JP2004142634A - 電動自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】滑りやすい道路を安全に走行できるフロントドライブの電動自転車を提供する。
【解決手段】電動自転車は、モーター９で前輪３Ａを駆動している。さらに、電動自転車は、前輪３Ａのスリップを検出するスリップセンサ３３を備えている。電動自転車は、スリップセンサ３３が前輪３Ａのスリップを検出すると、モーター９への通電を制限又は停止し、あるいは、モーター９の回転を制御する。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、前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】
モーターで前輪を駆動する電動自転車は、ペダルが後輪を駆動するトルクをクランクトルクセンサで検出し、検出した後輪のトルクでモーターが前輪を駆動するトルクを制御している。電動自転車が所定の速度以下の状態において、モーターは後輪と同じトルクで前輪を駆動する。モーターが前輪を駆動する回転トルクは、電池からモーターに供給される電力で制御される。モーターへの供給電力は、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制御して行われる。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】
モーターによるフロントドライブの自転車は、ペダルで後輪を、モーターで前輪を駆動して、前輪と後輪の両方が駆動される。スリップしない通常の走行状態において、前輪と後輪はほぼ同じ回転速度で回転される。しかしながら、滑りやすい氷結した道路等では、前輪がスリップすることがある。
【０００４】
ところで、凹凸のある道路を安定して走行するために、前輪のモーターを制御する電動自転車は開発されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１９６８６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この公報の電動自転車は、前輪の浮きを検出するセンサを備えている。センサが前輪の浮きを検出すると、前輪を駆動するモーターへの通電を停止する。この電動自転車は、凹凸のある道路を走行するときに、前輪が浮いた状態ではモーターが前輪を駆動しない。したがって、凹凸のある道路を安全に走行できる。しかしながら、氷結し滑りやすい道路を走行するとき、前輪はスリップするが前輪が浮くことはない。このため、滑りやすい道路を前輪のスリップを防止して走行することはできない。
【０００７】
本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、滑りやすい道路を安全に走行できるフロントドライブの電動自転車を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電動自転車は、モーター９で前輪３Ａを駆動している。さらに、電動自転車は、前輪３Ａのスリップを検出するスリップセンサ３３を備えており、スリップセンサ３３が前輪３Ａのスリップを検出すると、モーター９への通電を制限又は停止する。
【０００９】
さらに、本発明の請求項２の電動自転車は、前輪３Ａのスリップを検出するスリップセンサ３３を備えており、スリップセンサ３３が前輪３Ａのスリップを検出すると、モーター９の回転を制御する。
【００１０】
スリップセンサ３３は、前輪３Ａを駆動するモーター９の回転と、後輪３Ｂの回転との回転差を検出してスリップを検出することができる。スリップセンサ３３は、前輪３Ａを駆動するモーター９の回転と、後輪３Ｂの回転と比例するクランク軸３５の回転との比を検出して、前輪３Ａのスリップを検出することができる。スリップセンサ３３は、前輪３Ａを駆動するモーター９の加速度を検出し、加速度が設定値よりも大きいときにスリップと判定することもできる。
【００１１】
【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。
【００１２】
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。
【００１３】
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、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４２が設置されている。
