(57)【要約】【課題】ペダル踏力に見合ったアシスト力を発生することができるとともに、摩耗を低減し、ペダル踏力を小型で簡易な検出手段で検出できる電動アシスト自転車を提供する。【解決手段】ペダル踏力が入力されるクランク軸１０に対して、チェーン駆動用スプロケット６に固定された出力回転体１２を相対回転可能に配置し、クランク軸の外周に一端がクランク軸に連結され、他端が出力回転体に連結されたねじりコイルバネ１７を挿通する。リフト部材２２をクランク軸に対して一体回転可能で、かつ軸方向に移動可能に設け、リフト部材２２のカム面２２ｄに出力回転体に固定されたピン１２ｄが係合し、クランク軸と出力回転体との相対回転差をリフト部材２２の軸方向移動に変換する。ペダル踏力に応じたリフト部材２２の軸方向移動量を踏力検出センサ２３で検出し、電動モータ８を駆動してペダル踏力をアシストする。【選択図】　　　　　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸に入力されるペダル踏力に応じてアシスト力を発生する電動モータを具備し、上記アシスト力と踏力とを合成して駆動輪へ伝達する電動アシスト自転車において、
上記クランク軸に対して相対回転可能に配置され、チェーン駆動用スプロケットに固定された出力回転体と、
上記クランク軸の外周に挿通され、一端がクランク軸に連結され、他端が出力回転体に連結されたねじりコイルバネと、
上記クランク軸および出力回転体の一方に対して一体回転可能で、かつ軸方向に移動可能に設けられ、軸方向に対して所定の傾斜角をもつカム面が形成されたリフト部材と、
上記クランク軸および出力回転体の他方に固定され、リフト部材のカム面に接触してクランク軸と出力回転体との相対回転差をリフト部材の軸方向移動に変換する変換部材と、
上記リフト部材の軸方向移動量に応じてペダル踏力を検出する踏力検出手段と、を備えたことを特徴とする電動アシスト自転車。
【請求項２】
上記リフト部材は円筒状に形成されており、
上記ねじりコイルバネの周囲は上記リフト部材で覆われている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】
上記ねじりコイルバネは、クランク軸に入力されるペダル踏力が増大するにつれて巻き数が増加する方向に取り付けられている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】
上記ねじりコイルバネは、クランク軸に入力されるペダル踏力が増大するにつれて巻き数が減少する方向に取り付けられている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５】
上記クランク軸と出力回転体との間に、上記変換部材がカム面に接触可能な回転角度範囲以下の所定角度範囲だけ出力回転体をクランク軸に対して相対回転可能とする角度制限部を設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電動アシスト自転車。
【請求項６】
上記クランク軸にペダル踏力が入力されていない状態で、上記クランク軸に対してペダル踏力と逆方向の初期ねじりトルクを与えるべく、上記ねじりコイルバネは取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電動アシスト自転車。
【請求項７】
上記踏力検出手段は、上記リフト部材の外周部に設けられた検出部と、車体静止部材に固定され、上記検出部を検出して複数の出力信号を出力する非接触型センサとで構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電動アシスト自転車。
【請求項８】
上記非接触型センサはリードスイッチであり、上記検出部はリフト部材の外周部にリング状に取り付けられた永久磁石であることを特徴とする請求項７に記載の電動アシスト自転車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動アシスト自転車、特にペダル踏力に見合ったアシスト力を発生する自転車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平１１−２４８５６６号公報
【特許文献２】特開２００１−１５１１８４号公報
【特許文献３】特開平８−１５６８７０号公報
【特許文献４】特開平９−１９３８７５号公報
近年、人力によるペダル踏力を電動モータでアシストすることで、坂道でも軽快に走行できる電動アシスト自転車が注目されている。この電動アシスト自転車は、クランク軸に入力されるペダル踏力に応じてアシスト力を発生する電動モータを具備し、このアシスト力と踏力とを合成して駆動輪へ伝達するものである。
【０００３】
従来の電動アシスト自転車として、クランク軸に連結された駆動側カムとチェーン駆動用スプロケットに連結された従動側カムとを用い、駆動側カムに対して従動側カムを圧縮バネで押し付けるとともに、従動側カムの軸方向変位量によってペダル踏力を検出し、この踏力に応じてアシスト力を制御するものが、特許文献１，２で提案されている。
