JP2002255083A - 電動補助自転車の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 運転状況や路面の状況に応じた適切な補助動
力を発生させられるようにすること。 【解決手段】 モータトルク算出部は６４Ａは、モータ
による補助動力Ｐmとモータ回転数Ｎmとの関数としてモ
ータトルクＴを算出する。さらに、モータトルク算出部
６４Ａは、人力算出部５３で検出された踏力比例の駆動
力Ｐhとクランク回転数ＮCRとの関数として、モータト
ルクＴ0を算出する。運転状態判別部７５は、実走行抵
抗Ｒa、アシスト車平地走行抵抗Ｒ1、および車速Ｖ等に
基づいて車両の運転状態を判別し、その運転状態によ
り、モータトルクＴおよびモータトルクＴ0の加算値ま
たはモータトルクＴ0をモータに指令する。これによ
り、運転状態に応じて、例えば走行抵抗が低い領域や漕
ぎ始めなどでも、適切な補助動力を付与することができ
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、電動補助自転車の
制御装置に関し、特に、電動補助装置を備えない自転車
（以下、「通常の自転車」と呼ぶ）と同様の走行感覚で
運転できるようにするのに好適な電動補助自転車の制御
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】人力でペダルに加えられた力つまり踏力
を後輪に伝達するための人力駆動系と、踏力に応じて人
力駆動系に補助動力を付加させることができるモータ駆
動系とを備えた電動補助自転車が知られている。この電
動補助自転車は踏力とペダル回転数とに応じたモータ出
力で人力を補助するよう構成されていて、踏力が大きく
なるとモータ出力が大きくなって人力は軽減される。す
なわち、モータ出力は踏力比例出力である。

【０００３】また、電動補助自転車と通常の自転車との
重量差分を補助できるようにモータ出力を発生させるこ
とが考えられる。例えば、特開平８−１２７３８６号公
報には、通常の自転車との重量差分をモータで補助する
ようにして、手押し走行時の人の負担を軽減するように
した電動補助自転車が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
電動補助自転車は、モータ出力が踏力比例出力であるた
め、ペダル回転に追従して周期的に大小変化する踏力に
対して、この周期的な変化を増幅する方向に補助動力が
与えられる。したがって、補助動力によって人の負担は
軽減できるが、車速は周期的に変動する傾向がある。

【０００５】一方、上記公報に記載されたように踏力を
考慮せずに自転車の重量差分を補助動力でまかなうよう
にすれば、車速の周期的な変動は発生しない。しかし、
従来は、乗車走行時にも踏力を考慮しないで補助動力を
与えるようなことは考えられておらず、単に、手押し走
行時の部分的な利用に限定されていた。したがって、傾
斜路面の走行までも考慮にいれると、傾斜センサ等、他
の補助制御手段が必要であった。

【０００６】本発明の目的は、上記課題に鑑み、踏力の
周期的な変動を増幅させることなく、傾斜路面や平坦路
のいずれにおいても通常の自転車と変わらない走行感覚
で運転できる電動補助自転車の制御装置を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、人力による駆動力を後輪に伝達するため
の人力駆動系と、モータによる駆動力を後輪に伝達する
モータ駆動系とを備えた電動補助自転車の制御装置にお
いて、車両の実走行抵抗に応じた第１駆動力を前記モー
タ駆動系で発生させる第１補助動力発生手段と、踏力お
よびクランク軸回転数に応じた第２駆動力を前記モータ
駆動系で発生させる第２補助動力発生手段と、車両の運
転状態を判別する運転状態判別手段と、運転状態に応じ
て、前記第１駆動力および第２駆動力を選択的にまたは
組み合わせて発生させる制御手段とを具備した点に第１
の特徴がある。

【０００８】また、本発明は、人力による駆動力を後輪
に伝達するための人力駆動系と、モータによる駆動力を
後輪に伝達するモータ駆動系とを備えた電動補助自転車
の制御装置において、車両の実走行抵抗を検出する走行
抵抗検出手段と、前記実走行抵抗に応じた第１駆動力を
前記モータ駆動系で発生させる第１補助動力発生手段
と、踏力およびクランク軸回転数に応じた第２駆動力を
前記モータ駆動系で発生させる第２補助動力発生手段
と、前記実走行抵抗に基づいて路面の傾斜状態を判別す
る判別手段を具備し、前記傾斜状態により平坦地である
と判断された場合に、前記第１駆動力および第２駆動
力、または第２駆動力のみを選択的に発生させる点に第
２の特徴がある。

【０００９】また、本発明は、前記運転状態判別手段に
より、運転状態が車両の漕ぎ始めであると判断された場
合に、前記第１駆動力および第２駆動力、または第２駆
動力のみを選択的に発生させるよう、前記制御手段が構
成された点に第３の特徴がある。

【００１０】さらに、本発明は、人力による駆動力を後
輪に伝達するための人力駆動系と、モータによる駆動力
を後輪に伝達するモータ駆動系とを備えた電動補助自転
車の制御装置において、車両の実走行抵抗に応じた第１
駆動力を前記モータ駆動系で発生させる第１補助動力発
生手段と、踏力およびクランク軸回転数に応じた第２駆
動力を前記モータ駆動系で発生させる第２補助動力発生
手段と、前記第１駆動力および第２駆動力を加算してモ
ータ駆動系の駆動力とする制御手段とを具備した点に第
４の特徴がある。

【００１１】上記特徴によれば、走行時に実際に電動自
転車が受ける抵抗（実走行抵抗）を減少させるように第
１補助動力が発生させられるとともに、踏力に対応する
第２補助動力が発生させられる。そして、これらの補助
動力は運転状態に応じて使い分けられる。

