JP2002082003A - Torque detecting device - Google Patents

Torque detecting device

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JP2002082003A
JP2002082003A JP2000269581A JP2000269581A JP2002082003A JP 2002082003 A JP2002082003 A JP 2002082003A JP 2000269581 A JP2000269581 A JP 2000269581A JP 2000269581 A JP2000269581 A JP 2000269581A JP 2002082003 A JP2002082003 A JP 2002082003A
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俊春 三上
Kaori Fujita
かおり 藤田
Kiyotaka Kinoshita
清隆 木下
Hitoshi Kishimoto
仁 岸本
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Shimano Inc
Toyoda Koki KK
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Shimano Inc
Toyoda Koki KK
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62MRIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M3/00Construction of cranks operated by hand or foot
    • B62M3/003Combination of crank axles and bearings housed in the bottom bracket
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62JCYCLE SADDLES OR SEATS; AUXILIARY DEVICES OR ACCESSORIES SPECIALLY ADAPTED TO CYCLES AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. ARTICLE CARRIERS OR CYCLE PROTECTORS
    • B62J45/00Electrical equipment arrangements specially adapted for use as accessories on cycles, not otherwise provided for
    • B62J45/40Sensor arrangements; Mounting thereof
    • B62J45/41Sensor arrangements; Mounting thereof characterised by the type of sensor
    • B62J45/411Torque sensors

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a torque detecting device that is mounted on an existing bicycle and can detect a torque. SOLUTION: The right end of a bearing 30 is elastically deformed by driving torque acting on a crankshaft 13, and a housing 38 deflects following this. A sensor tip 40 mounted on the housing 38 abuts on a right adaptor 36, and detects the driving torque having acted on the crankshaft 13. The sensor tip 40 is mounted on a holding part 38c of the housing 38 smaller in diameter than the bearing 30, so that the torque detecting device is held to a same diameter as the bearing 30 to be stored in a support hole 21A of a body frame used for the existing bicycle.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、トルク検出装置に
係り、特に車輪を有し走行し得る自転車、及び、トレー
ニング用のエアロバイク等の走行し得ない自転車の駆動
トルクの検出に好適なトルク検出装置に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a torque detecting device, and more particularly to a torque suitable for detecting a driving torque of a bicycle having wheels and capable of traveling, and a bicycle which cannot travel such as a training exercise bike. The present invention relates to a detection device.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、健康の維持やダイエットなどのた
めに自転車の利用が増えているが、その運動にあたっ
て、自分が消費したエネルギを知ることはきわめて有益
である。そのために、自転車を走行するに必要な駆動ト
ルクをトルク検出装置によって検出し、このトルク検出
装置の出力に基づいて消費エネルギ(運動量)を演算で
きるようにしたものが、例えば、特開平2−19735
号公報あるいは特開平8−338774号公報等によっ
て提案されている。
2. Description of the Related Art In recent years, the use of bicycles has been increasing for maintaining health and dieting, but it is very useful to know the energy consumed by oneself in exercising. For this purpose, a driving torque required for running a bicycle is detected by a torque detecting device, and energy consumption (exercise amount) can be calculated based on an output of the torque detecting device.
And Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-338774.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のトルク検出装置は、構造が複雑で高価であり、
一般の自転車等への搭載が難しい問題があった。即ち、
従来のトルク検出装置は、いずれも歪ゲージ方式や磁歪
式等、高精度で高価なものであり、例えば、自転車競技
者の訓練用など、高精度な測定データが必要なものには
適するかも知れないが、一般の自転車への搭載はコスト
的に難しく、そのために安価なトルク検出装置の出現が
望まれている。
However, the conventional torque detecting device described above has a complicated structure and is expensive.
There was a problem that it was difficult to mount it on ordinary bicycles. That is,
All conventional torque detectors are high-precision and expensive, such as strain gauge type and magnetostrictive type, and may be suitable for those requiring high-precision measurement data, for example, for training cyclists. However, mounting on a general bicycle is difficult in terms of cost, and therefore, the appearance of an inexpensive torque detecting device has been desired.

【0004】係る課題に対応するため、本出願人は、特
開平11−258078号にて、クランク軸を支持する
ベアリングの外周と、自転車のフレームの軸受の内周と
の間に、センサを配設したスリーブを設ける技術を提案
した。この技術では、トルク検出装置を廉価に構成でき
るものの、ベアリングの外周にスリーブを配設するた
め、フレームの軸受の形状を変更しないと自転車に搭載
することができなかった。
To cope with such a problem, the present applicant disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-258078 a sensor disposed between the outer periphery of a bearing supporting a crankshaft and the inner periphery of a bearing of a bicycle frame. A technique for providing the installed sleeve was proposed. According to this technique, although the torque detecting device can be configured at a low cost, since the sleeve is provided on the outer periphery of the bearing, it cannot be mounted on the bicycle unless the shape of the bearing of the frame is changed.

【0005】更に、自転車の駆動力によって生じる駆動
トルクは、最大10kN以上発生し、クランク軸には常
にモーメントが加わっており、これらの力により車体フ
レーム等が変形してセンサ素子に正確に駆動トルクが伝
わらない。このため、上記特開平11−258078号
の構成では、測定を正確に行うことが困難であった。
Further, the driving torque generated by the driving force of the bicycle is generated at a maximum of 10 kN or more, and a moment is constantly applied to the crankshaft, and these forces deform the body frame and the like to accurately apply the driving torque to the sensor element. Is not transmitted. For this reason, it was difficult to perform the measurement accurately with the configuration of JP-A-11-258078.

