JP6519832B2 - モータ駆動ユニット及び電動アシスト自転車 - Google Patents

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なモータ駆動ユニット及び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。

例えば、図１４に示すように、電動アシスト自転車において、モータ１０１などが内蔵されたモータ駆動ユニット１０２を、クランク軸１０３が設けられている箇所に配設したものがある（特許文献１等）。このような配置構成の電動アシスト自転車１００は、重量が比較的大きいモータ駆動ユニット１０２が、電動アシスト自転車１００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１００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１１０や後輪１１１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１１３の取り回しがよく、また、走行安定性も良好である。

また、このようなモータ駆動ユニット１０２において、図１５、図１６に示すように、クランク軸１０３からの人力駆動力が伝達される人力伝達体（中間軸）１０４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１０５が設けられる構造のものがある。すなわち、人力伝達体１０４の外周面に磁歪発生部１０５ａが形成されているとともに、この磁歪発生部１０５ａに対向するように、磁気の変動を検出するコイル１０５ｂが非接触状態で配設されている。そして、左右のペダル１１２（図１４参照）を踏み込んだ際にクランク軸１０３が踏力（人力駆動力）により捩れるため、クランク軸１０３からの人力駆動力が伝達される人力伝達体１０４の捩れ状態を、トルクセンサ１０５により検出している。

なお、図１５、図１６において、１０６は、一方向クラッチ（爪部材）１０７を介して人力伝達体１０４に嵌合された筒体（アウター部）１０９と連結されている連動体（インナー部）、１０８は、連動体１０６の端部に取り付けられた駆動力出力輪体としての駆動スプロケットである。

ここで、電動アシスト自転車のモータ駆動ユニットにおいては、例えば特許文献２に開示されているように、トルク（人力駆動力）を機械的に検出する構造のものもある。しかし、このような構造のものでは、トルクを検出する箇所で部品同士が互いに当接するなどして機械的な抵抗を生じるため、電池の出力用残量がなくなって補助駆動力を付加できなくなった場合などに、搭乗者に対する負担が大きくなる短所がある。

これに対して、図１４〜図１６に示すような磁歪式のトルクセンサ１０５によりトルク（人力駆動力）を検出するモータ駆動ユニット１０２では、トルク（人力駆動力）を検出するコイル１０５ｂが磁歪発生部１０５ａに対して非接触状態で配設されている。したがって、電池の出力用残量がなくなって補助駆動力を付加できなくなった場合でも、搭乗者に対する負担が殆どない。

また、前記モータ駆動ユニット１０２では、磁歪発生部１０５ａが、クランク軸１０３とは別体の人力伝達体１０４に形成されているため、以下の利点もある。すなわち、クランク軸１０３の両端部には、回転方向に対するトルク（人力駆動力）だけでなく、ペダル１１２を介して搭乗者の足から体重の一部が下方に加えられてクランク軸１０３を湾曲させようとする曲げ応力が作用する。したがって、クランク軸に磁歪発生部を形成すると、この曲げ応力が、トルク（人力駆動力）を検出する際の外乱要因や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、クランク軸は、大きな曲げ応力に対しても十分対応できるような材料を選定しなければならないため、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。

これに対して、図１４〜図１６に示すモータ駆動ユニット１０２では、磁歪発生部１０５ａが、クランク軸１０３とは別体の人力伝達体１０４に形成されているため、曲げ応力が、クランク軸１０３よりも作用し難く、クランク軸に磁歪発生部を形成する場合と比較して、トルクの検出能力を向上させることができる。また、人力伝達体１０４としてその外周面に磁歪発生部１０５ａを形成するに適した材料を用いることができるので、これによっても、トルクの検出能力を向上させることができる。

また、モータ駆動ユニット１０２に設けられた一方向クラッチ（爪部材）１０７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１１２を漕ぐことを止めても、しばらくの間だけ、モータ１０１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１０７が設けられていないと、モータ１０１からの補助駆動力がクランク軸１０３に伝達されて、ペダル１１２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１０３やペダル１１２に作用しないように、一方向クラッチ１０７により、モータ１０１からの補助駆動力を切断させている。

