JP2003276672A - 踏力検知機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】自転車ペダルの踏力を、非接触かつ簡単な構成
で検出する。 【解決手段】自転車のクランク軸に固着した駆動ホイー
ルと、弾性体を介して駆動ホイールに装着したスプロケ
ットホイールと、その各々に付設された突起と、各ホイ
ール突起の回転位置を検出する為に配置されたセンサー
から構成し、踏力が発生した場合の各ホイール間の相対
位置的な角度ずれを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、電動アシスト自転
車において踏力を感知する機構に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来の電動アシスト自転車の踏力を感知
するセンサーとしては、踏力を粘性摩擦力により回転力
に置き換えて検出するもの（例．特開平１０−１９４１
８６）があり、クランク軸付近にモーターによる駆動手
段と同時に構成されている。その検出原理は、通常の負
荷が少ない時のクランク回転時は粘性摩擦により少ない
回転トルクが軸周りに発生し、その力は組込まれたバネ
によりバランスが取られて平衡した位置に留まるが、踏
力が増加した場合は粘性摩擦による回転トルクが増加す
る為、バネによる前記位置的バランスが崩れ、より駆動
方向にずれる。この位置ずれをレバーによる回転センサ
ーで検出している。 【０００３】また、別の踏力検知手段としてクランク軸
のねじりを利用するものがある（例．特開昭５７−７４
２８５）。これは、負荷側のトルクとクランク軸側のト
ルクの違いを軸のねじりとして検出するものである。 【０００４】前者の方式はクランク軸周りに構成してい
るが、そこは駆動機構などが集中する為、構造的に複雑
なものとなり、重量的にも重くなる欠点がある。また、
粘性抵抗を生み出すグリス類を必要とし、作業上での汚
れの問題や温度による特性変化がある。 【０００５】更にこの方式では、粘性抵抗によりいつも
駆動軸と結合されている為、アシストが不要な場合の自
転車としての機能において、今度は回転しないモーター
系が粘性摩擦により結合されている為に負荷となり、ペ
ダルが重くなる欠点がある。 【０００６】また後者の方式は、後輪負荷とクランク軸
踏力とのトルク差による軸ねじれを検出する為に、適当
な弾性を持った材料を駆動軸に採用する事になるが、同
時に後輪を駆動する為の充分な剛性も要求されるから、
これらの相反する特性を実現するのは現実的に困難であ
る。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記２例の
ような欠点を持たない簡単、安価で、かつ非接触、リニ
アに踏力を検出できる機構を提供しようとするものであ
る。ところで、電動アシスト自転車においてペダルの踏
力を非接触かつ簡単な構成で検出するには、従来採用さ
れている粘性摩擦による複雑な機構などではなく、別の
原理による踏力そのものの追加増分だけを効率よく取り
出す事が理想的である。そこで、本案では自転車の後輪
が保持している負荷回転力とペダルを強く踏む事により
追加される踏力をそれぞれ別に検出する事によって、そ
れらの差分を位置ずれとして現出させ、必要な踏力の追
加増分を得るように意図している。 【０００８】本発明では上記の考え方に基づき、後輪の
回転力をスプロケットホイールから、またペダルの踏力
を駆動ホイールから取り出し、その差分を必要な踏力の
追加増分として検出している。両者の間は、適度な弾性
度を持った部材で接続する。これによって、クランク軸
には必要な剛性を確保しつつ、別の手段で踏力の増分だ
けを検知する事ができる。 【０００９】上記各ホイールの回転を検出する為、本発
明ではそれぞれの回転位置をホイールに設けた突起から
の光学的反射を電気的パルスとして検出している。この
回転位置を検出する手段については、磁気的に結合する
突起と相対する磁気検出素子をそれぞれ配置し、回転信
号を得る事もできる。これらのどちらでも、完全な非接
触状態で踏力に比例する信号を得る事ができる。 【００１０】 【課題を解決する為の手段】 【実施例】以下、本発明の踏力センサーの原理につい
て、図面に基づいて説明する。 【００１１】図１は本発明の実施例を示すもので、クラ
ンク軸２に固着された駆動ホイール５とそれに弾性材８
を介して装着されたスプロケットホイール６があり、自
転車の後輪を駆動するチェーン（又はベルト）７は後者
のスプロケットホイール６に掛けられる。各ホイールに
はその回転数と位置的ずれを検出する為の突起（例えば
鉄板の打出し）５１，６１を円周状にそれぞれ同数設け
ており、その位置関係は何も負荷が掛かっていない時に
位置ずれが発生しないよう調整されている。 【００１２】円周状に設けられた突起５１，６１は、そ
の位置を検出する為のセンサーａ，ｂに対向しており、
突起がちょうどセンサーａ，ｂの位置に来た時にセンサ
ーから信号が発生する。各センサーａ，ｂは自転車のフ
レーム１に固定されており、それぞれ非接触で各ホイー
ルの回転信号を検出できる。 【００１３】図２は駆動ホイール５とスプロケットホイ
ール６を、弾性材８によって結合している状態を示し、
