JP2003106914A - 回転駆動力検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 同軸に配設され互いに同速度で回転する回転
入力部材と回転出力部材との間に介在され、回転入力部
材の回転駆動力を検出する場合に、簡単な構成で部品点
数を少なくし、小型化を可能にし、また可動部分をほと
んど無くして検出精度を向上させる。 【解決手段】 回転入力部材（３０ａ）および回転出力
部材（３８ａ）の一方を軸方向に移動可能な可動部材
（３０ａ）とし、回転入力部材（３０ａ）と回転出力部
材（３８ａ）との間に介在された転動部材入りのねじれ
スプライン機構（４８）を介して回転入力部材（３０
ａ）の回転駆動力を可動部材（３０ａ）に加わる軸方向
の荷重に変換し、この可動部材（３０ａ）に加わる荷重
を非変位型のセンサ（４２）で検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、同軸に配設され
同速度で回転する回転入力部材と回転出力部材との間
で、回転入力部材に加わる回転駆動力を検出するための
方法と、この方法の実施に直接使用する装置とに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】電動モータ付き自転車において、人間の
踏力を検出してこの踏力に対応して電動モータの駆動力
を制御するものが公知である。このように人力の駆動力
を検出するために、従来より種々の方法が用いられてい
る。

【０００３】例えば人力駆動力が入力されるクランク軸
とこのクランク軸で駆動される被駆動軸との間に遊星歯
車機構を介在させ、人力の駆動力を遊星ギヤの保持器に
伝え、回転出力をリングギヤから取出す一方、サンギヤ
を回転方向に僅かに弾性的に支持し、このサンギヤの回
動量をポテンショメータで検出するものがある。この場
合には踏力の大きさに対応してサンギヤの回動量が変化
するので、この回動量から踏力を算出するものである。

【０００４】またクランク軸と被駆動軸との間にばねで
互いに圧接させた一対の円筒カムを介在させ、一方の固
定カムが他方の可動カムに乗り上げることによる可動カ
ムの変位量をポテンショメータで検出するものもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来のもの
は、遊星歯車機構や円筒カム機構が必要になるばかりで
なく、サンギヤや可動カムの移動をポテンショメータな
どに伝える伝動機構が必要になる。このため部品点数が
多くなり機械的構造が複雑になるという問題があった。

【０００６】また伝動機構などの可動部分があるため、
温度変化や潤滑条件などの変化により、ポテンショメー
タの検出結果が不安定になり、検出精度が低くなる、と
いう問題もあった。

【０００７】この発明はこのような事情に鑑みなされた
ものであり、簡単な構成で部品点数が少なく、小型化に
適し、また可動部分がほとんど無く検出精度を向上させ
ることができる回転駆動力検出方法を提供することを第
１の目的とする。またこの方法の実施に直接使用する回
転駆動力検出装置を提供することを第２の目的とする。

【０００８】

【発明の構成】この発明によれば第１の目的は、同軸に
配設され互いに同速度で回転する回転入力部材と回転出
力部材との間に介在され、前記回転入力部材の回転駆動
力を検出する方法であって、前記回転入力部材および前
記回転出力部材の一方を軸方向に移動可能な可動部材と
し、前記回転入力部材と前記回転出力部材との間に介在
された転動部材入りのねじれスプライン機構を介して前
記回転入力部材の回転駆動力を前記可動部材に加わる軸
方向の荷重に変換し、この可動部材に加わる荷重を非変
位型のセンサで検出することを特徴とする回転駆動力検
出方法により達成される。

【０００９】回転入力部材の一方向への回転駆動力を検
出する場合には、この回転による可動部材の押圧力をセ
ンサで検出する一方、反対方向の回転による可動部材の
逆方向への移動は回転軸に設けたストッパで規制するよ
うに構成する。また回転入力部材の両方向への回転駆動
力を検出する場合には、可動部材を軸方向の両側から挟
持する２つのセンサを設ければよい。

