JPH08310477A

JPH08310477A - 電動モータ付き自転車

Info

Publication number: JPH08310477A
Application number: JP12381895A
Authority: JP
Inventors: Kazue Sumiya; 和重角谷; Kazuyoshi Tsukamoto; 一義塚本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1995-05-23
Filing date: 1995-05-23
Publication date: 1996-11-26

Abstract

(57)【要約】【目的】簡易な検出構造により人力による踏力を検出
すると共に、装置全体の小型／軽量化を実現させた電動
モータ付き自転車を提供する。【構成】人力による踏力の変化に対応して電気駆動系
12の出力を制御する電動モータ付き自転車10において、
ハンドル２に作用する力を検出する力検出手段23と、該
力検出手段23による検出結果に基づいて前記踏力を求め
る踏力算出手段21と、該踏力算出手段21による算出踏力
に基づき前記電動モータ14の出力を制御する出力制御手
段22とを備えていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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た電動モータ付き
自転車に関し、特に電動モータによる駆動力を人力によ
る駆動力、即ち踏力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】従来、人力による踏力を検出し、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
が提案されており（特開平４−１００７９０号）、この
自転車では人力の負担が大きい時に電動モータの駆動力
を増やして人力の負荷を軽減させている。

【０００３】図７に従来の電動モータ付き自転車におけ
る制御系統図を示す。図に示すように、クランクペダル
により回転駆動されるクランク軸101から人力による踏
力が入力されると、そのトルクＴpがトルクセンサ102に
より検出される。制御部103はこのトルクＴpに基づいて
モータ104が出力すべき補助トルクＴmを求め、このモー
タ104をその補助トルクＴmとなるように制御する。そし
て、このモータ104の補助トルクＴmが人力による踏力に
加えられ、この合力Ｔp＋Ｔm＝Ｔが後輪105に加えられ
るものである。

【０００４】このように従来の装置では人力による踏力
をトルクセンサ102により直接検出し、ある変換特性を
もってモータによる補助トルクを算出し、人力の負荷軽
減を行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、人力による踏
力を検出するトルクセンサを設けることにより、その周
辺の構成が複雑となり、装置全体が大型化を招いてい
た。

【０００６】本発明は、斯かる点に鑑みてなされたもの
であって、簡易な検出構造により人力による踏力を検出
すると共に、装置全体の小型／軽量化を実現させた電動
モータ付き自転車を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、電動モータ付
き自転車において、ハンドルに作用する力を検出する力
検出手段と、該力検出手段による検出結果に基づいて前
記踏力を求める踏力算出手段と、該踏力算出手段による
算出踏力に基づき前記電動モータの出力を制御する出力
制御手段とを備えている。

【０００８】その具体的構成としては、前記人力駆動系
はクランクペダルを用いた人力による駆動系で構成さ
れ、クランクペダルにより回転駆動されるクランク軸の
回転角度を検出するクランク角検出手段と、該回転角度
が人力による踏力増加領域にある場合でのハンドル作用
力に基づいて算出した前記踏力の履歴データを記憶する
記憶手段とを備え、前記踏力算出手段は、前記力検出手
段による検出結果に基づいて前記クランク軸の回転角度
が人力による踏力増加領域での踏力を算出すると共に、
前記記憶手段の履歴データに基づいて前記踏力増加領域
以外の領域での踏力を算出するものである。

【０００９】また、前記踏力算出手段は、前記クランク
ペダルが上下方向に位置するクランク軸の回転角度から
水平方向に位置するクランク軸の回転角度までの回転駆
動領域を前記踏力増加領域として踏力を算出するもので
ある。

【００１０】さらに、前記力検出手段は、左右ハンドル
への作用力を検出するものであり、前記踏力算出手段
は、前記クランクペダルが上下方向に位置するクランク
軸の回転角度でのハンドル作用力からの増加量に基づい
て踏力を算出しているものである。

【００１１】

【作用】本発明によれば、自転車のハンドルに作用する
力に基づいて人力による踏力を求め、その算出踏力に基
づき電動モータの出力が制御するので、簡易な検出構造
によって人力による踏力に応じた電動モータの駆動制御
を行うことができる。

