JP2000118479A - 助力機能付き自転車 - Google Patents

助力機能付き自転車

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JP2000118479A
JP2000118479A JP10289276A JP28927698A JP2000118479A JP 2000118479 A JP2000118479 A JP 2000118479A JP 10289276 A JP10289276 A JP 10289276A JP 28927698 A JP28927698 A JP 28927698A JP 2000118479 A JP2000118479 A JP 2000118479A
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human power
bicycle
electric
averaging
power
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Yasuhito Eguchi
安仁 江口
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Original Assignee
Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的簡単な方法で、消費電力を低減して、
効率を向上し、運転者の負担を低減した助力機能付き自
転車の実現を課題とする。 【解決手段】 走行に要する駆動力の一部を人力に対し
て助力する電動機と、この電動機に電力を供給する電池
等からなる電源と、走行の駆動力として与えられる人力
を検出するトルク検出部1−6と、検出されたトルクの
大きさに応じて電動機の稼働状況を制御する制御手段と
を有する助力機能付き自転車において、ペダル1−1へ
の踏力として与えられるトルクを平均化するフライホイ
ール1−3−1や電気的平均化手段を具備し、制御手段
は平均化されたトルクの大きさに応じて電動機の稼働状
況を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、助力機能付きの自
転車に関し、特に電動機による助力装置を有し人力に余
力のあるときはエネルギーの一部を充電に当てて走行距
離を延ばすことが可能な助力機能付きの自転車に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来の助力機能付きの自転車では、検出
した人力の駆動力に応じ電動機の電流を制御している。
人力の駆動力はペダルを足で踏むことで発生するが、ペ
ダルが円運動なので、その大きさは時間によって変化す
る。図5に踏力による駆動力(踏駆動力)と電動機駆動
力(電駆動力)と電動機電流の関係を示す。
【0003】図5において、は踏駆動力であり、人力
に対する電動機の助力比を例えば1とすると、電動機の
動力は踏駆動力と同じになる。は踏駆動力+電駆動力
であり、本例では2倍の駆動力となる。は電駆動力を
出す電動機に流れる電流の変化の状態を表す。電動機は
流れる電流に比例したトルクを発生するので、電流変化
は電駆動力に相似する。
【0004】図6に変動駆動力とそれを平均化した平均
駆動力の関係を示す。この様に時間と共に変化する変動
駆動力によって走行するが、実際には車体や運転者の
慣性で平均化され、比較的滑らかに進行する。滑らかに
進んでいる場合の平均速度は、ほぼ平均駆動力と走行
抵抗から求められる。図7に速度と勾配に対する走行抵
抗を示す。駆動力と走行抵抗が交差する点が速度とな
る。
【0005】このように変動する駆動力で走行した場合
には、次のようなロスが発生する。先に述べたように電
動機には図5のに示すような電流が流れる。電流が流
れる経路に抵抗があると、次式の様な損失Lが発生す
る。 L=I2 R(電流×電流×抵抗) 電動機には内部抵抗R3があり、また、配線抵抗R2や
コネクター抵抗、制御素子抵抗等いろいろな抵抗R1が
あり、図8に示すようにそれらの抵抗を合計したものが
損失抵抗Rとなる。
【0006】電流が変動して流れたときの損失は、平均
した電流が流れたときの損失より大きくなる。例えば、
