JP2015189451A

JP2015189451A - 電動アシスト自転車

Info

Publication number: JP2015189451A
Application number: JP2014070578A
Authority: JP
Inventors: 英和北川; Hidekazu Kitagawa; 均新田; Hitoshi Nitta
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Copal Corp
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-11-02

Abstract

【課題】クランク軸に加わるトルクを直接検出することで、ペダル踏力の検出構造を簡略化しながら、左右のペダル踏力を検出した場合と同等のアシスト性能を得る。【解決手段】電動アシスト自転車１は、クランク軸１０と、クランク軸１０に加わるトルクを検出するトルクセンサ３１と、クランク軸１０の回転を検出する回転センサ３２と、クランク軸１０の回転時にクランク軸１０から車輪への動力伝達系又は車輪に補助動力を付加する補助動力駆動部２０と、トルクセンサ３１の検出トルクと回転センサ３２の出力によって補助動力駆動部２０が出力する補助動力を制御する制御部３０とを備え、制御部３０は、クランク軸１回転における前半で検出トルクによって補助動力を決定し、当該１回転の後半ではその前半で検出された検出トルクによって補助動力を決定する。【選択図】図４

Description

本発明は、電動アシスト自転車、電動アシスト自転車用駆動補助機、電動アシスト自転車の補助動力制御方法に関するものである。

電動アシスト自転車は、乗車者が自転車ペダルを踏み込む力であるペダル踏力を検知して、モータを駆動し後輪に前進回転の補助動力を付加するものであり、ペダルが踏まれないと補助動力は作用しない。従来の電動アシスト自転車は、左右のペダルクランクが装着されたクランク軸の周りに左右のペダル踏力を検出するトルク検出部を装備している。

従来の電動アシスト自転車におけるトルク検出部は、クランク軸と同軸上に中空部材を配備し、中空部材の一端をクランク軸に連結し、その他端をドライブスプロケットに連結しており、中空部材の外周にトルクセンサ（磁歪式トルクセンサ）を取り付けた構成を有し、その外周を円筒状のケーシングで覆う構造になっている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００６−３４７５４５号公報

自転車のクランク軸は、その中心部が車体フレームに軸支されるので、クランク軸に連結される動力伝達系（一方向クラッチやドライブスプロケットなど）の装着位置がクランク軸の中央部から左右の一方側（一般には乗車者の右側）にシフトした位置にならざるを得ない。このため、ペダル踏力をクランク軸に加わるトルクで検出しようとすると、左右片側（一般には乗車者の左側）のペダル踏力しか検出することができない。この問題を解消するために、従来の電動アシスト自転車では、クランク軸のトルクを直接検出することは行わず、クランク軸と同軸の中空部材をクランク軸周りに設け、左右のペダル踏力が中空部材にほぼ均等に作用する構造として、中空部材に加わるトルクをその外周に設けた磁歪式トルクセンサで検出している。

このような従来の電動アシスト自転車は、クランク軸周りに中空部材を配備するため重量やコストが嵩む問題があると共に、クランク軸周りの造形が太くなって外観性が悪くなる問題がある。また、中空部材とクランク軸の接合部分に応力が集中して破損しやすい構造になっており、仮にその箇所で破損した場合には周りがケーシングで覆われているので外観から破損箇所が特定できない問題が生じる。

また、従来の中部部材を用いたトルク検出によっても、左右のペダル踏力を均等に検出することはできないので、このようなトルク検出によって発生する補助動力が左右のペダル踏み込み時に不均一に作用し、安定した走行性を得ることができない問題がある。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、ペダル踏力の検出構造を簡略化して、破損の起こりにくい構造にすると共に、車体重量やコストの低減を図ること、クランク軸周りの外観性向上を図ること、ペダル踏力の検出構造によらす良好なアシスト性能を得ることができること、左右のペダル踏み込み時に均等な補助動力を付加することで安定した走行性を得ること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明は、明細書に記載された幾つかの発明のうち以下の構成を具備するものである。

