(57)【要約】【課題】傾斜面で停止した際にアシスト駆動機能を用いて安定的な静止状態を得ることにより、安全性や快適性を向上する。【解決手段】ＸＹ２軸加速度センサ３１４からの検出信号を用いて自転車が走行している道路の傾斜角度を算出する。そして、この傾斜角度検出機能を用いて傾斜面上で停止した自転車に生じる下り方向の力を相殺する定常的なトルクをアシストモータ５１に付加し、自転車を容易に停止できるように制御する。すなわち、自転車を止めた道路が坂道等の傾斜面である場合、自転車と乗車者の自重が傾斜面を下る方向に作用し、自転車が自然に移動してしまうため、これをユーザが足を踏ん張って支えたり、ブレーキをかける必要が生じる。そこで、この傾斜面上での自転車と乗車者の自重による下り方向の力を打ち消す方向に定常的にトルクを与え、ユーザの支える力を軽減し、ユーザの快適性を向上する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪駆動軸にアシストトルクを付与することによってペダル踏力を軽減するアシスト駆動手段と、
少なくとも自転車の前後方向の傾斜角度を検出する傾斜角度検出手段と、
前記傾斜角度検出手段によって検出された傾斜角度に基づいて自転車の停車時に付与する定常的なトルク量を算出するトルク量算出手段と、
前記トルク量算出手段によって算出された定常的なトルク量を自転車の停止時に前記アシスト駆動手段によって付与する制御手段と、
を有することを特徴とする電動アシスト自転車。
【請求項２】
前記トルク量算出手段は、自転車の停止時に傾斜面上で自転車を静止させるために必要となるトルク量を算出することを特徴とする請求項１記載の電動アシスト自転車。
【請求項３】
前記傾斜角度検出手段は、少なくとも自転車の前後方向にかかる加速度を検出する加速度検出手段と、前記加速度検出手段によって検出された加速度から傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段とを有することを特徴とする請求項１記載の電動アシスト自転車。
【請求項４】
前記傾斜角度検出手段は自転車の横方向の傾斜角度を検出する手段を含み、さらに後続車に走行方向の表示を行う方向指示器と、前記傾斜角度検出手段によって検出された自転車の横方向の傾斜角度に基づいて自転車の走行方向の変化を判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて前記方向指示器の制御を行う方向指示手段とを有することを特徴とする請求項１記載の電動アシスト自転車。
【請求項５】
車輪駆動軸にアシストトルクを付与することによってペダル踏力を軽減するアシスト駆動機能を有する電動アシスト自転車の制御方法であって、
少なくとも自転車の前後方向の傾斜角度を検出し、この検出した傾斜角度に基づいて自転車の停車時に付与する定常的なトルク量を算出するトルク量算出ステップと、
前記トルク量算出ステップによって算出された定常的なトルク量を自転車の停止時に前記アシスト駆動機能によって付与する制御ステップと、
を有することを特徴とする電動アシスト自転車の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータによって助力走行を行う電動アシスト自転車及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の電動アシスト自転車としては、ペダル踏力に応じて適切なアシストトルクを付与して自転車走行の快適性を得るようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、自転車が走行している道路の傾斜角度を検出し、その傾斜角度に応じたアシスト量を算出してアシスト用のモータを制御することにより、上り坂や下り坂に応じた最適なアシスト走行を行うようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２２３５７９号公報
【特許文献２】
特開平１１−５９５５８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例の構成は走行中のアシスト動作に関するものであり、停止状態ではアシスト動作を行っていない。
一方、坂道等の傾斜斜上で自転車を停止する場合には、自転車や乗車者の自重によって下り方向の力が加わるため、自転車を静止させておくためには、ブレーキをかけたり、足を接地させて踏ん張る必要があり、これを怠れば、自転車が不用意に前進または後退して危険な場合がある。
【０００５】
