JP2006078304A - トルクセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 別系統の異常信号ラインを設けることなく、トルクの検出信号ラインのみによって、トルクセンサの異常を認識して迅速に異常状態に対処できるトルクセンサを提供する。
【解決手段】 トルクが入力される入力ライン５６と、入力されたトルクに応じて検出電圧信号を出力する出力ライン５７を有するトルクセンサ４１において、前記入力ライン５６から異常なトルクが入力されたときに、前記出力ライン５７から前記検出電圧信号に続いて予め設定された異常信号を出力する。
【選択図】 図３

Description

本発明はトルクセンサに関し、特にトルクを検出して検出したトルク値に応じて駆動されるシステム（例えば電動補助自転車）において用いられるトルクセンサに関する。さらに詳しくは、そのようなトルクセンサの異常判別方法に関する。

電動補助自転車が特許文献１に開示されている。この電動補助自転車は、ペダルに踏み込まれた踏力をトルクセンサで検出し、この踏力に応じた補助動力をモータから付与する。このトルクセンサは、トルクが入力される入力ラインと、入力されたトルクに応じて検出電圧信号を出力する出力ラインを有する。出力ラインは制御回路に接続され、検出トルク信号に応じて動力補助モータを駆動する。

このトルクセンサは、断線あるいは経年劣化等により異常な電圧を出力することがある。断線の場合は出力電圧がゼロになる。また経年劣化の場合には出力電圧が低下して踏力に対応しなくなり例えば常にゼロに近い低電圧になる。

このような異常状態を認識できるトルクセンサとして、トルクセンサ自体に異常判別回路を内蔵して、自己診断によりセンサの異常を検出して異常信号を発生するトルクセンサが実用化されている。

このような異常状態を判別する機能を備えたトルクセンサを用いた場合、トルクセンサが異常を認識して異常信号を発生すると、トルクセンサに連結された制御回路やこれに連動する他の装置の自動処理によって、あるいは警報装置等からユーザーが異常を認識して電源をＯＦＦにする。この場合、制御回路や他の装置はトルクセンサの異常を認識しないまま、次回電源が投入され、運転が再開される。このため、トルクセンサの異常に対する処置が遅れる。

また、異常信号はトルクの検出出力ラインとは別のラインから出力されるため、ライン配線が複雑になる。
また、前述のように、トルクセンサの検出電圧がゼロ又はゼロ付近になった場合、制御回路は、実際に踏力が入力されていないのか、又はトルクセンサの異常なのかを判別できない。したがって、制御回路は検出値ゼロを踏力がない正常値としてそのまま制御を続けるため、モータからの補助動力が付与されないまま動作し続けることになる（踏力がゼロの状態では補助動力は付与されない）。このため、ユーザーは異常をすぐには認識することができず、トルクセンサの異常に対する対処ができない又は遅れる。

また、出力電圧ゼロの状態がトルクセンサの異常である場合、これを判別して異常状態を認識し、直ちに異常に対処可能とするために、別系統の異常信号ラインを設けることが考えられる。しかし、別系統の信号ラインを設けると構造が複雑になるとともにコストが上昇する。

特開平１１−１７１０８１号公報

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、別系統の異常信号ラインを設けることなく、トルクの検出信号ラインのみによって、トルクセンサの異常を認識して迅速に異常状態に対処できるトルクセンサの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明は、トルクが入力される入力ラインと、入力されたトルクに応じて検出電圧信号を出力する出力ラインを有するトルクセンサにおいて、前記入力ラインから異常なトルクが入力されたときに、前記出力ラインから前記検出電圧信号に続いて予め設定された異常信号を出力することを特徴とするトルクセンサを提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記異常なトルクはゼロであることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記異常信号は、未使用の一定電圧信号であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１，２又は３に記載のトルクセンサを備えた電動補助自転車を提供する。

請求項１の発明によれば、異常なトルクが継続したときに、トルク検出出力の信号ラインからトルクの出力信号に続いて異常信号を送出するため、別系統の異常検出信号ラインを設ける必要がなく、したがって、構造を複雑にすることなく、迅速に異常信号を送出して他の機器やユーザーにトルクセンサの異常を認識させることができる。

請求項２の発明によれば、断線により出力電圧がゼロになったときに、この出力電圧に続いて異常信号が出力されるため、トルクセンサの出力ラインが接続された出力を受ける側では、トルクセンサ出力ラインの信号から直ちにトルクセンサの異常を認識できる。

