JP3154330B2 - 電動補助自転車の駆動力補助装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電動補助自転車の人力
を補助する駆動力補助装置に関する。

【０００２】

【従来技術】人力駆動系の負荷を検出して電動モータの
出力を制御する電動補助自転車としては特開平４−１０
０７９０号公報に記載された例がある。同例ではペダル
軸に加わる人力を後輪に伝達するドライブ軸の途中略中
間位置に捩り棒ばねからなる負荷検出手段を備えてお
り、同負荷検出手段の下流側の後輪寄りに電動モータの
駆動を電磁クラッチを介してドライブ軸に伝達するウォ
ーム歯車機構が設けられている。

【０００３】したがってドライブ軸の上流端においてペ
ダル軸により人力が伝達される人力駆動系とドライブ軸
の下流側においてウォーム歯車機構により駆動されるモ
ータ駆動系とが離れており、また負荷検出手段も人力駆
動系と離れている。

【０００４】

【解決しようとする課題】このように人力駆動系、モー
タ駆動系、負荷検出手段が互いに離れた位置にあってマ
スの集中化が図られておらず部品点数の増大及び装置の
大型化となっている。

【０００５】また負荷検出手段に加えられる人力トルク
に対して何らの配慮もされておらず、そのため人力トル
クに耐えうる負荷検出手段の強度が必要となり、一層装
置が大型化する。

【０００６】本発明は、かかる点に鑑みなされたもの
で、その目的とする処は駆動力補助装置のマスの集中を
図ることにより装置をコンパクト化し電動補助自転車に
好適な駆動力補助装置を供する点にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用効果】上記目的
を達成するために本発明は、ペダル人力駆動手段の駆動
力を駆動伝達手段を介して駆動輪に伝達するとともにモ
ータの駆動力を前記駆動伝達手段に伝え人力を補助して
走行する電動補助自転車において、前記駆動伝達手段
は、ワンウェイクラッチを介して大径ギアを軸支するペ
ダル軸と、前記ペダル軸に加えられる人力により変形す
る変形量を人力トルクとして検出するトルク検出手段を
軸上に備え前記トルク検出手段の上流側で前記大径ギア
に噛み合う小径ギアを一体に有するとともに前記トルク
検出手段の下流側に前記モータの駆動力をワンウェイク
ラッチを介して該軸に入力させるギアを軸支する動力伝
達軸とを備え、前記ペダル軸を回転自在に軸支するユニ
ットケースが、前記動力伝達軸を支持しかつ前記モータ
をペダル軸の後方で後輪の前方に一体に保持する電動補
助自転車の駆動力補助装置とした。

【０００８】人力駆動系のペダル軸を軸支するユニット
ケースが、トルク検出手段とモータ及びモータ駆動系を
統合して支持する構造であり、マスの集中化が図れ部品
点数も削減できる。

【０００９】またペダル軸側の大径ギアにトルク検出手
段の上流側の小径ギアが噛み合い、ペダルの回転が増速
されるので、ペダル軸に加わる人力トルクが低減されて
トルク検出手段に伝達される構造であり、トルク検出手
段の強度が容易に確保でき、もってコンパクトな人力ト
ルク検出手段が達成できる。

【００１０】このようにトルク検出手段のコンパクト化
により前記人力駆動系とトルク検出手段、モータ駆動系
の統合に際して、駆動力補助装置を小型化してユニット
ケースに納めることが可能となり、電動補助自転車に好
適である。

【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の電
動補助自転車の駆動力補助装置において、前記動力伝達
軸に設けられるワンウェイクラッチが、前記動力伝達軸
上の前記ギア部に設けられることを特徴とする。

【００１２】ワンウェイクラッチを動力伝達軸上のギア
部に設けることで、一層装置のコンパクト化に寄与で
き、延いては駆動力補助装置の一層の小型化を図ること
ができる。

