(57)【要約】【課題】  ベルト駆動によるも、応答性の良い補助動力制御が可能で注油等のメンテナンスも不要な、クランク軸部周りの構造も簡素化された電動アシスト自転車を提供する。【解決手段】  ペダル踏動による駆動回転軸の回転トルクを検出して補助動力モータの出力を制御する電動アシスト自転車において、補助動力モータ５あるいは６を前車輪あるいは後車輪内に配設されるインホイールモータ形式に構成するとともに、駆動回転軸および従動回転軸にそれぞれ一体に固定された歯付きプーリ間７、８に懸回張設される駆動ベルト９を伸びの少ない高弾性率を有する特性構造として、注油やガタの発生がなく保守が容易な上に、ベルト駆動を採用しながら殆んど伸びがないので、検出トルクの入力ロスがなく応答性の良い補助動力制御が可能となり、クランク軸３部周りの構造も簡素化されて設計の自由度の高い電動アシスト自転車が提供できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペダル踏動による駆動回転軸の回転トルクを検出して補助動力モータの出力を制御する電動アシスト自転車において、前記補助動力モータを前車輪あるいは後車輪内に配設されるインホイールモータ形式に構成するとともに、駆動回転軸および従動回転軸にそれぞれ一体に固定された歯付きプーリ間に噛合して懸回張設される駆動ベルトを伸びの少ない高弾性率を有する特性構造としたことを特徴とする電動アシスト自転車。
【請求項２】
前記駆動ベルトの心線にカーボンファイバーを用いたことを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。
【請求項３】
前記駆動回転軸の回転トルクを応答性に優れたトルクセンサにより検出するように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の電動アシスト自転車。
【請求項４】
前記駆動回転軸の回転トルクを入力ロスの小さいトルクセンサにより検出するように構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電動アシスト自転車。
【請求項５】
前記駆動回転軸の回転トルクを、磁歪式トルクセンサにより検出するように構成したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電動アシスト自転車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ペダル踏動による駆動回転軸の回転トルクを検出して補助動力モータの出力を制御する電動アシスト自転車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ペダル踏動によるクランク軸の回転トルクを検出して補助動力モータの出力を制御する電動アシスト自転車については、様々な方式のものが提案されて実施されてきている。例えば、第１従来例として、下記特許文献１に開示された車両の走行駆動装置がある。これは、前車輪内に補助動力ハブモータを装着するとともに、この補助動力ハブモータの出力をクランク軸部に配設されたトルク検出手段による検出値に応じて制御するもので、クランク軸と後車輪軸間の駆動力伝達はチェーンにより行い、トルク検出手段では、検出トルクに応じて生じる一対の回転体の相対回転差を軸方向変位として取り出すように構成したことで、検出手段における異常音の発生や擦れ部が損傷することを防止するものである。
【０００３】
また、前記第１従来例のもののようなクランク軸と後車輪軸間の駆動力伝達をチェーンにより行うものでは、回転駆動トルクは応答性良く検出されるものの、金属チェーン使用による注油、構成チェーンリンク毎の伸びによるガタの発生およびその調整、さらには塵埃の付着によるきしみ音の発生等の不具合を生じることから、チェーン駆動に代えて、補助動力としてのセンターユニットを備えて駆動ベルトを採用した実施例も追加された第２従来例として、下記特許文献２に開示された補助動力付き自転車がある。この補助動力付き自転車を図６を用いて説明すると、センターに配設されたスプロケット１１７と後車輪１２６に配置されたスプロケット１４６との間に懸回張設された人力駆動系チェーン１３３（人力駆動系チェーン１３３に代えてベルトを用いてもよいとされる）を有し、ベルト１３３の緩みを除去するテンション装置１２３や回転輪１２５がベルト１３３の外周側を付勢するようにして、ペダル踏力を検出する検出センサ１２４等が配設される。
【０００４】
