(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動車輪を回転駆動する人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力による駆動力の増減変化に対応して前記電気駆動系の出力を増減させるように制御する電動モータ付き自転車の制御方法において、変速比を切換え可能とした変速機構を介して人力駆動力および電気駆動力を加算した合力によって駆動車輪を回転駆動する一方、人力駆動系の駆動速度を動力ユニットのケース内に収容された速度センサで検出し、前記速度センサの出力と変速機構の変速比とに基づいて求めた計算速度の高速域では人力駆動力の増加に対する前記電気駆動系の出力の増加割合が計算速度の低速域より小さくなるようにすることを特徴とする電動モータ付き自転車の制御方法。
【請求項２】
駆動車輪を回転駆動する人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力による駆動力の増減変化に対応して前記電気駆動系の出力を増減させるように制御する電動モータ付き自転車において、人力駆動力および電気駆動力を加算して外部の伝動系に出力する動力ユニットと、この動力ユニットのケースに収容され人力駆動力を検出する人力駆動力検出手段と、前記人力駆動系および電気駆動系の合力を前記動力ユニットから駆動車輪に伝え駆動車輪を回転駆動する伝動系に介在され変速比を切換え可能とした変速機構と、前記動力ユニットのケースに収容され前記人力駆動系の駆動速度を検出する速度センサと、速度センサの出力と変速機構の変速比とに基づいて求めた計算速度の高速域では人力駆動力の増加に対する前記電気駆動系の出力の増加割合が計算速度の低速域より小さくなるように前記電気駆動系の出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３】
請求項２において、コントローラは変速機構の変速動作時にモータ駆動力を一時的に減少させる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、これらの合力を変速機構を介して駆動輪に伝える一方、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）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と、その制御方法とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
踏力を検出し、この踏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（特開昭５０−１２５４３８号、実開昭５６−７６５９０号、特開平２−７４４９１号等）。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】
【発明が解決しようとする課題】
この場合モータの駆動力ＴMを、踏力の増減だけに対応させて増減させたのでは車速が高速になりすぎることがあり得る。そこで車速Ｓの高速域では、踏力の増加に対するモータ駆動力の増加割合を小さくすることを出願人は提案した（特願平４−２８５４３２号）。一方自転車などにおいては、人力の負担を軽くするために変速機構を設けることが望ましい。
【０００４】
一方自転車などにおいては、人力の負担を軽くするために変速機構を設けることが望ましい。
そこでこのような変速機構を有する場合に前記既提案のもののように踏力と車速Ｓとによって、車速Ｓの高速域では踏力の増加に対するモータ駆動力の増加割合を小さくするようにモータを制御する方式を採用することが考えられる。
【０００５】
この場合に車速を実際の車速に対応する回転伝達機構部分（例えば車輪）の回転速度から検出するように構成することが考えられる。しかしこの場合には回転速度センサは車輪の車軸付近など外側に露出した位置や比較的手に触れ易い位置に配設されることになる。このため障害物への接触などによる損傷を受けたり、不正な改造による速度のごまかしが行われ易いという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、人力駆動系の踏力と車速Ｓとに基づいてモータを制御する自転車に変速機構を設ける場合に、人力駆動系の速度と変速比とによって計算速度を求め、この計算速度の高速域では踏力の増加に対するモータ駆動力の増加割合を小さくすることによって車速が高速になりすぎるのを防ぐようにした電動モータ付き自転車の制御方法を提供することを第１の目的とする。
【０００７】
また、この方法の実施に直接使用する電動モータ付き自転車を提供することを第２の目的とする。
【０００８】
【発明の構成】
本発明によれば第１の目的は、駆動車輪を回転駆動する人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力による駆動力の増減変化に対応して前記電気駆動系の出力を増減させるように制御する電動モータ付き自転車の制御方法において、変速比を切換え可能とした変速機構を介して人力駆動力および電気駆動力を加算した合力によって駆動車輪を回転駆動する一方、人力駆動系の駆動速度を動力ユニットのケース内に収容された速度センサで検出し、前記速度センサの出力と変速機構の変速比とに基づいて求めた計算速度の高速域では人力駆動力の増加に対する前記電気駆動系の出力の増加割合が計算速度の低速域より小さくなるようにすることを特徴とする電動モータ付き自転車の制御方法により達成される。
