JP3777086B2 - 動力アシスト自転車 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペダル踏力に補助動力を付加する動力アシスト自転車及び通常の自転車に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、ペダルから加えられた踏み込みトルクを検出し、検出された踏み込みトルクに基づいて電動の補助トルクを回転機構に印加し、搭乗者の人力を補助する電動アシスト自転車が提案・実施されている。
【０００３】
このような電動アシスト自転車では、トルク検出機構及び電動モータなどを車体フレームに付加し、例えばカバーなどでこれらを覆うことにより保護している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電動アシスト自転車では、車体フレームにトルク検出機構及び電動モータなどを新たに付加するため、重量が増加し、外観のスマートさが欠落するという問題がある。これを解決するため、車体フレームの軽量化を図ろうとすれば、強度が不足することになる。
【０００５】
本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、軽量化、強度の確保、及び、外観の向上を両立した動力アシスト自転車、並びに、通常の自転車を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、ドライブ軸に作用するペダル踏力に応じて補助動力を付加する動力アシスト自転車であって、ハンドル軸フレームから後方に延びる第１のフレームと、第１のフレームの下側に整列してハンドル軸フレームから後方に延びる第２のフレームと、サドルを支持するためのサドルフレームの延長部分より後方に配置され、第１のフレーム及び第２のフレームの間を連結する第３のフレームと、第１、第２及び第３のフレームにより画定された閉領域を覆うカバーハウジングと、を含んで構成したものである。
【０００７】
本発明によれば、車体のフレーム構造がねじれやすい前部の閉領域を、カバーハウジングで取り囲んだので、フレーム構造のねじれ変形を防止することができる。換言すれば、フレーム構造の強度を維持した状態で、可能な限り、フレームを軽量化し、かくして電動アシスト自転車全体を軽量化することができる。即ち、本発明のカバーハウジングは、従来技術の電動モータや検出機構等を覆う単なるカバーとは異なり、車体フレームの強度を向上させる働きを持っている。
【０００８】
好ましくは、サドルを支持するためのサドルフレーム（シートチューブ）の延長部分が、閉領域と交差するのがよい。例えば、その延長部分が閉領域内部の任意箇所に連結される。このように搭乗者の重量のかかるサドルフレームを閉領域に交差することにより、閉領域にねじれ応力を集中させ、以ってカバーハウジングでこれを万全に防止することで、車体フレーム全体のねじれ変形を的確に防止することができる。
【０００９】
また、好ましくは、補助動力を提供する駆動ユニット及び又は駆動ユニットの電源が、カバーハウジング内部に収容されるのがよい。かくして、カバーハウジングは、車体の強度確保と共に、駆動ユニットやバッテリーの保護、及び、これらが隠されたことによる外観の向上をもたらすことができる。
【００１０】
この駆動ユニットも車体フレームの強度向上に役立てることができる。好ましくは、駆動ユニットの側面がカバーハウジングから突出して、該カバーハウジングを支持する。これにより、カバーハウジングのねじれによる撓みを防止して、車体フレームの強度を更に改善することができる。この駆動ユニットは、第３のフレームに取り付けられるのが、合力機構を実現する上で好ましい。また、搭乗者の重量といった負荷にフレームが耐えられるように、サドルを支持するためのサドルフレームの下端部が、駆動ユニットに連結されるようにするのが好ましい。
【００１１】
第１のフレームは後輪ハブ付近まで延長されるようにしてもよい。これにより、車体フレームの構造を簡素化することができる。
第２のフレームの後端部は、ドライブ軸の支持部に連結されているのが好ましい。また、第３のフレームの下端部がドライブ軸の支持部に連結され、その上端部が第１のフレームに連結されるようにしてもよい。
【００１２】
カバーハウジングは、上記目的以外でも用いることができる。例えば、カバーハウジングがペダル踏力を後輪に伝達するための主スプロケットを少なくとも部分的に覆うようにすることで、主スプロケットの保護にも用いることができる。カバーハウジングの上部に収容ポケットを設け、電動アシスト自転車の利便性を高めることができる。
【００１３】
好ましくは、カバーハウジングは、軽量で高強度のプラスティック材料で作るのがよい。外観の向上又は趣味のため、このプラスティック材料として、無色若しくは色付きの透明材料、又は、色及び図柄模様のうち少なくともいずれかを備えた不透明材料を用いることができる。カバーハウジングは、例えば、閉領域の左右両側から補強プレートを各々取り付けることによって構成される。
【００１４】
本発明の合力機構を実現するため、好ましくは、本発明は、チェーンが帳設された主スプロケットと、駆動ユニットのトルク出力軸に連結された駆動スプロケットと、を更に含み、駆動スプロケットは、主スプロケットがチェーンに嵌合するところのチェーン部分に、該主スプロケットと一緒にチェーン内側から嵌合するように配置される。
