JP2014015211A - 自転車用制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機で走行補助を行う自転車においてショックの少ないスムーズな変速動作を実現する。
【解決手段】自転車用制御装置は、クランクと、走行アシスト用モータ１１６と、内装変速機とを有する自転車を制御する装置であって、出力制御部１３と、変速可否判断部１６と、変速制御部１４とを備える。出力制御部１３は、走行アシスト用モータ１１６の出力を制御する。変速可否判断部１６は、クランクの出力条件が、変速可能条件１６ａを満たすか否か、を判断する。変速制御部１４は、変速の要求を受け、出力制御部１３に出力の停止を行わせ、変速可否判断部１６が変速可能条件１６ａを満たすと判断しているときに内装変速機に変速動作を行わせる。
【選択図】図４

Description

本発明は、クランクと、走行補助用電動機と、変速機とを有する自転車、を制御する自転車用制御装置に関する。

人の踏力に加え、モータ駆動力で走行補助を行う電動アシスト自転車が、最近では普及してきている。この電動アシスト自転車に変速機が装備されている場合、その変速機による変速動作がスムーズに行われるように、特許文献１で所定の制御が示されている。この制御は、変速指示の操作があったときに、走行補助用モータからの補助動力の供給を一時的に停止し、短い所定時間の後に補助動力の供給を再開するという制御である。この制御によれば、補助動力の供給が停止している間に変速動作を実行させるため、変速機が変速しやすくなる。

特開２００４−２６８８５４号公報

特許文献１に示される制御によって変速機がある程度は変速しやすくなると思われるが、電動アシスト自転車において、よりスムーズな変速動作が望まれている。

本発明の課題は、電動機で走行補助を行う自転車においてショックの少ないスムーズな変速動作を実現することにある。

発明１に係る自転車用制御装置は、クランクと、走行補助用電動機と、変速機とを有する自転車を制御する装置であって、出力制御部と、変速可否判断部と、変速制御部とを備える。出力制御部は、走行補助用電動機の出力を制御する。変速可否判断部は、クランクの出力条件が、変速可能条件を満たすか否か、を判断する。変速制御部は、変速の要求を受け、出力制御部に出力の停止あるいは低下を行わせ、変速可否判断部が変速可能条件を満たすと判断しているときに変速機に変速動作を行わせる。

ここでは、クランクの出力に関係するパラメータであるクランクの出力条件が変速可能条件を満たさないときには変速機の変速動作が行われず、クランクの出力条件が変速可能条件を満たしているときに変速動作が行われ、更に、変速動作時には走行補助用電動機の出力が停止あるいは低下しているので、変速機の変速がスムーズに行われることになる。

発明２に係る自転車用制御装置は、発明１の制御装置であって、クランクの出力条件はクランクの位置に関する。

クランクの位置が上死点と下死点との中間ぐらいにあって自転車に乗っている人の踏力による大きな力が変速機の部品に作用しているような場合、変速機によっては変速動作がスムーズに行われないこともある。しかし、ここではクランクの位置に関するクランクの出力条件が変速可能条件を満たすときに変速動作が行われるため、変速機の変速がスムーズに行われる。

発明３に係る自転車用制御装置は、発明１の制御装置であって、クランクの出力条件は変速機の変速トルクに関する。

変速機の部品に掛かる変速トルクが比較的大きいときに変速機に変速動作を行わせようとした場合、変速機によっては変速動作がスムーズに行われないこともある。しかし、ここでは変速機の変速トルクに関するクランクの出力条件が変速可能条件を満たすときに変速動作が行われるため、変速機の変速がスムーズに行われる。

発明４に係る自転車用制御装置は、発明１の制御装置であって、クランクの出力条件は後輪トルクに関する。

自転車の後輪の軸に掛かる後輪トルクが比較的大きいときに変速機に変速動作を行わせようとした場合、変速機によっては変速動作がスムーズに行われないこともある。しかし、ここでは後輪トルクに関するクランクの出力条件が変速可能条件を満たすときに変速動作が行われるため、変速機の変速がスムーズに行われる。

発明５に係る自転車用制御装置は、発明１の制御装置であって、クランクの出力条件はクランク軸のトルクに関する。

クランク軸に掛かるトルクが比較的大きいときに変速機に変速動作を行わせようとした場合、変速機によっては変速動作がスムーズに行われないこともある。しかし、ここではクランク軸のトルクに関するクランクの出力条件が変速可能条件を満たすときに変速動作が行われるため、変速機の変速がスムーズに行われる。

発明６に係る自転車用制御装置は、発明２の制御装置であって、クランクの位置を検出するクランク位置検出部をさらに備える。そして、変速可否判断部は、クランクの位置がクランクの上下死点近傍にあるときに、変速可能条件を満たすと判断する。

ここでは、クランクの位置が上死点あるいは下死点の近傍にあると、踏力によるクランク軸のトルクが小さく、変速機の変速がスムーズに行われることに鑑み、クランクの上下死点近傍にクランクの位置があるときに変速可能条件を満たすと判断している。

発明７に係る自転車用制御装置は、発明５の制御装置であって、クランク軸のトルクを測るクランク軸トルク測定部をさらに備える。そして、変速可否判断部は、クランク軸のトルクが所定範囲にあると判断するときに、変速可能条件を満たすと判断する。

ここでは、変速機の部品に掛かるトルクに影響を及ぼすクランク軸のトルクが、所定範囲にあって比較的小さいと判断されると、変速可能条件を満たすとして変速機の変速動作が行われる。クランク軸のトルクが小さい、すなわちチェーンの張力が小さいときに変速機の変速動作が行われるため、変速動作がスムーズになる。

発明８に係る自転車用制御装置は、発明１〜７のいずれかの制御装置であって、変速機は変速用電動機を有している。そして、変速制御部は、変速用電動機を駆動させることで、変速機に変速動作を行わせる。

ここでは、変速用電動機の駆動によって変速動作が行われるが、変速動作がスムーズであるため、変速用電動機を小型のものにしたり、その消費電力を抑制したりすることができる。

発明９に係る自転車用制御装置は、発明１〜８のいずれかの制御装置であって、走行補助用電動機によってチェーンが駆動される。

ここでは、人の踏力がクランクを介して伝えられるチェーンを、走行補助用電動機によっても直接または間接的に駆動している。チェーンの張力が本発明によって小さくなるため、変速機の変速動作がスムーズになる。

発明１０に係る自転車用制御装置は、発明１〜９のいずれかの制御装置であって、変速機は内装変速機である。

内装変速機は、歯車を用いた変速機であり、その取付位置によって、後輪ハブ変速機と呼ばれるものや、クランク軸変速機と呼ばれるものがある。この内装変速機では、伝達するトルクが小さいときのほうが大きいときよりも変速動作が一般にスムーズであるが、本発明では変速動作時に変速機に掛かるトルクが小さくなるため、スムーズな変速動作が実現される。

発明１１に係る自転車用制御装置は、発明１〜９のいずれかの制御装置であって、変速機は、外装変速機である。

外装変速機は、ディレーラによってチェーンをスプロケット間で移動させることで変速を行う変速機である。クランク軸のスプロケット間でチェーンを掛けかえるフロントディレーラ、及び／又は、後輪のスプロケット間でチェーンを掛けかえるリアディレーラを、シフターから延びるワイヤー（ケーブル）または電動モータで動かすことで、変速が行われる。この外装変速機では、ある程度の張力がチェーンに掛かっていても変速動作に悪影響が出ることは少ないが、過度の張力がチェーンに掛かっていると変速しにくい。しかし、本発明によれば、変速動作時にチェーンに過度の張力が掛かることがなくなるので、変速動作がスムーズになる。

本発明によれば、変速の要求があったときに走行補助用電動機の出力が停止あるいは低下し、且つ、クランクの出力条件が変速可能条件を満たすときに変速機の変速動作が行われるため、スムーズな変速動作が実現される。

本発明の一実施形態に係る自転車用制御装置を採用する自転車の側面図。 クランク位置センサを示す図。 ハンドルに装着された変速操作ユニットを示す図。 自転車用制御装置のブロック図。 クランクアームの位置の判断を示す図。 変速制御のフローチャート。

＜全体構成＞
本発明の一実施形態に係る自転車用制御装置を採用した自転車１０１を図１に示す。自転車１０１は、主として、フロントフォーク１０２ａを含むフレーム１０２と、ハンドル１０４と、駆動部１０５と、前輪１０６と、後輪１０７とを備えている。

＜駆動部＞
駆動部１０５は、チェーン１１０と、ペダル１１１が装着されたクランク１１２と、後述する走行アシスト用モータ１１６（図４参照）を含むアシスト機構１１５と、アシスト機構１１５の電源としての着脱可能な充電池１１７とを有しており、それぞれがフレーム１０２に支持されている。充電池１１７は、例えばニッケル水素電池およびリチウムイオン電池等を用いた蓄電池であり、フレーム１０２に着脱可能に搭載される。

