JP2004331004A - 電動アシスト自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な負荷状態に自在に制御してフィットネスマシンとして利用することができる電動アシスト自転車を提供する。
【解決手段】表示コントローラ４３は、ユーザによって選択された負荷レベルの情報をビークルコントローラ３１に通信で伝え、ビークルコントローラ３１は表示コントローラ４３から受け取った負荷レベルの情報に応じて、自動変速ユニット３４によってギアポジションを切り替え、モータユニット５０への目標回生電流量に負荷レベルに応じた比をかけて通信で送る。モータユニット５０は、ビークルコントローラ３１から受け取った目標回生量を目標値に電流フィードバック制御で、バッテリ１４への回生電流量を制御する。このようにして、変速ギア比と回生ブレーキを制御することにより、踏力トルクに負荷を与え、ユーザの選択に応じたフィットネス走行を行う。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動モータによって助力走行を行う電動アシスト自転車に関し、特にそのフィットネス機能に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、健康ブームの高まりから、各種のフィットネス機器が供給されており、自転車を利用した機器（いわゆるフィットネスマシンという）も各種提案され、商品化されている。
例えば、室内フィットネスマシンとして、固定型自転車のペダルトルクに負荷をかけることにより、脚力の向上や回復を図るようにした装置において、擬似的に屋外で走行している環境条件を室内で適用できるようにしたシステムが提案されている（例えば特許文献１参照）。
一方、通常の自転車では、例えば山野の傾斜面等における坂道を利用してフィットネスを行うことが可能である。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２７２８９０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常の自転車走行では、平地ではそれなりの負荷しか体験できず、いろいろな状況を体験するには、種々の地形を有する場所に実際に行って乗車する必要があり、煩雑である上に、実際の地形では適度な負荷を設定することも困難であることから、過負荷や軽負荷になりがちであるという問題がある。
また、通常の自転車と室内で使うフィットネスマシンとは別々にもつことが一般的であったが、フィットネスマシンでは実際の自転車のような乗り味は体験できない。
さらに、単純に自転車をこぐだけでは退屈で飽きてしまい、有効なフィットネスを行うことが困難な場合が多い。
【０００５】
そこで本発明の目的は、通常の走行機能に加えて有効なフィットネス機能を具備した電動アシスト自転車を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、後輪軸の変速ギア比を切り替える変速手段と、前輪軸にアシスト力を付与するアシスト駆動手段と、前記アシスト駆動手段に電源を供給するとともに、前記アシスト駆動手段に生じる回生電力を蓄積する電源部と、前記アシスト駆動手段によるアシスト動作と回生動作とを制御するアシスト制御手段と、前記変速手段による変速ギア比の制御と前記アシスト制御手段による回生ブレーキ制御によってペダルにかかる負荷を制御し、フィットネス動作を実行する制御手段とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の電動アシスト自転車では、変速手段による変速ギア比の制御とアシスト制御手段による回生ブレーキ制御によってペダルにかかる負荷を制御し、フィットネス動作を実行することから、実際の傾斜面を走ることなく、例えば屋外の平坦な道を走るだけで、様々な負荷状態に自在に制御してフィットネスマシンとして利用することができる。
また、通常の電動アシスト自転車としても利用でき、１台で通常の電動アシスト自転車とフィットネスマシンの両方の機能を実現でき、付加価値の高い便利な自転車を提供することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電動アシスト自転車の実施の形態例を図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態例による電動アシスト自転車の外観を示す側面図である。
本例の電動アシスト自転車は、折り畳み構造のものであり、メインパイプ１と、前輪部２を支持したフロントフォーク８と、後輪部３を支持したリヤフォーク９と、シート５を支持したシートポスト１０と、ハンドル６を支持したスピンドル１１と、スピンドル１１を挿通支持したヘッドパイプ１２と、ペダル部１３と、電池ユニット１４等を有している。
