(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクペダル（９L ，９R ）の踏力を車輪（Ｗｒ）に伝達する動力伝達系にアシストモータ（１３）を介装し，このアシストモータ（１３）の出力を踏力検出手段（５５）により検出したクランクペダル（９L ，９R ）の踏力に基づいて制御するアシストモータ付き自転車において，
クランク軸（７）の外周に回転自在に支持したギヤホルダー（４５）と，
ギヤホルダー（４５）にクランク軸（７）と平行に支持したアイドル軸（４９）と，
クランク軸（７）の外周に回転自在に支持されて車輪（Ｗｒ）にトルクを伝達する出力部材（１０）と，
クランク軸（７）のトルクをアイドル軸（４９）を介して出力部材（１０）に伝達するスパーギヤ列（５１〜５４）と，
ギヤホルダー（４５）に作用するクランク軸（７）回りの回転モーメントを検出する踏力検出手段（５５）とを備え，
スパーギヤ列（５１〜５４）を構成するギヤ（５１〜５４）のうちアイドル軸（４９）上にないギヤ（５１，５４）は，ギヤホルダー（４５）によっては支持されておらず，
クランクペダル（９L ，９R ）の踏込み時には，その踏力に応じてアイドル軸（４９）上のギヤ（５２）が受ける出力部材（１０）側の反力に基づき，該アイドル軸（４９）よりギヤホルダー（４５）にクランク軸（７）回りの，前記踏力に応じた回転モーメントが作用するようにしたことを特徴とする，アシストモータ付き自転車における踏力検出装置。
【請求項２】
クランク軸（７）を支持するハウジング（２１，２２）の内部にギヤホルダー（４５）を収納し，このギヤホルダー（４５）に設けた踏力検出突起（４３2 ）をハウジング（２１，２２）に設けた踏力検出手段（５５）に当接させたことを特徴とする，請求項１記載のアシストモータ付き自転車における踏力検出装置。
【請求項３】
アシストモータ（１３）の回転子（６１）をクランク軸（７）の外周を囲繞するように配置し，この回転子（６１）を一方向クラッチ（３９）を介して出力部材（１０）に接続したことを特徴とする，請求項１記載のアシストモータ付き自転車における踏力検出装置。
【請求項４】
クランク軸（７）のトルクをアイドル軸（４９）を介して出力部材（１０）に伝達するスパーギヤ列（５１〜５４）に一方向クラッチ（５０）を介装したことを特徴とする，請求項１記載のアシストモータ付き自転車における踏力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，クランクペダルの踏力を車輪に伝達する動力伝達系にアシストモータを介装し，このアシストモータの出力を踏力検出手段により検出したクランクペダルの踏力に基づいて制御するアシストモータ付き自転車に関し，特にその踏力検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかるアシストモータ付き自転車における踏力検出装置として，特開平４−３６５６９０号公報に記載されたものが公知である。
【０００３】
上記アシストモータ付き自転車はサンギヤ，リングギヤ，プラネタリキャリヤ及びプラネタリギヤからなる遊星歯車機構を備えており，クランク軸に入力されたクランクペダルの踏力を該クランク軸に固定したプラネタリキャリヤ，プラネタリギヤ及びリングギヤを介して後輪に伝達するとともに，アシストモータのトルクをリングギヤに入力して後輪に伝達している。そして，クランクペダルの踏力の大きさは，サンギヤの回転反力に基づいて検出するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来のものは遊星歯車機構を用いているために部品点数の増加及び寸法の大型化が避けられない問題がある。しかも，プラネタリキャリヤの加工精度を充分に高くしないとクランク軸の外周に相対回転自在に支持したサンギヤに偏心力が作用するため，サンギヤがクランク軸に引きずられて前記回転反力が不安定になり，その結果クランクペダルの踏力を精密に検出できなくなる可能性がある。