【００１２】特に第２の特徴によれば、路面の傾斜状態
に応じて第１および第２補助動力が使い分けられ、傾斜
状態に応じて適切な補助動力を与えることができる。ま
た、第３の特徴によれば、車両の漕ぎ始めにおいて、第
１および第２補助動力が使い分けられる。さらに、第４
の特徴によれば、走行抵抗が低い領域でも良好に補助動
力を発生させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態を説明する。図２は、本発明の一実施形態に係
る制御装置を有する電動補助自転車の側面図である。電
動補助自転車の車体フレーム１は、車体前方に位置する
ヘッドパイプ２と、ヘッドパイプ２から後下がりに延び
るダウンパイプ３と、ダウンパイプ３に連結されて後方
に延びるリヤフォーク４と、ダウンパイプ３の最下端か
ら上方に立ち上がるシートポスト５とを備える。

【００１４】ヘッドパイプ２にはフロントフォーク６が
回動自在に支持される。フロントフォーク６の下端には
前輪７が軸支され、フロントフォーク６の上端には操向
ハンドル８が取り付けられる。操向ハンドル８には、ブ
レーキレバー９が設けられ、ブレーキレバー９から引き
出されるケーブル１０は、フロントフォーク６に固定さ
れた前輪ブレーキ１１に連結される。同様に後輪ブレー
キ用のブレーキレバーも操向ハンドル８に設けられる
が、図示は省略している。また、ブレーキレバー９に
は、このブレーキレバー９が操作されたことを感知する
ブレーキセンサ（図示せず）が設けられる。

【００１５】シートポスト５の上端に連結される左右一
対のステー１２は後下がりに延び、下端近傍でリヤフォ
ーク４と結合される。リヤフォーク４とステー１２とが
結合されてなる部材には後輪１３が支持され、さらに前
記部材に支持されて後輪１３のハブと同軸上に補助動力
源としてのモータ１４が設けられる。モータ１４として
は、高トルクかつ低フリクションである三相ブラシレス
モータが好ましい。このモータ１４の具体的な構造や制
御に関しては後述する。

【００１６】シートポスト５には、上端にシート１５を
備えた支持軸１６が、シート１５の高さを調整可能なよ
うに装着される。シート１５の下方でシートポスト５と
後輪１３との間にはモータ１４に電力を供給するバッテ
リ１７が設けられる。バッテリ１７は、シートポスト５
に固着されるブラケット１８に保持される。ブラケット
１８には給電部１９が設けられ、この給電部１９は、図
示しない電線でモータ１４に結合されるとともに、バッ
テリ１７の電極に接続される。バッテリ１７の上部は、
バンド２０とバックル金具２１とからなる締結具でシー
トポスト５に支持される。

【００１７】前記ダウンパイプ３とシートポスト５との
交差部には、車体の左右に延びるクランク軸２２が支持
され、クランク軸２２には、クランク２３を介してペダ
ル２４が結合される。クランク軸２２には図示しない踏
力センサを介して駆動スプロケット２５が連結され、ペ
ダル２４に加えられた踏力は踏力センサを介して駆動ス
プロケット２５に伝達される。

【００１８】駆動スプロケット２５と後輪１３のハブに
設けられた従動スプロケット２６間にはチェーン２７が
掛け渡される。チェーン２７の張り側および駆動スプロ
ケット２５にはチェーンカバー２８が被せられる。クラ
ンク軸２２には、クランク軸２２の回転センサが設けら
れる（図示せず）。回転センサとしては、自動車用エン
ジンのクランク軸回転検出に用いられるセンサ等、公知
のものを使用できる。

【００１９】続いて、クランク軸２２に装着された踏力
検出装置を説明する。図１８はクランク軸２２周辺の断
面図であり、図１９は図１８のＡ−Ａ矢視図である。ダ
ウンパイプ３に固着された支持パイプ１００の両端に螺
挿されたキャップ１０１Ｌ，１０１Ｒとクランク軸２２
に形成された段差との間にはボールベアリング１０２
Ｌ，１０２Ｒがそれぞれ嵌挿され、クランク軸２２を回
転自在に支承する。

【００２０】クランク軸２２の左右端には、ボルト１０
３Ｂに適合するナット１０３Ｃでクランク２３がそれぞ
れ固定される（右側のみ図示）。クランク２３と支持パ
イプ１００との間にはワンウェイクラッチ１０４の内輪
１０５が固定される。内輪１０５の外周には駆動スプロ
ケット２５がブッシュ１０５Ａを介して回動自在に支承
されている。駆動スプロケット２５のスラスト方向の位
置はナット１０６Ａとプレート１０６Ｂとによって規制
されている。

【００２１】駆動スプロケット２５には蓋体１０７が一
体的に設けられていて、これら駆動スプロケット２５と
蓋体１０７で囲繞された空間には、伝達プレート１０８
が配設されている。伝達プレート１０８は駆動スプロケ
ット２５に対して同軸で、かつクランク軸２２を軸とし
た回転方向では互いに予定量のずれが許容されるよう支
持されている。

【００２２】駆動スプロケット２５および伝達プレー１
０８にまたがって、複数（ここでは６個）の窓１０９が
穿設されており、この窓１０９の内側には圧縮コイルば
ね１１０がそれぞれ収容されている。圧縮コイルばね１
１０は駆動スプロケット２５および伝達プレート１０８
間で、互いに回転方向のずれが生じたときに、ずれに対
する抗力を生ずるように作用する。

【００２３】伝達プレート１０８のハブの内周にはワン
ウェイクラッチ１０４の外輪としてのラチェット歯１１
１が形成されていて、このラチェット歯１１１は前記内
輪１０５に支持されて放射方向にばね１１２で付勢され
ているラチェット爪１１３と係合する。ワンウェイクラ
ッチ１０４には防塵のためのカバー１１４が設けられ
る。

【００２４】伝達プレート１０８には、踏力伝達リング
１２４に固着された踏力伝達用の突起部１１５が係合す
る係止孔１１６が設けられる。駆動用スプロケット２５
には、突起部１１５を係止孔１１６に係合可能にするた
めの窓１１７が設けられていて、突起部１１５はこの窓
１１７を貫通して、係止孔１１６に嵌合される。

