JPH09123978A

JPH09123978A - 自転車の自動変速操作装置

Info

Publication number: JPH09123978A
Application number: JP28149295A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Tamura; 義孝田村; Ritsuo Nishimura; 律夫西村; Nobuaki Shimada; 信秋島田; Toshiharu Furukawa; 俊晴古川; Susumu Sato; 行佐藤
Original assignee: Bridgestone Cycle Co Ltd
Current assignee: Bridgestone Cycle Co Ltd
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1995-10-30
Publication date: 1997-05-13

Abstract

(57)【要約】【課題】負荷に応じて適切な変速段にすることができ
ると共に、変速操作の違和感がなく滑らかな走行が可能
である上に、モータの小型化と省電力が図れる自転車の
自動変速操作装置を提供すること。【解決手段】走行速度を検出する走行速度検出部Ａ
と、ペダルを介して伝えた人力をトルクとして検出する
トルク検出部Ｂと、後輪の変速機を操作する変速操作用
モータ４２を備えた変速操作駆動部Ｃと、走行速度検出
部Ａとトルク検出部Ｂの出力をマイコンによって処理し
て変速操作駆動部Ｃを制御するコントローラ１７と、変
速操作駆動部Ｃおよびコントローラ１７の電源となる電
池１６とにより自転車の自動変速操作装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走行速度に応じて
変速操作を行う自転車の自動変速操作装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】速度検出センサーによる走行速度に応じ
て変速操作を行う自動変速操作装置としては、例えば特
公平３−１６３１６号公報に開示されている自転車用電
動変速装置がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した特公平３−１
６３１６号の自転車用電動変速装置には、次のような問
題点がある。（１）走行速度のみの検出で変速操作されるから、ペダ
ルに乗り手の荷重がかかっている上り坂の低速時におい
て、ロー側に変速されて急にペダルが軽くなる結果、足
を踏み外すようなフィーリングが生じることがしばしば
ある。（２）走行速度のみの検出で変速操作されるから、下り
坂から上り坂にさしかかった時のように、加速して一気
に坂道を登ろうとした時に、トップ側に変速されて重た
くなることがある。（３）走行状態の微小な変化、例えば、惰行走行等によ
る速度変化に対し、不必要に頻繁に変速するというよう
に、乗り手の意に反して変速操作が行われるという不安
感や違和感があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述の問題点を解決する
ため本発明においては、走行速度を検出する走行速度検
出部と、ペダルを介して伝えた人力をトルクとして検出
するトルク検出部と、後輪の変速機を操作する変速操作
用モータを備えた変速操作駆動部と、前記走行速度検出
部とトルク検出部の出力をマイコンによって処理して変
速操作駆動部を制御するコントローラと、前記変速操作
駆動部およびコントローラの電源となる電池により自転
車の自動変速操作装置を構成する。

【０００５】また本発明においては、前記した第１発明
の自動変速操作装置において、その走行速度検出手段
を、車輪のスポークに固定した磁石と、この磁石の回転
を検知する検出部によって構成してもよい。

【０００６】また本発明においては、前記した第１発明
の自動変速操作装置において、その走行速度検出手段を
クランク軸の回転数を検出するクランク軸回転センサー
としてもよい。

【０００７】また本発明においては、前記した第１発明
の自動変速操作装置において、自転車の停止後の発進
を、常にローの状態で行うようにしてもよい。

【０００８】また本発明においては、前記した第１発明
の自動変速操作装置において、自転車の変速を、乗り手
の駆動トルクが極小値近くになった時に行うようにして
もよい。

【０００９】また本発明においては、前記した第５発明
の自動変速操作装置において、その変速ポイントが、走
行速度に対してヒステリシス領域を持つようにしてもよ
い。

【００１０】また本発明においては、前記した第５発明
の自動変速操作装置において、その変速ポイントが、人
力のトルクに対してヒステリシス領域を持つようにして
もよい。

【００１１】また本発明においては、前記した第５発明
の自動変速操作装置において、その変速ポイントが走行
速度と人力のトルクの両方をパラメータとするようにし
てもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面について本発明の実施
の形態を説明する。図１は本発明の自動変速操作装置を
電動自転車に装着した状態を示す全体側面図であり、図
２はその自転車のハンガー部の伝動系の一部を断面で示
す平面図であり、図３は図２のハウジング内の別の伝動
系を一部断面で示す平面図であり、図４は図２のトルク
検出部の分解斜視図である。

