(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
乗員のペダル踏力により回転駆動されるクランク軸と、上記クランク軸の回転力を駆動輪に伝達するペダル踏力伝達系統と、クランク軸の回転速度を検出するクランク軸回転速度検出手段と、上記駆動輪の回転速度を検出する駆動輪回転速度検出手段と、上記乗員により任意に操作されるアクセル手段と、上記アクセル手段の開度を検出するアクセル開度検出手段と、上記ペダル踏力をアシストする駆動補助力を出力する電動モーターと、上記クランク軸回転速度検出手段および駆動輪回転速度検出手段ならびにアクセル開度検出手段からの入力を受け、クランク軸と駆動輪の回転速度比が上記ペダル踏力伝達系統の変速比に対して所定の公差内にあることを条件に、アクセル手段の開度に応じた一定出力の補助駆動力を上記電動モーターに出力させるようにプログラムされた制御手段とを備えてなることを特徴とする電動補助自転車。
【請求項２】
前記乗員が任意にシフト操作できる多段式変速機構を前記ペダル踏力伝達系統に設け、上記多段式変速機構の各シフトポジション毎に各々公差を持った変速比を設定し、クランク軸と駆動輪の回転速度比が上記各変速比の公差内にあることを条件に、アクセル手段の開度に応じた一定出力の補助駆動力を上記電動モーターに出力させるように前記制御手段をプログラムした請求項１に記載の電動補助自転車。
【請求項３】
前記クランク軸および駆動輪の回転速度と、前記アクセル手段の開度との関係から、発進モードか通常走行モードかを判断し、発進モードと判断した場合には、通常走行モードと判断した場合よりも、前記アクセル手段の開度に対する前記電動モーターの駆動補助力の出力割合を大きくするように前記制御手段をプログラムした請求項１に記載の電動補助自転車。
【請求項４】
前記発進モードと判断した場合には、前記通常走行モードと判断した場合よりも、前記駆動補助力の出力上昇率を大きくするように前記制御手段をプログラムした請求項３に記載の電動補助自転車。
【請求項５】
前記発進モードと判断した場合には、前記通常走行モードと判断した場合よりも、前記電動モーターの起動時間から前記アクセル手段の開度により定められた駆動補助力の目標値が出力されるまでの出力到達時間を短くするように前記制御手段をプログラムした請求項３に記載の電動補助自転車。
【請求項６】
前記発進モードと判断した時点から所定の時間内に、前記クランク軸と駆動輪の回転速度比が前記ペダル踏力伝達系統の変速比に対して所定の公差内に入らない場合には駆動補助力の出力を中止するように前記制御手段をプログラムした請求項１に記載の電動補助自転車。
【請求項７】
前記クランク軸と駆動輪の回転速度比が前記多段式変速機構の各段における変速比の公差内にあることを検知することにより、多段式変速機構のシフトポジションを判別し、その各シフトポジション毎に、前記アクセル手段の開度に対する前記電動モーターの駆動補助力の出力割合を変化させるように前記制御手段をプログラムした請求項２に記載の電動補助自転車。
【請求項８】
前記多段式変速機構のシフトポジションがローギヤ側になる程、前記駆動補助力の出力上昇率を大きくするように前記制御手段をプログラムした請求項７に記載の電動補助自転車。
【請求項９】
前記多段式変速機構のシフトポジションがローギヤ側になる程、前記電動モーターの起動時間から前記アクセル手段の開度により定められた駆動補助力の目標値が出力されるまでの出力到達時間を短くするように前記制御手段をプログラムした請求項８に記載の電動補助自転車。
【請求項１０】
押し歩き判別手段を設け、この押し歩き判別手段からの入力とアクセル開度から、押し歩きモードにあるか否かを判断し、押し歩きモードにあると判断した場合には、発進モードや通常走行モードの場合よりも、前記アクセル手段の開度に対する前記駆動補助力の出力割合を小さくし、かつ車速が押し歩き時における歩行速度を越えない範囲で、アクセル手段の開度に応じた一定出力の補助駆動力を前記電動モーターに出力させるように前記制御手段をプログラムした請求項１に記載の電動補助自転車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自転車の車体に電動モータを搭載し、その駆動補助力でペダル踏力をアシストすることにより、乗員の負担を軽減させて走行を容易にした電動補助自転車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の電動補助自転車は、乗員のペダル踏力に合わせて特定の大きさの駆動補助力を電動モーターに出力させ、ペダル踏力の大きさが変化しても常にペダル踏力と駆動補助力との比率（アシスト比）が一定になるように制御されていた。
【０００３】
また、ペダル踏力に対する駆動補助力の割合を段階的に減少させ得るようにし、車速が過大になったり、バッテリーが早期に消耗することを防止するようにしたものもある（例えば特開平 7-33070号公報に記載されている電動補助自転車) 。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記いずれの場合も、電動モーターの駆動補助力がペダル踏力のトルク変動に合わせて増減するため、図20に示すように、ペダル踏力がゼロに近付くクランクの上死点ＴＤＣおよび下死点ＢＤＣ付近においては駆動補助力もゼロに近付き、電動補助自転車を前進させる駆動力が非常に小さくなるため、特に発進時や登坂走行時等では車体がふらつきやすくなり、走行安定性が非常に悪くなるという難点があった。
【０００５】
