JP2000272575A

JP2000272575A - 電動アシスト自転車

Info

Publication number: JP2000272575A
Application number: JP11084241A
Authority: JP
Inventors: Akihito Yoshiie; 彰人吉家; Kyosuke Kokatsu; 京介小勝
Original assignee: Sunstar Engineering Inc; Uni Sunstar BV
Current assignee: Sunstar Engineering Inc; Uni Sunstar BV
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2000-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】電動アシスト自転車のトルク検出機構を簡素
化、小型化する。【解決手段】スプロケット２は、ドライブシャフト４
に取り付けられた軸部２ｂと、該軸部の外周に同心には
め込まれた歯部２ａと、軸部と歯部とを周方向に付勢す
るばね４４と、から構成される。軸部及び歯部には、そ
れぞれ、８個の磁石４０、４２が周方向に等間隔で埋め
込まれている。磁石４０の磁場を検出可能な位置に固定
された磁気センサ６０及び磁石４２の磁場を検出可能な
位置に固定された磁気センサ６２を設け、これらのセン
サを電動アシスト制御を行うコントローラ１４に接続す
る。コントローラ１４は、磁石４０及び磁石４２の検出
時間に基づいて軸部と歯部との回転位相差を演算し、踏
み込みトルクを求める。このようにスプロケット２それ
自体の回転変形を簡単な機構で検出することによりトル
ク検出機構を簡素化、小型化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、搭乗者のペダル踏
力によるトルクを検出し、該トルクが所定条件を満たし
たとき補助動力を用いた踏力のアシストを行う電動アシ
スト自転車に係り、より詳しくは、スプロケットの軸部
と歯部との回転位相差に基づいてトルクを検出する電動
アシスト自転車に関する。

【０００２】

【従来技術】従来より、人力で駆動する自転車に電気駆
動系を並列に付加し、人力による踏力の変化に基づいて
電気駆動系の出力を制御し、これによって人力によるペ
ダル踏力を補助するための電動アシスト自転車が実施さ
れている。

【０００３】また、従来の電動アシスト自転車では、ペ
ダル踏力に応じて回転機構に作用する踏み込みトルクを
検出するトルク検出機構を備え、検出されたトルクが所
定の条件に達したときに補助動力を付加している。この
ようなトルク検出機構の中には、ドライブ軸に連係した
回転体と、スプロケットの歯部に連係した回転体の回転
位相差を踏み込みトルクとして検出する次の方法があ
る。（１）クランク軸に連結され、該軸と共に回転する入
力プレートと、該入力プレートとその回転方向に付勢す
るスプリングを介して連結された出力プレートと、該出
力プレートに外軸を介して固定連結されたスプロケット
と、を有し、ロータリーエンコーダ等を用いて前記スプ
リングの圧縮変形量即ち入力プレートと出力プレートと
の相対回転量をペダルへの踏み込みトルクとして検出す
る（特開平８−１６９３８５号）。（２）ペダルが取り付けられるクランクの回転中心部
に取り付けられ、且つ、多数の第１のスリットが円形状
に形成された第１のスリット板と、該第１のスリットと
同じ形状、同一ピッチに形成された同一数の第２のスリ
ットを有し、且つ、該第２のスリットが前記第１のスリ
ットと所定の位相差で対向するように前記第１のスリッ
ト板と略平行にチェーンスプロケットに固定された第２
のスリット板と、前記クランクの回転中心部と前記チェ
ーンスプロケットとの間に配設された弾性部材と、第１
のスリットと第２のスリットとを光が通過する時間を検
出することによりクランク回転中心部とチェーンスプロ
ケットとの間の位相差を求め、該位相差をペダル踏み込
みにより生じたトルクとして演算する検出手段と、を有
する（特開平６−２１１１７９号）。（３）スプロケットがドライブ軸に嵌められた第１の
回転体と、該第１の回転体の外側に同心に回転可能に嵌
められた第２の回転体とから構成され、第１の回転体と
第２の回転体の間には、弾性体として板ばねが嵌めら
れ、両回転体を一体回転可能に付勢している。そして、
第１の回転体及び第２の回転体の両方に平歯を外周に設
け、これらと共に回転する第１及び第２回転従動輪を各
々嵌合させ、更にこれらの回転従動輪間に嵌合し、且つ
従動輪に測定アームを介して揺動体を嵌合させ、２つの
測定アームがなす角度をポテンショメータで測定するこ
とによって、踏み込みトルクとして検出する（特開平９
−２５７６０５号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平８−１６９３８５号及び特開平６−２１１１７９号
のトルク検出機構では、ペダルから後輪スプロケットま
で踏力が伝達される経路にある動力伝達機構内に、ペダ
ル踏力に応じて変形する弾性部材を、スプロケット等な
どの構成要件とは別体に新たに追加している。かかる弾
性部材は、これに直接加えられるペダル踏力に抗するべ
く高い剛性及び大きな弾性率をもたされている。このた
め、弾性部材の新規追加に起因して動力伝達機構が占め
るスペース及び重量が増加するのみならず、該弾性部材
を踏力に応じて変形させるための他の伝達機構が更に必
要となって、トルク検出機構がよりいっそう複雑化・大
型化するという問題が生じる。

【０００５】また、上記特開平９−２５７６０５号で
は、スプロケットそれ自体を２つの回転体から構成する
が、これらの回転体間の位相差を検出するため、他のギ
ヤ機構が必要となり、同様にトルク検出機構が複雑化、
大型化している。また、第１及び第２の回転体が重ねて
配置されるため、スプロケットの厚さが増加するという
欠点がある。

