JP2655878B2 - 駆動・負荷制御機構付自転車 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はペダルの回転に連動させて駆動輪を駆動する
自転車に関し、特に、ギアとチェーンによる物理的な連
動に換えて、予め設定した走行モードに基づいてペダル
の負荷と駆動輪の駆動を制御するようにした駆動・負荷
制御機構付自転車に関する。

〔背景技術〕

ペダルの回転をギヤとチェーンで駆動輪（後輪）に伝
える形の自転車は、1880年頃に登場し、現在までほとん
どその姿を変えていない。自転車が変わらない、もしく
は著しい進歩がないのは、それが工学的にほぼ完全であ
るためと考えられている。この自転車は、自重の数倍も
積めること、人間の体力で数倍の速度および行動半径が
得られること、および、危険の少ない安全性の高い構造
であること等の大きな利便性を有している。しかし、当
初、上流の社交乗り物に始まった自転車は、業務運搬の
実用期をへて、レクリエーション等にも広く使用される
ようになり、今日ではスポーツ用，家庭用，サイクリン
グ等のレクリエーション用とその用途，目的も様々なも
のになっている。一方、科学技術の発達によって、自転
車を基礎にして、これに動力を装備した二輪車（オート
バイ，および，原動機付自転車等）が発明された。オー
トバイ等は自転車に比較して、より高速で、かつ、広い
行動半径を得られることから新たな恩恵を与えている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の自転車は、その歴史的な背景から当然
のことであり、かつ、そのもの自身の最大の特徴を成し
ている人間の体力のみを動力源としていることから、利
用者の体力，体調，あるいは疲労度により走行に関し
て、次のような制限を受ける。例えば、行動半径および
連続走行時間が制限される。乗りごこち等の使用感が状
態により大きく影響される。常に一定以上の運動量が要
求される。ペダルをこぐことをやめると停止する等があ
る。さらに、従来の自転車はギアとチェーンを用いて、
回転比の調整，および回転比を利用したトルク比（力の
比率）の調整を行っているため、ギア等の物理的な制限
により回転比およびトルク比の割合に限界があると言う
不都合がある。例えば、トルク比を大きくするためには
ギア比を大にしてペダルの回転速度を大きくしなければ
ならないため、走行には不便で実用的でない。一方、オ
ートバイ等の動力を装備した二輪車によれば、これらの
不都合は大きく改善されるが、機械的な力のみを動力源
とし体力を使用しないため、自転車の持つ適度な運動
性，および，身体を動かすたのしさが得られないと言う
欠点がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的
とするところは、利用者の体力，体調，あるいは疲労度
による影響を少なくし、より快適な走行ができるように
した駆動・負荷制御機構付自転車を提供することであ
る。

本発明の他の目的は、ペダルと駆動輪の回転速度比，
およびトルク比を任意に設定でき、かつ、容易に走行で
きる駆動・負荷制御機構付自転車を提供することであ
る。

本発明の他の目的は、ペダルにかかる負荷を制御する
ことにより、自転車の持つ運動性および楽しさを保てる
ようにした駆動・負荷制御機構付自転車を提供すること
である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は以上に述べた目的を実現するため、ペダルと
駆動輪の物理的な連動（ギアとチェーンによる動力伝
達）に換えて、ペダル側に配置した負荷用モータと駆動
輪側に配置した駆動用モータを予め設定した走行モード
によって連動させ、ペダルと駆動輪の回転速度比，およ
び，トルクの大きさの比率を自由に制御するようにした
駆動・負荷制御機構付自転車を提供する。

即ち、本発明の駆動・負荷制御機構付自転車によれ
ば、ギア比によるペダルと駆動輪の回転速度比の設定に
換えて、ペダルと駆動輪の回転速度をエンコーダにより
検出し、制御部で駆動輪の回転を制御することにより駆
動輪の回転速度の設定を行うようにしたものであり、ま
た、チェーンによる駆動力および反力（駆動力に対する
反作用であり、駆動輪が静止しようとする力）の伝達に
換えて、ペダルに加えられた回転力の大きさに応じてあ
る関係により駆動用モータを回転させ、駆動輪の反力に
応じてある関係によりペダルに負荷を与えるようにした
ものであり、以下の手段を備えている。

（１） 第１のエンコーダ ペダルの回転速度に応じたペダル回転速度信号を出力
する。

（２） 第１のトルクセンサー ペダルに加えられた回転力に応じたペダル回転力信号
を出力する。

（３） 負荷用モータ 駆動輪が静止しようとする力の大きさに応じてある関
係のもとで、ペダルに負荷を与えるためのモータ。即
ち、ペダルに回転制動力を与えるためのモータである。

