(57)【要約】      （修正有）【課題】電動車椅子類及び電動自転車類に用いられる、電動機を車輪のハブ内に装着する方式の電動車輪において、汎用の電動機を用いる事で、価格の低減と仕様の拡張性を可能とする事。【解決手段】車輪のハブ内に、１個または複数の汎用電動機を車輪の側面にほぼ平行する様に装着し、１組のウオームギヤまたはベベルギヤを介して、動力をタイヤホイールに伝達する様にした。  また、前記ウオームギヤまたはベベルギヤと車輪のハブ間にワンウエーイクラッチを配置し、電動及び非電動動作の両方が容易に独立して行える様にした。  さらに、電力供給用制御電源には、手動または補助動作の両方が可能となる様にした。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪のハブに内蔵され、車輪の回転方向に直交する様に取り付けられた、１個または、複数の電動機と１組のウォームギヤまたはベベルギヤを組み合わせ、前記電動機の動力をタイヤに伝達する事を特徴とする電動車椅子類及び電動自転車類の電動車輪。
【請求項２】
前記車輪のハブとウォームギヤまたはベベルギヤが、１方向クラッチを介して接合されている事を特徴とする［請求項１］に係る電動車輪。
【請求項３】
前記電動機がパルス幅制御または周波数制御方式の制御電源により駆動され、前記電動車椅子類または電動自転車類の操縦者の手動操作により、制御電源のパルス幅または、周波数を制御し速度を変更出来る事を特徴とする［請求項１］に係る電動車輪。
【請求項４】
前記電動機がパルス幅制御または周波数制御方式の制御電源によって駆動され、前記電動車椅子類または電動自転車類の操縦者が、駆動輪またはペダルを駆動して車を加速した場合及びブレーキ等を操作して減速した場合、車輪の回転数または、電動機を流れる電流の増減を検知して、操縦者の操作を補助する事を特徴とする［請求項１］に係る電動車輪。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】［発明の属する技術分野］  本発明は、電動機によって駆動される、電動方式の車椅子類及び自転車類用の電動車輪に関する。
【０００２】［従来の技術］  従来の電動方式の車椅子類及び自転車類の電動車輪では、一般に一個の専用電動機を車輪の回転軸に平行に装備して、直接にまたは減速装置を介してタイヤを駆動していた。
【０００３】［発明が解決しようとする課題］  従来の技術により、電動機で直接タイヤを駆動する場合は、低い回転数と大きいトルクを持つ専用電動機を採用する必要があり、形状の大型化と価格の上昇を伴っていた。  また前記専用電動機の動力を減速装置を介してタイヤに伝達する場合には、やはり、低い回転数と大きいトルクを得るために、減速装置の歯車の段数が多くなる等の問題があり、同様に形状の大型化と価格の上昇を伴う結果となっていた。  さらに、専用電動機を使用しているので、仕様の変更に対応する事が困難であった。
【０００５】［課題を解決するための手段］  上記課題を解決するために、本発明では１個または複数の汎用電動機を、車輪のハブ内に、車輪の回転方向とほぼ直交する形態で収納し、１組のウオームギヤまたはベベルギヤと組み合わせて、動力を車輪のタイヤに伝達する様にした。  また、前記ウオームギヤまたはベベルギヤと車輪のハブとの間に、一方向クラッチを介在させ、前記電動機が稼動している時だけ動力の伝達が可能であり、それ以外の状況では、車輪は自由回転をする様にし、電動、非電動の両動作に対応可能となる様にした。  更に、本発明では、汎用の電動機を使用して、車輪の価格の低減を計ると共に、装着する電動機の数を変更し、車輪の仕様の変更に容易に対応出来る様にした。  電動機への電力は、パルス幅制御方式または周波数制御方式の制御電源を通じて供給するが、その制御は車椅子類または自転車類の操縦者の操作により、パルス幅または周波数を手動で制御する事によって行うか、前記操縦者が駆動輪またはペダルを駆動することによって生づる車輪の回転数または電動機に流れる電流の変化を検知して、電動機へ供給する電力を自動的に制御し、操縦者の補助を行わせる様にした。
