JP4906982B1 - 電動自転車 - Google Patents

Abstract

バッテリなどの蓄電器の残存容量が少なくなった場合でも、乗車者への負荷の増加を最小限に抑えながら発電することができて、前照灯を点灯可能となる電動自転車を提供する。モータ２５を備えたモータ駆動ユニット７が、前輪と後輪との間の中間位置に配設され、モータ２５としてブラシレスモータが用いられ、ペダルからの踏力による人力駆動力を後輪に伝達するチェーンに、モータ駆動ユニット７からの補助駆動力を出力する補助駆動力出力スプロケット２７が噛合され、モータ駆動ユニット７における、モータ出力軸２５ａと補助駆動力出力スプロケット２７との間の力の伝達経路に、クラッチが配設されておらず、ペダルを踏み込んだ際に発生する人力駆動力が、チェーンを介して、モータ２５に常に伝達されて、モータ２５の回生動作により発電させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、ペダルからの踏力による人力駆動力に、モータにより発生する補助駆動力を加えて走行可能であるとともに、前記モータを回生動作により発電させてモータの電源であるバッテリなどの蓄電器を充電可能である電動自転車に関するものである。

二次電池からなるバッテリと、このバッテリを電源とするモータとを有し、ペダルに加えられる踏力による人力駆動力に、前記モータの補助駆動力（アシスト力）を加えることで、上り坂等でも楽に走行できる電動自転車は既に知られている。また、この種の電動自転車において、ブレーキ操作時などにモータを回生動作により発電させてバッテリに充電し、バッテリの１回の充電作業に対する走行距離を増加させる構造を有するものも知られている。例えば、特許文献１には、前輪のハブ内にモータを配設し、ブレーキにより制動させる際に、前輪のモータを発電機として用いて回生制御する技術が開示されている。

また、電動自転車には二次電池であるバッテリが備えられているので、前輪に摺接して発電するダイナモ（発電機）を設けずに、前記バッテリを、前照灯などの照明装置の電源としても用いる場合が多い。前記バッテリは、主にモータを駆動させるために用いられるが、モータを駆動するには比較的大きな電力が消費される。したがって、前記バッテリを長時間使用していると、バッテリの残存容量が減って、十分な補助駆動力を発生できなくなるとともに過放電状態となり、バッテリを損傷させるおそれがある。したがって、所定の残存容量となった時点で、モータを停止させて、バッテリが過放電状態となることを防止させている。

この際にバッテリを電気回路全体から電気的に切り離すことによりモータを停止させると、バッテリが前照灯などの照明装置の電源としても用いられているので、モータの駆動停止と同時に前照灯も消灯されてしまう。この場合、走行中に前照灯が突然消えることとなるので、夜間走行時などに危険となるおそれがある。しかし、前照灯はモータと比べて電力の消費量が小さく、比較的低い電圧でも点灯できるので、モータの駆動停止と同時には前照灯を必ずしも消灯しなくてもよい。

このような問題に対処する方法として、本出願人は、特許文献２に開示しているように、バッテリが、モータの駆動停止を行う残存容量以下の所定の点灯用残存容量となった時点で、モータを回生動作させ、この回生発電による電力で前照灯などの照明装置を点灯させる手法を考え出した。この手法によれば、バッテリが前記点灯用残存容量に達した場合でも前照灯などの照明装置を点灯させることができる。

ここで、この特許文献２においても、モータは前輪のハブ内に配設されている構造が用いられている。したがって、この特許文献２では、照明装置を点灯させるスイッチが点灯側である場合に、モータの駆動停止を行う残存容量以下の所定の点灯用残存容量となった際には、乗車者がペダルを踏むことにより発生する踏力（人力駆動力）がまずチェーンを介して後輪に伝達され、次に後輪の回転駆動力が地面に伝達されて電動自転車が前進し、さらに地面から受ける力により前輪が回転され、最後に前輪の回転によってモータが回転されて回生動作する。

特開２００４−１４９００１号公報 特開２０１０−０３０５３９号公報

しかしながら、上記のように前輪のハブ内にモータが配設された電動自転車では、前記モータを回生発電するに際し、ペダルからの踏力に基づく力がモータに到達するまでの力の伝達ロスが大きいため、ペダルへの負荷が大きく増加してしまい、乗車者への負荷が大きくなるという課題がある。つまり、モータが前輪のハブ内に配設されている電動自転車では、上記したように、乗車者の踏力（人力駆動力）がまずチェーンを介して後輪に伝達され、次に後輪の回転駆動力が地面に伝達されて電動自転車が前進し、さらに地面から受ける力により前輪が回転され、最後に前輪の回転によってモータが回転されて回生動作する構造である。したがって、この種の電動自転車では、ペダルからの踏力である人力駆動力が、チェーンを介して後輪に伝達される際の力のロス（例えば、伝達される力の９５％）だけでなく、後輪が地面に接触する際の摩擦ロス（例えば、伝達される力の８５％）、地面から前輪に力が伝達される際の摩擦ロス（例えば、伝達される力の８５％）、前輪のハブからモータに伝達される際の力のロス（例えば、伝達される力の９５％）などの多くの力のロス分だけ減少しながら伝達される。この結果、モータを回転させずに人力だけで走行する場合と比較して、大きな力（実際にモータを回転させる力の約１．５倍の力）を多めに加えてペダルを踏み込まなければならない。

