JP3164098U - 電動自転車の動力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく補助動力を出力し、様々な路面状況を走行する自転車を安定させる、電動自転車の動力制御装置を提供する。【解決手段】電動自転車はフレームおよびモーターを備える。フレームは駆動ギヤユニットを有する。モーターは電動自転車の補助駆動に用いられる。動力制御装置はセンサーおよびコントローラーを備える。センサーはフレーム上の駆動ギヤユニットに近い位置に配置され、かつ前述した位置の変形量を感知するによって信号を生成する。コントローラーはセンサーおよびモーターに電気的に接続され、かつセンサーからの信号を受信することによってモーターの出力動力を調整する。【選択図】図４

Description

本考案は、電動自転車に関し、詳しくは電動自転車の動力制御装置に関するものである。

世界中の環境保護問題が日増しに深刻になり、エネルギーの消費量が持続的に更新されるのに対し、交通手段をより環境に優しくし、省エネルギーをより実現させることはもはや一刻の猶予もない課題である。自転車を交通手段として使用することは上述した現況に応じることができるが、従来の自転車は人力で踏み込むことによって動力を生成し、かつ登り坂または不平坦な路面を走行する際、自転車を制御するには比較的大きい力が必要であるため、大いに制限され、かつ使用に非常に不便である。従って、電動自転車は多くの人から選択される交通手段の一つとなる。

一般の電動自転車は従来の自転車にモーター、センサーおよびモーターの駆動に用いるバッテリーなどを増設することによって構成され、かつセンサーによって状態を感知し、モーターによって動力を出力し、車輪を駆動するため、ユーザーは自らの力で踏み込むほかに、モーターの補助動力にたよって自転車を同期駆動することが可能である。

センサーは自転車のクランクアームが踏み込まれて生成するトルクを感知するため、通常自転車のＢＢシェルに内蔵される。電動自転車が平坦な路面を走行する際、ユーザーは比較的楽にクランクアームを踏み込むことが可能である。このときセンサーによって感知されたクランクアームのトルクは比較的小さいため、モーターは比較的小さい補助動力を出力する。電動自転車が登り坂を走行する際、ユーザーは両足で比較的大きい力を入れてクランクアームを踏み込まなければならない。このとき、センサーによって感知されたクランクアームのトルクは比較的大きいため、モーターは比較的大きい補助動力を出力し、自転車の前進を手伝う。上述した通り、電動自転車に乗る際、体力の無駄を省き、操作が簡単であるだけでなく、環境保護の目的を達成することが可能である。

上述した電動自転車はクランクアームのトルクの大きさに基づいてモーターからの補助動力を調整する。ユーザーは自転車に乗って登り坂を走行する際、足が疲れたら、変速器によって自転車のギヤ比を小さくして比較的楽にクランクアームを踏み込むことができるようになる。しかしながら、ギヤ比が小さくなればクランクアームのトルクも小さくなるのに対し、モーターから出力される動力が小さくなるため、ユーザーは電動自転車に乗って登り坂を走行する際、自らクランクアームを持続的に踏み込まなければならない。このとき、モーターは補助動力をそれ以上供給することができないため、電動自転車は登り坂の走行に確実に対応できず、ユーザーに負担を掛け、乗り心地に影響を与える。

一方、電動自転車は法令によって速度制限がされており、制限速度の上限に達すると、モーターからの補助動力を中断しなければならないため、現今の電動自転車は制限速度の上限に達すると、モーターの動力曲線が最小補助動力を出力する状態になるように設計されている。実際に速度が速ければ速いほど自転車全体の総効率を漸増させなければならない。かつ走行状態を持続的に安定させるには、より多くの補助動力が必要であるのに対し、モーターは対応できる動力を供給することができないため、ユーザーはより力を入れて踏み込まなければならない。従ってユーザーを悩ませるだけでなく、電動自転車の長所を発揮することができない。

本考案の主な目的は、効率よく補助動力を出力することによって様々な路面状況を走行する際に自転車を安定させ、乗り心地を良くすることを可能にする電動自転車の動力制御装置を提供することである。

本考案のもう一つの目的は、比較的安いコストで自転車の状態を感知することを可能にする電動自転車の動力制御装置を提供することである。

上述の目的を達成するために、本考案による電動自転車の動力制御装置は、電動自転車に装着される。電動自転車はフレームおよびモーターを備える。フレームは駆動ギヤユニットを有する。モーターは電動自転車の補助駆動に用いられる。動力制御装置はセンサーおよびコントローラーを備える。センサーはフレーム上の駆動ギヤユニットに近い位置に配置され、かつ位置の変形量を感知するによって信号を生成する。コントローラーはセンサーおよびモーターに電気的に接続され、かつセンサーからの信号を受信することによってモーターの出力動力および効率曲線を同時に調整する。電動自転車の速度を法令による制限速度の上限まで上げる際、モーターは充分な出力効率を供給することが可能である。

