JP2011005936A - 電動補助自転車 - Google Patents
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Abstract
【課題】握力が十分ではなくともブレーキを動作させることができる自転車を提供する。
【解決手段】ペダル12と、クランク13に伝えられた踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備えている。そして、踏力によってクランク軸の回転中心軸を移動させて、スイッチの接続または切断をおこない、電動モータからの出力をスイッチの接続と切断によって変化させて制動の動作をおこない、または、サドルに付与される重量を検出する重量センサ19を有し、重量が所定値以上減少したときに、電動モータからの回転駆動力の方向を逆転させて制動の動作をおこなう。
【選択図】図1
【解決手段】ペダル12と、クランク13に伝えられた踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備えている。そして、踏力によってクランク軸の回転中心軸を移動させて、スイッチの接続または切断をおこない、電動モータからの出力をスイッチの接続と切断によって変化させて制動の動作をおこない、または、サドルに付与される重量を検出する重量センサ19を有し、重量が所定値以上減少したときに、電動モータからの回転駆動力の方向を逆転させて制動の動作をおこなう。
【選択図】図1
Description
本発明は、電動補助自転車に関し、特に、電動モータによるブレーキ機能を有する自転車に関するものである。
電動補助自転車(電動アシスト自転車)として種々の機能を有するものが提案されている。例えば、電動モータが回転しない状態で設定時間を越えると、慣性走行検知手段により慣性走行が行われたと判定され、これに伴って、アシスト率制御手段によって小さめの第1のアシスト率に変更する技術が開示されている(特許文献1)。傾斜角度検出機能を用いて傾斜斜面上で停止した自転車に生じる下り方向の力を相殺する定常的なトルクをアシストモータに付加し、自転車を容易に停止する技術が開示されている(特許文献2)。電力を回生し、アシストなしの動作において電動モータが負荷とならない、メカニカルなクラッチユニットを有する自転車の技術が開示されている(特許文献3)。速度センサとペダル踏力センサからの信号を入力として変速機を駆動する制御部を備え、ペダル踏力が所定値以上であり、かつ加速度所定値以下である場合に変速機をローギヤ側にシフトする技術が開示されている(特許文献4)。自転車分野と別分野の技術としてターボチャージャ用浮動軸受けが開示されている(特許文献5)。磁歪効果(ビラリ効果)を利用して機械的な接触なしにトルクを検出するトルクセンサを利用してペダルの踏力を検出する技術が開示されている(非特許文献1)。また、特許文献3では、電動モータの回生制動に加え、ハンドルに取り付けられたハンドルブレーキレバーを用いて、回動軸にシューを押圧する制動技術が開示されている。
インターネット URLhttp://www.tdk.co.jp/techmag/knpwledge/200903/index.htm
ハンドルブレーキレバーでは、握力が必要とされ、高齢者、低年齢者は、握力が不足するために、十分にブレーキを動作させることができない場合があった。本発明は、上述した課題を解決して、握力が十分ではない高齢者、低年齢者が十分にブレーキを動作させることができる自転車を提供するものである。
本発明の自転車は、乗り手の発生する踏力をクランクに伝える左右一対のペダルと、該クランクに伝えられた該踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備え、前記踏力の大きさに応じて、前記電動モータの出力を変化させて、該踏力による回転駆動力と該電動モータによる回転駆動力とを合成して車輪の回転駆動力を調整可能とする電動補助自転車であって、前記踏力によって前記クランク軸の回転中心軸を移動させて、スイッチの接続または切断をおこない、前記電動モータからの出力を該スイッチの接続と切断によって変化させて制動の動作をおこなうものである。
本発明の別の自転車は、乗り手の発生する踏力をクランクに伝える左右一対のペダルと、該クランクに伝えられた該踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備え、前記踏力の大きさに応じて、前記電動モータの出力を変化させて、該踏力による回転駆動力と該電動モータによる回転駆動力とを合成して車輪の回転駆動力を調整可能とする電動補助自転車であって、サドルに付与される重量を検出する重量センサを有し、前記重量センサで検出する重量が所定値以上減少したときに、前記電動モータからの回転駆動力の方向を逆転させて制動の動作をおこなうものである。
本発明の自転車では、乗り手の発生する踏力をクランクに伝える左右一対のペダルと、クランクに伝えられた踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備え、踏力の大きさに応じて、電動モータの出力を変化させて、踏力による回転駆動力と電動モータによる回転駆動力とを合成して車輪の回転駆動力を調整可能とする。そして、一つの発明では、踏力によってクランク軸の回転中心軸を移動させて、スイッチの接続または切断をおこない、電動モータからの出力をスイッチの接続と切断によって変化させて制動の動作の制御をおこなう。別の発明では、サドルに付与される重量を検出する重量センサを有し、重量センサで検出する重量が所定値以上減少したときに、電動モータからの回転駆動力の方向を逆転させて制動の動作をおこなう。
