JP2014019181A - 自転車用駆動ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】踏力とモータの出力を合成した回転力を検出できる自転車の駆動ユニットを提供する。
【解決手段】自転車の駆動ユニットは、モータ１２０からの出力を伝達する第１接続部１３０と、クランク軸１０２からの踏力を伝達する第２接続部１６０と、スプロケット１０３を連結可能なスプロケット接続部１４１、少なくともセンサ１５０の一部が設けられるセンサ配置部１４３および第１接続部１３０と第２接続部１６０とが連結される連結部を有する駆動力伝達部１４０とを備え、センサ配置部１４３がスプロケット接続部１４１と連結部との間に配置されることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、補助動力としてモータ出力を使用し、かつ変速機構を有する電動補助自転車の駆動ユニットに関する。

補助動力としてモータ出力を使用する電動補助自転車として、特許文献１に記載された発明がある。特許文献１に係る電動補助自転車は、クランク軸と、筒状中間軸と、モータと、スプロケットを含む回転部材とを備える。筒状中間軸は、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し、一端部と他端部の間に踏力検出用の磁歪センサを有する。回転部材は、モータの回転を減速する減速機に歯車を介して接続されており、さらにワンウェイクラッチを介して筒状中間軸の他端部に接続されている。

特許４６１２０６１号

しかし、特許文献１の自転車の駆動ユニットは、踏力しか検出することができないので、当該自転車の駆動ユニットではチェーンを介して伝わる回転力を正確に検出することができない。

本発明は、上述の課題に鑑みて、アシスト走行のためのモータを有する自転車の駆動ユニットにおいて、踏力とモータの出力を合成した回転力を検出できる自転車の駆動ユニットを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための自転車の駆動ユニットは、モータからの出力を伝達する第１接続部と、クランク軸からの踏力を伝達する第２接続部と、スプロケットを連結可能なスプロケット接続部、少なくともセンサの一部が設けられるセンサ配置部および第１接続部と第２接続部とが連結される連結部を有する駆動力伝達部と、を備え、センサ配置部がスプロケット接続部と連結部との間に配置されることを特徴とする。

これにより、センサ配置部付近には、モータの出力と踏力が合成された回転力による歪みが発生する。したがって、センサ配置部に設けられたセンサは、モータの出力と踏力が合成された回転力を検出することができる。

さらに、駆動力伝達部は、クランク軸を挿通する筒部を含むとよい。これにより、駆動力伝達部は、クランク軸に近接して配置できるので、自転車の駆動ユニットの更なる軽量化、コンパクト化を実現する。

さらに、センサ配置部は、筒部の外側に設けられ、センサは、筒部の捩れを検出するとよい。これにより、センサは、駆動力伝達部で発生する、モータの出力と踏力が合成された回転力を検出することができる。

さらに、第１接続部は、第１ワンウェイクラッチを含むとよい。これにより、クランク軸の回転力がモータに伝達されることを防止することと、モータを効率良く動作させることとを共に実現することができる。

さらに、第２接続部は、第２ワンウェイクラッチを含むとよい。これにより、ユーザがペダルを通常回転させる方向と反対周りに回転させても、それにつられてスプロケットが回転することがない。

さらに、第１接続部は、減速機構を有するとよい。これにより、モータの出力を減速して駆動力伝達部に伝達することができるので、モータを効率良く動作させる駆動力伝達部を実現することができる。

さらに、減速機構は、モータの出力軸に接続された歯車と噛み合う第１ギアと、駆動力伝達部と噛み合う第２ギアをさらに含み、第１ギアと第２ギアとの間の経路に第１ワンウェイクラッチが設けられるとよい。これによって、クランク軸に与えられる回転力によってモータの出力軸が回転することを防止できる。

さらに、センサは磁歪素子を含むとよい。これにより、センサは、クランク軸にかかるねじれを検出することができる。

さらに、当該自転車の駆動ユニットは、モータをさらに備えるとよい。これにより、アシスト走行を実現することができる。

さらに、当該自転車の駆動ユニットは、スプロケット接続部に連結される、スプロケットをさらに備えるとよい。これにより、踏力とモータの出力を合成した回転力を後輪に伝達することができる。

さらに、当該自転車の駆動ユニットは、クランク軸をさらに備えるとよい。これにより、ペダルにかけられたユーザの踏力を駆動力伝達部に伝達することができる。

さらに、当該自転車の駆動ユニットは、センサの検出結果に応じて、モータを制御する制御部をさらに含むとよい。これにより、ユーザの踏力の大きさに合わせて、モータの出力を制御することができるので、アシスト走行を実現することができる。

本発明によれば、自転車の駆動ユニットは、踏力とモータの出力を合成した回転力を検出できる。

本発明の第１の実施形態に係る駆動ユニットを組み込んだ電動補助自転車の一部を表す側面図。 本発明の第１の実施形態に係る駆動ユニットの断面図。 本発明の第１の実施形態に係る駆動ユニットを電動補助自転車のブロック図。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る駆動ユニット１を組み込んだ電動補助自転車の一部分を表す右側面図である。この電動補助自転車は、ペダル１００に作用する踏力を、クランクアーム１０１→クランク軸１０２→駆動ユニット１→フロントスプロケット１０３→チェーン１０４→リアスプロケット１０５という経路を経て、後車輪の車軸１０６まわりに回転可能に設けられるハブ体に伝達する。この過程で、この電動補助自転車は、モータ出力を補助動力として合成し、走行をアシストする。本実施形態は、後述するセンサでユーザの踏力を検出し、その検出値が設定値を超えたところで、モータを起動して踏力に応じたトルクを補助動力として発生させる。アシスト用のモータを含む駆動ユニット１は、一般にフレームのシートチューブの下端部とフレームのダウンチューブの後端部との連結部付近に配置され、図示しないボルトによってフレームに固定される。モータ駆動用のバッテリは、リアキャリア、ダウンチューブまたはシートチューブに沿って配置される。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る駆動ユニット１の断面図である。図２では、クランク軸１０２、回転軸１２０ｃおよび回転軸１３４のそれぞれの軸線を通る図１に示す切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面図を示している。本駆動ユニット１は、モータ（電動機）１２０と、第１接続部１３０と、第２接続部１６０と、駆動力伝達部１４０と、センサ１５０とを含んで構成される。

