JP3350236B2 - 電動補助自転車 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、人力走行の補助にモ
ータの動力を利用する電動補助自転車に係り、特にモー
タに供給される電圧もしくは電流を監視することで、不
要な補助力が供給されるのを防止するようにした電動補
助自転車に関する。

【０００２】

【従来の技術】人力駆動系と電気駆動系とを並列に設
け、踏力の変化に対応して電気駆動系の出力を制御する
ようにした電動補助自転車において、踏力検出手段の可
動部分の作動が円滑でなく、踏力が予め設定した基準値
以上の状態が一定時間継続した場合は、電気駆動系の出
力を制限することで、不要な電気駆動系出力が発生しな
いようにして、運転感覚が悪くなるのを防止する技術が
特開平５−３１０１７７号公報で提案されている。

【０００３】また、モータに流れる電流をモータに直列
に接続した電流検出抵抗端に生じる電圧に基づいて検出
し、予め設定した許容電流値を越えている場合は、モー
タへの通電を遮断するようにした過電流保護回路の技術
も知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】踏力検出手段が正常に
作動していても、検出した踏力に基づいて補助力を発生
させるモータの駆動を制御する主制御系の動作が正常で
なくなった場合、不要な駆動力がモータから供給されて
しまい運転感が損われる虞れがある。

【０００５】また、モータをＰＷＭ制御で運転している
場合、モータへの通電をスイッチング制御する半導体ス
イッチング素子（例えば電力用電界効果トランジスタ）
が短絡障害にいたるほどではないが、リーク電流が増大
するという障害となった場合、許容電流値を越えるまで
には至らないので、従来の過電流保護回路では充分な対
応が困難である。

【０００６】この発明はこのような課題を解決するため
なされたもので、踏力に応じた補助力をモータから供給
させるためのＰＷＭ信号の生成を行なう主制御系や、モ
ータへの通電をスイッチングする半導体スイッチング素
子等の動作が正常でなくなった場合でも、不要な補助力
が供給されないようにした電動補助自転車を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
この発明に係る電動補助自転車は、モータに供給される
電圧を、モータと並列に接続されるコンデンサ（Ｃ１）
の端子電圧により検出するとともに、当該検出された電
圧値によりモータへの通電率を補正する補正手段（２０
３ａ）を備え、当該検出された電圧値が、予め設定した
電圧値以上の状態が、予め設定した許容時間以上継続し
たことを検出する第１の手段（９２，９３）と、電圧値
が検出されない状態を検出する第２の手段（２０３ａ，
２０６）と、ペダルを踏んでいない状態を検出する第３
の手段（２１０）と、の全てを備えるとともに、各々の
手段のいずれかの検出信号により、モータへの給電を停
止させるようにしたモータ給電停止手段（２００）を備
えたことを特徴とする。

【０００８】

【作用】モータ給電停止手段は、モータに供給される電
圧もしくは電流が予め設定した許容時間以上継続して予
め設定したほぼゼロに近い値以下にならない場合、モー
タへの給電を停止させる。

【０００９】踏力（ペダルを漕ぐ力）に応じてモータか
ら供給する補助力を制御するので、踏力検出、検出踏力
に基づくモータ運転制御が正常に動作している場合、ペ
ダルの上死点ならびに下死点で踏力はほぼゼロになり、
モータに供給される電圧もしくは電流は周期的にほぼゼ
ロとなる。踏力検出、検出踏力に基づくモータ運転制御
系統が正常に動作していない場合、モータに供給される
電圧もしくは電流は、周期的にほぼゼロとならないた
め、ほぼゼロとならないことを検出し、モータへの給電
を停止することで、不要な補助力が供給されるのを防止
することができる。

【００１０】また、モータへの給電をスイッチングする
半導体スイッチング素子のリーク電流増加等の障害が発
生した場合でも、その異常を検出してモータへの給電を
停止することで、不要な補助力が供給されるのを防止す
ることができる。

【００１１】

【実施例】以下この発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。図１はこの発明に係る電動補助自転車の側面
図である。電動補助自転車１のヘッドパイプ２からダウ
ンチューブ３を斜後下方に指向して延出し、ダウンチュ
ーブ３の下端で上方へ湾曲して斜後上方に指向してシー
トチューブ４を延出し、ダウンチューブ３とシートチュ
ーブ４とで略Ｖ字状のメインフレーム５を構成してい
る。シートチューブ４の上端にシート６を設けている。

【００１２】ヘッドパイプ２にステアリングシャフト７
を旋回自在に嵌挿し、ステアリングシャフト７の上端に
ステアリングハンドル８を一体に装着するとともに、ス
テアリングシャフト７の下方に一体に延出した左右一対
のフロントフォーク９の下端に前車輪１０を回転自在に
軸止している。

【００１３】ダウンチューブ３とシートチューブ４とが
交わるメインフレーム５の湾曲部下部には、ブラケット
５ａ（図３参照）を突設し、伝動ギア機構を収納すると
ともに、クランクケースを兼ねたギアボックス１１をブ
ラケット５ａに一体に装着している。ギアボックス１１
に前後方向へ指向したリヤフォーク１２の前端を一体に
取り付け、シートチューブ４とリヤフォーク１２の後端
とにステー１３を架設し、リヤフォーク１２の後端に後
車輪１４を回転自在に軸止している。

【００１４】ギアボックス１１には、クランク軸１５を
回転自在に嵌装し、クランク軸１５の左右両端にクラン
クアーム１６を一体に装着し、クランクアーム１６の先
端にペダル１７を設けている。

【００１５】クランク軸１５に一体に設けられた駆動ス
プロケット１８と、後車輪１４に一体に設けられた従動
スプロケット１９とに無端チェン２０を架渡しており、
ペダル１７に加えられる踏力によってクランク軸１５が
回転駆動されると、駆動スプロケット１８、無端チェン
２０および従動スプロケット１９を介して後車輪１４が
回転し、伝動補助自転車１が自転車として走行できるよ
うになっている。

