JP3048826B2 - 電動自転車 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、人力による人力駆動部
と電動機による電動駆動部との両方を兼ね備え、人力に
よる駆動力の大きさに応じて電動機を駆動し、人力の駆
動力を電動機の駆動力によって補助する電動自転車に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような電動自転車は、特開平
４−３５８９８７号公報（Ｂ６２Ｍ２３／０２）に示す
如く、人力による駆動系と電動モータによる駆動系とを
並列に設け、前記人力による駆動系の駆動力を検出して
電動モータの出力を制御するようにしたものが知られて
いる。

【０００３】この電動自転車において、人力による駆動
系の駆動力、即ちペダルの回転トルクを検出するため
に、人力による駆動系に遊星歯車機構を介在させ、ペダ
ルを踏んだときの駆動反力を遊星歯車機構の途中で検出
する機構になっている。

【０００４】また上述する実施例とは別に、例えば特開
平４−３２１４８２号（Ｂ６２Ｍ２３／１２）には、上
述する人力による駆動系の駆動力、即ちペダルの回転ト
ルクを検出するために、ペダルと後輪との間に設けた、
駆動力を伝達するドライブ軸の途中にに駆動力を検出す
る負荷検出手段を設けた構成が開示されている。

【０００５】しかしながら、前述する構成では駆動部分
が後輪と離れた場所にあるため、駆動力が後輪に伝わる
までに力の損失が大きかったり、後輪に動力を伝えるた
めに、ペダル及び電動モータの縦方向の回転をドライブ
軸の横方向の回転に変換し、更に後輪を回転させるため
に縦方向の回転に変換しなければならず、構成が複雑に
なるほか、大型化し、更には故障が起こりやすいといっ
た問題点が生じることになる。

【０００６】また、後述する構成のドライブ軸に負荷検
出手段を取り付けた場合、負荷を検出するために検出し
た信号を制御回路に送るために配線等が必要となり、構
成が非常に複雑になり、大型化するといった問題が生じ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題に
鑑みなされたもので、簡単な構成で人力によるトルクを
正確に検出し、このトルクに応じて電動機を的確に駆動
させる、人力による駆動力を補助する電動自転車を提供
することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ペダルの回転
により伝達部材を介して車輪を回転させる人力駆動部
と、電動機の駆動によって車輪を回転させる電動駆動部
と、前記人力駆動部のトルクの大きさを検出するトルク
検出部と、該トルク検出部のトルクの大きさに基づいた
大きさで前記電動機を駆動制御する制御部と、固定され
る固定側ケーシングと前記車輪に設けられ車輪と共に回
転すると共に前記伝達部材により回転させられる回転側
ケーシングとから構成される盤状ケーシングとを備え、
前記盤状ケーシングには前記電動機とトルク検出部とを
内蔵し、前記トルク検出部は前記伝達部材伝達後の前記
回転側ケーシングにかかる人力トルクを検出し、前記電
動機は回転側ケーシングを駆動することを特徴とする。

【０００９】そして、前記制御部は前記盤状ケーシング
に内蔵され、前記トルク検出部からの信号を入力し、前
記電動機に駆動するための信号を出力することを特徴と
する。

【００１０】また、前記トルク検出部は、人力駆動部の
駆動力によって生じる前記伝達部材によって回転させら
れる前記車輪の回転軸の歪みを検出することを特徴とす
る。

【００１１】更に、前記トルク検出部は、前記車輪の車
軸と同軸で前記回転側ケーシングに固定され、前記人力
駆動部からの駆動力がかかる回転軸に設けられたことを
特徴とする。

