＮ極とＳ極とを有し、内側磁石体の周囲に回動可能に設けられた外側磁石体と、外側磁石体と連動可能に設けられた往復運動体と、往復運動体の回動範囲を制限する制限機構と、往復運動体の回動幅と小円板の第２軸上での滑動位置とを連動させる連動機構とを有していることにより、出力側回転体の回転数に応じ、連動機構を通じて小回転板の滑動位置、つまり変速比を確実に制御することができる。
【００１０】
滑動位置制御機構が、外側磁石体と往復運動体との連結状態を解除する機構を有していることにより、負荷が安定しているときなど、状況によっては往復運動体の無駄な運動をなくすことができ、自転車等の走行に消費されるエネルギの低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の無段変速機によると、変速比の変化幅を十分確保しつつ、汎用の自転車等に搭載可能な低コストの無段変速機が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
−無段変速機の概略構造−
図１は、本発明の実施形態に係る自転車用の無段変速機の構造を示す縦断面図である。図２は、実施形態に係る無段変速機の図１に示すII-II線における断面図である。
図１および図２に示すように、本実施形態に係る無段変速機Ａは、自転車の後部側車輪の回転軸となる車軸１１（第１軸）と、ペダルの回転力をチェーンを介して受けて、車軸１１回りに互いに連動して回転する入力ギア１２および大円板１３と、車軸１１にほぼ直交する角軸２７（第２軸）と、角軸２７と連動して回転するとともに、大円板１３に接触する１対の小円板２１とを備えている。小円板２１の内周部は、角軸２７と連動して回転しうるように角穴２１ａとなっており、かつ、後述するごとく、小円板２１が角軸２７に沿って容易に滑動しうるように、角穴２１ａは角軸２７と遊嵌合するテーパ状に設けられている。
【００１３】
入力ギア１２と大円板１３とは、くさび状の連結部を有しており、ペダルを踏んで、入力ギア１２が回転し始めると、大円板１３が図中左方に少し移動させられる。その結果、大円板１３が小円板２１に強く押し付けられ、摩擦力によって両者が連動する状態となる。小円板２１の大円板１３と接触する外周部は、大きな摩擦力を確保するようにゴムで形成されている。一方、ペダルを離すと、大円板１３と小円板２１との間の押圧力が弱くなり、その結果、小円板２１が角軸２７に沿って滑動しうる状態となる。
【００１４】
また、無段変速機Ａは、角軸２７の先端部に固定された第１かさ歯車１５と、固定部材ＦＬ１との間でラジアルベアリングＲＢを介して車軸１１回りに回転自在に設けられ、第１かさ歯車１５と噛み合う第２かさ歯車１７と、第２かさ歯車１７に連結された出力側ブッシュ１９と、出力側ブッシュ１９と連動して回転可能な第１連結部材４５と、出力ギア５０と、出力ギア５０に取り付けられ、第１連結部材４５に係合する第２連結部材４７とを備えている。
【００１５】
すなわち、角軸２７上における小円板２１の位置に応じて定まる変速比で、小円板２１が回転すると、第１，第２かさ歯車１５，１７を介して、出力側ブッシュ１９が回転し、その回転は第１，第２連結部材４５，４７を介して出力ギア５０に伝達される。これによって、ペダルを踏む動作が自転車の後輪の回転を生ぜしめることになる。上記出力側ブッシュ１９，第１，第２連結部材４５，４７および出力ギア５０は、入力ギア１２および大円板１３の回転に対して、所定の変速比で回転する出力側回転体として機能する。
【００１６】
−滑動位置制御機構の構成−
次に、小円板２１の角軸２７上における位置制御（変速比制御）について、説明する。
図１および図２に示すように、各小円板２１につながる部材として、小円板２１の突出部２１ｂの外周の回りにラジアルベアリングＲＢを介して回転可能に取り付けられた異形板２３（図３参照）と、異形板２３の縁部にビス２４によって回動自在に取り付けられたアーム部材２５と、アーム部材２５の先端にビス３６によって連結された位置制御板３５とが設けられている。
【００１７】
また、出力側ブッシュ１９の外側には、４分割されたＮ極，Ｓ極を有する内側磁石体３０と、内側磁石体３０の外側に、内側磁石体３０とは一定の間隙を隔てて配置され、４分割されたＮ極，Ｓ極を有する外側磁石体３１と、外側磁石体３１を密着して覆う磁石カバー３３とが設けられている。上記位置制御板３５と磁石カバー３３とは、ラジアルベアリングＲＢを介して相対的な回転自在に設けられている。そして、位置制御板３５が図２に示す実線位置にあるときは、アーム部材２５に連結された小円板２１が角軸２７の内方側に位置して出力ギア５０が比較的低速で回転し、位置制御板３５が図２に示す２点鎖線位置にあるときには、小円板２１が角軸２７の外方側に位置して出力ギア５０が比較的高速で回転する（図１に示す位置）。
