JP3734713B2 - 電動モータ付き自転車およびその制御方法 - 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、これらの合力を変速機構を介して駆動輪に伝える一方、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)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と、その制御方法とに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
踏力を検出し、この踏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(特開昭50−125438号、実開昭56−76590号、特開平2−74491号等)。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】
【発明が解決しようとする課題】
この場合モータの駆動力TMを、踏力の増減だけに対応させて増減させたのでは車速が高速になりすぎることがあり得る。そこで車速Sの高速域では、踏力の増加に対するモータ駆動力の増加割合を小さくすることを出願人は提案した(特願平4−285432号)。一方自転車などにおいては、人力の負担を軽くするために変速機構を設けることが望ましい。
【0004】
一方自転車などにおいては、人力の負担を軽くするために変速機構を設けることが望ましい。
そこでこのような変速機構を有する場合に前記既提案のもののように踏力と車速Sとによって、車速Sの高速域では踏力の増加に対するモータ駆動力の増加割合を小さくするようにモータを制御する方式を採用することが考えられる。
【0005】
この場合に車速を実際の車速に対応する回転伝達機構部分(例えば車輪)の回転速度から検出するように構成することが考えられる。しかしこの場合には回転速度センサは車輪の車軸付近など外側に露出した位置や比較的手に触れ易い位置に配設されることになる。このため障害物への接触などによる損傷を受けたり、不正な改造による速度のごまかしが行われ易いという問題が生じる。
【0006】
本発明は、人力駆動系の踏力と車速Sとに基づいてモータを制御する自転車に変速機構を設ける場合に、人力駆動系の速度と変速比とによって計算速度を求め、この計算速度の高速域では踏力の増加に対するモータ駆動力の増加割合を小さくすることによって車速が高速になりすぎるのを防ぐようにした電動モータ付き自転車の制御方法を提供することを第1の目的とする。
【0007】
また、この方法の実施に直接使用する電動モータ付き自転車を提供することを第2の目的とする。
【0008】
【発明の構成】
本発明によれば第1の目的は、駆動車輪を回転駆動する人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力による駆動力の増減変化に対応して前記電気駆動系の出力を増減させるように制御する電動モータ付き自転車の制御方法において、変速比を切換え可能とした変速機構を介して人力駆動力および電気駆動力を加算した合力によって駆動車輪を回転駆動する一方、人力駆動系の駆動速度を動力ユニットのケース内に収容された速度センサで検出し、前記速度センサの出力と変速機構の変速比とに基づいて求めた計算速度の高速域では人力駆動力の増加に対する前記電気駆動系の出力の増加割合が計算速度の低速域より小さくなるようにすることを特徴とする電動モータ付き自転車の制御方法により達成される。
【0009】
本発明によれば第2の目的は、駆動車輪を回転駆動する人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力による駆動力の増減変化に対応して前記電気駆動系の出力を増減させるように制御する電動モータ付き自転車において、人力駆動力および電気駆動力を加算して外部の伝動系に出力する動力ユニットと、この動力ユニットのケースに収容され人力駆動力を検出する人力駆動力検出手段と、前記人力駆動系および電気駆動系の合力を前記動力ユニットから駆動車輪に伝え駆動車輪を回転駆動する伝動系に介在され変速比を切換え可能とした変速機構と、前記動力ユニットのケースに収容され前記人力駆動系の駆動速度を検出する速度センサと、速度センサの出力と変速機構の変速比とに基づいて求めた計算速度の高速域では人力駆動力の増加に対する前記電気駆動系の出力の増加割合が計算速度の低速域より小さくなるように前記電気駆動系の出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はその動力系統の一実施例を示す図、図3は同じく動力系統の他の実施例を示す図、図4は図3の実施例における正常時の変速特性図、図5は同じく異常時の変速特性図である。
【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、この中に永久磁石式直流電動モータ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はケース(ボトムブラケットケース、以下BBケースという)26と、このケース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の後端に後輪14が固定されている。なお右側のリヤステー28には駆動軸30(図2、3参照)が挿通される。
