(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペダルに加わる踏力に応じた補助力を発生すべくモータを駆動制御する駆動制御手段を備えてなる補助動力付き自転車において、
該自転車の車速を検出する車速検出手段と、
ペダルに加わる踏力を検出する踏力検出手段と、
前記車速検出手段が検出した車速と前記踏力検出手段が検出した踏力に基づき回生の必要性を判別して前記モータを回生状態に切り換える回生制御手段を備えたことを特徴とする補助動力付き自転車の回生制御装置。
【請求項２】
前記回生制御手段は、予め車速に応じて踏力の回生判定値を定めて記憶しており、ある車速での前記踏力検出手段が検出した実際の踏力が前記回生判定値より小さい場合に前記モータを回生状態に切り換えることを特徴とする請求項１記載の補助動力付き自転車の回生制御装置。
【請求項３】
前記回生制御手段は、前記駆動制御手段による駆動制御の下で予め平坦路を走行するに必要な踏力を車速に対応して求め前記回生判定値として記憶しており、ある車速での前記踏力検出手段が検出した実際の踏力が前記回生判定値より小さい場合に前記モータを回生状態に切り換えることを特徴とする請求項２記載の補助動力付き自転車の回生制御装置。
【請求項４】
前記回生制御手段は、前記車速検出手段が検出した車速の変化から加速度を演算し、該加速度と踏力に基づき回生の必要性を判別することを特徴とする請求項１記載の補助動力付き自転車の回生制御装置。
【請求項５】
前記回生制御手段は、予め車速に応じて踏力の回生判定値を定めて記憶しており、前記実際の踏力が前記回生判定値より小さい場合でも前記加速度が正の値のときにのみ前記モータを回生状態に切り換えることを特徴とする請求項４記載の補助動力付き自転車の回生制御装置。
【請求項６】
前記回生制御手段は、前記踏力検出手段が検出した実際の踏力が零の場合には、前記加速度が正の値のときに前記モータを回生状態に切り換えることを特徴とする請求項５記載の補助動力付き自転車の回生制御装置。
【請求項７】
ペダルに加わる踏力に応じた補助力を発生すべくモータを駆動制御する駆動制御手段を備えてなる補助動力付き自転車において、
該自転車の車速を検出する車速検出手段と、
ペダルに加わる踏力を検出する踏力検出手段と、
前記車速検出手段が検出した車速の変化から加速度を演算し、これと前記踏力とに基づいて走行している路面を想定して回生の必要性を判別し、前記モータを回生状態に切り換える回生制御手段を備えたことを特徴とする補助動力付き自転車の回生制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗員のペダルを踏む力をモータの動力によって補助する補助動力付き自転車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
補助動力付き自転車については、従来から種々提案されたものがあり、そのうちモータに制動力を発生させるブレーキ制御まで言及している例としては、特開平４−１００７９０号公報記載の例がある。
同例では、「降坂時などに一種のエンジンブレーキの作用を持たせることができる」として、「ブレーキセンサによりブレーキをかけたことを検出してモータにブレーキ力を発生させる」との記載がある。
【０００３】
ただし同例では、モータに制動力を発生させてはいるが、モータが制動力を発生させる状態はモータが発電機として働いている場合であって、これによって生じる電力をバッテリーへ回生させることまでは言及していない。
しかしモータを回生制御することは容易に考えられることである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記例では、モータに制動力を発生させるのは、ブレーキをかけたことをブレーキセンサが検出した時であり、したがってブレーキをかけるまでは、モータによる制動力は働かず、よって回生することもできない。
ブレーキをかけるときは、ペダルを踏み込むことをしないのが普通であるので、ペダルを踏んでいるときは、モータの発電機としての制動力は働かず回生状態にすることもない。
