JP5202769B1 - 電動アシスト自転車 - Google Patents

Abstract

トルクの検出能力を良好に維持することができるいわゆる一軸式のモータ駆動ユニットを備えた電動アシスト自転車を提供する。クランク軸７ａの外周に、人力駆動力を検出するためのトルクセンサ３１が形成された筒状の人力伝達体２８と、人力駆動力とモータ２１からの補助駆動力とが合成される合力体２９とを配設する。クランク軸７ａと人力伝達体２８と合力体２８とにわたる駆動力の伝達経路に、一方向クラッチが配設されておらず、クランク軸７ａの回転に伴って人力伝達体２８および合力体２９も常に回転される。
【選択図】図４

Description

本発明は、ペダルからの踏力による人力駆動力に、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電動アシスト自転車に関するものである。

バッテリなどの蓄電器から給電されるモータを有し、ペダルに加えられる踏力からなる人力駆動力をトルクセンサにより検出し、人力駆動力に対応した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アシスト自転車は既に知られている。

この電動アシスト自転車において、モータなどが内蔵されたモータ駆動ユニットを、クランク軸の近傍に配設したものがある。このような配置構成の電動アシスト自転車は、重量が比較的大きいモータ駆動ユニットが、電動アシスト自転車の前後方向中央（すなわち、前輪と後輪との間の中間）の低い位置に配置される。したがって、この配置構成の電動アシスト自転車は、モータが前輪のハブや後輪のハブに内蔵されているものと比較して、前輪や後輪を持ち上げ易くて、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、車体の取り回しがよく、また、走行安定性も良好である。

この種の電動アシスト自転車に設けられるモータ駆動ユニットとしては、大別して、図９に示すように、クランク軸１０１の一端部近傍箇所に配設された人力駆動力出力輪体としての駆動スプロケット（前スプロケットや大ギヤとも称せられる）１０２とは別に、モータからの補助駆動力を出力する補助駆動力出力スプロケット１０３を備えた、いわゆる二軸式とも称せられるモータ駆動ユニット２００と、図１０、図１１に示すように、踏力による人力駆動力とモータによる補助駆動力とがモータ駆動ユニット２００の内部で合成され、合成された合力が駆動スプロケット２０１から出力されるいわゆる一軸式とも称せられるモータ駆動ユニット２００とがある。

前記二軸式のモータ駆動ユニット１００は、例えば特許文献１等に開示されており、図９に示すように、補助駆動力出力スプロケット１０３が、モータ駆動ユニット１００における駆動スプロケット１０２よりも後方の箇所から、モータ駆動ユニット１００のユニットケース１０４より外側に突出された状態で配設されている。そして、人力駆動力が出力される駆動スプロケット１０２と補助駆動力が出力される補助駆動力出力スプロケット１０３とのそれぞれが、無端状駆動力伝達体としてのチェーン１０５に噛み合わされており、チェーン１０５によって人力駆動力と補助駆動力が合成されて後輪側に伝達される。

補助駆動力出力スプロケット１０３のさらに後方には、補助駆動力出力スプロケット１０３に噛み合った後のチェーン１０５に噛み合って下方に案内するテンショナ装置（ガイド装置とも称せられる）１０６が配設されている。そして、このテンショナ装置１０６に設けられたテンションスプロケット１０７により、補助駆動力出力スプロケット１０３に噛み合うチェーン１０５の巻き角度を増加させている。

一方、いわゆる一軸式のモータ駆動ユニット２００は、例えば特許文献２等に開示されており、図１０、図１１に示すように、ペダルからの人力駆動力が伝達されるクランク軸２０２の外周に、セレーション結合などにより前記人力駆動力が伝達される筒状の人力伝達体２０３と、この人力伝達体２０３を介して伝達された人力駆動力とモータ２０４からの補助駆動力とが合成される合力体２０５とを配設している。そして、人力伝達体２０３からの人力駆動力が一方向クラッチ２０６を介して合力体２０５に伝達されるよう構成している。また、合力体２０５の一端部には、モータ２０４からの補助駆動力が減速機構２０７を介して伝達される大径歯車部２０５ａが形成され、合力体２０５の他端部には、無端状駆動力伝達体としてのチェーン２０８に噛み合わされる駆動力出力輪体としての駆動スプロケット２０１が取り付けられている。そして、合力体２０５において合成された合力が駆動スプロケット２０１からチェーン２０８を介して後輪側に伝達される。

図１０、図１１に示すように、一軸式のモータ駆動ユニット２００はチェーン２０８に駆動スプロケット２０１だけを噛み合わせて、人力駆動力と補助駆動力とを合成した合力をチェーン２０８に伝達する方式である。これに対して、二軸式のモータ駆動ユニット１００は、図９に示すように、チェーン１０５に、人力駆動力を伝達する駆動スプロケット１０２と、補助駆動力を伝達する補助駆動力出力スプロケット１０３と、さらに、テンションスプロケット１０７とを噛み合わせる必要がある。

このため、一軸式のモータ駆動ユニット２００は、モータ２０４や減速機構２０７などの配置を工夫することで、モータ駆動ユニット２００の側面視した状態での面積（横方向からの投影面積）を、二軸式のモータ駆動ユニット１００の面積よりも小さくできる（コンパクト化できる）利点がある。また、いわゆるフロント変速機を装着しようとした場合に、一軸式のモータ駆動ユニット２００は、駆動スプロケット２０１を多段にすることで容易に装着することができる。一方、二軸式のモータ駆動ユニット１００は、チェーン１０５に駆動スプロケット１０２と補助駆動力出力スプロケット１０３とテンションスプロケット１０７とを噛み合わせる必要があるので、フロント変速機を装着することは困難である。