検出センサ１２４からのペダル踏力トルクの検出値は、検出回路１４２から制御回路１４０に送出されモータ制御回路１４３を通じて、減速歯車やクランク軸１１０ａと一方向クラッチ係合する補助動力駆動部であるモータに駆動信号を送出する。その際、バッテリー１４４からの電力の供給を受けてペダル踏力トルクに応じてモータの駆動力を制御することになる。１４５は表示部、１３９は発電機１３６からの発電パルスを検出するパルス検出回路で自転車の速度等を検出することができる。かくして、人力駆動系チェーンやベルトが周囲の温度変化、使用の頻度等により伸縮しても、テンション装置１２３等を設けたことにより、ペダルのトルクに応じた人力駆動系ベルト等の張力を正確に検出することができる。
【０００５】
さらに、前記第２従来例のものと同様に、補助動力としてのセンターユニットを備え、迅速なトルクの検出を目的として、チェーン駆動ではあるが回転駆動トルクの検出に磁歪式トルクセンサを用いた第３従来例としての下記特許文献３に開示された補助動力付き車両がある。この補助動力付き車両を図７を用いて説明すると、クランク軸２０７に固定のドライブスプロケット２１１の外周に懸回張設されるチェーン２１２の近傍に、補助動力駆動部２０３が配設される。そのケーシング２２８の上部にはアイドラー２２９が迂回したチェーン２１２の外周側に噛合して配設される。ケーシング２２８の下部から突出して補助動力スプロケット２２６が配設される。
【０００６】
補助動力駆動部２０３の駆動力は、前記クランク軸２０７に同心で配設される非接触式の磁歪式トルクセンサ（磁性膜に形成したハ字状のスリットとトルク検出用コイルとを同心的に対向させ、入力駆動力の変化に応じて磁性膜に生じた透磁率の変化を検出するもの）の出力値に応じて制御されるものである。このように構成することで、チェーン駆動と磁歪式トルクセンサとの組合せによりトルク検出の応答性に優れて検出値の入力ロスがなく、補助動力制御にダイレクト感が期待できることとなった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４３２６４２０号公報（特許請求の範囲等参照）
【特許文献２】特開平９−２３６９号公報（要約書等参照）
【特許文献３】特許第４０２８５７８号公報（特許請求の範囲等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したような従来例の補助動力付き自転車すなわち電動アシスト自転車にあって、前記第１従来例のものでは、トルク検出手段が、検出トルクに応じて生じる一対の回転体の相対回転差を軸方向変位として取り出すように構成した機械式トルクセンサを採用しているために、センサ部で入力ロスが発生することが避けられず、補助動力制御に脱力感が生じがちであった。そして、前記図６に示した第２実施例のベルト駆動式自転車では、チェーン駆動形式のような注油、構成チェーンリンク毎の伸びによるガタの発生およびその調整、さらには塵埃の付着によるきしみ音の発生等の不具合を生じることはないものの、テンショナーや張力調整機構が必要となり、初期張力の設定が面倒であり、トルク検出構造や補助動力の加え方に工夫が必要であった。しかも、応答性についてもチェーン方式に較べるとダイレクト感に劣ることは避けられなかった。また、前記図７に示した第３実施例の補助動力装置付き車両では、チェーン駆動と磁歪式トルクセンサとの組合せによりトルク検出の応答性に優れるものであるが、注油、構成チェーンリンク毎の伸びによるガタの発生およびその調整、さらには塵埃の付着によるきしみ音の発生等の不具合を生じる他、精密部品が多用される電動アシスト車両としては注油等が必要なチェーンは不向きであった。また、前記第２および第３従来例のものでは、クランク軸部あるいはその近傍に補助動力駆動部が配置されているために、クランク軸部における構造の複雑化と車体幅方向のスペースの増大を招く上に、駆動チェーンの長大化に伴う長期使用により発生したガタに起因して応答性も低下した。
【０００９】