【００１５】
ここで、「チェーン内側から嵌合」とは、チェーンにより囲まれている内側領域から外側に向かって嵌合することをいう。
本発明では、踏み込みトルクに基づき駆動ユニットを制御し補助トルクを出力させるとき、駆動ユニットのトルク出力軸に連結された駆動スプロケットが回転する。このとき、主スプロケット及び駆動スプロケットがチェーンに嵌合しているため、主スプロケットがペダル踏力をチェーンに提供すると共に駆動スプロケットがその回転力をチェーンに提供する。これによって、踏み込みトルクと補助トルクとの合力が達成される。この態様によれば、駆動スプロケットを主スプロケットと一緒にチェーンに嵌合させるという簡単な機構により合力を実現したので、その機構をより軽量かつコンパクトにすることができる。その上、主スプロケットがチェーンに嵌合するところのチェーン部分に駆動スプロケットがチェーン内側から嵌合するので、駆動スプロケットが主スプロケットに重なり合って見え、かくして従来のチェーン直接駆動方式と比べて、自転車の外観を損なうおそれがなくなる。最も好ましくは、駆動スプロケットが、主スプロケットの軸方向内側に配置されているのがよい。これによって、自転車外部から見ると、駆動スプロケットが主スプロケットに隠される。また、機構上の観点からも好ましい。
【００１６】
本発明にきわめて好適なトルク検出機構を実現するため、本発明の一態様は、ドライブ軸の実質的に一方向の回転のみを主スプロケットに伝達するようにドライブ軸と主スプロケットとを連結する一方向クラッチ手段と、一方向クラッチ手段のペダル踏力に応じた変形によって変化する物理量を検出する検出手段と、少なくとも検出手段により検出された物理量に基づいて補助動力を制御する制御手段と、を更に含んで構成される。
【００１７】
本発明では、ペダル踏力が付与されてドライブ軸が一方向（自転車の前進方向に対応する）に回転するとき、この踏み込みトルクが一方向クラッチ手段を介してスプロケットに伝達される。このスプロケットには、例えばチェーンからの引張力が負荷として作用し、この負荷と踏み込みトルクとの拮抗による応力のため、一方向クラッチ手段は歪むか及び／又は変形方向に沿ってその構成要素が変位するように変形する。この変形は、ペダル踏力に応じて定まる。即ち、ペダル踏力が大きくなるほど変形の度合いが増加し、逆に小さくなると、変形の度合いは減少する。このように変形をもたらす上記拮抗応力とこれに対抗する力とがバランスする。この拮抗応力に対抗する力として、一方向クラッチ手段には、その変形を元に戻すように弾性力が作用されるのが好ましい。例えば、一方向クラッチ手段の変形に対抗して弾性力を及ぼすための弾性体を配置する。なお、一方向クラッチ手段の構成要素にこの弾性力の少なくとも一部分を担わせてもよい。
【００１８】
一方向クラッチ手段の変形には、一方向クラッチ手段の全体又は一部の構成要素が弾性的に変形する場合のみならず、一方向クラッチ手段の剛体である構成要素の間の相対位置（回転を含む）の変化が含まれる。このようなペダル踏力に応じた変形を最も効率的に生じさせるため、一方向クラッチ手段は、ドライブ軸の軸方向に沿ってペダル踏力に応じた長さに伸縮するように変形するのが好ましい。
【００１９】
検出手段は、このような一方向クラッチ手段のペダル踏力に応じた変形により変化する物理量を検出する。この物理量には、一方向クラッチ手段の構成要素のみならず一方向クラッチ手段に連係する他の部材に関する物理量が含まれる。例えば、一方向クラッチ手段を構成する少なくとも１つの部品の車体フレームに対する位置若しくは応力歪み、一方向クラッチ手段を構成する少なくとも２つの部品の間の相対的な位置関係（クリアランス、部品間の角度等）、一方向クラッチ手段の変形方向に対抗する圧力の変化及び一方向クラッチ手段の変形方向に対抗して配置された部材（例えば弾性体）の応力歪みなどが挙げられる。この物理量の変化は、ペダル踏力に応じて定まるため、制御手段は、検出された物理量に基づいてペダル踏力を推定可能となり、かくして補助動力を制御することができる。
【００２０】
このように本態様によれば、自転車に必要不可欠である一方向クラッチ手段のペダル踏力に応じた変形によって変化する物理量に基づいて補助動力を制御するので、従来技術のように通常の自転車では用いられていないトルク検出用の大型コイルスプリングや円盤等の別体部品を追加する必要を無くし、本発明の上記課題をより高いレベルで実現することができる。
【００２１】
本態様では、一方向クラッチ手段の変形に対抗して好ましく配置される弾性体は、拮抗応力を直接受けず、一方向クラッチ手段を介してその変形方向の力を受けるので大型の弾性体ではある必要はない。その上、一方向クラッチ手段の変形量を少なくすることが可能なので、高さが横幅より小さい略平坦な弾性体を、一方向クラッチ手段の変形方向にその高さ方向を揃えて配置することができる。これによって、大幅な省スペースを図ることができる。このような略平坦な弾性体として、例えば皿バネなどがある。
【００２２】
このような一方向クラッチ手段の具体的な態様として、後述するラチェットギヤがあり、このラチェットギヤにトルク検出機構を用いるものである。
以上の構成は、電源や駆動ユニットなどを持たない通常の自転車にも適用することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態に係る動力アシスト自転車について図面を参照して説明する。なお、以下で述べる動力アシスト自転車は、一例として電動モータにより補助トルクを与える電動アシスト自転車として説明する。