【０００５】
補助動力付き自転車の場合、モータの動力が人力を補助しているので、通常の自転車よりペダルが軽くなるが、車速の割りにペダルの踏力が小さ過ぎることが降坂によっては起こり得ることである。
車速の割りにペダルが軽すぎるのは、却って快適な走行を妨げることになり、特に加速状態にあれば益々速度が増して結局ブレーキをかけて速度を落としたりしなければならず快適な走行性を維持することが難しい。
【０００６】
前記従来例の場合、ペダルを踏んでいるときはブレーキをかけず、よってモータによる制動力が働くことはないので、ペダルを踏んでいる限り速度の割に踏力が小さくなり過ぎる場合が生じ、快適な走行を妨げることがある。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その目的とする処は、速度の割に踏力が小さい場合に、モータを回生状態に制御してバッテリーを充電し、かつ快適な走行性を維持することができる補助動力付き自転車の回生制御装置を供する点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、ペダルに加わる踏力に応じた補助力を発生すべくモータを駆動制御する駆動制御手段を備えてなる補助動力付き自転車において、該自転車の車速を検出する車速検出手段と、ペダルに加わる踏力を検出する踏力検出手段と、前記車速検出手段が検出した車速と前記踏力検出手段が検出した踏力に基づき回生の必要性を判別して前記モータを回生状態に切り換える回生制御手段を備えた補助動力付き自転車の回生制御装置とした。
【０００９】
回生制御手段は、車速と踏力に基づき回生の必要性を判別するので、車速の割に踏力が小さ過ぎる場合は回生が必要と判断して、モータを回生状態に切り換えることで、モータを回生状態にし発電機として発電した電力をバッテリーに回生してバッテリーの電力消費を抑制することができ、かつモータの発電機としての制動力を該自転車に働かせて快適な走行性を維持することができる。
【００１０】
前記回生制御手段は、予め車速に応じて踏力の回生判定値を定めて記憶しており、ある車速での前記踏力検出手段が検出した実際の踏力が前記回生判定値より小さい場合に前記モータを回生状態に切り換える請求項１記載の補助動力付き自転車の回生制御装置とする。
【００１１】
この回生判定値を快適走行状態に合わせて設定しておけば、車速の割に踏力が小さく回生判定値を下回るようなときにモータを回生状態に切り換えることができ、バッテリーを充電できるとともに制動力により快適走行に近づけることができる。
【００１２】
前記回生制御手段は、前記駆動制御手段による駆動制御の下で予め平坦路を走行するに必要な踏力を車速に対応して求め前記回生判定値として記憶しており、ある車速での前記踏力検出手段が検出した実際の踏力が前記回生判定値より小さい場合に前記モータを回生状態に切り換える請求項２記載の補助動力付き自転車の回生制御装置とする。
【００１３】
回生制御手段は、前記駆動制御手段による駆動制御の下で予め平坦路を走行するに必要な踏力を車速に対応して求めた回生判定値を記憶しており、したがって実際に検出した車速と踏力を記憶している回生判定値と比較して実際の踏力が回生判定値より小さければ回生が必要と判別でき、モータを回生状態にしてバッテリーを充電するとともに、降坂路の状態の如何にかかわらず平坦路を快適に走行していると同じような快適な走行性を維持することができる。
【００１４】
前記回生制御手段は、前記車速検出手段が検出した車速の変化から加速度を演算し、該加速度と踏力に基づき回生の必要性を判別することを特徴とする請求項１記載の補助動力付き自転車の回生制御装置とする。
前記回生制御手段は、予め車速に応じて踏力の回生判定値を定めて記憶しており、前記実際の踏力が前記回生判定値より小さい場合でも前記加速度が正の値のときにのみ前記モータを回生状態に切り換える請求項４記載の補助動力付き自転車の回生制御装置とする。
【００１５】
