JP2008285069A - 駆動力制御装置及び電動アシスト自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】乗り手の踏力を直接的に検出する検出機構を簡素化する。
【解決手段】駆動力制御装置９を構成する第１電力モータ７１は、駆動プレート２１の回転により起電力を得る。また、第１電動モータ７１は、駆動プレート２１を駆動して電力を消費する。駆動力制御装置９は、第１電動モータ７１によって検出された駆動プレート２１の回転トルクから、第２電動モータ３５で発生させているアシストトルクを除いて、乗り手による入力駆動トルクを求める。駆動力制御装置９は、算出した人力駆動トルクに基づいて、第１電動モータ７１のトルクを指定するモータトルク指令値ＴＰ１、第２電動モータ３５のトルクを指定するモータトルク指令値ＴＰ２を算出し、第１電動モータ７１及び第２電動モータ３５の駆動を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、入力された駆動力に応じて該入力を補助する補助駆動力を発生させる駆動力制御装置、及びこの駆動力制御装置を備える電動アシスト自転車に関する。

電動アシスト自転車は、人力駆動に併せて、電力駆動による補助的な駆動力（アシスト駆動力）を発生させることにより、乗り手の踏み負荷を一定に保持している、又は負荷を低減させている。電動アシスト自転車では、ペダルに加わる乗り手の踏力を検出し、検出された踏力に応じて補助動力を発生させるわけであるが、このとき、乗り手が漕いでいるかどうか、またその負荷の程度を検出するには、一般的に、磁歪式センサを用いて、クランク軸の歪み等を検出している（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。また、電動アシスト自転車は、乗り手の負荷をより低減するために、変速機構を備えていることも一般的である。
特開平９−９５２８９号公報 特許３３９４４５８号公報

ところが、上述した従来の電動アシスト自転車は、乗り手の踏力を検出するための磁歪式センサを用いた検出機構が複雑且つ高価であり、製造コストの多大な部分を占めることが問題となっている。

そこで、本発明は、上述した従来の実情に鑑みて提案されたものであり、駆動装置への入力を直接的に検出する検出機構を簡素化することが可能な駆動力制御装置、及び乗り手の踏力を直接的に検出する検出機構を簡素化することが可能な電動アシスト自転車を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の駆動力制御装置は、入力軸と、前記入力軸に接続されたサンギアと、前記サンギアに噛合した複数のプラネタリギアと、複数の前記プラネタリギアに噛合したリングギアと、前記リングギアに連結される第１電動モータと、前記第１電動モータのトルクを検出する第１トルク検出手段と、前記入力軸に連結された第２電動モータと、前記第１トルク検出手段により検出された前記第１電動モータのトルクに応じて前記第２電動モータの駆動を制御する駆動制御手段とを備える。

本発明にかかる駆動力制御装置は、入力軸にギアを介して連結される第１トルク検出手段により第１電動モータのトルクを検出し、検出した第１電動モータのトルクに応じて、第２電動モータの駆動を制御する。

したがって、本発明によれば、入力軸にギアを介して連結される第１電動モータのトルクを検出することにより、入力軸に与えられる力を検出することができる。したがって、従来の磁歪式センサ等を用いる必要が無く、入力軸に与えられる力を検出するための検出機構を簡素化することができる。

また、本発明の請求項２に記載の駆動力制御装置は、前記第２電動モータのトルクを検出する第２トルク検出手段を備え、前記駆動制御手段は、前記第１電動モータのトルクと前記第２電動モータのトルクの差分に応じて前記第１電動モータの出力を制御することを特徴とする。

したがって、本発明によれば、検出された第２電動モータのトルクと、第１電動モータのトルクの差分から、発生させている補助的な駆動力を算出することができる。これにより、入力軸に与えられる力に応じて、第２電動モータにおいて発生させるべき補助駆動力を決定できるので、第２電動モータで適切な駆動力を発生させることができる。これにより、駆動効率をあげることができる。

