JP2015212105A - 電動アシスト自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】高弾性ベルトを採用することでチェーンを採用した場合と同等のトルク検出の応答性を維持しつつ、メンテナンス性を向上し、更に、押し歩きによって車体が後退させられた場合に車体が自走するのを防止することができる電動アシスト自転車を提供する。
【解決手段】電動アシスト自転車１は、ペダル踏力によってクランク軸１１ａに生じる回転トルクに応じた出力を補助動力モータ１７が発生するものである。電動アシスト自転車１は、後車輪５に設けられたハブ５ａにクランク軸１１ａからペダル踏力を伝達する高弾性ベルト１５と、回転トルクを検出するトルクセンサ２０と、押し歩き時にクランク軸１１ａが回転するのに伴って検出される回転トルクによる補助動力モータ１７の作動を抑制する制御回路１８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動アシスト自転車に関する。

従来、ペダル踏力によって駆動回転軸に生じる回転トルクに応じた出力を補助動力モータが発生する電動アシスト自転車においては、駆動回転軸に生じる回転トルクが所定値未満では、補助動力モータの作動が停止するよう制御することが提案されて実施されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５７−７４２８５号公報

ところで、駆動回転軸から車輪の従動回転軸へのペダル踏力の伝達に、チェーンに替えてベルトが用いられると、メンテナンス性が向上するという利点が想定される。特に、心線として複数のカーボンファイバーコードを有する高弾性ベルトを用いた場合、伸びが殆どないことから、一般的なベルトに要したテンショナーや張力調整機構を用いなくても、歯付プーリにおける歯飛びを防止することができる。更に、当該高弾性ベルトによれば、特に回転トルクの検出に磁歪式トルクセンサを用いた場合に、ペダル踏力の伝達における応答性をチェーンと同等、もしくは、一般的なベルトを用いた場合に比べて向上させることができる。

ところで、駆動回転軸から車輪の従動回転軸へのペダル踏力の伝達に、チェーンが用いられた場合には、停車状態においてチェーンには張力が殆ど発生しない。また、一般的なベルトが用いられた場合には、チェーンを用いた場合に比べれば張力が発生するが、通常、一般的なベルトを用いる際にはテンショナーや張力調整機構を用いて張力を調整していることからも分かるように一般的なベルトには伸びがあるため、停車状態において発生する張力は小さい。これらに対し、高弾性ベルトが用いられた場合には、伸びが殆どないことから、停車状態において発生する張力がチェーンや一般的なベルトに比べて大きくなる。また、高弾性ベルトには、チェーンや一般的なベルトに比べて大きな張力が発生しているため、ペダル踏力の検出に際して、製造誤差（例：組付誤差等）を要因とする影響が生じ易い。

したがって、駆動回転軸から車輪の従動回転軸へのペダル踏力の伝達に、高弾性ベルトが用いられると、電動アシスト自転車の電源がＯＮの状態で、押し歩き（運転者が歩行しつつ車体を走行させる行為）によって車体を移動（特に後退)させた場合に、クランクと共に駆動回転軸が回転し、トルクセンサが所定値以上の検出トルクを検出してしまう可能性がある。その場合、制御部がアシストを要する状態であると認識してしまい、運転者が意図していないアシストが補助動力モータによって発生させられ、車体が自走してしまう可能性がある。

そこで、本発明は、高弾性ベルトを採用することで、メンテナンス性を向上しつつ、押し歩きによって車体が後退させられた場合に車体が自走するのを防止することができる電動アシスト自転車を提供することを目的とする。

本発明の電動アシスト自転車は、ペダル踏力によって駆動回転軸に生じる回転トルクに応じた出力を補助動力モータが発生する電動アシスト自転車であって、車輪に設けられた従動回転軸に駆動回転軸からペダル踏力を伝達する高弾性ベルトと、回転トルクを検出するトルクセンサと、押し歩き時に駆動回転軸が回転するのに伴って検出される回転トルクによる補助動力モータの作動を抑制する制御部と、を備える。

