(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人力駆動の動力伝達装置と共に、電力駆動の補助動力装置及び変速装置を備えた自転車において、走行速度を検出する走行速度検出部と、ペダルを介して伝えた人力をトルクとして検出するトルク検出部と、後輪の変速機を操作する変速操作用モータを備えた変速操作駆動部と、前記走行速度検出部及びトルク検出部の出力並びに補助動力用モータの駆動電流を検出する電流センサーを有し補助動力用モータの効率が高い方へ変速機を操作して変速操作駆動部を制御するコントローラと、前記変速操作駆動部及びコントローラの電源となる電池とを具備したことを特徴とする自転車の自動変速操作装置。
【請求項２】
請求項１記載の自動変速操作装置において、自転車停止後の発進を、常にローの状態で行うようにしたことを特徴とする自転車の自動変速操作装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、補助動力用モータを高効率の最適位置へ自動的にセットして変速操作を行う自転車の自動変速操作装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
速度検出センサーによって検出した走行速度に応じて変速操作を行う自動変速操作装置としては、例えば特公平３−１６３１６号公報に開示されている自転車用電動変速装置がある。
また、変速操作装置を乗り手が手動で操作する補助動力付き自転車も提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の自転車の電動変速装置には、次のような問題点がある。
（１）補助動力用モータの状態に関係なく変速操作するので、補助動力用モータの効率が低い走行となる。
（２）そのため、補助動力用モータがトルク不足や回転数不足を呈し、電池のロスが大きくなり、走行距離が伸びない。
本発明は、以上のような問題点を解決するために提案するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述の問題点を解決するため本発明においては、人力駆動の動力伝達装置と共に、電力駆動の補助動力装置及び変速装置を備えた自転車において、走行速度を検出する走行速度検出部と、ペダルを介して伝えた人力をトルクとして検出するトルク検出部と、後輪の変速機を操作する変速操作用モータを備えた変速操作駆動部と、前記走行速度検出部及びトルク検出部の出力並びに補助動力用モータの駆動電流を検出する電流センサーを有し補助動力用モータの効率が高い方へ変速機を操作して変速操作駆動部を制御するコントローラと、前記変速操作駆動部及びコントローラの電源となる電池とを具備して自転車の自動変速操作装置を構成する。
【０００５】
また本発明においては、前記した第１発明の自動変速操作装置において、自転車停止後の発進を、常にローの状態で行うようにして自転車の自動変速操作装置を構成する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面について本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の自動変速操作装置を電動自転車に装着した状態を示す全体側面図であり、図２はその自転車のハンガー部の伝動系の一部を断面で示す平面図であり、図３は図２のハウジング内の別の伝動系を一部断面で示す平面図であり、図４は図２のトルク検出部の分解斜視図である。
【０００７】
図中１（図１参照）は自転車の前輪、２は後輪、３は車体（フレーム）、４（図１〜３参照）はハンガー部に設けたハウジング、４ａ（図２参照）はハウジング４のサイドカバー、５はハウジング４の中心部に軸受６，７，８（図２参照）を介して回転自在に設けたクランク軸、９（図１参照）はクランクアーム、１０はペダルである。
【０００８】
