JP6005110B2 - 自転車用制御装置 - Google Patents
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Description
図1において、本発明の第1の実施形態に係る制御装置1を組み込んだ電動補助自転車は、ペダル100に作用する踏力を、クランクアーム101a(または、クランクアーム101b)→クランク軸102→駆動ユニット2→フロントスプロケット103→チェーン104→リアスプロケット105という経路を経て、後車輪の車軸106まわりに設けられる内装変速機107aに伝達する。踏力は、人力駆動力の一例である。電動変速ユニット107は、たとえば、変速モータ107bと、変速モータ107bによって変速動作する内装変速機107aと、を有する。また、電動変速ユニット107は、内装変速機107aの変速位置(変速段)を検出可能な段数センサ107c(図3参照)を有する。
モータ20は、その回転軸20cがクランク軸102と平行になるように配置される。モータ20の回転軸20cは、回転軸20c方向に間隔を隔てて配置される第4軸受24aおよび第5軸受24bにより回転自在に支持される。回転軸20cはモータ20のロータ20aに固定される。モータ20のステータ20bは、ロータ20aの外周に設けられ、ケーシング11に固定される。第4軸受24a、第5軸受24bは、それぞれ、ケーシング11に設けられる取付部22a、22bに支持される。第4軸受24a、第5軸受24bは、たとえばラジアルベアリングによって実現される。
モータ20の出力は、第1歯車31→第2歯車32→第1ワンウェイクラッチ33→回転軸34→第3歯車36を介して、駆動力伝達部40に伝達される。第1接続部30は、第1歯車31、第2歯車32、第1ワンウェイクラッチ33、回転軸34および第3歯車36を含んで構成される。回転軸34の回転軸線と、クランク軸102およびモータ20の回転軸20cの回転軸線とは、それぞれ平行に配置される。回転軸34の回転軸線は、クランク軸102およびモータ20の回転軸20cの回転軸線を含む平面から離反した位置に設けられる。これによってクランク軸102とモータ20の回転軸20cとをできるだけ近接して配置することができ、駆動ユニット2を小型に形成することができる。
ユーザの踏力は、ペダル100→クランクアーム101a(またはクランクアーム101b)→クランク軸102→第2ワンウェイクラッチ60aを介して、駆動力伝達部40に伝達される。第2接続部60は、第2ワンウェイクラッチ60aとワンウェイクラッチ取付部60bを含んで構成される。ワンウェイクラッチ取付部60bは、クランク軸102と一体回転可能に連結される。これによって、ワンウェイクラッチ取付部60bは、クランク軸102と一体となって回転する。第2ワンウェイクラッチ60aは、ワンウェイクラッチ取付部60bの外周部に設けられる。第2ワンウェイクラッチ60aは、たとえば爪とラチェットとを備えるワンウェイクラッチ、またはローラクラッチによって実現される。第2ワンウェイクラッチ60aは、クランク軸102の回転は連結部42に伝達するが、連結部42の回転はクランク軸102に伝達しないように設けられる。
駆動力伝達部40は、モータ20の出力およびクランク軸102の回転力を合成した回転力をフロントスプロケット103に伝達する。駆動力伝達部40は、スプロケット接続部41、連結部42、および、センサ配置部43を備える。好ましくは、駆動力伝達部40は、クランク軸102を挿通する挿通孔44をさらに備えるとよい。ここでは、駆動力伝達部40は、筒状に形成される。駆動力伝達部40は、スプロケット接続部41およびセンサ配置部43を有する第1筒部40aと、連結部42を形成する第2筒部40bと、第1筒部40aおよび第2筒部40bを接続する接続部40cとを含む。第1筒部40a、第2筒部40bおよび接続部40cは、一体に形成される。
図3は、駆動ユニット2を含む電動補助自転車の電動電気的な構成を示すブロック図である。電動補助自転車は、制御装置1、駆動ユニット2、インバータ部6、電動変速ユニット107、および変速操作部10を含んで構成される。制御装置1およびインバータ部6は、駆動ユニット2に含まれていても良い。また制御装置1およびインバータ部6の少なくとも一方は、駆動ユニット2のケーシング11の内部または外周部に設けられてもよい。
次に第1の実施形態による制御部4の協調制御について図4および図5に基づいて説明する。