上述したように、本願発明者らは、駆動回転軸から車輪の従動回転軸へのペダル踏力の伝達に高弾性ベルトが用いられると、押し歩きによって車体が移動（特に後退)させられた場合に、補助動力モータが作動して車体が自走するおそれがあるとの課題を見出した。当該課題に鑑み、本発明の電動アシスト自転車では、押し歩きによって車体が移動（特に後退)させられた場合に補助動力モータの作動が制御部によって抑制される。したがって、本発明の電動アシスト自転車によれば、高弾性ベルトを採用することで、メンテナンス性を向上しつつ、押し歩きによって車体が後退させられた場合に車体が自走するのを防止することができる。

本発明の電動アシスト自転車では、制御部は、トルクセンサによって検出された回転トルクが、高弾性ベルト用に設定された所定値未満である場合に、補助動力モータの作動を抑制してもよい。本願発明者らは、押し歩きによって車体が移動（特に後退）させられる場合には、駆動回転軸から車輪の従動回転軸へのペダル踏力の伝達にチェーンが用いられたときに比べ、当該ペダル踏力の伝達に高弾性ベルトが用いられたときには駆動回転軸に生じる回転トルクが大きく変動するとの知見を見出した。当該知見に鑑み、トルクセンサによって検出された回転トルクが、高弾性ベルト用に設定された所定値未満である場合に、補助動力モータの作動を抑制することで、押し歩きによって車体が移動（特に後退）させられた場合に車体が自走するのを確実に防止することができる。

本発明の電動アシスト自転車では、制御部は、補助動力モータの回転方向が、車体が後退させられたときの回転方向である場合に、補助動力モータの作動を抑制してもよい。また、本発明の電動アシスト自転車では、制御部は、駆動回転軸を含むクランクの回転方向が、車体が後退させられたときの回転方向である場合に、補助動力モータの作動を抑制してもよい。また、本発明の電動アシスト自転車では、制御部は、補助動力モータの回転速度又は駆動回転軸を含むクランクの回転速度が所定値未満である場合に、補助動力モータの作動を抑制してもよい。これらによっても、押し歩きによって車体が後退させられた場合に車体が自走するのを確実に防止することができる。

本発明の電動アシスト自転車では、高弾性ベルトは、心線として複数のカーボンファイバーコードを有してもよい。このような高弾性ベルトによれば、伸びが殆どないため、歯付プーリにおける歯飛びを防止することができる。更に、当該高弾性ベルトによれば、特に回転トルクの検出に磁歪式トルクセンサを用いた場合に、ペダル踏力の伝達における応答性をチェーンと同等、もしくは、一般的なベルトを用いた場合に比べて向上させることができる。

本発明の電動アシスト自転車では、高弾性ベルトの張力は、駆動回転軸に固定された駆動歯付プーリと従動回転軸に固定された従動歯付プーリとに掛け渡された状態のみで維持されていてもよい。これによれば、一般的なベルトに要したテンショナーや張力調整機構が不要となるため、構造の簡易化を図ることができる。

高弾性ベルトを採用することで、メンテナンス性を向上しつつ、押し歩きによって車体が後退させられた場合に車体が自走するのを防止することができる電動アシスト自転車を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態の電動アシスト自転車の側面図である。 図１の電動アシスト自転車のハンガーパイプ部の断面図である。 車体が後退させられた場合にクランク軸に生じる回転トルクの時間的変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、電動アシスト自転車１は、フレーム体２、前ホーク３、前車輪４、後車輪５、ハンドル６及びサドル７を含む車体１０を備えている。フレーム体２には、クランク１１がクランク軸（駆動回転軸）１１ａを中心として回転可能に取り付けられている。クランク１１のうち左右一対のクランクアーム１１ｂのそれぞれには、ペダル１２が回転可能に取り付けられている。なお、図１においては、ブレーキ本体その他の詳細な構成は、省略されている。