【００１８】
なお、本実施形態では、位置制御板３５に、２組の小円板２１，角軸２７，異形板２３，アーム部材２５等が取り付けられていることで、滑動位置制御機構が差動ギアとしても機能しているが、これらの部材を必ずしも２組設ける必要はなく、１組の小円板２１，角軸２７，異形板２３，アーム部材２５等のみを設けても、滑動位置制御機能を発揮することができる。
【００１９】
また、磁石カバー３３と出力ギア５０との間には、上述の第１，第２連結部材４５，４７と、磁石カバー３３の外周にラジアルベアリングＲＢを介して磁石カバー３３と相対的な回転自在に取り付けられた往復運動板３９と、往復運動板３９の内周と係合するクラッチ部材４０と、クラッチ部材４０と第１連結部材との間に介在するスラストベアリングＴＢと、磁石カバー３３の先端部とクラッチ部材４０との間に介在する圧縮バネ４１とが配置されている。
【００２０】
また、往復運動板３９の外周部の相対抗する２つの位置に、ストッパピン４２と位置制御用ピン４４とが取り付けられている。位置制御用ピン４４は、位置制御板３５に取り付けられた位置制御用カム３８と係合している。一方、ストッパピン４２は、固定部材ＦＬ２に取り付けられた２つのストッパカム３７ａ，３７ｂに係合可能に構成されている。
【００２１】
−滑動位置制御機構の動作−
図４は、本実施形態における滑動位置制御の基本的な原理を示す平面図である。図４においては、各部材の形状を本実施形態の形状とは変形して示している。第２かさ歯車１７の先端筒部１７ａが回転し（図４における反時計方向）、それに連携して内側磁石体３２が回転すると、同極同士の反発力と異極同士の吸引力との作用により、外側磁石体３３および磁石カバー３３が同じ方向に回動する。そして、このとき、クラッチ部材４０が往復運動板３９の内周部に嵌合しているので、往復運動板３９が同じ方向に回転するが、ストッパピン４２が一方のストッパカム３７ｂに当たると、外側磁石体３１，磁石カバー３３および往復運動板３９は、反対方向（図４における時計方向）に回転する。内側磁石体３０が低速で回転しているときには、外側磁石体３１，磁石カバー３３および往復運動板３９は、ストッパピン４２がストッパカム３７ａに突き当たるまで時計方向に回動し、ストッパに当たると反時計方向に回転する、という運動を繰り返す。
【００２２】
一方、内側磁石体３０の回転速度がある回転速度（本実施形態では、８０ｒｐｍ程度）を超えると、外側磁石体３１，磁石カバー３３および往復運動板３９は、ストッパピン４２がストッパカム３７ａに当たる前に、時計方向の回転から反時計方向への回転に転ずる。つまり、この回転が反転する位置とストッパカム３７ｂとの間の角度αは、回転速度に応じて定まることになる。
【００２３】
そこで、往復運動板３９に取り付けられた位置制御用ピン４４が反転する位置に、位置制御板３５の位置制御用カム３８の位置を保持させることにより、図２に示すように、位置制御板３５の角度位置が定まる。そして、アーム部材２５を介し、位置制御板３５の角度位置に応じて、小円板２１の角軸２７上における滑動位置を制御することができる。このとき、図２の左下図に示すように、小円板２１の内周がテーパ状に設けられていると、小円板２１が角軸２７上を滑動する際に小円板２１が揺動し、これによって軸方向のベクトル成分が生じるので、滑動が容易となる。
【００２４】
図５は、往復運動板３９のストッパピン４２と、ストッパカム３７ａ，３７ｂとの係合を説明するための図である。ストッパカム３７ａ，３７ｂは、図５には図示しない回転軸（図１に図示）回りに回転可能に設けられ、かつ、引張バネによって一方の側に引っ張られているので、自然状態では、図５のストッパカム３７ｂに示す位置にある。それに対して、外側磁石体３１に連動する往復運動板３９の回転により，ストッパピン４２がストッパカム３７ａに突き当たると、ストッパカム３７ａが回転して、ストッパピン４２を止めることになる。ただし、外側磁石体３１（往復運動板３９）の回転が高速になると、往復運動板３９は、ストッパピン４２がストッパカム３７ａに突き当たる前に反転する。
【００２５】