第1の実施形態では、変速制御(電動変速ユニット107の制御)をアシスト制御(駆動ユニット2の制御)に優先して行ったが、図6に示す変形例1では、アシスト制御を変速制御に優先して行う。変形例1では、図6のステップS22およびステップS23において、人力駆動力Tが所定の範囲に入っているか否かを制御部4が判断する。また、ステップS27およびステップS29でアシストダウンおよびアシストアップの処理を各別に制御部4が行う。そして、人力駆動力Tが所定の範囲に入ると、ステップS24およびステップS25において、クランク回転速度Rが所定の範囲に入っているか否かを制御部4が判断し、ステップS31およびステップS33でシフトアップおよびシフトダウンの処理を制御部4が各別に行う。このように、アシスト制御を優先して行うと、特に内装変速機を用いる場合で、踏力が所定の範囲よりも大きい場合に、内装変速機に与えられるトルクを小さくすることができるので、後から変速しやすくなる。その他の制御手順は第1の実施形態の図4の制御手順と同様であるので、図6に示して説明を省略する。
第1の実施形態および変形例1では、変速処理では一変速段ずつ、またアシスト処理では所定量(10パーセント)ずつ変更して人力駆動力Tおよびクランク回転速度Rが所定の範囲に入るように制御した。変形例2および3では、取り込んだ踏力およびクランク回転速度Rと所定の範囲との差分(たとえば、所定の範囲の中央の値)に応じて演算によって変速処理およびアシスト処理を行う。なお、各変速段のシフトアップおよびシフトダウン毎の人力駆動力Tおよびクランク回転速度Rの変化は、予めメモリなどの記憶手段に記憶される。また、モータ20の出力またはアシスト比の変化と、人力駆動力Tの変化と、の関係は予めメモリなどの記憶手段に記憶される。なお、図7に示す変形例2では、第1の実施形態と同様に変速処理をアシスト処理に対して優先して処理する。
変形例2では、変速制御(電動変速ユニット107の制御)をアシスト制御(駆動ユニット2の制御)に優先して行ったが、図8に示す変形例3では、アシスト制御を変速制御に優先して行う。変形例3では、図8のステップS62およびステップS63において、人力駆動力Tが所定の範囲に入っているか否かを制御部4が判断する。また、ステップS67およびステップS69で変形例2と同様なアシストダウンおよびアシストアップの処理を各別に制御部4が行う。そして、人力駆動力Tが所定の範囲に入ると、ステップS64およびステップS65において、クランク回転速度Rが所定の範囲に入っているか否かを制御部4が判断し、所定の範囲に入っていない場合は、変形例2と同様なステップS71およびステップS73で変形例2と同様なシフトダウンおよびシフトアップの処理を制御部4が各別に行う。このように、アシスト制御を優先して行うと、特に内装変速機を用いる場合で、踏力が所定の範囲よりも大きい場合に、内装変速機に与えられるトルクを小さくすることができるので、後から変速しやすくなる。その他の制御手順は変形例2の図7の制御手順と同様であるので、図8に示して説明を省略する。
変形例4では、変速制御を優先して行う第1モードとアシスト制御を優先して行う第2モードとを選択できるようにする。この場合、図9に示すように、ステップS85において、たとえば、変速操作部10のスイッチの長押し操作などによって、第1モードと第2モードとを選択できるようにしてもよい。図9のステップS85では、制御部4は変速操作部10のスイッチが長押しされるのを待つ。変速操作部10のスイッチが長押し操作されるとステップS86に移行し、現在の制御モードが第1モードか否かを制御部4が判断する。第1モードの場合は、ステップS86からステップS87に移行し、制御モードを第2モードに制御部4がセットする。これによって、図6または図8に示したアシスト制御優先の協調制御が実行される。また、第1モードではない、すなわち第2モードであると判断されるとステップS86からステップS88に移行し、制御モードを第1モードに制御部4がセットする。これによって、図5または図7に示した変速制御優先の協調制御が実行される。
第2の実施形態では、図10に示すように、クランク回転速度Rおよび人力駆動力Tを所定の範囲を基準にして複数の範囲に分けて制御する。ここでは、便宜的に第1範囲B1から第5範囲B5の5つの範囲に分けているが、制御用の範囲の数および範囲はこれに限定されない。
第3実施形態では、所定の範囲の設定および変更についての処理を行う。
図12は、第3の実施形態を実施するための駆動ユニット2を含む電動補助自転車の電動電気的な構成を示すブロック図である。図12では、図3に示した電動補助自転車の構成に、操作スイッチ16とメモリ18が追加される。操作スイッチ16は、所定の範囲を設定または変更するときに使用される操作部である。なお、操作スイッチ16に代えて、変速操作部10の変速操作に使用する通常の操作と異なる操作(例えば、長押しまたはダブルクリック)によって所定の範囲の設定または変更の操作を行ってもよい。メモリ18は、回転速度センサ8の検出値(回転パラメータ)とセンサ50の検出値(人力駆動力)とを、記憶するために設けられる。例えば、制御部4は、所定時間間隔で検出された検出値を直近のものから順にM個(たとえば、Mは、5−50の整数)メモリ18に記憶させる。その他の構成は、第1の実施形態と同様なため説明を省略する。
