WO2022162892A1 - 駆動ユニット、及び電動自転車 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、電動自転車の外観を向上させることができ、かつ、効率の良い放熱を実現できる駆動ユニット、及び電動自転車を提供することである。駆動ユニット（４）は、モータ（４３）と、駆動回路（４２）と、放熱部（４０３）と、を備える。モータ（４３）は、電動自転車（１）を前進させるための駆動力を発生する。駆動回路（４２）は、モータ（４３）を駆動する。放熱部（４０３）は、駆動回路（４２）及びモータ（４３）の少なくとも１つを放熱させる。モータ（４３）、駆動回路（４２）、及び放熱部（４０３）は、電動自転車（１）のフレーム（２）を構成するダウンチューブ（２３）に、ダウンチューブ（２３）の断面の投影面内に収まるように配置される。放熱部（４０３）は、凹凸形状である。

Description

駆動ユニット、及び電動自転車

　本開示は、一般に駆動ユニット、及び電動自転車に関する。より詳細に、本開示は、電動自転車用の駆動ユニット、及び当該駆動ユニットを備える電動自転車に関する。

　特許文献１で開示されている電動自転車は、フレーム体の前後に２つの車輪をそれぞれ軸架している。また、フレーム体は、フロントフォーク側のメインパイプと、メインパイプから上方に設けられた立パイプ等により構成され、立パイプの上端には、使用者が着座するサドルが設けられている。また、メインパイプの下側には、クランク軸を備えたパワーユニットが装着され、このクランク軸に取付けられたペダルアームの先端には、ペダルが軸支されている。また、同様に、メインパイプの下側で且つパワーユニットの前方には、バッテリユニットが装着されている。

　特許文献１の電動自転車は、メインパイプの下側にパワーユニット（駆動ユニット）を装着しており、パワーユニットによって電動自転車の外観が損なわれている。また、パワーユニットの放熱性能も求められる。

特開平９－２３６８号公報

　本開示は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、電動自転車の外観を向上させることができ、かつ、効率の良い放熱を実現できる駆動ユニット、及び電動自転車を提供することにある。

　本開示の一態様に係る駆動ユニットは、電動自転車の駆動ユニットであって、当該電動自転車を前進させるための駆動力を発生するモータと、前記モータを駆動する駆動回路と、前記駆動回路及び前記モータの少なくとも１つを放熱させる放熱部と、を備える。前記モータ、前記駆動回路、及び前記放熱部は、前記電動自転車のフレームを構成する中空の筒状部材に、前記筒状部材の断面の投影面内に収まるように配置される。前記放熱部は、凹凸形状である。

　本開示の一態様に係る電動自転車は、上述の駆動ユニットと、前記駆動ユニットが取り付けられる前記筒状部材と、を備える。

図１は、第１実施形態の駆動ユニットを備える電動自転車を示す側面図である。 図２は、同上の駆動ユニットを示す斜視図である。 図３は、同上の駆動ユニットの回路図である。 図４は、同上の駆動ユニットを装着したダウンチューブの一部を示す前面図である。 図５は、同上の変形例１の駆動ユニットの取付構造を示す側面図である。 図６は、同上の変形例２の駆動ユニットを示す斜視図である。 図７は、第２実施形態の駆動ユニットを備える電動自転車を示す側面図である。 図８Ａは、同上の駆動ユニットが備える駆動回路を第１実装面側から見た平面図である。図８Ｂは、同上の駆動回路を第１実装面側から見た第２実装面の透視図である。 図９は、同上の駆動回路の側面図である。 図１０は、同上の熱伝達部の第１例を示す断面図である。 図１１は、同上の熱伝達部の第２例を示す断面図である。 図１２は、同上の熱伝達部の第３例を示す断面図である。 図１３は、第３実施形態の駆動ユニットを備える電動自転車を示す側面図である。

　以下、実施形態に係る駆動ユニット、及び電動自転車について、図面を参照して詳細に説明する。ただし、下記の実施形態において説明する各図は模式的な図であり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。なお、以下の実施形態で説明する構成は本開示の一例にすぎない。本開示は、以下の実施形態に限定されず、本開示の効果を奏することができれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。

　（１）第１実施形態
　（１．１）電動自転車
　図１に示す電動自転車１は、電気的な動力を用いて走行可能な自転車である。電動自転車１は、運転者の踏む力（「踏力」という場合がある）を駆動ユニット４により補助する電動アシスト自転車である。なお、電動自転車１が進む方向を「前方向」とし、前方向の反対方向を「後方向」とし、前方向及び後方向を併せて「前後方向」として定義する。また、前後方向に直交し、かつ水平面に沿う互いに反対向きの２方向を併せて「左右方向」として定義する。また、「左右方向」における左方及び右方については、前方を向いた状態での左方及び右方とする。但し、これらの方向の定義は、電動自転車１、及び駆動ユニット４の使用態様を限定する趣旨ではない。

　図１に示すように、電動自転車１は、フレーム２と、前輪３１及び後輪３２と、駆動ユニット４と、を備える。

　フレーム２は、電動自転車１を運転する者（以下、運転者とする）を支持する。フレーム２及び運転者の荷重は、前輪３１及び後輪３２を介して地面に支持される。

　フレーム２は、主に中空の筒状部材で形成され、ヘッドチューブ２１、トップチューブ２２、ダウンチューブ２３、シートチューブ２４、シートステー２５、チェーンステー２６、及びボトムブラケットシェル（ＢＢシェル）２７を有する。フレーム２の材料は、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金である。但し、フレーム２の材料は、アルミニウム合金に限らず、クロムモリブデン鋼鉄、ハイテンスチール、若しくはチタン等の金属、又はカーボン等であってもよい。

