JP4325820B2 - 電動補助自転車 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自転車のペダルに加えられる踏力（人力）を検知して補助動力を発生する電動補助ユニットに係り、特に、各種のセンサから提供される信号に応答して補助動力を制御するコントロールユニットを内蔵した電動補助ユニットを搭載した電動補助自転車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
踏力による駆動系と電動モータによる駆動系とを併設した電動補助自転車、いわゆるアシスト自転車では、ペダルに加えられた踏力を検知する踏力センサや、クランク軸等の回転速度に基づいて車速を検知する回転センサ等の各種センサが設けられ、各種センサの検知結果に基づいて電動モータの駆動トルクが制御される。電動モータの駆動トルク制御は、例えばバッテリと電動モータとの間に接続したパワートランジスタをチョッピング制御し、バッテリから電動モータへ供給する駆動電流量を増減させることにより行われる。
【０００３】
従来、パワートランジスタをチョッピング制御するコントロールユニットは、電動補助ユニットとは別に車両上の適所に搭載されていた。しかしながら、コントロールユニットを電動補助ユニットの外部に搭載すると、電動補助ユニットを取り付けるためのスペースを別途に確保しなければならず、また、電動補助ユニット内の駆動モータと外部のコントロールユニットとを接続するための配線を車体上に引き回さなければならないので、生産性や整備作業性等に支障をきたすという問題があった。
【０００４】
このような技術課題を解決するために、例えば特開平８−１７５４７１号公報では、コントロールユニットを内蔵した電動補助ユニットが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術によれば、コントロールユニットを載置するためのスペースを車両上に確保する必要がなく、また、コントロールユニットと駆動モータとを結ぶ配線を短くすることができる。しかしながら、電動補助システムには、クランク軸の回転数等を検知して車速を求めるための回転センサ等を設ける必要があり、より一層のコンパクト化が要求されている。
【０００６】
また、車速を検知する回転センサの出力信号は、一般的にはパルス信号であり、車速センサとコントロールユニットとを結ぶ信号ラインが長いと、ノイズの影響を受け易くなる場合がある。さらに、バッテリと駆動モータとを結ぶ電源ラインには比較的大きな電流が流れるため、その配線長は短いほど好ましい。しかしながら、従来技術ではバッテリの接点と接触する外部電極とコントロールユニットとの相対的な位置関係が一切考慮されておらず、両者は離間配置されていた。
【０００７】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、電動補助ユニットを大型化することなくコントロールユニットを内蔵させることができ、信号ラインや電源ラインの配線長を短くできる電動補助ユニットを搭載した電動補助自転車を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明では、クランク軸に入力される踏力に応答して補助動力を発生する電動モータおよびそのコントロールユニットを内蔵し、補助動力および踏力を合成して駆動輪へ伝達する電動補助ユニットにおいて、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
【０００９】
(1) コントロールユニットは、クランク軸の回転速度を検知する回転センサが少なくとも実装された制御基板を含み、クランク軸と同期回転する回転体と回転センサとの相対的な位置関係が予定の関係に保持されるように、前記回転体の近傍に配置されたことを特徴とする。
【００１０】
(2) ユニットケースの一主面に露出して固定された正負接点と、ユニットケースの内側で前記正負接点と電動モータとを電気的に接続する給電ラインとを含み、前記電動モータへ給電するバッテリは、前記正負接点が露出したユニットケースの一主面に搭載されて前記正負接点と電気的に接続されることを特徴とする。
【００１１】
上記した特徴(1) によれば、回転センサをコントロールユニット内に設置することができるので、コントロールユニットを内蔵させても電動補助ユニットが大型化しない。また、回転センサをコントロールユニットの基板上に実装したので、回転センサの信号ラインを短くすることができ、信号ラインへのノイズの混入を抑えることができる。
【００１２】
上記した特徴(2) によれば、電動補助ユニット上にバッテリを直接配置することができるので、電動補助ユニットとバッテリとを結ぶ電源ラインの配線長を短くすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の電動補助ユニットを適用した電動補助自転車の側面図である。
【００１４】
電動補助自転車の車体フレーム２は、車体前方に位置するヘッドパイプ２１と、ヘッドパイプ２１から後下りかつ下に凸状に延びるダウンパイプ２２と、ダウンパイプ２２の終端部近傍から上方に立上がるシートポスト２３とを備える。ヘッドパイプ２１とダウンパイプ２２との結合部およびその周辺部は、上下に２分割されて着脱される樹脂カバー３３により覆われている。前記ヘッドパイプ２１の上部には操向ハンドル２７が回動自在に挿通され、下部には前記操向ハンドル２７により操舵されるフロントフォーク２６が操向可能に支承されている。フロントフォーク２６の終端には前輪ＷＦが回転自在に軸支されている。
