JP2004114933A - 電動補助自転車 - Google Patents
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Abstract
【課題】一般に使用されている自転車フレームを使用可能とし、且つ、シートポスト後方の空間を有効利用する電動補助自転車を提供する。
【解決手段】車体フレーム２と、車体フレーム２の前部のフロントフォーク７に軸支され操向ハンドル８で操舵可能な前輪ＷＦと、車体フレーム２の後部から後方に延びる左右一対のサポート部材９Ｌ，９Ｒを有するリヤフォーク９と、サポート部材９Ｌ，９Ｒの後端間に位置しリヤフォーク９に軸支される後輪ＷＲと、車体フレーム２に枢支されて回転自在に取り付けられたクランクシャフト１７と、クランクシャフト１７にかけられた踏力トルクを後輪ＷＲに伝達するチェーン２２と、踏力トルクを補助してチェーン２２に補助トルクを付与する補助動力ユニット１６とを有する電動補助自転車１において、補助動力ユニット１６をリアフレーム９の下方に配設するとともに、この補助動力ユニット１６の減速ギア列５６を構成する２次減速ドリブンギア６３を覆う収納部材５０の突出部８４を左右一対のサポート部材９Ｌ，９Ｒの間に下方から挿入して配設する。
【選択図】 図２
【解決手段】車体フレーム２と、車体フレーム２の前部のフロントフォーク７に軸支され操向ハンドル８で操舵可能な前輪ＷＦと、車体フレーム２の後部から後方に延びる左右一対のサポート部材９Ｌ，９Ｒを有するリヤフォーク９と、サポート部材９Ｌ，９Ｒの後端間に位置しリヤフォーク９に軸支される後輪ＷＲと、車体フレーム２に枢支されて回転自在に取り付けられたクランクシャフト１７と、クランクシャフト１７にかけられた踏力トルクを後輪ＷＲに伝達するチェーン２２と、踏力トルクを補助してチェーン２２に補助トルクを付与する補助動力ユニット１６とを有する電動補助自転車１において、補助動力ユニット１６をリアフレーム９の下方に配設するとともに、この補助動力ユニット１６の減速ギア列５６を構成する２次減速ドリブンギア６３を覆う収納部材５０の突出部８４を左右一対のサポート部材９Ｌ，９Ｒの間に下方から挿入して配設する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動補助自転車に関し、さらに詳細には、後輪を回転駆動すべく人力により回転操作されるクランクペダルと、このクランクペダルに作用する踏力トルクを前記後輪に伝達する回転伝達機構と、この回転伝達機構に補助トルクを付与する補助動力ユニットとを有する電動補助自転車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自転車に補助動力ユニットを装備し、人力によるクランクペダルからの踏力トルクと、補助動力ユニットからの補助トルクとの合力をチェーンに行わせる電動補助自転車において、この補助動力ユニットの回転出力を補助トルクとしてチェーンに付与するためには、チェーンが巻掛けられている部分に補助動力ユニットからの回転動力を印可する必要があり、シートポストやこのシートポストの後方にあるリヤフォークで補助動力ユニットを支持する必要がある。このため、例えば、補助動力ユニットをリヤフォークの下方に配設するために、このリヤフォークを通常よりも上方に配設してシートポストから後方に延びるように変形した車体フレームを利用して、補助動力ユニットを搭載したもの（例えば、特許文献１参照。）や、シートポスト後方でリヤフォークの上方に補助動力ユニットを搭載したもの（例えば、特許文献２）等がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−００２６０４号公報（第２図）
【特許文献２】
特開平１１−１０５７７４号公報（第３頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、車体フレームを変形させた場合、そのようなフレームを特別に準備する必要があるため電動補助自転車のコストが高くなるという課題があり、また、シートポストの後方で且つリアフレームの上方の位置に補助動力ユニットを配置すると、バッテリ収納箱や電装ボックスを他の位置に配置しなければならず、車体スペースの有効活用が難しくなるという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みたもので、一般に使用されている自転車フレームをそのまま使用可能とし、且つ、補助動力ユニットをリヤフォーク下方に配置することで、シートポスト後方の空間を有効利用可能とし、製造コストが安価な電動補助自転車を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的達成のため、本発明においては、車体フレームと、この車体フレームの前部に操舵可能に枢結された操舵フレーム（例えば、実施形態におけるフロントフォーク７及び操向ハンドル８）と、操舵フレームの下端に位置して回転自在に取り付けられた前輪と、車体フレームの後部に一体に繋がって後方に延びる左右一対のサポート部材からなるリヤフォークと、この左右一対のサポート部材の間に位置してリヤフォークに回転自在に取り付けられた後輪と、車体フレームに枢支されて回転自在に取りつけられたクランクペダルと、クランクペダルが踏まれてこのクランクペダルに作用する踏力トルクを後輪に伝達する回転伝達機構（例えば、実施形態における駆動スプロケット２１、従動スプロケット２３及びチェーン２２から構成されるチェーン機構）と、踏力トルクを補助して回転伝達機構に補助トルクを付与する補助動力ユニットとを有する電動補助自転車において、補助動力ユニットが、電動機（例えば、実施形態における電動モータ１５）と、この電動機からの回転出力を減速する減速ギア機構（例えば、実施形態における減速ギア列５６）と、減速ギア機構により減速された回転出力を補助トルクとして回転伝達機構に伝達する補助動力伝達部（例えば、実施形態におけるアシストスプロケット２４）と、少なくとも減速ギア機構を覆う収納部材（例えば、実施形態におけるケーシング５０）とを有し、補助動力ユニットがリヤフォークの下方に配設されるとともに、収納部材が減速ギア機構を構成する大径ギアを覆って外方に突出する突出部を有し、突出部が左右一対のサポート部材の間に配設されて構成される。
【０００７】
このような構成によると、補助動力ユニットを取り付ける自転車のフレームに一般に使用されているものを採用することができるため、製造コストの削減が可能となる。また、補助動力ユニットをリヤフォークの下方に配設するため、リヤフォークの上方でシートポスト後方の空間を有効利用することができ、ここにバッテリ収納箱や電装ボックス等を配設することが可能となる。さらに、重量物である補助動力ユニットを下方に配設することができるため、重心位置を低くして安定した走行を可能とするとともに、クランクペダルやチェーン、さらにはチェーンカバー等で補助動力ユニットを目立たなくすることが可能となる。
【０００８】
なお、収納部材の突出部の上部が、側面視においてリヤフォークの上面とほぼ等しい位置に配設されることが好ましく、このように構成することにより、電動補助自転車の重心位置をさらに低くすることができる。
【０００９】
また、減速ギア機構が、電動機のモータシャフトに平行に延びて収納部材に回転自在に配設された第１回転シャフトと、この第１回転シャフトに形成されてモータシャフトに形成された１次減速ドライブギアと噛合する１次減速ドリフンギアとを有し、電動機のモータシャフトがクランクペダルの近傍に配設されるとともに、モータシャフトと第１回転シャフトとが、側面視において地面に対して略水平に並んで配設されることが好ましく、このように構成することにより、補助動力ユニットの底面がある程度の地上高を確保しつつ、第２回転シャフトに形成された補助動力伝達部に回転伝達機構を構成する巻掛伝達部材（例えば、実施例におけるチェーン２２）の巻き付け角を確保することができる。
【００１０】
さらに、減速ギア機構が、第１回転シャフトと平行に延びて収納部材に回転自在に配設された第２回転シャフトと、第２回転シャフトに形成されて第１回転シャフトに形成された２次減速ドライブギアと噛合する２次減速ドリブンギアとを有し、側面視において、第２回転シャフトが第１回転シャフトの上方に配設されることが好ましく、このように構成することにより、補助動力ユニットの底面の地上高を確保することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。まず、本発明に係る電動補助自転車について図１及び図２を用いて説明する。なお、図２（Ａ）は本発明に係る電動補助自転車の要部を左方から見た側面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）において補助動力ユニット１６を取り外した場合の側面図である。但し、図２（Ｂ）において、後述するアシストスプロケット２４とアイドラ２５及びこのアイドラ２５を支持する支持部材８３の一部は図示している。
【００１２】
電動補助自転車１は車体フレーム２を有しており、この車体フレーム２は、その前部に位置し上下方向に延びるヘッドパイプ３と、ヘッドパイプ３から後方で且つ下方に延びるダウンパイプ４と、ダウンパイプ４の後端に固着されて左右に延びる支持パイプ５（図５参照）と、支持パイプ５から上方に立ち上がるシートパイプ６とから構成されている。ヘッドパイプ３には、下方に延びるフロントフォーク７が操舵可能に支承されており、このフロントフォーク７の下端に前輪ＷＦが軸支されている。また、フロントフォーク７の上端に一体に繋がって操向ハンドル８が設けられており、この操向ハンドル８を操作してフロントフォーク７に軸支された前輪ＷＦを操舵可能である。
【００１３】
支持パイプ５から後方側には、この支持パイプ５と一体に形成されて後方に地面と略平行に一直線に延びる左右一対のサポート部材９Ｌ，９Ｒを有するリヤフォーク９が配設されており、この左右一対のサポート部材９Ｌ，９Ｒの後端間に駆動輪として後輪ＷＲが軸支されている。さらに、シートパイプ６の上部と両サポート部材９Ｌ，９Ｒの後部との間には、左右一対のステー１０が配設されている。
【００１４】
シートパイプ６には、上端にシート１１を有するシートポスト１２がシート１１の上下位置を調整可能として装着されている。さらに、シートパイプ６の後側部には、バッテリＢを挿脱可能に収納するバッテリ収納箱１３と、電装ボックス１４が上下に並んで配設されている。そして、リヤフォーク９の下方に電装ボックス１４を介してバッテリＢからの電力が供給される補助トルクとしての電動モータ１５を有する補助動力ユニット１６が配設され、この補助動力ユニット１６は、支持パイプ５及びサポート部材９Ｌ，９Ｒで支持されている。
【００１５】
車体フレーム２の支持パイプ５には、この支持パイプ５を同軸に貫通するクランクシャフト１７が軸支されており、さらにこのクランクシャフト１７の左端及び右端に回転自在に配設されたペダルを有するクランク１８Ｌ，１８Ｒがそれぞれ固定的に連結されており、クランクシャフト１７、クランク１８Ｌ，１８Ｒ及びこのクランク１８Ｌ，１８Ｒに取り付けられたペダルでクランクペダルを構成している。よって、クランク１８Ｌ，１８Ｒが、電動補助自転車１に搭乗した運転者による踏力を受けてクランクシャフト１７を回転させることができ、このクランクシャフト１７は回転自在に車体フレーム２に支承されている。
【００１６】
