(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人力により駆動されるクランク軸の回転を後輪に伝える人力駆動系と電動モータの出力を前記後輪に伝える電気駆動系とを並列に設け、人力による踏力と車速との両方の変化に対応して前記電気駆動系の電動モータの出力を連続的に変化させる電動モータ付き自転車であって、踏力を検出する踏力検出手段と、前記踏力検出手段が出力する踏力の変動周期から車速を求める車速検出手段と、前記踏力と高車速域で車速増加に応じて漸減する補助率との積を用いて前記電動モータによる駆動力を制御するコントローラとを備えることを特徴とする電動モータ付き自転車。
【請求項２】
車速検出手段は、踏力検出手段が検出する踏力の振幅内に設定された基準値が前記踏力に一致する１つおきの一致点間の時間を計測して車速を求める請求項１の電動モータ付き自転車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、人力による駆動系と電動モータによる駆動系とを並列に設け、電動モータによる駆動力を人力による駆動力（以下踏力という）と車速との変化に対応して制御するようにした電動モータ付き自転車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
踏力を検出し、この駆動力の大小に対応して電動モータの駆動力を制御するものが公知である（実開昭５６−７６５９０、特開平２−７４４９１号）。すなわち人力の負担が大きい時には電動モータの駆動力も増やして人力の負荷を減らすものである。
【０００３】
ここに従来は踏力ＦL に対してモータ駆動力ＦMを一定の比率で設定していた。すなわち両者の比ＦM／ＦLを補助率ηと定義し、この補助率ηを一定にしていた。
【０００４】
【従来の技術の問題点】
しかし低速時と高速時では必要とするモータ駆動力ＦMも変わるからこの補助率ηも車速Ｓにより変化させることが考えられる。
【０００５】
またペダルを踏まず隋性走行あるいは降坂走行している時には踏力が０であり、モータ駆動力も０になる。この状態からペダルを再び踏み始めるとモータはほぼ速度０の状態から車速Ｓに一致する速度に達するまで急速に加速しなければならず、この間に時間遅れが発生する。この時間遅れを無くすために車速Ｓを検出しておき、踏力０の状態でもこの車速Ｓに対応する電圧をモータに印加しておくことが考えられている（特願平４−８２９１７号参照）。
【０００６】
これらのように踏力ＦLだけでなく車速Ｓも検出して両者に基づいてモータ駆動力ＦMを決める場合には、車速Ｓを検出するためのセンサが必要になる。従来はこの車速Ｓのセンサをクランクペダルや車輪またはこれらと同期して回転する位置に設けていた。
【０００７】
このためセンサの設置空間を確保する必要があり、装置の小型化の障害となるばかりでなく、防塵、防水等の対策が必要になるために機械的構造が複雑で信頼性が低下するという問題があった。
【０００８】
【発明の目的】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、踏力ＦLと車速Ｓとの両方を用いてモータの駆動力ＦMを設定する場合に、車速を検出するための専用のセンサを設ける必要が無くなり、装置の小型化に適し、機械的構造を単純にして信頼性を向上させることができる電動モータ付き自転車を提供することを目的とする。
【０００９】
【発明の構成】
本発明によればこの目的は、人力により駆動されるクランク軸の回転を後輪に伝える人力駆動系と電動モータの出力を前記後輪に伝える電気駆動系とを並列に設け、人力による踏力と車速との両方の変化に対応して前記電気駆動系の電動モータの出力を連続的に変化させる電動モータ付き自転車であって、踏力を検出する踏力検出手段と、前記踏力検出手段が出力する踏力の変動周期から車速を求める車速検出手段と、前記踏力と高車速域で車速増加に応じて漸減する補助率との積を用いて前記電動モータによる駆動力を制御するコントローラとを備えることを特徴とする電動モータ付き自転車により達成される。
【００１０】
【実施例】
図１は本発明の一実施例の側面図、図２はその動力系統図、図３はその動力系の展開図、図４は踏力の検出部を示す側面図、図５はそのＶ−Ｖ線断面図、図６は本発明に係る車速検出手段のブロック図、図７はその各部出力波形図、図８は加速時の動作説明図、図９は定速走行時の動作説明図である。
【００１１】
図１において、符号１０はメインフレームであり、ヘッドパイプ１２から斜下後方へのびて後輪１４の車軸に至る。このメインフレーム１０にほぼ直交するようにシートチューブ１６が固着され、このシートチューブ１６の上端にはサドル１８を支持するシートポスト２０が固定されている。
【００１２】
