JPH1081289A - 駆動力補助装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 人力の左と右の入力が異なっても、全体の出
力にアンバランスが発生せず、円滑な駆動力が得られる
駆動力補助装置を提供する。 【解決手段】 人力駆動系と、電動駆動系と、前記人力
駆動系の人力入力部と、これを検出する検出部と、前記
人力入力部に対する電動モータの出力を所定の変換特性
をもって補助する制御部を有し、前記人力入力部は左右
２個所有し、左右が各１回入力して１サイクルとし、前
記制御部は前記１サイクル全体の出力を制御することを
特徴とする駆動力補助装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は人力で駆動される自
転車、車椅子、軽車輌等において、人力による駆動系
と、電動モータによる駆動系を有する駆動力補助装置に
あって、更に詳しくは、人力駆動力に対する電動モータ
の出力制御の補助比率に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】駆動補助付自転車の使用実態調査におい
て、高齢又は何らかの障害を有し、左右足の筋力が衰え
た人達が使用する比率が一般の自転車使用者の場合より
多いという傾向がある。

【０００３】人力による駆動部と電動モータによる駆動
部を並列に備え、人力に応じて電動モータ出力を制御し
合算させる駆動力補助装置は、元来、斯る人達に有用な
ものである。そして、斯る人達は若年健常者の場合と異
なり、特に二輪自転車に乗れない人達が電動三輪車に乗
られるのが顕著であった。しかし、斯る場合において、
電動三輪車のペダルを踏むペダリングを、必ずしも左右
均等に踏力を負荷出来ない人達が使用される事が多々あ
った。

【０００４】一方、駆動補助に関する発明は従来から数
多く、例えば、特開平４−１００７９１０号公報に記載
の人力駆動装置、実開平３−４９１９５号公報に記載の
電動二輪車、実開平３−４９１９号公報に記載の電動二
輪車等が挙げられる。これらの駆動力補助装置は図１２
に示すようにペダル踏力を検出する踏力検出部、ペダル
踏力に基づき、電動モータの出力を制御する制御部、そ
して減速機構を有している。そして、ペダル踏力と、場
合によっては車速との組み合わせにより、電動モータ出
力は一義的に決まる構造であり、複数の人力入力部に対
して、入力と出力のバランスを調節し、制御する走行性
向上の為の配慮はされておらなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の構成の場合、入力に対し出力は一義的に決まるた
め、例えば、左足踏力が右足踏力の半分の筋力である人
が運転する場合、路面状況、路面角度変化に対応出来
ず、不安定な走行状態となることがあった。左足と右足
の踏力が等しい人の場合のペダル踏力と駆動補助の合算
出力の変化を、横軸に時間、縦軸に駆動力を表わした図
１３にて例示すると、漕ぎ出し時は左右とも大きな踏力
Ｆ１を入力し、駆動補助によりＦ２を出力し、速度を増
大させ、定常走行となるに従って、ペダル踏力、駆動出
力は低下し、路面状況に応じた一定の踏力Ｆ３及び出力
Ｆ４となる。ところが、例えば左足の筋力が右足の筋力
の半分の人の場合において、横軸に時間、縦軸に駆動力
を表わした図１４にペダリングの経過による踏力と駆動
補助の合算出力の変化を示すと、Ｆ１＝２Ｆ５の時、一
定比率で駆動補助される為Ｆ２＝２Ｆ６となり、ペダリ
ングによるクランクの２回転以降も同様の傾向でＦ５＜
Ｆ７，Ｆ６＜Ｆ８，Ｆ９＜Ｆ１１，Ｆ１０＜Ｆ１２とな
り、定常走行となっても右足と左足とでは常にＦｂの合
算出力差を生じる。従って、砂利道や坂等の走行抵抗が
大きい路面では特に定常走行が出来ず、走行速度がペダ
ル１回転中に異なり、ギクシャクしたり、坂がきつくな
ると、右足のペダリングのみ可能で、左足では出来ず、
登坂走行が不自然に困難となる等、駆動力補助装置の機
能が有効に発揮出来ず、乗り易さの面で不満足なものと
なっていた。