【0006】本発明は、既存の自転車に取り付けてトル
クを検出することができるトルク検出装置を提供するこ
とを目的とするものである。
An object of the present invention is to provide a torque detecting device which can be attached to an existing bicycle to detect torque.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、請求項1の発明は、自転車のクランク軸に
作用する駆動トルクを検出するトルク検出装置におい
て、前記クランク軸13を回転可能に支持する軸受部3
0と、圧力センサ40と、前記軸受部30の一端を、車
体フレーム12の支持部21内に固定する第1固定部材
37と、前記軸受部30の他端に取り付けられ、前記ク
ランク軸13に作用する駆動トルクによる軸受部30の
他端の偏位に伴い偏位し、前記圧力センサ40を保持す
るための前記軸受部30よりも小径に形成された保持部
38cを有する偏位部材38と、前記センサ40と当接
する当接部36cを備え、前記車体フレーム12の支持
部21内に固定されて、前記軸受部30及び前記偏位部
材38の軸方向の移動を規制する第2固定部材36とを
備えることを技術的特徴とする。
According to the present invention, there is provided a torque detecting device for detecting a driving torque acting on a crankshaft of a bicycle. Bearing part 3 that supports as possible
0, a pressure sensor 40, a first fixing member 37 for fixing one end of the bearing portion 30 in the support portion 21 of the body frame 12, and a second fixing member 37 attached to the other end of the bearing portion 30. A deflection member 38 having a holding portion 38c formed to have a smaller diameter than the bearing portion 30 for holding the pressure sensor 40, the deflection member 38 being shifted with the deflection of the other end of the bearing portion 30 due to the acting drive torque; A second fixing member fixed to the support portion 21 of the vehicle body frame 12 and configured to restrict the axial movement of the bearing portion 30 and the eccentric member 38. 36 as a technical feature.

【0008】請求項1では、第1固定部材37により、
軸受部30の一端を車体フレーム12の支持部21内に
固定し、軸受部30の他端に偏位部材38を取り付け
る。軸受部30及び偏位部材38は、軸方向の移動が第
2固定部材36により規制される。軸受部30の他端
は、クランク軸13に作用する駆動トルクにより偏位
し、偏位部材38はこれに伴い偏位する。偏位部材38
に取り付けられた圧力センサ40が、偏位により第2固
定部材36の当接部36cと当接し、偏位量に対応する
クランク軸13に作用した駆動トルクを検出する。ここ
で、圧力センサ40は、軸受部30よりも小径に形成さ
れた偏位部材38の保持部38cに取り付けられる。即
ち、軸受部30の外周に圧力センサ40を配設しないの
で、トルク検出装置が、軸受部30と同じ径に収まり、
既存の自転車に用いられている車体フレーム12の支持
部21内に収容することが可能になる。更に、車体フレ
ーム12の変形による影響を受け難いため、正確にトル
クを検出することができる。
According to the first aspect, the first fixing member 37
One end of the bearing portion 30 is fixed in the support portion 21 of the vehicle body frame 12, and the deflection member 38 is attached to the other end of the bearing portion 30. The axial movement of the bearing portion 30 and the deflection member 38 is regulated by the second fixing member 36. The other end of the bearing portion 30 is displaced by the driving torque acting on the crankshaft 13, and the displacement member 38 is displaced accordingly. Deflection member 38
The pressure sensor 40 attached to the second contact member 36 comes into contact with the contact portion 36c of the second fixing member 36 due to the deviation, and detects the driving torque applied to the crankshaft 13 corresponding to the deviation amount. Here, the pressure sensor 40 is attached to the holding portion 38c of the deflection member 38 formed to have a smaller diameter than the bearing portion 30. That is, since the pressure sensor 40 is not provided on the outer periphery of the bearing unit 30, the torque detection device is set to the same diameter as the bearing unit 30,
It can be accommodated in the support portion 21 of the body frame 12 used for the existing bicycle. Further, since it is hardly affected by the deformation of the body frame 12, the torque can be accurately detected.

【0009】請求項2では、偏位部材38の径方向の側
壁38bが、第2固定部材36の側壁36dに対してベ
アリング48を介して接している。このため、偏位部材
38の側壁38bと第2固定部材36の側壁36dとの
間の摩擦による影響を受けず、正確にトルクを検出する
ことができる。
According to the second aspect, the radial side wall 38 b of the deflection member 38 is in contact with the side wall 36 d of the second fixing member 36 via the bearing 48. Therefore, the torque can be accurately detected without being affected by the friction between the side wall 38b of the deflection member 38 and the side wall 36d of the second fixing member 36.

【0010】請求項3では、偏位部材38の保持部38
cの上面36d及び下面36eが、第2固定部材36に
対してベアリング48を介して接している。このため、
ペダルを漕いだ際の踏力による摩擦の影響を受けず、正
確にトルクを検出することができる。
According to the third aspect, the holding portion 38 of the deflection member 38 is provided.
The upper surface 36d and the lower surface 36e of c are in contact with the second fixing member 36 via the bearing 48. For this reason,
The torque can be accurately detected without being affected by the friction caused by the pedaling force when the pedal is pedaled.

【0011】請求4では、圧力センサ40は、頂部に配
設された球面形状の接点部材42を介して、第2固定部
材36の当接部36cと接している。このため、駆動ト
ルクのセンサへの伝達が点接触となり、弾性変形による
負荷点の移動の影響が少なくなる。
In the fourth aspect, the pressure sensor 40 is in contact with the contact portion 36c of the second fixing member 36 via the spherical contact member 42 provided on the top. For this reason, the transmission of the driving torque to the sensor becomes a point contact, and the influence of the movement of the load point due to elastic deformation is reduced.

