JP2022530999A

JP2022530999A - 電動自転車

Info

Publication number: JP2022530999A
Application number: JP2021565048A
Authority: JP
Inventors: ハンター・イアン・ダブリュー
Original assignee: ハンター、イアン・ダブリュー
Priority date: 2019-05-02
Filing date: 2020-05-01
Publication date: 2022-07-05
Also published as: US20220212752A1; CA3136339A1; AU2020265773A1; WO2020223682A1; EP3962806A1

Abstract

【課題】
異なる形態に折り畳み可能な電動自転車を提供する。
【解決手段】
電動自転車は、中間フレームに対して旋回する前輪および後輪を備える。中間フレームはペダル駆動型発電機モータを備え、各輪が電動発電機を備える。これらの車輪は、中間フレームの両側へと約１８０°旋回させて折り畳み形態にすることができる。旋回は、傾斜した旋回軸を有する単軸ジョイントにおいて行われてもよい。折り畳み形態では、自転車は持ち運びおよび保管に適しており、一輪車／エクササイクル形態で使用することもできる。両輪を中間フレームの同一の側へと約９０°旋回させることにより、自転車は、歩行器、車輪付きシート、および荷物または人を運ぶためのチャリオットを含む他の形態にすることが可能である。
【選択図】図１

Description

関連出願

この出願は、２０１９年５月２日出願の米国仮出願第６２／８４２，２４１号の優先権を主張するものであり、上記出願の教示内容全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

ハンドルバー、シート、および駆動ペダルと共に、前輪および後輪がフレームに取り付けられた自転車は周知である。また、電動モータにより駆動される自転車も知られている。

電動自転車は、中間フレームと、前記中間フレームにより支持されたペダル駆動型発電機であって、前記中間フレームの両側へとペダルが延びている発電機とを備える。前輪および後輪は回転するタイヤをそれぞれ備える。各輪は、旋回型取付具を用いて前記中間フレームに取り付けられており、前記前輪および前記後輪は、インライン位置から折り畳み位置へと前記中間フレームの両側で旋回するように構成されている。前記前輪にハンドルバーがハンドルバー支持体を介して取り付けられており、前記後輪の上方にシートがシート支持体を介して取り付けられている。前記前輪および前記後輪のうちの一方の車輪に設けられた第１のホイールモータは、前記中間フレームに固定されたステータと、前記一方の車輪の前記タイヤを駆動するロータとを備える。前記ペダル駆動型発電機により電流源が充電され、電子機器が、前記ペダル駆動型発電機からの前記電流源の充電および前記電流源から前記ホイールモータへの電力の供給を制御する。

前記前輪および後輪の一方または両方がホイールモータを支持している。各ホイールモータは、前記中間フレームに固定されたステータと、前記車輪の前記タイヤを駆動するロータとを備えていてもよい。また、各ホイールモータは、発電機として動作するように構成されていてもよい。前記ペダル駆動型発電機は、モータとしても動作可能であってもよい。

前記自転車は、前記前輪および前記後輪が互いに平行な方向に回転する位置まで折り畳むことができる。簡易なジョイントとするために、各旋回型取付具は、傾斜したスイベル軸を中心として旋回する単軸ジョイントを備えていてもよい。

各前記ステータは、車輪リムを構成する両側のリングであってもよく、前記ロータは、前記ステータのリングの間に配置され前記タイヤを支持していてもよい。前記車輪において前記ステータの内側にある中央領域は開放された領域であってもよい。前記ペダル駆動型発電機は、前記ペダルが取り付けられるロータリングと、前記中間フレームに固定されたステータリングとを備えていてもよい。前記ペダルは、前記発電機の開放された中央領域へと旋回して閉じることができる。

前記シートおよび前記ハンドルバーは、前記前輪および前記後輪が前記折り畳み位置にあるとき、乗り手が前記自転車を一輪車としてこぐことができるような位置に再配置されるように構成されていてもよい。この形態では、前記自転車は、固定位置または限られた領域でのエクササイズに用いることができる。前記自転車は、さらに、前記ペダルが駆動されるときに静止しているように構成されていてもよい。

前記折り畳み位置に代えて、前記自転車は、前記前輪および前記後輪が前記中間フレームの同一の側へと前記中間フレームに対して垂直に旋回されるように構成可能であってもよい。この形態では、前記自転車は、前記ハンドルバーおよび前記シートが取り外され、前記ハンドルバー支持体および前記シート支持体がハンドルとして機能する歩行器として構成されてもよい。代替的に、前記前輪および前記後輪が取り付けられている前記中間フレームの第１の部分が直立しており、前記中間フレームの他の部分が前記第１の部分から回動してシートとして機能してもよい。さらに代替的な構成として、前記前輪および前記後輪を前記中間フレームの同一の側へと旋回させた後、前記前輪および前記後輪を回転させることで、前記中間フレームが地面に近づけられ且つ前記地面に対して平行になるように配置されて荷重を支持する。前記前輪および前記後輪をさらに旋回させて、前記地面から離れた箇所で互いに合わさるようにしてもよい。

