JPH08230752A - 電動自転車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 踏力および補助力センサの少くとも一方につ
いて、センサ出力から所定の基準値を減算しその算出値
を真の検出値とするセンサ較正手段と、センサ出力が前
記基準値より小さいときには、そのセンサ出力を新しい
基準値として更新する基準値更新手段を備える。 【目的】 基準値がセンサ出力の最小値で更新されるの
で、踏力又は補助力が零になる期間において、基準値が
正しく更新され、それによって、踏力又は補助力を正確
に検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電動自転車に関し、
特に、人力による主駆動力と、電動機による補助駆動力
とによって駆動するようにした電動自転車に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電動自転車においては、主駆動力
を検出する踏力センサと、補助駆動力を検出する電動機
電流センサとを備え、それらのセンサの検出値に基づい
て、電動機の出力を制御するようにしたものが知られて
いる（例えば、特開平4-100790号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のセンサは、本来、その出力にオフセット量（入力がな
いときに存在する出力分）を含み、そのオフセット量が
温度ドリフトによって変動する上、同種のセンサ間にお
いてもそのオフセット量がバラツクため、これらのセン
サの出力を正しく較正して真の検出値を得ることが難し
いという問題点があった。

【０００４】この発明は、このような事情を考慮してな
されたもので、電動自転車において、主駆動力や補助駆
動力を精度よく検出し、それによって駆動力の制御を適
正に行うことが可能な電動自転車を提供するものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、人力による
主駆動力と、電動機による補助駆動力とによって駆動す
るように構成した電動自転車において、主駆動力を検出
する踏力センサと、補助駆動力を検出する補助力センサ
と、検出される主駆動力と補助駆動力に基づいて電動機
の出力を制御する制御手段を備え、制御手段は、踏力お
よび補助力センサの少くとも一方について、センサ出力
から所定の基準値を減算しその算出値を真の検出値とす
るセンサ較正手段と、センサ出力が前記基準値より小さ
いときには、そのセンサ出力を新しい基準値として更新
する基準値更新手段を備えたことを特徴とする電動自転
車を提供するものである。

【０００６】この発明における人力による主駆動力と
は、通常の自転車に見られるように、人がペダルを踏み
付けて駆動輪に伝達する力であり、その伝達手段には従
来の自転車において公知のものを用いることができる。

【０００７】また、電動機による補助駆動力とは、自転
車に対して人力による駆動力が作動するときに、電動機
から補助的に付与される駆動力のことである。

【０００８】電動機から自転車の駆動輪へ補助駆動力を
伝達する構成としては、電動機の出力を駆動輪の回転軸
へ数段のギヤやベルト又はチェーンを介して伝達する手
段や、電動機の出力軸をギヤで減速した後、駆動輪のタ
イヤ又はリムに伝達する手段などが用いられる。

【０００９】なお、駆動輪の回転速度が、電動機による
駆動回転速度よりも高いときに、電動機が駆動輪に対し
て制動力を与えないよう電動機と駆動輪とは一方向のク
ラッチを介して接続することが好ましい。

【００１０】電動機には、例えば、永久磁石励磁型の直
流ブラシモータを用いることができ、ニッケル−カドミ
ウムの電池のようなバッテリからスイッチングトランジ
スタやサイリスタのようなスイッチング素子を介して電
力が供給される。

【００１１】踏力センサは、人力による主駆動力を検出
するセンサであり、これには、ペダルから駆動輪までの
主駆動力の伝達系に介在して主駆動力に応じて機械的な
歪みや変形を生じる要素と、その歪みや変形量を電気信
号に変換するセンサ（例えば歪みゲージ、ポテンショメ
ータ、又は差動トランスなど）とを組合せたものが用い
られる。

