JP3138795B2 - 自転車用アシストモータの制御方法 - Google Patents

自転車用アシストモータの制御方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、クランクペダルの踏力
を車輪に伝達する動力伝達系に介装したアシストモータ
を、前記クランクペダルの踏力に基づいて制御する自転
車用アシストモータの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】かかる自転車用アシストモータの制御方
法として、特開平６−１０７２６６号公報に記載された
ものが知られている。
【０００３】上記従来のものは、自転車用アシストモー
タに、必要なアシスト力に対して余裕のある最大出力を
持たせ、そのアシストモータの出力を絞って所定のアシ
スト力に発生させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のものの如く必要以上の最大出力を持つアシストモー
タを用いると、単にアシストモータ自体の重量や寸法が
増加するだけでなく、それに付随する動力伝達系の重量
や寸法も増加し、車両の取回し性が低下することが考え
られる。
【０００５】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
で、小型軽量なアシストモータによって必要充分なアシ
スト力を発生させることが可能な自転車用アシストモー
タの制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【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、クランクペダルの踏力を車輪に伝達する
動力伝達系に介装したアシストモータを、前記クランク
ペダルの踏力に基づいて制御する自転車用アシストモー
タの制御方法において、低車速領域ではアシストモータ
に供給する電流のデューティ比を車速の増加に応じて増
加させるデューティ制御を行うとともに、デューティ比
が１００％に達した高車速領域では車速によらずにアシ
ストモータに最大出力を発生させる定ワット制御を行う
ことを特徴とする。
【０００７】
【作用】上記構成によれば、低車速領域では車速の増加
に応じてデューティ比が増加するためにアシストモータ
の出力が次第に増加し、デューティ比が１００％に達し
た高車速領域では車速によらずにアシストモータは最大
出力を発生する。必要なアシスト力が増加する高車速領
域でアシストモータが最大出力を発生するため、アシス
トモータに余剰の出力を持たせる必要がなくなり、その
小型軽量化が可能となる。
【０００８】
【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明
する。
【０００９】図１〜図９は本発明の一実施例を示すもの
で、図１はアシストモータ付き自転車の全体側面図、図
２は図１の２−２線拡大断面図、図３は図２の３−３線
断面図、図４は図３の４−４線断面図、図５は図２の５
−５線拡大断面図、図６は図４の６部拡大図、図７は図
１の７方向から見たスケルトン図、図８はアシストモー
タのデューティ制御マップ、図９はアシストモータの出
力特性を示すグラフである。
【００１０】図１に示すように、自転車Ｂは側面視でＶ
字状をなすメインフレーム１を備えており、このメイン
フレーム１の前端に設けたヘッドパイプ２に回動自在に
枢支されたフロントフォーク３の上端及び下端に、それ
ぞれハンドル４及び前輪Ｗｆが支持される。メインフレ
ーム１の下端近傍から後方に延びてステー５，５によっ
て補強されたリヤフォーク６，６に後輪Ｗｒが支持され
る。メインフレーム１の下端に回転自在に支持されたク
ランク軸７は左右一対のクランクアーム８L ，８R を備
えており、これらクランクアーム８L ，８R の先端にそ
れぞれクランクペダル９L ，９R が設けられる。クラン
ク軸７によって回転するクランク軸スプロケット１０と
後輪Ｗｒの車軸に設けた後輪スプロケット１１とがチェ
ーン１２で接続されており、クランクペダル９L ，９R
の踏力によりクランク軸７が回転すると、その回転がク
ランク軸スプロケット１０、チェーン１２及び後輪スプ
ロケット１１を介して後輪Ｗｒに伝達される。
【００１１】メインフレーム１の下部に設けられてクラ
ンク軸スプロケット１０に接続されたアシストモータ１