【０００６】本発明はこのような従来の課題を解決する
ものであり、自転車の左右ペダル等、複数の人力入力部
を有し、各々に１回入力されて１サイクルとなる駆動装
置にあって、１サイクル全体の出力を制御し、複数の人
力入力部の不自然な変動を補って、安定駆動出来る駆動
力補助装置を実現する事を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は左右２個所からなる人力入力部を有する人力
駆動系と、電動モータを有する電動駆動系と、前記人力
入力に対する電動モータの出力を所定の変換特性をもっ
て補助する制御部とを備え、左右の人力入力部に各１回
転入力して１サイクルとし、この１サイクル全体の出力
を制御する制御部を構成する。

【０００８】このように形成すると、左右の人力入力部
からの入力に差が生じても、制御部は１サイクル全体の
出力として制御し、電動モータが人力をアシストして大
幅な出力変動にならないようにする。

【０００９】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は左右２個
所からなる人力入力部を有する人力駆動系と、電動モー
タを有する電動駆動系と、前記人力入力に対する電動モ
ータの出力を変換特性をもって補助する制御部とを備
え、前記人力入力部は左右が各１回転入力して１サイク
ルとし、前記制御部は１サイクル全体の出力を制御する
ものである。

【００１０】このように形成すると、左右の人力入力部
からの駆動力に差が生じたとしても制御部が１サイクル
全体の出力を制御して全体の駆動力を安定にする。

【００１１】請求項２に記載の発明は人力入力部を走行
車輌の左右２個所に具備し、制御部は左入力に対する電
動モータの出力と、右入力に対する電動モータの出力を
各々別個の変換特性にて制御するものである。このよう
に形成すると、自転車はもちろん、車椅子等、左右の人
力入力部が対でなく、出力も左右の車輪が独立している
場合であっても、一方の人力入力値に対し、他方の人力
入力値が違っても制御部が各々別個の変換特性で制御す
るので、円滑な走行にする。

【００１２】請求項３に記載の発明は左人力入力部の人
力と電動モータの出力との合算出力の検出値と、右人力
入力部の人力と電動モータの出力との合算出力の検出値
との差値を、記憶装置に記憶された値の範囲内となるよ
うに前記電動モータの出力を制御する制御部を備えたも
のである。このように形成すると、本来的に左右足の踏
力が不均等な人である場合以外で、速度変化を意図して
踏力を意図的に変化させる場合、追従できるように制御
部が作用して速度操縦性がよくなる。

【００１３】請求項４に記載の発明は人力入力部を、ク
ランク軸にそれぞれ固定したクランクの左ペダル及び右
ペダルで構成し、制御部はクランクの回転数累計の増加
に伴い、人力駆動と電動駆動の左右の各合算出力の差を
小さくしていくものである。このように形成すると、意
図的な速度調整と本来的に左右足の筋力に差があるため
の場合の区別を、ペダリング回数が増すにつれ明らかに
なる特性を利用して制御部が制御するので、自転車の易
い性が向上する。

【００１４】請求項５に記載の発明は左人力入力に対す
る電動モータの出力の比及び右人力入力に対する電動モ
ータの出力の比が特定変換特性となるよう制御部に手動
入力可能にしたものである。このように形成すると、利
用者の左右足に筋力差があらかじめ判っている場合や、
意図的に左右いずれかの筋力を鍛える場合等にて、左右
別個に電動モータによる補助比率を人為的に設定できる
ので、走行性は犠牲となるが、筋力訓練に有用な作用が
得られる。負の変換特性としても良い。

【００１５】請求項６に記載の発明は車速検出部を有
し、制御部を人力入力部の１サイクル中の車速変化に応
じて所定の変換特性にて１サイクル中の電動モータの出
力を制御するものである。