（第１の実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態に係る電動アシスト自転車１の概略フレーム構造が示されている。各フレームは、可能な限り薄肉にして軽量化（例えば、自転車全体で２０ｋｇ以下）を図り、例えば、金属若しくは強化プラスティック製のパイプ若しくは補強した紙管、或いは、金属若しくは強化プラスティック製のプレートなどから構成される。
【００２４】
この電動アシスト自転車１のフレーム構造は、前部上フレーム３ａ、及び、このフレームより下方に略垂直方向に整列して配置された前部下フレーム３ｂを含んでいる。
【００２５】
前部上フレーム３ａの前端部は、ハンドル軸フレーム１６に連結され、その後端部は、後部フレーム３ｅに連結されている。後部フレーム３ｅは、後輪のハブ付近まで延びている。前部上フレーム３ａと、後部フレーム３ｅとは、連続したフレームとして作ることもできる。更に、前部上フレーム３ａには、サドルフレーム（シートチューブ）３ｄが交差するように連結されており、このサドルフレーム３ｄの頂上部には、サドル１８が取り付けられ、その下端部は、後述する駆動ユニット１３により支持されている。なお、このサドルフレーム３ｄは、搭乗者の背丈に合わせて高さを調節可能にするのが好ましい。
【００２６】
前部下フレーム３ｂの前端部は、ハンドル軸フレーム１６に連結され、その後端部は、ペダル軸受け１７に連結されている。このペダル軸受け１７には、ドライブ軸４が回転自在に軸支され、該ドライブ軸の左右両端部には、クランク棒（図示せず）を介してペダル（図示せず）が各々取り付けられている。更に、このペダル軸受け１７から中間支持フレーム３ｃが延びて後部フレーム３ｅに連結されている。この中間支持フレーム３ｃとサドルフレーム３ｄとを、連続したフレームとして作ってもよい。
【００２７】
図示のフレーム構造の第１の特徴は、前部上フレーム３ａ、前部下フレーム３ｂ及び中間支持フレーム３ｃが、これらにより囲まれた閉領域１５を画定するということである。この閉領域１５内部に電動アシスト自転車に必要な部材を任意好適に配置することができる。例えば、中間支持フレーム３ｃには、駆動ユニット１３が取り付けられている。この駆動ユニット１３は、検出した踏み込みトルクに基づいて電動補助トルクを提供するが、この詳細については、第２の実施形態で説明する。また、前部上フレーム３ａには、駆動ユニット１３に電源供給するためのバッテリー２０が取り付けられている。なお、これらの部材の配置は、任意に変更可能である。
【００２８】
図示のフレーム構造の第２の特徴は、閉領域１５の長さ方向の範囲がハンドル軸フレーム１６から、サドルフレーム３ｄの位置又は該サドルフレームより後方位置にまで亘っているということである。この範囲は、搭乗者の重量及び又は慣性と、ハンドルに加える力とによって車体フレームにねじれ応力が比較的作用しやすいところである。特に、本実施形態では、各フレームを薄肉にして軽量化を図っているため、このままではフレーム構造がねじれやすい。
【００２９】
この問題を解決するため、閉領域１５の左右両側には、図２に示すように、該閉領域の側面形状に合わせた形状を持つ補強プレート７Ｒ、７Ｌが取り付けられる。これらの補強プレート７Ｒ、７Ｌの材料として、例えば、アルミニウム、ジュラルミン等の軽量金属を用いることができる。更に好ましくは、高強度で軽量の合成樹脂、即ち、プラスティック材料などを用いるのがよい。例えば、強化プラスティクとして、エンジニアリングプラスティック（ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、変性ポリフェニレンエーテル、及び超高分子量ポリエチレン等）、更に強度を高めたスーパーエンジニアリングプラスティック、繊維強化プラスティック（ＦＲＰ、ＧＦＲＰ、ＣＦＲＰ）、並びに、カーボンファイバー等を用いることができる。
【００３０】
補強プレート７Ｒ、７Ｌには、閉領域１５の上面後半部分を覆うための折り曲げ部２５Ｒ、２５Ｌと、背面を覆うための折り曲げ部２６Ｒ、２６Ｌと、底面を覆うための折り曲げ部２７Ｒ、２７Ｌと、が設けられている。また、補強プレート７Ｒ、７Ｌには、駆動ユニット１３の左右両側の凸側面２１Ｒ（図１）、２１Ｌ（図２）が通過して突出可能な円状開口部２２Ｒ、２２Ｌが形成されている。更に、補強プレート７Ｒ、７Ｌには、ハンドル軸フレーム１６及びサドルフレーム３ｄが各々貫通可能な孔２８Ｒ、２８Ｌ及び孔２９Ｒ、２９Ｌが加工形成されている。
【００３１】
図２に示すように、前部上フレーム３ａ及びこれの延長部分である後部フレーム３ｅは、２つのプレート６Ｒ、６Ｌから構成され、補強プレートを容易に取り付けることができる。補強プレートの取り付けは、例えば溶接、接着剤、或いは図示しないボルト及びナット等を用いて行うことができる。
【００３２】
プレート６Ｒ、６Ｌは、側面方向からの力に対する曲げ強度を向上するため、平坦な状態からややねじった状態にしておくのが好ましい。また、前部上フレーム３ａをプレートではなく通常のパイプから構成してもよい。逆に、他のフレームを、適宜、パイプの代わりにプレートから構成することもできる。
【００３３】