【００１４】
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、人力によるトルクを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している。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。前輪３Ａをモーター９で駆動する電動自転車は、前輪３Ａに鍵１２を設けている。この鍵１２はロック状態で前輪３Ａが回転されるのを確実に停止する。したがって、鍵１２をロックする状態で、誤動作等でモーター９が前輪３Ａを駆動しても、前輪３Ａが回転することがない。
【００１５】
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を駆動するトルクを検出するクランクトルクセンサ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、前輪３Ａのスリップを検出するスリップセンサ３３と備える。
【００１６】
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、回転するクランクトルクセンサ１３からの電気出力を制御回路１５に伝達するために、スリップリングを採用しているが、このスリップリング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。
【００１７】
クランクトルクセンサ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に内蔵している。図３は、クランクトルクセンサ１３を内蔵する第１スプロケット４の概略図を示している。この第１スプロケット４の斜視図を図４と図５に示す。これ等の図に示す第１スプロケット４は、外周にチェーン６をかける歯（図示せず）を別途設けている外輪２４と、この外輪２４の内側にあってペダルクランク２で回転される内輪２５とを備える。内輪２５は外輪２４に対して所定の角度は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ることがないように案内している。外輪２４はクランクトルクセンサ１３を配設するための凹部２７を内周部に設けている。内輪２５は、外輪２４の凹部２７に突出する駆動アーム２８を有し、この駆動アーム２８と凹部２７との間にクランクトルクセンサ１３を配設している。内輪２５は、図４と図５に示すように、クランクトルクセンサ１３を内蔵する筒部２９を備えており、この筒部２９の内側にクランクトルクセンサ１３を配設している。さらに、駆動アーム２８は、クランクトルクセンサ１３に当接する反対側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、駆動アーム２８を一定の圧力でクランクトルクセンサ１３に押圧している。外輪２４は凹部２７に突出して、コイルスプリング３０に挿通される凸部３１を設けている。コイルスプリング３０は、外輪２４の凸部３１に挿入され、内輪２５の筒部２９に入れら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、内輪２５の駆動アーム２８がクランクトルクセンサ１３を介して外輪２４を回転させる。ペダルクランク２の回転力は、クランクトルクセンサ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がクランクトルクセンサ１３を押圧する圧力も強くなる。したがって、クランクトルクセンサ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。この図のクランクトルクセンサ１３は、磁歪素子を利用した圧力センサであって、クランクトルクセンサ１３からの電気出力は、詳細な説明は省略するが、回転するクランクトルクセンサ１３からの電気出力を得るためにスリップリングを利用して、制御回路１５にて検出される。
【００１８】
ただし、本発明はクランクトルクセンサ１３を圧力センサに特定しない。クランクトルクセンサ１３には変位センサも使用できる。図７は変位センサをクランクトルクセンサ１３に使用する具体例を示す。この図の第１スプロケット４は、内輪２５の駆動アーム２８に凸部２８Ａを設けており、この凸部２８Ａの移動を変位センサで検出する。内輪２５の駆動アーム２８と外輪２４の凹部２７との間には押しバネであるコイルスプリング３２を配設している。コイルスプリング３２は、内輪２５がペダルクランク２の強い踏力で駆動されるほど圧縮されて短くなる。コイルスプリング３２が圧縮されると、内輪２５の駆動アーム２８の凸部２８Ａが変位センサに接近し、あるいは変位センサに押し込まれる。凸部２８Ａの移動した位置が変位センサで検出されて、ペダルクランク２のトルクが検出される。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
