(57)【特許請求の範囲】
【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。
【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）、１２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、１８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１９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１０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２４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１５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３８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５Ｖレギュレータ、４３は前記クランク軸回転センサー３７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、４６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、コントローラ１７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２４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
【図１】
0003703913.tif 000002
【図２】
0003703913.tif 000003
【図３】
0003703913.tif 000004
【図４】
0003703913.tif 000005
【図５】
0003703913.tif 000006
【図６】
0003703913.tif 000007
【図７】
0003703913.tif 000008
【図８】
0003703913.tif 000009
【図９】
0003703913.tif 000010