JP2004256079A - 電動自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】内輪の回転トルクを正確に検出しながら、衝撃でトルクセンサが損傷するのを確実に阻止する。
【解決手段】電動自転車は、ペダルクランクで軸を中心に回転される内輪２５と、この内輪２５に対して相対的に軸を中心に回転できるように連結している外輪２４との間に、弾性圧縮体２８を介してトルクセンサ１３を配設し、内輪２５に回転トルクが弾性圧縮体２８を介して伝達するように構成すると共に、内輪２５の回転トルクが設定トルクよりも大きくなって弾性圧縮体２８が設定位置まで弾性変形すると、外輪２４と内輪２５とが直接に当接して、内輪２５の回転トルクを外輪２４に直接に伝達するようにしている。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車輪をモーターで駆動する電動自転車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動自転車は、ペダルが車輪を駆動するトルクをトルクセンサで検出し、このトルクセンサに対応する回転トルクでモーターが車輪を駆動する。モーターは電動自転車が所定の速度以下の状態では、ペダルが車輪を駆動する駆動トルクと等しい回転トルクで車輪を駆動する。モーターが車輪を駆動する回転トルクは、電池からモーターに供給する電力で制御される。モーターへの供給電流は、電池とモーターとの間に接続しているスイッチング素子をオンオフに接続して行われる。スイッチング素子は、制御回路でオンオフに制御される。制御回路は、ペダルの回転トルクを検出してスイッチング素子をオンオフに制御する。
【０００３】
トルクセンサは、ペダルの回転トルクを正確に検出することが大切である。それは、トルクセンサに検出誤差があると、モーターが適正なトルクで車輪を回転できなくなって、快適に走行できなくなるからである。電動自転車で走行するとき、ユーザーがペダルを踏む力は大幅に変化する。ペダルの踏み力で電動自転車を走行させる速度と加速度を調整するからである。したがって、トルクセンサは、大幅に変動する回転トルクを正確に検出する必要がある。このことを実現するトルクセンサとして、磁歪素子を使用することが特許文献１に記載される。磁歪素子は、回転トルクが作用して押圧力が変化すると透磁率が変化する。磁歪素子の透磁率の変化は周囲に巻いているコイルで検出できる。透磁率が変化するコイルのインダクタンスが変化するからである。このトルクセンサは、ペダルの回転トルクを広い範囲で正確に検出できる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２７７２２５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ただ、ペダルの回転トルクを検出するトルクセンサは、焼結体からなる磁歪素子が採用されるので、衝撃を受けると損傷されやすい欠点がある。この欠点は、トルクセンサの最大検出力を大きくして、たとえば磁歪素子の面積を大きくして少なくできる。ただ、最大検出力を大きくすると、弱い回転トルクを正確に検出するのが難しくなる。この状態になると、ペダルを軽く踏んで電動自転車をゆっくりと走行せるときに、モーターが車輪を回転させる力が設定された回転トルクからずれることがある。したがって、モーターが充分に車輪を回転できなくなって電動自転車のペダルを重く感じたり、あるいはモーターが車輪を強く回転して危険な状態となることがある。このことから、トルクセンサは、磁歪素子の面積を大きくして、すなわち最大検出力を大きくして損傷を防止することが難しい。また、体積を大きくするのにも限界があり、ペダルにかかる衝撃を全て磁歪素子で受ける構造である限り、最大検出力を大きくして損傷を防止することが難しい。
【０００６】
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、弱い回転トルクを正確に検出しながら、衝撃でトルクセンサが損傷するのを確実に阻止できる電動自転車を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電動自転車は、ペダル１１の踏力が車輪３を駆動するトルクを検出するトルクセンサ１３を備えており、このトルクセンサ１３で検出するトルクでもってモーター９が車輪３を駆動するトルクを制御する。トルクセンサ１３は、ペダルクランク１１で軸を中心に回転される内輪２５と、この内輪２５に対して相対的に軸を中心に回転できるように連結している外輪２４との間に、内輪２５に回転トルクが作用すると弾性変形する弾性圧縮体２８を介して配設している。内輪２５の回転トルクは、弾性圧縮体２８とトルクセンサ１３を介して外輪２４に伝達している。さらに、電動自転車は、内輪２５の回転トルクが設定トルクよりも大きくなって弾性圧縮体２８が設定位置まで弾性変形すると、外輪２４と内輪２５とが直接に当接して、内輪２５の回転トルクを直接に外輪２４に伝達するストッパ４０を設けている。
【０００８】
本発明の電動自転車は、弾性圧縮体２８をトルクセンサ１３に積層しているゴム状弾性体とすることができる。
【０００９】
本発明の電動自転車は、内輪２５が円板形状を備えると共に、該形状より外周側に突出して弾性圧縮体２８とトルクセンサ１３を内蔵する収納部２９を設けて、この収納部２９を嵌入する凹部２７を外輪２４に設けることができる。内輪２５に設けている収納部２９は、回転する方向に対して後側を底板３４で閉塞して、ペダル１１による内輪２５の回転トルクで、底板３４を介して弾性圧縮体２８とトルクセンサ１３を押圧して外輪２４を回転させることができる。