本発明の電動自転車は、クランクトルクセンサ１３からの信号のみでなく、スリップセンサ３３からの信号でモーター９の運転を制御する。スリップセンサ３３が前輪３Ａのスリップを検出すると、制御回路１５はモーター９への通電を制限し、あるいは停止する。また、制御回路１５は、スリップセンサ３３で前輪３Ａのスリップを検出すると、モーター９の回転を強制的に停止し、あるいはモーター９の回転を後輪３Ｂと同じ回転に制御することもできる。前輪３Ａは、スリップする状態で後輪３Ｂよりも回転速度が速くなっている。スリップを検出すると、制御回路１５がモーター９を発電機として使用して回生制動させ、後輪３Ｂと同じ回転速度となるまで制動することができる。または、モーター９で前輪３Ａの回転を停止することもできる。前輪３Ａがスリップしたときに、前輪３Ａを後輪３Ｂと同じ回転速度に制御する電動自転車は、前輪３Ａのみがスリップするときに、前輪３Ａのスリップを速やかに解消できる。前輪３Ａのスリップを検出すると、モーター９への通電を停止させる電動自転車は、スリップすると前輪３Ａがモーター９で駆動されなくなるので、前輪３Ａのスリップは自然に停止される。
【００２４】
スリップセンサ３３は、前輪３Ａのスリップを検出するもので、前輪３Ａと後輪３Ｂの回転差から前輪３Ａのスリップを検出し、あるいは前輪３Ａの加速度からスリップを検出する。自転車は、前輪３Ａと後輪３Ｂがスリップしないとき、前輪３Ａと後輪３Ｂの回転速度は同じになる。したがって、モーター９で駆動される前輪３Ａの回転速度が後輪３Ｂよりも速くなることを検出して、前輪３Ａのスリップを検出できる。また、前輪３Ａの加速度からも前輪３Ａのスリップを検出できる。それは、前輪３Ａがスリップすると、ペダル１１を踏んで加速するよりも加速度が大きくなるからである。前輪３Ａの加速度が、ペダル１１を踏んで自転車を走行できる最大加速度よりも大きくなると、前輪３Ａがスリップしたと判定できる。ペダル１１を踏んで自転車を加速するときの最大の加速度は制限される。人力でペダル１１を踏む最大の力はほぼ体重となるからである。図９は、ペダル１１を強く踏んで自転車を加速するときの速度と加速度の変化を示すグラフである。この図は、縦軸に自転車の速度と加速度とを示し、実線Ａが速度、実線Ｂが加速度を示している。この図から、自転車が最大加速度よりも大きく設定している鎖線で示す設定値よりも大きくなると、前輪３Ａがスリップしたと判定できる。ただし、本発明は、スリップセンサ３３の構造や方式を以下のものに特定するものではない。前輪３Ａのスリップは、前輪３Ａと後輪３Ｂの回転速度の差や、前輪３Ａの加速度を検出する以外の方式、たとえば、モーター９の駆動トルクが変化する特性等で検出することもできるからである。
【００２５】
前輪３Ａと後輪３Ｂの回転速度の差を検出するスリップセンサ３３は、前輪３Ａの回転センサ１４と後輪３Ｂの回転センサ３４からなる。前輪３Ａの回転センサ１４には、前輪３Ａを駆動するモーター９に内蔵されるローター回転位置センサを使用する。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前輪３Ａの回転センサ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３８４回パルスが出力されると、車輪３は１回転したことになる。さらに、ブラシレスモーター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。上述のように、本実施例においては、ローター回転位置センサであるホール素子により、前輪３Ａの回転センサ１４として利用しているが、これに代わってセンサー素子をなくしてローター回転による誘起電圧を制御回路で検出して、前輪３Ａの回転センサ１４として回転を検出することもできる。
【００２６】
