JPH107068A - 補助動力付き自転車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トルクセンサー部の異常および低トルク状態
の検出によりモータを停止させて安全性を高めると共
に、電池の充電１回当りの走行距離を伸ばすこと。 【解決手段】 人力駆動の動力伝達装置と共に電力駆動
の補助動力装置を備えた自転車において、走行速度を検
出する走行速度検出部Ａと、ペダルを介して伝えた人力
をトルクとして検出するトルク検出部Ｂと、前記補助動
力装置のモータ１５に流れる電流値を検出するモータ電
流検出部Ｃと、前記モータ１５の電源電池１６の電圧値
を検出する電池電圧検出部Ｄと、前記走行速度検出部
Ａ，トルク検出部Ｂ，モータ電流検出部Ｃ，電池電圧検
出部Ｄの出力をマイコン３８によって処理して制御する
コントローラ１７とを具備し、前記トルク検出部Ｂの出
力値と基準値との差を所定の時間積分し、この積分値と
基準積分値とを比較すると共に、この積分値が基準積分
値より小さければ異常としてモータ出力を停止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ペダルによる人力
駆動の動力伝達装置と共に電池による電力駆動の補助動
力装置を備えた補助動力付き自転車に関するもので、更
に詳しくいえば、ペダルを介して伝達された人力をトル
クとして検出するトルクセンサーの異常を検出し、安全
に走行可能にした電動補助動力付き自転車に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】電池を搭載した電動自転車においては、
例えば、特開平５−３１０１７７号のように、人の踏力
の検出値が一定時間以上基準値を超えていれば、センサ
ーの固着や異物挟み込みによる異常事態の発生として、
その異常を検出する手段が公知となっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の補
助動力付き自転車には、トルクセンサーからコントロー
ラへの配線やコネクタ部に異常があり、トルクセンサー
出力の落ちこみがあると、トルクセンサー部の固着や異
物挟み込み等の異常事態が発生しても異常として検出で
きず、自転車の走行が危険状態になるという問題点があ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述の問題点を解決する
ため、本発明においては、人力駆動の動力伝達装置と共
に電力駆動の補助動力装置を備えた自転車において、走
行速度を検出する走行速度検出部と、ペダルを介して伝
えた人力をトルクとして検出するトルク検出部と、前記
補助動力装置のモータに流れる電流値を検出するモータ
電流検出部と、前記モータの電源電池の電圧値を検出す
る電池電圧検出部と、前記走行速度検出部，トルク検出
部，モータ電流検出部，電池電圧検出部の出力をマイコ
ンによって処理して制御するコントローラとを具備し、
前記トルク検出部の出力値と基準値との差を所定の時間
積分し、この積分値と基準積分値とを比較すると共に、
この積分値が基準積分値より小さければ異常としてモー
タ出力を停止するようにして補助動力付き自転車を構成
する。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、図面について本発明の実施
の形態を説明する。図１は本発明の補助動力付き自転車
の全体側面図であり、図２は本発明の補助動力付き自転
車のハンガー部の伝動系及び各検出部を示す一部断面図
（下面図）である。図中１（図１参照）は自転車の前
輪、２は後輪、３は車体（フレーム）、４（図１，２参
照）はハンガー部に設けたハウジング、４ａ（図２参
照）はハウジング４のサイドカバー、５はハウジング４
の中心部に軸受６，７，８（図２参照）を介して回転自
在に設けたクランク軸、９はクランクアーム、１０はペ
ダルである。

【０００６】また１１は軸受７を介してクランク軸５に
回転自在に設けた前ギヤ（フロントスプロケット）、１
２は後車軸１３に設けた後ギヤ（リヤスプロケット）、
１４は前ギヤ１１と後ギヤ１２とにかけ渡したチェーン
である。また１５は電動補助動力用のモータ、１６はそ
の電源となるバッテリー、１７はバッテリー１６の電力
を制御してモータ１５へ送給するコントローラである。