【００１２】また、力検出手段による検出結果に基づい
て算出された人力トルク増加領域での踏力から、人力ト
ルク減少領域での踏力を推定することにより、ハンドル
に加わる踏力と相関関係のない力成分の影響が大きくな
りやすい人力トルク減少領域での踏力算出を精度良く行
える。

【００１３】さらに、クランクペダルが上下方向に位置
するクランク軸の回転角度でのハンドル作用力からの増
加量に基づいて踏力を算出するので、踏力とは無関係の
力成分を除去することができ、さらに一層、踏力算出の
精度を高めることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の電動モータ付き自転車につい
てその一実施例を示す図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明を実施した電動モータ付き自転車の概略
システム構成図である。

【００１５】図において、１はフレーム、２はハンド
ル、３は駆動輪である後輪、４は操向前輪、５はクラン
クペダル、６はクランクペダル５により回転駆動される
クランク軸７に固定された駆動スプロケット、８は後輪
３の軸に固定された被動スプロケットで、両スプロケッ
ト６、８にチェーン９が巻掛けられており、自転車10は
ペダル５を回転することにより走行するものである。
尚、ペダル５はクランク11の一端に枢支され、その他端
がクランク軸７に固着されている。

【００１６】12は、この自転車10において人力の負荷を
軽減させるための電気駆動系であり、14はフレーム１の
シートチューブ13に取付けられた電動モータである。電
動モータ14の回転駆動力は傘歯車（図示せず）を介して
駆動スプロケット６に伝達されている。

【００１７】電動モータ14はフレーム１に取り付けられ
たバッテリー15から供給される電流により駆動され、そ
の供給電圧は、踏力算出手段21において求められた踏力
と同じ大きさの補助トルクが発生するように出力制御手
段22により制御されている。

【００１８】踏力算出手段21は、ハンドル２に作用する
力を検出する力検出手段23と、クランク軸７の回転角度
（以下、クランク角という）を検出するクランク角検出
手段24からの検出結果を読み込み、その検出値に基づい
て自転車10に加わっている人力による踏力をトルク値と
して算出している。

【００１９】次に、力検出手段23の構成について図２を
参照して説明する。図２に示すように、ハンドルバー31
の右グリップ32及び左グリップ33の近傍に、自転車10の
進行方向に対する力が検出できるように一対の歪ゲージ
34、34がそれぞれ設けられており、右グリップ32及び左
グリップ33に作用する力を検出して、その検出結果を信
号処理部35を介して踏力算出手段21に入力している。こ
れにより、ハンドル２に作用する自転車10の進行方向の
力を精度良く検出することができる。

【００２０】これは、一般に人がペダル５を漕ぐ際に
は、ペダル５を踏む力と一定の相関関係をもってハンド
ル２に力が加えられ、その人力による踏力が大きいほど
ハンドル２に作用する力が大きくなるということを利用
している。

【００２１】次に、クランク角検出手段24の構成につい
て図３を参照して説明する。図３に示すように、クラン
ク軸７には偏心カム形状の磁性体金属板41が固定されて
おり、その外周上面及び側面にアナログ式磁気センサ4
2、43が設けられている。この磁性体金属板41は、左右
のクランク11の取付方向に対して垂直な位置で最小内径
Ｒaとなり、その垂直位置からクランク11の取付方向に
近づくにつれて内径が大きくなり、右のクランク11の取
付方向側で最大内径Ｒb（Ｒb＞Ｒc）となっている。

【００２２】そして、このアナログ式磁気センサ42、43
は、磁性体金属板41との距離が近くなるほど、検出磁界
が強くなりセンサ出力が大きくなる。このため、ペダル
５が上下方向に位置し、右ペダル５が上側に位置するク
ランク角においては、磁気センサ42のセンサ出力が最大
となり、磁気センサ43の出力が最小となる。また、ペダ
ル５が水平方向に位置し、右ペダル５が進行方向側に位
置するクランク角においては、磁気センサ42のセンサ出
力が最小となり、磁気センサ43の出力が最大となる。