加速度が零または負の値すなわち一定速度が維持されているか減速状態にあるときは、速度の割に踏力が小さくても一定速度状態を乱してまで回生したり、回生により減速をさらに急激にしたりする必要性は乏しいので、かかる場合はモータを回生状態にしないようにしている。
【００１６】
前記回生制御手段は、前記踏力検出手段が検出した実際の踏力が零の場合には、前記加速度が正の値のときに前記モータを回生状態に切り換える請求項５記載の補助動力付き自転車の回生制御装置とする。
ペダルを踏み込んでいないときは加速状態にない限り、モータを回生させて制動させる必要性に乏しいので、かかる場合はモータを回生状態にしないようにしている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明に係る一実施の形態について図１ないし図７に図示し説明する。
補助動力装置１の各構成部品は、左側の補助動力装置ケーシング２と右側の補助動力装置カバー３とで囲まれた密閉空間内に配置され、該補助動力装置１は自転車車体０に一体に装着されている。
【００１８】
またクランク軸４の両端にペダルアーム５が着脱自在に一体に装着され、該ペダルアーム５の先端にペダル６が回転自在に枢着され、クランク軸４の左側部は、補助動力装置ケーシング２のボールベアリング７に回転自在に嵌装されている。
【００１９】
さらにクランク軸４の外周に筒状の中空トルク伝達部材８がニードルベアリング９を介して回転自在に嵌合されるとともに、ボールベアリング７に隣接してクランク軸４と中空トルク伝達部材８とに踏力ワンウエイクラッチたるラチェットワンウェイクラッチ10が介装され、該中空トルク伝達部材８の右側部はボールベアリング11を介して補助動力装置カバー３に回転自在に嵌合され、該補助動力装置カバー３より右方に露出した中空トルク伝達部材８の右側部にドライブスプロケット12がスプライン嵌合され、該中空トルク伝達部材８の右端部に袋ナット13が一体に螺着されている。
【００２０】
クランク軸４の回転速度が中空トルク伝達部材８の回転速度以下となっても、ラチェットワンウェイクラッチ10によって中空トルク伝達部材８は空転することができ、クランク軸４およびペダル６は停止状態を保持することができる。
【００２１】
さらにまたボールベアリング11の内側に位置して中空トルク伝達部材８に、従動歯車15が一体に嵌着され、該従動歯車15と噛み合う減速歯車16の軸部16ａに従動歯付プーリ17が一体に嵌着され、直流モータ20の回転軸21に駆動歯付プーリ18が一体に嵌着され、該従動歯付プーリ17および駆動歯付プーリ18に歯付無端ベルト19が架渡されており、直流モータ20が稼動状態になると、駆動歯付プーリ18，歯付無端ベルト19，従動歯付プーリ17，減速歯車16，従動歯車15および中空トルク伝達部材８に直流モータ20の動力が伝達され、該中空トルク伝達部材８はドライブスプロケット12をともに回転し、チェーン34を介して後車輪35を前進方向へ回転駆動させるようになっている。
【００２２】
なお、減速歯車16はボールベアリング22、23を介して補助動力装置ケーシング２および補助動力装置カバー３に回転自在に枢支され、直流モータ20の回転軸21は、ボールベアリング24、25を介して直流モータ20のケーシング20ａおよび補助動力装置カバー３に回転自在に枢支されている。
【００２３】
かかる構造であるので、逆に後車輪35の回転がチェーン34，ドライブスプロケット12，中空トルク伝達部材８，従動歯車15，減速歯車16，従動歯付プーリ17，歯付無端ベルト19，駆動歯付プーリ18を介して直流モータ20に伝達されることも可能で、直流モータ20の回転軸21を外力で強制的に回転させて発電機として働かせ発電した電力を回生することができる。
【００２４】
またラチェットワンウェイクラッチ10と従動歯車15との間の中空トルク伝達部材８の外周面に、非晶質磁性合金製の薄帯26が一体に巻きつけられ、該薄帯26の外方に位置した補助動力装置ケーシング２の内周面にトルク検出コイル27が配設されて磁歪式トルクセンサ28が構成されている。