３は、クランクペダル９L ，９R の踏力をアシストする
駆動力を発生する。メインフレーム１の前部に設けられ
たバッテリボックス１４にはアシストモータ１３を駆動
する複数のＮｉ−Ｃｄ電池よりなる走行用バッテリ１５
が収納され、バッテリボックス１４の前端にメインスイ
ッチ１６が設けられる。メインフレーム１の後部にはア
シストモータ１３の駆動を制御する電子制御ユニットや
モータドライバー等の制御装置１７が設けられる。
【００１２】次に、図２〜図７に基づいて自転車Ｂの駆
動機構Ｄの構造を詳述する。
【００１３】駆動機構Ｄを収納するギヤハウジングは、
その主体部を構成する左ハウジング２１と、左ハウジン
グ２１に右側面開口部を閉塞する右ハウジング２２と、
左ハウジング２１の下面に結合される下部ハウジング２
３とからなる。左ハウジング２１の前上部は２本のボル
ト２４，２４によってメインフレーム１の下端に結合さ
れるとともに、左ハウジング２１及び右ハウジング２２
の後部は１本のボルト２５によってリヤフォーク６，６
の前端に共締めされる。また、下部ハウジング２３は複
数本のボルト２６…（図３に１本のみ図示）によって左
ハウジング２１の下面に結合される。
【００１４】クランク軸７は、右側のクランクアーム８
R に結合される第１クランク軸半体１８と、左側のクラ
ンクアーム８L に結合される第２クランク軸半体１９と
から構成される。第１クランク軸半体１８は右側の軸端
が閉塞され、且つ左側の軸端が開放した概略有底円筒状
の部材であって、その右側の軸端が右ハウジング２２に
ボールベアリング２７を介して支持したスリーブ２８の
内周にローラベアリング２９を介して支持される。第２
クランク軸半体１９は、第１クランク軸半体１８にその
軸端開口部を閉塞するように同軸にスプライン結合２０
されるとともに、左ハウジング２１にボールベアリング
３０を介して支持される。従って、第１クランク軸半体
１８及び第２クランク軸半体１９は、一体となって左ハ
ウジング２１及び右ハウジング２２に回転自在に支持さ
れる。
【００１５】第２クランク軸半体１９に一体に形成され
たトーションバー３１が、第１クランク軸半体１８の内
孔１８1 に同軸に遊嵌する。トーションバー３１は軸方
向中間部が括れており、内孔１８1 との間にグリスが充
填される空間３７が形成される。第１クランク軸半体１
８には、前記空間３７から後述するスライダインナ６１
の摺動面にグリスを供給する給油孔１８3 ，１８3 が形
成される。
【００１６】トーションバー３１は左端（入力端）にお
いて第２クランク軸半体１９と一体化され、その右端
（出力端）に圧入したピン３８が第１クランク軸半体１
８に形成した一対のピン孔１８2 ，１８2 に遊嵌する
（図４及び図５参照）。ピン孔１８2 ，１８2 から半径
方向外側に突出したピン３８の両端は、第１クランク軸
半体１８の外周に遊嵌する環状の駆動カム部材３３に圧
入され、これによりトーションバー３１の右端と駆動カ
ム部材３３とが一体化される。
【００１７】前記駆動カム部材３３の内周に形成した一
対の切欠き３３2 ，３３2 に、第１クランク軸半体１８
の外周に突設した一対の突起１８4 ，１８4 が嵌合す
る。図５から明らかなように、切欠き３３2 ，３３2 は
突起１８4 ，１８4 に対して円周方向の隙間αを有して
いる。従って、この隙間αにより駆動カム部材３３に対
する第１クランク軸半体１８の相対回転が許容されると
ともに、過大な荷重が作用したときのトーションバー３
１の最大捩じれ量を規制して該トーションバー３１の破
断が防止される。
【００１８】上述したように、クランク軸７が有底円筒
状の第１クランク軸半体１８と、その軸端開口部に同軸
にスプライン係合２０する第２クランク軸半体１９とか
ら構成されているので、図４から明らかなように第１ク
ランク軸半体１８内の空間３７に予めグリスを充填して
おけば、トーションバー３１を確実に潤滑することがで
きる。しかも、クランク軸７が回転しても前記空間３７
に保持されたグリスは、給油孔１８3 ，１８3 やピン孔
１８2 ，１８2 から遠心力等で僅かに漏れる分を除い
て、大部分が空間３７の内部に長期間に亘って保持され
るため、給油回数を削減することが可能となる。
【００１９】前記スリーブ２８と一体に形成されたベベ
ルギヤ３４をクラッチ外輪とし、前記駆動カム部材３３
をクラッチ内輪として第１一方向クラッチ３５が設けら