【００１６】さらに、シートチューブ４に沿ってギヤボ
ックス１１にモータ２１を固定し、シートチューブ４の
後側面には、モータ２１の上方に位置してモータ２１の
回転を制御する電子制御ユニットやモータドライバー等
の制御装置２２が付設している。制御装置２２によって
モータ２１が回転制御されると、モータ２１の回転トル
クが伝動ギヤ機構を介してクランク軸１５に伝達され、
モータ２１の動力でもって人力を補助するようにしてい
る。

【００１７】ダウンチューブ３とシートチューブ４とか
らなるメインフレーム５は、略Ｖ字状をなした左右２分
割のサイドカバー２３とセンターカバー２４とによって
覆われ、ダウンチューブ３を覆うサイドカバー２３の傾
斜した上面に長尺のバッテリケース組立２５を着脱自在
に装着できるようにしている。サイドカバー２３の前端
部にキースイッチ（コンビネーションスイッチ）等から
なるメインスイッチ４１を配設している。なお、このメ
インスイッチ４１の操作に連動するロック装置（図示し
ない）を介して、スイッチがオン位置に操作された場合
は、バッテリケース組立２５を取り外せない構造として
いる。また、バッテリケース組立２５の側面に充電用コ
ネクタ等との接続部４２を設け、バッテリケース組立２
５を電動補助自転車１に装着した状態でも充電を可能に
している。

【００１８】図２はバッテリケースの縦断面図である。
バッテリケース組立２５は、ロアケース２６とアッパケ
ース２７とに上下２分割され、このバッテリケース組立
２５内に、２０個の円柱状をなした単一型Ｎｉ−Ｃｄ
（ニッケル−カドミウム）電池２８ａ，２８ｂからなる
電源用バッテリ群２９が嵌脱自在に嵌装されるようにな
っている。また、バッテリケース組立２５のアッパーケ
ース２７が電動補助自転車１のボディの外表面の一部を
構成するようにしている。

【００１９】電源用バッテリ群２９は次のように構成し
ている。隣接するＮｉ−Ｃｄ電池２８ａの正極と負極と
が相互に入れ代わり、Ｎｉ−Ｃｄ電池２８ａの周面が相
互に接触した状態でＮｉ−Ｃｄ電池２８ａの中心線に対
し直角方向へ１列に１０個のＮｉ−Ｃｄ電池２８ａを配
列した状態で、この下層のＮｉ−Ｃｄ電池２８ａ列の上
方各凹部に上方Ｎｉ−Ｃｄ電池２８ｂが落ち込むよう
に、上層のＮｉ−Ｃｄ電池２８ｂを重ねる。図２で点線
で示すように、下層の隣接するＮｉ−Ｃｄ電池２８ａの
正極と負極とに接続片３０ａの両端をハンダ付けによっ
て接続し、上層の各Ｎｉ−Ｃｄ電池２８ｂも同様に接続
片３０ｂを用いて相互に接続し、各Ｎｉ−Ｃｄ電池２８
ａ，２８ｂの前端（図２では左端）では正極と負極とを
接続片３０ｃで相互に接続した後、筒状の熱収縮性合成
樹脂製フィルム３１内に、これら上下Ｎｉ−Ｃｄ電池２
８ａ，２８ｂを挿入してから、熱収縮性合成樹脂製フィ
ルム３１を加熱収縮させる。

【００２０】下層Ｎｉ−Ｃｄ電池２８ａの後端（図２で
は右端）と上層Ｎｉ−Ｃｄ電池２８ｂの後端の負極およ
び正極にそれぞれ接続された端子片３２ａ，３２ｂに
は、リード線３３ａ，３３ｂの一端がハンダ付けによっ
て一体に接続されている。リード線３３ａ，３３ｂの他
端は給電用コネクタ３４（図３に詳細に示す）へそれぞ
れ接続し、この給電用コネクタ３４を介して制御装置２
２側への給電を行なうようにしている。

【００２１】上下層の各Ｎｉ−Ｃｄ電池２８ａ，２８ｂ
間に、サーミスタ等の感熱性抵抗素子３５を配設してい
る。この感熱性抵抗素子３５は、リード線３５ａを介し
て図３に示す充電用コネクタ３６へ接続しており、図示
しない充電器を用いて充電を行なう際に、図示しない充
電器側は感熱性抵抗素子３５の抵抗値に基づいてＮｉ−
Ｃｄ電池２８ａ，２８ｂ部の温度を監視できるようにし
ている。また、バッテリケース組立２５内には、各種ヒ
ューズ３７や逆極性の充電電圧が供給されるのを防止す
るためのダイオード（図示しない）等の回路部品を実装
している。

【００２２】図３はバッテリケース組立の後部およびセ
ンターケースの底部の縦断側面図である。バッテリケー
ス組立２５の後端部に給電用コネクタ３８を配設してい
る。この給電用コネクタ３８は、銅合金板等の導電性弾
性材料からなる左右一対の接点端子３８ａを備える。各
接点端子３８ａはその一端側をねじ４０を用いてコネク
タケースに固定するとともに、各リード線３３ａ，３３
ｂとの電気的接続を行なっている。そして、この給電用
コネクタ３８の相手方となるコネクタ３９は、センター
カバー２４の底壁２４ａに配設している。このコネクタ
３９は、左右一対の棒状の突出端子３９ａを備える。そ
して、バッテリケース組立２５が装着された状態で、各
突出端子３９ａはロアケース２６に形成した開口２６
ａ、ならびに、給電用コネクタ３８の開口部３８ｂを貫
通し、各突出端子３９ａの先端は各接点端子３８ａに当
接する。これによって、バッテリ電源の供給がなされ
る。各接点端子３８ａの他端側は各突出端子３８ａに突
き上げられて変位するが、この変位部分にコイルスプリ
ング３８ｃを設けて充分な接触圧力を得るとともに、走
行振動等によって電源供給の瞬断が発生しにくい構成と
している。