【００１５】
車体フレーム２の下部には、踏力アシスト用の電動モータを含む電動補助ユニット１が、前記ダウンパイプ２２の後端、シートポスト２３の下部およびチェーンステイ２５の前端の３か所でネジ止め固定により懸架されている。電動補助ユニット１の電源スイッチ２９はダウンパイプ２２上のヘッドパイプ２１の近傍に設けられている。なお、電源スイッチ２９はハンドル２７上に設けても良い。
【００１６】
本実施形態では、ダウンパイプ２２とシートポスト２３との結合部が電動補助ユニット１の前部にレイアウトされているので、電動補助ユニット１を低位置に配置でき、低重心化が可能となる。また、フレームの高さを低く抑えられるので“跨ぎ易さ”が向上する。
【００１７】
電動補助ユニット１にはクランク軸１０１が回転自在に支承され、クランク軸１０１の左右両端にはクランク１１を介してペダル１２が軸支されている。電動補助ユニット１から後方側に延出される左右一対のチェーンステイ２５の終端間には、駆動輪としての後輪ＷＲが軸支されている。シートポスト２３の上部および両チェーンステイ２５の終端間には、左右一対のシートステイ２４が設けられている。シートポスト２３には、上端にシート３０を備えるシートパイプ３１が、シート３０の上下位置を調整可能とすべく、シートポスト２３内で摺動可能に装着されている。
【００１８】
シート３０の下方でシートポスト２３の後部には、バッテリ４を収納するバッテリ収納ケース５が取り付けられている。バッテリ４は略直方体のバッテリケースに収容された複数のバッテリセルを含み、該バッテリ４は長手方向が略上下方向となるようにシートポスト２３に沿って設置される。バッテリ４の長手方向の端部（図１では上端）では、図７に示したように、ハンドル４１が車体右側に寄せて（回転軸４１ａは車体左側）設けられている。
【００１９】
前記ハンドル４１は回動自在に取付けられ、常時はバッテリ４へ押し当てられている。一般的に、運転者は車体の左側に立つことが多いので、前記ハンドル４１を車体右側、その回転軸４１ａを車体左側に配置したことにより、ハンドル４１を起こし易くできる。
【００２０】
前記ハンドル４１が設けられたバッテリ４の上面には充電残量計４２が設けられ、押しボタン４３を押すと充電残量が表示される。前記残量計４２は、シート３０の後部上方から確認しやすいように、図６において矢印で指向する面に取り付けられている。これにより、運連者は立った状態でバッテリ残量を上方から確認することができる。
【００２１】
バッテリ収納ケース５の上部は、図１に示したように、荷台２８と共にシートステイ２４に対してネジ３９により固定されている。前記電動補助ユニット１は前記バッテリ４によって給電され、その駆動スプロケット１３およびチェーン６を介して後輪ＷＲのホイールスプロケット１４へ駆動力を伝達する。前記駆動スプロケット１３の全部およびチェーン６の上半分はチェーンカバー３２で覆われている。
【００２２】
なお、本実施形態では通常の自転車とは異なり、クランク軸１０１の根元に駆動スプロケットが存在しないが、外観性や足の引っ掛かりの防止、あるいは電動補助ユニット１を保護する目的で、チェーンカバー３２の前方は、クランク軸１０１の根元に駆動スプロケットが連結されているがごとく、クランク軸１０１を中心とした略円形状となっている。
【００２３】
図２は、前記電動補助ユニット１の第１実施形態の部分透過側面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った歯車列を示す断面図、図４は、図２のＢ−Ｂ線に沿った歯車列を示す断面図であり、それぞれ前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００２４】
図２，３において、電動補助ユニット１のケース１０はアルミ製であり、ケース１０の左半体（左ケース）１０および右半体（右ケース）１０Ｒを複数のボルト７８１で結合して構成される。
【００２５】
本実施形態では、ハンガー部７７１ａに左右ケースの割面がないので、電動補助ユニット１を車体フレーム２に搭載したまま、前記ボルト７８１を外すことにより左右ケースを割ることができる。具体的には、左ケース１０Ｌを車体フレーム２に残したまま右ケース１０Ｒを取り外すことができるので、内蔵のコントロールユニット８やモータＭのメンテナンスが容易になる。
【００２６】
ケース１０には、踏力入力軸としてのクランク軸１０１がベアリング１８１，１８２により回転自在に軸支されている。クランク軸１０１には、ワンウエイクラッチ１６１を介して大径の増速ギア１１１が軸支されている。したがって、クランク軸１０１を逆転させても増速ギア１１１は逆転しない。クランク軸１０１の後方下部には、踏力（トルク）検知機構を備えた第１アイドル軸１０２が軸支されている。
【００２７】
前記第１アイドル軸１０２は、左右に２分割されて横方向へ同軸状に配置された中空の第１および第２ドライブ軸１０２ａ，１０２ｂと、各ドライブ軸１０２ａ，１０２ｂの内部に挿通されたトーションバー１０２ｃとを主要構成とし、第１ドライブ軸１０２ａの外周小径部に形成されたギア歯１１３が前記クランク軸１０１の増速ギア１１１と歯合する。第１および第２ドライブ軸１０２ａ，１０２ｂは、それぞれベアリング１８３ａ，１８３ｂおよびベアリング１８４によってケース１０に対して回転自在に軸支されている。
【００２８】
このような構成によれば、クランク軸１０１に入力された踏力は増速ギア１１１により増速され、そのトルクは減ぜられるため、トーションバー１０２ｃに加わるトルクは低く抑えられる。このため、トーションバー１０２ｃの小型化が可能となり、踏力検知機構全体をコンパクトにできる。
