WO2003066421A1 - Bicyclette a assistance electrique permettant des exercices aerobiques - Google Patents

Description

明細書

有酸素運動を可能とする電動アシス卜自転車 発明の属する技術分野

本発明は、 電動力により踏力を補助して走行可能な電動アシスト自転車に係り 、 より詳しくは、 運転者が所定運動、 特に有酸素運動を行うことを可能にする、 電動アシス卜自転車に関する。

従来技術

近年では、 軽度のスポーツによる健康増進やカロリー消費が推奨されている。 とりわけ、 機器を使用する万人向きの理想的なトレーニングとして、 自転車によ るサイクリングがある。 サイクリングの場合、 平地ばかりであれば、 軽い走行で 有酸素運動となり、 脂肪を燃やすことが可能となる。 ここで、 有酸素運動とは、 軽い負荷で 2 0分以上の運動をすることで、 酸素を体のすみずみまで行き渡らせ 、 脂肪を燃やす運動であり、 筋肉を強化トレーニングする運動とは質的に違うも のである。 ギアチェンジ付き自転車であれば、 平地走行で、 走行付加が軽いと思 えば、 ハイギアードにし、 走行速度を増せば、 風、 ころがり抵抗が増え、 負荷が 重くなり、 その人に合わせることが可能となる。

しかし、 上り下り等、 起伏の多い一般的な地形での登りでは、 勢いこぐ負荷が 多く （要するに力がいる） 、 その運動は筋力運動となり、 自転車選手のように太 もも、 ふくらはぎが筋肉太りする。 その一方で、 下り走行の場合は、 踏力の作用 に対抗する負荷が無くなり、 カロリ一消費が発生しないことになる。

これに対し、 定常的なトレーニングを計画的に実行するため、 自転車型屋内健 康器等が種々使用されているが、 屋内に設置されているため、 運動場所が限定さ れ、 その運動の楽しさは著しく減退するという問題があった。 また、 屋内に設置 する場合、 場所を取るという問題もある。

そこで、 特開平 1 0年 2 0 3 4 6 7号公報に記載の技術では、 踏力を補助する ため電動力を付加する電動アシスト自転車において、 走行環境の変化に影響を受 けることなく、 適切なトレーニング効果が得られる技術が提案された。 本技術に 係る電動アシスト自転車の一つの態様は、 人力駆動系と、 踏力を補助するための 電動モータを有する電動駆動系とを並列に設け、 更に、 車輪に回転抵抗を加える 負荷部と、 運転者による実際の人力仕事率 （検出された踏力 Xクランク回転速度 ) と予め設定された初期設定仕事率との差に基づいて、 電動モータの出力及び負 荷部による負荷の印加を制御する、 制御部と、 を備える。 本技術によれば、 上り 坂や速度を出して走行するとき、 人力仕事率が大きくなるため、 制御部は、 これ を初期設定仕事率に維持するように電動力を大きくし、 人体に過大な負荷がかか らないよう電動モータを制御する。 逆に、 制御部は、 人力駆動系の入力軸回転数 が一定値以下で且つ踏力も一定値以下のとき、 走行中下り坂となったとみなして 、 車速がゼロとなるように負荷部の出力値を制御する。 本電動アシスト自転車で は、 走行中下り坂となった場合、 従来は踏力不用で自走していたところ、 負荷部 による負荷に対抗して踏力を印加する必要があり、 仕事率に応じた一定のカロリ 一消費が可能となる。

従って、 上記技術は、 起伏の多い一般的な地形においても、 長時間、 軽度の一 定運動をするのに適し、 手軽に有酸素運動による体脂肪の減少、 新陳代謝機能の 向上が図れる、 とされている。

なお、 上記公報には、 負荷部として、 ブレーキ制動装置の少なくとも 1つを兼 用する例が記載されている。

しかしながら、 上記公報に記載の従来技術では、 電動モー夕を収容する電動補 助ュニットをクランク軸付近に配置し、 後輪に作用する油圧ディスクブレーキ装 置としての負荷部を後輪軸付近に配置している。 このように電動補助ユニット以 外にも、 大掛かりな油圧ディスクブレーキ装置を別々に配置した構成のため、 電 動アシスト自転車全体の機構が複雑化し、 重量も増加する。 更に、 複雑な機構を 取り付けるため専用の車体フレームを作る必要が出てくる可能性があり、 通常の フレーム製造工程を生かせずに、 コスト高を招来する、 という問題もある。

また、 上記公報には、 様々な運動プログラム制御パターンの例が記載されてい るが、 予め運転者が事前に制御パターンを選択する必要がある。 このため、 搭乗 時の、 或いは運転者毎の体力、 健康状態の違いや、 運転中の体力状態の変化に逐 次対応するのが困難である。

更には、 後輪の制動により負荷を与える構造のため、 非走行時 （即ち、 車速ゼ 口時） で後輪が地面に接地した状態では、 運転者は、 運動プログラムを実行する ことができない。 例えば、 信号器による待ち合わせの停止時には、 運動を一時的 に中断せざるを得ないが、 このような場合への対応策が開示されていない。 本発明は、 上記事実に鑑みなされたもので、 上記従来技術の問題を解消した、 簡素な機構の電動アシスト自転車を提供することを目的とする。

発明の概要

上記課題を解決するため、 本発明に係る、 踏力を電動力で補助して走行可能な 電動アシスト自転車は、 踏力を検出する踏力検出手段と、 少なくとも前記踏カ検 出手段により検出された踏力に基づいて、 有酸素運動が可能となる踏カレベルと なるように、 電動力及び負荷力のいずれかを選択して踏力に付加可能である、 補 助動力手段と、 を含む。

本発明の電動アシスト自転車では、 通常のアシストモードの場合、 踏力検出手 段により検出された踏力に基づき補助動力手段により出力された電動力を用いて 、 踏力を補助して走行することができる。

本発明の特徴である、 有酸素運動を可能とする有酸素運動モードの場合、 補助 動力手段は、 少なくとも踏力検出手段により検出された踏力に基づいて、 有酸素 運動が可能となる踏カレベルとなるように、 電動力及び負荷力のいずれかを選択 して踏力に付加することができる。 例えば、 検出された踏力が該踏カレベルを超 えて大きくなるような坂道の上り走行の場合、 補助動力手段は、 該踏力が該踏カ レベルとなるように電動力を出力制御する。 これによつて、 勢いこぐ負荷による 筋力運動を防止しつつ、 カロリーを消費することができる。 また、 検出された踏 力が該踏カレベルより小さくなるような坂道の下り走行の場合、 補助動力手段は 、 検出された踏力が該踏カレベルとなるまで、 負荷力の増大制御を行う。 これに よって、 運転者に負荷力に対抗する踏力の印加を促し、 カロリー消費を発生させ ることができる。 なお、 踏カレベルは、 ある一定の踏力範囲を網羅してもよい。 このように本発明では、 補助用電動力を出力可能な補助動力手段それ自体が、 電動力のみならず、 負荷力を出力することができる。 好ましい態様では、 補助動 力手段は、 1つのユニットとして構成される。 従って、 負荷装置を電動ユニット とは別体の大掛かりな制動装置として実現した従来技術と比べて、 電動アシスト 自転車全体の機構を簡素化し、 重量を軽減することができる。 更に、 専用の車体 フレームを作る必要を最小限に抑え、 通常のフレーム製造工程を生かすことがで さる。

更に好ましい本発明の態様は、 運転者の心拍数を検出する心拍数検出手段を更 に含み、 補助動力手段は、 少なくとも心拍数検出手段により検出された心拍数に 基づいて、 踏カレベルを設定する。 例えば、 心拍数が多ければ、 設定踏カレベル を下げ、 逆に心拍数が少なければ、 設定踏カレベルを上げる。 これによつて、 搭 乗時の運転者の健康状態、 或いは運転者毎の体力の違いや、 運転中の体力状態の 変化に逐次対応した適切な有酸素運動が可能となる。

補助動力手段により出力される負荷力を実現する態様は、 電動アシスト自転車 には、 該補助動力手段により選択的に出力された電動力及び負荷力を踏力に合力 させる合力手段が設けられ、 該補助動力手段は、 電動モ一夕を有し、 更に、 電動 モータと合力手段との間に、 電磁クラッチが設けられる。 このとき、 負荷力は、 電動モー夕が電源供給されていない状態で電磁クラツチにより電動モー夕と合力 手段とを接続することにより生じる該電動モータの回転抵抗として与えられる。 このように補助動力及び負荷力を提供する手段が一体化しているので、 車体の簡 素化をより一層推し進めることができる。 なお、 アシスト運転モード及び有酸素 運動モードのいずれでもない通常の走行時では、 電磁クラツチを解放することに より、 モータ負荷がかからないようにできる。

