DE10149912A1 - Tretkraft-Erfassungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird die Struktur eines Tretkraftsensors vereinfacht, wobei der Tretkraftsensor leicht montiert werden kann und eine erhöhte mechanische Festigkeit aufweist. Ein schräg verzahntes Antriebszahnrad (36H) und ein schräg verzahntes Abtriebszahnrad (Schlitten) (43) zweigen einen Teil einer Tretkraft zum Drehen einer Kurbelwelle (36) in Axialrichtung der Kurbelwelle ab. Die abgezweigte Kraft verschiebt den Schlitten (43), wodurch ein Schublager (45) veranlaßt wird, einen Lastdetektor (40) zusammenzudrücken. Der Lastdetektor (40) umfaßt einen dielektrischen Körper (58) aus Kunstharz und zwei Elektroden, die Sandwich-artig am dielektrischen Körper (58) gegenüberliegen. In Abhängigkeit von einer Kraft (die die Tretkraft darstellt), die den Schlitten (43) verschiebt, wird der dielektrische Körper (58) zusammengedrückt, wodurch der Abstand zwischen den Elektroden verändert wird. Der Abstand zwischen den Elektroden wird von einer Erfassungsschaltung verarbeitet, die die Tretkraft erfaßt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Tretkrafterfassungsvorrich­ tung zum Erfassen eines Drehmoments, das manuell auf die Griff-Felge eines Rollstuhls ausgeübt wird, oder einer Tretkraft, die auf die Pedale eines Fahrrades, eines Tretbootes oder dergleichen ausgeübt wird (das Drehmo­ ment und die Tretkraft werden im folgenden gemeinsam als "Tretkraft" bezeichnet), und insbesondere auf eine Tretkrafterfassungsvorrichtung zum Erfassen einer ausgeübten Tretkraft auf der Grundlage einer elektrostati­ schen Kapazität, die sich mit der ausgeübten Tretkraft ändert.

Es sind Tretkrafterfassungsvorrichtungen zum Erfassen einer Tretkraft in Form einer Änderung einer elektrostatischen Kapazität bekannt. Zum Beispiel offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2000-118476 eine Tretkrafterfassungsvorrichtung, in der eine von einem Tretkrafteingabemittel eingegebene Tretkraft auf ein Antriebskrafteingabe­ mittel übertragen wird, das über ein elastisches Element mit einem Antriebs­ rad gekoppelt ist. Die Tretkrafterfassungsvorrichtung gibt einen Tretkraftwert aus, der einer Größe der relativen Drehung zwischen dem Antriebskraftein­ gabemittel und dem Tretkrafteingabemittel entspricht, auf der Grundlage einer elektrostatischen Kapazität, die sich in Reaktion auf die Größe der relativen Drehung ändert.

Die obige Anmeldung beschreibt einen veränderlichen Kapazitätssensor, der eine Rolle aus gestapelten ersten und zweiten Elektroden umfaßt, die jeweils auf die Oberfläche eines Isolierfilms aufgedampft sind. Der rollenförmige Sensor wird in Abhängigkeit von der Größe der relativen Drehung zwischen den Eingabemitteln radial zusammengedrückt.

Die herkömmliche Tretkrafterfassungsvorrichtung ist so angeordnet, daß die Elektroden des veränderlichen Kapazitätssensors durch die Druckkraft zusammengedrückt werden. Die herkömmliche Tretkrafterfassungsvorrich­ tung erfordert daher eine mechanische Eigenschaft, die großen Druckkräften widerstehen kann, und weist ferner eine komplexe Struktur auf. Da jede der Elektroden auf den Isolierfilm aufgedampft ist, ist es nicht einfach, deren Festigkeit und Haltbarkeit zu erhöhen. Beim herkömmlichen Sensor ergeben sich somit Probleme durch die großen Abmessungen seiner Struktur und bei der Materialauswahl für seine Teile.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Tretkrafterfas­ sungsvorrichtung zu schaffen, die die Probleme der herkömmlichen Tret­ krafterfassungsvorrichtung löst und eine Struktur mit hoher Haltbarkeit aufweist.