クランクシャフト１７には、後述の動力伝達装置を介してクランクシャフト１７の回転が伝えられる駆動スプロケット２１が設けられ、駆動スプロケット２１の回転はチェーン２２を介して後輪ＷＲ側の従動スプロケット２３に伝達される。駆動スプロケット２１の後方には、補助動力ユニット１６からの補助トルクをチェーン２２に伝達するアシストスプロケット２４が設けられている。さらに、アシストスプロケット２４の後方には、このアシストスプロケット２４に対するチェーン２２の巻き付け角を大きく取るためアイドラ２５が設けられている。
【００１７】
なお、本実施例では、踏力トルク及び補助トルクを駆動スプロケット２１とアシストスプロケット２４からチェーン２２を介し従動スプロケット２３に伝達するチェーン機構を採用しているが、ベルト機構を用いて踏力トルク及び補助トルクを後輪ＷＲに伝達するようにしても良い。
【００１８】
次に、クランクシャフト１７に装着された動力伝達装置について図３及び図４を用いて説明する。ダウンパイプ４に固着された支持パイプ５の両端には蓋板１９Ｌ，１９Ｒが螺挿されていて、この蓋板１９Ｌ，１９Ｒとクランクシャフト１７に形成された段差との間にはボールベアリング２０Ｌ，２０Ｒがそれぞれ嵌挿されている。すなわち、ボールベアリング２０Ｌ，２０Ｒは、クランクシャフト１７にかかるスラスト方向及びラジアル方向の荷重を受けて支持パイプ５に対してクランクシャフト１７を回転自在に支承している。
【００１９】
クランクシャフト１７上には、第１ワンウェイクラッチ２６の内輪２７が固定されている。また、この内輪２７の外周には駆動スプロケット２１がブッシュ２７Ａを介して回転自在に支承されている。駆動スプロケット２１のスラスト方向の位置はナット２８Ａとプレート２８Ｂとによって規制されている。
【００２０】
駆動スプロケット２１には蓋体２９が一体的に設けられていて、これら駆動スプロケット２１と蓋体２９で囲まれた空間には、伝達プレート３０が配設されている。この伝達プレート３０は、駆動スプロケット２１に対して同軸で、且つ、クランクシャフト１７を軸とした回転方向では互いに予定量のずれが許容されるように支持されている。
【００２１】
駆動スプロケット２１及び伝達プレート３０にまたがって、複数（ここでは６個）の窓３１が形成されており、この窓３１の内側には圧縮コイルばね３２がそれぞれ収容されている。圧縮コイルばね３２は、駆動スプロケット２１及び伝達プレート３０の間で、互いに回転方向のずれが生じたときに、ずれに対する抗力を生ずるように作用する。
【００２２】
伝達プレート３０のハブの内周には、第１ワンウェイクラッチ２６の外輪としてのラチェット歯３３が形成されていて、このラチェット歯３３は内輪２７に支持されて放射方向にばね３４で付勢されているラチェット爪３５（ここでは３個）と係合する。この第１ワンウェイクラッチ２６には、防塵のためのカバー３６が設けられている。
【００２３】
このような第１ワンウェイクラッチ２６によれば、クランク１８Ｌ，１８Ｒを踏んでクランクシャフト１７を正転させると、ばね３４でラチェット爪３５がラチェット歯３３に付勢されているので、ラチェット爪３５がラチェット歯３３の谷の部分と噛合してクランク１８Ｌ，１８Ｒの踏力が伝達プレート３０に伝達されるが、クランク１８Ｌ，１８Ｒを踏んでクランクシャフト１７を逆転させたときや走行中に踏むのを止めたときは、ラチェット爪３５はラチェット歯３３の坂の部分でスリップして噛合せず、第１ワンウェイクラッチ２６がスリップするため、クランクシャフト１７の逆転を可能とし、また、伝達プレート３０からのトルクがクランク１８Ｌ，１８Ｒに伝わることもない。
【００２４】
伝達プレート３０には、後述する踏力伝達用の突起部３８が係合する係止孔３７が設けられている。駆動用スプロケット２１には、突起部３８を係止孔３７に係合可能とするための窓３９が設けられていて、突起部３８はこの窓３９を貫通して、係止孔３７に嵌合される。
【００２５】
駆動スプロケット２１及び伝達プレート３０に跨って、前述の窓３１とは別の複数（ここでは３個）の小窓４０が形成されており、この小窓４０の内側には圧縮コイルばね４１がそれぞれ収容されている。圧縮コイルばね４１は、伝達プレート３０をその回転方向４２側に付勢するように配設されている。すなわち、駆動スプロケット２１と伝達プレート３０との結合部のガタを吸収する方向に作用しており、伝達プレート３０の変位が駆動スプロケット２１へ良好な応答性で伝達されるように作用する。
【００２６】
従って、クランク１８Ｌ，１８Ｒが運転者により踏み込まれてクランクシャフト１７にかかる踏力トルクは、第１ワンウェイクラッチ２６を介して伝達プレート３０に伝達されるが、この踏力トルクは各圧縮コイルばね３２，４１を圧縮しつつ駆動スプロケット２１に伝達され、さらに、チェーン２２及び従動スプロケット２３を介して後輪ＷＲに伝達されることになり、また、後述する補助動力ユニット１６からアシストスプロケット２４に与えられる補助トルクは、チェーン２２及び従動スプロケット２３を介して後輪ＷＲに伝達される。なお、この補助動力ユニット１６からの補助トルクは、第１ワンウェイクラッチ２６の働きにより、クランク１８Ｌ，１８Ｒに伝達されることはない。
【００２７】
駆動スプロケット２１の車体寄り、つまり、ダウンパイプ４側には、踏力検知装置のセンサ部４３が装着されている。センサ部４３は、駆動スプロケット２１に固定された外側リング４４と、この外側リング４４に対して回転自在に設けられ、磁気回路を形成するためのセンサ本体４５とを有する。センサ本体４５及びその支持部材であるスリーブ４６、フランジ４７等については後述する。
【００２８】
外側リング４４は電気絶縁性を有する材料で形成されており、図示しないボルトで駆動スプロケット２１に固定される。
【００２９】
次に、図５〜９を用いて補助動力ユニット１６について説明する。補助動力ユニット１６のケーシング５０は、右ケーシング半体５１と、この右ケーシング半体５１との間に第１収納室５４を形成して右ケーシング半体５１と結合される左ケーシング半体５２と、この左ケーシング半体５２との間に第２収納室５５を形成して左ケーシング半体５２と結合されるカバー５３とから構成される。
【００３０】
ケーシング５０には、クランクシャフト１７の回転軸線と平行な回転軸線を有する電動モータ１５が取り付けられており、この電動モータ１５の回転出力は、クランク１８Ｌ，１８Ｒにかかる踏力トルクをアシストすべく減速ギヤ列５６を介してアシストスプロケット２４に伝達される。
【００３１】
ケーシング５０における左ケーシング半体５２には、カバー５３とは反対側に突出する嵌合筒部７４が一体に設けられており、電動モータ１５が備える有底円筒状のモータハウジング７５が、嵌合筒部７４に嵌合された状態で、複数（例えば３箇所）のボルトで左ケーシング半体５２のねじ孔７６に締結される。また、モータシャフト５７は、支持壁部７７を回転自在に貫通して第２収納室５５に突出されるものであり、支持壁部７７に接するモータハウジング７５とモータシャフト５７の間にはボールベアリング９１が介装されている。なお、モータハウジング７５は、例えば、モールド一体形成されている。
【００３２】
電動モータ１５の動力をアシストスプロケット２４に伝達するための減速ギア列５６の回転シャフトは、モータシャフト７５と平行な軸線を有する第１回転シャフト５９と、この第１回転シャフト５９と平行な軸線を有する第２回転シャフト６４とから構成されている。第１回転シャフト５９は、第１回転シャフト５９と左ケーシング半体５２との間にボールベアリング６９が介装され、右ケーシング半体５１と第１回転シャフト５９との間にボールベアリング７０が介装されており、回転自在に配設されている。また、第２回転シャフト６４は、左ケーシング半体５２と第２回転シャフト６４の間にボールベアリング７１が介装され、右ケーシング半体５１と第２回転シャフト６４との間にローラベアリング７２が介装されて回転自在に配設されている。
【００３３】
さらに、第２収納室５５内で電動モータ１５のモータシャフト５７に固着される１次減速ドライブギア５８と、第２収納室５５内で第１回転シャフト５９の一端にボルト６０で固着されて１次減速ドライブギア５８に噛合される１次減速ドリブンギア６１と、第１収納室５４内で第１回転シャフト５９に一体に形成される２次減速ドライブギア６２と、第１収納室５４内で第２回転シャフト６４に固着されて２次減速ドライブギア６２と噛合される２次減速ドリブンギア６３と、２次減速ドリブンギア６３と第２回転シャフト６４との間に設けられる第２ワンウェイクラッチ６５とを備え、第２回転シャフト６４の右ケーシング半体５１から外方へ突出する突出部にアシストスプロケット２４が固着される。なお、右ケーシング半体５１から第２回転シャフト６４が突出する部分にシール部材６６が設けられている。また、１次減速ドリブンギア６１の２次減速ドライブギア６２側の面には、この１次減速ドリブンギア６１を補強するために、環状の補強板６７がボルト６８で締結されている。
【００３４】
なお、カバー４８の内側（第２収納室５５側）には複数のリブ７３が形成されており、このカバー４８の剛性を向上させることができる。また、カバー４８は、形成型に樹脂材を流し込むことによって形成されるが、カバー４８の内側形状を上記のようにすることにより、カバー４８の製造時における樹脂材の回りを向上させることができる。
【００３５】
このような減速ギア列５６では、電動モータ１５の作動に伴う回転が減速されてアシストスプロケット２４に伝達されるが、電動モータ１５の作動が停止したときや、アシストスプロケット２４の回転よりも駆動スプロケット２１の回転の方が早い場合には、第２ワンウェイクラッチ６５の働きにより第２回転シャフト６４の空転が許容され、クランク１８Ｌ，１８Ｒからの踏力トルクによるアシストスプロケット２４の回転が妨げられることはない。
【００３６】
ところで、補助動力ユニット１６は、リヤフォーク９の下方に支持パイプ５及びサポート部材９Ｌ，９Ｒで支持されて配設されており、このとき、クランクシャフト１７よりもやや後方で下方であるクランクペダルの近傍にモータシャフト５７が位置し、また、モータシャフト５７と第１回転シャフト５９が側面視において地面と略平行になるように並んで位置している。さらに、第２回転シャフト６４が第１回転シャフト５９より上方に位置しており、この第２回転シャフト６４に固着されている２次減速ドリブンギア６３を覆うケーシング５０の部分を突出させて突出部８４を形成し、この突出部８４が後輪ＷＲの前方で且つ左右一対のサポート部材９Ｌ，９Ｒの間に下方から挿入されるように補助動力ユニット１６が配置されている。
【００３７】
このとき、支持パイプ５に固着されたブラケット７９に、左ケーシング半体５２の前方上部の上方に***するように設けられたハンガー部８０がボルト及びナットで締結され、また、左右一対のサポート部材９Ｌ，９Ｒに固着されたブラケット８１Ｌ，８１Ｒの間に後方上部の上方に***するように設けられたハンガー部８２が挟まれて、ボルト及びナットで締結されている（ハンガー部８０，８２及び補助動力ユニット１６の電動補助自転車１への取り付け状態については、図２（Ａ）に図示）。また、ケーシング５０の突出部８４の上部が、平面視において、リヤフォーク９の上面とほぼ同じ位置になるように配設されている。
【００３８】
さらに、右ケーシング半体５１から第２回転シャフト６４が突出する部分には後方に向かって延びる支持部材８３が形成されており、この支持部材８３の先端にアイドラ２５が回転自在に軸支されており、右ケーシング半体５１とアイドラ２５は一体に形成されている。
