(57)【要約】  バッテリー（１）及び電動モーター（２）、制御ユニットが自転車のフレームに組み入れられ、電動モーター（２）自体は後輪のハブに組み入れられた、ペダルアシスト自転車用電動モーター装置を提供する。電動モーター装置は、自転車のフレームまたはハンドルバー（３４）に取り付け可能な制御ユニット（５）、バッテリー（１）用の充電ポート（１０）、自転車フレームに取り付け可能なペダルセンサー（４）、およびアシストレベルと自転車の状態を制御する要素とを備える。本発明の主たる特徴は、部品サイズが小さいことであり、モーター装置が搭載されていることをほぼ気付かせないため、自転車のデザイン、重量、大きさに影響を与えることなく搭載が可能である。このモーター装置によりフレームを軽量化でき、バッテリー（１）を衝撃から保護し、その寿命を延ばすことができる。
2020531356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自転車のフレーム（６）に取り付けるよう構成されたペダルアシスト自転車用の電動モーター装置であって、前記フレーム（６）は少なくとも一つの斜めに向いたメインチューブ（７）と、後輪ハブが前記フレーム（６）に取り付けられる部位に形成されたハンガー部（９）と、トップチューブ（３１）とハンドルバー（３４）を有し、
ハブと実質的に同形状に形成され、前記自転車の後輪のリムに接続可能であり、前記自転車の伝達ギアに強固に接続される少なくとも一つのフリーホイール（２６）を有する電動モーター（２）と、
前記フレーム（６）の前記ハンガー部（９）に接続されたペダルセンサー（４）と、
充電ポート（１０）と、
前記フレーム（６）に接続可能であり、ユーザーによって作動および制御される制御ユニット（５）とを備え、
前記電動モーター装置は、前記自転車の前記フレーム（６）の前記メインチューブ（７）に挿入可能なブロック（８）を有することを特徴とし、当該ブロック（８）は、
前記充電ポート（１０）から充電され、前記モーター（２）を作動させるバッテリー（１）と、
前記バッテリー（１）に並列に接続され、前記モーター（２）の作動パラメーターを制御するモーターコントローラー（３）と、
前記バッテリー（１）および前記モーターコントローラー（３）に並列に接続され、前記バッテリー（１）を管理するバッテリーマネージャー（１５）と、
前記モーター（２）、前記充電ポート（１０）、および前記ペダルセンサー（４）を接続する第１のケーブル（１９）と、
前記制御ユニット（５）を接続する第２のケーブル（２０）とを有する、電動モーター装置。
【請求項２】
前記ペダルセンサー（４）は、
前記フレーム（６）の前記ハンガー部（９）に接続可能であり、
前記モーター（２）の前記フリーホイール（２６）に強固に結合されたディスク（３０）と、
前記ペダルセンサー（４）を作動させるため前記ディスク（３０）上に配置された複数のマグネットとを有する、請求項１に記載の電動モーター装置。
【請求項３】
前記制御ユニット（５）は、
ユーザーにより作動させられる少なくとも一つのボタンを含む押しボタン（３２）と、
情報を伝達する光を発する発光手段（３３）と、
前記押しボタン（３２）に接続され、情報を伝達する振動を発生させる振動モーターとを有する、請求項１又は請求項２に記載の電動モーター装置。
【請求項４】
前記振動モーターは、情報を伝達する複数種類の振動を発生させる可変周波数ドライブを有する、請求項３に記載の電動モーター装置。
【請求項５】
前記バッテリー（１）はセルブロック（１６）を有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電動モーター装置。
【請求項６】
前記セルブロック（１６）は、１０個のセルのグループと、補助セルとを有し、１１Ｓ２Ｐレイアウトを構成する、請求項５に記載の電動モーター装置。
【請求項７】
前記セルブロック（１６）は、１３個のセルのグループと、補助セルとを有し、１４Ｓ２Ｐレイアウトを構成する、請求項５に記載の電動モーター装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、自転車のフレームの技術分野、および追加のエネルギー源を有する車両のユーザーのためのメインバッテリーの技術分野に関し、特に、バッテリーおよび電動モーターの制御部がフレームに組み込まれ、当該電動モーターが後輪のハブに組み込まれているペダルアシスト自転車用の電動モーター装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の自転車利用数の増加、特に旅程が短い場合が多く交通上の問題が起こりやすい都市環境における増加により、自転車に関する技術の進歩が促進されている。
【０００３】