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので，簡単な構造でクランクペダルの踏力を精密に検出することが可能なアシストモータ付き自転車における踏力検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために，請求項１に記載された発明は，クランクペダルの踏力を車輪に伝達する動力伝達系にアシストモータを介装し，このアシストモータの出力を踏力検出手段により検出したクランクペダルの踏力に基づいて制御するアシストモータ付き自転車において，クランク軸の外周に回転自在に支持したギヤホルダーと，ギヤホルダーにクランク軸と平行に支持したアイドル軸と，クランク軸の外周に回転自在に支持されて車輪にトルクを伝達する出力部材と，クランク軸のトルクをアイドル軸を介して出力部材に伝達するスパーギヤ列と，ギヤホルダーに作用するクランク軸回りの回転モーメントを検出する踏力検出手段とを備え，スパーギヤ列を構成するギヤのうちアイドル軸上にないギヤは，ギヤホルダーによっては支持されておらず，クランクペダルの踏込み時には，その踏力に応じてアイドル軸上のギヤが受ける出力部材側の反力に基づき，該アイドル軸よりギヤホルダーにクランク軸回りの，前記踏力に応じた回転モーメントが作用するようにしたことを特徴とする。
【０００７】
また請求項２に記載された発明は，請求項１の構成に加えて，クランク軸を支持するハウジングの内部にギヤホルダーを収納し，このギヤホルダーに設けた踏力検出突起をハウジングに設けた踏力検出手段に当接させたことを特徴とする。
【０００８】
また請求項３に記載された発明は，請求項１の構成に加えて，アシストモータの回転子をクランク軸の外周を囲繞するように配置し，この回転子を一方向クラッチを介して出力部材に接続したことを特徴とする。
【０００９】
また請求項４に記載された発明は，請求項１の構成に加えて，クランク軸のトルクをアイドル軸を介して出力部材に伝達するスパーギヤ列に一方向クラッチを介装したことを特徴とする。
【００１１】
【作用】
請求項１の構成によれば，クランクペダルに踏力を加えると，その踏力に応じてアイドル軸上のギヤが受ける出力部材側の反力に基づき，該アイドル軸よりギヤホルダーに前記踏力に応じた回転モーメントが作用し，その回転モーメントが踏力検出手段により検出される。
【００１２】
請求項２の構成によれば，クランクペダルに踏力を加えることによりギヤホルダーに回転モーメントが作用すると，ギヤホルダーに設けた踏力検出突起がハウジングに設けた踏力検出手段を押圧して踏力が検出される。
【００１３】
請求項３の構成によれば，クランク軸の外周を囲繞するように配置したアシストモータの回転子の回転が，一方向クラッチを介して出力部材に伝達される。アシストモータの停止時に一方向クラッチがスリップすることにより，クランクペダルによるクランク軸の回転が支障なく行われる。
【００１４】
請求項４の構成によれば，クランク軸の回転が一方向クラッチを介装したスパーギヤ列を経て出力部材に伝達される。一方向クラッチがスリップすることにより，クランクペダルを自由に逆転させることができる。
【００１５】
【実施例】
以下，図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
【００１６】
図１〜図４は本発明の第１実施例を示すもので，図１は自転車の全体側面図，図２はパワーユニットの要部拡大断面図（図３の２−２線断面図），図３は図２の３−３線断面図，図４はギヤホルダーの分解斜視図である。
【００１７】
図１に示すように，自転車Ｂは側面視でＶ字状をなすメインフレーム１を備えており，このメインフレーム１の前端に設けたヘッドパイプ２に回動自在に枢支されたフロントフォーク３の上端及び下端に，それぞれハンドル４及び前輪Ｗｆが支持される。メインフレーム１の下端近傍から後方に延びてステー５，５によって補強されたリヤフォーク６，６に後輪Ｗｒが支持される。メインフレーム１の下端に回転自在に支持されたクランク軸７は左右一対のクランクアーム８Ｌ  ，８Ｒ  を備えており，これらクランクアーム８Ｌ  ，８Ｒ  の先端にそれぞれクランクペダル９Ｌ  ，９Ｒ  が設けられる。クランク軸７によって回転する駆動スプロケット１０と後輪Ｗｒの車軸に設けた従動スプロケット１１とがチェーン１２で接続されており，クランクペダル９Ｌ  ，９Ｒ  の踏力によりクランク軸７が回転すると，その回転が駆動スプロケット１０，チェーン１２及び従動スプロケット１１を介して後輪Ｗｒに伝達される。
