JP2003104278A - 電動補助自転車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 人力の入力段と人力とモータ駆動力との合力
点との間に変速機を設けた電動補助自転車において、変
速段を検知するセンサを設けることなく、いすれの変速
段においてもアシスト比を適正値に制御できるようにす
る。 【解決手段】 全波整流器７１の６つのＦＥＴ７１ａ〜
７１ｆはドライバ７２によって通電制御される。通電デ
ューティ比はモータ駆動力決定部６４により決定された
モータ駆動力に基づいてデューティ比設定部７３により
設定され、ドライバ７２に入力される。モータ駆動力決
定部６４は、車速センサにより検知された現在車速およ
び踏力センサにより検知された踏力とに基づいてデータ
テーブル７４を参照する。前記データテーブル７４に
は、モータ駆動力の目標値が車速および踏力をパラメー
タとして登録されている。

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に係
り、特に、変速機を人力の入力段と人力およびモータ駆
動力の合力点との間に設けた電動補助自転車に関する。

【０００２】

【従来の技術】人力による駆動トルクすなわち踏力を検
知する踏力検知機構を設け、駆動系に結合されたモータ
から前記検知された踏力に応じたモータ駆動力を発生さ
せて踏力を補助する電動補助自転車が知られている。こ
こで、踏力が入力されるクランクペダルと踏力およびモ
ータ駆動力の合力点との間に変速機を備えた構造では、
入力される踏力が同一であっても、変速機の変速段に応
じて、人力による後輪駆動力が変化するので、これとモ
ータによる後輪駆動力との比、すなわちアシスト比が変
化する。

【０００３】変速機の減速比にかかわらず一定のアシス
ト比が得られるようにした電動補助自転車が、特開平１
１−２４５８７６号公報に開示されている。ここでは、
変速段を検知するリードスイッチを設け、検知された変
速段および踏力の双方に基づいて、アシスト比が適正値
となるようにモータ駆動力が制御される。変速段をセン
サで検知する代わりに、駆動系の回転速度を変速機の上
流側と下流側とで比較して減速比を判別する方法も考え
られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術のよ
うに、センサにより変速段を検知する構造では、変速段
を検知するためのセンサが必要となるため、部品点数が
増えて構造が複雑化するのみならず、センサの個体差を
補償するための調整や整備頻度の増加等を招いてしまう
という技術課題があった。

【０００５】また、駆動系の回転速度を変速機の上流側
と下流側とで比較して減速比を判別する方式でも、クラ
ンクの回転センサと後輪の回転センサとをそれぞれ設け
る必要が有るのみならず、判別に要する時間が長くなる
ので、特に変速直後には適正なアシスト比が得られない
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課題
を解決し、人力の入力段と人力とモータ駆動力との合力
点との間に変速機を設けた電動補助自転車において、変
速段を検知するセンサを設けることなく、いすれの変速
段においてもアシスト比を適正値に制御できるようにす
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、踏力およびモータ駆動力の合力点と
前記踏力の入力段との間に変速機を設け、前記合力で駆
動輪を駆動する電動補助自転車において、車速を検知す
る手段と、踏力を検知する手段と、車速とモータ駆動力
との関係が踏力をパラメータとして登録されたデータテ
ーブルと、検知された車速および踏力に基づいて前記デ
ータテーブルを参照し、モータ駆動力を決定する手段
と、前記決定されたモータ駆動力を出力させる手段とを
含むことを特徴とする。

【０００８】上記した特徴によれば、変速段を検知する
ことなく、現在の車速および踏力に最適なモータ駆動力
を決定できるので、変速段を検知するためのセンサを設
けることなく、あらゆる走行状態において良好な補助動
力をモータから発生させることができるようになる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態であ
る電動補助自転車の側面図である。電動補助自転車の車
体フレーム１は、車体前方に位置するヘッドパイプ２
と、ヘッドパイプ２から後下がりに延びるダウンパイプ
３と、ダウンパイプ３に連結されて後方に延びるリヤフ
ォーク４と、ダウンパイプ３の最下端から上方に立ち上
がるシートポスト５とを備える。

【００１０】ヘッドパイプ２にはフロントフォーク６が
回動自在に支持される。フロントフォーク６の下端には
前輪７が軸支され、フロントフォーク６の上端には操向
ハンドル８が取り付けられる。操向ハンドル８には、ブ
レーキレバー９が設けられ、ブレーキレバー９から引き
出されるケーブル１０は、フロントフォーク６に固定さ
れた前輪ブレーキ１１に連結される。後輪ブレーキ用の
ブレーキレバーも操向ハンドル８に設けられるが、図示
は省略している。ブレーキレバー９には、このブレーキ
レバー９が操作されたことを感知するブレーキセンサ
（図示せず）が設けられる。

【００１１】シートポスト５の上端に連結される左右一
対のステー１２は後下がりに延び、下端近傍でリヤフォ
ーク４と結合される。リヤフォーク４とステー１２とが
結合されてなる部材には後輪１３の変速機内装シリンダ
３０が支持され、さらに前記部材に支持されて変速機内
装シリンダ３０と同軸上に補助動力源としてのモータ１
４が設けられている。モータ１４としては、高トルクか
つ低フリクションである三相ブラシレスモータが好まし
い。このモータ１４の具体的な構造や制御に関しては後
述する。

【００１２】シートポスト５には、上端にシート１５を
備えた支持軸１６が、シート１５の高さを調整可能に装
着される。シート１５の下方でシートポスト５と後輪１
３との間にはモータ１４に電力を供給するバッテリ１７
が設けられる。バッテリ１７は、シートポスト５に固着
されるブラケット１８に保持される。ブラケット１８に
は給電部１９が設けられ、この給電部１９は、図示しな
い電線でモータ１４に結合されるとともに、バッテリ１
７の電極に接続される。バッテリ１７の上部は、バンド
２０とバックル金具２１とからなる締結具でシートポス
ト５に支持される。