具体的には、ペダル運動をアシストするエネルギー源を備えた自転車、いわゆる電動自転車の場合、取り外し可能、充電可能、かつ交換可能なバッテリーを収納できるよう特別に設計された複数の自転車フレームが知られているが、これらは自転車の重量を大幅に増加させ、乗りこなすことも困難にするものである。さらに、この種のバッテリーは容易に取り外しできるよう設計されていることが多いため、衝撃や振動を受けやすく、バッテリーの寿命を縮める原因となっている。
【０００４】
しかも、モーター式自転車に一般に使用されている電動モーターは、制御装置がモーター本体の横または内部に配置されていることが多い。このようなモーターは後輪の軸に組み込まれているため、モーターとコントローラーのアセンブリによって重量が増し、このことによっても乗りこなすのが困難となる。またこれによって回転質量が増加し、したがってモーターの慣性も増加する。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、バッテリーおよび電動モーターの制御部がフレームに組み込まれ、当該電動モーターが後輪のハブに組み込まれているペダルアシスト自転車用の電動モーター装置を提供するものであり、当該装置はまた、自転車フレームもしくはハンドルバー内に組み込むよう構成された制御ユニット、バッテリー充電ポート、自転車フレーム内に組み込むよう構成されたペダルセンサー、およびアシストのレベルと自転車の状態を制御するための一連の要素など、追加の要素を含むものである。当該装置の主たる特徴は、各要素のサイズが小さいことにあり、それにより当該装置を、自転車のデザイン、重量あるいは大きさに、実用レベルでは感知できない程度にほとんど影響を与えることなく、自転車に組付けることが可能となる。
【０００６】
バッテリーはフレームのメインチューブ内に挿入される。バッテリーはフレームとは別体であり、修理や交換の際は上記チューブの開口端から抜き出すことができる。バッテリーは小さく、直径５５ｍｍ以上の円形断面を有するチューブであれば当該チューブに挿入可能で、これはアルミニウムやカーボンファイバー製の従来の自転車フレームに通常採用されている直径を下回るサイズである。
【０００７】
一方の端部のみが開口した、最初の搭載時または製造工程中にバッテリーが脱着されるメインチューブ内に、バッテリーを配置し強固に接続することは、ユーザーが取り外しできるセミ・インテグレーテッド式バッテリーよりも優れた点である。なぜなら、シャーシの当該チューブは、この種のバッテリーの場合に通常必要とされる切断が必要ではなく、したがって特別な強化を施す必要がなく、結果として自転車フレームの軽量化が実現できるからである。
【０００８】
さらなる有利な点として、バッテリーはその全体が上記フレームのチューブ内に収容されているため、バッテリーがチューブによって衝撃から保護される。ユーザーがバッテリーを容易に取り外せるよう設計されたクイックリリーズ方式ではなく、ネジを用いてバッテリーをメインチューブに強固に固定することは、バッテリーの保護と寿命の観点からみてより有利である。なぜなら、取り付け強度が大きいので、バッテリーの寿命を縮める要因である振動や、接触が緩くなってバッテリーが非接続の状態となることを防止できるからである。
【０００９】
他のバッテリーアセンブリシステムとの大きな違いの一つは、バッテリーがチューブから取り外せないよう、チューブに一体的に組付けられていることである。
【００１０】
ほとんどの自転車用電動モーターとは異なり、本装置のモーター制御部は、モーターの本体内ではなく、バッテリー本体内に配置されている。これによりモーターの重量とサイズを小さくできるという利点が得られる。モーターは、後輪の軸内に取り付けられているが、モーター制御部の重量はフレーム側に掛かることになり、モーターの回転質量が低減され、したがってモーターの慣性も減少するからである。
【００１１】
上記のようにフレーム内にモーター制御部を配置することは、モーター制御部が衝撃、ごみ、泥、水分などから守られるという点からも、有利である。モーターとコントローラーを物理的に分離することは、これらの間を流れる電流により双方で発生する熱を放出する観点からも、非常に有利である。モーター制御部は通常アルミニウム製である自転車のフレームに強固に取り付けられ、当該フレームと接触しているので、発生した熱を、それ自体発熱するモーター本体に伝達するのではなくフレームの表面全体を使って放出・発散することができる。
【００１２】
バッテリー管理システム（ＢＭＳ）は充電式バッテリーを管理する電子システムであり、その主たる機能はバッテリーがその安全作動域外で作動することを防止し、それにより過充電や下限以下となる放電を防止することである。このシステムは通常、バッテリーを構成するセルのパケットとともに配置され、モーター制御部の外部でケーブルにより接続されている。
【００１３】
