JP7220783B2 - 自転車の電動アシスト装置及び自転車 - Google Patents

Description

本発明は、自転車の電動アシスト装置及び自転車に関し、更に詳細にはペダル踏力を推定してアシスト力を発生する電動モータの制御を行う自転車の電動アシスト装置及び自転車に関する。

電動アシスト自転車として、歪みケージによってペダル系統の歪みを計測し、その計測値からペダル踏力を演算し、ペダル踏力に応じて電動モータの作動を制御するものや（例えば、特許文献１）、ペダルにより駆動されるクランク軸に取り付けられたペダル踏力伝達スリーブを含むペダル踏力センサにより検出されるペダル踏力に応じて電動モータの作動を制御するものが知られている（例えば、特許文献２）。

特開２００７－９１１５９号公報 ＵＳ６１９６３４７Ｂ１公報

上述の従来の電動アシスト自転車では、ペダル踏力の検出のための構造が複雑になる。特に、既存の自転車においてペダル踏力を検出するためには、改造が必要になり、このことが電動アシストユニットの後付によって既存の自転車を電動アシスト自転車とすることの障害になっている。

本発明が解決しようとする課題は、自転車用の電動アシスト装置において、ペダル踏力の検出のための構造が複雑化したり、自転車の改造を要したりすることなく、ペダル踏力に応じたアシスト制御が行われるようにすることである。

本発明の一つの実施形態による電動アシスト装置は、自転車（１０）のフレーム（１８）に取り付けられるハウジング（５２）と、前記ハウジングに設けられた電動モータ（５８）と、前記自転車に設けられ、前記電動モータの電源をなすバッテリ（１２０）と、前記ハウジングに回転可能に支持されて前記電動モータにより回転駆動され、前記自転車のクランク軸（２４）又はクランクアーム（２６、２８）にトルク伝達関係で接続される回転部材（６４）と、前記電動モータの作動を制御する制御装置（１５０）とを含む自転車の電動アシスト装置であって、前記電動モータに接続されたダイナミックブレーキ回路（１２６、１７０）と、前記クランク軸のクランク回転角度を検出する回転角センサ（１３４）と、前記電動モータの電流値を検出する電流センサ（１４０）と有し、前記制御装置は、前記クランク回転角度が所定範囲であるときに、前記バッテリから前記電動モータへの電流の供給を停止し、前記ダイナミックブレーキ回路をオン状態にするダイナミックブレーキ制御部（１６０）と、前記ダイナミックブレーキ回路がオン状態であるときに前記電流センサによって検出される逆起電力による逆電流値から前記自転車のペダル踏力を推定する踏力推定演算部（１５４）と、前記踏力推定演算部によって推定されたペダル踏力に応じて前記電動モータの駆動を制御するモータ駆動制御部（１６４）とを有する。

この構成によれば、ペダル踏力の検出のための構造が複雑化したり、自転車の改造を要したりすることなく、ペダル踏力に応じたアシスト制御が行われる。

前記電動アシスト装置において、好ましくは、前記踏力推定演算部は、前記逆電流値が大きいときには、前記ペダル踏力が大きいと推定する。

この構成によれば、ペダル踏力の推定が的確に行われる。

前記電動アシスト装置において、好ましくは、前記踏力推定演算部は、前記ダイナミックブレーキ回路のオン状態時に、前記クランク軸の惰性回転による惰性逆電流値を、前記逆電流値から減算した実効逆電流値に基づいて前記ペダル踏力を判定する。

この構成によれば、ペダル踏力の推定が正確に行われる。

前記電動アシスト装置において、好ましくは、前記モータ駆動制御部は前記実効逆電流値が負値である場合には前記電動モータの駆動を停止する制御を行う。

この構成によれば、ペダルを漕いでいない惰性走行時に無駄なアシストが行われることがない。

前記電動アシスト装置において、好ましくは、前記ダイナミックブレーキ制御部は、片方のペダルが最上昇位置に位置するクランク回転角度から前記クランク軸が９０度回転したクランク回転角度を含む所定のクランク回転角度範囲及び又は２７０度回転したクランク回転角度を含む所定のクランク回転角度範囲のクランク回転角度であるときに前記ダイナミックブレーキ回路をオン状態にする。

この構成によれば、逆起電力による逆電流値に基づくペダル踏力の推定が的確に行われる。

前記電動アシスト装置において、好ましくは、前記ダイナミックブレーキ制御部は、前記電動アシスト装置の電源のオフ時に前記ダイナミックブレーキ回路を常時オン状態にし、前記電動アシスト装置の電源の再オン後には、前記ダイナミックブレーキ回路を前記所定の角度範囲でのみオン状態にする。

この構成によれば、電源オフ時にダイナミックブレーキ回路が常時オン状態になっても、電源の再オン後は、ダイナミックブレーキ回路が所定の角度範囲でのみオン状態になる定常状態に戻る。

前記電動アシスト装置において、好ましくは、前記ダイナミックブレーキ制御部は、前記電動アシスト装置の電源のオフ時に前記ダイナミックブレーキ回路を常時オン状態にし、前記電動アシスト装置の電源の再オン時に前記クランク軸が手操作によって予め定められたクランク回転角度に設定されることにより、前記ダイナミックブレーキ回路を前記所定の角度範囲でのみオン状態にする。

この構成によれば、ダイナミックブレーキ回路が常時オン状態になることにより、ペダルの漕ぎが重くなり、自転車の盗難防止に寄与する。

前記電動アシスト装置において、好ましくは、前記回転角センサにより検出されるクランク回転角度から前記クランク軸の正転と逆転とを判定するクランク正逆転判定部（１５６）を有し、前記モータ駆動制御部は、前記クランク正逆転判定部より前記クランク軸が逆転していると判定されたときには前記電動モータの駆動を停止する制御を行う。