クランク軸１１ａには、駆動歯付プーリ１３が固定されている。後車輪５のハブ（従動回転軸）５ａには、ワンウェイクラッチ機構を介して従動歯付プーリ１４が固定されている。駆動歯付プーリ１３と従動歯付プーリ１４とには、高弾性ベルト１５が掛け渡されている。高弾性ベルト１５は、環状の（無端状の）歯付ベルトであって、クランク軸１１ａから後車輪５のハブ５ａにペダル踏力を伝達する。なお、ワンウェイクラッチ機構を介して後車輪５のハブ５ａに従動歯付プーリ１４が固定されているため、車体１０を前進させるためのペダル踏力のみが後車輪５に伝達される。

高弾性ベルト１５は、ポリウレタン等からなる母材に、ナイロン繊維が補強布として埋設されると共に、当該母材に、駆動方向に延在するカーボンファイバーコードが心線として埋設されたものである。高弾性ベルト１５の張力は、一般的なベルトに要したテンショナーや張力調整機構が用いられることなく、駆動歯付プーリ１３と従動歯付プーリ１４とに掛け渡された状態のみで維持されている。なお、所定のペダル踏力（Ｋｇｆ）を作用させた場合、高弾性ベルト１５のクランク進角（ｄｅｇ）は、一般的なベルトのクランク進角に比べ、チェーンのクランク進角と同程度に小さくなる。つまり、高弾性ベルト１５は、ペダル踏力の伝達において、チェーンと同等の応答性を有している。

フレーム体２には、バッテリー１６が取り付けられている。前車輪４の車輪軸４ａには、バッテリー１６の電力によって作動する補助動力モータ１７がインホイールモータ形式で設置されている。電動アシスト自転車１においては、ペダル踏力によってクランク軸１１ａに生じる回転トルクがトルクセンサ２０によって検出され、検出された回転トルクに応じた出力を補助動力モータ１７が発生する。

このような補助動力制御は、制御回路（制御部）１８によって実施される。本実施形態においては、制御回路１８は、クランク回転センサ（図示省略）によってクランク１１の回転が検出され且つトルクセンサ２０によって検出された回転トルクが所定値を超えた場合に、補助動力モータ１７を作動させて、当該回転トルクに応じて補助動力モータ１７の出力を調整する。

図２に示されるように、トルクセンサ２０は、ハンガーパイプ２ａ内に設置された磁歪式トルクセンサである。トルクセンサ２０は、ハウジング２１、一対のベアリング２２、磁歪軸２３、磁歪箔２４及び一対のコイル２５を有している。ハウジング２１は、ハンガーパイプ２ａ内に固定されている。一対のベアリング２２は、ハウジング２１内において磁歪軸２３を回転可能に支持している。磁歪軸２３には、クランク軸１１ａ及び駆動歯付プーリ１３が同心状に固定されている。磁歪箔２４は、磁性材料からなり、磁歪軸２３に設けられている。一対のコイル２５は、磁歪軸２３を包囲するようにハウジング２１内に配置されている。

トルクセンサ２０においては、磁歪軸２３を介して駆動歯付プーリ１３と一体で回転するクランク軸１１ａにペダル踏力が加わると、磁歪箔２４が捩じれて磁歪箔２４の透磁率が変化し、一対のコイル２５に誘起されるインダクタンスが変化する。そして、ペダル踏力に応じたインダクタンスの変化量が、クランク軸１１ａに生じた回転トルクとして、コード２６を介して制御回路１８に出力される。

図１に戻り、制御回路１８は、補助動力制御の他、押し歩き（運転者が歩行しつつ車体１０を走行させる行為）時にクランク軸１１ａが回転するのに伴って検出される回転トルクによる補助動力モータ１７の作動を抑制する制御を行う。より具体的には、制御回路１８は、クランク回転センサによってクランク１１の回転が検出されたとしても、トルクセンサ２０によって検出された回転トルクが、高弾性ベルト１５用に設定された所定値未満である場合に、補助動力モータ１７の作動を抑制する（すなわち、補助動力モータ１７を作動させず、停止状態を維持させる）。

なお、本実施形態では、ワンウェイクラッチ機構を介して後車輪５のハブ５ａに従動歯付プーリ１４が固定されているため、押し歩きによって車体１０が前進させられた場合には、クランク１１が回転せず、クランク回転センサによってクランク１１の回転が検出されない。そのため、制御回路１８は、押し歩きによって車体１０が前進させられた場合には、補助動力モータ１７を作動させることはない。