【０００９】
本発明によれば第２の目的は、駆動車輪を回転駆動する人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力による駆動力の増減変化に対応して前記電気駆動系の出力を増減させるように制御する電動モータ付き自転車において、人力駆動力および電気駆動力を加算して外部の伝動系に出力する動力ユニットと、この動力ユニットのケースに収容され人力駆動力を検出する人力駆動力検出手段と、前記人力駆動系および電気駆動系の合力を前記動力ユニットから駆動車輪に伝え駆動車輪を回転駆動する伝動系に介在され変速比を切換え可能とした変速機構と、前記動力ユニットのケースに収容され前記人力駆動系の駆動速度を検出する速度センサと、速度センサの出力と変速機構の変速比とに基づいて求めた計算速度の高速域では人力駆動力の増加に対する前記電気駆動系の出力の増加割合が計算速度の低速域より小さくなるように前記電気駆動系の出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はその動力系統の一実施例を示す図、図３は同じく動力系統の他の実施例を示す図、図４は図３の実施例における正常時の変速特性図、図５は同じく異常時の変速特性図である。
【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、この中に永久磁石式直流電動モータ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はケース（ボトムブラケットケース、以下ＢＢケースという）２６と、このケース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の後端に後輪１４が固定されている。なお右側のリヤステー２８には駆動軸３０（図２、３参照）が挿通される。
【００１３】
動力ユニット２４のケース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（図示せず）に固定されている。車軸３８には内装式の３段手動変速機構４０が保持され、後輪１４には駆動軸３０の回転が傘歯車機構、一方向クラッチ４２（図２、３）および変速機構４０を介して伝えられる。
【００１５】
動力ユニット２４には、クランク軸３２の回転を一方向クラッチ４４（図２、３）を介して駆動軸３０に伝える傘歯車（図示せず）が内装されている。またこのクランク軸３２と駆動軸３０との間には遊星歯車機構が介在されている。
【００１６】
この遊星歯車機構は遊星歯車からペダル踏力が入力され、リング歯車から駆動軸３０に踏力が出力される。そして中央のサン歯車に加わるトルクを人力駆動力検出手段としてのポテンショメータ４６で検出することにより踏力Ｆを検出するように構成されている。モータ２２の回転は一方向クラッチ４８および減速機５０を介して駆動軸３０に伝えられる。
【００１７】
図１で５２は鉛電池などの充電可能な電池、５４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。この実施例では、ケース２６内に速度センサ５８（図２）を備えるが、さらに変速機構の変速比を用いて速度センサ５８の出力を修正し車速を求めている。図１において５６は後輪１４の回転速度から車速（実車速）Ｓを求めるための車速センサであり、この車速センサ５６の出力を速度センサ５８の出力と比較することによって変速比を求めるためのものである。この車速センサ５６は図２に車速検出２と示されるものである。
【００１８】
次に図２の実施例を説明する。この図２に示す実施例では、人力駆動系による回転速度ｓを求めると共に、後輪１４から車速Ｓを同時に検出し、人力駆動系の回転速度ｓと変速機構４０の変速比とを用いて人力駆動系の回転速度ｓを修正している。ここにこの図２に車速検出１として示す速度センサ５８は、動力ユニット２４のケース２６内でクランク軸３２の回転速度ｓを検出するものであり、外部からは簡単には改造できないものである。
【００１９】
ポテンショメータ４６で検出した踏力Ｆと、車速センサ（車速検出２）５６で後輪１４から検出した車速Ｓと、速度センサ（車速検出１）５８で検出したクランク軸３２の回転速度ｓとは、共にコントローラ５４に入力される。コントローラ５４は、図２に示すように信号比較部６０において車速Ｓとクランク軸回転速度ｓとを比較して変速機構４０の変速比ｐを検出する。
【００２０】
コントローラ５４は変速比・補助力演算部６２において、メモリ６４に記録したデータに基づき、クランク軸回転速度ｓと変速比ｐとから車速Ｓを求め、この車速Ｓと踏力Ｆとに対するモータ２２の補助力すなわちモータ駆動力ＴMを演算しこれに対応する制御信号ｑを出力する。すなわちクランク軸回転速度ｓに対してモータ補助力が適正範囲内になるように制御する。
【００２１】
この図２の実施例において車速センサ５６は後輪１４の車軸付近に設けられるから、実際の車速と異なる車速を実車速として出力するように改造されることがあり得る。また障害物に当って誤動作することがあり得る。このような時にはコントローラ５４で求めた変速比が設定した変速比に一致しなくなる。
