電気自転車向けスマート電気ホイールの接続装置

優先権および関連出願 本出願は、2012年12月3日出願された、同じ発明の名称を有する、同時係属中である米国特許出願第13/415、829に基づき優先権を主張するものであり、同出願は、部分継続出願であり、12/989,408号(出願日:2010年10月22日)に基づき優先権を主張する。12/989,408号は、PCT/US2010/023424号(出願日:2010年2月6日)に基づき優先権を主張する。PCT/US2010/023424号は、米国特許出願第61/206,909号(出願日:2009年2月6日)に基づき優先権を主張する。本出願は、これらの全部の内容が参照によって本明細書中に組み込まれる。

発明の分野

本発明は、ハイブリッド自転車に関し、より具体的には、従来の自転車をハイブリッド自転車に変換するための特殊な接続装置の利用による従来の自転車の改造に関する。

現在、多数の電動自転車とハイブリッド自転車が市販されている。本発明において用いられる「ハイブリッド」とは、複式の動力源を用いて動力を供給される自転車または車両を指す。本発明において用いられる「ハイブリッド自転車」とは、電気的動力源に加えて少なくとも1つの他の動電源を有する自転車を指す。

現在、従来の人力で動力を得る自転車を改造して、電気動力式またはハイブリッド動力式自転車へ変換するためのキットが入手可能となっている。これらのキットは、従来のホイールを電動ホイールへ変換する部品、または電動ホイールを提供するのが一般的である。現在入手可能なキットには、自転車の多様な部品全体にわたってハードウェアが分配されている。

従来の自転車を電気自転車またはハイブリッド自転車に改造するための現在入手可能なキットのあるタイプでは、ユーザが、バッテリーを自転車フレーム上のいずれかに設置した後、モータへの電力をユーザが制御可能なある種のコントローラをハンドルバー上に取り付ける必要がある。これらのキットを組み立てる作業は時間がかかり、また、顧客の中には、必要な作業時間、技術的専門知識、および組み立てを完了するために必要な器具に起因して、作業を断念する場合がある。

よって、重要なユーザの組み立て部品が不要で、または自転車の多様な範囲に分配される多数の部品がなく、従来の自転車を改造してハイブリッドまたは電気自転車を得ることが可能なアセンブリが必要とされている。

本明細書中に記載される実施形態において、電気自転車ホイールの設計と、電気自転車ホイールを制御するために用いられるアルゴリズムとについて記述する。

他の実施形態において、ユーザ入力の必要なく電気自転車またはハイブリッド自転車への電力制御を行うためのアルゴリズムと、電気ホイール内のセンサーの組合せを開示する。

さらなる実施形態において、ユーザがモータへの電力の制御を外部制御機構を通じて行う電気ホイールを開示する。

本明細書中に記載される別のさらなる実施形態において、フロントホイールアセンブリに全てのハードウェア構成部品が組み込まれた電気自転車ホイールについて記述する。

本明細書中に記載される他の実施形態において、自転車の電動力を制御するための加速度計を用いた電気自転車ホイールについて記載する。

さらに他の実施形態において詳述されるホイールは単一のアセンブリであり、自転車を改造してハイブリッド自転車を得るために、用いることができる。

別の実施形態によって説明される電気フロントホイールアセンブリは、クイックリリース軸を有する従来の自転車に対し器具を用いること無く、従来の自転車を改造してハイブリッド自転車を得るために必要な全てのハードウェアを備える。

さらに他の実施形態において、電気フロントホイールアセンブリのためのクイックリリースシステムを用いて、ユーザがアルゴリズムの傾斜をゼロへ手動設定することを可能にする方法が開示される。

多様な例示的実施形態の一態様において、ホイールアセンブリは、ホイールアセンブリ内の車軸へ取り付けられたモータと、ホイールアセンブリ内にあって、モータへ電力を送り込むように構成されるバッテリーシステムと、ホイールアセンブリ内にあって、ホイールアセンブリの配置方向の速度および角度に関するデータを送信するセンサーシステムと、ホイールアセンブリの配置方向の速度および角度に関するデータをセンサーシステムから受信して、バッテリーシステムからモータへ送り込む電力の量を指示する、少なくとも1つの入力信号を有する制御機構と、を備える。

多様な例示的実施形態の一態様において、電気モータホイールアセンブリを車両ホイール取付フレーム部材へ取り付けるための負荷転送クイックリリース機構は、ホイールアセンブリの回転軸となる中央シャフトと、ホイールアセンブリを固定するための第1の位置とホイールアセンブリを車両ホイール取付フレーム部材から取り外すための第2の位置との間の移動を可能にするように、中央シャフトの端部へ旋回可能に接続されたレバーアームと、レバーアームの対極にある中央シャフトの対極側端部に動作可能に接続されたエンドナットであって、エンドナットとレバーアームとの間の距離を調節し、ホイールアセンブリを車両ホイール取付フレーム部材へ固定するエンドナットと、中央シャフトと同軸を共有するモータシャフトと、モータシャフトの第1の端部へ接続されかつモータシャフトに対し実質的に垂直な負荷伝送部材と、負荷伝送部材へ旋回可能に接続されたストップアームと、負荷伝送部材へ接続された調節機構であって、ストップアームの角度を調節し、ストップアームおよび負荷伝送部材がモータによって生成されたトルクを車両ホイール取付フレーム部材の非軸部分へ直接伝送するように動作するための調節機構と、を備える。

