JP3105570B2 - 電動モータ付き人力駆動装置 - Google Patents

電動モータ付き人力駆動装置

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JP3105570B2
JP3105570B2 JP03116649A JP11664991A JP3105570B2 JP 3105570 B2 JP3105570 B2 JP 3105570B2 JP 03116649 A JP03116649 A JP 03116649A JP 11664991 A JP11664991 A JP 11664991A JP 3105570 B2 JP3105570 B2 JP 3105570B2
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62MRIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M17/00Transmissions characterised by use of rotary shaft, e.g. cardan shaft
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    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62MRIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/45Control or actuating devices therefor
    • B62M6/50Control or actuating devices therefor characterised by detectors or sensors, or arrangement thereof

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Automatic Cycles, And Cycles In General (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、人力による駆動系と電
動モータによる駆動系とを並列に設けた電動モータ付き
人力駆動装置に関するものである。
【0002】
【発明の背景】自転車などの人力により駆動する装置に
おいて、登坂時などの負荷の増大時に人力の負荷を減ら
すために電動モータを併用し、しかも自転車的な運転感
覚も失わないようにした駆動装置を、本願の出願人は以
前に提案した(特願平2−214947号)。この既提
案のものは人力による駆動系と並列に電動モータによる
駆動系を設け、人力による駆動系の負荷変化に対応して
電動モータの出力を変化させるものである。
【0003】ここにクランクペダルを用いて人力による
駆動を行う場合には、クランク軸の回転角度(クランク
角)によってその駆動トルクが周期的に変化する。この
ためクランク軸の回転に伴ってモータ出力も同期して周
期的に変化することになる。このようにモータの出力が
周期的に変化する際には、モータ電流も同様に周期的に
変化することになるが、一般に電池などの電源では電流
の2乗に比例した内部損失が発生するから、電流が周期
的に増減することは電池の消耗を増やすことになり望ま
しくない。
【0004】
【発明の目的】本発明はこのような事情に鑑みなされた
ものであり、電動モータの駆動系に用いる電池の消耗を
少なくし、この駆動系を併用した場合の走行距離を延長
できるようにした電動モータ付き人力駆動装置を提供す
ることを目的とする。
【0005】
【発明の構成】本発明によればこの目的は、クランクペ
ダルを用いた人力による駆動系と、電池を用いた電動モ
ータによる駆動系とを並列に設けた電動モータ付きの人
力駆動装置において、前記人力による駆動系の負荷を検
出する負荷検出手段と、前記クランクペダルにより回転
駆動されるクランク軸の回転角度を検出するクランク角
検出手段と、この検出したクランク角を用いて前記人力
による駆動系の平均負荷を求める平均負荷検出手段と、
この検出した平均負荷に対し所定の変換特性をもって前
記電動モータの出力を制御するコントローラとを備える
ことを特徴とする電動モータ付き人力駆動装置により達
成される。
【0006】
【実施例】図1は本発明の概念を示すブロック図、図2
は自転車への適用例を示す図、図3はその駆動系の展開
図、図4と図5はその負荷検出手段の例を示す図、図6
は人力の駆動トルクから電動モータの駆動トルクを決め
るための変換特性を示す図である。
【0007】図2において符号10は駆動輪である後
輪、12は操向前輪、14は操向ハンドル、16はシー
ト、18はクランクペダルである。ペダル18から後輪
10に至る人力駆動系20(図1)は、このペダル18
