JPH11180376A - 補助動力付自転車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出パラメータを少なくして自動変速装置を
簡素化するとともに、より効率的な補助動力の使用を実
現した低エネルギー消費型の補助動力付自転車を提供す
ることを目的とするものである。 【解決手段】 変速機３３を自動変速するとともに補助
動力を得るように構成された補助動力付自転車におい
て、クランク軸回転数に応じて前記補助動力３０からの
補助率を変化させるように構成したことを特徴とするも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変速機を自動変速
するとともに補助動力を得るように構成された補助動力
付自転車に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境の観点から自転車の良さ
が見直されつつあり、より快適で使い易い自転車の開発
や、近距離の買物等において有用な補助動力付自転車の
開発が期待されている。このような中で、変速を自動的
に行える自動変速の技術が自転車においても普及しつつ
あり、例えば、速度センサーによって検出した走行速度
に応じて電動にて変速操作を行う自動変速装置として特
公平３−１６３１６号公報に開示されているものがあ
る。一方、補助動力付自転車についても婦女子を中心に
普及しつつある。このような補助動力付自転車における
変速操作は、一般に搭乗者が手動にて行っているのが実
情である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】したがって、従来の自
転車における自動変速装置と補助動力付自転車における
変速装置とは何ら格別の関連性を有していないために、
補助動力用モータの特性や状態に無関係に変速操作がな
されて、補助動力用モータが低効率の範囲にて使用さ
れ、これにより過大の電力が費やされるため、電池の損
失が増大して走行距離が伸びない事態を招いていた。そ
のため、本件出願人は、自転車の走行速度と人力による
ペダルに発生するトルクと補助動力用モータの駆動電流
を検出して、補助動力用モータの効率が高い方へ後輪変
速機の操作を行うようにした補助動力付自転車の自動変
速装置を提案した（特開平９−２４０５６８号公報）。
本件出願人による上記自動変速装置にあっては、走行中
の補助動力用モータの効率をウォッチングするパラメー
タとして、主として人力によるペダルに発生するトルク
を、さらに走行速度すなわちクランク軸の回転数との両
方を検出していた。また、発進後の自動変速に伴うシフ
トアップの走行中において補助動力用モータからの動力
の補助率は一定（通常、人力１に対して補助率１）に設
定されていた。

【０００４】一般に、法的な規制の上から、自転車にお
ける補助動力の付与による走行速度は上限が２４Ｋｍ／
ｈに制限されていることから、変速装置によってトップ
ギヤによる高速走行に移行してからの補助動力用モータ
からの補助率は漸減するように構成されているものの、
ある範囲内の速度領域であれば、前述のように補助率は
一定であるため、特にロー発進時にはペダル踏力が軽す
ぎる感じがあり、不快な乗車感覚を招き、さらにこのこ
とは、必要以上の補助を行っているとも言え、エネルギ
ー効率上無駄が多いものとなっていた。

【０００５】そこで本発明は、本件出願人による上記補
助動力付自転車の自動変速装置をさらに改良して、検出
パラメータを少なくして自動変速装置を簡素化するとと
もに、より効率的な補助動力の使用を実現した低エネル
ギー消費型の補助動力付自転車を提供することを目的と
するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、変速
機を自動変速するとともに補助動力を得るように構成さ
れた補助動力付自転車において、クランク軸回転数に応
じて前記補助動力からの補助率を変化させるように構成
したことを特徴とするものである。また本発明は、変速
機を自動変速するとともに補助動力を得るように構成さ
れた補助動力付自転車において、発進後のクランク軸回
転数の上昇または自動変速に伴うシフトアップに応じて
前記補助動力からの補助率を上昇させるように構成した
ことを特徴とするものである。また本発明は、変速機を
自動変速するとともに補助動力を得るように構成された
補助動力付自転車において、前記補助動力ユニットの効
率がよい所定範囲のクランク軸回転数になるように前記
変速機を自動変速することを特徴とするものである。ま
た本発明は、変速機を自動変速するとともに補助動力を
得るように構成された補助動力付自転車において、発進
後のクランク軸回転数または自動変速に伴うシフトアッ
プに応じて前記補助動力からの補助率を上昇させるよう
に構成するとともに、前記補助動力ユニットの効率がよ
い所定範囲のクランク軸回転数になるように前記変速機
を自動変速することを特徴とするもので、これらを課題
解決のための手段とするものである。

