JP2002029485A - 電動補助自転車の駆動構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】必要な場合のみ踏力補助ができる電動補助自転
車の提供。 【解決手段】車輪のリムを両側から挟み込んで外周で駆
動する事により、少ないトルクでしかも簡単な構造で電
動補助自転車を実現する。駆動トルクを発生するモータ
ーを正転と逆転に制御する事により、前者の場合は自動
的にリムへのローラーの当接及び駆動、後者の場合は離
脱及び格納を行なう事ができ、かつ駆動の為の構造は邪
魔にならない位置に格納される為、自転車としての機能
に支障を与えず、しかも電動補助が必要な場合は即座に
格納位置から自動的にせり出す。また、静止位置にラッ
チ機構を設け、自転車が傾いた場合に不要なローラーが
せり出したり、車輪のリムに当たり耳障りな音が発生す
るのを防止する。更に、バッテリーのメモリー効果解消
する為の負荷として駆動用モーターを使い、余計な部品
の追加を押えコスト的メリットを出している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電動補助自転車の車
輪駆動を簡単なモーター制御で伝達制御する構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】自転車の車輪を直接駆動するタイプのも
のは、前輪を特殊な形状、ゴム材で構成し、エンジンの
回転力をローラーにより直接前輪タイヤ外周に押し付け
て走らせるものが良く知られている。また、後輪を駆動
するタイプのものは、ペダルの踏力検知とモーターによ
る駆動補助を同軸で行なっており、クランク軸の周りに
構造が集中するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述のうち、その前者
についてはエンジンによる駆動であるが、自転車車輪の
外周駆動をしている。これは、チェーンやギヤなどの伝
達機構を使わず直接タイヤを駆動するもので、前輪の上
方にエンジン、燃料、ローラーなどを載せる構造となる
為、ハンドル周りが重くなり、操作性が悪くかつ不安定
となる。また、前輪は直接駆動の必要上硬いゴム材でし
かも外周面を駆動しやすいように成形している為、乗り
心地も悪い。

【０００４】後輪を駆動するタイプのものについては、
クランク軸の周りにモーター、制御回路、ギヤ機構、踏
力センサー、バッテリー等が集中する。また、後輪のセ
ンターハブをチェーン等により駆動する事からかなりの
トルクが必要となり、頑丈な機械構造が要求される。こ
れにより、結果的に重量が重く、複雑な構造となり、高
コストとなる欠点がある。更にモーターによる補助が不
要となった場合でも、ペダルを漕いで走行する時に踏力
検出の為の結合が切れていない為、ペダルの負荷となっ
てペダルが重くなる。

【０００５】本発明はこれらの不都合を解消し、不要な
時はいつでも完全な自転車の機能を発揮でき、必要な場
合のみ簡単かつ低コストで踏力の補助ができる電動補助
自転車を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成する為
に、本発明では自転車の車輪を外周で駆動する事によ
り、少ないトルクでしかも簡単な構造で電動補助自転車
を実現しようとするものである。

【０００７】請求項１の発明は、自転車の車輪のリムを
その両側から挟み込んで駆動する機構についてのもの
で、駆動トルクを発生するモーターを正転と逆転に制御
する事により、自動的に前者の場合はリムへのローラー
の当接及び駆動、後者の場合は離脱及び格納を行なう事
ができる。

【０００８】かかる発明では、電動による補助が不要な
場合、駆動の為の構造は邪魔にならない位置に格納され
ており、自転車としての機能には何ら支障を与えず、し
かも補助が必要な場合は即座に格納位置から自動的にせ
り出し、電動自転車としての機能を発揮させる事ができ
る。このような構造は簡単なギヤとベアリング構造で実
現できる為、コストも安くかつ軽くて実用性も高い。

【０００９】次に、請求項２の発明は電動による補助が
不要な場合の静止位置にラッチ機構を設け、自転車が傾
いたりした場合に不要なローラーがせり出したり、車輪
のリムに当たり耳障りな音を発生したりするのを防止す
るものである。

【００１０】かかる発明では駆動の状態から格納の状態
に到る場合でもその移動に抵抗とはならず、しかも一度
格納された後は格納位置からの脱出が容易ではなく、更
に補助が必要な場合は即座に格納位置から脱出できる事
が要求される。本説明においてはバネに押された摺動子
を用いたが、連結部材を磁性材（例えば鉄）で作成し磁
石による吸着の方法も考えられる。

【００１１】更に請求項３の発明は、モーター駆動のエ
ネルギー源となるバッテリーの特性に関わるもので、特
にＮｉＣｄバッテリーを使用する場合に必須となる構造
である。ユーザーは電動補助自転車のバッテリーを、使
用の都度充電しまた放電を繰り返すがこの頻繁な充放電
により、バッテリーはメモリー効果を現わし、充分な性
能を発揮できなくなるので、適宜に完全な放電をする事
により性能の回復を計る必要がある。この完全放電の時
に駆動用モーターをその負荷として使い、この目的の為
の余計な部品の追加を押え、コスト的メリットを出すも
のである。

