JP6376721B2 - ライダの意思を認識するための力測定装置を備えた、電動自転車に用いられる駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動自転車に用いられる駆動装置に関する。

さらに、本発明は、電動自転車に用いられる制御装置に関する。

さらに、本発明は、前述した駆動装置と前述した制御装置とを備えた電動自転車に関する。

電動自転車では、ライダ（こぎ手）により加えられた駆動力が測定されて、この駆動力に、適切な電気的な駆動力が補われる。電動自転車によって、ライダには前進が容易となる。このためには、ライダによりクランク伝動装置を介して発生させられたトルクのほかに、電気式の駆動システムによって、自転車の駆動輪に加えられる付加的なトルクが発生させられる。しかし、駆動システムの設計のためには、快適な乗り心地、使用される構成要素の性能および法的な許可の側面が一様に考慮されなければならない。したがって、人力的な駆動トルクに関連して電気的な駆動トルクを発生させることが適当であると判明した。しかし、ライダにより加えられたトルクを測定するために使用されるセンサ機構は頻繁に故障しやすいことが判った。なぜならば、複数のセンサが、むき出しになった箇所に直に設けられていなければならないからである。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１００２８６４３号明細書では、付加的なセンサ軸が導入されることによって、この問題に対処することが試みられている。ライダにより発生させられたトルクが、クランク軸から歯車伝動装置を介してセンサ軸に伝達される。このセンサ軸は、同じく歯車伝動装置を介してトルクを、クランク軸を取り囲む中空軸に伝達する。この中空軸は出力軸として機能し、トルクを駆動輪に伝達する。この伝動装置アッセンブリでは、センサ軸の支承力が、ライダにより加えられたトルクに対する直接的な量を成している。したがって、センサ軸の支承力に相応して駆動モータが制御される。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１０００１７７５号明細書に基づき、電動式の自転車が公知である。この公知の自転車も同じく電気式の駆動装置を、ライダにより加えられた踏力に関連して制御する。このためには、駆動チェーンにおける力の変化量が測定される。この変化量は、ライダにより加えられたトルクに対する量を成している。従来の自転車では、駆動輪として機能する後輪のハブが、リヤステー（チェーンステー）を介してクランク軸に結合されている。ハブがチェーンを介して、クランク軸に取り付けられたスプロケットに結合される場合には、チェーン力をリヤステーの中心軸線の方向におけるクランク軸の支承力によって算定することができる。この支承力は、圧力センサを介して測定され、電気式の駆動装置を制御するための基礎量として働く。

しかし、両明細書の教示は幾つかの欠点を有している。たとえば、前者の明細書による自転車の場合には、付加的な伝動装置段が必要となる。このことは、設計手間も製造手間も増加させる。後者の明細書による自転車では、チェーン力の変化量が、モータ制御のための基礎量として使用される。しかし、電動モータが、車輪に直に組み込まれるハブモータでない場合には、この電動モータも同じくトルクをチェーンを介して伝達しなければならない。したがって、事情により、測定結果の悪化が生じることがある。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１００２８６４３号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１０００１７７５号明細書

したがって、本発明の課題は、廉価であると共に設計・製造手間を減少させることができ、さらに、良好な測定結果を得ることができる駆動装置を提供することである。

この課題を解決するために本発明に係る駆動装置によれば、少なくとも１つの軸受けを備えた出力軸が設けられており、電動自転車の少なくとも１つの車輪にトルクを第１の伝達装置が伝達するようになっており、これによって、軸受けに第１の方向への第１の支承力が作用するようになっており、入力軸が設けられており、該入力軸に、電動モータにより発生させられたトルクが作用するようになっており、入力軸から出力軸にトルクを第２の伝達装置が伝達するようになっており、これによって、軸受けに第２の方向への第２の支承力が作用するようになっており、クランク軸が設けられており、該クランク軸に、ライダにより発生させられたトルクが作用するようになっており、クランク軸から出力軸にトルクを第３の伝達装置が伝達するようになっており、これによって、軸受けに第３の方向への第３の支承力が作用するようになっており、軸受けへの第３の支承力の発生を測定するために調整された支承センサが設けられている。