（駆動部のクランク）
クランク１１２は、水平に延びるクランク軸１１２ａと、その軸方向の両端に設けられ１８０度位相の異なる左右のクランクアーム１１２ｂと、を備える。クランクアーム１１２ｂの先端部には、ペダル１１１が装着されている。クランク軸１１２ａは、フレーム１０２に回転自在に支持されている。チェーン１１０は、クランク軸１１２ａに固定されているフロントスプロケットと、後述する内装変速ハブ１２０に設けられるリアスプロケットとに掛け渡されている。

（駆動部のクランク位置センサ）
クランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置を検出するために、自転車１０１には図２に示すクランク位置センサ３９が装着されている。クランク位置センサ３９は、クランクアーム１１２ｂに設けられる磁石４５と、フレーム１０２に設けられる第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂと、を有する。

磁石４５は、環状に形成され、周方向にＳ極４５ａとＮ極４５ｂとが隣接して配置される。磁石４５は、固定部材４８によって、クランクアーム１１２ｂに固定される。固定部材４８は、例えば複数のネジによって実現される。Ｓ極４５ａとＮ極４５ｂとは、クランク軸１１２ａの外周に配置され、ここでは、それぞれが半円環の形状を有する。たとえば、クランク軸１１２ａの中心を通る平面によって分割される磁石４５の一方をＳ極４５ａとし、他方をＮ極４５ｂとしている。Ｓ極４５ａとＮ極４５ｂとは隣接するので２つの境界を有する。各境界は、クランク軸１１２ａまわりに１８０°離れている。Ｓ極４５ａとＮ極４５ｂとの境界となる第１境界線４５ｃおよび第２境界線４５ｄは、それぞれクランクアーム１１２ｂの長手方向に沿って配置される。より好ましくは、第１境界線４５ｃおよび第２境界線４５ｄは、クランク軸１１２ａの回転軸線を含み、かつペダル１１１の取り付け孔の中心軸線を含む平面Ｎ（図２参照）上に設けられる。第１境界線４５ｃでは、時計まわりの上流側にＮ極４５ｂが配置され、下流側にＳ極４５ａが配置される。第２境界線４５ｄでは、時計まわりの上流側にＳ極４５ａが配置され、下流側にＮ極４５ｂが配置される。

第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂは、磁石４５に対向する位置で、フレーム１０２に装着される。磁石４５は、クランク軸１１２ａの軸線方向で、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂに対向する。第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂは、右のクランクアーム１１２ｂの下死点または左のクランクアーム１１２ｂの下死点（右のクランクアーム１１２ｂの上死点）を含む所定領域αに対応して配置される。所定領域αは、クランクアーム１１２ｂが下死点または上死点に配置される基準位置から、クランクアーム１１２ｂが周方向の両側に例えば１５度ずつ回転した位置までの範囲である。所定領域αに対応するクランクアーム１１２ｂの回転角度は例えば３０度である。所定領域αに対応するクランクアーム１１２ｂの回転角度は、２０度から４０度の範囲が好ましい。

（駆動部のアシスト機構）
アシスト機構１１５は、人の踏力によりクランク１１２のクランク軸１１２ａに作用するトルクに応じた特定のトルク（例えば、クランク軸１１２ａに作用するトルクの所定倍のトルク）を、走行アシスト用モータ１１６で補助的に発生させる。その走行アシスト用モータ１１６のトルクは、パワーアシスト用スプロケットを介して、チェーン１１０に直接または間接的に伝えられる。たとえば前記のパワーアシスト用スプロケットは、クランク軸に結合されていてもよく、またフロントスプロケットに結合されていてもよい。すなわち、駆動部１０５は、クランク軸１１２ａに伝達された人の踏力、及び、走行補助用電動機である走行アシスト用モータ１１６の出力を、チェーン１１０を介して内装変速ハブ１２０のスプロケットに伝達する。

＜後輪に組み込まれる内装変速ハブ＞
後輪１０７には、内装変速機を構成する内装変速ハブ１２０が組み込まれている。内装変速ハブ１２０は、後輪１０７の中心に配置される、例えば８段変速のハブである。内装変速ハブ１２０には、遊星歯車機構を備える変速機構を電動駆動するための変速用モータ１２３が連結されている。変速用モータ１２３も、内装変速ハブ１２０とともに内装変速機を構成する。また、内装変速ハブ１２０には、例えば、ローラブレーキ、バンドブレーキ、ディスクブレーキ等のリアブレーキ装置が連結されている。

＜ハンドルに装着される変速操作ユニット＞
図３に示すように、ハンドル１０４のグリップ１０４ａの近傍に、変速操作ユニット２０が装着されている。変速操作ユニット２０は、第１変速操作ボタン２１、第２変速操作ボタン２２および操作ダイヤル２３を１つにまとめたユニットである。第１および第２変速操作ボタン２１，２２および操作ダイヤル２３は、図３に示すように、ハンドル１０４のグリップ１０４ａを握りながら人の手で操作できる位置にある。

第１および第２変速操作ボタン２１，２２は、押しボタンである。第１変速操作ボタン２１は、低速段から高速段への変速を行うためのボタンである。第２変速操作ボタン２２は、高速段から低速段への変速を行うためのボタンである。操作ダイヤル２３は、２つの変速モードとパーキング（Ｐ）モードとを切り換えるためのダイヤルであり、３つの停止位置Ｐ，Ａ，Ｍを有している。ここで２つの変速モードとは、自動変速（Ａ）モードと手動変速（Ｍ）モードである。自動変速モードは、後述する車速センサ４１からの車速信号に基づいて内装変速ハブ１２０を自動変速するモードである。また、手動変速モードは、第１および第２変速操作ボタン２１，２２の操作により、所望の変速段に内装変速ハブ１２０を変速するモードである。パーキングモードは、内装変速ハブ１２０をロックして後輪１０７の回転を規制するモードである。

＜自転車用制御装置＞
自転車１０１で採用する自転車用制御装置は、マイクロコンピュータ１２を有し、接続された電装品を制御する。フレーム２に設けられるマイクロコンピュータ１２は、ＣＰＵ（Central processing unit），ＲＡＭ(random access memory)，ＲＯＭ(read only memory)，Ｉ／Ｏインターフェイスを含み、幾つかの機能部を備える。図４に示すように、マイクロコンピュータ１２は、その機能部として、走行アシスト用モータ１１６の出力を制御するアシスト出力制御部１３と、内装変速ハブ１２０に変速動作をさせる変速用モータ１２３を制御する変速制御部１４と、変速用モータ１２３に変速動作を行わせてもよい状況であるか否かを判断する変速可否判断部１６と、を備えている。

マイクロコンピュータ１２には、各種センサからの情報および人の操作指示が入力される。具体的には、マイクロコンピュータ１２に、第１変速操作ボタン２１、第２変速操作ボタン２２、操作ダイヤル２３、クランク位置センサ３９、車速センサ４１、踏力センサ４３などが電気的に接続されている。第１および第２変速操作ボタン２１，２２および操作ダイヤル２３は、上述のように、ハンドル１０４のグリップ１０４ａを握りながら人の手で操作できる位置に装着されている。クランク位置センサ３９は、上述のように、クランクアーム１１２ｂおよびフレーム１０２に装着されている。車速センサ４１は、前輪１０６に設けられている発電ハブ１０９（図１参照）に内蔵されている。交流発電機である発電ハブ１０９内の車速センサ４１は、前輪１０６が回転することによって車速に応じた交流信号をマイクロコンピュータ１２に送る。踏力センサ４３は、クランク軸１１２ａのトルクを、非接触で、或いは、クランク軸１１２ａまたはクランクアーム１１２ｂに接触して検出する。たとえば踏力センサ４３は、たとえばクランク軸１１２ａに設けられる磁歪素子とその磁歪素子に対向して配置される検出コイルを備える磁歪センサ、クランク軸１１２ａまたはクランクアーム１１２ｂに設けられる歪ゲージ、またはクランク軸１１２ａを支持する支持部に設けられる歪ゲージによって実現される。踏力センサ４３は、これらの構成に限られず、クランク軸１１２ａに生じるトルクに応じて出力が変化するセンサであればよい。踏力センサ４３は、クランク軸１１２ａに作用する踏力に応じて変化する信号を、トルク値を表す情報としてマイクロコンピュータ１２に送る。第１および第２変速操作ボタン２１，２２および操作ダイヤル２３は、人の操作指示をマイクロコンピュータ１２に伝える。