図２に示すように、本駆動ユニット１では、クランク軸１０２がケーシング１１１の貫通孔１１１ａに内挿されている。クランク軸１０２の軸方向の両端部は、ケーシング１１１からそれぞれ突出する。クランク軸１０２のスプロケット１０３とは反対側の端部は、第１軸受１１２を介してケーシング１１１に回転自在に支持されている。クランク軸１０２のスプロケット１０３側の端部は、第２軸受１１３、スプロケット１０３および第３軸受１１４を介してケーシング１１１に回転自在に支持されている。第２軸受１１３は、スプロケット１０３に支持され、スプロケット１０３は、第３軸受１１４に回転自在に支持されている。クランク軸１０２の軸方向の両端部には、図示しないクランクアーム１０１が着脱可能に取り付けられる。２つのクランクアーム１０１のうちの一方のクランクアーム１０１は、クランク軸１０２に着脱不能に構成されてもいてもよい。第１〜第３軸受は、たとえばラジアルベアリングによって実現される。

＜アシスト用モータの構成＞
モータ１２０は、その回転軸１２０ｃがクランク軸１０２と平行になるように配置される。モータ１２０の回転軸１２０ｃは、回転軸１２０ｃ方向に間隔を隔てて配置される第４軸受１２４ａ及び第５軸受１２４ｂにより回転自在に支持されている。回転軸１２０ｃはモータ１２０のロータ１２０aに固定されている。モータ１２０のステータ１２０ｂは、ロータ１２０aの外周に設けられ、ケーシング１１１に固定される。第４軸受１２４ａ、第５軸受１２４ｂは、それぞれ、ケーシング１１１に設けられる取付部１２２ａ、１２２ｂにより支持される。第４軸受１２４ａ、第５軸受１２４ｂは、たとえばラジアルベアリングによって実現される。

＜第１接続部の構成＞
モータ１２０の出力は、第１歯車１３１→第２歯車１３２→ワンウェイクラッチ１３３→回転軸１３４→第３歯車１３６を介して、駆動力伝達部１４０に伝達される。本発明の実施形態では、第1接続部１３０は、第１歯車１３１、第２歯車１３２、第１ワンウェイクラッチ１３３、回転軸１３４および第３歯車１３６を含んで構成される。回転軸１３４の回転軸線と、クランク軸１０２およびモータ１２０の回転軸１２０ｃの回転軸線とは、それぞれ平行に配置される。回転軸１３４の回転軸線は、クランク軸１０２およびモータ１２０の回転軸１２０ｃの回転軸線を含む平面から離反した位置に設けられる。これによってクランク軸１２０とモータ１２０の回転軸１２０ｃとをできるだけ近接して配置することができ、駆動ユニット１を小型に形成することができる。

第１歯車１３１は、回転軸１２１と固着している。これによって、第１歯車１３１は、回転軸１２１と一体となって回転する。

第２歯車１３２は、第１歯車１３１と噛み合っている。第２歯車１３２は、第１ワンウェイクラッチ１３３を介して、回転軸１３４周りに一方向に回転自在に支持されている。第１ワンウェイクラッチ１３３は、たとえば爪とラチェットとを備えるワンウェイクラッチによって実現される。第１ワンウェイクラッチ１３３は、第２歯車１３２の回転は回転軸１３４に伝達するが、回転軸１３４の回転は第２歯車１３２に伝達しないように設けられる。

回転軸１３４は、回転軸１３４方向に間隔を隔てて配置される第５軸受１３５ａ及び第６軸受１３５ｂにより回転自在に支持されている。第６軸受１３５ａ及び第７軸受１３５ｂは、ケーシング１１１に支持される。第６軸受１３５ａ及び第７軸受１３５ｂは、たとえばラジアルベアリングによって実現される。

第３歯車１３６は、回転軸１３４と固着している。これによって、第３歯車１３６は、回転軸１３４と一体となって回転する。第３歯車１３６は、回転軸１３４と一体に形成されていてもよい。第３歯車１３６は、後述する駆動力伝達部１４０と噛み合っている。

ここで、第２歯車１３２の歯数は、第１歯車１３１の歯数より多く、駆動力伝達部１４０の歯数は、第３歯車１３６の歯数より多い。さらに、第２歯車１３２の歯数は、第３歯車１３６の歯数よりも多い。第１歯車１３１と第２歯車１３２が噛み合い、第３歯車１３６と駆動力伝達部１４０と噛み合うことにより、２段減速を実現している。このように、第１接続部は減速機構を有する。

＜第２接続部の構成＞
ユーザの踏力は、ペダル１００→クランクアーム１０１→クランク軸１０２→第２ワンウェイクラッチ１０２ａを介して、駆動力伝達部１４０に伝達される。本発明の実施形態では、第２接続部１６０は、第２ワンウェイクラッチ１０２ａとワンウェイクラッチ取付部１０２ｂを含んで構成される。ワンウェイクラッチ取付部１０２ｂは、クランク軸１０２と固着している。これによって、ワンウェイクラッチ取付部１０２ｂは、クランク軸１０２と一体となって回転する。第２ワンウェイクラッチ１０２ａは、ワンウェイクラッチ取付部１０２ｂの外周部に設けられる。第２ワンウェイクラッチ１０２ａは、たとえば爪とラチェットとを備えるワンウェイクラッチによって実現される。第２ワンウェイクラッチ１０２ａは、クランク軸１０２の回転は連結部１４２に伝達するが、連結部１４２の回転はクランク軸１０２に伝達しないように設けられる。