【００１０】
さらに、本発明の電動自転車は、収納部２９の回転する方向に対する先端部に貫通孔３５Ａを設けて、この貫通孔３５Ａに出入りできるようにロッド３６を配設すると共に、このロッド３６で収納部２９に配置している弾性圧縮体２８とトルクセンサ１３を押圧することができる。ロッド３６は、収納部２９の内側に位置して、回転する方向に対して後端に鍔３６Ａを設けると共に、この鍔３６Ａと収納部２９の先端に位置する先端蓋３５との間にスプリング３２を配設して、スプリング３２でロッド３６を収納部２９に弾性的に引き込むことができる。
【００１１】
さらに、本発明の電動自転車は、内輪２５に設定トルクが作用すると、収納部２９の先端部分が外輪２４の凹部２７の内面に衝突してストッパ４０となるようにすることができる。さらに、本発明の電動自転車は、トルクセンサ１３が磁歪素子１３Ａを備えることができる。
【００１２】
さらに、本発明の請求項９の電動自転車は、ペダル１１の踏力によって軸を中心に回転する内輪２５と、前記軸を中心に回転する外輪２４と、該外輪２４の回転が伝達されて回転する車輪３とを備える。内輪２５の回転トルクは、弾性圧縮体２８とトルクセンサ１３を介して外輪２４に伝達している。さらに、電動自転車は、内輪２５の回転トルクが設定トルクよりも大きくなって弾性圧縮体２８が設定位置まで弾性変形すると、外輪２４と内輪２５とが直接に当接して、内輪２５の回転トルクを直接に外輪２４に伝達するストッパ４０を設けている。
【００１３】
さらに、本発明の請求項１０の電動自転車は、ペダルの踏力によって軸を中心に回転する一方の回転体と、前記軸を中心に回転する他方の回転体と、該他方の回転体の回転が伝達されて回転する車輪とを備える。一方の回転体の回転トルクは、弾性圧縮体とトルクセンサを介して他方の回転体に伝達している。さらに、電動自転車は、一方の回転体の回転トルクが設定トルクよりも大きくなって弾性圧縮体が設定位置まで弾性変形すると、他方の回転体と一方の回転体とが直接に当接して、一方の回転体の回転トルクを直接に他方の回転体に伝達するストッパを設けている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電動自転車を例示するものであって、本発明は電動自転車を以下のものに特定しない。
【００１５】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１６】
図１に示す電動自転車は、フレーム１と、このフレーム１の下端に装着しているペダルクランク２と、このペダルクランク２で回転される第１スプロケット４と、この第１スプロケット４にかけられたチェーン６を介してペダルクランク２で回転される後輪３Ｂと、フロントフォーク７の下端に装着している前輪３Ａと、この前輪３Ａのフロントハブ８に内蔵されて前輪３Ａを駆動するモーター９と、このモーター９に電力を供給する電池１０とを備える。そして、フレーム１の下端においては、後述する制御回路１５を内蔵するコントロールボックス１２が設置される。
【００１７】
この電動自転車は、ペダル１１を踏むと、ペダルクランク２が第１スプロケット４を回転し、第１スプロケット４がチェーン６と第２スプロケット５を介して後輪３Ｂを回転する。ペダルクランク２で後輪３Ｂを駆動するとき、人力による回転トルクを第１スプロケット４に内蔵しているトルクセンサ１３で検出して、フロントハブ８に内蔵されるモーター９に電池１０から電力が供給され、補助的にモーター９が前輪３Ａを駆動する。電動自転車は、設定速度よりも遅い領域において、モーター９が前輪３Ａを駆動する回転トルクと、ペダルクランク２が後輪３Ｂを駆動する回転トルクとが同じになるようにモーター９への供給電力を制御する。自転車が設定速度になると、モーター９は車輪３を駆動しなくなる。図１の電動自転車は、モーター９で前輪３Ａを駆動しているが、本発明の電動自転車はモーターで後輪を駆動することもできる。モーターで後輪を駆動する電動自転車は、後輪のハブにモーターを内蔵し、あるいはモーターで第１スプロケットを駆動する。
【００１８】
図２は、図１の電動自転車に搭載されて、電池１０がモーター９に電力を供給する回路のブロック図である。このブロック図に示す電動自転車は、ペダル１１の踏力が車輪３を駆動する回転トルクを検出するトルクセンサ１３と、車輪３の回転を検出する回転センサ１４と、車輪３を駆動するモーター９と、このモーター９に電力を供給する電池１０と、電池１０とモーター９との間に接続されて、電池１０からモーター９に供給する電力を制御する制御回路１５とを備える。
【００１９】
