JPH10250673A - 電動自転車用駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 合力軸の大径化や励磁・検出コイルの小径化
が妨げられないようにしながら、磁歪式トルクセンサを
使用して駆動装置の構造の簡素化、小型化を図る。 【解決手段】 円筒状の中間軸２１にペダルクランク軸
６を貫通させてこれらを車体左側の端部で結合する。中
間軸２１の他端部を合力軸１０の大径部１０ｂに一方向
クラッチ２２を介して連結する。中間軸２１の中途部外
周面に形成した傾斜溝と、傾斜溝を覆う励磁・検出コイ
ル２８，２９とによって非接触磁歪式トルクセンサ２５
を構成する。前記一方向クラッチ２２を大径部１０ｂの
径方向の内側に収容させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、踏力に応じてモー
タ出力を増減させる電動自転車用駆動装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の駆動装置としては、例え
ば特許第２５０６０４７号公報に開示されたものがあ
る。この公報に示された電動自転車用駆動装置は、ペダ
ルクランク軸を有する人力駆動系と、前記ペダルクラン
ク軸に加えられた踏力に応じてモータ出力が増減するモ
ータ駆動系とを、前記ペダルクランク軸と同一軸線上に
回転自在に設けた筒状の合力軸に連結し、この合力軸か
ら後輪へ動力を伝達する構造を採っている。

【０００３】また、この駆動装置においてペダルクラン
ク軸に加えられた踏力を検出するには、ペダルクランク
軸と合力軸との間に遊星歯車式増速機を介装し、この増
速機中に生じる回転反力でポテンショメータを駆動する
ことによって実施している。詳述すると、遊星歯車式増
速機の遊星歯車支持用キャリアを前記ペダルクランク軸
に連結するとともに外周歯車を合力軸に連結し、太陽歯
車の回転をばねの弾発力によって規制するばね付勢式ア
ームにポテンショメータの入力軸を結合させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上述したよ
うに構成した電動自転車の駆動装置は、踏力を検出する
ために遊星歯車式増速機を用いていることから部品数が
多く、構造が複雑になってしまうという問題があった。
しかも、ペダルクランク軸の周囲に前記増速機の大径な
外周歯車が回転するスペースが必要で、小型化を図るに
も限界があった。

【０００５】部品数を減らすためには、例えば特開平８
−２９７０５９号公報に開示された磁歪式トルクセンサ
を用いて踏力検出機構の簡素化を図ればよい。この公報
に示された磁歪式トルクセンサは、踏力によって捻られ
る検出軸の外周面に傾斜溝を多数形成するとともに、こ
の傾斜溝群の周囲に励磁・検出コイルを配設した構造を
採っており、前記検出軸が捻られたときに傾斜溝群での
透磁率が変化し、この透磁率の変化を検出コイルで電圧
変化として検出することによって、踏力を求めるもので
ある。

【０００６】前記検出軸は、円筒状に形成して車体フレ
ームのハンガー部にペダルクランク軸と同一軸線上に位
置付けられかつペダルクランク軸が貫通する状態で回転
自在に支持させ、一端がペダルクランク軸にスプライン
嵌合し、後輪駆動用チェーンを巻掛けるスプロケットを
他端に連結している。前記励磁・検出コイルは、前記検
出軸の両端の連結点の間となる部分の周囲に配設してい
る。なお、この公報に示された電動自転車用駆動装置
は、補助動力となるモータを後輪のハブ部分に配設して
おり、前記検出軸を有する人力駆動系に前記ハンガー部
でモータ駆動系を連結する構造ではない。

【０００７】このトルクセンサを採用すると、遊星歯車
式増速機を用いる場合に較べて部品数は少なくなるが、
検出軸を有する人力駆動系にハンガー部でモータ駆動系
を連結する構造を採るに当たって、両駆動系の力を合わ
せるための合力軸の位置が問題になる。すなわち、合力
軸と励磁・検出コイルとが互いに干渉し合うことがない
ようにしなければ、合力軸におけるモータ駆動系が連結
する従動回転体の減速比が小さくなったり、励磁・検出
コイルが必要以上に大径になってしまうからである。