この構成によれば、クランク軸が逆転している運転状態において、無駄なアシストが行われることがない。

前記電動アシスト装置において、好ましくは、前記クランク軸の回転を検出する回転センサ（１３６）と、前記回転センサにより検出される前記クランク軸の回転から前記ペダルに対する踏力の有無を判定する踏力有無判定部（１５８）とを有し、前記モータ駆動制御部は、前記踏力有無判定部により踏力が無いと判定されたときには前記電動モータの駆動を停止する制御を行う。

この構成によれば、踏力が無い状態において、アシストが行われることがない。

前記電動アシスト装置において、好ましくは、前記自転車の傾きを検出するジャイロセンサ（１３８）を有し、前記モータ駆動制御部は、更に、前記ジャイロセンサによって検出された前記自転車の傾きに応じて前記電動モータの回転出力を補正する制御を行う。

この構成によれば、運転者が意図するアシストが行われると共に安全性が向上する。

前記電動アシスト装置において、好ましくは、前記バッテリの電圧を検出する電圧センサ（１４０）を有し、前記モータ駆動制御部は、更に、前記電圧センサによって検出された電圧の低下に応じて前記電動モータの回転出力を低減する制御を行う。

この構成によれば、バッテリの過放電が抑制される。

本発明の一つの実施形態による自転車は、上述の実施形態による電動アシスト装置を取り付けられている。

この構成によれば、ペダル踏力の検出のための構造が複雑化したり、自転車の改造を要したりすることなく、ペダル踏力に応じたアシスト制御が行われる。

本発明による電動アシスト装置及び自転車によれば、ペダル踏力の検出のための構造が複雑化したり、自転車の改造を要したりすることなく、ペダル踏力に応じたアシスト制御が行われる。

本発明の一つの実施形態による自転車の電動アシスト装置及び自転車の要部の側面図 同実施形態による電動アシスト装置及び自転車の要部の斜視図 同実施形態による電動アシスト装置及び自転車の要部の分解斜視図 同実施形態による電動アシスト装置の制御系のブロック線図 同自転車のクランク回転角度とペダルとの関係を示す説明図 同自転車におけるクランク回転角度と電流との関係を示すグラフ 同実施形態による電動アシスト装置のアシスト制御のフローチャート 他の実施形態による電動アシスト装置の制御系のブロック線図

以下に、本発明による自転車の電動アシスト装置及び自転車の一つの実施形態を、図１～図６を参照して説明する。

図１～図３に示されているように、自転車１０は、略上下方向に延在して上端にサドル（不図示）を取り付けられるシートチューブ１２と、略前後方向に延在するダウンチューブ１４と、左右のチェーンステー１６を含むフレーム１８を有する。シートチューブ１２の下端とダウンチューブ１４の後端及び各チェーンステー１６の前端とはパイプ継手を兼ねたクランク軸支持用の軸受筒体２０によって互いに結合されている。

軸受筒体２０は左右方向に略水平に延在するクランク軸２４（図３参照）を回転自在に支持している。クランク軸２４の左右の軸端は各々軸受筒体２０から左右外方に突出しており、その各軸端に左右のクランクアーム２６、２８の基端が互いに１８０度の回転位相差をもって固定されている。クランク軸２４はクランクアーム２６、２８の回転中心をなし、クランク軸２４の回転中心軸線とクランクアーム２６、２８の回転中心軸線とは同一軸線上にある。

クランクアーム２６、２８の各々の遊端にはペダル３０が取り付けられている。右側のクランクアーム２８と軸受筒体２０との間にはドライブスプロケット（チェーンホイール）３２が配置されている。ドライブスプロケット３２はクランク軸２４に同軸的に連結（固定）されている。

クランク軸２４は左右のクランクアーム２６、２８によって回転駆動される。クランク軸２４の回転は、ドライブスプロケット３２に伝達され、ドライブスプロケット３２から不図示のチェーン式伝動機構によって後輪（不図示）に伝達される。これにより、自転車１０が前進走行する。尚、チェーン式伝動機構と後輪との間にワンウェイクラッチ（不図示）が設けられており、ペダル３０が漕がれることがなく、クランク軸２４が回転しないで状態では、後輪は惰性回転する。以上は一般的な自転車１０の構造である。

自転車１０はユニット化された後付け可能な電動アシスト装置（電動アシストユニット）５０を有する。尚、以下の説明における上下、前後、左右の各方向は、電動アシスト装置５０が、図１及び図２に示されているように、自転車１０のフレーム１８に取り付けられた状態での各方向である。

電動アシスト装置５０は中空構造のハウジング５２を有する。ハウジング５２は円環部５４及び円環部５４から径方向外方に延出した舌片形状の延出部５６を含む。延出部５６の右面にはアシスト力発生用の電動モータ５８が取り付けられている。電動モータ５８はロータ出力軸（不図示）の回転軸線が左右方向に向くように一端側を延出部５６に固定されている。

円環部５４は、図３に示されているように、左右方向に開口した中心開口６０を画定する円筒部６２を含む。円筒部６２は外周部に円環状の回転出力部材６４を回転可能に支持している。円筒部６２は、中心開口６０にクランク軸２４が左右方向に遊嵌合状態で貫通した状態で、回転出力部材６４と共に、フレーム１８とクランクアーム２６との間にクランク軸２４と同軸的に配置される。回転出力部材６４は、ハウジング５２内に設けられた歯車列（不図示）によって電動モータ５８と駆動連結され、電動モータ５８によってクランク軸２４に対して同軸的に回転駆動される。