【００１０】この発明によれば第２の目的は、互いに同
速度で回転する回転入力部材と回転出力部材との間に介
在され、前記回転入力部材の回転駆動力を検出する装置
であって、前記回転入力部材および前記回転出力部材の
いずれか一方で形成され軸方向に移動可能な可動部材
と、前記回転入力部材および回転出力部材の間に介在さ
れ前記回転入力部材の回転駆動力を前記可動部材に軸方
向に加わる荷重に変換する転動部材入りのねじれスプラ
イン機構と、前記可動部材に加わる荷重を検出する非変
位型のセンサと、を備えることを特徴とする回転駆動力
検出装置、により達成される。

【００１１】ねじれスプライン機構は、ボールを転動部
材としたねじれボールスプライン機構とすることができ
る。センサは荷重の変化を磁気的に検出する磁歪式の荷
重センサが適する。すなわち荷重の変化を実質的に変位
がゼロの状態で検出するものである。このセンサは応力
検出用センサと補償用センサとを組合せて温度補償を行
うのが望ましい。

【００１２】この発明は、前記の電動モータ付き自転車
における踏力検出だけでなく種々の回転駆動力の検出に
用いることができる。例えばこの発明は、踏力に応じて
エンジンの始動・停止や出力制御を行うようにした補助
エンジン付き自転車、ロープや釣り糸を巻取る電動リー
ル、自動車の操向ハンドルに連動して電動モータにより
操舵力を補助する電動式パワーステアリング装置などに
も適用できる。

【００１３】

【実施態様】図１はこの発明を電動モータ付き自転車に
適用した実施態様の概念図、図２はその駆動系のブロッ
ク図、図３はここに用いる後輪ハブの断面図、図４は磁
歪センサの加圧機構の分解斜視図、図５は磁歪センサを
用いた踏力検出回路図である。

【００１４】図１において符号１０はいわゆるダイヤモ
ンド型の車体フレーム、１２は前輪、１４は後輪、１６
は操向ハンドル、１８は運転者用着座シートである。車
体フレーム１０のボトムブラケット２０にはクランク軸
が保持され、その左右両端にクランクペダル２２、２２
が固定されている。またこのクランク軸にはクランクギ
ヤ２４が固定され、このクランクギヤ２４の回転がチェ
ーン２６によって後輪ハブ２８に伝達される。

【００１５】後輪ハブ２８は図３に示すように構成さ
れ、一方向クラッチ３０と、本発明の回転駆動力検出装
置となる踏力検出装置３２と、モータ３４等を有する
（図２参照）。ハブ２８は左右割りのハブケース本体３
６とハブケース蓋体３８とを結合した構造であり、その
中にモータ３４、遊星歯車式減速機４０、磁歪センサ４
２等が収容される。

【００１６】すなわちモータ３４のケース３４ａの一側
面にボス部３４ｂが一体に形成され、このボス部３４ｂ
がハブケース本体３６を軸支する。またこのケース３４
ａのボス部３４ｂと反対側の面に二段歯車式減速機４０
が組付られている。この二段歯車式減速機４０は、モー
タ３４の出力軸に固定されたピニオンギヤ４０ａと、こ
のケース３４ａとこのケース３４ａに固定されたギヤホ
ルダ４０ｂとの間に保持された３個の二段ギヤ４０ｃ
と、ハブケース３６、３８に一方向クラッチ４０ｄを介
して固定されたリングギヤ４０ｅとを有する。

【００１７】なおこのリングギヤ４０ｅを保持する一方
向クラッチ４０ｄの外輪４０ｆはトルクリミッタ４０ｇ
を介してハブケース３６、３８に保持されている。トル
クリミッタ４０ｇは後輪１４に過大な回転力が加わった
時に減速機４０やモータ３４を保護する機能を持つ。

【００１８】二段歯車式減速機４０の二段ギヤ４０ｃを
保持するギヤホルダ４０ｂにはハブ軸４３が嵌合されて
いる。このハブ軸４３は、玉軸受４４によってハブケー
ス蓋体３８のボス部３８ａの内周面を支持している。ま
たモータ３４のケース３４ａにはボス部３４ｂ側から突
出するハブ軸４６が設けられている。ハブ２８は、これ
らのハブ軸４３、４６によって車体フレーム１０に取付
けられる。