【０００８】本発明はこのような問題点を解消するため
になされたもので、合力軸の大径化や励磁・検出コイル
の小径化が妨げられないようにしながら、磁歪式トルク
センサを使用して駆動装置の構造の簡素化、小型化を図
ることができるようにすることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電動自転車
用駆動装置は、筒状の中間軸をペダルクランク軸と同一
軸線上に位置付けられてペダルクランク軸が貫通する状
態で合力軸と隣接させて回転自在に設け、この中間軸の
一端を合力軸に一方向クラッチを介して連結するととも
に他端をペダルクランク軸に結合し、この中間軸におけ
る両端の前記連結点どうしの間の外周面に傾斜溝を形成
するとともにこの傾斜溝の周囲に励磁・検出コイルを配
設して非接触磁歪式トルクセンサを構成し、前記合力軸
におけるモータ駆動系が連結する従動回転体の径方向の
内側に前記一方向クラッチを収容したものである。

【００１０】本発明によれば、ペダルを踏込むことによ
ってペダルクランク軸から中間軸および一方向クラッチ
を介して合力軸に踏力が伝達される。このとき、中間軸
における傾斜溝を形成した部分に捩り応力が生じ、非接
触磁歪式トルクセンサによって踏力が検出される。

【００１１】また、非接触磁歪式トルクセンサのコイル
と合力軸とがペダルクランク軸の軸線方向に並ぶから、
これらの部材の径方向の寸法を設定するに当たって一方
が他方の制約となることがない。さらに、相対的に大径
になる従動回転体の内側のデッドスペースを利用して一
方向クラッチを収容することができる。

【００１２】他の発明に係る電動自転車用駆動装置は、
上述した電動自転車用駆動装置において、モータ駆動系
のモータを、出力軸がペダルクランク軸と平行になると
ともに固定子が合力軸の従動回転体と車幅方向の反対側
に位置付けられるように配設し、前記出力軸の一端と従
動回転体との間に二段減速式の歯車減速機を介装し、こ
の歯車減速機を、従動回転体に噛合する小径歯車が他の
歯車より車幅方向の外側に位置付けられるように形成し
たものである。

【００１３】本発明によれば、モータと合力軸とを連結
する減速機を、車幅方向において従動回転体とモータの
固定子との間に収容することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る電動自転車用
駆動装置の一実施の形態を図１ないし図５によって詳細
に説明する。図１は本発明に係る駆動装置を搭載した電
動自転車の側面図、図２は電動自転車用駆動装置の側面
図、図３は図２におけるIII−III線断面図、図４は要部
を拡大して示す断面図、図５はトルクセンサおよび制御
装置の構成を示す回路図である。

【００１５】これらの図において、符号１はこの実施の
形態による電動自転車を示す。この電動自転車１は、車
体フレーム２のハンガー部３に本発明に係る駆動装置４
を搭載し、ペダル５を踏込むことによりペダルクランク
軸６を回転させようとする踏力と、駆動装置４内の後述
するモータの動力とを合わせて後輪７を駆動する構造を
採っている。なお、モータの動力は、後述する制御装置
によって踏力に応じて増減するように制御する。また、
後輪７の駆動は、駆動装置４に設けたスプロケット８
（図３参照）の回転をチェーン９によって後輪７の従来
周知のフリーホイール（図示せず）に伝達することによ
って実施する。

【００１６】駆動装置４は、図２〜図４に示すように、
ペダルクランク軸６と同一軸線上に、人力駆動系とモー
タ駆動系とを連結するための円筒状の合力軸１０を回転
自在に設け、これらの軸より車体の後方にモータ１１を
配設している。このモータ１１と前記合力軸１０とは、
二段減速式の歯車減速機１２を介して連結している。

【００１７】前記ペダルクランク軸６は、ペダル付きク
ランク１３を両端に取付けることができるように形成
し、軸線方向が車幅方向を指向するように駆動装置ハウ
ジング１４に回転自在に支持させている。この駆動装置
ハウジング１４は、図１に示すように、前記車体フレー
ム２のハンガー部３にブラケット１５を介して固定す
る。前記ペダルクランク軸６の車体左側は軸受１６を介
して駆動装置ハウジング１４に回転自在に支持させ、車
体右側は、ペダルクランク軸６が貫通する合力軸１０の
小径部１０ａと軸受１７，１８を介して駆動装置ハウジ
ング１４に回転自在に支持させている。