本発明は上記課題を解決するもので、バッテリなどの蓄電器の残存容量が少なくなった場合でも、乗車者への負荷の増加を最小限に抑えながら発電することができて、前照灯を点灯させ続けることなどが可能となる電動自転車を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、ペダルからの踏力による人力駆動力に、蓄電器を電源とするモータにより発生する補助駆動力を加えて走行可能である電動自転車であって、前記モータを備えたモータ駆動ユニットが、前輪と後輪との間の中間位置に配設され、前記モータとしてブラシレスモータが用いられ、ペダルからの踏力による人力駆動力が、クランク軸と一体的に回転可能な人力駆動力出力輪体と、この人力駆動力出力輪体に掛け渡された無端状駆動力伝達体とを介して、後輪に伝達されるよう構成され、前記人力駆動力出力輪体と、前記モータの補助駆動力を出力するモータ出力軸とが連動可能に連結され、前記モータ駆動ユニットにおける、前記モータ出力軸と前記人力駆動力出力輪体との間の力の伝達経路に、クラッチが配設されておらず、補助駆動力を発生させていない状態においてペダルを踏み込んだ際に発生する人力駆動力が、前記モータに常に伝達され、前記モータを回生動作させて回生する回生制御部が備えられ、前記回生制御部は、ペダルの踏み込みによる人力駆動力が前記モータに伝達されて回転された際に、前記モータに回生動作を行わせて発電させることを特徴とする。なお、前記無端状駆動力伝達体に、前記モータ駆動ユニットからの補助駆動力を出力する補助駆動力出力輪体を噛合させ、前記モータ駆動ユニットにおける、前記モータ出力軸と前記補助駆動力出力輪体との間の力の伝達経路に、クラッチが配設されておらず、補助駆動力を発生させていない状態においてペダルを踏み込んだ際に発生する人力駆動力が、前記無端状駆動力伝達体および前記補助駆動力出力輪体を介して、前記モータに常に伝達されるよう構成するとよい。また、これに代えて、前記クランク軸の外周に回転自在に配設された中空の外装回転軸に前記人力駆動力出力輪体が取り付けられ、前記外装回転軸と前記モータ出力軸との間に減速機構が配設されている構成としてもよい。

上記構成において、蓄電器の残存容量が少ないなど補助駆動力を発生させていない状態でペダルが踏み込まれると、ペダルからの踏力に基づく人力駆動力が、人力駆動力出力輪体および無端状駆動力伝達体を介してモータに伝達されてモータが回転される。この力の伝達経路においては、無端状駆動力伝達体を介して人力駆動力が伝達されることによる僅かなロスはあるものの、ペダルからの踏力が殆ど減少することなくモータにも伝達されることとなる。したがって、モータが前輪のハブ内に配設されている場合よりも、ペダルを比較的小さい力で踏み込むだけで、モータを良好に回転することができる。また、モータとして、ブラシ付きモータではなくてブラシレスモータが用いられているので、モータを回転させるためのペダルの踏力の増加も最小限に抑えながら、発電することができる。

また、本発明は、前記蓄電器を電源として点灯可能な照明装置と、前記照明装置の点灯または消灯を設定する照明設定手段と、前記蓄電器の残存容量を検出する残存容量検出部と、前記照明装置の動作を制御する照明制御部とを備え、前記照明制御部は、前記モータの回生動作により発電された電力によって前記照明装置を点灯させることを特徴とする。この構成により、蓄電器の残存容量が減少して補助駆動力を出力できない状態となった場合でも、ペダルを踏み込むことにより、前記照明装置を点灯させ続けることができる。

また、本発明の、前記回生制御部は、前記モータの回生動作により発電された電力によって前記蓄電器を充電することを特徴とする。この構成により、蓄電器の残存容量が減少して補助駆動力を出力できない状態となった場合に、ペダルを踏み込むことにより、前記蓄電器を充電することができる。

また、本発明は、モータの回生動作により発電される電気を取り入れるモータ接続部に、前記回生発電された電気の、電圧、電流または電力を検出する回生電気検出部と、前記回生発電された電気の、電圧、電流または電力が所定の値を上回った場合に、前記回生発電による電気が取り入れられることを制限する入力制限部とを備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、ペダルを高速で回転させてモータの回生動作により過大な電圧、電流または電力が発生した場合には、この状況が前記回生電気検出部で検出され、前記入力制限部により前記回生発電による電気が入力されることが制限される。この結果、モータ接続部に接続された電気回路が損傷することが防止される。

また、本発明の回生制御部は、前記蓄電器の残存容量が所定の残存容量以下になった場合において、ペダルの踏み込みによる人力駆動力が前記モータに伝達されて回転された際に、前記モータに回生動作を行わせて発電させ、前記モータの回生動作により発電された電力によって前記蓄電器を充電することを特徴とする。

また、本発明は、前記蓄電器を電源として点灯可能な照明装置と、前記照明装置の点灯または消灯を設定する照明設定手段と、前記蓄電器の残存容量を検出する残存容量検出部と、前記照明装置の動作を制御する照明制御部とを備え、前記回生制御部は、前記蓄電器の残存容量が所定の残存容量以下になった場合において、ペダルの踏み込みによる人力駆動力が前記モータに伝達されて回転された際に、前記モータに回生動作を行わせて前記照明装置を点灯可能な充電量よりも大きな充電量を発生できるように発電させ、前記モータの回生動作により発電された電力によって前記蓄電器を充電するとともに、ペダルの踏み込みを停止した場合でも前記照明装置を点灯可能に構成したことを特徴とする。この構成によれば、ペダルの踏み込みを停止した場合でも照明装置を点灯させることが可能となる。