多様な例示的実施形態の一態様において、クイックリリース機構を較正する方法は、ホイールアセンブリを車両ホイール取付フレーム部材上に取り付けるステップと、クイックリリース機構の中央シャフトをホイールアセンブリのモータシャフトを介して挿入するステップと、クイックリリース機構のレバーアームを中央シャフトの端部上に取り付けるステップと、クイックリリース機構の負荷伝送部材およびストップアームをモータシャフト上に取り付けるステップと、クイックリリース機構の調節機能を最低位置へ移動させるステップと、ストップアームが車両ホイール取付フレーム部材の非軸部分と接触するまで、クイックリリース機構をホイールアセンブリの軸の周囲において回転させるステップと、中央シャフト上にエンドナットを取り付けるステップと、エンドナットを交互に調節するステップと、車両ホイール取付フレーム部材上へのホイールアセンブリの最適な位置に固定されるように、レバーを解放位置から固定位置へ移動させるステップと、レバーアームを解放位置へ移動させるステップと、レベル指示器が水平を指すまで調節機能を動作させるステップと、レバーアームを固定位置へ移動させるステップと、を含む。

多様な例示的実施形態の一態様において、電気モータホイールアセンブリを車両ホイール取付フレーム部材へ取り付けるための負荷転送クイックリリース機構は、ホイールアセンブリの回転を可能にする手段と、ホイールアセンブリを車両ホイール取付フレーム部材へ固定する手段と、固定手段の一端へ実質的に垂直に接続される負荷伝送手段と、負荷伝送手段からのトルクを転送する手段であって、負荷伝送手段へ旋回可能に接続されるトルク転送手段と、トルク転送手段の一端が車両ホイール取付フレーム部材の非軸部分と接触するように、トルク転送手段の位置および角度のうち少なくとも1つを調節する手段と、を備える。

さらなる実施形態により説明される負荷転送クイックリリース機構のためのクイックリリースシステムにより、過大応力および金属疲労に起因する車軸の金属破壊が回避される。

以下の図面を参照することにより、多様な実施形態がより詳細に理解され得る。当業者であれば、以下に示す図面は例示目的のためのものに過ぎず、本明細書に記載の範囲をいかようにも限定しないことを理解すると推測する。よって、本明細書中に提示される実施形態に加えて、または本明細書中に提示される実施形態の代わりに他の実施形態を用いることが、本開示の意図および範囲から逸脱することなく可能である。異なる図面中において同一の参照符号が記載されている場合、同一または類似の部品またはステップを指すことが意図される。

図1は、電気自転車ホイールの実施形態の切り取り内部の斜視図である。

図2は、ホイールモータへ付加される出力電圧の決定のための機能ブロック図である。

図3は、図1に示す電気自転車ホイールの動作のフローチャートである。

図4は、図1中の電気自転車ホイールの速度の算出のためのフローチャートである。

図5は、図1に示す電気自転車ホイールの角度の算出のためのフローチャートである。

図6は、電気自転車ホイール上に取り付けられた電気自転車ホイール接続機構の例示的実施形態である。

図7は、例示的実施形態の電気自転車ホイール接続機構の斜視図である。

図8は、例示的実施形態の電気自転車ホイール接続機構の分解図である。

図9は、例示的実施形態の電気自転車ホイール接続機構の正面平面図である。

図10は、例示的実施形態の電気自転車ホイール接続機構左側平面図である。

図11Aは、電気自転車ホイール接続機構の負荷伝送部材の例示的実施形態の斜視図である。

図11Bは、電気自転車ホイールのモータシャフトの例示的実施形態の斜視図である。

図12は、自転車フレーム上に取り付けられた例示的実施形態の電気自転車ホイール接続機構の左側平面図である。

図13は、アルゴリズムの初期傾斜を手動でゼロに設定するためのフローチャートである。

図14は、例示的実施形態の電気自転車ホイール接続機構の斜視図である。

図15は、例示的実施形態の電気自転車ホイール接続機構の左側平面図である。

発明の詳細な説明

図1は、自転車フロントホイールアセンブリ10の実施形態を示す。自転車フロントホイールアセンブリ10は、ホイールアセンブリ10内に設置された部品のみを用いて動力を供給する。ホイールアセンブリ10は、中央車軸8の周囲に取り付けられたモータ12によって動力供給される。ホイールアセンブリは、タイヤ4およびカバー2を有する。カバー2は、ホイールアセンブリ10の両側に存在するが、側面から除去することにより、ホイールアセンブリの内部の視認が可能になる。

ホイールアセンブリ10は、車軸8の周囲を回転する。モータアセンブリ12としてホイールアセンブリ10内において用いることが可能なモータの一例として、24ボルトの250ワットのモータ(製造元:Jia−Yu)がある。

本実施形態において、制御機構をホイールアセンブリ10の外部に設けることにより、ユーザ指示によってホイールアセンブリ10から電力が供給され、または電力を増加させることが可能となる。ユーザは、制御機構を介して、モータ12への給電を命令する。

別の実施形態において、ユーザ制御機構は存在せず、ホイールアセンブリは、ユーザ制御または入力無しに動作するための十分な情報を備える。電気ホイールアセンブリ10は、ユーザ入力が不要となるよう、十分な情報と共に設計される。よって、ハンドルバーまたは自転車上のいずれの場所においても、ユーザ制御機構は不要となる。ホイールアセンブリ10内の電子機器により、電気モータへ供給すべき電力量が決定される。

ユーザ入力または制御が不要である実施形態において、ホイールアセンブリ10内のアルゴリズムおよびセンサーの組合せによって、モータ12へ付加される電圧が制御される。

別の実施形態において、従来の自転車フロントホイールの代わりにホイールアセンブリ10が用いられる。ホイールアセンブリ10は、スマート電気ホイール設計であり、ホイールアセンブリ10を備えた従来の自転車の改造を簡単な作業とする。本実施形態において、スマート電気ホイールアセンブリ10は、自転車を駆動するための電力を供給するために必要な全てのハードウェアを備える。ホイールアセンブリ10内には、バッテリー、コントローラ、内部に組み込まれたケーブルが保持される。従来の自転車のフロントホイールをホイールアセンブリ10と交換するだけで、使用時にホイールアセンブリを所定位置に配置することができる。よって、ホイールアセンブリ10によって改造された従来の自転車は、従来の方式で供給される動力方式と、ホイールアセンブリ10をによって供給される電動力とを併せ持つハイブリット自転車となる。