【０００７】図２はクランクアーム９およびモータ１５
より前ギヤ１１を駆動するための伝動系の一例を示すも
ので、５ａはクランク軸５に設けたスプライン軸部、１
８はこのスプライン軸部５ａに嵌合した駆動円板、１９
はこの駆動円板１８と、Ｕ字状の２枚のスプリングプレ
ート２０を挟むようにクランク軸５に軸受６，７を介し
て回転自在に設けた従動円板で、２１はこの従動円板１
９に突設したスプリングプレート２０の一端部の止めピ
ンである。

【０００８】また１９ａは、前記従動円板１９と一体に
形成した出力歯車で、１９ｂは軸受７を介してクランク
軸５に嵌合する軸筒部である。また２２は駆動円板１８
を外包すると共に、クランク軸５に対して軸方向に摺動
自在に設けたスライドカップで、２２ａは駆動円板１８
との摺動係合部であり、２２ｂは従動円板１９に設けた
カム部１９ｃと係合してスライドカップ２２を図２の右
側へ押すためのカム部である。

【０００９】また２３はスライドカップ２２と前記軸受
８との間のクランク軸５に嵌合したコイルばねであり、
２４は接触子２４ａがスライドカップ２２の壁面と係合
するようにハウジング４に固定して設けたポテンション
メータであり、このポテンションメータ２４の出力信号
を前記コントローラ１７へ導入してモータ１５を制御す
るようになっている。

【００１０】また１５ａはモータ１５の出力軸で、２５
はこの軸１５ａに固着した歯車、２６は歯車２５と噛合
する歯車、２７は軸、２８は歯車２６と噛合する歯車
で、一方向クラッチ２９を介して軸３０に設けてある。
３１は軸３０の軸受である。３２は軸３０と一体に形成
した歯車、図２に点線で示した３３は歯車３２と噛合す
る歯車で、軸３４に固着してある。３５は軸３４の両端
部に設けた軸受、３６は前記出力歯車１９ａと噛合する
ように軸３４に固着して設けた歯車である。

【００１１】つぎに上述のように構成した補助動力付き
自転車の作用を説明する。クランクアーム９のペダル１
０を踏んでクランク軸５が回転すると、スプライン軸部
５ａとスプライン嵌合している駆動円板１８に回転が伝
えられ、さらにこの駆動円板１８から２枚のスプリング
プレート２０，２０、ピン２１、従動円板１９を介して
前ギヤ１１に回転が伝えられる。前ギヤ１１が回転すれ
ばチェーン１４を介して後ギヤ１２が回転するから、そ
れと共に後輪２が回転して自転車が走行する。なおこの
場合、従動円板１９と一体の出力歯車１９ａが回転すれ
ば、これと噛合する歯車３６，３３，３２および軸３０
も回転するが、軸３０の回転は一方向クラッチ２９の作
用によって歯車２８には伝わらないようになっている。

【００１２】また自転車の走行中にクランク軸５にかか
るトルクが増大すると、駆動円板１８と従動円板１９と
の間のＵ字状の２枚のスプリングプレート２０，２０が
撓んで、カム部１９ｃと２２ｂとが摺動する結果、スラ
イドカップ２２が図２の右方へ移動してポテンションメ
ータ２４の接触子２４ａを押すことによって、ポテンシ
ョンメータ２４が信号を出力してコントローラ１７を介
してモータ１５を駆動する。モータ１５が回転すれば、
歯車２５，２６，２８、一方向クラッチ２９、軸３０、
歯車３２，３３、軸３４、歯車３６，１９ａを介して前
ギヤ１１がモータ１５によって補助駆動される。

【００１３】本実施例は、上述した電動自転車に図３に
示す電気的制御装置を装着したもので、走行速度を検出
するための走行速度検出部Ａとしては、図２に示すよう
に、前記した出力歯車１９ａの歯先に対抗するクランク
軸回転センサー３７をハウジング４に固定して設ける。
このようにすれば、クランク軸５が回転すると共に、出
力歯車１９ａが回転すると、その歯先部の凹凸をクラン
ク軸回転センサー３７が走行速度と比例するパルス数と
してカウントすることができる。

