CN103091017A

CN103091017A - 扭矩检测装置及具备该扭矩检测装置的自行车

Info

Publication number: CN103091017A
Application number: CN2012104396263A
Authority: CN
Inventors: 岩濑将人; 余治雄; 细田贵之; 新条达俊; 野口广康; 深作良范
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2013-05-08
Also published as: NL2009766C2; TW201319536A; JP2013100999A; JP5479436B2; DE102012110617A1; NL2009766A

Abstract

一种扭矩检测装置及具备该扭矩检测装置的自行车。本发明公开了一种扭矩检测装置，旨在提供一种结构简单且易于小型化的扭矩检测装置。本发明的技术要点是，扭矩检测装置由环状磁铁、第一环状磁轭、第二环状磁轭和磁传感器构成，在环状磁铁上，沿周向交替磁化有S极和N极，第一磁轭具有分别与磁铁的S极对峙并排列成环状的齿状第一被磁化部、和以连接各个第一被磁化部的方式形成为环状的第一环状板，第二磁轭具有分别与磁铁的N极对峙并排列成环状的齿状第二被磁化部、和以连接各个第二被磁化部的方式形成为环状且与第一环状板面对面配置的第二环状板，磁传感器配置在第一环状板和第二环状板之间。

Description

扭矩检测装置及具备该扭矩检测装置的自行车

技术领域

本发明涉及一种在电动助力自行车等中用于踏力的检测的扭矩检测装置及具备该扭矩检测装置的自行车。

背景技术

目前，作为这种领域的技术，有特开平10－232175号公报。该公报记载的电动助力自行车，在主车架的前部具备前轮及手把，在后部具备作为驱动轮的后轮。在主车架的大致中央，配置有上端安装了车座的座管，在座管的下端设有枢轴支承脚蹬机构的筒状车架。脚蹬机构的曲轴经由压缩弹簧与链轮相连接，该链轮经由链条与电动机驱动的后轮的链轮相连接。具体地说，压缩弹簧被插入形成于链轮上的窗孔内，压缩弹簧的一端被支承于固定在曲轴的轴部的卡合板的压片上，压缩弹簧的另一端由窗孔的端部支承。因此，当脚踏曲轴的脚蹬时，其踏力通过压缩弹簧传递给链轮。另外，在脚蹬机构上装备有扭矩检测装置。扭矩检测装置由下述构件构成：形成于链轮上并且具有在周向等间隔形成的外侧检测窗的外圈；形成于卡合板上并且具有在周向等间隔形成的内侧检测窗的内圈；配置于对向配置的外圈和内圈之间的磁铁；夹着内圈与磁铁对向配置的内侧霍尔元件；夹着外圈与磁铁对向配置的外侧霍尔元件。而且，在内圈和外圈产生相位偏差时，内外两个霍尔元件的输出波形也产生相位的偏差。扭矩检测装置检测输出波形的相位偏差，并根据相位的偏差向作为辅助动力的电动机的控制部发送信号。

专利文献1：日本特开平10－232175号公报

但不足之处是，上述现有扭矩检测装置需要内外两个霍尔元件和内外的检测窗，因此，存在结构复杂化且难以小型化的问题。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种结构简单并且易于小型化的扭矩检测装置及具备该扭矩检测装置的自行车。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种扭矩检测装置，其检测施加在具有主动旋转部件和经由弹性部件与主动旋转部件相连接的从动旋转部件的旋转体的主动旋转部件上的扭矩，其技术要点在于，所述扭矩检测装置具备：