れる。図５から明らかなように、第１一方向クラッチ３
５は、駆動カム部材３３の外周に枢支されて環状のスプ
リング３２で拡開する方向に付勢された４個のラチェッ
チ爪３６…と、ベベルギヤ３４の内周に形成された多数
のラチェッチ歯３４1…とを備える。
【００２０】駆動カム部材３３（クラッチ内輪）の外周
は、ベベルギヤ３４（クラッチ外輪）の内周に摺動面３
９（図２及び図４参照）を介して摺動自在に支持され
る。従って、ラチェッチ爪３６…とラチェッチ歯３４1
…との当たりによる偏心荷重は駆動カム部材３３及びベ
ベルギヤ３４間で吸収され、クランク軸７に対して影響
を及ぼすことはない。これにより、クランク軸７と駆動
カム部材３３（クラッチ内輪）間の位相差により摩擦力
が変化する不具合が解消され、第１一方向クラッチ３５
の作動状態を良好に確保することができる。
【００２１】而して、クランクペダル９L ，９R を踏ん
でクランク軸７を正転させると、クランク軸７のトルク
はトーションバー３１、駆動カム部材３３、第１一方向
クラッチ３５、ベベルギヤ３４及びスリーブ２８を介し
て該スリーブ２８の外周にスプライン結合された前記ク
ランク軸スプロケット１０に伝達される。また、クラン
クペダル９L ，９R を踏んでクランク軸７を逆転させる
と、第１一方向クラッチ３５がスリップすることによ
り、前記クランク軸７の逆転が許容される。
【００２２】図３から明らかなように、左ハウジング２
１に支持されたアシストモータ１３から前下方に延びる
出力軸１３1 は、その先端部がボールベアリング４１を
介して左ハウジング２１の下端に支持される。左ハウジ
ング２１及び下部ハウジング２３に、一対のボールベア
リング４２，４３を介して第１中間軸４４が支持される
とともに、一対のボールベアリング４５，４６を介して
第２中間軸４７が支持される。アシストモータ１３の出
力軸１３1 に固設したスパーギヤ４８が第１中間軸４４
に第２一方向クラッチ４９を介して支持したスパーギヤ
５０に噛合し、第１中間軸４４に固設したスパーギヤ５
１が第２中間軸４７に固設したスパーギヤ５２に噛合す
る。そして第２中間軸４７に固設したベベルギヤ５３が
前記スリーブ２８と一体のベベルギヤ３４に噛合する。
【００２３】従って、アシストモータ１３が回転する
と、その出力軸１３1 のトルクは４個のスパーギヤ４
８，５０，５１，５２、２個のベベルギヤ５３，３４及
びスリーブ２８を介してクランク軸スプロケット１０に
伝達される。また、走行用バッテリ１５の放電等により
アシストモータ１３の駆動が停止したとき、クランクペ
ダル９L ，９R の踏力によるクランク軸スプロケット１
０の回転を妨げないように第２一方向クラッチ４９が空
転する。
【００２４】クランクペダル９L ，９R の踏力を検出す
る踏力検出手段Ｓは、クランク軸７の第１クランク軸半
体１８外周に形成したスプライン１８5 に軸方向摺動可
能に嵌合し、且つ第１クランク軸半体１８と一体に回転
するスライダインナ６１を備える。スライダインナ６１
の外周に突設したフランジに複数個のボール６２…を介
してスライダアウタ６３が相対回転可能に支持される。
図６を併せて参照すると明らかなように、駆動カム部材
３３のスライダインナ６１側の端面にはその直径上に位
置するように凹状のカム面３３1 が形成されるととも
に、スライダインナ６１の端面には前記カム面３３1 に
係合する凸状のカム面６１1 が形成される。
【００２５】左ハウジング２１にはクランク軸７を挟ん
でピボットボルト６４とストロークセンサ６５とが設け
られており、一端をピボットボルト６４に枢支されたセ
ンサアーム６６の他端がストロークセンサ６５の検出ロ
ッド６５1 に当接する。センサアーム６６の中央部には
クランク軸７、スライダインナ６１及びスライダアウタ
６３が貫通する開口６６1 （図２参照）が形成されてお
り、この開口６６1 から半径方向内向きに突出するよう
に一対の突起６６2 ，６６2 （図４参照）が形成され
る。一対の突起６６2 ，６６2 と左ハウジング２１との
間にスプリング６７が縮設されており、スプリング６７
に弾発力で図４の右方向に付勢されたセンサアーム６６
の一対の突起６６2 ，６６2 がスライダアウタ６３を押
圧することにより、ボール６２…を介してスライダイン
ナ６１を駆動カム部材３３に押し付ける。その結果、駆
動カム部材３３のカム面３３1 がスライダインナ６１の