【００２９】
前記第２ドライブ軸１０２ｂの外周小径部には第１ギア１０２ｄが結着され、外周大径部にはワンウエイラチェット１６２を介して第２ギア１０２ｅが挿嵌されている。したがって、モータＭが停止状態にあって人力で走行しているときは、ギア１０２ｅからモータ側は回転しない。
【００３０】
第１ドライブ軸１０２ａの外周大径部には、端面に２つの凸カム部９２１ａを有するスライダ９２１がスプライン結合により軸方向への摺動を許容して結合されている。ボールカップ９２４は変位検知レバー１５２（図４）と係合し、コイルスプリング９２３（図３）により第２ドライブ軸１０２ｂ側へ常時押し付けられる。ボールカップ９２４は前記スライダ９２１を、その回転を吸収しながら第２ドライブ軸１０２ｂへ常時押し付ける。
【００３１】
図１６は、前記第２ドライブ軸１０２ｂの機能を説明するための図であり、同図(a) は断面図、同図(b) は同図(a) をＣ−Ｃ線側から見込んだ図、同図(c) は、前記端面における側面を直線的に模して示した図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００３２】
本実施形態では、第２ドライブ軸１０２ｂの端面に、前記スライダ９２１の第２ドライブ軸１０２ｂ側端面に設けられた２つの凸カム部９２１ａと係合する２つの凹状カム溝９２２が円周方向に形成されている。
【００３３】
クランク軸１０１に入力された踏力に応じて、第１および第２ドライブ軸１０２ａ，１０２ｂ間に回転方向の捩じれ（位相差）が生じると、第２ドライブ軸１０２ｂとスライダ９２１との間にも位相差が生じ、凸状カム９２１ａと凹状カム溝９２２との相対位置が、図１６(c) の左側に示した関係から右側に示した関係のように変化してスライダ９２１が軸に沿って車体左側へ摺動する。この結果、前記変位検知レバー１５２が前記コイルスプリング９２３の弾性力に抗して軸方向に沿って車体左方向に変位する。
【００３４】
したがって、本実施形態では変位検知レバー１５２の軸方向への変位量が、クランク軸１０１に入力された踏力を代表することになる。上記した踏力検知機構により、軸方向への変位量として検知された踏力は、後に詳述するストロークセンサ１５０（図４参照）によって電気信号に変換されてコントロールユニット８へ伝送される。
【００３５】
なお、第２ドライブ軸１０２ｂの端面には、第１ドライブ軸１０２ａの端面に設けられたストッパ凸部９２１ｂと嵌合するストッパ孔９２２ａが設けられ、各ドライブ軸１０２ａ，１０２ｂの過大な捩じれが防止されるように構成されている。これにより、小型化されたトーションバー１０２ｃを有効に保護することが可能となり、より一層の小型化が達成される。
【００３６】
なお、図３、４においてトーションバー１０２ｃを中心として右側は、凸状カム９２１ａと凹状カム９２２とが合致している踏力トルクなしの状態［図１０(c) の左側］を示し、左側は各カムの作用によりスライダ９２１が車体左側へ移動している踏力トルク有り状態［図１０(c) の右側］を示している。
【００３７】
前記第１アイドル軸１０２の後下方には、第２アイドル軸１０３がベアリング１８５，１８６によって回転自在に軸支されている。第２アイドル軸１０３の外周部には、前記第２ドライブ軸１０２ｂの第２ギア１０２ｅと歯合するギア歯１１４が形成され、端部には樹脂ギア１１５がネジ止め固定されている。
【００３８】
前記第２アイドル軸１０３の後下方には電動モータＭが配置され、その回転軸１０４はベアリング１８７，１８８によって回転自在に軸支され、モータハウジング１０Ｍはボルト７８２により、Ｏリング１０Ｓを介して左ケース１０Ｌに締結されている。回転軸１０４には、モータコイル１３０を含むステータロータ１３１が固定され、ステータロータ１３１の周囲には磁石１３２が設けられている。回転軸１０４の一端には、前記第２アイドル軸１０３の樹脂ギア１１５と歯合するギア歯１１６が固定されている。これにより、高回転するギア１１５，１１６のギア音を抑制できる。各ギア１１５，１１６の車体左側には、樹脂カバー１０Ａが左ケース１０Ｌにボルト７８３により締結されており、さらに防音効果を高めている。
【００３９】
前記ケース１０の前方空間内では、図３に示したように、当該電動補助ユニット１を制御するコントロールユニット８がクランク軸１０１の前方下部に搭載されている。コントロールユニット８は、樹脂製の皿状ケース８１内に制御回路基板８２を収容し、隙間部および基板表面を絶縁樹脂８３で樹脂モールドして構成される。前記制御回路基板８２には、各種の制御回路８２０や複数のパワートランジスタ（ＦＥＴ）８２１ａ，ダイオード８２１ｂ（図１０参照）と共に回転センサ８２２が搭載され、発熱を伴う各素子８２１ａ，８２１ｂはアルミ製の放熱板８２９に面接触固定されている。さらに、放熱板８２９はアルミ製の右ケース１０Ｒに面接触固定されている。前記回転センサ８２２は、制御回路基板８２の端部近傍において、クランク軸１０１の増速ギア１１１のギア歯と対向するように固定されている。したがって、各発熱性素子８２１ａ，８２１ｂが発生する熱は右ケース１０Ｒに放熱され、左ケース１０Ｌ近傍に配置された回転センサに熱的な悪影響が及ぶことがない。
【００４０】
このように、本実施形態では、コントロールユニット８に回転センサ８２２を設け、クランク軸１０１と同期回転する回転体（大径ギア１１１）の近傍に回転センサ８２２が配置されるようにコントロールユニット８を配置したので、回転センサ用の設置スペースを別途に確保する必要がなく、電動補助システム全体をコンパクトにすることができる。また、回転センサ８２２とコントロールユニット８との距離を短くすることができるので、回転センサ８２２の出力信号へのノイズの混入を抑えることができる。