【００２５】駆動スプロケット２５および伝達プレート
１０８にまたがって、前記窓１０９とは別の小窓が複数
（ここでは３個）穿設されており、この小窓の内側には
圧縮コイルばね１１８がそれぞれ収容される。圧縮コイ
ルばね１１８は伝達プレート１０８をその回転方向１１
９側に付勢するように配置されている。すなわち、駆動
スプロケット２５と伝達プレート１０８との結合部のガ
タを吸収する方向に作用しており、伝達プレート１０８
の変位が駆動スプロケット２５へ良好な応答性で伝達さ
れるように機能する。

【００２６】駆動スプロケット２５の、車体寄りつまり
ダウンパイプ３側には、踏力検知装置のセンサ部分（踏
力センサ）４７が装着されている。踏力センサ４７は駆
動スプロケット２５に固定された外側リング１２０と、
この外側リング１２０に対して回転自在に設けられ、磁
気回路を形成するためのセンサ本体１２１とを有する。

【００２７】外側リング１２０は電気絶縁性を有する材
料で形成されており、図示しないボルトで駆動スプロケ
ット２５に固定される。外側リング１２０の、駆動スプ
ロケット２５側にはカバー１２２が設けられ、止めねじ
１２３で外側リング１２０に固定されている。

【００２８】図２０は、センサ本体１２１の拡大断面図
である。前記クランク軸２２と同心にコイル１２５が設
けられ、このコイル１２５の軸方向両側に配置されて、
コイル１２５の外周方向に張り出した一対のコア１２６
Ａ，１２６Ｂが設けられる。また、前記コア１２６Ａ，
１２６Ｂ間には、環状の第１誘導体１２７と第２誘導体
１２８が設けられる。第１誘導体１２７と第２誘導体１
２８とは、踏力伝達リング１２４から伝達される踏力に
応じて互いに円周方向で変位可能であり、この変位によ
って、コア１２６Ａ，１２６Ｂ間における部分での互い
の重なり量が変化するように構成される。その結果、コ
イル１２５に通電したとき、コア１２６Ａ，１２６Ｂお
よびコアカラー１２９、ならびに第１誘導体１２７およ
び第２誘導体１２８を含む磁気回路の磁束は踏力に応じ
て変化する。そこで、この磁束の関数であるコイル１２
５のインダクタンス変化を検出して踏力検出することが
できる。なお、図１９において、符号１３０，１３１は
センサ本体１２１の支持部材、符号１３２はベアリン
グ、符号１３３はコイル１２５から引き出されるリード
線である。

【００２９】上記踏力検出装置は、本出願人の先願（特
願平１１−２５１８７０号（整理番号Ａ９９−１０２
６））の明細書に詳細に記載されている。なお、踏力検
出装置は上述のものに限らず、公知のものを適宜選択し
て使用できる。

【００３０】図３は、モータ１４の断面図である。リヤ
フォーク４の後端およびステー１２の下端の接合部から
後方に張り出したプレート２９には、変速機を組み込ん
だシリンダ３０が軸３１で支持される。シリンダ３０の
外周にはホイールハブ３２が嵌合される。ホイールハブ
３２は内筒および外筒を有する環状体であり、内筒の内
周面がシリンダ３０の外周に当接する。ホイールハブ３
２の側面には、シリンダ３０から張り出した連結板３３
がボルト３４によって固定される。ホイールハブ３２の
外筒の内周にはモータ１４のロータ側磁極を構成するネ
オジウム磁石３５が所定間隔をおいて配置される。すな
わち外筒は磁石３５を保持したロータコアを構成する。

【００３１】ホイールハブ３２の内筒の外周には軸受３
６が嵌合し、この軸受３６の外周にはステータ支持板３
７が嵌合する。ステータ支持板３７の外周にはステータ
３８が配置され、ボルト４０によって取り付けられる。
ステータ３８はロータコアつまりホイールハブ３２の外
筒と所定の細隙を有するように配置され、このステータ
３８には、三相コイル３９が巻装される。

【００３２】ステータ支持板３７の側面には、ホール素
子で構成される磁極センサ４１が設けられる。磁極セン
サ４１は前記ホイールハブ３２から突出して設けられる
磁石４２が通過するときの磁束変化を感知して、ロータ
としてのホイールハブ３２の位置信号を出力する。磁極
センサ４１はモータ１４の各相に対応して３カ所に設け
られる。

【００３３】また、ステータ支持板３７の側面には、磁
極センサ４１からの位置信号によって前記三相コイル３
９への通電制御を行うための制御基板４３が設けられ、
この制御基板４３上にはＣＰＵやＦＥＴ等の制御素子が
装着される。なお、制御基板４３は前記磁極センサ４１
用の取り付け基板と一体化できる。

【００３４】ホイールハブ３２の外周には図示しない後
輪のリムと連結されるスポーク４４が固着される。さら
に、ステータ支持板３７の、前記制御基板４３等が装着
された側とは反対側には、ボルト４５によってブラケッ
ト４６が固定され、ブラケット４６は前記車体フレーム
のプレート２９に図示しないボルトで結合される。

【００３５】このように、後輪１３の軸３１と同軸上に
配置したステータとロータとからなる三相ブラシレスモ
ータ１４が設けられ、チェーン１７と従動スプロケット
２６とによって伝達される人力に付加される補助動力を
発生する。

【００３６】続いて、上記モータ１４に対する通電制御
つまり出力制御について説明する。図４は、想定走行路
における補助動力の発生態様を示す図であり、横軸は時
間軸である。ここでは、平坦路から始まり、上り坂およ
び下り坂を経て、再び平坦路を走行する路面を想定す
る。この想定走行路において、平坦路から徐々に速度を
上げ、上り坂にさしかかった後、定速走行する走行パタ
ーンを設定する。図中、曲線で示された駆動力は踏力比
例で補助動力を発生させた従来の制御に係るものであ
り、小さい曲線は踏力Ｔaによる駆動力（人力）Ｐhを示
し、この曲線と同位相の大きい曲線はモータによる補助
動力Ｐmを示す。この図から理解されるように、人力Ｐh
と補助動力Ｐmとが１対１の比となるように制御する従
来方式では、上り坂において補助動力Ｐmは増大するも
のの、人力Ｐhも高いレベルにある。

