(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
後輪を駆動するペダルと、
後輪の左右両側で車軸に固定された車体フレームと、
前記ペダルの踏力を補助するためのモータと、
このモータの電源となるバッテリと、
前記モータの駆動力を後輪に伝達するための動力伝達機構と、
前記ペダルの踏力を検出するための踏力検出手段と、
前記踏力に基づいて前記モータを駆動制御するためのコントローラとを備えた電動二輪車において、
前記モータ、バッテリ、動力伝達機構、踏力検出手段、およびコントローラを前記後輪の径方向内側に配設してなり、
前記モータ、バッテリ、動力伝達機構の一部、踏力検出手段およびコントローラを共通のサポートブラケットに装着して一体ユニットとして構成したことを特徴とする電動二輪車。
【請求項２】
前記後輪は車軸方向に凹状をした車輪ディスクを有し、
これに対面する固定カバーとの間に収容空間を形成したことを特徴とする請求項１に記載の電動二輪車。
【請求項３】
前記後輪の径方向内側に配設した各部品は周方向に分散配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の電動二輪車。
【請求項４】
前記モータおよびバッテリは、車軸より下側に配置され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二輪車。
【請求項５】
前記バッテリは複数のセルからなり、これらのセルを下に凸となる円弧状に配置したことを特徴とする請求項４に記載の電動二輪車。
【請求項６】
前記コントローラは、前記左右の車体フレーム間に挟まれて車軸より上側に配置されたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電動二輪車。
【請求項７】
前記後輪の車軸上に、スプロケットを介して前記ペダルからの踏力により駆動される入力板およびタイヤとともに回動する車輪ディスクが装着され、
前記入力板と車輪ディスクとを弾性材を介して連結し、
前記入力板と車輪ディスクの各々に、同じ一定ピッチ角の複数の突出片を有するリングを固定し、
入力板および車輪ディスクの回転中に、これらとともに回転する前記各リングの突出片を検出する非接触センサを後輪内の非回転部材側に設け、
この非接触センサは、これを通過する各リングの突出片を検出して車速を検知するとともに、両リングの突出片同士の円周方向の相対位置のずれに基づいてペダルの踏力を検出することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電動二輪車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動二輪車に関し、特に電動モータを用いた補助動力機構のレイアウトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動モータによる動力補助自転車は、車速およびペダルの踏力を検出してこれらに基づいて電動モータを駆動し、踏力を一定範囲内で補助する。このような電動二輪車の補助動力機構は、ペダルの踏力を補助するためのモータと、このモータの電源となるバッテリと、前記モータの駆動力を後輪に伝達するための動力伝達機構と、前記ペダルの踏力を検出するための踏力検出手段と、車速を検出するためのスピードセンサと、前記踏力および車速に基づいて前記モータを駆動制御するためのコントローラとを備えた構成である。
【０００３】
従来このような補助動力機構を構成する各部品は、重量や形状および配線等を考慮して車体フレーム上に適宜分散して取付けられていた。このような電動二輪車において、特に電動系をコンパクトにバランスよく配置するために、モータおよびバッテリを後輪のハブ近傍に設けた構造が既に本出願人により提案されている（特開平８−４８２７８）。この公報記載の電動系の配置構造によれば、低重心で重量バランスもよく、走行安定性および取扱い性に優れた電動二輪車が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、モータとバッテリを後輪内に設けてコンパクト化を図った上記公報記載の電動系の配置構造においても、踏力に応じてモータを駆動制御する場合の踏力検出手段が後輪から離れたペダル部分に装着されているため、充分なコンパクト化は達成されなかった。