【０００４】
しかし、この場合には、アシスト制御が駆動側カムと従動側カムとの間の摩擦力という不安定要素によって左右されるため、ペダル踏力に見合ったアシスト力に制御しにくいという問題がある。すなわち、ペダル踏力が大きくなると、駆動側カムと従動側カムとの間に働く摩擦力に打ち勝って両方のカムの間にすべりが発生し、従動側カムが軸方向に変位してアシスト力が働く。しかし、両方のカムの間にすべりが発生するときのペダル踏力は一定していないため、同じペダル踏力でもある時はアシスト力が働き、ある時は働かないといった現象を引き起こす。また、駆動側カムと従動側カムとの間で所定のペダル踏力を伝達するには、バネ圧を大きくしたり、カム面の傾斜角度を大きくする必要があるが、これではカム面の摩耗が激しくなり、寿命を損なうという問題がある。さらに、バネ圧を大きくする関係上、装置が大型になるという問題もある。
【０００５】
一方、別の形式の電動アシスト自転車として、入力側部材と出力側部材との間にねじりコイルバネを連結し、ねじりコイルバネを介してペダル踏力を出力側部材に伝達するとともに、入力側部材と出力側部材との相対回転差によって踏力を検出するものが、特許文献３，４によって知られている。この場合には、ねじりコイルバネがペダル踏力に比例してねじられるので、ペダル踏力に見合ったアシスト力に制御しやすく、摩耗の問題も少ない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この方式では、踏力検出装置が複雑かつ大型になり、小型・軽量化が求められる自転車には搭載しにくいという問題がある。
例えば、特許文献３の場合には、入力側部材と出力側部材とに所定の位相差をもつ透光穴を設け、入力側部材と出力側部材を挟んで両側に発光素子と受光素子とを配置し、踏力が所定以上になった時に透光穴を介して発光素子の光が受光素子に到達し、電動モータを駆動するようにしている。しかし、入力側部材と出力側部材とは回転しているので、透光穴を通る光は点滅光となり、誤作動の原因になりやすく、また入力側部材と出力側部材とを所定の直径を持つ円板で構成する必要があるため、踏力検出装置が大型になる欠点がある。
【０００７】
一方、特許文献４の場合には、入力側部材と出力側部材の回転差を検出するために、差動歯車機構を用いており、構造が複雑で大型になるとともに、差動歯車機構の出力軸の回転角をポテンショメータなどのセンサで検出しているため、検出回路が複雑になるという欠点がある。通常の電動アシスト自転車では、ペダル踏力を連続的に検出する必要はなく、少なくとも一定値以上か以下かの２段階検出、あるいはそれ以上の複数段階検出で十分である。ポテンショメータのような連続的な回転角の検出装置は、過剰設備になり、コスト上昇を招く結果となる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、ペダル踏力に見合ったアシスト力を発生することができるとともに、摩耗を低減し、ペダル踏力を小型で簡易な検出手段で検出できる電動アシスト自転車を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、クランク軸に入力されるペダル踏力に応じてアシスト力を発生する電動モータを具備し、上記アシスト力と踏力とを合成して駆動輪へ伝達する電動アシスト自転車において、上記クランク軸に対して相対回転可能に配置され、チェーン駆動用スプロケットに固定された出力回転体と、上記クランク軸の外周に挿通され、一端がクランク軸に連結され、他端が出力回転体に連結されたねじりコイルバネと、上記クランク軸および出力回転体の一方に対して一体回転可能で、かつ軸方向に移動可能に設けられ、軸方向に対して所定の傾斜角をもつカム面が形成されたリフト部材と、上記クランク軸および出力回転体の他方に固定され、リフト部材のカム面に接触してクランク軸と出力回転体との相対回転差をリフト部材の軸方向移動に変換する変換部材と、上記リフト部材の軸方向移動量に応じてペダル踏力を検出する踏力検出手段と、を備えたことを特徴とする電動アシスト自転車を提供する。
【００１０】
クランク軸に入力されたペダル踏力は、ねじりコイルバネによって出力回転体に伝達され、さらにチェーン駆動用スプロケットからチェーンを介して後輪（駆動輪）へと伝達される。後輪の負荷が大きいとき、クランク軸と出力回転体との間に相対回転差が生じるので、その回転差に応じてねじりコイルバネが捩じられる。クランク軸と出力回転体との間の相対回転差は、カム面と変換部材との作用によって、リフト部材の軸方向変位へ変換される。リフト部材の軸方向移動量を踏力検出手段で検出することによって、電動モータのアシスト力を発生させることができる。ねじりコイルバネはペダル踏力に比例して捩じられ、リフト部材はねじりコイルバネの捩れ量に応じて軸方向に移動するので、リフト部材の軸方向移動量によってペダル踏力を正確に検出でき、ペダル踏力に見合ったアシスト力に制御できる。