【００３９】
以上説明したようにケーシング５０の突出部８４は、２次減速ドリブンギア６３に対向する部分だけを覆うように突出させれば良いため、前後に細長く延びた形状となる。よって、一般に使用されている自転車のフレームを使用しても、リヤフォークを構成する左右一対のサポート部材の間に下からこの突出部を挿入して補助動力ユニット１６を配設することが可能であり、特殊なフレームを用意する必要が無く製造コストの削減を可能とする。また、重量物である補助動力ユニット１６を車体フレーム２の下部に配設することにより、重心位置を低くすることができ走行時の安定性を向上させることができる。さらに、リヤフォーク９の上方で且つシートポスト１２の後方の空間に補助動力ユニット１６が配設されないため、この空間を有効利用することが可能であり、本実施例で説明したように、バッテリ収納箱１３や電装ボックス１４等を配設することが可能となる。
【００４０】
さらに、補助動力ユニット１６の配設位置が、駆動スプロケット２１やその駆動スプロケット２１に巻掛けられているチェーン２２の近傍であるため、この補助動力ユニット１６の存在感を目立たなくすることができ、特に、チェーンカバーで覆えば、より目立たなくすることができる。
【００４１】
また、モータシャフト５７と第１回転シャフト５９を地面に平行になるように並んで配設し、さらに第２回転シャフト６４を第１回転シャフト５９の上方になるように配設することにより、補助動力ユニット１６の底面の地上高を確保でき、さらに、第２回転シャフト６４に固着されているアシストスプロケット２４に対するチェーン２２の巻付け角をある程度確保することができる。
【００４２】
次に、この補助動力ユニット１６を構成している電動モータ１５について、図１０〜１３を用いて説明する。電動モータ１５は直流電源によって駆動される直流ブラシレスモータであり、モータシャフト５７と、モータシャフト５７を囲むように配設されたステータ８５と、モータシャフト５７に固定された回転子８６と、この回転子の位置を検出する回転子位置検出器８７とを有しており、モータハウジング７５で全体が覆われている。
【００４３】
ステータ８５は、ステータコア８８にステータコイル８９が巻き付けられて構成されており、モータハウジング７５の内周面に沿って複数（ここでは９個）が配設されている。また、回転子８６は、上述のステータ８８と対向するように複数（ここでは、８個）の永久磁石９０が配設されており、この永久磁石９０のステータ８８と対向する面の磁極が、Ｎ極、Ｓ極交互になるように配設されている。このとき、ステータ８８と回転子８６の間には一定間隔の空隙が形成されている。
【００４４】
なお、モータシャフト５７とモータハウジング７５の間にボールベアリング９１，９２が介装されてこのモータシャフト５７を軸支している。また、モータハウジング７５の側面で、モータシャフト５７が突出する側には、複数（ここでは３個）のブラケット９３が形成されており、このブラケット９３の貫通孔にボルトを通して上述のケーシング５０に電動モータ１５を固定する。また、回転子位置検出器８７は回転子８６の上面と平行に所定の空隙を有して配設されており、この回転子位置検出器８７が有するホール素子で、回転子位置検出器８７の下方に移動してきた回転子８６のＮ極を検出する。
【００４５】
ステータ８５に巻き付けられたステータコイル８９は、図１３に示すような順序で電気的に接続されており、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の入力端子９４を有している。この入力端子９４に印可される電圧は、電装ボックス１４が有する制御装置で制御されてバッテリＢから供給されており、入力端子９４に位相が１２０度ずつ異なるパルス電圧を印可すると、複数のステータ７５の磁極がＮ極、Ｓ極交互に現れ、且つ、このパルスの周波数に応じてステータ７５の磁極が移動する。よって、回転子位置検出器８７で検出した回転子８６を構成する永久磁石９０の位置を電装ボックス１４で得て、この永久磁石９０の位置により、ステータ７５に印可するパルス電圧を調整することにより、モータシャフト５７を回転させることができる。さらに、この入力端子９４に印可するパルス電圧のパルス幅を制御するＰＷＭ制御により回転子８６の回転速度（モータの出力）を制御することが可能である。
【００４６】
なお、この回転子位置検出器８７は、この回転子位置検出器８７の下方に移動してきた永久磁石９０のＮ極を検出しているため、この回数をカウントすることにより、このＮ極の検出信号の回数からモータシャフト５７の回転数（回転速度）を算出することができる。
【００４７】
以上のように構成された電動補助自転車１において、人力によって、クランク１８Ｌ，１８Ｒが駆動方向（正転方向）に踏み込まれると、クランクシャフト１７に固定されている内輪２７が回転し、その回転はラチェット爪３５を介してラチェット歯３３に伝達される。そして、伝達プレート３０が回転させられて、この回転が圧縮コイルばね３２を介して駆動スプロケット２１に伝達されるが、駆動スプロケット２１にはトルクがかかっているので、伝達プレート３０のトルクは直ちに駆動スプロケット２１に伝達されない。まず、トルクに応じて圧縮コイルばね３２がたわみ、そのたわみ荷重とトルクがバランスしたところで、駆動スプロケット２１は回転する。こうして、伝達プレート３０及び駆動スプロケット２１は、トルクに対応した回転方向のずれを有した状態で回転し、チェーン２２を通じて後輪ＷＲに駆動力を与える。駆動スプロケット２１にかかるトルクは、運転者がクランク１８Ｌ，１８Ｒを踏む込む力、つまり踏力トルクとして検出される。
【００４８】
踏力検知装置のセンサ本体４３から突出している突起部３８は、伝達プレート３０とともに回転するので、この突起部３８を支持している踏力伝達リング９５（以下、外側リング４４に対応して、この踏力伝達リング９５を「内側リング９５」と呼ぶ）と、駆動スプロケット２１に固定されている外側リング４４との相対位置は踏力トルクに応じて決定される。この相対位置はセンサ本体４３で検知され、踏力検知のための制御装置（後述する）に供給される。
【００４９】
このセンサ本体４３を図１４及び図１５を用いて詳細に説明する。外側リング４４は電気絶縁性を有する材料で形成されており、この外側リング４４を駆動スプロケット２１に固定するためのボルトが貫通できるようボルト孔９６が３箇所に設けられている。外側リング４４の内周面に沿って第１誘導体９７Ａが配設され、さらに第１誘導体９７Ａに隣接して第２誘導体９７Ｂが配設されている。またさらに、第２誘導体９７Ｂに外周が沿うように内側リング９５が設けられている。第１誘導体９７Ａや第２誘導体９７Ｂは、アルミニウムや真鍮等の高導電率材料または軟磁性体材料からなり、後述する通り、それぞれ外側リング４４及び内側リング９５に係止されている。
【００５０】
第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂを挟んで２枚１組のリング状のコアプレート９８，９９が配設され、且つ、これらのコアプレート９８，９９の内周側にはコアカラー１００が配設される。コアプレート９８，９９及びコアカラー１００はソフトフェライト等の軟磁性材料からなる。コアカラー１００の外周にはコイル１０１が巻回されており、コアプレート９８，９９及びコアカラー１００、並びに第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂによって、コイル１０１に通電したときに生じる磁束が貫通して磁気回路が形成されるようになっている。コアプレート９８，９９及びコアカラー１００は、スリーブ４６及びこのスリーブ４６のめねじに適合するおねじを有するフランジ４７によって支持されている。また、スリーブ４６及びフランジ４７は支持パイプ５によって、回転が規制されている。
【００５１】
前述のコイル１０１に電流を供給するためのリード線１０４は、スリーブ４６を貫通して外部に引き出され後述する制御装置１１０に接続される。外側リング４４とスリーブ４６との間にはオイルシール１０５が設けられ、外側リング４４と内側リング９５との間、並びに内側リング９５とフランジ４７との間には、それぞれシール１０６，１０７が設けられている。内側リング９５から直角に突き出した突起部３８は、係止孔３９に係合可能なよう、カバー４８に設けられた開口４８Ａから外部に突出するように配設されている。
【００５２】
図１６は第１誘導体９７Ａの正面図であり、図１７は断面図である。第１誘導体９７Ａは全体がリング状であり、その内周には複数の歯１０８が形成されている。この歯１０８と同様の歯が第２誘導体９７Ｂにも設けられており、これらの歯が重なり合うことにより、コイル１０１によって生じる磁束が貫通する通路の一部を形成する。歯１０８の間の２箇所にはキャップ状の第１誘導体９７Ａの底部から外方に打ち出された突起部１０９Ａが形成されている。突起部１０９Ａは、第１誘導体９７Ａが外側リング４４と一体的に回転可能となるよう、外側リング４４に形成される凹部に嵌合するように設定されている。
【００５３】
図１８は第２誘導体９７Ｂの断面図である。第２誘導体９７Ｂは第１誘導体９７Ａと同様の形状をしている。しかし、外周は第１誘導体９７Ａより一回り小型に形成されている。さらに、図１８に示すように、第２誘導体９７Ｂは、キャップ状の第２誘導体９７Ｂの底部から内方に打ち出されている突起部１０９Ｂを有している。この突起部１０９Ｂは、第２誘導体９７Ｂに接する内側リング９５に設けられる凹部に嵌合するように設定されている。
【００５４】
図１９は、コイル１０１によって生じる磁束が貫通する通路を示す模式図であり、この図において、コイル１０１に通電されたときに生ずる磁束Φは、コアプレート９８，９９及びコアカラー１００、並びに第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂを含む磁気回路を形成する。このとき、磁束Φは、例えば、図１９にしめされているように指向している。ここで、コイル１０１のインダクタンスは磁束Φが通過する通路の抵抗、つまり、磁気回路抵抗の関数で表される。一方、実質的に第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂではその内周に設けられた歯（第１誘導体９７Ａでは歯１０８）を磁束Φが通過するので、第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂのそれぞれの歯の重なり量によってこの部分の磁気回路抵抗は決定される。
【００５５】
上述のように、外側リング４４と内側リング９５とは、踏力トルクに応じて互いにずれを生じ、これにともなって、第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂの相対位置にもずれが生じる。その結果、第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂのそれぞれの歯の重なり程度も踏力トルクに応じて変化する。
【００５６】