一方、位置制御用カム３８は図５に示す方向に引っ張られており、位置制御用ピン４４が時計方向に回転して位置制御用カム４４に突き当たると、位置制御用ピン４４と位置制御用カム３８とが係合して、位置制御板３５を時計方向に回動させる。一方、位置制御用ピン４４が反転する（反時計方向）ときには、両者の係合が外れ、位置制御用ピン４４の位置は保持される。ただし、ペダルの回転力が加わらない状態を持続させると、大円板１３と小円板２１との接触状態が緩むので、小円板２１が角軸２７に沿って移動可能になる。それに応じて、位置制御板３５が回転可能な、つまり、位置制御用カム３８が移動可能な状態になる。そして、新たなペダルの回転力（トルク）に応じて、位置制御用ピン４４および位置制御用カム３８の係合位置が制御され、入力ギア１２（大円板１３）の回転速度から、小円板２１（出力ギア５０）の回転速度への変速比が一定に制御される。
【００２６】
すなわち、ストッパピン４２およびストッパカム３７ａ，３７ｂは、往復運動体（往復運動板３９）の回動範囲を制限する制限機構として機能する。また、位置制御板３５，位置制御用ピン４４およびアーム部材２５は、往復運動体（往復運動板３９）の回動幅と小円板２１の第２軸（角軸２７）上での滑動位置とを連動させる連動機構として機能する。
【００２７】
−連結解除機構ー
一方、変速比がいったん定まると、位置制御用カム３８の位置を変化させることはないが、それにも拘わらず内側磁石体３０の回転に応じて往復運動板３９を往復運動させると、余計なエネルギが消費されることになる。そこで、磁石カバー３３と往復運動板３９との連携運動（連結状態）を解除するためのクラッチ部材４０，第１，第２連結部材４５，４７が設けられている。
【００２８】
図６（ａ），（ｂ）は、順に、連結解除機構の動作を説明するための側面図、および第１連結部材４５および第２連結部材４７の断面図である。
図６（ａ）に示すように、磁石カバー３３（先端部）の外周およびクラッチ部材４０の内周は共に８角形の断面を有して遊嵌合しており、両者が連携して一体的に回転するが、軸方向には相対的な移動が可能になっている。同様に、クラッチ部材４０の外周および往復運動板３９の内周も８角形の断面を有して遊嵌合しており、両者が連携して一体回転するが、軸方向には相対的な移動が可能になっている。さらに、図５には図示されていないが、第１連結部材４５の内周（図５には図示せず）も８角形の断面を有しており、８角形の出力側ブッシュ１９の外周と遊嵌合しているので、両者が連携して一体的に回転するが、軸方向には相対的な移動が可能になっている。
【００２９】
以上の構造により、図６（ｂ）に示す断面において、第１連結部材４５が矢印方向に回転したとき、第１連結部材４５と第２連結部材４７との間の摩擦力に達しないトルクに対しては、第１連結部材４５と第２連結部材４７とが一体的に回転する。一方、トルクが所定値（本実施形態では、内側磁石体３０-外側磁石体３１間の限界トルク−たとえば０．６ｋｇ重（約５．９Ｎ））を超えると、圧縮バネ４１の圧縮力に抗して、第１連結部材４５が右方に移動させられる。その結果、クラッチ部材４０と往復運動板３９との嵌合がはずれる。これにより、往復運動板３５を往復運動させることによる無駄なトルクを削減することができ、自転車走行を軽快にすることができる。
【００３０】
−本発明の効果−
本実施形態の無段変速機によると、自転車の走行時にペダルに加わる負荷（トルク）に応じて、変速比を連続的に変化させることが可能になる。
たとえば、平坦な道や下り坂でペダルに加わる負荷が小さいときには、入力ギア１２，大円板１３を介して小円板２１の回転速度が増大していく。一方、図１に示す入力ギア１２から大円板１３を図中左方に押し付ける力が弱くなることで、大円板１３と小円板２１との間の摩擦力が弱くなり、小円板２１が角軸２７に沿って滑動可能な状態になる。また、第１連結部材４５と第２連結部材４７との間の押圧力も弱くなることで、バネ４１によってクラッチ部材４０は図１に示す状態、つまり、往復運動板３９に連結される。この状態で、出力側ブッシュ１９，第１，第２連結部材４５，４７および出力ギア５０の回転速度が増大し、それに伴って図２に示す往復運動板３９の位置制御用ピン４４が図中右方に移動する。すなわち、負荷が小さいときには、小円板２１が角軸２７上を外方側に移動して、負荷が大きくなる方向、つまり変速比が増大する方向に変化する。
【００３１】