前記ハンドルバー支持体および前記シート支持体は、それぞれ横軸を中心として旋回するように取り付けられていてもよく、前記ハンドルバーおよび前記シートは、それぞれの前記支持体を中心として回転してもよい。

前記中間フレームは、前記前輪の前記ステータの両端部に連結された湾曲チューブを備え、前記湾曲チューブの一方の端部が前記ハンドルバー支持体に隣接していてもよい。前記旋回型取付具は、前記ハンドルバー支持体からずれて前記チューブに設けられたスイベルジョイントを備えていてもよい。前記中間フレームは、さらに、前記後輪の前記ステータの両端部に連結された湾曲チューブを備え、前記湾曲チューブの一方の端部が前記シート支持体に隣接していてもよい。前記後輪の旋回型取付具は、前記シート支持体からずれて前記チューブに設けられたスイベルジョイントを備えていてもよい。

上記の内容は、添付の図面に示されるような例示的な実施形態についての以下のより具体的な説明から明らかとなる。異なる図面における同一の符号は、同一の部分を指す。これらの図面は必ずしも縮尺に合わせたものではなく、実施形態を説明するにあたり強調が加えられている。

本発明に係る電動自転車の側面図である。図１の自転車の斜視図である。追加の中間フレーム部分を含む本発明の代替的な実施形態を示す側面図である。シート支持体を移動させた状態の代替的な実施形態を示す側面図である。図３および図４の構成を有する実施形態を示す側面図である。図１の実施形態の正面端面図である。図１の実施形態の自転車の上面図である。シートが後部スイベルジョイントの下方に移動された状態で、図１の自転車が折り畳まれるところを示す上面図である。シートが後部スイベルジョイントの下方に移動された状態で、図１の自転車が折り畳まれるところを示す上面図である。シートが後部スイベルジョイントの下方に移動された状態で、図１の自転車が折り畳まれるところを示す上面図である。シートが後部スイベルジョイントの下方に移動された状態で、図１の自転車が折り畳まれるところを示す上面図である。持ち運びのためにハンドルバーおよびシートが移動された状態の、折り畳まれた自転車を示す側面図である。図１２のコンパクトな形態を示す端面図である。図１２と同様の側面図であって、ハンドルバーの位置が異なる位置にある状態を示す側面図である。図１２と同様の側面図であって、ハンドルバーの位置がさらに異なる位置にある状態を示す側面図である。一輪車動作のためにハンドルバーおよびシートが移動された状態の、折り畳まれた自転車を示す斜視図である。図１６の形態を示す上面図である。図１６の形態を示す正面斜視図である。図１６の形態を示す後方端面図である。歩行器として構成された図３の自転車の代替的な形態を示す斜視図である。図２０の歩行器形態を示す端面図である。図２０の歩行器形態を示す側面図である。図２０の歩行器形態を示す上面図である。中間フレーム追加部分が前方に傾けられた状態の図２０の歩行器形態を示す斜視図である。ハンドルバーが取り付けられた状態の図２４の形態を示す端面図である。図２５の形態を示す斜視図である。チャリオット（台車）として構成された代替的な形態を示す斜視図である。図２７のチャリオット形態を示す上面図である。図２７のチャリオット形態を示す端面図である。図２７のチャリオット形態を示す側面図である。図２７のチャリオット形態において、同チャリオットに荷物が載せられた状態を示す斜視図である。荷物を運ぶための代替的なコンパクト形態を示す端面斜視図である。図３２の形態を示す上面図である。図３２の形態を示す端面図である。図３２の形態を示す上方斜視図である。輸送のために荷物が載せられた状態の図３２の形態を示す上方斜視図である。図３６の形態を示す側方斜視図である。ユーザを運ぶように変更された図３２の形態を示す斜視図である。図３８の形態を示す側面図である。図３８の形態を示す背面端面図である。図３８の形態を示す上面図である。図２４と同様の代替的な形態であって、中間フレーム部分に着座するように変更された形態を示す図である。図４２の形態において、着座ネットが追加された状態を示す斜視図である。図４２の形態を示す端面図である。図４２の形態を示す側面図である。図４２の形態を示す上面図である。本発明の各実施形態で使用される電子制御部の電気ブロック図である。

以下において、例示的な実施形態を説明する。

図１および図２は、それぞれ電動自転車の側面図および斜視図である。前記自転車は、前輪１０２と、後輪１０４と、中間フレーム１０６とを備える。中間フレーム１０６は、発電機モータ１０８を備える。発電機モータ１０８は、中間フレーム構造の一部をなす固定されたステータ１１０を備える。リング状軸受によりロータ１１２が前記ステータに取り付けられて前記ステータ内で回転する。ロータ１１２は、ユーザが当該ロータを回転させることができるようにペダル１１４および１１６を支持している。

また、中間フレーム１０６は前部チューブ状構造１１８を備えており、前記前部チューブ状構造は、前輪１０２のカーブに沿って湾曲していてもよい。同様に、湾曲したチューブ状構造１２０が後輪１０４のカーブに沿っており、同構造も中間フレームを構成する部分である。チューブ状構造１１８および１２０は、後述するように、発電機モータ１０８により充電されるバッテリまたはキャパシタと、２つの駆動輪１０２および１０４とを支持している。また、フレームチューブ１１８および１２０は、後述するように、バッテリまたはキャパシタの充放電を制御し且つ前記車輪および発電機に与えられる速度および慣性力を制御する電子機器（エレクトロニクス）を支持している。

