JPH101085A - 電動自転車用トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 人力による駆動トルクを発生から増大まで連
続的に直接計測でき、駆動制御に融通性を持たせること
ができるトルク検出装置を提供することにある。 【解決手段】 クランク軸７２とこのクランク軸７２か
ら駆動トルクを伝達する一方向クラッチ８１との間を、
リード角の大きい複条のネジ６８ａ，７２ａを介して連
結し、ペダルを踏んでクランク軸７２に駆動トルクを発
生させたときに、同時にトルクに比例する軸方向のスラ
スト力を発生させ、このスラスト力をクランク軸７２を
支承するボールベアリング７３とケーシング７６１との
間に挿入したロードセンサ７７によって検出し、検出信
号を制御装置のトルク算出部に送ってトルク値を算出
し、このトルクの大きさによってモータによる補助駆動
の制御を行うことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動自転車用トル
ク検出装置に関する。詳しくは、ペダルの足踏みによる
人力駆動と、直流電動機によるモータ駆動ができる電動
自転車に適用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電動自転車の一例を図２〜図６に
示す。図２はこの電動自転車の全体図、図３は動力伝達
の系統図、図４は駆動装置の断面図、図５はトルク設定
機構の構造図、図６は別のトルク設定機構の構造図であ
る。

【０００３】この電動自転車は、図２に示すように、前
輪１、後輪２、ハンドル３、フレーム４、サドル５、ペ
ダル７等からなる一般に周知の自転車に、バッテリー６
及びモータ駆動とペダル駆動が行える駆動装置８を搭載
したものである。この駆動装置８は、図３に示すよう
に、モータ９の出力を減速機１０によって減速し、減速
した減速機１０の出力又はペダル１３からの出力をトル
ク検出機１１へ伝え、更に、トルク検出機１１の出力に
より後輪１２を回転させるように構成したものである。

【０００４】この駆動装置８の内部構造を図４に示す。
同図に示すように、カバー１７には、モータ１５及び減
速機１６が一体として固定されると共に減速機１６の出
力軸に固着されたスプロケット３３はチェン３５を介し
て一方向クラッチ３４に連結されている。ケーシング１
８はカバー１７と一体に結合され、伝達駆動部品を収容
しており、ペダル２２により回転駆動されるクランク軸
２１がカバー１７に嵌合された軸受１９とケーシング１
８に嵌合された軸受２０とより支承されている。

【０００５】クランク軸２１の中央部にはスプロケット
３１が固着され、スプロケット３１はチェン３６を介し
て一方向クラッチ３２と連結されている。主軸２７は、
カバー１７に嵌合された軸受２３，２４及びリングギア
４０に嵌合された軸受４１に回動可能に支承されてお
り、左端部にはサンギア３７が固着され、このサンギア
３７はプラネタリギア３８，３９と噛合し、プラネタリ
ギア３８，３９はキャリア３０に軸着され且つリングギ
ア４０と噛合している。

【０００６】キャリア３０の外周部には一方向クラッチ
３２，３４が固着され、内周部には軸受２９が嵌合し、
キャリア３０はモータ１５或いはペダル２２により回転
力を与えられる主軸２７を中心に回転する。リングギア
４０はケーシング１８に嵌合した軸受２５，２６により
支承され、リングギア４０の左端部にはスプロケット４
２が固着されている。

【０００７】このように、サンギア３７、キャリア３
０、プラネタリアギア３８，３９及びリングギア４０は
遊星歯車装置を構成する。主軸２７の右側には、図５に
示すように、トルク設定機構が構成されている。即ち、
主軸２７の右側には、レバー４４が固着され、レバー４
４の一端に固定されたピン４９にはバネ４８が張架さ
れ、レバー４４の一端はカバー１７に固設されたストッ
パ４５に当接し、他端側にはストッパ４６，スイッチ４
７が設けられている。

【０００８】従って、図５において、主軸２７が時計方
向に一定角度回動すると、レバー４４の右端部は、スト
ッパ４６と当接し、主軸２７の回転は停止させられる。
スイッチ４７は、レバー４４の右端部がストッパ４６と
当接しているとときに導通状態となる。スイッチ４７、
モータ１５、バッテリー６は、ブレーキと連動し、通常
は接点が閉じられているブレーキスイッチ（図示省略）
と直列に結線され、スイッチ４７の接点が閉じられると
モータ１５が回転し始める。

【０００９】一方向クラッチ３２，３４は、図示省略し
たが、周知の内側爪車方式のクラッチであり、自転車を
前進させる方向に回転するときのみキャリア３０に駆動
力が伝達される。平地走行でペダル２２を矢印Ａ方向に
回転させると、クランク軸２１、スプロケット３１、一
方向クラッチ３２、キャリア３０は同じく矢印Ａ方向に
回転する。