そこで本発明では、前記従来の電動アシスト自転車の諸課題を解決して、ベルト駆動を採用しながら、検出トルクの入力ロスがなくて応答性の良い補助動力制御が可能で、注油等のメンテナンスも不要な、クランク軸部周りの構造も簡素化されて設計の自由度の高い電動アシスト自転車を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このため本発明は、ペダル踏動による駆動回転軸の回転トルクを検出して補助動力モータの出力を制御する電動アシスト自転車において、前記補助動力モータを前車輪あるいは後車輪内に配設されるインホイールモータ形式に構成するとともに、駆動回転軸および従動回転軸にそれぞれ一体に固定された歯付きプーリ間に噛合して懸回張設される駆動ベルトを伸びの少ない高弾性率を有する特性構造としたことを特徴とする。また本発明は、前記駆動ベルトの心線にカーボンファイバーを用いたことを特徴とする。また本発明は、前記駆動回転軸の回転トルクを応答性に優れたトルクセンサにより検出するように構成したことを特徴とする。また本発明は、前記駆動回転軸の回転トルクを入力ロスの小さいトルクセンサにより検出するように構成したことを特徴とする。また本発明は、前記駆動回転軸の回転トルクを、磁歪式トルクセンサにより検出するように構成したことを特徴とするもので、これらを課題解決のための手段とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、請求項１に記載の構成要件である、ペダル踏動による駆動回転軸の回転トルクを検出して補助動力モータの出力を制御する電動アシスト自転車において、前記補助動力モータを前車輪あるいは後車輪内に配設されるインホイールモータ形式に構成するとともに、駆動回転軸および従動回転軸にそれぞれ一体に固定された歯付きプーリ間に噛合して懸回張設される駆動ベルトを伸びの少ない高弾性率を有する特性構造としたことにより、クランク軸周りの構造の簡素化が実現できてチェーンのように注油やガタの発生がなく保守が容易な上に、ベルト駆動を採用しながら殆んど伸びがなく、ベルト長も最短となって、ペダル駆動トルクの入力ロスがなくて応答性の良い補助動力制御が可能となり、クランク軸部周りの構造も簡素化されて設計の自由度の高い電動アシスト自転車が提供できる。
【００１２】
また、請求項２に記載の構成要件である、前記駆動ベルトの心線にカーボンファイバーを用いた場合は、軽量で柔軟な駆動ベルトを用いたとしても、駆動方向に殆んど伸びない高弾性率を有する特性構造が得られる。さらに、請求項３に記載の構成要件である、前記駆動回転軸の回転トルクを応答性に優れたトルクセンサにより検出するように構成した場合は、伸びの少ない高弾性率を有する特性構造の駆動ベルトが示す高い応答性に加えて、実際のペダル駆動トルクに応じて検出される検出トルクの遅れが小さいので、補助動力制御の応答性能もさらに向上して、よりダイレクトな補助動力制御が可能となる。
【００１３】
さらにまた、請求項４に記載の構成要件である、前記駆動回転軸の回転トルクを入力ロスの小さいトルクセンサにより検出するように構成した場合は、伸びの少ない高弾性率を有する特性構造の駆動ベルトが示す高い応答性に加えて、出力値を入力値に限りなく近づけること、すなわち、検出される検出トルクを実際のペダル駆動トルクにさらに近づけることができ、ペダル駆動トルクによる補助動力制御を格段に正確に行うことができる。また、請求項５に記載の構成要件である、前記駆動回転軸の回転トルクを、磁歪式トルクセンサにより検出するように構成した場合は、応答性に優れて入力ロスが小さな非接触式のセンサにより回転トルクが正確かつ高い応答性によって取り出すことができるので殆んど入力ロスがなく、よりダイレクトな補助動力制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の電動アシスト自転車の第１実施例を示すもので、全体側面図である。
【図２】本発明における駆動ベルトと従来の駆動ベルトとの、「ペダル踏力−クランク進角」関係を示す特性図である。
【図３】本発明の電動アシスト自転車に使用される磁歪式トルクセンサの例を示す要部断面図である。
【図４】ペダル駆動トルクと検出トルクに関する応答性の説明図である。
【図５】ペダル駆動部における入力ロスの説明図である。
【図６】第２従来例の特許文献２に記載された補助動力付き自転車の説明図である。
【図７】第３従来例の特許文献３に記載された補助動力付き車両の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の電動アシスト自転車の好適な形態を図面に基づいて説明する。本発明の電動アシスト自転車は、図１に示すように、ペダル１踏動による駆動回転軸の回転トルクを検出して補助動力モータ（５あるいは６）の出力を制御する電動アシスト自転車において、前記補助動力モータを前車輪１１あるいは後車輪１２内に配設されるインホイールモータ形式に構成するとともに、駆動回転軸および従動回転軸にそれぞれ一体に固定された歯付きプーリ７、８間に噛合して懸回張設される駆動ベルト９を伸びの少ない高弾性率を有する特性構造としたことを特徴とする。
【実施例１】
【００１６】