一方、上り坂などで変速比を小さくしたい場合には、いったんペダルを踏むのを止める。そうすると、図１に示す入力ギア１２から大円板１３を図中左方に押し付ける力がほとんどなくなることで、大円板１３と小円板２１との間の摩擦力が弱くなり、小円板２１が角軸２７に沿って滑動可能な状態になる。また、第１連結部材４５と第２連結部材４７との間の押圧力も弱くなることで、バネ４１によってクラッチ部材４０は図１に示す状態、つまり、往復運動板３９に連結される。そして、ペダルを踏まないことにより、小円板２１の回転速度が減小していくので、出力側ブッシュ１９，第１，第２連結部材４５，４７および出力ギア５０の回転速度が減小し、それに伴って図２に示す往復運動板３９の位置制御用ピン４４が図中左方に移動する。すなわち、小円板２１が角軸２７上を外方側に移動して、負荷が小さくなる方向、つまり変速比が減小する方向に変化する。
【００３２】
以上のように、ペダルに印加するトルクがほぼ一定になるように、変速比を定めることができる。つまり、自転車が走行する道路の状態や，ユーザの脚力に応じて、変速比が簡単に調整されることになる。
【００３３】
しかも、本実施形態の無段変速機Ａは、複雑なベルト機構や多段ギアなどを用いていないので、製造コストを安価に抑えることが可能である。また、角軸２７に沿って小円板２１を滑動させることによって、変速比の変化幅を十分確保することができる。よって、変速比の変化幅を確保しつつ、汎用自転車に搭載可能な低コストの無段変速機を提供することだできる。
【００３４】
特に、小円板２１の内周（本実施形態では、角穴２１ａ）をテーパ状に設けることによって、小円板２１の角軸２７に沿った滑動がスムーズになり、変速比の迅速な切り換えが可能になる。特に、図２に示すごとく、小円板２１の内周を途中部位で最小径にして、両側に拡大するテーパを設けることにより、滑動をよりスムーズにすることができ、より好ましいといえる。
【００３５】
さらに、クラッチ部材４０，圧縮バネ４１および第１，第２連結部材４５，４７からなる連結解除機構を設けたことにより、往復運動板３９の不要な往復運動をなくして、自転車の走行時の負荷を軽減することができる。
【００３６】
上記実施形態では、本発明の無段変速機を自転車に用いた例について説明したが、本発明の無段変速機は，自転車（二輪車）に限らず、身体障害者用，子供用などの三輪車，四輪車や一輪車にも用いることができる。また、人力による二輪車、三輪車，四輪車等に限らず、電気を動力源とする二輪車、三輪車，四輪車等に使用することもできる。その場合には、無駄な負荷を低減することにより、電力消費の低減効果を発揮することができる。
【００３７】
上記開示された本発明の実施の形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の無段変速機は、一輪車，二輪車、三輪車，四輪車等の変速機構として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る自転車用の無段変速機の構造を示す縦断面図である。
【図２】実施形態に係る無段変速機の図１に示すII-II線における断面図である。
【図３】実施形態に係る小円板および異形板の平面図である。
【図４】実施形態における滑動位置制御の基本的な原理を示す平面図である。
【図５】往復運動板のストッパピンとストッパカムとの係合を説明するための図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、順に、連結解除機構の動作を説明するための側面図、および係合部材および被係合部材の断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１    車軸
１２    入力ギア
１３    大円板
１５    第１かさ歯車
１７    第２かさ歯車
１７ａ  先端筒部
１９    出力側ブッシュ 
２１    小円板
２１ａ  角穴
２１ｂ  突出部
２３    異形板
２４    ビス
２５    アーム部材
２７    角軸
３０    内側磁石体
３１    外側磁石体
３３    磁石カバー
３５    位置制御板
３６    ビス
３７ａ，３７ｂ  ストッパカム
３８    位置制御用カム
３９    往復運動板
４０    クラッチ部材
４１    圧縮バネ
４２    ストッパピン
４４    位置制御用ピン
４５    第１連結部材
４７    第２連結部材
５０    出力ギア
ＲＢ    ラジアルベアリング
ＴＢ    スラストベアリング
ＦＬ１，ＦＬ２ 固定部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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