しかも、ペダル踏力と駆動補助力の比率が常に一定であり、駆動補助力の出力を細かく調整することができないため、必ずしも乗員の脚力や走行条件（登坂角、風向き、路面の質等による走行抵抗の大小）に適合した駆動補助力が得られず、車速の制御が困難であり、無駄な加減速を繰り返すことによりバッテリーも早期に消耗する傾向があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、自転車としての走行フィーリングを損なうことなく、クランクの上下死点付近においても良好な走行安定性がもたらされ、かつ車速の制御が容易でバッテリーの早期消耗も防止でき、なおかつ押し歩きの容易な電動補助自転車を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る電動補助自転車は、請求項１に記載したように、乗員のペダル踏力により回転駆動されるクランク軸と、上記クランク軸の回転力を駆動輪に伝達するペダル踏力伝達系統と、クランク軸の回転速度を検出するクランク軸回転速度検出手段と、上記駆動輪の回転速度を検出する駆動輪回転速度検出手段と、上記乗員により任意に操作されるアクセル手段と、上記アクセル手段の開度を検出するアクセル開度検出手段と、上記ペダル踏力をアシストする駆動補助力を出力する電動モーターと、上記クランク軸回転速度検出手段および駆動輪回転速度検出手段ならびにアクセル開度検出手段からの入力を受け、クランク軸と駆動輪の回転速度比が上記ペダル踏力伝達系統の変速比に対して所定の公差内にあることを条件に、アクセル手段の開度に応じた一定出力の補助駆動力を上記電動モーター出力させるようにプログラムされた制御手段とを備えてなることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載したように、請求項１に記載した電動補助自転車において、前記乗員が任意にシフト操作できる多段式変速機構を前記ペダル踏力伝達系統に設け、上記多段式変速機構の各シフトポジション毎に各々公差を持った変速比を設定し、クランク軸と駆動輪の回転速度比が上記各変速比の公差内にあることを条件に、アクセル手段の開度に応じた一定出力の補助駆動力を上記電動モーターに出力させるように前記制御手段をプログラムした。
【０００９】
さらに、請求項３に記載したように、請求項１に記載した電動補助自転車において、前記クランク軸および駆動輪の回転速度と、前記アクセル手段の開度との関係から、発進モードか通常走行モードかを判断し、発進モードと判断した場合には、通常走行モードと判断した場合よりも、前記アクセル手段の開度に対する前記電動モーターの駆動補助力の出力割合を大きくするように前記制御手段をプログラムした。
【００１０】
そして、請求項４に記載したように、請求項３に記載した電動補助自転車において、前記発進モードと判断した場合には、前記通常走行モードと判断した場合よりも、前記駆動補助力の出力上昇率を大きくするように前記制御手段をプログラムした。
【００１１】
また、請求項５に記載したように、請求項３に記載した電動補助自転車において、前記発進モードと判断した場合には、前記通常走行モードと判断した場合よりも、前記電動モーターの起動時間から前記アクセル手段の開度により定められた駆動補助力の目標値が出力されるまでの出力到達時間を短くするように前記制御手段をプログラムした。
【００１２】
さらに、請求項６に記載したように、請求項１に記載した電動補助自転車において、前記発進モードと判断した時点から所定の時間内に、前記クランク軸と駆動輪の回転速度比が前記ペダル踏力伝達系統の変速比に対して所定の公差内に入らない場合には駆動補助力の出力を中止するように前記制御手段をプログラムした。
【００１３】
そして、請求項７に記載したように、請求項２に記載した電動補助自転車において、前記クランク軸と駆動輪の回転速度比が前記多段式変速機構の各段における変速比の公差内にあることを検知することにより、多段式変速機構のシフトポジションを判別し、その各シフトポジション毎に、前記アクセル手段の開度に対する前記電動モーターの駆動補助力の出力割合を変化させるように前記制御手段をプログラムした。
【００１４】
また、請求項８に記載したように、請求項７に記載した電動補助自転車において、前記多段式変速機構のシフトポジションがローギヤ側になる程、前記駆動補助力の出力上昇率を大きくするように前記制御手段をプログラムした。
【００１５】
さらに、請求項９に記載したように、請求項８に記載した電動補助自転車において、前記多段式変速機構のシフトポジションがローギヤ側になる程、前記電動モーターの起動時間から前記アクセル手段の開度により定められた駆動補助力の目標値が出力されるまでの出力到達時間を短くするように前記制御手段をプログラムした。
【００１６】
そして、請求項10に記載したように、請求項１に記載した電動補助自転車において、押し歩き判別手段を設け、この押し歩き判別手段からの入力とアクセル開度から、押し歩きモードにあるか否かを判断し、押し歩きモードにあると判断した場合には、発進モードや通常走行モードの場合よりも、前記アクセル手段の開度に対する前記駆動補助力の出力割合を小さくし、かつ車速が押し歩き時における歩行速度を越えない範囲で、アクセル手段の開度に応じた一定出力の補助駆動力を前記電動モーターに出力させるように前記制御手段をプログラムした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る電動補助自転車の外観の一例を示す左側面図である。
【００１８】
この電動補助自転車１は、例えば金属管を組み合わせた車体フレーム２を備えており、この車体フレーム２の中央下部に電動パワーユニット３が搭載されている。車体フレーム２の前頭部には、前輪４を支持するフロントフォーク５がハンドルバー６等と共に左右回動自在に軸支され、車体フレーム２の後部には駆動輪である後輪７が軸支され、車体フレーム２の中央上部にサドル８が設置される。
【００１９】
図２は、図１の II-II線に沿って展開した電動パワーユニット３の断面図である。図１および図２に示すように、クランク軸10が電動パワーユニット３の後部を車幅方向に貫通する形で回転自在に軸支されており、このクランク軸10の両端部にそれぞれクランク11がナット12で回転一体に固定され、左右のクランク11の先端にそれぞれペダル13が回転自在に設けられる。
【００２０】
また、クランク軸10には電動パワーユニット３の右側に位置するドライブスプロケット15（図２参照）が軸装され、このドライブスプロケット15と、後輪７のハブ（非図示）の右側に設けられたドリブンスプロケット（非図示）との間にチェーン16（図１参照）が巻装される。なお、後輪７のハブには、例えば３段式変速機構（非図示）が設けられており、図３にも示すように、例えばハンドルバー６の左端側に設けられたシフトグリップ17を捻ることにより乗員が任意にシフト操作し、第１速、第２速、第３速のいずれかを選定するようになっている。この３段式変速機構は、請求項２に記載した多段式変速機構となるものである。
