JP2014037203A - 自転車用駆動ユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】アシスト走行のためのモータを共に有する駆動ユニットにおいて、軽量化、コンパクト化を実現する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、クランク軸１０２を配置可能な孔を有するモータ１２０と、孔の内部において、モータとクランク軸との間に少なくとも一部が配置されるセンサ部１５０と、を備える。
【選択図】図２
【解決手段】自転車の駆動ユニットは、クランク軸１０２を配置可能な孔を有するモータ１２０と、孔の内部において、モータとクランク軸との間に少なくとも一部が配置されるセンサ部１５０と、を備える。
【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、ペダルにおいて受けた踏力を伝達し、伝達された駆動力と、モータからの駆動力を合成する。そして、当該自転車は、合成した駆動力を後車輪に伝達することによって、後車輪を回転させる。
しかし、特許文献１の自転車の駆動ユニットは、モータの駆動力を決めるためにクランク軸に配置されたトルクセンサで踏力を測定する必要がある。このため、特許文献１の自転車の駆動ユニットは、クランク軸と、モータの出力軸とを別軸で構成しており、長大なケーシングを有する。したがって、自転車のデザインの自由度が低下し、重量が増大するという問題が生じる。
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共に有する自転車の駆動ユニットにおいて、軽量化、コンパクト化を実現す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、クランク軸を配置可能な孔を有するモータと、孔の内部において、モータとクランク軸との間に少なくとも一部が配置されるセンサ部と、を備える。
これにより、モータの孔にクランク軸を通し、モータの孔の内部にセンサ部を配置することができるので、自転車の駆動ユニットの軽量化、コンパクト化を実現する。
さらに、孔は、モータの回転中心部に設けられるとよい。また、クランク軸の回転軸と、モータの回転軸とは、同軸に設けられるとよい。これにより、モータの内部機構を簡略化することができるので、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、当該自転車の駆動ユニットは、モータの回転力と、クランク軸の回転力とが伝達される動力伝達部をさらに備えるとよい。これにより、モータによるアシスト機能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、クランク軸および動力伝達部の間の伝達経路に設けられ、複数のギア比を選択可能な変速機構をさらに備えるとよい。これにより、変速機構によって複数のギア比を選択可能であるので、効率的にモータによる補助駆動を行うことができる。
さらに、当該センサ部は、クランク軸と接続される第１接続部と、動力伝達部に回転力を伝達する第２接続部と、を備え、第１接続部と第２接続部は、クランク軸方向に離隔して設けられるとよい。これにより、センサ部は、クランク軸にかかるトルクを精度よく検出することができる。
さらに、当該センサ部は、第１接続部および第２接続部を有し、クランク軸を配置可能な挿通孔を有する中空部材と、中空部材の歪を検出する歪センサとを備えるとよい。これにより、既存のクランク軸に対し、センサ部を新たに装着することができる。
さらに、歪センサは、磁歪センサであるとよい。また、磁歪センサは、中空部材に設けられる磁歪素子と、磁歪素子の周囲に設けられるコイルとを備えるとよい。これにより、歪センサは、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、クランク軸をさらに備えるとよい。これにより、乗り手の踏力をセンサ部に伝達することができる。
さらに、動力伝達部は、スプロケットが接続されるスプロケット接続部を有するとよい。これにより、動力伝達部の出力をリアハブ等に伝達することができる。
さらに、モータの回転力は、ワンウェイクラッチを介して、動力伝達部に伝達されるとよい。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できる。
さらに、当該自転車の駆動ユニットは、減速機構をさらに有し、モータの回転力は、減速機構を介して、動力伝達部に伝達されるとよい。これにより、モータの出力を減速して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動力伝達部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、減速機構をさらに有し、モータの回転力は、減速機構に入力され、減速機構の出力は、ワンウェイクラッチを介して、動力伝達部に伝達されるとよい。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、モータは、アウタロータ形のモータであるとよい。また、モータは、インナーロータ形のモータであるとよい。