また１１は軸受７を介してクランク軸５に回転自在に設けた前ギヤ（フロントスプロケット）、１２は後車軸１３に設けた後ギヤ（リヤスプロケット）、１４は前ギヤ１１と後ギヤ１２とにかけ渡したチェーンである。また１５は電動補助動力用のモータ、１６はその電源となるバッテリー、１７はバッテリー１６の電力を制御してモータ１５へ送給するコントローラである。
【０００９】
図２〜図４はクランクアーム９及びモータ１５より前ギヤ１１を駆動するための伝動系の一例を示すもので、５ａはクランク軸５に設けたスプライン軸部、１８はこのスプライン軸部５ａに嵌合した駆動円板、１９はこの駆動円板１８と、Ｕ字状のスプリングプレート２０Ａ，２０Ｂ（図４参照）を挟むようにクランク軸５に回転自在に設けた従動円板で、２１はこの従動円板１９に突設したスプリングプレート２０Ａ，２０Ｂの一端部の止めピンである。
【００１０】
また２２は、前記軸受６，７を介してハウジング４及びクランク軸５に対して回転自在に設けた出力歯車で、２３は、この出力歯車２２の内周と、従動円板１９のボス部との間に介挿した一方向クラッチである。また２４は駆動円板１８を外包すると共に、クランク軸５に対して軸方向に摺動自在に設けたスライドカップで、２４ａは駆動円板１８との摺動係合部であり、２４ｂは従動円板１９に設けたカム部１９ａと係合してスライドカップ２４を図２の左側へ押すためのカム部である。
【００１１】
また２５はスライドカップ２４と前記軸受８との間のクランク軸５に嵌合したコイルばねであり、２６は接触子２６ａがスライドカップ２４の壁面と係合するようにハウジング４に固定して設けたポテンションメータであり、このポテンションメータ２６の出力信号を前記コントローラ１７へ導入してモータ１５を制御するようになっている。
【００１２】
また１５ａはモータ１５の出力軸で、２７はこの軸１５ａに固着した歯車、２８（図３参照）は歯車２７と噛合する歯車、２９は軸、３０は歯車２８と噛合する歯車で、一方向クラッチ３１を介して軸３２に設けてある。３３は軸３２の軸受である。３４は軸３２と一体に形成した歯車、３５は歯車３４と噛合する歯車で、軸３６に固着してある。３７は軸３６の両端部に設けた軸受、３８は前記出力歯車２２と噛合するように軸３６に固着して設けた歯車である。
【００１３】
つぎに上述のように構成した補助動力付き自転車の作用を説明する。クランクアーム９のペダル１０を踏んでクランク軸５が回転すると、スプライン軸部５ａとスプライン嵌合している駆動円板１８に回転が伝えられ、さらにこの駆動円板１８からスプリングプレート２０Ａ，２０Ｂ、ピン２１、従動円板１９、一方向クラッチ２３、出力歯車２２を介して前ギヤ１１に回転が伝えられる。前ギヤ１１が回転すればチェーン１４を介して後ギヤ１２が回転するから、それと共に後輪２が回転して自転車が走行する。なおこの場合、出力歯車２２が回転すれば、これと噛合する歯車３８，３５，３４も回転するが、歯車３４の回転は一方向クラッチ３１の作用によって歯車３０には伝わらないようになっている。
【００１４】
また自転車の走行中にクランク軸５にかかるトルクが増大すると、駆動円板１８と従動円板１９との間のＵ字状のスプリングプレート２０Ａ，２０Ｂが撓んで、カム部１９ａと２４ｂとが摺動する結果、スライドカップ２４が図２の左方へ移動してポテンションメータ２６の接触子２６ａを押すことによって、ポテンションメータ２６が信号を出力してコントローラ１７を介してモータ１５を駆動する。モータ１５が回転すれば、歯車２７，２８，３０、一方向クラッチ３１、軸３２、歯車３４，３５、軸３６、歯車３８，２２を介して前ギヤ１１がモータ１５によって補助駆動される。
【００１５】
本実施例は、上述した電動自転車に自動変速操作装置を装着したもので、走行速度を検出するための走行速度検出部Ａとしては、図１に示すように、後輪２のスポーク２ａの一つに磁石３９を固定すると共に、自転車のフレーム３のチェーンステー３ａに、磁石３９の回転を検知する検出部としてのリードスイッチ４０を設ける。このようにすれば、自転車が走行して後輪２が回転すると、スポーク２ａに固定した磁石３９が後輪２と共に回転し、その回転をリードスイッチ４０が検知するから、それによって自転車の走行速度を検出することができる。
