JP3720852B2 - 電動モータ付き自転車 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、人力による駆動系と電動モータによる駆動系とを並列に設け、電動モータによる駆動力を人力による駆動力(以下踏力という)と車速との変化に対応して制御するようにした電動モータ付き自転車に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
踏力を検出し、この駆動力の大小に対応して電動モータの駆動力を制御するものが公知である(実開昭56−76590、特開平2−74491号)。すなわち人力の負担が大きい時には電動モータの駆動力も増やして人力の負荷を減らすものである。
【0003】
ここに従来は踏力FL に対してモータ駆動力FMを一定の比率で設定していた。すなわち両者の比FM/FLを補助率ηと定義し、この補助率ηを一定にしていた。
【0004】
【従来の技術の問題点】
しかし低速時と高速時では必要とするモータ駆動力FMも変わるからこの補助率ηも車速Sにより変化させることが考えられる。
【0005】
またペダルを踏まず隋性走行あるいは降坂走行している時には踏力が0であり、モータ駆動力も0になる。この状態からペダルを再び踏み始めるとモータはほぼ速度0の状態から車速Sに一致する速度に達するまで急速に加速しなければならず、この間に時間遅れが発生する。この時間遅れを無くすために車速Sを検出しておき、踏力0の状態でもこの車速Sに対応する電圧をモータに印加しておくことが考えられている(特願平4−82917号参照)。
【0006】
これらのように踏力FLだけでなく車速Sも検出して両者に基づいてモータ駆動力FMを決める場合には、車速Sを検出するためのセンサが必要になる。従来はこの車速Sのセンサをクランクペダルや車輪またはこれらと同期して回転する位置に設けていた。
【0007】
このためセンサの設置空間を確保する必要があり、装置の小型化の障害となるばかりでなく、防塵、防水等の対策が必要になるために機械的構造が複雑で信頼性が低下するという問題があった。
【0008】
【発明の目的】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、踏力FLと車速Sとの両方を用いてモータの駆動力FMを設定する場合に、車速を検出するための専用のセンサを設ける必要が無くなり、装置の小型化に適し、機械的構造を単純にして信頼性を向上させることができる電動モータ付き自転車を提供することを目的とする。
【0009】
【発明の構成】
本発明によればこの目的は、人力により駆動されるクランク軸の回転を後輪に伝える人力駆動系と電動モータの出力を前記後輪に伝える電気駆動系とを並列に設け、人力による踏力と車速との両方の変化に対応して前記電気駆動系の電動モータの出力を連続的に変化させる電動モータ付き自転車であって、踏力を検出する踏力検出手段と、前記踏力検出手段が出力する踏力の変動周期から車速を求める車速検出手段と、前記踏力と高車速域で車速増加に応じて漸減する補助率との積を用いて前記電動モータによる駆動力を制御するコントローラとを備えることを特徴とする電動モータ付き自転車により達成される。
【0010】
【実施例】
図1は本発明の一実施例の側面図、図2はその動力系統図、図3はその動力系の展開図、図4は踏力の検出部を示す側面図、図5はそのV−V線断面図、図6は本発明に係る車速検出手段のブロック図、図7はその各部出力波形図、図8は加速時の動作説明図、図9は定速走行時の動作説明図である。
【0011】
図1において、符号10はメインフレームであり、ヘッドパイプ12から斜下後方へのびて後輪14の車軸に至る。このメインフレーム10にほぼ直交するようにシートチューブ16が固着され、このシートチューブ16の上端にはサドル18を支持するシートポスト20が固定されている。
【0012】
シートチューブ16の下部には下に開いた筒部16aが形成され、この中に直流電動モータ22が収容される。シートチューブ16の下端には動力ユニット24が固定されている。この動力ユニット24はボトムブラケットケース(以下BBケースという)26と、このBBケース26から後方へのびるリヤステー28とを備え、このリヤステー28の後端には後輪14が固定されている。なお右側のリヤステー28(図3)には駆動軸30が挿通される。
【0013】
次に動力ユニット24を説明する。図1、3においてBBケース26にはクランク軸32が貫挿され、その両端にクランク34が固定されている。クランク34にはクランクペダル36、36が取付けられている。
【0014】