本発明の自転車によれば、従来の自転車のようにハンドブレーキレバーによって自転車の制動をおこなうのではなく、クランク軸の回転中心軸を移動させてスイッチの接続または切断を検知し、または、重量センサで検出する重量が所定値以上減少したことを検知して、電動モータを用いて制動の制御をするので、握力がなくとも容易な制動が可能となる。
実施形態の自転車は、乗り手の発生する踏力をクランクに伝える左右一対のペダルと、クランクに伝えられた踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備えている。そして、踏力によってクランク軸の回転中心軸を移動させて、スイッチの接続または切断をおこない、電動モータからの出力をスイッチの接続と切断によって変化させて制動の動作をおこない、または、サドルに付与される重量を検出する重量センサを有し、重量センサで検出する重量が所定値以上減少したときに、電動モータからの回転駆動力の方向を逆転させて制動の動作をおこなう。これによって、握力がなくとも容易な制動が可能となる。以下、図面を参照して、具体的な実施形態について説明をする。
(実施形態の自転車の説明)
図1は、実施形態の自転車を示す図である。図1(a)に示す自転車1は、踏力による回転駆動力と電動モータによる回転駆動力とをともに後輪17に対して伝達するタイプの第1実施形態の自転車である。図1(b)に示す自転車2は、踏力による回転駆動力は後輪17に対して伝達し、電動モータによる回転駆動力は前輪16に対して伝達するタイプの第2実施形態の自転車である。以下、第1実施形態の自転車の説明をした後に、第2実施形態の自転車の説明をする。第1実施形態の自転車1と第2実施形態の自転車2とで、同一の符号を付した部分は同一構成部であるので、第2実施形態の自転車の説明においては、その部分の説明は省略する。
図1は、実施形態の自転車を示す図である。図1(a)に示す自転車1は、踏力による回転駆動力と電動モータによる回転駆動力とをともに後輪17に対して伝達するタイプの第1実施形態の自転車である。図1(b)に示す自転車2は、踏力による回転駆動力は後輪17に対して伝達し、電動モータによる回転駆動力は前輪16に対して伝達するタイプの第2実施形態の自転車である。以下、第1実施形態の自転車の説明をした後に、第2実施形態の自転車の説明をする。第1実施形態の自転車1と第2実施形態の自転車2とで、同一の符号を付した部分は同一構成部であるので、第2実施形態の自転車の説明においては、その部分の説明は省略する。
(第1実施形態の自転車の説明)
図1(a)に示す自転車1は、電動アシスト自転車(電動補助自転車)である。電動アシスト自転車は、電池を動力源として走行力の一部を電動モータから得るものである。電動アシストの技術は周知の技術であるので説明を省略する。実施形態の自転車について、必要な範囲でその構造を簡単に説明する。
図1(a)に示す自転車1は、電動アシスト自転車(電動補助自転車)である。電動アシスト自転車は、電池を動力源として走行力の一部を電動モータから得るものである。電動アシストの技術は周知の技術であるので説明を省略する。実施形態の自転車について、必要な範囲でその構造を簡単に説明する。
自転車1は、一般的な自転車が通常備えると同様な、前輪16と後輪17とを有している。また、左右の両方のペダル12から左右のクランク13を介して伝えられた踏力による回転駆動力をリヤスプロケット21に伝達するチェン23を有している。駆動力発生・制御部カバー10の内部には、動力系の一部が配置されている。駆動力発生・制御部カバー10の内部の電動モータ114(図2を参照)からの回転駆動力をリヤスプロケット20に伝達するチェン24を有している。電動モータ114は、制御部30からのモータ駆動信号Sdm(図7を参照)によって駆動される。また、サドルの内部には、重量センサ32が配されて、サドルに付与される重量を検知して重量信号Shw(図7を参照)を得る。ハンドルレバーには通常の自転車と同様にハンドブレーキレバー15が配され、前輪16のリム、後輪17のリムを押圧するシューを操作するようにされている。また、前輪16の回転軸には前輪回転速度計31が取り付けられており、前輪回転速度Svf(図7を参照)を得ることができるようになされている。
図2は、ペダル12からの人力(踏力)による回転駆動力と、電動モータ114による回転駆動力とを合成する駆動系を示す図である。図2は、駆動力発生・制御部カバー10の内部に配置された駆動力発生部11とそれに関係する動力系の概要を示す図である。駆動力発生・制御部カバー10は駆動力発生部11と制御部30(図7を参照)とを覆い隠すようにされている。図2(a)は、駆動力発生部11の側面から見た図であり、図2(b)は駆動力発生部11の上方面から見た図である。このような駆動系は特許文献3にも説明されているが、踏力による回転駆動力と、電動モータによる回転駆動力とは、後輪17(図1を参照)の車軸106で合成される。
浮動軸受100とクラッチユニット115とはボルトとナットで連結され、一体に構成されている。また、クラッチユニット115には電動モータ114が固着され、電動モータ114で発生する回転駆動力がクラッチユニット115に伝達されるようになされている。電動モータ114のモータ回転速度Svm(図7を参照)を検知するために、電動モータ114の回転軸にはタコメータ114a(図示せず)が配されている。