【００１３】

【実施の形態】以下図１ないし図４に図示した本発明の
一実施例について説明する。図１は本実施例の駆動力補
助装置を用いた二輪車１の側面図である。

【００１４】車体フレームは、ヘッドパイプ２から後輪
10の軸支部にかけて斜め下方に略直線状にメインフレー
ム３が延出するとともに後方へ略水平にサブフレーム４
が延出し、メインフレーム３の途中から上方に立設した
シートポスト５がサブフレーム４の後端と連結して構成
されている。

【００１５】ヘッドパイプ２に回動自在に支持されたフ
ロントフォーク８の下端に前輪９が軸支され、メインフ
レーム３の後端に取付ボルト25により取付けられた車軸
ケース21に後輪10が軸支されている。フロントフォーク
８の上方はハンドル11に連結され、シートポスト５の上
端にシート12が設けられている。

【００１６】メインフレーム３のシートポスト５との連
結部にはブラケット13を介してペダル軸ケース14が吊設
されてペダル軸ケース14より左右へ突出したペダル軸15
の両端にペダルアーム16が基端を嵌着して直角に取り付
けられ、ペダルアーム16の先端にペダル17が左右方向に
突設されて全体でペダルクランクを構成している。

【００１７】ペダル軸ケース14の後方のギアケース18よ
りドライブシャフト19が円筒カバー20を貫通して後方へ
延出して後輪10の車軸ケース21に嵌入している。ペダル
軸ケース14とギアケース18は１つのユニットケースを構
成している。このユニットケースのギアケース18に沿っ
てペダルクランクの間にモータ22が設けられている。メ
インフレーム３の内部は空洞が形成され、該空洞内には
バッテリ23およびコントロールユニット24が内蔵されて
いる。

【００１８】ペダル17による人力駆動系およびモータ22
によるモータ駆動系の構成を図２および図３に基づき説
明する。ペダル軸ケース14にベアリング15ａを介して回
転自在に支持されたペダル軸15には、ワンウェイクラッ
チ30を介装して大径のベベルギア31が嵌合されており、
ベベルギア31に直角に噛合する小径のベベルギア32がベ
アリング33ａで支持されてドライブシャフト19と同軸の
上流側軸半体33に嵌合し、同上流側軸半体33は下流側軸
半体34と磁歪合金35を介して連結されており、磁歪合金
35の歪みを検出することでトルクセンサ36を構成してい
る。

【００１９】下流側軸半体34はベアリング34ａに支持さ
れてギアケース18内に収まり、ドライブシャフト19と同
軸に嵌合されている。すなわちドライブシャフト19の前
端の連結部19ａに下流側軸半体の後半部が嵌入し一体に
固着されている。

【００２０】ドライブシャフト19は車軸ケース21内に嵌
入して端部にベベルギア37が嵌着され、ベベルギア37は
ベアリング37ａによって回動自在に支持されている。車
軸ケース21内にベアリング39ａによって回転自在に支持
される回転円筒軸39は内部を枢軸40によって貫通されニ
ードルベアリング45を介して支持されていて、回転円筒
軸39に嵌着されたベベルギア38が前記ドライブシャフト
19に嵌着されたベベルギア37と噛合している。

【００２１】ベベルギア38の右外側に回転円筒軸39を支
持するベアリング39ａが嵌入されさらにその外側を蓋部
材41が被せられ、蓋部材41より外側に突出した枢軸40の
右端ねじ部にナット42を螺合してベアリング39ａの抜け
を防止している。回転円筒軸39の左半部のスプライン溝
に後輪10のホイールハブ43が嵌合されてナット44によっ
て固定されている。

【００２２】なおメインフレーム３の後部は左右のフレ
ーム３ａ，３ｂに分かれており、右側フレーム３ｂは車
軸ケース21に取付けボルト25により取り付けられ、左側
フレーム３ａは後端３ｃがフォーク状に分岐して枢軸40
の左端を嵌合し枢軸40に形成されたフランジ40ａと枢軸
40の左端螺子部に螺合されたナット46とによってフレー
ム３ａの後端３ｃを挟着している。

