JP2001191976A

JP2001191976A - 電動アシスト自転車

Info

Publication number: JP2001191976A
Application number: JP2000005667A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kato; 貴之加藤; Hitoshi Takimoto; 等滝本; Teruya Tanaka; 照也田中; Masao Isshiki; 正男一色; Takamitsu Noda; 臣光野田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2000-01-14
Publication date: 2001-07-17

Abstract

(57)【要約】【課題】トルク検出機構を不要にする。【解決手段】ペダル２６が回転されると、それに基づ
いて発電機２８が発電し、制御ユニット３４内のパワー
アシスト制御器は、この発電機２８の信号と、回転セン
サ３５の信号に基づく走行速度とに基づいて電動機３０
の出力を制御し、これにより後輪２４が電動機３０によ
り回転駆動される。この場合、パワーアシスト制御器
は、発電機３０の信号と、回転センサ３５の信号とに基
づいて電動機３０の出力を制御するようにしているの
で、ペダル２６を踏む際のトルクを検出する必要はな
く、従って、複雑なトルク検出機構を設ける必要がな
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人によって回転さ
れるペダルと、車輪を回転駆動する電動機とを備えた電
動アシスト自転車に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】電動アシスト自転車の
従来の概略構成を図９に示す。この電動アシスト自転車
１には、乗員によって回転されるペダル２、このペダル
２の回転力を後輪３に伝達するチェーン４などからなる
人力駆動手段の他に、前記ペダル２の回転駆動を補助す
る電動機５、この電動機５の出力を制御する制御ユニッ
ト６、これら電動機５及び制御ユニット６の電源とな
る、充電が可能な蓄電池７などからなる電動アシスト手
段が設けられている。

【０００３】図１０は、上記した従来の電動アシスト自
転車１の機能がブロックで示されている。この場合、上
記制御ユニット６は、マイクロコンピュータを備えたパ
ワーアシスト制御器８と、パワー変換回路９などを備え
ている。パワーアシスト制御器８は、乗員がペダル２を
踏む力を、駆動ユニット１０を介してトルクセンサ１１
により検出し、このトルクセンサ１１の検出結果などに
基づいて、パワー変換回路９を介して上記電動機５の出
力を制御する。これにより、乗員がペダル２を踏むとき
の負担に対して、それに応じた補助駆動力が提供される
ようになっている。

【０００４】図１１は、パワーアシスト制御器８によっ
て制御されるパワー変換回路９が示されている。この場
合、蓄電池７に対して、ダイオード１２とスイッチング
素子１３の直列回路が接続され、電動機５がダイオード
１２と並列に接続されている。しかして、パワーアシス
ト制御器８によってスイッチング素子１３をＰＷＭ制御
し、図１２に示すように、そのスイッチング素子１３の
オン時間を制御することにより、電動機５の出力が制御
されるようになっている。

【０００５】このような構成のものでは、乗員がペダル
２を踏む力をトルクセンサ１１により検出することを必
要としているが、そのトルクを検出するためのトルク検
出機構は複雑な構造となっていた（例えば特開平１０−
１５７６８５号参照）。このため、その組み立てに多く
の工数がかかると共に、コストが高くなるという問題点
があった。また、トルク検出機構は機械的に構成されて
いるので、経年変化が起こりやすく、アシストするタイ
ミングがずれたりしやすくなるという欠点もあった。

【０００６】本発明は上記した事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、トルク検出機構を不要にできる
電動アシスト自転車を提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明は、ペダルが回転されることによ
って発電する発電機と、車輪を回転駆動する電動機と、
この電動機の電源となるバッテリと、前記発電機の信号
に基づき前記電動機の出力を制御する駆動制御手段とを
具備したことを特徴とする。

【０００８】この構成において、ペダルが回転される
と、それに基づいて発電機が発電し、駆動制御手段は、
この発電機の信号に基づいて電動機の出力を制御し、こ
れにより車輪が電動機により回転駆動される。この場
合、駆動制御手段は、発電機の信号に基づいて電動機の
出力を制御するようにしているので、ペダルを踏む際の
トルクを検出する必要はなく、従って、複雑なトルク検
出機構を設ける必要がない。

【０００９】この場合、請求項２の発明のように、バッ
テリは充電が可能な蓄電池により構成し、発電機により
発電した電力を前記バッテリに充電することが好まし
い。これによれば、発電機により発電した電力をバッテ
リに充電するのであるから、バッテリの電力の低下を抑
えることができ、走行距離を長くすることができる。