円筒部６２及び回転出力部材６４をフレーム１８とクランクアーム２６との間に配置することは以下の手順で行われる。先ず、ドライブスプロケット３２が配置されていない左側のペダル３０をスパナ等の一般工具によって取り外す。次に電動アシスト装置５０を横に倒した状態（電動モータ５８が上向きになる姿勢）で、中心開口６０に左側のクランクアーム２６の遊端側を入れ、中心開口６０にクランクアーム２６が入った状態で、電動アシスト装置５０をクランクアーム２６の延在方向に沿ってその基端側（回転中心側）に移動させる。

これにより、円筒部６２及び回転出力部材６４がクランクアーム２６をくぐらせるようにして、クランクアーム２６の基端近傍に到達する。つまり、このくぐらせる作業が行われ得るように、クランクアーム２６の外形に対して中心開口６０の内径が設定されている。

尚、中心開口６０がクランクアーム２６に取り付けられているペダル３０もくぐらせることができる大きい内径を備えていれば、ペダル３０を取り外さなくてもよい。

次に、電動モータ５８が横向きになる正規の姿勢（図１に示されている姿勢）に、電動アシスト装置５０の姿勢を変更し、中心開口６０にクランク軸２４を遊嵌合状態で軸線方向に通す。これにより、円筒部６２及び回転出力部材６４は、ペダル３０の取り外しだけで、或いはペダル３０を取り外す作業も必要とすることなく、中心開口６０にクランク軸２４が左右方向に遊嵌合状態で貫通した状態で、フレーム１８とクランクアーム２６との間に配置される。

回転出力部材６４は結合機構７０によってクランク軸２４及びクランクアーム２６に結合される。結合機構７０は、略円盤形状の結合主部材７２及び２個のクランプ駒部材７４を含む。クランクアーム２６の基端にはクランク軸嵌合孔２６Ａが形成されている。クランク軸嵌合孔２６Ａにはクランク連結部材７８が嵌合している。

結合主部材７２は、略円形皿状をなし、周縁部を複数のボルト７５によって回転出力部材６４に固定され、且つ中心部をボルト７６によってクランク連結部材７８に固定されている。これにより、回転出力部材６４が結合主部材７２及びクランクアーム２６を介してクランク軸２４に同軸的に配置される。

２個のクランプ駒部材７４は、各々、楔形状をなし、クランクアーム２６の基端近傍の回転方向の両側に配置され、対応する結合主部材７２の傾斜縁部７３に当接し、ボルト８０によって結合主部材７２に対して締め付けられることにより、互いに近付く方向に移動してクランクアーム２６を両側から挟み込んで結合主部材７２とクランクアーム２６とを互いにトルク伝達関係に結合する。

これにより、回転出力部材６４は、結合主部材７２及びクランクアーム２６を介してクランク軸２４と同軸的にトルク伝達関係で結合され、結合主部材７２と共にクランク軸２４と一体的に回転する。回転出力部材６４及び結合主部材７２を総称して回転部材と称する。

尚、クランプ駒部材７４に設けられているボルト８０の貫通孔８１（図２参照）は、ボルト８０が結合主部材７２に対して締め付けられることにより、２個のクランプ駒部材７４が互いに近付く方向に移動できるように、オーバル（長円形）形状に形成されている。

ハウジング５２の延出部５６は、電動モータ５８を支持した状態で、ダウンチューブ１４の下方に配置され、支持機構９０によってダウンチューブ１４から吊り下げられた状態で支持されている。

支持機構９０はフレーム側マウント部材９２を含む。フレーム側マウント部材９２は、締結バンド９４によってダウンチューブ１４に固定され、下側に四角枠部９６を含む支持基部部材９８と、四角枠部９６に嵌合して支持基部部材９８に固定された四角板状部１００及び四角板状部１００より下方に延出して前後方向に延在する垂下片部１０２を含む支持片部材１０４とを有する。

垂下片部１０２は、片持ち片であり、クランク軸２４の軸線方向（左右方向）に貫通する肩付きの貫通孔１０３を含む。垂下片部１０２には貫通孔１０３に嵌合した円筒状の固定側ブッシュ１０６が右側への移動を規制された状態で回り止め装着されている。

大径部１０６Ｂの内周面には雌ねじ１０８が形成されている。雌ねじ１０８には可動側ブッシュ１１０の外周面に形成された雄ねじ１０９が、クランク軸２４の軸線方向、つまり左右方向に螺進及び螺退可能にねじ係合している。

可動側ブッシュ１１０は、固定側ブッシュ１０６とは反対の側にフランジ部１１２を有する。フランジ部１１２には可動側ブッシュ１１０が手廻しされ得るように花びら状の凹凸形状になっている。フランジ部１１２のフランジ面はハウジング５２の延出部５６の上部に形成されたボス部（結合部）６６の端面に正対して接触している。

フレーム側マウント部材９２は固定側ブッシュ１０６及び可動側ブッシュ１１０の中心部をクランク軸２４の軸線方向に貫通してボス部６６のねじ孔（不図示）にねじ係合した締結ボルト１１４によってハウジング５２を固定状態で支持している。

このようにして、固定側ブッシュ１０６と可動側ブッシュ１１０とは、ハウジング５２とフレーム１８との間にクランク軸２４の軸線方向に延在する雌ねじ１０８及び雄ねじ１０９によるねじ機構を含み、フレーム側マウント部材９２とハウジング５２との間に於けるクランク軸２４の軸線方向の間隔を調節（増減）可能な調整機構をなす。