好ましくは、 補助動力手段は、 電動モータの回転速度を減速させるため、 電動 モータの出力軸及び合力手段の間に介在される減速手段を有する。 更に好ましく は、 減速手段は、 減速比を変更可能である。 この場合、 補助動力手段は、 減速手 段の減速比を変更することにより負荷力を調整することができる。 電動モー夕に 電力供給するバッテリーを有する場合、 好ましくは、 該バッテリー関連の回路を 、 電動モータが電力供給されていない状態で負荷力に対抗する踏力により回転さ れるとき生じる起電力で充電されるように設計することができる。 これによつて 、 負荷力を増大させることができると共に、 充電の手間を省略して電動アシスト 自転車を使い易くすることができる。

また、 電動モータの回転抵抗を負荷力として用いる態様は、 非走行時 （即ち、 車速ゼロ時） で後輪が地面に接地した状態においても、 ペダルを逆回転させたり 、 或いは、 車輪への踏力伝達のオンオフ切り替えを行うクラッチ機構を更に組み 込むことによって、 有酸素運動を実行することができる。

踏力を駆動輪に伝達するため回転可能な主スプロケットを備えた電動アシスト 自転車において、 合力手段の好ましい態様は、 主スプロケットと共に同軸で回転 可能な副スプロケットと、 補助動力手段により回転される動力スプロケットと、 副スプロケット及び動カスプロケットの間に張設された補助用チェーンと、 を含 む。

本態様によれば、 補助動力手段が電動力を出力すると、 該電動力により動カス プロケットが回転される。 動力スプロケットの回転トルクは、 これに張設された 補助用チェーンを介して副スプロケットに伝達される。 これによつて回転された 副スプロケットは、 主スプロケットと共に同軸で回転するので、 直ちに主スプロ ケッ卜に電動力を伝達する。 主スプロケットは踏力及び電動力の合力を駆動輪に 伝達する。

逆に、 電動モータが電力供給されない場合、 主スプロケットに与えられた踏力 は、 副スプロケット及び動力スプロケットを介して、 電動モー夕を回転させるよ うに作用し、 踏力に対抗する負荷を与える。 このような二重チェーン方式とした ことにより、 補助動力手段の設置の自由度が大幅に拡大される。 例えば、 動カス プロケットを副スプロケット （及びかくして主スプロケット） の周方向の任意位 置に配置することができる。 更に、 補助用チェーンの長さを変更すれば、 副スプ ロケット （及びかくして主スプロケット） からの動力スプロケットの距離を自在 に調整することができる。

補助動力手段は、 踏カレベルを、 一例として略一定の踏力値に設定してもよい 。 勿論、 有酸素運動を可能とする踏力範囲であれば、 時間的に変化する任意の踏 力パターンを設定することができる。 例えば、 別の好ましい態様では、 ドライブ 軸の回転速度を検出する回転速度検出手段を更に含み、 補助動力手段は、 検出さ れた踏力と検出されたドライブ軸の回転速度との積に対応する仕事率に基づいて 、 踏カレベルを調整する。 後者の態様では、 単に踏力のみではなく、 カロリー消 費量をより適正に反映する実際の仕事率に基づくため、 有酸素運動を適切に行う ことができる。

更に好ましくは、 任意期間の時間を計測する時間計測手段を更に含み、 補助動 力手段は、 時間計測手段により計測された時間に関する仕事率の積分値が所定値 に達した場合、 有酸素運動を可能とする運転モードを停止し、 通常のアシスト運 転モードに移行する。 これにより、 予め定められた有酸素運動の量を適正に実行 することができる。 本発明の更に別の好ましい態様の電動アシスト自転車は、 ドライブ軸の実質的 に一方向の回転のみを主スプロケッ卜に伝達するようにドライブ軸と主スプロケ ットとを連結する一方向クラッチ手段を更に含み、 好ましい踏力検出手段は、 一 方向クラッチ手段のペダル踏力に応じた変形によって変化する物理量を検出する 本態様では、 自転車に必要不可欠である一方向クラッチ手段のペダル踏力に応 じた変形によって変化する物理量に基づいて補助動力を制御するので、 従来の電 動アシスト自転車のように通常の自転車では用いられていないトルク検出用の大 型コイルスプリングゃ円盤等の別体部品を追加する必要を無くすことができる。 このように踏力検出手段においても、 車体フレームの改造を最小限度に抑えるこ とができるため、 上記各態様の効果と相俟って、 本発明の電動アシスト自転車全 体を簡素化することができる。

また、 他の態様に係る、 踏力を電動力で補助して走行可能な電動アシスト自転 車は、 踏力を検出する踏力検出手段と、 運転者の心拍数を検出する心拍数検出手 段と、 少なくとも心拍数検出手段により検出された心拍数に基づいて有酸素運動 が可能となる踏カレベルを設定する、 踏力設定手段と、 踏力検出手段により検出 された踏力が、 踏力設定手段により設定された前記踏カレベルとなるように電動 力を踏力に付加可能である、 補助動力手段と、 を含む。

本発明の他の目的及び利点は、 次に説明される図面を参照して以下で説明され る本発明の好ましい実施例を参酌することによって、 より明瞭に理解されよう。 図面の簡単な説明 図 1は、 本発明に係る動力アシスト自転車の概略図である。

図 2は、 本発明の電動アシスト自転車の制御系及び検出系を示す概略図である 図 3は、 本発明の電動アシスト自転車の主要な制御の流れを示すフローチヤ一 トである。

図 4は、 有酸素運動モード運転の制御の流れを示すフローチャートである。 図 5は、 別の態様に係る踏カレベル設定の流れを示すフローチヤ一トである。 図 6は、 本発明の一実施例に係る電動アシスト自転車の二重チェーン方式の合 力機構を示すため、 主スプロケッ卜の裏側から見た拡大正面図である。

図 7は、 本発明の電動アシスト自転車の合力機構を示す図であって、 （a ) は 主スプロケットの表側から見た拡大正面図、 （b ) はその側断面図である。

図 8は、 本発明の別の実施例に係る電動アシスト自転車の二重チェーン方式の 合力機構を示すため、 主スプロケッ卜の裏側から見た拡大正面図である。

図 9は、 本発明の電動アシスト自転車に組み付けられる回転速度センサ一の一 構成要素としての N S分極リングマグネッ卜の上面図及び側面図である。

図 1 0は、 図 9の N S分極リングマグネットをギア表面に組み付けて回転速度 センサ一を構成した状態を示す正面図及び該回転速度センサーの垂直線に沿って 取られた側断面図である。

図 1 1は、 図 1 0の回転速度センサ一の斜視図である。

図 1 2は、 N S分極リングマグネットに隣接して配置されたホール I Cにより 検出された磁場信号の時間的変化を示す波形である。

図 1 3は、 本発明の電動アシスト自転車の踏力検出機構を具現する一方向クラ ツチを含むドライブシャフト回りの側断面図である。

図 1 4は、 図 1 3に示された一方向クラッチの分解斜視図である。

図 1 5は、 本発明の電動アシスト自転車の踏力検出の原理を説明するため一方 向クラッチ （ラチェットギヤ） の歯及び駒の嵌合状態を示す図である。

図 1 6は、 ドライブシャフトに対する駒部の相対回転を防止する回転防止手段 の例を示す図であり、 （a ) はポールスプライン、 （b ) はスプラインキー、 （c ) はキー溝の概略構成を示す上面図である。

図 1 7は、 図 4の処理において、 例示された道路を走行する場合における具体 的な制御内容及び結果を示す図であって、 （a ) は心拍数を考慮しないときの制 御、 （b ) は、 心拍数を考慮したときの制御に関する。 発明の好ましい実施例

以下、 添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。

図 1には、 本発明の第 1実施例に係る電動アシスト自転車 1の概略が示されて いる。 同図に示すように、 この電動アシスト自転車 1の主要な骨格部分は、 通常 の自転車と同様に、 金属管製の車体フレーム 3から構成され、 該車体フレーム 3 には、 前輪 2 0、 後輪 2 2、 ハンドル 1 6、 及びサドル 1 8などが周知の態様で 取り付けられている。

また、 車体フレーム 3の中央下部には、 ドライブシャフト 4が回転自在に軸支 され、 その左右両端部には、 クランク棒 6 L、 6 Rを介してペダル 8 L、 8 が 各々取り付けられている。 このドライブシャフト 4には、 車体の前進方向に相当 する R方向の回転のみを伝達するための一方向クラッチ （後述する図 7 ( b ) の 9 9 ) を介して、 主スプロケット 2が同軸に取り付けられている。 この主スプロ ケット 2と、 後輪 2 2の中央部に設けられた後輪動力機構 1 0との間には無端回 動のチェーン 1 2が張設されている。

本実施例の電動アシスト自転車 1は、 走行しながら運転者が有酸素運動を実行 することを可能とする有酸素運動モード、 少なくとも車体走行速度及び踏力から 決定されたアシスト比率 （補助電動力/踏力） に従って電動力で踏力を補助して 走行する電動アシストモード、 及び、 電動力や負荷力を付加しない通常の自転車 としての使用法である通常運転モードのいずれかで走行することができる。 図 2を参照すると、 本実施例に係る電動アシス卜自転車 1において有酸素運動 モード及び電動アシストモードを実行するための主要部の概略が示されている。 この主要部は、 1個の 1 6ビット 1チップマイコン 1 4によって制御される。 1 チップマイコン 1 4は、 1単位のデータ及びコマンドが 1 6ビットで構成され、 図示しない不揮発性メモリ内に記憶した任意プログラムに従った処理を実行する 。 更に、 1チップマイコン 1 4は、 時計機能を内蔵しており、 任意の事象間の時 間をクロック数で計測することができる。