【０００６】本発明は、上記事実に鑑みなされたもの
で、トルク検出機構の機構が占めるスペース及び重量を
大幅に軽減し、簡素化することによって軽快な運転を実
現した電動アシスト自転車を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１の発明は、ペダル踏力を補助する電動モー
タを備えた電動アシスト自転車において、ドライブ軸に
取り付けられた軸部、該軸部の外周に回転可能に嵌めら
れ且つチェーンと嵌合するための歯を備えた歯部、及
び、前記軸部と前記歯部とを連結する弾性部、を有する
スプロケットと、前記軸部の所定位置に配置された軸部
位相表示部材と、前記歯部の所定位置に配置された歯部
位相表示部材と、前記軸部位相表示部材が第１の所定位
置を通過したことを検出する軸部位相検出手段と、前記
歯部位相表示部材が第２の所定位置を通過したことを検
出する歯部位相検出手段と、前記軸部位相表示部材及び
前記歯部位相表示部材が検出された時間に基づいて、前
記軸部と前記歯部との間に生じた回転位相差を演算し、
該回転位相差から前記ペダル踏力に基づく踏み込みトル
クを検出するトルク検出手段と、検出された前記踏み込
みトルクに基づいて前記ペダル踏力を補助するように前
記電動モータを制御する制御手段と、を有することを特
長とする。

【０００８】ペダル踏力がドライブ軸に作用すると、軸
部に踏み込みトルクが作用するので、歯部が軸部と共に
回転しようとする。このとき、歯部は反対方向からもチ
ェーンからの引張力を受けるので、軸部と歯部とを連結
する弾性体の弾力と釣り合うところまで軸部に対して相
対的に前記反対方向に回転する。かくして、軸部と歯部
との間には、踏み込みトルクに応じた回転位相差が生じ
る。

【０００９】軸部位相検出手段及び歯部検出位相手段
は、軸部に設けられた軸部位相表示部材及び歯部に設け
られた歯部位相表示部材を順次検出するので、これらの
検出時間に基づいて軸部と歯部との間の回転位相差を直
ちに求め、該回転位相差から踏み込みトルクを検出す
る。そして、制御手段が検出された踏み込みトルクに基
づいてペダル踏力を補助するように電動モータを制御す
る。

【００１０】請求項１の前記トルク検出手段は、例えば
請求項２の発明のように、前記軸部位相表示部材の検出
周期及び前記歯部位相表示部材の検出周期の少なくとも
いずれかと、前記軸部位相表示部材及び前記歯部位相表
示部材の検出時間差とに基づいて前記回転位相差を演算
する。

【００１１】また、前記軸部位相表示部材及び前記歯部
位相表示部材は、請求項３の発明のように、それぞれ複
数で同数に設けられ、各々が実質的に同ピッチに配列さ
れているのが好ましい。これにより、軸部位相表示部材
及び歯部位相表示部材の検出時系列データからの回転位
相差の演算が容易となり、複数設けることで、演算精度
を向上することができる。

【００１２】前記軸部位相表示部材及び前記歯部位相表
示部材は、例えば、請求項４の発明のように、磁石から
構成され、前記軸部位相検出手段及び前記歯部位相検出
手段は磁気センサとすることができる。

【００１３】他の例では、前記軸部位相表示部材及び前
記歯部位相表示部材は、請求項５の発明のように、それ
ぞれ前記軸部及び前記歯部の表面から所定高さまで突出
した突起体であり、前記軸部位相検出手段及び前記歯部
位相検出手段はそれぞれ前記第１及び第２の所定位置を
通過したときの前記軸部及び前記歯部までの距離を各々
検出する位置センサとすることができる。

【００１４】前記弾性部は、例えば、請求項６の発明の
ように、前記軸部から外側に延在する橋部と、前記歯部
から内側に延在する橋部との間を連結する、周方向に伸
縮するばねであってもよい。

【００１５】他の例では、請求項７の発明のように、前
記弾性部は、スプロケット片面側から前記軸部及び前記
歯部を連結する、主要な応力方向に弾性を有する部材で
あってもよい。

【００１６】ここで、請求項８の発明のように、前記軸
部及び前記歯部には、前記軸部に対する前記歯部の回転
可能な角度範囲を画定する係止部が各々設けられている
のが好ましい。これによって弾性部の弾性限界以上に回
転位相差が生じるのを防止でき、弾性部の劣化を回避す
ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態に係る
電動アシスト自転車について図面を参照して説明する。（第１実施形態）図１には、本発明の第１実施形態に係
る電動アシスト自転車１の概略が示されている。同図に
示すように、この電動アシスト自転車１の主要な骨格部
分は、金属管製の車体フレーム３から構成されており、
該車体フレーム３には、前輪２０、該前輪を操舵するた
めのハンドル１６、後輪２２及びサドル１８などが周知
の態様で取り付けられている。

【００１８】また、車体フレーム３の中央下部には、ス
プロケット２が回転自在に軸支されており、該スプロケ
ット２はこれと同軸５を有するドライブシャフト４を介
して左右両側にスプロケット２と一体に回転するクラン
ク棒６Ｌ、６Ｒが各々取り付けられ、これらのクランク
棒の先端にはペダル８Ｌ、８Ｒが各々設けられている。
更に、後輪２２の中央部には、伝達された踏力を該後輪
に与えるための後輪動力機構１０が設けられており、該
後輪動力機構の内部に設けられた図示しないフリーホイ
ールとスプロケット２との間には無端回動のチェーン１
２が張設されている。