【００２３】図４は伝動ギア機構ならびに踏力検出手段
の模式構造図である。クランク軸１５の軸方向中間部に
は、直径方向に貫通して軸方向に延びる貫通孔１５ａを
形成している。この貫通孔１５ａの内部にクランク軸１
５と同軸に収納されたトーションバー５１は、その左端
（入力端）に形成された頭部５１ａをカラー５２を介し
てクランク軸１５に結合するとともに、その右端（出力
端）に形成された頭部５１ｂを環状の駆動部材５３の内
周に形成した凹溝に圧入によって結合させている。クラ
ンク軸１５の貫通孔１５ａの互に対向する壁面は概略円
弧状に湾曲させており、これによってトーションバー５
１の自由端側の頭部５１ｂに対する所定角度の相対回転
を許容するとともに、過大な荷重が作用してときのトー
ションバー５１の破断を防止している。

【００２４】スリーブ５４の内周に固着されたベベルギ
ヤ５５と環状の駆動部材５３との間に第１一方向クラッ
チ５６を設けている。図示しないペダル１７を踏んでク
ランク軸１５を正転させると、クランク軸１５のトルク
はトーションバー５１、駆動部材５３、ベベルギヤ５５
およびスリーブ５４を介して、このスリーブ５４の外周
にスプライン結合された駆動スプロケット１８に伝達さ
れ、無端チェン２０ならびに図１に示した従動スプロケ
ット１９を介して後車輪１４へ伝達される。また、図示
しないペダル１７を踏んでクランク軸１５を逆転させる
と、第１一方向クラッチ５６がスリップすることによっ
て、クランク軸１５の逆転が許容される。

【００２５】モータ２１が回転駆動されるとその出力軸
２１ａのトルクは、４個のスパーギヤ５７，５８，５
９，６０、２個のベベルギヤ６１，５５を介して駆動ス
プロケット１８に伝達される。また、モータ２１が停止
している状態でも人力による駆動スプロケット１８の回
転を妨げないように、第２一方向クラッチ６２を第１中
間軸６３に設けている。なお、符号６４は第２中間軸で
ある。

【００２６】踏力検出手段７０は、踏力（トルク）によ
るねじれを軸方向の変位に変換するトルク−変位変換手
段７１と、変位に応じた電気信号を出力するストローク
センサ７２とで構成している。トルク−変位変換手段７
１は、クランク軸１５と一体に回転するスライダインナ
７１ａに端面に形成した凸状のカム面と、駆動部材５３
の端面に形成した凹状のカム面とを係合させて構成して
いる。

【００２７】クランク軸１５の回転数を検出するため、
クランク軸１５とトーションバー５１の頭部５１ａとを
結合するカラー５２の外周に歯部５２ａを形成し、この
歯部に対向させてクランク軸回転数センサ７５を配設し
ている。クランク軸回転数センサ７５は、歯部５２ａを
光学的もしくは磁気的に検出して検出パルスを出力する
よう構成している。

【００２８】図５はこの発明に係る電動補助自転車の制
御系のブロック構成図である。制御系Ａは、主制御系８
０とモータ給電停止制御手段９０とを備える。主制御系
８０は、ＣＰＵ８１と、ＲＯＭ・ＲＡＭ８２と、Ａ／Ｄ
変換器８３等を内蔵した１チップマイクロコンピュータ
を用いて構成している。ＣＰＵ８１は、図示しないメイ
ンスイッチがオン状態に操作されるとリレー駆動信号８
１ａを出力し、リレー駆動トランジスタ８４をオンさ
せ、リレー８５を動作させる。これによって、モータ２
１の通電が可能な状態となる。なお、ＣＰＵ８１は、所
定以上の踏力が検出されたときに、リレー駆動信号８１
ａを出力するようにしてもよい。

【００２９】ＣＰＵ８１は、踏力検出手段７０から出力
される踏力に応じた電圧信号７０ａをＡ／Ｄ変換器８３
を介してデジタルデータとして取り込み、踏力に応じた
補助力をモータ２１から発生させるためのＰＷＭ信号８
１ｂを生成し出力する。このＰＷＭ信号８１ｂは、ゲー
ト駆動回路８６を介して電界効果トランジスタ８７のゲ
ートへ供給され、モータ２１のＰＷＭ運転がなされる。

【００３０】モータ給電停止手段９０は、電流検出手段
９１と、しきい値判定手段９２と、時間監視手段９３
と、給電停止制御手段９４とからなる。電流検出手段９
１は、電界効果トランジスタ８７がオン状態にあるとき
のドレイン−ソース間電圧（ＦＥＴのオン電圧）をオン
状態に同期して取り込み、取り込んだドレイン−ソース
間電圧を低域通過フィルタ（ＬＰＦ）もしくは時定数回
路等を通して直流電圧へ変換する。なお、必要に応じて
直流増幅して大きな直流電圧を得るようにしてもよい。

【００３１】しきい値判定手段９２は、電流検出手段９
１から出力されるモータ電流に対応する直流電圧と、予
め設定したしきい値電圧とを比較することで、所定以上
のモータ電流が供給されている場合は、例えばＨレベル
のモータ通電検出信号９２ａを出力する。判定しきい値
はモータ電流がほぼゼロを越えた点に設定している。時
間監視手段９３は、例えばＨレベルのモータ通電検出信
号９２ａの継続時間を監視し、予め設定した時間を越え
た場合は、例えばＨレベルの給電停止指令信号９３ａを
出力する。許容継続時間は、ペダルをゆっくり漕いだと
きに踏力がほぼゼロになる時間間隔を参照に設定してい
る。