本考案の一実施形態は、フレームの状態を正確に感知するために、フレームにフックを設け、フックにセンサーを配置する。

上述した技術特徴により、本考案は、様々な路面状況に応じて効率よく動力を出力し、比較的よい乗り心地および安定性を維持することが可能なだけでなく、比較的低いコストで自転車の状況を感知することが可能である。

本考案の一実施形態による電動自転車の動力制御装置を示す側面図である。 本考案の一実施形態による電動自転車の動力制御装置においてのフレームのバックフォークの一部分を示す側面図である。 本考案の一実施形態による電動自転車の動力制御装置においてのチェーンおよびセンサー出力信号を示すグラフである。 本考案の一実施形態による電動自転車の動力制御装置の構築を示す模式図である。 本考案の一実施形態による電動自転車の動力制御装置の作動状態を示す模式図である。 本考案の一実施形態による電動自転車の動力制御装置によるモーターの出力効率を示すグラフである。

以下、本考案による電動自転車の動力制御装置を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
図１および図２に示すように、本考案の一実施形態による電動自転車の動力制御装置４０は電動自転車に装着される。電動自転車は、フレーム１０、前輪１２、後輪１４、駆動ギヤユニット２０およびモーター１６を備える。前輪１２は回転可能なようにフレーム１０のフロントフォーク１１に装着され、後輪１４は回転可能なようにフレーム１０のバックフォーク１３に装着される。本実施形態において、モーター１６は、前輪１２を回転させるために前輪１２のハブ位置に装着されるＢＬＤＣモーターである。フレーム１０のバックフォーク１３は二つのフック１８を有する。後輪１４は二つのフック１８間に装着される。

駆動ギヤユニット２０は、大ギヤユニット２２、大きさおよび歯の数が異なる複数のチェーンホイール２４およびチェーン２６を有する。大ギヤユニット２２は回転可能なようにフレーム１０に装着され、かつ歯の数が異なる若干のギヤ板を有する。チェーンホイール２４はフレーム１０の後輪１４の一側に重なって固定される。チェーン２６は大ギヤユニット２２の一つのギヤ板と一つのチェーンホイール２４との間を囲むように装着される。ユーザーは大ギヤユニット２２のペダル２８を踏み込み、チェーン２６によって後輪１４を駆動すれば自転車を移動させることが可能である。

フレーム１０はさらに変速装置３０を有する。変速装置３０は異なるチェーンホイール２４と大ギヤユニット２２のギヤ板との間を囲むように装着されるチェーン２６を調整し、チェーンホイール２４とギヤ板上の数が異なる歯の間に生じるギヤ比に基づいてチェーンホイール２４を異なるトルクで駆動すると同時に後輪１４を回転させ、異なる回転速度を生じる。

動力制御装置４０は、センサー４２およびコントローラー４４を有する。本実施形態において、センサー４２はフレーム１０上の駆動ギヤユニット２０に近い位置に装着されるホールセンサー（Hall sensor）である。本実施形態において、センサー４２は一つのフック１８に配置されるが、フレーム１０に接触可能な部位に装着されてもよい。センサー４２は踏み込む際のトルクに伴って変形区域を生成する。チェーンホイール２４はフック１８に配置されるため、チェーンホイール２４がチェーン２６の駆動によって回転する際、大ギヤユニット２２が踏み込まれて生じるトルクは直接チェーン２６およびチェーンホイール２４を介してフック１８を伝わることによってフック１８の構造を変形させる。このとき、駆動ギヤユニット２０が自転車を回転させれば、センサー４２はフック１８の変形を感知することによって対応する信号を生成することが可能である。コントローラー４４はセンサー４２およびモーター１６に電気的に接続されるため、センサー４２から感知された信号を受信し、信号に基づいてモーター１６からの補助動力を調整することが可能である。

上述した本考案の構築の説明により、図５に示すように、大ギヤユニット２２の歯の数がＴ₁、チェーンホイール２４の歯の数がＴ₂、ペダル２８の長さがＬ、ユーザーのペダルを踏み込む力がＦ₁である場合、下記の数式によってチェーンホイール２４を伝わるトルクＭの大きさは駆動ギヤユニット２０のギヤ比に直接関係があり、トルクＭに応じてフック１８の変形量は踏み込む力Ｆ₁に正比することが判明する。

図３に示すように、チェーンホイール２４を駆動するチェーン２６の張力が大きければ大きいほど、センサー４２から出力される電圧が高くなるのに対し、フック１８の変形量はチェーンホイール２４を伝わったトルクに応じて増加する。従って、図４に示すように、このような変化によりセンサー４２がフック１８の変形量に対応して信号を変化させる際、コントローラー４４は信号を読み取り、駆動ギヤユニット２０の伝動力を判読することによってモーター１６の出力動力を調整することが可能である。

