JP5127961B2

JP5127961B2 - 電動自転車のトルク検出装置

Info

Publication number: JP5127961B2
Application number: JP2011142406A
Authority: JP
Inventors: 憲夫梅沢; 史梅垣; 努中西; 昭松浦
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-06-28
Also published as: JP2013011442A; WO2013001698A1

Description

本発明は電動自転車のトルク検出装置に関する。

走行時において、ペダルを踏み込む人の踏力に、電動モータの補助駆動力を付加することで、上り坂等でも楽に走行できる電動自転車（電動アシスト自転車とも称される）は既に知られている。前記電動自転車には、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が設けられているとともに、ペダルに作用する人の踏力（すなわち人力駆動力）をトルクとして検出するトルク検出装置が備えられている。

図１６は従来のトルク検出装置を搭載した電動自転車のハンガー部（ボトムブラケット部とも称せられる）の断面図、図１７は図１６のＡ部拡大図を示す（特許文献１参照）。図１６、図１７において、１０１は電動自転車のハンガー部で、ハンガー部１０１内には両端部にねじ孔１０３ａ，１０３ｂを有するクランク軸１０４が挿通され、このクランク軸１０４は転がり軸受け１０５ａ，１０５ｂを介して回転自在に支持されている。１０６ａは基部に嵌合孔を有するクランクアームで、該嵌合孔がクランク軸１０４の一方の端部に嵌合され、ねじ孔１０３ａに螺入したボルト１０７ａによりクランク軸１０４の一方の端部に固定されており、このクランクアーム１０６ａの先端部にはペダル（図示せず）が回転自在に装着されている。１０６ｂは基部に嵌合孔を有する円筒状のボス１０８を備えたクランクアームで、該嵌合孔が前記クランク軸１０４の他方の端部に嵌合され、ねじ孔１０３ｂに螺入したボルト１０７ｂによりクランク軸１０４の他方の端部に固定されており、このクランクアーム１０６ａの先端部にはペダル（図示せず）が回転自在に装着されている。なお、クランク軸１０４とクランクアーム１０６ａ、１０６ｂとでクランクが構成される。

図１６、図１７において、１１０はトルク検出装置で、円筒部１１３ａとフランジ１１３ｂとからなり、ペダルを踏むことによりねじり応力が発生する検出部１１３と、内周に検出コイル１１４ａ，１１４ｂが装着された有底円筒状のコイルユニット１１５とから構成されている。検出部１１３はＦｅ−Ｎｉ系合金等の磁性合金からなり、検出部１１３の円筒部１１３ａの中心部にはクランク軸１０４が挿通する孔が設けられている。検出部１１３はボルト１１６ａ，１１６ｂにより、クランクアーム１０６ｂのボス１０８に固定されている。また、検出部１１３のフランジ１１３ｂにはギヤ保持部１１７がボルト１１８ａ，１１８ｂにより固着されているとともに、ギヤ保持部１１７にはチェーン（図示せず）が掛けられた駆動ギヤ（前ギヤとも称される）１１９がボルト１２０ａ，１２０ｂにより固着されている。さらにまた、検出部１１３の円筒部１１３ａの、検出コイル１１４ａ，１１４ｂに対向する部分には、互いに反対方向の磁気異方性が付与されている。

ペダルを踏んでクランクアーム１０６ｂを電動自転車が前進する方向に回転させると、その回転力は、クランクアーム１０６ｂのボス１０８、検出部１１３、ギヤ保持部１１７を経て、駆動ギヤ１１９に伝達される。この時、クランクアーム１０６ｂと一体に結合された検出部１１３には、クランクアーム１０６ｂによる回転力とチェーンによる張力によりねじり応力が発生する。これにより、検出部１１３の円筒部１１３ａの検出コイル１１４ａに対向する部分には引張応力が加わり、検出部１１３の円筒部１１３ａの検出コイル１１４ｂに対向する部分には圧縮応力が加わるため、これに対応して各々の部分の透磁率が増減する。これにより、検出コイル１１４ａ，１１４ｂの自己インダクタンスが変化して、これらの検出コイル１１４ａ，１１４ｂを含むブリッジ回路からクランク軸１０４に加えられたトルクに対応する出力電圧が得られるものである。