さらに、このブロック図の電動自転車は、自転車の走行状態を切り換える手元操作部１６と、自転車のブレーキレバー１７が操作されたことを検出して回生制動のタイミングを特定する、ブレーキレバー１７内に設けられた回生スイッチ１８と、制御回路１５に使用される回路部品等の温度を検出する温度センサ１９と、電池１０の電流と電圧を検出する電流センサ２０および電圧センサ２１を制御回路１５に連結している。この手元操作部１６はハンドル２３に装着されて、モーター９にて補助的に駆動するかどうかの電源オンオフのスイッチ、及びモーター９が前輪３Ａを駆動する回転トルクの度合い（モード）を設定するスイッチとを備えている。制御回路１５は、回路部品の温度が設定温度よりも高くなる過熱異常信号が温度センサ１９から入力されると、電池１０からの電流を遮断して回路及びモーター９を保護する。さらに、制御回路１５は、電流センサ２０と電圧センサ２１の入力信号でモーター９に供給する電流を制御すると共に、電池１０の残容量を演算して電池１０が過放電にならないように放電電流を制御する。浸水センサ２２の役割を以下に説明する。詳細な説明は省略するが、後述するように、回転するトルクセンサ１３からの電気出力を制御回路１５に伝達するために、スリップリング３８を採用しているが、このスリップリング３８が水にぬれた時に正常に電気出力を伝達することができない。このために、水ぬれを浸水センサ２２にて検出して、水ぬれが検出されたときは、踏力に基づいてモーター９を正常に駆動することができないので、モーター９の駆動を停止する。
【００２０】
次に、本実施例の特徴であるトルクセンサ１３の周辺構造について、詳細に説明する。
トルクセンサ１３は、ペダルクランク２で回転される第１スプロケット４に設けている。本実施例は、第１スプロケット４にトルクセンサ１３を設けて、ペダル１１の踏力が車輪３を駆動する回転トルクを、トルクセンサ１３で検出する。図３は、第１スプロケット４に内蔵されるトルクセンサ１３の断面図である。図４と図５は、第１スプロケット４を、表面側と裏面側から見た斜視図、図６は、図４に示す第１スプロケット４を直径方向に切断した垂直断面図を示しており、図７は、図４に示す第１スプロケット４をトルクセンサ１３の部分で水平方向に切断した水平断面図を示している。トルクセンサ１３は、これ等の図において、ペダルクランク２で回転される一方の回転体としての内輪２５と、この内輪２５に対して相対的に回転できるように連結している他方の回転体としての外輪２４との間に配設している。さらに、トルクセンサ１３は、図３の断面図に示すように、内輪２５の回転トルクが作用すると弾性変形するエチレンプロピレンゴム等の弾性圧縮体２８を介して内輪２５と外輪２４の間に配設されており、内輪２５の回転トルクが、弾性圧縮体２８とトルクセンサ１３を介して外輪２４に伝達される。ペダルの踏力により、第１スプロケット４が、図３と図７の断面図の矢印に示す方向に回転することにより、自転車は前進することになる。当然、本実施例は、通常の自転車機能を備えることにより、この矢印と反対方向に回転させる場合、後輪のチェンスプロケット付近に設けられたクラッチ機構でペダルクランクを空回りさせることもできる。
【００２１】
第１スプロケット４は、外周にチェーン６をかける歯２４Ｈ（歯２４Ｈは図６に表示される。図４と図５では歯２４Ｈは省略している。）を設ける円板リング状の外輪２４と、この外輪２４の内側にあってペダルクランク２で回転される略円板状の内輪２５とを備える。外輪２４と内輪２５は、互いに同心に配置されて、つまり、クランク軸を中心として、一定の範囲内で相対的に回転できるように連結される。図６の断面図に示すように、内輪２５は、外周縁に外輪２４を回転できるように案内する外周溝２６を設けている。この外周溝２６に、外輪２４の内周縁を、回転できるが軸方向に抜けないように案内している。
【００２２】
内輪２５は、円板形状より外周側に突出する部分に、弾性圧縮体２８とトルクセンサ１３を内蔵する収納部２９を設けている。外輪２４は、内輪２５の収納部２９を嵌入する凹部２７を内周に切欠部として設けている。内輪２５の収納部２９は回転方向、すなわち内輪２５の接線方向に伸びる円形筒状の空間で、回転方向に対して後側を底として表現するとして、底を底板３４で閉塞している。内輪２５がペダルクランク２で回転されると、収納部２９の底板３４が弾性圧縮体２８とトルクセンサ１３を押圧して外輪２４を回転する。収納部２９を内輪２５の外周から突出して設けているので、収納部２９の底板３４は、内輪２５の中心から外側に突出して設けられる。
なお、本実施例においては、内輪２５に収納部２９を、外輪２４に収納部２９が入る凹部２７を設けているが、これに代わって、外輪に収納部を、内輪に収納部が入る凹部を設けることもできる。
【００２３】
収納部２９は、図３の断面図に示すように、底を閉塞して先端部に円形貫通孔３５Ａを設けている。貫通孔３５Ａに出入りできるように円柱状金属製ロッド３６を配設している。また、外輪２４の凹部２７においては、この部分でクランク軸を中心とする仮想の円の接線に対して垂直となる垂直面２７Ａを備えている。ロッド３６は、貫通孔３５Ａから突出して、外輪２４に設けている凹部２７の垂直面２７Ａを押圧する。ロッド３６は、外輪２４の垂直面２７Ａを押圧する反作用で外輪２４の垂直面２７Ａに押されて、収納部２９に配置しているトルクセンサ１３を押圧する。ロッド３６は、トルクセンサ１３を押圧するように収納部２９に配置される。ロッド３６は、収納部２９から抜けないように、収納部２９の内側に位置する後端に鍔３６Ａを設けている。鍔３６Ａと収納部２９の先端蓋３５との間に押しバネであるスプリング３２を配設して、スプリング３２でロッド３６を収納部２９に弾性的に引き込むようにしている。スプリング３２は、トルクセンサ１３の前後に遊びができないようにトルクセンサ１３を弾性的に軽く押圧する。スプリング３２は、ペダルクランク２が内輪２５を回転する回転トルクに対して無視できる程度の弱い圧力でロッド３６を押圧する。
【００２４】
