JP4056130B2 - 電動補助自転車における駆動補助装置 - Google Patents
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- B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
- B62M6/55—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at crank shafts parts
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動補助自転車における駆動補助装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般の自転車は発進の際に大きな力でペダルを踏み込むことが必要であったり、坂道を登る場合には特に大きなペダルの踏み込みが必要である。そこでペダルの踏み込み力を低減できるように電動補助自転車が開発された。
【０００３】
電動補助自転車は図２４に示すように、自転車フレームに形成されたブラケット１にモータと減速装置を組み込んだ駆動補助装置２が取り付けられている。ペダル３でクランク軸４を駆動してチェーン５を介して後輪６を駆動する際に、駆動補助装置２が前記駆動を補助するように構成されている。７は駆動補助装置２を駆動する電源としてのバッテリーが格納されたバッテリーボックスである。
【０００４】
駆動補助装置２の構成と後輪６との関係は図２５に示すように構成されている。
ペダル３を踏み込んでクランク軸４を回転させると、一方向性クラッチ８を介して歯車９が回転し、歯車１０，１１，１２を介して車輪駆動軸１３を回転させ、チェーン５を介して後輪６が駆動される。
【０００５】
この駆動補助装置２にはモータ１４が内蔵されており、このモータ１４の出力軸の回転は遊星歯車機構１５を介して減速されている。この減速出力は一方向性クラッチ１６を介して前記歯車１０の回転軸１７に連結されて前記クランク軸４の回転を補助している。モータ１４は、クランク軸４の回転速度と回転トルクに応じて制御部１８によって電力制御されている。
【０００６】
なお、この種の電動補助自転車の駆動補助装置２は特開平８−２８２５７５号公報などに開示されている。
この駆動補助装置２を使用することによって、発進の際や、坂道を登る場合のペダルの踏み込み力を一般の自転車に比べて低減できて比較的に乗りやすくなったが、坂道を登る場合のペダルの踏み込み力の更なる低減が期待されている。
【０００７】
そこで、図２６に示すように後輪６に変速機１９を設けて、坂道を登る場合のペダルの踏み込み力を低減させた電動補助自転車も存在している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図２６に示すように後輪６に設けた変速機１９は、利用者が手動操作で切り換える構造のものであるため操作性が悪い。
【０００９】
また、電動機自転車を原動機付き自転車と区別するために、電動機自転車では走行速度が規定速度（例えば、２４Ｋｍ／時）に達するまでは駆動補助装置２から補助力を発生するが、規定速度を越えると補助力をオフするように構成されている。この場合に、図２６に示した従来例の場合の駆動補助装置２は変速機１９の減速比が１：１の状態での走行速度が規定速度になる回転数に車輪駆動軸１３が達したことを検出してモータ１４への通電をオフして補助力がオフされるように構成されているので、変速機１９を使用して走行中には実際の走行速度が前記の規定速度に達していないにも係わらず補助力がオフされてしまって、適正なアシスト走行ができない問題がある。
【００１０】
この問題を解決するためには、後輪６の実際の回転数から走行速度を計算して規定速度に達した時点で補助力をオフするように構成することが考えられるが、この場合には、後輪６の回転数を計数するセンサ（図示せず）の増設とこのセンサの実装の手間が発生する問題がある。
【００１１】
本発明は、後輪に変速機を設けなくても坂道を登る場合などにペダルの踏み込み力を低減させることができる電動補助自転車における駆動補助装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の電動補助自転車における駆動補助装置は、ペダルで駆動されるクランク軸と車輪駆動軸の間に変速機構を設けたことを特徴とする。
【００１３】
この構成によると、後輪に変速機を設けなくてもペダルの踏み込み力を低減させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、ペダルで駆動されるクランク軸の仕事量に応じてモータの電力制御を実行し、前記モータの回転を減速機構を介して車輪駆動軸に伝達して前記クランク軸の回転を補助する電動補助自転車であって、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に変速機構を設け、モータの回転を車輪駆動軸に伝達する減速機構を前記クランク軸の軸心と並行に配設し、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に設けた変速機構を前記クランク軸の軸心と同一の軸心上に配設し、クランク軸の回転を車輪駆動軸に伝達する変速機構を、クランク軸に被せられて前記クランク軸と一体に回転する中空軸と、前記中空軸の外側にこの中空軸に対して回転自在で前記クランク軸の長さ方向に配列された複数枚の変速歯と、前記中空軸と前記変速歯とを選択的に連結するクラッチ部とで構成したことを特徴とする。
【００２０】
請求項２記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、ペダルで駆動されるクランク軸の仕事量に応じてモータの電力制御を実行し、前記モータの回転を減速機構を介して車輪駆動軸に伝達して前記クランク軸の回転を補助する電動補助自転車であって、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に変速機構を設け、モータの回転を車輪駆動軸に伝達する減速機構を前記クランク軸の軸心と並行に配設し、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に設けた変速機構を前記クランク軸の軸心と同一の軸心上に配設し、クランク軸の回転を車輪駆動軸に伝達する変速機構を、クランク軸に被せられて前記クランク軸と一体に回転する中空軸と、前記中空軸の外側にこの中空軸に対して回転自在の変速歯と、前記中空軸と前記変速歯とを選択的に連結するクラッチ部とで構成したことを特徴とする。
【００２１】
請求項３記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項１または請求項２において、クラッチ部を、クランク軸とこのクランク軸に被せられた中空軸との間に配設されてクランク軸に対してスライド自在で前記中空軸に穿設された貫通孔から変速歯の内周面に係合する位置に係合体を押し出すクラッチ切換体と、クランク軸の内側にこのクランク軸の軸芯方向にスライド自在に設けられ一端が前記クラッチ切換体に連結された連動軸と、中空軸の外側に被せられて前記クラッチの軸心方向にスライド自在で前記中空軸と前記クラッチに穿設された孔を介して前記連動軸の他端に連結された案内体と、前記クランク軸と中空軸の回転に伴って回転する前記案内体の回転を許すように前記案内体に係合し変速比の切り換えに際して前記クランク軸の軸芯方向にスライド駆動される作動体とで構成したことを特徴とする。
【００２２】
請求項４記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項３において、クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、前記クランク軸の仕事量に応じて前記アクチュエータを駆動して変速装置の変速率を切り換える制御部を設けたことを特徴とする。
【００２３】
請求項５記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項３において、クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、走行開始からの時間経過に応じて前記アクチュエータを駆動して変速機構の変速率を切り換える制御部を設けたことを特徴とする。
【００２４】
請求項６記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項３において、クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、前記クランク軸の仕事量と走行開始からの時間経過に応じて前記アクチュエータを駆動して変速装置の変速率を切り換える制御部を設けたことを特徴とする。
【００２５】
以下、本発明における各実施の形態を図１〜図２３に基づいて説明する。
なお、従来例を示す図２４と同様の作用を成すものには同一の符号を付けて説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は本発明の駆動補助装置の動力伝達図を示し、図２は断面図を示す。