後輪14の車軸38の左端は、左のリヤステー28に固着したエンドプレート28aに固定され、この車軸38の右端は右のリヤステー28に固定された傘歯車ケース40に固定されている。車軸38にはハブ42が回転自在に保持され、このハブ42には駆動軸30の回転が傘歯車機構44を介して伝えられる。
【0015】
前記電動モータ22はBBケース26に上から図3に示すように嵌合されて固定され、そのモータ軸22aはクランク軸32に直交しかつ車体幅方向中央付近に位置する。BBケース26は、シートチューブ16の筒部16a内にこのモータ22を下から挿入するようにして筒部16aに嵌合され、4本のボルト46(図3参照)によって結合される。
【0016】
このモータ22の回転は図3に示すように、一方向クラッチ48、遊星歯車式減速機50、小傘歯車52、大傘歯車54を介して、クランク軸32に回転自在に保持された筒型の合力軸56に伝えられる。この合力軸56の回転はさらに傘歯車機構58によって前記駆動軸30に伝えられる。
【0017】
後輪14からモータ22へ向う回転はハブ42に内装した一方向クラッチ43により遮断される。なお前記遊星歯車式減速機50は公知のものであり、モータ22により回転されるサンギヤとBBケース26に固定されたリングギヤとの間にあってこれらに噛合する遊星ギヤの公転を小傘歯車52に伝えるものである。
【0018】
一方ペダル36から人力により入力される回転は、クランク軸32、一方向クラッチ60、遊星歯車式増速機62を介して大傘歯車54に伝えられる。このためクランク軸32から入力された回転はこの大傘歯車54から合力軸56、傘歯車機構58を介して駆動軸30に伝えられる。このクランク軸32の回転はモータ22の停止中にはクラッチ48の作用によりモータ22に伝わらない。またクランク軸32の停止中あるいは逆転中にはクラッチ60の作用によりモータ22の回転はクランク軸32に伝わらない。ここに駆動軸30はモータ軸22aを含む車体前後方向の平面Aの右側に位置する(図3参照)。
【0019】
遊星歯車式増速機62は図3、5に示すように、大傘歯車54に固定されたリングギヤ62aと、踏力検出レバー64に固定されたサンギヤ62bと、これらの間に介在する遊星ギヤ62cとを備える。クランク軸32はこの遊星ギヤ62cを一方向クラッチ60を介して公転させる。
【0020】
なお踏力検出レバー64は、ペダル36による人力駆動時の駆動力をサンギヤ62bに加わる反力により検出する踏力検出手段65の一部を構成するものである。この踏力検出手段65は前記平面Aの左側に位置する。
【0021】
すなわちこの踏力検出手段65のレバー64は、図4、5に示すように2つの突起64a、64bを持ち、一方の突起64aはストッパ66に当接して図4で時計方向への回転、換言すればペダル36の踏力が加わる方向と逆方向の回転を規制する。突起64bには他の第2のレバー68が当接し、レバー64の反時計方向の回転によってこの第2のレバー68が時計方向に回転する。
【0022】
この第2のレバー68には復帰ばね70により復帰習性が付与され、これによりレバー64は図4で時計方向への復帰習性が付与される。そしてこの第2のレバー68の回転量は踏力センサとしてのポテンショメータ72に伝えられる。この結果ペダル36の踏力に比例してレバー64が図4で反時計方向に回動し、第2のレバー68が時計方向に回動するから、この踏力がポテンショメータ72の回転量から求められる。
【0023】
図1で80は鉛電池などの充電可能な電池、82はコントローラであり、これらは前記メインフレーム10のヘッドパイプ12とシートチューブ16との間に収容されている。
【0024】
次に車速検出手段84を説明する。この車速検出手段84は図6に示す構成を持つ。すなわち踏力検出手段72で検出した踏力FLを基準値F0と比較器86で比較し、この比較結果から矩形波発生回路88は図7に示す矩形波aを出力する。この矩形波aの立上りに基づいてモノマルチ90はパルスbを出力する。
【0025】
ここに基準値F0は、通常の走行時に出力される踏力FLの振幅内に入るように設定される。従って比較器86はクランクの半周期内に必ず正負に1回だけ反転する信号を出力することになり、モノマルチ90が出力するパルスbは踏力FLが基準値F0に一致する一致点のうち1つおきの一致点で出力されることになる。
【0026】
このパルスbの周期tiはタイマ92で積算される。この周期tiはクランクの回転速度に反比例する。すなわち周期tiにおける車速SiはAを比例定数としてSi=A/tiで求められる。車速演算部94はこの演算を行う。
【0027】
