JP2000344175A

JP2000344175A - 電動アシスト自転車

Info

Publication number: JP2000344175A
Application number: JP11159820A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Ota; 勝利大田; Hiroyuki Sonobe; 浩之園部
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-06-07
Filing date: 1999-06-07
Publication date: 2000-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】電動モータの消費電力をより低下させて、ア
シスト走行の距離を一層延長する。【解決手段】電動モータ３１の駆動力によって人力駆
動力をアシストするようにした電動アシスト自転車であ
って、足踏周期におけるアシスト時間を設定するアシス
ト時間設定手段９８と、足踏周期におけるアシストのタ
イミングを設定するアシストタイミング設定手段１０
１，１０２とを備え、アシスト時間設定手段９８は、ア
シスト時間が車速の増加に伴って短くなるようにアシス
ト時間を設定し、アシストタイミング設定手段１０１，
１０２は、アシスト時間の中間点が足踏周期における足
踏トルクのピーク点と一致するようにアシストタイミン
グを設定するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動モータの駆動
力によって人力駆動力をアシストする電動アシスト自転
車に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、電動アシスト自転車は、
足踏トルクを検出して、この足踏トルクに一定の比率
（１以下）の電動アシストトルクが加えられるように電
動モータを制御するものである。この電動アシスト自転
車によれば、特に、低速走行時の加速や坂道走行時にお
ける走行負荷が軽減されるので運転が容易になる。

【０００３】ところで、足踏トルクに対する電動アシス
トトルクの比率を高速走行時においてもそのまま維持さ
せた場合、高速走行は容易になるものの、車速が大きく
なり過ぎる虞がある。また、アシスト用モータの負荷が
増大するため、バッテリの消費電力が大きくなって、ア
シスト可能な距離および時間が短くなるという不都合も
発生する。

【０００４】そこで、高速走行時にアシスト比率を低減
させるという技術が例えば特開平６−１０７２６６号に
よって提案されている。この先行技術では、踏力および
車速をそれぞれ検出し、該踏力に対する電動モータの出
力の比が高速域で車速の増加に対して漸減されるように
電動モータの駆動力を制御している。すなわち、この先
行技術では、図１０に例示した自転車速度−アシスト比
率特性ＡＢＣに基づいて電動モータの駆動力を制御して
いる。この特性ＡＢＣによれば、車速が０からＶ２に至
る間、アシスト比率が１に保持され、車速がＶ２から増
大するに伴ってアシスト比率が１から漸減される。

【０００５】一方、上記とは別の手法によってバッテリ
の消費電力を低減する技術が特開平９−２０７８６５号
によって提案されている。この技術では、踏力および車
速をそれぞれ検出し、足踏周期の内の特定時間だけ走行
用モータへの電力供給を停止するようにしている。すな
わち、図１５に示すように、モータによるアシスト力Ｆ
_M を足踏周期Ｔの始点から特定時間Ｔ_offだけ停止させ
るか、もしくは、図１６に示すように、アシスト力Ｆ_M
を足踏周期Ｔの終点以前の特定時間Ｔ_offだけ停止させ
るようにしている。なお、同各図に示す符号Ｆ_Lは踏力
である。上記アシスト停止時間Ｔ_offは、車速の増大に
伴って大きくなるように制御される。したがって、上記
技術によれば、車速の増大に伴ってモータの駆動時間が
減少されることになり、その結果、バッテリの消費電力
が低減される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した特開平６−１
０７２６６号に係る技術は、図１１に示すように、車速
が比較的高い値Ｖ₂に達するまでアシスト比が１に維持
されるので、電源バッテリの消耗を十分に抑制すること
ができない。一方、特開平９−２０７８６５号に係る技
術には、次のような問題点がある。すなわち、モータに
よるアシスト力は、図１５において足踏力Ｆ_Lが比較的
大きい期間において作用させることが有効であるが、特
開平９−２０７８６５号に係る技術では、図１５および
図１６に斜線で示すように、足踏力Ｆ_Lが小さい時、つ
まり、アシストが不要な時にもアシストが実行される。
このため、無駄な電力がモータで消費されて、電源バッ
テリの消耗が早くなるという問題を生じる。