【００１８】前記合力軸１０は、前記軸受１７を介して
ペダルクランク軸６を軸承する小径部１０ａと、この小
径部１０ａの車体左側の端部に一体に形成した大径部１
０ｂとから構成し、前記小径部１０ａを駆動装置ハウジ
ング１４から側方へ突出させてこの突出側端部に前記ス
プロケット８を固定している。また、前記大径部１０ｂ
は、外周面に歯を刻設することによって歯車となるよう
に形成し、前記歯車減速機１２の小径歯車１９を噛合さ
せている。前記大径部１０ｂが本発明に係る従動回転体
を構成している。

【００１９】この合力軸１０と前記ペダルクランク軸６
との間の人力駆動系には、図３および図４中に符号２１
で示す中間軸を介装している。この中間軸２１は、磁性
材によって円筒状に形成し、ペダルクランク軸６と同一
軸線上に位置付けられかつペダルクランク軸６が貫通す
る状態で前記合力軸１０と隣接するように配設してい
る。また、この中間軸２１は、車体左側の端部をペダル
クランク軸６にスプライン嵌合させるとともに、車体右
側の端部を合力軸１０の大径部１０ｂに一方向クラッチ
２２およびトルクリミッタ２３を介して連結している。
前記スプライン嵌合部を符号２４で示す。この中間軸２
１における車体右側の端部と、前記一方向クラッチ２２
およびトルクリミッタ２３は、前記大径部１０ｂの中心
側に形成した凹陥部１０ｃ内に収容している。

【００２０】前記一方向クラッチ２２は、径方向の外側
から中間軸２１に係合し、中間軸２１を車体が前進する
方向（図１において反時計方向）へ回転させたときのみ
に連結状態になって動力をトルクリミッタ２３に伝達す
るラチェット式のものを使用している、前記トルクリミ
ッタ２３は、ペダル５が地面の突起物などに衝突したと
きに衝撃力が中間軸２１や一方向クラッチ２１に加えら
れるのを阻止するために設けてあり、径方向の内側に一
方向クラッチ２２を連結するとともに、径方向の外側に
前記大径部１０ｂを連結している。

【００２１】このように人力駆動系に中間軸２１を介装
すると、ペダル５を踏込んだときの踏力はペダル付クラ
ンク１３からペダルクランク軸６に伝達され、これにス
プライン嵌合した中間軸２１から一方向クラッチ２２、
トルクリミッタ２３、合力軸１０、スプロケット８およ
びチェーンを介して後輪７に伝達される。このとき、後
輪７を回転させるための負荷、言い換えれば踏力に応じ
て中間軸２１が捻れる。これは、中間軸２１の一端をペ
ダルクランク軸６に連結し、他端を合力軸１０側に連結
しているからである。なお、前記捩れは、左右のペダル
５の何れを踏込んでも同様に生じる。

【００２２】この駆動装置４では、前記中間軸２１の捩
れを後述する非接触磁歪式トルクセンサ２５によって検
出し、このトルクセンサ２５に接続した制御装置２６
（図５参照）がモータ１１の出力を中間軸２１の捩れ量
に応じて増減する。前記トルクセンサ２５は、図４に示
すように、前記中間軸２１の両端の前記連結点の間とな
る部分の外周面に刻設した螺旋状の傾斜溝２７，２７…
と、この傾斜溝２７の周囲を覆うように設けた励磁コイ
ル２８および検出コイル２９などから構成している。傾
斜溝２７は、ペダルクランク軸６の周方向に多数並設
し、ペダルクランク軸６の軸線方向に傾斜溝群が並設さ
れるように形成している。また、これら二箇所の傾斜溝
群の傾斜溝２７は、傾斜方向が前記軸線に対して対称に
なるように形成している。

【００２３】なお、図において前記励磁・検出コイル２
８，２９を覆う符号３０で示すものは、これらのコイル
２８，２９を保持するとともに磁束がトルクセンサ外に
漏出するのを阻止するための磁気シールドヨークであ
る。この磁気シールドヨーク３０は、駆動装置ハウジン
グ１４にオイルシール３１を介して固定している。

