JP4164998B2

JP4164998B2 - 電動アシスト式自転車のタイヤ

Info

Publication number: JP4164998B2
Application number: JP2000272329A
Authority: JP
Inventors: 敏昭上符
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2000-08-03
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2020-08-03
Also published as: JP2002046685A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は人力駆動力と電動駆動力とをハブ内に設けた駆動部に入力して、車輌を駆動する電動アシスト式自転車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電動アシスト式自転車は、特開平１０−３２４２８８号公報に記載の如く、後輪のハブ内に駆動モータ，減速ギアーおよびトルク検出器を収納している。
【０００３】
この電動アシスト式自転車は，２つの駆動力を備えており，一つはペダルからの駆動力で、チエーンを介してケーシングの回転側に伝達して車輪を回転する駆動力で，もう一つはペダルにかかるトルクをハブ内で検出し，そのトルクと同じ大きさのトルクでモータを回転して、減速機構を介して車輪を回転する駆動力がある。
【０００４】
上述する電動アシスト式自転車の場合、減速機を設けているためコンパクトな機構にまとめる事が出来ず、通常の自転車と基本構造を変える必要があり、アシスト式自転車の構造を特殊なものとする必要があった。このため，コスト的にも高価なものとなっている。
【０００５】
【発明が解決しょうとする課題】
本発明は，上記欠点に鑑み、なされたもので、既存の自転車を最小限の変更で、アシスト式自転車として提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、人力駆動力を車軸（９）に結合して設けられたワンウエイクラッチ（２）に結合したスプロケット（１）で受け、車軸（９）に沿って、ワンウエイクラッチ（２）の反スプロケット（１）側の軸端に，車軸（９）の貫通穴を設けた円板状の継ぎ手１（３）を設け、継ぎ手１（３）の外周端より、再びスプロケット（１）側の軸方向に撓み継ぎ手（４）で折り返し、この撓み継ぎ手（４）のスプロケット側の端面とアウターロータ型ＤＣブラシレスモータの回転側ケーシング（６）を継ぎ手２（５）で結合し、ギヤーレスによる構成の簡易化と高効率化を特徴とする。
【０００７】
車軸（９）に固定した支柱（１２）にモータ固定子フレーム（１１）を結合し、回転子を支柱（１２）に設けたベアリング（１３）で支持することで，固定子の外側を回転させるアウターロータ構造の固定子鉄心（１７）と回転子磁石（１４）間の空隙を衝撃のある車輌でも一定に保てる構造を特徴とする。
【０００８】
前記継ぎ手２（５）に磁石２（８）を設け、この磁石２（８）前記回転側ケーシングに固着されたモータ回転子磁石（１４）と相似な関係に配置し、磁束検出器２（１６）によって固定子コイル（１８）の電流切換に必用な回転子位置検出を行うことを特徴とする。
【０００９】
また、支柱（１２）に、バッテリーケース１（２１）およびバッテリーケース２（２２）を結合することによってバッテリーを駆動部ハブ内に一体化したことを特徴とする。
【００１０】
そして、バッテリー収納ケース（２１）の替わりにバッテリーとの接続がケーブルによってできるカバーを設ける事によって、ハブ内よりバッテリーを切り離す事もできることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を電動アシスト式自転車のタイヤに基づいて説明する。
【００１２】
まず，全体の構成と本発明の関係について図６に基づき説明する。
【００１３】
３２は，本発明の後輪タイヤである。この後輪タイヤ（３２）は車軸（９）をフレーム１（２５）およびフレーム２（２６）によって支持することで取り付けてある。
【００１４】
この後輪タイヤ（３２）は人力によってペダル（３５）が踏まれるとチエーン（３６）を経由して、後述する図１の駆動ユニット（２９）のスプロケット（１）に人力駆動力が伝達される。これによって，自転車は前進するが、本発明ではこの人力駆動力を検出し、駆動ユニット内のモータを駆動することによって人力駆動をアシストするものである。
【００１５】
前述した駆動ユニット（２９）について図１に具体的構成を示す。
【００１６】
図１においてペダル（３５）からの駆動力はチエーン（３６）を介してスプロケット（１）に伝達され、さらに、スプロケット（１）に結合しているワンウエイクラッチ（２）に伝達される。ワンウエイクラッチ（２）は図示しないラチェットを介してスプロケット（１）接合している。即ち、ラチェットによりチエーン（３４）からの入力が一方向にしか、かからないようになっており，逆回転方向に力がかかったときには駆動力が遮断されるようになっている。
【００１７】
継ぎ手１（３）は車軸（９）の貫通穴を設けた円板形状で、その車軸側の下端部はワンウエイクラッチ（２）に結合し、上端部はスプロケット側の面で撓み継ぎ手（４）に結合している。撓み継ぎ手（４）はワンウエイクラッチ（２）の外形より大なる内径をもつ円筒形状をしている。この撓み継ぎ手（４）の反対側の面は円板状の継ぎ手２（５）に結合し、さらに、継ぎ手２（５）の他端を回転子側ケーシング（６）とネジ結合させる事によって回転子側ケーシング（６）に設けられたスポークカシメ穴（２３）と後輪タイヤ（３２）が取り付けられているリム（３３）に複数のスポーク（３４）で張設結合され、ペダルを踏むことによって伝達されたトルクでタイヤを回転させ走行することが出来る。
【００１８】
