JP3167746U - パワー・アシスト付き乗物の改善 - Google Patents

Abstract

【課題】パワー・アシスト付き乗物の制御システムを提供する。【解決手段】パワー・アシスト付き乗物用の制御システム１４は、乗物のピッチを検知する加速度ベースのセンサー１６を有する。センサー１６は、乗物の傾斜に応じてモータ１３に供給される電力を制御する。乗物へ提供されるパワー・アシストは、モータ１３から提供される。【選択図】図２

Description

本考案は、パワーアシスト付きの乗物に関し、特に、乗物が動くのを補助するために、モータを使用する乗物に関する。特に、本考案は、電気でパワーを与える自転車あるいは他の類似の乗物（例えば三輪車）に関し、人力のみならず、モータの力を借りて推進し、通常の乗り手の推進力の代わり（補助）をする、モータを搭載した乗物に関する。

モータ付き自転車は、乗り手がペダルを漕ぐことで動く。乗り手がペダルを漕いでる時あるいは漕いでいない時のいずれの時でも、モータ付き自転車は、乗り手が推進する力を補助するモータ（あるいは内燃機関）を有する。かくして、モータ付き自転車は、モータのみで推進されるか、乗り手がペダルを漕いでいる時に、推進される。一般的に、モータ付き自転車はＤＣモータを有する。このＤＣモータは、自転車に搭載されたバッテリーで、駆動される。モータ付き自転車は、必要によっては、人がこぐペダルからもパワーを得る。モータ付き自転車は、モータを有さない通常の自転車に類似し、比較的軽量であるが、モータとモータ用のバッテリーをサポートする装置を搭載しなければならない。モータからのパワーは、自転車の推進力を補助するために、連続的にあるいはスロットル制御で、供給される。その結果パワー・アシストは、必要な場合に提供することができる。

モータ付きの自転車が、オートバイスタイルの手動スロットルを有する場合には、この様な自転車を使用する多くの人は、スロットルを、２つの位置（即ち完全にオンか完全にオフ）のいずれか一方で、用いるのが一般的である。これでは、平地では不必要にパワーを消費することになる。その結果、自転車は、実際に必要以上に大きく重くかつ高価なバッテリーを搭載しなければならない。かくして、乗り手が、ペダルをこがなければならない場合には、増えた負荷（モータとバッテリ）も動かさなければならない。

坂を上る時には、乗り手は、スロットルを用いて、モータにより掛かるパワーを制御して、モータにより提供される補助力を増やすが、この様なパワーを効率よく制御することは困難である。山を登る際に補助力を得るために、モータの出力を変更しモータにより提供されるパワーを効率よく使用する１つのシステムは、ストレンゲージ装置を使用して、乗り手により後輪に加わるトルクを決定することである。しかし、この種のシステムは、坂を上るのに必要な力を実際には検知せずに、しかも自転車の後輪近傍に比較的敏感な装置を配置する必要がある。加えて、この種のシステムは、既存の自転車のフレームに後付けすることは困難である。その理由は、センサーは、後輪のハブのスプロケットと直列に搭載する必要があるからである。

望ましいパワーアシスト付き自転車は、モータを使用し、かつモータに電力を与えるバッテリーからの利用可能なエネルギーを効率よく使用できるものである。モータにより提供されるパワーアシストが、自動的に調整されるようなパワーアシスト付き自転車を提供するのが望ましい。

本考案によれば、モータを有するパワー・アシスト付き乗物用の制御システムは、前記乗物のピッチを検知する加速度ベースのセンサーを有する。前記制御システムは、モータに供給される電力を制御する。これにより、前記乗物へ提供されるパワー・アシストは、前記センサーが検知する乗物のピッチ（傾斜）に従って、前記モータから提供される。

本明細書において、用語「パワーアシスト付き乗物」とは、人力で駆動される乗物（例えば自転車あるいは三輪車）を含む。この乗物は、乗り手がペダルを漕ぐことにより駆動され、かつ乗物を推進する主要なパワーを提供するのを補助するモータも有する。

用語「ピッチ」とは、前進方向後退方向に、垂直方向の乗物の傾斜を意味し、乗物が傾斜を上っている時には正で、傾斜を下っている時には負である。

例えば、傾斜を上ったり下ったりする時の乗物の動きをアシストするために、モータに加える必要なパワー入力は、センサーからの出力信号を用いて計算される。制御システムは、モータが使用する（引き出す）パワーと計算された必要パワー入力とを比較する手段を有する。この比較によりエラー信号を生成して、モータに加えるパワーを調整する。好ましくは、制御システムは、モータコントローラを有し、エラー信号を受領し、このエラー信号に基づいて、モータに供給すべき電力を変更する。