さらに、一軸式のモータ駆動ユニット２００は、テンションスプロケット１０７などのテンショナ装置１０６を設けなくて済む利点もある。また、電動アシスト自転車に用いられるブレーキ装置として、一般の自転車と同様に、ハンドルに取り付けたブレーキレバーを操作することで制動されるリムブレーキ、バンドブレーキ、またはローラブレーキなどが用いられる場合が多いが、地域によって、または運転者の要望などにより、ペダルを前進走行時の回転方向とは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を後輪に取り付けることが望まれる場合がある。しかし、この場合には、ペダルを逆方向に回転した際に、チェーンの下側部分を前方に引張るような張力が作用するので、二軸式のモータ駆動ユニット１００では、テンショナ装置１０６として特別の工夫が必要となる。これに対して、一軸式のモータ駆動ユニット２００では、そのような特別の工夫を必要としない利点もある。

このような利点を有する一軸式のモータ駆動ユニット２００においては、クランク軸２０２からの人力駆動力が伝達される人力伝達体２０３の外周面とその対向部分に、人力駆動力を検出する磁歪式のトルクセンサ２０９が設けられる場合が多い。すなわち、人力伝達体２０３の外周面に磁歪発生部が形成されているとともに、この磁歪発生部に対向するように、磁歪発生部での磁気の変動を検出するコイル２０９ａが配設されている。そして、左右のペダルを踏み込んだ際にクランク軸２０２が踏力（人力駆動力）により捩れるため、クランク軸２０２からの人力駆動力が伝達される人力伝達体２０３の捩れ状態を、前記トルクセンサ２０９により検出している。

このように人力伝達体２０３の外周にはトルクセンサ２０９の磁歪発生部が形成されている一方で、人力伝達体２０３の端部には、上記したように一方向クラッチ２０６が取り付けられている。この一方向クラッチ２０６は、以下の理由で設けられている。すなわち、従来のこの種の電動アシスト自転車では、搭乗者がペダルを漕ぐことを止めても、しばらくの間だけ、モータ２０４が回転し続けるように制御する場合（いわゆる遅れ制御を行う場合）があり、この場合には、一方向クラッチ２０６が設けられていないと、モータ２０４からの補助駆動力がクランク軸２０２に伝達されて、ペダルが勝手に回転し続けようとする。したがって、このような力が、クランク軸２０２やペダルに作用しないように、一方向クラッチ２０６により、モータ２０４からの補助駆動力を切断させている。

また、図１１に示すように、この一軸式のモータ駆動ユニット２００においては、モータ２０４における回転軸２０４ａとロータ部２０４ｂとの間にも一方向クラッチ２１０が設けられている。この一方向クラッチ２１０は、モータ２０４を駆動するバッテリの残容量が無くなった場合においてペダルを漕ぐ際に、モータ２０４のロータ部２０４ｂを回転しなくても済むように設けられている。すなわち、一方向クラッチ２１０が設けられていないと、バッテリの残容量が無くなった際にペダルを漕ぐと、モータ２０４のロータ部２０４ｂをもペダルの踏力により回転することとなるため、モータ２０４のコギングトルクなどによって、ペダルを回転させるために大きな力が必要となる（いわゆる引きずり抵抗がある）。これに対して、前記一方向クラッチ２１０が設けられることで、モータ２０４のロータ部２０４ｂを回転しなくても済むので、モータ２０４のコギングトルクなどによる力を余分にかけなくて済む。

なお、一軸式のモータ駆動ユニットとして、例えば特許文献３等に開示されているものもある。図１２に示すように、この一軸式のモータ駆動ユニット２５０では、ペダルからの人力駆動力が伝達されるクランク軸２５１の外周に筒状の合力体２５５が配設されており、この合力体２５５は、この一端部に取り付けられた一方向クラッチ２５２を介してクランク軸２５１から人力駆動力が伝達されるとともにモータ２５３からの補助駆動力が減速機構２５４などを介して伝達されるよう構成されている。また、合力体２５５の他端部寄り箇所にはもう一つの一方向クラッチ２５８を介して減速機構２５４の出力歯車２５４ａに噛み合う大径歯車２５９が取り付けられている。そして、モータ２５３からの補助駆動力が減速機構２５４、大径歯車２５９、および一方向クラッチ２５８を介して合力体２５５に伝達され、合力体２５５において合成された合力が駆動スプロケット２５７からチェーン２５６を介して後輪側に伝達される。

この一軸式のモータ駆動ユニット２５０においては、クランク軸２５１からの人力駆動力とモータ２５３からの補助駆動力とが伝達される合力体２５５の外周面に磁歪発生部が形成されているとともに、この磁歪発生部に対向するように、磁歪発生部での磁気の変動を検出するコイルが配設されてなる磁歪式のトルクセンサ２６０が設けられている。そして、左右のペダルを踏み込んだ際にクランク軸２５１が捩れるため、クランク軸２５１からの人力駆動力が伝達される合力体２５５の捩れ状態を、トルクセンサ２６０により検出している。

図１２に示す一軸式のモータ駆動ユニット２５０においては、合力体２５５の一端部に取り付けられている一方向クラッチ２５２により、ペダルを漕ぐことを止めたにもかかわらず、しばらくの間、モータ２５３が回転し続けていた場合でも、モータ２５３からの補助駆動力が一方向クラッチ２５２により切断されてクランク軸２５１やペダルに作用しないように図られている。

