【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、乗員がペダルを踏
んだときの人力に応じて電動モーターによる補助駆動力
が提供される補助動力付き自転車のパワーユニットに関
し、特に、乗員がペダルを踏むのに要する力の大きさを
検出するための踏力検出手段を一体的に設置した補助動
力付き自転車のパワーユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】パワーアシストシステムのハイブリッド
動力自転車、すなわち、乗員がペダルを踏んだときの人
力の大きさに応じて電動モーターによる補助駆動力が提
供される補助動力付き自転車では、乗員の踏力により回
転するクランク軸と、車両駆動力伝達用チェーンのドラ
イブスプロケットを外端部に固定した合力軸と、クラン
ク軸の回転をワンウェイクラッチと遊星ギア機構を介し
て合力軸に伝達する人力伝達手段と、クランク軸と合力
軸の連動時に生じる反力によって踏力を検出する踏力検
出手段と、該踏力検出手段により検出された踏力に応じ
た補助動力を発生する電動モーターと、電動モーターに
よる補助動力を合力軸に伝達する補助動力伝達手段と
が、パワーユニットとして一体化された状態で設けられ
ている。

【０００３】そのような従来の補助動力付き自転車のパ
ワーユニットにおいては、クランク軸と合力軸が、遊星
ギア機構の遊星ギアからサンギア又はリングギアの一方
を通して連動されているのに対して、該遊星ギア機構の
サンギア又はリングギアの他方を、回動可能に支持さ
れ、且つ、アーム部を一体的に延出したものとして、該
アーム部に対して、その動きを弾性的に受け止める反力
受部を設けると共に、該反力受部の弾性に抗してアーム
部が回動する動きを検出する検出装置（ポテンショメー
ター）を設けることによって、踏力検出手段が構成され
ている。（特開平７−９５７４４号公報参照）

【０００４】そして、そのような踏力検出手段により、
踏力によるクランク軸の回転が合力軸に伝達される時に
遊星ギア機構のサンギア又はリングギアの他方にかかる
反力を、反力受部の弾性に抗してアーム部が動くことに
よる該サンギア又はリングギアの回動の大きさ（回動角
度）によって検出し、これを踏力としてコントローラー
に出力することで、パワーユニットの電動モーターによ
り発生する補助動力の大きさを、乗員がペダルを踏むの
に要する力の大きさ（踏力）に応じたものとなるよう
に、コントローラーによって制御している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来の補助動力付き自転車のパワーユニットについて
は、その踏力検出手段が、サンギア又はリングギアの他
方から一体的に延出したアーム部に対して、バネ部材を
組み込んだ反力受部と、該反力受部とは別の回動角度検
出装置（ポテンショメーター）とをそれぞれ設けること
によって構成されているため、該踏力検出手段について
は、部品点数が多く、構造が複雑で、そのパワーユニッ
トに対する組み付けが面倒なものになっている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
課題を解決するために、上記の請求項１に記載したよう
に、乗員の踏力により回転するクランク軸に対して、ワ
ンウェイクラッチと遊星ギア機構の遊星ギヤからサンギ
ア又はリングギアの一方を通して連動するように、合力
軸が同軸的に配置されており、また、該遊星ギア機構の
回動可能に支持されたサンギア又はリングギアの他方に
対して、クランク軸と合力軸の連動時に作用する反力に
より踏力を検出する手段が設置されていると共に、該踏
力検出手段により検出された踏力に応じて補助動力を出
力する電動モーターが、その回転が伝達手段を介して合
力軸に伝達されるように設置されている補助動力付き自
転車のパワーユニットにおいて、踏力検出手段が、サン
ギア又はリングギアの他方に形成したアーム部に対し
て、該アーム部による押圧力を受けて歪みゲージにより
検出する荷重センサーを設けることによって構成されて
いることを特徴とするものである。