Um die obenerwähnte Aufgabe zu lösen, weist die vorliegende Erfindung ein erstes Merkmal auf, das ein Kraftabzweigungsmittel aufweist zum Abzweigen eines Teils einer Tretkraft zum Drehen einer Antriebswelle in eine Axialrich­ tung der Antriebswelle, sowie einen elektrostatischen Kapazitätssensor zum Ändern einer elektrostatischen Kapazität in Abhängigkeit von der Größe einer abgezweigten Kraft, die darauf in Axialrichtung ausgeübt wird. Die vorliegende Erfindung weist das zweite Merkmal auf, daß das Kraftabzwei­ gungsmittel ein schrägverzahntes Antriebszahnrad umfaßt, das durch eine Tretkraft gedreht werden kann, sowie ein schrägverzahntes Abtriebszahnrad, wobei entweder das schrägverzahnte Antriebszahnrad oder das schrägver­ zahnte Abtriebszahnrad in Axialrichtung der Antriebswelle verschiebbar ist, und wobei der elektrostatische Kapazitätssensor so angeordnet ist, daß er einen Zwischenelektrodenabstand ändert in Abhängigkeit von einer Vor­ spannkraft, die erzeugt wird, wenn entweder das schrägverzahnte Antriebs­ zahnrad oder das schrägverzahnte Abtriebszahnrad verschoben wird.

Die vorliegende Erfindung weist das dritte Merkmal auf, daß ein Schublager vorgesehen ist zum Aufnehmen der Vorspannkraft, die erzeugt wird, wenn entweder das schrägverzahnte Antriebszahnrad oder das schrägverzahnte Abtriebszahnrad verschoben wird, wobei der elektrostatische Kapazitätssen­ sor einen elastischen dielektrischen Körper und Elektroden umfaßt, die sandwich-artig am dielektrischen Körper angesetzt sind, wobei der elektro­ statische Kapazitätssensor so angeordnet ist, daß die Vorspannkraft über das Schublager auf eine der Elektroden ausgeübt wird.

Die vorliegende Erfindung weist das vierte Merkmal auf, daß der dielektri­ sche Körper eine Schicht eines Klebstoff-Harzmaterials oder mehrere kugelförmige Harzkörper und einen zwischen die kugelförmigen Harzkörper gefüllten Klebstoff umfaßt. Die vorliegende Erfindung weist das fünfte Merkmal auf, daß sie einen elektrostatischen Referenzkapazitätssensor bereitstellt, der sich die Elektroden mit dem elektrostatischen Kapazitätssen­ sor teilt und neben dem elektrostatischen Kapazitätssensor angeordnet ist.

Gemäß den ersten bis fünften Merkmalen wird ein Teil der Tretkraft abge­ zweigt und zum Ändern des Zwischenelektrodenabstands des elektrostati­ schen Kapazitätssensors verwendet. Insbesondere gemäß dem zweiten Merkmal wird die abgezweigte Kraft erzeugt durch den Steigungswinkel der schrägverzahnten Zahnräder. Gemäß dem dritten Merkmal wird eine von den schrägverzahnten Zahnrädern erzeugte Schubkraft über das Schublager auf den elastischen dielektrischen Körper ausgeübt, was den Abstand zwischen den Elektroden ändert, die sandwich-artig den dielektrischen Körper umge­ ben, wodurch die elektrostatische Kapazität geändert wird.

Gemäß dem vierten Merkmal ist der dielektrische Körper an seinen beiden Seiten mit den Elektroden verklebt und fixiert aufgrund der klebenden Eigenschaft des dielektrischen Körpers. Gemäß dem fünften Merkmal kann die Tretkrafterfassungsvorrichtung die Auswirkungen der Umgebungstempe­ ratur und von Störungen reduzieren.

Wie oben beschrieben worden ist, wird gemäß der in den Ansprüchen 1 bis 6 beschriebenen Erfindung ein Teil einer Tretkraft in Axialrichtung der An­ triebswelle ausgeübt, um die elektrostatische Kapazität des Tretkraftsensors zu ändern. Gemäß der in Anspruch 2 beschriebenen Erfindung ist insbeson­ dere die Struktur einfach, da die durch die Drehung der schrägverzahnten Zahnräder erzeugte Schubkraft auf den Tretkraftsensor ausgeübt werden kann.

Da gemäß der in Anspruch 3 beschriebenen Erfindung die Schubkraft vom elastischen dielektrischen Körper aufgenommen wird, wenn der dielektrische Körper zusammengedrückt und gestreckt wird, kann der Abstand zwischen den Elektroden des Kondensators leicht in Abhängigkeit von der Größe der Schubkraft verändert werden. Gemäß der in den Ansprüchen 4 und 5 beschriebenen Erfindung können die Elektroden leicht in einem gewünschten Abstand gegenüberliegend positioniert werden mittels der Klebekraft des dielektrischen Körpers. Die Elektroden können somit einfach zusammenge­ fügt werden, wobei die mechanische Festigkeit aufgrund der einfachen Struktur erhöht werden kann. Gemäß der im Anspruch 6 beschriebenen Erfindung können die Auswirkungen der Umgebungstemperatur und von Störungen reduziert werden, wobei die Elektroden von zwei elektrostatischen Kapazitätssensoren gemeinsam genutzt werden, um die Zwischenelektro­ denabstände der beiden anzugleichen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines motorunterstützten Fahrrades, das eine Tretkrafterfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht längs einer Linie, die eine Kurbelwelle in Fig. 1 enthält;

