JPH0834385A - 電動モータ付き乗り物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 人力駆動系と電気駆動系とを備え、人力の変
化に対応して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、走行時間が長くなって脚力が弱くな
っても快適な走行を続けられるようにする。 【構成】 人力による踏力を検出する踏力検出手段と、
踏力に基づいて電気駆動系の踏力に対する補助率を求め
る補助率演算手段と、運転時間を監視する運転時間監視
手段と、運転時間の増加に対応して電気駆動系の出力を
増大させるように補助率を補正する補助率補正手段と、
補助率補正手段により補正された補助率に基づき電気駆
動系の出力を制御する走行制御手段とを備える。すなわ
ち運転時間の経過に伴って電動モータの補助率を次第に
増大させるように補正をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、人力駆動系と電気駆動
系とを持ち、電気駆動系の駆動力を人力による駆動力
（以下踏力という）の変化に対応して制御するようにし
た電動モータ付き乗り物に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】人力を例えば踏力により検出し、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自転
車などの乗り物が公知である（例えば実開昭５６−７６
５９０号、特開平２−７４４９１号）。すなわち人力の
負担が大きい時には電動モータの駆動力も増やして人力
の負担を減らし楽な走行を可能にするものである。

【０００３】

【従来の技術の問題点】この従来のものでは、踏力を検
出してこの踏力に対する電動モータによる補助率を一義
的に予め設定していた。しかし実際の走行では長時間の
連続走行により疲労が蓄積するため、脚力が走行に伴っ
て減少する。このような傾向は脚力の弱い人において顕
著である。このため長時間の走行によりモータの補助力
も少なくなり、快適な走行ができなくなるという問題が
生じる。

【０００４】

【発明の目的】本発明はこのような事情に鑑みなされた
ものであり、走行時間が長くなって脚力が弱くなっても
快適な走行を続けられるようにした電動モータ付き乗り
物を提供することを目的とする。

【０００５】

【発明の構成】本発明によればこの目的は、人力駆動系
と電気駆動系とを備え、人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、人力による踏力を検出する踏力検出手段と、前記踏
力に基づいて前記電気駆動系の踏力に対する補助率を求
める補助率演算手段と、運転時間を監視する運転時間監
視手段と、運転時間の増加に対応して前記電気駆動系の
出力を増大させるように前記補助率を補正する補助率補
正手段と、前記補助率補正手段により補正された補助率
に基づき電気駆動系の出力を制御する走行制御手段とを
備えることを特徴とする電動モータ付き乗り物により達
成される。

【０００６】すなわち運転時間の経過に伴って電動モー
タの補助率を次第に増大させるように補正をするもので
ある。ここに運転時間の計測は、メインキースイッチな
どにより電源スイッチがオンに投入された時点から始め
ることができる。またメインキースイッチをオンにした
まま信号待ちや立ち話のために走行を一定時間以上停止
している時には、疲労も回復してると考えられるから運
転時間の計測を中断し、省エネルギーモードが解除され
るのを待って再び運転時間を最初から計測し始めたり、
中断時の運転時間の加算を再開するように構成すること
ができる。

【０００７】さらに電池の放電量を監視し、放電量が設
定値以上に達した時には運転時間と関係なく電動モータ
による補助率を減少させ、電池の消耗を抑制し走行距離
を長くさせるようにしてもよい。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の一実施例の側面図、図２はそ
のII−II線展開図、図３は図１における III−III 線断
面図、図４はその動力系統図、図５はそのコントローラ
の機能を示すブロック図、図６は補助率の制御特性の一
例を示す図、図７は運転時間による補助率補正特性を示
す図、図８は放電量による補助率補正特性を示す図、図
９は電池ロック装置を示す図、図１０は電池ロック装置
の他の例を示す図、図１１は動作の流れ図である。

