JP2003104275A - 電動モータ付き人力駆動車両 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電動モータ付き人力駆動車両において、簡単
な構成で部品点数を少なくし、小型化を可能にし、可動
部分をほとんど無くして踏力の検出精度を向上でき、普
通の自転車等を利用して簡単に電動モータ付きの車両に
改造できるようにする。 【解決手段】 駆動輪のハブ（２８）内に収容され車体
フレーム（１０）に固定された電動モータ（３４）と、
ハブ（２８）内に収容され電動モータ（３４）に保持さ
れて電動モータ（３４）の回転をハブ（２８）に伝達す
る減速機（４０）と、ハブ（２８）に転動部材入りのね
じれスプライン機構（４８）を介して軸方向に移動可能
に装着され人力駆動力により回転駆動される回転人力部
材（３０ａ）と、ハブ（２８）内に収容され人力駆動力
により回転入力部材（３０ａ）に加わる軸方向の荷重を
検出する非変位型の荷重センサと（４２）、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、人力駆動力とこ
の人力駆動力に対応して出力制御される電動モータとで
駆動する電動モータ付き人力駆動車両に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】電動モータ付き自転車において、人間の
踏力を検出してこの踏力に対応して電動モータの駆動力
を制御するものが公知である。このように人力の駆動力
を検出するために、従来より種々の方法が用いられてい
る。

【０００３】例えば人力駆動力が入力されるクランク軸
とこのクランク軸で駆動される被駆動軸との間に遊星歯
車機構を介在させ、人力の駆動力を遊星ギヤの保持器に
伝え、回転出力をリングギヤから取出す一方、サンギヤ
を回転方向に僅かに弾性的に支持し、このサンギヤの回
動量をポテンショメータで検出するものがある。この場
合には踏力の大きさに対応してサンギヤの回動量が変化
するので、この回動量から踏力を算出するものである。

【０００４】またクランク軸と被駆動軸との間にばねで
互いに圧接させた一対の円筒カムを介在させ、一方の固
定カムが他方の可動カムに乗り上げることによる可動カ
ムの変位量をポテンショメータで検出するものもある。
さらに従来のものは踏力検出機構をクランクペダルを固
定したクランク軸付近に設けているので、クランク軸を
保持するボトムブラケットを専用のものにする必要が生
じる。このため車体フレームも専用のものを用意しなけ
ればならない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来のもの
は、遊星歯車機構や円筒カム機構が必要になるばかりで
なく、サンギヤや可動カムの移動をポテンショメータな
どに伝える伝動機構が必要になる。このため部品点数が
多くなり機械的構造が複雑になるという問題があった。

【０００６】また伝動機構などの可動部分があるため、
温度変化や潤滑条件などの変化により、ポテンショメー
タの検出結果が不安定になり、検出精度が低くなる、と
いう問題があった。さらに車体フレームも専用のものを
用意しなければならず、車体の製作が面倒で高価なもの
にもなる、という問題もあった。

【０００７】この発明はこのような事情に鑑みなされた
ものであり、簡単な構成で部品点数が少なく、小型化に
適し、また可動部分がほとんど無く検出精度を向上させ
ることができ、普通の自転車等の車体フレームを利用し
て簡単に電動モータ付きの車両に改造できるようにした
電動モータ付き人力駆動車両を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【発明の構成】この発明によればこの目的は、車体フレ
ームに回転自在に保持された駆動輪を、人力駆動力とこ
の人力駆動力に対応して出力制御される電動モータとで
駆動する電動モータ付き人力駆動車両において、前記駆
動輪のハブ内に収容され前記車体フレームに固定された
電動モータと、前記ハブ内にに収容され前記電動モータ
に保持されて前記電動モータの回転を前記ハブに伝達す
る減速機と、前記ハブに転動部材入りのねじれスプライ
ン機構を介して軸方向に移動可能に装着され人力駆動力
により回転駆動される回転人力部材と、前記ハブ内に収
容され人力駆動力により前記回転入力部材に加わる軸方
向の荷重を検出する非変位型の荷重センサと、を備える
ことを特徴とする電動モータ付き人力駆動車両により達
成される。