【００１９】周知のように、ペダル８に与えられた前進
方向の踏力は、クランク棒６を介して図のＲ方向の踏み
込みトルクとしてスプロケット２に作用し、該踏み込み
トルクはチェーン１２を介して後輪動力機構１０に伝達
され、その結果、後輪２２を回転させて自転車１を前方
に走らせる。

【００２０】図２（ａ）、（ｂ）に、スプロケット２付
近の詳細な正面図及びドライブ中心軸５を含む平面で切
った断面図を示す。同正面図に示すように、スプロケッ
ト２に張設されたチェーン１２は、２枚のまゆ型のリン
クプレートに２本のピンを圧入したピンリンクと、２個
のブシュを２枚のリングプレートに圧入し、そのブッシ
ュの外周囲にローラを回転自在にはめ込んだローラリン
クとを交互に組み合わせてなるものである。チェーン１
２のピンリンク及びローラリンクを構成する各ローラ
は、スプロケット２の各歯に嵌合するように、ピッチ及
び直径が定められている。

【００２１】また、スプロケット２には、スプロケット
駆動ギヤ１１が嵌合されており、このスプロケット駆動
ギヤ１１は、所定条件が成立したときに補助動力を与え
る駆動手段１３に連結されている。

【００２２】このスプロケット２は、少なくとも図４
（ａ）、（ｂ）に各々示す歯部２ａ及び軸部２ｂに分解
可能である。なお、図４（ａ）、（ｂ）では、歯部及び
軸部の正面図及び側面図を示している。

【００２３】このうち歯部２ａは、図４（ａ）の正面図
に示すように、チェーン１２と嵌合するため複数の歯２
４及び隣接する歯の間に凹部２５が外周に形成され、軸
部２ｂを受け入れるための孔部４６が中心領域に穿孔さ
れている。また、この孔部４６の領域に突出するよう
に、周方向に沿って等間隔に４個ずつ第１の係止部４８
ａ及び第２の係止部４８ｂが各々成形されている。この
うち第２の係止部４８ｂの側部からは更に第１の保持部
５２ａが延設されている。また、この歯部２ａには、中
心から等距離のところに周方向に沿って等間隔に８個の
円筒状の磁石４２が埋め込まれている。これらの磁石４
２は、Ｎ極及びＳ極を結ぶ直線が歯部２ａの平表面に対
して略垂直（即ち、ドライブ中心軸５に略平行）となる
ように配置されるのが好ましい。

【００２４】また、軸部２ｂは、図４（ｂ）の正面図に
示すように、外側に向かって突出するように、周方向に
沿って等間隔に４個ずつ第３の係止部４８ｃ及び第４の
係止部４８ｄが各々成形されている。このうち第４の係
止部４８ｄの側部からは更に第２の保持部５２ｂが延設
されている。また、側面図に示すように、軸部２ｂの中
心部には、ドライブシャフト４を受け入れるため円筒部
５４が成形され、更にこの円筒部５４には孔部５６が穿
孔されている。また、円筒部５４の外側周囲には、中心
から等距離のところに周方向に沿って等間隔に８個の円
筒状の磁石４０が埋め込まれている。これらの磁石４０
は、Ｎ極及びＳ極を結ぶ直線が軸部２ｂの平表面に対し
て略垂直（即ち、ドライブ中心軸５に略平行）となるよ
うに配置されるのが好ましい。

【００２５】図３（ａ）に、歯部２ａ及び軸部２ｂを組
み立てた状態のスプロケット２の正面図を示す。同図に
示すように、軸部２ｂの第３の係止部４８ｃは、歯部２
ａにおける第１の係止部４８ａ及び第２の係止部４８ｂ
の間に形成された凹領域５１内にスペースを残した状態
で受け入れられる。なお、本図は、ドライブシャフト４
からの踏み込みトルクが作用していない状態を表してお
り、この場合には、図示のように第３の係止部４８が第
２の係止部４８ｂに係合した状態となると共に軸部２ｂ
の８個の磁石４０は、歯部２ａの８個の磁石４２と位相
（例えば線Ｓ−Ｓ’に対する角度を選択することができ
る）が各々揃った状態に配列する。

【００２６】また、歯部２ａの第２の係止部４８ｂ、及
び、軸部２ｂの第４の係止部４８ｄの間には、ばね４４
が保持部５２ａ及び保持部５２ｂを介して取り付けられ
ている。スプロケット２全体では、計４箇所にばね４４
が取り付けられている。これらのばね４４は、ドライブ
シャフト４から踏み込みトルクが作用しないとき、図示
のように第３の係止部４８が第２の係止部４８ｂに係合
した状態となるように、歯部２ａ及び軸部２ｂに弾性力
を作用している。

【００２７】図２（ｂ）には、歯部２ａの磁石４２及び
軸部２ｂの磁石４０が及ぼす磁場を各々検出するための
手段が示されている。取り付けステージ５８は、その取
り付け面がスプロケット２の表面と略平行となるように
車体フレームに対し固定するように支持されている。こ
の取り付けステージ５８には、ドライブ中心軸５からの
距離が磁石４０の距離と略等しい位置に１個の第１磁気
センサ６０が配置され、ドライブ中心軸５からの距離が
磁石４２の距離と略等しい位置に１個の第２磁気センサ
６２が配置されている。第１及び第２の磁気センサ６
０、６２は、ドライブ中心軸５と略平行な成分の磁場を
主として検出するように配置され、一例としてホール素
子などが用いられる。このような配置によって、スプロ
ケット２の回転と共に磁石４０及び磁石４２がそれぞれ
第１及び第２の磁気センサ６０、６２の感度領域内を、
順次、通過していく。第１及び第２の磁気センサ６０、
６２によって出力された検出信号は、後述するコントロ
ーラに伝達される。

