JPH09267790A - 補助動力付き自転車の回生制御装置 - Google Patents

補助動力付き自転車の回生制御装置

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JPH09267790A
JPH09267790A JP8103646A JP10364696A JPH09267790A JP H09267790 A JPH09267790 A JP H09267790A JP 8103646 A JP8103646 A JP 8103646A JP 10364696 A JP10364696 A JP 10364696A JP H09267790 A JPH09267790 A JP H09267790A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 速度の割に踏力が小さい場合に、モータを回
生状態に制御してバッテリーを充電し、かつ快適な走行
性を維持することができる補助動力付き自転車の回生制
御装置を供する。 【解決手段】 ペダルに加わる踏力に応じた補助力を発
生すべくモータを駆動制御する駆動制御手段を備えてな
る補助動力付き自転車において、該自転車の車速を検出
する車速検出手段30と、ペダルに加わる踏力を検出する
踏力検出手段28と、車速検出手段30が検出した車速と踏
力検出手段28が検出した踏力に基づき回生の必要性を判
別して前記モータを回生状態に切り換える回生制御手段
40を備えた補助動力付き自転車の回生制御装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、乗員のペダルを踏
む力をモータの動力によって補助する補助動力付き自転
車に関する。
【０００２】
【従来の技術】補助動力付き自転車については、従来か
ら種々提案されたものがあり、そのうちモータに制動力
を発生させるブレーキ制御まで言及している例として
は、特開平４−１００７９０号公報記載の例がある。同
例では、「降坂時などに一種のエンジンブレーキの作用
を持たせることができる」として、「ブレーキセンサに
よりブレーキをかけたことを検出してモータにブレーキ
力を発生させる」との記載がある。
【０００３】ただし同例では、モータに制動力を発生さ
せてはいるが、モータが制動力を発生させる状態はモー
タが発電機として働いている場合であって、これによっ
て生じる電力をバッテリーへ回生させることまでは言及
していない。しかしモータを回生制御することは容易に
考えられることである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記例では、モータに
制動力を発生させるのは、ブレーキをかけたことをブレ
ーキセンサが検出した時であり、したがってブレーキを
かけるまでは、モータによる制動力は働かず、よって回
生することもできない。ブレーキをかけるときは、ペダ
ルを踏み込むことをしないのが普通であるので、ペダル
を踏んでいるときは、モータの発電機としての制動力は
働かず回生状態にすることもない。
【０００５】補助動力付き自転車の場合、モータの動力
が人力を補助しているので、通常の自転車よりペダルが
軽くなるが、車速の割りにペダルの踏力が小さ過ぎるこ
とが降坂によっては起こり得ることである。車速の割り
にペダルが軽すぎるのは、却って快適な走行を妨げるこ
とになり、特に加速状態にあれば益々速度が増して結局
ブレーキをかけて速度を落としたりしなければならず快
適な走行性を維持することが難しい。
【０００６】前記従来例の場合、ペダルを踏んでいると
きはブレーキをかけず、よってモータによる制動力が働
くことはないので、ペダルを踏んでいる限り速度の割に
踏力が小さくなり過ぎる場合が生じ、快適な走行を妨げ
ることがある。
【０００７】本発明は、かかる点に鑑みなされたもの
で、その目的とする処は、速度の割に踏力が小さい場合
に、モータを回生状態に制御してバッテリーを充電し、
かつ快適な走行性を維持することができる補助動力付き
自転車の回生制御装置を供する点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、ペダルに加わる踏力に応じた補助力を発