請求項３の発明によれば、通常０〜２Ｖ程度のトルク検出信号を出力するトルクセンサにおいて、０Ｖの検出信号が出力された後、例えば５Ｖ程度の未使用な一定電圧を異常信号として送出するため、簡単な回路で異常信号を形成し、確実にセンサ異常を認識することができる。

請求項４の発明によれば、トルクセンサの異常が生じたときに、直ちに異常を認識してこれに対処し、常に有効な補助動力が得られる電動補助自転車が実現できる。

図１は、本発明が適用される電動補助自転車の側面図である。
電動補助自転車１は、左右のハンドル２の中央のステアリング軸３が挿通するヘッドパイプ４を有し、ステアリング軸３が左右のフロントフォーク５に連結され前輪６の方向を操作する。ヘッドパイプ４にはダウンチューブ７が接合され、サドル８の下方のシートチューブ９に連結される。これらのダウンチューブ７およびシートチューブ９の下端部にカバー１０に上部を覆われた走行用電動モータ３７等の電気駆動系とペダルクランク軸１２等の人力駆動系とを一体化したパワーユニット１１が支持される。このパワーユニット１１において、ペダルクランク軸１２と同軸的に配置された合力機構（図示しない）により、ペダル１５からの踏力とモータ力が融合される。この合力機構は例えば遊星歯車機構からなり、この遊星歯車機構に連結してペダル１５からの踏力に応じて変位するトルクセンサ（図示しない）が設けられる。

パワーユニット１１の後部には補助動力制御用コントローラ１３が設けられる。このコントローラ１３は、後述の車速計算手段（図２）で求めた車速に基づいて、速度に応じたアシスト比となるようにモータ３７を駆動制御するためのマイクロコンピュータにより構成される。このようなコントローラ１３の設置位置は、図の例に限らず、ダウンチューブ７の途中あるいはカバー１０の内部、フロントフォーク５、チェーンステー３８、シートステー３９の途中その他の適当な位置であってもよい。

サドル８の下部のシートチューブ９の後方にはバッテリケース１４が上方に着脱自在に設けられ内部にモータ３７駆動用のバッテリが収納される。ペダルクランク軸１２上で合力機構により融合された踏力と補助動力は、チェーン１６により後輪１７に伝達されこれを回転駆動する。後輪１７のハブ１８には、チェーン１６の回転を伝達するスプロケット（図示しない）及びロータリ式またはスライド式の変速ギヤ機構（図示しない）が設けられ、これに近接したフレーム側にはこの変速ギヤ機構を駆動するモータあるいはソレノイドからなるアクチュエータが装着される。

図２は本発明の実施形態に係る電動補助自転車のトルク制御装置のブロック構成図であり、図３はその要部の本発明の基本構成のブロック図である。
このトルク制御装置は、ペダル踏力を検出するトルクセンサ４１と、このトルクセンサ４１の検出トルクに基づいてパルスモータからなる電動モータ４２の駆動電流を算出してこれを駆動制御するためのコントローラ４３と、コントローラ４３からの駆動信号により電動モータ４２を駆動するためのモータ駆動回路４４と、モータ４２の電流を検出するための電流検出回路（電流計）４５と、モータ４２の回転を検出するためのエンコーダ４６とにより構成される。

コントローラ４３は、例えばＣＰＵからなり、予め設定されたソフトプログラム又はハード回路によるモータ回転数計算手段４７、車速計算手段４８、トルクセンサ値加工フィルタ手段４９、トルク−電流計算手段５０、デューティ計算手段５１とを備える。

トルクセンサ４１は、自己診断用の異常判別回路５５を内蔵する。このトルクセンサ４１には入力ライン５６を介して踏力によるトルクが入力され、出力ライン５７を介して入力トルクに応じた電圧値を検出トルク信号値として出力する。

本実施形態では、断線や経年劣化により入力ライン５６から異常トルクが一定時間継続して入力されると、異常判別回路がこの異常状態を検知し、後述のように、出力ライン５７を介して異常信号を出力する。すなわち、検出トルク信号を出力する出力ライン５７を介して、検出トルク信号に続いて異常信号を出力する。

電源スイッチ５４（図３）がオンにされると、トルクセンサ４１によるペダル踏力検出動作が開始される。トルクセンサ４１で検出されたペダル踏力は、トルクセンサ値加工フィルタ手段４９でノイズ等を除去されるとともに、検出トルク及び車速に基づいて演算加工され、ペダル踏力に応じた出力電圧（加工トルク値）が得られる。車速は、コントローラ４３内で、エンコーダ４６からのパルス信号に基づいて、モータ回転数計算手段４７及び車速計算手段４８により演算され、トルクセンサ値加工フィルタ手段４９に入力される。