図２に基づいて図１を説明する。
【００２７】
自転車フレームに形成されたブラケット１に取り付けられる本発明の駆動補助装置２の外装ケース２０には、ペダル３で駆動されるクランク軸４と、モータ１４と、モータ１４の回転を減速して車輪駆動軸１３に伝達する減速機構２１と、クランク軸４と車輪駆動軸１３の間に設けた変速機構２２などが内蔵されている。
【００２８】
クランク軸４の回転を補助する補助力は、次のように伝達される。
外装ケース２０には、モータ１４の出力軸１４ａと同軸上に軸２３が植設されている。軸２３にはベアリング２４を介してカップ状の従動体２５が回転自在に取り付けられている。
【００２９】
基端部がベアリング２４を介して支持されたこの従動体２５の先端側の外周には、一方向性クラッチ２６，２７を介して歯車２８，２９が取り付けられている。歯車２９には、周方向に所定角度ごとに軸３０，３０，・・・が植設されており、軸３０，３０，・・・には前記モータ１４の出力軸１４ａに噛合する歯車３１がベアリング３２を介して回転自在に取り付けられている。なお、歯車３１の歯は外装ケース２０の内周面に形成された歯３３に噛合している。
【００３０】
このように構成したため、従動体２５はモータ１４の回転を遊星歯車機構で減速した速度で回転する。
外装ケース２０には、車輪駆動軸１３がベアリング３４を介して回転自在に支持されている。車輪駆動軸１３の基端部には前記従動体２５の基端部（外装ケース２０の内側）の外周に形成された歯３５に噛合する歯車３６が形成されている。
【００３１】
クランク軸４は、一端がベアリング３７を介して外装ケース２０に支持され、他端は車輪駆動軸１３の中央の貫通孔１３ａに挿通されてベアリング３８を介在させて回転自在に支持されている。
【００３２】
このクランク軸４の外側には、図３に示す中空軸３９が被せられ、中空軸３９の基端部はクランク軸４の鍔部４ａに係合して中空軸３９はクランク軸４と一体に回転する。中空軸３９の先端側には、クランク軸４の外径よりも内径が大きな大径部４０と大径部４０の基端の外周に支持鍔部４１が形成されている。支持鍔部４１の外周には一方向性クラッチ４２を介して小径変速歯４３が取り付けられている。歯４３は前記歯車２９に噛合している。
【００３３】
中空軸３９に形成された大径部４０の外側には、変速機構２２を形成する大径変速歯車４４と中径変速歯車４５が回動自在に挿入されている。大径変速歯車４４は、大径中央部４４ａとこの外周に一方向性クラッチ４６を介して取り付けられた歯４４ｂとで形成されている。大径変速歯車４４の歯４４ｂは前記従動体２５の基端部に形成された歯３５に噛合している。
【００３４】
中径変速歯車４５は、従動体２５の先端部に一方向性クラッチ２６を介して取り付けられた前記歯２８に噛合している。
この大径変速歯車４４と中径変速歯車４５の内周面には、中空軸３９に形成された大径部４０に穿設された貫通孔４０ａ，４０ｂに対応して凹部４７が形成されており、中空軸３９の貫通孔４０ａ，４０ｂには鋼球４８が配置されている。
【００３５】
中空軸３９の貫通孔４０ａ，４０ｂからの鋼球４８の突出状態を切り換えるために、クランク軸４には、クランク軸４に対してスライド自在の筒状のクラッチ切換体４９が中空軸３９との間に配設されており、このクラッチ切換体４９の外周面には凸部４９ａが形成されている。
【００３６】
このクラッチ切換体４９は、次のようにしてクラッチ切換モータ５０によって駆動されている。
図４に示すように、クランク軸４には中心に内部通路４ｂが穿設されており、この内部通路４ｂには連動軸５１が挿入されている。クラッチ切換体４９とこの連動軸５１の先端との連結は、クラッチ切換体４９に穿設された孔４９ｂからクランク軸４に穿設された第１の長孔４ｃに向かって連結ピン５２ａを挿入して連動軸５１と連結されている。
【００３７】
クランク軸４には第１の長孔４ｃとは別に第２の長孔４ｄも穿設されており、中空軸３９にはこのクランク軸４の第２の長孔４ｄに対応して長孔３９ａが穿設されている。中空軸３９の長孔３９ａの外側にはスライド自在に環状の案内体５３が被せられており、案内体５３に穿設された孔５３ｂから中空軸３９の長孔３９ａとクランク軸４の第２の長孔４ｄに向かって連結ピン５２ｂを挿入して、前記連動軸５１と案内体５３とが連結されている。
【００３８】
なお、連結ピン５２ａが挿入されたクラッチ切換体４９の孔４９ｂならびに連結ピン５２ｂが挿入された案内体５３の孔５３ｂは、図４では穴埋め処理して閉塞された状態が示されている。
【００３９】
このようにクラッチ切換体４９と案内体５３が連動軸５１を介して連結されており、案内体５３をクランク軸４の長手方向にスライドさせることによって中空軸３９の内側でクラッチ切換体４９がスライドする。
【００４０】
回転側であるクランク軸４に設けられた案内体５３は、固定側（外装ケース２０の側）に設けられたアクチュエータとしての切換用モータ５０によって次のようにしてスライド駆動されている。
【００４１】
切換用モータ５０の出力軸に形成された送りネジ５０ａに作動体５４の基端部が噛合しており、切換用モータ５０を回転させるとその回転方向に応じてこの作動体５４がクランク軸４の軸芯方向に移動する。この作動体５４の先端には凹部５４ａが形成されており、この凹部５４ａは前記案内体５３の外周に形成された凸部５３ａに、案内体５３の回転を許すように係合している。
【００４２】
したがって、クラッチ切換体４９を図４に示すように前進させ、中空軸３９の貫通孔４０ａに位置する鋼球４８をクラッチ切換体４９の凸部４９ａで外側に押し出して、この鋼球４８を介して中空軸３９と大径変速歯車４４とを連結している。また、この状態では中空軸３９と中径変速歯車４５とは連結されていない。
【００４３】
この図４に示すクラッチ切り換え状態では、ペダル３を踏み込むことによって発生するクランク軸４の回転は、大径変速歯車４４を介して従動体２５を駆動する。
【００４４】
図１に示す制御部１８は、車輪駆動軸１３の回転数と中空軸３９に作用しているトルクとに基づいてクランク軸４の仕事量を計算してモータ１４の電力制御を実行して、モータ１４による補助力の大きさを調整している。具体的には、車輪駆動軸１３の歯に近接して配置した磁気センサ（図示せず）によって単位時間当たりに通過する歯数から回転速度を検出し、中空軸３９に作用しているトルクは、この中空軸３９の周面に非晶質磁性合金の薄帯を貼り付けておき、これに磁気センサ５５を近接して配置してトルクの大きさを読み取る。
【００４５】
さらに、この制御部１８は走行開始からの経過時間と中空軸３９に作用しているトルクと車輪駆動軸１３の回転数に応じて切換用モータ５０を運転して変速機構２２の変速率の切り換え制御を実行している。
【００４６】
具体的には、制御部１８は図６の（ａ）（ｂ）のプログラムテーブルに基づいて変速率の切り換え制御を実行している。
発進時の速度がゼロの状態では、変速機構の変速率は図４に示したように大径変速歯車４４を中空軸３９に連結して従動体２５を駆動するギャー比が大きい低速ポジションに切り換えられている。
【００４７】
発進の直後で速度が遅くてトルクが大きな状態では図６の（ａ）のテーブルのＰ１で示す前記の低速ポジションに維持されて楽なペダルの踏み込みで発進が開始することができる。
【００４８】
そして速度が遅くてトルクが中ぐらいに減少すると、制御部１８は図６の（ａ）のテーブルのＰ２で示す中速ポジション（ギャー比：中）に切り換える。この中ポジションは、クラッチ切換体４９が図４に示す状態から右側に移動して、クラッチ切換体４９の凸部４９ａが中空軸３９の貫通孔４０ａにセットされている鋼球４８の押し出しを解除して、クラッチ切換体４９の凸部４９ａが中空軸３９の貫通孔４０ｂにセットされている鋼球４８の押し出しを実施する。これによって、中径変速歯車４５と中空軸３９とが図５に示すように鋼球４８で連結されて、クランク軸４の回転は中径変速歯車４５を介して従動体２５を駆動する。
【００４９】
そして速度が中ぐらいに早くなってトルクが更に減少して小さくなると、制御部１８は図６の（ａ）のテーブルのＰ３で示す高速ポジション（ギャー比：小）に切り換える。この高速ポジションは、クラッチ切換体４９が中速ポジションの場合よりもさらにクラッチ切換体４９が右側に移動して図２に示す位置に移動する。これによって、クラッチ切換体４９の凸部４９ａは中空軸３９の貫通孔４０ａ，４０ｂの何れにセットされている鋼球４８も押し出さない状態になって、クランク軸４の回転は中空軸３９の支持鍔部４１の外周に一方向性クラッチ４２を介して取り付けられた小径変速歯４３を介して従動体２５を駆動する。このように高速ポジション，中速ポジション，低速ポジションが自動的に適正に切り換えられて快適な走行性を実現している。
【００５０】
さらに、この実施の形態では連続走行中には、例えば、発進から所定時間（約３０分）が経過すると、制御部１８は図６の（ｂ）テーブルにしたがって切換用モータ５０が運転されて、クランク軸４に作用している仕事量に応じて変速機構２２のクラッチ部が切り換えられて高速ポジション，中速ポジション，低速ポジションが自動的に適正に切り換えられて、使用者の疲れを低減するように構成されている。
【００５１】