フレームチューブ１１８の上端に、伸縮型支持体１２４を介してハンドルバー１２２が取り付けられている。支持体１２４は、ピボットジョイント１５４を介してチューブ１１８に取り付けられており、このピボットジョイントにより、ハンドルバーは、図２に示されるスイベル軸２０２を中心として前後に傾けることができる。

後部フレームチューブ１２０の上端に、伸縮型支持体１２８を介してシート１２６が取り付けられている。支持体１２８は、図２に示される軸心２０４を中心として旋回するスイベルジョイント１５６を介してチューブ１２０に取り付けられている。シート１２６は、ピボットジョイントで支持体１２８に取り付けられており、このピボットジョイントにより、前記シートは、図２に示される軸心２０６を中心として回動させることができる。

前輪は、タイヤ１４０を駆動する円形のモータ１３０，１３８を備える。前記モータは、フレームチューブ１１８に対して上端のＵ字形ブラケット１３２および下端のＵ字形ブラケット１３４により固定された左右のステータ構造１３０を備える。これらのステータ要素は、Ｕ字形ブラケット１３６により自転車の前部で結合されている。リング状軸受によりステータ要素内に取り付けられたロータ１３８は、ステータ要素を介して電流により駆動される。タイヤ１４０はロータ１３８に取り付けられて、このロータと共に駆動される。

同様の車輪構造が自転車の後部にも設けられている。Ｕ字形ブラケット１４４，１４６および１４８によりステータ要素１４２が結合されており、ブラケット１４４および１４６において後部フレームチューブ１２０の端部に取り付けられている。リング状軸受によりロータ１５０がステータ要素内に取り付けられており、後輪のタイヤ１５２を駆動する。このように、各車輪は、その車輪のリムを構成し中間フレーム１０６に固定的に連結された固定ステータ構造を備えることが分かる。ロータおよびタイヤは、各組のステータ要素に対して回転して、前進時および後退時に自転車を駆動する。

操縦にあたり、前輪１０２は、垂直軸１５８を中心として中間フレーム１０６に対して向きを変えることができる。このため、フレームチューブ１１８の上端部分１６０は、スイベルジョイント１６２を介してフレームチューブ１１８の本体に結合されている。ステータ要素１３０は、別のスイベルジョイント１６４を介してフレームチューブ１１８の下端に取り付けられている。ハンドルバー１２２の向きを変えることにより、従来の自転車と同様に前輪の向きが変わる。また、スイベル動作により、下記で詳述するように自転車の再構成が可能である。

後輪の向きを変えることことも可能である。これは、自転車の動作中に転回させるためでも図１の形態のためでもなく、後述するように自転車の再構成のためである。このため、フレームチューブ１２０の上端部分１６６は、スイベルジョイント１６８において垂直軸１７２を中心として旋回する。また、ステータ要素１４２は、スイベルジョイント１７０でフレームチューブ１２０の下端に取り付けられている。

ロータ１３８および１５０は、反対方向に駆動されることで発電機となることも可能である。使用し得る電動発電機の設計としては多数のものがあり、ハルバッハ配列、ギアレス、ブラシレスＤＣ電動発電機、およびローレンツ力による電動発電機（単極またはファラデー型発電機）の設計が挙げられる。このような電動発電機の設計は周知である。

ロータ１３８，１５０およびステータ１３７，１４２は、細長いリング状軸受（ボール、ころ、またはニードルが内蔵された軸受など）により連結されている。他の実施形態では、これらのリング状軸受には、グラフェンなどのすべり摩擦が極めて小さい材料を採用してもよい。

各電動発電機は独立にコンピュータ制御することができ、モータとして動作するときには、チューブ状フレーム内に位置する蓄電ユニットに蓄えられたエネルギーを用いて前記自転車を前へと押し出すトルクを生成する。下り坂を走行する際には、電動発電機は発電機として動作し、自転車および乗り手（およびペイロードを増大させる全ての物品）の運動エネルギーを（チューブ状フレーム内の蓄電要素に）蓄えられた電気エネルギーに変換する。

発電機として動作する電動発電機からエネルギー（つまり、電力）が取り出される速度によって、チューブ状フレーム内に収められた内部コンピュータ制御システムにより分かる角速度依存トルク（つまり、粘度）が決定される。例えば、下り坂を走行する際に、発電機から取り出される電力が大きい場合には、（エネルギーを獲得する際に電動発電機により加えられる粘性抵抗により）自転車の速度が低下する。実際のところ、発電機から（つまり両輪から）最大の電力が取り出されるのは、急ブレーキ時である。

低速時の制動には、前輪および／または後輪がモータとして動作し、前進動作とは反対方向のトルクを生成する（つまり、蓄電要素からエネルギーが消費される）ような他の方式を用いてもよい。