【０００７】また、上記の請求項１に記載したような補
助動力付き自転車のパワーユニットにおいて、上記の請
求項２に記載したように、荷重センサーが、アーム部に
より押圧される弾性変形可能な荷重受部材と、該荷重受
部材の変形を検出する歪みゲージと、該歪みゲージの周
囲に配置される増幅器とを一体的にユニット化したもの
であることを特徴とするものである。

【０００８】さらに、上記の請求項２に記載したような
補助動力付き自転車のパワーユニットにおいて、上記の
請求項３に記載したように、荷重センサーが、アーム部
の押圧力の方向とは逆方向からのボルト締めにより、パ
ワーユニットのケースに対して取り付けられていること
を特徴とするものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の補助動力付き自転
車のパワーユニットの実施形態について図面に基づいて
説明する。

【００１０】図１は、本発明のパワーユニットが適用さ
れている補助動力付き自転車、すなわち、乗員がペダル
を踏むのに要する力（踏力）の大きさに応じて電動モー
ターによる補助駆動力が提供される、所謂パワーアシス
トシステムのハイブリッド動力自転車を示すもので、ま
ず、自転車１の本体の概略について説明すると、車体の
メインフレームとして車体前部から斜め下方に延びるダ
ウンチューブ２の前端には、ヘッドチューブ３が一体的
に固着され、ヘッドチューブ３には、その軸線を中心に
して回動自在なようにハンドルステム４が挿通されてい
て、ハンドルステム４の上部には、左右に延びるハンド
ルバー５が連結され、ハンドルステム４の下部には、左
右一対に分かれたフロントフォーク６の上端部が連結さ
れていると共に、フロントフォーク６の左右の下端に渡
って、前輪７の車軸が固定されている。

【００１１】また、ダウンチューブ２の後端には、シー
トチューブ８の下端が一体的に固着されていると共に、
ダウンチューブ２の後端とシートチューブ８の下端に渡
って、更に、板金製の連結部材９が一体的に固着されて
いて、この連結部材９の後部には、左右一対のチェーン
ステー１０の各前端部が固着されており、この左右の各
チェーンステー１０の後端部とシートチューブ８の上端
部とに渡って、左右一対のシートステー１１がそれぞれ
設けられている。

【００１２】そして、シートチューブ８の上端部には、
サドル１２を固定したシートピラー１３が上下調節自在
に挿着されており、また、左右のチェーンステー１０の
後端部には、その両側に渡って後輪１４の車軸が固定さ
れていて、自転車の駆動部側のドライブスプロケットと
後輪側のホイールスプロケットとに渡って巻装される無
端チェーン（何れも図示せず）を覆うためのチェーンカ
バー１５が、片側のチェーンステー１０に沿って設置さ
れている。

【００１３】そのような自転車１の本体に対して、車両
駆動力の出力軸となる合力軸と、乗員の踏力を合力軸に
伝達する人力伝達手段と、踏力を検出してコントローラ
ーに出力する踏力検出手段と、検出された踏力に応じた
補助動力を発生する電動モーターと、電動モーターによ
る補助動力を合力軸に伝達する補助動力伝達手段とを一
体化したパワーユニット２０が、その前側を樹脂製のカ
バー１６で覆われた状態で、板金製の連結部材９に対し
てその下側に取り付けられており、パワーユニット２０
のケースから左右両側に突出するにクランク軸２１に
は、それぞれクランク２２が固定され、左右の各クラン
ク２２の先端にそれぞれペダル２３が取り付けられてい
る。

【００１４】また、パワーユニット２０の後方で連結部
材９の内側には、踏力検出手段からの検出結果に基づい
て電動モーターに送る電流を制御するためのコントロー
ラー１７が付設されており、該コントローラー１７とパ
ワーユニット２０の電動モーターに送る電流の電源とな
るバッテリー（図示せず）を内蔵したバッテリーボック
ス１８が、ダウンチューブ２の後端部の上方で、シート
チューブ８の前側に沿って、車体に対して取り外し可能
に固定されている。