【００２１】
クランク軸10は、サドル８に着座した乗員が両足でペダル13を踏むことによりＤ方向に回転駆動され、その際にドライブスプロケット15がクランク軸10と同一方向に回転し、この回転がチェーン16によりドリブンスプロケットに伝達されて後輪７が駆動される。なお、電動パワーユニット３の上方には、電動パワーユニット３に内蔵された電動モーター18を作動させるためのバッテリーユニット19が着脱可能に設置され、電動パワーユニット３と共にフレームカバー20で被装されている。
【００２２】
図２に示すように、電動パワーユニット３の外殻をなすケーシング22は、左側に位置するケース本体23と、その右側開口部を液密に閉塞するように取着されるケースカバー24とを備えて構成される。なお、ケース本体23の周囲に設けられた複数の取付ブラケット25が車体フレーム２にボルトで締結される。
【００２３】
クランク軸10はケーシング22の後部に軸支され、クランク軸10の右側半分の外周に筒状の合力スリーブ27がニードルベアリング28を介して軸装されている。そして、クランク軸10の左端付近がケース本体23側に嵌合されたベアリング29に軸支され、合力スリーブ27の左右端がそれぞれケース本体23とケースカバー24に嵌合されたベアリング30，31に軸支される。クランク軸10と合力スリーブ27との間にはラチェット式のワンウェイクラッチ32が設けられ、クランク軸10のＤ方向への回転のみが合力スリーブ27に伝達されるようになっている。
【００２４】
一方、駆動補助力を発生する電動モーター18は、ケース本体23の前部左側に固定され、その主軸34が右方に延び、ケーシング22内でベアリング35，36に軸支された第１ギヤシャフト37に回転一体に連結されている。また、第１ギヤシャフト37の後方には第２ギヤシャフト38がベアリング39，40に軸支され、その後方に第３ギヤシャフト41がベアリング42，43に軸支されている。
【００２５】
第１ギヤシャフト37に回転一体に形成されたプライマリードライブギヤ45は、第２ギヤシャフト38に回転一体に設けられたプライマリードリブンギヤ46に噛み合い、第２ギヤシャフト38に回転一体に形成されたセカンダリードライブギヤ47は、第３ギヤシャフト41にワンウェイクラッチ48を介して設けられたセカンダリードリブンギヤ49に噛み合う。また、第３ギヤシャフト41に回転一体に形成されたファイナルドライブギヤ50は、合力スリーブ27の外周に回転一体に設けられたファイナルドリブンギヤ51に噛み合う。そして、合力スリーブ27の右端にドライブスプロケット15が回転一体に固定される。
【００２６】
なお、クランク軸10と、ワンウェイクラッチ32と、合力スリーブ27と、ドライブスプロケット15と、チェーン16と、前記ドリブンスプロケットおよび３段式変速機構とにより、請求項１に記載したペダル踏力伝達系統Ｇが構成され、第１〜第３ギヤシャフト37，38，41と、６つのギヤ45，46，47，49，50，51と、ワンウェイクラッチ48とにより、駆動補助力伝達系統Ｈが構成される。
【００２７】
ところで、クランク軸10の左端付近には円盤状のセンサープレート54が回転一体に設けられている。このセンサープレート54の外周部には複数のセンサー突起55がギヤ歯状に等間隔に形成されている。また、ケース本体23の左側面にはクランク回転速度センサー56がボルト57で固定され、センサープレート54のセンサー突起55に近接している。センサープレート54とクランク回転速度センサー56は、請求項１に記載したクランク軸回転速度検出手段の一例として機能し、クランク軸10と共にセンサープレート54が回転すると、センサー突起55の動きがクランク回転速度センサー56に読み取られ、クランク軸10の回転速度が検出される。
【００２８】
さらに、ケーシング22の左側面の、例えば電動モーター18の後方のスペースには、請求項１に記載した制御手段の一例となる制御ユニット58が設置されている。この制御ユニット58は、例えば小型のＣＰＵとされる。
【００２９】
この電動パワーユニット３において、電動モーター18が作動すると、電動モーター18の主軸34と第１ギヤシャフト37とプライマリードライブギヤ45がＡ方向に回転し、第２ギヤシャフト38とプライマリードリブンギヤ46とセカンダリードライブギヤ47がＢ方向に回転し、第３ギヤシャフト41とセカンダリードリブンギヤ49とファイナルドライブギヤ50がＣ方向に回転し、ファイナルドリブンギヤ51と合力スリーブ27がＤ方向に回転する。このように、電動モーター18から出力される駆動補助力は駆動補助力伝達系統Ｈにより３段階に減速されてから合力スリーブ27に伝達される。
【００３０】
また、乗員がペダル13を漕いでクランク軸10をＤ方向に回転させると、その回転がワンウェイクラッチ32を経て合力スリーブ27に伝達される。従って、合力スリーブ27とドライブスプロケット15は、乗員のペダル踏力と電動モーター18の駆動補助力を両方受けてＤ方向に回転し、その回転力がチェーン16を経て後輪７に伝達され、電動補助自転車１が前進する。このように、電動モーター18の駆動補助力が乗員のペダル踏力と共に後輪７に伝達され、駆動補助力によりペダル踏力がアシストされるため、乗員の負担が軽減されて走行が容易になる。
【００３１】
なお、ワンウェイクラッチ32はクランク軸10のＤ方向への回転のみを合力スリーブ27に伝達するため、乗員がペダル13を逆方向に漕いでクランク軸10を反Ｄ方向へ回転させた場合には、ワンウェイクラッチ32の作用によりクランク軸10の回転が合力スリーブ27に対して遮断され、クランク軸10が合力スリーブ27の中で空転する。
【００３２】
