JP2011005936A - 電動補助自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】握力が十分ではなくともブレーキを動作させることができる自転車を提供する。
【解決手段】ペダル１２と、クランク１３に伝えられた踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備えている。そして、踏力によってクランク軸の回転中心軸を移動させて、スイッチの接続または切断をおこない、電動モータからの出力をスイッチの接続と切断によって変化させて制動の動作をおこない、または、サドルに付与される重量を検出する重量センサ１９を有し、重量が所定値以上減少したときに、電動モータからの回転駆動力の方向を逆転させて制動の動作をおこなう。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動補助自転車に関し、特に、電動モータによるブレーキ機能を有する自転車に関するものである。

電動補助自転車（電動アシスト自転車）として種々の機能を有するものが提案されている。例えば、電動モータが回転しない状態で設定時間を越えると、慣性走行検知手段により慣性走行が行われたと判定され、これに伴って、アシスト率制御手段によって小さめの第１のアシスト率に変更する技術が開示されている（特許文献１）。傾斜角度検出機能を用いて傾斜斜面上で停止した自転車に生じる下り方向の力を相殺する定常的なトルクをアシストモータに付加し、自転車を容易に停止する技術が開示されている（特許文献２）。電力を回生し、アシストなしの動作において電動モータが負荷とならない、メカニカルなクラッチユニットを有する自転車の技術が開示されている（特許文献３）。速度センサとペダル踏力センサからの信号を入力として変速機を駆動する制御部を備え、ペダル踏力が所定値以上であり、かつ加速度所定値以下である場合に変速機をローギヤ側にシフトする技術が開示されている（特許文献４）。自転車分野と別分野の技術としてターボチャージャ用浮動軸受けが開示されている（特許文献５）。磁歪効果（ビラリ効果）を利用して機械的な接触なしにトルクを検出するトルクセンサを利用してペダルの踏力を検出する技術が開示されている（非特許文献１）。また、特許文献３では、電動モータの回生制動に加え、ハンドルに取り付けられたハンドルブレーキレバーを用いて、回動軸にシューを押圧する制動技術が開示されている。

特開２００７−１９１１１４号公報 特開２００４−３０６８１８号公報 特開２００４−２６８８４３号公報 特開２００１−２８０４６４号公報 特開２００８−２６７４６３号公報

インターネット URLhttp://www.tdk.co.jp/techmag/knpwledge/200903/index.htm

ハンドルブレーキレバーでは、握力が必要とされ、高齢者、低年齢者は、握力が不足するために、十分にブレーキを動作させることができない場合があった。本発明は、上述した課題を解決して、握力が十分ではない高齢者、低年齢者が十分にブレーキを動作させることができる自転車を提供するものである。

本発明の自転車は、乗り手の発生する踏力をクランクに伝える左右一対のペダルと、該クランクに伝えられた該踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備え、前記踏力の大きさに応じて、前記電動モータの出力を変化させて、該踏力による回転駆動力と該電動モータによる回転駆動力とを合成して車輪の回転駆動力を調整可能とする電動補助自転車であって、前記踏力によって前記クランク軸の回転中心軸を移動させて、スイッチの接続または切断をおこない、前記電動モータからの出力を該スイッチの接続と切断によって変化させて制動の動作をおこなうものである。

本発明の別の自転車は、乗り手の発生する踏力をクランクに伝える左右一対のペダルと、該クランクに伝えられた該踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備え、前記踏力の大きさに応じて、前記電動モータの出力を変化させて、該踏力による回転駆動力と該電動モータによる回転駆動力とを合成して車輪の回転駆動力を調整可能とする電動補助自転車であって、サドルに付与される重量を検出する重量センサを有し、前記重量センサで検出する重量が所定値以上減少したときに、前記電動モータからの回転駆動力の方向を逆転させて制動の動作をおこなうものである。

本発明の自転車では、乗り手の発生する踏力をクランクに伝える左右一対のペダルと、クランクに伝えられた踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備え、踏力の大きさに応じて、電動モータの出力を変化させて、踏力による回転駆動力と電動モータによる回転駆動力とを合成して車輪の回転駆動力を調整可能とする。そして、一つの発明では、踏力によってクランク軸の回転中心軸を移動させて、スイッチの接続または切断をおこない、電動モータからの出力をスイッチの接続と切断によって変化させて制動の動作の制御をおこなう。別の発明では、サドルに付与される重量を検出する重量センサを有し、重量センサで検出する重量が所定値以上減少したときに、電動モータからの回転駆動力の方向を逆転させて制動の動作をおこなう。

本発明の自転車によれば、従来の自転車のようにハンドブレーキレバーによって自転車の制動をおこなうのではなく、クランク軸の回転中心軸を移動させてスイッチの接続または切断を検知し、または、重量センサで検出する重量が所定値以上減少したことを検知して、電動モータを用いて制動の制御をするので、握力がなくとも容易な制動が可能となる。