一方、アシスト用モータの回転子鉄心（１０）は回転子側ケーシング（６）と自転車走行方向への軸中心ズレがおきない位置となるように結合され、この回転子鉄心（１０）の表面に永久磁石（１４）が取り付けられている。永久磁石（１４）と一定の空隙距離をおいて固定子鉄心（１７）が設けられ，この固定子鉄心（１７）には固定子コイル（１８）が巻かれている。また、固定子鉄心（１７）は円筒形状の固定子フレーム（１１）と結合しており、さらに、固定子フレーム（１１）は車軸（９）に結合された擬似十字形状の断面をもつ支柱（１２）によって支持，固定される。
【００１９】
断面が擬似十字形状の支柱（１２）の横軸は円筒形状で、固定子鉄心（１７）と回転子鉄心（１０）の表面に取り付けられた永久磁石（１４）間の空隙距離を一定に保つために回転子ケーシング（６）を支持するベアリング（１３））が取り付けられる構造となっている。これによって空隙のギャップを一定に保つことが出来る。また，縦軸は厚みのある板状からなり、その下端は車軸に結合し，固定され、上端は，固定子鉄心（１１）と結合し，モータ固定子を支持する。
【００２０】
次に，電動機の固定子コイル（１８）の電流極性を切り替える為の回転子の位置検出方法と人力駆動力の検出方法について図２に基づいて説明する。
【００２１】
ＤＣブラシレスモータの回転原理は周知のように、回転子磁石（１４）と固定子コイル（１８）の間に発生する吸引力と反発力を利用し、回転子位置によって固定子コイルに流れる電流方向を切り替えることにより回転を継続するものである。本発明では図１の継ぎ手２（５）に設けた磁石２（８）によって間接的に位置検出を行っている。図２に示すように、磁石２（８）の配置を回転子磁石（１４）の回転半径に比例させ，相似な関係に設ける事によって位置検出が出来る。ここで、磁束検出器２（１６）は固定子コイル（１８）の位置に合わせてａ，ｂ，ｃの各相を検出する必要があり，電気角１２０度間隔で３個設け，図５の制御構成図では磁石のＮ，Ｓ極を図３に示すように検出し、後述するインバータ（４６）のドライブ信号を得る。
【００２２】
前述したように、常に位置検出しているので、人力駆動力を検出した時のみアシストモータを駆動する必要があるアシスト式自転車では速度に同期した運転が出来、応答性のよい制御が出来る。
【００２３】
次に、人力駆動力を検出する方法について述べる。継ぎ手１（３）に設けた磁石（７）を図２の回転子磁石（１４）と継ぎ手２（５）に設けた磁石（８）と同様な関係に，回転半径に相似させＮ，Ｓ極を配置する。撓み継ぎ手（４）は人力駆動力があると捩れる。捩れが生じると、図４に示すように磁束検出器１（１５）と磁束検出器２（１６）の出力に位相差が生じる。この位相ズレを人力駆動力として検出し、積分回路によりアナログ化し、アシストモータの設定トルク（Ｔｒｅｆ）とする。
【００２４】
図５は電動アシストモータの制御構成図で，前述した方法で得られた設定トルクは図５の構成でモータを制御する。即ち，ブラシレスモータのトルクは電流に比例するからトルク指令値と直流電流の誤差をＰＩ誤差増幅器（４１）にて誤差増幅する。この出力をＰＷＭ（４２）の入力とし，パルス幅制御された出力を得る。この出力は前述した位置検出（４４）の出力にしたがって，分配器（４３）でインバータ（４６）のドライブ信号として分配され，インバータ（４６）を制御し，モータを人力駆動力のアシスト力として駆動する。
【００２５】
以上の構成からなる制御部は図１のプリント板（１９）に搭載され，支柱（１２）の横軸部分にバッテリー収納ケース１（２１）と共にネジ（２０）で図示するように取り付けられる。また、バッテリーはバッテリー収納ケース２（２２）をバッテリー収納ケース１（２１）にネジ結合する事により収納ケースを形成する。これにバッテリーを収納した着脱可能なバッテリーケース（２４）を挿入する。
【００２６】
バッテリーと制御プリント板の接続は接触子（２５）と（２６）が接触する事で行われる。
【００２７】
バッテリーを本例ではタイヤ部へ取り付けているがタイヤ部から分離することが出来る。こような場合は、バッテリー収納ケース１（２１）の形状を替えてバッテリーとの接続に必用な接続ケーブルか，接続コネクターをバッテリー収納ケース１（２１）に設け、外部バッテリーと接続する。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は自転車の後輪タイヤに電動アシスト式自転車として必要な人力駆動力検出，アシストモータ、制御装置およびこれらの電源となるバッテリーの機能を持っているので，既存の自転車の後輪を取り替えるだけで電動式アシスト自転車に変更できる。
【００２９】
アウターロータ式のＤＣブラシレスモータと人力駆動部をギヤーレスで結合しているので，ギヤー損失が無く効率が良くなり、バッテリーが小さくなる等、小型軽量化が図れる。
【００３０】
既存自転車のフレームがそのまま使用できるので、量産化メリットによるコスト低減が図れる他，既使用自転車の後輪部に本発明のタイヤを使用する事で変更でき省資源効果が生まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すハブの断面図である。
【図２】モータ回転子磁石と継ぎ手磁石との配置関係の説明図である。
【図３】回転子位置検出信号とインバータドライブ信号の関係説明図である。
【図４】人力駆動トルク検出の原理図である。
【図５】モータの制御構成図である。
【図６】本発明のタイヤを実装した電動アシスト式自転車の概略斜視図である。
【符号の説明】
１スプロケット
２ワンウエイクラッチ
３継ぎ手１
４撓み継ぎ手
５継ぎ手２
６回転側ケーシング
７磁石１
８磁石２
９車軸
１０回転子鉄心
１１固定子フレーム
１２支柱
１３ベアリング
１４回転子磁石
１５磁束検出器１
１６磁束検出器２
１７固定子鉄心
１８固定子コイル
１９制御プリント板
２０ネジ
２１バッテリーケース１
２２バッテリーケース２
２３スポークカシメ穴
２４バッテリー収納ケース
２５接触子１
２６接触子２
２７絶縁ブッシュ
２８ネジ
２９駆動ユニット
３０フレーム１
３１フレーム２
３２後輪タイヤ
３３リム
３４スポーク
３５ペダル
３６チエーン
３７荷台支持金具
３８タイヤカバー支持金具
３９荷台
４０バッテリー
４１ＰＩ誤差増幅器
４２ＰＷＭ
４３分配器
４４位置検出
４５電流センサー
４６インバータ