一方、ワンウェイクラッチ48は、セカンダリードリブンギヤ49のＣ方向への回転のみを第３ギヤシャフト41に伝達するように構成されており、例えばセカンダリードリブンギヤ49の停止時に第３ギヤシャフト41がＣ方向に回転しても、その回転はセカンダリードリブンギヤ49に対して遮断される。このため、例えば電動モーター18の停止時に乗員がペダル13を漕いでクランク軸10と合力スリーブ27をＤ方向に回転させ、第３ギヤシャフト41をＣ方向に回転させたとしても、その回転力はワンウェイクラッチ48に遮断されて電動モーター18に伝達されることはなく、電動モーター18が逆駆動されないのでペダル踏力が軽く保たれ、電動補助自転車１を一般の自転車と同様に軽快に走らせることができる。
【００３３】
ところで、請求項１に記載した駆動輪回転速度検出手段として、図１に示すように、後輪７には後輪回転速度検出センサー60が設けられる。また、図３に示すように、例えばハンドルバー６の右端側のグリップ部分には、ポテンショメーター等を用いたアクセル開度センサー61を内蔵し、乗員の手により任意に操作される回動式のアクセルグリップ62が設けられる。乗員がアクセルグリップ62を捻って回動させると、アクセル開度センサー61に流れる電流の抵抗値が変化し、その抵抗値からアクセルグリップ62の開度（回動角）が検出されるようになっている。
【００３４】
アクセルグリップ62は、請求項１に記載したアクセル手段の一例として機能し、アクセル開度センサー61は、同じく請求項１に記載したアクセル開度検出手段として機能する。なお、ハンドルバー６のアクセルグリップ62の側にはフロントブレーキレバー63が設けられ、シフトグリップ17の側にはリヤブレーキレバー64が設けられる。また、ハンドルバー６の中央部にはメインスイッチ65とバッテリー残量計66等が設けられる。
【００３５】
さらに、請求項10に記載した押し歩き判別手段の一例として、サドル８には乗車センサー68が設けられ、ハンドルバー６のシフトグリップ17付近には押しボタン式の押し歩きスイッチ69が設けられている。
【００３６】
図４は、この電動補助自転車１の制御系統を示したブロック図である。ここに示すように、制御ユニット58には、バッテリーユニット19がメインスイッチ65を介して接続され、電動モーター18も接続される。また、制御ユニット58には、クランク回転速度センサー56と、後輪回転速度検出センサー60と、アクセル開度センサー61と、乗車センサー68と、押しボタン式の押し歩きスイッチ69が接続される。
【００３７】
さらに、前記バッテリー残量計66等の表示ランプ類やメモリー回路70等も制御ユニット58に接続される。なお、メモリー回路70は制御ユニット58に内蔵しても構わない。また、制御ユニット58には、バッテリーユニット19の電圧を検出する電圧センサー71と、電動モーター18に印加される電流を検出する電流センサー72が接続される。
【００３８】
そして、制御ユニット58は、バッテリーユニット19が正しく充電され、メインスイッチ65がＯＮにされた状況の元で、クランク回転速度センサー56と後輪回転速度検出センサー60とアクセル開度センサー61からの入力信号を受けながら、運転状況に応じてバッテリーユニット19の電流を電動モーター18に印加し、電動モーター18を制御して補助駆動力を出力させるようにプログラムされている。
【００３９】
【表１】
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例えば、表１の▲１▼欄に示すように、クランク軸回転も後輪回転も検出されず、アクセル開度のみが検出された場合、制御ユニット58は電動補助自転車１が発進モードにあると判断し、クランク軸10の回転開始と同時に、アクセル開度（アクセルグリップ62の回動角）に応じた一定出力の駆動補助力を電動モーター18に出力させる。
【００４０】
但しこの場合、制御ユニット58が発進モードと判断した時点から所定の時間内（例えば１〜２秒以内）に、後に詳述するようにクランク軸10と後輪７の回転速度比Ｚがペダル踏力伝達系統Ｇのギヤ比により定められた変速比に対して所定の公差内に入らない場合には駆動補助力の出力が中止される。従って、電動補助自転車１が駆動補助力のみで発進することは不可能となり、自転車としてのフィーリングが尊重される。
【００４１】
また、表１の▲２▼欄に示すように、クランク軸回転の検出と後輪回転の検出があり、アクセル開度の検出もあれば、制御ユニット58は電動補助自転車１が通常走行モードにあると判断し、アクセル開度に応じた一定出力の駆動補助力を電動モーター18に出力させる。そして、この場合も、前述の如くクランク軸10と後輪７の回転速度比Ｚが、ペダル踏力伝達系統Ｇのギヤ比により定められた変速比に対して所定の公差内にあることが条件とされる。
【００４２】
つまり、乗員がペダル13を漕いで電動補助自転車１を走行させる時、後輪７の回転はクランク軸10の回転に一定の比率で追従するため、図５に示すように、クランク軸回転速度と後輪回転速度（車速）が正比例し、その傾きが前記変速比となる。この変速比は、ペダル踏力伝達系統Ｇに備わる３段式変速機構の第１速から第３速までのシフトポジション（ギヤ比）によって異なるため、各ギヤ比毎に所定の傾きを持つ変速比ｋ１，ｋ２，ｋ３が定められる。
【００４３】
そして、図６に示すように、上記各変速比ｋ１，ｋ２，ｋ３を中心に＋−数パーセント程度の幅で公差ｋａ，ｋｂ，ｋｃが設定され、クランク軸10と後輪７の実際の回転速度比Ｚが、上記公差ｋａ，ｋｂ，ｋｃのいずれかに入っていれば、制御ユニット58は後輪回転がクランク軸回転に追従していると判断し、電動モーター18に駆動補助力を出力させる。しかし、もしペダル踏力が緩まる等してクランク軸回転が後輪回転に対して少しでも遅れれば、上記回転速度比Ｚが上記公差ｋａ，ｋｂ，ｋｃをすぐに逸脱するため、駆動補助力の出力が断たれる。
【００４４】
なお、各シフトポジションにおける変速比ｋ１，ｋ２，ｋ３とその公差ｋａ，ｋｂ，ｋｃは予めメモリー回路70に記憶され、公差ｋａ，ｋｂ，ｋｃの範囲はクランク回転速度センサー56と後輪回転速度検出センサー60に発生し得る測定誤差等を予め踏まえた上で必要最小限の範囲に設定される。また、上記変速比やその公差は多段式変速機構の段数分だけ設定されるが（この実施形態のように３段式なら３種類、５段式なら５種類）、多段式変速機構を備えない単速式の場合は１種類のみとなる。
【００４５】
