JP2008044414A - 電動補助自転車 - Google Patents

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Abstract

【課題】 簡単な構成で、回生状態への切り替わりを確実に行うことができる電動補助自転車を提供する。
【解決手段】 人力駆動力による人力駆動系と、人力駆動系の人力トルクを検出するトルク検出部４１の検出値に応じた駆動力でモータ３２を駆動する電動駆動系とを備え、人力駆動系のクランク６の回転数が、平坦路を速度検出部４０の検出した走行速度で走行する際のクランクの回転数より低い回転数の時、電動駆動系にて回生充電を行う。この構成によれば、クランクの回転数により下り坂走行状態を判断しているので、運転者の体重や、積載物等に関わりなく、より正確に下り坂走行状態を判断して回生充電を行い、バッテリーを充電し、快適な走行性を維持することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、人力駆動力による人力駆動系と、人力駆動系の人力トルクに応じた駆動力で電動機を駆動する電動駆動系とを有する電動補助自転車に関する。
従来、この種電動補助自転車として、例えば、下り坂などにブレーキをかけたことを検出してモータにブレーキ力を発生させるものが提案されている。（特許文献１）
この特許文献１の構成では、モータが制動力を発生させるのは、ブレーキをかけたことを検出した際であり、ブレーキをかけるまでは、モータによる制動力を発生させることができず、モータを回生状態にすることもできないものであった。
そこで、車速と踏力を検出し、車速の割にペダルが軽い場合には、下り坂を走行中であると判断して、モータを回生状態に制御してバッテリーを充電するものが提案された。（特許文献２）
特開平４−１００７９０号公報 特開平９−２６７７９０号公報
上記特許文献２では、あらかじめ平坦路を走行するに必要な踏力を車速に対応して求めて回生判定値として記憶しており、ある車速での実際の踏力が回生判定値より小さい場合にモータを回生状態に切り替えるように構成されている。
しかしながら、あらかじめ平坦路を走行するのに必要な踏力を車速に対応して求めて回生判定値として記憶させなければならず、制御が煩雑になる問題がある。更に、運転者の体重が軽い際には、平坦路を走行している場合でも、ある速度での実際の踏力が回生判定値より小さくなって、モータが回生状態に切り替わることが想定される。また、重量物を積載して走行している場合、下り坂を走行しているにもかかわらず、ある速度での実際の踏力が回生判定値より小さくならず、回生状態に切り替わるべき状態であるにもかかわらず、回生状態に切り替わらないことが想定されるなど回生状態への切り替わりが不確実になる問題がある。
本発明は、このような問題点に鑑み、簡単な構成で、回生状態への切り替わりを確実に行うことができる電動補助自転車を提供することを課題とするものである。
本発明は、人力駆動力による人力駆動系と、該人力駆動系の人力トルクを検出するトルク検出部の検出値に応じた駆動力で電動機を駆動する電動駆動系とを備え、前記人力駆動系のクランクの回転数が所定値以下の時、電動駆動系にて回生充電を行う制御手段を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、人力駆動力による人力駆動系と、該人力駆動系の人力トルクを検出するトルク検出部の検出値に応じた駆動力で電動機を駆動する電動駆動系とを備え、前記人力駆動系のクランクの回転数が実質状ない時、電動駆動系にて回生充電を行う制御手段を備えたことを特徴とする。
走行速度を検出する速度検出部を設け、クランクの回転数の所定値は、平坦路を前記速度検出部の検出した走行速度で走行する際のクランクの回転数より低い回転数に設定することが好ましい。
制御手段は、車速の変化量を所定値以下となるように回生充電量を制御することが好ましい。
制御手段は、車速の変化量が大きいほど回生充電量を多くするよう制御することが好ましい。
制御手段は、車速が一定速度以上のときに回生充電を行うことが好ましい。
坂道の角度を検出する角度検出手段を有し、制御手段は、角度検出手段の出力に基づいて回生充電を行うことが好ましい。