本発明の場合、ペダル踏力は、クランク軸〜ねじりコイルバネ〜出力回転体〜スプロケットへ伝達され、リフト部材にはトルクが伝わらない。つまり、アシスト量を制御するためのリフト部材にはペダル踏力が全く作用しない。そのため、リフト部材のカム面とカム面に係合している変換部材との摩耗は無視できる。
また、リフト部材は回転しながら軸方向へ移動するが、踏力検出手段はリフト部材の軸方向移動のみを検出すればよいので、出力信号が安定し、誤作動が少ない。しかも、ギヤ機構のような複雑な検出機構を必要とせず、小型に構成できる。
【００１１】
請求項２のように、ねじりコイルバネの周囲を円筒状のリフト部材で覆うように構成するのがよい。
すなわち、リフト部材がねじりコイルバネの周囲を覆うことで、ねじりコイルバネとクランク軸または出力回転体との連結が外れたり、万一ねじりコイルバネが破損しても、ねじりコイルバネがばらけるのを防止でき、他の部品に悪影響を及ぼすのを防止できる。
【００１２】
請求項３のように、ねじりコイルバネを、クランク軸に入力されるペダル踏力が増大するにつれて巻き数が増加する方向に取り付けてもよいし、請求項４のように、クランク軸に入力されるペダル踏力が増大するにつれて巻き数が減少する方向に取り付けてもよい。
ねじりコイルバネの取付方向を、ペダル踏力が増大するにつれて巻き数が増加する方向に取り付けた場合には、ペダル踏力が増大するにつれてねじりコイルバネの外径寸法が減少するので、収納スペースを小さくできるという利点があり、請求項２のようにその周囲をリフト部材で覆った場合に、ねじりコイルバネがリフト部材と干渉するのを防止できる。
一方、ペダル踏力が増大するにつれて巻き数が減少する方向に取り付けた場合には、ねじりコイルバネの端部に引掛部を形成する必要がなく、端面を出力回転体やばね受け具に当接させるだけでよく、加工が容易であり、軸方向寸法を短縮できるという利点がある。
【００１３】
請求項５のように、クランク軸と出力回転体との間に、上記変換部材がカム面に接触可能な回転角度範囲以下の所定角度範囲だけ出力回転体をクランク軸に対して相対回転可能とする角度制限部を設けるのがよい。
ねじりコイルバネによってクランク軸と出力回転体との相対回転差を制限してもよいが、両者の相対回転差が大きくなり過ぎると、ペダルを踏み込んだとき、空ストローク領域が長くなるので、ペダル踏力がチェーンに直接伝達されず、違和感を伴う可能性がある。
そこで、クランク軸と出力回転体との相対回転差を制限する角度制限部を設けておくことで、違和感を低減することができる。また、角度制限部を設けることで、リフト部材の軸方向移動量も制限されるので、踏力検出手段との位置合わせが容易になる。
さらに、仮にねじりコイルバネが破損しても、クランク軸のペダル踏力を角度制限部を介して出力回転体に伝達できるので、通常の自転車として使用することができる。
【００１４】
請求項６のように、クランク軸にペダル踏力が入力されていない状態で、クランク軸に対してペダル踏力と逆方向の初期ねじりトルクを与えるべく、ねじりコイルバネを取り付けてもよい。
例えば、クランク軸にペダル踏力が入力されていない状態で、ねじりコイルバネからクランク軸に対する初期ねじりトルクを０（自由状態）に設定してもよいが、この場合には小さな踏力でもクランク軸が出力回転体に対して相対回転し、ガタが発生したような違和感を伴う可能性がある。そこで、ねじりコイルバネからクランク軸に対して踏力トルクと逆方向の初期ねじりトルクを付与しておけば、初期ねじりトルク以下の小さな踏力が作用した場合にはクランク軸と出力回転体とが相対回転せず、それ以上の踏力が作用した時のみ相対回転するので、違和感を解消できる。
初期ねじりトルクを付与する方法としては、例えばねじりコイルバネの一端部を支えるばね受け具をペダル踏力方向にねじった状態でクランク軸に固定することで、初期ねじりトルクを簡単に付与することができる。
【００１５】
請求項７のように、踏力検出手段を、リフト部材の外周部に設けられた検出部と、車体静止部材に固定され、上記検出部を検出して複数の出力信号を出力する非接触型センサとで構成するのがよい。
踏力検出手段として、リフト部材に接触してその軸方向移動を検出する接触型センサを用いることが可能であるが、リフト部材はクランク軸とともに回転しているので、摩耗が激しく、故障しやすい。これに対し、非接触型センサを用いた場合には、摩耗や故障を少なくでき、安定した踏力検出が可能となる。
【００１６】
非接触型センサとして、請求項８のようにリードスイッチを用い、検出部として、リフト部材の外周部にリング状に取り付けられた永久磁石を用いてもよい。リードスイッチは１個に限らず、クランク軸方向に複数個設け、複数段階にアシストトルクを制御できるようにしてもよい。
なお、非接触型センサとしては、リードスイッチに限らず、フォトセンサ、磁気抵抗素子、ホール素子、コイルなどの磁気感応センサ、静電容量型近接センサ、インダクタンス式変位センサなど、各種の非接触型センサを用いることが可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
−第１実施例−