【０００５】
またこのような公報記載技術以外の従来の電動二輪車の構造においても、補助動力機構は充分コンパクトに配置されてなく、構造上のまとまりがなくなり車体の組立も面倒になり各部品の取扱いも煩雑になっていた。
【０００６】
本発明は上記の点を考慮し、補助動力機構の完全なコンパクト化を図り、車体の構造をシンプルにするとともに、容易に補助動力機構全体を一体化して取扱いやすくし、組立精度を高め、車体組立の作業性を高めることができる電動二輪車の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、後輪を駆動するペダルと、後輪の左右両側で車軸に固定された車体フレームと、前記ペダルの踏力を補助するためのモータと、このモータの電源となるバッテリと、前記モータの駆動力を後輪に伝達するための動力伝達機構と、前記ペダルの踏力を検出するための踏力検出手段と、前記踏力に基づいて前記モータを駆動制御するためのコントローラとを備えた電動二輪車において、前記モータ、バッテリ、動力伝達機構、踏力検出手段、およびコントローラを前記後輪の径方向内側に配設してなり、前記モータ、バッテリ、動力伝達機構の一部、踏力検出手段およびコントローラを共通のサポートブラケットに装着して一体ユニットとして構成したことを特徴とする電動二輪車を提供する。
【０００８】
この構成によれば、電動の補助動力機構を構成する個々の構成機構や装置等の全て、すなわちモータ、バッテリ、動力伝達機構、踏力検出手段、およびコントローラの全てが後輪の内側に配設されるため、補助動力機構全体が構造的にまとまって完全にコンパクト化し車体構造がシンプルになり、取扱い性や組立性が良好になる。また、モータ、バッテリ、動力伝達機構の一部、踏力検出手段およびコントローラを共通のサポートブラケットに装着して一体ユニットとして構成しているから、取扱い性や組立性がさらに向上する。また、重量物が後輪側に配置されるため、前輪側が軽量化し、ハンドルを持って移動する場合に軽量感が得られ、操作感覚が向上する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る電動二輪車の全体構成図である。ハンドル１が固定されたステアリング軸２は、ヘッドパイプ３を挿通して前輪４の左右のフロントフォーク５に連結される。ヘッドパイプ３には、トップチューブ６およびダウンチューブ７が固着される。トップチューブ６およびダウンチューブ７の後端部はそれぞれシートチューブ８の上端部および下端部に個着される。シートチューブ８にはサドル９が装着される。ダウンチューブ７とシードチューブ８の下端連結部にペダルクランク軸１０が装着されペダル１１が取付けられる。
【００１０】
シートチューブ８の上端の後方側には左右両側からシートステー１２が固着される。また、シートチューブ８の下端の後方側には左右両側からチェーンステー１３が固定される。シートステー１２およびチェーンステー１３の後端部同士は一体化されてフック４０を形成し、このフック４０を介して後輪１４の車軸１５が装着される。
【００１１】
ペダルクランク軸１０には駆動スプロケット１６が装着される。この駆動スプロケット１６は、チェーン１７を介して後輪１４の車軸１５上に装着された被動スプロケット１８に連結される。これにより、ペダル１１からの踏力により後輪１４が駆動される。
【００１２】
後輪１４のタイヤ２２より内側は固定ドーム状カバー３２で覆われる。この後輪１４の内側には、ペダルからの踏力に補助駆動力を付加するためのモータ１９と、このモータ１９の電源となるバッテリ２０と、モータ１９の回転駆動力をプーリ２３を介して後輪側に伝達するためのベルト２１と、後述のように踏力および車速を検出する車速検出手段を兼ねた踏力検出手段２４と、この踏力検出手段２４により検出された踏力および車速に基づいてモータ１９を駆動制御するコントローラ２５が配設される。コントローラ２５には、バッテリ２０からの電源供給をオンオフして補助動力機構を使用可能状態または不使用状態にするためのメインスイッチ２６が設けられる。このメインスイッチはプッシュ式のオンオフスイッチであり、後輪の固定ドーム状カバー３２にスイッチ操作用の孔を設けこの孔をゴム等の弾性材カバーで覆い、このカバーの上からスイッチを押圧してオンオフ操作する。また、バッテリ２０の装着部には蓋３４が設けられ、後述のようにバッテリ２０を出し入れする。