ペダルを回転させる場合、乗った人はペダルの負荷よ
り大きな力でペダルをこぐ必要がある。従って、乗った
人の動力の大きさを規定するものとなる。

（４） 第２のエンコーダ 駆動輪の回転速度に応じた駆動輪回転速度信号を出力
する。

（５） 第２のトルクセンサー 駆動輪を回転させるのに必要なトルクに応じた駆動力
信号を出力する。

（６） 駆動用モータ 駆動輪を駆動させるモータ、即ち、自転車の動力部と
なる。

（７） 設定部 負荷用モータおよび駆動用モータの駆動を制御する。
例えば、次のパラメータを設定する。

（イ）ペダルの回転速度と駆動輪の回転速度との回転速
度比を定める。例えば、ペダル１回転に対して、駆動輪
３回転、あるいは、５回転等任意に設定できる。

（ロ）ペダルに加えられた力と駆動用モータとの関係
（トルク比）を定める。

（イ）のパラメータは回転速度比により駆動輪とペダ
ルの回転を決定し、（ロ）のパラメータはペダルと駆動
輪のトルク比によりペダルの負荷を決定するものであ
る。設定部において、パラメータ選択スイッチ等を設け
て希望する走行モードを設定する。この場合、複数の走
行モードを設定し、数種類の中から選択するようにして
も良い。

（８） 制御部 ペダル回転速度信号，ペダル回転力信号，駆動輪回転
速度信号，および，駆動力信号を入力し、（イ）あるい
は（ロ）のパラメータ等に応じて、負荷用モータおよび
駆動用モータを制御する。

〔作用〕

以上の構成により、希望する走行モードに応じたパラ
メータを設定し、ペダルを回転させる。ペダルが回転す
ると、第１のエンコーダによってペダルの回転速度が検
出され、第１のトルクセンサーによりペダルに加えられ
る負荷力に応じたペダル回転力信号が検出され、制御部
に入力される。駆動輪が回転すると第２のエンコーダに
よって駆動輪の回転速度が検出され、第２のトルクセン
サーにより駆動輪のトルクに応じた駆動力信号が検出さ
れ、制御部に入力される。制御部は、これら入力された
信号に基づいて、負荷用モータおよび駆動用モータを制
御する。

以上の制御により、ペダルの負荷を軽減した定負荷走
行、道路状況に応じた負荷を与える実負荷走行、ペダル
に全く負荷を与えない無負荷走行等の各種の走行モード
を実施することができる。

以下本発明の駆動・負荷制御機構付自転車について詳
細に説明する。

〔実施例〕

第１図および第２図は本発明の一実施例を示す。駆動
・負荷制御機構付自転車の構成は、ペダル1,駆動輪５等
を備えた自転車本体Ａ（詳細は省略）と駆動・負荷制御
機構Ｂとに大別され、駆動・負荷制御機構Ｂは以下の構
成よりなる。ペダル１の回転速度を検出しペダル回転速
度信号を出力するエンコーダ２と、ペダル１の回転力を
検出しペダル回転力信号を出力するトルクセンサー３
と、ペダル１に負荷を与える負荷用モータ４と、駆動輪
５の回転速度を検出し駆動輪回転速度信号を出力するエ
ンコーダ６と、駆動輪５の回転力を検出し駆動力信号を
出力するトルクセンサー７と、駆動輪５を回転させる駆
動用モータ８と、ペダル１と駆動輪５の回転速度比，ペ
ダル１の回転力と駆動用モータ８の駆動力のトルク比，
および，走行路面の状況とペダル回転力の関係等を設定
する設定部９と、ペダル回転速度信号，ペダル回転力信
号，駆動輪回転速度信号，および，駆動力信号を入力
し、設定した走行条件に基づいて、駆動用モータ８およ
び負荷用モータ４を制御する制御部10から成る。設定部
９は予め複数の走行条件を設定しておき、必要に応じて
１つの走行条件を選択できるように選択スイッチ（図示
せず）有する。

