JP2000074761A - 人力補助動力装置の人力検知方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 人力の補助用に電動モータを用いた電動自転
車や電動車椅子に於て、チェーンやベルトの張力を検知
する方式の人力検知方法を改良して、高信頼性化や低コ
スト化が可能で乗車感覚の良い人力検知装置を得るこ
と。 【解決手段】 人力出力軸１と、モータ出力軸２と、そ
れらにより従動する従動部入力軸８と、これら各入出力
軸に巻回される索体１０と、索体１０の人力出力軸１と
モータ出力軸２間の張力を検知し人力を検知する人力検
知手段３と、モータの動力を検知するモータ動力検知手
段４を有し、モータ動力検知手段で検知した力を人力検
知手段で検知した力に打ち消す方向に作用させることに
より常に正確な補助動力の比率を得ることを特徴とする
人力検知装置Ａと、微小な変位で電気信号に変換するこ
とが可能で、不感帯を持つ変換器及び張力検知体がチェ
ーンローラより受ける振動を消すに最適な曲面を持つチ
ェーン接触子３及び接触子４である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は例えば電動自転車や
電動車椅子に搭載される人力検知装置、とりわけチエー
ンの張力を検知する人力検知装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、人力の補助用に電動モータを用い
た電動自転車、電動車椅子等が普及しつつある。これら
の車両はモータに電力を供給する電池と人力に応じて補
助動力を発するモータにより、人力の負担を小さくする
ようにしたものであり、実開平２−６６９５号、特開平
８−１０４２８３、特開平１０−１８１６７４、特開平
１０−１６５４５１等が公知である。前記のほか人力の
駆動力を検知する方法としては、人力の伝達経路に専用
の検知部材を配設し、この検知部材の入力トルクに応じ
た捻じれ角度や、長手軸方向の伸縮を検知する方法や、
踏力が伝達される入力側回転体と出力側回転体との間の
人力駆動力の大小を遊星歯車の歯車に加わる反力から検
知する方法が知られている（例えば特開平４−３５８９
８７号）

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この種の電動自転車や
電動車椅子における人力検知装置は、前述したトーショ
ンバー方式や遊星歯車方式に比べて、チェーンの張力を
検知する方式の方が、単純形状部品が多く安価に構成で
きる利点を有している。

【０００４】ところが、チェーンの張力を検知する方式
の場合は前記ブロックの回転変位を大きく設計すると接
触子がチェーンに慴接して形成するチェーンの角度がブ
ロックの回転変位により大きく変動して、そのために接
触子がチェーンより受ける分力の比率も大きく変動する
ため、これを補正する補正手段が必要で、その分コスト
が増大するものであった。

【０００５】一方、ブロックの回転変位を小さく設計す
るとチェーンや接触子の僅かな製作上の誤差も人力の変
化として誤って検知し易くなり、人の意図に反するモー
タ動力の発生原因となるものであった。

【０００６】また従来の人力検知装置では、検知される
人力（即ちチェーンの張力）と接触子の変位量の関係は
検知される人力に逆らって付勢された弾性体の弾性係数
の調整により決められるだけであるため、人力検知装置
より電子回路を経由してモータが発する動力が人力に対
し適当かどうかまでは判断する手段を持っていない、そ
のために、前記弾性体の製造上の誤差や、調整の誤差等
によりモータの補助比率が不均一であったり、最悪の場
合は人の意図に反し暴走する危険もあった。

【０００７】一方、先述の人力による変位量を小さく設
計することは、余分な補正装置を省けるが、例えば特開
平１０−１８１６７４では角度の変位を検知する手段に
ポテンショメ−タを用いているが、このまま人力による
変位量を小さくして設計しようとすると、ポテンショメ
−タの常用範囲が極めて狭くなり、ポテンショメ−タの
抵抗体の極一部分が常用されるのみで、残り大部分の抵
抗体は人力検知には関与しないため、不合理であると共
に、ポテンショメ−タ自身も安価ではない。従って安価
で、微小な変位に対応できる変位検知手段が必要であっ
た。