【０００７】［発明の実施の形態］  次に、添付図面を参照して、本発明について具体的に説明する。  ［図１］（ａ）は、本発明による電動車輪のハブ部分を側面から見た、概略的な構造図である。  図において符号１はハブを、符号２、２‘は電動機を、符号３は車輪の中心軸を示している。    また、符号４はウオームホイルを符号５，５‘はウオームを示ている。  ウオームホイル４とウオーム５、５‘は組合されて１組のウオームギヤを構成する。  さらに符号６，６‘、６“はスポークを示し、スポークは図示されていない、タイヤやチューブが装着された車輪のホーイールとハブ１を結合し、車輪を形成する。  この説明では、図示されていないタイヤホイールとハブ１は、スポークで接合される場合について説明しているが、ハブ１の径を大きくして直接接合したり、フレーム状等の接合材を使用しても、同様に機能する事は勿論である。  ［図１］（ｂ）は、本発明の一実施例の車輪の中心軸を通る面で切断した、ハブ１の内部構造を示す概略図である。  図から明らかな様に、ハブ１は車輪の中心軸３に符号８及び９で示されるベアリングを介して、中心軸３の回りを自由に回転可能な状態で結合されている。  またハブ１は、ウオームホイル４と結合され、一体となって回転する。  中心軸３はその両端で図示されていない、車椅子類または自転車類のフレームに嵌合され、その上に施されているネジと、図示されていないナットによつて前記フレームに締め付けられ固定される。  符号７は、電動機支持材を示している。  支持材７は中心部で、中心軸３に固定されており、図示されていない固定材で電動機２および２‘を固定している。  ここでは、ウオームギヤを用いた場合について説明しているが、ベベルギヤの場合はウオームホイルおよびウオームの代わりに、１組のベベルギヤを装着すれば、全く同様に機能させる事が可能である。  ただし、ベベルギヤのみでは、減速率が低い場合があるので、減速歯車付きの電動機を使用する必要が生じる場合がある。  さらに、ここでは電動機を２個用いた実施例について説明しているが、電動機を１個とした場合、または６個程度まで増加しても、ハブ１の内部構造を殆ど変える事なく、同様に機能させる事が可能である。
【０００７】  ［図２］（ａ）は、本発明に用いられる、一方向クラッチの一実施例の、車輪の中心軸３に平行な面で切断した断面の部分的な概略図であり、（ｂ）は中心軸３に直角な面で切断した断面の部分的な概略図である。  図から明らかな様に、ハブ１はウオームホイル４と分離され、ウオームホイル４の回転軸の上にハブ１の回転軸が重ねられている。  ウオームホイル４の回転軸には回転方向に符号１０で示される溝が設けられ、その溝１０の中に符号１１で示される鋼球が嵌込まれている。  ［図２］（ｂ）で明らかな様に、溝１０はウオームホイル４の回転方向の先端では深くなり上下を貫く開口となり、後端では浅くなっている。  中心軸３には、符号１２で示される、浅い溝が設けられ、その一部に、符号１３で示される突起が設けられている。  符号１４，１５は中心軸３とウオームホイル４間に装着されたベアリングである。  電動機が稼動し、ウオームホイル４が図で反時計方向に回転し、鋼球１１が突起１３に接触すると、鋼球１１は溝１０の中を後方に移動し、溝１０の勾配部分に乗り上げその上部が、ハブの回転軸の内面に接触し、摩擦によりさらに後方に移動し、それ以上移動出来ない点で、ウオームホイル４とハブ１を固着し、一体となって回転する様になる。  車輪が停止する時、ウオームホイル４の回転速度がハブ１の回転速度より遅くなると、鋼球１１は溝１０の勾配を滑り先端の開口部に落ち込み、ウオームホイル４と、ハブ１の結合は解ける。  従って、電動機が稼動していない時、ウオームホイル４とハブ１とは、完全にフリーな関係を維持し、車輪は自由回転可能となる。  ここでは、鋼球１１が１個の場合に付いて説明したが、複数個の鋼球を用いる事も可能であり、更に、１個または複数の、鋼製の円柱材を用いる事も可能である。