を保持するクランク軸22と、傘歯車24と、ドライブ
軸26と、傘歯車28とで形成される。ドライブ軸26
の途中にはこの人力による駆動力すなわち駆動トルクT
h を検出する負荷検出手段30が介在されている。この
負荷検出手段30は、例えば図4に示すように、クラン
ク軸22側の軸半体26aと後輪10側の軸半体26b
に接続された捩り棒ばね32と、両軸半体26a、26
b間の相対角度変化を求めるポテンショメータ(例えば
回転摺動抵抗)34とで構成される。また図5のように
ドライブ軸26の途中を小径にし、この小径部26cの
捩れを歪みゲージ36で検出する構造であってもよい。
これらポテンショメータ34や歪みゲージ36の信号a
は、例えばスリップリング(図示せず)を介して取出さ
れる。
【0008】ドライブ軸26には、負荷検出手段30と
後輪10との間にモータ駆動手段40が設けられてい
る。このモータ駆動手段40は例えば直流モータ42
と、このモータ42の回転を減速してドライブ軸26に
伝えるウォーム歯車機構44と、モータ42とウォーム
歯車機構44との間に介在するクラッチ46とを有す
る。このクラッチ46は、例えばワンウェイクラッチや
電磁クラッチなどで構成する。
【0009】クランク軸22の回転角度すなわちクラン
ク角θは、クランク角検出手段50により検出される。
このクランク角検出手段50は、クランク軸22に固定
された歯車52と、この歯車52を挾んで対向配置され
た発光素子54および受光素子56とを有する。なお発
・受光素子54、56は、歯車52の歯の周期に対して
90°の位相差をもって2対設けられているが、図3で
は1対のみが示されている。従って2つの受光素子56
の出力に基づいてクランク軸22の回転方向と回転量と
を検出することができる。また歯車52の歯の間隔を一
部変化させたり、他の基準位置を示す切欠きなどを設け
ることによりクランク軸22の基準角度位置も検出でき
る。この結果クランク角θの絶対角度を常に検出するこ
とができる。
【0010】次にコントローラ60について説明する。
コントローラ60はマイクロコンピュータ(以下CPU
という)62と、動作プログラムや種々のデータ等を記
憶するROM64とを備える。この実施例では、CPU
62は負荷検出手段30により検出した人力による駆動
トルクTh の平均値Thmを求める平均負荷検出手段66
の機能を持つ。
【0011】平均負荷検出手段66は、クランク軸22
の回転角度すなわちクランク角θの変化によるトルクT
h の変動を消すものである。すなわちクランク角θ(de
g )に対してトルクTh は図7の実線Aのように周期的
に変化する。一般にはこの実線AはトルクTh の変化に
対して振幅が変化するだけで波形はあまり変化しない。
そこで平均負荷すなわち平均トルクThmは次の3つの方
法のいずれかにより求めることが可能である。
【0012】 θ=45°(θ1 )、135°(θ
2 )、225°(θ3 )、215°(θ4 ) におけるト
ルクTh は、最大値と最小値の中間値になるから、これ
らのクランク角θ1 …θ4 におけるトルクTh を平均値
hmとする。 θ=0°、180°(それぞれθm1
θm2)でトルクTh は最小値Th (min )になり、また
θ=90°、270°(それぞれθM1、θM2)で最大値
h(Max )になるから、その算術平均を平均値Thm
する。すなわち Thm=[Th (min )+Th (Max )]/2 とする。 θ=0から90°までの微小な一定角度毎
にとったトルクTh のサンプル値T(θ)を積算し、こ
の積算値ΣT(θ)をサンプル数nで除算することによ
り平均値Thmを求める。 Thm=ΣT(θ)/n
【0013】なおトルクTh が著しく大きい運転条件下
では、図7の実線Aは実際には振幅が大きくなるだけで
なく、同図に仮想線Bで示すようにクランク角θの位相
も遅れて来る。従ってこのことを考慮して、トルクTh
が大きい時に前記、の各方法におけるθ1 …θ4
θm1、θM1…のクランク角を補正する手段を設けてもよ
い。またの方法に対しては積分範囲(0−90°)を
変えたり、任意の180°の範囲で積分を行うようにし
てもよい。
【0014】なお人力による駆動トルクTh は走行中に
常に変動するから、前記の実施例のように求めた或る周
期内での平均値Thmはこれに続く次の周期での平均値T
hmとは異なる値になる。従って平均値Thmは時間経過に
対して階段状に変化することになる。そこでこの平均値
hmの急激な変化を防ぐために平均値Thmを平滑化する
のが望ましい。
【0015】さらにクランク軸22の回転が停止した時
や極端に遅くなった時には、前記の方法では平均値Thm
が求められなくなったり、不正確になる問題がある。そ
こでこのような場合すなわち平均値を求める期間(周
期)が予め決めた設定時間を超えて長くなった時には、