【００１２】補助力センサは、電動機による補助駆動力
を検出するセンサであり、これには電動機から駆動輪ま
での補助駆動力の伝達系に介在して歪みや変形を検出す
るセンサを用いてもよいが、電動機トルクが電動機電流
に比例するので、電動機電流を検出する電流センサを用
いるのが簡便で好ましい。なお、電流センサには、シャ
ント抵抗やホール素子が用いられる。また、これらのセ
ンサの出力は、その値が微小な場合には、オペアンプの
ような増幅器で増幅することが好ましい。

【００１３】制御手段は、一定周期のパルス信号を出力
してスイッチング素子をオン・オフし、各種センサから
の出力信号を処理してそのデューティ比を変化させ主駆
動力に対する補助駆動力の比率、即ち補助率が予めプロ
グラムした値になるように電動機をＰＷＭ制御するもの
であり、これには、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭからな
るマイクロコンピュータを使用することができる。

【００１４】この電動自転車は、車速を検出する車速セ
ンサをさらに備え、基準値更新手段は、車速が零の時に
前記更新処理を行う電動自転車であってもよい。なお、
車速センサは、電動自転車の走行速度を検出するセンサ
であり、これには車輪の回転速度を計測するロータリー
エンコーダ又はタコ・ジェネレータが用いられる。

【００１５】この発明において、基準値更新手段は、セ
ンサ出力が現在の基準値より大きいときには、所定期間
におけるセンサ出力の最大値と最小値の差が所定範囲内
にあれば、その最大又は最小値を新しい基準値として更
新するものであってもよい。

【００１６】この発明において、基準値更新手段は、セ
ンサ出力が現在の基準値より大きいときには、所定期間
におけるセンサ出力の最大値と現在の基準値との差が所
定値以下であれば、前記所定期間における最大又は最小
値を新しい基準値として更新するものであってもよい。

【００１７】この発明において、基準値更新手段は、セ
ンサ出力が現在の基準値より大きいときには、所定期間
において、センサ出力の最大値と最小値との差が所定範
囲内にあり、かつ、その最大値と現在の基準値との差が
所定値以下であれば、その最大値又は最小値を新しい基
準値として更新するものであってもよい。

【００１８】

【作用】請求項１に係る発明においては、センサ校正手
段は、踏力および補助力センサの少くとも一方につい
て、センサ出力から所定の基準値を減算してその減算値
を真の検出値とし、基準値更新手段は、センサ出力が基
準値よりも小さいときには、そのセンサ出力を新しい基
準値として更新する。制御手段は、それによって得られ
た検出値に基づいて電動機の出力を制御する。

【００１９】請求項２に係る発明においては、基準値更
新手段は、車速が零の時に前記更新処理を行う。

【００２０】請求項３に係る発明においては、基準値更
新手段は、センサ出力が現在の基準値より大きいときに
は、所定期間におけるセンサ出力の最大値と最小値の差
が所定範囲内にあれば、その最大又は最小値を新しい基
準値として更新する。

【００２１】請求項４に係る発明においては、基準値更
新手段は、センサ出力が現在の基準値より大きいときに
は、所定期間におけるセンサ出力の最大値と現在の基準
値との差が所定値以下であれば、前記所定期間における
最大又は最小値を新しい基準値として更新する。

【００２２】請求項５に係る発明においては、基準値更
新手段は、センサ出力が現在の基準値より大きいときに
は、所定期間において、センサ出力の最大値と最小値と
の差が所定範囲内にあり、かつ、その最大値と現在の基
準値との差が所定値以下であれば、その最大値又は最小
値を新しい基準値として更新する。

【００２３】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明
を詳述する。これによって、この発明が限定されるもの
ではない。図１は、実施例の電動自転車の側面図、図２
はこの電動自転車の駆動系の構成説明図である。

【００２４】これらの図において、電動自転車本体１
は、人力駆動手段９および電動駆動手段１２によって駆
動する駆動輪２と、走行方向を決定する前輪３を有す
る。さらに本体１は、立パイプ４、上パイプ５、そして
下パイプ６とによって構成されたフレームを備え、立パ
イプ４の上端にはサドル７が設けてある。そして、上パ
イプ５と下パイプ６とが交わる部分の上方に前輪３の方
向を定めるハンドル８が設けてある。

