（ショートレポート）電動アシスト自転車用ドライブユニット特許出願動向調査
１． 調査背景
日本の電動アシスト自転車は、シティサイクル(通称：ママチャリ)に電動アシストユニットを付加したものから普及している。その切っ掛けは、2009年に、「幼児の二人乗り」の基準に適合した自転車であれば、３人乗りが合法となり、子供の送り迎えなどに便利(こぎ出しの力があまり掛かからない)電動アシスト自転車が好まれるようになった。 (子供を２人乗せると30kg以上になるため人力での走行が不安定となるため電動によるペダル力をアシストする力が必要であった) また、世界(特に欧州)においては、スポーツ性を重視した電動アシスト自転車の普及が加速している。このように電動アシスト自転車が日本及び外国で需要拡大の兆しを見せている。今後、自転車の殆どが電動アシスト付きとなる可能性があり、電動ドライブユニットのさらなる開発が必要とされる。そこで、電動アシスト自転車の主要パーツであるドライブユニットに着目した特許出願状況を分析し、電動アシスト自転車の今後の動向を予測してみる。
※日本における2015年～2022年度の電動アシスト自転車の生産台数：約20万台から33万台と推移している。 (一般社団法人 自転車協会より)
２． 技術概要
自転車の電動アシストは、国毎に若干の規格の違いがある。特に日本の電動アシスト自転車は、アシスト力を制御し、時速24kmでアシスト力がゼロになるようにしなければならない。その点欧州では、アシストする最高速度とモーターの最高出力を規制するのみで、アシスト力を制御する必要が無い。このような規制の違いのため、欧州では制御機能を必要としない中国製の電動自転車がシェアを伸ばしている。しかし、近年ペダル力に対するアシスト制御ができるスポーツ嗜好(健康嗜好)の自転車に注目が集まり、適度なアシスト力を制御ができるドライブユニットを搭載する電動自転車の需要が高まりつつある。
３． 調査戦略（概要）
本調査では以下のような調査戦略の下、特許母集団を作成した。
・まずは国内メーカーの動向を把握する目的として、日本国内を対象とした。
・直近約10年間である、2015年1月1日以降の出願を対象とした。(増加傾向にあるため)
・電動アシスト自転車用ドライブユニットの集団を作成する。
└ 電動(電気モータ)を備えた自転車 B62M6/40、B62M6/80 IPC(FI) の分類コード、
電動アシスト自転車を広く捉えたIPC(FI)：B60L15/00を適用範囲として、「電動アシスト自転車」の技術観点で付与されるFターム：5H125を使用した。
上記 IPCおよび Fターム の分類コードを適用し、検索演算を行い、1167件を母集団とした。
＜使用特許分類＞
・ B62M6/40 ･補助的な電気モーターを備えた乗手推進自転車[2010.01]
・ 5H125AA18 電動アシスト自転車＜人力をアシストするもの
（対応IPC(FI)：B60L15/00 電気的推進車両の推進、例.牽引モーターの速度,の所定の駆動を行うための制御手段）
４． 出願動向（求めた母集団を分析）
・日本国内の出願動向
電動アシスト自転車のドライブユニットに関連する特許出願件数は、955件／1167件(要約においてエンジンを動力原とするものは除く)。 その結果、2015年以降増加傾向にあり、2018年においては出願数が急激に増加し、195件を記録している。近年世界的に需要拡大の傾向があるため、開発に力を入れていることが見受けられる。今後の出願の動向が注目される。
※1）未確定：出願から１年６月 経過しないと公開されないため、調査時点で未公開な公報が含まれる出願年は未確定年としております。
上位出願人の順位は、調査前の段階ではパナソニックとヤマハの２強により占められるものと思われていたが、シマノがパナソニックを上回り１位となったことが予想外であった。また、電子部品(インダクタ等)メーカーの太陽誘電が４位となっており、自転車用電動ユニット(モーター部品)に関連したものを開発していることが確認された。
・上位７出願人の出願推移と出願数
シマノは201７年以降の出願数が急激に多くなっている。現在2018年では99件が出願され、電動自転車用ドライブユニットに関する出願が最も多く、2019年以降の出願数は減少傾向にある。
また、パナソニック、ヤマハ、本田技研 は、多少の出願数の増減はあるものの2018～2019年を出願ピークになっており、近年では減少傾向にある。開発から製造に移行していることが推測される。太陽誘電は、2019年まで10件前後の出願数を維持していたが、2020年以降は、出願数が減少しているが開発は続けられている。
５． 調査結果
