JP6498111B2 - ハンドルの舵角検出機構及び電動補助自転車 - Google Patents

Description

本発明は、ハンドルの舵角検出機構及び電動補助自転車に関する。

従来から、ハンドルの舵角に応じて補助駆動力を制御する電動補助自転車が提案されている。

下記特許文献１には、フレームのヘッドチューブ（ヘッドパイプ）の外側にハンドル切れ角検出装置を取り付けた構造が開示されている。この構造では、フレームのヘッドパイプの外側に、ディスク状のスイッチ操作体を備えた下ケースが固定されている。ヘッドパイプに回転可能に設けられたハンドルステムの外側には、アクチュエータを下向きに突出させたスイッチを備えた上ケースが固定されている。この構造では、アクチュエータをスイッチ操作体に接触させ、スイッチ操作体に形成されたスリットによりアクチュエータを動作させることで、ハンドルの切れ角（舵角）を検出している。そして、ハンドル切れ角検出装置で検出されたハンドルの切れ角が所定値を超えたときに、電動補助自転車のモータによる補助駆動力を弱める制御を行っている。

特開２０１１−２３０６６４号公報

上記特許文献１に記載の電動補助自転車では、フレームのヘッドチューブ（ヘッドパイプ）の外側にハンドル切れ角検出装置が取り付けられている。このため、ハンドル切れ角検出装置を、停車時のハンドルロック装置などと併用しようとした場合、ヘッドパイプとハンドルステムの所定の位置にハンドル切れ角検出装置の構成部品が取り付けられるため、従来のハンドルロック装置をそのまま使用することはできず、専用に設計する必要がある。また、ヘッドパイプの構成によっては、ハンドル切れ角検出装置とハンドルロック装置との併用が困難な場合がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ハンドル周りの装置に大きな変更を加えることなく、ハンドルの舵角検出機構とハンドル周りの装置との併用が可能なハンドルの舵角検出機構及び電動補助自転車を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様のハンドルの舵角検出機構は、自転車フレームのヘッドパイプに対して回転可能とされると共にハンドルと一体に回転する前ホークに設けられ、前記ヘッドパイプの内部に配置されると共に、周方向に沿って形状を変化させた被検出部と、前記ヘッドパイプに設けられ、前記被検出部と接触して配置され、前記被検出部の回転位置に応じて前記ハンドルの舵角を検出する検出部と、を有し、前記検出部は、前記ヘッドパイプに固定された本体部と、前記本体部に対して変位可能に支持され、前記ヘッドパイプに形成された孔部から挿入されると共に前記被検出部と接触して変位する接触部と、を有する。

本発明の第１の態様のハンドルの舵角検出機構によれば、自転車フレームのヘッドパイプに対して前ホークが回転可能とされており、前ホークはハンドルと一体に回転する。前ホークには、ヘッドパイプの内部に配置されると共に、周方向に沿って形状を変化させた被検出部が設けられている。ヘッドパイプには、被検出部と接触する検出部が設けられている。ハンドルを操舵することによって、前ホークをヘッドパイプに対して回転させると、前ホークと共に被検出部が回転し、ヘッドパイプに設けられた検出部によって、被検出部の回転位置に応じてハンドルの舵角が検出される。このハンドルの舵角検出機構では、前ホークには、ヘッドパイプの内部に配置された被検出部が設けられ、ヘッドパイプには、被検出部と接触する検出部が設けられているので、従来の検出機構では、検出毎に基準点を設定する必要があるが、このハンドルの舵角検出機構では、検出毎に基準点を設定する必要がない（ゼロ点を毎回の検出毎に設定する必要がない）。また、小型化が可能であり、ハンドルの舵角検出機構を設ける位置の自由度が大きい。このため、ハンドル周りの装置に大きな変更を加えることなく、ハンドルの舵角検出機構とハンドル周りの装置との併用が可能である。
また、検出部は、ヘッドパイプに固定された本体部を備えており、本体部に対して接触部が変位可能に支持されている。ハンドルを操舵することによって、前ホークをヘッドパイプに対して回転させると、前ホークと共に被検出部が回転し、被検出部に接触する接触部が本体部に対して変位する。このため、被検出部の外周面の形状の変化による接触部の変位により、ハンドルの舵角をより確実に検出することができる。

本発明の第２の態様のハンドルの舵角検出機構は、第１の態様のハンドルの舵角検出機構において、前記被検出部は、前記ヘッドパイプの軸方向と直交する断面において、前記ヘッドパイプの周方向に沿って、外周面の位置を径方向に変化させた構成とされている。

本発明の第２の態様のハンドルの舵角検出機構によれば、被検出部は、ヘッドパイプの軸方向と直交する断面において、ヘッドパイプの周方向に沿って、外周面の位置を径方向に変化させた構成とされているので、ヘッドパイプの内部で被検出部をより小型化することができる。また、ヘッドパイプに設けられた検出部を被検出部に接触又は離間して配置することで、被検出部の回転位置に応じて被検出部の外周面の位置が径方向に変化するので、検出部により、ハンドルの舵角を容易に検出することができる。

本発明の第３の態様のハンドルの舵角検出機構は、第２の態様のハンドルの舵角検出機構において、前記被検出部は、前記ハンドルを０度から左右の所定の角度まで回転させる領域における前記外周面の位置が、前記ハンドルを左右の前記所定の角度以上に回転させる領域における前記外周面の位置よりも径方向内側もしくは外側である。

本発明の第３の態様のハンドルの舵角検出機構によれば、ハンドルを０度から左右の所定の角度まで回転させる領域における外周面の位置が、ハンドルを左右の所定の角度以上に回転させる領域における外周面の位置よりも径方向内側もしくは外側である。これにより、検出部により、ハンドルの舵角が所定の角度より大きいかどうかを検出することができる。

本発明の第４の態様のハンドルの舵角検出機構は、第２又は第３の態様のハンドルの舵角検出機構において、前記被検出部は、前記ハンドルを０度から左右の所定の角度まで回転させる領域における前記外周面の位置が、前記ハンドルを左右の前記所定の角度以上に回転させる領域における前記外周面の位置よりも径方向内側に配置された構成とされている。