【００１３】
これらの補助動力機構を構成するモータ１９、バッテリ２０、踏力検出手段２４およびコントローラ２５は後述の共通のサボートブラケットに取付けられ一体ユニット化されている。
【００１４】
図２は、図１の電動二輪車の後輪１４の要部構成を示す断面図であり、図３はその車軸部分の詳細構成図である。また、図４は後輪の一部を構成する車輪フレームを内側からみた正面図である。
【００１５】
ペダル１１（図１）からの踏力が伝達されるスプロケット１８は、後輪１４の車軸１５上に回転可能に装着された入力板２７に図示しないフリーホイルを介して装着される。この入力板２７は、その円周方向の５ヵ所に設けたゴム等の弾性材２８を介して車輪フレーム７０に連結される（図４参照）。図３に示すように、車輪フレーム７０にカバー７１が装着され車輪ディスク２９を構成する。
【００１６】
前記弾性材２８は、入力板２７の５ヵ所の突起２７ａに装着され、車輪ディスク２９側の穴２９ａ内に嵌め込まれる。これにより、ペダルからの踏力により回転する入力板２７の回転力は、弾性材２８を介して車輪ディスク２９に伝達され、車輪ディスク２９が入力板２７とともに車軸１５上で回転する。このとき踏力の大きさに応じて弾性材２８が弾性変形するため、入力板２７と車輪ディスク２９の円周方向の位相がずれる。この位相のずれを後述のように踏力検出手段２４が検出してペダルにかかる踏力が検出される。
【００１７】
車軸１５の左右両端部には、シートステー１２およびチェーンステー１３が一体化した後端部のフック４０（図１参照）が、両側からナット３９に挟まれて固定される。
【００１８】
車輪ディスク２９は、素通しの骨組状をなすアルミ鋳物製の車輪フレーム７０とその外側全面に沿う樹脂製カバー７１とからなり全体が車輪方向にドーム状をしている。車輪フレーム７０はそのハブ３８がベアリング３７を介して車軸１５上のカラー３６上に回転可能に装着される（図３）。図４に示すように、ハブ３８から放射状に５本のスポークリブ４５が設けられその端部にプーリ２３が一体形成される。各スポークリブ４５に連続してこのプーリ２３の外側にさらにスポークリブ３０が一体形成される。外側のスポークリブ３０の端部にはリム３１が一体形成され、タイヤ２２が装着される。プーリ２３には、ベルト２１（図１）が巻き掛けられ、モータ１９からの回転駆動力が伝達される。
【００１９】
車輪ディスク２９の反対側の後輪１４の側面はドーム状をした固定カバー３２で覆われる。したがって車輪ディスク２９と固定カバー３２によりリムとハブとの間には大きな収容空間７３が形成されることになる。この固定ドーム状カバー３２のバッテリ２０の収容位置は開口し蓋３４が設けられる。なお、車輪ディスク２９において、車輪フレーム７０自体を骨組状ではなくディスク状としてカバー７１を省略してもよい。この場合カバーする部分は後輪リム内の全体ではなく、中心からプーリ２３の幾分外側までの小径カバーとして、この小径カバーの外縁部を、車軸方向に屈曲させて反対面の固定カバー３２までを覆い、内側に形成された吸容空間を水や埃から保護するように構成してもよい。この場合小径カバーの外縁側にリムに達するスポークリブを一体形成しておく。
【００２０】
