JP2002029487A

JP2002029487A - 電動アシスト自転車

Info

Publication number: JP2002029487A
Application number: JP2000214751A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Iwasaki; 保岩崎; Katsuya Shigematsu; 克也重松; Michio Takahashi; 道夫高橋
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2002-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】電動アシスト自転車における一充電当たりの
走行距離を延ばす。【解決手段】ペダル踏力を補助するアシスト力を発生
させる電動機を有し、ノーマルモードとエコノミーモー
ドとを切り替え可能にし（ＳＴ２）、アシスト力を算出
する基になるペダル踏力に掛ける係数Ｋを、ノーマルモ
ード時には１になるようにし（ＳＴ９・１０）、エコノ
ミーモード時には１未満とする（ＳＴ３〜５）と共に、
ペダル踏力またはペダル踏力の増加率が増大した場合に
は増大量に応じて係数が１に至るように変更する（ＳＴ
５）。【効果】平坦路定速走行時にはアシスト力を低減し、
発進時や加速時や高速走行時などにはアシスト力を増大
するなど、走行状態に応じた適切なアシスト力を発生さ
せることができ、無駄な電力消費を抑制し得ると共に必
要に応じて大きなアシスト力をもって走行することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ペダル踏力を補助
するアシスト力を電動機により発生させるようにした電
動アシスト自転車に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、自転車走行時のペダルをこぐ力で
あるペダル踏力を検出し、そのペダル踏力の大きさに応
じたアシスト力を電動機により発生して、ペダルをこぐ
力を軽減するようにした電動アシスト自転車がある。上
記した電動アシスト自転車にあっては、電動機の電源と
してバッテリを用いていることから、１回の充電当たり
の走行距離をできるだけ長くすることが望ましい。

【０００３】上記したような電動アシスト自転車におい
て、例えばクランクシャフトのトルクを検出することに
よりペダル踏力を検出することができ、またクランクギ
アの周期を検出することにより上記ペダル踏力を波形と
して処理することができる。そのようにして、ペダル踏
力及びクランクシャフトの回転速度により電動機の駆動
デューティ比を求めるようにしたものがある。

【０００４】例えば図６に示されるように、アシスト力
発生制御を行うコントローラ１には電源としてのバッテ
リＢＴが接続されていると共に、クランクシャフト２の
伝達トルクからペダル踏力を検出するように設けられた
トルクセンサ３と、クランクシャフト２を介して図示さ
れないスプロケットに対してアシスト力を付加する電動
機４と、クランクシャフト２に一体化されたクランクギ
ア５の歯の通過を検出することにより、クランクシャフ
ト２の回転数を検出するためのギアパルスセンサ６とが
接続されている。

【０００５】そして、ギアパルスセンサ６とトルクセン
サ３とからの各検出信号が、コントローラ１内のアシス
ト力演算回路１ｃに入力し、各信号に応じて算出された
デューティ比信号を駆動回路１ｄに出力し、そのデュー
ティ比信号に応じた駆動電流により電動機４を制御する
ようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したように構成さ
れたコントローラ１におけるデューティ比の算出要領に
ついて図７を参照して以下に示す。図の上段に示される
ように踏力検出値が変化し、また中段に示されるように
車速が変化する場合に、上記したように踏力検出値の波
形に応じて下段に示すようにデューティ比が設定されて
いる。アシスト力はデューティ比の大きさに比例するこ
とから、停止状態から発進する際など踏力が大きい場合
にはデューティ比を高くして大きなアシスト力を発生さ
せている。