本発明によれば、アシスト走行のためのモータを共に有する駆動ユニットにおいて、軽量化、コンパクト化を実現する駆動ユニットを実現することができる。
＜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例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→リヤスプロケット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。その過程で、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。この電動補助自転車は、後述するセンサ部でクランク軸１０２に作用するトルクに応じた力を検出する。そして、この電動補助自転車は、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沿って配置される。
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例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→リヤスプロケット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。その過程で、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。この電動補助自転車は、後述するセンサ部でクランク軸１０２に作用するトルクに応じた力を検出する。そして、この電動補助自転車は、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沿って配置される。
本発明は、クランク軸の回転軸と、モータの回転軸とを同軸で構成する駆動ユニットを有することを特徴とするものである。以下では、駆動ユニット１の構造および機能を説明する。図２を参照すると、駆動ユニット１は、クランク軸１０２を配置可能な孔１２０ａを有するモータ１２０と、孔１２０ａの内部においてモータ１２０とクランク軸１０２との間に少なくとも一部が配置されるセンサ部１５０を備える。
図２に示されるように、クランク軸１０２は、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は、軸受１１２，１１３を介してケーシング１１１に回転自在に支持される。クランク軸１０２の両端には、クランクアーム１０１が着脱可能に取り付けられる。クランクアーム１０１は、ケーシング１１１の外部に配置される。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。
＜アシスト用モータの構成＞
モータ（電動機）１２０は、クランク軸１０２を配置可能な孔１２０ａを有する。孔１２０ａは、モータ１２０の回転中心部に設けられる。モータ１２０は、その回転軸がクランク軸１０２の回転軸と同軸になるように配置される。モータ１２０のステータ１２１は、円筒状に形成されて、励磁用コイルを巻かれてクランク軸１０２の同心円上に配置され、取付部１２２によりモータケース１２５に固定されている。モータケース１２５は、ケーシング１１１に固定される。ステータ１２１の径方向の内側に孔１２０ａが形成されている。ロータ１２３は、円筒状に形成されて、モータケース１２５に回転自在に支持される。ロータ１２３は、たとえば周方向に複数の磁極を有する磁石（図示せず）と、磁石を保持する磁石保持部（図示せず）とを有する。本実施の形態のモータは、ステータ１２１がロータ１２３に外囲されて設けられるアウタロータ式のモータである。ロータ１２３は、クランク軸方向に間隔を隔てて配置される第１軸受１２４ａ及び第２軸受１２４ｂによりクランク軸１０２周りに回転自在に支持される。第１軸受１２４ａ及び第２軸受１２４は、モータケース１２５に支持されている。なお、モータ１２０は図示を省略したインバータによって駆動される。インバータは、図示しない制御部によって駆動され、制御部は、踏力および自転車の速度に応じて、インバータを制御する。
モータ（電動機）１２０は、クランク軸１０２を配置可能な孔１２０ａを有する。孔１２０ａは、モータ１２０の回転中心部に設けられる。モータ１２０は、その回転軸がクランク軸１０２の回転軸と同軸になるように配置される。モータ１２０のステータ１２１は、円筒状に形成されて、励磁用コイルを巻かれてクランク軸１０２の同心円上に配置され、取付部１２２によりモータケース１２５に固定されている。モータケース１２５は、ケーシング１１１に固定される。ステータ１２１の径方向の内側に孔１２０ａが形成されている。ロータ１２３は、円筒状に形成されて、モータケース１２５に回転自在に支持される。ロータ１２３は、たとえば周方向に複数の磁極を有する磁石（図示せず）と、磁石を保持する磁石保持部（図示せず）とを有する。本実施の形態のモータは、ステータ１２１がロータ１２３に外囲されて設けられるアウタロータ式のモータである。ロータ１２３は、クランク軸方向に間隔を隔てて配置される第１軸受１２４ａ及び第２軸受１２４ｂによりクランク軸１０２周りに回転自在に支持される。第１軸受１２４ａ及び第２軸受１２４は、モータケース１２５に支持されている。なお、モータ１２０は図示を省略したインバータによって駆動される。インバータは、図示しない制御部によって駆動され、制御部は、踏力および自転車の速度に応じて、インバータを制御する。