ところで、このように、磁歪式のトルクセンサ１０５を備えたモータ駆動ユニット１０２において、クランク軸１０３などの回転を検出する回転センサ１１５（図１６参照）が設けられているものがある。このモータ駆動ユニット１０２では、人力伝達体１０４に係合されている筒体（アウター部）１０９の外周部に外側から臨むように配設されている。筒体（アウター部）１０９の外周部には、回転検出用の歯や、永久磁石などが固着され、回転検出用の歯が形成される場合には、回転センサ１１５として、永久磁石とコイルを備えたいわゆるピックアップセンサ（磁気センサ）が設けられる。

特開２００９−２０８７１０号公報 特開平１０−８１２９２号公報

しかしながら、図１４〜図１６に示すモータ駆動ユニット１０２では、磁歪式のトルクセンサ１０５の近傍に、回転センサ１１５や筒体（アウター部）１０９に永久磁石などを配設することとなるため、トルク（人力駆動力）を検出する際の外乱要因や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。

本発明は上記課題を解決するもので、磁歪式のトルクセンサによりトルクを検出でき、かつクランク軸などの回転を検出することができながら、搭乗者がペダルを漕ぐことを止めた際に、モータからの補助駆動力がクランク軸に伝達されることがなく、トルクの検出能力を良好に維持することができるモータ駆動ユニット及び電動アシスト自転車を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のモータ駆動ユニットは、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用いられるモータ駆動ユニットであって、前記モータ駆動ユニットの外殻部を構成するユニットケースを貫通するクランク軸と、前記ユニットケース内に配設されるモータと、前記クランク軸の外周に配設された筒状の人力伝達体と、前記クランク軸の回転を出力する駆動スプロケットと、前記モータからの補助駆動力が出力される補助駆動力出力スプロケットと、前記ユニットケース内に配置され、前記モータを制御する制御部と、前記クランク軸と共に回転する回転体と、前記回転体の回転を検出する回転検出器と、前記人力伝達体と噛み合う中間筒体と、を備え、前記中間筒体は、前記クランク軸の外周側に配設される第１の内径部と、前記第１の内径部と同軸であり、前記第１の内径部より大径の第２の内径部とを有し、前記回転体は、前記第２の内径部の外方で前記中間筒体の外周に設けられている。

また、本発明のモータ駆動ユニットにおいて、前記回転体は、前記回転体によって回転が検出される被検出部を有し、前記被検出部は、前記クランク軸方向における、前記第２の内径部の前記駆動スプロケット側に配設される。

また、本発明のモータ駆動ユニットにおいて、前記回転体は、前記クランク軸方向に延びる第１の部分と、前記第１の部分の端部から前記クランク軸の径方向に延びる第２の部分とを有し、前記回転検出器は、前記第２の部分の回転を検出する。

また、本発明のモータ駆動ユニットにおいて、前記第２の部分は、前記クランク軸方向における、前記第１の部分の前記駆動スプロケット側の端部に配設される。

また、本発明のモータ駆動ユニットにおいて、前記第１の部分の前記クランク軸方向の長さは、前記第１の部分の前記端部から、前記クランク軸から離れる、前記クランク軸の径方向における前記第２の部分の高さよりも長い。

また、本発明のモータ駆動ユニットにおいて、前記人力伝達体の外周には、トルクセンサが設けられ、前記人力伝達体には、前記トルクセンサの磁歪発生部が形成され、当該磁歪発生部が形成された前記人力伝達体の外周には、コイルが配設される。

また、本発明のモータ駆動ユニットにおいて、前記回転検出器は、前記クランク軸の回転する一方向および当該一方向と反対の他方向のそれぞれの回転を検知する。

また、本発明のモータ駆動ユニットにおいて、前記制御部は、制御用基板を有し、前記制御用基板は、基板面が前記クランク軸と交叉する方向に延びるように前記ユニットケース内に配設される。

