JP2002087370A - 電動自転車及びその走行制御方法 - Google Patents

電動自転車及びその走行制御方法

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JP2002087370A JP2000285609A JP2000285609A JP2002087370A JP 2002087370 A JP2002087370 A JP 2002087370A JP 2000285609 A JP2000285609 A JP 2000285609A JP 2000285609 A JP2000285609 A JP 2000285609A JP 2002087370 A JP2002087370 A JP 2002087370A
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crankshaft
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金山 李
Kazumasa Mikami
和正 三上
Kazumi Sakamaki
佳壽美 坂巻
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Abstract

(57)【要約】 【課題】自動走行モードと補助走行モードとの２種類の
電動走行モードの切り替えを自在として円滑な走行がで
きる電動自転車の提供。 【解決手段】自動走行モードと補助走行モードとの２種
類の電動走行モードへの切り替えが自在なモード切替ス
イッチ５０を備え、前記自動走行モードでは、ハンドル
４７のグリップ４８の一部に設けたスロットル部４９の
手動による回動状態との関係で定まる駆動信号に応じた
印加電圧で駆動される駆動用モータＭでの制御された自
動走行を自在とし、前記補助走行モードでは、ペダル踏
力Ｆを介してクランク軸１７に加えられる入力トルクと
後車輪４３から加えられる負荷トルクとの関係で定まる
印加電圧で駆動される駆動用モータＭでの制御された補
助走行を自在とした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、あらかじめ設定さ
れている自動走行モードと補助走行モードとの２種類の
電動走行モードのうちからその一つを選択して円滑に走
行することができる電動自転車及びその走行制御方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】電動自転車は、駆動モータにより自動走
行できるモーターバイクとして既に広く知られている。
【０００３】一方、電動補助自転車は、駆動モータの支
援のもとで運転者の負担を軽減して走行できることか
ら、近年、多くの人々に利用されるようになってきてい
る。この場合、駆動モータの作動は、クランク軸に加え
られる入力トルクと後車輪から加えられる負荷トルクと
の力関係のもとで正確に制御する必要がある。
【０００４】このため、通常、電動補助自転車には、ペ
ダル踏力によってクランク軸に加えられる入力トルクを
検出できるトルク検出機構が設けられており、その代表
例としては、クランク軸の回転力によりトーションバー
にねじり変形を加え、該トーションバーの先端における
軸方向での移動量やクランク軸との相対回転角度を検出
する構造のものが採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、自動走行モー
ド（簡易モーターバイク）と補助走行モード（電動補助
自転車）との２種類の走行モードのうちから好みの一つ
を適宜選択して円滑に走行できる構造を有して実用に供
される程度にまで完成された電動自転車は未だその提案
をみていない。
【０００６】また、電動補助自転車にあって、前記トー
ションバーのねじり変形によって入力トルクを検出しよ
うとする場合には、該入力トルク検出機構と、クランク
軸から後車輪に入力トルクを伝える動力伝達機構とが別
系統となって各別に配設する必要があり、その全体構造
が複雑化してコスト高を招いてしまうのみならず、全体
の大型化や重量化をも招く不都合があった。
【０００７】本発明は従来技術の上記課題に鑑み、あら
かじめ設定されている自動走行モードと補助走行モード
との２種類の電動走行モードのうちから好みの一つを適
宜選択して走行できるばかりでなく、前記補助走行モー
ドにおいてもクランク軸から後車輪に入力トルクを伝達
する動力伝達機構のもとで、クランク軸からの入力トル
クと後車輪からの負荷トルクとを正確に検出できるよう
にして、低コスト化と軽量小型化とを同時に実現できる
ようにした電動自転車及びその走行制御方法を提供する
ことを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
すべくなされたものであり、そのうち、本発明に係る電
動自転車（第１の発明）は、自動走行モードと補助走行
モードとの２種類の電動走行モードへの切り替えが自在
なモード切替スイッチを備え、前記自動走行モードで
は、ハンドルのグリップの一部に設けたスロットル部の
手動による回動状態との関係で定まる駆動信号で駆動用
モータによる制御した自動走行を自在とし、前記補助走
行モードでは、ペダル踏力を介してクランク軸に加えら
れる入力トルクと後車輪から加えられる負荷トルクとの
関係で定まる駆動信号で前記駆動用モータによる制御し
た補助走行を自在としたことに構成上の特徴がある。
【０００９】この場合、ペダル踏力により強制回転され
る前記クランク軸に固定された原動側カムプレートと、
それぞれの凹陥面を相互に対面させて介挿させた一対の
さらばねにより前記原動側カムプレート側への軸方向で
の押圧力が付勢されて前記クランク軸の側に回転と軸方