図２０は、踏力トルクの違いによる第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂが有するそれぞれの歯の重なり程度の違いを示す図である。これらの図から分かるように、踏力トルクが小さい場合には、第１誘導体９７Ａと第２誘導体９７Ｂの重なり具合が大きくなるため、第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂの歯でコアプレート９８，９９の間を通過する磁束を遮る割合が減少し、このため磁気回路抵抗が小さくなる。また、踏力トルクが大きい場合には、第１誘導体９７Ａと第２誘導体９７Ｂの重なり具合が小さくなるため、第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂの歯でコアプレート９８，９９の間を通過する磁束を遮る割合が増加し、このため磁気回路抵抗が大きくなる。
【００５７】
このように、踏力トルクに応じて磁束Φが通過する通路の抵抗を変化させられるので、この磁気回路抵抗の関数であるコイル１０１のインダクタンスを検知することにより、踏力トルクを検知することができる。
【００５８】
図２１に示す通り、コイル１０１のインダクタンスに基づいて踏力トルクを検知する制御装置１１０の発振回路１１１、ピークホールド回路１１２、及び抵抗１１３で、コイル１０１とともにこの制御装置１１０の要部を構成している。ピークホールド回路１１２の出力はＣＰＵ１１４で処理される。発振回路１１１は予定周波数の交流を出力する（図２１の点ａにおける波形を図２２（Ａ）に示す）。第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂのそれぞれの歯の重なり程度が大きい場合は、コイル１０１で生じた磁束Φの磁気回路抵抗は大きく、従って点ｂでの波形の振幅は大きくなる（図２１の点ｂにおいて、踏力の増加に伴う波形を図２２（Ｂ）に示す）。点ｂの振幅はピークホールド回路１１２でピークホールドされ、そのピークホールド値、つまり、点ｃでの値（図２２（Ｃ）参照）が踏力トルク値としてＣＰＵ１１４に入力される。
【００５９】
制御装置１１０には、補助動力ユニット１６を構成している電動モータ１５が負荷として接続され、電源としてバッテリＢが接続されている。
【００６０】
電動モータ１５のドライブ回路は、ＦＥＴ１１７、ダイオード１１８、コンデンサ１１９で構成されている。電動モータ１５のプラス端子には、接点１２０を通じてバッテリＢのプラス電極が接続され、マイナス端子にはＦＥＴ１１７を通じてバッテリＢのマイナス電極が接続される。
【００６１】
接点１２０はＣＰＵ１１４の指令に従ってコイル１２１に通電されることによってオン動作する。電動モータ１５に供給される電流は、ＣＰＵ１１４からＦＥＴ１１７のゲートに印可される電圧によって決定される。ＣＰＵ１１４は踏力値に対応する踏力トルク値／電圧テーブルを参照するか、予定の演算式に従って演算するかして、踏力トルク値に対応する電圧値を求め、その電圧をＦＥＴ２７のゲートに印可する。ＣＰＵ１１４に入力される踏力トルク値が増大するのにともなって、電動モータ１５の出力が増大するように、踏力トルク値／電圧テーブルあるいは演算式を設定するのが好ましい。
【００６２】
本実施形態によれば、例えば、組付精度のばらつきが生じて第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂ間においてコアプレート９８，９９の位置が軸方向にずれて、第１誘導体９７Ａ及びコアプレート９８間の距離が狭まったときは、第２誘導体９７Ｂ及びコアプレート９９間の距離は拡大する。これと逆に、第１誘導体９７Ａ及びコアプレート９８間の距離が拡がったときは、第２誘導体９７Ｂとコアプレート９９間の距離が縮小する。このように、一方の間隔の変化は他方の間隔の変化でキャンセルされることになり、全体として磁気回路抵抗は一定に維持される。
【００６３】
また、第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂ間において、コアプレート９８，９９の位置が半径方向にずれて、半径方向の一方で第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂとコアプレート９８，９９との重なりが大きくなったときは、半径方向の他方では第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂとコアプレート９８，９９の重なりが小さくなる。従って、一方で磁気回路抵抗が増大した分、他方で磁気回路抵抗が減少し、結果的に磁気回路抵抗は全体として一定に維持される。
【００６４】
なお、本発明に係る電動補助自転車１は、この電動補助自転車１が所定の速度以上で走行しているときは、踏力検出装置からの出力に拘わらずアシストユニットを停止させ、補助トルクを発生しないように制御するリミッタが設けられており、電動補助自転車１の走行速度を検出するために、上述した電動モータ１５の回転子位置検出器８７が検出したＮ極の検出信号を利用している。電動モータ１５の回転子８６に固定されている永久磁石９０のＮ極の個数はモータによって決まっているため（ここでは４極）、回転子位置検出器８７から出力されるＮ極の検出信号をカウントすることにより、電動モータ１５の回転数（回転速度）を得ることができる。
【００６５】
運転者がクランク１８Ｌ，１８Ｒを踏み込み、踏力トルクがかかっているときは、上述の通り、電動モータ１５が制御回路１１０により駆動されて、補助動力ユニット１６のアシストスプロケット２４からチェーン２２に補助トルクが加わっている。このとき、この補助動力ユニット１６を構成する第２ワンウェイクラッチ６５は繋がっているため、電動モータ１５のモータシャフト５７の回転とアシストスプロケット２４の回転は減速ギア列５６のギア比に比例している。よって、この場合、電動モータ１６のモータシャフト５７の回転数から電動補助自転車１の車速を求めることができる。
【００６６】
さらに運転者による踏力トルクがクランク１８Ｌ，１８Ｒに加わり、車速が増加して所定の速度を超えると、補助動力ユニット１６の電動モータ１５を停止して補助トルクが加わらないようにするが、第２ワンウェイクラッチ６５がスリップするためチェーン２２から補助動力ユニット１６へのトルクが加わることはないし、クランク１８Ｌ，１８Ｒによるクランクペダルの回転を補助動力ユニット１６が妨げることもない。
【００６７】
車速により補助トルクを制御するリミッタについては、上述の制御装置１１０に、電動モータ１５の回転子位置検出器８７の出力を渡して、ＣＰＵ１１４で車速を計算するとともに電動モータ１５を制御することで実現可能である。なお、図２１において、制御装置１１０は従来の整流子を有する直流モータを制御する場合を示しているが、上述したようなブラシレスの直流モータに対しても、この直流モータを制御するために、バッテリＢの出力から三相のパルス電圧を生成して電動モータ１５に印可する部分を付加することで対応可能である。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る電動補助自転車によれば、補助動力ユニットをリヤフォークの下方に配設するとともに、この動力ユニットの減速ギア機構を構成する大径ギアを覆う収納部材の突出部を左右一対のサポート部材の間に下方から挿入して配設することにより、この補助動力ユニットを取り付ける自転車のフレームに一般に使用されているものを採用することができ、製造コストの削減が可能となる。また、補助動力ユニットをリヤフォークの下方に配設するため、リヤフォーク上方でシートポスト後方の空間を有効利用することができ、ここにバッテリ収納箱や電装ボックス等を配設することが可能となる。さらに、重量物である補助動力ユニットを下方に配設することができるため、重心位置を低くして安定した走行を可能とするとともに、クランクペダルやチェーン、さらにはチェーンカバー等で補助動力ユニットを目立たなくすることが可能となる。
【００６９】
なお、補助動力ユニットの収納部材の突出部の上部が、側面視においてリヤフォークの上面とほぼ等しい位置に配設することにより、電動補助自転車の重心位置をさらに低くすることができ、安定した走行を可能とする。
【００７０】
また、補助動力ユニットが有する電動機のモータシャフトがクランクペダルの近傍に配設されるともに、この補助動力ニットが有する減速ギア機構の第１回転シャフトと電動機のモータシャフトとの位置が、側面視において地面と略水平になるように並んで配設することにより、補助動力ユニットの底面がある程度の地上高を確保することが可能であり、さらに、補助動力ユニットの補助動力伝達部に巻掛けられる巻掛電動部材の巻き付け角を確保することができる。
【００７１】
さらに、上記減速ギア機構が第２回転シャフトを有し、側面視において第２回転シャフトが第１回転シャフトの上方に配設されることにより、補助動力ユニットの底面の地上高を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動補助自転車の側面図である。
【図２】本発明に係る電動補助自転車の要部拡大図であり、図２（Ａ）はアシストユニットを取り付けた場合の側面図であり、図２（Ｂ）はアシストユニットを取り外した場合の側面図である。
【図３】本発明に係る電動補助自転車のクランクシャフト及び駆動スプロケット付近の断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】図２（Ａ）のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】図２（Ａ）のＶＩ−ＶＩ断面図である。
【図７】図２（Ａ）のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。
【図８】左ケーシング半体の側面図である。
【図９】右ケーシング半体の側面図である。
【図１０】電動モータの断面図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ断面図である。
【図１２】図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ断面図である。
【図１３】電動モータのステータコイルの配線図である。
【図１４】踏力検知装置のセンサ部分の要部断面図である。
【図１５】踏力検知装置のセンサ部分の正面図である。
【図１６】第１誘導体の正面図である。
【図１７】第１誘導体の断面図である。
【図１８】第２誘導体の断面図である。
【図１９】コイルによって生じる磁束が貫通する磁気回路を示す模式図である。
【図２０】第１誘導体と第２誘導体の重なり程度を示す図であり、（Ａ）は踏力トルクが小さいときの図であり、（Ｂ）踏力トルクが大きいときの図である。
【図２１】制御装置の踏力検知回路である。
【図２２】コイルの電圧と踏力の関係を示す図であり、（Ａ）は図２１のａ点における波形であり、（Ｂ）は図２１のｂ点における波形であり、（Ｂ）は図２１のｃ点におけるコイルの電圧と踏力の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 電動補助自転車
２ 車体フレーム
７ フロントフォーク
８ 操向ハンドル
９ リヤフォーク
９Ｌ，９Ｒ サポート部材
１５ 電動モータ（電動機）
１６ 補助動力ユニット
１７ クランクシャフト
１８Ｌ，１８Ｒ クランク
２１ 駆動スプロケット
２２ チェーン（巻掛伝動部材）
２３ 従動スプロケット
２４ アシストスプロケット（補助動力伝達部）
５０ ケーシング（収納部材）
５６ 減速ギア列（減速ギア機構）
５７ モータシャフト
５９ 第１回転シャフト
６４ 第２回転シャフト
８４ 突出部
ＷＦ 前輪
ＷＲ 後輪