1 6ビット 1チップマイコン 1 4による制御系は、 P WM制御可能な電動モ一 夕 3 7と、 1チップマイコン 1 4から出力された制御信号の電力を増幅して該電 動モータ 3 7に出力する増幅回路 1 5と、 を含む。 なお、 電動モータ 3 7に電源 供給するためバッテリー 1 7が増幅回路 1 5に接続される。 1チップマイコン 1 4は、 後述する所定のアルゴリズムに従って補助電動力を演算し、 該補助電動力 に対応した回転トルクを出力するように電動モータ 3 7を指令するべく該補助電 動力に応じたパルス幅に変調されたパルス信号を順次出力する。 なお、 増幅回路 1 5は、 パルス信号に対する電力増幅機能だけではなく、 パルス信号のバッファ としての機能を兼ね備えている。

電動モー夕 3 7の出力軸 3 7 aには、 電動モータの回転速度を可変の減速比で 減速する減速部 3 5が接続され、 更に減速部 3 5の出力軸 3 5 aには、 出力され た電動力を踏力に合力させるための動カスプロケッ卜 3 3が接続される。 なお、 合力機構の詳細については後述する。

減速部 3 5は、 例えば太陽ギア、 遊星ギア、 リングギア及びクラッチ等から構 成される遊星歯車機構等により実現することができる。 この構成例の場合、 1チ ップマイコン 1 4からの制御信号により各種クラッチの係合及び解放を電磁制御 可能とすることで、 減速部 3 5の減速比を制御することができる。 更に、 減速部 3 5には、 電動モ一夕 3 7の出力軸 3 7 aから減速部 3 5の出力軸 3 5 aへの回 転トルク伝達経路上に、 電磁クラッチ 2 5 0が設けられる。 この電磁クラッチ 2 5 0は、 1チップマイコン 1 4の制御信号に応じて係合及び解放し、 回転トルク の動力スプロケット 3 3への伝達の有無が切り替えられる。

また、 電動モ一夕 3 5が電力供給されていない状態で電磁クラッチ 2 5 0が係 合されると、 逆に、 電動モータ 3 5は、 動力スプロケット 3 3からの回転トルク 即ち踏力により回転されるが、 このとき電動モー夕 3 5で発生したパックトルク が踏力に抵抗する負荷力として作用する。 これと同時に電動モータ 3 5には、 起 電力が発生する。 増幅回路 1 5は、 このモータ起電力を利用してバッテリー 1 7 を充電するように回路設計することも可能である。 なお、 モータがいずれの方向 に回転しても、 バッテリーに供給される電圧の極性が常に同じになるように、 そ の回転方向に応じて極性反転させることで充電することができる。

図 2に示す主要部の検出系は、 車速を反映する部分、 例えばドライブシャフト 4の回転速度を検出する回転速度センサー 2 2 0、 踏力を表す信号を出力する、 少なくとも 2つの歪みゲージ 1 2 6、 該歪みセンサーの出力信号を平均化出力 （ 又は加算出力） する演算部 2 5 2、 運転者の心拍数を検出する心拍数検出センサ - 2 5 4 , 並びに、 前述した 3つの運転モード間を切り替えるためのモード切り 替えスィッチ 2 5 6を有する。 これらの出力信号、 即ち回転速度信号、 歪ゲージ 信号、 心拍数信号及び運転モード信号は、 1チップマイコン 1 4に入力され、 図 示しないメモリに記憶される。

なお、 1チップマイコン 1 4は、 モード切り替えスィツチ 2 5 6により指定さ れた運転モードを識別するためのコードを運転モードフラグ F dとして記憶する が、 たとえモード切り替えスィッチ 2 5 6が有酸素運動モード又は電動アシスト モードを指定したとしても、 バッテリー残量が不充分であったり、 電動モータの 温度が許容範囲外の条件では、 通常運転モードのコードに運転モードフラグ F d を書き換える機能を備えている。

回転速度センサー 2 2 0及び歪みゲージ 1 2 6を用いたトルク検出機構の詳細 については後述する。

心拍数検出センサー 2 5 4は、 例えば、 運転者の耳、 指先、 腕など、 身体上の 任意部分に取り付けられる、 周知のセンサーを用いることができる。 更に、 心拍 数検出に代えて、 又は、 これに加えて、 血圧等、 人体の様々なパラメータを検出 するセンサーを設けてもよい。

(合力及び補助動力機構）

ここで、 電動アシスト自転車 1における補助動力と踏力との合力機構、 並びに 、 該補助動力の供給機構を図 6乃至図 8を用いて説明する。

図 6には、 主スプロケット 2を裏側 （図 1の反対側） から見たときの合力機構 の一例が示されている。 この合力機構は、 主スプロケット 2と同軸に軸支された 副スプロケット 3 0と、 所定条件下で出力される補助動力により回転可能な動力 スプロケット 3 3と、 動カスプロケット 3 3から副スプロケット 3 0へ補助動力 を伝達させるため、 これらのスプロケット （3 0、 3 3 ) の間に張設された無端 回動のアシストチェーン 3 2と、 を含む。 動力スプロケット 3 3及び副スプロケ ット 3 0は、 同一ピッチの歯を備えており、 好ましくは、 動力スプロケット 3 3 の歯数は、 副スプロケット 3 0の歯数より小さい。

図 6の合力機構は、 主スプロケット 2より車体の内側に配置されているので、 副スプロケット 3 0及び動カスプロケット 3 3の車体外側への出つ張りが無くな り、 車体の小型化を図ることができる。 更に、 図示のように、 主スプロケット 2 と動カスプロケット 3 3との間隔を主スプロケット 2の半径より小さくできるの で、 合力機構全体を小さくまとめることができる。 このため、 図 7 ( a ) に示す ように、 自転車外部 （表側） から見ると、 合力機構は、 主スプロケット 2の軸方 向内側にそのほとんどが隠され、 外観を損なうおそれがない。 チェーン 1 2を隠 すように主スプロケット 2にチェーンカバ一 3 8を取り付けることにより、 チェ ーン保護と共に更に外観を改善することができる。

図 7 ( a ) の側断面図を図 7 ( b ) に示す。 同図に示すように、 主スプロケッ ト及び副スプロケット 3 2は、 互いに対し動かないように （即ち一体回転するよ うに） ピン 1 2 3で固定されており、 それらは共に一方向クラッチ 9 9を介して ドライブシャフト 4に連結されている。 動力スプロケット 3 3は、 ドライブシャ フト 4に平行に延びる動力シャフト 3 5 aを介して駆動ュニット 1 3に作動的に 連結される。 動力スプロケット 3 3の中心孔 3 4にセレーシヨン （図 6、 8参照 ) を形成することにより、 動力シャフト 3 5 aと中心孔 3 4との間の滑り回転が 防止される。

駆動ュニッ卜 1 3は、 一般の自転車と同様のフレームに取り付けられており、 そのハウジング内には、 上述した電動モータ 3 7及び減速部 3 5が収容される。 次に、 本実施例に係る合力機構の作用を説明する。

所定条件下で電動モータ 3 7が回転制御され、 その補助動力が減速部 3 5を介 して動力スプロケット 3 3に提供されたとき、 動力スプロケットのトルクは、 ァ シストチェーン 1 2を介して副スプロケット 3 0に伝達され、 該副スプロケッ卜 3 0に対し固定された、 踏力により回転される主スプロケット 2に直ちに fe達さ れる。 かくして、 補助動力及び踏力の合力が達成される。

電動モー夕 3 7が回転していないときは、 減速部 3 5内に設けられた図示しな い上記一方向クラッチにより、 モー夕の回転負荷は動カスプロケット 3 3に伝達 されることがなく、 軽快な運転が可能となる。 このように本実施例では、 従来技術のように踏力伝達用のチェーン 1 2に直接 、 補助動力を伝達させるのではなく、 動力スプロケット 3 3の補助トルクを、 別 体のチェーン 3 2を介して主スプロケッ卜 2と共に回転する副スプロケット 3 0 に伝達させる、 いわゆる二重チェーン方式を採用した。 これによつて、 従来技術 と比較して、 駆動ユニット 1 3の配置の自由度が大幅に広がることになる。 例え ば、 図 6及び図 7 ( a ) に示すように、 自転車の進行方向へ駆動ユニットを配置 することができるので、 電動アシス卜自転車用に特別に用意した専用フレームで なくても、 通常の自転車フレームでも駆動ュニット 1 3を取り付けることができ る。

