JP2001339812A - 電動車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 より簡単な機構で電動車の車輪外周部を確実に駆動す
る。特にリム近傍のギア駆動、ローラ駆動を車輪の薄さ
を犠牲にすることなく駆動する。また、回生・ソーラ・
風力などの変動エネルギーを、直接蓄電器（池）に蓄え
て利用する。たとえば、ソーラ・風力などで蓄えられた
エネルギーを電気自動車などに供給する給電機が実現す
る。また、介護者にも負担の少ない電動車椅子を可能に
する。 【目的】 よりシンプルで安価な電気自転車、電動車椅
子の実現。新交通システム（電気自動車＋給電機）の実
用化。介護者にも負担の少ない電動車椅子の実現。 【構成】 車輪外周駆動装置、充放電装置、電動車椅子

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は 電動自転車、電動
車椅子、三輪車、カート、電気自動車などの電動車の車
輪駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電動車の駆動方式としては、従来からモ
ータを用いたクランク軸駆動、ハブ駆動、車輪外周駆動
などの方式が知られている。モータは、高速回転・低ト
ルクなので、前記２つの駆動方式では中間ギアを設け、
低速回転・高トルクにするのが一般的である。しかし、
自転車、車椅子などは電動化した場合、全体重量が軽い
こと、価格が安いこと、効率が良いことが、自動車に比
べ重要であるが、中間ギアの存在はいずれの点からも好
ましくない。そこで、まれに、ギア無しモータで直接ハ
ブ軸を駆動する電気自転車が出現したが、モータが特殊
で高価であり、又効率も悪い。そのために同じ距離を走
るのに必要なバッテリ容量が大きくなり、価格が高くな
る。中間ギアのない典型的駆動法として、車輪外周を駆
動する方法がある。しかし、一般的に車輪はぶれるの
で、車輪面と直角方向のリム上にギアを設けて駆動する
方法が提案されているが、自転車などでは、モータなど
で車輪幅が損なわれ、スマートでない。

【０００３】ところで、自転車、車椅子など軽い乗り物
の車輪駆動装置においては、装置の電源であるバッテリ
への充電は、別置きの充電器で行う場合が多い。確か
に、バッテリだけ持ち運べば機能するので、便利な面も
あるが重いバッテリの落下、故障、全体のコストアップ
の欠点がある。一方、電気自動車などの多くは、回生機
能を有する。いわゆるブレーキをかけるとき、モータを
発電機として利用し、電力をバッテリに蓄えようとする
機能である。ところが発電電圧はバッテリ電圧より低い
ためにバッテリへの充電ができず、このため、従来、昇
圧回路が必要であり、重いトランスや複雑な回路を使用
していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる欠点を
解決しようとするものであり、車輪外周駆動装置におい
て、駆動しない時は軽く空転でき、駆動時には確実に駆
動でき、かつ車輪部全体が薄い駆動機構を提案する。よ
り安価でノイズの少ない充放電（制御）装置を提案す
る。風車、ソーラ、モータ回生、の電圧を効率よく回収
する充放電装置搭載の電動車を提案する。また、電動車
椅子を、介護者と被介護者が共通レバーで操作できる機
構を提案する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】「図１」は、自転車や車
椅子「図１１」などの車輪外周駆動装置の断面概要図で
あり、同図で、１は車輪のタイヤ、２はリム、３はスポ
ーク〈リム側）、４はモータ、５は駆動ギア、６はリン
グギア、８Ａはガイド支柱、９は支点、１０、１１はガ
イドローラである。まず、モータ４が止まり、タイヤ１
のみが回転する時、ガイドローラ１０，１１と駆動ギア
５が回転する。ガイドローラ１０はタイヤ１に、１１は
リム２又はタイヤ１上にそれぞれ軽く接しているので、
軽いタイヤ力で空転する。また、駆動ギア５とリングギ
ア６とは若干の隙間が出来るよう、ガイドローラ１０の
径が決められているため、両ギアの歯と歯の当たる音が
無く駆動ギア５は回転する。この場合は、駆動ギア５は
ワンウエイ構造にしても良い。すると駆動ギア５が駆動
と逆の回転のときは、軽く回る。次に駆動時、つまりモ
ータ４に電気が加わり、駆動ギア５がリングギア６を駆
動する場合、垂直方向に反力が生じ〈図面では左右方
向）、ギア同士が離れようとする。これをモータ４に結
合しているガイド支柱８Ａが阻止する。従来の技術で
も、リムにギアベルトを設け、ガイドローラ１０をタイ
ヤにバネで押し付けて駆動する方法があった。このよう
にすると、ガイドローラ１０の中心部に大きな力が加わ
り、損失が増大する欠点があった。本発明では、反力に
対抗するガイドを新たに設け、空転時にはガイドローラ
１０に力が加わらないようにしたことにある。ガイド支
柱８Ａは若干バネ性があり、小石などがリングギア６に
挟まったとき、歯が欠けるのを防止する。「図２」は
「図１」に示した車輪外周駆動装置の底面概略図であ
る。しかし、この方式の欠点は、構造が複雑な事、パン
ク修理の時ガイドローラ１１をはずさないと、タイヤ１
をはずすことができない事にある。