このようにクランク軸４と車輪駆動軸１３の間に変速機構２２を設けたため、坂道を登る場合などにペダルの踏み込み力を低減させることができ、また、この位置に変速機構２２を介装した場合には、実際の走行速度が前記の規定速度に達した場合に補助力がオフする適正なアシスト走行を実現できる。
【００５２】
上記の実施の形態の制御部１８は、クランク軸４の仕事量と走行開始からの時間経過に応じて変速機構２２の変速率を切り換えるように構成したが、これはクランク軸４の仕事量または走行開始からの時間経過に応じて変速機構２２の変速率を切り換えるように構成した場合であっても従来例に比べて効果があり有効である。
【００５３】
上記の実施の形態の変速機構は、大径変速歯車４４と中径変速歯車４５と小径変速歯４３の何れかを介して従動体２５を駆動する３段階の切り換えで説明したが、大径変速歯車４４と小径変速歯４３の何れかを介して従動体２５を駆動する２段階の切り換えの場合や、中径変速歯車４５と小径変速歯４３の何れかを介して従動体２５を駆動する２段階の切り換えの場合や、３段階以上に切り換える場合などの場合も同様である。
【００５４】
（実施の形態２）
図７は（実施の形態２）の駆動補助装置の動力伝達図を示し、図８〜図１０はその構成を示す。
【００５５】
図８〜図１０に基づいて図７を説明する。
モータ１４の回転の補助力は、モータ軸１４ａより平歯車５６へ伝達し、平歯車５６から平歯車５７、中空軸３９の外周にワンウエイクラッチ５９を介して中空軸３９に設けられた平歯車６０へ平歯車５７から伝達されて３段減速される。
【００５６】
中空軸３９にはペダル３の回転力がクランク軸４を介して加えられており、３段減速された補助力が人力に合力される。
バッテリーの放電などでモータ１４が回転しないときには、ワンウエイクラッチ５９が空転して平歯車５７，５６が回転しないので人力だけの場合に利用者がペダル３を小さな力で漕ぐことができる。
【００５７】
低速時には、中空軸３９の歯６１よりアイドル歯車６２の回転体６３にワンウエイクラッチ６４を介して伝達する。回転体６３の歯６５は前歯車６６を嵌合させた伝達体６７の歯６８と噛合している。
【００５８】
トルク検出・変速機構は（実施の形態１）と同じであって、クラッチ切換体４９が図１１に示すように前ギヤ６６から離間する方向に切り換えられた状態では、鋼球４８が中空軸３９の貫通孔４０ａから押し出されて、歯７０を外周に有し内周面で通常は中空軸３９の外周を空転している変速平ギヤ７１の球状窪みに押し出された鋼球４８が係合して中空軸３９と変速平ギヤ７１とが一体回転する。ここで歯７０の径は歯６１の径より大きく増速となる。なお、歯６１はクラッチ６４により噛み合っていても回転しない。
【００５９】
この（実施の形態２）では、モータ軸１４ａ，クランク軸４と平行に、切り換えギヤを有しており、前ギヤ６６へ回転力を伝達する合力軸を配置されており、（実施の形態１）では減速機構が遊星歯車機構であったが、この（実施の形態２）のように減速機構が平ギヤの場合には構造が簡単で、安価に製造できる。
【００６０】
（実施の形態３）
図１１は（実施の形態３）の駆動補助装置の動力伝達図を示し、図１２と図１３はその構成を示す。
【００６１】
図１２と図１３に基づいて図１１を説明する。
この（実施の形態３）はモータ軸とクランク軸は直交し、クランク軸と平行に切り換えギヤを有し、前ギヤへ回転力を伝達する合力軸を配置している。
【００６２】
モータ軸１４ａの補助力は、平ギヤ７２（ワンウェイクラッチ内蔵）、平ギヤ７３、平ギヤ７４、傘歯７５と伝達される。傘歯７５より中空軸３９の傘歯７６に伝達される。
【００６３】
ペダル３の回転力はクランク軸４よりワンウェイクラッチ７７を介して中空軸３９へ伝達される。従って、停止時のペダル３は逆転は軽く、容易に踏込み位置に回転させやすい。
【００６４】
中空軸３９に形成された歯７８は平ギヤ７９に噛合している。
電動補助力と合力後、変速機構を経由して前ギヤ６６に駆動力を伝達している。
【００６５】
トルク検出・変速機構は（実施の形態１）と同じである。
平ギヤ７９は外装ケース２０に固定されたアイドル軸８０とベアリング８１により回転自在に軸支されている回転体８２に、ワンウエイクラッチ８３を介して回転を伝達する。この回転は歯車８４と噛合している伝達体６７の歯６８に伝えられる。
【００６６】
鋼球４８が係合して中空軸３９と変速平ギヤ７１が一体回転した場合、回転体８２の歯８５に回転は伝達され、ワンウエイクラッチ８３により平ギヤ７９は空転する。
【００６７】
（実施の形態４）
図１４は（実施の形態４）の駆動補助装置の動力伝達図を示し、図１５と図１６はその構成を示す。
【００６８】
図１５と図１６に基づいて図１４を説明する。
この（実施の形態４）はクランク軸４と前ギヤ６６の合力軸９１が別に構成されており、クランク軸４，合力軸９１，モータ軸１４ａ，アイドル軸１００がそれぞれ平行に配置されている。モータの回転力は変速機構を介さずに直接に合力軸９１に伝達されている。
【００６９】
補助力は、モータ軸１４ａ，平ギヤ９２，平ギヤ９３，平ギヤ９４，ワンウェイクラッチ９５，合力軸９１，前ギヤ６６へと伝達される。合力軸９１はクランク軸４と平行で、モータ軸１４ａと同軸に配置されている。
【００７０】
ペダル３の回転力はクランク軸４よりワンウェイクラッチ９６を介して中空軸３９へ伝達される。磁歪式センサ９７により測定された人力トルクを一つの制御因子として位置制御したクラッチ切換体４９により押し上げられた鋼球４８により、平歯車９８，９９のいずれかが中空軸３９と供回りする。
【００７１】
アイドル軸１００は径の異なる２組の歯１０１，１０２を有し平歯車９９と噛み合う。アイドル軸１００はケース２に固定され内歯体１０３の対応歯と噛み合っているので内歯体は増速回転し、回転速度の遅い側にワンウェイクラッチ１０４を取り付け、増速側シフト時は空回りする。
【００７２】
内歯体１０３の外周の歯１０５は合力軸９の外周にワンウェイクラッチ１０６を介して歯車の歯１０７と連結している。
トルク検出・変速機構は（実施の形態１）と同じである。
【００７３】
（実施の形態５）
図１７は（実施の形態５）の駆動補助装置の動力伝達図を示し、図１８と図１９はその構成を示す。
【００７４】
図１８と図１９に基づいて図１７を説明する。
モータの回転力は（実施の形態４）と同じように変速機構を介さずに直接に合力軸９１に伝達されている。
【００７５】
補助力はモータ軸１４ａ，平ギヤ１１６，平ギヤ１１７，平ギヤ１１８，ワンウェイクラッチ１１９，合力軸９１，歯１２１，伝達体６７，前ギヤ６６と伝達される。合力軸９１に変速後の人力が合力される。
【００７６】
ペダル３の回転力はクランク軸４よりワンウェイクラッチ１２２を介して中空軸３９へ伝達される。磁歪式センサ９７により測定された人力トルクを一つの制御因子として位置移動したクラッチ切換体４９により押し上げられた鋼球４８により変速歯１２３が供回りする。
【００７７】
変速歯１２３で回転させられる中空軸３９の回転面には、図１９に示すように８個所の鋼球４８の収納球状窪み及び案内溝となる凹部４７が形成されており、高速時には変速歯１２３，歯１２４，合力軸９１，伝達体６７，前ギヤ６６と伝達される。
【００７８】
トルク検出・変速機構は（実施の形態１）と同じである。
歯１２６は中空軸３９と一体回転し、低速時にはワンウェイクラッチ１２７を介して合力軸９１に伝達する。
【００７９】
（実施の形態６）
図２０は（実施の形態６）の駆動補助装置の動力伝達図を示し、図２１と図２２はその構成を示す。
【００８０】
図２１と図２２に基づいて図２０を説明する。
この（実施の形態６）ではクランク軸４の外周に筒１３６を同軸に設け、磁歪式トルクセンサを配置し、前記筒１３６は変速機構部を兼ねている。
【００８１】
モータの回転力はモータ軸１４ａよりサイクロ減速機（Ｋ−Ｈ−Ｖ型遊星歯車装置・・ハイポサイクロイド減速装置）１３７を経由し約１／４０に減速され、ワンウェイクラッチ１３８を介して合力軸１３９，前ギヤ６６に伝達される。合力軸１３９のサイクロ減速機１３７と前ギヤ６６の間に人力合力部を配設している。
【００８２】
ペダル３の回転力はクランク軸４，ワンウェイクラッチ１４０，案内体１４１，連動ピン１４２，平ギヤ１４３ａ，平ギヤ１４３ｂ，ワンウェイクラッチ１４３ｃを経由し、合力軸１３９に伝達される。
【００８３】
案内体１４１は、クランク軸４に沿って矢印Ａ方向に回転力を伝達しつつ移動可能な構造であり、モータ５０により駆動されて前記矢印Ａ方向に移動する作動体５４が案内体１４１に係合して、この案内体１４１を摺動させる。
【００８４】
３枚の平ギヤ１４３ａ，１４４ａ，１４５ａはベアリング１４６を介してクランク軸４に回転自在に装着されており、案内体１４１に固定された連動ピン１４２が各平ギヤの孔１４７に挿入されて一体に回転する。
【００８５】
連動ピン１４２は低速、中速、高速の順にワンウェイクラッチ１４３ｃ、１４４ｃによりそれまでの伝達歯車は順次空転していく。
（実施の形態７）
図２３は（実施の形態７）の駆動補助装置の動力伝達図を示す。
【００８６】
この（実施の形態７）では前ギヤ軸，変速ギヤ軸，モータ減速軸，モータ軸が同軸配置され、さらにこれらがクランク軸４と平行に配置されている。切換部はクランク軸部と変速ギヤ軸部に配置されている。
【００８７】
モータ減速機構（平ギヤ減速）及びトルク検出機構（太陽固定遊星機構）で遊星歯車を２段とし変速機構で連結歯を切り替えて変速している。