【００１６】このように形成すると、制御部は１サイク
ル中の速度変化を制御因子として変換特性を制御するの
で、坂等、速度変化が顕著に現われる時、有用な作用が
得られる。この場合も速度差に一定の許容量を設定し、
ペダリング回数増加により、その許容差を小さくするこ
とは走行性がよくなる。

【００１７】（実施の形態）以下、本発明の実施の形態
について、図１より図１１を用いて説明する。

【００１８】図１は本発明の駆動力補助装置を組み込ん
だ電気自転車の側面図を示し、図２はバッテリ及びカバ
ーを取り外した状態を示す。１は電動自転車、２はフレ
ームで、従来の自転車と基本構造は同一であり、主パイ
プ２ａ、立パイプ２ｂ、シートステ２ｃ、チェーンステ
２ｄ、後爪２ｅから成る。一般自転車のハンガラッグに
相当する部分は取付金具２ｆとなっている。取付金具２
ｆは上面に立パイプ２ｂ、前面に立パイプ２ｂを接合
し、側壁にチェーンステ２ｄ及び、駆動力補助装置３を
ボルト締めしている。４は駆動力補助装置３に組み込ま
れている回転自在なクランク軸、５はクランク軸４に他
端を固定した左右のクランク、６はペダルで、自転車の
左右側に１８０°位相がずれて位置し、クランク５の一
端に回転自在に装着されている。そして、クランク軸
４、クランク５、ペダル６等で後車輪を駆動する人力駆
動系を成す。また、左右のペダル６が人力入力部を構成
する。

【００１９】図３はクランク５を外した駆動力補助装置
３のフレーム２への取付状態を示す側面図である。６ａ
はクランク軸４に固定した前ギヤで、チェーン６ｂで後
車輪と連結し、後車輪が駆動される。

【００２０】図４は、駆動力補助装置３の部分分解側面
図で、図５は図４のＡ−Ａ断面図である。扁平型直流の
電動モータ７と減速機構８と制御部９は一体構造となっ
ており、後車輪の駆動をアシストする電動駆動系を成し
ている。更にペダル回転数を検出する車速検出部１０及
びペダル負荷トルクを検出するポテンショメータ１１ａ
（図７）、バネ１１ｂ、カム１１ｃより成る人力入力を
検出する踏力検出部１１が同様に組み込まれている。１
２は遊星ギヤ部、１３はクランク軸４に逆回転を伝えな
いようにする一方向回転のクラッチ（以下ワンウェイク
ラッチという）、同様に１４も電動モータ７へ逆回転を
伝えないワンウェイクラッチである。

【００２１】図６、図７に踏力検出部１１、車速検出部
１０の詳細を示す。左右のペダル６に人力により交互に
負荷される人力踏力は左右のクランク５を経由してクラ
ンク軸４を回転させ、ワンウェイクラッチ１３（図
５）、キャリヤ１２ａ、インターナルギヤ１２ｂを回転
させる。キャリヤ１２ａはアーム１１ｄと一体になって
いる。キャリヤ１２ａのペダルトルクによる回転力Ａは
インターナルギヤ１２ｂの回転力Ｂとなり、前ギヤ６ａ
よりチェーン６ｂを介して後輪に伝達される。サンギヤ
１２ｃに伝えられる反力Ｃはアーム１１ｄを図６で左回
転させ、バネ１１ｂの反力と釣り合う角度までカム１１
ｃを右回転させ、ポテンショメータ１１ａで踏力を検出
する。車速は前ギヤ６ａと一体の電動モータ７より回転
を伝える。減速機構８の一部を構成する大ギヤ８ａの歯
の回転数を、磁気式ギャップセンサーで検出し、制御部
９で演算する。上記で説明した踏力及び車速の検出は他
に公知の検出手段を採用しても良い。また本実施の形態
では、クランク５の３６０°回転の１サイクルを、左右
ペダル６が水平となり最大踏力がかけられる角度を中心
に、上、下死点部で１８０°毎２分割し、便宜上一方を
右、他方を左として制御の説明をしているが、左右別個
に踏力検出部を設けても良い。