【００１３】前記ダウンパイプ３とシートポスト５との
交差部には、車体の左右に延びるクランク軸２２が支持
され、クランク軸２２には、クランク２３を介してペダ
ル２４が結合される。クランク軸２２には図示しない踏
力センサを介して駆動スプロケット２５が連結され、ペ
ダル２４に加えられた踏力は踏力センサを介して駆動ス
プロケット２５に伝達される。 駆動スプロケット２５
と後輪１３のハブに設けられた従動スプロケット２６間
にはチェーン２７が掛け渡される。チェーン２７の張り
側および駆動スプロケット２５はチェーンカバー２８で
覆われる。クランク軸２２には、クランク軸２２の回転
センサが設けられる（図示せず）。回転センサとして
は、自動車用エンジンのクランク軸回転検出に用いられ
るセンサ等、公知のものを使用できる。

【００１４】図２は、前記電動補助自転車の動力伝達機
構を模式的に表現した図であり、前記と同一の符号は同
一または同等部分を表している。

【００１５】ペダル２４から入力された踏力はクランク
２３、駆動スプロケット２５およびチェーン２７を介し
て従動スプロケット２６に入力され、変速機内装シリン
ダ３０のギア機構により減速されたのち、モータ１４が
発生する補助動力と合成されて後輪１３を駆動する。こ
のように、本実施形態の電動補助自転車は、踏力および
モータ駆動力の合力点と前記踏力の入力段との間に変速
機構が設けられている。

【００１６】続いて、クランク軸２２に装着された踏力
検出装置を説明する。図３はクランク軸２２周辺の断面
図であり、図４は図３のＡ−Ａ矢視図である。ダウンパ
イプ３に固着された支持パイプ１００の両端に螺挿され
たキャップ１０１Ｌ，１０１Ｒとクランク軸２２に形成
された段差との間にはボールベアリング１０２Ｌ，１０
２Ｒがそれぞれ嵌挿され、クランク軸２２を回転自在に
支承する。

【００１７】クランク軸２２の左右端には、ボルト１０
３Ｂに適合するナット１０３Ｃでクランク２３がそれぞ
れ固定される（右側のみ図示）。クランク２３と支持パ
イプ１００との間にはワンウェイクラッチ１０４の内輪
１０５が固定される。内輪１０５の外周には駆動スプロ
ケット２５がブッシュ１０５Ａを介して回動自在に支承
されている。駆動スプロケット２５のスラスト方向の位
置はナット１０６Ａとプレート１０６Ｂとによって規制
されている。

【００１８】駆動スプロケット２５には蓋体１０７が一
体的に設けられていて、これら駆動スプロケット２５と
蓋体１０７で囲繞された空間には、伝達プレート１０８
が配設されている。伝達プレート１０８は駆動スプロケ
ット２５に対して同軸で、かつクランク軸２２を軸とし
た回転方向では互いに予定量のずれが許容されるよう支
持されている。

【００１９】駆動スプロケット２５および伝達プレー１
０８にまたがって、複数（ここでは６個）の窓１０９が
穿設されており、この窓１０９の内側には圧縮コイルば
ね１１０がそれぞれ収容されている。圧縮コイルばね１
１０は駆動スプロケット２５および伝達プレート１０８
間で、互いに回転方向のずれが生じたときに、ずれに対
する抗力を生ずるように作用する。

【００２０】伝達プレート１０８のハブの内周にはワン
ウェイクラッチ１０４の外輪としてのラチェット歯１１
１が形成されていて、このラチェット歯１１１は前記内
輪１０５に支持されて放射方向にばね１１２で付勢され
ているラチェット爪１１３と係合する。ワンウェイクラ
ッチ１０４には防塵のためのカバー１１４が設けられ
る。

【００２１】伝達プレート１０８には、踏力伝達リング
１２４に固着された踏力伝達用の突起部１１５が係合す
る係止孔１１６が設けられる。駆動用スプロケット２５
には、突起部１１５を係止孔１１６に係合可能にするた
めの窓１１７が設けられていて、突起部１１５はこの窓
１１７を貫通して、係止孔１１６に嵌合される。

【００２２】駆動スプロケット２５および伝達プレート
１０８にまたがって、前記窓１０９とは別の小窓が複数
（ここでは３個）穿設されており、この小窓の内側には
圧縮コイルばね１１８がそれぞれ収容される。圧縮コイ
ルばね１１８は伝達プレート１０８をその回転方向１１
９側に付勢するように配置されている。すなわち、駆動
スプロケット２５と伝達プレート１０８との結合部のガ
タを吸収する方向に作用しており、伝達プレート１０８
の変位が駆動スプロケット２５へ良好な応答性で伝達さ
れるように機能する。

【００２３】駆動スプロケット２５の、車体寄りつまり
ダウンパイプ３側には、踏力検知装置のセンサ部分（踏
力センサ）４７が装着されている。踏力センサ４７は駆
動スプロケット２５に固定された外側リング１２０と、
この外側リング１２０に対して回転自在に設けられ、磁
気回路を形成するためのセンサ本体１２１とを有する。

【００２４】外側リング１２０は電気絶縁性を有する材
料で形成されており、図示しないボルトで駆動スプロケ
ット２５に固定される。外側リング１２０の、駆動スプ
ロケット２５側にはカバー１２２が設けられ、止めねじ
１２３で外側リング１２０に固定されている。