【００２３】具体的には、図４に示すように、クランク
軸７の回転に伴って磁性体金属板41が回転して、磁気セ
ンサ42、43のセンサ出力が変化することになる。ここ
で、図中の横軸の角度はクランク角を表しており、ペダ
ル５が上下方向に位置するクランク角を０度または180
度とし、右ペダル５が上側に位置するクランク角を０度
とした場合のセンサ出力を縦軸に表している。

【００２４】このように、この磁気センサ42、43の検出
出力に基づいて、クランク軸７のクランク角を検出する
ことが可能となる。次に、踏力算出手段21において求め
られる補助トルクについて図５を参照して説明する。使
用者が自転車10のペダル５を漕いでいる場合には、クラ
ンク軸７にはクランク角が０度から180度及び180度から
360度（＝０度）の間で、図５(ａ)に示すように繰り返
し脈動する人力トルクが加わっている。そして、この場
合には、図５(ｂ)及び(ｃ)において実線で示すような力
成分が左右ハンドルに発生する。ここで、図５(ｂ)及び
(ｃ)における破線は、使用者による踏力とは無関係に発
生する使用者が故意に加えている力の変化を表してい
る。

【００２５】このように、使用者がペダル５を踏む力
（トルク）と一定の相関関係をもってハンドル２に作用
する力（以下、作用力という）は、クランク軸７の回転
と同期して周期的な変動を示すのに対して、前記作用力
以外の力はこの周期とは無関係に緩慢な変動を示す。

【００２６】このため、踏力算出手段21では、前記作用
力以外の力成分については、クランク角が０度から180
度までクランク軸７が回転する領域においては、略定常
成分であると仮定して、クランク角が０度の時に力検出
手段23により検出された値を基準値としてその増加分を
前記作用力と判断しており、同様に、クランク角が180
度から０度まで回転する期間においては、クランク角が
180度の時に力検出手段23により検出された値を基準値
としてその増加分を前記作用力と判断している。

【００２７】但し、自転車10のペダル５の漕ぎ始め時
に、クランク角が０度又は180度でない場合には、便宜
的にその時のクランク角での力検出手段23による検出値
を基準値としてその増加分を前記作用力と判断してい
る。これは、漕ぎ始め時から電動モータ14による補助ト
ルクを発生させるためである。

【００２８】また、クランク角が90度から180度まで、
又は270度から０度までクランク軸７が回転する領域
は、使用者による人力トルクが減少する領域であるが、
一般に図５(ｂ)及び(ｃ)に示すように人力による踏力と
相関関係のない前記作用力以外の力成分（破線）が変動
しやすく、その影響が大きくなりやすい。このため、ハ
ンドル２に何らかの突発的要因により力検出手段23によ
る検出値が増加し、踏力算出手段21において誤って前記
作用力が増加したと判断しないように、本実施例ではク
ランク角が０度から90度まで、又は180度から270度まで
クランク軸７が回転する期間、即ち、人力トルクの増加
領域での力検出手段23による検出結果を用いて、後述す
るように、人力トルクの減少領域での補助トルクを算出
している。

【００２９】以上のようにして、踏力算出手段21では、
人力トルクの増加領域における前記作用力を用いて、以
下の式に基づいて補助トルクＴa(ｎ)を算出し、その結
果を出力制御手段22に入力している。

【００３０】

【数１】

【００３１】ここで、ｎは１以上の整数、Ｔa(ｎ)は現
在のクランク角における算出補助トルク、Ｔa(ｎ−１)
は前回のクランク角における算出補助トルク、Ｆl(ｎ)
は現在の左ハンドルの上記作用力、Ｆr(ｎ)は現在の右
ハンドルの上記作用力、Ｆl(ｎ−１)は前回の左ハンド
ルの上記作用力、Ｆr(ｎ−１)は前回の右ハンドルの上
記作用力、Ｋtは上記作用力から補助トルクを算出する
場合の変換係数、Ａl(ｎ)は現在の左ハンドルの重み付
け係数、Ａr(ｎ)は現在の右ハンドルの重み付け係数で
ある。尚、本実施例ではＡl(ｎ)及びＡr(ｎ)を共に１に
設定している。

【００３２】そして、後述するように上記数１により求
められた補助トルクＴaを記憶手段41（図示せず）に格
納すると共に、出力制御手段22に入力している。そし
て、出力制御手段22では電動モータ14が補助トルクＴa
を発生させる供給電圧に制御している。