向での移動とが自在に軸支されたチェーン大歯車に固定
された従動側カムプレートとを備え、前記原動側カムプ
レートに設けられた隆起部と前記従動側カムプレートに
設けられた凹陥部とを複数箇所にて回転方向への摺動を
自在に嵌合するように対面配置し、前記後車輪から加え
られる負荷トルクが増大するにつれて原動側カムプレー
トの前記隆起部の側が摺動して前記従動側カムプレート
に生ずる回転方向での位置ずれに伴って変動する相互間
の離間距離は、前記原動側カムプレートと前記従動側カ
ムプレートとの外周を囲繞してチェーン大歯車の内側に
固着された磁気リングの内端面側の適宜の２か所に磁力
の検出を自在に近接配置されたトルクセンサが各別に検
出する検出値の計算値に変換されて駆動用モータの駆動
を制御することにより後車輪への駆動補助トルクの付与
を自在とするとともに、前記チェーン大歯車とは軸方向
での反対側に位置して連結されたクランクの内側に位置
するクランク軸には、前記チェーン大歯車と略同一形状
を呈する車速検出用大歯車を軸固定し、該車速検出用大
歯車の歯部との対面部位に設置したスピードセンサを介
して走行速度の検出を自在にして前記補助走行モードで
の走行を可能とするのが好ましい。
【００１０】また、前記一対のさらばねは、凹陥面相互
間に弾性材を介在させて配設するのが好ましい。さら
に、前記磁気リングは、その周回時にトルクセンサと対
面する部位に位置させた円環状を呈するマグネット部
と、該マグネット部の内端面を除く部位に覆設された樹
脂補強部とで一体的に形成されたものを好適に用いるこ
とができる。さらにまた、従動側カムプレートに対する
原動側カムプレートの位置ずれは、前記隆起部の上面に
凹陥掛合部を設け、該凹陥掛合部との対面部位に位置す
る従動側カムプレートの凹陥部の始端側に掛止ピンを立
設し、該掛止ピンを前記凹陥掛合部の始端から終端に至
るストロークを限度に移動の規制を自在とするのが望ま
しい。
【００１１】一方、本発明に係る電動自転車の走行制御
方法（第２の発明）は、ハンドルのグリップの一部に設
けたスロットル部の手動による回動状態に応じて駆動信
号を変化させ、該駆動信号の変化の程度に応じた電圧を
印加して駆動用モータの駆動を制御する自動走行モード
と、ペダル踏力を介してクランク軸に加えられる入力ト
ルクと後車輪から加えられる負荷トルクとの関係で定ま
る駆動信号で前記駆動用モータの駆動を制御する補助走
行モードとの２種類の電動走行モードの切り替えにより
行うことに構成上の特徴がある。
【００１２】この場合、車体に着脱自在に設置される充
電可能なバッテリと、該バッテリからの印加電圧のもと
で後車輪をハブを介して強制回転させるべく配設される
駆動用モータと、車速を前記クランク軸に直結された車
速検出用大歯車の回転状況から検出するスピードセンサ
と、ペダル踏力が入力トルクとなって強制回転されるク
ランク軸に固定された原動側カムプレートと、それぞれ
の凹陥面を相互に対面させて介挿させた一対のさらばね
により前記原動側カムプレート側への軸方向での押圧力
が付勢されて前記クランク軸の側に回転と軸方向での移
動とが自在に軸支されたチェーン大歯車に固定された従
動側カムプレートとの間の接離状況から検出するトルク
センサと、前記モード切替スイッチを含む操作部の各種
スイッチの入力操作状況に応じてその全体を統括制御す
る制御部とを少なくとも備え、前記モード切替スイッチ
からの入力が自動走行モードと補助走行モードとのいず
れであるのかがまず判別され、自動走行モードであれ
ば、バッテリの充電状況のチェックが行われ、充電状況
に問題がなければ真正なＯＦＦスイッチの投入があるま
でスロットル部からの入力信号に応じたパルス幅の漸増
・漸減制御を行い、該制御後に得られるパルスを出力し
てブレーキの有無に応じた過電流制限処理を行いながら
自動走行モードでの駆動用モータの駆動制御を行い、補
助走行モードであれば、前記操作部からのＯＮスイッチ
投入が真正なものであるときに限り前記制御部からの指
令に基づき制御系の正否をチェックする自己診断を行
い、正常であれば装着されているバッテリの充電状況の
チェックが行われ、充電状況に問題がなければ真正なＯ
ＦＦスイッチの投入があるまで、常時、スピードセンサ
からの検出信号に基づいてスピードを測定するととも
に、トルクセンサからの検出信号に基づいてトルクを測
定し、これら測定されたスピードとトルクとからパルス
を算出し、あらかじめ設定されている基準値との関係で
パルス幅の漸増・漸減制御を行い、該制御後に得られる
パルスを出力してブレーキの有無に応じた過電流制限処
理を行いながら補助走行モードでの駆動用モータの駆動
制御を行うのが好ましい。
【００１３】また、トルクの測定は、各別に配置した２
個のトルクセンサが各別に取得した検出信号から得られ
るそれぞれの検出値から得られる計算値に基づき行うの
が望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る電動自転車
（第１の発明）の概略構成例を模式的に示す説明図であ
る。
【００１５】同図によれば、電動自転車１１は、簡易モ
ーターバイクとしての機能が得られる自動走行モード
と、電動補助自転車としての機能が得られる補助走行モ
ードとの２種類の電動走行モードのうちからいずれかの
モードの選択が自在なモード切替スイッチ５０を有する
操作部３８と、自動走行モードが選択されている際に例
えば可変抵抗器の抵抗値を変化させるなど、駆動信号の
変化の程度に応じた電圧を印加して駆動用モータＭの駆
動を制御するためにハンドル４７のグリップ４８の一部
に手動での回動が自在に配設されたスロットル部４９と
を少なくとも備えている。
【００１６】また、同電動自転車１１は、操作部３８の
モード切替スイッチ５０により自動走行モードを選択す
ることにより、スロットル部４９の回動状態（回転角）
