JP2013047083A - 自転車用制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機で走行補助を行う自転車において、簡素な構成で変速動作の完了を確認できるようにする。
【解決手段】変動値測定部１４１，１４２は、クランクの回転に関する変動値を測定する。変速指示部１５１ｂは、変速機に変速を指示する。制限部１５１ａは、変速の指示に基づいて、走行補助用電動機１６１の出力を制限する。判断部１５１ｃは、変動値が所定の範囲である場合に、変速の完了と判断する。制限解除部１５１ａは、判断部１５１ｃの判断に基づいて、走行補助用電動機１６１の前記出力の制限を解除する。
【選択図】図４

Description

本発明は、クランクと、走行補助用電動機と、変速機とを有する自転車、を制御する自転車用制御装置に関する。

人の踏力に加え、モータ駆動力で走行補助を行う電動アシスト自転車が、最近では普及してきている。この電動アシスト自転車に変速機が装備されている場合、その変速機による変速動作がスムーズに行われるように、特許文献１においては、変速の指示があったときに、走行用モータからの補助動力の供給を一時的に停止または低減し、シフトポジションを判別するセンサにより変速動作の完了を確認した後、ライダーを補助する補助動力の供給を回復するという制御が示されている。

特開２００１−１０５８１号公報

特許文献１に示される制御では、変速動作の完了のためにシフトポジションを検出するセンサが必要となるため、自転車の構成が複雑化するという問題がある。また、変速機の種類によってはこのようなセンサを設けることが困難な場合もある。

本発明の課題は、電動機で走行補助を行う自転車において、簡素な構成で変速動作の完了を確認できるようにすることにある。

発明１に係る自転車用制御装置は、クランクと、走行補助用電動機と、変速機とを有する自転車を制御する装置である。自転車用制御装置は、変動値測定部と、変速指示部と、制限部と、判断部と、制限解除部と、を含む。変動値測定部は、クランクの回転に関する変動値を測定する。変速指示部は、前記変速機に変速を指示する。制限部は、変速の指示に基づいて、前記走行用電動機の出力を制限する。判断部は、前記変動値が所定の範囲である場合に、前記変速の完了と判断する。制限解除部は、前記判断部の判断に基づいて、前記走行用電動機の前記出力の制限を解除する。

この自転車用制御装置では、変速指示に基づいて走行用電動機の出力が制限される場合に、クランクの回転に関する変動値の測定結果に基づいて変速の完了が判断され、走行用電動機の出力制限が解除される。そのため、変速位置を確認するためのシフトポジションセンサが不要となり、構成が簡素化される。

発明２に係る自転車用制御装置は、発明１に記載の自転車用制御装置であって、変動値を記憶する記憶部をさらに備える。判断部は、変速指示部が変速を指示する前の変動値に応じて前記所定の範囲を決定する。

この場合、変速指示前後の変動値の変化に基づいて変速の完了が判断可能で、変速動作の完了が確実に判断されやすい。

発明３に係る自転車用制御装置は、発明１または２に記載の自転車用制御装置であって、変動値はクランクの回転速度である。

この場合、クランクの回転速度を測定するだけで変速の完了が判断可能で、変速機の種類に影響を受けず変速の完了が判断できる。

発明４に係る自転車用制御装置は、発明１または２に記載の自転車用制御装置であって、変動値はクランクに作用する踏力の大きさである。

これにより、踏力の大きさを測定するだけで変速の完了を判断できるようになる。走行補助用電動機を有する自転車では、一般に踏力の大きさを測定することが多いため、新たなセンサを設けることなく変速の完了が判断され低コスト化につながる。

発明５に係る自転車用制御装置は、発明４に記載の自転車用制御装置であって、クランクに作用する踏力は、クランク軸に作用する回転トルクによって表される。

この場合には、クランク軸に作用する回転トルクを測定することで、変速機の種類によらず変速の完了が確認できる。

発明６に係る自転車用制御装置は、発明２に記載の自転車用制御装置であって、自転車の走行速度を測定する走行速度測定部をさらに備える。変動値は、クランクの回転速度である。記憶部は回転速度と、走行速度を記憶する。判断部は、変速指示部が変速を指示する前の走行速度および回転速度と、現在の走行速度とに応じて、判断部の使用する所定の範囲を決定する。

この場合、変速指示前後の、走行速度およびクランク軸の回転速度に基づいて、変速の完了が判断されるため、急ブレーキなどにより変速指示前後で走行速度が大きく変化した場合にも、変速の完了を確実に判断できるようになる。

発明７に係る自転車用制御装置は、発明１から６のいずれかに記載の自転車用制御装置であって、変速機は内装変速機である。

内装変速機は、歯車を用いた変速機であり、その取付位置によって、後輪ハブ変速機と呼ばれるものや、クランク軸変速機と呼ばれるものがある。この内装変速機では、伝達するトルクが小さいときのほうが大きいときよりも変速動作が一般にスムーズとなるため、変速動作時は走行補助用電動機の出力が制限され、変速完了後は出力の制限が解除されることが望ましい。本発明では、走行補助用電動機および内装変速機を備える自転車において、簡素な構成で変速の完了を確認し、走行補助用電動機の出力の制限および制限解除を適切に行うことが出来るようになる。