図３に補強プレート７Ｒ、７Ｌを装着した電動アシスト自転車１の斜視図を示す。各フレームに装着された補強プレートは、閉領域１５を取り囲むカバーハウジング８を画成する。ここで、ドライブ軸４には、一方向の回転のみをスプロケットに伝達する一方向クラッチ手段として、後述するラチェットギヤを介して、被駆動側としての主スプロケット２が同軸に取り付けられる。図の例では、主スプロケット２は、カバーハウジング８即ち閉領域１５の外部にある。
【００３４】
以上のように、第１の実施形態では、フレーム構造がねじれやすい前部の閉領域１５を、軽量で高強度を持つ材料でできたカバーハウジング８で取り囲んだので、フレーム構造のねじれ変形を防止することができる。換言すれば、フレーム構造の強度を維持した状態で、可能な限り、フレームを軽量化し、かくして電動アシスト自転車全体を軽量化することができる。駆動ユニット１３を高強度のハウジングで構成すれば、駆動ユニット自体を補強用のフレーム支柱として利用することも可能である。更に、駆動ユニット１３の左右両側の凸側面２１Ｒ（図１）、２１Ｌ（図２）が補強プレート７Ｒ、７Ｌの円状開口部２２Ｒ、２２Ｌを通過して突出しているので、補強プレート全体の撓みを防止してカバーハウジング８による補強強度を更に向上させることができる。補強プレートを駆動ユニット１３に連結してもよい。
【００３５】
また、カバーハウジング８は、電動アシスト自転車にとって必要な駆動ユニット１３やバッテリー２０を収容するので、これらを保護できると共に、自転車の外観を向上することができる。このうち駆動ユニット１３の左右両側の凸側面２１Ｒ（図１）、２１Ｌ（図２）は、外部から見えるため、これらの凸側面の形状に趣向を凝らすことでデザイン上の重要なアクセントとすることができる。更に、補強プレート７Ｒ、７Ｌを搭乗者の趣向に合った色に着色したり、透明にしたり、或いは、無色若しくは色付きの図柄模様を施したりすることによって、電動アシスト自転車全体のデザインをよりいっそう向上させることができる。
【００３６】
このように本発明の実施形態は、一つのカバーハウジング８を設けるだけで、軽量化、強度の確保及び外観の向上を同時に達成することができる。
補強プレート７Ｒ、７Ｌは、任意好適に変更可能であり、他の変形例を図４（ａ）、（ｂ）に示す。
【００３７】
図４（ａ）では、カバーハウジング８ａが主スプロケット２を部分的に覆っている。これにより、カバーハウジング８ａを主スプロケット２のカバーとしても兼用することができる。
【００３８】
図４（ｂ）では、カバーハウジング８ｂの上部に物入れ用のポケット９を設け、電動アシスト自転車の利便性を高めている。
（第２実施形態）
第２の実施形態は、電動アシスト自転車１における補助トルク及び踏み込みトルクの合力機構に関する。この合力機構は、第１の実施形態に係る電動アシスト自転車１に適用される。なお、第１の実施形態と同様の構成要件には、同一の符号を附して詳細な説明を省略する。
【００３９】
図５には、軸方向裏側から見た主スプロケット２付近の拡大正面図が示されている。
主スプロケット２と、後輪動力機構１０（図１）の内部に設けられた図示しないフリーホイールとの間には、無端回動のチェーン１２が張設されている。周知のように、前進方向のペダル踏力はドライブ軸４を回転させ、この回転力が踏み込みトルクとして主スプロケット２を回転させ、該踏み込みトルクはチェーン１２を介して後輪動力機構１０に伝達され、その結果、後輪を回転させて自転車１を前方に走らせる。
【００４０】
主スプロケット２がチェーン１２に嵌合するところのチェーン部分には駆動スプロケット１１が主スプロケット２と一緒にチェーン内側（チェーンで囲まれた領域側）から嵌合するように配置されている。図から理解できるように、駆動スプロケット１１は、ドライブ軸４と接触しないように、その直径が主スプロケット２の直径の２分の１より小さく形成されている。例えば、主スプロケット２の外径１３４ｍｍ程度の場合、一例として駆動スプロケット１１の外径を３８ｍｍ程度に形成する。
【００４１】
駆動スプロケット１１は、自転車外部から見ると、主スプロケット２の軸方向内側にその全体が隠されていて、僅かに主スプロケット２の孔から部分的に見えるだけである。よって、自転車の外観を損なうおそれがない。
【００４２】
この駆動スプロケット１１及び主スプロケット２のチェーン１２への嵌合状態を示すため、図５のラインＸ−Ｘ’に沿って取られた、この嵌合状態の部分断側面図の一部分を図６に示す。同図に示すように、チェーンのリンク（ローラリンク又はピンリンク）１２ａの一つの開口部１２ｂには、主スプロケット２の１つの歯２ａ及び駆動スプロケット１１の一つの歯１１ａが一緒に嵌合される。常にこの嵌合状態を維持するため、駆動スプロケット１１の隣接する歯１１ａの間隔（ピッチ）と、主スプロケット２の歯２ａのピッチとは、ほぼ同一に形成されている。好ましくは、リンク開口部１２ｂのほぼ中央を通過する仮想ライン１２ｃに対して、歯２ａ及び歯１１ａが略対称となるように、主スプロケット２及び駆動スプロケット１１が形成されるのがよい。
【００４３】
主スプロケット２の中央軸部が歯を備えた外周部に対し軸方向外側に突出する（図の例では２段付けられる）ように形成されているため、駆動スプロケット１１は、主スプロケットの裏面に当たることなく、主スプロケット２と共にチェーン１２に適切に嵌合できることがわかる。一例として、主スプロケット２の中央軸部はその外周部に対して約９．４ｍｍ程度、軸方向外側に突出するように段付けられている。
【００４４】
