JP4959858B2 - 電動自転車 - Google Patents

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Description

本発明は、ペダルからの踏力による人力駆動力に、電動モータにより発生する補助駆動力を加えて走行可能であるとともに、前記電動モータにより回生制動動作（回生動作および制動動作）や制動動作（制動動作のみ）などを行わせることが可能である電動自転車に関するものである。
バッテリなどの蓄電器と、この蓄電器から給電される電動モータとを有し、ペダルに加えられる踏力を、トルクセンサなどの踏力検出器により検出し、前記踏力による人力駆動力に、前記電動モータの補助駆動力（アシスト力）を加えることで、上り坂等でも楽に走行できる電動自転車は既に知られている。また、この種の電動自転車において、ブレーキレバーの操作時に電動モータを回生制御する構成も知られている。
例えば、特許文献１〜３には、補助駆動力を発生する電動モータを備えた電動自転車において、ハンドルに取り付けられているブレーキレバーの動作を検知するスイッチやセンサを設け、前記ブレーキレバーが操作されて前輪のブレーキ装置や後輪のブレーキ装置を駆動させた際に、前記電動モータを回生制御して、電動モータの回生制御に伴う制動動作と前記電動モータを発電機として用いてバッテリに充電する回生動作とを行わせる技術が開示されている。
特開２００３−２０４６０２号公報 実開平５−７５０８６号公報 特開２０１０−２８９７０号公報
しかしながら、従来の電動モータの回生制動動作や制動動作が可能な電動自転車では、制動する際にブレーキレバーを操作しなければならないので、ハンドルをしっかりと握ったままの状態では、ブレーキをかけて制動することができないという短所があった。
本発明は上記短所を改善するもので、ハンドルをしっかりと握った状態で、ブレーキをかけて良好に制動することができる電動自転車を提供することを目的とするものである。
上記課題を解決するために、本発明の電動自転車は、補助駆動力を発生する電動モータと、後輪のハブ内に配設されてペダルを前進走行時と逆方向に回転させた際に作動するコースターブレーキと、コースターブレーキが作動された際に前記電動モータを、回生制動動作または制動動作をさせる制御部と、を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、走行時（前進走行時）において、ペダルを逆方向に回転させると、コースターブレーキが作動するとともに、制御部により電動モータの回生制動動作や制動動作が行われて制動される。したがって、ハンドルをしっかりと握った状態で、コースターブレーキを作動させて制動できる。また、コースターブレーキが作動された際に前記電動モータを、回生制動動作または制動動作させると、電動モータの回生制動動作や制動動作によっても制動することができる。
また、本発明は、補助駆動力を発生する電動モータと、後輪のハブ内に配設されてペダルを前進走行時と逆方向に回転させた際に作動するコースターブレーキと、コースターブレーキが作動された際に前記電動モータを、回生制動動作、制動動作、または停止動作をさせる制御部と、を備え、前記電動モータが前輪のハブ内に配設されていることを特徴とする。
なお、ペダルが逆方向に回転されたこと、またはこれに対応する現象を生じたことを検出する逆方向回転検出器を設けるとよく、前記逆方向回転検出器としては、クランク軸が設けられている箇所に取り付けられたトルクセンサ、クランク軸の回転方向を検知するクランク回転センサ、後輪のハブに取り付けられた後部輪体に取り付けられたトルクセンサ、後輪のハブに取り付けられた後部輪体の回転方向を検知する後部輪体回転センサ、ペダルへの踏力を後輪側に伝達する無端状駆動力伝達体の張り状態を検知するテンションセンサ、後輪のハブ軸のトルクを検知するハブ軸トルクセンサ、当該電動自転車の加速度を検出する加速度センサの、少なくとも１つを用いると好適である。
また、本発明は、ペダルへの踏力を検出する踏力検出器で、ペダルが取り付けられたクランクが前進走行時と逆方向に回転されたことも検出することを特徴とする。
この構成によれば、ペダルへの踏力を検出する踏力検出器を、ペダルが前進走行時と逆方向に回転されたことを検出する検出器としても兼用することができる。したがって、その分だけ製造コストを少なく抑えることができる。つまり、従来の電動自転車では、ペダルに加えられる踏力を踏力検出器により検出しているが、これ以外に、ブレーキレバーの動作を検知するためのスイッチやセンサが必要であるので、その分だけ製造コストが増加する欠点があった。これに対して、本発明によれば、ブレーキレバーの動作を検知するためのスイッチやセンサが不要であるので、その分だけ製造コストを少なく抑えることができる。
また、本発明の前記電動モータの電源としての蓄電器を有し、前記電動モータの回生制動動作により、前記蓄電器を充電してもよい。また、本発明の前記電動モータを前輪と後輪との間の中間位置に配設してもよい。