【００１２】そして、前記回転軸は、前記人力駆動部と
の間にフリーホイールを、前記車輪の車軸との間に軸受
を介していることを特徴とする。

【００１３】また、前記トルク検出部は回転側ケーシン
グに取り付けられ、前記トルク検出部で検出した信号は
ロータリートランスを介して固定側ケーシングに取り付
けられた前記制御部に伝送されることを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明の請求項１の構成によると、使用者がペ
ダルを踏むことによって回転側ケーシングにかかる人力
トルクが検出され、そのトルクの大きさに応じた大きさ
で電動機が駆動することになる。即ち、回転側ケーシン
グは、人力トルクと電動機による電動駆動力とによって
駆動し、２つの力によって車輪が回転することになる。

【００１５】また、本発明の請求項２の構成によると、
盤状ケーシング内に制御部を内蔵し、盤状ケーシング内
のトルク検出部からのトルクの信号を盤状ケーシング内
の制御部に送る。

【００１６】さらに、本発明の請求項３の構成による
と、トルク検出部は車輪の回転軸に設けられており、ペ
ダルを踏んでトルクが生じたとき、このトルクの反力に
よって生じる回転軸の歪みによってトルクを検出する。
また、トルク検出部は回転側ケーシングと固定側ケーシ
ングとの接続部分に設けてあり、ペダルを踏んだときに
最も大きな歪みが生じる。

【００１７】また、本発明の請求項５の構成によると、
回転軸は人力駆動部との間にフリーホイールを前輪の軸
との間に軸受を介しているので、人力駆動部が正転する
ときのみトルクを検出し、前進するときのみ電動駆動部
からの動力を伝えることができる。

【００１８】また、本発明の請求項６の構成によると、
トルク検出部で検出された信号は、ロータリートランス
によって回転側ケーシングから固定側ケーシングの制御
部へと信号が伝送される。

【００１９】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

【００２０】１は、電動自転車本体で、該電動自転車本
体１には後述する電動機８が備えてあり、人力によるト
ルクの大きさに応じて電動機８のトルクを変化させ、人
力による力を電動機８の力によって補助して走行させる
ものである。

【００２１】２、３は、メインフレーム４に設けられた
前輪及び後輪で、該前輪２は回転自在に軸支されてお
り、前記後輪３の回転軸の部分には盤状ケーシング５が
設けられている。該盤状ケーシング５は回転側ケーシン
グ６と固定側ケーシング７とから構成されており、回転
側ケーシング６が後輪３と一体になって回転するように
なっている。また、該盤状ケーシング５には電動機８が
内蔵してあり、電動駆動が必要な時に駆動して、後述す
る人力駆動部10と共に前記回転側ケーシング６を回転さ
せる。この盤状ケーシング５からなる駆動部分を電動駆
動部９という。

【００２２】10は、ペダル11を踏むことで、チェーン12
を介して前記後輪３を回転させる人力駆動部である。本
発明では、チェーン12を伝達部材としたが、チェーン12
の代わりにベルト、回転軸等によるものでも構わない。

【００２３】13は、前記前輪２を操舵するハンドルであ
る。

【００２４】14、15は左右のブレーキレバーで、該ブレ
ーキレバー14、15を引くことでワイヤー16、17が引っ張
られ、このワイヤー16、17によってそれぞれ前後のブレ
ーキ装置18、19が動作するようになっている。また、こ
のワイヤー16、17の途中にはブレーキスイッチ20が設け
てあり、ブレーキレバー14、15を操作したときに電動機
８への通電が停止する機構になっている。

【００２５】21は、サドルである。

【００２６】22は、電動機８の電源となるバッテリ部
で、該バッテリ部22は、フレーム４にスライド着脱可能
に取り付けられるバッテリケース23と、該バッテリケー
ス23に収納した単一型充電式乾電池によって構成されて
いる。この電源電圧は約２４ボルトである。