本発明によれば、補助駆動力を発生させていない状態において、ペダルを踏み込んだ際に発生する人力駆動力が、殆ど減少することなくモータにも伝達されることとなる。したがって、モータが前輪のハブ内に配設されている場合よりも、ペダルを比較的小さい力で踏み込むだけで、モータを良好に回転することができて、発電することができる。これにより、発電した電気を用いて、電動自転車に設けられた照明装置を夜間などに点灯させることができるだけでなく、乗車者に対する力の負荷を軽減することができる。

また、本発明によれば、ペダルを高速で回転させてモータの回生動作により過大な電圧、電流または電力が発生した場合でも、入力制限部により前記回生発電による電気が入力されることが制限される。この結果、モータ接続部に接続された電気回路が損傷することが防止されて安全性が向上し、ひいては当該電動自転車の信頼性が向上する。

本発明の実施の形態に係る電動自転車の全体側面図 同電動自転車の部分切欠側面図 同電動自転車のモータ駆動ユニットおよびその近傍箇所の斜視図 （ａ）は同電動自転車のハンドル部を斜め上方からみた図、（ｂ）は同ハンドル部の左側部分を後方から見た図、（ｃ）は同ハンドル部の手元操作器の平面図 同電動自転車のブロック図 同電動自転車のモータ駆動ユニットの概略的な平面断面図 比較例としてのモータ駆動ユニットの概略的な平面断面図 同電動自転車の制御部の制御動作を示すフローチャート 本発明の他の実施の形態に係る電動自転車の部分切欠側面図 同他の実施の形態に係る電動自転車のモータ駆動ユニットの概略的な平面断面図

以下、本発明の実施の形態に係る電動自転車について図面に基づき説明する。

［全体構成について］
図１〜図３に示すように、本発明の実施の形態に係る電動自転車は、フレーム体１と、前輪２と、ハンドルステム３およびハンドル部４と、サドル５と、ペダル６と、モータ２５などを有するモータ駆動ユニット７と、後輪８と、二次電池からなる電源としてのバッテリ９を有するバッテリユニット６０と、人力駆動力出力輪体としてのフロントスプロケット（いわゆるクランクギヤ）１１と、後部輪体としてのリアスプロケット（いわゆる後輪ギヤ）１２と、無端状駆動力伝達体としてのチェーン１３と、チェーンカバー１４と、照明装置としての前照灯１０と、制御部３０などを備えている。なお、この実施の形態では、制御部３０がモータ駆動ユニット７の内部に配設されている場合を示しているが、これに限るものではなく、制御部３０は、モータ駆動ユニット７とは別の場所に配設されていても差し支えない。

図１〜図３などに示すように、フレーム体１は、メインフレーム１７、立パイプ１８、ハンガラグ２４、チェーンステー１９などからなる。また、ペダル６はクランク２１の両端部に回転自在に取り付けられ、人力駆動力としての踏力が加えられる。モータ駆動ユニット７は、制御部３０やモータ２５などを備え、ペダル６がクランク２１を介して取り付けられたクランク軸２３を回転自在に支持する。なお、バッテリ９は蓄電器の一例であり、二次電池が好適であるが、蓄電器の他の例としてはキャパシタなどであってもよい。後輪８は、チェーンステー１９の後端に回転自在に取り付けられている。そして、ペダル６に踏力が加えられると、クランク２１がクランク軸２３を中心に回転し、この回転駆動力がチェーン１３を介して後輪８に伝達されるよう構成されている。なお、図２における３８は、チェーン１３が補助駆動力出力スプロケット２７に噛み合う巻き角度を増加させるように案内するガイドプーリである。

［ハンドル部について］
図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、ハンドル部４は、ハンドルステム３の上端部に取り付けられた、左右方向に伸びるハンドルバー４１を有し、ハンドルバー４１の両端のそれぞれには、左ハンドルグリップ４２Ｌ及び右ハンドルグリップ４２Ｒおよび左ブレーキレバー４３Ｌ及び右ブレーキレバー４３Ｒが設けられている。

ハンドルグリップ４２Ｌ、４２Ｒ付近のハンドルバー４１の上（左右のどちらでもよいが、ここでは左側とする）には、手元操作器４５が取り付けられている。図４（ｃ）は手元操作器４５を示す図であり、手元操作器４５には、モータ駆動ユニット７の補助駆動の動作許可及び動作禁止を操作して指示（ＯＮ／ＯＦＦ）できる補助駆動操作スイッチ４６と、モータ駆動ユニット７の補助駆動の強さなどの補助様式（モード）を選択できる補助モード選択スイッチ４７と、前照灯１０の点灯及び消灯を操作（ＯＮ／ＯＦＦ）できる照明スイッチ４８（照明設定部）とが設けられている。

また、補助駆動操作スイッチ４６の付近には、現時点でのバッテリ９の残存容量を表示する手元残量表示部４９が設けられており、補助モード選択スイッチ４７の付近には、現在の補助駆動力負荷様式（モード）を表示するモード表示部５０が設けられている。なお、手元操作器４５は簡易的な通信機能と演算機能を有しており、これらの表示内容は、図５に示すように、制御部３０と通信し、演算を行うことによって決定される。なお、図４（ｃ）に図示するものでは、各スイッチ４６、４７、４８を押ボタンで構成し、各表示部４９、５０を複数のＬＥＤで構成しているが、これらは一例であり、より複雑な操作・表示が可能な構成を使用してもよい。また、手元操作器４５からは、各スイッチ４６，４７，４８の動きに応じた電気信号をそれぞれ制御部３０に伝える手元操作器ケーブル５５が伸びている。

