JP3660460B2 - 電動自転車用駆動装置 - Google Patents
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Description
【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軸方向に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10b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21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28,29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40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12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10b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33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12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12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42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10b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11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、12…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)
- 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人力とモータの動力とが共に入力される筒状の合力軸の一端に前記両駆動系を連結しこの合力軸の他端にスプロケットを結合して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軸方向に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。
- 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二段減速式の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。
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