【００１６】
また他の走行速度検出手段としては、図２に示すように、前記した出力歯車２２の歯先に対抗するクランク軸回転センサー４１をハウジング４に固定して設ける。このようにすれば、クランク軸５が回転すると共に、出力歯車２２が回転すると、その歯先部の凹凸をクランク軸回転センサー４１が走行速度と比例するパルス数としてカウントすることができる。
【００１７】
また自転車のペダル１０とクランクアーム９を介して伝えられる人力によるトルクのトルク検出部Ｂは、前記したスライドカップ２４とポテンションメータ２６等によって構成することができる。すなわちペダル１０を介して伝えられる人力によるトルクが小さければ、ポテンションメータ２６による出力信号が小さく、人力によるトルクが大きければ、ポテンションメータ２６による出力信号も大きくなる。
【００１８】
また図１及び図５に示すＣは、後輪２のハブ内装変速機Ｄを操作する変速操作用モータ４２を備えた変速操作駆動部で、４３はそのケース、４４（図５参照）はモータ４２の軸に固着したピニオンギヤ、４５はピニオンギヤ４４と噛合する第２ギヤ、４６は第２ギヤ４５の軸に固着した小径の第３ギヤ、４７は第３ギヤ４６と噛合する大径の第４ギヤ、４８はその軸、４９は軸４８に固着したリールプーリー、５０はこのプーリー４９に巻き付けた変速操作ワイヤー、５１は軸４８に固着したホイールで、多数の突起をその外周に分布してある。５２はそのホイール５１の外周に設けた近接スイッチである。
【００１９】
また図６は、後輪２のハブ２ｂ内に設けたハブ内装変速機Ｄと、その変速操作装置を示すもので、５３は後車軸１３内に摺動自在に設けたシフトロッド、５４はシフトロッド５３を操作するためのカム、５５はその軸、５６は軸５５に固着したリールで、５０はこのリール５６に巻き付けた変速操作ワイヤーである。
【００２０】
また図７は、図１に示した前記磁石３９とリードスイッチ４０とによる前記走行速度検出部Ａと、図２のポテンションメータ２６をトルクセンサーとするトルク検出部Ｂの出力をマイコン５７によって処理して、図１及び図５に示した変速用モータ４２による変速操作駆動部Ｃを制御するコントローラ１７の制御系統図である。
【００２１】
図中１６は電池、ＳＷは電池１６とコントローラ１７との間の回路に介挿したスイッチ、２６はマイコン５７に入力するトルクセンサー（図２参照）、４１は同じくマイコン５７に入力するクランク軸回転センサー（図２参照）、５８は電池１６とマイコン５７とを接続する回路中に設けたスイッチング回路で、ＦＥＴはそのスイッチング回路５８内の電界効果トランジスタ、Ｆ／Ｆはフリップフロップ回路である。また５９はスイッチング回路５８とマイコン５７との間に設けた電流センサーでＡ1 はアンプである。
【００２２】
また補助動力用モータ１５は、電池１６とマイコン５７とを接続する回路に設けたダイオードＤ1 に対して、リレーＲy を介して並列に接続されている。また変速用モータ４２はモータドライバ６０を介してマイコン５７と接続されている。また６１は変速用モータ４２と接続した変速操作駆動部Ｃ（図５参照）と、ハブ内装変速機Ｄ（図６参照）とよりなる減速機で、５２は変速操作駆動部Ｃの近接スイッチ（図５参照）で、その出力はマイコン５７に入力するようにしている。また５３は図６に示すハブ内装変速機Ｄのシフトロッド（シフター）である。また６２はマイコン５７に接続した表示用ＬＥＤである。
【００２３】
本発明においては図１〜図７に示すように、走行速度を検出する走行速度検出部Ａと、ペダル１０を介して伝えた人力をトルクとして検出するトルク検出部Ｂと、後輪２の変速機Ｄを操作する変速操作用モータ４２を備えた変速操作駆動部Ｃと、前記走行速度検出部Ａ及びトルク検出部Ｂの出力並びに補助動力用モータ１５の駆動電流を検出する電流センサー５９を有し補助動力用モータ１５の効率が高い方へ変速機Ｄを操作して変速操作駆動部Ｃを制御するコントローラ１７と、前記変速操作駆動部Ｃ及びコントローラ１７の電源となる電池１６とによって自転車の自動変速操作装置を構成する。