マイクロコンピュータ１２のアシスト出力制御部１３は、アシストモードのとき、乗り手の踏力の所定倍のアシスト力が発生するように、走行アシスト用モータ１１６を制御する。アシスト出力制御部１３は、複数のアシストモードで走行アシスト用モータ１１６を制御する。具体的には、アシストモードとして、踏力の最大２倍のアシスト力で補助する強アシストモード、最大１．５倍のアシスト力で補助する中アシストモード、および最大１倍のアシスト力で補助する弱アシストモードの３つのアシストモードを、アシスト出力制御部１３は有している。また、アシスト出力制御部１３は、アシストを行わないオフモードも有している。アシストモードの切換は、ハンドル１０４に設けられる図示しないスイッチによって行ってもよく、また前記の操作ダイヤル２３によって行われても良い。

さらに、アシスト出力制御部１３は、変速制御部１４からの要求を受けて、アシスト力を一時的にゼロにする。詳しくは、後述する。

マイクロコンピュータ１２の変速制御部１４は、第１および第２変速操作ボタン２１，２２の操作に応じて変速用モータ１２３を動かして内装変速ハブ１２０の段数を変更するか、或いは、車速に応じて自動的に、変速用モータ１２３を動かして内装変速ハブ１２０の段数を変更する。但し、図６を参照して後述するように、変速制御部１４は、内装変速ハブ１２０の段数を変更する前に、アシスト力を一時的にゼロにする指令をアシスト出力制御部１３に送る。また、変速可否判断部１６が変速可能と判断していないときには、変速可否判断部１６の判断が変速可能に変わるまで、変速制御部１４は変速用モータ１２３への動作指令を送らずに待機させる。

操作ダイヤル２３が停止位置Ｍにあって、手動変速モードが人によって選択されているときには、変速制御部１４は、第１変速操作ボタン２１が押されたときに低速段から高速段への変速を行わせ、第２変速操作ボタン２２が押されたときに高速段から低速段への変速を行わせる。

操作ダイヤル２３が停止位置Ａにあって、自動変速モードが選択されているときには、変速制御部１４は、車速センサ４１からの車速信号に基づく車速情報から、変速が必要だと判断したときに、その変速指令を内装変速ハブ１２０の変速用モータ１２３に送る。変速制御部１４は、自動変速のための２種類のテーブルを保持しており、踏力センサ４３で検出した踏力値（クランク軸１１２ａのトルク）に応じていずれのテーブルを使用するかを決定する。具体的には、高トルクモードおよびノーマルモードの各テーブルを保持しており、各テーブルには自動変速モード時のシフトアップ及びシフトダウンの車速しきい値が記憶されている。高トルクモードにおける車速しきい値は、踏力値が所定値以上になっているときの車速しきい値であり、ノーマルモードにおける車速しきい値は、踏力値が所定値に達していない場合の車速しきい値である。

マイクロコンピュータ１２の変速可否判断部１６は、内装変速ハブ１２０に変速動作をさせてもよいか否かを判断する。この変速可否判断部１６が、内装変速ハブ１２０に変速動作をさせてはいけない、すなわち変速可能条件を満たしていないと判断しているときには、変速要求がある場合でも上述の変速制御部１４は内装変速ハブ１２０の変速用モータ１２３に動作指令を送らず待機する（後述する図６のステップＳ４を参照）。

変速可否判断部１６が保持する変速可能条件１６ａは、クランク１１２の出力条件の１つであるクランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置に関するものである。具体的には、変速可能条件１６ａは、クランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置が、その上下死点の近傍にあるという条件である。変速可否判断部１６は、クランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にあるときに、変速可能条件１６ａを満たすと判断する。

そのクランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置は、上述のクランク位置センサ３９の出力から検出される。変速可否判断部１６は、クランク位置センサ３９の検出結果に基づいて、左右の各クランクアーム１１２ｂのいずれかが下死点を含む所定領域αにあるか否かを判断する。変速可否判断部１６は、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力の組み合わせにより、右のクランクアーム１１２ｂおよび左のクランクアーム１１２ｂが４つの領域のいずれにあるのかを判断する。第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力は、Ｓ極４５ａが対向しているときに「Ｌ (Low）」レベルとなり、Ｎ極４５ｂが対向しているときに「Ｈ (High)」レベルとなる。第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂから出力される信号の組み合わせを、それぞれ、第１の組み合わせＡ１、第２の組み合わせＡ２、第３の組み合わせＡ３および第４の組み合わせＡ４とする。

図５（Ａ）は、第１の組み合わせＡ１のときの、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂと磁石４５との位置の一例を示す。第１の組み合わせＡ１では、第１ホール素子４６ａの出力は、「Ｌ (Low）」レベルとなり、第２ホール素子４６ｂの出力は、「Ｈ (High)」レベルとなる。右のクランクアーム１１２ｂが下死点を含む所定領域αにあるときは、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力が第１の組み合わせＡ１となる。第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力が第１の組み合わせＡ１のとき、自転車１０１の側面から見て、図５（Ａ）に示すように、第１ホール素子４６ａと第２ホール素子４６ｂ間に磁石４５の第１境界線４５ｃが位置する。

図５（Ｂ）は、第２の組み合わせＡ２のときの、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂと磁石４５との位置の一例を示す。第２の組み合わせＡ２では、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力は、ともに「Ｈ」レベルとなる。右のクランクアーム１１２ｂが下死点を含む所定領域αから矢印Ｂで示す方向（自転車１０１の右側から見て時計回り）に回転し、磁石４５の第１境界線４５ｃが第１ホール素子４６ａを超え、かつ左のクランクアーム１１２ｂが下死点を含む所定領域αに入る直前までの領域にあるときには、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力が第２の組み合わせＡ２となる。

図５（Ｃ）は、第３の組み合わせＡ３のときの、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂと磁石４５との位置の一例を示す。第３の組み合わせＡ３では、第１ホール素子４６ａの出力は、「Ｈ」レベルとなり、第２ホール素子４６ｂの出力は、「Ｌ」レベルとなる。左のクランクアーム１１２ｂが下死点を含む所定領域αにあるときの第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力が第３の組み合わせＡ３となる。第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力が第３の組み合わせＡ３のとき、自転車１０１の側面から見て、図５（Ｃ）に示すように、第１ホール素子４６ａと第２ホール素子４６ｂ間に磁石４５の第２境界線４５ｄが位置する。

図５（Ｄ）は、第４の組み合わせＡ４のときの、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂと磁石４５との位置の一例を示す。第４の組み合わせＡ４では、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力は、ともに「Ｌ」レベルとなる。左のクランクアーム１１２ｂが下死点を含む所定領域αから矢印Ｂで示す方向（自転車１０１の右側から見て時計回り）に回転し、磁石４５の第２境界線４５ｄが第１ホール素子４６ａを超え、かつ右のクランクアーム１１２ｂが下死点を含む所定領域αに入る直前までの領域にあるときには、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力が第４の組み合わせＡ４となる。

変速可否判断部１６は、第１の組み合わせＡ１のときに、右のクランクアーム１１２ｂの位置が下死点の近傍にある（左のクランクアーム１１２ｂの位置が上死点の近傍にある）と、第３の組み合わせＡ３のときに、左のクランクアーム１１２ｂの位置が下死点の近傍にある（右のクランクアーム１１２ｂの位置が上死点の近傍にある）と、判断し、クランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にあるという変速可能条件１６ａを満たすと判断する。

次に、図６を参照して、上記の変速制御部１４による変速制御の主要点を整理して説明する。手動変速モードであっても、自動変速モードであっても、図６のフローに従って変速制御が行われる。

内装変速ハブ１２０の段数を変更したいという変速要求があると、ステップＳ１からステップＳ２に移行する。ステップＳ２では、車速センサ４１からの信号に基づいて算出した車速がゼロであるか否かを判断する。車速がゼロの場合には、ステップＳ２からステップＳ５に移行し、直ちに変速用モータ１２３に動作指令を送って変速動作を実行させる。車速がゼロであれば、内装変速ハブ１２０の内部部品にトルクが殆ど作用していないため、変速動作がスムーズに行われる。ステップＳ２で車速がゼロではないと判断したときには、ステップＳ３に移行する。ステップＳ３では、どのアシストモードになっているかに関わらず、走行アシスト用モータ１１６によるアシスト力を低下させる。ここでは、ステップＳ３において、アシスト出力制御部１３が走行アシスト用モータ１１６の出力をゼロにして、一時的に走行アシストがない状態にする。次に、ステップＳ４に移行し、クランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にあるという変速可能条件１６ａを満たすか否かを、変速可否判断部１６が判断する。クランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍になければ、クランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にくるまでステップＳ４を繰り返す。クランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にあれば（或いは、クランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にくれば）、ステップＳ５に移行して変速動作を実行させる。ここでは、走行アシストがなく、且つ、クランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にあるため、内装変速ハブ１２０の内部部品に掛かるトルクが非常に小さく、変速動作がスムーズに行われる。ステップＳ５の変速動作が完了すると、ステップＳ６に移行する。ステップＳ６では、ステップＳ３で走行アシスト用モータ１１６の出力を低下させていた場合、この実施の形態ではゼロにしていた場合に、その出力低下状態を解除して、元のアシストモードに基づく出力に戻す。ステップＳ６では、ステップＳ５で変速動作を実行してから所定時間後に、走行アシスト用モータ１１６の出力低下状態を解除してもよく、またたとえば変速機または変速モータに現在の変速段を検出するためのセンサを設けておき、このセンサからの出力に基づいて変速が完了したと判断したときに、走行アシスト用モータ１１６の出力低下状態を解除してもよい。