実施形態において、電動車輪アセンブリ10は、複数の種類のセンサーを備えることができる。これらの種類のセンサーを挙げると、加速度計、モータ12の内部で、またはモータ12と関連付けられ、モータ12の地面に対する角度位置を測定する符号器、1または1以上のスポーク24中の歪みゲージがある。

モータ12のための電力は、バッテリーアセンブリ22によって提供される。バッテリーアセンブリ22は組立体であり、いくつかのバッテリーとの接続を備える。実施形態において、バッテリーアセンブリは、ホイールアセンブリ10と共に回転することができる。図1に示すバッテリーアセンブリ22に含まれるバッテリーは、車軸8の周囲に円周方向に分散配置され、これにより、バッテリーアセンブリ22がホイールアセンブリ10と共に回転することが可能になる。コントローラ6は、モータ12がバッテリーシステム22から受信すべき電力量について、主要回路基板16から信号を受信する。バッテリーシステム22を再充電するために、DC電力接続(図示せず)が設けられる。

バッテリーアセンブリ22の実施形態として、20のDサイズの充電式バッテリーが用いられる。使用可能な充電式バッテリーの一例として、Dサイズの充電式バッテリー(NEXcell(登録商標))がある。多数の種類のバッテリーをバッテリーアセンブリ22内において用いることができ、20個よりも多数または少数のバッテリーをバッテリーアセンブリ内に設けることが可能である点について言及する。車軸8の周囲の円周方向に分散配置されるバッテリーを備えない、または、ホイールアセンブリ10と共に回転しない、バッテリー電力を提供するための付加的な組立体が想定される点に言及する。

図1に示すホイールアセンブリ10において、多様なセンサーを用いても良い。用いることが可能なセンサーの1種として、加速度計14があり、ホイールアセンブリの動作を示すセンサーデータを提供する。好ましい加速度計14の一例として、3軸アナログ出力を提供するFreescaleKIT3376MMA7341Lがある。加速度計14は、スポーク24のうち1つに取り付けられ、ホイールアセンブリ10と共に回転する。加速度計14からのアナログセンサーデータは、主要回路基板16に入力される。加速度計14からのアナログセンサーデータは、主要回路基板16上でデジタルセンサーデータへ変換され得る。加速度計14がホイールアセンブリ10と共に回転しているが、加速度計がホイールアセンブリ10と共に回転せず、代わりに車軸8に相対する固定位置に保持される実施形態が想定される。

ここではアナログ情報の使用について記述されるが、当業者であれば、所望であれば、本開示の意図および範囲から逸脱することなく、例示的実施形態を容易に改変してデジタル情報を利用することができる点が十分に理解される。

主要回路基板16に必要な機能を提供できる入手可能な回路基板の一例として、例えばRABBITBL4S200がある。RABBITBL4S200を用いた実施形態において、それに設けられたプロセッサは、加速度計14からのデジタルセンサーデータに高速フーリエ変換(FFT)を実行することができる。本実施形態において、このプロセッサは、加速度計14からのデジタルセンサーデータに対し、数学演算をリアルタイムで行うことができる。RABBITBL4S200上のプロセッサは、これらの演算をリアルタイムで行うことができるほど十分に高速である。

他の実施形態において、主要回路基板16中に保持されるメモリ内のルックアップテーブル(LUT)を使用することができる。RABBITBL4S200は、LUT機能を提供することが可能なフラッシュメモリを備える。加速度計14からのセンサーデータをFFTによって時間領域から周波数領域へ変換することができ、LUT内に配置することができる。このLUTを読み出すことにより、現在ホイールアセンブリ10が存在している角度を取得することができる。

ホイールアセンブリ10内において用いることが可能な別のセンサーとして、符号器18があり、ホイールアセンブリ10の線形速度に関するデータを提供する機能を担う。符号器18は回転符号器であっても良く、ホイールアセンブリ10と共に回転しない1つの部品と、ホイールアセンブリ10と共に回転する別の部品とを有する。回転しているホイールアセンブリ10の線形速度を決定するために、ホイールアセンブリ10と共に回転しない部品に対するホイールアセンブリ10と共に回転する部品の移動を測定する。このような符号器の一例として、AvagoHEDS−9701がある。

AvagoHEDS−9701は、光経路内に配置されたコリメートレンズにより平行ビームに視準された放射光線を放つ発光ダイオード(LED)を備える。LEDの反対側には、1組の光検出器があり、LEDから受光した光からデジタル波形を生成する信号処理回路と関連付けられている。本実施形態において、LED、コリメートレンズ、光検出器および信号処理回路はホイールアセンブリ10と共に回転し、コードホイールは、車軸8との空間関係を固定したまま保持する。

コードホイールは、LEDと光検出器との間に配置される。コードホイールは、ホイールアセンブリ10と共に回転しない。そのため、コードホイールがLEDおよび光検出器に相対して移動すると、コードホイール上の空間およびバーのパターンにより、光線が干渉される。フォトダイオードは、パターン状に配置されたこれらの干渉を検出する。光検出器は、一対の光検出器上の明期が隣接する一対の光検出器上の暗期に対応するように、間隔を空けて配置される。フォトダイオードからの出力は、信号処理回路内のコンパレーターへ入力され、チャネルAおよびBのための最終出力が生成される。チャネルAおよびチャネルBの出力はデジタル信号であり、90度だけ位相がずれているかまたは直角位相となる。回転しているコードホイールの位相数を数えることにより、ホイールアセンブリ10の速度が決定される。チャネルAおよびBの出力を示すこれらの信号は、主要回路基板16へ入力される。以下にさらに詳述するように、チャネルAおよびBからの出力は、LUT内に配置され得る。他の実施形態において、主要回路基板16上のLUTを用いることなくチャネルAおよびBの出力を数学的演算に直接的に利用することや、チャネルAおよびBの出力を主要回路基板16上のメモリに配置してそれらを直接的に利用することも可能である。