【００２２】図８は、駆動力と制御の系統を示すブロッ
ク図である。左右の踏力検出部１１のポテンショメータ
１１ａで検出した出力は、クランク５の１回転を出力の
変動を基準に２分割し、一方を右踏力、他方を左踏力と
制御部９のＣＰＵは判別する。左右踏力の出力は制御部
９のメモリ９ａに記憶されると共に踏力差検出回路９ｂ
に入力され、双方の出力差が求められる。車速検出部１
０にて車速及びクランク回転数を検出する。踏力差検出
回路９ｂ及び車速検出部１０及びメモリ９ａからの左右
ペダル踏力及び左右踏力の差と、車速及び、演算開始よ
りの累計クランク回転数と、現サイクルの１回前のペダ
リング踏力記憶値の出力は特性変換回路９ｃに入力さ
れ、後で説明する所定の演算をし、駆動補助率Ｋを決定
する。この左右踏力に対応させ且つ補正された特性変換
回路９ｃよりの駆動補助率Ｋの決定出力はＰＷＭ変換回
路９ｄにて、デューティ比を変化させるＰＷＭ（パルス
幅制御）信号に変換され、この通電制御信号に基づい
て、ドライブ回路９ｅはこのデューティ比でオン・オフ
するモータ電流を電動モータ７に供給し、所定の出力を
発生させ、減速機構８及びギヤ、チェーン等の駆動機構
を経由し、ペダル６による人力入力と合力し、後車輪を
回転させ、自転車の推進力となる。これらの制御はソフ
トプログラムに従って実行され、必要な制御信号が各回
路に送出され後述する本発明の制御動動作が行なわれ
る。

【００２３】図９は、この場合における制御プログラム
をフローチャートをもって説明するものである。

【００２４】プログラムが開始されると、ステップ１０
０，１０１にて踏力及び車速を検出する。この場合、従
来の制御ではペダル踏力は左右を区別していなかった
が、一般に、ペダリング踏力は上、下死点にて下限にな
る略正弦曲線を描くので、本発明はクランクの１回転を
正弦曲線の山（最大踏力）を中心に１８０°で２分割
し、左右を判別し、１回転を１サイクルとして管理す
る。ステップ１０２では、前回の踏力と比較し、＋，−
５０％の範囲か判断するが、走行開始時は前回の記憶が
無いのでステップ１０３にて記憶し、ステップ１０４に
て、クランク回転数をカウントし、ステップ１０５に進
み設定回転数、例えば５より小さいと、ステップ１０６
に進む。これまで説明したのを右ペダルとすると、左ペ
ダルはまだ踏力が負荷されていないので、ステップ１０
７にて、ペダル踏力と車速により、一義的に定められた
補助率が選定され、ステップ１０８に進み、この駆動補
助率に基づき電動モータは駆動する。続いて、左ペダル
（左クランク側）に踏力が負荷されると、ステップ１０
０に戻ったフローは、右の場合と同様に各ステップを進
み、ステップ１０６にて、ステップ１０８に移り、記録
している右クランクの同様な角度の時の右踏力と比較
し、差は２５％内かどうか、判断する。従って、図１０
に示す、左筋力が右筋力の半分しかない様な人が使用し
た場合、つまり踏力Ｆ１＝２Ｆ５の場合の踏力−出力曲
線において、右踏力時の合算出力Ｆ２に対し、従来は同
一駆動補助率が適用され、左合算出力はＦ１でＦ２＝２
Ｆ１となる。しかし、本発明では、この場合ステップ１
０８よりステップ１０９へ進み、右踏力負荷時の合算出
力の７５％迄、左踏力時も補助しＦａ＝０．２５Ｆ２と
するため、Ｆ１３＝３Ｆ５となる駆動補助率を決定し、
電動モータ７を駆動する（ステップ１０８）。２５％迄
としたのは、意図的に踏力を減らす場合もあり、使用者
の意図に反映し易くする為である。また、乗り始めは、
車体を加速させるため、踏力は大きく、定常走行になる
に従い、徐々に小さく、Ｆ２＞Ｆ１５＞Ｆ４となるが、
本発明においては、クランク５の回転数が増えるに従
い、左右踏力に対しての合算出力の左右差の所定値の範
囲を小さくする（本実施の形態ではクランク回転２回転
で２５％→０％）よう設定している。つまり、上述の如
く、クランク５が１回転し、また、右クランク５がステ
ップ１００に戻り、ステップ１００からステップ１０５
と進んだ時、クランク累計回転数は２であるので、ステ
ップ１１０へ進み、右踏力は左踏力より大きいので、右
ペダル６の入力の場合は、ペダル踏力と車速で定まる所
定の駆動補助率を選択（ステップ１１１）し、左ペダル
６の入力の場合は、Ｆ９＝１／２Ｆ１４であっても合算
出力はＦ１５と同様となる駆動補助率を選択（ステップ
１１２）し、これらの駆動補助率に基づき、電動モータ
７を駆動（ステップ１０８）する。