発明８に係る自転車用制御装置は、発明１から６のいずれかに記載の自転車用制御装置であって、変速機は外装変速機である。

外装変速機は、ディレーラによってチェーンをスプロケット間で移動させることで変速を行う変速機である。クランク軸のスプロケット間でチェーンを掛けかえるフロントディレーラ、及び／又は、後輪のスプロケット間でチェーンを掛けかえるリアディレーラを、シフターから延びるワイヤー（ケーブル）または電動モータで動かすことで、変速が行われる。この外装変速機では、ある程度の張力がチェーンに掛かっていても変速動作に悪影響が出ることは少ないが、過度の張力がチェーンに掛かっていると変速しにくい。そのため、変速動作時は走行補助用電動機の出力が制限され、変速完了後は出力の制限が解除されることが望ましい。本発明では、走行補助用電動機および外装変速機を備える自転車においても、簡素な構成で変速の完了を確認し、走行補助用電動機の出力の制限および制限解除を適切に行うことが出来るようになる。

発明９に係る自転車用制御装置は、発明１から８のいずれかに記載の自転車用制御装置であって、走行補助用電動機は、前記自転車のチェーンを駆動させる。

この場合、人の踏力がクランクを介して伝えられるチェーンを、走行補助用電動機によっても直接または間接的に駆動している。変速動作時は走行補助用電動機の出力が制限され、変速完了後は速やかに出力の制限が解除されることが望ましい。本発明では、走行補助用電動機がチェーンを駆動させる自転車においても、簡素な構成で変速の完了を確認し、走行補助用電動機の出力の制限および制限解除を適切に行うことが出来るようになる。

本発明によれば、変速指示に基づいて走行用電動機の出力が制限される場合に、クランクの回転に関する変動値の測定結果に基づいて変速の完了が判断され、走行用電動機の出力制限が解除される。そのため、変速位置を確認するためのシフトポジションセンサが不要で、構成が簡素化され、軽量化・低コスト化が図れる。また、種々の変速機付の電動アシスト自転車に、本発明を適用可能である。

本発明の第１実施形態が採用される自転車の側面図。 本発明の第１実施形態が採用される自転車の自転車用電装システムの構成を示すブロック図。 本発明の第１実施形態が採用される自転車のハンドル部の斜視図。 本発明の第１実施形態による自転車用制御装置のブロック図。 本発明の第１実施形態が採用される自転車のアシストモード時の走行補助用電動機の出力変化の一例。 本発明の第１実施形態による車速がほぼ一定の場合のクランク軸回転速度を利用した変速完了判断の一例。 本発明の第１実施形態による車速変化が大きい場合のクランク軸回転速度を利用した変速完了判断の一例。 変速制御処理のメインルーチンのフローチャートの一例。 自動変速処理のフローチャートの一例。 手動変速処理のフローチャートの一例。 本発明の第２実施形態による自転車用制御装置のブロック図。 本発明の第２実施形態による踏力を利用した変速完了判断の一例。

（１）構成
＜全体構成＞
図１において、本発明の第１実施形態を採用した自転車１０１は、人力による駆動をアシスト機構１０５ａにより補助するアシスト自転車である。自転車１０１は、フレーム体１０２ａとフロントフォーク１０２ｂとを有するフレーム１０２と、ハンドル部１０４と、駆動部１０５と、前輪１０６ｆと、後輪１０６ｒと、図示しないフロントブレーキ装置およびリアブレーキ装置と、前照灯１２３と、を備える。また、自転車１０１は、図２に示す、自転車用の複数の電装品からなる電装システム１５０を有する。電装品として、制御部１５１と、アシスト機構１０５ａと、充電池１０５ｂと、ハンガーユニット１２２ａと、変速ユニット１７０と、前照灯１２３と、変速操作部１７５と、発電ハブ１９０と、を備える。

＜各構成＞
以下では位置関係を説明する上で、左または右という表現を用いるが、ここでの左または右は、自転車１０１を後方から見る場合の左右を示す。

＜フレーム＞
フロントフォーク１０２ｂは、図１に示すように、フレーム体１０２ａの前部に斜めの軸回りに揺動自在に装着される。フロントフォーク１０２ｂの前面には、ＬＥＤを用いた省力型の前照灯１２３が設けられる。フレーム体１０２ａには、サドル１１１およびハンドル部１０４を含む各部が取り付けられる。フレーム体１０２ａの下部中央には、後述するクランク軸１１６を支持するためのハンガー部１２２が設けられる。