また、本発明の電動アシスト自転車は、モータ駆動ユニットを搭載している。

また、本発明は、前記減速機構は、前記大径歯車部と噛み合う小径歯車部と、前記小径歯車部の回転軸と略直交する方向に視て、前記モータのロータ部側に配設され、前記モータの回転軸の歯部と噛み合う減速用大径歯車部と、を含む減速用歯車を有してもよい。

また、本発明は、前記減速用大径歯車部と、前記減速用大径歯車部を支持する大径支持軸部との間に、前記合力体からの回転駆動力を前記モータ側に伝達しないための一方向クラッチが配設されてもよい。

また、本発明は、前記人力伝達体または前記合力体の回転を検出する回転センサと、前記クランク軸の外周に配設されたトルクセンサとをさらに備え、前記回転センサは、前記クランク軸方向と略直交する方向に視て、前記減速用大径歯車部と重なる位置に配置されるとともに、前記トルクセンサと前記大径歯車部との間に配設されてもよい。

また、本発明の電動アシスト自転車は、モータを備えたモータ駆動ユニットが前輪と後輪との間の中間位置に配設され、ペダルからの踏力による人力駆動力に、前記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、クランク軸の外周に、一端側から前記人力伝達体からの人力駆動力が伝達され、他端側に、クランク軸と同軸心の駆動力出力輪体が取り付けられた連動体が配設され、前記連動体からの駆動力が、前記駆動力出力輪体と、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、クランク軸の外周に、前記人力伝達体に係合された中間筒体が設けられ、この中間筒体と前記連動体との間に、一方向クラッチが配設され、前記中間筒体または前記人力伝達体の回転を検出する回転検出器が設けられ、前記回転検出器として光センサが用いられ、前記中間筒体または前記人力伝達体の外周における前記回転検出器に対応する位置に、光センサの光を遮断または反射する１つの回転体が取り付けられ、前記回転検出器は、光センサが、回転体の回転方向にその出力信号の位相が９０度異なる位置に２つ並べられて設けられ、前記中間筒体が、前記一方向クラッチの内側に取り付けられ、前記回転体が取り付けられている位置が、クランク軸の軸心を中心とした径方向に対して、前記一方向クラッチと前記連動体との係合離脱する位置、もしくは、この位置よりも内側となる位置であることを特徴としてもよい。

この構成により、磁歪式のトルクセンサによりトルクを検出でき、かつ回転検出器により、前記中間筒体または前記人力伝達体の回転を検出でき、ひいてはクランク軸やペダルの回転を検出できる。また、前記中間筒体と前記連動体との間に配設した一方向クラッチにより、搭乗者がペダルを漕ぐことを止めた際に、モータからの補助駆動力がクランク軸に伝達しないよう構成できる。また、前記中間筒体または前記人力伝達体の回転を検出する回転検出器として光センサを用いているので、回転検出器として磁気センサを用いたように、トルク（人力駆動力）を検出する際の外乱要因やノイズとなってトルクの検出能力が低下することを防止できて、トルクを良好に検出することができる。

