JP6578159B2 - 移動体 - Google Patents

Description

本発明の一態様は、速度制御装置を備える電動アシスト自転車などの移動体に関する。

従来、電動駆動ユニットが搭載された自転車などの移動体において、電動機の自起動領域を超える高速度域で走行した場合、電動機は発電機として動作し、回生動作となる。電動機が回生動作となっているときには、車輪の回転には負荷が生じ、搭乗者は走行に違和感を覚えることがある。これに対して、特許文献１には、電動機内部にワンウェイクラッチを搭載させた自転車について開示されている。この自転車では、電動機が回生動作しているときにはワンウェイクラッチにより電動機とロータとの連結が遮断されることで車輪の回転に対する負荷が開放され、これにより搭乗者は走行に違和感を覚えることがなくなる。また、特許文献２にも同様の技術が開示されている。

特開２０１２−２０１１６３号公報 特開２００９−０１２６２７号公報

しかしながら、上記従来の構成の自転車では、構成が複雑になってしまい、耐久性及び重量増加などの課題が生じていた。

本発明は、上記課題を解決するために次のような手段を採る。なお、以下の説明において、発明の理解を容易にするために図面中の符号等を括弧書きで付記するが、本発明の各構成要素はこれらの付記したものに限定されるものではなく、当業者が技術的に理解しうる範囲にまで広く解釈されるべきものである。

本発明の一の手段は、
車輪と、
前記車輪の回転速度を検知するセンサ（速度センサ５０）と、
回転軸を有するロータを備え、与えられた電力で前記ロータを回転することで前記車輪に駆動力を与え、または前記車輪により前記ロータが回転されることで回生電力を発生するモータ（４０）と、
半波整流または全波整流により、印加電力を整流して前記モータに電力を与え、または前記モータで発生した前記回生電力を整流する整流回路（６０）と、
前記センサの検出結果に基づき、前記整流回路の半波整流または全波整流の動作を切り替える制御部（１０）と、
前記整流回路に電力を与え、または前記整流回路により整流された前記回生電力により充電されるバッテリ（３０）と、を備える
移動体（自転車）である。

上記構成の移動体（自転車）によれば、モータに印加する電力を生成するための整流方式を、半波整流または全波整流に切り替えることが可能となる。これにより、例えば、高速度域では車輪に回転負荷が生じにくい半波整流方式で整流された電力をモータに印加するよう制御することなどが可能となり、回生動作時であっても違和感のない走行が可能な移動体を提供することができる。

上記移動体（自転車）において、好ましくは、
前記制御部は、前記センサの検出結果に基づき、移動速度が所定の速度より速くなった場合に前記整流回路の動作を全波整流から半波整流に切り替える。

上記構成の移動体（自転車）によれば、高速度域では、モータに与える電力を、全波整流から半波整流で整流された電力に切り替えるように制御部が制御する。これにより、高速度域においても、搭乗者が違和感を覚えることなく移動体（自転車）を走行させることが可能となる。

上記移動体（自転車）において、好ましくは、
前記所定の速度が２５ｋｍ／ｈ前後の速度である。

上記構成の移動体（自転車）によれば、移動体の速度が２５ｋｍ／ｈよりも速いときに、モータに与える電力を全波整流から半波整流に切り替える制御を行う構成としているため、２５ｋｍ／ｈの速度において、搭乗者が違和感を覚えることなく移動体（自転車）を走行させることが可能となる。

電動アシスト自転車の外観を示す図。 電動アシスト自転車の電動駆動ユニットの機能的構成を示す図。 電動アシスト自転車の電動駆動ユニットの動作例を示すフローチャート。 全波整流で動作する際の整流回路の波形を示す図。 半波整流で動作する際の整流回路の波形を示す図。 電動アシスト自転車における速度と発生トルクとの関係を示す図。

本発明に係る実施形態について、以下の構成に従って図面を参照しながら具体的に説明する。ただし、以下で説明する実施形態はあくまで本発明の一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定的に解釈させるものではない。なお、各図面において、同一の構成要素には同一の符号を付しており、その説明を省略する場合がある。
１．実施形態
（１）自転車の構成例
（２）電動駆動ユニットにおける動作例
２．補足事項