【００１０】サンギア３７がレバー４４とバネ４８によ
り設定されたトルクにより回転を阻止されているため、
キャリア３０が矢印Ａ方向に回転すると、リングギア４
０も矢印Ａ方向に回転し、回転比は（リングギア４０の
歯数＋サンギア３７の歯数）／リングギア４０の歯数の
割合で増速され、リングギア４０の回転力はスプロケッ
ト４２、チェン４３を介して後輪に伝達される。

【００１１】電動自転車が走行中登坂にさしかかると、
ペダル２２は大きな力で踏み込まれ、キャリア３０及び
リングギア４０は大きなトルクで回転させられ、サンギ
ア３７に与えられる伝達反力も同様に増大する。サンギ
ア３７に与えられる反力がレバー４４とバネ４８により
設定されたトルクよりも大きい場合には、レバー４４は
図５中時計方向に回動させられ、ストッパ４６に当接す
る。

【００１２】レバー４４がストッパ４６に当接すると同
時にスイッチ４７は導通し、モータ１５は回動をし始
め、一方向クラッチ３４を介してキャリア３０は回転さ
せられる。従って、登坂を登り終わり負荷が小さくなる
まで、モータ１５は回転し続け、ペダル２２を踏み込む
ことなく、電動自転車は走行を続ける。また、モータ駆
動で走行中にブレーキをかければ、ブレーキに連動した
スイッチ（図示省略）の接点は開かれ、モータ停止と共
に電動自転車も停止する。

【００１３】設定トルクは、乗員によって、即ち、各人
の脚力に応じて当然に変化してくるものであるため、バ
ネ４８はバネ圧を自由に調整できるようにしておく。他
のトルク検出手段を図６に示す。このトルク検出手段
は、遊星歯車装置を用いずにチェンの張力の強さによっ
て検出する方式である。軸５４−１は、ペダル駆動又は
モータ駆動される出力軸であり、スプロケット５０は軸
５４−１に固着され、軸５４−２は車輪側の伝達軸であ
り、スプロケット５１が固着されている。

【００１４】スプロケット５０，５１には、チェン５３
が巻き掛けられ、チェン５３の上側には、スプロケット
５２−１，５２−２が係合している。スプロケット５
０，５１は、図６中時計方向に回転すると動力伝達を行
う。スプロケット５２−１，５２−２はレバー５６に軸
着され、レバー５６は支軸５５（フレーム本体に固定さ
れている。）を介して軸着されている。

【００１５】レバー５６の右端部は、ストッパー５８−
１，５８−２（それぞれフレーム本体に固定されてい
る。）の間に置かれ、図示の場合では、レバー５６の右
端部はストッパー５８−１に圧接している。レバー５６
が図６中反時計方向に回動しストッパー５８−２に当接
すると、スイッチ５９が導通するように、レバー５６の
右端部の上部にスイッチ５９が設けられ、スイッチ５９
が導通すれば、モータを回転させる。

【００１６】ペダルを踏んで電動自転車が平地を走行中
は、負荷が小さいため、レバー５６はバネ５７により図
６中時計方向に付勢された状態であるが、登坂時などに
負荷が大きくなった時ペダルを強く踏み込むためチェン
５３の張力が増加し、スプロケット５２−１は上方に押
し上げられる。レバー５６の右端部も上方に押し上げら
れ、ストッパ５８−２に当接すると、スイッチ５９が導
通し、モータは回転する。坂を登り終えるまで、即ち、
負荷抵抗が減少してチェン５３の張力が減少するまで、
モータ駆動が行われる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】足踏みるよるペダル駆
動と、直流電動機によるモータ駆動ができる電動自転車
においては、足踏みで発生する駆動トルクの大きさによ
ってモータ駆動の実行と停止を行うもので、足踏みトル
クの計測は欠かせないが、一方この種の自転車ではコス
トの低減要求も根強い。

【００１８】前述した従来技術に係るトルク検出装置で
は、遊星歯車装置のサンギア側の反力を利用する方式に
しても、チェンの張力を利用する方式にしても、何れも
構造が複雑であり、コストが高くなるという問題があ
る。また、ペダル駆動及びモータ駆動にかかわらず、駆
動トルクの一定値以上の検出のみを行っているので、駆
動制御に融通性が欠けるという問題がある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】斯かる課題を達成する本
発明の請求項１に係る電動自転車用トルク検出装置は、
足踏みによる人力駆動と、モータによる動力駆動ができ
る電動自転車の駆動装置において、両端部を回転可能に
支承され中間部に一方向クラッチと螺合するリード角の
大きい複条雄ネジを備えたクランク軸と、該クランク軸
の両端を回転自在に支承しケーシングに対して軸方向に
僅かに摺動可能なボールベアリングと、該ボールベアリ
ングの一方の外輪と前記ケーシングの間に挿入されたロ
ードセンサと、該ロードセンサと接続したトルク算出部
よりなることを特徴とする。

