JP6054817B2 - 電動アシスト自転車 - Google Patents

Description

本発明は、ペダル踏力により発生したクランク軸のトルクに応じてバッテリーからの電力供給を受けて補助動力を得る電動アシスト自転車に関する。

従来、自転車におけるハンガーパイプとチェーンステーとの接合部にあっては、単に、ハンガーパイプに対してチェーンステーの前端部が溶接等により接合されているのみで、ペダル踏力により発生したクランク軸のトルクの影響や、走行挙動に基づくチェーンステーのねじれ変形等の影響、さらには、製造時のフレーム精度に起因した部品取付精度の低下や組付け不良等の影響を受け易いものであった。また、ペダル踏力により発生したクランク軸のトルクに応じてバッテリーからの電力供給を受けて補助動力を得る電動アシスト自転車においては、シートチューブに沿って配置されハンガーパイプとチェーンステーとの接合部近傍にバッテリーが載置されることが多く、汎用の自転車の車体に比較してチェーンステーの長さが長大化することが避けられなかった。しかも、ハンガーパイプとチェーンステーとの接合部近傍にバッテリー載置のためのブラケットの配設に構造改変を余儀なくされていた。

そこで、汎用の自転車の車体を流用でき、バッテリーの支持用ブラケットの車体フレームに対する接合構造を簡素化した下記特許文献１に開示されたような電動補助自転車が提案された。そのような従来の電動補助自転車を図７を用いて説明すると、車体フレームにおける下側のダウンチューブ１０３の後端とシートチューブ１０５の下端との接合部に連結・接合されたハンガーパイプ１０８に対して、チェーンステー１０６の前端を連結し、シートチューブ１０５と後車輪１１２との間であって、前記チェーンステー１０６のみに支持用ブラケット１４１を一体的に接合するとともに、この支持用ブラケット１４１に、バッテリーケース１２１を支持する バッテリーケース用支持部材１２４を取り付けたものである。このようにして構成された電動補助自転車によって、バッテリー支持用ブラケット１４１を、一般的な自転車用車体フレームを改変させることなく流用しつつ接合構造を簡素化して精度良く取り付けることが可能となり、製造コストを低減させることが可能となった。

特開２００２−１４５１４８号公報（要約書等参照）

しかしながら、前記従来の電動補助自転車すなわち電動アシスト自転車におけるブラケット構造では、一般的な汎用の自転車フレームを流用することから、前述したような、単に、ハンガーパイプに対してチェーンステーの前端部が溶接等により接合されているのみで、バッテリーケース用支持部材１２４の一部がチェーンステー１０６に接合されているとはいえ、依然として、ペダル踏力により発生したクランク軸のトルクの影響や、走行挙動に基づくチェーンステーのねじれ変形等の影響、さらには、左右チェーンステーのバラツキが支持用ブラケット１４１に影響する等、製造時のフレーム精度に起因した部品取付精度の低下や組付け不良等の影響を受け易いものであった。しかも、チェーンステー１０６の上部にバッテリーケース用支持部材１２４が配置されることから、バッテリーを収納するスペースが減殺されてしまい、低容量のバッテリー積載を余儀なくされたり設計の自由度も低下する虞れが生じた。

そこで本発明では、前記従来の電動アシスト自転車におけるブラケット構造の諸課題を解決して、僅かな構造改変のみにて、製造時のフレーム組付け精度や走行時のねじれ変形さらには駆動トルクの影響も受けにくく、部品収納性にも優れる多機能な電動アシスト自転車を提供することを目的とする。

このため本発明は、ペダル踏力により発生したトルクに応じてバッテリーからの電力供給を受けて補助動力を得る電動アシスト自転車において、ペダル駆動軸であるクランク軸が組み付けられたハンガーパイプとチェーンステー前端との間にバッテリーを載置する高剛性構造のブラケットを配設するとともに、前記ブラケットにおいて、ペダル駆動力を車輪に伝達する駆動機構側に位置する側面垂下部の面積を他方側より大きく構成したことを特徴とする。また本発明は、前記ブラケットが、側面視で前方に向けて漸増する拡大形状に構成したことを特徴とする。また本発明は、前記ブラケットの横断面を、上面部とその左右から垂下する側面垂下部とからなる下方に開放した門型形状に構成したことを特徴とする。また本発明は、前記ブラケットの側面垂下部に段押し部を形成したことを特徴とする。また本発明は、前記ブラケットにおける側面垂下部の少なくとも一方に開口部を穿設したことを特徴とする。また本発明は、前記ブラケット内に前記補助動力制御のためのコントローラを配設したことを特徴とするもので、これらを課題解決のための手段とする。