第3の実施形態の変形例1では、図15に示すように、操作スイッチ16を操作した後の人力駆動力Tおよびクランク回転速度Rによって、所定の範囲の設定または変更を行う。図15では、図14に示したステップS111、ステップS112、ステップS119およびステップS120の処理を、制御部4は順次実行する。なお、ステップS119では、所定の範囲の中心値APを平均値ではなく、取り込んだ人力駆動力Tおよびクランク回転速度Rをそのまま用いる(AP=(T、R))。
第3の実施形態の変形例2では、制御部4は、取り込んだ人力駆動力Tおよびクランク回転速度Rをメモリ18に記憶し、操作スイッチ16が操作されたときに、記憶した人力駆動力Tおよびクランク回転速度Rによって、所定の範囲を設定または変更する。図16では、制御部4は直近の取り込んだM個の人力駆動力Tおよびクランク回転速度Rをメモリ18に記憶し、記憶されたM個の人力駆動力Tおよびクランク回転速度Rの平均値(AT、AR)に応じて、所定の範囲を設定または変更する。
図17に示す第4実施形態では、駆動ユニット2およびインバータ部6は設けられない。人力駆動力を検出するセンサ50は、たとえば、クランク軸の周囲に設けられる。その他の構成は第1の実施形態と同様である。したがって、制御部4は、電動変速ユニット107を制御して、人力駆動力Tおよびクランク回転速度Rが、図18に示すように、所定の範囲に入るように制御する。ただし、駆動ユニットが設けられないため、電動変速ユニット107をシフトダウンまたはシフトアップすると、クランク回転速度Rと人力駆動力Tが、同時に変化する。具体的には、シフトダウンすると、クランク回転速度Rが速くなり、人力駆動力Tは小さくなる。また、シフトアップすると、逆に、クランク回転速度Rが遅くなり、人力駆動力Tは大きくなる。
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態および変形例は必要に応じて任意に組合せ可能である。
2 駆動ユニット
4 制御部
8 回転速度センサ(回転パラメータ検出部の一例)
20 モータ
50 センサ(人力駆動力検出部の一例)
102 クランク軸
107 電動変速ユニット
T 人力駆動力
R クランク回転速度(クランク軸の回転に関するパラメータの一例)
Claims (28)
- 人力駆動力を検出する人力駆動力検出部と、
クランク軸の回転に関するパラメータを検出する回転パラメータ検出部と、
前記人力駆動力および前記回転に関するパラメータが所定の範囲に入るように補助動力を発生する駆動ユニットおよび自転車の変速比を変更する電動変速ユニットの少なくともいずれか一方を制御する制御部と、
を備える自転車用制御装置。 - 前記制御部は、
前記電動変速ユニットを優先して制御する第1モードと、
前記駆動ユニットを優先して制御する第2モードと、を有する、請求項1に記載の自転車用制御装置。 - 前記制御部は、
前記電動変速ユニットを制御した後、前記駆動ユニットを制御する、請求項1に記載の自転車用制御装置。 - 前記制御部は、前記回転に関するパラメータが前記所定の範囲よりも小さい場合に、変速比が小さくなるように前記電動変速ユニットを制御する、請求項1から3のいずれか1項に記載の自転車用制御装置。
- 前記制御部は、前記回転に関するパラメータが所定の範囲よりも大きい場合に、変速比が大きくなるように前記電動変速ユニットを制御する、請求項1から4のいずれか1項に記載の自転車用制御装置。
- 前記制御部は、前記人力駆動力が前記所定の範囲よりも大きい場合、前記補助駆動力を増加させる、請求項1から5のいずれか1項に記載の自転車用制御装置。
- 前記制御部は、前記人力駆動力が前記所定の範囲よりも小さい場合、前記補助駆動力を減少させる、請求項1から5のいずれか1項に記載の自転車用制御装置。
- 前記制御部は、前記駆動ユニットおよび前記電動変速ユニットの両方を制御しても、前記人力駆動力および前記回転に関するパラメータが所定の範囲に入らない場合には、現在の変速比および補助動力を維持するように前記駆動ユニットおよび前記電動変速ユニットの両方を制御する、請求項1から7のいずれか1項に記載の自転車用制御装置。
- 前記制御部は、前記人力駆動力が前記所定の範囲よりも大きく、かつ前記回転に関するパラメータが前記所定の範囲内となる第1範囲にあるとき、前記補助駆動力を増加させる、請求項1から3のいずれか1項に記載の自転車用制御装置。