ハンガー部１２２には、トルクセンサ１４１と、回転速度センサ１４２とを有するハンガーユニット１２２ａが設けられる。トルクセンサ１４１は、後述するクランク軸１１６に作用する回転トルクを踏力として測定するものである。トルクセンサ１４１は、クランク軸１１６のトルクを、非接触で、或いは、クランク軸１１６またはクランク軸１１６の両端にそれぞれ固定されるクランクアーム１１８に接触して検出する。たとえばトルクセンサ１４１は、たとえばクランク軸１１６に設けられる磁歪素子とその磁歪素子に対向して配置される検出コイルを備える磁歪センサ、クランク軸１１６またはクランクアーム１１８に設けられる歪ゲージ、またはクランク軸１１６を支持するハンガー部１２２に設けられる歪ゲージによって実現される。トルクセンサ１４１は、これらの構成に限られず、クランク軸１１６に生じるトルクに応じて出力が変化するセンサであればよい。回転速度センサ１４２は、クランク軸１１６の時間当たりの回転数、すなわち回転速度を検出するためのセンサである。回転速度センサ１４２は、クランクの回転に関する変動値を測定する変動値測定部の一例である。回転速度センサ１４２には、例えば磁石と、リードスイッチまたはホール素子によって構成される磁石検出部とを含む。回転速度センサ１４２の磁石は、クランクに取り付けられ、磁石検出部は、磁石に対向可能な位置でフレームに設けられる。

＜ハンドル部＞
ハンドル部１０４は、フロントフォーク１０２ｂの上方に固定されるハンドルステム１０４ａと、ハンドルステム１０４ａに固定されるハンドルバー１０４ｂと、を有する。ハンドルバー１０４ｂの両端には、右側ブレーキレバー１１９ｆと、左側ブレーキレバー１１９ｒと、グリップ１１５と、が装着される。また、右側ブレーキレバー１１９ｆの装着部分のライダー側には、後述する変速ユニット１７０を手元で操作するための変速操作部１７５が取り付けられる。

右側ブレーキレバー１１９ｆは、図示しないフロントブレーキケーブルによりフロントブレーキ装置に接続される。左側ブレーキレバー１１９ｒは、図示しないリアブレーキケーブルによりリアブレーキ装置に接続される。

変速操作部１７５は、図２および図３に示すように、第１変速操作ボタン１７５ａと、第２変速操作ボタン１７５ｂと、操作ダイヤル１７５ｃと、を有する。第１および第２変速操作ボタン１７５ａ，１７５ｂおよび操作ダイヤル１７５ｃは、図３に示すように、ハンドル部１０４のグリップ１１５を握りながら人の手で操作できる位置にある。

第１および第２変速操作ボタン１７５ａ，１７５ｂは、押しボタンである。第１変速操作ボタン１７５ａは、低速段から高速段への変速を行うためのボタンである。第２変速操作ボタン１７５ｂは、高速段から低速段への変速を行うためのボタンである。操作ダイヤル１７５ｃは、２つの変速モードとパーキング（Ｐ）モードとを切り換えるためのダイヤルであり、３つの停止位置Ｐ，Ａ，Ｍを有している。ここで２つの変速モードとは、自動変速（Ａ）モードと手動変速（Ｍ）モードである。自動変速モードは、後述する速度センサ１９１からの車速信号に基づいて内装変速ハブ１３０を自動変速するモードである。また、手動変速モードは、変速操作ボタン１７５ａ，１７５ｂの操作により、所望の変速段に内装変速ハブ１３０を変速するモードである。パーキングモードは、内装変速ハブ１３０をロックして後輪１０６ｒの回転を規制するモードであり、走行中には使用されない。

＜駆動部＞
駆動部１０５は、フレーム体１０２ａのハンガー部１２２に回転自在に支持されるクランク軸１１６と、クランク軸１１６の両端にそれぞれ固定されるクランクアーム１１８と、チェーン１１９と、チェーン１１９を駆動して走行を補助するアシスト機構１０５ａと、着脱可能な充電池１０５ｂと、内装変速ハブ１３０と、を有する。クランクアーム１１８は、右クランクアーム１１８ａと左クランクアーム１１８ｂとを有する。右クランクアーム１１８ａおよび左クランクアーム１１８ｂの先端には、ペダル１２１が装着される。右クランクアーム１１８ａと、左クランクアーム１１８ｂとは、１８０度位相が異なる。チェーン１１９は、クランク軸１１６に固定されているフロントスプロケットと、内装変速ハブ１３０に設けられるリアスプロケットとに掛け渡される。

（アシスト機構）
アシスト機構１０５ａは、図２に示すように、走行補助用電動機１６１と、インバータ１６２とを有する。走行補助用電動機１６１は、例えば３相ブラシレスＤＣモータまたは交流モータである。インバータ１６２は、充電池１０５ｂから直流出力される電流を走行補助用電動機１６１の駆動に適した電流交流に変換する。なお、充電池１０５ｂは、アシスト機構１０５ａの電源となるほか、例えば、前照灯１２３および後述する変速ユニット１７０等の電源としても使用される。充電池１０５ｂには、例えばニッケル水素電池またはリチウムイオン電池等が使用される。走行補助用電動機１６１は、チェーンを直接または間接的に駆動可能である。走行補助用電動機１６１は、たとえば減速機構を介してチェーンを駆動してもよいし、減速機構を介してクランクを駆動してもよい。

（内装変速ハブ）
内装変速ハブ１３０は、後輪１０６ｒの中央部に配置され、チェーン１１９により駆動される。内装変速ハブは、変速機の一例である。内装変速ハブ１３０は、例えば８段変速のハブである。また、内装変速ハブ１３０には、例えば、ローラブレーキ、バンドブレーキまたはディスクブレーキ等によって実現されるリアブレーキ装置が連結される。さらに、内装変速ハブ１３０には、遊星歯車機構を備える変速機構を電動駆動するための変速ユニット１７０が連結される。変速ユニット１７０は、図２に示されるように、内装変速ハブ１３０の変速機構を駆動するための変速用電動機１７１を有する。

