(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人力による踏力を検出する踏力検出手段（ＳT ）と、該踏力検出手段（ＳT ）の検出値に応じて補助動力を発揮し得る電動モータ（１５）とを備える電動補助自転車において、人力による踏力に対する電動モータ（１５）による補助動力の比であるアシスト比を踏力検出手段（ＳT ）の検出値に応じて変化させるようにして電動モータ（１５）の作動を制御するコントローラ（３１）を含み、該コントローラ（３１）は、踏力検出手段（ＳT ）の検出値が設定値以上であるときには、前記アシスト比を１に定めるが前記設定値未満では前記アシスト比を１よりも大きな値として電動モータ（１５）の作動を制御することを特徴とする電動補助自転車における補助動力制御装置。
【請求項２】
前記コントローラ（３１）は、踏力検出手段（ＳT ）の検出値が前記設定値よりも大きな極大設定値以上であるときにアシスト比を１よりも小さくして電動モータ（１５）の作動を制御することを特徴とする請求項１記載の電動補助自転車における補助動力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人力による踏力を検出する踏力検出手段と、該踏力検出手段の検出値に応じて補助動力を発揮し得る電動モータとを備える電動補助自転車において、電動モータによる補助動力を制御するための補助動力制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、かかる電動補助自転車は、たとえば特開平７−３０９２８３号公報で既に知られており、この電動補助自転車では、人力による踏力に対する電動モータによる補助動力の比であるアシスト比を、たとえば６ｋｍ／ｈ以下の低速域では１よりも大きな値（たとえば３）に定めて電動モータの作動を制御し、たとえば６ｋｍ／ｈを超える中速域では前記アシスト比がたとえば１となるようにして電動モータの作動を制御するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来のものでは、アシスト比が踏力に無関係に定められているので、踏力が弱い女性や老人が乗車して坂道を登るときに大きな補助動力が得られず、坂道を登れないことがあり、また低・中速域では同じ踏力でも補助動力が速度によって異なるので、乗員が違和感を感じることがある。
【０００４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、踏力に応じた補助動力が得られるようにし、同一踏力で補助動力が変化することがないようにして違和感なく走行し得るようにした電動補助自転車における補助動力制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、人力による踏力を検出する踏力検出手段と、該踏力検出手段の検出値に応じて補助動力を発揮し得る電動モータとを備える電動補助自転車において、人力による踏力に対する電動モータによる補助動力の比であるアシスト比を踏力検出手段の検出値に応じて変化させるようにして電動モータの作動を制御するコントローラを含み、該コントローラは、踏力検出手段の検出値が設定値以上であるときには、前記アシスト比を１に定めるが前記設定値未満では前記アシスト比を１よりも大きな値として電動モータの作動を制御することを特徴とする。
【０００６】
このような構成によれば、アシスト比が踏力に応じて変化することになるので、踏力に応じた補助動力を得ることが可能であり、同一踏力では補助動力が変化しないので違和感なく走行することができる。しかも踏力の弱い人には補助動力を大きくするが、踏力の強い人には補助動力が無闇に大きくならないようにし、同一踏力で補助動力が変化することはない。
【０００７】