実施形態の自転車を示す図である。 踏力による駆動力と、電動モータによる駆動力とを合成する駆動系を示す図である。 踏力センサの構造を示す図である。 浮動軸受の構造を示す図である。 スイッチ機構を模式的に示す図である。 別のスイッチ機構のクランク軸の配置とスイッチの押圧状態との関係を示す図である。 制御系の構成を示す図である。 制御部のＣＰＵがおこなう処理のフローチャートである。

実施形態の自転車は、乗り手の発生する踏力をクランクに伝える左右一対のペダルと、クランクに伝えられた踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備えている。そして、踏力によってクランク軸の回転中心軸を移動させて、スイッチの接続または切断をおこない、電動モータからの出力をスイッチの接続と切断によって変化させて制動の動作をおこない、または、サドルに付与される重量を検出する重量センサを有し、重量センサで検出する重量が所定値以上減少したときに、電動モータからの回転駆動力の方向を逆転させて制動の動作をおこなう。これによって、握力がなくとも容易な制動が可能となる。以下、図面を参照して、具体的な実施形態について説明をする。

（実施形態の自転車の説明）
図１は、実施形態の自転車を示す図である。図１（ａ）に示す自転車１は、踏力による回転駆動力と電動モータによる回転駆動力とをともに後輪１７に対して伝達するタイプの第１実施形態の自転車である。図１（ｂ）に示す自転車２は、踏力による回転駆動力は後輪１７に対して伝達し、電動モータによる回転駆動力は前輪１６に対して伝達するタイプの第２実施形態の自転車である。以下、第１実施形態の自転車の説明をした後に、第２実施形態の自転車の説明をする。第１実施形態の自転車１と第２実施形態の自転車２とで、同一の符号を付した部分は同一構成部であるので、第２実施形態の自転車の説明においては、その部分の説明は省略する。

（第１実施形態の自転車の説明）
図１（ａ）に示す自転車１は、電動アシスト自転車（電動補助自転車）である。電動アシスト自転車は、電池を動力源として走行力の一部を電動モータから得るものである。電動アシストの技術は周知の技術であるので説明を省略する。実施形態の自転車について、必要な範囲でその構造を簡単に説明する。

自転車１は、一般的な自転車が通常備えると同様な、前輪１６と後輪１７とを有している。また、左右の両方のペダル１２から左右のクランク１３を介して伝えられた踏力による回転駆動力をリヤスプロケット２１に伝達するチェン２３を有している。駆動力発生・制御部カバー１０の内部には、動力系の一部が配置されている。駆動力発生・制御部カバー１０の内部の電動モータ１１４（図２を参照）からの回転駆動力をリヤスプロケット２０に伝達するチェン２４を有している。電動モータ１１４は、制御部３０からのモータ駆動信号Ｓｄｍ（図７を参照）によって駆動される。また、サドルの内部には、重量センサ３２が配されて、サドルに付与される重量を検知して重量信号Ｓｈｗ（図７を参照）を得る。ハンドルレバーには通常の自転車と同様にハンドブレーキレバー１５が配され、前輪１６のリム、後輪１７のリムを押圧するシューを操作するようにされている。また、前輪１６の回転軸には前輪回転速度計３１が取り付けられており、前輪回転速度Ｓｖｆ（図７を参照）を得ることができるようになされている。

図２は、ペダル１２からの人力（踏力）による回転駆動力と、電動モータ１１４による回転駆動力とを合成する駆動系を示す図である。図２は、駆動力発生・制御部カバー１０の内部に配置された駆動力発生部１１とそれに関係する動力系の概要を示す図である。駆動力発生・制御部カバー１０は駆動力発生部１１と制御部３０（図７を参照）とを覆い隠すようにされている。図２（ａ）は、駆動力発生部１１の側面から見た図であり、図２（ｂ）は駆動力発生部１１の上方面から見た図である。このような駆動系は特許文献３にも説明されているが、踏力による回転駆動力と、電動モータによる回転駆動力とは、後輪１７（図１を参照）の車軸１０６で合成される。

浮動軸受１００とクラッチユニット１１５とはボルトとナットで連結され、一体に構成されている。また、クラッチユニット１１５には電動モータ１１４が固着され、電動モータ１１４で発生する回転駆動力がクラッチユニット１１５に伝達されるようになされている。電動モータ１１４のモータ回転速度Ｓｖｍ（図７を参照）を検知するために、電動モータ１１４の回転軸にはタコメータ１１４ａ（図示せず）が配されている。

踏力は、乗り手によって左右に配されたペダル１２を踏むことによって発生され、左右に配されたクランク１３を介してクランク軸１０３を回転させる回転駆動力に変換される。クランク軸１０３は浮動軸受１００に保持されている。クランク軸１０３の回転駆動力（トルク）は、フロントスプロケット１０２を回転させる。クランク軸１０３の下部であって、浮動軸受１００の外囲部には、スイッチ機構１１２（図４を参照）が取り付けられている。