【００３７】これに対して、本実施形態では、平坦路、
上り坂および下り坂のいずれの路面においても所定の駆
動力つまり軽快車の平地走行抵抗相当分の駆動力を人が
分担するように制御する。具体的には、走行によって生
じる走行抵抗Ｒaのうち、一般に軽快車と呼ばれる、通
常の自転車のうちでも比較的重量の小さい車両を平坦路
で運転するときの抵抗分のみを人力で負担し、残りをモ
ータ１４の出力で補助するようにする。これによって、
運転者はどのような路面であっても平坦路を軽快車で走
行するときのような感覚で運転できる。図４において、
走行時に実際に発生する抵抗Ｒaに対して、補助動力Ｐm
を与えるようにモータトルクを発生させる。この際、
（Ｒa−Ｐm）が所定値となるようにモータトルクは決定
される。つまり、運転者は軽快車の平地走行抵抗に相当
する所定の踏力Ｔaによって自転車を走行させることが
できる。

【００３８】以下に、上記出力制御をさらに詳細に説明
する。但し、上記の内容は、本実施形態における出力制
御の基本的概念であり、以下に述べる具体的な制御で
は、種々の変形も含んでいる。

【００３９】図１は、実走行抵抗に応じてモータ１４の
出力を制御する制御装置の要部機能ブロック図であり、
この機能における演算部および記憶部等はマイクロコン
ピュータによって実現できる。同図において、踏力検出
部５１は踏力センサ４７の検出信号により踏力Ｔaを検
出する。クランク回転数検出部５２はクランク回転セン
サ４８の検出信号によりクランク回転数ＮCRを検出す
る。人力算出部５３は、ペダル２４から入力される踏力
に比例した駆動力Ｐhを、次式（式１）を使用して算出
する。Ｐh＝Ｔa×ＮCR×ｋ1…（式１）。但し、ｋ1は係
数である。

【００４０】総駆動力算出部５４は人力によって得られ
る駆動力ＰhとモータトルクＴおよびモータ回転数Ｎmに
基づくモータ出力とを加算して総駆動力Ｐwを算出す
る。ここで使用されるモータトルクＴは前回値つまり前
回値メモリ６１に格納されている値Ｔ-1である。

【００４１】モータ回転数検出部５６はモータ回転セン
サ４９の検出信号によりモータ回転数Ｎmを検出する。
車速検出部５７は車速センサ５０の検出信号により車速
Ｖを検出する。なお、モータ回転センサ４９および車速
センサ５０として前記磁極センサ４１を使用できる。

【００４２】車速メモリ５８には車速Ｖの前回検出値Ｖ
-1が記憶される。車速変化量算出部５９は車速Ｖの前回
値Ｖ-1と今回値Ｖとの差ΔＶを算出する。標準走行抵抗
演算部６０は車速Ｖにより通常の自転車の平地走行抵抗
Ｒrをマップ検索する。

【００４３】走行抵抗算出部６２は総駆動力Ｐwおよび
車速変化量ΔＶに基づいて車速Ｖ毎のマップを検索して
実走行抵抗Ｒaを算出する。実走行抵抗Ｒaを求めるマッ
プは後述する。なお、走行抵抗算出部６２では、総駆動
力Ｐwに代えて総駆動力Ｐwの積算値を用いてもよい。す
なわち、総駆動力積算部５５を設けて、その出力を使用
できる。総駆動力積算部５５は、予定時間毎または予定
期間毎の総駆動力Ｐwを積算して積算値Ｐ・ｈを求め
る。例えば、クランク軸２２の１回転中の総駆動力Ｐw
の積算値Ｐ・ｈを求める。

【００４４】補助動力算出部６３は実走行抵抗Ｒaから
通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrを減算してモータ１４
による補助動力Ｐmを算出する。モータトルク算出部６
４では、モータ回転数Ｎmと補助動力Ｐmとに基づいてモ
ータ１４に指令するモータトルクＴを算出する。モータ
トルクＴは予めモータ回転数Ｎmと補助動力Ｐmとの関数
として設定されるマップを検索することによって求め
る。算出されたモータトルクＴはモータ１４の制御部に
出力されるとともに、前回値メモリ６１に格納される。

【００４５】このように、上記制御装置によれば、ペダ
ル２４を一漕ぎする間の投入エネルギに対応する車速変
化によって実走行抵抗Ｒaが求められ、この実走行抵抗
Ｒaのうち、通常の自転車の平地走行時の走行抵抗分Ｒr
を除いた分がモータ１４の出力となって人力に付加され
る。

【００４６】図５は、上記制御装置の要部機能（その
２）を示すブロック図である。この制御装置では、路面
傾斜判断手段を備え、路面傾斜に応じて補助動力Ｐmを
増減調整できる。図５において、アシスト車平地走行抵
抗算出部６５を備え、車速Ｖに基づいて、予め定めたマ
ップを検索してアシスト車平地走行抵抗Ｒ1を算出す
る。路面傾斜判断部６６は、走行抵抗算出部６２で算出
された実走行抵抗Ｒaとアシスト車平地走行抵抗Ｒ1とに
基づき、実走行抵抗Ｒaが平地走行抵抗Ｒ1より予定以上
に大きい場合は、上り坂走行であると判断し、実走行抵
抗Ｒaが平地走行抵抗Ｒ1より予定より小さい場合は、下
り坂走行であると判断する。上り坂開始時は、タイマ６
７を起動し、このタイマ６７による計測が終了するまで
補助力増大部６８を付勢する。一方、下り坂開始時は、
タイマ６９を起動し、このタイマ６９による計測が終了
するまで補助動力低減部７０を付勢する。