この軸線方向の間隔調節によってクランク軸２４の中心軸線（クランク軸線）に対する回転出力部材６４の傾きが補正され、回転出力部材６４がクランク軸線を直交する平面に沿うように、回転出力部材６４の姿勢を補正することができる。

ハウジング５２の延出部５６及び結合主部材７２の外表面には、ハウジング５２に対し結合主部材７２が、換言すると結合主部材７２と一体の回転出力部材６４が所定の回転位置に位置したことを示すための外部より目視可能な三角形のマーク１１６及び１１８［１］～［３］が印刷されている。マーク１１６とマーク１１８［１］～［３］のうちの［１］とは、図１に示されているように、クランク軸２４の回転中心点（回転出力部材６４の回転中心点）Ａと電動モータ５８の回転中心点Ｂとを通る直線（ユニット中心線）Ｃと、クランク軸２４の回転中心点Ａとペダル３０の回転中心点Ｄとを通る直線（クランクアーム線）Ｅとがなす角度βが９０度になったときに合致する。尚、マーク１１８［１］～［３］は、ダイアルの数字を示すものであり、結合主部材７２の回転方向に互いに等間隔をおいて印刷されている。

後述のジャイロセンサ１３８の出力信号に基づいて検出される重力方向に沿う鉛直線Ｖとユニット中心線Ｃとがなす角度γは、フレーム１８に対するハウジング５２の取付角度により決まる。マーク１１６とマーク１１８のうちの［１］とが合致している状態、つまりクランクアーム２６が角度βの回転角度にある状態において、鉛直線Ｖとクランクアーム線Ｅとがなす角度αは、β－γ、つまりα＝９０－γになり、角度αに基づいて回転角センサ１３４のキャリブレーションが後述の制御装置１５０に設けられているキャリブレーション処理部１５２によって行われる。

ハウジング５２の延出部５６には電動アシストのための制御装置１５０（図４参照）が内蔵されている。シートチューブ１２には締結バンド（不図示）等によって電動モータ５８及び制御装置１５０の電源をなす２次電池によるバッテリ１２２が取り付けられている。

電動モータ５８は、図４に示されているように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の巻線ＬＵ、ＬＶ、ＬＷを有する３相交流モータであり、バッテリ１２２から電源スイッチ１２４及びインバータ１２６を介して各巻線ＬＵ、ＬＶ、ＬＷに電流（電力）を供給される。

インバータ１２６は、制御装置１５０によりＰＷＭ制御される電力変換器をなすものであり、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）毎に、パワートランジスタ１２８とダイオード１３０との並列回路を２組ずつ直列に接続されており、パルス幅変調によって電動モータ５８の各相に印加する電圧を定量的に調節する。

インバータ１２６は、各相のパワートランジスタ１２８が同時にオン状態になることにより、巻線ＬＵ、ＬＶ、ＬＷが互いに短絡接続（ショート）され、ダイレクトブレーキ回路として作用する。つまり、インバータ１２６は電力変換器とダイナミックブレーキ回路とを兼ねている。

次に、電動アシスト装置５０の制御系を、図４を参照して説明する。

電動アシスト装置５０には、回転角センサ１３４と、パルスセンサ１３６と、ジャイロセンサ１３８と、電流センサ１４０と、電圧センサ１４２とが設けられている。

回転角センサ１３４は電動モータ５８或いはハウジング５２に設けられ、モータ回転角の回転角（絶対角）或いは回転出力部材６４の回転角（絶対角）を検出する。回転角センサ１３４は、電動アシスト装置５０のハウジング５２が自転車１０のフレーム１８に取り付けられ、回転出力部材６４が結合機構７０によってクランク軸２４に結合されている状態では、クランク軸２４のクランク回転角度（絶対角）を検出することになる。

回転角センサ１３４により検出される絶対角（クランク回転角度θ）のゼロ点（原点）は、図５に示されているように、片方のクランクアーム２６のペダル３０が最上昇位置に位置するクランク軸２４のクランク回転角度に設定される。

尚、以下の説明では、電動アシスト装置５０がフレーム１８に取り付けられているものとして、便宜上、回転角センサ１３４はモータ回転角或いは回転出力部材６４の回転角と等価のクランク軸２４のクランク回転角度を検出すると記載することがある。

パルスセンサ１３６は、クランク軸２４の回転を検出する回転センサであり、ハウジング５２に設けられ、回転出力部材６４の回転を検出する。

ジャイロセンサ１３８はハウジング５２に設けられ、回転出力部材６４（クランク軸２４）の傾斜角を検出する。ジャイロセンサ１３８は傾斜角検出装置の一部を構成するものであり、傾斜角検出装置はジャイロセンサ１３８の出力信号に基づいて重力方向、つまり鉛直線Ｖに対する電動アシスト装置５０の左右方向及び前後方向の傾斜角を検出する。

電流センサ１４０は、電動モータ５８とインバータ１２６とを接続する相毎の接続線５９Ｕ、５９Ｖ、５９Ｗの電流値（モータ電流値Ｉｍ及び逆電流値Ｉｄｂ）を検出する。尚、この電流値の検出は、３相全てについて行われてもよいが、少なくとも３相中の２相について行われることにより、制御に必要な電流値の検出が行われる。

電圧センサ１４２はバッテリ１２２の電圧Ｖｂを検出する。

制御装置１５０は、マイクロコンピュータ等を含む電子制御式のものであり、キャリブレーション処理部１５２と、踏力推定演算部１５４と、クランク正逆転判定部１５６と、踏力有無判定部１５８と、ダイナミックブレーキ制御部１６０と、実効逆電流値演算部１６２と、モータ駆動制御部１６４とを有する。