チェン２３が、クランク軸１０３に取り付けられたフロントスプロケット１０２とリヤスプロケット２１との間に架け渡されている。リヤスプロケット２１と後輪１７の車軸１０６との間には周知のワンウェイクラッチ１１９が取り付けられている。このような駆動力伝達機構を用いて、踏力は後輪１７を回転させる回転駆動力に変換される。一方、車軸１０６からの逆入力トルクはワンウェイクラッチ１１９を介して伝達されるので、リヤスプロケット２１には伝達しない。

駆動力発生部１１の電動モータ１１４からの回転駆動力はクラッチユニット１１５に入力され、さらにクラッチユニット１１５の回転軸１１１からの回転駆動力がミドルスプロケット１１８に伝えられる。チェン２４が、ミドルスプロケット１１８と車軸１０６に取り付けられたリヤスプロケット２０との間に架け渡されている。リヤスプロケット２０と車軸１０６とは、双方向にトルク伝達が可能となるようリジッドに連結されている。

このように、チェン２４をリヤスプロケット２０に架け、チェン２３をリヤスプロケット２１に架けて、両方のリヤスプロケットによって車軸１０６を回転させる構成では、チェン２４を適正張力とした際、チェン２３に緩みが生じる可能性がある。この緩みを吸収するため、チェン２３の経路にはテンショナ１２０を配置するようにしている。

クラッチユニット１１５は周知の電磁クラッチである。クラッチユニット１１５は制御部３０からのクラッチ制御信号Ｓｄｃ（図７を参照）に応じて、電動モータ１１４の回転軸と回転軸１１１との間で、回転駆動力の伝達をするか否かを制御する。また、クラッチユニット１１５は減速歯車を備え、電動モータ１１４の回転軸の回転速度を減じて回転軸１１１に伝達する。

モータアシストによる走行中、クラッチユニット１１５の作用によって、クラッチは接続状態（クラッチ接）とされ、電動モータ１１４からの回転駆動力は、リヤスプロケット２０に伝達される。このモータトルクと踏力トルクとが、車軸１０６で合成されるため、自転車をアシスト走行させることが可能となる。

モータアシストのない走行中は、クラッチユニット１１５の作用によって、クラッチは切断状態（クラッチ断）とされ、後輪１７の回転トルクが回転軸１１１を介して電動モータ１１４の回転軸に逆入力されることがないようにされている。このようにして、踏力による回転駆動力が、電動モータ１１４、クラッチユニット１１５の減速歯車の内部摩擦等によって無駄に消費されないようになされている。

また、本実施形態の特徴として、自転車の制動をおこなうに際して回生制動よりも、さらに、大きな制動力を得るために、電動モータ１１４を逆回転する電動モータ逆回転制動を採用している。電動モータ逆回転制動をおこなう場合にもクラッチユニット１１５の作用によって（クラッチ接）、電動モータ１１４からの回転駆動力を後輪１７に伝達するようになされる。電動モータ逆回転制動については、後述する。

図３は、踏力センサ１０１の構造を示す図である。非特許文献１にもこのようなトルクセンサが説明されている。踏力センサ１０１は、磁歪材１０１１と磁歪材１０１２と検出コイル１０１５と検出コイル１０１６とを備えている。また、磁気効果を拡大するための溝である、ナーリング１０１３、ナーリング１０１４が配されている。

踏力による回転駆動力はクランク１３の方向から磁歪材１０１１に伝わる。その力によって、磁歪材１０１１にはビラリ効果が生じ透磁率が変化する。同様に、磁歪材１０１２にもビラリ効果が生じ透磁率が変化する。検出コイル１０１５は、ビラリ効果に応じて変化する信号（第１ビラリ効果信号）を検出し、検出コイル１０１６は、ビラリ効果に応じて変化する信号（第２ビラリ効果信号）を検出する。踏力による回転駆動力がクランク１３に加えられているときには、第１ビラリ効果信号の大きさは、第２ビラリ効果信号の大きさよりも大きくなる。よって、第１ビラリ効果信号から第２ビラリ効果信号を引き算したビラリ効果信号Ｓｓｂ（図７を参照）は踏力による回転駆動力に対応したものとなる。

図４は、浮動軸受１００の構造を示す図である。浮動軸受については、特許文献５にも説明されている。浮動軸受１００は、外囲部であるハウジング１０２１と浮動ブッシュ１０２２とを主要構成部とし、浮動ブッシュ１０２２の中に円筒棒状とされたクランク軸１０３が貫通配置される。つまり、浮動ブッシュ１０２２は、クランク軸１０３の伸びる方向の一部を、空間を有して取り囲むドーナツ形状とされている。また、ハウジング１０２１は、浮動ブッシュ１０２２を、空間を有して取り囲むドーナツ形状とされている。ハウジング１０２１の内部を潤滑剤、例えば、オイルで満たすためにハウジング１０２１にはオイル供給路が設けられている。オイルは図示しない電動モータを用いたポンプで供給されるようになされている。浮動ブッシュ１０２２には貫通孔が設けられ、クランク軸１０３は、浮動ブッシュ１０２２の内部で浮動しながら回転が可能とされる。