また、ペダルが逆方向に回転されたことを検出する逆方向回転検出器を設け、ペダルが逆方向に回転されたことが検出されると、制御部により前記電動モータを直ぐに停止させるように構成することが好ましい。この構成によれば、ペダルが逆方向に回転された際にペダルを介して乗車者の足に極めて大きな負担が作用することを防止したり、無駄なエネルギーを削減したりすることができる。さらに、ペダルが逆方向に回転された際の踏力に閾値を設け、ペダルが逆方向に回転されたことが検出され、かつ、前記閾値より大きな踏力で逆方向に回転された際に、制御部により前記電動モータを直ぐに停止させるよう構成してもよい。
本発明によれば、後輪のハブ内に配設されてペダルを前進走行時と逆方向に回転させた際に作動するコースターブレーキと、コースターブレーキが作動された際に前記電動モータを回生制動動作、制動動作または停止動作させる制御部とを備えたことにより、ハンドルをしっかりと握った状態で、コースターブレーキによる制動と電動モータの回生制動動作または制動動作による制動とを同時に行うことができて、安全性が向上する。
また、電動モータを前輪のハブ内に配設させることにより、コースターブレーキによる後輪の制動と電動モータの回生制動動作または制動動作による前輪の制動とで当該電動自転車を極めて安定した姿勢で制動することができて、制動時の安定性が向上する。
また、ペダルへの踏力を検出する踏力検出器で、ペダルが取り付けられたクランクが前進走行時と逆方向に回転されたことも検出することにより、ペダルへの踏力を検出する踏力検出器を、ペダルが前進走行時と逆方向に回転されたことを検出する検出器としても兼用することができて、その分だけ製造コストを少なく抑えることができる。
また、ペダルが逆方向に回転されたことを検出する逆方向回転検出器を設け、ペダルが逆方向に回転されたことが検出されると、制御部により前記電動モータを直ぐに停止させるように構成することにより、ペダルを前進走行時と逆方向に回転させた際の、乗車者の足への負担を軽減したり、無駄なエネルギーを削減したりすることができる。
本発明の実施の形態に係る電動自転車の全体側面図 同電動自転車の部分切欠側面図 同電動自転車の前輪のハブの縦断面図 同電動自転車の前輪の制御ユニットの横断面図 同電動自転車の後輪のハブの分解斜視図 同電動自転車の後輪のハブの縦断面図で、ペダルの踏力により後輪を回転駆動させている状態 同電動自転車の後輪のハブの縦断面図で、ペダルを前進走行時とは逆方向に回転させてコースターブレーキを作動させている状態、あるいは走行中にペダルの回転を停止している状態 本発明の他の実施の形態に係る電動自転車の全体側面図 本発明のその他の実施の形態に係る電動自転車の全体側面図 同電動自転車の部分切欠側面図 同電動自転車の前輪の制御ユニットの横断面図 同電動自転車の要部側面図 同電動自転車の踏力と電動モータの電流との関係を示す図 比較例としての電動自転車の踏力と電動モータの電流との関係を示す図
以下、本発明の実施の形態に係る電動自転車について図面に基づき説明する。
図１、図２に示すように、１は電動自転車であり、この電動自転車１は、ヘッドパイプ２ａ、前フォーク２ｂ、メインパイプ２ｃ、立パイプ２ｄ、チェーンステー２ｅなどからなる金属製のフレーム２と、前フォーク２ｂの下端に回転自在に取り付けられた前輪３と、チェーンステー２ｅの後端に回転自在に取り付けられた後輪４と、前輪３の向きを変更するハンドル５と、サドル６と、クランク７およびペダル８と、補助駆動力（アシスト力）を発生させる電動モータ１０と、電動モータ１０を含めた各種の電気的制御を行う制御部１１と、電動モータ１０に駆動用の電力を供給する二次電池からなるバッテリ１２と、ハンドル５などに取り付けられて、乗車者などが操作可能な手元操作部（図示せず）と、クランク７と一体的に回転するように取り付けられた人力駆動力出力輪体としての前スプロケット（いわゆるクランクギヤ）１３と、後輪４のハブ（後ハブとも称する）９に取り付けられた後部輪体としての後スプロケット（いわゆる後輪ギヤ）１４と、前スプロケット１３および後スプロケット１４に掛け渡された無端状駆動力伝達体としてのチェーン１５と、チェーン１５などを側方から覆うチェーンカバー２１などを備えている。なお、バッテリ１２は蓄電器の一例であり、二次電池が好適であるが、蓄電器の他の例としてはキャパシタなどであってもよい。
この電動自転車１では、ブレーキ装置として、ブレーキレバーを操作することによりそれぞれ作動するブレーキシューを前輪のリムに押し付けるリムブレーキや、後輪のバンドブレーキやローラブレーキなどは設けられていない。そして、これらのブレーキ装置の代わりに、図５に示すように、後ハブ９に、ペダル８を前進走行時の回転方向と逆方向に回転することにより制動されるコースターブレーキ５０が設けられている。
なお、ペダル８はクランク７の両端部に回転自在に取り付けられ、人力駆動力としての踏力が加えられる。そして、ペダル８に踏力が加えられると、クランク７がクランク軸７ａを中心に回転し、この回転駆動力が、前スプロケット１３、チェーン１５、および後スプロケット１４を介して後輪４に伝達されて回転される。