【００１４】また自転車のペダル１０とクランクアーム
９を介して伝えられる人力によるトルクのトルク検出部
Ｂは、前記したスライドカップ２２とポテンションメー
タ２４等によって構成することができる。すなわちペダ
ル１０を介して伝えられる人力によるトルクが小さけれ
ば、ポテンションメータ２４による出力信号が小さく、
人力によるトルクが大きければ、ポテンションメータ２
４による出力信号も大きくなる。

【００１５】図３は本発明の補助動力付き自転車の制御
系統を示す電気回路図の一例を示すもので、図中前記符
号と同一の符号は同等のものを示している。すなわち１
５は補助動力用のモータ、１６は電源であるバッテリー
（電池）、１７はコントローラ、２４はトルク検出部Ｂ
のトルクセンサーとしてのポテンションメータ、３７は
走行速度検出部Ａのセンサーとしてのクランク軸回転セ
ンサーである。

【００１６】また図３中のＳＷは電源電池１６からコン
トローラ１７への回路中に設けたスイッチ、ＲＳは補助
動力用モータ１５の回路に設けたリレースイッチ、３８
はコントローラ１７内のマイコン、３８ａはマイコン３
８内のＰＷＭ発生部、３８ｂはタイマ、３８ｃはＡＤコ
ンバータ、３８ｄは極大値検出手段、３８ｅはタイマ、
３８ｆは極大値との差積分手段、３８ｇは異常検出手
段、３８ｈはウオッチドッグタイマである。

【００１７】また３９はパワーオンオフ回路、４０は電
池電圧検出部Ｄ、４１は１２Ｖレギュレータ、４２は５
Ｖレギュレータ、４３は前記クランク軸回転センサー３
７と共に走行速度検出部Ａを形成するクランク回転検出
回路、４４はＬＥＤドライバ、４５は表示用ＬＥＤ、４
６はスイッチング回路、４７はモータ停止回路、４８は
モータ電流上限検出手段、４９はモータ電流検出部Ｃで
ある電流センサー、５０はリレー回路である。

【００１８】また図中Ｃ１〜Ｃ８はコンデンサー、Ｒ１
〜Ｒ２３は抵抗、Ｑ１〜Ｑ１３はトランジスタ、Ｄ１〜
Ｄ２はダイオード、ＩＣ１〜ＩＣ４は集積回路、ＦＥＴ
は電界効果トランジスタ、Ｘは水晶発振器である。

【００１９】本実施例においては、図１〜図３に示すよ
うに、ペダル１０を介する人力駆動の動力伝達装置と共
に、モータ１５による電力駆動の補助動力装置を備えた
自転車において、回転センサー３７によって走行速度を
検出する走行速度検出部Ａと、ペダル１０を介して伝え
た人力をポテンションメータ２４によってトルクとして
検出するトルク検出部Ｂと、前記補助動力装置のモータ
１５に流れる電流値を電流センサー４９によって検出す
るモータ電流検出部Ｃと、前記モータ１５の電源電池１
６の電圧値を検出する電池電圧検出部Ｄと、前記走行速
度検出部Ａ，トルク検出部Ｂ，モータ電流検出部Ｃ，電
池電圧検出部Ｄの出力をマイコン３８によって処理して
制御するコントローラ１７とを具備し、コントローラ１
７のマイコン３８により、前記トルク検出部Ｂの出力値
と基準値との差を所定の時間積分し、この積分値と基準
積分値とを比較すると共に、この積分値が基準積分値よ
り小さければ異常としてモータ１５の出力を停止するよ
うにする。

【００２０】次に、図４〜図８について説明する。図４
〜図８は、縦座標に自転車のペダルを踏む力である踏力
（トルク）をとり、横座標に時間をとって示したトルク
波形を示すもので、図４の波形５１はトルクセンサー２
４の正常な状態を示し、この場合人の踏力に応じてトル
クセンサー出力が得られる。このため、トルク検出部の
出力のピーク値を検出してそのピーク値とトルクセンサ
ー出力との差を積分したものが図４のハッチング部（斜
線部）である。