上記した回転符号器は、1つの特定の種類の回転符号器の一例であり、当業者であれば、他の回転符号器も利用可能であることを容易に理解する。さらに、ホイールアセンブリ10を用いた自転車の速度を決定するために、回転符号器以外の他の種類の符号器を用いてよい。

一の実施形態において、センサーは、符号器および加速度計とによって構成される。

加速度計14は、加速度計14がホイールアセンブリ10と共に回転して加速度強度を測定するような位置に設置され得る。加速度の値は、符号器18の読み取りと共に電子機器によって読み取られる。符号器18の読み取りは、ホイールの表面が平坦であるときに人為的にゼロに設定することにより、初期化できる。初期化後、電子機器は、符号器位置および加速度計読み取り値を追跡し続ける。実施形態において、符号器18位置および加速度計14読み取り値は、主要回路基板16上のプロセッサにより、速度および位置の演算のためにそれぞれ用いられる。加速度計の位相角度を計算することにより、傾斜の測定値を取得することができる。電子機器は符号器18の時間単位の位置変化、すなわち自転車の速度の測定値を算出することも可能である。これらの傾斜および速度の2つの値を主要回路基板16上のプロセッサによってリアルタイムで比較することにより、傾斜による補正および速度に起因する抗力に対する補正を行うためにモータに必要とされる対応する電圧を生成するための情報が得られる。

ルックアップテーブルを用いた他の実施形態において、ホイールアセンブリ10の動作時に、事前に計算されてルックアップテーブル中に配置されたデータを取り出し、ルックアップテーブル中に含まれる値を比較することができる。その結果によって、傾斜による補正および速度に起因する抗力の補正を行うことで、モータに必要な対応する電圧を生成するための情報が得られる。

上述したように、アルゴリズムにおいて、傾斜がゼロになるよう初期設定することが必要となる。よって、ユーザは、平面上で装置を較正する必要がある。このタイプの実施形態において、自転車が起動して(地面にあると推定され、)初期傾斜が計算および保存されると、初期化以後の回転において計算された位相角度から減算される。または、初期化リセット機構をホイールアセンブリ10中に組み込むことにより、ユーザが出発点を指示することが可能になる。

実施形態において、アルゴリズムの初期傾斜を手動でゼロに較正するための方法が開示される。しかし、歪みゲージセンサー28のうち1つを用いることにより、この初期化ステップを省くことができる。

実施形態において、1または1以上の歪みゲージセンサー28がスポーク24上に配置される。各スポーク24上に配置された歪みゲージセンサー28を使用する実施形態において、タイヤ近傍のスポーク端部が地面に最も近付いた後、歪みゲージセンサー28からの出力が最大となり、その結果、スポーク24上の歪量が最大となる。その結果得られる歪みゲージのFFTおよび加速度計FFTにより、較正することなく無く傾斜が得られる。

単一の歪みゲージセンサー28を用いた実施形態において、歪みゲージセンサー28と関連付けられた電子機器は、応力値の重心を算出して、ホイールアセンブリの配置角度を特定することができる。

実施形態において、ホイートストンブリッジ増幅器は、各歪みゲージセンサー28と対応付けられる。他の実施形態において、複数の歪みゲージセンサー28により、ホイートストンブリッジ回路によって複数の抵抗値が得られる。

図2は、ホイールアセンブリ10の本実施形態における機能ブロック図を示す。図2中に示す実施形態では、ユーザ制御が全く不要のまま動作することが可能なホイールアセンブリ10であるため、ユーザインターフェースも不要となる。図2中の実施形態において、ホイールアセンブリを構成する電子機器により、ユーザは、単にペダルまたはブレーキを踏むだけですむ。ホイールアセンブリ10が有する複数のセンサーにより、自転車の傾斜および速度を読み取るための十分な情報が得られる。

図2に示すホイールアセンブリ10の実施形態におけるセンサーは、1または1以上の歪みゲージ28を含む。歪みゲージ28により、ホイールアセンブリ10の初期化を簡単かつ効果的にすることができる。各歪みゲージ28をホイートストンブリッジ増幅器回路(フル、ハーフまたはクオーター)と対応付けることにより、歪みゲージの抵抗値が変化したことを検出することが可能になる。歪みゲージ増幅器25を用いて、ホイートストンブリッジ増幅器回路の励起と、歪みゲージ読み取り値の増幅とを行うことができる。

ホイールアセンブリ10のスポーク上の複数の歪みゲージを用いた実施形態において、地面から受ける力に起因して、地面に最も近いスポーク24上の歪みゲージ28の読み取り値が最大となる。これらの実施形態において、歪みゲージ28を各スポーク28上に配置することで、主要回路基板上のプロセッサ23がホイールアセンブリの位置を認知することを可能にする情報を生成することができる。

実施形態は、単一の歪みゲージ28を用いることにより、重力に対する傾斜角度を測定することを含む。歪みゲージ28は、複数の方向に対する応力を測定するように構成され得る。その後、応力の重心を用いて、ホイールアセンブリ10の位置を決定することができる。単一の歪みゲージ28を用いた実施形態では、応力レベルの重心を決定することによりホイールアセンブリ10の位置の主要回路基板上のプロセッサ23に通知できるような方法をとる。

アナログ/デジタル変換器(A/D)19は、歪みゲージのデータをバスA上に配置されるようデジタル形態に変換する。その後、歪みゲージのデータは、プロセッサ23によって用いられ得る。