【０００７】しかしながら、図示例にあっては、踏力の
変化とデューティ比の変化とが比例している。例えば平
坦路走行において一定の低または中車速を維持する場合
にはアシストを余り必要としない走行時（図において車
速一定時であって踏力も大きくない状態）であっても、
上記駆動デューティ制御を行っているため、踏力に応じ
た所定の大きさのデューティ比によるアシスト制御が行
われるため、その大きさに応じた電力が消費される。し
たがって、アシストを余り必要としない走行時であって
もアシスト力を発生させることにより電力を消費してし
まうため、一充電当たりの走行距離があまり延びないと
いう問題がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決し
て、一充電当たりの走行距離を延ばし得る電動アシスト
自転車を実現するために、本発明に於いては、自転車の
ペダル踏力を検出するためのペダル踏力検出手段と、前
記ペダル踏力を補助するアシスト力を発生させるように
設けられた電動機とを有する電動アシスト自転車であっ
て、通常モードと低消費電力モードとを切り替えるため
モード切り替え手段と、前記ペダル踏力検出値の大きさ
に応じて前記アシスト力を算出するアシスト力算出手段
とを有し、前記アシスト力算出手段が、前記通常モード
の場合には前記ペダル踏力検出値をそのまま用いて前記
算出を行い、前記低消費電力モードに切り替えられた場
合には前記ペダル踏力検出値を小さな値にして前記算出
を行うものとした。

【０００９】これによれば、例えば通常モード時にペダ
ル踏力検出値に掛ける係数を１とし、低消費電力モード
時には、上記係数を１未満として通常モード時のアシス
ト力に対して小さなアシスト力を発生させるようにする
ことができ、これにより省電力化を実現でき、一充電当
たりの走行距離を延ばすことができる。

【００１０】また、前記低消費電力モードに切り替えら
れた場合であっても、前記ペダル踏力または前記ペダル
踏力の増加率が増大し場合には前記小さな値となったペ
ダル踏力検出値を当該増大量に応じて大きくすることに
よれば、低消費電力モード時にあっては、踏力が小さく
て良い平坦路を低または中車速の一定走行時にはアシス
ト力を低減し、発進時や加速時や高速走行時などにはア
シスト力を増大して、省電力化し得ると共に、走行状態
に応じた適切なアシスト力を発生させることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に添付の図面に示された具体
例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明す
る。

【００１２】図１は、本発明が適用された電動アシスト
自転車の制御を行うコントローラ１を示す概略ブロック
回路図である。図に示されるように、コントローラ１に
は電源としてのバッテリＢＴが接続されているが、コン
トローラ１内の電源及び接地ラインに関しては図示省略
している。また、従来例の図６で示されたものと同様の
部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略す
る。

【００１３】図に示されるように、ペダルを支持するク
ランクシャフト２と、ペダル踏力検出手段としてのポテ
ンショメータ３と、電動機４とがそれぞれ設けられてい
る。また、クランクシャフト２に一体化されたクランク
ギア５の歯の通過を検出することにより、クランクシャ
フト２の回転数を検出するためのギアパルスセンサ６が
設けられている。そして、ギアパルスセンサ６・ポテン
ショメータ３・電動機４がそれぞれコントローラ１に接
続されている。上記ギアパルスセンサ６からは回転位置
検出信号が、ポテンショメータ３からはペダル踏力検出
信号が、それぞれコントローラ１に入力するようになっ
ている。

【００１４】コントローラ１内には、ペダル踏力の基準
電圧設定用のリセット回路１ａと、その基準電圧を記憶
しておくためのＥＥＰＲＯＭやフラッシュＲＯＭ等から
なるメモリ１ｂと、ペダル踏力検出値と基準電圧との偏
差からアシスト力を算出するアシスト力算出手段として
のアシスト力演算回路１ｃと、その算出されたアシスト
力に応じて電動機４を例えばデューティ制御する駆動回
路１ｄとが設けられている。また、コントローラ１に
は、リセット回路１ａに接続されたモード切り替え手段
としてのショートカプラ７と、メインスイッチ８ａ及び
エコノミースイッチ８ｂとがそれぞれ接続されている。