カム面６１1 に弾発的に当接する。
【００２６】クランク軸７の回転数を検出すべく、クラ
ンク軸７の第１クランク軸半体１８の外周に形成したス
プライン１８5 に、左ハウジング２１に支持したクラン
ク軸回転数センサ６８が対向する。
【００２７】次に、前述の構成を備えた本発明の実施例
の作用について説明する。
【００２８】自転車を走行させるべく乗員がクランクペ
ダル９L ，９R を踏むと、クランクアーム８L ，８R を
介してクランク軸７が回転し、そのクランク軸７のトル
クはトーションバー３１から駆動カム部材３３、第１一
方向クラッチ３５、ベベルギヤ３４、スリーブ２８、ク
ランク軸スプロケット１０、チェーン１２及び後輪スプ
ロケット１１を介して後輪Ｗｒに伝達される。このと
き、クランクペダル９L，９R の踏力の大きさが踏力検
出手段Ｓにより検出される。
【００２９】即ち、クランクペダル９L ，９R の踏力に
応じたトルクがトーションバー３１に作用することによ
り、該トーションバー３１がクランク軸７に対して所定
角度だけ相対回転する。トーションバー３１がクランク
軸７に対して相対回転すると、図６に示すようにクラン
ク軸７に相対回転不能且つ軸方向摺動可能に支持された
スライダインナ６１が、トーションバー３１の出力端に
結合された駆動カム部材３３に対して矢印ａ方向に相対
回転する。その結果、スライダインナ６１のカム面６１
1 が駆動カム部材３３のカム面３３1 に押圧されること
により、スライダインナ６１がスプリング６７の弾発力
に抗してクランク軸７上を矢印ｂ方向に摺動し、スライ
ダインナ６１と一体のスライダアウタ６３に突起６
６2 ，６６2を押圧されたセンサアーム６６がピボット
ボルト６４回りに揺動してストロークセンサ６５の検出
ロッド６５1 を押圧する。このとき、ストロークセンサ
６５の検出ロッド６５1 のストロークはトーションバー
３１の捩じれ量、即ちクランクペダル９L ，９R の踏力
に比例するため、ストロークセンサ６５の出力に基づい
て踏力を検出することができる。
【００３０】次に、アシストモータ１３の制御を図８及
び図９に基づいて説明する。
【００３１】前記制御装置１７は、クランクペダル
９L ，９R の踏力を検出するストロークセンサ６５の出
力と、クランク軸７の回転数を検出するクランク軸回転
数センサ６８の出力とに基づいてアシストモータ１３の
駆動を制御する。
【００３２】図８はアシストモータ１３をデューティ制
御するためのマップであって、そのデューティ比はアシ
ストモータ１３の回転数（即ち、クランク軸回転数セン
サ６８の出力）の増加に応じてリニアに増加するように
設定されるとともに、クランクペダル９L ，９R の踏力
（即ち、ストロークセンサ６５の出力）の増加に応じて
リニアに増加するように設定される。
【００３３】従って、例えば一定の踏力での走行中に、
車速が増加して走行抵抗が増すとデューティ比が増加
し、車速が減少して走行抵抗が減るとデューティ比が減
少する。また、例えば一定速度での走行中に、上り坂等
で踏力が増加するとデューティ比が増加し、下り坂等で
踏力が減少するとデューティ比が減少する。
【００３４】図９はアシストモータ１３の出力特性を示
すグラフであって、その横軸は後輪スプロケット１１の
回転数、或いは車速であり、その縦軸は後輪スプロケッ
トトルク（即ち、アシストモータ１３のトルク）であ
る。
【００３５】車速が０のときアシストモータ１３の出力
は踏力の大きさに比例しており、そこから車速が増加す
るに伴って前記図８のマップに基づいてデューティ比が
次第に増加し、アシストモータ１３のトルクは次第に減
少する。最大踏力として想定された踏力７０ｋｇに対応
する特性は、走行用バッテリ１５の耐久性を考慮して、
その走行用バッテリ１５の最大出力電流を越えないよう
に設定される。そして各踏力についてデューティ比が１
００％に達すると、アシストモータ１３のトルクは共通
の定ワット特性に沿って減少する。
【００３６】前記定ワット特性はアシストモータ１３を
デューティ比１００％で運転したときの特性であって、
その出力であるトルクと回転数との積（即ち、後輪スプ
ロケットトルクと後輪スプロケット回転数との積）が一
定値となるような双曲線状の特性となる。
【００３７】デューティ制御時の直線状の特性及び定ワ
ット制御時の双曲線状の特性は何れも右下がりであって
滑らかに接続しているため、車速の増加に伴うトルクの