補助力はモータ軸１４ａ，平ギヤ１５５，ワンウェイクラッチ１５６，平ギヤ１５７，外歯１５８，内歯体１５９，前ギヤ６６へと伝達される。
【００８８】
ペダル３の回転力はクランク軸４，ワンウェイクラッチ１６０，遊星軸１６１，遊星歯１６２または１６３，内歯体１５９，前ギヤ６６へと伝達される。
太陽軸１６４はアーム１６５，ポテンショメータ１６６，ばね１６７を介して固定し反力でトルクが測定される。
【００８９】
遊星低速側はワンウェイクラッチ１６８，歯１６３で遊星回転ガイドしている。
高速側は機械式または電気式の変速機構１６９，歯１６２でガイドしている。
【００９０】
【発明の効果】
請求項１記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、ペダルで駆動されるクランク軸の仕事量に応じてモータの電力制御を実行し、前記モータの回転を減速機構を介して車輪駆動軸に伝達して前記クランク軸の回転を補助する電動補助自転車であって、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に変速機構を設けたため、坂道を登る場合などにペダルの踏み込み力を低減させることができ、この位置に変速機構を介装した場合には、実際の走行速度が規定速度に達した場合に補助力がオフする適正なアシスト走行を実現できる。
【００９１】
上記の制御部は、具体的には、クランク軸と車輪駆動軸の間に設けた変速機構を前記クランク軸の仕事量に応じて切り換えるように構成するか、クランク軸と車輪駆動軸の間に設けた変速機構を走行開始からの時間経過に応じて切り換えるように構成するか、クランク軸と車輪駆動軸の間に設けた変速機構を前記クランク軸の仕事量と走行開始からの時間経過に応じて切り換えるように構成して、適正な自動切り換えを実現できるため、操作性も良好である。
【００９３】
上記の変速機構は、具体的には請求項１または請求項２に記載のように、クランク軸に被せられて前記クランク軸と一体に回転する中空軸と、前記中空軸の外側にこの中空軸に対して回転自在で前記クランク軸の長さ方向に配列された複数枚の変速歯と、前記中空軸と前記変速歯とを選択的に連結するクラッチ部とで構成するか、またはクランク軸に被せられて前記クランク軸と一体に回転する中空軸と、前記中空軸の外側にこの中空軸に対して回転自在の変速歯と、前記中空軸と前記変速歯とを選択的に連結するクラッチ部とで構成する。
【００９４】
さらに具体的には、請求項１または請求項２におけるクラッチ部を、クランク軸とこのクランク軸に被せられた中空軸との間に配設されてクランク軸に対してスライド自在で前記中空軸に穿設された貫通孔から変速歯の内周面に係合する位置に係合体を押し出すクラッチ切換体と、クランク軸の内側にこのクランク軸の軸芯方向にスライド自在に設けられ一端が前記クラッチ切換体に連結された連動軸と、中空軸の外側に被せられて前記クラッチの軸心方向にスライド自在で前記中空軸と前記クラッチに穿設された孔を介して前記連動軸の他端に連結された案内体と、前記クランク軸と中空軸の回転に伴って回転する前記案内体の回転を許すように前記案内体に係合し変速比の切換に際して前記クランク軸の軸芯方向にスライド駆動される作動体とで構成する。
【００９５】
請求項４記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項３において、クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、前記クランク軸の仕事量に応じて前記アクチュエータを駆動して変速装置の変速率を切り換える制御部を設けたことを特徴とする。
【００９６】
請求項５記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項３において、クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、走行開始からの時間経過に応じて前記アクチュエータを駆動して変速機構の変速率を切り換える制御部を設けたことを特徴とする。
【００９７】
請求項６記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項３において、クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、前記クランク軸の仕事量と走行開始からの時間経過に応じて前記アクチュエータを駆動して変速装置の変速率を切り換える制御部を設けたことを特徴とする。
【００９８】
このように本発明によると、快適なアシスト走行性能を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の駆動補助装置とその周辺の動力伝達図
【図２】同実施の形態の駆動補助装置の断面図
【図３】同実施の形態の変速機構部とクラッチ部の分解斜視図
【図４】同実施の形態の変速機構部とクラッチ部の全断面図
【図５】同実施の形態の中径変速歯とクラッチ部の断面図
【図６】同実施の形態の変速機構を切り換える制御部のテーブル図
【図７】（実施の形態２）の駆動補助装置の動力伝達図
【図８】（実施の形態２）の駆動補助装置の平面断面図
【図９】（実施の形態２）の駆動補助装置の要部の側面断面図
【図１０】（実施の形態２）の駆動補助装置の要部の分解斜視図
【図１１】（実施の形態３）の駆動補助装置の動力伝達図
【図１２】（実施の形態３）の駆動補助装置の平面断面図
【図１３】（実施の形態３）の駆動補助装置の要部の側面断面図
【図１４】（実施の形態４）の駆動補助装置の動力伝達図
【図１５】（実施の形態４）の駆動補助装置の平面断面図
【図１６】（実施の形態４）の駆動補助装置の要部の側面断面図
【図１７】（実施の形態５）の駆動補助装置の動力伝達図
【図１８】（実施の形態５）の駆動補助装置の平面断面図
【図１９】（実施の形態５）の駆動補助装置の要部の側面断面図
【図２０】（実施の形態６）の駆動補助装置の動力伝達図
【図２１】（実施の形態６）の駆動補助装置の平面断面図
【図２２】（実施の形態６）の駆動補助装置の要部の側面断面図
【図２３】（実施の形態７）の駆動補助装置の動力伝達図
【図２４】電動補助自転車の正面図
【図２５】従来の駆動補助装置とその周辺の動力伝達図
【図２６】別の従来例の駆動補助装置とその周辺の動力伝達図
【符号の説明】
１ ブラケット
２ 駆動補助装置
３ ペダル
４ クランク軸
４ｂ クランク軸４の内部通路
４ｃ クランク軸４の第１の長孔
４ｄ クランク軸４の第２の長孔
１３ 車輪駆動軸
１３ａ 車輪駆動軸１３の貫通孔
１４ モータ
１４ａ モータ１４の出力軸
１８ 制御部
２０ 外装ケース
２１ 減速機構
２２ 変速機構
２３ 軸
２４ ベアリング
２５ 従動体
２６，２７ 一方向性クラッチ
２８，２９ 歯車
３０，３０，・・・ 軸
３１ 歯車
３２ ベアリング
３３ 歯
３４ ベアリング
３５ 歯
３６ 歯車
３７ ベアリング
３８ ベアリング
３９ 中空軸
３９ａ 中空軸３９の長孔
４ａ クランク軸４の鍔部
４０ 中空軸３９の大径部
４０ａ，４０ｂ 中空軸３９に形成された貫通孔
４１ 中空軸３９の支持鍔部
４２ 一方向性クラッチ
４３ 小径変速歯
４４ 変速機構２２を形成する大径変速歯車
４４ａ 大径変速歯車４４の大径中央部
４４ｂ 大径変速歯車４４の歯
４５ 変速機構２２を形成する中径変速歯車
４６ 一方向性クラッチ
４７ 凹部
４８ 鋼球
４９ クラッチ切換体
４９ａ クラッチ切換体４９の凸部
４９ｂ クラッチ切換体４９の孔
５０ クラッチ切換用モータ
５０ａ 切換用モータ５０の出力軸に形成された送りネジ
５１ 連動軸
５２ａ 連結ピン
５２ｂ 連結ピン
５３ 案内体
５３ｂ 案内体５３の孔
【発明の属する技術分野】
本発明は電動補助自転車における駆動補助装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般の自転車は発進の際に大きな力でペダルを踏み込むことが必要であったり、坂道を登る場合には特に大きなペダルの踏み込みが必要である。そこでペダルの踏み込み力を低減できるように電動補助自転車が開発された。
【０００３】
電動補助自転車は図２４に示すように、自転車フレームに形成されたブラケット１にモータと減速装置を組み込んだ駆動補助装置２が取り付けられている。ペダル３でクランク軸４を駆動してチェーン５を介して後輪６を駆動する際に、駆動補助装置２が前記駆動を補助するように構成されている。７は駆動補助装置２を駆動する電源としてのバッテリーが格納されたバッテリーボックスである。
【０００４】
駆動補助装置２の構成と後輪６との関係は図２５に示すように構成されている。
ペダル３を踏み込んでクランク軸４を回転させると、一方向性クラッチ８を介して歯車９が回転し、歯車１０，１１，１２を介して車輪駆動軸１３を回転させ、チェーン５を介して後輪６が駆動される。
【０００５】
この駆動補助装置２にはモータ１４が内蔵されており、このモータ１４の出力軸の回転は遊星歯車機構１５を介して減速されている。この減速出力は一方向性クラッチ１６を介して前記歯車１０の回転軸１７に連結されて前記クランク軸４の回転を補助している。モータ１４は、クランク軸４の回転速度と回転トルクに応じて制御部１８によって電力制御されている。