特開２００９−２０８７１０号公報 特開平１０−２５０６７３号公報 特開平９−９５２８９号公報

しかしながら、従来の一軸式のモータ駆動ユニット２００では、図１１に示すように、トルクセンサ２０９が設けられている人力伝達体２０３に一方向クラッチ２０６が取り付けられていたり、図１２に示すように、トルクセンサ２６０が設けられている合力体２５５に一方向クラッチ２５２、２５８が取り付けられていたりする。したがって、これらの一方向クラッチ２０６、２５２、２５８の切替動作時の振動やカム部の噛み合い動作や乗越え動作時の振動が、トルクセンサ２０９が設けられている人力伝達体２０３や、トルクセンサ２６０が設けられている合力体２５５に直接伝達するため、トルク検出時のノイズとなって、トルクの検出能力が低下するおそれがある。

また、人力伝達体２０３や合力体２５５に一方向クラッチ２０６、２５２、２５８を取り付けた後も良好な組付け状態を維持するためには、人力伝達体２０３や合力体２５５として耐摩耗性に優れた材料を用いたり、熱処理を行ったりすることが望ましいが、人力伝達体２０３や合力体２５５の表面にはトルクセンサ２０９、２６０の磁歪発生部を形成しなければならないため、人力伝達体２０３や合力体２５５の材料が極めて限定されてしまい、場合によっては、トルクの検出能力が低いものを用いざるを得ない場合がある。

また、人力伝達体２０３や合力体２５５に一方向クラッチ２０６、２５２、２５８が取り付けられているので、コースターブレーキを後輪のハブに設けようとしても、ペダルを前進走行時と逆方向に回転させた際に、ペダルの回転が駆動スプロケット１０２、２０１、２５７やチェーン１０５、２０８、２５６に伝達できず、対応することができなかった。

本発明は上記課題を解決するもので、トルクの検出能力を良好に維持することができ、またコースターブレーキに対応することも可能な、いわゆる一軸式のモータ駆動ユニットを備えた電動アシスト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、本発明は、ペダルからの踏力による人力駆動力に、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電動アシスト自転車であって、ペダルからの人力駆動力が伝達されるクランク軸の外周に、前記人力駆動力が伝達されて、この人力駆動力を検出するためのトルクセンサの磁歪発生部が形成された筒状の人力伝達体が配設され、前記クランク軸の外周に、前記人力伝達体を介して伝達された人力駆動力とモータからの補助駆動力とが合成される合力体が配設され、前記合力体により人力駆動力と補助駆動力とが合成されてなる合力が、クランク軸と同軸心の駆動力出力輪体と、この人力駆動力出力輪体に掛け渡された無端状駆動力伝達体とを介して、後輪に伝達されるよう構成され、前記クランク軸と前記人力伝達体と前記合力体とにわたる駆動力の伝達経路に、一方向クラッチが配設されておらず、前記クランク軸と前記人力伝達体と前記合力体との相対的な回転方向にかかわらず、前記クランク軸の回転に伴って前記人力伝達体および前記合力体も回転されることを特徴とする。

この構成により、クランク軸と人力伝達体と合力体とにわたる駆動力の伝達経路に一方向クラッチが配設されていないので、人力伝達体にトルクセンサの磁歪発生部が設けられていても、人力伝達体に一方向クラッチに起因する振動が伝わることがなく、トルク（人力駆動力）を良好に検出することができる。また、人力伝達体に一方向クラッチを組付ける必要がないため、人力伝達体の材料をとして広い範囲のものから選択できて、トルクの検出能力が高くなる材料を用いることができる。

また、本発明は、ペダルが停止または逆方向に回転されたことを検出する回転検出器を設け、この回転検出器によりペダルが停止または逆方向に回転されたことが検出されると、制御部によりモータを停止または制動させるよう構成していることを特徴とする。この場合に、回転検出器として前記トルクセンサを用いることが好ましい。

この構成により、走行中にペダルを漕ぐことを停止したり、逆方向に回転したりした際には、この動作が回転検出器により検出されて、モータが停止または制動されるので、モータからの補助駆動力がペダルに作用することを防止できる。また、回転検出器として前記トルクセンサを用いることで、素早くかつ確実にペダルの停止または逆方向への回転を検出することができ、しかも、別途に回転検出器を設けなくても済む。

また、本発明は、ペダルを前進走行時の回転方向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が後輪のハブに配設されていることを特徴とする。このように、コースターブレーキが後輪のハブに配設されている場合でも、前記クランク軸と前記人力伝達体と前記合力体とにわたる駆動力の伝達経路に、一方向クラッチが配設されておらず、クランク軸の回転が合力体に必ず伝達されるので、ペダルを前進走行時と逆方向に回転させた際にはこの回転がコースターブレーキに良好に伝達されて、コースターブレーキを良好に作動させることができる。

また、本発明は、モータと合力体とにわたる補助駆動力の伝達経路に、複数の減速用歯車部とこの減速用歯車部を支持する減速用歯車支持軸とを有する減速機構が配設され、何れかの減速用歯車部と前記減速用歯車支持軸との間に、前記合力体側からの人力駆動力をモータ側に伝達しない人力駆動力切断用の一方向クラッチが配設されていることを特徴とする。

この構成により、バッテリの残容量が無くなった際にペダルを漕いで回転させた場合でも、減速用歯車部と減速用歯車支持軸との間に配設された人力駆動力切断用の一方向クラッチによって、減速用歯車やモータを回転しなくても済み、ペダルに余分な力をかけなくて済む。

また、本発明の前記減速機構に、減速用大径歯車部と減速用歯車大径支持軸部と減速用小径歯車部と減速用歯車小径支持軸部とを有する減速用歯車が設けられ、前記減速用大径歯車部と前記減速用歯車大径支持軸部との間に一方向クラッチが配設され、前記減速用小径歯車部と前記速用歯車小径支持軸部とが別体とされて、前記減速用小径歯車部を前記速用歯車小径支持軸部に一体的になるよう組付けていることを特徴とする。

