JP2003231491A - 有酸素運動を可能とする電動アシスト自転車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型軽量及び簡素な機構で有酸素運動を可能
にした電動アシスト自転車を提供する。 【解決手段】 電動アシスト自転車１は、踏力を検出す
る踏力検出手段（９９、１２６）と、駆動ユニット１３
と、減速部の回転トルクをドライブシャフトに伝達する
ための合力機構と、心拍数検出センサー２５４と、を含
む。駆動ユニット１３は、電動モータ３７と、電磁クラ
ッチ２５０を有する減速部３５と、を備える。有酸素運
動を可能とするモードにおいて、駆動ユニット１３は、
検出された踏力が、有酸素運動が可能となる踏力レベル
より大きい場合、電磁クラッチ２５０を係合した状態で
電動モータ３７を駆動させて電動力により踏力を補助す
る。検出された踏力が該踏力レベルより小さい場合、電
磁クラッチ２５０を係合した状態で電動モータ３７をオ
フにし、モータの回転抵抗により踏力に負荷力を印加す
る。踏力レベルは、検出された運転者の心拍数に応じて
調整される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動力により踏力
を補助して走行可能な電動アシスト自転車に係り、より
詳しくは、運転者が所定運動、特に有酸素運動を行うこ
とを可能にする、電動アシスト自転車に関する。

【０００２】

【従来技術】近年では、軽度のスポーツによる健康増進
やカロリー消費が推奨されている。とりわけ、機器を使
用する万人向きの理想的なトレーニングとして、自転車
によるサイクリングがある。サイクリングの場合、平地
ばかりであれば、軽い走行で有酸素運動となり、脂肪を
燃やすことが可能となる。ここで、有酸素運動とは、軽
い負荷で２０分以上の運動をすることで、酸素を体のす
みずみまで行き渡らせ、脂肪を燃やす運動であり、筋肉
を強化トレーニングする運動とは質的に違うものであ
る。ギアチェンジ付き自転車であれば、平地走行で、走
行付加が軽いと思えば、ハイギアードにし、走行速度を
増せば、風、ころがり抵抗が増え、負荷が重くなり、そ
の人に合わせることが可能となる。

【０００３】しかし、上り下り等、起伏の多い一般的な
地形での登りでは、勢いこぐ負荷が多く（要するに力が
いる）、その運動は筋力運動となり、自転車選手のよう
に太もも、ふくらはぎが筋肉太りする。その一方で、下
り走行の場合は、踏力の作用に対抗する負荷が無くな
り、カロリー消費が発生しないことになる。

【０００４】これに対し、定常的なトレーニングを計画
的に実行するため、自転車型屋内健康器等が種々使用さ
れているが、屋内に設置されているため、運動場所が限
定され、その運動の楽しさは著しく減退するという問題
があった。また、屋内に設置する場合、場所を取るとい
う問題もある。

【０００５】そこで、特開平１０年２０３４６７号公報
に記載の技術では、踏力を補助するため電動力を付加す
る電動アシスト自転車において、走行環境の変化に影響
を受けることなく、適切なトレーニング効果が得られる
技術が提案された。本技術に係る電動アシスト自転車の
一つの態様は、人力駆動系と、踏力を補助するための電
動モータを有する電動駆動系とを並列に設け、更に、車
輪に回転抵抗を加える負荷部と、運転者による実際の人
力仕事率（検出された踏力×クランク回転速度）と予め
設定された初期設定仕事率との差に基づいて、電動モー
タの出力及び負荷部による負荷の印加を制御する、制御
部と、を備える。本技術によれば、上り坂や速度を出し
て走行するとき、人力仕事率が大きくなるため、制御部
は、これを初期設定仕事率に維持するように電動力を大
きくし、人体に過大な負荷がかからないよう電動モータ
を制御する。逆に、制御部は、人力駆動系の入力軸回転
数が一定値以下で且つ踏力も一定値以下のとき、走行中
下り坂となったとみなして、車速がゼロとなるように負
荷部の出力値を制御する。本電動アシスト自転車では、
走行中下り坂となった場合、従来は踏力不用で自走して
いたところ、負荷部による負荷に対抗して踏力を印加す
る必要があり、仕事率に応じた一定のカロリー消費が可
能となる。

【０００６】従って、上記技術は、起伏の多い一般的な
地形においても、長時間、軽度の一定運動をするのに適
し、手軽に有酸素運動による体脂肪の減少、新陳代謝機
能の向上が図れる、とされている。

【０００７】なお、上記公報には、負荷部として、ブレ
ーキ制動装置の少なくとも１つを兼用する例が記載され
ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に記載の従来技術では、電動モータを収容する電動補
助ユニットをクランク軸付近に配置し、後輪に作用する
油圧ディスクブレーキ装置としての負荷部を後輪軸付近
に配置している。このように電動補助ユニット以外に
も、大掛かりな油圧ディスクブレーキ装置を別々に配置
した構成のため、電動アシスト自転車全体の機構が複雑
化し、重量も増加する。更に、複雑な機構を取り付ける
ため専用の車体フレームを作る必要が出てくる可能性が
あり、通常のフレーム製造工程を生かせずに、コスト高
を将来する、という問題もある。

【０００９】また、上記公報には、様々な運動プログラ
ム制御パターンの例が記載されているが、予め運転者が
事前に制御パターンを選択する必要がある。このため、
搭乗時の、或いは運転者毎の体力、健康状態の違いや、
運転中の体力状態の変化に逐次対応するのが困難であ
る。

【００１０】更には、後輪の制動により負荷を与える構
造のため、非走行時（即ち、車速ゼロ時）で後輪が地面
に接地した状態では、運転者は、運動プログラムを実行
することができない。例えば、信号器による待ち合わせ
の停止時には、運動を一時的に中断せざるを得ないが、
このような場合への対応策が開示されていない。

【００１１】本発明は、上記事実に鑑みなされたもの
で、上記従来技術の問題を解消した、簡素な機構の電動
アシスト自転車を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る、踏力を電動力で補助して走行可能な
電動アシスト自転車は、踏力を検出する踏力検出手段
と、少なくとも前記踏力検出手段により検出された踏力
に基づいて、有酸素運動が可能となる踏力レベルとなる
ように、電動力及び負荷力のいずれかを選択して踏力に
付加可能である、補助動力手段と、を含む。

【００１３】本発明の電動アシスト自転車では、通常の
アシストモードの場合、踏力検出手段により検出された
踏力に基づき補助動力手段により出力された電動力を用
いて、踏力を補助して走行することができる。

【００１４】本発明の特徴である、有酸素運動を可能と
する有酸素運動モードの場合、補助動力手段は、少なく
とも踏力検出手段により検出された踏力に基づいて、有
酸素運動が可能となる踏力レベルとなるように、電動力
及び負荷力のいずれかを選択して踏力に付加することが
できる。例えば、検出された踏力が該踏力レベルを超え
て大きくなるような坂道の上り走行の場合、補助動力手
段は、該踏力が該踏力レベルとなるように電動力を出力
制御する。これによって、勢いこぐ負荷による筋力運動
を防止しつつ、カロリーを消費することができる。ま
た、検出された踏力が該踏力レベルより小さくなるよう
な坂道の下り走行の場合、補助動力手段は、検出された
踏力が該踏力レベルとなるまで、負荷力の増大制御を行
う。これによって、運転者に負荷力に対抗する踏力の印
加を促し、カロリー消費を発生させることができる。な
お、踏力レベルは、ある一定の踏力範囲を網羅してもよ
い。

【００１５】このように本発明では、補助用電動力を出
力可能な補助動力手段それ自体が、電動力のみならず、
負荷力を出力することができる。好ましい態様では、補
助動力手段は、１つのユニットとして構成される。従っ
て、負荷装置を電動ユニットとは別体の大掛かりな制動
装置として実現した従来技術と比べて、電動アシスト自
転車全体の機構を簡素化し、重量を軽減することができ
る。更に、専用の車体フレームを作る必要を最小限に抑
え、通常のフレーム製造工程を生かすことができる。

【００１６】更に好ましい本発明の態様は、運転者の心
拍数を検出する心拍数検出手段を更に含み、補助動力手
段は、少なくとも心拍数検出手段により検出された心拍
数に基づいて、踏力レベルを設定する。例えば、心拍数
が多ければ、設定踏力レベルを下げ、逆に心拍数が少な
ければ、設定踏力レベルを上げる。これによって、搭乗
時の運転者の健康状態、或いは運転者毎の体力の違い
や、運転中の体力状態の変化に逐次対応した適切な有酸
素運動が可能となる。

【００１７】補助動力手段により出力される負荷力を実
現する態様は、電動アシスト自転車には、該補助動力手
段により選択的に出力された電動力及び負荷力を踏力に
合力させる合力手段が設けられ、該補助動力手段は、電
動モータを有し、更に、電動モータと合力手段との間
に、電磁クラッチが設けられる。このとき、負荷力は、
電動モータが電源供給されていない状態で電磁クラッチ
により電動モータと合力手段とを接続することにより生
じる該電動モータの回転抵抗として与えられる。このよ
うに補助動力及び負荷力を提供する手段が一体化してい
るので、車体の簡素化をより一層推し進めることができ
る。なお、アシスト運転モード及び有酸素運動モードの
いずれでもない通常の走行時では、電磁クラッチを解放
することにより、モータ負荷がかからないようにでき
る。