　ヘッドチューブ２１は、後方に傾きながら上方向に延びる中空の筒状部材であり、ヘッドチューブ２１の上端が下端に比べて少し後方に位置する。すなわち、ヘッドチューブ２１は、上方に行くに従ってより後方に位置するように傾いている。ヘッドチューブ２１の上面にはハンドルポスト６０１が挿入され、ヘッドチューブ２１は、ハンドルポスト６０１をヘッドチューブ２１の軸周りに回転可能に支える。ハンドルポスト６０１の上端には、ハンドルバー６０２が固定される。ハンドルバー６０２には、電動アシストのオン、オフ等を行うための手元操作部が設けられる。ハンドルポスト６０１の下端からは、左右方向に並ぶ一対のフロントフォーク６０３が下方に延びるように形成される。一対のフロントフォーク６０３の各下端には前輪３１の回転軸が取り付けられ、一対のフロントフォーク６０３は前輪３１を回転可能に支持する。ハンドルバー６０２をヘッドチューブ２１の軸回りに回転させると、一対のフロントフォーク６０３もヘッドチューブ２１と同様に回転し、前輪３１の向きが変化する。

　トップチューブ２２は、ヘッドチューブ２１の上部より後方に延びる中空の筒状部材であり、トップチューブ２２の後端は、トップチューブ２２の前端より下方に位置する。すなわち、トップチューブ２２は、後方に行くに従ってより下方に位置するように傾いている。トップチューブ２２の前端は、ヘッドチューブ２１の後部に溶接等により固定される。トップチューブ２２の後端は、シートチューブ２４に前部に溶接等により固定される。

　シートチューブ２４は、上下方向に延びる中空の筒状部材であり、シートチューブ２４の上端が下端に比べて少し後方に位置する。すなわち、トップチューブ２２は、上方に行くに従ってより後方に位置するように傾いている。シートチューブ２４の上方の前部には、トップチューブ２２の後端が溶接等により固定される。シートチューブ２４の上端面の開口には、サドル６１１より下方に延びるシートポスト６１２が挿入される。シートポスト６１２がシートクランプ等によってシートチューブ２４に固定されることにより、サドル６１１がシートチューブ２４に取り付けられる。シートチューブ２４の下端は、ブラケット５内でＢＢシェル２７に溶接等により固定される。

　ダウンチューブ２３は、ヘッドチューブ２１の下部より斜め下方に向かって後方に延びる中空の筒状部材であり、ダウンチューブ２３の後端が前端に比べて下方に位置する。すなわち、ダウンチューブ２３は、後方に行くに従ってより下方に位置するように傾いている。ダウンチューブ２３の前端は、ヘッドチューブ２１の後部に溶接等により固定される。ダウンチューブ２３の後端は、ブラケット５内でＢＢシェル２７に溶接等により固定される。

　一対のチェーンステー２６は、後輪３２を挟んで左右方向に並んで位置する。一対のチェーンステー２６の各後端には後輪３２の回転軸が取り付けられ、一対のチェーンステー２６は、後輪３２を回転可能に支持する。一対のチェーンステー２６の各前端は、ブラケット５内でＢＢシェル２７に嵌合、締結又は溶接等により接続される。チェーンステー２６は、ブラケット５より後方に延びる中空又は中実の部材である。

　一対のシートステー２５は、後輪３２を挟んで左右方向に並んで位置する。一対のシートステー２５の各後端は、一対のチェーンステー２６の各後端に嵌合、締結又は溶接等により取り付けられる。一対のシートステー２５の各前端は、シートチューブ２４の中間部分に嵌合、締結又は溶接等により接続される。シートステー２５は、シートチューブ２４の上端近傍より斜め下方に向かって後方に延びる中空又は中実の部材である。

　ブラケット５は、ブラケットカバー５１、及び伝達機構５２を有する。伝達機構５２は、ブラケットカバー５１に収納される。伝達機構５２は、遊星ギアなどを用いた減速機を備えて、駆動ユニット４のアシスト力をクランクスプロケット６３４へ伝達する。

　さらに、ブラケット５内には、フレーム２のＢＢシェル２７が位置し、ＢＢシェル２７には、シートチューブ２４の下端、ダウンチューブ２３の後端、及び一対のチェーンステー２６の各前端が接続されている。ＢＢシェル２７には、左右方向に挿通する筒形状の挿通孔が形成され、左右方向に延びるクランク軸６３３を有するボトムブラケットを収納する。ＢＢシェル２７の左側及び右側では、各クランクアーム６３２の一端がクランク軸６３３にそれぞれ取り付けられ、各クランクアーム６３２の他端にはペダル６３１が取り付けられる。電動自転車１の運転者は、ペダル６３１を漕ぐことにより、クランク軸６３３に人力の回転力を伝えることができる。

　クランク軸６３３にはクランクスプロケット６３４が取り付けられ、クランクスプロケット６３４は、クランク軸６３３と同軸に回転する。さらに、後輪３２のハブには後輪スプロケット６３６が取り付けられ、後輪スプロケット６３６は、後輪３２と同軸に回転する。クランクスプロケット６３４と後輪スプロケット６３６との間には、チェーン６３５が掛け回される。電動自転車１の運転者がペダル６３１を漕ぐと、クランクアーム６３２、クランク軸６３３、クランクスプロケット６３４、チェーン６３５、及び後輪スプロケット６３６を介して後輪３２に回転力が伝わり、後輪３２が回転する。

　駆動ユニット４は、運転者の踏力を補助するアシスト力を発生する機能を有し、ダウンチューブ２３に取り付けられる。駆動ユニット４は、クランク軸６３３が回転すると、クランク軸６３３の回転力を踏力として検出し、踏力の値に応じたアシスト力を発生する。駆動ユニット４で発生したアシスト力は、伝達機構５２、クランクスプロケット６３４、チェーン６３５、及び後輪スプロケット６３６を介して後輪３２に伝わる。