請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明の構成に加えて、前記コントローラは、踏力検出手段の検出値が前記設定値よりも大きな極大設定値以上であるときにアシスト比を１よりも小さくして電動モータの作動を制御することにより、踏力と補助動力との和である合力が無闇に大きくなることを回避して自転車に適合した合力を得るようにし、電動モータによる補助動力を自転車に適合したものとすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、添付図面に示す本発明の実施例に基づいて説明する。
【０００９】
図１ないし図６は本発明の第１実施例を示すものであり、図１は電動補助自転車の側面図、図２はモータユニットの縦断側面図であって図３の２−２線断面図、図３は図２の３−３線断面図、図４は電動モータの制御装置の構成を示すブロック図、図５は踏力に応じたアシスト比を示す図、図６は踏力に応じた補助動力および合力を示す図である。
【００１０】
先ず図１において、この電動補助自転車が備える車体フレーム１１の前端のヘッドパイプ１２にフロントフォーク１３が操向可能に支承され、該フロントフォーク１３の下端に前輪ＷF が軸支され、フロントフォーク１３の上端にバーハンドル１４が設けられる。また車体フレーム１１の下部には、電動モータ１５を有するモータユニット１６が設けられており、該モータユニット１６の後部上方で車体フレーム１１から後下がりに延びるとともにモータユニット１６の後方では略水平に延出される左、右一対のリヤフォーク１７…間に後輪ＷR が軸支され、両リヤフォーク１７…および車体フレーム１１の後部間には左、右一対のステー１８…が設けられる。さらに車体フレーム１１の後部には、シート１９が上下位置を調整可能として装着されており、シート１９の後方側にはキャリア２０が固定配置される。
【００１１】
両端にクランクペダル２１，２１をそれぞれ有するクランク軸２２がモータユニット１６で回転自在に支承され、該クランク軸２２から動力を伝達可能であるとともに前記電動モータ１５からの補助動力をも作用させ得る駆動スプロケット２４と、後輪ＷR の車軸に設けられた被動スプロケット２５とに無端状のチェーン２６が巻掛けられる。
【００１２】
ヘッドパイプ１２にはブラケット２７を介してフロントバスケット２８が取付けられる。しかも該フロントバスケット２８の背面部に配置されるバッテリ収納ケース２９も前記ブラケット２７に取付けられており、電動モータ１５に電力を供給するためのバッテリ３０がバッテリ収納ケース２９に挿脱可能に収納される。
【００１３】
電動モータ１５の作動は、モータユニット１６の前方側で車体フレーム１１の下部に固定的に支持されたコントローラ３１で制御されるものであり、該コントローラ３１は、乗員による踏力および車速に基づいて電動モータ１５の作動を制御する。
【００１４】
車体フレーム１１の大部分はカバー３２で覆われており、該カバー３２の上部に、バッテリ３０からコントローラ３１および電動モータ１５に電力を供給するためのメインスイッチ３３が配設される。
【００１５】
図２および図３を併せて参照して、モータユニット１６のケーシング３５は、車体フレーム１１の下部に固定的に支持される。このケーシング３５の右側（図３の上方側）には、駆動スプロケット２４に結合される回転筒体３６がボールベアリング３７を介して回転自在に支承されており、クランク軸２２の右端部は、該回転筒体３６に、ニードルベアリング３８を介して支承され、クランク軸２２の左端部はボールベアリング３９を介してケーシング３５の左側（図３の下方側）に支承される。
【００１６】
クランク軸２２の左右両端のクランクペダル２１，２１による踏力は、踏力伝達系４０を介してクランク軸２２から駆動スプロケット２４に伝達される。またケーシング３５に取付けられている電動モータ１５の出力は、クランクペダル２１，２１による踏力をアシストすべく補助動力伝達系４１を介して駆動スプロケット２４に伝達される。
【００１７】
クランク軸２２の動力を駆動スプロケット２４に伝達するための踏力伝達系４０は、クランク軸２２に連結されるトーションバー４２と、回転筒体３６およびトーションバー４２間に設けられる第１一方向クラッチ４３とで構成される。