生すべくモータを駆動制御する駆動制御手段を備えてな
る補助動力付き自転車において、該自転車の車速を検出
する車速検出手段と、ペダルに加わる踏力を検出する踏
力検出手段と、前記車速検出手段が検出した車速と前記
踏力検出手段が検出した踏力に基づき回生の必要性を判
別して前記モータを回生状態に切り換える回生制御手段
を備えた補助動力付き自転車の回生制御装置とした。
【０００９】回生制御手段は、車速と踏力に基づき回生
の必要性を判別するので、車速の割に踏力が小さ過ぎる
場合は回生が必要と判断して、モータを回生状態に切り
換えることで、モータを回生状態にし発電機として発電
した電力をバッテリーに回生してバッテリーの電力消費
を抑制することができ、かつモータの発電機としての制
動力を該自転車に働かせて快適な走行性を維持すること
ができる。
【００１０】前記回生制御手段は、予め車速に応じて踏
力の回生判定値を定めて記憶しており、ある車速での前
記踏力検出手段が検出した実際の踏力が前記回生判定値
より小さい場合に前記モータを回生状態に切り換える請
求項１記載の補助動力付き自転車の回生制御装置とす
る。
【００１１】この回生判定値を快適走行状態に合わせて
設定しておけば、車速の割に踏力が小さく回生判定値を
下回るようなときにモータを回生状態に切り換えること
ができ、バッテリーを充電できるとともに制動力により
快適走行に近づけることができる。
【００１２】前記回生制御手段は、前記駆動制御手段に
よる駆動制御の下で予め平坦路を走行するに必要な踏力
を車速に対応して求め前記回生判定値として記憶してお
り、ある車速での前記踏力検出手段が検出した実際の踏
力が前記回生判定値より小さい場合に前記モータを回生
状態に切り換える請求項２記載の補助動力付き自転車の
回生制御装置とする。
【００１３】回生制御手段は、前記駆動制御手段による
駆動制御の下で予め平坦路を走行するに必要な踏力を車
速に対応して求めた回生判定値を記憶しており、したが
って実際に検出した車速と踏力を記憶している回生判定
値と比較して実際の踏力が回生判定値より小さければ回
生が必要と判別でき、モータを回生状態にしてバッテリ
ーを充電するとともに、降坂路の状態の如何にかかわら
ず平坦路を快適に走行していると同じような快適な走行
性を維持することができる。
【００１４】前記回生制御手段は、前記車速検出手段が
検出した車速の変化から加速度を演算し、前記実際の踏
力が前記回生判定値より小さい場合でも前記加速度が正
の値のときにのみ前記モータを回生状態に切り換える請
求項２または請求項３記載の補助動力付き自転車の回生
制御装置とする。
【００１５】加速度が零または負の値すなわち一定速度
が維持されているか減速状態にあるときは、速度の割に
踏力が小さくても一定速度状態を乱してまで回生した
り、回生により減速をさらに急激にしたりする必要性は
乏しいので、かかる場合はモータを回生状態にしないよ
うにしている。
【００１６】前記回生制御手段は、前記踏力検出手段が
検出した実際の踏力が零の場合には、前記加速度が正の
値のときに前記モータを回生状態に切り換える請求項４
記載の補助動力付き自転車の回生制御装置とする。ペダ
ルを踏み込んでいないときは加速状態にない限り、モー
タを回生させて制動させる必要性に乏しいので、かかる
場合はモータを回生状態にしないようにしている。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下本発明に係る一実施の形態に
ついて図１ないし図７に図示し説明する。補助動力装置
１の各構成部品は、左側の補助動力装置ケーシング２と
右側の補助動力装置カバー３とで囲まれた密閉空間内に
配置され、該補助動力装置１は自転車車体０に一体に装
着されている。
【００１８】またクランク軸４の両端にペダルアーム５
が着脱自在に一体に装着され、該ペダルアーム５の先端
にペダル６が回転自在に枢着され、クランク軸４の左側
部は、補助動力装置ケーシング２のボールベアリング７
に回転自在に嵌装されている。
【００１９】さらにクランク軸４の外周に筒状の中空ト
ルク伝達部材８がニードルベアリング９を介して回転自
在に嵌合されるとともに、ボールベアリング７に隣接し