【００２４】ここで、このトルクセンサ２５の動作につ
いて説明する。ペダルクランク軸６が捩られたときに
は、一方の傾斜溝群に引張応力が生じるとともに、他方
の傾斜溝群に圧縮応力が生じる。この結果、逆磁歪効果
により各傾斜溝群での透磁率がそれぞれ増加、減少す
る。この逆磁歪効果による透磁率変化を傾斜溝群毎の検
出コイル２９，２９に誘導起電圧として発生させ、制御
装置２６で直流変換、差動増幅することによりトルクに
比例した電圧出力が得られる。このとき、引張応力が生
じる傾斜溝群では引張応力による透磁率増加のため、コ
イル系からの検出出力電圧は増加し、他方の傾斜溝群で
は圧縮応力による透磁率減少のためコイル系からの検出
出力電圧は減少する。制御装置２６は、前記出力電圧の
変化に応じてモータ１１の給電電流を増減させる回路を
採っている。なお、この制御装置２６およびモータ１１
は、図１中に符号３２で示すバッテリーから給電され
る。

【００２５】前記モータ１１は、ブラシレス直流電動機
であって、図３に示すように、前記駆動装置ハウジング
１４と、これに結合させたカバー１４ａからなるモータ
ハウジングの内部に軸線方向が車幅方向と一致するよう
に組付けている。このモータ１１の固定子３３は、鉄心
３３ａとコイル３３ｂとからなる従来周知の構造を採
り、前記モータハウジング内であって駆動装置ハウジン
グ１４側に固定している。固定位置は、ペダルクランク
軸６や合力軸１０より車体の後方であって、合力軸１０
の大径部１０ｂとは車幅方向の反対側、すなわち車体左
側に位置付けられている。

【００２６】また、このモータ１１の出力軸３４は、駆
動装置ハウジング１４とカバー１４ａに軸受３５，３６
によって回転自在に支持させている。この出力軸３４の
外周部に回転子３７を軸受３８，３９を介して回転自在
に支持させている。前記回転子３７は、円筒形の継鉄４
０と、この継鉄４０の外周面に固着した永久磁石４１と
からなり、前記出力軸３４と前記継鉄４０の間に一方向
クラッチ４２を介装している。

【００２７】前記出力軸３４は、車体右側、すなわち合
力軸１０の大径部１０ｂと車幅方向の同じ側の先端部に
歯車４３を形成する歯を刻設し、この歯車４３を介して
前記歯車減速機１２に連結している。この歯車減速機１
２は、はすば歯車を使用して減速段数が二段になるよう
に形成している。すなわち、この歯車減速機１２は、前
記出力歯車４３に噛合する大径歯車４４と、この大径歯
車４４とともに回転しかつ前記合力軸１０の大径部１０
ｂに噛合する前記小径歯車１９とから構成している。ま
た、この歯車減速機１２は、前記小径歯車１９が大径歯
車４４より車幅方向の外側に位置付けられるように形成
している。

【００２８】前記回転子３７の永久磁石４１は、希土類
磁石材料によって形成し、微小な隙間をおいて固定子３
３の内面と対向させている。前記継鉄４０と出力軸３４
との間に介装した一方向クラッチ４２は、この実施の形
態ではローラ式のものを使用し、このモータ１１が正転
するとき、すなわち固定子３３によって永久磁石４１お
よび継鉄４０が車体の前進方向へ付勢されるときのみに
動力が伝達されるように構成している。なお、この一方
向クラッチ４２は、ローラ式の他にもラチェット式など
様々な構造のものを採用することができるが、継鉄４０
の厚みを確保できなくなるような大型のものは避ける。
継鉄４０が薄いと、一方向クラッチ４２側への磁気漏洩
が発生してモータ１１の出力性能が低下するからであ
る。