トルクセンサ１３は、表面に円柱状金属製スペーサー３３を積層している。図のトルクセンサ１３は、前面に前面スペーサー３３Ａを、背面に円柱状金属製背面スペーサー３３Ｂを積層している。前面スペーサー３３Ａは、トルクセンサ１３とロッド３６との間に配設され、背面スペーサー３３Ｂは、トルクセンサ１３と弾性圧縮体２８との間に配設される。スペーサー３３は、回転トルクが作用しても変形しない強度の金属板である。表面にスペーサー３３を配設する構造は、回転トルクをトルクセンサ１３の全面に均一に作用できる。このため、トルクセンサ１３の損傷を少なくできる。ただし、トルクセンサは、必ずしも表面にスペーサーを積層する必要はない。図のロッド３６は、前面スペーサー３３Ａを押圧する後端面を湾曲面としている。このロッド３６は、ロッド３６の中心軸がずれる姿勢となっても、前面スペーサー３３Ａを介してトルクセンサ１３をスムーズに押圧できる。ロッド３６に押圧される前面スペーサー３３Ａは、全面でトルクセンサ１３を押圧できる。ただ、前面スペーサー３３Ａを必ずしも設ける必要はないので、前面スペーサーを積層しないトルクセンサは、ロッドの後端で直接に押圧される。
【００２５】
図のトルクセンサ１３は、焼結体で厚みが大きい円板状磁歪素子１３Ａと、この磁歪素子１３Ａの周囲に巻いているコイル１３Ｂとを備える。このコイル１３Ｂは、樹脂製ボビンケース４１に巻かれており、このボビンケース４１の中心の円柱状中空部に、磁歪素子１３Ａ及び前面スペーサー３３Ａを収納している。また、ボビンケース４１は、先端側に円筒状の延出部４２を備えており、この内部にスプリング３２及び鍔３６Ａを含めたロッド３６の後側を収納している。このトルクセンサ１３は、磁歪素子１３Ａを押圧して透磁率を変化させる。透磁率の変化は、コイル１３Ｂのインダクタンスの変化として検出される。コイル１３Ｂは、中心に配設している磁歪素子１３Ａの透磁率が変化するとインダクタンスが変化する。磁歪素子１３Ａの透磁率が高くなると、コイル１３Ｂのインダクタンスが高くなるからである。コイル１３Ｂは押圧力を検出する制御回路１５に接続される。制御回路１５は、コイル１３Ｂのインダクタンスを検出して、磁歪素子１３Ａに作用する押圧力を検出する。コイル１３Ｂは、図６の断面図に示すように、内輪２５の内面に固定している絶縁基盤３７に固定しているスリップリング３８と、このスリップリング３８を摺動するブラシ３９を介して制御回路１５に接続される。絶縁基盤３７に固定しているスリップリング３８は、内輪２５と一緒に回転されるので、絶縁基盤３７はスリップリング３８が内輪２５と同心となるように内輪２５に固定される。コイル１３Ｂの両端を制御回路１５に接続するために、絶縁基盤３７にはクランク軸を中心として同心円状に２列のスリップリング３８を離して配置して、コイル１３Ｂの両端を別々のスリップリング３８に接続している。２つのブラシ３９、３９は、各スリップリング３８に先端を弾性的に押圧される位置にあって、自転車のフレームに回転しないように絶縁して固定される。ブラシ３９はリード線（図示せず）を介して制御回路１５に接続される。
【００２６】
トルクセンサ１３は、背面側に弾性圧縮体２８を積層している。図のトルクセンサ１３は、背面スペーサー３３Ｂと底板３４との間に弾性圧縮体２８を積層している。弾性圧縮体は、トルクセンサと背面スペーサーとの間に積層することもできる。また、弾性圧縮体２８をトルクセンサ１３の前面に積層することもできる。弾性圧縮体２８は、圧縮されると弾性変形して薄くなるゴム状弾性体である。ゴム状弾性体の弾性圧縮体２８は、全体を薄くして弾性変形できる。ただし、弾性圧縮体には押しバネも使用できる。弾性圧縮体２８は、トルクセンサ１３に作用する衝撃を吸収して、トルクセンサ１３の損傷を防止する。
【００２７】
さらに、図のトルクセンサ１３は、内輪２５の回転トルクが設定トルクよりも大きくなって弾性圧縮体２８が設定位置まで圧縮して薄くなるように弾性変形すると、外輪２４と内輪２５とが直接に当接して、内輪２５の回転トルクを直接に外輪２４に伝達するストッパ４０を設けている。図３〜図５に示すストッパ４０は収納部２９の先端面に設けた凸部で、このストッパ４０は、内輪２５に設定トルクが作用すると、いいかえると、内輪２５の回転トルクが設定トルクよりも大きくなると、外輪２４の凹部２７の垂直面２７Ａに衝突して、内輪２５と外輪２４の相対運動を阻止して、内輪２５の回転トルクをストッパ４０が外輪２４に伝達する。ストッパ４０が内輪２５の回転トルクを外輪２４に伝達するようになると、トルクセンサ１３には過大な押圧力が作用しなくなる。図のストッパ４０は、収納部２９の先端面に設けた凸部であるが、外輪の凹部内面の垂直面に凸部を設けてストッパとすることもできる。ストッパ４０は、内輪２５の回転トルクが設定トルクよりも大きくなると、内輪２５と外輪２４とを直接に当接させるものであるから、収納部２９の先端面と外輪２４の凹部２７の垂直面２７Ａに凸部を設けることなく、外輪の凹部の内面の直角面を、内輪の収納部の先端面に衝突するようにして、ストッパとすることもできる。弾性圧縮体２８は、ストッパ４０が当接するまで弾性変形できる厚さに設計される。さらに、ストッパ４０が内輪２５の回転トルクを外輪２４に伝達する状態になると、トルクセンサ１３は内輪２５の回転トルクを検出できなくなる。したがって、ストッパ４０は、内輪２５の回転トルクを検出する最大検出トルクよりも大きな回転トルクで内輪２５が回転されるときに当接するように設計される。
【００２８】