勿論、 周方向の任意の位置に動力スプロケット 3 3を配置することができる。 図 8には、 動カスプロケット 3 3の位置を周方向に時計回りで 9 0度ほど変更し た例が示されている。 この場合、 サドル 1 8 (図 1 ) の支持フレームに駆動ュニ ット 1 3を取り付けることが可能となる。 更には、 アシストチェーン 3 2の長さ を選択することによって、 動力スプロケット 3 3の径方向位置 （主スプロケット 2の中心から動力スプロケット 3 3の中心までの距離） も、 より外側及びより内 側へと自在に調整可能となる。 かくして、 駆動ユニット 1 3の最低地上高も高く することや低くすることもできる。

このように二重チェーン方式には、 設置自由度があるため、 自転車の種類を選 ばず、 その電動化を実現することができる。 逆に云えば、 フレームデザインの自 由度がきわめて高くなる。

その上、 図示のように動カスプロケット 3 3の歯数を副スプロケット 3 0の歯 数に対して小さくすれば、 合力機構だけで減速が可能となる。 これによつて、 減 速部 3 5の減速比を小さく取れ、 その結果、 減速部を簡素化及び小型化すること ができる。 このように本実施例では、 減速比に関しても設計の自由度を拡大する ことができる。

図 3のフローチャートに、 図 2に示す 1チップマイコン 1 4のメイン処理の流 れを一例として概略的に示す。 このメインルーチンは、 所定周期毎に繰り返され る。

図 3に示すように、 まず、 レジスタに記憶された運転モードフラグ F dを判定 する （ステップ 3 0 0 )。 この運転モードフラグ F dのコード情報に応じて、 こ れ以降の処理が分岐される。

ステップ 3 0 0の判定の結果、 電動アシストモ一ドが選択された場合、 1チッ プマイコン 1 4は、 入力された回転速度信号に基づいて車速 V又はこれに関連す る物理量を演算する （ステップ 3 0 2 )。 次に、 1チップマイコン 1 4は、 演算 器 2 5 2からの歪みゲージ信号に基づいてペダル踏力又はこれに関連する物理量 P cjを演算する （ステップ 3 0 4 )。 そして、 演算された車速及び踏力 P qに基 づいて、 アシスト比 （電動力/踏力） 又はこれに関連する制御量を決定する （ス テツプ 3 0 6 )。 アシスト比の決定は、 例えば、 車速及び踏力の各段階区分とァ シスト制御量とを関係付けるルックァップテーブルを参照することによって行う ことができる。 次に、 1チップマイコン 1 4は、 電磁クラッチ 2 5 0を係合した 状態で、 電動モー夕 3 7を P WM (Pulse width Modulation) 制御し、 決定さ れたアシスト比に対応する補助動力を発生させる （ステップ 3 0 8 )。 即ち、 該 補助動力に応じたパルス幅に変調されたパルス信号を順次出力する。 運転モード フラグ F d 「電動アシストモード」 が書き換えられない限り、 ステップ 3 0 2〜 3 0 8は連続的に繰り返される。

ステップ 3 0 0で通常運転モードが選択された場合、 1チップマイコン 1 4は 、 電磁クラッチ 2 5 0を解放すると共に、 電動モータ 3 7を停止させる （ステツ プ 3 1 0 )。 運転モードフラグ F d 「通常運転モード」 が書き換えられない限り 、 ステップ 3 1 0は連続的に繰り返される。

ステップ 3 0 0で有酸素運動モードが選択された場合、 運転者が有酸素運動を 行うことを可能にする運転が実行される （ステップ 3 1 2 )。 運転モードフラグ F d 「有酸素運動モード」 が書き換えられない限り、 ステップ 3 1 2は連続的に 繰り返される。

次に、 ステップ 3 1 2の有酸素運動モード運転の概念的な処理の流れを、 図 4 のフローチャートを用いて説明する。

最初に、 1チップマイコン 1 4は、 演算器 2 5 2からの歪みゲージ信号に基づ いてペダル踏力又はこれに関連する物理量 P Qを演算する （ステップ 3 3 0 )。 次に、 心拍数検出センサー 2 5 4からの信号に基づいて心拍数 hを検出する （ス テツプ 332)。 次に、 少なくとも心拍数 hに基づいて、 運転者が有酸素運動を 行うことを可能にする踏カレベル P rを制御目標として設定する （ステップ 33 4)。 例えば、 心拍数 hが比較的大きい場合、 踏カレベル P rを低く設定し、 心 拍数 hが比較的小さい場合、 踏カレベル P rを高く設定する。 このステップは心 拍数毎に理想的な踏カレベル値を記憶したテーブルを検索することにより達成す ることができる。

次に、 P Qと P rとを比較し、 両者の大小関係を判定する （ステップ 336) 検出された踏力 P Qが設定踏カレベル P rより大きい場合 （Pq〉P r)、 踏 力 P qを目標値である P rまで減少させるため必要となる電動力 T eを演算する (ステップ 338)。 この電動力 Teは、 （Pq— P r) の関数 （最も簡単には、 その比例関数） である。 そして、 電磁クラッチ 250を係合した状態で、 電動モ 一夕 37を PWM制御し、 ステップ 338で演算された電動力 T eを発生させる (ステップ 340)。

これに対し、 ステップ 336の判定で、 検出された踏力 P qが設定踏カレベル P rより小さい場合 （Pq<P r)、 踏力 P qを目標値である P rまで増加させ るため必要となる負荷力 Lを演算する （ステップ 342)。 この負荷力 Lは、 （P r-Pq) の関数 （最も簡単には、 その比例関数） である。 次に、 演算された負 荷力 Lを達成するため必要となる減速比に減速部 35をギアチェンジする （ステ ップ 344)。 そして、 電磁クラッチ 250を係合した状態で、 電動モータ 37 を停止させ、 踏力に抵抗する負荷力を発生させる （ステップ 346)。 なお、 一 定時間経過しても、 踏力 P Qが P rに達しない場合は、 負荷力 Lを更に増加させ ることにより、 車速をより減少させ、 踏力の増加を促すようにしてもよい。

ステップ 336の判定で、 検出された踏力 P (1が設定踏カレベル P rと略等し い場合 （Pq P r)、 電磁クラッチ 250を解放し、 電動モータ 37を停止さ せる。 これにより、 電動力も負荷力も印加されず、 設定踏力' \レベル P rと略等し い現在の踏力のみの運転が続行される。

上記分岐処理のいずれかが終了すると、 本ルーチンをリターンし、 図 3のメイ ンル一チンのステップ 300に再び戻り、 同様の処理を繰り返す。 このように本発明では、 1つのュニットとして構成された駆動ュニッ卜 1 3そ れ自体が、 電動力のみならず、 負荷力を与えることができる。 従って、 負荷装置 を電動ュニットとは別体の大掛かりな制動装置として実現した従来技術と比べて 、 電動アシスト自転車 1全体の機構を簡素化し、 重量を軽減することができる。 更に、 合力機構として上記二重チェーン方式を採用したことと相俟って、 専用の 車体フレームを作る必要を最小限に抑え、 通常のフレーム製造工程を生かすこと ができる。

また、 信号機の待ち合わせ等で車体を停止させるとき、 従来技術では、 後輪回 転時の負荷を利用しているため、 2脚スタンド等を用いて一旦後輪を地面から浮 き上がらせた状態でペダル回転しなければならず、 迅速性を欠いていた。 しかし 、 本実施例では、 電動モータの回転抵抗を負荷力として用いた上、 二重チェーン 方式等の合力機構を採用しているため、 非走行時 （即ち、 車速ゼロ時） で後輪が 地面に接地した状態においても、 迅速に 1脚スタンドで車体を倒れないようにし

、 ペダルを逆回転させれば、 停止時でもそのまま負荷がかけられた状態で有酸素 運動を継続することができる （停止時の有酸素運動）。

図 4のサブルーチンの処理の概要を図 1 7 ( a )、 ( b ) を用いて具体的に説明 する。 先ず、 図 1 7 ( a ) に示すように、 本実施例に係る電動アシス卜自転車 1 が、 平地 rい 上り坂 r ₂、 頂上平地 r ₃、 下り坂 r ₄、 平地 r ₅からなる道路を走 行する場合を想定する。 このとき、 各路面を走行する際に必要となる推進力は、 図示のように、 平地 rい r ₃及び r ₅で有酸素運動にほぼ適した略一定の値 （設 定踏カレベル値） となる。 一方、 上り坂 r ₂では平地の推進力より遥かに大きい 最大の推進力値となり、 下り坂 r ₄で最小値ゼロとなる。 従って、 平地 い r 3 及び r ₅の走行では、 踏力 P Qが設定踏カレベル値 P rに略等しくなるため、 本 実施例では、 電動力及び負荷力のいずれも印加しないことになる。 これに対し、 上り坂 r ₂の走行では、 踏力が設定レベル値より上回るため、 これを電動力によ り補償し、 該踏カを設定レベル値付近まで低下させる。 逆に、 下り坂 r ₄の走行 では、 踏力を与えなくとも下り走行してしまうため、 図示のように、 負荷力を与 えることにより車速を減少させ、 運転者に踏力の印加を促す。

