CN1308158C - 踏力检测装置 - Google Patents

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Abstract

由螺旋驱动齿轮(36H)和螺旋从动齿轮(滑筒)(43)将使曲柄轴(36)回转的踏力的一部分朝曲柄轴的轴向形成分力。由该分力使滑筒(43)偏倚，通过推力轴承(45)推压负荷检测部(40)。负荷检测部(40)由树脂电介体和夹着电介体相向配置的2电极构成。相对于滑筒(43)的偏倚力(代表踏力)压缩电介体，改变电极间距离。该电极间距离由检测电路处理，检测踏力。

Description

踏力检测装置
技术领域
本发明涉及一种踏力检测装置，该踏力检测装置用于检测由手加在轮椅的手柄圈(ハニドルリム)的转矩、加在自行车或脚踏小船(足漕ずボヘド)的踏力(以下将这些转矩和踏力统称为“踏力”)；特别是涉及根据随所施加的踏力而变化的静电容量检测踏力的大小的踏力检测装置。
背景技术
将踏力作为静电容量的变化将其检测出的踏力检测装置已为人们所知。例如在日本特开2000-118476号公报中记载有一种踏力检测装置，该踏力检测装置将从踏力输入装置输入的踏力通过弹性构件传递到与驱动轮连接的驱动力输入装置；其中，根据随驱动力输入装置与踏力输入装置的相对回转量而变化的静电容量输出与上述相对回转量对应的踏力值。
该公报中所记载的可变容量传感器相互层压蒸镀于绝缘膜表面的第1和第2电极，而且将其卷成筒状，该筒状传感器相应于上述各输入装置的相对回转量沿径向受压。
在上述现有技术的踏力检测装置中，形成由踏力对可变容量传感器的电极加压的构成，所以，要求能够承受随大的加压力的机械性质，而且构造复杂。另外，由于为在绝缘膜蒸镀电极的构造，所以，不容易提高强度和耐久性。这样，对于现有技术的传感器，构造和部件材质的选择等受到很大的限制。
本发明的目的在于解决上述现有技术的问题，提供具有可获得高的耐久力的构造的踏力检测装置。
发明内容
为了达到上述目的，本发明的第1方面在于：具有分力装置，静电容量传感器和推力轴承，该分力装置将使驱动轴回转的踏力的一部分朝该驱动轴的轴向形成分力，该静电容量传感器受到上述轴向分力的作用，相应于该分力的大小改变静电容量，该推力轴承承受该分力，上述静电容量传感器由利用树脂弹性材料所构成的电介体和夹住上述电介体配置的电极构成，上述分力通过上述推力轴承作用在上述静电容量传感器上。
另外，本发明的第2方面在于：上述分力装置包括由踏力驱动回转的螺旋驱动齿轮和螺旋从动齿轮，上述螺旋驱动齿轮和螺旋从动齿轮中的任一方可朝上述驱动轴的轴向偏倚，并且可相应于上述偏倚产生的弹性力改变电极间距离地配置上述静电容量传感器。
另外，本发明的第3方面在于：在上述电极的一方通过上述推力轴承作用上述弹性力。
另外，本发明的第4方面在于：上述电介体由片状的粘合性树脂材料构成或由多个树脂球状体和充填于该树脂球状体间的粘合剂构成。另外，本发明的第5方面在于：与上述静电容量传感器相邻、且共用上述静电容量传感器的一方的电极地配置参照用静电容量传感器。
按照第1～5方面，将踏力的一部分作为分力，使静电容量传感器的电极间距离改变地作用。特别是按照第2方面，上述分力由螺旋齿轮的扭转角产生。按照第3方面，由螺旋齿轮产生的推力通过推力轴承作用于具有弹性的电介体，使夹住电介体的电极间距离变化，从而改变静电容量。
按照第4方面，电介体由其粘合性粘合固定到两侧的电极。按照第5方面，可减小环境温度和干扰的影响。
附图说明
图1为具有本发明的踏力检测装置的电动辅助自行车的侧面图。
图2为图1的沿包含曲柄轴的线的断面图。
图3为踏力传感器的放大断面图。
图4为踏力传感器的分解透视图。
图5为踏力传感器的主要部分等价电路图。
图6为踏力检测电路图。
图7为踏力检测电路的信号波形图。
图8为变形例的踏力传感器的放大断面图。
图9为变形例的踏力传感器的分解透视图。
图10电介体变形例的要部放大断面图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明。图1为具有本发明的踏力检测装置的电动辅助自行车的侧面图，图2为图1的沿包含曲柄轴的线的断面图。如图1所示，电动辅助自行车的车架21A具有位于其前端的前管22、从前管22朝后下方延伸的下伸管23、固定于下伸管23后端并沿车身左右延伸的支承管24、及从支承管24朝上方立起的车座立柱25。
在前管22可转向地支承前叉26，在该前叉26下端支承前轮WF，在前叉26上端设转向柄27，该前轮WF可由转向柄27转向。在从车座立柱25朝后方侧延伸出的左、右一对后叉28的后端支承配置于该一对后叉28间的作为驱动轮的后轮WR，在车座立柱25的上部及两后叉28之间设置左、右一对的撑条29。
在车座立柱25可调整车座30的上下位置地安装上端设有车座30的支承轴31，在车座30下方于车座立柱25的前部设有蓄电池收容箱32，在该蓄电池收容箱32中可自由装拆地收容蓄电池。
在支承管24的后方配置动力机组35，该动力机组35由支承管24及右侧的后叉28支承，并且具有从收容于蓄电池收容箱32的蓄电池供给电力的电动马达34。