符号器18によって出力される直角位相信号は、ホイールアセンブリ10の車軸8の周囲の動作を示す。符号器18からの信号は、実施形態において、デジタル信号であり得る。そのため、アナログ/デジタル変換は不要である。これらの直角位相信号は、バスA上に配置され、プロセッサ23によって用いられて、ホイールアセンブリ10が移動する際の線形速度が計算される。

他の実施形態において、直角位相信号を主要回路基板16上のメモリ中に配置し、プロセッサによって読み出すことにより、速度を計算することができる。この目的のために、バスAを介したルックアップテーブル(LUT)27aも用いることができる。

加速度計14は、ホイールアセンブリ10の動作に起因して発生する力と、重力に起因する力とを測定する。加速度計14は、加速度計14上に発生する力に応答して、電圧出力を生成する。これらの電圧出力は、A/D26によって受信され、デジタル形態に変換される。その後、デジタル化された加速度計データは、バスAを介して、アレイ21中に格納される。アレイ18からのデータは、プロセッサ23によって定期的に読み出されて、FFT20によって高速フーリエ変換が行われ得る。

別の実施形態では、加速度計14からのデータの高速フーリエ変換を、バスAを介してルックアップテーブル(LUT)27b中に格納する。LUT27b中に配置されたデータは、プロセッサによって用いられ得る。

アレイ21およびFFT20を、主要回路基板16上のメモリ中に配置することができる。アレイ21は、保存目的のためのメモリの割り当てである。データ構造としてアレイ21を用いる代わりに、他のデータ構造(例えば、リンクリスト)を用いてもよい。FFT20は、主要回路基板16上のメモリ内に常駐し得るプログラムである。

LUT27aおよび27bを用いた実施形態において、これらは、主要回路基板16上のフラッシュメモリ中に配置され得る。

加速度計からのデータの高速フーリエ変換は、傾斜を示す。初期化時において、歪みゲージの位相角度を加速度計位相角度から減算(例えば、φA−φB)すると、ホイールアセンブリ10が存在する傾斜角度が得られる。

実施形態において、電子機器は、ルックアップテーブル(LUT)を用いることができる。これらのルックアップテーブル27aおよび27bは、歪みゲージからのデータと傾斜角度とを関数に持つ加速度計データを保持することができる。

実施形態において、コンピュータは、センサーの値に応じて2つのLUT27aおよび27bを読み出し、LUT27aおよび27bからの値を組み合わせて、バッテリーアセンブリ22からモータ12へ出力されるべき出力電圧の値を生成する。このようにして、主要回路基板16上のプロセッサは、自転車速度に起因する傾斜および抗力を補正することができ、これにより、自転車に乗ることをより容易にかつより快適にする。

他の実施形態において、センサーから直接計算することで、ルックアップテーブルの使用が不要となる。

図3は、傾斜、速度および位相角度の算出の基本的機能を示すフロー図である。ホイールアセンブリ10が使用されると、このルーチンが開始する。ホイールアセンブリのためのシステムに対する初期化32において、システムリソースが必要に応じて取得され、多様な部品が初期化される。速度検出33では、ホイールアセンブリが十分に移動するのを待機した後、任意のセンサーデータを読み出す。この場合、自転車が静止位置にある間、モータ12へ印加されるのは0ボルトである。速度の検出後、並列分岐がとられる。速度データの収集34は、図4中のフロー図と同様であり、加速度計データの収集は、図5中のフロー図と同様であり、それらは同時に実行される得る。

ホイールアセンブリ10の線形速度は、速度データの計算34によって決定される。加速度計データの位相角度は、FFT実行36によって決定される。加速度計位相角度から速度位相角度の減算による傾斜の算出38により、傾斜角度が得られ、これは、コントローラ6によってバッテリーアセンブリ22からモータ12へ送られるべき出力電圧を決定する工程に援用される。

その後、図3のルーチンは初期化後の状態に戻り、ルーチンを再開させる。

実施形態において、角度演算が決定されることにより、自転車が乗られている間の任意の時点において、バッテリーアセンブリ22からモータ12へ所望の出力電圧を供給することが可能となる。自転車が坂を上っているときは、出力電圧も上昇するはずであり、自転車が平坦な地面を移動している間または坂を下っているときは、出力電圧も下降するはずである。

さらに、自転車の移動速度が高いとき、出力電圧も上昇するはずである。これには、以下の2つの理由がある:(1)速度と共に上昇する機械的抗力に対抗するため、および(2)モータがより高速回転する際にモータから発生する後方電磁場に対抗するため。

所望の出力電圧を、方程式1の計算によって得ることができる。 方程式1:出力電圧==[(ANGLE*C1)+(VELOCITY*C2)]+C3

ここで、ANGLEは、乗られている自転車の地面の角度である。VELOCITYは、自転車の線形速度である。、C1は、ANGLEに適用される利得である。C2は、VELOCITYに適用される利得である。C3は、計算全体に適用される基準値である。

本実施形態において、C1は、角度に適用される利得であり、37である。角度はラジアン単位で表記される。C2は、速度に適用される利得であり、0.42である。速度はメートル毎秒単位で測定される。C3は、計算全体へ適用される基準値であり、0.75ボルトである。多様な実施形態において、異なる利得C1、C2および基準値C3を採用することができ、上記は、いくつかの可能な実施形態のうちの一例に過ぎない点に留意されたい。

実施形態において、ホイールが1回転する毎にANGLEを更新する。ANGLEの更新は、実施形態の変更に従って、より高いまたは低い頻度で実行され得る。

別の実施形態において、ホイールがN回回転する毎にVELOCITYを更新する。VELOCITYの更新は、実施形態の変更に従って、より高いまたは低い頻度で実行され得る。実施形態において、Nの値は90である。VELOCITYが更新される周波数は、実施形態の変更に従って、大幅に変更され得る。

