JP3389351B2 - 補助動力付き自転車制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、ペダルの踏力に応じて
補助動力を加える補助動力付き自転車制御装置に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】電動機によって人力を補助する方式の電
動自転車は、二次電池の進歩や動力用蓄電装置の実用化
によってその実用性が増し、無公害で便利な乗り物とし
て普及する可能性が大きくなりつつある。これまでに用
いられている電動自転車の制御には大別して、 スロットルレバーやペダルで制御する動力で走行する
方式 ペダル踏力などを検出しそれに比例した補助動力を加
える方式 の２つが実用化されている。このうちの方式はオート
バイやスクータ、自動車などと同じで一般に運転免許が
必要である。これに対しての方式は自転車に乗るのと
ほぼ同じ操作で走行するもので、ペダルに加わる力を検
出し、これに比例した補助動力を加える、例えばペダル
踏力の８０％の推進力を補助するという方式である。こ
の方式は、実用上、自転車の重さが軽くなったのと同等
で、格別の運転操作を必要としないという理由からか、
最高速度の制限、非常ブレーキ時の動力自動切断等の機
能を備えたうえで、運転免許不要の自転車として利用す
ることが認められている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかし、の方式を採
用した補助動力付き自転車制御装置は、動力源として電
池を搭載するものであるため、電池の寿命や充電時間の
課題を別にすれば、当面の課題は、坂道を登るときの制
御方法にある。図６は約８度の坂道を体重８０ｋｇの人
が電動自転車（ヤマハＰＡＳ）に乗り漕ぎ登った際の電
流波形の一部を示す図であり、電源電圧２２Ｖ、速度１
０ｋｍ／ｈの例である。電動自転車に乗り漕ぎ登った
際、実際の坂道走行中のペダルの踏力を検出すると、図
６にその例を示したようにペダルの１踏み、クランクシ
ャフトの半回転毎に力の山と谷が生じる。 【０００４】走路が比較的平坦なときは、図の谷になっ
ている部分は惰力で通過し平均化されるので、推進力の
デコボコはあまり気にならず快適に走行できる。しか
し、走路が６度以上、ことに通常の自転車道路の標準的
な急坂である８度くらいの勾配になると、低速で走った
のでは、片方のペダルが発生したトルクで得られた惰力
が、ペダルの死点を通過して次のペダルに達するまで維
持できなくなる。その結果、坂が急であればあるほど、
フウフウいって早く登る必要があるという珍現象を呈す
る。従来の制御特性では、上述の走行スタイルになるの
は避けられず、その結果として、確かに今まで登れなか
った坂は登れるようになるが、普通の自転車よりひどく
疲れるなどといった状況を生み出すのが実情である。 【０００５】さらにもう１つの課題は、補助動力の有効
利用である。車載の限られた電力で補助動力を供給する
ため、少しでも高効率に使いたいが、図６のように極端
な山や谷のある推力を出すには、その実効値に相当する
電力が必要になるので、能率がよくないことである。せ
っかく自転車の運動を維持するのであれば、同じ推力な
ら少しでも平坦に出した方が、消費電力あたり得られる
推進力は大きくなる。推進力を平坦にするには、ペダル
に無関係にするか、平均した値を使って電動機を駆動す
ればよいが、それでは先のの方式になってしまう。 【０００６】上記のように、これまでに開発製造された
の方式を採用した補助動力付き自転車制御装置の機能
を検討してみると、肝心の坂道での補助動力の作用がも
う１つ有効に働いていないことであり、その原因は、ペ
ダルに力が加わらない上死点及び下死点において、補助
動力も同時に力がなくなるためである。 【０００７】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、安全にしかも補助動力を有効に効率的に制御する
機能を備えた補助動力付き自転車制御装置を提供するこ
とを目的とするものである。 【０００８】 【課題を解決するための手段】そのために本発明は、ペ
ダルの踏力に応じて補助動力を加えて補助動力付き自転
車制御装置において、ペダルの踏力を検出するセンサー
と、該センサーにより検出された踏力の持続時間に比例
して出力時間を延長して制御信号を生成する制御信号生
成手段と、該延長された制御信号によりペダルの踏力に
応じて補助動力を加える制御手段とを備えたことを特徴
とするものである。 【０００９】 【作用】本発明の補助動力付き自転車制御装置では、ペ
ダルの踏力を検出するセンサーと、該センサーにより検
出された踏力の持続時間に比例して出力時間を延長して
制御信号を生成する制御信号生成手段と、該延長された
制御信号によりペダルの踏力に応じて補助動力を加える
制御手段とを備えたので、ペダルが上死点や下死点に達