センサー４２から感知されたフック１８の変形量が増加した時、チェーンホイール２４を伝わったトルクは比較的大きい、即ち自転車には比較的大きい動力が必要であることを表示する。このとき、コントローラー４４はモーター１６に比較的大きい補助動力を出力させることによって前輪１２を回転させることが可能であるため、ユーザーは自らの力のみで大ギヤユニット２２を踏み込む必要なく、モーター１６の動力によって自転車を容易に乗り、省力を達成することが可能となる。センサー４２から感知されたフック１８の変形量が減少したか比較的小さい際、チェーンホイール２４を伝わったトルクは比較的小さいため、コントローラー４４はモーター１６の出力動力を減少か停止させ、ユーザーに単なる自転車を踏み込ませる状態を復元する。センサー４２は直接フレーム１０およびフック１８と結合し、フック１８の変形量を感知することによって後続の制御を進めるため、本考案は部品を簡単化し、コストを削減し、自転車の状態を正確に感知することが可能である。

本考案はセンサーによってフックの変形量を感知する方式を使用するほかに、モーターの出力特性を調整することによって電動自転車の動力特性を改善することも可能である。図６中のＣ₁曲線に示した通り、従来のモーターの出力動力の設計により、自転車の速度が上限値Ｓ_Hに達する際、モーターはゼロに近い補助動力を出力する。自転車が登り坂で時速上限に達する際、モーターは余分な補助動力を供給することができないため、動力を維持するには、踏み込むことに頼るしかない。それに対し、本考案の補助動力は図６中のＣ₂曲線に示した通り、自転車の速度が速ければ速いほどモーターから供給される効率が増大するため、本考案はモーター１６が最大出力動力に達する際、変速装置３０によってギヤ比を変え、フック１８の受ける力および変形量を増加させ、センサー４２によって自転車の状態を感知し、コントローラー４４によってパルス幅変調（Pulse Width Modulation,ＰＷＭ）を行うことが可能であるため、モーター１６の出力特性が最大出力効率に達する前、速度の増大に伴って安定した補助動力の出力を増加させ、動力効率を高めることが可能となるだけでなく、自転車に乗る際の順調性および快適性を向上させることが可能となる。

以上、本考案は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、考案の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１０：フレーム
１１：フロントフォーク
１２：前輪
１３：バックフォーク
１４：後輪
１６：モーター
１８：フック
２０：駆動ギヤユニット
２２：大ギヤユニット
２４：チェーンホイール
２６：チェーン
２８：ペダル
３０：変速装置
４０：動力制御装置
４２：センサー
４４：コントローラー

Claims (9)

1. 電動自転車の動力制御装置において、前記電動自転車はフレームおよびモーターを備え、フレームは駆動ギヤユニットを有し、モーターは前記電動自転車の補助駆動に用いられ、前記動力制御装置はセンサーおよびコントローラーを備え、
   前記センサーは、前記フレーム上の前記駆動ギヤユニットに近い位置に配置され、かつ位置の変形量を感知するによって信号を生成し、
   前記コントローラーは、前記センサーおよび前記モーターに電気的に接続され、かつ前記センサーからの信号を受信することによって前記モーターの出力動力を調整し、
   前記電動自転車の速度が上限値に達する際、前記モーターの出力効率はゼロより高いことを特徴とする電動自転車の動力制御装置。
2. 前記フレームは、さらにフックを有し、前記センサーは前記フックに配置されることを特徴とする請求項１に記載の電動自転車の動力制御装置。
3. 前記コントローラーは、パルス幅変調によって前記モーターの出力動力を調整することを特徴とする請求項１に記載の電動自転車の動力制御装置。
4. 前記モーターの出力効率は、前記電動自転車の速度の上昇に伴って増大することを特徴とする請求項１に記載の電動自転車の動力制御装置。
5. 駆動ギヤユニットを有するフレームと、
   前記フレームに装着され、前記駆動ギヤユニットの駆動によって回転する二つの車輪と、
   前記フレームに装着され、一つの前記車輪を回転させることが可能であるモーターと、
   センサーおよびコントローラーを有する動力制御装置と、を備え、
   前記センサーは、前記フレーム上の前記駆動ギヤユニットに近い位置に配置され、かつ位置の変形量を感知するによって信号を生成し、
   前記コントローラーは、前記センサーおよび前記モーターに電気的に接続され、かつ前記センサーからの信号を受信することによって前記モーターの出力動力を調整し、
   前記電動自転車の速度が上限値に達する際、前記モーターの出力効率はゼロより高いことを特徴とする電動自転車。
6. 前記フレームは、さらにフックを有し、前記センサーは前記フックに配置されることを特徴とする請求項５に記載の電動自転車。
7. 前記コントローラーは、パルス幅変調によって前記モーターの出力動力を調整することを特徴とする請求項５に記載の電動自転車。
8. 二つの前記車輪は、前記フレームの前方および後方に配置され、前記モーターは前記フレームの前方に位置する前記車輪を駆動することを特徴とする請求項５に記載の電動自転車。
9. 前記モーターの出力効率は、前記電動自転車の速度の上昇に伴って増大することを特徴とする請求項５に記載の電動自転車の動力制御装置。

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