【００４７】補助動力増大部６８は補助動力の算出に使
用される係数を、補助動力Ｐmが増大するように補正
し、補助動力低減部７０は、補助動力の算出に使用され
る係数を、補助動力Ｐmが低下するように補正する。補
助動力算出部６３は、補助動力増大部６８および補助動
力低減部７０から供給される補正された係数に従って、
路面傾斜に応じて補正された補助動力Ｐmを出力する。

【００４８】図６は、補助動力決定のタイミングを示す
図である。同図には、車速Ｖ、踏力Ｔa、モータによる
補助動力Ｐm、並びにこれらの検出・演算タイミングを
示す。各センサの検出出力は踏力Ｔaの最小値が検出さ
れたときから、次に踏力Ｔaが最小値になるまでの間に
読み込まれる。そして、踏力Ｔaが最小値となったとき
に、その時点での各センサの検出値をもとに、次回の補
助動力Ｐmの演算を開始する。また、踏力Ｔaが最小値と
なったときに、車速Ｖを検出し、前回の車速との差ΔＶ
を算出する。例えば、タイミングｔ１，ｔ２，ｔ３で、
補助動力Ｐmの演算と、車速差（Ｖ−Ｖ-1）の演算とを
行う。また、タイミングｔ１，ｔ２，ｔ３で演算開始さ
れた補助動力Ｐmを得るための通電デューティをタイミ
ングｔ１’，ｔ２’，ｔ３’でそれぞれ指示する。

【００４９】図７は、モータ１４の出力制御回路図であ
り、図８は通電タイミングと通電デューティを示す図で
ある。図７において、全波整流器７１は３相のステータ
コイル３９に接続されたＦＥＴ（一般的には個体スイッ
チング素子）７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ，７ｅ，
７１ｆを有し、このＦＥＴ７１ａ〜７１ｆはドライバ７
２によって通電制御される。通電デューティは前記モー
タトルク算出部６４から供給される指示に基づいてデュ
ーティ設定部７３で設定されドライバ７２に入力され
る。

【００５０】補助動力Ｐmを付与する駆動タイミングに
おいては、前記デューティ設定部７３からドライバ７２
に通電デューティが供給され、ドライバ７２はこの通電
デューティに従い、ＦＥＴ７１ａ〜７１ｆを付勢し、バ
ッテリ１７から電流を供給する。一方、回生出力を発生
させる場合は、前記駆動タイミングから電気角で１８０
度ずれた回生タイミングにおいて、前記デューティ設定
部７３からドライバ７２に通電デューティが供給され、
ドライバ７２はこの通電デューティに従い、ＦＥＴ７１
ａ〜７１ｆを付勢する。回生タイミングでＦＥＴ７１ａ
〜７１ｆが付勢されると、ステータコイル３９に発生し
た電流はＦＥＴ７１ａ〜７１ｆで整流され、バッテリ１
７に給電される。

【００５１】なお、駆動タイミングか回生タイミングで
あるかは、モータトルク算出部６４から供給される要求
モータトルクＴをもとにトルク判断部７４で判断され
る。モータトルクの要求値Ｔが正であるときは駆動タイ
ミングに通電タイミングを設定し、モータトルクの要求
値Ｔが負であるときは回生タイミングに通電タイミング
を設定する。

【００５２】図８において、ＦＥＴ７１ａ〜７１ｆは通
電角を電気角１２０度に設定して付勢される。同図は、
駆動タイミングでの通電タイミングを示し、回生タイミ
ングでは、ハイ側のＦＥＴ７１ａ，７１ｃ，７１ｅをこ
の駆動タイミングから電気角で１８０度ずらせる。

【００５３】図９、図１０は、実走行抵抗に応じた補助
動力を発生する処理の要部フローチャートである。同図
において、ステップＳ１では、モータ回転センサ４９の
検出出力に基づいて車速Ｖを算出する。ステップＳ２で
は、車速Ｖに基づいて電動補助自転車（以下、「アシス
ト車」という）の平地走行抵抗Ｒ1、および通常の自転
車（軽快車）の平地走行抵抗Ｒrを算出する。例えば、
車重量１２ｋｇの軽快車を体重５５ｋｇの人が運転する
場合を標準の平地走行抵抗Ｒrとし、車重量２６ｋｇの
アシスト車を体重６５ｋｇの人が運転する場合をアシス
ト車の平地走行抵抗Ｒ1とする。

【００５４】これら平地走行抵抗Ｒ1、Ｒrは、予め設定
されているマップから検索することができる。図１１
は、車速Ｖと平地走行抵抗Ｒ1、Ｒrとの関係についてそ
の一例を示すマップである。同図には、アシスト車の平
地走行抵抗Ｒ1および通常の自転車の平地走行抵抗Ｒr
を、それぞれ車速Ｖの関数として示す。このマップに車
速Ｖを適用してアシスト車の平地走行抵抗Ｒ1および通
常の自転車の平地走行抵抗Ｒrを求めることができる。

【００５５】図９に戻り、ステップＳ３では、前回検出
した車速Ｖ-1と今回検出した車速Ｖとの差（Ｖ−Ｖ-1）
を算出して車速変化量ΔＶ（値が負のときは減速）を求
める。ステップＳ４では、踏力センサ４７およびクラン
ク回転センサ４８の検出出力により、それぞれ踏力Ｔa
およびクランク回転数ＮCRを検出する。ステップＳ５で
は、次式（式２）により、踏力Ｔaおよびクランク回転
数ＮCRの関数である踏力比例分の出力つまりモータトル
クＴ0を算出する。モータトルクＴ0＝ｆ（Ｔa,ＮCR）…
（式２）。