【０００９】人力駆動車両は例えば二輪の自転車とする
ことができる。この場合回転人力部材は、後輪ハブに一
体に設けたハブ部の外周にねじれスプライン機構を介し
て装着された一方向クラッチの内輪とし、この一方向ク
ラッチの外輪をチェーンやベルトなどの無端回転伝動体
を介してペダル踏力により回転駆動する。この発明は二
輪の自転車だけでなく、三，四輪の自転車や車椅子など
にも適用可能であり、これらを包含する。

【００１０】ねじれスプライン機構は、ボールを転動部
材としたねじれボールスプライン機構とすることができ
る。センサは応力の変化を磁気的に検出する磁歪式の荷
重センサが適する。すなわち荷重の変化を実質的に変位
がゼロの状態で検出するものである。このセンサは荷重
検出用センサと補償用センサとを組合せて温度補償を行
うのが望ましい。

【００１１】

【実施態様】図１はこの発明を電動モータ付き自転車に
適用した実施態様の概念図、図２はその駆動系のブロッ
ク図、図３はここに用いる後輪ハブの断面図、図４は磁
歪センサの加圧機構の分解斜視図、図５は磁歪センサを
用いた踏力検出回路図である。

【００１２】図１において符号１０はいわゆるダイヤモ
ンド型の車体フレーム、１２は前輪、１４は後輪、１６
は操向ハンドル、１８は運転者用着座シートである。車
体フレーム１０のボトムブラケット２０にはクランク軸
が保持され、その左右両端にクランクペダル２２、２２
が固定されている。またこのクランク軸にはクランクギ
ヤ２４が固定され、このクランクギヤ２４の回転がチェ
ーン２６によって後輪ハブ２８に伝達される。

【００１３】この自転車は普通の人力駆動の自転車に対
して、後輪ハブ２８が異なる点と、後記するコントロー
ラ７２および電池７４を有する点が異なるのみである。

【００１４】後輪ハブ２８は図３に示すように構成さ
れ、一方向クラッチ３０、踏力検出装置３２、モータ３
４等を有する（図２参照）。ハブ２８は左右割りのハブ
ケース本体３６とハブケース蓋体３８とを結合した構造
であり、その中にモータ３４、遊星歯車式減速機４０、
磁歪センサ４２等が収容される。

【００１５】すなわちモータ３４のケース３４ａの一側
面にボス部３４ｂが一体に形成され、このボス部３４ｂ
がハブケース本体３６を軸支する。またこのケース３４
ａのボス部３４ｂと反対側の面に二段歯車式減速機４０
が組付られている。この二段歯車式減速機４０は、モー
タ３４の出力軸に固定されたピニオンギヤ４０ａと、こ
のケース３４ａとこのケース３４ａに固定されたギヤホ
ルダ４０ｂとの間に保持された３個の二段ギヤ４０ｃ
と、ハブケース３６、３８の内面に一方向クラッチ４０
ｄを介して取付けられたリングギヤ４０ｅとを有する。

【００１６】なおこのリングギヤ４０ｅを保持する一方
向クラッチ４０ｄの外輪４０ｆはトルクリミッタ４０ｇ
を介してハブケース３６、３８に保持されている。トル
クリミッタ４０ｇは後輪１４に過大な逆方向（後進方
向）の回転力が加わった時に減速機４０やモータ３４や
一方向クラッチ４０ｄを保護する機能を持つ。

【００１７】二段歯車式減速機４０の二段ギヤ４０ｃを
保持するギヤホルダ４０ｂにはハブ軸４３が嵌合されて
いる。このハブ軸４３は、玉軸受４４によってハブケー
ス蓋体３８のボス部３８ａの内周面を支持している。ま
たモータ３４のケース３４ａにはボス部３４ｂ側から突
出するハブ軸４６が設けられている。ハブ２８は、これ
らのハブ軸４３、４６によって車体フレーム１０に取付
けられる。

【００１８】ハブケース蓋体３８のボス部３８ａの外周
面には、ねじりボールスプライン機構４８を介して前記
一方向クラッチ３０の内輪３０ａが保持されている。ね
じりボールスプライン機構４８は内輪３０ａとボス部３
８ａとにそれぞれ形成した螺旋状または直線状のスプラ
イン（溝）にボールを挟んだものであり、内輪３０ａの
回転駆動力によってこの内輪３０ａは軸方向に僅かに移
動可能である。

