JP2005225489A - 電動自転車用駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人力駆動系に介装される一方向クラッチとモータとの干渉を避けながら、磁歪式トルクセンサを使用して駆動装置の小型化を図る。
【解決手段】ペダルクランク軸６が貫通しかつ一端部から他端部へ踏力を伝達する筒状の検出軸２１を備える。検出軸２１の外周側に設けられた励磁コイル２８および検出コイル２９と前記検出軸２１とを有する非接触磁歪式トルクセンサ２５を備える。駆動装置ハウジング１４でチェーン９と車幅方向の同一側部で、スプロケット８を有する出力軸１０を回転自在に支持する。出力軸１０におけるチェーン９とは車幅方向の反対側の一端部を検出軸２１の他端部に一方向クラッチ２２を介して接続する。駆動装置ハウジング１４に後輪駆動用モータ１１を軸線がペダルクランク軸６と平行になるように設ける。このモータ１１の固定子３３をチェーン９とは車幅方向の反対側の一側部に位置付け、一方向クラッチ２２を固定子３３とは車幅方向の反対側に位置付けた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ペダルを踏み込む乗員の踏力を検出する磁歪式トルクセンサを備えた電動自転車用駆動装置に関するものである。

従来、この種の駆動装置としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。この特許文献１に示された電動自転車用駆動装置は、ペダルクランク軸を有する人力駆動系と、前記ペダルクランク軸に加えられた踏力に応じてモータ出力が増減するモータ駆動系とを、前記ペダルクランク軸と同一軸線上に回転自在に設けた筒状の合力軸に連結し、この合力軸から後輪へ動力を伝達する構造を採っている。

また、この駆動装置においてペダルクランク軸に加えられた踏力を検出するには、ペダルクランク軸と合力軸との間に遊星歯車式増速機を介装し、この増速機中に生じる回転反力でポテンショメータを駆動することによって実施している。詳述すると、遊星歯車式増速機の遊星歯車支持用キャリアを前記ペダルクランク軸に一方向クラッチを介して連結するとともに外周歯車を合力軸に連結し、太陽歯車の回転をばねの弾発力によって規制するばね付勢式アームにポテンショメータの入力軸を結合させている。前記一方向クラッチは、ペダルクランク軸からキャリアへのみ動力を伝達する構成のものである。
特許第２５０６０４７号公報 特開平８−２９７０５９号公報

しかるに、上述したように構成した電動自転車の駆動装置は、踏力を検出するために遊星歯車式増速機を用いており、ペダルクランク軸の周囲に前記増速機の大径な外周歯車が回転するスペースが必要であるから、小型化を図るにも限界があった。

電動自転車用駆動装置の小型化を図るためには、例えば特許文献２に開示された磁歪式トルクセンサを使用し、踏力検出機構の簡素化を図ればよい。この特許文献２に示された磁歪式トルクセンサは、踏力によって捻られる検出軸の外周面に傾斜溝を多数形成するとともに、この傾斜溝群の周囲に励磁・検出コイルを配設した構造を採っており、前記検出軸が捻られたときに傾斜溝群での透磁率が変化し、この透磁率の変化を検出コイルで電圧変化として検出することによって、踏力を求めるものである。

前記検出軸は、円筒状に形成されており、車体フレームのハンガー部にペダルクランク軸と同一軸線上に位置付けられかつペダルクランク軸が貫通する状態で回転自在に支持させている。この検出軸の一端はペダルクランク軸にスプライン嵌合し、他端には、後輪駆動用チェーンを巻掛けるスプロケットが連結されている。前記励磁・検出コイルは、前記検出軸の両端の連結点の間となる部分の周囲に配設している。なお、この特許文献２に示された電動自転車用駆動装置は、補助動力となるモータを後輪のハブ部分に配設しており、前記検出軸を有する人力駆動系に前記ハンガー部でモータ駆動系を連結する構造ではない。