【００５６】ステップＳ６では、モータ回転センサ４９
の出力つまりモータ１４の回転数Ｎmを検出する。ステ
ップＳ７では、前回のモータトルクＴ-1を前回値メモリ
６１から読み出す。ステップＳ８では、次式（式３）に
より、総駆動力Ｐwつまり人力Ｐhと補助動力Ｐm-1との
総計を算出する。駆動力Ｐw＝（Ｔa×ＮCR×ｋ1）＋
（Ｔ-1×Ｎm×ｋ2）…（式３）。ここで、ｋ1，ｋ2は係
数である。

【００５７】ステップＳ９では、次式（式４）により、
駆動力Ｐw、速度変化量ΔＶ、および車速Ｖの関数であ
る実走行抵抗Ｒaを算出する。実走行抵抗Ｒa＝ｆ（Ｐw,
ΔＶ,Ｖ）…（式５）。この実走行抵抗Ｒaの算出は、具
体的には、駆動力Ｐw、速度変化量ΔＶおよび実走行抵
抗Ｒaの関係マップを複数段階の車速Ｖ毎（例えば５ｋ
ｍ/時毎）に準備しておき、このマップを検索して求め
ることができる。図１２は、駆動力Ｐw、速度変化量Δ
Ｖおよび実走行抵抗Ｒaの関係を速度変化量ΔＶをパラ
メータとしたマップの一例である。同図には、アシスト
車の平地走行抵抗Ｒ1および通常の自転車の平地走行抵
抗Ｒrを、それぞれ車速Ｖの関数として示す。このよう
なマップを複数段階の車速Ｖ毎に用意する。上述のよう
に、駆動力Ｐwに代えて１サイクルつまりクランク軸２
２の１回転毎の総駆動力の積算値Ｐ・ｈを用いてもよ
い。

【００５８】ステップＳ１０では、路面の傾斜判断つま
り上り坂か下り坂かの判断を行う。この判断は実走行抵
抗Ｒaとアシスト車の平地走行抵抗Ｒ1との比の値によっ
て判断することができる。例えば、比の値（Ｒa/Ｒ1）
が「５」以上では上り坂、「−１」では下り坂、これら
の中間の値では平坦地と判断する。

【００５９】上り坂と判断されれば、ステップＳ１１に
進み、下り傾斜であることを示すフラグＦ1をクリアに
する。ステップＳ１２では、上り坂を示すフラグＦ0が
セットされているか否かを判別し、これが肯定ならばス
テップＳ２３（図１０）に進む。ステップＳ１２が否定
ならばステップＳ１３で係数Ｋに「１．２」をセットす
る。係数Ｋを大きくすることにより、後述のように、補
助動力Ｐmが小さくなり、上り坂にさしかかったことを
運転者に実感させることができる。

【００６０】ステップＳ１４では、カウンタ値ｎをイン
クリメントする。ステップＳ１５では、カウンタ値ｎが
「５」になったか否かを判断する。カウンタ値ｎが
「５」になったならばステップＳ１６で該カウンタ値ｎ
をクリアにし、フラグＦ0をクリアにして、ステップＳ
２３（図１０）の傾斜補正値算出処理（図１５，図１６
に関して後述）を行う。カウンタ値ｎが「５」になって
いないときは、ステップＳ２４（図１０）に進む。

【００６１】一方、下り坂と判断されれば、ステップＳ
１７に進み、上り傾斜であることを示すフラグＦ0をク
リアにする。ステップＳ１８では、下り坂を示すフラグ
Ｆ1がセットされているか否かを判別し、これが肯定な
らばステップＳ２３（図１０）に進む。ステップＳ１８
が否定ならば係数Ｋに「０．８」をセットする。係数Ｋ
を小さくすることにより、後述のように、補助動力Ｐm
が大きくなり、下り坂になったことを運転者に実感させ
ることができる。ステップＳ２０では、カウンタ値ｍを
インクリメントする。ステップＳ２１では、カウンタ値
ｍが「３」になったか否かを判断する。カウンタ値ｍが
「３」になったならばステップＳ２２で該カウンタ値ｍ
をクリアにし、フラグＦ1をクリアにして、ステップＳ
２３に進む。カウンタ値ｍが「３」になっていないとき
は、ステップＳ２４（図１０）に進む。ステップＳ１０
で平坦地であると判断されたときは、係数Ｋやカウンタ
値ｍ、ｎ等の処理を行わず、ステップＳ２４に移行す
る。

【００６２】図１０において、ステップＳ２４では、ブ
レーキスイッチがオンか否かを判断する。ブレーキスイ
ッチがオンになっていれば、ステップＳ２５で係数Ｋに
定数「１．２」を乗算してステップＳ２６に進む。この
係数Ｋの乗算により後述のように回生出力が大きくな
る。ブレーキスイッチがオンでない場合は、ステップＳ
２５をスキップしてステップＳ２６に進む。ステップＳ
２６では、通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrに係数Ｋを
乗算する。ステップＳ２７では、次式（式６）により、
補助動力Ｐmを算出する。補助動力Ｐm＝Ｒa−Ｒr…（式
６）。

【００６３】上記式６から理解できるように、補助動力
Ｐmは通常の自転車の平地走行抵抗Ｒrが大きい場合に小
さくなり、この平地走行抵抗Ｒrが小さい場合に大きく
なる。ステップＳ２６で平地走行抵抗Ｒrに係数Ｋが乗
算されているので、この係数Ｋによって補助動力Ｐmは
変化する。したがって、上り坂であると判断されて係数
Ｋに「１．２」が設定された場合（ステップＳ１３）、
カウンタｎが予定値「５」になるまでの期間は補助動力
Ｐmが小さくなって、運転者は負荷の増大を感じる。一
方、下り坂であると判断されて係数Ｋに「０．８」が設
定された場合（ステップＳ１９）、カウンタｍが予定値
「３」になるまでの期間は補助動力Ｐmが大きくなっ
て、運転者は負荷の減少を感じる。