【0013】
動力ユニット24のケース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(図示せず)に固定されている。車軸38には内装式の3段手動変速機構40が保持され、後輪14には駆動軸30の回転が傘歯車機構、一方向クラッチ42(図2、3)および変速機構40を介して伝えられる。
【0015】
動力ユニット24には、クランク軸32の回転を一方向クラッチ44(図2、3)を介して駆動軸30に伝える傘歯車(図示せず)が内装されている。またこのクランク軸32と駆動軸30との間には遊星歯車機構が介在されている。
【0016】
この遊星歯車機構は遊星歯車からペダル踏力が入力され、リング歯車から駆動軸30に踏力が出力される。そして中央のサン歯車に加わるトルクを人力駆動力検出手段としてのポテンショメータ46で検出することにより踏力Fを検出するように構成されている。モータ22の回転は一方向クラッチ48および減速機50を介して駆動軸30に伝えられる。
【0017】
図1で52は鉛電池などの充電可能な電池、54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。この実施例では、ケース26内に速度センサ58(図2)を備えるが、さらに変速機構の変速比を用いて速度センサ58の出力を修正し車速を求めている。図1において56は後輪14の回転速度から車速(実車速)Sを求めるための車速センサであり、この車速センサ56の出力を速度センサ58の出力と比較することによって変速比を求めるためのものである。この車速センサ56は図2に車速検出2と示されるものである。
【0018】
次に図2の実施例を説明する。この図2に示す実施例では、人力駆動系による回転速度sを求めると共に、後輪14から車速Sを同時に検出し、人力駆動系の回転速度sと変速機構40の変速比とを用いて人力駆動系の回転速度sを修正している。ここにこの図2に車速検出1として示す速度センサ58は、動力ユニット24のケース26内でクランク軸32の回転速度sを検出するものであり、外部からは簡単には改造できないものである。
【0019】
ポテンショメータ46で検出した踏力Fと、車速センサ(車速検出2)56で後輪14から検出した車速Sと、速度センサ(車速検出1)58で検出したクランク軸32の回転速度sとは、共にコントローラ54に入力される。コントローラ54は、図2に示すように信号比較部60において車速Sとクランク軸回転速度sとを比較して変速機構40の変速比pを検出する。
【0020】
コントローラ54は変速比・補助力演算部62において、メモリ64に記録したデータに基づき、クランク軸回転速度sと変速比pとから車速Sを求め、この車速Sと踏力Fとに対するモータ22の補助力すなわちモータ駆動力TMを演算しこれに対応する制御信号qを出力する。すなわちクランク軸回転速度sに対してモータ補助力が適正範囲内になるように制御する。
【0021】
この図2の実施例において車速センサ56は後輪14の車軸付近に設けられるから、実際の車速と異なる車速を実車速として出力するように改造されることがあり得る。また障害物に当って誤動作することがあり得る。このような時にはコントローラ54で求めた変速比が設定した変速比に一致しなくなる。
【0022】
すなわちクランク軸回転速度sと予め設定した変速比とを乗算して求めた計算走行速度は、車速センサ56で求めた実走行速度Sとは、設定した変速比のどれを用いても一致しなくなる。コントローラ54はこのような時には車速センサ56などに異常があると判断し、モータ出力を踏力Fとクランク軸回転速度sとで決まるモータ出力よりも減らすように制御する。
【0023】
次に図3に示す実施例について説明する。この実施例では、変速機構40の変速段pをその手動の変速操作器66に設けた変速動作検出センサ68により検出する。一方クランク軸32の回転速度sは図3に車速検出と示した速度センサ58Aで検出される。この回転速度sと変速比pとを示す信号はコントローラ54Aの変速比決定・信号補正部70に入力され、ここで変速比が決定される。
【0024】
ここに変速動作検出センサ68はコントローラ54Aの外にあるため、運転者などにより改造され易い。例えばモータの駆動力を増大させるために高速側の変速比に固定することが考えられる。このような場合には、後記するように計算で求めた車速SCの変化から変速を検出し、コントローラ54Aの変速比決定・信号補正部70では変速比pを低速側の変速比p1に補正する。
【0025】
補助力演算部72は踏力Fと、クランク軸回転速度sを変速比決定・信号補正部70で検出した変速比あるいは補正した変速比pで修正した速度に対するモータ22の制御信号qを、メモリ74のデータを用いて演算する。すなわち踏力Fと修正されたクランク軸回転速度sとに基づいてモータの駆動力を適正範囲内にするように制御する。なお図3では図2と同一部分に同一符号を付したので、その説明は繰り返さない。