キャリブレーション処理部１５２は、平坦地においてジャイロセンサ１３８の出力信号に基づいて検出される重力方向を基準として回転角センサ１３４の絶対角を設定するキャリブレーションを行う。

回転角センサ１３４のキャリブレーションは、マーク１１６とマーク１１８[１]とが合致している状態において、つまりクランクアーム２６が回転位置により決まる角度βが９０度である状態において、フレーム１８に対するハウジング５２の取付角度により決まるγを含む演算式α＝９０－γにより計算される角度αに基づいて、回転角センサ１３４の絶対角の基準（原点検出）を設定することが行われる。

マーク１１６とマーク１１８[１]とは、使用者によってクランクアーム２６が逆廻りされるか、自転車１０の後輪（不図示）が路面より離れた状態でクランクアーム２６が廻されることにより合致する。このマーク１１６とマーク１１８[１]とが合致した状態が所定時間に亘って維持されることにより、キャリブレーション処理部１５２は上述の回転角センサ１３４のキャリブレーションを実行する。

これにより、自転車１０に対する電動アシスト装置５０の取付角度にばらつきがあっても、回転角センサ１３４によりクランク回転角度θ（絶対角）の検出が的確に行われる。

尚、回転角センサ１３４のキャリブレーションについて、より詳細な説明が必要ならば、本願出願人と同一の出願人による特願２０１９－８４２５８号の明細書及び図面を参照されたい。

踏力推定演算部１５４は後述の実効逆電流値演算部１６２により演算される実効逆電流値Ｉｅｒに基づいて自転車１０のペダル踏力を推定する。踏力推定演算部１５４は、実効逆電流値Ｉｅｒが大きいときには、ペダル踏力が大きいと推定し、つまり、実効逆電流値Ｉｅｒが大きいほどペダル踏力が大きいと推定し、実効逆電流値Ｉｅｒが小さいほどペダル踏力が小さいと推定する。踏力推定演算部１５４は、実効逆電流値Ｉｅｒが負値であるときには、電動モータ５８の駆動を停止すべくペダル踏力をゼロとする。

踏力推定演算部１５４は、後述するダイナミックブレーキ・オン時に生じる逆起電力による逆電流値Ｉｄｂが安定しないときには、電流センサ１４０により検出される所定のクランク回転角度におけるモータ電流値、回転角センサ１３４により検出されるクランク回転角度θの変化から算出されるクランク角速度或いはクランク角加速度に基づいて自転車１０のペダル踏力を推定する。尚、このペダル踏力の推定について、より詳細な説明が必要ならば、本願出願人と同一の出願人による特願２０１９－５２７９８号の明細書及び図面を参照されたい。

モータ駆動制御部１６４は、ＰＷＭ信号を生成するものであり、基本的には踏力推定演算部１５４によって推定されたペダル踏力に応じた電力をもって電動モータ５８を作動させるべく、インバータ１２６に駆動トルクの制御指令（ＰＷＭ信号）を出力する。

インバータ１２６は、モータ駆動制御部１６４からＰＷＭ信号を与えられる状態下では、通常の電力変換器として作用し、バッテリ１２２から電動モータ５８に供給する電力を定量的に設定する。これにより、電動モータ５８は、ペダル踏力の推定値に応じた駆動トルクによってペダリングのアシストを行う。

クランク正逆転判定部１５６は、回転角センサ１３４により検出されるクランク回転角度に基づいてクランク軸２４の正転と逆転とを判定する。モータ駆動制御部１６４は、クランク正逆転判定部１５６よりクランク軸２４が逆転していると判定されたときには、電動モータ５８の駆動を停止する制御を行う。これにより、クランク軸２４が逆転しているときに無駄なアシストが行われない。

踏力有無判定部１５８は、回転角センサ１３４により検出されるクランク軸２４の回転からペダル３０に対する踏力の有無を判定する。モータ駆動制御部１６４は、踏力有無判定部１５８により踏力が無いと判定されたときには、電動モータ５８の駆動を停止する制御を行う。これにより、踏力が無いときに無駄なアシストが行われない。

モータ駆動制御部１６４は、更に、ジャイロセンサ１３８の出力信号に基づいて検出される重力方向を基準とする傾斜角度に応じて、つまり、自転車１０の重力方向に対する左右方向及び前後方向の傾きに応じて電動モータ５８の駆動トルクを増減する補正制御を行う。これにより、旋回走行時等において自転車１０が左右方向に傾いたときには、アシスト力を弱くしたり、登坂路等において自転車１０が前後方向に傾いたときにはアシスト力を強くしたりすることが行われ、運転者が意図するアシストが行われると共に安全性が向上する。

モータ駆動制御部１６４は、更に、電圧センサ１３２によって検出されたバッテリ電圧Ｖｂの低下に応じて電動モータ５８の回転出力を低減する制御を行う。これにより、バッテリ１２２の過放電が抑えられ、バッテリ１２２の寿命が延びる。また、バッテリ１２２の電力消費が抑えられ、バッテリ１２２の一回の充電におけるアシスト継続距離（時間）が延長される。

ダイナミックブレーキ制御部１６０は、回転角センサ１３４により検出されるクランク回転角度が所定範囲であるときに、バッテリ１２２から電動モータ５８への電流の供給を停止（電断）し、インバータ１２６の各相のパワートランジスタ１２８を同時にオン状態にし、インバータ１２６をダイナミックブレーキ回路として作用させる。このダイナミックブレーキ作用時（ダイナミックブレーキ回路・オン状態時）には、電動モータ５８は、ペダル踏力によって回転駆動され、ペダル踏力に応じた逆起電力を生じる。