【００１０】請求項３の発明は、駆動制御手段は、発電
機により発電した発電量に、走行速度に応じた所定の係
数ηを乗算した電力をバッテリから取り出して電動機の
出力を制御する構成とされ、前記発電機の効率をφ、前
記電動機の効率をλとした場合、前記係数ηは、走行速
度が０〜１５［km／ｈ］未満の場合は２／（φλ）、走
行速度が１５〜２４［km／ｈ］未満の場合は２／（φ
λ）〜１／（φλ）の間で比例減少、走行速度が２４
［km／ｈ］以上の場合は１／（φλ）とすることを特徴
としている。これによれば、人の駆動力は発電機の発電
量に比例し、この発電量に基づいて電動機の出力が適度
となるように制御されるので、電動機によるアシスト量
を適度とすることができる。

【００１１】請求項４の発明は、バッテリは充電が可能
な蓄電池により構成すると共に、電動機は直流ブラシモ
ータにより構成し、前記バッテリと電動機との間に双方
向チョッパ回路を設け、前記電動機の回生エネルギーを
前記バッテリに充電する構成としたことを特徴としてい
る。これによれば、電動機の回生エネルギーをバッテリ
に充電するのであるから、バッテリの電力の低下を抑え
ることができ、走行距離を長くすることができる。

【００１２】請求項５の発明は、走行速度を制御するた
めの速度切換えスイッチを備えたことを特徴としてい
る。これによれば、走行時の最高速度を、例えば歩道走
行可能法定速度（６［km／ｈ］）に制限することができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施例につい
て図１ないし図３を参照して説明する。まず、図１に
は、本発明の電動アシスト自転車２１の概略構成が示さ
れている。この図１において、本体フレーム２２には、
前輪２３、後輪２４、ハンドル２５、ペダル２６、及び
サドル２７などが設けられている。

【００１４】ペダル２６の回転軸部分には、ペダル２６
が回転されることによって発電する発電機２８が設けら
れている。本体フレーム２２において、前記後輪２４の
軸２４ａを支持する部分には取付板２９が設けられ、こ
の取付板２９に、この場合直流ブラシモータからなる電
動機３０が取り付けられている。この電動機３０と後輪
２４の軸２４ａとの間には、動力伝達手段としてのチェ
ーン３１が設けられていて、電動機３０によりチェーン
３１を介して車輪である後輪２４が回転駆動される構成
となっている。この場合、ペダル２６と後輪２４との間
には、通常のチェーンは設けられてはいない。

【００１５】前記本体フレーム２２において、サドル２
７の下方に位置させて、前記電動機３０の電源となるバ
ッテリとして、充電が可能な蓄電池３２が着脱可能に設
けられ、この蓄電池３２と前記発電機２８との間に、発
電機２８で発電した電力を蓄電池３２に充電するための
充電器３３が設けられ、さらに、蓄電池３２の近傍に位
置させて制御ユニット３４が設けられている。また、後
輪２４の近傍には、当該後輪２４の回転速度を検出する
ための回転センサ３５が設けられている。

【００１６】図２には、上記した電動アシスト自転車２
１の機能がブロックで示されている。この場合、上記制
御ユニット３４は、駆動制御手段を構成するパワーアシ
スト制御器３６と、パワー変換回路３７などを備えてい
る。パワーアシスト制御器３６は、マイクロコンピュー
タを備えていて、予め有するプログラムと、前記発電機
２８からの信号と、回転センサ３５からの信号とに基づ
いて、後述するように、パワー変換回路３７を介して電
動機３０の出力を制御する機能を有している。このパワ
ーアシスト制御器３６も、前記蓄電池３２を電源として
いる。

【００１７】図３には、上記したパワー変換回路３７が
示されている。この図３において、蓄電池３２のプラス
端子は、第１のスイッチング素子３８とリアクトル３９
の直列回路を介して電動機３０の一方の端子に接続さ
れ、蓄電池３２のマイナス端子は電動機３０の他方の端
子と接続されている。第１のスイッチング素子３８とリ
アクトル３９との共通接続点と、電動機３０の他方の端
子との間に、第２のスイッチング素子４０が接続されて
いる。そして、第１のスイッチング素子３８と並列にダ
イオード４１が図示極性で接続され、また、第２のスイ
ッチング素子４０と並列にダイオード４２が図示極性で
接続されている。

【００１８】ここで、第１のスイッチング素子３８とダ
イオード４２とにより降圧チョッパ回路を構成し、ま
た、第２のスイッチング素子４０とダイオード４１とに
より昇圧チョッパ回路を構成しており、これら降圧チョ
ッパ回路と昇圧チョッパ回路とにより双方向チョッパ回
路４３を構成している。第１及び第２のスイッチング素
子３８、４０の制御端子（ゲート）は、前記パワーアシ
スト制御器３６により制御されるようになっている。