特開平８−３３８７７３号公報

しかしながら、上記従来のトルク検出装置を用いた電動自転車等においては、基部に嵌合孔を有する円柱状のボス１０８を備えたクランクアーム１０６ｂ、互いに反対方向の磁気異方性を備えた部分を有する磁性合金製の検出部１１３などの特殊な部品や、検出コイル１１４ａ，１１４ｂを使用せねばならないため、組立てが煩雑であるとともに軽量化が困難となるのみならず、高価なものとなってしまう、という課題があった。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、特殊な部品や重量部品を使用することなく構成され、組立てが簡単で軽量、安価な電動自転車のトルク検出装置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のトルク検出装置は、後輪を回転駆動させるためのチェーンなどの駆動力伝達体が、クランク軸と一体的に回転する駆動スプロケットなどの人力駆動輪体と、後輪に取り付けられた従動輪体とにわたって架け渡され、ペダルからの踏力に基づいて補助駆動力を付加可能に構成された電動自転車において、前記人力駆動輪体によって前記駆動力伝達体を前方に引張る力の反力によりクランク軸が後方へ弾性変形しようとする力を受けて弾性変形する１つの弾性変形部を設け、この弾性変形部に、この弾性変形部の弾性変形量から前記踏力を検出する１つの歪み検出センサを取付け、フレームに固定されたハンガー部内に、クランク軸を回転自在に支持する左右で対となり、前記人力駆動輪体が取り付けられた側に配設されている一方の軸受と、前記人力駆動輪体が取り付けられた側と反対側に配設されている他方の軸受とを設け、前記ハンガー部と、前記人力駆動輪体が取り付けられた側に配設されている前記一方の軸受との間に、この一方の軸受に後方から当接して弾性変形可能な前記１つの弾性変形部を有するセンサ支持部材を取付け、前記センサ支持部材の前記弾性変形部に前記１つの歪み検出センサを取付け、前記ハンガー部は側面視して円形状とされ、前記一方の軸受の後面部と前記センサ支持部材の後面領域との間とに隙間を有する形状となるように前記センサ支持部材を形成し、前記一方の軸受の後面部における上寄り部分と前記センサ支持部材におけるこれに対向する部分との間と、前記一方の軸受の後面部における下寄り部分と前記センサ支持部材におけるこれに対向する部分との間とに、後方への力を伝達する支点軸を配設したことを特徴とする。

上記構成により、ハンガー部と、人力駆動輪体が取り付けられた側に配設されている前記一方の軸受との間に、センサ支持部材を取付け、このセンサ支持部材の弾性変形部に取り付けた１つの歪み検出センサにより、クランク軸における人力駆動輪体が取り付けられた側に加えられる踏力を検出することができる。すなわち、磁性合金製の検出部などの特殊な部品や、検出コイルなどを使用することなく、比較的簡単な構成でペダルを踏み込む人の踏力を検出することができる。

また、人が踏み込むことによりペダルに加わる踏力において、実際に後輪を回転させる人力に係る駆動力は、駆動スプロケットなどの人力駆動輪体によりチェーンなどの駆動力伝達体の上側部分を前方に引張る力が実質的に走行させる力として作用しているので、このような駆動力伝達体の前方への張力に対応する力を検出することができれば、実際に後輪を駆動するための人力駆動力を測定できる。上記構成によれば、クランク軸から人力駆動輪体を介して駆動力伝達体に伝達される力の反力、すなわち、踏力における実際に後輪側に伝達されて走行する力となる駆動力伝達体への張力を良好に検出できる。

また、センサ支持部材が介装されている軸受が、人力駆動輪体が取り付けられた側に配設されている前記一方の軸受であるので、人力駆動輪体が取り付けられた側と反対側に配設されている前記他方の軸受との間に介装されている場合と比較して、良好な感度で、踏力を検出することができる。