図６には、上記嵌合状態の他、駆動スプロケット１１が、ドライブ軸４に平行に延びるドライブ軸３５ａを介して駆動ユニット１３に作動的に連結された状態が示されている。この駆動ユニット１３は、バッテリー２０によって電源供給される電動モータ３７と、このモータによる回転を減速し、駆動スプロケット１１のドライブ軸３５ａに伝達する減速機構３５と、後述する歪応力検出信号に基づいてペダルに加えられた踏み込みトルクを演算し、この演算結果からモータ３７の回転速度を制御するコントロールユニット（コントローラ）１４と、をハウジング内に含む。減速機構３５における補助トルクの伝達経路の途中には、一方向にだけ動力を伝達する、いわゆる一方向クラッチ（図示せず）が設けられている。この一方向クラッチは、電動モータ３７からの補助トルクを駆動スプロケット１１に伝達するが、その逆方向、即ち駆動スプロケットから減速機構３５へはトルクを伝達しないように構成・接続される。これによって、非駆動時の電動モータ３７の負荷がチェーン１２に伝達することなく常に軽快な運転が可能となる。
【００４５】
この駆動ユニット１３によって補助トルクが駆動スプロケット１１に提供されたとき、その歯１１ａが主スプロケット２の歯２ａと一緒にチェーン１２のリンク開口部１２ｂに順次嵌合していき、これによって補助トルク及び踏み込みトルクの合力が達成される。
【００４６】
以上のように第２の実施形態では、主スプロケット２と一緒にチェーン１２に嵌合する駆動スプロケット１１によって合力機構を形成したので、簡素な駆動機構を別体の単一駆動ユニット１３として自転車に簡単に取り付けることができる。これにより、第１の実施形態の効果の上に、電動アシスト自転車１の軽量化及び低コスト化を達成することができる。好ましくは、チェーン１２のリンク開口部１２ｂの幅（図６）を通常の自転車と同様のサイズに形成し、その代わりに強度を維持したまま主スプロケット２の板厚を小さくする（例えば１．６ｍｍ程度）のがよい。このとき、駆動スプロケット１１の歯部の厚さも主スプロケット２の板厚と同程度に形成されるのが好ましい。これによって、主スプロケット２及び駆動スプロケット１１、かくして電動アシスト自転車１を更に軽量化できる。
（第３の実施形態）
第３実施形態では、電動アシスト自転車１のトルク検出機構を図７ないし図９を用いて説明する。このトルク検出機構は、第１及び第２の実施形態に係る電動アシスト自転車１に適用される。なお、第１及び第２の実施形態と同様の構成要件には、同一の符号を附して詳細な説明を省略する。
【００４７】
図７には、第３の実施形態に係るトルク検出機構を備えたラチェットギヤが示されている。このラチェットギヤを介して主スプロケット２がドライブ軸４に軸支されており、これによってドライブ軸４から受けた前進方向の踏み込みトルクのみが主スプロケット２に伝達される。
【００４８】
図８に示すように、ラチェットギヤは、駒部１００及び歯部１１２を備える。駒部１００では、３つのラチェット駒１０２が周方向に沿って等角度毎にその第２の係合面１１０に配置されている。このラチェット駒１０２は剛体でできており、第２の係合面１１０に近く且つ該係合面の略径方向に沿った軸の回りに回動可能とされている。ラチェット駒１０２は、ラチェット駒１０２に力が作用していないとき、その長さ方向が第２の係合面１１０に対して所定の角度をなす（図９の平衡方向１６０）ように駒立ち上げスプリング１０４によって付勢されている。図９に示すように、ラチェット駒１０２が平衡方向１６０から上昇方向ａ又は下降方向ｂに偏倚するとき、駒立ち上げスプリング１０４は、その偏倚を平衡方向１６０に戻すようにラチェット駒１０２に僅かな弾性力を及ぼす。
【００４９】
また、駒部１００の中央部には、ドライブ軸４を受け入れるための駒部ボア１０６が形成され、この駒部ボア１０６は、駒部１００の裏面１０１から突出した円筒部１０３も貫通している。裏面１０１には、円筒部１０３の外周囲に円状溝１５５（図７）が形成され、該円状溝１５５の中には、多数の鋼球１５２が回転自在に嵌め込まれている。これによって、裏面１０１には、軸方向の荷重受け兼滑り軸受け用のベアリングが形成される。
【００５０】
皿バネ１２４が、その中心孔１２７に円筒部１０３を通して駒部１００の裏面１０１に当接される。このとき、皿バネ１２４は、駒部１００からの圧力に弾力で対抗する方向に鋼球１５２即ち荷重受けベアリングを介して裏面１０１に滑動可能に接する。皿バネ１２４の表面には、１８０度の位置関係で対向する２個所に、歪みゲージ１２６が設置される。これらの歪みゲージ１２６は、リード線１２８を介してコントロールユニット１４に電気的に接続される。更に好ましくは、３個以上の歪みゲージを皿バネ１２４に設置してもよい。このとき、複数の歪みゲージを、皿バネ１２４の表面上で夫々が回転対称の位置となるように設置するのが好ましい。
【００５１】
皿バネ１２４は、椀状の支持器１３０の内底部１３２に収められる。支持器１３０には、ドライブ軸４を受け入れるため中央部を貫通する支持ボア１３３及び後面から突出する支持円筒部１３４が形成される。この支持円筒部１３４の内壁には、軸方向及び径方向の両荷重対応のベアリング１３８が係合される（図７参照）。ベアリング１３８は、ドライブ軸４に形成されたストッパー斜面１４４によって係止される。
【００５２】