【０００６】
なお、この種の電動補助自転車の駆動補助装置２は特開平８−２８２５７５号公報などに開示されている。
この駆動補助装置２を使用することによって、発進の際や、坂道を登る場合のペダルの踏み込み力を一般の自転車に比べて低減できて比較的に乗りやすくなったが、坂道を登る場合のペダルの踏み込み力の更なる低減が期待されている。
【０００７】
そこで、図２６に示すように後輪６に変速機１９を設けて、坂道を登る場合のペダルの踏み込み力を低減させた電動補助自転車も存在している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図２６に示すように後輪６に設けた変速機１９は、利用者が手動操作で切り換える構造のものであるため操作性が悪い。
【０００９】
また、電動機自転車を原動機付き自転車と区別するために、電動機自転車では走行速度が規定速度（例えば、２４Ｋｍ／時）に達するまでは駆動補助装置２から補助力を発生するが、規定速度を越えると補助力をオフするように構成されている。この場合に、図２６に示した従来例の場合の駆動補助装置２は変速機１９の減速比が１：１の状態での走行速度が規定速度になる回転数に車輪駆動軸１３が達したことを検出してモータ１４への通電をオフして補助力がオフされるように構成されているので、変速機１９を使用して走行中には実際の走行速度が前記の規定速度に達していないにも係わらず補助力がオフされてしまって、適正なアシスト走行ができない問題がある。
【００１０】
この問題を解決するためには、後輪６の実際の回転数から走行速度を計算して規定速度に達した時点で補助力をオフするように構成することが考えられるが、この場合には、後輪６の回転数を計数するセンサ（図示せず）の増設とこのセンサの実装の手間が発生する問題がある。
【００１１】
本発明は、後輪に変速機を設けなくても坂道を登る場合などにペダルの踏み込み力を低減させることができる電動補助自転車における駆動補助装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の電動補助自転車における駆動補助装置は、ペダルで駆動されるクランク軸と車輪駆動軸の間に変速機構を設けたことを特徴とする。
【００１３】
この構成によると、後輪に変速機を設けなくてもペダルの踏み込み力を低減させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、ペダルで駆動されるクランク軸の仕事量に応じてモータの電力制御を実行し、前記モータの回転を減速機構を介して車輪駆動軸に伝達して前記クランク軸の回転を補助する電動補助自転車であって、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に変速機構を設け、モータの回転を車輪駆動軸に伝達する減速機構を前記クランク軸の軸心と並行に配設し、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に設けた変速機構を前記クランク軸の軸心と同一の軸心上に配設し、クランク軸の回転を車輪駆動軸に伝達する変速機構を、クランク軸に被せられて前記クランク軸と一体に回転する中空軸と、前記中空軸の外側にこの中空軸に対して回転自在で前記クランク軸の長さ方向に配列された複数枚の変速歯と、前記中空軸と前記変速歯とを選択的に連結するクラッチ部とで構成したことを特徴とする。
【００２０】
請求項２記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、ペダルで駆動されるクランク軸の仕事量に応じてモータの電力制御を実行し、前記モータの回転を減速機構を介して車輪駆動軸に伝達して前記クランク軸の回転を補助する電動補助自転車であって、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に変速機構を設け、モータの回転を車輪駆動軸に伝達する減速機構を前記クランク軸の軸心と並行に配設し、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に設けた変速機構を前記クランク軸の軸心と同一の軸心上に配設し、クランク軸の回転を車輪駆動軸に伝達する変速機構を、クランク軸に被せられて前記クランク軸と一体に回転する中空軸と、前記中空軸の外側にこの中空軸に対して回転自在の変速歯と、前記中空軸と前記変速歯とを選択的に連結するクラッチ部とで構成したことを特徴とする。
【００２１】
請求項３記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項１または請求項２において、クラッチ部を、クランク軸とこのクランク軸に被せられた中空軸との間に配設されてクランク軸に対してスライド自在で前記中空軸に穿設された貫通孔から変速歯の内周面に係合する位置に係合体を押し出すクラッチ切換体と、クランク軸の内側にこのクランク軸の軸芯方向にスライド自在に設けられ一端が前記クラッチ切換体に連結された連動軸と、中空軸の外側に被せられて前記クラッチの軸心方向にスライド自在で前記中空軸と前記クラッチに穿設された孔を介して前記連動軸の他端に連結された案内体と、前記クランク軸と中空軸の回転に伴って回転する前記案内体の回転を許すように前記案内体に係合し変速比の切り換えに際して前記クランク軸の軸芯方向にスライド駆動される作動体とで構成したことを特徴とする。
【００２２】
請求項４記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項３において、クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、前記クランク軸の仕事量に応じて前記アクチュエータを駆動して変速装置の変速率を切り換える制御部を設けたことを特徴とする。
【００２３】
請求項５記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項３において、クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、走行開始からの時間経過に応じて前記アクチュエータを駆動して変速機構の変速率を切り換える制御部を設けたことを特徴とする。
【００２４】
請求項６記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項３において、クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、前記クランク軸の仕事量と走行開始からの時間経過に応じて前記アクチュエータを駆動して変速装置の変速率を切り換える制御部を設けたことを特徴とする。
【００２５】
以下、本発明における各実施の形態を図１〜図２３に基づいて説明する。
なお、従来例を示す図２４と同様の作用を成すものには同一の符号を付けて説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は本発明の駆動補助装置の動力伝達図を示し、図２は断面図を示す。
図２に基づいて図１を説明する。
【００２７】
自転車フレームに形成されたブラケット１に取り付けられる本発明の駆動補助装置２の外装ケース２０には、ペダル３で駆動されるクランク軸４と、モータ１４と、モータ１４の回転を減速して車輪駆動軸１３に伝達する減速機構２１と、クランク軸４と車輪駆動軸１３の間に設けた変速機構２２などが内蔵されている。
【００２８】
クランク軸４の回転を補助する補助力は、次のように伝達される。
外装ケース２０には、モータ１４の出力軸１４ａと同軸上に軸２３が植設されている。軸２３にはベアリング２４を介してカップ状の従動体２５が回転自在に取り付けられている。
【００２９】
基端部がベアリング２４を介して支持されたこの従動体２５の先端側の外周には、一方向性クラッチ２６，２７を介して歯車２８，２９が取り付けられている。歯車２９には、周方向に所定角度ごとに軸３０，３０，・・・が植設されており、軸３０，３０，・・・には前記モータ１４の出力軸１４ａに噛合する歯車３１がベアリング３２を介して回転自在に取り付けられている。なお、歯車３１の歯は外装ケース２０の内周面に形成された歯３３に噛合している。
【００３０】
このように構成したため、従動体２５はモータ１４の回転を遊星歯車機構で減速した速度で回転する。
外装ケース２０には、車輪駆動軸１３がベアリング３４を介して回転自在に支持されている。車輪駆動軸１３の基端部には前記従動体２５の基端部（外装ケース２０の内側）の外周に形成された歯３５に噛合する歯車３６が形成されている。
【００３１】
クランク軸４は、一端がベアリング３７を介して外装ケース２０に支持され、他端は車輪駆動軸１３の中央の貫通孔１３ａに挿通されてベアリング３８を介在させて回転自在に支持されている。
【００３２】
このクランク軸４の外側には、図３に示す中空軸３９が被せられ、中空軸３９の基端部はクランク軸４の鍔部４ａに係合して中空軸３９はクランク軸４と一体に回転する。中空軸３９の先端側には、クランク軸４の外径よりも内径が大きな大径部４０と大径部４０の基端の外周に支持鍔部４１が形成されている。支持鍔部４１の外周には一方向性クラッチ４２を介して小径変速歯４３が取り付けられている。歯４３は前記歯車２９に噛合している。