【００４１】
さらに、コントロールユニット８は、電動補助ユニット１が車体フレーム２に取り付けられた姿勢においてクランク軸１０１の前方下部に配置されるようにしたので、走行時には高い空冷効果が得られて冷却効率が向上する。
【００４２】
一方、回転センサ８２２の取り付け位置に対応した皿状ケース８１の底部外側には、底面に沿って平行に延びる位置決めピン８１１が形成されており、ケース１０の対向部分には、前記位置決めピン８１１を挿貫される位置決め孔９１１が形成されている。同様に、皿状ケース８１の側面外側（図２参照）には、側面に沿って平行に延びる位置決めピン８１２が形成されており、ケース１０の対向部分には、前記位置決めピン８１２を挿貫される位置決め孔９１２が形成されている。これにより、ユニット８の２面を位置決めでき、回転センサ８２２と大径ギア１１１とのクリアランスを規定状態に保持できるようになる。
【００４３】
コントロールユニット８すなわち皿状ケース８１は、前記各位置決めピン８１１，８１２が各位置決め孔９１１，９１２の入口へあてがわれたときは前記回転センサ８２２が未だ大径増速ギア１１１とは対向せず、その後、ピン８１１，８１２が孔９１１，９１２に挿入されはじめた後に、増速ギア１１１のギア歯と回転センサ８２２との相対的な位置関係（対向関係）が予定の関係となるように、前記ケース１０に対して位置決めされる。
【００４４】
また、ケース１０に対するコントロールユニット８の固定は、図３に示したように、前記回転センサ８２２および位置決めピン８１１が設けられた端部とは反対側の端部において、皿状ケース８１の両側部をケース１０にネジ８３１（８３１ａ，８３１ｂ：図２参照）によりネジ止めすることにより行われる。
【００４５】
このように、本実施形態では、コントロールユニット８に位置決め手段としての位置決めピン８１１，８１２を設け、コントロールユニット８を補助動力ユニット１内の所定の位置に所定の姿勢で固定できるようにしたので、コントロールユニット８を位置決め固定するだけで、回転センサ８２２と回転体（増速ギア１１１）との相対的な位置関係を予定の関係に保持することができ、回転数の検出精度を確保することができる。
【００４６】
しかも、本実施形態では、コントロールユニット８の一側部に設けた位置決め手段によりコントロールユニット８の一側部を電動補助ユニット１に係合させ、他の側部において締結手段により締結されるので、締結構造が簡単で部品点数も少なくなる。
【００４７】
一方、図２，４において、前記第１アイドル軸１０２の後上方には、出力軸１０５がベアリング１９１，１９２によって回転自在に軸支されている。出力軸１０５には、前記第２ドライブ軸１０２ｂの第１ギア１０２ｄと歯合する第４ギア１１８が設けられ、ケース１０から露出した端部には前記駆動スプロケット１３が固定されている。
【００４８】
このような構成において、人力としての踏力は、ペダル１２およびクランク１１を介してクランク軸１０１に入力され、さらに増速ギア１１１を介して第１アイドル軸１０２の第１ドライブ軸１０２ａから第２ドライブ軸１０２ｂへ伝達される。一方、電動モータＭの回転トルクは、ギア１１５および第２アイドル軸１０３、ギア歯１１４、第２ギア１０２ｅを介して第２ドライブ軸１０２ｂに伝達されて前記踏力と合成される。第２ドライブ軸１０２ｂ上の合力は、第１ギア１０２ｄおよび第４ギア１１８を介して出力軸１０５へ伝達され、さらに駆動スプロケット１３およびチェーン６を介して後輪ＷＲへ伝達される。
【００４９】
ここで、第１アイドル軸１０２のボールカップ９２４には、図４に示したように、一端をピン１５３によって揺動自在に支持された変位検知レバー１５２の略中央部が係合しており、変位検知レバー１５２の他端には、右ケース１０Ｒに固定されたストロークセンサ１５０のストローク検知シャフト１５１が連結されている。したがって、クランク軸１０１に入力された踏力に応じて第１アイドル軸１０２の第１および第２ドライブ軸１０２ａ，１０２ｂ間に位相差が生じ、この位相差に応じてボールカップ９２４が軸方向に変位すると、これが変位検知レバー１５２を揺動させ、ストロークセンサ１５０に伝達されて検知される。
【００５０】
検知された踏力は電気信号に変換されてコントロールユニット８へ供給される。コントロールユニット８は、前記回転センサ８２２により検知されたクランク軸（増速ギア１１１）の回転速度と前記検知された踏力とに基づいて最適なアシストトルクを決定し、当該アシストトルクを電動モータＭが発生するように、当該電動モータＭへ供給する駆動電流を前記パワートランジスタ８２１ａにより適宜に制御する。
【００５１】
本実施形態では、クランク軸１０１に入力された踏力を機械的変位量に変換する踏力検知機構を当該クランク軸１０１に隣接した第１アイドル軸１０２上に設けたので、踏力検知機構を別途に設ける際には必要となるスペースが不要となり、電動補助ユニット１を大型化することなくコントロールユニット８の設置スペースを確保できるようになる。
【００５２】
図５は、上記した電動補助自転車の電動補助ユニット１およびバッテリ収容ケース５近傍の側面図であり、ここでは、図面を見易くするために、前記チェーンカバー３２およびペダル１２等は、その図示を省略している。
【００５３】
本実施形態では、電動補助ユニット１のフレーム搭載状態での上部に電極ソケット７０１が装着され、当該電極ソケット７０１の上面には電極７１１，７１２が露出している。前記電極７１１，７１２のリード線（図示せず）は、電動補助ユニット１のケースを貫通してユニット内部の電動モータＭおよびコントロールユニット８等と接続されている。