【００２５】制動後又は車速を変更したい場合等では、
次のペダリングサイクルの基準踏力は、今回の踏力と比
べ、設定変動値（本実施の形態では許容値は５０％）は
解除され、新たな規準値をもとに駆動補助率が設定され
る。この場合、ステップ１００からステップ１０１と進
み、ステップ１０２にて、現在値が、前回値＋，−５０
％より外れたと判断し、クランク累計回転数及び、左右
ペダル踏力記録を零として、初期に戻って、前述のステ
ップを進んで駆動補助率を決定する。

【００２６】本発明では、左右踏力、出力を比較する
他、前回ペダリング時の左右踏力、出力を比較し、１サ
イクル毎に管理するため、大きな走行状態の変化は少な
く、安定した走行が出来る。

【００２７】本実施の形態では、クランク設定回数２、
初期合算出力の左右差２５％、リセット設定変動値５０
％の数値を用いたが、他の数値でも良い。また、車体速
度、クランク回転速度等を制御因子として、合算出力の
制御に加えても良い。尚、左右踏力を比較する場合、ク
ランク５の左右同一角度時の比較をするが、角度公差設
定等、実際のプログラム作成時の詳細ステップは省略し
ている。

【００２８】また本実施の形態ではペダル踏力を基準に
出力制御したが、クランク回転速度も加味した仕事量と
して入力を、合算出力も同様に仕事量で制御しても良
い。

【００２９】また、車速コントロールをクイックにした
い場合等は、従来の制御方式が良いが、本体スイッチ
（図示せず）で切換は可能である。

【００３０】同様に本実施の形態では、左右踏力に対し
て電動モータ７の出力を制御したが、他の実施の形態で
左右筋力差が判っている場合、予め、マイコンに左入力
に対する電動モータ７の出力と右入力に対する出力を各
々別個の変換特性でプログラムしておけば、車速コント
ロール性が良く、且つ左右出力差を小さく出来る。逆に
図１１に示すように健常者においても左足を鍛えたい場
合、左踏力に対して電動モータ７の出力が小さくなる変
換特性としておけば、Ｆ１＜Ｆ１６に対しＦ２＞Ｆ１７
となる。この場合、定常走行でも不安定となるのでＦ２
０＜＜Ｆ１８であっても合算出力はＦ１９＞Ｆ２１であ
るが、その差Ｆ１９−Ｆ２１＝Ｆｃは所定比率以上とな
らないようプログラムしている。

【００３１】また、本実施の形態では特定車速以下の場
合、人力入力に対応して電動モータ７の出力を決定した
が、砂利や泥状の登坂等、路面状況によっては踏力に大
きな差がなくとも速度変化が大きい場合があり、連続し
た右ペダリング時と左ペダリング時において、出力変化
を比較し、車速変化が所定の設定比以上となった場合、
その変化に対応した所定の変換特性にて、電動モータ７
の出力を制御すればより走行フィーリングは向上する。