チューブ状フレームに収められた蓄電要素は、好適には高電力および高エネルギー密度を有する特定の種類のバッテリ（例えば、リチウムイオンバッテリ）であってもよく、他の実施形態では、（好適には高電力および高エネルギー密度の）キャパシタであってもよい。

前輪と後輪との間に配置された、より小さい中央の発電機モータ１１０，１１２は、前輪および後輪に用いられるものと同様の設計の発電機モータとすることができる。

自転車の乗り手により生成されるトルクは、ペダル１１４，１１６を介して中央の発電機モータ部のロータ１１２に伝達される。その後、生成された電気エネルギーは、いずれか一方または両方の種類の蓄電部に蓄えられる。自転車の乗り手により生成されるトルクからエネルギー（電力）が取り出される速度はコンピュータ制御される。これにより、乗り手は、乗り手自身がペダルに加える力と、モータとして動作する前部および後部の電動発電機により路面に送られる力との比率を、（コンピュータ、パワーエレクトロニクスおよび３つの電動発電機全てを介して）制御することができる。このように、人間の乗り手が入力する力と自転車により路面に加えられる力との比率は、極めて広い範囲で選択することができる。これにより、上記のシステムは、物理的なギアを必要とすることなく、従来の自転車のギアシステムのように動作する。実際のところ、上記システムは連続的な範囲の「変速比」を得ることが可能である。

乗り手は、ハンドルバーのセンサグリップ２０８および２１０を介して速度およびペダル抵抗を制御し得る。例えば、ユーザは、右側のグリップに回転トルクを加えることで加速（前方への回転トルク）したり減速（後方への回転トルク）したりすることができ、左側のグリップに回転トルクを加えることでドラグ力を変えることができる。

なお、ペダルを後輪に連結するチェーンは設けられておらず、物理的なギアも設けられていない。

３つの電動発電機（前部、中央および後部）は、蓄電部から電力を供給し、かつ、逆に、路面により駆動されたときに電動発電機（前部、後部）から運動エネルギーを獲得し当該エネルギーを蓄電部へと供給することができる電力増幅器を用いて制御されると理解されたい。

スイベルジョイント１６２においてフレームチューブ１１８内に収められたソレノイド（および場合によってはスイベルジョイント１６４に設けられたソレノイド）は、前記自転車が後述するような非従来的な形態に再構成されるときに、様々な位置で前輪をロックするように作動させることができる。後輪にも、同様のソレノイドがジョイント１６８および場合によってはジョイント１７０に設けられている。このソレノイドは、前記自転車が従来的な形態であるときには（図示のとおり）前方を向く向きで後輪をロックし、または後述する他の位置で後輪をロックする。

ハンドルバー支持体１２４および後部シート支持体にそれぞれ埋め込まれた多軸力覚センサを用いることにより、（図示されるような）従来的な自転車形態および（後の図面に示されるような）非従来的な自転車形態の両方において、乗り手が自転車を制御することができ、または、人間が自転車の横を歩き、ハンドルバー支持体またはシート支持体のいずれかに軽い力を加えて自転車を案内することができる。（以下に示す）非従来的な自転車形態においては、同じセンサを用いて、自転車に対して（速度または方向などを設定する）コマンドを発する。

図３には、中間フレームの一部として追加フレーム３０２がさらに設けられている点を除き、図１および図２と実質的に同様の他の実施形態が示されている。湾曲したチューブ３０４および３０６がフレームチューブ１１８および１２０に近接して設けられており、下側のチューブ３０８は発電機モータ１０８に近接して配置されており、上側のチューブ３１０はチューブ３０４および３０６に架け渡されている。追加フレーム部分３０２は、前記フレームの剛性を増大させ、蓄電装置のバッテリおよびキャパシタならびに電子機器のために追加の空間を提供する。また、フレーム３０２は、下記のような自転車の他の形態においてさらなる機能を提供する。

図４には、図１および図２と実質的に同様の他の実施形態であって、シートが代替的な方式で取り付けられた実施形態が示されている。ここでは、伸縮型のシート支持体４０２が、スイベルジョイント４０４において後部フレームチューブ１２０の上側部分４０６の下端に取り付けられている。また、図４では、ハンドルバー１２２およびハンドルバー支持体１２４が、図１に示された状態よりも前方に旋回された状態で示されている。

図５には、図４と同じ自転車であって、図３に示されているような追加フレーム部分３０２がさらに設けられた自転車が示されている。

図６は、図１および図２の自転車の正面図であり、図７は、図１および図２の自転車の上面図である。

図８から図１１は、自転車が折り曲げられて、折り畳まれた形態へと再構成される過程を示す上面図である。自転車を前部および後部において再構成するために、スイベルジョイント１６２および１６８におけるソレノイドを一時的に作動させて自転車を解除し、前輪および後輪がそれぞれの旋回軸１５８および１７２を中心として旋回自在となるようにする。これが完了すると、自転車の乗り手は、前輪および後輪をそれぞれの旋回軸１５８，１７２回りにほぼ１８０度旋回させることで、図１１に示されるように、前輪および後輪が中間フレーム１０６の両側で互いに隣合うようにすることができる。