【００１８】好ましくは、補助動力手段は、電動モータ
の回転速度を減速させるため、電動モータの出力軸及び
合力手段の間に介在される減速手段を有する。更に好ま
しくは、減速手段は、減速比を変更可能である。この場
合、補助動力手段は、減速手段の減速比を変更すること
により負荷力を調整することができる。電動モータに電
力供給するバッテリーを有する場合、好ましくは、該バ
ッテリー関連の回路を、電動モータが電力供給されてい
ない状態で負荷力に対抗する踏力により回転されるとき
生じる起電力で充電されるように設計することができ
る。これによって、負荷力を増大させることができると
共に、充電の手間を省略して電動アシスト自転車を使い
易くすることができる。

【００１９】また、電動モータの回転抵抗を負荷力とし
て用いる態様は、非走行時（即ち、車速ゼロ時）で後輪
が地面に接地した状態においても、ペダルを逆回転させ
たり、或いは、車輪への踏力伝達のオンオフ切り替えを
行うクラッチ機構を更に組み込むことによって、有酸素
運動を実行することができる。

【００２０】踏力を駆動輪に伝達するため回転可能な主
スプロケットを備えた電動アシスト自転車において、合
力手段の好ましい態様は、主スプロケットと共に同軸で
回転可能な副スプロケットと、補助動力手段により回転
される動力スプロケットと、副スプロケット及び動力ス
プロケットの間に張設された補助用チェーンと、を含
む。

【００２１】本態様によれば、補助動力手段が電動力を
出力すると、該電動力により動力スプロケットが回転さ
れる。動力スプロケットの回転トルクは、これに張設さ
れた補助用チェーンを介して副スプロケットに伝達され
る。これによって回転された副スプロケットは、主スプ
ロケットと共に同軸で回転するので、直ちに主スプロケ
ットに電動力を伝達する。主スプロケットは踏力及び電
動力の合力を駆動輪に伝達する。

【００２２】逆に、電動モータが電力供給されない場
合、主スプロケットに与えられた踏力は、副スプロケッ
ト及び動力スプロケットを介して、電動モータを回転さ
せるように作用し、踏力に対抗する負荷を与える。この
ような二重チェーン方式としたことにより、補助動力手
段の設置の自由度が大幅に拡大される。例えば、動力ス
プロケットを副スプロケット（及びかくして主スプロケ
ット）の周方向の任意位置に配置することができる。更
に、補助用チェーンの長さを変更すれば、副スプロケッ
ト（及びかくして主スプロケット）からの動力スプロケ
ットの距離を自在に調整することができる。

【００２３】補助動力手段は、踏力レベルを、一例とし
て略一定の踏力値に設定してもよい。勿論、有酸素運動
を可能とする踏力範囲であれば、時間的に変化する任意
の踏力パターンを設定することができる。例えば、別の
好ましい態様では、ドライブ軸の回転速度を検出する回
転速度検出手段を更に含み、補助動力手段は、検出され
た踏力と検出されたドライブ軸の回転速度との積に対応
する仕事率に基づいて、踏力レベルを調整する。後者の
態様では、単に踏力のみではなく、カロリー消費量をよ
り適正に反映する実際の仕事率に基づくため、有酸素運
動を適切に行うことができる。

【００２４】更に好ましくは、任意期間の時間を計測す
る時間計測手段を更に含み、補助動力手段は、時間計測
手段により計測された時間に関する仕事率の積分値が所
定値に達した場合、有酸素運動を可能とする運転モード
を停止し、通常のアシスト運転モードに移行する。これ
により、予め定められた有酸素運動の量を適正に実行す
ることができる。

【００２５】本発明の更に別の好ましい態様の電動アシ
スト自転車は、ドライブ軸の実質的に一方向の回転のみ
を主スプロケットに伝達するようにドライブ軸と主スプ
ロケットとを連結する一方向クラッチ手段を更に含み、
好ましい踏力検出手段は、一方向クラッチ手段のペダル
踏力に応じた変形によって変化する物理量を検出する。

【００２６】本態様では、自転車に必要不可欠である一
方向クラッチ手段のペダル踏力に応じた変形によって変
化する物理量に基づいて補助動力を制御するので、従来
の電動アシスト自転車のように通常の自転車では用いら
れていないトルク検出用の大型コイルスプリングや円盤
等の別体部品を追加する必要を無くすことができる。こ
のように踏力検出手段においても、車体フレームの改造
を最小限度に抑えることができるため、上記各態様の効
果と相俟って、本発明の電動アシスト自転車全体を簡素
化することができる。

【００２７】また、他の態様に係る、踏力を電動力で補
助して走行可能な電動アシスト自転車は、踏力を検出す
る踏力検出手段と、運転者の心拍数を検出する心拍数検
出手段と、少なくとも心拍数検出手段により検出された
心拍数に基づいて有酸素運動が可能となる踏力レベルを
設定する、踏力設定手段と、踏力検出手段により検出さ
れた踏力が、踏力設定手段により設定された前記踏力レ
ベルとなるように電動力を踏力に付加可能である、補助
動力手段と、を含む。

【００２８】本発明の他の目的及び利点は、以下で説明
される本発明の好ましい実施形態を参酌することによっ
て、より明瞭に理解されよう。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好ましい実施形態を説明する。

【００３０】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、通常の自転車と同様に、金属管製の車体フレーム３
から構成され、該車体フレーム３には、前輪２０、後輪
２２、ハンドル１６、及びサドル１８などが周知の態様
で取り付けられている。

【００３１】また、車体フレーム３の中央下部には、ド
ライブシャフト４が回転自在に軸支され、その左右両端
部には、クランク棒６Ｌ、６Ｒを介してペダル８Ｌ、８
Ｒが各々取り付けられている。このドライブシャフト４
には、車体の前進方向に相当するＲ方向の回転のみを伝
達するための一方向クラッチ（後述する図７（ｂ）の９
９）を介して、主スプロケット２が同軸に取り付けられ
ている。この主スプロケット２と、後輪２２の中央部に
設けられた後輪動力機構１０との間には無端回動のチェ
ーン１２が張設されている。

【００３２】本実施形態の電動アシスト自転車１は、走
行しながら運転者が有酸素運動を実行することを可能と
する有酸素運動モード、少なくとも車体走行速度及び踏
力から決定されたアシスト比率（補助電動力／踏力）に
従って電動力で踏力を補助して走行する電動アシストモ
ード、及び、電動力や負荷力を付加しない通常の自転車
としての使用法である通常運転モードのいずれかで走行
することができる。

【００３３】図２を参照すると、本実施形態に係る電動
アシスト自転車１において有酸素運動モード及び電動ア
シストモードを実行するための主要部の概略が示されて
いる。この主要部は、１個の１６ビット１チップマイコ
ン１４によって制御される。１チップマイコン１４は、
１単位のデータ及びコマンドが１６ビットで構成され、
図示しない不揮発性メモリ内に記憶した任意プログラム
に従った処理を実行する。更に、１チップマイコン１４
は、時計機能を内蔵しており、任意の事象間の時間をク
ロック数で計測することができる。

【００３４】１６ビット１チップマイコン１４による制
御系は、ＰＷＭ制御可能な電動モータ３７と、１チップ
マイコン１４から出力された制御信号の電力を増幅して
該電動モータ３７に出力する増幅回路１５と、を含む。
なお、電動モータ３７に電源供給するためバッテリー１
７が増幅回路１５に接続される。１チップマイコン１４
は、後述する所定のアルゴリズムに従って補助電動力を
演算し、該補助電動力に対応した回転トルクを出力する
ように電動モータ３７を指令するべく該補助電動力に応
じたパルス幅に変調されたパルス信号を順次出力する。
なお、増幅回路１５は、パルス信号に対する電力増幅機
能だけではなく、パルス信号のバッファとしての機能を
兼ね備えている。

【００３５】電動モータ３７の出力軸３７ａには、電動
モータの回転速度を可変の減速比で減速する減速部３５
が接続され、更に減速部３５の出力軸３５ａには、出力
された電動力を踏力に合力させるための動力スプロケッ
ト３３が接続される。なお、合力機構の詳細については
後述する。

【００３６】減速部３５は、例えば太陽ギア、遊星ギ
ア、リングギア及びクラッチ等から構成される遊星歯車
機構等により実現することができる。この構成例の場
合、１チップマイコン１４からの制御信号により各種ク
ラッチの係合及び解放を電磁制御可能とすることで、減
速部３５の減速比を制御することができる。更に、減速
部３５には、電動モータ３７の出力軸３７ａから減速部
３５の出力軸３５ａへの回転トルク伝達経路上に、電磁
クラッチ２５０が設けられる。この電磁クラッチ２５０
は、１チップマイコン１４の制御信号に応じて係合及び
解放し、回転トルクの動力スプロケット３３への伝達の
有無が切り替えられる。