【０００７】本発明の課題は、このような状況に鑑み、
アシスト機能を損なうことなく電動モータの消費電力を
より低下させて、アシスト走行の距離を一層延長するこ
とができる電動アシスト自転車を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、電動モー
タの駆動力によって人力駆動力をアシストするようにし
た電動アシスト自転車であって、足踏周期におけるアシ
スト時間を設定するアシスト時間設定手段と、前記足踏
周期における前記アシストのタイミングを設定するアシ
ストタイミング設定手段とを備え、前記アシスト時間設
定手段は、前記アシスト時間が車速の増加に伴って短く
なるように該アシスト時間を設定し、前記アシストタイ
ミング設定手段は、前記アシスト時間の中間点が前記足
踏周期における足踏トルクのピーク点と一致するように
前記アシストタイミングを設定するようにしている。第
２の発明は、第１の発明において、前記アシスト時間設
定手段が、車速を検出する車速検出手段と、前記車速に
基づいて該車速に対応する前記アシスト時間を演算する
アシスト時間演算手段とを有し、前記アシストタイミン
グ設定手段が、前記足踏周期を検出する足踏周期検出手
段と、前記足踏周期の始点を検出する始点検出手段と、
前記足踏周期および前記アシスト時間に基ずいて前記足
踏周期におけるアシスト停止時間の１／２の時間を演算
するアシスト停止時間演算手段と、前記足踏周期の始点
から前記１／２の時間を計時して、前記アシストの開始
タイミングを設定する第１のタイマと、該第１のタイマ
の計時終了時点から前記アシスト時間を計時して、前記
アシストの終了タイミングを設定する第２のタイマとを
備えている。第３の発明は、第１または第２の発明にお
いて、前記アシスト停止時間を車速によらず一定に設定
するようにしている。第４の発明は、電動モータの駆動
力によって人力駆動力をアシストするようにした電動ア
シスト自転車であって、車速を検出する車速検出手段
と、足踏トルクを検出するトルク検出手段と、前記足踏
トルクおよび車速に基づいて前記アシストの期間を設定
するアシスト期間設定手段とを備え、前記アシスト期間
設定手段は、前記足踏トルクを前記車速の増加に伴って
大きくなるトルク閾値と比較し、前記足踏トルクが前記
トルク閾値を超える期間を前記アシスト期間として設定
するようにしている。第５の発明は、第４の発明におい
て、前記車速の増加に伴って大きくなるトルク閾値を得
るため、前記アシスト期間設定手段が、前記車速を複数
の車速閾値と比較する車速比較手段と、前記車速比較手
段の比較結果に基づいて、前記各車速閾値に対応する複
数のトルク閾値の中から前記車速に対応するトルク閾値
を選択する手段とを備えた構成を有する。第６の発明
は、第５の発明において、前記車速が前記複数の車速閾
値の内の最小車速閾値よりも小さい間は前記アシストを
実行し、最大車速閾値以上である間は前記アシストを停
止するようにしている。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、電動アシスト駆動ユニッ
ト２０を取付けた電動アシスト自転車１の側面図であ
る。また、図２は上記駆動ユニット２０の縦断面図、図
３は図２中に示す角度変位機構６０の側面図、図４は図
３のＡ−Ａ断面図、図５は図２中に示すの足踏トルク検
出機構１３０の拡大断面図である。

【００１０】図１において、駆動ユニット２０は、フレ
ーム１７のクランクハブの位置に取付けられている。ペ
ダルクランク５は、駆動ユニット２０を貫通するクラン
ク軸３９（図２参照）の両端に取付けられ、また、駆動
側チェーンスプロケット４は、駆動ユニッ２０の出力軸
に取付けられている。

【００１１】従動側チェーンスプロケット２は、後輪７
の回転軸に図示していないワンウェイクラッチを介して
取付けられている。そして、この従動側チェーンスプロ
ケット２と上記駆動側チェーンスプロケット４間には、
チェーン５が巻掛けられている。駆動ユニット２０に
は、コントローラ２１が内蔵され、また、この駆動ユニ
ット２０の上方には、充電可能な電池ユニット２５が取
付けられている。

【００１２】次に、駆動ユニット２０の構成について説
明する。図２において、モータ３１は、モータケーシン
グ３８と中壁７４とよって画成された空間内に配置され
ている。減速機ケーシング４１は、上記中壁７４を介し
て上記モータケーシング３８に一体結合された主部４１
ａと、この主部４１ａの開口を閉塞する蓋部４１ｂとで
構成され、遊星ローラ減速機４０と２段歯車減速機構５
０とを収容している。

【００１３】遊星ローラ減速機４０は、モータ３１の出
力軸に直結した図示していない太陽ローラと、該太陽ロ
ーラと協働してモータ３１の回転速度を減速する遊星ロ
ーラキャリア４５とを備えている。上記遊星ローラキャ
リア４５は、クランク軸３９に軸受を介して回転自在に
支持され、かつ、その出力軸端に設けたピニオン４５ａ
が大歯車５３に噛合されている。

【００１４】大歯車５３は、軸受および第１の一方向ク
ラッチ５５を介して歯車軸５４に支持されている。一方
向クラッチ５５は、モータ３１の所定方向の駆動トルク
のみを大歯車５３に伝達するために設けてある。歯車軸
５４は、軸受けを介して上記減速機構ケーシング４１に
回転自在に支持されている。そして、この歯車軸５４に
固着された歯車５４ａは、クランク軸３９に対して同心
配置された第１の歯車（最終段歯車）５６に噛合してい
る。上記遊星ローラキャリア４５のピニオン４５ａ、大
歯車５３、歯車５４ａおよび歯車５６は、２段歯車滅速
機構５０を構成している。

【００１５】歯車５６は、軸受４９を介して減速機ケー
シング４１の蓋部４１ｂに回転可能に支持され、かつ、
その一端部に前記駆動側チェーンスプロケット４が同軸
状に固設されている。上記クランク軸３は、一端部がモ
ータケーシング３８によって回転可能に支持され、他端
部が軸受４８を介して歯車５６に回転可能に支持されて
いる。第２の歯車５７は、歯車５６と同じ噛合いピッチ
径を有する歯車であり、一方向クラッチ５８を兼ねる軸
受５８を介してクランク軸３９に回転可能に支持されて
いる。一方向クラッチ５８は、上記ペダルクランク１５
を介して前進方向の足踏トルクがクランク軸３９に入力
された際に係合し、この足踏トルクを歯車５７に伝達す
る。

