JP4763298B2 - 電動アシスト自転車のペダル踏力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動アシスト自転車のペダル踏力検出装置に係り、特に自転車の停止状態時のトルク検出装置に関するものである。

電動アシスト自転車は、特許文献１のものが公知となっている。この特許文献１のものはアシストモータとして永久磁石式同期モータを使用し、ペダルの踏力を人力駆動力としてチェーンに伝達し、この駆動力を撓み継手を介して検出して人力駆動力に比例したトルクでアシストモータを制御するように構成したものである。

図３は人力伝達機構の概略図で、ペダルを踏むことにより、スプロケット４、アダプタ３及び撓み継手５を介してホイール６に駆動力が伝達され、それらはベアリング２、７に支承されて車軸１上を回転する。この回転によってホイール６に固着された永久磁石１１も回転し、回転する永久磁石１１と固定子巻線１０との間で発生する吸引力を利用し、図示省略された回転子の位置検出器によって検出された位置信号により固定子巻線１０に流れる電流方向を切り替えることによって回転を継続させる。なお、９は固定子鉄心、８は支柱板で、この支柱板は車軸１に固着されて固定子鉄心９、固定子巻線１０が取り付けられると共に、モータを制御するための電力変換部の素子や制御回路部品等が取り付けられている。１６はスポークの取り付け孔である。

一方、撓み継手５の入力軸側と出力軸側にはそれぞれ磁石１２、１３が配置されている。磁石１２、１３は、回転半径に相似させて複数のＮ極，Ｓ極が交互に配置され、ペダル踏力に伴う撓み継手５の捩れに対応して磁石が移動し、この移動を固定側に配置したホール素子等よりなる位置検出部１４、１５によって位相差信号として検出する。この信号を人力駆動力として電力変換部の制御回路に導入し、モータ制御のためのトルク設定値とされる。
特開２００２−４６６８５号公報

永久磁石式同期モータのトルクは電流に比例することから、検出される電流と、踏力に伴うトルク設定値との誤差信号を求め、この誤差信号に応じたＰＷＭ信号を生成して電力変換部としてのインバータを制御し、モータを人力駆動のアシストとして駆動する。

ところで、撓み継手５の入力軸側と出力軸側に設けられた磁石１２、１３間の位相ずれは、ホイール６にスポーク等を介して取り付けられるタイヤが回転しないと検出できない。したがって、走行開始時のアシストができなくなって駆動力不足となり、特に坂道発進時には自転車のふらつきが生じる等の問題が発生する。

本発明が目的とするところは、停止状態でも踏力の検出できる装置を提供することにある。

本発明の第１は、人力駆動力と永久磁石式同期モータによる駆動力とを併せ持った電動アシスト自転車であって、
人力伝達機構における入力軸側部材と出力軸側部材との間にペダル踏力に応じて撓む撓み継ぎ手を配置し、且つ入力軸側部材と出力軸側部材側にそれぞれ磁石を回転半径に相似させてＮ極Ｓ極交互に配置し、各磁石の回転軸上と対向した固定部材側に第１の位置検出部をそれぞれ配置し、
人力によって得られるトルクを撓み継手の入出力間の差信号として前記位置検出部により検出し、検出信号を人力駆動力として電力変換部の制御部に出力するものにおいて
前記入力軸側の信号ａ´と出力軸側の信号ａを各別に検出する第１の位置検出器１４，１５，とはそれぞれ電気角９０゜ずらした位置にに配設され、前記入力軸側の信号ｂ´と出力軸側の信号ｂを各別に検出する第２の位置検出部１４´，１５´を設け、前記第１の位置検出部１４，１５により検出された入出力間の差信号ａ−ａ´の絶対値と前記第２の位置検出部１４´，１５´により検出された入出力間の差信号ｂ−ｂ´の絶対値とを比較し、絶対値の大きい方の値を踏力として検出することを特徴としたものである。

本発明の第２は、前記電気角０と９０°点の撓み継手の入出力間の各信号差は、撓み継手の入出力間にそれぞれ設けた磁石の磁束を、各磁石とはそれぞれ２箇所に対向配置された位置検出部によって検出された信号に基づくことを特徴としたものである。