図３に示すように、この実施の形態に係る電動自転車１では、電動モータ１０が、前輪３の中心部に配設されている金属製のハブ（以下、前ハブとも称する）１６に内蔵されている。すなわち、前ハブ１６の外郭部は、スポークの内端部が取り付けられて前輪３のタイヤ部などとともに一体的に回転する金属製の回転部１６ａと、前輪３のハブ軸１７と同様に回転しない金属製の固定部１６ｂ、１６ｃ、１６ｄとなどから構成され、これらの回転部１６ａと固定部１６ｂ〜１６ｄなどで構成される前ハブ１６の内部に、電動モータ１０が内蔵されている。なお、図３における１８は前輪３のスポークである。
一方、図２、図４に示すように、制御部１１は、電動自転車１の中央下部に、支持ブラケットなどを介して吊り下げられて支持された制御ユニット２２内に配設されている。制御部１１には、電動自転車１の各構成要素（電動モータを含む）の制御を行う制御基板や記憶回路などが配設されている。制御ユニット２２の前部には、クランク軸７ａが横方向に貫通して回転自在に配設され、クランク軸７ａの一端部に前スプロケット１３がクランク軸７ａと一体的に回転するように取り付けられている。
さらに、制御ユニット２２内におけるクランク軸７ａの外周位置には、クランク軸７ａ（詳しくは、クランク軸７ａと一体的に回転するクランク軸外装筒体３８）のねじり状態を検知して、ペダル８に作用する踏力を検出するトルクセンサなどからなる踏力検出器２３や、クランク軸７ａの回転速度を検出することで、電動自転車１の速さを検出する走行速度検出器（図示せず）が配設されている。ここで、踏力検出器２３としては、磁歪式トルクセンサ（外力の印加によってその透磁率が変化する素材を用い、サーチコイルによって透磁率の変化を磁束の変化として読み取るもの）を用いることでペダル８に作用するトルクを検知すればよい。また、この踏力検出器２３は、踏力の大きさだけでなく、踏力の向きも検出できるよう構成されている。具体的には、例えば、乗車者の踏力により電動自転車１が前進（駆動）するように、図２に示す状態において、ペダル８およびクランク７が右回りに回転されている状態では、トルクセンサなどからなる踏力検出器２３から正出力が出力され、乗車者によりペダル８およびクランク７が逆回り（左回り）に回転される状態では、トルクセンサなどからなる踏力検出器２３から負出力が出力され、ペダル８およびクランク７が回転されていない状態では、０または絶対値が小さい所定の値範囲の出力が出力される踏力検出器２３が用いられる。これにより、乗車者によりペダル８およびクランク７が逆回り（左回り）に回転されると、負出力が出力されるので、乗車者によりペダル８およびクランク７が逆回り（左回り）に回転されたことを判別できるよう構成されている。
図５は、コースターブレーキ５０が設けられている後輪４のハブ（後ハブ）９の分解斜視図、図６Ａ、図６Ｂは、それぞれ後ハブの断面図である。この実施の形態では、ＪＩＳＤ９４１９に規定する自転車用コースターハブ機構Ｂタイプの「ローラークラッチ駆動式」のコースターブレーキ５０が用いられており、後ハブ９の外郭部をなして後輪と一体的に回転するハブ本体９ａの内部にコースターブレーキ５０が配設されている。図５、図６Ａ、図６Ｂに示すように、コースターブレーキ５０は、後輪４のハブ軸２４に回転自在に外嵌され、一端側（図５における右端側）外周に後スプロケット１４が一体的に回転するように固定され、他端側（図５における左端側）に図６Ａ、図６Ｂに示すような突部５１ａ、大径カム面５１ｂおよび小径カム面５１ｃが周方向適当間隔ごとに形成された駆動体５１と、外周寄り部分において周方向適当間隔ごとにローラ５２が配設されているとともに軸方向に沿って（図５における左側）突出するカム部５３ａを有するカム台５３と、カム台５３のカム部５３ａにその傾斜カム部５４ａが係合するとともにテーパ面５４ｂを有するエキスパンダー５４と、径方向に拡縮可能で後ハブ９の内周面に摺接可能なブレーキシュー５５と、ブレーキシュー５５を外側に移動可能なテーパ面５６ａを有するブレーキコーン５６などから構成されている。
そして、ペダル８が通常の走行方向（前進走行時の回転方向）に回転されると、チェーン１５および後スプロケット１４などを介して、駆動体５１が図６Ａにおいて示すＡ方向に回転され、これに伴い、ローラ５２が駆動体５１の大径部５１ｂにより外側に押圧される。この結果、ローラ５２が駆動体５１と、後ハブ９のハブ本体９ａとの間に強く圧接された状態で挟持され、これによって、駆動体５１とともに前記ハブ本体９ａが一体化されて、後輪４全体も回転される。なお、この際、カム台５３のカム部５３ａはエキスパンダー５４の傾斜カム部５４ａにおける軸方向に対して薄い厚み部分に当接している状態となり、エキスパンダー５４は図５において右側寄りに位置するため、エキスパンダー５４のテーパ面５４ｂがブレーキシュー５５に当接せず、ブレーキシュー５５も拡径されずに後ハブ９の内周面から離反されている状態である。