【００１５】上記リセット回路１ａには、ギアパルスセ
ンサ６からの回転位置検出信号と、ポテンショメータ３
からのペダル踏力検出信号と、ショートカプラ７に短絡
用カプラ７ａを接続した際の短絡信号と、メインスイッ
チ８ａのオン信号とがそれぞれ入力するようになってい
る。メモリ１ｂにはペダル踏力検出信号がリセット回路
１ａを介して入力し得るようになっている。

【００１６】上記アシスト力演算回路１ｃには、回転位
置検出信号と、ペダル踏力検出信号と、メインスイッチ
８ａのオン信号と、エコノミースイッチ８ｂのオン信号
とが入力するようになっていると共に、アシスト力演算
回路１ｃはメモリ１ｂに記憶されている基準電圧を読み
込むようになっている。また、駆動回路１ｄは、アシス
ト力演算回路１ｃからのアシスト力入力信号に応じて、
上記したように電動機４に駆動電流を出力する。

【００１７】また、図２の模式図を参照して上記ポテン
ショメータ３を用いたペダル踏力検出構造を以下に示
す。図２にあっては、ペダル１１に加わる踏力を、クラ
ンクシャフト２に組み付けられたトーションバー１２の
ねじれを利用してポテンショメータ３で検出し、その踏
力検出信号をコントローラ１に入力し、その踏力検出信
号に応じてアシスト力発生電流を電動機４に流し、電動
機４によりクランクシャフト２を補助的に駆動するよう
にしている。

【００１８】上記トーションバー１２は、クランクシャ
フト２の中間部にその軸線方向に沿って設けられたスリ
ット２ａ内に受容され、かつクランクシャフト２の軸線
回りに回動自在に組み付けられている。そのトーション
バー１２には、クランクシャフト２の軸線方向一端側
（図における左側）にて半径方向外側に互いに相反して
延出する一対の大アーム部１２ａと、クランクシャフト
２の軸線方向他端側（図における右側）にて半径方向外
側に互いに相反して延出する一対の小アーム部１２ｂと
が形成されている。

【００１９】大アーム部１２ａが一方向クラッチ１３の
内輪に係合し、一方向クラッチ１３の外輪に、図示され
ないチェーンを掛けられたスプロケット１４が結合され
ている。また、クランクシャフト１３を外囲するように
環状のスライダインナ１５ａが設けられており、そのス
ライダインナ１５ａの外周にはボール軸受構造により回
動自在なスライダアウタ１５ｂが設けられている。スラ
イダインナ１５ａは、クランクシャフト２と一体的に回
転すると共にクランクシャフト２の軸線方向に変位自在
に設けられ、スライダアウタ１５ｂは、圧縮ばね１６に
より一方向クラッチ１３側へ弾発付勢されている。

【００２０】また、一方向クラッチ１３の内輪に形成さ
れたカム面１３ａに、上記スライダアウタ１５ｂに作用
する弾発付勢力をもってスライダインナ１５ａが押し当
てられて係合している。そして、スライダアウタ１５ｂ
の軸線方向変位を検出するようにポテンショメータ３が
設けられている。

【００２１】図２の構造のものにあっては、ペダル踏力
によるトルクが、クランクシャフト２から小アーム部１
２ｂに伝えられるとトーションバー１２がねじられ、大
アーム部１２ａから一方向クラッチ１３を介してスプロ
ケット１４に伝達される。したがって、トーションバー
１２のねじれに応じて一方向クラッチ１３の内輪がクラ
ンクシャフト２に対して相対的に回動し、その回動量
（トーションバー１２のねじれ量に相当）に応じてカム
面１３ａが移動する。そのカム面１３ａの移動によりス
ライダインナ１５ａが圧縮ばね１６の弾発付勢力に抗す
る向き（図における右側）に押し戻され、その変位をポ
テンショメータ３で検出するようになっている。