【００２２】
すなわちクランク軸回転速度ｓと予め設定した変速比とを乗算して求めた計算走行速度は、車速センサ５６で求めた実走行速度Ｓとは、設定した変速比のどれを用いても一致しなくなる。コントローラ５４はこのような時には車速センサ５６などに異常があると判断し、モータ出力を踏力Ｆとクランク軸回転速度ｓとで決まるモータ出力よりも減らすように制御する。
【００２３】
次に図３に示す実施例について説明する。この実施例では、変速機構４０の変速段ｐをその手動の変速操作器６６に設けた変速動作検出センサ６８により検出する。一方クランク軸３２の回転速度ｓは図３に車速検出と示した速度センサ５８Ａで検出される。この回転速度ｓと変速比ｐとを示す信号はコントローラ５４Ａの変速比決定・信号補正部７０に入力され、ここで変速比が決定される。
【００２４】
ここに変速動作検出センサ６８はコントローラ５４Ａの外にあるため、運転者などにより改造され易い。例えばモータの駆動力を増大させるために高速側の変速比に固定することが考えられる。このような場合には、後記するように計算で求めた車速ＳCの変化から変速を検出し、コントローラ５４Ａの変速比決定・信号補正部７０では変速比ｐを低速側の変速比ｐ1に補正する。
【００２５】
補助力演算部７２は踏力Ｆと、クランク軸回転速度ｓを変速比決定・信号補正部７０で検出した変速比あるいは補正した変速比ｐで修正した速度に対するモータ２２の制御信号ｑを、メモリ７４のデータを用いて演算する。すなわち踏力Ｆと修正されたクランク軸回転速度ｓとに基づいてモータの駆動力を適正範囲内にするように制御する。なお図３では図２と同一部分に同一符号を付したので、その説明は繰り返さない。
【００２６】
この図３の実施例において、変速動作検出センサ６８に改造が行われない正常な状態での変速特性は図４のようになる。この図４で横軸ｔは発進後の経過時間を示す。この正常な場合には変速機構４０の変速比ｐを検出する変速動作検出センサ６８の出力である変速検出信号は実際の変速比ｐ1、ｐ2、ｐ3と一致している。従って実際の車速ＳRは、クランク軸回転速度ｓと変速比とを用いて算出される計算車速ＳCと一致する。
【００２７】
図５は変速動作検出センサ６８を高速側の変速比ｐ3に固定する改造を行った場合の変速特性を示す。この場合には検出した変速比ｐは常に高速側の変速比ｐ3であるから、これを用いた計算車速ＳCは実際の変速が行われる度に段状に変化する。従ってこの計算車速ＳCが変速時に段状に変化することから、逆に改造が行われたと判定し、前記したように変速比決定・信号補正部７０で変速比ｐを低速側の変速比ｐ1に固定し、モータ２２の駆動力ＴMをクランク軸回転速度ｓと変速比ｐから求めた車速と、踏力Ｆとで決まる駆動力よりも小さくする。
【００２８】
なお変速機構４０の変速動作を検出した時には、モータ駆動力ＴMを一時的に減少させるのが望ましい。これは変速動作を円滑にし変速の衝撃を小さくするためである。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１の発明は以上のように、変速機構を設けた場合に、踏力と人力駆動系の速度とに対応してモータ駆動力を制御することにより、高速域では踏力の増加に対するモータ駆動力の増加割合を低速域よりも小さくするから、車速が高速になりすぎるのを防ぐことができる。
【００３０】
また人力駆動系の駆動速度は動力ユニットのケース内に収容した速度センサで検出するようにしたものであるから、この人力駆動系の速度センサに障害物が当たりにくくなり、またこの速度センサの改造が行いにくくなる。
【００３１】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の実施に直接使用する電動モータ付き乗り物が得られる。この場合、変速比を検出して人力駆動系の駆動速度とこの変速比とを用いて求めた計算車速と人力駆動力とに対応して電気駆動系の出力を制御するから、計算で求めた車速に基づいて制御できることになり、人力駆動系の駆動速度を用いる場合よりも高精度な制御が可能になる。
【００３２】
請求項３の発明によれば変速動作時にモータ駆動力を一時的に減少させるから、変速動作を円滑に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の側面図
【図２】その動力系統の一実施例を示す図
【図３】同じく動力系統の他の実施例を示す図
【図４】図３の実施例における正常時の変速特性図
【図５】図３の実施例における異常時の変速特性図
【符号の説明】
１４  駆動輪としての後輪
２２  電動モータ
２４  動力ユニット
２６  ケース
３６  クランクペダル
４０  変速機構
４６  人力駆動力検出手段としてのポテンショメータ
５４、５４Ａ  コントローラ
５８  人力駆動系の速度センサ（ケース内に収容）
Ｓ  車速
Ｆ  人力駆動力としての踏力
ＴM   モータ駆動力
【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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