一方、ペダル８が前進走行時の回転方向と逆方向に回転されて、チェーン１５を介して、後スプロケット１４が逆方向に回転された場合には、図６Ｂに示すように、駆動体５１が後スプロケット１４と同方向であるＢ方向に回転され、これにより、ローラ５２の箇所では、駆動体５１の小径カム面５１ｃに当接してハブ本体９ａの内周面からは隙間を有する状態となる。しかしながら、駆動体５１のＢ方向への回転により、ローラ５２を介して、カム台５３がＢ方向に回転されると、カム台５３のカム部５３ａに傾斜カム部５４ａで当接しているエキスパンダー５４が図５における左側に移動される。これにより、ブレーキシュー５５が、エキスパンダー５４のテーパ面５４ｂとブレーキコーン５６のテーパ面５６ａとにより両側から押圧されて拡径して、後ハブ９のハブ本体９ａの内周面に強く押圧され、この結果、後ハブ９を介して後輪４が制動される。
なお、走行中にペダル８が停止されて、チェーン１５を介して、後スプロケット１４の回転が停止された場合には、駆動体５１が図６Ａに示すようなＡ方向に回転される力がなくなるため、図６Ｂに示すように、ローラ５２は、駆動体５１の小径カム面５１ｃ側に寄って後ハブ９の内周面から隙間を有する状態となる。また、駆動体５１が回転されないため、カム台５３も回転されず、これにより、エキスパンダー５４は図５において右側寄りに位置した状態のままとなり、エキスパンダー５４のテーパ面５４ｂがブレーキシュー５５に当接せず、ブレーキシュー５５も拡径されずに後ハブ９の内周面から離反されている状態となる。この結果、後ハブ９が回転している状態であっても、後ハブ９の回転力は、駆動体５１や後スプロケット１４には伝達されず、これらの間にフリーホイール（一方向クラッチ）を配設した場合のように、空回り状態となって惰性走行状態が維持される。
上記構成において、制御部１１は、手元操作部に設けられた電源スイッチが乗車者により操作されて、補助駆動力を加えることが可能なアシスト可能状態にある場合において、以下の制御動作を行う。
乗車者によりペダル８が前進走行時の回転駆動方向に踏み込んで走行されている時には、踏力検出器２３によりペダル８（クランク軸７ａ）の踏力と回転方向が検出され、これに対応する補助駆動力を出力するように電動モータ１０を制御する。なお、電動自転車１の走行速度が所定速度を越えると、徐々に補助駆動力の付加量が減少され、上限走行速度値以上では補助駆動力が加えられないよう制御される。
また、走行中に乗車者によりペダル８の回転が停止された場合には、踏力が０または０に近い値となり、この状態が踏力検出器２３により検出されるので、制御部１１は、補助駆動力を加えないよう電動モータ１０などを制御する。
走行中に、乗車者によりペダル８が前進走行時の回転方向と逆方向に回転された場合には、踏力検出器２３によりクランク軸７ａが逆方向に回転されたことが検出され、かつその際の踏力も検出され、これらの情報の信号が制御部１１に入力される。制御部１１は、クランク軸７ａが逆方向に回転された情報の信号を踏力検出器２３から入力すると、電動モータ１０を回生制動動作させるように制御する。これにより、電動モータ１０がハブ１６に配設されている前輪３が電動モータ１０の回生制動動作により制動される。なお、踏力に対応させて、踏力が大きい場合ほど、電動モータ１０の回生制動動作による発電量が大きくなるように制御して、回生制動動作による制動力を大きくすることが好適である。しかし、これに限るものではなく、踏力が所定値に達した際に、電動モータ１０の回生動作をＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り換えるだけの制御を行ってもよい。また、回生発電された電力はバッテリ１２に充電される。
上記構成により、乗車者によりペダル８が前進走行時の回転駆動方向に踏み込んで走行されている時には、人力駆動力としての踏力によりチェーン１５を介して後輪４が回転されるとともに、前記踏力に対応する補助駆動力が加えられて前輪３が回転されるので、上り坂等でも楽に走行できる。
また、走行中にペダル８の回転が停止された場合には、補助駆動力が加えられないとともに、コースターブレーキ５０が空回り状態となるので、惰性走行を支障なく行うことができる。
また、走行中に、乗車者によりペダル８が前進走行時の回転方向と逆方向に回転された場合には、コースターブレーキ５０が動作して後輪４が制動されるとともに、電動モータ１０の回生制動動作により前輪３が制動される。このように、後輪４だけでなく前輪３も制動されるので、後輪４だけで制動する場合と比べて安定した状態で制動することができる。また、この場合に、踏力に対応させて、踏力が大きい場合ほど、電動モータ１０の回生制動動作による制動力を大きくすることにより、前輪３と後輪４との制動力の割合が安定した状態でより良好に停止するなど、一層良好に制動することができる。
また、この電動自転車１では、コースターブレーキ５０を採用しているので、電動モータ１０の回生制動動作が可能でありながら、足でペダル８を前進走行時と逆方向に回転させることで、ハンドル５をしっかりと握った状態で、コースターブレーキ５０を作動させて制動するとともに電動モータ１０の回生制動動作による制動を実行させることができ、ブレーキレバーを用いて制動する場合と比べて安全性が向上する。
