JP2001163286A - 電動補助ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 車両の手押し後退が容易であり、かつ回生制
動によるバッテリへの充電を可能にした電動補助ユニッ
トを提供する。 【解決手段】 クランク軸１０１に入力される踏力に応
答して補助動力を発生する電動モータＭを具備し、前記
補助動力および踏力を合成して駆動輪ＷＲへ伝達する電
動補助ユニット１において、駆動輪に連結された出力軸
１０３と、踏力および補助動力を出力軸１０３へ伝達す
る動力伝達機構１０２，１０４と、電動モータＭの回転
軸１０５と動力伝達機構１０４との間に連結された遠心
クラッチ７０とを含む

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自転車のペダルに
加えられる踏力を検知して補助動力を電気的に発生する
電動補助ユニットに係り、特に、補助動力を発生する電
動モータが遠心クラッチを介して動力伝達機構に連結さ
れる電動補助ユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】踏力による駆動系と電動モータによる駆
動系とを併設した電動補助自転車、いわゆるアシスト自
転車では、ペダルに加えられた踏力や車速に応じた補助
動力が動力伝達機構を介して駆動輪へ伝達される。

【０００３】このような電動補助ユニットでは、駆動輪
とチェーンにより連結された出力軸に対して、人力によ
る踏力と電動モータによる補助動力との合力が伝達され
る。このとき、電動モータと駆動輪とが常時連結されて
いると、例えば車両を手押し前進させる際に電動モータ
が駆動負荷となってしまう。このため、例えば特開平８
−１７５４７１号公報では、電動モータが発生する駆動
力をワンウエイクラッチを介して動力伝達機構に入力さ
せることで、駆動輪から電動モータへは駆動トルクが伝
達されないように構成されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術で
は、車両を手押し前進させる際には駆動輪と電動モータ
との連結がワンウエイクラッチにより解除されるもの
の、車両を手押し後退させる際には駆動輪と電動モータ
とが連結されてしまうという技術課題があった。

【０００５】さらに、上記した従来技術では、走行中に
ペダル漕ぎを中断して制動を加えるような場合でも、駆
動輪から電動モータへの動力伝達がワンウエイクラッチ
により遮断されているので回生制動を行うことができ
ず、運動エネルギが機械的な制動により無駄に消費され
てしまうという技術課題があった。

【０００６】本発明の目的は、上記した従来技術の技術
課題を解決し、車両の手押し後退が容易であり、かつ回
生制動によるバッテリへの充電を可能にした電動補助ユ
ニットを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明は、クランク軸に入力される踏力に応答
して補助動力を発生する電動モータを具備し、補助動力
および踏力を合成して駆動輪へ伝達する電動補助ユニッ
トにおいて、駆動輪に連結された出力軸と、踏力および
補助動力を出力軸へ伝達する動力伝達機構と、電動モー
タの回転軸と動力伝達機構との間に連結された遠心クラ
ッチとを含むことを特徴とする。

【０００８】上記した特徴によれば、電動モータの回転
軸と動力伝達機構とを連結する遠心クラッチは、電動モ
ータの回転軸が所定速度に達するまでは電動モータと動
力伝達機構との連結を解除するので、車両を手押しする
際には駆動輪と電動モータとの連結が解除される。ま
た、電動モータから補助動力を発生させながら走行して
いる場合に踏力が喪失されても、車速が低下して電動モ
ータの回転速度が低下するまでは、遠心クラッチによる
電動モータと動力伝達機構との連結が維持されるので、
回生制動によるバッテリの充電が可能になる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を詳
細に説明する。図１は、本発明の電動補助ユニットを適
用した電動補助自転車の左側面図、図２は同自転車の要
部を示す右側面図である。

【００１０】図１に示したように、電動補助自転車の車
体フレーム２は、車体前方に位置するヘッドパイプ２１
と、ヘッドパイプ２１から後下りかつ下に凸状に延びた
ダウンパイプ（メインフレーム）２２と、ダウンパイプ
２２の終端部近傍から上後方に立上がるシートポスト２
３とを備える。

【００１１】前記シートポスト２３はダウンパイプ２２
と一体に結合されることにより、全体として車体フレー
ム２は下に凸状のＵ字形状に形成されている。シートポ
スト２３はダウンパイプ２２との結合部から上後方に延
び、ダウンパイプ２２自体はこの結合部から前上方に延
びているので、両者の間隔は互いがその結合部から上方
に向かうに従って大きく広がっている。したがって、乗
り降りの際、利用者はこのＵ字形状の車体フレーム２を
跨ぎやすい。