踏力は、乗り手によって左右に配されたペダル12を踏むことによって発生され、左右に配されたクランク13を介してクランク軸103を回転させる回転駆動力に変換される。クランク軸103は浮動軸受100に保持されている。クランク軸103の回転駆動力(トルク)は、フロントスプロケット102を回転させる。クランク軸103の下部であって、浮動軸受100の外囲部には、スイッチ機構112(図4を参照)が取り付けられている。
チェン23が、クランク軸103に取り付けられたフロントスプロケット102とリヤスプロケット21との間に架け渡されている。リヤスプロケット21と後輪17の車軸106との間には周知のワンウェイクラッチ119が取り付けられている。このような駆動力伝達機構を用いて、踏力は後輪17を回転させる回転駆動力に変換される。一方、車軸106からの逆入力トルクはワンウェイクラッチ119を介して伝達されるので、リヤスプロケット21には伝達しない。
駆動力発生部11の電動モータ114からの回転駆動力はクラッチユニット115に入力され、さらにクラッチユニット115の回転軸111からの回転駆動力がミドルスプロケット118に伝えられる。チェン24が、ミドルスプロケット118と車軸106に取り付けられたリヤスプロケット20との間に架け渡されている。リヤスプロケット20と車軸106とは、双方向にトルク伝達が可能となるようリジッドに連結されている。
このように、チェン24をリヤスプロケット20に架け、チェン23をリヤスプロケット21に架けて、両方のリヤスプロケットによって車軸106を回転させる構成では、チェン24を適正張力とした際、チェン23に緩みが生じる可能性がある。この緩みを吸収するため、チェン23の経路にはテンショナ120を配置するようにしている。
クラッチユニット115は周知の電磁クラッチである。クラッチユニット115は制御部30からのクラッチ制御信号Sdc(図7を参照)に応じて、電動モータ114の回転軸と回転軸111との間で、回転駆動力の伝達をするか否かを制御する。また、クラッチユニット115は減速歯車を備え、電動モータ114の回転軸の回転速度を減じて回転軸111に伝達する。
モータアシストによる走行中、クラッチユニット115の作用によって、クラッチは接続状態(クラッチ接)とされ、電動モータ114からの回転駆動力は、リヤスプロケット20に伝達される。このモータトルクと踏力トルクとが、車軸106で合成されるため、自転車をアシスト走行させることが可能となる。
モータアシストのない走行中は、クラッチユニット115の作用によって、クラッチは切断状態(クラッチ断)とされ、後輪17の回転トルクが回転軸111を介して電動モータ114の回転軸に逆入力されることがないようにされている。このようにして、踏力による回転駆動力が、電動モータ114、クラッチユニット115の減速歯車の内部摩擦等によって無駄に消費されないようになされている。
また、本実施形態の特徴として、自転車の制動をおこなうに際して回生制動よりも、さらに、大きな制動力を得るために、電動モータ114を逆回転する電動モータ逆回転制動を採用している。電動モータ逆回転制動をおこなう場合にもクラッチユニット115の作用によって(クラッチ接)、電動モータ114からの回転駆動力を後輪17に伝達するようになされる。電動モータ逆回転制動については、後述する。
図3は、踏力センサ101の構造を示す図である。非特許文献1にもこのようなトルクセンサが説明されている。踏力センサ101は、磁歪材1011と磁歪材1012と検出コイル1015と検出コイル1016とを備えている。また、磁気効果を拡大するための溝である、ナーリング1013、ナーリング1014が配されている。
踏力による回転駆動力はクランク13の方向から磁歪材1011に伝わる。その力によって、磁歪材1011にはビラリ効果が生じ透磁率が変化する。同様に、磁歪材1012にもビラリ効果が生じ透磁率が変化する。検出コイル1015は、ビラリ効果に応じて変化する信号(第1ビラリ効果信号)を検出し、検出コイル1016は、ビラリ効果に応じて変化する信号(第2ビラリ効果信号)を検出する。踏力による回転駆動力がクランク13に加えられているときには、第1ビラリ効果信号の大きさは、第2ビラリ効果信号の大きさよりも大きくなる。よって、第1ビラリ効果信号から第2ビラリ効果信号を引き算したビラリ効果信号Ssb(図7を参照)は踏力による回転駆動力に対応したものとなる。
図4は、浮動軸受100の構造を示す図である。浮動軸受については、特許文献5にも説明されている。浮動軸受100は、外囲部であるハウジング1021と浮動ブッシュ1022とを主要構成部とし、浮動ブッシュ1022の中に円筒棒状とされたクランク軸103が貫通配置される。つまり、浮動ブッシュ1022は、クランク軸103の伸びる方向の一部を、空間を有して取り囲むドーナツ形状とされている。また、ハウジング1021は、浮動ブッシュ1022を、空間を有して取り囲むドーナツ形状とされている。ハウジング1021の内部を潤滑剤、例えば、オイルで満たすためにハウジング1021にはオイル供給路が設けられている。オイルは図示しない電動モータを用いたポンプで供給されるようになされている。浮動ブッシュ1022には貫通孔が設けられ、クランク軸103は、浮動ブッシュ1022の内部で浮動しながら回転が可能とされる。