【００２５】図５は、センサ本体１２１の拡大断面図で
ある。前記クランク軸２２と同心にコイル１２５が設け
られ、このコイル１２５の軸方向両側に配置されて、コ
イル１２５の外周方向に張り出した一対のコア１２６
Ａ，１２６Ｂが設けられる。また、前記コア１２６Ａ，
１２６Ｂ間には、環状の第１誘導体１２７と第２誘導体
１２８が設けられる。第１誘導体１２７と第２誘導体１
２８とは、踏力伝達リング１２４から伝達される踏力に
応じて互いに円周方向で変位可能であり、この変位によ
って、コア１２６Ａ，１２６Ｂ間における部分での互い
の重なり量が変化するように構成される。その結果、コ
イル１２５に通電したとき、コア１２６Ａ，１２６Ｂお
よびコアカラー１２９、ならびに第１誘導体１２７およ
び第２誘導体１２８を含む磁気回路の磁束は踏力に応じ
て変化する。そこで、この磁束の関数であるコイル１２
５のインダクタンス変化を検出して踏力検出することが
できる。なお、図５において、符号１３０，１３１はセ
ンサ本体１２１の支持部材、符号１３２はベアリング、
符号１３３はコイル１２５から引き出されるリード線で
ある。

【００２６】上記踏力センサは、本出願人による先願
（特願平１１−２５１８７０号）の明細書にさらに詳細
に説明されている。なお、踏力センサは上記構造を有す
るものに限らず、公知のものを使用することもできる。

【００２７】図２９は、モータ１４の断面図である。リ
ヤフォーク４の後端およびステー１２の下端の接合部か
ら後方に張り出したプレート２９には、変速機内装シリ
ンダ３０が軸３１で支持される。変速機内装シリンダの
外周にはホイールハブ３２が嵌合される。ホイールハブ
３２は内筒および外筒を有する環状体であり、内筒の内
周面が変速機内装シリンダの外周に当接する。ホイール
ハブ３２の側面には、変速機内装シリンダから張り出し
た連結板３３がボルト３４によって固定される。ホイー
ルハブ３２の外筒の内周にはモータ１４のロータ側磁極
を構成するネオジウム磁石３５が所定間隔をおいて配置
される。すなわち外筒は磁石３５を保持したロータコア
を構成する。

【００２８】ホイールハブ３２の内筒の外周には軸受３
６が嵌合し、この軸受３６の外周にはステータ支持板３
７が嵌合する。ステータ支持板３７の外周にはステータ
３８が配置され、ボルト４０によって取り付けられる。
ステータ３８はロータコアつまりホイールハブ３２の外
筒と所定の細隙を有するように配置され、このステータ
３８には、三相コイル３９が巻装される。

【００２９】ステータ支持板３７の側面には、光センサ
４１が設けられる。光センサ４１はホイールハブ３２が
回転したときに、このホイールハブ３２に設けられるリ
ング状部材４２によって光路が断続的に遮断され、その
結果、パルス波形信号を出力する。リング状部材４２は
回転時に光センサ４１の光路を断続的に遮断できるよ
う、規則的な矩形歯形状を有する。前記パルス波形信号
に基づいてロータとしてのホイールハブ３２の位置信号
が検出される。光センサ４１はモータ１４の各相に対応
して３カ所に設けられ、モータ１４の磁極センサおよび
回転センサとして機能する。

【００３０】また、ステータ支持板３７の側面には、制
御基板４３が設けられ、磁極センサとしての光センサ４
１からの位置信号に従って前記三相コイル３９への通電
制御を行う。この制御基板４３上にはＣＰＵやＦＥＴ等
の制御素子が装着される。なお、制御基板４３は光セン
サ４１用の取り付け基板と一体化できる。

【００３１】ホイールハブ３２の外周には図示しない後
輪のリムと連結されるスポーク４４が固着される。さら
に、ステータ支持板３７の、前記制御基板４３等が装着
された側とは反対側には、ボルト４５によってブラケッ
ト４６が固定され、ブラケット４６は前記車体フレーム
のプレート２９に図示しないボルトで結合される。

【００３２】ホイールハブ３２には、透明樹脂（クリア
レンズ）３２Ａがはめ込まれた窓が設けられ、ステータ
支持板３７に固定された固定カバー３７Ａにも同様にク
リアレンズ３７Ｂがはめ込まれた窓が設けられる。これ
らのクリアレンズ３２Ａや３７Ｂにより、外側からモー
タ１４内部を見透かせるので、格別な美観上の効果が得
られるとともに、ホイールハブ３２や固定カバー３７Ａ
を部分的に樹脂で形成することによる重量の軽減効果を
得ることもできる。

【００３３】このように、後輪１３の軸３１と同軸上に
配置したステータとロータとからなる三相ブラシレスモ
ータ１４が設けられ、チェーン１７、従動スプロケット
２６および変速機内装シリンダ３０とによって伝達され
る人力に付加される補助動力を発生する。なお、モータ
１４は、前輪に設けても良いことは言うまでもない。

【００３４】図６はモータ１４の軸３１に直交する面で
の要部断面図、図７は磁石３５を保持するロータコアの
正面図、図８はロータコアの要部拡大図、図９は磁石を
保持した状態のロータコアの要部拡大図である。本実施
形態のモータ１４は、上述のように、ステータ３８と、
このステータ３８の外周を回転するアウタロータとして
のホイールハブ３２とから構成されている。

【００３５】前記磁石３５を保持するロータコア３２１
は環状をなし、アウタロータ３２の外筒部の内周に嵌挿
される。ロータコア３２１は、ケイ素鋼の薄板を積層し
てなり、その円周方向に３０°間隔で合計１２箇所の開
口部（スロット）３２２が設けられる。開口部３２２に
嵌挿された磁石３５は、フェライトで構成され、Ｎ極
（３５Ｎ）とＳ極（３５Ｓ）とが交互に配置される。隣
接する各開口部３２２の間は補極部３２３として機能す
る。磁石３５は、図６、図９に示すように、中央部が厚
肉（中凸）の太鼓状断面形状をなしている。