かくして、 上り坂、 下り坂のある道路を走行中においても、 運転者は、 略一定 の踏力で走行することが可能となり、 有酸素運動を適切に行うことができる。 実際には、 走行中に心拍数が変化するため、 これを考慮に入れた制御例を図 1 7 ( b ) に示す。 図示のように、 心拍数の変化は、 上り坂 r ₂を走行するとき比 較的大きな割合で上昇し、 平地 rい r ₃、 r ₅及び下り坂 r ₄では、 略一定であ ると想定している。

図 1 7 ( b ) の例では、 上り坂 r ₂の走行途中の時刻 t ₁で、 心拍数は閾値 H を超え、 この時点で、 図 1 7 ( a ) の電動力及び負荷力に、 心拍数に基づく追加 トルク 2 6 0が付加されるように制御される。 その結果、 時刻 1^以降では、 運 転者の踏力は、 それ以前の踏力より減少し、 心拍数がこれ以上増加しないように なる。 このように心拍数を考慮に入れた態様では、 搭乗時の運転者の健康状態、 或いは運転者毎の体力の違いや、 運転中の体力状態の変化に逐次対応した適切な 有酸素運動が可能となる。

次に、 図 4のステップ 3 3 4の他の態様について図 5のフローチャートを用い て詳細に説明する。 これは、 仕事率という観点で踏カレベルを設定すると共に、 有酸素運動の仕事量を管理するものである。

先ず、 時間インターバル△ tをカウントする （ステップ 3 6 0 )。 時間イン夕 —バル△ tは、 図 5のルーチンがリターンされた直前の時点から次に本ルーチン が呼ばれるまでの時間間隔であり、 踏力、 回転速度等が略一定とみなせる微少時 間である。

次に、 ドライブシャフト 4の回転速度 Rを検出し （ステップ 3 6 2 )、 図 4の ステップ 3 3 0、 3 3 2で既に検出されてメモリに記憶された踏力 P Q及び心拍 数 hを読み込む （ステップ 3 6 4 )。 その後、 運転者の踏力による仕事率 Sを、 踏力 P qとドライブシャフト 4の回転速度 Rとの積 （又はその関数） として求め る （ステップ 3 6 6 )。

次に、 心拍数 h及び仕事率 Sに基づいて、 踏カレベル P rを制御目標として設 定する （ステップ 3 6 8 )。 例えば、 仕事率 Sが比較的大きい場合、 踏カレベル P rを低く設定し、 仕事率 Sが比較的小さい場合、 踏カレベル P rを高く設定す る。 心拍数 hに関連する P rの設定についても同様である。 このステップは心拍 数及び仕事率 S毎に理想的な踏カレベル値を記憶したテーブルを検索することに より達成することができる。

次に、 このときまでに有酸素運動でなされた全仕事量 Wを次式により演算する (ステップ 3 7 0 )。

W=W+ S · Δ t

ここで、 Wは、 有酸素運動開始時に 0に初期化されており、 このルーチンを繰り 返す毎に上式第 2項が順次加算される。 上式において、 ステップ 3 6 0でカウン 卜した A tの間、 仕事率 Sを略一定と仮定するため、 第 2項 S · A tは、 A tの 間に運転者が踏力によりなした仕事とみなすことができる。

次に、 仕事量 Wが所定の閾値 Wo以上となったか否かを判定する （ステップ 3 7 2 )。 ここで、 閾値 W。は、 有酸素運動量の適正値と考えられるもので、 運転 者が所望の運動量に応じて適宜設定したり、 運転者の平均心拍数等に応じて 1チ ップマイコンが自動的に設定してもよい。 仕事量 Wが所定の閾値 W。より少ない 場合 （ステップ 3 7 2否定判定）、 本ルーチンをリターンし、 図 3の有酸素運動 モード運転を続行する。

仕事量 Wが閾値 W_Q以上となった場合 （ステップ 3 7 2肯定判定)、 変数 （W

、 A t、 S ) をクリアし （ステップ 3 7 4 )、 運転モードフラグ F dを 「電動ァ シストモ一ド」 のコードに書き換え （ステップ 3 7 6 )、 図 3のステップ 3 0 0 へと移行する （ステップ 3 7 8 )。 即ち、 有酸素運動の全運動量 Wが所望の運動 量に達すれば、 電動アシストモードに移行する。

ステップ 3 6 6で演算した仕事率 Sは、 単なる踏力と比較して、 カロリー消費 量をより適正に反映する （踏力が大きくても回転数 Rが小さい場合、 カロリー消 費量は高くならず、 或いは、 踏力が小さくても回転数 Rが大きい場合には、 カロ リー消費量は低くならない） 。 従って、 仕事率に基づく図 5の踏カレベル設定に より、 有酸素運動を適切に行うことができる。

また、 有酸素運動の運動量を把握できるため、 予め定められた道路を走行する ときを利用して有酸素運動を行う場合にも利用することができる。 例えば、 通勤

、 通学時等の定められた道路では運動量が少ない場合であっても、 上記した停止 時の有酸素運動を事前に行うことによって、 不足分を補うことができる。

1チップマイコン 1 4は、 定期的にバッテリーの残量チェックを行うことが好 ましい。 バッテリー残量が少ない場合、 1チップマイコン 1 4は、 回路 1 5を介 して、 踏力によりモータ 3 7が回転するとき （ステップ 3 4 6等） に発生したモ —夕起電力でバッテリー 1 7を充電させてもよい。 また、 上記した停止時の有酸 素運動を行う場合にも、 モータ起電力によりバッテリー 1 7を充電すれば、 充電 の手間を省くことができる。 このとき、 1チップマイコン 1 4は、 回転速度セン サー 2 2 0からの信号に基づいてペダルの回転方向を判定し、 その回転方向の相 違によるモー夕起電力の極性の違いに応じて、 バッテリー 1 7及びモータ 3 7間 の接続態様を図示しないリレ一等で切り替える。

なお、 本実施例で使用される 1チップマイコン 1 4は、 1単位のデータ及びコ マンドが 1 6ビットで構成されているため、 従来の電動アシスト自転車で用いら れている 8ビットのマイコンよりも高度な処理機能を有するプログラムをより大 きなデータ量に基づいてより高速に実行することが可能となる。 そこで、 本実施 例では、 専用の P WM制御 I Cを省略し、 1チップマイコン 1 4によって、 上記 各ステップの電子的処理を一括して行うと共に、 直接、 電動モータ 3 7に対して ステップ 3 0 8、 3 4 0のような P WM制御を行う。 この P WM制御は、 1チッ プマイコン 1 4の図示しないメモリに記憶されたソフトウェア （ファームウェア を含む） によって実現できる。

このように本実施例では、 処理能力の高い 1 6ビットマイコンを使用すること により、 基本設計を大きく変更することなく、 例えば P WM制御など従来では専 用 I Cを用いていた制御を 1個のマイコンで全てこなすようにした。 従って、 全 体として部品点数、 基板面積を減らすことができ、 小型化と共にトータルのコス ト削減に資することができる。 例えば、 1 6ビットマイコンは、 8ビットマィコ ンより高価であるが、 従来の 8ビットマイコンの付加機能手段として、 P WM制 御専用 I C、 電池残量監視等の他の電子的処理を行う I C及びそれらの周辺部品 を合わせると、 逆に 8ビットマイコンはコストアップとなる。

また、 1 6ビットマイコンは、 ソフトウェアで様々な処理を無理無く実現でき るため、 回路が簡単にできる。 また、 将来も同様に柔軟に機能アップが図れるの で、 この点からもコストダウンが図れる。 更に、 ソフトで常に電動アシスト状態 を監視できるので、 如何なる状態でも即座に電動モー夕 3 7の停止を図ることが できる。

(回転速度センサー）

1チップマイコン 1 4に入力される回転速度信号を出力する回転速度センサー を説明する。

図 9には、 回転速度センサーの一構成要素として N S分極リングマグネット 2 0 0が示されている。 このリングマグネット 2 0 0は、 その中央に開口 2 0 5を 有する略平坦なリングに形成されている。 リングマグネット 2 0 0は、 そのリン グを等角度毎に区分する複数の磁石区分からなり、 これらの磁石区分では、 その 正面から見て N極側を向けた N極区分 2 0 2と、 S極側を向けた S極区分 2 0 4 とが交互に配置されている。 この場合、 側面図に示すように、 N極区分 2 0 2の 反対側が S極となり、 S極区分 2 0 4の反対側が N極となるべく磁力線の向きが リング面に略垂直となるように磁石区分の N _ S極を配向するのが好ましい。 図 の例では、 1 2個の磁石区分が形成されているが、 これよりも多くても少なくて もよく、 被検出部の回転速度及び要求される検出精度に応じて任意好適に変更可 能である。