【０００６】「図３」「図４」は、「図１」「図２」に
示した装置のかかる欠点をガイドレールを設けて解決し
ようとする他の２つの車輪外周駆動装置実施例の断面概
略図である。「図３」「図４」双方とも、２つのガイド
ローラは無い。その代わり、ガイドレール７Ａ，７Ｂを
設けてある。「図３」では、ガイド支柱８Ｂの先端（凹
状）でレール７Ａを挟む。また、ガイド支柱８Ｂに固定
されたバネ１２はモータ４の回転軸の先端を挟んでい
る。その結果、駆動ギア５とリングギア６の歯同士を、
付かず離れずの状態に保つことができる。「図４」では
レール７Ｂを設けることは「図３」と同じであるが、リ
ングギア６Ａを車輪と同心円で設けられた円板の周辺
に、円板と直角に設けた車輪外周駆動装置の他の例であ
る。凹状ガイド支柱８Ｃで、リングギア６Ａの延長にあ
るレール７Ｂを挟みこむ。モータ４は従って車輪に直角
に設ける。このような構成にすると、リングギア６Ａの
内側を駆動ギア５で駆動するため、より大きな駆動が可
能になる。また、ガイド支柱８Ｃを設け、モータ４を支
点９で首振りにすることが可能なため、取り付け精度が
厳しくなく、モータ軸に曲げ力も少なく駆動できる。と
ころで、「図３」で、モータ４の先端をガイドバネ１２
で押さえてもよい。バネ１２の形状は台形にしてもよ
い。こうすると、モータの反力が小さいときは変位が小
さく、反力が大きい時は大きく変位してギアの山越えに
より、歯欠けを防ぐ。

【０００７】さて、「図５」「図６」は、「図３」「図
４」とは異なり、凹凸の無いローラ５Ａ，５Ｂで車輪外
周部を駆動する装置実施例の概略断面図である。「図
５」では、ローラ５Ａとローラ１１でリング板６を強い
力で挟み込んで駆動する。強い力で挟むために，ガイド
支柱８Ｄのローラ間を連結する部分は、バネにする。ま
た、接触面積を小さくし、応力集中を行わせるため、ロ
ーラ５Ａの円周部は球状にし、リング板６は硬い材質に
する。また、ガイド支柱８Ｄの先端部のバネ８３は、ガ
イド支柱８Ｄに下方向の力を加え、これと連結している
ローラ５Ａ、ローラ１１を回転に伴い下方に移動させ、
結果的にリング板６と切り離すためのものである。

【０００８】「図６」は駆動ローラ５Ｂを円錐状にし、
変速機能を持たせるようにした車輪外周駆動機構の断面
概要図である。すなわち、ガイド支柱８Ｅを下方向に押
すと、やがてはローラ５Ｂが下がり、リング板６の円形
の突起はローラ５Ｂの先端部で駆動される。つまりトル
クが大きく、速度が遅い駆動になる。逆に、ガイド支柱
８Ｅを上方向に移動させると、ローラ５Ｂの下端部がリ
ング板６の突起を駆動して、車輪の高速回転駆動が可能
になる。ところで、「図５」では、ローラ５Ａとリング
板６とは点接触に近い接触面積で接して駆動するが、ロ
ーラ５Ａとリング板６の接触部の形状をＶ型または台形
型にすることにより、線または面接触駆動にしてもよ
い。たとえば、リング板６上に断面が台形の凸状帯を取
り付ける。一方、ローラ５Ａの外周部には凹状台形の切
りこみを施す。（凹凸部に若干の角度差を持たせる）こ
のようにしたローラ５Ａをリング板６に押し付けて回転
すると強い伝達力でリング板６も回転する。