【００３６】また、ステータ３８は、ロータコア３２１
と同様、ケイ素鋼の薄板を積層して構成され、ステータ
コア３８１およびステータ突極３８２を含む。各ステー
タ突極３８２にはステータ巻線３８３（三相コイル３９
に対応）が単極集中方式で巻回される。

【００３７】開口部３２２の形状と磁石３５の断面形状
とは同一ではなく、開口部３２２に磁石３５が挿入され
た状態では、各磁石３５の円周方向に沿った両側部に第
１空隙３２２Ａが形成され、さらに、各磁石３５の両端
部におけるステータ３８側には第２空隙３２２Ｂが形成
される（図６，図９参照）。

【００３８】次いで、磁石３５との間に形成される開口
部３２２の各空隙部３２２Ａ，３２２Ｂの作用につい
て、図１０，図１１を参照して説明する。図１０は、モ
ータ１４にバッテリ１７から給電したときの磁束密度分
布を示した図であり、図１１は、モータ１４を回生動作
させた際の磁束密度分布を示した図である。

【００３９】前記制御基板４３を通じてバッテリ１７か
ら各ステータ巻線３８３へ励磁電流を供給すると、図１
０に示したように、Ｎ極に励磁されたステータ突極３８
２Ｎから放射方向に発生した磁力線がＳ極磁石３５Ｓの
ステータ側表面から裏面つまり外周方向へ通り抜け、そ
の多くはホイールハブ（アウタロータ）３２の外筒部３
２Ｂおよび補極部３２３を経由し、隣接するＳ極に励磁
されたステータ突極３８２Ｓ、ステータコア３８１を経
由して前記Ｎ極に励磁されたステータ突極３８２Ｎへ戻
る。

【００４０】このとき、磁石３５の円周方向に沿った両
側部に第１空隙３２２Ａが形成されているので、各磁石
３５の側部から補極部３２３への漏れ磁束が減少させら
れて、磁力線の大部分は磁石３５からアウタロータ３２
の外筒部３２Ｂへ抜け、さらに補極部３２３を経由して
ステータ３８側へ達する。この結果、ロータコア３２１
とステータ突極３８２との間のエアギャップを通過する
磁束の垂直成分が増えるので、第１空隙３２２Ａを設け
ない場合に比べて発生トルクを増加させることが可能に
なる。さらに、第２空隙３２２Ｂによってロータコア３
２１の内周側に沿った磁路が制限されるので、ロータコ
ア３２１の内周側を通過する漏れ磁束も減少する。

【００４１】図１０における磁力線の模式図を図１２に
拡大して示す。図１２において、補極部３２３からステ
ータ突極３８２Ｓ方向に向かう磁束Ｂ１は、第２空隙３
２２Ｂの一方３２２０Ｂによって、ロータコア３２１の
内周３２４に沿って漏れる分（点線の分）が低減され、
磁束Ｂ１は効率良くステータ突極３８２Ｓへ導かれる。
また、第２空隙３２２Ｂの他方（３２２１Ｂ）は、磁石
３５Ｎからロータコア３２１の内周３２４を通過する磁
束Ｂ２が補極部３２３側へ漏れるのを防止して、磁束Ｂ
２をステータ突極３８２Ｓへ効率良く導くように作用す
る。この結果、ロータコア３２１とステータ３８との間
のエアギャップを通過する磁束の垂直成分が更に増え、
モータとしての駆動トルクを更に増加させることが可能
になる。

【００４２】一方、モータ１４が回生動作をする際は、
図１１に示したように、各磁石３５から発生する磁束が
ステータ突極およびステータコアと共に閉磁路を形成す
るので、ロータの回転速度に応じた発電電流をステータ
巻線３８３に発生させることができる。

【００４３】なお、モータ１４の回生電圧を予定値に制
限するレギュレータを設け、回生電圧がこのレギュレー
タのレギュレート電圧（例えば、１４．５Ｖ）に達する
と、モータ１４の出力制御回路（後述する）のパワーＦ
ＥＴのうち、接地側のものを短絡させることができる。
これにより、各ステータ巻線３８３にショート電流が遅
れ位相で流れ、ステータ３８内を通過する磁力線が減少
し、隣接する磁石３５間を結ぶ漏れ磁束が増加するの
で、モータ１４の磁気フリクションが減少する。

【００４４】図１１における磁力線の模式図を図１３に
拡大して示す。図１３において、隣接する磁石３５Ｓ，
３５Ｎ間には、ロータコア３２１の外側円周部３２５を
経由する磁束Ｂ３と、ロータコア３２１の補極部３２３
を経由する磁束Ｂ４と、ロータコア３２１の内周部３２
４を通過する磁束Ｂ５と、ロータコア３２１の内側円周
部３２４、エアギャップおよびステータ突極３８２Ｎを
経由する磁束Ｂ６とが発生する。

【００４５】上記したモータ構造によれば、ロータコア
３２１に保持される磁石３５間に補極部３２３を有する
モータ１４において、磁石３５とロータコア３２１との
間に空隙３２２Ａ，３２２Ｂを設けたので、隣接する磁
石３５間での漏れ磁束が減少し、ロータコア３２１とス
テータ３８との間のエアギャップ部に直交する磁束が増
える。したがって、モータ１４の発生トルクを増大させ
ることができるし、モータ１４によって回生を行わせる
際に磁気フリクションが増大するのも防止することがで
きる。

【００４６】図１４は、第２のモータ構造におけるロー
タコアの正面図、図１５は、磁石を保持したロータコア
の要部拡大図であり、図７，図９と同符号は同一または
同等部分である。