図３ないし図５に示すように、外輪２４に設けた凹部２７の垂直面２７Ａを、内輪２５の収納部２９の先端で押圧して回転トルクを内輪２５から外輪２４に伝達する構造は、強い回転トルクが作用して外輪２４が曲がるのを防止できる。それは図３と図７の断面図の矢印で示すように、内輪２５の回転トルクが、外輪２４の面内に作用するからである。ただ、この構造は、外輪２４が変形して、内輪２５の過大な回転トルクを吸収することはできない。このため、この構造は、内輪２５の回転トルクを有効に外輪２４に伝達できるが、内輪２５に極めて強力な回転トルクが作用すると、トルクセンサ１３に強い衝撃が作用する。本発明は、トルクセンサ１３に弾性圧縮体２８を積層して、過大な回転トルクが作用すると、ストッパ４０で内輪２５と外輪２４を直接に当接させて、内輪２５の回転トルクを外輪２４に伝達するので、この状態になっても、トルクセンサ１３の損傷を少なくできる。
【００２９】
また、弾性圧縮体２８については、圧縮され再び復元できるために、ゴム素材の最大圧縮ひずみ量（圧縮されて変位する量）を越えないようにし、ゴム素材の弾性変形範囲内で使用する必要がある。弾性圧縮体２８が、エチレンプロピレンゴムの素材であるなら、圧縮ひずみ量（＝圧縮されたときの厚み／圧縮がないときの厚み）を最大圧縮ひずみ量を超えず、弾性変形範囲内の５０％以内で使用する必要がある。そして、本実施例においては、ストッパ４０と、垂直面２７Ａとの間隔を１ｍｍ、弾性圧縮体２８の厚みを２ｍｍとしているので、弾性圧縮体２８の圧縮ひずみ量が、弾性変形範囲内の５０％以内となり、弾性圧縮体２８が復元できる範囲で、耐久性よく使用することができる。
【００３０】
さらに、図の第１スプロケット４は、ペダル１１を踏まない状態で、互いに相対的に回転できる内輪２５と外輪２４とがガタガタしないように、いいかえると、内輪２５と外輪２４との相対位置を一定の位置にするために、収納部２９の底板３４と、外輪２４の凹部２７の内面の後側垂直面２７Ｂとの間に、押しバネであるコイルスプリング３０を配設している。コイルスプリング３０は、底板３４と外輪２４の凹部２７の後側垂直面２７Ｂとを一定の圧力で押圧して、互いに回転できる内輪２５と外輪２４を一定の位置に停止させる。外輪２４は、凹部２７の内面で底板３４と対向する位置に、コイルスプリング３０に挿通される凸部３１を突出して設けている。コイルスプリング３０は、凹部２７に設けている凸部３１に挿入されて、定位置に配置される。この第１スプロケット４は、ペダルクランク２で内輪２５が回転されると、収納部２９の底板３４が弾性圧縮体２８とトルクセンサ１３を介して外輪２４を回転させる。ペダルクランク２の回転トルクは、トルクセンサ１３を介して外輪２４を回転し、外輪２４がチェーン６を介して後輪３Ｂを回転させる。ペダル１１に強い踏力が作用すると、内輪２５がトルクセンサ１３を押圧する圧力も強くなる。したがって、トルクセンサ１３は、これに作用する圧力を検出して、ペダルクランク２の回転トルクを検出できる。トルクセンサ１３は、磁歪素子１３Ａを利用した圧力センサであって、トルクセンサ１３からの電気出力は、回転するトルクセンサ１３からの電気出力を得るためにスリップリング３８を利用して、制御回路１５にて検出される。
【００３１】
次に、本実施例の電動自転車の動作について、さらに詳細に説明する。
回生スイッチ１８は、ブレーキレバー１７が操作されたことを検出するスイッチで、ブレーキレバー１７に設けられ、あるいはブレーキレバー１７で引っ張られるブレーキワイヤーの途中に設けられる。回生スイッチ１８は、ブレーキを握ってブレーキを操作する状態と、ブレーキを操作しない離した状態とで、オンオフに切り換えられるスイッチである。回生スイッチ１８は、好ましくは、ブレーキを操作しない状態でオフとなるノーマルオフのスイッチが使用される。回生スイッチ１８は、リードスイッチやリミットスイッチである。リードスイッチは、ブレーキレバー１７やブレーキワイヤーに連結されている磁石でオンオフに切り換えられる位置に配置される。リミットスイッチは、ブレーキレバー１７やブレーキワイヤーに連結している当接部でプランジャーを機械的に押してオンオフに切り換えられる位置に配置される。
【００３２】
回生スイッチ１８は、ブレーキが操作されたことを示す信号を制御回路１５に出力する。制御回路１５は、ブレーキが操作された信号が入力されると、モーター９を発電機として使用して、回生制動して電池１０を充電する。制御回路１５は、モーター９の界磁コイルに流す電流のタイミングを制御して、モーター９を発電機として電池１０を充電する。制御回路１５は、電池１０の残容量を検出し、電池１０の過充電を防止しながら回生制動して電池１０を充電する。すなわち、電池１０が満充電になると、ブレーキが操作されても回生を停止して電池１０の充電を停止する。ブレーキを操作したことを検出して回生制動する電動自転車は、スムーズに制動できると共に、運動のエネルギーを有効に回収して電池１０を充電できる。このため、自転車を速やかに停止できると共に、電池１０による走行距離を長くできる特長がある。
【００３３】
図８は、制御回路１５が、モーター９の回転トルクを制御する特性のひとつの具体例を示すグラフである。この図において、制御回路１５は、自転車の速度が第１設定速度よりも低い第１領域において、ペダルクランク２が車輪３を駆動する車輪３の回転トルクに等しい回転トルクで車輪３を駆動する。第１設定速度は、時速１５ｋｍに設定される。この図は、ペダルクランク２の踏力が車輪３を駆動する回転トルクを１００％としている。自転車の速度が第１設定速度よりも速く、第２設定速度よりも遅い領域において、モーター９が車輪３を駆動するトルクは車速が第２設定速度に近付くにしたがって、ペダルクランク２が車輪３を駆動するトルクよりも小さくする。第２設定速度は、たとえば時速２４ｋｍに設定される。