このように、減速用小径歯車部と減速用小径支持軸部とを別体で構成して、減速用小径歯車部を減速用歯車小径支持軸部に圧入するなどして、組立時に組み付けて一体化することにより、減速用小径歯車部のほぼ全幅にわたって合力体の歯車部と噛み合わせることができて、ひいては、減速用歯車の厚みを最小限に抑えることができる。

また、本発明は、モータと合力体と減速機構と制御部とがモータ駆動ユニット内に組み込まれ、モータと制御部とが側面視して重なり、かつ正面視して幅方向の互いに反対側に配設されていることを特徴とする。

この構成により、モータ駆動ユニットの側面視した状態での面積（横方向からの投影面積）を、一軸式のモータ駆動ユニットとして特に小さくできる（コンパクト化できる）。また、モータと制御部とはモータ駆動ユニットにおいて幅方向の反対側に配設したので、制御部がモータの熱の影響を受け難くなり、良好な信頼性を保持することができる。

本発明によれば、前記クランク軸と前記人力伝達体と前記合力体とにわたる駆動力の伝達経路に一方向クラッチが配設されていないので、人力伝達体にトルクセンサの磁歪発生部が設けられていても、人力伝達体に一方向クラッチに起因する振動が伝わることがなく、トルク（人力駆動力）を良好に検出することができる。また、人力伝達体に一方向クラッチを組付ける必要がないため、人力伝達体の材料をとして広い範囲のものから選択できて、トルクの検出能力が高くなる材料を用いることができる。これにより電動アシスト自転車の信頼性が向上する。

また、ペダルが停止または逆方向に回転されたことを検出する回転検出器を設け、ペダルが停止または逆方向に回転されたことが検出されると、制御部によりモータを停止または制動させるよう構成することにより、走行中にペダルを漕ぐことを停止したり、逆方向に回転したりした際には、モータが停止または制動されるので、モータからの補助駆動力がペダルに作用することを防止できて、ペダルに余分な力をかけなくて済む。

また、回転検出器として前記トルクセンサを用いることで、素早くかつ確実にペダルの停止または逆方向への回転を検出することができ、しかも、別途に回転検出器を設けなくても済むので、別途に回転検出器を設けた場合と比較して製造コストを低減できる。

また、ペダルを前進走行時の回転方向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を後輪のハブに配設して良好に作動させることができる。

また、合力体とモータとにわたる補助駆動力の伝達経路に、複数の減速用歯車部とこの減速用歯車部を支持する減速用歯車支持軸とを有する減速機構を配設し、何れかの減速用歯車部と前記減速用歯車支持軸との間に、人力駆動力切断用の一方向クラッチを配設することにより、バッテリの残容量が無くなった際にペダルを漕いで回転させた場合でも、減速用歯車やモータを回転しなくても済んで、ペダルに余分な力をかけなくて済む（いわゆる引きずり抵抗を極めて減少させることができる）。

また、本発明の前記減速機構に、減速用大径歯車部と減速用歯車大径支持軸部と減速用小径歯車部と減速用歯車小径支持軸部とを有する減速用歯車を設け、前記減速用大径歯車部と前記減速用歯車大径支持軸部との間に一方向クラッチを配設し、前記減速用小径歯車部と前記速用歯車小径支持軸部とを別体として、前記減速用小径歯車部を前記速用歯車小径支持軸部に一体的になるよう組付けることにより、減速用小径歯車部のほぼ全幅にわたって合力体の歯車部と噛み合わせることができる。これにより、減速用歯車の厚みを最小限に抑えることができ、モータ駆動ユニットとして左右の幅として小さいものを実現できる。

また、モータと合力体と減速機構と制御部とがモータ駆動ユニット内に組み込まれ、モータと制御部とを側面視して重なり、かつ正面視して幅方向の互いに反対側に配設することで、モータ駆動ユニットの側面視した状態での面積（横方向からの投影面積）を、一軸式のモータ駆動ユニットとして特に小さくできる（コンパクト化できる）とともに、制御部がモータの熱の影響を受け難くなって、良好な信頼性を保持することができる。

本発明の実施の形態に係る電動アシスト自転車の全体側面図 同電動アシスト自転車の部分切欠側面図 （ａ）および（ｂ）は同電動アシスト自転車のモータ駆動ユニットの左側面図および右側面図（何れも駆動スプロケットは省いている） 同電動アシスト自転車のモータ駆動ユニットの平面断面図 同電動アシスト自転車の後輪のハブの分解斜視図 同電動アシスト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 同電動アシスト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アシスト自転車の全体側面図 従来の電動アシスト自転車における二軸式のモータ駆動ユニットおよびその近傍箇所の側面図 従来の電動アシスト自転車における一軸式のモータ駆動ユニットの側面図 同一軸式のモータ駆動ユニットの平面断面図 他の従来の電動アシスト自転車における一軸式のモータ駆動ユニットの平面断面図