＜駆動力伝達部の構成＞
駆動力伝達部１４０は、モータ１２０の出力及びクランク軸の回転力を合成した回転力をスプロケット１０３に伝達する。駆動力伝達部１４０は、スプロケット接続部１４１、連結部１４２、及び、センサ配置部１４３を備える。好ましくは、駆動力伝達部１４０は、クランク軸１０２を挿通する挿通孔１４４をさらに備えるとよい。ここでは、駆動力伝達部１４０は、筒状に形成される。駆動力伝達部１４０は、スプロケット接続部１４１およびセンサ配置部１４３を有する第１筒部１４０ａと、連結部１４２を形成する第２筒部１４０ｂと、第１筒部１４０ａおよび第２筒部１４０ｂを接続する接続部１４０ｃとを含む。第１筒部１４０ａ、第２筒部１４０ｂおよび接続部１４０ｃは、一体に形成される。

スプロケット接続部１４１は、スプロケット１０３を連結可能である。スプロケット接続部１４１は、たとえば、セレーションまたはスプラインによって、スプロケット１０３を駆動力伝達部１４０に固着する。スプロケット１０３は、スプロケット接続部１４１に圧入されてもよい。駆動力伝達部１４０のスプロケット接続部１４１側の端部は、スプロケット１０３および第３軸受１１４を介してケーシング１１１に回転可能に支持されている。スプロケット１０３は、スプロケット接続部１４１に接続される基部１０３ａと、スプロケット本体１０３ｂとを備える。基部１０３ａは、筒状に形成され、内周部にスプロケット接続部１４１が接続される。また基部１０３ａの内周部に第２軸受１１３が支持され、外周部が第３軸受１１４に支持される。基部１０３ａは、ケーシング１１１から貫通孔１１１ａを介して外側に突出する。

スプロケット本体１０３ｂは、基部１０３ａのケーシングから外部に突出する端部から、径方向に延び外周部に歯が形成される。本実施形態では、基部１０３ａと、スプロケット本体１０３ｂとは一体に形成されているが、別体で構成されてもよい。本実施形態では、スプロケット本体１０３ｂの外周部は、基部１０３ａに結合されている基端部に対して、ケーシング１１１側にオフセットして設けられる。

連結部１４２は、第１接続部１３０と第２接続部１６０を連結する。つまり、連結部１４２は、第３歯車１３６と噛み合う歯車を有し、第２ワンウェイクラッチ１０２ａに接続する。後述するセンサ１５０が駆動力伝達部１４０に生じるねじれを検出しやすいように、連結部１４２は、好ましくは、クランク軸１０２方向に、スプロケット接続部１４１と離隔して設けられるとよい。

連結部１４２を形成する第２筒部１４０ｂは、第１筒部１４０ａよりも外径が大きな筒状に形成される。接続部１４０ｃは、第１筒部１４０ａのスプロケット接続部１４１とは反対側の端部から径方向外側に延びて、径方向の外周部が第２筒部１４０ｂに接続される。第２筒部１４０ｂは、接続部１４０ｃからスプロケット接続部１４１とは反対側に延びる。

連結部１４２の外周部に第３歯車１３６が接続され、内周部に第２ワンウェイクラッチ１０２ａが接続される。第３歯車１３６と第２ワンウェイクラッチ１０２ａとは、クランク軸１０２に垂直な方向で、少なくとも一部が重なるように設けられる。

第１筒部１４０ａのスプロケット接続部１４１とは反対側の端部は、第８軸受１１５を介してクランク軸１０２に回転可能に支持されている。第８軸受１１５は、接続部１４０ｃとクランク軸１０２との間に配置されている。第８軸受１１５は、たとえばラジアルベアリングによって実現される。

センサ配置部１４３には、少なくともセンサ１５０の一部が設けられる。センサ１５０は、磁歪素子１５１と、検出コイル１５２とを含んで構成される。センサ配置部１４３は、スプロケット接続部１４１と連結部１４２との間に配置される。さらに、好ましくは、センサ配置部１４３は、第１筒部１４０ａの外周部に設けられるとよい。センサ配置部１４３には、たとえば、磁歪センサの一部である磁歪素子１５１が設けられる。図２に示されるように、センサ配置部１４３に磁歪素子１５１が設けられる場合、第１筒部１４０ａの外周側には、磁歪素子１５１の捩れを検出するためのコイル１５２が設けられる。この場合、磁歪素子１５１とコイル１５２によって、第１筒部１４０ａの捻れを検出するセンサ１５０（磁歪センサ）を形成する。検出コイル１５２は、この検出コイル１５２を保持するコイル保持部材（図示せず）に設けられる。コイル保持部材は、ケーシング１１１に固定されている。第１筒部１４０ａの捻れは、第１筒部１４０ａに生じるトルクに対応する。

なお、図２に示したセンサ１５０の例は、あくまでも一例であり、センサ１５０の代わりに歪ゲージ、半導体歪センサがセンサ配置部１４３に設けられてもよい。歪ゲージ、半導体歪センサなどをセンサ配置部１４３に設ける場合には、たとえばセンサ配置部１４３にさらに歪ゲージ、半導体歪センサなどからの信号を無線で送信する送信機を設けて、無線によってその信号またはその信号に基づく情報を外部に出力する。またセンサ１５０の代わりに、光を用いてセンサ配置部１４３の歪みを検出する光学式センサを設けてもよい。