【００２４】
また本発明においては、前記した第１発明の自動変速操作装置において、自転車停止後の発進を、常にローの状態で行うようにしてもよい。
【００２５】
本発明装置は上述のように構成したから、人力によるトルクはクランク軸５に設けたスプリングプレート２０Ａ，２０Ｂの撓みによって変位するスライドカップ２４の移動を検出するポテンションメータ２６によって得られ、自転車の速度は前記したリードスイッチ４０またはクランク軸回転センサー４１によって得られ、これらのトルク値と速度に応じて変速操作駆動部Ｃのモータ４２を駆動する。このモータ４２の回転は歯車４４，４５，４６，４７からなる減速装置を介してリールプーリー４９に伝えられる。
【００２６】
リールプーリー４９の回転によって変速操作ワイヤー５０が図６の矢印Ａ，Ｂのように移動し、それによってカム５４が矢印Ｃ，Ｄのように回動することにより、シフトロッド５３を矢印Ｅ，Ｆのように作動させることによって、ハブ内装変速機Ｄの変速制御をする。
【００２７】
図８は、横座標に時間（ｔ）をとり、縦座標に発進時におけるペダリングによる発生トルク（Ｔ）をとって示したトルクの波形曲線Ｍを示すものである。この特性曲線から判るように、自転車の発進時には大きなトルクが必要であるから、本発明においては、自転車の停止後の発進は、常にローの状態で行うようにする。
【００２８】
また図８の波形曲線Ｍの各波形間の谷部Ｍ1 はトルクＴが小さいから、本発明においては、自転車の変速を、乗り手の駆動トルクＴが極小値Ｍ1 近くになった時に行うようにする。
【００２９】
また図９は、補助動力用モータの特性の一例を示すモータ特性図であり、横座標にトルク（ｋｇｆ−ｃｍ）をとり、縦座標に電流（Ａ）と、回転数（ｒ．ｐ．ｍ）と、効率（％）をとって示したものである。図中直線Ａは電流を示し、直線Ｂは回転数を示し、曲線Ｃは効率を表すものである。この場合垂直線Ｄが最適ラインであるから、ゾーンＺb 及びゾーンＺc 内に入るようにモータのトルク（電流）を自動調整すれば、モータの効率がベスト域内に入る。
【００３０】
また図１０は、本発明の動作を示すフローチャートであり、図１１は図１０のシフトダウン処理部の詳細図であり、図１２は図１０のシフトアップ処理部の詳細図である。
【００３１】
また図１３は、本発明における各変速位置での補助動力駆動トルクと、走行速度との関係を示す性能線図であり、横座標に速度（ｋｍ−ｈ）をとり、縦座標にトルク（ｋｇｆ−ｍ）をとって示したものである。図中直線Ｌはローギヤ時であり、直線Ｍはミッドギヤ時であり、直線Ｔはトップギヤ時の特性を示すものである。なお図中の斜線部分は補助動力範囲を示している。
【００３２】
本発明装置は上述のように構成したから、発進時は速度が低く、トルクが大きいため、変速ポジションはローギヤになっている。また走行中は、発進後速度の上昇に伴い、必要トルクが低下し、補助動力用モータ１５の電流は低下する。このため、補助動力用モータ１５の効率が所定の値より低下する。そこで、マイコン５７でモータドライバ６０を駆動することによって変速用モータ４２を駆動し、図６のワイヤ５０を減速機Ｃ（図５参照）を介してシフトアップ動作を行う。この時、ワイヤ５０の操作量は変速操作駆動部Ｃのホイール５１の回転量で設定し、この値は近接スイッチ５２から出力されるパルス数をカウントし、規定値になるまでモータドライブ６０で変速用モータ４２を駆動することによって走行に適したギヤポジションとする。
【００３３】
また、走行中、坂道等にさしかかって負荷の大きい状態になると、トルク検出手段の値にしたがって補助動力用モータ１５の電流値が大きくなる。このため、このモータ１５の効率が悪化するから、モータ１５の効率が向上する方向であるシフトダウン動作が行われる。すなわち、マイコン５７によって、前記とは逆向きに変速用モータ４２を回転させるようにモータドライバ６０が信号を出し、変速用モータ４２を駆動する。この時の変速用ワイヤ５０の操作量は、前記同様に近接スイッチ５２から出されたパルス数をカウントして、マイコン５７よりモータドライブ６０に停止コントロール信号を出すことで設定される。