【００３７】また、電動モータ３５が電力供給されてい
ない状態で電磁クラッチ２５０が係合されると、逆に、
電動モータ３５は、動力スプロケット３３からの回転ト
ルク即ち踏力により回転されるが、このとき電動モータ
３５で発生したバックトルクが踏力に抵抗する負荷力と
して作用する。これと同時に電動モータ３５には、起電
力が発生する。増幅回路１５は、このモータ起電力を利
用してバッテリー１７を充電するように回路設計するこ
とも可能である。なお、モータがいずれの方向に回転し
ても、バッテリーに供給される電圧の極性が常に同じに
なるように、その回転方向に応じて極性反転させること
で充電することができる。

【００３８】図２に示す主要部の検出系は、車速を反映
する部分、例えばドライブシャフト４の回転速度を検出
する回転速度センサー２２０、踏力を表す信号を出力す
る、少なくとも２つの歪みゲージ１２６、該歪みセンサ
ーの出力信号を平均化出力（又は加算出力）する演算部
２５２、運転者の心拍数を検出する心拍数検出センサー
２５４、並びに、前述した３つの運転モード間を切り替
えるためのモード切り替えスイッチ２５６を有する。こ
れらの出力信号、即ち回転速度信号、歪ゲージ信号、心
拍数信号及び運転モード信号は、１チップマイコン１４
に入力され、図示しないメモリに記憶される。

【００３９】なお、１チップマイコン１４は、モード切
り替えスイッチ２５６により指定された運転モードを識
別するためのコードを運転モードフラグＦｄとして記憶
するが、たとえモード切り替えスイッチ２５６が有酸素
運動モード又は電動アシストモードを指定したとして
も、バッテリー残量が不充分であったり、電動モータの
温度が許容範囲外の条件では、通常運転モードのコード
に運転モードフラグＦｄを書き換える機能を備えてい
る。

【００４０】回転速度センサー２２０及び歪みゲージ１
２６を用いたトルク検出機構の詳細については後述す
る。

【００４１】心拍数検出センサー２５４は、例えば、運
転者の耳、指先、腕など、身体上の任意部分に取り付け
られる、周知のセンサーを用いることができる。更に、
心拍数検出に代えて、又は、これに加えて、血圧等、人
体の様々なパラメータを検出するセンサーを設けてもよ
い。 （合力及び補助動力機構）ここで、電動アシスト自転車
１における補助動力と踏力との合力機構、並びに、該補
助動力の供給機構を図６乃至図８を用いて説明する。

【００４２】図６には、主スプロケット２を裏側（図１
の反対側）から見たときの合力機構の一例が示されてい
る。この合力機構は、主スプロケット２と同軸に軸支さ
れた副スプロケット３０と、所定条件下で出力される補
助動力により回転可能な動力スプロケット３３と、動力
スプロケット３３から副スプロケット３０へ補助動力を
伝達させるため、これらのスプロケット（３０、３３）
の間に張設された無端回動のアシストチェーン３２と、
を含む。動力スプロケット３３及び副スプロケット３０
は、同一ピッチの歯を備えており、好ましくは、動力ス
プロケット３３の歯数は、副スプロケット３０の歯数よ
り小さい。

【００４３】図６の合力機構は、主スプロケット２より
車体の内側に配置されているので、副スプロケット３０
及び動力スプロケット３３の車体外側への出っ張りが無
くなり、車体の小型化を図ることができる。更に、図示
のように、主スプロケット２と動力スプロケット３３と
の間隔を主スプロケット２の半径より小さくできるの
で、合力機構全体を小さくまとめることができる。この
ため、図７（ａ）に示すように、自転車外部（表側）か
ら見ると、合力機構は、主スプロケット２の軸方向内側
にそのほとんどが隠され、外観を損なうおそれがない。
チェーン１２を隠すように主スプロケット２にチェーン
カバー３８を取り付けることにより、チェーン保護と共
に更に外観を改善することができる。

【００４４】図７（ａ）の側断面図を図７（ｂ）に示
す。同図に示すように、主スプロケット及び副スプロケ
ット３２は、互いに対し動かないように（即ち一体回転
するように）ピン１２３で固定されており、それらは共
に一方向クラッチ９９を介してドライブシャフト４に連
結されている。動力スプロケット３３は、ドライブシャ
フト４に平行に延びる動力シャフト３５ａを介して駆動
ユニット１３に作動的に連結される。動力スプロケット
３３の中心孔３４にセレーション（図６、８参照）を形
成することにより、動力シャフト３５ａと中心孔３４と
の間の滑り回転が防止される。

【００４５】駆動ユニット１３は、一般の自転車と同様
のフレームに取り付けられており、そのハウジング内に
は、上述した電動モータ３７及び減速部３５が収容され
る。

【００４６】次に、本実施形態に係る合力機構の作用を
説明する。

【００４７】所定条件下で電動モータ３７が回転制御さ
れ、その補助動力が減速部３５を介して動力スプロケッ
ト３３に提供されたとき、動力スプロケットのトルク
は、アシストチェーン１２を介して副スプロケット３０
に伝達され、該副スプロケット３０に対し固定された、
踏力により回転される主スプロケット２に直ちに伝達さ
れる。かくして、補助動力及び踏力の合力が達成され
る。

【００４８】電動モータ３７が回転していないときは、
減速部３５内に設けられた図示しない上記一方向クラッ
チにより、モータの回転負荷は動力スプロケット３３に
伝達されることがなく、軽快な運転が可能となる。

【００４９】このように本実施形態では、従来技術のよ
うに踏力伝達用のチェーン１２に直接、補助動力を伝達
させるのではなく、動力スプロケット３３の補助トルク
を、別体のチェーン３２を介して主スプロケット２と共
に回転する副スプロケット３０に伝達させる、いわゆる
二重チェーン方式を採用した。これによって、従来技術
と比較して、駆動ユニット１３の配置の自由度が大幅に
広がることになる。例えば、図６及び図７（ａ）に示す
ように、自転車の進行方向へ駆動ユニットを配置するこ
とができるので、電動アシスト自転車用に特別に用意し
た専用フレームでなくても、通常の自転車フレームでも
駆動ユニット１３を取り付けることができる。

【００５０】勿論、周方向の任意の位置に動力スプロケ
ット３３を配置することができる。図８には、動力スプ
ロケット３３の位置を周方向に時計回りで９０度ほど変
更した例が示されている。この場合、サドル１８（図
１）の支持フレームに駆動ユニット１３を取り付けるこ
とが可能となる。更には、アシストチェーン３２の長さ
を選択することによって、動力スプロケット３３の径方
向位置（主スプロケット２の中心から動力スプロケット
３３の中心までの距離）も、より外側及びより内側へと
自在に調整可能となる。かくして、駆動ユニット１３の
最低地上高も高くすることや低くすることもできる。

【００５１】このように二重チェーン方式には、設置自
由度があるため、自転車の種類を選ばず、その電動化を
実現することができる。逆に云えば、フレームデザイン
の自由度がきわめて高くなる。

【００５２】その上、図示のように動力スプロケット３
３の歯数を副スプロケット３０の歯数に対して小さくす
れば、合力機構だけで減速が可能となる。これによっ
て、減速部３５の減速比を小さく取れ、その結果、減速
部を簡素化及び小型化することができる。このように本
実施形態では、減速比に関しても設計の自由度を拡大す
ることができる。

【００５３】図３のフローチャートに、図２に示す１チ
ップマイコン１４のメイン処理の流れを一例として概略
的に示す。このメインルーチンは、所定周期毎に繰り返
される。

【００５４】図３に示すように、まず、レジスタに記憶
された運転モードフラグＦｄを判定する（ステップ３０
０）。この運転モードフラグＦｄのコード情報に応じ
て、これ以降の処理が分岐される。

【００５５】ステップ３００の判定の結果、電動アシス
トモードが選択された場合、１チップマイコン１４は、
入力された回転速度信号に基づいて車速ｖ又はこれに関
連する物理量を演算する（ステップ３０２）。次に、１
チップマイコン１４は、演算器２５２からの歪みゲージ
信号に基づいてペダル踏力又はこれに関連する物理量Ｐ
ｑを演算する（ステップ３０４）。そして、演算された
車速及び踏力Ｐｑに基づいて、アシスト比（電動力／踏
力）又はこれに関連する制御量を決定する（ステップ３
０６）。アシスト比の決定は、例えば、車速及び踏力の
各段階区分とアシスト制御量とを関係付けるルックアッ
プテーブルを参照することによって行うことができる。
次に、１チップマイコン１４は、電磁クラッチ２５０を
係合した状態で、電動モータ３７をＰＷＭ（Pulse widt
h Modulation）制御し、決定されたアシスト比に対応す
る補助動力を発生させる（ステップ３０８）。即ち、該
補助動力に応じたパルス幅に変調されたパルス信号を順
次出力する。運転モードフラグＦｄ「電動アシストモー
ド」が書き換えられない限り、ステップ３０２〜３０８
は連続的に繰り返される。