に応じた駆動信号に対応した電圧を駆動用モータＭに印
加して駆動制御することにより、所望するスピード（車
速）のもとで自動走行することができる。
【００１７】さらに、自動走行モードと補助走行モード
とのいずれをも選択しない場合には、ペダル１３を踏み
込んで得られるペダル踏力Ｆによりハンガラック１６に
回転自在に挿通支持されているクランク軸１７をクラン
ク１４，１５を介して強制回転させる入力トルクが生成
され、該クランク軸１７に固定されているチェーン大歯
車１８からチェーン４１とチェーン小歯車４２とを経て
伝達される入力トルクにより後車輪４３を強制回転させ
て、平坦な路面Ｒを人力走行できるようになっている。
【００１８】さらにまた、操作部３８のモード切替スイ
ッチ５０により補助走行モードを選択した後における走
行開始時や坂道などの斜面を走行する際においては、フ
レーム１２に着脱自在に支持させたバッテリ４４からの
給電を受けて後車輪４３のチェーン小歯車４２と同軸状
となって配設されているハウジング４５内の駆動用モー
タＭが駆動され、該駆動モータＭの回転力により後車輪
４３に駆動補助トルクが付加され、その支援のもとで容
易に補助走行できるようになっている。なお、図中の符
号４６は、駆動用モータＭの駆動制御や必要な演算を行
わせるために別途配設されている制御部を示す。
【００１９】図２は、図１におけるクランク軸１７を含
む動力伝達機構の詳細を一部を切り欠いて示す要部構成
図であり、図１に示すように先端にペダル１３を取り付
けたクランク１４，１５は、それぞれの基端にボス部１
４ａ，１５ａが設けられており、これらボス部１４ａ，
１５ａを介してクランク軸１７の両端部に固定されてい
る。したがって、ペダル１３からクランク１４，１５を
介して交互に加えられたペダル踏力Ｆは、入力トルクと
なってクランク軸１７に伝達され、該クランク軸１７を
強制回転させる。
【００２０】しかも、一方のクランク１４のボス部１４
ａは、クランク軸１７の軸方向への長さを比較的長くし
て確保されており、該ボス部１４ａの内端側に原動側カ
ムプレート２２が一体的となって回転できるように軸着
されている。また、ボス部１４ａの中間部分の外周に
は、原動側カムプレート２２の一側面２２ａとその一側
面２５ａが対面合致する配置関係のもとで従動側カムプ
レート２５が遊挿されている。さらに、従動側カムプレ
ート２５の適宜位置には、螺孔２８が配設されており、
該螺孔２８との対面部位に位置するチェーン大歯車１８
に穿設された通孔１９を介して螺着されたビス３１によ
り従動側カムプレート２５とチェーン大歯車１８とが一
体化されている。このため、従動側カムプレート２５と
チェーン大歯車１８とは、クランク軸１７に対し一体と
なっての軸方向での移動が可能で、かつ、回転自在とな
って軸支されることになる。
【００２１】図３は、上記動力伝達機構を構成している
原動側カムプレート２２と従動側カムプレート２５とを
その対向面である一側面２２ａ，２５ａ相互が見開き状
となるように引き離した状態のもとで示す斜視図であ
る。同図によれば、原動側カムプレート２２の一側面２
２ａの側には、その周方向に等間距離をおいて計３個の
隆起部２３が設けられている。しかも、該隆起部２３の
それぞれは、原動側カムプレート２２の回転方向に沿っ
て次第に前上りに傾斜する斜面２３ａと、該斜面２３ａ
の終端に稜線２３ｂを形成して前下がりに傾斜する斜面
２３ｃとを備えた山形を呈して形成されている。
【００２２】さらに、いずれかひとつの隆起部２３にお
ける斜面２３ａから稜線２３ｂにかけては、原動側カム
プレート２２の回転方向での外周部に沿ってやや湾曲さ
せた略長円切欠形状を呈する有底の凹陥掛合部２４が形
成されている。なお、該凹陥掛合部２４は、有底長穴と
したり、該有底長穴と略同じ形状に穿設された長孔や、
内周部に削成された切欠部により形成することもでき
る。
【００２３】一方、原動側カムプレート２２の一側面２
２ａとの対面側である従動側カムプレート２５の一側面
２５ａには、原動側カムプレート２２の各隆起部２３と
相互に対面合致する断面形状を呈する谷形となった計３
個の凹陥部２６が設けられている。
【００２４】また、凹陥掛合部２４が設けられている隆
起部２３と対面する位置関係にある凹陥部２６の始端２
６ａ側には、凹陥掛合部２４内に納まる長さと太さとを
有する掛止ピン２７が立設されている。
【００２５】さらに、図２に示したようにクランク１４
のボス部１４ａの外端側に設けられたフランジ２０とチ
ェーン大歯車１８との間には、一対のさらばね２９，２
９がその凹陥面相互を向き合わせた配置関係のもとで介
挿されており、これによりチェーン大歯車１８と従動側
カムプレート２５とを常に駆動側カムプレート２２側へ
と押圧付勢できるようになっている。また、この場合、
一対のさらばね２９，２９の凹陥面相互間には、ゴム材
や軟質樹脂材などからなる弾性材３０を介在させておく
のが好ましい。なお、さらばね２９，２９は、フランジ
２０の周端とチェーン大歯車１８の外側面との間に取り
付けられた防塵ゴムカバー３６で覆われている。
【００２６】また、チェーン大歯車１８の内側面には、
駆動側カムプレート２２と従動側カムプレート２５とを
その外周側から覆うように配設された磁気リング３２が
固着されている。該磁気リング３２は、円環状に形成さ
れた例えばゴム磁石やフェライト磁石などからなるマグ
ネット部３３と、該マグネット部３３の内端面３３ａを
表出させてその全体を覆う円盤状の補強樹脂部３４とで
形成されているものを好適に用いることができる。しか
し、必要により図示しない金属製磁気リングにより形成
されているものを用いることもできる。また、該マグネ
ット部３３の内端面３３ａと対向する適宜の２か所、図
示例によれば上下各１か所には、磁力の検出が自在なト