【０００７】

【実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図１〜図６は本発明の１実施の形態を示
すもので、図１は自動変速装置を装着した本発明の補助
動力付自転車の全体側面図、図２はそのハンガー部にお
ける伝動系であるミッションケース（減速機）の側面
図、図３は図２の一部断面平面図、図４は図２における
トルク検出部の分解斜視図、図５は変速駆動部の一部断
面側面図、図６は後輪および後輪変速装置を示す側面図
である。図１に示すように、本発明の補助動力付自転車
のハンガー部の上部にはハンドルポストに沿ってバッテ
リー３２が載置され、ハンガー部には補助動力モータ等
の補助動力駆動部３０からの補助動力を受けて人力によ
るペダルの駆動力と合わせてクランク軸スプロケット２
２から後輪に駆動力を出力するミッションケースおよび
人力によるペダルトルクを検出して後輪変速装置である
変速用ハブ３３を自動変速する変速駆動部３１とが設置
されている。

【０００８】図２および図３に示すように、ハンガー部
に設置される本体１、側部２、３および底部４からなる
ミッションケース（減速機）内には、バッテリー３２か
らの電力の供給を受けて駆動される補助動力モータ５６
と人力によるペダルに連結されたクランク軸９の回転駆
動力によりスプロケット２２が回転してチェーンを介し
て後輪に駆動力が伝達される。補助動力モータ５６から
の駆動力は駆動ベルトを介してベルトプーリ１３からＣ
ギヤ１５のベルトプーリ１４に伝達される。ベルトプー
リ１４からＣギヤ１５へはワンウェイクラッチを介して
回転が伝えられ、補助動力モータ５６からの駆動力のみ
がＣギヤ１５側へ伝達されて、人力側から隔離されて補
助動力モータ５６を人力で駆動しないように構成されて
いる。Ｃギヤ１５からの駆動力はＤギヤ１６を介してＥ
ギヤ１８から従動円板７に伝達される。

【０００９】一方、図３および図４に示すように、人力
によるペダルに連結されたクランク軸９からの回転駆動
力は、ラチェット１０を介して駆動円板６に伝えられ、
さらに該駆動円板６から一対のトルクプレート８Ａ、８
Ｂを介して従動円板７を駆動する。かくして前述のよう
に補助動力モータ５６から前記Ｅギヤ１８を介して補助
動力をも受けた従動円板７が回転し、該従動円板７の外
周に螺子嵌合したスプロケット２２が回転して、チェー
ンを介してそれらの駆動力が後輪側に伝達される。図６
に示すように、チェーンを介して伝達された駆動力は、
後輪スプロケット３５に伝えられた後、後輪ハブに内装
された内装式変速装置を介して後輪を回転駆動する。

【００１０】また、自転車の走行中に前記人力によるペ
ダルの踏動によってクランク軸９にかかるトルクが増大
すると、前記駆動円板６と従動円板７とがずれて相対回
転を引き起こして、これら駆動円板６と従動円板７との
間に配置されたＵ字状のトルクプレート８Ａ、８Ｂが撓
んでそれらの両端部が近接する。一方、前記クランク軸
９における駆動円板６の背面側にはフェイスカムコーン
５が嵌合されており、コイルスプリング２０によって従
動円板７側に付勢されている。該フェイスカムコーン５
の軸動に応じてその移動量を検出する人力検出トルクセ
ンサー２３がその背面に配置され、検出子がコイルスプ
リング２４によってフェイスカムコーン５の背面に当接
している。前記駆動円板６に対する従動円板７の相対回
転の量すなわちクランク軸９にかかる人力によるペダル
の踏動力であるトルクの大きさに応じて、前記従動円板
７の外周のカム突起７Ｃとフェイスカムコーン５のカム
部５Ｃとのカム作用によってフェイスカムコーン５が軸
方向外側（図３において左側）へ所定量移動する。これ
によって、フェイスカムコーン５の背面に当接している
人力検出トルクセンサー２３の検出子が所定量後退して
クランク軸９のトルクの大きさを検出するとともに、ク
ランク軸回転数センサーの信号に応じて、後述するよう
に補助動力モータ５６からの補助率を変更して後輪変速
装置である変速用ハブ３３を自動変速するためのパラメ
ータを得る。