【００５６】ステップ３００で通常運転モードが選択さ
れた場合、１チップマイコン１４は、電磁クラッチ２５
０を解放すると共に、電動モータ３７を停止させる（ス
テップ３１０）。運転モードフラグＦｄ「通常運転モー
ド」が書き換えられない限り、ステップ３１０は連続的
に繰り返される。

【００５７】ステップ３００で有酸素運動モードが選択
された場合、運転者が有酸素運動を行うことを可能にす
る運転が実行される（ステップ３１２）。運転モードフ
ラグＦｄ「有酸素運動モード」が書き換えられない限
り、ステップ３１２は連続的に繰り返される。

【００５８】次に、ステップ３１２の有酸素運動モード
運転の概念的な処理の流れを、図４のフローチャートを
用いて説明する。

【００５９】最初に、１チップマイコン１４は、演算器
２５２からの歪みゲージ信号に基づいてペダル踏力又は
これに関連する物理量Ｐｑを演算する（ステップ３３
０）。次に、心拍数検出センサー２５４からの信号に基
づいて心拍数ｈを検出する（ステップ３３２）。次に、
少なくとも心拍数ｈに基づいて、運転者が有酸素運動を
行うことを可能にする踏力レベルＰｒを制御目標として
設定する（ステップ３３４）。例えば、心拍数ｈが比較
的大きい場合、踏力レベルＰｒを低く設定し、心拍数ｈ
が比較的小さい場合、踏力レベルＰｒを高く設定する。
このステップは心拍数毎に理想的な踏力レベル値を記憶
したテーブルを検索することにより達成することができ
る。

【００６０】次に、ＰｑとＰｒとを比較し、両者の大小
関係を判定する（ステップ３３６）。

【００６１】検出された踏力Ｐｑが設定踏力レベルＰｒ
より大きい場合（Ｐｑ＞Ｐｒ）、踏力Ｐｑを目標値であ
るＰｒまで減少させるため必要となる電動力Ｔｅを演算
する（ステップ３３８）。この電動力Ｔｅは、（Ｐｑ−
Ｐｒ）の関数（最も簡単には、その比例関数）である。
そして、電磁クラッチ２５０を係合した状態で、電動モ
ータ３７をＰＷＭ制御し、ステップ３３８で演算された
電動力Ｔｅを発生させる（ステップ３４０）。

【００６２】これに対し、ステップ３３６の判定で、検
出された踏力Ｐｑが設定踏力レベルＰｒより小さい場合
（Ｐｑ＜Ｐｒ）、踏力Ｐｑを目標値であるＰｒまで増加
させるため必要となる負荷力Ｌを演算する（ステップ３
４２）。この負荷力Ｌは、（Ｐｒ−Ｐｑ）の関数（最も
簡単には、その比例関数）である。次に、演算された負
荷力Ｌを達成するため必要となる減速比に減速部３５を
ギアチェンジする（ステップ３４４）。そして、電磁ク
ラッチ２５０を係合した状態で、電動モータ３７を停止
させ、踏力に抵抗する負荷力を発生させる（ステップ３
４６）。なお、一定時間経過しても、踏力ＰｑがＰｒに
達しない場合は、負荷力Ｌを更に増加させることによ
り、車速をより減少させ、踏力の増加を促すようにして
もよい。

【００６３】ステップ３３６の判定で、検出された踏力
Ｐｑが設定踏力レベルＰｒと略等しい場合（Ｐｑ≒Ｐ
ｒ）、電磁クラッチ２５０を解放し、電動モータ３７を
停止させる。これにより、電動力も負荷力も印加され
ず、設定踏力レベルＰｒと略等しい現在の踏力のみの運
転が続行される。

【００６４】上記分岐処理のいずれかが終了すると、本
ルーチンをリターンし、図３のメインルーチンのステッ
プ３００に再び戻り、同様の処理を繰り返す。

【００６５】このように本発明では、１つのユニットと
して構成された駆動ユニット１３それ自体が、電動力の
みならず、負荷力を与えることができる。従って、負荷
装置を電動ユニットとは別体の大掛かりな制動装置とし
て実現した従来技術と比べて、電動アシスト自転車１全
体の機構を簡素化し、重量を軽減することができる。更
に、合力機構として上記二重チェーン方式を採用したこ
とと相俟って、専用の車体フレームを作る必要を最小限
に抑え、通常のフレーム製造工程を生かすことができ
る。

【００６６】また、信号機の待ち合わせ等で車体を停止
させるとき、従来技術では、後輪回転時の負荷を利用し
ているため、２脚スタンド等を用いて一旦後輪を地面か
ら浮き上がらせた状態でペダル回転しなければならず、
迅速性に欠いていた。しかし、本実施形態では、電動モ
ータの回転抵抗を負荷力として用いた上、二重チェーン
方式等の合力機構を採用しているため、非走行時（即
ち、車速ゼロ時）で後輪が地面に接地した状態において
も、迅速に１脚スタンドで車体を倒れないようにし、ペ
ダルを逆回転させれば、停止時でもそのまま負荷がかけ
られた状態で有酸素運動を継続することができる（停止
時の有酸素運動）。

【００６７】図４のサブルーチンの処理の概要を図１７
（ａ）、（ｂ）を用いて具体的に説明する。先ず、図１
７（ａ）に示すように、本実施形態に係る電動アシスト
自転車１が、平地ｒ₁、上り坂ｒ₂、頂上平地ｒ₃、下り
坂ｒ₄、平地ｒ₅からなる道路を走行する場合を想定す
る。このとき、各路面を走行する際に必要となる推進力
は、図示のように、平地ｒ₁、ｒ₃及びｒ₅で有酸素運動
にほぼ適した略一定の値（設定踏力レベル値）となる。
一方、上り坂ｒ₂では平地の推進力より遥かに大きい最
大の推進力値となり、下り坂ｒ₄で最小値ゼロとなる。
従って、平地ｒ₁、ｒ₃及びｒ₅の走行では、踏力Ｐｑが
設定踏力レベル値Ｐｒに略等しくなるため、本実施形態
では、電動力及び負荷力のいずれも印加しないことにな
る。これに対し、上り坂ｒ₂の走行では、踏力が設定レ
ベル値より上回るため、これを電動力により補償し、該
踏力を設定レベル値付近まで低下させる。逆に、下り坂
ｒ₄の走行では、踏力を与えなくとも下り走行してしま
うため、図示のように、負荷力を与えることにより車速
を減少させ、運転者に踏力の印加を促す。

【００６８】かくして、上り坂、下り坂のある道路を走
行中においても、運転者は、略一定の踏力で走行するこ
とが可能となり、有酸素運動を適切に行うことができ
る。

【００６９】実際には、走行中に心拍数が変化するた
め、これを考慮に入れた制御例を図１７（ｂ）に示す。
図示のように、心拍数の変化は、上り坂ｒ₂を走行する
とき比較的大きな割合で上昇し、平地ｒ₁、ｒ₃、ｒ₅及
び下り坂ｒ₄では、略一定であると想定している。

【００７０】図１７（ｂ）の例では、上り坂ｒ₂の走行
途中の時刻ｔ₁で、心拍数は閾値Ｈを超え、この時点
で、図１７（ａ）の電動力及び負荷力に、心拍数に基づ
く追加トルク２６０が付加されるように制御される。そ
の結果、時刻ｔ₁以降では、運転者の踏力は、それ以前
の踏力より減少し、心拍数がこれ以上増加しないように
なる。このように心拍数を考慮に入れた態様では、搭乗
時の運転者の健康状態、或いは運転者毎の体力の違い
や、運転中の体力状態の変化に逐次対応した適切な有酸
素運動が可能となる。

【００７１】次に、図４のステップ３３４の他の態様に
ついて図５のフローチャートを用いて詳細に説明する。
これは、仕事率という観点で踏力レベルを設定すると共
に、有酸素運動の仕事量を管理するものである。

【００７２】先ず、時間インターバルΔｔをカウントす
る（ステップ３６０）。時間インターバルΔｔは、図５
のルーチンがリターンされた直前の時点から次に本ルー
チンが呼ばれるまでの時間間隔であり、踏力、回転速度
等が略一定とみなせる微少時間である。

【００７３】次に、ドライブシャフト４の回転速度Ｒを
検出し（ステップ３６２）、図４のステップ３３０、３
３２で既に検出されてメモリに記憶された踏力Ｐｑ及び
心拍数ｈを読み込む（ステップ３６４）。その後、運転
者の踏力による仕事率Ｓを、踏力Ｐｑとドライブシャフ
ト４の回転速度Ｒとの積（又はその関数）として求める
（ステップ３６６）。

【００７４】次に、心拍数ｈ及び仕事率Ｓに基づいて、
踏力レベルＰｒを制御目標として設定する（ステップ３
６８）。例えば、仕事率Ｓが比較的大きい場合、踏力レ
ベルＰｒを低く設定し、仕事率Ｓが比較的小さい場合、
踏力レベルＰｒを高く設定する。心拍数ｈに関連するＰ
ｒの設定についても同様である。このステップは心拍数
及び仕事率Ｓ毎に理想的な踏力レベル値を記憶したテー
ブルを検索することにより達成することができる。