実施形態において、VELOCITYの更新の度に、加速度計14からのデータを更新し、主要基板16上のメモリ内のアレイ中に保存することができる。ホイールアセンブリ10の各回転のたびに、アレイ中の加速度計データを読み出して、加速度計の位相オフセットの計算に用いることができる。

主要回路基板16上のプロセッサ23を用いて、計算を実行することができる。データソースを以下に示す:

VELOCITYおよびANGLEの計算のデータソースとしては、(1)加速度計14および(2)2チャネルデジタル回転符号器18の2つがある。2チャネルデジタル回転符号器18は、車軸8に対して静止する1つの部品と、ホイールアセンブリ10と共に回転するもう一つの部品を有する。 速度(VELOCITY)の算出:

図4は、実施形態のホイールアセンブリ10の速度を算出するフロー図である。i=0に設定(41)により、インデックス変数が初期化される。割り込み受付(43)において、主要回路基板16上のプロセッサへの割り込みを待機する。ホイールアセンブリ10が回転すると、符号器18は直角位相パルスを生成する。これらの直角位相パルスを用いて、主要回路基板16上のプロセッサへの割り込みが実行される。ホイールアセンブリ10がN回回転するたびに、符号器18は直角位相パルスを生成する。よって、符号器18からのパルスにより、N回の回転毎に、主要回路基板16上のプロセッサへの割り込みが実行される。各割り込みにより、割り込みサービスルーチン(ISR)が起動される。本実施形態において、Nの値は、90であるが、この値は、実施形態の変更に伴って大幅に変更し得る。

ISRが起動されるたびに、タイマー読み取り43により、主要回路基板16上のタイマーの値が読みとられる。最終割り込みからの経過時間の計算(45)において、最終割り込みからの経過時間としてタイマー値が保存される。最終割り込みから計算された移動距離は、符号器パルス間において一定となる既知の値である。タイマー読み取りおよび既知の距離速度=(移動距離)/タイマー読み取り(47)距離により、方程式2に示す関係を実行する: 方程式2:速度(VELOCITY)=符号器パルス間の移動距離/タイマー値

主要回路基板16上のプロセスを割り込むパルスが符号器18から送信される度に、符号器18からの最終パルスを認知してから(最終割り込みから)経過した時間長さが既知となる。本実施形態において、タイマーの分解能は、100,000カウント/秒であり得る。他の実施形態において、異なるタイマー分解能が用いられる(より多数のカウント/秒またはより少数のカウント/秒)。各符号器パルスによって、各パルス間で所定の移動距離が網羅されたことが示唆される。この距離は一定であるため、速度(VELOCITY)計算が簡単な作業となる。

速度の計算後、タイマーリセット(48)において、タイマーが0へリセットされる。「i=i+1に設定」により、インデックス変数iがインクリメントされて、Nの値までカウントされる。i=Nになるまで、i

このようにして、出力電圧の速度依存部分が更新される。

実施形態において、図4は終了していないが、再度エントリーポイントAへ戻り、ホイールアセンブリ10の次の回転において速度計算が開始される。 角度(ANGLE)の算出:

本実施形態において、角度計算が複数のデータソースから導出される。これらのデータソースとは、回転符号器および/または加速度計であり得る。

実施形態において、ホイールが1回転する度に、角度計算が更新される。よって、このような実施形態において、図5を参照して以下に述べるデータ取得および計算は、図4を参照して上記に述べたデータ取得および計算と同時に機能する。 実施形態において、角度計算は、以下の第1の部分及び第2の部分において実行される:

角度計算の第1の部分において、加速度計14は、ホイールアセンブリ10と共に回転する。そのため、自転車が平坦な地面上を一定速度で回転している場合、重力に起因して、加速度計14の出力は正弦波となる。加速度計からの信号は、N回/回転ごとに、アナログ/デジタル(A/D)変換が実行される。これらの値は、アレイまたはリンクリストとして主要回路基板16上のメモリ中に保存される。回転が完了すると、加速度計14からのデータはメモリに保存され、信号の位相オフセットの計算に用いられる。

図5を参照する。主要回路基板16上のプロセッサによって実行される角度計算ルーチンは、エントリーポイントBを有する。図4を参照して上述したように、「i=0に設定」により、センサーデータの読み取りのインデックスに用いられるインデックス変数が初期化される。デジタル化された加速度計データの読み取り(53)により、センサーデータを加速度計14から取得する。加速度計データのアレイ内への保存(54)により、取得されたセンサーデータが加速度計14から主要回路基板16上のメモリ中に配置されて、アレイとしてのアクセスが可能となる。加速度計データの保存および読み出しを繰り返し実行するリンクリストが、アレイの代わりに生成され得る点に留意されたい。さらに、メモリ中に保存された加速度計データに繰り返しアクセスが可能なものであれば、任意のデータ構造が利用可能である。「i=i+1に設定」(55)により、インデックス変数iをインクリメントする。判定ブロックi

実施形態において、上記したループは、図4を参照して述べた速度計算と同時に実行される。符号器18からのパルスが主要回路基板16上のプロセッサに割り込む度に、加速度計データが取得され、アレイ中に保存される。これは、ホイールアセンブリ10が回転する間継続され、その後再開する。回転が完了すると、加速度計14からのデータはメモリ中に保存されて、信号の位相オフセットの計算に用いられる。回転が完了すると、メモリ中に保存されていた加速度計14からのデータを用いて、信号の位相オフセットを計算する。

実施形態において、MatLab実行が、保存されている加速度計データからの位相オフセット信号の計算に用いられる。このMatLab実行を以下に示す。 関数[ang1、ang2]=angle_calc(y1、N) %1つの入力信号について、y1は、信号の位相オフセットを返す。 %y1はN個のサンプルについて主に1Hzであると仮定する。 %y1は、pendulum=Al*cos(2*pi*x+angl)である。 %N=90; x=(0:N−l)/N; basis_pendulum_cos(x)=cos(2*pi*x); basis_pendulum_sin(x)=sin(2*pi*x); a1=0; b1=0; i=1:Nにおいて、 a1=a1+yl(i)*basis_pendulum_cos(i); 1=b1+yl(i)*basis_pendulum_sin(i); end a1=a1/N; b1=b1/N; a2=a2/N; b2=b2/N; A1=2*sqrt(al^2+bl^2); ang1=atan2(−b1、a1).