また、本発明は、前記中間筒体または前記人力伝達体の外周における前記回転検出器に対応する位置に、光センサの光を遮断または反射する回転体を取り付けたことを特徴としてもよい。ここで、クランク軸の回転を検知する方法としては、クランク軸に、光センサの光を遮断または反射する回転体をクランク軸に設けて、前記回転体に照射した光を検知することが考えられる。しかし、本構成のように、前記中間筒体または前記人力伝達体の外周に、光センサの光を遮断または反射する回転体を取り付けることにより、光センサの光を遮断または反射する回転体をクランク軸に設けている場合よりも、大径の部分に配設することとなるため、回転検出器の分解能を向上させることができる。また、回転体の具体例としては、全周にわたって歯部を形成した円板や円筒などで回転体を構成し、前記歯部を挟むように出射部と受光部を設けることが考えられるが、この場合に、歯部を形成した円板や円筒などを、クランク軸よりも比較的大径の中間筒体または人力伝達体に取り付けることとなるため、歯部を形成した円板や円筒などとして、内径部から外径部までの径方向の寸法をあまり大きくしなくても、歯部を比較的大きい径の位置に、より多く形成できて、歯部が比較的小さい径の位置に形成されているものと比較して、回転検出器の分解能を向上させることができる。また、前記回転体をクランク軸に取り付けた場合において同様な回転検出器の分解能を得ようとすると、歯部を形成した円板や円筒などを内径部から外径部までの径方向の寸法を大きくすることが考えられるが、この場合には、歯部を形成した円板や円筒などが変形しやすくなるおそれがある。これに対して、前記回転体を、クランク軸の外周に配設されている前記中間筒体または前記人力伝達体に取り付けることで、内径部から外径部までの径方向の寸法をあまり大きくしなくても済むので、前記回転体が変形する可能性を最小限に抑えることができる。

また、本発明は、上記したように前記中間筒体または前記人力伝達体の外周における前記回転検出器に対応する位置に、光センサの光を遮断または反射する１つの回転体が取り付けられ、前記回転検出器は、光センサが、回転体の回転方向にその出力信号の位相が９０度異なる位置に２つ並べられて設けられていることを特徴としてもよい。この構成により、ペダルが停止または逆方向に回転されたことを検出できる。

また、本発明は、前記連動体により、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ことを特徴としてもよい。また、これに代えて、無端状駆動力伝達体に係合して、モータから出力される補助駆動力を出力する補助駆動力出力輪体を設けてもよい。

また、本発明は、補助駆動力の伝達経路に、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、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してもよい。

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、本発明は、モータ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、かつ幅方向の互いに反対側に配設されていることを特徴としてもよい。

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、クランク軸の外周に、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と、この人力伝達体に係合された中間筒体とを設け、前記中間筒体または前記人力伝達体の回転を検出する回転検出器として光センサを用いることにより、トルクセンサに磁気の影響を与えることなく、クランク軸と一体的に回転する中間筒体や人力伝達体部材の回転を容易かつ確実に検知することができる。また、回転検出器として、トルクセンサを兼用することが考えられるが、このようにトルクセンサを兼用する場合と比較すると、回転を容易かつ確実に検出できるとともに制御が簡単であるため迅速に検出できる利点がある。

また、前記中間筒体または前記人力伝達体の外周における前記回転検出器に対応する位置に、光センサの光を遮断または反射する回転体を取り付けることにより、回転検出器として比較的分解能のよいものを得ることができる。また、回転体として、全周にわたって歯部を形成した円板や円筒などを前記中間筒体または前記人力伝達体の外周に取り付けた場合でも前記回転体の内径部から外径部までの径方向の寸法をあまり大きくしなくて済むので、歯部などが変形する可能性を最小限に抑えることができて良好な信頼性を維持できる。

また、補助駆動力の伝達経路に、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、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、モータと減速機構と制御部とをモータ駆動ユニット内に組み込み、モータと制御部とを、側面視して重なり、かつ正面視（または平面視）して幅方向の互いに反対側に配設しることで、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 同電動アシスト自転車のモータ駆動ユニットの側面図（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横断面図（図３のＩＶ−ＩＶ線矢視平面断面図） 同電動アシスト自転車のモータ駆動ユニットの要部拡大平面横断面図 同電動アシスト自転車のモータ駆動ユニットの回転検出器および回転体の側面図 同モータ駆動ユニットの回転検出器および回転体の動作を説明するための図 同モータ駆動ユニットの回転検出器および回転体の動作を説明するための図 本発明の他の実施の形態に係る電動アシスト自転車のモータ駆動ユニットの拡大平面横断面図 本発明のその他の実施の形態に係る電動アシスト自転車の部分切欠側面図 同電動アシスト自転車のモータ駆動ユニットの平面横断面図 同電動アシスト自転車のモータ駆動ユニットの要部拡大平面横断面図 本発明のさらに他の実施の形態に係る電動アシスト自転車におけるモータ駆動ユニットの要部拡大平面横断面図 従来の電動アシスト自転車の側面図 同従来の電動アシスト自転車におけるモータ駆動ユニットの平面断面図 同従来の電動アシスト自転車におけるモータ駆動ユニットの要部平面断面図