【００１２】ダウンパイプ２２とシートポスト２３との
結合部およびその周辺部は、上下に２分割されて着脱さ
れる樹脂カバー３３により覆われている。ヘッドパイプ
２１にはハンドルポスト２７Ａが回動自在に挿通されて
おり、その上端部にはハンドル２７が結合され、下端部
にはフロントフォーク２６が結合されている。フロント
フォーク２６はハンドルポスト２７Ａに結合されている
のでハンドル２７によって操舵可能である。フロントフ
ォーク２６の終端には前輪ＷＦが回転自在に軸支されて
いる。

【００１３】車体フレーム２の下部には、踏力アシスト
用の電動モータを含む電動補助ユニット１が設けられて
いる。電動補助ユニット１の電源スイッチ２９はダウン
パイプ２２上のヘッドパイプ２１の近傍に設けられてい
る。なお、電源スイッチ２９は、ハンドルポスト２７Ａ
前方のハンドル２７に設けても良い。

【００１４】電動補助ユニット１に回転自在に支承され
たクランク軸１０１の左右両端にはクランク１１を介し
てペダル１２が軸支されている。電動補助ユニット１か
ら後方側に延出される左右一対のリヤロアアーム２５の
後端間には、駆動輪としての後輪ＷＲが軸支されてい
る。シートポスト２３の上部および両リヤロアアーム２
５の終端間には、左右一対のリヤアッパアーム２４が設
けられている。シートポスト２３には、上端にシート３
０を備えるシートパイプ３１が摺動自在に装着されてい
て、シート３０の上下位置が調整可能となっている。

【００１５】シート３０の下方でシートポスト２３の後
部には、バッテリ４を収納したバッテリ収納ケース５が
取り付けられている。バッテリ４は、略直方体のバッテ
リケースに収容された複数のバッテリセルを含み、該バ
ッテリ４は長手方向が略上下方向となるようにシートポ
スト２３に沿って設置される。シート３０は、レバー６
５のロック解除操作によってシート３０をバッテリ４の
引き出しの邪魔にならない位置まで前倒しに回動可能で
ある。

【００１６】バッテリ４の長手方向の端部（図１では上
端）には、車体右側寄りに把持部を位置させた取っ手４
１が設けられている。取っ手４１はバッテリ４に対して
回動自在に軸支されていて、常時はバッテリ４のコーナ
部に設けられた凹部へ退避させられている。一般的に、
運転者は車体の左側に立つことが多いので、取っ手４１
の把持部を車体右側、その回転軸（図示せず）を車体中
央に配置したことにより、取っ手４１を立て易くでき
る。また、利用者が乗車している位置から容易にバッテ
リ残量を確認できるよう、シート３０から左側に偏倚し
た位置にバッテリ残量計４２が設けられている。バッテ
リ４の後方には、該バッテリ４を施錠・解錠するための
操作レバー４５とホイールロック装置１００が設置され
ている。

【００１７】バッテリ収納ケース５の上部はリヤアッパ
アーム２４に溶接等で固定されたブラケット４０にねじ
３９により固定され、このブラケット４０にはさらに、
ホイールロック装置１００およびリヤフェンダ３４も固
定される。電動補助ユニット１の駆動スプロケット１３
はチェーン６を介して後輪ＷＲのホイールスプロケット
１４（図１参照）に連結されている。

【００１８】なお、図１および図２に示すように、駆動
スプロケット１３の全部およびチェーン６の上半分はチ
ェーンカバー３２で覆われている。この自転車は、クラ
ンク軸１０１と同心に駆動スプロケットを配しているわ
けではないので、チェーンカバーがクランク軸１０１を
軸とした円弧部分を有することは必須ではない。しかし
ながら、外観性や足の引っ掛かりの防止や、電動補助ユ
ニット１を保護する目的、ならびに、長年親しまれてい
る自転車のイメージを残す観点から、チェーンカバー３
２をクランク軸１０１を中心とする円周状に周囲まで拡
張してある。

【００１９】図３は、前記電動補助ユニット１のクラン
ク軸１０１、および電動モータＭの回転軸１０５に沿っ
た主要部の断面図であり、前記と同一の符号は同一また
は同等部分を表している。