以上の演算により、加速時の車速Sは図8に示すように踏力変化の半周期遅れで求められる。またこの求めた車速Sは踏力変化の半周期前の周期における平均車速になる。定速走行時の車速Sは、図9に示すように、実際の車速SRが細かく変動しているのに対し演算された車速Sは一定になっている。
【0028】
ポテンショメータ72で検出した踏力FLおよび車速検出手段84で検出した車速Sはコントローラ82に入力され、このコントローラ82はこの踏力FLと車速Sに基づいてモータ電流を制御しモータトルクTMを発生させる。以下車速Sに対応して補助率ηを変化させる実施例について説明する。図10はこの補助率ηの特性図、図11はFLとFMの周期的変動を示す図である。
【0029】
図1で82aはメモリであり、車速Sに対して変化する補助率ηを記憶する。この補助率ηは踏力FLに対するモータ駆動力FMの比(FM/FL)で定義され、例えば図10に示すような特性に設定される。図10の特性は、車速SがSF以下の低中車速域で一定値η0、SF<S<SEの高車速域では直線的に漸減し、[η=η0×(SE−S)/(SE−SF)]…(1)で求められ、さらにSE<Sの超高車速域では0になる。
【0030】
コントローラ82では、まず車速Sに対する補助率ηをこのメモリ82aに記憶した特性を用いて決定する。そしてこの時モータ22が出力すべき駆動力FMを[FM=η・FL]により求める。
【0031】
図11はこの時の合計駆動力F=FL+FMの変化を示すものであり、(A)は車速SがSF以下の低中車速時を、(B)はSF<S<SEの高車速時を、(C)はSE<Sの超高車速時を示す。これらの図からも明らかなように、S<SFの低中車速域(A)ではη=η0(一定)であるから、モータ22による補助力である駆動力FMは、FM=η0・FLで求められ、踏力FLの周期的変化に対応して合計駆動力Fも変化する。
【0032】
SF<S<SEの高車速域(B)では、ηは前記(1)式により求められ、η0よりも小さくなる。さらにSE<Sの超高車速域(C)では、ηは0になり合計駆動力Fは踏力FLだけになる。
【0033】
以上の実施例は補助率ηを車速Sにより変化させるものであるが、本発明はこれに限られるものではない。例えば前記したように、走行中に踏力FLが0あるいは非常に小さくなった時にはこの時の車速Sに対応したモータ速度となるようにモータ電圧を印加しておき、踏力FLが急増してペダルからの踏力FLが走行駆動力に寄与し始めた時にモータの駆動力FMが即座に車輪に加わるようにしたものなどであってもよい。
【0034】
【発明の効果】
本発明は以上のように、踏力(FL)の変動周期に基づいて車速Sを演算により求め、踏力F L と高車速域で車速増加に応じて漸減する補助率との積を用いてモータの駆動力を制御するものである。従って車速検出用に別途センサを設ける必要がなくなり、装置の小型化に適する。また電気的に車速Sを演算するから防塵・防水などの対策が簡単になり、機械的構造が非常に簡単で信頼性が向上する(請求項1)。ここに車速Sは、踏力(FL)を基準値(F0)と比較し、両者の一致点のうち1つおきの一致点間の経過時間(t1)から演算により求めることができる(請求項2)。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の側面図
【図2】その動力系統図
【図3】その動力系の展開図
【図4】踏力の検出部を示す側面図
【図5】そのV−V線断面図
【図6】速度検出手段のブロック図
【図7】その各部出力波形図
【図8】加速時の動作説明図
【図9】定速走行時の動作説明図
【図10】補助率ηの特性図
【図11】踏力およびモータ駆動力の周期的変動を示す図
【符号の説明】
14 後輪
22 電動モータ
72 踏力検出手段
82 コントローラ
84 車速検出手段
Claims (2)
- 人力により駆動されるクランク軸の回転を後輪に伝える人力駆動系と電動モータの出力を前記後輪に伝える電気駆動系とを並列に設け、人力による踏力と車速との両方の変化に対応して前記電気駆動系の電動モータの出力を連続的に変化させる電動モータ付き自転車であって、踏力を検出する踏力検出手段と、前記踏力検出手段が出力する踏力の変動周期から車速を求める車速検出手段と、前記踏力と高車速域で車速増加に応じて漸減する補助率との積を用いて前記電動モータによる駆動力を制御するコントローラとを備えることを特徴とする電動モータ付き自転車。
- 車速検出手段は、踏力検出手段が検出する踏力の振幅内に設定された基準値が前記踏力に一致する1つおきの一致点間の時間を計測して車速を求める請求項1の電動モータ付き自転車。
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