以下、本発明の実施の形態に係るモータ駆動ユニット及び電動アシスト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方向および前後方向とは、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。また、この発明の構成が以下で述べる構成に限定されるものではない。

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などに示すように、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、クランク軸７ａ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）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。なお、クランク７は左右にそれぞれ設けられるクランクアーム７ｂと、左右のクランクアーム７ｂ同士を連結するクランク軸７ａとからなる。

図１、図２に示すように、この電動アシスト自転車１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。

図３はモータ駆動ユニット２０の側面図（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の平面横断面図である。図３、図４に示すように、モータ駆動ユニット２０は、モータケース２２ａ、左側ケース２２ｂ、右側ケース２２ｃからなるユニットケース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略筒状の人力伝達体２８と、人力伝達体２８からの人力駆動力が伝達される中間筒体２３と、中間筒体２３からの人力駆動力が一方向クラッチ（補助駆動力切断用の一方向クラッチ）３０を介して伝達され、かつ人力伝達体２８など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として機能する連動体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２２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２４ａ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、図５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における左側寄り部分の外周に、セレーション部（またはスプライン部）７ｃ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。なお、人力伝達体２８の内周におけるクランク軸７ａのセレーション部（またはスプライン部）７ｃに対応する箇所にもセレーション部（またはスプライン部）２８ｂが形成されてクランク軸７ａのセレーション部（またはスプライン部）７ｃと噛み合っている。

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、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）の大きさを検出できるよう構成されている。なお、この実施の形態では、上記構成により、クランク軸７ａが反対方向に回転されたことをも検出可能に構成されているがこれに限るものではない。

中間筒体２３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、中間筒体２３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）２３ａとで嵌合されている。なお、この実施の形態では、人力伝達体２８のセレーション部（またはスプライン部）２８ａに、中間筒体２３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）２３ａが外側から嵌合されている。

また、上述したように、中間筒体２３と連動体２９との間に、一方向クラッチ（補助駆動力切断用の一方向クラッチ）３０が配設されており、一方向クラッチ３０の内側に中間筒体２３が取り付けれ、一方向クラッチ３０の外側に連動体２９が取り付けられている。連動体２９は、クランク軸７ａの外周において、クランク軸７ａに対して回転自在の状態で配設され、モータ２１からの補助駆動力が伝達される。一方、前記一方向クラッチ３０は、中間筒体２３からの前進方向への人力駆動力は連動体２９に伝達するが、連動体２９からの前進方向への補助駆動力は中間筒体２３を介してクランク軸７ａやペダル８側に伝達されないよう構成されている。つまり、この電動アシスト自転車１でも、搭乗者がペダル８を漕ぐことを止めても、しばらくの間だけ、モータ２１が回転し続けるように、いわゆる遅れ制御を行うが、前記一方向クラッチ３０により補助駆動力を切断させて、クランク軸７ａやペダル８が勝手に回転し続けることが阻止されている。