そこで本発明の目的は、傾斜面で停止した際にアシスト駆動機能を用いて安定的な静止状態を得ることができ、安全性や快適性に優れた電動アシスト自転車及びその制御方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、車輪駆動軸にアシストトルクを付与することによってペダル踏力を軽減するアシスト駆動手段と、少なくとも自転車の前後方向の傾斜角度を検出する傾斜角度検出手段と、前記傾斜角度検出手段によって検出された傾斜角度に基づいて自転車の停車時に付与する定常的なトルク量を算出するトルク量算出手段と、前記トルク量算出手段によって算出された定常的なトルク量を自転車の停止時に前記アシスト駆動手段によって付与する制御手段とを有することを特徴とする。
【０００７】
また本発明は、車輪駆動軸にアシストトルクを付与することによってペダル踏力を軽減するアシスト駆動機能を有する電動アシスト自転車の制御方法であって、少なくとも自転車の前後方向の傾斜角度を検出し、この検出した傾斜角度に基づいて自転車の停車時に付与する定常的なトルク量を算出するトルク量算出ステップと、前記トルク量算出ステップによって算出された定常的なトルク量を自転車の停止時に前記アシスト駆動機能によって付与する制御ステップとを有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の電動アシスト自転車及びその制御方法では、自転車の前後方向の傾斜角度を検出し、この検出した傾斜角度に基づいて自転車の停車時に付与する定常的なトルク量を算出するとともに、この定常的なトルク量を自転車の停止時にアシスト駆動機能によって付与することから、自転車が傾斜面で停止した際にアシスト駆動機能を用いて安定的な静止状態を得ることができ、安全性や快適性を向上することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電動アシスト自転車及びその制御方法の実施の形態例について説明する。
図１は本発明の実施の形態例による電動アシスト自転車の外観を示す側面図である。
本例の電動アシスト自転車は、折り畳み構造のものであり、メインパイプ１と、前輪部２を支持したフロントフォーク８と、後輪部３を支持したリヤフォーク９と、シート５を支持したシートポスト１０と、ハンドル６を支持したスピンドル１１と、スピンドル１１を挿通支持したヘッドパイプ１２と、ペダル部１３と、電池ユニット１４等を有している。
【００１０】
そして、図１では図示を省略しているが、本例の電動アシスト自転車の各部には本例の制御を行うための以下のような各種部材が設けられている。
まず、メインパイプ１には、本例の電動アシスト自転車の状態を管理し、各種の制御を行うためのビークルコントローラが設けられている。また、メインパイプ１の折り畳み構造部には、折り畳みスイッチが設けられており、車体が折り畳まれたことを検出することによって折り畳み時にはモータ等の駆動を禁止し、安全を確保するようになっている。
また、ペダル部１３には、ペダルクランク１３Ａの周辺にトルクセンサ、クランク周波数発生器（ＦＧ）が設けられ、ペダルクランク１３Ａに発生するトルクの検出や回転数の検出を行うようになっている。
【００１１】
また、ハンドル６には、ＬＣＤ等による表示部、キー入力用の操作部、及びそれらを制御する表示部コントローラが設けられ、ユーザに各種表示を提供するとともに、キー入力による各種モード設定や選択等を行えるようになっている。
また、ヘッドパイプ１２には電池ユニット１４の電源オン、オフを切り替えるキースイッチが設けられている。
また、前輪部２には、アシスト駆動用のモータと、このモータの駆動を制御するモータドライバと、このモータドライバを制御するモータコントローラが設けられている。
また、後輪部３には、自動変速ユニットが設けられている。
【００１２】
図２は図１に示す電動アシスト自転車の制御系を示すブロック図である。
図示のように、本例の電動アシスト自転車は、ビークルコントローラユニット（制御手段）３０、表示部ユニット４０、モータユニット（アシスト駆動手段）５０、電池ユニット１４の主要な４つのユニットを有している。
ビークルコントローラユニット３０は、後述する各種制御を行うビークルコントローラ３１と、ユーザが電源のオン・オフを行うキースイッチ３２と、自転車が折り畳まれたことを検出する折り畳みスイッチ３３と、自動変速を行う自動変速ユニット３４と、ペダル部１３で生じるトルクを検出するトルクセンサ３５と、ペダル部１３の回転数を検出するクランクＦＧ３６とを有する。
【００１３】
また、表示部ユニット４０は、ＬＣＤ等の表示部４１と、各種操作キーよりなる操作スイッチ４２と、これらの制御を行う表示部コントローラ４３とを有する。