＜他の実施形態＞
以上、本発明の一実施形態に係る自転車用制御装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（ａ）ハンドル１０４にタッチパネルを有する表示入力装置を固定し、アシストモードの選択、車速や変速段数の表示、充電池１１７の残量表示などを可能にしてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、ステップＳ３において、アシスト出力制御部１３が制御する走行アシスト用モータ１１６の出力をゼロにして、変速動作が行われるときに一時的に走行アシストがない状態にしている。これに代えて、ステップＳ３において、走行アシスト用モータ１１６の出力を、そのときのアシストモードに基づく出力値よりも小さくなるように低下（例えば、半減）させて、変速動作が行われるときの走行アシスト力を一時的に小さくしてもよい。走行アシストが多少あっても、出力が小さければ、変速動作はスムーズになる。

（ｃ）上記実施形態では、変速可否判断部１６が保持する変速可能条件１６ａとして、クランク１１２の出力条件の１つであるクランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置に関するものを採用している。これに代えて、変速可能条件として、クランク１１２の出力条件の１つであるクランク１１２のクランク軸１１２ａのトルクに関するものを採用してもよい。具体的には、踏力センサ４３で検出したクランク軸１１２ａのトルクが、所定範囲にある場合（所定の閾値よりも小さい場合）に、変速可能条件を満たすと判断することでもよい。この場合にも、走行アシストが低下した状態、あるいは走行アシストがない状態で、且つ、クランク１１２に掛かる踏力が小さいため、内装変速ハブ１２０の内部部品に掛かるトルクが小さく、変速動作がスムーズに行われる。

（ｄ）上記実施形態では、変速可否判断部１６が保持する変速可能条件１６ａとして、クランク１１２の出力条件の１つであるクランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置に関するものを採用している。これに代えて、変速可能条件として、クランク１１２の出力条件の１つである後輪１０７のトルクに関するものを採用してもよい。具体的には、後輪１０７のトルクを検出するセンサを設ける。そして、そのセンサの検出トルクが所定の閾値よりも小さい場合に、変速可能条件を満たすと判断することでもよい。この場合にも、走行アシストが低下した状態、あるいは走行アシストがない状態で、且つ、内装変速ハブ１２０が装着される後輪１０７のトルクが小さいときに変速動作が行われるため、内装変速ハブ１２０の内部部品に掛かるトルクが小さく、変速動作がスムーズに行われる。後輪１０７のトルクは、クランク軸トルクと、ギア比とに基づいて求められても良い。

（ｅ）上記実施形態では、変速可否判断部１６が保持する変速可能条件１６ａとして、クランク１１２の出力条件の１つであるクランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置に関するものを採用している。これに代えて、変速可能条件として、クランク１１２の出力条件の１つである内装変速ハブ１２０の変速トルクに関するものを採用してもよい。具体的には、チェーンからスプロケットを介して内装変速ハブ１２０に入力されるトルクを直接検出あるいは演算して求める。そして、そのトルクが所定の閾値よりも小さい場合に、変速可能条件を満たすと判断することでもよい。内装変速ハブ１２０には、予め変速可能な入力トルクが設定されているので、この設定されている入力トルクを閾値とすればよい。この場合にも、走行アシストが低下した状態、あるいは走行アシストがない状態で、且つ、内装変速ハブ１２０のトルクが小さいときに変速動作が行われるため、内装変速ハブ１２０の内部部品に掛かる力が小さい状態で変速動作がスムーズに行われる。

（ｆ）上記実施形態では、内装変速機を構成する内装変速ハブ１２０を後輪１０７に装着した自転車１０１に本発明を適用している。これに代えて、クランク軸に付けた遊星歯車機構によって変速を行う変速機を持つ自転車に本発明を適用してもよい。

（ｇ）上記実施形態では、内装変速機を構成する内装変速ハブ１２０を後輪１０７に装着した自転車１０１に本発明を適用している。これに代えて、電動駆動されるフロントディレーラまたはリアディレーラを有する外装変速機を備える自転車に本発明を適用してもよい。この場合、外装変速機に過度の力が掛かった状態で変速動作が行われることがなくなり、変速動作がスムーズになる。外装変速機の場合、図６のステップＳ２で、車速センサ４１からの信号に基づいて算出した車速がゼロであるか否かを判断し、車速がゼロではないと判断すると、ステップＳ３に移り、ステップＳ２で車速がゼロ以上となるまでは、ステップＳ３以降の処理を待機する構成とする。すなわち、ステップＳ２で車速がゼロであると判断すると、ステップＳ２の判断を繰り返し、車速がゼロ以上となるまでステップＳ３以降の処理（ステップＳ３〜Ｓ６の処理）を待機する。

（ｈ）上記実施形態では、クランク軸１１２ａの近傍にアシスト機構１１５を配備し、走行アシスト用モータ１１６のトルクを、パワーアシスト用スプロケットを介して、チェーン１１０に伝えている。このアシスト機構１１５に代えて、前輪１０６に走行アシスト用のモータユニットを装着してもよい。このモータユニットの内部には、走行アシスト用モータ、インバータ、車速センサなどを配置することが好ましい。

（ｉ）上記実施形態では、クランク軸１１２ａの近傍にアシスト機構１１５を配備し、走行アシスト用モータ１１６のトルクを、パワーアシスト用スプロケットを介して、チェーン１１０に伝えている。このアシスト機構１１５に代えて、後輪１０７に走行アシスト用のモータユニットを装着してもよい。この場合、モータユニットは変速機の出力側に設けられる。

（ｊ）クランク位置検出センサ３９は、上記構成に限らず、ロータリーエンコーダによって実現されてもよい。

（ｋ）上記実施形態では、クランク軸に作用するトルクを検出する踏力センサ４３の出力に基づいて、アシスト出力制御部１３が、走行アシスト用モータ１１６を制御しているが、この踏力センサ４３に代えて、ペダルの踏力を検出するセンサを設けてもよく、またチェーンのテンションを検出するセンサを設けてもよい。アシスト出力制御部１３は、これらのセンサからの情報に基づいて、走行アシスト用モータ１１６を制御する。

（ｌ）上記実施形態では、ステップＳ２で車速がゼロか否かを判断しているが、ステップＳ２では、クランクが回転しているか否かを判断してもよい。たとえばクランク位置センサを、クランクの回転を検出するセンサとして用いることができる。クランク位置センサで検出されるクランクの位置が変化しない場合には、変速制御部においてクランクが回転していないと判断する。ステップＳ２において、変速制御部は、クランク位置センサから出力される信号が所定時間内に変化する場合に、クランクが回転していると判断して、ステップＳ３に移る。またステップＳ２において、変速制御部は、クランク位置センサから出力される信号が所定時間内に変化ない場合に、クランクが回転していないと判断して、ステップＳ５に移る。クランクの回転を検出するセンサは、上記の構成に限らず、磁石と、リードスイッチとによって実現してもよい。外装変速機においては、図６のステップＳ２で、クランク位置センサから出力される信号が所定時間内に変化する場合に、クランクが回転していると判断して、ステップＳ３に移り、ステップＳ２でクランクが回転していないと判断すると、クランクが回転していると判断するまでは、ステップＳ３以降の処理を待機する構成とする。

（ｍ）上記実施形態では、ステップＳ２で車速がゼロか否かを判断しているが、ステップＳ２では、踏力センサにおいて踏力が検出されるか否かを判断してもよい。ステップＳ２において、変速制御部は、踏力センサから出力される信号に基づいて、踏力が与えられていると判断すると、ステップＳ３に移り、踏力が与えられていないと判断すると、ステップＳ５に移る。外装変速機においては、図６のステップＳ２で、踏力が与えられていると判断すると、ステップＳ３に移り、踏力が与えられていないと判断すると、踏力を検出するまでは、ステップＳ３以降の処理を待機する構成とする。