さらに、図５、図６に示すように、モータ駆動ユニット２０には、クランク軸７ａと一体的に回転する部材である中間筒体２３、ひいては、クランク軸７ａやペダル８の回転を検出する２つの回転検出器１０（１０Ａ、１０Ｂ）が設けられている。この実施の形態では、出射部１０ａと受光部１０ｂとからなる対となった光センサが横方向（詳しくは、後述する回転体１１の歯部１１ｂの回転方向）に２つ並べられて、回転検出器１０（１０Ａ、１０Ｂ）が構成されている（図６〜図８参照）。また、中間筒体２３における左端部の外周に、回転検出器１０（１０Ａ、１０Ｂ）の光を遮断したり通過させたりする回転体１１が取り付けられている。回転体１１は、略筒状で中間筒体２３の左端部外周に取り付けられて固定された取付部１１ａと、この取付部１１ａの左端部からくし（櫛）歯状に外周方向に延びる歯部（遮光部）１１ｂとを有している。そして、回転検出器１０（１０Ａ、１０Ｂ）の出射部１０ａと受光部１０ｂとの間の光出射路を、歯部１１ｂや、これらの歯部１１ｂの間の歯溝部（通光部）１１ｃが通過することにより、回転検出器１０により中間筒体２３、ひいては、クランク軸７ａやペダル８の回転数（回転量）を検出するよう構成されている。また、図７、図８に示すように（図面の配置上、図６と逆の配置状態で示している）、２つの回転検出器１０Ａ、１０Ｂはそれぞれ出力信号の位相が９０度異なる位置に配設されており、これにより、回転検出器１０Ａ、１０Ｂの回転方向により入力信号が異なるため、入力信号に基づいて、中間筒体２３、ひいては、クランク軸７ａやペダル８の正方向および逆方向の各回転方向についても検出できるようになっている。なお、図４、図５に示すように、この実施の形態では、回転検出器１０は、ユニットケース２２の前端部内側から後方に延びる支持部材１８を介して、回転体１１が配設される箇所に向けて取り付けられている。

また、連動体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、連動体２９の右端部外周には、駆動力出力輪体としての駆動スプロケット１３が嵌め込まれて、連動体２９と駆動スプロケット１３とは一体的に回転する。なお、連動体２９に外嵌された軸受２７により、クランク軸７ａが連動体２９を介して回転自在に支持されている。なお、連動体２９とクランク軸７ａとの間や、中間筒体２３とクランク軸７ａとの間や、人力伝達体２８の右側内周面とクランク軸７ａとの間に、それぞれ薄肉の軸受などを配設してもよい。

図４に示すように、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）が増幅されて連動体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いる。また、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が連動体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、連動体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（すなわち、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、連動体２９の大径歯車部２９ｂに伝達される。これにより、連動体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、駆動力出力輪体としての駆動スプロケット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状態でペダル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。

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および中間筒体２３、連動体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、連動体２９に伝達され、連動体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２１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および中間筒体２３の回転も停止するため、この停止状態が回転検出器１０により検出され、モータ２１が停止または制動される。このように、走行中に搭乗者がペダル８を漕ぐことを止めると、モータ２１が直ぐに停止または制動されるので、無駄にモータ２１が駆動されて、バッテリ１２の消耗を抑えることができる。

また、上記構成によれば、回転検出器１０（１０Ａ、１０Ｂ）として、光センサを用いることにより、トルクセンサ３１に磁気の影響を与えることなく、中間筒体２３の回転を容易かつ確実に検知することができる。つまり、回転検出器１０として、磁気センサを別途に設けるとともに、中間筒体の一部に磁石を埋め込んだり、磁石を有する磁気センサを用いたりした場合には、磁歪発生部３１ｂにより発生される磁界の変動など、トルク検出時のノイズを生じて、トルクの検出能力が低下するおそれがある。これに対して、回転検出器１０として光センサを用いているため、トルクの検出能力を良好に維持した状態で中間筒体２３の回転を容易かつ確実に検知することができる。また、回転検出器１０として光センサを用いることで、回転を容易かつ確実に検出できるとともに制御が簡単であるため迅速に検出でき、ペダル８やクランク軸７ａの回転が停止または逆回転されたことを迅速に検知して、モータ２１を素早く停止できる利点もある。