シートチューブ１６の下部には下に開いた筒部１６ａが形成され、この中に直流電動モータ２２が収容される。シートチューブ１６の下端には動力ユニット２４が固定されている。この動力ユニット２４はボトムブラケットケース（以下ＢＢケースという）２６と、このＢＢケース２６から後方へのびるリヤステー２８とを備え、このリヤステー２８の後端には後輪１４が固定されている。なお右側のリヤステー２８（図３）には駆動軸３０が挿通される。
【００１３】
次に動力ユニット２４を説明する。図１、３においてＢＢケース２６にはクランク軸３２が貫挿され、その両端にクランク３４が固定されている。クランク３４にはクランクペダル３６、３６が取付けられている。
【００１４】
後輪１４の車軸３８の左端は、左のリヤステー２８に固着したエンドプレート２８ａに固定され、この車軸３８の右端は右のリヤステー２８に固定された傘歯車ケース４０に固定されている。車軸３８にはハブ４２が回転自在に保持され、このハブ４２には駆動軸３０の回転が傘歯車機構４４を介して伝えられる。
【００１５】
前記電動モータ２２はＢＢケース２６に上から図３に示すように嵌合されて固定され、そのモータ軸２２ａはクランク軸３２に直交しかつ車体幅方向中央付近に位置する。ＢＢケース２６は、シートチューブ１６の筒部１６ａ内にこのモータ２２を下から挿入するようにして筒部１６ａに嵌合され、４本のボルト４６（図３参照）によって結合される。
【００１６】
このモータ２２の回転は図３に示すように、一方向クラッチ４８、遊星歯車式減速機５０、小傘歯車５２、大傘歯車５４を介して、クランク軸３２に回転自在に保持された筒型の合力軸５６に伝えられる。この合力軸５６の回転はさらに傘歯車機構５８によって前記駆動軸３０に伝えられる。
【００１７】
後輪１４からモータ２２へ向う回転はハブ４２に内装した一方向クラッチ４３により遮断される。なお前記遊星歯車式減速機５０は公知のものであり、モータ２２により回転されるサンギヤとＢＢケース２６に固定されたリングギヤとの間にあってこれらに噛合する遊星ギヤの公転を小傘歯車５２に伝えるものである。
【００１８】
一方ペダル３６から人力により入力される回転は、クランク軸３２、一方向クラッチ６０、遊星歯車式増速機６２を介して大傘歯車５４に伝えられる。このためクランク軸３２から入力された回転はこの大傘歯車５４から合力軸５６、傘歯車機構５８を介して駆動軸３０に伝えられる。このクランク軸３２の回転はモータ２２の停止中にはクラッチ４８の作用によりモータ２２に伝わらない。またクランク軸３２の停止中あるいは逆転中にはクラッチ６０の作用によりモータ２２の回転はクランク軸３２に伝わらない。ここに駆動軸３０はモータ軸２２ａを含む車体前後方向の平面Ａの右側に位置する（図３参照）。
【００１９】
遊星歯車式増速機６２は図３、５に示すように、大傘歯車５４に固定されたリングギヤ６２ａと、踏力検出レバー６４に固定されたサンギヤ６２ｂと、これらの間に介在する遊星ギヤ６２ｃとを備える。クランク軸３２はこの遊星ギヤ６２ｃを一方向クラッチ６０を介して公転させる。
【００２０】
なお踏力検出レバー６４は、ペダル３６による人力駆動時の駆動力をサンギヤ６２ｂに加わる反力により検出する踏力検出手段６５の一部を構成するものである。この踏力検出手段６５は前記平面Ａの左側に位置する。
【００２１】
すなわちこの踏力検出手段６５のレバー６４は、図４、５に示すように２つの突起６４ａ、６４ｂを持ち、一方の突起６４ａはストッパ６６に当接して図４で時計方向への回転、換言すればペダル３６の踏力が加わる方向と逆方向の回転を規制する。突起６４ｂには他の第２のレバー６８が当接し、レバー６４の反時計方向の回転によってこの第２のレバー６８が時計方向に回転する。
【００２２】
この第２のレバー６８には復帰ばね７０により復帰習性が付与され、これによりレバー６４は図４で時計方向への復帰習性が付与される。そしてこの第２のレバー６８の回転量は踏力センサとしてのポテンショメータ７２に伝えられる。この結果ペダル３６の踏力に比例してレバー６４が図４で反時計方向に回動し、第２のレバー６８が時計方向に回動するから、この踏力がポテンショメータ７２の回転量から求められる。
【００２３】
図１で８０は鉛電池などの充電可能な電池、８２はコントローラであり、これらは前記メインフレーム１０のヘッドパイプ１２とシートチューブ１６との間に収容されている。
【００２４】
次に車速検出手段８４を説明する。この車速検出手段８４は図６に示す構成を持つ。すなわち踏力検出手段７２で検出した踏力ＦLを基準値Ｆ0と比較器８６で比較し、この比較結果から矩形波発生回路８８は図７に示す矩形波ａを出力する。この矩形波ａの立上りに基づいてモノマルチ９０はパルスｂを出力する。
【００２５】
ここに基準値Ｆ0は、通常の走行時に出力される踏力ＦLの振幅内に入るように設定される。従って比較器８６はクランクの半周期内に必ず正負に１回だけ反転する信号を出力することになり、モノマルチ９０が出力するパルスｂは踏力ＦLが基準値Ｆ0に一致する一致点のうち１つおきの一致点で出力されることになる。