＜センサ部の構成＞
センサ部１５０は、クランク軸１０２にかかるねじれを検出する。このねじれは、クランク軸１０２にかかるユーザの踏力に比例するので、ねじれを検出することにより、クランク軸１０２にかかるユーザの踏力が分かる。センサ部１５０は、クランク軸１０２を配置可能な挿入孔を有する中空部材１５１および歪センサ１５５を備える。中空部材１５１は、第１接続部１５１ａ、第２接続部１５１ｂ、及び、挿通孔１５１ｃを備える。第１接続部１５１ａは、クランク軸１０２と接続される。第２接続部１５１ｂは、後述する動力伝達部に回転力を伝達する。挿通孔１５１ｃには、クランク軸１０２を配置することができる。中空部材１５１は、第１接続部１５１ａを除いて、内側に配置されるクランク軸１０２から離間している。第１接続部１５１ａにおいて、中空部材１５１は、クランク軸１０２から突出したキーもしくはセレーションに挿入され、ネジ止めまたは圧入などの手段によって固着される。第１接続部１５１ａと第２接続部１５１ｂは、クランク軸１０２方向に離隔して設けられる。歪センサ１５５は、磁歪センサであって、中空部材１５１に設けられた磁歪素子１５５ａ、及び、磁歪素子１５５ａの周囲に設けられる検出コイル１５５ｂを備える。検出コイル１５５ｂは、固定部材１５６によってモータケース１２５に固定される。これにより、検出コイル１５５ｂは、ケーシング１１１に回転不可能に支持される。
センサ部１５０は、クランク軸１０２にかかるねじれを検出する。このねじれは、クランク軸１０２にかかるユーザの踏力に比例するので、ねじれを検出することにより、クランク軸１０２にかかるユーザの踏力が分かる。センサ部１５０は、クランク軸１０２を配置可能な挿入孔を有する中空部材１５１および歪センサ１５５を備える。中空部材１５１は、第１接続部１５１ａ、第２接続部１５１ｂ、及び、挿通孔１５１ｃを備える。第１接続部１５１ａは、クランク軸１０２と接続される。第２接続部１５１ｂは、後述する動力伝達部に回転力を伝達する。挿通孔１５１ｃには、クランク軸１０２を配置することができる。中空部材１５１は、第１接続部１５１ａを除いて、内側に配置されるクランク軸１０２から離間している。第１接続部１５１ａにおいて、中空部材１５１は、クランク軸１０２から突出したキーもしくはセレーションに挿入され、ネジ止めまたは圧入などの手段によって固着される。第１接続部１５１ａと第２接続部１５１ｂは、クランク軸１０２方向に離隔して設けられる。歪センサ１５５は、磁歪センサであって、中空部材１５１に設けられた磁歪素子１５５ａ、及び、磁歪素子１５５ａの周囲に設けられる検出コイル１５５ｂを備える。検出コイル１５５ｂは、固定部材１５６によってモータケース１２５に固定される。これにより、検出コイル１５５ｂは、ケーシング１１１に回転不可能に支持される。
センサ部１５０の一部は、モータ１２０とクランク軸１０２との間に少なくとも一部が配置される。本実施の形態でモータ１２０とクランク軸１０２との間は、モータ１２０の回転軸の延びる方向においてステータ１２１の両端の間の範囲Ｗで、かつクランク軸１０２との間の領域である。センサ部１５０のうち、歪センサ１５５の少なくとも一部または全部が、前記モータ１２０の回転軸の延びる方向でステータ１２１の両端の間で、かつクランク軸１０２との間の領域に設けられることが好ましい。歪センサ１５５の少なくとも一部または全部が、モータ１２０の回転軸の延びる方向においてステータ１２１の両端の間の範囲Ｗで、かつモータ１２０の回転軸の延びる方向においてロータ１２３と重なる範囲で、かつクランク軸１０２との間の領域に設けられてもよい。
＜減速機構の構成＞
減速機構１２７は、ロータ１２３の回転をトルク伝達部材１３０に伝達する。減速機構１２７は、１つ以上のギアを有する。図２の例は、減速機構１２７は２つの遊星歯車機構を有する場合を示す。第1の遊星歯車機構は、ロータ１２３に連結される第1太陽ギア部１２８ａと、複数の第1遊星歯車１２８ｂと、複数の第1遊星歯車１２８ｂを回転可能に支持する第1キャリア部１２８ｃと、ケーシング１１１に固定される第1リングギア部１２８ｄとを含む。第２の遊星車機構は、第1キャリア部１２８ｃに連結される第2太陽ギア部１２９ａと、複数の第２遊星歯車１２９ｂと、複数の第２遊星歯車１２９ｂを回転可能に支持する第２キャリア部１２９ｃと、ケーシング１１１に固定される第2リングギア部１２９ｄとを含む。減速機構１２７の出力は、トルク伝達部材１３０を介して、動力伝達部１３１（詳細は後述する）に伝達される。トルク伝達部材１３０は、第２キャリア部１２９ｄに結合され、ここでは一体に形成されている。トルク伝達部材１３０は、動力伝達部１３１（詳細は後述する）の内側面にワンウェイクラッチ１３２と回転支持部１３３とを介して、回転可能に支持される。回転支持部１３３は、本実施の形態では滑り軸受けによって構成されるが、ベアリングによって構成されてもよい。回転支持部１３３は、クランク軸に関してワンウェイクラッチ１３２よりも半径方向の外側に配置される。トルク伝達部材１３０はワンウェイクラッチ１３２の複数のクラッチ爪を支持する。