なお、 リング面に対し磁場の垂直成分が存在すれば、 各磁石区分の N— S極の 配向の仕方は任意好適に変更できる。 例えば隣接する N極区分及び S極区分を一 つの磁石の両極として周方向に配置してもよい。 この場合、 N極区分 2 0 2の反 対側も N極となり、 S極区分 2 0 4の反対側も S極となるが、 磁場の強度の点で は、 図 9の例が好ましいと考えられる。

図 1 0には、 回転速度の被検出部としてのギア 2 1 0が示されている。 ギア 2 1 0は、 シャフト 2 1 4により伝達されたトルクにより回転し、 その一方の表面 には、 リングマグネット 2 0 0を収容できる寸法及び形状のリング溝 2 0 8が形 成されている。 このリング溝 2 0 8にリングマグネット 2 0 0が収容され、 接着 剤等で貼り付けられる。 このとき、 図示のように、 リングマグネット 2 0 0とギ ァ 2 1 0の表面とが面一になることが好ましい。 これにより、 ギア表面からリン グマグネットが突出せず、 回転速度センサ一の設置によるスペースの減少を最小 限に抑えることができる。

ギア 2 1 0に設置されたリングマグネッ卜 2 0 0に隣接して、 磁場を検出する ためのホール I C 212が配置されている。 このホール I Cは、 半導体内の電流 の流れる方向と直角に磁場がある場合、 ホール効果により電流及び磁場と直角方 向に電流と磁場に比例する抵抗値を生じさせる素子を内蔵し、 該抵抗値をデジ夕 ル信号として出力する既存の磁場検出 I Cである。 ホール I C 212の出力端は 、 1チップマイコン 14に接続される。 図 10の回転速度センサ一 220を斜視 図で表すと、 図 1 1に示す通りとなる。

1チップマイコン 14は、 ホール I C 2 12からの磁場検出信号 （回転速度信 号） を任意好適な方法により解析してギア 210の回転速度を検出する。 ここで 、 ホール I C 212の検出位置におけるリングマグネット 200による磁場波形 の一例を図 1 2 (a) に示す。 ホール I C 212は、 図 12 (a) に示すような 磁場を検出して図 12 (b) に示すパルス信号を出力する。 図 12 (b) のパル ス信号は、 図 12 (a) の磁場波形の N極側極大部分に時間的に対応している。 この場合、 正の値 （N極側） のみを取り出し、 負の値 （S極側） を消去している が、 負の値のみや、 正負の両値を採用することもできる。 このパルス信号列の周 期 （パルス間時間） は、 リングマグネット 200の回転速度に比例している。 そ こで、 1チップマイコン 14は、 ホール I C 212からのパルス信号の時間間隔 を検出し、 直ちにリングマグネット 200及びかくしてギア 2 10の回転速度を 求めることができる。

勿論、 磁場を検出できれば、 ホール I C以外の磁場検出センサ一、 例えばコィ ル等を用いてもよい。 この場合、 磁場検出センサーの出力は、 図 12 (a) のよ うなアナログ波形となり、 16ビット 1チップマイコン 14には、 例えば、 磁場 信号のゼロ交差点 （磁場強度ゼロの点の時刻）、 N極側ピーク、 或いは、 S極側 ピークを検出して、 それらの時刻を求める機能が更に付加される。 図 12 (a) に示す N極側ピーク 222及び S極側ピーク 224は、 N極区分及び S極区分の 最大磁極が磁場検出センサーの検出領域を通過した時点を各々示しているので、 各ピークの出現数及びその時刻によりギア 210がー回転するのに要する時間 T を検出することができる。 かくして、 ギア 210の回転速度 （2 πΖΤ) を直ち に求めることができる。 勿論、 ギア 210の一回転を待たなくとも、 所定角度回 転したときにギアの回転速度を求めてもよい。 本実施例の回転速度センサ一は、 N S分極リンダマグネット 2 0 0が平坦なリ ング形状であるので、 嵩張らず省スペース化及ぴ軽量化を達成することができる 。 また、 非常に簡易な構造なので製作が容易となり、 従ってコスト削減を図るこ ともできる。

また、 複数の磁石区分が一つの平坦なリングにまとめられたので、 機器への組 み付けも非常に容易となる。 例えば、 図 1 0に示すように、 ギア 2 1 0の表面に リング状の溝を掘り、 そこにリングマグネットを埋め込んで接着剤等で固定する だけである。 分極に相当する個々の磁石をギアに埋め込んでいく作業と比べて、 各段に作業効率の向上を図ることができる。 その上、 溝の深さとリングマグネッ トの高さとを揃えれば、 全く外部に突出せず、 省スペース化に寄与する。

また、 各磁石区分が占める角度範囲を小さくすることによって、 回転速度の時 間分解能を向上させることができる。

回転速度センサ一 2 2 0は、 電動アシス卜自転車 1の走行速度を反映するよう に回転する任意の被検出部に取り付けることができる。 この被検出部として、 動 カスプロケット 3 3に直接的若しくは他のギアを介して間接的に作動連結された 減速部 3 5内のギア （図示せず） が、 駆動ユニット 1 3のハウジング内に回転速 度センサー 2 2 0を収容できるため好ましい。 なお、 図 5の処理では、 電磁クラ ツチの係合、 解放に拘わらず、 常にクランクシャフト 4の回転速度を検出しなけ ればならないため、 クランクシャフ卜 4、 スプロケット 2、 或いは、 副スプロケ ット 3 0を被検出部とするのが好ましい。

これ以外の箇所として、 例えば後輪動力伝達機構 1 0内に配置された図示しな いギア、 動力スプロケット 3 3、 及び、 前輪車軸の回転部分等が挙げられる。 1 チップマイコン 1 4は、 上述したように求めた被検査部の回転速度を、 電動ァシ スト自転車 1の走行速度に変換する参照テーブルを有してもよい。

(踏力検出機構）

1チップマイコン 1 4に入力される歪みゲージ信号 1、 2を出力する踏力検出 機構を図 1 3乃至図 1 6を用いて説明する。 本実施例に係る踏力検出機構は、 踏 力に応じた一方向クラッチ 9 9の変形によって変化する歪みを検出する。

図 1 3に示すように、 主スプロケット 2は、 一方向クラッチ 9 9を介してドラ イブシャフト 4に軸支される。 この一方向クラッチ 9 9は、 図 1 4に示すように 、 駒部 1 0 0及び歯部 1 1 2を備える。

駒部 1 0 0では、 3つのラチエツト駒 1 0 2が周方向に沿って等角度毎にその 第 2の係合面 1 1 0に配置されている。 このラチエツト駒 1 0 2は剛体でできて おり、 第 2の係合面 1 1 0の略径方向に沿った軸の回りに回動可能とされている 。 ラチェット駒 1 0 2は、 ラチェット駒 1 0 2に力が作用していないとき、 その 長さ方向が第 2の係合面 1 1 0に対して所定の角度をなす （図 1 5の平衡方向 1 6 0 ) ように駒立ち上げスプリング 1 0 4によって付勢されている。 図 1 5に示 すように、 ラチエツ卜駒 1 0 2が平衡方向 1 6 0から上昇方向 a又は下降方向 b に偏倚するとき、 駒立ち上げスプリング 1 0 4は、 その偏倚を平衡方向 1 6 0に 戻すようにラチエツト駒 1 0 2に僅かな弾性力を及ぼす。

また、 駒部 1 0 0の中央部には、 ドライブシャフト 4を受け入れるための駒部 ポア 1 0 6が形成され、 この駒部ポア 1 0 6は、 駒部 1 0 0の裏面 1 0 1から突 出した円筒部 1 0 3も貫通している。 裏面 1 0 1には、 円筒部 1 0 3の外周囲に 円状溝 1 5 5 (図 1 3 ) が形成され、 該円状溝 1 5 5の中には、 多数の鋼球 1 5 2が回転自在に嵌め込まれている。 これによつて、 裏面 1 0 1には、 軸方向の荷 重受け兼滑り軸受け用のベアリングが形成される。

皿バネ 1 2 4が、 その中心孔 1 2 7に円筒部 1 0 3を通して駒部 1 0 0の裏面 1 0 1に当接される。 このとき、 皿バネ 1 2 4は、 駒部 1 0 0からの圧力に弾力 で対抗する方向に鋼球 1 5 2即ち荷重受けべァリングを介して裏面 1 0 1に滑動 可能に接する。 皿バネ 1 2 4の表面には、 1 8 0度の位置関係で対向する 2個所 に、 歪みゲージ 1 2 6が設置される。 これらの歪みゲージ 1 2 6は、 リード線 1

2 8を介して 1チップマイコン 1 4に電気的に接続される。 更に好ましくは、 3 個以上の歪みゲージを皿バネ 1 2 4に設置してもよい。 このとき、 複数の歪みゲ —ジを、 皿パネ 1 2 4の表面上で夫々が回転対称の位置となるように設置するの が好ましい。