【００１８】
クランク軸２２には、その軸線に沿って延びるスリット４４が設けられており、トーションバー４２は、前記スリット４４内に回転自在に嵌合する円柱状の軸部４２ａと、該軸部４２の左端（図３の上端）から両側方に突出する腕部４２ｂと、前記軸部４２ａの右端（図３の下端）から両側方に突出する腕部４２ｃとを有して、前記スリット４４に装着されるものであり、クランク軸２２から一方の腕部４２ｂに入力される踏力に応じて軸部４２ａをねじれ変形せしめつつ他方の腕部４２ｃ側に踏力を伝達することができる。
【００１９】
第１一方向クラッチ４３は、従来周知のものであり、クランクペダル２１，２１を踏んでクランク軸２２を正転させると、そのクランク軸２２からの踏力がトーションバー４２、第１一方向クラッチ４３および回転筒体３６を介して駆動スプロケット２４に伝達されるが、クランクペダル２１，２１を踏んでクランク軸２２を逆転させたときには、第１一方向クラッチ４３がスリップしてクランク軸２２の逆転が許容される。
【００２０】
クランク軸２２の外周には、スライダインナー４５が相対回転不能かつ軸方向相対移動可能に支持されており、このスライダインナー４５の外周には、複数のボール４７…を介してスライダアウター４６が相対回転自在に支持される。
【００２１】
スライダインナー４５は、第１一方向クラッチ４３におけるクラッチ内輪にカム係合されるものであり、ケーシング３５に揺動可能に支承された検出レバー４８の中間部が、前記クラッチ内輪とは反対側からスライダアウター４６に当接される。一方、前記検出レバー４８とともに踏力検出手段ＳT を構成するストロークセンサ４９がケーシング３５に取付けられており、該ストロークセンサ４９の検出子４９ａに前記検出レバー４８の先端が当接される。さらに検出レバー４８およびケーシング３５間にはばね５０が縮設されており、検出レバー４８が該ばね５０のばね力によりスライダアウター４６に弾発的に当接され、スライダアウター４６およびスライダインナー４５は、第１一方向クラッチ４３のクラッチ内輪側に向けて付勢される。
【００２２】
クランクペダル２１，２１からクランク軸２２への踏力入力に応じて、トーションバー４２に捩れが生じると、スライダインナー４５がばね５０のばね力に抗してクランク軸２２の軸線に沿って図３の下方に摺動し、スライダインナー４５とともに移動するスライダアウター４６で押された検出レバー４８が揺動することにより、ストロークセンサ４９の検出子４９ａが押圧される。この検出子４９ａのストロークは、トーションバー４２の捩れ量、すなわちクランクペダル２１，２１から入力される踏力に比例するものであり、踏力検出手段ＳT で踏力が検出されることになる。
【００２３】
電動モータ１５の動力を駆動スプロケット２４に伝達するための補助動力伝達系４１は、電動モータ１５の回転軸１５ａに固着された駆動ギヤ５２と、回転軸１５ａと平行な第１アイドル軸５３の一端に固着されて前記駆動ギヤ５２に噛合される第１中間ギヤ５４と、第１アイドル軸５３に一体に設けられる第２中間ギヤ５５と、第２中間ギヤ５５に噛合される第３中間ギヤ５６と、第３中間ギヤ５６と同軸に配置される第２アイドル軸５７と、第３中間ギヤ５６および第２アイドル軸５７間に設けられる第２一方向クラッチ５８と、第２アイドル軸５７に一体に設けられる第４中間ギヤ５９と、駆動スプロケット２４が結合されている回転筒体３６に一体に設けられるとともに第４中間ギヤ５９に噛合される被動ギヤ６０とを備える。
【００２４】
このような補助動力伝達系４１では、電動モータ１５の作動に伴なうトルクが減速されて駆動スプロケット２４に伝達されるが、電動モータ１５の作動が停止したときには、第２一方向クラッチ５８の働きにより第２アイドル軸５７の空転が許容され、クランクペダル２１，２１の踏力による駆動スプロケット２４の回転が妨げられることはない。
【００２５】