【０００８】また、実開平２−６６９５号にある様に、
接触子として小型のギャをチェーンのような不連続な索
体に慴接すれば、チェーンの各ローラがギヤに、かみ合
うごとに、ギヤはチェーンの各ローラより微小な変位の
変動を受け振動する欠点があり特にチェーンとギヤの接
触角が大きい場合に顕著であった。この様な微小な変位
の変動は当然ながらモータの動力変動となり、乗者に不
快感を与えるものであった。

【０００９】そこで、本発明は以上の様な問題点を解決
し、安価で、信頼性の高い、乗車感覚の良い人力検知装
置を得ることを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたもので、人力出力軸と、モータ出力
軸と、それらにより従動する従動部入力軸と、これら各
入出力軸に巻回される索体と、前記索体の人力出力軸と
モータ出力軸間の張力を検知し人力を検知する人力検知
手段と、モータの動力を検知するモータ動力検知手段を
有し、モータ動力検知手段で検知した力を人力検知手段
で検知した力に打ち消す方向に作用させることを特徴と
する人力検知装置である。

【００１１】請求項２は上記モータの動力を検知する手
段として、モータ出力軸と従動部入力軸の間の前記索体
の張力を検知する手段を用いる様にしたもので、この場
合はモータ出力軸と従動部入力軸の間の索体の張力は人
力によるものと、モータの動力によるものが合算されて
いる。

【００１２】請求項３は前記に於いて索体の張力を検知
する手段として索体にたるみを持たせて入出力軸に巻回
し、モータ出力軸をほぼ中心として回転可能なブロック
を有し、このブロック上にモータ出力軸を略中心とし、
両側に一個ずつ索体に張力を与え慴接する接触子を設置
すると共に、前記ブロックを回転方向片側より極弱い力
で、人力を打ち消す方向に付勢された弾性体で支持した
ものである。但しこの弾性体はブロックを不感帯位置で
安定させるためのもので、人力を検知する為のものでは
ない。

【００１３】請求項４は前記に於いてモータ出力軸中心
と人力出力軸中心を結ぶ線に略対称に人力検知用接触子
を、またモータ出力軸中心と従動部入力軸中心とを結ぶ
線に略対称にモータの動力を検知する接触子を各一個索
体に慴接するように増設し前記ブロックを回転方向両側
より極弱い力で付勢された弾性体で支持したもので、人
力出力軸が逆方向に回転する場合にも補助動力を与える
ようにしたものである。また逆に、従動部よりモータ出
力軸に動力を伝達する所謂、回生制動状態も検知するも
のである。但しこの弾性体もブロックを不感帯位置で安
定させるためのもので、人力を検知する為のものではな
い。

【００１４】請求項５は、前記索体を、人力出力軸と従
動部入力軸とに巻回される索体と、モータ出力軸と従動
部入力軸とに巻回される索体に分離したもので、この場
合はモータ出力軸と従動部入力軸の間の索体の張力はモ
ータの動力によるものだけであり、人力によるものは含
まれない。

【００１５】請求項６は、前記ブロックの回転変位検知
手段として、微小な変位でも対応可能で、しかも安価に
製造可能な変位センサである。前記ブロック回転面に平
行に取つけられた磁石板と、その面に対向するように、
非回転部に取り付けられた二個の磁気検知素子を有し、
その二個の磁気検知素子は前記磁石板の各々対辺部で磁
石板に対向すると共に、互いにその出力電圧が差動増幅
するように回路結合され、磁気検知素子の温度ドリフト
や磁石板と磁気検知素子間の隙間の変動により、その出
力電圧が変動しにくくされている。

【００１６】上記索体にチエーンを用いる場合に於て、
チェーンに慴接する接触子に円板を使用する場合その径
が大い程チエーンローラよりの振動を軽減できることは
容易に推察できる、しかしスペースの制約上その径には
限度があり必要以下の寸法しか取れない場合が多い、そ
こで、十分に大きな円板の一部を利用し、そのチェーン
長さ方向の接触面を円弧状とするもので接触子はチェー
ンに非回転で慴接する。但し接触子にはチェーン長さ方
向に、なじませて慴接する為の回転部を持つ、また円弧
よりその半径以下の距離にその回転中心を設けることに
より、チェーンにより連れ回りしない様にしている。ま
たその円弧の中央点と両端の各点を結ぶ二本の線が成す
角が、チェーンと接触子が成す角と一致するか、それ以
下の円弧曲率を持たせることにより、その円弧の両端部
で移動するチェーンローラが急接や急離するのを防ぐも
のである。