本発明の第４の態様のハンドルの舵角検出機構によれば、ハンドルを０度から左右の所定の角度まで回転させる領域における被検出部の外周面の位置が、ハンドルを左右の前記所定の角度以上に回転させる領域における被検出部の外周面の位置よりも径方向内側に配置されている。これにより、検出部により、ハンドルの舵角が所定の角度より大きいかどうかを検出することができる。

本発明の第５の態様のハンドルの舵角検出機構は、第１の態様から第４の態様までのいずれか１つの態様に記載のハンドルの舵角検出機構において、前記検出部は、前記接触部の変位量を検出するストロークセンサで構成されている。

本発明の第５の態様のハンドルの舵角検出機構によれば、検出部は、接触部の変位量を検出するストロークセンサで構成されているので、被検出部の回転による被検出部の外周面の形状の変化により、被検出部に接触する接触部の変位量を検出することができる。

本発明の第６の態様の電動補助自転車は、第１の態様から第５の態様までのいずれか１つの態様に記載のハンドルの舵角検出機構と、前記ヘッドパイプに設けられ、前記ハンドルをロックするハンドルロック装置と、を有する。

本発明の第６の態様の電動補助自転車によれば、ヘッドパイプには、ハンドルの舵角検出機構と、ハンドルをロックするハンドルロック装置とが設けられている。ハンドルの舵角検出機構は、前述のように小型化が可能であり、ハンドルの舵角検出機構を設ける位置の自由度が大きい。このため、ハンドルロック装置に大きな変更を加えることなく、ハンドルロック装置とハンドルの舵角検出機構との併用が可能である。

本発明の第７の態様の電動補助自転車は、第１の態様から第５の態様までのいずれか１つの態様に記載のハンドルの舵角検出機構と、ペダルに加えられた踏力による入力トルクに応じて補助駆動力を電動モータによって発生させ、前記補助駆動力によって車輪を駆動する補助駆動系と、前記検出部で検出された前記ハンドルの舵角に基づき、前記補助駆動力を制御する制御手段と、を有する。

本発明の第７の態様の電動補助自転車によれば、ハンドルの舵角検出機構によってハンドルの舵角が検出され、検出されたハンドルの舵角に基づき、電動モータによって発生させる補助駆動力が制御される。例えば、電動補助自転車のスタート直後にハンドルを大きく曲げる（転舵する）と、前輪の路面への接地点がずれて前進方向の回転成分として寄与し、前輪のみ回転数が増加する現象が発生する。この場合、ハンドルの舵角検出機構で検出されたハンドルの舵角に基づいて補助駆動力を制御しない構成では、前輪のみ回転数が増加することにより、例えば、補助駆動力を弱める制御又は補助駆動力を停止する制御が働き、補助駆動が必要なときに補助駆動力が発生しない可能性がある。これに対して、ハンドルの舵角検出機構で検出されたハンドルの舵角に基づき、補助駆動力を制御することで、例えば、ハンドルの転舵による前輪の回転数の増加が補助駆動力の制御に介入することが回避され、補助駆動が必要なときに効果的に補助駆動力を発生させることができる。

本発明の第８の態様の電動補助自転車は、第１の態様から第５の態様までのいずれか１つの態様に記載のハンドルの舵角検出機構と、前記検出部で検出された前記ハンドルの舵角に基づき、車輪のスリップ制御を動作させるスリップ制御機構と、を有する。

本発明の第８の態様の電動補助自転車によれば、ハンドルの舵角検出機構とスリップ制御機構とを有している。例えば、前輪の回転速度が、後輪の回転速度とマージンの和よりも大きいときに、スリップ制御機構によるスリップ制御を動作させる場合、検出部で検出されたハンドルの舵角により設定されたマージンを使用することができる。例えば、電動補助自転車のスタート直後にハンドルを大きく曲げる（転舵する）と、前輪の路面への接地点がずれて前進方向の回転成分として寄与し、前輪のみ回転数が増加する現象が発生する。その際、ハンドルの舵角に基づき、マージンを増やすことで、スリップ制御の誤作動を効果的に抑制することができる。

本発明のハンドルの舵角検出機構及び電動補助自転車によれば、ハンドル周りの装置に大きな変更を加えることなく、ハンドルの舵角検出機構とハンドル周りの装置との併用が可能である。

本発明の第１実施形態であるハンドル舵角検出装置を備えた電動補助自転車の構成を示す側面図である。 図１に示す電動補助自転車に用いられるフレームのヘッドパイプ付近を示す平面図である。 図２に示すヘッドパイプ付近の縦断面図（図２中の３−３線に沿った断面図）である。 図３に示すハンドル舵角検出装置を拡大した状態で示す拡大断面図である。 図１に示す電動補助自転車のハンドルの舵角を示す図である。 図３に示すハンドル舵角検出装置に用いられる前ホークステムの被検出部の軸方向と直交する方向における断面図である。 本発明の第２実施形態であるハンドル舵角検出装置に用いられる前ホークステムの被検出部の軸方向と直交する方向における断面図である。 本発明の第３実施形態であるハンドル舵角検出装置に用いられる前ホークステムの被検出部の軸方向と直交する方向における断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、図面において適宜示される矢印ＦＲは自転車前方側を示しており、矢印ＵＰは自転車上方側を示しており、矢印ＯＵＴは自転車幅方向外側を示している。また、図において、自転車の左右方向を示す必要がある場合は、自転車右方向を矢印Ｒｉｇｈｔと表示している。

また、以下の説明では、運転者によってペダルに加えられた踏力で後輪を駆動すると共に、電動モータによる補助駆動力で前輪を駆動するタイプの電動補助自転車に本発明を適用する場合を例示する。