図１および図３は、本発明の電動アシスト自転車の第１実施例を示すもので、電動アシスト自転車の全体側面図と、使用される磁歪式トルクセンサの例を示す要部断面図である。本発明では、保守点検が比較的容易なベルト駆動を採用しながらクランク軸周りを簡素な構造として駆動ベルトの全長も短くして補助動力制御の応答性を向上させるとともに、さらなる応答性の向上のために、駆動ベルト９を伸びの少ない高弾性率を有する特性構造とした上、非接触式のセンサにより回転トルクが正確かつより高い応答性によって取り出すことができるようにしたものである。
【００１７】
クランク軸３を中心として回転しクランクアーム２と一体に回転する好適には樹脂製の歯付きプーリ７の外周と、後車輪軸１４周りに回転自在に軸支され後車輪１２に回転を伝達する歯付きプーリ８の外周とにその内周が噛合して例えばポリウレタンを主体とする樹脂製の駆動ベルト９が懸回張設される。詳述はしないが、駆動ベルト９にはポリアミド繊維等からなる不織布または帆布が補強布として全面に埋設され、その駆動方向（長さ方向）には複数条の軽量かつ高弾性率のカーボンファイバー等の心線が埋設される。駆動チェーンに代えて駆動ベルトを採用したことによりメンテナンスフリーとなり、注油やガタの発生による再調整の必要がない。また、通常、バッテリー１３が配設されるために立パイプと後車輪との間が長大化してチェーンの長さも長くなって、ガタの発生や再調整の懸念も増大したが、駆動ベルトであれば何ら問題はない。
【００１８】
クランク軸部には、人力によりペダル１が踏動されて、クランクアーム２により発生した回転トルクをクランク軸部にて検出するために、クランク軸３に同心で後述するところの例えば磁歪式トルクセンサ１０が配設される。そして、前車輪１１の内部の前車輪軸４あるいは後車輪１２の内部の後車輪軸１４に、補助動力モータである前車輪インホイールモータ５あるいは後車輪インホイールモータ６が配設される。詳細な補助動力制御の態様については詳述はしないが、磁歪式トルクセンサ１０にて検出された人力による回転トルクを検出回路および制御回路にて処理した上で、検出トルクに応じた補助動力制御信号をバッテリー１３からの電力にてインホイールモータである前車輪インホイールモータ５あるいは後車輪インホイールモータ６に供給することで、ペダル踏力に応じた電動アシスト力を自転車に加えることができる。かくして、補助動力の駆動力が前車輪あるいは後車輪内に配設されたインホイールモータに掛かるので、駆動ベルトの負担が軽減される上に、クランク軸周り側面視面積が縮小できて外観が向上し、路面との接触のリスクも減少する。また、クランク軸部には補助動力モータ等を配設せずに済むので、幅方向の活用スペースが増大して厚みのある駆動プーリ等の配置も可能となり、設計の自由度を向上させることができる。
【００１９】
本発明では、駆動ベルト９を、例えばポリウレタンを主体とする樹脂製とし、その駆動方向に軽量かつ高弾性率のカーボンファイバー等の心線を埋設することによって、クランク軸３部と後車輪軸１４間を周回移動する際に、歯付きプーリ７、８への懸回については柔軟性を示しながら、駆動方向には殆んど伸びることのない高弾性特性を示すことができるので、歯付きプーリ７、８間での駆動遅れと、ペダル１の踏動とクランクアーム２の動きすなわち進角との間にも遅れがないことが期待できる。
【００２０】
図２は本発明における駆動ベルトと従来の駆動ベルトとの、「ペダル踏力−クランク進角」関係を示す特性図であり、縦軸がペダル踏力（Ｋｇｆ）、横軸がクランク進角（ｄｅｇ）を表す。図では、Ｂ、Ｃが張力調整機構Ｘ、Ｙをそれぞれ有する従来ベルトの場合で、Ａが本発明の高弾性率のカーボンファイバー等の心線を埋設したベルトの場合で、ＢやＣでは明らかに所定のペダル踏力によってクランク進角が大きく変位してしまうのに対して、本発明のＡの場合では、クランク進角がさほど変位することなく所定のペダル踏力に達する。すなわち、駆動ベルトにも関わらずチェーンに匹敵する程の高い応答性でもって、所定のペダル踏力が得られることが裏付けられる。
【００２１】
図３は本発明の電動アシスト自転車のクランク軸部に配設され、応答性に優れ、入力ロスの小さなトルクセンサとして使用される磁歪式トルクセンサ１０の１例である。簡単に説明すると、歯付きプーリ７と磁歪軸６６を介して一体にて回転するクランク軸３に所定のペダル踏力（クランクアーム２およびペダル１は図示省略）が加わると、前記磁歪軸６６の表面に付設された磁性材料からなる磁歪箔６７が前記ペダル踏力に応じた捩りを生じて磁性材料である磁歪箔６７の透磁率が変化し、前記磁歪軸６６の外周に非接触で対向配置されたコイル７４、７４に誘起されるインダクタンスが変化する。このコイル７４に誘起されるペダル踏力に応じたインダクタンスの変化量を検出して、検出値出力コード７６により図示省略の補助動力制御回路に検出信号を送出する。符号２８はハンガーパイプ、６０はセンサユニットハウジング、６４はベアリングを示す。