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動補助自転車に関し、さらに詳細には、後輪を回転駆動すべく人力により回転操作されるクランクペダルと、このクランクペダルに作用する踏力トルクを前記後輪に伝達する回転伝達機構と、この回転伝達機構に補助トルクを付与する補助動力ユニットとを有する電動補助自転車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自転車に補助動力ユニットを装備し、人力によるクランクペダルからの踏力トルクと、補助動力ユニットからの補助トルクとの合力をチェーンに行わせる電動補助自転車において、この補助動力ユニットの回転出力を補助トルクとしてチェーンに付与するためには、チェーンが巻掛けられている部分に補助動力ユニットからの回転動力を印可する必要があり、シートポストやこのシートポストの後方にあるリヤフォークで補助動力ユニットを支持する必要がある。このため、例えば、補助動力ユニットをリヤフォークの下方に配設するために、このリヤフォークを通常よりも上方に配設してシートポストから後方に延びるように変形した車体フレームを利用して、補助動力ユニットを搭載したもの（例えば、特許文献１参照。）や、シートポスト後方でリヤフォークの上方に補助動力ユニットを搭載したもの（例えば、特許文献２）等がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−００２６０４号公報（第２図）
【特許文献２】
特開平１１−１０５７７４号公報（第３頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、車体フレームを変形させた場合、そのようなフレームを特別に準備する必要があるため電動補助自転車のコストが高くなるという課題があり、また、シートポストの後方で且つリアフレームの上方の位置に補助動力ユニットを配置すると、バッテリ収納箱や電装ボックスを他の位置に配置しなければならず、車体スペースの有効活用が難しくなるという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みたもので、一般に使用されている自転車フレームをそのまま使用可能とし、且つ、補助動力ユニットをリヤフォーク下方に配置することで、シートポスト後方の空間を有効利用可能とし、製造コストが安価な電動補助自転車を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的達成のため、本発明においては、車体フレームと、この車体フレームの前部に操舵可能に枢結された操舵フレーム（例えば、実施形態におけるフロントフォーク７及び操向ハンドル８）と、操舵フレームの下端に位置して回転自在に取り付けられた前輪と、車体フレームの後部に一体に繋がって後方に延びる左右一対のサポート部材からなるリヤフォークと、この左右一対のサポート部材の間に位置してリヤフォークに回転自在に取り付けられた後輪と、車体フレームに枢支されて回転自在に取りつけられたクランクペダルと、クランクペダルが踏まれてこのクランクペダルに作用する踏力トルクを後輪に伝達する回転伝達機構（例えば、実施形態における駆動スプロケット２１、従動スプロケット２３及びチェーン２２から構成されるチェーン機構）と、踏力トルクを補助して回転伝達機構に補助トルクを付与する補助動力ユニットとを有する電動補助自転車において、補助動力ユニットが、電動機（例えば、実施形態における電動モータ１５）と、この電動機からの回転出力を減速する減速ギア機構（例えば、実施形態における減速ギア列５６）と、減速ギア機構により減速された回転出力を補助トルクとして回転伝達機構に伝達する補助動力伝達部（例えば、実施形態におけるアシストスプロケット２４）と、少なくとも減速ギア機構を覆う収納部材（例えば、実施形態におけるケーシング５０）とを有し、補助動力ユニットがリヤフォークの下方に配設されるとともに、収納部材が減速ギア機構を構成する大径ギアを覆って外方に突出する突出部を有し、突出部が左右一対のサポート部材の間に配設されて構成される。
【０００７】
このような構成によると、補助動力ユニットを取り付ける自転車のフレームに一般に使用されているものを採用することができるため、製造コストの削減が可能となる。また、補助動力ユニットをリヤフォークの下方に配設するため、リヤフォークの上方でシートポスト後方の空間を有効利用することができ、ここにバッテリ収納箱や電装ボックス等を配設することが可能となる。さらに、重量物である補助動力ユニットを下方に配設することができるため、重心位置を低くして安定した走行を可能とするとともに、クランクペダルやチェーン、さらにはチェーンカバー等で補助動力ユニットを目立たなくすることが可能となる。
【０００８】
なお、収納部材の突出部の上部が、側面視においてリヤフォークの上面とほぼ等しい位置に配設されることが好ましく、このように構成することにより、電動補助自転車の重心位置をさらに低くすることができる。
【０００９】
また、減速ギア機構が、電動機のモータシャフトに平行に延びて収納部材に回転自在に配設された第１回転シャフトと、この第１回転シャフトに形成されてモータシャフトに形成された１次減速ドライブギアと噛合する１次減速ドリフンギアとを有し、電動機のモータシャフトがクランクペダルの近傍に配設されるとともに、モータシャフトと第１回転シャフトとが、側面視において地面に対して略水平に並んで配設されることが好ましく、このように構成することにより、補助動力ユニットの底面がある程度の地上高を確保しつつ、第２回転シャフトに形成された補助動力伝達部に回転伝達機構を構成する巻掛伝達部材（例えば、実施例におけるチェーン２２）の巻き付け角を確保することができる。
【００１０】
さらに、減速ギア機構が、第１回転シャフトと平行に延びて収納部材に回転自在に配設された第２回転シャフトと、第２回転シャフトに形成されて第１回転シャフトに形成された２次減速ドライブギアと噛合する２次減速ドリブンギアとを有し、側面視において、第２回転シャフトが第１回転シャフトの上方に配設されることが好ましく、このように構成することにより、補助動力ユニットの底面の地上高を確保することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。まず、本発明に係る電動補助自転車について図１及び図２を用いて説明する。なお、図２（Ａ）は本発明に係る電動補助自転車の要部を左方から見た側面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）において補助動力ユニット１６を取り外した場合の側面図である。但し、図２（Ｂ）において、後述するアシストスプロケット２４とアイドラ２５及びこのアイドラ２５を支持する支持部材８３の一部は図示している。
【００１２】
電動補助自転車１は車体フレーム２を有しており、この車体フレーム２は、その前部に位置し上下方向に延びるヘッドパイプ３と、ヘッドパイプ３から後方で且つ下方に延びるダウンパイプ４と、ダウンパイプ４の後端に固着されて左右に延びる支持パイプ５（図５参照）と、支持パイプ５から上方に立ち上がるシートパイプ６とから構成されている。ヘッドパイプ３には、下方に延びるフロントフォーク７が操舵可能に支承されており、このフロントフォーク７の下端に前輪ＷＦが軸支されている。また、フロントフォーク７の上端に一体に繋がって操向ハンドル８が設けられており、この操向ハンドル８を操作してフロントフォーク７に軸支された前輪ＷＦを操舵可能である。
【００１３】
支持パイプ５から後方側には、この支持パイプ５と一体に形成されて後方に地面と略平行に一直線に延びる左右一対のサポート部材９Ｌ，９Ｒを有するリヤフォーク９が配設されており、この左右一対のサポート部材９Ｌ，９Ｒの後端間に駆動輪として後輪ＷＲが軸支されている。さらに、シートパイプ６の上部と両サポート部材９Ｌ，９Ｒの後部との間には、左右一対のステー１０が配設されている。
【００１４】
シートパイプ６には、上端にシート１１を有するシートポスト１２がシート１１の上下位置を調整可能として装着されている。さらに、シートパイプ６の後側部には、バッテリＢを挿脱可能に収納するバッテリ収納箱１３と、電装ボックス１４が上下に並んで配設されている。そして、リヤフォーク９の下方に電装ボックス１４を介してバッテリＢからの電力が供給される補助トルクとしての電動モータ１５を有する補助動力ユニット１６が配設され、この補助動力ユニット１６は、支持パイプ５及びサポート部材９Ｌ，９Ｒで支持されている。
【００１５】
車体フレーム２の支持パイプ５には、この支持パイプ５を同軸に貫通するクランクシャフト１７が軸支されており、さらにこのクランクシャフト１７の左端及び右端に回転自在に配設されたペダルを有するクランク１８Ｌ，１８Ｒがそれぞれ固定的に連結されており、クランクシャフト１７、クランク１８Ｌ，１８Ｒ及びこのクランク１８Ｌ，１８Ｒに取り付けられたペダルでクランクペダルを構成している。よって、クランク１８Ｌ，１８Ｒが、電動補助自転車１に搭乗した運転者による踏力を受けてクランクシャフト１７を回転させることができ、このクランクシャフト１７は回転自在に車体フレーム２に支承されている。
【００１６】
クランクシャフト１７には、後述の動力伝達装置を介してクランクシャフト１７の回転が伝えられる駆動スプロケット２１が設けられ、駆動スプロケット２１の回転はチェーン２２を介して後輪ＷＲ側の従動スプロケット２３に伝達される。駆動スプロケット２１の後方には、補助動力ユニット１６からの補助トルクをチェーン２２に伝達するアシストスプロケット２４が設けられている。さらに、アシストスプロケット２４の後方には、このアシストスプロケット２４に対するチェーン２２の巻き付け角を大きく取るためアイドラ２５が設けられている。
【００１７】
なお、本実施例では、踏力トルク及び補助トルクを駆動スプロケット２１とアシストスプロケット２４からチェーン２２を介し従動スプロケット２３に伝達するチェーン機構を採用しているが、ベルト機構を用いて踏力トルク及び補助トルクを後輪ＷＲに伝達するようにしても良い。
【００１８】
次に、クランクシャフト１７に装着された動力伝達装置について図３及び図４を用いて説明する。ダウンパイプ４に固着された支持パイプ５の両端には蓋板１９Ｌ，１９Ｒが螺挿されていて、この蓋板１９Ｌ，１９Ｒとクランクシャフト１７に形成された段差との間にはボールベアリング２０Ｌ，２０Ｒがそれぞれ嵌挿されている。すなわち、ボールベアリング２０Ｌ，２０Ｒは、クランクシャフト１７にかかるスラスト方向及びラジアル方向の荷重を受けて支持パイプ５に対してクランクシャフト１７を回転自在に支承している。
【００１９】
クランクシャフト１７上には、第１ワンウェイクラッチ２６の内輪２７が固定されている。また、この内輪２７の外周には駆動スプロケット２１がブッシュ２７Ａを介して回転自在に支承されている。駆動スプロケット２１のスラスト方向の位置はナット２８Ａとプレート２８Ｂとによって規制されている。
【００２０】
駆動スプロケット２１には蓋体２９が一体的に設けられていて、これら駆動スプロケット２１と蓋体２９で囲まれた空間には、伝達プレート３０が配設されている。この伝達プレート３０は、駆動スプロケット２１に対して同軸で、且つ、クランクシャフト１７を軸とした回転方向では互いに予定量のずれが許容されるように支持されている。
【００２１】
駆動スプロケット２１及び伝達プレート３０にまたがって、複数（ここでは６個）の窓３１が形成されており、この窓３１の内側には圧縮コイルばね３２がそれぞれ収容されている。圧縮コイルばね３２は、駆動スプロケット２１及び伝達プレート３０の間で、互いに回転方向のずれが生じたときに、ずれに対する抗力を生ずるように作用する。