また、モータユニット５０は、前輪部２のアシスト駆動を行うモータ５１と、このモータ５１の駆動を制御するモータドライバ５２と、このモータドライバ５２を制御するモータコントローラ５３とを有する。
また、電池ユニット１４は、２次電池や大容量コンデンサ等による充電池部と、この充電池部の充放電を制御する電源コントローラとを有する。
【００１４】
ビークルコントローラ３１では、トルクセンサ３５によりペダル部１３からの踏力を検出して、それに応じたアシスト力をモータユニット５０にシリアル通信ラインによって送出する。また、表示部ユニット４０の操作スイッチ４２からの入力によって、自転車のモードをさまざまに変えることが可能である。また、自転車の速度や電池の残量などのさまざまな情報を表示部４１に表示することができる。
【００１５】
図３は図２に示すビークルコントローラの構成例を示すブロック図である。
図示のように、このビークルコントローラ３１は、マイコン３１１、ＲＳ２３２Ｃドライバ３１２、振動センサ３１３、ＸＹ２軸加速度センサ（加速度検出手段）３１４、アンプ３１５、モータドライバ３１６、２相カウンタ３１７、発振器３１８、ＲＳ４２２ドライバ３１９、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０、ＥＥＰＲＯＭ３２１、リセット回路３２２等を有している。
マイコン３１１は、例えば１６ビットのＭＰＵであり、全体の制御を行うものである。特に本例では傾斜角度やトルク量等の算出を行う算出手段として機能する。
ＲＳ２３２Ｃドライバ３１２は、ＲＳ２３２Ｃインタフェースを介して表示コントローラ４０とマイコン３１１との間での各種データやコマンドのやりとりを制御するものである。
【００１６】
振動センサ３１３は、本例の自転車に加わる振動を検出するものであり、検出信号をマイコン３１１に出力する。
ＸＹ２軸加速度センサ３１４は、自転車のＸ軸方向（前後方向）とＹ軸方向（左右方向）の加速度を検出するものであり、本例では、このＸＹ２軸加速度センサ３１４によって検出した加速度に基づいて、自転車の前後方向と左右方向の傾斜を算出するものである。
このＸＹ２軸加速度センサ３１４としては、例えばＸ軸方向及びＹ軸方向に弾性的に変位可能に支持された可動体の変位を静電容量の変化によって検出する静電検出型のものを用いることができるが、これに限定されるものではなく、種々の方式を用いることができ、基本的には市販されているものでよい。
また、振動センサ３１３についても、上述した加速度センサと同様の方式のものを用いることが可能であるが、その他にも種々の方式を用いることができ、例えば可動体の変位を光学的に検出するような方式のものなどであってもよい。
【００１７】
アンプ３１５には、自動変速ユニット３４に設けられた位置検出用のポテンショメータからの検出信号が入力され、この検出信号を増幅してマイコン３１１に出力する。この信号は、マイコン３１１内のＡ／Ｄコンバータによって読み取られ、自動変速ユニット３４の位置が判定され、その判定結果に応じて変速制御信号が生成される。モータドライバ３１６は、このマイコン３１１からの変速制御信号に基づいて自動変速ユニット３４のアクチュエータを駆動制御し、変速動作を行う。
２相カウンタ３１７は、トルクセンサ３５からの検出信号をカウントし、そのカウント値をマイコン３１１に供給するものである。これにより、ペダルの踏力が検出される。また、マイコン３１１からトルクセンサ３５へは、温度補償動作等の命令を送ることもできる。
発振器３１８は、マイコン３１１にクロックを供給するものである。
ＲＳ４２２ドライバ３１９は、マイコン３１１とモータコントローラ５３との間のＲＳ４２２インタフェースを制御するものである。
ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０は、電池ユニット１４からの電源電圧をＤＣ／ＤＣ変換して所定の電圧に変換し、マイコン３１１に供給するものである。
ＥＥＰＲＯＭ３２１は、例えば走行距離等のデータや各種の設定データを記憶する不揮発性メモリであり、リセット回路３２２は、電源投入時のマイコン３１１の初期化を行うものである。
【００１８】
このような構成において、まず、電池ユニット１４からの電源が投入されることで、ＤＣ／  ＤＣコンバータ３２０を経由して適切な電源電圧が供給され、マイコン３１１内のプログラムが起動する。なお、このマイコン３１１には、ＥＥＰＲＯＭ３２１が接続されており、電源を切っても必要な情報は保存しておくことができる。