＜モータ制御部の構成＞
図３は、駆動ユニット１を含む電動補助自転車の電動電気的な構成を示すブロック図である。電動補助自転車は、駆動ユニット１、制御部１１、インバータ部１２、速度センサ部１３、変速部１４および変速操作部１５を含んで構成される。制御部１１、インバータ部１２は、駆動ユニット１に含まれていても良い。また制御部１１およびインバータ部１２の少なくとも一方は、駆動ユニット１のケーシング１１１の内部または外周部に設けられてもよい。

モータ１２０は、たとえば３相ブラシレスＤＣモータによって実現され、インバータ部１２によって駆動される。インバータ部１２は、制御部１１の指令に基づいて、スイッチング制御によって直流を３相交流に変換する。速度センサ部１３は、自転車の走行速度を検出する。速度センサ部１３は、たとえば自転車の車輪に取り付けられる磁石と、フレームに取り付けられる磁石検出用センサとを含んで構成される。

制御部１１は、踏力および自転車の速度に応じて、インバータ部１２を制御する。ここで、前述するセンサ１５０は、モータ１２０の出力及びクランク軸の回転力を合成した回転力を検出する。制御部１１は、たとえば演算処理装置（ＣＰＵ）と、所定のプログラムが記録されたメモリとを含んで構成されている。制御部１１は、モータ１２０を駆動するためにインバータ部１２に出力する指令と、この指令に応じてモータ１２０が出力するトルクとの相関情報を有している。相関情報は、テーブルのようなもので表されてもよいし、関係式によって表されてもよい。このため制御部１１は、モータ１２０の出力トルクを把握することができる。したがって制御部１１は、センサ１５０が検出したモータ１２０の出力及びクランク軸の回転力を合成した回転力と、モータ１２０の出力トルクとに基づいて、踏力のみを算出することができる。これにより、制御部１１は、踏力に応じて、モータ１２０を制御することができる。制御部１１は、モータ１２０に流れる電流を計測してモータ１２０の駆動力を推定してもよい。

変速部１４は、電動アクチュエータおよび変速機を含んで構成される。変速機は、内装変速機、外装変速機のいずれであっても良い。電動アクチュエータは、制御部１１からの指令に応じて変速機を動作させる。

変速操作部１５は、スイッチを含んで構成され、変速の切換指示を制御部１１に与える。制御部１１は、マニュアル変速モードおよびオートマチック変速モードを有する。マニュアル変速モードでは、制御部１１は変速操作部１５からの変速の切換指令に応じて、変速部１４を制御する。オートマチック変速モードでは、制御部１１は、速度センサ部１３およびセンサ１５０の少なくとも一方の検出に応じて、変速部１４を制御する。本実施形態では、変速機を電動で制御しているが、通常のワイヤで変速操作部の操作に応じて機械的に変速機を制御する構成としてもよい。また本実施形態では、変速機を備えているが、変速機を備えない構成であってもよい。

＜第１の実施形態の効果＞
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態の駆動ユニットでは、連結部１４２においてモータ１２０の出力及びクランク軸の回転力を合成した回転力が得られる。そして、その回転力によって生じた筒部１４４の捻れは、スプロケット接続部１４１と連結部１４２との間に配置されるセンサ１５０によって検出される。したがって、本実施形態の駆動ユニットは、踏力とモータの出力を合成した回転力を検出することができる。

たとえば電動マニュアル変速機もしくはオート変速機を搭載している自転車であって、後輪に内装変速機を使用している自転車の場合、内装変速機に掛かっているトルクが小さいときに変速するのが望ましい。本実施形態では、センサ１５０によって踏力とモータの出力を合成した回転力を検出することができるので、内装変速機に掛かっている力を検出することができるようになり、この検出結果を用いれば、内装変速機に与えられるトルクが小さい範囲で変速を行う制御が可能となり、変速をスムーズに行うことが可能になる。

＜変形例＞
本実施形態では、第１接続部として４つの歯車から構成される減速機構を例示しているが、２つ、もしくは、６つ以上の歯車を用いて、減速機構を実現してもよい。また、モータ１２０が低速に駆動することが可能なのであれば、減速機構は省略されてもよい。その場合、モータ出力が、ワンウェイクラッチ１３３を経由して駆動力伝達部１４０に伝達される。

１ 駆動ユニット
１０１ クランクアーム
１０２ クランク軸
１０３ スプロケット
１０４ チェーン
１０５ リアスプロケット
１１１ ケーシング
１２０ モータ
１３１ 第１歯車
１３２ 第２歯車
１３６ 第３歯車
１４０ 駆動力伝達部
１４１ スプロケット接続部
１４２ 連結部
１４３ センサ配置部
１５１ 磁歪素子
１５２ コイル

本発明は、補助動力としてモータ出力を使用し、かつ変速機構を有する電動補助自転車の駆動ユニットに関する。

補助動力としてモータ出力を使用する電動補助自転車として、特許文献１に記載された発明がある。特許文献１に係る電動補助自転車は、クランク軸と、筒状中間軸と、モータと、スプロケットを含む回転部材とを備える。筒状中間軸は、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し、一端部と他端部の間に踏力検出用の磁歪センサを有する。回転部材は、モータの回転を減速する減速機に歯車を介して接続されており、さらにワンウェイクラッチを介して筒状中間軸の他端部に接続されている。

特許４６１２０６１号

しかし、特許文献１の自転車の駆動ユニットは、踏力しか検出することができないので、当該自転車の駆動ユニットではチェーンを介して伝わる回転力を正確に検出することができない。

