(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人力による駆動系と電動機による駆動系とを並列に設けた電動機付き自転車の駆動装置において、前記人力による駆動系の回転速度を検出する速度検出器と、前記速度検出器の検出出力に応じて駆動される電動機と、前記人力による駆動系の動力に前記電動機の動力を重畳する動力伝達手段と、前記動力伝達手段によって駆動される車輪駆動軸とを備えたことを特徴とする電動機付き自転車の駆動装置。
【請求項２】
前記電動機による駆動系は、スリップリングを介して給電される電機子巻線を備え、かつ前記人力による駆動系に結合した第１の回転子と、前記第１の回転子と空隙を介して対向し、かつ車輪駆動軸に結合した第２の回転子と、前記第１の回転子の回転速度を検出する速度検出器と、前記速度検出器の出力に応じて前記第１の回転子に電力を供給するインバータおよび電池とを備えた請求項１記載の電動機付き自転車の駆動装置。
【請求項３】
前記電動機による駆動系は、前記第１の回転子と前記第２の回転子との相対位置を検出する検出器を設け、前記第１の回転子の電機子巻線にトルク発生に最適な振幅と位相を持った電流を出力する閉ループ制御を行うインバータおよび電池とを備えた請求項１記載の電動機付き自転車の駆動装置。
【請求項４】
前記電動機による駆動系は、前記第１の回転子の回転位置および回転速度を検出する検出器と、前記第２の回転子の回転位置を検出する検出器とを設け、前記第１の回転子の回転位置と前記第２の回転子の回転位置から前記第１の回転子と前記第２の回転子の相対位置を求めて前記第１の回転子の電機子巻線にトルク発生に最適な振幅と位相を持った電流を出力する閉ループ制御を行うインバータおよび電池とを備えた請求項１記載の電動機付き自転車の駆動装置。
【請求項５】
前記電動機による駆動系は、前記インバータまたは前記インバータおよび電池を前記第１の回転子に内蔵した請求項２から４までのいずれか１項に記載の電動機付き自転車の駆動装置。
【請求項６】
前記動力伝達手段は、前記人力による駆動系によって駆動されるクランク軸と前記電動機によって駆動される軸との動力を所定の変速比をもって重畳する差動機構である請求項１記載の電動機付き自転車の駆動装置。
【請求項７】
前記差動機構は、人力により駆動されるクランク軸に固定された第１の歯車と、前記第１の歯車に噛み合う第２の歯車と、前記第２の歯車を回転自在に支持し、かつ前記クランク軸と同軸に回転し得る第３の歯車と、前記第２の歯車に噛み合い、かつ前記クランク軸と同心に回転し得る第４の歯車と、前記電動機の出力軸に連結され、かつ前記第４の歯車に固定された第５の歯車と、前記車輪駆動軸に連結する第６の歯車とを備えた請求項６記載の電動機付き自転車の駆動装置。
【請求項８】
人力による駆動系と前記電動機による駆動系との間に逆転防止装置を備えた請求項１から７までのいずれか１項に記載の電動機付き自転車の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、人力による駆動系と電動機による駆動系とを備えた電動機付き自転車の駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、人力による駆動系と電動機による駆動系とを備えて、その両方によって電動機付き自転車を協調運転する方法として、ペダルを介して人力で駆動するトルクをトルク検出器で検出し、その検出値をトルク指令として電動機を制御し、人力トルクと電動機トルクとを機構的に加算するようにした電動機付き自転車が開示されている（例えば、実開昭５６−７６５９０、特開平２−７４４９１号、特開平４−１００７９０号）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、パワーをトルクの形で重畳させているので、電源オン時とオフ時とでは人力に係る負担が大きく変化するという問題があった。例えば、一定の走行抵抗で走行中に電池が切れた場合に、人力の負担が急増するため、これを避けるためにクラッチを設けたり、減速機構を切り替えて減速している。