【０００９】
そして、図１では図示を省略しているが、本例の電動アシスト自転車の各部には本例の制御を行うための以下のような各種部材が設けられている。
まず、メインパイプ１には、本例の電動アシスト自転車の状態を管理し、各種の制御を行うためのビークルコントローラが設けられている。また、メインパイプ１の折り畳み構造部には、折り畳みスイッチが設けられており、車体が折り畳まれたことを検出することによって折り畳み時にはモータ等の駆動を禁止し、安全を確保するようになっている。
また、ペダル部１３には、ペダルクランク１３Ａの周辺にトルクセンサ、クランク周波数発生器（ＦＧ）が設けられ、ペダルクランク１３Ａに発生するトルクの検出や回転数の検出を行うようになっている。
【００１０】
また、ハンドル６の中央部には、ＬＣＤ等による表示部、キー入力用の操作部、及びそれらを制御する表示コントローラを含む表示部ユニット４０が設けられ、ユーザに各種表示を提供するとともに、キー入力による各種モード設定や選択等を行えるようになっている。特に本例では、この表示部ユニット４０を用いて、後述するフィットネス動作時の表示や操作を行うようになっている。
また、ヘッドパイプ１２には図示しない電源キーの操作によって電池ユニット１４の電源オン、オフを切り替えるキースイッチが設けられている。
また、前輪部２には、アシスト駆動用のモータと、このモータの駆動を制御するモータドライバと、このモータドライバを制御するモータコントローラが設けられている。
また、後輪部３には、自動変速ユニットが設けられ、ビークルコントローラからのギアポジションの制御によって変速比の切り替え動作を行う。
さらに、図１では省略しているが、車体の前方部にはヘッドライト等が設けられており、後方部にはリアライトやウインカーランプ等が設けられているものとする。
【００１１】
図２は図１に示す電動アシスト自転車の制御系を示すブロック図である。
図示のように、本例の電動アシスト自転車は、ビークルコントローラユニット３０、表示部ユニット４０、モータユニット５０、電池ユニット１４の主要な４つのユニットを有しており、表示部ユニット４０によってナビゲーション装置を構成したものである。
ビークルコントローラユニット３０は、アシスト制御等の各種制御を行う上位コントローラとしてのビークルコントローラ３１と、ユーザが電源キーによって電源のオン・オフを行うキースイッチ３２と、自転車が折り畳まれたことを検出する折り畳みスイッチ３３と、自動変速を行う自動変速ユニット３４と、ペダル部１３で生じるトルクを検出するトルクセンサ３５と、ペダル部１３の回転数を検出するクランクＦＧ３６とを有する。
【００１２】
また、表示部ユニット４０は、ＬＣＤ等の表示部４１と、各種操作キーよりなる操作スイッチ４２と、これらの制御を行う表示コントローラ４３とを有する。本例においては、この表示部ユニット４０を用いることにより、後述するフィットネス動作におけるモード切り替え等の各種操作や表示を行うものである。
また、この表示部ユニット４０には、メモリスティック４４に対するデータの書き込み・読み出しを行うメモリスティックコントローラ４５が接続されている。本例では、フィットネス動作によって得られたユーザの運動データをメモリスティック４４に記録しておき、これを外部のパソコン等にかけてデータをダウンロードし、任意にデータ処理できるようになっている。これにより、ユーザの健康管理や日記作成等に役立てることができる。
【００１３】
また、モータユニット５０は、前輪部２のアシスト駆動を行うダイレクトドライブ型のモータ５１と、このモータ５１の駆動を制御するモータドライバ５２と、このモータドライバ５２を制御するモータコントローラ５３とを有し、ビークルコントローラ３１からの指示で、力行・回生の切替、アシストトルク・回生電流の制御を行うことができる。
また、電池ユニット１４は、例えば大容量リチウムイオン電池等による充電池部と、この充電池部の充放電を制御する電源コントローラとを有し、モータユニット５０への電流供給及びモータユニット５０からの回生充電を行うことができる。
ビークルコントローラ３１では、トルクセンサ３５によりペダル部１３からの踏力を検出して、それに応じたアシスト力をモータユニット５０にシリアル通信ラインによって送出する。
また、表示部ユニット４０の操作スイッチ４２からの入力によって、自転車のモードをさまざまに変えることが可能である。また、自転車の速度や電池の残量などのさまざまな情報を表示部４１に表示することができる。
【００１４】
図３は図２に示した構成のうちフィットネス機能を実現するための構成をやや詳細に示すブロック図である。
図示のように、ビークルコントローラユニット３０、表示部ユニット４０、及びモータユニット５０がそれぞれＲＳ２３２Ｃドライバ６１、６２、６３、６４によって信号のやりとりを行っている。