【００２５】駆動輪２を駆動する人力駆動手段９は一般
の自転車と同様、ペダル１０を有し、使用者がペダル１
０を足で踏んで回転させることによってチェーン１１に
駆動力（踏力ともいう）が伝達され、その駆動力がスプ
ロケット１１ａと一方向クラッチ１１ｂと踏力センサ１
１ｃとを介して駆動輪２に伝達されて、駆動輪２が駆動
するようになっている。

【００２６】なお、踏力センサ１１ｃには、スプロケッ
ト１１ａの回転軸と駆動輪２の回転輪とを弾性体で接続
し、弾性体の歪みによって変位する磁石を検出コイルで
検出する構成のものを使用している。

【００２７】また、一方向クラッチ１１ｂは、踏力が駆
動輪２に与えようとする回転速度よりも実際の駆動輪２
の回転速度が高い時に、駆動輪２からチェーン１１に駆
動力が伝達されないように作用する。

【００２８】人力駆動手段９と併用して駆動輪２を駆動
する電動駆動手段１２は、駆動輪２上部に設けた充電可
能なバッテリ１３を電源とし、バッテリ１３から駆動輪
２のハブに設けた電動機１４に電力を供給する。

【００２９】電動駆動手段１２では、電動機１４からの
出力が、ギヤとベルトからなる減速機構１４ａにより減
速され一方向クラッチ１４ｂと車速センサ１４ｃを介し
て駆動輪２に伝達される。一方向クラッチ１４ｂは、電
動機１４が駆動輪２に与えようとする回転速度よりも駆
動輪２の実際の回転速度の方が高い時に、駆動輪２から
電動機１４に駆動力が逆伝達されないように作用する。

【００３０】車速センサ１４ｃは、駆動輪２の回転軸に
設けられ、駆動輪２の回転速度に比例した周波数のパル
スを出力するロータリーエンコーダである。

【００３１】次に、この電動自転車の制御回路を図３を
用いて説明する。図３に示すように、電動機１４と電動
機電流センサ（以下電流センサという）２２との直列回
路に、スイッチング素子２１と電源スイッチ１９を介し
てバッテリ１３の電圧が印加され、この直列回路にフラ
イホイルダイオード２０が接続されている。

【００３２】１７はＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭからな
るマイクロコンピュータ（以下マイコンという）であ
る。マイコン１７は、車速センサ１４ｃと電流センサ２
２と踏力センサ１１ｃからの出力を受けて信号処理を行
い、パルス信号をスイッチング素子２１へ出力する。但
し、電流センサ２２の出力電圧はアンプ２２ａによって
増幅されてマイコン１７へ入力される。

【００３３】なお、この実施例において、電動機１４に
は永久励磁式の直流ブラシモータ（最高出力３００Ｗ）
を、バッテリには２４Ｖ、５Ａｈのニッケル−カドミウ
ム電池を、電流センサ２２には、２．２５ｍΩのシャン
ト抵抗をそれぞれ使用している。また、マイコン１７
は、スイッチング素子２１を２４４Ｈｚの周波数でオン
・オフして、電動機１４をＰＷＭ制御するようになって
いる。

【００３４】このような構成において、電源スイッチ１
９がオンされ、電動自転車のペダル１０が使用者によっ
て踏まれると、その踏力がチェーン１１を介して駆動輪
２へ伝達される。

【００３５】そこで、マイコン１７は、踏力センサ１１
ｃの出力信号Ｕおよびアンプ２２ａの出力信号Ｖからオ
フセット分を除去してＵｒ、Ｖｒとし、それぞれ増幅率
ＡとＢで増幅し、それらの差（Ａ・Ｕｒ−Ｂ・Ｖｒ）に
よってスイッチング素子２１のデューティ比を変化さ
せ、Ａ・Ｕｒ＝Ｂ・Ｖｒになるように電動機１４の出力
を制御する。そして、増幅率Ａ又はＢを車速センサ１４
ｃの出力信号Ｗに応じて変化させる。