【００１９】この実施態様では、クランクペダル２２に
踏力が加わった時に、踏力はクランクギヤ２４、チェー
ン２６、一方向クラッチ３０の外輪３０ｂとなるスプロ
ケットに伝えられる。このため内輪３０ａに踏力による
回転駆動力が伝わる。この回転駆動力は、ねじれボール
スプライン機構４８によって内輪３０ａの軸方向のスラ
スト力（荷重）に変換される。

【００２０】この場合には、踏力が加わるとこの内輪３
０ａにはモータ３４側へ移動する向きの応力が加わる。
図３で５０はこの内輪３０ａとハブケース蓋体３８との
間に介装された防水シール、５２は内輪３０ｂの反対方
向への移動を規制するストッパ、５４はこのストッパ５
２側の内輪３０ａとボス部３８ａとの間に介在する防水
シールである。

【００２１】ハブケース蓋体３８のボス部３８ａには周
方向に等間隔に３ヶ所の窓３８ｂが設けられ、図４に示
すリテーナ５６の３個の爪５６ａがこれらの窓３８ｂを
通して内輪３０ａに係合している。リテーナ５６は外周
に爪５６ａを持つ環状であり、ハブ軸４３に保持されて
いる。ハブ軸４３のモータ３４側の先端にはセンサ収容
部５８が形成される。

【００２２】このセンサ収容部５８には軸方向に直交す
る方向に貫通する一対の窓６０が形成されている。これ
らの窓６０にはクロスメンバ６２が貫通し、クロスメン
バ６２の両端は第２リテーナ６３およびスラスト軸受６
４を介してリテーナ５６に係合する。前記磁歪センサ４
２はセンサ収容部５８に収容され、その圧力検出ロッド
６６（図４）の先端はクロスメンバ６２に当接してい
る。

【００２３】この結果、クランクペダル２２に踏力が加
わると、ねじれボールスプライン機構４８によって一方
向クラッチ３０の内輪３０ａの回転駆動力はこの内輪３
０ａの軸方向の荷重に変換され、内輪３０ａの荷重は、
リテーナ５６、スラスト軸受６４、第２リテーナ６３、
クロスメンバ６２を介して磁歪センサ４２の検出ロッド
６６に加わり、このロッド６６に圧縮方向の荷重を加え
る。

【００２４】以上のようにこの実施態様では、回転入力
部材としての内輪３０ａが回転出力部材としてのハブケ
ース蓋体３８のボス部３８ａに対して軸方向に移動可能
な可動部材となる。従って踏力検出装置３２は、これら
内輪３０ａ、ボス部３８ａ、ねじれボールスプライン機
構４８、磁歪センサ４２などで構成される。

【００２５】なおこの実施態様では、磁歪センサ４２に
近接して温度補正用磁歪センサ（ダミーセンサ）６８が
ハブケース３６、３８内に収容されている。この温度補
正用磁歪センサ６８は磁歪センサ４２と同一特性の磁歪
センサであり、図５に示すようにブリッジ回路に接続す
ることにより温度による磁歪センサ４２の検出誤差を補
償する。

【００２６】すなわち固定抵抗Ｒ１、Ｒ２とこれらの磁
歪センサ４２、６８をブリッジ接続し、踏力を加えない
状態でブリッジを平衡させておく。踏力の変化によりブ
リッジの出力端間に不平衡電圧が発生するので、これを
増幅器７０で増幅し出力するものである。

【００２７】この増幅器７０の出力信号は踏力を示すも
のであるから、これをコントローラ７２（図２）に入力
する。コントローラ７２はこの踏力の変化に対応して予
め記憶した所定の制御特性に従ってモータ３４の出力を
制御する。例えば踏力に対するモータ出力の比（アシス
ト比、モータ補助率）を車速の増大に対応して漸減させ
るようにモータ出力を制御する。コントローラ７２は電
池７４から供給される電流をチョッパ回路でオン・オフ
制御し、そのデューティを踏力に対応して変化させるこ
とによってモータ出力を制御することができる。

【００２８】この実施態様では、後輪ハブ２８の中に、
踏力検出装置３２、モータ３４、減速機４０、磁歪セン
サ４２を内装したので、ボトムブラケット２０側の構造
を通常の自転車と同一にすることができる。従って普通
の自転車における後輪ハブだけを本実施態様のものに変
更するだけで電動補助付きの自転車にすることが可能で
ある。