（ｎ）上記各実施形態において、ステップＳ２を省略して、ステップＳ１で変速要求があると判断すると、ステップＳ３に移行する構成としてもよい。

１２ マイクロコンピュータ
１３ アシスト出力制御部
１４ 変速制御部
１６ 変速可否判断部
３９ クランク位置センサ
４３ 踏力センサ
１０１ 自転車
１１０ チェーン
１１２ クランク
１１２ａ クランク軸
１１５ アシスト機構
１１６ 走行アシスト用モータ
１２０ 内装変速ハブ
１２３ 変速用モータ

本発明は、クランクと、走行補助用電動機と、変速機とを有する自転車、を制御する自転車用制御装置に関する。

人の踏力に加え、モータ駆動力で走行補助を行う電動アシスト自転車が、最近では普及してきている。この電動アシスト自転車に変速機が装備されている場合、その変速機による変速動作がスムーズに行われるように、特許文献１で所定の制御が示されている。この制御は、変速指示の操作があったときに、走行補助用モータからの補助動力の供給を一時的に停止し、短い所定時間の後に補助動力の供給を再開するという制御である。この制御によれば、補助動力の供給が停止している間に変速動作を実行させるため、変速機が変速しやすくなる。

特開２００４−２６８８５４号公報

特許文献１に示される制御によって変速機がある程度は変速しやすくなると思われるが、電動アシスト自転車において、よりスムーズな変速動作が望まれている。

本発明の課題は、電動機で走行補助を行う自転車においてショックの少ないスムーズな変速動作を実現することにある。

発明１に係る自転車用制御装置は、クランクと、走行補助用電動機と、変速機とを有する自転車を制御する装置であって、出力制御部と、変速可否判断部と、変速制御部とを備える。出力制御部は、走行補助用電動機の出力を制御する。変速可否判断部は、クランクの出力条件が、変速可能条件を満たすか否か、を判断する。変速制御部は、変速の要求を受け、出力制御部に出力の停止あるいは低下を行わせ、変速可否判断部が変速可能条件を満たすと判断しているときに変速機に変速動作を行わせる。

ここでは、クランクの出力に関係するパラメータであるクランクの出力条件が変速可能条件を満たさないときには変速機の変速動作が行われず、クランクの出力条件が変速可能条件を満たしているときに変速動作が行われ、更に、変速動作時には走行補助用電動機の出力が停止あるいは低下しているので、変速機の変速がスムーズに行われることになる。

また、発明１に係る自転車用制御装置は、クランクの出力条件は変速機の変速トルクに関する。

変速機の部品に掛かる変速トルクが比較的大きいときに変速機に変速動作を行わせようとした場合、変速機によっては変速動作がスムーズに行われないこともある。しかし、ここでは変速機の変速トルクに関するクランクの出力条件が変速可能条件を満たすときに変速動作が行われるため、変速機の変速がスムーズに行われる。

発明２に係る自転車用制御装置は、発明１の制御装置であって、変速機は変速用電動機を有している。そして、変速制御部は、変速用電動機を駆動させることで、変速機に変速動作を行わせる。

ここでは、変速用電動機の駆動によって変速動作が行われるが、変速動作がスムーズであるため、変速用電動機を小型のものにしたり、その消費電力を抑制したりすることができる。

発明３に係る自転車用制御装置は、発明１又は２の制御装置であって、走行補助用電動機によってチェーンが駆動される。

ここでは、人の踏力がクランクを介して伝えられるチェーンを、走行補助用電動機によっても直接または間接的に駆動している。チェーンの張力が本発明によって小さくなるため、変速機の変速動作がスムーズになる。

発明４に係る自転車用制御装置は、発明１〜３のいずれかの制御装置であって、変速機は内装変速機である。

内装変速機は、歯車を用いた変速機であり、その取付位置によって、後輪ハブ変速機と呼ばれるものや、クランク軸変速機と呼ばれるものがある。この内装変速機では、伝達するトルクが小さいときのほうが大きいときよりも変速動作が一般にスムーズであるが、本発明では変速動作時に変速機に掛かるトルクが小さくなるため、スムーズな変速動作が実現される。

発明５に係る自転車用制御装置は、発明１〜３のいずれかの制御装置であって、変速機は、外装変速機である。

外装変速機は、ディレーラによってチェーンをスプロケット間で移動させることで変速を行う変速機である。クランク軸のスプロケット間でチェーンを掛けかえるフロントディレーラ、及び／又は、後輪のスプロケット間でチェーンを掛けかえるリアディレーラを、シフターから延びるワイヤー（ケーブル）または電動モータで動かすことで、変速が行われる。この外装変速機では、ある程度の張力がチェーンに掛かっていても変速動作に悪影響が出ることは少ないが、過度の張力がチェーンに掛かっていると変速しにくい。しかし、本発明によれば、変速動作時にチェーンに過度の張力が掛かることがなくなるので、変速動作がスムーズになる。

本発明によれば、変速の要求があったときに走行補助用電動機の出力が停止あるいは低下し、且つ、クランクの出力条件が変速可能条件を満たすときに変速機の変速動作が行われるため、スムーズな変速動作が実現される。

本発明の一実施形態に係る自転車用制御装置を採用する自転車の側面図。 クランク位置センサを示す図。 ハンドルに装着された変速操作ユニットを示す図。 自転車用制御装置のブロック図。 クランクアームの位置の判断を示す図。 変速制御のフローチャート。

＜全体構成＞
本発明の一実施形態に係る自転車用制御装置を採用した自転車１０１を図１に示す。自転車１０１は、主として、フロントフォーク１０２ａを含むフレーム１０２と、ハンドル１０４と、駆動部１０５と、前輪１０６と、後輪１０７とを備えている。

＜駆動部＞
駆動部１０５は、チェーン１１０と、ペダル１１１が装着されたクランク１１２と、後述する走行アシスト用モータ１１６（図４参照）を含むアシスト機構１１５と、アシスト機構１１５の電源としての着脱可能な充電池１１７とを有しており、それぞれがフレーム１０２に支持されている。充電池１１７は、例えばニッケル水素電池およびリチウムイオン電池等を用いた蓄電池であり、フレーム１０２に着脱可能に搭載される。

（駆動部のクランク）
クランク１１２は、水平に延びるクランク軸１１２ａと、その軸方向の両端に設けられ１８０度位相の異なる左右のクランクアーム１１２ｂと、を備える。クランクアーム１１２ｂの先端部には、ペダル１１１が装着されている。クランク軸１１２ａは、フレーム１０２に回転自在に支持されている。チェーン１１０は、クランク軸１１２ａに固定されているフロントスプロケットと、後述する内装変速ハブ１２０に設けられるリアスプロケットとに掛け渡されている。

（駆動部のクランク位置センサ）
クランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置を検出するために、自転車１０１には図２に示すクランク位置センサ３９が装着されている。クランク位置センサ３９は、クランクアーム１１２ｂに設けられる磁石４５と、フレーム１０２に設けられる第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂと、を有する。

磁石４５は、環状に形成され、周方向にＳ極４５ａとＮ極４５ｂとが隣接して配置される。磁石４５は、固定部材４８によって、クランクアーム１１２ｂに固定される。固定部材４８は、例えば複数のネジによって実現される。Ｓ極４５ａとＮ極４５ｂとは、クランク軸１１２ａの外周に配置され、ここでは、それぞれが半円環の形状を有する。たとえば、クランク軸１１２ａの中心を通る平面によって分割される磁石４５の一方をＳ極４５ａとし、他方をＮ極４５ｂとしている。Ｓ極４５ａとＮ極４５ｂとは隣接するので２つの境界を有する。各境界は、クランク軸１１２ａまわりに１８０°離れている。Ｓ極４５ａとＮ極４５ｂとの境界となる第１境界線４５ｃおよび第２境界線４５ｄは、それぞれクランクアーム１１２ｂの長手方向に沿って配置される。より好ましくは、第１境界線４５ｃおよび第２境界線４５ｄは、クランク軸１１２ａの回転軸線を含み、かつペダル１１１の取り付け孔の中心軸線を含む平面Ｎ（図２参照）上に設けられる。第１境界線４５ｃでは、時計まわりの上流側にＮ極４５ｂが配置され、下流側にＳ極４５ａが配置される。第２境界線４５ｄでは、時計まわりの上流側にＳ極４５ａが配置され、下流側にＮ極４５ｂが配置される。