図１〜図６を用いて、本発明に係るハンドルの舵角検出機構の第１実施形態について説明する。

図１には、第１実施形態に係るハンドルの舵角検出機構としてのハンドル舵角検出装置７０を備えた電動補助自転車１が側面図にて示されている。図１に示されるように、電動補助自転車１は、前ホーク１１と、ヘッドパイプ１２と、下側ダウンチューブ１３Ａと、上側ダウンチューブ１３Ｂと、シートチューブ１４と、シートステー１５と、チェーンステー１６とを備えた自転車フレームの一例としてのフレーム２０を有している。前輪２１は前ホーク１１の下端部に回転自在に取り付けられ、後輪２２はシートステー１５とチェーンステー１６との交点に回動自在に取り付けられている。

ヘッドパイプ１２には、前ホーク１１の上部が回転可能に挿通されている。前ホーク１１の上部はハンドルステム２３の下部に接続されており、前ホーク１１とハンドルステム２３とは一体に回転する構成とされている。ハンドルステム２３の上端部にはハンドル２４が取り付けられている。

一方、シートチューブ１４には、シートポスト２５が嵌合されており、シートポスト２５の上端にはサドル２６が取り付けられている。ペダル２７は、クランク２８を介してスプロケット（図示せず）に接続されている。運転者がペダル２７に踏力を加えることによりスプロケットが回転し、スプロケットが回転することによってチェーン２９を介して後輪２２に駆動力が伝達されるようになっている。

電動モータ３０は、前輪２１の車軸に装着され、前輪２１を回転させる駆動力を生成する。電動モータ３０の回転は、減速機構（図示せず）によって減速され、前輪２１に伝達されるように構成されている。電動モータ３０は、例えばブラシレスＤＣモータによって構成することができる。

電動モータ３０を駆動するための電力は、シートチューブ１４に沿って着脱可能に設けられたバッテリ３１から供給される。バッテリ３１は、例えばリチウムイオン二次電池により構成され、充電を行うことによって繰り返し使用することが可能となっている。

また、電動補助自転車１には、クランク２８のクランク軸付近に図示しない入力トルク検出部が設けられており、運転者がペダル２７を踏み込む際の踏力（トルク）を入力トルク検出部で検出する。そして、入力トルク検出部で検出された踏力による入力トルクに応じて補助駆動力を電動モータ３０によって発生させ、補助駆動力によって前輪２１を駆動するようになっている。

図２には、フレーム２０のヘッドパイプ１２及び前ホーク１１付近が平面図にて示されている。図３には、図２に示すフレーム２０のヘッドパイプ１２付近が縦断面図（図２中の３−３線に沿った断面図）にて示されている。図３に示されるように、ヘッドパイプ１２は、略円筒状とされており、上下方向の下端部１２Ａが上端部１２Ｂよりも自転車前方側に配置されるようにヘッドパイプ１２は斜め上下方向に延在されている。ヘッドパイプ１２の上下方向の中間部の後方側には、下側ダウンチューブ１３Ａと上側ダウンチューブ１３Ｂとが接続されている（図１参照）。

前ホーク１１は、略上下方向の下側に配置される下側本体部４０と、下側本体部４０の上部側に接合される前ホークステム４２と、を備えている。下側本体部４０の上部の内径は、前ホークステム４２の下端部４２Ａの外径より若干大きく形成されており、下側本体部４０の上部の内側に前ホークステム４２の下端部４２Ａが挿入されている。下側本体部４０の上部と前ホークステム４２の下端部４２Ａとは溶接又は締結具等により接合されている。これにより、前ホーク１１を構成する下側本体部４０と前ホークステム４２とが一体的に回転する。前ホークステム４２の上部は、ハンドルステム２３（図１参照）の下部に接合されており、前ホークステム４２とハンドルステム２３とが一体的に回転するようになっている。

前ホークステム４２は、筒状とされており、外径がヘッドパイプ１２の内径より小さく形成されることで、ヘッドパイプ１２の内部に挿通されている。

ヘッドパイプ１２の下端部１２Ａには、下部軸受４４を介して前ホークステム４２の下部が回転可能に支持されている。下部軸受４４は、下側本体部４０の上縁部に配設される下玉押し４４Ａと、ヘッドパイプ１２の下端部１２Ａに圧入される下ワン４４Ｂと、下玉押し４４Ａと下ワン４４Ｂとの間に介在される複数のボール４４Ｃと、を備えている。複数のボール４４Ｃは、図示しないリテーナに保持されている。

ヘッドパイプ１２の上端部１２Ｂには、上部軸受４６を介して前ホークステム４２の上部が回転可能に支持されている。上部軸受４６は、ヘッドパイプ１２の上端部１２Ｂに圧入される上ワン４６Ａと、前ホークステム４２の周囲に取り付けられた環状体５４の下部に設けられた上玉押し４６Ｃと、上ワン４６Ａと上玉押し４６Ｃとの間に介在される複数のボール４６Ｂと、を備えている。複数のボール４６Ｂは、図示しないリテーナに保持されている。

ヘッドパイプ１２の上方側には、ハンドル２４（図１参照）をロックするハンドルロック装置５０が設けられている。ハンドルロック装置５０は、ハンドル周りの装置の一例として構成されている。ハンドルロック装置５０は、ヘッドパイプ１２の上端部１２Ｂに固定される本体ケース５２と、前ホークステム４２の周囲に取り付けられた環状体５４とを含んで構成されている。本体ケース５２の下部には、上部軸受４６を構成する上ワン４６Ａが一体的に設けられている。また、上述のように、環状体５４の下部には、上部軸受４６を構成する上玉押し４６Ｃが一体的に設けられている。環状体５４には、半径方向内側に窪んだ複数の溝部５４Ａが周方向に所定の間隔で設けられている。ハンドル２４（図１参照）には、図示しない操作部が設けられており、操作部をロック操作することによって、本体ケース５２に設けられたピン（図示省略）が環状体５４の方向に移動する。その際、ピンが環状体５４の溝部５４Ａに係合することで、ハンドル２４がロックされるようになっている。