本発明によれば、請求項１に記載の構成要件である、ペダル踏力により発生したトルクに応じてバッテリーからの電力供給を受けて補助動力を得る電動アシスト自転車において、ペダル駆動軸であるクランク軸が組み付けられたハンガーパイプとチェーンステー前端との間にバッテリーを載置する高剛性構造のブラケットを配設するとともに、前記ブラケットにおいて、ペダル駆動力を車輪に伝達する駆動機構側に位置する側面垂下部の面積を他方側より大きく構成したことにより、高剛性構造のブラケットの介設によりハンガーパイプとチェーンステー前端との間の特にねじれ剛性が向上し、製造時の左右のチェーンステーにおけるフレーム組付け精度等や走行時のねじれ変形さらには駆動トルクの影響も受けにくいので、駆動トルクの検出精度も高くなり補助動力の制御も正確となり、僅かの構造改変のみにてバッテリーを高い強度で支持することが可能で、相対的に低く配置できるブラケットによりバッテリー収納スペースも増大して設計の自由度も向上する。しかも、通常、駆動側スプロケット等が隣接して配置される駆動側の側面垂下部の剛性を特に高くできるので、全体としてペダル踏動時のブラケットの耐久性能をさらに向上させることができる。

また、請求項２に記載の構成要件である、前記ブラケットが、側面視で前方に向けて漸増する拡大形状に構成した場合は、トルクセンサ等を収納して比較的大径な前方にあるハンガーパイプと、小径なチェーンステー前端部との間のそれぞれに適合した接合部を確保できるとともに、チェーンステーからハンガーパイプへの前方に向けて滑らかな断面変化により、強度変化も滑らかに変化させて応力集中を解消させることができるので、ブラケット構造の耐久力も向上する。さらに、請求項３に記載の構成要件である、前記ブラケットの横断面を、上面部とその左右から垂下する側面垂下部とからなる下方に開放した門型形状に構成した場合は、軽量であるにも拘らず高いねじれ剛性等を発揮させることが可能であるばかりか、該ブラケット内部にコントローラ等の部品を収納することが可能となり機能性に優れる。

さらにまた、請求項４に記載の構成要件である、前記ブラケットの側面垂下部に段押し部を形成した場合は、これらの側面垂下部自体の剛性が向上してブラケット全体としてのさらなる剛性向上につながる。

さらに、請求項５に記載の構成要件である、前記ブラケットにおける側面垂下部の少なくとも一方に開口部を穿設した場合は、ブラケット上部に載置したバッテリーからのハーネス類あるいはブラケット内部に収納した部品からのハーネス類の開口部からの側方への取出しが容易となり、ハーネス類の取回しが簡素化される。さらにまた、請求項６に記載の構成要件である、前記ブラケット内に前記補助動力制御のためのコントローラを配設した場合は、収納・配設したコントローラの下方への突出を抑制できて外因に起因した損傷の機会が減少し、外観が向上するとともに、ブラケットの上方向のスペースが確保できてバッテリー収納スペースも増大して設計の自由度も向上し、さらには、バッテリーの載置高さの低下によってサドル地上高さの引下げにも寄与できる。

本発明の電動アシスト自転車の第１実施例を示すもので、自転車の全体の左側面図およびＢ部の拡大側面図である。 同、ブラケット構造を含む車体フレームのみを示す右側面図および斜視図である。 同、Ｂ部におけるブラケット構造の要部斜視図およびブラケットの各部の説明図である。 同、バッテリーが載置され、コントローラが収納されたブラケット構造の斜視図およびコントローラの各部の説明図である。 同、電動アシスト自転車全体の右側面図およびそのＣ−Ｃ断面のコントローラが収納されたブラケット構造の横断面図である。 同、Ｂ部におけるブラケット構造の右側から見た要部斜視図である。 特許文献１に開示された従来例の電動補助自転車の説明図である。