【００３２】そして、給電停止制御手段９４は、給電停
止指令信号９３ａに基づいてモータ２１への給電を停止
させるよう構成している。図５では、給電停止指令信号
９３ａに基づいてＮＰＮ型トランジスタ９４ａが導通状
態となり、リレー駆動用のＮＰＮ型トランジスタ８４の
ベース−エミッタ間を短絡することで、主制御系８０か
らリレー駆動信号８１ａが出力されている状態でも、リ
レー８５を不動作にしてモータ２１への給電を停止させ
る構成を示した。なお、符号ＢＡＴはバッテリ電源、符
号ＲＡ，ＲＢはベース抵抗である。

【００３３】図６はモータ給電停止手段およびゲート駆
動回路の一具体例を示す回路構成図である。ゲート駆動
回路８６は、主制御系８０から出力される例えば論理振
幅５ボルトのＰＷＭ信号８１ｂを、ＮＰＮ型トランジス
タＱ１を用いたレベルシフト回路８６ａで論理振幅が例
えば１２ボルトの信号へ変換し、ＮＰＮ型トランジスタ
Ｑ２とＰＮＰ型トランジスタＱ３とを直列接続したドラ
イブ回路８６ｂを介して電界効果トランジスタ８７のゲ
ートを駆動する構成としている。

【００３４】電流検出手段９１内の入力回路９１Ａは、
ＰＷＭ信号８１ｂに基づいてＮＰＮ型トランジスタＱ
４、ＰＮＰ型トランジスタＱ５をオンさせて電界効果ト
ランジスタ８７のオン電圧を取り込む。なお、ＰＮＰ型
トランジスタＱ５を用いる構成は、このトランジスタＱ
５のベース−エミッタ間電圧よりも小さいＦＥＴのオン
電圧は検出できないので、電界効果トランジスタ等のス
イッチング素子を用いて比較的小さいモータ電流値まで
検出できる構成としてもよい。

【００３５】入力回路９１ＡでＰＷＭ信号に同期して取
り込まれたＦＥＴオン電圧は、抵抗とコンデンサからな
る変換回路９１Ｂで直流（脈流）電圧へ変換され、演算
増幅器等を利用して構成した増幅回路９１Ｃで直流増幅
されて、しきい値判定手段９２へ供給される。

【００３６】しきい値判定手段９２は、電圧比較器等を
用いて、モータ電流に係る電圧９１ａがしきい値電圧９
２ＴＨを越えている場合は、Ｈレベルの判定出力９２ａ
を出力するよう構成している。

【００３７】時間監視手段９３は、充放電型のタイマ回
路で利用して構成している。抵抗９３ｂとコンデンサ９
３ｃからなる充電回路の時定数は大きく設定し、ダイオ
ード９３ｄと抵抗９３ｅからなる放電経路の時定数は小
さく設定している。したがって、モータ電流が流れてい
る時間に比例してコンデンサ９３ｃの端子電圧が上昇
し、モータ電流がほぼゼロに近いしきい値電流以下とな
った場合は、コンデンサ９３ｃの電荷が急速放電され
る。電圧比較器９３ｆは、コンデンサ９３ｃの端子電圧
が設定電圧９３ＴＨを越えるとＨレベルの出力を発生
し、フリップ・フロップ回路９３ｇをセットする。フリ
ップ・フロップ回路９３ｇがセットされると、そのＱ出
力によって給電停止手段９４内のＮＰＮ型トランジスタ
９４ｇがオンされ、リレー８５への通電が遮断され、モ
ータ２１への通電を停止させる。なお、フリップ・フロ
ップ回路９３ｇには図示しないリセット回路等から初期
状態を設定するためのリセット信号ＲＳが供給される。

【００３８】図７は制御系の動作を示すタイムチャート
である。主制御系８０は、図７（ａ）に示すように踏力
の変化に応じてモータ２１をＰＷＭ運転するので、モー
タ電流は図７（ｂ）に示すようになる。ペダルを漕ぐ速
度が早くなり、モータ２１の回転数が上昇すると、モー
タ２１の巻線に発生する誘導起電力が大きくなるため、
バッテリ電源ＢＡＴからモータ２１へ供給される電流は
減少する。

【００３９】モータ給電停止手段９０内のしきい値判定
手段９２は、モータ電流Ｉに係る電圧９１ａがしきい値
電流ＩＴＨに対応するしきい値電圧９２ＴＨを越えてい
る間、図７（ｃ）に示す判定出力９２ａを出力する。図
７（ｄ）および（ｅ）に示すように、時刻ｔ１で例えば
ＰＷＭ信号８１ｂがＨレベルを保持した状態となった
り、電界効果トランジスタ８７のドレイン−ソース間短
絡障害等が生じ、モータ電流Ｉが流れ続けると、その時
間が許容時間ＴＫを越えた時点でモータ２１への給電が
停止される。図７（ｆ）および（ｇ）に示すように、時
刻ｔ２で例えば電界効果トランジスタ８７のリーク電流
が増加する障害が生じたり、踏力検出が正常に作動しな
くなり、モータ電流Ｉがゼロまで戻らなくなると、時間
監視手段９３の出力９３ａに基づいてモータ２１への給
電が停止される。