第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂは、磁石４５に対向する位置で、フレーム１０２に装着される。磁石４５は、クランク軸１１２ａの軸線方向で、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂに対向する。第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂは、右のクランクアーム１１２ｂの下死点または左のクランクアーム１１２ｂの下死点（右のクランクアーム１１２ｂの上死点）を含む所定領域αに対応して配置される。所定領域αは、クランクアーム１１２ｂが下死点または上死点に配置される基準位置から、クランクアーム１１２ｂが周方向の両側に例えば１５度ずつ回転した位置までの範囲である。所定領域αに対応するクランクアーム１１２ｂの回転角度は例えば３０度である。所定領域αに対応するクランクアーム１１２ｂの回転角度は、２０度から４０度の範囲が好ましい。

（駆動部のアシスト機構）
アシスト機構１１５は、人の踏力によりクランク１１２のクランク軸１１２ａに作用するトルクに応じた特定のトルク（例えば、クランク軸１１２ａに作用するトルクの所定倍のトルク）を、走行アシスト用モータ１１６で補助的に発生させる。その走行アシスト用モータ１１６のトルクは、パワーアシスト用スプロケットを介して、チェーン１１０に直接または間接的に伝えられる。たとえば前記のパワーアシスト用スプロケットは、クランク軸に結合されていてもよく、またフロントスプロケットに結合されていてもよい。すなわち、駆動部１０５は、クランク軸１１２ａに伝達された人の踏力、及び、走行補助用電動機である走行アシスト用モータ１１６の出力を、チェーン１１０を介して内装変速ハブ１２０のスプロケットに伝達する。

＜後輪に組み込まれる内装変速ハブ＞
後輪１０７には、内装変速機を構成する内装変速ハブ１２０が組み込まれている。内装変速ハブ１２０は、後輪１０７の中心に配置される、例えば８段変速のハブである。内装変速ハブ１２０には、遊星歯車機構を備える変速機構を電動駆動するための変速用モータ１２３が連結されている。変速用モータ１２３も、内装変速ハブ１２０とともに内装変速機を構成する。また、内装変速ハブ１２０には、例えば、ローラブレーキ、バンドブレーキ、ディスクブレーキ等のリアブレーキ装置が連結されている。

＜ハンドルに装着される変速操作ユニット＞
図３に示すように、ハンドル１０４のグリップ１０４ａの近傍に、変速操作ユニット２０が装着されている。変速操作ユニット２０は、第１変速操作ボタン２１、第２変速操作ボタン２２および操作ダイヤル２３を１つにまとめたユニットである。第１および第２変速操作ボタン２１，２２および操作ダイヤル２３は、図３に示すように、ハンドル１０４のグリップ１０４ａを握りながら人の手で操作できる位置にある。

第１および第２変速操作ボタン２１，２２は、押しボタンである。第１変速操作ボタン２１は、低速段から高速段への変速を行うためのボタンである。第２変速操作ボタン２２は、高速段から低速段への変速を行うためのボタンである。操作ダイヤル２３は、２つの変速モードとパーキング（Ｐ）モードとを切り換えるためのダイヤルであり、３つの停止位置Ｐ，Ａ，Ｍを有している。ここで２つの変速モードとは、自動変速（Ａ）モードと手動変速（Ｍ）モードである。自動変速モードは、後述する車速センサ４１からの車速信号に基づいて内装変速ハブ１２０を自動変速するモードである。また、手動変速モードは、第１および第２変速操作ボタン２１，２２の操作により、所望の変速段に内装変速ハブ１２０を変速するモードである。パーキングモードは、内装変速ハブ１２０をロックして後輪１０７の回転を規制するモードである。

＜自転車用制御装置＞
自転車１０１で採用する自転車用制御装置は、マイクロコンピュータ１２を有し、接続された電装品を制御する。フレーム２に設けられるマイクロコンピュータ１２は、ＣＰＵ（Central processing unit），ＲＡＭ(random access memory)，ＲＯＭ(read only memory)，Ｉ／Ｏインターフェイスを含み、幾つかの機能部を備える。図４に示すように、マイクロコンピュータ１２は、その機能部として、走行アシスト用モータ１１６の出力を制御するアシスト出力制御部１３と、内装変速ハブ１２０に変速動作をさせる変速用モータ１２３を制御する変速制御部１４と、変速用モータ１２３に変速動作を行わせてもよい状況であるか否かを判断する変速可否判断部１６と、を備えている。

マイクロコンピュータ１２には、各種センサからの情報および人の操作指示が入力される。具体的には、マイクロコンピュータ１２に、第１変速操作ボタン２１、第２変速操作ボタン２２、操作ダイヤル２３、クランク位置センサ３９、車速センサ４１、踏力センサ４３などが電気的に接続されている。第１および第２変速操作ボタン２１，２２および操作ダイヤル２３は、上述のように、ハンドル１０４のグリップ１０４ａを握りながら人の手で操作できる位置に装着されている。クランク位置センサ３９は、上述のように、クランクアーム１１２ｂおよびフレーム１０２に装着されている。車速センサ４１は、前輪１０６に設けられている発電ハブ１０９（図１参照）に内蔵されている。交流発電機である発電ハブ１０９内の車速センサ４１は、前輪１０６が回転することによって車速に応じた交流信号をマイクロコンピュータ１２に送る。踏力センサ４３は、クランク軸１１２ａのトルクを、非接触で、或いは、クランク軸１１２ａまたはクランクアーム１１２ｂに接触して検出する。たとえば踏力センサ４３は、たとえばクランク軸１１２ａに設けられる磁歪素子とその磁歪素子に対向して配置される検出コイルを備える磁歪センサ、クランク軸１１２ａまたはクランクアーム１１２ｂに設けられる歪ゲージ、またはクランク軸１１２ａを支持する支持部に設けられる歪ゲージによって実現される。踏力センサ４３は、これらの構成に限られず、クランク軸１１２ａに生じるトルクに応じて出力が変化するセンサであればよい。踏力センサ４３は、クランク軸１１２ａに作用する踏力に応じて変化する信号を、トルク値を表す情報としてマイクロコンピュータ１２に送る。第１および第２変速操作ボタン２１，２２および操作ダイヤル２３は、人の操作指示をマイクロコンピュータ１２に伝える。

マイクロコンピュータ１２のアシスト出力制御部１３は、アシストモードのとき、乗り手の踏力の所定倍のアシスト力が発生するように、走行アシスト用モータ１１６を制御する。アシスト出力制御部１３は、複数のアシストモードで走行アシスト用モータ１１６を制御する。具体的には、アシストモードとして、踏力の最大２倍のアシスト力で補助する強アシストモード、最大１．５倍のアシスト力で補助する中アシストモード、および最大１倍のアシスト力で補助する弱アシストモードの３つのアシストモードを、アシスト出力制御部１３は有している。また、アシスト出力制御部１３は、アシストを行わないオフモードも有している。アシストモードの切換は、ハンドル１０４に設けられる図示しないスイッチによって行ってもよく、また前記の操作ダイヤル２３によって行われても良い。

さらに、アシスト出力制御部１３は、変速制御部１４からの要求を受けて、アシスト力を一時的にゼロにする。詳しくは、後述する。

マイクロコンピュータ１２の変速制御部１４は、第１および第２変速操作ボタン２１，２２の操作に応じて変速用モータ１２３を動かして内装変速ハブ１２０の段数を変更するか、或いは、車速に応じて自動的に、変速用モータ１２３を動かして内装変速ハブ１２０の段数を変更する。但し、図６を参照して後述するように、変速制御部１４は、内装変速ハブ１２０の段数を変更する前に、アシスト力を一時的にゼロにする指令をアシスト出力制御部１３に送る。また、変速可否判断部１６が変速可能と判断していないときには、変速可否判断部１６の判断が変速可能に変わるまで、変速制御部１４は変速用モータ１２３への動作指令を送らずに待機させる。

操作ダイヤル２３が停止位置Ｍにあって、手動変速モードが人によって選択されているときには、変速制御部１４は、第１変速操作ボタン２１が押されたときに低速段から高速段への変速を行わせ、第２変速操作ボタン２２が押されたときに高速段から低速段への変速を行わせる。

操作ダイヤル２３が停止位置Ａにあって、自動変速モードが選択されているときには、変速制御部１４は、車速センサ４１からの車速信号に基づく車速情報から、変速が必要だと判断したときに、その変速指令を内装変速ハブ１２０の変速用モータ１２３に送る。変速制御部１４は、自動変速のための２種類のテーブルを保持しており、踏力センサ４３で検出した踏力値（クランク軸１１２ａのトルク）に応じていずれのテーブルを使用するかを決定する。具体的には、高トルクモードおよびノーマルモードの各テーブルを保持しており、各テーブルには自動変速モード時のシフトアップ及びシフトダウンの車速しきい値が記憶されている。高トルクモードにおける車速しきい値は、踏力値が所定値以上になっているときの車速しきい値であり、ノーマルモードにおける車速しきい値は、踏力値が所定値に達していない場合の車速しきい値である。