ルクセンサ３９が例えばセンサカバー３９ａに支持させ
るなどしてそれぞれ近接配置されている。したがって、
これらのトルクセンサ３９は、各別に検出する検出値の
平均値などの計算値に基づきマグネット部３３の内端面
３３ａとの間の離間距離、つまり、その時々の負荷トル
クが別途用意される磁気回路を介して検出できるように
なっている。
【００２７】しかも、チェーン大歯車１８とは反対側に
位置して連結されたクランク１５のボス部１５ａの内側
に位置するクランク軸１７には、チェーン大歯車１８と
略同一形状を呈する車速検出用大歯車３７が軸固定され
ており、該車速検出用大歯車３７の歯部３７ａとの対面
部位に近接配置した例えばフォトセンサや磁気センサな
どからなるスピードセンサ３５を介して走行速度が検出
できるようになっている。
【００２８】この場合、トルクセンサ３９とスピードセ
ンサ３５とから得られるそれぞれの検出信号は、制御部
４６へと各別に送られ、該制御部４６にて演算され、ク
ランク軸１７に加えられる入力トルクと後車輪４３から
加えられる負荷トルクとの間に生成される合成トルクや
車速を算出するためのデータとして利用されることにな
る。
【００２９】次に、本発明方法（第２の発明）の一例に
つき、第１の発明である上記構成からなる電動自転車１
１の作用とともに説明する。
【００３０】図５は、電動自転車１１についての一例と
しての機能ブロック図を、図６は、駆動用モータＭの駆
動制御系の一例についてのブロック図を、図７は、本発
明方法の処理ステップの一例についてのフローチャート
図をそれぞれ示す。
【００３１】これら図５〜図７と図１とによれば、電動
自転車１１は、すでに述べたように充電が自在なバッテ
リ４４と、該バッテリ４４により作動される駆動用モー
タＭと、車速を検出するスピードセンサ３５と、負荷ト
ルクを検出するトルクセンサ３９と、操作部３８におけ
るモード切替スイッチ５０を含む各種スイッチの操作状
況に応じてその全体を統括制御する制御部４６とを少な
くとも備えている。
【００３２】図６は、モード切替スイッチ５０などを含
む入力／表示回路からなる操作部３８からの入力状況に
応じ駆動用モータＭを駆動制御する制御部４６の構成例
を示すブロック図であり、制御部４６には、スロットル
部４９に配設されている可変抵抗器により生成される抵
抗値を検出するなど、適宜の駆動信号を得るためのスロ
ットル回路と、ペダル踏力Ｆを介してクランク軸１７に
加えられる入力トルクと後車輪４３から加えられる負荷
トルクとを検出するトルク検出回路と、駆動用モータの
駆動制御回路と、ブレーキ状態に応じた過電流制限やス
ピード（車速）などに対応させる安全性の検出・維持回
路などが含まれる。また、駆動用モータの駆動制御回路
には、ＣＰＵなどからなるマイクロプロセッサ回路のほ
か、駆動回路や各種のリミッタが含まれる。
【００３３】そして、上記電動自転車１１に適用して実
施される本発明方法は、ハンドル４７に設けたスロット
ル部４９の手動による回動状態に応じて可変抵抗器が生
成する抵抗値などの適宜の駆動信号を変化させ、この変
化の程度に応じた電圧を印加して駆動用モータＭの駆動
を制御する自動走行モードと、ペダル踏力Ｆを介してク
ランク軸１７に加えられる入力トルクと後車輪から加え
られる負荷トルクとの関係で定まる電圧を印加して駆動
用モータＭの駆動を制御する補助走行モードとの２種類
の電動走行モードの切り替えにより行われる。
【００３４】これを図７に従いより詳しく説明すれば、
モード切替スイッチ５０からの入力が自動走行モードと
補助走行モードとのいずれであるのかがまず判別され
る。この場合におけるモード切替スイッチ５０からの入
力は、図示例ではＯＮスイッチとＯＦＦスイッチとを同
時に押すことにより行っているが、その他の適宜の手法
により行うものであってもよい。
【００３５】図示例によれば自動走行モードと補助走行
モードとの判別は、ＯＮスイッチとＯＦＦスイッチとが
同時に２秒以上押された場合を自動走行モードとし、そ
れ以外のスイッチ操作は補助走行モードとすることによ
り行われる。
【００３６】そして、自動走行モードが選択された場合
には、バッテリ４４の電圧がチェックされ、基準よりも
低い場合には、異常であることを操作部３８のＬＥＤを
点灯表示するなどして運転者に知らせる。
【００３７】一方、バッテリ４４の充電状況に問題がな
ければ、操作部３８から真正なＯＦＦスイッチの投入
（例えば１秒間以上のＯＦＦスイッチの投入）があるま
で、スロットル部４９から入力される駆動信号に応じた
パルス幅の漸増・漸減制御（ＰＷＭ制御）が行われる。
【００３８】このとき、ブレーキをかけたか否かをチェ
ックする過電流制限処理も行われており、ブレーキがか
けられた際には直ちに給電回路を開成して駆動用モータ
Ｍの駆動を停止させ、焼損を防止できるようになってい
る。また、ブレーキがかけられていない場合には、ＰＷ
Ｍ制御により得られるパルスを出力して駆動用モータＭ
を駆動制御することにより、自動走行モードのもとで走
行を続けることができる。
【００３９】一方、補助走行モードが選択された場合に
は、操作部３８からのＯＮスイッチ投入が真正なもので
あるときに限り制御部４６からの指令に基づき制御系の
正否をチェックする自己診断を行い、正常であれば装着
されているバッテリ４４の充電状況のチェックが行わ
れ、充電状況に問題がなければ真正なＯＦＦスイッチの
投入があるまで、常時、スピードセンサ３５からの検出
信号に基づいてスピードを測定するとともに、トルクセ
ンサ３９からの検出信号に基づいてトルクを測定し、こ
れらスピードとトルクからパルスを算出し、あらかじめ
設定されている基準値との関係でパルス幅の漸増・漸減
制御（ＰＷＭ制御）が行われる。
【００４０】このとき、ブレーキをかけたか否かをチェ
ックする過電流制限処理も行われており、ブレーキがか