本発明の第３は、前記電気角０で検出された入出力間の検出信号と９０°ずれて検出された信号は、それぞれ各別に設けられた差演算部と、差演算部によって求められた値の絶対値を演算する絶対値演算部と、各絶対値演算部の演算出力を導入比較して大きい方を人力駆動力信号として前記制御部に出力する比較部とで構成したことを特徴としたものである。

本発明の第４は、前記撓み継手の入出力間に配置される磁石Ｎ，Ｓの配置間隔は、０．５ｍｍ以下であることを
特徴としたものである。

本発明の第５は、前記撓み継手のペダル踏力による入出力間の変位は１ｍｍ以上であることを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、撓み継手の入出力間の位置変位量を検出するために、入力側と出力側のそれぞれに電気角略９０°ずらして設置された２個の位置検出部で検出し、各検出点での検出値の絶対値の大きい方の値を踏力として検出したものであるから、自転車が停止状態で磁石位置によって検出量が変わっても所定のトルク信号が得られるので、坂道発進時でも発進時点からモータからの所定の駆動力が得られる。したがって、自転車のフラツキ現象等は防止され、安全性が高まるものである。

図２は本発明を説明するための磁束波形図で、Ｎ，Ｓで示す磁石は図３でいえば磁石１２又は１３である。各磁石１２，１３の位置を各別に検出するためのホール素子などが使用される位置検出部１４，１５は、従来は踏力零で位相０となる位置に各磁石１２，１３と対向配設している。本発明では、位置検出部１４，１５の他に、これら検出部とは電気角９０°位相のずれた位置に図示省略された第２の位置検出部１４´，１５´が配設される。

図２（ａ）で示す波形ａは出力軸側，すなわち、位置検出部１５によって検出された検出量、波形ｂは位相９０°ずらした位置での出力軸側，すなわち、位置検出部１５’によって検出した出力側検出量である。また、波形ａ’はペダルの踏力が最大時の入力軸側（位置検出部１４）によって検出された検出量、波形ｂ’は９０°ずらした位置での踏力最大時の入力側（位置検出部１４’）の検出量である。

図２（ｂ）は、後述の踏力検出部によって処理される出力ａ，ａ’及びｂ，ｂ’の各絶対値を示したものである。踏力検出部によってａ−ａ’＜０の時には、同図で示す区間ａ−ａ’の信号を踏力として検出し、ｂ−ｂ’＜０の時には、区間ｂ−ｂ’の信号を踏力として検出する。これは、磁石位置が人力踏力により移動したことを位置検出部によって検出し、その変化量から踏力を知る方法の場合、停止時の磁石位置によって検出量が変わるという問題点を、本発明では踏力の入出力間の差分量の変化を９０°ずれた検出点の２箇所で検出することで問題点を解決したものである。そのため、より検出精度を向上させるために、磁石１２，１３の各ＮとＳの配置間隔を例えば０．５ｍｍ以下とし、撓み継手５の変位を１ｍｍ以上で検出できるよう構成している。

図１は、本発明の実施例を示す踏力検出部の構成図で、１４は撓み継手５の入力側（一次側）の位置検出部、１５は撓み継手５の出力側（二次側）の位置検出部で、両検出部は電気角θ＝０時の磁石磁束を検出する。２０は極性反転部、２１は差演算部で、検出部１４と１５とによって検出された磁束量を入力してａ−ａ’の差演算を実行する。２２は導入された差信号の絶対値を演算する絶対値演算部で、その演算は図２で示すようにａ−ａ’＜０の時に演算される絶対値が採用される。したがって、検出された信号ａとａ’とは両信号が交差するまでは負極性のａの方が大きいので、図２（ｂ）で示すようにａ−ａ’の区間が採用されて切替部２３と比較部４０の一方の入力端に出力される。