また、マイコン３１１と表示コントローラ４３及びモータコントローラ５３はそれぞれＲＳ４２２、ＲＳ２３２Ｃのシリアル通信ラインで接続されており、定期的にコマンドやデータなどのやり取りを行っている。
【００１９】
また、マイコン３１１は、ＸＹ２軸加速度センサ３１４からの検出信号を用いて自転車のＸ軸方向（前後方向）とＹ軸方向（左右方向）の加速度を検出し、その検出値から自転車の前後方向と左右方向の傾斜を算出する。
例えば、Ｘ軸方向（前後方向）の加速度値をローパスフィルタ処理して積分演算等を行うことにより、自転車の走行に伴う速度変動分の加速度を除去することにより、自転車が走行している道路の傾斜角度を算出することが可能である。
そして、本例では、この傾斜角度検出機能を用いて傾斜面上で停止した自転車に生じる下り方向の力を相殺する定常的なトルクをアシストモータ５１に付加し、自転車を容易に停止できるように制御する。すなわち、自転車を止めた道路が坂道等の傾斜面である場合、自転車と乗車者の自重が傾斜面を下る方向に作用し、自転車が自然に移動してしまうため、これをユーザが足を踏ん張って支えたり、ブレーキをかける必要が生じる。そこで、この傾斜面上での自転車と乗車者の自重による下り方向の力を打ち消す方向に定常的にトルクを与え、ユーザの支える力を軽減し、ユーザの快適性を向上するものである。
なお、この定常的に与えるトルクは、傾斜面上での自転車の走行中にも有効であり、この定常的なトルク値に上乗せする方法でアシストトルクを与えることにより、走行時の快適性を向上できる。
【００２０】
また、ＸＹ２軸加速度センサ３１４によるＹ軸方向（左右方向）の加速度値から自転車の横方向の傾斜角度を算出することが可能となり、自転車が曲がった道路を走行中であることを判定することができる。そこで、後述する本発明の他の実施の形態例では、この判定結果を用いて方向指示器を自動表示するように制御する。
さらに、マイコン３１１では、モータ５１へのアシストトルク指令をトルクセンサ３５の信号から得られるペダルの踏力から計算する。
【００２１】
図４は本実施の形態例による電動アシスト自転車の動作例を示すフローチャートであり、道路の傾斜を検出して停止時に自転車が容易に静止状態に保持できるようにする機能について示している。
まず、マイコン３１１で加速度センサ３１４のＸ軸方向の加速度値を読み込み（ステップＳ１）、この加速度値から自転車の前後方向の傾斜角度を計算する（ステップＳ２）。
そして、この傾斜角度の計算結果に基づいて、この傾斜によって自転車及び乗車者の自重による下り方向の力を打ち消すために定常的に発生させるトルクを計算し、これを内部メモリ等に記憶する（ステップＳ３）。
【００２２】
次に、マイコン３１１はトルクセンサ３５の検出値を読み込み（ステップＳ４）、その検出値に基づいてアシスト量を計算する（ステップＳ５）。そして、このアシスト量に対応するトルク値に、上述した定常的に与えるトルク値を加算し（ステップＳ６）、この加算値をモータコントローラ５３に発生トルク値として送信する（ステップＳ７）。
具体例として、ＸＹ２軸加速度センサ３１４は予め水平状態で０Ｇが出力されるような位置に設定されており、通常走行時に加速度センサ３１４の値から計算された傾斜角によって図５に示すようにアシスト量をアップさせる。
これにより、モータコントローラ５３がモータドライバ５２を通してアシストモータ５１を駆動し、アシスト動作を行う（ステップＳ８）。
ここで、自転車が停止している状態では、ステップＳ５で計算するアシスト量は零となり、定常的なトルク値だけがモータ５１に与えられ、自転車停止時の静止状態を補助することになる。
以上のような制御動作を定期的に行い、自転車の傾斜角度を随時検出して走行場所に応じた最適なアシスト制御を行うようにする。
【００２３】
次に、具体的な数値例を示す。
例えば、車体重量を２０ｋｇ、ユーザ体重を６０ｋｇとし、車輪径が１４インチ（タイヤ半径０．１７８ｍ）、傾斜角が４度、モータトルク定数が１Ｎｍ／Ａのとき、
勾配抵抗＝（２０ｋｇ＋６０ｋｇ）×９．８ｍ／ｓ２  ×  ｓｉｎ（π×４／１８０）＝５４．７Ｎ
モータに必要なトルク＝５４．７Ｎ×０．１７８ｍ＝９．７４Ｎｍ
モータに必要な電流＝９．７４Ｎｍ／（１Ｎｍ／  Ａ）＝９．７４Ａ
となる。ただし、一例であることは勿論である。
【００２４】
次に本発明の他の実施の形態例について説明する。
本例では、上述したＸＹ２軸加速度センサ３１４によるＹ軸方向（左右方向）の加速度値によって自転車の横方向の傾斜角度を算出する機能を用いて自転車が曲がった道を走行していることを自動的に判別し、方向指示器を自動表示するように制御する。
図６は本例における電動アシスト自転車の制御系を示すブロック図である。