＜発電ハブ＞
前輪１０６ｆの中心部には、交流発電機である発電ハブ１９０が設けられる。発電ハブ１９０には、例えば、ローラブレーキ、バンドブレーキ、またはディスクブレーキ等のフロントブレーキ装置が連結されている。発電ハブ１９０にローラブレーキ、バンドブレーキ、およびディスクブレーキ等のフロントブレーキ装置が連結されない場合には、フロントフォーク１０２ｂに、Ｖブレーキ、カンチブレーキなどのブレーキ装置を設ければよい。発電ハブ１９０には、自転車の車速を測定する速度センサ１９１が備えられている。発電ハブ１９０には、発電ハブ１９０とは別体で速度センサ１９１が設けられてもよいし、発電ハブ１９０そのものを速度センサ１９１として用いてもよい。速度センサ１９０が発電ハブ１９０とは別体で設けられる場合には、たとえば発電ハブ１９０の回転部分に取り付けられる磁石と、発電ハブ１９０の回転しない非回転部に取り付られるリードスイッチまたはホール素子とによって速度センサ１９０が構成される。発電ハブ１９０そのものを速度センサ１９１として用いる場合には、自転車の走行速度を、発電ハブ１９０のダイナモから出力される交流波形に基づいて算出する。速度センサ１９１は走行速度測定部の一例である。ここでは速度センサ１９１が発電ハブ１９０に設けられているが、たとえばスポークに取り付けられる磁石と、フレームに取り付られるリードスイッチまたはホール素子とによって速度センサを構成してもよい。

＜自転車用制御装置＞
自転車１０１で採用する自転車用制御装置の制御部１５１について説明する。制御部１５１は、マイクロコンピュータを有し、接続された電装品を制御する。マイクロコンピュータは、ＣＰＵ（Central processing unit），ＲＡＭ(random access memory)，ＲＯＭ(read only memory)，Ｉ／Ｏインターフェイスを含む。制御部１５１は、図４に示すように、出力制御部１５１ａと、変速制御部１５１ｂと、判断部１５１ｃと、記憶部１５１ｄと、変速選択部１５１ｅと、を機能部として有する。

（出力制御部）
出力制御部１５１ａは、アシストモード時に、アシスト力としての走行補助用電動機１６１の出力を、踏力に応じて変化させる。具体的には、出力制御部１５１ａは、走行補助用電動機１６１の出力が、トルクセンサ１４１により検出される踏力の所定倍となるよう制御する。出力制御部１５１ａは、複数のアシストモードで走行補助用電動機１６１を制御する。アシストモードとして、踏力の最大２倍のアシスト力で補助する強アシストモード、最大１．５倍のアシスト力で補助する中アシストモード、および最大１倍のアシスト力で補助する弱アシストモードの３つのアシストモードを、出力制御部１５１ａは有している。アシストモードの切換は、ハンドル部１０４に設けられる図示しないスイッチによって行ってもよく、また前記の操作ダイヤル１７５ｃによって行ってもよい。

ところで、トルクセンサ１４１により検出される踏力（ＴＦ）の所定倍を走行補助用電動機１６１の出力（ＡＦ）とする場合、踏力がゼロ近傍に低下するクランクアームの上下死点付近では、走行補助用電動機１６１の出力もほぼゼロに低下する。その結果、走行補助用電動機１６１の出力が頻繁にオン−オフを繰り返し脈動し、ライダーの快適性に悪影響を与える。そこで、各アシストモードでは、脈動を避ける制御が行われる。具体的には、例えば、トルクセンサ１４１により検出される踏力を所定倍して算出される値が所定値を下回る場合には、その所定値が走行補助用電動機１６１の出力としてチェーン１１９に供給される。つまり、走行補助用電動機１６１の出力は、図５のように推移する。図５に示すグラフにおいて横軸は、クランクの位置を表し、縦軸は、踏力および走行補助用電動機の出力を表す。

また、出力制御部１５１ａは、所定の場合に、走行補助用電動機１６１の出力をゼロに制限する。さらに、所定の制限の解除条件が整えば、走行補助用電動機１６１の出力制限を解除し、踏力に応じた制御に復帰する。出力制御部１５１ａは、制限部および制限解除部の一例である。

（変速制御部）
変速制御部１５１ｂは、後述する所定のタイミングで、変速用電動機１７１に対して変速動作の実行を指示する。変速制御部１５１ｂは変速指示部の一例である。

（判断部）
判断部１５１ｃは、回転速度センサ１４２により測定されるクランク軸１１６の回転速度に基づいて変速動作の完了を判断する。判断部１５１ｃの機能については、後ほど詳述する。

（記憶部）
記憶部１５１ｄは、回転速度センサ１４２に計測されるクランク軸１１６の回転速度と、速度センサ１９１により計測される自転車の車速とを記憶する。また、記憶部１５１ｄには、変速制御部１５１ｂが変速を指示する変速段も記憶される。さらに、記憶部１５１ｄには、内装変速ハブ１３０のギヤ比に関する情報も記憶される。