このトルクセンサを採用すると、遊星歯車式増速機を用いる場合に較べて部品数は少なくなるが、検出軸の近傍にモータを搭載するに当たってモータを取付ける位置が問題になる。これは、ペダルクランク軸と前記チェーン用スプロケットとの間の人力駆動系の途中には一方向クラッチを設けなければならず、モータの位置如何によっては、モータの相対的に外径が大きくなる固定子と一方向クラッチとが互いに干渉し合うことになるからである。

本発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、人力駆動系に介装される一方向クラッチとモータとの干渉を避けながら、磁歪式トルクセンサを使用して駆動装置の小型化を図ることを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る電動自転車用駆動装置は、ペダルクランク軸を有する人力駆動系と、前記ペダルクランク軸に加えられた踏力に応じてモータ出力が増減するモータ駆動系とを備えるとともに、前記ペダルクランク軸が貫通しかつこのペダルクランク軸に結合された一端部から他端部へ踏力を伝達する筒状の検出軸と、この検出軸の外周側に設けられた励磁コイルおよび検出コイルとを有する踏力検出用の非接触磁歪式トルクセンサとを備えた電動自転車用駆動装置において、前記ペダルクランク軸を支持する駆動装置ハウジングにおける後輪駆動用チェーンと車幅方向の同一側部で、前記チェーンが巻掛けられるスプロケットを有する筒状の出力軸をペダルクランク軸が貫通する状態で回転自在に支持させ、この出力軸における前記チェーンとは車幅方向の反対側の一端部を前記検出軸の他端部に一方向クラッチを介して接続し、前記駆動装置ハウジングに後輪駆動用モータをその軸線がペダルクランク軸と平行になるように設け、このモータの固定子を前記チェーンとは車幅方向の反対側の一側部に位置付けるとともに、前記一方向クラッチを前記固定子とは車幅方向の反対側に位置付けたものである。

請求項２記載の発明に係る電動自転車用駆動装置は、請求項１に記載した電動自転車用駆動装置において、出力軸の一端部に他の部位より外径が大きくなる大径部を形成し、この大径部における径方向の内側に一方向クラッチを臨ませたものである。

本発明によれば、ペダルを踏込むことによってペダルクランク軸から検出軸および一方向クラッチを介して出力軸に踏力が伝達される。このとき、検出軸に捩り応力が生じ、非接触磁歪式トルクセンサによって踏力が検出される。
前記一方向クラッチとモータとは、車幅方向の一方と他方とに振り分けられるように配設されるから、これら両者どうしが互いに干渉し合うことを避けることができる。したがって、モータの固定子をペダルクランク軸に近接させて配設することができ、コンパクトな電動自転車用駆動装置を提供することができる。

請求項２記載の発明によれば、検出軸と出力軸とがペダルクランク軸の軸線方向に並ぶ構造でも、出力軸の大径部の内側のデッドスペースを利用して一方向クラッチを収容できるから、電動自転車用駆動装置の車幅方向の長さを短く形成することができる。

以下、本発明に係る電動自転車用駆動装置の一実施の形態を図１ないし図５によって詳細に説明する。
図１は本発明に係る駆動装置を搭載した電動自転車の側面図、図２は電動自転車用駆動装置の側面図、図３は図２におけるIII−III線断面図、図４は要部を拡大して示す断面図、図５はトルクセンサおよび制御装置の構成を示す回路図である。

これらの図において、符号１はこの実施の形態による電動自転車を示す。この電動自転車１は、車体フレーム２のハンガー部３に本発明に係る駆動装置４を搭載し、ペダル５を踏込むことによりペダルクランク軸６を回転させようとする踏力と、駆動装置４内の後述するモータの動力とを合わせて後輪７を駆動する構造を採っている。なお、モータの動力は、後述する制御装置によって踏力に応じて増減するように制御する。また、後輪７の駆動は、駆動装置４に設けたスプロケット８（図３参照）の回転をチェーン９によって後輪７の従来周知のフリーホイール（図示せず）に伝達することによって実施する。