［バッテリおよびバッテリユニットなどについて］
次に、バッテリ９およびバッテリユニット６０の構成を説明する。

二次電池からなる電源としてのバッテリ９は、バッテリユニット６０内に配設されている（図５参照）。図２に示すように、バッテリユニット６０は、ハンガラグ２４の後方上部に取り付けられたバッテリ支持ブラケット６１に載せられた状態で支持されている。また、バッテリユニット６０はバッテリユニット係止部６０ａを有しており、立パイプ１８に設けられた立パイプ係止部１２ａに係止されている。そして、この係止した部分を離脱させることで、バッテリユニット６０が電動自転車の本体部分に対して着脱可能に構成されている。また、バッテリユニット６０の下部には通電接続部６０ｂが設けられており、この通電接続部６０ｂから、バッテリ９に蓄えられたエネルギーを電気エネルギーの形で取り出すことができる。なお、バッテリ９としては、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池を用いることができ、バッテリ９の出力する電圧は、例えば２４Ｖとすることができる。

さらに、バッテリユニット６０には、バッテリ９の残存容量を検出する残存容量検出部６２が設けられており、この残存容量検出部６２には、その表面に残量表示スイッチ６２ａ（図２においては押しボタン）及び残量表示部６２ｂ（図２では複数のＬＥＤ）が設けられている。残量表示スイッチ６２ａが操作される（押される）と、残量表示部６２ｂにバッテリ９の残存容量の目安が（ＬＥＤの点灯数や点灯パターンなどによって）表示される。なお、バッテリ９の残存容量を検出する方法としては、バッテリ９の出力電圧を電圧計で検出してもよいし、バッテリ９から流れ出る（またはバッテリ９に流れ込む）電流を測定し、この電流を積算することで検出してもよい。

また、図２において簡略的に示すように、バッテリ支持ブラケット６１には、バッテリユニットの通電接続部６０ｂに接続される電源端子６３が配設されており、電源端子６３は、モータ駆動ユニット７に設けられた制御部３０（詳しくは後述する）に接続されている。そして、バッテリ９が装着されて、バッテリユニット６０の通電接続部６０ｂが電源端子６３と接続されることにより、制御部３０はバッテリ９より電気エネルギーを受け取り、電気的な動作の制御を実行可能に構成されている。また、電源端子６３を通電接続部６０ｂと接続することにより、残存容量検出部６２が検出したバッテリ９の残存容量も制御部３０に伝達されるようになっている。また、バッテリユニット６０には、バッテリ９に対する充電放電制御や前記残存容量などの情報の入出力などを行うバッテリ制御部６４も設けられている。

［モータ駆動ユニットおよびチェーンによる駆動力の伝達経路などについて］
図１などに示すように、本発明の実施の形態に係る電動自転車では、モータ駆動ユニット７が、前輪２と後輪８との間の中間位置の下部に配設されている。より詳しくは、図３に示すように、モータ駆動ユニット７は、支持ブラケット３７ａ、３７ｂを介して、フレーム体１におけるハンガラグ２４の近傍箇所に固定されており、これにより、モータ駆動ユニット７は、上述したように、前輪２と後輪８との間の中間位置（いわゆる中央部）に配設されている。図６に示すように、モータ駆動ユニット７は、補助駆動力を発生するモータ２５や減速機構２６、補助駆動力出力輪体としての補助駆動力出力スプロケット２７、ペダル６からの踏力を検知する人力駆動力検出器２８、制御部３０、ユニットケース３１などを有している。減速機構２６は、モータ出力軸２５ａの減速ギヤ部２５ｂおよび減速ギヤ３２などから構成されている。補助駆動力出力スプロケット２７は、軸受３３、３４により回転自在に支持された補助駆動力出力軸３５の端部に取り付けられ、補助駆動力を出力する。また特に、モータ２５としては、ブラシ部を有しないブラシレスモータが用いられており、モータ２５のロータ部とステータ部とは、ロータ部を回転自在に支持する軸受部以外では接触していない。

ここで、モータ駆動ユニットが前輪と後輪との間の中間位置に配設されている一般的な電動自転車では、比較例として図７に示すように、モータ２５の出力軸であるモータ出力軸２５ａと補助駆動力出力輪体（補助駆動力出力スプロケット２７）との間の力の伝達経路（図７に示す場合は、減速ギヤ３２と補助駆動力出力軸３５との間）に、一方向クラッチ１００が配設されている。したがって、補助駆動力が出力される際には、モータ２５からの補助駆動力が一方向クラッチ１００を介して無端状駆動力伝達体であるチェーン１３に伝達されて、補助駆動力が人力駆動力に加えられて後輪８が回転される一方、補助駆動力を出力していないときには、ペダル６が踏み込まれた場合でも、この際の踏力が一方向クラッチ１００で切断されて、モータ２５側に伝達されないよう構成されている。この結果、前輪２と後輪８との間の中間位置に配設されている一般的な電動自転車では、ペダル６を踏み込んでもモータ２５を回転することができず、回生動作をさせることができなかった。

これに対して、本発明の実施の形態に係る電動自転車では、モータ出力軸２５ａと補助駆動力出力スプロケット２７との間（より詳しくは、減速ギヤ３２と補助駆動力出力軸３５との間）の力の伝達経路に、前記一方向クラッチ１００などのクラッチが配設されていない。そして、補助駆動力を出力していないときには、ペダル６が踏み込まれると、クランク２１およびフロントスプロケット１１が回転され、これに伴ってチェーン１３が図２における右回り方向に移動されて、補助駆動力出力スプロケット２７および補助駆動力出力軸３５が図２における左回り方向に回転されるが、この際に、ペダル６の踏力に基づく人力駆動力が、減速機構２６（減速ギヤ３２およびモータ出力軸２５ａの減速ギヤ部２５ｂ）を介してモータ２５に常に伝達されるよう構成されている。そして、本発明の実施の形態に係る電動自転車では、ペダル６を踏み込んでモータ２５を回転させながら、回生動作を実行させることで、発電可能に構成されている。