　（１．２）駆動ユニット
　駆動ユニット４は、電動自転車１の外観を損なうことがないように、ダウンチューブ２３に、ダウンチューブ２３の断面の投影面内に収まるように配置される。すなわち、駆動ユニット４は、ダウンチューブ２３の外面から突出しないように、ダウンチューブ２３に対して一体に取り付けられる。

　駆動ユニット４は、図１及び図２に示すように、ユニットケース４０と、電池４１と、駆動回路４２と、モータ４３とを備える。

　（１．２．１）駆動ユニットの回路構成
　電池４１は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、又は鉛蓄電池等の二次電池であり、直流電圧を出力する。なお、電池４１は、ヘッドライト、及び電動アシストのオン、オフ等を行うための手元操作部等にも電力を供給するように構成されてもよい。電池４１は、複数の単電池（又はセル）を直列接続した組電池を少なくとも１つ備える。電池４１が複数の組電池を備える場合、複数の組電池は並列接続される。なお、電池４１は１つ以上の単電池を備える構成であればよい。

　駆動回路４２は、電池４１から直流電圧を受けて、モータ４３へ３相の交流電圧を出力する。すなわち、駆動回路４２は、直流電力を交流電力に変換する電力変換処理を行う。

　具体的に、駆動回路４２は、図３に示すように、６個のスイッチング素子（半導体スイッチング素子）Ｑ１～Ｑ６、コンデンサＣ１、及び制御回路４２１を有する。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のそれぞれは、Ｎチャネルのエンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）である。なお、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、ＭＯＳＦＥＴ以外に、例えばバイポーラトランジスタなどの他の半導体スイッチング素子であってもよい。

　コンデンサＣ１は、電池４１の直流電圧を平滑するコンデンサである。６個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、３相ブリッジ接続されており、コンデンサＣ１の直流電圧を３相の交流電圧に変換する。

　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を有する第１アーム、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４を有する第２アーム、及びスイッチング素子Ｑ５、Ｑ６を有する第３アームを構成する。第１アームでは、スイッチング素子Ｑ１のドレインＤ１は、コンデンサＣ１の正極に接続し、スイッチング素子Ｑ１のソースＳ１は、スイッチング素子Ｑ２のドレインＤ２に接続し、スイッチング素子Ｑ２のソースＳ２は、コンデンサＣ１の負極に接続する。第２アームでは、スイッチング素子Ｑ３のドレインＤ３は、コンデンサＣ１の正極に接続し、スイッチング素子Ｑ３のソースＳ３は、スイッチング素子Ｑ４のドレインＤ４に接続し、スイッチング素子Ｑ４のソースＳ４は、コンデンサＣ１の負極に接続する。第３アームでは、スイッチング素子Ｑ５のドレインＤ５は、コンデンサＣ１の正極に接続し、スイッチング素子Ｑ５のソースＳ５は、スイッチング素子Ｑ６のドレインＤ６に接続し、スイッチング素子Ｑ６のソースＳ６は、コンデンサＣ１の負極に接続する。

　制御回路４２１は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の各ゲートＧ１～Ｇ６にゲート電圧を印加し、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のそれぞれをオンオフ駆動することで、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を３相インバータとして動作させる。制御回路４２１は、例えばプロセッサ及びメモリを有するマイクロコンピュータなどのコンピュータを有する。この場合、プロセッサがメモリに格納されているプログラムを実行することにより、コンピュータが制御回路４２１の機能の少なくとも一部を実現する。プロセッサが実行するプログラムは、ここではコンピュータのメモリに予め記録されているが、メモリカード等の非一時的な記録媒体に記録されて提供されてもよいし、インターネット等の電気通信回線を通じて提供されてもよい。また、制御回路４２１は、コンピュータにディスクリート部品を組み合わせて構成されてもよい。

　モータ４３は、ブラシレスモータなどである。モータ４３の回転軸４３１は、駆動回路４２から供給された３相の交流電圧によって回転する。モータ４３の回転軸４３１は伝達機構５２に接続している。したがって、モータ４３の回転軸４３１が回転することで生じるアシスト力は、伝達機構５２を介してクランクスプロケット６３４へ伝達される。

　（１．２．２）駆動ユニットの取付
　ダウンチューブ２３は、ヘッドチューブ２１とボトムブラケットシェル２７とを接続する中空の筒状部材である。ダウンチューブ２３は、ヘッドチューブ２１からボトムブラケットシェル２７に向かって延びる長尺形状であり、ダウンチューブ２３の後部２３１には、ダウンチューブ２３の長手方向に沿って延びる凹部２３０が形成されている。駆動ユニット４は、凹部２３０に嵌るように取り付けられる。

　ユニットケース４０は、駆動ユニット４の外殻を構成する中空の棒体であり、樹脂などで形成される。ユニットケース４０は、電池４１、駆動回路４２、及びモータ４３を収納する。ユニットケース４０の前面には、放熱部４０３（図２及び図４参照）が形成されている。そして、ユニットケース４０は、ダウンチューブ２３の凹部２３０を塞ぐように凹部２３０に装着され、電池４１、駆動回路４２、及びモータ４３は、ダウンチューブ２３内に位置する。ユニットケース４０は、係止機構、嵌合機構、又はねじ止め機構を有しており、係止、嵌合、又はねじ止め等によってダウンチューブ２３に固定される。凹部２３０を覆うユニットケース４０の後面は、ダウンチューブ２３の外面と面一になる。あるいは、凹部２３０を覆うユニットケース４０の後面は、ダウンチューブ２３の外面よりダウンチューブ２３の内側にある。また、ダウンチューブ２３に装着された駆動ユニット４の放熱部４０３は、ダウンチューブ２３の前部２３２に対向する。すなわち、ダウンチューブ２３の軸方向から見た場合に、駆動ユニット４は、ダウンチューブ２３の投影面に含まれる。なお、「駆動ユニット４が、ダウンチューブ２３の投影面に含まれる」とは、駆動ユニット４の輪郭がダウンチューブ２３の投影面の輪郭に一致することを含む。