【００３３】
中空軸３９に形成された大径部４０の外側には、変速機構２２を形成する大径変速歯車４４と中径変速歯車４５が回動自在に挿入されている。大径変速歯車４４は、大径中央部４４ａとこの外周に一方向性クラッチ４６を介して取り付けられた歯４４ｂとで形成されている。大径変速歯車４４の歯４４ｂは前記従動体２５の基端部に形成された歯３５に噛合している。
【００３４】
中径変速歯車４５は、従動体２５の先端部に一方向性クラッチ２６を介して取り付けられた前記歯２８に噛合している。
この大径変速歯車４４と中径変速歯車４５の内周面には、中空軸３９に形成された大径部４０に穿設された貫通孔４０ａ，４０ｂに対応して凹部４７が形成されており、中空軸３９の貫通孔４０ａ，４０ｂには鋼球４８が配置されている。
【００３５】
中空軸３９の貫通孔４０ａ，４０ｂからの鋼球４８の突出状態を切り換えるために、クランク軸４には、クランク軸４に対してスライド自在の筒状のクラッチ切換体４９が中空軸３９との間に配設されており、このクラッチ切換体４９の外周面には凸部４９ａが形成されている。
【００３６】
このクラッチ切換体４９は、次のようにしてクラッチ切換モータ５０によって駆動されている。
図４に示すように、クランク軸４には中心に内部通路４ｂが穿設されており、この内部通路４ｂには連動軸５１が挿入されている。クラッチ切換体４９とこの連動軸５１の先端との連結は、クラッチ切換体４９に穿設された孔４９ｂからクランク軸４に穿設された第１の長孔４ｃに向かって連結ピン５２ａを挿入して連動軸５１と連結されている。
【００３７】
クランク軸４には第１の長孔４ｃとは別に第２の長孔４ｄも穿設されており、中空軸３９にはこのクランク軸４の第２の長孔４ｄに対応して長孔３９ａが穿設されている。中空軸３９の長孔３９ａの外側にはスライド自在に環状の案内体５３が被せられており、案内体５３に穿設された孔５３ｂから中空軸３９の長孔３９ａとクランク軸４の第２の長孔４ｄに向かって連結ピン５２ｂを挿入して、前記連動軸５１と案内体５３とが連結されている。
【００３８】
なお、連結ピン５２ａが挿入されたクラッチ切換体４９の孔４９ｂならびに連結ピン５２ｂが挿入された案内体５３の孔５３ｂは、図４では穴埋め処理して閉塞された状態が示されている。
【００３９】
このようにクラッチ切換体４９と案内体５３が連動軸５１を介して連結されており、案内体５３をクランク軸４の長手方向にスライドさせることによって中空軸３９の内側でクラッチ切換体４９がスライドする。
【００４０】
回転側であるクランク軸４に設けられた案内体５３は、固定側（外装ケース２０の側）に設けられたアクチュエータとしての切換用モータ５０によって次のようにしてスライド駆動されている。
【００４１】
切換用モータ５０の出力軸に形成された送りネジ５０ａに作動体５４の基端部が噛合しており、切換用モータ５０を回転させるとその回転方向に応じてこの作動体５４がクランク軸４の軸芯方向に移動する。この作動体５４の先端には凹部５４ａが形成されており、この凹部５４ａは前記案内体５３の外周に形成された凸部５３ａに、案内体５３の回転を許すように係合している。
【００４２】
したがって、クラッチ切換体４９を図４に示すように前進させ、中空軸３９の貫通孔４０ａに位置する鋼球４８をクラッチ切換体４９の凸部４９ａで外側に押し出して、この鋼球４８を介して中空軸３９と大径変速歯車４４とを連結している。また、この状態では中空軸３９と中径変速歯車４５とは連結されていない。
【００４３】
この図４に示すクラッチ切り換え状態では、ペダル３を踏み込むことによって発生するクランク軸４の回転は、大径変速歯車４４を介して従動体２５を駆動する。
【００４４】
図１に示す制御部１８は、車輪駆動軸１３の回転数と中空軸３９に作用しているトルクとに基づいてクランク軸４の仕事量を計算してモータ１４の電力制御を実行して、モータ１４による補助力の大きさを調整している。具体的には、車輪駆動軸１３の歯に近接して配置した磁気センサ（図示せず）によって単位時間当たりに通過する歯数から回転速度を検出し、中空軸３９に作用しているトルクは、この中空軸３９の周面に非晶質磁性合金の薄帯を貼り付けておき、これに磁気センサ５５を近接して配置してトルクの大きさを読み取る。
【００４５】
さらに、この制御部１８は走行開始からの経過時間と中空軸３９に作用しているトルクと車輪駆動軸１３の回転数に応じて切換用モータ５０を運転して変速機構２２の変速率の切り換え制御を実行している。
【００４６】
具体的には、制御部１８は図６の（ａ）（ｂ）のプログラムテーブルに基づいて変速率の切り換え制御を実行している。
発進時の速度がゼロの状態では、変速機構の変速率は図４に示したように大径変速歯車４４を中空軸３９に連結して従動体２５を駆動するギャー比が大きい低速ポジションに切り換えられている。
【００４７】
発進の直後で速度が遅くてトルクが大きな状態では図６の（ａ）のテーブルのＰ１で示す前記の低速ポジションに維持されて楽なペダルの踏み込みで発進が開始することができる。
【００４８】
そして速度が遅くてトルクが中ぐらいに減少すると、制御部１８は図６の（ａ）のテーブルのＰ２で示す中速ポジション（ギャー比：中）に切り換える。この中ポジションは、クラッチ切換体４９が図４に示す状態から右側に移動して、クラッチ切換体４９の凸部４９ａが中空軸３９の貫通孔４０ａにセットされている鋼球４８の押し出しを解除して、クラッチ切換体４９の凸部４９ａが中空軸３９の貫通孔４０ｂにセットされている鋼球４８の押し出しを実施する。これによって、中径変速歯車４５と中空軸３９とが図５に示すように鋼球４８で連結されて、クランク軸４の回転は中径変速歯車４５を介して従動体２５を駆動する。
【００４９】
そして速度が中ぐらいに早くなってトルクが更に減少して小さくなると、制御部１８は図６の（ａ）のテーブルのＰ３で示す高速ポジション（ギャー比：小）に切り換える。この高速ポジションは、クラッチ切換体４９が中速ポジションの場合よりもさらにクラッチ切換体４９が右側に移動して図２に示す位置に移動する。これによって、クラッチ切換体４９の凸部４９ａは中空軸３９の貫通孔４０ａ，４０ｂの何れにセットされている鋼球４８も押し出さない状態になって、クランク軸４の回転は中空軸３９の支持鍔部４１の外周に一方向性クラッチ４２を介して取り付けられた小径変速歯４３を介して従動体２５を駆動する。このように高速ポジション，中速ポジション，低速ポジションが自動的に適正に切り換えられて快適な走行性を実現している。
【００５０】
さらに、この実施の形態では連続走行中には、例えば、発進から所定時間（約３０分）が経過すると、制御部１８は図６の（ｂ）テーブルにしたがって切換用モータ５０が運転されて、クランク軸４に作用している仕事量に応じて変速機構２２のクラッチ部が切り換えられて高速ポジション，中速ポジション，低速ポジションが自動的に適正に切り換えられて、使用者の疲れを低減するように構成されている。
【００５１】
このようにクランク軸４と車輪駆動軸１３の間に変速機構２２を設けたため、坂道を登る場合などにペダルの踏み込み力を低減させることができ、また、この位置に変速機構２２を介装した場合には、実際の走行速度が前記の規定速度に達した場合に補助力がオフする適正なアシスト走行を実現できる。
【００５２】
上記の実施の形態の制御部１８は、クランク軸４の仕事量と走行開始からの時間経過に応じて変速機構２２の変速率を切り換えるように構成したが、これはクランク軸４の仕事量または走行開始からの時間経過に応じて変速機構２２の変速率を切り換えるように構成した場合であっても従来例に比べて効果があり有効である。
【００５３】
上記の実施の形態の変速機構は、大径変速歯車４４と中径変速歯車４５と小径変速歯４３の何れかを介して従動体２５を駆動する３段階の切り換えで説明したが、大径変速歯車４４と小径変速歯４３の何れかを介して従動体２５を駆動する２段階の切り換えの場合や、中径変速歯車４５と小径変速歯４３の何れかを介して従動体２５を駆動する２段階の切り換えの場合や、３段階以上に切り換える場合などの場合も同様である。
【００５４】
（実施の形態２）
図７は（実施の形態２）の駆動補助装置の動力伝達図を示し、図８〜図１０はその構成を示す。
【００５５】
図８〜図１０に基づいて図７を説明する。
モータ１４の回転の補助力は、モータ軸１４ａより平歯車５６へ伝達し、平歯車５６から平歯車５７、中空軸３９の外周にワンウエイクラッチ５９を介して中空軸３９に設けられた平歯車６０へ平歯車５７から伝達されて３段減速される。
【００５６】
中空軸３９にはペダル３の回転力がクランク軸４を介して加えられており、３段減速された補助力が人力に合力される。
バッテリーの放電などでモータ１４が回転しないときには、ワンウエイクラッチ５９が空転して平歯車５７，５６が回転しないので人力だけの場合に利用者がペダル３を小さな力で漕ぐことができる。
【００５７】
低速時には、中空軸３９の歯６１よりアイドル歯車６２の回転体６３にワンウエイクラッチ６４を介して伝達する。回転体６３の歯６５は前歯車６６を嵌合させた伝達体６７の歯６８と噛合している。
【００５８】