浮動軸受１００のハウジング１０２１の外囲部には、スイッチ取付板１０３０が取り付けられ、スイッチ取付板１０３０には、少なくとも、１個のスイッチ１１２ａを有するスイッチ機構１１２が配されている。スイッチ１１２ａはプッシュスイッチとされている。スイッチ１１２ａは押されることによって導通するものであっても、押されることによって切断するものであっても、いずれでも良く、両者の極性の異なりは、スイッチ信号Ｓｓｗ（図７を参照）を得た制御部３０で対応することができる。以下では説明を簡単にするために、スイッチ１１２ａは押されることによって導通するものとする。スイッチ機構１１２については後述する。

なお、浮動軸受１００を用いる場合には、強い踏力でペダル１２を操作するときには、リヤスプロケット２１に対するフロントスプロケット１０２の相対位置が変化するので（図６を参照）、チェン２３は、柔軟性を有する素材で形成されるのが望ましく、例えば、ゴム材で形成するのが望ましい。

図５は、スイッチ機構１１２を模式的に示す図である。図５（ａ）は、図２（ｂ）に示すスイッチ機構１１２と他の機構部との関係を模式的に示す図である。図５（ｂ）、図５（ｃ）は、スイッチ機構１１２が、バネ機能を有するバネ部材１０３ｂとスイッチ１１２ａと凸部材１０３ａと凹部１０３０ａを有するスイッチ取付板１０３０とを有してなることを模式的に示すものである。凸部材１０３ａはクランク軸１０３の直下に配されている。

図５（ｂ）に示すように、クランク１３が略水平状態となった場合には、凸部材１０３ａと凹部１０３０ａとが嵌合する配置関係となる。ここで、左のペダル１２と右のペダル１２とを同時に押圧すると、凸部材１０３ａは凹部１０３０ａの底に配置されたスイッチ１１２ａを押圧して、スイッチ１１２ａは導通することとなる。

一方、図５（ｃ）に示すように、クランク１３が略水平状態ではない場合には、右のペダル１２（紙面の右側に在るペダル１２）が押圧され、クランク１３は後方（矢印で示した紙面の左方向）に移動させられる。この結果、凸部材１０３ａは凹部１０３０ａのエッジ（端部）に接触して、凸部材１０３ａは凹部１０３０ａと嵌合する配置関係とはならない。そして、凸部材１０３ａは凹部１０３０ａの底に配置されたスイッチ１１２ａを押圧することはないので、スイッチ１１２ａは切断したままである。

図５に図示しないが、左のペダル１２（紙面の左側に在るペダル１２）が押圧され、クランク１３が略水平状態ではない場合とされた場合には、クランク１３の傾きは、図５（ｃ）と逆方向となり、クランク１３は前方（図５（ｃ）の紙面の右方向、矢印で示したと反対の方向）に移動させられる。この結果、凸部材１０３ａは凹部１０３０ａのエッジ（端部）に接触して、凸部材１０３ａは凹部１０３０ａと嵌合する配置関係とはならない。そして、凸部材１０３ａは凹部１０３０ａの底に配置されたスイッチ１１２ａを押圧することはないので、スイッチ１１２ａは切断したままである。

このようにして、クランク１３が略水平状態となったときに左右の両方のペダル１２を押圧することによってスイッチ１１２ａを導通させることができる。スイッチ１１２ａをどのように用いるかについては後述する。

図６は、別のスイッチ機構の例について、クランク軸１０３の配置とスイッチの押圧状態との関係を示す図である。図５では、スイッチ機構１１２のスイッチとして、スイッチ１１２ａのみを用いるようにしたが、図６では、スイッチ１１２ａ、スイッチ１１２ｂ、スイッチ１１２ｃ、スイッチ１１２ｄの４個を用いるようにしている。スイッチ１１２ａ〜スイッチ１１２ｄの各々からは、導通であるか切断であるかのスイッチ信号Ｓｓｗ（図７を参照）を得ることができる。図６に示す構成を採用すれば、凸部材１０３ａと凹部１０３０ａとを設けることなく、制動のためのペダル１２の押圧力を検出する別のスイッチ機構を構成することができる。

図６（ａ）は押圧力を与えない状態を示す。通常の平坦な路面で、左右のペダル１２に軽い踏力を与える場合も、浮動軸受１００の作用によってこのような状態を維持することができる。スイッチ１１２ａ〜スイッチ１１２ｄのいずれも押圧されることがなく、スイッチ１１２ａ〜スイッチ１１２ｄのいずれも導電状態とはならない。