この逆起電力は、ペダル踏力が小さい場合に、モータ電流をカットすると、速度低下が大きいので「小」になり、アシスト量が過少の場合、ペダル踏力が大きくなるので、モータ電流をカットしても、あまり速度低下しないので、「大」であると考えられる。

ダイナミックブレーキ制御部１６０は、図５に示されているように、片方のペダル３０が最上昇位置に位置するクランク回転角度（ゼロ点）からクランク軸２４がペダル漕ぎ方向に９０度回転した回転角度を含む所定のクランク回転角度範囲θ１及びゼロ点からクランク軸２４がペダル漕ぎ方向に２７０度回転した回転角度を含む所定のクランク回転角度範囲θ２であるときに、電断状態でダイナミックブレーキ回路をオン状態する。これにより、図６に示されているように、回転角度範囲θ１及び回転角度範囲θ２の各々において逆起電力が生じ、バッテリ１２２によるモータ電流とは極性が反転した逆電流が生じる。尚、回転角度範囲θ１及び回転角度範囲θ２は、２度～７度であってよく、好ましくは５度程度であってよい。

実効逆電流値演算部１６２は、上述の逆起電力による逆電流値Ｉｄｂを電流センサ１４０から取得し、モータ逆電流ｉ、モータ回転数Ｎｍ及びクランク回転数Ｎｃに基づいて下式（１）により惰性回転による逆電流値Ｉｉｇ（図６参照）を算出し、下式（２）に示されているように、逆電流値Ｉｄｂから逆電流値Ｉｉｇを減算することにより、実効逆電流値Ｉｅｒを算出する。

Ｉｉｇ＝｛Ｊｍ・α１・Ｎｍ＋（Ｊｃ＋Ｊｏ）Ｒ^２・α２・Ｎｃ＋１０・Ｋｔ・ｉ｝／（１０・Ｖ）
但し、Ｊｍ：電動モータ５８の慣性モーメント（ｋｇ／ｍ^２） ...（１）
Ｊｃ：クランクアーム２６、２８を含むクランク機構の慣性モーメント（ｋｇ／ ｍ^２）
Ｊｏ：回転出力部材６４を含む回転出力部の慣性モーメント（ｋｇ／ｍ^２）
Ｒ：歯車列のギヤ比
Ｋｔ：電動モータ５８のトルク定数
α１：モータ角加速度（ｒａｄ／ｓｅｃ^２）
α２：クランク角加速度（ｒａｄ／ｓｅｃ^２）
Ｎｍ：モータ回転数（ｒｐｍ）
Ｎｃ：クランク回転数（ｒｐｍ）
ｉ：モータ残電流値（Ａ）
Ｖ：システム電圧（Ｖ）
Ｉｅｒ＝Ｉｄｂ－Ｉｉｇ ...（２）

これにより、実効逆電流値Ｉｅｒは、図６に示されているように、回転角度範囲θ１及び回転角度範囲θ２毎に、つまり、クランク軸２４の半回転毎に算出される。

回転角度範囲θ１及び回転角度範囲θ２は左右両方のペダル３０で見てペダル漕ぎ力が自転車走行に有効に寄与する角度範囲であるから、逆起電力による逆電流値Ｉｄｂはペダル踏力を的確に反映する。このことにより、ペダル踏力を反映した実効逆電流値Ｉｅｒがクランク軸２４の半回転毎に算出される。

これにより、ペダル踏力の検出のための構造が複雑化したり、自転車１０の改造を要したりすることなく、ペダル踏力に応じたアシストが行われるようになる。

ダイナミックブレーキ制御部１６０は、電源スイッチ１２４がオフであるときには、前述のダイナミックブレーキ回路を常時オン状態にし、電源スイッチ１２４が再オンされたときには、クランク軸２４が手操作によって予め定められたクランク回転角度に設定されることによりダイナミックブレーキ回路を前述の所定の角度範囲でのみオン状態にする定常制御状態に戻る。

これにより、クランク軸２４が予め定められたクランク回転角度に設定されるまでは、例えば、マーク１１８が［１］－［３］－［２］の順序をもってマーク１１６に合われる位置に結合主部材７２が回転されたこと（ダイアル合わせ）が、回転角センサ１３４の出力信号から確認されるまで、ダイナミックブレーキ回路が常時オンの状態が維持され、通常の自立走行ができない程度の大きいペダル踏力（ペダル漕ぎ）が必要になる。

上述のダイアル合わせの番号の順序が使用者の秘密になっていることにより、マーク１１６と１１８とがダイアルキーとして機能し、ダイナミックブレーキ回路の常時オンによって通常の自立走行ができない程度の大きいペダル踏力が必要になることから、つまり、通常の自立走行ができない程にペダル漕ぎが重くなることにより、盗難対策がなされる。

尚、ダイアル合わせによる盗難対策は、制御装置１５０におけるモード設定により無効にすることができる。無効時には、電源スイッチ１２４が再オンされるだけで、ダイナミックブレーキ回路が前述の所定の角度範囲でのみオン状態になる定常制御状態に戻る。

次に、制御装置１５０が実行するアシスト制御ルーチンを、図７に示されているフローチャートを参照して説明する。

この制御ルーチンは電動アシスト装置５０の電源スイッチ１２４がオンになることにより開始され、それに伴い各センサ１３４、１３６、１３８、１４０、１４２に対する給電が開始され、マーク１１６と１１８によるダイアル合せの確認が行われる（ステップＳ１０）。正しくダイアル合せが行われるまでは、前回の電源スイッチ１２４のオフ時に設定されたダイナミックブレーキ回路の常時オン状態が維持される。これにより盗難対策がなされる。