【００１８】
メインフレーム１の下部に設けられたパワーユニットＰは，クランクペダル９Ｌ  ，９Ｒ  の踏力をアシストする駆動力を発生するアシストモータ１３を備える。メインフレーム１の前部に設けられたバッテリボックス１４にはアシストモータ１３を駆動する複数のＮｉ−Ｃｄ電池よりなる走行用バッテリ１５が収納され，バッテリボックス１４の前部に電源スイッチ１６が設けられる。メインフレーム１の後部にはアシストモータ１３の駆動を制御する電子制御ユニットやモータドライバー等の制御装置１７が設けられる。
【００１９】
次に，図２〜図４に基づいてパワーユニットＰの構造を詳述する。
【００２０】
パワーユニットＰは左右に２分割されて複数本のボルト２０で結合された左ハウジング２１及び右ハウジング２２を備えており，右ハウジング２２の前面及び上面に突設した取付ブラケット２２１  ，２２２  がメインフレーム１の下端に溶接したパワーユニット支持部材２３にボルト２４，２５で固定されるとともに，右ハウジング２２の後面に突設した左右一対の取付ブラケット２２３  ，２２３  に前記リヤフォーク６，６がボルト２６，２６で固定される。
【００２１】
パワーユニットＰの後部に配置されたアシストモータ１３は左ハウジング２１にボールベアリング２７で支持された出力軸２８を備えており，この出力軸２８に第１スプロケット２９が固定される。アシストモータ１３の前下方において，左ハウジング２１及び右ハウジング２２に一対のボールベアリング３０，３０で中間軸３１が支持されており，この中間軸３１に固定した第２スプロケット３２と前記第１スプロケット２９とがチェーン３３で接続される。
【００２２】
パワーユニットＰの前部を左右に貫通するクランク軸７は，その左端側がボールベアリング３４を介して左ハウジング２１に支持されるとともに，その外周に一対のニードルベアリング３５，３５を介して相対回転自在に嵌合するスリーブ３６がボールベアリング３７を介して右ハウジング２２に支持される。中間軸３１に一体に形成した第１スパーギヤ３８が，スリーブ３６の外周に第１一方向クラッチ３９を介して支持した第２スパーギヤ４０に噛合する。右ハウジング２２から外部に突出するスリーブ３６の右端に，前記駆動スプロケット１０がスプライン結合されてナット４１で固定される。
【００２３】
従って，アシストモータ１３が回転すると，その出力軸２８のトルクは第１スプロケット２９，チェーン３３，第２スプロケット３２，中間軸３１，第１スパーギヤ３８，第２スパーギヤ４０，第１一方向クラッチ３９及びスリーブ３６を介して駆動スプロケット１０に伝達され，そこからチェーン１２及び従動スプロケット１１を介して後輪Ｗｒに伝達される。アシストモータ１３によるアシスト走行を行わない場合，或いは走行用バッテリ１５の放電等によりアシストモータ１３の駆動が停止したとき，クランクペダル９Ｌ  ，９Ｒ  の踏力による駆動スプロケット１０の回転を妨げないように第１一方向クラッチ３９がスリップする。第１一方向クラッチ３９はアシストモータ１３から駆動スプロケット１０への動力伝達系の下流端に設けられているので，人力による走行時に前記動力伝達系の摩擦力に抗する踏力を加える必要がない。
【００２４】
図４から明らかなように，左半体４２及び右半体４３を４本のボルト４４で結合してなるギヤホルダー４５が，クランク軸７の外周及びスリーブ３６の外周にボールベアリング４６，４７を介して回転自在に支持される。ギヤホルダー４５に一対のボールベアリング４８，４８を介してアイドル軸４９が支持されており，クランク軸７に第２一方向クラッチ５０を介して支持した第３スパーギヤ５１が，アイドル軸４９に形成した第４スパーギヤ５２に噛合する。アイドル軸４９に固定した第５スパーギヤ５３が，スリーブ３６に形成した第６スパーギヤ５４に噛合する。ギヤホルダー４５の左半体４２及び右半体４３に，前記第５スパーギヤ５３との干渉を避けるための切欠き４２１  ，４３１  が形成される。
【００２５】