減速機構１２７は、ロータ１２３の回転をトルク伝達部材１３０に伝達する。減速機構１２７は、１つ以上のギアを有する。図２の例は、減速機構１２７は２つの遊星歯車機構を有する場合を示す。第1の遊星歯車機構は、ロータ１２３に連結される第1太陽ギア部１２８ａと、複数の第1遊星歯車１２８ｂと、複数の第1遊星歯車１２８ｂを回転可能に支持する第1キャリア部１２８ｃと、ケーシング１１１に固定される第1リングギア部１２８ｄとを含む。第２の遊星車機構は、第1キャリア部１２８ｃに連結される第2太陽ギア部１２９ａと、複数の第２遊星歯車１２９ｂと、複数の第２遊星歯車１２９ｂを回転可能に支持する第２キャリア部１２９ｃと、ケーシング１１１に固定される第2リングギア部１２９ｄとを含む。減速機構１２７の出力は、トルク伝達部材１３０を介して、動力伝達部１３１（詳細は後述する）に伝達される。トルク伝達部材１３０は、第２キャリア部１２９ｄに結合され、ここでは一体に形成されている。トルク伝達部材１３０は、動力伝達部１３１（詳細は後述する）の内側面にワンウェイクラッチ１３２と回転支持部１３３とを介して、回転可能に支持される。回転支持部１３３は、本実施の形態では滑り軸受けによって構成されるが、ベアリングによって構成されてもよい。回転支持部１３３は、クランク軸に関してワンウェイクラッチ１３２よりも半径方向の外側に配置される。トルク伝達部材１３０はワンウェイクラッチ１３２の複数のクラッチ爪を支持する。
＜動力伝達部の構成＞
動力伝達部１３１は、モータ１２０の回転力及びクランク軸１０２の回転力をフロントスプロケット１０３に伝達する。動力伝達部１３１は、クランク軸１０２の端部側に設けられる。動力伝達部１３１は、環状に形成されており、第１環状部分１３１ａ、第２環状部分１３１ｂ、及び第３環状部分１３１ｃを有する。第１環状部分１３１ａは、クランク軸１０２に沿って延びる。第２環状部分１３１ｂは、第１環状部分１３１ａのモータ１２０側の端部からクランク軸１０２に対して径方向に延びる。第３環状部分１３１ｃは、第２環状部分１３１ｂのモータ側の端部からクランク軸１０２と平行な方向に延びる。動力伝達部１３１の内周部は、ワンウェイクラッチ１３２を介して、トルク伝達部材１３０に連結されている。第２環状部分１３１ｂの内周部に、ワンウェイクラッチ１３２のクラッチ溝が形成される。第３環状部分１３１ｃの内周部に、回転支持部１３３が設けられる。回転支持部１３３は、トルク伝達部材１３０の回転を支持する。第１環状部分１３１ａの内周部に軸受１１３が設けられる。第１環状部分１３１ａの外周部には、軸受１３４が設けられる。これにより、動力伝達部１３１は、ケーシング１１１によって回転可能に支持される。軸受１１３および１３４は、たとえばラジアルベアリングによって形成され、軸受１１３の内輪体がクランク軸１０２を支持し、軸受１３４の外輪体がケーシング１１１に支持される。動力伝達部１３１の端部（第１環状部分の端部）は、ケーシング１１１の開口１１１ｂから外部に突出する。動力伝達部１３１は、第１環状部分１３１ａのケーシング１１１から突出した部分の外周部にスプロケット接続部１３１ｄを備える。スプロケット接続部１３１ｄには、たとえばボルトによってフロントスプロケット１０３が着脱可能に取り付けられる。これによって、フロントスプロケット１０３は、動力伝達部１３１と一体となって回転可能である。動力伝達部１３１は、第１環状部分１３１ａにおいて、中空部材１５１の第２接続部１５１ｂと固着している。これによって、動力伝達部１３１は、クランク軸１０２と一体となって回転する。動力伝達部１３１は、たとえばセレーションによって、着脱可能に第２接続部１５１ｂに取り付けられてもよい。
動力伝達部１３１は、モータ１２０の回転力及びクランク軸１０２の回転力をフロントスプロケット１０３に伝達する。動力伝達部１３１は、クランク軸１０２の端部側に設けられる。動力伝達部１３１は、環状に形成されており、第１環状部分１３１ａ、第２環状部分１３１ｂ、及び第３環状部分１３１ｃを有する。第１環状部分１３１ａは、クランク軸１０２に沿って延びる。第２環状部分１３１ｂは、第１環状部分１３１ａのモータ１２０側の端部からクランク軸１０２に対して径方向に延びる。第３環状部分１３１ｃは、第２環状部分１３１ｂのモータ側の端部からクランク軸１０２と平行な方向に延びる。動力伝達部１３１の内周部は、ワンウェイクラッチ１３２を介して、トルク伝達部材１３０に連結されている。第２環状部分１３１ｂの内周部に、ワンウェイクラッチ１３２のクラッチ溝が形成される。第３環状部分１３１ｃの内周部に、回転支持部１３３が設けられる。回転支持部１３３は、トルク伝達部材１３０の回転を支持する。