　上述のように、第１実施形態の駆動ユニット４は、ダウンチューブ２３の外面から突出することなく、ダウンチューブ２３と一体になるようにダウンチューブ２３に装着される。したがって、駆動ユニット４は、電動自転車１の外観を向上させることができる。

　また、駆動ユニット４をダウンチューブ２３の後部２３１に装着することで、駆動ユニット４をダウンチューブ２３の前部２３２に装着した場合に比べて、駆動ユニット４がダウンチューブ２３から脱落することを抑制できる。さらに、駆動ユニット４をダウンチューブ２３の後部２３１に装着することで、駆動ユニット４をダウンチューブ２３の前部２３２に装着した場合に比べて、電動自転車１の走行時に跳ね石などが駆動ユニット４に衝突し難くなる。

　図２に示すように、ユニットケース４０は長尺形状であり、ユニットケース４０の長手方向の両端は、第１端４０１及び第２端４０２となる。ユニットケース４０が凹部２３０に装着されると、第１端４０１は、第２端４０２よりもヘッドチューブ２１に近く、第２端４０２は、第１端４０１よりもブラケット５に近くなる。

　そして、ユニットケース４０の内部には、第１端４０１から第２端４０２に向かって、電池４１、駆動回路４２、モータ４３の順に、電池４１、駆動回路４２、及びモータ４３が取り付けられている。すなわち、電池４１はユニットケース４０の第１端４０１側に取り付けられ、モータ４３はユニットケース４０の第２端４０２側に取り付けられる。駆動回路４２は、電池４１とモータ４３との間に位置する。第２端４０２はブラケット５の近くに位置しており、モータ４３は、ブラケット５内の伝達機構５２に隣り合うように配置される。したがって、駆動ユニット４は、モータ４３と伝達機構５２との間の距離を短縮でき、アシスト力の伝達ロスを低減できる。また、電池４１、駆動回路４２、及びモータ４３は、モータ４３、駆動回路４２、電池４１の順にボトムブラケットシェル２７の近くに位置するので、電池４１、駆動回路４２、及びモータ４３の各間の配線長を短縮でき、電気的な損失を低減できる。

　また、ユニットケース４０は、電池４１が取り付けられたケース４０ａと、駆動回路４２及びモータ４３が取り付けられたケース４０ｂとに分割されることが好ましい（図２参照）。この場合、ケース４０ａは、ケース４０ｂに着脱自在に構成され、電池４１は、ケース４０ａに着脱自在に構成される。したがって、ユニットケース４０がダウンチューブ２３の凹部２３０に取り付けられているときには、ケース４０ａをケース４０ｂから取り外し、ケース４０ａに装着されている電池４１を取り外し、別の電池４１をケース４０ａに装着した後、ケース４０ａをケース４０ｂに再び取り付けることで、電池４１を交換することができる。したがって、電池４１の交換作業が容易になる。

　（１．２．３）駆動ユニットの放熱
　駆動ユニット４の放熱部４０３（図２及び図４参照）は、ユニットケース４０の前面に形成され、駆動ユニット４の発熱を発散させる放熱機能を有する。放熱部４０３は、放熱フィン４０４を有する。放熱フィン４０４は、ユニットケース４０の第１端４０１から第２端４０２に向かって延びる矩形体形状の凸体である。凹部２３０に装着されている駆動ユニット４では、放熱フィン４０４は、ダウンチューブ２３の前部２３２に対向して、ダウンチューブ２３の長手方向に沿って延びる凸体である。図２及び図４では、２つの放熱フィン４０４が左右方向に並んで配置されており、放熱フィン４０４の先端が前を向いている。すなわち、ユニットケース４０の前面は凹凸形状の放熱部４０３であり、ユニットケース４０の前面が平面であるときに比べて、ユニットケース４０の前面の表面積が大きくなり、効率の良い放熱を実現できる。

　ダウンチューブ２３に装着された駆動ユニット４の放熱部４０３は、ダウンチューブ２３の前部２３２に対向している。そこで、図４に示すように、ダウンチューブ２３の前部２３２は、放熱部４０３に対向する箇所に挿通孔２３３を備えることが好ましい。図４では、ダウンチューブ２３は、断面が円形の６つの挿通孔２３３を備える。そして、電動自転車１が走行（前進）すると、電動自転車１の前方から挿通孔２３３を通ってダウンチューブ２３内に空気が流れ込む。ダウンチューブ２３内に流れ込んだ空気は、ダウンチューブ２３の長手方向に延びる放熱フィン４０４に沿って上方向又は下方向へ移動する。すなわち、挿通孔２３３からダウンチューブ２３内に流れ込んだ空気によって駆動ユニット４が冷却され、駆動ユニット４を放熱させる能力が向上する。駆動ユニット４の発熱は、電池４１の発熱、駆動回路４２のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の発熱、及びモータ４３の発熱を含む。なお、放熱フィン４０４の数は、２つ以外であってもよく、１つ又は３つ以上であってもよい。

　なお、ダウンチューブ２３は、少なくとも１つの挿通孔２３３を備えていればよい。また、挿通孔の断面形状は、円形以外であってもよく、例えば三角形、四角形、楕円、線状、又は格子状であってもよい。

　また、電池４１、駆動回路４２、モータ４３の少なくとも１つと、ユニットケース４０との間には、シリコンシート、シリコンコンパウンドなどの熱伝導性部材が配置されてもよい。この結果、駆動ユニット４の放熱性能が更に向上する。

　また、駆動回路４２のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、駆動ユニット４がダウンチューブ２３の内部に取り付けられたときに、ダウンチューブ２３の前部２３２に対向して位置することが好ましい。この場合、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の放熱が効率よく行われる。