【0012】請求項5では、圧力センサ40を、第2固
定部材36の当接部36cへ押圧するための付勢部材4
4を設けてある。即ち、圧力センサ40に予圧を加え、
駆動トルクの伝達点を固定してあるため、正確に測定す
ることができる。更に、ペダルを漕いだ際に、圧力セン
サ40が第2固定部材36の当接部36cから離れるこ
とがなく、当接を繰り返すことによる異音を防止するこ
とができる。
According to the fifth aspect, the urging member 4 for pressing the pressure sensor 40 against the contact portion 36 c of the second fixing member 36.
4 are provided. That is, a preload is applied to the pressure sensor 40,
Since the transmission point of the driving torque is fixed, accurate measurement can be performed. Furthermore, when the pedal is pedaled, the pressure sensor 40 does not separate from the contact portion 36c of the second fixing member 36, and it is possible to prevent abnormal noise due to repeated contact.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に係る自
転車について図を参照して説明する。図1において、1
0は自転車の前輪、11は後輪、12は車体フレーム、
13はクランク軸(駆動軸)、14はクランクアーム、
15はクランク軸13によって駆動される駆動スプロケ
ット、16は後車軸、17は後車軸16上に設けられた
従動スプロケット、18は駆動スプロケット15と従動
スプロケット17にかけ渡したチェーン、19はハンド
ル部に設置された表示器である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A bicycle according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In FIG. 1, 1
0 is the front wheel of the bicycle, 11 is the rear wheel, 12 is the body frame,
13 is a crankshaft (drive shaft), 14 is a crank arm,
Reference numeral 15 denotes a drive sprocket driven by the crankshaft 13, 16 denotes a rear axle, 17 denotes a driven sprocket provided on the rear axle 16, 18 denotes a chain extending between the drive sprocket 15 and the driven sprocket 17, and 19 denotes a handle. It is a display that was done.

【0014】前記車体フレーム12には、図2に詳細図
示するように、前記クランク軸13を挿通する中空円筒
状の支持部21が設けられ、この支持部21の支持穴2
1Aにクランク軸13を支持する軸受30が収容されて
いる。軸受30のアウターケーシング30a内には、ベ
アリング32、34を介してクランク軸13が回転可能
に支持されている。
As shown in detail in FIG. 2, the body frame 12 is provided with a hollow cylindrical support portion 21 through which the crankshaft 13 is inserted.
A bearing 30 supporting the crankshaft 13 is accommodated in 1A. The crankshaft 13 is rotatably supported in the outer casing 30 a of the bearing 30 via bearings 32 and 34.

【0015】軸受30の駆動スプロケット15の反対側
の端部(左端部)は、支持部21の支持穴21Aに左ア
ダプタ37を介して固定されている。即ち、支持穴21
Aの左側内周にはネジ21aが形成されており、該ネジ
21aに、左アダプタ37のネジ37aが螺合してい
る。該左アダプタ37の中央の開口には、左蓋46Aが
嵌められている。
The opposite end (left end) of the drive sprocket 15 of the bearing 30 is fixed to a support hole 21A of the support portion 21 via a left adapter 37. That is, the support hole 21
A screw 21a is formed on the left inner periphery of A, and the screw 37a of the left adapter 37 is screwed to the screw 21a. A left lid 46A is fitted into the center opening of the left adapter 37.

【0016】一方、軸受30の駆動スプロケット15側
の端部(右端部)にはハウジング38が取り付けられて
いる。該ハウジング38には、軸受30の端部を嵌入す
るための凹部38aと、側壁38bと、軸受30よりも
小径に形成された保持部38cとが形成されている。該
保持部38cには、センサチップ40が取り付けられ
る。
On the other hand, a housing 38 is attached to an end (right end) of the bearing 30 on the drive sprocket 15 side. The housing 38 is formed with a concave portion 38a into which the end of the bearing 30 is fitted, a side wall 38b, and a holding portion 38c having a smaller diameter than the bearing 30. The sensor chip 40 is attached to the holding portion 38c.

【0017】該ハウジング38の保持部38cの外周側
には、中央に通孔36bを有する右アダプタ36が配設
されている。該右アダプタ36の内周には、上述したセ
ンサチップ40の頂部に取り付けられた接点部材42が
当接する当接部36cが形成されている。該当接部36
cのクランク軸13を挟んだ反対側の端部には、圧縮バ
ネ44が配設され、センサチップ40を、該右アダプタ
36の内周に押し当てることで予圧を加えている。上述
した軸受30及びハウジング38は、右アダプタ36に
より、軸方向の移動が規制される。支持穴21Aの右側
内周にはネジ21aが形成されており、該ネジ21a
に、右アダプタ36のネジ36aが螺合している。該右
アダプタ36の中央の開口には、右蓋46Bが嵌められ
ている。
On the outer peripheral side of the holding portion 38c of the housing 38, a right adapter 36 having a through hole 36b in the center is provided. On the inner periphery of the right adapter 36, a contact portion 36c with which the contact member 42 attached to the top of the above-described sensor chip 40 contacts is formed. Applicable contact part 36
A compression spring 44 is disposed at the other end of the cylinder c with the crankshaft 13 interposed therebetween, and a preload is applied by pressing the sensor chip 40 against the inner periphery of the right adapter 36. The right adapter 36 restricts the bearing 30 and the housing 38 from moving in the axial direction. A screw 21a is formed on the inner periphery on the right side of the support hole 21A.
, A screw 36a of the right adapter 36 is screwed. A right lid 46B is fitted into the center opening of the right adapter 36.