【００５４】
筒状のバッテリ収容ケース５は、その底部のスカート部５ａが、シートポスト２３とチェーンステイ２５とを連結するブラケット４９を跨ぐようにシートポスト２３の後方に取り付けられ、その内側底部には前記電極ソケット７０１の電極７１１，７１２が露出している。前記バッテリ４の底面には、バッテリ収容ケース５への収容時に前記各電極７１１，７１２と接触して電気的に接続される接点（図示せず）が設けられている。
【００５５】
前記バッテリ４は、バッテリ収容ケース５内の上部から挿脱着されるが、バッテリ４の挿脱着経路上にはシート３０が存在するため、そのままではバッテリ３０を着脱できない。そこで、本実施形態では図６に示したように、バッテリ４を挿脱着する際は、シートパイプ３１の上端に設けられたシートブラケット３０４に対して軸３０２により支持されたシートロックレバー３０１を車両前方へ動かし、軸３０２を中心に揺動させてシートロックフック３０１ａとシートブラケット３０４の孔３０４ａとの係合を解除する。その結果、シートロックレバー３０１とシートブラケット３０４との間で圧縮配置されたスプリング３０５の弾性力によってシートブラケット３０４が軸３０３を支点として前方へポップアップされ、その後、シート３０を手操作で引き起こすことによりバッテリ４の挿脱着経路が確保される。
【００５６】
バッテリ収容ケース５の車体左側側部の後上部には施錠手段５０１が設けられており、施錠状態では施錠ピン５０１ａが収容ケース５内部に突出してバッテリ４の凹部４ａと係合し、バッテリ収容ケース５からのバッテリ４の取り外しが阻止される。
【００５７】
本実施形態では、電源スイッチ２９のキーで施錠手段５０１を回転させて施錠ピン５０１ａを退避させることでバッテリ４を取り出すことができる。なお、施錠ピン５０１ａは通常、突出状態に付勢されており、バッテリ４を収容ケース５に挿入するとバッテリ４によりピン５０１ａが開錠状態まで退避され、挿入を完了するとピン５０１ａが凹部４ａに係合して施錠される。
【００５８】
次いで、本発明の他の実施形態について説明する。図８は、本発明の電動補助ユニットを適用した電動補助自転車の第２実施形態の側面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００５９】
本実施形態の車体フレーム２は、電動補助ユニット１を介して各フレームを相互に連結することにより構成され、電動補助ユニット１がフレームの一部を構成するのでフレーム部材を軽量化でき、さらには、電動補助ユニット１を低い位置に配置できるので“跨ぎ易さ”も向上する。
【００６０】
ダウンパイプ２２は電動補助ユニット１の前方に設けられたバンガー部６６１、６６２において電動補助ユニット１と直接連結されている。シートポスト２３およびチェーンステイ２５は、ブラケット２８を介して相互に連結され、ブラケット２８は電動補助ユニット１の後方上部に設けられたバンガー部６６３、６６４において電動補助ユニット１と連結されている。このような構成によれば、電動補助ユニット１が各フレームを連結する補強部材とも成り得るので、軽量かつ高剛性の車体を実現できる。
【００６１】
電動補助ユニット１は、車体フレームに取り付けられた姿勢でシートポスト２３と直交するバッテリ搭載面４０１を上部に有し、当該バッテリ搭載面４０１には、後述する接点ホルダ８６０が設けられている。接点ホルダ８６０には外部接続用の各種端子（接点）が形成されている。バッテリ収容ケース５１は、シートポスト２３の前方において前記バッテリ搭載面４０１上に搭載される。電動補助ユニット１から突出して接点ホルダ８６０を貫通した接点８５１（８５１ａ，８５１ｂ）等は、さらにバッテリ収容ケース５１の底面を貫通して内部に露出している。
【００６２】
図９は、バッテリ収容ケース５１の底部内側を上部から見込んだ図であり、前記バッテリ搭載面４０１には接点ホルダ８６０が形成され、接点ホルダ８６０には一対の正負接点８５１ａ，８５１ｂと共に、コントロールユニット８から入出力されるスイッチング信号、センサ信号等の制御系信号を伝達するためのグロメット８５２が保持されている。バッテリ４４の底面には、バッテリ収容ケース５１への収容時に前記各電極８５１ａ，８５１ｂと接触して電気的に接続される接点、および前記グロメット８５２と接続されるソケット（図示せず）が設けられている。
【００６３】
図１０は、前記電動補助ユニット１の部分透過側面図、図１１は、図１０のＡ−Ａ線に沿った歯車列を示す断面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００６４】
クランク軸２０１は踏力検知機構を具備し、その一端がケース１０に対してベアリング２８１により回転自在に軸支されている。クランク軸２０１の他端の外周部には第１ドライブギア２０２がニードルベアリング２９１、２９２を介して遊貫され、当該第１ドライブギア２０２はベアリング２８２によりケースに対して回転自在に軸支されている。ケース１０から露出した第１ドライブギア２０２の外周部にはペダルスプロケット２００がスプライン結合され、ナットにより締め付けられている。
【００６５】
前記クランク軸２０１の略中央部には、ワンウエイクラッチ２６１を介して第２ドライブギア２０３が装着され、前記第１および第２ドライブギア２０２，２０３同士は、その円周方向に弾性力を発揮するコイルスプリング２０４を介して相対回転可能に連結されている。前記第２ドライブギア２０３の外周小径部には、円周方向に沿って溝が形成されたスライダ２０５がスプライン結合により軸方向へ摺動自在に装着され、前記溝の深さは円周方向に沿って連続的に変化している。前記第１ドライブギア２０２の外周には係合ピン２７１が固定され、当該係合ピン２７１は前記スライダ２０５の溝に係合している。