また、上記構成により、フレームに結合されてクランク軸を回転自在に支持する一般的な側面視して円形状のハンガー部を用いて、踏力を良好に検出することができる。すなわち、特殊な形状ではなくて、一般的なハンガー部を用いることができるので、製造コストを安価に済ますことができる。

また、本発明の前記センサ支持部材は、前記弾性変形部が薄肉となるように後部が平面形状に切欠かれた略円形形状部品であり、前記弾性変形部の最も薄肉となった箇所に歪み検出センサが取り付けられていることを特徴とする。

この構成により、極めて簡単な構成で、前記弾性変形部が安定した姿勢で配置され、しかも前記弾性変形部の最も薄肉となった箇所に歪み検出センサが取り付けられているので、前記検出センサにより高感度に力を検出できる。また、平面形状に切欠く寸法を調整することにより、前記弾性変形部の最も薄肉となる厚みを安定して容易に変更できて、感度調整を容易に行うことができる。しかも、後部が平面形状に切欠かれた箇所を前記弾性変形部とすることにより、ペダルからの踏力における上下方向の力を分離して、踏力における実際に後輪を駆動するための人力駆動力を良好に測定できる。

また、本発明は、前記ハンガー部と前記センサ支持部材との周方向の相対位置を決める位置決めキーなどの位置決め部材が設けられていることを特徴とする。この構成により、位置決め部材の配設する凹部などの位置を変更することで、弾性変形部および歪み検出センサの位置を容易に変更でき、弾性変形部および歪み検出センサが最も適切な位置になるように配設することで、極めて良好にトルクを検出することができる。

なお、前記ハンガー部の外殻部を、左右に２分割されているユニットケースの一部により構成してもよい。また、前記ハンガー部を、補助駆動力を発生する電動モータを備えたモータユニットに設け、前記モータユニットにおける補助駆動力をモータユニットから出力する補助駆動力出力輪体と電動モータの出力軸との間に一方向クラッチを配設し、前記クランク軸と前記人力駆動輪体との間にも他の一方向クラッチを配設してもよい。

本発明によれば、フレームに固定されているハンガー部と、人力駆動輪体が取り付けられた側に配設されている前記一方の軸受との間に、センサ支持部材を取付け、このセンサ支持部材の弾性変形部に１つの歪み検出センサを取り付けるという簡単な構成で製造コストの低減化やハンガー部の箇所の軽量化を図りながら、人の踏力を良好に検出することができる。また、人が踏み込むことによりペダルに加わる踏力における、実際に後輪を回転させる人力に係る駆動力を測定できる利点もある。

また、前記センサ支持部材を、前記弾性変形部が薄肉となるように後部が平面形状に切欠かれた略円形形状部品とし、前記弾性変形部の最も薄肉となった箇所に検出センサを取り付けることにより、極めて簡単な構成で、前記弾性変形部が安定した姿勢で配置できるとともに、前記検出センサにより高感度に力を検出できる。また、前記弾性変形部の最も薄肉となる厚みを安定して容易に変更できて、感度調整を容易に行うことができる。

また、前記センサ支持部材を、前記弾性変形部が薄肉となるように後部が平面形状に切欠かれた略円形形状部品とした構成において、前記ハンガー部と前記センサ支持部材との周方向の相対位置を規制する位置決めキーなどの位置決め部材を設けることにより、前記弾性変形部および前記検出センサの位置調整と位置決めとを良好に行うことができる。