てクランク軸４と中空トルク伝達部材８とに踏力ワンウ
エイクラッチたるラチェットワンウェイクラッチ10が介
装され、該中空トルク伝達部材８の右側部はボールベア
リング11を介して補助動力装置カバー３に回転自在に嵌
合され、該補助動力装置カバー３より右方に露出した中
空トルク伝達部材８の右側部にドライブスプロケット12
がスプライン嵌合され、該中空トルク伝達部材８の右端
部に袋ナット13が一体に螺着されている。
【００２０】クランク軸４の回転速度が中空トルク伝達
部材８の回転速度以下となっても、ラチェットワンウェ
イクラッチ10によって中空トルク伝達部材８は空転する
ことができ、クランク軸４およびペダル６は停止状態を
保持することができる。
【００２１】さらにまたボールベアリング11の内側に位
置して中空トルク伝達部材８に、従動歯車15が一体に嵌
着され、該従動歯車15と噛み合う減速歯車16の軸部16ａ
に従動歯付プーリ17が一体に嵌着され、直流モータ20の
回転軸21に駆動歯付プーリ18が一体に嵌着され、該従動
歯付プーリ17および駆動歯付プーリ18に歯付無端ベルト
19が架渡されており、直流モータ20が稼動状態になる
と、駆動歯付プーリ18，歯付無端ベルト19，従動歯付プ
ーリ17，減速歯車16，従動歯車15および中空トルク伝達
部材８に直流モータ20の動力が伝達され、該中空トルク
伝達部材８はドライブスプロケット12をともに回転し、
チェーン34を介して後車輪35を前進方向へ回転駆動させ
るようになっている。
【００２２】なお、減速歯車16はボールベアリング22、
23を介して補助動力装置ケーシング２および補助動力装
置カバー３に回転自在に枢支され、直流モータ20の回転
軸21は、ボールベアリング24、25を介して直流モータ20
のケーシング20ａおよび補助動力装置カバー３に回転自
在に枢支されている。
【００２３】かかる構造であるので、逆に後車輪35の回
転がチェーン34，ドライブスプロケット12，中空トルク
伝達部材８，従動歯車15，減速歯車16，従動歯付プーリ
17，歯付無端ベルト19，駆動歯付プーリ18を介して直流
モータ20に伝達されることも可能で、直流モータ20の回
転軸21を外力で強制的に回転させて発電機として働かせ
発電した電力を回生することができる。
【００２４】またラチェットワンウェイクラッチ10と従
動歯車15との間の中空トルク伝達部材８の外周面に、非
晶質磁性合金製の薄帯26が一体に巻きつけられ、該薄帯
26の外方に位置した補助動力装置ケーシング２の内周面
にトルク検出コイル27が配設されて磁歪式トルクセンサ
28が構成されている。
【００２５】中空トルク伝達部材８におけるトルク検出
コイル27の左右の入力トルクのトルク差が前記薄帯26に
剪断歪を生じ、これによる薄帯26の透磁率の変化がトル
ク検出コイル27によって検出される。
【００２６】中空トルク伝達部材８には、トルク検出コ
イル27より右側（出力側）に直流モータ20のアシスト力
の入力があり、トルク検出コイル27より左側にはラチェ
ットワンウェイクラッチ10を介してペダル６への踏力が
入力されるので、磁歪式トルクセンサ28は直流モータ20
のアシスト力よりさらに加えられるところの踏力のみを
検出することができる。
【００２７】一方ラチェットワンウェイクラッチ10の外
方にクランク回転数センサ29が設けら、従動歯車15に沿
って車速センサ30が設けられている。従動歯車15の回転
には、後車輪35の回転がチェーン34，ドライブスプロケ
ット12，中空トルク伝達部材８を介して反映されるの
で、従動歯車15に沿って設けられ従動歯車15の回転速度
を検出する車速センサ30は、該自転車０の車速を検出す
ることができる。
【００２８】以上のような構造の補助動力装置１におい
て、直流モータ20の制御は、電子コントロールユニット
ＥＣＵ40によりなされており、該制御系の概略図を図４
に示す。ＥＣＵ40には、前記磁歪式トルクセンサ28，ク
ランク回転数センサ29，車速センサ30からの入力があ
り、制御信号をドライバー41に出力し、ドライバー41に
より直流モータ20は駆動される。
【００２９】直流モータ20には、バッテリー45の電力が
ドライバー41を介して供給されるようになっており、該