【００６６】
前記クランク軸２０１の後方では、第１アイドル軸２１０がベアリング２８４，２８５によって軸支され、その外周に形成されたギア歯２６２が前記クランク軸２０１の第１ドライブギア２０２と歯合している。第１アイドル軸２１０にはさらに、ワンウエイラチェット２６３を介してギア２６４が連結されている。
【００６７】
前記第１アイドル軸２１０の後方では、第２アイドル軸２２０がベアリング２８６，２８７によって軸支され、その外周に形成されたギア歯２６５が前記第１アイドル軸２１０のギア２６４と歯合している。前記ドライブ軸２２０の一端には樹脂ギア２６６が連結されている。
【００６８】
前記第２アイドル軸２２０の上方では、電動モータＭの回転軸２３０が、ベアリング２８８，２８９によって回転自在に軸支されている。回転軸２３０にはロータ２３１が固定され、ロータ２３１の周囲にはステータ２３２が設けられている。回転軸２３０の一端にはギア歯２７６が形成され、当該ギア歯２７６は前記第２アイドル軸２２０の樹脂ギア２６６と歯合している。
【００６９】
以上のような構成において、人力としての踏力は、前記ペダル１２およびクランク１１を介してクランク軸２０１に入力され、ワンウエイクラッチ２６１を介して第２ドライブギア２０３を同期回転させると共に、スプリング２０４を介して第１ドライブギア２０２へ伝達される。
【００７０】
一方、電動モータＭの回転トルク（補助動力）は、ギア歯２６７、ギア２６６、第２アイドル２２０およびワンウエイラチェット２６３を介して第１アイドル軸２１０へ、ギア歯２６２を介して第１ドライブギア２０２へ伝達される。第１ドライブギア２０２へ伝達された踏力および補助動力の合力は、ペダルスプロケット２００およびチェーン６を介して後輪ＷＲへ伝達される。
【００７１】
このとき、クランク軸２０１に入力される踏力に応じて前記スプリング２０４が円周方向に圧縮され、各ドライブギア２０２，２０３が相対的に回転して両者に位相差が生じる。この結果、前記係合ピン２０２１がスライダ２０５の溝内を回動し、回動量に応じて変化した溝の深さ分だけスライダ２０５がバネ２６０の弾発力に抗してクランク軸２０１上を摺動する。スライダ２０５の軸方向の摺動量は、変位検知レバー１５２を介してストロークセンサ１５０の検知シャフト１５１を変位させるので、踏力がストロークセンサ１５０によって検知されることになる。
【００７２】
コントロールユニット８は、図１２に示したように、前記バッテリ搭載面４０１の裏面内側に配置されており、その皿状ケース８１内に制御回路基板８２を収容し、隙間および基板表面を絶縁樹脂８３で樹脂モールドして構成される。前記制御回路基板８２には、各種の制御回路８２０やパワートランジスタ８２１ａ、ダイオード８２１ｂと共に回転センサ８２２が搭載され、各パワートランジスタ８２１ａおよびダイオード８２１ｂは放熱板８２９に接触固定されている。
【００７３】
前記回転センサ８２２は、制御回路基板８２の端部近傍において、クランク軸２０１の第１ドライブギア２０２のギア歯と対向するように固定されている。皿状ケース８１には、前記と同様に位置決めピンが形成され、ケース１０Ｒの対応部分には位置決め孔が形成されている。
【００７４】
コントロールユニット８は、前記各位置決めピンが各位置決め孔へ挿貫されたときに前記回転センサ８２２が制御回路基板８２上の所定の位置に所定の高さで固定されてギア歯との相対的な位置関係が予定の関係となるように、前記ケース１０に対して位置決めされる。
【００７５】
また、ケース１０に対するコントロールユニット８の締め付けは、図１２に示したように、前記回転センサ８２２が設けられた端部とは反対側の端部において、皿状ケース８１の両側（図１０参照）を左ケース１０Ｌにネジ８３１によりネジ止めすることにより行われる。
【００７６】
本実施形態によれば、電動補助ユニット１のケース外表面に外部電極を一体的に設けたので、電動補助ユニット１上にバッテリ４４を直接配置することが可能になって電動補助ユニット１とバッテリ４４とを結ぶ給電ラインを短くすることができる。
【００７７】
また、本実施形態では、クランク軸２０１に踏力検知機構を設けたので、踏力検知機構を別途に設ける際には必要となるスペースが不要となり、電動補助ユニット１を大型化することなくコントロールユニット８の設置スペースを確保できるようになる。
【００７８】
図１３は、前記電動補助ユニット１の第３実施形態の部分透過側面図であり、図１４は、図１３のＢ−Ｂ線に沿った歯車列を示す断面図、図１５は、図１３のＡ−Ａ線に沿った歯車列を示す断面図であり、それぞれ前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００７９】
上記した各実施形態では、駆動モータＭが発生する補助動力が第２アイドル軸１０３を介して第１アイドル軸１０２へ伝達され、当該第１アイドル軸１０２において踏力と合成された後に出力軸１０５へ伝達されていたが、本実施形態では、駆動モータＭが発生する補助動力が第２アイドル軸１０３を介して出力軸１０５へ直接伝達されるようにしている。
【００８０】
すなわち、駆動モータＭの回転軸１０４に発生した補助動力は樹脂ギア１１５を介して第２アイドル軸１０３へ伝達される。この第２アイドル軸１０３には、出力軸１０５のギア１１９と歯合するギア歯１０３ａが形成されており、第２アイドル軸１０３に伝達された補助動力はギア歯１０３ａ、ギア１１９を介して出力軸１０５へ伝達される。