また、上述した目的を達成するために、本発明に係る電動アシスト自転車は、車体フレームと、前記車体フレームに回転自在に設けられたペダルクランク軸と、円形状を有し、周縁側にフランジを有し、前記フランジの外周面に前記後輪側に回転力を伝達するエンドレス状の動力伝達部材を巻回可能な巻回部が形成され、前記フランジの内周面にリングギア部が形成され、前記ペダルクランク軸に同心状に設けられた駆動プレートと、前記ペダルクランク軸に回転自在且つ同心状に設けられたサンギアと、前記ペダルクランク軸と同心の所定の円周上にそれぞれ配置され前記リングギア部及び前記サンギアに噛合した複数のプラネタリギアと、前記ペダルクランク軸に対して回動自在に連結され且つ前記プラネタリギアが回動自在に連結されるキャリアと、前記駆動プレートの一部に連結可能な第１電動モータと、前記第１電動モータのトルクを検出する第１トルク検出手段と、前記車体フレームに前記ペダルクランク軸と同心状に設けられ、前記車体フレームに固定されたモータ固定子と、前記モータ固定子に回転自在に設けられたモータ回転子とからなる第２電動モータと、前記第１トルク検出手段により検出された前記第１電動モータのトルクに応じて前記第２電動モータの駆動を制御する駆動制御手段とを備える。

本発明にかかる電動アシスト自転車は、ペダルクランク軸にギアを介して連結される第１電動モータのトルクを第１トルク検出手段により検出し、検出した第１電動モータのトルクに応じて、第２電動モータの駆動を制御する。

したがって、本発明によれば、ペダルクランク軸にギアを介して連結される第１電動モータのトルクを検出することにより、ペダルクランク軸に与えられる乗り手の踏力を検出することができる。したがって、従来の磁歪式センサ等を用いる必要が無く、ペダルクランク軸に与えられる乗り手の踏力を検出するための検出機構を簡素化することができる。

また、本発明にかかる電動アシスト自転車は、前記第２電動モータのトルクを検出する第２トルク検出手段を備え、前記駆動制御手段は、前記第１電動モータのトルクと前記第２電動モータのトルクの差分に応じて前記第１電動モータを人力駆動に併せて補助的な駆動力を発生するように制御することを特徴とする。

したがって、本発明によれば、検出された第２電動モータのトルクと、第１電動モータのトルクの差分から、発生させている補助的な駆動力を算出することができる。これにより、乗り手の踏力に応じて、第２電動モータにおいて発生させるべき補助駆動力を決定できるので、第２電動モータで適切な駆動力を発生させることができる。これにより、駆動効率をあげることができる。

本発明によれば、駆動装置への入力を直接的に検出する検出機構を簡素化することができる。また、乗り手の踏力を直接的に検出する検出機構を簡素化すること可能な電動アシスト自転車を提供することができる。

以下、本発明の実施形態として示す電動アシスト自転車とその制御装置について、図面を用いて詳細に説明する。図１に、電動アシスト自転車の側面外観を示す。図中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指している。

本発明の実施形態として示す電動アシスト自転車１は、図１に示すように、人力駆動と併せて補助的に電力駆動によって前進方向へ走行する自転車であって、車体フレーム３をベースとして備えている。また、車体フレーム３の前部には、前輪５が回転自在に設けらており、車体フレーム３の後部には、後輪７が回転自在に設けられている。そして、車体フレーム３のハンガー部３ａには、後輪７を補助的に回転させるための駆動力制御装置９が設けられている。

図２及び図３には、駆動力制御装置９のギア構成の一例を示す。車体フレーム３のハンガー部３ａには、ケーシング１１が設けられており、このケーシング１１には、ペダルクランク軸１３がベアリング１５を介して回転自在に設けられている。換言すれば、車体フレーム３のハンガー部３ａには、ペダルクランク軸１３がベアリング１５及びケーシング１１を介して回転自在に設けられている。なお、ペダルクランク軸１３の両端部には、ペダル１７がクランク１９を介して偏心してそれぞれ取り付けられている。

ペダルクランク軸１３には、円形の駆動プレート２１がベアリング２２を介して設けられており、駆動プレート２１の内側には、キャリア２４が一方向クラッチ２３を介してペダルクランク軸１３に同心上に設けられている。

駆動プレート２１は、周縁側に、フランジ２５を有している。フランジ２５の外周面には、後輪７側に回転力を伝達するエンドレス状のベルト（動力伝達部材）２７を巻回可能な巻回部（多数の巻回歯）２９が形成されており、駆動プレート２１のフランジ２５の内周面には、リングギア部３１が形成されている。なお、ベルト２７は、後輪７に同心状に設けられた後輪プーリ３３にも巻回されている。