【００１６】図３に示すように、第１の歯車５６は、円
周方向に等角度間隔で配列する複数（この例では、４
個）の長孔５６ａをその側面に形成してある。図４に示
すように、上記各長孔５６ａ内には、前記第２の歯車５
７に固着された突起６９が挿入されるとともに、この突
起６９を押圧する圧縮バネ５９が介在されている。

【００１７】前記一方向クラッチ５８を介して歯車５７
に足踏トルクが作用すると、該歯車５７の突起６９が上
記足踏トルクの大きさに比例した量だけバネ５９を圧縮
する。この結果、第１の歯車５６と第２の歯車５７間に
上記足踏トルクに対応した相対角度変位が生じる。この
ように、上記長孔５６ａ、バネ５９および突起６９は、
角度変位機構６０を構成する。なお、この角度変位機構
６０は、足踏操作時の負荷トルクの変動を緩衝する機能
も併せ持つ。また、上記足踏トルクは、上記角度変位機
構６０を経由して、駆動側のチェーンスプロケット４に
伝えられる。

【００１８】次に、図２および図５を参照して、上記歯
車５６，５７の相対角度変位を足踏トルクとして検出す
る足踏トルク検出機構１３０の構成を説明する。この足
踏トルク検出機構１３０は、歯車５６に噛み合う第３の
歯車９３および歯車５７に噛み合う第４の歯車１３３を
備えている。これらの歯車９３，１３３は、同じ噛み合
いピッチ径を有し、かつ、同軸上で回転する。歯車９３
は、セレ一ション軸１３１に圧入あるいは接着等の手段
で一体に結合され、また、歯車１３３は、該セレーショ
ン軸１３１によって回転かつ摺動可能に支持されてい
る。

【００１９】セレーション軸１３１は、一端部および他
端部がそれぞれ減速機構ケ一シング４１によって回転可
能に支持され、かつ、その略中央部にその軸線に対して
適当な角度を持たせたヘリカルセレーション１３１ａが
形成されている。歯車１３３の内周側の一部には、ヘリ
カルセレーション１３１ａに係合する内ヘリカルセレー
ション１３３ａが突設されている。また、歯車１３３の
内周面とセレーション軸１３１の外周面との間には、潤
滑性の良いブッシュ１３２（例えぱ、含油性の焼結合金
等で形成される)が圧入されている。

【００２０】歯車１３３のボス部には、ボール軸受１０
７が外嵌し、該ボール軸受１０７のアウターに軸受押え
環１０６が嵌合している。そして、軸受押え環１０６と
ケーシング４１の内面との間には、歯車１３３を歯車９
３側に付勢する圧縮バネ１０５が介在されている。ケー
シング４１は、セレーション軸１３１に平行する回り止
め軸１０８を内方に向って突設し、これを上記軸受押え
環１０６に設けられた孔１０６ａに嵌挿させてある。し
たがって、軸受押え環１０６は、セレーション軸１３１
の軸線方向への移動は可能であるものの、その回転方向
の運動は抑止される。

【００２１】歯車５６，５７が相対角度変位すると、歯
車９３と歯車１３３間にも同様の相対角度変位が発生す
るので、歯車１３３がヘリカルセレーション１３１ａに
沿って軸方向に移動する。すなわち、角度変位機構６０
に足踏トルクが伝わらない状態（歯車５６，５７が相対
角度変位しない状態）では、セレーション軸１３１の中
心線Ｈ−Ｈの下側に示すように、歯車１３３が歯車９３
に接近した状態にあるが、上記角度変位機構６０に足踏
トルクが伝達されて歯車５６，５７が相対角度変位した
場合には、上記中心線Ｈ−Ｈの上側に示すように、歯車
１３３がヘリカルセレーション１３１ａによって歯車９
３から離れる方向に移動する。

【００２２】上記歯車１３３の移動距離は、足踏トルク
の大きさを示す。そこで、上記歯車１３３の移動距離を
レバー８６によって回転角に変換するとともに、その回
転角を図２に示したポテンショメータ８５によって対応
する電気信号に変換し、この信号を足踏トルク値を示す
信号として図６に示すモータ制御用コントローラ２１
（１２１）に加える。

【００２３】図２に示すように、ケーシング４１の下部
には車速検出センサ８９を付設してある。この車速検出
センサ８９は、歯車１３３の歯の接近を例えば磁気的に
検出するものであり、上記歯が接近する度に検知信号を
出力する。自転車の走行速度は、歯車１３３の回転速度
に比例するので、該走行速度が大きくなるに伴って単位
時間当たりにおける上記センサ８９の出力信号数が増加
する。このように、車速検出センサ８９は、自転車の走
行速度を検知信号の発生数として検出するので、上記検
出信号の単位時間当たりの発生数をカウントすることに
よって上記走行速度を知ることができる。