＜１．実施形態＞
本実施形態の電動アシスト自転車は、電動駆動ユニットがモータに印加する電力の整流方式を全波整流方式と半波整流方式とで切り替え可能に構成されており、自転車が高速で動作しているときには半波整流方式で動作するよう制御している点に特徴がある。以下、本実施形態の電動アシスト自転車について、図面を参照しながら具体的に説明する。

＜（１）自転車の構成例＞
図１は、本実施形態の電動アシスト自転車の外観を示す図である。図２は、本実施形態の電動アシスト自転車における特徴部分である電動駆動ユニット部分の機能的構成を示す図である。図１及び図２に示されるように、本実施形態の電動アシスト自転車の電動駆動ユニットは、特徴的な構成として、制御部１０、トルクセンサ２０、バッテリ３０、モータ４０、速度センサ５０、及び整流回路６０を含んで構成される。本実施形態の電動アシスト自転車は、これらの特徴的な構成以外にも、車輪、車体、ペダル、およびチェーンなどの、通常の電動アシスト自転車が備える構成を備えているが、本発明の特徴部分ではないためこれらの構成については説明を省略する。

＜トルクセンサ２０＞
トルクセンサ２０は、搭乗者が自転車のペダルに与えた踏力により発生するトルクを検出するよう構成され、図１に示されるようにフロントチェーンホイールの近傍などに配置される。トルクセンサは、検出したトルク情報（踏力情報）を制御部１０に出力する。なお、トルクセンサは、当該位置ではなく別の位置に配置されてもよいが、当該位置に配置すると、踏力が与えられる位置に近い位置でトルクを検出することとなり、より精度の高いトルクの検出が可能となるため好ましい。なお、トルクセンサは、ペダルに与えられた踏力をトルクとして検出する構成でも良いし、チェーンに与えられた力を検出するような構成であってもよい。

＜バッテリ３０＞
バッテリ３０は、外部から与えられる電力により、またはモータ４０が回生動作する際の回生電力により充電されることで蓄電し、整流回路６０に対して放電することで電圧を印加するよう構成される。また、バッテリ３０は、制御部１０などの他の構成に対して電力を供給することもできる。バッテリ３０は、電動アシスト自転車における補助駆動力（電動アシスト力）を発生させるための電力源となる。

＜モータ４０＞
モータ４０は、図１に示されるように自転車の前輪の中心部分に配置される。モータ４０は、前輪に連結された回転軸を有するロータと、減速機を備える。本実施形態のモータ４０は、例えば、三相モータで構成される。モータ４０は、整流回路６０から印加された電圧（電力）によりロータを回転させ、これにより前輪の回転方向（推進方向）に人力に対する補助として駆動力を与えることで、前輪に対して補助駆動力を与えることができる。また、モータ４０は、回生動作の際、車輪の回転によりロータが回転することで回生電力を発生し、この回生電力を整流回路６０に出力する。モータ４０が回生動作に際には、前輪に対して制動力（ブレーキ力）が与えられる。モータ４０には、速度センサ５０が連結される。

＜速度センサ５０＞
速度センサ５０は、モータ４０に連結されて配置され、モータ４０または前輪の回転速度（単位時間当たりの回転数）、または自転車の移動速度を検出する。自転車の移動速度は、前輪の回転速度に基づいて算出される。速度センサ５０は、検出した前輪の回転速度などの速度情報を制御部１０に出力する。なお、本実施形態において車輪の回転速度とは、単なる車輪の回転速度のみを指すものではなく、車輪の回転速度に基づき導出される自転車の速度をも含む。

＜整流回路６０＞
整流回路６０は、バッテリ３０の近傍またはモータ４０の近傍などに配置され、印加された電力（電圧）を半波整流または全波整流のいずれかの方式で整流して出力するよう構成された電気回路である。整流回路６０は、制御部１０の制御によりその整流方式を半波整流または全波整流に切り替えられる。整流回路６０は、バッテリ３０から印加された電力を整流してモータ４０に電力を与え、またはモータ４０から印加された電力を整流してバッテリ３０に電力を与える。整流回路６０は、制御部１０の制御により、所定のデューティ（Ｄｕｔｙ）の電圧をモータ４０に対して印加する。