図３は、押し歩きによって車体１０が後退させられた場合にクランク軸１１ａに生じる回転トルクの時間的変化を示すグラフであり、（ａ）は、クランク軸１１ａから後車輪５へのペダル踏力の伝達に高弾性ベルト１５が用いられたとき、（ｂ）は、当該ペダル踏力の伝達にチェーンが用いられたときである。図３に示されるように、ペダル踏力の伝達に高弾性ベルト１５が用いられたときにクランク軸１１ａに生じる回転トルクの振幅は、ペダル踏力の伝達にチェーンが用いられたときにクランク軸１１ａに生じる回転トルクの振幅の４倍程度となる。なお、図３の（ａ）に示されるグラフの横軸１目盛り分の値は、図３の（ｂ）に示されるグラフの横軸１目盛り分の値の２倍に相当している。

このことから、押し歩きによって車体１０が後退させられた場合には、ペダル踏力の伝達にチェーンが用いられたときに比べ、ペダル踏力の伝達に高弾性ベルト１５が用いられたときに、クランク軸１１ａに生じる回転トルクが大きく変動することが分かる。したがって、制御回路１８には、ペダル踏力の伝達にチェーンが用いられるときに設定される閾値Ｔ０よりも高い閾値Ｔ１が、上述した高弾性ベルト１５用の所定値として設定されている。なお、これらの閾値を設定するための基準値は、温度特性、個体差、組付精度等の影響を受けないように、補正（いわゆる０点補正）によって更新されるようにしてもよい。また、制御回路１８は、クランク軸１１ａに生じる回転トルクが閾値に等しい場合に補助動力モータ１７の作動を抑制するように設定されていてもよいし、当該場合に補助動力モータ１７を作動させるように設定されていてもよい。

以上、説明したように、電動アシスト自転車１では、クランク軸１１ａから後車輪５のハブ５ａへのペダル踏力の伝達に高弾性ベルト１５が用いられると、押し歩きによって車体１０が移動（特に後退）させられた場合に、補助動力モータ１７が作動して車体１０が自走するおそれがあるとの課題に鑑み、押し歩きによって車体１０が移動（特に後退）させられた場合に補助動力モータ１７の作動が制御回路１８によって抑制される。したがって、電動アシスト自転車１によれば、高弾性ベルト１５を採用することで、メンテナンス性を向上しつつ、押し歩きによって車体１０が移動（特に後退）させられた場合に車体が自走するのを防止することができる。

特に、電動アシスト自転車１では、押し歩きによって車体１０が移動（特に後退）させられる場合には、クランク軸１１ａから後車輪５のハブ５ａへのペダル踏力の伝達にチェーンが用いられたときに比べ、当該ペダル踏力の伝達に高弾性ベルト１５が用いられたときに、クランク軸１１ａに生じる回転トルクが大きく変動するとの知見に鑑み、トルクセンサ２０によって検出された回転トルクが、高弾性ベルト１５用に設定された所定値未満である場合に、補助動力モータ１７の作動が制御回路１８によって抑制される。これにより、押し歩きによって車体１０が移動（特に後退）させられた場合に車体１０が自走するのを確実に防止することができる。

また、電動アシスト自転車１では、クランク軸１１ａから後車輪５のハブ５ａへのペダル踏力の伝達に、心線として複数のカーボンファイバーコードを有する高弾性ベルト１５が用いられている。このような高弾性ベルト１５によれば、伸びが殆どないため、駆動歯付プーリ１３及び従動歯付プーリ１４における歯飛びを防止することができる。更に、当該高弾性ベルトによれば、特に回転トルクの検出に磁歪式トルクセンサを用いた場合に、ペダル踏力の伝達における応答性をチェーンと同等、もしくは、一般的なベルトを用いた場合に比べて向上させることができる。