本発明に係る装置において、モーター制御部はバッテリー本体内部に取り付けられているため、ＢＭＳの回路基板およびモーター制御部は平行に接続され、かつケーブルを用いることなく直接接続されている。これにより、システム全体がコンパクトとなり、外部接続ケーブルに起因する故障を避けることができ、また外部ケーブルが不要なことから、熱によるエネルギー損失を低減することができる。
【００１４】
モーター制御部とＢＭＳはいずれも、物理的にも電子的にも単一のブロックとして構成され、双方は互いに不可分で別々に作動することはできないようになっている。このため、パワーエレクトロニクスはモーター制御部とＢＭＳとの間で均衡がとられ、機能を共有することにより重量が低減されている。
【００１５】
バッテリーは１０または１３個のセルのグループごとに一つの補助セルが付与されたレイアウト、すなわち１０＋１セルまたは１３＋１セルとすることができ、１０Ｓ２Ｐでなく１１Ｓ２Ｐレイアウト（直列の１１個のバッテリーと並列の２組）、または１３Ｓ２Ｐでなく１４Ｓ２Ｐとして構成することができる。
【００１６】
このようなレイアウトは、特別なＢＭＳに３６および４８Ｖレイアウトのモーターに印加する最大電圧を調整させることができ、ＢＭＳから供給される最大電圧が当該モーターの最大許容閾値を超えることが防止できる。したがって、最大放電域でより高い電圧で作動するバッテリーを得ることができ、バッテリーがほとんど空になっても電力を供給することは可能である。
【００１７】
メインバッテリーは、自転車の外付け領域に配置された取り外し可能な補助バッテリーと組み合わせて使用することができる。補助バッテリーは、充電器として作用するか、または自動的に２つのバッテリーの間で電力供給を切り替えるか、のいずれかの方法で、メインバッテリーと組み合わせることができる。すなわち、外部バッテリーが接続されるたびに、当該バッテリーの全充電量は完全に空になるまで使用され、補助バッテリーが空になるとシステムは自動的に内部バッテリーに切り替える。
【００１８】
ペダルアシスト自転車用の電動モーターシステムの主要な要素の一つにペダルセンサーがある。この種の自転車では、法令により、ユーザーがペダルを回しているときのみモーター制御部が作動することになっている。ペダルセンサーは通常自転車のボトムブラケット軸に配置されているが、それはユーザーがペダルを回すとこの軸が回転し、そしてモーターが起動するからである。センサーをこのような位置に置くことの問題点は、中級および上級グレードの自転車に標準装備である中空軸を用いたシステムを採用することに加え、一般に市販されているものより重く、かつ高価な特殊なボトムブラケット軸を使用しなければならないことである。
【００１９】
本発明に係る装置においては、ペダルセンサーは、モーターが設置されている後輪のハブのフリーホイールに配置されている。ハブのフリーホイールは、リアスプロケットホイール（無変速の自転車の場合）またはカセット（多段変速の自転車の場合）がフロントスプロケットホイールからチェーンを介して推進力を得て回転するときにのみ、回転する。したがって、フリーホイールが回転しているということはユーザーがペダルを回しているということであり、ペダルセンサーからの信号がモーター制御部に送られ、モーターが起動する。この場合、特殊な形状の着磁ナットがフリーホイールの回転を正確に読み取り、カセットがフリーホイールに取り付けられている部位の双方向の回転を特定するために用いられる。
【００２０】
また、制御インターフェースは、それ自体の制御およびユーザーインターフェースに関する一連の要素を備えている。ここで、起動システムは三つボタン式リモートコントローラーもしくは単一ボタン式リモートコントローラーを有することができる。いずれの場合も、制御側には好ましくはＲＧＢのライトが備えられる。このライトは、アシストのレベルおよびバッテリーの状態、もしくは、例えばモバイルアプリ又は電話の着信など、システムまたは接続された要素が生成した情報をユーザーに伝えるよう構成するとよい。
【００２１】
作動メカニズムによって、単一のＲＧＢのＬＥＤを用いて複数の異なる機能（バッテリーとアシスタンスなど）に関する情報を、目的に応じ常時点灯または点滅により同時に示すよう構成することができる。三つボタン式リモートコントローラーの場合は、振動モーターが組み込まれる。
【００２２】
振動モーターは、例えば携帯電話に使用されているモーターと同様のものであり、ユーザーがボタンを押した際に振動することにより、押圧感と操作に対するフィードバックを増大させ、ボタンが押されたことをユーザーに確認させるよう構成される。ボタンはさらに、他の種類の通知、例えば第三者のイベント、バッテリー切れ、特定の事態の発生、あるいはナビゲーション上の警告などをユーザーに伝えるため、異なったパターンで、または異なった周波数で振動するよう構成してもよい。これによりユーザーは、画面、またはヒューマンインターフェースに関するその他の情報要素を見るよう促される。このような情報は本来検知し得ないものであるが、上記の通知を行うことによってユーザーは前記ヒューマンインターフェースにより感知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