【０００９】この実施例の自転車は、図１に示すよう
に、略Ｕ字状の前フレーム１０に後方から後フレーム１
２を固定したものである。前フレーム１０はヘッドパイ
プ１４と、ここから斜下後方へのびるダウンチューブ１
６と、ダウンチューブ１６後端から立上がるシートチュ
ーブ１８と、ヘッドパイプ１４に回動自在に保持された
操向ハンドル２０および前フォーク２２と、この前フォ
ーク２２に保持された前輪２４と、シートチューブ１８
の上端に保持されたサドル２６とを持つ。

【００１０】後フレーム１２は、片持ちのリヤアーム２
８が一体に作られたアルミ鋳造製の略箱状の伝動機ケー
ス３０で形成され、この伝動機ケース３０にはその後端
に位置する後輪３２と、このケース３０の前部に取付け
られた左右一対のクランクアーム３４、３４（図２参
照）と、ケース３０の前部上面に取付けられた電動モー
タ３６（図３参照）と、このモータ３６の上方に取付け
られた電池３８、３８とが保持されている。

【００１１】この後フレーム１２は、前フレーム１０に
固着した３つのブラケット４０、４２、４４にボルト４
０Ａ、４２Ａ、４４Ａでボルト止めされる。すなわち伝
動機ケース３０の前部がブラケット４０、４２に固定さ
れ、モータ３６の上端に位置する電池保持フレーム４６
がブラケット４４に固定される。またこの後フレーム１
２には、図１に示すように、コントローラ４８、サーク
ル錠５０、ブレーキ５２が取付けられている。

【００１２】伝動機ケース３０は図２、３に示すように
箱状に作られ、クランク軸５４がこのケース３０を貫通
してその両端に前記クランクアーム３４、３４が固定さ
れている。ケース３０内には、クランク軸５４の斜上後
方に合力軸５６が回転自在に保持されている。クランク
軸５４の回転は歯付きベルト５８によってこの合力軸５
６に伝えられる。なおこのベルト５８が掛け回されるク
ランク軸５４側のプーリ６０には、図２に示すように一
方向クラッチ６２が装着されている。このクラッチ６２
は、クランク軸５４の回転をプーリ６０に伝えるがその
逆方向の回転は伝えない。

【００１３】またこのベルト５８の張り側には、図１に
示すように踏力センサ６４が取付けられている。この踏
力センサ６４は、ベルト５８に転接してその弛みを吸収
するアイドルローラを備え、このアイドルローラの変位
量からベルト５８の張力すなわち踏力Ｆ_L を検出する。

【００１４】合力軸５６には、一方向クラッチ６６を介
して減速大歯車６８が取付けられ、この歯車６８には前
記モータ３６により駆動される減速小歯車７０が噛合し
ている。このためモータ３６の回転は、歯車６８、７０
からなる減速部７２と一方向クラッチ６６とを介して合
力軸５６に伝えられる。なお合力軸５６からモータ３６
への回転伝達はクラッチ６６により遮断される。

【００１５】合力軸５６の左端には駆動スプロケット７
４が一体的に固着され、後輪３２のハブ７６には一方向
クラッチ７８を介して被動スプロケット８０が取付けら
れている。これらのスプロケット７４、８０には、ケー
ス３０のリヤアーム２８内を通るチェーン８２が掛け回
されている。なおハブ７６には変速機を内装しておいて
もよい。

【００１６】図４において８４は車速センサであり、例
えば図１に示す前輪２４のハブ８６に設けておくことが
できる。この車速センサ８４はハブ８６に設けるのに代
えて、図４に仮想線で示すように踏力センサ６４と合力
軸５６との間から回転を検出してもよい。前記踏力セン
サ６４が検出する踏力Ｆ_L と、車速センサ８４が検出す
る車速Ｓとはコントローラ４８に入力される。コントロ
ーラ４８は踏力Ｆ_L の変化に対応してモータ電流を制御
し、モータ３６の出力Ｆ_M を制御する。ここに人力駆動
系および電気駆動系の減速比は異なるから、クランクア
ーム３４に加わる踏力とモータ３６の出力とが同じでも
後輪３２における駆動力は異なる。ここではこの減速比
の差の影響を受けなくするため、踏力Ｆ_L およびモータ
出力Ｆ_Mはそれぞれが後輪３２に加わる駆動力を表すも
のとする。