（変速選択部）
変速選択部１５１ｅは、操作ダイヤル１７５ｃによりセットされる変速モードを識別し、各モードに応じた制御を行う。

識別の結果が自動変速（Ａ）モードであれば、速度センサ１９１で測定される車速に応じて変速段を選択し、選択する変速段に変速するよう変速制御部１５１ｂに変速要求を送信する。変速段の選択は、車速と変速段とが関連付けて記憶されたテーブルに基づき行われる。具体的には、変速選択部１５１ｅは自動変速のための２種類のテーブルを保持し、トルクセンサ１４１で検出した踏力に応じていずれのテーブルを使用するかを決定する。より具体的には、高トルクモードおよびノーマルモードの各テーブルを保持しており、各テーブルには自動変速モード時のシフトアップ及びシフトダウンの車速しきい値が記憶されている。高トルクモードにおける車速しきい値は、踏力値が所定値以上になっているときの車速しきい値であり、ノーマルモードにおける車速しきい値は、踏力値が所定値に達していない場合の車速しきい値である。

一方、変速選択部１５１ｅが、操作ダイヤル１７５ｃが手動変速（M）モードにセットされていると識別する場合は、変速選択部１５１ｅは変速の判断に関与せず、変速の実行はライダーが変速操作部１７５を操作することで実行される。

＜判断部の機能＞
判断部１５１ｃによる変速完了の判断について、図６および図７を用いて説明する。図６は、車速がほぼ一定の場合の変速完了判断の一例である。図７は、車速変化が大きい場合の変速完了判断の一例である。

まず、図６について説明する。図６において、横軸は時間を表し、縦軸はクランクの回転数を表す。ここでは、変速動作の開始から完了までの時間は短時間であるため、自転車の車速はほぼ一定と仮定する。

判断部１５１ｃは、変速制御部１５１ｂが変速を指示する直前のクランク軸１１６の回転速度を、記憶部１５１ｄから呼び出す。操作ダイヤル１７５ｃが自動変速モードにセットされている場合においては、判断部１５１ｃは、記憶部１５１ｄから呼び出されるクランク軸１１６の回転速度と、変速選択部１５１ｅが変速を要求する変速段とに応じて、変速後のクランク軸１１６の予想回転速度を算出する。操作ダイヤル１７５ｃが手動変速モードにセットされている場合においては、判断部１５１ｃは、記憶部１５１ｄから呼び出されるクランク軸１１６の回転速度と、第１変速操作ボタン１７５ａもしくは第２変速操作ボタン１７５ｂにより選択される変速の方向（低速から高速、もしくは、高速から低速）とに応じて、変速後のクランク軸１１６の予想回転速度を算出する。具体的には、記憶部１５１ｄに予め記憶された内装変速ハブ１３０のギヤ比に関する情報を使用して、クランク軸１１６の予想回転速度は算出される。

より、具体的には、例えば、変速指示前のクランクの回転速度がｎ１［ｒｐｍ］であり、変速前と変速後との変速段のギヤレシオの比が１：Rである場合には、変速完了後の予想回転速度ｎｐは、ｎ１／R［ｒｐｍ］と算出される。ギヤレシオは、内装変速機の場合には、内装変速機の入力部を１回転したときの内装変速機の出力回転数を表し、外装変速機の場合には、クランクを１回転したときのリアハブ（後輪）の回転数を表す。

判断部１５１ｃは、図６のように、回転速度センサ１４２で計測される現在のクランク軸１１６の回転速度が、算出される予想回転速度ｎｐに対し所定の範囲、例えば、±５％の範囲に入る場合に変速の完了を判断する。なお、図６中のＳは変速指示時点を、Ｆは変速完了と判断される時点を示す。図６は、低速（低ギアレシオ）から高速（高ギアレシオ）変速する例であるが、高速から低速に変速する場合も同様である。ここでは、簡素な構成により変速の完了が判断される。

なお、より望ましくは、判断部１５１ｃは、記憶部１５１ｄに記憶される変速指示前の自転車の車速と、現在の車速とを用いて、回転速度を補正し、補正後の回転速度を用いて判断を行う。車速が変化すると、変速が行われていない場合でも、クランク軸１１６の回転速度が変化するためである。

具体的には、例えば以下のように補正は行われる。変速指示直前の車速をｖ１とし、現在の車速をｖ２、現在の回転速度をｎ［ｒｐｍ］とする。この時、補正後のクランク軸１１６の回転速度は、ｎ×ｖ1／ｖ２［ｒｐｍ］となる。判断部１５１ｃは、補正後のクランク軸１１６の回転速度であるｎ×ｖ1／ｖ２［ｒｐｍ］が、ギヤ比から算出されるクランク軸１１６の予測回転数［ｎｐ］に対し所定の範囲、例えば、±５％の範囲に入る場合に変速の完了を判断する。この場合、図７（Ｂ）のように急ブレーキ等で変速指示後に車速が大きく変化する場合であっても、図７（Ａ）のように変速完了の判断が容易に実行される。なお、図７中のＳは変速指示時点を、Ｆは変速完了と判断される時点を示す。実線Ｃは補正後の回転速度であり、破線Ｄは実際に回転速度センサ１４２により計測される回転速度である。