本発明に係る駆動装置の有利な態様によれば、支承センサが、第３の支承力全てまたは第３の支承力の一成分を測定するようになっている。

本発明に係る駆動装置の有利な態様によれば、第１の支承力の第１の方向と第２の支承力の第２の方向とが等しいかまたはほぼ等しい。

本発明に係る駆動装置の有利な態様によれば、第１の支承力の第１の方向と第３の支承力の第３の方向とが互いに直交しているかまたは互いにほぼ直交している。

本発明に係る駆動装置の有利な態様によれば、第１の伝達装置および／または第２の伝達装置および／または第３の伝達装置が、循環する伝達手段および／または単段式の歯車伝動装置、および／または多段式の歯車伝動装置（９）を有している。

本発明に係る駆動装置の有利な態様によれば、支承センサが、軸受けを取り付けた支承アームを有しており、該支承アームが、固定の支承点を中心として回転可能に支承されていて、弾性的なエレメントを介して位置決めされており、これによって、該弾性的なエレメントの戻し力に抗した出力軸の移動が可能であり、戻し力が、第３の支承力に対する量を成している。

本発明に係る駆動装置の有利な態様によれば、第２の伝達装置と第３の伝達装置とが、出力軸に取り付けられたそれぞれ１つのフリーホイールを有しており、該フリーホイールが、出力軸から入力軸またはクランク軸へのトルク伝達を阻止している。

本発明に係る駆動装置の有利な態様によれば、駆動装置が、ハウジングを有しており、該ハウジングに、出力軸と、入力軸と、クランク軸とが支承されており、かつ／または該ハウジングに、電動モータを支承センサの信号に関連して制御するために調整された制御装置が取り付けられている。

さらに、前述した課題を解決するために本発明に係る制御装置によれば、該制御装置が、支承センサの信号から出力軸の支承力を算定するために調整されており、該支承力が、ライダにより発生させられたトルクを加えることによって発生させられるようになっており、該トルクに基づき、電動モータが、規定されたパターンに従って制御されるようになっており、これによって、電動モータが、規定されたトルクを出力軸に伝達するようになっている。

本発明に係る制御装置の有利な態様によれば、制御装置が、支承力を弾性的なエレメントの戻し力から計算するために調整されている。

請求項１の特徴を備えた本発明に係る駆動装置によって、トルク伝達と力測定との役割が切り離される。なぜならば、測定を軸受けで直に行うことができるからである。付加的には、必要となる伝動装置部材を最小限に抑えることができる。これによって、コスト利点が得られる。さらに、設計手間および製造手間が減少させられる。本発明において測定される支承力は、実際に専らライダによって発生させられ、電動モータはほとんど影響を与えない。したがって、極めて簡単な力測定によって、ライダにより発生させられたトルクを算定することができる。本発明に係る制御装置によって、測定されたセンサ信号を電動モータの制御のために使用することができる。前述した利点は、伝動装置が、互いに間隔を置いて配置された同軸的でない３つの軸、つまり、出力軸、入力軸およびクランク軸を有していることから得られる。これらの軸は、トルクの伝達に基づき、規定された方向への出力軸の支承力が発生させられるように互いに配置されている。これによって、ペダルトルク（踏力）を加えることにより発生させられた支承力を別の支承力と関係なく測定することができるかもしくは別の支承力に大きな影響を与えることなく測定することができる。

以下に、２つの力の同じ方向として、力の方向ベクトルが共線である事例を説明する。これは、力が、互いに異なる記号（「＋」および「−」）を有している場合には逆方向でも作用することを意味している。トルクが、出力軸から、電動自転車の駆動すべき車輪のハブに伝達される。その際、出力軸は、第１の方向への支承力が生じるように支承されている。さらに、トルクは、入力軸（電動モータ）およびクランク軸（ライダ）から出力軸に伝達される。これによって、出力軸の２つの別の支承力、つまり、入力軸からのトルク伝達に基づく第２の支承力およびクランク軸からのトルク伝達に基づく第３の支承力が生じる。入力軸には、電動モータによってトルクが加えられ、クランク軸には、ペダル駆動に基づきトルクが加えられる。したがって、全部で三方向への力、つまり、３つの力とは、第１の方向への第１の支承力、第２の方向への第２の支承力および第３の方向への第３の支承力が出力軸の支承部材に作用する。第３の支承力の発生を規定することができるように、出力軸の軸受けに支承センサが取り付けられている。軸および支承センサの本発明における配置態様によって、第１の支承力と第２の支承力とが実際に支承センサの測定に影響を与えないようになっている。