図１は本発明にかかる電動アシスト自転車の一例を示す。
この自転車のフレーム１は、前輪２を軸架するヘッドパイプ１ａ、シートパイプ１ｂ、メインパイプ１ｃ、後輪３を軸架するリヤステー１ｄなどを備え、シートパイプ１ｂとメインパイプ１ｃとリヤステー１ｄの３者がボトムパイプ１ｅで連結されている。ボトムパイプ１ｅには図２に示すクランク軸１０が回転自在に軸受され、クランク軸１０にはクランク４を介してペダル５が取り付けられている。ペダル５を踏み込むことで、チェーン駆動用スプロケット６が回転し、チェーン７を介して後輪３が駆動される。後輪３にはアシスト力を発生する電動モータ８が装備されており、シートパイプ１ｂの背後には電源、コントローラなどを収納したバッテリユニット９が装備されている。
【００１８】
次に、本発明の主要部である伝達機構について、図２〜図５を参照して説明する。
図２に示すように、ボトムパイプ１ｅの内部には、第１ベアリング１１を介して出力回転体であるホイールベース１２が回転自在に支持され、ホイールベース１２の内部に第２ベアリング１３を介してクランク軸１０の一端部が回転自在に支持されている。さらに、クランク軸１０の他端部はボトムパイプ１ｅの内部に第３ベアリング１４を介して回転自在に支持されている。クランク軸１０の軸方向両端部（左右端部）には、左右のクランク４が回転不能に嵌合され、ボルト１５で締結されている。ホイールベース１２は第２ベアリング１３の外輪を兼ねており、その軸方向一端部に上記チェーン駆動用スプロケット６が溶接等にて固定されている。
【００１９】
クランク軸１０とホイールベース１２との間には、図５に示すように、ホイールベース１２をクランク軸１０に対して所定角度だけ相対回転可能とする角度制限部１６が設けられている。この実施例では、角度制限部１６はクランク軸１０の外周面に突設されたキー部１０ａと、ホイールベース１２の内周面に形成された扇型の溝１２ａとで構成され、０〜４５°に回転角度が制限されている。なお、角度制限部１６の最大回転角は４５°に限らず、これより小さい角度に設定してもよいことは勿論である。非走行時には、キー部１０ａは図５の実線位置に示すように溝１２ａの一端面に当接しており、所定以上のペダル踏力が作用すると、二点鎖線で示すようにキー部１０ａは溝１２ａの他端面に当接する。
【００２０】
クランク軸１０の外周にはねじりコイルバネ１７が挿通されており、このねじりコイルバネ１７の一端部１７ａは、図３に示すようにホイールベース１２の軸方向他端部である円筒形ボス部１２ｂの縁部に形成された係止溝１２ｃに係止されている。ホイールベース１２のボス部１２ｂの外周面には、後述するリフト部材２２のカム面２２ｄに係合する変換部材であるノックピン１２ｄが突設されている。ねじりコイルバネ１７の他端部１７ｂは、クランク軸１０に挿通され、セットボルト１８によって固定されたばね受け具１９の係止溝１９ａに係止されている。ねじりコイルバネ１７は、クランク軸１０に入力されるペダル踏力が増大するにつれて巻き数が増加する方向に取り付けられている。そして、ペダル踏力が０の状態でも、ねじりコイルバネ１７がクランク軸１０に対してペダル踏力と逆方向の初期ねじりトルクを付与するように、ばね受け具１９の固定位置が設定されている。
【００２１】
図６は、クランク軸１０とホイールベース１２との相対回転角度と、ねじりコイルバネ１７のばね反力との関係を示したものであり、相対回転角度が０°においても初期ねじりトルクに対応したねじりコイルバネ１７のばね反力が作用している。したがって、初期ねじりトルク以下の小さなペダル踏力が作用した場合にはホイールベース１２はクランク軸１０と一体回転し、違和感を解消できる。
【００２２】
ばね受け具１９の背後には、外周部に突起２０ａを持つガイドプレート２０が配置され、その背後からナット２１をクランク軸１０の雄ねじ部１０ｂに螺着することにより、ガイドプレート２０はばね受け具１９とナット２１とによってクランク軸１０に対して固定されている。この実施例では、突起２０ａをガイドプレート２０で構成したが、ガイドプレートに代えて、クランク軸１０に直接ピンを固定することで、突起とすることもできる。
【００２３】
上記ねじりコイルバネ１７の外周は円筒形リフト部材２２によって覆われている。リフト部材２２の軸方向一端側には、図２，図３に示すように大径部２２ａが設けられ、他端側に小径部２２ｂが設けられ、その間に段差部２２ｃが形成されている。大径部２２ａは光をよく反射する第１反射部を構成し、小径部２２ｂは光を反射しない、あるいは反射の少ない第２反射部を構成している。第２反射部２２ｂとしては、例えば黒色などの塗料を塗布したり、光を散乱させるための加工などを施してもよい。また、第２反射部２２ｂは、光を反射するが、反射方向を後述するフォトセンサ２３の受光素子２３ｂと異なる向きとするものでもよい。リフト部材２２の大径部２２ａには、軸方向に対して所定の傾斜角をもつカム面２２ｄが形成されており、このカム面２２ｄに上記ホイールベース１２の外周面に突設されたノックピン１２ｄが係合している。この実施例のカム面２２ｄは、軸方向一端側に開口した傾斜状のカム溝であるが、傾斜した長穴であってもよい。