【００８１】
一方、クランク軸１０１に入力された踏力は、増速ギア１１１、第２アイドル軸１０３および第１ドライブ軸１０２ａのギア歯１１３を介して第１アイドル軸１０２へ伝達され、さらに、第２ドライブ軸１０２ｂのギア歯および出力軸１０５の第４ギア１１８を介して出力軸１０５へ伝達され、ここで前記補助動力と構成される。
【００８２】
このように、本実施形態では、電動モータＭの発生する補助動力を出力軸１０５へ直接伝達することができるので、上記した各実施形態のように、合力軸としての第１アイドル軸を介する場合に比べて第１アイドル軸上に設けられるギア数が減ぜられる。このため、第１アイドル軸上に設けられる踏力検知機構の占有スペースが増えて設計の自由度が増す。
【００８３】
また、本実施形態の電動モータＭは、図１４に示したように、出力取出側の端面に電源端子７５２が配置されているので、その電源コード７５１は電動モータＭの出力取出側から前記コントロールユニット８まで引き回す必要がある。しかしながら、ケース１０内では電動モータＭの出力取出側に多数のギア列が配置されているため、電源コード７５１は左ケース１０Ｌの内側端面に沿って引き回すよりも右ケース１０Ｒの内側端面に沿って引き回すことが望ましい。
【００８４】
そこで、本実施形態では、モータハウジング１０Ｍに隣接して設けられた左ケース１０Ｌの内壁７５６と平行に、第２の内壁７５４を別途に設けて各内壁７５４、７５６で囲まれた空間（コード通路）７５３を形成し、電動モータＭの出力取出側の端面から引き出される電源コード７５１を前記コード通路７５３を通して右ケース１０Ｒの内側端面まで引き回し、さらに、この内側端面に沿ってコントロールユニット８まで引き回すようにしている。
【００８５】
上記した特徴によれば、電源コードがユニットケース内の左ケース１０Ｌ側の内側端面から右ケース１０Ｒ側の内側端面へ、コード通路を介して導かれるので、電源コードがギア列や他の構成部材等と干渉することがない。
【００８６】
さらに、本実施形態では電源コード７５１を右ケース１０Ｒの内側端面に拘束するため、前記軸受け用ベアリング１８４，１８５を支持するために右ケース１０Ｒの内側端面に立設した各軸受け用ボス７４９，７４８を橋渡しするようにクランパ７５５を設け、前記電源コード７５１は各ボス７４９，７４８およびクランパ７５５で囲まれた通路を通すことでクランプするようにした。このように、既存のボス７４９，７４８を橋渡しするようにクランパ７５５を設ければ、簡単な構成で電源コード７５１を確実にクランプすることができる。
【００８７】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
【００８８】
(1) コントロールユニットに回転センサを設け、クランク軸と同期回転する回転体の近傍に回転センサが配置されるようにコントロールユニットを配置したので、回転センサ用の設置スペースを別途に確保する必要がなく、電動補助システム全体をコンパクトにすることができる。また、回転センサとコントロールユニットとの距離を短くすることができるので、回転センサの出力信号へのノイズの混入を抑えることができる。
【００８９】
(2) コントロールユニットに位置決め手段を設け、補助動力ユニットの所定の位置に所定の姿勢で固定できるようにしたので、コントロールユニットを位置決め固定するだけで、回転センサと回転体との相対的な位置関係を予定の関係に保持することができ、回転数の検出精度を高く維持することができる。
【００９０】
(3) コントロールユニットを、その一側部に設けた位置決め手段により電動補助ユニットに係合させ、他の一側部において締結手段により締結するようにしたので、締結構造が簡単で部品点数も少なくなる。
【００９１】
(4) クランク軸上に大径ギアを配置し、クランク軸の周囲にコントロールユニットの配置スペースを確保してコントロールユニットをレイアウトしたので、大径ギアからクランク軸の回転数を検出することが可能になる。
【００９２】
(5) コントロールユニットは、電動補助ユニットが車体フレームに取り付けられた姿勢においてクランク軸の前方下部に配置されるようにしたので、走行中の空冷効果が大きくなって冷却効率が向上する。
【００９３】
(6) 踏力に応答した電気信号を出力するセンサを電動補助ユニットに内蔵させたので、ケース内のデットスペースを有効利用できるようになって電動補助ユニットの一層の小型化が可能になる。また、踏力センサのコード（リード線）をユニット外へ取り出す必要がないのでユニットの密閉性をより一層高められる。
【００９４】
(7) 電動補助ユニットのケース外表面に正負接点を設けたので、電動補助ユニットにバッテリを直接当接することが可能になって電動補助ユニットとバッテリとを結ぶ給電ラインを短くすることができる。さらに、バッテリおよび電動補助ユニットをアッセンブリとして取り扱うことができるので、コンパクト化と取扱性の向上とが可能になる。
【００９５】
(8) コントロールユニットは、当該電動補助ユニットが車体フレームに取り付けられた姿勢においてクランク軸上方に配置されるようにしたので、シートポストに沿って長手状のバッテリを搭載すれば、バッテリをコントロールユニット上に配置することができ、コントロールユニットとバッテリとを結ぶ配線を短くすることができる。また、重量物を車体の中央部に集中配置することができるので、車体の重心を中央部に置くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電動補助ユニットを適用した電動補助自転車の側面図である。
