JP2006188160A - 電動アシスト式自転車と位置検出用磁石の着磁方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動アシスト式自転車では、アシスト性能を向上し、安定した制御を実行するためには、精度のよいトルク検出と組み立て容易な撓み継ぎ手が要望されている。
【解決手段】先端部が開口し、且つ両端に捩れの有するスプリングを、その各端に面圧が掛からないように取り付けられた切込み形状の固定部材を介してアダプタとホイールに固着する。また、アダプタとホイールにそれぞれ固着されるセンサリングをアダプタに与圧を加えながら一体着磁することでトルク検出原点としたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、人力駆動力と電動駆動力とを併せ持った電動アシスト式自転車に係り、特に自転車に装着する撓み継ぎ手と位置検出用磁石の着磁方法に関するものである。

電動アシスト式自転車は２つの駆動力を備えており、その一つは人力によるペダルからの駆動力をチェーン及びケーシングの回転側を介して車輪を回転させる駆動力と、他の一つは、ペダルにかかるトルクを検出し、そのトルクに対応した大きさのトルクでモータを回転し、減速機構を介して車輪を駆動するように構成されている。このような電動アシスト式自転車としては、例えば、特許文献１が知られている。この特許文献１のものは、駆動部にモータを配設することに伴ない、その構成の小型軽量化を図ることを目的として駆動モータを高速化し、ギヤーやプーリにより減速して必要とするトルクを得るようにしている。

従来の電動アシスト式自転車は、後輪部に減速機構を設けているため品取位置が大きくなって軽量小型化の阻害要因となっており、且つ通常の自転車の基本構造を大幅に変更する必要が生じてコスト高となっている。また、走行途中において駆動モータ用バッテリーの充電電圧がなくなった場合には、走行に必要な人力駆動力が大きくなって疲労が発生する。更に、駆動モータとしてブラシを有したモータを採用しているため、モータと走行タイヤ間の伝達効率が低く、回生制動してもモータ及び伝達機構の損失で制動エネルギーが吸収されてしまい、バッテリーを充電することができなくなる等の問題を有している。

特許文献１の問題点を解決する手段として、特許文献２が公知となっている。この特許文献２のものは、ペダルからチェーンを介して伝達される人力駆動力に比例したトルクで制御するモータをアウターロータ型のＤＣブラシレスモータとし、ギヤーレスで人力伝達機構と結合させ、この伝達機構に生じる捩れトルクで人力駆動力を検出するようにしたものである。
特開平１０−３２４２８８号公報 特開２００２−４６６８５号公報

特許文献２のように、人のペダル踏力を後輪タイヤに伝えるトルク伝達路としての人力伝達機構は、そこに生じるトルクを検出するためには変位するもでなければならず、且つ機械的な強度と撓みが必要とされ、モータの制御や自転車の乗り心地に影響を与える撓み継ぎ手が、従来においては、組み立て簡単な構造で適切な性能を有するものがなかった。また、ペダル踏力を検出する磁石は、トルク検出の原点がバラツクことによって、アシストモータの設定トルクが定まらず制御性能が不安定となっていた。

そこで、本発明が目的とするところは、トルクの検出精度がよく、取り付け簡単な撓み継ぎ手とその位置検出用磁石の着磁方法を提供することにある。

本発明の第１は、人力駆動力と永久磁石よりなる電動駆動力とを併せ持った電動アシスト自転車であって，人力によって得られるトルクを撓み継ぎ手を介して回転部に伝達するものにおいて、
前記撓み継ぎ手を、先端部が開口し且つ捩れの有するリング状のスプリングと、このスプリングの厚みより大きい切込み部を有し、この切込み部にスプリグの各先端がそれぞれ間隙を有して取り付けられる２個の固定部材とで構成したことを特徴としたものである。

本発明の第２は、前記２個の固定部材の切込み部は段差状に形成され、前記スプリングの各先端はこの段差形状の段差部にそれぞれ間隙を有して取り付けられることを特徴としたものである。

本発明の第３は、前記撓み継ぎ手は、ペダルの踏力を伝達するスプロケットと一体的に構成されたアダプタと、回転部であるホイール間に配設し、アダプタとホイールには位置検出用の磁石となるセンサリングをそれぞれ配設したことを特徴としたものである。