上記の説明を補完し、かつ好ましい実用上の実施形態に基づいて本発明の特徴に対するよりよき理解に資するため、本明細書の不可欠な一部をなす説明的で非限定的な図面を、ここに添付する。
【図１】自転車のフレームに搭載された装置の主要部品を示す、一部を透視した斜視図である。
【図２】図１の詳細を示す図であって、本発明に係るシステムのバッテリーとモーターのコントローラーで形成されるブロックを示す、フレームのメインチューブを一部透視した図である。
【図３】図２に示すブロックの分解斜視図である。
【図４．１】ブロックの封止部の一つの長手方向の断面を示す側面図である。
【図４．２】ブロックの封止部の分解斜視図である。
【図５】自転車のフレームに搭載された装置のモーターを底面側から見た斜視図である。
【図６】モーターに取り付けられたディスクブレーキを上から見た斜視図である。
【図７】装置のペダルセンサーを表す図である。
【図８】充電ポートの詳細を示す分解斜視図である。
【図９】第１の好ましい実施形態に係る制御ユニットの詳細を示す図である。
【図１０】第２の好ましい実施形態に係る制御ユニットの詳細を示す図である。
【図１１】第３の好ましい実施形態に係る制御ユニットの詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の主題に関する好ましい例示的な実施形態を、添付の図面を参照しつつ、詳細に述べる。
【００２５】
図１に示すペダルアシスト自転車電動モーター装置は、充電式バッテリー（１）、バッテリー（１）により作動するモーター（２）、バッテリー（１）に接続されたモーターコントローラー（３）、ペダルセンサー（４）、およびシステムを起動し制御するためにユーザーが操作可能な制御ユニット（５）を備える。
【００２６】
図１に示すように、自転車のフレーム（６）は斜めに向いたメインチューブ（７）を有し、メインチューブ（７）は内部を示すよう一部が切り取られて図示されている。バッテリー（１）とモーターコントローラー（３）は結合されてひとつのブロック（８）をなし、このブロック（８）がメインチューブ（７）に、下側の開口端から挿入されている。
【００２７】
モーター（２）は自転車の後輪のハブに結合されており、ペダルセンサー（４）は後輪ハブが自転車のフレーム（６）に固定されている部位、いわゆるハンガー部（９）に組付けられている。また、バッテリー（１）を充電するための充電ポート（１０）が、メインチューブ（７）におけるバッテリー（１）の下の位置に配置されている。
【００２８】
図２は、バッテリー（１）とモーターコントローラー（３）からなる図１のブロック（８）を詳細に示す図であり、当該ブロック（８）はフレーム（６）のメインチューブ（７）内にネジを用いて取り付けられている。図示されている好ましい実施形態では、ネジはメインチューブ（７）を貫通し、ブロック（８）を締結している。
【００２９】
図３はバッテリー（１）とモーターコントローラー（３）からなるブロック（８）の分解斜視図である。ブロック（８）は、上部ケース（１１）と下部ケース（１２）からなるプラスティック保護カバーを有し、上部ケース（１１）は下部ケース（１２）に対し、端縁に沿って配置された一連のタブ（１３）を介して圧力嵌合されている。保護カバーの外側に設けられたゴム状のプラスティック支持材により、ブロック（８）がその断面形状を問わず、メインチューブ（７）内で安定的に設置される。
【００３０】
ブロック（８）の一方の下端部には、モーターコントローラー（３）の電子部品を収容するよう形成された金属性の座部（１４）が設けられている。上記電子部品の上部に設けられたバッテリーマネージャー（１５）は、充電式バッテリー（１）がその安全作動域外で作動しないように管理し、それにより過充電や下限以下となる放電を防止するよう構成されている。この目的のためバッテリーマネージャー（１５）は、結合されてバッテリー（１）を構成するセルブロック（１６）に接続されている。
【００３１】
それぞれ絶縁材を有する第１のカバー（１７）と第２のカバー（１８）が、ブロック（８）の端部を閉止するのに用いられている。ブロック（８）から第１のカバー（１７）を通ってモーターコントローラー（３）が配置された位置まで設けられた第１のケーブル（１９）は、モーター（３）との接続ケーブル、充電ポート（１０）との接続ケーブル、およびペダルセンサー（４）との接続ケーブルを含んでいる。ブロック（８）から第２のカバー（１８）を通ってバッテリー（１）が配置された位置まで設けられた第２のケーブル（２０）は、制御ユニット（５）との接続ケーブル、および例えばライトや補助電力出力端との補助接続ケーブルを含んでいる。