浮動軸受100のハウジング1021の外囲部には、スイッチ取付板1030が取り付けられ、スイッチ取付板1030には、少なくとも、1個のスイッチ112aを有するスイッチ機構112が配されている。スイッチ112aはプッシュスイッチとされている。スイッチ112aは押されることによって導通するものであっても、押されることによって切断するものであっても、いずれでも良く、両者の極性の異なりは、スイッチ信号Ssw(図7を参照)を得た制御部30で対応することができる。以下では説明を簡単にするために、スイッチ112aは押されることによって導通するものとする。スイッチ機構112については後述する。
なお、浮動軸受100を用いる場合には、強い踏力でペダル12を操作するときには、リヤスプロケット21に対するフロントスプロケット102の相対位置が変化するので(図6を参照)、チェン23は、柔軟性を有する素材で形成されるのが望ましく、例えば、ゴム材で形成するのが望ましい。
図5は、スイッチ機構112を模式的に示す図である。図5(a)は、図2(b)に示すスイッチ機構112と他の機構部との関係を模式的に示す図である。図5(b)、図5(c)は、スイッチ機構112が、バネ機能を有するバネ部材103bとスイッチ112aと凸部材103aと凹部1030aを有するスイッチ取付板1030とを有してなることを模式的に示すものである。凸部材103aはクランク軸103の直下に配されている。
図5(b)に示すように、クランク13が略水平状態となった場合には、凸部材103aと凹部1030aとが嵌合する配置関係となる。ここで、左のペダル12と右のペダル12とを同時に押圧すると、凸部材103aは凹部1030aの底に配置されたスイッチ112aを押圧して、スイッチ112aは導通することとなる。
一方、図5(c)に示すように、クランク13が略水平状態ではない場合には、右のペダル12(紙面の右側に在るペダル12)が押圧され、クランク13は後方(矢印で示した紙面の左方向)に移動させられる。この結果、凸部材103aは凹部1030aのエッジ(端部)に接触して、凸部材103aは凹部1030aと嵌合する配置関係とはならない。そして、凸部材103aは凹部1030aの底に配置されたスイッチ112aを押圧することはないので、スイッチ112aは切断したままである。
図5に図示しないが、左のペダル12(紙面の左側に在るペダル12)が押圧され、クランク13が略水平状態ではない場合とされた場合には、クランク13の傾きは、図5(c)と逆方向となり、クランク13は前方(図5(c)の紙面の右方向、矢印で示したと反対の方向)に移動させられる。この結果、凸部材103aは凹部1030aのエッジ(端部)に接触して、凸部材103aは凹部1030aと嵌合する配置関係とはならない。そして、凸部材103aは凹部1030aの底に配置されたスイッチ112aを押圧することはないので、スイッチ112aは切断したままである。
このようにして、クランク13が略水平状態となったときに左右の両方のペダル12を押圧することによってスイッチ112aを導通させることができる。スイッチ112aをどのように用いるかについては後述する。
図6は、別のスイッチ機構の例について、クランク軸103の配置とスイッチの押圧状態との関係を示す図である。図5では、スイッチ機構112のスイッチとして、スイッチ112aのみを用いるようにしたが、図6では、スイッチ112a、スイッチ112b、スイッチ112c、スイッチ112dの4個を用いるようにしている。スイッチ112a〜スイッチ112dの各々からは、導通であるか切断であるかのスイッチ信号Ssw(図7を参照)を得ることができる。図6に示す構成を採用すれば、凸部材103aと凹部1030aとを設けることなく、制動のためのペダル12の押圧力を検出する別のスイッチ機構を構成することができる。
図6(a)は押圧力を与えない状態を示す。通常の平坦な路面で、左右のペダル12に軽い踏力を与える場合も、浮動軸受100の作用によってこのような状態を維持することができる。スイッチ112a〜スイッチ112dのいずれも押圧されることがなく、スイッチ112a〜スイッチ112dのいずれも導電状態とはならない。
図6(b)は、スイッチ112bを押圧する押圧力を左のペダル12に与える状態を示す。浮動軸受100の作用によって、クランク軸103は左側に傾く。また、スイッチ112dを備える場合には、スイッチ112dも同時に押圧される。そして、スイッチ112bとスイッチ112dとが導電状態となる。
図6(c)は、スイッチ112aを押圧する押圧力を右のペダル12に与える状態を示す。浮動軸受100の作用によって、クランク軸103は右側に傾く。また、スイッチ112cを備える場合には、スイッチ112cも同時に押圧される。そして、スイッチ112aとスイッチ112cとが導電状態となる。
図6(d)は、スイッチ112aとスイッチ112bとを押圧する押圧力を右のペダル12と左のペダル12とに同時に与える状態を示す。浮動軸受100の作用によって、クランク軸103は下方に移動する。そして、スイッチ112aとスイッチ112bとが導電状態となる。
つまり、スイッチを1個備える場合には2つの状態を検出できる。また、スイッチとしてスイッチ112aとスイッチ112bの2個備える場合には4つの状態を検出できる。また、スイッチとしてスイッチ112a〜スイッチ112dの4個備える場合には4つの状態を検出できるが、そのうちの2つの状態は想定外の状態であり、実質的には2つの状態を検出できる。
