(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力駆動系のペダル踏力及び車速に基づいて上記電気駆動系の出力を制御するようにした電動補助車両の補助力制御装置において、ペダル踏力を検出する踏力検出手段と、該検出されたペダル踏力に応じて変化する信号の微分値の符号反転から次の符号反転までの反転時間に基づいて車速を求めるとともに、該反転時間が所定値を越えた時には車速を０とする車速演算手段と、該演算された車速及び上記検出されたペダル踏力に基づいて上記電気駆動系の出力を制御する補助力制御手段とを備えたことを特徴とする電動補助車両の補助力制御装置。
【請求項２】
請求項１において、上記車速演算手段は、上記反転時間が前回値を越えた時点から該反転時間が確定するまでの期間は前回の反転時間に基づく車速を徐々に減少させることを特徴とする電動補助車両の補助力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペダル踏力及び車速に応じたモータ補助力を供給するようにした電動補助車両の補助力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ペダル踏力及び車速に応じた電流を電動モータに供給し、該電動モータの補助力と上記ペダル踏力との合力を車輪に伝達するようにした電動補助自転車が実用化されている。このような電動補助自転車では、人力駆動系におけるペダル踏力を検出するとともに、車速を検出する必要があり、従来、ペダル踏力検出センサ及び車速検出センサの両方を設けるのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記従来の電動補助自転車のようにペダル踏力検出センサと車速検出センサとの両方を備えた場合、それだけ部品コストが増加するとともに、各センサの設置スペースを確保する必要があることから装置が大型化するという問題があり、さらに、防塵，防水等の機械的構造が必要となるため装置が複雑化するという問題もある。
【０００４】
本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたもので、車速センサを不要にしてコストを低減でき、装置を小型化できるとともに機械的構造を単純化できる電動補助車両の補助力制御装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力駆動系のペダル踏力及び車速に基づいて上記電気駆動系の出力を制御するようにした電動補助車両の補助力制御装置において、ペダル踏力を検出する踏力検出手段と、該検出されたペダル踏力に応じて変化する信号の微分値の符号反転から次の符号反転までの反転時間に基づいて車速を求めるとともに、該反転時間が所定値を越えた時には車速を０とする車速演算手段と、該演算された車速及び上記検出されたペダル踏力に基づいて上記電気駆動系の出力を制御する補助力制御手段とを備えたことを特徴としている。
【０００６】
ここでペダル踏力に応じて変化する信号には、ペダル踏力信号，及び該ペダル踏力信号に基づいて可変制御させるモータ電流信号，あるいは該モータ電流信号に応じて変化するバッテリ電圧信号等が含まれる。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１において、上記車速演算手段は、上記反転時間が前回値を越えた時点から該反転時間が確定するまでの期間は前回の反転時間に基づく車速を徐々に減少させることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１ないし図５は、本発明の一実施形態による電動補助自転車の補助力制御装置を説明するための図であり、図１は電動補助自転車の側面図、図２はパワーユニットの側面図、図３は人力駆動系及び電気駆動系のブロック構成図、図４は制御動作を説明するためのフローチャート図、図５は制御動作を説明するための各種特性図である。
【００１０】
図１，図２において、１は電動補助自転車であり、これの車体フレーム２はヘッドパイプ３と、該ヘッドパイプ３から車体後方斜め下方に延びるダウンチューブ４と、該ダウンチューブ４の後端から上方に略起立して延びるシートチューブ５と、上記ダウンチューブ４の後端から後方に略水平に延びる左, 右一対のチェーンステー６と、該両チェーンステー６の後端部と上記シートチューブ５の上端部とを結合する左, 右一対のシートステー７とを備えている。
【００１１】
上記ヘッドパイプ３にはフロントフォーク８が左右に回動可能に枢支されている。該フロントフォーク８の下端には前輪９が軸支されており、上端には操向ハンドル１０が固着されている。また上記シートチューブ５にはシートポスト１１が高さ調整可能に挿入されており、該シートポスト１１の上端にはサドル１２が装着されている。さらに上記チェーンステー６の後端には後輪１３が軸支されており、該後輪１３は上記シートステー７に取り付けられたキー式ホイールロック１４により施錠されるようになっている。なお、このホイールロック１４は施錠した状態でのみキーを抜き取ることができるようになっている。
【００１２】