積載重量を検出する重量検出手段を有し、制御手段は、重量検出手段の出力に基づいて回生充電を行うことが好ましい。
本発明によれば、クランクの回転数により下り坂走行状態を判断しているので、運転者の体重や、積載物等に関わりなく、より正確に下り坂走行状態を判断して回生充電を行い、バッテリーを充電し、快適な走行性を維持することができる等の効果を奏する。
本発明の実施の形態を図１乃至図５に基づいて以下に詳述する。
まず、電動補助自転車の全体構成について、図３に基づき説明する。
１はメインフレームで、前部に設けられたフロントパイプ２及びサドル３から下方に設けられたシートチューブ４に連結されており、メインフレーム１とシートチューブ４が連結される連結部に、ペダル５を取り付けたクランク６と、該クランク６により回転される走行駆動装置７が取り付けられている。
８は前記フロントパイプ２上端に設けられたハンドル、９は前記フロントパイプ２下端に設けられた前車輪で、図示しないモータを内蔵したハブ１０を有し、前記モータにより前車輪９が回転駆動されるようになっており、電動駆動機構を構成している。
１１は後車輪で、前記走行駆動装置７との間にチェーン１２を架設される図示しないスプロケットが設けられており、前記ペダル５を踏む人力を、走行駆動装置７からチェーン１２を介してスプロケットに伝達して後車輪１１を回転させる人力駆動機構を構成している。
１３は前記シートチューブ４と後車輪１１との間に着脱自在に配設されるバッテリー、１４は前記メインフレーム１とシートチューブ４との連結部に設けられたコントロールボックスで、制御回路が内蔵されており、該制御回路の出力に基づいてバッテリー１３から供給される電力によってモータを駆動制御するようになっている。
以下の説明で、「正回転方向」とは、電動補助自転車を前進させるためにペダル５を踏み込んだ際の回転方向、「逆回転方向」とは「正回転方向」に対して反対側の回転方向である。
図４は、ペダル５の踏み込みによって回転するクランク６のクランク軸１５上に構成した前記走行駆動装置７の断面を示している。前記走行駆動装置７は、回転体１６と、該回転体１６に対して圧縮コイルバネ１７によって逆回転方向に付勢され、回転体１６の回転によって回転し後車輪１１をチェーン１２を介して回転させるスプロケット１８と、前記回転体１６とスプロケット１８の位相のずれによって回転トルクを検出するトルク検出手段１９と、スプロケット１８を挟んで回転体１６と一体回転可能に配設されたカバー体２０とによって構成される。
前記回転体１６は環状に形成され、中心孔に内刃２１を形成している。前記クランク６のクランク軸１５側端部に取り付けた歯車２２が前記内刃２１に噛み合い、クランク軸１５と回転体１６は一体に回転する。
前記スプロケット１８は、クランク軸１５に対して軸受２３によって回転自在に支持された取付部材２４にねじ止め固定されており、回転体１６より外周側にスプロケット部が突出している。
前記トルク検出手段１９は、前記取付部材２４に固定されたリング状の固定子２５と、該固定子２５の外側に嵌り、前記回転体１６とスプロケット１８の位相のずれによってクランク軸１５の軸方向に移動可能な可動リング２６と、該可動リング２６の軸方向移動量を検出して制御回路に信号を送るセンサー２７とによって構成される。
前記可動リング２６は金属製、詳細にはアルミニューム又はアルミニューム合金によって形成されている。前記可動リング２６は、バネ２８によりカバー体２０側に付勢されている。前記可動リング２６には、図５に示すごとく、隆起部２９が形成され、該隆起部２９には、カム面３０が形成されている。前記固定子２５には、可動リング２６のカム面３０に摺接する突部３１を形成しており、前記隆起部２９と突部３１とによりカム部を構成している。後述するように、回転体１６とスプロケット１８に位相のずれが生じると、可動リング２６はそのカム面３０を固定子２５の突部３１に摺接させて回転しつつクランク軸１５の軸方向に移動する。
前記センサー２７は、可動リング２６の軸方向移動範囲内において可動リング２６を包囲して図示しない巻回コイルを配置し、可動リング２６の軸方向移動による巻回コイルのインダクタンスの変化を検出するものである。前記センサー２７は、可動リング２６の巻回コイル内への侵入量が大きくなればなるほど、巻回コイルのインダクタンスが大きくなる。制御回路は、このインダクタンスの変化を検出し、その結果に基づいてモータを駆動制御する。