以下、本発明の実施の形態に係る電動アシスト自転車について図面に基づき説明する。

図１、図２における１は本発明の実施の形態に係る電動アシスト自転車である。図１、図２に示すように、この電動アシスト自転車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、踏力からなる人力駆動力がかけられるクランク７およびペダル８と、補助駆動力（アシスト力）を発生させる駆動源としての電動のモータ２１（図４参照）およびこのモータ２１を含めた各種の電気的制御を行う制御部２４（図４参照）などが設けられたモータ駆動ユニット２０と、モータ２１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と同軸心で一体的に回転するように取り付けられ、人力駆動力および補助駆動力が合わされた合力を出力する駆動力出力輪体としての駆動スプロケット（前スプロケット、クランクスプロケットや前ギヤとも称せられることがある）１３と、後輪４のハブ（後ハブとも称する）９に取り付けられた後部輪体としての後スプロケット（後ギヤとも称せられることがある）１４と、駆動スプロケット１３と後スプロケット１４とにわたって回転可能な状態で無端状に巻回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１７となどを備えている。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。

図１、図２に示すように、この電動アシスト自転車においても、モータ駆動ユニット２０が、クランク軸７ａの略後方など、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。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２０が、電動アシスト自転車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、電動アシスト自転車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っている。

図３（ａ）および（ｂ）はモータ駆動ユニット２０の左側面図および右側面図（何れも駆動スプロケット１３は省いている）、図４はモータ駆動ユニット２０の平面断面図である。なお、以下の説明における左右方向および前後方向とは、図４に示すように、進行方向に向って当該電動アシスト自転車１に搭乗した状態での方向を言うが、この発明の構成が以下で述べる方向に限定されるものではない。

図３（ａ）、（ｂ）、図４に示すように、モータ駆動ユニット２０は、ユニットケース２２により外殻部などが構成され、モータ駆動ユニット２０の前部をクランク軸７ａが左右に貫通している。また、クランク軸７ａの外周に、クランク軸７ａからの人力駆動力が伝達される人力伝達体２８と、この人力伝達体２８を介して伝達された人力駆動力とモータ２１からの補助駆動力とを合成する合力体２９とが配設されている。さらに、ユニットケース２２の前後方向中央部に、減速用歯車３６などを有する減速機構２５が配設され、ユニットケース２２内の後部左側にモータ２１が配設され、ユニットケース１１内の後部右側に、各種の電気的制御を行う電子部品が設けられた制御用プリント基板や各種情報の記憶部などを有する制御部２４が配設されている。

詳しくは、図４に示すように、クランク軸７ａが、モータ駆動ユニット２０の前部を左右に貫通した状態で軸受２６、２７により回転自在に配設され、このクランク軸７ａにおける左右方向中央部の外周に、セレーション部（またはスプライン部）７ｂを介して、筒状の人力伝達体２８が一体的に回転する状態で嵌め込まれている。この人力伝達体２８の外周表面には、磁気異方性を付与した磁歪発生部３１ｂが形成されているとともに、その外周に一定の隙間（空間）を介してコイル３１ａが配設されて、これらの磁歪発生部３１ｂおよびコイル３１ａにより磁歪式のトルクセンサ（人力検知部）３１が構成されている。これにより、クランク軸７ａからの人力駆動力が人力伝達体２８に伝達されるとともに、トルクセンサ３１により人力駆動力が検出される。また、この磁歪式のトルクセンサ３１では、磁歪発生部３１ｂが、人力伝達体２８の軸心方向に対して例えば＋４５度と−４５度とをなす螺旋形状に形成されており、人力伝達体２８に人力駆動力が伝達されると人力伝達体２８の表面の磁歪発生部３１ｂに歪みが発生して透磁率の増加部分と減少部分とが発生するため、コイル３１ａのインダクタンス差を測定することでトルク（人力駆動力）の大きさだけでなく、その方向、すなわち、クランク軸７ａが反対方向に回転されたことをも容易かつ迅速に検出できるよう構成されている。

また、人力駆動力と補助駆動力とを合成するための合力体２９は、クランク軸７ａの外周における人力伝達体２８の右側に隣接した箇所で、クランク軸７ａに対しては回転自在の状態で配設されているが、人力伝達体２８の右端部外周に形成されたセレーション部（またはスプライン部）２８ａと、合力体２９の左端部内周に形成されたセレーション部（またはスプライン部）２９ａとが嵌合されている。このように、クランク軸７ａと人力伝達体２８との間、および人力伝達体２８と合力体２９との間（すなわち、クランク軸７ａと人力伝達体２８と合力体２９との間の力の伝達経路）には、一方向クラッチが設けられておらず、この結果、クランク軸７ａに伝達された人力駆動力が人力伝達体２８から合力体２９に伝達されて、これらのクランク軸７ａと人力伝達体２８と合力体２９とが常に一体的に回転するよう構成されている。

また、合力体２９の左寄り箇所外周にはモータ２１からの補助駆動力を入力するための大径歯車部２９ｂが一体形成されており、合力体２９の右端部外周には駆動スプロケット１３が嵌め込まれて、合力体２９と駆動スプロケット１３とは一体的に回転する。なお、合力体２９に外嵌された軸受２７により、クランク軸７ａが合力体２９を介して回転自在に支持されている。なお、合力体２９とクランク軸７ａとの間に薄肉の軸受などを配設してもよい。