【００１９】前記パワーアシスト制御器３６は、前記発
電機２８により発電した発電量に、前記回転センサ３５
からの信号に基づいて求めた自転車の走行速度に応じた
所定の係数を乗算した電力を蓄電池３２から取り出して
電動機３０の出力を制御するように、前記パワー変換回
路３７の第１のスイッチング素子３８をＰＷＭ制御す
る。その第１のスイッチング素子３８のオン時間を制御
することによって、蓄電池３２からの電圧を制御する。

【００２０】このとき、発電機２８により発電した発電
量をＰ、自転車の走行速度をＶ、係数をηとすると、電
動機３０の出力Ｍは、Ｍ＝Ｐ×ηとなる。そして、発電
機２８の効率をφ、電動機３０の効率をλとした場合、
前記係数ηは次のように設定される。走行速度Ｖが０〜１５［km／ｈ］未満の場合は、η＝２
／（φλ）走行速度Ｖが１５〜２４［km／ｈ］未満の場合は、 η＝２−（２４−Ｖ）／９（φλ）すなわち、ηは２／（φλ）〜１／（φλ）の間で比例
減少、走行速度が２４［km／ｈ］以上の場合は、η＝１
／（φλ）とする。

【００２１】なお、発電機２８の効率φ及び電動機３０
の効率λを共に１００％とした場合には、上記係数ηは
次のようになる。走行速度Ｖが０〜１５［km／ｈ］未満の場合は、η＝２走行速度Ｖが１５〜２４［km／ｈ］未満の場合は、 η＝２−（２４−Ｖ）／９すなわち、ηは２〜１の間で比例減少、走行速度が２４
［km／ｈ］以上の場合は、η＝１となる。

【００２２】一方、図３において、回生制動時は、第１
のスイッチング素子３８をオフすると共に、第２のスイ
ッチング素子４０をオンすると、電動機３０の回生エネ
ルギーによりリアクトル３９に電流が流れて当該リアク
トル３９にエネルギーが蓄えられ、あるところでその第
２のスイッチング素子４０をオフすると、リアクトル３
９に蓄えられたエネルギーは、ダイオード４１を通って
蓄電池３２に充電されるようになる。

【００２３】さて、上記した実施例においては、乗員に
よってペダル２６が回転されると、それに基づき発電機
２８が発電し、パワーアシスト制御器３６は、この発電
機２８の発電量と、回転センンサ３５の信号に基づいて
求められる走行速度とに基づいて、電動機３０の出力を
制御し、これにより後輪２６が電動機３０により回転駆
動されるようになる。この場合、パワーアシスト制御器
３６は、発電機２８の信号と、回転センンサ３５の信号
とに基づいて電動機３０の出力を制御するようにしてい
るので、ペダル２６を踏む際のトルクを検出する必要は
ない。従って、複雑なトルク検出機構を設ける必要がな
く、トルク検出機構を設けることによる不具合を解消で
きる。

【００２４】また、乗員はペダル２６を回転させること
により発電機２８を発電させるが、人力によって車輪を
直接回転させる人力駆動手段を必要としないので、従来
必要としていたペダルと後輪との間のチェーンを無くす
ことができ、そのチェーンが切れたり、外れたりして走
行できなくなるという問題がなくなる。

【００２５】しかも、発電機２８により発電した電力を
蓄電池３２に充電するようにしているから、蓄電池３２
の電力の低下を抑えることができ、走行距離を長くする
ことができる。

【００２６】また、パワーアシスト制御器３６は、発電
機２８により発電した発電量Ｐに、走行速度Ｖに応じた
所定の係数ηを乗算した電力Ｍ＝Ｐ×ηを蓄電池３２か
ら取り出して電動機３０の出力を制御する構成とされ、
前記発電機２８の効率をφ、前記電動機３０の効率をλ
とした場合、前記係数ηは、走行速度Ｖが０〜１５［km
／ｈ］未満の場合は２／（φλ）、走行速度Ｖが１５〜
２４［km／ｈ］未満の場合は２／（φλ）〜１／（φ
λ）の間で比例減少、走行速度Ｖが２４［km／ｈ］以上
の場合は１／（φλ）としている。これによれば、人の
駆動力は発電機２８の発電量に比例し、この発電量に基
づいて電動機３０の出力が適度となるように制御される
ので、電動機３０によるアシスト量を適度とすることが
できる。