沿周向交替磁化有S极和N极的环状磁铁；

第一磁轭，其具有分别与磁铁的S极对峙并排列成环状的第一被磁化部、和以连接各个第一被磁化部的方式形成为环状的第一环状板；

第二磁轭，其具有分别与磁铁的N极对峙并排列成环状的第二被磁化部、和以连接各个第二被磁化部的方式形成为环状且与第一环状板面对面配置的第二环状板；

磁传感器，其配置在第一环状板和第二环状板之间并检测磁量，

磁铁固定于旋转体的主动旋转部件和从动旋转部件中的任何一方，第一及第二磁轭部件固定于旋转体的另一方，磁传感器固定于非旋转部件上。

在该扭矩检测装置中，在旋转体上固定有磁铁和第一磁轭和第二磁轭，旋转体经由弹性部件连接主动旋转部件和从动旋转部件，用磁传感器检测主动旋转部件和从动旋转部件的相位差。在检测施加于旋转体上的扭矩变动时，扭矩检测装置结构越是复杂越容易损坏。因此，扭矩检测装置结构简单是非常重要的。尤其是自行车要求小型轻量化，因此，扭矩检测装置也希望小型轻量化。于是，为了达到这种目的，本发明的扭矩检测装置由环状磁铁、第一环状磁轭、第二环状磁轭和磁传感器构成，在环状磁铁上，沿周向交替磁化有S极和N极，第一磁轭具有分别与磁铁的S极对峙并排列成环状的第一被磁化部、以连接各个第一被磁化部的方式形成为环状的第一环状板，第二磁轭具有分别与磁铁的N极对峙并排列成环状的第二被磁化部、和以连接各个第二被磁化部的方式形成为环状且与第一环状板面对面配置的第二环状板，磁传感器配置在第一环状板和第二环状板之间。因此，在本发明的扭矩检测装置中，即使磁传感器及磁铁为1个，也能够可靠地检测施加在主动旋转部件上的扭矩的变动，由此，可以将扭矩检测装置设计成简单的结构，并且易于小型化。另外，能够与旋转体的旋转速度无关地、可靠地检测扭矩的变化。

另外，本发明还可以：还具备非磁性的环状垫片，该环状垫片以包围磁铁的方式配置，并且，与第一及第二被磁化部抵接，形成第一及第二被磁化部的底座。

采用这种构成时，利用垫片能够实现第一及第二磁轭的落座稳定化。并且，能够容易且高精度地形成第一及第二被磁化部和磁铁的表面之间的稍许间隙。

另外，本发明还可以：第一被磁化部和第二被磁化部排列成相对于旋转体的旋转轴线正交延伸的同一平面状。

采用这种构成时，能够实现被磁化部的平坦化，由此，能够使磁铁和被磁化部以等间隔分开，所以能够在第一及第二环状板上形成均匀的磁性。因此，不论是旋转体的哪个位置，都能够用配置于第一环状板和第二环状板之间的磁传感器，可靠且高精度地检测变动扭矩。

另外，本发明还可以：第一及第二被磁化部在相对于旋转体的旋转轴线大致正交的方向形成为齿状，第一及第二环状板的面部相对于第一及第二被磁化部配置成大致直角。

采用这种构成时，第一及第二磁轭的小径化成为可能。

另外，本发明还可以：第一及第二被磁化部在相对于旋转体的旋转轴线大致正交的方向形成为齿状，第一及第二环状板的平面部相对于旋转轴线配置成大致直角。

采用这种构成时，第一及第二磁轭的扁平薄型化成为可能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：根据本发明，结构简单且易于小型化。

附图说明

图1是表示本发明的扭矩检测装置的一实施方式的分解立体图；

图2是表示被装入自行车的扭矩检测装置的俯视图；

图3是图2的剖面图；

图4是第一磁轭的俯视图；

图5是图4的剖面图；

图6是第二磁轭的俯视图；

图7是图6的剖面图；

图8是垫片的俯视图；

图9是图8的剖面图；

图10是表示磁铁和磁轭的关系的俯视图；

图11是示意性地表示磁铁和第一被磁化部和第二被磁化部的关系的图；

图12是表示变形例的第一及第二磁轭的立体图；

图13是表示装入图12所示的第一磁轭和第二磁轭后的状态的剖面图；

图14是表示另一实施方式的扭矩检测装置的分解立体图；

图15是表示具备扭矩检测装置的电动助力自行车的侧视图；

图16是表示电动助力自行车的系统构成的图。

其中，附图标记说明如下：

1：扭矩检测装置10：旋转体11：链轮（从动旋转部件）12：圆盘（主动旋转部件）13：压缩螺旋弹簧（弹性部件）21：磁铁22、32：第一磁轭22a、32a：第一被磁化部22b、32b：第一环状板23、33：第二磁轭23a、33a：第二被磁化部23b、33b：第二环状板24：霍尔元件（磁传感器）27：垫片L：旋转轴线