【００２８】次に、本実施形態の電動アシスト駆動に関
連する手段を説明する。まず最初に、スプロケット駆動
ギヤ１１の上面図及び側面図を図５に示す。同図に示す
ように、スプロケット駆動ギヤ１１は、平行に対置され
た２枚のローラプレート１７ａ、１７ｂと、これらのプ
レート間を連結するようにプレートの周囲領域に沿って
チェーン１２のローラと同一ピッチ毎に該プレートに対
し略垂直に圧入された複数（図の例では６個）の円筒形
のブシュ（ローラ軸）１５と、これらのブシュの外周囲
を覆って回転自在に各々はめ込まれた複数（図の例では
６個）の円筒形のローラ２１と、を備えている。ローラ
プレート１７ａ、１７ｂは、その中央部に、駆動手段１
３に取り付けるための取り付け孔１９が形成され、隣接
するローラ２１の間の外周部には、内側に凹んだ凹部３
３が形成されている。

【００２９】図３（ａ）には、スプロケット２にスプロ
ケット駆動ギヤ１１が嵌合した状態が示されている。こ
の状態では、スプロケット駆動ギヤ１１の隣接する２つ
のローラ２１がスプロケット２の凹部２５に係合し、こ
れらローラ間の間隙には、スプロケット２の一つの歯２
４が各々進入する。ここで、Ｓ−Ｓ’線に沿って取られ
た断面図を図３（ｂ）に示す。同図に明らかなように、
嵌合した状態では、スプロケット駆動ギヤ１１のプレー
ト１７ａ，１７ｂの間にスプロケット２の歯２４が挟持
される。なお、スプロケット駆動ギヤ１１の上述した凹
部３３は、チェーン１２の歯がローラ２１の間に嵌合し
やすいように成形されるのがよく、例えばチェーン１２
のまゆ型のリンクプレートの中央のくびれ部分と略同一
形状に成形されるのが好ましい。

【００３０】図３（ａ）、（ｂ）のように嵌合した状態
で、スプロケット駆動ギヤ１１が、その駆動中心軸９の
回りに図のＫ方向に回転すると、各々のローラ２１がス
プロケット２のそれぞれの凹部２５に、順次、係合して
いき、これと共に、スプロケット２がドライブ４の中心
軸５の回りのＲ方向の駆動トルクを与えられる。このよ
うに本実施形態では、電動モータ３７からの電動トルク
がスプロケット駆動ギヤ１１を介して剛性の高い歯２４
が形成されたスプロケット２の領域に伝達されるため、
スプロケット２を撓ませることなく、且つ回転中心がず
れることなく踏力を補助することができる。

【００３１】上記スプロケット駆動ギヤ１１は、図３
（ｂ）に示すように、駆動手段１３の減速機構３５にギ
ヤ軸３５ａを介して軸支され、該減速機構３５は、図示
しないバッテリーで回転駆動し、その電動トルクを回転
軸３７ａを介して伝達する電動モータ３７に連結されて
いる。この減速機構３５は、例えば、複数のギヤ等を組
み合わせて構成されており、これらのギヤにより構成さ
れた電動トルクの伝達経路の途中には、一方向にだけ動
力を伝達する、いわゆるワンウェイクラッチ（図示せ
ず）が設けられている。このワンウェイクラッチは、電
動モータ３７からの電動トルクをスプロケット駆動ギヤ
１１に伝達するが、その逆方向、即ちスプロケット駆動
ギヤから減速機構３５へはトルクを伝達しないように構
成・接続される。これによって、非駆動時の電動モータ
３７の負荷がスプロケット２には伝達せず、常に軽快な
運転が可能となる。

【００３２】電動モータ３７は、コントローラ１４に接
続されている。このコントローラ１４は、図２（ｂ）に
示す第１及び第２の磁気センサ６０、６２からの検出信
号より、軸部２ｂと歯部２ａとの回転位相差を演算し、
該回転位相差より踏み込みトルクを演算し、該踏み込み
トルクに基づいて電動アシスト補助が必要であるか否か
を判定し、この判定結果から電動モータ３７の回転を制
御するためのモータ制御信号を出力する。このコントロ
ーラ１４は、いわゆるマイクロコンピュータなどで実現
することができる。

【００３３】次に、本発明の第１実施形態の作用を各図
面を参照して説明する。搭乗者がペダル８Ｒ、８Ｌから
ドライブシャフト４を介してスプロケット２の軸部２ｂ
に踏み込みトルクを与えたとき、スプロケット２におい
て軸部２ｂがＲ方向に回転するのに対し、歯部２ａは、
Ｒ方向とは反対方向にチェーンからの引張力を受ける。
よって軸部２ｂ及び歯部２ａを連結する４個のばね４４
は、更に縮められ付勢される。このとき、第３の係止部
４８ｃは、第２の係止部４８ｂから離れて凹領域５１内
を移動する。この凹領域５１内での第２の係止部４８ｂ
の移動量は、４個のばね４４の付勢力と釣り合う踏み込
みトルクの大きさに応じて定まり、ある限度以上の踏み
込みトルクが作用したときには、第１の係止部４８ａに
係合して移動を限定する。これによって、ばね４４の弾
性限界以上の踏み込みトルクによる弾性疲労を防止す
る。

【００３４】かくして、歯部２ａと軸部２ｂとの間に
は、踏み込みトルクの大きさに応じて定まる回転位相差
が生じ、該回転位相差は、磁石４０と磁石４２との間の
位相差として現れる。