以下、本発明の動作を説明する。

ペダル１と駆動輪５の回転速度比に基づいた制御。

予め設定部９に回転速度比として、例えば、1:0.5
（ペダル１の回転：駆動輪５の回転）,1:1,1:2,‥‥
等，複数の値を設定する。ここで負荷用モータ４および
駆動用モータ８を作動させるために、例えば、設定部９
の選択スイッチで回転速度比1:1を選択する。設定部９
よりこの指令が制御部10に渡されると、制御部10は駆動
用モータ８を作動可能状態とし、同時に負荷用モータ４
を駆動し、ペダル１に初期負荷（ペダル１が回転してい
ない時、無条件で一定の負荷を与える）を与える。次
に、ペダル１を回転させると、回転速度に応じてエンコ
ーダ２よりペダル回転速度信号が出力され、トルクセン
サー３よりペダル１の回転力に応じたペダル回転力信号
が出力される。制御部10はこれらの信号および設定され
た回転速度比を入力し、駆動用モータ８および負荷用モ
ータ４の回転を制御する。ここでは、設定部９より入力
した回転速度比は1:1であるため、該回転速度比に基づ
き、エンコーダ２のペダル回転速度信号とエンコーダ６
の駆動輪回転速度信号が1:1になるように駆動用モータ
８を制御する。このとき、トルクセンサー７の駆動力信
号に基づいて、負荷用モータ４を回転させペダル１にか
かる負荷を制御しても良い。例えば、トルクセンサー７
の検出した力が100kg重ならばその1/5の20kg重の負荷を
与える。このようにして、ペダル１を１回転させる毎
に、駆動輪５が１回転し、同時にトルクセンサー７の検
出した力の1/5の負荷がペダル１に与えられる。一方、
ペダル１の負荷が一定になるように、負荷用モータ４を
制御しても良い。

以上説明したように、ペダル１と駆動輪５との回転速
度比による制御によれば、ペダル１を回転させることに
よりその回転速度比に基づいて駆動輪５を回転させるこ
とができ、ペダル１の回転がそのままアクセルの機能を
果たす。即ち、ペダル１の回転を速くすることで駆動輪
５を速く回転させ速度を上げることができる。例えば、
制御部10において、ペダル１の負荷を常に一定に制御す
る場合を想定する。走行中に坂道等が出現すると、従来
の自転車ならばペダル１が重くなり、速度が低下する。
しかし、該制御によれば、ペダル１を一定の速さで回転
させていれば、制御部10の制御により駆動輪５の回転速
度が維持される。換言すれば、坂道等の負荷の増大を駆
動用モータ８の制御により調整するため、ペダル１が重
くなることなく、かつ、速度の低下もなく走行すること
ができる。

ペダル１と駆動輪５のトルク比に基づいた制御 即ち、ペダル１の回転力と駆動輪５の駆動力のトルク
比による制御である。予め設定部９にトルク比として、
例えば、1:5（ペダル１の回転力：駆動輪５の駆動力）,
1:10,1:20,‥‥等，複数個設定する。ここで負荷用モー
タ４および駆動用モータ８を作動させるために、例え
ば、設定部９の選択スイッチでトルク比1:10を選択す
る。設定部９よりトルク比が制御部10に渡されると、制
御部10は駆動用モータ８を作動可能状態とし、同時に負
荷用モータ４を駆動し、ペダル１に初期負荷（ペダル１
が回転していない時、無条件で一定の負荷を与える）を
与える。次に、ペダル１を回転させると、回転に応じて
エンコーダ２よりペダル回転速度信号が出力され、トル
クセンサー３よりペダル１の回転力に応じたペダル回転
力信号が出力される。制御部10はこれらの信号および設
定されたトルク比を入力し、駆動用モータ８および負荷
用モータ４の回転を制御する。ここでは、設定部９より
入力したトルク比1:10であるため、該トルク比に基づ
き、トルクセンサー３のペダル回転力信号と駆動輪の回
転力が1:10になるように駆動用モータ８を制御する。ト
ルクセンサー７の駆動力信号に基づいて、負荷用モータ
４を回転させペダル１にかかる負荷を制御する。このた
め、トルクセンサー７によって検出された駆動力の1/10
のトルクに相当した力でペダル１を回転させれば良い。

以上説明したように、ペダル１の回転力と駆動輪５の
回転力のトルク比による制御によれば、駆動輪５にｎの
回転力が必要であっても、ペダル１にn/10の力を加えれ
ば良いことになる。

走行路面の状況とペダル回転力の関係に基づいて制御 設定部９より制御部10へ、この制御モードの実行を入
力する。ペダル１を回転すると駆動用モータ８が駆動し
て駆動輪５が回転を開始する。走行開始時は大きなトル
クをトルクセンサー７によって検出するため負荷用モー
タ４の制動力は大きい。従って、ペダル１に与える回転
力は大きくする必要がある。所定の速度の走行になると
トルクセンサー７によって検出されるトルクは減少する
ため、負荷用モータ４の制動力は減少するのでペダル１
に与える力は少なくて済む。自転車が上り坂にさしかか
ると、トルクセンサー７によって検出されるトルクは増
加するので負荷用モータ４の制動力は増加する。このた
めペダル１に坂道の勾配に応じた回転力を与えなければ
ならない。下り坂はこの逆になる。従って、この制御は
通常の自転車の走行モードを再現する制御と言える。