図８から図１１では、シート１２６は、移動されてスイベルジョイント１６８よりも下方の位置でフレームチューブ１２０にクランプ固定された状態で示されている。よって、前記シートは後輪１０４と共に回動しない。もし前記シートが図１に示されているようにフレームチューブ１２０の部分１６６の上端に残されたままであれば、前記シートは車輪と共に回転することになる。図１１では、前記シートがもっと左側で反対方向を向いた状態で示されることになる。

図８では、前輪１０２および後輪１０４は、中間フレーム１０６の両側に向かってそれぞれの旋回軸１５８および１７２を中心として旋回されている。図９では、これらの車輪がさらに旋回されており、図１０では、これらの車輪はほぼ全体に渡って中間フレーム１０６と並ぶように旋回されている。図１１には、完全に折り畳まれた状態が上面図に示されている。図１１では、ペダルは前輪１０２および後輪１０４を貫通しており、これは、前記車輪の中央領域が開放されたスポークレスな車輪により可能である。

前記自転車は手動で折り畳むことが可能であり、あるいは、前輪および後輪のモータがこの変形を支援する（または全て自動で実行する）ことも可能である。まず、前輪および後輪が僅かにずれた位置に旋回される。その後、前後の動きで、前輪が逆向きに駆動され、後輪が前方へと駆動されて、自動で折り畳みが行われる。

図１１の折り畳まれた形態から、前記自転車を、図１２の側面図に示されているようにさらにコンパクトにすることができる。ここで、左側のペダル１１４が上方へと旋回され、右側のペダル１１６が下方へと旋回されて、それぞれ完全に発電機モータ１０８内の開放領域内に配置される。また、図１２には、上側のフレームチューブ部分１６０および１６６が車輪１０２および１０４と並んだ状態で示されている。メインフレームチューブ１１８および１２０に対する上側部分１６０，１６６の合わせ面１２０２，１２０６が旋回軸１５８，１７２に対して垂直でありつつも、チューブ１１８および１２０の中心軸に対して角度を有していることにより、この効果が得られる。図１２では、前記ハンドルバーはハンドルバー支持体１２４から取り外されており、スイベルジョイント１５４を中心として旋回されて車輪１０２の近くに配置されている。同様に、シートもシート支持体１２８から取り外されており、スイベルジョイント１５６を中心として旋回されて後輪１０４の近くに配置されている。前記シートは車輪の内側に配置されており、車輪に対して磁気的に連結され、またはスプリングクランプで固定され、または他の方法で連結されて、折り畳まれた自転車を肩に乗せて運ぶときに肩当てとして機能する。ハンドルバー１２２は、一方または両方の車輪にクランプ固定され、または磁気的にもしくは他の方法で連結されていてもよい。図１２では、ハンドルバーは車輪の右側に配置された状態で示されている。

もし前記自転車が垂直軸１５８，１７２を中心として折り畳まれるとすると、車輪１０２，１０４と中間フレーム１０６が平行な向きに到達する前に、これらの車輪と中間フレームがぶつかってしまうということが分かる。前記車輪を平行な形態に折り畳むために、二軸ジョイント１６２，１６８を使用することができる。ただし、図示されているシステムは、二軸ジョイントの複雑性を回避するために、単軸ジョイント１６２，１６８に依るものとなっており、旋回軸１５８，１７２のうちの一方が一方側に、他方が他方側に垂直線から僅かに傾斜している。この結果は、図１２の折り畳まれた自転車の端面図を示す図１３において最もよく表されている。同図では、車輪１０２および１０４は、図１から図７の標準的な乗用形態のときのような垂直な状態ではなくなっている。傾斜した旋回軸により、これらの車輪は、上端では互いの近くにあり、下端では離れている。よりコンパクトに折り畳むことができるように、フレームチューブ１１８にノッチ１７４（図１）が設けられており、フレームチューブ１２０にノッチ１７６が設けられている。この折り畳み形態では、後輪１０４はノッチ１７４に入り、前輪１０２はノッチ１７６に入る。その結果、前記車輪が平行ではなくなっているものの、前記車輪が平行な方向に回転することができる折り畳み形態となる。また、前記車輪が地面において広がっていることにより、より高い安定性が得られる。これらの車輪が上部において互いに近接していることにより、後述するような乗用の実施形態において、ハンドルバー支持体およびシート支持体も軸方向において中央平面に向かって互いに近接している。

図１４および図１５には、折り畳まれた状態の自転車に連結されたハンドルバー１２２の代替的な位置が示されている。上記と同様に、前記ハンドルバーは、折り畳まれた車輪の一方または両方にクランプ固定または磁気的に連結されていてもよい。