（２）制御動作
以下に、アシスト中における、制御部１５１の制御動作について、図８から１０のフローチャートの例に基づいて説明する。

まず、図８の変速制御処理のメインルーチンのフローチャートの一例から説明する。

電源が投入されると、ステップＳ１で初期設定を行う。次にステップＳ２では、変速選択部１５１ｅが、操作ダイヤル１７５ｃが自動変速（Ａ）モードにセットされたか否かを判断し、ステップＳ３では、変速選択部１５１ｅが、操作ダイヤル１７５ｃが手動変速（Ｍ）モードにセットされたか否かを判断する。操作ダイヤル１７５ｃが自動変速モードにセットされる場合には、ステップＳ２からＳ４に移行する。ステップＳ４では、後述する自動変速処理が実行される。操作ダイヤル１７５ｃが手動変速モードにセットされる場合には、ステップＳ３からＳ５に移行する。ステップＳ５では、後述する手動変速処理が実行される。

次に、図９に基づいて自動変速処理について説明する。図９は自動変速処理のフローチャートの一例である。

ステップＳ１１では、変速選択部１５１ｅが操作ダイヤル１７５ｃが切り替えられたか否かを判別する。操作ダイヤル１７５ｃが切り替えられた場合には、図８のメインルーチンに戻り、ステップＳ３に移行する。操作ダイヤル１７５ｃが切り替えられていない場合には、ステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１２では、変速選択部１５１ｅは、速度センサ１９１で測定される車速に基づいて、上記のように変速段を選択する。選択する変速段と、現在の変速段が異なる場合、変速選択部１５１ｅは、選択する変速段に変速するよう変速制御部１５１ｂに変速要求を送信する。変速制御部１５１ｂが、変速選択部１５１ｅから変速要求を受け付けた場合、ステップＳ１３に移行する。信号を受け付けていない場合には、ステップＳ１１に戻る。

ステップＳ１３では、出力制御部１５１ａは、走行補助用電動機１６１の出力を制限する。本実施形態では、走行補助用電動機１６１の出力をゼロにする。

ステップＳ１４では、記憶部１５１ｄは、回転速度センサ１４２により検出される現在のクランク軸１１６の回転速度と、速度センサ１９１により検出される現在の自転車の車速とを変速指示前の情報として記憶する。

ステップＳ１５では、変速制御部１５１ｂは、変速機に変速を指示する。具体的には、変速制御部１５１ｂは、変速選択部１５１ｅの要求する変速段に応じて内装変速ハブ１３０を変速させるよう、変速用電動機１７１に動作開始を指示する。

ステップＳ１６では、判断部１５１ｃは、ステップＳ１４で記憶される回転速度と、記憶部１５１ｄに記憶される変速前の変速段および内装変速ハブ１３０のギヤ比に関する情報と、変速選択部１５１ｅの要求する変速段とに基づいて、変速後のクランク軸１１６の予想回転速度を算出する。

ステップＳ１７では、判断部１５１ｃは、回転速度センサ１４２により検出される現在のクランク軸１１６の回転速度が、ステップＳ１６で求めた予想回転速度に対し、所定の範囲に収まるか判別する。この際、上記のように、ステップＳ１４で記憶される自転車の車速と、現在の自転車の車速とを用いてクランク軸１１６の回転速度を補正し、補正後の回転速度と予想回転速度とを比較してもよい。クランク軸１１６の回転速度（もしくは補正後のクランク軸１１６の回転速度）が予想回転速度に対し所定の範囲に収まる場合には、判別部１５１ｃは変速動作の完了を判断し、ステップＳ１８に移行する。

ステップＳ１８では、出力制御部１５１ａが、走行補助用電動機１６１の出力の制限解除を指示する。同時に変速後の変速段は記憶部１５１ｄに記憶される。その後ステップＳ１１に戻る。

次に、図１０に基づいて手動変速処理について説明する。図１０は手動変速処理のフローチャートの一例である。

ステップＳ２１では、変速選択部１５１ｅが、操作ダイヤル１７５ｃが切り替えられたか否かを判別する。操作ダイヤル１７５ｃが切り替えられた場合には、図８のメインルーチンに戻り、ステップＳ２に移行する。操作ダイヤル１７５ｃが切り替えられていない場合には、ステップＳ２２に移行する。

ステップＳ２２では、変速操作部１７５の第１変速操作ボタン１７５ａもしくは、第２変速操作ボタン１７５ｂが、変速要求を受け付けたか否かが判断される。信号を受け付けたと判断される場合は、ステップＳ２３に移行する。信号を受け付けていない場合には、ステップＳ２１に戻る。

ステップＳ２３では、出力制御部１５１ａは、走行補助用電動機１６１の出力を制限する。本実施形態では、走行補助用電動機１６１の出力をゼロにする。

ステップＳ２４では、記憶部１５１ｄは、回転速度センサ１４２により検出される現在のクランク軸１１６の回転速度と、速度センサ１９１により検出される現在の自転車の車速とを変速指示前の情報として記憶する。