けられた際には直ちに給電回路を開成して駆動用モータ
Ｍの駆動を停止させ、焼損を防止できるようになってい
る。また、ブレーキがかけられていない場合には、ＰＷ
Ｍ制御により得られるパルスを出力して駆動用モータＭ
を駆動制御することにより、補助走行モードのもとで走
行を続けることができる。
【００４１】すなわち、補助走行モードのもとで運転者
により電動自転車１１の操作部３８からＯＮスイッチが
投入されると、例えば２秒間以上押され続けているか否
かを判断することにより、２秒間以上押され続けている
場合には真正なＯＮスイッチの投入であるとして、制御
部４６からの指令に基づき制御系の適否を自動的にチェ
ックする自己診断が行われる。なお、自己診断の結果、
異常であると判別されたときは操作部３８に設けられて
いるＬＥＤを点灯させるなどしてエラー表示がされるこ
とになる。
【００４２】自己診断の結果、電動自転車１１の制御系
に異常がなければ、フレーム１２に装着されているバッ
テリ４４の電圧がチェックされ、基準よりも低い場合に
は、異常であることを操作部３８のＬＥＤを点灯表示す
るなどして運転者に知らせる。
【００４３】一方、バッテリ４４の充電状況に問題がな
ければ、操作部３８から真正なＯＦＦスイッチの投入
（例えば１秒間以上のＯＦＦスイッチの投入）があるま
で、電源ＯＮ状態のもとでスピードセンサ３５によるス
ピードの測定が行われる。
【００４４】具体的には、運転を開始してペダル１３を
交互に踏み込むことにより得られるペダル踏力Ｆは、ク
ランク１４，１５を介することにより入力トルクとなっ
てクランク軸１７に伝達され、ボス部１４ａ，１５ａと
駆動側カムプレート２２とに一体化されているクランク
軸１７を強制回転させるに至る。
【００４５】該クランク軸１７には車速検出用大歯車３
７が軸固定されているので、該車速検出用大歯車３７も
回転され、スピードセンサ３５が個々の歯部３７ａの通
過状況を正確に検出し、その検出信号に基づいて速度が
測定されることになる。つまり、あらかじめ設定されて
いる一定の時間内に通過する歯部１８ａの個数に対応す
る検出信号を制御部４６に送出でき、該制御部４６で
は、通過した歯部１８ａの個数からクランク軸１７（チ
ェーン大歯車１８）の回転速度を演算し、ギヤ比と後車
輪４３の直径とから電動補助自転車１１の車速を算出す
る。なお、車速検出用大歯車３７には、チェーン大歯車
１８のような負荷トルクがかかることはないので、回転
時の振れが少なく正確に回転数を検出できる。
【００４６】一方、ペダル１３を交互に踏み込むことに
より得られるペダル踏力Ｆは、クランク１４，１５を介
することにより入力トルクとなってクランク軸１７から
チェーン大歯車１８へと伝達される。このとき、従動側
カムプレート２５は、さらばね２９，２９によりチェー
ン大歯車１８ともども駆動側カムプレート２２方向に押
圧付勢されているので、チェーン大歯車１８にかかる負
荷がさらばね２９，２９の押圧力より小である場合に
は、図４（イ）に示されているように駆動側カムプレー
ト２２と従動側カムプレート２５とが隆起部２３と凹陥
部２６とを相互に嵌合させた状態のもとで密着して対面
合致している。
【００４７】この状態のもとでは、駆動側カムプレート
２２と従動側カムプレート２５との間に生成される摩擦
力により、駆動側カムプレート２２の回転運動はそのま
ま従動側カムプレート２５へと伝達され、該従動側カム
プレート２５に直結されているチェーン大歯車１８を強
制回転させることにより、チェーン４１とチェーン小歯
車４２とを介して後車輪４３に回転力を付与することが
できる。
【００４８】一方、電動自転車１１が補助走行モードの
もとで走行を開始する際や、坂道にさしかかった場合な
どのように後車輪４３に大きな負荷がかかる場合には、
その際に生ずる負荷トルクがチェーン小歯車４２とチェ
ーン４１とを介してチェーン大歯車１８から従動側カム
プレート２５へと伝達される。
【００４９】つまり、従動側カムプレート２５には、上
記負荷トルクによりその回転を停止させようとするブレ
ーキがかかることから、ペダル１３から得られる入力ト
ルクにより依然として回転しようとしている駆動側カム
プレート２２との間に反対方向に働く力が生じて相互に
位置ずれを生じさせる。
【００５０】このように駆動側カムプレート２２と従動
側カムプレート２５との間に生ずる位置ずれは、駆動側
カムプレート２２の隆起部２３が従動側カムプレート２
５の凹陥部２６から脱出しようとする力として作用する
ことになり、斜面２３ａの傾斜方向へと凹陥部２６を押
圧する結果、遊挿されている従動側カムプレート２５
は、さらばね２９，２９の押圧力に抗しながらクランク
１４のボス部１４ａの軸方向に沿って外側方向へと押し
出されるに至る。
【００５１】しかも、駆動側カムプレート２２と従動側
カムプレート２５との間に生ずる位置ずれは、ペダル１
３側からの入力トルクと後車輪４３側からの負荷トルク
との均衡点にてその動きを止めることになる。したがっ
て、その際の従動側カムプレート２５のボス部１４ａの
軸方向に沿った移動量を計測することにより、クランク
軸１７に加えられる入力トルクと後車輪４３から加えら
れる負荷トルクとの間に生成される合成トルクの大きさ
が求められることになる。
【００５２】具体的には、トルクセンサ３９によりチェ
ーン大歯車１８に固定されている磁気リング３２におけ
るマグネット部３３の内端面３３ａとの間の離間距離を
磁気回路により検出できる。このため、負荷トルクがゼ
ロのときは、図４（イ）に示すように離間距離ｔ1 で、
負荷トルクが発生したときは、図４（ロ）に示すように
離間距離ｔ2 であるとすれば、従動側カムプレート２５
（チェーン大歯車１８）の軸方向での移動量はｔ2 −ｔ
1 となり、合成トルクもこれに比例することになる。し