図１６から図１９には、折り畳まれた形態であるものの、ハンドルバー１２２およびシート１２６ならびにそれぞれの支持体が、ジョイント１５４，１５６において、図１の標準形態に示されるような状態のままになっている自転車が示されている。最初に折り畳んだ時点では、前記ハンドルバーおよびシートはいずれも図１１に示されるハンドルバー１２２とは反対方向を向いている。折り畳まれた後、フレームチューブ１１８および１２０の端部部分１６０および１６６が向かい合うようにされる。シート支持体１２８およびハンドルバー支持体１２４は、前記車輪のずれにより、前記車輪の軸方向において互いに僅かにずれている。図１６に示される位置を得るために、ハンドルバー１２２がその支持体１２４において１８０°回転され、支持体１２４がスイベルジョイント１５４においてシートから離れるように前方に向かって旋回される。同様に、シート１２６がその支持体１２８において１８０°回転され、支持体１２８がスイベルジョイント１５６においてハンドルバーから離れるように旋回される。

この形態では、前記自転車は、室内または他の閉鎖空間内でのエクササイズのためのエクササイズ用自転車（エクササイクル）としての特定の用途を有する一輪車として使用し得る。このエクササイズ用形態では、前記自転車は、前記ペダルに速度依存トルクを与えることで、身体の運動のために使用することができる。中央の電動発電機１１２，１１４により生成される電気エネルギーは、蓄電モジュールに蓄えられる。ジャイロおよび加速度計を用いた検出により、前記電子機器は、車輪の前後の回転をディザリングすることで前記一輪車を安定な静止位置に保持してもよい。必要に応じて、この形態の自転車は、エクササイズ中に円形、８の字形、またはその他の任意の経路を走行するようにプログラムすることができる。実際には、走行する経路（例えば、リビングルーム内であってもよい）は、何らかの面白味のある経路（山道など）やサーキット（自転車レースサーキットなど）を表示する、ハンドルバーなどに取り付けられたディスプレイと連動していてもよい。

図１７から図１９は、図１６の一輪車形態の上面図、正面図および背面図である。

図２０から図２６には、図３の自転車の歩行器形態が示されている。この形態を得るために、両方の車輪１０２および１０４がスイベルジョイント１６２，１６８を中心に中間フレームの同一の側に向かって９０°旋回されて、定位置でロックされる。フレームチューブ１１８および１２０の端部部分１６０および１６６も同一の側に向かって９０°で延びている。ペダル１１４，１１６は、発電機１０８の内側の折り畳み位置へと旋回され、ハンドルバーおよびシートが取り外される。ハンドルバー支持体１２４およびシート支持体１２８は、対応するトルクセンサと共に、歩行器のハンドルとして車輪に沿って延びている。この歩行器は電動であり、２つの車輪により生成される差動トルクによってコンピュータ制御下で操縦可能である。自転車制御システムにおける３軸加速度計および３軸ジャイロは、この歩行器形態の自転車をサーボ制御して、図示されるような向きに保つために用いられる。この歩行器形態の自転車を使用する人は、（一方の手に）ハンドルバー支持体バー１２４および（他方の手に）シート支持体バー１２８を持ってこの自転車を保持する。支持体１２４および１２８の多軸力覚／トルクセンサは、人間からの方向および速度の指令を検出するために用いられる。

また、この歩行器形態の自転車は、自律型ロボットとして機能することもできる（つまり、人間の“操縦者”なしで機能することができる）。

図２１は図２０の歩行器の端面図であり、図２２は前記歩行器の側面図であり、図２３は上面図である。

また、前記歩行器のユーザは、単に、中間フレームの追加フレーム部分３０２の上部バー３１０を握ってもよい。図２４の形態では、中間フレーム追加部分３０２は、前部フレームチューブ１１８および後部フレームチューブ１２０を貫通して延びるピン２４０１において、ユーザに向かって傾けられている。これにより、上部バー３１０がユーザに近づけられて、より把持しやすくなる。

図２５は、フレーム追加部分３０２がユーザの方へと傾けられた状態の図２４の歩行器の端面図であり、さらに、前輪と後輪の間に取り付けられたハンドルバーを示している。前記ハンドルバーは、磁気的な連結、スプリングクランプ、または他の一時的な取付機構によって取り付けてもよい。前記ハンドルバーは、前記システムの剛性を向上させる。中間フレーム追加部分３０２が設けられていない形態では、ハンドル１２２は、ユーザにより把持される追加の構成となり、端部ハンドグリップ２０８および２１０を介した制御が可能である。図２６は、図２５の形態の斜視図を示している。

図２７から図３１には、前記自転車のさらに別の形態であるチャリオット（台車）形態が示されている。ここで、前記自転車は図２０に示されるような構成であるが、前輪１０２および後輪１０４の車輪ステータがその中心軸を中心として９０°回転されている。これにより、中間フレーム３０２が低い位置で地面に沿って平行な状態となる。この形態は、図３１に示されるように中間フレームに支持された荷物を運ぶために用いることができ、あるいはユーザが中間フレームの上に立ってもよい。後者の場合、ハンドルバー１２２を前輪１０２および後輪１０４のステータの間に接続して、ユーザにより把持されるハンドルグリップ制御部を有するハンドルバーとして機能するようにしてもよい。ハンドルバー支持体１２４およびシート支持体１２８は、依然としてユーザが使用できるようになっていてもよいが、しゃがまなくてもよいように、これらの支持体に延長部（図示せず）が追加され得る。いずれの場合にせよ、支持体１２４および１２８の多軸力覚／トルクセンサは、ユーザからの方向および速度の指令を検出するために用いられる。また、このチャリオット形態の自転車は、自律型ロボットとして機能することもでき（つまり、人間の操縦者なしで機能することができ）、他のタスクのなかでも荷物の搬送に用いてもよい。