在由曲柄轴36驱动的驱动链轮48与接合于后轮WR的从动链轮70之间挂设链71。驱动链轮48的回转由该链71传递到从动链轮70，驱动后轮WR。链71在驱动链轮48与从动链轮70之间还挂设于动力机组35的输出链轮69，动力机组35的输出即电动马达34产生的驱动力附加在从踏板37R、37L输入的踏力。电动马达34的输出相应于踏力的大小受到控制。为了相应于踏力控制电动马达34，设置将在后面详细说明的踏力检测装置。链71的张紧力可通过安装于从壳体75延伸的臂的空转链轮73调节。
如图2所示，在设置于上述车架21A的支承管24的两端设置滚珠轴承39L、39R，由这些滚珠轴承39L、39R支承作为驱动轴的曲柄轴36。在曲柄轴36的左端和右端分别连接曲柄踏板37L、37R，并分别由螺母54、55固定。滚珠轴承39L螺旋安装于支承管24的端部受到支承，滚珠轴承39R通过将盖56螺旋安装于支承管24的端部外周而受到支承。
在支承管24的右端固定用于收容作为踏力传感器起作用的负荷检测部40和电路基板41的传感器箱42。在曲柄轴36的右端近旁邻接着踏板37R内侧(车身中心侧)形成螺旋花键36H，在螺旋花键36H的外周设置圆筒状的滑筒43。在滑筒43形成与螺旋花键36H接合的花键，与螺旋花键36H一起回转。在滑筒43的外周通过包含棘轮机构的单向离合器44支承驱动链轮48。
设定螺旋花键36H的方向，使得当踏动踏板37L、37R时可由阻止驱动链轮48的回转地作用的力即踏力使滑筒43承受朝曲柄轴36的轴向偏倚到负荷检测部40的推力。在螺旋花键36H与上述负荷检测部40之间设置推力轴承45，上述滑筒43接受的推力通过该推力轴承45从螺旋花键36H传递到负荷检测部40。在滑筒43与踏板37R之间覆盖有罩46，该罩46覆盖滑筒43、单向离合器44、及驱动链轮48的轮毂。
图3为示出包含负荷检测部40和电路基板41等的踏力传感器要部的放大断面图，图4为其分解透视图。在形成于传感器箱42的凸起部42A的中心孔贯通曲柄轴36。在固定于传感器箱42的电路基板41形成第1电极57，在该第1电极57配置电介体58。在电介体58邻接配置第2电极59和第3电极60。电介体58、第2电极59、及第3电极60都形成为环状，配置于与凸起部42A的中心孔相同的轴上。使第3电极60位于第2电极59外周地将第3电极60的内径设定得比第2电极59的外径大。电介体58的一面连接于第1电极57，另一面连接于第2电极59。电介体58使用树脂等弹性材料，最好具有自身粘合性。
第2电极59和第3电极60通过导线部59A、60A连接到电路基板41的印刷布线电路59B、60B。在电路基板41上安装未图示的电路元件。邻接着第3电极60配置推力轴承45，该推力轴承45将踏力产生的滑筒43的推力传递到第3电极60。
按照上述构成，在第1电极57与第2电极59和第3电极60之间分别形成第1电容器和第2电容器。图5示出第1和第2电容器的等价电路。由第1电极57和第2电极59形成的第1电容器CA根据踏力改变静电容量。即，踏力产生的滑筒43的推力施加到第2电极59时，电介体58相应于推力即产生推力的踏力受到压缩。这样，第1电极57和第2电极59间的距离变小，静电容量增大。
另一方面，由于第3电极60不接触推力轴承45，所以，踏力也不压缩第3电极60和第1电极57间的电介体。因此，由第1电极57和第3电极60形成的第2电容器CB的静电量也不根据上述踏力变化。第2电容器CB抵消环境温度和杂散电容等干扰，起到用于正确检测第1电容器的容量变化的参照用电容器的作用。
图6为示出上述第1和第2电容CA、CB的踏力检测电路的图。如该图所示，构成包含第1电容器(以下称“检测电容器”)CA、电阻R3、及比较器IC2的第1振荡器和包含第2电容器(以下称“参照电容器”)CB、电阻R4、及比较器IC1的第2振荡器。
向比较器IC1和比较器IC2的比较端子(正极端子)分别供给参照电容器CB和检测电容器CA的电位。比较器IC1、IC2的基准电位REF由电阻R5、R6、R7决定。比较器IC2的输出通过倒相电路N3输入到由电阻R0和电容器C0构成的时间常数电路。电阻R0和电容器C0间的电位输入到放大电路AMP入受到放大。放大电路AMP的输出被输入到CPU61的A/D转换器输入端子。包含于放大电路AMP中的运算放大器IC3的倒相输入端子的电位从CPU61经由D/A转换器62供给。
向比较器IC1的基准电位端子输入由电阻R5、R6、R7形成的基准电位REF-L、REF-H。各基准电位相互被设为以下关系。“基准电位REF-L＜REF-H”。比较器IC1的输出被输入到倒相(反相)电路N1，倒相电路N1的输出被输入到倒相电路N2和电阻R7、R4、R3。在倒相电路N2的输出侧串联电阻R1、R2。电阻R1和电阻R2间的电位连接到与检测用电容器CA相连的晶体管Tr的基极。
下面参照图7的波形图说明上述构成的踏力检测电路的动作。如该图所示，波形A示出参照电容器CB的电位(图6的点A的电位)Ecb，波形B示出倒相电路N1的输出波形(图6的点B的电位)，波形C示出静电容量小的场合的检测电容器CA的电位(图6的点C的电位)Eca，波形C′示出静电容量大的场合的检测电容器CA的电位(图6的点C的电位)Eca，波形D示出静电容量小的场合的倒相电路N3的输出波形，波形D′示出静电容量大的场合的倒相电路N3的输出波形。