【００４７】第２のモータ構造ではロータコア３２１の
開口部３２２は略台形状であり、開口部３２２内に、断
面が長方形状の磁石３５が嵌挿されている。長方形断面
を有する磁石３５の短辺側には、隣接する磁石３５間で
の漏れ磁束を防止するための第１空隙３２２Ａが形成さ
れる。また、磁石３５のステータ側角部には、ロータコ
ア３２１の内周側に沿った磁路を制限するため、第２空
隙３２２Ｂが形成される。

【００４８】図１６は、第３のモータ構造におけるロー
タコアの正面図、図１７は、磁石を保持したロータコア
の要部拡大図であり、図７，図９と同符号は同一または
同等部分である。

【００４９】第３のモータ構造では、ロータコア３２１
の開口部３２２が異形の太鼓状であり、開口部３２２内
に断面が太鼓状（中突状）の磁石３５が嵌挿されてい
る。ロータコア３２１の円周方向での磁石３５の両側部
には、隣接する磁石３５間での漏れ磁束を防止するため
の、上述の各モータ構造のものよりは大きい第１空隙３
２２Ａが形成される。また、磁石３５のステータ側角部
には、ロータコア３２１の内周側に沿った磁路を制限す
るため、第２空隙３２２Ｂが形成される。

【００５０】図１８は、第４のモータ構造におけるロー
タコアの正面図、図１９は、磁石を保持したロータコア
の要部拡大図であり、図７，図９と同符号は同一または
同等部分である。

【００５１】第４のモータ構造では、ロータコア３２１
の開口部３２２が太鼓状部の両側に切欠を設けた異形状
であり、開口部３２１内に断面が太鼓状の磁石３５が嵌
挿されている。ロータコア３２１の円周方向での磁石３
５の両側部には、隣接する磁石３５間での漏れ磁束を防
止するための第１空隙３２２Ａが形成される。また、磁
石３５のステータ側角部には、ロータコア３２１の内周
側に沿った磁路を制限するため、第２空隙３２２Ｂが形
成される。第１空隙３２２Ａと第２空隙３２２Ｂとは一
体につながり、第２空隙３２２Ｂは比較的サイズが大き
く設定されている。

【００５２】図２０は、第５のモータ構造におけるロー
タコアの正面図、図２１は、磁石を保持したロータコア
３２１の要部拡大図であり、図７，図９と同符号は同一
または同等部分である。

【００５３】第５のモータ構造では、ロータコア３２１
の開口部３２２が異形の太鼓状であり、開口部３２２内
に断面が太鼓状の磁石３５が嵌挿されている。ロータコ
ア３２１の円周方向での磁石３５の両側部には、隣接す
る磁石３５間での漏れ磁束を防止するための第１空隙３
２２Ａが形成される。

【００５４】さらに、このモータ構造では、第２空隙３
２２Ｂに代えて、ロータコア３２１の内周側から、磁石
３５の両角部に向けて延びる切り欠き３２２Ｃが形成さ
れる。この切り欠き３２２Ｃは、ロータコア３２１の内
周側に沿った磁路を制限することができるもので、第２
空隙３２２Ｂと同様の機能を果たす。

【００５５】図２２は、第６のモータ構造におけるロー
タコアの正面図、図２３は、磁石を保持したロータコア
の要部拡大図であり、図７，図９と同符号は同一または
同等部分である。

【００５６】第６のモータ構造では、ロータコア３２１
の開口部３２２が異形の太鼓状であり、開口部３２２内
に断面が太鼓状の磁石３５が嵌挿されている。ロータコ
ア３２１の円周方向での磁石３５の両側部には、隣接す
る磁石３５間での漏れ磁束を防止するための第１空隙３
２２Ａが形成される。また、磁石３５のステータ側角部
には、ロータコア３２１の内周側に沿った磁路を制限す
るための第２空隙３２２Ｂが形成される。

【００５７】図２４は、第７のモータ構造における要部
正面断面図であり、図６と同符号は同一または同等部分
である。

【００５８】第７のモータ構造では、ロータコア３２１
に保持される磁石を２つに分離して配置した。つまり、
同極の磁石２個を１組として、ロータコア３２１の円周
方向に沿って４５°間隔で複数組（８組）配置される。
例えば、図２４において、磁石３５１Ｓ，３５２Ｓに着
目する。断面形状が長方形である２個の磁石３５１Ｓ、
３５２Ｓは互いに同極（Ｓ極）であり、いずれもネオジ
ウム磁石である。

【００５９】両磁石３５１Ｓおよび３５２Ｓ間には第３
空隙３２２Ｄが設けられるとともに、両磁石３５１Ｓお
よび３５２Ｓのステータ３８側には、それぞれ第４空隙
３２２Ｅ、３２２Ｆが形成される。磁石３５１Ｓおよび
磁石３５２Ｓは、第３空隙３２２Ｄ側がロータコア３２
１の外周寄りに偏倚している。なお、複数組の各磁石間
に補極部３２３が設けられるのは、上述の各モータ構造
と同様である。

【００６０】上記構成による磁束の形成の態様を説明す
る。ネオジウム磁石は非常に強力であるので、磁気フリ
クションの低減を図るため、各磁石からの磁束のうち、
第３空隙３２２Ｄおよび第４空隙３２２Ｅ間のブリッジ
状部分３２２ＢＲを通過するものをトルク発生に寄与さ
せる。例えば、Ｎ極磁石３５１Ｎおよび３５２Ｎからの
磁束Ｂ１０は、ブリッジ部分３２２ＢＲを通り、ロータ
コア３２１とステータ３８とのエアギャップを通ってス
テータ突極３８２Ｓa、３８２Ｓｂに至る。そして、ス
テータ突極３８２Ｎを経て、ブリッジ部分３２２ＢＲか
らＳ極磁石３５１Ｓ、３５２Ｓに至る。さらにＳ極磁石
３５１Ｓ、３５２Ｓを貫通して裏面（ロータコア３２１
の外周側）に抜ける磁束Ｂ１１は、補極部３２３を経て
ステータ突極３８２Ｓｂに至る。なお、Ｓ極磁石３５１
Ｓ、３５２Ｓを貫通して裏面に抜ける磁束Ｂ１１のうち
一部は、隣接するＮ極磁石３５１Ｎへの漏れ磁束（点線
で示す）となる。