【０００９】つぎに、充放電装置〈簡易型〉の考案につ
いて述べる。「図７」は、本考案の回路構成概要であ
る。従来の、充電器＋制御装置に該当する。この図で、
２０は、ＡＣ電圧の全波整流器、１３、２４〜２７は半
導体などの高速スイッチ、２２および２３は蓄電器又は
蓄電池、２８はモータ、２９はマイクロコンピュータ、
３０は積分器である。「図７」に従って動作を説明する
と、まず、商用ＡＣ電圧が加わると、２０で全波整流さ
れる。つぎに、マイクロコンピュータ（以下マイコンと
称す）２９又は別途のハードウエアーから、いわゆるＰ
ＷＭ制御信号を出し、スイッチ１３をＯＮ、ＯＦＦす
る。１４０Ｖの波高値のＡＣ電圧は３０−５０Ｖの低い
電圧のみとすることができる。蓄電池２２、２３は、そ
れぞれ約１２Ｖであるから，上記電圧により充電がおこ
なわれ、マイコン２９は、別途蓄電池の電圧または電流
を検出して充電終了を判断し、スイッチ１３を停止させ
る。

【００１０】次に放電であるが、これは階段状のＰＷＭ
波形でモータを駆動することにより行う。すなわち、
「図７」でスイッチ２５と２７をＯＮにして１２Ｖをモ
ータに供給する。固定の短い時間後、２５をＯＦＦにし
て２４をＯＮにし、２４Ｖをモータ２８に供給する。こ
の、２４Ｖを供給する時間は、別途指示される出力指令
値に比例させ、この時間に達すると、まず、スイッチ２
７はＯＦＦ、２６をＯＮにし、固定の短い時間後、全ス
イッチをＯＦＦにする。〈次の周期まで〉上記をＰＷＭ
波形の１セットとし、このセットを周期ごと繰り返す。
（これを通常放電と命名する）この通常放電のほか、個
別放電とでも言うべき放電がある。スイッチ２５と２
７、またはスイッチ２４と２６をＯＮにしてどちらかの
１２Ｖのみを放電させる機能である。

【００１１】以上説明したように、本装置は簡単な構成
で、ＡＣ電源より直接充電し、パルスの立ち上がりと立
下りの電圧を階段状にしたＰＷＭで放電させ、電磁波発
生の５０％削減や個別放電が可能になる。電圧を階段状
にせず、フィルターを入れる従来の方法で、電磁波を削
減してもよい。

【００１２】さて、「図７」は、モータ２８を駆動する
のみの回路であるが、「図８」はモータが発電機になる
場合の回生〈ブレーキ時〉も可能な回路構成図である。
この図８で、モータ駆動時にはスイッチ２４，２７のオ
ンオフのＰＷＭ波形がモータに供給されている。このＰ
ＷＭは電磁波ノイズが発生し易いので、波形円滑化フイ
ルター７４，７５，７６を通して直流に近づける。ま
た、７７はバッテリー等の温度上昇を検出するためのサ
ーミスタで，例えば温度Ｔ℃とするとモータ駆動のＰＷ
Ｍ波のオン時間幅＝計算上のオン時間幅−α（Ｔ℃−４
５℃〉のようにすると、４５℃を超えるとモータ出力を
下げる例となる。

【００１３】「図８」の他のスイッチ７０，７１，７
２，７３はブレーキ時に発電機〈モータ〉２８から、回
生を２段で行うためのものであり、２８からの電圧が高
い時は、スイッチ７０，７３をオンにし、低くなると、
スイッチ７０，７２とスイッチ７１，７３を交互にかつ
高速にオン・オフする。この動作は、フットブレーキを
踏む深さに連動させても良い。つまり、浅く踏まれた時
には、上記スイッチのオン時間幅を更に狭くしても良
い。７８はこのブレーキの深さ検出器である。

【００１４】つぎに、充電側も分割蓄電器と並列スイッ
チで行う、本格的充放電装置の考案について記載する。
モータを発電機にして回生電圧を取り込む電気自動車
や、ソーラ電圧や風力電圧など変動する電圧を取り込む
時に、特に有効である。「図９」は、本発明による充放
電装置の構成概要図で、２０はＡＣ電圧全波整流器、２
８はモータ、６８は風力発電機、６９はソーラパネル、
３７，３８および３１〜３６はそれぞれＡＣ電圧、モー
タ、風力発電機、ソーラパネル、用のスイッチである。
４２から５１は、４エレメントに分割した場合の蓄電器
（池）と充放電するためのスイッチである。４０，４１
は、上記スイッチ４２〜５１の共通線の出入り口であ
る。６１〜６４は、バッテリや二層レイヤ（コンデン
サ）などから成る蓄電器または蓄電池である。「図１
０」は横軸が時間、縦軸が電圧での、各電圧変化の概略
を示したもので、６５はＡＣ全波整流電圧、６７はモー
タを発電機とした時の回生電圧、６６は風力発電機やソ
ーラの電圧である。