【００６４】また、前記ステップＳ２５で係数Ｋを大き
くした場合には、次の理由で回生出力が増大する。すな
わち、ブレーキをかけるような状況では総駆動力Ｐwは
小さく、実走行抵抗Ｒaも負の値になっている。したが
って、係数Ｋを大きくして走行抵抗Ｒrを大きくするこ
とにより、ステップＳ２７の処理で実走行抵抗Ｒaの負
の値は一層大きくなり、回生出力は増大する。こうし
て、ブレーキ操作時には、モータ１４による回生制動に
より効果的に制動できる。

【００６５】ステップＳ２８では、次式（式７）により
補助動力Ｐmとモータ回転数Ｎmとの関数であるモータト
ルクＴを算出する。モータトルクＴ＝ｆ（Ｐm,Ｎm）…
（式７）。

【００６６】なお、モータトルクＴを次のように変更し
てもよい。ステップＳ２９では、モータトルクＴに、踏
力比例分のモータトルクＴ0を加算する。この変更によ
り、走行領域全域で軽快な運転が可能である。

【００６７】ステップＳ３０では、モータ１４の通電タ
イミングを制御する。算出されたモータトルクＴが正で
あればモータ１４を制御する前記全波整流器７１の制御
素子（ＦＥＴ）を駆動時のタイミングで付勢する。一
方、算出されたモータトルクＴが負であればモータ１４
を制御する制御素子（ＦＥＴ）を回生のためのタイミン
グで付勢する。すなわち、駆動時に対して電気角で１８
０度ずれたタイミングを設定する。ステップＳ３１で
は、通電のデューティをモータトルクＴの絶対値に基づ
いて決定する。

【００６８】ステップＳ３２では、下り坂であると判断
されていたときに、車速Ｖが予定の低速（例えば５ｋｍ
/時以下）であるか否かを判断する。この判断が否定の
場合は、ステップＳ３３に進んで上記ステップＳ２６，
Ｓ２７の設定をモータ１４に出力する。すなわち、下り
と判断されても押し歩きのような低速状態と判断された
場合は、モータ１４の通電制御は行われず、したがっ
て、回生制御出力は発生しない。

【００６９】また、ステップＳ２９は次のように変形で
きる。図１３の変形例において、ステップＳ３４では、
平坦地か否かを判断し、平坦地の場合は踏力比例分のモ
ータトルクＴ0を加算する（ステップＳ３５）。また、
ステップＳ３５に代えてステップＳ３６のようにモータ
トルクＴを踏力比例分のモータトルクＴ0で置き換える
ことができる。これにより、平坦地では、踏力比例によ
る補助動力Ｐmを得て運転することができる。

【００７０】さらに、ステップＳ２９は次のように変形
できる。図１４の変形例において、ステップＳ３７で
は、車速Ｖが予定の低速（例えば５ｋｍ/時以下）であ
るか否かを判断し、低速であると判断された場合は、踏
力比例分のモータトルクＴ0を加算する（ステップＳ３
８）。また、ステップＳ３８に代えてステップＳ３９の
ようにモータトルクＴを踏力比例分のモータトルクＴ0
で置き換える。これにより、例えば、漕ぎ始めには、踏
力に比例したモータトルクＴにより補助動力が得られ
る。

【００７１】ステップＳ２９ならびにその変形例の機能
を図１７に機能ブロック図で示す。同図において、モー
タトルク算出部は６４Ａは、図１に関して説明した算出
部６４と同様、モータ１４による補助動力Ｐmとモータ
回転数Ｎmとの関数として、モータトルクＴを算出す
る。さらに、モータトルク算出部６４Ａは、人力算出部
５３で検出された踏力比例の駆動力Ｐhとクランク回転
数ＮCRとの関数として、モータトルクＴ0を算出する。
運転状態判別部７５は、実走行抵抗Ｒa、アシスト車平
地走行抵抗Ｒ1、および車速Ｖ等に基づいて車両の運転
状態を判別し、その運転状態により、モータトルクＴお
よびＴ0の加算値またはモータトルクＴ0をモータ１４に
指令する。

【００７２】続いて、前記ステップＳ２３の具体例を説
明する。ステップＳ２３では、係数Ｋを走行路の傾斜に
適合するように補正する。まず、上り坂補正の例を示
す。図１５は、上り坂を走行する場合の車速Ｖに対応す
る係数Ｋの値を示す図である。同図(a)は１秒間の車速
変化量が３ｋｍ/時未満の例、同図(b)は車速変化量が３
ｋｍ/時以上の例である。なお、係数Ｋの初期値は
「１．０」とする。図１５(a)において、漕ぎ始めのよ
うに車速Ｖが低い（例えば５ｋｍ/時以下）場合は、係
数Ｋを小さくして補助動力Ｐmを大きくする。そして、
車速Ｖが増大してきた後は、係数Ｋを初期値に戻す。

【００７３】図１５(b)において、車速Ｖが低いとき
（例えば、５ｋｍ/時、または１０ｋｍ/時）は、係数Ｋ
を小さくして補助動力Ｐmを大きくする。そして、車速
Ｖが増大するに従って、徐々に係数Ｋを初期値に戻して
いく。すなわち、加速時は、補助動力Ｐmを急には小さ
くせず、車速Ｖがある程度（例えば、２０ｋｍ/時）大
きくなるまでは大きい値に維持する。なお、上り坂の走
行の補正例は、平坦地の走行にも適用できる。

【００７４】次に下り坂補正の例を示す。図１６は、下
り坂を走行する場合の車速Ｖに対応する係数Ｋの値を示
す図である。係数Ｋの初期値は「１．０」である。図１
６において、下り坂で漕ぎ始めたような、車速Ｖが低い
（例えば１５ｋｍ/時以下）場合は、係数Ｋを小さくし
て回生出力を小さくする。そして、車速Ｖが増大してき
た場合、例えば、１５ｋｍ/時から２０ｋｍ/時の間は、
係数Ｋを車速Ｖの増大に比例させて大きくし、回生出力
を徐々に大きくしていく。さらに車速Ｖが増大した場合
は、車速Ｖがある程度（例えば、２５ｋｍ/時）大きく
なるまで、係数Ｋを急激に（例えば、二次曲線的に）、
大きくする。これにより、回生出力は急増し、車速Ｖが
急速に制限される。