【００２２】そして、ポテンショメータ３の出力による
検出踏力Ｖと、予めメモリ１ｂに記憶されている踏力基
準値Ｖ₀との偏差からアシスト力を算出する。その算出
されたアシスト力に応じたデューティ比をアシスト力演
算回路１ｃから駆動回路１ｄに出力し、その制御値に応
じて電動機４を駆動する。

【００２３】なお、上記踏力基準値Ｖ₀のメモリ１ｂへ
の書き込みは、工場出荷時の調整作業において行う。そ
の調整作業にあっては、ショートカプラ７に短絡用カプ
ラ７ａを接続し、その状態でメインスイッチ８ａをオン
にして調整モードとする。

【００２４】この調整モードにあっては、その時の踏力
をメモリ１ｂに読み込むが、この時ペダル１１に荷重を
掛けない状態にしておく。そして、その状態でのポテン
ショメータ３の出力電圧（検出踏力Ｖ）を検出し、その
検出踏力Ｖ（踏力が発生していない状態に相当）をペダ
ル踏力の基準値Ｖ₀としてメモリ１ｂに記憶する。な
お、メモリ１ｂにペダル踏力の基準値Ｖ₀が記憶された
ことを視認させるための書き込み終了表示灯Ｌ（図１参
照）を点灯して、この調整モードを終了する。

【００２５】このように調整モードにして自動的にペダ
ル踏力の基準値Ｖ₀を設定することができるため、高精
度化のために狭い調整代内に基準電圧を入れる必要が無
くなり、そのような熟練を必要とする調整を行わずにペ
ダル踏力の基準値Ｖ₀を設定することができる。また、
各個体（ポテンショメータ３）毎に基準値Ｖ₀を設定す
ることから、個体差による基準値Ｖ₀のずれが生じるこ
とが無く、製品毎に設計通りの適切なアシスト制御を行
うことができる。

【００２６】次に、本発明に基づくアシスト力制御を図
３の制御フロー図を参照して以下に示す。まず、第１ス
テップＳＴ１でその時の踏力をポテンショメータ３の出
力電圧（検出踏力Ｖ）により検出し、第２ステップＳＴ
２に進む。その第２ステップＳＴ２では、エコノミース
イッチ８ｂがオンされているか否かにより、低消費電力
モードとしてのエコノミーモードであるか否かを判別
し、エコノミースイッチ８ｂがオンされているエコノミ
ーモードの場合には第３ステップＳＴ３に進む。

【００２７】第３ステップＳＴ３では第１ステップＳＴ
１で検出した検出踏力Ｖと基準値Ｖ ₀との偏差（アシス
ト力Ａ）を検索踏力ＳＶとして第４ステップＳＴ４に進
み、その第４ステップＳＴ４では、例えば前回検出され
た踏力Ｖ_-1に対して今回検出された検出踏力Ｖの増加量
（ペダル踏力増加量ΔＶ）を求める。なお、踏力検出を
所定時間毎に行って、１回前の検出値をメモリに記憶し
ておくことにより、上記ペダル踏力増加量ΔＶの算出が
可能である。

【００２８】次の第５ステップＳＴ５では、デューティ
比に掛ける係数Ｋを、図４に示されるマップから上記各
値（ＳＶ、ΔＶ）に基づいて求める。図４に示されるマ
ップにあっては、ペダル踏力（検索踏力ＳＶ）及びペダ
ル踏力増加量ΔＶをそれぞれ３段階（大中小）に分け、
各値の大きさに応じて係数Ｋを０．５、０．７５、１．
０の３通りに分けるようにしている。図４に示されるよ
うに、両値が共に小さい場合には係数Ｋを０．５とし、
両値が共に中以下であって少なくともいずれか一方が中
の場合には係数Ｋを０．７５とし、両値の少なくともい
ずれか一方が大の場合には係数Ｋを１．０とする。

【００２９】次の第６ステップＳＴ６では、アシスト力
Ａに応じた基準デューティ比Ｄ₀を設定し、第７ステッ
プＳＴ７に進む。なお、このアシスト力Ａは、検出踏力
Ｖと基準値Ｖ₀との偏差に比例するものであって良く、
デューティ制御におけるデューティ比に相当し、従来例
の図７における下段のデューティ比として示されるもの
である。