【００２３】以上が人力駆動系であり、運転者がペダル
17を踏んでペダル軸15を回転駆動するとワンウェイクラ
ッチ30、ベベルギア31、32を介して上流側軸半体33を回
動し、さらに磁歪合金35を介して下流側軸半体34および
ドライブシャフト19を回動してベベルギア37、38を介し
て回転円筒軸39を後輪10とともに回転させ自転車として
走行させることができる。

【００２４】その際坂道などを登る時や走行開始時等負
荷が大きいときは、トルクセンサ36の検出電流値が増大
する。また、走行中ペダルを踏み込まないときは、後輪
10の回転はドライブシャフト19を伝わって前方のベベル
ギア31にまで伝達されるが、ワンウェイクラッチ30によ
ってペダル軸15およびペダル17には伝達されず、通常の
自転車走行時と同じ感覚で走行できる。

【００２５】次にペダル軸15より後方で左右のペダルク
ランク間に設けられたモータ22による駆動系について説
明する。ギアケース18は、下流側軸半体34を収納する部
分から左側へ膨出しており、その膨出部前面開口にモー
タ22が前方から嵌合されている。

【００２６】モータ22の後方へ突出した駆動軸の端部は
ギア50が形成されており、同ギア50にギア51が噛合し、
ギア51を一体に支持する回転軸52にはギア52ａが形成さ
れ、このギア52ａにギア53が噛合し、ギア53と一体の回
転軸54にギア54ａが形成されて減速ギア群が構成されて
いる。

【００２７】一方下流側軸半体34にワンウェイクラッチ
56を介してドグクラッチ可動部材55が若干の前後方向の
摺動を許して嵌合しておりドグクラッチ可動部材55の外
周のギア55ａが前記回転軸54のギア54ａと摺動自在に噛
合している。

【００２８】このドグクラッチ可動部材55の後端は、ド
ライブシャフト19の前端連結部19ａに形成された嵌合歯
部19ｂに相対向して噛合自在な嵌合歯部55ｂが形成され
てドグクラッチ57を構成している。

【００２９】ドグクラッチ可動部材55が前方へスライド
するとドグクラッチ57は離脱し、かかる状態でモータ21
が駆動すると、減速ギア群の噛合により減速されてドグ
クラッチ可動部材55を回転させ、さらにワンウェイクラ
ッチ56を介して下流側軸半体34およびドライブシャフト
19に伝達されて人力による後輪10の回転駆動の補助をす
ることができる。

【００３０】そしてドグクラッチ可動部材55が上記状態
にあるときは、ワンウェイクラッチ56により後輪10の回
転が減速ギア群およびモータ22へ伝達されることはなく
慣性で走行中等に減速ギア群およびモータ22が抵抗とな
ることはない。

【００３１】ドグクラッチ可動部材55が後方へスライド
し前端連結部19ａと係合したときは、後輪10の回転がド
ライブシャフト19から前端連結部19ａ、ドグクラッチ可
動部材55を介して減速ギア群に伝達され、最終的にモー
タ22に伝達されることになる。

【００３２】したがって減速ギア群およびモータ22はブ
レーキとして作用し、坂道を下りるとき等に利用でき
る。またブレーキとして作用しているときはモータ22は
発電機として働くので、この発電電力をモータ22に回生
させることができる。

【００３３】以上のモータ22による人力アシスト制御と
電力回生制御のコントロールユニット回路を図４に示
す。前記トルクセンサー36による負荷（トルク) 検出電
流は電流出力型のセンサーアンプ70により増幅されてコ
ントロールユニット24内の電流ー電圧変換回路71に入力
され、電圧に変換され、次の電圧シフト・増幅回路72で
トルク０のとき電圧が０ボルトになるよう合わせかつ増
幅を行っている。

【００３４】次の電圧保持回路73は、電圧の増加に対し
てはそのまま追随しペダルの負荷が瞬間的に零になるペ
ダルの上死点および下死点の位置での急激な電圧の低下
があった場合でもある程度電圧を保持して低下を緩やか
にし円滑な作動をさせるようにするため介装されたもの
で、その出力がＰＷＭ電圧比較回路74の＋入力端子に入
力される。