駆動装置４は、図２〜図４に示すように、ペダルクランク軸６と同一軸線上に、人力駆動系とモータ駆動系とを連結するための円筒状の出力軸１０を回転自在に設け、これらの軸より車体の後方にモータ１１を配設している。このモータ１１と前記出力軸１０とは、二段減速式の歯車減速機１２を介して連結している。

前記ペダルクランク軸６は、ペダル付きクランク１３を両端に取付けることができるように形成し、軸線方向が車幅方向を指向するように駆動装置ハウジング１４に回転自在に支持させている。この駆動装置ハウジング１４は、図１に示すように、前記車体フレーム２のハンガー部３にブラケット１５を介して固定する。前記ペダルクランク軸６の車体左側は軸受１６を介して駆動装置ハウジング１４に回転自在に支持させ、車体右側は、ペダルクランク軸６が貫通する出力軸１０の小径部１０ａと軸受１７，１８を介して駆動装置ハウジング１４に回転自在に支持させている。

前記出力軸１０は、前記軸受１７を介してペダルクランク軸６を軸承する小径部１０ａと、この小径部１０ａの車体左側の端部に一体に形成した大径部１０ｂとから構成し、前記小径部１０ａを駆動装置ハウジング１４から側方へ突出させてこの突出側端部に前記スプロケット８を固定している。また、前記大径部１０ｂは、外周面に歯を刻設することによって歯車となるように形成し、前記歯車減速機１２の小径歯車１９を噛合させている。

この出力軸１０と前記ペダルクランク軸６との間の人力駆動系には、図３および図４中に符号２１で示す検出軸を介装している。この検出軸２１は、磁性材によって円筒状に形成し、ペダルクランク軸６と同一軸線上に位置付けられかつペダルクランク軸６が貫通する状態で前記出力軸１０と隣接するように配設している。また、この検出軸２１は、車体左側の端部をペダルクランク軸６にスプライン嵌合させるとともに、車体右側の端部を出力軸１０の大径部１０ｂに一方向クラッチ２２およびトルクリミッタ２３を介して連結している。前記スプライン嵌合部を符号２４で示す。この検出軸２１における車体右側の端部と、前記一方向クラッチ２２およびトルクリミッタ２３は、前記大径部１０ｂの中心側に形成した凹陥部１０ｃ内に収容している。

前記一方向クラッチ２２は、径方向の外側から検出軸２１に係合し、検出軸２１を車体が前進する方向（図１において反時計方向）へ回転させたときのみに連結状態になって動力をトルクリミッタ２３に伝達するラチェット式のものを使用している、前記トルクリミッタ２３は、ペダル５が地面の突起物などに衝突したときに衝撃力が検出軸２１や一方向クラッチ２２に加えられるのを阻止するために設けてあり、径方向の内側に一方向クラッチ２２を連結するとともに、径方向の外側に前記大径部１０ｂを連結している。

このように人力駆動系に検出軸２１を介装すると、ペダル５を踏込んだときの踏力はペダル付クランク１３からペダルクランク軸６に伝達され、これにスプライン嵌合した検出軸２１から一方向クラッチ２２、トルクリミッタ２３、出力軸１０、スプロケット８およびチェーンを介して後輪７に伝達される。このとき、後輪７を回転させるための負荷、言い換えれば踏力に応じて検出軸２１が捻れる。これは、検出軸２１の一端をペダルクランク軸６に連結し、他端を出力軸１０側に連結しているからである。なお、前記捩れは、左右のペダル５の何れを踏込んでも同様に生じる。

この駆動装置４では、前記検出軸２１の捩れを後述する非接触磁歪式トルクセンサ２５によって検出し、このトルクセンサ２５に接続した制御装置２６（図５参照）がモータ１１の出力を検出軸２１の捩れ量に応じて増減する。
前記トルクセンサ２５は、図４に示すように、前記検出軸２１の両端の前記連結点の間となる部分の外周面に刻設した螺旋状の傾斜溝２７，２７…と、この傾斜溝２７の周囲を覆うように設けた励磁コイル２８および検出コイル２９などから構成している。傾斜溝２７は、ペダルクランク軸６の周方向に多数並設し、ペダルクランク軸６の軸線方向に傾斜溝群が並設されるように形成している。また、これら二箇所の傾斜溝群の傾斜溝２７は、傾斜方向が前記軸線に対して対称になるように形成している。