図６に示すように、この実施の形態では、モータ駆動ユニット７に、補助駆動力の発生を含めた各種の制御を行う制御基板や記憶部３０ａなどを有する制御部３０が内蔵されている。また、モータ駆動ユニット７におけるクランク軸２３の近傍箇所には、ペダル６に加えられる、人力駆動力（踏力）を検出する人力駆動力検出器２８が設けられている。なお、人力駆動力検出器２８としては、例えば磁歪センサ（外力の印加によってその透磁率が変化する素材を用い、サーチコイルによって透磁率の変化を磁束の変化として読み取るもの）を用いることで人力駆動力を検出できるよう構成されている。なお、人力駆動力検出器２８のセンサ部と演算部とは別々の箇所に設けてあってもよく、必ずしもクランク軸２３の付近に取り付ける必要はない。人力駆動力検出器２８で検出された人力駆動力に関する検出踏力信号は、図示しない検出踏力伝達ケーブルを介して制御部３０に伝達される。

モータ駆動ユニット７は、ペダル６からの踏力を人力駆動力検出器２８により検出し、この踏力に応じてモータ２５から発生させた補助駆動力を、減速機構２６を介して補助駆動力出力スプロケット２７から出力する。これらの人力駆動力と補助駆動力とがチェーン１３に合わせられ、リアスプロケット１２などを介して後輪８側に伝達される。これにより当該電動自転車が登り坂などでも楽に走行できるよう構成している。

なお、チェーン１３は後輪８の部分でリアスプロケット１２に噛み合っているが、このリアスプロケット１２と後輪８のハブとの間には一方向クラッチが配設されている（図示せず）。そして、慣性走行（空走）時など、ペダル６が踏み込まれていないにもかかわらず、後輪８が回転されている場合には、一方向クラッチが空回り状態となって、リアスプロケット１２が回転したり、チェーン１３が移動したりすることがないよう構成されている。すなわち、慣性走行を行っているときには、後輪８の回転は、チェーン１３には伝達されない。

なお、この実施の形態では、クランク軸２３におけるフロントスプロケット１１とは反対寄り側（この実施の形態では進行方向に向って左寄り側）に第１スプライン部８２を介して一体的に回転する中空のクランク外装軸８１が外装されている。また、このクランク外装軸８１に第２スプライン部８３を介して隣接して、クランク外装軸８１と一体的に回転する中空の外装中間軸８４がフロントスプロケット１１寄り側（この実施の形態では進行方向に向って右寄り側）に配設されている。さらに、外装中間軸８４に一方向クラッチ４０を介して隣接して、軸受８５、８６を介してクランク軸２３に対して回転自在に外装された中空の外装回転軸３９がさらにフロントスプロケット１１寄り側（この実施の形態では進行方向に向って右寄り側）に配設されている。そして、外装回転軸３９の端部にフロントスプロケット１１が取り付けられて一体的に回転される。前記一方向クラッチ４０により、例えば、走行中にペダル６を回転させることを止めて、いわゆる惰性走行した際に、モータ２５による補助駆動力によりチェーン１３が移動されていた場合、すなわち、補助駆動力出力スプロケット２７がチェーン１３に噛み合って回転する速度が、フロントスプロケット１１がチェーン１３に噛み合って回転する速度よりも大きくなった場合でもクランク２１やペダル６が強制的に回転することがないよう図られている。

制御部３０には、検出踏力伝達ケーブルのほか、ブレーキワイヤ、ブレーキスイッチケーブル、手元操作器ケーブル（図示せず）などが接続されており、電動自転車の各部の動作状況情報を受け取る（入力する）とともに、制御部３０から電動自転車の各部へ制御信号を伝達する（出力する）ことができるようになっている。さらに、図５に示すように、制御部３０は、モータを回生動作させて回生する回生制御部７３や、照明装置である前照灯１０の動作を制御する照明制御部７４などを有している。そして、制御部３０は各種のケーブルなどを介してそれぞれ前照灯１０やモータ２５などに電気的に接続され、制御部３０から前照灯１０やモータ２５などへ制御信号が伝えられるようになっているとともに、前照灯１０やモータ２５などから制御部３０へ前照灯１０及びモータ２５の動作状態情報が電気的に伝えられるようになっている。また、各ケーブル（複数の導電線を束ねたもの）は、前照灯１０やモータ２５などの、動作するために電力を必要とする機器にバッテリ９から電力を供給する電源ラインとしての役目も持つ。

［制御部およびその制御内容などについて］
図８は本発明の実施の形態に係る電動自転車の制御部３０の制御動作を示すフローチャートである。なお、図８に示す場合には、バッテリ９の残存容量として、前照灯１０を点灯開始する残存容量（以下、点灯回生開始値とも称す）が、モータ２５の駆動停止を行う残存容量（以下、補助駆動中止値とも称す）よりも小さく設定されている場合を示している。

制御部３０は、手元操作器４５の補助駆動操作スイッチ４６の状態や、バッテリ９の残存容量情報や、手元操作器４５の照明スイッチ４８の状態を随時入力している。そして、手元操作器４５の補助駆動操作スイッチ４６がＯＮ状態とされて補助駆動の動作が許可されており、バッテリ９の残存容量が補助駆動中止値よりも大きい場合には、図８におけるステップＳ１からステップＳ２、Ｓ３に進み、補助駆動制御を行って、人力駆動力検出器２８で検出した人力駆動力に対応させて補助駆動力を発生させる。