【００３５】ＰＷＭ電圧比較回路74の−入力端子には別
途三角波発生回路75から比較の基準となる三角波が入力
される。そこでＰＷＭ電圧比較回路74では、前記三角波
より電圧保持回路73の出力電圧が大きい間はＨレベルを
出力し、小さいときはＬレベルを出力してデューティ比
の変化した信号が出力される。

【００３６】ＰＷＭ電圧比較回路74の出力はＡＮＤゲー
ト回路76の１入力端子に入力され、ＡＮＤゲート回路76
の他の２つの入力端子には低負荷強制ＯＦＦ回路77およ
び電圧リミッター回路78からそれぞれ論理信号が入力さ
れる。

【００３７】低負荷強制ＯＦＦ回路77は前記電圧保持回
路73の出力を入力し所定の基準電圧より低い電圧のとき
は強制的にＯＦＦにすべくＬレベルをＡＮＤゲート回路
76に出力するものであり、電圧リミッター回路78は後記
する電流センサ81によるモータ22に流れる電流が必要以
上に大きくなるときはＬレベルを出力するものである。

【００３８】したがってＡＮＤゲート回路76では、電圧
保持回路73の出力が所定電圧以上でモータ22に流れる電
流が適性ならば、ＰＷＭ電圧比較回路74のデューティ信
号がそのまま出力され、それ以外のときはすべてデュー
ティ信号を遮断してＬレベルを出力する。ＡＮＤゲート
回路76の出力はＦＥＴプリアンプで増幅されてＭＯＳ−
ＦＥＴ80のゲート端子に入力されＭＯＳ−ＦＥＴ80をオ
ンオフ制御する。

【００３９】ＭＯＳ−ＦＥＴ80は、ドレイン端子がメイ
ンリレー83を介してバッテリ23の＋端子に接続され、ソ
ース端子が電流センサ81を介してモータ22の＋端子に接
続されている。バッテリ23の−端子はモータ22の−端子
に接続されている。なおモータ22の両端子にはフライホ
イールダイオード82が介装されている。

【００４０】そしてメインリレー83のリレーコイルとメ
インスイッチ84とが直列にバッテリ23の＋−端子間に介
装されてメインスイッチ84のオン操作でメインリレー83
が短絡するようになっている。他方モータ22とバッテリ
23の間にはＤＣ−ＤＣコンバータ等からなる回生回路85
が介装されている。

【００４１】以上のような制御回路において、通常走行
時には前記ドグクラッチは離脱した状態でメインスイッ
チ84を入れメインリレー83を短絡しておくと、ペダル17
を踏んで後輪10を駆動して走行中トルクセンサー36の検
出トルクに応じて形成されたデューティ信号がＭＯＳ−
ＦＥＴ80に入力され、ＭＯＳ−ＦＥＴ80をオンオフする
ことでバッテリ23から電流センサー81を介してモータ22
に電流が流れモータ21を駆動制御し人力をアシストす
る。

【００４２】特に坂道を登るとき等ペダルを踏む負荷が
大きいときにはデューティ比は略１でＭＯＳ−ＦＥＴ80
が常に導通状態で維持されて大きな電流がモータ22に流
れ大きな補助駆動力を得ることができ、また平坦な道で
は負荷に応じて適当なデューティ比でモータ22に電流が
流れ人力を補助して走行することができる。

【００４３】また緩やかな坂やペダルを踏み込まずに慣
性で走行するときには、ドグクラッチ57が離脱していれ
ば後輪10の回転はワンウェイクラッチ56によりモータの
減速機構には伝達されず抵抗を受けず、またワンウェイ
クラッチ30によりペダル17にも伝わらず、普通の自転車
のように走らすことができる。