【００７５】次に、このときまでに有酸素運動でなされ
た全仕事量Ｗを次式により演算する（ステップ３７
０）。

【００７６】Ｗ＝Ｗ＋Ｓ・Δｔ ここで、Ｗは、有酸素運動開始時に０に初期化されてお
り、このルーチンを繰り返す毎に上式第２項が順次加算
される。上式において、ステップ３６０でカウントした
Δｔの間、仕事率Ｓを略一定と仮定するため、第２項Ｓ
・Δｔは、Δｔの間に運転者が踏力によりなした仕事と
みなすことができる。

【００７７】次に、仕事量Ｗが所定の閾値Ｗ₀以上とな
ったか否かを判定する（ステップ３７２）。ここで、閾
値Ｗ₀は、有酸素運動量の適正値と考えられるもので、
運転者が所望の運動量に応じて適宜設定したり、運転者
の平均心拍数等に応じて１チップマイコンが自動的に設
定してもよい。仕事量Ｗが所定の閾値Ｗ₀より少ない場
合（ステップ３７２否定判定）、本ルーチンをリターン
し、図３の有酸素運動モード運転を続行する。

【００７８】仕事量Ｗが閾値Ｗ₀以上となった場合（ス
テップ３７２肯定判定）、変数（Ｗ、Δｔ、Ｓ）をクリ
アし（ステップ３７４）、運転モードフラグＦｄを「電
動アシストモード」のコードに書き換え（ステップ３７
６）、図３のステップ３００へと移行する（ステップ３
７８）。即ち、有酸素運動の全運動量Ｗが所望の運動量
に達すれば、電動アシストモードに移行する。

【００７９】ステップ３６６で演算した仕事率Ｓは、単
なる踏力と比較して、カロリー消費量をより適正に反映
する（踏力が大きくても回転数Ｒが小さい場合、カロリ
ー消費量は高くならず、或いは、踏力が小さくても回転
数Ｒが大きい場合には、カロリー消費量は低くならな
い）。従って、仕事率に基づく図５の踏力レベル設定に
より、有酸素運動を適切に行うことができる。

【００８０】また、有酸素運動の運動量を把握できるた
め、予め定められた道路を走行するときを利用して有酸
素運動を行う場合にも利用することができる。例えば、
通勤、通学時等の定められた道路では運動量が少ない場
合であっても、上記した停止時の有酸素運動を事前に行
うことによって、不足分を補うことができる。

【００８１】１チップマイコン１４は、定期的にバッテ
リーの残量チェックを行うことが好ましい。バッテリー
残量が少ない場合、１チップマイコン１４は、回路１５
を介して、踏力によりモータ３７が回転するとき（ステ
ップ３４６等）に発生したモータ起電力でバッテリー１
７を充電させてもよい。また、上記した停止時の有酸素
運動を行う場合にも、モータ起電力によりバッテリー１
７を充電すれば、充電の手間を省くことができる。この
とき、１チップマイコン１４は、回転速度センサー２２
０からの信号に基づいてペダルの回転方向を判定し、そ
の回転方向の相違によるモータ起電力の極性の違いに応
じて、バッテリー１７及びモータ３７間の接続態様を図
示しないリレー等で切り替える。

【００８２】なお、本実施形態で使用される１チップマ
イコン１４は、１単位のデータ及びコマンドが１６ビッ
トで構成されているため、従来の電動アシスト自転車で
用いられている８ビットのマイコンよりも高度な処理機
能を有するプログラムをより大きなデータ量に基づいて
より高速に実行することが可能となる。そこで、本実施
形態では、専用のＰＷＭ制御ＩＣを省略し、１チップマ
イコン１４によって、上記各ステップの電子的処理を一
括して行うと共に、直接、電動モータ３７に対してステ
ップ３０８、３４０のようなＰＷＭ制御を行う。このＰ
ＷＭ制御は、１チップマイコン１４の図示しないメモリ
に記憶されたソフトウェア（ファームウェアを含む）に
よって実現できる。

【００８３】このように本実施形態では、処理能力の高
い１６ビットマイコンを使用することにより、基本設計
を大きく変更することなく、例えばＰＷＭ制御など従来
では専用ＩＣを用いていた制御を１個のマイコンで全て
こなすようにした。従って、全体として部品点数、基板
面積を減らすことができ、小型化と共にトータルのコス
ト削減に資することができる。例えば、１６ビットマイ
コンは、８ビットマイコンより高価であるが、従来の８
ビットマイコンの付加機能手段として、ＰＷＭ制御専用
ＩＣ、電池残量監視等の他の電子的処理を行うＩＣ及び
それらの周辺部品を合わせると、逆に８ビットマイコン
はコストアップとなる。

【００８４】また、１６ビットマイコンは、ソフトウェ
アで様々な処理を無理無く実現できるため、回路が簡単
にできる。また、将来も同様に柔軟に機能アップが図れ
るので、この点からもコストダウンが図れる。更に、ソ
フトで常に電動アシスト状態を監視できるので、如何な
る状態でも即座に電動モータ３７の停止を図ることがで
きる。 （回転速度センサー）１チップマイコン１４に入力され
る回転速度信号を出力する回転速度センサーを説明す
る。

【００８５】図９には、回転速度センサーの一構成要素
としてＮＳ分極リングマグネット２００が示されてい
る。このリングマグネット２００は、その中央に開口２
０５を有する略平坦なリングに形成されている。リング
マグネット２００は、そのリングを等角度毎に区分する
複数の磁石区分からなり、これらの磁石区分では、その
正面から見てＮ極側を向けたＮ極区分２０２と、Ｓ極側
を向けたＳ極区分２０４とが交互に配置されている。こ
の場合、側面図に示すように、Ｎ極区分２０２の反対側
がＳ極となり、Ｓ極区分２０４の反対側がＮ極となるべ
く磁力線の向きがリング面に略垂直となるように磁石区
分のＮ−Ｓ極を配向するのが好ましい。図の例では、１
２個の磁石区分が形成されているが、これよりも多くて
も少なくてもよく、被検出部の回転速度及び要求される
検出精度に応じて任意好適に変更可能である。

【００８６】なお、リング面に対し磁場の垂直成分が存
在すれば、各磁石区分のＮ−Ｓ極の配向の仕方は任意好
適に変更できる。例えば隣接するＮ極区分及びＳ極区分
を一つの磁石の両極として周方向に配置してもよい。こ
の場合、Ｎ極区分２０２の反対側もＮ極となり、Ｓ極区
分２０４の反対側もＳ極となるが、磁場の強度の点で
は、図９の例が好ましいと考えられる。

【００８７】図１０には、回転速度の被検出部としての
ギア２１０が示されている。ギア２１０は、シャフト２
１４により伝達されたトルクにより回転し、その一方の
表面には、リングマグネット２００を収容できる寸法及
び形状のリング溝２０８が形成されている。このリング
溝２０８にリングマグネット２００が収容され、接着剤
等で貼り付けられる。このとき、図示のように、リング
マグネット２００とギア２１０の表面とが面一になるこ
とが好ましい。これにより、ギア表面からリングマグネ
ットが突出せず、回転速度センサーの設置によるスペー
スの減少を最小限に抑えることができる。

【００８８】ギア２１０に設置されたリングマグネット
２００に隣接して、磁場を検出するためのホールＩＣ２
１２が配置されている。このホールＩＣは、半導体内の
電流の流れる方向と直角に磁場がある場合、ホール効果
により電流及び磁場と直角方向に電流と磁場に比例する
抵抗値を生じさせる素子を内蔵し、該抵抗値をデジタル
信号として出力する既存の磁場検出ＩＣである。ホール
ＩＣ２１２の出力端は、１チップマイコン１４に接続さ
れる。図１０の回転速度センサー２２０を斜視図で表す
と、図１１に示す通りとなる。

【００８９】１チップマイコン１４は、ホールＩＣ２１
２からの磁場検出信号（回転速度信号）を任意好適な方
法により解析してギア２１０の回転速度を検出する。こ
こで、ホールＩＣ２１２の検出位置におけるリングマグ
ネット２００による磁場波形の一例を図１２（ａ）に示
す。ホールＩＣ２１２は、図１２（ａ）に示すような磁
場を検出して図１２（ｂ）に示すパルス信号を出力す
る。図１２（ｂ）のパルス信号は、図１２（ａ）の磁場
波形のＮ極側極大部分に時間的に対応している。この場
合、正の値（Ｎ極側）のみを取り出し、負の値（Ｓ極
側）を消去しているが、負の値のみや、正負の両値を採
用することもできる。このパルス信号列の周期（パルス
間時間）は、リングマグネット２００の回転速度に比例
している。そこで、１チップマイコン１４は、ホールＩ
Ｃ２１２からのパルス信号の時間間隔を検出し、直ちに
リングマグネット２００及びかくしてギア２１０の回転
速度を求めることができる。