【００２９】このように構成したモータ１１は、ペダル
５を踏込む力に応じた電圧指令が前記制御装置２６から
固定子３３のコイル３３ｂに印加通電され、このコイル
３３ｂが励磁されることによって、継鉄４０および永久
磁石４１からなる回転子３７に回転トルクが生じる。こ
の回転子３７の回転は、一方向クラッチ４２を介して出
力軸３４に伝達され、この出力軸３４から歯車減速機１
２を介して合力軸１０に伝達される。

【００３０】このため、この駆動装置４では、ペダル５
を踏込んだときの踏力（ペダルクランク軸６の回転トル
ク）にモータ１１の動力を加えてなる合力が合力軸１０
からスプロケット８およびチェーンを介して後輪７に伝
達される。

【００３１】車体の走行速度が所定の電動補助限界速度
を越えてモータ１１が停止されたとき、あるいは、モー
タ１１に給電しない状態で走行する場合には、ペダルク
ランク軸６の回転トルクが合力軸１０から歯車減速機１
２を介してモータ１１の出力軸３４にも伝達される。し
かし、このときには、モータ１１内の一方向クラッチ４
２が非連結状態になることから、ペダルクランク軸６を
有する人力駆動系とともに継鉄４０および永久磁石４１
が連れ回ることによって負荷が増えることはない。

【００３２】したがって、上述したように構成した駆動
装置４は、踏力を検出するために非接触磁歪式トルクセ
ンサ２５を用いているので、遊星歯車機構を用いて踏力
を検出する従来のものに較べて踏力検出機構の部品数が
少なくなる。また、非接触磁歪式トルクセンサ２５は、
励磁・検出コイル２８，２９が合力軸１０とペダルクラ
ンク軸６の軸線方向に並ぶように形成しているので、前
記励磁・検出コイル２８，２９および合力軸１０の大径
部１０ｂの径方向の寸法を設定するに当たって一方が他
方によって制約されることがない。

【００３３】さらに、非接触磁歪式トルクセンサ２５の
検出軸となる中間軸２１と合力軸１０との間に介装する
一方向クラッチ２２およびトルクリミッタ２３を、合力
軸１０の大径部１０ｂに形成した凹陥部１０ｃに収容し
たため、励磁・検出コイル２８，２９と前記大径部１０
ｂとがペダルクランク軸６の軸線方向に並ぶ構造でも、
相対的に大径な大径部１０ｂの径方向の内側のデッドス
ペースを利用して一方向クラッチ２２およびトルクリミ
ッタ２３を収容できる。このため、この駆動装置４は車
幅方向の長さが短くてよい。

【００３４】さらにまた、モータ１１の固定子３３を車
体左側に配設するとともに、出力軸３４の車体右側の端
部を二段減速式の歯車減速機１２に連結し、この歯車減
速機１２を、合力軸１０の大径部１０ｂに噛合する小径
歯車１９が大径歯車４４より車幅方向の外側に位置付け
られるように形成したため、モータ１１と合力軸１０と
を連結する歯車減速機１２を、車幅方向において合力軸
１０の大径部１０ｂとモータ１１の固定子３３との間に
収容することができる。このため、モータ１１の出力軸
３４から合力軸１０の大径部１１ｂまでの間のモータ駆
動系の部材が側方に大きく突出することがない。

【００３５】加えて、この実施の形態で示したモータ１
１は、永久磁石４１を希土類磁石材料によって形成した
ブラシレス直流モータ（ブラシ付き直流モータに較べ低
速高トルク型にし易い交流同期モータ）であるから、こ
のモータ１１を備えた駆動装置４は、ブラシ付き直流モ
ータを使用するものに較べて減速比を小さくすることが
できる。すなわち、この駆動装置４は、ブラシ付き直流
モータを使用する電動自転車用駆動装置に較べると、減
速比が小さくてよい分、例えば従来モータの出力を３段
で減速して合力軸に導いていたものを本実施の形態のよ
うに２段減速とすることができ、モータ駆動系の簡素化
および小型化を図ることができるとともに、駆動効率の
向上および歯車から生じる騒音の低減も図ることができ
る。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、中間軸とコイルとから
なる非接触磁歪式トルクセンサによって踏力を検出する
ことができるから、遊星歯車機構を用いて踏力を検出す
る従来のものに較べて踏力検出機構の部品数が少なくな
り、安価に電動自転車用駆動装置を提供することができ
る。前記非接触磁歪式トルクセンサは、励磁・検出コイ
ルが合力軸とペダルクランク軸の軸線方向に並ぶように
形成しているので、前記励磁・検出コイルおよび合力軸
の従動回転体の径方向の寸法を設定するに当たって一方
が他方によって制約されることがない。このため、前記
励磁・検出コイルの小径化を図る上で従動回転体が妨げ
にならないとともに、前記従動回転体を励磁・検出コイ
ルに干渉されることなく大径に形成して減速比を大きく
することができる。