次に、図１に示すブロック図に基づいて制御回路を説明する。
３２は前記前車輪９のハブ１０に内蔵されるモータで、前記バッテリー１３から充放電回路３３を介して供給される電力によって前車輪９を回転させ、或いは前車輪９の回転を利用して発電し、前記充放電回路３３を介してバッテリー１３を充電する。以下、バッテリー１３から供給された電力によって前車輪９を回転させる状態を「非回生状態」、前車輪９の回転により発電してバッテリー１３を充電する状態を「回生状態」という。
３４は前記ハンドル８近傍に取り付けられる操作部に設けられた電源スイッチ、３５は前記操作部に設けられるモード設定スイッチで、「標準」、「オートエコ」のいずれかの運転モードを選択するようになっている。前記操作部には、電源スイッチ３４とモード設定スイッチ３５以外に、前照灯となるライトの点灯を制御するライト点灯スイッチ３６、バッテリー１３の残量を表示するバッテリー残量表示部３７、前記モード設定スイッチ３５で選択された運転モードを表示するモード表示部３８が設けられている。
３９はブレーキ検出部で、自転車のブレーキがかけられたことを検出し、ブレーキがかけられると、モータ３２を「回生状態」としてバッテリー１３を充電するようになっている。４０は速度検出部で、前記モータ３２の回転速度によって自転車の走行速度を検出する。４１はトルク検出部で、前記センサー２７を有し、前記巻回コイルのインダクタンスの変化を検出して、ペダル５に加わるペダル踏力を検出する。４２はクランク速度検出部で、前記センサー２７の出力波形からクランク６の回転数を検出するようになっている。
４３は制御装置で、前記電源スイッチ３４、モード設定スイッチ３５、ライト点灯スイッチ３６、ブレーキ検出部３９、速度検出部４０、トルク検出部４１及びクランク速度検出部４２からの信号を入力し、充放電回路３３、ライトの点消灯、バッテリー残量表示部３７及びモード表示部３８を制御する。
而して、運転者がペダル５を踏み込んで走行を開始する際、ペダル５にクランク６を介して連繋された回転体１６は回転しようとするが、後車輪１１にチェーン１２を架設して連繋されるスプロケット１８には大きな抵抗が作用する。このため、回転体１６が先に回転を始め、回転体１６とスプロケット１８との間で圧縮コイルバネ１７が圧縮されて、回転体１６とスプロケット１８に位相差が生じる。
回転体１６の位相がスプロケット１８より進むと、回転体１６と一体回転可能で且つクランク軸１５の軸方向に移動可能な可動リング２６は、カム面３０を固定子２５の突部３１に摺接させてセンサー２７の巻回コイルに侵入する方向に移動する。可動リング２６の侵入によってセンサー２７の巻回コイルのインダクタンスが大きくなり、巻回コイルのインダクタンスの変化をトルク検出部４１が検出し、その結果に基づいて制御装置４３がモータ３２の駆動を制御し、人力によるペダル踏力にモータ３２の補助動力を加えて自転車を走行させる。
次に、図２に示すフローチャートに基づいて「オートエコ」モードの動作を説明すると、「オートエコ」モードが選択されているか否か判断し（ステップ１）、「オートエコ」モードが選択されていないと、回生充電を行わない（ステップ２）。「オートエコ」モードが選択されていると、クランク６が所定回転数以下で回転し、且つ、自転車が一定速度以上で走行しているか否かを判断する（ステップ３）。
本実施形態では、一定速度は、回生により十分な充電量を得ることができる速度、具体的には、７Km/hとし、クランク６の回転数の所定値を、平坦路をその走行速度で走行する際のクランク６の回転数より幾分低い回転数に設定している。クランク６の回転数が、平坦路を現在の走行速度で走行する際のクランク６の回転数よりも低い回転数で回転している状態は、ペダル５を踏んで走行するよりも速い速度で走行している状態、即ち、下り坂を走行している状態等、ペダルを踏まなくても走行する状態或いはブレーキをかける状態であると判断される。従って、この状態の場合、ステップ４以降で説明するごとく、回生充電を行う。クランク６の回転数により下り坂走行状態を判断しているので、運転者の体重や、積載物等に関わりなく、従来に比較し、より正確に下り坂走行状態を判断することができる。