【００１７】尚、本明細書における前記の索体とはチェ
ーン、ベルト等の可とう性のある動力伝達部材一般で、
弾性体とは例えば、バネ、ゴム等である。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る具体例を図
１乃至図１３に基づいて説明する。

【００１９】図１は、本発明を自転車の補助動力装置に
利用した例である、ここでは人力出力軸１と、モータ出
力軸２と、それらにより従動する従動部入力軸８と、こ
れら各入出力軸に巻回される索体１０と、前記索体の人
力出力軸１とモータ出力軸２間の張力を検知し人力を検
知する人力検知手段２と、モータＤの動力を検知するモ
ータ動力検知手段４のみについて示し、それ以外は一般
公知の自転車と同様のものを使用する。また上記人力出
力軸１と従動部入力軸８も一般公知の自転車と同様のも
のを使用する。

【００２０】減速機Ｃを含むモータ動力部Ｂはバックホ
ーク１１とサドルチューブ１２に所定の傾射角を持たせ
て溶接された板ａ１３上に、その出力軸２であるギヤが
チェーン１０に係合するように固定されている。またチ
ェーン１０は右端の人力出力軸１及び左端の従動部入力
軸８に巻回され、人力出力軸１より受ける動力にモータ
出力軸２より受ける動力も加えて従動部入力軸８に伝え
るようになっている。

【００２１】図２及び図３で、前記ブロックＡは軸９を
中心に回転可能で、またブロックＡはその面に垂直な接
触子軸５と６を持ち、接触子３および４が規制された範
囲で回転可能に取りつけられており、また、ブロックＡ
と一体で変位する磁石７が取りつけてある。またブロッ
クＡを支える軸９の外側には人力による接触子３の変位
を妨げるように、極弱い力で付勢されたねじりバネ１４
が取りつけてある。しかし以下ではこの付勢力が極弱い
ため、これを無視して説明を進める。人力及びをモータ
の動力がなく、静止状態のとき、接触子３および接触子
４は図４に示す様にチェーン１０にそれぞれ角度θ1、
θ2 を成して慴接している。人力によりチェーンに張力
が加わると接触子３はチェーン１０より角度θ1によっ
て決まるチェーン張力の分力を受ける。一方接触子４は
人力とモータの動力の合算したものがチェーン張力とな
り角度θ２によってその分力を受けるため、ブロックＡ
に変位が生じ、角度θ1、θ2 がそれぞれθ12 、θ22に
変化した所でブロックＡは静止する。この時次式が成立
する。 人力×ｃｏｓ{(1／2）θ12}＝（人力＋モータ動力）×ｃｏ
ｓ{(1／2）θ22} ここで人力＝モータの動力ならば ｃｏｓ{（1／2）θ12 } ＝２ｃｏｓ{（1／2）θ22}
となる 逆に、上記角度を保持するブロックＡの位置では、人力
とモータの動力の比率は、常に一定であることになる。
この状態における角度θ12 、θ22及びそのブロ ックＡ
の位置を以下、バランス状態と呼び、この状態における
制御方法につい て次に述べる。

【００２２】尚、以上では、人力とモータの動力が一方
向の場合について述べたが、逆転も可能にするには、図
５乃至図７に示す四個の接触子を持つ構造が有効であ
る。また前記の人力出力軸１とモータ出力軸２の径が極
端に異なる場合は、図５に示す様に人力出力軸１用とモ
ータ出力軸２用に索体を分けると有効である。但しこの
場合には上記バランス式は ｃｏｓ{（1／2）θ12 }
＝ｃｏｓ{（1／2）θ22} となる。尚、図５乃至図７
は索体にベルトを、接触子にはその中心に軸を持ち、そ
の回りに回転自由なローラ３３を使用した例であり、ブ
ロックの回転中心はモータ出力軸２の中心と略一致して
をり、磁石７及びホール素子Ｍ１、Ｍ２が装着されたプ
リント板１６は図８と同一のものである。