【００１７】コントローラ４８は図５に示すように、Ｃ
ＰＵ９０と、メモリ９２と、モータ電力制御部９４と、
その他種々の装置を備える。ＣＰＵ９０は走行制御手段
９６と、発進判別手段９８と、補助率演算手段１００
と、補助率補正手段１０２と、電池ロック判別手段１０
４と、その他の機能を持つ種々の制御手段を持つ。

【００１８】走行制御手段９６はクランクアーム３４か
ら入力される踏力Ｆに基づいて、踏力Ｆ_L の周期に同期
して変化するモータ出力（トルク）Ｆ_M ＝η・Ｆ_L を出
力させる。すなわち踏力Ｆ_L に対応してデューティ比が
変化するＰＷＭ（パルス幅制御）信号をモータ電力制御
部９４に出力する。ここに補助率ηは、補助率演算手段
１００で演算され図６に示すように変化するが、この補
助率ηはさらに補助率補正手段１０２により補正され
る。この点については後記する。モータ電力制御部９４
はこのデューティ比でオン・オフするモータ電流をモー
タ３６に供給し、所定の出力Ｆ_M を発生させる。

【００１９】発進判別手段９８は、自転車の発進から安
定して自立走行が可能になる速度までの速度範囲を低速
域として判別するものである。この実施例では車速セン
サ８４の出力である車速Ｓに基づいて、図６に示すよう
にＳ≒０から約６ｋｍ／ｈまでの加速中の範囲（図中点
ａ→ｂ）を低速域（Ｌ）と判断する。なお発進時の低速
域（Ｌ）だけを判別し、停止直前の減速時にはこの低速
域（Ｌ）を判別する必要はない。図５で１０６はヘッド
パイプ１４付近に設けたメインキースイッチ、１０８は
手動ブレーキレバーに連動するブレーキスイッチであ
る。

【００２０】前記補助率演算手段１００では補助率ηを
図６に示すように車速Ｓに対して変化させる。すなわち
発進判別手段９８が発進中の低速域（Ｌ）にあることを
判別すると、補助率演算手段１００は補助率ηを中速域
（Ｍ）の補助率η_M （例えば１．０）に対して約３倍に
増加させる。ここに中速域（Ｍ）は約６〜１５ｋｍ／ｈ
の範囲（図中点ｂ→ｄ）であり、中速域（Ｍ）の初期
（約６〜８ｋｍ／ｈ）範囲（図中点ｂ→ｃ）では、補助
率ηは低速の補助率η_L ≒３．０から中速の補助率η_M
≒１．０に滑らかに変化する。

【００２１】また車速Ｓが１５ｋｍ／ｈ以上になると高
速域（Ｈ）に入り、この速度域（図中点ｄ→ｅ）では車
速Ｓの増加に対して補助率η_H は漸減する。この補助率
η_Hは図６に示すように直線的に減少させてもよいが、
非直線的に減少させてもよい。

【００２２】このように発進判別手段９８は発進時の低
速域（Ｌ、点ａ→ｂ）を判別し補助率演算手段１００は
この範囲で補助率η_L を約３倍に増加させるから、発進
時における加速性能が向上し、安定した自立走行可能な
車速（例えば約６ｋｍ／ｈ）に速やかに到達する。この
ため脚力が弱い人が乗る場合や坂道で発進する場合に
も、発進時に車体がふらつく期間が短くなり、安定して
発進できる。