モータ２１は軸受３２、３３によりその回転軸２１ａおよびロータ部２１ｂが回転自在に支持されている。また、モータ２１の回転軸２１ａが右側方に突出され、この突出部の外周に歯部２１ｃが形成されている。減速機構２５は、減速用歯車３６を介することにより、モータ２１の回転トルク（補助駆動力）が増幅されて合力体２９の大径歯車部２９ｂに伝達するよう構成されている。ここで、減速用歯車３６の支持軸（減速用歯車支持軸）には、軸受３４、３５により回転自在に支持された減速用歯車小径支持軸部（減速用歯車支持軸の一例であり、以下、単に小径支持軸部と略す）３６ａと、これよりも大径の減速用歯車大径支持軸部（減速用歯車支持軸の他の例であり、以下、単に大径支持軸部と略す）３６ｂとが一体形成されており、小径支持軸部３６ａの外周に、小径支持軸部３６ａとは別体の減速用小径歯車部（減速用歯車部の一例であり、以下、単に小径歯車部と略す）３６ｃが、圧入またはセレーション部（あるいはスプライン部）などを介して、一体的に回転するように組みつけられている。そして、小径歯車部３６ｃが合力体２９の大径歯車部２９ｂに噛み合わされている。一方、減速用歯車３６の大径支持軸部３６ｂの外周に減速用大径歯車部（減速用歯車部の他の例であり、以下、単に大径歯車部と略す）３６ｄが配設されているととともに、この大径歯車部３６ｄがモータ２１の回転軸２１ａの歯部２１ｃに噛み合わされているが、減速用歯車３６における大径支持軸部３６ｂと大径歯車部３６ｄとの間には、合力体２９からの回転駆動力をモータ２１側に伝達しないための、人力駆動力切断用の一方向クラッチ３７が配設されている。

この一方向クラッチ３７は、走行中にある程度の補助駆動力が出力されるなど、モータ出力（補助駆動力）に基づく減速用歯車３６の大径歯車部３６ｄの内周部分が、これに対向する大径支持軸部３６ｂの外周部分に対して、相対的に駆動スプロケット１３を前進させる方向に回転する場合（減速用歯車３６の大径歯車部３６ｄの内周の前進方向への回転数が、これに対向する大径支持軸部３６ｂの外周の前進方向への回転数よりも大きい場合）には、減速用歯車３６の大径歯車部３６ｄに伝達された補助駆動力を、そのまま大径支持軸部３６ｂに伝達するように動作する。そして、補助駆動力が、小径支持軸部３６ａと小径歯部３６ｃとを介して、合力体２９の大径歯車部２９ｂに伝達される。これにより、合力体２９において、人力駆動力と補助駆動力とが合成され、これらの合成された合力が、駆動スプロケット１３から、チェーン１５を介して、後輪４に伝達される。

一方、バッテリ１２の残容量が無くなって、モータ２１から補助駆動力が出力されない状態でペダル８を漕いだ場合など、モータ出力（補助駆動力）に基づく減速用歯車３６の大径歯車部３６ｄの内周部分が、これに対向する大径支持軸部３６ｂの外周部分に対して、相対的に駆動スプロケット１３を前進させる方向とは逆方向に回転する場合（減速用歯車３６の大径歯車部３６ｄの内周の前進方向への回転数が、これに対向する大径支持軸部３６ｂの外周の前進方向への回転数よりも小さい場合）には、減速用歯車３６の大径歯車部３６ｄに伝達された補助駆動力が一方向クラッチ３７により切断されて、大径支持軸部３６ｂに伝達されないよう構成されている。

これにより、バッテリ１２の残容量が無くなって、モータ２１から補助駆動力が出力されない様態でペダル８を漕いだ場合などには、人力駆動力によって小径歯車部３６ｃおよび小径支持軸部３６ａや大径支持軸部３６ｂは回転されるが、大径歯車部３６ｄやモータ２１の回転軸２１ａおよびロータ部２１ｂは回転されないよう構成されている。

また、この電動自転車１では、後輪４の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、後ハブ９（図２参照、但し、実際には、図２に示す後スプロケット１４の向こう側に後ハブ９が設けられている）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後輪４が制動される、図５に示すようなコースターブレーキ６０が設けられている。なお、前輪３のブレーキ装置としては、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キャリパーブレーキやリムブレーキを設けてもよいし、設けなくてもよい（図１においては前輪３のブレーキ装置を設けていない場合を示している）。

図５は、コースターブレーキ６０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６、図７は、それぞれ後ハブの断面図である。この実施の形態では、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｄ９４１９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６０が用いられており、後ハブ９の外郭部をなして後輪４と一体的に回転するハブ本体の内部にコースターブレーキ６０が配設されている。図５〜図７に示すように、コースターブレーキ６０は、後輪４のハブ軸６７に回転自在に外嵌され、その一端側（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、その他端側（図５における左端側）に図６、図７に示すような突部６１ａ、大径カム面６１ｂおよび小径カム面６１ｃが周方向適当間隔ごとに形成された駆動体６１と、外周寄り部分において周方向適当間隔ごとにローラ６２が配設されているとともに軸方向に沿って図５における左側に突出するカム部６３ａを有するカム台６３と、カム台６３のカム部６３ａにその傾斜カム部６４ａが係合するとともにテーパ面６４ｂを有するエキスパンダー６４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６５と、ブレーキシュー６５を外側に移動可能なテーパ面６６ａを有するブレーキコーン６６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、正方向とも称す）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６１が図６において示すｇ方向に回転され、これに伴い、ローラ６２が駆動体６１の大径部６１ｂにより外側に押圧される。この結果、ローラ６２が、駆動体６１と、後ハブ９のハブ本体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６１とともに前記ハブ本体が一体化されて、後輪４全体も回転される。なお、この際、カム台６３のカム部６３ａはエキスパンダー６４の傾斜カム部６４ａ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６４は図７において右側寄りに位置するため、エキスパンダー６４のテーパ面６４ｂがブレーキシュー６５に当接せず、ブレーキシュー６５も拡径されずに後ハブ９の内周面から離反されている。