たがって、トルクセンサ３９から得られる検出値を制御
部４６を介して演算させることにより、合成トルクの大
きさを算出できることになる。
【００５３】また、従動側カムプレート２５は、さらば
ね２９，２９を介して駆動側カムプレート２２の側に常
に押し付けられているので、該駆動側カムプレート２２
に加えられる入力トルクと従動側カムプレート２５にか
かる負荷トルクとが均衡した状態で、駆動側カムプレー
ト２２の回転が従動側カムプレート２５へと伝達され
る。したがって、従動側カムプレート２５に固定されて
いるチェーン大歯車１８も回転し、チェーン４１を介し
て後車輪４３が回転駆動されるに至る。なお、一対のさ
らばね２９，２９の凹陥面相互間に弾性材３０を介在さ
せてある場合には、押圧力が解除された際により確実な
復元力を付与してさらばね２９を元の形状に自動復帰さ
せることができる。
【００５４】しかも、図４（イ），（ロ）に示すように
マグネット部３３の内端面３３ａと対向する２か所にト
ルクセンサ３９が近接配置されている場合には、磁気リ
ング３２がその回転時に振れることがあっても、これら
のトルクセンサ３９が各別に検出する検出値の平均値な
どの計算値に基づきマグネット部３３の内端面３３ａと
の間の離間距離を正確に検知することにより、その時々
の負荷トルクを別途用意される磁気回路を介して正確に
検出できる。つまり、負荷トルクがゼロのときは、図４
（イ）に示すように離間距離ｔ1 とｔ2 で、負荷トルク
が発生したときは、図４（ロ）に示すように離間距離ｔ
3 とｔ4 であるとすれば、従動側カムプレート２５（チ
ェーン大歯車１８）の軸方向での移動量はｔ3 −ｔ1 と
ｔ2 −ｔ4 との２値が得られ、その平均値を制御部４６
を介して演算させたり、平均値以外の適宜の計算値を演
算させることにより、合成トルクの大きさをより正確に
算出できることになる。
【００５５】制御部４６は、このようにして算出された
車速と合成トルクとからパルスを算出し、あらかじめ設
定されている基準値との関係でパルス幅の漸増・漸減制
御、つまりパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）を行い、該
制御後に得られるパルスを出力して電動自転車１１が補
助走行モードのもとでの走行状態にある限り駆動用モー
タＭの駆動を適正に制御しながら、所定の駆動補助トル
クを後車輪４３に付加する。このため、後車輪４３は、
ペダル１３を踏んで得られる入力トルクと駆動用モータ
Ｍから得られる駆動補助トルクとにより駆動される結
果、その時々の状況に応じた最適な補助走行モードのも
とで軽快な走行ができる。
【００５６】しかも、原動側カムプレート２２には、そ
の一側面２２ａに設けられている隆起部２３のうちのい
ずれかひとつに凹陥掛合部２４が、従動側カムプレート
２５には、その一側面２５ａに設けられている凹陥部２
６のうちのいずれかひとつに掛止ピン２７がそれぞれ設
けておくことができる。
【００５７】したがって、この場合には、原動側カムプ
レート２２と従動側カムプレート２５とを凹陥掛合部２
４内に掛止ピン２７を位置させて相互に対面合致させる
ことにより、原動側カムプレート２２の摺動を掛止ピン
２７が凹陥掛合部２４の始端２４ａから終端２４ｂに至
るストロークを限度に移動規制することができる。
【００５８】このため、例えば予想を越えた負荷トルク
がかかることがあっても、凹陥部２６を隆起部２３が乗
り越えることをなくすことができるほか、下り坂などで
チェーン大歯車１８を逆回転させても負荷トルクの発生
を阻止できる。また、電動自転車１１の停車時に不用意
にチェーン大歯車１８を逆回転させた際に負荷トルクが
発生して駆動用モータＭを駆動させ、その際の駆動補助
トルクにより後車輪４３が自然回転したり、電動自転車
１１を暴走させるといった不慮の事故の発生も未然に防
止できる。
【００５９】さらに、本発明に係る電動自転車１１にお
いては、クランク軸１７に加えられる入力トルクと後車
輪４３から加えられる負荷トルクとを合成トルクとして
検出できる。したがって、合成トルクの検出と後車輪４
３への動力の伝達とを同一の動力伝達機構を介して行う
ことができるので、全体構造を簡素化してコスト低減と
軽量小型化とを実現できる。
【００６０】なお、図７においては、制御部４６により
制御系の正否の自己診断が行われた後にバッテリ４４の
充電状況のチェックが行われているが、バッテリ４４の
充電状況をチェックした後に制御系の正否の自己診断を
行うようにしてもよい。
【００６１】
【発明の効果】以上述べたように本発明のうち、第１の
発明によれば、自動走行モードと補助走行モードとの２
種類の電動走行モードに切り替えて走行できるので、例
えば河川敷などのような一般道路以外の場所では簡易モ
ーターバイクとして、一般道路では電動補助自転車とし
て走行するなど、その時々の状況に応じた走行を楽しむ
ことができる。
【００６２】しかも、第１の発明において、原動側カム
プレートの隆起部と、従動側カムプレートの凹陥部とが
回転方向への摺動を自在に嵌合して対面合致し、かつ、
後車輪から加えられる負荷トルクが増大するにつれて隆
起部の側が摺動して回転方向に位置ずれを検出するトル
クセンサを備えている場合には、クランク軸に加えられ
る入力トルクと後車輪から加えられる負荷トルクとを合
成トルクとして同時に検出することができる簡素化され
た動力伝達機構を備えた電動自転車を提供できる。した
がって、該電動自転車の製品コストを低減できるばかり
でなく、軽量小型化も実現できる。
【００６３】この場合、一対のさらばねの凹陥面相互間
に弾性材を介在させてあれば、押圧力が解除された際に
より確実な復元力を付与してさらばねを元の形状に自動
復帰させることができる。また、磁気リングがマグネッ
ト部と樹脂補強部とで一体的に形成されている場合に