駒部ボア１０６の内壁には、軸方向５に延びる第１の回転防止用溝１０８が４個所に形成されている。駒部ボア１０６の内壁と摺接するドライブ軸４の外壁部分にも、第１の回転防止用溝１０８と対面するように軸方向５に延びる第２の回転防止用溝１４０が４個所に形成されている。図１０（ａ）に示すように、第１の回転防止用溝１０８及びこれに対面する第２の回転防止用溝１４０は、軸方向に沿って延びる円柱溝を形成し、各々の円柱溝の中には、これを埋めるように多数の鋼球１５０が収容される。これによって、駒部１００は、軸方向５に沿って摩擦抵抗最小で移動できると共に、ドライブ軸４に対する相対回転が防止される。これは、一種のボールスプラインであるが、他の形式のボールスプライン、例えば無端回動のボールスプラインなどを、このような摺動可能な回転防止手段として適用することができる。
【００５３】
また、ボールスプライン以外の手段を用いることも可能である。例えば、図１０（ｂ）に示すように、軸方向に延びる突起部１４０ａをドライブ軸４に設け、該突起部１４０ａを収容する第３の回転防止用溝１０８ａを駒部１００に形成する、いわゆるキースプライン形式も回転防止手段として適用可能である。なお、図１０（ｂ）において、突起部１４０ａを駒部１００側に、第３の回転防止用溝１０８ａをドライブ軸４側に設けてもよい。更に、図１０（ｃ）に示すように、軸方向に延びる第４の回転防止用溝１０８ｂ及びこれに対面する第５の回転防止用溝１４０ｂを駒部１００及びドライブ軸４に夫々設け、これらの溝が形成する直方体状の溝の中にキープレートを収容する、いわゆるキー溝形式も回転防止手段として適用可能である。
【００５４】
歯部１１２の第１の係合面１２１には、ラチェット駒１０２と係合するための複数のラチェット歯１１４が形成されている。ラチェット歯１１４は、歯部の周方向に沿って互い違いに周期的に形成された、第１の係合面１２１に対してより急な斜面１１８と、より緩やかな斜面１１６と、から構成される。
【００５５】
歯部１１２は、その第１の係合面１２１を駒部１００の第２の係合面１１０に対面させるようにドライブ軸４に軸支され、ラチェット駒１０２とラチェット歯１１２とが係合される（図９）。このとき、ドライブ軸４はカラー１１１を介して歯部１１２の中央部に形成された歯部ボア１２０を通過し、ワッシャー１２２を介して端部１４２から固定される（図７）。更に、歯部１１２は、主スプロケット２並びにドライブ軸４に対して回転自在の支持器１３０と連結される。かくして、車体前進方向のドライブ軸４の回転のみを主スプロケット２に伝達するようにドライブ軸４と主スプロケット２とを連結するラチェットギヤが完成する。
【００５６】
好ましくは、オフセット用バネ１３６が、ドライブ軸４のストッパー斜面１４４と、駒部１００の裏面１０１との間に介在されるのがよい。このオフセット用バネ１３６は、ペダル踏力が所定値以下の場合（例えば事実上ゼロに近い場合）、裏面１０１に収容された鋼球１５２と皿バネ１２４との間にクリアランスを生じさせるように駒部１００を軸方向に偏倚させる。
【００５７】
次に、第３実施形態の作用を説明する。
搭乗者が図示しないペダルにペダル踏力を与え、ドライブ軸４を車体前進方向に回転させると、この回転力は、ドライブ軸４に対し回転不可能に軸支された駒部１００に伝達される。このとき、図９に示すように、ラチェット駒１０２は、駒部１００からペダル踏力に対応する力Ｆｄを与えられので、その先端部は歯部１１２のラチェット歯のより急な斜面１１８に当接し、この力をラチェット歯に伝達しようとする。ラチェット歯部１１２は、主スプロケット２に連結されているので、ラチェット駒１０２の先端部は、駆動のための負荷による力Ｆｐをより急な斜面１１８から受ける。その両端部から互いに反対向きの力Ｆｐ及びＦｄを与えられたラチェット駒１０２は、ａ方向に回転して立ち上がる。駒部１００は、ラチェット駒１０２の立ち上がりによって軸方向内側に移動し、駒部１００と支持器１３０との間に介在する皿バネ１２４を押し込む。皿バネ１２４は、これに対抗して弾性力Ｆｒを駒部１００に作用する。この力Ｆｒと、駒部１００を軸方向に移動させるペダル踏力を反映した力とは短時間で釣り合う。かくして、皿バネ１２４の応力歪み、駒部１００と歯部１１２との間のクリアランス、ラチェット駒１０２の第２の係合面１１０に対する角度、駒部１００の車体フレームに対する位置及び皿バネ１２４が押し込まれる圧力などはペダル踏力を反映する物理量となる。従って、これらのうち少なくとも１つを検出することによって踏み込みトルクＴを推定することが可能となる。
【００５８】
本実施形態では、一例として皿バネ１２４の応力歪みを検出する。コントロールユニット１４は、皿バネ１２４に設けられた２つの歪みゲージ１２６からの信号を少なくとも加算演算する（平均演算を含む）。このように複数箇所の応力歪み量を平均化して計測することによって、同じ踏み込みトルクでも出力変化を大きくとれ且つノイズ成分を平滑化することができるので、ＳＮ比を改善し、トルク推定精度を更に向上させることができる。この効果は、歪みゲージの個数が増えるほど大きくなる。
【００５９】
次に、コントロールユニット１４は、少なくとも以上のように演算された踏み込みトルクＴに基づいて印加すべきアシスト用の補助トルクＴｅを演算し、該補助トルクで回転駆動するように電動モータ３７を指令する制御信号を演算出力する。なお、自転車に車速センサーを取り付け、踏み込みトルクＴ及び車速の両方に基づいて補助トルクＴｅを演算してもよい。
【００６０】
