JP2000280973A

JP2000280973A - 補助動力装置付き車輌の制御装置

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Publication number: JP2000280973A
Application number: JP11092607A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nakada; 広之中田; Hidehiro Yoshida; 英博吉田; Masato Tanida; 正人谷田; Hideki Yamamoto; 秀樹山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】補助動力装置付車輌の制御装置において、軽
量・高精度の磁歪式トルクセンサの搭載を、負極性の電
源の追加を必要としないより少ない部品点数で、安価に
実現することを目的とする。【解決手段】人力駆動力検出部５に磁歪式トルクセン
サ１０７を用い、補助動力駆動部３のモータ駆動回路電
源１０６ｃと、モータの制御回路電源１０６ｂと、磁歪
式トルクセンサ１０７に対し、制御回路電源１０６ｂの
電圧を基準とし、そのグランドレベルより高い値の正弦
波電圧を印加するトルクセンサ駆動回路電源１０６ａと
を備えることにより、軽量・高精度の磁歪式トルクセン
サの搭載を、より少ない部品点数で、安価に実現するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人力と補助動力装
置による補助動力とを用いて駆動する、補助動力装置付
き車輌の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、モータ（電動機）などの既知の駆
動装置を補助動力装置として装備し当該補助動力装置に
よる補助動力を操作者や使用者などの人力に基づく駆動
力（以下、”人力駆動力”という）に加えて走行駆動す
る補助動力装置付き車輌が知られている。具体的に言え
ば、例えば操作者がペダルを踏むことにより生じるペダ
ル踏力（回転力）、あるいはハンドリムを回すことによ
り生じる回転力の上に、モータを駆動することにより生
じる補助動力を加えて、車輪を回転し走行するモータ付
き自転車、モータ付き車椅子または荷物搬送車等があ
る。このような補助動力装置付き車輌では、人力駆動力
を検出して、検出した人力駆動力に基づきモータを制御
することが一般的である。このような補助動力装置付き
車輌では、人力駆動力の検出にトルクセンサが必要であ
り、近年、軽量化及び高精度化の要求に応えて磁歪式ト
ルクセンサが採用されつつある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】補助動力装置付き車輌
の制御装置においては、搭載しているバッテリーから電
源を供給しており、この単一の直流電源から必要な電源
を確保しなければならない。トルクセンサを検出手段と
して用いた補助動力装置付き車輌の制御装置では図３に
示すように３種類の電源が必要となる。図６において制
御装置１０４は、モータ駆動回路１１０とＣＰＵ等を含
む制御回路１０９とトルクセンサ駆動回路１０８から構
成されており、各回路に専用電源であるトルクセンサ駆
動回路電源１０６ａ、制御回路電源１０６ｂ、モータ駆
動回路用電源１０６ｃが必要である。バッテリー１０５
で得た電圧を電源処理部１０６で各回路に必要な電圧に
加工し、各回路に供給する。補助動力駆動部１０３内の
電動モータを駆動することのみを考えると、バッテリー
１０５をそのままモータ駆動回路用電源１０６ｃとして
使用し、電圧がＯＶであるグランドレベルを共有した制
御回路電源１０６ｂを一つだけ設けることが、最も部品
点数の少ない望ましい構成となる。しかしながら、トル
クセンサとして磁歪式トルクセンサ１０７を用いた場合
では、特開昭６１−５３５３５公報号に示されているよ
うに、磁性合金のインダクタンスの変化をトルクとして
検出するため、磁歪式トルクセンサ７に交流電圧を印加
する必要があり、これまでは、制御回路１０９に印加す
る電圧のグランドレベルに対して、負極性のトルクセン
サ駆動回路電源１０６ａを加える必要があった。図７は
この電源構成の一例を示したものであり、グランドレベ
ルに対し、モータ駆動回路用電源１０６ｃの電圧と制御
回路電源１０６ｂの電圧、さらにはトルクセンサ駆動回
路電源１０６ａの電圧、トルクセンサ印加電圧、トルク
センサ出力電圧の各電圧の関係を示したものである。