また、電動アシスト自転車１では、高弾性ベルト１５の張力が、クランク軸１１ａに固定された駆動歯付プーリ１３と後車輪５のハブ５ａに固定された従動歯付プーリ１４とに掛け渡された状態のみで維持されている。これにより、一般的なベルトに要したテンショナーや張力調整機構が不要となるため、構造の簡易化を図ることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、電動アシスト自転車１の各部には、上述した材料、形状及び構成に限らず、様々な材料、形状及び構成を適用することができる。一例として、補助動力モータ１７が、後車輪５の車輪軸にインホイールモータ形式で設置されていてもよい。

また、電動アシスト自転車１では、補助動力モータ１７の回転方向が、車体１０が後退させられたときの回転方向である場合に、制御回路１８が補助動力モータ１７の作動を抑制してもよい。なお、補助動力モータ１７の回転方向を検出する補助動力モータ回転方向検出手段としては、例えば、当該回転方向を検出するセンサを搭載したり、補助動力モータ１７のホール信号から算出したりすることで、検出することができる。

また、電動アシスト自転車１では、クランク１１の回転方向が、車体１０が後退させられたときの回転方向である場合に、制御回路１８が補助動力モータ１７の作動を抑制してもよい。なお、クランク１１の回転方向を検出するクランク回転方向検出手段としては、例えば、当該回転方向を検出するセンサを搭載することで、検出することができる。

また、電動アシスト自転車１では、補助動力モータ１７の回転速度又はクランク１１の回転速度が所定値未満である場合に、制御回路１８が補助動力モータ１７の作動を抑制してもよい。これらによっても、押し歩きによって車体１０が後退させられた場合に車体１０が自走するのを確実に防止することができる。なお、補助動力モータ１７の回転速度を検出する補助動力モータ回転速度検出手段としては、例えば、インホイールモータであれば車体１０の速度から算出したり、補助動力モータ１７のホール信号から算出したりすることで、検出することができる。また、クランク１１の回転速度を検出するクランク回転速度検出手段としては、例えば、クランク１１の回転センサから算出したり、トルクセンサ２０の検出値から算出したりすることで、検出することができる。

１…電動アシスト自転車、５…後車輪、５ａ…ハブ（従動回転軸）、１０…車体、１１ａ…クランク軸（駆動回転軸）、１３…駆動歯付プーリ、１４…従動歯付プーリ、１５…高弾性ベルト、１７…補助動力モータ、１８…制御回路（制御部）、２０…トルクセンサ。

Claims (7)

1. ペダル踏力によって駆動回転軸に生じる回転トルクに応じた出力を補助動力モータが発生する電動アシスト自転車であって、
   車輪に設けられた従動回転軸に前記駆動回転軸から前記ペダル踏力を伝達する高弾性ベルトと、
   前記回転トルクを検出するトルクセンサと、
   押し歩き時に前記駆動回転軸が回転するのに伴って検出される前記回転トルクによる前記補助動力モータの作動を抑制する制御部と、を備える、電動アシスト自転車。
2. 前記制御部は、前記トルクセンサによって検出された前記回転トルクが、前記高弾性ベルト用に設定された所定値未満である場合に、前記補助動力モータの作動を抑制する、請求項１記載の電動アシスト自転車。
3. 前記制御部は、前記補助動力モータの回転方向が、車体が後退させられたときの回転方向である場合に、前記補助動力モータの作動を抑制する、請求項１又は２記載の電動アシスト自転車。
4. 前記制御部は、前記駆動回転軸を含むクランクの回転方向が、車体が後退させられたときの回転方向である場合に、前記補助動力モータの作動を抑制する、請求項１〜３のいずれか一項記載の電動アシスト自転車。
5. 前記制御部は、前記補助動力モータの回転速度又は前記駆動回転軸を含むクランクの回転速度が所定値未満である場合に、前記補助動力モータの作動を抑制する、請求項１〜４のいずれか一項記載の電動アシスト自転車。
6. 前記高弾性ベルトは、心線として複数のカーボンファイバーコードを有する、請求項１〜５のいずれか一項記載の電動アシスト自転車。
7. 前記高弾性ベルトの張力は、前記駆動回転軸に固定された駆動歯付プーリと前記従動回転軸に固定された従動歯付プーリとに掛け渡された状態のみで維持されている、請求項６記載の電動アシスト自転車。

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