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Tretkraftsensors;

Fig. 4 eine perspektivische Explosionsansicht des Tretkraftsensors;

Fig. 5 ein Schaltbild, das eine Äquivalenzschaltung eines Abschnitts des Tretkraftsensors zeigt;

Fig. 6 ein Schaltbild, das eine Tretkrafterfassungsschaltung zeigt;

Fig. 7 ein Schaubild, das die Signalformen der Signale in der Tretkrafter­ fassungsschaltung zeigt;

Fig. 8 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Tretkraftsensors gemäß einer Abwandlung der Erfindung;

Fig. 9 eine perspektivische Explosionsansicht des Tretkraftsensors gemäß der Abwandlung der Erfindung; und

Fig. 10 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts eines dielektrischen Körpers gemäß einer Abwandlung der Erfindung.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines motorunterstützten Fahrra­ des, das eine Tretkrafterfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht längs einer Linie, die eine Kurbelwelle in Fig. 1 enthält. In Fig. 1 enthält ein motorunterstütztes Fahrrad einen Körperrahmen 21A, der ein Kopfrohr 22 an seinem Vorder­ ende, ein Unterrohr 23, das sich vom Kopfrohr 22 nach hinten unten er­ streckt, ein am hinteren Ende des Unterrohrs 23 fixiertes Trägerrohr 24, das sich quer zum Fahrrad erstreckt, und ein Sattelrohr 25, das sich vom Träger­ rohr 24 nach oben erstreckt.

Eine Vordergabel 26 ist durch das Kopfrohr 22 drehbar unterstützt. Ein Vorderrad WF ist durch eine Achse am unteren Ende der Vordergabel 26 unterstützt und kann durch einen Lenker 27 gelenkt werden, der am oberen Ende der Vordergabel 26 montiert ist. Zwei seitlich beabstandete Hinterga­ beln 28 erstrecken sich vom Sattelrohr 25 nach hinten. Ein Hinterrad WR ist als Antriebsrad zwischen den Hintergabeln 28 angeordnet und ist durch eine Achse an den hinteren Enden der Hintergabeln 28 unterstützt. Zwei seitlich beabstandete Stützen 29 sind zwischen einem oberen Abschnitt des Sattel­ rohrs 25 und den Hintergabeln 28 angeordnet.

Eine Sattelstütze 31 mit einem an ihrem oberen Ende montierten Sattel 30 ist am Sattelrohr 25 montiert, um die Höhe des Sattels 30 einzustellen. Ein Batterieaufbewahrungskasten 32, in welchem eine Batterie entnehmbar aufbewahrt ist, ist an einem vorderen Abschnitt des Sattelrohrs 25 unterhalb des Sitzes 30 montiert.

Eine Antriebseinheit 35 ist hinter dem Trägerrohr 24 angeordnet und besitzt einen Elektromotor 34, der von der im Batterieaufbewahrungskasten 32 enthaltenen Batterie mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Antriebsein­ heit 35 wird vom Trägerrohr 24 und der rechten Hintergabel 28 unterstützt.

Eine Kette 71 ist um ein Antriebskettenrad 48, das von einer Kurbelwelle 36 angetrieben wird, und ein Abtriebskettenrad 70, das mit dem Hinterrad WR gekoppelt ist, gespannt. Die Drehung des Antriebskettenrads 48 wird von der Kette 71 auf das Abtriebskettenrad 70 übertragen, welches das Hinterrad WR antreibt. Die Kette 71 ist ferner um ein Abtriebskettenrad 79 der An­ triebseinheit 35 zwischen dem Antriebskettenrad 48 und dem Abtriebsketten­ rad 70 geführt, um die Ausgangsleistung der Antriebseinheit 35, d. h. die vom Elektromotor 34 erzeugte Antriebskraft, zu einer von den Pedalen 37R, 37L eingegebenen Tretkraft hinzuzufügen. Die Ausgangsleistung des Elektro­ motors 34 wird in Abhängigkeit von der Größe der Tretkraft gesteuert. Eine Tretkrafterfassungsvorrichtung, die später genauer beschrieben wird, ist vorgesehen zum Steuern des Elektromotors 34 in Abhängigkeit von der Tretkraft. Die Spannung der Kette 71 wird eingestellt mittels eines Freilauf­ kettenrades 73, das an einem von einem Gehäuse 75 ausgehenden Arm montiert ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt, sind Kugellager 39L, 39R auf entsprechenden gegen­ überliegenden Enden des Trägerrohrs 24 des Körperrahmens 21A montiert, wobei die Kurbelwelle 36 als Antriebswelle von den Kugellagern 39L, 39R unterstützt wird. Die Kurbelwelle 36 weist ein linkes und ein rechts Ende auf, die jeweils mit den Kurbelpedalen 37L, 37R gekoppelt sind und mittels entsprechender Muttern 54, 55 befestigt sind. Das Kugellager 39L ist mit seinem Gehäuse in das Ende des Trägerrohrs 24 eingeschraubt, wobei das Kugellager 39R mit seiner Kappe 56, die über das Ende des Trägerrohrs 24 geschraubt ist, vom Trägerrohr 24 unterstützt ist.