【００３４】
走行停止時は、速度の低下と共に、補助動力用モータ１５の電流値が低下する。このため、シフトダウンを行い、速度に応じたギヤポジションとなる。完全に停止した状態ではローギヤとなっている。変速動作は前記と同様に行われる。
【００３５】
【発明の効果】
上述のように構成したから、本発明装置によれば次のような効果が得られる。
（１）モータ効率の高いところで走行できるので、電池の消耗量が少なくなり、走行距離が伸びる。
（２）適正なギヤ比で走行できるので、モータのトルク不足や回転数不足を解消できると共に、モータや電池の小型化が図れる。
（３）ローギヤで発進できるので、走行発進が滑らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自動変速操作装置を電動自転車に装着した状態を示す全体側面図である。
【図２】本発明装置を装着した電動自転車のハンガー部の伝動系の一部を断面で示す平面図である。
【図３】図２のハウジング内の別の伝動系を一部断面で示す平面図である。
【図４】図２のトルク検出部の分解斜視図である。
【図５】本発明装置の変速操作駆動部の内部を示す断面図である。
【図６】本発明装置の変速操作端部と後輪ハブの内装変速機との関係を示す一部断面図である。
【図７】本発明装置の制御系統図である。
【図８】自転車の発進時における人力による発生トルクと時間との関係を示す駆動トルク波形図である。
【図９】補助動力用モータの特性の一例を示すモータ特性線図である。
【図１０】本発明の動作を示すフローチャートである。
【図１１】図１０のシフトダウン処理部の詳細図である。
【図１２】図１０のシフトアップ処理部の詳細図である。
【図１３】本発明の各変速位置における、人力駆動トルクと走行速度との関係を示す性能線図である。
【符号の説明】
１  前輪
２  後輪
３  車体（フレーム）
４  ハウジング
４ａ  サイドカバー
５  クランク軸
６，７，８  軸受
９  クランクアーム
１０  ペダル
１１  前ギヤ（フロントスプロケット）
１２  後ギヤ（リヤスプロケット）
１３  後車軸
１４  チェーン
１５  モータ
１６  バッテリー（電池）
１７  コントローラ
１８  駆動円板
１９  従動円板
１９ａ  カム部
２０Ａ，２０Ｂ  スプリングプレート
２１  止めピン
２２  出力歯車
２３  一方向クラッチ
２４  スライドカップ
２４ａ  摺動係合部
２４ｂ  カム部
２５  コイルばね
２６  ポテンションメータ
２６ａ  接触子
２７，２８  歯車
２９  軸
３０  歯車
３１  一方向クラッチ
３２  軸
３３  軸受
３４，３５  歯車
３６  軸
３７  軸受
３８  歯車
Ａ  走行速度検出部
３９  磁石
４０  リードスイッチ
４１  回転センサー
Ｂ  トルク検出部
Ｃ  変速操作駆動部
Ｄ  ハブ内装変速機
４２  変速操作用モータ
４３  ケース
４４  ピニオンギヤ
４５  第２ギヤ
４６  第３ギヤ
４７  第４ギヤ
４８  軸
４９  リールプーリー
５０  変速操作ワイヤー
５１  ホイール
５２  近接スイッチ
５３  シフトロッド
５４  カム
５５  軸
５６  リール
５７  マイコン
ＳＷ  スイッチ
５８  スイッチング回路
ＦＥＴ  電界効果トランジスタ
Ｆ／Ｆ  フリップフロップ回路
５９  電流センサー
Ａ1   アンプ
Ｄ1   ダイオード
Ｒy   リレー
６０  モータドライバ
６１  減速機
６２  表示用ＬＥＤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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