【００２３】図８は、ブロックの変位検知手段の側面図
である。図示の磁石７は板状のもので表裏がそれそれＮ
極、Ｓ極に着磁されている。磁石の対角近辺には磁気検
知素子の一種であるホール素子Ｍ１，Ｍ２が検知中心を
磁石に対向させて減速機Ｃの外壁に設置された板１５に
ピン１７で固定されたプリント基盤１６上に取りつけら
れている。（ここで、磁石の形状は図２のように四角形
とは限らず円形でも良い。）

【００２４】図９は、磁石７の表面磁束密度の分布を、
ホール素子Ｍ１、Ｍ２の出力電圧レベルＶ１，Ｖ２で表
す。もし磁石７を右に移動させればホール素子Ｍ１の出
力電圧Ｖ１は増加し，一方、ホール素子Ｍ２の出力電圧
Ｖ２は減少し両者共に点線で示す様になる。また２個の
ホール素子Ｍ１、Ｍ２は図１０に示すように、互いにそ
の出力電圧が差動増幅するように回路結合され、ホール
素子Ｍ１、Ｍ２の温度ドリフトや磁石板７とホール素子
Ｍ１、Ｍ２間の隙間の変動に対して、その出力電圧が変
動しにくくされている。一方、差動増幅することによ
り、非直線であったホール素子Ｍ1、Ｍ2の差動出力電圧
はＶ３に示す、直線に近い特性が得られる。

【００２５】図１１は、ブロックの回動変位Ｓと図１０
の終段増幅器ＯＰ０の出力電圧Ｖ０（以下単にＶ０と記
す）の関係を示す．図１０において増幅器の増幅度を可
変抵抗器ＶＲ0を調節してΔ Ｓを 任意に変えることが
出来る。また、不感帯幅Ｎも可変抵抗器ＶＲ１及びＶ
Ｒ２により変更可能である。ブロックＡの回動変位Ｓが
不感帯Ｎ内にあるときはＶ０はゼロでモータ動力もゼロ
である。人力が加わりブロックＡがΔＳ内に入ると、急
にＶ０は立ち上がる。このΔＳ内に前述ブロックＡのバ
ランス状態を合わせておくことにより目標の補助比率を
得ることができる。

【００２６】前述のように、目標の補助比率を得るため
に、上記バランス状態を得る角度θ12 、θ22及びブロ
ックＡの位置を前記ΔＳ内になるように予め設定されて
い る。人力 が加えられるとブロックＡはＮ中央部より
ΔＳ内に移動する。ここで ΔＳはＮに比較し極めて小
さい幅に設定されている。ここで目標の補助比率よりモ
ータＤの動力が小さい場合を想定すると、図４の角度θ
1がバランス状態θ12 よりも大きく（従ってθ２が θ2
2より小さく）なるためブロックは初期の動作 点Ｓ１よ
り右に移動する、それに従ってＶ０が増加し，それに連
動するモータＤの動力が増加し、新しいＳ２点で静止す
る。また、目標の補助比率よりモータＤの動力が大きい
場合はＳが左に移動し例えば新しいＳ３点で静止する。

【００２７】以上の様にして極めて小さい幅ΔＳ内でバ
ランス状態が保たれるので、ブロックＡの回動変位は小
さく、またモータＤの動力が人力と無関係に発生しても
ブロックはすぐに不感帯Ｎ内に戻るため暴走は起きな
い。

【００２８】尚、マイナスΔＳは人力が逆方向に加わっ
た場合の制御の為のものであり、図１０ では、この範
囲にブロックＡが変位すると差動アンプ出力電圧Ｖ０は
マイナスとなりモータＤの動力が逆転方向に発生する様
に構成されている、動作原理は上記と同様のため説明を
省く。また自転車等人力が一方向のみの場合は不要なも
のである