【００２０】電動補助ユニット１のケース１０はアルミ
製であり、その左半体（左ケース）１０Ｌおよび右半体
（右ケース）１０Ｒを結合して構成される。ケース１０
には、踏力入力軸としてのクランク軸１０１がベアリン
グ１８１，１８２により、それぞれ右ケース１０Ｒおよ
び左ケース１０Ｌに対して回転自在に軸支されている。
クランク軸１０１には内輪１１２がスプライン結合さ
れ、内輪１１２の外周部にはワンウエイクラッチ１６１
を介して大径の増速ギア１１１が結合されている。この
ように、本実施形態ではクランク軸１０１と増速ギア１
１１とがワンウエイクラッチ１６１を介して連結されて
いるので、クランク軸１０１を逆転させても増速ギア１
１１は逆転しない。

【００２１】クランク軸１０１の後方には、クランク軸
１０１の回転方向と駆動スプロケット１３の回転方向と
を一致させるための第１アイドル軸１０２が、軸受け１
８４、１８５により、それぞれ右ケース１０Ｒおよび左
ケース１０Ｌに対して軸支されている。この第１アイド
ル軸１０２には、以下に詳述する踏力（トルク）検知機
構が設けられている。

【００２２】すなわち、前記第１アイドル軸１０２は、
左右に２分割されて横方向へ同軸状に配置された中空の
第１および第２ドライブ軸１０２ａ，１０２ｂと、各ド
ライブ軸１０２ａ，１０２ｂの内部に挿通されて第１ド
ライブ軸１０２ａとはスプライン結合され、かつ第２ド
ライブ軸１０２ｂとはニードルベアリング１０２ｅを介
して連結されたトーションバー１０２ｃとを主要構成と
する。

【００２３】第１ドライブ軸１０２ａの大径部外周部に
は、係合ピン１０２ｐが軸方向に沿って立設され、第２
ドライブ軸１０２ｂの小径外周部には、前記係合ピン１
０２ｐと係合してカム機構を構成する凹カムリング１０
２ｆが、軸方向への変位を許容してスプライン結合され
ている。

【００２４】前記凹カムリング１０２ｆには、一端をピ
ン１５３により揺動自在に支持された変位検知レバー１
５２が、ボールカップリング１８３を介して係合してお
り、変位検知レバー１５２の他端には、ストロークセン
サ１５０のストローク検知シャフト１５１が連結されて
いる。

【００２５】第１ドライブ軸１０２ａの小径部外周に
は、当該第１ドライブ軸１０２ａを前記クランク軸１０
１の増速ギア１１１と歯合させる外歯１０２ｈが形成さ
れている。第２ドライブ軸１０２ｂの小径部には、当該
第２ドライブ軸１０２ｂを出力軸１０３のギア１１５と
歯合させる外歯１０２ｉがスプライン結合により連結さ
れている。

【００２６】このような構成の踏力検知機構では、クラ
ンク軸１０１に入力された踏力に応じて第１アイドル軸
１０２の第１および第２ドライブ軸１０２ａ，１０２ｂ
間に位相差が生じると、係合ピン１０２ｐと凹カムリン
グ１０２ｆとのカム機構により、凹カムリング１０２ｆ
がボールカップリング１８３と共に軸に沿って車両右方
向へ変位する。ボールカップリング１８３が変位する
と、これに係合して変位検知レバー１５２がピン１５３
を中心を揺動するので、ストロークセンサ１５０のスト
ローク検知シャフト１５１が変位して各ドライブ軸１０
２ａ，１０２ｂ間の位相差すなわち踏力が定量的に検知
される。

【００２７】このように、本実施形態では増速ギア１１
１により増速される、すなわち踏力が減ぜられてから入
力される第１アイドル軸１０２上に踏力検知機構を設け
たので、そのトーションバー１０２ｃに加わるトルクを
低く抑えることができる。このため、トーションバー１
０２ｃの小型化が可能となり、踏力検知機構全体をコン
パクトにできる。

【００２８】一方、電動補助ユニット１の後方には、ブ
ラシレスの直流電動モータＭが配置され、その回転軸１
０５はベアリング１９０，１９１により回転自在に軸支
されている。

【００２９】モータＭの回転軸１０５には、外周に沿っ
てマグネット１３１が配置されたロータ１３２が設けら
れ、ロータ１３２の周囲には、ステータコイル１３３を
含むステータ１３４が左ケース１０Ｌに対して固定され
ている。回転軸１０５の車両右側端部はモータカバー１
０ａにより覆われ、当該モータカバー１０ａには、回転
軸１０５の端部に設けられたマクネット１４１に基づい
てその回転角度を検知する回転センサＳが設けられてい
る。