【００２２】
伝達プレート３０のハブの内周には、第１ワンウェイクラッチ２６の外輪としてのラチェット歯３３が形成されていて、このラチェット歯３３は内輪２７に支持されて放射方向にばね３４で付勢されているラチェット爪３５（ここでは３個）と係合する。この第１ワンウェイクラッチ２６には、防塵のためのカバー３６が設けられている。
【００２３】
このような第１ワンウェイクラッチ２６によれば、クランク１８Ｌ，１８Ｒを踏んでクランクシャフト１７を正転させると、ばね３４でラチェット爪３５がラチェット歯３３に付勢されているので、ラチェット爪３５がラチェット歯３３の谷の部分と噛合してクランク１８Ｌ，１８Ｒの踏力が伝達プレート３０に伝達されるが、クランク１８Ｌ，１８Ｒを踏んでクランクシャフト１７を逆転させたときや走行中に踏むのを止めたときは、ラチェット爪３５はラチェット歯３３の坂の部分でスリップして噛合せず、第１ワンウェイクラッチ２６がスリップするため、クランクシャフト１７の逆転を可能とし、また、伝達プレート３０からのトルクがクランク１８Ｌ，１８Ｒに伝わることもない。
【００２４】
伝達プレート３０には、後述する踏力伝達用の突起部３８が係合する係止孔３７が設けられている。駆動用スプロケット２１には、突起部３８を係止孔３７に係合可能とするための窓３９が設けられていて、突起部３８はこの窓３９を貫通して、係止孔３７に嵌合される。
【００２５】
駆動スプロケット２１及び伝達プレート３０に跨って、前述の窓３１とは別の複数（ここでは３個）の小窓４０が形成されており、この小窓４０の内側には圧縮コイルばね４１がそれぞれ収容されている。圧縮コイルばね４１は、伝達プレート３０をその回転方向４２側に付勢するように配設されている。すなわち、駆動スプロケット２１と伝達プレート３０との結合部のガタを吸収する方向に作用しており、伝達プレート３０の変位が駆動スプロケット２１へ良好な応答性で伝達されるように作用する。
【００２６】
従って、クランク１８Ｌ，１８Ｒが運転者により踏み込まれてクランクシャフト１７にかかる踏力トルクは、第１ワンウェイクラッチ２６を介して伝達プレート３０に伝達されるが、この踏力トルクは各圧縮コイルばね３２，４１を圧縮しつつ駆動スプロケット２１に伝達され、さらに、チェーン２２及び従動スプロケット２３を介して後輪ＷＲに伝達されることになり、また、後述する補助動力ユニット１６からアシストスプロケット２４に与えられる補助トルクは、チェーン２２及び従動スプロケット２３を介して後輪ＷＲに伝達される。なお、この補助動力ユニット１６からの補助トルクは、第１ワンウェイクラッチ２６の働きにより、クランク１８Ｌ，１８Ｒに伝達されることはない。
【００２７】
駆動スプロケット２１の車体寄り、つまり、ダウンパイプ４側には、踏力検知装置のセンサ部４３が装着されている。センサ部４３は、駆動スプロケット２１に固定された外側リング４４と、この外側リング４４に対して回転自在に設けられ、磁気回路を形成するためのセンサ本体４５とを有する。センサ本体４５及びその支持部材であるスリーブ４６、フランジ４７等については後述する。
【００２８】
外側リング４４は電気絶縁性を有する材料で形成されており、図示しないボルトで駆動スプロケット２１に固定される。
【００２９】
次に、図５〜９を用いて補助動力ユニット１６について説明する。補助動力ユニット１６のケーシング５０は、右ケーシング半体５１と、この右ケーシング半体５１との間に第１収納室５４を形成して右ケーシング半体５１と結合される左ケーシング半体５２と、この左ケーシング半体５２との間に第２収納室５５を形成して左ケーシング半体５２と結合されるカバー５３とから構成される。
【００３０】
ケーシング５０には、クランクシャフト１７の回転軸線と平行な回転軸線を有する電動モータ１５が取り付けられており、この電動モータ１５の回転出力は、クランク１８Ｌ，１８Ｒにかかる踏力トルクをアシストすべく減速ギヤ列５６を介してアシストスプロケット２４に伝達される。
【００３１】
ケーシング５０における左ケーシング半体５２には、カバー５３とは反対側に突出する嵌合筒部７４が一体に設けられており、電動モータ１５が備える有底円筒状のモータハウジング７５が、嵌合筒部７４に嵌合された状態で、複数（例えば３箇所）のボルトで左ケーシング半体５２のねじ孔７６に締結される。また、モータシャフト５７は、支持壁部７７を回転自在に貫通して第２収納室５５に突出されるものであり、支持壁部７７に接するモータハウジング７５とモータシャフト５７の間にはボールベアリング９１が介装されている。なお、モータハウジング７５は、例えば、モールド一体形成されている。
【００３２】
電動モータ１５の動力をアシストスプロケット２４に伝達するための減速ギア列５６の回転シャフトは、モータシャフト７５と平行な軸線を有する第１回転シャフト５９と、この第１回転シャフト５９と平行な軸線を有する第２回転シャフト６４とから構成されている。第１回転シャフト５９は、第１回転シャフト５９と左ケーシング半体５２との間にボールベアリング６９が介装され、右ケーシング半体５１と第１回転シャフト５９との間にボールベアリング７０が介装されており、回転自在に配設されている。また、第２回転シャフト６４は、左ケーシング半体５２と第２回転シャフト６４の間にボールベアリング７１が介装され、右ケーシング半体５１と第２回転シャフト６４との間にローラベアリング７２が介装されて回転自在に配設されている。
【００３３】
さらに、第２収納室５５内で電動モータ１５のモータシャフト５７に固着される１次減速ドライブギア５８と、第２収納室５５内で第１回転シャフト５９の一端にボルト６０で固着されて１次減速ドライブギア５８に噛合される１次減速ドリブンギア６１と、第１収納室５４内で第１回転シャフト５９に一体に形成される２次減速ドライブギア６２と、第１収納室５４内で第２回転シャフト６４に固着されて２次減速ドライブギア６２と噛合される２次減速ドリブンギア６３と、２次減速ドリブンギア６３と第２回転シャフト６４との間に設けられる第２ワンウェイクラッチ６５とを備え、第２回転シャフト６４の右ケーシング半体５１から外方へ突出する突出部にアシストスプロケット２４が固着される。なお、右ケーシング半体５１から第２回転シャフト６４が突出する部分にシール部材６６が設けられている。また、１次減速ドリブンギア６１の２次減速ドライブギア６２側の面には、この１次減速ドリブンギア６１を補強するために、環状の補強板６７がボルト６８で締結されている。
【００３４】
なお、カバー４８の内側（第２収納室５５側）には複数のリブ７３が形成されており、このカバー４８の剛性を向上させることができる。また、カバー４８は、形成型に樹脂材を流し込むことによって形成されるが、カバー４８の内側形状を上記のようにすることにより、カバー４８の製造時における樹脂材の回りを向上させることができる。
【００３５】
このような減速ギア列５６では、電動モータ１５の作動に伴う回転が減速されてアシストスプロケット２４に伝達されるが、電動モータ１５の作動が停止したときや、アシストスプロケット２４の回転よりも駆動スプロケット２１の回転の方が早い場合には、第２ワンウェイクラッチ６５の働きにより第２回転シャフト６４の空転が許容され、クランク１８Ｌ，１８Ｒからの踏力トルクによるアシストスプロケット２４の回転が妨げられることはない。
【００３６】
ところで、補助動力ユニット１６は、リヤフォーク９の下方に支持パイプ５及びサポート部材９Ｌ，９Ｒで支持されて配設されており、このとき、クランクシャフト１７よりもやや後方で下方であるクランクペダルの近傍にモータシャフト５７が位置し、また、モータシャフト５７と第１回転シャフト５９が側面視において地面と略平行になるように並んで位置している。さらに、第２回転シャフト６４が第１回転シャフト５９より上方に位置しており、この第２回転シャフト６４に固着されている２次減速ドリブンギア６３を覆うケーシング５０の部分を突出させて突出部８４を形成し、この突出部８４が後輪ＷＲの前方で且つ左右一対のサポート部材９Ｌ，９Ｒの間に下方から挿入されるように補助動力ユニット１６が配置されている。
【００３７】
このとき、支持パイプ５に固着されたブラケット７９に、左ケーシング半体５２の前方上部の上方に***するように設けられたハンガー部８０がボルト及びナットで締結され、また、左右一対のサポート部材９Ｌ，９Ｒに固着されたブラケット８１Ｌ，８１Ｒの間に後方上部の上方に***するように設けられたハンガー部８２が挟まれて、ボルト及びナットで締結されている（ハンガー部８０，８２及び補助動力ユニット１６の電動補助自転車１への取り付け状態については、図２（Ａ）に図示）。また、ケーシング５０の突出部８４の上部が、平面視において、リヤフォーク９の上面とほぼ同じ位置になるように配設されている。
【００３８】
さらに、右ケーシング半体５１から第２回転シャフト６４が突出する部分には後方に向かって延びる支持部材８３が形成されており、この支持部材８３の先端にアイドラ２５が回転自在に軸支されており、右ケーシング半体５１とアイドラ２５は一体に形成されている。
【００３９】
以上説明したようにケーシング５０の突出部８４は、２次減速ドリブンギア６３に対向する部分だけを覆うように突出させれば良いため、前後に細長く延びた形状となる。よって、一般に使用されている自転車のフレームを使用しても、リヤフォークを構成する左右一対のサポート部材の間に下からこの突出部を挿入して補助動力ユニット１６を配設することが可能であり、特殊なフレームを用意する必要が無く製造コストの削減を可能とする。また、重量物である補助動力ユニット１６を車体フレーム２の下部に配設することにより、重心位置を低くすることができ走行時の安定性を向上させることができる。さらに、リヤフォーク９の上方で且つシートポスト１２の後方の空間に補助動力ユニット１６が配設されないため、この空間を有効利用することが可能であり、本実施例で説明したように、バッテリ収納箱１３や電装ボックス１４等を配設することが可能となる。
【００４０】
さらに、補助動力ユニット１６の配設位置が、駆動スプロケット２１やその駆動スプロケット２１に巻掛けられているチェーン２２の近傍であるため、この補助動力ユニット１６の存在感を目立たなくすることができ、特に、チェーンカバーで覆えば、より目立たなくすることができる。
【００４１】
また、モータシャフト５７と第１回転シャフト５９を地面に平行になるように並んで配設し、さらに第２回転シャフト６４を第１回転シャフト５９の上方になるように配設することにより、補助動力ユニット１６の底面の地上高を確保でき、さらに、第２回転シャフト６４に固着されているアシストスプロケット２４に対するチェーン２２の巻付け角をある程度確保することができる。
【００４２】
次に、この補助動力ユニット１６を構成している電動モータ１５について、図１０〜１３を用いて説明する。電動モータ１５は直流電源によって駆動される直流ブラシレスモータであり、モータシャフト５７と、モータシャフト５７を囲むように配設されたステータ８５と、モータシャフト５７に固定された回転子８６と、この回転子の位置を検出する回転子位置検出器８７とを有しており、モータハウジング７５で全体が覆われている。
【００４３】