本発明の第４は、前記スプリングは、０．８ターン程度のリング状スプリングよりなることを特徴としたものである。

本発明の第５は、前記２個の固定部材は、その一つは切込み部のない部分をアダプタに固着し、他の一つは切込み部のない部分をホイールに固着し、各固定部材の切込み部にはそれぞれスプリングの一端を面圧のかからないフリーな状態となるよう間隙を設けて取り付けたことを特徴としたものである。

本発明の第６は、人力駆動力と永久磁石よりなる電動駆動力とを併せ持った電動アシスト式自転車であって、人力によって得られるトルクをペダル、アダプタ及び撓み継ぎ手を介して回転部のホイールに伝達するものにおいて、
前記アダプタとホイールにそれぞれセンサリングを配設し、各センサリングはアダプタに与圧を加えた状態で一体着磁することを特徴としたものである。

本発明の第７は、前記与圧は、ペダル踏力のトルク検出原点となる圧力であるあることを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、撓み継ぎ手を構成するスプリングと固定部材間において、残留与圧が生じないようフリー状態で取り付けたものであるから、ペダル踏力により撓むヒステリシスが非常に小さくなり、検出精度が向上してアシスト率の制御性能が高まるものである。また、ペダル踏力を検出する２個の磁石は、ペダル踏力方向にトルク検出の原点にまで与圧を加えてから両者一体着磁したことで、トルク検出はバラツクことなく常に原点より検出できるため、更にアシスト率の制御性能が向上するものである。

図１は本発明が使用される駆動部の構成図を示したもので、１は車軸、２は車軸に嵌合されたベアリングで、その外側にはアダプタ３を介して一体的にスプロケット４が回動自在に固着されている。このスプロケット４には、図示省略されているがペダルに連設されたチェーンが張られている。５はホイールで、円盤状で、且つ中空部を有するように形成され、その内径側はベアリング６を介してアダプタ３上に連設されており、また、外側には車輪のスポークが取り付けられるスポーク孔７が穿設されている。ホイール５の中空部は密封されるように構成され、その内部には車軸１に固着された支柱板８外径方向に延伸して配置されている。支柱板８の先端部には、円周方向に沿って固定鉄心９が配設され、この固定鉄心９には固定子巻線１０が巻装されている。また、固定子鉄心９と対向したホイール５の内面にはギャップＧを介して永久磁石１１が円周に沿ってＮ，Ｓ極交互に配設されて回転子となっている。

１２はホイール５に設置されたヨーク部で、これら９〜１２によってアウターロータータイプの永久磁石式同期モータが構成されており、このモータの回転子とタイヤ部とをスポークで張設結合することによって、減速機構を設けることなく効率よくタイヤを駆動することができる。１３はプリント板で、このプリント板１３には図示省略されている電力変換部の素子や、その素子を制御するための制御部の回路部品が実装されて支柱板８にボルト等によって固定されている。２０は本発明による撓み継ぎ手で、アダプタ３の鍔部３ａと、この鍔部３ａと対向するホイール５との間に配設されている。１４はアダプタの鍔部３ａに取り付けられる第１のセンサリング（磁石）、１５はホイール５の段部に取り付けられる第２のセンサリング（磁石）で、第１のセンサリング１４の方が第２のセンサリング１５に比べて直径が小さく形成されている。各センサリングはＮ，Ｓ極が交互に形成されるよう着磁される。また、各センサリングと対抗する位置の固定側には、ホール素子等よりなる位置検出部１６、１７が配設されて支柱板８に固定されている。

撓み継ぎ手２０は、図２で示すようなスプリング２１と、図３で示す固定部材（ナット）２２よりなっている。スプリング２１は、リング状のものが使用されるが、それは連結された完全なリング状のものではなく、０．８ターン程度のものが使用され、且つ開口部先端は上下方向に捩れた形状となって、固定用の孔２１ａ，２１ｂが穿設されている。ナット２２は２個用いられ、それぞれは段差を有した形状となっており、低い方の段部にはねじ孔２３ｂが、また、高い段部ではない方にはねじ孔２３がそれぞれ螺設されている。