【0018】この軸受30、左アダプタ37、ハウジン
グ38、右アダプタ36の取り付けについて図3を参照
して説明する。先ず、支持部21の支持穴21A内に軸
受30を挿入する(図3(A))。次に、支持穴21A
の左側内周のネジ21aに、左アダプタ37のネジ37
aを螺合させることで、軸受30の右端部を固定する
(図3(B))。ここで、左アダプタ37と軸受30と
の間に図示しないカラーを介挿させることが好適であ
る。そして、支持穴21Aの右側から、先ず、ハウジン
グ38を挿入し、支持穴21Aの右側内周のネジ21a
に、右アダプタ36のネジ36aを螺合させ、右アダプ
タ36を固定する(図3(C))。
The mounting of the bearing 30, the left adapter 37, the housing 38, and the right adapter 36 will be described with reference to FIG. First, the bearing 30 is inserted into the support hole 21A of the support 21 (FIG. 3A). Next, the support hole 21A
The screw 37 of the left adapter 37 is
By screwing a, the right end of the bearing 30 is fixed (FIG. 3B). Here, it is preferable to insert a collar (not shown) between the left adapter 37 and the bearing 30. Then, the housing 38 is first inserted from the right side of the support hole 21A, and the screws 21a on the inner right side of the support hole 21A are inserted.
Then, the screw 36a of the right adapter 36 is screwed together to fix the right adapter 36 (FIG. 3C).

【0019】本実施形態では、左アダプタ37により、
軸受30の左端を車体フレーム12の支持孔21A内に
固定し、軸受30の右端にハウジング38を取り付け
る。軸受30及びハウジング38は、軸方向の移動が右
アダプタ36により規制される。軸受30の右端は、ク
ランク軸13に作用する駆動トルクにより偏位し(弾性
変形)、ハウジング38はこれに伴い偏位する。ハウジ
ング38に取り付けられたセンサチップ40が、偏位に
より右アダプタ36の当接部36cと当接し、偏位量に
対応するクランク軸13に作用した駆動トルクを検出す
る。
In this embodiment, the left adapter 37
The left end of the bearing 30 is fixed in the support hole 21A of the body frame 12, and the housing 38 is attached to the right end of the bearing 30. The axial movement of the bearing 30 and the housing 38 is regulated by the right adapter 36. The right end of the bearing 30 is displaced (elastic deformation) by the driving torque acting on the crankshaft 13, and the housing 38 is displaced accordingly. The sensor chip 40 attached to the housing 38 comes into contact with the contact portion 36c of the right adapter 36 due to the deviation, and detects the drive torque applied to the crankshaft 13 corresponding to the deviation amount.

【0020】ここで、センサチップ40は、軸受30よ
りも小径に形成されたハウジング38の保持部38cに
取り付けられる。即ち、軸受30の外周にセンサチップ
を配設しないので、トルク検出装置が、軸受30と同じ
径に収まり、既存の自転車に用いられている車体フレー
ムの支持孔21A内に収容することが可能になる。
Here, the sensor chip 40 is attached to a holding portion 38c of a housing 38 having a smaller diameter than the bearing 30. That is, since the sensor chip is not provided on the outer periphery of the bearing 30, the torque detecting device can be accommodated in the same diameter as the bearing 30, and can be accommodated in the support hole 21A of the body frame used for the existing bicycle. Become.

【0021】ここで、図4を参照してセンサチップ40
による駆動トルク検出の原理を説明する。クランクアー
ム14のペダルを踏力Kで踏んで駆動スプロケット15
を回転させると、チェーン18でのチェーンテンション
Tにより、軸受30に反力Sが発生する。この反力によ
り軸受30の右端(図2参照)が撓み、軸受30の撓み
によりハウジング38が偏位してセンサチップ40を右
アダプタ36側へ押し当て、センサチップ40に機械的
な歪みを生起させ、この歪みに応じてセンサチップ40
の電気抵抗が変化する。なお、本実施形態では、センサ
チップ40をクランク軸の中心から水平に位置させてい
るが、特開平11−258078号のように角度θ分ず
らして配置することもできる。
Here, referring to FIG.
The principle of driving torque detection by the following will be described. When the pedal of the crank arm 14 is depressed with the depression force K, the drive sprocket 15
Is rotated, a reaction force S is generated in the bearing 30 due to the chain tension T in the chain 18. Due to this reaction force, the right end (see FIG. 2) of the bearing 30 is bent, and the housing 38 is displaced by the bending of the bearing 30 to press the sensor chip 40 against the right adapter 36, thereby causing a mechanical strain on the sensor chip 40. And the sensor chip 40
Changes the electrical resistance of the In this embodiment, the sensor chip 40 is positioned horizontally from the center of the crankshaft. However, the sensor chip 40 can be arranged shifted by an angle θ as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-258078.

【0022】本実施形態のトルク検出装置は、ハウジン
グ38と右アダプタ36との間での摩擦を低減するよう
にベアリングが配設されている。この構成について、図
4及び図5を参照して説明する。図5(A)は図2のB
−B断面図であり、図4に示すハウジング38が90度
回転して示されている。図5(D)は図(A)のD−D
断面図である。図4に示すようにハウジング38の保持
部38cの上端面38d及び下端面38eと、右アダプ
タ36の通孔36bとの間には、リテーナ47に保持さ
れたローラベアリング48が介在されている。即ち、上
述したようにクランクアーム14のペダルを踏力Kで踏
むと、ハウジング38を右アダプタ36に対して下方向
に押し付ける力が発生するが、ローラベアリング48を
介在させることで、センサチップ40による反力検出に
影響がないようにしてある。ここでは、ローラベアリン
グ48を用いているが、図5(E)に示すように、リテ
ーナ47を介してボールベアリング49を介在させるこ
とも可能である。
In the torque detecting device according to the present embodiment, bearings are provided so as to reduce friction between the housing 38 and the right adapter 36. This configuration will be described with reference to FIGS. FIG. 5A is a view similar to FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along a line B, in which the housing 38 shown in FIG. 4 is shown rotated by 90 degrees. FIG. 5 (D) is a line DD in FIG.
It is sectional drawing. As shown in FIG. 4, a roller bearing 48 held by a retainer 47 is interposed between the upper end surface 38 d and the lower end surface 38 e of the holding portion 38 c of the housing 38 and the through hole 36 b of the right adapter 36. That is, as described above, when the pedal of the crank arm 14 is depressed with the depression force K, a force is generated to press the housing 38 downward against the right adapter 36. There is no influence on the reaction force detection. Here, a roller bearing 48 is used, but a ball bearing 49 can be interposed via a retainer 47 as shown in FIG.