【００１５】図２および図３は、上記の補助動力付き自
転車１に設置されているパワーユニット２０自体の構成
を示すもので、取付部２５，２６により連結部材９に対
して取り付けられるパワーユニット２０において、その
前部には、パワーユニット２０のケース２７と一体化さ
れた状態で電動モーター３０が設置されており、その後
部には、中空状の合力軸３１を回転自在に同軸的に嵌挿
させたクランク軸２１が、パワーユニット２０のケース
２７とその側面を覆うカバー２８に対して、各軸２１，
３１がそれぞれ回転自在となるように設置されている。

【００１６】同軸的に配置されたクランク軸２１および
合力軸３１と、電動モーター３０の出力軸３２との間に
は、アイドル軸３３とドライブ軸３４がそれぞれ設置さ
れていて、本実施形態では、各軸２１，３１，３２，３
３，３４は互いに平行で、且つ、側方から見て、各軸の
軸心を結ぶ直線が三角形となり、アイドル軸３３とドラ
イブ軸３４が、クランク軸２１（および合力軸３１）と
モーター出力軸３２の各軸心を結ぶ線よりも下方に位置
するように配置されている。

【００１７】電動モーター３０から側方に突出した出力
軸３２には、小径のギア３６が固定されており、該ギア
３６は、アイドル軸３３に軸受３７で回転自在に支承さ
れたアイドルギア３８と噛合している。

【００１８】ドライブ軸３４は、パワーユニット２０の
ケース２７とカバー２８に対して軸受３９と軸受４０に
より回転自在に支承されており、該ドライブ軸３４に
は、アイドルギア３８と噛合する大径のギア４２がワン
ウェイクラッチ４１を介して支持されていると共に、合
力軸３１のギア４７と噛合する小径のギア４３が形成さ
れている。

【００１９】クランク軸２１と合力軸３１については、
ケース２７に軸受４４を介して回転自在に支承された中
空状の合力軸３１に対して、クランク軸２１の片側が軸
受４５を介して合力軸３１の中空部に回転自在に嵌挿さ
れており、該クランク軸２１の反対側は、ケース２７の
側面を覆うカバー２８に軸受４６で回転自在に支承され
ている。

【００２０】本実施形態では、合力軸３１の内側端部外
周に、後で述べる遊星ギア機構５０の一部分であるサン
ギア５６が一体的に形成されており、合力軸３１の中間
部外周に、ドライブ軸３４の小径のギア４３と噛合する
大径のギア４７が一体的に形成されていると共に、ケー
ス２７の外側に突出した合力軸３１の外側端部外周に、
ドライブスプロケット４８が固定されていて、該ドライ
ブスプロケット４８と後輪のホイールスプロケット（図
示せず）とに渡って無端状のチェーン４９が掛け渡され
ている。

【００２１】そして、互いに回転自在で同軸的に配置さ
れたクランク軸２１と合力軸３１の間には、ワンウェイ
クラッチ５１を介して遊星ギア機構５０が設けられてお
り、該遊星ギア機構５０は、クランク軸２１上にワンウ
ェイクラッチ５１を介して支持されたリング状のキャリ
ヤー５２と、該キャリヤー５２に軸５３で回転自在に支
持された適当数の遊星ギア５４と、クランク軸２１上に
回動可能に支持されたリングギア５５と、上記の合力軸
３１に形成されたサンギア５６により構成されているも
のであって、各遊星ギア５４は、リングギア５５とサン
ギア５６に位置して両者に噛合している。

【００２２】遊星ギア機構５０のリングギア５５は、遊
星ギア５４と噛合する歯部が形成されたリングギア部材
５５ａと、クランク軸２１に対して回動自在に嵌挿され
る基部材５５ｂを、リベット５５ｃにより一体的に結合
したものであって、本実施形態では、このリングギア５
５の基部材５５ｂに対して、図２に示すように、踏力検
出手段の構成要素の一つとして、下方にＬ字状に延出す
るアーム部５５ｄが一体的に形成されている。