＜制御部１０＞
制御部１０は、例えばトルクセンサ２０の近傍など、電動アシスト自転車の車体の任意の場所に配置され、電動アシスト自転車における各種制御を行うよう構成される。本実施形態の自転車では特に、制御部１０は、速度センサ５０から入力される速度情報に基づき、整流回路６０の動作方式を半波整流または全波整流のいずれかの方式とする。制御部１０は、例えば、速度センサ５０により示される電動アシスト自転車の速度情報が２５ｋｍ／ｈ未満の低速度域においては整流回路６０を全波整流で動作させ、速度情報が２５ｋｍ／ｈ以上の高速度域においては整流回路６０を半波整流で動作させる。

＜（２）電動駆動ユニットにおける動作例＞
ここで、上記のような構成を備える本実施形態の電動アシスト自転車の電動駆動ユニットにおける動作例について、図３〜図６を参照しながら説明する。図３は、本実施形態の電動駆動ユニットの動作例を示すフローチャートである。

＜Ｓ１００〜Ｓ１２０＞
搭乗者の操作により、または搭乗者が電動アシスト自転車に搭乗したときに自動的に、電動駆動ユニットが始動すると（Ｓ１００）、制御部１０はトルクセンサ２０により検出されるトルクを確認する（Ｓ１１０）。ここで、検出されるトルクが０であれば、すなわち、搭乗者がペダルを踏み込んでいなければ（Ｓ１２０でＮ）、Ｓ１１０からのトルク検出処理が繰り返される。

＜Ｓ１３０〜Ｓ１６０＞
一方で、検出されるトルクが０でない、すなわち、搭乗者がペダルを踏み込んで自転車に動力を与えていたら（Ｓ１２０でＹ）、制御部１０は、モータ４０を起動させる（ＯＮにする）（Ｓ１３０）。さらに、制御部１０は検出されるトルクを確認し（Ｓ１４０）、検出されるトルクが０であるか否かを確認する（Ｓ１５０）。ここで、検出されるトルクが０であれば（Ｓ１５０でＮ）、制御部１０はモータ４０を停止させ（ＯＦＦにして）（Ｓ１６０）、Ｓ１１０からの処理を繰り返す。

＜Ｓ１７０〜Ｓ１８０＞
一方、検出されるトルクが０ではなく、何らかのトルクが検出されると（Ｓ１５０でＹ）、制御部１０は速度センサ５０により検出される車輪の回転速度から、自転車の移動速度を算出する（Ｓ１７０）。そして、制御部１０は、検出された自転車の速度情報が２５ｋｍ／ｈより速い値を示しているか否かを確認する（Ｓ１８０）。

＜Ｓ１９０＞
検出された自転車の速度が２５ｋｍ／ｈであるか、またはこれより遅ければ（Ｓ１８０でＮ）、制御部１０は、整流回路６０の動作を全波整流動作にする（Ｓ１９０）。

＜Ｓ２００＞
一方で、検出された自転車の速度が２５ｋｍ／ｈより速ければ（Ｓ１８０でＹ）、制御部１０は、整流回路６０の動作を半波整流動作にする（Ｓ２００）。

すなわち、制御部１０は、電動アシスト自転車の速度が２５ｋｍ／ｈより速ければ整流回路６０を半波整流動作にし、そうでなければ整流回路６０を全波整流動作にする。つまり、制御部１０は、電動アシスト自転車の速度が２５ｋｍ／ｈを超えたタイミングで、整流回路６０の動作を全波整流から半波整流に切り替え、電動アシスト自転車の速度が２５ｋｍ／ｈを超えた速度から２５ｋｍ／ｈ以下の速度になったタイミングで、整流回路６０の動作を半波整流から全波整流に切り替える。

＜Ｓ２１０＞
Ｓ１９０またはＳ２００の処理の後、制御部１０は、トルクセンサ２０により検出されたトルク、及び速度センサ５０により検出された速度に基づき、モータ４０に対して与える電圧（電力）のデューティ（Ｄｕｔｙ）を決定して（Ｓ２１０）、Ｓ１１０の処理に戻る。