またトルク検出器が必要であることと、人力トルクとモータトルクとを機構的に結合する必要があるため、構成が複雑になるという問題があった。
本発明は、人力が負担する負荷が変わらずに走行できるようにした、電動機付き自転車の駆動装置を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、人力による駆動系と電動機による駆動系とを並列に設けた電動機付き自転車の駆動装置において、前記人力による駆動系の回転速度を検出する速度検出器と、前記速度検出器の検出出力に応じて駆動される電動機と、前記人力による駆動系の動力に前記電動機の動力を重畳する動力伝達手段と、前記動力伝達手段によって駆動される車輪駆動軸とを備えたものである。
また、前記電動機による駆動系は、スリップリングを介して給電される電機子巻線を備え、かつ前記人力により駆動されるクランク軸に第１の出力軸を介して結合した第１の回転子と、前記第１の回転子と空隙を介して対向し、かつ車輪駆動軸に第２の出力軸を介して結合した第２の回転子と、前記第１の回転子の回転速度を検出する速度検出器と、前記速度検出器の出力に応じて前記第１の回転子に電力を供給するインバータおよび電池とを備えたものである。
また、前記電動機による駆動系は、前記第１の回転子と前記第２の回転子との相対位置を検出する検出器を設け、前記第１の回転子の電機子巻線にトルク発生に最適な振幅と位相を持った電流を出力する閉ループ制御を行うインバータおよび電池とを備えたものである。
また、前記電動機による駆動系は、前記第１の回転子の回転位置および回転速度を検出する検出器と、前記第２の回転子の回転位置を検出する検出器とを設け、前記第１の回転子の回転位置と前記第２の回転子の回転位置から前記第１の回転子と前記第２の回転子の相対位置を求めて前記第１の回転子の電機子巻線にトルク発生に最適な振幅と位相を持った電流を出力する閉ループ制御を行うインバータおよび電池とを備えたものである。
前記電動機による駆動系は、前記インバータまたは前記インバータおよび電池を前記第１の回転子に内蔵したものである。
また、前記動力伝達手段は、前記電動機によって駆動される軸と前記人力によって駆動される駆動系を形成するクランク軸との動力を所定の変速比をもって合成して車輪駆動軸を駆動する差動機構である。
また、前記差動機構は、人力により駆動されるクランク軸に固定された第１の歯車と、前記第１の歯車に噛み合う第２の歯車と、前記第２の歯車を回転自在に支持し、かつ前記クランク軸と同軸に回転し得る第３の歯車と、前記第２の歯車に噛み合い、かつ前記クランク軸と同心に回転し得る第４の歯車と、前記電動機の出力軸に連結され、かつ前記第４の歯車に固定された第５の歯車と、前記車輪駆動軸に連結する第６の歯車とを備えたものである。
また、前記人力による駆動系と前記電動機による駆動系との間に逆転防止装置を備えたものである。
【０００５】
【作用】
上記手段により、人力によるクランク軸に速度検出器を設け、クランク軸の回転速度に応じた電動機の出力軸の回転速度となるように電動機を制御するので、自転車の車輪駆動軸では人力による回転速度に電動機による回転速度が重畳される。その結果、走行時の負荷に合わせ、人力を調整すると残りを電動機が負担し、その分だけ自転車の速度が変化し、人力の負担する負荷は大きく変化しない。電池が切れた場合でも、電動機による回転速度がなくなり、自動的に速度が低下するだけで、人力の負担するトルクは変わらずに走行を継続することができる。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明を図に示す実施例について説明する。
図１は本発明の第１の実施例を示す構成図である。