【００２４】次に、上記駆動ユニット２０の作用を説明
する。ペダルを踏んでペダルクランク１５を回転させる
と、クランク軸３９が回転駆動される。これに伴い、足
踏トルクは、一方向クラッチ５８、歯車５７、角度変位
機構６０、歯車５６、駆動側チェーンスプロケット４お
よびチェーン５を介して従動側チェーンスプロケット２
に伝達され、この結果、図示していない一方向クラッチ
を介して自転車１の後輪７が回転される。

【００２５】上記足踏トルクが生じると、前記したよう
に、角度変位機構６０において該足踏トルクの大きさに
比例した相対角度変位が生じるので、前記足踏トルク検
出機構１３０のポテンショメータ８５から足踏トルクの
大きさに対応した電気信号が出力される。また、自転車
１の走行に伴って、上記車速検出センサ８９から車速に
対応した数の信号が出力される。

【００２６】そこで、図６に示すコントローラ２１（１
２１）は、車速検出センサ８９の出力と足踏トルク検出
機構１３０のポテンショメータ８５の出力とに基づいて
アシスト制御指令信号を作成し、これをモータ駆動回路
２３に出力する。これによりモータ駆動回路２３は、所
定のアシスト比（例えば、１）のアシスト動力が足踏周
期における特定の期間に発生するようにモータ３１を駆
動する。

【００２７】モータ３１の出力は、図２に示した遊星ロ
ーラ減速機４０、２段歯車減速機構５０、一方向クラッ
チ５５、歯車軸５４、歯車５４ａおよび歯車５６を介し
て駆動側チェーンスプロケット４に作用する。したがっ
て、スプロケット４には、足踏トルクにモータ３１の出
力に基づくアシストトルクを負荷した駆動トルクが作用
することになる。なお、モータ３１への給電が停止され
て、自転車１が足踏トルクのみによって走行している場
合には、一方向クラッチ５５によって歯車５６と歯車５
３の機械的結合が断たれるので、上記歯車５６の回転が
モータ３１側に伝達されること、つまり、モータ３１が
運転者の足踏操作の負荷になることはない。

【００２８】第１の実施形態に係るコントローラ２１
は、図７に示すような構成を有する。この図７におい
て、トルク算出回路９４は、前記トルク検出機構１３０
のポテンショメータ８５の出力信号に基づいて足踏トル
クを算出し、また、車速算出回路９５は、車速検出セン
サ８９の出力信号を計数して車速を算出する。

【００２９】足踏周期始点検出回路９６は、トルク算出
回路９４で算出されるトルクの最低値または最高値に基
づいて足踏周期の始点を検出し、足踏周期演算回路９７
は、車速算出回路９５で算出された車速に基づいて足踏
周期を演算する。アシスト時間演算回路９８は、車速に
基づいて足踏周期におけるアシスト時間を演算し、アシ
スト停止時間演算回路９９は、足踏周期とアシスト時間
とに基づいてアシスト停止時間を演算する。

【００３０】アシスト停止タイマ１０１は、足踏周期の
始点からアシスト開始に至るまでの時間を計時し、アシ
スト運転タイマ１０２は、アシスト停止タイマ１０１の
タイムアップ時点からアシスト時間を計時する。モータ
印加電圧発生回路１０３は、上記トルク算出回路９４、
車速算出回路９５およびタイマ１０１，１０２の出力信
号に基づいて、モータ印加電圧とその電圧の印加タイミ
ングを指示する制御指令信号を形成し、この信号をモー
タ駆動回路２３に出力する。

【００３１】図８（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、上記
コントローラ２１によりモータ３１を制御した場合にお
ける低速時、中速時および高速時のアシストトルクの発
生タイミングをそれぞれ例示している。なお、この例で
は、点線で示すように、モータ３１による駆動トルク
（アシストトルク）τ_Mが足踏トルクτ_Lと同じ値に設
定されている。

【００３２】この図８において、足踏周期は、前記ペダ
ルクランク１５が上死点から下死点に至るまでの時間で
ある。前記クランク軸３９が１回転する時間は、一方の
ペダルクランク１５が上死点から下死点に至る間での時
間と、他方のペダルクランク１５が上死点から下死点に
至るまでの時間との和になる。この図８から明らかなよ
うに、本発明では、アシストトルクτ_Mの発生時間（ア
シスト時間）Ｔ_onが足踏トルクτ_Lのピーク点を中心
として振り分けられるように、換言すれば、アシスト時
間Ｔ_onの中点が足踏トルクτ_Lのピーク点に一致する
ように、かつ、車速が増加するほどアシスト時間Ｔ_onが
短くなるようにアシストトルクτ_Mの発生タイミングが
設定される。したがって、足踏駆動動力に対するモータ
駆動動力（足踏駆動力の時間積分値に対するモータ駆動
力の時間積分値＝アシスト比）が車速の増大に伴って漸
減することになる。

【００３３】なお、図８に示した例では、足踏周期の始
点からアシスト開始時点に至る時間Ｔ_Offが車速によら
ず一定となるようにアシスト時間Ｔ_onが設定されてい
る。この場合、アシスト比は、車速の増大に伴って図１
１に例示した特性Ｇに従って漸減し、アシスト限度速度
Ｖ４（２４Ｋｍ）でアシスト比が０になる。