また、後輪４については、コースターブレーキ５０のみにより制動し、前輪３については、電動モータ１０の回生制動動作のみにより制動するため、前輪３と後輪４との制動力の割合が不釣合いになることを防止したり（踏力に対応させて、電動モータ１０の回生制動動作による制動力を調整して制御する場合）、最小限に抑えることができたり（踏力に応じて、電動モータ１０の回生動作のみを単に、ＯＮ／ＯＦＦ制御する場合）する。この結果、前輪３と後輪４とを安定した状態で極めて良好に制動できて、安全性が良好に維持される。
また、上記構成によれば、ペダル８への踏力を検出するトルクセンサなどからなる踏力検出器２３を、ペダル８が前進走行時と逆方向に回転されたことを検出する検出器としても兼用しているので、その分だけ部品点数が減少し、製造コストを少なく抑えることができる。つまり、従来の電動自転車では、ペダルに加えられる踏力を踏力検出器により検出しているが、これ以外に、ブレーキレバーの動作を検知するためのスイッチやセンサが必要であるので、その分だけ製造コストが増加する欠点があったが、本発明によれば、ブレーキレバーの動作を検知するためのスイッチやセンサが不要であるので、その分だけ製造コストを少なく抑えることができる。
また、上記の実施の形態では、コースターブレーキ５０として、「ローラークラッチ駆動式」のものを用いた場合を述べたが、これに限るものではなく、これに代えて、「テーパーコーン駆動式」のコースターブレーキや、「多板式」のコースターブレーキを用いてもよい。
また、上記の実施の形態では、ペダル８への踏力を検出するトルクセンサなどからなる踏力検出器２３を、ペダル８が前進走行時と逆方向に回転されたことを検出する検出器（すなわち、乗車者によりコースターブレーキ５０を作動させるための動作を検出する検出器としてのコースターブレーキ作動検出器）として用いた場合を述べたが、これに限るものではない。すなわち、トルクセンサからなる踏力検出器２３に代えて、ペダル８が逆方向に回転されたことを検出する逆方向回転検出器として、クランク７の回転方向を検知するクランク回転センサ、後輪４のハブ９に取り付けられた後部輪体としての後スプロケット１４に取り付けられたトルクセンサ、後輪４のハブ９に取り付けられた後部輪体としての後スプロケット１４の回転方向を検知する後部輪体回転センサ、ペダル８への踏力を後輪４側に伝達する無端状駆動力伝達体としてのチェーン１５の張り状態を検知するテンションセンサ、後輪４のハブ軸のトルクを検知するハブ軸トルクセンサ、当該電動自転車の加速度を検出する加速度センサの、少なくとも１つを用いてもよい。
前記クランク回転センサは、クランク７の回転方向を検知することができるもので、高精度のものを用いなくても容易にクランク７の逆方向の回転を検知することができる。したがって、前記逆方向回転検出器としてクランク回転センサを用いることで、製造コストを安価に抑えることが可能となる利点がある。また、クランク７の回転方向を検知するセンサに代えて、単に、クランク７が逆方向に回転したことを検知することができる機械的センサや電気的センサをクランク軸近傍箇所やクランク軸の軸受部などに設けてもよい。また、同様な構成の機械的センサや電気的センサを後スプロケット１４に取り付けてもよい。また、チェーン１５の張り状態を検知するテンションセンサとしては、前スプロケット１３と後スプロケット１４とに渡って掛け渡しているチェーン１５の下側部分に作用する荷重値を検出する荷重センサを設けて、クランク７を逆方向に回転させた際に、チェーン１５の下側部分が張ることを利用して、チェーン１５の下側部分が、前記荷重センサを押圧するように配設し、所定荷重以上作用した場合に、クランク７が逆方向に回転されたと判定するよう構成してもよい。また、チェーンテンショナにより、チェーン１５の下側部分が張る力が増加したことを検知して、クランク７が逆方向に回転されたと判定するよう構成してもよい。また、後輪４のハブ９にトルクセンサを設けて、クランク７が逆方向に回転されたと判定するよう構成してもよい。
さらに、前記逆方向回転検出器として、クランク位置を検出するセンサと、ペダル踏力を検知するセンサとを組み合わせて、正方向または逆方向のいずれかにペダル踏力が負荷されているかを判別するよう構成してもよい。また、電動自転車１の加速度を検出する加速度センサと、ペダル踏力を検知するトルクセンサとを組み合わせて、加速度が負の値になったことおよび踏力を検知してクランク７が逆方向に回転されたと判定するよう構成してもよい。また、電動自転車１の加速度を検出する加速度センサと、クランク回転センサを組み合わせて、加速度が負の値になったことおよびクランクの回転を検知してクランク７が逆方向に回転されたと判定するよう構成してもよい。
