JP6391846B2 - 電動アシスト自転車 - Google Patents

Description

本発明は、電動アシスト自転車に係り、特に、アシストモータ以外の電動装置を備える電動アシスト自転車に関する。

従来から、自転車の発進時等の低車速時に生じやすいハンドルの切れ込みを低減するため、ハンドルの回転軸まわりに専用の装置を備えた自転車が知られている。
特許文献１には、ハンドルの回動軸にモータによる駆動力を印加する電動ステアリング装置を適用し、ハンドルの舵角や操作圧力等に基づいて適切な反力を与えることで、ハンドルの切れ込みを防ぐようにした電動アシスト自転車が開示されている。

特開２０１１−５９３５号公報

特許文献１に記載された電動アシスト自転車のように、単一のバッテリによって、アシストモータおよび電動ステアリング装置の両方に電力を供給する場合には、何らかのバッテリマネジメントを実行しなければ、バッテリ残量がゼロになる直前まで両者が均等に駆動されることとなる。しかし、特許文献１では、バッテリ残量が低下した際の最適なバッテリマネジメントについての検討はされていなかった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、アシストモータおよび電動ステアリング装置に対し、バッテリ残量が低下した際に最適なバッテリマネジメントを実行する電動アシスト自転車を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、前輪（ＷＦ）を軸支するフロントフォーク（８）が操舵可能に軸支される車体フレーム（９）と、前記フロントフォーク（８）のステアリングステム（７）に固定されるハンドル（３）と、運転者のペダル踏力を入力するペダルクランク（１０）と、前記ペダル踏力により回転する後輪（ＷＲ）または前輪（ＷＦ）に補助力を印加するアシストモータ（５２）と、前記ステアリングステム（７）に補助力を印加する操舵補助装置（４０，５０）と、前記アシストモータ（５２）および前記操舵補助装置（４０，５０）に電力を供給するバッテリ（Ｂ）とを有する電動アシスト自転車（１，１ａ）において、前記アシストモータ（５２）および前記操舵補助装置（４０，５０）への供給電力を制御するバッテリマネジメント制御部（５５）を具備し、前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ（Ｂ）のバッテリ残量が減少すると、減少前と比べて前記アシストモータ（５２）および前記操舵補助装置（４０，５０）への供給電力を減少させる制御を行うものであって、前記アシストモータ（５２）または前記操舵補助装置（４０，５０）のいずれか一方への電力供給を優先させて、他方への供給電力をより減少させる制御を含む点に第１の特徴がある。

また、前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ残量が所定量より少ないとき、前記操舵補助装置（４０，５０）への電力供給を優先させ、前記アシストモータ（５２）への供給電力をより減少させる制御を行う点に第２の特徴がある。

また、前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ残量が第１の閾値（Ｗ１，Ｗ４）以下になると、前記操舵補助装置（４０，５０）への電力供給を優先させ、前記アシストモータ（５２）への供給電力の減少を先に開始する制御を行う点に第３の特徴がある。

また、前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ（Ｂ）のバッテリ残量が前記第１の閾値（Ｗ１）より小さな第２の閾値（Ｗ２）以下になると、前記操舵補助装置（４０，５０）への供給電力の減少を開始させると共に、前記アシストモータ（５２）への供給電力の減少率を、前記第１の閾値（Ｗ１）と前記第２の閾値（Ｗ２）との間での減少率より大きくする制御を行う点に第４の特徴がある。

さらに、前記アシストモータ（５２）または前記操舵補助装置（４０，５０）のいずれの電力供給を優先させるかを選択する優先駆動選択スイッチ（２９）を具備し、前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ（Ｂ）のバッテリ残量が所定量より少ないとき、前記優先駆動選択スイッチ（２９）による選択結果に応じて、前記アシストモータ（５２）または前記操舵補助装置（４０，５０）の一方を優先して電力供給をする制御を行う点に第５の特徴がある。