正しくダイアル合せが行われると、ダイナミックブレーキ回路がオフ状態になり（ステップＳ１１）、その後に回転角センサ１３４のキャリブレーション処理が行われる（ステップＳ１２）。

キャリブレーション処理が完了すると、次に、待機状態処理が行われる（ステップＳ１３）。待機状態処理は電動モータ５８を停止状態にすることを含む。

次に、電動アシスト装置５０の電源スイッチ１２４がオフに変化したか否かの判別が行われる（ステップＳ１４）。電源スイッチ１２４がオフに変化した場合には、ダイナミックブレーキ回路を常時オンの状態にし（ステップＳ１５）、電源オフ処理が行われる（ステップＳ１６）。電源オフ処理は各センサ１３４、１３６、１３８、１４０、１４２に対する給電を停止することを含む。

電源スイッチ１２４がオフに変化していない場合には，電動モータ５８が逆転しているかの判別が行われる（ステップＳ１７）。電動モータ５８が逆転している場合には、待機状態処理（ステップＳ１３）に戻る。

電動モータ５８が逆転していない場合には、電動モータ５８が１回転したことが確認され（ステップＳ１８）、その後に、電動モータ５８が始動される（ステップＳ１９）。

次に、所定のクランク回転角度範囲θ１、θ２において、電動モータ５８に対する電力供給を停止（電断）し、ダイナミックブレーキ回路をオン状態にすることが行われる（ステップＳ２０）。電断・ダイナミックブレーキ回路オン状態下において、電動モータ５８に逆起電力が生じ、この逆起電力による逆電流値Ｉｄｂが電流センサ１４０によって検出される（ステップＳ２１）。

次に、逆電流値Ｉｄｂの状態が安定しているか否かの判別が行われる（ステップＳ２２）。逆電流値Ｉｄｂの状態が安定してれば、惰性回転による逆電流値Ｉｉｇを算出する演算が行われる（ステップＳ２３）。

次に、逆電流値Ｉｄｂ－Ｉｉｇ＞０であるか否かの判別が行われる（ステップＳ２４）。逆電流値Ｉｄｂ－Ｉｉｇ＞０でないときには、つまり実効逆電流値Ｉｅｒが負値である場合には、アシストを必要としない惰性走行等であると判断して待機状態処理（ステップＳ１３）に戻る。

逆電流値Ｉｄｂ－Ｉｉｇ＞０であるときには、実効逆電流値Ｉｅｒに基づいてペダル踏力の推定が行われ（ステップＳ２５）、推定されたペダル踏力に応じたモータ駆動出力（ＰＷＭ）が演算される（ステップＳ２６）。

次に、演算されたモータ駆動出力によるモータ駆動処理が行われる（ステップＳ２７）。モータ駆動処理は、演算されたモータ駆動出力に応じた電力を電動モータ５８に供給することを含んでいる。これにより、電動モータ５８が駆動され、ペダル踏力に応じたアシストが行われる。

ステップＳ２２における逆電流値Ｉｄｂの状態が安定しているか否かの判別において、逆電流値Ｉｄｂの状態が安定していないと判定された場合には、モータ電流、クランク角速度或いはクランク角加速度やこれらの組み合わせによってペダル踏力の推定が行われ（ステップＳ２８）、推定されたペダル踏力に応じたモータ駆動出力（ＰＷＭ）が演算される（ステップＳ２６）。

これにより、ペダル踏力の検出のための構造が複雑化したり、自転車１０の改造を要したりすることなく、ペダル踏力に応じたアシストが行われると共に、運転者が意図するペダリングの状態に応じたアシストが行われる。

以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、ダイナミックブレーキ回路は、インバータ１２６の内部短絡によらずに、図８に示されているように、常閉型リレースイッチ１７２によって電動モータ５８の各相に抵抗器Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗが接続されるダイナミックブレーキ回路１７０であってもよい。実効逆電流値Ｉｅｒは、演算によらずに、モータ残電流値やクランク回転数等を引数とするデータマップの検索により行われてもよい。また、前記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１０ ：自転車
１２ ：シートチューブ
１４ ：ダウンチューブ
１６ ：チェーンステー
１８ ：フレーム
２０ ：軸受筒体
２４ ：クランク軸
２６ ：クランクアーム
２６Ａ ：クランク軸嵌合孔
２８ ：クランクアーム
３０ ：ペダル
３２ ：ドライブスプロケット
５０ ：電動アシスト装置
５２ ：ハウジング
５４ ：円環部
５６ ：延出部
５８ ：電動モータ
６０ ：中心開口
６２ ：円筒部
６４ ：回転出力部材
６６ ：ボス部
７０ ：結合機構
７２ ：結合主部材
７３ ：傾斜縁部
７４ ：クランプ駒部材
７５ ：ボルト
７６ ：ボルト
７８ ：クランク連結部材
８０ ：ボルト
８１ ：貫通孔
９０ ：支持機構
９２ ：フレーム側マウント部材
９４ ：締結バンド
９６ ：四角枠部
９８ ：支持基部部材
１００ ：四角板状部
１０２ ：垂下片部
１０３ ：貫通孔
１０４ ：支持片部材
１０６ ：固定側ブッシュ
１０６Ｂ ：大径部
１０８ ：雌ねじ
１０９ ：雄ねじ
１１０ ：可動側ブッシュ
１１２ ：フランジ部
１１４ ：締結ボルト
１１６ ：マーク
１１８ ：マーク
１２２ ：バッテリ
１２４ ：電源スイッチ
１２６ ：インバータ
１２８ ：パワートランジスタ
１３０ ：ダイオード
１３２ ：電圧センサ
１３４ ：回転角センサ
１３６ ：パルスセンサ（回転センサ）
１３８ ：ジャイロセンサ
１４０ ：電流センサ
１４２ ：電圧センサ
１５０ ：制御装置
１５２ ：キャリブレーション処理部
１５４ ：踏力推定演算部
１５６ ：クランク正逆転判定部
１５８ ：踏力有無判定部
１６０ ：ダイナミックブレーキ制御部
１６２ ：実効逆電流値演算部
１６４ ：モータ駆動制御部
１７０ ：ダイナミックブレーキ回路
１７２ ：常閉型リレースイッチ
ＬＵ ：巻線
ＬＶ ：巻線
ＬＷ ：巻線
Ｒｕ ：抵抗器
Ｒｖ ：抵抗器
Ｒｗ ：抵抗器