【００３４】図９および図１０は、前記コントローラ２
１によって実行される手順を例示している。図９のステ
ップ１５０においては、図２に示したトルク検出機構１
３０のポテンショメータ８５から足踏トルクτ_Lを示す
信号が入力されるとともに、車速検出センサ８９から車
速Ｖを示す信号が入力される。次のステップ１５１にお
いては、足踏トルクτ_Lが基準トルクτ_minよりも大き
いか否か、つまり、足踏トルクτ_Lが発生したか否かを
前記トルク算出回路９４が判断し、その発生を判断した
場合には、ステップ１５２で足踏周期開始点検出回路９
６が足踏周期タイマをクリアして、該タイマの起動時点
を足踏周期の開始時点に一致させる。

【００３５】ステップ１５３においては、次のような演
算を実行する。すなわち、前記足踏周期演算回路９７で
足踏周期Ｔを演算し、前記アシスト時間演算回路９８で
アシスト時間Ｔ_onを演算する。なお、アシスト時間演
算回路９８は、例えば、車速Ｖを変数とする関数に基づ
いてアシスト時間Ｔ_onを演算する。また、前記アシス
ト停止時間演算回路９９でアシスト停止時間Ｔ_off＝
（Ｔ−Ｔ_on）／２を演算し、モータ印加電圧演算回路１
０３でトルク分電圧Ｅτおよび無負荷回転分電圧Ｅ_O
をそれぞれ演算する。

【００３６】上記トルク分電圧Ｅτは、モータ３１に
負荷トルクが作用した際の該モータ３１の回転速度低下
を補うのに必要な電圧である。また上記無負荷回転分電
圧Ｅ _Oは、無負荷時にモータを所定の回転速度で回転さ
せるのに必要な電圧である。なお、トルク分電圧Ｅτ
は車速に基づいて設定される。

【００３７】ステップ１５４では、車速Ｖがアシスト限
度速度Ｖ₄（２４Ｋｍ）よりも小さいか否かを判断し、
Ｖ＜Ｖ₄と判断した場合には、次のステップ１５５でア
シスト運転すべきか否かを判断する。そして、アシスト
運転すべきと判断した場合には、ステップ１５６でモー
タ印加電圧演算回路１０３が印加電圧Ｅ_m＝Ｅτ＋Ｅ
_Oを演算する。上記電圧Ｅ_m＝Ｅτ＋Ｅ_Oは、モータ駆
動回路２３に印加され、その結果、モータ３１がアシス
ト動作する。

【００３８】一方、ステップ１５４で車速Ｖがアシスト
限度速度Ｖ₄以上であると判断した場合、および、ステ
ップ１５５でアシスト運転すべきでないと判断した場合
には、ステップ１５７でトルク分電圧Ｅτを０にする
処理が実行される。つまり、モータ３１に電圧Ｅ_m＝Ｅ
_Oを印加して、該モータ３１を無負荷運転させる。

【００３９】次に、上記ステップ１５５の判断処理の内
容を図１０を参照して説明する。図１０に示す手順で
は、ステップ１６０，１６１で足踏定周期タイマ（タイ
マ１０１，１０２）を足踏周期Ｔの始点で起動する。ス
テップ１６２では、上記定周期タイマの計時時間ｔが０
≦ｔ＜Ｔ_offであるか否かを判断し、その判断結果がＹ
ＥＳである場合には、ステップ１６５でアシストの停止
を指示する。一方、上記判断結果がＮＯである場合に
は、ステップ１６３で上記計時時間ｔがＴ_off≦ｔ≦Ｔ
_off＋Ｔ_onであるか否かを判断する。そして、このステ
ップ１６３の判断結果がＹＥＳである場合には、ステッ
プ１６４でアシスト運転を指示し、ＮＯの場合には、ス
テップ１６５でアシスト停止を指示する。

【００４０】アシストのタイミングは、上記のように、
タイマ１０１，１０２の計時情報に基づいて設定され
る。このアシストタイミングによれば、図８に示したよ
うに、アシストが必要な高い足踏トルクの期間Ｔ_onでア
シストが集中的に実行されるので、モータの無駄な電力
消費を防止しながら、良好なアシスト効果を得ることが
できる。しかも、車速の増加に伴ってアシスト時間Ｔ_on
が短くなるように制御されるので、図１１に例示した特
性Ｇのように、車速の増加に伴ってアシスト比が減少す
ることになる。

【００４１】アシスト時におけるモータ３１の消費電力
は、アシストトルクτ_M×回転数×時間で表わされるの
で、車速が大きくなるほど増大する。図１１の特性ＡＢ
Ｃと特性Ｇとの比較から明らかなように、特性Ｇにした
がってアシストを変化させれば、車速の大きい域におい
てアシスト比が大きく低下されるので、モータの消費電
力を減少してアシスト走行距離を延ばすことができる。