【００１３】図中１（図１参照）は自転車の前輪、２は
後輪、３は車体（フレーム）、４（図１〜３参照）はハ
ンガー部に設けたハウジング、４ａ（図２参照）はハウ
ジング４のサイドカバー、５はハウジング４の中心部に
軸受６，７，８（図２参照）を介して回転自在に設けた
クランク軸、９はクランクアーム、１０はペダルであ
る。

【００１４】また１１は軸受７を介してクランク軸５に
回転自在に設けた前ギヤ（フロントスプロケット）、１
２は後車軸１３に設けた後ギヤ（リヤスプロケット）、
１４は前ギヤ１１と後ギヤ１２とにかけ渡したチェーン
である。また１５は電動補助動力用のモータ、１６はそ
の電源となるバッテリー、１７はバッテリー１６の電力
を制御してモータ１５へ送給するコントローラである。

【００１５】図２〜図４はクランクアーム９およびモー
タ１５より前ギヤ１１を駆動するための伝動系の一例を
示すもので、５ａはクランク軸５に設けたスプライン軸
部、１８はこのスプライン軸部５ａに嵌合した駆動円
板、１９はこの駆動円板１８と、Ｕ字状のスプリングプ
レート２０Ａ，２０Ｂ（図４参照）を挟むようにクラン
ク軸５に回転自在に設けた従動円板で、２１はこの従動
円板１９に突設したスプリングプレート２０Ａ，２０Ｂ
の一端部の止めピンである。

【００１６】また２２は、前記軸受６，７を介してハウ
ジング４およびクランク軸５に対して回転自在に設けた
出力歯車で、２３は、この出力歯車２２の内周と、従動
円板１９のボス部との間に介挿した一方向クラッチであ
る。また２４は駆動円板１８を外包すると共に、クラン
ク軸５に対して軸方向に摺動自在に設けたスライドカッ
プで、２４ａは駆動円板１８との摺動係合部であり、２
４ｂは従動円板１９に設けたカム部１９ａと係合してス
ライドカップ２４を図２の左側へ押すためのカム部であ
る。

【００１７】また２５はスライドカップ２４と前記軸受
８との間のクランク軸５に嵌合したコイルばねであり、
２６は接触子２６ａがスライドカップ２４の壁面と係合
するようにハウジング４に固定して設けたポテンション
メータであり、このポテンションメータ２６の出力信号
を前記コントローラ１７へ導入してモータ１５を制御す
るようになっている。

【００１８】また１５ａはモータ１５の出力軸で、２７
はこの軸１５ａに固着した歯車、２８（図３参照）は歯
車２７と噛合する歯車、２９は軸、３０は歯車２８と噛
合する歯車で、一方向クラッチ３１を介して軸３２に設
けてある。３３は軸３２の軸受である。３４は軸３２と
一体に形成した歯車、３５は歯車３４と噛合する歯車
で、軸３６に固着してある。３７は軸３６の両端部に設
けた軸受、３８は前記出力歯車２２と噛合するように軸
３６に固着して設けた歯車である。

【００１９】つぎに上述のように構成した補助動力付き
自転車の作用を説明する。クランクアーム９のペダル１
０を踏んでクランク軸５が回転すると、スプライン軸部
５ａとスプライン嵌合している駆動円板１８に回転が伝
えられ、さらにこの駆動円板１８からスプリングプレー
ト２０Ａ，２０Ｂ、ピン２１、従動円板１９、一方向ク
ラッチ２３、出力歯車２２を介して前ギヤ１１に回転が
伝えられる。前ギヤ１１が回転すればチェーン１４を介
して後ギヤ１２が回転するから、それと共に後輪２が回
転して自転車が走行する。なおこの場合、出力歯車２２
が回転すれば、これと噛合する歯車２８，３０も回転す
るが、歯車３０の回転は一方向クラッチ３１の作用によ
って軸３２には伝わらないようになっている。

【００２０】また自転車の走行中にクランク軸５にかか
るトルクが増大すると、駆動円板１８と従動円板１９と
の間のＵ字状のスプリングプレート２０Ａ，２０Ｂが撓
んで、カム部１９ａと２４ｂとが摺動する結果、スライ
ドカップ２４が図２の左方へ移動してポテンションメー
タ２６の接触子２６ａを押すことによって、ポテンショ
ンメータ２６が信号を出力してコントローラ１７を介し
てモータ１５を駆動する。モータ１５が回転すれば、歯
車２７，２８，３０、一方向クラッチ３１、軸３２、歯
車３４，３５、軸３６、歯車３８，２２を介して前ギヤ
１１がモータ１５によって補助駆動される。