１４’，１５’は一次側及び二次側の位置検出部で、上記位置検出部１４，１５とはそれぞれ電気角９０°のずれを有して配置されている。３０は極性反転部、３１は差演算部で、検出部１４’と１５’とによって検出された磁束量を入力してｂ−ｂ’の差演算を実行する。３２は導入された差信号の絶対値を演算する絶対値演算部で、その演算はｂ−ｂ’＜０の時に演算される絶対値が採用される。したがって、検出された信号ｂとｂ’とは両信号が交差するまでは負極性のｂの方が大きいので、図２（ｂ）で示すようにｂ−ｂ’の区間が採用されて切替部３３と比較部４０の他方の入力端に出力される。比較部４０は、入力された両信号を比較してａ−ａ’≧ｂ−ｂ’ の時に切替部２３に対してオン信号を出力し、また、ａ−ａ’＜ｂ−ｂ’の時に切替部３３に対してオン信号を出力し、その結果、図２（ｂ）で示す０ライン以上の入力踏力の見做し信号が踏力としてインバータの制御回路に入力される。したがって、電動アシスト自転車はタイヤが回転を始める前に踏力が検出されるため、スタート時点よりモータによる駆動力が発生する。

なお、図１ではアナログ回路で処理しているが、これをディジタル的に処理してもよいことは勿論である。

本発明の実施形態を示す停止状態時の踏力検出装置の構成図。 本発明の説明図で、（ａ）は磁束波形図、（ｂ）は絶対値演算状態図。 人力伝達機構の概略図。

符号の説明

１４、１４’… 一次側位置検出部
１５、１５’… 二次側位置検出部
２０、３０… 極性反転部
２１、３１… 差演算部
２２、３２… 絶対値演算部
２３、３３… 切替部
４０… 比較部

Claims (5)

1. 人力駆動力と永久磁石式同期モータによる駆動力とを併せ持った電動アシスト自転車であって、
   人力伝達機構における入力軸側部材と出力軸側部材との間にペダル踏力に応じて撓む撓み継ぎ手を配置し、且つ入力軸側部材と出力軸側部材側にそれぞれ磁石を回転半径に相似させてＮ極Ｓ極交互に配置し、各磁石の回転軸上と対向した固定部材側に第１の位置検出部をそれぞれ配置し、
   人力によって得られるトルクを撓み継手の入出力間の差信号として前記位置検出部により検出し、検出信号を人力駆動力として電力変換部の制御部に出力するものにおいて
   前記入力軸側の信号ａ´と出力軸側の信号ａを各別に検出する第１の位置検出器１４，１５，とはそれぞれ電気角９０゜ずらした位置に配設され、前記入力軸側の信号ｂ´と出力軸側の信号ｂを各別に検出する第２の位置検出部１４´，１５´を設け、前記第１の位置検出部１４，１５により検出された入出力間の差信号ａ−ａ´の絶対値と前記第２の位置検出部１４´，１５´により検出された入出力間の差信号ｂ−ｂ´の絶対値とを比較し、絶対値の大きい方の値を踏力として検出することを特徴とした電動アシスト自転車のペダル踏力検出装置。
2. 前記電気角０と９０°点の撓み継手の入出力間の各信号差は、撓み継手の入出力間にそれぞれ設けた磁石の磁束を、各磁石とはそれぞれ２箇所に対向配置された位置検出部によって検出された信号に基づくことを特徴とした請求項１記載の電動アシスト自転車のペダル踏力検出装置。
3. 前記電気角０で検出された入出力間の検出信号と９０°ずれて検出された信号は、それぞれ各別に設けられた差演算部と、差演算部によって求められた値の絶対値を演算する絶対値演算部と、各絶対値演算部の演算出力を導入比較して大きい方を人力駆動力信号として前記制御部に出力する比較部とで構成したことを特徴とした請求項１又は２記載の電動アシスト自転車のペダル踏力検出装置。
4. 前記撓み継手の入出力間に配置される磁石Ｎ，Ｓの配置間隔は、０．５ｍｍ以下であることを特徴とした請求項２又は３記載の電動アシスト自転車のペダル踏力検出装置。
5. 前記撓み継手のペダル踏力による入出力間の変位は１ｍｍ以上であることを特徴とした請求項１乃至４記載の電動アシスト自転車のペダル踏力検出装置。

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