当比较器IC1的输出“低”时，向比较器IC1的基准电位端子输入基准电位REF-H，点A的电位Ecb根据电阻R4和参照电容器CB决定的时间常数上升。在电位Ecb超过基准电位REF-H之前，倒相电路N1的输出为高电平。当电位Ecb超过基准电位REF-H时，供给到比较器IC1的基准电位端子的电位为基准电位REF-L，参照电容器CB成为放电状态。如切换到基准电位REF-L，使参照电容器CB开始放电，则倒相电路N1的输出立即变化成低电平。
倒相电路N1的输出为高电平期间，检测电容器CA的电位Eca上升。该上升速度随着检测电容器CA的静电容量的减小而增大(参照波形C和C′)。电位Eca超过基准电位REF-H时，比较器IC2的输出转变成高电平，倒相电路N3的输出变化为低电平(参照波形D、D′)。然而，倒相电路N1的输出在参照电容器CB的电位Ecb超过基准电位REF-H之前维持为高电平，检测电容器CA的电位Eca依然持续上升(参照波形C、C′)。
当参照电容器CB的电位Ecb超过基准电位REF-H时，倒相电路N1的输出转变成低电平，而倒相电路N2的输出变化为高电平。倒相电路N2变化为高电平，使晶体管Tr接通，检测电容器CA的电位Eca急剧下降而放电(参照波形C和C′)。结果，比较器IC2的输出迅速转变为低电平，倒相电路N3的输出变化为高电平(参照波形D、D′)。
这样，代表踏力大小的检测电容器CA的静电容量随着踏力的增大而减小。与此相随，比较器IC2的输出高电平期间变短(功率(オン·デユ—テイ)变小)，倒相电路N3的输出的功率变大。
倒相电路N3的输出在输出电阻R0和电容器C0构成的时间常数电路在根据时间常数被平滑化，然后，输入到CPU61的A/D转换器输入端子。即使为相同时间常数，倒相电路N3的输出的功率越大，则输入到A/D转换器输入端子的电位越高。因此，根据该电位，由CPU61判断踏力的大小，决定供给到电动马达34的控制信号。
通过使用不随踏力的大小改变容量的参照电容器CB，即使例如环境温度变化，也是检测电容器CA和参照电容器CB的静电容量都变化，使输出Eca、Ecb的频率变化，而不对倒相电路N3的输出的功率即电容器C0的电位产生影响。
下面说明踏力传感器的变形例。图8为示出变形例的包含负荷检测部40和电路基板41等的踏力传感器要部的放大断面图，图9为其分解透视图，与图4、图5相同的符号表示相同或同等部分。形成于电路基板41的第1电极571与第1电极57不同，不为完全的环状，而是为具有间歇部分的马蹄形。位于该间歇部分地形成导印刷布线591B、601B。在配置于第1电极571上的电介体581邻接配置第2电极591和第3电极601。在电介体581埋设连接第2电极591和印刷布线591B的导线部591A和连接第3电极601和印刷布线601B的导线部601A。导线部591A、601A都由导电性橡胶构成，在电介体581的两面露出两端部。
按照上述构成，在第1电极571与第2电极591和第3电极601之间分别形成检测电容和参照电容。第1电极571与第2电极591、第1电极571与第3电极601分别通过导线部591A、601A进行电连接，所以，可与图3的踏力传感器同样地利用于图6的电路，检测出踏力。由于可缩短导线部，所以，可减小杂散电容导致的检测误差。
上述电介体为片状的粘合性树脂，但不限于这样的片状，例如也为如下那样的情形。图10为示出电介体的变形例的断面图。如该图所示，在形成于电路基板41上的第1电极57与第2电极59之间配置多个树脂的球状体581，在该球状体581之间充填粘合剂582。球状体581与粘合剂582作为电介体起作用。球状体581的直径可在10-500μm之间选择。另外，球状体581与粘合剂582可在预先混合后涂布到第1电极57上。按照该球状体581与粘合剂582形成的电介体，可通过选择各材料和体积的比例，较容易地根据要求改变传感器的特性。
本发明不限于上述实施形式，可进行多种变形。例如，在前面的说明中，固定驱动侧的螺旋齿轮36H的轴向移动，可朝轴向使滑筒43偏倚，但该关系也可倒过来。即，也可固定驱动侧和从动侧的螺旋齿轮中的从动侧的轴向移动，使驱动侧偏倚。可使曲柄轴36和螺旋齿轮36H为各成一体的部件，使螺旋齿轮36H可相对曲柄轴36沿轴向滑动，并可通过推力轴承将该螺旋齿轮36H的轴向移动传递到静电容量传感器的负荷检测部。
如以上说明的那样，按照本发明的第1项-第6项，使踏力的一部分朝驱动轴的轴向作用，从而改变踏力传感器的静电容量。特别是按照本发明的第2项，使由螺旋齿轮的回转产生的推力作用于踏力传感器，所以构造简单。
按照本发明第3项，由于由具有弹性的电介体承受上述推力，所以，可由该弹性体的压缩和扩张动作相应于推力的大小容易地改变电容器电极间的距离。另外，按照第4、5项，由电介体的粘合力可容易地将电极相向配置为所期望的间隔。因此，可使组装作业简化，而且由于为简单的构造，所以可增大强度。按照本发明第6项，可减小环境温度和干扰的影响，使电极共同(共通)，从而可在2个静电容量传感器中容易地统一电极间距离。