図示のように、本例では表示部ユニット４０に左右のウインカー４４、４５を設けたものである。各ウインカー４４、４５は、例えばＬＥＤ等より構成され、自転車が傾斜した方向のウインカー４４、４５を点灯または点滅させることにより、後続車に方向を表示する。なお、ウインカー４４、４５の設置部位は、例えばリヤフォーク９の後部等、適宜選択し得るものである。
【００２５】
図７は本例の動作例を示すフローチャートである。なお、図示の傾斜角は右側にプラス、左側にマイナスとして示している。
まず、マイコン３１１の定期的な動作として、ＸＹ２軸加速度センサ３１４によるＹ軸方向（左右方向）の加速度値から自転車の横方向の傾斜角度を算出する（ステップＳ１１）。そして、傾斜角が２０度より大きいか否かを判断し（ステップＳ１２）、大きい場合には、マイコン３１１から表示コントローラ４３に右ウインカー４４の点灯指示を行い（ステップＳ１３）、表示コントローラ４３が右ウインカー４４を一定時間点灯する（ステップＳ１４）。
また、傾斜角が２０度以下の場合、−２０度より小さいか否かを判断し（ステップＳ１５）、小さい場合には、マイコン３１１から表示コントローラ４３に左ウインカー４５の点灯指示を行い（ステップＳ１６）、表示コントローラ４３が左ウインカー４５を一定時間点灯する（ステップＳ１７）。
また、傾斜角が−２０度以上の場合、本ルーチンを終了する。このような動作を定期的に繰り返し、後続車に方向を指示することができる。
【００２６】
なお、以上の説明では、第１の実施の形態例によるアシスト機能とは別に第２の実施の形態例としての方向指示機能を説明したが、この方向指示機能は、上述したアシスト機能に用いる加速度センサを用いた点で第１の実施の形態例に付随するものとし、上述したアシスト機能と方向指示機能とを組み合わせることにより、電動アシスト自転車の操作性能をさらに向上し得るものである。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電動アシスト自転車及びその制御方法では、自転車の前後方向の傾斜角度を検出し、この検出した傾斜角度に基づいて自転車の停車時に付与する定常的なトルク量を算出するとともに、この定常的なトルク量を自転車の停止時にアシスト駆動機能によって付与することから、自転車が傾斜面で停止した際にアシスト駆動機能を用いて安定的な静止状態を得ることができ、電動アシスト自転車の安全性や快適性を向上できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例における電動アシスト自転車の外観を示す側面図である。
【図２】図１に示す電動アシスト自転車の制御系の構成例を示すブロック図である。
【図３】図２に示す制御系に設けられるビークルコントローラの構成例を示すブロック図である。
【図４】図１に示す電動アシスト自転車の動作例を示すフローチャートである。
【図５】図４に示す動作で用いる傾斜角とアシスト量の対応表を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態例における電動アシスト自転車の制御系を示すブロック図である。
【図７】図６に示す電動アシスト自転車の動作例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１……メインパイプ、２……前輪部、３……後輪部、５……シート、６……ハンドル、８……フロントフォーク、９……リヤフォーク、１０……シートポスト、１１……スピンドル、１２……ヘッドパイプ、１３……ペダル部、１４……電池ユニット、３０……ビークルコントローラユニット、３１……ビークルコントローラ、３２……キースイッチ、３３……折り畳みスイッチ、３４……自動変速ユニット、３５……トルクセンサ、３６……クランクＦＧ、４０……表示部ユニット、４１……表示部、４２……操作スイッチ、４３……表示部コントローラ、５０……モータユニット、５１……モータ、５２……モータドライバ、５３……モータコントローラ、３１１……マイコン、３１２……ＲＳ２３２Ｃドライバ、３１３……振動センサ、３１４……ＸＹ２軸加速度センサ、３１５……アンプ、３１６……モータドライバ、３１７……２相カウンタ、３１８……発振器、３１９……ＲＳ４２２ドライバ、３２０……ＤＣ／ＤＣコンバータ、３２１……ＥＥＰＲＯＭ、３２２……リセット回路。
【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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