【００４２】自転車１は、発進時と登坂時に最も大きな
足踏力を要するが、発進時と登坂時における車速は何れ
も小さい。一方、発進後に水平な道路を走行するとき
は、あまりアシスト力を必要としない。図１１に示した
アシスト比特性Ｇにしたがってアシスト比を変化させる
この実施形態によれば、強い足踏力が必要なときにモー
タ３１によるアシスト力を十分に付与することができる
ので、特に体力の無い女性、老年者等が自転車を運転し
た場合でも、良好なアシスト効果が得られる。

【００４３】なお、上記第１の実施形態においては、図
８に示すように、アシスト停止時間Ｔ_offが一定となる
ようにアシスト時間Ｔ_onを演算しているが、もちろん、
アシスト停止時間Ｔ_offが車速に応じて変化するように
アシスト時間Ｔ_onを演算しても良い。要は、アシスト比
が図１１の特性Ｇのように車速の増加に伴って漸減する
ようにアシスト停止時間Ｔ_offを決定すれば良い。ただ
し、アシスト停止時間Ｔ_offが一定となるようにアシス
ト時間Ｔ_onを演算するようにすれば、その演算が容易に
なるという利点が得られる。

【００４４】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。この第２の実施形態においては、図１２に示す
ような構成のコントローラ１２１が使用される。このコ
ントローラ１２１は、前記トルク算出回路９４および車
速算出回路９５と、後述の比較回路１０９と、これらの
回路の出力信号に基づいてモータ印加電圧および該電圧
の印加タイミングを演算し、その演算結果を指示する制
御信号をモータ駆動回路２３に出力するモータ印加電圧
演算回路１１０とを備えている。

【００４５】図１３は、上記コントローラ１２１により
モータ３１を制御した場合におけるアシストトルクの発
生タイミングを例示している。この図１３に示すよう
に、この第２の実施形態では、前記第１の実施形態と同
様にモータ３１による駆動トルク（アシストトルク）τ
_Mが足踏トルクτ_Lと同じ値に設定され、また、車速Ｖ
の閾値値として図１１に示したＶ₁，Ｖ₂およびＶ₃が
設定される。

【００４６】そして、車速ＶがＶ₁よりも小さい間は、
図１３（ａ）に斜線で示すように、足踏周期Ｔの全域で
アシストが実行され、また、車速ＶがＶ₁≦Ｖ＜Ｖ₂の
ときには、図１３（ｂ）に斜線で示すように、足踏トル
クτ_Lがτ₁以上になったときのみアシストが実行され
る。さらに、車速ＶがＶ₂≦Ｖ＜Ｖ₃のときには、図１
３（ｃ）に斜線で示すように、足踏トルクτ_Lがτ₂以
上になったときのみアシストが実行され、また、車速Ｖ
がＶ≧Ｖ₃のときには、アシストが停止される。

【００４７】この第２の実施形態においても、車速が増
加するほどアシスト時間が短くなるようにアシストトル
クτ_Mの発生タイミングが設定されるので、足踏駆動動
力に対するモータ駆動動力（足踏駆動力の時間積分値に
対するモータ駆動力の時間積分値＝アシスト比）が車速
の増大に伴って漸減する。すなわち、図１１に例示した
階段状特性Ｈに従ってアシスト比が漸減する。具体的に
は、車速ＶがＶ₁よりも小さいときにはアシスト比ηが
１に、車速ＶがＶ ₁≦Ｖ＜Ｖ₂のときにはアシスト比η
がη₂に、車速ＶがＶ₂≦Ｖ＜Ｖ₃のときにはアシスト
比ηがη₁に、車速ＶがＶ≧Ｖ₃のときにはアシスト比
ηが０にそれぞれ設定される。

【００４８】図１４は、前記コントローラ１２１によっ
て実行される手順を例示している。この手順において、
ステップ１７１では、図１２に示した比較回路１０９に
内蔵されたメモリに足踏トルクτ_Lの閾値τ₁，τ₂と
速度Ｖの閾値Ｖ₁〜Ｖ₃を記憶させる。次のステップ１
７２では、図１２に示したトルク検出機構１３０から足
踏トルクτ_Lを示す信号を入力するとともに、車速検出
センサ８９から車速Ｖを示す信号を入力する。ステップ
１７３においては、比較回路１０９によって車速Ｖが閾
値Ｖ₁と比較される。そして、比較回路１０９は、Ｖ₁
＜Ｖ₂である場合に、ステップ１７４でアシスト運転を
指示する。

【００４９】そこで、モータ印加電圧演算回路１１０
は、ステップ１７５においてアシスト運転のための前記
モータ印加電圧Ｅ_m＝Ｅτ＋Ｅ_Oを演算し、モータ駆
動回路２３にこの電圧を指示する。この結果、図１３
（ａ）に示したように、足踏周期Ｔの全域でアシスト運
転が実行され、このときのアシスト比は１になる。

【００５０】一方、比較回路１０９は、Ｖ₁＜Ｖ₂でな
い場合に、ステップ１７６で車速ＶがＶ₁≦Ｖ＜Ｖ₂で
あるか否かを比較判断する。そして、Ｖ₁≦Ｖ＜Ｖ₂の
場合には、ステップ１７７で足踏トルクτ_Lを閾値τ₁
と比較して、これらの関係がτ_L≧τ₁であるか否かを
判断する。ステップ１７７の判断結果がτ_L≧τ₁の場
合、比較回路１０９はステップ１７８においてアシスト
運転をモータ印加電圧演算回路１１０に指示する。これ
により、モータ印加電圧演算回路１１０は、ステップ１
７９でアシスト運転のためのモータ印加電圧Ｅ_m＝Ｅτ
＋Ｅ_O を演算し、モータ駆動回路２３にこの電圧を指
示する。