変動電流の変化が正弦波的であったとすると、波形率は
約1.11であり、内部抵抗による損失は平均電流が流
れたときのそれの1.23倍となる。波形率とは、ある
連続した波形に対する実効値と平均値の違いを表したも
ので、 波形率=実効値/平均値 である。
【0007】図9の図表に波形に対する損失の違いを具
体的な数値で示した。また、動力伝達系の歯車減速機、
チェーン、ベルト、軸受け等にも変動する駆動力の影響
が生じ、損失増大や必要強度増大等の悪影響を与える。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述のごとく、従来の
助力機能付き自転車では、助力電動機に流れる電流波形
はペダルへの踏力に相似した変化をしていた。このため
に抵抗による損失が平均電流が流れたときの損失に対し
て波形率の2乗分大きくなっていた。また、機械的な損
失も平均化された駆動力が働く場合のほうが少なくな
る。
【0009】本発明は、この点を比較的簡単な方法で解
決して、電動機により踏力の平均値に対応する助力を行
うことにより、消費電力を低減して、効率を向上し、運
転者の負担を低減した助力機能付き自転車の実現を課題
とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明は、走行に要する駆動力の一部を人力に対し
て助力する電動機と、この電動機に電力を供給する電池
等からなる電源手段と、走行の駆動力として与えられる
人力を検出する人力検出手段と、この人力検出手段が検
出する人力の大きさに応じて前記電動機の稼働状況を制
御する制御手段とを有する助力機能付き自転車におい
て、ペダルへの踏力として与えられる人力を平均化する
平均化手段を具備し、前記制御手段はこの平均化手段が
平均化した人力の大きさに応じて前記電動機の稼働状況
を制御することを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる助力機能付
き自転車を添付図面を参照にして詳細に説明する。図1
に、本発明の助力機能付き自転車の一実施の形態の駆動
輪付近の構成を示した。この実施の形態ではペダル回転
部にフライホイールを配置する。図1においては、ギア
クランクのギア1−3−2がフライホイールを兼ねてい
る。フライホイールはクランクの回転数と同じなのでか
なり重くしないと効果が薄い。左右のペダル1−1を踏
んでクランク1−2を回転させ、フライホイール(ギ
ア)1−3−1を回転させる。
【0012】クランク1−2とフライホイール1−3−
1との伝達部にはフリーホイール(一方向クラッチ)1
−4を設け、クランク1−2がフライホイール1−3−
1によって回されないようにすることで、運転者の違和
感をなくす。クランク1−2部分では変動している力が
フライホイール1−3−1で平均化されているので、ギ
ア1−3−2、チェーン1−5部では平均化された力と
なっている。もし、この系で平均化されたトルクを検出
するとしたら、フライホイール1−3−1とギア1−3
−2の境目が適当である。
【0013】図2は、本発明の助力機能付き自転車の他
の実施の形態の駆動輪付近の構成で、この例では、フラ
イホイール1−3−1を増速して効果を増強したもので
ある。増速機1−3−3はクランクシャフト1−8とフ
ライホイール1−3−1間に設け、数倍から数十倍に増
速する。増速機1−3−3の形式は本図では一段の歯車
増速のように示しているが、増速比等から多段歯車、ベ
ルト、チェーン等としても良い。トルク検出部1−6
は、図1と同様である。フライホイールによる平均化の
様子を図3に示す。フライホイールにより、トルクは図
3(a)の形から、図3(b)のように変換される。機
械的平均は電動助力がない場合にも効果的であり、電動
助力と組み合わせればさらに良い効果が期待出来る。
【0014】以上の2例は機械的な平均化の例である
が、踏力(トルク)を検出した後に電気的に平均化する
方法を採ることも可能である。この場合、踏力トルクは
変動した駆動力としてチェーン等に伝わり、ある程度の
機械的損失は発生する。しかし、モータによる助力は、
平均化された力を出すので電気的な損失は減少する。ま
た、モータで助力することでチェーンなどに伝わる力の
変動量は減少するので機械的損失も減少する。