【００１９】ハブケース蓋体３８のボス部３８ａの外周
面には、ねじりボールスプライン機構４８を介して前記
一方向クラッチ３０の内輪３０ａが保持されている。ね
じりボールスプライン４８は内輪３０ａとボス部３８ａ
とにそれぞれ形成した螺旋状または直線状のスプライン
（溝）にボールを挟んだものであり、内輪３０ａの回転
駆動力によってこの内輪３０ａは軸方向に僅かに移動可
能である。

【００２０】この実施態様では、クランクペダル２２に
踏力が加わった時にこの内輪３０ａにはモータ３４側へ
移動する向きの荷重が加わる。図３で５０はこの内輪３
０ａとハブケース蓋体３８との間に介装された防水シー
ル、５２は内輪３０ｂの反対方向への移動を規制するス
トッパ、５４はこのストッパ５２側の内輪３０ａとボス
部３８ａとの間に介在する防水シールである。

【００２１】ハブケース蓋体３８のボス部３８ａには周
方向に等間隔に３ヶ所の窓３８ｂが設けられ、図４に示
すリテーナ５６の３個の爪５６ａがこれらの窓３８ｂを
通して内輪３０ａに係合している。リテーナ５６は外周
に爪５６ａを持つ環状であり、ハブ軸４３に保持されて
いる。ハブ軸４３のモータ３４側の先端にはセンサ収容
部５８が形成される。

【００２２】このセンサ収容部５８には軸方向に直交す
る方向に貫通する一対の窓６０が形成されている。これ
らの窓６０にはクロスメンバ６２が貫通し、クロスメン
バ６２の両端は第２リテーナ６３およびスラスト軸受６
４を介してリテーナ５６に係合する。前記磁歪センサ４
２はセンサ収容部５８に収容され、その圧力検出ロッド
６６の先端はクロスメンバ６２に当接している。

【００２３】この結果、クランクペダル２２に踏力が加
わるとねじれボールスプライン機構３２によって一方向
クラッチ３０の内輪３０ａの回転駆動力はこの内輪３０
ａの軸方向の圧力に変換され、内輪３０ａの圧力は、リ
テーナ５６、スラスト軸受６４、クロスメンバ６２を介
して磁歪センサ４２の検出ロッド６６に加わり、このロ
ッド６６に圧縮方向の荷重を加える。

【００２４】以上のようにこの実施態様では、回転入力
部材としての内軸３０ａが回転出力部材としてのハブケ
ース蓋体３８のボス部３８ａに対して軸方向に移動可能
な可動部材となる。従って回転駆動力検出装置となる踏
力検出装置３２は、これら内輪３０ａ、ボス部３８ａ、
ねじれボールスプライン機構４８、磁歪センサ４２など
で構成される。

【００２５】なおこの実施態様では、磁歪センサ４２に
近接して温度補正用磁歪センサ（ダミーセンサ）６８が
ハブケース３６、３８内に収容されている。この温度補
正用磁歪センサ６８は磁歪センサ４２と同一特性の磁歪
センサであり、図５に示すようにブリッジ回路に接続す
ることにより温度による磁歪センサ４２の検出誤差を補
償する。

【００２６】すなわち固定抵抗Ｒ１、Ｒ２とこれらの磁
歪センサ４２、６８をブリッジ接続し、踏力を加えない
状態でブリッジを平衡させておく。踏力の変化によりブ
リッジの出力端間に不平衡電圧が発生するので、これを
増幅器７０で増幅し出力するものである。

【００２７】この増幅器７０の出力信号は踏力を示すも
のであるから、これをコントローラ７２（図２）に入力
する。コントローラ７２はこの踏力の変化に対応して予
め記憶した所定の制御特性に従ってモータ３４の出力を
制御する。例えば踏力に対するモータ出力の比（アシス
ト比、モータ補助率）を車速の増大に対応して漸減させ
るようにモータ出力を制御する。コントローラ７２は電
池７４から供給される電流をチョッパ回路でオン・オフ
制御し、そのデューティを踏力に対応して変化させるこ
とによってモータ出力を制御することができる。