【００９０】勿論、磁場を検出できれば、ホールＩＣ以
外の磁場検出センサー、例えばコイル等を用いてもよ
い。この場合、磁場検出センサーの出力は、図１２
（ａ）のようなアナログ波形となり、１６ビット１チッ
プマイコン１４には、例えば、磁場信号のゼロ交差点
（磁場強度ゼロの点の時刻）、Ｎ極側ピーク、或いは、
Ｓ極側ピークを検出して、それらの時刻を求める機能が
更に付加される。図１２（ａ）に示すＮ極側ピーク２２
２及びＳ極側ピーク２２４は、Ｎ極区分及びＳ極区分の
最大磁極が磁場検出センサーの検出領域を通過した時点
を各々示しているので、各ピークの出現数及びその時刻
によりギア２１０が一回転するのに要する時間Ｔを検出
することができる。かくして、ギア２１０の回転速度
（２π／Ｔ）を直ちに求めることができる。勿論、ギア
２１０の一回転を待たなくとも、所定角度回転したとき
にギアの回転速度を求めてもよい。

【００９１】本実施形態の回転速度センサーは、ＮＳ分
極リングマグネット２００が平坦なリング形状であるの
で、嵩張らず省スペース化及び軽量化を達成することが
できる。また、非常に簡易な構造なので製作が容易とな
り、従ってコスト削減を図ることもできる。

【００９２】また、複数の磁石区分が一つの平坦なリン
グにまとめられたので、機器への組み付けも非常に容易
となる。例えば、図１０に示すように、ギア２１０の表
面にリング状の溝を掘り、そこにリングマグネットを埋
め込んで接着剤等で固定するだけである。分極に相当す
る個々の磁石をギアに埋め込んでいく作業と比べて、各
段に作業効率の向上を図ることができる。その上、溝の
深さとリングマグネットの高さとを揃えれば、全く外部
に突出せず、省スペース化に寄与する。

【００９３】また、各磁石区分が占める角度範囲を小さ
くすることによって、回転速度の時間分解能を向上させ
ることができる。

【００９４】回転速度センサー２２０は、電動アシスト
自転車１の走行速度を反映するように回転する任意の被
検出部に取り付けることができる。この被検出部とし
て、動力スプロケット３３に直接的若しくは他のギアを
介して間接的に作動連結された減速部３５内のギア（図
示せず）が、駆動ユニット１３のハウジング内に回転速
度センサー２２０を収容できるため好ましい。なお、図
５の処理では、電磁クラッチの係合、解放に拘わらず、
常にクランクシャフト４の回転速度を検出しなければな
らないため、クランクシャフト４、スプロケット２、或
いは、副スプロケット３０を被検出部とするのが好まし
い。

【００９５】これ以外の箇所として、例えば後輪動力伝
達機構１０内に配置された図示しないギア、動力スプロ
ケット３３、及び、前輪車軸の回転部分等が挙げられ
る。１チップマイコン１４は、上述したように求めた被
検査部の回転速度を、電動アシスト自転車１の走行速度
に変換する参照テーブルを有してもよい。 （踏力検出機構）１チップマイコン１４に入力される歪
みゲージ信号１、２を出力する踏力検出機構を図１３乃
至図１６を用いて説明する。本実施形態に係る踏力検出
機構は、踏力に応じた一方向クラッチ９９の変形によっ
て変化する歪みを検出する。

【００９６】図１３に示すように、主スプロケット２
は、一方向クラッチ９９を介してドライブシャフト４に
軸支される。この一方向クラッチ９９は、図１４に示す
ように、駒部１００及び歯部１１２を備える。

【００９７】駒部１００では、３つのラチェット駒１０
２が周方向に沿って等角度毎にその第２の係合面１１０
に配置されている。このラチェット駒１０２は剛体でで
きており、第２の係合面１１０の略径方向に沿った軸の
回りに回動可能とされている。ラチェット駒１０２は、
ラチェット駒１０２に力が作用していないとき、その長
さ方向が第２の係合面１１０に対して所定の角度をなす
（図１５の平衡方向１６０）ように駒立ち上げスプリン
グ１０４によって付勢されている。図１５に示すよう
に、ラチェット駒１０２が平衡方向１６０から上昇方向
ａ又は下降方向ｂに偏倚するとき、駒立ち上げスプリン
グ１０４は、その偏倚を平衡方向１６０に戻すようにラ
チェット駒１０２に僅かな弾性力を及ぼす。

【００９８】また、駒部１００の中央部には、ドライブ
シャフト４を受け入れるための駒部ボア１０６が形成さ
れ、この駒部ボア１０６は、駒部１００の裏面１０１か
ら突出した円筒部１０３も貫通している。裏面１０１に
は、円筒部１０３の外周囲に円状溝１５５（図１３）が
形成され、該円状溝１５５の中には、多数の鋼球１５２
が回転自在に嵌め込まれている。これによって、裏面１
０１には、軸方向の荷重受け兼滑り軸受け用のベアリン
グが形成される。

【００９９】皿バネ１２４が、その中心孔１２７に円筒
部１０３を通して駒部１００の裏面１０１に当接され
る。このとき、皿バネ１２４は、駒部１００からの圧力
に弾力で対抗する方向に鋼球１５２即ち荷重受けベアリ
ングを介して裏面１０１に滑動可能に接する。皿バネ１
２４の表面には、１８０度の位置関係で対向する２個所
に、歪みゲージ１２６が設置される。これらの歪みゲー
ジ１２６は、リード線１２８を介して１チップマイコン
１４に電気的に接続される。更に好ましくは、３個以上
の歪みゲージを皿バネ１２４に設置してもよい。このと
き、複数の歪みゲージを、皿バネ１２４の表面上で夫々
が回転対称の位置となるように設置するのが好ましい。

【０１００】皿バネ１２４は、椀状の支持器１３０の内
底部１３２に収められる。支持器１３０には、ドライブ
シャフト４を貫通させるための支持ボア１３３及び後面
から突出する支持円筒部１３４が形成される。支持円筒
部１３４の外周表面には、ねじが切ってあり、これを支
持部１４５のねじ切り内壁に螺合することによって、支
持器１３０が車体に固定される。この支持円筒部１３４
の内壁には、軸方向及び径方向の両荷重対応のベアリン
グ１３８が係合され（図１３参照）、ベアリング１３８
は、ドライブシャフト４に形成されたストッパー斜面１
４４によって係止される。同様に、ドライブシャフト４
の反対側にもベアリング１３９（図７（ｂ）参照）が取
り付けられるので、ドライブシャフト４は車体に対して
回転自在となる。

【０１０１】駒部ボア１０６の内壁には、軸方向５に延
びる第１の回転防止用溝１０８が４個所に形成されてい
る。駒部ボア１０６の内壁と摺接するドライブシャフト
４の外壁部分にも、第１の回転防止用溝１０８と対面す
るように軸方向５に延びる第２の回転防止用溝１４０が
４個所に形成されている。図１６（ａ）に示すように、
第１の回転防止用溝１０８及びこれに対面する第２の回
転防止用溝１４０は、軸方向に沿って延びる円柱溝を形
成し、各々の円柱溝の中には、これを埋めるように多数
の鋼球１５０が収容される。これによって、駒部１００
は、軸方向５に沿って摩擦抵抗最小で移動できると共
に、ドライブシャフト４に対する相対回転が防止され
る。これは、一種のボールスプラインであるが、他の形
式のボールスプライン、例えば無端回動のボールスプラ
インなどを、このような摺動可能な回転防止手段として
適用することができる。

【０１０２】また、駒部１００のドライブシャフト４へ
の取り付け方法として、図１６（ａ）のボールスプライ
ン以外の手段を用いることも可能である。例えば、図１
６（ｂ）に示すように、軸方向に延びる突起部１４０ａ
をドライブシャフト４に設け、該突起部１４０ａを収容
する第３の回転防止用溝１０８ａを駒部１００に形成す
る、いわゆるキースプライン形式も回転防止手段として
適用可能である。なお、図１６（ｂ）において、突起部
１４０ａを駒部１００側に、第３の回転防止用溝１０８
ａをドライブシャフト４側に設けてもよい。更に、図１
６（ｃ）に示すように、軸方向に延びる第４の回転防止
用溝１０８ｂ及びこれに対面する第５の回転防止用溝１
４０ｂを駒部１００及びドライブシャフト４に夫々設
け、これらの溝が形成する直方体状の溝の中にキープレ
ートを収容する、いわゆるキー溝形式も回転防止手段と
して適用可能である。

【０１０３】歯部１１２の第１の係合面１２１には、ラ
チェット駒１０２と係合するための複数のラチェット歯
１１４が形成されている。ラチェット歯１１４は、歯部
の周方向に沿って互い違いに周期的に形成された、第１
の係合面１２１に対してより急な斜面１１８と、より緩
やかな斜面１１６と、から構成される。