【００１２】かかる発明では、バッテリー放電時の負荷
としてブレーキパッドを仕組んだローラーを当接させ、
電気的負荷を大きくする構造としている。この大きな機
械的負荷により、バッテリーからモーターへ大きな電流
が消費され、早い放電ができる事を期待している。

【００１３】このように請求項２と３は、請求項１の構
造を最大限活用し、コストをそれほどあげる事無く、部
材の最適配置及び機能の有効性において効果を高めるも
のである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、中央に自
転車の車輪（タイヤ８とリム７）とその両側にリムを駆
動する構造、タイヤ８の上に駆動用モーター１を構成す
るもので、これに基づき構造を説明すると、モーター１
には両方向に軸１ａ，１ｂが出ており、その両端に斜歯
歯車２ａ，２ｂが固着されている。両端の斜歯歯車２
ａ，２ｂに噛み合う斜歯歯車３ａ，３ｂによって駆動軸
方向を９０°変更したシャフト３があり、その中間に平
ギヤ３ｃ，３ｄが勘合されている。更に平ギヤ３ｃ，３
ｄと噛み合う平ギヤ４ａ，４ｂを勘合したシャフト４が
あり、その他端にはローラー４ｃ，４ｄが構成されてい
る。ローラー４ｃ，４ｄはリム７と接触し、その回転に
よりリム７に駆動力を伝える。然して、モーター１の回
転により各歯車列を経由して最終的にローラー４ｃ，４
ｄがリム７に接触して車輪を駆動する。

【００１５】ここで、図１の右側に連結部材５の内部構
造を示し説明する。シャフト３は連結部材５を貫通しベ
アリング５ｃにより支持されており、更にシャフト４も
同じ連結部材５を貫通しベアリング５ｅにより支持され
ている。この構造は図の左半分も同じであり、この構造
から、シャフト４及びその両端に構成された平ギヤ４
ａ，４ｂ及びローラー４ｃ，４ｄによる構成部材はシャ
フト３を中心に平ギヤ３ｃ，３ｄの外周に沿って廻動可
能である。この点を、更に図２の構造により説明する。

【００１６】図２に２点鎖線で示したローラー位置
（Ｂ）は静止状態時を示しており、またモーターにより
駆動されるシャフト３は連結部材５によりシャフト４と
関係付けられているため、平歯車３ｃ，４ａと３ｄ，４
ｂはそれぞれ噛み合いながらシャフト３を中心に廻動す
る事が可能である。

【００１７】最初の状態である、モーターによる駆動補
助が必要でない時の静止状態では、ローラー４ｃ，４ｄ
は図２の（Ｂ）の位置にあり、自転車車輪のリムから離
れている為、通常の自転車として機能させる事ができ
る。

【００１８】一方、使用者の要求に拠り駆動補助が必要
となった場合は、踏力に比例する制御信号を発生させモ
ーターを回転させるが、この時図１の矢印に示す方向に
モーターを回転させると、シャフト３は図２右半分に示
すように上方から見て左回転となる。すると平歯車３ｃ
に噛み合っている平歯車４ａは連結部材５と平ギヤ４ａ
間の力学的作用により、リム７の方向（黒矢印）に廻動
する。廻動はローラー４ｃ，４ｄがリムに突き当った所
で位置を制約され停止するが、シャフト３は依然回転駆
動が継続しておりローラー自体も回転を続ける為、リム
に対して矢印方向の駆動力を発生する事になる。

【００１９】図２の左半分側でも同様に、モーターの回
転によりローラー４ｄがリムの方向に移動し、図の矢印
に示す方向にリムに駆動力を与え、図の右半分と同じ方
向に車輪を回転させる。

【００２０】図２の（Ａ）に示す状態はローラー４ｃ，
４ｄが駆動状態である位置を示しており、ローラー４
ｃ，４ｄは両側からリム７に接触駆動力を与え、リム７
を経由して自転車の車輪を一方向に回転させている。

【００２１】図３はリムとローラーの接触圧力について
示したもので、Ｆ１はローラーの駆動力、Ｆ２はリムの
受けた駆動力、Ｆ３はローラーの駆動力によって発生し
た反力を示し、摩擦などによるロスを除いて次の関係が
ある。 Ｆ２＝Ｆ１−Ｆ３リムとローラーの接触状態
は、ローラーの駆動回転力が大きい場合は上記関係式に
よる反力がある為、ローラー自体はリム方向に押し付け
られ、ローラー側の回転が速く、かつ駆動力をリムに与
え続けている限り、リムから離れる事は無い。

【００２２】逆にローラーの駆動回転が車輪の回転に比
べ遅い場合は、逆にリム側から駆動を受ける為、ローラ
ーを離反させる力が働く。この状態は下り坂などでスピ
ードが出た場合などに発生する。