一方向クラッチ２３は、ペダルクランク軸１３が一方向（図３において時計回り方向）へ回転するときにのみ、ペダルクランク軸１３とキャリア２４を連結するものである。

キャリア２４は、プラネタリギア６１をサンギア５５及びリングギア部３１のそれぞれに噛合させて支持するものであり、一方向クラッチ２３によりペダルクランク軸１３を連結されている。

プラネタリギア６１は、ベアリング６３等を介してキャリア２４に回転自在に設けられており、複数のプラネタリギア６１は、ペダルクランク軸１３と同心の所定の円周Ｃ（図３参照）上にそれぞれ配置されている。プラネタリギア６１は、リングギア部３１及びサンギア５５に噛合している。

ケーシング１１には、電動モータ３５がペダルクランク軸１３と同心状に設けられている。換言すれば、車体フレーム３のハンガー部３ａには、電動モータ３５がケーシング１１を介してペダルクランク軸１３と同心状に設けられている。電動モータ３５は、ケーシング１１に固定されたモータ固定子３７と、このモータ固定子３７にベアリング３９を介して回転自在に設けられたモータ回転子４１とからなっている。電動モータ３５は、第２電動モータに相当するため、以下、第２電動モータ３５という。

モータ回転子４１は、外縁側に、フランジ４３を備えている。また、内縁側に、ベアリング４５を介してペダルクランク軸１３に回転自在に支持されるスリーブ４７を備えている。また、モータ固定子３７は、コイル４９を有し、モータ回転子４１のフランジ４３の内周面には、磁石５１がコイル４９に対向して設けられている。なお、電動モータ３５は、車体フレーム３におけるケーシング１１の近傍に設けられたバッテリー５３から給電されている。

ペダルクランク軸１３には、サンギア５５がベアリング５７を介して回転自在且つ同心状に設けられている。サンギア５５は、一方向クラッチ５９を介してモータ回転子４１に連結されている。一方向クラッチ５９は、モータ回転子４１が他方向（図３において反時計回り方向）へ回転するときにのみ、サンギア５５をモータ回転子４１に連結している。

第１電動モータ７１は、図２には図示しない駆動力制御装置９を構成している。第１電動モータ７１は、ギア部７３と、モータ回転子７５と、モータ固定子７９とを備える。モータ回転子７５は、コイル７７を備え、モータ固定子７９としての永久磁石に対向して回動自在に設置されている。この第１電動モータ７１には、図１乃至図３には図示しない検出センサが接続されており、第１電動モータ７１で誘電された起電力、或いは駆動手段として機能しているときの消費電力等を検出することができる。また、第１電動モータ７１は、車体フレーム３におけるケーシング１１の近傍に設けられたバッテリー５３から給電されている。

駆動プレート２１のフランジ２５には、ベルト２７を巻回する巻回部２９及び巻回部２９に巻回されたベルト２７を干渉しない外周面上に多数の巻回歯を有するギア部２５ａが形成されており、第１電動モータ７１のギア部７３の巻回歯と噛合されている。ギア部７３とギア部２５ａとの噛合部分は、ケーシング１１の一部を延長したカバー部１１ａによって保護されている。

次に、駆動力制御装置９の構成について、図４を用いて説明する。駆動力制御装置９は、主として、リングギア３１が設けられた駆動プレート２１に連結された第１電動モータ７１と、サンギア５５に補助的な駆動力を加えるための第２電動モータ３５と、第１電動モータ７１のトルクを検出する第１モータトルク検出センサ９１と、第１電動モータ７１の回転数を検出する第１モータ回転数検出センサ９２と、第２電動モータ３５のトルクを検出する第２モータトルク検出センサ９３と、第２電動モータ３５の回転数を検出する第２モータ回転数検出センサ９４とを備え、コントローラ８０によって、各センサによる検知結果に基づいて第１電動モータ７１又は第２電動モータ３５の駆動を制御している。

第１電動モータ７１は、ギア部２５ａの巻回歯と噛合されており、駆動プレート２１の回転により起電力を得る場合と、或いは駆動手段として駆動プレート２１を駆動して電力を消費する場合とがある。一例として、第１電動モータ７１が駆動手段として機能し、リングギア３１を有する駆動プレート２１を補助的に駆動させるとき、サンギア５５のトルクが下がるので乗り手にとってみれば、変速が「重くなった」感じになる。