して力が入らない状態になったときにも、踏力の持続時
間に比例してそれ以前と同様に補助動力を加え続けるこ
とができる。したがって、スピードが変わっても、その
スピードに応じて次のペダルサイクルに影響を与えない
ように補助動力を与え続ける時間を制御することができ
る。 【００１０】 【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図１は本発明の補助動力付き自転車制御装置の
１実施例を示す図であり、１はＰＷＭ制御部、２は電動
機、３は計算処理部、４はペダル検出部を示す。 【００１１】図１において、ペダル検出部４は、例えば
ストレーンゲージなどを用いたペダルセンサーによって
ペダルの踏み力を検出するものである。計算処理部３
は、ペダル検出部４により検出された踏力の持続時間に
比例して出力時間を延長して制御信号を生成するもので
あり、例えばペダル検出部４により検出したペダルの踏
み力の信号電圧波形に比例定数をかけるなどの計算処理
を行うものである。ＰＷＭ制御（パルス幅制御）部１
は、計算処理部３で計算処理した出力を制御信号として
入力し、これによって電源から電動機２に加えられる電
圧をオンオフする時間幅の調節を行う方法で電動機２の
出力を制御するものである。勿論、この他に非常停止や
電源の状態など多くの制御信号が加わってもよいが、本
発明の要旨とは直接関係ないので省略している。 【００１２】例えばペダルの踏み力を検出し、一定時間
後ろに残すような方法では、スピードに比例した応答を
することができず、また、次のペダルのサイクルがくる
まで維持する方法では、平坦化はできスピードに比例し
た応答はできても、ペダルを止めてブレーキをかけない
と止まらないが、本発明では、上記のように毎回のペダ
ル踏力と持続時間を検出し、持続時間に比例して補助動
力に対する出力時間を延長するので、ペダルの踏み方だ
けで、自動的にスピードに比例した応答をするように制
御することができる。 【００１３】図２は本発明の補助動力付き自転車制御装
置の詳細な回路構成の例を示す図、図３は図２に示す回
路の動作波形を示す図である。 【００１４】図２において、ペダル検出部４のペダルセ
ンサーから検出され得られる信号電圧波形ＶＳは、図６
のような形の電圧信号として最大振幅８Ｖ程度に調整さ
れた後ノードに加わる。この信号電圧波形ＶＳは、一
山だけを拡大すると図６の実物の波形から類推できるよ
うに図３のＶ（１）として示したエクスポネンシャル波
形か、又は正弦波の一部のような形状を呈する。つまり
この信号電圧波形は、ピーク値がペダルに加わる踏力で
定まり、パルス幅がペダルを回す速度で定まり、どちら
も走行状態によって大きく変化する。ＯＰアンプ（演算
増幅器）Ｕ１は、ペダルの踏力を検出して得られる信号
電圧波形ＶＳをノードより入力し、出力のノードの
電圧により抵抗Ｒ１を通して充放電されるコンデンサＣ
１の充電電圧をノードより入力している。ＯＰアンプ
Ｕ２は、ノードの信号電圧波形ＶＳとコンデンサＣ１
の充電電圧の和を０Ｖと比較している。ノードは、出
力端子であって、ノードから順方向のダイオードＤ４
と逆方向のダイオードＤ３が直列に接続され、ノード
からダイオードＤ２が順方向に接続されると共に、ダイ
オードＤ４とＤ３との直列接続点とダイオードＤ２の入
力側、ノードとの間に抵抗Ｒ５が接続されている。 【００１５】次に動作を説明する。はじめにコンデンサ
Ｃ１の電荷がゼロとすれば、信号電圧波形ＶＳが正にな
った瞬間にノードのＯＰアンプ（演算増幅器）Ｕ１の
出力は＋の電源電圧付近、この場合は１２Ｖまで上昇す
る。これにより抵抗Ｒ１を経てコンデンサＣ１に正の方
向の充電が始まる。この状態では、信号電圧波形ＶＳが
正でコンデンサＣ１も正に充電が始まっているから、ノ
ードのＯＰアンプＵ２の出力は＋１２Ｖになってい
る。したがって、ダイオードＤ３は逆バイアスされてオ
フになっており、ノードの出力端子には図３のＶ
（７）として示したように、ノードの入力波形Ｖ
（１）の前半分にほぼ等しい波形が現れる。 【００１６】ペダルの力行部分が終わってペダルに力が
入らなくなると、ノードの入力波形Ｖ（１）は下降に
移る。この入力信号Ｖ（１）がコンデンサＣ１に充電さ
れたレベルを割ると、ノードのＯＰアンプＵ１の出力
は−１２Ｖに反転し、こんどはコンデンサＣ１を−１２
Ｖに向かってゆっくり放電させ始める。 【００１７】しかし、ノードの電圧Ｖ（３）が反転し
てもコンデンサＣ１に電荷があるため、ノードの電圧
Ｖ（２）は図３のＶ（２）＊１０−１１のトレースで明
らかなように、充電時とほぼ同じ勾配でゆっくりと放電
する。この電圧が始めと同じところまで下がると、ノー
ドの電圧Ｖ（９）は、−１２Ｖに転じて、すでに低電
位にあるノードの入力信号Ｖ（１）に引かれてダイオ
ードＤ３がオンになるので、ノードの電圧Ｖ（７）が
落ちてパルス幅を切り捨てる。 【００１８】こうしてノードの出力端子には、電圧Ｖ