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７に示すように、駆動体６１が後スプロケット１４と同方向であるｈ方向に回転され、これにより、ローラ６２の箇所では、駆動体６１の小径カム面６１ｃに当接してハブ本体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６１のｈ方向への回転により、ローラ６２を介して、カム台６３がｈ方向に回転されると、カム台６３のカム部６３ａに傾斜カム部６４ａで当接しているエキスパンダー６４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６５が、エキスパンダー６４のテーパ面６４ｂとブレーキコーン６６のテーパ面６６ａ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６１が図６に示すようなｇ方向に回転される力がなくなるため、図７に示すように、ローラ６２は、駆動体６１の小径カム面６１ｃ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６１が回転されないため、カム台６３も回転されず、これにより、エキスパンダー５４は図７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６４のテーパ面６４ｂがブレーキシュー６５に当接せず、ブレーキシュー６５も拡径されずに後ハブ９の内周面から離反される。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６１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（一方向クラッチ機構やラチェット機構）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。

なお、この実施の形態では、コースターブレーキ６０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。

上記構成において、前進走行時にペダル８を踏み込むと、このペダル８にかけられた踏力に基づく人力駆動力が、クランク軸７ａから人力伝達体２８を介して合力体２９に伝達され、前記人力駆動力が、人力伝達体２８に設けられたトルクセンサ３１により検出される。そして、前記人力駆動力に対応する補助駆動力が減速機構２５の減速用歯車３６などを介して、合力体２９に伝達され、合力体２９で合わされた合力が、駆動スプロケット１３から、チェーン１５を介して、後輪４に伝達される。これにより、人力駆動力に対応した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。

一方、走行中に搭乗者がペダル８を漕ぐことを止めると、これに伴ってクランク軸７ａの回転も停止するため、この停止状態がトルクセンサ３１におより検出され、モータ２１が直ぐに停止または制動される。これにより、モータ２１からの補助駆動力がペダル８に作用することを防止できて、ペダル８に余分な力をかけなくて済む。

また、走行中に搭乗者がペダル８を逆方向に回転させると、これに伴ってクランク軸７ａ、人力伝達体２８および合力体２９を介して駆動スプロケット１３も逆方向に回転され、この動作がチェーン１５を介して後ハブ９が設けられているコースターブレーキ６０に伝達されて、コースターブレーキ６０が作動する。

また、これらの動作において、従来の一軸式のモータ駆動ユニットでは、トルクセンサが取り付けられている人力伝達体や合力体の端部に一方向クラッチが設けられていたため、一方向クラッチの切替動作時の振動やカム部の噛み合い動作や乗越え動作時の振動が直接に人力伝達体や合力体の端部に伝達されて、トルク検出時のノイズとなって、トルクの検出能力が低下するおそれがあった。また、このように、トルクの検出能力が低下すると、トルク値に対する高度な制御を行い難くなったり、トルク値に対する素早い制御が行い難くなったりするおそれもある。また、コースターブレーキを後輪のハブに設けようとしても、ペダルを前進走行時と逆方向に回転させた際に、ペダルの回転が駆動スプロケットやチェーンに伝達できないため、コースターブレーキに対応することができなかった。

これに対して、本発明の実施の形態では、クランク軸７ａと人力伝達体２８と合力体２９とにわたる駆動力の伝達経路に一方向クラッチが全く配設されていないので、人力伝達体２８にトルクセンサ３１の磁歪発生部３１ｂが設けられていても、人力伝達体２８に一方向クラッチに起因する振動が伝わることがない。これにより、トルク（人力駆動力）を良好に検出することができて、電動アシスト自転車１の信頼性が向上する。また、人力伝達体２８に一方向クラッチを組付ける必要がないため、人力伝達体２８の材料をとして広い範囲のものから選択できて、トルクの検出能力が高くなる材料を用いることができる。これにより、トルクをより良好に検出できるトルクセンサ３１の磁歪発生部３１ｂを用いることができる。

また、上記構成によれば、走行中にペダル８を漕ぐことを停止したり、逆方向に回転したりした際には、この動作が回転検出器としても機能するトルクセンサ３１により検出されて、モータ２１が直ぐに停止または制動されるので、モータ２１からの補助駆動力がペダル８に作用することを防止できる。また、回転検出器としてトルクセンサ３１を用いることで、素早くかつ確実にペダル８の停止または逆方向への回転を検出することができ、しかも、別途に回転検出器を設けなくても済むので、電動アシスト自転車１の製造コストを低減することもできる。

また、上記構成によれば、コースターブレーキ６０が後輪４のハブ９に配設されている場合でも、クランク軸７ａと人力伝達体２８と合力体２９とにわたる駆動力の伝達経路に一方向クラッチが全く配設されておらず、ペダル８およびクランク軸７ａの回転が合力体２９に必ず伝達されるので、ペダル８を前進走行時と逆方向に回転させた際にはこの回転がコースターブレーキ６０に良好に伝達されて、コースターブレーキ６０を良好に作動させることができる。

また、上記構成によれば、モータ２１と合力体２９とにわたる補助駆動力の伝達経路に、複数の減速用歯車部としての小径歯車部３６ｃおよび大径歯車部３６ｄと、これらの小径歯車部３６ｃおよび大径歯車部３６ｄを支持する減速用歯車支持軸としての小径支持軸部３６ａおよび大径支持軸部３６ｂとを有する減速機構２５の減速用歯車３６を配設している。そして、この実施の形態では、大径歯車部３６ｄと大径支持軸部３６ｂとの間に、合力体２９側からの人力駆動力をモータ２１側に伝達しない人力駆動力切断用の一方向クラッチ３７を配設している。