図において、１はクランクペダル、１１はクランク軸で、人力によりクランクペダル１を踏むことによりクランク軸１１を回転するようにしてある。２はクランク軸１１の回転を補助する電動機である。３は二つの軸の動力を結合し、その合成された動力を出力する動力伝達手段である差動機構、３１はクランク軸１１に固定された第１の傘歯車、３２は第１の傘歯車３１に噛み合い、かつクランク軸１１に対して直角方向に伸びる軸の回りに回転する第２の傘歯車、３３はクランク軸１１と同心に回転し得る第３の傘歯車で、第２の傘歯車３２を回転自在に支持している。３４は第２の傘歯車３２に噛み合い、かつクランク軸１１と同心に回転し得る第４の傘歯車、３５は第４の傘歯車３４のボス部３４ａに固定された第５の傘歯車で、電動機軸歯車１２を介して電動機２の出力軸２１に連結してある。３６は第３の傘歯車と噛み合う第６の傘歯車で、自転車の車輪駆動軸４に固定してある。クランク軸１１と第４の傘歯車３４のボス部３４ａとの間には、クランク軸１１の回転速度より第３の傘歯車３３の回転速度が遅くならないようにしたボールとラチェットなどからなる公知の逆転防止装置５を設けてある。
６はクランク軸１１の回転速度を検出する速度検出器で、その検出信号は、電池７１を電源として電動機２に電力を供給するインバータ７にフィードバックして、電動機２の回転速度をクランク軸１１の回転速度に比例するように制御するようにしてある。
【０００７】
いま、人力によりクランクペダル１を踏んでクランク軸１１を回転すると、第１の傘歯車３１、第２の傘歯車３２、第３の傘歯車３３を介して第６の傘歯車３６を回転する。
一方、速度検出器６に速度信号が現れるので、これを周波数指令としてインバータ７に入力し、電動機２を駆動して傘歯車１２、第５の傘歯車３５、第４の傘歯車３４を介して第２の傘歯車３２を回転し、クランク軸１１の回転速度と電動機２の回転速度との差動機構３におけるそれぞれの変速比に応じた和の速度によって車輪駆動軸４が駆動される。
なお、差動機構３におけるクランク軸１１と電動機２の出力軸２１との速度比を大きくとって、電動機２の出力軸２１を高速化すると、電動機２を小形軽量化することができる。
また、上記実施例ではクランク軸に直接、差動機構を結合している例について説明したが、差動機構は自転車の駆動輪軸に直接結合させてもよいし、クランク軸と差動機構の間にチェンなどの動力伝達機構を介して結合してもよい。
【０００８】
図２は、本発明の第２の実施例で、第１の実施例の差動機構３で使用した傘歯車の代わりに、遊星歯車機構を利用した構成図、図３（ａ）、（ｂ）は図２に示したＡ−Ａ断面およびＢ−Ｂ断面に沿う側断面図である。３１'はクランク軸１１に固定された第１の平歯車、３２'は第１の平歯車３１に噛み合い、かつクランク軸１１と平行に伸びる軸の回りに回転する第２の平歯車、３３'はクランク軸１１と同心に回転し得る第３の平歯車で、第２の平歯車３２'を回転自在に支持している。３４'はリング状歯車の内周側に設けて第２の平歯車３２'に噛み合い、かつクランク軸１１と同心に回転し得る第４の平歯車、３５'は第４の平歯車３４'の外周側に設けた第５の平歯車で、電動機軸歯車１２を噛み合わせてある。３７は第３の平歯車３３'の内側に噛み合うアイドリング歯車、３６'はアイドリング歯車３７と噛み合う第６の平歯車で、自転車の車輪駆動軸をチェン（図示しない）を介して駆動するスプロケット４１を固定してある。クランク軸１１と第４の平歯車３４'との間には、クランク軸１１の回転速度より第６の平歯車３６'の回転速度が遅くならないようにしたボールとラチェットなどからなる公知の逆転防止装置５を設けてある。いま、人力によりクランクペダル１を踏んでクランク軸１１を回転すると、第１の平歯車３１'、第２の平歯車３２'、第３の平歯車３３'を介して第６の平歯車３６'を回転する。一方、速度検出器６に速度信号が現れるので、これを周波数指令としてインバータ７に入力し、電動機２を駆動して歯車１２、第４の平歯車３４'を介して第２の平歯車３２'を回転し、クランク軸１１の回転速度と電動機２の回転速度との差動機構３におけるそれぞれの変速比に応じた和の速度によって車輪駆動軸４が駆動される。この場合、差動機構は全て平歯車を使用しているので、傘歯車を使用する場合に比べて扁平状に構成することができ、占有容積を小さくすることができると共に、加工工数を低減できる。
【０００９】
図４は本発明の第３の実施例を示す構成図、図５はその電動機の構成を示す側断面図である。