後輪３Ｂの回転を検出する回転センサ３４は、直接に後輪３Ｂの回転を検出することもできるが、図１０と図１１に示す回転センサ３４は、ペダルクランク２で回転される第１スプロケット４の回転を検出する。第１スプロケット４は、チェーン６を介して第２スプロケット５を回転し、第２スプロケット５が後輪３Ｂを回転する。この自転車は、第１スプロケット４と第２スプロケット５とが一定の回転比で回転されるので、第１スプロケット４の回転速度を検出して、後輪３Ｂの回転速度を演算できる。第１スプロケット４の回転速度と第１スプロケット４と第２スプロケット５の歯数の比率の積が後輪３Ｂの回転速度になるからである。このように、第１スプロケット４の回転、回転速度、回転加速度を検出することにより、後輪の回転、回転速度、回転加速度を認知することができる。ただし、本明細書において、後輪の回転、回転速度、回転加速度とは、後輪回転と比例関係にある部分（例えば、第１スプロケット４、チェーン６等）の動作も意味するものである。
【００２７】
さらに、第１スプロケットまたは第２スプロケットが変速機構を備える電動自転車においても、変速状態を認識して、ペダルクランクで回転されるクランク軸の回転速度を検出して、後輪の回転速度を換算、演算できる。それは、変速されて駆動しているスプロケットをマイコンで特定すると共に、特定されたスプロケットの歯数の比率に基づいて、クランク軸の回転速度から後輪の回転速度をマイコンで演算できるからである。
【００２８】
図１０の回転センサ３４は、ペダル１１で回転されるクランク軸３５に固定している回転盤３６と、この回転盤３６の回転を検出する光センサ３７とを備える。回転盤３６は、外周部に円周方向に並べて、一定の間隔でスリットや濃淡等の検出模様を設けている。光センサ３７は、図示しないが、光源と、この光源から放射される光を受光する受光素子とを備える。光源は発光ダイオードである。光源の光は、回転盤３６のスリットを透過して受光素子に受光され、あるいは濃淡の検出模様で反射されて受光素子に受光される。回転盤３６の外周に、たとえば１００のスリットや濃淡を設けていると、回転盤３６が１回転して受光素子は１００のパルスを出力する。したがって、受光素子の出力パルスから回転盤３６の回転速度、すなわち、ペダルクランク２の回転速度を検出できる。ペダルクランク２の回転速度に回転比をかけて後輪３Ｂの回転速度が演算される。
【００２９】
この図の回転センサ３４は、回転盤３６の回転を光で検出するが、回転盤３６の回転を磁気で検出することもできる。この回転センサは、回転盤の外周を一定の間隔でＮＳに磁気を帯磁させる。回転盤の外周近傍に磁気センサを設け、この磁気センサで回転盤のＮＳを検出して回転を検出する。
【００３０】
図１１の回転センサ３４は、クランク軸３５に固定されると共に、表面にスリップリング３８を設けている回転盤３６と、この回転盤３６のスリップリング３８を摺動するブラシ３９とを備える。図１２の回転盤３６は、３列のスリップリング３８を絶縁板に固定している。３列のスリップリング３８はリング状の金属板で、クランク軸３５の回転中心を中心として同心円上に絶縁板に固定されている。外側と内側のスリップリング３８は連続するリング状で、中間のスリップリング３８は一定の間隔で隙間を設けてリング状に固定している。中間のスリップリング３８は交互に外側と内側のスリップリング３８に連結している。
【００３１】
ブラシ３９は３列あり、各々のブラシ３９は弾性変形するアーム３９Ａの先端に導電性の摺動部３９Ｂを固定して、後端を絶縁材である固定部４０に固定している。３列のブラシ３９は、摺動部３９Ｂが３列のスリップリング３８の表面を摺動する位置に配置される。ブラシ３９の摺動部３９Ｂは、スリップリング３８の表面に押圧されて電気接続される。ブラシ３９を固定している固定部４０は、対向面が回転盤３６と平行となるように自転車のフレーム１に固定されて、対向面にブラシ３９を固定している。各々のブラシ３９はリード線４１に接続される。図の回転センサ３４は、外側と内側のスリップリング３８に接触される両側のブラシ３９に接続するリード線４１を＋−の信号線に接続している。この回転センサ３４は、クランク軸３５によって回転盤３６が回転されると、中間のスリップリング３８に接触するブラシ３９からは、＋−に切り換えられるパルス信号がエンコーダ信号として出力される。単位時間に出力されるパルス信号の回数は、回転盤３６の回転速度に比例する。したがって、出力されるパルス信号をカウントして回転盤３６の回転速度を検出できる。
【００３２】
図１１及び図１２を変更した他の例を、図１３及び図１４に示す。図１３の回転センサ３４は、クランク軸３５に固定されると共に、表面にスリップリング３８を設けている回転盤３６と、この回転盤３６のスリップリング３８を摺動するブラシ３９とを備える。図１４の回転盤３６は、４列のスリップリング３８を絶縁板に固定している。４列のスリップリング３８はリング状の金属板で、クランク軸３５の回転中心を中心として同心円上に絶縁板に固定されている。外側と内側のスリップリング３８は連続するリング状で、中間の内側のスリップリング３８は連続するリング状で、中間の外側のスリップリング３８は、一定の間隔で隙間を設けてリング状に固定している。中間の両スリップリング３８は連結している。