【００２５】
中空トルク伝達部材８におけるトルク検出コイル27の左右の入力トルクのトルク差が前記薄帯26に剪断歪を生じ、これによる薄帯26の透磁率の変化がトルク検出コイル27によって検出される。
【００２６】
中空トルク伝達部材８には、トルク検出コイル27より右側（出力側）に直流モータ20のアシスト力の入力があり、トルク検出コイル27より左側にはラチェットワンウェイクラッチ10を介してペダル６への踏力が入力されるので、磁歪式トルクセンサ28は直流モータ20のアシスト力よりさらに加えられるところの踏力のみを検出することができる。
【００２７】
一方ラチェットワンウェイクラッチ10の外方にクランク回転数センサ29が設けら、従動歯車15に沿って車速センサ30が設けられている。
従動歯車15の回転には、後車輪35の回転がチェーン34，ドライブスプロケット12，中空トルク伝達部材８を介して反映されるので、従動歯車15に沿って設けられ従動歯車15の回転速度を検出する車速センサ30は、該自転車０の車速を検出することができる。
【００２８】
以上のような構造の補助動力装置１において、直流モータ20の制御は、電子コントロールユニットＥＣＵ40によりなされており、該制御系の概略図を図４に示す。
ＥＣＵ40には、前記磁歪式トルクセンサ28，クランク回転数センサ29，車速センサ30からの入力があり、制御信号をドライバー41に出力し、ドライバー41により直流モータ20は駆動される。
【００２９】
直流モータ20には、バッテリー45の電力がドライバー41を介して供給されるようになっており、該電力供給回路にはメインスイッチ46が介装されている。
一方メインスイッチ46とドライバー41との間には回生回路が設けられており、回生スイッチ47，昇圧回路48，逆流防止用のダイオード49が直列に配設されている。
【００３０】
回生スイッチ47はＥＣＵ40により制御され、通常はオフ状態にされており、メインスイッチ46がオンすると、バッテリー45の電力をドライバー41を介して直流モータ20に供給可能な状態にある。  そしてＥＣＵ40は、クランク回転数センサ29のクランク回転数信号と磁歪式トルクセンサ28のトルク信号から人力仕事量を演算し、ある比率で人力を補助すべく直流モータ20に電力を制御して供給し、直流モータ20を駆動してアシスト力を出力する。
【００３１】
一方ある走行状態においては、直流モータ20への電力の供給を停止し、逆に直流モータ20を発電機として働かせ、回生スイッチ47をオンさせて発電した電力を回生回路を介してバッテリー45に回生させる。
直流モータ20が発電した電力は、その電圧を昇圧回路48により昇圧してバッテリー45の所定出力電圧より大きくしてバッテリー45に返還する。
【００３２】
かかる回生制御について以下説明する。
図５は、ある傾斜角度の登坂路，平坦路，傾斜角度の異なる２つの降坂路について自転車を一定車速で走行させるため必要とされる入力を示している。
この入力の値は、走行抵抗に見合う値であり、よって車速の２乗に比例して増加する。
【００３３】
登坂路においては車速が０km/hであっても、０km/hを維持するために入力が必要とされている。
また降坂路では、ある車速で入力が０となり、同車速より低い車速では該車速を維持するためには負の入力すなわち後退方向の入力が必要とされることを示している。
【００３４】
本補助動力付き自転車０の場合は、自転車を走行させる入力は人力と直流モータ20の動力とで作り出すことになる。
ここに人力は、乗員がペダル６を踏む力であり、左右の足が左右のペダル６を交互に踏み込むことになるので、踏力Ｆの変化は図６に示すように波形を示し、１周期がクランク軸４の１回転に相当する。
【００３５】
直流モータ20の制御には、この変化する踏力Ｆのうち最大値ΔＦを使用している。
この踏力ΔＦは前記磁歪式トルクセンサ28が検出し、回生制御に際しては、この磁歪式トルクセンサ28が検出する踏力ΔＦと車速センサー30が検出する車速ＶとをＥＣＵ40が入力して処理することになる。
【００３６】