上記ダウンチューブ４とシートチューブ５との結合部には取付けブラケット２ａが溶接されており、該取付けブラケット２ａは左, 右側壁と天壁とからなる大略コ字状のものである。この取付けブラケット２ａに上記左, 右のチェーンステー６が固着されている。
【００１３】
また上記車体フレーム２の上記取付けブラケット２ａ部分に補助駆動装置１５が配設されている。この補助駆動装置１５は、ペダル１６ｂ，アーム１６ａを介してクランク軸１６に入力されたペダル踏力と電動モータ１７からの補助力との合力を出力するパワーユニット２０と、上記電動モータ１７に電源を供給するバッテリ２１と、該電動モータ１７からの補助力を可変制御するコントローラ２２とを備えている。
【００１４】
上記パワーユニット２０及びコントローラ２２は上記取付けブラケット２ａ内に配置されており、上カバー２３，左，右カバー２３ａ，下カバー２４により覆われている。上記パワーユニット２０は取付けブラケット２ａにボルト２５ａ，２５ａを介して懸架支持されており、上記コントローラ２２はパワーユニット２０の後面に取り付けられている。またパワーユニット２０の上部には上記クランク軸１６に入力されたペダル踏力を検出する踏力センサ（トルク検出センサ）２８が装着されている。
【００１５】
上記バッテリ２１は、直方体状のケース内に多数の単電池を収納した構成のもので、上記シートチューブ５の後面に沿って、かつ該シートチューブ５，左右のシートステー７，及びリヤフェンダ１３ａで囲まれた空間に配置され、支持ボックス２５により支持されている。上記バッテリ２１の上壁には把手２１ａが形成されており、該把手２１ａにより上方向に出し入れ可能となっている。なお、バッテリ２１を出し入れする場合には上記サドル１２を前側に倒すことになる。また上記バッテリ２１には充電プラグが配設されており、該バッテリ２１を車体に装着した状態，取り外した状態の何れでも充電できるようになっている。
【００１６】
図３に示すように、上記クランク軸１６に入力されたペダル踏力は、一方向クラッチ５３，増速機５４を介して合力軸５８に伝達され、上記電動モータ１７から一次減速機５５，一方向クラッチ５６，二次減速機５７を介して上記合力軸５８に伝達された補助力と合力され、該合力はチェーン増速機５９，ハブ変速機６０，一方向クラッチ６１を介して後輪１３に伝達される。
【００１７】
また、上記コントローラ２２は、上記踏力センサ２８の検出値がＩ／Ｆ５１を介して入力されるＣＰＵ５０を備えている。そして、このＣＰＵ５０は、上記踏力センサ２８の検出値を微分し、該微分値の符号反転から次の符号反転（クランク軸１６の１／４回転に相当する）までに要する反転時間をカウンタにより計測し、該カウンタ値に基づいて次の符号反転までの車速を演算する車速演算手段として機能し、さらに該演算した車速と入力されたペダル踏力とに基づいて必要な補助力を演算し、該補助力を得るのに必要な電動モータ１７の電流値を演算することにより、上記電動モータ１７よる補助力を制御する補助力制御手段として機能する。上記演算された電流値はＩ／Ｆ５２を介して上記モータ１７に出力される。
【００１８】
ここで上記ＣＰＵ５０は上記車速演算機能において、上記カウンタ値が予め設定されたＭＡＸ値を越えた時には、次の符号反転までの車速を０とみなし、さらにカウンタ計測値が前回のカウンタ値を越えた時点から該カウンタ値が確定するまでの期間には、車速を徐々に減少させる。
【００１９】
なお、上記ＣＰＵ５０は、補助力の演算において、車速が１５Ｋｍ／ｈ未満の場合にはペダル踏力１に対して１未満の補助比となるように補助力を設定し、車速が例えば１５Ｋｍ／ｈを越えた時点から補助比を次第に小さくし、２４Ｋｍ／ｈに達した時点でゼロとする。
【００２０】
次に、主として図４，５に基づいて上記コントローラ２２の制御動作を説明する。
上記Ｉ／Ｆ５１を介して入力されたペダル踏力（人力トルク）は、図５（ａ）の特性線Ａに示すトルク信号にＡ／Ｄ変換され、該変換値に対してローパスフィルタ処理が行なわれ、同図（ｂ）の特性線Ｂに示すように信号の雑音部分がカットされる（ステップＳ１，Ｓ２）。次に、このフィルタ処理信号が微分処理され、同図（ｃ）の特性線Ｃに示すように上記フィルタ処理信号が増加している期間は符号が＋で、減少している期間は−となる微分処理信号が得られる（ステップＳ３）。
【００２１】
そして、車速演算処理実施が要請される場合（ステップＳ４）には、上記符号が反転した時点から次の反転までに要する時間が上記ＣＰＵ５０内のカウンタによるカウンタ値として求められる（同図（ｄ）参照）。そして上記カウンタ値に基づいて同図（ｅ）に示すように車速が演算され（ステップＳ５，Ｓ６）、該車速が減速車速比較カウンタ値として記憶され、上記カウタンがリセットされる（ステップＳ７，８）。
【００２２】
ここで上記車速の演算では、上記符号の反転から次の反転までにクランク軸が１／４回転することから、このクランク軸１／４回転による走行距離を上記カウンタにより検出された所要時間（カウンタ値）で除する処理が行われる。この場合、上記符号が反転するまでのある期間ｔ１におけるカウンタ値に基づいて求めた車速が次の期間ｔ２における車速とされる。
【００２３】