【００２２】
図４はペダル駆動トルクと検出トルクに関する応答性の説明図であり、図５はペダル駆動部における入力ロスの説明図である。応答性に優れ、入力ロスの小さなトルクセンサとしては前述したような磁歪式トルクセンサがあるが、他に、歪式、圧電式、変位式等がある。図４に示すように、実際のペダル駆動トルク（グラフ上段）に対して、検出トルク（グラフ下段）の検出遅れが大きい（点線）と応答性が悪くなり、検出遅れが小さい（実線）と応答性に優れて、補助動力制御の応答性能も向上して、よりダイレクトな補助動力制御が可能となることが理解される。図５に示すように、ペダル駆動部での入出力の関係において、理想的には入力に対する出力の割合は１：１（細実線）であるが、入力ロスが大きい（点線）と入力に対する出力は小さくなり、より入出力が１：１に近いトルクセンサによる小さい入力ロスのもの（太実線）では、出力値を入力値に限りなく近づけること、すなわち、検出される検出トルクを実際のペダル駆動トルクに近づけることができ、ペダル駆動トルクによる補助動力制御をより正確に行うことができる。
【００２３】
かくして、ベルト駆動を採用しながら殆んど伸びがないので、ペダル駆動トルクの入力ロスがなくて応答性の良い補助動力制御が可能となり、前車輪あるいは後車輪内のインホイールモータによる補助動力機構の採用によって、クランク軸部には余分な部品がなく、クランク軸部周りの構造も簡素化されて設計の自由度の高い電動アシスト自転車が提供できる上に、これら高弾性率の殆んど伸びのない駆動ベルトと、非接触式の磁歪式トルクセンサとを組み合わせることにより、回転トルクを正確かつ高い応答性によって取り出すことと、殆んど伸びのない駆動ベルトによる迅速な駆動とが相俟って、殆んど入力ロスがなく、よりダイレクトな補助動力制御が可能となる。
【００２４】
以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、クランク軸とペダルとの関連構成（スプライン嵌合や多角形嵌合等）、磁歪軸との関連構成を含むクランク軸と歯付きプーリとの関連構成（互いの回止めが可能な様々な嵌合形態が採用できる）、後車輪軸と歯付きプーリとの関連構成（必要なら内装式変速機構との関連構成を含む一方向クラッチを介した軸支形態、インホイールモータの内装式変速機構への同軸あるいは併置等による装着形態等）、クランク軸と磁歪式トルクセンサとの関連構成（図示された実施例のクランク軸の正転により締結する方向の螺合による他、スプライン嵌合等でもよい）、制御回路を含む補助動力モータの出力制御形態、インホイールモータである補助動力モータの前車輪あるいは後車輪内における配設形態、歯付きプーリと駆動ベルトとの噛合形態、駆動ベルトの高弾性率を有する特性構造（ポリアミド繊維等による補強布の埋設形態およびその部位ならびに類似の特性を有する種類、カーボンファイバーの埋設部位および種類、本数およびその巻き方向の組合せ等）、駆動ベルトの材質（ポリウレタン樹脂が好適であるが、類似の樹脂あるいはゴム等も採用され得る）、磁歪式トルクセンサ等の種類（応答性に優れるなら、必ずしも磁歪式トルクセンサに限定されない）等については適宜採用できる。また、実施例に記載の諸元はあらゆる点で単なる例示に過ぎず限定的に解釈してはならない。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は電動アシスト自転車に適用されるが、補助動力が必要とされる運搬車両等にも適用が可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１      ペダル
２      クランクアーム
３      クランク軸
４      前車輪軸
５      前車輪インホイールモータ（補助動力モータ）
６      後車輪インホイールモータ（補助動力モータ）
７      歯付きプーリ
８      歯付きプーリ
９      駆動ベルト
１０      磁歪式トルクセンサ
１１      前車輪
１２      後車輪
１３      バッテリー
１４      後車輪軸
【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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