【００１１】図５に示すように、前記人力検出トルクセ
ンサー２３からの入力を受けて、変速駆動部３１のケー
ス４４内に配置された変速用モータ４３が適宜角度回転
し、減速ギヤ４２を介してプーリ４１を回転させて変速
用ワイヤー３８を牽引する。このときの変速用ワイヤー
３８の巻取り量は変速モータ回転センサー４０によって
検出されて、変速段位が読み取られる。図６に示すよう
に、変速用ワイヤー３８が牽引されると、該変速用ワイ
ヤー３８の終端に固定された変速ワイヤー止めナット３
６がブラケット３９に設置された変速用プーリ３７を操
作して、例えば後輪ハブ軸の軸動によって変速歯車装置
の噛合組合せを変更する等の形式の内装式変速装置を自
動変速する。

【００１２】図示はしないが、本発明において採用され
るクランク軸９の回転数を検出するためのクランク軸回
転センサー５０（図８）としては、回転部に設置した磁
石と固定部に設置したリードスイッチ間において発生す
るパルス数をカウントする形式等が採用され得るが、そ
の設置場所としては、前記図３におけるクランク軸９の
付近や、変速が後輪の変速用ハブ３３にて行われること
から変速前にある後輪スプロケット３５の回転数を検出
するようにしてもよい。

【００１３】図８は、以上のようにして構成された本発
明の補助動力付自転車の制御部のブロック線図を示すも
ので、バッテリー３２からの電力を電源スイッチ５７の
投入下において、クランク軸回転センサー５０、変速モ
ータ回転センサー４０および人力検出トルクセンサー２
３からの各入力を得て、マイコン５１等を備えた制御回
路によってモータドライバー５３およびモータドライバ
ー５４を介して変速用モータ５５および補助動力モータ
５６をそれぞれ適正に駆動制御するものである。符号５
２はマイコン５１に接続された変速段位の表示ＬＥＤで
ある。

【００１４】図７は、本発明における補助動力モータの
補助率とそのユニット効率のクランク軸回転数および変
速前後におけるクランク軸のトルクと補助率との関係を
示したものである。図７（Ｂ）は、一般に、補助動力モ
ータからの動力によってクランク軸に加わるトルクの大
小に係わらず、ユニットとしての効率が最もよいクラン
ク軸の回転数は所定の範囲Ｘ４〜Ｘ５にあることを示す
図である。図７（Ａ）は、このようなユニットとしての
効率がよいクランク軸の所定の範囲Ｘ１〜Ｘ２の回転数
域に至るまでの発進時からの補助動力モータからの駆動
力の補助率を明示したもので、斜線部分が補助動力モー
タによる補助部分である。法的規制の上から補助動力が
付与できる走行速度の上限２４Ｋｍ／ｈのクランク軸回
転数をＸ３として、クランク軸回転数Ｘ２〜Ｘ３に至る
までは補助動力モータによる補助率を漸減させる必要が
ある。

【００１５】発進時（クランク軸回転数Ｘ０）からユニ
ットとしての効率がよいクランク軸の回転数域Ｘ１〜Ｘ
２に達するまでは、本件出願人による前記提案のもので
は点線に示すように補助動力モータによる補助率が人力
１に対して１であったために低速ギヤによる発進時には
高い補助率を必要とせず、余分な補助力の付加によって
エネルギーの無駄を生じていたが、改良後の本発明で
は、図７（Ａ）の斜線に示すように、発進後のクランク
軸回転数に応じて補助動力モータからの補助率を上昇さ
せるように構成したものである。図７（Ｃ）は、変速前
後におけるクランク軸のトルクと補助率との関係を示し
たもので、１回転毎のクランク軸に発生するトルクは増
減を繰り返しながら、補助動力と人力による合力に占め
るペダル踏力すなわち人力の割合は、クランク軸回転数
の増加に伴って低下している。このことは、補助率の増
大を示すことに他ならない。