第２電動モータは、乗り手がペダル１１を踏み込む人力駆動に併せて、サンギア５５に対して補助的な電力駆動を発生させるモータである。

コントローラ８０には、上述した第１モータトルク検出センサ９１と、第１モータ回転数検出センサ９２と、第２モータトルク検出センサ９３と、第２モータ回転数検出センサ９４とが電気的に接続されている。また、コントローラ８０は、第１電動モータ７１及び第２電動モータ３５の制御を行うためのモータ制御プログラム等を記憶するＲＯＭ（図示省略）と、このＲＯＭに記憶されたモータ制御プログラム等を読み取ってモータの制御を実行するＣＰＵ（図示省略）と、このＣＰＵの作業領域を提供するＲＡＭ（図示省略）とを備えている。また、コントローラ８０は、人力駆動トルク演算部８１と、モータトルク指令値演算部８２としての機能、モータ制御部８３としての機能を有している。各機能の詳細は、次のようになる。

人力駆動トルク演算部８１は、第１モータトルク検出センサ９１によって検出されたトルクと、第２モータトルク検出センサ９３によって検出されたトルクから、人力駆動トルクを算出する。一般的に、トルク量は、モータのトルク定数とモータを回転させる電流量によって求められる。第１電動モータによって検出される駆動プレート２１のトルクは、ベルト２７によって後輪７に伝達される全トルクに相当する。この全トルクから、第２電動モータ３５によって発生させているアシストトルクを除けば、乗り手による入力トルクを求めることができる。人力駆動トルク演算部８１は、算出された人力駆動トルクをモータトルク指令値演算部８２に供給する。

モータトルク指令値演算部８２は、人力駆動トルク演算部８１で算出された人力駆動トルクに基づいて、第１電動モータ７１のトルクを指定するモータトルク指令値ＴＰ１、第２電動モータ３５のトルクを指定するモータトルク指令値ＴＰ２を算出する。

モータ制御部８３は、モータトルク指令値演算部８２によって算出されたモータトルク指令値ＴＰ１，ＴＰ２に基づいて第１電動モータ７１及び第２電動モータ３５を制御している。より具体的には、モータ制御部３６は、第１電動モータ７１及び第２電動モータ３５に供給される電流値を制御している。

続いて、コントローラ８０におけるＣＰＵによる一連の制振動作について図５を参照して説明する。なお、コントローラ８０におけるＣＰＵによる一連のモータ制御処理は、所定の周期（例えば４ｍｓｅｃ）毎に実行されるものとする。

まず、コントローラ８０におけるＣＰＵは、各種の検出センサの入力信号検知処理を実行する（ステップＳ１）。具体的には、第１モータトルク検出センサ９１により第１電動モータ７１のトルクを検出し、第２モータトルク検出センサ９３により第２電動モータ３５のトルクを検出し、第１電動モータ７１の回転数を第１モータ回転数検出センサ９２によって検出し、第２電動モータ３５の回転数を第２モータ回転数検出センサ９４によって検出する。

次に、コントローラ８０におけるＣＰＵは、ステップＳ２において、人力駆動トルク演算部８１により、人力駆動トルクを算出する。続くステップＳ３において、人力駆動トルクが所定の閾値以上であるか否か判別する。人力駆動トルクが所定の閾値を越えていなければ（ステップＳ３：ＮＯ）、ステップＳ１の工程から繰り返す。人力駆動トルクが所定の閾値以上であれば（ステップＳ３：ＹＥＳ）、ステップＳ４において、コントローラ８０におけるＣＰＵは、人力駆動トルクの値に基づいて、第１電動モータ７１及び第２電動モータ３５のトルクを指定するモータトルク指令値ＴＰ１、ＴＰ２を算出し、モータ制御部３６に供給する。

ステップＳ５において、モータ制御部８３は、モータトルク指令値演算部８２によって算出されたモータトルク指令値ＴＰ１，ＴＰ２に基づいて第１電動モータ７１及び第２電動モータ３５を制御する。