図６（ｂ）は、スイッチ１１２ｂを押圧する押圧力を左のペダル１２に与える状態を示す。浮動軸受１００の作用によって、クランク軸１０３は左側に傾く。また、スイッチ１１２ｄを備える場合には、スイッチ１１２ｄも同時に押圧される。そして、スイッチ１１２ｂとスイッチ１１２ｄとが導電状態となる。

図６（ｃ）は、スイッチ１１２ａを押圧する押圧力を右のペダル１２に与える状態を示す。浮動軸受１００の作用によって、クランク軸１０３は右側に傾く。また、スイッチ１１２ｃを備える場合には、スイッチ１１２ｃも同時に押圧される。そして、スイッチ１１２ａとスイッチ１１２ｃとが導電状態となる。

図６（ｄ）は、スイッチ１１２ａとスイッチ１１２ｂとを押圧する押圧力を右のペダル１２と左のペダル１２とに同時に与える状態を示す。浮動軸受１００の作用によって、クランク軸１０３は下方に移動する。そして、スイッチ１１２ａとスイッチ１１２ｂとが導電状態となる。

つまり、スイッチを１個備える場合には２つの状態を検出できる。また、スイッチとしてスイッチ１１２ａとスイッチ１１２ｂの２個備える場合には４つの状態を検出できる。また、スイッチとしてスイッチ１１２ａ〜スイッチ１１２ｄの４個備える場合には４つの状態を検出できるが、そのうちの２つの状態は想定外の状態であり、実質的には２つの状態を検出できる。

以上の図６（ａ）〜図６（ｃ）の４つの各機構部材の配置関係から、以下のようなスイッチ使い方が可能となることが明らかにされる。

スイッチが１個の場合、例えば、スイッチ１１２ａのみを備える場合には、右のペダル１２を強く踏むことによって、スイッチ１１２ａを導電状態とすることができる。

スイッチが１個の場合、例えば、スイッチ１１２ｂのみを備える場合には、左のペダル１２を強く踏むことによって、スイッチ１１２ｂを導電状態とすることができる。

スイッチが２個の場合、例えば、スイッチ１１２ａとスイッチ１１２ｂとを備える場合には、左右の両方のペダル１２を強く踏むことによって、スイッチ１１２ａとスイッチ１１２ｂとを導電状態とすることができる。左右のペダルを交互に踏み込む通常の走行状態では、踏力が小さい場合には図６（ａ）に示す状態にと留り、踏力が大きい場合には図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）の状態が順に繰り返して生じるだけである。

踏力を用いる走行状態では、図６（ｄ）の状態は通常は生じることがないので、スイッチ１１２ａとスイッチ１１２ｂとが両方導通していることを検出すれば、図６（ｄ）に示す状態を正確に検出することができる。また、スイッチが２個の場合には、右のペダル１２を強く踏むことによってスイッチ１１２ａのみを導電状態とすることができ、左のペダル１２を強く踏むことによって、スイッチ１１２ｂのみを導電状態とすることもできるので、３つの状態を区別することができる。

スイッチが２個の場合、例えば、スイッチ１１２ｃとスイッチ１１２ｄとを備える場合には、右のペダル１２を強く踏むことによってスイッチ１１２ｃを導電状態とすることができ、左のペダル１２を強く踏むことによって、スイッチ１１２ｄを導電状態とすることができるので、２つの状態を区別することができるようになる。

スイッチが４個の場合、例えば、スイッチ１１２ａ〜スイッチ１１２ｄを備える場合には、右のペダル１２を強く踏むことによってスイッチ１１２ａとスイッチ１１２ｃとの組みを導電状態とすることができ、左のペダル１２を強く踏むことによって、スイッチ１１２ｂとスイッチ１１２ｄとの組みを導電状態とすることができるので、一つの組の２個のスイッチの状態を検出して検出精度を向上させることができる。

（自転車の制御系の説明）
図７は、自転車の制御系の構成を示す図である。図７を参照して制御系の説明をする。制御系においては、制御部３０が中心となって制御をおこなう。

制御部３０は、いずれも図示しない、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（ラム）、ＲＯＭ（ロム）、Ｉ／Ｏインターフェイス回路（入出力インターフェイス回路）を有している。ＣＰＵのバスライン（アドレスバスライン・データバスライン）にはＣＰＵ、ＲＡＭ（ラム）、ＲＯＭ（ロム）、Ｉ／Ｏインターフェイス回路が接続されている。

ＲＯＭはＣＰＵで実行されるプログラムを記憶し、ＲＡＭはＣＰＵでの演算データを一時記憶する。また、Ｉ／Ｏインターフェイス回路は外部回路とＣＰＵとの間での信号の入出力のためのＡ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等を有している。