トルク検出・変速機構は（実施の形態１）と同じであって、クラッチ切換体４９が図１１に示すように前ギヤ６６から離間する方向に切り換えられた状態では、鋼球４８が中空軸３９の貫通孔４０ａから押し出されて、歯７０を外周に有し内周面で通常は中空軸３９の外周を空転している変速平ギヤ７１の球状窪みに押し出された鋼球４８が係合して中空軸３９と変速平ギヤ７１とが一体回転する。ここで歯７０の径は歯６１の径より大きく増速となる。なお、歯６１はクラッチ６４により噛み合っていても回転しない。
【００５９】
この（実施の形態２）では、モータ軸１４ａ，クランク軸４と平行に、切り換えギヤを有しており、前ギヤ６６へ回転力を伝達する合力軸を配置されており、（実施の形態１）では減速機構が遊星歯車機構であったが、この（実施の形態２）のように減速機構が平ギヤの場合には構造が簡単で、安価に製造できる。
【００６０】
（実施の形態３）
図１１は（実施の形態３）の駆動補助装置の動力伝達図を示し、図１２と図１３はその構成を示す。
【００６１】
図１２と図１３に基づいて図１１を説明する。
この（実施の形態３）はモータ軸とクランク軸は直交し、クランク軸と平行に切り換えギヤを有し、前ギヤへ回転力を伝達する合力軸を配置している。
【００６２】
モータ軸１４ａの補助力は、平ギヤ７２（ワンウェイクラッチ内蔵）、平ギヤ７３、平ギヤ７４、傘歯７５と伝達される。傘歯７５より中空軸３９の傘歯７６に伝達される。
【００６３】
ペダル３の回転力はクランク軸４よりワンウェイクラッチ７７を介して中空軸３９へ伝達される。従って、停止時のペダル３は逆転は軽く、容易に踏込み位置に回転させやすい。
【００６４】
中空軸３９に形成された歯７８は平ギヤ７９に噛合している。
電動補助力と合力後、変速機構を経由して前ギヤ６６に駆動力を伝達している。
【００６５】
トルク検出・変速機構は（実施の形態１）と同じである。
平ギヤ７９は外装ケース２０に固定されたアイドル軸８０とベアリング８１により回転自在に軸支されている回転体８２に、ワンウエイクラッチ８３を介して回転を伝達する。この回転は歯車８４と噛合している伝達体６７の歯６８に伝えられる。
【００６６】
鋼球４８が係合して中空軸３９と変速平ギヤ７１が一体回転した場合、回転体８２の歯８５に回転は伝達され、ワンウエイクラッチ８３により平ギヤ７９は空転する。
【００６７】
（実施の形態４）
図１４は（実施の形態４）の駆動補助装置の動力伝達図を示し、図１５と図１６はその構成を示す。
【００６８】
図１５と図１６に基づいて図１４を説明する。
この（実施の形態４）はクランク軸４と前ギヤ６６の合力軸９１が別に構成されており、クランク軸４，合力軸９１，モータ軸１４ａ，アイドル軸１００がそれぞれ平行に配置されている。モータの回転力は変速機構を介さずに直接に合力軸９１に伝達されている。
【００６９】
補助力は、モータ軸１４ａ，平ギヤ９２，平ギヤ９３，平ギヤ９４，ワンウェイクラッチ９５，合力軸９１，前ギヤ６６へと伝達される。合力軸９１はクランク軸４と平行で、モータ軸１４ａと同軸に配置されている。
【００７０】
ペダル３の回転力はクランク軸４よりワンウェイクラッチ９６を介して中空軸３９へ伝達される。磁歪式センサ９７により測定された人力トルクを一つの制御因子として位置制御したクラッチ切換体４９により押し上げられた鋼球４８により、平歯車９８，９９のいずれかが中空軸３９と供回りする。
【００７１】
アイドル軸１００は径の異なる２組の歯１０１，１０２を有し平歯車９９と噛み合う。アイドル軸１００はケース２に固定され内歯体１０３の対応歯と噛み合っているので内歯体は増速回転し、回転速度の遅い側にワンウェイクラッチ１０４を取り付け、増速側シフト時は空回りする。
【００７２】
内歯体１０３の外周の歯１０５は合力軸９の外周にワンウェイクラッチ１０６を介して歯車の歯１０７と連結している。
トルク検出・変速機構は（実施の形態１）と同じである。
【００７３】
（実施の形態５）
図１７は（実施の形態５）の駆動補助装置の動力伝達図を示し、図１８と図１９はその構成を示す。
【００７４】
図１８と図１９に基づいて図１７を説明する。
モータの回転力は（実施の形態４）と同じように変速機構を介さずに直接に合力軸９１に伝達されている。
【００７５】
補助力はモータ軸１４ａ，平ギヤ１１６，平ギヤ１１７，平ギヤ１１８，ワンウェイクラッチ１１９，合力軸９１，歯１２１，伝達体６７，前ギヤ６６と伝達される。合力軸９１に変速後の人力が合力される。
【００７６】
ペダル３の回転力はクランク軸４よりワンウェイクラッチ１２２を介して中空軸３９へ伝達される。磁歪式センサ９７により測定された人力トルクを一つの制御因子として位置移動したクラッチ切換体４９により押し上げられた鋼球４８により変速歯１２３が供回りする。
【００７７】
変速歯１２３で回転させられる中空軸３９の回転面には、図１９に示すように８個所の鋼球４８の収納球状窪み及び案内溝となる凹部４７が形成されており、高速時には変速歯１２３，歯１２４，合力軸９１，伝達体６７，前ギヤ６６と伝達される。
【００７８】
トルク検出・変速機構は（実施の形態１）と同じである。
歯１２６は中空軸３９と一体回転し、低速時にはワンウェイクラッチ１２７を介して合力軸９１に伝達する。
【００７９】
（実施の形態６）
図２０は（実施の形態６）の駆動補助装置の動力伝達図を示し、図２１と図２２はその構成を示す。
【００８０】
図２１と図２２に基づいて図２０を説明する。
この（実施の形態６）ではクランク軸４の外周に筒１３６を同軸に設け、磁歪式トルクセンサを配置し、前記筒１３６は変速機構部を兼ねている。
【００８１】
モータの回転力はモータ軸１４ａよりサイクロ減速機（Ｋ−Ｈ−Ｖ型遊星歯車装置・・ハイポサイクロイド減速装置）１３７を経由し約１／４０に減速され、ワンウェイクラッチ１３８を介して合力軸１３９，前ギヤ６６に伝達される。合力軸１３９のサイクロ減速機１３７と前ギヤ６６の間に人力合力部を配設している。
【００８２】
ペダル３の回転力はクランク軸４，ワンウェイクラッチ１４０，案内体１４１，連動ピン１４２，平ギヤ１４３ａ，平ギヤ１４３ｂ，ワンウェイクラッチ１４３ｃを経由し、合力軸１３９に伝達される。
【００８３】
案内体１４１は、クランク軸４に沿って矢印Ａ方向に回転力を伝達しつつ移動可能な構造であり、モータ５０により駆動されて前記矢印Ａ方向に移動する作動体５４が案内体１４１に係合して、この案内体１４１を摺動させる。
【００８４】
３枚の平ギヤ１４３ａ，１４４ａ，１４５ａはベアリング１４６を介してクランク軸４に回転自在に装着されており、案内体１４１に固定された連動ピン１４２が各平ギヤの孔１４７に挿入されて一体に回転する。
【００８５】
連動ピン１４２は低速、中速、高速の順にワンウェイクラッチ１４３ｃ、１４４ｃによりそれまでの伝達歯車は順次空転していく。
（実施の形態７）
図２３は（実施の形態７）の駆動補助装置の動力伝達図を示す。
【００８６】
この（実施の形態７）では前ギヤ軸，変速ギヤ軸，モータ減速軸，モータ軸が同軸配置され、さらにこれらがクランク軸４と平行に配置されている。切換部はクランク軸部と変速ギヤ軸部に配置されている。
【００８７】
モータ減速機構（平ギヤ減速）及びトルク検出機構（太陽固定遊星機構）で遊星歯車を２段とし変速機構で連結歯を切り替えて変速している。
補助力はモータ軸１４ａ，平ギヤ１５５，ワンウェイクラッチ１５６，平ギヤ１５７，外歯１５８，内歯体１５９，前ギヤ６６へと伝達される。
【００８８】
ペダル３の回転力はクランク軸４，ワンウェイクラッチ１６０，遊星軸１６１，遊星歯１６２または１６３，内歯体１５９，前ギヤ６６へと伝達される。
太陽軸１６４はアーム１６５，ポテンショメータ１６６，ばね１６７を介して固定し反力でトルクが測定される。
【００８９】
遊星低速側はワンウェイクラッチ１６８，歯１６３で遊星回転ガイドしている。
高速側は機械式または電気式の変速機構１６９，歯１６２でガイドしている。
【００９０】
【発明の効果】
請求項１記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、ペダルで駆動されるクランク軸の仕事量に応じてモータの電力制御を実行し、前記モータの回転を減速機構を介して車輪駆動軸に伝達して前記クランク軸の回転を補助する電動補助自転車であって、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に変速機構を設けたため、坂道を登る場合などにペダルの踏み込み力を低減させることができ、この位置に変速機構を介装した場合には、実際の走行速度が規定速度に達した場合に補助力がオフする適正なアシスト走行を実現できる。
【００９１】
上記の制御部は、具体的には、クランク軸と車輪駆動軸の間に設けた変速機構を前記クランク軸の仕事量に応じて切り換えるように構成するか、クランク軸と車輪駆動軸の間に設けた変速機構を走行開始からの時間経過に応じて切り換えるように構成するか、クランク軸と車輪駆動軸の間に設けた変速機構を前記クランク軸の仕事量と走行開始からの時間経過に応じて切り換えるように構成して、適正な自動切り換えを実現できるため、操作性も良好である。
【００９３】