【００２９】

【発明の効果】請求項１の発明は以上のように、人力駆
動力による回転駆動力を転動部材入りのねじりスプライ
ン機構を介して軸方向の荷重に変換し、この荷重を非変
位型のセンサで検出するものであるから、可動部分が実
質的に無くなり、検出精度が向上し、構成が簡単で部品
点数が少なくなり、小型化に適するものとなる。

【００３０】また駆動輪のハブをこの発明のものに交換
するだけで、コントローラおよび電池を接続して電動モ
ータ付きの車両に変更することができるので、車両自体
は大幅な変更を加えることなく容易に電動補助動力付き
のものにすることができる。このため改造が簡単であ
り、コスト低減に適する。

【００３１】この発明は自転車に適用する場合には、後
輪ハブのボス部外周にねじれスプライン機構を介して装
着した一方向クラッチの内輪を回転入力部材とすればよ
い。この場合踏力はチェーンやベルトなどの無端回転伝
動体を介し、一方向クラッチの外輪に伝える（請求項
２）。

【００３２】ねじれスプライン機構は転動部材としてボ
ールを用いるのが望ましい（請求項３）。センサは実質
的に可動部を持たないものであればよく、磁歪式荷重セ
ンサが好適である（請求項４）。センサは温度補償用の
センサ（ダミーセンサ）と組合せて使用するのが望まし
い（請求項５）。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様を適用した電動モータ付き
自転車を示す図

【図２】同じくその動力駆動系のブロック図

【図３】後輪ハブの断面図

【図４】磁歪センサの加圧機構の分解斜視図

【図５】磁歪センサの踏力検出回路図

【符号の説明】

１０ 車体フレーム ２０ ボトムブラケット ２２ クランクペダル ２８ 後輪ハブ ３０ 一方向クラッチ ３０ａ 回転入力部材としての内輪（可動部材） ３２ 踏力検出装置 ３４ 電動モータ ３８ａ ハブケースのボス部 ４０ 減速機 ４２ 磁歪センサ ４８ ねじれスプライン機構 ６８ 補償用センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3J027 FA08 FA10 FA19 FA36 FA43 FA45 FB14 GB02 GB09 GC13 GC22 GD03 GD08 GD12 GE11 GE18 GE27 GE29 HK13

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車体フレームに回転自在に保持された駆
   動輪を、人力駆動力とこの人力駆動力に対応して出力制
   御される電動モータとで駆動する電動モータ付き人力駆
   動車両において、 前記駆動輪のハブ内に収容され前記車体フレームに固定
   された電動モータと、 前記ハブ内にに収容され前記電動モータに保持されて前
   記電動モータの回転を前記ハブに伝達する減速機と、 前記ハブに転動部材入りのねじれスプライン機構を介し
   て軸方向に移動可能に装着され人力駆動力により回転駆
   動される回転人力部材と、 前記ハブ内に収容され人力駆動力により前記回転入力部
   材に加わる軸方向の荷重を検出する非変位型の荷重セン
   サと、を備えることを特徴とする電動モータ付き人力駆
   動車両。
2. 【請求項２】 人力駆動車両が自転車であり、回転人力
   部材は後輪ハブに一体に設けたボス部の外周にねじれス
   プライン機構を介して装着された一方クラッチの内輪で
   あり、人力駆動力はクランクペダルおよび無端回転伝動
   体によって前記一方向クラッチの外輪に伝えられる請求
   項１の電動モータ付き人力駆動車両。
3. 【請求項３】 ねじれスプライン機構は、回転入力部材
   側および可動部材側のスプラインに係合するボールを有
   するねじれボールスプラインである請求項１または２の
   電動モータ付き人力駆動車両。
4. 【請求項４】 センサは磁歪式荷重センサである請求項
   １〜３のいずれかの電動モータ付き人力駆動車両。
5. 【請求項５】 センサは回転入力部材に加わる軸方向の
   荷重を検出する荷重検出用センサと、この荷重検出用セ
   ンサ付近に配設された補償用センサとを有する請求項１
   〜４のいずれかの電動モータ付き人力駆動車両。