制御部３０には、スイッチ１１２ａ〜スイッチ１１２ｄ（スイッチの個数と配置場所に応じてスイッチの種類は変化する）からのスイッチ信号Ｓｓｗ（スイッチの個数に応じてスイッチ信号の数は変化する）、前輪回転速度計３１からの前輪回転速度Ｓｖｆ、重量センサ３２からの重量信号Ｓｈｗ、タコメータ１１４ａからのモータ回転速度Ｓｖｍ、踏力センサ１０１からのビラリ効果信号Ｓｓｂが入力信号として、入力される。そして、制御部３０のＣＰＵは、これらの入力信号に基づき、処理をおこない、電動モータ１１４にはモータ駆動信号Ｓｄｍ、クラッチユニット１１５にはクラッチ制御信号Ｓｄｃを出力する。

図８は、制御部３０のＣＰＵがおこなう処理のフローチャートである。
ステップＳＴ１０では、ＣＰＵは、スイッチ信号Ｓｓｗを得る。
ステップＳＴ１０の処理は所定割り込み処理時間ごとにおこなわれる。

ステップＳＴ１１では、ＣＰＵは、スイッチが押されたか否かを判断する。
スイッチが押されたと判断する場合（Ｙｅｓ）には、処理はステップＳＴ１２へ移動する。
スイッチが押されたと判断しない場合（Ｎｏ）には、処理はステップＳＴ１５へ移動する。

ステップＳＴ１２では、ＣＰＵは、クラッチ制御信号Ｓｄｃを接続状態とするようにし、モータ駆動信号Ｓｄｍとして逆回転信号を出力する。
モータを逆回転させるトルクによって、後輪１７には大きな制動力が働く。
クラッチ制御信号Ｓｄｃを接続状態とした後は、ステップＳＴ１８において、クラッチ制御信号Ｓｄｃを切断状態とするまで、クラッチユニット１１５の接続（電動モータ１１４の回転軸と回転軸１１１との接続）は維持される。

ステップＳＴ１３では、ＣＰＵは、前輪回転速度Ｓｖｆ、または、モータ回転速度Ｓｖｍを得る。

ステップＳＴ１４では、ＣＰＵは、前輪回転速度Ｓｖｆ、または、モータ回転速度Ｓｖｍが反転したか否かを検出する。
ここで、反転とは逆回転という意味である。この判断は、後輪１７が逆回転して、後ろに自転車が動くことを防止するためにおこなうものである。
モータ回転速度Ｓｖｍが反転しても、後輪１７がスリップしながら自転車は前進を続ける場合があるので、前輪回転速度Ｓｖｆによって前輪１６の回転を検出することがより望ましい。
前輪回転速度Ｓｖｆ、または、モータ回転速度Ｓｖｍが反転したと判断する場合（Ｙｅｓ）には、処理はステップＳＴ１５へ移動する。
前輪回転速度Ｓｖｆ、または、モータ回転速度Ｓｖｍが反転したと判断しない場合（Ｎｏ）には、処理はステップＳＴ１３へ戻る。

ステップＳＴ１５では、ＣＰＵは、ビラリ効果信号Ｓｓｂを得る。
ビラリ効果信号Ｓｓｂは、踏力の大きさに比例するものである。

ステップＳＴ１６では、ＣＰＵは、アシストモードか否かを判断する。
この判断は、ビラリ効果信号Ｓｓｂが予め定める所定値を超えている場合に、脚への負担が大きいのでこれを解消するためにアシストモードであると判断する。
また、スイッチが押されている場合には、回転駆動力は発生しないので、通常はビラリ効果信号Ｓｓｂが予め定める所定値を超えることはないが、安全のために、スイッチが押されている場合にはアシストモードとは判断しない。
アシストモードと判断する場合（Ｙｅｓ）には、処理はステップＳＴ１７へ移動する。
アシストモードと判断しない場合（Ｎｏ）には、処理はステップＳＴ１８へ移動する。

ステップＳＴ１７では、ＣＰＵは、クラッチ制御信号Ｓｄｃを接続状態とする。また、モータ駆動信号Ｓｄｍとしてアシスト信号を出力する。
これによって、自転車はアシスト自転車として機能する。
クラッチ制御信号Ｓｄｃを接続状態とした後は、ステップＳＴ１８において、クラッチ制御信号Ｓｄｃを切断状態とするまで、クラッチユニット１１５の接続（電動モータ１１４の回転軸と回転軸１１１との接続）は維持される。
この処理が終了後処理はステップＳＴ１０へ戻る。

ステップＳＴ１８では、ＣＰＵは、モータ駆動信号Ｓｄｍを０とし、電動モータ１１４の回転駆動力を０として、クラッチ制御信号Ｓｄｃを切断状態とする。
これによって、自転車の後輪１７が電動モータ１１４と切り離され、アシストがない状態で不要な負荷が生じ、踏力を無駄に消費することが無くなる。