【００３３】また、人力トルクの減少領域における補助
トルクＴaは、人力トルクの増加領域であるクランク角
θが０〜90度又は180〜270度における算出トルクデータ
Ｔaに基づいて算出している。具体的には、クランク角
θが90度又は270度の位置を基準に、０〜90度及び90〜1
80度、又は180〜270度及び270〜０度が対称となるよう
に、人力トルクが減少領域であるクランク角θが180〜2
70度及び270〜０度における補助トルクＴaを算出してい
る。

【００３４】従って、記憶手段41には履歴データとし
て、人力トルクの増加領域、即ち、クランク角θが０〜
90度又は180〜270度における補助トルクＴaのデータが
格納され、この格納データに基づいて人力トルクの減少
領域での補助トルクＴaを算出している。

【００３５】次に、上記構成における電動モータ14によ
る補助トルク発生の処理内容について、図６に示すフロ
ーチャートを用いて説明する。先ず、初期設定として整
数列ｎ＝１，Ｆl(０)＝０，Ｆr(０)＝０，補助トルクＴ
a(ｎ)＝０とし、出力制御手段２２からのモータ出力を
０に設定すると共に、記憶手段41を格納データをクリア
する（Ｓ１）。

【００３６】そして、次のステップＳ３において、クラ
ンク角検出手段24によって現在のクランク角を表す回転
位置θ(ｎ)をクランク角検出手段24により検出し、ステ
ップＳ５へ進む。

【００３７】ステップＳ５では、自転車10が停止又は後
退して人力が加わっていない状態、即ち、クランク角検
出手段24によって検出されるクランク角θの変化が０ま
たは負となっていないかどうか判断している。具体的に
は、自転車10の進行方向を正とした回転速度ｗ(ｎ)が正
かどうか判断し、ＹＥＳの場合にはステップＳ７に進
み、ＮＯの場合にはステップＳ１に戻る。

【００３８】ステップＳ７では、現在のクランク角θ
(ｎ)での作用力Ｆl(ｎ)，Ｆr(ｎ)を検出し、ステップＳ
９に進む。ステップＳ９では、ｎ≠１であり、クランク
角θ(ｎ)が０度又は180度であるかどうか判断しＹＥＳ
の場合にはステップＳ１に戻り、ＮＯの場合にはステッ
プＳ11に進む。

【００３９】ステップＳ11では、現在のクランク角θ
(ｎ)が人力トルクの増加領域、即ち、０≦θ(ｎ)≦90又
は180≦θ(ｎ)≦270であるかどうか判断し、ＹＥＳの場
合にはステップＳ13に進み、ＮＯの場合にはステップＳ
15に進む。

【００４０】ステップＳ13では、現在のクランク角θに
おける補助トルクＴa(ｎ)を上記数１を用いて算出し、
ステップＳ17に進む。ステップＳ17では、現在のクラン
ク角θ(ｎ)と補助トルクＴa(ｎ)を記憶手段41に履歴デ
ータとして格納し、ステップＳ19に進む。

【００４１】ステップＳ19では、ステップＳ13で求めら
れた補助トルクＴa(ｎ)を出力制御手段22に供給し、ス
テップＳ21に進み、ｎを１度だけインクリメントしてス
テップＳ３に戻る。このステップＳ19の実行により、出
力制御手段22から電動モータ14へ補助トルクＴa(ｎ)を
発生させるのに必要な供給電圧を供給し、電動モータ14
から駆動スプロケット６に補助トルクＴa(ｎ)を伝達し
ている。

【００４２】一方、ステップＳ15では、記憶手段41に履
歴データが既に格納されているかどうか判断し、ＹＥＳ
の場合にはステップＳ23に進み、ＮＯの場合にはステッ
プＳ13に進む。このステップＳ15においてＮＯの場合に
は、自転車10のペダル５の初期位置がクランク角θ(ｎ)
＞90又はθ(ｎ)＞270にあり、自転車10の漕ぎ始め時に
履歴データに基づく補助トルク推定を行えないため、人
力トルクの増加領域と同様に補助トルクＴa(ｎ)を算出
している。