本発明は、上述の課題に鑑みて、アシスト走行のためのモータを有する自転車の駆動ユニットにおいて、踏力とモータの出力を合成した回転力を検出できる自転車の駆動ユニットを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための自転車の駆動ユニットは、モータと、クランク軸と、モータからの出力を伝達する第１接続部と、クランク軸からの踏力を伝達する第２接続部と、スプロケットを連結可能なスプロケット接続部、少なくともセンサの一部が設けられるセンサ配置部および第１接続部と第２接続部とが連結される連結部を有する駆動力伝達部と、を備え、センサ配置部がスプロケット接続部と連結部との間に配置され、モータの回転軸とクランク軸とが平行に配置され、モータの回転軸の駆動方向とモータの回転軸の駆動方向とが同じであることを特徴とする。

これにより、センサ配置部付近には、モータの出力と踏力が合成された回転力による歪みが発生する。したがって、センサ配置部に設けられたセンサは、モータの出力と踏力が合成された回転力を検出することができる。

さらに、駆動力伝達部は、クランク軸を挿通する筒部を含むとよい。これにより、駆動力伝達部は、クランク軸に近接して配置できるので、自転車の駆動ユニットの更なる軽量化、コンパクト化を実現する。

さらに、センサ配置部は、筒部の外側に設けられ、センサは、筒部の捩れを検出するとよい。これにより、センサは、駆動力伝達部で発生する、モータの出力と踏力が合成された回転力を検出することができる。

さらに、第１接続部は、第１ワンウェイクラッチを含むとよい。これにより、クランク軸の回転力がモータに伝達されることを防止することと、モータを効率良く動作させることとを共に実現することができる。

さらに、第２接続部は、第２ワンウェイクラッチを含むとよい。これにより、ユーザがペダルを通常回転させる方向と反対周りに回転させても、それにつられてスプロケットが回転することがない。

さらに、第１接続部は、減速機構を有するとよい。これにより、モータの出力を減速して駆動力伝達部に伝達することができるので、モータを効率良く動作させる駆動力伝達部を実現することができる。

さらに、減速機構は、モータの出力軸に接続された歯車と噛み合う第１ギアと、駆動力伝達部と噛み合う第２ギアをさらに含み、第１ギアと第２ギアとの間の経路に第１ワンウェイクラッチが設けられるとよい。これによって、クランク軸に与えられる回転力によってモータの出力軸が回転することを防止できる。

さらに、センサは磁歪素子を含むとよい。これにより、センサは、クランク軸にかかるねじれを検出することができる。

さらに、当該自転車の駆動ユニットは、モータをさらに備えるとよい。これにより、アシスト走行を実現することができる。

さらに、当該自転車の駆動ユニットは、スプロケット接続部に連結される、スプロケットをさらに備えるとよい。これにより、踏力とモータの出力を合成した回転力を後輪に伝達することができる。

さらに、当該自転車の駆動ユニットは、クランク軸をさらに備えるとよい。これにより、ペダルにかけられたユーザの踏力を駆動力伝達部に伝達することができる。

さらに、当該自転車の駆動ユニットは、センサの検出結果に応じて、モータを制御する制御部をさらに含むとよい。これにより、ユーザの踏力の大きさに合わせて、モータの出力を制御することができるので、アシスト走行を実現することができる。

本発明によれば、自転車の駆動ユニットは、踏力とモータの出力を合成した回転力を検出できる。

本発明の第１の実施形態に係る駆動ユニットを組み込んだ電動補助自転車の一部を表す側面図。 本発明の第１の実施形態に係る駆動ユニットの断面図。 本発明の第１の実施形態に係る駆動ユニットを組み込んだ電動補助自転車のブロック図。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る駆動ユニット１を組み込んだ電動補助自転車の一部分を表す右側面図である。この電動補助自転車は、ペダル１００に作用する踏力を、クランクアーム１０１→クランク軸１０２→駆動ユニット１→フロントスプロケット１０３→チェーン１０４→リアスプロケット１０５という経路を経て、後車輪の車軸１０６まわりに回転可能に設けられるハブ体に伝達する。この過程で、この電動補助自転車は、モータ出力を補助動力として合成し、走行をアシストする。本実施形態は、後述するセンサでユーザの踏力を検出し、その検出値が設定値を超えたところで、モータを起動して踏力に応じたトルクを補助動力として発生させる。アシスト用のモータを含む駆動ユニット１は、一般にフレームのシートチューブの下端部とフレームのダウンチューブの後端部との連結部付近に配置され、図示しないボルトによってフレームに固定される。モータ駆動用のバッテリは、リアキャリア、ダウンチューブまたはシートチューブに沿って配置される。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る駆動ユニット１の断面図である。図２では、クランク軸１０２、回転軸１２０ｃおよび回転軸１３４のそれぞれの軸線を通る図１に示す切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面図を示している。本駆動ユニット１は、モータ（電動機）１２０と、第１接続部１３０と、第２接続部１６０と、駆動力伝達部１４０と、センサ１５０とを含んで構成される。

図２に示すように、本駆動ユニット１では、クランク軸１０２がケーシング１１１の貫通孔１１１ａに内挿されている。クランク軸１０２の軸方向の両端部は、ケーシング１１１からそれぞれ突出する。クランク軸１０２のスプロケット１０３とは反対側の端部は、第１軸受１１２を介してケーシング１１１に回転自在に支持されている。クランク軸１０２のスプロケット１０３側の端部は、第２軸受１１３、スプロケット１０３および第３軸受１１４を介してケーシング１１１に回転自在に支持されている。第２軸受１１３は、スプロケット１０３に支持され、スプロケット１０３は、第３軸受１１４に回転自在に支持されている。クランク軸１０２の軸方向の両端部には、図示しないクランクアーム１０１が着脱可能に取り付けられる。２つのクランクアーム１０１のうちの一方のクランクアーム１０１は、クランク軸１０２に着脱不能に構成されてもいてもよい。第１〜第３軸受は、たとえばラジアルベアリングによって実現される。