（７）のように、入力信号Ｖ（１）とほぼ同じ波高値で
パルス幅を後ろに倍に延ばした波形が得られる。図３で
は、入力信号Ｖ（１）の波形を２種類、約１８０ｍｓと
２００ｍｓのものを加えて、ノードの出力端子におけ
るそれぞれの電圧Ｖ（７）により上述の関係が保たれる
ことを示している。 【００１９】なお、本発明は、上記の実施例に限定され
るものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記
の実施例では、アナログ回路を示したが、アナログ回路
によらずマイクロコンピュータを用いたディジタル回路
で実現してもよい。この場合には、コンパレータにより
入力信号Ｖ（１）の前縁を検出してタイマーをスタート
し、さらに後縁を検出するとタイマーを止めて、パルス
引き延ばしにかかればよい。引き延ばしている時間は、
タイマーを減算し、タイマーがゼロになったところでパ
ルスを終了する。また、実施例では、制御信号としてペ
ダルの踏み力に比例した電圧波形を用い、その尖頭値を
半サイクル分後ろに延ばしたが、波形はこれに限るもの
でなく、後ろに延ばす部分を平らでなく徐々に低下させ
たり、尖頭値との比を変えたりするように構成してもよ
い。引き延ばしの波形でも、波形だけでらなく引き延ば
し時間も先行のペダル半サイクル分に対して、その持続
時間の比を１以上あるいは１以下に設定してもよい。図
４は持続時間の比を１以上に拡大した回路の構成例を示
す図、図５は持続時間の比を拡大した図４の回路の動作
波形を示す図であり、図４では、抵抗Ｒ１と並列にダイ
オードＤ５と抵抗Ｒ２との直列回路を接続している。 【００２０】 【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ペダルが上死点や下死点に達して力が入らな
い状態になった時でも、力が入っていた時間に応じてそ
れまでと同様にパワーアシストが働くので、坂道をむき
になって加速しなくても済む。つまり、ペダルに無関係
な制御方式と同じように均一に補助動力が働くので、走
り心地を良くすることができる。しかも本発明によるパ
ワーアシストは、死点をカバーするだけで、次のペダル
サイクルに影響しないので、ペダルを踏まなければ即座
に停止するし、ペダルを踏んでいる最中にも、上下の死
点にあるときも、同様に非常ブレーキが働くようにして
おけば、本発明のアシストを付けたことによって、安全
性が損なわれることはない。また、電動自転車の貴重な
電力消費を少なくすることができる。すなわち、電力消
費は電源電圧を一定とすれば消費電流の実効値に比例
し、実数は信号波形や走行パターンによって変化するか
ら一概にはいえないが、ムラにトルクを供給するより、
平準化した方が実効値は減少するので、電力効率の向上
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明の補助動力付き自転車制御装置の１実
施例を示す図である。 【図２】 本発明の補助動力付き自転車制御装置の詳細
な回路構成の例を示す図である。 【図３】 図２に示す回路の動作波形を示す図である。 【図４】 持続時間の比を１以上に拡大した回路の構成
例を示す図である。 【図５】 持続時間の比を拡大した図４の回路の動作波
形を示す図である。 【図６】 約８度の坂道を体重８０ｋｇの人が電動自転
車に乗り漕ぎ登った際の電流波形の一部を示す図であ
る。 【符号の説明】 １…ＰＷＭ制御部、２…電動機、３…計算処理部、４…
ペダル検出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山岸 政章 神奈川県横浜市神奈川区台町２−５ 株 式会社パワーシステム内 (56)参考文献 特開 平６−255564（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−321479（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−246377（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−40375（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B62M 23/02

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 ペダルの踏力に応じて補助動力を加える
   補助動力付き自転車制御装置において、ペダルの踏力を
   検出するセンサーと、該センサーにより検出された踏力
   の持続時間に比例して出力時間を延長して制御信号を生
   成する制御信号生成手段と、該延長された制御信号によ
   りペダルの踏力に応じて補助動力を加える制御手段とを
   備えたことを特徴とする補助動力付き自転車制御装置。