Claims

人力によって得られたトルクを伝達チエーンで後輪に伝達する自転車に於いて、人力駆動力を車軸（９）に結合して設けられたワンウエイクラッチ（２）と結合したスプロケット（１）で受け、車軸（９）に沿って、ワンウエイクラッチ（２）の反スプロケット（１）側の軸端に、車軸（９）の貫通穴を設けた円板状の継ぎ手１（３）を設け、継ぎ手１（３）の外周端より、再びスプロケット（１）側の軸端方向に撓み継ぎ手（４）で折り返し、この撓み継ぎ手（４）のスプロケット側の端面とアウターロータ型ＤＣブラシレスモータの回転側ケーシング（６）を継ぎ手２（５）で結合させたことを特徴とする電動アシスト式自転車のタイヤ。
電動アシストモータとして車軸（９）に固定した支柱（１２）にモータの固定子フレーム（１１）を結合し、回転子を支柱（１２）に設けたベアリング（１３）で支持することで、固定子の外側を回転させるアウターローター構造の固定子鉄心（１７）と回転子磁石（１４）の空隙を一定に保てる構造を特徴とする電動アシスト式自転車用のタイヤ。
前記継ぎ手２（５）に磁石２（８）を設け、この磁石２（８）前記回転側ケーシングに固着されたモータ回転子磁石（１４）と相似な関係に配置し、磁束検出器２（１６）によって固定子コイル（１８）の電流切換に必用な回転子位置検出を行うことを特徴とする請求項１記載の電動アシスト式自転車のタイヤ。
前記支柱（１２）に、バッテリーケース１（２１）およびバッテリーケース２（２２）を結合することによってバッテリーを駆動部ハブ内に一体化したことを特徴とする請求項２記載の電動アシスト式自転車用タイヤ。