ステータ８５は、ステータコア８８にステータコイル８９が巻き付けられて構成されており、モータハウジング７５の内周面に沿って複数（ここでは９個）が配設されている。また、回転子８６は、上述のステータ８８と対向するように複数（ここでは、８個）の永久磁石９０が配設されており、この永久磁石９０のステータ８８と対向する面の磁極が、Ｎ極、Ｓ極交互になるように配設されている。このとき、ステータ８８と回転子８６の間には一定間隔の空隙が形成されている。
【００４４】
なお、モータシャフト５７とモータハウジング７５の間にボールベアリング９１，９２が介装されてこのモータシャフト５７を軸支している。また、モータハウジング７５の側面で、モータシャフト５７が突出する側には、複数（ここでは３個）のブラケット９３が形成されており、このブラケット９３の貫通孔にボルトを通して上述のケーシング５０に電動モータ１５を固定する。また、回転子位置検出器８７は回転子８６の上面と平行に所定の空隙を有して配設されており、この回転子位置検出器８７が有するホール素子で、回転子位置検出器８７の下方に移動してきた回転子８６のＮ極を検出する。
【００４５】
ステータ８５に巻き付けられたステータコイル８９は、図１３に示すような順序で電気的に接続されており、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の入力端子９４を有している。この入力端子９４に印可される電圧は、電装ボックス１４が有する制御装置で制御されてバッテリＢから供給されており、入力端子９４に位相が１２０度ずつ異なるパルス電圧を印可すると、複数のステータ７５の磁極がＮ極、Ｓ極交互に現れ、且つ、このパルスの周波数に応じてステータ７５の磁極が移動する。よって、回転子位置検出器８７で検出した回転子８６を構成する永久磁石９０の位置を電装ボックス１４で得て、この永久磁石９０の位置により、ステータ７５に印可するパルス電圧を調整することにより、モータシャフト５７を回転させることができる。さらに、この入力端子９４に印可するパルス電圧のパルス幅を制御するＰＷＭ制御により回転子８６の回転速度（モータの出力）を制御することが可能である。
【００４６】
なお、この回転子位置検出器８７は、この回転子位置検出器８７の下方に移動してきた永久磁石９０のＮ極を検出しているため、この回数をカウントすることにより、このＮ極の検出信号の回数からモータシャフト５７の回転数（回転速度）を算出することができる。
【００４７】
以上のように構成された電動補助自転車１において、人力によって、クランク１８Ｌ，１８Ｒが駆動方向（正転方向）に踏み込まれると、クランクシャフト１７に固定されている内輪２７が回転し、その回転はラチェット爪３５を介してラチェット歯３３に伝達される。そして、伝達プレート３０が回転させられて、この回転が圧縮コイルばね３２を介して駆動スプロケット２１に伝達されるが、駆動スプロケット２１にはトルクがかかっているので、伝達プレート３０のトルクは直ちに駆動スプロケット２１に伝達されない。まず、トルクに応じて圧縮コイルばね３２がたわみ、そのたわみ荷重とトルクがバランスしたところで、駆動スプロケット２１は回転する。こうして、伝達プレート３０及び駆動スプロケット２１は、トルクに対応した回転方向のずれを有した状態で回転し、チェーン２２を通じて後輪ＷＲに駆動力を与える。駆動スプロケット２１にかかるトルクは、運転者がクランク１８Ｌ，１８Ｒを踏む込む力、つまり踏力トルクとして検出される。
【００４８】
踏力検知装置のセンサ本体４３から突出している突起部３８は、伝達プレート３０とともに回転するので、この突起部３８を支持している踏力伝達リング９５（以下、外側リング４４に対応して、この踏力伝達リング９５を「内側リング９５」と呼ぶ）と、駆動スプロケット２１に固定されている外側リング４４との相対位置は踏力トルクに応じて決定される。この相対位置はセンサ本体４３で検知され、踏力検知のための制御装置（後述する）に供給される。
【００４９】
このセンサ本体４３を図１４及び図１５を用いて詳細に説明する。外側リング４４は電気絶縁性を有する材料で形成されており、この外側リング４４を駆動スプロケット２１に固定するためのボルトが貫通できるようボルト孔９６が３箇所に設けられている。外側リング４４の内周面に沿って第１誘導体９７Ａが配設され、さらに第１誘導体９７Ａに隣接して第２誘導体９７Ｂが配設されている。またさらに、第２誘導体９７Ｂに外周が沿うように内側リング９５が設けられている。第１誘導体９７Ａや第２誘導体９７Ｂは、アルミニウムや真鍮等の高導電率材料または軟磁性体材料からなり、後述する通り、それぞれ外側リング４４及び内側リング９５に係止されている。
【００５０】
第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂを挟んで２枚１組のリング状のコアプレート９８，９９が配設され、且つ、これらのコアプレート９８，９９の内周側にはコアカラー１００が配設される。コアプレート９８，９９及びコアカラー１００はソフトフェライト等の軟磁性材料からなる。コアカラー１００の外周にはコイル１０１が巻回されており、コアプレート９８，９９及びコアカラー１００、並びに第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂによって、コイル１０１に通電したときに生じる磁束が貫通して磁気回路が形成されるようになっている。コアプレート９８，９９及びコアカラー１００は、スリーブ４６及びこのスリーブ４６のめねじに適合するおねじを有するフランジ４７によって支持されている。また、スリーブ４６及びフランジ４７は支持パイプ５によって、回転が規制されている。
【００５１】
前述のコイル１０１に電流を供給するためのリード線１０４は、スリーブ４６を貫通して外部に引き出され後述する制御装置１１０に接続される。外側リング４４とスリーブ４６との間にはオイルシール１０５が設けられ、外側リング４４と内側リング９５との間、並びに内側リング９５とフランジ４７との間には、それぞれシール１０６，１０７が設けられている。内側リング９５から直角に突き出した突起部３８は、係止孔３９に係合可能なよう、カバー４８に設けられた開口４８Ａから外部に突出するように配設されている。
【００５２】
図１６は第１誘導体９７Ａの正面図であり、図１７は断面図である。第１誘導体９７Ａは全体がリング状であり、その内周には複数の歯１０８が形成されている。この歯１０８と同様の歯が第２誘導体９７Ｂにも設けられており、これらの歯が重なり合うことにより、コイル１０１によって生じる磁束が貫通する通路の一部を形成する。歯１０８の間の２箇所にはキャップ状の第１誘導体９７Ａの底部から外方に打ち出された突起部１０９Ａが形成されている。突起部１０９Ａは、第１誘導体９７Ａが外側リング４４と一体的に回転可能となるよう、外側リング４４に形成される凹部に嵌合するように設定されている。
【００５３】
図１８は第２誘導体９７Ｂの断面図である。第２誘導体９７Ｂは第１誘導体９７Ａと同様の形状をしている。しかし、外周は第１誘導体９７Ａより一回り小型に形成されている。さらに、図１８に示すように、第２誘導体９７Ｂは、キャップ状の第２誘導体９７Ｂの底部から内方に打ち出されている突起部１０９Ｂを有している。この突起部１０９Ｂは、第２誘導体９７Ｂに接する内側リング９５に設けられる凹部に嵌合するように設定されている。
【００５４】
図１９は、コイル１０１によって生じる磁束が貫通する通路を示す模式図であり、この図において、コイル１０１に通電されたときに生ずる磁束Φは、コアプレート９８，９９及びコアカラー１００、並びに第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂを含む磁気回路を形成する。このとき、磁束Φは、例えば、図１９にしめされているように指向している。ここで、コイル１０１のインダクタンスは磁束Φが通過する通路の抵抗、つまり、磁気回路抵抗の関数で表される。一方、実質的に第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂではその内周に設けられた歯（第１誘導体９７Ａでは歯１０８）を磁束Φが通過するので、第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂのそれぞれの歯の重なり量によってこの部分の磁気回路抵抗は決定される。
【００５５】
上述のように、外側リング４４と内側リング９５とは、踏力トルクに応じて互いにずれを生じ、これにともなって、第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂの相対位置にもずれが生じる。その結果、第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂのそれぞれの歯の重なり程度も踏力トルクに応じて変化する。
【００５６】
図２０は、踏力トルクの違いによる第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂが有するそれぞれの歯の重なり程度の違いを示す図である。これらの図から分かるように、踏力トルクが小さい場合には、第１誘導体９７Ａと第２誘導体９７Ｂの重なり具合が大きくなるため、第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂの歯でコアプレート９８，９９の間を通過する磁束を遮る割合が減少し、このため磁気回路抵抗が小さくなる。また、踏力トルクが大きい場合には、第１誘導体９７Ａと第２誘導体９７Ｂの重なり具合が小さくなるため、第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂの歯でコアプレート９８，９９の間を通過する磁束を遮る割合が増加し、このため磁気回路抵抗が大きくなる。
【００５７】
このように、踏力トルクに応じて磁束Φが通過する通路の抵抗を変化させられるので、この磁気回路抵抗の関数であるコイル１０１のインダクタンスを検知することにより、踏力トルクを検知することができる。
【００５８】
図２１に示す通り、コイル１０１のインダクタンスに基づいて踏力トルクを検知する制御装置１１０の発振回路１１１、ピークホールド回路１１２、及び抵抗１１３で、コイル１０１とともにこの制御装置１１０の要部を構成している。ピークホールド回路１１２の出力はＣＰＵ１１４で処理される。発振回路１１１は予定周波数の交流を出力する（図２１の点ａにおける波形を図２２（Ａ）に示す）。第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂのそれぞれの歯の重なり程度が大きい場合は、コイル１０１で生じた磁束Φの磁気回路抵抗は大きく、従って点ｂでの波形の振幅は大きくなる（図２１の点ｂにおいて、踏力の増加に伴う波形を図２２（Ｂ）に示す）。点ｂの振幅はピークホールド回路１１２でピークホールドされ、そのピークホールド値、つまり、点ｃでの値（図２２（Ｃ）参照）が踏力トルク値としてＣＰＵ１１４に入力される。
【００５９】
制御装置１１０には、補助動力ユニット１６を構成している電動モータ１５が負荷として接続され、電源としてバッテリＢが接続されている。
【００６０】
電動モータ１５のドライブ回路は、ＦＥＴ１１７、ダイオード１１８、コンデンサ１１９で構成されている。電動モータ１５のプラス端子には、接点１２０を通じてバッテリＢのプラス電極が接続され、マイナス端子にはＦＥＴ１１７を通じてバッテリＢのマイナス電極が接続される。
【００６１】