ハンドルロック装置５０の上方側には、前ホークステム４２に図示しないスペーサを介して回り止め５８が取り付けられており、回り止め５８の上側にランプ掛け６０が介挿された状態で袋ナット６２が締結固定されている。回り止め５８の下部には、本体ケース５２の上部の外周側を覆う蓋部５８Ａが延設されている。ランプ掛け６０は、後端部６０Ａが前ホークステム４２に外挿されると共に、電動補助自転車１（図１参照）の側面視にて前ホークステム４２の前方側に延びている。ランプ掛け６０は、フレーム２０の平面視にて後端部６０Ａから二股に延びた左右一対の板状部６０Ｂと、板状部６０Ｂの前端部から下方側に屈曲されると共に左右一対の板状部６０Ｂを繋ぐ屈曲部６０Ｃと、を備えている（図２参照）。屈曲部６０Ｃには、電動補助自転車１（図１参照）の荷物籠などが支持されている。

ヘッドパイプ１２の上下方向の中間部には、本実施形態のハンドル舵角検出装置７０が設けられている。図３及び図４に示されるように、ハンドル舵角検出装置７０は、ヘッドパイプ１２に設けられる検出部としてのストロークセンサ７２と、前ホークステム４２の上下方向の中間部に設けられた被検出部７４と、ストロークセンサ７２の外側を覆うカバー７６と、を備えている。

図４に示されるように、ストロークセンサ７２は、ヘッドパイプ１２に形成された孔部１２Ｃの周縁部に取り付けられた本体部７８と、本体部７８に対して変位可能（進退可能）に支持されると共に被検出部７４に接触する接触部８０と、を備えている。ヘッドパイプ１２の孔部１２Ｃは、ヘッドパイプ１２の軸方向に対して直交する方向から見て略円形状に形成されている。本体部７８は、略円柱状に形成されており、本体部７８の外径は、孔部１２Ｃの内径よりも大きく設定されている。本体部７８は、孔部１２Ｃの外側の周縁部に接触する縁部７８Ａと、縁部７８Ａから突出して孔部１２Ｃに嵌合される突出部７８Ｂと、を備えている。本実施形態では、孔部１２Ｃの縁部と、本体部７８の突出部７８Ｂ、縁部７８Ａとが溶接又は接着等により接合されている。なお、この構成に代えて、例えば、孔部１２Ｃの内周に雌ねじ部を設けると共に突出部７８Ｂの外周面に雄ねじ部を設け、雌ねじ部に雄ねじ部を螺合させることにより、本体部７８を孔部１２Ｃの周縁部に取り付けてもよい。

本体部７８の突出部７８Ｂにおける前ホークステム４２と対向する位置には、前ホークステム４２と反対方向に窪んだ凹状部７８Ｃが設けられている。凹状部７８Ｃは、前ホークステム４２の軸方向と直交する方向から見て略円形状の内周面を備えている。凹状部７８Ｃには、接触部８０が本体部７８に対して矢印Ａに示すように前ホークステム４２の方向に変位可能（進退可能）に設けられている。接触部８０は、ロッド状の部材からなり、ロッド状の部材の先端に形成された略半球状の先端面８０Ａと、ロッド状の部材の側面から半径方向外側に突出して凹状部７８Ｃの内周面を摺動するガイド部８０Ｂと、を備えている。接触部８０の先端面８０Ａは、ヘッドパイプ１２の孔部１２Ｃを介してヘッドパイプ１２の内部に挿入されている。図示を省略するが、本体部７８には、接触部８０を被検出部７４側に付勢するスプリングが設けられており、スプリングの作用により接触部８０の先端面８０Ａが常に被検出部７４に接触するようになっている。

なお、本実施形態では、先端面８０Ａは、接触部８０に固定されているが、被検出部７４に接触する先端面８０Ａの摩耗を防止するため、接触部８０の先端に回転可能なコロを設け、コロの先端面８０Ａを被検出部７４に接触させてもよい。

ストロークセンサ７２は、制御手段としてのＭＣＵ（Micro Controller Unit)９０に接続されている。ＭＣＵ９０は、ストロークセンサ７２で検出されたハンドル２４（図１参照）の舵角に基づき、電動モータ３０の補助駆動力を制御する。また、ＭＣＵ９０は、スリップ制御を動作させるスリップ制御機構としても機能している。ハンドル２４の舵角の検出や、補助駆動力の制御及びスリップ制御機構の動作については後述する。

カバー７６は、断面視にて略Ｕ字状に形成されており、ストロークセンサ７２の外側を覆うように配置されている。カバー７６は、ヘッドパイプ１２の周囲に巻き付けられる取付バンド（図示省略）によりヘッドパイプ１２に取り付けられている。

被検出部７４は、略円筒状とされ、前ホークステム４２と一体的に形成された内周部７４Ａと、内周部７４Ａの外周面に装着された外周部７４Ｂと、を備えている。被検出部７４は、ヘッドパイプ１２の内部に配置されている。すなわち、被検出部７４は、ヘッドパイプ１２の外側に露出しない。

図６には、前ホークステム４２の被検出部７４が軸方向と直交する方向における断面図にて示されている。図６に示されるように、被検出部７４は、ヘッドパイプ１２の軸方向と直交する断面において、ヘッドパイプ１２の周方向に沿って、被検出部７４の厚み（図４に示す内周部７４Ａと外周部７４Ｂを合わせた厚み）を変化させた構成とされている。図６では、被検出部７４の構成を分かりやすくするため、内周部７４Ａと外周部７４Ｂの図示を省略し、内周部７４Ａと外周部７４Ｂとを合わせた被検出部７４の厚みとして示している。本実施形態では、前ホークステム４２自体の厚みを図６に示す所定の寸法に変化させる加工が難しいため、内周部７４Ａに外周部７４Ｂを装着することで、被検出部７４の周方向に厚みを変化させている。本実施形態では、被検出部７４は、ヘッドパイプ１２の軸方向と直交する断面において、ヘッドパイプ１２の周方向に沿って厚みを変化させることで、被検出部７４の外周面位置を径方向に変化させている。