【００６１】このように、Ｎ極磁石３５１Ｎ，３５２Ｎ
からエアギャップを通過してステータ３８側に流入する
磁力線は両側を空隙で囲まれたブリッジ部分３２２ＢＲ
を通過するので磁束が少ない。そのために、モータ１４
が付勢もされず回生作用もしない高速走行時に、磁気フ
リクションを小さくすることができる。一方、モータ１
４に通電したときは、磁束（補極磁束）Ｂ１１により、
トルク増大が図られる。

【００６２】また、回生出力時には、上述のように、各
磁石から発生する磁束がステータ突極およびステータコ
アと共に閉磁路を形成するので、ロータの回転速度に応
じた発電電流をステータ巻線３８３に発生させることが
できるのは、先の各モータ構造と同様である。

【００６３】図２５は、モータ１４の出力制御回路図で
あり、図２６は通電タイミングと通電デューティを示す
図である。図２５において、インバータ７１は３相のス
テータコイル３９に接続された６つのＦＥＴ（一般的に
は個体スイッチング素子）７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７
１ｄ，７１ｅ，７１ｆを有し、このＦＥＴ７１ａ〜７１
ｆはドライバ７２によって通電制御される。通電デュー
ティ比はモータ駆動力決定部６４により決定されたモー
タ駆動力Ｆmに基づいてデューティ比設定部７３により
設定され、ドライバ７２に入力される。

【００６４】前記モータ駆動力決定部６４は、図示しな
い車速センサにより検知された現在車速Ｖおよび前記踏
力センサ４７により検知された踏力Ｆtとに基づいてデ
ータテーブル７４（マップ）を参照する。前記データテ
ーブル７４には、後に詳述するように、モータ駆動力の
目標値としての通でデューティ比が、車速および踏力を
パラメータとして設定されている。したがって、モータ
駆動力決定部６４は、現在の車速および踏力に応じたモ
ータ駆動力の最適値をデータテーブル７４から読み出す
ことができる。前記車速Ｖの検知は、車速センサに限ら
ず、モータ１４の回転速度に所定の定数を乗じることに
より求めても良いし、クランク軸の回転速度やロータ角
度センサの検知信号に基づいて求めても良い。

【００６５】図２６において、ＦＥＴ７１ａ〜７１ｆは
通電角を電気角１２０度に設定して付勢される。同図
は、駆動タイミングでの通電タイミングを示し、回生タ
イミングでは、ハイ側のＦＥＴ７１ａ，７１ｃ，７１ｅ
をこの駆動タイミングから電気角で１８０度ずらせる。

【００６６】次いで、前記データテーブル７４に設定さ
れた通電デューティ比の求め方を、図３０，３１，３２
を参照して詳細に説明する。

【００６７】前記データテーブル７４には、車速および
踏力をパラメータとして、各車速でのクランク回転速度
Ｎclが所定範囲内に収まるような変速特性においてアシ
スト比が所定の目標値を示すモータ駆動力が設定されて
いる。このような車速、踏力およびモータ駆動力の関係
は、以下の手順で求められる。

【００６８】初めに、踏力による後輪駆動力Ｎaとモー
タ駆動力による後輪駆動力Ｎbとの比、すなわちアシス
ト比（Ｎb／Ｎa）が、車速Ｖの関数として予め設定され
る。本実施形態では、図３０(a)に示したように、車速
Ｖが時速１５キロ未満ではアシスト比を１．０とし、時
速１５キロ以上では車速の上昇と共にアシスト比を漸減
させ、時速２４キロではアシスト比を０とするように設
定している。

【００６９】このようなアシスト比を実現するモータ駆
動力Ｆmは、踏力、車速および変速段ごとに異なるた
め、本実施形態では、各踏力ごとに、前記アシスト比を
満足するモータ駆動力Ｆmと車速Ｖとの関係を変速段ご
とに求める。同図(b)では、ある踏力（ここでは、４０k
gf）におけるモータ駆動力Ｆmと車速Ｖとの関係が、変
速段をパラメータとして示されている。

【００７０】さらに、本実施形態ではクランク回転速度
Ｎclと車速Ｖとの関係に着目し、一般的に、人はクラン
クペダルを漕ぐ足の回転速度すなわちクランク回転速度
が心地よい程度の回転速度となるように変速段を順次に
切り換えることから、変速はクランク回転速度が所定の
範囲内に収まるように行われるという経験則に基づい
て、車速Ｖから現在の変速段を推定するようにした。

【００７１】さらに具体的に言えば、現在の変速段は車
速Ｖとクランク回転速度Ｎclとに基づいて一義的に推測
できること、およびクランク回転速度は６０rpm程度が
漕ぎ手人にとって心地よいという経験則に基づいて、車
速と変速段との関係（変速特性）を予め設定する。そし
て、本実施形態ではシフトアップ後のクランク回転速度
Ｎclが６０rpm程度となるように、車速と変速段との関
係が予め設定されている。

【００７２】クランク回転速度が６０rpmとなる車速
は、同図(c)に示したように、変速１段では時速約６キ
ロ、変速２段では同１０キロ、変速３段では同１４キ
ロ、変速４段では同１８キロとなり、車速Ｖとモータ駆
動力Ｆmとの関係は、同図(b)において、、、の
各点で示した通りになる。