【０００８】  ［図３］は、本発明の電動車輪を装備した電動車椅子類または電動自転車類を操縦者が手動で操作する場合に用いられる制御電源回路の概略図を示している。  図において、符号２０は、汎用のパルス幅制御電源用集積回路を示しており、符号２１は電源端子を、符号２２は基準電圧端子、符号２３は接地端子、符号２４はＣＴ端子（発振周波数設定用コンデンサー接続端子）、２５はＲＴ端子（発振周波数設定用抵抗器接続端子）、符号２６はＦ／Ｂ端子（フイードバック端子）符号２７は出力端子を示している。  また、符号２８は電源電池、符号２９は出力用パワーＭＯＳＦＥＴ、符号３０、３２、３３は抵抗器、符号３１、３４は可変抵抗器、符号３５はコンデンサーを示している。  集積回路２０の発振周波数は抵抗器３３、可変抵抗器３４及びコンデンサー３５の値で決まる。  また、出力パルスのＯＮ，ＯＦＦ比は、Ｆ／Ｂ端子２６の電圧によって決定される。  従って、可変抵抗器３１及び３４にレバー等を装着し、電動車椅子類または電動自転車類の操縦者によって操作させ、可変抵抗器の値を変える事により、容易にパルス幅制御または周波数制御を行う事が可能であり、電動機への供給電力を制御し、速度を制御する事が出来る。  パルス幅制御を行う時には、可変抵抗器３４を固定抵抗器に、周波数制御を実施する時には、可変抵抗器３１を固定抵抗器に変更すれば、誤動作を起こす恐れが減少する。  可変抵抗器３１及び３４は数個の固定抵抗器と、それに対応したスイッチを組み合わせ、スイッチを切り替える方法に置き換える事も可能である。  また、汎用の集積回路２０は製造メーカーによって仕様が違うので、仕様に従って使用する必要がある事は言うまでもない。
【００１０】  ［図４］は、本発明による電動車輪を装備した、電動車椅子類または電動自転車類の操縦者が、駆動輪またはペダルを駆動して、速度を変えた時、その速度を検出して、自動的に電動機への供給電力を制御して、操縦者の操作を補助するための制御回路の概略図である。  回路図の各部の符号の大半は［図３］と同様である。  ［図４］では［図３］で用いられた可変抵抗器３１及び３４に代わって、符号３６で示される速度検出用コイル、符号３７で示される整流器、符号３８で示されるコンデンサー及び符号３９で示される抵抗器が追加される。  速度検出用コイル３６は、例えばウオームホイル４の側面に永久磁石の小片を貼り付け、その回転面に近い電動機保持材７に巻き線を配置する事により容易に形成する事が可能である。  速度検出用コイル３６に発生する電力の電圧はウオームホイル４の回転数により変化する。  その電力を整流器３７で整流し、コンデンサー３８に蓄積し直流電力に変換し、抵抗器３２を介してＦ／Ｂ端子２６に印加する。  整流された電力はＦ／Ｂ端子２６の電圧を低下させる方向に働き、出力のＯＮパルスの幅を拡大する方向に働く。  従って、操縦者が駆動輪またはペダルを駆動して速度を上げると、電動機２への供給電力が増加し、操縦者の操作を補助する様に働く。  操縦者がブレーキ等を操作して速度を下げ様とすると、逆の現象が生じ、電動機２への供給電力が減少し、同様に操縦者の操作を補助する方向に動作する。  符号３９で示される抵抗器はコンデンサー３８と組合されて、この回路の時乗数を決定し、回路の動作を円滑なものにする機能を持つ。  また、速度検出コイル３６の発生電圧が大きくなると符号３７‘で示される整流器が導通し、Ｆ／Ｂ端子２６の電圧の下降は止まり、それ以上の供給電力の増大を防ぎ、最高速度制限機能を発揮する。  速度検出コイル３６を含む回路を可変抵抗器３４の代わりにＲＴ端子２５の回路に接続すると、ほぼ同様に、周波数を増減して、操縦者の操作を補助する様に動作させる事が可能である。  この場合、抵抗器３２の下端はグランド配線に直接接続される。  ここでは、回転数検出コイル３６で発生する電圧を直接Ｆ／Ｂ端子２６に伝える回路に付いて説明したが、適切な特性を持つ増幅回路を介在させる事により、制御電源の動作特性を、より適切なものにする事が可能である。
【００１１】  ［図５］は、本発明による電動車輪の電動機２に流れる電流を検出して、電動車椅子類または電動自転車類の操縦者の操作を自動的に補助するための、制御電源回路の概略図である。  図中の符号の大半が［図３］と同様である事は前項と同じである。  図において、符号４０はパワーＭＯＳＦＥＴ２９のソース端子と回路のグランド配線間に接続された電流検出用抵抗器を示す。  この抵抗器に流れる電流値は、電動機２に流れる電流値と同一である。  電動機２に流れる電流の値は、電動機の回転数が低い時は大きく、回転数の上昇と共に減少する。  電力は、符号４１で示される整流器によって整流され、符号３８で示されるコンデンサーに蓄積され、抵抗器３２を介してＦ／Ｂ端子２６へ伝えられる。  電動車椅子類または電動自転車類の操縦者が駆動輪またはペダルを駆動して加速すると、電動機２の回転数が上がり、電動機２を流れる電流が減少する。  