【００２３】そして、アーム部５５ｄのＬ字状に屈曲し
た下部の後端付近には、踏力検出手段の主要部として、
該アーム部５５ｄによる押圧力の大きさを歪みゲージ６
３により検出する荷重センサー６０が設置されており、
該荷重センサー６０に対して、アーム部５５ｄの下部後
端が、歪みゲージ６３を取り付けた荷重受部材６２の前
端面と常に当接するように、ケース２７の内側に突出す
るボルト５９によって該アーム部５５ｄ（およびリング
ギア５５全体）の動きが規制されている。

【００２４】上記のようにリングギア５５のアーム部５
５ｄに対して荷重センサー６０が設置されている本実施
形態のパワーユニット２０の作動状態について、以下に
説明する。

【００２５】乗員がペダル２３を踏んでクランク軸２１
を回転駆動すると、該クランク軸２１の回転が、遊星ギ
ア機構５０の遊星ギア５４からサンギア５６を介して、
該遊星ギア機構５０によって増速された状態で合力軸３
１に伝達されてから、合力軸３１を経てチェーン４９に
より後輪１４に伝達される。

【００２６】その際、クランク軸２１の回転を遊星ギア
５４により合力軸３１のサンギア５６に伝達するときの
反力が、リングギア５５を回動させるような力として働
き、それによって、リングギア５５から下方にＬ字状に
延出したアーム部５５ｄの下部後端が、荷重センサー６
０の荷重受部材６２の前端面を押圧することとなり、該
押圧力が荷重センサー６０の歪みゲージ６３により検出
されて、該検出結果が、乗員がペダル２３を踏むのに要
する力の大きさを示す信号として、荷重センサー６０か
らコントローラー１７に出力される。

【００２７】そして、該荷重センサー６０の検出信号が
コントローラー１７に入力されることで、乗員がペダル
２３を踏むのに要する力に応じて、バッテリーボックス
１８に内蔵されたバッテリーからの電流が、コントロー
ラー１７によって制御された状態で電動モーター３０に
流され、すなわち、その力が大きいとコントローラー１
７から電動モーターに流れる電流が大きくなり、その力
が小さいとコントローラー１７から電動モーター３０に
流れる電流が小さくなって、電動モーター３０による補
助動力が制御された状態で発生する。

【００２８】そのように制御された状態で電動モーター
３０から発生した補助動力は、電動モーター３０の出力
軸３２から、アイドルギア３８を経て、大径ギア４２と
ワンウェイクラッチ４１により減速された状態でドライ
ブ軸３４に伝達され、さらに、ドライブ軸３４の小径ギ
ア４３から合力軸３１の大径ギア４７により更に減速さ
れた状態で合力軸３１に伝達されて、その結果、電動モ
ーター３０による補助動力と、遊星ギア機構を介して入
力される人力との合力が、合力軸３１からチェーン４９
により後輪１４に伝達される。

【００２９】すなわち、上記のようなパワーユニット２
０を設置した補助動力付き自転車１では、ペダル２３を
踏んで車両を駆動するのに要する力の大きさを、踏力検
出手段として設置されている荷重センサー６０により検
知し、それに応じてコントローラー１７により電動モー
ター３０による補助動力の大きさが制御されることで、
車両の推進駆動のためにペダル２３を踏む人力の負担に
応じた補助駆動力が電動モーター３０によって提供され
ることとなる。