【００３５】第１及び第２の磁気センサ６０、６２は、
車体フレーム３に対して固定された取り付けステージ５
８の所定位置から、各々の感度領域内を次々と通過する
磁石４０及び磁石４２の磁場Ｂを、常時、計測してお
り、これらの計測結果を検出信号としてコントローラ１
４に出力している。この検出信号の波形（横軸が時間、
縦軸が磁場Ｂの計測値）の例を図６に示す。

【００３６】図６に示すように、周期的にピークをなし
て変動する磁場が検出されているのがわかる。図の波形
例では、磁気センサ６２の検出信号では、時間ｔ_a1、ｔ
_a2、ｔ_a3に検出磁場のピークがみられ、磁気センサ６０
の検出信号では、時間ｔ_b1、ｔ_b2、ｔ_b3に検出磁場のピ
ークがみられる。これらのピークを挟んである一定時間
幅の領域外では磁場がほとんど検出されていないことが
わかる。即ち、これらのピーク時点は、磁石４０、４２
の極が磁気センサ６０、６２の感度領域を丁度通過した
ときである。

【００３７】踏み込みトルクが作用していない場合、歯
部２ａと軸部２ｂとの回転位相差が零であるので、両者
の磁場ピーク時点は各々一致する。しかし、踏み込みト
ルクが作用すると、上述したように軸部２ｂに対して歯
部２ａの位相が遅れるため、図６に示すように、歯部２
ａの磁場ピーク時点が軸部２ｂの磁場ピーク時点よりも
遅れて検出される。この両者の磁場ピーク時点の時間差
Δｔが両者の回転位相差を反映している。回転位相（角
度）差Δθは、スプロケット２の回転周期をΔＴとする
と、次式によって表される。

【００３８】 Δθ＝Δｔ／ΔＴ（１）ここで、磁場ピーク時点の時間差Δｔは、軸部２ａのあ
る磁場ピーク時点をｔ _b2、その直後に遅れて検出された
歯部２ａの磁場ピーク時点をｔ_a2とすると、 Δｔ＝ｔ_a2−ｔ_b2 （２）となる。スプロケット２の回転周期は、Δｔを演算した
ときの歯部２ａの回転周期で表されると考えると、隣接
する磁場ピーク時点を用いて、 ΔＴ＝（ｔ_a2−ｔ_a1）・２π／ΔＡ（３）と表される。ここで、ΔＡは隣接する２つの磁石４２が
なす角度であり、本実施形態では、π／４（４５度）で
ある。一方、スプロケット２の回転周期が、軸部２ｂの
回転周期で表されると考えると、 ΔＴ＝（ｔ_b2−ｔ_b1）・２π／ΔＡ（４）と表される。

【００３９】いずれにしても、（１）式の回転位相差Δ
θは、歯部２ａ及び軸部２ｂにおける磁場ピーク検出時
間の時系列データによって任意好適に表すことができ、
本発明は、このような方法すべてを含むことができる。

【００４０】踏み込みトルクと釣り合うばね４４の付勢
力は、この回転位相差Δθに略比例するので、コントロ
ーラ１４は、磁場ピーク検出時系列データから（１）式
より順次求めた回転位相差Δθの時系列データよりリア
ルタイムに踏み込みトルクＴを演算することができる。

【００４１】更に、コントローラ１４は、演算された踏
み込みトルクＴに基づいて印加すべきアシスト用の電動
トルクＴｅを演算し、該電動トルクで回転駆動するよう
に電動モータ３７を指令する制御信号を演算出力する。

【００４２】例えば、最も簡単な電動アシスト制御の場
合、演算された踏み込みトルクＴが所定値以上となった
とき、電動モータ３７をオンにして踏み込みトルクに対
し所定の比率を保つような電動トルクを指令するモータ
制御信号を出力し、それ以外では電動モータをオフにす
るモータ制御信号を出力する。この場合、回転位相差Δ
θを直接用いて、この値が一定値以上となったときのみ
に電動モータ３７をオンにするようにしてもよい。

【００４３】電動モータ３７がオンとなって回転する
と、この回転は、減速機構３５及びスプロケット駆動ギ
ヤ１１を介して、スプロケット２の剛性の高い歯部の近
傍に伝達され、スプロケット２にアシスト用電動トルク
を加える。このように踏み込みトルクが一定以上とみな
されるような条件下で、アシスト用電動トルクが加わる
ので、ペダル運転を楽に行うことができる。

【００４４】以上のように本実施形態では、剛性が高く
体積及び重量が大きい弾性部材や伝達機構などを、既存
の電動アシスト自転車に別途、追加することなく、スプ
ロケットそれ自体の回転位相差に基づいてトルクを演算
するようにしたので、トルク検出機構のスペース及び重
量を削減すると共にその機構を大幅に簡素化し、従来の
ように急な坂道などでも楽なペダル踏み込み運転が行え
るという効果を享受しつつ、きわめて軽快に運転するこ
とができる。

【００４５】更に、図２（ｂ）に示すように、スプロケ
ット２の片面側のみに、ホール素子などの磁気センサを
配置するだけで回転位相差を検出することが可能となっ
たので、従来のように、２つの回転体の両方に機械的手
段を連結したり、スロットを通過する光量を測定するた
め、回転体の両面側にそれぞれ発光素子及び受光素子検
出手段を配置するトルク検出機構と比べて、更なる機構
の簡素化及び省スペース化が図れる。