一方、表１の▲３▼欄に示すように、クランク軸回転の検出と後輪回転の検出があるものの、その回転速度比が上記公差ｋａ，ｋｂ，ｋｃから外れている場合には、制御ユニット58は電動補助自転車１が惰性走行に入ってクランク軸10の回転速度が降下しつつあるか、クランク軸10が逆転していると判断し、例えアクセル開度の検出があっても電動モーター18に駆動補助力を出力させない。
【００４６】
さらに、表１の▲４▼欄や▲５▼欄に示すように、後輪回転の検出があってもクランク軸回転の検出がない場合や、反対にクランク軸回転の検出があっても後輪回転の検出がない場合には、制御ユニット58は電動補助自転車１が惰性走行状態にあるか、または車体が停止してクランク軸10のみが逆転している状態であると判断し、アクセル開度の検出があっても駆動補助力を出力させない。
【００４７】
以上のように電動モーター18を制御すれば、乗員がペダル13を踏んで電動補助自転車１を走行させている時には、アクセル開度に応じた一定出力の駆動補助力が電動モーター18から出力され、図７に示すように、ペダル踏力がゼロに近付くクランク上死点ＴＤＣおよび下死点ＢＤＣ付近においても駆動補助力の出力が途絶えない。このため、従来のようにペダル踏力のトルク変動に合わせて駆動補助力が増減することがなく、特に発進時や登坂走行時等においても車体がふらつかなくなり、良好な走行安定性がもたらされる。
【００４８】
しかも、乗員がアクセルグリップ62を操作することによって駆動補助力の出力を任意に調整し、ペダル踏力と駆動補助力の比率を変更できるため、乗員の脚力や各種の走行条件に適合した駆動補助力が得られ、車速の制御も容易になるので無駄な加減速が省かれて省電力化に繋がり、バッテリーユニット19の早期消耗も防止される。その上、ペダル13を踏まないと駆動補助力が出力されないため、電動補助自転車１が乗員の予期しない動きをすることがなく、自転車としての走行フィーリングも損なわれない。
【００４９】
そして、３段式変速機構の各シフトポジションに応じて前記変速比ｋ１，ｋ２，ｋ３とその公差ｋａ，ｋｂ，ｋｃを設定したので、どのシフトポジションにおいても適確に駆動補助力によるアシストを得ることができ、走行性能を向上させることができる。
【００５０】
次に、上記のように制御ユニット58にプログラムされた電動モーター制御の流れを、図８に示すフローチャートに沿って説明すると、まず制御のスタート後、Ｓ１でアクセル開度検出の有無が判断され、ＹＥＳならＳ２に進んでクランク軸回転検出の有無が判断される。Ｓ２がＹＥＳならＳ３に進み、前述したようにクランク軸10と後輪７の回転速度比Ｚがペダル踏力伝達系統Ｇの変速比ｋ１，ｋ２，ｋ３の公差ｋａ，ｋｂ，ｋｃの範囲内にあるか否かが判断される。そして、Ｓ３がＹＥＳならＳ４に進み、アクセル開度に応じた電流値が目標値として設定され、制御が終了する。これにより、上記目標電流値が電動モーター18に印加され、電動モーター18から駆動補助力が出力される。
【００５１】
しかし、Ｓ１がＮＯの場合、つまりアクセルが閉じている場合には、Ｓ５に進んでクランク軸回転の無入力時間を計測するタイマーがリセットされ、次にＳ６に進んで目標電流値が０に設定される。これにより、電動モーター18への電流印加はなされず、駆動補助力が出力されずに制御が終了する。
【００５２】
また、Ｓ２がＮＯの場合、即ちアクセルが開いていてもクランク軸10の回転がない場合にはＳ７に進み、前記タイマーにより計測されるクランク軸回転の無入力時間が所定の時間（例えば１〜２秒間）を経過したか否かが判断される。所定時間が経過していたら（Ｓ７→ＹＥＳ）Ｓ６に進んで目標電流値が０に設定されるが、所定時間が経過していない場合には（Ｓ７→ＮＯ）Ｓ４に進んでアクセル開度に応じた電流値が目標値として設定される。
【００５３】
ところで、制御ユニット58は、前述したようにクランク軸10および後輪７の回転速度と、アクセル開度との関係から、電動補助自転車１が発進モードにあるか通常走行モードにあるかを判断するが、発進モードと判断した場合には、通常走行モードと判断した場合よりも、アクセル開度に対する駆動補助力の出力割合を大きくするようにプログラムされている。
【００５４】
即ち、駆動補助力の出力がアクセル開度に正比例して上昇するとした場合、図９に示すように、同一アクセル開度でも、発進モードにおける出力割合の方が、通常走行モードにおける出力割合よりも大きく設定される。この制御は、予めメモリー回路70に、アクセル開度に対する印加電流割合の高い大電流マップと、印加電流割合の低い通常電流マップとを記憶させておき、電動モーター18に印加する目標電流値を、発進モードでは大電流マップから、通常走行モードでは通常電流マップから、それぞれ選択することにより実行される。なお、図９中に示す押し歩きモードについては後述する。
【００５５】
さらに、発進モードにあると判断した場合には、通常走行モードと判断した場合よりも駆動補助力の出力上昇率を大きくするように制御ユニット58をプログラムしてもよい。即ち、図10に示すように、通常走行モードにおける駆動補助力の出力割合を、アクセル開度に正比例して直線的に立ち上がるようにする一方、発進モードにおける駆動補助力の出力割合を、アクセルの開き始めの範囲において急激に立ち上がり、アクセル開度が増すにつれてなだらかになる二次曲線状になるように設定する。
【００５６】
この制御も、電動モーター18に印加する目標電流値を、発進モードでは前記大電流マップから、通常走行モードでは前記通常電流マップから、それぞれ選択することにより実行される。
【００５７】
上記のように、発進モードにおける駆動補助力の出力割合や出力上昇率が、通常走行モードよりも大きくなるように電動モーター18を制御すれば、発進時にアクセル開度をさほど大きくしなくてもよくなるため、加速中にアクセルグリップ62の捻り角を戻しながら車速を制御する必要がなくなり、車速制御が非常に容易になる。
【００５８】
このような電動モーター18制御の流れを、図11に示すフローチャートに沿って説明すると、まず、Ｓ11で発進モードであるか否かが判断され、発進モードであるならば（Ｓ11→ＹＥＳ）Ｓ12に進み、大電流マップからアクセル開度に応じた電動モーター18への目標電流値が設定されて制御が終了する。また、通常走行であるならば（Ｓ11→ＮＯ）Ｓ13に進み、通常電流マップからアクセル開度に応じた電動モーター18への目標電流値が設定されて制御が終了する。