【００４３】そして、ステップＳ23では、記憶手段41に
格納されている履歴データに基づき、人力トルクが減少
領域であるクランク角θが90〜180度又は270〜360(=０)
度における、現在のクランク角θでの補助トルクＴa
(ｎ)してステップＳ19に進む。

【００４４】以上の処理を繰り返し行うことにより、自
転車10に加わっている人力によるトルクを、トルクセン
サなどを用いて直接検出せずに、ハンドル２に作用する
力から間接的に求めることができ、複雑な構成となるト
ルクセンサに比べて簡易な検出構造により人力による踏
力を検出することができる。

【００４５】以上の処理を繰り返し行うことにより、自
転車10に加わっている人力によるトルクを、トルクセン
サなどを用いて直接検出せずに、ハンドル２に作用する
力から間接的に求めることができ、複雑な構成となるト
ルクセンサに比べて簡易な検出構造により人力による踏
力を検出することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上述べた通り本発明によれば、自転車
のハンドルに作用する力に基づいて人力による踏力を求
め、その算出踏力に基づき電動モータの出力を制御する
ので、簡易な検出構造によって人力による踏力に応じた
電動モータの駆動制御を行うことができ、装置全体の小
型／軽量化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電動モータ付き自転車の概略システム
構成図である。

【図２】本発明の力検出手段23の概略構成図である。

【図３】本発明のクランク角検出手段24の概略構成図で
ある。

【図４】図３実施例装置におけるアナログ磁気センサ4
2、43の各クランク角でのセンサ出力変化を示す特性図
である。

【図５】本発明の踏力算出手段21により算出される補助
トルクについての説明図である。

【図６】本発明による補助トルク発生の処理内容を示す
フローチャートである。

【図７】従来の電動モータ付き自転車における制御系統
図である。

【符号の説明】

１フレーム２ハンドル３後輪（駆動輪）４操向前輪５クランクペダル６駆動スプロケット７クランク軸８被動スプロケット９チェーン 10 自転車 11 クランク 12 電気駆動系 13 シートチューブ 14 電動モータ 15 バッテリー 21 踏力算出手段 22 出力制御手段 23 力検出手段 24 クランク角検出手段 31 ハンドルバー 32 右グリップ 33 左グリップ 34 歪みゲージ 35 信号処理部 41 磁性体金属板 42，43 アナログ磁気センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】人力駆動系と電動モータによる電気駆動系
とを並列に設け、人力による踏力の変化に対応して前記
電気駆動系の出力を制御する電動モータ付き自転車にお
いて、ハンドルに作用する力を検出する力検出手段と、該力検出手段による検出結果に基づいて前記踏力を求め
る踏力算出手段と、該踏力算出手段による算出踏力に基づき前記電動モータ
の出力を制御する出力制御手段とを備えていることを特
徴とする電動モータ付き自転車。
【請求項２】前記人力駆動系はクランクペダルを用いた
人力による駆動系で構成され、クランクペダルにより回転駆動されるクランク軸の回転
角度を検出するクランク角検出手段と、該回転角度が人力による踏力増加領域にある場合でのハ
ンドル作用力に基づいて算出した前記踏力の履歴データ
を記憶する記憶手段とを備え、前記踏力算出手段は、前記力検出手段による検出結果に
基づいて前記クランク軸の回転角度が人力による踏力増
加領域での踏力を算出すると共に、前記記憶手段の履歴
データに基づいて前記踏力増加領域以外の領域での踏力
を算出することを特徴とする請求項１記載の電動モータ
付き自転車。
【請求項３】前記踏力算出手段は、前記クランクペダル
が上下方向に位置するクランク軸の回転角度から水平方
向に位置するクランク軸の回転角度までの回転駆動領域
を前記踏力増加領域として踏力を算出することを特徴と
する請求項２記載の電動モータ付き自転車。
【請求項４】前記力検出手段は、左右ハンドルへの作用
力を検出することを特徴とする請求項１ないし３のいず
れかに記載の電動モータ付き自転車。
【請求項５】前記踏力算出手段は、前記クランクペダル
が上下方向に位置するクランク軸の回転角度でのハンド
ル作用力からの増加量に基づいて踏力を算出しているこ
とを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電
動モータ付き自転車。