JP5515159B1 - 自転車の走行速度検出と制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走行速度検出は、発電機を用いない。ペダル力パワーアシスト装置では、一定速度範囲のみでパワーアシストさせる。補助車輪駆動装置では、一定速度以上で自動格納させる。
【解決手段】速度検出手段として、スポーク７の回転側面に磁性近接センサの検出部を近設しスポークピッチ毎に発生するパルス信号間隔の移動時間ΔTを、タイヤ外径Dの外周長さL=πDをスポーク本数Nで割った、ΔL=L/Nから瞬間速度ΔV=ΔL/ΔTを演算して、スピードメータに平均速度と積算距離を表示する。ペタル力パワーアシスト装置では、速度がゼロから一定以下低速域及び一定以上の高速域は、パワーアシストを停止し急加速による転倒や速度オーバーによる危険を防止しする。補助車輪駆動装置では、走行速度が一定以下になると補助車輪が自動的に接地位置に移動セットされ、走行速度が前記一定以上に成ると補助車輪が自動的に接地位置から格納位置に移動する。
【選択図】図１

Description

この発明は、自転車の走行速度を検出するための速度検出センサと、その検出された速度データを利用して、自転車の走行速度と走行距離の表示装置に、又は、自転車の補助機構として、ペタル力パワーアシスト自転車の運転者が乗車開始する初速段階はアシストパワーをオフにする安全装置に、又は、自転車の後輪側面左右に補助輪を接地状態で装着し、一定以上の速度に成ると自動的に接地しない位置に格納し、再び、一定速度以下になると接地位置に戻す装置等への活用に関するものある。

下記の文献に示す、従来の「自転車用の補助装置」は、自転車の走行容易化と快適性の向上に寄与する発明であるが、実用段階で、それぞれ下記に説明する欠点を有していた。本案はそれらを改良するために発明したものである。
・文献１は、自転車の走行速度と距離を計測表示する発明であるが、速度検出の手段として、照明用発電機のAC出力から周波数を分離・検出して、演算処理し走行速度と走行距離を表示する物であるが、照明が不要な時も発電機を回し続ける必要があり、走行抵抗が大きくなり、運転者の労力負担が大きい欠点を有している。本案はその欠点を解決するため、車輪のスポークの動きを磁性近接センサーで検出する方式を採用し、運転者の労力負担を無くしたものである。
・文献２は、自転車のペタル力パワーアシストシステムを発明したものであるが、運転者が自転車に乗車する時、ペタルに足を掛けてサドルに座ろうとする瞬間にパワーアシストが働き、急加速するため、運転者の重心を取る姿勢が完成していないので、転倒してしまう危険を有していた。本案はその欠点を解決するため、前記速度データを利用して、運転者がペタルに足を掛けて乗車し、重心が安定するまでの低速域は、パワーアシストを制限して、転倒事故を防止するものである。
・文献３は、自転車後輪左右に補助車輪を設けて、転倒を防止する発明であるが、走行中は曲がるときに自転車を傾斜させるために、傾いた側の補助車輪が邪魔することを防ぐため、ダンパー装置を付加して回避させ、走行速度ゼロに成った時のみ補助車輪を固定させる発明であるが、構造が複雑で、前記曲がる側の保持車輪をダンパーで収縮させても保持車輪は路面を引きずり、重心バランスを崩す欠点が有る。
本案は、その欠点を無くすため、補助輪は走行を開始して一定速度以上になったら前記速度データから、補助輪を格納位置に移動させ、停車する時は、一定速度以下になったら、補助車輪を接地位置に戻す装置で、曲がるときは補助車輪は格納位置に有って、邪魔にならないように改善したものである。

