JP7203319B2 - 自転車電動化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、自転車電動化装置、及び、車輪に関する。
従来、ペダルへの踏力などの人力駆動力に、電動モータによる補助駆動力を付加することで、楽に走行できる電動自転車が知られている。特許文献１には、車速センサを備えた電動自転車が開示されている。
特開２０１４－０１２５２５号公報
本発明は、電動モータを備えていない自転車を電動化することができる、自転車電動化装置及び車輪を提供する。
本発明の一態様に係る自転車電動化装置は、自転車に取り付けられる自転車電動化装置であって、前記自転車の速度を算出する算出部と、前記自転車のペダルへの踏力を推定する推定部と、電動モータと、前記電動モータに電力を供給するバッテリと、算出された前記速度、及び、推定された前記踏力に基づいて前記電動モータを駆動することにより、前記自転車の車輪に補助駆動力を与える制御部とを備える。
本発明の一態様に係る車輪は、自転車に取り付けられる車輪であって、車輪本体と、前記自転車の速度を算出する算出部と、前記自転車のペダルへの踏力を推定する推定部と、電動モータと、前記電動モータに電力を供給するバッテリと、算出された前記速度、及び、推定された前記踏力に基づいて前記電動モータを駆動することにより、前記車輪本体に補助駆動力を与える制御部とを備える。
本発明によれば、電動モータを備えていない自転車を電動化することができる、自転車電動化装置及び車輪が実現される。
図１は、実施の形態１に係る自転車電動化装置が取り付けられた自転車の外観図である。 図２は、実施の形態１に係る自転車電動化装置の機能構成を示すブロック図である。 図３は、実施の形態１に係る自転車電動化装置の動作のフローチャートである。 図４は、実施の形態２に係る車輪の外観図である。 図５は、実施の形態２に係る車輪の機能構成を示すブロック図である。
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付し、重複する説明は省略または簡略化される場合がある。
（実施の形態１）
［構成］
まず、実施の形態１に係る自転車電動化装置の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係る自転車電動化装置が取り付けられた自転車の外観図である。図２は、実施の形態１に係る自転車電動化装置の機能構成を示すブロック図である。
図１に示されるように、自転車電動化装置２０は、自転車１０への取付構造を備え、電動モータを備えていない自転車１０に着脱自在に取り付けられる。取付構造は、例えば、ねじを用いたねじ止め構造であるが、取り付け用の爪等を利用した係合構造であってもよい。自転車電動化装置２０は、自転車電動化装置２０が取り付けられた自転車１０を電動化することができる。自転車電動化装置２０は、例えば、自転車１０のメインフレーム１１に取り付けられ、自転車１０の前輪１２を電動化する。なお、自転車電動化装置２０は、立パイプ１４などに取り付けられ自転車１０の後輪１３を電動化してもよい。
図１及び図２に示されるように、自転車電動化装置２０は、具体的には、光学式エンコーダ２１と、加速度センサ２２と、信号処理部２３と、記憶部２４と、電動モータ２５と、ローラー２６と、バッテリ２７と、筐体２８とを備える。光学式エンコーダ２１以外の構成要素は、筐体２８内に収容されている。
光学式エンコーダ２１は、自転車１０のフォーク１５に取り付けられ、前輪１２のホイール１６に光を出射する。光学式エンコーダ２１は、例えば、反射型のエンコーダであり、ホイール１６で反射された光に応じた変調信号を出力する。光学式エンコーダ２１は、透過型のエンコーダであってもよく、この場合、光学式エンコーダ２１は、前輪１２のホイール１６を通過した光に応じた変調信号を出力する。なお、自転車電動化装置２０は、光学式エンコーダ２１に代えて、磁気式エンコーダを備えてもよい。
加速度センサ２２は、加速度を検出し、加速度を示す信号を出力する。加速度センサ２２は、少なくとも自転車１０の進行方向における加速度を検出する。
信号処理部２３は、自転車電動化装置２０における信号処理を行い、電動モータ２５を制御する。信号処理部２３は、具体的には、算出部２３ａ、推定部２３ｂ、及び、制御部２３ｃを備える。信号処理部２３は、例えば、マイクロコンピュータによって実現されるが、プロセッサまたは専用回路によって実現されてもよい。
記憶部２４は、信号処理部２３が実行する制御プログラムなどが記憶される記憶装置である。記憶部２４は、具体的には、半導体メモリによって実現される。