以上の図6(a)〜図6(c)の4つの各機構部材の配置関係から、以下のようなスイッチ使い方が可能となることが明らかにされる。
スイッチが1個の場合、例えば、スイッチ112aのみを備える場合には、右のペダル12を強く踏むことによって、スイッチ112aを導電状態とすることができる。
スイッチが1個の場合、例えば、スイッチ112bのみを備える場合には、左のペダル12を強く踏むことによって、スイッチ112bを導電状態とすることができる。
スイッチが2個の場合、例えば、スイッチ112aとスイッチ112bとを備える場合には、左右の両方のペダル12を強く踏むことによって、スイッチ112aとスイッチ112bとを導電状態とすることができる。左右のペダルを交互に踏み込む通常の走行状態では、踏力が小さい場合には図6(a)に示す状態にと留り、踏力が大きい場合には図6(a)、図6(b)、図6(c)の状態が順に繰り返して生じるだけである。
踏力を用いる走行状態では、図6(d)の状態は通常は生じることがないので、スイッチ112aとスイッチ112bとが両方導通していることを検出すれば、図6(d)に示す状態を正確に検出することができる。また、スイッチが2個の場合には、右のペダル12を強く踏むことによってスイッチ112aのみを導電状態とすることができ、左のペダル12を強く踏むことによって、スイッチ112bのみを導電状態とすることもできるので、3つの状態を区別することができる。
スイッチが2個の場合、例えば、スイッチ112cとスイッチ112dとを備える場合には、右のペダル12を強く踏むことによってスイッチ112cを導電状態とすることができ、左のペダル12を強く踏むことによって、スイッチ112dを導電状態とすることができるので、2つの状態を区別することができるようになる。
スイッチが4個の場合、例えば、スイッチ112a〜スイッチ112dを備える場合には、右のペダル12を強く踏むことによってスイッチ112aとスイッチ112cとの組みを導電状態とすることができ、左のペダル12を強く踏むことによって、スイッチ112bとスイッチ112dとの組みを導電状態とすることができるので、一つの組の2個のスイッチの状態を検出して検出精度を向上させることができる。
(自転車の制御系の説明)
図7は、自転車の制御系の構成を示す図である。図7を参照して制御系の説明をする。制御系においては、制御部30が中心となって制御をおこなう。
図7は、自転車の制御系の構成を示す図である。図7を参照して制御系の説明をする。制御系においては、制御部30が中心となって制御をおこなう。
制御部30は、いずれも図示しない、CPU(中央演算装置)、RAM(ラム)、ROM(ロム)、I/Oインターフェイス回路(入出力インターフェイス回路)を有している。CPUのバスライン(アドレスバスライン・データバスライン)にはCPU、RAM(ラム)、ROM(ロム)、I/Oインターフェイス回路が接続されている。
ROMはCPUで実行されるプログラムを記憶し、RAMはCPUでの演算データを一時記憶する。また、I/Oインターフェイス回路は外部回路とCPUとの間での信号の入出力のためのA/D変換器、D/A変換器等を有している。
制御部30には、スイッチ112a〜スイッチ112d(スイッチの個数と配置場所に応じてスイッチの種類は変化する)からのスイッチ信号Ssw(スイッチの個数に応じてスイッチ信号の数は変化する)、前輪回転速度計31からの前輪回転速度Svf、重量センサ32からの重量信号Shw、タコメータ114aからのモータ回転速度Svm、踏力センサ101からのビラリ効果信号Ssbが入力信号として、入力される。そして、制御部30のCPUは、これらの入力信号に基づき、処理をおこない、電動モータ114にはモータ駆動信号Sdm、クラッチユニット115にはクラッチ制御信号Sdcを出力する。
図8は、制御部30のCPUがおこなう処理のフローチャートである。
ステップST10では、CPUは、スイッチ信号Sswを得る。
ステップST10の処理は所定割り込み処理時間ごとにおこなわれる。
ステップST10では、CPUは、スイッチ信号Sswを得る。
ステップST10の処理は所定割り込み処理時間ごとにおこなわれる。
ステップST11では、CPUは、スイッチが押されたか否かを判断する。
スイッチが押されたと判断する場合(Yes)には、処理はステップST12へ移動する。
スイッチが押されたと判断しない場合(No)には、処理はステップST15へ移動する。
スイッチが押されたと判断する場合(Yes)には、処理はステップST12へ移動する。
スイッチが押されたと判断しない場合(No)には、処理はステップST15へ移動する。
ステップST12では、CPUは、クラッチ制御信号Sdcを接続状態とするようにし、モータ駆動信号Sdmとして逆回転信号を出力する。
モータを逆回転させるトルクによって、後輪17には大きな制動力が働く。
クラッチ制御信号Sdcを接続状態とした後は、ステップST18において、クラッチ制御信号Sdcを切断状態とするまで、クラッチユニット115の接続(電動モータ114の回転軸と回転軸111との接続)は維持される。
モータを逆回転させるトルクによって、後輪17には大きな制動力が働く。
クラッチ制御信号Sdcを接続状態とした後は、ステップST18において、クラッチ制御信号Sdcを切断状態とするまで、クラッチユニット115の接続(電動モータ114の回転軸と回転軸111との接続)は維持される。