また、上記の実施の形態では、クランク７を逆方向に回転させた際に、電動モータ１０に対して制御部１１が回生制動動作を行わせて、制動並びに充電を行わせたが、これに限るものではなく、制御部１１が充電動作（回生動作）を行わせることなく、制動動作のみ行わせるよう構成してもよい。また、クランク７を逆方向に回転させた際に、電動モータ１０に対して制御部１１が回生制動動作や制動動作を行わせる代わりに、電動モータ１０に対して直ぐに停止動作を行わせるようにしてもよい。この場合には、前輪３の制動動作は行われないことになるが、例えば、クランク７を逆方向に回転させた際でも、電動モータ１０の停止動作を遅延させて行う場合と比較すると、無駄なエネルギーを削減することができる。
また、上記の実施の形態では、ペダル８からの踏力を後輪４に伝達する無端状駆動力伝達体として、チェーン１５を用いた場合を述べたが、これに限るものではなく、チェーン１５に代えて歯付きベルトを用いてもよい。また、同様に、歯付きベルト（駆動力伝達歯付きベルト）を用いる場合には、後部輪体として後スプロケット１４に代えて後歯車を用いるとよい。
また、上記の実施の形態では、ブレーキ装置として、コースターブレーキ５０だけが設けられている場合を述べたが、これに限るものではない。すなわち、上記構成のコースターブレーキ５０を有することに加えて、図７に簡略的に示すように、一般の自転車に設けられているような、ブレーキレバー４１で操作することにより作動する前輪３のブレーキ装置４０を設けたり、さらに、ブレーキレバー４１で操作することにより作動する後輪４のブレーキ装置（図示せず）を設けたりする構成としてもよい。なお、この構成の場合でも、コースターブレーキ５０を作動させた際に電動モータ１０を回生動作させればよい。
また、この構成においても、制動する場合には基本的にコースターブレーキ５０を作動させ、非常の場合や、コースターブレーキ５０に慣れていない乗車者が一時的に乗るなどした場合に、ブレーキレバー４１で操作するブレーキ装置４０を用いることが好ましい。
また、上記のように、コースターブレーキ５０に加えて、ブレーキレバー４１で操作することにより作動する前輪３などのブレーキ装置（ブレーキレバー操作型ブレーキ装置）を設けた際には、以下のように構成してもよい。すなわち、ブレーキレバー４１が操作され、かつ、コースターブレーキ５０が作動するようペダル８が逆方向に回転された場合の、電動モータ１０への回生制動動作や制動動作による制動力が、コースターブレーキ５０または前記ブレーキレバー操作型ブレーキ装置の何れか一方のみが作動される際の、電動モータ１０への回生制動動作や制動動作による制動力よりも小さくなるように、制御部１１により制御してもよい。つまり、コースターブレーキ５０とブレーキレバー操作型ブレーキ装置との両者が作動する際には、さらに電動モータ１０の制動が加わって、急激に制動力が加わり、スリップするおそれなどがあるので、このような不具合が生じないように、コースターブレーキ５０とブレーキレバー操作型ブレーキ装置との両者が作動する際には、電動モータ１０による制動力を弱めることが好ましい。
また、上記の実施の形態では、電動モータ１０が、前輪３の中心部に配設されている前ハブ１６に内蔵されている場合を述べたが、これに限るものではない。図８〜図１１は本発明のその他の実施の形態に係る電動自転車１を示すものである。この実施の形態では、図８〜図１１に示すように、電動モータ１０が、前輪３と後輪４との間の中間位置（より詳しくは中間位置の下部）に配置されているモータ駆動ユニット３０の内部に配設されている。そして、このような配置構成にすることで、重量が比較的大きいモータ駆動ユニット３０が、電動自転車１の前後方向中央に配置されるため、前輪３や後輪４を持ち上げ易くて、走行路に段差があっても容易に乗り越えることができるなど、電動自転車１の車体（フレーム２など）の取り回しがよく、また、走行安定性も良好となるよう図られている。
図１０に示すように、モータ駆動ユニット３０は、外殻部および仕切壁部をなすユニットケース３１の内部が、前側に配設されて、クランク軸７ａが回転自在に支持されてなるクランク軸配設部３２と、前後方向の中央に配設されて、制御基板や各種の電子部品などからなる制御部１１が配設された制御領域部３３と、後寄り左側に配設されて、電動モータ１０が内蔵されたモータ部３４と、減速歯車３５や補助駆動力出力軸３６などが回転自在に配設されてなる減速機構３７が配設された減速機構部などに区画されている。また、モータ制御ユニット３０の前部におけるクランク軸７ａの外周位置には、クランク軸７ａと一体的に回転するクランク軸外装筒体３８のねじり状態を検知して、ペダル８に作用する踏力を検出するトルクセンサなどからなり、逆方向回転検出器としても機能する踏力検出器２３や、クランク軸７ａの回転速度を検出することで、電動自転車１の速さを検出する走行速度検出器（図示せず）が配設されている。なお、図１０における３９はクランク軸外装筒体３８と一体的に回転するように一端部で連結されて、他端部に前スプロケット１３が取り付けられているクランク軸外装補助筒体である。