車輪フレーム７０の内側のスポークリブ４５の中間部には肉厚部４６が形成され、この肉厚部４６に内歯リング４４がネジ４３で固定される。この内歯リング４４は、その内周に一定ピッチで突出片４４ａが形成される。この内歯リング４４の各突出片４４ａに対向して同じ一定のピッチ角度で突出片４２ａが形成された外歯リング４２が設けられる。この外歯リング４２は、車輪フレーム７０のハブ３８の内面に露出する前述の入力板２７の５ヵ所の突起２７ａの端面にネジ４１により固定される。これらの内歯リング４４および外歯リング４２の対向する突出片４４ａ，４２ａを非接触で検出する例えばホール素子からなる踏力検出手段２４が、突出片４４ａ，４２ａに対面する位置に設けられる。この踏力検出手段２４は、後述のように車軸１５に固定され回転しない共通のサポートブラケット３３に固定され、一定位置に静止保持される。両リング４２，４４の対向する歯（突出片）同士は同一平面内に配置される。これにより車軸方向のスペースを節約して効率的に利用し踏力検出手段をコンパクトに配置することができる。
【００２１】
踏力検出手段２４は、走行中に後輪とともに回転する外歯リング４２および内歯リング４４の突出片４２ａ，４４ａを検出してそれぞれの検出パルスが出力されコントローラ２５に送られる。この検出パルスは、踏力検出手段を通過する各突出片４２ａ，４４ａごとに発信される。したがって、このパルスの周波数から各リング４２または４４の回転速度が検出される。すなわち、一定時間内の突出片の検出数あるいは突出片の検出時間間隔から後輪の回転速度すなわち車速が検出される。
【００２２】
また、外歯および内歯の両リング４２ａ，４４ａの検出パルスの位相を比較することにより、両リング４２，４４の突出片４２ａ，４４ａの位置ずれが検出される。この位置ずれは、前述のようにペダル踏力に応じて入力板２７と車輪ディスク２９の円周方向の位相がずれるために発生するものである。したがって、この位置ずれの大きさからペダルに付与された踏力を検出することができる。したがって、このような踏力検出手段２４により、踏力および車速の両方を検出することができる。
【００２３】
図５（Ａ）は、上記モータ１９やバッテリ２０等の補助動力機構が取付けられる共通のサポートブラケット３３の正面図であり、同図（Ｂ）はそのＢ−Ｂに沿った断面図である。また、図６は、図５のサポートブラケット３３に補助動力機構を取付けて一体ユニット化した状態の正面図である。
【００２４】
サポートブラケット３３はアルミダイカスト等により形成される。このサポートブラケット３３のモータ取付け部５４にモータ１９が３ヵ所のボルト孔６１を介してボルト（図示しない）により取付けられる。５２は後述の張力自動調整機構のピボット軸であり、７４はモータの出力軸等が配設される開口である。後輪の車軸が挿通する車軸孔１５ａが形成された車軸支持部３５の下側に、バッテリ収容部５５が形成される。
【００２５】
このバッテリ収容部５５は、下縁が前述の車輪フレーム７０のプーリ２３（図４）の円弧に沿って湾曲し、その上縁側にも同様の円弧状の段差５６が形成される。このバッテリ収容部５５内に複数のセル５１（図７）からなるバッテリ２０が収納される。これらのセル５１はサポートブラケット３３のバッテリ収容部５５に対応した形状のバッテリケース２０ａに収容されてバッテリ２０を構成する。このバッテリ収容部５５の前面の固定ドーム状カバー３２（図２）は開口し、蓋３４（図２）が設けられる。この蓋はその下縁の２ヵ所に突出片（図示しない）を有し、上縁のほぼ中央部にロック機構（図示しない）を備え、キー操作によりロック片（図示しない）が蓋の上縁から進退する。
【００２６】
このような蓋の下縁の突出片をバッテリ収容部５５の下縁の２ヵ所に設けた受け口５７内に挿入してこのバッテリ収容部５５を覆った状態で、上縁のロック機構のロック片をキー操作で突出させ、これを車軸支持部３５の内側に形成した凹所５８内に挿入して蓋をロックする。なお、図の６４は固定ドーム状カバーの取付けボルト孔である。
【００２７】
サポートブラケット３３の上縁部２ヵ所のボルト孔６２に、踏力検出手段２４およびコントローラ２５が取付けられた共通のステー６３が固定される。踏力検出手段２４は、後述のようにスピードセンサを兼ねて、車速およびペダルの踏力を検出する。コントローラ２５は、踏力検出手段２４からの検出パルス信号に基づいて車速および踏力を演算処理して求めるとともに、これらに基づいて配線６５を介してモータ１９を駆動制御する。このモータ１９の制御は、例えば、所定の車速以下でのみモータ１９による補助動力を付与し、さらにこの場合、車速に応じて踏力に対する補助動力の比率を変化させる。このような駆動制御のマップを予め作成し、このマップに従って、検出した車速および踏力に基づいてモータ１９を制御する。