ステップST13では、CPUは、前輪回転速度Svf、または、モータ回転速度Svmを得る。
ステップST14では、CPUは、前輪回転速度Svf、または、モータ回転速度Svmが反転したか否かを検出する。
ここで、反転とは逆回転という意味である。この判断は、後輪17が逆回転して、後ろに自転車が動くことを防止するためにおこなうものである。
モータ回転速度Svmが反転しても、後輪17がスリップしながら自転車は前進を続ける場合があるので、前輪回転速度Svfによって前輪16の回転を検出することがより望ましい。
前輪回転速度Svf、または、モータ回転速度Svmが反転したと判断する場合(Yes)には、処理はステップST15へ移動する。
前輪回転速度Svf、または、モータ回転速度Svmが反転したと判断しない場合(No)には、処理はステップST13へ戻る。
ここで、反転とは逆回転という意味である。この判断は、後輪17が逆回転して、後ろに自転車が動くことを防止するためにおこなうものである。
モータ回転速度Svmが反転しても、後輪17がスリップしながら自転車は前進を続ける場合があるので、前輪回転速度Svfによって前輪16の回転を検出することがより望ましい。
前輪回転速度Svf、または、モータ回転速度Svmが反転したと判断する場合(Yes)には、処理はステップST15へ移動する。
前輪回転速度Svf、または、モータ回転速度Svmが反転したと判断しない場合(No)には、処理はステップST13へ戻る。
ステップST15では、CPUは、ビラリ効果信号Ssbを得る。
ビラリ効果信号Ssbは、踏力の大きさに比例するものである。
ビラリ効果信号Ssbは、踏力の大きさに比例するものである。
ステップST16では、CPUは、アシストモードか否かを判断する。
この判断は、ビラリ効果信号Ssbが予め定める所定値を超えている場合に、脚への負担が大きいのでこれを解消するためにアシストモードであると判断する。
また、スイッチが押されている場合には、回転駆動力は発生しないので、通常はビラリ効果信号Ssbが予め定める所定値を超えることはないが、安全のために、スイッチが押されている場合にはアシストモードとは判断しない。
アシストモードと判断する場合(Yes)には、処理はステップST17へ移動する。
アシストモードと判断しない場合(No)には、処理はステップST18へ移動する。
この判断は、ビラリ効果信号Ssbが予め定める所定値を超えている場合に、脚への負担が大きいのでこれを解消するためにアシストモードであると判断する。
また、スイッチが押されている場合には、回転駆動力は発生しないので、通常はビラリ効果信号Ssbが予め定める所定値を超えることはないが、安全のために、スイッチが押されている場合にはアシストモードとは判断しない。
アシストモードと判断する場合(Yes)には、処理はステップST17へ移動する。
アシストモードと判断しない場合(No)には、処理はステップST18へ移動する。
ステップST17では、CPUは、クラッチ制御信号Sdcを接続状態とする。また、モータ駆動信号Sdmとしてアシスト信号を出力する。
これによって、自転車はアシスト自転車として機能する。
クラッチ制御信号Sdcを接続状態とした後は、ステップST18において、クラッチ制御信号Sdcを切断状態とするまで、クラッチユニット115の接続(電動モータ114の回転軸と回転軸111との接続)は維持される。
この処理が終了後処理はステップST10へ戻る。
これによって、自転車はアシスト自転車として機能する。
クラッチ制御信号Sdcを接続状態とした後は、ステップST18において、クラッチ制御信号Sdcを切断状態とするまで、クラッチユニット115の接続(電動モータ114の回転軸と回転軸111との接続)は維持される。
この処理が終了後処理はステップST10へ戻る。
ステップST18では、CPUは、モータ駆動信号Sdmを0とし、電動モータ114の回転駆動力を0として、クラッチ制御信号Sdcを切断状態とする。
これによって、自転車の後輪17が電動モータ114と切り離され、アシストがない状態で不要な負荷が生じ、踏力を無駄に消費することが無くなる。
これによって、自転車の後輪17が電動モータ114と切り離され、アシストがない状態で不要な負荷が生じ、踏力を無駄に消費することが無くなる。
このような処理によって、ハンドブレーキレバー15を用いることなく、踏力によって、スイッチ機構112(スイッチ112a〜スイッチ112dのいずれか)を操作することによって、強い制動力を得ることができる。そのため、握力が弱い者であっても容易に自転車を停車させることができる。
なお、ハンドブレーキレバー15と実施形態の制動(ブレーキ)とを併用することもできる。
なお、ハンドブレーキレバー15と実施形態の制動(ブレーキ)とを併用することもできる。
所定時間ごとの割り込み処理は、電動モータ114の応答速度、人間の応答できる速度よりも速く、例えば、10μs(マイクロ秒)〜1ms(ミリ秒)に設定されている。そして、ステップST10のスイッチ信号Ssw
を得る処理を割り込み処理時間毎におこなうので、スイッチ信号Ssw を常時監視していると見なすことができる。割込みごとに、ステップST11で、スイッチが押されたと判断され続ける場合には、ステップST12の電動モータ114を用いた制動の操作をおこない続ける。スイッチ機構が押されたと判断さない場合には、ステップST15のビラリ効果信号Ssbを得る処理に移るが、スイッチ機構を切断した直後の短い時間では、人力ではクランク軸103を回転させる力を発生させることはできない。よって、処理はステップST18に移り、慣性走行のモードとなる。