別の実施形態において、上記MatLab実行において行われる計算は、高速フーリエ変換(FFT)によって実行される。FFTをあるバージョンのC++または他の高レベルプログラムにおいて実行することにより、上記MatLab実行によって実行されるのと同じ数学的計算が実行される。

角度計算の第2の部分において、加速度計14を用いて、重力だけでなく全ての加速力を感知する。自転車の線形加速度も、加速度計によって測定される加速度の成分の集合を形成する。本発明において、自転車の線形加速度に起因する角度の成分は、所望の成分ではない。これを補正するために、方程式3の関係に従って、線形平均線形加速度を速度データから計算する。

図5を参照する。FFT、MatLab実行または他のプログラミング解法を用いて、回転終了時に実行される加速度計の位相オフセットの計算(57)を行う。

線形加速度に起因する角度の計算(58)において、以下に述べる計算を実行する。先ず、平均線形計算を方程式3に従って行う: 方程式3:平均線形加速度=[(回転終了時の速度)−(回転開始時の速度)]/(発生する回転数)

方程式3から得られた結果を定数で乗算して、重力単位(G)の9.81m/s2とする。

その後、線形加速度に起因する角度部分を、方程式4の関係に従って計算する: 方程式4:見かけの_角度=atan(平均線形加速度)

位相オフセットからの角度減算(59)にて、見かけの_角度を第1の部分において計算された角度から減算し、その結果得られた角度を出力電圧の計算に用いる。

実施形態において、最終的に計算された角度が+/−7度の範囲を超えた場合、以下を行うシステムソフトウェアに実装される論理を用いて+/−7度へクリップされる。 (角度>7度)の場合、 { 角度=7度 } (角度<−7度)の場合、 { 角度=−7度 } さらなる計算:

ノイズ源による影響を低減するために、以下に示す方程式4の関係式によってに、移動平均を角度計算において用いる。 方程式4:当該回転に適用される角度=前回のn回転において計算された角度の平均(nの最適な値は、ここでも決定されるが、ここで記載する場合には、n=4である。)

前回の角度と当該角度との間に線形補間を行うと、回転全体に2つの角度間の変化が及ぶ。その結果、ホイール回転の境界における電圧の急激な変化が確実に発生しなくなる。 補間の例:

上記したように角度が新たに計算されており、前回の角度も既知であると仮定する。 以下の値を仮定する: 角度(n−1 回転)=1度 角度(n 回転)=2度

各回転を90ステップに分割すると仮定する。各ステップに、角度の1/90の差がホイールへ適用される。我々の例において、角度差は、2度−1度=1度となる。1度の1/90=0.0111である。 表1 割り込み番号 適用される角度 1 1 2 1.0111 3 1.0222 4 1.0333 ・・・ ・・・ 87 1.9667 88 1.9778 89 1.9889 90 2.000

表1に示すように、ホイールの回転全体に角度変化を適用することにより、モータへの電圧が急激に変化する事態が回避される。

ここで図6を参照する。電気自転車ホイール接続機構100の例示的実施形態が、電気自転車ホイール10および車両ホイール取付フレーム部材110上に取り付けられている態様で図示されている。本発明において言及される車両を挙げると、自転車、三輪車、四輪車、または他の車輪付きの移動用機械がある。接続機構100は、後述する図に示すようなクイックリリース機構を組み込むことにより、電動車輪アセンブリ10の取り外しおよび取付を器具を必要すること無く容易にする。

別の例示的実施形態において、接続機構100は、車両ホイール取付フレーム部材110のより高強度な部位へ負荷を転送することにより、車軸にかかるの高い捩り力に起因して自転車フレームの車軸接続端部が破壊される事態を回避する。

さらに別の例示的実施形態において、接続機構100において、ユーザが任意選択的にアルゴリズムの初期傾斜をゼロへ手動で較正することが可能である。

図7は、接続機構100の例示的実施形態の斜視図であり、クイックリリースレバー120が固定位置および非固定位置130(点線)にある態様が図示されている。固定位置へ移動すると、レバー120から張力が中央シャフト180へ付加される(図8中に図示)。エンドナット140は、中央シャフト180へネジにより接続され得る。シャフト180に付加される張力の大きさは、エンドナット140からレバー120への距離と、車両ホイール取付フレーム部材間の距離とに依存する。固定されると、レバー120およびエンドナット140は、ホイールアセンブリ10を車両ホイール取付フレーム部材110へピン留めするクランプとして機能する。クイックリリース機構は、自転車のホイール/フレーム間接続として関連分野において見受けられるものと同様であり、本明細書中に記載される例示的実施形態の中で使用されるように適合させることができる。レバー120、エンドナット140および中央シャフト180が固定されると、負荷伝送部材150は、モータによって生成されたトルク(図示せず)をストップアーム170を通じて車両ホイール取付フレーム部材110へ転送する。このトルク負荷を車軸から離隔方向に向けて車両ホイール取付フレーム部材110へ転送することにより、過大応力および金属疲労に起因して車軸に発生する金属不具合がほぼ回避される。