【００４６】また、本実施形態では、電動モータ３７か
らの電動トルクがスプロケット駆動ギヤ１１を介して、
直径が大きいスプロケット２の外周部分に伝達されるた
め、ドライブシャフト４から電動トルクを付加するとい
う構造と比べて減速比を大きく取れるという利点があ
る。これによって、合力機構の小型軽量化並びに簡素化
を図ることができる。更に、スプロケット駆動ギヤ１１
と駆動手段１３とを設けるだけで電動アシスト手段を構
成できるため、従来の車体のフレーム構造を変更する必
要はなくなり、自転車構造の更なる小型軽量化、簡素
化、及びコスト削減を図ることができる。

【００４７】更に、電動トルクをスプロケット外周部に
直接伝達するため、本実施形態のトルク検出装置により
測定されるトルクは、踏み込みトルクのみを反映したも
のとなり、電動トルクと踏み込みトルクとを明確に分離
して該踏み込みトルクを正確に演算することができる。

【００４８】（第２実施形態）次に、第２実施形態を説
明する。第１実施形態との主要な相違はスプロケットで
あるので、スプロケットの構成のみについて詳細に説明
し、第１の実施形態と同様の構成要件については同一の
符号を附して詳細な説明を省略する。

【００４９】図７には、第２実施形態に係るトルク検出
装置で用いられるスプロケットの各構成部品（上面図及
び概念的な側面図）が示されている。同図に示すよう
に、スプロケットは、スプロケット歯部７０ａと、弾性
部７０ｂと、円盤部７０ｃと、の３つの構成部品からな
る。

【００５０】このうちスプロケット歯部７０ａは、その
最外周に亘って歯７１と凹部７２とが交互に複数形成さ
れた外周部と、中央部で開口する穿孔７６と、外周部か
ら穿孔７６に向かって径方向に突出し、周方向に等角度
毎に各々形成された３つの係止部７４と、を備えてい
る。このスプロケット歯部７０ａは、チェーン１２との
嵌合を確実にするため剛性を有するように金属材料から
一体成形される。また、このスプロケット歯部７０ａに
は、穿孔７６の回りに中心から等距離のところに周方向
に沿って等間隔に複数の突起部１００が形成されてい
る。これらの突起部１００は、側面図に示すように、そ
の周囲のスプロケット表面よりも軸方向に高く隆起して
いる。

【００５１】また、弾性部７０ｂは、応力変形量を大き
くするため弾性体から一体成形されており、環状の外周
部７８と、これと同一中心でドライブシャフト４を貫通
させる中央孔７４を備えた中央内円部８２と、外周部７
８と中央内円部８２とを径方向に対し所定角度毎に連結
する細長い複数（図では６個）の連結部８１と、を有
し、各連結部８１の中央部には隆起部８０がそれぞれ形
成され、隣接する連結部８１の間には孔部８５がそれぞ
れ形成されている。なお、弾性部７０ｂは、弾性率の大
きい材料又はスプロケット歯部７０ａよりも厚さが小さ
い同一金属材料から作ることができる。

【００５２】連結部８１は、径方向に対し傾けられた状
態で外周部７８と中央内円部８２とを橋渡ししている。
これによって、チェーン１２の引張力と踏み込みトルク
との拮抗により生じる応力Ｇが連結部８１の長さ方向に
沿って効率的に作用する。

【００５３】また、円盤部７０ｃは、剛性を有するよう
に金属材料から一体成形されており、外周円盤部８６
と、ドライブシャフト４を受け入れる中央孔９４を備え
た円筒状の円筒部９０と、を有し、外周円盤部８６の外
周には、径方向に凹んだ切り欠き部８８が等角度毎に複
数（図では３個）形成され、円筒部９０の中心孔９４の
内壁には、ドライブシャフト４と嵌合して固定するため
の内歯９２が形成されている。この円盤部７０ｃにおい
ても、円筒部９０の回りに中心から等距離のところに周
方向に沿って等間隔に複数の突起部１０２が形成されて
いる。これらの突起部１０２は、スプロケット歯部７０
ａの突起部１００と同数、配列され、側面図に示すよう
に、その周囲の円盤部表面よりも軸方向に高く隆起して
いる。なお、隆起部１００及び隆起部１０２の軸方向高
さは、同一であるのが好ましい。

【００５４】スプロケット歯部７０ａの穿孔７６に円盤
部７０ｃをはめ込むことができるように、円盤部７０ｃ
の外径は、スプロケット歯部７０Ａの穿孔７６の内径に
ほぼ等しく、また、切り欠き部８８は、係止部７４と比
べて、その径方向の長さがほぼ等しく、その周方向の長
さがより長く形成される。このため、円盤部７０ｃが、
スプロケット歯部７０ａにはめ込まれた状態では、係止
部７４が切り欠き部８８の一方の内壁から他方の内壁ま
で係合する範囲内で円盤部７０ｃを回転することができ
る。

【００５５】図８（ａ）に、図７の構成部品を組み合わ
せて完成させたスプロケット７７を示す。同図に示すよ
うに、各係止部７４がスプロケット７７の回転方向Ｒ’
に対して先方側にある各切り欠き部８８の一方の内壁に
それぞれ当接した状態で円盤部７０ｃがスプロケット歯
部７０ａにはめ込まれている。そして、更に、弾性部７
０ｂの中央孔８４に円盤部７０ｃの円筒部９０が挿入さ
れた状態で、弾性部７０ｂがスプロケット歯部７０ａ及
び円盤部７０ｃを互いに連結している。これらの構成部
品は、当業者に周知なように、溶接又はリベット締め等
で連結することができる。