【００７３】以上のようにして、車速Ｖ、モータ駆動量
Ｆmおよび変速段の関係が離散的に求められると、図３
１(b)に示したように、各点、、、を結ぶ曲線
を既知の補間処理等に基づいて求め、これを踏力４０kg
fにおける車速Ｖとモータ駆動力Ｆmとの関係とする。以
下同様に、他の踏力についても車速とモータ駆動力との
関係を求める。同図(d)には、踏力２０kgfにおける車速
とモータ駆動力との関係を併記している。そして、車速
Ｖとモータ駆動力Ｆmとの関係が多数の踏力について求
まると、これが車速および踏力をパラメータとした駆動
モータの通電デューティ比マップとして前記データベー
ス７４に設定される。

【００７４】図３２は、本実施形態による車速とアシス
ト比との関係を示した図である。一定の踏力で変速機の
一段から発進し、その後、クランク回転速度が適正速度
の６０rmpを超える範囲（例えば、６０〜８０rpm）に達
し、変速後のクランク回転速度が略６０rpmとなる時速
１０キロ、１４キロ、１８キロで次々とシフトアップさ
れると、アシスト比は、図示したように不連続ながら目
標アシスト比に沿った値を示す。

【００７５】なお、本実施形態では変速が早めに行われ
た場合、すなわちクランク回転速度が設計値よりも低い
状態でシフトアップされた場合、アシスト比は高めに推
移するものの後輪駆動力は減少する。これとは逆に、変
速が遅めに行われた場合、すなわちクランク回転速度が
設計値よりも高く状態でシフトアップされない場合、後
輪駆動力は高めに推移するもののアシスト比は減少す
る。したがって、変速タイミングが設計値から外れた場
合でも駆動トルクの変動を低く抑えられる。

【００７６】このように、本実施形態では車速および踏
力をパラメータとして、各車速でのクランク回転速度が
所定範囲内に収まるような変速段においてアシスト比が
所定の目標値を示すモータ駆動力を、当該モータへの通
電デューティ比としてデータテーブルに設定し、車速と
踏力とに基づいてモータ駆動力を求めるようにしたの
で、変速段を検知するためのセンサを設けることなく、
あらゆる走行状態において最適なモータ駆動力をモータ
から発生させることができるようになる。

【００７７】なお、上記した実施形態では、変速後のク
ランク回転速度が６０rpm近傍となるような変速段が選
択されるものと推定してモータ駆動力を求めたが、変速
後のクランク回転速度がさらに低速、例えば４０rpm近
傍となるような変速段が選択されるものと推定して前記
マップ（データテーブル）を設定しても良い。

【００７８】このようにすれば、変速後のクランク回転
速度が６０rpm近傍となるように変速する運転者にとっ
てはアシスト比が多少低めに推移するものの、早めに変
速する運転者にとっては常に高いアシスト比（１：１）
が得られるようになる。

【００７９】したがって、若者や男性をターゲットとし
た場合には前記回転速度を６０rpmとし、女性や子供あ
るいはお年寄りをターゲットとした場合には前記回転速
度を４０rpmとするなどの変更が可能になる。

【００８０】なお、上記した実施形態では、モータ１４
をアウタロータ型すなわち外転型とした場合について説
明したが、本発明はこれのみに限定されるものではな
く、ステータの内側でロータが回転する内転型のモータ
にも同様に適用できる。

【００８１】図２７は、モータ１４を内転型に変形した
例を示す正面図であり、要部のみを図示する。モータ１
４は略円筒形状のステータ９０と、該ステータ９０の内
側で回転する略円柱形状のロータ８０とから構成され
る。ロータ８０およびステータ９０はいずれも、ケイ素
鋼の薄板を積層して構成される。

【００８２】前記ステータ９０のステータ突極９１に
は、それぞれステータ巻線９２が巻回される。 前記ロ
ータ８０には、断面が略円弧状であって、ネオジウム系
材料で構成された永久磁石８５を軸方向に挿入される開
口部８１１が、円周方向に３０度間隔で１２個形成され
る。磁石８５は、ロータ８０の回転中心に膨出側が位置
するように配置される。隣接する各開口部８１１の間は
補極部８１３として機能する。

【００８３】この変形例でも、前記開口部８１１の形状
と磁石８５の断面形状とが同一ではなく、開口部８１１
に磁石８５が挿入された状態では、各磁石８５の円周方
向に沿った両側部に空隙８１２が形成されている。

【００８４】この構成によれば、バッテリ１７から各ス
テータ巻線９２へ励磁電流を供給すると、図２８に拡大
して示したように、Ｎ極に励磁されたステータ突極９１
（Ｎ）から発生した磁力線がＳ極磁石８５Ｓのステータ
側表面から裏面（外周側）へ抜け、その多くは補極部８
１３を経由し、隣接するＳ極に励磁されたステータ突極
９１（Ｓ）を経由して、前記Ｎ極に励磁されたステータ
突極９１（Ｎ）へ戻る。

【００８５】この変形例では各磁石８５の円周方向に沿
った両側部に空隙８１２が形成されており、各磁石８５
の側部から補極部８１３への漏れ磁束が減ぜられるの
で、磁力線の大部分は各磁石８５から補極部８１３を経
由してステータ９０側へ達する。この結果、ロータ８０
とステータ９０との間のエアギャップを通過する磁束の
垂直成分が増えるので、前記空隙８１２を設けない場合
に比べて駆動トルクを増加させることが可能になる。

【００８６】一方、モータ１４を回生動作させる際は、
各磁石８５から発生する磁束がステータ突極９１および
ステータ９０のコア部と共に閉磁路を形成するので、ロ
ータ８０の回転速度に応じた発電電流をステータ巻線に
発生させることができる。