従属請求項には、本発明の有利な改良態様が示してある。

有利には、支承センサが、主として、第３の支承力全てまたは第３の支承力の少なくとも一成分を測定する。測定のためには、第３の支承力の一成分で十分であるものの、測定された成分は、次いで、三角法の関係により第３の力に換算されなければならない。第３の支承力と伝動装置の公知の幾何学形状によって、ライダにより駆動装置全体に導入されたトルクを測定することが可能となる。この測定は極めて高い信頼性を有している。なぜならば、発生させられる別のトルクが、第３の支承力の測定時に影響を与えないからである。

特に有利には、第１の支承力の方向と第２の支承力の方向とが等しいかまたはほぼ等しく、これによって、両支承力が第１の方向に作用する。これによって、ライダにより発生させられない支承力が作用する方向（第１の方向）と、ライダにより発生させられた支承力が作用する方向（第３の方向）との間の簡単な識別が可能となる。小さな角度偏差は測定結果のほんの僅かな悪化しか招かず、したがって、この悪化は、場合により、測定雑音に基づいてさえ検出され得ないので、第１の方向と第２の方向との正確な合致が要求される必要はない。

さらに特に有利には、第３の支承力の第３の方向が、第１の支承力の第１の方向および第２の支承力の第２の方向に対して垂直であるかまたはほぼ垂直である。これによって、第１の支承力と第２の支承力とが、第３の支承力の測定に影響を与えないことが確保されている。すでに前述した態様のように、この態様でも、正確な直交性は必要ない。なぜならば、僅かな悪化は無視することができるからである。

有利には、出力軸から、駆動すべき車輪のハブへのトルク伝達が、第１の伝達装置によって行われ、入力軸から出力軸へのトルク伝達が、第２の伝達装置によって行われ、クランク軸から出力軸へのトルク伝達が、第３の伝達装置によって行われる。これらの伝達装置の各々は、循環する伝達手段、たとえばチェーンを有していてよい。こうして、廉価なチェーン伝動装置に頼ることができることにより、高価な伝動装置段の使用を回避することができる。

択一的には、伝達装置の各々が、有利には単段式の歯車伝動装置を有していてよい。特にこの歯車伝動装置は、互いに噛み合う、内側歯列を備えた歯車と外側歯列を備えた歯車との組合せであってよい。たとえば、内側歯列を備えた歯車がクランク軸に取り付けられていて、外側歯列を備えた歯車が出力軸に取り付けられていてよい。この変化態様は、運転中の自転車の騒音発生を減少させることができるという利点を有している。

別の択一的な態様では、伝達装置の各々が、有利には多段式の歯車伝動装置を有していてよい。こうして、適宜に変換されたトルクを伝達することができる。

支承センサが、出力軸に対する軸受けを保持した支承アームを有していると有利である。この支承アームは、一方の端部に出力軸の軸受けを収容していて、他方の端部で旋回可能に支承されている。これは、出力軸が、支承アームの固定の支承点を中心として旋回することができることを意味している。しかし、この旋回は、弾性的なエレメント、特にばねの戻し力に抗して行われる。弾性的なエレメントは、自転車の運転中に十分に小さな旋回を許容するために設計されていなければならない。これによって、弾性的なエレメントの戻し力は、支承アームに対して垂直に出力軸に作用する支承力に対する量を成している。したがって、戻し力の測定によって、この戻し力をてこの原理に従って換算することができ、こうして、出力軸の第３の支承力を規定することができる。この第３の支承力は、すでに上述したように、ライダにより発生させられたトルクに換算することができる。したがって、全体として、弾性的なエレメントの戻し力が、ライダにより発生させられたトルクに対する量を成している。