特開２００２−５５１１２号公報・・速度表示装置 実開平０７−４３６２８号公報・・ペタル力パワーアシスト装置 特開２００７−１４５３１８号公報・・補助車輪駆動装置

本発明のポイントは、まず、自転車の速度検出手段として、前輪又は後輪のいずれかのリム内側で、スポークの回転方向側面に微小隙間を設けて磁性近接センサの検出部を近設し、センサ本体をフレームに取付け、車輪の回転に伴い、スポークが近接センサ前を通過する毎にパルス信号を発生させ、スポークピッチ間隔の移動時間ΔTをデータとして取り出し、タイヤ外周長さLをスポーク本数Nで割った、スポークピッチ間のタイヤ外周 長さΔL=πD/Nから、瞬間速度ΔV=ΔL/ΔTをCPUで演算し、デジタル信号に変換して、スピードメータに平均速度と積算距離を表示する。
更に、前記瞬間速度データから、ペタル力パワーアシスト装置では、乗車時の初速度が一定以下の間では、ペタルに加圧しても、パワーアシストさせない機能として利用する。また、高速制限として、一定速度以上に成った時にパワーアシスト制限することもできる。
更に、前記瞬間速度データから、補助車輪駆動装置では、走行速度が一定以下になると補助車輪が自動的に接地位置に移動セットされ、走行速度が前記一定以上に成ると補助車輪が自動的に接地位置から格納位置に移動するタイミング指令に利用することも出来る。

（１）自転車の走行速度検出は、走行抵抗の大きい発電機等を用いない。
（２）ペタル力パワーアシスト装置では、乗車時の初速度ゼロから一定速度までと速度オーバー領域はパワーアシストさせないで、一定速度以上で一定速度以下の範囲のみパワーアシストさせる構造とする。
（３）補助車輪駆動装置では、補助車輪は出し放しにせず、乗員の重心安定操作が困難な低速度範囲のみ補助車輪を接地位置にセットし、一定以上の速度になったら、補助車輪は格納位置に自動で移動させ、走行中の補助車輪の接地事故を防止する。

（１）自転車の走行速度検出は、車輪の等間隔に設置されたスポークを利用し、磁性近接センサで、各スポークの移動時間を検出し、タイヤの外周長さから、車輪の移動速度を演算して、デジタル信号に変換し、スピードメータに表示する構造とし、走行抵抗を少なくする。
（２）ペタル力パワーアシスト装置では、乗員がペタルに足を掛けてスタートし一定速度以上に達するまでと速度オーバー領域はパワーアシストを制限し、乗員の転倒事故と速度おぱー事故を防止する。一定速度以上で一定速度以下の領域のみパワーアシストさせる。
（３）補助車輪駆動装置では、一定速度以上に成ると補助車輪は自動的に接地位置から格納位置に移動し、一定速度以下になると補助車輪は自動的に接地位置にセットされ、停車しても、補助車輪は接地位置に保持され倒れない。

前記解決手段により、従来品に比べ、下記の点が大幅に改善される。
（１）自転車の走行速度検出手段は非接触の磁性近接センサを用いるので走行抵抗が大幅に低減でき、更に速度検出精度が向上する。
（２）ペタル力パワーアシスト装置では、乗員がペタルに足を掛けてスタートし一定速度以上に達するまではパワーアシストを制限し、乗員の急加速による転倒事故等を防止し、速度オーバーによる危険を防止する。
（３）補助車輪駆動装置では、一定速度以上に成ると補助車輪は自動的に接地位置から格納位置に移動し、一定速度以下になると補助車輪は自動的に接地位置にセットされるので、補助車輪の走行抵抗が軽減し、パワーロス低減に成る。

走行速度検出センサとスピードメータの設置事例側面図 車輪のスポークと磁性近接センサの取付け部断面図 速度検出センサとスピードメータの信号処理系統図 ぺタル力ペパワーアシスト装置のチエン駆動事例側面図 ペタル力検出センサの説明図 ペタル力パワーアシスト装置の信号処理系統図 補助車輪駆動装置の実施事例側面図 補助車輪駆動装置の実施事例後面図 補助車輪アームと電動ロッドの分解斜視図 補助車輪駆動装置の信号処理系統図