ここで、図４は、整流回路６０が全波整流で動作するときの波形を示す図である。図５は、整流回路６０が半波整流で動作するときの波形を示す図である。図４及び図５において、横軸は時間、縦軸は電圧または電流を示している。図４及び図５において、上図は電圧特性を示し、下図は電流特性を示している。図４及び図５から判るように、全波整流動作は印加電力を最大限に活用可能な動作であり、半波整流動作は全波整流動作に対して略１／２以下の電動特性となっている。

図６は、本実施形態の電動アシスト自転車における速度と、電動駆動ユニットによる発生トルクとの関係を示す図である。図６において、横軸は自転車の速度、縦軸は発生トルクを示している。

図６に示されるように、電動アシスト自転車では、速度が速くなるにつれて発生するトルクが低下していき、これにより自起動領域と発電領域との境界が決定される。自起動領域とは、与えられる電力によりモータが車輪に駆動力を与える領域であり、発電領域とは、モータに与えられる回転力によりモータが発電する領域である。そして、全波整流と半波整流とでは、その特性が異なり、半波整流の方が速度に対して発生するトルクが小さくなる。本実施形態では、自転車の速度が２５ｋｍ／ｈを超えるか否かで制御部１０が全波整流動作と半波整流動作とを切り替えているため、自転車が高速度域（２５ｋｍ／ｈを超える速度領域）で動作するときは、整流回路６０が半波整流動作で動作することとなる。そのため、高速度域ではモータに発生するトルクが弱くなり、これに伴い自起動領域が拡大することとなる。

ここで、モータが発電領域に入ると、モータが車輪の回転力により発電することとなるため、回生動作の際に車輪の回転に対する制動力が発生することとなり、これにより搭乗者は違和感を覚えることがある。そこで、上記のように、本実施形態の電動アシスト自転車では、高速度域において整流回路６０を半波整流動作とし、これにより自起動領域を拡大して、搭乗者が違和感を覚えることなく自転車を動作させることができるようにしている。このような構成とすることで、電動アシスト自転車にワンウェイクラッチなどを搭載することなく、制御方式の変更のみで、高速度域での電動特性を適切に変更可能となり、搭乗者が搭乗時に覚える違和感を抑制することが可能となる。

＜２．補足事項＞
以上、本発明の実施形態についての具体的な説明を行った。上記説明は、あくまで一実施形態としての説明であって、本発明の範囲はこの一実施形態に留まらず、当業者が把握可能な範囲にまで広く解釈されるものである。

上記実施形態では、電動アシスト自転車を具体例として挙げて説明したが、本実施形態の自転車が備える電動駆動ユニットは必ずしも自転車にのみ適用されるものではなく、三輪車または四輪車などにも適用可能である。

また、上記実施形態では、一例として自転車の速度が２５ｋｍ／ｈを超えたことを基準に整流回路の動作方式を変化させたが、この基準速度は任意に変更可能である。

また、上記実施形態では、モータ４０に連結された速度センサ５０を用いて車輪の回転速度を検出したが、別の構成により自転車の速度を検出する構成としてもよい。

本発明は、電動アシスト自転車などとして好適に適用される。

１０…制御部
２０…トルクセンサ
３０…バッテリ
４０…モータ
５０…位置センサ
６０…整流回路

Claims (3)

1. 車輪と、
   前記車輪の回転速度を検知するセンサと、
   回転軸を有するロータを備え、与えられた電力で前記ロータを回転することで前記車輪に駆動力を与え、または前記車輪により前記ロータが回転されることで回生電力を発生するモータと、
   半波整流または全波整流により、印加電力を整流して前記モータに電力を与え、または前記モータで発生した前記回生電力を整流する整流回路と、
   前記センサの検出結果に基づき、前記整流回路の半波整流または全波整流の動作を切り替える制御部と、
   前記整流回路に電力を与え、または前記整流回路により整流された前記回生電力により充電されるバッテリと、を備える
   移動体。
2. 前記制御部は、前記センサの検出結果に基づき、移動速度が所定の速度より速くなった場合に前記整流回路の動作を全波整流から半波整流に切り替える
   請求項１に記載の移動体。
3. 前記所定の速度が２５ｋｍ／ｈ前後の速度である
   請求項２に記載の移動体。