JP2004338653A - 電動アシスト自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な仕事量の計算を行うことができ、消費カロリー等の正確な値をユーザに知らせる。
【解決手段】ビークルコントローラ３１は、単位時間毎の繰り返し動作として、トルクセンサ３５で検出したペダルからの踏力と、クランクＦＧ３６から検出したクランク回転角度を使い、単位時間毎の仕事量を算出し、継続的に積算してトータルの仕事量を求める。そして、この仕事量からカロリー値への変換を行い、この積算カロリー値の情報をシリアル通信で表示コントローラ４３に通知し、表示コントローラ４３では、ビークルコントローラ３１から送られてきたカロリー値を表示部４１に表示する。そして、この表示を定期的に更新し、ユーザに消費カロリーの変化を表示する。
【選択図】 図２

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、自転車を利用してフィットネス運動を行うという考え方から、そのための機能を備えた自転車が各種提案され、商品化されている。
そして、このようなフィットネス機能を実現する自転車において、自転車の走行に要した消費カロリーを算出して利用者に提供するようにしたものが各種提案されている（例えば特許文献１〜４参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２０１３７４号公報
【特許文献２】
特開２０００−１３１０９０号公報
【特許文献３】
特開２００１−２２４５６９号公報
【特許文献４】
特開２００１−２７６０２５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、自転車の走行によるユーザの仕事量を主に走行距離や速度に基づいて算出していたため、その結果得られる値は不正確なものであり、消費カロリー等の正確な値をユーザに伝えることができないという問題があった。
【０００５】
そこで本発明の目的は、正確な仕事量の計算を行うことができ、消費カロリー等の正確な値をユーザに知らせることが可能な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、ペダル踏力を検出するトルク検出手段と、ペダルの回転角度を検出する回転角度検出手段と、前記トルク検出手段によって検出されるペダル踏力情報と前記回転角度検出手段によって検出されるペダルの回転角度情報とを用いて仕事量を算出する演算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、トルク検出手段によって検出されるペダル踏力情報と回転角度検出手段によって検出されるペダルの回転角度情報とを用いて仕事量を算出するようにしたことから、走行距離等によって仕事量を計算する場合に比較して、正確な仕事量の計算を行うことができ、消費カロリー等の正確な値をユーザに知らせることが可能となる。
【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。
トルクセンサ３５には、例えば磁歪素子とソレノイド等を組み合わせた方式ものや磁気ヘッドを用いた方式の非接触型センサを用いることができる。
また、クランクＦＧ３６には、ロータリエンコーダを用いた光学式のものを用いることができ、位相のずれた２つのロータリエンコーダからのパルスを２相カウンタでカウントし、その値から回転数（回転角度）を得るとともに、２相のパルスの位相差から回転方向を検出することができる。
本例の電動アシスト自転車では、このトルクセンサ３５から得られるペダル踏力情報とクランクＦＧ３６によって得られる回転角度情報とを用いて仕事量を算出し、消費カロリーや消費エネルギーといった情報に変換して表示部ユニット４０からユーザに表示するようになっている。
【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、メモリカード４４に対するデータの書き込み・読み出しを行うメモリカードコントローラ４５が接続されている。本例では、例えば自転車のフィットネス運動によって得られたユーザの運動データをメモリカード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。
なお、後述するように、表示部ユニット４０の操作スイッチ４２は、モード選択等を行うためのキーとして、左キー、右キー、決定キー、モードキーを含むものである。ここでは、モードキー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及び右キーによって選択肢を選び、決定キーによって確定する。
【００１４】
図３及び図４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３（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５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３（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。
【００１５】
図３（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３（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４（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。
【００１６】
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４（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４（Ｆ）はフィットネス動作中の表示例を示している。図３（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。
【００１７】
次に、以上のような構成において、上述したカロリー表示を行うための計算方法について説明する。
本例では、以下のような動作で消費カロリー計算と表示を行う。
１）まず、ユーザは例えば自転車の起動直後や好みのタイミングで、表示ユニット４０の操作スイッチ４２から所定のモード選択操作を行い、カロリー計算モードに設定する（必ずしも、フィットネスモードである必要はなく、通常の走行時に設定することも可能である）。
２）すると、ビークルコントローラ３１は内部メモリの消費カロリー値をゼロにリセットする。
３）次に、ビークルコントローラ３１は、単位時間毎の繰り返し動作として、トルクセンサ３５で検出したペダルからの踏力と、クランクＦＧ３６から検出したクランク回転角度を使い、以下の計算を行う。
仕事量［Ｊ］＝ペダル踏力［Ｎｍ］×クランク回転角度［ｒａｄ］
そして、この計算で求めた単位時間毎の仕事量を、カロリー計算モード中は継続的に積算していき、トータルの仕事量を求める。
そして、この仕事量からカロリー値への変換を行う。ここで、仕事量からカロリー値への変換には、以下の換算式を用いる。
１［ｃａｌ］＝４．１８６０５［Ｊ］
【００１８】
４）次に、ビークルコントローラ３１は、この積算カロリー値の情報をシリアル通信で表示コントローラ４３に通知する。
５）表示コントローラ４３は、ビークルコントローラ３１から送られてきたカロリー値を表示部４１に表示する。
なお、上述した単位時間毎の仕事量計算において、仕事量を計算する間隔（すなわち、単位時間）は、小さくすればするほど、正確な仕事量を計算できるが、その分、演算処理の負荷が大きくなる。そこで、必要な仕事量の精度と演算能力のバランスを考慮して適切な時間を選択する。
また、仕事量の積算とその積算カロリー値の表示を行う間隔は、例えば数秒から数分程度の間隔とし、走行中に消費カロリー値の表示を定期的に更新していくようにする。
【００１９】
以上のようにして、本例では、正確な仕事量を算出してカロリー表示を行うことができるので、次のような効果を得ることができる。
（１）ユーザが自転車走行時に正確な消費エネルギーを知ることができる。
（２）ダイエットや健康管理中のユーザが、摂取エネルギーに見合った運動を行うことができるる。
（３）自転車に乗る際に、新たな楽しみが生まれる。
【００２０】
次に、本例による計算方法が理論値と対比して正確であることを具体的な計算例を用いて証明する。
まず、計算に用いる条件は以下の通りである。
（１）平地、（２）速度１０ｋｍ／ｈ、（３）体重６０ｋｇ、（４）１時間走行、（５）ギアは１速（ギア比＝１：２．８５６）とする。
ここで必要な推力を１０Ｎとすると、理論的に求められる実際の仕事量は、