【００２８】
なお、踏力検出手段２４およびコントローラ２５を取付ける共通のステー６３を用いる代りに、それぞれ別のステーに取付け、サポートブラケット３３側の２ヵ所のボルト孔６２の間にさらに１ヵ所のボルト孔を形成し、中央のボルト孔を共通の取付け孔として両側の各ステーを共通のボルトで締め付けて固定してもよい。
【００２９】
このように補助動力機構を構成するモータ１９、踏力検出手段２４、コントローラ２５およびモータ１９に装着された後述の回転輪４７，４９（図７）等の動力伝達手段は、あらかじめ共通のサポートブラケット３３に取付けられ、一体ユニット化される。このように予め一体ユニット化された補助動力機構を後輪に装着する。その後、このサポートブラケット３３にバッテリ２０を収容して前述のように蓋をする。この場合、サポートブラケット３３は、その車軸支持部３５に車軸を挿通して車軸に取付け支持される。このようにして組立てられた後輪とサポートブラケットの３３の組体は、前記フック４０に車軸１５を嵌合してナットで締め上げられる。
【００３０】
さらに、サポートブラケット３３は、そのモータ取付け部５４の上部に吊下げ支持部５９を有し、この支持部５９に対し、チェーンステー１３に装着した取付け部材６０を図示しないボルト等により固定することにより、サポートブラケット３３をチェーンステー１３に吊下げ支持する。このようにサポートブラケット３３は、車軸支持部３５と吊下げ支持部５９の２ヵ所で、車軸およびチェーンステーに固定支持される。これにより、重量の大きいモータ１９およびバッテリ２０がともに車軸より下側に配置され、重心が低くなって安定するとともに、各重量物がそれぞれ車軸支持部３５および吊下げ支持部５９の直下に配置されるため、サポートブラケット全体が安定して固定保持される。また、車軸上方に比較的軽量の踏力検出手段２４およびコントローラ２５を配置し車軸周囲に放射状に補助動力機構を配置することにより、重量バランスが安定するとともに、後輪内部スペースを有効に利用して補助動力機構を配置することができる。
【００３１】
この場合、コントローラ２５は外部からの衝撃等により制御機能に影響を受けやすいため、図１および図６に示すように、このコントローラ２５を左右のシートステー１２間に挟んだ位置に設けることが望ましい。これによりコントローラ２５の保護が図られる。
【００３２】
このように、予め一体ユニット化された補助動力機構を車体に装着することにより、車体の組立作業が容易にできる。また、共通のサポートブラケット３３に予め相対位置を精度よく固定しておくことができ、組立精度が向上する。さらにこのように補助動力機構を一体ユニット化することにより、取扱い性が向上し、部品管理等が容易になるとともに、既存の自転車の車体にユニット化した補助動力機構を組み込んで容易に電動二輪車を形成することが可能になる。
【００３３】
図７は、図４の車輪フレームにサポートブラケット３３に装着した補助動力機構を組み込んだ状態の配置構成図である。
車軸１５の下側にバッテリ２０が配置され、その前方にモータ１９が配置される。モータ１９の出力軸５３には、その両側の回転輪４７，４９とともにベルト２１が巻回される。このベルト２１は前述のように、車輪フレーム７０の内側に一体形成したプーリ２３に巻き掛けられる。モータ出力軸５３の両側の回転輪４７，４９の回転軸４８，５０はアーム５１に装着される。このアーム５１はサポートブラケット３３に固定されたピボット軸５２廻りに回転可能であり、図示しないスプリングにより常に外側（矢印Ａ方向）に付勢される。このスプリング力は、モータ１９の停止時にベルト２１の巻き掛け状態を維持するとともに、モータ１９の出力軸５３が回転を開始する瞬間に滑ることがないようにするために必要な最小の張力となるように設定されている。
【００３４】