【００２７】さらに、電動機３０は直流ブラシモータに
より構成し、蓄電池３２と電動機３０との間に双方向チ
ョッパ回路４３を設け、回生制動時は、電動機３０の回
生エネルギーを前記蓄電池３２に充電する構成としたの
で、回生制動時にも蓄電池３２に充電することができ、
蓄電池３２の電力の低下を一層抑えることができ、走行
距離を一層長くすることができる。

【００２８】図４は本発明の第２実施例を示したもので
ある。例えば急な坂道を走行する場合に、電動機３０の
トルクが不足すると坂道を登ることができない。その大
きなトルクに合わせて設計すると、電動機３０が大きく
なるという問題がある。そこで、この第２実施例では、
図示はしないが、上記電動機３０と後輪２４との間に変
速機を設けると共に、ハンドル２５に操作部を設け、こ
の操作部の操作により変速機を切り替えるようにしたも
のである。変速機の具体的な構成としては、例えば特開
平７−３０１２９２号公報に示されたものが知られてい
る。

【００２９】この変速機は、本体フレームに固定される
固定軸と、この固定軸の外周に配置された駆動体と、固
定軸及び駆動体のさらに外周に配置された後輪用のハブ
シェルと、このハブシェル内に配設された遊星歯車機構
などを備えていて、駆動体を前記電動機３０により回転
させ、その回転力を遊星歯車機構を介してハブシェルに
伝達し、当該ハブシェルにスポークを介して支持された
後輪を回転させる構成とする。そして、前記固定軸には
プッシュロッドが設けられていて、前記操作部の操作に
基づきワイヤーを介してそのプッシュロッドを移動させ
ることにより、遊星歯車機構内のギヤの組み合わせが切
り替えられる構成となっている。

【００３０】図４は、変速機がある場合とない場合の、
後輪２４の回転数（ｒｐｍ）と、トルクとの関係を示し
ている。例えば、電動機３０により回転されるギアと後
輪２４を回転させるギアとのギア比を２：１とした場
合、回転数は１／２になるが、トルクは２倍となる。こ
のため、変速機を設けることにより、電動機３０を小形
化することが可能となる。

【００３１】図５ないし図７は本発明の第３実施例を示
したものであり、この第３実施例は、上記した第１実施
例とは次の点が異なっている。すなわち、電動機５１
は、この場合、アウタロータ型の直流ブラシレスモータ
により構成され、後輪２４を直接回転駆動する構成とし
ている。また、この電動機５１は、図７に示すように、
パワー変換回路５２として、インバータ回路５３を介し
て回転駆動されるようになっている。インバータ回路５
３は、周知のように、３相ブリッジ接続されたスイッチ
ング素子５４ａ〜５４ｆと、これらスイッチング素子５
４ａ〜５４ｆにそれぞれ並列接続されたフリーホイール
ダイオード５５ａ〜５５ｆとから構成されている。この
インバータ回路５３の出力端子５６ｕ、５６ｖ、５６ｗ
は、電動機５１の３相の巻線５１ｕ、５１ｖ、５１ｗに
それぞれ接続されている。そして、インバータ回路５３
の各スイッチング素子５４ａ〜５４ｆの制御端子（ゲー
ト）は、前記パワーアシスト制御器３６により制御され
るようになっている。

【００３２】上記構成において、パワーアシスト制御器
３６は、上記した第１実施例の場合と同様に、発電機２
８により発電した発電量に、前記回転センサ３５からの
信号に基づいて求めた自転車の走行速度に応じた所定の
係数ηを乗算した電力を蓄電池３２から取り出して電動
機５１の出力を制御するように、インバータ回路５３の
各スイッチング素子５４ａ〜５４ｆの制御端子（ゲー
ト）をオン／オフ制御する。これにより電動機５１が回
転駆動され、この電動機５１により後輪２４が回転駆動
される。また、回生制動時には、インバータ回路５３の
各スイッチング素子５４ａ〜５４ｆの制御端子（ゲー
ト）をオン／オフ制御することにより、蓄電池３２を充
電することができる。

【００３３】このような構成とした第３実施例において
は、特に、電動機５１としてアウタロータ型の直流ブラ
シレスモータを用い、この電動機５１により後輪２４を
直接回転駆動させる構成としているので、第１実施例の
チェーン３１などを必要とせず、駆動伝達機構が簡素化
できると共に、軽量化も可能となる利点がある。

【００３４】図８は本発明の第４実施例を示したもので
あり、この第４実施例は、上記した第１実施例とは次の
点が異なっている。すなわち、ハンドル２５に、走行速
度を制御するための速度切換えスイッチ５８を設けてい
て、この速度切換えスイッチ５８をオン操作した場合に
は、パワーアシスト制御器３６は、走行時の最高速度
を、例えば歩道走行可能法定速度（６［km／ｈ］）に制
限するように制御する構成となっている。