【００４０】図８はモータ給電停止手段の他の構成例を
示すブロック構成図である。図８に示す制御系Ｂは、モ
ータ２１の通電を制御する電界効果トランジスタ８７に
直列に電流検出用抵抗ＲＩを介設し、この電流検出用抵
抗ＲＩの両端に発生したモータ電流に対応する電圧ＶＭ
Ｉをモータ給電停止手段１００内の直流増幅器１０１で
増幅し、その出力電圧１０１ａに基づいて所定値以上の
モータ電流が流れているか否かを判定し、モータ電流が
流れている時間が許容時間以上継続した場合は、リレー
８５を不動作にしてモータ２１への給電を遮断するよう
にしたものである。なお、アンドゲート等を用い、給電
停止制御手段９４の出力９４ｂに基づいてモータ駆動信
号８１ａがリレー駆動用のＮＰＮ型トランジスタ８４へ
供給されるのを阻止する構成としてもよい。

【００４１】主制御系８０Ｂ内のＣＰＵ８１は、クラン
ク軸回転数センサ７５の出力７５ａに基づいてクランク
軸の回転数を求め、求めたクランク軸の回転数と踏力と
に基づいてモータ２１の運転を制御する構成としてい
る。

【００４２】図９はモータの電圧に基づいて給電停止制
御を行なうようにしたモータ電圧監視型のモータ給電停
止手段のブロック構成図である。図９に示した制御系Ｃ
は、主制御系８０Ｃから出力されるＰＷＭ信号８１ｂに
基づいて、ＮＰＮ型トランジスタ８８、ＰＮＰ型トラン
ジスタ８９をスイッチング駆動し、モータ２１への給電
を制御するようにしている。モータ２１の両端電圧を抵
抗ＲＣと抵抗ＲＤで分圧し、分圧電圧をモータ給電停止
手段１１０内の電圧比較手段１１１へ供給している。電
圧比較手段１１１は、分圧電圧が予め設定したしきい値
電圧を越えている間は、例えばＨレベルの信号１１１ａ
を出力する。時間監視手段９３は、モータ２１への通電
が継続されている時間を監視し、許容時間内にモータ２
１に供給される電圧ほぼゼロに近い電圧にならない場合
は、出力信号９３ａを発生し、給電停止制御手段９４を
介してモータ２１への給電を停止させる。

【００４３】図１０は制御系の一具体例を示す回路構成
図である。バッテリケース組立２５内の電池電源ＢＡＴ
は、給電側フューズＦＯを介して給電用コネクタ３８の
各端子Ｂ＋，Ｂ−から制御装置２００の各電源端子Ｖ
Ｂ，Ｇへ印加される。なお、充電は、充電用コネクタ３
６の正極側端子３６ａからダイオードＤＩおよび充電側
フューズＦＩを介して行なう構成としている。充電時の
バッテリ温度を検出するための感熱性抵抗素子３５はそ
の一端側を負極側端子３６ｂへ接続し、その他端を信号
端子３６ｃに接続している。

【００４４】メインスイッチ（キースイッチ）４１がオ
ン状態に操作されると、制御装置２００の正極側電源端
子ＶＢからフューズＦ１、メインスイッチ４１、端子Ｓ
Ｗを介して電源・リセット回路部２０１へ電池電源ＢＡ
Ｔが供給されるとともに、ダイオードＤ１と充電電流制
限抵抗Ｒ１とからなるプリチャージ回路２０２を介して
モータ電源安定化用のコンデンサＣ１の充電がなされ
る。

【００４５】電源・リセット回路部２０１は、例えば２
４Ｖ系のバッテリ電源を降圧して１２Ｖ系と５Ｖ系の安
定化した電源を出力する１２Ｖ系・５Ｖ系電源２０１ａ
と、５Ｖ系電源で動作するリセット回路２０１ｂとを備
える。１２Ｖ系電源は、クランク軸回転センサ７５、な
らびに、モータ２１への通電を制御する電力用電界効果
トランジスタＦＥＴのゲート制御電圧用として使用して
いる。５Ｖ系電源は、１チップマイクロコンピュータ２
０３、モータ駆動制限手段２１０、モータ電流検出回路
２０４等で使用される。

【００４６】リセット回路２０１ｂは、５Ｖ系電源の立
上り時にリセットパルスＲＳをＣＰＵ２０３ａへ供給す
るとともに、ＣＰＵ２０３ａから所定の周期で出力され
るウォッチドッグパルスＷＰを監視し、このウォッチド
ッグパルスＷＰが所定の時間以上供給されない場合は、
リセットパルスＲＳを出力して、ＣＰＵをリセット（初
期化）するようにしている。また、リセットパルスＲＳ
を出力した後もウォッチドッグパルスＷＰの供給が再開
されない場合、リセット回路２０１ｂは１２Ｖ・５Ｖ系
電源の遮断指令ＰＯＦＦを１２Ｖ系・５Ｖ系電源２０１
ａへ供給して１２Ｖ・５Ｖ系電源の供給を停止させる。

【００４７】主制御系は、ＣＰＵ２０３ａ、ＲＯＭ・Ｒ
ＡＭ２０３ｂ、Ａ／Ｄ変換器２０３ｃ、タイマ２０３Ｔ
等を内蔵した１チップマイクロコンピュータ２０３を用
いて構成している。この回路例では、ＣＰＵ２０３ａと
タイマ２０３Ｔならびにモータ電流検出回路２０４で、
モータ給電停止手段を構成している。

【００４８】モータ電源安定化用コンデンサＣ１の両端
電圧を、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３とでＡ／Ｄ変換器２０３ｃ
の入力許容電圧範囲になるよう分圧して、分圧した電圧
をＡ／Ｄ変換器２０３ｃの入力端子Ａ５へ供給してい
る。ＣＰＵ２０３ａは、リセット信号ＲＳに基づく初期
化処理の後に、Ａ／Ｄ変換された分圧電圧値が予め設定
した電圧を越えた時点でリレー駆動指令２０３ｄを出力
する。これにより、リレー駆動回路２０５を介してリレ
ー２０６の励磁巻線が通電され、リレー２０６の接点が
閉状態となってモータ２１へバッテリ電源ＢＡＴが印加
される。