従って，クランクペダル９Ｌ  ，９Ｒ  を踏んでクランク軸７を正転させると，クランク軸７のトルクは第２一方向クラッチ５０，第３スパーギヤ５１，第４スパーギヤ５２，アイドル軸４９，第５スパーギヤ５３，第６スパーギヤ５４及びスリーブ３６を介して駆動スプロケット１０に伝達され，そこからチェーン１２及び従動スプロケット１１を介して後輪Ｗｒに伝達される。また，クランクペダル９Ｌ  ，９Ｒ  を踏んでクランク軸７を逆転させた場合，或いは走行中にクランクペダル９Ｌ  ，９Ｒ  をこぐのを止めてクランク軸７を停止させた場合，第２一方向クラッチ５０がスリップして前記クランク軸７の逆転或いは停止が許容される。
【００２６】
ギヤホルダー４５の右半体４３の外周に，踏力検出突起４３２  及びストッパ突起４３３  が一体に形成される。右ハウジング２２に固定した厚膜抵抗型ロードセルよりなる踏力センサ５５が前記踏力検出突起４３２  に当接するとともに，右ハウジング２２に螺入したストッパボルト５６が前記ストッパ突起４３３  に当接する。右ハウジング２２に固定した回転数センサ５７が，ギヤホルダー４５の左半体４２に形成した孔４２２  に遊嵌して前記第３スパーギヤ５１の外周に対向する。これら踏力センサ５５及び回転数センサ５７からの信号は前記制御装置１７において演算処理され，その結果に基づいてアシストモータ１３の駆動が制御される。
【００２７】
次に，前述の構成を備えた本発明の実施例の作用について説明する。
【００２８】
アシスト走行を行うべく電源スイッチ１６をＯＮした状態で乗員がクランクペダル９Ｌ  ，９Ｒ  を踏むと，クランクアーム８Ｌ  ，８Ｒ  を介してクランク軸７が回転し，そのクランク軸７のトルクは第２一方向クラッチ５０，第３スパーギヤ５１，第４スパーギヤ５２，アイドル軸４９，第５スパーギヤ５３，第６スパーギヤ５４及びスリーブ３６を介して駆動スプロケット１０に伝達される。
【００２９】
このとき，前記踏力の大きさに応じてアイドル軸４９上の第３スパーギヤ５１が受ける駆動スプロケット１０側の反力に基づき，該アイドル軸４９よりギヤホルダー４５に前記踏力に応じた回転モーメントが作用し，このギヤホルダー４５をクランク軸７回りに図２の反時計方向に回転させようとする。その結果，ギヤホルダー４５の右半体４３に設けた踏力検出突起４３２  が踏力センサ５５の検出部を押圧して踏力が検出される。尚，ストッパ突起４３３  とストッパボルト５６との当接により，踏力が作用しないときでも踏力検出突起４３２  が踏力センサ５５の検出部に対向する位置に保持される。
【００３０】
而して，制御装置１７は踏力センサ５５で検出した踏力と回転数センサ５７で検出した車速とに基づいてアシストトルク量をマップ検索し，そのアシストトルクを発揮させるべくアシストモータ１３の駆動を制御する。その結果，アシストモータ１３の出力軸２８のトルクが第１スプロケット２９，チェーン３３，第２スプロケット３２，中間軸３１，第１スパーギヤ３８，第２スパーギヤ４０，第１一方向クラッチ３９及びスリーブ３６を介して駆動スプロケット１０に伝達され，アシストモータ１３によるアシスト走行が行われる。
【００３１】
以上のように，パワーユニットＰの動力伝達系には部品点数が多い遊星歯車機構や動力伝達効率が低いベベルギヤが使用されておらず，単純なスパーギヤ，スプロケット及びチェーンが必要最小限だけ使用されているので，構造の簡略化及び動力伝達効率の向上が可能となる。またギヤホルダー４５に作用する回転モーメントに基づいてクランクペダル９Ｌ  ，９Ｒ  の踏力を検出しているので，各部の摩擦力に影響を最小限に止めて精密な踏力検出が可能となる。
【００３２】
また，後輪Ｗｒの直径が小さい自転車では駆動スプロケット１０を大径化する必要があるが，第３スパーギヤ５１，第４スパーギヤ５２，第５スパーギヤ５３及び第６スパーギヤ５４から成るスパーギヤ列のギヤ比を適切に設定することにより，前記駆動スプロケット１０の大径化を回避することができる。
【００３３】
次に，図５に基づいて本発明の第２実施例を説明する。
【００３４】
第２実施例はアシストモータ１３をクランク軸７と同軸に配置してパワーユニットＰの小型化を図ったものである。即ち，アシストモータ１３は右ハウジング２２の内面に固定した固定子６０と，スリープ３６の外周に第１一方向クラッチ３９を介して支持した回転子６１とを備えており，アシストモータ１３のトルクは第１一方向クラッチ３９を介して直接スリーブ３６に伝達される。
【００３５】