【図２】電動補助ユニットの第１実施形態の部分透過側面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った歯車列を示す断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ線に沿った歯車列を示す断面図である。
【図５】電動補助ユニット１およびバッテリ収容ケース５近傍の側面図である。
【図６】バッテリの挿脱着方法を示した図である。
【図７】バッテリに設けた充電残量計の操作・表示パネルの平面図である。
【図８】本発明を適用した電動補助自転車の第２実施形態の側面図である。
【図９】バッテリ収容ケース５１の底部内側を上部から見込んだ図である。
【図１０】電動補助ユニットの第２実施形態の部分透過側面図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ線に沿った歯車列を示す断面図である。
【図１２】コントロールユニットの取り付け方法を示した断面図である。
【図１３】電動補助ユニットの第３実施形態の部分透過側面図である。
【図１４】図１３のＡ−Ａ線に沿った歯車列を示す断面図である。
【図１５】図１３のＢ−Ｂ線に沿った歯車列を示す断面図である。
【図１６】第１アイドル軸の機能を説明するための図である。
【符号の説明】
１…電動補助ユニット、４…バッテリ、５…バッテリ収容ケース、８…コントロールユニット、１０…ケース、１０Ｒ…右ケース、１０Ｌ…左ケース、１３…駆動スプロケット、８１…皿状ケース、８２…制御回路基板、１０２…第１アイドル軸、１０２ａ…第１ドライブ軸、１０２ｂ…第２ドライブ軸、１０２ｅ…第２ギア、１０３…第２アイドル軸、１０５…出力軸、１１１…増速ギア、１１５…樹脂ギア、１１８…第４ギア、１３１…ロータ、１５０…ストロークセンサ、１５２…変位検知レバー、１６１、１６２…ワンウエイクラッチ、１８１，１８２，１８３ａ，１８３ｂ，１８５，１８６，１８７，１８８…ベアリング、８１１，８１２…位置決めピン、８２２…回転センサ、９１１，９１２…位置決め孔、９２１…スライダ、９２４…ボールカップ

Claims (8)

1. クランク軸に入力される踏力に応答して補助動力を発生する電動モータおよびそのコントロールユニットを内蔵し、前記補助動力および踏力を合成して駆動輪へ伝達する電動補助ユニットを搭載した電動補助自転車において、
   シートポストを備えた車体フレームと、
   前記シートポストとチェーンステイとを連結し、かつ前記電動補助ユニットを懸架するブラケットと、
   前記シートポストの後方で前記ブラケット上に搭置されるバッテリ収納ケースと、
   前記バッテリ収納ケースの内側底部に露出する正負電極と、
   前記電動補助ユニットのケースの内側で前記正負接点と電動モータとを電気的に接続する給電ラインとを含み、
   前記電動モータへ給電するバッテリの底面には、前記バッテリ収納ケースへの収納時に前記正負接点と電気的に接続される接点が設けられ、
   前記バッテリの接点は、前記バッテリ収納ケースに収容されて前記正負電極と電気的に接続されることを特徴とする電動補助自転車。
2. 前記コントロールユニットは、クランク軸の回転速度を検知する回転センサが少なくとも実装された制御基板を含み、前記コントロールユニットは、前記クランク軸と同期回転する回転体と前記回転センサとの相対的な位置関係が予定の関係に保持されるように、前記回転体の近傍に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電動補助自転車。
3. 前記コントロールユニットは、前記回転センサと回転体との相対的な位置関係が予定の関係に保持されるように自身を電動補助ユニットに対して位置決めする位置決め手段を具備したことを特徴とする請求項２に記載の電動補助自転車。
4. 前記回転センサおよび位置決め手段は、コントロールユニットの一側部近傍に配置され、
   コントロールユニットは、前記一側部において前記位置決め手段により電動補助ユニットに係合保持され、他の一側部において締結手段により電動補助ユニットに締結されたことを特徴とする請求項３に記載の電動補助自転車。
5. 前記クランク軸に設けられた回転体としての大径ギアと、
   前記クランク軸と並列配置され、前記大径ギアと歯合する小径ギアを備えたアイドル軸と、
   前記アイドル軸と並列配置され、これと歯合する出力軸と、
   前記出力軸を駆動輪と連結する連結手段と、
   前記アイドル軸上に設けられ、クランク軸に入力された踏力を検出する踏力検知手段とを含み、
   前記回転センサは前記大径ギアの近傍に配置され、当該大径ギアの回転速度を検知することを特徴とする請求項２に記載の電動補助自転車。
6. 前記コントロールユニットは、当該電動補助ユニットが車体フレームに取り付けられた姿勢においてクランク軸の前方下部に配置されたことを特徴とする請求項５に記載の電動補助自転車。
7. 前記踏力検知手段は、電動補助ユニットのケース内壁に固定されるように内蔵されて踏力に応答した電気信号を出力するセンサを含むことを特徴とする請求項５に記載の電動補助自転車。
8. 前記コントロールユニットは、当該電動補助ユニットが車体フレームに取り付けられた姿勢においてクランク軸上方に配置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。

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