有利な態様では、出力軸に２つのフリーホイールが配置されており、これによって、第２の伝達装置と第３の伝達装置とが出力軸にトルクを伝達することができるものの、逆の態様は不可能である。これによって、ライダが電動モータを駆動し得るかもしくは電動モータまたは自転車の駆動輪がクランク軸ひいてはクランク伝動装置を駆動することが阻止される。

さらに、有利な態様では、本発明に係る駆動装置がハウジングを有している。このハウジングには、出力軸と、入力軸と、クランク軸とが支承されている。択一的または付加的には、ハウジングが、支承センサの測定データにつき電動モータを制御する制御装置を収容していてもよい。

本発明に係る制御装置は、支承センサの信号から出力軸の支承力を算定することができる。この支承力は、専らライダにより加えられたトルクによって発生させられる。制御装置は電動モータを、設定されたプログラムに従って制御することができる。このプログラムは、たとえば、調整された所望トルクへの人力的なトルクの上乗せまたは人力的なトルクへの一定のパーセンテージの一括した加算を含んでいてよい。伝動装置の本発明における構造によって、測定が極めて安定すると共に高い信頼性を有している。

本発明に係る制御装置は、有利には、弾性的なエレメントの戻し力から支承力を算出する。

第１の視点で見た本発明に係る駆動装置の概略図である。 別の視点で見た図１に示した本発明に係る駆動装置の概略図である。 測定された支承力がどのような意味を有しているのかを示すための原理図である。 択一的な実施の形態における本発明に係る駆動装置の概略図である。 別の択一的な実施の形態における本発明に係る駆動装置の概略図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

図１〜図３には、本発明に係る駆動装置の第１の実施の形態が概略的に示してある。

図２には、図１と同じ駆動装置１が別の視点から示してある。この視点は、図１に矢印Ｆ２で示してある。駆動装置１の中心には、出力軸２が位置している。この出力軸２はエネルギをスプロケット２０を介して自転車の駆動輪のハブ７に伝達することができる。さらに、出力軸２には、歯車２１とスプロケット２２とが位置している。この歯車２１とスプロケット２２とは、それぞれフリーホイール２３，２４を介して出力軸２に結合されている。歯車２１は、電動モータ３０により発生させられたトルクを導入するために働く。このためには、電動モータ３０が、出力軸２の中心軸線と同じＹ−Ｚ平面に位置する中心軸線を備えた入力軸３にトルクを伝達する（図２参照）。これは、歯車２１に噛み合っている入力ピニオン３１が力をＸ方向（第１の方向）で歯車２１ひいては出力軸２の支承部材に伝達することを意味している（図３に示した支承力２００参照）。さらに、自転車のライダがクランク４１，４２を介してトルクを加えることができるペダル軸、つまり、クランク軸４が存在している。このクランク軸４には、相対回動不能にスプロケット４０が組み付けられている。このスプロケット４０は、スプロケット２２にチェーン５を介して結合されている。クランク軸４の位置は、チェーン５の、スプロケット２２を駆動する部分５１が、Ｚ方向に対して平行に延びているように選択されている。チェーン５の戻り部分５２は、Ｚ方向に対して角度αを成して延びている。また、出力軸２に組み付けられたスプロケット２０もハブ７をチェーン６を介して駆動する。このチェーン６の駆動部分６１が、Ｘ方向（第１の方向）に対して平行であるのに対して、チェーン６の戻り部分６２は、Ｘ方向に対して角度βを成して延びている。出力軸２は第１の軸受け２５に支承されている。この第１の軸受け２５は、Ｚ方向への支承力を測定するための支承センサ２６に取り付けられている。この支承センサ２６は、出力軸２の第１の軸受け２５または第２の軸受け２８に取り付けられていてもよいし、第１の軸受け２５および第２の軸受け２８の両方に取り付けられていてもよい。図１〜図３に示した実施の形態では、支承センサ２６が支承アーム２６０から成っている。この支承アーム２６０は、一方の端部で、固定の支承点２６１を中心として回転可能に支承されている。支承アーム２６０には、他方の端部で、出力軸２の第１の軸受け２５が取り付けられている。支承アーム２６０には、第３の方向（Ｚ方向）に対して平行にばね２６２が取り付けられている。このばね２６２はハウジング１０に保持される。これによって、ばね２６２の戻し力が、Ｚ方向で出力軸２に作用している支承力３００に対する量を成している。しかし、この支承力３００は、専らチェーン５の駆動部分５１によって発生させられ、したがって、ライダによりクランク軸４に加えられたトルクに対する量を成している。