【0023】図5(C)は、図2中のC−C断面図であ
る。図5(C)及び図2に示すように、ハウジング38
の右側面38bの側方には、リテーナ47を介してボー
ルベアリング48が配設されている。即ち、右アダプタ
36の左端面36dは、ボールベアリング48を介して
上述したハウジング38の側壁38bと接するようにな
っている。図3(C)を参照して上述したように、自転
車へのトルク検出装置組み付けの際に、ハウジング38
を右アダプタ36で押し付ける。このため、ボールベア
リング48を介在させることで、右アダプタ36の左端
面36dとハウジング38の側壁38bとの接触抵抗に
より、センサチップ40による反力検出に影響を受けな
いようにしてある。
FIG. 5C is a sectional view taken along the line CC in FIG. As shown in FIG. 5C and FIG.
A ball bearing 48 is disposed on a side of the right side surface 38b of the first through a retainer 47. That is, the left end surface 36 d of the right adapter 36 is in contact with the above-described side wall 38 b of the housing 38 via the ball bearing 48. As described above with reference to FIG. 3C, when assembling the torque detection device to the bicycle, the housing 38
Is pressed with the right adapter 36. Therefore, by interposing the ball bearing 48, the contact resistance between the left end surface 36d of the right adapter 36 and the side wall 38b of the housing 38 does not affect the reaction force detection by the sensor chip 40.

【0024】図2を参照して上述したように、センサチ
ップ40の当接する当接部36cのクランク軸13を挟
んだ反対側の端部には、圧縮バネ44が配設され、セン
サチップ40を、該右アダプタ36の内周に押し当てる
ことで予圧を加えている。即ち、センサチップ40に1
00N以下の予圧を加え、駆動トルクの伝達点を固定し
てあるため、正確に測定することができる。更に、ペダ
ルを漕いだ際に、センサチップ40が当接部36cから
離れることがなく、当離を繰り返すことによる異音を防
止することができる。
As described above with reference to FIG. 2, a compression spring 44 is provided at an end of the abutting portion 36c of the sensor chip 40 which is in contact with the sensor shaft 40 with the crankshaft 13 interposed therebetween. Is pressed against the inner periphery of the right adapter 36 to apply a preload. That is, 1
Since a preload of less than 00N is applied and the transmission point of the driving torque is fixed, accurate measurement can be performed. Furthermore, when the pedal is pedaled, the sensor chip 40 does not separate from the contact portion 36c, and it is possible to prevent abnormal noise due to repeated contact and separation.

【0025】ここで、予圧を加えた状態で、図6(B)
に示すようにセンサチップ40が偏位すると、予圧を加
えた時に生じた接点部材42、右アダプタ36の当接点
が初期変位が変わり、センサチップ40で検出する力
は、(テンション反力−予圧変化)となる。また、テン
ション負荷が解放されたとき、2部品間の予圧の大きさ
が、弾性変形した部品が元に戻ろうとする時の摩擦力と
なり、初期位置に復帰しなくなり、無負荷時の出力が変
化する。このため、予圧は位置変化に影響しない100
N以下に抑える必要がある。
Here, in the state where the preload is applied, FIG.
When the sensor chip 40 is displaced as shown in (2), the initial displacement of the contact member 42 and the contact point of the right adapter 36 generated when the preload is applied changes, and the force detected by the sensor chip 40 is (tension reaction force-preload). Change). In addition, when the tension load is released, the magnitude of the preload between the two parts becomes a frictional force when the elastically deformed part tries to return to its original state, and does not return to the initial position, and the output when no load is changed I do. For this reason, the preload does not affect the position change.
N must be kept below N.

【0026】なお、圧縮バネ44の代わりに、図5
(B)に示すように、ゴム144等の弾性部材を介在さ
せて予圧を発生させることもできる。
In place of the compression spring 44, FIG.
As shown in (B), a preload can be generated with an elastic member such as rubber 144 interposed.

【0027】更に、本実施形態では、図6(A)に示す
ように、センサチップ40の頂部に半球形状の接点部材
42が取り付けられ、当接部36cへ当接している。即
ち、駆動トルクのセンサチップ40への伝達が点接触と
なり、弾性変形による負荷点の移動の影響が少なくな
る。これに対して、図6(B)に示すように、半球形状
の接点部材42をセンサチップ40に配設しないと、片
当たりすると共に、センサチップ40の端部の欠損理由
となる。
Further, in this embodiment, as shown in FIG. 6A, a hemispherical contact member 42 is attached to the top of the sensor chip 40, and is in contact with the contact portion 36c. That is, the transmission of the driving torque to the sensor chip 40 becomes a point contact, and the influence of the movement of the load point due to the elastic deformation is reduced. On the other hand, as shown in FIG. 6B, if the hemispherical contact member 42 is not provided on the sensor chip 40, the sensor chip 40 may come into contact with one another and may be a reason for the loss of the end of the sensor chip 40.