【００３３】
ブラシ３９は４列あり、各々のブラシ３９は弾性変形するアーム３９Ａの先端に導電性の摺動部３９Ｂを固定して、後端を絶縁材である固定部４０に固定している。４列のブラシ３９は、摺動部３９Ｂが４列のスリップリング３８の表面を摺動する位置に配置される。ブラシ３９の摺動部３９Ｂは、スリップリング３８の表面に押圧されて電気接続される。ブラシ３９を固定している固定部４０は、対向面が回転盤３６と平行となるように自転車のフレーム１に固定されて、対向面にブラシ３９を固定している。各々のブラシ３９はリード線４１に接続される。図の回転センサ３４は、外側と内側のスリップリング３８に接触される両側のブラシ３９に接続するリード線４１を＋−の信号線に接続している。この回転センサ３４は、クランク軸３５によって回転盤３６が回転されると、中間の両スリップリング３８に接触するブラシ３９からは、＋−に切り換えられるパルス信号がエンコーダ信号として出力される。単位時間に出力されるパルス信号の回数は、回転盤３６の回転速度に比例する。したがって、出力されるパルス信号をカウントして回転盤３６の回転速度を検出できる。
【００３４】
制御回路１５は、スリップセンサ３３から入力される信号で前輪３Ａのスリップを検出する。前輪３Ａと後輪３Ｂの回転速度を検出するスリップセンサ３３を接続している制御回路１５は、前輪３Ａと後輪３Ｂの回転センサ１４、３４から入力される信号から前輪３Ａと後輪３Ｂの回転差を検出して比較する。前輪３Ａと後輪３Ｂの回転速度が同じでなく、前輪３Ａが後輪３Ｂよりも速く回転すると前輪３Ａがスリップしていると判定する。自転車がコーナーを曲がるとき、前輪３Ａと後輪３Ｂの回転速度は完全には一致しない。前輪３Ａと後輪３Ｂの走行軌跡が一致しないからである。ただ、コーナーを曲がるときの前輪３Ａと後輪３Ｂの回転速度の差は小さい。このため、前輪３Ａと後輪３Ｂの回転速度の差が、最小のコーナーを曲がるときよりも大きくなると、前輪３Ａがスリップしたと判定する。
【００３５】
加速度を検出するスリップセンサ３３を接続している制御回路１５は、自転車の加速度が設定値よりも大きくなると前輪３Ａがスリップしたと判定する。加速度の設定値は、自転車のペダル１１を踏んで加速できる最大加速度よりも大きく設定している。図９は、前輪３Ａの速度と加速度の変化を示すグラフである。図において実線Ａで示す速度は、１分間に前輪３Ａが回転する速度（ｒｐｍ）を示している。
【００３６】
加速度は、１秒間に前輪３Ａの回転速度（ｒｐｍ）が変化する割合を示している。この図から、ペダル１１を踏んで自転車を最大に加速するとき、前輪３Ａの１秒間の回転速度の変化は、最大で約３３ｒｐｍ／ｓｅｃとなる。したがって、前輪３Ａの回転速度の変化、すなわち加速度を、最大加速度として予め設定している３５〜４０ｒｐｍ／ｓｅｃに比較し、これが最大加速度以上であると、前輪３Ａがスリップしたと判定できる。以上は、回転速度を１分間の回転速度（ｒｐｍ）で示しているので、１秒間の回転速度は１分間の回転速度の１／６０となる。ところで、前輪３Ａの回転速度は、モーター９に内蔵されるローター回転位置センサから出力パルスで検出される。ローター回転位置センサはローターの回転速度、いいかえると前輪３Ａの回転速度に比例する出力パルスを出力する。したがって、ローター回転位置センサの出力パルスの一定時間のカウント値から、加速度を検出できる。一定時間のカウント値の変化が前輪３Ａの加速度のパラメーターとなるからである。
【００３７】
制御回路１５は、前輪３Ａのスリップを検出すると、モーター９への通電を停止する。ただ、モーター９への通電を停止することなく、通電を制限して前輪３Ａの回転トルクを小さくすることもできる。前輪３Ａの回転トルクが小さくなると、前輪３Ａのスリップが停止されるからである。また、モーター９の回転速度を制御することもできる。モーター９の回転速度を制御する電動自転車は、前輪３Ａの回転速度が後輪３Ｂの回転速度と同じ速度となるようにモーター９で前輪３Ａの回転を制御し、あるいはモーター９で前輪３Ａの回転を制動する。モーター９は回生制動して前輪３Ａの回転を制御し、あるいは制動できる。スリップした前輪３Ａは後輪３Ｂよりも速く回転しているので、制動して後輪３Ｂと同じ回転速度にできる。スリップした前輪３Ａの回転速度を後輪３Ｂと同じ回転速度に制御する電動自転車は、前輪３Ａのスリップを速やかに解消できる。それは、スリップしない後輪３Ｂと同じ回転速度となった前輪３Ａは、スリップすることなくグリップを回復するからである。