【０００４】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたものであり、バッテリー１０５をその
ままモータ駆動回路用電源１０６ｃとして使用し、それ
とグランドを共通にした制御回路電源１０６ｂを一つだ
け設けた電源構成を変えることなく、磁歪式トルクセン
サ１０７を搭載可能とし、安価で高性能な補助動力装置
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の補助動力装置付
き車輌の制御装置は、走行を行うための車輌走行部、前
記車輌走行部に人力駆動力を与える人力駆動部、及び前
記車輌走行部に補助動力を与える補助動力駆動部を備え
た補助動力装置付き車輌の制御装置であって、前記人力
駆動力を検出する人力駆動力検出部に磁歪式トルクセン
サを用い、前記補助動力駆動部のモータ駆動回路電源
と、前記モータの駆動電流を指令する制御回路の電源で
ある制御回路電源と、前記磁歪式トルクセンサに対し、
前記制御回路電源の電圧を基準とし、そのグランドレベ
ルより高い値の正弦波電圧を印加するトルクセンサ駆動
回路電源とを備えている。

【０００６】このように構成することにより、軽量・高
精度の磁歪式トルクセンサの搭載を、より少ない部品点
数で、安価に実現することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の補助動力装置付き
車輌の制御装置を示す一実施の形態について、図面を参
照しながら説明する。尚、以下の説明では、本発明の補
助動力装置付き車輌の一つの好ましい実施例として、脚
力（ペダル踏力）と補助動力とを組み合わせて走行する
自転車を構成した例について説明する。また、従来の技
術と共通する構成部分については共通の番号を付す。

【０００８】図１は本発明の一実施形態である補助動力
装置付き車輌の概略構成を示す構造図であり、図３は図
１に示した補助動力装置付き車輌の制御方法を示すブロ
ック図である。図１、及び図３に示すように、本実施形
態の補助動力装置付き車輌は、当該車輌を走行するため
の車輌走行部１、前記車輌走行部１を駆動するための人
力駆動部２及び補助動力駆動部１０３、及び前記補助動
力駆動部１０３の制御を行う制御装置１０４を具備して
いる。

【０００９】車輌走行部１０１は、路面と接して車輌を
走行せしめるための車輪１ａ、１ｂ、及び車輪１ａ、１
ｂを回転自在にそれぞれ支持する支持機構１ｃ、１ｄを
備えている。車輪走行部１には、人力駆動部２からの人
力駆動力と補助動力駆動部３からの補助動力が供給さ
れ、これにより上記車輪１ａ、１ｂが回転して車輌が走
行する。

【００１０】人力駆動部２は、操作者や使用者などの人
力を受け取るためのペダル９と、その人力を人力駆動力
として車輌走行部１に伝達するためのクランク軸７やチ
ェーン等の伝達機構１２を備えている。補助動力駆動部
３は、電動モータなどの既知の駆動装置を備え、制御部
４から電流を流すことにより作動（回転）する。さら
に、補助動力駆動部３は、その回転力を補助動力として
伝達機構２ｃを介して車輌走行部１に伝達する。尚、補
助動力駆動部３は、例えば電動モータの位相信号などの
モータを駆動するための情報を制御部４に逐次出力して
いる。

【００１１】図２は、人力駆動力伝達機構部の構成を示
す断面図である。この実施例では、補助動力装置付き車
輌の構成において、一方向力伝達部材を介して中空部材
４２の一端部とクランク軸７を連結し、かつ動力伝達部
材を設けることなく、中空部材４２の他端部をドライブ
スプロケット１１に連結した。

【００１２】図２に示すように、本実施形態における補
助動力装置付き車輌では、円筒状のケーシング３８の内
部には、クランク軸７、前記クランク軸７からドライブ
スプロケット１１に人力駆動力を伝達する人力駆動力伝
達機構部４０、及び人力駆動力検出部５が収納されてい
る。

【００１３】ケーシング３８は、アルミニウム、ステン
レスあるいは類似の非磁性体材料により構成されてい
る。ケーシング３８は、円筒状部３８ａ、前記円筒状部
３８ａの一端部に設けられた端部３８ｂを備えている。
ケーシング３８を非磁性体材料により構成することによ
り、当該車輌の軽量化、及び内部に収納した人力駆動力
検出部５への外部磁気の影響を抑制することが可能とな
る。円筒状部３８ａは、車体フレーム１ｅ（図１）に設
けられた孔部（図示せず）に嵌合され、その車体フレー
ム１ｅに固定される。端部３８ｂの内側には、ボールベ
アリング３９ａが設けられ、クランク軸７を回転自在に
支持している。