【0028】このセンサチップ40は後に詳述するよう
に、機械的な歪みに応じて電気抵抗が変化する特性を有
する機能性セラミックにて構成されている。そして、セ
ンサチップ40は、荷重検出回路50に接続され、この
荷重検出回路50によりセンサチップ40に加えられた
荷重をその抵抗変化に基づいて検出するようになってい
る。センサチップ40としては、例えば、特願平8−2
05320号に記載された機能性セラミックが好適であ
る。当該機能性セラミックは、圧力を加えると、電極間
(感圧部)の抵抗値が減少する特性を有し、これを電圧
として検出し、圧力を求める。
As will be described in detail later, the sensor chip 40 is made of a functional ceramic having a characteristic that its electric resistance changes according to mechanical strain. The sensor chip 40 is connected to a load detection circuit 50, and detects a load applied to the sensor chip 40 by the load detection circuit 50 based on a change in resistance. As the sensor chip 40, for example, Japanese Patent Application No. Hei 8-2
Functional ceramics described in EP 05320 are suitable. The functional ceramic has a characteristic that when a pressure is applied, the resistance value between the electrodes (pressure-sensitive portion) decreases, and this is detected as a voltage to determine the pressure.

【0029】ここで、センサチップ40を用いる荷重検
出回路50の構成について図7を参照して説明する。セ
ンサチップ40は、一対の検出部(R+ΔR)と、検出
部の一方に接続されたダミー抵抗Rとからなる。ここ
で、ΔRは、反力Sによる抵抗変化を示している。一
方、荷重検出回路50には、一対の固定抵抗r、rが備
えられており、上記センサーチップ40の検出部とブリ
ッジを構成している。ここで、定電圧Vが印加される
と、ブリッジ出力eとして、次式で表される電位が発生
する。
Here, the configuration of the load detection circuit 50 using the sensor chip 40 will be described with reference to FIG. The sensor chip 40 includes a pair of detection units (R + ΔR) and a dummy resistor R connected to one of the detection units. Here, ΔR indicates a resistance change due to the reaction force S. On the other hand, the load detection circuit 50 includes a pair of fixed resistors r and r, and forms a bridge with the detection unit of the sensor chip 40. Here, when the constant voltage V is applied, a potential represented by the following equation is generated as the bridge output e.

【数1】e={〔R/(R+r)〕−(R+ΔR)/
〔(R+ΔR)+r〕}×V この出力電位eから、反力Sを求めることができる。
E = {[R / (R + r)]-(R + ΔR) /
[(R + ΔR) + r]} × V The reaction force S can be obtained from the output potential e.

【0030】図8は荷重検出回路50にて検出された荷
重から駆動トルクを演算するとともに、この駆動トルク
から消費エネルギを演算して表示するためのブロック図
である。CPU52には荷重検出回路50で検出された
荷重に対応したアナログ信号が、A/D変換回路54で
デジタル信号に変換されて加えられる。ROM56には
検出された荷重に基づいて、駆動トルクならびに消費エ
ネルギを演算するためのプログラムが格納されており、
またRAM58には演算時に使用される作業領域が確保
されている。そして、ROM56およびRAM58とC
PU52との間で必要な信号が授受され、駆動トルクな
らびに消費エネルギが演算される。そして、演算された
消費エネルギは表示装置19に表示される。
FIG. 8 is a block diagram for calculating the driving torque from the load detected by the load detecting circuit 50 and calculating and displaying the energy consumption from the driving torque. An analog signal corresponding to the load detected by the load detection circuit 50 is converted to a digital signal by the A / D conversion circuit 54 and added to the CPU 52. The ROM 56 stores a program for calculating the driving torque and the energy consumption based on the detected load.
In the RAM 58, a work area used at the time of calculation is secured. Then, the ROM 56 and the RAM 58 and C
Necessary signals are exchanged with the PU 52 to calculate the driving torque and the consumed energy. Then, the calculated energy consumption is displayed on the display device 19.

【0031】前記ROM56のプログラムは、メインプ
ログラムとタイマ割り込みルーチンとにより構成されて
いる。タイマ割り込みルーチンは、一定時間周期ごと
(例えば、10msecごと)に割り込み起動して荷重
検出回路50にて検出された荷重信号(抵抗もしくは電
圧)をサンプリングする。一方、メインプログラムは、
タイマ割り込みルーチンによってサンプリングされた荷
重信号を単位時間毎に積分して駆動トルクを演算し、さ
らにこの駆動トルクより消費エネルギ換算式を用いて消
費エネルギを演算し、表示装置19に表示する。なお、
表示器19には消費エネルギの他、時間積分によって求
められた駆動トルクを併せて表示させることもできる。
The program in the ROM 56 comprises a main program and a timer interrupt routine. The timer interrupt routine is started at an interval of a predetermined time period (for example, every 10 msec) and samples a load signal (resistance or voltage) detected by the load detection circuit 50. On the other hand, the main program is
The load torque sampled by the timer interrupt routine is integrated for each unit time to calculate a drive torque, and the drive torque is further calculated from the drive torque using an energy consumption conversion formula, and displayed on the display device 19. In addition,
The display 19 can also display the drive torque obtained by time integration in addition to the energy consumption.

【0032】次に上述のように構成した本発明装置の作
用を説明する。図4に示すようにクランクアーム14の
ペダルを踏力Kで踏んで駆動スプロケット15を回転さ
せると、チェーン18でのチェーンテンションTによ
り、軸受30に反力Sが発生する。この反力により軸受
30の右端が撓み、この撓みに応じてセンサチップ40
に機械的な歪みが生起され、この歪みに応じてセンサチ
ップ40の電気抵抗が変化する。
Next, the operation of the apparatus of the present invention configured as described above will be described. As shown in FIG. 4, when the drive sprocket 15 is rotated by depressing the pedal of the crank arm 14 with the depression force K, a reaction force S is generated in the bearing 30 due to the chain tension T of the chain 18. The reaction force causes the right end of the bearing 30 to bend, and the sensor chip 40
Mechanical distortion is generated in the sensor chip 40, and the electric resistance of the sensor chip 40 changes according to the distortion.