【００４９】モータ電源安定化用コンデンサＣ１の両端
電圧を監視し、このコンデンサＣ１が充電された以降
に、リレー２０６の接点を閉駆動する構成としているの
で、リレー２０６の接点を介して過大な充電電流が流れ
ることはなく、接点が損傷するようなことはない。な
お、コンデンサＣ１の両端電圧の時間当たりの上昇率が
所定値以下になった時点でコンデンサＣ１へのプリチャ
ージが完了したものと判断して、リレー２０６を動作さ
せる構成としてもよい。電圧の変化に基づく判定は、バ
ッテリ電源ＢＡＴの電圧値に無関係にプリチャージの完
了を検出することができる。

【００５０】モータ２１の通電を制御する電界効果トラ
ンジスタＦＥＴのドレイン−ソース間が短絡不良になっ
ていたり、ドレイン−ソース間に並列に接続される逆方
向サージ電圧吸収用のダイオードＤ２の短絡不良等が発
生している場合、コンデンサＣ１の両端電位は、バッテ
リ電圧を充電電流制限抵抗Ｒ１とモータ２１の巻線の抵
抗とで分圧した電圧となる。充電電流制限抵抗Ｒ１の抵
抗値はモータ２１の巻線の抵抗値よりも充分高く設定し
ている。したがって、前述の短絡障害が発生していると
プリチャージでコンデンサＣ１の端子電圧が上昇しない
ので、リレー２０６の駆動が禁止され、短絡障害に伴っ
て過電流が供給されることを事前に防止できる。

【００５１】また、ＣＰＵ２０３ａはモータ２１の運転
状態においても、コンデンサＣ１の両端電圧を監視し、
モータ２１へ印加されている実際の電圧値に基づいて所
望の補助トルクが得られるようＰＷＭ信号２０３ｅの通
電比率の補正を行なっている。これにより、バッテリ電
源電圧が低下等した場合でも、所望の補助トルクを発生
させることができる。

【００５２】モータ２１への通電を停止する際に発生す
る逆極性のサージ電圧は、ダイオードＤ３を介してバッ
テリ電源ＢＡＴで吸収する構成としている。給電側フュ
ーズＦＯは大電流用（数１０アンペア）のものを用いて
いる。モータ２１への給電はリレー２０６の接点を介し
て行なっているので、メインスイッチ４１の電流耐量な
らびにこのメインスイッチ４１と直列に接続されたフュ
ーズＦ１は小容量（数アンペア）のものでよい。

【００５３】クランク軸回転数センサ７５に対してはブ
リード抵抗Ｒ４を介して１２Ｖ系電源を供給している。
端子ＶＣよりもクランク軸回転数センサ７５側で短絡障
害等が生じても、短絡電流はブリード抵抗Ｒ４で制限さ
れるので、電源系統は保護される。端子ＣＰに供給され
るクランク回転数検出信号７５ａは、波形整形回路２０
９で波形整形され、５Ｖ系の論理振幅に変換されてＣＰ
Ｕ２０３ａの入力端子へ供給される。

【００５４】踏力検出手段７０に対してはブリード抵抗
Ｒ５を介して５Ｖ系電源を供給している。端子ＶＴより
も踏力検出手段７０側で短絡障害等が生じても、短絡電
流はブリード抵抗Ｒ５で制限されるので、電源系統は保
護される。端子ＴＳに供給される踏力検出出力（電圧信
号）７０ａは、分圧比の異なる２組の分圧回路で分圧さ
れ、各分圧電圧をＡ／Ｄ変換器２０３ｃへそれぞれ供給
している。抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７からなる一方の分圧回路
の分圧比は例えば１／２に、抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ９からな
る他方の分圧回路の分圧比は例えば１／４に設定してい
る。

【００５５】分圧比の異なる２系統の検出電圧を用意
し、ＣＰＵ２０３ａは２系統のＡ／Ｄ変換データに基づ
いて検出トルクの大きさを検出するとともに、検出トル
クが小の時はＡ／Ｄ入力端子Ａ２に供給された電圧（分
圧比１／２）のＡ／Ｄ変換データを、トルクが大の時は
Ａ／Ｄ入力端子Ａ３に供給された電圧（分圧比１／４）
のＡ／Ｄ変換データを選択し、分圧比を考慮してトルク
を換算する。このような構成ならびに処理を行なうこと
で、Ａ／Ｄ変換器２０３ｃの分解能が同一でも、小さい
トルクから大きいトルクまで広範囲にわって精度の高い
トルク値検出が可能である。

【００５６】踏力検出手段７０の検出出力は供給されて
いる電源電圧の影響を受けるので、踏力検出手段７０へ
実際に供給している電圧をＡ／Ｄ入力端子Ａ１へ供給
し、そのＡ／Ｄ変換データに基づいて検出電圧を補正す
ることで、より正確な踏力検出を行なっている。

【００５７】モータ駆動制限手段２１０内の電圧比較器
２１２は、踏力検出手段７０へ供給している電圧を抵抗
２１１ａと抵抗２１１ｂとで分圧して得たしきい値電圧
ＶＴＨと、踏力検出出力７０ａを抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ９と
で分圧した電圧とを比較する構成としている。踏力検出
手段７０へ供給している電圧を分圧してしきい値電圧Ｖ
ＴＨを得ているので、踏力が所定値を越えたか否かをよ
り正確に判定できる。