【００３５】この場合、パワーアシスト制御器３６は、
電動機３０の出力Ｍを設定する係数ηを次のように設定
する。発電機２８の効率φ及び電動機３０の効率λを共
に１００％とした場合、走行速度Ｖが０〜６［km／ｈ］未満の場合は、η＝５走行速度Ｖが６［km／ｈ］以上の場合は、η＝０とす
る。また、パワーアシスト制御器３６は、走行速度Ｖが
６［km／ｈ］以上になった場合は、電動機３０への電力
の供給を停止し、ペダル２６の回転により発電された電
力は、すべて蓄電池３２に充電されるようにする。この
ような第４実施例によれば、走行時の最高速度を、歩道
走行可能法定速度（６［km／ｈ］）に制限することがで
きる。

【００３６】本発明は、上記した各実施例にのみ限定さ
れるものではなく、次のように変形または拡張すること
ができる。回転センサ３５により電動機３０，５１の回
転速度を検出し、この回転速度に基づき走行速度を検出
する構成とすることもできる。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の
電動アシスト自転車によれば、駆動制御手段は、発電機
の信号に基づいて電動機の出力を制御するようにしてい
るので、ペダルを踏む際のトルクを検出する必要はな
く、従って、複雑なトルク検出機構を不要にでき、組立
て工数を削減できると共に、コストも低減できるなどの
効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す電動アシスト自転車
の概略的な側面図

【図２】機能をブロックで示した図

【図３】パワー変換回路の電気回路図

【図４】本発明の第２実施例を示すもので、後輪の回転
数とトルクとの関係を示す図

【図５】本発明の第３実施例を示す図１相当図

【図６】図２相当図

【図７】図３相当図

【図８】本発明の第４実施例を示す図１相当図

【図９】従来例を示す図１相当図

【図１０】図２相当図

【図１１】図３相当図

【図１２】電動機を制御する際の電圧波形図

【符号の説明】

図面中、２１は電動アシスト自転車、２４は後輪（車
輪）、２６はペダル、２８は発電機、３０は電動機（直
流ブラシモータ）、３２は蓄電池（バッテリ）、３４は
制御ユニット、３５は回転センサ、３６はパワーアシス
ト制御器（駆動制御手段）、３７はパワー変換回路、４
３は双方向チョッパ回路、５１は電動機（直流ブラシレ
スモータ）、５２はパワー変換回路、５３はインバータ
回路、５８は速度切換えスイッチを示す。

フロントページの続き (72)発明者田中照也愛知県瀬戸市穴田町991番地株式会社東芝愛知工場内 (72)発明者一色正男東京都港区芝浦一丁目１番１号株式会社東芝本社内 (72)発明者野田臣光愛知県瀬戸市穴田町991番地東芝エー・ブイ・イー株式会社名古屋事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ペダルが回転されることによって発電す
る発電機と、車輪を回転駆動する電動機と、この電動機の電源となるバッテリと、前記発電機の信号に基づき前記電動機の出力を制御する
駆動制御手段とを具備したことを特徴とする電動アシス
ト自転車。
【請求項２】バッテリは充電が可能な蓄電池により構
成され、発電機により発電した電力を前記バッテリに充
電することを特徴とする請求項１記載の電動アシスト自
転車。
【請求項３】駆動制御手段は、発電機により発電した
発電量に、走行速度に応じた所定の係数ηを乗算した電
力をバッテリから取り出して電動機の出力を制御する構
成とされ、前記発電機の効率をφ、前記電動機の効率をλとした場
合、前記係数ηは、走行速度が０〜１５［km／ｈ］未満の場合は２／（φ
λ）、走行速度が１５〜２４［km／ｈ］未満の場合は２／（φ
λ）〜１／（φλ）の間で比例減少、走行速度が２４［km／ｈ］以上の場合は１／（φλ）と
することを特徴とする請求項１記載の電動アシスト自転
車。
【請求項４】バッテリは充電が可能な蓄電池により構
成すると共に、電動機は直流ブラシモータにより構成
し、前記バッテリと電動機との間に双方向チョッパ回路
を設け、前記電動機の回生エネルギーを前記バッテリに
充電する構成としたことを特徴とする請求項１記載の電
動アシスト自転車。
【請求項５】速度を制御するための速度切換えスイッ
チを備えたことを特徴とする請求項１記載の電動アシス
ト自転車。