以上の，，の説明から理解できるように、ペダ
ル１側のトルクセンサー３および負荷用モータ４の機能
を停止させることで、ペダル１の負荷がゼロで、かつ、
ペダル１を回転させる速度に応じて駆動輪５を回転させ
る自転車とすることができる。さらに、エンコーダ２の
機能を停止すると、設定部９より駆動輪５の回転速度の
みを指令する制御になり自動二輪車として使用すること
もできる。

ペダル１と駆動輪５の関係を従来の自転車と対比した
場合、制御部10は従来の自転車におけるギアとチェーン
の役目をし、前述したように、あたかも普通の自転車を
こぐのと同じになる。例えば、ペダル１の負荷は平地で
は軽く、上り坂では重くなる。

また、回転速度比を設定部９で変更することにより変
速レバー等の変更機と同様に使用することができる。

また、ペダル１と駆動輪５の回転比を変えずにトルク
比を変えることにより、駆動輪５から加わる反力を1/n
にし、ペダル１をこぐ力を軽減することができる。

このように設定部９のパラメータを設定し制御部10で
駆動用モータ８および負荷用モータ４を制御すること
で、回転比，トルク比等を任意に動的にも変えることが
でき、種々の効果を得ることができる。

尚、実施例として、２輪自転車を挙げて説明したが、
例えば、３輪自転車あるいは４輪自転車に駆動・負荷制
御機構を適用することも本発明の範囲に含まれることは
言うまでもない。モータ4,8の電源としてバッテリを内
蔵することになるが、ペダル１の回転によって負荷用モ
ータ４を発電機として使用し、それによってバッテリを
充電するようにしても良い。

〔発明の効果〕

以上説明した通り、本発明の駆動・負荷制御機構付自
転車によれば、ペダルと駆動輪の物理的な連動（ギアと
チェーンによる動力伝達）に換えて、ペダル側に配置し
た負荷用モータと駆動輪側に配置した駆動用モータを予
め定めた走行条件に基づいて連動させ、ペダルと駆動輪
の回転比，および，トルクの大きさの比率を自由に制御
するようにしたため、利用者の体力，体調，あるいは疲
労度による影響を少なくし、より快適な走行を行うこと
ができる。また、ペダルにかかる負荷を制御することに
より、自転車の持つ運動性および楽しさを保つことがで
きる。さらに、二次的な効果として、定負荷走行，実負
荷走行，無負荷走行等の各種の走行モードを実施するこ
とができるため、従来の運搬用，スポーツ用，レクリエ
ーション用等の他に、例えば、脚力の弱い人のトレーニ
ング用あるいはリハビリ用等、新たな用途，目的に使用
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す説明図。第２図は本発明
の実施例を示すブロック図。 符号の説明 １……ペダル ２……エンコーダ ３……トルクセンサー ４……負荷用モータ ５……駆動輪 ６……エンコーダ ７……トルクセンサー ８……駆動用モータ ９……設定部 10……制御部 Ａ……自転車本体 Ｂ……駆動・負荷制御機構

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ペダルの回転に連動させて駆動輪を駆動す
   る自転車において、 前記ペダルに負荷をあたえる負荷付与手段と、 前記ペダルの回転速度および回転トルクを検出する検出
   手段と、 前記駆動輪に駆動力を与える駆動手段と、 予め設定した走行モードと前記検出手段の検出信号に基
   づいて前記負荷および前記駆動力を演算して前記負荷付
   与手段および前記駆動手段へ出力する制御手段を有する
   駆動・負荷制御機構付自転車。
2. 【請求項２】ペダルの回転に連動させて駆動輪を駆動す
   る自転車において、 前記ペダルの回転速度に応じたペダル回転速度信号を出
   力する第１のエンコーダと、 前記ペダルに加えられた回転力に応じたペダル回転力信
   号を出力する第１のトルクセンサーと、 前記ペダルに回転負荷を与える負荷用モータと、 前記駆動輪の回転速度に応じた駆動輪回転速度信号を出
   力する第２のエンコーダと、 前記駆動輪のトルクに応じた駆動力信号を出力する第２
   のトルクセンサーと、 前記駆動輪を駆動させる駆動用モータと、 前記ペダルと前記駆動輪の回転速度比，および前記ペダ
   ルと前記駆動用モータのトルク比を設定する設定部と、 前記回転速度比および前記トルク比を入力し、前記負荷
   用モータおよび前記駆動用モータを制御する制御部を備
   えたことを特徴とする駆動・負荷制御機構付自転車。