また、上記構成においては、中間筒体２３の外周に回転体１１を取り付けている。この構成により、中間筒体２３はクランク軸７ａの外周に配設されているので、回転体１１をクランク軸７ａに設けている場合よりも、大径の部分に回転体１１を配設することとなるため、径方向の高さが同様な寸法の回転体１１を組み付けた場合でも、回転体１１において、より多くの歯部１１ｂを形成できるとともに回転検出器１０で支障なく検出できて、回転検出器１０の分解能を向上させることができる。

また、光センサからなる回転検出器１０をクランク軸７ａに取り付けた場合において同様な回転検出器１０の分解能を得ようとすると、歯部を形成した円板などを内径部から外径部までの径方向の寸法を大きくすることが考えられるが、この場合には、歯部を形成した円板や円筒などが変形しやすくなるおそれがある。これに対して、上記のように、回転体１１を、クランク軸７ａの外周に配設されている中間筒体２３に取り付けることで、回転体１１の内径部から外径部までの径方向の寸法をあまり大きくしなくても済み、回転体１１の歯部１１ｂなどが変形する可能性を最小限に抑えることができる。

また、回転体１１を中間筒体２３に取り付ける代わりに、図９に示すように、クランク軸７ａの外周に配設されている人力伝達体２８に取り付けてもよい。この構成によれば、回転体１１の取り付け箇所の径が、中間筒体２３よりも若干小さくなるため、分解能が若干低下する場合があるものの、人力伝達体２８もクランク軸７ａと一体的に回転するため、人力伝達体２８、ひいてはクランク軸７ａやペダル８の回転を良好に検知できる。なお、回転体１１を中間筒体２３に取り付けた場合には、中間筒体２３に補助駆動力切断用の一方向クラッチ３０からの振動などの影響を受け易いが、回転体１１を人力伝達体２８に取り付けた場合には、一方向クラッチ３０からの振動などの影響を受け難い利点がある。

また、回転体１１の人力伝達体２８への取付方法としては、接着や圧入の方法があるが、回転体１１を人力伝達体２８に圧入して組付けると、人力伝達体２８に圧入力に起因する歪を生じて、トルクセンサ３１に悪影響を及ぼす恐れがある。これに対して、回転体１１を中間筒体２３に取り付ける場合には、このような不具合を生じることがないため、回転体１１を、中間筒体２３に容易かつ確実に、またトルクセンサ３１に悪影響を及ぼすことなく、取り付けて固定できる。

なお、上記実施の形態では、光を遮断する歯部１１ｂを有する回転体１１を設け、歯部１１ｂの間の歯溝部１１ｃを通った光を検出するように構成した場合を述べたが、これに限るものではなく、例えば、同様の回転体を設けるとともに光を反射する位置に受光部を設けて、反射光を入力することで回転位置や回転数を検出するようにしてもよい。

また、上記構成において、連動体２９、人力伝達体２８やクランク軸７ａの回転を検出する回転検出器１０を設けて、制御部２４により、連動体２９、人力伝達体２８やクランク軸７ａが正方向（当該電動アシスト自転車１が前進する方向）に回転していることを検出した場合は、一時的に力を抜いて走行した場合や、ペダル８が上死点や下死点位置となって踏み込む力が一時的に弱くなるなどしてトルクが変動した場合でも、補助駆動力の変動を抑えるように制御してもよい。この構成によれば、走行している際での補助駆動力の変動を抑えることができて、乗り心地の向上を図ることができる。

また、上記構成においては、モータ２１と連動体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、連動体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状態でペダル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、本実施の形態では、図３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ている。これにより、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、人力駆動力と補助駆動力とを１つの軸（この実施の形態では、駆動スプロケット１３）から出力する、いわゆる一軸式のモータ駆動ユニット２０として小さくできる（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において正面視や平面視して幅方向の反対側に配設している（モータ２１を左側、制御部２４を右側に配設している）。これにより、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、電動アシスト自転車１が、人力駆動力と補助駆動力とを１つの軸から出力する、いわゆる一軸式のモータ駆動ユニット２０を備えている場合を述べたが、これに限るものではない。図１０に示す電動アシスト自転車４０では、図１１〜図１３に示すように、クランク軸７ａの一端部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１３とは別に、モータ２１からの補助駆動力を出力する補助駆動力出力輪体としての補助駆動力出力スプロケット５１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５０を備えている。そして、このモータ駆動ユニット５０において、クランク軸７ａと一体的に回転する中間筒体２３または人力伝達体２８の回転を検出する光センサからなる回転検出器１０を設けている。