出願上位のメーカーであるパナソニック、ヤマハ から、シマノが2017年以降 に 出願数が第１位となり、１位を維持していることが確認された。シマノは、世界的に有名な自転車用パーツメーカであるが、近年電動ドライブユニットの開発に力を入れていおり、シマノの主要な製品として取り組まれていることが伺える。また、電動ドライブユニット以外の自転車用パーツが世界展開しており、欧州・台湾・米国 などの多くの自転車メーカー(自転車完成品)がシマノを採用していることにより、新たに電動ドライブユニットの世界展開が伺える(一般情報より)。パナソニックは、国内需要をメインとした電動アシスト自転車の販売が殆どであったが、2017年くらいから スポーツ目的の電動アシスト自転車(完成品)の生産を開始しており、スポーツ用電動アシスト自転車向けの出願が複数見られた。また、ヤマハのスポーツ用電動ドライブユニットは、2015年頃から出荷が始まって現在に至っており、欧州での存在感を示していることが報道されている。
以上主要出願メーカー２社により電動自転車ドライブユニット関連の特許数を占有していたが、新たにシマノが電動ドライブユニットの開発に参入し、３メーカーによる開発競いとなったことが見受けられる。欧州では ボッシュ、ヤマハの電動ドライブユニットが広く採用されており、シマノが自転車部品の老舗メーカとして、電動自転車のドライブユニットをどのようにして展開して行くのか注目される。また、ヤマハ、パナソニックも拡大を目指すための取り組みの動向を注力される。また新たなメーカー(スタートアップ、中国)の参入が見受けられるので、自転車用電動ドライブユニットの開発の動向に目が離せない状況にある。 なお本田技研が電動アシスト自転車のドライブユニット(機構)の開発を行っていないのになぜ含まれているのか？ について、ドライブユニットの制御系(電動バイクも含まれる)に関する出願が多数あり、その中に、電動自転車ドライブユニットの制御系に関する特許も含まれており、本調査の母集団には含まれることとしました。
※主要各社の動向報告にて説明する。
５．１ シマノの動向
シマノが2010年頃に開発した電動アシスト自転車は、ハブ(前輪の)にモータを内蔵した電動ドライブユニットが主であった。本構成は前輪のハブに電動モータを取付、車速とモータの出力を制御するものであった。
2018年に出願されたものは、電動アシストユニットがクランク部に移動し、センサの数も多くなり、ペダルに掛けた人力荷重をセンシングすることにより、アシスト力を制御している。
参考文献：特開2020-1578
本出願は、一軸方式のドライブ機構であり、各種センサにより細かなアシスト制御ができる仕様となっている。また、一軸式のドライブ機構であるため、欧州等で好まれるダイレクトなアシスト出力の特性をもったものである。
※独にも出願されておりシマノの部品ブランド力を活かし、電動系パーツも徐々に力を注いでいることが伺える。
また、製品として 「SHIMANO STEPS」の名称でアシストユニットとするコンポーネンツ(下図)を世界展開していることが報じられている。
※一軸式のドライブユニット機構を採用している。
シマノは、近年に出願された技術として、多数のセンサ情報から得られたデータを機械的に学習し、制御するものが出願されており(特開2020-6834、特開2023-151357 等)、今後、電動アシストユニットを含めた電動パーツの制御は、AI/MLを組み込んだものが製品化されると予測される。
５．２ パナソニックの動向
パナソニックは既に2010年以前から日本の電動アシスト自転車を開発しているメーカーであることが知られている。
パナソニックの2010年頃の電動アシストドライブの機構は、ペダルクランク軸を含むドライブユニット構成であるが、ペダルを漕ぐ人力軸と、アシストするためのトルクを発生する(電動モータ)軸との２軸で構成されたものが主であった。しかし、近年(2018年)に出願されたドライブユニットでは、一軸式と二軸式の２通りの構成が兼用できるユニットや、一軸式のみ、または二軸式のみのものも開発しており、大きくは一軸式のダイレクトなアシシストトルクが得られるものと、二軸式のマイルドなアシストトルクが得られるものの、２つの仕様により多彩なドライブユニットの開発を行っていることが見受けられる。なお、今後の制御技術として、ドライブユニットの制御するため、AI/MLを使った制御の取り組みが現状では見られていないが、パナソニックのAI/ML技術は既に他の製品で採用されており、必要性が生じればその展開は早いものと思われる。現状の最新モデル(2024年)では、使い勝手の良いコンパクト、積載性(子供乗せ)、通学、高齢者に適した電動アシスト自転車を提案している。また、スポーツ性を重視した、e-BAKE 「XEALT」 も展開している。
パナソニックの基本的なドライブユニット構成。当初電動アシスト自転車のドライブユニット構成。※特許4906982【図２】参照
また、本図は、一軸構成のドライブユニットの断面図である。一軸構成のもと二軸構成を兼用できるドライブユニット。本構成は、二軸構成を主とした構造(図２) を出願しているが、変形例として、構成されたものが (図7)の構成である。
参考文献：特開2020-79016
（図２の構成は 特開2023-49765にも採用されている）
５．３ ヤマハ発動機の動向