【００４４】そして急坂道を下るとき等は、メインスイ
ッチ84を切ってメインリレー83を遮断しておき、ドグク
ラッチ57を入れれば後輪10の回転は減速機構およびモー
タ22に伝達されて抵抗を受けブレーキ作用を果すととも
にモータ22が発電機として働き、発電電力は回生回路85
を介してモータ22に回生される。

【００４５】モータ22は左右のペダルクランク間に配設
され外観の妨げとなるように大きく露出することはな
く、外観を良くすることができる。ペダル軸ケース14
が、その延設されたギアケース18とともに１つのユニッ
トケースを構成して、同ユニットケースが人力駆動系の
ペダル軸15を軸支するとともにトルクセンサー36とモー
タ駆動系を統合して支持する構造であり、マスの集中化
が図れ部品点数も削減できる。

【００４６】またペダル軸15側の大径のベベルギア31に
トルクセンサー36の上流側の小径のベベルギア32が噛み
合い、ペダル軸15に加わる人力トルクが大径ベベルギア
31と小径ベベルギア32の噛み合いにより低減されてトル
クセンサー36に伝達される構造であるので、トルクセン
サー36の磁歪合金35の強度が容易に確保されコンパクト
な人力トルクセンサー36が達成できる。

【００４７】またワンウェイクラッチ56を下流側軸半体
34上のギア55ａに設けることで、ワンウェイクラッチ56
自体をコンパクト化でき、延いては駆動力補助装置の一
層の小型化を図ることができる

【００４８】人力駆動系とトルクセンサー36、モータ駆
動系の統合及びトルクセンサー36のコンパクト化によ
り、駆動力補助装置を小型化してペダル軸ケース14，ギ
アケース18に納めることが可能となり、電動補助自転車
に好適である。

【００４９】以上の実施例では、トルクセンサー36をベ
ベルギア31、32の下流側に設けたが、図５に概略構成図
で示すように、ペダル軸15にトルクセンサー90を設ける
こともできる。なお同図においては他の部材の構成は全
く同じである。ペダル軸15にトルクセンサー90を配設す
ることでより直接的にペダルにかかる負荷を検出するこ
とができる。

【００５０】人力駆動系にトルクセンサー90が組み込ま
れるので、人力駆動系，トルクセンサー90，モータ駆動
系が容易に統合され、マスを集中して駆動力補助装置の
小型化が図れる。

【００５１】またチェーンを利用して駆動輪の動力を伝
達する乗物においても、チェーンをドライブシャフトに
対応させて本発明を適用することが可能である。すなわ
ち図６に概略構成図で示すように左右のペダル100 を連
結するペダルクランクのクランク軸101 にはワンウェイ
クラッチ102 を介してドライブスプロケット103 が取付
けられ、後輪104 の車軸105 に嵌着されたドリブンスプ
ロケット106 と前記ドライブスプロケット103 との間に
チェーン107 が架渡されている。

【００５２】ペダル100 の踏込みによる駆動はチェーン
107 を介して後輪104 に伝達されるが、逆に後輪104 か
らの駆動力はワンウェイクラッチ102 によりペダル100
には伝達されない。

【００５３】そしてモータ111 による補助駆動装置110
が図示されないが張力検出装置であるロードセルを介設
して車体に揺動自在に支持されており、かかる補助駆動
装置110 の出力軸112 にワンウェイクラッチ113 を介し
てアイドルスプロケット114が嵌合されており、このア
イドルスプロケット114 が上方からチェーン107 に押圧
状態で噛み合っている。

【００５４】出力軸112 にはクラッチ摺動部材115 が軸
方向に移動自在にスプライン嵌合して、クラッチ摺動部
材115 の周縁のアイドルスプロケット114 側に突設され
た嵌合噛部115 ａがアイドルスプロケット114 と嵌合可
能に構成されて断続クラッチを構成している。

【００５５】したがって断続クラッチが離脱状態でモー
タ111 の駆動はワンウェイクラッチ113 を介してアイド
ルスプロケット114 を回転させチェーン107 に動力を伝
達し人力を補助することができ、このモータ111 の駆動
は張力検出装置により検出された負荷に応じて制御され
る。