【００１４】人力駆動力伝達機構部４０は、クランク軸
７の外周に設けられ、一端部がラチェット４１を介して
クランク軸７に連結され、他端部がドライブスプロケッ
ト１１に一体的に嵌合した円筒状の中空部材４２により
構成されている。

【００１５】ラチェット４１は、鉄等の強度の大きい金
属部材により構成され、クランク軸７の刃部７ａと中空
部材４２の一端部の内側部分の間に設けられている。ラ
チェット４１は、クランク軸７から中空部材４２への一
方向に力（人力駆動力）を伝達する一方向力伝達部材で
あり、中空部材４２からクランク軸７への逆方向の回転
力（反力）の伝達が阻止される。その結果、例えばチェ
ーン１２（図１）に生じた外乱の影響がクランク軸７に
伝わることを防止することができる。

【００１６】中空部材４２は、鉄等の金属部材により構
成され、クランク軸７と一体的に回転運動を行う。詳細
にいえば、中空部材４２の内側部分には、クランク軸７
の外周との間にニードルベアリング４３ａ，４３ｂが設
けられている。これにより、クランク軸７と中空部材４
２は相互に回転自在に支持されている。中空部材４２の
他端部の外側部分には、ボールベアリング３９ｂが円筒
状部３８ａとの間に設けられている。これにより、中空
部材４２は、第１のケーシング３８に対して回転自在に
支持される。

【００１７】以上のように構成することにより、本実施
形態の補助動力装置付き車輌では、人力駆動力伝達機構
部４０の構成を簡略化することができ、当該車輌の小型
軽量化を容易に達成することができる。さらに、本実施
例の補助動力装置付き車輌では、部品点数を減らしてい
るので、当該車輌の組立作業を容易なものとすることが
できる。

【００１８】制御部４は、図３に示すように人力駆動部
１０２から車輌走行部１に伝達された人力駆動力を検出
し、人力駆動力検出部５を構成する磁歪式トルクセンサ
１０７、この磁歪式トルクセンサ１０７を駆動し、その
出力信号を処理するトルクセンサ駆動回路１０８、この
トルクセンサ駆動回路８の出力を用いてモータの駆動電
流を指令する制御回路１０９、この制御回路１０９の電
流指令に従ってモータに電流を流すモータ駆動回路１１
０、バッテリー１０５から各回路に必要な電圧を発生す
る電源処理部１０６を備えている。

【００１９】次に、本実施形態の補助動力装置付き車輌
の制御装置について、図３、図４、図５を参照して説明
する。図４は、図３に示した制御装置１０４における電
源処理部１０６の各構成部の電圧の関係を示す図であ
り、図５は図３に示したトルクセンサ駆動回路１０８及
び制御回路１０９の具体例である。

【００２０】バッテリー５（ＤＣ２４Ｖ）を元電源と
し、電源処理部１０６で、グランドレベルをバッテリー
１０５のグランドレベルと同じくする制御回路電源１０
６ｂ（ＤＣ５Ｖ）を設け、制御回路１０９に供給する。
モータ駆動回路電源１０６ｃには、バッテリー１０５を
そのまま接続する。さらに、トルクセンサ駆動回路１０
８には、モータ駆動回路電源１０６ｃ（ＤＣ２４Ｖ）と
制御回路電源１０６ｂ（ＤＣ５Ｖ）の両方を接続し、図
４に示すように、トルクセンサ駆動回路１０８の基準電
圧を制御回路電源電圧（ＤＣ５Ｖ）とする。なお、制御
回路電源１０６ｂの電圧はＣＰＵに応じた電圧である５
Ｖに設定したものではある。