【００２９】前述ブロックＡを支持する弾性体は前述の
図２及び図５乃至７の何れにおいても人力に比べ付勢力
は極弱いものであり不要であることも多いが、人力が加
わらない時、ブロック位置を不感帯Ｎの中央部に保持す
ることが特に重要な場合は設けることもある。

【００３０】以上要約すると、ブロックのバランス状態
ではモータＤの動力が常に人力を打ち消すように作用す
るため人力とモー タＤの動力の比率が一定に保たれる
と共に、 モータの動力が単独には発生しない、また変
位検知手段は広範囲の直線性は不要であり、安価なもの
から自由に選択できることである。

【００３１】チェーンに、その張力を検知する目的で押
し当てる接触子３、４は、図１２に示すように、両脇
に、チェーン１０のプレート１９を逃がすための溝２１
と、チェーン１０が脱線するのを防ぐためのガイド２２
を持つ構造である。また、図１３に示すように、そのチ
ェーン１０の長さ方向の接触面を円弧状とするもので接
触子はチェーンに非連続回転で慴接する。但し接触子４
にはチェーン１０の長さ方向に、なじませて慴接する為
に接触子軸６に緩く嵌合された回転部を持つ、また円弧
よりその半径ｒ以下の距離ｑにその接触子軸６の中心を
設けることにより、チェーン１０により連れ共回りしな
い様にしている、更に接触子４の触子軸６に対する回転
角の範囲は接触子４の一部に必要な隙間を持って嵌合さ
れたストッパピンｂ２４により規制される。また接触子
４の円弧の中央点と両端の各点を結ぶ二本の線が成す角
αが、図４のチェーン１０と接触子４がバランス状態で
成す角θ22と一致するか、それ以下の円弧曲率を持たせ
る円弧半径ｒを設定することにより、その円弧の両端部
で移動するチェーンローラ１８が接触子４に急接や急離
するのを防ぐものである。以上により図４の接触子軸６
が上下に揺れることは極めて少なくなることが実証済み
である。

【００３２】尚、図１３は接触子ｂ付いての例である
が、接触子ａについてはストッパピンａ２３の位置が接
触子軸５の左側になり、接触子がバランス状態で成す角
θ22がθ12になる。それ以外は上記と同様である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明は人力補助動
力装置において、人力検知装置を単純、安価な構成にで
きる特長をもつ。

【００３４】また索体に慴接する接触子またはローラを
取りつけたブロックの変位を充分に小さくして人力検知
が可能なため、特別な補正または演算装置が不要であ
る。

【００３５】しかも人力とモー タの動力の比率が一定
に保たれる構成により、常時正確な補助動力の比率が得
られ、また人の意図に反するモー タ動力の発生を極力
少なくするものである。

【００３６】また人力検知には原則的には弾性体は不要
の為、製造工程の調質工程が省けることである。

【００３７】ブロックの変位を電気信号に変換する素子
も、本例の素子とは限らず、例えば光電素子と遮光板の
組み合わせでもよく、より多くの範囲よりその用途に叶
った素子を選択できる。

【００３８】また本例の索体にチェーンを用いる場合で
も、接触子の形状を実施例のようにすればチェーン張力
検知以外の方法に比べ、遜色ないものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態の電動自転車の部分側面図である。