は、トルクセンサを磁気センサのみで構成することがで
きるほか、素材コストも低減でき、全体コストの低減に
有効に寄与させることができる。さらに、隆起部に設け
た凹陥掛合部内に凹陥部に立設した係止ピンが入り込む
ようにして原動側カムプレートと従動側カムプレートと
が形成されている場合には、原動側カムプレートが摺動
しても凹陥係合部の始端から終端に至るストロークを限
度に移動規制できる。このため、予想を越えた負荷トル
クがかかったり、下り坂などでチェーン大歯車を逆回転
させたり、その停車時に不用意にチェーン大歯車を逆回
転させることがあっても、電動自転車の暴走をなくして
不慮の事故の発生を未然に防止できる。
【００６４】一方、第２の発明によれば、ハンドルに設
けたスロットル部の回動状態により定まる駆動信号に応
じた電圧を印加して駆動用モータの駆動を制御する自動
走行モードと、ペダル踏力を介してクランク軸に加えら
れる入力トルクと後車輪から加えられる負荷トルクとの
関係で定まる電圧を印加して駆動用モータの駆動を制御
する補助走行モードとの２種類の電動走行モードの切り
替えにより電動自転車の走行を制御することができる。
【００６５】第２の発明においては、常時、スピードセ
ンサからの検出信号に基づいてスピードを測定するとと
もに、トルクセンサからの検出信号に基づいてトルクを
測定し、これらスピードとトルクからパルス幅を算出
し、あらかじめ設定されている基準値との関係でパルス
幅の漸増・漸減制御を行い、該制御後に得られるパルス
を出力することにより、電動自転車が補助走行モードの
もとでの走行状態にある限り用駆動モータの駆動を制御
できるので、その時々の状況に応じた最適な補助走行モ
ードのもとで軽快な走行ができる。しかも、スピードセ
ンサは、負荷トルクがかかってその回転時に振れるチェ
ーン大歯車ではなく、別途配設された車速検出用大歯車
からその回転数を検出できるので、より正確な車速を測
定することができる。なお、各別に配置した２個のトル
クセンサから得られる検出値の平均値に基づきトルクを
測定する場合には、合成トルクの大きさをより正確に算
出でき、より優れた補助走行モードのもとで軽快な走行
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動自転車の概略構成例を模式的
に示す説明図。
【図２】図１におけるクランク軸を含む動力伝達機構の
詳細を一部を切り欠いて示す要部構成図。
【図３】図２において動力伝達機構を構成している原動
側カムプレートと従動側カムプレートとを相互が見開き
状となるように引き離した状態のもとで示す斜視図。
【図４】図２における動力伝達機構の無負荷状態を
（イ）として、従動側に負荷が発生したときの状態を
（ロ）として示す説明図。
【図５】本発明に係る電動自転車の一例としての機能ブ
ロック図。
【図６】本発明における駆動用モータの駆動制御系の一
例を示すブロック図。
【図７】本発明に係る電動自転車の走行制御方法の処理
ステップの一例を示すフローチャート図。
【符号の説明】
１１ 電動自転車 １２ フレーム １３ ペダル １４，１５ クランク １４ａ，１５ａ ボス部 １６ ハンガーラック １７ クランク軸 １８ チェーン大歯車 １８ａ 歯部 １９ 通孔 ２０ フランジ ２２ 原動側カムプレート ２２ａ 一側面 ２３ 隆起部 ２３ａ 斜面 ２３ｂ 稜線 ２３ｃ 斜面 ２４ 凹陥掛合部 ２４ａ 始端 ２４ｂ 終端 ２５ 従動側カムプレート ２５ａ 一側面 ２６ 凹陥部 ２６ａ 始端 ２７ 掛止ピン ２８ 螺孔 ２９ さらばね ３０ 弾性材 ３１ ビス ３２ 磁気リング ３３ マグネット部 ３３ａ 内端面 ３４ 樹脂補強部 ３５ スピードセンサ ３６ 防塵ゴムカバー ３７ 車速検出用大歯車 ３７ａ 歯部 ３８ 操作部 ３９ トルクセンサ ３９ａ センサカバー ４１ チェーン ４２ チェーン小歯車 ４３ 後車輪 ４４ バッテリ ４５ ハウジング ４６ 制御部 ４７ ハンドル ４８ グリップ ４９ スロットル部 ５０ モード切替スイッチ Ｆ ペダル踏力 Ｒ 路面 Ｍ 駆動用モータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 李 金山 東京都杉並区高円寺南４−24−14 株式会 社日本リサイクリングシステムズ (72)発明者 三上 和正 東京都北区西が丘３丁目13番10号 東京都 立産業技術研究所 (72)発明者 坂巻 佳壽美 東京都北区西が丘３丁目13番10号 東京都 立産業技術研究所

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 自動走行モードと補助走行モードとの２
    種類の電動走行モードへの切り替えが自在なモード切替
    スイッチを備え、前記自動走行モードでは、ハンドルの
    グリップの一部に設けたスロットル部の手動による回動
    状態との関係で定まる駆動信号で駆動用モータによる制
    御した自動走行を自在とし、前記補助走行モードでは、
    ペダル踏力を介してクランク軸に加えられる入力トルク
    と後車輪から加えられる負荷トルクとの関係で定まる駆
    動信号で前記駆動用モータによる制御した補助走行を自
    在としたことを特徴とする電動自転車。
  2. 【請求項２】 ペダル踏力により強制回転される前記ク
    ランク軸に固定された原動側カムプレートと、それぞれ
    の凹陥面を相互に対面させて介挿させた一対のさらばね
    により前記原動側カムプレート側への軸方向での押圧力
    が付勢されて前記クランク軸の側に回転と軸方向での移
    動とが自在に軸支されたチェーン大歯車に固定された従
    動側カムプレートとを備え、 前記原動側カムプレートに設けられた隆起部と前記従動