【００５６】そして断続クラッチを接続すると後輪104
からの駆動がチェーン107 、アイドルスプロケット114
、断続クラッチを介してモータ111 に伝達されて回生
制動を行うことができる。なお前記張力検出装置の代わ
りにトルクセンサーをクランク軸101 に設けることもで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の駆動力補助装置を適用した
二輪車の側面図である。

【図２】駆動系の前半部の構成を示す断面図である。

【図３】駆動系の後半部の構成を示す断面図である。

【図４】制御系の回路図である。

【図５】別実施例の駆動系の概略構成図である。

【図６】さらに別の実施例の駆動系の概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１…二輪車、２…ヘッドパイプ、３…メインフレーム、
４…サブフレーム、５…シートポスト、８…フロントフ
ォーク、９…前輪、10…後輪、11…ハンドル、12…シー
ト、13…ブラケット、14…ペダル軸ケース、15…ペダル
軸、16…ペダルアーム、17…ペダル、18…ギアケース、
19…ドライブシャフト、20…円筒カバー、21…車軸ケー
ス、22…モータ、23…バッテリ、24…コントロールユニ
ット、25…取付ボルト、30…ワンウェイクラッチ、31…
ベベルギア、32…ベベルギア、33…上流側軸半体、34…
下流側軸半体、35…磁歪合金、36…トルクセンサー、37
…ベベルギア、38…ベベルギア、39…回転円筒軸、40…
枢軸、41…蓋部材、42…ナット、43…ホィールハブ、44
…ナット、45…ニードルベアリング、46…ナット、50…
ギア、51…ギア、52…回転軸、53…ギア、54…回転軸、
55…ドグクラッチ可動部材、56…ワンウェイクラッチ、
57…ドグクラッチ、70…センサーアンプ、71…電流ー電
圧変換回路、72…電圧シフト増幅回路、73…電圧保持回
路、74…ＰＷＭ電圧比較回路、75…三角波発生回路、76
…ＡＮＤゲート回路、77…低負荷強制ＯＦＦ回路，78…
電圧リミッター回路、79…ＦＥＴプリアンプ、80…ＭＯ
Ｓ−ＦＥＴ、81…電流センサー、82…フライホイールダ
イオード、83…メインリレー、84…メインスイッチ、85
…回生回路、90…トルクセンサ、100 …ペダル、101 …
クランク軸、102 …ワンウェイクラッチ、103 …ドライ
ブスプロケット、104 …後輪、105 …車軸、106 …ドリ
ブンスプロケット、107…チェーン、110 …補助駆動装B
R>置、111 …モータ、112 …出力軸、113 …ワンウェイ
クラッチ、114 …アイドルスプロケット、115 …クラッ
チ摺動部材。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B62M 23/02 B62M 25/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ペダル人力駆動手段の駆動力を駆動伝達
   手段を介して駆動輪に伝達するとともにモータの駆動力
   を前記駆動伝達手段に伝え人力を補助して走行する電動
   補助自転車において、 前記駆動伝達手段は、 ワンウェイクラッチを介して大径ギアを軸支するペダル
   軸と、 前記ペダル軸に加えられる人力により変形する変形量を
   人力トルクとして検出するトルク検出手段を軸上に備え
   前記トルク検出手段の上流側で前記大径ギアに噛み合う
   小径ギアを一体に有するとともに前記トルク検出手段の
   下流側に前記モータの駆動力をワンウェイクラッチを介
   して該軸に入力させるギアを軸支する動力伝達軸とを備
   え、 前記ペダル軸を回転自在に軸支するユニットケースが、
   前記動力伝達軸を支持しかつ前記モータをペダル軸の後
   方で後輪の前方に一体に保持することを特徴とする電動
   補助自転車の駆動力補助装置。
2. 【請求項２】 前記動力伝達軸に設けられるワンウェイ
   クラッチは、前記動力伝達軸上の前記ギア部に設けられ
   ることを特徴とする請求項１記載の電動補助自転車の駆
   動力補助装置。