【0015】図4に、本発明の助力機能付き自転車の他
の実施の形態のブロック図を示す。トルク検出回路2−
1からの信号は、トルク平均回路2−2で平均化され、
平均化された踏力データがモータ駆動出力計算回路2−
3に入る。トルク平均回路2−2は低域ろ波器で構成し
てもよいし、ディジタル化した後、CPUなどのディジ
タル演算素子を用いて実現しても良い。また、トルク検
出回路2−1は、ペダルに与えられた人力を直接測定し
ても良いし、人力と電動機の助力の両者でそうこうして
いる時の走行状態から逆算して検出しても良い。演算方
法の例をあげると、走行抵抗をR、人力をF1、電動機
の助力をF2、加速度をα、体重と車体重の和である重
量をmとすると、 F=mα F=(F1+F2−R) から F1=mα−F2+R となって加速度から人力F1が求められる。ここで走行
抵抗Rは勾配や速度や重量mとタイヤなどで決まる抵抗
分から求まる。速度センサ、勾配センサ、重量センサな
どの検出値ととあらかじめ定めた走行抵抗分から現走行
抵抗Rを求めることができる。
【0016】一方、走行状態検出回路2−8から車速デ
ータが助力条件設定回路2−6に入力される。モータ駆
動出力計算回路2−3では踏力データと車速データから
モータ出力を算出する。たとえば、車速15km/hま
では踏力による駆動力と同じ大きさの駆動力をモーター
が助力し、15km/hを超えると徐々に助力を弱くし
て、24km/hを超えるとモーター助力は0にする、
というような算出をする。
【0017】走行状態検出回路2−8は、モータ電流等
を検出していて例えばモーターの出力が規定通り出てい
るかを監視したり、過電流が流れていないかなどを監視
する。走行環境検出回路2−7は、温度や道路勾配等の
データを助力条件設定2−6に入力する。このデータに
より、助力条件設定を基本の設定とは異なる条件に変更
する等に使う事も出来る。例えば、温度が高くて運転者
の消耗が激しい等のときは助力を最大規定値まで増加さ
せたり、勾配が緩いときは助力を下げたり、砂利道とか
雪道とか滑りやすい時は助力を下げたりする等バリエー
ションを得るときにも使うものである。
【0018】以上のように本発明では、ペダルへの踏力
の大きさに応じて平均化した電動機の助力を行うことに
したので、 1.I2 のロスが最低となり走行距離が延び、無駄な発
熱がなくなる。 2.動力伝達機構に必要以上の力が働くことがなくな
り、損失が小さくなり、信頼性も上がる。 3.伝達機構に関係した部分の強度が小さくてすむ。 4.クランクの上死点、下死点での助力により、運転者
の負担が小さくなる。等の利点が生まれる。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項1の
発明は、走行に要する駆動力の一部を人力に対して助力
する電動機と、この電動機に電力を供給する電池等から
なる電源手段と、走行の駆動力として与えられる人力を
検出する人力検出手段と、この人力検出手段が検出する
人力の大きさに応じて電動機の稼働状況を制御する制御
手段とを有する助力機能付き自転車において、ペダルへ
の踏力として与えられる人力を平均化する平均化手段を
具備し、制御手段はこの平均化手段が平均化した人力の
大きさに応じて電動機の稼働状況を制御することを特徴
とする。これにより、電気系の損失を最低にすることが
でき、走行距離が延び、無駄な発熱がなくなる。また動
力伝達機構に必要以上の力が働くことがなくなり、損失
が小さくなり、信頼性も上がり、かつ運転者の負担が少
なくなる。
【0020】本発明の請求項2の発明は、平均化手段は
フライホイール等の機械的平均化手段であることを特徴
とする。これにより、機械系の動力伝達機構に働く力を
平均化できるので、機械系の損失を少なくし信頼性を向
上することができると共に、電気系の損失をも少なくす
ることができる。
【0021】本発明の請求項3の発明は、人力検出手段
は人力を電気信号に変換する力−電気変換手段を具備
し、平均化手段はこの力−電気変換手段によって変換さ
れた電気信号を平均化する電気的平均化手段であること
を特徴とする。これにより、比較的簡単な方法で平均化
を実現することが可能になり、装置を軽量に構成して、
電気系の損失を低減することができる。