図8は、図7の分解図である。例示的実施形態において、中央シャフト180をモータシャフト210を通じて挿入することができ、中央シャフト180とモータシャフト210は、ホイールアセンブリ10と同じ軸を共有し得る。完全挿入されると、レバー120の反対側の中央シャフト180の端部は、負荷伝送部材150を超えて突出して、エンドナット140は、中央シャフト180へねじにより接続され得る。負荷伝送部材に対するストップアーム170の角度を、調節ノブ160を介して調節することができる。調節ノブ160は、ネジ式シャフトおよび六角形ノブで構成されても良く、ねじ穴165を介して負荷伝送部材150へねじ留めされ得る。もちろん、設計変更に応じて、他の調節手段も利用可能である。ノブ160が調節されると、接続機構100がモータシャフト210の周囲を回転し得る。ストップアーム170は、負荷伝送部材150上において回転軸245(図10)を中心に回転することができ、よって、異なる車両ホイール取付フレーム部材に対応することも可能である。ストップアーム170は、異なる車両取付フレーム部材に対応するために、異なる端部構成を取っても良い。ストップアーム170が負荷伝送部材150上において回転しないように(図10中、接点240として図示)、バネ190を用いて、調節ノブ160とストップアーム170との間の接触を維持することができる。負荷伝送部材150は、水平レベル指示器200(例えば、泡、液体または水平を決定するための他の手段)を備え得る。負荷伝送部材150をL字型構成として図示しているが、他の形状(例えば、弧)を用いてもよい。同様に、ストップアーム170も別の形状因子または形状を取り得る。よって、多様な改修および変更が、本開示の意図および範囲から逸脱することなく可能である。

ここで図9を参照する。レバー120のロック位置を示す正面図が図示されている。本実施形態において、所望であれば、モータシャフト210の軸の長さは異なっても良い点に留意されたい。いくつかの実施形態において、端部分220および230は、実質的に同じ長さであっても良く、モータシャフト210の中央部分の長さと異なっても良い。

ここで図11Aおよび図11Bを参照する。図示される例示的実施形態において、負荷伝送部材150およびモータシャフト210は、1方向のみの挿入を可能とする特殊な端部ジオメトリを保持し得る。モータシャフト210の端部上の平坦部260に対応するように負荷伝送部材内に平坦部250を設けることができる。または、モータシャフト210の回転を回避するための他の類似の効果的な方法も利用可能である(例えば、鍵および鍵穴265、シヤーピン、圧入など)。

図12は、車両ホイール取付フレーム部材110上に取り付けられた例示的実施形態の接続部材100の左側平面図である。ノブ160を調節してレベル200を水平にした後、ストップアーム170が((「ドロップアウト」112から離れて)位置270において車両ホイール取付フレーム部材110と接触することで、「ドロップアウト」112よりも十分に高強度になると理解される態様が図示される。位置270および112における反力によりモータトルクが均等化され、その結果、モータシャフトへ取り付けられたナットを用いることによりモータトルクを保持する従来の設計と比較して、荷重がより小さくなる。ストップアーム170を「円形の」端部172を有するものとして図示しているが、他の形態または形状の端部172も利用可能であることが理解される。

接続機構100を、アルゴリズムの傾斜をゼロ(またはそれに近い値に)手動で設定する方法300(例えば、図13に示すプロセス)と合わせて用いることが可能である。ユーザが車両を配置するのに十分な水平面を選択する(ステップ320)と、ユーザは、電動車輪アセンブリを車両上に取り付ける(ステップ330)。その後、ユーザは、レバー120によってさらなる移動が回避されるまで、中央シャフト180をモータシャフト210の中央を通じて挿入する(ステップ340)。次に、ユーザは、接続アセンブリ100をレバー120の反対側のモータシャフト210端部上へ取り付け(ステップ350)て、調節ノブ160を最低屈折位置へ移動させる(ステップ360)。次に、ストップアーム170が車両フレーム110と接触するまで、接続アセンブリ100をホイールアセンブリ軸の周囲において回転させる(ステップ370)。エンドナット140を中央シャフト180上に緩く締結し、クイックリリースレバー120を固定位置へ移動させる(ステップ380)。ナットおよびレバーの固定に起因して発生する中央シャフト上の張力が不適切である場合(ステップ390)、ユーザは、ナット締結レベルをレバー締結レベルと合わせて微調整し(ステップ400)、その後レバーを再度固定(ステップ410)して、張力を再度確認する。適切な張力が獲得された後、ユーザは、レバー120を非固定位置へ移動させ(ステップ420)、レベル指示器200が水平になるまでノブ160を調節する(ステップ430)。最後に、ユーザは、レバー120を再度固定し、ノブ160を締結し(ステップ440)、ステップ450において終了する。

図14および図15は、接続機構のいくつかの代替可能な例示的実施形態のうちの1例を示す。上記の実施形態と同様に、モータシャフト520は負荷伝送部材540と係合し、負荷伝送部材540は、旋回軸570を介してストップアーム550と接続する。ストップアーム550の角度は、調節ノブ560およびバネ580によって調節することができる。レバー590および中央シャフト525は、エンドナット530の対極側で接続され、エンドナット530が締結されて、接続アセンブリ500をホイールアセンブリ(図示せず)および車両フレーム(図示せず)へクランプする。

上記において述べたのは、1つ以上の実施形態の例である。もちろん、上記実施形態を記載する目的のために構成要素または方法の想定される組み合わせそれぞれを既述することは不可能であり、当業者であれば、多様な実施形態のさらなる多数の組み合わせおよび置換が可能であることを認識する。よって、記載の実施形態は、添付の特許請求の範囲の意図および範囲内に納まるこのような改修、変更などを全て包含することが意図される。さらに、詳細な説明または特許請求の範囲中において「include」という用語が用いられる範囲において、このような用語は、「comprising」という用語と同義に用いられるものとして意図される。なぜならば、「comprising」という用語は、請求項中の移行語として用いられるからである。