ステップＳ２５では、変速制御部１５１ｂは、変速機に変速を指示する。具体的には、変速操作部１７５により指示される変速の方向（低速から高速、または、高速から低速）に応じて内装変速ハブ１３０を変速させるよう、変速制御部１５１ｂは変速用電動機１７１に動作開始を指示する。

ステップＳ２６では、判断部１５１ｃは、ステップＳ２４で記憶される回転速度と、変速操作部１７５により指示される変速の方向と、記憶部１５１ｄに記憶される変速前の変速段および内装変速ハブ１３０のギヤ比に関する情報とに基づいて、変速後のクランク軸１１６の予想回転速度を算出する。

ステップＳ２７では、判断部１５１ｃは、回転速度センサ１４２により検出される現在のクランク軸１１６の回転速度が、ステップＳ２６で求めた予想回転速度に対し、所定の範囲に収まるか判別する。この際、上記のように、ステップＳ２４で記憶される自転車の車速と、現在の自転車の車速とを用いてクランク軸１１６の回転速度を補正し、補正後の回転速度と予想回転速度とを比較してもよい。クランク軸１１６の回転速度（もしくは補正後のクランク軸１１６の回転速度）が予想回転速度に対し所定の範囲に収まる場合には、判別部１５１ｃは変速動作の完了を判断し、ステップＳ２８に移行する。

ステップＳ２８では、出力制御部１５１ａが、走行補助用電動機１６１の出力の制限解除を指示する。同時に変速後の変速段は記憶部１５１ｄに記憶される。その後ステップＳ２１に戻る。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、回転速度センサ１４２の測定値が所定の範囲である場合に、判断部１５１ｃにより変速の完了が判断される。これに対し、第２実施形態では、判断部２５１ｃが、トルクセンサ１４１の変動値に基づいて変速の完了を判断する。ここでは、トルクセンサ１４１は、クランクの回転に関する変動値を測定する変動値測定部の一例である。なお、回転速度センサは第２実施形態では不要である。その他の構成については、第１実施形態と同様である。

図１１に第２実施形態にかかる自転車用制御装置のブロック図を示す。

制御部２５１は、出力制御部２５１ａと、変速制御部２５１ｂと、判断部２５１ｃと、記憶部２５１ｄと、変速選択部２５１ｅと、を有する。２５１ａ、２５１ｂおよび２５１ｅについては第１実施形態と同様であるため、以下判断部２５１ｃと記憶部２５１ｄとについて説明する。

まず、記憶部２５１ｄは、トルクセンサ１４１により計測される踏力を記憶する。また、記憶部２５１ｄには、変速制御部２５１ｂが指示した変速段も記憶される。さらに、記憶部２５１ｄには、内装変速ハブ１３０のギヤ比に関する情報も記憶される。

次に、判断部２５１ｃによる変速完了の判断について説明する。なお、ここでは、変速動作の開始から完了までの短時間には、自転車の走行する路面の傾きは変化せず、自転車が急な加速もしくは減速を行うことがないと仮定する。

判断部２５１ｃは、変速制御部２５１ｂが変速を指示する直前の踏力を、記憶部２５１ｄから呼び出す。操作ダイヤル２７５ｃが自動変速モードにセットされている場合においては、判断部２５１ｃは、記憶部２５１ｄから呼び出された踏力と、変速選択部２５１ｅが選択する変速段とに応じて、変速後の予想踏力を算出する。操作ダイヤル１７５ｃが手動変速モードにセットされている場合においては、判断部２５１ｃは、記憶部２５１ｄから呼び出された踏力と、第１変速操作ボタン１７５ａもしくは第２変速操作ボタン１７５ｂにより選択される変速の方向（低速から高速、もしくは、高速から低速）とに応じて、変速後の予想踏力を算出する。図１２に、低速（低ギアレシオ）から高速（高ギアレシオ）に変速する場合の踏力の変化の例を示す。図１２において、横軸は時間を表し、縦軸は踏力を表す。判断部２５１ｃは、トルクセンサ１４１で計測される踏力が予想される踏力（Ｔｐ）に対し所定の範囲、例えば、±５％の範囲に入る場合に変速が完了したと判断する。図１２中のＳは変速開始時点を、Ｆは変速完了と判断される時点を示す。このような構成をとることで、回転速度センサを用いなくても変速の完了をすることが容易になりやすい。

なお、本構成に、加速度センサおよび／または傾斜角センサ等をさらに設ければ、路面の傾きおよび／または自転車の加速もしくは減速の影響を考慮して変速の完了を判断することも可能となる。

＜他の実施形態＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（ａ）上記実施形態では、クランク軸１１６の近傍にアシスト機構１０５ａを配備し、走行補助用電動機１６１の出力をチェーン１１９に伝えている。このアシスト機構１０５ａに代えて、前輪１０６ｆに走行アシスト用のモータユニットを装着してもよい。このモータユニットの内部には、走行補助用電動機、インバータ、車速センサなどを配置することが好ましい。