段差を有した２個の各ナット２２（２２ａ，２２ｂ）は、図４で示すようにそれぞれスプリング２１の開口された各先端側の孔２１ａ，２１ｂに各別に配置され、その取り付けは、図５で示すように一方はホイール５に、他方はアダプタ３の鍔部３ａにそれぞれボルトを介して固定される。その固定方法としては、ボルト２４bによって段差ナット２２ａをアダプタの鍔部３ａの側面に固着し、段差ナット２２ａの切欠空間部にスプリング２１の一端を挿入してボルト２４ａを介しアダプタの鍔部３ａに取り付ける。スプリング２１の他端側を取り付けるための段差ナット２２ｂは、ボルト２４ｃによってホイール５に固着され、この段差ナットの切欠空間部にスプリング２１の先端部を挿入しボルト２４ｄを介して取り付けられる。この取り付け後のスプリング２１と段差ナット２２との状態は、図４で示すように、ナットの段部とスプリングの先端にはＷ１の隙間が形成され、また、ナット間にはＷ２の隙間が生じるように取り付けられ、スプリングが可動状態となって面圧がかからないように構成される。そのために、ボルト２４ｂと２４ｄの径よりもスプリングに穿設した孔２１ａ，２１ｂが大となるように形成されている。なお、図３で示す固定部材２２は、段差形状に形成されたナットでしめしているが、段差状ではなく、スプリングの厚さよりも大きい切欠き状の切込部としてもよい。

以上のように構成された電動アシスト式自転車は、ペダルを踏むことによりスプロケット４、アダプタ３及び撓み継ぎ手２０を介してホイール５に駆動力が伝達され、それらはベアリング２、６に支承されて車軸１上を回転する。この回転によってホイール５に固着された永久磁石１１も回転し、回転する永久磁石１１と固定子巻線１０との間で発生する吸引力を利用し、図示省略された回転子の位置検出器によって検出された位置信号により固定子巻線１０に流れる電流方向を切り替えることによって回転を継続させる。

一方、後述の手法で回転半径に相似させて複数のＮ，Ｓ極が交互に配置するよう磁化されたセンサリング１４、１５には、ペダル踏力に伴う撓み継ぎ手２０の捩れに対応した位相差が検出される。この信号を人力駆動力として電力変換部の制御回路に導入し、永久磁石式同期モータに対するアシストのトルク設定値とされる。すなわち、永久磁石式同期モータのトルクは電流に比例することから、トルク設定値と検出される電流との誤差信号を求め、誤差信号に応じてＰＷＭ信号を生成して電力変換部としてのインバータを制御し、モータを人力駆動のアシストとして駆動する。

図６はセンサリング１４が固着されたアダプタ３の斜視図、図７はセンサリング１５を固着したホイール５の内部側からみた正面図である。また、図８はアダプタ３、ホイール５、センサリング１４、１５，及び撓み継ぎ手２０の組立完成図である。直径の異なる２つのセンサリング１４、１５は磁石であり、それぞれＮ極、Ｓ極交互に、且つ両者は複数極の同極で配列される。そして、ペダル踏力に応じて撓み継ぎ手２０が撓むことにより磁石（センサリング）１４と１５との間には回転変位し、位置検出部１６、１７で検出される磁束に位相差が生じる。
このとき、磁石１４、１５は撓み継ぎ手２０で連結されており、踏力に伴う繰り返し荷重を受けることにより無負荷状態での両者の位置関係が変わることがあってはならない。すなわち、無負荷状態から負荷が掛かる時点であるトルク検出原点では、常に両磁石１４、１５の位相は一致してなければならないが，従来においては、このトルク検出原点での位相を一致させることは困難となっていた。

本発明においては、撓み継ぎ手を構成するスプリング２１の先端にＷ１とＷ２の間隔を設け、無負荷時のフリーな状態での両者間の位置関係に変化が生じないように構成し、図８で示すようにアダプタ３並びにホイール５に各センサリングを取り付けた後にアダプタ３に与圧を加え、この状態でセンサリング１４、１５に対し周知の方法により一体着磁することでトルク検出原点を一定にしている。

また、撓み継ぎ手２０を上記のように構成したことは次の理由による。
撓み継ぎ手をアダプタ３とホイール５間に配置する手法としては種種考えられる。例えば、撓み継ぎ手として本発明のようにスプリングを利用し、ねじ止めでこのスプリングの両端部を挟み込んで面圧による固定の仕方もある。この場合には、寸法制約からねじ止めによる面圧ではスプリングを完全に固定てきなく、スプリング取り付け孔にクリアランス程度のガタがあり、組み立て後の外力によりその分に応じた位置ずれを起こしてスプリング残留与圧を持った状態で保持される。このような状態では次の問題が発生する。
（１）スプリングが残留与圧を持った状態からペダル踏力の増減に応じて撓むことから、スプリング撓み特性のヒステリシスが大きくなって検出制度に影響する。（２）スプリングの残留与圧状態は、組立工程でペダル踏力相当の荷重を与えることは容易でなく、設備が大掛かりとなって量産に対応できない。また、簡易的な荷重では残留与圧状態にバラツキが生じて初期状態（トルク検出原点）が安定しない。