第１の特徴によれば、前記アシストモータ（５２）および前記操舵補助装置（４０，５０）への供給電力を制御するバッテリマネジメント制御部（５５）を具備し、前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ（Ｂ）のバッテリ残量が減少すると、減少前と比べて前記アシストモータ（５２）および前記操舵補助装置（４０，５０）への供給電力を減少させる制御を行うものであって、前記アシストモータ（５２）または前記操舵補助装置（４０，５０）のいずれか一方への電力供給を優先させて、他方への供給電力をより減少させる制御を含むので、アシストモータおよび操舵補助装置のいずれかの機能を長時間持続させることができる。さらに、バッテリ切れによりアシストモータおよび操舵補助装置が不意に同時に停止する事態を回避することができる。

第２，３の特徴によれば、前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ残量が所定量より少ないとき、前記操舵補助装置（４０，５０）への電力供給を優先させ、前記アシストモータ（５２）への供給電力をより減少させる制御を行い、または、前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ残量が第１の閾値（Ｗ１，Ｗ４）以下になると、前記操舵補助装置（４０，５０）への電力供給を優先させ、前記アシストモータ（５２）への供給電力の減少を先に開始する制御を行うので、低速時やハンドル前方に取り付けた前カゴやチャイルドシートの積載量が大きい場合に生じやすいハンドルのふらつきを抑止する機能を長時間持続させることができる。

第４の特徴によれば、前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ（Ｂ）のバッテリ残量が前記第１の閾値（Ｗ１）より小さな第２の閾値（Ｗ２）以下になると、前記操舵補助装置（４０，５０）への供給電力の減少を開始させると共に、前記アシストモータ（５２）への供給電力の減少率を、前記第１の閾値（Ｗ１）と前記第２の閾値（Ｗ２）との間での減少率より大きくする制御を行うので、減少率に差を設けることで、バッテリ残量がゼロに近いところまで減少した場合でも、操舵補助装置への電力供給を優先してハンドルのふらつきを抑止すると共に、バッテリ残量がゼロになるまでの時間を延ばすことができる。

第５の特徴によれば、前記アシストモータ（５２）または前記操舵補助装置（４０，５０）のいずれの電力供給を優先させるかを選択する優先駆動選択スイッチ（２９）を具備し、前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ（Ｂ）のバッテリ残量が所定量より少ないとき、前記優先駆動選択スイッチ（２９）による選択結果に応じて、前記アシストモータ（５２）または前記操舵補助装置（４０，５０）の一方を優先して電力供給をする制御を行うので、運転者の希望に応じたバッテリマネジメントが可能となる。例えば、積載量が小さくハンドルがふらつく可能性が低い場合には、バッテリ残量がゼロに近いところまで減少してもアシストモータへの電力供給を優先させる等の選択をすることができる。

本発明の一実施形態に係る電動アシスト自転車の左側面図である。 電動アシスト自転車の制御系の構成を示すブロック図である。 バッテリのバッテリ残量と供給電力比率との関係を示すグラフである（電動ステアリング装置および電動ステアリングダンパを装備）。 バッテリのバッテリ残量と供給電力比率との関係を示すグラフである（電動ステアリングダンパのみを装備）。 ハンドルスイッチの平面図である。 電動ステアリングダンパおよび電動ステアリング装置の取り付け位置の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電動アシスト自転車１の左側面図である。電動アシスト自転車１は、車体前方に位置するヘッドパイプ６と、該ヘッドパイプ６から後方かつ下方に延びる車体フレームとしてのダウンフレーム９と、ダウンフレーム９の後端から上方に立ち上がるシートパイプ１８とを備える。ヘッドパイプ６には、下方に延びるフロントフォーク８が操舵可能に接続されており、このフロントフォーク８の下端に前輪ＷＦが軸支されている。