第１環状部分１３１ａの内周部に軸受１１３が設けられる。第１環状部分１３１ａの外周部には、軸受１３４が設けられる。これにより、動力伝達部１３１は、ケーシング１１１によって回転可能に支持される。軸受１１３および１３４は、たとえばラジアルベアリングによって形成され、軸受１１３の内輪体がクランク軸１０２を支持し、軸受１３４の外輪体がケーシング１１１に支持される。動力伝達部１３１の端部（第１環状部分の端部）は、ケーシング１１１の開口１１１ｂから外部に突出する。動力伝達部１３１は、第１環状部分１３１ａのケーシング１１１から突出した部分の外周部にスプロケット接続部１３１ｄを備える。スプロケット接続部１３１ｄには、たとえばボルトによってフロントスプロケット１０３が着脱可能に取り付けられる。これによって、フロントスプロケット１０３は、動力伝達部１３１と一体となって回転可能である。動力伝達部１３１は、第１環状部分１３１ａにおいて、中空部材１５１の第２接続部１５１ｂと固着している。これによって、動力伝達部１３１は、クランク軸１０２と一体となって回転する。動力伝達部１３１は、たとえばセレーションによって、着脱可能に第２接続部１５１ｂに取り付けられてもよい。
＜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は、クランク軸の回転軸とモータの回転軸を同軸とし、クランク軸が配置されるモータの孔の中にセンサ部の少なくとも一部が配置される。これにより、本実施形態の駆動ユニットは、変速機構及び、アシスト走行のためのモータを共に有する軽量且つコンパクトな駆動ユニットを実現することができる。
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は、クランク軸の回転軸とモータの回転軸を同軸とし、クランク軸が配置されるモータの孔の中にセンサ部の少なくとも一部が配置される。これにより、本実施形態の駆動ユニットは、変速機構及び、アシスト走行のためのモータを共に有する軽量且つコンパクトな駆動ユニットを実現することができる。
＜第２の実施形態＞
図３は、本発明の第２の実施形態、及び、後述する第３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例を表す右側面図である。図３において、駆動ユニット１のうち変速機構に係る部分１ａ以外の構成は、第１の実施形態の駆動ユニット１と同様である。
図３は、本発明の第２の実施形態、及び、後述する第３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例を表す右側面図である。図３において、駆動ユニット１のうち変速機構に係る部分１ａ以外の構成は、第１の実施形態の駆動ユニット１と同様である。
本実施形態に係る駆動ユニット１は、クランク軸の回転軸と、モータの回転軸とを同軸で構成し、変速機構の回転軸をクランクおよびモータの回転軸とは異ならせて構成したことを特徴とするものである。以下では、駆動ユニット１の構造および機能を説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る駆動ユニット１の断面図である。第２の実施形態に係る駆動ユニット１は、第１の実施形態に係る駆動ユニット１と以下の点で異なる。センサ部１５０の第２接続部１５１ｂに係る回転力が、第１歯車１１４、第２歯車１６１、第１内部スプロケット１６２、及び、第２内部スプロケット１４１を介して、変速機構１４０に伝達される。また、変速機構１４０の出力が、第３歯車１４２を介して動力伝達部１３１に伝達される。これ以外の点については、第１の実施形態と同じであるため、以下の説明においては、第１の実施形態と相違する内容について詳細を説明する。
＜センサ部と変速機構との間の連結機構の構成＞
センサ部１５０の第２接続部１５１ｂは、第１歯車１１４と連結する。第１歯車１１４は、動力伝達部１３１のあるクランク軸１０２の端部と反対側の端部に設けられる。これに伴い、センサ部１５０の第１接続部１５１ａは、動力伝達部１３１側に設けられる。第１接続部１５１ａは、モータ１２０とクランク軸１０２との間の領域で、クランク軸１０２に連結する。第１歯車１１４は、第２接続部１５１ｂに固着して、クランク軸１０２と一体となって回転する。第１歯車１１４は、たとえばセレーションによって、着脱可能に第２接続部１５１ｂに取り付けられてもよい。中空部材１５１は、第１接続部１５１ａを除いて、内側に配置されるクランク軸１０２から離間している。本実施の形態においても、センサ部１５０の一部は、モータ１２０とクランク軸１０２との間に少なくとも一部が配置され、歪センサ１５５の少なくとも一部または全部が、前記モータ１２０の回転軸の延びる方向でステータ１２１の両端の間の領域Ｗで、かつクランク軸１０２との間の領域に設けられる。