一方、長距離走行するなどしてバッテリ９の残存容量がモータ２５の駆動停止を行う補助駆動中止値以下まで減少した場合には、ステップＳ１からステップＳ２、Ｓ４に進み、補助駆動の制御動作を中止して、モータ２５をバッテリ９の電力により回転させることがないようにする。

次に、ステップＳ５で手元操作器４５の照明スイッチ４８がＯＮであるかどうかを確認し、照明スイッチ４８がＯＦＦである場合には、ステップＳ６に進んで前照灯１０を消灯させる。一方、照明スイッチ４８がＯＮである場合には、ステップＳ５からステップＳ７に進んで前照灯１０を点灯させるとともに、ステップＳ８に進んでバッテリ９の残存容量が点灯回生開始値よりも大きいかどうかを確認する。ここで、バッテリ９の残存容量が点灯回生開始値よりも大きい場合には、回生動作などを行うことなく、バッテリ９を用いて前照灯１０を点灯させる。これに対して、バッテリ９の残存容量が点灯回生開始値以下である場合には、ステップＳ８からステップＳ９に進んでモータ２５に対して回生制御を実行する。そして、モータ２５の回生動作によって発電し、この発電した電力によって前照灯１０を点灯させる。なお、モータ２５の回生動作によって発電した電力によって前照灯１０を直接点灯させる代わりに、制御部３０に設けられた回生制御部７３により、モータ２５の回生動作によって発電した電力により、一旦、バッテリ９を充電し、バッテリ９の電力により前照灯１０を点灯させてもよい。

なお、回生発電の制御方法としては、例えばモータ駆動ユニット７のモータ２５が３相の電気信号で動作するブラシレスモータである場合には、その回転状態をホール素子などで検出し、モータ２５の回転状態に応じてモータ２５のモータドライブ回路などに含まれるスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ期間を制御することで、モータ２５を発電機として動作させ、回生発電を行い、これによって生じた電力で前照灯１０を点灯させたり、バッテリ９を充電したりする。このとき、モータ２５が発電機として動作することにより、モータ２５の運動エネルギーが電気エネルギーに変換されて、前照灯１０を点灯させたり、バッテリ９に対して充電したりする。

また、本発明の実施の形態に係る電動自転車では、バッテリ９の残存容量が点灯回生開始値となり、かつ、手元操作器４５の照明スイッチ４８が点灯側に設定されている場合には、モータ２５を回生動作させるので、この際に、乗車者がペダル６を極めて高速で回転させた場合には、モータ２５の回生動作により過剰に高い電圧などが発生して、前記過剰に高い電圧などが電気回路に作用して損傷するおそれがある。したがって、図５に示すように、制御部３０におけるモータ２５からの接続部（詳しくは、モータ２５からの発電電力が制御部３０の回生制御部７３側に入力される箇所）に、モータ２５の回生動作によって発生する発電電気の電圧や電流、または電力の少なくともひとつを検出する回生電気検出部７１と、この回生電気検出部７１で検出した発電電圧や発電電流などが、予め設定した発電上限電圧値や発電上限電流値、発電上限電力値などより大きかった場合に、モータ２５の回生動作によって発生する発電電力の入力を制限する入力制限部７２とが設けられている。そして、入力制限部７２は、回生電気検出部で検出した発電電圧値や発電電流値が、予め設定した発電上限電圧値や発電上限電流値または発電上限電力値より大きかった場合には、モータ２５の回生動作によって発生する発電電力の入力を遮断したり、発電電力が所定の電力以下になるように（または、発電電圧が所定の電圧以下となったり、発電電流が所定の電流以下となったりするように）、制限したりする。

なお、上記の実施の形態では図８に示すように、バッテリ９の残存容量として、前照灯１０を点灯開始する残存容量である点灯回生開始値が、モータ２５の駆動停止を行う残存容量である補助駆動中止値よりも小さく設定されている場合を示したがこれに限るものではなく、前記点灯回生開始値を前記補助駆動中止値と同じに設定してもよい。また、前照灯１０を点灯させるためのモータ２５の回生動作を行うための回生制御が、前照灯１０を点灯させるための電力よりも少し大きな電力を発生できるように構成して、ペダル６を踏み込むことをやめて電動自転車を停止させた場合でも、バッテリ９により前照灯１０を継続して点灯可能に構成してもよい。但し、この場合には、バッテリ９が過放電しないように、下限残存容量値（点灯回生開始値よりも小さい値）を予め設定し、バッテリ９がこの下限残存容量値以下になった場合は、電動自転車の停止時にバッテリ９により前照灯１０を点灯させることを中止させることが望ましい。

上記構成によれば、バッテリ９がモータ２５の駆動停止を行う残存容量（補助駆動中止値）以下になったことが残存容量検出部６２により検知されると、制御部３０により補助駆動力の発生動作が行われなくなる。そして、バッテリ９が点灯用残存容量（点灯回生開始値）となると、手元操作器４５の照明スイッチ４８が点灯側に設定されているかどうかを判定し、手元操作器４５の照明スイッチ４８が点灯側に設定されている場合には、モータ２５を回生動作させ、この回生発電による電力で前照灯１０を点灯させるよう制御部３０（照明制御部７４）により制御動作が実行される。これにより、バッテリ９の残存容量が少なくなった場合でも、ペダル６を踏み込んでクランク２１を回転させている限り、モータ２５が回生動作されて前照灯１０を点灯できる。