また、表示部ユニット４０の操作スイッチ４２には、モード選択等を行うためのキーとして、左キー４２１、右キー４２２、決定キー４２３、モードキー４２４を含むものである。ここでは、モードキー４２４の押下によって表示画面が順次切り替わり、選択用の画面で左キー４２１及び右キー４２２によって選択肢を選び、決定キー４２３によって確定する。
また、ビークルコントローラユニット３０において、ビークルコントローラ３１は、アンプ３１１を通して自動変速ユニット３４の信号を取り込み、モータドライバ３１２を通して自動変速ユニット３４内のモータを駆動することにより、変速ギア比の制御を行う。また、クランクＦＧ３６からの周波数信号を２相カウンタ３１３で読み取り、そのカウント値及び位相差からモータ５１の回転方向と回転量を算出し、自転車の走行速度を検出する。
【００１５】
図４は図２に示した構成のうち回生ブレーキ動作を実現するための構成をやや詳細に示すブロック図である。
図示のように、モータドライバ５２とモータコントローラ５３との間には、回生電流量を算出するための回生電流計算部５４が設けられている。
モータコントローラ５３は、ビークルコントローラ３１からの指示に基づいて回生電流計算部５４に電流指令値を出力するものであり、フィットネス動作においてはモータコントローラ５３からの回生量に対応する回生電流指令値を回生電流計算部５４に出力し、その指令値に対応する回生電流値を回生電流計算部５４で算出してモータドライバ５２に出力する。
モータドライバ５２は、モータ５１と電池ユニット（バッテリ）１４との間で電流を制御し、アシスト駆動時にはモータ５１に駆動電流を供給し、回生時にはモータ５１からバッテリ１４に回生電流を供給する。そして、このモータドライバ５２によって自転車の走行時にアシスト電流と逆方向の回生電流が流れるように制御し、モータ５１による回生ブレーキをかけ、負荷をかけることが可能である。
【００１６】
図５及び図６は本例における表示ユニット４０の表示画面の遷移と操作キー配置を示す平面図である。
図５（Ａ）は、起動時の表示例を示しており、通常の走行時にもこのような表示を用いる。図７は、この表示画面を拡大して示している。図示のように、この表示画面には、走行モード表示７１、変速ギアレベル表示７２、各種ライトの点灯表示７３１、７３２、７３３、７４、速度表示７５、回生比率表示７６、アシスト比率表示７７、回生トルク状態表示７８、アシストトルク状態表示７９、傾斜角（下り）表示８０、バッテリ状態表示８１等を表示している。なお、この他にも、走行距離等を適宜表示するような構成も可能である。
また、図５（Ａ）に示すように、画面の下側には、上述した左キー４２１、右キー４２２、決定キー４２３、モードキー４２４が設けられている。
【００１７】
図５（Ｂ）は表示モードの選択画面を示している。図示のように、通常の走行を表すノーマルモードと、フィットネスを行うフィットネスモードを選択するようになっている。この画面は、モードキー４２４を押下することによって表示され、左キー４２１と右キー４２２で選択するモードを選び（選ばれたモードは色枠等で表示される）、決定キー４２３で選択を確定する。
次に、図５（Ｃ）はフィットネスモードの選択画面を示している。図示のように、ここではマニュアルモードとオートモードを選択するようになっている。
ここで、マニュアルモードとは、予め用意された複数種類（本例では１６段階）の負荷レベルから１つの負荷レベルを選択してフィットネス走行を行うモードである。例えば、図６（Ｅ）に示すように、負荷レベル１（Ｌｏａｄ１）から負荷レベル１６（Ｌｏａｄ１６）までの番号を選択することにより、負荷レベルを選択する。
【００１８】
また、オートモードとは、複数種類の負荷レベルを予め設定した条件で自動的に順次切り替えてフィットネス走行を行うモードである。例えば、図６（Ｄ）に示すように、負荷レベルの切り替え順や走行距離や走行時間の異なる６つのコース（Ｃｏｕｒｓｅ１〜６）が予め設定されており、その一覧表示の中から１つのコースを選ぶことによってオートモードによるフィットネス動作が開始され、コースに沿った負荷の自動切り替えが行われる。
図６（Ｆ）はフィットネス動作中の表示例を示している。図５（Ａ）に示す画面と比べて、走行モードがフィットネスを表す「Ｆ」となっており、また、図示の例では、フィットネス用の表示として、カロリー表示８２、フィットネスモード表示８３、負荷モード表示８４が挿入され、その分、ライト点灯表示やアシスト・回生に関する表示が削除されている。また、速度表示７５によってユーザは自身の頑張り具合を知ることができ、さらに、バッテリ状態表示８１を残して回生電力による充電量が増加する様子を見ることで、充実感を得ることが可能となっている。
【００１９】
次に、本例におけるフィットネスモードの使用方法を具体的に説明する。
図８は本例で設定する１６段階の負荷レベルの具体例を示す説明図である。