ヘッドパイプ６に回動自在に軸支されるステアリングステム７の上端にはハンドル３が設けられており、ハンドル３の両端には、ハンドルグリップ２および前後輪のブレーキレバー１７が取り付けられている。左右のハンドル３の間には、前カゴ兼用のチャイルドシート４および足乗せ台５が取り付けられている。左側のハンドル３のハンドルグリップ２に隣接する位置には、箱状のハンドルスイッチ３０が取り付けられている。

ダウンフレーム９の後端には、後方に延びるリヤフォーク１３が配設されており、このリヤフォーク１３の後端に後輪ＷＲが軸支されている。シートパイプ１８の上部とリヤフォーク１３の後部との間には、左右一対のステー１４が配設されている。

ダウンフレーム９およびリヤフォーク１３は、アシストユニットＰを支持している。シートパイプ１８には、シート１５の上下位置を調整可能とするシートポスト１９が支持されている。シートパイプ１８の後方には、アシストユニットＰに電力を供給するバッテリＢが、車体フレーム側に対して着脱可能に取り付けられている。

車幅方向に延びるペダルクランク軸２７は、アシストユニットＰおよびドライブスプロケット１２を貫通して配設されている。ペダルクランク軸２７の両側には、ペダル１０ａを有するクランク１０が固定されており、運転者がペダル１０ａを踏んで漕ぐことによりペダルクランク軸２７に回転トルクが与えられる。

ペダルクランク軸２７には、ワンウェイクラッチを介してドライブスプロケット１２が取り付けられており、ドライブスプロケット１２の回転は、ドライブチェーン１１を介して後輪ＷＲのドリブンスプロケット１２ａに伝達される。これにより、運転者がペダルクランク軸２７に与えた回転トルクおよびアシストユニットＰが与えたアシストトルクの合力が後輪ＷＲに伝達されることとなる。

アシストユニットＰのケース５１には、アシストモータ５２と、アシストモータ５２を駆動する制御部５３とが含まれる。アシストモータ５２の回転駆動力は、減速機構を介してドライブスプロケット１２に印加される。

前輪ＷＦのハブ２０には車速センサ２６が設けられており、クランクペダル軸２７には運転者によるペダル踏力を検知するペダル踏力センサ２５が設けられている。車速センサ２６は、ハブ２０の内側に設けられた磁石および磁石の通過を検知するホール素子からなる。また、ペダル踏力センサ２５は、ペダルクランク軸２７に近接配置される非接触式の磁歪センサからなる。なお、車速センサ２６およびペダル踏力センサ２５の構造や配置は、種々の変形が可能である。

制御部５３は、ペダル踏力センサ２５によって検出された回転トルク値に基づいて運転者がペダル１０を鉛直方向に踏む力を算出し、この踏み力と電動アシスト自転車１の車速に応じたアシスト比とによって定められるアシストトルクが発生するように、アシストモータ５３を制御する。

電動アシスト自転車１には、操舵補助装置としての電動ステアリングダンパ４０および電動ステアリング装置５０が設けられている。電動ステアリングダンパ４０は、その本体部をダウンフレーム９に設けられた取り付けステー２１に固定すると共に、車体前方側に延出する揺動アームがステアリングステム７に連結されている。これにより、車体の基本構成を変更することなく、ハンドル３の回動動作に任意の大きさの減衰力を与えることができる。また、電動ステアリング装置５０は、ヘッドパイプ６の前方に固定されており、その本体部に内蔵されるモータによってステアリングステム７に任意の回動補助力を与えることができるように構成されている。

電動ステアリングダンパ４０および電動ステアリング装置５０は、車速センサ２６およびペダル踏力センサ２５のセンサ出力に応じて、発進時等の漕ぎ出しの際に生じやすいハンドル３のふらつきを抑止したり、路面の凹凸でハンドル３に外力が加わったりした際の安定性が保たれるように制御される。各センサ信号に対する操舵補助装置の駆動態様は、予め設定されたデータテーブルから導出することができる。