接点１２０はＣＰＵ１１４の指令に従ってコイル１２１に通電されることによってオン動作する。電動モータ１５に供給される電流は、ＣＰＵ１１４からＦＥＴ１１７のゲートに印可される電圧によって決定される。ＣＰＵ１１４は踏力値に対応する踏力トルク値／電圧テーブルを参照するか、予定の演算式に従って演算するかして、踏力トルク値に対応する電圧値を求め、その電圧をＦＥＴ２７のゲートに印可する。ＣＰＵ１１４に入力される踏力トルク値が増大するのにともなって、電動モータ１５の出力が増大するように、踏力トルク値／電圧テーブルあるいは演算式を設定するのが好ましい。
【００６２】
本実施形態によれば、例えば、組付精度のばらつきが生じて第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂ間においてコアプレート９８，９９の位置が軸方向にずれて、第１誘導体９７Ａ及びコアプレート９８間の距離が狭まったときは、第２誘導体９７Ｂ及びコアプレート９９間の距離は拡大する。これと逆に、第１誘導体９７Ａ及びコアプレート９８間の距離が拡がったときは、第２誘導体９７Ｂとコアプレート９９間の距離が縮小する。このように、一方の間隔の変化は他方の間隔の変化でキャンセルされることになり、全体として磁気回路抵抗は一定に維持される。
【００６３】
また、第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂ間において、コアプレート９８，９９の位置が半径方向にずれて、半径方向の一方で第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂとコアプレート９８，９９との重なりが大きくなったときは、半径方向の他方では第１誘導体９７Ａ及び第２誘導体９７Ｂとコアプレート９８，９９の重なりが小さくなる。従って、一方で磁気回路抵抗が増大した分、他方で磁気回路抵抗が減少し、結果的に磁気回路抵抗は全体として一定に維持される。
【００６４】
なお、本発明に係る電動補助自転車１は、この電動補助自転車１が所定の速度以上で走行しているときは、踏力検出装置からの出力に拘わらずアシストユニットを停止させ、補助トルクを発生しないように制御するリミッタが設けられており、電動補助自転車１の走行速度を検出するために、上述した電動モータ１５の回転子位置検出器８７が検出したＮ極の検出信号を利用している。電動モータ１５の回転子８６に固定されている永久磁石９０のＮ極の個数はモータによって決まっているため（ここでは４極）、回転子位置検出器８７から出力されるＮ極の検出信号をカウントすることにより、電動モータ１５の回転数（回転速度）を得ることができる。
【００６５】
運転者がクランク１８Ｌ，１８Ｒを踏み込み、踏力トルクがかかっているときは、上述の通り、電動モータ１５が制御回路１１０により駆動されて、補助動力ユニット１６のアシストスプロケット２４からチェーン２２に補助トルクが加わっている。このとき、この補助動力ユニット１６を構成する第２ワンウェイクラッチ６５は繋がっているため、電動モータ１５のモータシャフト５７の回転とアシストスプロケット２４の回転は減速ギア列５６のギア比に比例している。よって、この場合、電動モータ１６のモータシャフト５７の回転数から電動補助自転車１の車速を求めることができる。
【００６６】
さらに運転者による踏力トルクがクランク１８Ｌ，１８Ｒに加わり、車速が増加して所定の速度を超えると、補助動力ユニット１６の電動モータ１５を停止して補助トルクが加わらないようにするが、第２ワンウェイクラッチ６５がスリップするためチェーン２２から補助動力ユニット１６へのトルクが加わることはないし、クランク１８Ｌ，１８Ｒによるクランクペダルの回転を補助動力ユニット１６が妨げることもない。
【００６７】
車速により補助トルクを制御するリミッタについては、上述の制御装置１１０に、電動モータ１５の回転子位置検出器８７の出力を渡して、ＣＰＵ１１４で車速を計算するとともに電動モータ１５を制御することで実現可能である。なお、図２１において、制御装置１１０は従来の整流子を有する直流モータを制御する場合を示しているが、上述したようなブラシレスの直流モータに対しても、この直流モータを制御するために、バッテリＢの出力から三相のパルス電圧を生成して電動モータ１５に印可する部分を付加することで対応可能である。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る電動補助自転車によれば、補助動力ユニットをリヤフォークの下方に配設するとともに、この動力ユニットの減速ギア機構を構成する大径ギアを覆う収納部材の突出部を左右一対のサポート部材の間に下方から挿入して配設することにより、この補助動力ユニットを取り付ける自転車のフレームに一般に使用されているものを採用することができ、製造コストの削減が可能となる。また、補助動力ユニットをリヤフォークの下方に配設するため、リヤフォーク上方でシートポスト後方の空間を有効利用することができ、ここにバッテリ収納箱や電装ボックス等を配設することが可能となる。さらに、重量物である補助動力ユニットを下方に配設することができるため、重心位置を低くして安定した走行を可能とするとともに、クランクペダルやチェーン、さらにはチェーンカバー等で補助動力ユニットを目立たなくすることが可能となる。
【００６９】
なお、補助動力ユニットの収納部材の突出部の上部が、側面視においてリヤフォークの上面とほぼ等しい位置に配設することにより、電動補助自転車の重心位置をさらに低くすることができ、安定した走行を可能とする。
【００７０】
また、補助動力ユニットが有する電動機のモータシャフトがクランクペダルの近傍に配設されるともに、この補助動力ニットが有する減速ギア機構の第１回転シャフトと電動機のモータシャフトとの位置が、側面視において地面と略水平になるように並んで配設することにより、補助動力ユニットの底面がある程度の地上高を確保することが可能であり、さらに、補助動力ユニットの補助動力伝達部に巻掛けられる巻掛電動部材の巻き付け角を確保することができる。
【００７１】
さらに、上記減速ギア機構が第２回転シャフトを有し、側面視において第２回転シャフトが第１回転シャフトの上方に配設されることにより、補助動力ユニットの底面の地上高を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動補助自転車の側面図である。
【図２】本発明に係る電動補助自転車の要部拡大図であり、図２（Ａ）はアシストユニットを取り付けた場合の側面図であり、図２（Ｂ）はアシストユニットを取り外した場合の側面図である。
【図３】本発明に係る電動補助自転車のクランクシャフト及び駆動スプロケット付近の断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】図２（Ａ）のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】図２（Ａ）のＶＩ−ＶＩ断面図である。
【図７】図２（Ａ）のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。
【図８】左ケーシング半体の側面図である。
【図９】右ケーシング半体の側面図である。
【図１０】電動モータの断面図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ断面図である。
【図１２】図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ断面図である。
【図１３】電動モータのステータコイルの配線図である。
【図１４】踏力検知装置のセンサ部分の要部断面図である。
【図１５】踏力検知装置のセンサ部分の正面図である。
【図１６】第１誘導体の正面図である。
【図１７】第１誘導体の断面図である。
【図１８】第２誘導体の断面図である。
【図１９】コイルによって生じる磁束が貫通する磁気回路を示す模式図である。
【図２０】第１誘導体と第２誘導体の重なり程度を示す図であり、（Ａ）は踏力トルクが小さいときの図であり、（Ｂ）踏力トルクが大きいときの図である。
【図２１】制御装置の踏力検知回路である。
【図２２】コイルの電圧と踏力の関係を示す図であり、（Ａ）は図２１のａ点における波形であり、（Ｂ）は図２１のｂ点における波形であり、（Ｂ）は図２１のｃ点におけるコイルの電圧と踏力の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 電動補助自転車
２ 車体フレーム
７ フロントフォーク
８ 操向ハンドル
９ リヤフォーク
９Ｌ，９Ｒ サポート部材
１５ 電動モータ（電動機）
１６ 補助動力ユニット
１７ クランクシャフト
１８Ｌ，１８Ｒ クランク
２１ 駆動スプロケット
２２ チェーン（巻掛伝動部材）
２３ 従動スプロケット
２４ アシストスプロケット（補助動力伝達部）
５０ ケーシング（収納部材）
５６ 減速ギア列（減速ギア機構）
５７ モータシャフト
５９ 第１回転シャフト
６４ 第２回転シャフト
８４ 突出部
ＷＦ 前輪
ＷＲ 後輪
Claims (4)
- 車体フレームと、前記車体フレームの前部に操舵可能に枢結された操舵フレームと、前記操舵フレームの下端に位置して回転自在に取り付けられた前輪と、前記車体フレームの後部に一体に繋がって後方に延びる左右一対のサポート部材からなるリヤフォークと、前記左右一対のサポート部材の間に位置して前記リヤフォークに回転自在に取り付けられた後輪と、前記車体フレームに枢支されて回転自在に取りつけられたクランクペダルと、前記クランクペダルが踏まれて前記クランクペダルに作用する踏力トルクを前記後輪に伝達する回転伝達機構と、前記踏力トルクを補助して前記回転伝達機構に補助トルクを付与する補助動力ユニットとを有する電動補助自転車において、
前記補助動力ユニットが、電動機と、前記電動機からの回転出力を減速する減速ギア機構と、前記減速ギア機構により減速された回転出力を前記補助トルクとして前記回転伝達機構に伝達する補助動力伝達部と、少なくとも前記減速ギア機構を覆う収納部材とを有し、
前記補助動力ユニットが前記リヤフォークの下方に配設されるとともに、前記収納部材が前記減速ギア機構を構成する大径ギアを覆って外方に突出する突出部を有し、前記突出部が前記左右一対のサポート部材の間に配設されることを特徴とする電動補助自転車。 - 前記突出部の上部が、側面視において前記リヤフォークの上面とほぼ等しい位置に配設されることを特徴とする請求項１に記載の電動補助自転車。
- 前記減速ギア機構が、前記電動機のモータシャフトに平行に延びて前記収納部材に回転自在に配設された第１回転シャフトと、前記第１回転シャフトに形成されて前記モータシャフトに形成された１次減速ドライブギアと噛合する１次減速ドリフンギアとを有し、
前記電動機のモータシャフトが前記クランクペダルの近傍に配設されるとともに、前記モータシャフトと前記第１回転シャフトとが、側面視において地面に対して略水平に並んで配設されることを特徴とする請求項１または２に記載の電動補助自転車。 - 前記減速ギア機構が、前記第１回転シャフトと平行に延びて前記収納部材に回転自在に配設された第２回転シャフトと、前記第２回転シャフトに形成されて前記第１回転シャフトに形成された２次減速ドライブギアと噛合する２次減速ドリブンギアとを有し、
側面視において、前記第２回転シャフトが前記第１回転シャフトの上方に配設されることを特徴とする請求項３に記載の電動補助自転車。
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