本発明の実施の形態に係るトルク検出装置を備えた電動自転車の全体側面図同電動自転車の側面図同電動自転車の制御ユニットの平面断面図同電動自転車の制御ユニットの側面断面図同電動自転車のトルク検出装置の側面図同電動自転車のクランク、軸受およびペダルの位置関係を概略的に示す図同電動自転車の変形例のトルク検出装置の側面図同電動自転車の他の変形例のトルク検出装置の側面図同電動自転車のさらに他の変形例のトルク検出装置の側面図本発明の他の実施の形態に係るトルク検出装置を備えた電動自転車の全体側面図同電動自転車の側面図同電動自転車のモータ駆動ユニットの側面図同電動自転車のモータ駆動ユニットの平面断面図踏力（人力駆動力）と補助駆動力とチェーン張力（合計駆動力）との関係を示す図制御部における、踏力（人力駆動力）に係る踏力（人力駆動力）を算出する演算処理部を概念的に示すブロック図従来のトルク検出装置の正面断面図同従来のトルク検出装置の要部拡大断面図

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。なお、以下の説明における左右とは、電動自転車に搭乗して前方（進行方向）に向いた状態での左右方向をいう。図１、図２における１は本発明の実施の形態に係る電動自転車である。図１、図２に示すように、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、シートステー２ｆ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、クランク軸７ａおよびクランクアーム７ｂからなるクランク７と、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左右のペダル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、搭乗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輪体としての駆動スプロケット（前スプロケットや前ギヤ、クランクスプロケットやクランクギヤとも称せられる）１３と、後輪４のハブ（後ハブとも称する）９に取り付けられた従動輪体としての従動スプロケット（後スプロケットや後ギヤ、後輪ギヤとも称せられる）１４と、駆動スプロケット１３と従動スプロケット１４とにわたって架け渡された無端状の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。

そして、ペダル８に人力駆動力である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、この人力駆動力が、駆動スプロケット１３、チェーン１５、および従動スプロケット１４を介して後輪４に伝達されて回転される。なお、この実施の形態では、駆動スプロケット１３の上端部分と従動スプロケット１４の上端部分とにわたって架け渡されたチェーン１５の上側部分が、水平線に沿う姿勢で配設されている。また、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。また、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。

図３、図４に示すように、制御部１１は、左右に２分割されたユニットケース２２ａ、２２ｂにより外殻部が構成されている制御ユニット２２の、中央部から後部に設けられた制御空間部２２ｃに配設されている。図２に示すように、制御ユニット２２は、電動自転車１の中央下部に、チェーンステー２ｅの前端部とメインパイプ２ｃの後端部と立パイプ２ｄの下端部とを連結するように配設された支持ブラケット１９などを介して、吊り下げられた姿勢で固定されている。制御部１１は、電動自転車１の各構成要素（電動モータ１０を含む）の制御を行う制御基板や記憶回路などから構成されている。図３、図４に示すように、制御ユニット２２の前部に、クランク軸７ａが横方向（左右の水平方向）に挿通されているとともにクランク軸７ａを回転自在に支持する左右の軸受２５、２６が配設されている円筒形状のハンガー部２０が設けられている。また、右のクランクアーム７ｂにおける、クランク軸７ａに嵌まり込んでいる部分に、駆動スプロケット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。

制御ユニット２２の前部に設けられているハンガー部２０の内部には、駆動スプロケット１３によってチェーン１５を前方に引張る力の反力によりクランク軸７ａが後方へ弾性変形しようとする力を受けて弾性変形する弾性変形部２３ａが配設されている。そして、この弾性変形部２３ａに、この弾性変形部２３ａの弾性変形量から前記人力駆動力を検出する歪み検出センサ２４を取付けている。