ここで、被検出部７４の厚みについて説明する前に、フレーム２０のヘッドパイプ１２に対するハンドル２４（図１参照）の舵角について説明する。図５には、フレーム２０のヘッドパイプ１２の中心に対するハンドル２４（図１参照）の舵角が示されている。図５に示されるように、電動補助自転車１のフレーム２０の中心線に沿った前後方向の仮想線１００を０度（degree、以下、図では「deg」で表示する)とし、ハンドル２４をヘッドパイプ１２に対して右に回転させたときは＋、ハンドル２４をヘッドパイプ１２に対して左に回転させたときは−で表示する。例えば、ハンドル２４を＋３０度（右に３０度）回転させた状態が仮想線１０２Ａであり、ハンドル２４を−３０度（左に３０度）回転させた状態が仮想線１０２Ｂである。また、ハンドル２４を＋９０度（右に９０度）回転させた状態が仮想線１０４Ａであり、ハンドル２４を−９０度（左に９０度）回転させた状態が仮想線１０４Ｂである。前ホークステム４２は、ハンドル２４（ハンドルステム２３）と一体に回転するため、ハンドル２４の舵角と前ホークステム４２の回転角度とはほぼ等しい。

図６に示されるように、被検出部７４は、外周面（図４に示す外周部７４Ｂの外周面）の形状を変化させることで、被検出部７４の周方向に厚みを変化させている。言い換えると、被検出部７４は、外周面の形状を周方向に変化させたカム形状とされている。被検出部７４は、ハンドル２４の舵角が０度の位置が最も薄く設定されており、０度から右側の６０度の角度（仮想線９６Ａの位置）まで外周面９４Ａの厚みが徐々に厚くなるように設定されている。また、被検出部７４は、０度から左側の６０度の角度（仮想線９６Ｂの位置）まで外周面９４Ｂの厚みが徐々に厚くなるように設定されている。被検出部７４は、０度に対して両側が左右対称に形成されている。すなわち、被検出部７４は、０度に対して両側の６０度の角度まで、外周面９４Ａ、９４Ｂの厚みは左右対称に形成されている。被検出部７４は、０度に対して両側の６０度以上の角度（仮想線９６Ａ、９６Ｂよりも大きい角度）で、外周面９４Ｃの厚さはほぼ一定に設定されている。言い換えると、０度に対して両側の６０度の角度までの領域の外周面９４Ａ、９４Ｂの位置は、０度に対して両側の６０度以上の角度の領域の外周面９４Ｃの位置よりも径方向内側に配置されている。

図４に示されるように、ストロークセンサ７２における接触部８０の先端面８０Ａは、被検出部７４の外周面に接触している。なお、ストロークセンサ７２に代えて、被検出部７４の外周面と離間する位置に対向してセンサを配置する構成としてもよい。このため、ハンドル２４を操舵すると、ハンドル２４と一体で前ホークステム４２の被検出部７４が回転し、被検出部７４の外周面の形状の変化に応じて、接触部８０の先端面８０Ａが変位する（進退する）。これによって、ストロークセンサ７２で接触部８０の先端面８０Ａの変位が検出される。被検出部７４は、ハンドル２４（図１参照）を左右（＋方向、−方向）に６０度回転させる位置まで外周面９４Ａ、９４Ｂの厚みが徐々に厚くなり、６０度以上で外周面９４Ｃの厚みがほぼ一定となるように設定されている（図６参照）。より詳細には、ハンドル２４を＋６０度（右に６０度）回転させると、外周面９４Ｂと外周面９４Ｃとの境界部分（仮想線９６Ｂの位置）がストロークセンサ７２の接触部８０の先端面８０Ａに接触する（図６参照）。また、ハンドル２４を−６０度（左に６０度）回転させると、外周面９４Ａと外周面９４Ｃとの境界部分（仮想線９６Ａの位置）がストロークセンサ７２の接触部８０の先端面８０Ａに接触する（図６参照）。このため、被検出部７４の外周面の形状の変化による接触部８０の先端面８０Ａの変位が検出されることで、ハンドル２４の舵角が検出される。

本実施形態では、ストロークセンサ７２は、接触部８０の先端面８０Ａの変位に応じて出力電圧が変化する構成とされている。すなわち、被検出部７４の回転により接触部８０の先端面８０Ａが変位し、接触部８０の先端面８０Ａの変位に応じて出力電圧が変化することで、ハンドル２４の舵角が検出されるようになっている。

ＭＣＵ９０では、ストロークセンサ７２で検出されたハンドル２４の舵角に基づいて、電動モータ３０の補助駆動力を制御する。本実施形態の電動補助自転車１では、以下の数式（１）の条件で、スリップ制御動作が働くように設定されている。
Ｖｆ＞Ｖｒ＋Ｍ ・・・（１）

ここで、Ｖｆは、前輪２１の回転速度であり、Ｖｒは、後輪２２の回転速度であり、Ｍは、マージンである。電動補助自転車１には、前輪２１のハブ軸に図示しない速度センサが設けられており、前輪２１のスポークに磁石を設置し、速度センサにより単位時間当たりの磁石の通過数を検出することで、前輪２１の単位時間当たりの回転数を得る。得られた回転数と前輪２１のタイヤ周長を係数として回転速度Ｖｆが得られる。なお、後輪２２の回転速度Ｖｒは、クランク回転速度とギア比により推定する。

本実施形態の電動補助自転車１では、数式（１）の条件が満たされると、スリップ制御動作が働き、スリップ制御機構としてのＭＣＵ９０は、電動モータ３０による補助駆動力の生成を停止する制御を行う。また、前輪２１の急激な回転速度の増加によるスリップ制御の誤動作を抑制することができる。本実施形態では、例えば、ストロークセンサ７２によって検出されたハンドル２４の舵角が、所定角度（例えば、６０度）を超えたときに、数式（１）のマージンＭを所定値に上げる（増やす）ように設定されている。