【００５８】電圧比較器２１２の出力２１２ａはＣＰＵ
２０３ａの入力端子へ供給している。ＣＰＵ２０３ａ
は、電圧比較器２１２の出力２１２ａがＬレベル、すな
わち、踏力がゼロの状態が周期的に発生することを監視
している。そして、Ａ／Ｄ変換データに基づく踏力検出
に基づいてモータ２１を運転している状態で、踏力がゼ
ロの状態が周期的に検出されない場合は、ＰＷＭ信号２
０３ｅの出力を停止し、モータ２１の運転を停止する構
成としている。これによって、踏力検出手段７０やＡ／
Ｄ変換器２０３ｃ等の踏力検出系の動作が正常でなく、
不要な補助トルクを発生させることを防止している。

【００５９】ＣＰＵ２０３ａは、Ａ／Ｄ変換器２０３ｃ
を介して検出した踏力と、クランク回転軸回転数に対応
する信号７５ａに基づいて検出したクランク軸回転数と
に基づいてＰＷＭデューティマップを検索し、求めたデ
ューティに対応したＰＷＭ信号２０３ｅを生成し出力す
る。

【００６０】このＰＷＭ信号２０３ｅは、比較器２１２
の出力２１２ａがＨレベルの間、すなわち、所定以上の
踏力が検出されている間、論理積回路２１３を介してＦ
ＥＴ駆動回路２０７へ供給される。ＦＥＴ駆動回路２０
７は、論理積出力信号２１３ａに基づいて電界効果トラ
ンジスタＦＥＴのゲートへ電力を供給し、電界効果トラ
ンジスタＦＥＴをスイッチング駆動させる。これによっ
て、モータ２１がＰＷＭ制御で運転される。

【００６１】ＣＰＵ２０３ａは、モータ２１の運転動作
が正常になされているか否かをモータ電流に基づいて監
視し、異常な電流値を検出したときはモータ２１の運転
を制限するようにしている。モータ通電時、電界効果ト
ランジスタＦＥＴのドレイン−ソース間には、モータ電
流にこの電界効果トランジスタＦＥＴのオン抵抗を乗じ
た電圧（以下ＦＥＴオン電圧と記す）が発生する。

【００６２】モータ電流検出回路２０４内の電子スイッ
チ２０４ａは、論理積出力信号２１３ａのＨレベルに同
期してオン状態となって、ＦＥＴオン電圧を抵抗Ｒ１０
とコンデンサＣ２からなる時定数回路２０４ｂへ供給す
る。電子スイッチ２０４ａはバイポーラトランジスタや
電界効果トランジスタ等を用いて構成することができ
る。論理積出力信号２１３ａに同期して取り込まれたＦ
ＥＴオン電圧は、時定数回路２０４ｂでＦＥＴオン電圧
に対応した概ね直流電圧（脈流電圧）となる。この直流
電圧（脈流電圧）を電圧増幅器２０４ｃで直流増幅して
得た電圧信号２０４ｄをＡ／Ｄ変換器２０３ｂのＡ／Ｄ
変換入力端子Ａ４へ供給している。そして、ＣＰＵ２０
３ａは、Ａ／Ｄ変換されたモータ電流値に係る電圧デー
タに基づいてモータ電流値が過大となっている場合は、
通電デューティを低く押さえたり、モータ２１の運転を
停止するよう構成している。

【００６３】さらに、ＣＰＵ２０３ｃはＡ／Ｄ変換され
たモータ電流値に係る電圧データが予め設定したほぼモ
ータ電流がゼロに相当もしくはゼロに近い値を越えた時
点でタイマ２０３Ｔの計時を開始させ、予め設定した許
容時間内にモータ電流がほぼゼロに相当する値以下にな
らない場合は、モータ駆動指令２０３ｄの出力を停止し
て、モータ２１への給電を停止させるよう構成してい
る。このように、本回路例では１チップマイクロコンピ
ュータ２０３内のＡ／Ｄ変換器２０３ｃやタイマ２０３
Ｔを利用して、モータ給電停止手段を構成している。

【００６４】なお、この回路例ではＦＥＴオン電圧に基
づいてモータ電流を検出する構成としたので、電流検出
用抵抗をモータ電流経路に挿入する回路構成と比較し
て、不要な電力損失がなく、バッテリ電源ＢＡＴを有効
に利用できる。

【００６５】また、ＣＰＵ２０３ａは、Ａ／Ｄ変換器２
０３ｃを介して取り込んだバッテリ電源電圧に係るデー
タと予め設定した残量判定電圧値とを比較し、バッテリ
電源電圧が残量判定電圧値以下に低下している場合は、
表示出力２０３ｆを発生し、ランプ駆動回路２０８を介
してランプＬを点灯させて、充電を促す表示を行なう。
なお、ランプＬは連続通電せずにダイナミック点灯する
ことで節電を図っている。数秒周期で間欠点灯するよう
にしてもよい。

【００６６】図１１はモータ駆動制限手段の動作を示す
タイムチャートである。自転車のペダルを漕ぐとペダル
の上死点、下死点では踏力が加わらないため、踏力検出
出力７０ａは図１１（ａ）に示すように周期的な増減を
繰り返す電圧波形となる。電圧比較器２１２は、踏力検
出出力７０ａの電圧がしきい値電圧ＶＴＨを越えている
間、図１１（ｃ）に示すように、Ｈレベルの信号２１２
ａを出力する。したがって、踏力検出出力７０ａに基づ
いてＣＰＵ２０３ａから図１１（ｂ）に示すＰＷＭ信号
２０３ｅが生成・出力されると、論理積回路（アンドゲ
ート）２１３を介して図１１（ｄ）に示す論理積出力信
号２１３ａが出力され、この論理積出力信号２１３ａに
基づいてモータ２１の運転が制御される。すなわち、踏
力がしきい値を越えている間のみ、モータ２１の運転が
許可され、補助力が供給される。