【００２１】本実施例は、上述した電動自転車に自動変
速操作装置を装着したもので、走行速度を検出するため
の走行速度検出部Ａとしては、図１に示すように、後輪
２のスポーク２ａの一つに磁石３９を固定すると共に、
自転車のフレーム３のチェーンステー３ａに、磁石３９
の回転を検知する検出部としてのリードスイッチ４０を
設ける。このようにすれば、自転車が走行して後輪２が
回転すると、スポーク２ａに固定した磁石３９が後輪２
と共に回転し、その回転をリードスイッチ４０が検知す
るから、それによって自転車の走行速度を検出すること
ができる。

【００２２】また他の走行速度検出手段としては、図２
に示すように、前記した出力歯車２２の歯先に対抗する
クランク軸回転センサー４１をハウジング４に固定して
設ける。このようにすれば、クランク軸５が回転すると
共に、出力歯車２２が回転すると、その歯先部の凹凸を
クランク軸回転センサー４１が走行速度と比例するパル
ス数としてカウントすることができる。

【００２３】また自転車のペダル１０とクランクアーム
９を介して伝えられる人力によるトルクのトルク検出部
Ｂは、前記したスライドカップ２４とポテンションメー
タ２６等によって構成することができる。すなわちペダ
ル１０を介して伝えられる人力によるトルクが小さけれ
ば、ポテンションメータ２６による出力信号が小さく、
人力によるトルクが大きければ、ポテンションメータ２
６による出力信号も大きくなる。

【００２４】また図１および図５に示すＣは、後輪２の
ハブ内装変速機Ｄを操作する変速操作用モータ４２を備
えた変速操作駆動部で、４３はそのケース、４４（図５
参照）はモータ４２の軸に固着したピニオンギヤ、４５
はピニオンギヤ４４と噛合する第２ギヤ、４６は第２ギ
ヤ４５の軸に固着した小径の第３ギヤ、４７は第３ギヤ
４６と噛合する大径の第４ギヤ、４８はその軸、４９は
軸４８に固着したリールプーリー、５０はこのプーリー
４９に巻き付けた変速操作ワイヤー、５１は軸４８に固
着したホイールで、多数の突起をその外周に分布してあ
る。５２はそのホイール５１の外周に設けた近接スイッ
チである。

【００２５】また図６は、後輪２のハブ２ｂ内に設けた
ハブ内装変速機Ｄと、その変速操作装置を示すもので、
５３は後車軸１３内に摺動自在に設けたシフトロッド、
５４はシフトロッド５３を操作するためのカム、５５は
その軸、５６は軸５５に固着したリールで、５０はこの
リール５６に巻き付けた変速操作ワイヤーである。

【００２６】また図７は、前記走行速度検出部Ａとトル
ク検出部Ｂの出力をマイコンによって処理して変速操作
駆動部Ｃを制御するコントローラ１７の制御系統図で、
コントローラ１７への入力としては、前記したクランク
軸回転センサー４１、近接スイッチ５２、ポテンション
メータ２６、リードスイッチ４０の入力信号があり、そ
れに基づいて変速用モータ４２、補助動力用モータ１５
が駆動されるようになっている。図中５７はモータドラ
イバーであり、５８は表示用ＬＥＤである。

【００２７】本発明装置は上述のように構成したから、
人力によるトルクはクランク軸５に設けたスプリングプ
レート２０Ａ，２０Ｂの撓みによって変位するスライド
カップ２４の移動を検出するポテンションメータ２６に
よって得られ、自転車の速度は前記したリードスイッチ
４０またはクランク軸回転センサー４１によって得ら
れ、これらのトルク値と速度に応じて変速操作駆動部Ｃ
のモータ４２を駆動する。このモータ４２の回転は歯車
４４，４５，４６，４７からなる減速装置を介してリー
ルプーリー４９に伝えられる。

【００２８】リールプーリー４９の回転によって変速操
作ワイヤー５０が図６の矢印Ａ，Ｂのように移動し、そ
れによってカム５４が矢印Ｃ，Ｄのように回動すること
により、シフトロッド５３を矢印Ｅ，Ｆのように作動さ
せることによって、ハブ内装変速機Ｄの変速制御をす
る。

【００２９】図８は、横座標に時間（ｔ）をとり、縦座
標に発進時におけるペダリングによる発生トルク（Ｔ）
をとって示したトルクの波形曲線Ｍを示すものである。
この特性曲線から判るように、自転車の発進時には大き
なトルクが必要であるから、本発明においては、自転車
の停止後の発進は、常にローの状態で行うようにする。

【００３０】また図８の波形曲線Ｍの各波形間の谷部Ｍ
₁はトルクＴが小さいから、本発明においては、自転車
の変速を、乗り手の駆動トルクＴが極小値Ｍ₁近くにな
った時に行うようにする。