【００２３】なお発進判別手段９８は減速時には低速域
（Ｌ）を判別しないから、補助率演算手段１００はこの
時の補助率η_L0を中速域（Ｍ）の補助率η_M と同一に維
持する（図６で点ｃ→ｆ）。従って停車するために減速
する際には補助率ηが増大することがなく、不必要にモ
ータ出力Ｆ_M が増大しなくなる。この減速中か否かの判
別は、車速Ｓを監視することにより判別することができ
るが、ブレーキスイッチ１０８がオン（ブレーキ作動
中）となったことから判別してもよい。

【００２４】前記のように図６の特性により求めた補助
率ηは、運転条件によりさらに補正される。この補正は
補助率補正手段１０２（図５）の運転時間監視手段１０
２Ａおよび放電量監視手段１０２Ｂで行われる。運転時
間監視手段１０２Ａでは連続運転の時間が長くなると運
転者の疲労が蓄積することを考慮して、運転時間ｔの経
過と共に補助率ηを増大させるための補正を行う。この
補正係数すなわち補助増加係数ｊは図７に示す特性によ
り求める。

【００２５】また放電量監視手段１０２Ｂでは電池３８
の放電量Ｄを電池電圧や放電時間、放電電流などに基づ
いて求め、放電量Ｄが設定値Ｄ₀ となるまでは一定の標
準補助係数ｋ₁ とし、設定値Ｄ₀ 以上になると次第に減
少する低減補助係数ｋ₂ とする。これらの補助係数ｋ
₁ 、ｋ₂ は図８に示す特性により求める。この補正によ
り走行距離を伸ばすことができる。このように求めた補
助増加係数ｊや補助係数ｋ（ｋ₁ 、ｋ₂ ）などの補正係
数を、前記図６で求めた補助率ηに積算し、η×ｊ×ｋ
を新たな補助率ηとしてモータの出力Ｆ_M ＝η×Ｆ_L を
求める。

【００２６】次に電池のロック装置１１０を図９を用い
て説明する。この電池ロック装置１１０は、前記図１で
説明した電池保持フレーム４６に設けた係合爪１１２、
１１２と、ロックキー１１４と、電池３８を収容する電
池ケース１１６の底面に設けた係合爪１１８、１１８と
を備える。係合爪１１８、１１８は後方から前方へ水平
に移動させることにより係合爪１１２、１１２に係合す
る。

【００２７】なお電池ケース１１６の上部はシートチュ
ーブ１８に図示しないフックにより係止されている。ま
た電池ケース１１６の上部には、後方から充電プラグ
（図示せず）が着脱される充電プラグ差込み口１１７が
取付けられている。

【００２８】ロックキー１１４のロック爪１２０はロッ
ク状態で一方の係合爪１１８の後縁に係合し、この係合
爪１１８および１１２の係合状態で電池ケース１１６が
後方へ移動するのを規制することにより電池ケース１１
６をロックするものである。なお図９で１２２は電池保
持フレーム４６の後端をシートチューブ１８の上端に結
合する補強メンバ、１２４は電池３８をコントローラ４
８側へ電気接続するためのコネクタである。このコネク
タ１２４は電池ケース１１６を後方から水平に移動させ
て電池保持フレーム４６にロックする際に、車体側と電
池ケース側の一対が互いに係合する。

【００２９】図１０は他のロック装置１１０Ａを示す図
である。この実施例は、電池ケース１１６Ａをシートチ
ューブ１８に直交する方向へ後から前へ向って移動させ
て係合させる係合爪１１２Ａ、１１８Ａを、電池保持フ
レーム４８Ａおよび電池ケース１１６Ａに持つ。シート
チューブ１８にはロックキー１１４Ａが固定され、この
ロックキー１１４Ａのロック爪１２０Ａが下方へ突出可
能になっている。そして係合爪１１２Ａに係合爪１１８
Ａを係合させつつ、電池ケース１１６Ａを電池保持フレ
ーム４８Ａにロックすれば、電池ケース１１６Ａの前面
に固定した環部材１２６がロックキー１１４Ａの下方に
臨む。この状態でロックキー１１４Ａのロック爪１２０
Ａを突出させればロック爪１２０Ａが環部材１２６に係
合し、ロック状態となる。１２４Ａはコネクタである。