を得る処理を割り込み処理時間毎におこなうので、スイッチ信号Ssw を常時監視していると見なすことができる。割込みごとに、ステップST11で、スイッチが押されたと判断され続ける場合には、ステップST12の電動モータ114を用いた制動の操作をおこない続ける。スイッチ機構が押されたと判断さない場合には、ステップST15のビラリ効果信号Ssbを得る処理に移るが、スイッチ機構を切断した直後の短い時間では、人力ではクランク軸103を回転させる力を発生させることはできない。よって、処理はステップST18に移り、慣性走行のモードとなる。
そのために、スイッチの断続を繰り返すことで所望の制動特性を得ることができるようになる。例えば、スイッチを押し続ければ、電動モータ114の逆回転力による制動が働き続け、急停車が可能となる。また、ペダル12を踏んだり離したりを繰り返すことによって、スイッチ機構112のオン(導通)とオフ(切断)のタイミングを制御することによって、好みとする制動特性を自由に得ることができる。
また、スイッチ機構112が複数のスイッチを備える場合には、オン(導通)とオフ(切断)のタイミングによる制動のみならず、以下のような、より高度の制御も可能となる。例えば、図6に示すように、スイッチ112aとスイッチ112bを備える場合には、逆回転させるための、電動モータ114に印加する電力を3段階に調整することができる。図6(d)に示すように、左右の両方のペダル12に踏力を加えた場合には、最大の逆回転力を与えて最大の制動力を得、右のペダル12に踏力を加えた場合には、より弱い逆回転力を与えてより弱い制動力を得、左のペダル12に踏力を加えた場合には、逆回転力を与えることなく、回生制動のみをおこない回生電力を得ながら、最も弱い制動力を得るようにすることもできる。
この場合には、図8に示すステップST11での処理は「どのスイッチが押されたか検出する」と替えられ、ステップST12の処理は、「クラッチ制御信号Sdcを接続状態とする、モータ駆動信号Sdmとして、押されたスイッチに応じた大きさの逆回転信号を出力する」と替えられる。また、このような制御をおこなう場合にも、スイッチ機構112のオン(導通)とオフ(切断)のタイミングを制御する制動を併用することができる。
(実施形態の変形例)
以上の実施形態の変形例として種々の実施形態が可能である。例えば、スイッチ112a〜スイッチ112dのいずれかを操作するのではなく、重量センサ19からの重量信号Shwを監視して、重量信号Shwの大きさが急激に減少したときに、踏力が大きくなったと判断することができる。このような制御方法を採用すれば、スイッチ112a〜スイッチ112dを設けることなく、さらに、浮動軸受100を用いることなく、通常のベアリングを用いる軸受機構を採用しながら、電動モータ114の逆回転力を用いた制動をすることができる。この場合には、図8に示すステップST11での処理は「重量センサ19からの重量信号Shwが前回の割り込み時点と比べて所定値以上に減少したか」と替えられる。
以上の実施形態の変形例として種々の実施形態が可能である。例えば、スイッチ112a〜スイッチ112dのいずれかを操作するのではなく、重量センサ19からの重量信号Shwを監視して、重量信号Shwの大きさが急激に減少したときに、踏力が大きくなったと判断することができる。このような制御方法を採用すれば、スイッチ112a〜スイッチ112dを設けることなく、さらに、浮動軸受100を用いることなく、通常のベアリングを用いる軸受機構を採用しながら、電動モータ114の逆回転力を用いた制動をすることができる。この場合には、図8に示すステップST11での処理は「重量センサ19からの重量信号Shwが前回の割り込み時点と比べて所定値以上に減少したか」と替えられる。
また、スイッチ112aについて、出願人は、可動部材の突出付勢及びスイッチングを行う磁気式のスイッチ装置を出願している(特願2009−103966)。メカ機構を有するスイッチの代わりに、磁気センサを用いた非接触プッシュスイッチを採用するものである。このスイッチ装置は、固定側のスイッチ機枠と、このスイッチ機枠に対して往復動作可能に支持された可動部材(押ボタン)を有し、スイッチ機枠と可動部材とにそれぞれ互いに接近するにつれて反発力を強めるように着磁された永久磁石を固定している。永久磁石を固定した可動部材を押込むと、操作者がスイッチ機枠側の環状永久磁石により磁気反発力を感じ、磁力によって磁気抵抗が変化するGMR素子を設けた機構であるので、メカ的な接触部分がなく、さらに長期の信頼性の高いスイッチを適用することができる。特に、電動補助自転車にあって、防水の要求される電動モータ114周りの機構での部品交換頻度を少なくすることができる。
また、ペダル12の足に触れる側の表面に圧力センサを配置し(図示せず)、この圧力センサからの出力信号を得て、重量センサ19からの重量信号Shwに変えてこの出力信号を用いることができる。このような制御方法を採用すれば、スイッチ112a〜スイッチ112dを設けることなく、さらに、浮動軸受100を用いることなく、通常のベアリングを用いる軸受機構を採用しながら、電動モータ114を用いた制御をすることができる。