電動モータ２５は、自転車１０を電動化するための駆動源である。電動モータ２５は、バッテリ２７から供給される電力を用いてローラー２６を回転させる。
ローラー２６は、自転車１０の前輪１２に接しており、この状態で電動モータ２５によって回転されることで前輪１２に補助駆動力を与える。なお、電動モータ２５およびローラー２６の間には、例えば、クラッチ機構が設けられ、前輪１２に補助駆動力を与えない場合にはローラー２６は空回りする。
バッテリ２７は、電動モータ２５に電力を供給する電源である。バッテリ２７は、例えば、リチウムイオン電池などの二次電池（つまり、蓄電池）である。
［動作］
自転車電動化装置２０は、電動モータ２５によって自転車１０の前輪１２を継続的に動かすのではなく、自転車１０に電動アシスト機能を付与することができる。電動アシスト機能とは、自転車１０の速度、及び、ペダル１７への踏力に基づいて、自転車１０の前輪１２に適応的に補助駆動力を与える機能である。以下、自転車電動化装置２０の動作について説明する。図３は、自転車電動化装置２０の動作のフローチャートである。
まず、信号処理部２３の算出部２３ａは、自転車１０の速度を算出する（Ｓ１１）。算出部２３ａは、光学式エンコーダ２１から変調信号を取得する。変調信号は、ホイール１６を構成するスポークの有無に応じて変調されており、前輪１２の回転量（言い換えれば、回転数）を間接的に示す信号である。算出部２３ａは、変調信号に基づいて、単位時間あたりに光学式エンコーダ２１の前を通るスポークの数を特定し、特定されたスポークの数に基づいて、前輪１２の単位時間当たりの回転量を特定する。算出部２３ａは、前輪１２の単位時間当たりの回転量と、前輪１２の大きさとに基づいて自転車１０の速度を算出することができる。
なお、前輪１２が備えるスポークの数、及び、前輪１２の大きさなどは、例えば、自転車電動化装置２０が備える操作受付部（図示せず）が受け付けるユーザの操作に基づいて当該ユーザによって設定されるが、あらかじめ定められていてもよい。
また、前輪１２の単位時間当たりの回転量と自転車１０の速度とが対応付けられた第一テーブル情報が記憶部２４に記憶されていてもよい。この場合、算出部２３ａは、第一テーブル情報を参照することで、前輪１２の回転量から自転車１０の速度を算出することができる。
次に、推定部２３ｂは、自転車１０のペダル１７への踏力を推定する（Ｓ１２）。ペダル１７への踏力は、言い換えれば、ペダル１７に加わるトルクである。推定部２３ｂは、加速度センサ２２によって検出される自転車１０の進行方向における加速度（より具体的には、加速度を示す信号）に基づいてペダル１７への踏力を推定する。
ユーザがペダル１７を踏み込むとき、つまり、踏力が大きいときには、進行方向における加速度が大きくなると考えられる。そこで、推定部２３ｂは、自転車１０の進行方向における加速度が大きいほど、踏力が大きいと推定する。
例えば、記憶部２４には、加速度センサ２２によって検出される加速度とペダル１７への踏力とが対応付けられた第二テーブル情報が記憶され、推定部２３ｂは、第二テーブル情報を参照することで、加速度から踏力を推定する。第二テーブル情報における、加速度とペダル１７への踏力との対応関係は、実験的または経験的に適宜定められる。第二テーブル情報においては、加速度が大きいほど当該加速度に対応付けられた踏力が大きくなる。
なお、第二テーブル情報に代えて、加速度と踏力との関係を示す関係式（関数）が記憶部２４に記憶されてもよい。関係式は、実験的または経験的に適宜定められる。関係式は、加速度の値が大きくなるほど大きい踏力の値を返す。
次に、制御部２３ｃは、ステップＳ１１において算出された速度、及び、ステップＳ１２おいて推定された踏力に基づいて電動モータ２５を駆動することにより、ローラー２６を介して自転車１０の前輪１２に補助駆動力を与える（Ｓ１３）。
制御部２３ｃは、具体的には、算出された速度、及び、推定された踏力に基づいて、電動モータ２５の駆動により発生する補助駆動力の大きさを決定する。制御部２３ｃは、速度が第一閾値（例えば、時速１０ｋｍ）未満の場合には、電動モータ２５を駆動することで、ペダル１７への踏力の２倍以下の補助駆動力を発生させる。制御部２３ｃは、速度が第一閾値よりも大きい第二閾値（例えば、時速２４ｋｍ）以上の場合は、電動モータ２５に補助駆動力を発生させない。制御部２３ｃは、速度が第一閾値以上第二閾値未満の場合には、電動モータ２５を駆動することで、速度に応じた補助駆動力を発生させる。なお、このような補助駆動力の与え方は一例である。
自転車電動化装置２０は、自転車１０のペダル１７と機械的に接続されていないため、ペダル１７への踏力を直接計測することはできないが、ペダル１７への踏力を推定することができる。自転車電動化装置２０は、このようなペダル１７への踏力の推定により、自転車１０に電動アシスト機能を付与することができる。