皿バネ 1 2 4は、 椀状の支持器 1 3 0の内底部 1 3 2に収められる。 支持器 1

3 0には、 ドライブシャフト 4を貫通させるための支持ポア 1 3 3及び後面から 突出する支持円筒部 1 3 4が形成される。 支持円筒部 1 3 4の外周表面には、 ね JP03/01068 じが切ってあり、 これを支持部 1 4 5のねじ切り内壁に螺合することによって、 支持器 1 3 0が車体に固定される。 この支持円筒部 1 3 4の内壁には、 軸方向及 び径方向の両荷重対応のベアリング 1 3 8が係合され （図 1 3参照）、 ベアリン グ 1 3 8は、 ドライブシャフト 4に形成されたストッパー斜面 1 4 4によって係 止される。 同様に、 ドライブシャフト 4の反対側にもベアリング 1 3 9 (図 7 ( b ) 参照） が取り付けられるので、 ドライブシャフト 4は車体に対して回転自在 となる。

駒部ポア 1 0 6の内壁には、 軸方向 5に延びる第 1の回転防止用溝 1 0 8が 4 個所に形成されている。 駒部ボア 1 0 6の内壁と摺接するドライブシャフト 4の 外壁部分にも、 第 1の回転防止用溝 1 0 8と対面するように軸方向 5に延びる第 2の回転防止用溝 1 4 0が 4個所に形成されている。 図 1 6 ( a ) に示すように 、 第 1の回転防止用溝 1 0 8及びこれに対面する第 2の回転防止用溝 1 4 0は、 軸方向に沿って延びる円柱溝を形成し、 各々の円柱溝の中には、 これを埋めるよ うに多数の鋼球 1 5 0が収容される。 これによつて、 駒部 1 0 0は、 軸方向 5に 沿って摩擦抵抗最小で移動できると共 、 ドライブシャフト 4に対する相対回転 が防止される。 これは、 一種のポ一ルスプラインであるが、 他の形式のポールス プライン、 例えば無端回動のポールスプラインなどを、 このような摺動可能な回 転防止手段として適用することができる。

また、 駒部 1 0 0のドライブシャフト 4への取り付け方法として、 図 1 6 ( a ) のポールスプライン以外の手段を用いることも可能である。 例えば、 図 1 6 ( b ) に示すように、 軸方向に延びる突起部 1 4 0 aをドライブシャフト 4に設け 、 該突起部 1 4 0 aを収容する第 3の回転防止用溝 1 0 8 aを駒部 1 0 0に形成 する、 いわゆるキースプライン形式も回転防止手段として適用可能である。 なお 、 図 1 6 ( b ) において、 突起部 1 4 0 aを駒部 1 0 0側に、 第 3の回転防止用 溝 1 0 8 aをドライブシャフト 4側に設けてもよい。 更に、 図 1 6 ( c ) に示す ように、 軸方向に延びる第 4の回転防止用溝 1 0 8 b及びこれに対面する第 5の 回転防止用溝 1 4 0 bを駒部 1 0 0及びドライブシャフト 4に夫々設け、 これら の溝が形成する直方体状の溝の中にキープレー卜を収容する、 いわゆるキー溝形 式も回転防止手段として適用可能である。 歯部 1 1 2の第 1の係合面 1 2 1には、 ラチエツト駒 1 0 2と係合するための 複数のラチエツト歯 1 1 4が形成されている。 ラチエツ卜歯 1 1 4は、 歯部の周 方向に沿って互い違いに周期的に形成された、 第 1の係合面 1 2 1に対してより 急な斜面 1 1 8と、 より緩やかな斜面 1 1 6と、 から構成される。

歯部 1 1 2は、 その第 1の係合面 1 2 1を駒部 1 0 0の第 2の係合面 1 1 0に 対面させるようにドライブシャフト 4にカラー 1 1 1を介して摺接可能に軸支さ れる。 このとき、 ラチェット駒 1 0 2とラチェット歯 1 1 2とが係合される （図 1 5 )。 即ち、 ドライ.ブシャフト 4は、 ラチエツト駒 1 0 2とラチェット歯 1 1 2との係合部分を介してのみ歯部 1 1 2と作動的に連結される。 カラー 1 1 1を 介して歯部ポア 1 2 0を通過したドライブシャフト 4の端部 1 4 2には、 歯部 1 1 2が軸方向外側にずれないようワッシャー 1 2 2が嵌合される （図 1 3 )。 歯 部 1 1 2には、 主スプロケット 2がピン 1 2 3 (図 1 3 ) を介して動かないよう に取り付けられ、 更に、 ドライブシャフト 4の先端にはペダル軸 1 4 6が取り付 けられる。 かくして、 車体前進方向のペダル踏力による回転のみを主スプロケッ ト 2に伝達するようにドライブシャフト 4と主スプロケット 2とを連結するラチ エツ卜ギヤが完成する。

好ましくは、 オフセット用バネ 1 3 6が、 ドライブシャフト 4のストッパー斜 面 1 4 4と、 駒部 1 0 0の裏面 1 0 1との間に介在されるのがよい。 このオフセ ット用パネ 1 3 6は、 ペダル踏力が所定値以下の場合 （例えば事実上ゼロに近い 場合）、 裏面 1 0 1に収容された鋼球 1 5 2と皿バネ 1 2 4との間にクリアラン スを生じさせるように駒部 1 0 0を軸方向に偏倚させる。

次に、 本踏力検出機構の作用を説明する。

搭乗者がペダル 8 R、 8 L (図 1 ) にペダル踏力を与え、 ドライブシャフト 4 を車体前進方向に回転させると、 この回転力は、 ドライブシャフト 4に対し回転 不可能且つ摺動可能に軸支された駒部 1 0 0に伝達される。 このとき、 図 1 5に 示すように、 ラチエツト駒 1 0 2は、 駒部 1 0 0からペダル踏力に対応する力 F dを与えられので、 その先端部は歯部 1 1 2のラチエツト歯のより急な斜面 1 1

8に当接し、 このカをラチェット歯に伝達しょうとする。 ラチエツト歯部 1 1 2 は、 主スプロケット 2に連結されているので、 ラチエツト駒 1 0 2の先端部は、 駆動のための負荷による力 F pをより急な斜面 1 1 8から受ける。 その両端部か ら互いに反対向きの力 F p及び F dを与えられたラチエツト駒 1 0 2は、 a方向 に回転して立ち上がる。 このとき駒部 1 0 0は、 ラチエツ卜駒 1 0 2の立ち上が りによって軸方向内側に移動し、 駒部 1 0 0と支持器 1 3 0との間に介在する皿 バネ 1 2 4を押し込む。 皿バネ 1 2 4は、 これに対抗して弾性力 F rを駒部 1 0 0に作用する。 この力 F rと、 駒部 1 0 0を軸方向に移動させるペダル踏力を反 映した力とは短時間で釣り合う。 かくして、 皿バネ 1 2 4の応力歪み、 駒部 1 0 0と歯部 1 1 2との間のクリアランス、 ラチエツト駒 1 0 2の第 2の係合面 1 1 0に対する角度、 駒部 1 0 0の車体フレームに対する位置及び皿パネ 1 2 4が押 し込まれる圧力などはペダル踏力を反映する物理量となる。 従って、 これらのう ち少なくとも 1つを検出することによって踏力 Tを推定することが可能となる。 本実施例では、 一例として皿バネ 1 2 4の応力歪みを検出する。 1チップマイ コン 1 4は、 皿バネ 1 2 4に設けられた 2つの歪みゲージ 1 2 6からの信号を少 なくとも加算演算する （平均演算を含む）。 このように複数箇所の応力歪み量を 平均化して計測することによって、 同じ踏力でも出力変化を大きくとれ且つノィ ズ成分を平滑化することができるので、 S N比を改善し、 踏力推定精度を更に向 上させることができる。 この効果は、 歪みゲージの個数が増えるほど大きくなる また、 ペダル踏力が所定値以下の場合などでは、 オフセット用パネ 1 3 6は、 駒部 1 0 0の裏面 1 0 1と皿バネ 1 2 4との間にクリアランスを生じさせている ため、 鋼球 1 5 2が皿バネ 1 2 4に頻繁に衝突することが少なくなる。 これによ つて、 歪みゲージ信号のノイズ成分が軽減して、 踏力検出及び電動アシスト制御 の安定性を向上させることができる。

次に、 1チップマイコン 1 4は、 少なくとも演算された踏力 Tに基づいて印加 すべきアシスト用の補助動力 T eを演算し、 該補助動力で回転駆動するように電 動モー夕 3 7を指令する制御信号を演算出力する。 好ましくは、 1チップマイコ ン 1 4は、 回転速度センサ一 2 2 0により検出された回転速度信号を車速に変換 し、 踏力 T及び車速の両方に基づいて適切な補助動力 T eを決定し、 該補助動 力 T eを発生させるよう電動モータ 3 7を制御する。 本実施例の踏力検出機構には以下のような更に優れた効果がある。

① ラチェットギヤと踏力検出機構とを一つの機構で実現したので、 部品点数の 削減化が図られ、 小型、 軽量化及び低コストを達成できる。

② 踏力を検出する部分に、 受け荷重ユニットと荷重検出センサーとを一体化し た皿パネを用い、 2つの機能を 1ユニットで実現したので、 上記効果に加えて更 に小型、 軽量化及び低コストを達成できる。