【００３０】ところで、上記のような本実施形態のパワ
ーユニット２０に設置されている荷重センサー６０自体
の構造については、図４および図５に示すように、上下
２箇所に取付用ボルトを挿通するための取付孔６１ａを
設けた基板６１に対して、円柱状の前端受部６２ａと、
それより一段小径の中央小径部６２ｂと、前端受部６２
ａと略同径の後端固定部６２ｃとを一体的に形成した荷
重受部材６２が、基板６１の前面に対して荷重受部材６
２の後端固定部６２ｃが嵌合されることで一体的に結合
されていて、基板６１と荷重受部材６２は、何れも、鉄
材やステンレスのような弾性変形可能な金属材料によっ
て形成されている。

【００３１】荷重受部材６２の前端受部６２ａについて
は、本実施形態では、該前端受部６２ａの前面（荷重受
部材６２の前端面）と当接するアーム部５５ｄの下部後
端面が平面状に形成されているのに対して、該前端受部
６２ａの前面は球面状に突出した曲面として形成されて
いる。なお、この点については、互いに当接するアーム
部５５ｄの下部後端面と荷重受部材６２の前端面の何れ
か一方が突出した曲面として形成されていれば、該曲面
がアーム部５５ｄの下部後端面側であってもよい。

【００３２】荷重受部材６２には、前端受部６２ａの後
面から後端固定部６２ｃの前面に渡って中央小径部６２
ｂの両側に、外側に湾曲形成されてその外表面に歪みゲ
ージを印刷したステンレス板からなる歪みゲージ部材６
３が設置されていて、荷重受部材６２の後端固定部６２
ｃの前側には、歪みゲージ部材６３から検出した歪みの
大きさを増幅して電圧変化として出力するために、コン
デンサーや抵抗等により構成されている増幅器６６が、
リード線６５でコントローラー１７と接続されるよう
に、取付部材６４を介して設置されている。

【００３３】そして、それらが設置されている基板６１
の前側を、荷重受部材６２の前端受部６２ａの前端面側
だけを突出させた状態でカバーするように、円筒状で樹
脂製のカバー部材６７が、基板６１の前面に対して嵌合
により固定されていて、カバー部材６７と荷重受部材６
２の前端受部６２ａの隙間は、シリコン等により摺動可
能にシールされている。

【００３４】なお、荷重センサー６０は、歪みゲージ部
材６３から検出した歪みの大きさを、検出した微弱信号
をそのまま出力して外部で増幅するようなものではな
く、その周囲に設置した増幅器６６により増幅してから
電圧変化として出力するものであるため、耐ノイズ性が
良好なものであるが、カバー部材６７の内面に銅皮膜を
形成することによって、耐ノイズ性を更に向上させるこ
とができる。

【００３５】上記のように円筒状のカバー部材６７で覆
われて一体的にユニット化された荷重センサー６０は、
図２に示すように、アーム部５５ｄの後方でパワーユニ
ット２０のケース２７に開設された円形の取付開口部に
対して、該開口部を基板６１で塞ぐようにその後方から
装着してから、基板６１の取付孔６１ａの部分で、アー
ム部５５ｄによる押圧力の方向とは逆方向から挿着され
るボルト５８によって、パワーユニット２０のケース２
７に対して固着されることとなる。

【００３６】そのような荷重センサー６０では、既に述
べたように、乗員がペダル２３を踏んでクランク軸２１
を回転駆動するのに要する力を、リングギア５５から下
方にＬ字状に延出したアーム部５５ｄの下部後端による
押圧力として、該荷重センサー６０の荷重受部材６２の
前端面で受けることとなるが、その結果、該押圧力に応
じて荷重受部材６２が弾性変形し、該荷重受部材６２の
弾性変形に伴う歪みゲージ６３の歪みが検出され、該検
出結果が、歪みゲージ６３の周囲に設置された増幅器６
６により増幅されてから、電圧変化としてリード線６５
によりコントローラー１７に出力されることとなる。