図４において、電動モータ１５を駆動するモータ駆動回路６２は、コントローラ３１により制御されるものであり、該コントローラ３１には、踏力検出手段ＳT の検出値が入力されるとともに、車速検出手段ＳV の検出値が入力され、コントローラ３１は、踏力検出手段ＳT および車速検出手段ＳV の検出値に基づいて電動モータ１５の作動を制御するための信号を出力する。
【００２６】
ところで、車速検出手段ＳV は、電動モータ１５による動力アシスト状態での自転車速度を代表するものとして電動モータ１５の回転速度を検出するものであり、図２および図３で示すように、リラクタ６３と、電磁ピックアップコイル式のセンサ６４とで構成される。而して外周に突部６３ａを有するリラクタ６３が、電動モータ１５の回転軸１５ａに固定され、センサ６４は、前記突部６３ａに近接、対向可能な検出部６４ａを有してケーシング３５に固定される。
【００２７】
コントローラ３１では、人力による踏力に対する電動モータ１５による補助動力の比（補助動力／踏力）であるアシスト比が、図５で示すように予め設定されており、踏力検出手段ＳT で検出される踏力が第１設定踏力Ｔ1 たとえば２０ｋｇｆ以下であるときと、踏力検出手段ＳT で検出される踏力が第３設定踏力Ｔ3 たとえば７０ｋｇｆ以上であるときには、前記アシスト比が「１」であるが、第１設定踏力Ｔ1 を超えるとともに第３設定踏力Ｔ3 未満である範囲では、「１」よりも大きなアシスト比が踏力に応じて変化するように設定される。
【００２８】
しかも第１設定踏力Ｔ1 を超えるとともに第３設定踏力Ｔ3 未満である範囲では、第２設定踏力Ｔ2 もしくはＴ2 ′でアシスト比がピーク値ｎP ，ｎP ′となるようにアシスト比が設定される。ここで、第２設定踏力Ｔ2 ，Ｔ2 ′は、女性や老人等の踏力が弱い人により発揮される最大踏力に対応して任意に設定されるものである。またアシスト比のピーク値ｎP ，ｎP ′は、踏力および補助動力の合力が、人による踏力が最大値たとえば７０ｋｇｆであるときにアシスト比を「１」とした場合の合力たとえば１４０ｋｇｆになるような値に設定されればよく、Ｔ2 が５０ｋｇｆであったときにｎP はたとえば「１．８」であり、またＴ2 ′が３５ｋｇｆであったときにｎP ′はたとえば「３」である。
【００２９】
このようにアシスト比が定められることにより、踏力および補助動力の合力は、図６で示すようになる。すなわち図６の破線で示すように、アシスト比が一定である従来のものでは補助動力が踏力に応じてリニアに変化するのに応じて合力もリニアに変化するのに対し、所定の踏力範囲（第１設定踏力Ｔ1 を超えるとともに第３設定踏力Ｔ3 未満である範囲）で「１」よりも大きく設定したアシスト比を踏力に応じて変化させるようにした本発明のものでは、実線で示すように、必要なときに補助動力および合力を増大させることができる。この際、踏力がＴ2 〜Ｔ3 の範囲では、図６の実線で示すように合力のラインがほぼ一定で変化するか、鎖線で示すようにわずかに右上がりとなることが望ましい。
【００３０】
次にこの第１実施例の作用について説明すると、踏力検出手段ＳT の検出値が第１設定踏力Ｔ1 以下であるとき、ならびに第３設定踏力Ｔ3 以上であるときには、アシスト比を「１」に設定しておくことで、大きな踏力でクランクペダル２１，２１を踏み込む必要のない通常の走行状態、ならびに強い踏力の人による走行時には、補助動力を従来と同程度に制御し、無闇に高速走行となることがないようにして適切な動力で自転車を走行させることが可能となる。また老人や女性等の踏力の弱い人が最大の踏力を発揮するときには補助動力を最大限発揮するように電動モータ１５の作動を制御することにより、踏力の弱い人でも踏力の強い人と同じような合力を得ることができ、したがって踏力の弱い人も坂道を容易に登ることができる。しかも踏力が同一のときには同一の補助動力が得られるようにし、違和感なく走行することが可能となる。
【００３１】