好ましくは、制御システムは、センサーからの出力信号をフィルタリングし処理する手段を有する。これにより、荒れた道路あるいは搭乗者の身体の動きに起因する振動信号を、除去する。好ましくは、前記手段からの出力は、換算され、モータに加えるのに必要なパワーの測定値を提供する。このパワーは、乗物が移動する上り坂と下り坂に比例する。好ましくは、センサーからの出力信号のスケーリング（換算処理）は、スケーラで行われる。このスケーラは、一定の利得項を、フィルタリングし処理手段からの出力信号に加えて、前記モータから引き出されるパワーとの比較を行う比較手段に入力として与えられ、エラー信号を生成する。一定の利得項は、乗物の重量あるいは乗物の乗り手の重量に依存して、変わる。利得項は、乗物の速度とモータの効率によっても、変わる。

オフセット信号をモータコントローラに提供する。これにより、傾斜を上っていない時の乗物に対するパワーアシストを提供する為に、パワーがモータに提供される。

加速度計を利用したセンサーは、ＭＥＭＳセンサー(micro-electrical mechanical system sensor)を有する。これは傾斜を検知する加速度計のベースの個体センサーである。

他の実施例において、本考案は、上記の制御システムを有するパワーアシスト付き乗物を提供する。このパワーアシスト付き乗物は、人力で推進することもできる。制御システムは、人力入力のセンサーを有する。このセンサーは、乗物への人力入力を検知する。制御システムは、この人力入力のセンサーの出力により、モータへのパワーの供給を制御する。好ましくは、制御システムは、乗物の人力推進がある時にのみ、モータへのパワーを提供する。

好ましくは、乗物は自転車あるいは三輪車である。この自転車又は三輪車は、ペダルとペダルセンサーを有し、ペダルセンサーが、ペダルで乗物が駆動されている時を検知する。好ましくは、モータコントローラは、ペダルセンサーがペダルが駆動されている時を検知すると、モータへパワーを供給する。

モータへのパワー供給装置は、バッテリーを含む。バッテリーからモータに供給されるパワーは、電圧と電流であり、これは、制御システムにより自動的に調整され、その結果、一定の人力でもって、乗物は道路の状態にかかわらず、許容可能な速度を維持する。かくして、自転車の場合には、乗り手からの一定の人力により、自転車は、道路の状態にかかわらず、許容可能な速度を維持する。その種のパワーアシスト付き自転車は、マニュアルスロットルを必要とせず、所定のバッテリーのキャパシティを最大限かつ一定の利用性を維持する。モータにより引き出される（使用される）電流は、モータにかかる負荷により変動するので、モータへの電力供給は、モータに供給される電圧を制御することにより行われる。

本考案の一実施例による制御システムを有するパワーアシスト付き自転車を表す図。 図１のパワーアシスト付き自転車用の制御システムのブロック図。

図１に、ペダル１１を具備する自転車１０を示す。このペダル１１を介して、人力によるペダルの力が自転車１０の後輪１２に伝達されて、自転車１０を推進する。自転車１０は、自転車１０へのパワーアシストを提供するモータ１３を有する。モータ１３は、ブラッシュレスＤＣモータであり、自転車１０の後部に搭載される。モータ１３は、後輪１２に、適当な伝達手段例えばベルト、チェーンで、連結され、これを介して、動力が、後輪１２に伝えられる。

自転車１０は、図示した以外の他のデザインでもよく、前輪又は後輪にモータ１３を搭載して、自転車１０にパワーアシストを提供するようにしてもよい。モータ１３は、自転車１０の前部又は後部に搭載され、適宜の伝達手段を介して、前輪あるいは後輪を駆動できるようなハブに搭載され、自転車１０の推進を行うための駆動力の少なくとも一部を提供する。

自転車１０は、制御システム１４を具備し、自転車のフレームに搭載されたバッテリー１５からの電力をモータ１３に供給する。制御システム１４は、図２に示すように、ＭＥＭＳセンサー１６（あるいは他の加速度計ベースのセンサー）を有する。ＭＥＭＳセンサー１６は、この実施例においては、自転車１０の適宜の場所に搭載された傾斜センサーあるいはピッチ・センサーとして、機能する。一実施例において、ＭＥＭＳセンサー１６は、制御システム１４内に組み込まれるかあるいはその一部であるが、制御システム１４と分離していてもよい。ＭＥＭＳセンサー１６を用いて、自転車１０の前方と後方に対する傾斜角を検知して、自転車が坂を上っているのか下っているのか、あるいは平地を走っているのかを検知する。ＭＥＭＳセンサー１６は、出力をアナログあるいはデジタル信号の形態で提供する。この信号は、ＭＥＭＳセンサー１６に加わる重力の方向と大きさを検知し、傾斜の程度を決める。ＭＥＭＳセンサー１６は、１個の軸センサーでもよいが、好ましくは、ＭＥＭＳセンサー１６は２軸あるいは３軸のセンサーで、必要とされる精度を達成し、ソフトウエアのゼロ校正が、ハードウエアの調整以上に、できるようにしてもよい。