【００３０】電池のロック装置１１０（１１０Ａ）は図
５に示すようにロックキー１１４（１１４Ａ）に連動す
るロックスイッチ１２８を持つ。このロックスイッチ１
２８はロックキー１１４（１１４Ａ）が電池をロックし
た状態で閉路する。電源スイッチであるメインスイッチ
１０６をオンにすると（図１１のステップ２００）、前
記電池ロック判別手段１０４（図５）はこのロックスイ
ッチ１２８の閉路からロック装置１１０（１１０Ａ）が
ロックされているか否か判別する（図１１のステップ２
０２）。ロックされていないと判別すると、警告装置１
３０（図５）をオンとして警告（アラーム）を発生させ
る（図１１のステップ２０４）。

【００３１】電池ケース１１６（１１６Ａ）がロックさ
れていると判別すれば、警告装置１３０をオフとして警
告（アラーム）を停止させた後（ステップ２０５）、モ
ータ３６をモータ電力制御手段９４および電池３８に接
続するリレースイッチ１３２（図５）のリレーをオンに
する（ステップ２０６）。主回路が電池３８等に接続さ
れてモータ制御が開始されると、ＣＰＵ９０は踏力Ｆ_L
や走行条件により発進判別手段９８で発進を確認した後
（ステップ２０８）、前記補助率ηを補助演算手段１０
０で演算する（ステップ２１０）。

【００３２】次に補助率補正手段１０２では運転時間ｔ
や放電量Ｄにより補助率ηの補正を行う。すなわち運転
時間監視手段１０２Ａは、リレースイッチ１２６がオン
になると運転時間ｔの計測を開始する（ステップ２１
２）。そして図７に示す特性に従って補助増加係数ｊを
求める（ステップ２１４）。

【００３３】次に放電量監視手段１０２Ｂは電池の放電
量Ｄを求め、設定量Ｄ₀ より大ならば（ステップ２１
６）、電池の残存容量は多いから大きい補助係数ｋ₁ を
選択する（ステップ２１８）。Ｄ≦Ｄ₀ なら残存容量は
少ないから放電量Ｄと共に減少する低減補助係数ｋ₂ を
選択する（ステップ２２０）。

【００３４】走行制御手段９６では以上の演算結果か
ら、η×ｊ×ｋを求め、これを新たな補助率ηとしてモ
ータ３６の出力制御を行う（ステップ２２２）。そして
モータ３６の補助を停止するための一定の条件が満たさ
れると（ステップ２２４）、モータ３６による補助を停
止させる（ステップ２２６）。この補助を停止する条件
としては、メインキー１０６をオフにしたこと、ブレー
キスイッチ１０８がオンになったこと、電池電圧が一定
以下に降下したこと、車速ｓや踏力Ｆ_L が略０になった
こと、メインキースイッチ１０６をオンのまま一定時間
停止していること、などがある。

【００３５】以上の実施例は電池ケース１１６（１１６
Ａ）のロック装置１１０（１１０Ａ）をメインキースイ
ッチ１０６と別個に設けているが、両者を一体化しても
よい。図１２はそのような実施例のスイッチ構造を示
す。このスイッチはロック装置のロックキー１１４Ｂに
メインキースイッチ１０６の機能を持たせたものであ
る。すなわちメインキースイッチ１０６のオン位置およ
びオフ位置ではロックキー１１４Ｂは電池をロックする
位置にあり、メインキースイッチ１０６がオフ位置より
反オン側に設けたロック解除位置でのみ非ロック状態に
して電池の着脱を可能にするものである。