図２９は、ハンドルバー１２２が取り付けられた状態のチャリオット形態の端面図であり、図３０は、ハンドルバーがない状態のチャリオット形態の側面図である。

図３２から図３７には、さらに別の形態であるコンパクトなロボット形態が示されている。この形態は、図２７から図３１のチャリオット形態と同様であるが、車輪１０２，１０４が中間フレーム１０６の同一の側へとさらに旋回されており、符号３２０２の箇所において合わさり、この箇所でクランプ固定することができる。前記チャリオット形態と同様に、この形態は図３７に示されるように荷物を運ぶことができ、自動で動作可能である。

図３８から図４１には、図３２から図３７の形態の変形例であって、中間フレーム上で荷物を運びつつ、人間のユーザが乗ることができる形態が示されている。このため、符号３２０２の箇所にある前記車輪の交点において、連結具３８０４により上部バー３８０２が連結されている。ハンドルバー１２２はバー３８０２の一端部に配置されており、シート１２６は前記バーの他端部に配置されている。このユニットは、ハンドルバー１２２のハンドグリップ２０８および２１０により制御することができる。図３８は同形態を示す斜視図であり、図３９は側面図であり、図４０は端面図であり、図４１は上面図である。なお、この形態では、図３６に示すように荷物を運ぶことができる。また、ハンドルバー支持体１２４のトルクセンサを用いて、人間から方向および速度の指令を受けてもよい。他の全ての形態と同様に、自転車制御システムは、３軸加速度計および３軸ジャイロにより、図示されているような自転車の直立状態を保つことができる。また、他の全ての形態と同様に、このユニットは、人間の操縦者なしで自律型ロボットとして動作してもよい。

図４２から図４６には、さらに別の形態である着座用形態が示されている。ここで、前記自転車は、ピン２４０１において中間フレーム追加部分３０２が水平位置まで旋回されている点を除き、図２１から図２４の歩行器形態と同じように構成されている。ユーザは、バー３１０の上に着座し、ハンドルバー支持体１２４およびシート支持体１２８を制御ハンドルとして用いてこの着座型自転車を制御することができる。図４３に示されているように、ウェブ４３０２をフレームチューブ１１８および１２０と中間フレーム追加部分３０２とに連結して、座部４３０６と背もたれ４３０８とによりユーザの快適性を高め、当該ウェブの側部４３０４により中間フレーム追加部分３０２に対するさらなる支えとしてもよい。

図４４はウェブなしの同形態を示す端面図であり、図４５はウェブなしの同形態を示す側面図であり、図４６はウェブなしの同形態を示す上面図である。

他の全ての形態と同様に、多軸力覚／トルクセンサを用いて、人間のユーザからの方向および速度の指令を検出してもよい。加速度計およびジャイロを用いることで、このユニットを図示されているような安定な直立位置に保持することができ、このユニットは、人間の操縦者なしで自律型ロボットとして動作してもよい。

図４７には、前記自転車の電子部品および電源部品が示されている。前部電動発電機４７０２は、当該前部電動発電機を構成するステータ１３０，ロータ１３８に対応する。後部電動発電機４７０４は、後部のステータ１４２およびロータ１５０に対応する。ペダル発電機モータ４７０６は発電機モータ１０８に対応する。これらの電動発電機は、パワーエレクトロニクス４７１０を介して蓄電装置４７０８を充電し、蓄電装置４７０８から電力供給を受ける。前述のとおり、この蓄電装置は、バッテリ、キャパシタ、またはこれら２つの組み合わせであってもよい。電動発電機の蓄電および給電の充放電は、プロセッサ４７１２によりパワーエレクトロニクス４７１０を介して制御される。前記プロセッサは、内部ソフトウェアプログラミングおよび外部入力に応答する。入力には速度制御４７１４が含まれ、ハンドルバー１２２の右側のグリップから２１０与えられてもよい。剛性制御４７１６は、例えば、左側のグリップ２０８から与えられてもよい。多方向トルク入力はトルクセンサ４７１８から得られてもよく、このトルクセンサは、例えば、ハンドルバー支持体１２４およびシート支持体１２８に取り付けられていてもよい。中間フレーム内の任意の箇所に取り付けられた加速度計４７２０およびジャイロ４７２２は、上記した多数の形態のそれぞれにおいて自転車が安定した直立位置で立つことができるようにする入力をプロセッサに与える。スイベルジョイント１６２，１６８をロックするために用いられる前部および後部のソレノイドは、前記プロセッサにより制御される。前記プロセッサに対する他の入力および出力は、スマートフォンのアプリケーションなどの制御装置から及びこの制御装置へと供給されてもよい。前記部品４７０８，４７１０，４７１２，４７２０および４７２２はいずれも、図１および図２の基部の中間フレーム１０６内に取り付けてもよいし、任意で中間フレーム追加部分３０２内に取り付けてもよい。