上述した本発明では、図４又は図５で示すようにスプリング２１の厚さより少し大きい寸法を有する段差と２個のねじ孔２３ａ，２３ｂを有するナット２２ａ，２２ｂを用い、各ナットの段差のない高い部分を各別にボルト２４ｂ，２４ｃを介してアダプタ３とホイール５に固着する。そして、各ナット２２ａ，２２ｂの各段差の部分にスプリング２１の先端をそれぞれ差し込んでボルト２４ａ，２４ｄで取り付けて構成したものである。これによって、アダプタ３とホイール５間はスプリング２１によって連結され、且つスプリング２１がナットの段差部の間隙により残留与圧のないフリーな状態に取り付けられる。したがって、スプリング２１は自然長からペダル踏力により撓むためヒステリシスが非常に小さくなり、検出精度に与える影響が無視できる程度のレベルとなり、また、組立工程の小さな荷重でトルク検出原点の確立が可能となる。

本発明の実施形態を示す一部縦断正面図。 本発明に使用されるスプリングの構成図。 本発明に使用される固定部材の構成図。 撓み継ぎ手の組み立て部分図。 撓み継ぎ手の取り付け説明図。 第1のセンサリングの固着状態を示す斜視図。 第２のセンサリングの固着状態を示す正面図。 撓み継ぎ手部分の組み立て完成状態の説明図。

符号の説明

１…車軸
２、６…ベアリング
３…アダプタ
４…スプロケット
５…ホイール
７…スポーク孔
８…支柱板
９…固定子鉄心
１０…固定子巻線
１１…永久磁石
１４、１５…第１及び第２センサリング
１６、１７…位置検出部
２０…撓み継ぎ手
２１…スプリング
２２…固定部材（ナット）

Claims (7)

1. 人力駆動力と永久磁石よりなる電動駆動力とを併せ持った電動アシスト式自転車であって，人力によって得られるトルクを撓み継ぎ手を介して回転部に伝達するものにおいて、
   前記撓み継ぎ手を、先端部が開口し且つ捩れの有するリング状のスプリングと、このスプリングの厚みより大きい切込み部を有し、この切込み部にスプリグの各先端がそれぞれ間隙を有して取り付けられる２個の固定部材とで構成したことを特徴とした電動アシスト式自転車。
2. 前記２個の固定部材の切込み部は段差状に形成され、前記スプリングの各先端はこの段差形状の段差部にそれぞれ間隙を有して取り付けられることを特徴とした請求項１記載の電動アシスト式自転車。
3. 前記撓み継ぎ手は、ペダルの踏力を伝達するスプロケットと一体的に構成されたアダプタと、回転部であるホイール間に配設し、アダプタとホイールには位置検出用の磁石となるセンサリングをそれぞれ配設したことを特徴とした請求項１又は２記載の電動アシスト式自転車。
4. 前記スプリングは、０．８ターン程度のリング状スプリングよりなることを特徴とした請求項１乃至３記載の電動アシスト式自転車。
5. 前記２個の固定部材は、その一つは切込み部のない部分をアダプタに固着し、他の一つは切込み部のない部分をホイールに固着し、各固定部材の切込み部にはそれぞれスプリングの一端を面圧のかからないフリーな状態となるよう間隙を設けて取り付けたことを特徴とした請求項１乃至４記載の電動アシスト式自転車。
6. 人力駆動力と永久磁石よりなる電動駆動力とを併せ持った電動アシスト式自転車であって、人力によって得られるトルクをペダル、アダプタ及び撓み継ぎ手を介して回転部のホイールに伝達するものにおいて、
   前記アダプタとホイールにそれぞれセンサリングを配設し、各センサリングはアダプタに与圧を加えた状態で一体着磁することを特徴とした電動アシスト式自転車の位置検出用磁石の着磁方法。
7. 前記与圧は、ペダル踏力のトルク検出原点となる圧力であるあることを特徴とする請求項６記載の電動アシスト式自転車の位置検出用磁石の着磁方法。