　（１．３）変形例１
　図５に示すように、駆動ユニット４は、ダウンチューブ２３の側部２３４に装着されてもよい。この場合、ダウンチューブ２３の側部２３４には凹部２３５が形成されており、駆動ユニット４は、凹部２３５に嵌るように取り付けられる。

　本変形例の駆動ユニット４も、ダウンチューブ２３の外面から突出することなく、ダウンチューブ２３に対して一体に装着される。そして、駆動ユニット４をダウンチューブ２３の側部２３４に装着することで、ダウンチューブ２３に対する駆動ユニット４の着脱が容易になる。

　（１．４）変形例２
　ユニットケース４０の前面には、図６に示す放熱部４０３Ａが形成されてもよい。放熱部４０３Ａは、ユニットケース４０の前面において短手方向に沿って延びる矩形体形状の凸体を、放熱フィン４０４Ａとして備える。すなわち、ユニットケース４０の前面は凹凸形状の放熱部４０３Ａであり、ユニットケース４０の前面が平面であるときに比べて、ユニットケース４０の前面の表面積が大きくなり、効率の良い放熱を実現できる。

　（２）第２実施形態
　図７は、第２実施形態の電動自転車１Ａ及び駆動ユニット４Ａを示す。なお、第１実施形態と同様の構成には同一の符号を付して、説明は省略する。

　電動自転車１Ａのダウンチューブ２３は、ヘッドチューブ２１の下部より斜め下方に向かって後方に延びる中空の筒状部材であり、第１実施形態の凹部２３０を備えていない。

　駆動ユニット４Ａは、電動自転車１Ａの外観を損なうことがないように、ダウンチューブ２３に、ダウンチューブ２３の断面の投影面内に収まるように配置される。すなわち、駆動ユニット４は、ダウンチューブ２３の外面から突出しないように、ダウンチューブ２３に対して一体に取り付けられる。第２実施形態では、駆動ユニット４Ａは、ダウンチューブ２３の内部に取り付けられる。駆動ユニット４Ａは、電池４１と、駆動回路４２と、モータ４３とを備える。したがって、駆動ユニット４Ａは、電動自転車１Ａの外観を向上させることができる。

　（２．１）駆動回路の構成
　駆動回路４２は、図８Ａ、図８Ｂ、及び図９に示すように矩形板状の基板４２０を備えて、基板４２０は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６、コンデンサＣ１、及び制御回路４２１（図３参照）を実装する。基板４２０は、互いに対向する矩形状の第１実装面４２０１及び第２実装面４２０２を有する。なお、図８Ａは、駆動回路４２を第１実装面４２０１側から見た平面図である。図８Ｂは、駆動回路４２を第１実装面４２０１側から見た第２実装面４２０２の透視図である。図９は、駆動回路４２の側面図である。

　第１実装面４２０１には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５が実装される。第１実装面４２０１には、銅箔などで形成された導体Ｗ１が形成されており、導体Ｗ１は、第１実装面４２０１の長手方向に沿って細長い矩形状に形成される。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５は、導体Ｗ１の長手方向に沿って並んで配置され、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の各ドレインＤ１、Ｄ３、Ｄ５は、導体Ｗ１に半田などで機械的及び電気的に接続される。

　第２実装面４２０２には、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６、コンデンサＣ１、及び制御回路４２１が実装される。第２実装面４２０２には、銅箔などで形成された導体Ｗ２が形成されており、導体Ｗ２は、第２実装面４２０２の長手方向に沿って細長い矩形状に形成される。スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６は、導体Ｗ２の長手方向に沿って並んで配置され、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６の各ソースＳ２、Ｓ４、Ｓ６は、導体Ｗ２に半田などで機械的及び電気的に接続される。

　そして、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、基板４２０の厚み方向に対向して配置される。スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は、基板４２０の厚み方向に対向して配置される。スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６は、基板４２０の厚み方向に対向して配置される。すなわち、基板４２０の厚み方向から見ると、スイッチング素子Ｑ１及びスイッチング素子Ｑ２の各投影面、スイッチング素子Ｑ３及びスイッチング素子Ｑ４の各投影面、並びにスイッチング素子Ｑ５及びスイッチング素子Ｑ６の各投影面は、それぞれ互いに重なる。したがって、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２間の配線長、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４間の配線長、及びスイッチング素子Ｑ５、Ｑ６間の配線長をそれぞれ短くできる。また、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の実装に必要なスペースを抑えることができる。

　導体Ｗ１の一端はコンデンサＣ１の正極に接続し、導体Ｗ２の一端はコンデンサＣ１の負極に接続している。すなわち、導体Ｗ１に流れる電流の向きと、導体Ｗ２に流れる電流の向きとは互いに逆方向になる。そこで、導体Ｗ１、Ｗ２は、基板４２０の厚み方向から見ると、導体Ｗ１、Ｗ２の各投影面が互いに重なる（又はほぼ重なる）ように引き回されている。言い換えると、導体Ｗ１、Ｗ２は、基板４２０の厚み方向に対向して、同一形状（又はほぼ同一形状）に形成されている。そして、導体Ｗ１を流れる電流によって生じる磁界の向きと、導体Ｗ２を流れる電流によって生じる磁界の向きとが互いに逆方向になるので、駆動回路４２から発せられる電気的なノイズを抑制することができる。なお、導体Ｗ１、Ｗ２の各投影面の少なくとも一部が互いに重なっていればよい。

　（２．２）駆動回路の放熱
　駆動回路４２は、図２に示すようにスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を備えており、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６での電力損失による発熱が生じる。そこで、図１０～図１２に示すように、中空の筒状部材であるダウンチューブ２３の内部には、熱伝達部４４が配置されている。熱伝達部４４は、ダウンチューブ２３内で駆動回路４２のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６に熱的に結合し、さらには凹凸形状の放熱部を備える。すなわち、熱伝達部４４は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６に熱的に結合し、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６で生じた熱を放熱部から発散させる。この結果、駆動回路４２の温度が過度に高くなることを抑制できる。すなわち、駆動ユニット４Ａは、効率の良い放熱を実現できる。なお、熱伝達部４４は、アルミニウム合金、銅、又は鉄などの金属であることが好ましい。