【００３０】第７ステップＳＴ７では、上記基準デュー
ティ比Ｄ₀と、第５ステップＳＴ５で求めた係数Ｋとを
掛け合わせて本制御におけるデューティ比Ｄを算出す
る。そして、第８ステップＳＴ８で、そのデューティ比
Ｄを用いたデューティ制御により電動機４を駆動し、デ
ューティ比Ｄに応じたアシスト力を発生させる。

【００３１】また、上記第２ステップＳＴ２において、
エコノミースイッチ８ｂのオフ状態による通常モードと
してのノーマルモードの場合には第９ステップＳＴ９に
進む。このノーマルモードの場合には常に係数Ｋを１．
０に設定するべく、第９ステップＳＴ９では、マップに
おける踏力を大とする最大踏力値Ｖ_maxを検索踏力ＳＶ
とし、次の第１０ステップＳＴ１０では、ペダル踏力増
加量ΔＶを大とする最大増加量ΔＶ_maxをペダル踏力増
加量ΔＶとする。そして、第５ステップＳＴ５に進み、
上記と同様にして第８ステップＳＴ８に至る。

【００３２】このノーマルモード時には、マップ検索に
おける各値に上記したように最大値を入れたことから、
第５ステップＳＴ５では係数Ｋに１．０が設定される。
したがって、ノーマルモード時のデューティ比Ｄの算出
には常に係数Ｋを１．０として求めることになり、従来
例と同様の制御を行うことになる。それに対して、エコ
ノミーモード時には、上記したように検索踏力ＳＶ及び
ペダル踏力増加量ΔＶの大きさに応じて係数Ｋが決定さ
れ、両値の大きさに応じて係数Ｋに本図示例による０．
５若しくは０．７５が設定されると、ノーマルモード時
よりも小さなアシスト力すなわち電動機４の駆動電流が
小さくなるため、省電力化を実現し得る。

【００３３】例えば平坦路を低または中車速で走行する
場合にはあまりアシスト力を必要としないことから、エ
コノミーモードに設定しておくことにより、図５に示さ
れるように、踏力に応じて係数が小さく設定され、それ
により小さくされたデューティ比Ｄによる制御が行われ
ることになる。なお、図５において、想像線はノーマル
モード（係数Ｋ＝１．０）時の波形である。

【００３４】図５に示されるように、停止状態からの発
進時には大きな踏力（図５の１山目）による加速を行う
ことから、マップ上で踏力が大の領域になり、係数Ｋを
１．０とするデューティ比制御（基準デューティ比Ｄ₀
をそのまま用いた制御）を行う。

【００３５】平坦路を低または中車速で走行しようとす
る際には、一定車速に近づくに連れて踏力（ＳＶ）が小
さく（図５の２山目）なり、図４の中の領域になり、ま
た車速が低いことから回転速度も低く、その踏力波形の
傾き（図のβ）として表されるペダル踏力増加量ΔＶも
小さいことから、上記マップから係数Ｋの値として０．
７５が検索される。この場合には、デューティ比Ｄが、
下段の２山目に示されるように基準デューティ比Ｄ
₀（図の想像線）に対して係数Ｋ（＝０．７５）を掛け
た小さな値になり、通常モード（係数Ｋ＝１．０）時に
対して電力消費量が少なくなる。

【００３６】そして、比較的低い車速の一定車速に近づ
いて定速走行状態（図５の３山目〜５山目）になると、
小さな踏力（ＳＶ）で済み、また低車速により回転速度
も低く、その踏力波形の傾き（図のα）として表される
ペダル踏力増加量ΔＶも小さいことから、両値が共に小
さいためマップから係数Ｋの値として０．５が検索さ
れ、その係数Ｋ（＝０．５）を掛けたデューティ比Ｄに
よる省電力化された駆動制御を行うことになる。このよ
うに、不必要に大きなアシスト力を発生させることがな
いため、電力が無駄に消費されず、一充電当たりの走行
距離を好適に延ばすことができる。