以下、本発明の電動アシスト自転車の好適な形態を図面に基づいて説明する。本発明の電動アシスト自転車は、図１に示すように、ペダル踏力により発生したトルクに応じてバッテリー７からの電力供給を受けて補助動力（例えば前車輪10内に装着されたハブインモータ１２の駆動力による）を得る電動アシスト自転車において、ペダル駆動軸であるクランク軸９が組み付けられたハンガーパイプ３とチェーンステー４前端（前端パイプ５）との間にバッテリー７を載置する高剛性構造のブラケット６を配設するとともに、前記ブラケット６において、ペダル駆動力を車輪に伝達する駆動機構側に位置する側面垂下部６Ｒの面積を他方側６Ｌより大きく構成したことを特徴とする。

図１から図６は、本発明の電動アシスト自転車の第１実施例を示す。図１（Ｂ）は電動アシスト自転車の全体の左側面図、図１（Ａ）は図１（Ｂ）のＢ部の拡大側面図である。図１（Ｂ）ではハンドルバーやサドルそしてペダルおよびクランク、さらには駆動チェーン、変速ギヤ等の駆動系も図示が省略されている。より明確に理解される図２（図１が車体の左側面図であるのに対して、図２は車体の右側面図ではあるが）を参照しつつ説明すると、車体フレームの前ホーク下端部には前車輪１０のハブ部が軸支され、車体フレームの後ホーク下端部とチェーンステー４の後端部との接合部には後車輪１１のハブ部が軸支されており、車体フレームのヘッドパイプから後下方に延びる下部のダウンチューブ１の下端部とシートチューブ２の下端部との接合部には、ハンガーパイプ３が溶接等により接合される。

本発明の電動アシスト自転車では、前記ハンガーパイプ３と後端部に後車輪１１を軸支するチェーンステー４の前端部との間にはブラケット６が溶接等により接合されて配設されるものである。チェーンステー４の前端部とは、ハンガーパイプ３と同様に、チェーンステー４の前端に車体面（車体フレームにより構成される面）に直交して配設される前端パイプ５によって構成される。そして、ブラケット６の上面部１６（図２（Ｂ）参照）にはバッテリーホルダ８を介してバッテリー７がシートポスト２の後部に沿って添設・載置される。ブラケット６内には後述するように、補助動力制御のためのコントローラ１８が収納される。

前記Ｂ部（図１（Ｂ）参照）におけるブラケット構造の要部斜視図およびブラケットの各部の説明図である図３に示すように、本発明による構造改変では、ハンガーパイプ３とチェーンステー４の前端部である前端パイプ５との間に配設されるブラケット６は高剛性構造を有していることである。図３（Ｅ）に示すように、ブラケット６は側面視で前方に向けて漸増する拡大形状に構成され、図３（Ｄ）に示すように、ブラケット６の横断面が、上面部１６とその左右から垂下する左側面垂下部６Ｌと右側面垂下部６Ｒとからなる下方に開放した門型形状に構成している。そして、これらの側面垂下部６Ｌ、６Ｒには段押し部１４が形成される。さらには、図３（Ｂ）から図３（Ｅ）にて理解されるように、ブラケット６の駆動側に位置する右側面垂下部６Ｒの下縁をより下方に垂下する等して右側面垂下部６Ｒの面積（側面視の）を他方側（６Ｌ）より大きく構成される。通常は、クランク軸９と一体に固定される駆動スプロケットは右側面垂下部６Ｒの外側に隣接して配設されるからである。

したがって、図３（Ｅ）にて理解されるように、車体左側から見ると、ブラケット６の駆動側に位置する右側面垂下部６Ｒの下縁をより下方に垂下する等して、右側面垂下部６Ｒの面積（側面視）を他方側（６Ｌ）より大きく構成したので、面積の小さい左側面垂下部６Ｌの下縁から面積の大きい右側面垂下部６Ｒの下部が覗いて見える。また、ブラケット６における側面垂下部の少なくとも一方、例えば図示の実施例では面積の小さい左側面垂下部６Ｌに開口部１５が穿設される。図３（Ｃ）（Ｄ）に示すように、ブラケット６の上面部１６には、後述するバッテリーホルダ８を載置して取り付けるためのポップナット１７やバッテリー７との接続コネクタが挿入される開口等が設けられる。また、例えば、ブラケット６における面積の大きい右側面垂下部６Ｒの適宜部位には、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｅ）にて理解されるように、後述するコントローラ１８におけるケーシング１９を取り付けるためのビス挿入孔２７、２７が穿設されている。