図４、図５に示すように、前記弾性変形部２３ａは、制御ユニット２２のハンガー部２０における右側、すなわち、駆動スプロケット１３に近い側に配設されている軸受（一方の軸受）２６と、右側のユニットケース２２ｂにおけるハンガー部２０との間に配設された、センサ支持部材としての略リング形状のセンサリング２３の一部に形成されている。つまり、センサリング２３における後部の外周側が平面形状に切欠かれて薄肉部が形成され、この薄肉部により弾性変形部２３ａが構成されている。そして、これらの弾性変形部２３ａと歪み検出センサ２４とにより、弾性変形部２３ａの平面部分やこれに沿って配設されている歪み検出センサ２４の表面部分にほぼ直交する方向の力を感度良く検出し、弾性変形部２３ａの平面部分や歪み検出センサ２４の表面部分に沿う方向（ほぼチェーン１５に直交する方向、上下方向）への力は殆ど検出しない（キャンセルする）よう構成されている。センサリング２３の弾性変形部２３ａの平面部分に直交する方向の感度と沿う方向の感度との比は、例えば５０〜２００：１となる応力分布を有する。歪み検出センサ２４としては、わずかな変位、すなわち微小な応力に対しても良好に検知できる、高感度で、かつ機械的に高い耐力を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）を応用した荷重センサを用いることが好ましい。また、弾性変形部２３ａおよび歪み検出センサ２４は、左右方向における人力駆動輪体としての駆動スプロケット１３が取り付けられた側だけに、すなわち１つだけしか設けられていない。また、ハンガー部２０とセンサリング２３との前部には、これらにわたって係合する位置決め部材としての位置決めキー２９が嵌め込まれており、この位置決めキー２９により、ハンガー部２０とセンサリング２３との周方向の相対位置が決定される。なお、図６は、当該電動自転車のクランク（クランク軸７ａおよびクランクアーム７ｂ）、駆動スプロケット１３、軸受２５、２６およびペダル８の位置関係を概略的に示す図である。

上記構成において、人がペダル８を踏み込むと、この際の踏力が、クランクアーム７ｂを介してクランク軸７ａおよび駆動スプロケット１３に伝達され、駆動スプロケット１３によりチェーン１５を前方に引張る力で後輪４の従動スプロケット１４に伝達される。そして、従動スプロケット１４への力が伝達されて後輪４が回転される。また、この際に、駆動スプロケット１３によりチェーン１５を前方に引張る力の反力として、クランク軸７ａが後方へ弾性変形しようとする力を軸受２５、２６が受ける。この場合に、特に駆動スプロケット１３が取り付けられた右側の軸受（一方の軸受）２６が、駆動スプロケット１３が取り付けられた側と反対側に配設されている左側の軸受（他方の軸受）２５よりも近接して配設されているので、クランク軸７ａにおける駆動スプロケット１３が取り付けられている箇所からの反力を大きく受ける。この力により、軸受２６とハンガー部２０との間に配設されているセンサリング２３の後部に形成された薄肉の弾性変形部２３ａが変形するため、この箇所の変形状態（トルク）を歪み検出センサ２４により良好に検出することができる。すなわち、この構成によれば、クランク軸７ａから駆動スプロケット１３を介してチェーン１５に伝達される力の反力、すなわち、踏力における実際に後輪４側に伝達されて走行する力となるチェーン１５への張力を良好に検出できる。なお、歪み検出センサ２４により検出されたトルク値に応じて、前ハブに内蔵された電動モータ１０が駆動されて補助駆動力が加えられながら当該電動自転車が走行する。

また、上記構成によれば、チェーンステー２ｅの前端部などのフレーム２に固定されたハンガー部２０内に、クランク軸７ａを回転自在に支持する軸受２６を内装し、ハンガー部２０と軸受２６との間に、軸受２６に後方から当接して弾性変形可能な弾性変形部２３ａを有するセンサ支持部材としてのセンサリング２３を取付け、このセンサリング２３の弾性変形部２３ａに歪み検出センサ２４を取付けている。この構成により、比較的簡単な構成でありながら、チェーン１５を前方に引張る力に対応する力を良好に検出することができる。また、磁性合金製の検出部などの特殊な部品や、検出コイルなどを使用することがないので、製造コストを安価に済ませることができる上に、電動自転車の軽量化を図ることができる。

また、センサ支持部材としてのセンサリング２３を、前記弾性変形部２３ａが薄肉となるように平面形状に切欠かれたリング形状部品で構成している。これにより、簡単な構成でありながら、センサリング２３に対して上下方向に作用する力（厳密には、弾性変形部２３ａの平面部分に沿う方向への力）を殆ど検出せずに、弾性変形部２３ａの平面部分や歪み検出センサ２４の表面部分にほぼ直交する方向の力だけを感度良く検出できて、チェーン１５を前方に引張る力に対応する力をさらに良好に検出することができる。このように、軸受２６に作用する回転や変動する荷重を一方向成分のみに分離するセンシング機構部品を用いることで、チェーン１５を前方に引張る力に対応する力だけを良好に検出することができる。