【0022】本発明の請求項4の発明は、前記人力検出
手段は人力を人力と助力での走行状態から刻々に演算し
て求め、平均化手段は人力検出手段が演算から求めた人
力を平均化する電気的平均化手段であることを特徴とす
る。これにより、比較的簡単な方法で精度良く平均化を
実現することが可能になり、装置を軽量に構成して、電
気系の損失を低減することができる。
【0023】本発明の請求項5の発明は、電気的平均化
手段を低域ろ波器に電気信号を通過させることによって
実現することを特徴とする。これにより、比較的簡単な
構成で平均化を実現することが可能になり、電気系の損
失を低減することができる。
【0024】本発明の請求項6の発明は、電気的平均化
手段をディジタル演算手段を用いて実現することを特徴
とする。これにより、比較的容易にかつ精度良く、平均
化を実現することが可能になり、電気系の損失を低減す
ることができると共に、走行環境に適した制御等を合わ
せて実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の助力機能付き自転車の一実施の形態の
駆動輪付近の構成図。
【図2】本発明の助力機能付き自転車の他の実施の形態
の駆動輪付近の構成図。
【図3】フライホイールによる力の平均化の様子を示す
説明図。
【図4】本発明の助力機能付き自転車の他の実施の形態
のブロック図。
【図5】踏力による駆動力と電動機の駆動力と電動機電
流の関係を示す図。
【図6】駆動力の平均化を示す図。
【図7】速度と勾配にたいする走行抵抗を示す図。
【図8】電気系の抵抗の説明図。
【図9】波形による損失の差を示す図表。
【符号の説明】
1−1…ペダル、1−2…クランク、1−3−1…フラ
イホイール、1−3−2…ギアクランクのギア、1−3
−3…増速機、1−4…一方向クラッチ、1−5…チェ
ーン、1−6…トルク検出部、1−7…後輪ギア、1−
8…クランクシャフト、2−1…トルク検出回路、2−
2…トルク平均回路、2−3…モータ駆動出力計算回
路、2−4…モータ駆動電圧電流制御回路、2−5…電
池、2−6…助力条件設定回路、2−7…走行環境検出
回路、2−8走行状態検出回路、2−9…電動機。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 走行に要する駆動力の一部を人力に対し
    て助力する電動機と、この電動機に電力を供給する電池
    等からなる電源手段と、走行の駆動力として与えられる
    人力を検出する人力検出手段と、この人力検出手段が検
    出する人力の大きさに応じて前記電動機の稼働状況を制
    御する制御手段とを有する助力機能付き自転車におい
    て、 ペダルへの踏力として与えられる人力を平均化する平均
    化手段を具備し、前記制御手段はこの平均化手段が平均
    化した人力の大きさに応じて前記電動機の稼働状況を制
    御することを特徴とする助力機能付き自転車。
  2. 【請求項2】 前記平均化手段はフライホイール等の機
    械的平均化手段であることを特徴とする請求項1に記載
    の助力機能付き自転車。
  3. 【請求項3】 前記人力検出手段は人力を電気信号に変
    換する力−電気変換手段を具備し、前記平均化手段はこ
    の力−電気変換手段によって変換された電気信号を平均
    化する電気的平均化手段であることを特徴とする請求項
    1に記載の助力機能付き自転車。
  4. 【請求項4】 前記人力検出手段は人力を人力と助力で
    の走行状態から刻々に演算して求め、前記平均化手段は
    前記人力検出手段が演算から求めた人力を平均化する電
    気的平均化手段であることを特徴とする請求項1に記載
    の助力機能付き自転車。
  5. 【請求項5】 前記電気的平均化手段を低域ろ波器に電
    気信号を通過させることによって実現することを特徴と
    する請求項3または請求項4に記載の助力機能付き自転
    車。
  6. 【請求項6】 前記電気的平均化手段をディジタル演算
    手段を用いて実現することを特徴とする請求項3または
    請求項4に記載の助力機能付き自転車。
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