Ein Lastdetektor 40, der als ein Tretkraftsensor dient, und ein Sensorgehäu­ se 42, das eine Schaltungsplatine 41 aufnimmt, sind am rechten Ende des Trägerrohrs 24 befestigt. Die Kurbelwelle 36 weist schräge (schrauben­ linienförmige) Nuten 36H auf, die nahe ihrem rechten Ende neben einer Innenseite des Kurbelpedals 37R (der Mitte des Körperrahmens zugewandt) ausgebildet sind, wobei ein rohrförmiger Schlitten 43 um die schrägen Nuten 36H angeordnet ist. Der Schlitten 43 weist Nuten auf, die mit den schrägen Nuten 36H gekoppelt sind, um sich mit diesen zu drehen. Das Antriebsket­ tenrad 48 ist auf den Schlitten 43 mittels einer Freilaufkupplung 44 unter­ stützt, die einen Ratschenmechanismus enthält.

Die schrägen Nuten 36H sind so ausgerichtet, daß dann, wenn auf die Kurbelpedale 37L, 37R getreten wird, der Schlitten 43 einer Schubkraft ausgesetzt ist, die den Schlitten 43 in Richtung zum Lastdetektor 40 in Axialrichtung der Kurbelwelle 36 verschiebt durch eine Kraft, die ausgeübt wird, um das Antriebskettenrad 48 an einer Drehung zu hindern, d. h. durch eine Tretkraft. Ein Schublager 45 ist zwischen den schrägen Nuten 36H und dem Lastdetektor 40 angeordnet. Die Schubkraft, die von den schrägen Nuten 36H auf den Schlitten 43 ausgeübt wird, wird über das Schublager 45 auf den Lastdetektor 40 übertragen. Zwischen dem Schlitten 43 und dem Kurbelpedal 37R ist eine Abdeckung 46 angeordnet, die den Schlitten 43, die Freilaufkupplung 40 und die Nabe des Kettenrades 48 abdeckt.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines wesentlichen Abschnitts des Tretkraftsensors, der den Lastdetektor 40, die Leiterplatte 41 und dergleichen enthält. Fig. 4 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Tretkraftsensors. Die Kurbelwelle 36 erstreckt sich durch eine Zentralboh­ rung in einer Bosse 42A eines Sensorgehäuses 42. Die Leiterplatte 41 ist am Sensorgehäuse 42 befestigt und unterstützt eine erste Elektrode 57 mit einem darauf angeordneten dielektrischen Körper 58. Eine zweite Elektrode 59 und eine dritte Elektrode 60 sind neben dem dielektrischen Körper 58 angeordnet. Der dielektrische Körper 58, die Elektrode 59 und die dritte Elektrode 60 weisen eine Ringform auf und sind koaxial zur Zentralbohrung der Pose 42A angeordnet. Der Innendurchmesser der dritten Elektrode 60 ist größer als der Außendurchmesser der zweiten Elektrode 59, so daß die dritte Elektrode 60 außerhalb der zweiten Elektrode 59 positioniert ist. Der dielek­ trische Körper 58 besitzt eine Oberfläche, die mit der ersten Elektrode 57 verklebt ist, sowie eine weitere Oberfläche, die mit der zweiten Elektrode 59 verklebt ist. Der dielektrische Körper 58 umfaßt vorzugsweise ein elastisches Material, wie z. B. ein Kunstharz, und weist eine Klebefähigkeit auf.

Die zweite Elektrode 59 und die dritte Elektrode 60 sind mit entsprechenden gedruckten Verdrahtungsleitungen 59B, 60B auf der Leiterplatte 41 mittels entsprechender Leitungen 59A, 60A verbunden. Auf der Leiterplatte 41 sind nicht gezeigte Schaltungselemente montiert. Das Schublager 45 zum Übertragen der auf den Schlitten 43 mittels der Tretkraft ausgeübten Druck­ kraft auf die dritte Elektrode 60 ist neben der dritten Elektrode 60 angeordnet.