【００２８】この実施態様では、後輪ハブ２８の中に、
回転駆動力検出装置としての踏力検出装置３２およびモ
ータ３４を内装したので、ボトムブラケット２０側の構
造を通常の自転車と同一にすることができる。従って普
通の自転車における後輪ハブだけを本実施態様のものに
変更するだけで電動補助付きの自転車にすることが可能
である。

【００２９】

【他の実施態様】図６は他の実施態様である踏力検出装
置の断面図である。この実施態様は電動モータ付き自転
車における踏力検出装置をボトムブラケットに設けたも
のであり、クランク軸から検出した踏力に基づいて電動
モータの出力を制御するものである。

【００３０】図６において符号１００はボトムブラケッ
ト（図１参照）、１０２はこのボトムブラケット１００
に軸支されたクランク軸であり、このクランク軸１０２
の両端には左右一対のクランクペダル（図１の２２参
照）が取付けられる。クランク軸１０２には、ねじれボ
ールスプライン機構１０４を介して可動部材としてのリ
ング１０６が取付けられている。このリング１０６には
クランクギヤ１０８（図１の２４参照）が固定されてい
る。

【００３１】リング１０６は踏力が加わった時に図２で
左側へ押圧される。リング１０６の左側面にはスラスト
軸受１１０およびリテーナ１１２を挟んで磁歪センサ１
１４の圧力検出ロッド１１６が対向している。なおスラ
スト軸受１１０およびリテーナ１１２とリング１０６と
の間には、コイルばね１１８が縮装されている。このコ
イルばね１１８は圧力検出ロッド１１６とリテーナ１１
２との間に間隙ができるのを防止して、磁歪センサ１１
４の出力信号にノイズが発生するのを防止する。１２０
は温度補償用の磁歪センサである。

【００３２】この実施態様においてクランク軸１０２に
前進方向の踏力による回転駆動力が加わると、リング１
０６が軸方向に僅かに移動（約１００μｍ程であって実
質的には変位はゼロである）して磁歪センサ１０４の圧
力検出ロッド１１６を加圧する。またクランクペダルを
逆方向に回動するとリング１０６は逆方向に僅かに移動
し、クランク軸１０２に固定したストッパ１２２に当接
する。従ってこの状態でクランクギヤ１０８はクランク
軸１０２と共に逆転する。

【００３３】

【他の実施態様】図７は他の実施態様である電動リール
を示す断面図である。この図で符号１３０はハンドル軸
であり、その一端に手動クランクハンドル１３２が、そ
の他端に巻取りリール１３４がそれぞれ固定されてい
る。

【００３４】ハンドル軸１３０には、ねじれボールスプ
ライン機構１３６を介して可動部材としてのリング１３
８が装着されている。このリング１３８の左側面にはス
ラスト軸受１４０およびリテーナ１４２を挟んで磁歪セ
ンサ１４４の圧力検出ロッド１４６が対向する。１４８
は温度補償用磁歪センサである。

【００３５】リング１３８の右側面には大歯車１５０が
固定されている。この大歯車１５０にはアイドル歯車１
５２を介して電動モータ１５４の回転出力が伝えられ
る。モータ１５４は、磁歪センサ１４４で検出したハン
ドル軸１３０の巻上げ方向の回転駆動力に対応した回転
出力となるように制御される。

【００３６】ハンドル軸１３０を逆方向（巻戻し方向）
へ回動すると、リング１３８は反対方向（図７で右方
向）へ僅かに移動してストッパ１５６に当接する。この
状態でモータ１５４を逆転させながらリール１３８は逆
転する。なお大歯車１５０からモータ１５４に至る回転
伝動系に一方向クラッチ（図示せず）を介在させておい
て、この逆転時にモータ１５４が逆転しないようにして
もよい。

【００３７】

【他の実施態様】図８は他の実施態様である車椅子用の
電動補助装置を示す断面図である。この装置は、前記図
７に示したハンドル軸１３０に代えて車軸１６０を用
い、電動リールの巻取りリール１３４に代えて車輪１６
２を固定すると共に、手動クランクハンドル１３２に代
えて手動駆動輪１６４を車輪１６０のハブに固定したも
のである。図８では図７と同一部分に同一符号を付した
ので、その説明は繰り返さない。