この際、ペダル６からの踏力に基づく人力駆動力は、クランク２１やフロントスプロケット１１を介してチェーン１３に伝達され、さらに、チェーン１３から補助駆動力出力スプロケット２７、減速機構２６（補助駆動力出力軸３５、減速ギヤ３２、モータ出力軸２５ａ）を介してモータ２５に伝達されて回転される。これにより、フロントスプロケット１１からチェーン１３への伝達ロス（例えば、伝達される力の９７％）、およびチェーン１３から補助駆動力出力スプロケット２７への伝達ロス（例えば、伝達される力の９７％）などの僅かなロスはあるものの、ペダル６からの踏力が殆ど減少することなくモータにも伝達されることとなる。したがって、前記引用文献１、２に開示されているようなモータが前輪のハブ内に配設されている構造の場合よりも、ペダル６を小さい力で踏み込むだけで、モータ２５を良好に回転することができる。また、モータ２５として、ブラシ付きモータではなくてブラシレスモータが用いられているので、モータ２５を回転させるためのペダル６の踏力の増加も最小限に抑えながら、発電することができる。これにより、発電した電気を用いて、前照灯１０などの照明装置を夜間などに点灯させることができ、夜間に、バッテリ９の残存容量が少なくなった場合でも、ペダル６を踏み込んでクランク２１を回転させている限り、前照灯１０を点灯でき、安全性が向上する。このように、本発明によれば、発電した電気を用いて、電動自転車に設けられた前照灯１０などの照明装置を夜間などに点灯させることができるだけでなく、乗車者に対する力の負荷を軽減することができる。

また、本発明によれば、モータ出力軸２５ａと補助駆動力出力スプロケット２７との間の力の伝達経路に、一方向クラッチ１００などのクラッチを配設しない構成としたので、バッテリ９が点灯用残存容量となった状態で、ペダル６を高速で回転させた場合には、モータ２５の回生動作により過剰に高い電圧などが発生して、前記過剰に高い電圧などが電気回路に作用して損傷するおそれがある。しかし、本発明によれば、モータ２５からの発電電力が制御部３０側に入力される箇所に、モータ２５の回生動作によって発生する発電電力などが、予め設定した発電上限電力値などより大きかった場合に、モータ２５の回生動作によって発生する発電電力を制限する入力制限部７２が設けられている。したがって、バッテリ９が点灯用残存容量となった状態で、ペダル６を高速で回転させた場合でも、入力制限部７２により、過剰に高い電圧や電力などが制御部３０の電気回路内などに流れ込むことが防止され、この結果、制御部３０などに設けられた電気回路の安全性が向上し、ひいては当該電動自転車の信頼性が向上する。

上記の実施の形態では、ペダル６からの踏力（人力駆動力）が人力駆動力出力輪体としてのフロントスプロケット１１から無端状駆動力伝達体としてのチェーン１３に伝達されるとともに、モータ２５からの補助駆動力が補助駆動力出力輪体としての補助駆動力出力スプロケット２７を介してチェーン１３に伝達され、これによりチェーン１３によって人力駆動力と補助駆動力とが合わされて、後輪８側に伝達される場合を述べたが、これに限るものではない。

図９、図１０は、本発明の他の実施の形態に係る電動自転車の部分切欠側面図、および同電動自転車のモータ駆動ユニットの概略的な平面断面図である。これらの図に示すように、この実施の形態では、チェーン１３に噛合する補助駆動力出力スプロケット２７が設けられておらず、一端部（この実施の形態では右端部）にフロントスプロケット１１が取り付けられた外装回転軸３９の他端部（この実施の形態では右端部）外周に、モータ側からの補助駆動力を受ける大径の補助駆動力入力ギヤ９１が取り付けられている。なお、この実施の形態では、外装回転軸３９と補助駆動力入力ギヤ９１とは一体に形成されている。そして、この補助駆動力入力ギヤ９１を含めた減速機構９０を介して、モータ２５からの補助駆動力が外装回転軸３９に伝達されて人力駆動力（踏力）に合わされ、これらの合わされた力が、チェーン１３を介して後輪８側に伝達されるよう構成されている。なお、この実施の形態では、軸受９２、９３を介してユニットケース３１に回転自在に支持された減速軸９４に減速大径ギヤ９５と減速小径ギヤ９６とが取り付けられ、モータ出力軸２５ａの端部に形成された減速ギヤ部２５ｂに減速大径ギヤ９５が噛合され、かつ、減速小径ギヤ９６に補助駆動力入力ギヤ９１が噛合されている。そして、モータ２５からの補助駆動力が減速機構９０により減速されながら、すなわちトルクを高めながら、外装回転軸３９およびフロントスプロケット１１に伝達される。ここで、外装回転軸３９とモータ出力軸２５ｂとの間には、一方向クラッチなどが配設されていない。

したがって、補助駆動力を出力していないときには、ペダル６が踏み込まれると、クランク２１およびフロントスプロケット１１が回転され、これに伴って、ペダル６の踏力に基づく人力駆動力が、減速機構９０を介してモータ２５に常に伝達される。これにより、上記実施の形態と同様に、本実施の形態に係る電動自転車でも、ペダル６を踏み込んでモータ２５を回転させながら、回生動作を実行させることで、発電可能に構成されている。

この構成においても、モータ駆動ユニット７における図外の箇所に配設された制御部により上記実施の形態と同様に制御することで、バッテリ９の残存容量が少なくなった場合でも、ペダル６を踏み込んでクランク２１を回転させている限り、モータ２５が回生動作されて前照灯１０を点灯できる。また、この際、ペダル６からの踏力に基づく人力駆動力は、クランク２１から外装回転軸３９および減速機構９０を介してモータ２５に伝達されて回転される。これにより、ペダル６からの踏力が殆ど減少することなくモータにも伝達されることとなり、前記引用文献１、２に開示されているようなモータが前輪のハブ内に配設されている構造の場合よりも、ペダル６を小さい力で踏み込むだけで、モータ２５を良好に回転することができる。このように、本実施の形態においても、発電した電気を用いて、電動自転車に設けられた前照灯１０などの照明装置を夜間などに点灯させることができるだけでなく、乗車者に対する力の負荷を軽減することができる。