Claims (12)

1. 自転車のフレームに取り付けられるハウジングと、前記ハウジングに設けられた電動モータと、前記自転車に設けられ、前記電動モータの電源をなすバッテリと、前記ハウジングに回転可能に支持されて前記電動モータにより回転駆動され、前記自転車のクランク軸又はクランクアームにトルク伝達関係で接続される回転部材と、前記電動モータの作動を制御する制御装置とを含む自転車の電動アシスト装置であって、
   前記電動モータに接続されたダイナミックブレーキ回路と、
   前記クランク軸のクランク回転角度を検出する回転角センサと、
   前記電動モータの電流値を検出する電流センサと有し、
   前記制御装置は、
   前記クランク回転角度が所定範囲であるときに、前記バッテリから前記電動モータへの電流の供給を停止し、前記ダイナミックブレーキ回路をオン状態にするダイナミックブレーキ制御部と、
   前記ダイナミックブレーキ回路がオン状態であるときに前記電流センサによって検出される逆起電力による逆電流値から前記自転車のペダル踏力を推定する踏力推定演算部と、
   前記踏力推定演算部によって推定されたペダル踏力に応じて前記電動モータの駆動を制御するモータ駆動制御部とを有する電動アシスト装置。
2. 前記踏力推定演算部は、前記逆電流値が大きいときには、前記ペダル踏力が大きいと推定する請求項１に記載の電動アシスト装置。
3. 前記踏力推定演算部は、前記ダイナミックブレーキ回路のオン状態時に、前記クランク軸の惰性回転による逆電流値を、前記逆起電力による前記逆電流値から減算した実効逆電流値に基づいて前記ペダル踏力を判定する請求項１又は２に記載の電動アシスト装置。
4. 前記モータ駆動制御部は前記実効逆電流値が負値である場合には前記電動モータの駆動を停止する制御を行う請求項３に記載の電動アシスト装置。
5. 前記ダイナミックブレーキ制御部は、片方のペダルが最上昇位置に位置するクランク回転角度から前記クランク軸が９０度回転したクランク回転角度を含む所定のクランク回転角度範囲及び又は２７０度回転したクランク回転角度を含む所定のクランク回転角度範囲のクランク回転角度であるときに前記ダイナミックブレーキ回路をオン状態にする請求項１～４の何れか一項に記載の電動アシスト装置。
6. 前記ダイナミックブレーキ制御部は、前記電動アシスト装置の電源のオフ時に前記ダイナミックブレーキ回路を常時オン状態にし、前記電動アシスト装置の電源の再オン後には、前記ダイナミックブレーキ回路を前記所定の角度範囲でのみオン状態にする請求項５に記載の電動アシスト装置。
7. 前記ダイナミックブレーキ制御部は、前記電動アシスト装置の電源のオフ時に前記ダイナミックブレーキ回路を常時オン状態にし、前記電動アシスト装置の電源の再オン時に前記クランク軸が手操作によって予め定められたクランク回転角度に設定されることにより、前記ダイナミックブレーキ回路を前記所定の角度範囲でのみオン状態にする請求項５に記載の電動アシスト装置。
8. 前記回転角センサにより検出されるクランク回転角度から前記クランク軸の正転と逆転とを判定するクランク正逆転判定部を有し、
   前記モータ駆動制御部は前記クランク正逆転判定部より前記クランク軸が逆転していると判定されたときには前記電動モータの駆動を停止する制御を行う請求項１～７の何れか一項に記載の電動アシスト装置。
9. 前記電動アシスト装置において、前記クランク軸の回転を検出する回転センサと、前記回転センサにより検出される前記クランク軸の回転から前記ペダルに対する踏力の有無を判定する踏力有無判定部とを有し、前記モータ駆動制御部は、前記踏力有無判定部により踏力が無いと判定されたときには前記電動モータの駆動を停止する制御を行う請求項１～８の何れか一項に記載の電動アシスト装置。
10. 前記自転車の傾きを検出するジャイロセンサを有し、
    前記モータ駆動制御部は、更に、前記ジャイロセンサによって検出された前記自転車の傾きに応じて前記電動モータの回転出力を補正する制御を行う請求項１～９の何れか一項に記載の電動アシスト装置。
11. 前記バッテリの電圧を検出する電圧センサを有し、
    前記モータ駆動制御部は、更に、前記電圧センサによって検出された電圧の低下に応じて前記電動モータの回転出力を低減する制御を行う請求項１～１０の何れか一項に記載の電動アシスト装置。
12. 請求項１～１１の何れか一項に記載の電動アシスト装置を取り付けられた自転車。

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