具体实施方式

下面参照附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1所示的扭矩检测装置1适用于电动及电动助力自行车。如图15所示，电动助力自行车50具有安装有车座52的主车架51，在该主车架51的前部，安装有设有电动机53的前轮54及手把56，在后部安装有后轮55。在主车架51的大致中央，旋转自如地安装有扭矩检测装置1的链轮11，该链轮11和后轮55的链轮通过链条相连接。而且，前轮54由电动机53来驱动，由此，辅助脚蹬2的踏力。

利用脚蹬2进行旋转的链轮11，作为旋转体10的一部分与曲轴4相连接。旋转体10包括：与链条啮合的链轮（从动旋转部件）11、固定有曲轴4并且具有插入链轮11的中央开口11a内的圆筒状的轮毂部12a的圆盘（主动旋转部件）12、作为连接链轮11和圆盘12的弹性部件的压缩螺旋弹簧13。

在链轮11上，以围绕中央开口11a的方式形成有四个弹簧插入孔11b。在圆盘12上设有相对于链轮11的平面滑动相接的凸缘部12b，在该凸缘部12b上设有插入弹簧插入孔11b内的弹簧支承部12c。而且，在压缩螺旋弹簧13的一端，插入有形成于弹簧插入孔11b的端部的凸部11c，在压缩螺旋弹簧13的另一端，插入有形成于弹簧支承部12c的凸部12d，由此，防止压缩螺旋弹簧13从弹簧插入孔11b脱落。

在这种旋转体10中，圆盘12依靠脚蹬2的踏力进行旋转，该圆盘12的旋转力通过压缩螺旋弹簧13传递给链轮11。而且，在旋转体10上安装有用于检测传递给圆盘12的踏力的扭矩变动的扭矩检测装置1。

扭矩检测装置1具备：在周向交替磁化有S极和N极的环状磁铁21（参照图10）；第一磁轭22，其具有分别保持间隙与磁铁21的S极对峙并排列成环状的齿状的第一被磁化部22a、和以连接各个第一被磁化部22a的方式形成为环状的第一环状板22b；第二磁轭23，其具有分别保持间隙与磁铁21的N极对峙并排列成环状的齿状的第二被磁化部23a、和以连接各个第二被磁化部23a的方式形成为环状，且与第一环状板22b面对面配置的第二环状板23b；霍尔元件24，其配置在第一环状板22b和第二环状板23b之间并检测磁量。

如图1～图5所示，在第一磁轭22上，第一被磁化部22a在相对于旋转体10的旋转轴线L大致正交的方向以等间隔形成为梯形的齿状。第一环状板22b以连接各第一被磁化部22a的基端的方式形成为环状，第一环状板22b的面部相对于第一被磁化部22a配置成大致直角。而且，在第一环状板22b的基端，在各个第一被磁化部22a之间形成有切口部22c，第二磁轭23的第二被磁化部23a保持间隙地插入该切口部22c内。

如图1～图3及图6、图7所示，在第二磁轭23上，第二被磁化部23a在相对于旋转体10的旋转轴线L大致正交的方向以等间隔形成为梯形的齿状。第二环状板23b与以连接各第二被磁化部23a的基端的方式形成为环状的环状扩大部23c相接合。而且，第二环状板23b的面部相对于第二被磁化部23a配置成大致直角，并且，配置于第一环状板22b的外侧。

各第一及第二被磁化部22a、23a排列在图8及图9所示的环状的非磁性（例如铝）的环状垫片27上。该环状垫片27以包围环状磁铁21的方式配置，并且，与第一及第二被磁化部22a、23a抵接，用作第一及第二被磁化部22a、23a的底座。通过采用垫片27，能够实现第一及第二磁轭22、23的落座稳定化。并且，垫片27的壁厚比磁铁21的壁厚稍大，因此，能够利用壁厚的差量在第一及第二被磁化部22a、23a和磁铁21的表面之间，容易且高精度地形成稍许的间隙。