以下に、図１から図３を参照して本案の走行速度検出センサとスピードメータの構造と作動を説明する。
図１の１は自転車の前輪部側面図で、２フレームの一部を示し、３はハンドル、４は前輪フレームで、その先端には６車輪ハブが５車輪軸によって回転自在に取付けられ、前記車輪ハブの外周に複数の７スポークが８タイヤリムの内周に向って等間隔に取付けられ、前記タイヤリムの外側にチューブを内蔵した９タイヤが取り付けられて車輪を構成し、前輪及び後輪とも略同一構造になっている。
尚、本案で使用する７スポークの材質は鉄系の材料に限られる。
図２は断面詳細図で、１０a磁性近接センサと７スポークの組合せを示し、７スポークは６車輪ハブの幅方向両端から８タイヤリムの幅中心に向かって集合する形で取付けられているため、４前輪フレームの８タイヤリム内側付近に、１０a磁性近接センサを取付け具によって固定している。１０b磁気感知部は７スポークの集合部に近接して取付けられ、車輪の回転により、それぞれの７スポークが１０b磁気感知部の前を通過する毎にパルス信号を発し、図３に示す様に、縦発生電圧、横時間のグラフで示すと、発生パルスのピークが波状に現れ、各ピーク間の時間ΔTが前記スポーク間を通過する時間となり、９タイヤ外径D、タイヤ外周長さはπDから、７スポーク本数Nとすいば、各スポーク間のタイヤ外周長さΔL=πD/Nとなり、瞬間速度
ΔV=ΔL/ΔTが求められる。
以上のデータをCPUによって演算すれば、自転車の速度に関連する各種補助機能の
制御データとして活用できる。
図１に戻って、３ハンドルの前に取付けた１１スピードメータの上面には１２液晶表示板が設けられ、その下に１３コントローラとしてCPUによる演算処理やデジタル信号への変換処理を行う回路部品が装着され、その隣に１４電源電池が設置されている。勿論この下に前照灯等の照明器具を一体的に構成しても良い。
次に、図３で信号処理系統を説明する。10走行速度検出センサは、１０a磁性近接センサによって得られたΔT信号をコントローラのCPUに送り、ΔLの常数を算入 して、ΔVを演算し、更に平均速度V=ΔV1+ΔV2+・+ΔVn/nを計算し、デジタルデータに変換し、１２液晶表示板に平均速度と累積走行距離を表示する構成としている。

以上の構造説明から、次に作動原理と取扱い方法を説明にする。
スピードメータへの速度表示の作動原理は、前記の通りで、取り扱いとしては、電源電池の保守を継続すれば、走行抵抗無く、正確な走行速度と累積走行距離を知ることが出来き、交通安全と、走行した地理間の距離を知る楽しみが増す。
その他、前記の瞬間速度ΔV=ΔL/ΔTのデータを自転車の各種補助機能に活用する方法事例を説明する。
最近急激に増加している、ペタル力パワーアシスト装置は、乗車する際、ペタルに足を掛けて踏み込むと同時にサドルに着座しようとすると、ペタル力を感知して、パワーアシストが作動し、急加速するため重心が崩れ転倒する事故が多発している。この不具合を解消する手段として、停車時の速度ゼロから一定速度に加速する間は、乗員がペタルに足を掛けて乗車し一定速度に達する間はパワーアシストを停止させるための速度信号として活用できる。
更に、老人と子供の自転車による低速域での転倒事故が多発しているが、その原因は、速度ゼロから乗車して、速度が一定以上に成るまでと、減速して一定速度から停車するまでの間は重心を安定させることが難しく、子供は運転技術未熟で、老人は重心を取る体力が減少しているからである。対策として、補助車輪を後輪左右に設け転倒を防止する発明がなされているが、自転車が曲る際には、曲る側に車体を傾斜させるため、曲る側の補助車輪を地面から浮かす必要があり、走行中は前記補助車輪をダンパーで容易に浮かすことが出来、停車した時は前記補助車輪を固定して浮かないようにする発明も見られるが、前記したように、本来転倒の危険な速度は、重心の維持しにくい、一定速度以下の低速領域であり、本案の走行速度検出センサを用いれば、速度ゼロから一定速度に達する間は前記補助輪を接地位置に固定し、一定速度以上になれば、補助輪は接地位置から離れた格納位置に自動で移動させ、再度減速して一定速度以下になれば補助車輪を自動で接地位置に戻せば、前記の問題は解消する。これらの解決事例を下記に説明する。