　図１０は、熱伝達部４４の第１例を示す。図１０では、ダウンチューブ２３の断面形状が円環状であり、ダウンチューブ２３の内部には、熱伝達部４４として２つの熱伝達部４４１、４４２が収納されている。熱伝達部４４１は、ダウンチューブ２３の内部で右側に配置され、ダウンチューブ２３の長手方向に沿って延びる形状である。熱伝達部４４２は、ダウンチューブ２３の内部で左側に配置され、ダウンチューブ２３の長手方向に沿って延びる形状である。

　熱伝達部４４１、４４２は、互いに左右方向に対向する平面４４ａ、４４ｃをそれぞれ備える。熱伝達部４４１は、ダウンチューブ２３の前部２３２から右側部に至る内面に対向する曲面４４ｂをさらに備える。曲面４４ｂには、凹凸形状の放熱部７１が形成される。放熱部７１は、曲面４４ｂから突出する複数の放熱フィン７１１を有する。熱伝達部４４２は、ダウンチューブ２３の前部２３２から左側部に至る内面に対向する曲面４４ｄをさらに備える。曲面４４ｄには、凹凸形状の放熱部７２が形成される。放熱部７２は、曲面４４ｄから突出する複数の放熱フィン７２１を有する。放熱フィン７１１及び放熱フィン７２１は、ダウンチューブ２３の長手方向に沿って延びる板状に形成される。

　駆動回路４２は、平面４４ａと平面４４ｃとの間に位置し、基板４２０の長手方向がダウンチューブ２３の長手方向に沿うように、ダウンチューブ２３内において前寄りに配置される。すなわち、駆動回路４２は、ダウンチューブ２３の後部２３１よりも、ダウンチューブ２３の前部２３２に近くなる。

　平面４４ａと平面４４ｃとの間に位置する駆動回路４２では、基板４２０の第１実装面４２０１は、平面４４ａに対向し、基板４２０の第２実装面４２０２は、平面４４ｃに対向する。そして、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の各パッケージは平面４４ａに面接触し、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６の各パッケージは平面４４ｃに面接触する。この結果、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の各発熱は、熱伝達部４４１に伝達され、熱伝達部４４１の放熱部７１から発散する。また、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６の各発熱は、熱伝達部４４２に伝達され、熱伝達部４４２の放熱部７２から発散する。

　図１１は、熱伝達部４４の第２例を示す。図１１では、ダウンチューブ２３の断面形状が正四角の環状であり、ダウンチューブ２３の内部には、熱伝達部４４として２つの熱伝達部４４３、４４４が収納されている。熱伝達部４４３は、ダウンチューブ２３の内部で右側に配置され、ダウンチューブ２３の長手方向に沿って延びる形状である。熱伝達部４４４は、ダウンチューブ２３の内部で左側に配置され、ダウンチューブ２３の長手方向に沿って延びる形状である。

　熱伝達部４４３、４４４は、互いに左右方向に対向する平面４４ｅ、４４ｈをそれぞれ備える。熱伝達部４４３は、ダウンチューブ２３の前部２３２から右側部に至る内面に面接触する平面４４ｆ、４４ｇをさらに備える。平面４４ｆ、４４ｇには、凹凸形状の放熱部７３が形成される。放熱部７３は、平面４４ｆ、４４ｇから突出する複数の放熱フィン７３１を有する。熱伝達部４４４は、ダウンチューブ２３の前部２３２から左側部に至る内面に面接触する平面４４ｉ、４４ｊをさらに備える。平面４４ｉ、４４ｊには、凹凸形状の放熱部７４が形成される。放熱部７４は、平面４４ｉ、４４ｊから突出する複数の放熱フィン７４１を有する。放熱フィン７３１及び放熱フィン７４１は、ダウンチューブ２３の長手方向に沿って延びる板状に形成される。

　駆動回路４２は、平面４４ｅと平面４４ｈとの間に位置し、基板４２０の長手方向がダウンチューブ２３の長手方向に沿うように、ダウンチューブ２３内において前寄りに配置される。すなわち、駆動回路４２は、ダウンチューブ２３の後部２３１よりも、ダウンチューブ２３の前部２３２に近くなる。

　平面４４ｅと平面４４ｈとの間に位置する駆動回路４２では、基板４２０の第１実装面４２０１は、平面４４ｅに対向し、基板４２０の第２実装面４２０２は、平面４４ｈに対向する。そして、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の各パッケージは平面４４ｅに面接触し、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６の各パッケージは平面４４ｈに面接触する。この結果、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５の各発熱は、熱伝達部４４３に伝達され、熱伝達部４４３の放熱部７３から発散する。また、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６の各発熱は、熱伝達部４４４に伝達され、熱伝達部４４４の放熱部７４から発散する。

　図１２は、熱伝達部４４の第３例を示す。図１２では、ダウンチューブ２３の断面形状が円環状であり、ダウンチューブ２３の内部には、熱伝達部４４として１つの熱伝達部４４５が収納されている。熱伝達部４４５は、後部２３１に対向する平面４４ｋと、ダウンチューブ２３の前部２３２の内面に対向する曲面４４ｍとを備える。曲面４４ｍには、凹凸形状の放熱部７５が形成される。放熱部７５は、曲面４４ｍから突出する複数の放熱フィン７５１を有する。放熱フィン７５１は、ダウンチューブ２３の長手方向に沿って延びる板状に形成される。