【００２０】上記課題を達成する本発明の請求項２に係
る電動自転車用トルク検出装置は、クランク軸とこのク
ランク軸から駆動トルクを伝達する一方向クラッチとの
間を、リード角の大きい複条のネジを介して連結し、ペ
ダルを踏んでクランク軸に駆動トルクを発生させたとき
に、同時にトルクに比例する軸方向のスラスト力を発生
させ、このスラスト力をクランク軸を支承するボールベ
アリングとケーシングとの間に挿入したロードセンサに
よって検出し、検出信号を制御装置のトルク算出部に送
ってトルク値を算出し、このトルクの大きさによってモ
ータによる補助駆動の制御を行うことを特徴とする。

【００２１】

【実施例】以下、本発明について、図面に示す実施例を
参照して詳細に説明する。本発明の一実施例に係る電動
自転車用トルク検出装置を図１に示す。同図に示すよう
に、ケーシング６１，６２，６３にモータ６４，減速機
６５及びスプロケット６９がそれぞれ収納されると共に
これらケーシング６１，６２，６３をクランク軸７２が
回転自在に貫通している。

【００２２】クランク軸７２は、モータケーシング６
１，スプロケットケーシング６３にボールベアリング７
３，７４を介して回転自在且つ軸方向に僅かに摺動可能
に支持されており、その両端にはクランクアーム７１が
固着されている。クランクアーム７１の先端には、足踏
みペダルが装着されている（図２参照）。ボールベアリ
ング７３，７４は、クランク軸７２側はしまりばめ、モ
ータケーシング６１、スプロケットケーシング６３側は
すきまばめとなっている。

【００２３】クランク軸７２には、ボールベアリング７
３の右端面に対する拘束として止め輪７６が固設される
一方、ボールベアリング７３の外輪とモータケーシング
６１のフランジ部６１ａの軸方向隙間にはロードセンサ
７７が挿入されている。ロードセンサ７７は、止め輪７
６を介して、クランク軸７２とボールベアリング７３と
の間に作用するスラスト力を検出し、図示しない制御装
置へリード線７８にて出力する。

【００２４】ロードセンサ７７としては、歪みゲージ式
或いは圧電式の何れでも良く、図１では、チャンネル形
のリングのウェッブ部に歪みゲージを張った歪みゲージ
式のものが用いられている。また、ボールベアリング７
４の外輪は、スプロケットケーシング６３に固着される
と共にその内輪は、クランク軸７２に後述するように設
けられる複条の雄ねじ７２ａの段部の図中右方向の摺動
を拘束する。

【００２５】モータ６４は、モータケーシング６１にス
テータを固設すると共にこのステータに対してロータを
回転自在に配設したものであり、図示しない制御装置に
より回転数制御及びトルク制御がなされる。モータ６４
のロータには出力軸筒が形成されると共にこの出力軸筒
は減速機ケーシング６２内へ貫通し、減速機６５の入力
軸となる。

【００２６】減速機６５は、減速機ケーシング６２内に
第１、第２遊星ローラ及び第１、第２の太陽ローラより
なる２重の遊星ローラ機構を構成したものであり、キャ
リアと一体の出力軸筒６６はスプロケットケーシング６
３内へ貫通している。出力軸筒６６の内周において、ク
ランク軸７２との間に、中間軸筒６７、内側筒６８が順
に配設されると共にこれら出力軸筒６６、中間軸筒６
７、内軸筒６８はそれぞれボールを介して回転自在に組
み込まれ、更に、各部材間に爪を介在させて内側爪車式
の一方向クラッチ８０及び８１が構成されている。

【００２７】これら一方向クラッチ８０及び８１は、出
力軸筒６６及び内軸筒６８が中間軸筒６７を前進方向
（自転車が前進する方向）に駆動回転するときのみ動力
の伝達を行い、逆方向に回転するときには空転するよう
になっている。中間軸筒６７の端部には、スプロケット
６９が螺着されると共にこのスプロケット６９と図示し
ない後輪との間には想像線で示すようにチェン７０が巻
きかけられている。