このような処理によって、ハンドブレーキレバー１５を用いることなく、踏力によって、スイッチ機構１１２（スイッチ１１２ａ〜スイッチ１１２ｄのいずれか）を操作することによって、強い制動力を得ることができる。そのため、握力が弱い者であっても容易に自転車を停車させることができる。
なお、ハンドブレーキレバー１５と実施形態の制動（ブレーキ）とを併用することもできる。

所定時間ごとの割り込み処理は、電動モータ１１４の応答速度、人間の応答できる速度よりも速く、例えば、１０μｓ（マイクロ秒）〜１ｍｓ（ミリ秒）に設定されている。そして、ステップＳＴ１０のスイッチ信号Ｓｓｗ
を得る処理を割り込み処理時間毎におこなうので、スイッチ信号Ｓｓｗ を常時監視していると見なすことができる。割込みごとに、ステップＳＴ１１で、スイッチが押されたと判断され続ける場合には、ステップＳＴ１２の電動モータ１１４を用いた制動の操作をおこない続ける。スイッチ機構が押されたと判断さない場合には、ステップＳＴ１５のビラリ効果信号Ｓｓｂを得る処理に移るが、スイッチ機構を切断した直後の短い時間では、人力ではクランク軸１０３を回転させる力を発生させることはできない。よって、処理はステップＳＴ１８に移り、慣性走行のモードとなる。

そのために、スイッチの断続を繰り返すことで所望の制動特性を得ることができるようになる。例えば、スイッチを押し続ければ、電動モータ１１４の逆回転力による制動が働き続け、急停車が可能となる。また、ペダル１２を踏んだり離したりを繰り返すことによって、スイッチ機構１１２のオン（導通）とオフ（切断）のタイミングを制御することによって、好みとする制動特性を自由に得ることができる。

また、スイッチ機構１１２が複数のスイッチを備える場合には、オン（導通）とオフ（切断）のタイミングによる制動のみならず、以下のような、より高度の制御も可能となる。例えば、図６に示すように、スイッチ１１２ａとスイッチ１１２ｂを備える場合には、逆回転させるための、電動モータ１１４に印加する電力を３段階に調整することができる。図６（ｄ）に示すように、左右の両方のペダル１２に踏力を加えた場合には、最大の逆回転力を与えて最大の制動力を得、右のペダル１２に踏力を加えた場合には、より弱い逆回転力を与えてより弱い制動力を得、左のペダル１２に踏力を加えた場合には、逆回転力を与えることなく、回生制動のみをおこない回生電力を得ながら、最も弱い制動力を得るようにすることもできる。

この場合には、図８に示すステップＳＴ１１での処理は「どのスイッチが押されたか検出する」と替えられ、ステップＳＴ１２の処理は、「クラッチ制御信号Ｓｄｃを接続状態とする、モータ駆動信号Ｓｄｍとして、押されたスイッチに応じた大きさの逆回転信号を出力する」と替えられる。また、このような制御をおこなう場合にも、スイッチ機構１１２のオン（導通）とオフ（切断）のタイミングを制御する制動を併用することができる。

（実施形態の変形例）
以上の実施形態の変形例として種々の実施形態が可能である。例えば、スイッチ１１２ａ〜スイッチ１１２ｄのいずれかを操作するのではなく、重量センサ１９からの重量信号Ｓｈｗを監視して、重量信号Ｓｈｗの大きさが急激に減少したときに、踏力が大きくなったと判断することができる。このような制御方法を採用すれば、スイッチ１１２ａ〜スイッチ１１２ｄを設けることなく、さらに、浮動軸受１００を用いることなく、通常のベアリングを用いる軸受機構を採用しながら、電動モータ１１４の逆回転力を用いた制動をすることができる。この場合には、図８に示すステップＳＴ１１での処理は「重量センサ１９からの重量信号Ｓｈｗが前回の割り込み時点と比べて所定値以上に減少したか」と替えられる。

また、スイッチ１１２ａについて、出願人は、可動部材の突出付勢及びスイッチングを行う磁気式のスイッチ装置を出願している（特願２００９−１０３９６６）。メカ機構を有するスイッチの代わりに、磁気センサを用いた非接触プッシュスイッチを採用するものである。このスイッチ装置は、固定側のスイッチ機枠と、このスイッチ機枠に対して往復動作可能に支持された可動部材(押ボタン)を有し、スイッチ機枠と可動部材とにそれぞれ互いに接近するにつれて反発力を強めるように着磁された永久磁石を固定している。永久磁石を固定した可動部材を押込むと、操作者がスイッチ機枠側の環状永久磁石により磁気反発力を感じ、磁力によって磁気抵抗が変化するＧＭＲ素子を設けた機構であるので、メカ的な接触部分がなく、さらに長期の信頼性の高いスイッチを適用することができる。特に、電動補助自転車にあって、防水の要求される電動モータ１１４周りの機構での部品交換頻度を少なくすることができる。