本発明の実施形態に係る電動アシスト自転車は、車体フレームに回転自在に軸支されたクランク軸と、前記クランク軸に加わるトルクを検出するトルクセンサと、前記クランク軸の回転を検出する回転センサと、前記クランク軸の回転時に前記クランク軸から車輪への動力伝達系又は車輪に補助動力を付加する補助動力駆動部と、前記トルクセンサの検出トルクと前記回転センサの出力によって前記補助動力駆動部が出力する補助動力を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記クランク軸１回転における前半で検出トルクによって補助動力を決定し、当該１回転の後半では前記前半で検出された検出トルクによって補助動力を決定することを特徴とする。

電動アシスト自転車の概略構成を示した説明図である。本発明の実施形態に係る電動アシスト自転車の要部を示した説明図である。本発明の実施形態に係る電動アシスト自転車における制御部の機能を示した説明図である。本発明の実施形態に係る電動アシスト自転車の制御部による補助動力制御方法を示した説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、電動アシスト自転車の概略構成を示している。電動アシスト自転車１は、一般の自転車と同様に、車体フレーム２を備え、車体フレーム２には、前輪３、後輪４、ハンドル５及びサドル６などが周知の態様で取り付けられている。

車体フレーム２の中央下部には、クランク軸１０が回転自在に軸支され、その左右両端部には、ペダルクランク１１Ｌ，１１Ｒを介してペダル１２Ｌ，１２Ｒが各々取り付けられている。このクランク軸１０には、一方向クラッチやドライブスプロケットなどの動力伝達要素１３が装着されており、この動力伝達要素１３，チェーンやベルトなどの巻き掛け伝動要素１４，後輪伝動機構１５によって、クランク軸の回転を後輪に伝える動力伝達系が構成されている。

そして、電動アシスト自転車１には、補助動力を発生する補助動力駆動部２０が装備されている。補助動力駆動部２０は、図示省略したバッテリーの電力で駆動するモータを備えており、クランク軸１０の回転時にクランク軸１０から後輪４への動力伝達系に補助動力を付与するものである。ここでは、動力伝達系に補助力を付与する例を示しているが、前輪３に直接又は伝動機構を介して補助動力を付与するものでもよいし、後輪４に直接又は後輪伝動機構１５を介して補助動力を付与するものであってもよい。

図２は、本発明の実施形態に係る電動アシスト自転車の要部を示した説明図である。車体フレーム２に軸受２Ｒを介して回転自在に軸支されたクランク軸１０には、左右端にそれぞれペダルクランク１１Ｌ，１１Ｒが装着されており、クランク軸１０の回転は、動力伝達要素１３である一方向クラッチ１３Ａ，ドライブスプロケット１３Ｂと巻き掛け伝動要素１４を介して後輪側に伝えられる。このクランク軸１０の周囲には、クランク軸１０に加わるトルクを検出するトルクセンサ３１とクランク軸の回転を検出する回転センサ３２が装備されている。また、本体フレーム２には、車体の前後傾斜を検出する傾斜センサ３３が装備されている。

クランク軸１０の周りに配備される補助動力駆動部２０は、モータ２０Ｍと減速ギヤ２１，２２と補助動力付与用スプロケット２３などを備えている。また、トルクセンサ３１の検出トルクと回転センサ３２の出力によって補助動力駆動部２０が出力する補助動力を制御する制御部３０が設けられている。この補助動力駆動部２０と制御部３０は、電動アシスト自転車用駆動補助機としてユニット化することができる。

図３は、制御部の機能を示した説明図である。制御部３０は、基本的にはトルクセンサ３１の検出トルクと回転センサ３２の出力によって、クランク軸１０の回転時にのみ検出トルク（トルクセンサ３１が検出するトルク検出値）に応じてモータ２０Ｍの出力を制御して補助動力を決定するものである。また、制御部３０は、付加的な機能として、傾斜センサ３３や車速センサ３４の出力によって、トルクセンサ３１の検出トルクと回転センサ３２の出力によって決定した補助動力を補正する機能を有している。

ここで用いられるトルクセンサ３１は、クランク軸１０に加わるトルクを検出するものであって、従来技術における中空部材を有さないものを用いることができる。トルクセンサ３１の具体的な構成例としては、簡単な構造を有する公知の磁歪式トルクセンサを用いることができる。例えばトルクセンサ３１は、クランク軸１０の外周面に固着された一対の磁歪材料箔とクランク軸１０の径方向外側に巻かれて一対の磁歪材料箔に対面して配置される検出コイルによって構成することができる。