図３には、出力軸２における力状況が詳細に示してある。電動モータ３０により発生させられた第２の支承力２００は、Ｘ方向（第１の方向）へのチェーン６の第１の支承力１００に対して共線で作用する。これと異なり、チェーン５に基づき発生させられた第３の支承力３００は、Ｚ方向（第３の方向）で作用する。戻し力４００は、Ｚ方向、つまり、第１の方向に対して直交しかつ第３の方向に対して共線の方向で測定される。支承アーム２６０における測定された戻し力４００は、てこの原理によって容易に出力軸２の第３の支承力３００に換算することができる。図３から明らかであるように、第３の支承力３００は、戻し力４００に対して共線で作用する唯一の力である。したがって、電動モータ３０と、駆動部材に基づく抵抗（チェーン６におけるチェーン力）とは、測定される量に影響を与えない。

第３の方向は、図３に示したように、必ずしも第１の方向に対して直交している必要はなく、第１の方向に対して任意の角度を成していてよい。ただし、両方向は共線であってはならない。第１の方向と第３の方向との間に角度が生じる場合、この角度は公知でなければならない。この場合、単純な三角法の関係によって、第３の支承力３００を２つの成分に分けることができる。一方の成分は、第１の方向を指しており、他方の成分は、第１の方向に対して垂直方向を指している。この場合には、第１の方向と第３の方向との間の角度のサイン（正弦）が、戻し力４００×てこの影響力／支承力３００の比に相当している。使用者により加えられたトルクを算出するためには、この限りにおいてのみ、支承力３００が付加的な計算ステップによって前述した三角法の関係から算出されなければならないことが重要となる。

図４には、本発明に係る駆動装置の択一的な実施の形態が示してある。図１に示した駆動装置と異なり、クランク軸４から歯車伝動装置８を介して出力軸２へのトルク伝達が行われる。このためには、内側歯列を備えた歯車４３（リングギヤ）がクランク軸４に相対回動不能に取り付けられている。出力軸２には、外側歯列を備えた歯車２７がフリーホイール２４を介して取り付けられている。両歯車２７，４３は噛み合っている。この変化形態では、暗騒音は著しく小さい。

図５には、別の択一的な実施の形態が示してある。この実施の形態では、電動モータ３０のトルクが出力軸２に直接伝達されず、伝動装置段３２が介在している。したがって、モータピニオン３３がトルクを中間伝動装置段３２に伝達し、この中間伝動装置段３２が、引き続き、トルクを入力ピニオン３１に伝達し、この入力ピニオン３１が、前述した実施の形態と同様にトルクを出力軸２に導入する。この変化形態は、直接的なトルク伝達時の変速が十分でない場合に使用される。

１ 駆動装置
２ 出力軸
３ 入力軸
４ クランク軸
５ チェーン
６ チェーン
７ ハブ
８ 歯車伝動装置
９ 歯車伝動装置
１０ ハウジング
１１ 制御装置
２０ スプロケット
２１ 歯車
２２ スプロケット
２３ フリーホイール
２４ フリーホイール
２５ 第１の軸受け
２６ 支承センサ
２７ 歯車
２８ 第２の軸受け
３０ 電動モータ
３１ 入力ピニオン
３２ 中間伝動装置段
３３ モータピニオン
４０ スプロケット
４１ クランク
４２ クランク
４３ 歯車
５１ 駆動部分
５２ 戻り部分
６１ 駆動部分
６２ 戻り部分
１００ 第１の支承力
２００ 第２の支承力
２６０ 支承アーム
２６２ ばね
３００ 第３の支承力
４００ 戻し力

Claims (9)