【００２１】図５の波形５２はトルクセンサー２４の出
力がオフセットしてしまい、正常なゼロ点からずれた状
態を示すもので、この状態では、出力のピーク値から所
定の時間、ピーク値との差を積分した値（斜線部）と、
基準積分値とを比較すると、積分値が小さいので異常で
あることがわかる。また、従来の方法で検出（判断）し
ても、波形５２は正常ゼロ点より高い値が継続している
ので、異常が検出できる。

【００２２】図６の波形５３はトルクセンサーが異物を
挟み込んだ状態のセンサー出力の状態を示すもので、こ
の場合、センサー出力はゼロ点まで下がらないので、図
５の場合と同様にセンサー出力の極大値とセンサー出力
との差を積分すると、その積分値（斜線部）が基準積分
値より小さいので異常が検出できる。また、この場合は
ゼロ点まで出力が下がらないので、従来の検出方法でも
検出可能である。

【００２３】図７はトルクセンサーで異物を挟み込むと
共に、ノイズがセンサー出力に入り込んだ状態を示すも
ので、この場合、センサー出力に基準値以下の状態が発
生するので、従来の検出方法では検出不可能である。

【００２４】図８は図７と同様に、トルクセンサーで異
物を挟み込むと共に、ノイズがセンサー出力に入り込ん
だ状態を示すもので、本発明での検出状態を示す。この
場合、センサー出力の極大値とセンサー出力との差を積
分すると、その積分値（斜線部分）が、基準積分値より
小さいので異常が検出できる。

【００２５】次に、図９のフローチャートに基づいて本
発明の補助動力付き自転車の作動を説明する。メインス
イッチをオン側にすると、まず各センサーの出力を読
み、異常の有無を検出する。異常があれば、異常処理用
のエラー処理部分でＬＥＤを点灯させると共に、アシス
ト不可能等の処理を行う。異常がなければ、積分時間用
タイマをクリヤしてタイマをスタートさせる。この時、
人力トルクの極大値Ｔmax を最新の新Ｔmax に書き換え
ておく。

【００２６】つぎに、再び各センサー出力を読み、速度
と人力トルクに対応したＰＷＭを算出し、それに電池電
圧による補正をかけ、アシストを行う。タイマカウント
値が所定の積分時間に達していなければ人力トルクの極
大値と現在の人力トルクとの差を積分して再度センサー
読み取りを行い、ループとなる。

【００２７】タイマカウント値が所定の積分時間に達す
れば、人力トルクの極大値と現在の人力トルクとの差の
積分値を積分基準値と比較して、基準値以上であれば、
トルクセンサー部は正常であるとして、各センサーの異
常判定部に戻る。各センサー出力に異常がなければ積分
時間用タイマをクリヤした後、スタートさせる。

【００２８】人力トルクの極大値Ｔmax を最新の人力ト
ルク極大値に書き換えて、再び前述の処理を繰り返す。
一方、この積分値が所定の値より小さければ、トルクセ
ンサー部の固着等の異常あるいは人力が非常に小さい状
態であるので、ＰＷＭ出力を停止する。

【００２９】

【発明の効果】上記の構成によって、本発明は次のよう
な作用効果が得られる。 （１）人力を検出するトルクセンサー部に異常があれば
速やかにモータを停止できるから、補助動力付き自転車
の走行の安全性および信頼性をより高めることができ
る。 （２）低トルク状態が続くとモータを停止して、不必要
な補助動力の駆動を停止するので、電池の充電１回当た
りの走行距離を伸ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の補助動力付き自転車の全体側面図であ
る。

【図２】本発明の補助動力付き自転車のハンガー部の伝
動系及び各検出部を示す一部断面図（下面図）である。

【図３】本発明の補助動力付き自転車の制御系統の電気
回路図である。

【図４】本発明の補助動力付き自転車のトルクセンサー
の正常な状態の出力を示す特性曲線図である。

【図５】本発明の補助動力付き自転車のトルクセンサー
の出力がオフセットした状態を示す特性曲線図である。

【図６】本発明の補助動力付き自転車のトルクセンサー
が異物を挟み込んだ状態を示す特性曲線図である。

【図７】本発明の補助動力付き自転車のトルクセンサー
が異物を挟み込むと共に、ノイズが入り込んで、従来の
検出方法では異常を検出できない状態を示す特性曲線図
である。