電力供給回路にはメインスイッチ46が介装されている。
一方メインスイッチ46とドライバー41との間には回生回
路が設けられており、回生スイッチ47，昇圧回路48，逆
流防止用のダイオード49が直列に配設されている。
【００３０】回生スイッチ47はＥＣＵ40により制御さ
れ、通常はオフ状態にされており、メインスイッチ46が
オンすると、バッテリー45の電力をドライバー41を介し
て直流モータ20に供給可能な状態にある。 そしてＥＣ
Ｕ40は、クランク回転数センサ29のクランク回転数信号
と磁歪式トルクセンサ28のトルク信号から人力仕事量を
演算し、ある比率で人力を補助すべく直流モータ20に電
力を制御して供給し、直流モータ20を駆動してアシスト
力を出力する。
【００３１】一方ある走行状態においては、直流モータ
20への電力の供給を停止し、逆に直流モータ20を発電機
として働かせ、回生スイッチ47をオンさせて発電した電
力を回生回路を介してバッテリー45に回生させる。直流
モータ20が発電した電力は、その電圧を昇圧回路48によ
り昇圧してバッテリー45の所定出力電圧より大きくして
バッテリー45に返還する。
【００３２】かかる回生制御について以下説明する。図
５は、ある傾斜角度の登坂路，平坦路，傾斜角度の異な
る２つの降坂路について自転車を一定車速で走行させる
ため必要とされる入力を示している。この入力の値は、
走行抵抗に見合う値であり、よって車速の２乗に比例し
て増加する。
【００３３】登坂路においては車速が０km/hであって
も、０km/hを維持するために入力が必要とされている。
また降坂路では、ある車速で入力が０となり、同車速よ
り低い車速では該車速を維持するためには負の入力すな
わち後退方向の入力が必要とされることを示している。
【００３４】本補助動力付き自転車０の場合は、自転車
を走行させる入力は人力と直流モータ20の動力とで作り
出すことになる。ここに人力は、乗員がペダル６を踏む
力であり、左右の足が左右のペダル６を交互に踏み込む
ことになるので、踏力Ｆの変化は図６に示すように波形
を示し、１周期がクランク軸４の１回転に相当する。
【００３５】直流モータ20の制御には、この変化する踏
力Ｆのうち最大値ΔＦを使用している。この踏力ΔＦは
前記磁歪式トルクセンサ28が検出し、回生制御に際して
は、この磁歪式トルクセンサ28が検出する踏力ΔＦと車
速センサー30が検出する車速ＶとをＥＣＵ40が入力して
処理することになる。
【００３６】なおＥＣＵ40は、上記踏力ΔＦと車速Ｖの
ほか逐次入力される車速Ｖから車速Ｖの変化率dV/dt す
なわち加速度αを演算して回生判定に供するようにして
いる。
【００３７】図７は、回生判定マップを座標に示したも
のであり、横軸を車速Ｖ，縦軸を踏力ΔＦとしている。
同図７において右肩上がりの斜線は回生判定ラインＬで
あり、車速Ｖ0 は回生下限車速であり、この回生判定ラ
インＬより小さい踏力ΔＦで、車速Ｖ0 より大きい車速
にある場合すなわちハッチングが施された部分に走行状
態がある場合に直流モータ20の回生制御がなされる。
【００３８】ここに回生判定ラインＬは、本補助動力付
き自転車０を直流モータ20による補助制御の下で、平坦
路を走行させたときの車速Ｖに対する踏力ΔＦの変化を
実際に求めたものを用いている。この回生判定ラインＬ
上の車速Ｖと踏力ΔＦの関係にあるときは、略理想的な
快適走行を実現でき、平坦路でかかる状態になるように
直流モータ20のアシスト力が制御されている。
【００３９】したがって走行路が登坂路であろうと降坂
路であろうとまた傾斜角度によらず走行状態が、この回
生判定ラインＬに沿っていれば快適な走行ができる。そ
こである降坂路を走行中であって車速の割に踏力が小さ
い場合すなわち回生判定ラインＬよりも踏力ΔＦが小さ
い場合は、直流モータ20を回生状態に切り換えて回生に
よる制動力を働かせ同じ踏力ΔＦにあれば車速Ｖを下げ
て回生判定ラインＬに近づけることができる。ただし本
実施の形態では、実際に回生するか否かはさらに加速度
αをみることにしている。
【００４０】この回生判定ラインＬは予め決定してお
き、ＥＣＵ40が記憶しており、ＥＣＵ40は走行時に逐次
入力される磁歪式トルクセンサ28からの踏力ΔＦと車速