【００３８】
制御回路１５は、図１５に示す以下のフローチャートに従って、前輪３Ａと後輪３Ｂの回転速度の差で車輪３がスリップしたことを検出して、モーター９への通電を停止する。制御回路１５はマイクロコンピュータを内蔵しており、マイクロコンピュータは以下のフローチャートでスリップを検出して前輪３Ａの回転を制御する。
［ｎ＝１のステップ］
制御回路１５に内蔵されるマイクロコンピュータが、スリップ認識フラグを初期化する。すなわち、スリップ認識フラグをスリップしない状態にリセットする。
［ｎ＝２のステップ］
スリップを判別するための測定周期、すなわち測定時間を設定する。
［ｎ＝３のステップ］
後輪３Ｂの回転センサ３４から出力されるパルスをカウントする後輪カウンターと、前輪３Ａの回転センサ１４から出力されるパルスをカウントする前輪カウンターを初期化する。
［ｎ＝４〜５のステップ］
スリップ認識フラグがセットされているかどうかを判定し、スリップ認識フラグがセットされていると、所定時間はモーター９への通電を停止した後、スリップ認識フラグをクリアする。その後、ｎ＝３のステップにジャンプする。
［ｎ＝６のステップ］
スリップ認識フラグがセットされていないと、このステップにおいて、測定時間のカウンターをスタートさせる。
［ｎ＝７のステップ］
後輪３Ｂの回転センサ３４から出力されるパルスをカウントする後輪カウンターが、出力パルスのカウントを開始する。また、前輪３Ａの回転センサ１４から出力されるパルスをカウントする前輪カウンターも出力パルスのカウントを開始する。
［ｎ＝８のステップ］
測定時間をカウントするカウンターがタイムアップして、測定時間が経過すると、後輪カウンターと前輪カウンターのカウントを停止させる。
［ｎ＝９〜１３のステップ］
後輪カウンターと前輪カウンターのカウント値を読み込み、読み込まれた後輪カウンターのカウント値と前輪カウンターのカウント値から、前輪３Ａと後輪３Ｂの回転速度の差を検出して前輪３Ａのスリップを検出する。前輪３Ａの回転センサ１４と後輪３Ｂの回転センサ３４は、１回転で出力するパルス数が異なる。前輪３Ａと後輪３Ｂが同じ回転速度のときに、同じカウント値となるように、カウント値に定数をかける。前輪３Ａと後輪３Ｂとが同じ速度で回転して、後輪３Ｂの回転センサ３４の出力パルスが前輪３Ａの回転センサ１４の出力パルスよりも少ないときは、後輪カウンターのカウント値に１よりも大きい定数をかけて、同じ回転速度で同じカウント値となるようにする。前輪３Ａがスリップすると、前輪カウンターのカウント値が、後輪カウンターのカウント値に定数をかけた値よりも大きくなる。したがって、前輪カウンターのカウント値が、後輪カウンターのカウントに定数をかけた値よりも大きいと、前輪３Ａがスリップしたと判定して、ｎ＝１１〜１２のステップでスリップ認識フラグをセットしてモーター９への通電を停止する。その後、ｎ＝３のステップにジャンプする。前輪３Ａがスリップしていないと、ｎ＝１３のステップでスリップ認識フラグをクリアしてｎ＝３のステップにジャンプする。
【００３９】
加速度を検出するスリップセンサ３３を接続している制御回路１５は、図１６に示す以下のフローチャートに従って、前輪３Ａの加速度から車輪３のスリップしたことを検出して、モーター９への通電を停止する。制御回路１５のマイクロコンピュータは、以下のフローチャートでスリップを検出して前輪３Ａの回転を制御する。
［ｎ＝１のステップ］
制御回路１５に内蔵されるマイクロコンピュータが、スリップ認識フラグを初期化する。すなわち、スリップ認識フラグをスリップしない状態にリセットする。
［ｎ＝２のステップ］
スリップを判別するための測定周期、すなわち測定時間を設定する。
［ｎ＝３のステップ］
前輪３Ａの最大加速度を測定周期における前輪３Ａの回転センサ１４のカウント値として設定する。
［ｎ＝４のステップ］
前輪３Ａの加速度カウンターを初期化する。
［ｎ＝５〜６のステップ］
スリップ認識フラグがセットされているかどうかを判定し、スリップ認識フラグがセットされていると、所定時間はモーター９への通電を停止した後、スリップ認識フラグをクリアする。その後、ｎ＝４のステップにジャンプする。
［ｎ＝７のステップ］
スリップ認識フラグがセットされていないと、このステップにおいて、測定時間のカウンターをスタートさせる。