【００１５】同図に従って動作を説明する。まず、ＡＣ
電圧６５のように、高速で対称的な電圧から蓄電器に充
電するときは、「図９」で２１と４０、２２と４１を接
続後、以下のようにスイッチをＯＮ，ＯＦＦして充電す
る。まずＡＣ電圧が低い電圧の時、４５、５１をＯＮに
して充電し、高くなるに従い、４４，４３，４２を次々
とＯＮ（４５、４４、４３を次々とＯＦＦ）にし、低く
なるに従い、４２はＯＮのままで、５０、４９、４８と
次々にＯＮ（５１，５０，４９を次々とＯＦＦ）する。
このようにすると、各分割蓄電器（池）は、ほぼ平均し
た電気量を蓄えることができる。〈通常充電と呼ぶ〉各
蓄電器（池）の充電量は、マイコン２９内の４個のカウ
ンタに計測、格納される。充電量が均一でない時は、個
別充電が可能である。例えば、６２の蓄電器（池）の充
電量が足りない時、４３、４９のみをＯＮにすれば良
い。

【００１６】つぎに、本考案の一つである回生電圧の充
電について記載する。「図７」で、モータ端子スイッチ
３１を４１に、３２を４０に接続するとモータとして駆
動可能になるが、モータをブレーキの時など強制的に回
すと発電機になる。マイコン２９は、発電機になったこ
とを電圧または電流の監視で判断し、スイッチを切り替
える。（３１を４０に、３２を４１に、接続）その後、
スイッチ４２〜５１のうち、適切なものを切り替えて、
充電を開始する。たとえば、回生電圧値が高いときは、
スイッチ４２と４９、とスイッチ４４と５１を交互にタ
イムシェア的にオン・オフし、蓄電器（池）を２個ずつ
平均的に充電する。電圧値が低くなると、４２・４８、
４３・４９、４４・５０、４５・５１を時分割的に高速
にオン・オフし、蓄電器（池）を１個ずつ平均的に充電
する。電圧値が最も高い時は、スイッチ４２・５１のみ
オンにして、蓄電器（池）を４個一度に充電する。

【００１７】このよに、本発明によると、従来のような
電圧値減少時の昇圧回路を使用しなくても充電利用率を
高くすることができる。また、従来、分割蓄電器（池）
を用いる方法が無いわけではないが（ＵＳＡ特許ＮＯ：
３８６７６４３）、本発明がスイッチの並列と呼べるの
に対して、直列とでも称すべき回路方式であり、その方
式ではオン抵抗によるスイッチ損失が大きい。例えば、
４個の分割充電器（池）全てを使用する場合、本方式で
はスイッチ４２・５１〈充電時〉、４７・４６〈放電
時〉の２個ずつのオン抵抗で済むが、従来の方式では８
個ずつのオン抵抗になる。「図１０」の６６は、風力発
電機やソーラパネルからの電圧で、上記より変動が緩や
かであるが、充電方法は同じでもよい。すなわち、電圧
が低い時は、蓄電器（池）６１〜６４を一個ずつ充電
し、電圧が高くなるに従い、２個ずつ、４個、とすれば
よい。電圧に応じて、蓄電器（池）の電圧も変化させる
ため、充電抵抗値も小さくて良く、充電損失が少ないの
が本方式の最大の利点である。

【００１８】さて、今までの説明では充電用電源とし
て、ＡＣ商用電圧・回生電圧・風力電圧・ソーラ電圧、
放電対象としてモータ、を挙げたが、充電用電源として
そのほかガソリンエンジン等による発電機出力、商用以
外のＡＣ電圧でもよいし、放電対象として、モータ以外
の、ランプやスピーカ、振動体でもよい。

【００１９】しかしながら、「図９」の例では、上記充
電用電源や放電対象物を同時に動かすことは出来ない。
電動自転車などでは、充電終了後走行するので、充電と
放電が重なる時間帯がないので、このスイッチ回路は１
組でよい。電動自動車の場合、走行と回生は重ならない
ので、やはり一組でよいが、左右の車輪を独立に駆動す
る場合は、（モータ２個の時）「図９」とほぼ同じスイ
ッチ回路が２組必要となる。また、道路脇などで、風力
とソーラのエネルギーを同時に取り込む充放電装置（特
に電気自動車用給電装置）の場合も、スイッチ回路２組
が必要になる

【００２０】さて、「図１１」は、本考案による電動車
椅子の側面概要図である。８０は共通操作レバー、８１
は車体取り付け金具、８２は可変抵抗８３はバネであ
る。従来と異なる点は、市販品の手動車椅子を電動化し
たもので、特に従来、被介護者のみが動かすジョイステ
ィックの代わりに、介護者も同時に操作できるレバーを
設けたことにある。