【００５９】
そしてまた、図12に示すように、電動モーター18の起動時間ｔ０から、アクセル開度により定められた駆動補助力の目標値が出力されるまでの出力到達時間を、発進モードの場合と通常走行モードの場合とで区別し、発進モードでの出力到達時間ｔａが通常走行モードの出力到達時間ｔｂよりも短くなるように制御ユニット58をプログラムすることもできる。
【００６０】
この制御は、電動モーター18への制限電流値を、電動モーター18の起動時間に対し、発進モードでは大電流マップから、通常走行モードでは通常電流マップから、それぞれ選択することにより実行される。これにより、車速制御が一層容易になる。
【００６１】
この制御を図13に示すフローチャートに沿って説明すると、まずＳ21で通常電流マップからアクセル開度に応じた電動モーター18への目標電流値が設定され、次のＳ22で発進モードであるか否かが判断され、発進モードであるならば（Ｓ22→ＹＥＳ）Ｓ23に進み、電動モーター18の起動時間に応じて大電流マップから制限電流値が設定される。
【００６２】
次に、Ｓ24で電動モーター18への目標電流値が制限電流値を越えているか否かが判断され、ＹＥＳであればＳ25に進んで上記制限電流値を目標電流値として設定し、制御が終了する。また、Ｓ22の判断がＮＯの場合はＳ26に進み、電動モーター18の起動時間に応じて通常電流マップから制限電流値が設定されてＳ24に進み、Ｓ24の判断がＮＯの場合はＳ25をスキップして制御が終了する。
【００６３】
さらに、制御ユニット58は、前述のように走行時におけるクランク軸10と後輪７の回転速度比Ｚが、３段式変速機構の第１速から第３速における変速比ｋ１，ｋ２，ｋ３の公差ｋａ，ｋｂ，ｋｃ内にあることを検知することにより、３段式変速機構のシフトポジションを判別し、第１速から第３速の各シフトポジション毎に、アクセル開度に対する電動モーター18への印加電流割合を個別に選択して駆動補助力の出力割合を変化させるようにプログラムされている。
【００６４】
この制御も、第１速から第３速について個別に設定された電流マップを予めメモリー回路70に記憶させておき、これらの電流マップを、検知したシフトポジションに応じて制御ユニット58が選択することにより実行される。この実施形態では、ハイギヤ側（第３速側）の電流マップになる程、アクセル開度に対する印加電流割合が大きく設定されている。これにより、図14に示すように、シフトポジションがハイギヤ側になる程、アクセル開度に対する駆動補助力の出力割合が大きくなる。同時に、図15に示すように、シフトポジションがローギヤ側（第１速側）になる程、駆動補助力の出力上昇率が大きくなるように制御してもよい。
【００６５】
このように、シフトポジションがハイギヤ側になる程アクセル開度に対する駆動補助力の出力割合を大きくしたり、ローギヤ側になる程駆動補助力の出力上昇率が大きくなるように制御すれば、ローギヤ側での微妙なアクセルコントロールが可能になり、省電力化に貢献できるとともに、急坂発進時のように多大な駆動補助力を必要とする時には、ローギヤ側にシフトすることにより大出力な駆動補助力が得られるため、車体のフラつき等を防止して走行安定性の向上を図ることができる。
【００６６】
上記制御の流れを、図16に示すフローチャートに沿って説明すると、まずＳ31〜Ｓ33において、クランク軸10と後輪７の回転速度比Ｚが３段式変速機構の第１速から第３速における各変速比の公差ｋａ，ｋｂ，ｋｃのいずれかの範囲内にあるか否を判断することによりシフトポジションが判別される。そして、例えば第３速であれば（Ｓ31→ＹＥＳ）Ｓ34に、第２速であれば（Ｓ32→ＹＥＳ）Ｓ35に、第１速であれば（Ｓ33→ＹＥＳ）Ｓ36にそれぞれ進み、Ｓ34〜Ｓ36で第１速から第３速に応じて設定された電流マップからアクセル開度に応じた目標電流が設定されて制御が終了する。また、Ｓ31〜Ｓ33のいずれの場合もＮＯであればＳ37に進み、前回選択した電流マップから目標電流が設定されて制御が終了する。
【００６７】
また、図17に示すように、３段式変速機構のシフトポジションがローギヤ側（第１速側）になる程、電動モーター18の起動時間ｔ０から、アクセル開度により定められる駆動補助力の目標値が出力されるまでの出力到達時間ｔ１〜ｔ３が短くなるように制御ユニット58をプログラムしてもよい。この制御も、電動モーター18に印加する目標電流値を、第１速では第１速電流マップから、第２速では第２速電流マップから、第３速では第３速電流マップから、制御ユニット58がそれぞれ選択することにより実行される。これにより、車速の制御が一層容易になる。
【００６８】
この制御を図18に示すフローチャートに沿って説明すると、まずＳ41でアクセル開度に応じて通常電流マップから電動モーター18への目標電流値が設定され、次のＳ42〜Ｓ44において、クランク軸10と後輪７の回転速度比Ｚが３段式変速機構の第１速から第３速における各変速比の公差ｋａ，ｋｂ，ｋｃのいずれかの範囲内にあるか否を判断することによりシフトポジションが判別される。そして、例えば第３速であれば（Ｓ42→ＹＥＳ）Ｓ45に、第２速であれば（Ｓ43→ＹＥＳ）Ｓ46に、第１速であれば（Ｓ44→ＹＥＳ）Ｓ47にそれぞれ進み、Ｓ45〜Ｓ47において電動モーター18の起動時間に応じて各電流マップ（第１速〜第３速電流マップ）より制限電流値が設定される。
【００６９】
次に、Ｓ49で電動モーター18への目標電流値が制限電流値を越えているか否かが判断され、ＹＥＳであればＳ50に進んで上記制限電流値を目標電流値として設定し、制御が終了する。また、Ｓ42〜Ｓ44のいずれの場合もＮＯであればＳ48に進み、電動モーター18の起動時間に応じて前回選択した電流マップから制限電流値が設定され、Ｓ49に進む。さらに、Ｓ49がＮＯの場合はＳ50をスキップして制御が終了する。
【００７０】