なお、図において前記励磁・検出コイル２８，２９を覆う符号３０で示すものは、これらのコイル２８，２９を保持するとともに磁束がトルクセンサ外に漏出するのを阻止するための磁気シールドヨークである。この磁気シールドヨーク３０は、駆動装置ハウジング１４にオイルシール３１を介して固定している。

ここで、このトルクセンサ２５の動作について説明する。ペダルクランク軸６が捩られたときには、一方の傾斜溝群に引張応力が生じるとともに、他方の傾斜溝群に圧縮応力が生じる。この結果、逆磁歪効果により各傾斜溝群での透磁率がそれぞれ増加、減少する。この逆磁歪効果による透磁率変化を傾斜溝群毎の検出コイル２９，２９に誘導起電圧として発生させ、制御装置２６で直流変換、差動増幅することによりトルクに比例した電圧出力が得られる。このとき、引張応力が生じる傾斜溝群では引張応力による透磁率増加のため、コイル系からの検出出力電圧は増加し、他方の傾斜溝群では圧縮応力による透磁率減少のためコイル系からの検出出力電圧は減少する。
制御装置２６は、前記出力電圧の変化に応じてモータ１１の給電電流を増減させる回路を採っている。なお、この制御装置２６およびモータ１１は、図１中に符号３２で示すバッテリーから給電される。

前記モータ１１は、ブラシレス直流電動機であって、図３に示すように、前記駆動装置ハウジング１４と、これに結合させたカバー１４ａからなるモータハウジングの内部に軸線方向が車幅方向と一致するように組付けている。このモータ１１の固定子３３は、鉄心３３ａとコイル３３ｂとからなる従来周知の構造を採り、前記モータハウジング内であって駆動装置ハウジング１４側に固定している。固定位置は、ペダルクランク軸６や出力軸１０より車体の後方であって、出力軸１０の大径部１０ｂとは車幅方向の反対側、すなわち車体左側に位置付けられている。

また、このモータ１１のモータ出力軸３４は、駆動装置ハウジング１４とカバー１４ａに軸受３５，３６によって回転自在に支持させている。このモータ出力軸３４の外周部に回転子３７を軸受３８，３９を介して回転自在に支持させている。前記回転子３７は、円筒形の継鉄４０と、この継鉄４０の外周面に固着した永久磁石４１とからなり、前記モータ出力軸３４と前記継鉄４０の間に一方向クラッチ４２を介装している。

前記モータ出力軸３４は、車体右側、すなわち出力軸１０の大径部１０ｂと車幅方向の同じ側の先端部に歯車４３を形成する歯を刻設し、この歯車４３を介して前記歯車減速機１２に連結している。この歯車減速機１２は、はすば歯車を使用して減速段数が二段になるように形成している。すなわち、この歯車減速機１２は、前記出力歯車４３に噛合する大径歯車４４と、この大径歯車４４とともに回転しかつ前記出力軸１０の大径部１０ｂに噛合する前記小径歯車１９とから構成している。また、この歯車減速機１２は、前記小径歯車１９が大径歯車４４より車幅方向の外側に位置付けられるように形成している。

前記回転子３７の永久磁石４１は、希土類磁石材料によって形成し、微小な隙間をおいて固定子３３の内面と対向させている。
前記継鉄４０とモータ出力軸３４との間に介装した一方向クラッチ４２は、この実施の形態ではローラ式のものを使用し、このモータ１１が正転するとき、すなわち固定子３３によって永久磁石４１および継鉄４０が車体の前進方向へ付勢されるときのみに動力が伝達されるように構成している。なお、この一方向クラッチ４２は、ローラ式の他にもラチェット式など様々な構造のものを採用することができるが、継鉄４０の厚みを確保できなくなるような大型のものは避ける。継鉄４０が薄いと、一方向クラッチ４２側への磁気漏洩が発生してモータ１１の出力性能が低下するからである。