センサ部１５０の第２接続部１５１ｂは、第１歯車１１４と連結する。第１歯車１１４は、動力伝達部１３１のあるクランク軸１０２の端部と反対側の端部に設けられる。これに伴い、センサ部１５０の第１接続部１５１ａは、動力伝達部１３１側に設けられる。第１接続部１５１ａは、モータ１２０とクランク軸１０２との間の領域で、クランク軸１０２に連結する。第１歯車１１４は、第２接続部１５１ｂに固着して、クランク軸１０２と一体となって回転する。第１歯車１１４は、たとえばセレーションによって、着脱可能に第２接続部１５１ｂに取り付けられてもよい。中空部材１５１は、第１接続部１５１ａを除いて、内側に配置されるクランク軸１０２から離間している。本実施の形態においても、センサ部１５０の一部は、モータ１２０とクランク軸１０２との間に少なくとも一部が配置され、歪センサ１５５の少なくとも一部または全部が、前記モータ１２０の回転軸の延びる方向でステータ１２１の両端の間の領域Ｗで、かつクランク軸１０２との間の領域に設けられる。
第２歯車１６１と第１内部スプロケット１６２は、互いに固着されており、一体となって回転する。第２歯車１６１は、第１歯車１１４と噛み合っている。第１内部スプロケット１６１は、図示しないチェーンまたはベルト等の伝達体を介して第２内部スプロケットに回転力を伝達する。第２内部スプロケット１４１は、変速機構１４０にトルクを入力する部材である。連結機構は、モータ１２０を挟んで動力伝達部１３１およびフロントスプロケット１０３とは反対側に設けられる。
＜変速機構の構成＞
変速機構１４０は、変速機構用モータユニット１４０ａと変速機構本体１４０ｂとを備える。変速機構用モータユニット１４０ａは、ハンドルに装着された変速操作部（図示せず）における乗り手の指示により、後述する変速機構本体１４０ｂの係止体を所定の位相に回転させる。変速機構用モータユニット１４０ａとして、例えば、特許第３５２９７２３号に開示されている公知のモータユニットを利用することができる。変速機構本体１４０ｂは、複数のギア比を選択可能な変速機である。変速機構本体１４０ｂとして、例えば、実用新案登録第３１４６１３８号に開示されている公知の変速機を利用することができる。変速機構本体１４０ｂの外周部には、第３歯車１４２が回転不能に装着される。第３歯車１４２は、変速機構本体１４０ｂの外周部に設けられる階段状に拡径する筒状の部材と一体的に回転可能である。
変速機構１４０は、変速機構用モータユニット１４０ａと変速機構本体１４０ｂとを備える。変速機構用モータユニット１４０ａは、ハンドルに装着された変速操作部（図示せず）における乗り手の指示により、後述する変速機構本体１４０ｂの係止体を所定の位相に回転させる。変速機構用モータユニット１４０ａとして、例えば、特許第３５２９７２３号に開示されている公知のモータユニットを利用することができる。変速機構本体１４０ｂは、複数のギア比を選択可能な変速機である。変速機構本体１４０ｂとして、例えば、実用新案登録第３１４６１３８号に開示されている公知の変速機を利用することができる。変速機構本体１４０ｂの外周部には、第３歯車１４２が回転不能に装着される。第３歯車１４２は、変速機構本体１４０ｂの外周部に設けられる階段状に拡径する筒状の部材と一体的に回転可能である。
＜駆動ユニットの動作＞
次に、本駆動ユニットの動作について説明する。乗り手の踏力によるトルクは、クランクアーム１０１→クランク軸１０２→第１接続部１５１ａ→第２接続部１５１ｂ→第１歯車１１４→第２歯車１６１→第１内部スプロケット１６２→第２内部スプロケット１４１→変速機構本体１４０ｂ→第３歯車１４２→動力伝達部１３１へと変速機構を介して伝達される。一方、モータからの出力トルクは、減速機構１２７→トルク伝達部材１３０→ワンウェイクラッチ１３２→動力伝達部１３１へと伝達される。動力伝達部１３１は、これら２つのトルクを合成し、フロントスプロケット１０３に合成したトルクを伝達する。これにより、モータによるアシストが実現される。
次に、本駆動ユニットの動作について説明する。乗り手の踏力によるトルクは、クランクアーム１０１→クランク軸１０２→第１接続部１５１ａ→第２接続部１５１ｂ→第１歯車１１４→第２歯車１６１→第１内部スプロケット１６２→第２内部スプロケット１４１→変速機構本体１４０ｂ→第３歯車１４２→動力伝達部１３１へと変速機構を介して伝達される。一方、モータからの出力トルクは、減速機構１２７→トルク伝達部材１３０→ワンウェイクラッチ１３２→動力伝達部１３１へと伝達される。動力伝達部１３１は、これら２つのトルクを合成し、フロントスプロケット１０３に合成したトルクを伝達する。これにより、モータによるアシストが実現される。
＜第２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は、第１の実施形態の効果に加えて以下の効果を奏する。変速機構の入力トルクとして、モータの出力トルクがかからないので、変速機構が内装変速機構と同様の遊星歯車機構を備える変速機構であっても、乗り手は、変速段の切り替えをスムーズに行うことができる。また変速機構によって複数のギア比を選択可能であるので、効率的にモータによる補助駆動を行うことができる。