次に、図４から図６を参照して、自転車のペタル力パワーアシスト装置の構造と作動を説明する。
図４に、ペタル力パワーアシスト装置のチエン駆動事例、図５に、ペタル力検出センサ説明図、図６に、その信号処理系統図を用いて構造と作動を説明する。
図4は、ペタル力パワーアシスト装置の要所のみを図示したものであるが、図５のぺたる力検出センサの機能から説明すると、１８ペタルスプロケットと後輪駆動スプロケット(図示省略)の外周間に１９チエンを掛け、前記１８ペタルスプロケットの次に２２センサスプロケットを１９チエンが内側に変形する状態で外側に係合し、次に１９チエンの内側に２３モータスプロケットをそれぞれ設け、２２センサスプロケットは、２２a スプロケットシャフトの一端に回転自在に軸支され、他端は、２１cセンサケース内で２１aスプリングによって19 チエンに張力を与える方向に付勢された２１センサガイドの上端に固定され、２１センサガイドは２１cセンサケース内でL字形に曲げられ、２１bマイクロスイッチの操作レバーと対向するように構成され、乗員が１７ペタルを踏んでペタル力が発生すると１９チエンは自転車を進行させる方向に張力が発生し、２２センサスプロケットを１９チエンの外周方向に押上、２２aスプロケットシャフトに連結された２１センサガイドは２１aスプリングを圧縮する方向に移動し、２１bマイクロスイッチの操作レバーを押して、２１bマイクロスイッチをONにさせる構造になっている。
次に図４に戻って、前記２２センサスプロケットの次に１９チエンの内側に係合した２３モータスプロケットは２６アシストモータの回転軸と直結され、４e下側フレームに固定される。そして、10 走行速度検出センサの一部である１０a磁性近接センサは、４e下側フレームに取付けられ、後輪の８タイヤリム内側で７スポークの回転方向側面に、１０b磁気感知部を対抗させて近接し、前記図２の説明と同様に作動する。また、信号処理回路を備えた２４アシストコントローラは４a中央フレームに取付けられ、２５アシスト電池は同様に４a中央フレームに取付けられている。
図6はペタル力パワーアシスト装置の信号処理系統図で、10走行速度検出センサとして、１０a磁性近接センサから出力されたΔTデータを２４コントローラに送りCPUで演算処理して、前記説明の瞬間速度ΔVを算出し、一方ペタル力検出センサから、前記説明のペタルへの踏力有無を検出し、閾値によりΔVがゼロから一定速度以下の領域では、前記のペタルへの踏力があっても、26アシストモータへの電流出力を停止させ、前記瞬間速度ΔVが、前記閾値の一定速度を越した場合で、前記ペタルへの踏力が有りと検知した場合は２６アシストモータへ電流出力させるプログラムとし、検出されたデータと閾値比較で合致した場合のみ出力指令される。

次に、前記ペタル力パワーアシスト装置の作動原理と取扱い方法を説明する。
自転車に乗車する方法は普通と同じで、ペタルに足を掛けて踏み込みながら、サドルに着座し重心を安定させ、普通の走行状態に移る。
しかし、本案の様に、速度検出センサとコントローラの制御によるパワーアシストの制限が無ければ、ペタルに足を掛けて、踏み込んだ途端にアシストモータが稼働し、急発進して重心の安定を失い転倒事故が予測される。これを防止するのが本発明の最大の効果である。
さて、乗車して安定走行に移り、一定速度(本案では4Km/Hの人間の普通歩行速度)以上に達すると、アシストモータへの出力制限が解除され、ペタルに力が加わる限りパワーアシストして安全に走行できる。
次に停車したい場合は、ブレーキを操作して減速し、前記の一定速度に達し、自転車が停車するまでの間は、再度パワーアシストの制限が作用し、ペタル力のパワーアシストを無効にするため安全第一の自転車となる。
作動原理の説明は、走行速度検出センサの作動は前記したので省略し、ペタル力検出センサの作動を図５用いて説明する。
17ペタルに踏力(A)⇒が働くと１８ペタルスプロケットが回転し、１９チェンの張力で２２センサスプロケットが上方に押し上げられ、２２aスプロケットシャフトに結合された２１センサガイドが２１aスプリングを圧縮しながら上方に移動し、２１bマイクロスイッチの作動レバーを押してマイクロスイッチがONに成り、ペタルへの踏力発生を信号として、１３コントローラに送信する、その時、１０走行速度検出センサからの信号がゼロから一定速度範囲に有れば、１３コントローラの判断で２６パワーモータへの出力をストップし、前記の一定速度を超え速度になれば、２６パワーモータに出力指令が出される仕組みにしてある。更に、本案では、速度ゼロから一定速度範囲のみならず、更に安全強化策として、最高速度の一定速度以上もパワーアシスト制限しても良い。また、これらの電気装置を駆動する電源は、リチュームイオン電池等を使用することが好ましい。