【００３４】
制御回路１５は、手元操作部１６で操作されて、モーター９が車輪３を駆動するトルク特性を変化させる。たとえば、手元操作部１６のスイッチが「省エネルギーモード」に切り換えられると、図の鎖線で示すように、モーター９が車輪３を駆動するトルクを少なくして、モーター９の消費電力を少なくする。この状態に切り換えると、電池１０を長い時間使用できるので、電池１０を使用して走行できる距離が長くなる。図８は、モーター９が車輪３を駆動するトルクを例示するものであって、本発明の電動自転車は、モーター９が車輪３を駆動するトルクを図８に示す特性に特定するものでは決してない。モーター９は、図に示すカーブとは異なる特性で車輪３を駆動することができる。
【００３５】
電動自転車は、トルクセンサ１３からの信号のみでなく、回転センサ１４の信号も考慮して、モーター９に電力供給を開始する電力供給開始タイミングを特定する。制御回路１５は、ペダルクランク２が踏まれて、トルクセンサ１３が踏力による回転トルク踏力を検出しても、このトルクセンサ１３のみの信号ではモーター９への電力供給を開始しない。制御回路１５は、停止している状態から車輪３が回転されたことを検出しないかぎり、モーター９への電力供給を開始しない。
【００３６】
車輪３の回転は回転センサ１４で検出される。回転センサ１４は、モーター９に内蔵されるセンサを使用できる。車輪３の駆動にブラシレスモーターを使用する電動自転車は、ブラシレスモーターに内蔵されるローター回転位置センサを回転センサ１４に使用する。ブラシレスモーターは、ステーターの界磁コイルに流す電流を切り換えてローターを回転させるので、ローターの回転位置を検出するために、ローター回転位置センサを内蔵している。ローター回転位置センサは、ローターの永久磁石の磁界を検出するホール素子である。３相ブラシレスモーターは、ローター回転位置センサとして、３つのホール素子を備えている。ブラシレスモーターが８極であると、３つのホール素子からは、ローターが１回転すると２４回パルスが出力される。モーター９の回転は、減速されて車輪３を駆動するので、モーター９と車輪３との減速比を１／１６とすれば、車輪３が１回転するときに、このブラシレスモーター９は、ローター回転位置センサである３つのホール素子からは３８４回のパルスを出力する。したがって、車輪の回転センサに代わって、車輪３の回転を間接的に検出するローター回転位置センサから出力されるパルスをカウントして、車輪３の回転角を検出できる。たとえば、ローター回転位置センサから５回パルスが出力されると、車輪３は約５度回転したことになる。さらに、ブラシレスモーター９のローター回転位置センサは、ローターの回転方向を検出できる。したがって、ローターの回転方向を検出して、電動自転車の前進と後退を検出できる。ブラシレスモーターは、ローターが正転されるときと逆転されるときとで、３つのホール素子から出力される”Ｈｉｇｈ”と”Ｌｏｗ”が出力される配列が異なるので、この配列でローターの正転と逆転を検出できる。ローター回転位置センサを車輪３の回転センサ１４に使用する電動自転車は、車輪３の回転を検出する専用のセンサを使用する必要がない。ただし、専用の回転センサを設けて、車輪の回転を検出することもできる。
【００３７】
制御回路１５は、停止位置から所定の角度回転されたことを回転センサ１４が検出し、あるいは車輪３が所定の速度で回転していることを回転センサ１４が検出し、あるいはまた、車輪３が所定の角度回転させると共に、所定の速度で回転していることを回転センサ１４が検出したことを確認し、その後、トルクセンサ１３が車輪３を駆動するトルクを検出すると、モーター９への電力供給を開始する。したがって、電動自転車は、停止している状態でペダルクランク２を踏んで、トルクセンサ１３が踏力を検出しても、車輪３が回転しないかぎりモーター９に電力供給を開始しない。
【００３８】
制御回路１５は、図９に示す以下のフローチャートに従って、車輪３が所定の角度回転し、さらに車輪３の回転速度が設定速度になったことを検出して、モーター９の電力供給を開始する。
［ｎ＝１のステップ］
メインスイッチがオンに切り換えられると、モーター９の電力供給を停止して、モーター９が車輪３を駆動しないようにする。
［ｎ＝２のステップ］
このステップで、漕ぎ終わり状態、すなわち停止状態を設定する。
［ｎ＝３のステップ］
トルクセンサ１３でペダル１１の踏力の検出処理をする。
［ｎ＝４のステップ］
トルクセンサ１３が検出した踏力が設定値以上であるかどうかを判定し、踏力が設定値以上であると次のステップに、設定値よりも小さいとｎ＝１のステップにジャンプする。
［ｎ＝５のステップ］
ブレーキに設けているスイッチがオフであるかどうかを判定する。ブレーキに設けているスイッチは、ブレーキが操作されるとオン、操作しない状態でオフになるスイッチである。このスイッチは回生スイッチ１８にも使用される。ブレーキに設けているスイッチがオフであると次のステップに、このスイッチがオフでないとｎ＝１のステップにジャンプする。
［ｎ＝６のステップ］
回転センサ１４の入力信号から、制御回路１５は車輪３が停止位置から所定の角度回転したかどうかを判定する。車輪３の停止位置からの回転角が所定の角度以上であると次にステップに、車輪３の回転角が所定の角度よりも小さいと、ｎ＝１のステップにジャンプする。
［ｎ＝７のステップ］
回転センサ１４の信号から、車輪３の回転速度が設定速度以上かどうかを判定し、回転速度が設定速度以上であると次のステップに、設定速度よりも遅いとｎ＝１にジャンプする。