【００１６】図９は、本発明によって、以上述べたよう
な補助動力モータのユニット効率が最適となるように前
記マイコン５１等の制御回路によって行われる制御フロ
ー図であり、スタート開始後、制御回路の異常の有無が
判断された後、クランク軸回転数を検出し、次いで人力
検出トルクセンサーによってクランクのトルクの大きさ
が検出され、走行負荷が大きい場合にはアシスト処理に
よって補助動力モータからの動力を供給すべく補助動力
モータ５６を駆動するモータドライバ５４を作動させる
（図８）。該アシスト処理部では、前述した図７（Ａ）
における発進後のＸ０〜Ｘ１における補助率を漸増させ
る制御が行われ、発進時等のクランク軸回転数が低い部
分では、補助動力モータによる補助率をゼロかきわめて
低い値とし、増速してユニット効率が高くなるクランク
軸回転数まで補助率を所定値以下で漸増させるように補
助動力モータ５６を制御するものである。ここでは、前
記図５の変速モータ回転センサー４０によって読み取ら
れた変速段位を入力してシフトアップに応じて前記補助
動力モータ５６からの補助率を上昇させるように構成さ
れている。つまり、図８におけるモータドライバ５４を
駆動させて補助動力用モータ５６が発生する駆動力を漸
増させるべく制御をおこなうものである。

【００１７】次いで、本発明のもう１つの重要な構成で
ある自動変速については、クランク軸回転数のみのウォ
ッチングにより、クランク軸回転数が図７（Ａ）（Ｂ）
におけるＸ４〜Ｘ５の範囲の最適値から外れている場合
で、最適値より大であれば高速段位とすべきであり、変
速段位がトップギヤでなければシフトアップさせる。ま
たクランク軸回転数が最適値より小であれば低速段位と
すべきであり、変速段位がローギヤでなければシフトダ
ウンさせる。

【００１８】図１０は、前記図９における制御フローに
おけるシフトアップあるいはシフトダウン処理部の詳細
制御フローを示しており、自転車が曲り角や坂道等に差
しかかり走行速度度が低下すると、現在の変速段位が所
定のユニット効率を満たさなくなり、シフト位置が適正
かどうかが判断された後、飛び越し変速段位の設定等も
判断されて移動量に応じてプラス側あるいはマイナス側
に要求された分だけパルスモータからなる変速用モータ
４３を駆動して、最適な段位に自動変速が行われる。速
度が低下して、自動変速がシフトダウン方向に進むと、
停止時にはローギヤまで達し、再発進時にはローギヤに
て発進を行うことができる。

【００１９】以上、本発明の実施の形態について説明し
てきたが、本発明の趣旨の範囲内で補助動力モータの形
式、減速機の形式、クランク軸のトルク検出方式、自動
変速機の形式およびその変速モータ等による変速方式、
クランク軸回転数の検出方式等については適宜選定でき
るものである。

【００２０】

【発明の効果】以上詳細に述べてきたように、本発明に
おける第１および第２の発明では、変速機を自動変速す
るとともに補助動力を得るように構成された補助動力付
自転車において、発進後のクランク軸回転数の上昇また
は自動変速に伴うシフトアップに応じて前記補助動力か
らの補助率を上昇させるように構成したので、発進後か
ら補助動力としてのモータのユニットとしての効率が高
い所定速度に達するまでの間、発進後のクランク軸回転
数の上昇または自動変速に伴うシフトアップに応じて補
助率をゼロから最大補助率まで漸増させることができ
て、発進時の不必要な飛出しを防止できる他、低速から
最大補助率まで全体に補助動力を減少させることができ
るので、モータ電流を小さくしてモータブラシ等のコス
トを低減化したり、バッテリーの小型化や、走行距離の
向上が図れるとともに、補助率が低い部分は自動変速機
によってローギヤに設定されるため、最適でないギヤ位
置のように踏力が増大するのを防ぎ軽快なフィーリング
が得られる。これは低消費電力と軽快さを同時に満たす
と言える。さらに、補助動力による走行フィーリングも
自然で違和感がなくなる。

【００２１】また第３の発明では、変速機を自動変速す
るとともに補助動力を得るように構成された補助動力付
自転車において、前記補助動力ユニットの効率が最もよ
い所定範囲のクランク軸回転数になるように前記変速機
を自動変速するようにしたので、クランク軸回転数のみ
のウォッチングによって補助動力モータのユニット効率
が高いところで走行できるように、変速装置が自動変速
されるので、検出パラメータを少なくして自動変速装置
を簡素化でき、バッテリーの消耗が少なく、走行距離が
伸びるとともに、適正なギヤ比による走行によって、補
助動力モータのトルク不足や回転数不足を効果的に解消
できる。