（ｂ）上記実施形態では、クランク軸１１６の近傍にアシスト機構１０５ａを配備し、走行補助用電動機１６１の出力をチェーン１１９に伝えている。このアシスト機構１０５ａに代えて、後輪１０６ｒに走行アシスト用のモータユニットを装着してもよい。この場合、モータユニットは変速機の出力側に設けられる。

（ｃ）上記実施形態では、内装変速機を構成する内装変速ハブ１３０を後輪１０６ｒに装着した自転車１０１に本発明が適用される。これに代えて、クランク軸に付けた遊星歯車機構によって変速を行う変速機を持つ自転車に適用してもよい。

（ｄ）上記の実施形態では、内装変速機を構成する内装変速ハブ１３０を後輪１０６ｆに装着した自転車１０１に本発明を適用している。これに代えて、電動駆動されるフロントディレーラおよび／またはリアディレーラを有する外装変速機を備える自転車に本発明を適用してもよい。

（ｅ）上記実施形態では、ステップＳ１３およびステップＳ２３において、出力制御部１５１ａが制御する走行補助用電動機１６１の出力をゼロにして、変速動作が行われるときに一時的に走行アシストがない状態にしている。これに代えて、ステップＳ１３およびステップＳ２３において、走行補助用電動機１６１の出力を、そのときのアシストモードに基づく出力値よりも小さくなるように低下（例えば、半減）させて、変速動作が行われるときの走行アシスト力を一時的に小さくしてもよい。

（ｆ）上記実施形態では、変速用電動機１７１を有する変速機を有する自転車について例示したが、変速用電動機を有する必要はなく、手動で変速用ワイヤを操作する変速機であってもよい。

（ｇ）上記実施形態では、トルクセンサ１４１の出力を踏力として使用しているが、トルクセンサ１４１に代えて、ペダルの踏力を検出するセンサを設けてもよく、またチェーンのテンションを検出するセンサを設けてもよい。

（ｈ）ハンドル部１０４にタッチパネルを有する表示入力装置を固定し、アシストモードの選択、車速や変速段数の表示、充電池１０５ｂの残量表示などを可能にしてもよい。

（ｉ）上記実施形態では、変速指示前後の両方の変速段の情報を用いて、単一の予想変動量を算出している。これに代えて、変速後の変速段の情報を用いることなく、変速前の変速段に対して変化しうる可能性のある変速後の変速段の全てに対して変速後の変動量の予想値を算出してもよい。あるいは、変速前の変速段の情報を用いることなく、変速後の変速段に対してとりうる可能性のある全ての変速前の変速段に対して変速後の変動量の予想値を算出してもよい。この場合には、例えば、いずれかの予想値に対する所定の範囲で、変動値が所定時間維持されると、変速の完了と判定する。

１０１ 自転車
１０５ａ アシスト機構
１１６ クランク軸
１３０ 内装変速ハブ
１４１ トルクセンサ
１４２ 回転速度センサ
１５１，２５１ 制御部
１５１ａ，２５１ａ 出力制御部
１５１ｂ，２５１ｂ 変速制御部
１５１ｃ，２５１ｃ 判別部
１５１ｄ，２５１ｄ 記憶部
１５１ｅ，２５１ｅ 変速選択部
１６１ 走行補助用電動機
１７１ 変速用電動機
１９１ 速度センサ
１７５ａ 第１変速操作ボタン
１７５ｂ 第２変速操作ボタン

Claims (9)

1. クランクと、走行補助用電動機と、変速機とを有する自転車、を制御する自転車用制御装置であって、
   前記クランクの回転に関する変動値を測定する変動値測定部と、
   前記変速機に変速を指示する変速指示部と、
   前記変速の指示に基づいて、前記走行用電動機の出力を制限する制限部と、
   前記変動値が所定の範囲である場合に、前記変速の完了と判断する判断部と、
   前記判断部の判断に基づいて、前記走行用電動機の前記出力の制限を解除する制限解除部と、
   を備える自転車用制御装置。
2. 前記変動値を記憶する記憶部をさらに備え、
   前記判断部は、前記変速指示部が変速を指示する前の前記変動値に応じて前記所定の範囲を決定する、
   請求項１に記載の自転車用制御装置。
3. 前記変動値は、前記クランクの回転速度である
   請求項１または２に記載の自転車用制御装置。
4. 前記変動値は、前記クランクに作用する踏力の大きさである
   請求項１または２に記載の自転車用制御装置。
5. 前記クランクに作用する踏力は、前記クランク軸に作用する回転トルクによって表される、
   請求項４に記載の自転車用制御装置。
6. 前記自転車の走行速度を測定する走行速度測定部をさらに備え、
   前記変動値は、前記クランクの回転速度であって、
   前記記憶部は、前記回転速度と前記走行速度とを記憶し、
   前記判断部は前記変速指示部が変速を指示する前の前記走行速度および前記回転速度と、現在の前記走行速度とに応じて前記所定の範囲を決定する、
   請求項２に記載の自転車用制御装置。
7. 前記変速機は内装変速機である、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の自転車用制御装置。
8. 前記変速機は外装変速機である、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の自転車用制御装置。
9. 前記走行補助用電動機は、前記自転車のチェーンを駆動させる、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の自転車用制御装置。

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