［ｎ＝８のステップ］
このステップで、制御回路１５は、漕ぎ始め状態、すなわち電池１０からモーター９に電力供給を開始できる状態に設定する。
［ｎ＝９〜１０のステップ］
モーター９への電力供給を開始すると共に、トルクセンサ１３で踏力を検出して、モーター９が車輪３を所定の回転トルクで駆動するように、モーター９への供給電力、すなわち供給電流を制御する。その後、ｎ＝１のステップにジャンプして以後、以上のステップを繰り返して電動自転車を走行させる。以上のフローチャートでモーター９を駆動する電動自転車は、ｎ＝７のステップで車輪３の回転速度が設定速度以上であるかどうかを判定するので、車輪３の回転速度が設定速度よりも遅くなることを回転センサ１４が検出すると、制御回路１５はモーター９の駆動を停止する。
【００３９】
さらに、制御回路１５は、自転車が後退するときにモーター９を駆動しない。自転車が後退していることは、回転センサ１４であるローター回転位置センサで検出される。ローター回転位置センサから、ローターが自転車を後退させる方向に回転していることを示す信号が出力されると、制御回路１５はモーター９への通電を停止する。
【００４０】
以上のフローチャートは、車輪３が停止状態から所定の角度回転し、さらに車輪３の回路速度が設定速度よりも速いことを検出して、モーター９への電流供給を開始している。ただし、電動自転車は、ｎ＝６と７のステップのいずれかを省略して、車輪３が所定の角度回転し、あるいは車輪３の回転速度が設定速度になることのみを検出して、モーター９への電流供給を開始することができる。
【００４１】
図１０は、車輪３の回転角度を検出する図９におけるｎ＝６のステップの詳細なフローチャートを示す。制御回路１５は、以下のステップで車輪３が回転する角度を検出する。
［ｎ＝６−１のステップ］
回転センサ１４に併用される、モーター９に内蔵されるローター回転位置センサからの出力パルスをカウントする。出力パルスのカウント数は、車輪３の回転角度に比例しているので、出力パルスの数で車輪３の回転角度を検出できる。
［ｎ＝６−２〜３のステップ］
出力パルスのカウント値が設定値よりも大きいかどうか、いいかえると車輪３の回転角が設定値以上であるかどうかが判定される。出力パルスのカウント数が設定値よりも少ないと、ｎ＝１にジャンプして設定値になるまで、ｎ＝１と６−２をループする。出力パルスの数が設定値以上であると車輪３の初期回転角度が設定値を越えたことを認識して、モーター９の駆動を許可する。
【００４２】
図１１は、車輪３の回転速度を検出する図９におけるｎ＝７のステップの詳細なフローチャートを示す。制御回路１５は、以下のステップで車輪３が所定の回転速度になったことを検出する。
［ｎ＝７−１〜２のステップ］
このステップで、設定時間内における、ローター回転位置センサからの出力パルスをカウントする。出力パルスのカウント数は、車輪３の回転角度に比例しているので、設定時間における出力パルスの数で車輪３の回転速度を検出できる。
［ｎ＝７−３〜４のステップ］
設定時間における出力パルスのカウント値が設定値以上かどうか、いいかえると車輪３の回転速度が設定値以上であるかどうかが判定される。設定時間における出力パルスのカウント数が設定値よりも少ないと、モーター９の駆動を不許可として、ｎ＝１にジャンプする。設定時間における出力パルスの数が設定値以上であると車輪３の回転速度が設定値以上であることを認識して、その後のステップでモーター９の駆動を許可する。
【００４３】
以上の電動自転車は、車輪の回転を検出してモーターを駆動するが、トルクセンサで回転トルクのみを検出して、モーターを駆動する回転トルクを制御することもできる。
【００４４】
なお、本発明は、後輪のハブ軸部分に適用することもできる。例えば、ペダルの踏力を後輪に伝達する後輪のチェンスプロケットと連動する内輪を設け、これと同軸に回転する外輪を設けることによって、本発明を利用することができる。
また、ペダルの踏力を、内輪及び外輪を介して車輪に伝達しているが、上記実施例においては、外輪が内輪の外周に位置する構造であるが、本発明はこのような構造に限定されるものではない。本発明は、これらに代わって、各々、一方の回転体、他方の回転体として、一方の回転体の回転トルクが、弾性圧縮体とトルクセンサを介して他方の回転体に伝達するようにすることもできる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の電動自転車は、弱い回転トルクをも正確に検出しながら、衝撃でトルクセンサが損傷するのを確実に阻止できる特長がある。それは、本発明の電動自転車が、ペダルクランクで回転される内輪と、この内輪に対して相対的に回転できるように連結している外輪との間に、弾性圧縮体を介してトルクセンサを配設し、内輪の回転トルクが弾性圧縮体を介して外輪に伝達するようにし、さらに、内輪の回転トルクが設定トルクよりも大きくなって弾性圧縮体が設定位置まで弾性変形すると、外輪と内輪とが直接に当接して、内輪の回転トルクを直接に外輪に伝達するようにしているからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかる電動自転車の概略側面図
【図２】図１に示す電動自転車のモーターを駆動する回路のブロック図
【図３】図１に示す電動自転車の第１スプロケットを示す要部拡大断面図であって図７のＡ−Ａ線断面に相当する図
【図４】第１スプロケットの斜視図
【図５】図４に示す第１スプロケットの背面斜視図