【００３６】これによって、図４の車速−補助率特性に
示すように、車速が１５ｋｍ／時以下では主駆動力＝補
助駆動力（補助率＝１）、１５ｋｍ／時以上では補助力
を直線的に低下させ２４ｋｍ／時以上では零となる特性
が得られる。

【００３７】次に、マイコン１７において実行されるセ
ンサの出力の較正処理について詳述する。 （１）電流センサの出力の較正 図３に示すように電流センサ（シャント抵抗）２２の出
力はアンプ２２ａで増幅されてマイコン１７に入力され
るため、アンプ２２ａの出力電圧Ｖは図５に示すよう
に、電動機電流に対応する正味の検出電圧Ｖｒとオフセ
ット電圧Ｖosを含む。

【００３８】そこで、電源スイッチ１９の投入直後に
（つまり、停車中と考えられる時に）、アンプ２２ａの
出力電圧をオフセット電圧に対応する基準値Ｖthとみな
して読取り、 Ｖｒ＝Ｖ−Ｖth……（１） から真の検出電圧Ｖｒを求める方法が考えられる。

【００３９】しかし、運転者が電動自転車本体１を自力
で後退させる途中で、万一、電源スイッチ１９を投入す
ると、電動機１４は逆転して起電力を生じているため、
スイッチング素子２１がオフ状態であっても、フライホ
イルダイオード２０を介して電流センサ２２に電流が流
れる。従って、図６に示すように実際のオフセット電圧
Ｖosよりも高い電圧が基準値Ｖthとして決定され、式
（１）から真の検出電圧Ｖｒを求めることができない。

【００４０】そこで、マイコン１７は図７のフローチャ
ートに示す工程を実行する。図７において、アンプ２２
ａの出力Ｖを所定時間（たとえば数秒間）検出して、そ
の平均値Ｖaveを基準値Ｖthとする（ステップＳ１）。
次に、出力Ｖが基準値Ｖthよりも小さいときには（ステ
ップＳ２）、基準値Ｖthをその出力Ｖで更新し（ステッ
プＳ３）、式（１）から検出値Ｖｒを求める。なお、ス
テップＳ２、Ｓ３における出力Ｖは、短い時間、例え
ば、３０ｍsecの間における最大値とすることが好まし
い。

【００４１】というのは、アンプ２２ａの出力はノイズ
を含むことがあるので、３０ｍsec間の出力Ｖの最大値
が基準値Ｖthよりも小さいとき、つまり、３０ｍsec間
の出力Ｖの全ての値が基準値より小さいときに基準値を
更新することになり、基準値の精度が高まるからであ
る。

【００４２】このようにして、基準値Ｖthは、常に、最
小値に更新されるので、図８のように、電動機電流が零
になる期間に正しい値に更新されることになる。従っ
て、マイコン１７は式（１）により、正確な電動機電流
（補助駆動力）を検出することができる。

【００４３】図９は、図７に示すフローチャートのステ
ップＳ２とステップＳ３との間にステップＳ４の工程を
挿入したものであり、ステップＳ４では、車速センサ１
４ｃの出力Ｗに基づいて車速が零であることを確認され
る。従って、次のステップＳ３における基準値Ｖthが、
さらに正しい値で更新されることになる。

【００４４】（２）踏力センサの出力の較正 踏力センサ１１ｃの出力もオフセット電圧を有するがそ
れは、前述の電流センサと同様、図１０のステップＳ１
１〜Ｓ１３のように、基準値をセンサ出力の最小値で書
き換えることにより較正することができる。しかし、オ
フセット電圧が温度ドリフトによって増大する場合には
対応できない。