また、リフト部材２２の小径部２２ｂには、上記ガイドプレート２０のガイド突起２０ａと軸方向に係合するガイド穴２２ｅが形成されている。そのため、リフト部材２２は、クランク軸１０に対して一体回転可能で、かつ軸方向に移動可能である。リフト部材２２の一端部はホイールベース１２のボス部１２ｂに嵌合し、中央部はねじりコイルバネ１７を覆い、他端部はばね受け具１９、ガイドプレート２０およびナット２１の外周部を覆っている。つまり、リフト部材２２が常にねじりコイルバネ１７を覆っているので、ねじりコイルバネ１７の両端部１７ａ，１７ｂが係止溝１２ｃ，１９ａから外れるのを防止するとともに、万一ねじりコイルバネ１７が破損しても、ばらけるのを防止できる。さらに、リフト部材２２の両端部内面が、ホイールベース１２のボス部１２ｂとばね受け具１９とによって摺動自在に支持されているので、半径方向のガタが少なく、後述するフォトセンサ２３の誤作動を防止できる。
【００２４】
上記ボトムパイプ１ｅには、センシング面がリフト部材２２と対面するように、複数の反射型のフォトセンサ２３が取り付けられている。各フォトセンサ２３は、図４に示すように発光素子２３ａと受光素子２３ｂとを備えており、クランク軸１０の軸方向に複数個（ここでは２個）配列されている。全てのフォトセンサ２３がリフト部材２２の小径部（第２反射部）２２ｂに対面している間は、発光素子２３ａの光が受光素子２３ｂに届かないので、全てのフォトセンサ２３がＯＦＦしている。ペダル踏力が増加してクランク軸１０とホイールベース１２との間に相対回転差が生じると、リフト部材２２が軸方向へ移動し、いずれかのフォトセンサ２３または全てのフォトセンサ２３がリフト部材２２の大径部（第１反射部）２２ａに対面し、対面したフォトセンサ２３がＯＮする。フォトセンサ２３は、上述のバッテリユニット９に収納されたコントローラに接続されており、フォトセンサ２３の検出信号に基づいて電動モータ８を駆動力を制御し、アシスト力を制御する。この制御は、既に周知の通りであるから、説明を省略する。
【００２５】
図７は、クランク軸１０とホイールベース１２との相対回転角度と、電動モータ８のアシスト力との関係の一例を示したものである。
相対回転角度が０〜θ１　に範囲ではアシスト力が０であり、θ１　〜θ２　、θ２　〜４５°となるに従い、段階的にアシスト力が増加するように設定されている。なお、図７のような３段階切替は一例に過ぎず、単一のフォトセンサ２３を用いた場合には、アシストＯＦＦとＯＮの２段階切替のみとなり、３個以上のフォトセンサ２３を用いれば、４段階以上の切替が可能である。
図７のように相対回転角の増大に伴ってアシスト力が段階的に増加するように設定した場合には、図６に示すばね特性との相関関係からみて、強く踏み込めば、それだけアシスト力も増加するので、違和感のない走行を実現できる。
【００２６】
次に、上記構成よりなる電動アシスト自転車の作動について、図８を参照して説明する。
ペダル踏力が小さい場合には、ねじりコイルバネ１７が殆ど捩じられないので、クランク軸１０とホイールベース１２との相対回転差が小さく、ノックピン１２ｄはカム面２２ｄの底部付近に位置しており、リフト部材２２の軸方向移動量も小さい。そのため、図８の（ａ）のように全てのフォトセンサ２３はリフト部材２２の小径部（第２反射部）２２ｂに対面しており、全てのフォトセンサ２３がＯＦＦしている。この範囲では、図７の０〜θ１　で示すように、アシスト力が０である。つまり、人力のみで走行することになる。
ペダル踏力が増加すると、ねじりコイルバネ１７が捩じられ、クランク軸１０とホイールベース１２との間に相対回転差が生じる。リフト部材２２はガイド穴２２ｅとガイド突起２０ａとの係合によりクランク軸１０と一体回転し、ノックピン１２ｄはホイールベース１２と一体回転するので、ノックピン１２ｄがリフト部材２２のカム面２２ｄに乗り上げ、リフト部材２２を図８の（ｂ）で示すように左方へ移動させる。リフト部材２２の動きによって、右側のフォトセンサ２３がリフト部材２２の大径部（第１反射部）２２ａに対面し、対面したフォトセンサ２３がＯＮする。そのため、図７のθ１　〜θ２　で示すように、比較的小さなアシスト力が発生し、人力の負担を軽減する。
さらにペダル踏力が増加すると、ねじりコイルバネ１７がさらに捩じられ、クランク軸１０のキー部１０ａがホイールベース１２の扇型溝１２ａの端面に当接することによって回転角度が制限される。この角度は、例えば約４５°である。クランク軸１０とホイールベース１２との相対回転差によって、ノックピン１２ｄがリフト部材２２のカム面２２ｄにさらに乗り上げ、リフト部材２２を図８の（ｃ）で示すように左方へ最大限まで移動させる。リフト部材２２の動きによって、左右両方のフォトセンサ２３がリフト部材２２の大径部（第１反射部）２２ａに対面し、両方のフォトセンサ２３がＯＮする。そのため、図７のθ２　〜４５°で示すように、大きなアシスト力を発生し、人力の負担を軽減できる。