また、モータ駆動ユニット３０における前スプロケット１３の後方箇所に、電動モータ１０で発生した補助駆動力を出力する補助駆動輪体としての補助駆動スプロケット４０が、モータ駆動ユニット３０から突出する補助駆動力出力軸３６に取り付けられた姿勢で配設されている。そして、補助駆動スプロケット４０を、前スプロケット１３の後方箇所で、チェーン１５の下側部分を上方に持ち上げる状態で噛み合わせて配置することにより、人力駆動力に補助駆動力を加えて、これらの駆動力を後輪４に伝達する構成としている。なお、この実施の形態では、モータ駆動ユニット３０における電動モータ１０と補助駆動スプロケット４０との間の補助駆動力伝達経路に、詳しくは減速歯車３５と補助駆動力出力軸３６との間に、一方向クラッチ機構４１を配設している。これにより、電動モータ１０が回転されていない状態でペダル８が踏み込まれた場合に、電動モータ１０の負荷がペダル８に作用することを防止して、ペダル８を踏み込む力が過大になることがないよう図っている。また、図９、図１２における４２は、補助駆動スプロケット４０にチェーン１５が噛み合う巻き角度が適切な角度まで増加するように案内しているとともに、チェーン１５の弛みを吸収してチェーン１５の張り状態を適度に保っているテンショナ装置である。
上記構成において、制御部１１は、手元操作部に設けられた電源スイッチが乗車者により操作されて、補助駆動力を加えることが可能なアシスト可能状態にある場合において、以下の制御動作を行う。
乗車者によりペダル８が前進走行時の回転駆動方向に踏み込んで走行されている時には、踏力検出器２３によりペダル８（クランク軸７ａ）の踏力と回転方向が検出され、これに対応する補助駆動力を出力するように電動モータ１０を制御する。なお、電動自転車１の走行速度が所定速度を越えると、徐々に補助駆動力の付加量が減少され、上限走行速度値以上では補助駆動力が加えられないよう制御される。
また、走行中に乗車者によりペダル８の回転が停止された場合には、踏力が０または０に近い値となり、この状態が踏力検出器２３により検出されるので、制御部１１は、補助駆動力を加えないよう電動モータ１０などを制御する。
走行中に、乗車者によりペダル８が前進走行時の回転方向と逆方向に回転された場合には、踏力検出器２３によりクランク軸７ａが逆方向に回転されたことが検出され、かつその際の踏力も検出され、これらの情報の信号が制御部１１に入力される。制御部１１は、クランク軸７ａが逆方向に回転された情報の信号を踏力検出器２３から入力すると、図１２に示すように、電動モータ１０を直ぐに（瞬間的に）停止動作させるように制御する。これにより、電動モータ１０が即時に停止された状態で、コースターブレーキ５０が作動する。
この構成によれば、ペダル８が逆方向に回転された際に、ペダル８を介して乗車者の足に極めて大きな負担が作用することを防止できて、乗車者の足への負担を軽減することができる。
つまり、コースターブレーキ５０を有しておらず、ブレーキレバーを操作してブレーキ動作を行う一般的な電動自転車では、走行中にペダル８を逆方向に回転することは殆どなく、また、後スプロケットと後輪４のハブとの間に、一方向クラッチが介装され、後輪４の側に逆方向の回転力が殆ど伝達されない構造となっている。また、乗車者が踏み込むことを止めて踏力を０（または０に近い小さい値）にした際に、直ぐに電動モータ１０を停止するよう制御すると、電動モータ１０が急に停止することによるペダル８への若干の衝撃（いわゆる違和感）が発生したり、ペダル８への衝撃によりＯＮ、ＯＦＦ動作を繰り返す現象（いわゆるギクシャク感）を発生したりする。したがって、この際には、一般に、電動モータ１０の停止動作を遅延させて（たとえば、０．４秒）、できるだけ滑らかに停止させるよう構成されている。
しかしながら、このような制御方法を、走行中にペダル８が逆方向に回転された場合にも同様に適用すると、図１３に示すように、ペダル８が逆方向に回転した瞬間においても、電動モータ１０が正方向（補助駆動力を出力する回転方向）に回転しているので、乗車者の足の踏み込み動作に対して、前記遅延時間の間は電動モータ１０により大きな反力が発生して、乗車者の足への負担が極めて大きくなる。
したがって、このような課題に対処すべく、クランク軸７ａが逆方向に回転された情報の信号を踏力検出器２３から入力すると、電動モータ１０を直ぐに（瞬間的に）停止動作させるように制御する。これにより、電動モータ１０が即時に停止されて、ペダル８が逆方向に回転された際にペダル８を介して乗車者の足に極めて大きな負担が作用することを防止できて、乗車者の足への負担を軽減することができる。また、この構成により、電動モータ１０の無駄な回転を即時停止できて、無駄なエネルギーを削減することができる利点もある。
なお、この場合に、電動モータ１０を直ぐに停止させる際の、逆方向の踏力値として閾値（電動モータ停止用閾値、例えば、−３．０ｋｇ）を設け、この逆方向の踏力よりも低い踏力が作用した際に、乗車者が意図的にペダル８を逆方向に回転したと判断して、電動モータ１０を直ぐに停止させると、より好適である。すなわち、走行中にペダル８を停止して惰性走行する際でも、場合によっては、ペダル８を逆回転させてしまう恐れがあるが、この場合には、逆方向に回転する踏力はあまり大きくないので、このような場合には閾値以下となるように閾値を設定する。これにより、このような惰性走行する際には、電動モータ１０を急停止させずに、電動モータ１０の停止動作を遅延させる。この結果、電動モータ１０が急停止することによるペダル８への若干の衝撃（いわゆる違和感）や、ペダル８への衝撃によりＯＮ、ＯＦＦ動作を繰り返す現象（いわゆるギクシャク感）の発生を防止することが可能となる。