なおＥＣＵ40は、上記踏力ΔＦと車速Ｖのほか逐次入力される車速Ｖから車速Ｖの変化率dV/dt すなわち加速度αを演算して回生判定に供するようにしている。
【００３７】
図７は、回生判定マップを座標に示したものであり、横軸を車速Ｖ，縦軸を踏力ΔＦとしている。
同図７において右肩上がりの斜線は回生判定ラインＬであり、車速Ｖ0 は回生下限車速であり、この回生判定ラインＬより小さい踏力ΔＦで、車速Ｖ0 より大きい車速にある場合すなわちハッチングが施された部分に走行状態がある場合に直流モータ20の回生制御がなされる。
【００３８】
ここに回生判定ラインＬは、本補助動力付き自転車０を直流モータ20による補助制御の下で、平坦路を走行させたときの車速Ｖに対する踏力ΔＦの変化を実際に求めたものを用いている。
この回生判定ラインＬ上の車速Ｖと踏力ΔＦの関係にあるときは、略理想的な快適走行を実現でき、平坦路でかかる状態になるように直流モータ20のアシスト力が制御されている。
【００３９】
したがって走行路が登坂路であろうと降坂路であろうとまた傾斜角度によらず走行状態が、この回生判定ラインＬに沿っていれば快適な走行ができる。
そこである降坂路を走行中であって車速の割に踏力が小さい場合すなわち回生判定ラインＬよりも踏力ΔＦが小さい場合は、直流モータ20を回生状態に切り換えて回生による制動力を働かせ同じ踏力ΔＦにあれば車速Ｖを下げて回生判定ラインＬに近づけることができる。
ただし本実施の形態では、実際に回生するか否かはさらに加速度αをみることにしている。
【００４０】
この回生判定ラインＬは予め決定しておき、ＥＣＵ40が記憶しており、ＥＣＵ40は走行時に逐次入力される磁歪式トルクセンサ28からの踏力ΔＦと車速センサー30からの車速Ｖとを回生判定ラインＬと対比して回生を必要とする範囲（図７のハッチング部分）にあるか否かを判別する。
【００４１】
またＥＣＵ40は、前記したように加速度αを算出し、加速状態（α＞０）にあるときにのみ直流モータ20を回生状態に設定するようにしている。
すなわち踏力ΔＦが回生判定ラインＬより下方にあっても加速度αが０または負の値にあるときは、一定速度が維持されているか減速状態にあって、かかる状態にあるときに、直流モータ20を回生状態にして一定速度を乱したり、減速を急激にしたりする必要性は乏しいので、回生はしないようにして、加速状態にあるときにのみ回生するようにしている。
【００４２】
踏力ΔＦが回生判定ラインＬより下方にあって加速度αが正の値にあるときは、車速の割に踏力が小さくかつ増速状態にあるので、かかる場合に直流モータ20を回生状態に切り換えることで、制動力が働き増速が抑えられて走行状態を安定化し快適走行に近づけることができるとともに、発電された電力をバッテリー45に回生して充電を行うことができる。
【００４３】
以上は踏力が存在する場合（ΔＦ＞０）の回生条件を述べたものであり、踏力がない場合（ΔＦ＝０）すなわちペダル６への踏み込みがないときは、加速度αだけで回生するかしないかを判断する。
すなわち加速度αが正の値のとき（α＞０）は回生状態にし、０または負の値のとき（α≦０）は回生状態とせず惰行状態とする。
【００４４】
踏力ΔＦ＝０で加速度α＞０であるのは、降坂路を走行している場合であり、車速がどんどん増していく状態にあるので、この場合は直流モータ20を回生状態にして制動をかけるようにし、手動でブレーキを操作することをなるべき控えて快適な走行状態とすることが可能である。
またこのとき回生によりバッテリー45への充電もできる。
【００４５】
また踏力ΔＦ＝０で加速度α≦０であるのは、通常は平坦路または極めて緩い降坂路を走行している場合であり、制動をかける必要性はなく直流モータ20を回生状態とはせず、直流モータ20の回転軸21をフリー状態として負荷がかからないようにして惰行状態とする。
【００４６】
以上回生条件をまとめると、踏力があるとき（ΔＦ＞０）は、図７における回生判定ラインＬおよび車速Ｖ0 を境にハッチング部分に車速Ｖと踏力ΔＦがあって、かつ加速度α＞０であることを回生条件とし、踏力がないとき（ΔＦ＝０）は、加速度α＞０であることが回生条件としている。