ステップ３において、自転車の走行速度が一定速度以下であるか、または、クランク６の回転数が所定回転数以上の場合は、ステップ２に移行し、回生充電を行わない。ステップ３において、自転車の走行速度が一定速度以上で、且つ、クランク６の回転数が所定回転数以下の場合は、回生充電を行っているか否か判断する（ステップ４）。
ステップ４において、回生充電を行っていない状態であれば、ステップ５に移行し、回生充電を行う。ステップ４において、回生充電を行っている状態であれば、ステップ６に移行し、減速しているか否か判断する。ステップ６において、減速していなければ、ステップ７に移行し、回生充電量を増加させる。回生充電量を増加させることにより、走行距離を増大させることができると共に、制動量を大きくすることで、下り坂における速度の増加を抑制して安全性と快適な走行性を得ることができる。
ステップ６において、減速していれば、ステップ８に移行し、充電量が最低値であるか否か判断する。ステップ８において、充電量が最低値であれば、ステップ２に移行し、回生充電を停止させてさらなる減速を抑制し、充電量が最低値でなければ、ステップ９に移行し、回生充電量を減少させる。回生充電による制動によって減速していると判断して、制動量を減少させることにより快適な走行性を得ることができる。尚、ブレーキがかけられている場合には、ブレーキ操作による回生充電を優先し、図２に示すフローチャートに基づいた回生充電量の停止は行わない。
尚、本実施形態では、ステップ３において、走行速度が一定速度か否か判断しているが、加速しているか否かを判断するようにしてもよい。
また、ステップ３において、クランク６の回転数の所定値を、平坦路を速度検出部の検出した走行速度で走行する際のクランク６の回転数より低い回転数に設定したが、実質上ゼロに近い値に設定してもよい。クランク６の回転が実質上ない場合は、ブレーキをかける場合、下り坂を走行している場合、或いは、必要以上にスピードが出ている場合などであるから、クランク６の回転が実質上ないことを検出することにより、走行速度に関わりなく、回生充電に切り替える構成とすると、制御をより簡素化することができる。
本発明の一実施形態を示すブロック回路図である。 同フローチャートである。 同電動補助自転車の側面図である。 同走行駆動装置の断面図である。 同固定子と可動リングのカム係合部分を示す断面図である。
符号の説明
１３ バッテリー
３２ モータ
４０ 速度検出部
４２ クランク速度検出部
４３ 制御装置

Claims (6)

  1. 人力駆動力による人力駆動系と、該人力駆動系の人力トルクを検出するトルク検出部の検出値に応じた駆動力で電動機を駆動する電動駆動系とを備え、前記人力駆動系のクランクの回転数が所定値以下の時、電動駆動系にて回生充電を行う制御手段を備えたことを特徴とする電動補助自転車。
  2. 人力駆動力による人力駆動系と、該人力駆動系の人力トルクを検出するトルク検出部の検出値に応じた駆動力で電動機を駆動する電動駆動系とを備え、前記人力駆動系のクランクの回転数が実質状ない時、電動駆動系にて回生充電を行う制御手段を備えたことを特徴とする電動補助自転車。
  3. 走行速度を検出する速度検出部を設け、前記クランクの回転数の所定値を、平坦路を前記速度検出部の検出した走行速度で走行する際のクランクの回転数より低い回転数に設定したことを特徴とする請求項１記載の電動補助自転車。
  4. 前記制御手段は、車速の変化量を所定値以下となるように回生充電量を制御することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電動補助自転車。
  5. 前記制御手段は、車速の変化量が大きいほど回生充電量を多くするよう制御することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電動補助自転車。
  6. 前記制御手段は、車速が一定速度以上のときに回生充電を行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電動補助自転車。
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