上記ステップＳ５において符号の変化が検出されない時は、上記カウンタ値が増加され（ステップＳ９）、該カウンタ値が図５（ｄ）の期間ｔ１０に示すようにＭＡＸ値を越えると、次の期間ｔ１１における車速は０とみなされ（ステップＳ１０，１１）、ステップＳ７に移行する。
【００２４】
また、上記ステップＳ１０においてカウタン値がＭＡＸ値未満である場合には、減速車速計算判定が行われる（ステップＳ１２）。これは今回のカウンタ値が前回のカウンタ値を越えた場合には次回の車速は今回の車速より低くなるのであるが、この場合の車速の急減を回避するために、今回のカウンタ値が前回のカウンタ値を越えた後は今回の車速を徐々に減少させるものである。
【００２５】
具体的には、図５（ｄ），（ｅ）の期間ｔ８〜ｔ１０に示すように、前回（ｔ８）のカウンタ値がＣ１の場合には今回（ｔ９）の車速はＶ１とされるのであるが、今回のカウンタ値がＣ１を越えてＣ２で確定した場合を考えると、今回のカウンタ値がＣ１を越えた時点からＣ２に確定されるまでの期間ｔ′には、今回の車速は徐々にＶ２′まで低下される。これにより、今回のカウンタ値がＣ２に確定された時点で次回（ｔ１０）の車速がＶ２とされた時の急減をΔＶだけ緩和できる。
【００２６】
このように本実施形態では、ペダル踏力のローパスフイルタ処理信号の微分値の符号反転時間に基づいて車速を演算するようにしたので、車速センサを不要にでき、それだけ部品コストを低減でき、配置スペースが少なくて済み装置を小型化でき、また装置のシール構造等による複雑化を回避できる。
【００２７】
またペダル踏力の微分値の符号反転時間を用いる方法であるので、符号反転が生じる限り微小なペダル踏力の変動からも車速を演算することができる。さらにクランク軸の１／４回転で車速を計測できることから、応答性が高く、正確な制御が可能である。
【００２８】
また、上記カウンタ値がＭＡＸ値以上の時は車速を０に設定するようにしたので、極低速で走行していることから符号反転がいつまでも起きない場合に車速演算が不能となる問題を回避できる。
【００２９】
さらにまたカウンタ値が前回のカウンタ値を越えた場合には車速を徐々に低下させるようにしたので、演算された車速が急減するのを回避でき、補助力の急変を回避して運転フィーリングを良好にできる。
【００３０】
ここで、上記実施形態では、ペダル踏力に応じて変化する信号としてペダル踏力のローパスフィルタ処理信号を用いたが、本発明では、ペダル踏力信号だけではなく、図６に示すようにトルク信号（ペダル踏力信号）変動周期と同じ周期で変動をするバッテリ電圧信号，モータ電流信号等をも採用することが可能である。
【００３１】
即ち上記実施形態の補助動力制御は、ペダル踏力に応じた電流をモータに供給して補助力を制御するものであるため、図６に示すように、モータ電流信号の変動周期、あるいはバッテリ電圧信号の変動周期もペダル踏力の変動周期と同一である。従ってこのようなモータ電流信号、あるいはバッテリ電圧信号の微分値の符号反転時間に基づいて車速を求めることも可能である。なお、モータ電流信号はペダル踏力信号と同じ波形となるが、バッテリ電圧信号はペダル踏力信号とは逆の波形となる。しかし、何れの場合でも微分値の符号反転時間は同一となるので、この反転時間から車速を求めることができるものである。
【００３２】
なお、上記実施形態では、電動補助自転車の補助力制御装置の場合説明したが、本発明の適用範囲はこのような自転車に限定されるものではなく、周期的にトルク変動する人力駆動系を備えた電動補助車両であれば何れにも適用可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明に係る電動補助車両の補助力制御装置によれば、ペダル踏力に応じた信号の微分値の符号反転に要する反転時間に基づいて車速を演算するようにしたので、車速センサを不要にでき、部品コストを低減でき、装置の小型化が可能となり、構造が複雑化することを回避できる効果がある。
【００３４】
また、反転時間が予め設定された値を越えた時には車速を０とみなすようにしたので、極低速走行のために符号反転が起きない場合に車速演算が不能となる問題を回避できる効果がある。
【００３５】
請求項２の発明によれば、反転時間が前回の反転時間を越えた場合には車速を徐々に低下させるようにしたので、車速が急減するのを回避でき、補助力の急変を回避して運転フィーリングを良好にできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による補助力制御装置を備えた電動補助自転車の側面図である。
【図２】上記自転車のパワーユニット部分の側面図である。
【図３】上記自転車の人力駆動系，電気駆動系及び補助力制御装置のブロック構成図である。
【図４】上記補助力制御装置の制御動作を説明するためのフローチャート図である。
【図５】上記補助力制御装置の制御動作を説明するための特性図である。
【図６】上記実施形態の変形例を説明するための特性図である。
【符号の説明】
１  電動補助自転車
２８  踏力センサ（踏力検出手段）
５０  ＣＰＵ（車速演算手段，補助力制御手段）
【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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