【図２】実施の形態の人力検知装置の正面図である。

【図３】実施の形態の人力検知装置の側面図である。

【図４】実施の形態の人力検知装置の接触子とチェーン
の接触状態を示す正面図である。

【図５】人力出力軸が正転、逆転の両方向に作用する場
合の人力検知装置の正面図である。

【図６】図５で各入出力軸が一直線上にない場合の人力
検知装置の正面図である。

【図７】図５で索体を人力出力軸用とモータ出力軸用に
分離した場合の人力検知装置の正面図である。

【図８】実施の形態の人力検知装置の部分側面図であ
る。

【図９】磁石位置とホール素子の差動出力電圧の関係を
表す図である。

【図１０】上記ホール素子を差動増幅するＩＣ回路と、
差動出力電圧をモータトルクに変換するブロック図であ
る。

【図１１】磁石の位置と不感帯発生回路の出力電圧の関
係を表す図である。

【図１２】実施の形態の人力検知装置の接触子とチェー
ンの接触状態を示す断面図である。

【図１３】実施の形態の人力検知装置の接触子ｂとチェ
ーンの接触状態を示すガイドを除いた正面図である。

【符号の説明】

１ 人力出力軸 ２ モータ出力軸 ３ 接触子ａ ４ 接触子ｂ ５ 接触子軸ａ ６ 接触子軸ｂ ７ 磁石 ８ 従動部入力軸 ９ 軸 １０ チェーン １０ａ 索体 １１ バックホーク １２ サドルチューブ １３ 板ａ １４ ねじりバネ １５ 板ｂ １６ プリント板 １７ ピン １８ チェーンローラ １９ チェーンプレート ２１ 溝 ２２ ガイド ２３ ストッパピンａ ２４ ストッパピンｂ ３３ ローラ Ａ 接触子軸 Ｂ モータ動力部 Ｃ 減速機 Ｄ モータ Ｍ１ ホール素子ａ Ｍ２ ホール素子ｂ ＶＲ１ 可変抵抗器ａ ＶＲ２ 可変抵抗器ｂ ＶＲ０ 可変抵抗器ｃ ＯＰ０ 終段増幅器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人力出力軸と、モータ出力軸と、それら
   により従動する従動部入力軸と、これら各入出力軸に巻
   回される索体と、前記索体の人力出力軸とモータ出力軸
   間の張力を検知し人力を検知する人力検知手段と、モー
   タの動力を検知するモータ動力検知手段を有し、モータ
   動力検知手段で検知した力を人力検知手段で検知した力
   に打ち消す方向に作用させることを特徴とする人力検知
   装置
2. 【請求項２】 モータの動力を検知する手段として、モ
   ータ出力軸と従動部入力軸の間の前記索体の張力を検知
   する手段を用いる請求項１記載の人力検知装置。
3. 【請求項３】 前記索体はたるみを持たされ入出力軸に
   巻回されると共に、モータ出力軸近辺を中心として回転
   可能なブロックを有し、このブロック上にモータ出力軸
   の両側に一個ずつ前記索体に張力を与え慴接する接触子
   を設置し前記ブロックを回転方向片側より人力を打ち消
   す方向に付勢された弾性体で支持された請求項１乃至２
   記載の人力検知装置。
4. 【請求項４】 前記モータ出力軸中心と人力出力軸中心
   を結ぶ線に略対称に人力検知用接触子を一個、またモー
   タ出力軸中心と従動部入力軸中心とを結ぶ線に略対称に
   モータの動力を検知する接触子を一個索体に慴接するよ
   うに増設し前記ブロックの弾性体を回転方向両側より支
   持された弾性体とした請求項１乃至３記載の人力検知装
   置。
5. 【請求項５】 前記索体を、人力出力軸と従動部入力軸
   とに巻回される索体と、モータ出力軸と従動部入力軸と
   に巻回される索体に分離した請求項１乃至４記載の人力
   検知装置。
6. 【請求項６】 前記ブロックの回転変位検知手段として
   ブロック回転面に平行に取つけられた磁石板と、その面
   に対向するように、非回転部に取り付けられた二個の磁
   気検知素子を有し、その二個の磁気検知素子は前記磁石
   板の各々対辺部で磁石板に対向すると共に、互いにその
   出力電圧が差動増幅するように回路結合され、必要な不
   感帯を持つた、請求項１乃至５記載の人力検知装置。
7. 【請求項７】 前記索体にチエーンを用いる場合の接触
   子について、チェーンに慴接する接触子の、チェーン長
   さ方向の接触面を円弧状とし、その円弧の中央点と両端
   の各点を結ぶ二本の線が成す角を、チェーンと接触子が
   成す角と一致するか、それ以下の円弧曲率とし、また円
   弧よりその半径以下の距離にその回転中心を持つ接触子
   を有する請求項１乃至６記載の人力検知装置。