次に、図７から図１０を参照して、補助車輪駆動装置の構造と作動を説明する。
図７は、補助車輪駆動装置を備えた実施例の側面図で、B後車輪の左右に、車輪軸を回転中心として回動する、一対の２７アームに、それぞれ２８補助車輪を回転自在に取付け、前記２７アームの上端は自転車の進行方向に曲げられ、９タイヤの外周から２７c U字形アームの両端を前記２７アームの曲げられた先端とそれぞれ結合し、図９に分解斜視図で示す様に、２７cU字形アームの右端中央に２７d軸受部を設け、他方４a中央フレームの下端後部に４b軸受部を設けて、前記両軸受部に、２９電動ロッドの両端に設けた３０a軸受部を、自転車の進行方向と直角に４c軸ピンをそれぞれ挿入して、４d割ピンを入れて回転自在に軸支する。
２９電動ロッドの構造は、上部に30a軸受部と一体に構成される雌ねじを内蔵した３０雌ねじロッドで、この雌ねじと螺合する３１a雄ねじロッドを、３１モータのロータと結合し、ステータ磁極はモータケース内に固定し、下端に３０ａ軸受部を前記モータケースと一体に設ける。
図７に戻って、10a磁性近接センサは後輪の８タイヤリムの内側付近で７スポークの回転方向側面に対抗して２a後輪フレームに取付ける。
３２補助輪コントローラは３２サドル下部の４a中央フレームに取付け、３３補助輪電池は２フレームに取付ける。
２８補助車輪駆動装置の作動を説明すると、自転車の走行速度がゼロから一定速度の範囲は補助輪が接地位置に固定され、10磁性近接センサの検出速度が前記の一定速度以上に成ると、３２コントローラの指令で２９電動ロットの３１モータが正回転して、３１a雄ねじが３０雌ねじ側に螺合して全長が短縮され図７の点線図で示したように２７アームが下側に回動し、２８補助輪は接地位置から離れて格納位置に移動し、補助車輪の機能を失う。そして、自転車の走行速度が前記の一定速度以下になると３２コントローラの指令で３１モータは逆回転して、２９電動ロッドは伸長して、２８補助車輪は接地位置に復帰する。また、図８は、この状態を自転車の後部から見た図であり、２８補助車輪は９後輪と並んで接地位置に有る状態を示す。また、電気装置を駆動する電源はリチュームイオン電池等を使用することが好ましい。
更に、２７アームの回転中心は５車輪軸と同一の事例を説明をしているが、設計の都合で、前記5車輪軸から離れた位置にフレームを伸ばして、そこに２７アームの回転軸を移しても、原理的に同じ効果を果たし、本案の権利範囲と認識する。

次に、前記補助車輪駆動装置の作動原理と取扱い方法を説明する。取り扱いは子供用の補助車輪付き自転車と同じで、停車時も走行開始時も補助車輪は接地状態にあるから転倒する心配無用で、安心してスタートできる。そして走行速度が一定以上(この場合は４Km/H程度が好ましい)に成ると重心は安定し、コントローラの指令により補助車輪は接地位置から格納位置に自動で移り、子供でも安心して走行可能になる。また、減速して停車する場合も、一定速度以下になると補助車輪が格納位置から接地位置に移り、重心が取りにくい状態を助け、停車しても転ばず、スタンドを立てなくとも安定して自立しており、取り扱いも楽になる。
作動原理のポイントは、走行速度検出センサと電動ロッドの連携作動で、コントローラのCPUに一定速度の閾値を指定して、速度ゼロから一定速度に至る場合は電動ロッドのモータに正回転の極性電流を与え、逆に高速領域から一定速度以下に至る場合は電動ロッドのモータに逆回転の極性電流を与える様に、プログラムする事で解決される。
最近は老人人口が増加し、自転車の転倒事故が増加しているが、殆どは低速域の重心を調節する機能の衰えが原因と聞いており、この装置は子供にとっても、老人にとっても有効な発明と自負しています。