Claims (6)

1、一种踏力检测装置，其特征在于：具有分力装置，静电容量传感器和推力轴承，该分力装置将使驱动轴回转的踏力的一部分朝该驱动轴的轴向形成分力，该静电容量传感器受到上述轴向分力的作用，相应于该分力的大小改变静电容量，该推力轴承承受该分力，上述静电容量传感器由利用树脂弹性材料所构成的电介体和夹住上述电介体配置的电极构成，上述分力通过上述推力轴承作用在上述静电容量传感器上。
2、如权利要求1所述的踏力检测装置，其特征在于：
上述分力装置包括由踏力驱动回转的螺旋驱动齿轮和螺旋从动齿轮，
上述螺旋驱动齿轮和螺旋从动齿轮中的任一方可朝上述驱动轴的轴向偏倚，
并且相应于上述偏倚产生的弹性力改变电极间距离地配置上述静电容量传感器。
3、如权利要求2所述的踏力检测装置，其特征在于：
在上述电极的一方通过上述推力轴承作用上述弹性力。
4、如权利要求3所述的踏力检测装置，其特征在于：上述电介体为片状的粘合性树脂材料。
5、如权利要求3所述的踏力检测装置，其特征在于：上述电介体由多个树脂球状体和充填于该树脂球状体间的粘合剂构成。
6、如权利要求1-5中任何一项所述的踏力检测装置，其特征在于：与上述静电容量传感器相邻、且共用上述静电容量传感器的一方的电极地配置参照用静电容量传感器。
CNB01141233XA 2000-10-10 2001-10-10 踏力检测装置 Expired - Fee Related CN1308158C (zh)

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