【００７５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなとおり、請求項
１〜４の発明によれば、実走行抵抗に応じた第１補助動
力を付与している状態において、運転状態に応じて踏力
に基づく第２補助動力を適宜併用したり、第２補助動力
のみの運転に切り替えたりする適切な制御を行うことが
できる。したがって、実走行抵抗が低い領域でも、良好
に補助動力を発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る制御装置の要部機
能を示すブロック図である。

【図２】 本発明の一実施形態に係る制御装置を有する
電動補助自転車の側面図である。

【図３】 モータの断面図である。

【図４】 路面状態の変化と駆動力の変化との関係を示
す図である。

【図５】 傾斜面開始時に補助動力の制御機能を示すブ
ロック図である。

【図６】 車速および踏力による補助動力決定のタイミ
ングを示すタイミングチャートである。

【図７】 モータの制御回路図である。

【図８】 モータの制御タイミングを示すタイミングチ
ャートである。

【図９】 実走行抵抗に応じた補助動力を発生する処理
の要部フローチャート（その１）である。

【図１０】 実走行抵抗に応じた補助動力を発生する処
理の要部フローチャート（その２）である。

【図１１】 車速と平地走行抵抗との関係を示すマップ
である。

【図１２】 車速変化量と駆動力とによって実走行抵抗
を検索するマップの一例を示す図である。

【図１３】 ステップＳ２９の変形例に係るフローチャ
ートである。

【図１４】 ステップＳ２９の別の変形例に係るフロー
チャートである。

【図１５】 補助動力の補正係数と車速との関係を示す
図（その１）である。

【図１６】 補助動力の補正係数と車速との関係を示す
図（その２）である。

【図１７】 踏力比例の補助動力と実走行抵抗に応じた
補助動力を使い分けるための機能を示すブロック図であ
る。

【図１８】 踏力検知装置を組込んだ人力駆動装置の要
部断面図である。

【図１９】 図１８のＡ−Ａ矢視図である。

【図２０】 踏力検出装置の拡大断面図である。

【符号の説明】

１…車体フレーム、 ５…シートポスト、 ８…操向ハ
ンドル、 ９…ブレーキレバー、 １４…モータ、 １
７…バッテリ、 ２２…クランク軸、 ２４…ペダル、
２７…チェーン、 ３２…ホイールハブ、 ３５…磁
石、 ３７…ステータ支持板、 ３９…ステータコイ
ル、 ４１…磁極センサ、 ４３…基板、４７…踏力セ
ンサ、 ４８…クランク回転センサ、 ４９…モータ回
転センサ、５０…車速センサ、 ５９…車速変化量算
出部、 ６２…走行抵抗算出部、７５…運転状態判別部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H115 PA01 PC06 PG10 PI16 PO02 PO17 PU11 PV09 PV24 QE01 QE04 QH03 QH06 QI04 QN03 RB22 TO09

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人力による駆動力を後輪に伝達するため
   の人力駆動系と、モータによる駆動力を後輪に伝達する
   モータ駆動系とを備えた電動補助自転車の制御装置にお
   いて、 車両の実走行抵抗を検出する走行抵抗検出手段と、 前記実走行抵抗に応じた第１駆動力を前記モータ駆動系
   で発生させる第１補助動力発生手段と、 踏力およびクランク軸回転数に応じた第２駆動力を前記
   モータ駆動系で発生させる第２補助動力発生手段と、 車両の運転状態を判別する運転状態判別手段と、 運転状態に応じて、前記第１駆動力および第２駆動力を
   選択的にまたは組み合わせて発生させる制御手段とを具
   備したことを特徴とする電動補助自転車の制御装置。
2. 【請求項２】 人力による駆動力を後輪に伝達するため
   の人力駆動系と、モータによる駆動力を後輪に伝達する
   モータ駆動系とを備えた電動補助自転車の制御装置にお
   いて、 車両の実走行抵抗を検出する走行抵抗検出手段と、 前記実走行抵抗に応じた第１駆動力を前記モータ駆動系
   で発生させる第１補助動力発生手段と、 踏力およびクランク軸回転数に応じた第２駆動力を前記
   モータ駆動系で発生させる第２補助動力発生手段と、 前記実走行抵抗に基づいて路面の傾斜状態を判別する判
   別手段とを具備し、 前記傾斜状態により平坦地であると判断された場合に、
   前記第１駆動力および第２駆動力、または第２駆動力の
   みを選択的に発生させることを特徴とする電動補助自転
   車の制御装置。
3. 【請求項３】 前記運転状態判別手段により、運転状態
   が車両の漕ぎ始めであると判断された場合に、前記第１
   駆動力および第２駆動力、または第２駆動力のみを選択
   的に発生させるよう、前記制御手段が構成されたことを
   特徴とする請求項１記載の電動補助自転車の制御装置。
4. 【請求項４】 人力による駆動力を後輪に伝達するため
   の人力駆動系と、モータによる駆動力を後輪に伝達する
   モータ駆動系とを備えた電動補助自転車の制御装置にお
   いて、 車両の実走行抵抗を検出する走行抵抗検出手段と、 前記実走行抵抗に応じた第１駆動力を前記モータ駆動系
   で発生させる第１補助動力発生手段と、 踏力およびクランク軸回転数に応じた第２駆動力を前記
   モータ駆動系で発生させる第２補助動力発生手段と、 前記第１駆動力および第２駆動力を加算してモータ駆動
   系の駆動力とする制御手段とを具備したことを特徴とす
   る電動補助自転車の制御装置。