    側カムプレートに設けられた凹陥部とを複数箇所にて回
    転方向への摺動を自在に嵌合するように対面配置し、 前記後車輪から加えられる負荷トルクが増大するにつれ
    て原動側カムプレートの前記隆起部の側が摺動して前記
    従動側カムプレートに生ずる回転方向での位置ずれに伴
    って変動する相互間の離間距離は、前記原動側カムプレ
    ートと前記従動側カムプレートとの外周を囲繞してチェ
    ーン大歯車の内側に固着された磁気リングの内端面側の
    適宜の２か所に磁力の検出を自在に近接配置されたトル
    クセンサが各別に検出する検出値の計算値に変換されて
    駆動用モータの駆動を制御することにより後車輪への駆
    動補助トルクの付与を自在とするとともに、 前記チェーン大歯車とは軸方向での反対側に位置して連
    結されたクランクの内側に位置するクランク軸には、前
    記チェーン大歯車と略同一形状を呈する車速検出用大歯
    車を軸固定し、該車速検出用大歯車の歯部との対面部位
    に設置したスピードセンサを介して走行速度の検出を自
    在にして前記補助走行モードでの走行を可能としたこと
    を特徴とする請求項１に記載の電動自転車。
  3. 【請求項３】 前記一対のさらばねは、凹陥面相互間に
    弾性材を介在させて配設したことを特徴とする請求項１
    または２に記載の電動自転車。
  4. 【請求項４】 前記磁気リングは、その周回時にトルク
    センサと対面する部位に位置させた円環状を呈するマグ
    ネット部と、該マグネット部の内端面を除く部位に覆設
    された樹脂補強部とで一体的に形成したことを特徴とす
    る請求項１ないし３のいずれかに記載の電動自転車。
  5. 【請求項５】 従動側カムプレートに対する原動側カム
    プレートの位置ずれは、前記隆起部の上面に凹陥掛合部
    を設け、該凹陥掛合部との対面部位に位置する従動側カ
    ムプレートの凹陥部の始端側に掛止ピンを立設し、該掛
    止ピンを前記凹陥掛合部の始端から終端に至るストロー
    クを限度に移動の規制を自在としたことを特徴とする請
    求項１ないし４のいずれかに記載の電動自転車。
  6. 【請求項６】 ハンドルのグリップの一部に設けたスロ
    ットル部の手動による回動状態に応じて駆動信号を変化
    させ、該駆動信号の変化の程度に応じた電圧を印加して
    駆動用モータの駆動を制御する自動走行モードと、ペダ
    ル踏力を介してクランク軸に加えられる入力トルクと後
    車輪から加えられる負荷トルクとの関係で定まる駆動信
    号で前記駆動用モータの駆動を制御する補助走行モード
    との２種類の電動走行モードの切り替えにより行うこと
    を特徴とする電動自転車の走行制御方法。
  7. 【請求項７】 車体に着脱自在に設置される充電可能な
    バッテリと、該バッテリからの印加電圧のもとで後車輪
    をハブを介して強制回転させるべく配設される駆動用モ
    ータと、車速を前記クランク軸に直結された車速検出用
    大歯車の回転状況から検出するスピードセンサと、ペダ
    ル踏力が入力トルクとなって強制回転されるクランク軸
    に固定された原動側カムプレートと、それぞれの凹陥面
    を相互に対面させて介挿させた一対のさらばねにより前
    記原動側カムプレート側への軸方向での押圧力が付勢さ
    れて前記クランク軸の側に回転と軸方向での移動とが自
    在に軸支されたチェーン大歯車に固定された従動側カム
    プレートとの間の接離状況から検出するトルクセンサ
    と、前記モード切替スイッチを含む操作部の各種スイッ
    チの入力操作状況に応じてその全体を統括制御する制御
    部とを少なくとも備え、 前記モード切替スイッチからの入力が自動走行モードと
    補助走行モードとのいずれであるのかがまず判別され、 自動走行モードであれば、バッテリの充電状況のチェッ
    クが行われ、充電状況に問題がなければ真正なＯＦＦス
    イッチの投入があるまでスロットル部からの入力信号に
    応じたパルス幅の漸増・漸減制御を行い、該制御後に得
    られるパルスを出力してブレーキの有無に応じた過電流
    制限処理を行いながら自動走行モードでの駆動用モータ
    の駆動制御を行い、 補助走行モードであれば、前記操作部からのＯＮスイッ
    チ投入が真正なものであるときに限り前記制御部からの
    指令に基づき制御系の正否をチェックする自己診断を行
    い、正常であれば装着されているバッテリの充電状況の
    チェックが行われ、充電状況に問題がなければ真正なＯ
    ＦＦスイッチの投入があるまで、常時、スピードセンサ
    からの検出信号に基づいてスピードを測定するととも
    に、トルクセンサからの検出信号に基づいてトルクを測
    定し、これら測定されたスピードとトルクとからパルス
    を算出し、あらかじめ設定されている基準値との関係で
    パルス幅の漸増・漸減制御を行い、該制御後に得られる
    パルスを出力してブレーキの有無に応じた過電流制限処
    理を行いながら補助走行モードでの駆動用モータの駆動
    制御を行うことを特徴とする請求項６に記載の電動自転
    車の走行制御方法。
  8. 【請求項８】 トルクの測定は、各別に配置した２個の
    トルクセンサが各別に取得した検出信号から得られるそ
    れぞれの検出値から得られる計算値に基づき行うことを
    特徴とする請求項６または７に記載の電動自転車の走行
    制御方法。
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