＜アシスト用モータの構成＞
モータ１２０は、その回転軸１２０ｃがクランク軸１０２と平行になるように配置される。モータ１２０の回転軸１２０ｃは、回転軸１２０ｃ方向に間隔を隔てて配置される第４軸受１２４ａ及び第５軸受１２４ｂにより回転自在に支持されている。回転軸１２０ｃはモータ１２０のロータ１２０aに固定されている。モータ１２０のステータ１２０ｂは、ロータ１２０aの外周に設けられ、ケーシング１１１に固定される。第４軸受１２４ａ、第５軸受１２４ｂは、それぞれ、ケーシング１１１に設けられる取付部１２２ａ、１２２ｂにより支持される。第４軸受１２４ａ、第５軸受１２４ｂは、たとえばラジアルベアリングによって実現される。

＜第１接続部の構成＞
モータ１２０の出力は、第１歯車１３１→第２歯車１３２→ワンウェイクラッチ１３３→回転軸１３４→第３歯車１３６を介して、駆動力伝達部１４０に伝達される。本発明の実施形態では、第1接続部１３０は、第１歯車１３１、第２歯車１３２、第１ワンウェイクラッチ１３３、回転軸１３４および第３歯車１３６を含んで構成される。回転軸１３４の回転軸線と、クランク軸１０２およびモータ１２０の回転軸１２０ｃの回転軸線とは、それぞれ平行に配置される。回転軸１３４の回転軸線は、クランク軸１０２およびモータ１２０の回転軸１２０ｃの回転軸線を含む平面から離反した位置に設けられる。これによってクランク軸１０２とモータ１２０の回転軸１２０ｃとをできるだけ近接して配置することができ、駆動ユニット１を小型に形成することができる。

第１歯車１３１は、回転軸１２０ｃと固着している。これによって、第１歯車１３１は、回転軸１２０ｃと一体となって回転する。

第２歯車１３２は、第１歯車１３１と噛み合っている。第２歯車１３２は、第１ワンウェイクラッチ１３３を介して、回転軸１３４周りに一方向に回転自在に支持されている。第１ワンウェイクラッチ１３３は、たとえば爪とラチェットとを備えるワンウェイクラッチによって実現される。第１ワンウェイクラッチ１３３は、第２歯車１３２の回転は回転軸１３４に伝達するが、回転軸１３４の回転は第２歯車１３２に伝達しないように設けられる。

回転軸１３４は、回転軸１３４方向に間隔を隔てて配置される第６軸受１３５ａ及び第７軸受１３５ｂにより回転自在に支持されている。第６軸受１３５ａ及び第７軸受１３５ｂは、ケーシング１１１に支持される。第６軸受１３５ａ及び第７軸受１３５ｂは、たとえばラジアルベアリングによって実現される。

第３歯車１３６は、回転軸１３４と固着している。これによって、第３歯車１３６は、回転軸１３４と一体となって回転する。第３歯車１３６は、回転軸１３４と一体に形成されていてもよい。第３歯車１３６は、後述する駆動力伝達部１４０と噛み合っている。

ここで、第２歯車１３２の歯数は、第１歯車１３１の歯数より多く、駆動力伝達部１４０の歯数は、第３歯車１３６の歯数より多い。さらに、第２歯車１３２の歯数は、第３歯車１３６の歯数よりも多い。第１歯車１３１と第２歯車１３２が噛み合い、第３歯車１３６と駆動力伝達部１４０と噛み合うことにより、２段減速を実現している。このように、第１接続部は減速機構を有する。

＜第２接続部の構成＞
ユーザの踏力は、ペダル１００→クランクアーム１０１→クランク軸１０２→第２ワンウェイクラッチ１０２ａを介して、駆動力伝達部１４０に伝達される。本発明の実施形態では、第２接続部１６０は、第２ワンウェイクラッチ１０２ａとワンウェイクラッチ取付部１０２ｂを含んで構成される。ワンウェイクラッチ取付部１０２ｂは、クランク軸１０２と固着している。これによって、ワンウェイクラッチ取付部１０２ｂは、クランク軸１０２と一体となって回転する。第２ワンウェイクラッチ１０２ａは、ワンウェイクラッチ取付部１０２ｂの外周部に設けられる。第２ワンウェイクラッチ１０２ａは、たとえば爪とラチェットとを備えるワンウェイクラッチによって実現される。第２ワンウェイクラッチ１０２ａは、クランク軸１０２の回転は連結部１４２に伝達するが、連結部１４２の回転はクランク軸１０２に伝達しないように設けられる。

＜駆動力伝達部の構成＞
駆動力伝達部１４０は、モータ１２０の出力及びクランク軸の回転力を合成した回転力をスプロケット１０３に伝達する。駆動力伝達部１４０は、スプロケット接続部１４１、連結部１４２、及び、センサ配置部１４３を備える。好ましくは、駆動力伝達部１４０は、クランク軸１０２を挿通する挿通孔１４４をさらに備えるとよい。ここでは、駆動力伝達部１４０は、筒状に形成される。駆動力伝達部１４０は、スプロケット接続部１４１およびセンサ配置部１４３を有する第１筒部１４０ａと、連結部１４２を形成する第２筒部１４０ｂと、第１筒部１４０ａおよび第２筒部１４０ｂを接続する接続部１４０ｃとを含む。第１筒部１４０ａ、第２筒部１４０ｂおよび接続部１４０ｃは、一体に形成される。