【０１０４】歯部１１２は、その第１の係合面１２１を
駒部１００の第２の係合面１１０に対面させるようにド
ライブシャフト４にカラー１１１を介して摺接可能に軸
支される。このとき、ラチェット駒１０２とラチェット
歯１１２とが係合される（図１５）。即ち、ドライブシ
ャフト４は、ラチェット駒１０２とラチェット歯１１２
との係合部分を介してのみ歯部１１２と作動的に連結さ
れる。カラー１１１を介して歯部ボア１２０を通過した
ドライブシャフト４の端部１４２には、歯部１１２が軸
方向外側にずれないようワッシャー１２２が嵌合される
（図１３）。歯部１１２には、主スプロケット２がピン
１２３（図１３）を介して動かないように取り付けら
れ、更に、ドライブシャフト４の先端にはペダル軸１４
６が取り付けられる。かくして、車体前進方向のペダル
踏力による回転のみを主スプロケット２に伝達するよう
にドライブシャフト４と主スプロケット２とを連結する
ラチェットギヤが完成する。

【０１０５】好ましくは、オフセット用バネ１３６が、
ドライブシャフト４のストッパー斜面１４４と、駒部１
００の裏面１０１との間に介在されるのがよい。このオ
フセット用バネ１３６は、ペダル踏力が所定値以下の場
合（例えば事実上ゼロに近い場合）、裏面１０１に収容
された鋼球１５２と皿バネ１２４との間にクリアランス
を生じさせるように駒部１００を軸方向に偏倚させる。

【０１０６】次に、本踏力検出機構の作用を説明する。

【０１０７】搭乗者がペダル８Ｒ、８Ｌ（図１）にペダ
ル踏力を与え、ドライブシャフト４を車体前進方向に回
転させると、この回転力は、ドライブシャフト４に対し
回転不可能且つ摺動可能に軸支された駒部１００に伝達
される。このとき、図１５に示すように、ラチェット駒
１０２は、駒部１００からペダル踏力に対応する力Ｆｄ
を与えられので、その先端部は歯部１１２のラチェット
歯のより急な斜面１１８に当接し、この力をラチェット
歯に伝達しようとする。ラチェット歯部１１２は、主ス
プロケット２に連結されているので、ラチェット駒１０
２の先端部は、駆動のための負荷による力Ｆｐをより急
な斜面１１８から受ける。その両端部から互いに反対向
きの力Ｆｐ及びＦｄを与えられたラチェット駒１０２
は、ａ方向に回転して立ち上がる。このとき駒部１００
は、ラチェット駒１０２の立ち上がりによって軸方向内
側に移動し、駒部１００と支持器１３０との間に介在す
る皿バネ１２４を押し込む。皿バネ１２４は、これに対
抗して弾性力Ｆｒを駒部１００に作用する。この力Ｆｒ
と、駒部１００を軸方向に移動させるペダル踏力を反映
した力とは短時間で釣り合う。かくして、皿バネ１２４
の応力歪み、駒部１００と歯部１１２との間のクリアラ
ンス、ラチェット駒１０２の第２の係合面１１０に対す
る角度、駒部１００の車体フレームに対する位置及び皿
バネ１２４が押し込まれる圧力などはペダル踏力を反映
する物理量となる。従って、これらのうち少なくとも１
つを検出することによって踏力Ｔを推定することが可能
となる。

【０１０８】本実施形態では、一例として皿バネ１２４
の応力歪みを検出する。１チップマイコン１４は、皿バ
ネ１２４に設けられた２つの歪みゲージ１２６からの信
号を少なくとも加算演算する（平均演算を含む）。この
ように複数箇所の応力歪み量を平均化して計測すること
によって、同じ踏力でも出力変化を大きくとれ且つノイ
ズ成分を平滑化することができるので、ＳＮ比を改善
し、踏力推定精度を更に向上させることができる。この
効果は、歪みゲージの個数が増えるほど大きくなる。

【０１０９】また、ペダル踏力が所定値以下の場合など
では、オフセット用バネ１３６は、駒部１００の裏面１
０１と皿バネ１２４との間にクリアランスを生じさせて
いるため、鋼球１５２が皿バネ１２４に頻繁に衝突する
ことが少なくなる。これによって、歪みゲージ信号のノ
イズ成分が軽減して、踏力検出及び電動アシスト制御の
安定性を向上させることができる。

【０１１０】次に、１チップマイコン１４は、少なくと
も演算された踏力Ｔに基づいて印加すべきアシスト用の
補助動力Ｔｅを演算し、該補助動力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。
好ましくは、１チップマイコン１４は、回転速度センサ
ー２２０により検出された回転速度信号を車速に変換
し、踏力T及び車速の両方に基づいて適切な補助動力Tｅ
を決定し、該補助動力Ｔｅを発生させるよう電動モータ
３７を制御する。

【０１１１】本実施形態の踏力検出機構には以下のよう
な更に優れた効果がある。 ラチェットギヤと踏力検出機構とを一つの機構で実
現したので、部品点数の削減化が図られ、小型、軽量化
及び低コストを達成できる。 踏力を検出する部分に、受け荷重ユニットと荷重検
出センサーとを一体化した皿バネを用い、２つの機能を
１ユニットで実現したので、上記効果に加えて更に小
型、軽量化及び低コストを達成できる。 上記項目及びに示したように踏力検出機構の小
型、軽量化及び簡素化をより高いレベルで達成したの
で、通常の自転車であっても踏力検出機構を取り付ける
可能性が更に広がった。 上記項目及びで示した理由により、従来機構に
比べて荷重の伝達ロスが少なくなり、制御の応答性のよ
いアシストフィーリングを実現できる。 上記項目及びで示した理由により、従来機構
（コイルバネ使用）に比べ、ペダルに無駄な動き（セン
サーが感知するまで）が無くなり、ペダルを踏み込んだ
ときのフィーリングは、従来機構は踏み込み時に弾力感
があったのに対し、本実施形態では、通常の自転車のフ
ィーリングと同様になった。

【０１１２】以上が本発明の実施形態であるが、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。

【０１１３】例えば、上記例では、有酸素運動としての
使用方法を示したが、本発明の電動アシスト自転車は、
電動力を小さくし又は無くし、負荷力を更に大きくした
筋力トレーニング用モードも付加することができる。更
に、心拍数をメモリーに蓄積しておいて、後程、担当医
の診断指示で踏力レベルを設定したり、また心拍数を病
院等の管理センターに無線信号で送信し、医師の管理下
で利用するなど、運転者の体力回復、リハビリテーショ
ンなどに活用することもできる。

【０１１４】また、図４の実施形態では、心拍数に応じ
て踏力レベルを設定したが、これに代えて、又は、これ
に加えて、人体の他のパラメータ、例えば血圧等に基づ
いて踏力レベルを設定してもよい。

【０１１５】また、有酸素運動モード時の負荷力は、電
動モータ３７の回転抵抗を利用したが、これのみに限定
されず、駆動ユニット１３内にブレーキ等の負荷力生成
手段を別途設けてもよい。更に、負荷力の調節を減速ギ
アのギア比調節で行ったが、電磁クラッチの係合及び解
放のデューティ比を調節することによっても行うことが
できる。

【０１１６】また、合力機構として、二重チェーン方式
を用いたが、本発明はこれのみに限定されず、例えば、
主スプロケット２と共に動力スプロケット３３が直接チ
ェーン１２と嵌合するようにしてもよい。

【０１１７】また、メインフローチャート（図３）、有
酸素運動モードのフローチャート（図４、５）の処理の
流れも適宜変更可能である。例えば、実際の踏力を目標
とする踏力レベルＰｒに略一致するように制御するた
め、所謂ＰＩＤ制御等を用いてもよい。

【０１１８】図示しなかったが、踏力、仕事率及び仕事
量の表示機能を設けてもよい。

【０１１９】トルク検出機構に関しては、一方向クラッ
チ９９の駒及び歯のいずれか一方をスプロケットに取り
付け、他方をドライブシャフトに取り付けるかは、任意
好適に変更可能である。例えば駒部１００をスプロケッ
ト側に取り付け、歯部１１２をドライブシャフト４に摺
動可能且つ回転不可能に取り付け、歯部１１２によって
皿バネ１２４を押し込めるようにしてもよい。

【０１２０】また、上記例では、皿バネの応力歪みを踏
力に関連する物理量として検出したが、本発明は、これ
に限定されず、一方向クラッチ９９の踏力に応じた変形
によって変化する任意の物理量を検出することができ
る。例えば、ラチェット駒の傾き、ラチェット駒部及び
ラチェット歯部の相対間隔、ラチェット駒部及びラチェ
ット歯部のいずれかの車体に対する位置、並びに、皿バ
ネを押す圧力などを、踏力を反映する物理量として選択
することができる。

【０１２１】更に、一方向クラッチ９９の変形に対抗し
て配置される弾性体も任意好適に種類及びその形状を変
更可能である。皿バネやコイルバネ以外に例えばゴム弾
性体などを用いることもできる。また、応力歪みを検出
する手段として、歪みゲージを例にしたが、応力歪みに
関連した物理量を検出できれば、これに限定されるもの
ではない。