［ｎ＝８のステップ］
加速度カウンターのカウントを開始する。加速度（ｒｐｍ／ｓｅｃ）は、ローター回転位置センサから出力される出力パルス数の変化としてカウントされる。ローター回転位置センサの出力パルスが１分間に出力される数の１秒間の変化値としてカウントされる。
［ｎ＝９のステップ］
測定時間が経過すると、加速度カウンターを停止する。
［ｎ＝１０〜１４のステップ］
加速度カウンターのカウント値を読み込み、読み込まれたカウント値が最大加速度以上であるかを検出して前輪３Ａのスリップを検出する。前輪３Ａがスリップすると、カウント値が最大加速度よりも大きくなるので、カウント値が最大加速度よりも大きいと、前輪３Ａがスリップしたと判定して、ｎ＝１２〜１３のステップでスリップ認識フラグをセットしてモーター９への通電を停止する。その後、ｎ＝４のステップにジャンプする。前輪３Ａがスリップしていないと、ｎ＝１４のステップでスリップ認識フラグをクリアしてｎ＝４のステップにジャンプする。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のフロントドライブの電動自転車は、滑りやすい道路を安全に走行できる特長がある。それは、前輪のスリップを検出すると、前輪を駆動するモーターへの通電を停止し、あるいは制限し、あるいはまた、モーターの回転を制御するからである。
【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概略図
【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】第１スプロケットの概略断面図
【図７】クランクトルクセンサの他の一例を示す概略図
【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】前輪の速度と加速度の変化を示すグラフ
【図１０】後輪の回転センサの一例を示す正面図
【図１１】後輪の回転センサの他の一例を示す正面図
【図１２】図１１に示す回転センサの回転盤の正面図
【図１３】後輪の回転センサの他の一例を示す正面図
【図１４】図１３に示す回転センサの回転盤の正面図
【図１５】制御回路が前輪と後輪の回転速度の差で車輪がスリップしたことを検出してモーターへの通電を停止するフローチャート
【図１６】制御回路が前輪の加速度から車輪がスリップしたことを検出してモーターへの通電を停止するフローチャート
【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…鍵
１３…クランクトルクセンサ
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
２５…内輪
２６…外周溝
２７…凹部
２８…駆動アーム　　　　２８Ａ…凸部
２９…筒部
３０…コイルスプリング
３１…凸部
３２…コイルスプリング
３３…スリップセンサ
３４…回転センサ
３５…クランク軸
３６…回転盤
３７…光センサ
３８…スリップリング
３９…ブラシ　　　　　　３９Ａ…アーム　　　　３９Ｂ…摺動部
４０…固定部
４１…リード線
４２…コントロールボックス

Claims (5)

1. モーター（９）が前輪（３Ａ）を駆動する電動自転車であって、前輪（３Ａ）のスリップを検出するスリップセンサ（３３）を備えており、スリップセンサ（３３）が前輪（３Ａ）のスリップを検出すると、モーター（９）への通電を制限又は停止するようにしてなる電動自転車。
2. モーター（９）が前輪（３Ａ）を駆動する電動自転車であって、前輪（３Ａ）のスリップを検出するスリップセンサ（３３）を備えており、スリップセンサ（３３）が前輪（３Ａ）のスリップを検出すると、モーター（９）の回転を制御するようにしてなる電動自転車。
3. スリップセンサ（３３）が、前輪（３Ａ）を駆動するモーター（９）の回転と、後輪（３Ｂ）の回転との回転差を検出してスリップを検出する請求項１または２に記載される電動自転車。
4. スリップセンサ（３３）が、前輪（３Ａ）を駆動するモーター（９）の回転と、後輪（３Ｂ）の回転と比例するクランク軸（３５）の回転との比を検出して、前輪（３Ａ）のスリップを検出する請求項１または２に記載される電動自転車。
5. スリップセンサ（３３）が、前輪（３Ａ）を駆動するモーター（９）の加速度を検出し、加速度が設定値よりも大きいときにスリップと判定する請求項１または２に記載される電動自転車。

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