ペダル踏力がさらに増加しても、クランク軸１０とホイールベース１２との相対回転差は角度制限部１６で約４５°に制限されているので、リフト部材２２の軸方向の動きも制限され、ノックピン１２ｄがカム面２２ｄから外れることはない。また、アシスト力もそれ以上増大することはない。
【００２７】
−第２実施例−
図９は本発明の第２実施例であり、踏力検出手段として磁気抵抗素子２４を用いた例である。この実施例も、磁気抵抗素子２４をクランク軸方向に２個配列してある。
一方、リフト部材２２は磁性体で形成されており、軸方向一端側に大径部２２ａ、他端側に小径部２２ｂが形成されている。この実施例では、リフト部材２２のカム面２２ｄが長孔で形成されている。
磁気抵抗素子２４がリフト部材２２の軸方向移動を検出する原理は、図８と同様である。すなわち、小径部２２ｂと対面していた磁気抵抗素子２４が、リフト部材２２の軸方向移動に伴って大径部２２ａと対面すると、磁気抵抗が減少し、出力信号が変化する。この出力信号の変化を利用してリフト部材２２の軸方向変位を検出できる。
【００２８】
−第３実施例−
図１０〜図１３は本発明の第３実施例を示す。
この実施例は、ねじりコイルバネ１７を、クランク軸１０に入力されるペダル踏力が増大するにつれて巻き数が減少する方向に取り付けるとともに、踏力検出手段としてリードスイッチ２５および永久磁石２６を用いた例である。第１実施例と同一部品には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００２９】
この実施例のねじりコイルバネ１７は、第１実施例のねじりコイルバネ１７に対して逆向き（左巻き方向）に巻かれており、その両端部１７ａ，１７ｂはほぼ垂直にカットされている。一端部１７ａはホイールベース１２の円筒形ボス部１２ｂの縁部に形成された螺旋状の係止溝１２ｃの端面に当接し、他端部１７ｂはばね受け具１９の螺旋状の係止溝１９ａの端面に当接している。このように、コイルバネ１７の螺旋にそった溝１２ｃ，１９ａを形成することで、コイルバネ１７の両端を係止しているので、第１実施例のようにコイルバネ１７の両端部を折り曲げる必要がなく、加工が容易になるとともに、コイルバネ１７の軸方向の配置スペースを短縮できる。
【００３０】
この実施例のばね受け具１９は、内周面に雌ねじ１９ｂを有し、この雌ねじ１９ｂがクランク軸１０に設けられた雄ねじ１０ｂと螺合している。クランク軸１０の雄ねじ１０ｂは左ねじであり、ばね受け具１９は左回り方向に螺合される。その理由は、コイルバネ１７が左巻きであるため、ばね受け具１９をクランク軸１０に対して螺合させながら、係止溝１９ａの端面をねじりコイルバネ１７の端部１７ｂに対して当接させるためである。ペダル踏力が０の状態でも、ねじりコイルバネ１７がクランク軸１０にペダル踏力と逆方向の初期ねじりトルクを付与した状態で、ばね受け具１９は、その半径方向に螺着された六角穴付きボルト２７によってクランク軸１０に固定される。六角穴付きボルト２７は、リフト部材２２に設けられたガイド穴２２ｅに係合しており、リフト部材２２をクランク軸１０の軸方向にガイドしている。なお、六角穴付きボルト２７に代えて固定ピンやセットボルトなどを用いることもできる。
【００３１】
リフト部材２２は、ねじりコイルバネ１７の外周を覆っており、その軸方向一端部には長孔形状の傾斜状カム面２２ｄが設けられ、他端部には一端が開口したガイド穴２２ｅが形成されている。カム面２２ｄには、ホイールベース１２の円筒形ボス部１２ｂの外周面に螺着された六角穴付きボルト２８が係合しており、クランク軸１０（リフト部材２２）とホイールベース１２との相対回転によって、リフト部材２２が軸方向に移動することができる。六角穴付きボルト２８に代えてノックピンを用いてもよい。リフト部材２２は非磁性体で形成されており、その中央部の外周面にはリング状の永久磁石２６が固定されている。この実施例の永久磁石２６は、その内周側と外周側とに異極が着磁されたものを使用しているが、軸方向の両端部に異極が着磁されたものでもよい。
【００３２】
ボトムパイプ１ｅには、センシング面がリフト部材２２と対面するように、２個のリードスイッチ２５（２５ａ，２５ｂ）がクランク軸方向に並べて取り付けられている。リードスイッチ２５は、リフト部材２２の外周に取り付けられた永久磁石２６が近づくことによってＯＮし、第１実施例と同様に、電動モータ８を駆動してアシスト力を発生し、人力の負担を軽減できる。特に、複数個のリードスイッチ２５をクランク軸方向に配列することで、図７に示すように複数段階でアシスト力を制御することができる。
【００３３】
この実施例の角度制限部１６は、図１１で示すように、クランク軸１０の外周面にキー部１０ａは１箇所のみ突設され、ホイールベース１２の扇型の溝１２ａも１箇所のみ設けられている。キー部１０ａは溝１２ａに対して０〜４５°の範囲で相対回転可能である。
【００３４】
第３実施例の動作を図１３を参照して説明する。