図２は、電動アシスト自転車１の制御系の構成を示すブロック図である。電動ステアリングダンパ４０は、制御部３２からの制御信号に基づいて減衰力を調整可能に構成されている。制御部５３のアシスト制御部５４は、ペダル踏力センサ２５および車速センサ２６のセンサ出力に基づいて、アシストモータ５２を駆動すると共に、電動ステアリングダンパ４０および電動ステアリング装置５０からなる操舵補助装置を駆動する。また、アシストモータ５２および操舵補助装置の制御パラメータに、車体のロール角およびロール方向の回動速度を検知するロール角センサ２８のセンサ出力を含めることもできる。

制御部５３には、バッテリ残量センサＳのセンサ出力が入力される。本願発明では、バッテリ残量が少なくなった場合にアシストモータ５２および操舵補助装置への電力供給の態様を変えるバッテリマネジメント制御部５５が設けられている。バッテリマネジメント制御部５５は、バッテリ残量センサＳのセンサ出力に応じて、例えば、アシストモータ５２への電力供給を減らしても操舵補助装置の駆動時間が長くなるように、操舵駆動装置への電力供給を優先する制御を実行することができる。

図３は、バッテリＢのバッテリ残量Ｗと供給電力比率（％）との関係を示すグラフである。このグラフは、操舵補助装置として電動ステアリングダンパ４０および電動ステアリング装置５０の両方を有する場合に対応する。供給電力比率は、バッテリ残量が十分にある場合の各走行状況における通常の供給電力を１００％としたとき、バッテリ残量が少なくなった際、同一の走行状況で供給される電力の割合である。

本実施形態では、バッテリ残量が減少して第１の閾値Ｗ１以下になると、バッテリマネジメント制御部５５が供給電力の優先度を変更する。具体的には、補助動力装置の電力供給を優先して補助動力装置への供給電力比率（グラフＢ）を１００％（バッテリ残量が第１の閾値Ｗ１より大きい時と同じ）に保つ一方、アシストモータ５２への供給電力比率（グラフＡ）を所定の減少率で減少させる。これにより、アシストモータ５２への電力供給を減らすことで操舵補助装置の駆動時間を増やすことが可能となる。

また、バッテリ残量が第２の閾値Ｗ２以下になると、操舵補助装置への供給電力比率の減少を開始するものの、アシストモータ５２への供給電力比率（グラフＡ）の減少率をさらに大きくするように構成されている。そして、バッテリ残量が第３の閾値Ｗ３以下になると、アシストモータ５２への電力供給はゼロとなり、バッテリ残量がゼロになるまで操舵補助装置への電力供給が所定の減少率で減少しながら継続されることとなる。

操舵補助装置の態様としては、電動ステアリング装置５０のみを有する構成や、電動ステアリングダンパ４０のみを有する構成も考えられる。

図４は、バッテリＢのバッテリ残量Ｗと供給電力比率（％）との関係を示すグラフである。このグラフは、操舵補助装置として電動ステアリングダンパ４０のみを有する場合に対応する。電動ステアリングダンパ４０の電力消費部分は、油路の断面積を増減するバルブを開閉するモータのみであるため、電動ステアリング装置５０に比して消費電力が大幅に小さい。

これに合わせて、本実施形態では、バッテリ残量がゼロになる直前まで電動ステアリングダンパ４０への供給電力比率（グラフＤ）を１００％に保つように設定している。具体的には、バッテリ残量が第４の閾値Ｗ４以下になると、アシストモータ５２への供給電力比率（グラフＣ）のみを所定の減少率で減少させる。その後、バッテリ残量が第５の閾値Ｗ５以下になるまで、アシストモータ５２への供給電力比率は段階的に減らされる一方、電動ステアリングダンパ４０への供給電力比率は、依然として１００％に保っている。