さらに、別の制御方法としては、通常の走行時に得られる右のペダル12からの圧力センサの出力信号と左のペダル12からの圧力センサの出力信号とは、位相が180度異なる正弦波信号であるので、クランク軸103を回転させる通常の走行状態と制動の操作とを区別するために、左右の両方のペダル12に配された各々の圧力センサからの出力信号を加算した加算圧力信号を用いる。意図的に制動の動作を行う場合には、加算圧力信号は、通常の走行時におけるよりも大きな一定電圧となるので両者の区別は容易にできる。そして、ステップST11での処理を、「加算圧力信号の値が所定値以上である状態を所定割込み回数以上超えたか」と替える。ここで、所定割り込み回数は、通常走行における正弦波の周期よりも長い時間に対応する割り込み回数である。
(第2実施形態の自転車の説明)
図1(b)に示す自転車2は、前輪16に、電動モータ114と同様な電動モータと、クラッチユニット115と同様なクラッチユニットと、を組み込んだ、所謂、ホイールインモータのタイプの自転車である。このような、自転車では、電動モータによる前輪駆動とペダル踏力による後輪駆動とが分離しているが、第1実施形態において採用した制御方法はすべて、このようなタイプの自転車にも適用できる。
図1(b)に示す自転車2は、前輪16に、電動モータ114と同様な電動モータと、クラッチユニット115と同様なクラッチユニットと、を組み込んだ、所謂、ホイールインモータのタイプの自転車である。このような、自転車では、電動モータによる前輪駆動とペダル踏力による後輪駆動とが分離しているが、第1実施形態において採用した制御方法はすべて、このようなタイプの自転車にも適用できる。
1、2 自転車、 10 駆動力発生・制御部カバー、 11 駆動力発生部、 12 ペダル、 13 クランク、 15 ハンドブレーキレバー、 16 前輪、 17 後輪、 19 重量センサ、 20 リヤスプロケット、 21 リヤスプロケット、 23、24 チェン、 30 制御部、 31 前輪回転速度計、 32 重量センサ、 100 浮動軸受、 101 踏力センサ、 102 フロントスプロケット、 103 クランク軸、 103a 凸部材、 103b バネ部材、 106 車軸、 111 回転軸、 112 スイッチ機構、 112a、112b、112c、112d スイッチ、 114 電動モータ、 114a タコメータ、 115 クラッチユニット、 118 ミドルスプロケット、 119 ワンウェイクラッチ、 120 テンショナ、 1011 磁歪材、 1012 磁歪材、 1013 ナーリング、 1014 ナーリング、 1015、1016 検出コイル、 1021 ハウジング、 1022 浮動ブッシュ、 1030 スイッチ取付板、1030a 凹部
Claims (5)
- 乗り手の発生する踏力をクランクに伝える左右一対のペダルと、該クランクに伝えられた該踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備え、
前記踏力の大きさに応じて、前記電動モータの出力を変化させて、該踏力による回転駆動力と該電動モータによる回転駆動力とを合成して車輪の回転駆動力を調整可能とする電動補助自転車であって、
前記踏力によって前記クランク軸の回転中心軸を移動させて、スイッチの接続または切断をおこない、前記電動モータからの出力を該スイッチの接続と切断によって変化させて制動の動作をおこなう、電動補助自転車。 - 前記スイッチは、前記クランク軸を回転可能に支持する軸受に配され、
前記踏力によって該クランク軸が変位することによって、接続または切断する請求項1に記載の電動自転車。 - 前記軸受は、
円筒棒状とされた前記クランク軸の伸びる方向の一部を、空間を有して取り囲むドーナツ形状の浮動ブッシュと、該浮動ブッシュを、空間を有して取り囲むドーナツ形状のハウジングと、を具備し、
前記空間には潤滑剤が満たされている浮動軸受である請求項1または請求項2に記載の電動補助自転車。 - 左右一対のペダルが略水平位置とされた状態で、該左右一対のペダルの両方に前記踏力が付与されることによって、前記スイッチの接続または切断が行われる請求項1ないし請求項3のいずれかの1項に記載の電動補助自転車。
- 乗り手の発生する踏力をクランクに伝える左右一対のペダルと、該クランクに伝えられた該踏力を回転駆動力に変換するクランク軸と、回転駆動力を発生する電動モータと、を備え、
前記踏力の大きさに応じて、前記電動モータの出力を変化させて、該踏力による回転駆動力と該電動モータによる回転駆動力とを合成して車輪の回転駆動力を調整可能とする電動補助自転車であって、
サドルに付与される重量を検出する重量センサを有し、
前記重量センサで検出する重量が所定値以上減少したときに、前記電動モータからの回転駆動力の方向を逆転させて制動の動作をおこなう、電動補助自転車。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009150735A JP2011005936A (ja) | 2009-06-25 | 2009-06-25 | 電動補助自転車 |
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-
2009
- 2009-06-25 JP JP2009150735A patent/JP2011005936A/ja not_active Withdrawn
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