図４は、制御部による補助動力制御方法の例を示した説明図である。制御部３０では、回転センサ３２の出力パルスにトルクセンサ３１の出力（検出トルク）を対応させて、回転センサ３２の出力パルスに対する検出トルクの変化を随時メモリに記憶している。トルクセンサ３１によって検出されるトルクの検出値（図において実線で示す）は、左右片側（例えば左側）のペダルを踏み込む時だけ検出されることになり、クランク軸１０の連続回転が検出されているときには、左右片側踏み込み時のクランク軸半回転の間ではトルクの検出値が閾値を超えるが、次のクランク軸半回転では検出値は閾値を超えない。そこで、常時この検出トルクに応じて補助動力を決定すると、左右片側のペダル踏み込み時には補助動力が付加されるが、左右逆側のペダル踏み込み時には補助動力が付加されなくなり、良好なアシスト性能を得ることができない。

そこで制御部３０は、クランク軸１０の１回転における前半で検出トルクが得られ、その検出トルクによって補助動力を決定した場合には、その１回転の後半では前半で検出された検出トルクによって補助動力を決定する。すなわち、トルクセンサ３１の検出トルクが閾値を超える図示Ａで示したクランク軸半回転分の範囲では、制御部３０は回転センサ３２の出力に対応した検出トルクの変化に応じて補助動力を決定し、その間、回転センサ３２の出力に対応する検出トルクの変化を随時メモリに記憶する。そして、クランク軸１０が引き続き回転しているにも拘わらず検出トルクが閾値を超えない図示Ｂの範囲になると、直前のクランク軸半回転でメモリに記憶されている検出トルク変化を仮想検出トルク（図において破線で示す）として、これに応じた補助動力を決定する。

制御部３０には、図示Ａの範囲における補助動力の制御を行うか、図示Ｂの範囲における補助動力の制御を行うかを判別するために、検出トルクに関する閾値が設定されている。すなわち、クランク軸１０の連続回転がなされている状態を回転センサ３２の出力で認識している間に、検出トルクが閾値を超えるか否かで何れの制御を行うかの判別がなされ、閾値を超えた場合には図示Ａの範囲における制御を行い、検出トルクが閾値を超えない場合には図示Ｂの範囲における制御を行う。

また、ペダルの始動時にもトルクセンサ３１の検出トルクが閾値を超えない場合が起こりうる。クランク軸１０の右側に動力伝達要素１３が装着されているものにおいて、右足からペダルを踏み込んで始動させた場合には、トルクセンサ３１の検出トルクが閾値を超えない状況になる。この場合には、その直前にクランク軸１０の連続回転が検出されていないので、直前のクランクトルク軸半回転の検出トルク変化が得られない。このような始動時の制御として、制御部３０は、クランク軸１０の回転時に閾値を超える検出トルクが出力されず、その回転の直前における検出トルクが閾値を超えないか、或いは、回転センサ３２の回転出力が得られていない又はトルクセンサ３１の出力が得られていない場合には、予め設定されたトルク値でペダル始動からクランク軸半回転分の補助動力を決定している。図示Ｓの範囲がこの制御に相当し、一点破線で示した設定トルク値によってペダル始動時におけるクランク軸半回転分の補助動力が決定される。

また、制御部３０は、トルクセンサ３１と回転センサ３２の出力によって決定された補助動力を傾斜センサ３３や車速センサ３４の出力によって補正することができる。例えば、傾斜センサ３３が前上がりの傾斜を検出している場合には上り坂走行がなされていると判断できるので、この傾斜状態の検出に応じて補助動力を高める補正を行い、傾斜センサ３３が前下がりの傾斜を検出している場合には下り坂走行がなされていると判断できるので、この傾斜状態の検出に応じて補助動力を低下させる補正を行う。また、車速センサ３４の出力によって、一定車速以上での補助動力を制限する補正を行うこともできる。