図１３の（ａ）は、ペダル踏力が小さい状態であり、ねじりコイルバネ１７が殆ど捩じられないので、クランク軸１０とホイールベース１２との相対回転差が小さく、ボルト２８はカム面２２ｄの底部付近に位置しており、リフト部材２２の軸方向移動量も小さい。そのため、右側のリードスイッチ２５ａと永久磁石２６との距離Ｌ１はセンシング距離より長く、全てのリードスイッチ２５がＯＦＦしている。この範囲では、モータのアシスト力が０であり、人力のみで走行することになる。
クランク軸１０に伝えられるペダル踏力が増加すると、ねじりコイルバネ１７が開き方向に捩じられ、クランク軸１０とホイールベース１２との間に相対回転差が生じる。リフト部材２２はガイド穴２２ｅとボルト２７との係合によりクランク軸１０と一体回転し、ボルト２８がリフト部材２２のカム面２２ｄに乗り上げ、リフト部材２２を図１３の（ｂ）で示すように左方へ移動させる。リフト部材２２の動きによって、右側のリードスイッチ２５ａと永久磁石２６との距離Ｌ２がセンシング距離より短くなるので、右側のリードスイッチ２５ａだけがＯＮする。左側のリードスイッチ２５ｂと永久磁石２６との距離Ｌ２はセンシング距離より長いので、左側のリードスイッチ２５ｂはＯＦＦ状態のままである。そのため、比較的小さなアシスト力が発生し、人力の負担を軽減する。
さらにペダル踏力が増加すると、ねじりコイルバネ１７がさらに開き方向に捩じられ、クランク軸１０のキー部１０ａがホイールベース１２の扇型溝１２ａの端面に当接することによって回転角度が制限される。クランク軸１０とホイールベース１２との相対回転差によって、ボルト２８がリフト部材２２のカム面２２ｄにさらに乗り上げ、リフト部材２２を図１３の（ｃ）で示すように左方へ最大限まで移動させる。リフト部材２２の動きによって、左側のリードスイッチ２５ｂと永久磁石２６との距離Ｌ２がセンシング距離より短くなり、両方のリードスイッチ２５ａ，２５ｂがＯＮする。そのため、最大のアシスト力を発生し、人力の負担を軽減できる。
ペダル踏力がさらに増加しても、クランク軸１０とホイールベース１２との相対回転差は角度制限部１６で約４５°に制限されているので、リフト部材２２の軸方向の動きも制限され、アシスト力もそれ以上増大することはない。
【００３５】
−第４実施例−
図１４，図１５は本発明の第４実施例であり、踏力検出手段として第３実施例と同様なリードスイッチ２５を用いるとともに、リードスイッチ２５を作動させる永久磁石３０をリフト部材２２と別体に取り付けた例である。この実施例も、２個のリードスイッチ２５ａ，２５ｂをクランク軸方向に配列してある。
リードスイッチ２５を保持したホルダ３１は、ボトムパイプ１ｅへの取付具を兼ねている。ホルダ３１には、クランク軸方向に延びる操作軸３２が軸方向に摺動自在に支持されており、この操作軸３２に永久磁石３０が固定されている。永久磁石３０は操作軸３２に挿通されたスプリング３３によって図１４の右方向に常時付勢されている。そのため、通常時は永久磁石３０はリードスイッチ２５から離れた位置にあり、リードスイッチ２５はＯＦＦ状態にある。操作軸３２には、フッ素樹脂などからなる耐摩耗性の当接板３４が永久磁石３０の右側に取り付けられている。
【００３６】
クランク軸１０に加わるペダル踏力が増大し、クランク軸１０とホイールベース１２との間に相対回転差が生じると、リフト部材２２が上記実施例と同様の原理で軸方向（図１４の左方向）に移動する。リフト部材２２の外周面には段差部またはフランジ部２２ｆが形成されており、リフト部材２２が図１４の左方向に移動した時、フランジ部２２ｆが当接板３４に当たって操作軸３２を図１４の左方向に押す。その結果、操作軸３２に固定された永久磁石３０がリードスイッチ２５に近接し、リードスイッチ２５を作動させることができる。
【００３７】
この実施例では、リードスイッチ２５を作動させる永久磁石３０を小型に構成できるという利点がある。
また、リードスイッチ２５、操作軸３２、永久磁石３０、スプリング３３、当接板３４などの部品がホルダ３１に一体的に組み付けられ、アッセンブリされているので、リードスイッチ２５や永久磁石３０に不良があった場合には、図１５に示すように、ホルダ３１ごと取り替えることができ、補修・交換が容易になるという利点がある。
なお、第４実施例では、スプリング３３によって永久磁石３０を図１４の右方向に常時付勢したが、これに代えて、例えば当接板３４と係合する周溝をリフト部材２２の外周面に形成することで、リフト部材２２の軸方向の動きを当接板３４に伝えるようにしてもよい。
【００３８】
非接触型センサとしては、フォトセンサ、磁気抵抗素子、リードスイッチのほか、ホール素子、コイル、インダクタンス式変位センサ、静電容量型近接センサなど、公知の種々のセンサを使用することができる。これに対応して、リフト部材２２の一部あるいは全体を磁性体や磁石で形成したり、誘電体あるいは導電体で形成してもよい。
また、非接触型センサに限らず、接触型検出手段を用いることも可能である。
【００３９】
本発明は上記実施例に限定されるものではない。
変換部材として、ホイールベース１２の外周面にノックピン１２ｄを固定した例を示したが、カム面２２ｄとの摺動に伴う摩耗を低減するため、ノックピン１２のカム面との接触部にベアリングを設けてもよい。