制御システム１４は、信号フィルター１７を有する。この信号フィルター１７は、ＭＥＭＳセンサー１６からの信号をフィルター処理する。これは、でこぼこの道路あるいは乗り手の体重移動による短い振動を取り除くために、デジタルあるいはアナログ手段により行われる。信号フィルター１７から得られた出力信号は、信号プロセッサ１８内で処理される。この信号プロセッサ１８は、スケーリングとオフセットの機能を具備して、自転車の傾斜角θを表す出力項を、提供する。

傾斜を上るために必要なパワーは、傾斜角θ（一定の重量と速度の場合）に比例する。モータ１３により提供される出力パワーが、関数Ｐ＝ｋ・θに従って調整されると、自転車１０の乗り手は、更にペダルを踏まずに、傾斜を上ることができる。

傾斜が小さい場合例えば１０度以下の場合には、自転車と乗り手の重量（質量）Ｍを、傾斜角θの傾斜を速度ｖで上るための必要なパワーは、次式で与えられる。
Ｐｏｕｔ＝ｋ・θ・Ｍ・ｖ
速度ｖを適宜選択する場合、例えば時速１５ｋｍの場合には、自転車と乗り手の平均重量Ｍは１００ｋｇであり、すると式は次のように書き直すことができる。
Ｐｏｕｔ＝６８×θ
ここで、Ｐｏｕｔは、モータ出力のパワー（ワット）であり、
θは、傾斜角（度）である

モータの効率が７５％であるとすると、モータへの入力パワーの式は、次のようになる。
Ｐｉｎ＝９１×θ 数字９１はゲインｋを表す。
他のゲインは、上記の式を用いて確立でき、様々な乗り手の体重と、自転車の重量と、受け入れ又様々な自転車の速度と、様々なモータ効率に対し適用することができる。

傾斜角１度あたり８０ｗのパワーは、乗り手の体重が６０ｋｇから９０ｋｇで、２０ｋｇの自転車に乗ったケースでは十分である。これにより、自転車は、大部分の坂を時速１５ｋｇで上ることができるが、しかし、乗り手は、平らな道を走る以上の力は必要としない。

上記の式により、自転車１０のモータ１３を制御するために。制御システム１４は、スケーラー１９を有する。このスケーラー１９は、傾斜角をゲインｋで換算し、これにより出力を提供する。この出力は、モータ１３が自転車１０が走るあらゆる傾斜に対し必要とされるパワーを提供するために、モータ１３に供給するのに必要な入力パワーである。スケーラー１９から計算された出力を用いるために、制御システム１４は、モータ・コントローラ２０を有する。このモータ・コントローラ２０は、パルス幅変調を実行し、バッテリー１５からモータ１３に与える電力供給を制御する。モータ・コントローラ２０は、コンパレータ２１を具備するコントロールループ内に配置される。コンパレータ２１は、モータ１３により引き出される実際のパワーと、スケーラー１９により計算されたモータ１３への必要されるパワー入力と、を比較する。この比較を行うために、モータ・コントローラ２０は、モータ１３により引き出される実際のパワーを決定する。これは電圧と電流の両方を測ることにより行われる。電圧と電流の積は、モータ１３が実際に使用するパワーであり、コンパレータ２１への第１入力（Ｐｉｎ）を含む。

コンパレータ２１は、スケーラー１９からの第２入力を受領する。この第２入力は自転車１０の傾斜角に比例した換算した出力である。コンパレータ２１は、モータ・コントローラ２０からの入力とスケーラー１９からの入力の比較値を含む出力を、生成する。この出力は、エラー信号で、これをモータ・コントローラ２０に与える。モータ・コントローラ２０は、バッテリー１５からモータ１３に供給されるパワーを、このエラー信号に基づいて調整し、これにより、モータ１３の指定された回転速度を制御する。モータ・コントローラ２０からモータ１３に供給されるパワーの制御は、モータ１３に与えられるパルス幅変調された信号の電圧パルスの幅を、コンパレータ２１からのエラー信号に基づいて変更することにより、行う。

モータ１３の大きさにより計算した別の利得項「ｋ」と、自転車１０の重量と乗り手の体重と自転車の速度は、必要によって、制御システム１４のスケーラー１９に、ソフトウエアでプログラムすることができる。