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は、第１の実施形態の効果に加えて以下の効果を奏する。変速機構の入力トルクとして、モータの出力トルクがかからないので、変速機構が内装変速機構と同様の遊星歯車機構を備える変速機構であっても、乗り手は、変速段の切り替えをスムーズに行うことができる。また変速機構によって複数のギア比を選択可能であるので、効率的にモータによる補助駆動を行うことができる。
＜第３の実施形態＞
図５は、本発明の第３の実施形態に係る駆動ユニットの断面図である。第３の実施形態に係る駆動ユニットは、第２の実施形態に係る駆動ユニットと主に以下の点で異なる。モータ１２０は、ロータ１２３がステータ１２１に外囲されて設けられるインナーロータ式のモータである。以下の説明においては、第１の実施形態と相違する内容について詳細を説明する。なお、図５は、減速機構１２７は、便宜上、１つのギアを有する場合を例示しているが、あくまで例示に過ぎない。減速機構１２７の機能は、第１の実施形態、第２の実施形態と同じである。
図５は、本発明の第３の実施形態に係る駆動ユニットの断面図である。第３の実施形態に係る駆動ユニットは、第２の実施形態に係る駆動ユニットと主に以下の点で異なる。モータ１２０は、ロータ１２３がステータ１２１に外囲されて設けられるインナーロータ式のモータである。以下の説明においては、第１の実施形態と相違する内容について詳細を説明する。なお、図５は、減速機構１２７は、便宜上、１つのギアを有する場合を例示しているが、あくまで例示に過ぎない。減速機構１２７の機能は、第１の実施形態、第２の実施形態と同じである。
＜センサ部と変速機構との間の連結機構の構成＞
センサ部１５０の第２接続部１５１ｂは、第１歯車１１４と連結する。第１歯車１１４は、第２接続部１５１ｂに固着して、クランク軸１０２と一体となって回転する。第１歯車１１４は、たとえばセレーションによって、着脱可能に第２接続部１５１ｂに取り付けられてもよい。第１接続部１５１ａは、モータ１２０とクランク軸１０２との間の領域で、クランク軸１０２に連結する。中空部材１５１は、第１接続部１５１ａを除いて、内側に配置されるクランク軸１０２から離間している。
センサ部１５０の第２接続部１５１ｂは、第１歯車１１４と連結する。第１歯車１１４は、第２接続部１５１ｂに固着して、クランク軸１０２と一体となって回転する。第１歯車１１４は、たとえばセレーションによって、着脱可能に第２接続部１５１ｂに取り付けられてもよい。第１接続部１５１ａは、モータ１２０とクランク軸１０２との間の領域で、クランク軸１０２に連結する。中空部材１５１は、第１接続部１５１ａを除いて、内側に配置されるクランク軸１０２から離間している。
第４歯車１４３は、第１歯車１１４と噛み合っている。第４歯車１４３は、変速機構１４０にトルクを入力する部材である。連結機構は、モータ１２０を挟んで動力伝達部１３１およびフロントスプロケット１０３とは反対側に設けられる。本実施の形態においても、センサ部１５０の一部は、モータ１２０とクランク軸１０２との間に少なくとも一部が配置され、歪センサ１５５の少なくとも一部または全部が、前記モータ１２０の回転軸の延びる方向でステータ１２１の両端の間の領域Ｗで、かつクランク軸１０２との間の領域に設けられる。
＜駆動ユニットの動作＞
次に、本駆動ユニットの動作について説明する。乗り手の踏力によるトルクは、クランクアーム１０１→クランク軸１０２→第１接続部１５１ａ→第２接続部１５１ｂ→第１歯車１１４→第４歯車１４３→変速機構本体１４０ｂ→第３歯車１４２→動力伝達部１３１へと変速機構を介して伝達される。一方、モータからの出力トルクは、減速機構１２７→トルク伝達部材１３０→ワンウェイクラッチ１３２→動力伝達部１３１へと伝達される。動力伝達部１３１は、これら２つのトルクを合成し、フロントスプロケット１０３に合成したトルクを伝達する。これにより、モータによるアシストが実現される。
次に、本駆動ユニットの動作について説明する。乗り手の踏力によるトルクは、クランクアーム１０１→クランク軸１０２→第１接続部１５１ａ→第２接続部１５１ｂ→第１歯車１１４→第４歯車１４３→変速機構本体１４０ｂ→第３歯車１４２→動力伝達部１３１へと変速機構を介して伝達される。一方、モータからの出力トルクは、減速機構１２７→トルク伝達部材１３０→ワンウェイクラッチ１３２→動力伝達部１３１へと伝達される。動力伝達部１３１は、これら２つのトルクを合成し、フロントスプロケット１０３に合成したトルクを伝達する。これにより、モータによるアシストが実現される。
＜第３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は、モータがインナーロータ形のモータであっても、第２の実施形態と同じ効果を奏することができる。
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は、モータがインナーロータ形のモータであっても、第２の実施形態と同じ効果を奏することができる。
なお、第３の実施形態は、変速機構１４０を含む場合を例示する。しかし、第３の実施形態は、第１の実施形態のセンサ部１５０及び動力伝達部１３１を備えることによって、変速機構１４０を含まなくてもよい。
＜変形例＞