これにより、バッテリ１２の残容量が無くなって、モータ２１から補助駆動力が出力されない様態でペダル８を漕いだ場合などには、人力駆動力によって小径歯車部３６ｃおよび小径支持軸部３６ａや大径支持軸部３６ｂは回転されるが、大径歯車部３６ｄやモータ２１の回転軸２１ａおよびロータ部２１ｂは回転されず、ペダル８に余分な力をかけなくて済む（いわゆる引きずり抵抗を極めて減少させることができる）。また、図１１に示すような従来の一軸式のモータ駆動ユニットと比較しても、人力駆動力によって、大径歯車部３６ｄやモータ２１の回転軸２１ａも回転させないので、その分だけペダル８をより軽い力で回転できる。

また、本実施の形態では、小径歯車部３６ｃと小径支持軸部３６ａとを別部品で構成して、小径歯車部３６ｃを小径支持軸部３６ａに圧入するなどして、組立時に組み付けて一体化するよう構成したので、小径歯車部３６ｃのほぼ全幅にわたって合力体２９の大径歯車部２９ｂと噛み合わせることができて、ひいては、減速用歯車３６の厚みを最小限に抑えることができ、これにより、モータ駆動ユニット２０として左右の幅として小さいものを実現できる利点もある。

また、本実施の形態では、図４に示すように、側面視して、モータ２１と制御部２４とがほぼ重なるように配置したので、モータ駆動ユニット２０の側面視した状態での面積（横方向からの投影面積）を、一軸式のモータ駆動ユニット２０として特に小さくできる（コンパクト化できる）利点がある。そして、モータ２１と制御部２４とはモータ駆動ユニット２０において幅方向の反対側に配設した（モータ２１を左側、制御部２４を右側に配設した）ので、制御部２４がモータ２１の熱の影響を受け難くなり、良好な信頼性を保持することができる。

なお、上記実施の形態では、人力駆動力切断用の一方向クラッチ３７を大径歯車部３６ｄと大径支持軸部３６ｂとの間に配設した場合を述べたが、これに代えて、人力駆動力切断用の一方向クラッチ３７を小径歯車部３６ｃと小径支持軸部３６ａとの間に配設してもよい。

また、上記実施の形態では、後ハブ９にコースターブレーキ６０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、コースターブレーキ６０に代えて、ブレーキ装置として、一般の自転車と同様に、ハンドル５に取り付けたブレーキレバー７０（図８参照）を操作することで制動されるリムブレーキ、バンドブレーキ、またはローラブレーキなどを設けた場合にも、上記実施の形態のモータ駆動ユニット２０を用いてもよい。なお、この場合には、後輪４の回転力をチェーン１５に伝達しないペダル停止時用の一方向クラッチを後輪４のハブ９に配設して、下り坂などの前進走行時において、ペダル８が回転しないよう構成してもよい。

なお、上記実施の形態では、フロント変速機が装着されておらず、駆動スプロケット１３が１つ（１段）である場合を述べたが、これに限るものではなく、大小の駆動スプロケットを備えたフロント変速機を装着してもよい。

本発明は、ペダルからの踏力による人力駆動力に、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各種の電動アシスト自転車に適用可能である。

Claims (7)

1. ペダルからの踏力による人力駆動力に、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電動アシスト自転車であって、
   ペダルからの人力駆動力が伝達されるクランク軸の外周に、前記人力駆動力が伝達されて、前記人力駆動力を検出するためのトルクセンサの磁歪発生部が形成された筒状の人力伝達体が配設され、
   前記クランク軸の外周に、前記人力伝達体を介して伝達された人力駆動力とモータからの補助駆動力とが合成される合力体が配設され、
   前記合力体により人力駆動力と補助駆動力とが合成されてなる合力が、クランク軸と同軸心の駆動力出力輪体と、この人力駆動力出力輪体に掛け渡された無端状駆動力伝達体とを介して、後輪に伝達されるよう構成され、
   前記クランク軸と前記人力伝達体と前記合力体とにわたる駆動力の伝達経路に、一方向クラッチが配設されておらず、前記クランク軸と前記人力伝達体と前記合力体との相対的な回転方向にかかわらず、前記クランク軸の回転に伴って前記人力伝達体および前記合力体も回転される
   ことを特徴とする電動アシスト自転車。
2. ペダルが停止または逆方向に回転されたことを検出する回転検出器を設け、
   この回転検出器によりペダルが停止または逆方向に回転されたことが検出されると、制御部によりモータを停止または制動させるよう構成していることを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。
3. 前記トルクセンサが、回転検出器としても用いられることを特徴とする請求項２に記載の電動アシスト自転車。
4. ペダルを前進走行時の回転方向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が後輪のハブに配設されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電動アシスト自転車。
5. モータと合力体とにわたる補助駆動力の伝達経路に、複数の減速用歯車部とこの減速用歯車部を支持する減速用歯車支持軸とを有する減速機構が配設され、
   何れかの減速用歯車部と前記減速用歯車支持軸との間に、前記合力体側からの人力駆動力をモータ側に伝達しない人力駆動力切断用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項に記載の電動アシスト自転車。
6. 前記減速機構に、減速用大径歯車部と減速用歯車大径支持軸部と減速用小径歯車部と減速用歯車小径支持軸部とを有する減速用歯車が設けられ、
   前記減速用大径歯車部と前記減速用歯車大径支持軸部との間に一方向クラッチが配設され、
   前記減速用小径歯車部と前記速用歯車小径支持軸部とが別体とされて、前記減速用小径歯車部を前記速用歯車小径支持軸部に一体的になるよう組付けている
   ことを特徴とする請求項５に記載の電動アシスト自転車。
7. モータと合力体と減速機構と制御部とがモータ駆動ユニット内に組み込まれ、
   モータと制御部とが側面視して重なり、かつ正面視して幅方向の互いに反対側に配設されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電動アシスト自転車。

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