【0033】すなわち、自転車に駆動トルクが作用して
いない状態においては、センサチップ40には上述した
予圧しか作用しておらず、センサチップ40の電気抵抗
値は大きくなっているが、自転車の走行に伴って駆動ト
ルク(駆動反力)が作用すると、その駆動トルクの増大
に応じてセンサチップ40に作用する荷重が大きくな
り、センサチップ40の電気抵抗値は荷重の増大に反比
例して減少する。従って、センサチップ40の電気抵抗
の変化に基づいて自転車に作用する駆動トルクを計測で
きるようになる。
That is, when the driving torque is not acting on the bicycle, only the above-described preload acts on the sensor chip 40 and the electric resistance of the sensor chip 40 is large. When the driving torque (driving reaction force) acts on the sensor chip 40, the load acting on the sensor chip 40 increases in accordance with the increase in the driving torque, and the electric resistance value of the sensor chip 40 decreases in inverse proportion to the increase in the load. . Therefore, the drive torque acting on the bicycle can be measured based on the change in the electric resistance of the sensor chip 40.

【0034】タイマ割り込みルーチンは、一定時間周期
ごとに割り込み起動して荷重検出回路50にて検出され
た荷重信号をサンプリングし、メインプログラムでは、
タイマ割り込みルーチンによってサンプリングされた荷
重信号を時間積分して駆動トルクを求め、さらにこの駆
動トルクに基づいて消費エネルギを演算し、表示装置1
9に表示する。
In the timer interrupt routine, the load is detected by the load detection circuit 50 at a predetermined time period, and the load signal is sampled.
The load signal sampled by the timer interrupt routine is time-integrated to obtain a drive torque, and the energy consumption is calculated based on the drive torque.
9 is displayed.

【0035】本実施形態では、検出のために歪ゲージを
取付ける可撓部を実質的に設ける必要がなく、また温度
変化による影響も受けにくいので、装置を堅牢に構成す
ることができる。従って雨水や炎天下等の過酷な条件下
で使用される自転車等への適用に際しても、長期にわた
って安定したトルク検出を行い得るようになる。このよ
うなトルク検出装置の実現により、自転車の駆動に要し
た消費エネルギを求めることが容易に実現できるように
なり、健康の維持管理あるいはダイエット用に寄与でき
るものである。
In the present embodiment, it is not necessary to substantially provide a flexible portion for attaching a strain gauge for detection, and it is hardly affected by a change in temperature, so that the apparatus can be made robust. Therefore, even when applied to a bicycle or the like used under severe conditions such as rainwater or hot weather, stable torque detection can be performed for a long period of time. By realizing such a torque detecting device, it is possible to easily realize the energy consumption required for driving the bicycle, which can contribute to maintenance and management of health or diet.

【0036】なお、上述した構成では、右アダプタ36
とハウジング38との摩擦を軽減するため、ベアリング
を用いたが、この代わりに、エアー或いは液体を封止し
た部品を自転車のフレーム内に組み込むことも可能であ
る。
In the configuration described above, the right adapter 36
Although bearings are used to reduce friction between the bicycle and the housing 38, air- or liquid-sealed parts may be incorporated in the bicycle frame instead.

【0037】なお、上記したトルク検出装置は、上記し
た消費エネルギ表示用の他、クランクペダルの操作力を
電動でアシストする電動アシスト自転車のトルク検出
用、又は、屋内でのトレーニング用のエアロバイク等の
走行し得ない自転車のトルク検出にも用いることもでき
る。上記した実施の形態においては、トルク検出装置
を、自転車のトルク検出用に適用した例について述べた
が、上記のトルク検出装置は自転車の他に、工作機械等
へも適用可能である。
The above-mentioned torque detecting device is used not only for displaying the above-mentioned energy consumption but also for detecting the torque of an electrically assisted bicycle which assists the operation force of a crank pedal by electric power, or for an exercise bike for indoor training. It can also be used for detecting the torque of a bicycle that cannot travel. In the above-described embodiment, an example has been described in which the torque detection device is applied for detecting torque of a bicycle. However, the above-described torque detection device can be applied to a machine tool and the like in addition to a bicycle.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、センサ
チップは、軸受よりも小径に形成されたハウジングの保
持部に取り付けられる。即ち、軸受の外周にセンサチッ
プを配設しないので、トルク検出装置が、軸受と同じ径
に収まり、既存の自転車に用いられている車体フレーム
の支持孔内に収容することが可能になる。更に、機械的
な歪みに応じて電気抵抗が変化する特性を有するセンサ
チップによって駆動トルクを検出するようにした構成で
あるので、きわめて簡素な構成でかつ低コストでありな
がら、堅牢であり、長期にわたって安定したトルク検出
を行い得る効果がある。
As described above, according to the present invention, the sensor chip is mounted on the holding portion of the housing having a smaller diameter than the bearing. That is, since the sensor chip is not provided on the outer periphery of the bearing, the torque detection device can be accommodated in the same diameter as the bearing, and can be accommodated in the support hole of the body frame used in the existing bicycle. Furthermore, since the driving torque is detected by a sensor chip having a characteristic in which the electric resistance changes in response to mechanical strain, it is extremely simple, low-cost, robust, and long-lasting. Thus, there is an effect that stable torque detection can be performed over the entire range.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施形態に係る自転車を示す外観
図である。
FIG. 1 is an external view showing a bicycle according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1のA−A断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG.

【図3】図3(A)、図3(B)、図3(C)は、トル
ク検出装置の自転車への組み付けの説明図である。
FIGS. 3 (A), 3 (B), and 3 (C) are explanatory views of assembling the torque detecting device to a bicycle.

【図4】センサチップに加わる力を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a force applied to a sensor chip.