【００３８】

【他の実施態様】図９は他の実施態様である電動パワー
ステアリング装置を示す断面図、図１０はそのＸ−Ｘ線
断面、図１１はそのXI矢視図である。

【００３９】これらの図において１８０はステアリング
入力軸、１８２はステアリング出力軸、１８４はステア
リング入力軸１８０を軸受１８６、１８８で回転自在に
保持するケーシングである。入力軸１８０はパイプ状で
あって、その下端外周にはねじれボールスプライン機構
１９０を介して可動部材としてのリング１９２が装着さ
れている。

【００４０】出力軸１８２の上端にはジョイント１９４
がピン結合され、このジョイント１９４の上部は入力軸
１８０内に進入している。ジョイント１９４の上端は入
力軸１８０に設けた窓１９６（図１０参照）を貫通する
ピン１９８によってリング１９２に連結されている。

【００４１】ここに入力軸１８０の窓１９６はピン１９
８の断面よりも十分に大きい。またピン１９８とリング
１９２とは、ピン１９８に取付けたローラ２００をリン
グ１９２に設けた孔２０２に係合させたものであるが、
この孔２０２は図１１に示すように、入力軸１８０の軸
方向に僅かに長い長孔になっている。これはリング１９
２と出力軸１８２との回転方向の遊びを無くすると共
に、軸方向の遊びを設けて軸方向の部品寸法誤差や組立
誤差を吸収するためである。

【００４２】この結果入力軸１８０の正逆転に伴って、
入力軸１８０と出力軸１８２との回転駆動力の差に基づ
いてリング１９２が上方または下方へ押圧される。この
圧力はリング１９２の両端に設けたスラスト軸受２０
４、２０６およびリテーナ２０８、２１０を介して磁歪
センサ２１２、２１４で検出される（図９参照）。

【００４３】なおリング１９２は出力軸１８２と一体に
回転するのに対し、センサ２１２、２１４はケーシング
１８４に固定されているから、リテーナ２０８、２１０
はケーシング１８４の内面に設けた軸方向の溝２１２に
係合させてその回転を規制する一方、このリテーナ２０
８、２１０とリング１９２との間にスラスト軸受２０
４、２０６を介装したものである。また図９で２１４は
温度補償用の磁歪センサである。

【００４４】図９において２１６は電動モータ、２１８
および２１０はこのモータ２１６の回転を出力軸１８２
に伝達するウォームギヤおよびウォームホイールであ
る。ここにモータ２１６は磁歪センサ２１２、２１４が
検出した圧力に基づいた向きと大きさのトルクを発生す
るように制御される。

【００４５】この結果入力軸１８０の回転駆動力に対応
したモータ出力を出力軸１８２に付加することができ
る。出力軸１８２の回転によって操舵輪が操舵される。
例えばラックアンドピニオン式操舵機構によって前輪を
操舵する。なおウォームホイール２１０と出力軸１８２
との間に電磁クラッチを設けておき、モータ２１６の不
作動時にこの電磁クラッチを切り、手動で操舵できるよ
うにするのが望ましい。

【００４６】

【発明の効果】請求項１の発明は以上のように、回転駆
動力を転動部材入りのねじりスプライン機構を介して軸
方向の荷重に変換し、この荷重を非変位型のセンサで検
出するものであるから、可動部分が実質的に無くなり、
検出精度が向上し、構成が簡単で部品点数が少なくな
り、小型化に適するものとなる。

【００４７】回転入力部材の一方向への回転駆動力だけ
を検出する場合は、逆方向への回転による可動部材の移
動をストッパで規制するようにすれば、逆方向の回転を
回転出力部材に伝えることができる（請求項２）。可動
部材の両方向の移動に伴う圧力を検出するようにすれ
ば、回転入力部材の正逆両方向の回転駆動力を検出する
ことができる（請求項３）。