マイクロコンピュータ１２の変速可否判断部１６は、内装変速ハブ１２０に変速動作をさせてもよいか否かを判断する。この変速可否判断部１６が、内装変速ハブ１２０に変速動作をさせてはいけない、すなわち変速可能条件を満たしていないと判断しているときには、変速要求がある場合でも上述の変速制御部１４は内装変速ハブ１２０の変速用モータ１２３に動作指令を送らず待機する（後述する図６のステップＳ４を参照）。

変速可否判断部１６が保持する変速可能条件１６ａは、クランク１１２の出力条件の１つであるクランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置に関するものである。具体的には、変速可能条件１６ａは、クランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置が、その上下死点の近傍にあるという条件である。変速可否判断部１６は、クランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にあるときに、変速可能条件１６ａを満たすと判断する。

そのクランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置は、上述のクランク位置センサ３９の出力から検出される。変速可否判断部１６は、クランク位置センサ３９の検出結果に基づいて、左右の各クランクアーム１１２ｂのいずれかが下死点を含む所定領域αにあるか否かを判断する。変速可否判断部１６は、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力の組み合わせにより、右のクランクアーム１１２ｂおよび左のクランクアーム１１２ｂが４つの領域のいずれにあるのかを判断する。第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力は、Ｓ極４５ａが対向しているときに「Ｌ (Low）」レベルとなり、Ｎ極４５ｂが対向しているときに「Ｈ (High)」レベルとなる。第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂから出力される信号の組み合わせを、それぞれ、第１の組み合わせＡ１、第２の組み合わせＡ２、第３の組み合わせＡ３および第４の組み合わせＡ４とする。

図５（Ａ）は、第１の組み合わせＡ１のときの、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂと磁石４５との位置の一例を示す。第１の組み合わせＡ１では、第１ホール素子４６ａの出力は、「Ｌ (Low）」レベルとなり、第２ホール素子４６ｂの出力は、「Ｈ (High)」レベルとなる。右のクランクアーム１１２ｂが下死点を含む所定領域αにあるときは、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力が第１の組み合わせＡ１となる。第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力が第１の組み合わせＡ１のとき、自転車１０１の側面から見て、図５（Ａ）に示すように、第１ホール素子４６ａと第２ホール素子４６ｂ間に磁石４５の第１境界線４５ｃが位置する。

図５（Ｂ）は、第２の組み合わせＡ２のときの、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂと磁石４５との位置の一例を示す。第２の組み合わせＡ２では、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力は、ともに「Ｈ」レベルとなる。右のクランクアーム１１２ｂが下死点を含む所定領域αから矢印Ｂで示す方向（自転車１０１の右側から見て時計回り）に回転し、磁石４５の第１境界線４５ｃが第１ホール素子４６ａを超え、かつ左のクランクアーム１１２ｂが下死点を含む所定領域αに入る直前までの領域にあるときには、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力が第２の組み合わせＡ２となる。

図５（Ｃ）は、第３の組み合わせＡ３のときの、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂと磁石４５との位置の一例を示す。第３の組み合わせＡ３では、第１ホール素子４６ａの出力は、「Ｈ」レベルとなり、第２ホール素子４６ｂの出力は、「Ｌ」レベルとなる。左のクランクアーム１１２ｂが下死点を含む所定領域αにあるときの第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力が第３の組み合わせＡ３となる。第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力が第３の組み合わせＡ３のとき、自転車１０１の側面から見て、図５（Ｃ）に示すように、第１ホール素子４６ａと第２ホール素子４６ｂ間に磁石４５の第２境界線４５ｄが位置する。

図５（Ｄ）は、第４の組み合わせＡ４のときの、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂと磁石４５との位置の一例を示す。第４の組み合わせＡ４では、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力は、ともに「Ｌ」レベルとなる。左のクランクアーム１１２ｂが下死点を含む所定領域αから矢印Ｂで示す方向（自転車１０１の右側から見て時計回り）に回転し、磁石４５の第２境界線４５ｄが第１ホール素子４６ａを超え、かつ右のクランクアーム１１２ｂが下死点を含む所定領域αに入る直前までの領域にあるときには、第１ホール素子４６ａおよび第２ホール素子４６ｂの出力が第４の組み合わせＡ４となる。

変速可否判断部１６は、第１の組み合わせＡ１のときに、右のクランクアーム１１２ｂの位置が下死点の近傍にある（左のクランクアーム１１２ｂの位置が上死点の近傍にある）と、第３の組み合わせＡ３のときに、左のクランクアーム１１２ｂの位置が下死点の近傍にある（右のクランクアーム１１２ｂの位置が上死点の近傍にある）と、判断し、クランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にあるという変速可能条件１６ａを満たすと判断する。

次に、図６を参照して、上記の変速制御部１４による変速制御の主要点を整理して説明する。手動変速モードであっても、自動変速モードであっても、図６のフローに従って変速制御が行われる。

内装変速ハブ１２０の段数を変更したいという変速要求があると、ステップＳ１からステップＳ２に移行する。ステップＳ２では、車速センサ４１からの信号に基づいて算出した車速がゼロであるか否かを判断する。車速がゼロの場合には、ステップＳ２からステップＳ５に移行し、直ちに変速用モータ１２３に動作指令を送って変速動作を実行させる。車速がゼロであれば、内装変速ハブ１２０の内部部品にトルクが殆ど作用していないため、変速動作がスムーズに行われる。ステップＳ２で車速がゼロではないと判断したときには、ステップＳ３に移行する。ステップＳ３では、どのアシストモードになっているかに関わらず、走行アシスト用モータ１１６によるアシスト力を低下させる。ここでは、ステップＳ３において、アシスト出力制御部１３が走行アシスト用モータ１１６の出力をゼロにして、一時的に走行アシストがない状態にする。次に、ステップＳ４に移行し、クランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にあるという変速可能条件１６ａを満たすか否かを、変速可否判断部１６が判断する。クランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍になければ、クランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にくるまでステップＳ４を繰り返す。クランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にあれば（或いは、クランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にくれば）、ステップＳ５に移行して変速動作を実行させる。ここでは、走行アシストがなく、且つ、クランクアーム１１２ｂの位置が上下死点の近傍にあるため、内装変速ハブ１２０の内部部品に掛かるトルクが非常に小さく、変速動作がスムーズに行われる。ステップＳ５の変速動作が完了すると、ステップＳ６に移行する。ステップＳ６では、ステップＳ３で走行アシスト用モータ１１６の出力を低下させていた場合、この実施の形態ではゼロにしていた場合に、その出力低下状態を解除して、元のアシストモードに基づく出力に戻す。ステップＳ６では、ステップＳ５で変速動作を実行してから所定時間後に、走行アシスト用モータ１１６の出力低下状態を解除してもよく、またたとえば変速機または変速モータに現在の変速段を検出するためのセンサを設けておき、このセンサからの出力に基づいて変速が完了したと判断したときに、走行アシスト用モータ１１６の出力低下状態を解除してもよい。

＜他の実施形態＞
以上、本発明の一実施形態に係る自転車用制御装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（ａ）ハンドル１０４にタッチパネルを有する表示入力装置を固定し、アシストモードの選択、車速や変速段数の表示、充電池１１７の残量表示などを可能にしてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、ステップＳ３において、アシスト出力制御部１３が制御する走行アシスト用モータ１１６の出力をゼロにして、変速動作が行われるときに一時的に走行アシストがない状態にしている。これに代えて、ステップＳ３において、走行アシスト用モータ１１６の出力を、そのときのアシストモードに基づく出力値よりも小さくなるように低下（例えば、半減）させて、変速動作が行われるときの走行アシスト力を一時的に小さくしてもよい。走行アシストが多少あっても、出力が小さければ、変速動作はスムーズになる。

（ｃ）上記実施形態では、変速可否判断部１６が保持する変速可能条件１６ａとして、クランク１１２の出力条件の１つであるクランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置に関するものを採用している。これに代えて、変速可能条件として、クランク１１２の出力条件の１つであるクランク１１２のクランク軸１１２ａのトルクに関するものを採用してもよい。具体的には、踏力センサ４３で検出したクランク軸１１２ａのトルクが、所定範囲にある場合（所定の閾値よりも小さい場合）に、変速可能条件を満たすと判断することでもよい。この場合にも、走行アシストが低下した状態、あるいは走行アシストがない状態で、且つ、クランク１１２に掛かる踏力が小さいため、内装変速ハブ１２０の内部部品に掛かるトルクが小さく、変速動作がスムーズに行われる。