また、ペダル１２の足に触れる側の表面に圧力センサを配置し（図示せず）、この圧力センサからの出力信号を得て、重量センサ１９からの重量信号Ｓｈｗに変えてこの出力信号を用いることができる。このような制御方法を採用すれば、スイッチ１１２ａ〜スイッチ１１２ｄを設けることなく、さらに、浮動軸受１００を用いることなく、通常のベアリングを用いる軸受機構を採用しながら、電動モータ１１４を用いた制御をすることができる。

さらに、別の制御方法としては、通常の走行時に得られる右のペダル１２からの圧力センサの出力信号と左のペダル１２からの圧力センサの出力信号とは、位相が１８０度異なる正弦波信号であるので、クランク軸１０３を回転させる通常の走行状態と制動の操作とを区別するために、左右の両方のペダル１２に配された各々の圧力センサからの出力信号を加算した加算圧力信号を用いる。意図的に制動の動作を行う場合には、加算圧力信号は、通常の走行時におけるよりも大きな一定電圧となるので両者の区別は容易にできる。そして、ステップＳＴ１１での処理を、「加算圧力信号の値が所定値以上である状態を所定割込み回数以上超えたか」と替える。ここで、所定割り込み回数は、通常走行における正弦波の周期よりも長い時間に対応する割り込み回数である。

（第２実施形態の自転車の説明）
図１（ｂ）に示す自転車２は、前輪１６に、電動モータ１１４と同様な電動モータと、クラッチユニット１１５と同様なクラッチユニットと、を組み込んだ、所謂、ホイールインモータのタイプの自転車である。このような、自転車では、電動モータによる前輪駆動とペダル踏力による後輪駆動とが分離しているが、第１実施形態において採用した制御方法はすべて、このようなタイプの自転車にも適用できる。

１、２ 自転車、 １０ 駆動力発生・制御部カバー、 １１ 駆動力発生部、 １２ ペダル、 １３ クランク、 １５ ハンドブレーキレバー、 １６ 前輪、 １７ 後輪、 １９ 重量センサ、 ２０ リヤスプロケット、 ２１ リヤスプロケット、 ２３、２４ チェン、 ３０ 制御部、 ３１ 前輪回転速度計、 ３２ 重量センサ、 １００ 浮動軸受、 １０１ 踏力センサ、 １０２ フロントスプロケット、 １０３ クランク軸、 １０３ａ 凸部材、 １０３ｂ バネ部材、 １０６ 車軸、 １１１ 回転軸、 １１２ スイッチ機構、 １１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ スイッチ、 １１４ 電動モータ、 １１４ａ タコメータ、 １１５ クラッチユニット、 １１８ ミドルスプロケット、 １１９ ワンウェイクラッチ、 １２０ テンショナ、 １０１１ 磁歪材、 １０１２ 磁歪材、 １０１３ ナーリング、 １０１４ ナーリング、 １０１５、１０１６ 検出コイル、 １０２１ ハウジング、 １０２２ 浮動ブッシュ、 １０３０ スイッチ取付板、１０３０ａ 凹部

Claims (5)

1. 乗り手の発生する踏力をクランクに伝える左右一対のペダルと、該クランクに伝えられた該踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備え、
   前記踏力の大きさに応じて、前記電動モータの出力を変化させて、該踏力による回転駆動力と該電動モータによる回転駆動力とを合成して車輪の回転駆動力を調整可能とする電動補助自転車であって、
   前記踏力によって前記クランク軸の回転中心軸を移動させて、スイッチの接続または切断をおこない、前記電動モータからの出力を該スイッチの接続と切断によって変化させて制動の動作をおこなう、電動補助自転車。
2. 前記スイッチは、前記クランク軸を回転可能に支持する軸受に配され、
   前記踏力によって該クランク軸が変位することによって、接続または切断する請求項１に記載の電動自転車。
3. 前記軸受は、
   円筒棒状とされた前記クランク軸の伸びる方向の一部を、空間を有して取り囲むドーナツ形状の浮動ブッシュと、該浮動ブッシュを、空間を有して取り囲むドーナツ形状のハウジングと、を具備し、
   前記空間には潤滑剤が満たされている浮動軸受である請求項１または請求項２に記載の電動補助自転車。
4. 左右一対のペダルが略水平位置とされた状態で、該左右一対のペダルの両方に前記踏力が付与されることによって、前記スイッチの接続または切断が行われる請求項１ないし請求項３のいずれかの１項に記載の電動補助自転車。
5. 乗り手の発生する踏力をクランクに伝える左右一対のペダルと、該クランクに伝えられた該踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備え、
   前記踏力の大きさに応じて、前記電動モータの出力を変化させて、該踏力による回転駆動力と該電動モータによる回転駆動力とを合成して車輪の回転駆動力を調整可能とする電動補助自転車であって、
   サドルに付与される重量を検出する重量センサを有し、
   前記重量センサで検出する重量が所定値以上減少したときに、前記電動モータからの回転駆動力の方向を逆転させて制動の動作をおこなう、電動補助自転車。
   

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