このような本発明の実施形態に係る電動アシスト自転車１、電動アシスト自転車用駆動補助機、電動アシスト自転車１の補助動力制御方法によると、トルクセンサ３１によるペダル踏力の検出構造を簡略化して、破損の起こりにくい構造にすることができ、更には車体重量やコストの低減を図ることができる。また、トルクセンサ３１の構造簡略化でクランク軸１０周りの外観性を向上させることができる。更には、トルクセンサ３１の検出構造に拘わらず、クランク軸回転時に検出トルクが閾値を超えない場合は、仮想検出トルクによる補助動力の決定を行うので、左右のペダル踏力を検出する場合と同等のアシスト性能を得ることができる。

また、本発明の実施形態に係る補助動力制御方法によると、様々なペダル踏力の検出構造に対して、左右のペダル踏み込み時の補助動力を均等に付加することができるので、電動アシスト自転車の安定した走行性を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

１：電動アシスト自転車，２：車体フレーム，３：前輪，４：後輪，
５：ハンドル，６：サドル，１０：クランク軸，
１１Ｌ，１１Ｒ：ペダルクランク，１２Ｌ，１２Ｒ：ペダル，
１３：動力伝達要素，１４：巻き掛け伝動要素，１５：後輪伝動機構，
２０：補助動力駆動部，２０Ｍ：モータ，２１，２２：減速ギヤ，
２３；補助動力付与用スプロケット，
３０：制御部，３１：トルクセンサ，３２：回転センサ，３３：傾斜センサ，
３４：車速センサ

Claims

車体フレームに回転自在に軸支されたクランク軸と、
前記クランク軸に加わるトルクを検出するトルクセンサと、
前記クランク軸の回転を検出する回転センサと、
前記クランク軸の回転時に前記クランク軸から車輪への動力伝達系又は車輪に補助動力を付加する補助動力駆動部と、
前記トルクセンサの検出トルクと前記回転センサの出力によって前記補助動力駆動部が出力する補助動力を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記クランク軸１回転における前半で検出トルクによって補助動力を決定し、当該１回転の後半では前記前半で検出された検出トルクによって補助動力を決定することを特徴とする電動アシスト自転車。
前記制御部は、前記クランク軸の連続回転時において検出トルクが閾値を超えない場合に、その直前の前記クランク軸半回転時に検出された検出トルクによって補助動力を決定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。
前記制御部は、前記クランク軸の回転時に閾値を超える検出トルクが出力されず、その回転直前の前記クランク軸の回転又は前記クランク軸に加わるトルクが検出されないか、或いはその回転の直前における検出トルクが閾値を超えない場合には、予め設定されたトルク値で補助動力を決定することを特徴とする請求項１又は２記載の電動アシスト自転車。
車体の前後傾斜を検出する傾斜センサを備え、
前記制御部は、前記傾斜センサの出力によって補助動力を補正することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の電動アシスト自転車。
車速を検出する車速センサを備え、
前記制御部は、前記車速センサの出力に応じて補助動力を補正することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動アシスト自転車。
クランク軸の回転時に前記クランク時から車輪への動力伝達系又は車輪に補助動力を付加する補助動力駆動部と、
前記クランク軸に加わるトルクを検出するトルクセンサの検出トルクと前記クランク軸の回転を検出する回転センサの出力によって前記補助動力駆動部が出力する補助動力を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記クランク軸の１回転における前半で検出トルクによって補助動力を決定し、当該１回転の後半では前記前半で検出された検出トルクによって補助動力を決定することを特徴とする電動アシスト自転車用駆動補助機。
クランク軸に対してその回転と付加トルクを検出し、
前記クランク軸の連続回転が検出されており、当該クランク軸に加わるトルクの検出値が閾値を超えない場合に、その直前の前記クランク軸半回転時に検出された前記クランク軸に加わるトルクの検出値によって電動アシスト自転車におけるクランク軸半回転分の補助動力を決定することを特徴とする電動アシスト自転車の補助動力制御方法。
クランク軸に対してその回転と付加トルクを検出し、
前記クランク軸の回転が検出され、当該クランク軸に加わるトルクの検出値が閾値を超えないで、その直前の前記クランク軸の回転又は前記クランク軸に加わるトルクが検出されないか、或いはその直前の前記クランク軸半回転時に検出された前記クランク軸に加わるトルクの検出値も閾値を超えない場合には、設定されたトルク値によって電動アシスト自転車における前記クランク軸半回転分の補助動力を決定することを特徴とする電動アシスト自転車の補助動力制御方法。