【００３７】このように励磁・検出コイルと従動回転体
とがペダルクランク軸の軸線方向に並ぶ構造でも、相対
的に大径な従動回転体の径方向の内側のデッドスペース
を利用して一方向クラッチを収容できるから、車幅方向
の長さが短くてよく、上述したように励磁・検出コイル
の小型化が妨げられないことと相俟って、コンパクトな
電動自転車用駆動装置を提供することができる。

【００３８】また、他の発明によれば、モータと合力軸
とを連結する歯車減速機を、車幅方向において従動回転
体とモータの固定子との間に収容することができ、モー
タの出力軸から合力軸の従動回転体までの間のモータ駆
動系の部材が側方に大きく突出することがない。したが
って、ペダルクランク軸側のみならずモータ側も車幅方
向の長さが短い電動自転車用駆動装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る駆動装置を搭載した電動自転車
の側面図である。

【図２】 電動自転車用駆動装置の側面図である。

【図３】 図２におけるIII−III線断面図である。

【図４】 要部を拡大して示す断面図である。

【図５】 トルクセンサおよび制御装置の構成を示す回
路図である。

【符号の説明】

１…電動自転車、４…駆動装置、６…ペダルクランク
軸、１０…合力軸、１０ｂ…大径部、１１…モータ、１
２…歯車減速機、１９…小径歯車、２１…中間軸、２２
…一方向クラッチ、２５…非接触磁歪式トルクセンサ、
２７…傾斜溝、２８…励磁コイル、２９…検出コイル、
３４…出力軸、４３…歯車、４４…大径歯車。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ペダルクランク軸を有する人力駆動系
   と、前記ペダルクランク軸に加えられた踏力に応じてモ
   ータ出力が増減するモータ駆動系とを備え、前記ペダル
   クランク軸と同一軸線上に回転自在に設けた筒状合力軸
   の一端に前記両駆動系を連結してこの合力軸の他端から
   後輪へ動力を伝達する電動自転車用駆動装置において、
   筒状の中間軸を前記ペダルクランク軸と同一軸線上に位
   置付けられかつペダルクランク軸が貫通する状態で前記
   合力軸と隣接させて回転自在に設け、前記中間軸におけ
   る合力軸側の一端を合力軸に一方向クラッチを介して連
   結するとともに他端を前記ペダルクランク軸に結合して
   この中間軸を前記人力駆動系に介装し、この中間軸にお
   ける両端の前記連結部どうしの間の外周面に多数の傾斜
   溝を形成するとともにこの傾斜溝の周囲に励磁コイルお
   よび検出コイルを配設して前記踏力を検出する非接触磁
   歪式トルクセンサを構成し、前記合力軸におけるモータ
   駆動系が連結する一端に設けた従動回転体の径方向の内
   側に前記一方向クラッチを収容したことを特徴とする電
   動自転車用駆動装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電動自転車用駆動装置に
   おいて、モータ駆動系のモータを、出力軸がペダルクラ
   ンク軸と平行になるとともに固定子が合力軸の従動回転
   体と車幅方向の反対側に位置付けられるように配設し、
   前記出力軸における合力軸の従動回転体と車幅方向の同
   じ側となる一端を、この出力軸に刻設した歯に噛合する
   大径歯車と、この大径歯車とともに回転しかつ前記従動
   回転体に刻設した歯に噛合する小径歯車とからなる歯車
   減速機を介して前記従動回転体に連結してなり、前記歯
   車減速機を、前記小径歯車が大径歯車より車幅方向の外
   側に位置付けられるように形成したことを特徴とする電
   動自転車用駆動装置。