図示のように、１００％から２５％の回生量と１速から４速までの変速ギア比との組み合わせによって、運動量が極大のレベル１から極小のレベル１６までが用意されている。
図６（Ｅ）の選択画面では、このレベル１からレベル１６までの何れか１つを選択するものである。また、図６（Ｄ）の選択画面では、このレベル１からレベル１６までの負荷レベルを距離（時間）と順序の組み合わせで構成した６通りのコースを予めユーザが登録しておき、これを選択するものである。
【００２０】
次に、オートモードで設定するコースの具体例について説明する。
例えば、以下のような３通りのコースを設定することが可能である。なお、ここでパターンとは、図８に示す１から１６までの負荷モードを示している。
コース１（急な上り下りの後、平地走行、中程度の上り下り）
パターン１ ２ｋｍ
パターン１６ ２ｋｍ
パターン８ ２ｋｍ
パターン４ ２ｋｍ
パターン１２ ２ｋｍ
コース２（中程度の上り下りの後、平地走行、急な上り下り）
パターン４ ２ｋｍ
パターン１２ ２ｋｍ
パターン８ ２ｋｍ
パターン１ ２ｋｍ
パターン１６ ２ｋｍ
コース３（軽い上り下りの後、平地走行、軽い上り下り）
パターン６ １ｋｍ
パターン１０ ２ｋｍ
パターン８ １．５ｋｍ
パターン６ １ｋｍ
パターン１０ ２ｋｍ
【００２１】
以上のような電動アシスト自転車において、ユーザはフィットネス動作の使用開始時に表示ユニット４０から、どの負荷レベルで使用するかを選択して入力しておく。
表示コントローラ４３は、この入力された負荷レベルやコースの情報をビークルコントローラ３１に通信で伝え、ビークルコントローラ３１は表示コントローラ４３から受け取った負荷レベルやコースの情報に応じて、ギアポジションを切り替え、モータユニット５０への目標回生電流量に負荷レベルに応じた比をかけて通信で送る。モータユニット５０は、ビークルコントローラ３１から受け取った目標回生量を目標値に電流フィードバック制御で、バッテリ１４への回生電流量を制御する。
また、ユーザは、走行中にも表示ユニット４０から負荷レベルやコースを入力することにより、負荷を自由に変更することが可能である。これによりユーザは、平地走行中でも、自分の好きな負荷条件でフィットネス体験を得ることができる。
【００２２】
なお、以上のような構成の電動アシスト自転車において、さらに次のような応用が可能である。
上述した例では、屋外で利用する自転車を前提として説明したが、室内で補助器具を用いることにより、室内のフィットネスマシンとして利用することも可能である。
図９及び図１０はその具体例を示す図であり、図９は本例の電動アシスト自転車を専用台に設置した状態を示す断面図であり、図１０は専用台を示す斜視図である。
専用台９０は、自転車の前輪部２を前方から受け止める第１のローラ９１と、後輪部３を前後両方から受け止める第２、第３のローラ９２、９３を左右一対のフレーム９４に回転自在に結合したものである。
フレーム９４は複数の脚片９５によってフロア１００上に設置されるものであり、自転車の大きさに合わせて前後に伸縮可能に構成され、長さを調整して止め具９６によって固定される。
各ローラ９１、９２、９３は、自転車の前後輪の回転に合わせて回転可能に支持されており、互いにベルト９７が架け渡され、安定的な支持状態を得るようになっている。
【００２３】
また、図９に示す設置例では、自転車の前方に大型の表示モニタ１１０が設置されている。この表示モニタ１１０はＬＣＤ等のフラットパネルディスプレイ１１１を高さ調整可能なスタンド１１２によって支持し、自転車に乗車したユーザの前方に対向する状態で配置したものである。
自転車と表示モニタ１１０との間は、例えば無線通信手段等を用いてデータのやりとりを行う構成となっており、自転車側のフィットネス動作に伴う各種データを表示モニタ１１０側に無線伝送して適宜演算処理等を行い、表示することが可能である。
このような表示モニタ１１０の応用範囲は極めて広いものであり、例えばフィットネス走行の内容（負荷レベル）に応じて山野の風景動画を表示することにより、あたかも大自然のなかを走行しているかのような雰囲気を演出し、フィットネス運動の快適度を向上することが可能となる。なお、映像だけでなく、音響による効果を得るようにしてもよい。
また、ユーザに種々の助言や激励を与えるメッセージを表示するようにしてもよい。脈拍の上昇に応じて「少しスローダウンしましょう」とか、予め設定された時間を管理して「もうそろそろ終了時間です」といったメッセージを表示し、できるだけユーザの孤独感を緩和するような効果を出すことも可能である。
勿論、フィットネスと無関係な映像を表示することも可能であり、これらはユーザの好みに応じて選択できることが好ましい。
【００２４】