次に、ハンドル舵角検出装置７０を備えた電動補助自転車１の作用及び効果について説明する。

電動補助自転車１では、フレーム２０のヘッドパイプ１２に対して前ホークステム４２が回転可能とされており、前ホークステム４２はハンドル２４と一体に回転する（図１参照）。ハンドル舵角検出装置７０は、前ホークステム４２に設けられた被検出部７４と、ヘッドパイプ１２に設けられたストロークセンサ７２と、を備えている。すなわち、前ホークステム４２には、ヘッドパイプ１２の内部に配置されると共に、周方向に沿って形状を変化させた被検出部７４が設けられている。被検出部７４は、略円筒状とされ、前ホークステム４２の軸方向と直交する断面で周方向に厚みを変化させた構成とされている。ヘッドパイプ１２には、被検出部７４と接触する接触部８０を備えたストロークセンサ７２が設けられている。

ハンドル２４を操舵することによって、前ホークステム４２をヘッドパイプ１２に対して回転させると、前ホークステム４２に設けられた被検出部７４が回転する。これによって、ヘッドパイプ１２に設けられたストロークセンサ７２の接触部８０の先端面８０Ａが、被検出部７４の回転に伴って変位し、ハンドル２４の舵角が検出される。本実施形態では、被検出部７４は、ハンドル２４（図１参照）を左右（＋方向、−方向）に６０度回転させる位置まで外周面９４Ａ、９４Ｂの厚みが徐々に厚くなり、６０度以上で外周面９４Ｃの厚みがほぼ一定となるように設定されている（図６参照）。このため、被検出部７４の回転により接触部８０の先端面８０Ａが変位することで、ハンドル２４の舵角が検出される。

より具体的には、ストロークセンサ７２（図４参照）の接触部８０の先端面８０Ａが被検出部７４に接触することで、被検出部７４が外周面９４Ａから外周面９４Ｃに回転、又は外周面９４Ｂから外周面９４Ｃに回転する過程で接触部８０の先端面８０Ａが徐々に変位する。さらに、接触部８０の先端面８０Ａが外周面９４Ｃに接触すると、接触部８０の先端面８０Ａが変位しなくなる。これにより、ハンドル２４の舵角が０度から６０度の間であること、ハンドル２４の舵角が６０度以上であることを検出することができる。

電動補助自転車１では、ヘッドパイプ１２の上下方向の中間部にハンドル舵角検出装置７０が設けられると共に、ヘッドパイプ１２の上部にハンドルロック装置５０が設けられている。ハンドル舵角検出装置７０では、前ホークステム４２に、ヘッドパイプ１２の内部に配置された被検出部７４が設けられ、ヘッドパイプ１２に、被検出部７４と接触する接触部８０を備えたストロークセンサ７２が設けられている。このようなハンドル舵角検出装置７０では、センサ出しの必要がない（ゼロ点を毎回の検出毎に設定する必要がない）。また、ハンドル舵角検出装置７０の構造がシンプルで、小型化が可能であり、ハンドル舵角検出装置７０を設ける位置の自由度が大きい。したがって、ハンドルロック装置５０に大きな変更を加えることなく、ハンドル舵角検出装置７０とハンドルロック装置５０との併用が可能である。

また、ハンドル舵角検出装置７０では、被検出部７４は、円筒状とされ、前ホークステム４２の軸方向と直交する断面で周方向に厚みを変化させた構成とされているので、ヘッドパイプ１２の内部で被検出部７４をより小型化することができる。また、ヘッドパイプ１２に設けられたストロークセンサ７２の接触部８０の先端面８０Ａを被検出部７４に接触させることで、接触部８０の先端面８０Ａが被検出部７４の回転に伴って被検出部７４の厚みの変化により変位する。このため、ハンドル２４の舵角を容易に検出することができる。

さらに、ハンドル舵角検出装置７０では、ストロークセンサ７２は、ヘッドパイプ１２に固定された本体部７８を備えており、本体部７８に接触部８０が変位可能（進退可能）に設けられている。ハンドル２４を操舵することによって、前ホークステム４２をヘッドパイプ１２に対して回転させると、前ホークステム４２に設けられた被検出部７４が回転し、被検出部７４に接触する接触部８０の先端面８０Ａが変位する。すなわち被検出部７４の回転による被検出部７４の外周面の形状の変化により、接触部８０の先端面８０Ａの変位量が検出される。これにより、ハンドル２４の舵角をより確実に検出することができる。また、本実施形態のハンドル舵角検出装置７０では、ストロークセンサ７２で物理的に接触部８０の先端面８０Ａの変位（ストローク）を検出するため、高価なセンサを用いる必要がなく、低コスト化が可能である。

また、電動補助自転車１では、スタート直後にハンドル２４を大きく転舵する（曲げる）と、前輪２１のみ回転数が増加する現象が発生する場合がある。より具体的には、図１に示されるように、ハンドル２４の転舵中心１５０と、前輪２１の路面への接地点１５２とが同一線上ではないため、ハンドル２４を転舵すると、前輪２１の接地点１５２が前側に移動する。例えば、ハンドル２４を０〜５０度転舵させると、前輪２１の接地点１５２が徐々に前側に移動する（前輪２１は正転させられる）。また、例えば、ハンドル２４を６０〜９０度転舵させると、前輪２１の接地点１５２がより顕著に前側に移動する。すなわち、ハンドル２４を大きく転舵する（曲げる）と、前輪２１の接地点１５２がずれて前進方向の回転成分として寄与する。これによって、ハンドル２４を素早く、かつ大きく転舵したときに、前輪２１のみ回転数が増加する現象が発生し、前述の数式（１）の条件が満たされ、スリップ制御動作が働く可能性がある。