【００３１】また図９は、横座標に自転車の走行速度を
とり、縦座標に人力駆動トルクをとって、各変速段にお
けるトルクと走行速度との関係を示す図表で、図中＊
は、本発明において設けたヒステリシス領域であり、矢
印Ｎ₁は発進急加速状態を示し、矢印Ｎ₂は発進後の走
行状態を示し、矢印Ｏは登坂による減速状態であり、矢
印Ｐはゆるやかな加速状態を示し、矢印Ｑはゆるやかな
減速状態であり、矢印Ｒはブレーキや微加速状態であ
る。

【００３２】図９の矢印Ｎ₁で示すように、発進時等に
は大きな駆動トルクが必要であるから、すぐにシフトア
ップするとペダル踏力が不必要に大きくなるため、本発
明においては、走行速度および人力のトルクに対してヒ
ステリシス領域を持つようにすることによって、速度が
やや上昇してもシフトアップしないようにする。また矢
印Ｎ₂で示すように、発進後の走行状態では、駆動トル
クが低下していると共に、速度が上昇しているから、こ
の場合は速度に応じてシフトアップする。

【００３３】また矢印Ｏで示す登坂による減速時には、
走行抵抗の増大によって自然に減速されるから、この場
合は、ヒステリシス領域はなく、速度の低下あるいは駆
動トルクの増大に応じてシフトダウンする。また矢印
Ｐ，Ｑに示すゆるやかな加減速時には、ヒステリシス領
域はなく、速度と駆動トルクに応じて変速操作を行う。

【００３４】また矢印Ｒで示すように、ブレーキや微加
速状態では、駆動トルクが小さい状態で頻繁に変速操作
が行われると、走行フィーリングを損ねるため、ヒステ
リシス領域を速度座標方向に多く設定して、頻繁な変速
を防ぐようにする。すなわち本発明においては、その変
速ポイントが、走行速度と人力のトルクの両方をパラメ
ータとするようにする。

【００３５】本発明装置は上述のように構成したから、
速度０の時は、車輪からの入力パルスがないので、変速
機Ｄはローギヤとなっている。ペダルを踏み込み発進す
ると、その時の入力の駆動トルクに応じて人力検出セン
サーであるポテンションメータ２６より出力が得られ
る。車輪が回転すると、その回転に応じてパルスがコン
トローラ１７に入力され、このパルス間隔より速度が計
算される。加速中であればその時の速度に応じて変速機
Ｄをシフトアップしていく。同様に、減速時にもその時
の速度に応じて変速機Ｄをシフトダウンしていく。停止
時には、ローポジションにセットする。

【００３６】自転車の走行中は、速度の上昇に伴ってシ
フトアップする。但し、人力の駆動トルクが所定値以上
の時は、坂道や急加速時であるから、所定の速度に達し
てもシフトアップの動作はしない。また、更に大きな人
力による駆動トルクが検出されると、その時点の変速位
置よりシフトダウンを行う。一方、急加速や坂道の上り
坂等が終わり、人力による駆動トルクが小さくなると、
緩やかな加速又は惰行等になりシフトアップを行う。ま
た、非常に緩やかな加減速があった場合は、速度が所定
の値に達しても変速操作は行わせないヒステリシス領域
を設けて、頻繁な変速操作による違和感を取り去るよう
になっている。変速のタイミングは、ペダリング時の最
も力の掛かっていないときに行われる。変速用ワイヤー
５０の操作量は、リールプーリー４９の回動量をリール
プーリー４９と同軸のホイール５１に設けられた突起を
近接スイッチ５２で検出し、そのパルス数をカウントし
てコントローラ１７より変速用モータ４２を駆動または
停止させて制御する。また、クランク軸回転センサー４
１から算出されたクランク回転数と現在の走行ポジショ
ンから走行速度を検出してもよいことはいうまでもな
い。

【００３７】

【発明の効果】本発明装置は上述のように構成したか
ら、次のような作用効果が得られる。（１）人力のトルク検出センサーからの出力と共に、走
行速度に応じて変速操作を行うので、坂道のような登り
や発進時など高負荷時には、シフトダウンを行って人へ
の負荷を小さくすることができる。（２）人力のトルク検出センサーからの出力と共に、走
行速度に応じて変速操作を行うので、加速時に適切なタ
イミングでシフトアップできて、走行抵抗を適切な値に
することができる。（３）走行速度と駆動トルクに対応してヒステリシス領
域を有しているので、非常に緩やかな加減速が頻発して
も変速せず、変速操作の違和感が解消される。（４）変速操作のタイミングは、ペダルに最も力の掛か
っていない駆動トルクの谷で行うので、変速操作の違和
感がなく滑らかな走行が可能である。（５）変速操作のタイミングは、ペダルに最も力の掛か
っていない駆動トルクの谷で行うので、変速装置の作動
が滑らかであると共に、変速操作用モータの必要トルク
が小さくてすみ、モータの小型化と省電力が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自動変速操作装置を電動自転車に装着
した状態を示す全体側面図である。