另外，如图10所示，第一被磁化部22a和第二被磁化部23a通过垫片27排列在相对于旋转体10的旋转轴线L正交延伸的同一平面上。而且，各第一被磁化部22a相对于磁铁21的S极保持间隙分别对峙，各第二被磁化部23a相对于磁铁21的N极保持间隙分别对峙，由此，第一环状板22b在整周上形成S极，第二环状板23b也在整周上形成N极。

采用垫片27时，能够容易地实现被磁化部22a、23a的平坦化，由此，能够使磁铁21和被磁化部22a、23a以等间隔分开，所以能够在第一及第二环状板22b、23b上形成均匀的磁性。因此，不论是旋转体10的哪个位置，都能够用配置于第一环状板22b和第二环状板23b之间的霍尔元件24，可靠且高精度地检测变动扭矩。

如图1～图3所示，磁铁21由粘接剂固定于圆盘12的轮毂部12a。第一及第二磁轭22、23通过贯通形成于第一及第二被磁化部22a、23a的螺丝插入孔22d、23d（参照图4及图6）的螺丝25、26固定于非磁性的垫片27上，垫片27由粘接剂固定于链轮11上。在由铝等非磁性体构成的垫片27上设有定位凸部27a（参照图8及图9），该定位凸部27a插入形成于链轮11上的定位凹部11d内，实现了垫片27的安装作业的效率化。

另外，配置在第一环状板22b和第二环状板23b之间的霍尔元件24被固定于电路基板28上，该电路基板28被固定于未图示的链盒、主车架等非旋转部件上。而且，从电路基板28到控制部57进行配线。

如图11的（a）所示，在自行车的定速行驶中，形成各第一被磁化部22a与磁铁21的S极对峙、各第二被磁化部23a与磁铁21的N极对峙的状态。从该状态开始脚踏脚蹬2使自行车加速时，如图11的（b）所示，磁铁21向箭头A方向移动。此时，在霍尔元件24中通过的磁场的方向及磁通量产生变化，由霍尔元件24将该变化转换为电信号，该电信号被发送至控制部57，且根据电信号使电动机53的输出增加。另外，可以说在自行车的行驶开始时也是同样的情况。

如图15、图16所示，具有霍尔元件24的扭矩检测装置1与控制部57连接。另外，在控制部57经由连接器还连接有：电动机53、设于主车架51的大致中央的蓄电池58、设于手把56并进行电源接通、断开操作等的控制器59、设于前部的灯61。而且，在控制部59连接有制动开关60。控制部57储存有CPU（Central Processing Unit）和控制电动助力自行车50的程序，根据由扭矩检测装置1检测的脚蹬2的踏力的检测信息或基于制动开关60的制动操作的信息等，进行电动机53的输出的控制。

在前文叙述的扭矩检测装置1中，在旋转体10上固定有磁铁21、第一磁轭22和第二磁轭23，旋转体10通过压缩螺旋弹簧13将圆盘（主动旋转部件）12和链轮（从动旋转部件）11相连接，用作为磁传感器的霍尔元件24检测圆盘（主动旋转部件）12和链轮（从动旋转部件）11的相位差。在检测施加在旋转体10上的扭矩变动时，扭矩检测装置1越是复杂的结构越容易损坏。因此，扭矩检测装置1结构简单是非常重要的。此外，由于要求自行车小型轻量化，所以也希望扭矩检测装置1小型轻量化。

于是，为了达到这种目的，前文叙述的扭矩检测装置1由环状磁铁21、第一环状磁轭22、第二环状磁轭23和霍尔元件24构成，在环状磁铁21上，沿周向交替磁化有S极和N极，第一磁轭22具有与磁铁21的S极分别对峙并排列成环状的齿状的第一被磁化部22a、和以连接各个第一被磁化部22a的方式形成为环状的第一环状板22b，第二磁轭23具有与磁铁21的N极分别对峙并排列成环状的齿状的第二被磁化部23a、和以连接各个第二被磁化部23a的方式形成为环状且与第一环状板22b面对面配置的第二环状板23b，霍尔元件24配置于第一环状板22b和第二环状板23b之间。