【００５１】比較回路１０９は、次のステップ１８０で
足踏トルクτ_Lを閾値τ₁と比較して、両者の関係がτ
_L＜τ₁になったか否かを判断し、τ_L＜τ₁になった
場合には、ステップ１８１でアシスト停止を指示する。
そこで、モータ印加電圧演算回路１１０は、ステップ１
８２において、前述した無負荷回転運分電圧Ｅ_Oを演算
し、モータ駆動回路２３にこの電圧Ｅ_Oを指示する。こ
れにより、自転車１はアシスト停止状態で走行すること
になる。

【００５２】この結果、車速ＶがＶ₁≦Ｖ＜Ｖ₂である
時には、図１３（ｂ）に示したように、足踏周期Ｔにお
けるτ_L≧τ₁の域でアシスト運転が実行され、このと
きのアシスト比（足踏駆動力の時間積分値に対するモー
タ駆動力の時間積分値）は、図１１に示したη₂にな
る。

【００５３】比較回路１０９は、次のステップ１８０で
足踏トルクτ_Lを閾値τ₁と比較して、両者の関係がτ
_L＜τ₁になったか否かを判断し、τ_L＜τ₁になった
場合には、ステップ１８１でアシスト停止を指示する。
そこで、モータ印加電圧演算回路１１０は、ステップ１
８２において、前述した無負荷回転分電圧Ｅ_Oを演算
し、モータ駆動回路２３にこの電圧Ｅ_Oを指示する。こ
れにより、自転車１はアシスト停止状態で走行すること
になる。

【００５４】一方、比較回路１０９は、上記ステップ１
７６で車速ＶがＶ₁≦Ｖ＜Ｖ₂でないと判断した場合、
ステップ１８３で車速ＶがＶ₂≦Ｖ＜Ｖ₃であるか否か
を判断する。そして、Ｖ₂≦Ｖ＜Ｖ₃の場合には、ステ
ップ１８４において足踏トルクτ_Lを閾値τ₁と比較
し、両者の関係がτ_L≧τ₂であるか否かを判断する。
ステップ１８４の判断結果がＹＥＳの場合、比較回路１
０９はステップ１８５でアシスト運転を指示する。これ
により、モータ印加電圧演算回路１１０は、ステップ１
８６で前記アシスト運転のためのモータ印加電圧Ｅ_m＝
Ｅτ＋Ｅ_Oを演算し、モータ駆動回路２３に該電圧Ｅ
_mを指示する。

【００５５】比較回路１０９は、次のステップ１８７で
足踏トルクτ_Lを閾値τ₂と比較して、両者の関係がτ
_L＜τ₂になったか否かを判断し、τ_L＜τ₂になった
場合には、手順をステップ１８１に移行して、アシスト
停止を指示する。この結果、車速ＶがＶ₂≦Ｖ＜Ｖ₃で
ある時には、図１３（ｃ）に示したように、足踏周期Ｔ
におけるτ_L≧τ₂の域でアシスト運転が実行され、こ
のときのアシスト比は、図１１に示したη₃になる。

【００５６】なお、ステップ１８３の判断結果がＹＥ
Ｓ、つまり、車速ＶがＶ₃以上である場合には、手順が
ステップ１８１に移行されてアシストが停止される。ま
た、ステップ１７７および１８４の判断結果がＹＥＳ場
合にも、手順がステップ１８１に移行されてアシストが
停止される。

【００５７】かくして、上記第２の実施形態によれば、
図１１に例示した階段状のアシスト比特性Ｈにしたがっ
てアシスト比が変化されることになる。特性ＡＢＣと特
性Ｈの比較から明らかなように、この第２の実施形態に
おいても、車速の増加に伴ってアシスト比が低下される
ので、モータの消費電力を減少してアシスト走行距離を
延ばすことができる。また、図１３に示したように、ア
シストが必要な高い足踏トルクの期間でアシストが集中
的に実行されるので、モータの無駄な電力消費を防止し
ながら、良好なアシスト効果を得ることができる。

【００５８】なお、上記第１の実施形態および第２の実
施形態では、アシストトルクτ_Mを足踏トルクτ_Lと同
じ大きさに設定しているが、必ずしもそのように設定し
なくても良い。また、第２の実施形態では、車速の閾値
を３個設定しているが、この閾値を４個以上設定するこ
とも当然可能である。さらに、上記第２の実施形態にお
いては、図１３に示したように、足踏トルクの閾値を２
個設定しているが、この閾値を３個以上設定することも
可能である。また、この足踏トルクの閾値を車速の増減
に伴って連続的に増減することも可能である。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、アシスト時間が車速の
増加に伴って短くなるように設定されるととともに、該
アシスト時間が前記足踏周期における足踏トルクのピー
ク点を中心として振り分けられる。したがって、高速走
行時における不必要なアシスト動作が抑制されるととも
に、足踏周期における実際にアシストの必要な期間のみ
にアシストが実行されることになり、その結果、モータ
の無駄な電力消費を可及的に抑制しながら、良好なアシ
スト効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るパワーアシスト自転車の側面図