ところで、この電動補助自転車１を押し歩く場合には、電動モーター18から弱い駆動補助力が出力されるように制御され、押し歩きの容易化が図られている。この場合、制御ユニット58は、押し歩き判別手段である乗車センサー68および押し歩きスイッチ69からの入力と、アクセル開度とから、押し歩きモードにあるか否かを判断し、押し歩きモードにあると判断した場合には、図９に示すように、発進モードや通常走行モードの場合よりもアクセル開度に対する駆動補助力の出力割合を小さくし、かつ車速が押し歩き時における歩行速度を越えない範囲で、アクセル開度に応じた一定出力の補助駆動力を前記電動モーター18に出力させる。
【００７１】
即ち、乗車センサー68はサドル８に乗員が跨がっていなければＯＦＦになり、同時に押し歩きスイッチ69がＯＮにされ、アクセルグリップ62が捻られると、制御ユニット58はアクセル開度に応じた駆動補助力を電動モーター18に出力させる。この時のアクセル開度に対する駆動補助力の出力割合は、発進モードや通常走行モードの時よりも小さく設定され、かつ車速が押し歩き時における歩行速度を越えない範囲で、例えば時速６ｋｍ以下になるように設定される。
【００７２】
従って、電動補助自転車１を押し歩く場合は、左手で押し歩きスイッチ69をＯＮにしながら、右手でアクセルグリップ62を捻り、自分の歩行速度に電動補助自転車１の進行速度が追従するようにアクセルグリップ62の開度を調整すればよく、これにより押し歩く人の歩行速度に合わせて微妙な車速コントロールが可能になるため押し歩きが非常に楽になる。
【００７３】
このような制御ユニット58にプログラムされた押し歩き制御の流れを、図19に示すフローチャートに沿って説明すると、まずＳ51でアクセル開度の有無が判断され、アクセル開度があればＳ52に進み、アクセル開度に応じて電動モーター18に印加する目標電流値が設定されＳ53に進む。Ｓ53では、押し歩きスイッチ69がＯＮであるか否かが判断され、ＮＯであれば、即ち押し歩きスイッチ69がＯＦＦならばＳ54に進み、乗車センサー68がＯＦＦであるか否かが判断される。そして、Ｓ54がＹＥＳ、即ち乗車センサー68がＯＦＦならばＳ55に進み、車速が時速６ｋｍ以下になるように電動モーター18への目標電流値が制御されて制御が終了する。
【００７４】
また、Ｓ51がＮＯの場合、つまりアクセル開度が無い場合にはＳ56に進み、電動モーター18への目標電流値が０に設定されて制御が終了する。さらに、Ｓ53がＹＥＳの場合、即ち即ち押し歩きスイッチがＯＮの時にはＳ54をスキップしてＳ55に進み、車速が時速６ｋｍ以下になるように電動モーター18への印加電流値が設定されて制御が終了する。一方、Ｓ54がＮＯの場合、つまり乗車センサー68がＯＮならば、電動モーター18に印加する目標電流値が通常走行モードや発進モードの場合と同様に設定されて制御が終了する。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電動補助自転車は、乗員のペダル踏力により回転駆動されるクランク軸と、上記クランク軸の回転力を駆動輪に伝達するペダル踏力伝達系統と、クランク軸の回転速度を検出するクランク軸回転速度検出手段と、上記駆動輪の回転速度を検出する駆動輪回転速度検出手段と、上記乗員により任意に操作されるアクセル手段と、上記アクセル手段の開度を検出するアクセル開度検出手段と、上記ペダル踏力をアシストする駆動補助力を出力する電動モーターと、上記クランク軸回転速度検出手段および駆動輪回転速度検出手段ならびにアクセル開度検出手段からの入力を受け、クランク軸と駆動輪の回転速度比が上記ペダル踏力伝達系統の変速比に対して所定の公差内にあることを条件に、アクセル手段の開度に応じた一定出力の補助駆動力を上記電動モーター出力させるようにプログラムされた制御手段とを備えてなることを特徴とする。
【００７６】
このように構成すれば、乗員がペダルを踏んで電動補助自転車を走行させている時にはアクセル開度に応じた一定出力の駆動補助力が電動モーターから出力され、ペダル踏力がゼロに近付くクランク上死点および下死点付近においても駆動補助力の出力が途絶えない。従って、特に発進時や登坂走行時等においても車体がふらつかず、良好な走行安定性がもたらされる。
【００７７】
しかも、乗員がアクセルグリップを操作することによって駆動補助力の出力を任意に調整し、ペダル踏力と駆動補助力の比率を変更できるため、乗員の脚力や各種の走行条件に適合した駆動補助力が得られ、車速の制御も容易になるので、無駄な加減速が省かれて省電力化に繋がり、バッテリーユニットの早期消耗を防止できる。そして、ペダルを踏まないと駆動補助力が出力されないため、電動補助自転車が乗員の予期しない動きをすることもなく、自転車としての走行フィーリングが良好に保たれる。
【００７８】
また、本発明に係る電動補助自転車は、前記乗員が任意にシフト操作できる多段式変速機構を前記ペダル踏力伝達系統に設け、上記多段式変速機構の各シフトポジション毎に各々公差を持った変速比を設定し、クランク軸と駆動輪の回転速度比が上記各変速比の公差内にあることを条件に、アクセル手段の開度に応じた一定出力の補助駆動力を上記電動モーターに出力させるように前記制御手段をプログラムしたため、多段式変速機構のどのシフトポジションにおいても適確に駆動補助力によるアシストを得ることができ、走行性能を向上させることができる。
【００７９】
さらに、本発明に係る電動補助自転車は、前記クランク軸および駆動輪の回転速度と、前記アクセル手段の開度との関係から、発進モードか通常走行モードかを判断し、発進モードと判断した場合には、通常走行モードと判断した場合よりも、前記アクセル手段の開度に対する前記電動モーターの駆動補助力の出力割合と出力上昇率を大きくするよう前記制御手段をプログラムしたため、電動補助自転車の発進時におけるアクセル開度を小さくすることができ、加速中にアクセルグリップの捻り角を戻しながら車速を制御する必要をなくして車速制御を非常に容易にすることができる。
【００８０】
また、本発明に係る電動補助自転車は、前記発進モードと判断した場合には、前記通常走行モードと判断した場合よりも、前記電動モーターの起動時間から前記アクセル手段の開度により定められた駆動補助力の目標値が出力されるまでの出力到達時間を短くするように前記制御手段をプログラムしたため、車速制御を一層容易にすることができる。
【００８１】