【００３２】なお本実施の形態は電気自転車だが、車椅
子でも良く、この場合、左右入力部及び駆動車輪は独立
している為、特に左右駆動力（合算出力）に差が出やす
いが、本発明によるとこの問題を解決出来る。また、請
求項２と請求項３を組み合わせることにより、どちらか
一方の人力入力部を操作する事で直進走行も可能とな
る。

【００３３】

【発明の効果】このように本発明のうち請求項１，２，
３，４，６記載の発明は使用者の左右入力の差や、ペダ
リング中の路面変化による影響を小さくして安定した駆
動力を得ることができる。

【００３４】また請求項５に記載の発明は筋力トレーニ
ングとして、左右別個に、また入力に比例することなく
負荷が制御可能であり、木目細かなトレーニングが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明駆動力補助装置の実施形態を採用した電
気自転車の側面図

【図２】同電気自転車のバッテリーのカバーを外した状
態を示す側面図

【図３】同電気自転車の要部拡大図

【図４】同駆動補助装置の部分分解側面図

【図５】図４における駆動補助装置のＡ−Ａ断面図

【図６】同駆動補助装置のギヤ部の分解側面図

【図７】同駆動補助装置のポテンショメータ部の分解側
面図

【図８】同電気自転車の動作と制御のブロック図

【図９】同電気自転車の制御プログラムを示すフローチ
ャート

【図１０】同電気自転車の制御の踏力と出力を示す図

【図１１】同他の実施の形態の踏力と出力を示す図

【図１２】従来の電気自転車の動作系のブロック図

【図１３】同電気自転車の健常者の踏力と出力を示す図

【図１４】同電気自転車の左右踏力の違う場合の踏力と
出力を示す図

【符号の説明】

４ クランク軸 ５ クランク ６ 左右のペダル（人力入力部） ７ 電動モータ ８ 減速機構 ９ 制御部 １０ 車速検出部 １１ 左右の踏力検出部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人力駆動系と、電動駆動系と、人力入力
   部と、この人力入力部の入力を検出する検出部と、前記
   人力入力に対する電動モータの出力を所定の変換特性を
   もって補助する制御部を備え、前記人力入力部は３６０
   °回転する右人力入力部及び左人力入力部を有し、かつ
   左右が各１回転入力して１サイクルとし、前記制御部は
   １サイクル全体の出力を制御する駆動力補助装置。
2. 【請求項２】 人力入力部は走行車輌の左右２個所に具
   備し、制御部は左入力に対する電動モータの出力と右入
   力に対する電動モータの出力を各々別個の変換特性にて
   制御する請求項１記載の駆動力補助装置。
3. 【請求項３】 制御部は左人力入力部の人力と電動モー
   タの出力との合算出力の検出値と、右人力入力部の人力
   と電動モータの出力との合算出力の検出値との差値を、
   記憶装置に記憶された値の範囲内となるように前記電動
   モータ出力を制御する請求項１記載の駆動力補助装置。
4. 【請求項４】 左入力は左ペダル踏力、右入力は右ペダ
   ル踏力をそれぞれ検出する検出部、電動モータ、減速機
   構、車速検出部及び制御部を有し、制御部はクランクの
   回転数累計の増加に伴い、左合算出力と右合算出力との
   差を小さくしていく請求項３記載の駆動力補助装置。
5. 【請求項５】 左人力入力に対する電動モータ出力の比
   及び右人力入力に対する電動モータの出力の比が特定変
   換特性となるよう、制御部に手動入力可能な請求項１ま
   たは２記載の駆動力補助装置。
6. 【請求項６】 車速検出部を有し、制御部は１サイクル
   中の車速変化に応じて、変換特性を変化させて、１サイ
   クル中の電動モータの出力を制御する請求項１または２
   記載の駆動力補助装置。