【図２】駆動ユニットの構造を示す部分破断図。

【図３】角度変位機構を示す部分側面図。

【図４】図３のＡ−Ａ断面図。

【図５】足踏トルク検出機構を示す拡大縦断面図。

【図６】駆動ユニットにおける動力伝達経路とモータの
制御系統を示すブロック図。

【図７】第１の実施形態において用いるコントローラの
構成例を示すブロック図。

【図８】第１の実施形態におけるアシストトルクの発生
タイミングを例示したグラフ。

【図９】図７のコントローラにおいて実行されるモータ
印加電圧の発生手順を例示したフローチャート。

【図１０】アシスト運転とアシスト停止の判断手順を例
示したフローチャート。

【図１１】本発明および従来例における車速とアシスト
比の関係を例示したグラフ。

【図１２】第２の実施形態において用いるコントローラ
の構成例を示すブロック図。

【図１３】第２の実施形態におけるアシストトルクの発
生タイミングを例示したグラフ。

【図１４】図１２のコントローラにおいて実行されるモ
ータ印加電圧の発生手順を例示したフローチャート。

【図１５】従来例におけるアシストトルクの発生タイミ
ングを示したグラフ。

【図１６】従来例におけるアシストトルクの他の発生タ
イミングを示したグラフ。

【符号の説明】

１電動アシスト自転車４駆動側チエーンスプロケット、５チエーン１５ペダルクランク２０駆動ユニット２１コントローラ２３モータ駆動回路３１モータ３９クランク軸５０２段歯車減速機構６０角度変位機構８９車速検出センサ９６足踏周期始点検出回路９７足踏周期演算回路９８アシスト時間演算回路９９アシスト停止時間演算回路１０１アシスト停止タイマ１０２アシスト運転タイマ１０３モータ印加電圧演算回路１０９比較回路１１０モータ印加電圧演算回路１２１コントローラ１３０足踏トルク検出機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電動モータの駆動力によって人力駆動力
をアシストするようにした電動アシスト自転車であっ
て、足踏周期におけるアシスト時間を設定するアシスト時間
設定手段と、前記足踏周期における前記アシストのタイ
ミングを設定するアシストタイミング設定手段とを備
え、前記アシスト時間設定手段は、前記アシスト時間が車速
の増加に伴って短くなるように該アシスト時間を設定
し、前記アシストタイミング設定手段は、前記アシスト時間
の中間点が前記足踏周期における足踏トルクのピーク点
と一致するように前記アシストタイミングを設定するこ
とを特徴とする電動アシスト自転車。
【請求項２】前記アシスト時間設定手段が、車速を検
出する車速検出手段と、前記車速に基づいて該車速に対
応する前記アシスト時間を演算するアシスト時間演算手
段とを有し、前記アシストタイミング設定手段が、前記足踏周期を検
出する足踏周期検出手段と、前記足踏周期の始点を検出
する始点検出手段と、前記足踏周期および前記アシスト
時間に基ずいて前記足踏周期におけるアシスト停止時間
の１／２の時間を演算するアシスト停止時間演算手段
と、前記足踏周期の始点から前記１／２の時間を計時し
て、前記アシストの開始タイミングを設定する第１のタ
イマと、該第１のタイマの計時終了時点から前記アシス
ト時間を計時して、前記アシストの終了タイミングを設
定する第２のタイマとを備えることを特徴とする請求項
１に記載の電動アシスト自転車。
【請求項３】前記アシスト停止時間を車速によらず一
定に設定するようにしたことを特徴とする請求項１また
は２に記載の電動アシスト自転車。
【請求項４】電動モータの駆動力によって人力駆動力
をアシストするようにした電動アシスト自転車であっ
て、車速を検出する車速検出手段と、足踏トルクを検出する
トルク検出手段と、前記足踏トルクおよび車速に基づい
て前記アシストの期間を設定するアシスト期間設定手段
とを有し、前記アシスト期間設定手段は、前記足踏トルクを前記車
速の増加に伴って大きくなるトルク閾値と比較し、前記
足踏トルクが前記トルク閾値を超える期間を前記アシス
ト期間として設定する比較手段を備えることを特徴とす
る電動アシスト自転車。
【請求項５】前記アシスト期間設定手段は、前記車速
の増加に伴って大きくなるトルク閾値を得るため、前記
車速を複数の車速閾値と比較する車速比較手段と、前記
車速比較手段の比較結果に基づいて、前記各車速閾値に
対応する複数のトルク閾値の中から前記車速に対応する
トルク閾値を選択する手段とを備えることを特徴とする
請求項４に記載の電動アシスト自転車。
【請求項６】前記車速が前記複数の車速閾値の内の最
小車速閾値よりも小さい間は前記アシストを常時実行
し、最大車速閾値以上である間は前記アシストを停止す
ることを特徴とする請求項５に記載の電動アシスト自転
車。