同図の（Ａ）は何も負荷が掛かっていない時の各ホイー
ルの状態を、（Ｂ）はペダルを踏む事によりトルクが掛
かった時の各ホイールの状態を示している。ここに於い
て、図の記号Ｄは後輪による負荷トルクであり、また記
号Ｆは踏力によるトルクであり互いに逆方向となる為、
差のトルクが間にある弾性材を歪ませ、相対的に位置的
ずれを生じさせる。 【００１４】図３は、図１の左方から軸中心で見たもの
で、この図を基に踏力による信号の発生具合について説
明を行なう。図３における図１と同じ番号は相対する同
じ部位を示す。図４は踏力Ｆが掛かった時の各ホイール
の相対位置関係を示すものである。また、図５は発生し
た信号についての説明図である。 【００１５】図３に措いて、ｔ１で示すホイール５，６
の位置関係は、どのホイールにも負荷が掛かっていな
い、又は同じ負荷になっている（ペダルを踏んでいな
い）状態を示している。この時、各ホイールに配置した
突起５１，６１は同じ円周角で同位置にあり、図５の
（１）に示すようにセンサーａ，ｂから発生する信号に
ずれ（位相差）は発生しない。 【００１６】初動時、或いは走行時に更に速度を上げた
い場合はペダル４を踏む事になるが、この時ペダル４を
踏む力はクランクアーム３からクランク軸２を回転さ
せ、駆動ホイール５にまで直接伝わる。この時の状態が
図４に示されている。 【００１７】踏力は更に弾性材８を介してスプロケット
ホイール６にも伝わるが、各ホイールの位置関係は前記
同期状態から微妙にずれ、ホイール５の突起５１は図４
中の破線で示す位置から実線にて示すｔ２の位置まで移
動する。この時、ホイール６の突起は相対的にｔ１に示
す位置のままである。尚、踏力が更に大きくなった場合
は、スプロケットホイール６に構成された突起ｂ６２
が、駆動ホイール５に構成された穴５２の端と突き当た
る為、それ以上の相対位置ずれは発生せず、ペダルを踏
む力は確実にチェーンを経由して後輪に伝わる。 【００１８】図４に示す状態では、各ホイールに対向し
たセンサーから発生する信号は図５の（２）に示す関係
となり、各信号間のずれ（位相差ｔ３）を検出できる。
この位相差は、踏力の大きさに比例する為、必要なアシ
スト量を算出する為の信号元として有効である。このホ
イール間の相対位置ずれは踏力が掛からなくなると弾性
材８の働きにより元の位置に戻り、各センサーからの信
号にも位相差が出なくなる。 【００１９】図５において、（１）は踏力が掛かってい
ない時の各センサーからの信号を示したもので、ＡＯ，
ＢＯは各センサーａ，ｂから発生する信号を整形したも
のであり、位相差信号Ｃ１は出ない。 【００２０】図５の（２）は踏力が掛かった時の各セン
サー信号であり、それぞれ増幅後図に示すような矩形波
Ａ１，Ｂ１に整形される。位相差は同図Ｃ１に示すｔ３
として検出される。時間ｔ３は踏力の大きさに比例して
いる為、この時間を基にモーター等による電動アシスト
量を決定できる。 【００２１】図６はセンサーからの信号を処理するブロ
ック図である。各ホイールの突起５１、６１で反射され
た信号は光学センサーａ、ｂによって検出されて、その
後アンプ９にて増幅され、バッファー１０で矩形波に整
形される。この信号Ａ，Ｂは電動補助自転車などの制御
回路に入力され、補助の程度を決める重要な役割を担
う。 【００２２】 【発明の効果】以上説明したような本発明の踏力センサ
ーに依れば、軽量かつ低コスト、非接触でリニアな踏力
検知ができる為、電動アシスト制御が簡単な構造とな
り、また軽量である為生産上の作業も容易となる。更
に、アシスト不要時のトルクロスが無い為、全く通常の
自転車としての機能に影響を与えないなど、実用的に有
益でかつ使い易い。また、クランク軸には何ら特別な加
工を要しない為、構造的にも丈夫でかつコストダウンに
も有利である。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施例を示す概略図である。 【図２】２つのホイールを結合する弾性材によって発生
する、トルクが掛かった時のホイール間位置ずれを説明
する為の図である。 【図３】本発明の実施例を別の方向から見た説明図で、
踏力が掛かっていない時の位置関係を示している。 【図４】図３において、踏力が掛かった時のホイールの
相対的関係を示す図である。 【図５】センサーからの信号とずれ出力波形を説明する
為の図である。 【図６】信号の処理をする為のブロック図である。 【符号の説明】 １ 自転車のフレーム ２ クランク軸 ３ クランクアーム ４ ペダル ５ 駆動ホイール ５１ 突起ａ ５２ 穴 ６ スプロケットホイール ６１ 突起ｂ ６２ ストッパーピン ７ チェーン ８ 弾性材 ａ，ｂ センサー ９ アンプ（増幅器） １０ バッファー １１ 固定ネジ ｔ１ 踏力が掛かっていない時の位置 ｔ２ 踏力が掛かった時の位置 Ｄ 後輪の負荷トルク Ｆ 踏力

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】クランク軸に固着した駆動ホイールと、弾
   性材を介して駆動ホイールに装着したスプロケットホイ
   ールを持ち、ペダル踏力によるホイールの相対的位置ず
   れを信号の位相ずれとして検知する事を特徴とする踏力
   検知機構。