平均値の求め方を変更するのが望ましい。例えばクラン
ク角と関係なく十分に短い時間内でのトルクTh を積分
してその間の平均値を求めたり、平均値を用いずに検出
したトルクTh をそのまま用いてもよい。
【0016】なおこの実施例では、平均負荷検出手段6
6はコントローラ60のCPU62が持つものとして、
すなわちCPU62の動作プログラムとして持つものと
して説明したが、CPU62から独立した回路として構
成してもよいのは勿論である。
【0017】以上のようにして求めた人力による駆動ト
ルクTh の平均値Thmは、CPU62においてモータ駆
動トルクTM を決定するために用いられる。すなわちC
PU62はROM64にメモリした動作プログラムに従
い、平均値Thmに対して所定の関係を持ってモータトル
クTM を求める。例えば図6にAで示すように、直線関
係を持たせたり、B、Cのように増加率に漸減、漸増特
性を持たせることができる。
【0018】これらのA、B、Cの特性を得る場合に
は、例えばROM64にこの特性A、B、Cをメモリし
ておき、人力駆動の平均トルクがThmの時に発生させる
べきモータ駆動トルクTM をROM64から読出し、こ
の駆動トルクTM を発生するモータ電流を供給するよう
にゲート信号を出力させる。
【0019】図2において70は電池、72はトランジ
スタなどの主スイッチング素子であり、これらはモータ
42と共に閉じた主回路を形成する。電池70は図2に
示すようにクランクペダル18の上方に搭載され、また
シート16の下には主スイッチング素子72およびコン
トローラ60は制御箱74に収容される。このコントロ
ーラ60は、例えば主スイッチング素子72を高速でス
イッチングし、目標の駆動トルクとなるようにモータ電
流の通流率を制御するチョッパ方式とすることができ
る。
【0020】以上の実施例は図6の制御特性により人力
駆動力を軽くするようにモータの駆動力を付加している
が、本発明は反対に人力駆動力の増大に対してモータの
制動力を発生させるようにして、人力駆動力を増加させ
るようにしてもよい。この場合には人力の負荷が増える
から体力増進に適すると共に、降坂時などに一種のエン
ジンブレーキの作用を持たせることができる。ブレーキ
センサによりブレーキをかけたことを検出してモータに
ブレーキ力を発生させるようにしてもよい。
【0021】この発明は自転車だけでなく、人力駆動の
3、4輪車、身障者用の車、リハビリ用機器、遊具、フ
ィットネス機器、ロボットなどにも適用でき、これらを
包含する。
【0022】
【発明の効果】本発明は以上のように、人力による駆動
系の駆動トルク(Th )の平均値(Thm)を求め、この
平均値(Thm)に対し所定の変換特性をもって電動モー
タによる駆動トルク(TM )を制御するものであるか
ら、クランク軸の回転に伴い人力駆動トルク(Th )が
周期的に変化してもモータ駆動トルク(TM )は周期的
に変動せず、モータ電流の変動も小さくなる。このため
モータを駆動するための電池の消耗も少なくなりモータ
を併用しながらの走行距離を長くすることができる。ま
た変速装置やスロットルレバーなどを全く操作すること
なく自動的にモータのアシスト力を制御することがで
き、自転車感覚を全く損うことなく人力を軽減しつつ円
滑な走行が可能になる。さらにモータによりブレーキ力
を発生させれば、体力増強に適するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の概念を示すブロック図
【図2】自転車への適用例を示す図
【図3】その駆動系の展開図
【図4】その負荷検出手段の例を示す図
【図5】同じく負荷検出手段の他の例を示す図
【図6】人力による駆動トルクとモータによる駆動トル
クの変換特性図
【図7】人力による駆動トルクの周期的変化を示す図
【符号の説明】
10 駆動輪 20 人力駆動系 30 負荷検出手段 40 モータ駆動系 42 モータ 50 クランク角検出手段 60 コントローラ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 クランクペダルを用いた人力による駆動
    系と、電池を用いた電動モータによる駆動系とを並列に
    設けた電動モータ付き人力駆動装置において、前記人力
    による駆動系の負荷を検出する負荷検出手段と、前記ク
    ランクペダルにより回転駆動されるクランク軸の回転角
    度を検出するクランク角検出手段と、この検出したクラ
    ンク角を用いて前記人力による駆動系の平均負荷を求め
    る平均負荷検出手段と、この検出した平均負荷に対し所
    定の変換特性をもって前記電動モータの出力を制御する
    コントローラとを備えることを特徴とする電動モータ付
    き人力駆動装置。
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