【図６】図４に示す第１スプロケットの垂直断面図
【図７】図４に示す第１スプロケットのトルクセンサ部分の水平断面図
【図８】制御回路がモーターの回転トルクを制御する特性の一例を示すグラフ
【図９】制御回路がモーターへの電力供給を制御するフローチャート
【図１０】電動自転車の車輪の回転角度を検出する詳細なフローチャート
【図１１】電動自転車の車輪の回転速度を検出する詳細なフローチャート
【符号の説明】
１…フレーム
２…ペダルクランク
３…車輪 ３Ａ…前輪 ３Ｂ…後輪
４…第１スプロケット
５…第２スプロケット
６…チェーン
７…フロントフォーク
８…フロントハブ
９…モーター
１０…電池
１１…ペダル
１２…コントロールボックス
１３…トルクセンサ １３Ａ…磁歪素子 １３Ｂ…コイル
１４…回転センサ
１５…制御回路
１６…手元操作部
１７…ブレーキレバー
１８…回生スイッチ
１９…温度センサ
２０…電流センサ
２１…電圧センサ
２２…浸水センサ
２３…ハンドル
２４…外輪 ２４Ｈ…歯
２５…内輪
２６…外周溝
２７…凹部 ２７Ａ…垂直面 ２７Ｂ…後側垂直面
２８…弾性圧縮体
２９…収納部
３０…コイルスプリング
３１…凸部
３２…スプリング
３３…スペーサー ３３Ａ…前面スペーサー ３３Ｂ…背面スペーサー
３４…底板
３５…先端蓋 ３５Ａ…貫通孔
３６…ロッド ３６Ａ…鍔
３７…絶縁基盤
３８…スリップリング
３９…ブラシ
４０…ストッパ
４１…ボビンケース
４２…延出部

Claims (10)

1. ペダル（１１）の踏力が車輪（３）を駆動するトルクを検出するトルクセンサ（１３）を備えており、このトルクセンサ（１３）で検出するトルクでもってモーター（９）が車輪（３）を駆動するトルクを制御する電動自転車であって、
   トルクセンサ（１３）を、ペダルクランク（２）で軸を中心に回転される内輪（２５）と、この内輪（２５）に対して相対的に軸を中心に回転できるように連結している外輪（２４）との間に、内輪（２５）に回転トルクが作用すると弾性変形する弾性圧縮体（２８）を介して配設して、内輪（２５）の回転トルクが、弾性圧縮体（２８）とトルクセンサ（１３）を介して外輪（２４）に伝達するようにしており、
   さらに、内輪（２５）の回転トルクが設定トルクよりも大きくなって弾性圧縮体（２８）が設定位置まで弾性変形すると、外輪（２４）と内輪（２５）とが直接に当接して、内輪（２５）の回転トルクを直接に外輪（２４）に伝達するストッパ（４０）を設けてなる電動自転車。
2. 弾性圧縮体（２８）が、トルクセンサ（１３）に積層しているゴム状弾性体である請求項１に記載される電動自転車。
3. 内輪（２５）が円板形状を備えると共に、該形状より外周側に突出して弾性圧縮体（２８）とトルクセンサ（１３）を内蔵する収納部（２９）を設けており、この収納部（２９）を嵌入する凹部（２７）を外輪（２４）に設けている請求項１に記載される電動自転車。
4. 内輪（２５）に設けている収納部（２９）は、回転する方向に対して後側を底板（３４）で閉塞しており、ペダル（１１）による内輪（２５）の回転トルクが、底板（３４）を介して弾性圧縮体（２８）とトルクセンサ（１３）を押圧して外輪（２４）を回転するようにしてなる請求項３に記載される電動自転車。
5. 収納部（２９）は、回転する方向に対して先端部に貫通孔（３５Ａ）を設けており、この貫通孔（３５Ａ）に出入りできるようにロッド（３６）を配設しており、ロッド（３６）が収納部（２９）に配置している弾性圧縮体（２８）とトルクセンサ（１３）を押圧するようにしてなる請求項３に記載される電動自転車。
6. ロッド（３６）が、収納部（２９）の内側に位置して、回転する方向に対して後端に鍔（３６Ａ）を設けており、この鍔（３６Ａ）と収納部（２９）の先端に位置する先端蓋（３５）との間にスプリング（３２）を配設して、スプリング（３２）でロッド（３６）を収納部（２９）に弾性的に引き込んでいる請求項５に記載される電動自転車。
7. 内輪（２５）に設定トルクが作用すると、収納部（２９）の先端部分が外輪（２４）の凹部（２７）の内面に衝突してストッパ（４０）となる請求項３に記載される電動自転車。
8. トルクセンサ（１３）が磁歪素子（１３Ａ）を備える請求項１に記載される電動自転車。
9. ペダル（１１）の踏力によって軸を中心に回転する内輪（２５）と、前記軸を中心に回転する外輪（２４）と、該外輪（２４）の回転が伝達されて回転する車輪（３）とを備え、
   内輪（２５）の回転トルクが、弾性圧縮体（２８）とトルクセンサ（１３）を介して外輪（２４）に伝達するようにしており、内輪（２５）の回転トルクが設定トルクよりも大きくなって弾性圧縮体（２８）が設定位置まで弾性変形すると、外輪（２４）と内輪（２５）とが直接に当接して、内輪（２５）の回転トルクを直接に外輪（２４）に伝達するストッパ（４０）を設けてなる電動自転車。
10. ペダルの踏力によって軸を中心に回転する一方の回転体と、前記軸を中心に回転する他方の回転体と、該他方の回転体の回転が伝達されて回転する車輪とを備え、
    一方の回転体の回転トルクが、弾性圧縮体とトルクセンサを介して他方の回転体に伝達するようにしており、一方の回転体の回転トルクが設定トルクよりも大きくなって弾性圧縮体が設定位置まで弾性変形すると、他方の回転体と一方の回転体とが直接に当接して、一方の回転体の回転トルクを直接に他方の回転体に伝達するストッパを設けてなる電動自転車。

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