この第２実施例によれば，第１実施例の第１スプロケット２９，チェーン３３，第２スプロケット３２，中間軸３１，第１スパーギヤ３８及び第２スパーギヤ４０が不要になるため，部品点数の一層の削減及びパワーユニットＰの一層の小型化が可能になる。
【００３６】
以上，本発明の実施例を詳述したが，本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００３７】
例えば，実施例では踏力センサ５５として厚膜抵抗型ロードセルを例示したが，これ以外に歪みゲージ型ロードセルや圧電素子等の微少変位センサを使用することができる。また，パワーユニットＰにアシストモータ１３を一体に組み込む以外に，アシストモータ１３を別体に設けることも可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように，請求項１に記載された発明によれば，クランク軸の外周に回転自在に支持したギヤホルダーにクランク軸と平行にアイドル軸を支持し，クランク軸のトルクを，アイドル軸を経由するスパーギヤ列を介して，クランク軸の外周に回転自在に支持した出力部材に伝達しているので，部品点数が多い遊星歯車機構や動力伝達効率が低いベベルギヤを使用することなくクランク軸のトルクを出力部材に伝達することができ，これにより構造の簡略化及び動力伝達効率の向上が可能となる。しかも踏力に応じてアイドル軸よりギヤホルダーに作用する回転モーメントに基づいて前記踏力を検出しているので，各部の摩擦力に影響を最小限に止めて精密な踏力検出が可能となる。更にスパーギヤ列のギヤ比の設定により，クランクペダルから車輪に伝達されるトルクの大きさを自由に調節することができる。
【００３９】
また請求項２に記載された発明によれば，クランク軸を支持するハウジングの内部にギヤホルダーを収納し，このギヤホルダーに設けた踏力検出突起をハウジングに設けた踏力検出手段に当接させたので，ギヤホルダーの回転モーメントを直接的に検出して検出精度を一層向上させることができる。
【００４０】
また請求項３に記載された発明によれば，アシストモータの回転子をクランク軸の外周を囲繞するように配置し，この回転子を一方向クラッチを介して出力部材に接続したので，アシストモータをクランク軸と同軸に配置してコンパクト化を図ることができるばかりか，アシストモータの停止時に一方向クラッチをスリップさせてクランクペダルによるクランク軸の回転を支障なく行うことができる。
【００４１】
また請求項４に記載された発明によれば，クランク軸のトルクをアイドル軸を介して出力部材に伝達するスパーギヤ列に一方向クラッチを介装したので，クランクペダルを自由に逆転させて回転位置を任意に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】自転車の全体側面図
【図２】パワーユニットの要部拡大断面図（図３の２−２線断面図）
【図３】図２の３−３線断面図
【図４】ギヤホルダーの分解斜視図
【図５】第２実施例に係る，前記図３に対応する断面図
【符号の説明】
７          クランク軸
９Ｌ          クランクペダル
９Ｒ          クランクペダル
１０        駆動スプロケット（出力部材）
１３        アシストモータ
２１        左ハウジング（ハウジング）
２２        右ハウジング（ハウジング）
３９        第１一方向クラッチ（一方向クラッチ）
４３２        踏力検出突起
４５        ギヤホルダー
４９        アイドル軸
５０        第２一方向クラッチ（一方向クラッチ）
５１        第３スパーギヤ（スパーギヤ列）
５２        第４スパーギヤ（スパーギヤ列）
５３        第５スパーギヤ（スパーギヤ列）
５４        第６スパーギヤ（スパーギヤ列）
５５        踏力センサ（踏力検出手段）
６１        回転子
Ｗｒ        後輪（車輪）
【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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