例えば、最も簡単な電動アシスト制御の場合、演算された踏み込みトルクＴが所定値以上となったとき、電動モータ３７をオンにして踏み込みトルクに対し所定の比率を保つような補助トルクを指令するモータ制御信号を出力し、それ以外では電動モータをオフにするモータ制御信号を出力する。この場合、ペダル踏力を反映する物理量（歪みゲージの歪み抵抗値）それ自体を直接用いて、この値が一定値以上となったときのみに電動モータ３７をオンにしてもよい。
【００６１】
なお、ペダル踏力が所定値以下の場合などでは、オフセット用バネ１３６は、駒部１００の裏面１０１と皿バネ１２４との間にクリアランスを生じさせているため、鋼球１５２が皿バネ１２４に頻繁に衝突することが少なくなる。これによって、歪みゲージ信号のノイズ成分が軽減して、トルク検出及び電動アシスト制御の安定性を向上させることができる。
【００６２】
第３実施形態には以下のような更に優れた効果がある。
▲１▼ ラチェットギヤとトルク検出機構とを一つの機構で実現したので、部品点数の削減化が図られ、小型、軽量化及び低コストをよりいっそう高いレベルで達成できる。
▲２▼、踏み込みトルクを検出する部分に、受け荷重ユニットと荷重検出センサーとを一体化した皿バネを用い、２つの機能を１ユニットで実現したので、上記効果に加えて更に小型、軽量化及び低コストを達成できる。
▲３▼ 上記項目▲１▼及び▲２▼に示したようにトルク検出機構の小型、軽量化及び簡素化をより高いレベルで達成したので、通常の自転車であってもトルク検出機構を取り付ける可能性が更に広がった。
▲４▼ 上記項目▲１▼及び▲２▼で示した理由により、従来機構に比べて荷重の伝達ロスが少なくなり、制御の応答性のよいアシストフィーリングを実現できる。
▲５▼ 上記項目▲１▼及び▲２▼で示した理由により、従来機構（コイルバネ使用）に比べ、ペダルに無駄な動き（センサーが感知するまで）が無くなり、ペダルを踏み込んだときのフィーリングは、従来機構は踏み込み時に弾力感があったのに対し、本実施形態では、通常の自転車のフィーリングと同様になった。
【００６３】
以上が本発明の各実施形態であるが、本発明は、上記例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において任意好適に変更可能である。
例えば、上記各実施形態では、補助トルクを提供する手段として電動モータを例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、他の任意の動力手段、例えばガソリンエンジンなどを用いることも可能である。
【００６４】
また、第１の実施形態のフレーム構造、特に、カバーハウジング８内のフレームは任意好適に変更、付加可能である。例えば、前部上フレーム３ａと前部下フレーム３ｂとを連結するフレームを新たに設け、フレーム構造の強度を更に高めることもできる。また、閉領域１５の形状も図１の例に限定されるものではなく、車体強度が確保できる限りにおいて任意に変更できる。
【００６５】
なお、第１の実施形態のフレーム構造を、バッテリー２０や駆動ユニット１３などを持たない通常の自転車にも適用することができる。これにより、通常の自転車においても、軽量化、強度の確保、及び外観の向上といった本発明の効果を同様に享受することができる。
【００６６】
また、第３実施形態において、ラチェットギヤの駒及び歯のいずれか一方をスプロケットに取り付け、他方をドライブ軸に取り付けるかは、任意好適に変更可能である。例えば、駒部１００をスプロケット側に取り付け、歯部１１２をドライブ軸４に摺動可能且つ回転不可能に取り付け、歯部１１２によって皿バネ１２４を押し込めるようにしてもよい。また、第３実施形態では、ラチェット駒が３個の例を示したが、２個又は４個以上あってもよいことは勿論である。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した回転防止手段の溝の数及び突起部の数も、上記した以外の数であってもよい。更に、ラチェットギヤの変形に対抗して配置される弾性体も任意好適に種類及びその形状を変更可能である。皿バネやコイルバネ以外に例えばゴム弾性体などを用いることもできる。
【００６７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、第１、第２及び第３のフレームで画定された車体前部の閉領域を、カバーハウジングで取り囲んだので、動力アシスト自転車において、軽量化、強度の確保、及び、外観の向上を両立することができる、という優れた効果が得られる。
【００６８】
本発明は、電源や駆動ユニットなどを持たない通常の自転車にも適用するようにしたので、通常の自転車においても、上記効果を同様に享受することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電動アシスト自転車の概略フレーム構造を示す図である。
【図２】図１のフレーム構造に、補強プレートを取り付けるときの斜視図である。
【図３】カバーハウジングを取り付けた状態の図１の電動アシスト自転車の斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る電動アシスト自転車におけるカバーハウジングの変形例を示す図であって、（ａ）は、スプロケットを部分的に覆うカバーハウジング、（ｂ）は上部に収納ポケットを設けたカバーハウジングを示す。
【図５】本発明の第２実施形態に係る電動アシスト自転車の合力機構を示すための、スプロケット付近の拡大正面図である。