【００２７】次に、図２及び図３に基づき、前記盤状ケ
ーシング５について説明する。

【００２８】図２に示すものは、前記盤状ケーシング５
内の構成を示す図で、７は、電動自転車本体１に固定さ
れる固定側ケーシングで、該固定側ケーシング７には制
御基板24、放熱板25等からなる制御部26、電動機８、第
１プーリー27、第２プーリー28、最終段プーリー29の３
つのプーリーからなる減速機構30、該減速機構30を連結
する伝達ベルト31が配置されている。前記減速機構30の
最終段プーリー29は、回転側ケーシング６に固定されて
おり、前記電動機８が回転すると第１から最終段プーリ
ーまでが伝達ベルト31によって回転し、減速されて最終
段プーリー29と共に回転側ケーシング６が回転する。

【００２９】32は、伝達ベルト31の張りを調節するため
の押圧部材である。

【００３０】33は、前記伝達ベルト31の張りを調節する
調節ネジで、前記第１プーリー27の回転軸の取り付け部
分には長孔が形成してあり、前記第１プーリー27を前記
伝達ベルト31が張る方向に移動させるとともに、移動さ
せた状態で前記調節ネジ33によってプーリーを固定する
ようになっている。

【００３１】34は前記電動機８の回転軸、35は巻線部、
36はブラシである。

【００３２】37は、前記チェーン12からの駆動力を前記
回転側ケーシング６に伝達するためのチェーンスプロケ
ットで、該チェーンスプロケット37と回転側ケーシング
６との間にはフリーホイール38が設けられており、前記
チェーン12が逆回転したときには前記回転側ケーシング
６にチェーン12からの駆動力を伝達しない構成になって
いる。

【００３３】39は、後輪３の車軸44の外周に同軸でベア
リング40、即ち軸受を介して配置した回転軸で、該回転
軸39は前記回転側ケーシング６と一体構成になってい
る。尚、車軸44は前記本体１に固定されており、前記車
軸44の周りを前記回転軸39が回転すると回転軸39に固定
した回転側ケーシング６が回転し後輪３が回転するよう
になっている。

【００３４】41は、使用者が前記ペダル11を踏み、前記
チェーン12によって駆動力が伝達され、回転側ケーシン
グ６にトルクが生じたときに、そのトルクに反する力、
即ち回転軸39に生じる歪み量を検出するトルク検出部
で、該トルク検出部41は前記最終段プーリー29に増幅器
42を備え、前記トルク検出部41で検出された歪み、即ち
トルクの大きさの信号を該増幅器42で増幅する。そし
て、増幅された信号は、前記回転側ケーシング６から固
定側ケーシング７に設けられた制御部26に伝達するた
め、ロータリートランス43を介して配線なしで伝達され
る。前記ロータリートランス43は、前記増幅器42からの
信号を前記制御基板24に配線なしで伝送する以外に、前
記増幅器42を動作させるための電源も供給するようにな
っている。

【００３５】本発明では、回転部分の信号伝送にロータ
リートランス43を使用したが、回転部分でも信号伝送が
できるスリップリング等を使っても構わない。

【００３６】上述するトルク検出部41は、図３に示す如
く、抵抗歪みゲージを使用しており、人力による駆動力
が回転軸39に加わったときにその反力による回転軸39の
歪みを、抵抗歪みゲージの抵抗値の変化で検出すること
で、人力によるトルクを検出している。この他に、半導
体歪ゲージを用いても構わない。

【００３７】また、前記トルク検出部41では抵抗歪みゲ
ージを使用しているが、他の実施例として図４に示す如
く、他の実施例として磁気歪みによってトルクを検出す
るセンサを使用しても構わない。図４において、他の部
分は前述と同様であるので、説明を省略する。この磁気
歪みによるセンサは、図５に示す如く、回転軸81表面に
２か所のナーリング82という４５度方向の複数の溝をそ
れぞれ角度が反対方向になるように刻み、この回転軸81
の外周に励磁コイル、検出コイル83をそれぞれ２か所に
設けておく。人力による駆動力で回転軸81が回転する
と、回転軸81には引張応力、圧縮応力が働き、２か所の
ナーリング82がそれぞれ引張、圧縮し、一方の透磁率が
増加、他方が減少する。そこで外周に設けた励磁コイル
83によって数十キロヘルツで励磁すると検出コイル83に
よって２つの出力電圧変化が検出でき、この変化によっ
てトルクをするという方法である。即ち、人力によるト
ルクを検出、出力することができる。