Mit der obigen Anordnung werden ein erster Kondensator und ein zweiter Kondensator zwischen der ersten Elektrode 57 und der zweiten Elektrode 59 und zwischen der ersten Elektrode 57 und der dritten Elektrode 60 ausgebil­ det. Fig. 5 zeigt eine Äquivalenzschaltung des ersten und des zweiten Kondensators. Die elektrostatische Kapazität des ersten Kondensators CA, der von der ersten Elektrode 57 und der zweiten Elektrode 59 gebildet wird, ändert sich in Abhängigkeit von der Tretkraft. Genauer, wenn die auf den Schlitten 49 mittels der Tretkraft ausgeübte Schubkraft auf die zweite Elektrode 59 wirkt, wird der dielektrische Körper 58 in Abhängigkeit von der Schubkraft, d. h. von der die Schubkraft erzeugenden Tretkraft, zusammen­ gedrückt. Der Abstand zwischen der ersten Elektrode 57 und der zweiten Elektrode 59 wird reduziert, wodurch die elektrostatische Kapazität erhöht wird.

Da die dritte Elektrode 60 nicht gegen das Schublager 45 gedrückt wird, wird der dielektrische Körper zwischen der dritten Elektrode 60 und der ersten Elektrode 59 durch die Tretkraft nicht zusammengedrückt. Somit wird die elektrostatische Kapazität des zweiten Kondensators CB, der zwischen der ersten Elektrode 57 und der dritten Elektrode 60 ausgebildet ist, durch die Tretkraft nicht verändert. Der zweite Kondensator CB dient als ein Referenz­ kondensator zum Beseitigen von Störungen aufgrund der Umgebungstempe­ ratur und der Streukapazität, um eine Änderung der Kapazität des ersten Kondensators genau zu erfassen.

Fig. 6 zeigt eine Tretkrafterfassungsschaltung, die einen ersten und einen zweiten Kondensator CA bzw. CB enthält. In Fig. 6 weist die Tretkrafterfas­ sungsschaltung einen ersten Oszillator auf, der den ersten Kondensator CA (im folgenden als "Erfassungskondensator" bezeichnet), einen Widerstand R3 und einen Komparator IC2 enthält, sowie einen zweiten Oszillator, der den zweiten Kondensator CB (im folgenden als "Referenzkondensator" bezeichnet) einen Widerstand R4 und einen Komparator IC2 enthält.

Der Komparator IC1 und der Komparator IC2 besitzen entsprechende Vergleichsanschlüsse (positive Anschlüsse), denen entsprechende Poten­ tiale des Referenzkondensators CB und des Erfassungskondensators CA zugeführt werden. Ein Referenzpotential REF der Komparatoren IC1, IC2 wird mittels der Widerstände R5, R6, R7 bestimmt. Ein Ausgang vom Komparator IC2 wird über einen Invertierer N3 einer Zeitkonstantenschaltung zugeführt, die einen Widerstand R0 und einen Kondensator C0 umfaßt. Das Potential zwischen dem Widerstand R0 und dem Kondensator C0 wird an eine Verstärkerschaltung AMP angelegt und verstärkt. Ein Ausgang der Verstärkerschaltung AMP wird an einem A/D-Umsetzer-Eingangsanschluß einer CPU 61 angelegt. Die Verstärkerschaltung AMP enthält einen Opera­ tionsverstärker IC3 mit einem invertierenden Eingangsanschluß, dessen Potential von der CPU 61 über einen D/A-Umsetzer 62 zugeführt wird.

Der Komparator IC1 besitzt einen Referenzpotentialanschluß, dem die Referenzpotentiale REF-L, REF-H zugeführt werden, die von den Widerstän­ den R5, R6, R7 erzeugt werden. Die Referenzpotentiale REF-L, REF-H stehen zueinander in Beziehung über REF-L < REF-H. Ein Ausgang vom Komparator IC1 wird einem Invertierer N1 zugeführt, dessen Ausgang an einen Invertierer N2 und die Widerstände R7, R4, R3 angelegt wird. Die Widerstände R1, R2 sind in Serie mit dem Ausgangsanschluß des Invertie­ rers N2 verbunden. Das Potential zwischen den Widerständen R1, R2 wird an die Basis eines Transistors Tr angelegt, der mit dem Erfassungskonden­ sator CA verbunden ist.