- 前記制御部は、前記人力駆動力が前記第1範囲よりも大きく、かつ前記回転に関するパラメータが前記所定の範囲の中間の回転に関するパラメータよりも小さい第2範囲にあるとき、変速比が小さくなるように前記電動変速ユニットを制御する、請求項9に記載の自転車用制御装置。
- 前記制御部は、前記人力駆動力が前記第2範囲よりも大きく、かつ前記回転に関するパラメータが前記所定の範囲の中間の回転に関するパラメータよりも低い第3範囲にあるとき、変速比が小さくなるように前記電動変速ユニットを制御し、かつ前記補助駆動力を増加させる、請求項10に記載の自転車用制御装置。
- 前記制御部は、前記人力駆動力が前記所定の範囲よりも小さく、かつ前記回転に関するパラメータが前記所定の範囲の中間の回転に関するパラメータよりも大きい第4範囲にあるとき、変速比が大きくなるように前記電動変速ユニットを制御し、かつ前記補助駆動力を増加させる、請求項9から11のいずれか1項に記載の自転車用制御装置。
- 前記制御部は、前記人力駆動力が前記第4範囲よりも小さく、かつ前記回転に関するパラメータが前記所定の範囲の中間の回転に関するパラメータよりも大きい第5範囲にあるとき、変速比が小さくなるように前記電動変速ユニットを制御する、請求項12に記載の自転車用制御装置。
- 前記人力駆動力検出部は、クランク軸まわりのトルクを前記人力駆動力として検出する、請求項1から13のいずれか1項に記載の自転車用制御装置。
- 前記回転パラメータ検出部は、クランク軸の回転速度を前記回転に関するパラメータとして検出する、請求項1から15のいずれか1項に記載の自転車用制御装置。
- 前記トルクに関する前記所定の範囲は、10Nm以上50Nm以下であり、好ましくは、20Nm以上30Nm以下である、請求項14に記載の自転車用制御装置。
- 前記回転速度に関する前記所定の範囲は、30rpm以上90rpm以下であり、好ましくは45rpm以上70rpm以下である、請求項15に記載の自転車用制御装置。
- 前記所定の範囲は、設定または変更可能である、請求項1から15のいずれか1項に記載の自転車用制御装置。
- 操作部をさらに備え、
前記制御部は、走行中に前記操作部が操作されると、前記人力駆動力検出部が検出した人力駆動力および前記回転パラメータ検出部が検出した前記回転に関するパラメータの少なくともいずれかに基づいて前記所定の範囲を設定または変更する、請求項1に記載の自転車用制御装置。 - 前記人力駆動力検出部は、走行中に前記人力駆動力を所定の時間間隔で検出し、
前記制御部は、前記人力駆動力検出部によって検出した複数の人力駆動力、またはその複数の人力駆動力の平均値に応じて前記所定の範囲を設定または変更する、請求項19に記載の自転車用制御装置。 - 前記回転パラメータ検出部は、走行中に前記回転に関するパラメータを所定の時間間隔で検出し、
前記制御部は、前記回転パラメータ検出部によって検出した複数の回転に関するパラメータ、またはその複数の回転に関するパラメータの平均値に応じて前記所定の範囲を設定または変更する、請求項19または20に記載の自転車用制御装置。 - 前記人力駆動力検出部によって検出した複数の人力駆動力は、前記操作部が操作された直前に前記人力駆動力検出部によって検出した人力駆動力を少なくとも含む、請求項20に記載の自転車用制御装置。
- 前記回転パラメータ検出部によって検出した複数の回転に関するパラメータは、前記操作部が操作された直前に前記回転パラメータ検出部によって検出した回転に関するパラメータを少なくとも含む、請求項21に記載の自転車用制御装置。
- 前記制御部は、前記複数の人力駆動力の前記平均値が前記所定の範囲の中心に位置するように前記所定の範囲を設定する、請求項20に記載の自転車用制御装置。
- 前記制御部は、前記複数の回転に関するパラメータの前記平均値が前記所定の範囲の中心に位置するように前記所定の範囲を設定する、請求項21に記載の自転車用制御装置。
- 前記制御部は、走行中に前記操作部が操作された時に、前記人力駆動力検出部が検出した人力駆動力および前記回転パラメータ検出部が検出した前記回転に関するパラメータの少なくともいずれかに基づいて前記所定の範囲を設定する、請求項19に記載の自転車用制御装置。
- 前記人力駆動力検出部によって検出した複数の人力駆動力は、前記操作部が操作された直後に前記人力駆動力検出部によって検出した人力駆動力を少なくとも含む、請求項20に記載の自転車用制御装置。
- 前記回転パラメータ検出部によって検出した複数の回転に関するパラメータは、前記操作部が操作された直後に前記回転パラメータ検出部によって検出した回転に関するパラメータを少なくとも含む、請求項21に記載の自転車用制御装置。
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