【図８】本発明の補助動力付き自転車のトルクセンサー
が異物を挟み込むと共に、ノイズが入り込んでも異常を
検出できる状態を示す特性曲線図である。

【図９】本発明の補助動力付き自転車の動作を示すフロ
ーチャートである。

【符号の説明】

１ 前輪 ２ 後輪 ３ 車体（フレーム） ４ ハウジング ４ａ サイドカバー ５ クランク軸 ６，７，８ 軸受 ９ クランクアーム １０ ペダル １１ 前ギヤ（フロントスプロケット） １２ 後ギヤ（リヤスプロケット） １３ 後車軸 １４ チェーン １５ モータ １６ バッテリー（電池） １７ コントローラ １８ 駆動円板 １９ 従動円板 １９ａ 出力歯車 １９ｂ 軸筒部 １９ｃ カム部 ２０ スプリングプレート ２１ 止めピン ２２ スライドカップ ２２ａ 摺動係合部 ２２ｂ カム部 ２３ コイルばね ２４ ポテンションメータ ２４ａ 接触子 ２５，２６ 歯車 ２７ 軸 ２８ 歯車 ２９ 一方向クラッチ ３０ 軸 ３１ 軸受 ３２，３３ 歯車 ３４ 軸 ３５ 軸受 ３６ 歯車 Ａ 走行速度検出部 ３７ クランク軸回転センサー Ｂ トルク検出部 ＳＷ スイッチ ＲＳ リレースイッチ ３８ マイコン ３８ａ ＰＷＭ発生部 ３８ｂ タイマ ３８ｃ ＡＤコンバータ ３８ｄ 極大値検出手段 ３８ｅ タイマ ３８ｆ 極大値との差積分手段 ３８ｇ 異常検出手段 ３８ｈ ウオッチドッグタイマ ３９ パワーオンオフ回路 ４０（Ｄ） 電池電圧検出部 ４１ １２Ｖレギュレータ ４２ ５Ｖレギュレータ ４３ クランク回転検出回路 ４４ ＬＥＤドライバ ４５ 表示用ＬＥＤ ４６ スイッチング回路 ４７ モータ停止回路 ４８ モータ電流上限検出手段 Ｃ モータ電流検出部 ４９ 電流センサー ５０ リレー回路 Ｃ１〜Ｃ８ コンデンサ Ｒ１〜Ｒ２３ 抵抗 Ｑ１〜Ｑ１３ トランジスタ Ｄ１〜Ｄ２ ダイオード ＩＣ１〜ＩＣ４ 集積回路 ＦＥＴ 電界効果トランジスタ Ｘ 水晶発振器 ５１〜５３ トルク波形

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古川 俊晴 埼玉県上尾市中妻３−１−１ ブリヂスト ンサイクル株式会社内 (72)発明者 佐藤 行 埼玉県上尾市中妻３−１−１ ブリヂスト ンサイクル株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人力駆動の動力伝達装置と共に電力駆動
   の補助動力装置を備えた自転車において、走行速度を検
   出する走行速度検出部と、ペダルを介して伝えた人力を
   トルクとして検出するトルク検出部と、前記補助動力装
   置のモータに流れる電流値を検出するモータ電流検出部
   と、前記モータの電源電池の電圧値を検出する電池電圧
   検出部と、前記走行速度検出部，トルク検出部，モータ
   電流検出部，電池電圧検出部の出力をマイコンによって
   処理して制御するコントローラとを具備し、前記トルク
   検出部の出力値と基準値との差を所定の時間積分し、こ
   の積分値と基準積分値とを比較すると共に、この積分値
   が基準積分値より小さければ異常としてモータ出力を停
   止するようにしたことを特徴とする補助動力付き自転
   車。