また、上記構成によれば、フレーム２に結合されてクランク軸７ａを回転自在に支持する一般的な側面視して円形状のハンガー部２０を用いて、踏力を良好に検出することができる。すなわち、特殊な形状ではなくて、一般的なハンガー部２０を用いることができるので、製造コストを安価に済ますことができる。

また、上記構成によれば、弾性変形部２３ａが簡単な構成で安定した姿勢でハンガー部２０と軸受２６との間に配置され、しかも弾性変形部２３ａの最も薄肉となった箇所に歪み検出センサ２４が取り付けられているので、歪み検出センサ２４により高感度に力を検出できる。また、センサリング２３の平面形状に切欠く寸法を調整することにより、弾性変形部２３ａの最も薄肉となる厚みを安定して容易に変更できて、感度調整を容易に行うことができる。しかも、後部が平面形状に切欠かれた箇所を弾性変形部２３ａとすることにより、ペダル８からの踏力における上下方向の力を分離して、踏力における実際に後輪４を駆動するための人力駆動力を良好に測定できる。

また、ハンガー部２０と軸受２６との間に円形のセンサリング２３を配設し、ハンガー部２０と軸受２６との周方向の相対位置を決める位置決めキー２９を設けた構成としたので、センサリング２３の配設姿勢を変更することも容易に行える。すなわち、位置決めキー２９が嵌まり込むキー溝の位置を変更することで、弾性変形部２３ａおよび歪み検出センサ２４の位置を容易に変更でき、弾性変形部２３ａおよび歪み検出センサ２４が最も適切な位置になるように配設することで、極めて良好にトルクを検出することができる。例えば、図７に示すように、弾性変形部２３ａおよび歪み検出センサ２４を、側面視して、駆動スプロケット１３によってチェーン１５を前方に引張る方向と平行でクランク軸７ａの軸心７ａ’を通る線よりも斜め下方に傾斜した後方位置に配設してもよい。このように構成することで、搭乗者がペダル８を踏み込んで走行する際に、クランク軸７ａよりも前方では前上がり状態でペダル８を踏み込んだ場合でも、ペダル８を踏む姿勢に起因する前方や後方への分力の影響を抑えることができて、チェーン１５を前方に引張る力に対応する力を良好に検出することができる。

また、上記実施の形態では、ハンガー部２０と軸受２６との間に円形のセンサリング２３だけを配設した場合を述べたが、これに限るものではない。例えば、図８に示すように、軸受２６の後面部とセンサリング２３の内周面の後面領域との間とに隙間を有する形状となるようにセンサリング２３を形成し、軸受２６の後面部における上寄り部分とセンサリング２３におけるこれに対向する部分との間と、軸受２６の後面部における下寄り部分とセンサリング２３におけるこれに対向する部分との間とに、後方への力を伝達する支点軸２８を配設してもよい。また、図９に示すように、軸受２６の後部における上寄り部分および下寄り部分と、センサリング２３の内周面の後部における上寄り部分および下寄り部分との間とに隙間を有する形状となるようにセンサリング２３の切欠部２３ｂを形成し、軸受２６の後部とセンサリング２３の後部とにおいて、後面部の中央部分だけで、軸受２６とセンサリング２３とが当接するよう構成してもよい。これらの構成によっても、比較的簡単な構成でありながら、センサリング２３に対して上下方向に作用する力（厳密には、弾性変形部２３ａの平面部分に沿う方向への力）を殆ど検出せずに、弾性変形部２３ａの平面部分や歪み検出センサ２４の表面部分にほぼ直交する方向の力だけを感度良く検出できて、チェーン１５を前方に引張る力に対応する力を良好に検出することができる。また、図９に示す構成によれば、軸受２６から、センサリング２３の弾性変形部２３ａに対して後方への力だけを良好に伝達することができる利点がある。