モータ出力軸５３が図の矢印方向に回転開始すると、回転輪４７側のベルト２１が引張られ、その張力により回転輪４７を内側に押圧する。これにより、アーム５１がピボット軸５２廻りに時計方向に回転する。したがって、回転輪４７と反対側のアーム５１の端部の回転輪４９が外側に移動する。これにより、回転開始時にベルト２１に適正な張力が付与されトルク伝達性が向上する。モータ１９の回転中、そのトルクに応じて回転輪４７側に巻回するベルト２１の引張り力が変化し、これに応じてこの回転輪４７に対する内側への押圧力が変化する。したがって、トルクに応じてピボット軸５２廻りのアーム５１の回転量が変化する。これにより、ベルト２１の張力および出力軸５３に対する巻き掛け角度が自動的に調整され、常にトルクに見合った適正な張力が付与される。
【００３５】
ベルト２１やその張力を自動調整する回転輪４７，４９およびアーム５１は、モータ１９が取付けられた、サポートブラケット３３の裏側（取付け面と反対側）でプーリ２３と対応した位置に設けられている。
【００３６】
バッテリ２０は、複数（この例では２２個）のセル（単電池）５１を直列に接続してなり、その一隅に端子取り出し部５２が形成され、図示しないリード線が配設される。このバッテリ２０は、車軸１５の下側でプーリ２３の内側の位置にあるサポートブラケット３３上に設けられ、そのセル５１は、プーリ２３の円に沿った円弧状に湾曲して配置される。重量の大きいバッテリ２０をこのように車軸１５の下でプーリ２３の内側の位置に円弧状に配置することにより、車体の重心が低くなって安定するとともに、スペースを有効に利用し重量バランスを良好に保って効率的にセルを配設することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明において、電動の補助動力機構を構成する個々の構成機構や装置等の全て、すなわちモータ、バッテリ、動力伝達機構、踏力検出手段およびコントローラの全てが後輪の内側に配設されるため、補助動力機構全体が構造的にまとまって完全にコンパクト化し車体構造がシンプルになり、取扱い性や組立性が良好になる。また、重量物が後輪側に配置されるため、前輪側が軽量化し、ハンドルを持って移動する場合に軽量感が得られ、操作感覚が向上する。
【００３８】
また、モータ、バッテリ、動力伝達機構の一部、踏力検出手段およびコントローラを共通のサポートブラケットに装着して一体ユニットとして構成しているから、このような補助動力機構のユニット化により取扱い性や組立性がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る電動二輪車の外観図。
【図２】  図１の電動二輪車の後輪部分の要部断面構成図。
【図３】  図２の後輪の要部詳細構成図。
【図４】  図２の後輪の車輪フレームの正面図。
【図５】  補助動力機構を取付ける共通のサポートブラケットの構成説明図。
【図６】  図５のサポートブラケットに補助動力機構を取付けた状態の正面図。
【図７】  図４の車輪フレームに補助動力機構を組込んだ状態の構成配置図。
【符号の説明】
１０：ペダルクランク軸、１１：ペダル、１２：シートステー、
１３：チェーンステー、１４：後輪、１５：車軸、
１６：駆動スプロケット、１７：チェーン、１８：被動スプロケット、
１９：モータ、２０：バッテリ、２１：ベルト、２２：タイヤ、２３：プーリ、
２４：踏力検出手段、２５：コントローラ、２６：メインスイッチ、
２７：入力板、２８：弾性材、２９：車軸ディスク、３０：スポークリブ、
３１：リム、３２：固定ドーム状カバー、３３：サポートブラケット、
３４：蓋、３５：車軸支持部、３６：カラー、３７：ベアリング、
３８：ハブ、３９：ナット、４０：フック部、４２：外歯リング、
４４：内歯リング、４２ａ，４４ａ：突出片、４５：スポークリブ、
４６：肉厚部、４７，４９：回転輪、４８，５０：軸、５１：アーム、
５２：ピボット軸、５３：出力軸、５４：モータ取付け部、
５５：バッテリ収容部、５６：段差部、５７：受け口、５８：凹所、
５９：吊下げ支持部、６０：取付け部材、６１，６２，６４：ボルト孔、
６３：ステー。７０：車輪フレーム、７１：カバー、７３：収容空間、
７４：開口
【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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