【００２６】
このパルスｂの周期ｔiはタイマ９２で積算される。この周期ｔiはクランクの回転速度に反比例する。すなわち周期ｔiにおける車速ＳiはＡを比例定数としてＳi＝Ａ／ｔiで求められる。車速演算部９４はこの演算を行う。
【００２７】
以上の演算により、加速時の車速Ｓは図８に示すように踏力変化の半周期遅れで求められる。またこの求めた車速Ｓは踏力変化の半周期前の周期における平均車速になる。定速走行時の車速Ｓは、図９に示すように、実際の車速ＳＲが細かく変動しているのに対し演算された車速Ｓは一定になっている。
【００２８】
ポテンショメータ７２で検出した踏力ＦLおよび車速検出手段８４で検出した車速Ｓはコントローラ８２に入力され、このコントローラ８２はこの踏力ＦLと車速Ｓに基づいてモータ電流を制御しモータトルクＴMを発生させる。以下車速Ｓに対応して補助率ηを変化させる実施例について説明する。図１０はこの補助率ηの特性図、図１１はＦLとＦMの周期的変動を示す図である。
【００２９】
図１で８２ａはメモリであり、車速Ｓに対して変化する補助率ηを記憶する。この補助率ηは踏力ＦLに対するモータ駆動力ＦMの比（ＦM／ＦL）で定義され、例えば図１０に示すような特性に設定される。図１０の特性は、車速ＳがＳF以下の低中車速域で一定値η0、ＳF＜Ｓ＜ＳEの高車速域では直線的に漸減し、［η＝η0×（ＳE−Ｓ）／（ＳE−ＳF）］…（１）で求められ、さらにＳE＜Ｓの超高車速域では０になる。
【００３０】
コントローラ８２では、まず車速Ｓに対する補助率ηをこのメモリ８２ａに記憶した特性を用いて決定する。そしてこの時モータ２２が出力すべき駆動力ＦMを［ＦM＝η・ＦL］により求める。
【００３１】
図１１はこの時の合計駆動力Ｆ＝ＦL＋ＦMの変化を示すものであり、（Ａ）は車速ＳがＳF以下の低中車速時を、（Ｂ）はＳF＜Ｓ＜ＳEの高車速時を、（Ｃ）はＳE＜Ｓの超高車速時を示す。これらの図からも明らかなように、Ｓ＜ＳFの低中車速域（Ａ）ではη＝η0（一定）であるから、モータ２２による補助力である駆動力ＦMは、ＦM＝η0・ＦLで求められ、踏力ＦLの周期的変化に対応して合計駆動力Ｆも変化する。
【００３２】
ＳF＜Ｓ＜ＳEの高車速域（Ｂ）では、ηは前記（１）式により求められ、η0よりも小さくなる。さらにＳE＜Ｓの超高車速域（Ｃ）では、ηは０になり合計駆動力Ｆは踏力ＦLだけになる。
【００３３】
以上の実施例は補助率ηを車速Ｓにより変化させるものであるが、本発明はこれに限られるものではない。例えば前記したように、走行中に踏力ＦLが０あるいは非常に小さくなった時にはこの時の車速Ｓに対応したモータ速度となるようにモータ電圧を印加しておき、踏力ＦLが急増してペダルからの踏力ＦLが走行駆動力に寄与し始めた時にモータの駆動力ＦMが即座に車輪に加わるようにしたものなどであってもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は以上のように、踏力（ＦL）の変動周期に基づいて車速Ｓを演算により求め、踏力ＦLと高車速域で車速増加に応じて漸減する補助率との積を用いてモータの駆動力を制御するものである。従って車速検出用に別途センサを設ける必要がなくなり、装置の小型化に適する。また電気的に車速Ｓを演算するから防塵・防水などの対策が簡単になり、機械的構造が非常に簡単で信頼性が向上する（請求項１）。ここに車速Ｓは、踏力（ＦL）を基準値（Ｆ0）と比較し、両者の一致点のうち１つおきの一致点間の経過時間（ｔ1）から演算により求めることができる（請求項２）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の側面図
【図２】その動力系統図
【図３】その動力系の展開図
【図４】踏力の検出部を示す側面図
【図５】そのＶ−Ｖ線断面図
【図６】速度検出手段のブロック図
【図７】その各部出力波形図
【図８】加速時の動作説明図
【図９】定速走行時の動作説明図
【図１０】補助率ηの特性図
【図１１】踏力およびモータ駆動力の周期的変動を示す図
【符号の説明】
１４  後輪
２２  電動モータ
７２  踏力検出手段
８２  コントローラ
８４  車速検出手段
【図１】
0003720852.tif 000002
【図２】
0003720852.tif 000003
【図３】
0003720852.tif 000004
【図４】
0003720852.tif 000005
【図５】
0003720852.tif 000006
【図６】
0003720852.tif 000007
【図７】
0003720852.tif 000008
【図８】
0003720852.tif 000009
【図９】
0003720852.tif 000010
【図１０】
0003720852.tif 000011
【図１１】
0003720852.tif 000012