図において、２１’はクランク軸１１に電動機軸傘歯車１２、クランク軸傘歯車１３を介して結合した第１の出力軸、２２は自転車の車輪駆動軸４に結合される第２の出力軸である。
電動機２は図５に示すように誘導電動機として構成してある。すなわち、２３は第１の出力軸２１’に固定した第１の回転子、２４は第１の回転子２３に設けた電機子巻線、２５は第１の出力軸２１’に固定したスリップリング、６は第１の出力軸２１’の回転速度を検出する速度検出器、２６は第２の出力軸２２に固定した第２の回転子、２７は第２の回転子２６に外周を固定したリング状の回転子鉄心で、内周を第１の回転子２３の外周に空隙を介して対向させてある。２８は回転子鉄心２７に設けた二次導体を形成する籠形巻線である。８は中空状のフレーム、８１はフレーム８の一方端に固定したブラケットで、第１の回転子２３、第２の回転子２６を覆っている。８２はフレーム８に設けた軸受、８３はブラケット８１に設けた軸受、８４は第２の出力軸２２の第１の出力軸２１’側に設けた軸受で、第１の出力軸２１’は軸受８３、８４によって支持し、第２の出力軸２２は軸受８２によって支持してある。５は第１の出力軸２１’と第２の出力軸２２との間に設けた逆転防止装置で、第１の出力軸２１’の回転速度より第２の出力軸２２の回転速度が遅くなるのを防止するものである。
７はインバータで、電池７１から出力される直流電流を交流に変換してケーブル７２およびスリップリング２５を介して、電機子巻線２４に交流電流を供給して、第１の回転子２３を回転するようにしてある。速度検出器６からの速度信号はインバータ７にフィードバックするようにしてある。
【００１０】
いま、人力によりクランクペダル１を踏んでクランク軸傘歯車１３、電動機軸傘歯車１２、クランク軸１１を介して回転子第１の回転子２３を回転速度ω１で回転すると、速度検出器６に速度信号が現れるので、これを周波数指令としてインバータ７に入力し、その出力はスリップリング２５を介して電機子巻線２４に印加される。滑りを無視すれば、第１の回転子２３と第２の回転子２６との間に、回転速度ω１に比例した相対速度ω２が与えられる。その結果、第２の回転子２６の速度ω３は、
ω３＝ω１＋ω２
となる。ここで、ω２のω１に対する比をｋとすれば、
ω３＝ω１（１＋ｋ）
となる。
第２の回転子２６から第２の出力軸２２を介して直接、またはチェーン等の伝達機構を介して自転車の車輪を駆動すると、人力のみで駆動した場合の（１＋ｋ）倍の速度で駆動できることになる。第１の回転子２３と第２の回転子２６には、互いに反作用が働くので、人力が負担するトルクと第２の回転子２６が発生するトルクは等しくなる。このようにして、人力と電動機との協調運転が可能になり、ｋ＝１の場合は、人力と電動機とが対等の分担をし、人力のみの場合に比べて２倍の速度を得ることができる。
【００１１】
図６は第４の実施例を示す側断面図で、第３の実施例で説明した電動機２の第２の回転子２６の回転子鉄心２３および籠形巻線２８の代わりに、永久磁石２９を設けて、同期電動機としたものである。この場合、滑りが無くなり、効率が向上するという特徴がある。
図７は第５の実施例を示す側断面図で、同期電動機を更に効率よく運転するためのものである。すなわち、第１の回転子２３に取りつけた速度検出器６を回転角検出器６’に換えてその回転角検出信号をインバータ７に入力すると共に、回転角検出信号を回転速度信号に変換する公知の速度変換器６１を介して回転速度信号をインバータ７に入力する。第２の回転子２６にも回転角検出器６’を装着し、第１および第２の回転子２３、２６の相対位置の情報から、トルク効率が最大となるように、電流の位相と振幅の閉ループ制御を行い、トルク特性を改善するものである。
なお、第１の回転子２３に速度検出器６を用いる場合は、速度検出器６の回転速度検出信号をインバータ７に入力すると共に、回転速度検出信号を積分して回転角信号に変換する公知の回転角変換器（図示しない）を介してインバータ７に入力してもよい。
図８は第６の実施例を示す側断面図で、第３または第４の実施例において、インバータ７を第１の出力軸２１’に載置して第１の回転子２３に内蔵し、回転速度検出信号を第１の出力軸２１’上で速度検出器６から取り出してインバータ７に入力するようにしたものである。これにより、スリップリング２５からの電動機の供給は電池からの２本だけに済ませることができる。