以上説明したように、自転車の走行速度検出精度が向上し、自転車の安全走行としてスピードメータを普及させる。また、ペタル力パワーアシスト装置については、ペタルに足を掛けてスタートする時の暴走転倒を防止するために、一定速度以上に達するまではパワーアシストを制限することは、交通安全に不可欠です。更に、老人の低速時の重心保持の困難を助けるための補助車輪駆動装置の採用は重要で、従来の発明では、走行中も補助車輪を装着したままで、曲がる時は補助車輪をダンパー装置で移動可能にする装置が発明されているが、危険です。本案の様に一定速度以下の範囲のみ補助車輪を接地位置に保持し、一定速度以上になったら保持車輪は接地しない位置に自動格納すれば、補助車輪を引きずる危険は避けられます。以上説明した様に、精度が高く、走行抵抗の無い走行速度検出装置の発明が、全ての改善のキーポイントとなり、自転車の補助機能の安全性向上に寄与するものと考えます。

１自転車、２フレーム、２a後輪フレーム、３ハンドル、４前輪フレーム、４a中央フレーム、４b軸受部、４c軸ピン、４d割ピン、４e下側フレーム、５車輪軸、６車輪ハブ、７スポーク、８タイヤリム、９タイヤ、１０走行速度検知センサ、１０a磁性近接センサ、 １０b磁気感知部、１１スピードメータ、１２液晶表示板、１３コントローラ、１４電源電池、１５フェンダ、１６クランク、、１７ペタル、１８ペタルスプロケット、１９チエン、２０ペタル力検出センサ、２１センサガイド、２１aスプリング、２１bマイクロスイッチ、２１cセンサケース、２２センサスプロケット、２２aスプロケットシャフト、２３モータスプロケット、２４アシストコントローラ、２５アシスト電池、２６アシストモータ、２７aアーム左、２７bアーム右、２７c U字形アーム、２７d軸受部、２８a補助輪左、２８b補助輪右、２９電動ロッド、３０雌ねじロッド、３０ａ軸受部、３１モータ、３１a雄ねじロッド、３２補助輪コントローラ、３３補助輪電池、A前輪、B後輪、(A)⇒ペタル力方向、(B)⇒センサスプロケット移動方向、θ°補助輪アームの移動角度、ΔT ２本のスポーク間の通過時間、ΔL ２本のスポーク間のタイヤ外周円弧長さ

Claims (2)

1. 自転車の後輪車軸で回転する左右のアームと、前記アーム先端にそれぞれ設けた補助輪と、走行速度検出手段と、コントローラと、前記アームの他端に設けたアーム駆動手段と、電源電池を備え、自転車の走行速度がゼロから一定速度の間のみは、前記補助輪を接地位置に移動させ、前記走行速度が一定以上になると前記補助輪を格納位置に移動させる、自転車の走行速度検出と制御装置において、
   前記アーム駆動手段は、前記アームの他端に、後輪外周を迂回するU字形アームを結合し、前記U字形アームの中央外端と中央フレームの下部との間に、１個の電動ロッドの両軸受部を回転自在にピン結合し、前記走行速度検出手段の信号により、前記コントローラの指令によって、走行速度ゼロから一定速度の範囲は、前記電動ロッドの両軸受部間長さが伸長して前記補助車輪が接地位置に保持され、走行速度が前記一定以上に成ると、前記コントローラの指令により、前記電動ロッドの前記両軸受部間長さが短縮されて、前記補助輪が格納位置に移動するようにしたことを特徴とする自転車の走行速度検出と制御装置。
2. 前記請求項１に記載の自転車の走行速度検出と制御装置において、
   前記電動ロッドの構造は、雌ねじロッドと雄ねじロッドの螺合で構成され、前記雌ねじロッドの外端に前記軸受部を一体的に設け、前記雄ねじロッドの他端はモータのロータ軸と連結され、前記モータのステータ磁極はモータケースと一体に固定され、前記モータケースの外端に前記軸受部を一体的に設け、前記コントローラの指令により、前記モータの前記ロータを正逆転させて、前記電動ロッドの前記両軸受部間の長さを変化させる様にしたこと特徴とする自転車の走行速度検出と制御装置。