上記の変速機構は、具体的には請求項１または請求項２に記載のように、クランク軸に被せられて前記クランク軸と一体に回転する中空軸と、前記中空軸の外側にこの中空軸に対して回転自在で前記クランク軸の長さ方向に配列された複数枚の変速歯と、前記中空軸と前記変速歯とを選択的に連結するクラッチ部とで構成するか、またはクランク軸に被せられて前記クランク軸と一体に回転する中空軸と、前記中空軸の外側にこの中空軸に対して回転自在の変速歯と、前記中空軸と前記変速歯とを選択的に連結するクラッチ部とで構成する。
【００９４】
さらに具体的には、請求項１または請求項２におけるクラッチ部を、クランク軸とこのクランク軸に被せられた中空軸との間に配設されてクランク軸に対してスライド自在で前記中空軸に穿設された貫通孔から変速歯の内周面に係合する位置に係合体を押し出すクラッチ切換体と、クランク軸の内側にこのクランク軸の軸芯方向にスライド自在に設けられ一端が前記クラッチ切換体に連結された連動軸と、中空軸の外側に被せられて前記クラッチの軸心方向にスライド自在で前記中空軸と前記クラッチに穿設された孔を介して前記連動軸の他端に連結された案内体と、前記クランク軸と中空軸の回転に伴って回転する前記案内体の回転を許すように前記案内体に係合し変速比の切換に際して前記クランク軸の軸芯方向にスライド駆動される作動体とで構成する。
【００９５】
請求項４記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項３において、クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、前記クランク軸の仕事量に応じて前記アクチュエータを駆動して変速装置の変速率を切り換える制御部を設けたことを特徴とする。
【００９６】
請求項５記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項３において、クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、走行開始からの時間経過に応じて前記アクチュエータを駆動して変速機構の変速率を切り換える制御部を設けたことを特徴とする。
【００９７】
請求項６記載の電動補助自転車における駆動補助装置は、請求項３において、クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、前記クランク軸の仕事量と走行開始からの時間経過に応じて前記アクチュエータを駆動して変速装置の変速率を切り換える制御部を設けたことを特徴とする。
【００９８】
このように本発明によると、快適なアシスト走行性能を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の駆動補助装置とその周辺の動力伝達図
【図２】同実施の形態の駆動補助装置の断面図
【図３】同実施の形態の変速機構部とクラッチ部の分解斜視図
【図４】同実施の形態の変速機構部とクラッチ部の全断面図
【図５】同実施の形態の中径変速歯とクラッチ部の断面図
【図６】同実施の形態の変速機構を切り換える制御部のテーブル図
【図７】（実施の形態２）の駆動補助装置の動力伝達図
【図８】（実施の形態２）の駆動補助装置の平面断面図
【図９】（実施の形態２）の駆動補助装置の要部の側面断面図
【図１０】（実施の形態２）の駆動補助装置の要部の分解斜視図
【図１１】（実施の形態３）の駆動補助装置の動力伝達図
【図１２】（実施の形態３）の駆動補助装置の平面断面図
【図１３】（実施の形態３）の駆動補助装置の要部の側面断面図
【図１４】（実施の形態４）の駆動補助装置の動力伝達図
【図１５】（実施の形態４）の駆動補助装置の平面断面図
【図１６】（実施の形態４）の駆動補助装置の要部の側面断面図
【図１７】（実施の形態５）の駆動補助装置の動力伝達図
【図１８】（実施の形態５）の駆動補助装置の平面断面図
【図１９】（実施の形態５）の駆動補助装置の要部の側面断面図
【図２０】（実施の形態６）の駆動補助装置の動力伝達図
【図２１】（実施の形態６）の駆動補助装置の平面断面図
【図２２】（実施の形態６）の駆動補助装置の要部の側面断面図
【図２３】（実施の形態７）の駆動補助装置の動力伝達図
【図２４】電動補助自転車の正面図
【図２５】従来の駆動補助装置とその周辺の動力伝達図
【図２６】別の従来例の駆動補助装置とその周辺の動力伝達図
【符号の説明】
１ ブラケット
２ 駆動補助装置
３ ペダル
４ クランク軸
４ｂ クランク軸４の内部通路
４ｃ クランク軸４の第１の長孔
４ｄ クランク軸４の第２の長孔
１３ 車輪駆動軸
１３ａ 車輪駆動軸１３の貫通孔
１４ モータ
１４ａ モータ１４の出力軸
１８ 制御部
２０ 外装ケース
２１ 減速機構
２２ 変速機構
２３ 軸
２４ ベアリング
２５ 従動体
２６，２７ 一方向性クラッチ
２８，２９ 歯車
３０，３０，・・・ 軸
３１ 歯車
３２ ベアリング
３３ 歯
３４ ベアリング
３５ 歯
３６ 歯車
３７ ベアリング
３８ ベアリング
３９ 中空軸
３９ａ 中空軸３９の長孔
４ａ クランク軸４の鍔部
４０ 中空軸３９の大径部
４０ａ，４０ｂ 中空軸３９に形成された貫通孔
４１ 中空軸３９の支持鍔部
４２ 一方向性クラッチ
４３ 小径変速歯
４４ 変速機構２２を形成する大径変速歯車
４４ａ 大径変速歯車４４の大径中央部
４４ｂ 大径変速歯車４４の歯
４５ 変速機構２２を形成する中径変速歯車
４６ 一方向性クラッチ
４７ 凹部
４８ 鋼球
４９ クラッチ切換体
４９ａ クラッチ切換体４９の凸部
４９ｂ クラッチ切換体４９の孔
５０ クラッチ切換用モータ
５０ａ 切換用モータ５０の出力軸に形成された送りネジ
５１ 連動軸
５２ａ 連結ピン
５２ｂ 連結ピン
５３ 案内体
５３ｂ 案内体５３の孔
Claims (6)
- ペダルで駆動されるクランク軸の仕事量に応じてモータの電力制御を実行し、前記モータの回転を減速機構を介して車輪駆動軸に伝達して前記クランク軸の回転を補助する電動補助自転車であって、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に変速機構を設け、
モータの回転を車輪駆動軸に伝達する減速機構を前記クランク軸の軸心と並行に配設し、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に設けた変速機構を前記クランク軸の軸心と同一の軸心上に配設し、
クランク軸の回転を車輪駆動軸に伝達する変速機構を、クランク軸に被せられて前記クランク軸と一体に回転する中空軸と、前記中空軸の外側にこの中空軸に対して回転自在で前記クランク軸の長さ方向に配列された複数枚の変速歯と、前記中空軸と前記変速歯とを選択的に連結するクラッチ部とで構成した電動補助自転車における駆動補助装置。 - ペダルで駆動されるクランク軸の仕事量に応じてモータの電力制御を実行し、前記モータの回転を減速機構を介して車輪駆動軸に伝達して前記クランク軸の回転を補助する電動補助自転車であって、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に変速機構を設け、
モータの回転を車輪駆動軸に伝達する減速機構を前記クランク軸の軸心と並行に配設し、前記クランク軸と前記車輪駆動軸の間に設けた変速機構を前記クランク軸の軸心と同一の軸心上に配設し、
クランク軸の回転を車輪駆動軸に伝達する変速機構を、クランク軸に被せられて前記クランク軸と一体に回転する中空軸と、前記中空軸の外側にこの中空軸に対して回転自在の変速歯と、前記中空軸と前記変速歯とを選択的に連結するクラッチ部とで構成した電動補助自転車における駆動補助装置。 - クラッチ部を、クランク軸とこのクランク軸に被せられた中空軸との間に配設されてクランク軸に対してスライド自在で前記中空軸に穿設された貫通孔から変速歯の内周面に係合する位置に係合体を押し出すクラッチ切換体と、クランク軸の内側にこのクランク軸の軸芯方向にスライド自在に設けられ一端が前記クラッチ切換体に連結された連動軸と、中空軸の外側に被せられて前記クラッチの軸心方向にスライド自在で前記中空軸と前記クラッチに穿設された孔を介して前記連動軸の他端に連結された案内体と、前記クランク軸と中空軸の回転に伴って回転する前記案内体の回転を許すように前記案内体に係合し変速比の切り換えに際して前記クランク軸の軸芯方向にスライド駆動される作動体とで構成した請求項１または請求項２記載の電動補助自転車における駆動補助装置。
- クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、前記クランク軸の仕事量に応じて前記アクチュエータを駆動して変速装置の変速率を切り換える制御部を設けた請求項３記載の電動補助自転車における駆動補助装置。
- クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、走行開始からの時間経過に応じて前記アクチュエータを駆動して変速機構の変速率を切り換える制御部を設けた請求項３記載の電動補助自転車における駆動補助装置。
- クランク軸に対する作動体の位置を変更するアクチュエータと、前記クランク軸の仕事量と走行開始からの時間経過に応じて前記アクチュエータを駆動して変速装置の変速率を切り換える制御部を設けた請求項３記載の電動補助自転車における駆動補助装置。
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