さらに、本発明に係る電動補助自転車は、前記発進モードと判断した時点から所定の時間内に、前記クランク軸と駆動輪の回転速度比が前記ペダル踏力伝達系統の変速比に対して所定の公差内に入らない場合には駆動補助力の出力を中止するように前記制御手段をプログラムしたため、電動補助自転車が駆動補助力のみで発進することを回避でき、自転車としてのフィーリングが損なわれることを防止できる。
【００８２】
そして、本発明に係る電動補助自転車は、前記クランク軸と駆動輪の回転速度比が前記多段式変速機構の各段における変速比の公差内にあることを検知することにより、多段式変速機構のシフトポジションを判別し、その各シフトポジション毎に、前記アクセル手段の開度に対する前記電動モーターの駆動補助力の出力割合を変化させるように前記制御手段をプログラムしたため、走行条件に応じた出力の駆動補助力を得ることができ、車速の制御を容易にするとともに省電力化に貢献することができる。
【００８３】
また、本発明に係る電動補助自転車は、前記多段式変速機構のシフトポジションがローギヤ側になる程、前記駆動補助力の出力上昇率を大きくするように前記制御手段をプログラムしたため、急坂発進時のように多大な駆動補助力を必要とする時にはローギヤ側にシフトすることにより大出力な駆動補助力が得られ、車体のフラつき等が防止されて走行安定性の向上を図ることができる。
【００８４】
さらに、本発明に係る電動補助自転車は、前記多段式変速機構のシフトポジションがローギヤ側になる程、前記電動モーターの起動時間から前記アクセル手段の開度により定められた駆動補助力の目標値が出力されるまでの出力到達時間を短くするように前記制御手段をプログラムしたため、車速の制御を一段と容易にすることができる。
【００８５】
そして、本発明に係る電動補助自転車は、押し歩き判別手段を設け、この押し歩き判別手段からの入力とアクセル開度から、押し歩きモードにあるか否かを判断し、押し歩きモードにあると判断した場合には、発進モードや通常走行モードの場合よりも、前記アクセル手段の開度に対する前記駆動補助力の出力割合を小さくし、かつ車速が押し歩き時における歩行速度を越えない範囲で、アクセル手段の開度に応じた一定出力の補助駆動力を前記電動モーターに出力させるように前記制御手段をプログラムしたため、電動補助自転車を押し歩く人の歩行速度に合わせた微妙な車速コントロールを可能にし、押し歩きを容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動補助自転車の外観の一例を示す左側面図。
【図２】図１の II-II線に沿って展開した電動パワーユニットの断面図。
【図３】ハンドルバー回りを後方から見た図。
【図４】電動補助自転車の制御系統を示したブロック図。
【図５】各シフトポジションにおける変速比をグラフで示した図。
【図６】各シフトポジションにおける変速比の公差をグラフで示した図。
【図７】ペダル踏力と駆動補助力の関係をグラフで示した図。
【図８】電動モーター制御の流れをフローチャートで示した図。
【図９】発進モードと通常走行モードと押し歩きモードにおけるアクセル開度と駆動補助力の関係をグラフで示した図。
【図１０】発進モードと通常走行モードにおけるアクセル開度と駆動補助力の関係をグラフで示した図。
【図１１】電動モーター制御の流れをフローチャートで示した図。
【図１２】発進モードと通常走行モードにおける電動モーターの起動時間と駆動補助力の関係をグラフで示した図。
【図１３】電動モーター制御の流れをフローチャートで示した図。
【図１４】各シフトポジションにおけるアクセル開度と駆動補助力の関係をグラフで示した図。
【図１５】各シフトポジションにおけるアクセル開度と駆動補助力の関係をグラフで示した図。
【図１６】電動モーター制御の流れをフローチャートで示した図。
【図１７】各シフトポジションにおける電動モーターの起動時間と駆動補助力の関係をグラフで示した図。
【図１８】電動モーター制御の流れをフローチャートで示した図。
【図１９】電動モーター制御の流れをフローチャートで示した図。
【図２０】従来の技術におけるペダル踏力と駆動補助力の関係をグラフで示した図。
【符号の説明】
１  電動補助自転車
３  電動パワーユニット
７  駆動輪である後輪
10  クランク軸
18  電動モーター
54  クランク軸回転速度検出手段の一例であるセンサープレート
56  クランク軸回転速度検出手段の一例であるクランク回転速度センサー
58  制御手段の一例である制御ユニット
60  駆動輪回転速度検出手段の一例である後輪回転速度検出センサー
61  アクセル開度検出手段の一例であるアクセル開度センサー
62  アクセル手段の一例であるアクセルグリップ
68  押し歩き判別手段の一例である乗車センサー
69  押し歩き判別手段の一例である歩きスイッチ
ｋ１，ｋ２，ｋ３  ペダル踏力伝達系統のギヤ比により定められる変速比
ｋａ，ｋｂ，ｋｃ  変速比の公差
Ｇ  ペダル踏力伝達系統
Ｈ  駆動補助力伝達系統
Ｚ  クランク軸と駆動輪の回転速度比
【図１】
0003736157.tif 000003
【図２】
0003736157.tif 000004
【図３】
0003736157.tif 000005
【図４】
0003736157.tif 000006
【図５】
0003736157.tif 000007
【図６】
0003736157.tif 000008
【図７】
0003736157.tif 000009
【図８】
0003736157.tif 000010
【図９】
0003736157.tif 000011
【図１０】
0003736157.tif 000012
【図１１】
0003736157.tif 000013
【図１２】
0003736157.tif 000014
【図１３】
0003736157.tif 000015
【図１４】
0003736157.tif 000016
【図１５】
0003736157.tif 000017
【図１６】
0003736157.tif 000018
【図１７】
0003736157.tif 000019
【図１８】
0003736157.tif 000020
【図１９】
0003736157.tif 000021
【図２０】
0003736157.tif 000022