【００４８】請求項４の発明によれば請求項１の方法の
実施に直接使用する装置が得られる。ねじれスプライン
機構は転動部材としてボールを用いるのが望ましい（請
求項５）。センサは実質的に可動部を持たないものであ
ればよく、磁歪式荷重センサが好適である（請求項
６）。センサは温度補償用のセンサ（ダミーセンサ）と
組合せて使用するのが望ましい（請求項７）。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様を適用した電動モータ付き
自転車を示す図

【図２】同じくその動力駆動系のブロック図

【図３】後輪ハブの断面図

【図４】磁歪センサの加圧機構の分解斜視図

【図５】磁歪センサの踏力検出回路図

【図６】他の実施態様を示す断面図

【図７】他の実施態様を示す断面図

【図８】他の実施態様を示す断面図

【図９】他の実施態様を示す断面図

【図１０】図９におけるＸ−Ｘ線断面図

【図１１】図１０におけるXI矢視図

【符号の説明】

２２ ペダル ２８ 後輪ハブ ３０ 一方向クラッチ ３０ａ 回転入力部材としての内輪（可動部材） ３２ 踏力検出装置（回転駆動力検出装置） ３４、１５４、２１６ 電動モータ ３８ａ 回転出力部材としてのハブケースのボス部 ４２、１１４、１４４、２１２、２１４ 磁歪センサ ４８、１０４、１３６、１９０ ねじれスプライン機構 ６８、１２０、１４８、２１４ 補償用センサ １０２ 回転入力部材としてのクランク軸 １０６ 回転出力部材としてのリング（可動部材） １３０ 回転入力部材としてのハンドル軸 １３８ 回転出力部材としてのリング（可動部材） １６０ 回転入力軸としての車軸 １８０ ステアリング入力軸（回転入力部材） １８２ ステアリング出力軸 １９２ 回転出力部材としてのリング（可動部材）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同軸に配設され互いに同速度で回転する
   回転入力部材と回転出力部材との間に介在され、前記回
   転入力部材の回転駆動力を検出する方法であって、 前記回転入力部材および前記回転出力部材の一方を軸方
   向に移動可能な可動部材とし、前記回転入力部材と前記
   回転出力部材との間に介在された転動部材入りのねじれ
   スプライン機構を介して前記回転入力部材の回転駆動力
   を前記可動部材に加わる軸方向の荷重に変換し、この可
   動部材に加わる荷重を非変位型のセンサで検出すること
   を特徴とする回転駆動力検出方法。
2. 【請求項２】 回転入力部材の一方向への回転駆動力が
   可動部材を介してセンサを一方向へ押圧する一方、回転
   入力部材の他方向への回転駆動力が可動部材を他方向へ
   押圧しその移動を回転軸に設けたストッパで規制する請
   求項１の回転駆動力検出方法。
3. 【請求項３】 回転入力部材の両方向への回転駆動力が
   可動部材を軸方向の両側から挟む２つのセンサを選択的
   に押圧する請求項１の回転駆動力検出方法。
4. 【請求項４】 互いに同速度で回転する回転入力部材と
   回転出力部材との間に介在され、前記回転入力部材の回
   転駆動力を検出する装置であって、 前記回転入力部材および前記回転出力部材のいずれか一
   方で形成され軸方向に移動可能な可動部材と、 前記回転入力部材および回転出力部材の間に介在され前
   記回転入力部材の回転駆動力を前記可動部材に軸方向に
   加わる荷重に変換する転動部材入りのねじれスプライン
   機構と、 前記可動部材に加わる荷重を検出する非変位型のセンサ
   と、を備えることを特徴とする回転駆動力検出装置。
5. 【請求項５】 ねじれスプライン機構は、回転入力部材
   側および可動部材側のスプラインに係合するボールを有
   するねじれボールスプラインである請求項４の回転駆動
   力検出装置。
6. 【請求項６】 センサは磁歪式荷重センサである請求項
   ４または５の回転駆動力検出装置。
7. 【請求項７】 センサは可動部材の応力を検出する応力
   検出用センサと、この応力検出用センサ付近に配設され
   た補償用センサとを有する請求項４〜６のいずれかの回
   転駆動力検出装置。