なお、上述の踏力の推定方法は、一例である。踏力の推定には、加速度に代えて、前輪１２の角速度が用いられてもよい。この場合、自転車電動化装置２０は、前輪１２に取り付けられる角速度センサを備え、角速度センサから前輪１２の角速度を取得する。また、踏力の推定には、加速度に加えて、前輪１２の角速度、自転車１０の重量、及び、自転車１０の状態方程式等が用いられてもよい。また、踏力の推定には、人工知能（ＡＩ：Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）が用いられてもよい。
［効果等］
以上説明したように、自転車１０に取り付けられる自転車電動化装置２０は、自転車１０の速度を算出する算出部２３ａと、自転車１０のペダル１７への踏力を推定する推定部２３ｂと、電動モータ２５と、電動モータ２５に電力を供給するバッテリ２７と、算出された速度、及び、推定された踏力に基づいて電動モータ２５を駆動することにより、自転車１０の車輪に補助駆動力を与える制御部２３ｃとを備える。
このような自転車電動化装置２０は、電動モータを備えていない自転車１０に電動アシスト機能を付与することができる。つまり、自転車電動化装置２０は、電動モータを備えていない自転車を電動化することができる。ユーザは、自転車１０に自転車電動化装置２０を取り付けることで容易に自転車１０を電動化することができる。
また、自転車電動化装置２０は、例えば、さらに、加速度センサ２２を備え、推定部２３ｂは、加速度センサ２２によって検出される自転車１０の進行方向における加速度に基づいて踏力を推定する。
このような自転車電動化装置２０は、加速度センサ２２を用いて踏力を推定することができる。
また、自転車電動化装置２０は、例えば、さらに、車輪のホイールに光を出射する光学式エンコーダ２１を備える。算出部２３ａは、光学式エンコーダ２１によって出力される車輪の回転量を示す信号に基づいて自転車１０の速度を算出する。
このような自転車電動化装置２０は、光学式エンコーダ２１を用いて自転車１０の速度を算出することができる。
また、例えば、制御部２３ｃは、自転車１０の前輪１２に補助駆動力を与える。
このような自転車電動化装置２０は、自転車１０の前輪１２に補助駆動力を与えることができる。
（実施の形態２）
［構成］
自転車電動化装置２０は、自転車１０の車輪の形態で実現されてもよい。以下、実施の形態２に係る車輪について説明する。図４は、実施の形態２に係る車輪の外観図である。図５は、実施の形態２に係る車輪の機能構成を示すブロック図である。なお、以下の実施の形態２では、実施の形態１との相違点を中心に説明が行われ、既出事項の説明は省略または簡略化される。
図４に示されるように、車輪３０は、電動モータを備えていない自転車１０の前輪と引き換えに自転車１０に取り付けられることで自転車１０を電動化することができる装置である。車輪３０は、車輪本体３１と、インホイールモータ装置３２とを備える。なお、車輪３０は、自転車１０の後輪１３と引き換えに自転車１０に取り付けられてもよい。車輪３０は、自転車１０の前輪として使用されてもよいし、自転車１０の後輪として使用されてもよい。
図５に示されるように、インホイールモータ装置３２は、具体的には、加速度センサ２２と、信号処理部２３と、記憶部２４と、電動モータ２５と、バッテリ２７とを備える。
インホイールモータ装置３２において、信号処理部２３の算出部２３ａは、加速度センサ２２によって検出される加速度に基づいて自転車１０の速度を算出する。算出部２３ａは、具体的には、加速度センサ２２から出力される進行方向における加速度を示す信号を積分することにより、自転車１０の進行方向における速度を算出することができる。なお、このような速度の算出方法は、自転車電動化装置２０において採用されてもよい。また、車輪３０の軸に光学式エンコーダ２１（または磁気式エンコーダ）が取り付けられれば、算出部２３ａは、実施の形態１と同様の算出方法で自転車１０の進行方向における速度を算出することもできる。
推定部２３ｂによる踏力の推定方法は、自転車電動化装置２０と同様である。制御部２３ｃは、算出部２３ａによって算出された速度、及び、推定部２３ｂによって推定された踏力に基づいて電動モータ２５を駆動することにより、車輪本体３１に補助駆動力を与える。補助駆動力の大きさの決定方法は、自転車電動化装置２０と同様である。
このように、車輪３０は、自転車１０のペダル１７と機械的に接続されていないため、ペダル１７への踏力を直接計測することはできないが、ペダル１７への踏力を推定することができる。車輪３０は、このようなペダル１７への踏力の推定により、自転車１０に電動アシスト機能を付与することができる。