【００４５】そこで、この場合、マイコン１７は、図１
０のステップＳ１４以降の工程を実行する。つまり、ス
テップ１２においてセンサ１１ｃの出力Ｕがステップ１
１で決定した基準値Ｕth以上である場合には、所定期間
Ｔ（走行中の踏力の変動周期野最大値：約４sec）にお
ける出力の最大値Ｕmaxと最小値Ｕminとの差を演算し、
その差ΔＶが所定値Ｃより小さい場合には（ステップＳ
１４）、最大値Ｕmaxを又は最小値Ｕmin新しい基準値Ｕ
thとする（ステップＳ１５）。

【００４６】そして、この新しい基準値に基づいて検出
値Ｕｒを、 Ｕｒ＝Ｕ−Ｕth……（２） から求める。

【００４７】つまり、図１０のフローチャートによれ
ば、 (1) 出力Ｕが減少するときには、図１１に示すように、
最初に基準値Ｕthが実際の値よりも大きく設定されて
も、期間Ｔ１において、図１０のステップＳ１１〜Ｓ１
３に示すように基準値Ｕthが出力Ｕの最小値に更新さ
れ、基準値Ｕthは正しい値に到達する。

【００４８】(2) 出力Ｕが増大するときには、その原因
がドリフトによるものか、あるいは踏力によるものかを
判別できない。そこで、ステップＳ１４、Ｓ１５に示す
ように所定期間Ｔ（約４sec間）における出力の変動
幅、つまり、最大値Ｕmaxと最小値Ｕmaxの差が、通常走
行時の踏力の変動幅より小さい場合（振幅がＣより小さ
い場合）には、踏力が作用していないものとして、図１
２に示すように、期間Ｔにおける最大値Ｕmaxを新しい
基準値Ｖthとするのである。

【００４９】図１３は、図１０に示すフローチャートの
ステップＳ１４とステップＳ１５との間にステップＳ１
６の工程を挿入したものであり、ステップＳ１６では、
ステップＳ１４における出力の最大値Ｕmaxと現在の基
準値Ｕthとの差がα（基準値更新可能幅）よりも小さい
か否かを判別し、小さい場合にはその最大値Ｕmax（又
は最小値Ｕmin）が新しい基準値Ｕthになる。

【００５０】これは、センサ出力が一定あるいはその変
動幅が小さくても、停車中に運転者がペダルに足を乗せ
た状態にあることが考えられるので、図１４に示すよう
にセンサ出力Ｕの変動幅ΔＵは小さくても、センサ出力
Ｕが現在の基準値Ｕthより大きすぎる（α以上）場合に
は、更新しないようにしたものである。これによって、
更に正確な基準値Ｕthが得られる。

【００５１】また、停車中に運転者がペダルに軽く足を
乗せた状態にある（小さい踏力が作用している）とき
に、誤ってその時のセンサ出力で基準値Ｕthを更新した
としても、ステップＳ１１〜Ｓ１３の工程によって図１
５に示す走行開始直後の期間Ｔ２において、正しい基準
値Ｕthに更新される。

【００５２】なお、図１０および図１３のステップＳ１
２およびＳ１３におけるセンサ出力Ｕは、図７や図９の
ステップＳ２およびＳ３におけると同様に３０ｍsec間
におけるセンサ出力の最大値であることが好ましい。こ
のようにして、マイコン１７は、得られた基準値Ｕthに
基づいて、正確な検出値Ｕｒを式（２）から算出するこ
とができる。

【００５３】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、基準値が
センサ出力の最小値で更新されるので、踏力又は補助力
が零になる期間において、基準値が正しく更新され、そ
れによって、踏力又は補助力を正確に検出することがで
きる。

【００５４】請求項２に係る発明によれば、車速が零の
時に、つまり、踏力又は補助力が零であると考えられる
時に基準値が更新されるので、基準値はさらに正しく更
新される。

【００５５】請求項３に係る発明によれば、基準値更新
手段は、センサ出力が現在の基準値より大きいときに
は、所定期間におけるセンサ出力の最大値と最小値の差
が所定範囲内にあれば、その最大又は最小値を新しい基
準値として更新するので、センサ出力のオフセット分が
ドリフトによって増大しても、基準値が正しく更新され
る。