1. 電動自転車に用いられる駆動装置（１）において、
   少なくとも１つの軸受け（２５）を備えた出力軸（２）が設けられており、電動自転車の少なくとも１つの車輪にトルクを第１の伝達装置（２０，６，７）が伝達するようになっており、これによって、軸受け（２５）に第１の方向への第１の支承力（１００）が作用するようになっており、
   入力軸（３）が設けられており、該入力軸（３）に、電動モータ（３０）により発生させられたトルクが作用するようになっており、入力軸（３）から出力軸（２）にトルクを第２の伝達装置（２１，３１）が伝達するようになっており、これによって、軸受け（２５）に第２の方向への第２の支承力（２００）が作用するようになっており、
   クランク軸（４）が設けられており、該クランク軸（４）に、ライダにより発生させられたトルクが作用するようになっており、クランク軸（４）から出力軸（２）にトルクを第３の伝達装置（４０，５，２２）が伝達するようになっており、これによって、軸受け（２５）に第３の方向への第３の支承力（３００）が作用するようになっており、
   軸受け（２５）に加えられた第３の支承力（３００）を測定するための支承センサ（２６）が設けられており、
   第１の支承力（１００）の第１の方向と第２の支承力（２００）の第２の方向とが等しく、
   ライダにより発生させられた前記トルクが前記クランク軸（４）から前記出力軸（２）に伝達されている間、第１の支承力（１００）の第１の方向と第３の支承力（３００）の第３の方向とが互いに直交していることを特徴とする、電動自転車に用いられる駆動装置。
2. 支承センサ（２６）が、第３の支承力（３００）全てまたは第３の支承力（３００）の一成分を測定するようになっている、請求項１記載の駆動装置。
3. 第１の伝達装置（２０，６，７）および／または第２の伝達装置（２１，３１）および／または第３の伝達装置（４０，５，２２）が、循環する伝達手段（５，６）および／または単段式の歯車伝動装置（８）および／または多段式の歯車伝動装置（９）を有している、請求項１または２記載の駆動装置。
4. 支承センサ（２６）が、軸受け（２５）を取り付けた支承アーム（２６０）を有しており、該支承アーム（２６０）が、固定の支承点（２６１）を中心として旋回可能に支承されていて、弾性的なエレメント（２６２）を介して位置決めされており、これによって、該弾性的なエレメント（２６２）の戻し力（４００）に抗した出力軸（２）の移動が可能であり、戻し力（４００）が、第３の支承力（３００）に対する量を成している、請求項１から３までのいずれか１項記載の駆動装置。
5. 第２の伝達装置（２１，３１）と第３の伝達装置（４０，５，２２）とが、出力軸（２）に取り付けられたそれぞれ１つのフリーホイール（２３，２４）を有しており、該フリーホイール（２３，２４）が、出力軸（２）から入力軸（３）またはクランク軸（４）へのトルク伝達を阻止している、請求項１から４までのいずれか１項記載の駆動装置。
6. 駆動装置（１）が、ハウジング（１０）を有しており、該ハウジング（１０）に、出力軸（２）と、入力軸（３）と、クランク軸（４）とが支承されており、かつ／または該ハウジング（１０）に、電動モータ（３０）を支承センサ（２６）の信号に関連して制御する制御装置（１１）が取り付けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の駆動装置。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の駆動装置を備える電動自転車に用いられる制御装置（１１）において、該制御装置（１１）が、支承センサ（２６）の信号から出力軸（２）の支承力（３００）を算定するようになっており、該支承力（３００）が、ライダにより発生させられたトルクを加えることによって発生させられるようになっており、該トルクに基づき、電動モータ（３０）が、規定されたパターンに従って制御されるようになっており、これによって、電動モータ（３０）が、規定されたトルクを出力軸（２）に伝達するようになっていることを特徴とする、電動自転車に用いられる制御装置。
8. 制御装置（１１）が、支承力（３００）を弾性的なエレメント（２６２）の戻し力から計算するようになっている、請求項７記載の制御装置。
9. 請求項１から６までのいずれか１項記載の駆動装置および／または請求項７または８記載の制御装置を備えた電動自転車。

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