【００３２】
ケーブルを使うことなく直接並列に接続されたブロック（８）、バッテリー（１）、モーターコントローラー（３）およびバッテリーマネージャー（１５）を一体に形成することにより、よりコンパクトで、外部接続ケーブルに起因する故障が起こりにくく、熱によるエネルギー損失の少ない装置を得ることができる。
【００３３】
図４．１と図４．２は第１の堅固なプラスティックカバー（１７）の詳細図である。当該プラスティックカバー（１７）は、ブロック（８）を封止するべく、ゴム製の絶縁材（２１）が固定され、ゴム製のＯリング封止材（２２）が圧入された上記のカバーに、ネジで固定されている。絶縁材（２１）本体は上記三種のケーブルを密封して結合するよう、第１のケーブル（１９）上に成型されている。
【００３４】
図５は電動モーター（２）の構成要素を示す図である。電動モーター（２）はハブ形状を有し、スポークを介して後輪のリムに取り付けられるよう構成されている。モーター（２）はフレーム（６）のハンガー部（９）に挿入されるよう形成された軸（２３）を有し、当該軸（２３）はロックワッシャー（２４）により回転を禁じられ、ナット（２５）によりフレーム（６）に固定されている。フリーホイール（２６）は、無変速自転車の場合は単一スプロケットホイールに、変速ギア付自転車の場合はカセットに取り付けが可能である。モーター（２）は、端部がシールドコネクター（２７）とされたパワーケーブル（２８）により、ブロック（８）に接続されている。
【００３５】
図６はディスクブレーキ（２９）を示す。当該ディスクブレーキ（２９）はブレーキ（２９）のディスクを貫通する複数のネジによってモーター（２）と結合され、モーター（２）本体にネジで固定されている。
【００３６】
図７は、ハンガー部（９）に挿入されグラブスクリューにより固定されたペダルセンサー（４）の構成要素を示す図である。複数のマグネットを有するディスク（３０）がモーター（２）のフリーホイール（２６）に連結され、ユーザーがペダルを漕ぐとディスク（３０）とフリーホイール（２６）が一体に回転し、ペダルセンサー（４）が起動するようになっている。
【００３７】
図８はバッテリー（１）充電用の充電ポート（１０）を示す図であり、当該充電ポート（１０）はフレーム（６）のメインチューブ（７）に挿入されてネジ止めされ、保護ストッパーを有する。
【００３８】
図９は第１の好ましい実施形態に係る制御ユニット（５）を示す。当該制御ユニット（５）は、自転車のフレーム（６）のトップチューブ（３１）に固定され、端部がシールドコネクターとされたケーブルによりブロック（８）に接続されており、プラスティックの筐体に設けられた一つの作動ボタンからなる押しボタン（３２）を有する。
【００３９】
当該押しボタン（３２）は発光手段（３３）を有し、この場合は押しボタン（３２）の周囲に複数のリング状のＬＥＤが同心状に配置され、ユーザーに情報を伝えるためにそれらは異なった色、または異なった光強度で発光する。ボタンが有効に押されたことをユーザーに対し認識させるため、その旨を振動によって伝える振動モーター（不図示）を設けてもよい。
【００４０】
図１０は第２の好ましい実施形態に係る制御ユニット（５）を示す。当該制御ユニット（５）は、自転車のハンドルバー（３４）にクランプとネジにより固定された三つボタン式の押しボタン（３２）を有し、また発光手段（３３）および振動モーターも有している。
【００４１】
図１１は第３の好ましい実施形態に係る、ハンドルバー（３４）に固定された五つボタン式の押しボタン（３２）を有する制御ユニット（５）を示す。
【図１】
2020531356.tif 000003
【図２】
2020531356.tif 000004
【図３】
2020531356.tif 000005
【図４．１】
2020531356.tif 000006
【図４．２】
2020531356.tif 000007
【図５】
2020531356.tif 000008
【図６】
2020531356.tif 000009
【図７】
2020531356.tif 000010
【図８】
2020531356.tif 000011
【図９】
2020531356.tif 000012
【図１０】
2020531356.tif 000013
【図１１】
2020531356.tif 000014
【国際調査報告】
2020531356.tif 000015
2020531356.tif 000016
2020531356.tif 000017
2020531356.tif 000018
2020531356.tif 000019
2020531356.tif 000020