【０１２２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、補助用電動力を出力可能な補助動力手段それ自体
が、少なくとも踏力検出手段により検出された踏力に基
づいて、有酸素運動が可能となる踏力レベルとなるよう
に、電動力及び負荷力のいずれかを選択して踏力に付加
するようにしたので、電動アシスト自転車全体の機構を
簡素化し、重量を軽減することができると共に、専用の
車体フレームを作る必要を最小限に抑え、通常のフレー
ム製造工程を生かすことができる、という優れた効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る動力アシスト自転車の概
略図である。

【図２】図２は、本発明の電動アシスト自転車の制御系
及び検出系を示す概略図である。

【図３】図３は、本発明の電動アシスト自転車の主要な
制御の流れを示すフローチャートである。

【図４】図４は、有酸素運動モード運転の制御の流れを
示すフローチャートである。

【図５】図５は、別の態様に係る踏力レベル設定の流れ
を示すフローチャートである。

【図６】図６は、本発明の一実施形態に係る電動アシス
ト自転車の二重チェーン方式の合力機構を示すため、主
スプロケットの裏側から見た拡大正面図である。

【図７】図７は、本発明の電動アシスト自転車の合力機
構を示す図であって、（ａ）は主スプロケットの表側か
ら見た拡大正面図、（ｂ）はその側断面図である。

【図８】図８は、本発明の別の実施形態に係る電動アシ
スト自転車の二重チェーン方式の合力機構を示すため、
主スプロケットの裏側から見た拡大正面図である。

【図９】図９は、本発明の電動アシスト自転車に組み付
けられる回転速度センサーの一構成要素としてのＮＳ分
極リングマグネットの上面図及び側面図である。

【図１０】図１０は、図９のＮＳ分極リングマグネット
をギア表面に組み付けて回転速度センサーを構成した状
態を示す正面図及び該回転速度センサーの垂直線に沿っ
て取られた側断面図である。

【図１１】図１１は、図１０の回転速度センサーの斜視
図である。

【図１２】図１２は、ＮＳ分極リングマグネットに隣接
して配置されたホールＩＣにより検出された磁場信号の
時間的変化を示す波形である。

【図１３】図１３は、本発明の電動アシスト自転車の踏
力検出機構を具現する一方向クラッチを含むドライブシ
ャフト回りの側断面図である。

【図１４】図１４は、図１３に示された一方向クラッチ
の分解斜視図である。

【図１５】図１５は、本発明の電動アシスト自転車の踏
力検出の原理を説明するため一方向クラッチ（ラチェッ
トギヤ）の歯及び駒の嵌合状態を示す図である。

【図１６】図１６は、ドライブシャフトに対する駒部の
相対回転を防止する回転防止手段の例を示す図であり、
（ａ）はボールスプライン、（ｂ）はスプラインキー、
（ｃ）はキー溝の概略構成を示す上面図である。

【図１７】図１７は、図４の処理において、例示された
道路を走行する場合における具体的な制御内容及び結果
を示す図であって、（ａ）は心拍数を考慮しないときの
制御、（ｂ）は、心拍数を考慮したときの制御に関す
る。

【符号の説明】

１ 電動アシスト自転車 ２ 主スプロケット ３ フレーム ４ ドライブシャフト １２ チェーン １３ 駆動ユニット １４ １チップマイコン（１６ビット） １５ 増幅回路 １７ バッテリー ２２ 駆動輪（後輪） ３０ 副スプロケット ３２ アシストチェーン ３３ 動力スプロケット ３５ 減速部 ３５ａ 出力軸 ３７ 電動モータ ９９ 一方向クラッチ １００ 駒部 １０２ ラチェット駒 １１２ 歯部 １１４ ラチェット歯 １２４ 皿バネ １２６ 歪みゲージ １４５ 支持部 ２００ リングマグネット ２１２ ホールＩＣ ２２０ 回転速度センサー ２５０ 電磁クラッチ ２５４ 心拍数検出センサー ２５６ 運転モード切り替えスイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小勝 京介 大阪府高槻市明田町７番１号 サンスター 技研株式会社内 (72)発明者 吉家 彰人 大阪府高槻市明田町７番１号 サンスター 技研株式会社内 (72)発明者 二唐 史 大阪府高槻市明田町７番１号 サンスター 技研株式会社内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 踏力を電動力で補助して走行可能な電動
   アシスト自転車であって、 踏力を検出する踏力検出手段と、 少なくとも前記踏力検出手段により検出された踏力に基
   づいて、有酸素運動が可能となる踏力レベルとなるよう
   に、電動力及び負荷力のいずれかを選択して踏力に付加
   可能である、補助動力手段と、 を含む、電動アシスト自転車。
2. 【請求項２】 運転者の心拍数を検出する心拍数検出手
   段を更に含み、 前記補助動力手段は、少なくとも前記心拍数検出手段に
   より検出された心拍数に基づいて、前記踏力レベルを設
   定する、請求項１に記載の電動アシスト自転車。
3. 【請求項３】 前記補助動力手段は、１つのユニットと
   して構成される、請求項１又は２に記載の電動アシスト
   自転車。
4. 【請求項４】 前記補助動力手段は、検出された踏力が
   前記踏力レベルを超えて大きい場合、該踏力が該踏力レ
   ベルとなるように前記電動力を制御する、請求項１乃至
   ３のいずれか１項に記載の電動アシスト自転車。
5. 【請求項５】 前記補助動力手段は、検出された踏力が
   前記踏力レベルより小さくなった場合、検出された踏力
   が該踏力レベルとなるまで、前記負荷力の増大制御を行
   う、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動アシス
   ト自転車。
6. 【請求項６】 前記補助動力手段により選択的に出力さ
   れた前記電動力及び負荷力を前記踏力に合力させる合力
   手段が設けられ、 前記補助動力手段は、電動モータを有し、 前記電動モータと前記合力手段との間に、電磁クラッチ
   が設けられ、 前記負荷力は、前記電動モータが電源供給されていない
   状態で前記電磁クラッチにより前記電動モータと前記合
   力手段とを接続することにより生じる該電動モータの回
   転抵抗として与えられる、請求項１乃至５のいずれか１
   項に記載の電動アシスト自転車。
7. 【請求項７】 前記補助動力手段は、前記電動モータの
   回転速度を減速させるため、前記電動モータの出力軸及
   び前記合力手段の間に介在される減速手段を有する、請
   求項６に記載の電動アシスト自転車。
8. 【請求項８】 前記減速手段は、減速比を変更可能であ
   り、 前記補助動力手段は、前記減速手段の減速比を変更する
   ことにより前記負荷力を調整する、請求項７に記載の電
   動アシスト自転車。
9. 【請求項９】 前記電動モータに電力供給するバッテリ
   ーを有し、 前記バッテリーは、前記電動モータが電力供給されてい
   ない状態で前記負荷力に対抗する踏力により回転される
   とき生じる起電力で充電される、請求項６乃至８のいず
   れか１項に記載の電動アシスト自転車。
10. 【請求項１０】 前記電動アシスト自転車は、踏力を駆
    動輪に伝達するため回転可能な主スプロケットを有し、 前記合力手段は、 前記主スプロケットと共に同軸で回転可能な副スプロケ
    ットと、 前記補助動力手段により回転される動力スプロケット
    と、 前記副スプロケット及び前記動力スプロケットの間に張
    設された補助用チェーンと、 を含む、請求項６乃至９のいずれか１項に記載の電動ア
    シスト自転車。
11. 【請求項１１】 前記踏力レベルは、略一定の踏力値に
    設定される、請求項１に記載の電動アシスト自転車。
12. 【請求項１２】 ドライブ軸の回転速度を検出する回転
    速度検出手段を更に含み、 前記補助動力手段は、検出された踏力と検出されたドラ
    イブ軸の回転速度との積に対応する仕事率に基づいて、
    前記踏力レベルを可変に調整する、請求項１乃至１０の
    いずれか１項に記載の電動アシスト自転車。
13. 【請求項１３】 任意期間の時間を計測する時間計測手
    段を更に含み、 前記補助動力手段は、前記時間計測手段により計測され
    た時間に関する前記仕事率の積分値が所定値に達した場
    合、前記有酸素運動を可能とする運転モードを停止し、
    通常のアシスト運転モードに移行する、請求項１２に記
    載の電動アシスト自転車。
14. 【請求項１４】 ドライブ軸の実質的に一方向の回転の
    みを主スプロケットに伝達するように前記ドライブ軸と
    前記主スプロケットとを連結する一方向クラッチ手段を
    更に含み、 前記踏力検出手段は、前記一方向クラッチ手段のペダル
    踏力に応じた変形によって変化する物理量を検出する、
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の電動アシスト
    自転車。
15. 【請求項１５】 踏力を電動力で補助して走行可能な電
    動アシスト自転車であって、 踏力を検出する踏力検出手段と、 運転者の心拍数を検出する心拍数検出手段と、 少なくとも前記心拍数検出手段により検出された心拍数
    に基づいて有酸素運動が可能となる踏力レベルを設定す
    る、踏力設定手段と、 前記踏力検出手段により検出された踏力が、前記踏力設
    定手段により設定された前記踏力レベルとなるように電
    動力を踏力に付加可能である、補助動力手段と、 を含む、電動アシスト自転車。