また、スリップ制御機構としてのＭＣＵ９０は、ストロークセンサ７２で検出されたハンドル２４の舵角に基づいて、例えば、数式（１）のマージンＭを所定値に上げるように設定している。例えば、ハンドル２４の舵角が６０度以上のときに、マージンＭを所定値に上げることで、ハンドル２４の転舵によるスリップ制御への介入を回避することができる。すなわち、マージンＭを所定値に上げることで、数式（１）の条件を満たすことが回避され、スリップ制御動作が働かないように制御することができる。これにより、前輪２１の急激な回転速度の増加によるスリップ制御の誤動作を抑制することができる。このため、補助駆動が必要な場合に適切に電動モータ３０の補助駆動力を発生させることができる。

図７には、第２実施形態のハンドル舵角検出装置に用いられる前ホークステム４２の被検出部１１２が軸方向と直交する方向における断面図にて示されている。なお、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図７に示されるように、被検出部１１２の内周面は、ほぼ真円とされており、被検出部１１２の外周面の形状を変化させることで、被検出部１１２の周方向に厚みを変化させている。被検出部１１２は、０度に対して両側の外周面の形状が左右対称に形成されている。被検出部１１２は、ハンドル２４（図１参照）の舵角が０度の位置から両側の３０度の直前の位置まで外周面１１４Ａの厚みが薄く、かつほぼ一定に設定されている。被検出部１１２は、０度に対して右側の３０度の直前の位置から急激に厚みが厚くなる傾斜部１１４Ｂを備えると共に、０度に対して左側の３０度の直前の位置から急激に厚みが厚くなる傾斜部１１４Ｃを備えている。さらに、被検出部１１２は、０度の両側の３０度以上の位置（仮想線１１６Ａ、１１６Ｂよりも大きい角度）で、外周面１１４Ｄの厚さはほぼ一定に設定されている。言い換えると、０度に対して両側の３０度の角度までの領域の外周面１１４Ａ及び外周面１１４Ｂ、１１４Ｃの位置は、０度に対して両側の３０度以上の角度の領域の外周面１１４Ｄの位置よりも径方向内側に配置されている。

このようなハンドル舵角検出装置では、被検出部１１２にストロークセンサ７２（図４参照）の接触部８０の先端面８０Ａが接触することで、被検出部１１２が外周面１１４Ａから傾斜部１１４Ｂを介して外周面１１４Ｄに回転、又は外周面１１４Ａから傾斜部１１４Ｃを介して外周面１１４Ｄに回転する過程で接触部８０の先端面８０Ａが急激に変位する。これにより、ハンドル２４の舵角が３０度以上であることを検出することができる。図７に示すような被検出部１１２の外周面の形状に設定することにより、ハンドル２４の舵角が３０度以上であることをより確実に検出することができるため、前輪２１の急激な回転速度の増加によるスリップ制御の誤動作をより効果的に抑制することができる。

なお、図７では、被検出部１１２は、ハンドル２４の舵角の所定間は、径方向に凹になっていて、それ以外は径方向に凸であるが、本発明はこの形状に限定するものではない。例えば、被検出部は、ハンドル２４の舵角の所定間は、径方向に凸になっていて、それ以外は径方向に凹である構成でもよい。

図８には、第３実施形態のハンドル舵角検出装置に用いられる前ホークステム４２の被検出部１２２が軸方向と直交する方向における断面図にて示されている。なお、前述した第１実施形態及び第２実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図８に示されるように、被検出部１２２の内周面は、ほぼ真円とされており、被検出部１２２の外周面の形状を変化させることで、被検出部１２２の周方向に厚みを変化させている。被検出部１２２は、０度に対して両側の外周面の形状が左右対称に形成されている。被検出部１２２は、ハンドル２４（図１参照）の舵角が０度の位置から両側の３０度の位置（仮想線１２６Ａ、１２６Ｂの角度）の間で外周面１２４Ａの厚みが薄く、かつほぼ一定に設定されている。被検出部１２２は、０度に対して右側の３０度の位置から６０度の位置（仮想線１２７Ａの位置）までの間で外周面１２４Ｂの厚みが徐々に厚くなるように設定されている。同様に、被検出部１２２は、０度に対して左側の３０度の位置から６０度の位置（仮想線１２７Ｂの位置）までの間で外周面１２４Ｃの厚みが徐々に厚くなるように設定されている。さらに、被検出部１２２は、０度の両側の６０度以上の位置（仮想線１２７Ａ、１２７Ｂよりも大きい角度）で、外周面１２４Ｄの厚さはほぼ一定に設定されている。言い換えると、０度に対して両側の３０度の角度までの領域の外周面１２４Ａの位置は、０度に対して両側の３０度から６０度までの角度の領域の外周面１２４Ｂ、１２４Ｃの位置よりも径方向内側に配置されている。さらに、０度に対して両側の３０度から６０度までの角度の領域の外周面１２４Ｂ、１２４Ｃの位置は、０度に対して両側の６０度以上の角度の領域の外周面１２４Ｄの位置よりも径方向内側に配置されている。

このようなハンドル舵角検出装置では、被検出部１２２にストロークセンサ７２（図４参照）の接触部８０の先端面８０Ａが接触することで、被検出部１２２が外周面１２４Ａから厚みが増加する外周面１２４Ｂを介して外周面１２４Ｄに回転する過程で接触部８０の先端面８０Ａが徐々に変位する。同様に、被検出部１２２が外周面１２４Ａから厚みが増加する外周面１２４Ｃを介して外周面１２４Ｄに回転する過程で接触部８０の先端面８０Ａが徐々に変位する。これにより、ハンドル２４の舵角が３０度から６０度の間であること、ハンドル２４の舵角が６０度以上であることを検出することができる。

なお、被検出部の形状は、第１〜第３実施形態に限定されるものでなく、検出したいハンドル２４の舵角に応じて、被検出部の外周面の形状を変更することができる。第１〜第３実施形態では、被検出部は、ハンドルを０度から左右の所定の角度まで回転させる領域における外周面の位置が、ハンドルを左右の所定の角度以上に回転させる領域における外周面の位置よりも径方向内側に配置されているが、本発明は、この構成に限定するものではない。例えば、被検出部は、ハンドルを０度から左右の所定の角度まで回転させる領域における外周面の位置が、ハンドルを左右の所定の角度以上に回転させる領域における外周面の位置よりも径方向外側に配置してもよい。