【００４７】
なお回生判定ラインＬは、図７における位置より上下に推移させて設定することも考えられる。
回生判定ラインＬを上方に推移させれば直流モータの回生による制動がかかり易くなり、前記の状態より重い走行感覚となるが、バッテリー45への充電が多く行われるようになり、逆に下方に推移させれば制動がかかり難くなり、前記の状態よりますます軽い走行感覚を得ることができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は、回生制御手段が、車速と踏力に基づき回生の必要性を判別するので、車速の割に踏力が小さ過ぎる場合は回生が必要と判断して、モータを回生状態に切り換えることで、モータを回生状態にし発電機として発電した電力をバッテリーに回生してバッテリーの電力消費を抑制することができ、かつモータの発電機としての制動力を該自転車に働かせて快適な走行性を維持することができる。
【００４９】
この回生判定値を快適走行状態に合わせて設定しておけば、車速の割に踏力が小さく回生判定値を下回るようなときにモータを回生状態に切り換えることができ、バッテリーを充電できるとともに制動力により快適走行に近づけることができる。
【００５０】
回生制御手段が、前記駆動制御手段による駆動制御の下で予め平坦路を走行するに必要な踏力を車速に対応して求めた回生判定値を記憶して、実際に検出した車速と踏力を記憶している回生判定値と比較して実際の踏力が回生判定値より小さければ回生が必要と判別でき、モータを回生状態にしてバッテリーを充電するとともに、降坂路の状態の如何にかかわらず平坦路を快適に走行していると同じような快適な走行性を維持することができる。
【００５１】
実際の踏力が前記回生判定値より小さい場合でも加速度が正の値のときにのみモータを回生状態に切り換えることで、加速度が零または負の値すなわち一定速度が維持されているか減速状態にあるときは、速度の割に踏力が小さくても一定速度状態を乱してまで回生したり、回生により減速をさらに急激にしたりすることはなく、快適走行状態を維持することができる。
【００５２】
実際の踏力が零の場合には、加速度が正の値のときにモータを回生状態に切り換えることで、ペダルを踏み込んでいないときは加速状態にない限り、モータを回生させて制動させることをせず、快適走行状態を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る補助動力付き自転車の全体側面図である。
【図２】図１の要部拡大側面図である。
【図３】図２のIII −III 線に沿って截断した断面図である。
【図４】補助動力としての直流モータの制御系の概略ブロック図である。
【図５】一定車速で走行させるため必要とされる入力を示す図である。
【図６】ペダルの踏力の変化を示す図である。
【図７】回生判別マップを座標で示した図である。
【符号の説明】
０…補助動力付き自転車、１…補助動力装置、２…補助動力装置ケーシング、３…補助動力装置カバー、４…クランク軸、５…ペダルアーム、６…ペダル、７…ボールベアリング、８…中空トルク伝達部材、９…ニードルベアリング、10…ラチェットワンウェイクラッチ、11…ボールベアリング、12…ドライブスプロケット、13…袋ナット、15…従動歯車、16…減速歯車、17…従動歯付プーリ、18…駆動歯付プーリ、19…歯付無端ベルト、20…直流モータ、21…回転軸、22，23，24，25…ボールベアリング、26…薄帯、27…トルク検出コイル、28…磁歪式トルクセンサ、29…クランク回転数センサ、30…車速センサ、34…チェーン、35…後車輪、  40…ＥＣＵ、41…ドライバー、45…バッテリー、46…メインスイッチ、47…回生スイッチ、48…昇圧回路、49…ダイオード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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