【００２８】一方向クラッチ８０，８１及びスプロケッ
ト６９の直径方向の荷重は、減速機６５及びブッシュ７
５を介してクランク軸７２によって支承され、また、内
軸筒６８はブッシュ７５を介してモータケーシング６
１、スプロケットケーシング６３で軸方向の移動を制限
されている。

【００２９】クランク軸７２の中央部の外側寄りには、
リード角の大きい複条の雄ねじ７２ａが設けられると共
に内軸筒６８の内周部には雌ねじ６８ａが設けられ、こ
れら雄ねじ７２ａ、雌ねじ６８ａは螺合している。雄ね
じ７２ａ、雌ねじ６８ａとしては、摩擦の少ない直角ネ
ジ又はボールネジが好ましい。

【００３０】上記構成を有する本実施例に係るトルク検
出装置は、次の作用を発揮する。自転車を前進走行させ
る為にペダルを踏んでクランク軸７２を回転（図１の右
側から見て時計方向）させると、雄ねじ７２ａと雌ねじ
６８ａの噛み合いによって、クランク軸７２に発生する
駆動トルクが内軸筒６８に伝達されると共に、スラスト
力が発生して、クランク軸７２は図中の左側に、内軸筒
６８は図中の右側に押される。

【００３１】内軸筒６８が進行方向に回転するので、一
方向クラッチ８１はつながって内軸筒６８に伝達された
トルクは中間軸筒６７、スプロケット６９、チェン７
０、後輪の順に伝達されて自転車を進行させる一方、一
方向クラッチ８０は開いて減速機６５の出力軸筒６６と
の間は空回り状態となる。

【００３２】前述のクランク軸７２を左側へ押すスラス
ト力は、止め輪７６及びボールベアリング７３を介して
ロードセンサ７７に圧縮力として加えられ、ロードセン
サ７７は圧縮力に比例した信号をリード線７８を通して
図示しない制御装置に送る。クランク軸７２に発生した
トルクは、ロードセンサ７７が送る信号に比例するた
め、制御装置のトルク算出部でトルクの大きさを知るこ
とができる。

【００３３】制御装置は、予め設定されたプログラムに
従い、クランク軸７２に発生したトルクの大きさによっ
て、モータ６４を始動停止させ、電動力によって必要な
駆動トルクは、出力軸筒６６から入って中間軸筒６７、
スプロケット６９、チェン７０、後輪の順に伝達され、
この駆動トルクは内軸筒６８には伝えられない。クラン
ク軸７２から足踏みによって加わる必要トルクは低減さ
れることとなり、また、ペダルの踏込みを止めれば、ク
ランク軸７２に発生するトルクが消えるので、モータ６
４の駆動も停止することになる。

【００３４】

【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明し
たように、本発明のトルク検出装置によれば、次の効果
を奏する。 構造が簡単で、コンパクトにまとまり、コストが安
い。 人力による駆動トルクを発生から増大まで連続的に直
接計測できるので、駆動制御の方法に融通性をもたせる
ことが出来る。 内蔵形なので耐環境性が良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るトルク検出装置を的止
した駆動装置の要部断面図である。

【図２】従来の電動自転車の全体図である。

【図３】動力伝達の系統図である。

【図４】駆動装置の断面図である。

【図５】トルク設定機構の説明図である。

【図６】別のトルク設定機構の説明図である。

【符号の説明】

６１ モータケーシング ６４ モータ ７２ クランク軸 ７２ａ 複条雄ネジ ７３，７４ ボールベアリング

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 足踏みによる人力駆動と、モータによる
   動力駆動ができる電動自転車の駆動装置において、両端
   部を回転可能に支承され中間部に一方向クラッチと螺合
   するリード角の大きい複条雄ネジを備えたクランク軸
   と、該クランク軸の両端を回転自在に支承しケーシング
   に対して軸方向に僅かに摺動可能なボールベアリング
   と、該ボールベアリングの一方の外輪と前記ケーシング
   の間に挿入されたロードセンサと、該ロードセンサと接
   続したトルク算出部よりなることを特徴とする電動自転
   車用トルク算出装置。
2. 【請求項２】 クランク軸とこのクランク軸から駆動
   トルクを伝達する一方向クラッチとの間を、リード角の
   大きい複条のネジを介して連結し、ペダルを踏んでクラ
   ンク軸に駆動トルクを発生させたときに、同時にトルク
   に比例する軸方向のスラスト力を発生させ、このスラス
   ト力をクランク軸を支承するボールベアリングとケーシ
   ングとの間に挿入したロードセンサによって検出し、検
   出信号を制御装置のトルク算出部に送ってトルク値を算
   出し、このトルクの大きさによってモータによる補助駆
   動の制御を行うことを特徴とする電動自転車用トルク算
   出装置。