このように構成したモータ１１は、ペダル５を踏込む力に応じた電圧指令が前記制御装置２６から固定子３３のコイル３３ｂに印加通電され、このコイル３３ｂが励磁されることによって、継鉄４０および永久磁石４１からなる回転子３７に回転トルクが生じる。この回転子３７の回転は、一方向クラッチ４２を介してモータ出力軸３４に伝達され、このモータ出力軸３４から歯車減速機１２を介して出力軸１０に伝達される。

このため、この駆動装置４では、ペダル５を踏込んだときの踏力（ペダルクランク軸６の回転トルク）にモータ１１の動力を加えてなる合力が出力軸１０からスプロケット８およびチェーンを介して後輪７に伝達される。

車体の走行速度が所定の電動補助限界速度を越えてモータ１１が停止されたとき、あるいは、モータ１１に給電しない状態で走行する場合には、ペダルクランク軸６の回転トルクが出力軸１０から歯車減速機１２を介してモータ１１のモータ出力軸３４にも伝達される。しかし、このときには、モータ１１内の一方向クラッチ４２が非連結状態になることから、ペダルクランク軸６を有する人力駆動系とともに継鉄４０および永久磁石４１が連れ回ることによって負荷が増えることはない。

したがって、上述したように構成した駆動装置４において、人力駆動系の一方向クラッチ２２とモータ１１とは、車幅方向の一方と他方とに振り分けられるように配設されるから、これら両者どうしが互いに干渉し合うことを避けることができ、モータ１１の固定子３３をペダルクランク軸６に近接させて配設することができる。
また、この駆動装置４によれば、検出軸２１と出力軸１０とがペダルクランク軸６の軸線方向に並ぶ構造でも、出力軸１０の大径部１０ｂの内側のデッドスペースを利用して一方向クラッチ２２を収容できる。このため、この駆動装置４は車幅方向の長さが短くてよい。

本発明に係る駆動装置を搭載した電動自転車の側面図である。 電動自転車用駆動装置の側面図である。 図２におけるIII−III線断面図である。 要部を拡大して示す断面図である。 トルクセンサおよび制御装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１…電動自転車、４…駆動装置、６…ペダルクランク軸、１０…出力軸、１０ｂ…大径部、１１…モータ、１２…歯車減速機、１４…駆動装置ハウジング、１９…小径歯車、２１…検出軸、２２…一方向クラッチ、２５…非接触磁歪式トルクセンサ、２７…傾斜溝、２８…励磁コイル、２９…検出コイル。

Claims (2)

1. ペダルクランク軸を有する人力駆動系と、前記ペダルクランク軸に加えられた踏力に応じてモータ出力が増減するモータ駆動系とを備えるとともに、前記ペダルクランク軸が貫通しかつこのペダルクランク軸に結合された一端部から他端部へ踏力を伝達する筒状の検出軸と、この検出軸の外周側に設けられた励磁コイルおよび検出コイルとを有する踏力検出用の非接触磁歪式トルクセンサとを備えた電動自転車用駆動装置において、前記ペダルクランク軸を支持する駆動装置ハウジングにおける後輪駆動用チェーンと車幅方向の同一側部で、前記チェーンが巻掛けられるスプロケットを有する筒状の出力軸をペダルクランク軸が貫通する状態で回転自在に支持させ、この出力軸における前記チェーンとは車幅方向の反対側の一端部を前記検出軸の他端部に一方向クラッチを介して接続し、前記駆動装置ハウジングに後輪駆動用モータをその軸線がペダルクランク軸と平行になるように設け、このモータの固定子を前記チェーンとは車幅方向の反対側の一側部に位置付けるとともに、前記一方向クラッチを前記固定子とは車幅方向の反対側に位置付けたことを特徴とする電動自転車用駆動装置。
2. 請求項１記載の電動自転車用駆動装置において、出力軸の一端部に他の部位より外径が大きくなる大径部を形成し、この大径部における径方向の内側に一方向クラッチを臨ませたことを特徴とする電動自転車用駆動装置。
   

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