その結果、抵抗器４０に発生する電圧が低下し、Ｆ／Ｂ端子２６に加わる電圧が低下し、駆動電力のＯＮパルス幅を拡大し、電動機２に供給される電力が増大する結果となり、操縦者を補助する働きをする。  操縦者がブレーキ等を操作して減速した場合には、回路は逆に動作し、操縦者の操作を補助する事は同様である。。  符号４２で示される整流器と抵抗器４３は、整流器４１による電圧降下を補正する機能を持つ。  また抵抗器３２はＦ／Ｂ端子２６の最低電圧を規定する機能を持ち、電動車椅子類または電動自転車類の最高速度を制限する機能を持つ。    この回路をＲＴ端子２５に接続されている抵抗器３３とグランド配線間に接続すると、制御電源は周波数変調動作を行い、電動機２の電力を制御して、操縦者の補助を行う事は同様である。  ここでは電流検出抵抗器４０からの電圧を直接Ｆ／Ｂ端子２６に伝える回路に付いて説明したが、適当な機能を持つ増幅回路を介在させれば、より適切な制御動作を行わせる事が可能となる。
【００１２】［発明の効果］  以上説明したように、本発明によれば、１台または複数台の汎用小型電動機を車輪の回転方向に直交する様に装着する事により、限られたハブの空間を有効に利用する事が可能になり低価格高性能な電動車輪を実現する事が可能となり、かつ、電動機の数を増減する事により、装置の構造を殆ど変える事なく、容易に仕様の変更に対応出来る電動車輪を実現する事が可能となった。  また、構造が簡単で形状の小さいワンウエークラッチの採用により、電動及び非電動動作の両立が可能な電動車輪の実現が可能となった。  また、制御電源を手動で制御する事も、自動的な補助動作を行う事も可能な電動車輪の実現を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１（ａ）】本発明の電動車輪の一実施例を示す、車輪のハブ部分を側面から見た概略構造図である。
【図１（ｂ）】本発明の電動車輪の一実施例を示す、車輪の中心軸に平行な面から見た、断面の概略構造図である。
【図２（ａ）】本発明の電動車輪に用いられる一方向クラッチの一実施例を、車輪の中心軸に平行な面から見た切断面の概略構造図である。
【図２（ｂ）】本発明の電動車輪に用いられる、一方向クラッチの一実施例を、車輪の中心軸に直角な切断面から見た概略構造図である。
【図３】本発明の電動車輪に用いられる、手動操作用制御電源回路の一実施例を示す概略回路図である。
【図４】本発明による電動車輪に用いられる、回転数検出方式の制御電源回路の一実施例を示す概略回路図である。
【図５】本発明による電動車輪に用いられる、電流検出方式の制御電源回路の一実施例を示す概略回路図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・・・・・ハブ  ２，２‘・・・・・・・・・電動機  ３・・・・・・・・・・・・中心軸  ４・・・・・・・・・・・・ウオームホイル  ５，５‘・・・・・・・・・ウオーム  ６，６‘、６“・・・・・・スポーク  ７・・・・・・・・・・・・支持材  ８、９・・・・・・・・・・ベアリング  １０・・・・・・・・・・・ウオームホイル回転軸に設けられた溝  １１・・・・・・・・・・・鋼球  １２・・・・・・・・・・・中心軸上に設けられた溝  １３・・・・・・・・・・・溝１２中に設けられた突起  １４，１５・・・・・・・・ベアリング  ２０・・・・・・・・・・・パルス幅制御用集積回路  ２１・・・・・・・・・・・電源端子  ２２・・・・・・・・・・・基準電圧端子  ２３・・・・・・・・・・・グランド端子  ２４・・・・・・・・・・・ＣＴ端子  ２５・・・・・・・・・・・ＲＴ端子  ２６・・・・・・・・・・・Ｆ／Ｂ端子  ２７・・・・・・・・・・・出力端子  ２８・・・・・・・・・・・電池  ２９・・・・・・・・・・・パワーＭＯＳＦＥＴ  ３０、３２、３３・・・・・抵抗器  ３１、３４・・・・・・・・可変抵抗器  ３５、３８・・・・・・・・コンデンサー  ３６・・・・・・・・・・・回転数検出コイル  ３７、３７‘・・・・・・・整流器  ３９、４３・・・・・・・・抵抗器  ４０・・・・・・・・・・・電流検出用抵抗器  ４１、４２・・・・・・・・整流器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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