【００２３】次にこの駆動状態から補助が不要となった
場合の動作について図４に基づき述べる。モーターによ
る支援が不要になった場合は、制御回路によりモーター
を逆回転させる。すると、平ギヤ３ｃ，３ｄに噛み合っ
ている平ギヤ４ａ，４ｂは、連結部材５と平ギヤ間の力
学的作用によりリム７とは反対の方向に廻動する。廻動
はローラーが当て板９に当った所で位置を制約され停止
し、図示しないＳＷ又は一定時間経過後にモーターの駆
動を停止させる。

【００２４】図５は上記の当て板９に関し、別のアイデ
ア構造を説明するものである。当て板９の代わりに図５
に示すようなブレーキシュー１２を同軸構成したローラ
１１を配置し、ＮｉＣｄバッテリーのメモリー効果を解
除する為のリフレッシュ放電用負荷として使うものであ
る。この場合、ここにローラーを押し当てたままモータ
ーを回転させ、バッテリーの電力を消費させる。

【００２５】ＮｉＣｄバッテリーのメモリー効果は何度
も充放電を繰り返す内に充電電力を有効に取り出す事が
出来なくなる現象で、これを解消する為には一度完全に
バッテリーを放電させる必要がある。従来は大型の抵抗
器によりその電力を消費させており、バッテリーのエネ
ルギー容量が大きい為に電力用抵抗器とその発熱をファ
ンによる送風にて取り除く必要がある。また、電流制御
しながらの放電となる為、電力制御回路が必要で、かつ
長い放電時間も必然となっている。

【００２６】本案はこの大電力抵抗の代わりに、モータ
ー１を放電負荷として回転させ、かつブレーキローラー
１１の負荷をかけて更に電力消費を起こさせようとする
もので、ファンや抵抗などの余計な追加部品や制御が不
要で放電時間も短くなるメリットがある。図５にては、
ローラー１１にブレーキシュー１２を組み合せている
が、ブレーキシューの代わりに風を起こす羽根を設け負
荷とし、発熱するモーターを冷やす仕組みとしても良
い。

【００２７】更に、この位置に簡単なローラーのラッチ
機構１０を設け、自転車が傾いたりした場合にリム方向
にローラーが移動してバタバタしないようにする為の構
造としている。

【００２８】このような部材があっても、駆動補助が必
要となった場合はいつでも、モーターを図１に示す方向
に回しさえすればローラーをリムの方向に自動的に移動
させ、かつリムを圧接駆動できるし、同様にモーターを
逆に回しさえすれば、リムの駆動をやめて静止位置にま
で自動的に移動させる事が出来、通常の自転車としても
何ら差し支えが無い状態となる。

【発明の効果】

【００２９】このように請求項１の発明に依れば、クラ
ンク軸周りに構造が集中する事が無く、かつ簡単な構造
と制御方法により電動補助が可能な自転車を実現する事
ができる。また電動補助を不要とすれば、通常の自転車
としての機能を何ら損なう事無く、自由に多段の変速ギ
ヤによるスピードを楽しむ事もできる為、利便性、実用
性は極めて高い。

【００３０】また、請求項２の発明に依れば、電動補助
が不要な時に駆動部を固定し、かつ必要な時には速やか
な駆動ローラの迫り出しに邪魔とならない簡単な機構を
実現できる。

【００３１】さらに請求項３の発明に依れば、駆動構造
の多面的な活用によりバッテリーの性能を復帰させる負
荷の役に立つ為、コスト低減に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す構造説明図である。

【図２】同じく、駆動時の動作を説明する為に構造を上
方から見た図である。

【図３】駆動時のトルクと押し付け力について説明する
為の図である。

【図４】駆動部を収納する動作について説明する為の図
である。

【図５】請求項２，３について説明する為の図である。

【符号の説明】

１ モーター １ａ、１ｂ モーターのシャフト ２ａ、２ｂ モーターシャフトに勘合された斜歯歯車 ３、４ シャフト ３ａ、３ｂ ２ａ、２ｂに噛み合う斜歯歯車 ３ｃ、３ｄ シャフト３に勘合された平歯車 ４ａ、４ｂ ３ｃ、３ｄに噛み合う平歯車 ４ｃ、４ｄ ローラー ５ 連結部材 ５ａ連結ブロック ５ｃ、５ｅ ベアリング ６ 車輪のスポーク ７ 車輪のリム ８ タイヤ ９ 当て板 １０ ラッチ機構 １０ａバネ １０ｂ摺動子 １１ ブレーキローラー １２ ブレーキシュー （Ａ） ローラーの駆動状態を示す位置 （Ｂ） ローラーの静止状態を示す位置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自転車車輪のリムを駆動する電動補助自
   転車において、モーターを正・逆転させる事によりリム
   を両側から挟みかつ駆動力を伝達又は非伝達とする駆動
   構造。
2. 【請求項２】 請求項１の駆動構造において、駆動力を
   非伝達とした場合の静止位置にラッチ機構を設けた構
   造。
3. 【請求項３】 請求項１の駆動構造において、駆動力を
   非伝達とした場合の静止位置に駆動ローラーに当接させ
   る摩擦ローラーを設けた構造。