なお、上記の実施の形態では、前照灯１０を点灯する場合を述べたが、前照灯以外の照明装置など、例えば後尾灯を点灯させたり、点滅させたりしてもよい。また、バッテリ９がモータ２５の駆動停止を行う残存容量（補助駆動中止値）以下になったことが残存容量検出部６２により検知された際に、手元操作器４５の照明スイッチ４８が消灯側に設定されている場合でも、回生動作を実行させて、バッテリ９を充電して、所定電圧に達した際に、最小限の補助駆動動作を実行可能に構成してもよい。

また、上記の実施の形態では、ペダル６からの踏力を後輪に伝達する無端状駆動力伝達体として、チェーン１３が用いられた場合を述べたが、これに限るものではなく、チェーン１３に代えて歯付きベルトを用いてもよい。また、同様に、歯付きベルト（駆動力伝達歯付きベルト）を用いる場合には、補助駆動力を出力する補助駆動力出力輪体として、補助駆動力出力スプロケット２７に代えて補助駆動力出力歯車を用い、後部輪体としてリアスプロケット１２に代えてリア歯車を用いるとよい。

本発明は、補助駆動力を付与可能で、かつ、モータ駆動ユニットが中央に配置されている各種の電動自転車に適用可能である。

Claims (8)

1. ペダルからの踏力による人力駆動力に、蓄電器を電源とするモータにより発生する補助駆動力を加えて走行可能である電動自転車であって、
   前記モータを備えたモータ駆動ユニットが、前輪と後輪との間の中間位置に配設され、
   前記モータとしてブラシレスモータが用いられ、
   ペダルからの踏力による人力駆動力が、クランク軸と一体的に回転可能な人力駆動力出力輪体と、この人力駆動力出力輪体に掛け渡された無端状駆動力伝達体とを介して、後輪に伝達されるよう構成され、
   前記人力駆動力出力輪体と、前記モータの補助駆動力を出力するモータ出力軸とが連動可能に連結され、
   前記モータ駆動ユニットにおける、前記モータ出力軸と前記人力駆動力出力輪体との間の力の伝達経路に、クラッチが配設されておらず、補助駆動力を発生させていない状態においてペダルを踏み込んだ際に発生する人力駆動力が、前記モータに常に伝達され、
   前記モータを回生動作させて回生する回生制御部が備えられ、
   前記回生制御部は、ペダルの踏み込みによる人力駆動力が前記モータに伝達されて回転された際に、前記モータに回生動作を行わせて発電させることを特徴とする電動自転車。
2. 前記無端状駆動力伝達体に、前記モータ駆動ユニットからの補助駆動力を出力する補助駆動力出力輪体が噛合され、
   前記モータ駆動ユニットにおける、前記モータ出力軸と前記補助駆動力出力輪体との間の力の伝達経路に、クラッチが配設されておらず、補助駆動力を発生させていない状態においてペダルを踏み込んだ際に発生する人力駆動力が、前記無端状駆動力伝達体および前記補助駆動力出力輪体を介して、前記モータに常に伝達されることを特徴とする請求項１記載の電動自転車。
3. 前記クランク軸の外周に回転自在に配設された中空の外装回転軸に前記人力駆動力出力輪体が取り付けられ、
   前記外装回転軸と前記モータ出力軸との間に減速機構が配設されていることを特徴とする請求項１記載の電動自転車。
4. 前記蓄電器を電源として点灯可能な照明装置と、前記照明装置の点灯または消灯を設定する照明設定手段と、前記蓄電器の残存容量を検出する残存容量検出部と、前記照明装置の動作を制御する照明制御部とを備え、
   前記照明制御部は、前記モータの回生動作により発電された電力によって前記照明装置を点灯させることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電動自転車。
5. 前記回生制御部は、前記モータの回生動作により発電された電力によって前記蓄電器を充電することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電動自転車。
6. モータの回生動作により発電される電気を取り入れるモータ接続部に、前記回生発電された電気の、電圧、電流または電力を検出する回生電気検出部と、前記回生発電された電気の、電圧、電流または電力が所定の値を上回った場合に、前記回生発電による電気が取り入れられることを制限する入力制限部とを備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電動自転車。
7. 前記回生制御部は、前記蓄電器の残存容量が所定の残存容量以下になった場合において、ペダルの踏み込みによる人力駆動力が前記モータに伝達されて回転された際に、前記モータに回生動作を行わせて発電させ、前記モータの回生動作により発電された電力によって前記蓄電器を充電することを特徴とする請求項５記載の電動自転車。
8. 前記蓄電器を電源として点灯可能な照明装置と、前記照明装置の点灯または消灯を設定する照明設定手段と、前記蓄電器の残存容量を検出する残存容量検出部と、前記照明装置の動作を制御する照明制御部とを備え、
   前記回生制御部は、前記蓄電器の残存容量が所定の残存容量以下になった場合において、ペダルの踏み込みによる人力駆動力が前記モータに伝達されて回転された際に、前記モータに回生動作を行わせて前記照明装置を点灯可能な充電量よりも大きな充電量を発生できるように発電させ、前記モータの回生動作により発電された電力によって前記蓄電器を充電するとともに、ペダルの踏み込みを停止した場合でも前記照明装置を点灯可能に構成したことを特徴とする請求項５記載の電動自転車。

Images