【００３６】この実施例では運転時間ｔの増加に対して
補助率ηを増加させる係数（補助増加係数）ｊを図７に
より設定しているが、本発明はこれに限定されない。図
１３は補助率補正特性の他の実施例を示す図である。こ
の実施例では、運転時間ｔの増加と共に補助増加係数ｊ
を増加させるが、踏力Ｆ_L が一定以上になるとこの係数
ｊを漸減させる。これは疲労が少なく十分大きな脚力を
維持していると考えられる場合には補助率ηを過大にす
る必要が無いからである。

【００３７】補助率補正手段１０２の運転時間監視手段
１０２Ａは、メインキースイッチ１０６のオンに基づい
て運転時間ｔを計測開始し、メインキースイッチ１０６
のオフにより計測を停止するように構成することができ
る。しかし実際の走行では、信号待ちや立ち話などのた
めにペダルを踏むこともなく停止していることがある。
このような時には運転者の疲労も回復するから運転時間
ｔは一度０に復帰させてから再び計測を行うようにする
のが望ましい。

【００３８】例えばＣＰＵ９０には、一定時間以上停車
していてかつブレーキ操作など種々の操作を示す信号が
入力されない時には、自動的に省エネルギーモードに切
換え、何らかの操作が行われると直ちに通常の運転モー
ドに戻す機能（スリープ機能という）を持ったものがあ
る。このようなＣＰＵ９０であれば、このスリープ機能
を利用して容易に運転時間ｔの計測を０に復帰させるこ
とができる。

【００３９】またこのスリープ機能により、前記のよう
に運転時間ｔを０に戻すようにしてもよいが、０に戻さ
ずに省エネルギーモードになっている間だけ運転時間ｔ
の積算を停止し、通常の運転モードに戻った時に運転時
間ｔの積算を再開するようにしてもよい。

【００４０】以上の実施例は自転車に本発明を適用した
ものであるが、本発明は自転車以外の乗り物、例えば荷
物運搬車や車椅子などであってもよい。

【００４１】

【発明の効果】請求項１の発明は以上のように、運転時
間を計測して、この運転時間の増加に伴って踏力に対す
る電動モータの駆動力による補助率を増大させるように
したから、疲労により脚力が弱くなって来ても快適な走
行を続けることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の側面図

【図２】図１におけるII−II線展開図

【図３】図１における III−III 線断面図

【図４】その動力系統図

【図５】コントローラの機能ブロック図

【図６】補助率の特性図

【図７】運転時間による補助率補正特性を示す図

【図８】放電量による補助率補正特性を示す図

【図９】電池ロック装置を示す図

【図１０】電池ロック装置の他の例を示す図

【図１１】動作の流れ図

【図１２】ロック装置のロックキーの他の実施例を示す
図

【図１３】運転時間による補助率補正特性の他の実施例
を示す図

【符号の説明】

１０ 前フレーム １２ 後フレーム ２０ 操向ハンドル ２４ 前輪 ２６ サドル ３０ 伝動機ケース ３２ 後輪 ３４ クランクアーム ３６ 電動モータ ４８ コントローラ ６４ 踏力検出手段としての踏力センサ ９０ ＣＰＵ ９６ 走行制御手段 １００ 補助率演算手段 １０２ 補助率補正手段 １０２Ａ 運転時間監視手段 １０４ 電池ロック判別手段 １０６ メインキースイッチ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人力駆動系と電気駆動系とを備え、人力
   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、人力による踏力を検出する
   踏力検出手段と、前記踏力に基づいて前記電気駆動系の
   踏力に対する補助率を求める補助率演算手段と、運転時
   間を監視する運転時間監視手段と、運転時間の増加に対
   応して前記電気駆動系の出力を増大させるように前記補
   助率を補正する補助率補正手段と、前記補助率補正手段
   により補正された補助率に基づき電気駆動系の出力を制
   御する走行制御手段とを備えることを特徴とする電動モ
   ータ付き乗り物。