制御システム１４を活性化したり非活性化するために、自転車１０は、マスター制御のオン・オフスイッチ２２を具備する。オン・オフスイッチ２２は、自転車１０のハンドルバーに搭載される（図１）。制御システム１４は、ペダル・センサー２３を有する。ペダル・センサー２３は、モータ・コントローラ２０に接続され、ペダル１１の動きを検出し、モータ・コントローラ２０への入力を与える。ペダル・センサー２３が、乗り手が、ペダルを自転車１０が動く速度以下に踏むことにより、自転車を停止させたり速度を落としたりすることを、検知すると、モータ・コントローラ２０は、モータ１３への電力／パワー供給を停止する。これは、交通信号や障害物が近づいてきた時に、乗り手が、モータ１３又は制御システム１４をオン、オフに切り替える必要性をなくす。ペダル・センサー２３により、乗り手は、アクセルすることなく、惰性で動くことができる。

自転車１０が傾斜のない平坦な道を走っている場合には、スケーラー１９からのエラー信号は存在しない。パワーは、この様な環境において、モータ１３により供給されるために、モータ・コントローラ２０は、オフセット信号２４を受領する入力を有する。オフセット信号２４が入力に加えられると、モータ・コントローラ２０は、パワーをモータ１３に与える。これにより、自転車１０の乗り手は、平坦な道あるいは他のレベルの道の上で、モータ１３からのパワーアシストを得る。オフセット信号２４により、モータ・コントローラ２０は、低パワーを例えば５０ワットを、モータ１３に与える。オフセット信号２４は、自転車１０の移動中に調整可能であるが、オフセット信号２４のみが、自転車１０のセットアップモードで、変更できるようにするのが好ましい。

ＭＥＭＳセンサー１６が検知する傾斜角は、自転車１０が坂を上る場合と下る場合によって、反対方向の角度となる。制御システム１４は、下り坂を負の傾斜として、傾斜がない場合をゼロとして、解釈する。これにより、モータ・コントローラ２０は、モータ１３に加えるパワーを、ゼロあるいはオフセットが使用される低いレベルに減らす。

本考案の制御システム１４により、バッテリー１５からのエネルギーの最大利用が可能となる。この理由は、乗り手は、平らな道で実際に必要とされる以上のパワーを入力することがないからである。

本考案の制御システム１４は、新たなパワーアシストの自転車、三輪車あるいは他の人力乗物、あるいは既存の乗物に適用できる、即ち既にある自転車あるいは三輪車に後付けすることができる。制御システムは、データ信号プロセッサで、あるいは個々の構成要素から構成することもできる。

以上の説明は、本考案の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本考案の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本考案の技術的範囲に包含される。実用新案登録請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、考案の容易なる理解の為に付したものであり、考案を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と実用新案登録請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

１０ 自転車
１１ ペダル
１２ 後輪
１３ モータ
１４ 制御システム
１５ バッテリー
１６ ＭＥＭＳ加速度計
１７ フィルター
１８ 信号プロセッサ
１９ スケーラー
２０ モータ・コントローラ
２１ コンパレータ
２３ ペダル・センサー
２４ オフセット信号

Claims (5)

1. モータを有するパワー・アシスト付き乗物用の制御システムにおいて、
   前記制御システム（１４）は、前記乗物の傾斜を検知する加速度ベースのセンサー（１６）を有し、
   前記制御システム（１４）は、前記モータ（１３）に供給される電力を制御し、これにより、前記乗物へ提供されるパワー・アシストは、前記センサー（１６）が検知する乗物の傾斜に従って、前記モータ（１３）から提供される
   ことを特徴とするパワー・アシスト付き乗物の制御システム。
2. 前記加速度ベースのセンサー（１６）は、ＭＥＭＳセンサーを有し、
   コンパレータ（２１）を更に有し、
   前記コンパレータ（２１）は、前記モータ（１３）により引き出されるパワーと、前記センサー（１６）からの出力信号から決定された前記モータ（１３）に供給するのに必要なパワー入力とを比較する
   ことを特徴とする請求項１記載の制御システム。
3. モータコントローラ（２０）を更に有し、
   前記コンパレータ（２１）は、前記の比較結果からエラー信号生成し、
   前記モータコントローラ（２０）は、前記エラー信号に従って、バッテリー（１５）から前記モータ（１３）へ供給されるパワーを、変化させる
   ことを特徴とする請求項２記載の制御システム。
4. 前記センサー（１６）からの出力信号は、乗物の重量と、乗り手の体重と、乗物の速度と、モータの効率のいずれかに従って、前記センサー（１６）からの出力信号を換算する手段（１９）を
   更に有する
   ことを特徴とする請求項３記載の制御システム。
5. 前記乗物は、自転車又は三輪車である
   ことを特徴とするパワー・アシスト付き乗物。

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