【００３０】回転軸１０５の車両左側端部には遠心クラ
ッチ７０が設けられている。前記遠心クラッチ７０は、
図４にも示したように、回転軸１０５の車両左側端部に
固定されて当該回転軸１０５と同期回転する回転プレー
ト７０１と、一端が前記回転プレート７０１に対してピ
ン１０７により揺動自在に支持されたＬ形遠心アーム７
０２と、Ｌ形遠心アーム７０２の他端側に設けられた遠
心ウエイト７０３およびクラッチシュー７０４と、Ｌ形
遠心アーム７０２の他端側を相互に引き寄せるスプリン
グ７０５と、回転軸１０５に対して同軸かつ回転自在に
連結された遠心アウタロータ７０６とを含む。

【００３１】本実施形態では、電動モータＭをＤＣブラ
シレスモータとしてブラシの設置スペースを排除し、そ
の軸方向幅を短くしたので、上記したように回転軸１０
５の端部に遠心クラッチ７０を設けても、軸方向幅の増
加を最小限に押えられるか、あるいは軸方向幅を従来よ
りも減じることができる。

【００３２】前記電動モータＭの前方には、その駆動ト
ルクを増加させるための第２アイドル軸１０４が、軸受
け１８８、１８９により回転自在に軸支されており、前
記出力軸１０３のギア１１５と歯合するギア歯１０４ａ
を有する。第２アイドル軸１０４の車両左側には大径ギ
ア１１６が結着され、当該大径ギア１１６は、前記遠心
アウタロータ７０６の小径部に設けられたベルトドライ
ブギア７１１とベルト１３０により連結されている。こ
のように、本実施形態では遠心クラッチ７０と動力伝達
機構（第２アイドル軸１０４）とをベルト１３０で連結
するようにしたので静音化が達成される。

【００３３】前記遠心クラッチ７０、出力軸１０３の大
径ギア１１６およびベルト１３は、左ケースカバー１０
ｂにより覆われている。前記第１および第２アイドル軸
１０２、１０４間には、合力軸としての前記出力軸１０
３が、軸受け１８６、１８７により回転自在に軸支され
ている。本実施形態では、出力軸１０３に設けた１つの
合力ギア１１５に踏力および電動モータの補助動力のい
ずれもが入力されるので、出力軸１０３上に複数のギア
を設ける必要がない。

【００３４】前記ケース１０の前方空間内では、当該電
動補助ユニット１を制御する平板状のコントロールユニ
ット８が、右ケース１０Ｒの内壁に面接触するように、
ネジ８２５により放熱板８２９を介して固定されてい
る。

【００３５】このような構成において、人力としての踏
力は、ペダル１２およびクランク１１を介してクランク
軸１０１に入力され、さらに増速ギア１１１を介して第
１アイドル軸１０２の第１ドライブ軸１０２ａから前記
踏力検知機構のカム機構を介して第２ドライブ軸１０２
ｂへ伝達される。第２ドライブ軸１０２ｂへ伝達された
踏力は、さらにギア歯１０２ｉを介して出力軸１０３の
合力ギア１１５へ入力される。

【００３６】このとき、上記した踏力検知機構により検
知された踏力は電気信号に変換されてコントロールユニ
ット８へ供給される。コントロールユニット８は、別途
に検知されたクランク軸１０１の回転速度と前記検知さ
れた踏力とに基づいて最適なアシストトルクを決定し、
前記電動モータＭが当該アシストトルクを発生するよう
に、当該電動モータＭへ供給する駆動電流を適宜に制御
する。

【００３７】前記検知された踏力に応じて電動モータＭ
が回転すると、遠心クラッチ７０では、その遠心ウエイ
ト７０３の遠心力によりＬ型遠心アーム７０２が揺動軸
を支点にして外周方向へ伸び、そのクラッチシュー７０
４がアウタロータ７０６の内周壁に当接される。この結
果、アウタロータ７０６の内周壁が回転軸１０５に引き
寄せられるように回転を開始し、やがて、アウタロータ
７０６は回転軸１０５と同期回転することになる。

【００３８】電動モータＭの駆動トルクは、上記した遠
心クラッチ７０、ベルト１３０および大径ギア１１６を
介して第２アイドル軸１０４へ伝達され、さらに、第２
アイドル軸１０４のギア歯１０４ａを介して出力軸１０
３の合力ギア１１５へ入力される。合力ギア１１５に伝
達された踏力および補助動力は出力軸１０３において合
成され、駆動スプロケット１３およびチェーン６を介し
て後輪ＷＲへ伝達される。

