(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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２】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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。
【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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