また、その他の変形例として、例えばフィットネス動作時に脈拍、体脂肪等を検出するユニットを設け、フィットネス動作時おける表示部４１の表示内容として、脈拍や体脂肪等の検出データを表示するようにしてもよい。
また、上述したメモリスティック以外の記録媒体を用いてフィットネス走行中のデータを記録してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の自転車によれば、変速手段による変速ギア比の制御とアシスト制御手段による回生ブレーキ制御によってペダルにかかる負荷を制御し、フィットネス動作を実行することから、実際の傾斜面を走ることなく、例えば屋外の平坦な道を走るだけで、様々な負荷状態に自在に制御してフィットネスマシンとして利用することができ、１台で通常の電動アシスト自転車とフィットネスマシンの両方の機能を実現できる付加価値の高い便利な自転車を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例における電動アシスト自転車の外観を示す側面図である。
【図２】図１に示す電動アシスト自転車の制御系の構成例を示すブロック図である。
【図３】図１に示す電動アシスト自転車においてフィットネス機能を実現するための構成を示すブロック図である。
【図４】図１に示す電動アシスト自転車において回生ブレーキ機能を実現するための構成を示すブロック図である。
【図５】図１に示す電動アシスト自転車の表示例を示す説明図である。
【図６】図１に示す電動アシスト自転車の表示例を示す説明図である。
【図７】図５（Ａ）に示す表示画面を拡大して示す説明図である。
【図８】図１に示す電動アシスト自転車のフィットネス動作で用いる負荷モードの内容を示す説明図である。
【図９】図１に示す電動アシスト自転車を室内用の専用台に設置した状態を示す断面図である。
【図１０】図９に示す専用台の外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
１……メインパイプ、２……前輪部、３……後輪部、５……シート、６……ハンドル、８……フロントフォーク、９……リヤフォーク、１０……シートポスト、１１……スピンドル、１２……ヘッドパイプ、１３……ペダル部、１４……電池ユニット、３０……ビークルコントローラユニット、３１……ビークルコントローラ、３２……キースイッチ、３３……折り畳みスイッチ、３４……自動変速ユニット、３５……トルクセンサ、３６……クランクＦＧ、４０……表示部ユニット、４１……表示部、４２……操作スイッチ、４３……表示コントローラ、５０……モータユニット、５１……モータ、５２……モータドライバ、５３……モータコントローラ。

Claims (9)

1. 後輪軸の変速ギア比を切り替える変速手段と、
   前輪軸にアシスト力を付与するアシスト駆動手段と、
   前記アシスト駆動手段に電源を供給するとともに、前記アシスト駆動手段に生じる回生電力を蓄積する電源部と、
   前記アシスト駆動手段によるアシスト動作と回生動作とを制御するアシスト制御手段と、
   前記変速手段による変速ギア比の制御と前記アシスト制御手段による回生ブレーキ制御によってペダルにかかる負荷を制御し、フィットネス動作を実行する制御手段と、
   を有することを特徴とする電動アシスト自転車。
2. 前記フィットネス動作に関する情報を表示する表示手段と、前記表示手段の表示内容に関する入力を行う操作手段とを有することを特徴とする請求項１記載の電動アシスト自転車。
3. 前記制御手段は前記変速手段による変速ギア比と前記アシスト制御手段による回生ブレーキ量との複数種類の組み合わせによる複数の負荷モードを選択的に切り替えてフィットネス動作を実行することを特徴とする請求項２記載の電動アシスト自転車。
4. 前記制御手段は前記表示手段に複数の負荷モードを選択するための表示を行い、前記操作手段からのユーザのモード選択操作を検出して前記負荷モードの切り替えを行うことを特徴とする請求項３記載の電動アシスト自転車。
5. 前記制御手段は予め設定された条件に基づいて前記負荷モードの切り替えを行うことを特徴とする請求項３記載の電動アシスト自転車。
6. 前記制御手段は前記フィットネス動作に伴って生じる回生電力によって前記電源部の充電を行うとともに、その充電によって変動する電源残量を前記表示手段に表示することを特徴とする請求項２記載の電動アシスト自転車。
7. 前記制御手段は前記負荷モードを示す情報を前記表示手段に表示することを特徴とする請求項３記載の電動アシスト自転車。
8. 前記制御手段は前記フィットネス動作によるユーザの消費カロリーを算出し、その算出した消費カロリーの情報を前記表示手段に表示することを特徴とする請求項２記載の電動アシスト自転車。
9. 前記制御手段は前記フィットネス動作によるユーザの脈拍を検出し、その検出した脈拍の情報を前記表示手段に表示することを特徴とする請求項２記載の電動アシスト自転車。

Images