【図６】図５の合力機構の断面図及びこれに連結された駆動ユニットの内部構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係るトルク検出機構の側断面図である。
【図８】図７に示されたトルク検出機構を構成するラチェットギヤの分解斜視図である。
【図９】トルク検出機構の原理を説明するため、ラチェットギヤの歯及び駒の嵌合状態を示す図である。
【図１０】ドライブ軸に対する駒部の相対回転を防止する回転防止手段の例を示す図であり、（ａ）はボールスプライン、（ｂ）はスプラインキー、（ｃ）はキー溝の概略構成を示す上面図である。
【符号の説明】

Claims (20)

1. ドライブ軸に作用するペダル踏力に応じて補助動力を付加する動力アシスト自転車であって、
   ハンドル軸フレームから後方に延びる第１のフレームと、
   前記第１のフレームの下側に整列して前記ハンドル軸フレームから後方に延びる第２のフレームと、
   サドルを支持するためのサドルフレームの延長部分より後方に配置され、前記第１のフレーム及び前記第２のフレームの間を連結する第３のフレームと、
   前記第１、第２及び第３のフレームにより画定された閉領域を覆うカバーハウジングと、
   を含む動力アシスト自転車。
2. 前記サドルフレームの延長部分が、前記閉領域と交差する、請求項１に記載の動力アシスト自転車。
3. 前記補助動力を提供する駆動ユニットが、前記カバーハウジング内部に収容されている、請求項１又は２に記載の動力アシスト自転車。
4. 前記駆動ユニットの電源が前記カバーハウジングの内部に収容されている、請求項３に記載の動力アシスト自転車。
5. 前記駆動ユニットの側面が前記カバーハウジングから突出して、該カバーハウジングを支持する、請求項３に記載の動力アシスト自転車。
6. 前記駆動ユニットは、前記第３のフレームに取り付けられている、請求項３に記載の動力アシスト自転車。
7. サドルを支持するためのサドルフレームの下端部が、前記駆動ユニットに連結される、請求項６に記載の動力アシスト自転車。
8. 前記第１のフレームが後輪ハブ付近まで延長される、請求項１に記載の動力アシスト自転車。
9. 前記第２のフレームの後端部が前記ドライブ軸の支持部に連結されている、請求項１に記載の動力アシスト自転車。
10. 前記第３のフレームの下端部が前記ドライブ軸の支持部に連結され、その上端部が前記第１のフレームに連結されている、請求項９に記載の動力アシスト自転車。
11. 前記カバーハウジングが、ペダル踏力を後輪に伝達するための主スプロケットを少なくとも部分的に覆う、請求項１に記載の動力アシスト自転車。
12. 前記カバーハウジングの上部に収容ポケットが設けられている、請求項１に記載の動力アシスト自転車。
13. 前記カバーハウジングが軽量で高強度のプラスティック材料でできている、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の動力アシスト自転車。
14. 前記プラスティック材料は、無色若しくは色付きの透明材料、又は、色及び図柄模様のうち少なくともいずれかを備えた不透明材料である、請求項１３に記載の動力アシスト自転車。
15. 前記カバーハウジングは、前記閉領域の左右両側から補強プレートを各々取り付けることによって構成される、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の動力アシスト自転車。
16. チェーンが帳設された主スプロケットと、
    前記駆動ユニットのトルク出力軸に連結された駆動スプロケットと、を更に含み、
    前記駆動スプロケットは、前記主スプロケットが前記チェーンに嵌合するところのチェーン部分に、該主スプロケットと一緒にチェーン内側から嵌合するように配置されていることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の動力アシスト自転車。
17. 前記ドライブ軸の実質的に一方向の回転のみを主スプロケットに伝達するように前記ドライブ軸と前記主スプロケットとを連結する一方向クラッチ手段と、
    前記一方向クラッチ手段の前記ペダル踏力に応じた変形によって変化する物理量を検出する検出手段と、
    少なくとも前記検出手段により検出された物理量に基づいて前記補助動力を制御する制御手段と、
    を更に含む、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の動力アシスト自転車。
18. 自転車であって、
    ハンドル軸フレームから後方に延びる第１のフレームと、
    前記第１のフレームの下側に整列して前記ハンドル軸フレームから後方に延びる第２のフレームと、
    サドルを支持するためのサドルフレームの延長部分より後方に配置され、前記第１のフレーム及び前記第２のフレームの間を連結する第３のフレームと、
    前記第１、第２及び第３のフレームにより画定された閉領域を覆うカバーハウジングと、
    を含む自転車。
19. 前記サドルフレームの延長部分が、前記閉領域と交差する、請求項１８に記載の自転車。
20. 前記カバーハウジングは、前記閉領域の左右両側から補強プレートを各々取り付けることによって構成される、請求項１８に記載の自転車。

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