【００２１】図５に示すように制御回路１０９の矩形波
発生回路１０９ａで発生させた矩形波（０〜５Ｖ）をト
ルクセンサ駆動回路１０８に入力する。トルクセンサ駆
動回路１０８では、この矩形波信号をコンデンサカップ
リング１０８ａを介して入力することにより、矩形波信
号はトルクセンサ駆動回路１０８の基準電圧である＋５
Ｖに対し約±２．５Ｖ（グランドレベルから見ると＋
２．５〜＋７．５Ｖ）の振幅を持つ矩形波となる。この
矩形波を、それ自身の周波数を持つバンドパスフィルタ
回路１０８ｂを通すことにより、正弦波に変換する。こ
の正弦派を磁歪式トルクセンサ１０７に印加する。

【００２２】磁歪式トルクセンサ１０７は、温度補償を
するため２箇所に設け、そこから２つの正弦派信号が出
力されるが、磁歪式トルクセンサ１０７にトルクが加わ
ると、インダクタンスの変化に伴い、この２つの信号間
に振幅差が現れる。まずこの２信号をそれぞれ整流回路
１０８ｃで整流し直流の脈流を得る。この脈流を平滑・
差分回路１０８ｄで平滑、差分する事によりトルク信号
を得る。このとき、トルクセンサ駆動回路１０８に基準
電圧に対し、基準電圧以下の電圧をトルク信号として出
力することにより、出力電圧範囲を制御回路電源１０６
ｂのグランドレベル（バッテリーのグランドレベルとも
共通）から見て０〜５Ｖの範囲に納めることができる。

【００２３】このトルク信号を制御回路１０９のセンサ
信号入力回路（ＡＤ変換器）１０９ｂで読みとる。ただ
し、トルク信号は５Ｖの基準電圧との差として認識しな
ければいけないので、ＣＰＵ内で以下の式の演算を行う
ことで、トルク検出を行う。ＴFB＝Ｖref−ＶAD ここで、ＴFBはトルク計算値、Ｖrefは基準電圧（＋５
Ｖ）、ＶADはセンサ信号入力回路１０９ｂの入力電圧で
ある。ただし、Ｖrefを制御回路電源１０６ｂの＋５Ｖ
未満に設定し、トルクゼロ時の磁歪式トルクセンサ１０
７の出力も、このＶrefにオフセットさせ調整すれ
ば、マイナス側のトルクも検出も可能となる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、本発明の補助動力装置付
き車輌の制御装置では、人力駆動力検出部に軽量かつ高
精度の磁歪式トルクセンサを用いながらも、負極性の電
源の追加を必要としないトルクセンサ駆動回路を備える
ことにより、少ない部品点数で、安価な制御装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である補助動力装置付き
車輌の概略構成を示す図

【図２】図１に示す補助動力装置付き車輌の人力駆動力
伝達機構部の構成図

【図３】図１に示す補助動力装置付き車輌の制御装置の
構成を説明するブロック図

【図４】図３に示した制御装置の電源処理部の各電源の
電圧を示すグラフ

【図５】図３に示した制御装置の各部における電圧波形
生成図

【図６】従来の補助動力装置付き車輌の制御装置の構成
を説明するブロック図

【図７】図６に示した従来の制御装置の電源処理部の各
電源の電圧を示すグラフ

【符号の説明】

１車輌走行部２人力駆動部３補助動力駆動部５人力駆動力検出部１０４制御装置１０６ｂ制御回路電源１０６ｃモータ駆動回路電源１０７磁歪式トルクセンサ１０６a トルクセンサ駆動回路電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷田正人大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者山本秀樹大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】走行を行うための車輌走行部、前記車輌
走行部に人力駆動力を与える人力駆動部、及び前記車輌
走行部に補助動力を与える補助動力駆動部を備えた補助
動力装置付き車輌の制御装置であって、前記人力駆動力
を検出する人力駆動力検出部に磁歪式トルクセンサを用
い、前記補助動力駆動部のモータ駆動回路電源と、前記
モータの駆動電流を指令する制御回路の電源である制御
回路電源と、前記磁歪式トルクセンサに対し、前記制御
回路電源の電圧を基準とし、そのグランドレベルより高
い値の正弦波電圧を押加するトルクセンサ駆動回路電源
とを備えたことを特徴とする補助動力装置付き車輌の制
御装置。