因此，在扭矩检测装置1中，即使霍尔元件24及磁铁21为1个，也能够可靠地检测施加在圆盘（主动旋转部件）12上的扭矩的变动，由此，可将扭矩检测装置1设计成简单的结构，并且易使其小型化。进而，能够与旋转体10的旋转速度无关地、可靠地检测扭矩的变化。

当然，本发明不限定于前文叙述的实施方式。

例如，如图12及图13所示，在第一磁轭32中，第一被磁化部32a在相对于旋转体10的旋转轴线L大致正交的方向形成为梯形的齿状。各第一被磁化部32a与环状的连接板32c的一端相接合，该连接板32c相对于第一被磁化部32a配置成直角。在该连接板32c的另一端，接合有相对于旋转轴线L大致呈直角的具有平面部的第一环状板32b。

在第二磁轭33中，第二被磁化部33a在相对于旋转体10的旋转轴线L大致正交的方向形成为梯形的齿状。各第二被磁化部33a的基端接合有相对于旋转轴线L大致呈直角的具有平面部的第二环状板33b。采用这种形状的第一及第二磁轭32、33时，可以实现第一及第二磁轭32、33的扁平薄型化。

在旋转体10中，使磁铁21固定在链轮（从动旋转部件）11上，使第一及第二磁轭22、32、23、33固定在圆盘（主动旋转部件）12上，也能够达到初始的目的。

霍尔元件24也可以设置多个。也可以如图14所示，例如在夹着旋转轴线L相对向的位置，即以旋转轴线L为中心、以180度的间隔设置两个霍尔元件24。

作为磁传感器，也可以不是霍尔元件而是MR传感器。

本发明的扭矩检测装置，在电动及电动助力自行车以外也可以应用。

在上述实施方式的电动及电动助力自行车中，制造成了利用电动机驱动前轮，但也可以制造成利用电动机驱动后轮。

Claims

1.一种扭矩检测装置，其检测施加在具有主动旋转部件和经由弹性部件与所述主动旋转部件连接的从动旋转部件的旋转体的所述主动旋转部件上的扭矩，其特征在于，具备：

沿周向交替磁化有S极和N极的环状磁铁；

第一磁轭，其具有分别与所述磁铁的所述S极对峙并排列成环状的第一被磁化部、以连接各个所述第一被磁化部的方式形成为环状的第一环状板；

第二磁轭，其具有分别与所述磁铁的所述N极对峙并排列成环状的第二被磁化部、以连接各个所述第二被磁化部的方式形成为环状且与所述第一环状板面对面配置的第二环状板；

磁传感器，其配置在所述第一环状板和所述第二环状板之间并检测磁量，

所述磁铁固定于所述旋转体的所述主动旋转部件和所述从动旋转部件中的任何一方，所述第一及第二磁轭部件固定于所述旋转体的另一方，所述磁传感器固定于非旋转部件上。

2.根据权利要求1所述的扭矩检测装置，其特征在于，还具备非磁性的环状垫片，该环状垫片以包围所述磁铁的方式配置，并且，与所述第一及第二被磁化部抵接，形成所述第一及第二被磁化部的底座。

3.根据权利要求1或2所述的扭矩检测装置，其特征在于，所述第一被磁化部和所述第二被磁化部排列成相对于所述旋转体的旋转轴线正交延伸的同一平面状。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的扭矩检测装置，其特征在于，所述第一及第二被磁化部，在相对于所述旋转体的旋转轴线大致正交的方向形成为齿状，所述第一及第二环状板的面部相对于所述第一及第二被磁化部配置成大致直角。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的扭矩检测装置，其特征在于，所述第一及第二被磁化部，在相对于所述旋转体的旋转轴线大致正交的方向形成为齿状，所述第一及第二环状板的平面部相对于所述旋转轴线配置成大致直角。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的扭矩检测装置，其特征在于，在所述主动旋转部件上，固定有可连接脚蹬的曲轴。

7.一种自行车，具备：权利要求1～6中任一项所述的扭矩检测装置、驱动车轮的电动机、根据所述扭矩检测装置的检测信息进行所述电动机的控制的控制部。