また、リフト部材に設けられるカム面は、実施例のような一端が開口した傾斜溝あるいは長孔に限るものではなく、山形のカム面を設けてもよい。ただし、この場合にはカム面とカムフォロワ（変換部材）とが常時接触できるようにリフト部材をカムフォロワ方向に付勢するスプリングを設ける必要がある。
カム面２２ｄとして実施例のような傾斜溝または長孔を設けた場合には、クランク軸１０がホイールベース１２に対してペダル踏力方向だけでなくその逆方向に相対回転した場合でも、変換部材１２ｄがカム面２２ｄに追随接触するので、リフト部材２２が軸方向にガタつくことがなく、センサ２３による誤検出を防止できるという利点がある。
【００４０】
上記実施例では、リフト部材２２をクランク軸に対して一体回転可能で、かつ軸方向に移動可能に設け、変換部材（ノックピン）１２ｄをホイールベースに固定したが、これと逆に、リフト部材２２をホイールベースに対して一体回転可能で、かつ軸方向に移動可能に設け、変換部材（ノックピン）１２ｄをクランク軸に固定してもよい。
電動モータ８は、実施例のような後輪に設ける例に限らず、いかなる部位に設けてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、クランク軸に入力されたペダル踏力をねじりコイルバネを介して出力回転体に伝達し、さらにチェーン駆動用スプロケットへと伝達するとともに、ペダル踏力の増大に伴ってクランク軸と出力回転体との間に生じる相対回転差をリフト部材の軸方向変位へ変換し、これを踏力検出手段で検出することによって、電動モータのアシスト力を発生させている。つまり、ねじりコイルバネの捩れ量はペダル踏力に比例し、リフト部材の軸方向移動量はねじりコイルバネの捩れ量に対応するので、リフト部材の軸方向移動量によってペダル踏力を正確に検出でき、ペダル踏力に見合ったアシスト力を発生することができる。
また、ペダル踏力はねじりコイルバネが受け持ち、アシスト量を制御するためのリフト部材にはペダル踏力が全く作用しないため、リフト部材のカム面とこのカム面に係合している変換部材との摩耗を軽減でき、耐久性のある電動アシスト自転車を実現できる。
さらに、ねじりコイルバネはクランク軸の外周に挿通されているので、半径方向および軸方向に大きく張り出さず、小型に構成できる。
加えて、踏力検出手段はリフト部材の軸方向移動を検出するだけでよいので、ギヤ機構のような複雑な機構を必要とせず、小型に構成できるとともに、誤作動も少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる電動アシスト自転車の一例の側面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の主要部の分解斜視図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】図２のＣ−Ｃ線断面図である。
【図６】クランク軸とホイールベースとの相対回転角度と、ねじりコイルバネのばね反力との関係を示す特性図である。
【図７】クランク軸とホイールベースとの相対回転角度と、アシスト力との関係を示す特性図である。
【図８】第１実施例におけるリフト部材とフォトセンサとの位置関係を示す動作説明図である。
【図９】踏力検出手段として非接触型検出手段を用いた第２実施例の断面図である。
【図１０】本発明にかかる電動アシスト自転車の第３実施例のクランク軸部分の断面図である。
【図１１】図１０のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１２】図１０に示す主要部の分解斜視図である。
【図１３】第３実施例におけるリフト部材とリードスイッチとの位置関係を示す動作説明図である。
【図１４】第４実施例における主要部の断面図である。
【図１５】第４実施例のホルダを車体に対して着脱する動作を説明する図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　　フレーム
５　　　　　ペダル
６　　　　　　　　　　チェーン駆動用スプロケット
８　　　　　電動モータ
９　　　　　バッテリユニット
１０　　　　クランク軸
１２　　　　　　ホイールベース（出力回転体）
１２ｄ　　　ノックピン（変換部材）
１７　　　　ねじりコイルバネ
２２　　　　　　リフト部材
２２ａ　　　大径部（第１反射部）
２２ｂ　　　小径部（第２反射部）
２２ｄ　　　　カム面
２３　　　　フォトセンサ（踏力検出センサ）
２５　　　　リードスイッチ（踏力検出センサ）
２６　　　　永久磁石
【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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【図１４】
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【図１５】
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