【００３７】また、図５の後半に示されるように、一時
的に加速した場合にはペダル踏力増加量ΔＶが大きくな
り、その結果図５に示されるように踏力波形の傾きγが
急（大）になる。すなわち、図４のマップ上ではペダル
踏力増加量ΔＶが大の領域であり、マップから分かるよ
うに踏力（ＳＶ）の大きさに係わらず係数Ｋが１．０に
なる。これにより、大きなアシスト力を発生させること
ができ、運転者の加速時の負担を軽減し得る。

【００３８】また、加速後の高車速状態では回転速度が
高いことから、図に示されるように踏力波形の傾きβが
比較的大きく（図示例ではαとγの中間）、マップ上で
はペダル増加量ΔＶが中の領域になり、この場合も踏力
（ＳＶ）の大きさに係わらず係数Ｋが０．７５になる。
この場合には不必要に大きくなくかつ高車速を維持する
のに適当なアシスト力を発生させることができる。

【００３９】

【発明の効果】このように本発明によれば、低消費電力
モードにすることにより、例えば通常モード時に１とし
たペダル踏力検出値に掛ける係数を１未満として、通常
モード時のアシスト力に対して小さなアシスト力を発生
させることができ、これにより省電力化し得るため、一
充電当たりの走行距離を延ばすことができる。また、ペ
ダル踏力またはペダル踏力の増加率が増大した場合には
当該増大量に応じて係数を１に至るように増大させるこ
とにより、常にアシスト力を小さくして省電力化するの
ではなく、平坦路を低または中車速での走行時にはアシ
スト力を低減し、発進時や加速時や高速走行時などには
アシスト力を増大するなど、走行状態に応じた適切なア
シスト力を発生させることができ、無駄な電力消費を抑
制し得ると共に必要に応じて大きなアシスト力をもって
走行することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された電動アシスト自転車の概略
ブロック回路図。

【図２】電動アシスト自転車のアシスト力発生構造を示
す模式図。

【図３】本発明に基づく制御要領を示すフロー図。

【図４】係数検索用マップを示す図。

【図５】本発明に基づくアシスト力発生要領を示す波形
図。

【図６】従来の電動アシスト自転車の概略ブロック回路
図。

【図７】従来のアシスト力発生要領を示す波形図。

【符号の説明】

１コントローラ２クランクシャフト３ポテンショメータ４電動機５クランクギア６ギアパルスセンサ７ショートカプラ、７ａ短絡用カプラ８ａメインスイッチ１１ペダル１２トーションバー１３一方向クラッチ、１３ａカム面１４スプロケット１５ａスライダインナ、１５ｂスライダアウタ１６圧縮ばね

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自転車のペダル踏力を検出するためのペ
ダル踏力検出手段と、前記ペダル踏力を補助するアシス
ト力を発生させるように設けられた電動機とを有する電
動アシスト自転車であって、通常モードと低消費電力モードとを切り替えるためモー
ド切り替え手段と、前記ペダル踏力検出値の大きさに応
じて前記アシスト力を算出するアシスト力算出手段とを
有し、前記アシスト力算出手段が、前記通常モードの場合には
前記ペダル踏力検出値をそのまま用いて前記算出を行
い、前記低消費電力モードに切り替えられた場合には前
記ペダル踏力検出値を小さな値にして前記算出を行うこ
とを特徴とする電動アシスト自転車。
【請求項２】前記低消費電力モードに切り替えられた
場合であっても、前記ペダル踏力または前記ペダル踏力
の増加率が増大し場合には前記小さな値となったペダル
踏力検出値を当該増大量に応じて大きくすることを特徴
とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。