ヤマハ発動機もパナソニック同様に電動アシスト自転車を開発している主な国内メーカーであり、国内で初めて電動アシスト自転車を開発し販売したのはヤマハ発動機である。当時(1993年)「PAS」という名称で販売されたことは有名である。その後、欧州への展開を試みたが、販売当初欧州での電動アシスト自転車は人力をアシストする方式ではなく、単純に車速とパワーを制御できるものが受け入れられていたため(自走することも可能な電動自転車に慣れていいた)、日本方式の電動アシスト制御が好まれなかったため、販売は不振に終わり、戦略を練り直さなければならなくなった。2014年には前回の問題点を改善(電動アシストの機構の制御方法を見直し)したドライブユニットを開発し欧州への展開を再度行っている。ドライブユニットの開発は、国内および欧州に向けて行われ製品化しており、その結果2019年には、ドライブユニットの累計生産台数が500万台を達成したことが報じられている。
出願状況から、ヤマハ発動機のドライブユニットは、一軸式と二軸式との２つの構成で開発が行われており、ダイレクト感を出力し易い一軸式と、マイルドな出力を得意とする二軸式の特徴を生かした電動アシスト自転車の開発が進められていることが確認された。
参考文献：特開2019-147528
ペダル軸とアシストトルク発生軸との二軸構成であり、ペダル軸からトルクを検出し、制御している。※図１参照
参考文献：特開2019-31257
ペダル軸とアシストトルク発生軸が共有軸となっている一軸構成のドライブユニットが出願されている。※図１参照
なお2022年以降の出願では、上記ような電動ドライブユニットの構成において、電力(バッテリ)を効率良く供給するための制御に関する発明が多数見受けられる。特開 2022-118600、特開2023-30689 等にも見受けられる。
５．４ 本田技研工業の動向
本田技研工業が電動アシスト自転車に参入という情報があったのは、2023年の3月である。発表されたのは「SmaChari」スマチャリと言う電動アシスト自転車の制御に関するものである。制御に関連した発明は、ペダル踏力の検出のための構造が複雑化したり、自転車の改造を要したりすることなく、ペダル踏力を推定する演算部によって推定された踏力に応じてモータ駆動力を制御するものである。 参考文献：特開2020-124945
図１に電動アシストの構成を示す。図６には、各種センサによって検出されたしたものを 制御部100によってモータの駆動制御するものである。 このような制御をスマートフォンのアプリと連動させたものが 「SmaChari」 として製品化したものと伺われる。
５．５ ニデックの動向
ニデックは、日本電産の社名から2023年に「ニデック」として社名が変更されました。2023年における特許には、旧社名で登録されています。
ニデックは、ブラシレスDCモータの開発を行っており、電動アシスト自転車に使用されるモータの需要を見込んでいます。
電動車両100は使用者のペダルを踏む力を補助する電動アシスト自転車であって、駆動装置10は、動力伝達機構103との構成により電動アシスト自転車等の駆動機構が出願されている。
参考文献：特開2022-121335
【図１】 電動車両100は、車体101と、２個の車輪102と、動力伝達機構103と、駆動装置10と、電源部104と、を有する。 【図４】は、駆動装置の内部を斜視図である。
５．６ ボッシュの動向
ボッシュはスポーツ電動アシスト自転車の電動ドライブユニットの生産を行っている。近年は電動アシスト自転車のドライブユニット「Bosch eBike Systems」の提供に力を入れている。日本に出願された技術においては、筋力および追加的にモータ力によって駆動可能な電動アシスト自転車の動作方法およびモータ駆動部によるアシスト力、障害物に応じた、障害物コース内の万一の障害物が、従来の場合より簡単かつ確実に乗り越えられるアシスト制御が行われる。このようにアシスト力の細かな制御を行える電動アシストドライブユニットの開発に力を入れている。
参考文献：特開2023-81345
５．７ ZFの動向
自動車部品を製造するメーカーであり、電動化に対応したドライブユニット等(車両用)を製造している。今回の調査において、ZFから出願されたものが、自転車の駆動ユニットに関する特許が見受けられたため紹介する。
参考文献：特表2023-519268
”人力駆動式の車両のための、特に自転車またはＥＰＡＣのための駆動ユニット（10）であって、ボトムブラケットシャフト（14）と、電気補助駆動装置（16）と、中空軸として設計された出力軸（22）は、相互に同軸に配置される。”
６． まとめ
電動アシスト自転車のモーター制御は、年々進化していることが特許出願の動向分析調査により確認された。
今後は人力の対象範囲がより広範囲に適応できる制御が求められている。
センサーから検出したデータを処理する技術は、人にやさしい制御 （踏力対応、周囲環境対応、法規制対応など）を行うためのAI/ML技術を取り入れ、常に変化する条件に対する最適なアシスト制御が要求されることが予測される。 (2023年時点 既に一部の自転車メーカが採用しているが十分ではない)
調査１部 岩田