［効果等］
以上説明したように、自転車１０に取り付けられる車輪３０は、車輪本体３１と、自転車１０の速度を算出する算出部２３ａと、自転車１０のペダル１７への踏力を推定する推定部２３ｂと、電動モータ２５と、電動モータ２５に電力を供給するバッテリ２７と、算出された速度、及び、推定された踏力に基づいて電動モータ２５を駆動することにより、車輪本体３１に補助駆動力を与える制御部２３ｃとを備える。
このような車輪３０は、電動モータを備えていない自転車１０に電動アシスト機能を付与することができる。つまり、車輪３０は、電動モータを備えていない自転車１０を電動化することができる。ユーザは、自転車１０の車輪を車輪３０に交換することで容易に自転車１０を電動化することができる。
また、例えば、車輪３０は、自転車１０の前輪として用いられる。
このような車輪３０は、自転車１０の前輪として用いられることで、自転車１０に電動アシスト機能を付与することができる。ユーザは、自転車１０の前輪を車輪３０に交換することで容易に自転車１０を電動化することができる。
（その他の実施の形態）
以上、実施の形態について説明したが、本発明は、このような実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施の形態に係る自転車電動化装置、及び、車輪は、バッテリを回生充電する機能を備えてもよい。
また、本発明の全般的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能なＣＤ－ＲＯＭなどの記録媒体で実現されてもよい。また、本発明の全般的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。例えば、本発明は、上記実施の形態に係るインホイールモータ装置として実現されてもよい。本発明は、自転車電動化装置または車輪を用いた自転車の制御方法として実現されてもよい。
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
１０ 自転車
１２ 前輪
１７ ペダル
２０ 自転車電動化装置
２１ 光学式エンコーダ
２２ 加速度センサ
２３ａ 算出部
２３ｂ 推定部
２３ｃ 制御部
２５ 電動モータ
２７ バッテリ
３０ 車輪
３１ 車輪本体
３２ インホイールモータ装置

Claims (5)

  1. 自転車に着脱自在に取り付けられる自転車電動化装置であって、
    前記自転車の速度を算出する算出部と、
    前記自転車のペダルへの踏力を推定する推定部と、
    電動モータと、
    ローラーと、
    前記電動モータに電力を供給するバッテリと、
    前記自転車の進行方向における加速度を検出する加速度センサと、
    算出された前記速度、及び、推定された前記踏力に基づいて前記電動モータを駆動することにより、前記ローラーを介して前記自転車の車輪に補助駆動力を与える制御部と、
    前記算出部、前記推定部、前記電動モータ、前記ローラーの少なくとも一部、前記バッテリ及び前記制御部を収容する筐体とを備え、
    前記制御部は、前記算出部によって算出された前記自転車の速度、並びに、前記加速度及びテーブル情報から推定された前記踏力に基づいて、前記電動モータの駆動により発生する補助駆動力の大きさを決定し、
    前記テーブル情報は、前記加速度センサによって検出される加速度と前記ペダルへの踏力との対応関係を示す
    自転車電動化装置。
  2. 前記ローラーは、前記筐体から突出して前記自転車の前記車輪に接しており、この状態で前記電動モータによって回転されることで前記車輪に補助駆動力を与える
    請求項１に記載の自転車電動化装置。
  3. さらに、前記車輪のホイールに光を出射する光学式エンコーダを備え、
    前記算出部は、前記光学式エンコーダによって出力される前記車輪の回転量を示す信号に基づいて前記自転車の速度を算出する
    請求項１または２に記載の自転車電動化装置。
  4. 前記制御部は、前記自転車の前輪に補助駆動力を与える
    請求項１～３のいずれか１項に記載の自転車電動化装置。
  5. 前記制御部は、前記算出部によって算出された前記自転車の速度に基づいて前記電動モータに前記補助駆動力を発生させるかどうかを決定し、前記加速度及び前記テーブル情報から推定された前記踏力、並びに、算出された前記速度に基づいて、前記電動モータの駆動により発生する補助駆動力の大きさを決定する
    請求項１～４のいずれか１項に記載の自転車電動化装置。
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