【００５６】第２の実施形態では、回転位相を表示する
部材として、上述のように、磁石を用いず、その代わり
に突起部１００、１０２を用いている。これに対応し
て、図２（ｂ）に示す磁気センサ６０、６２の位置に
は、その取り付け位置からスプロケット面までの距離を
検出する位置センサ１１０、１１２を各々配置する。

【００５７】なお、位置センサ１１０，１１２は、例え
ば、突起部１００，１０２をフェライト等の磁性材料か
ら構成した場合、スプロケットの軸方向に整列されたコ
イルと、該コイルのインダクタンスの変化を電気信号に
変換して検出することが可能な検出回路と、によって実
現できる。この構成の場合、突起部１００、１０２とコ
イルとの距離によりコイルのインダクタンスが変化する
ので、コイルのインダクタンスの変化を検出回路により
検出することによってスプロケット２までの軸方向距離
を演算することができる。勿論、軸方向距離を検出でき
る限り、これ以外の型式の任意の検出センサーを用いて
もよい。

【００５８】次に、第２の実施形態の作用を説明する。
前方走行のための踏み込みトルクが円盤部７０ｃに伝達
されたスプロケット７７は、全体として図８（ａ）に示
すように、Ｒ’方向に回転しようとする。このとき、弾
性部７０ｂを介して円盤部７０ｃに連結されたスプロケ
ット歯部７０ａには踏み込みトルクに抗するチェーン１
２からの引張力が作用するので、スプロケット歯部７０
ａは円盤部７０ｃに対し相対的にＲ’方向とは反対方向
に回転しようとし、これと共にその係止部７４は切り欠
き部８８の内壁から離れて切り欠き部８８の内部を反対
方向に移動する。

【００５９】従って、上記のように互いに拮抗するスプ
ロケット歯部７０ａ及び円盤部７０ｃを連結している弾
性部７０ｂには、連結部８１に応力Ｇが作用するので、
各隆起部８０は、応力Ｇの方向にその大きさに応じて伸
縮し、弾性部７０ｂの弾力と応力Ｇとが釣り合ったとこ
ろでその伸縮が停止する（図８（ｂ）参照）。このよう
に踏み込みトルクの大きさに応じてスプロケット歯部７
０ａ及び円盤部７０ｃとの間には回転位相差が生じる。

【００６０】突起部１００、１０２を検出する位置セン
サ１１０、１１２の検出信号では、突起部１００、１０
２の頂部が位置センサの感度領域を通過した時点で検出
距離が最小値となる曲線が得られる。踏み込みトルクが
作用したときには、スプロケット歯部７０ａで検出され
た距離最小時点は、円盤部７０ｃで検出された距離最小
時点よりも回転位相差に応じて遅れる。そこで、第１実
施形態で説明したように、（１）〜（４）式等に基づい
て踏み込みトルクを演算する。

【００６１】以上のように第２の実施形態では、３つの
構成部品を組み合わせたスプロケット７７を一体成形の
スプロケットとほぼ同じ体積及び重量にし、このスプロ
ケット７７それ自体の弾性変形量により踏み込みトルク
を演算することを可能としたので、第１の実施形態と同
様、従来技術と比べて省スペース、軽量及び簡素な機構
という優れた効果を奏することができる。

【００６２】また、ドライブシャフト４に固定された円
盤部７０ｃと、チェーン１２に嵌合するスプロケット歯
部７０ａとが弾性部７０ｂを介して連結されているの
で、チェーン１２に大きな力が急激に加わった場合で
も、弾性部７０ａがショックアブソーバー的な役割を果
たす。これによって、歯部７０ａのみならずドライブシ
ャフト４の回りに配置された例えば図示しないラチェッ
トギヤなどを保護し、これらのギヤの寿命を延ばすこと
ができる。

【００６３】また、第２の実施形態では、スプロケット
歯部７０ａの外周のみが成形された金属材料から円盤部
７０ｃを切断によって切り抜くことができるので、成形
工程において、コスト及び労力の削減を図れる。

【００６４】以上が本発明のトルク検出装置の各実施形
態であるが、本発明は上記例にのみ限定されるものでは
なく、本発明の要旨の範囲内において任意好適に変更可
能である。

【００６５】例えば、第２実施形態の弾性部７０ｂを図
９に示す弾性部１０４で置き換えてもよい。同図に示す
弾性部１０４は、隆起部８０の代わりにねじれ部１０６
を成形したものである。このねじれ部１０６では、外周
部１０３と中央内円部橋部１０５とを連結する金属部分
を半周ねじって成形し、弾力をもたせている。

【００６６】また、磁石４０、４２及び突起部１００、
１０２は、踏み込みトルクが作用していないときは、そ
れぞれ同位相となるよう配列したが、所定の位相ずれる
ように配置してもよい。この場合、この初期位相差を考
慮して回転位相差を演算するのはいうまでもない。

【００６７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１乃
至請求項８の発明によれば、スプロケットそれ自体を検
出対象とし、軸部に設けられた軸部位相表示部材及び歯
部に設けられた歯部位相表示部材を直接的に検出するこ
とにより回転位相差を求めることができるので、別途設
けたギヤ類、回転体、或いはスリット付き円板などが不
必要となり、トルク検出機構を大幅に簡素化し、軽量化
することができる。更に、軸部と歯部とを連結する弾性
部は、スプロケットと一体に設けられており、しかも、
軸部の外周に歯部がはめられているため、スプロケット
の厚さを抑えることができ、トルク検出機構の省スペー
ス化及び軽量化を実現することができる。以上より、自
転車のフレーム構造をほとんど変更する必要がなくなる
ため、軽量化、簡素化を図った軽快な運転の電動アシス
ト自転車を実現することができる、という優れた効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電動アシスト自転車の概略図であ
る。