【００３９】このように、本実施形態では、電動モータ
Ｍの回転軸１０５が遠心クラッチ７０を介して伝達機構
系に連結されているので、電動モータＭの回転速度が所
定値以下であれば電動モータＭと駆動輪ＷＲとの連結状
態が解除される。したがって、車両を手押しする際は電
動モータＭと駆動輪ＷＲとが連結されず、手押しによる
車両移動が容易になる。

【００４０】さらに、本実施形態によれば、電動モータ
Ｍから補助動力を発生させながら走行している場合に踏
力が喪失されても、車速が低下するまでは遠心クラッチ
７０が接続状態を維持し、遠心クラッチ７０による電動
モータＭと動力伝達機構との連結が維持されるので、回
生制動によるバッテリの充電が可能になる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、以下のような効果が達
成される。 (1) 電動モータの回転軸が遠心クラッチを介して駆動輪
の駆動系に連結され、電動モータの回転速度が所定値以
下であれば電動モータと駆動輪との連結状態が解除され
るので、車両を簡単に手押しできるようになる。

【００４２】さらに、電動モータから補助動力を発生さ
せながら走行している場合に踏力が喪失されても、車速
が低下して電動モータの回転速度が低下するまでは、遠
心クラッチによる電動モータと動力伝達機構との連結が
維持されるので、回生制動によるバッテリの充電が可能
になる。

【００４３】(2) 電動モータをＤＣブラシレスモータと
し、その軸方向幅を短くしたので、回転軸に遠心クラッ
チを設けても、軸方向幅の増加を最小限に押えられる
か、あるいは軸方向幅を従来よりも減じることができ
る。

【００４４】(3) 遠心クラッチを、当該電動補助ユニッ
トを構成する各回転軸の中で最も高速回転する電動モー
タの回転軸に設けたので、遠心クラッチの正確かつ確実
な作動を確保できる。

【００４５】(4) 遠心クラッチと動力伝達機構とをベル
トで連結するようにしたので静音化が達成される。

【００４６】(5) 電動モータとしてＤＣブラシレスモー
タを採用することができ、この結果、高トルクの発生が
可能となるので、減速機構の簡素化すなわち減速段数の
削減が可能になる。

【００４７】(6) 出力軸に設けた１つの合力ギアに踏力
および電動モータの補助動力のいずれもが入力されるよ
うにしたので、出力軸上に複数のギアを設ける必要がな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電動補助ユニットを適用した電動補助
自転車の側面図である。

【図２】図１に示した自転車の要部を示す右側面図であ
る。

【図３】電動補助ユニットの部分透過側面図である。

【図４】遠心クラッチの主要部の構成を示した図であ
る。

【符号の説明】

１…電動補助ユニット、４…バッテリ、５…バッテリ収
容ケース、８…コントロールユニット、１０…ケース、
１０Ｒ…右ケース、１０Ｌ…左ケース、１３…駆動スプ
ロケット、７０…遠心クラッチ、１０２…第１アイドル
軸、１０３…出力軸、１０４…第２ドライブ軸、１０５
…回転軸、１１１…増速ギア、１３０…ベルト、１５０
…ストロークセンサ、１５２…変位検知レバー

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クランク軸に入力される踏力に応答して
   補助動力を発生する電動モータを具備し、前記補助動力
   および踏力を合成して駆動輪へ伝達する電動補助ユニッ
   トにおいて、 駆動輪に連結された出力軸と、 前記踏力および補助動力を前記出力軸へ伝達する動力伝
   達機構と、 前記電動モータの回転軸と前記動力伝達機構との間に連
   結された遠心クラッチとを含むことを特徴とする電動補
   助ユニット。
2. 【請求項２】 前記電動モータはＤＣブラシレスモータ
   であることを特徴とする請求項１に記載の電動補助ユニ
   ット。
3. 【請求項３】 前記遠心クラッチが前記電動モータの回
   転軸に設けられたことを特徴とする請求項１または２に
   記載の電動補助ユニット。
4. 【請求項４】 前記遠心クラッチと動力伝達機構とがベ
   ルトで連結されたことを特徴とする請求項１ないし３の
   いずれかに記載の電動補助ユニット。
5. 【請求項５】 前記動力伝達機構は、 前記クランク軸と前記出力軸との間に連結され、前記ク
   ランク軸により増速駆動される第１アイドル軸と、 前記電動モータの回転軸と前記出力軸との間に連結され
   た第２アイドル軸とを含み、 前記第１アイドル軸上に踏力検知機構が設けられたこと
   を特徴とする請求項２に記載の電動補助ユニット。