【００３８】更に、前述する磁気歪みによるセンサを使
った他の実施例として、図６に示す如く、前記回転軸39
の内側にナーリングを形成し、後輪３の車軸44に検出コ
イルを設けた構成にすると、検出コイルで検出した信号
は固定された車軸44から固定側ケーシング７内の制御基
板24に信号を伝送することができるので、ロータリート
ランス43が不要となり、更に増幅器42を制御基板24内に
収めることができる。従って、最終段プーリー29部分の
バランスが良くなり、増幅器を含んだ制御基板24とする
ことで部品点数を少なくすることができる。

【００３９】上述した２つの実施例は、抵抗歪ゲージに
よる人力によるトルク検出と、磁気歪みによる人力によ
るトルク検出の例を示したが、この実施例に限られるこ
とはなく、トルクが検出されるものであれば何でも構わ
ない。例えば、回転軸にアモルファス合金を貼り付ける
ことによってそのアモルファス合金の歪みを検出してト
ルクを検出する方法や、トルクが生じる部分に設けられ
た矩形板に、表面弾性波素子を装着し、トルクが生じた
時にそのトルクに応じた周波数の信号が発振し、それに
よって人力トルクの大きさを検出する方法などがある。

【００４０】また、磁気記録式のものや、マグネティク
エンコーダによるものでも人力によるトルクを検出でき
る。磁気記録式とは、回転軸の外周に軸方向に所定間隔
で複数本の磁気記録層を設け、これを回転軸の２か所に
形成し、それに対向してそれぞれ磁気ヘッドを設けてお
き、回転軸が人力による駆動力で回転すると、軸のねじ
れによって２つの磁気ヘッドからの信号がずれることに
なり、その信号差を検出することで、トルクが検出でき
るという方法である。また、マグネティクエンコーダに
よるものは、回転軸の外周に複数の磁石を連ねて取り付
けたマグネットドラムを設けておき、それらを検出する
それぞれのセンサが固定されて設け、回転軸が回転する
とマグネットドラムも回転するが、トルクの大きさに応
じて２つのドラムのずれ、即ち回転軸のねじれが生じ
る。これをセンサによって検出するものである。

【００４１】以上のように、トルク検出器はいづれも回
転軸に生じるねじれの大きさを検出することによって、
回転軸にどれくらいの力、即ちトルクが生じているかを
検出するものである。

【００４２】次に、人力駆動部10の駆動力と電動駆動部
９の駆動力の割合を、図７に基づき動作説明する。

【００４３】この図面において、縦軸は電動自転車全体
１にかかるパワー、即ち駆動力、横軸は各速度の範囲と
平地、登り坂の区分である。また、グラフにおける複数
の山はペダルを１回踏んだことを表している。

【００４４】まず、Ａの部分について説明をすると、走
行する道は平地でスタートからの駆動力の状態を示して
いる。この場合、スタート時に人力駆動部によって大き
なトルクがかかると、そのトルクと同じ大きさのトルク
が電動駆動部９によりかかり、１対１の割合で人力を補
助する。スタート後も１対１の割合で電動駆動部９によ
って補助され、徐々に人力による駆動力が小さくなる
と、電動機８による駆動力も同じように小さくなってい
く。この時、走行速度は時速１５キロ未満であることが
条件となる。

【００４５】次にＢの部分について説明をすると、走行
する道は登り坂で、人力による駆動力は大きくなり、そ
れに伴って電動機８による駆動力も大きくなり、この場
合も前述する場合と同様、１対１の割合で人力による駆
動力を補助する。この時、走行速度は前述する場合と同
様、時速１５キロ未満の場合である。