【００５６】請求項４に係る発明によれば、基準値更新
手段は、センサ出力が現在の基準値より大きいときに
は、所定期間におけるセンサ出力の最大値と基準値との
差が所定値以下であれば、前記所定期間における最大又
は最小値を新しい基準値として更新するので、センサ出
力のオフセット分がドリフトによって増大しても、基準
値が正しく更新される。

【００５７】請求項５に係る発明によれば、基準値更新
手段は、センサ出力が現在の基準値より大きいときに
は、所定期間において、センサ出力の最大値と最小値と
の差が所定範囲内にあり、かつ、その最大値と現在の基
準値との差が所定値以下であれば、その最大値又は最小
値を新しい基準値として更新するので、センサ出力のオ
フセット分がドリフトによって増大しても、基準値が正
しく更新される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す電動自転車の側面図で
ある。

【図２】実施例の電動自転車の駆動系の構成説明図であ
る。

【図３】実施例の制御回路図である。

【図４】実施例の車速一補助率特性図である。

【図５】センサ出力の時間的変化を示すグラフである。

【図６】センサ出力の時間的変化を示すグラフである。

【図７】実施例の動作を示すフローチャートである。

【図８】センサ出力の時間的変化を示すグラフである。

【図９】実施例の動作を示すフローチャートである。

【図１０】実施例の動作を示すフローチャートである。

【図１１】センサ出力の時間的変化を示すグラフであ
る。

【図１２】センサ出力の時間的変化を示すグラフであ
る。

【図１３】実施例の動作を示すフローチャートである。

【図１４】センサ出力の時間的変化を示すグラフであ
る。

【図１５】センサ出力の時間的変化を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１ 本体 ２ 駆動輪 ３ 前輪 ４ 立パイプ ５ 上パイプ ６ 下パイプ ７ サドル ８ ハンドル ９ 人力駆動手段 １０ ペダル １１ チェーン １２ 電動駆動手段 １３ バッテリ １４ 電動機

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人力による主駆動力と、電動機による補
   助駆動力とによって駆動するように構成した電動自転車
   において、主駆動力を検出する踏力センサと、補助駆動
   力を検出する補助力センサと、検出される主駆動力と補
   助駆動力に基づいて電動機の出力を制御する制御手段を
   備え、制御手段は、踏力および補助力センサの少くとも
   一方について、センサ出力から所定の基準値を減算しそ
   の算出値を真の検出値とするセンサ較正手段と、センサ
   出力が前記基準値より小さいときには、そのセンサ出力
   を新しい基準値として更新する基準値更新手段を備えた
   ことを特徴とする電動自転車。
2. 【請求項２】 車速を検出する車速センサをさらに備
   え、基準値更新手段は、車速が零の時に前記更新処理を
   行う請求項１記載の電動自転車。
3. 【請求項３】 基準値更新手段は、センサ出力が現在の
   基準値より大きいときには、所定期間におけるセンサ出
   力の最大値と最小値の差が所定範囲内にあれば、その最
   大又は最小値を新しい基準値として更新することを特徴
   とする請求項１記載の電動自転車。
4. 【請求項４】 基準値更新手段は、センサ出力が現在の
   基準値より大きいときには、所定期間におけるセンサ出
   力の最大値と現在の基準値との差が所定値以下であれ
   ば、前記所定期間における最大又は最小値を新しい基準
   値として更新することを特徴とする請求項１記載の電動
   自転車。
5. 【請求項５】 基準値更新手段は、センサ出力が現在の
   基準値より大きいときには、所定期間において、センサ
   出力の最大値と最小値との差が所定範囲内にあり、か
   つ、その最大値と現在の基準値との差が所定値以下であ
   れば、その最大値又は最小値を新しい基準値として更新
   することを特徴とする請求項１記載の電動自転車。