【0026】
この図3の実施例において、変速動作検出センサ68に改造が行われない正常な状態での変速特性は図4のようになる。この図4で横軸tは発進後の経過時間を示す。この正常な場合には変速機構40の変速比pを検出する変速動作検出センサ68の出力である変速検出信号は実際の変速比p1、p2、p3と一致している。従って実際の車速SRは、クランク軸回転速度sと変速比とを用いて算出される計算車速SCと一致する。
【0027】
図5は変速動作検出センサ68を高速側の変速比p3に固定する改造を行った場合の変速特性を示す。この場合には検出した変速比pは常に高速側の変速比p3であるから、これを用いた計算車速SCは実際の変速が行われる度に段状に変化する。従ってこの計算車速SCが変速時に段状に変化することから、逆に改造が行われたと判定し、前記したように変速比決定・信号補正部70で変速比pを低速側の変速比p1に固定し、モータ22の駆動力TMをクランク軸回転速度sと変速比pから求めた車速と、踏力Fとで決まる駆動力よりも小さくする。
【0028】
なお変速機構40の変速動作を検出した時には、モータ駆動力TMを一時的に減少させるのが望ましい。これは変速動作を円滑にし変速の衝撃を小さくするためである。
【0029】
【発明の効果】
請求項1の発明は以上のように、変速機構を設けた場合に、踏力と人力駆動系の速度とに対応してモータ駆動力を制御することにより、高速域では踏力の増加に対するモータ駆動力の増加割合を低速域よりも小さくするから、車速が高速になりすぎるのを防ぐことができる。
【0030】
また人力駆動系の駆動速度は動力ユニットのケース内に収容した速度センサで検出するようにしたものであるから、この人力駆動系の速度センサに障害物が当たりにくくなり、またこの速度センサの改造が行いにくくなる。
【0031】
請求項2の発明によれば、請求項1の発明の実施に直接使用する電動モータ付き乗り物が得られる。この場合、変速比を検出して人力駆動系の駆動速度とこの変速比とを用いて求めた計算車速と人力駆動力とに対応して電気駆動系の出力を制御するから、計算で求めた車速に基づいて制御できることになり、人力駆動系の駆動速度を用いる場合よりも高精度な制御が可能になる。
【0032】
請求項3の発明によれば変速動作時にモータ駆動力を一時的に減少させるから、変速動作を円滑に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の側面図
【図2】その動力系統の一実施例を示す図
【図3】同じく動力系統の他の実施例を示す図
【図4】図3の実施例における正常時の変速特性図
【図5】図3の実施例における異常時の変速特性図
【符号の説明】
14 駆動輪としての後輪
22 電動モータ
24 動力ユニット
26 ケース
36 クランクペダル
40 変速機構
46 人力駆動力検出手段としてのポテンショメータ
54、54A コントローラ
58 人力駆動系の速度センサ(ケース内に収容)
S 車速
F 人力駆動力としての踏力
TM モータ駆動力
Claims (3)
- 駆動車輪を回転駆動する人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力による駆動力の増減変化に対応して前記電気駆動系の出力を増減させるように制御する電動モータ付き自転車の制御方法において、変速比を切換え可能とした変速機構を介して人力駆動力および電気駆動力を加算した合力によって駆動車輪を回転駆動する一方、人力駆動系の駆動速度を動力ユニットのケース内に収容された速度センサで検出し、前記速度センサの出力と変速機構の変速比とに基づいて求めた計算速度の高速域では人力駆動力の増加に対する前記電気駆動系の出力の増加割合が計算速度の低速域より小さくなるようにすることを特徴とする電動モータ付き自転車の制御方法。
- 駆動車輪を回転駆動する人力駆動系と電気駆動系とを並列に設け、人力による駆動力の増減変化に対応して前記電気駆動系の出力を増減させるように制御する電動モータ付き自転車において、人力駆動力および電気駆動力を加算して外部の伝動系に出力する動力ユニットと、この動力ユニットのケースに収容され人力駆動力を検出する人力駆動力検出手段と、前記人力駆動系および電気駆動系の合力を前記動力ユニットから駆動車輪に伝え駆動車輪を回転駆動する伝動系に介在され変速比を切換え可能とした変速機構と、前記動力ユニットのケースに収容され前記人力駆動系の駆動速度を検出する速度センサと、速度センサの出力と変速機構の変速比とに基づいて求めた計算速度の高速域では人力駆動力の増加に対する前記電気駆動系の出力の増加割合が計算速度の低速域より小さくなるように前記電気駆動系の出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。
- 請求項2において、コントローラは変速機構の変速動作時にモータ駆動力を一時的に減少させる電動モータ付き自転車。
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