【００４６】次にＣの部分について説明をすると、走行
する道は前述の坂道から平地になったことを想定したも
ので、最初は坂道の余韻があり、坂道を完全に登り切る
までは少しのトルクが生じる。そして徐々に速度を上げ
るために人力によるトルクを増していき、それに応じて
電動機８による駆動力も増していく。そして速度が時速
１５キロを越えたとき、人力による駆動力と電動機８に
よる駆動力の比率を１対１の割合から、電動機８による
駆動力が徐々に減るように制御している。この制御は、
時速２４キロになったときに電動機８からの駆動力がゼ
ロになるように、時速１５キロの時の１対１の割合から
正比例して減少するようになっている。

【００４７】次にＤの部分について説明をすると、この
部分は走行速度が時速２４キロ以上の場合を想定したも
ので、安全速度を保つために人力駆動部10のみによる走
行をするようにしたもので、電動駆動部９は動作しない
ようになっている。

【００４８】以上のように、盤状ケーシング５内にトル
ク検出部41を内蔵したので、コンパクトな構成にでき、
回転側ケーシング６等の人力で動かす部分の重量全てを
考慮してトルクを検出することができるため、微妙な変
化をする人力トルクを正確に検出することができ、従っ
て電動機８による駆動を微妙に変化させることができ、
的確な駆動力の補助を行うことができる。

【００４９】また、制御部26も盤状ケーシング５に内蔵
しているので、トルク検出部41からの信号の損失を少な
くして伝搬でき、微妙な動作をする人力のトルクの大き
さに応じて、電動機８による駆動を微妙に変化させるこ
とができ、的確な駆動力の補助を行うことができる。

【００５０】そして、トルク検出部41は回転軸39の歪み
によって検出するため、場所を取らず、回転部分の重量
の全てがかかる場所に位置してトルクの検出を行うの
で、正確なトルクが検出でき、的確な駆動力の補助を行
うことができる。

【００５１】更に、回転側ケーシング６と固定側ケーシ
ング７との接続部分でトルクを検出し、更に回転側ケー
シング６にトルク検出部41を設けているので、正確なト
ルクの検出ができ電動駆動部９による正確な補助ができ
るとともに、人力駆動部10によって回転する側にトルク
を検出するトルク検出部41を設けているので、人力によ
るトルクを正確に検出することができる。

【００５２】そして、正確なトルクを検出するために、
トルク検出部41が回転側ケーシング６に取り付けられて
いると共に、検出したトルクを回転側ケーシング６から
固定側ケーシング７の制御部26に伝達するためにロータ
リートランス43を使っているため、回転側ケーシング６
から固定側ケーシング７への信号伝達を行うことができ
る。

【００５３】

【効果】本発明は、盤状ケーシング内にトルク検出部を
内蔵したので、コンパクトな構成にでき、また、回転側
ケーシングにかかる人力トルクを検出することができる
ため、微妙な変化をする人力トルクを正確に検出するこ
とができ、従って電動機による駆動を微妙に変化させる
ことができ、的確な駆動力の補助を行うことができる。
また、通常の自転車への取り付けが簡単であり、通常の
自転車にこの盤状ケーシングの付いた駆動輪を取り付け
ることで簡単に電動自転車を構成することができ、従っ
て、設計、製造上、非常に作りやすいという効果を奏す
る。

【００５４】また、制御部も盤状ケーシングに内蔵して
いるので、トルク検出部からの信号の損失を少なくして
伝搬でき、微妙な動作をする人力のトルクの大きさに応
じて、電動機による駆動を微妙に変化させることがで
き、的確な駆動力の補助を行うことができる。

【００５５】そして、トルク検出部は回転軸の歪みによ
って検出するため、場所を取らず、回転部分の重量の全
てがかかる場所に位置してトルクの検出を行うので、正
確なトルクが検出でき、的確な駆動力の補助を行うこと
ができる。