以上説明したように、本発明の実施形態として示す電動アシスト自転車１の駆動力制御装置９は、その電動駆動部をプラネタリギアにて構成し、第１電動モータ７１により、このプラネタリギアを構成するリングギアにかかるトルクを検出するとともに、サンギアにかかる補助駆動力のトルクを検出し、これらから人力による人力駆動トルクを検出することができる。したがって、本発明によれば、第１電動モータ７１と第２電動モータ３５によって人力駆動トルクを検出することができるため、乗り手の踏力を直接的に検出する検出機構を簡素化することができる。また、これにより、従来、電動アシスト自転車で必要とした複雑且つ高価な磁歪式センサを用いた検出機構を用いる必要が無いため、製造コストを低減することができる。また、第１電動モータ７１は、変速を受け持つ変速モータを兼ねることができるので、電動アシスト自転車１の駆動効率を更に高めることが可能である。

なお、本発明は、上述した実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

本発明の実施形態として示す電動アシスト自転車を説明する側面図である。 本発明の実施形態として示す電動アシスト自転車のギア構成を説明する構成図である。 本発明の実施形態として示す電動アシスト自転車のギア構成を説明する構成図である。 本発明の実施形態として示す電動アシスト自転車に適用される駆動力制御装置を説明する構成図である。 前記駆動力制御装置における駆動制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 電動アシスト自転車
３ 車体フレーム
３ａ ハンガー部
５ 前輪
７ 後輪
９ 駆動力制御装置
１１ ケーシング
１３ ペダルクランク軸
２１ 駆動プレート
２２ ベアリング
２３ 一方向クラッチ
２４ キャリア
２５ フランジ
２７ ベルト
２９ 巻回部
３１ リングギア部
３５ 第２電動モータ
３７ モータ固定子
４１ モータ回転子
５５ サンギア
６３ ベアリング
７１ 第１電動モータ

Claims (4)

1. 入力軸と、
   前記入力軸に接続されたサンギアと、
   前記サンギアに噛合した複数のプラネタリギアと、
   複数の前記プラネタリギアに噛合したリングギアと、
   前記リングギアに連結される第１電動モータと、
   前記第１電動モータのトルクを検出する第１トルク検出手段と、
   前記入力軸に連結された第２電動モータと、
   前記第１トルク検出手段により検出された前記第１電動モータのトルクに応じて前記第２電動モータの駆動を制御する駆動制御手段と
   を備えることを特徴とする駆動力制御装置。
2. 前記第２電動モータのトルクを検出する第２トルク検出手段を備え、
   前記駆動制御手段は、前記第１電動モータのトルクと前記第２電動モータのトルクの差分に応じて前記第１電動モータの出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の駆動力制御装置。
3. 車体フレームと、
   前記車体フレームに回転自在に設けられたペダルクランク軸と、
   円形状を有し、周縁側にフランジを有し、前記フランジの外周面に前記後輪側に回転力を伝達するエンドレス状の動力伝達部材を巻回可能な巻回部が形成され、前記フランジの内周面にリングギア部が形成され、前記ペダルクランク軸に同心状に設けられた駆動プレートと、
   前記ペダルクランク軸に回転自在且つ同心状に設けられたサンギアと、
   前記ペダルクランク軸と同心の所定の円周上にそれぞれ配置され前記リングギア部及び前記サンギアに噛合した複数のプラネタリギアと、
   前記ペダルクランク軸に対して回動自在に連結され且つ前記プラネタリギアが回動自在に連結されるキャリアと、
   前記駆動プレートの一部に連結可能な第１電動モータと、
   前記第１電動モータのトルクを検出する第１トルク検出手段と、
   前記車体フレームに前記ペダルクランク軸と同心状に設けられ、前記車体フレームに固定されたモータ固定子と、前記モータ固定子に回転自在に設けられたモータ回転子とからなる第２電動モータと、
   前記第１トルク検出手段により検出された前記第１電動モータのトルクに応じて前記第２電動モータの駆動を制御する駆動制御手段と
   を備える電動アシスト自転車。
4. 前記第２電動モータのトルクを検出する第２トルク検出手段を備え、
   前記駆動制御手段は、前記第１電動モータのトルクと前記第２電動モータのトルクの差分に応じて前記第１電動モータを人力駆動に併せて補助的な駆動力を発生するように制御することを特徴とする請求項３に記載の電動アシスト自転車。

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