【００２１】レバー８０はバネ８３により、右に収まっ
ているが、介護者または被介護者がレバー８０を左に押
すとその力の強さに比例した長さだけ左にスライドし、
ボリューム８２のレバーも同量変化させる。別途設けら
れた処理装置およびバッテリにより、ボリューム８２の
変化量分、電力をモータ２８に供給し、車体は右回転で
きる。車体の反対側面に設けられたもう一組のレバーも
同様に操作すれば、直進することも左回転することもで
きる。

【００２２】ボリューム８２とは別に、回転用ボリュー
ムを新設すれば、レバー８０を回転させながら左に押す
ことにより、１組のレバーだけででも、車体の左回転、
右回転、直進、後進、などが可能になる。また、レバー
を介護者用と被介護者用に２つに分割し、電気的に処理
しても良い。たとえば、被介護者のレバーの動きを優先
的にモータの動きに反映させてもよい。

【００２３】

【本発明による効果】以上、本発明によれば、より簡単
な機構で電動車の車輪を確実に駆動できる。また、効率
のよい回生手段により電動車自身の蓄電効率が良い電動
車が実現できるだけでなく、ソーラ・風力などのエネル
ギーを、直接、外部充電器（池）に貯め、他の供給手段
を用いて、走行中あるいは停止中の電動車にエネルギー
を供給する、いわゆる外部給電装置が実現できる。ま
た、介護者にも負担の少ない電動車椅子が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】：車輪外周駆動機構 断面概略図〈ローラ式〉

【図２】：車輪外周駆動機構 底面概略図〈ローラ式〉

【図３】：車輪外周駆動機構 断面概略図〈レール式〉

【図４】：車輪外周駆動機構 断面概略図〈インナーギ
ア：レール式〉

【図５】：車輪外周駆動機構 断面概略図〈ローラ式〉

【図６】：車輪外周駆動機構 断面概略図〈ローラ式〉

【図７】：電動車用放電装置 回路構成図

【図８】：電動車用充放電装置 回路構成図

【図９】：蓄電器（池）分割型 充放電装置 概要構成
図

【図１０】：ＡＣ電圧、ソーラ・風力電圧、回生電圧
波形概要図

【図１１】：共通レバー付電動車椅子 側面概要図

【符号の説明】

１：タイヤ ２：リム ３：スポーク止め ４：モータ ５−５Ｂ：駆動（ギア又はローラ）６：リングギア又は
リング板 ７−７Ｂ：ガイドレール ８Ａ−８Ｅ：ガイド支
柱 ９：支点 １０、１１：ガイドローラ １２：押さえバネ １３：ＡＣスイッチ ２０：全
波整流器 ２２、２３：二層レイヤ等コンデンサーまたはバッテリ ２４〜２７：放電用スイッチ ２８：モータ ２９：マイクロコンピュー
タ ３０：積分器 ３１，３２：モータ用スイッチ ３３，３４：風力発電機用スイッチ ７０−７３：回
生スイッチ ３５，３６：ソーラパネル用スイッチ ７４−７６：フ
イルター ３７，３８：ＡＣ電圧用スイッチ ７７：温度検出
器 ４０，４１：充放電装置出入口 ７８：ブレーキ
検出器 ４２〜５１：充放電スイッチ ５２：充電用抵
抗 ６１〜６４：二層レイヤ等コンデンサまたはバッテリ ６５：ＡＣ電圧全波波形 ６７：回生電圧波形 ６６：風力発電機、ソーラパネル、電圧波形 ６８：風力発電機 ６９：ソーラパネル ８０：共通レバー ８１：車体への取付金
具 ８２：可変抵抗 ８３：バネ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】車輪外周駆動装置において、首振りをする
   駆動ギア付きモータと、車輪外周横面に設けられたリン
   グギアと、車輪の振れに関係なく該２つのギア間の間隙
   を一定に保つためのガイド機構と、を設けたことを特徴
   とする車輪駆動装置
2. 【請求項２】車輪外周駆動装置において、首振りをする
   駆動ギア付きモータと、車輪外周横面に垂直に設けられ
   た内側ギアと、取りつけ精度に関係なく該２つのギア間
   の間隙を一定に保つためのガイド機構と、を設けたこと
   を特徴とする車輪駆動装置
3. 【請求項３】車輪外周駆動装置において、首振りをする
   駆動ローラ付きモータと、車輪外周横面に設けられたリ
   ング円板、と、該円板を挟む他のローラと、からなる車
   輪外周駆動装置