【００５６】更に、回転側ケーシングと固定側ケーシン
グとの接続部分でトルクを検出し、更に回転側ケーシン
グにトルク検出部を設けているので、正確なトルクの検
出ができ電動駆動部による正確な補助ができるととも
に、人力駆動部によって回転する側にトルクを検出する
トルク検出部を設けているので、人力によるトルクを正
確に検出することができる。

【００５７】また、人力駆動部と回転軸との間にフリー
ホイールを設け、車輪の車軸と回転軸との間に軸受を設
けているので、人力駆動部を正転したときのみトルクを
検出して電動駆動部が動作するので、前進する時のみ正
確な補助が行える。

【００５８】そして、正確なトルクを検出するために、
トルク検出部が回転側ケーシングに取り付けられている
と共に、検出したトルクを回転側ケーシングから固定側
ケーシングの制御部に伝達するためにロータリートラン
スを使っているため、回転側ケーシングで検出した信号
を固定側ケーシングに伝送することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す電動自転車の全体斜視図
である。

【図２】同盤状ケーシングの部品の配置を示す構成図で
ある。

【図３】同図２におけるＡ−Ａ断面図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す電動自転車の盤状ケ
ーシングの側面断面図である。

【図５】同要部斜視図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す電動自転車の盤状ケ
ーシングの側面断面図である。

【図７】本発明の実施例を示す電動自転車の動作を示す
図である。

【符号の説明】

11 ペダル ３ 車輪（後輪） 10 人力駆動部 ８ 電動機 ９ 電動駆動部 41 トルク検出部 26 制御部 ７ 固定側ケーシング ６ 回転側ケーシング ５ 盤状ケーシング 39 回転軸 44 車軸 38 フリーホイール 40 軸受 43 ロータリートランス

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ペダルの回転により伝達部材を介して車輪
   を回転させる人力駆動部と、電動機の駆動によって車輪
   を回転させる電動駆動部と、前記人力駆動部のトルクの
   大きさを検出するトルク検出部と、該トルク検出部のト
   ルクの大きさに基づいた大きさで前記電動機を駆動制御
   する制御部と、固定される固定側ケーシングと前記車輪
   に設けられ車輪と共に回転すると共に前記伝達部材によ
   り回転させられる回転側ケーシングとから構成される盤
   状ケーシングとを備え、前記盤状ケーシングには前記電
   動機とトルク検出部とを内蔵し、前記トルク検出部は前
   記伝達部材伝達後の前記回転側ケーシングにかかる人力
   トルクを検出し、前記電動機は回転側ケーシングを駆動
   することを特徴とする電動自転車。
2. 【請求項２】前記制御部は前記盤状ケーシングに内蔵さ
   れ、前記トルク検出部からの信号を入力し、前記電動機
   に駆動するための信号を出力することを特徴とする請求
   項１記載の電動自転車。
3. 【請求項３】前記トルク検出部は、人力駆動部の駆動力
   によって生じる前記伝達部材によって回転させられる前
   記車輪の回転軸の歪みを検出することを特徴とする請求
   項１記載の電動自転車。
4. 【請求項４】前記トルク検出部は、前記車輪と同軸で前
   記回転側ケーシングに固定され、前記人力駆動部からの
   駆動力がかかる回転軸に設けられたことを特徴とする請
   求項１記載の電動自転車。
5. 【請求項５】前記回転軸は、前記人力駆動部との間にフ
   リーホイールを、前記車輪の車軸との間に軸受を介して
   いることを特徴とする請求項４記載の電動自転車。
6. 【請求項６】前記トルク検出部は回転側ケーシングに取
   り付けられ、前記トルク検出部で検出した信号はロータ
   リートランスを介して固定側ケーシングに取り付けられ
   た前記制御部に伝送されることを特徴とする請求項１記
   載の電動自転車。