スプロケット接続部１４１は、スプロケット１０３を連結可能である。スプロケット接続部１４１は、たとえば、セレーションまたはスプラインによって、スプロケット１０３を駆動力伝達部１４０に固着する。スプロケット１０３は、スプロケット接続部１４１に圧入されてもよい。駆動力伝達部１４０のスプロケット接続部１４１側の端部は、スプロケット１０３および第３軸受１１４を介してケーシング１１１に回転可能に支持されている。スプロケット１０３は、スプロケット接続部１４１に接続される基部１０３ａと、スプロケット本体１０３ｂとを備える。基部１０３ａは、筒状に形成され、内周部にスプロケット接続部１４１が接続される。また基部１０３ａの内周部に第２軸受１１３が支持され、外周部が第３軸受１１４に支持される。基部１０３ａは、ケーシング１１１から貫通孔１１１ａを介して外側に突出する。

スプロケット本体１０３ｂは、基部１０３ａのケーシングから外部に突出する端部から、径方向に延び外周部に歯が形成される。本実施形態では、基部１０３ａと、スプロケット本体１０３ｂとは一体に形成されているが、別体で構成されてもよい。本実施形態では、スプロケット本体１０３ｂの外周部は、基部１０３ａに結合されている基端部に対して、ケーシング１１１側にオフセットして設けられる。

連結部１４２は、第１接続部１３０と第２接続部１６０を連結する。つまり、連結部１４２は、第３歯車１３６と噛み合う歯車を有し、第２ワンウェイクラッチ１０２ａに接続する。後述するセンサ１５０が駆動力伝達部１４０に生じるねじれを検出しやすいように、連結部１４２は、好ましくは、クランク軸１０２方向に、スプロケット接続部１４１と離隔して設けられるとよい。

連結部１４２を形成する第２筒部１４０ｂは、第１筒部１４０ａよりも外径が大きな筒状に形成される。接続部１４０ｃは、第１筒部１４０ａのスプロケット接続部１４１とは反対側の端部から径方向外側に延びて、径方向の外周部が第２筒部１４０ｂに接続される。第２筒部１４０ｂは、接続部１４０ｃからスプロケット接続部１４１とは反対側に延びる。

連結部１４２の外周部に第３歯車１３６が接続され、内周部に第２ワンウェイクラッチ１０２ａが接続される。第３歯車１３６と第２ワンウェイクラッチ１０２ａとは、クランク軸１０２に垂直な方向で、少なくとも一部が重なるように設けられる。

第１筒部１４０ａのスプロケット接続部１４１とは反対側の端部は、第８軸受１１５を介してクランク軸１０２に回転可能に支持されている。第８軸受１１５は、接続部１４０ｃとクランク軸１０２との間に配置されている。第８軸受１１５は、たとえばラジアルベアリングによって実現される。

センサ配置部１４３には、少なくともセンサ１５０の一部が設けられる。センサ１５０は、磁歪素子１５１と、検出コイル１５２とを含んで構成される。センサ配置部１４３は、スプロケット接続部１４１と連結部１４２との間に配置される。さらに、好ましくは、センサ配置部１４３は、第１筒部１４０ａの外周部に設けられるとよい。センサ配置部１４３には、たとえば、磁歪センサの一部である磁歪素子１５１が設けられる。図２に示されるように、センサ配置部１４３に磁歪素子１５１が設けられる場合、第１筒部１４０ａの外周側には、磁歪素子１５１の捩れを検出するためのコイル１５２が設けられる。この場合、磁歪素子１５１とコイル１５２によって、第１筒部１４０ａの捻れを検出するセンサ１５０（磁歪センサ）を形成する。検出コイル１５２は、この検出コイル１５２を保持するコイル保持部材（図示せず）に設けられる。コイル保持部材は、ケーシング１１１に固定されている。第１筒部１４０ａの捻れは、第１筒部１４０ａに生じるトルクに対応する。

なお、図２に示したセンサ１５０の例は、あくまでも一例であり、センサ１５０の代わりに歪ゲージ、半導体歪センサがセンサ配置部１４３に設けられてもよい。歪ゲージ、半導体歪センサなどをセンサ配置部１４３に設ける場合には、たとえばセンサ配置部１４３にさらに歪ゲージ、半導体歪センサなどからの信号を無線で送信する送信機を設けて、無線によってその信号またはその信号に基づく情報を外部に出力する。またセンサ１５０の代わりに、光を用いてセンサ配置部１４３の歪みを検出する光学式センサを設けてもよい。

＜モータ制御部の構成＞
図３は、駆動ユニット１を含む電動補助自転車の電動電気的な構成を示すブロック図である。電動補助自転車は、駆動ユニット１、制御部１１、インバータ部１２、速度センサ部１３、変速部１４および変速操作部１５を含んで構成される。制御部１１、インバータ部１２は、駆動ユニット１に含まれていても良い。また制御部１１およびインバータ部１２の少なくとも一方は、駆動ユニット１のケーシング１１１の内部または外周部に設けられてもよい。

モータ１２０は、たとえば３相ブラシレスＤＣモータによって実現され、インバータ部１２によって駆動される。インバータ部１２は、制御部１１の指令に基づいて、スイッチング制御によって直流を３相交流に変換する。速度センサ部１３は、自転車の走行速度を検出する。速度センサ部１３は、たとえば自転車の車輪に取り付けられる磁石と、フレームに取り付けられる磁石検出用センサとを含んで構成される。