センサー30からの車速Ｖとを回生判定ラインＬと対比し
て回生を必要とする範囲（図７のハッチング部分）にあ
るか否かを判別する。
【００４１】またＥＣＵ40は、前記したように加速度α
を算出し、加速状態（α＞０）にあるときにのみ直流モ
ータ20を回生状態に設定するようにしている。すなわち
踏力ΔＦが回生判定ラインＬより下方にあっても加速度
αが０または負の値にあるときは、一定速度が維持され
ているか減速状態にあって、かかる状態にあるときに、
直流モータ20を回生状態にして一定速度を乱したり、減
速を急激にしたりする必要性は乏しいので、回生はしな
いようにして、加速状態にあるときにのみ回生するよう
にしている。
【００４２】踏力ΔＦが回生判定ラインＬより下方にあ
って加速度αが正の値にあるときは、車速の割に踏力が
小さくかつ増速状態にあるので、かかる場合に直流モー
タ20を回生状態に切り換えることで、制動力が働き増速
が抑えられて走行状態を安定化し快適走行に近づけるこ
とができるとともに、発電された電力をバッテリー45に
回生して充電を行うことができる。
【００４３】以上は踏力が存在する場合（ΔＦ＞０）の
回生条件を述べたものであり、踏力がない場合（ΔＦ＝
０）すなわちペダル６への踏み込みがないときは、加速
度αだけで回生するかしないかを判断する。すなわち加
速度αが正の値のとき（α＞０）は回生状態にし、０ま
たは負の値のとき（α≦０）は回生状態とせず惰行状態
とする。
【００４４】踏力ΔＦ＝０で加速度α＞０であるのは、
降坂路を走行している場合であり、車速がどんどん増し
ていく状態にあるので、この場合は直流モータ20を回生
状態にして制動をかけるようにし、手動でブレーキを操
作することをなるべき控えて快適な走行状態とすること
が可能である。またこのとき回生によりバッテリー45へ
の充電もできる。
【００４５】また踏力ΔＦ＝０で加速度α≦０であるの
は、通常は平坦路または極めて緩い降坂路を走行してい
る場合であり、制動をかける必要性はなく直流モータ20
を回生状態とはせず、直流モータ20の回転軸21をフリー
状態として負荷がかからないようにして惰行状態とす
る。
【００４６】以上回生条件をまとめると、踏力があると
き（ΔＦ＞０）は、図７における回生判定ラインＬおよ
び車速Ｖ0 を境にハッチング部分に車速Ｖと踏力ΔＦが
あって、かつ加速度α＞０であることを回生条件とし、
踏力がないとき（ΔＦ＝０）は、加速度α＞０であるこ
とが回生条件としている。
【００４７】なお回生判定ラインＬは、図７における位
置より上下に推移させて設定することも考えられる。回
生判定ラインＬを上方に推移させれば直流モータの回生
による制動がかかり易くなり、前記の状態より重い走行
感覚となるが、バッテリー45への充電が多く行われるよ
うになり、逆に下方に推移させれば制動がかかり難くな
り、前記の状態よりますます軽い走行感覚を得ることが
できる。
【００４８】
【発明の効果】本発明は、回生制御手段が、車速と踏力
に基づき回生の必要性を判別するので、車速の割に踏力
が小さ過ぎる場合は回生が必要と判断して、モータを回
生状態に切り換えることで、モータを回生状態にし発電
機として発電した電力をバッテリーに回生してバッテリ
ーの電力消費を抑制することができ、かつモータの発電
機としての制動力を該自転車に働かせて快適な走行性を
維持することができる。
【００４９】この回生判定値を快適走行状態に合わせて
設定しておけば、車速の割に踏力が小さく回生判定値を
下回るようなときにモータを回生状態に切り換えること
ができ、バッテリーを充電できるとともに制動力により
快適走行に近づけることができる。
【００５０】回生制御手段が、前記駆動制御手段による
駆動制御の下で予め平坦路を走行するに必要な踏力を車
速に対応して求めた回生判定値を記憶して、実際に検出
した車速と踏力を記憶している回生判定値と比較して実
際の踏力が回生判定値より小さければ回生が必要と判別
でき、モータを回生状態にしてバッテリーを充電すると
ともに、降坂路の状態の如何にかかわらず平坦路を快適
に走行していると同じような快適な走行性を維持するこ
とができる。
【００５１】実際の踏力が前記回生判定値より小さい場
合でも加速度が正の値のときにのみモータを回生状態に