③ 上記項目①及び②に示したように踏力検出機構の小型、 軽量化及び簡素化を より高いレベルで達成したので、 通常の自転車であっても踏力検出機構を取り付 ける可能性が更に広がった。

④ 上記項目①及び②で示した理由により、 従来機構に比べて荷重の伝達ロスが 少なくなり、 制御の応答性のよいアシストフィーリングを実現できる。

⑤ 上記項目①及び②で示した理由により、 従来機構 （コイルパネ使用） に比べ 、 ペダルに無駄な動き （センサーが感知するまで） が無くなり、 ペダルを踏み込 んだときのフィ一リングは、 従来機構は踏み込み時に弾力感があつたのに対し、 本実施例では、 通常の自転車のフィーリングと同様になつた。

以上が本発明の実施例であるが、 本発明は、 上記例にのみ限定されるものでは なく、 本発明の要旨の範囲内において任意好適に変更可能である。

例えば、 上記例では、 有酸素運動としての使用方法を示したが、 本発明の電動 アシスト自転車は、 電動力を小さくし又は無くし、 負荷力を更に大きくした筋力 トレーニング用モードも付加することができる。 更に、 心拍数をメモリーに蓄積 しておいて、 後程、 担当医の診断指示で踏カレベルを設定したり、 また心拍数を 病院等の管理センターに無線信号で送信し、 医師の管理下で利用するなど、 運転 者の体力回復、 リハビリテ一シヨンなどに活用することもできる。

また、 図 4の実施例では、 心拍数に応じて踏カレベルを設定したが、 これに代 えて、 又は、 これに加えて、 人体の他のパラメータ、 例えば血圧等に基づいて踏 カレベルを設定してもよい。

また、 有酸素運動モード時の負荷力は、 電動モータ 3 7の回転抵抗を利用した が、 これのみに限定されず、 駆動ユニット 1 3内にブレーキ等の負荷力生成手段 を別途設けてもよい。 更に、 負荷力の調節を減速ギアのギア比調節で行ったが、 電磁クラッチの係合及び解放のデューティ比を調節することによつても行うこと ができる。

また、 合力機構として、 二重チェーン方式を用いたが、 本発明はこれのみに限 定されず、 例えば、 主スプロケット 2と共に動力スプロケット 3 3が直接チェ一 ン 1 2と嵌合するようにしてもよい。

また、 メインフローチャート （図 3 )、 有酸素運動モードのフローチャート （ 図 4、 5 ) の処理の流れも適宜変更可能である。 例えば、 実際の踏力を目標とす る踏カレベル P rに略一致するように制御するため、 所謂 P I D制御等を用いて もよい。

図示しなかったが、 踏力、 仕事率及び仕事量の表示機能を設けてもよい。

トルク検出機構に関しては、 一方向クラッチ 9 9の駒及び歯のいずれか一方を スプロケットに取り付け、 他方をドライブシャフトに取り付けるかは、 任意好適 に変更可能である。 例えば駒部 1 0 0をスプロケット側に取り付け、 歯部 1 1 2 をドライブシャフト 4に摺動可能且つ回転不可能に取り付け、 歯部 1 1 2によつ て皿バネ 1 2 4を押し込めるようにしてもよい。

また、 上記例では、 皿パネの応力歪みを踏力に関連する物理量として検出した が、 本発明は、 これに限定されず、 一方向クラッチ 9 9の踏力に応じた変形によ つて変化する任意の物理量を検出することができる。 例えば、 ラチェット駒の傾 き、 ラチエツト駒部及びラチエツト歯部の相対間隔、 ラチエツト駒部及びラチェ ット歯部のいずれかの車体に対する位置、 並びに、 皿バネを押す圧力などを、 踏 力を反映する物理量として選択することができる。

更に、 一方向クラッチ 9 9の変形に対抗して配置される弾性体も任意好適に種 類及びその形状を変更可能である。 皿バネゃコィルバネ以外に例えばゴム弾性体 などを用いることもできる。 また、 応力歪みを検出する手段として、 歪みゲージ を例にしたが、 応力歪みに関連した物理量を検出できれば、 これに限定されるも のではない。

Claims

請求の範囲

1 . 踏力を電動力で補助して走行可能な電動アシス卜自転車であって、 踏力を検出する踏力検出手段と、

少なくとも前記踏力検出手段により検出された踏力に基づいて、 有酸素運動が 可能となる踏カレベルとなるように、 電動力及び負荷力のいずれかを選択して踏 力に付加可能である、 補助動力手段と、

を含む、 電動アシスト自転車。

2 . 運転者の心拍数を検出する心拍数検出手段を更に含み、

前記補助動力手段は、 少なくとも前記心拍数検出手段により検出された心拍数 に基づいて、 前記踏カレベルを設定する、 請求項 1に記載の電動アシスト自転車

3 . 前記補助動力手段は、 1つのユニットとして構成される、 請求項 1に記載 の電動アシスト自転車。

4 . 前記補助動力手段は、 検出された踏力が前記踏カレベルを超えて大きい場 合、 該踏力が該踏カレベルとなるように前記電動力を制御する、 請求項 1乃至 3 のいずれか 1項に記載の電動アシスト自転車。

5 . 前記補助動力手段は、 検出された踏力が前記踏カレベルより小さくなつた 場合、 検出された踏力が該踏カレベルとなるまで、 前記負荷力の増大制御を行う 、 請求項 1乃至 3のいずれか 1項に記載の電動アシス卜自転車。

6 . 前記補助動力手段により選択的に出力された前記電動力及び負荷力を前記 踏力に合力させる合力手段が設けられ、

前記補助動力手段は、 電動モータを有し、

前記電動モータと前記合力手段との間に、 電磁クラッチが設けられ、 前記負荷力は、 前記電動モー夕が電源供給されていない状態で前記電磁クラッ チにより前記電動モータと前記合力手段とを接続することにより生じる該電動モ 一夕の回転抵抗として与えられる、 請求項 1乃至 3のいずれか 1項に記載の電動 。 アシスト自転車。

7 . 前記補助動力手段は、 前記電動モータの回転速度を減速させるため、 前記 電動モー夕の出力軸及び前記合力手段の間に介在される減速手段を有する、 請求 項 6に記載の電動アシスト自転車。

8 . 前記減速手段は、 減速比を変更可能であり、

前記補助動力手段は、 前記減速手段の減速比を変更することにより前記負荷力 を調整する、 請求項 7に記載の電動アシスト自転車。

9 . 前記電動モータに電力供給するバッテリーを有し、

前記バッテリーは、 前記電動モー夕が電力供給されていない状態で前記負荷力 に対抗する踏力により回転されるとき生じる起電力で充電される、 請求項 6に記 載の電動アシスト自転車。

1 0 . 前記電動アシスト自転車は、 踏力を駆動輪に伝達するため回転可能な主 スプロケットを有し、

前記合力手段は、

前記主スプロケットと共に同軸で回転可能な副スプロケットと、

前記補助動力手段により回転される動力スプロケットと、

前記副スプロケット及び前記動カスプロケットの間に張設された補助用チェ一 ンと、

を含む、 請求項 6に記載の電動アシスト自転車。

1 1 . 前記踏カレベルは、 略一定の踏力値に設定される、 請求項 1に記載の電 動アシス卜自転車。

1 2 . ドライブ軸の回転速度を検出する回転速度検出手段を更に含み、

前記補助動力手段は、 検出された踏力と検出されたドライブ軸の回転速度との 積に対応する仕事率に基づいて、 前記踏カレベルを調整する、 請求項 1乃至 3の いずれか 1項に記載の電動アシスト自転車。

1 3 . 任意期間の時間を計測する時間計測手段を更に含み、

前記補助動力手段は、 前記時間計測手段により計測された時間に関する前記仕 事率の積分値が所定値に達した場合、 前記有酸素運動を可能とする運転モードを 停止し、 通常のアシスト運転モードに移行する、 請求項 1 2に記載の電動アシス ト自転車。

1 . ドライブ軸の実質的に一方向の回転のみを主スプロケットに伝達するよ うに前記ドライブ軸と前記主スプロケットとを連結する一方向クラッチ手段を更 に含み、

前記踏力検出手段は、 前記一方向クラッチ手段のペダル踏力に応じた変形によ つて変化する物理量を検出する、 請求項 1乃至 3のいずれか 1項に記載の電動ァ シスト自転車。

1 5 . 踏力を電動力で補助して走行可能な電動アシスト自転車であって、 踏力を検出する踏力検出手段と、

運転者の心拍数を検出する心拍数検出手段と、

' 少なくとも前記心拍数検出手段により検出された心拍数に基づいて有酸素運動 が可能となる踏力レベルを設定する、 踏力設定手段と、

前記踏力検出手段により検出された踏力が、 前記踏力設定手段により設定され た前記踏カレベルとなるように電動力を踏力に付加可能である、 補助動力手段と を含む、 電動アシスト自転車。