　駆動回路４２は、平面４４ｋより後方に位置し、基板４２０の長手方向がダウンチューブ２３の長手方向に沿うように、ダウンチューブ２３内において前寄りに配置される。すなわち、駆動回路４２は、ダウンチューブ２３の後部２３１よりも、ダウンチューブ２３の前部２３２に近くなる。

　図１２の駆動回路４２では、基板４２０の実装面４２０３にスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６が実装され、実装面４２０３は、平面４４ｋに対向する。そして、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の各パッケージは平面４４ｋに面接触する。この結果、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の各発熱は、熱伝達部４４５に伝達され、熱伝達部４４５の放熱部７５から発散する。

　したがって、上述の駆動ユニット４Ａは、ダウンチューブ２３内に平面４４ａ、４４ｃ、４４ｅ、４４ｈ、４４ｋを設けているので、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６と放熱部７１～７５とを容易に熱的に結合させることができる。

　なお、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６と、平面４４ａ、４４ｃ、４４ｅ、４４ｈ、４４ｋとの間に、シリコンシート、シリコンコンパウンドなどを熱伝導性部材として配置してもよい。この結果、駆動ユニット４Ａの放熱性能が更に向上する。

　（２．３）変形例３
　駆動ユニット４Ａが備える電池４１、駆動回路４２、モータ４３のうち、少なくとも電池４１は、ダウンチューブ２３に対して着脱自在に構成されることが好ましい。この場合、少なくとも電池４１の取り付け及び取り外しのために、ダウンチューブ２３の一部が開閉自在に構成される。例えば、駆動ユニット４Ａが備える電池４１のみ、駆動ユニット４Ａが備える電池４１、駆動回路４２、または駆動ユニット４Ａが備える電池４１、駆動回路４２、モータ４３がダウンチューブ２３に対して着脱自在に構成される。

　また、駆動ユニット４Ａは、駆動ユニット４Ａの発熱を放熱するために放熱フィンを更に備えることが好ましい。放熱フィンは、ダウンチューブ２３の長手方向または短手方向に沿って延びる形状であることが好ましい。

　また、放熱部７１～７５は、ダウンチューブ２３の前部２３２に対向している。そこで、ダウンチューブ２３の前部２３２に挿通孔を設けて、挿通孔からダウンチューブ２３内に流れ込んだ空気を放熱部７１～７５に当てて、駆動ユニット４Ａを冷却してもよい。

　（３）第３実施形態
　図１３は、第３実施形態の電動自転車１Ｂ及び駆動ユニット４Ｂを示す。なお、第１実施形態又は第２実施形態と同様の構成には同一の符号を付して、説明は省略する。

　電動自転車１Ｂのシートチューブ２４は中空の筒状部材である。そして、駆動ユニット４Ｂは、電動自転車１Ｂの外観を損なうことがないように、シートチューブ２４に、シートチューブ２４の断面の投影面内に収まるように配置される。すなわち、駆動ユニット４Ｂは、シートチューブ２４の外面から突出しないように、シートチューブ２４に対して一体に取り付けられる。第３実施形態では、駆動ユニット４Ｂは、シートチューブ２４の長手方向に沿って延びる凹部に嵌るように取り付けられる、又はシートチューブ２４の内部に取り付けられる。駆動ユニット４Ｂは、上述の駆動ユニット４又は駆動ユニット４Ａと同様の構成を備える。

　したがって、駆動ユニット４Ｂは、電動自転車１Ｂの外観を向上させることができ、かつ、効率の良い放熱を実現できる。

　なお、上述の第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、及び各変形例のそれぞれの構成を適宜組み合わせることができる。

　（４）まとめ
　上述の実施形態に係る第１の態様の駆動ユニット（４、４Ａ、４Ｂ）は、電動自転車（１、１Ａ、１Ｂ）の駆動ユニットであって、モータ（４３）と、駆動回路（４２）と、放熱部（４０３、４０３Ａ、７１～７５）と、を備える。モータ（４３）は、電動自転車（１、１Ａ、１Ｂ）を前進させるための駆動力を発生する。駆動回路（４２）は、モータ（４３）を駆動する。放熱部（４０３、４０３Ａ、７１～７５）は、駆動回路（４２）及びモータ（４３）の少なくとも１つを放熱させる。モータ（４３）、駆動回路（４２）、及び放熱部（４０３、４０３Ａ、７１～７５）は、電動自転車（１、１Ａ、１Ｂ）のフレーム（２）を構成する中空の筒状部材（２３、２４）に、筒状部材（２３、２４）の断面の投影面内に収まるように配置される。放熱部（４０３、４０３Ａ、７１～７５）は、凹凸形状である。

　上述の駆動ユニット（４、４Ａ、４Ｂ）は、電動自転車（１、１Ａ、１Ｂ）の外観を向上させることができ、かつ、効率の良い放熱を実現できる。

　また、実施形態に係る第２の態様の駆動ユニット（４、４Ａ、４Ｂ）では、第１の態様において、放熱部（４０３、４０３Ａ、７１～７５）は、駆動回路（４２）及びモータ（４３）の少なくとも１つの前部に位置することが好ましい。

　上述の駆動ユニット（４、４Ａ、４Ｂ）は、放熱性能を更に向上させることができる。

　また、実施形態に係る第３の態様の駆動ユニット（４、４Ａ、４Ｂ）では、第１又は第２の態様において、駆動回路（４２）及びモータ（４３）の少なくとも１つは、熱伝導性部材を介して放熱部（７１～７５）に熱的に結合することが好ましい。

　上述の駆動ユニット（４、４Ａ、４Ｂ）は、放熱性能を更に向上させることができる。

　また、実施形態に係る第４の態様の駆動ユニット（４、４Ａ、４Ｂ）では、第１乃至第３の態様のいずれか一つにおいて、筒状部材（２３、２４）は、長尺形状であり、放熱部（４０３）は、筒状部材（２３、２４）の長手方向に沿って延びることが好ましい。