また、第１〜第３実施形態では、被検出部は、内周面がほぼ真円で、被検出部の厚みを変化させることで周方向に外周面位置を変化させたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、被検出部は、内周面が真円以外の楕円状などで構成されていてもよい。この場合、被検出部は、外周面の形状を周方向に変化させる（周方向に外周面位置を変化させる）ことで、被検出部の回転によりストロークセンサ７２の接触部８０を変位させることができる。また、被検出部は、円筒状のパイプの周囲に、パイプの軸と中心をずらして円筒状の外側パイプを配置し、周方向に外側パイプの外周面位置を変化させる構成としてもよい。

また、第１〜第３実施形態では、被検出部に接触する接触部８０を備えたストロークセンサ７２が設けられていたが、本発明は、ストロークセンサ７２に限定されるものではない。例えば、被検出部の外周面に接触し、被検出部の外周面の形状によって変位する構成であれば、他の変位センサなどの検出部を用いることができる。

また、第１実施形態では、ハンドル２４の舵角を検出し、ハンドル２４の舵角に基づいて補助駆動力、すなわちスリップ制御動作を制御する例を説明したが、本発明は、これに限定するものではない。例えば、ハンドル２４の舵角を検出し、ハンドル２４の舵角に基づいて、アシスト制御や回生制御などを行う際にも、本発明のハンドルの舵角検出機構は有効である。例えば、アシスト制御に本発明のハンドルの舵角検出機構を組み込んだときは、ハンドルの所定の舵角以上でアシストを制御する（アシストを抑える）等の制御を行うことができる。

また、電動補助自転車１では、前輪２１を電動モータ３０で補助駆動する構成であるが、本発明はこれに限定されず、後輪２２を電動モータで補助駆動する構成としてもよい。

また、電動補助自転車１では、ハンドルロック装置５０は、第１実施形態の構成に限定されるものではなく、変更が可能である。

また、第１実施形態の電動補助自転車１では、ヘッドパイプ１２にハンドル舵角検出装置７０とハンドルロック装置５０を備える例を説明したが、本発明は、これに限定するものではない。例えば、ハンドルロック装置５０に代えて、又はハンドルロック装置５０と共に、走行距離等を測定するサイクルコンピュータや、ヘッド小物などのハンドル周りの装置とハンドル舵角検出装置７０とを併用する構成としてもよい。

１ 電動補助自転車
１１ 前ホーク
１２ ヘッドパイプ
１２Ｃ 孔部
２１ 前輪（車輪）
２４ ハンドル
３０ 電動モータ（補助駆動系）
４２ 前ホークステム（前ホーク）
５０ ハンドルロック装置（ハンドル周りの装置）
７０ ハンドル舵角検出装置（ハンドルの舵角検出機構）
７２ ストロークセンサ（検出部）
７２Ａ 本体部
７４ 被検出部
７８ 本体部
８０ 接触部
８０Ａ 先端面
８０Ｂ ガイド部
９０ ＭＣＵ（制御手段、スリップ制御機構）
９４Ａ 外周面
９４Ｂ 外周面
９４Ｃ 外周面
１１２ 被検出部
１１４Ａ 外周面
１１４Ｂ 傾斜部（外周面）
１１４Ｃ 傾斜部（外周面）
１１４Ｄ 外周面
１２２ 被検出部
１２４Ａ 外周面
１２４Ｂ 外周面
１２４Ｃ 外周面
１２４Ｄ 外周面

Claims (8)

1. 自転車フレームのヘッドパイプに対して回転可能とされると共にハンドルと一体に回転する前ホークに設けられ、前記ヘッドパイプの内部に配置されると共に、周方向に沿って形状を変化させた被検出部と、
   前記ヘッドパイプに設けられ、前記被検出部と接触して配置され、前記被検出部の回転位置に応じて前記ハンドルの舵角を検出する検出部と、
   を有し、
   前記検出部は、
   前記ヘッドパイプに固定された本体部と、
   前記本体部に対して変位可能に支持され、前記ヘッドパイプに形成された孔部から挿入されると共に前記被検出部と接触して変位する接触部と、
   を有するハンドルの舵角検出機構。
2. 前記被検出部は、前記ヘッドパイプの軸方向と直交する断面において、前記ヘッドパイプの周方向に沿って、外周面の位置を径方向に変化させた構成とされている請求項１に記載のハンドルの舵角検出機構。
3. 前記被検出部は、前記ハンドルを０度から左右の所定の角度まで回転させる領域における前記外周面の位置が、前記ハンドルを左右の前記所定の角度以上に回転させる領域における前記外周面の位置よりも径方向内側もしくは外側である請求項２に記載のハンドルの舵角検出機構。
4. 前記被検出部は、前記ハンドルを０度から左右の所定の角度まで回転させる領域における前記外周面の位置が、前記ハンドルを左右の前記所定の角度以上に回転させる領域における前記外周面の位置よりも径方向内側に配置された構成とされている請求項２又は請求項３に記載のハンドルの舵角検出機構。
5. 前記検出部は、前記接触部の変位量を検出するストロークセンサで構成されている請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のハンドルの舵角検出機構。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のハンドルの舵角検出機構と、
   前記ヘッドパイプに設けられ、前記ハンドルをロックするハンドルロック装置と、
   を有する電動補助自転車。
7. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のハンドルの舵角検出機構と、
   ペダルに加えられた踏力による入力トルクに応じて補助駆動力を電動モータによって発生させ、前記補助駆動力によって車輪を駆動する補助駆動系と、
   前記検出部で検出された前記ハンドルの舵角に基づき、前記補助駆動力を制御する制御手段と、
   を有する電動補助自転車。
8. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のハンドルの舵角検出機構と、
   前記検出部で検出された前記ハンドルの舵角に基づき、車輪のスリップ制御を動作させるスリップ制御機構と、
   を有する電動補助自転車。

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