図７は本発明の第２実施例を示すものであり、踏力検出手段ＳT の検出値が設定値ＴO 未満では、「１」よりも大きなアシスト比がたとえば踏力が大となるのに応じて次第に小さくなるように設定され、前記検出値が前記設定値ＴO 以上であって該設定値ＴO よりも大きな極大設定値ＴM 以下の範囲ではアシスト比が「１」に設定され、さらに前記検出値が前記極大設定値ＴM を超える範囲では踏力が大となるのに応じてアシスト比が「１」から次第に小さくなるように設定される。而して前記設定値ＴO は、普通の人の体重にほぼ対応してたとえば６０ｋｇｆと設定され、また極大設定値ＴM は、人間が発揮し得る最大踏力をたとえば７０ｋｇｆとしたときの最大合力すなわち１４０ｋｇｆの１／２である７０ｋｇｆと設定される。
【００３２】
しかも前記アシスト比は、曲線Ａを超えない範囲で踏力に応じて変化するように設定されるものであり、曲線Ａは、踏力および補助動力の和である合力と人間が発揮し得る最大踏力とが一致するアシスト比を示すものである。すなわちアシスト比をａ、踏力をＴ、最大合力を１４０ｋｇｆとしたときに、前記曲線Ａは、｛ａ＝（１４０−Ｔ）／Ｔ｝で表されるものである。
【００３３】
この第２実施例によれば、比較的踏力の弱い人にあっては踏力が小さい程大きな補助動力が得られるようにして、どのような人でもほぼ同等の合力が得られるようにすることができ、また踏力が比較的強い人には踏力と同等の補助動力が得られるようにして走行速度が無闇に大きくならないようにすることができ、さらに踏力が極端に強い人には踏力よりも小さな補助動力を電動モータ１５が発揮するようにして合力が無闇に大きくなることを回避して自転車に適合した合力を得るようにし、電動モータ１５による補助動力を自転車に適合したものとすることができる。しかも踏力が同一のときには同一の補助動力が得られるようにしたのは、上記第１実施例と同様である。
【００３４】
上記第２実施例において、踏力検出手段ＳT の検出値が設定値ＴS 未満の範囲で、アシスト比を踏力に対してリニアに変化させずに、鎖線で示すように特定の踏力でアシスト比が大となるようにアシスト比を定めることも可能である。
【００３５】
図８は第１参考例を示すものであり、踏力が第１設定踏力Ｔ1 以下であるときにはアシスト比が「１」に設定され、踏力が第３設定踏力Ｔ3 以上であるときにはアシスト比が「３」に設定されるが、第１設定踏力Ｔ1 を超えるとともに第３設定踏力Ｔ3 未満である範囲では、アシスト比が「１」〜「３」の範囲で踏力に応じてリニアに増大するように設定される。
【００３６】
この第１参考例によれば、踏力が大きい人でもアシスト比を増大して大きな補助動力を得ることができる。
【００３７】
本発明の第２参考例として図９で示すように、踏力が第３設定踏力Ｔ3 以上であるときにはアシスト比が「３」に設定されるが、第３設定踏力Ｔ3 未満であるときにはアシスト比が「１」〜「３」の範囲で踏力に応じてリニアに増大するように設定されるようにしてもよい。
【００３８】
図１０は本発明の第３参考例を示すものであり、アシスト比は、踏力および車速に応じて設定される。この図１０において、点線で示すラインは踏力が大であるとき、実線で示すラインは踏力の小さいときを示すものであるが、踏力の大小にかかわらず、第２設定車速Ｖ2 （たとえば１５ｋｍ／ｈ）以下の低・中速域ではアシスト比がｎ（＞１）に設定され、第２設定車速Ｖ2 を超える高速域では第３設定車速Ｖ3 （たとえば２４ｋｍ／ｈ）でアシスト比が「０」となるように車速の増大に応じて次第に減少するように設定される。  このようにアシスト比が「１」よりも大きな「ｎ」に設定されることにより、どんな人でも大きな補助動力を得ることができて、自転車を楽に走行することができる。
【００３９】
ところが、低速時に踏力が大きいときにはアシスト比を大きく設定しておくと、大電流が流れてバッテリの消耗が早くなったり、電動モータ１５がオーバーヒートしたりする可能性がある。そこで、第２設定車速Ｖ2 よりも小さな第１設定車速Ｖ1 （たとえば５ｋｍ／ｈ）以下の低速域では、踏力が小さいときにはアシスト比が「ｎ」一定に設定されるのに対し、踏力が大であるときには車速の減少に応じてアシスト比が「ｎ」から「１」に次第に減少するように設定され、図１０の鎖線で示すように、低速域での車速の減少に応じたアシスト比の減少割合は踏力が大きくなるにつれて大きくなるように設定される。