切り換えることで、加速度が零または負の値すなわち一
定速度が維持されているか減速状態にあるときは、速度
の割に踏力が小さくても一定速度状態を乱してまで回生
したり、回生により減速をさらに急激にしたりすること
はなく、快適走行状態を維持することができる。
【００５２】実際の踏力が零の場合には、加速度が正の
値のときにモータを回生状態に切り換えることで、ペダ
ルを踏み込んでいないときは加速状態にない限り、モー
タを回生させて制動させることをせず、快適走行状態を
維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る補助動力付き自転
車の全体側面図である。
【図２】図１の要部拡大側面図である。
【図３】図２のIII −III 線に沿って截断した断面図で
ある。
【図４】補助動力としての直流モータの制御系の概略ブ
ロック図である。
【図５】一定車速で走行させるため必要とされる入力を
示す図である。
【図６】ペダルの踏力の変化を示す図である。
【図７】回生判別マップを座標で示した図である。
【符号の説明】
０…補助動力付き自転車、１…補助動力装置、２…補助
動力装置ケーシング、３…補助動力装置カバー、４…ク
ランク軸、５…ペダルアーム、６…ペダル、７…ボール
ベアリング、８…中空トルク伝達部材、９…ニードルベ
アリング、10…ラチェットワンウェイクラッチ、11…ボ
ールベアリング、12…ドライブスプロケット、13…袋ナ
ット、15…従動歯車、16…減速歯車、17…従動歯付プー
リ、18…駆動歯付プーリ、19…歯付無端ベルト、20…直
流モータ、21…回転軸、22，23，24，25…ボールベアリ
ング、26…薄帯、27…トルク検出コイル、28…磁歪式ト
ルクセンサ、29…クランク回転数センサ、30…車速セン
サ、34…チェーン、35…後車輪、40…ＥＣＵ、41…ドラ
イバー、45…バッテリー、46…メインスイッチ、47…回
生スイッチ、48…昇圧回路、49…ダイオード。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ペダルに加わる踏力に応じた補助力を発
    生すべくモータを駆動制御する駆動制御手段を備えてな
    る補助動力付き自転車において、 該自転車の車速を検出する車速検出手段と、 ペダルに加わる踏力を検出する踏力検出手段と、 前記車速検出手段が検出した車速と前記踏力検出手段が
    検出した踏力に基づき回生の必要性を判別して前記モー
    タを回生状態に切り換える回生制御手段を備えたことを
    特徴とする補助動力付き自転車の回生制御装置。
  2. 【請求項２】 前記回生制御手段は、予め車速に応じて
    踏力の回生判定値を定めて記憶しており、ある車速での
    前記踏力検出手段が検出した実際の踏力が前記回生判定
    値より小さい場合に前記モータを回生状態に切り換える
    ことを特徴とする請求項１記載の補助動力付き自転車の
    回生制御装置。
  3. 【請求項３】 前記回生制御手段は、前記駆動制御手段
    による駆動制御の下で予め平坦路を走行するに必要な踏
    力を車速に対応して求め前記回生判定値として記憶して
    おり、ある車速での前記踏力検出手段が検出した実際の
    踏力が前記回生判定値より小さい場合に前記モータを回
    生状態に切り換えることを特徴とする請求項２記載の補
    助動力付き自転車の回生制御装置。
  4. 【請求項４】 前記回生制御手段は、前記車速検出手段
    が検出した車速の変化から加速度を演算し、前記実際の
    踏力が前記回生判定値より小さい場合でも前記加速度が
    正の値のときにのみ前記モータを回生状態に切り換える
    ことを特徴とする請求項２または請求項３記載の補助動
    力付き自転車の回生制御装置。
  5. 【請求項５】 前記回生制御手段は、前記踏力検出手段
    が検出した実際の踏力が零の場合には、前記加速度が正
    の値のときに前記モータを回生状態に切り換えることを
    特徴とする請求項４記載の補助動力付き自転車の回生制
    御装置。
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