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１０〜図１３は本発明の他の実施の形態に係る電動自転車を示すものである。この実施の形態では、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５０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５０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１３に示すように、モータ駆動ユニット５０は、外殻部および仕切壁部をなすユニットケース５１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５２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５３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５４と、減速歯車５５や補助駆動力出力軸５６などが回転自在に配設されてなる減速機構５７が配設された減速機構部などに区画されている。また、クランク軸配設部５２の外殻をなす部分、すなわち、ユニットケース５１の前部がハンガー部７０とされている。なお、モータ駆動ユニット５０のユニットケース５１は、左右に２分割されたユニットケース５１ａ、５１ｂと、電動モータ１０を覆うユニットケース５１ｃとから構成されているが、クランク軸配設部５２の外殻部は、左右に２分割されたユニットケース５１ａ、５１ｂにより構成されている。

また、モータ駆動ユニット５０における駆動スプロケット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６０が、モータ駆動ユニット５０から突出する補助駆動力出力軸５６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６０を、駆動スプロケット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。また、クランク軸７ａと駆動スプロケット１３との間に一方向クラッチ７１および介装筒７２が配設されている。これにより、例えば、走行中にペダルを回転させることを止めて、いわゆる惰性走行した際に、電動モータ１０による補助駆動力によりチェーン１５が移動されていた場合でも、クランク７やペダル８が回転されないよう図られている。また、モータユニット５０における補助駆動力出力軸５６と電動モータ１０の出力軸１０ａとの間にも、この実施の形態では、補助駆動力出力軸５６と減速歯車５５との間にも一方向クラッチ７３が配設されている。これにより、補助駆動用電源のＯＦＦ時など、電動モータ１０が動作していない状態で、人がペダル８を回転させた際でも、電動モータ１０を回転させなくても済むので、ペダルの踏み込みが重くなるなどの負担が生じることがない。また、図１１、図１２における６２は、補助駆動スプロケット６０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。

そして、この構成においても、ハンガー部７０と、駆動スプロケット１３に近い側に配設されている軸受２６との間に、上記実施の形態と同様に、クランク軸７ａの後面部とセンサリング２３の内周面の後面領域との間とに隙間を有する形状となるようにセンサリング２３が配設されている（図５参照）。つまり、センサリング２３における後部の外周側が平面形状に切欠かれて薄肉部が形成され、この薄肉部により弾性変形部２３ａが構成され、歪み検出センサ２４が貼り付けられている。

この構成においても、弾性変形部２３ａおよび歪み検出センサ２４により上記実施の形態と同様な作用効果を得ることができる。但し、この場合には、図１４、図１５に示すように、チェーン張力が、搭乗者である人間の踏力による人力駆動力と電動モータ１０による補助駆動力との合算値となる。そのため、歪み検出センサで計測された値から、電動モータ１０による補助駆動力を差し引いて、人力駆動力（踏力）を算出する。なお、図１４は、人力駆動力と補助駆動力とチェーン張力（合計駆動力）との関係を示す図で、図１４において、Ａで示す領域は人力駆動力（踏力）、Ｂで示す領域は電動モータ１０による補助駆動力、Ｃで示す線は後輪への出力値（合算値）であるチェーン張力（合計駆動力）を示している。また、図１５は、制御部における、人力駆動力に係る人力駆動力を算出する演算処理部を概念的に示すブロック図である。すなわち、図１５に示すように、歪み検出センサ２４によって計測されるチェーン張力（合計駆動力）は、人力駆動力と補助駆動力との合算値であるので、歪み検出センサ２４によって計測されるチェーン張力（合計駆動力）から、補助駆動力を減算して人力駆動力を算出する。なお、図１４に示すように、補助駆動力は電動モータ１０の電流値とほぼ比例するので、制御部の演算処理部では電動モータ１０の電流値から補助駆動力の値を算出して、前記補助駆動力の値として用いる。これにより、人力駆動力を算出して、制御部は前記人力駆動力に基づいて出力すべき補助駆動力を決定する。