Im folgenden wird mit Bezug auf das in Fig. 7 gezeigte Signalformdiagramm die Operation der so angeordneten Tretkrafterfassungsschaltung beschrie­ ben. In Fig. 7 stellt eine Signalform A das Potential Ecb des Referenzkon­ densators CB dar (das Potential am Punkt A in Fig. 6), während eine Signal­ form B die Ausgangssignalform (das Potential am Punkt B in Fig. 6) des Invertierers N1 darstellt, eine Signalform C das Potential Eca (das Potential am Punkt C in Fig. 6) des Erfassungskondensators CA darstellt, eine Signalform D die Ausgangssignalform des Invertierers N3 zu dem Zeitpunkt darstellt, zu dem die elektrostatische Kapazität klein ist, und eine Signalform D' die Ausgangssignalform des Invertierers N3 zu dem Zeitpunkt darstellt, zu dem die elektrostatische Kapazität groß ist.

Wenn der Ausgang des Komparators IC1 auf Niedrigpegel liegt, wird das Referenzpotential REF-H an den Referenzpotentialanschluß des Kompara­ tors IC1 angelegt, wobei das Potential Ecb am Punkt A entsprechend der Zeitkonstanten ansteigt, die durch den Widerstand R4 und den Referenzkon­ densator CB bestimmt wird. Der Ausgang des Invertierers N1 liegt auf Hochpegel, bis das Potential Ecb das Referenzpotential REF-H überschrei­ tet. Das dem Referenzpotentialanschluß des Komparators IC1 zugeführte Potential wird das Referenzpotential REF-L, das den Referenzkondensator CB entlädt. Wenn das Referenzpotential REF-H auf das Referenzpotential REF-L wechselt und der Referenzkondensator CB sich zu entladen beginnt, wechselt der Ausgang des Invertierers N1 unmittelbar auf Niedrigpegel.

Während der Ausgang des Invertierers N1 auf Hochpegel liegt, steigt das Potential Eca des Erfassungskondensators CA mit einer Rate an, die größer ist (siehe Signalformen C, C'), während die elektrostatische Kapazität des Erfassungskondensators CA kleiner ist. Wenn das Potential Eca das Refe­ renzpotential REF-H überschreitet, wechselt der Ausgang des Komparators IC2 auf Hochpegel, wobei der Ausgang des Invertierers N3 auf Niedrigpegel wechselt (siehe Signalformen D, D'). Der Ausgang des Invertierers N1 wird jedoch auf Hochpegel gehalten, bis das Potential Ecb des Referenzkonden­ sators CB das Referenzpotential REF-H überschreitet, wobei das Potential Eca des Erfassungskondensators CA weiterhin ansteigt (siehe Signalformen C, C').

Wenn das Potential Ecb des Referenzkondensators CB das Referenzpoten­ tial REF-H überschreitet, wechselt der Ausgang des Invertierers N1 auf Niedrigpegel, wobei der Ausgang des Invertierers N2 auf Hochpegel wech­ selt. Wenn der Ausgang des Invertierers N2 auf Hochpegel wechselt, wird der Transistor Tr eingeschaltet und das Potential Eca des Erfassungskon­ densators CA fällt scharf ab, wodurch der Erfassungskondensator CA entladen wird (siehe Signalformen C, C'). Als Ergebnis wechselt der Ausgang des Komparators IC2 schnell auf Niedrigpegel, wobei der Ausgang des Invertierers N3 auf Hochpegel wechselt (siehe Signalformen D, D').

Die elektrostatische Kapazität des Erfassungskondensators CA, die die Größe der Tretkraft darstellt, wird kleiner, wenn die Tretkraft größer wird. Die Hochpegelperiode des Ausgangs des Komparators IC2 wird kürzer (die Einschaltzeit wird kleiner), wobei die Einschaltzeit des Ausgangs des Inver­ tierers N3 größer wird.

Der Ausgang des Invertierers N3 wird durch die Zeitkonstantenschaltung geglättet, die den Ausgangswiderstand R0 und den Kondensator C0 umfaßt, entsprechend ihrer Zeitkonstanten, und wird an den A/D-Umsetzer-Ein­ gangsanschluß der CPU 61 angelegt. Selbst bei gleicher Zeitkonstante ist das an den A/D-Umsetzer-Eingangsanschluß angelegte Potential höher, wenn die Einschaltzeit des Ausgangs des Invertierers N3 größer ist. Somit ermittelt die CPU 61 die Größe der Tretkraft auf der Grundlage des an den A/D-Umsetzer-Eingangsanschluß angelegten Potentials und ermittelt ein dem Elektromotor 34 zugeführtes Steuersignal.