制御部１１は、踏力および自転車の速度に応じて、インバータ部１２を制御する。ここで、前述するセンサ１５０は、モータ１２０の出力及びクランク軸の回転力を合成した回転力を検出する。制御部１１は、たとえば演算処理装置（ＣＰＵ）と、所定のプログラムが記録されたメモリとを含んで構成されている。制御部１１は、モータ１２０を駆動するためにインバータ部１２に出力する指令と、この指令に応じてモータ１２０が出力するトルクとの相関情報を有している。相関情報は、テーブルのようなもので表されてもよいし、関係式によって表されてもよい。このため制御部１１は、モータ１２０の出力トルクを把握することができる。したがって制御部１１は、センサ１５０が検出したモータ１２０の出力及びクランク軸の回転力を合成した回転力と、モータ１２０の出力トルクとに基づいて、踏力のみを算出することができる。これにより、制御部１１は、踏力に応じて、モータ１２０を制御することができる。制御部１１は、モータ１２０に流れる電流を計測してモータ１２０の駆動力を推定してもよい。

変速部１４は、電動アクチュエータおよび変速機を含んで構成される。変速機は、内装変速機、外装変速機のいずれであっても良い。電動アクチュエータは、制御部１１からの指令に応じて変速機を動作させる。

変速操作部１５は、スイッチを含んで構成され、変速の切換指示を制御部１１に与える。制御部１１は、マニュアル変速モードおよびオートマチック変速モードを有する。マニュアル変速モードでは、制御部１１は変速操作部１５からの変速の切換指令に応じて、変速部１４を制御する。オートマチック変速モードでは、制御部１１は、速度センサ部１３およびセンサ１５０の少なくとも一方の検出に応じて、変速部１４を制御する。本実施形態では、変速機を電動で制御しているが、通常のワイヤで変速操作部の操作に応じて機械的に変速機を制御する構成としてもよい。また本実施形態では、変速機を備えているが、変速機を備えない構成であってもよい。

＜第１の実施形態の効果＞
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態の駆動ユニットでは、連結部１４２においてモータ１２０の出力及びクランク軸の回転力を合成した回転力が得られる。そして、その回転力によって生じた筒部１４０ａの捻れは、スプロケット接続部１４１と連結部１４２との間に配置されるセンサ１５０によって検出される。したがって、本実施形態の駆動ユニットは、踏力とモータの出力を合成した回転力を検出することができる。

たとえば電動マニュアル変速機もしくはオート変速機を搭載している自転車であって、後輪に内装変速機を使用している自転車の場合、内装変速機に掛かっているトルクが小さいときに変速するのが望ましい。本実施形態では、センサ１５０によって踏力とモータの出力を合成した回転力を検出することができるので、内装変速機に掛かっている力を検出することができるようになり、この検出結果を用いれば、内装変速機に与えられるトルクが小さい範囲で変速を行う制御が可能となり、変速をスムーズに行うことが可能になる。

＜変形例＞
本実施形態では、第１接続部として４つの歯車から構成される減速機構を例示しているが、２つ、もしくは、６つ以上の歯車を用いて、減速機構を実現してもよい。また、モータ１２０が低速に駆動することが可能なのであれば、減速機構は省略されてもよい。その場合、モータ出力が、ワンウェイクラッチ１３３を経由して駆動力伝達部１４０に伝達される。

１ 駆動ユニット
１０１ クランクアーム
１０２ クランク軸
１０３ スプロケット
１０４ チェーン
１０５ リアスプロケット
１１１ ケーシング
１２０ モータ
１３１ 第１歯車
１３２ 第２歯車
１３６ 第３歯車
１４０ 駆動力伝達部
１４１ スプロケット接続部
１４２ 連結部
１４３ センサ配置部
１５１ 磁歪素子
１５２ コイル

Claims (12)

1. モータからの出力を伝達する第１接続部と、
   クランク軸からの踏力を伝達する第２接続部と、
   スプロケットを連結可能なスプロケット接続部、少なくともセンサの一部が設けられるセンサ配置部および前記第１接続部と前記第２接続部とが連結される連結部を有する駆動力伝達部と、を備え、
   前記センサ配置部が前記スプロケット接続部と前記連結部との間に配置されることを特徴とする、自転車の駆動ユニット。
2. 前記駆動力伝達部は、前記クランク軸を挿通する筒部を含む、請求項１に記載の自転車の駆動ユニット。
3. 前記センサ配置部は、前記筒部の外側に設けられ、
   前記センサは、前記筒部の捩れを検出することを特徴とする、請求項２に記載の自転車の駆動ユニット。
4. 前記第１接続部は、第１ワンウェイクラッチを含む、請求項１〜３のいずれか１つに記載の自転車の駆動ユニット。
5. 前記第２接続部は、第２ワンウェイクラッチを含む、請求項１〜４のいずれか１つに記載の自転車の駆動ユニット。
6. 前記第１接続部は、減速機構を有する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の自転車の駆動ユニット。
7. 前記減速機構は、前記モータの出力軸に接続された歯車と噛み合う第１ギアと、前記駆動力伝達部と噛み合う第２ギアをさらに含み、
   前記第１ギアと前記第２ギアとの間の経路に前記第１ワンウェイクラッチが設けられる、請求項４に係る請求項６に記載の自転車の駆動ユニット。
8. 前記センサは磁歪素子を含む、請求項３に記載の自転車の駆動ユニット。
9. 前記モータをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の自転車の駆動ユニット。
10. 前記スプロケット接続部に連結される、スプロケットをさらに備える、請求項１〜９のいずれか１つに記載の自転車の駆動ユニット。
11. 前記クランク軸をさらに備える、請求項１〜１０に記載の自転車の駆動ユニット。
12. 前記センサの検出結果に応じて、前記モータを制御する制御部をさらに含む、請求項１〜１１に記載の自転車の駆動ユニット。

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