（ｄ）上記実施形態では、変速可否判断部１６が保持する変速可能条件１６ａとして、クランク１１２の出力条件の１つであるクランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置に関するものを採用している。これに代えて、変速可能条件として、クランク１１２の出力条件の１つである後輪１０７のトルクに関するものを採用してもよい。具体的には、後輪１０７のトルクを検出するセンサを設ける。そして、そのセンサの検出トルクが所定の閾値よりも小さい場合に、変速可能条件を満たすと判断することでもよい。この場合にも、走行アシストが低下した状態、あるいは走行アシストがない状態で、且つ、内装変速ハブ１２０が装着される後輪１０７のトルクが小さいときに変速動作が行われるため、内装変速ハブ１２０の内部部品に掛かるトルクが小さく、変速動作がスムーズに行われる。後輪１０７のトルクは、クランク軸トルクと、ギア比とに基づいて求められても良い。

（ｅ）上記実施形態では、変速可否判断部１６が保持する変速可能条件１６ａとして、クランク１１２の出力条件の１つであるクランク１１２のクランクアーム１１２ｂの位置に関するものを採用している。これに代えて、変速可能条件として、クランク１１２の出力条件の１つである内装変速ハブ１２０の変速トルクに関するものを採用してもよい。具体的には、チェーンからスプロケットを介して内装変速ハブ１２０に入力されるトルクを直接検出あるいは演算して求める。そして、そのトルクが所定の閾値よりも小さい場合に、変速可能条件を満たすと判断することでもよい。内装変速ハブ１２０には、予め変速可能な入力トルクが設定されているので、この設定されている入力トルクを閾値とすればよい。この場合にも、走行アシストが低下した状態、あるいは走行アシストがない状態で、且つ、内装変速ハブ１２０のトルクが小さいときに変速動作が行われるため、内装変速ハブ１２０の内部部品に掛かる力が小さい状態で変速動作がスムーズに行われる。

（ｆ）上記実施形態では、内装変速機を構成する内装変速ハブ１２０を後輪１０７に装着した自転車１０１に本発明を適用している。これに代えて、クランク軸に付けた遊星歯車機構によって変速を行う変速機を持つ自転車に本発明を適用してもよい。

（ｇ）上記実施形態では、内装変速機を構成する内装変速ハブ１２０を後輪１０７に装着した自転車１０１に本発明を適用している。これに代えて、電動駆動されるフロントディレーラまたはリアディレーラを有する外装変速機を備える自転車に本発明を適用してもよい。この場合、外装変速機に過度の力が掛かった状態で変速動作が行われることがなくなり、変速動作がスムーズになる。外装変速機の場合、図６のステップＳ２で、車速センサ４１からの信号に基づいて算出した車速がゼロであるか否かを判断し、車速がゼロではないと判断すると、ステップＳ３に移り、ステップＳ２で車速がゼロ以上となるまでは、ステップＳ３以降の処理を待機する構成とする。すなわち、ステップＳ２で車速がゼロであると判断すると、ステップＳ２の判断を繰り返し、車速がゼロ以上となるまでステップＳ３以降の処理（ステップＳ３〜Ｓ６の処理）を待機する。

（ｈ）上記実施形態では、クランク軸１１２ａの近傍にアシスト機構１１５を配備し、走行アシスト用モータ１１６のトルクを、パワーアシスト用スプロケットを介して、チェーン１１０に伝えている。このアシスト機構１１５に代えて、前輪１０６に走行アシスト用のモータユニットを装着してもよい。このモータユニットの内部には、走行アシスト用モータ、インバータ、車速センサなどを配置することが好ましい。

（ｉ）上記実施形態では、クランク軸１１２ａの近傍にアシスト機構１１５を配備し、走行アシスト用モータ１１６のトルクを、パワーアシスト用スプロケットを介して、チェーン１１０に伝えている。このアシスト機構１１５に代えて、後輪１０７に走行アシスト用のモータユニットを装着してもよい。この場合、モータユニットは変速機の出力側に設けられる。

（ｊ）クランク位置検出センサ３９は、上記構成に限らず、ロータリーエンコーダによって実現されてもよい。

（ｋ）上記実施形態では、クランク軸に作用するトルクを検出する踏力センサ４３の出力に基づいて、アシスト出力制御部１３が、走行アシスト用モータ１１６を制御しているが、この踏力センサ４３に代えて、ペダルの踏力を検出するセンサを設けてもよく、またチェーンのテンションを検出するセンサを設けてもよい。アシスト出力制御部１３は、これらのセンサからの情報に基づいて、走行アシスト用モータ１１６を制御する。

（ｌ）上記実施形態では、ステップＳ２で車速がゼロか否かを判断しているが、ステップＳ２では、クランクが回転しているか否かを判断してもよい。たとえばクランク位置センサを、クランクの回転を検出するセンサとして用いることができる。クランク位置センサで検出されるクランクの位置が変化しない場合には、変速制御部においてクランクが回転していないと判断する。ステップＳ２において、変速制御部は、クランク位置センサから出力される信号が所定時間内に変化する場合に、クランクが回転していると判断して、ステップＳ３に移る。またステップＳ２において、変速制御部は、クランク位置センサから出力される信号が所定時間内に変化ない場合に、クランクが回転していないと判断して、ステップＳ５に移る。クランクの回転を検出するセンサは、上記の構成に限らず、磁石と、リードスイッチとによって実現してもよい。外装変速機においては、図６のステップＳ２で、クランク位置センサから出力される信号が所定時間内に変化する場合に、クランクが回転していると判断して、ステップＳ３に移り、ステップＳ２でクランクが回転していないと判断すると、クランクが回転していると判断するまでは、ステップＳ３以降の処理を待機する構成とする。

（ｍ）上記実施形態では、ステップＳ２で車速がゼロか否かを判断しているが、ステップＳ２では、踏力センサにおいて踏力が検出されるか否かを判断してもよい。ステップＳ２において、変速制御部は、踏力センサから出力される信号に基づいて、踏力が与えられていると判断すると、ステップＳ３に移り、踏力が与えられていないと判断すると、ステップＳ５に移る。外装変速機においては、図６のステップＳ２で、踏力が与えられていると判断すると、ステップＳ３に移り、踏力が与えられていないと判断すると、踏力を検出するまでは、ステップＳ３以降の処理を待機する構成とする。

（ｎ）上記各実施形態において、ステップＳ２を省略して、ステップＳ１で変速要求があると判断すると、ステップＳ３に移行する構成としてもよい。

１２ マイクロコンピュータ
１３ アシスト出力制御部
１４ 変速制御部
１６ 変速可否判断部
３９ クランク位置センサ
４３ 踏力センサ
１０１ 自転車
１１０ チェーン
１１２ クランク
１１２ａ クランク軸
１１５ アシスト機構
１１６ 走行アシスト用モータ
１２０ 内装変速ハブ
１２３ 変速用モータ

Claims (11)

1. クランクと、走行補助用電動機と、変速機と、を有する自転車、を制御する自転車用制御装置であって、
   前記走行補助用電動機の出力を制御する出力制御部と、
   前記クランクの出力条件が変速可能条件を満たすか否かを判断する、変速可否判断部と、
   変速の要求を受け、前記出力制御部に前記出力の停止あるいは低下を行わせ、前記変速可否判断部が前記変速可能条件を満たすと判断しているときに前記変速機に変速動作を行わせる、変速制御部と、
   を備える自転車用制御装置。
2. 前記クランクの出力条件は、前記クランクの位置に関する、
   請求項１に記載の自転車用制御装置。
3. 前記クランクの出力条件は、前記変速機の変速トルクに関する、
   請求項１に記載の自転車用制御装置。
4. 前記クランクの出力条件は、後輪トルクに関する、
   請求項１に記載の自転車用制御装置。
5. 前記クランクの出力条件は、クランク軸のトルクに関する、
   請求項１に記載の自転車用制御装置。
6. 前記クランクの位置を検出するクランク位置検出部をさらに備え、
   前記変速可否判断部は、前記クランクの位置が前記クランクの上下死点近傍にあるときに、前記変速可能条件を満たすと判断する、
   請求項２に記載の自転車用制御装置。
7. 前記クランク軸のトルクを測るクランク軸トルク測定部をさらに備え、
   前記変速可否判断部は、前記クランク軸のトルクが所定範囲にあると判断するときに、前記変速可能条件を満たすと判断する、
   請求項５に記載の自転車用制御装置。
8. 前記変速機は、変速用電動機を有し、
   前記変速制御部は、前記変速用電動機を駆動させることで、前記変速機に変速動作を行わせる、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の自転車用制御装置。
9. 前記走行補助用電動機によってチェーンが駆動される、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の自転車用制御装置。
10. 前記変速機は、内装変速機である、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の自転車用制御装置。
11. 前記変速機は、外装変速機である、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の自転車用制御装置。

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