Da der Referenzkondensator CB, dessen Kapazität sich nicht in Abhängig­ keit von der Größe der Tretkraft ändert, verwendet wird, ändern sich selbst dann, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert beide elektrostatischen Kapazitäten des Erfassungskondensators CA und des Referenzkondensa­ tors CB, so daß sich nur die Frequenzen der Ausgänge Eca, Ecb ändern, ohne die Einschaltzeit des Ausgangs des Invertierers N3, d. h. das Potential des Kondensators C0, zu beeinflussen.

Eine Abwandlung des Tretkraftsensors wird im folgenden beschrieben. Fig. 8 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts eines modifizierten Tretkraftsensors, der den Lastdetektor 40, die Leiterplatte 41 usw. enthält, wobei Fig. 9 eine perspektivische Explosionsansicht des modifizierten Tretkraftsensors ist. Die Bezugszeichen, die identisch sind zu den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Bezugszeichen, bezeichnen identische oder äquiva­ lente Teile. Eine erste Elektrode 571 auf der Leiterplatte 41 besitzt keine vollständige Ringform, sondern eine Hufeisenform, die im Gegensatz zur ersten Elektrode 57 einen Spalt aufweist. Gedruckte Verdrahtungen 591A, 601B sind im Spalt der ersten Elektrode 571 angeordnet. Eine zweite Elektrode 591 und eine dritte Elektrode 601 sind neben einem dieelektri­ schen Körper 581 angeordnet, der auf der ersten Elektrode 571 angeordnet ist. Ein Leiter 591A, der die zweite Elektrode 591 und die gedruckte Ver­ drahtung 591B verbindet, sowie ein Leiter 601A, der die dritte Elektrode 601 und die gedruckte Verdrahtung 601B verbindet, sind im dielektrischen Körper 581 eingebettet. Die gedruckten Verdrahtungen 591B, 601B sind aus elektrisch leitendem Gummi gefertigt und weisen gegenüberliegende Enden auf, die an beiden Oberflächen des dielektrischen Körpers 581 freiliegen.

Mit der obigen Anordnung werden ein Erfassungskondensator und ein Referenzkondensator zwischen der ersten Elektrode 571 und der zweiten Elektrode 591 sowie zwischen der ersten Elektrode 571 und der dritten Elektrode 601 ausgebildet. Da die erste Elektrode 571 und die zweite Elektrode 591 sowie die erste Elektrode 571 und die dritte Elektrode 601 elektrisch miteinander über die entsprechenden Leiter 591B, 601B verbun­ den sind, kann der modifizierte Tretkraftsensor auf die in Fig. 6 gezeigte Schaltung angewendet werden, wie es bei dem in Fig. 3 gezeigten Tret­ kraftsensor der Fall ist, um eine Tretkraft zu erfassen. Da die Leiter verkürzt sein können, kann ein Erfassungsfehler aufgrund einer Streukapazität reduziert werden.

Obwohl der obenerwähnte dielektrische Körper eine Schicht eines Klebstoff­ harzes umfaßt, ist er nicht auf eine Schichtform beschränkt, sondern kann wie folgt angeordnet sein: Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht einer Ab­ wandlung des dielektrischen Körpers. In Fig. 10 sind mehrere kugelförmige Kunstharzkörper 581 zwischen der ersten Elektrode 57 und der zweiten Elektrode 59 angeordnet, die auf der Leiterplatte 41 angeordnet sind, wobei ein Klebstoff 582 zwischen die Kunstharzkörper 581 gefüllt ist. Die Kunst­ harzkörper 581 und der Klebstoff 582 wirken als dielektrischer Körper. Die Kunstharzkörper 581 können einen Durchmesser aufweisen, der im Bereich von 10 bis 500 µm liegt. Ein Gemisch aus Kunstharzkörpern 581 und dem Klebstoff 582 ist auf die erste Elektrode 57 aufgetragen. Da der dielektrische Körper aus den Kunstharzkörpern 581 und dem Klebstoff 582 besteht, ist es relativ einfach, deren Materialien und das Verhältnis ihrer Volumina zu wählen, um die Eigenschaften des Sensors nach Wunsch zu ändern.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. Zum Beispiel ist das schrägverzahnte Zahnrad 36H als Antriebszahnrad gegen eine Axialbewegung gesichert, wobei der Schlitten 43 in der dargestellten Ausführungsform axial verschiebbar ist. Diese Elemente können jedoch auf andere Weise angeordnet sein. Genauer kann ein schrägverzahntes Ab­ triebszahnrad gegen eine Axialbewegung gesichert sein, während ein schrägverzahntes Antriebszahnrad verschiebbar sein kann. Die Kurbelwelle 36 und das schrägverzahnte Zahnrad 36H können voneinander getrennt sein, wobei das schräg verzahnte Zahnrad 36H bezüglich der Kurbelwelle 36 axial verschiebbar sein kann, und wobei die Bewegung des schrägverzahn­ ten Zahnrades 36H über das Schublager auf den Lastdetektor des elektro­ statischen Kapazitätssensors übertragen wird.