かくして、ハンガーパイプ３とチェーンステー４の前端部（前端パイプ５）との間に介設して配設されるブラケット６は、その横断面が門型形状に構成されて軽量であるにも拘らずねじり剛性等の高い剛性を発揮させることが可能であるばかりか、該ブラケット６の内部に、後述するコントローラ１８等の部品を収納することが可能となり機能性にも優れる。またブラケット６の側面垂下部６Ｌ、６Ｒには段押し部１４が形成されていることによって、これらの側面垂下部６Ｌ、６Ｒ自体の剛性が向上してブラケット６のさらなる剛性向上につながる。さらには、駆動側に位置する右側面垂下部６Ｒの下縁をより下方に垂下する等して右側面垂下部６Ｒの面積（側面視の）を他方側６Ｌより大きく構成されているので、通常、駆動側スプロケット等が隣接して配置される駆動側の右側面垂下部６Ｒの剛性を特に高くできるので、全体としてペダル踏動時のブラケット６の耐久性能をさらに向上させることができる。

また、その横断面が門型形状に構成されたブラケット６の配設によって、ハンガーパイプ３とチェーンステー４の前端５との間の特にねじれ剛性が向上し、製造時のフレーム組付け精度等や走行時のねじれ変形さらには駆動トルクの影響も受けにくいので、駆動トルクの検出精度も高くなり補助動力の制御も正確となり、僅かの構造改変のみにてバッテリー７を高い強度で支持することが可能で、相対的に低く配置できるブラケット６によりバッテリー７の収納スペースも増大して設計の自由度も向上することになる。しかも、門型形状に構成されたブラケット６により、該ブラケット６内にコントローラ１８等の部品の収納が可能となって機能性を発揮する他、従来品のようにチェーンステーの上部にバッテリー載置用のブラケットを配設するものに比較して、相対的にバッテリーの載置高さを低下させることができるので、サドル地上高さの引下げにも寄与できることとなる。

さらには、側面視で前方に向けて漸増する拡大形状に構成されたブラケット６によって、トルクセンサ１３（図１（Ａ）や後述する図６参照）等を収納して比較的大径な前方にあるハンガーパイプ３と、小径なチェーンステー４の前端部である前端パイプ５との間のそれぞれの溶接等による整合して適合した接合部を確保できるとともに、チェーンステー４からハンガーパイプ３への前方に向けて滑らかな断面変化により、強度変化も滑らかに変化させて応力集中を解消させることができるので、ブラケット構造の耐久力が向上することになる。また、ブラケット６における少なくとも一方、例えば面積の小さい左側面垂下部６Ｌに開口部１５が穿設されることによって、ブラケット６の内部に収納した部品からのハーネス類の側方への取出しが容易となり、ハーネス類の取回しが簡素化される。

図４に示すように、門型形状のブラケット６の下方に開放された開放部から挿入・収納されて補助動力制御のためのコントローラ１８が配設・固定される。門型形状のブラケット６は、このようにして収納・配設されたコントローラ１８の下方への突出を抑制できて外因に起因した損傷の機会が減少し、外観を向上させる。図示の実施例では、図４（Ａ）にて理解されるように、ブラケット６における面積の小さい左側面垂下部６Ｌの下縁よりも下方まで垂下した右側面垂下部６Ｒ側に取り付けられたコントローラ１８の下部が見えており、コントローラ１８からハーネス類２３や接続端子２５が側面に引き出されている様子がよく理解される。また、ブラケット６の左側面垂下部６Ｌに穿設された開口１５からはバッテリー７からのハーネス類２２が取り出されている（図５（Ｂ）も参照）。