また、上記実施の形態では、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、チェーンに代えて歯付きベルトを用いてもよい。なお、歯付きベルト（駆動力伝達歯付きベルト）を用いた場合には、人力駆動力を出力する人力駆動輪体として、駆動スプロケット１３に代えて駆動歯車を用い、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。

本発明は、実際に走行する電動自転車に好適に適用できるが、これに限るものではなく、スポーツジムなどに設置される固定されたトレーニング用の電動自転車にも適用することが可能である。

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
７ｂクランクアーム
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
１３駆動スプロケット（人力駆動輪体）
１４従動スプロケット（後部輪体）
１５チェーン（駆動力伝達体）
１６ハブ（前ハブ）
２０、７０ハンガー部
２２制御ユニット
２３センサリング（センサ支持部材）
２３ａ弾性変形部
２３ｂ切欠部
２４歪み検出センサ（センサ）
２５、２６軸受
２８支点軸
２９位置決めキー（位置決め部材）
５０モータ駆動ユニット
５１ユニットケース
６０補助駆動スプロケット（補助駆動輪体）
７１一方向クラッチ
７３一方向クラッチ

Claims

後輪を回転駆動させるためのチェーンなどの駆動力伝達体が、クランク軸と一体的に回転する駆動スプロケットなどの人力駆動輪体と、後輪に取り付けられた従動輪体とにわたって架け渡され、ペダルからの踏力に基づいて補助駆動力を付加可能に構成された電動自転車において、
前記人力駆動輪体によって前記駆動力伝達体を前方に引張る力の反力によりクランク軸が後方へ弾性変形しようとする力を受けて弾性変形する１つの弾性変形部を設け、
この弾性変形部に、この弾性変形部の弾性変形量から前記踏力を検出する１つの歪み検出センサを取付け、
フレームに固定されたハンガー部内に、クランク軸を回転自在に支持する左右で対となり、前記人力駆動輪体が取り付けられた側に配設されている一方の軸受と、前記人力駆動輪体が取り付けられた側と反対側に配設されている他方の軸受とを設け、
前記ハンガー部と、前記人力駆動輪体が取り付けられた側に配設されている前記一方の軸受との間に、この一方の軸受に後方から当接して弾性変形可能な前記１つの弾性変形部を有するセンサ支持部材を取付け、
前記センサ支持部材の前記弾性変形部に前記１つの歪み検出センサを取付け、
前記ハンガー部は側面視して円形状とされ、
前記一方の軸受の後面部と前記センサ支持部材の後面領域との間とに隙間を有する形状となるように前記センサ支持部材を形成し、
前記一方の軸受の後面部における上寄り部分と前記センサ支持部材におけるこれに対向する部分との間と、前記一方の軸受の後面部における下寄り部分と前記センサ支持部材におけるこれに対向する部分との間とに、後方への力を伝達する支点軸を配設したことを特徴とする電動自転車のトルク検出装置。
前記センサ支持部材は、前記弾性変形部が薄肉となるように後部が平面形状に切欠かれた略円形形状部品であり、前記弾性変形部の最も薄肉となった箇所に歪み検出センサが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の電動自転車のトルク検出装置。
前記ハンガー部と前記センサ支持部材との周方向の相対位置を決める位置決めキーなどの位置決め部材が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電動自転車のトルク検出装置。
前記ハンガー部の外殻部が、左右に２分割されているユニットケースの一部により構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電動自転車のトルク検出装置。
前記ハンガー部が、補助駆動力を発生する電動モータを備えたモータユニットに設けられ、前記モータユニットにおける補助駆動力をモータユニットから出力する補助駆動力出力輪体と電動モータの出力軸との間に一方向クラッチが配設され、前記クランク軸と前記人力駆動輪体との間にも他の一方向クラッチが配設されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電動自転車のトルク検出装置。