Es wird die Struktur eines Tretkraftsensors vereinfacht, wobei der Tretkraft­ sensor leicht montiert werden kann und eine erhöhte mechanische Festigkeit aufweist. Ein schräg verzahntes Antriebszahnrad (36H) und ein schräg verzahntes Abtriebszahnrad (Schlitten) (43) zweigen einen Teil einer Tret­ kraft zum Drehen einer Kurbelwelle (36) in Axialrichtung der Kurbelwelle ab. Die abgezweigte Kraft verschiebt den Schlitten (43), wodurch ein Schublager (45) veranlaßt wird, einen Lastdetektor (40) zusammenzudrücken. Der Lastdetektor (40) umfaßt einen dielektrischen Körper (58) aus Kunstharz und zwei Elektroden, die sandwich-artig am dielektrischen Körper (58) gegen­ überliegen. In Abhängigkeit von einer Kraft (die die Tretkraft darstellt), die den Schlitten (43) verschiebt, wird der dielektrische Körper (58) zusammen­ gedrückt, wodurch der Abstand zwischen den Elektroden verändert wird. Der Abstand zwischen den Elektroden wird von einer Erfassungsschaltung verarbeitet, die die Tretkraft erfaßt.

Beschreibung der Bezugszeichen

24

Trägerrohr

36

Kurbelwelle

37

L,

37

R Kurbelpedal

40

Lastdetektor

41

Leiterplatte

42

Sensorgehäuse

43

Schlitten

44

Freilaufkupplung

45

Schublager

48

Antriebskettenrad

57

erste Elektrode

58

dielektrischer Körper

59

zweite Elektrode

60

dritte Elektrode

Claims (6)

1. Tretkrafterfassungsvorrichtung, umfassend:
ein Kraftabzweigungsmittel (36H, 43) zum Abzweigen eines Teils einer Tretkraft zum Drehen einer Antriebswelle (36) in eine Axialrichtung der Antriebswelle (36); und
einen elektrostatischen Kapazitätssensor zum Ändern einer elektro­ statischen Kapazität (CA) in Abhängigkeit von der Größe einer abgezweigten Kraft, die darauf in Axialrichtung ausgeübt wird.

2. Tretkrafterfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftabzweigungsmittel ein schrägverzahntes Antriebszahnrad (36H) umfaßt, das durch eine Tretkraft gedreht werden kann, sowie ein schrägverzahntes Abtriebszahnrad (43);
entweder das schrägverzahnte Antriebszahnrad (36H) oder das schrägverzahnte Abtriebszahnrad (43) in Axialrichtung der Antriebswelle (36) verschiebbar ist; und
der elektrostatische Kapazitätssensor so angeordnet ist, daß er einen Zwischenelektrodenabstand in Abhängigkeit von einer Vorspannkraft ändert, die erzeugt wird, wenn entweder das schrägverzahnte Antriebszahn­ rad (36H) oder das schrägverzahnte Abtriebszahnrad (43) verschoben wird.

3. Tretkrafterfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Schublager (45) vorgesehen ist zum Aufnehmen der Vorspann­ kraft, die erzeugt wird, wenn entweder das schrägverzahnte Antriebszahnrad (36H) oder das schrägverzahnte Abtriebszahnrad (43) verschoben wird;
der elektrostatische Kapazitätssensor umfaßt:
einen elastischen dielektrischen Körper (58); und
Elektroden (57, 59, 60), die sandwich-artig am dielektrischen Körper (58) angesetzt sind; wobei
der elektrostatische Kapazitätssensor so angeordnet ist, daß die Vorspannkraft über das Schublager (45) auf eine der Elektroden ausgeübt wird.

4. Tretkrafterfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (58) eine Schicht eines Klebstoff-Harzmate­ rials umfaßt.

5. Tretkrafterfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper (58) mehrere kugelförmige Harzkörper (581) und einen zwischen die kugelförmigen Harzkörper (581) gefüllten Klebstoff (582) umfaßt.

6. Tretkrafterfassungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen elektrostatischen Referenzkapazitätssensor, der sich die Elektroden (57, 59, 60) mit dem elektrostatischen Kapazitätssensor teilt und neben dem elektrostatischen Kapazitätssensor angeordnet ist.