電動アシスト自転車では、図４（Ａ）に示すように、図示省略のペダル踏力により発生したクランク軸９のトルクに応じてバッテリー７からのハーネス２２からの電力供給を受けて、コントローラ１８により演算された適切な制御信号を、例えば前車輪１０に配設されたハブインモータ１２にハーネス２３から送出して補助動力を発生させる。ペダル踏力により発生した駆動トルクの検出には、例えば、ペダル踏力に応じたねじり力をクランク軸９と一体に回転する中空軸に施した磁性材料である磁歪箔の透磁率変化を非接触でコイルに誘起したインダクタンスの変化量を検出してトルク変化を検出する磁歪式トルクセンサ等のトルクセンサ１３が採用される。図４（Ｂ）から図４（Ｄ）に示すように、コントローラ１８は、前記バッテリー７からのハーネス２２類等のスペース確保用の波形上面を有する箱型のケーシング１９を主要部として構成され、ケーシング１９は、一側面（図示の例では、ブラケット６における面積が小さく開口部１５が穿設された左側面垂下部６Ｌ側）が開放した開放部２９（図４（Ｄ））を有する形状とされる。

図４（Ｃ）に示すように、ケーシング１９内には、制御部である回路基板２０を少なくとも車体面とほぼ平行に収納するとともに、ハーネス２３、３０類を取り出して樹脂等の充填物２１により閉じられる。また、図４（Ｂ）（Ｄ）に示すように、ケーシング１９の開放部２９の反対側面の適宜部位には、ブラケット６における面積の大きな右側面垂下部６Ｒの対応部位に穿設されたビス挿入孔２７、２７に対応する部位に雌螺子部２６が形成され、図６に示すように、ビス挿入孔２７、２７に挿入されたビス２８、２８をこれら雌螺子部２６に螺合することによって、コントローラ１８をブラケット６における右側面垂下部６Ｒに取り付けることができる。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）におけるブラケット構造のＣ−Ｃ横断面図で、コントローラ１８のブラケット６への収納・固定状態を示すものである。図示の例では、Ｃ−Ｃ横断面は前記ビス２８、２８による取付面を含んでいないので図示はないが、コントローラ１８におけるケーシング１９の右側の側面（放熱用のフィンが多数刻設されるとよい）が門型形状のブラケット６における右側面垂下部６Ｒに前記ビス２８、２８によって固定されている。ブラケット６における上面部１６の上部には、図示省略のバッテリーホルダ８（図１（Ａ）参照）を介設して更に上部にバッテリー７が載置して搭載される。前記上面部１６の孔にはバッテリー７との接続コネクタ等が固定され、該コネクタ等からハーネス２２類および接続端子２４がブラケット６における左側面垂下部６Ｌの開口部１５から取り出される。

コントローラ１８におけるケーシング１９の開放部２９を、ブラケット６における開口部１５を穿設した側面垂下部側、図示の例では面積の小さな左側面垂下部６Ｌに向けて収納・固定したことにより、コントローラ１８の開放部２９から取り出したハーネス２３類および接続端子２５を左側面垂下部６Ｌの下縁と干渉させることなく側方に取り出すことができる。そして、バッテリー７からの接続端子２４とコントローラ１８からの接続端子２５とをブラケット６の側方にて簡便に接続させることができる。また、コントローラ１８は、ブラケット６における側面垂下部の一方側である右側面垂下部６Ｒにのみ固定されているので、走行中の各種挙動によるフレーム変形に基づくブラケット６の変形、特に左右の側面垂下部６Ｌ、６Ｒ間での変形差による影響を受けにくくなり、コントローラ１８におけるケーシング１９の強度的不安が低減されるので、軽量化に貢献するとともに、内部の回路基板２０への悪影響も回避できる。