図１１、図１２に示すように、この実施の形態では、モータ２１からの補助駆動力が、減速機構２５を介して、補助駆動力出力スプロケット５１から出力され、補助駆動力が無端状駆動力伝達体としてのチェーン１５で合成されて、後輪４に伝達される。そして、上記実施の形態と同様に、図１２、図１３に示すように、中間筒体２３や人力伝達体２８に回転体１１が取り付けられ、光センサからなる回転検出器１０によって、中間筒体２３または人力伝達体２８の回転を検出し、ひいては、クランク軸７ａやペダル８の回転を検出するよう構成されている。この実施の形態によっても、上記実施の形態と同様な作用効果を得ることができる。

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 (9)

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に用いられるモータ駆動ユニットであって、
   前記モータ駆動ユニットの外殻部を構成するユニットケースを貫通するクランク軸と、
   前記ユニットケース内に配設されるモータと、
   前記クランク軸の外周に配設された筒状の人力伝達体と、
   前記クランク軸の回転を出力する駆動スプロケットと、
   前記モータからの補助駆動力が出力される補助駆動力出力スプロケットと、
   前記ユニットケース内に配置され、前記モータを制御する制御部と、
   前記クランク軸と共に回転する回転体と、
   前記回転体の回転を検出する回転検出器と、
   前記人力伝達体と噛み合う中間筒体と、を備え、
   前記中間筒体は、前記クランク軸の外周側に配設される第１の内径部と、前記第１の内径部と同軸であり、前記第１の内径部より大径の第２の内径部とを有し、
   前記回転体は、前記第２の内径部の外方で前記中間筒体の外周に設けられている
   モータ駆動ユニット。
2. 前記回転体は、前記回転体によって回転が検出される被検出部を有し、
   前記被検出部は、前記クランク軸方向における、前記第２の内径部の前記駆動スプロケット側に配設される
   請求項１に記載のモータ駆動ユニット。
3. 前記回転体は、前記クランク軸方向に延びる第１の部分と、前記第１の部分の端部から前記クランク軸の径方向に延びる第２の部分とを有し、
   前記回転検出器は、前記第２の部分の回転を検出する
   請求項１または２に記載のモータ駆動ユニット。
4. 前記第２の部分は、前記クランク軸方向における、前記第１の部分の前記駆動スプロケット側の端部に配設される
   請求項３に記載のモータ駆動ユニット。
5. 前記第１の部分の前記クランク軸方向の長さは、前記第１の部分の前記端部から、前記クランク軸から離れる、前記クランク軸の径方向における前記第２の部分の高さよりも長い
   請求項３または４に記載のモータ駆動ユニット。
6. 前記人力伝達体の外周には、トルクセンサが設けられ、
   前記人力伝達体には、前記トルクセンサの磁歪発生部が形成され、
   当該磁歪発生部が形成された前記人力伝達体の外周には、コイルが配設される
   請求項１〜５の何れか１項に記載のモータ駆動ユニット。
7. 前記回転検出器は、前記クランク軸の回転する一方向および当該一方向と反対の他方向のそれぞれの回転を検知する
   請求項１〜６の何れか１項に記載のモータ駆動ユニット。
8. 前記制御部は、制御用基板を有し、
   前記制御用基板は、基板面が前記クランク軸と交叉する方向に延びるように前記ユニットケース内に配設される
   請求項１〜７の何れか１項に記載のモータ駆動ユニット。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載のモータ駆動ユニットを搭載している
   電動アシスト自転車。

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