【００６７】１チップマイクロコンピュータ２０３等が
何らかの原因で正常な動作ができなくなり、例えば図１
１（ｅ）に示すように、時刻ｔ１以降はＨレベルの出力
が保持された状態となっても、図１１（ｆ）に示すよう
に、踏力がしきい値を越えている間しかモータ２１の運
転は許可されない。したがって、１チップマイクロコン
ピュータ２０３等の動作が正常でなくなっても、ペダル
を踏んでいない状態ではモータ２１からの補助動力が供
給されることはない。

【００６８】図１２は制御装置の全体動作を示すフロー
チャートである。ＣＰＵ２０３ａは、ステップＳ１で、
モータ電源安定化用コンデンサＣ１へのプリチャージが
完了した否か判定し、プリチャージ完了後にリレー駆動
指令２０３ｄを出力する（Ｓ２）。そして、クランク軸
回転数の算出（Ｓ３）、ならびに、踏力検出（Ｓ４）を
行ない、ＰＷＭ信号のデューティを求め（Ｓ５）を求め
たデューティのＰＷＭ信号２０３ｅを生成して出力する
（Ｓ６）。

【００６９】そして、ＣＰＵ２０３ａは、モータ電流を
検出し（Ｓ７）、モータ電流が基準値を越えているか否
か判定する（Ｓ８）。基準値を越えている間は、タイマ
２０３Ｔを利用し計時を進め（Ｓ９）、基準値を越えて
いる時間が許容時間に達したときは（Ｓ１０）、ＰＷＭ
信号の出力を停止し（Ｓ１１）し、リレー駆動指令２０
３ｄの出力を停止して、モータ２１への給電を停止させ
る（Ｓ１２）。ステップＳ８でモータ電流が基準値以下
と判定された場合、ステップＳ１３でタイマ２０３Ｔの
計時時間をリセットし、ステップＳ３以降のモータ運転
制御処理を繰り返す。この実施例では、ステップＳ７か
らステップＳ１３の処理で、モータ給電停止手段の機能
動作を実現している。

【００７０】図１３は電流検出手段の他の構成例を示す
説明図である。ＰＷＭ信号に同期させてモータ電流もし
くはモータ電圧を取り込む場合、電界効果トランジスタ
のオン・オフに伴って発生するサージ電流やサージ電圧
が混入する虞れがある。そこで、図１３（ａ）に示すサ
ンプリングタイミング制御回路２２０を設けて、図１３
（ｂ）に示すＰＷＭ信号に対して、その立上り、立下り
エッジの内側にサンプリング期間を設定したサンプリン
グパルスＳＰを生成し、図１３（ｃ）に示すようなサン
プリングパルスＳＰに基づいて、ＦＥＴオン電圧もしく
はモータ２１の電圧を取り込むようにすることで、より
正確なモータ電流もしくはモータ電圧の検出を行なうよ
うにしてもよい。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明に係る電動
補助自転車は、モータに供給される電圧もしくは電流を
検出し、検出した電圧もしくは電流が、予め設定したほ
ぼゼロに近い値以下にならない状態が、予め設定した許
容時間以上継続した場合は、モータへの給電を停止させ
る構成としたので、踏力検出や検出踏力に基づくモータ
運転制御系統が正常に動作していない場合には、モータ
への給電を停止することで、不要な補助力が供給される
のを防止することができる。また、モータへの給電をス
イッチングする半導体スイッチング素子のリーク電流増
加等の障害が発生した場合でも、その異常を検出してモ
ータへの給電を停止することで、不要な補助力が供給さ
れるのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る電動補助自転車の側面図

【図２】バッテリケースの縦断面図

【図３】バッテリケース組立の後部およびセンターケー
スの底部の縦断側面図

【図４】伝動ギア機構ならびに踏力検出手段の模式構造
図

【図５】電動自転車の制御系のブロック構成図

【図６】モータ給電停止手段およびゲート駆動回路の一
具体例を示す回路構成図

【図７】制御系の動作を示すタイムチャート

【図８】モータ給電停止手段の他の構成例を示す回路構
成図

【図９】モータ電圧検出に基づくモータ給電停止手段の
ブロック構成図

【図１０】制御系の一具体例を示す回路構成図

【図１１】モータ駆動制限手段の動作を示すタイムチャ
ート

【図１２】制御装置の全体動作を示すフローチャート

【図１３】電流検出手段の他の構成例を示す説明図

【符号の説明】

１ 電動補助自転車 ２１ モータ ８５，２０６ リレー ８７，ＦＥＴ 電界効果トランジスタ ７０ 踏力検出手段 ９０，１００，１１０ モータ給電停止手段 ９１ 電流検出手段 ９２ しきい値判定手段 ９３ 時間監視手段 ９４ 給電停止制御手段 ２０３ａ ＣＰＵ ２０３ｃ Ａ／Ｄ変換器 ２０３Ｔ タイマ ２０４ モータ電流検出回路

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−310177（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−144343（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B62M 23/02 B62K 11/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人力走行の補助にモータの動力を利用す
   る電動補助自転車において、前記モータに供給される電
   圧を、モータと並列に接続されるコンデンサ（Ｃ１）の
   端子電圧により検出するとともに、当該検出された電圧
   値によりモータへの通電率を補正する補正手段（２０３
   ａ）を備え、 当該検出された電圧値が、予め設定した電圧値以上の状
   態が、予め設定した許容時間以上継続したことを検出す
   る第１の手段（９２，９３）と、 前記電圧値が検出されない状態を検出する第２の手段
   （２０３ａ，２０６）と、 ペダルを踏んでいない状態を検出する第３の手段（２１
   ０）と、の全てを備えるとともに、各々の手段のいずれ
   かの検出信号により、前記モータへの給電を停止させる
   ようにしたモータ給電停止手段（２００）を備えたこと
   を特徴とする電動補助自転車。