そして、バッテリ残量がゼロに近い第６の閾値Ｗ６以下になってはじめて、電動ステアリングダンパ４０への供給電力比率を所定の減少率で減少させるように構成されている。これにより、バッテリ残量がゼロになる直前まで、バッテリ残量が十分にある場合と同じ減衰力制御が実行されることとなる。

なお、図４に示した第４の閾値Ｗ４は、その閾値以下になるとアシストモータ５２への供給電力比率を減少させる一方、操舵補助装置への供給電力比率を維持するという点で、図３に示した閾値Ｗ１と同じ性質を有する。

また、供給電力比率の態様としては、バッテリ残量が所定閾値以下になった場合に、操舵補助装置およびアシストモータ５２への電力供給比率を異なる減少率で同時に減らし始めることが考えられる。この場合、アシストモータ５２への供給電力比率の減少率を操舵補助装置への供給電力比率より大きくすることで、総電力消費量を抑えながら減衰力制御の有効時間を長くすることが可能となる。

図５は、ハンドルスイッチ３０の平面図である。ハンドルスイッチ３０は、操作スイッチおよびインジケータを備えたインターフェースとして機能する。ハンドルスイッチ３０のケース３１には、速度計３２およびバッテリ残量計３３のほか、操舵補助装置の動作モードを切り換える動作モード切換えスイッチ２９、現在の動作モードを示すインジケータ３７，３８，３９が設けられている。インジケータ３７，３８，３９は、操舵補助装置による影響を最小限とする「オフモード」と、標準設定の「ソフトモード」と、標準設定より操舵系への入力が大きい「ハードモード」に対応しており、動作モード切換えスイッチ２９を押圧する毎に点灯位置が切り換えられる。これにより、車速やペダル踏力に応じて自動的に動作態様を設定するだけでなく、運転者の好みに合わせた調整を可能とするうえ、現在の動作モードを運転者に報知できることができる。

さらに、ハンドルスイッチ３０には、バッテリ残量が第１の閾値Ｗ１以下になった場合に、操舵補助装置およびアシストモータ５２のいずれを優先して駆動するかを選択する優先駆動選択スイッチ３４を備え、現在の選択状況を示すインジケータ３６，３７によって運転者に報知するように構成されている。これにより、バッテリ残量に応じて自動的に優先態様を設定するだけでなく、積載量が小さくハンドル３がふらつく可能性が低い場合には、バッテリ残量がゼロに近くところまで減少してもアシストモータへの電力供給を優先させる等、運転者の好みに合わせた設定が可能となる。

なお、動作モード切換えスイッチ２９は、電動アシスト自転車１の電源スイッチとして兼用することができ、一方、車速センサ等のセンサ出力が長時間ないときは自動的に電源をオフにするように構成することができる。

図６は、電動ステアリングダンパ４０および電動ステアリング装置５０の取り付け位置の変形例を示す図である。本変形例では、ヘッドパイプ６の側方にステーを設けることで、電動ステアリングダンパ４０をヘッドパイプ６の車幅方向左側に隣接配置すると共に、電動ステアリング装置５０をヘッドパイプ６の車幅方向右側に配置している。この変形例によれば、運転者の乗降時に触れることがなくマスの集中を図った操舵補助装置を得ることができる。

なお、電動アシスト自転車の形態、電動ステアリングダンパの構成や取り付け構造、電動ステアリング装置の構成や取り付け構造、電動ステアリングダンパの減衰力の設定や各センサ出力との関係、バッテリ残量が所定閾値以下となった場合の電力供給比率の設定等は、上記実施形態に限られず、種々の変更が可能である。

１…電動アシスト自転車、３…ハンドル、６…ヘッドパイプ、７…ステアリングステム、９…ダウンフレーム、１０…クランク、１０ａ…ペダル、２５…ペダル踏力センサ２５…車速センサ、４０…電動ステアリングダンパ（操舵補助装置）、５０…電動ステアリング装置（操舵補助装置）、５２…アシストモータ、５５…バッテリマネジメント制御部、Ｂ…バッテリ、Ｐ…アシストユニット、Ｗ１，Ｗ４…第１の閾値、Ｗ２…第２の閾値