【図２】本発明装置を装着した電動自転車のハンガー部
の伝動系の一部を断面で示す平面図である。

【図３】図２のハウジング内の別の伝動系を一部断面で
示す平面図である。

【図４】図２のトルク検出部の分解斜視図である。

【図５】本発明装置の変速操作駆動部の内部を示す断面
図である。

【図６】本発明装置の変速操作端部と後輪ハブの内装変
速機との関係を示す一部断面図である。

【図７】本発明装置の制御系統図である。

【図８】自転車の発進時における人力による発生トルク
と時間との関係を示す駆動トルク波形図である。

【図９】本発明装置における各変速段の人力駆動トルク
と走行速度との関係を示す図表である。

【符号の説明】

１前輪２後輪３車体（フレーム）４ハウジング４ａサイドカバー５クランク軸６，７，８軸受９クランクアーム１０ペダル１１前ギヤ（フロントスプロケット）１２後ギヤ（リヤスプロケット）１３後車軸１４チェーン１５モータ１６バッテリー（電池）１７コントローラ１８駆動円板１９従動円板１９ａカム部２０Ａ，２０Ｂスプリングプレート２１止めピン２２出力歯車２３一方向クラッチ２４スライドカップ２４ａ摺動係合部２４ｂカム部２５コイルばね２６ポテンションメータ２６ａ接触子２７，２８歯車２９軸３０歯車３１一方向クラッチ３２軸３３軸受３４，３５歯車３６軸３７軸受３８歯車Ａ走行速度検出部３９磁石４０リードスイッチ４１回転センサーＢトルク検出部Ｃ変速操作駆動部Ｄハブ内装変速機４２変速操作用モータ４３ケース４４ピニオンギヤ４５第２ギヤ４６第３ギヤ４７第４ギヤ４８軸４９リールプーリー５０変速操作ワイヤー５１ホイール５２近接スイッチ５３シフトロッド５４カム５５軸５６リール５７モータドライバー５８表示用ＬＥＤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者古川俊晴埼玉県上尾市中妻３−１−１ブリヂストンサイクル株式会社内 (72)発明者佐藤行埼玉県上尾市中妻３−１−１ブリヂストンサイクル株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】走行速度を検出する走行速度検出部と、
ペダルを介して伝えた人力をトルクとして検出するトル
ク検出部と、後輪の変速機を操作する変速操作用モータ
を備えた変速操作駆動部と、前記走行速度検出部とトル
ク検出部の出力をマイコンによって処理して変速操作駆
動部を制御するコントローラと、前記変速操作駆動部お
よびコントローラの電源となる電池とを具備したことを
特徴とする自転車の自動変速操作装置。
【請求項２】請求項１記載の自動変速操作装置におい
て、その走行速度検出手段が、車輪のスポークに固定し
た磁石と、この磁石の回転を検知する検出部とからなる
ことを特徴とする自転車の自動変速操作装置。
【請求項３】請求項１記載の自動変速操作装置におい
て、その走行速度検出手段が、クランク軸の回転数を検
出するクランク軸回転センサーからなることを特徴とす
る自転車の自動変速操作装置。
【請求項４】請求項１記載の自動変速操作装置におい
て、自転車の停止後の発進を、常にローの状態で行うよ
うにしたことを特徴とする自転車の自動変速操作装置。
【請求項５】請求項１記載の自動変速操作装置におい
て、自転車の変速を、乗り手の駆動トルクが極小値近く
になった時に行うようにしたことを特徴とする自転車の
自動変速操作装置。
【請求項６】請求項５記載の自動変速操作装置におい
て、その変速ポイントが、走行速度に対してヒステリシ
ス領域を持つようにしたことを特徴とする自転車の自動
変速操作装置。
【請求項７】請求項５記載の自動変速操作装置におい
て、その変速ポイントが、人力のトルクに対してヒステ
リシス領域を持つようにしたことを特徴とする自転車の
自動変速操作装置。
【請求項８】請求項５記載の自動変速操作装置におい
て、その変速ポイントが走行速度と人力のトルクの両方
をパラメータとするようにしたことを特徴とする自転車
の自動変速操作装置。