となる。
したがって、仕事量からカロリー値への変換は、
１［ｃａｌ］＝４．１８６０５［Ｊ］
の換算式から変換すると、
消費カロリー［ｋｃａｌ］ ＝ ２３．９［ｋｃａｌ］
となる。
【００２１】
次に、以上と同様の条件をペダル踏力から計算していくと、タイヤ径が１４インチの場合、

となる。
ここで損失を無視すると、

となる。
したがって、仕事量からカロリー値への変換は、
１［ｃａｌ］＝４．１８６０５［Ｊ］
の換算式から変換すると、
消費カロリー［ｋｃａｌ］ ＝ ２３．９［ｋｃａｌ］
が得られる。
すなわち、上記実際の仕事量に一致する。
【００２２】
以上のように、本例の電動アシスト自転車では、踏力トルクとペダルの回転角度に基づいて、正確な仕事量を計算でき、カロリー表示やエネルギー表示としてユーザに適正な情報を提供することが可能となる。
なお、本発明とは異なる方法であるが、正確な仕事量の算出を図るものとして、特開２００２−８５５８４号公報に開示されるように、体重・性別を入力して、予め決められたパラメータでカロリー計算を行うものが提案されている。
しかし、この方法では、パラメータと時間だけでカロリーを計算されることから、本発明のように、正確な値を求めることは困難であり、また、負荷を与えるために特殊な装置を必要とすることから、構成及び制御が複雑化し、本発明のように低コストで実現することは困難である。
【００２３】
以上、本発明の実施の形態例について説明したが、本発明は上記実施の形態例に限定されず、種々の変形が可能である。
例えば、本発明の方法で計算した仕事量の表示形態や用途等については、上記の例に限定されず、種々の方式を採用できる。
例えば、上述の例ではフィットネスモードでの表示例を示したが、通常の走行時に仕事量を算出して表示することも勿論可能である。
したがって、本発明はフィットネス機能を持たない電動アシスト自転車にも適用可能である。また、回生機能についても必ずしも必要でなく、最小限の演算機能や表示機能を具備した電動アシスト自転車であれば、十分本発明を適用できるものである。
また、上述した仕事量の計算値は、メモリカード等を通じて外部情報端末にダウンロードし、日々の健康管理等の幅広い用途に用いることが可能であるが、この場合の記録媒体としては、カード型記憶媒体であるメモリカードに限らず、他の記憶媒体を用いる構成でも勿論可能である。また、必ずしもこのような記録媒体に記録する機能を持たない自転車にも本発明は適用可能である。また、アシスト制御の方法等も特に限定されないものとする。
また、仕事量の表示は、上述のように消費カロリーという形式でなく、他の消費エネルギーという形式で表示することも可能である。
【００２４】
また、通算の仕事量を管理できるような機能を設けることが可能である。これは、専用の不揮発性メモリを設けることにより、自転車の利用時（仕事量の算出時）に、通算仕事量に加算することを操作キーによって入力することで、不揮発性メモリの通算仕事量の値を更新していくようにする。さらに、この通算仕事量のデータを用いて日々の平均値を算出して表示したり、グラブで日々の変化を見れるようにすることも可能である。
また、自転車を複数の人で共用するような場合に、各利用者毎に通算の仕事量を管理するような構成としてもよい。例えば、各利用者毎に利用者コードを設定し、自転車の利用時（仕事量の算出時）に、その利用者コードを入力することで、通算の仕事量を利用者毎に加算して記録するような構成とすることも可能である。
なお、個人的なデータを記録していく場合には、プライバシーの観点から、パスワード等の用いて他人に容易に見られないようにすることも可能である。
【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、トルク検出手段によって検出されるペダル踏力情報と回転角度検出手段によって検出されるペダルの回転角度情報とを用いて仕事量を算出するようにしたことから、走行距離等によって仕事量を計算する場合に比較して、正確な仕事量の計算を行うことができ、消費カロリー等の正確な値をユーザに知らせることができる効果がある。
【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の表示例を示す説明図である。
【図４】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５】図３（Ａ）に示す表示画面を拡大して示す説明図である。
【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 (5)

1. ペダル踏力を検出するトルク検出手段と、
   ペダルの回転角度を検出する回転角度検出手段と、
   前記トルク検出手段によって検出されるペダル踏力情報と前記回転角度検出手段によって検出されるペダルの回転角度情報とを用いて仕事量を算出する演算手段と、
   を有することを特徴とする電動アシスト自転車。
2. 前記演算手段は、所定の単位時間おきに仕事量の計算を繰り返し、その計算結果を積算してトータルの仕事量を計算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. 前記演算手段によって算出された仕事量を表示する表示手段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。
4. 自転車の走行中に定期的にトータルの仕事量を計算し、前記表示手段の表示を更新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。
5. ユーザのモード選択に応じて前記仕事量の計算を行い、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。

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