【図5】図5(A)は図2のB−B断面図であり、図5
(B)は図5(A)の変形例を示す断面図であり、図5
(C)は図2のC−C断面図であり、図5(D)は図5
(A)のD−D断面図であり、図5(E)は図5(D)
の変形例を示す断面図である。
FIG. 5A is a sectional view taken along the line BB of FIG. 2, and FIG.
FIG. 5B is a cross-sectional view showing a modified example of FIG.
FIG. 5C is a cross-sectional view taken along line CC of FIG. 2, and FIG.
It is DD sectional drawing of (A), FIG.5 (E) is FIG.5 (D).
It is sectional drawing which shows the modification of.

【図6】図6(A)、図6(B)は、センサチップに加
わる力を示す説明図である。
FIG. 6A and FIG. 6B are explanatory diagrams showing a force applied to a sensor chip.

【図7】センサチップの回路構成を示す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a sensor chip.

【図8】消費エネルギーを演算するための構成を示すブ
ロック図である。
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration for calculating energy consumption.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 前輪 11 後輪 12 車体フレーム 13 クランク軸(駆動軸) 14 クランクアーム 15 駆動スプロケット 16 後車軸 17 従動スプロケット 18 チェーン 19 表示器 21 支持部 21A 支持孔 21a、21b ネジ 30 軸受 30a アウターケーシング 32、34 ベアリング 36 左アダプタ 36a ネジ 36b 通孔 36c 当接部 36d 左端面 36e 下端面 36d 上端面 37 右アダプタ 37a ネジ 38 ハウジング 38a 凹部 38b 側壁 38c 保持部 40 センサチップ 42 接点部材 44 バネ 46A 左蓋 46B 右蓋 48 ベアリング 50 荷重検出回路 52 CPU 54 A/D変換回路 56 ROM 58 RAM Reference Signs List 10 front wheel 11 rear wheel 12 body frame 13 crankshaft (drive shaft) 14 crank arm 15 drive sprocket 16 rear axle 17 driven sprocket 18 chain 19 display 21 support portion 21A support holes 21a, 21b screw 30 bearing 30a outer casing 32, 34 Bearing 36 Left adapter 36a Screw 36b Through hole 36c Contact portion 36d Left end surface 36e Lower end surface 36d Upper end surface 37 Right adapter 37a Screw 38 Housing 38a Recessed portion 38b Side wall 38c Holding portion 40 Sensor chip 42 Contact member 44 Spring 46A Left cover 46B Right cover 48 Bearing 50 Load detection circuit 52 CPU 54 A / D conversion circuit 56 ROM 58 RAM

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤田 かおり 愛知県刈谷市朝日町1丁目1番地 豊田工 機株式会社内 (72)発明者 木下 清隆 愛知県刈谷市朝日町1丁目1番地 豊田工 機株式会社内 (72)発明者 岸本 仁 大阪府堺市石津町3−7−1−705 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Kaori Fujita 1-1-1, Asahi-cho, Kariya-shi, Aichi, Japan Toyota Machine Works Co., Ltd. (72) Inventor Kiyotaka 1-1-1, Asahi-cho, Kariya-shi, Aichi Prefecture Toyota Works Co., Ltd. (72) Inventor Jin Kishimoto 3-7-1-705 Ishizucho, Sakai-shi, Osaka

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 自転車のクランク軸に作用する駆動トル
クを検出するトルク検出装置において、 前記クランク軸を回転可能に支持する軸受部と、 圧力センサと、 前記軸受部の一端を、車体フレームの支持部内に固定す
る第1固定部材と、 前記軸受部の他端に取り付けられ、前記クランク軸に作
用する駆動トルクによる軸受部の他端の偏位に伴い偏位
し、前記圧力センサを保持するための前記軸受部よりも
小径に形成された保持部を有する偏位部材と、 前記センサと当接する当接部を備え、前記車体フレーム
の支持部内に固定されて、前記軸受部及び前記偏位部材
の軸方向の移動を規制する第2固定部材とを備えること
を特徴とするトルク検出装置。
1. A torque detecting device for detecting a driving torque acting on a crankshaft of a bicycle, a bearing for rotatably supporting the crankshaft, a pressure sensor, and one end of the bearing for supporting a body frame. A first fixing member fixed to the inside of the portion, and a first fixing member attached to the other end of the bearing portion, which is displaced along with the displacement of the other end of the bearing portion due to a driving torque acting on the crankshaft, for holding the pressure sensor. An offset member having a holding portion formed with a smaller diameter than the bearing portion; and an abutting portion that abuts on the sensor, the bearing portion and the offset member being fixed in a support portion of the vehicle body frame. And a second fixing member that regulates axial movement of the torque detector.
【請求項2】 前記偏位部材の径方向の側壁が、前記第
2固定部材の側壁に対してベアリングを介して接してい
ることを特徴とする請求項1のトルク検出装置。
2. The torque detecting device according to claim 1, wherein a radial side wall of the deflection member is in contact with a side wall of the second fixing member via a bearing.
【請求項3】 前記偏位部材の保持部の上面及び下面
が、前記第2固定部材に対してベアリングを介して接し
ていることを特徴とする請求項1又は請求項2のトルク
検出装置。
3. The torque detecting device according to claim 1, wherein an upper surface and a lower surface of the holding portion of the deflection member are in contact with the second fixing member via a bearing.
【請求項4】 前記圧力センサは、頂部に配設された球
面形状の接点部材を介して、前記第2固定部材の当接部
と接していることを特徴とする請求項1又は2のトルク
検出装置。
4. The torque according to claim 1, wherein the pressure sensor is in contact with a contact portion of the second fixing member via a spherical contact member provided on a top portion. Detection device.
【請求項5】 前記圧力センサを、前記第2固定部材の
当接部へ押圧するための付勢部材を設けたことを特徴と
する請求項1〜4のいずれか1に記載のトルク検出装
置。
5. The torque detecting device according to claim 1, further comprising an urging member for pressing the pressure sensor against a contact portion of the second fixing member. .
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