図９は第７の実施例を示す側断面図で、第５の実施例のインバータ７を第１の回転子２３に内蔵したもので、第１の回転子２３と第２の回転子２６との対向する部分に相対回転角検出器６”を設け、電流の位相と振幅の閉ループ制御を行うものである。
【００１２】
図１０は、第８の実施例を示す側断面図で、第７の実施例で外部に設置した電池７１を第１の回転子２３に内蔵したものである。これにより、スリップリングが不要になり、装置の簡素化が図れる。なお、充電は停車中に行えばよく、そのための端子を準備しておけばよい。
また、第８の実施例は図９に示した第７の実施例の閉ループ形の発展形であるが、第３〜第６の実施例に示した開ループ形において、電池を内蔵としたものでも同様の効果が得られる。
上記実施例では、内側に第１の回転子を、外側に第２の回転子を配置した例について説明したが、逆に内側に第２の回転子を、外側に第１の回転子を配置してもよい。また、第１の回転子と第２の回転子との間の空隙は径方向に設けた例について説明したが、空隙を軸方向に設けた、いわゆるアキシャルギャップ形に形成してもよい。
さらに、上記実施例では電池を電源とするインバータにより駆動する誘導電動機または同期電動機として用いた例について説明したが、出力軸に設けたスリップリングの代わりに整流子を設け、電池から直接ブラシおよび整流子を介して電機子巻線に直流電流を供給する直流電動機としてもよい。
【００１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、人力によって駆動されるクランク軸の速度を検出し、その速度に比例した速度で電動機を駆動して、人力と電動機による自転車の協調運転をするので、電池が切れた場合でも、自動的に速度が低下し、人力が負担する負荷は変わらずに走行を継続できる。
また、電動機を制御する時、速度検出器によって検出した速度で制御するので、従来のように高価なトルク検出器を使用する場合に比べて安価となるとともに、差動機構を介して電動機によりクランク軸の回転を補助することによって、簡単な電動機付き自転車の駆動装置を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示す構成図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す側断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例を示す構成図である。
【図５】本発明の第３の実施例の電動機を示す側断面図である。
【図６】本発明の第４の実施例の電動機を示す側断面図である。
【図７】本発明の第５の実施例の電動機を示す側断面図である。
【図８】本発明の第６の実施例の電動機を示す側断面図である。
【図９】本発明の第７の実施例の電動機を示す側断面図である。
【図１０】本発明の第８の実施例の電動機を示す側断面図である。
【符号の説明】
１ クランクペダル、１１ クランク軸、１２ 電動機軸傘歯車、１３ クランク軸傘歯車、２ 電動機、２１ 出力軸、２１' 第１の出力軸、２２ 第２の出力軸、２３ 第１の回転子、２４ 電機子巻線、２５ スリップリング、２６ 第２の回転子、２７ 回転子鉄心、２８ 籠形巻線、２９ 永久磁石、３ 差動機構、３１ 第１の傘歯車、３１' 第１の平歯車、３２ 第２の傘歯車、３２' 第２の平歯車、３３ 第３の傘歯車、３３' 第３の平歯車、３４ 第４の傘歯車、３４' 第４の平歯車、３５ 第５の傘歯車、３５' 第５の平歯車、３６ 第６の傘歯車、３６' 第６の平歯車、４ 車輪駆動軸、４１ スプロケット、５ 逆転防止装置、６ 速度検出器、６' 回転角検出器、６" 相対回転角検出器、６１ 速度変換器、７ インバータ、７１ 電池
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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