【００２２】また、これらの第１、第２および第３の発
明を統合して、変速機を自動変速するとともに補助動力
を得るように構成された補助動力付自転車において、発
進後のクランク軸回転数の上昇または自動変速に伴うシ
フトアップに応じて前記補助動力からの補助率を上昇さ
せるように構成するとともに、前記補助動力ユニットの
効率がよい所定範囲のクランク軸回転数になるように前
記変速機を自動変速するようにすれば、前述の各発明の
効果が相乗されて、より優れた補助動力付自転車が提供
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の補助動力付自転車の１実施の形態を示
すもので、自動変速装置を装着した本発明の補助動力付
自転車の全体側面図である。

【図２】本発明の補助動力付自転車の伝動系であるミッ
ションケース（減速機）の側面図である。

【図３】図２の一部断面平面図である。

【図４】本発明の補助動力付自転車の伝動系のトルク検
出部の分解斜視図である。

【図５】本発明の補助動力付自転車の伝動系の変速駆動
部の一部断面側面図である。

【図６】本発明の補助動力付自転車の後輪および後輪変
速装置を示す側面図である。

【図７】本発明における補助動力モータの補助率とその
ユニット効率のクランク軸回転数との関係を示した図お
よび変速前後におけるクランク軸のトルクと補助率との
関係を示した図である。

【図８】本発明の補助動力付自転車における制御部のブ
ロック線図を示す。

【図９】本発明の補助動力付自転車における制御部の制
御フロー図である。

【図１０】図９の制御フローにおけるシフトアップある
いはシフトダウン処理部の詳細制御フロー図である。

【符号の説明】

１〜４ ミッションケース ５ フェイスカムコーン ６ 駆動円板 ７ 従動円板 ８ トルクプレート ９ クランク軸 １０ ラチェット １１ ラチェットばね １３、１４ ベルトプーリ １５ Ｃギヤ １６ Ｄギヤ １８ Ｅギヤ ２０ コイルスプリング ２１ 止め板 ２２ スプロケット ２３ 人力検出トルクセンサー ２４ コイルスプリング ３０ 補助動力駆動部 ３１ 変速駆動部 ３２ バッテリー ３３ 変速用ハブ ３５ 後輪スプロケット ３６ 変速ワイヤー止めナット ３７ 変速用プーリ ３８ 変速用ワイヤー ３９ ブラケット ４０ 変速モータ回転センサー ４１ プーリ ４２ 減速ギヤ ４３ 変速用モータ ４４ 変速駆動部ケース ５０ クランク軸回転センサー ５１ マイコン ５２ 表示用ＬＥＤ ５３、５４ モータドライバ ５６ 補助動力用モータ ５７ 電源スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── 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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変速機を自動変速するとともに補助動力
   を得るように構成された補助動力付自転車において、ク
   ランク軸回転数に応じて前記補助動力からの補助率を変
   化させるように構成したことを特徴とする補助動力付自
   転車。
2. 【請求項２】 変速機を自動変速するとともに補助動力
   を得るように構成された補助動力付自転車において、発
   進後のクランク軸回転数の上昇または自動変速に伴うシ
   フトアップに応じて前記補助動力からの補助率を上昇さ
   せるように構成したことを特徴とする補助動力付自転
   車。
3. 【請求項３】 変速機を自動変速するとともに補助動力
   を得るように構成された補助動力付自転車において、前
   記補助動力ユニットの効率がよい所定範囲のクランク軸
   回転数になるように前記変速機を自動変速することを特
   徴とする補助動力付自転車。
4. 【請求項４】 変速機を自動変速するとともに補助動力
   を得るように構成された補助動力付自転車において、発
   進後のクランク軸回転数の上昇または自動変速に伴うシ
   フトアップに応じて前記補助動力からの補助率を上昇さ
   せるように構成するとともに、前記補助動力ユニットの
   効率がよい所定範囲のクランク軸回転数になるように前
   記変速機を自動変速することを特徴とする補助動力付自
   転車。