【００３７】以上に説明したように踏力検出手段がリン
グギア５５のアーム部５５ｄと荷重センサー６０によっ
て構成されている本実施形態のパワーユニット２０によ
れば、踏力検出手段が、バネ部材を組み込んだ反力受部
と、該反力受部とは別の回動角度検出装置とをそれぞれ
使用するものではなく、簡単な構造の荷重センサー６０
を使用するものであるため、該踏力検出手段について、
その構造を単純化することができ、部品点数を大幅に削
減することができて、パワーユニット２０に対する組み
付けも容易に行うことができる。

【００３８】すなわち、踏力検出手段として、荷重受部
材６２，歪みゲージ６３，増幅器６６等を基板６１とカ
バー部材６７で覆うように一体的にユニット化した荷重
センサー６０を使用しているため、該荷重センサー６０
を取り付けるためのパワーユニット２０のケース２７の
側の加工も簡単にでき、しかも、本実施形態では、荷重
センサー６０が、アーム部５５ｄによる押圧力の働く方
向とは逆方向から挿着されるボルト５８により、パワー
ユニット２０のケース２７に対して取り付けられている
ため、該押圧力に対して、荷重センサー６０が、少ない
数のボルト５８により充分な強度でパワーユニット２０
のケース２７に対して固定されることとなる。

【００３９】また、本実施形態では、リングギア５５の
アーム部５５ｄ下部後端面と荷重センサー６０の荷重受
部材６２前端面の一方（本実施形態では荷重受部材６２
の前端面）が突出した曲面として形成されていることに
より、該アーム部５５ｄ下部後端面と荷重受部材６２前
端面との当接による荷重受部材６２側での歪みの発生を
安定化させることができて、簡単な構造で歪み発生の精
度向上を図ることができる。

【００４０】さらに、本実施形態では、荷重センサー６
０において歪みゲージ６３と増幅器６６が一体的にユニ
ット化されており、歪みゲージ部材６３から検出した歪
みの大きさを、その周囲に設置した増幅器６６により増
幅してから電圧変化として出力するものであるため、検
出した微弱信号をそのまま出力して外部で増幅するよう
なものと比べて、耐ノイズ性が良好なものとなってい
る。

【００４１】以上、本発明の補助動力付き自転車のパワ
ーユニットの一実施形態について説明したが、本発明
は、上記のような実施形態にのみ限定されるものではな
く、例えば、クランク軸や合力軸と電動モーターの出力
軸とが直交して配置され、遊星ギア機構のサンギア側に
アーム部が形成されているような（特開平７−９５７４
４号公報参照）、異なるタイプのパワーユニットに対し
ても適用可能である等、その具体的な構造については適
宜設計変更可能なものであることはいうまでもない。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したような本発明の補助動力付
き自転車のパワーユニットによれば、その踏力検出手段
について、構造を単純化することができ、部品点数を削
減することができて、パワーユニットに対する組み付け
も簡単に行うことができる。

【図１】本発明のパワーユニットが使用されている補助
動力付き自転車についての全体を示す側面図。

【図２】図１に示した補助動力付き自転車に設置されて
いる本発明のパワーユニットの一実施形態について、パ
ワーユニットケースの側面のカバーを取り外した状態を
示す一部断面側面図。

【図３】図２に示したパワーユニットの各軸の軸心を結
ぶ線に沿った部分断面図。

【図４】図２に示したパワーユニットに踏力検出手段と
して組み付けられている荷重センサー自体を示す前面
図。

【図５】図４のＡ−Ａ線に沿った荷重センサーの断面
図。

１ 補助動力付き自転車 ２０ パワーユニット ２１ クランク軸 ２７ （パワーユニットの）ケース ３０ 電動モーター ３１ 合力軸 ５０ 遊星ギア機構 ５１ ワンウェイクラッチ ５４ 遊星ギヤ ５５ リングギア ５５ｄ アーム部（踏力検出手段） ５６ サンギア ５８ ボルト（荷重センサー取付用の） ６０ 荷重センサー（踏力検出手段） ６３ 歪みゲージ部材