例示的な実施形態を具体的に示し説明を行ったが、当業者であれば、添付の請求の範囲に包含される実施形態の範囲から逸脱することなく、形状および細部に様々な変更を施すことができるということが分かるであろう。

Claims

電動自転車であって、
中間フレームと、
前記中間フレームにより支持されたペダル駆動型発電機であって、前記中間フレームの両側へとペダルが延びている発電機と、
回転するタイヤをそれぞれ備える前輪および後輪であって、それぞれ旋回型取付具を用いて前記中間フレームに取り付けられており、インライン位置から前記中間フレームに沿う折り畳み位置へと前記中間フレームの両側で旋回するように構成されている前輪および後輪と、
前記前輪にハンドルバー支持体を介して取り付けられたハンドルバーと、
前記後輪の上方にシート支持体を介して取り付けられたシートと、
前記前輪および前記後輪のうちの第１の車輪に設けられた第１のホイールモータであって、前記中間フレームに固定されたステータと、前記第１の車輪の前記タイヤを駆動するロータとを備える第１のホイールモータと、
前記ペダル駆動型発電機により充電される電流源と、
前記ペダル駆動型発電機からの前記電流源の充電および前記電流源から前記ホイールモータへの電力の供給を制御する電子機器と、
を備える電動自転車。
請求項１または２に記載の電動自転車において、さらに、前記前輪および前記後輪のうちの第２の車輪に第２のホイールモータを備え、前記第２のホイールモータは、前記中間フレームに固定されたステータと、前記第２の車輪の前記タイヤを駆動するロータとを備える、電動自転車。
請求項１または２に記載の電動自転車において、各前記旋回型取付具は、傾斜したスイベル軸を中心として旋回する単軸ジョイントを備える、電動自転車。
請求項１から３のいずれか一項に記載の電動自転車において、各前記ステータは、車輪リムを構成する両側のステータリングであり、前記ロータは、前記ステータリングの間に配置され前記タイヤを支持する、電動自転車。
請求項４に記載の電動自転車において、前記車輪において前記ステータの内側にある中央領域は開放された領域である、電動自転車。
請求項１から５のいずれか一項に記載の電動自転車において、前記ペダル駆動型発電機は、前記ペダルが取り付けられるロータリングと、前記中間フレームに固定されたステータリングとを備える、電動自転車。
請求項６に記載の電動自転車において、前記ペダルは、前記発電機の開放された中央領域へと旋回して閉じる、電動自転車。
請求項１から７のいずれか一項に記載の電動自転車において、前記シートおよび前記ハンドルバーは、前記前輪および前記後輪が前記折り畳み位置にあるとき、乗り手が前記自転車を一輪車としてこぐことができるような位置に再配置されるように構成されている、電動自転車。
請求項８に記載の電動自転車において、エクササイズ形態で前記ペダルが駆動されるときに静止しているように構成されている電動自転車。
請求項１から９のいずれか一項に記載の電動自転車において、前記前輪および前記後輪が前記中間フレームの同一の側へと前記中間フレームに対して垂直に旋回されるように構成可能である電動自転車。
請求項１０に記載の電動自転車において、前記ハンドルバーおよび前記シートが取り外され、前記ハンドルバー支持体および前記シート支持体がハンドルとして機能する歩行器として構成された電動自転車。
請求項１０に記載の電動自転車において、前記前輪および前記後輪が取り付けられている前記中間フレームの第１の部分が直立しており、前記中間フレームの他の部分が前記第１の部分から回動してシートとして機能する、電動自転車。
請求項１０に記載の電動自転車において、前記前輪および前記後輪を回転させることで、前記中間フレームが地面に近づけられ且つ前記地面に対して平行になるように配置されて荷重を支持する、電動自転車。
請求項１３に記載の電動自転車において、前記前輪および前記後輪がさらに旋回されて、前記地面から離れた箇所で互いに合わさる、電動自転車。
請求項１から１４のいずれか一項に記載の電動自転車において、前記ハンドルバー支持体および前記シート支持体は、それぞれ横軸を中心として旋回するように取り付けられている、電動自転車。
請求項１から１５のいずれか一項に記載の電動自転車において、前記中間フレームは、湾曲した前部フレームチューブを備え、湾曲した前記前部フレームチューブは、前記前輪の前記ステータの両端部に連結され、一方の端部が前記ハンドルバー支持体に隣接しており、
前記旋回型取付具は、前記ハンドルバー支持体からずれて前記前部フレームチューブに設けられたスイベルジョイントを備え、
前記中間フレームは、さらに、湾曲した後部フレームチューブを備え、前記後部フレームチューブは、前記後輪の前記ステータの両端部に連結され、一方の端部が前記シート支持体に隣接しており、
前記後輪の前記旋回型取付具は、前記シート支持体からずれて前記後部フレームチューブに設けられたスイベルジョイントを備える、電動自転車。
請求項１から１６のいずれか一項に記載の電動自転車において、各ホイールモータは発電機として動作するように構成され、前記ペダル駆動型発電機はモータとして動作可能である、電動自転車。