以上の実施形態は、歪センサ１５５は磁歪センサである場合を例示するが、歪ゲージ、半導体歪センサであってもよい。また、磁歪素子１５５ａは、中空部材１５１に配置される場合が例示されているが、磁歪素子１５５ａは、クランク軸１０２に直接配置されてもよい。
以上の実施形態は、歪センサ１５５は磁歪センサである場合を例示するが、歪ゲージ、半導体歪センサであってもよい。また、磁歪素子１５５ａは、中空部材１５１に配置される場合が例示されているが、磁歪素子１５５ａは、クランク軸１０２に直接配置されてもよい。
さらに、以上の実施形態は、２種類の連結機構を例示するが、３つ以上の歯車を用いて、クランク軸１０２から変速機構１４０に駆動力を伝達してもよい。また、変速機構の出力部１４と、動力伝達部１３１との間に、複数の歯車を設けて駆動力を伝達してもよい。
また、変速機本体１４０ｂは、多段変速機に代えて無段変速機であってもよい。さらには、モータ１２０も、ブラシモータでもブラシレスモータであってもよい。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１２７は省略されてもよい。その場合、モータ出力が、そのままワンウェイクラッチ１３２に伝達される。
また、第２、第３の実施形態において、変速は手動で行っているが、自動で変速を行ってもよい。この場合、自転車の速度検出する速度センサを設けて、速度センサの出力と、トルク検出手段からの出力とに基づいて、制御部が変速機構用モータユニット１４０ａを制御して、変速機構１４０の変速を行う。
１ 駆動ユニット
１０２ クランク軸
１０３ スプロケット
１１１ ケーシング
１２０ モータ
１２１ ステータ
１２３ ロータ
１２７ 減速機構
１３０ トルク伝達部材
１３１ 動力伝達部
１３２ ワンウェイクラッチ
１４０ 変速機構
１０２ クランク軸
１０３ スプロケット
１１１ ケーシング
１２０ モータ
１２１ ステータ
１２３ ロータ
１２７ 減速機構
１３０ トルク伝達部材
１３１ 動力伝達部
１３２ ワンウェイクラッチ
１４０ 変速機構
Claims (16)
- クランク軸を配置可能な孔を有するモータと、
前記孔の内部において、前記モータと前記クランク軸との間に少なくとも一部が配置されるセンサ部と、
を備える自転車の駆動ユニット。 - 前記孔は、前記モータの回転中心部に設けられる、請求項１に記載の自転車の駆動ユニット。
- 前記クランク軸の回転軸と、前記モータの回転軸とは、同軸に設けられる、請求項２に記載の自転車の駆動ユニット。
- 前記モータの回転力と、クランク軸の回転力とが伝達される動力伝達部をさらに備える、請求項１に記載の自転車の駆動ユニット。
- 前記クランク軸および前記動力伝達部の間の伝達経路に設けられ、複数のギア比を選択可能な変速機構をさらに備える、請求項４に記載の自転車の駆動ユニット。
- 前記センサ部は、
前記クランク軸と接続される第１接続部と、
前記動力伝達部に回転力を伝達する第２接続部と、
を備え、
前記第１接続部と前記第２接続部は、前記クランク軸方向に離隔して設けられることを特徴とする、請求項４に記載の自転車の駆動ユニット。 - 前記センサ部は、
前記第１接続部および前記第２接続部を有し、前記クランク軸を配置可能な挿通孔を有する中空部材と、
前記中空部材の歪を検出する歪センサとを備える、請求項６に記載の自転車の駆動ユニット。 - 前記歪センサは、磁歪センサである、請求項７に記載の自転車の駆動ユニット。
- 前記磁歪センサは、
前記中空部材に設けられる磁歪素子と、
前記磁歪素子の周囲に設けられるコイルとを備える、請求項８に記載の自転車の駆動ユニット。 - 前記クランク軸をさらに備える、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。
- 前記動力伝達部は、スプロケットが接続されるスプロケット接続部を有する、請求項４に記載の自転車の駆動ユニット。
- 前記モータの回転力は、ワンウェイクラッチを介して、前記動力伝達部に伝達される、請求項４に記載の自転車の駆動ユニット。
- 減速機構をさらに有し、
前記モータの回転力は、減速機構を介して、前記動力伝達部に伝達される、請求項４に記載の自転車の駆動ユニット。 - 減速機構をさらに有し、
前記モータの回転力は、減速機構に入力され、
前記減速機構の出力は、ワンウェイクラッチを介して、前記動力伝達部に伝達される、請求項４に記載の自転車の駆動ユニット。 - 前記モータは、アウタロータ形のモータであることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１つに記載の自転車の駆動ユニット。
- 前記モータは、インナーロータ形のモータであることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１つに記載の自転車の駆動ユニット。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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