【図２】本発明に係る電動アシスト自転車のトルク検出
機構を示す図であって、（ａ）は検出対象となるスプロ
ケットを電動アシスト自転車に配置した状態の正面図、
（ｂ）は磁気センサ（位置センサ）の配置を示す側断面
図である。

【図３】組み立て後のスプロケットとスプロケット駆動
ギヤとの嵌合状態を示す図であって、（ａ）は該嵌合状
態の正面図、（ｂ）は、電動アシスト用の駆動手段と共
に示した該嵌合状態の側断面図である。

【図４】本発明の第１実施形態に係るスプロケットの分
解図であって、（ａ）は歯部の正面図及び側面図、
（ｂ）は軸部の正面図及び側面図である。

【図５】本発明の第１実施形態に係る電動アシスト自転
車で用いられるスプロケット駆動ギヤの正面図及び側面
図である。

【図６】第１実施形態に係る電動アシスト自転車のスプ
ロケットにおいて、軸部の磁石及び歯部の磁石を各々検
出したときの磁気センサの検出信号の時間的変化を示す
グラフである。

【図７】本発明の第２の実施形態に係るスプロケットの
各構成部品、即ちスプロケット歯部、弾性部、及び円盤
部に関する各々の正面図及び側面図である。

【図８】図７に示す第２の実施形態に係るスプロケット
構成部品を組み立てたときのスプロケットの正面図及び
側面図であって、（ａ）は、踏み込みトルクが加えられ
ていない場合、（ｂ）は踏み込みトルクが最大限加わっ
た場合におけるスプロケットをそれぞれ示す。

【図９】第２実施形態に係るスプロケットの弾性部の他
実施態様を示す正面図及び側面図である。

【符号の説明】

１電動アシスト自転車２スプロケット２ａ歯部２ｂ軸部３車体フレーム４ドライブシャフト５中心軸線１１スプロケット駆動ギヤ１２チェーン１３駆動手段１４コントローラ３５減速機構３７電動モータ４０磁石（軸部）４２磁石（歯部）４４ばね４８ａ第１の係止部４８ｂ第２の係止部４８ｃ第３の係止部４８ｄ第４の係止部６０磁気センサ６２磁気センサ７０ａスプロケット歯部７０ｂ弾性部７０ｃ円盤部７４係止部８０隆起部８１連結部８４切り欠き部１００突起部１０２突起部１０３弾性部１０６ねじれ部１１０位置センサ１１２位置センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ペダル踏力を補助する電動モータを備え
た電動アシスト自転車であって、ドライブ軸に取り付けられた軸部、該軸部の外周に回転
可能に嵌められ且つチェーンと嵌合するための歯を備え
た歯部、及び、前記軸部と前記歯部とを連結する弾性
部、を有するスプロケットと、前記軸部の所定位置に配置された軸部位相表示部材と、前記歯部の所定位置に配置された歯部位相表示部材と、前記軸部位相表示部材が第１の所定位置を通過したこと
を検出する軸部位相検出手段と、前記歯部位相表示部材が第２の所定位置を通過したこと
を検出する歯部位相検出手段と、前記軸部位相表示部材及び前記歯部位相表示部材が検出
された時間に基づいて、前記軸部と前記歯部との間に生
じた回転位相差を演算し、該回転位相差から前記ペダル
踏力に基づく踏み込みトルクを検出するトルク検出手段
と、検出された前記踏み込みトルクに基づいて前記ペダル踏
力を補助するように前記電動モータを制御する制御手段
と、を有する電動アシスト自転車。
【請求項２】前記トルク検出手段は、前記軸部位相表
示部材の検出周期及び前記歯部位相表示部材の検出周期
の少なくともいずれかと、前記軸部位相表示部材及び前
記歯部位相表示部材の検出時間差とに基づいて前記回転
位相差を演算する、請求項１に記載の電動アシスト自転
車。
【請求項３】前記軸部位相表示部材及び前記歯部位相
表示部材は、それぞれ複数で同数に設けられ、各々が実
質的に同ピッチに配列されている、請求項１又は請求項
２に記載の電動アシスト自転車。
【請求項４】前記軸部位相表示部材及び前記歯部位相
表示部材は磁石から構成され、前記軸部位相検出手段及
び前記歯部位相検出手段は磁気センサである、請求項１
乃至請求項３のいずれか１項に記載の電動アシスト自転
車。
【請求項５】前記軸部位相表示部材及び前記歯部位相
表示部材は、それぞれ前記軸部及び前記歯部の表面から
所定高さまで突出した突起体であり、前記軸部位相検出
手段及び前記歯部位相検出手段はそれぞれ前記第１及び
第２の所定位置を通過したときの前記軸部及び前記歯部
までの距離を各々検出する位置センサである、請求項１
乃至請求項３のいずれか１項に記載の電動アシスト自転
車。
【請求項６】前記弾性部は、前記軸部から外側に延在
する橋部と、前記歯部から内側に延在する橋部との間を
連結する、周方向に伸縮するばねである、請求項１乃至
請求項５のいずれか１項に記載の電動アシスト自転車。
【請求項７】前記弾性部は、スプロケット片面側から
前記軸部及び前記歯部を連結する、主要な応力方向に弾
性を有する部材である、請求項１乃至請求項５のいずれ
か１項に記載の電動アシスト自転車。
【請求項８】前記軸部及び前記歯部には、前記軸部に
対する前記歯部の回転可能な角度範囲を画定する係止部
が各々設けられている、請求項１乃至請求項７のいずれ
か１項に記載の電動アシスト自転車。