【００４０】
この第３参考例によれば、バッテリの消耗や電動モータ１５のオーバーヒートを防止することが可能となるだけでなく、発進時にもアシスト比を比較的大きく設定していることにより発進時のふらつきを解消して円滑な発進を行なうことが可能となり、さらに発進時に強い力で踏み込んでも補助動力が過大となることを回避して急発進することを防止することが可能となる。
【００４１】
図１１は本発明の第４参考例を示すものであり、アシスト比は、踏力および車速によって定まる三次元のマップ上で設定される。この三次元のマップ上では、基本的には、踏力が０ｋｇｆからたとえば７０ｋｇｆまでの範囲にあっては車速がたとえば５ｋｍ／ｈ以下ではアシスト比が「３」一定に定められ、車速がたとえば５ｋｍ／ｈを超えて１５ｋｍ／ｈ以下ではアシスト比が「３」から「１」にリニアに変化するように定められ、車速がたとえば１５ｋｍ／ｈを超えて２４ｋｍ／ｈ以下ではアシスト比が「１」から「０」にリニアに変化するように定められるのであるが、踏力がたとえば３５ｋｇｆ以上の範囲では、アシスト比をａ、踏力をＴ、最大合力を１４０ｋｇｆとしたときに、｛ａ＝（１４０−Ｔ）／Ｔ｝で表される平面（鎖線で示す平面）を超えるアシスト比は得られないように設定されており、さらに踏力がたとえば７０ｋｇｆを超えるとアシスト比は「０」となる。
【００４２】
この第４参考例のように、踏力および車速によって定まる三次元のマップ上でアシスト比が定められていると、踏力および車速の変化に応じてアシスト比を滑らかに変化させることができ、アシスト動力の変化にリニア感が出ることになり、良好な運転性を得ることができる。
【００４３】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行なうことが可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、アシスト比が踏力に応じて変化するようにして、踏力に応じた補助動力を得ることが可能であり、同一踏力では補助動力が変化しないので違和感なく走行することができる。しかもこのように同一踏力で補助動力が変化することはないようにした上で、踏力の弱い人には補助動力を大きくするが、踏力の強い人には補助動力が無闇に大きくならないようにすることができる。
【００４５】
また特に請求項２記載の発明によれば、踏力と補助動力との和である合力が無闇に大きくなることを回避して自転車に適合した合力を得るようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１実施例の電動補助自転車の側面図である。
【図２】  モータユニットの縦断側面図であって図３の２−２線断面図である。
【図３】  図２の３−３線断面図である。
【図４】  電動モータの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】  踏力に応じたアシスト比を示す図である。
【図６】  踏力に応じた補助動力および合力を示す図である。
【図７】  第２実施例での踏力に応じたアシスト比を示す図である。
【図８】  第１参考例での踏力に応じたアシスト比を示す図である。
【図９】  第２参考例での踏力に応じたアシスト比を示す図である。
【図１０】  第３参考例での車速および踏力に応じたアシスト比を示す図である。
【図１１】  第４参考例での車速および踏力に応じたアシスト比を示す図である。
【符号の説明】
１５・・・電動モータ
３１・・・コントローラ
ＳT ・・・踏力検出手段
ＳV ・・・車速検出手段
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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