以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、ハンガーパイプとダウンチューブおよびシートチューブとの接合形態（溶接を好適とする）、車体フレームの形状、形式（図示の例のような、上下のダウンチューブを有するものの他、様々な汎用のフレーム形式のものに適用が可能である）、補助動力を発生させるハブインモータ等の配設部位（実施例のような前車輪ハブに装着するものの他、後車輪ハブにハブインモータを装着してもよいし、さらには設計上許容されるならブラケット内にクランク軸と関連付けた補助動力モータを配設することも排除されない）、クランク軸のトルクの検出方式（磁歪式トルクセンサの他、応答性に優れる様々なトルクセンサが使用可能である）、補助動力制御形態、ブラケットのハンガーパイプとチェーンステー前端（パイプ）との間の接合形態（溶接を好適とする。実施例の図示のように、ブラケットの上面部をシートチューブに接合してもよい）、ブラケットとチェーンステーとの接合形態（実施例では、前端パイプを介して接合しているが、前端パイプなしで直接接合してもよい）、バッテリーホルダの形状、形式、およびそのブラケット上面部およびバッテリーとの固定形態（実施例のようなポップナットの利用等。他に、ハーネス類の取回しを含む接続端子との関連構成、つまりバッテリーホルダにバッテリーおよびブラケット上面部を固定した際に、ハーネス類が接続部を介してワンタッチで接続されるように構成する等）、高剛性構造ブラケットの形状として、側面視で前方に向けて漸増する拡大形態（ほぼ直線を好適とするが、バッテリーホルダとの関連で許容されるなら幾分湾曲して構成されることを排除しない）、ブラケットの左右の側面垂下部における段押し部の形成形態（側方の内外のいずれ側に突出させてもよい。実施例の単純な凹凸の他、放熱を兼ねて波形でもよい）、開口部の形成形態（ハーネス類のみ挿入可能な大きさ・形状でもよいし、接続端子も挿入可能な大きさ・形状としてもよい）、駆動側に位置する面積の大きな側面垂下部の下縁の他方のものからの垂下量（コントローラからのハーネス類および接続端子が側方に取り出せる程度を好適とするが、接続端子の接続を面積の小さな側面垂下部における開口部や段押し部で可能なら、垂下量はハーネス類が取り出せる程度でもよいが、駆動側の側面垂下部の剛性との関係であまり垂下量を少なくすることは好ましくない）、制御部である回路基板のケーシング内での配置形態（車体面とほぼ平行に収納するのを好適とするが、ケーシング内に納まる配置なら適宜の配置が可能である）、ケーシングの形状（放熱やハーネス類取回しのための波形上面の形状は適宜の形状が採用可能である）、形式、閉塞の形状、形式（充填物による閉塞の他、単なる蓋体も考慮される）、ケーシングのブラケットへの固定形態（実施例では面積の大きな側面垂下部にビスによる螺合等により固定されるが、場合によってはケーシングの開放部側に雌螺子部等を形成して面積の小さな側面垂下部にのみケーシングを取り付けることを排除しない）等については適宜採用できる。また、実施例に記載の諸元はあらゆる点で単なる例示に過ぎず限定的に解釈してはならない。

本発明の電動アシスト自転車におけるブラケット構造は、好適には、補助動力装置を搭載した電動アシスト自転車に適用されるが、補助動力が必要な運搬車両やさらには自動二輪車におけるバッテリー載置部への適用も妨げない。

１ 車体フレーム（ダウンチューブ）
２ シートチューブ
３ ハンガーパイプ
４ チェーンステー
５ 前端パイプ（チェーンステー前端）
６ ブラケット
７ バッテリー
８ バッテリーホルダ
９ クランク軸
１０ 前車輪
１１ 後車輪
１２ ハブインモータ
１３ トルクセンサ
１８ コントローラ

Claims (6)

1. ペダル踏力により発生したトルクに応じてバッテリーからの電力供給を受けて補助動力を得る電動アシスト自転車において、ペダル駆動軸であるクランク軸が組み付けられたハンガーパイプとチェーンステー前端との間にバッテリーを載置する高剛性構造のブラケットを配設するとともに、前記ブラケットにおいて、ペダル駆動力を車輪に伝達する駆動機構側に位置する側面垂下部の面積を他方側より大きく構成したことを特徴とする電動アシスト自転車。
2. 前記ブラケットが、側面視で前方に向けて漸増する拡大形状に構成した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. 前記ブラケットの横断面を、上面部とその左右から垂下する側面垂下部とからなる下方に開放した門型形状に構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の電動アシスト自転車。
4. 前記ブラケットの側面垂下部に段押し部を形成したことを特徴とする請求項３に記載の電動アシスト自転車。
5. 前記ブラケットにおける側面垂下部の少なくとも一方に開口部を穿設したことを特徴とする請求項３また４に記載の電動アシスト自転車。
6. 前記ブラケット内に前記補助動力制御のためのコントローラを配設したことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電動アシスト自転車。