本発明は、ペダルからの踏力による人力駆動力に、電動モータにより発生する補助駆動力を加えて走行可能であるとともに、前記電動モータにより回生制動動作や制動動作や停止動作を行わせることが可能である各種の電動自転車に適用可能である。
１ 電動自転車
２ フレーム
３ 前輪
４ 後輪
５ ハンドル
７ クランク
７ａ クランク軸
８ ペダル
９ ハブ（後ハブ）
１０ 電動モータ
１１ 制御部
１２ バッテリ（蓄電器）
１３ 前スプロケット（人力駆動力出力輪体）
１４ 後スプロケット（後部輪体）
１５ チェーン（無端状駆動力伝達体）
１６ ハブ（前ハブ）
２３ 踏力検出器
３０ モータ駆動ユニット
３４ モータ部
３５ 減速歯車
３６ 補助駆動力出力軸
３７ 減速機構
３８ クランク軸外装筒体
３９ クランク軸外装補助筒体
４０ 補助駆動スプロケット
５０ コースターブレーキ

Claims (8)

  1. 補助駆動力を発生する電動モータと、
    後輪のハブ内に配設されてペダルを前進走行時と逆方向に回転させた際に作動するコースターブレーキと、
    コースターブレーキが作動された際に前記電動モータを、回生制動動作または制動動作をさせる制御部と、
    を備えたことを特徴とする電動自転車。
  2. 補助駆動力を発生する電動モータと、後輪のハブ内に配設されてペダルを前進走行時と逆方向に回転させた際に作動するコースターブレーキと、コースターブレーキが作動された際に前記電動モータを、回生制動動作、制動動作、または停止動作をさせる制御部と、を備え、
    前記電動モータが前輪のハブ内に配設され、
    ペダルが逆方向に回転されたこと、またはこれに対応する現象を生じたことを検出する逆方向回転検出器を設け、前記逆方向回転検出器として、クランク軸が設けられている箇所に取り付けられたトルクセンサ、クランク軸の回転方向を検知するクランク回転センサ、後輪のハブに取り付けられた後部輪体に取り付けられたトルクセンサ、後輪のハブに取り付けられた後部輪体の回転方向を検知する後部輪体回転センサ、ペダルへの踏力を後輪側に伝達する無端状駆動力伝達体の張り状態を検知するテンションセンサ、後輪のハブ軸のトルクを検知するハブ軸トルクセンサ、当該電動自転車の加速度を検出する加速度センサの、少なくとも１つが用いられることを特徴とする請求項１に記載の電動自転車。
  3. 補助駆動力を発生する電動モータと、
    後輪のハブ内に配設されてペダルを前進走行時と逆方向に回転させた際に作動するコースターブレーキと、
    コースターブレーキが作動された際に前記電動モータを、回生制動動作、制動動作、または停止動作をさせる制御部と、
    を備え、
    ペダルへの踏力を検出する踏力検出器で、ペダルが取り付けられたクランクが前進走行時と逆方向に回転され、かつ逆方向に踏力がかけられたことも検出することを特徴とする電動自転車。
  4. 補助駆動力を発生する電動モータと、
    後輪のハブ内に配設されてペダルを前進走行時と逆方向に回転させた際に作動するコースターブレーキと、
    コースターブレーキが作動された際に前記電動モータを、回生制動動作、制動動作、または停止動作をさせる制御部と、
    を備え、
    前記電動モータの電源としての蓄電器を有し、前記電動モータの回生制動動作により、前記蓄電器が充電されることを特徴とする電動自転車。
  5. 前記電動モータの電源としての蓄電器を有し、前記電動モータの回生制動動作により、前記蓄電器が充電されることを特徴とする請求項３に記載の電動自転車。
  6. 補助駆動力を発生する電動モータと、
    後輪のハブ内に配設されてペダルを前進走行時と逆方向に回転させた際に作動するコースターブレーキと、
    コースターブレーキが作動された際に前記電動モータを、回生制動動作、制動動作、または停止動作をさせる制御部と、
    を備え、
    ペダルが逆方向に回転されたことを検出する逆方向回転検出器を設け、
    ペダルが逆方向に回転された際の踏力に閾値を設け、ペダルが逆方向に回転されたことが検出され、かつ、前記閾値より大きな踏力で逆方向に回転された際に、制御部により前記電動モータを直ぐに停止させるよう構成されていることを特徴とする電動自転車。
  7. 前記電動モータが前輪と後輪との間の中間位置に配設されていることを特徴とする請求項３〜６の何れか１項に記載の電動自転車。
  8. 前記電動モータが前輪のハブ内に配設されていることを特徴とする請求項６に記載の電動自転車。
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