Claims (5)

1. 前輪（ＷＦ）を軸支するフロントフォーク（８）が操舵可能に軸支される車体フレーム（９）と、前記フロントフォーク（８）のステアリングステム（７）に固定されるハンドル（３）と、運転者のペダル踏力を入力するペダルクランク（１０）と、前記ペダル踏力により回転する後輪（ＷＲ）または前輪（ＷＦ）に補助力を印加するアシストモータ（５２）と、前記ステアリングステム（７）に補助力を印加する操舵補助装置（４０，５０）と、前記アシストモータ（５２）および前記操舵補助装置（４０，５０）に電力を供給するバッテリ（Ｂ）とを有する電動アシスト自転車（１，１ａ）において、
   前記アシストモータ（５２）および前記操舵補助装置（４０，５０）への供給電力を制御するバッテリマネジメント制御部（５５）を具備し、
   前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ（Ｂ）のバッテリ残量が減少すると、減少前と比べて前記アシストモータ（５２）および前記操舵補助装置（４０，５０）への供給電力を減少させる制御を行うものであって、前記アシストモータ（５２）または前記操舵補助装置（４０，５０）のいずれか一方への電力供給を優先させて、他方への供給電力をより減少させる制御を含み、
   前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ残量が所定量より少ないとき、前記操舵補助装置（４０，５０）への電力供給を優先させ、前記アシストモータ（５２）への供給電力をより減少させる制御を行い、
   前記アシストモータ（５２）への供給電力の減少は、供給電力比率を所定の減少率で漸減させるものであり、
   前記操舵補助装置（４０，５０）への供給電力の減少は、供給電力比率を所定の減少率で漸減させるものであり、
   前記アシストモータ（５２）の電力供給比率がゼロになる時点で、前記操舵補助装置（４０，５０）の電力供給は継続されており、
   前記アシストモータ（５２）の電力供給比率が減少を開始してからゼロになるまでの期間内で、前記操舵補助装置（４０，５０）の供給電力比率の減少率が前記アシストモータ（５２）の供給電力比率の減少率より常に小さいことを特徴とする電動アシスト自転車。
2. 前記アシストモータ（５２）の電力供給比率の減少率は、バッテリ残量によって異なり、
   前記バッテリ残量が少ないときの方が、前記バッテリ残量が多いときより前記減少率が大きいことを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。
3. 前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ残量が第１の閾値（Ｗ１，Ｗ４）以下になると、前記操舵補助装置（４０，５０）への電力供給を優先させ、前記アシストモータ（５２）への供給電力の減少を先に開始する制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。
4. 前記アシストモータ（５２）の電力供給比率の減少率は、前記バッテリ残量によって異なり、
   前記バッテリ残量が少ないときの方が、前記バッテリ残量が多いときより前記減少率が大きく、
   前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ（Ｂ）のバッテリ残量が前記第１の閾値（Ｗ１）より小さな第２の閾値（Ｗ２）以下になると、前記操舵補助装置（４０，５０）への供給電力の減少を開始させ、
   前記第２の閾値（Ｗ２）以下での前記アシストモータ（５２）の電力供給比率の減少率が、前記減少を開始したときの減少率より大きい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。
5. 前記アシストモータ（５２）または前記操舵補助装置（４０，５０）のいずれの電力供給を優先させるかを選択する優先駆動選択スイッチ（２９）を具備し、
   前記バッテリマネジメント制御部（５５）は、前記バッテリ（Ｂ）のバッテリ残量が所定量より少ないとき、前記優先駆動選択スイッチによる選択結果に応じて、前記操舵補助装置（４０，５０）を優先して電力供給をする制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。

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