【００８７】さらに、磁石８５として磁力の強いネオジ
ウム系の磁石を採用し、かつ円弧状の磁石８５を回転中
心に向かって凸となるように配置することにより、磁石
８５の外側表面からステータ９０へ直接向かう磁力を減
少させたので、ジェネレータとして機能させる際のフリ
クションを大幅に低減することができる。

【００８８】さらに、上記した実施形態では踏力および
モータ駆動力のいずれもが後輪に伝達されるものとして
説明したが、本発明はこれのみに限定されるものでは無
く、例えば踏力は後輪へ伝達し、モータ駆動力は前輪へ
伝達される構造の電動補助自転車にも同様に適用するこ
とができる。

【００８９】

【発明の効果】本発明では、車速および踏力をパラメー
タとして、当該車速でのクランク回転速度が所定範囲内
に収まるような変速段においてアシスト比が所定の目標
値を示すモータ駆動力をデータテーブルに登録し、車速
と踏力とに基づいてモータ駆動力を求めるようにしたの
で、変速段を検知するためのセンサを設けることなく、
あらゆる走行状態において最適なモータ駆動力をモータ
から発生させることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る電動補助自転車の
側面図である。

【図２】 電動補助自転車の動力伝達機構を模式的に表
現した図であり

【図３】 踏力検出装置を含む人力駆動部の要部断面図
である。

【図４】 図３のＡ−Ａ矢視図である。

【図５】 図３の要部拡大断面図である。

【図６】 モータの軸に直交する面での要部断面図であ
る。

【図７】 永久磁石を保持するロータコアの正面図であ
る。

【図８】 ロータコアの要部拡大図である。

【図９】 永久磁石を保持した状態のロータコアの要部
拡大図である。

【図１０】 ロータコアに設けた空隙部の機能（電動
時）を説明するための図である。

【図１１】 ロータコアに設けた空隙部の機能（回生
時）を説明するための図である。

【図１２】 図１０の要部拡大図である。

【図１３】 図１１の要部拡大図である。

【図１４】 第２のモータ構造におけるロータコアの正
面図である。

【図１５】 図１４の開口部に永久磁石が嵌挿された状
態での要部拡大図である。

【図１６】 第３のモータ構造におけるロータコアの正
面図である。

【図１７】 図１６の開口部に永久磁石が嵌挿された状
態での要部拡大図である。

【図１８】 第４のモータ構造におけるロータコアの正
面図である。

【図１９】 図１８の開口部に永久磁石が嵌挿された状
態での要部拡大図である。

【図２０】 第５のモータ構造におけるロータコアの正
面図である。

【図２１】 図２０の開口部に永久磁石が嵌挿された状
態での要部拡大図である。

【図２２】 第６のモータ構造におけるロータコアの正
面図である。

【図２３】 図２２の開口部に永久磁石が嵌挿された状
態での要部拡大図である。

【図２４】 第７のモータ構造における回転軸に直交す
る面での要部断面図である。

【図２５】 モータの制御回路図である。

【図２６】 モータの制御タイミングを示すタイミング
チャートである。

【図２７】 変形例に係るモータの正面図である。

【図２８】 図２７の要部拡大図である。

【図２９】 電動補助自転車に使用されるモータの断面
図である。

【図３０】 モータ駆動力の決定方法を説明するための
図である。

【図３１】 モータ駆動力の決定方法を説明するための
図である。

【図３２】 本発明による車速とモータ駆動力との関係
を示した図である。

【符号の説明】

１…車体フレーム、 ５…シートポスト、 ８…操向ハ
ンドル、 ９…ブレーキレバー、 １４…モータ、 １
７…バッテリ、 ２２…クランク軸、 ２４…ペダル、
２７…チェーン、 ３２…ホイールハブ（アウタロー
タ）、 ３５…永久磁石、 ３７…ステータ支持板、
３８…ステータコア、 ３９…ステータコイル、 ４１
…光センサ、 ４３…基板、 ４７…踏力センサ、 ８
０…ロータ、 ９０…ステータ、 ３２１…ロータコ
ア、 ３２２…開口部、 ３２２Ａ…第１空隙、 ３２
２Ｂ…第２空隙、 ３２３…補極部、３８２…ステータ
突極、 ３８３…ステータ巻線

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 踏力およびモータ駆動力の合力点と前記
   踏力の入力段との間に変速機を設け、前記合力で駆動輪
   を駆動する電動補助自転車において、 車速を検知する手段と、 踏力を検知する手段と、 車速および踏力をパラメータとしてモータ駆動力が設定
   されたデータテーブルと、 検知された車速および踏力に基づいて前記データテーブ
   ルを参照し、モータ駆動力を決定する手段と、 前記決定されたモータ駆動力を出力させる手段とを含
   み、 前記データテーブルには、変速機の変速タイミングとし
   て設定された車速において、変速後の変速段でのモータ
   駆動力が所定のアシスト比となるようなモータ駆動力が
   設定されていることを特徴とする電動補助自転車。
2. 【請求項２】 前記データテーブルには、車速および踏
   力をパラメータとして、当該車速でのクランク回転速度
   が所定範囲内に収まるような変速段においてアシスト比
   が所定の目標値を示すモータ駆動力が設定されているこ
   とを特徴とする請求項１の電動補助自転車。
3. 【請求項３】 車速が１５km／h以下では、踏力による
   駆動輪駆動力とモータ駆動力による駆動輪駆動力との比
   （アシスト比）が１：１であることを特徴とする請求項
   １または２の電動補助自転車。
4. 【請求項４】 前記クランク回転速度の所定範囲が４０
   〜６０rpmないしは４０〜８０rpmの範囲であることを特
   徴とする請求項２の電動補助自転車。