　上述の駆動ユニット（４、４Ｂ）は、放熱性能を更に向上させることができる。

　また、実施形態に係る第５の態様の駆動ユニット（４、４Ａ、４Ｂ）では、第１乃至第３の態様のいずれか一つにおいて、筒状部材（２３、２４）は、長尺形状であり、放熱部（４０３Ａ）は、筒状部材（２３、２４）の短手方向に沿って延びることが好ましい。

　上述の駆動ユニット（４、４Ｂ）は、効率の良い放熱を実現できる。

　また、実施形態に係る第６の態様の駆動ユニット（４、４Ａ、４Ｂ）では、第１乃至第５の態様のいずれか一つにおいて、駆動回路（４２）は、少なくとも１つの半導体スイッチング素子（Ｑ１～Ｑ６）を備えることが好ましい。少なくとも１つの半導体スイッチング素子（Ｑ１～Ｑ６）は、放熱部（７１～７５）に熱的に結合する。

　上述の駆動ユニット（４Ａ）は、駆動回路（４２）の温度が過度に高くなることを抑制できる。

　また、実施形態に係る第７の態様の駆動ユニット（４、４Ａ、４Ｂ）は、第６の態様において、筒状部材（２３、２４）の内部に位置し、少なくとも１つの半導体スイッチング素子（Ｑ１～Ｑ６）と接触する平面（４４ａ、４４ｃ、４４ｅ、４４ｈ、４４ｋ）を有する熱伝達部（４４）を更に備えることが好ましい。熱伝達部（４４）は、放熱部（７１～７５）を更に有する。

　上述の駆動ユニット（４Ａ）は、スイッチング素子（Ｑ１～Ｑ６）と放熱部（７１～７５）とを容易に熱的に結合させることができる。

　また、実施形態に係る第８の態様の駆動ユニット（４、４Ａ）では、第１乃至第７の態様のいずれか一つにおいて、筒状部材は、電動自転車（１、１Ａ）のダウンチューブ（２３）であることが好ましい。

　上述の駆動ユニット（４、４Ａ）は、ダウンチューブ（２３）の外観を損なうことなく、効率の良い放熱を実現できる。

　また、実施形態に係る第９の態様の駆動ユニット（４Ｂ）では、第１乃至第７の態様のいずれか一つにおいて、筒状部材は、電動自転車（１Ｂ）のシートチューブ（２４）であることが好ましい。

　上述の駆動ユニット（４Ｂ）は、シートチューブ（２４）の外観を損なうことなく、効率の良い放熱を実現できる。

　また、実施形態に係る第１０の態様の電動自転車（１、１Ａ、１Ｂ）は、第１乃至第９のいずれか一つの駆動ユニット（４、４Ａ、４Ｂ）と、駆動ユニット（４、４Ａ、４Ｂ）が取り付けられる筒状部材（２３、２４）と、を備える。

　上述の電動自転車（１、１Ａ、１Ｂ）は、電動自転車（１、１Ａ、１Ｂ）の外観を向上させることができ、かつ、効率の良い放熱を実現できる。

　１、１Ａ、１Ｂ　電動自転車
　２　フレーム
　２３　ダウンチューブ（筒状部材）
　２４　シートチューブ（筒状部材）
　４、４Ａ、４Ｂ　駆動ユニット
　４２　駆動回路
　４３　モータ
　４４　熱伝達部
　４４ａ、４４ｃ、４４ｅ、４４ｈ、４４ｋ　平面
　４０３、４０３Ａ　放熱部
　７１～７５　放熱部
　Ｑ１～Ｑ６　半導体スイッチング素子

Claims (10)

1. 　電動自転車の駆動ユニットであって、
   　当該電動自転車を前進させるための駆動力を発生するモータと、
   　前記モータを駆動する駆動回路と、
   　前記駆動回路及び前記モータの少なくとも１つを放熱させる放熱部と、を備え、
   　前記モータ、前記駆動回路、及び前記放熱部は、前記電動自転車のフレームを構成する中空の筒状部材に、前記筒状部材の断面の投影面内に収まるように配置され、
   　前記放熱部は、凹凸形状である
   　駆動ユニット。
2. 　前記放熱部は、前記駆動回路及び前記モータの少なくとも１つの前部に位置する
   　請求項１の駆動ユニット。
3. 　前記駆動回路及び前記モータの少なくとも１つは、熱伝導性部材を介して前記放熱部に熱的に結合する
   　請求項１又は２の駆動ユニット。
4. 　前記筒状部材は、長尺形状であり、
   　前記放熱部は、前記筒状部材の長手方向に沿って延びる
   　請求項１乃至３のいずれか一項の駆動ユニット。
5. 　前記筒状部材は、長尺形状であり、
   　前記放熱部は、前記筒状部材の短手方向に沿って延びる
   　請求項１乃至３のいずれか一項の駆動ユニット。
6. 　前記駆動回路は、少なくとも１つの半導体スイッチング素子を備え、
   　前記少なくとも１つの半導体スイッチング素子は、前記放熱部に熱的に結合する
   　請求項１乃至５のいずれか一項の駆動ユニット。
7. 　前記筒状部材の内部に位置し、前記少なくとも１つの半導体スイッチング素子と接触する平面を有する熱伝達部を更に備え、
   　前記熱伝達部は、前記放熱部を更に有する
   　請求項６の駆動ユニット。
8. 　前記筒状部材は、前記電動自転車のダウンチューブである
   　請求項１乃至７のいずれか一項の駆動ユニット。
9. 　前記筒状部材は、前記電動自転車のシートチューブである
   　請求項１乃至７のいずれか一項の駆動ユニット。
10. 　請求項１乃至９のいずれか一項の駆動ユニットと、
    　前記駆動ユニットが取り付けられる前記筒状部材と、を備える
    　電動自転車。

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