加工された後の加工トルク値はトルク−電流計算手段５０に入力され、加工トルクに応じた電流指令値が算出される。この電流指令値に基づき、デューティ計算手段５１で駆動パルスのデューティ比が算出され、ＰＷＭ出力としてモータ駆動回路４４に入力され、モータ４２を駆動する。モータ４２の駆動電流は電流検出回路４５で検出されデューティ計算回路５１に戻されてフィードバック制御される。

断線等の異常により入力ライン５６からトルクがゼロの信号がトルクセンサ４１に入力されると、このトルクセンサ４１内の異常判別回路５５がこの異常状態を検知して異常信号を出力ライン５７から送出する。この異常信号は警報回路５２に送られ、ＬＥＤ５３を点灯して異常表示を行う。この出力ライン５７からの異常信号は、トルク−電流計算回路５０にも送られる。トルク−電流計算回路５０は、異常信号が入力されると、電流指令値の演算処理を停止する。したがって、アシストモータ４２は停止し補助動力は付与されない。なお、トルクセンサ４１の出力ライン５７を異常検出回路（不図示）等に接続し、この異常検出回路に異常信号が入力されたら、トルク−電流計算回路５０にアシスト停止指令を送ってアシストモータ４２を停止させてもよい。

トルクセンサ４１の異常判別回路５５は、入力ライン５６からトルクがゼロの信号が入力されたとき、そのトルクゼロの状態が断線によるものか又は実際に踏力がゼロかを判別する。この判別方法として、例えば、ペダルクランク軸が回転し且つワンウェイクラッチが空転しないで動作して回転力が伝達されているときにトルクがゼロであれば断線異常と判別できる。このような異常状態を検出すると、トルクセンサ４１はトルクゼロの検出信号に続いて異常信号を出力する。この場合、ノイズ等による誤検出を避けるために、一定時間経過してから異常信号を出力してもよい。

図４は、異常信号の説明図である。
（Ａ）は正常な踏力の入力波形を示す。ペダルクランク軸の回転角度に応じた滑らかな正弦状曲線を描く。（Ｂ）は出力ゼロの状態から続いて出力される台形状連続波形を示す。（Ｃ）は出力ゼロの状態から続いて急峻に立ち上がる一定電圧Ｖ２の出力を示す。この一定電圧Ｖ２は、（Ａ）のピーク電圧Ｖ１より大きい通常は出力されない未使用電圧値である。

本発明は、電動補助自転車のトルクセンサに利用できる。その他にもトルクに基づいてシステムを動作させるあらゆる装置において使用可能なトルクセンサとして利用できる。

本発明が適用される電動補助自転車の側面図。 本発明に係る電動補助自転車のトルク制御装置の構成図。 図２のトルク制御装置の要部構成及び動作図。 トルクセンサの異常信号の出力波形図。

符号の説明

１：電動補助自転車、２：ハンドル、３：ステアリング軸、４：ヘッドパイプ、５：フロントフォーク、６：前輪、７：ダウンチューブ、８：サドル、９：シートチューブ、１０：カバー、１１：パワーユニット、
１２：ペダルクランク軸、１３：コントローラ、１４：バッテリケース、
１５：ペダル、１６：チェーン、１７：後輪、１８：ハブ、３７：電動モータ、３８：チェーンステー、３９：シートステー、４１：トルクセンサ、４２：電動モータ、４３：コントローラ、４４：モータ駆動回路、４５：電流検出回路（電流計）、４６：エンコーダ、４７：モータ回転数計算手段、４８：車速計算手段、４９：トルクセンサ値加工手段、５０：トルク−電流計算手段、５１：デューティ計算手段、５２：警報回路、５３：ＬＥＤ、５４：電源スイッチ、５５：異常判別回路、５６：入力ライン、５７：出力ライン。

Claims (4)

1. トルクが入力される入力ラインと、入力されたトルクに応じて検出電圧信号を出力する出力ラインを有するトルクセンサにおいて、
   前記入力ラインから異常なトルクが入力されたときに、前記出力ラインから前記検出電圧信号に続いて予め設定された異常信号を出力することを特徴とするトルクセンサ。
2. 前記異常なトルクはゼロであることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
3. 前記異常信号は、未使用の一定電圧信号であることを特徴とする請求項１又は２に記載のトルクセンサ。
4. 請求項１，２又は３に記載のトルクセンサを備えた電動補助自転車。
   

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