減少が唐突に起こることがなく、違和感のないアシスト
力を得ることができる。
【００３８】前述したように、車速が低い領域ではアシ
ストモータ１３のデューティ比を車速の増加に応じて増
加させるデューティ制御を行い、車速の増加に伴ってデ
ューティ比が１００％に達した後はアシストモータ１３
に最大出力を発揮させる定ワット制御を行うことによ
り、車速の高い領域（実施例では約１１ｋｍ／ｈ以上）
でアシストモータ１３は常時最大出力を発揮することに
なり、余剰の出力を持つことがない。
【００３９】ところで、最大出力に余裕のある大型のア
シストモータ１３を搭載し、車速の高い領域でデューテ
ィ比を減少させてトルクを落とす制御を行うと、アシス
トモータ１３自体の重量が増加するばかりか、その動力
伝達系Ｄの強度を確保するためにも重量が増加し、人力
のみによる走行を行う場合に乗員に負担を強いることに
なって望ましくない。しかしながら、本実施例によれ
ば、必要最小限の出力を有する小型のアシストモータ１
３で済むため、アシストモータ１３の重量及び動力伝達
系Ｄの重量を削減することができる。
【００４０】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行う
ことが可能である。
【００４１】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、低車速
領域ではアシストモータに供給する電流のデューティ比
を車速の増加に応じて増加させるデューティ制御を行う
とともに、デューティ比が１００％に達した高車速領域
では車速によらずにアシストモータに最大出力を発生さ
せる定ワット制御を行うので、必要なアシスト力が増加
する高車速領域でアシストモータの出力を絞る必要がな
くなり、これによりアシストモータに必要最小限の出力
を持つ小型軽量なものを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アシストモータ付き自転車の全体側面図
【図２】図１の２−２線拡大断面図
【図３】図２の３−３線断面図
【図４】図３の４−４線断面図
【図５】図２の５−５線拡大断面図
【図６】図４の６部拡大図
【図７】図１の７方向から見たスケルトン図
【図８】アシストモータのデューティ制御マップ
【図９】アシストモータの出力特性を示すグラフ
【符号の説明】
９L ，９R クランクペダル １３ アシストモータ Ｄ 駆動機構 Ｗｒ 後輪（車輪）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−107266（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−355605（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−107268（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−107267（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−321482（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−358988（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B62M 23/02 B60L 15/20

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 クランクペダル（９L ，９R ）の踏力を
    車輪（Ｗｒ）に伝達する動力伝達系（Ｄ）に介装したア
    シストモータ（１３）を、前記クランクペダル（９L ，
    ９R ）の踏力に基づいて制御する自転車用アシストモー
    タの制御方法において、 低車速領域ではアシストモータ（１３）に供給する電流
    のデューティ比を車速の増加に応じて増加させるデュー
    ティ制御を行うとともに、デューティ比が１００％に達
    した高車速領域では車速によらずにアシストモータ（１
    ３）に最大出力を発生させる定ワット制御を行うことを
    特徴とする、自転車用アシストモータの制御方法。
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