JP2006143216A - Power-assisted bicycle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ペダル踏力に補助動力を付加する動力アシスト自転車に関する。 The present invention relates to a power-assisted bicycle that adds auxiliary power to pedal effort.
通常の自転車には、車速を表示するメータを取り付けることにより運転上の安全性を高めたものがある。特に、検出した踏力の大きさに従って電動モータによるアシストトルクを踏力に付加して人力を補助する電動アシスト自転車においては、安全なアシストを行う上で、車速及び踏力の両方を検出することが必須となる。 Some normal bicycles are equipped with a meter for displaying the vehicle speed to improve driving safety. In particular, in an electrically assisted bicycle that assists human power by adding assist torque from an electric motor to the pedaling force according to the magnitude of the detected pedaling force, it is essential to detect both the vehicle speed and the pedaling force for safe assist. Become.
一般に、自転車の車速を検出するための回転速度センサーは、自転車の走行やペダル回転と共に回転する回転盤・ギア等の回転体を被検出部としてその回転速度を検出するように取り付けられる。 In general, a rotation speed sensor for detecting the vehicle speed of a bicycle is attached so as to detect the rotation speed of a rotating body such as a rotating disk / gear that rotates as the bicycle runs and the pedal rotates.
従来では、例えば、上記回転体として外周面に複数の凹凸が等間隔に形成された金属製ロータを用い、これら凹凸面に向かって高周波磁界を発生させるセンサーをロータに近接して取り付ける。センサーに対向した一つの凹面又は凸面には、センサーからの高周波磁界により渦電流が発生する。そこで、このセンサーは、この渦電流により発生した磁場、又は、検出コイルのインダクタンスの変化を検出する。ロータ外周面とセンサーとの間の距離は、凹凸面により回転体の回転と共に変化するので、渦電流により発生する磁場の強度、又は、検出コイルのインダクタンスも変動する。この変動周期は、回転体の回転速度に逆比例するので、センサーにより検出された強度信号の変動周期を抽出することにより、回転体の回転速度及び従って自転車の車速を検出できる。 Conventionally, for example, a metal rotor having a plurality of irregularities formed at equal intervals on the outer peripheral surface is used as the rotating body, and a sensor that generates a high-frequency magnetic field toward these irregular surfaces is attached close to the rotor. On one concave surface or convex surface facing the sensor, an eddy current is generated by a high-frequency magnetic field from the sensor. Therefore, this sensor detects a change in the magnetic field generated by the eddy current or the inductance of the detection coil. Since the distance between the rotor outer peripheral surface and the sensor changes with the rotation of the rotating body due to the uneven surface, the strength of the magnetic field generated by the eddy current or the inductance of the detection coil also varies. Since this fluctuation cycle is inversely proportional to the rotation speed of the rotator, the rotation speed of the rotator and therefore the bicycle speed can be detected by extracting the fluctuation period of the intensity signal detected by the sensor.
また、別の従来技術では、図17に示すように、上記回転体として円環体のバンド表面に凸状マグネットを等間隔に取り付けたものを用い、この円環体に隣接してホール素子を配置する。上記従来技術と同様に、ホール素子により検出された磁場強度信号の変動周期を検出すれば、円環体の回転速度を求めることができる。 In another prior art, as shown in FIG. 17, a rotating magnet having convex magnets attached to the band surface of the torus at equal intervals is used, and a Hall element is provided adjacent to the torus. Deploy. Similar to the above prior art, the rotational speed of the torus can be obtained by detecting the fluctuation period of the magnetic field strength signal detected by the Hall element.
しかし、上記いずれの従来技術においても、凹凸のある大型の回転体を用いているため、簡単には製作できないばかりか、自転車フレーム内でスペースを取り、また、凹凸形成のため剛性を高める必要から重量も増加するという問題が発生する。従って、従来の車体構造を有する自転車に、車体フレームの変更無しに上記従来技術のような車速検出手段を取り付けることは困難となる。特に、トルク検出手段や電動モータ等を新たに付与しなければならない動力アシスト自転車にとっては、上記問題を有する車速検出手段は好ましくない。 However, in any of the above prior arts, since a large rotating body with unevenness is used, not only can it not be easily manufactured, but it is also necessary to take up space in the bicycle frame and to increase rigidity for forming unevenness. The problem is that the weight also increases. Therefore, it is difficult to attach the vehicle speed detection means as in the prior art to a bicycle having a conventional body structure without changing the body frame. In particular, the vehicle speed detection means having the above-mentioned problem is not preferable for a power-assisted bicycle that must be newly provided with a torque detection means, an electric motor, or the like.
また、踏力検出センサーに関しても、自転車フレーム、クランクシャフト等に新たにトーションバー等の踏力検出用の部材を組み込むため、トルク検出機構が占めるスペース及び重量が大きくなり、また従来の車体フレームを大幅に変更しなければならないという問題が発生する。 Also, with regard to the treading force detection sensor, since a new treading force detection member such as a torsion bar is incorporated into the bicycle frame, crankshaft, etc., the space and weight occupied by the torque detection mechanism is increased, and the conventional body frame is greatly increased. The problem of having to change arises.
本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、従来の車体フレームの変更を最小限に抑え、車速検出機構及びトルク検出機構の、設置の容易性、省スペース化及び軽量化を達成した、動力アシスト自転車を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described facts, and has achieved the ease of installation, space saving, and weight reduction of the vehicle speed detection mechanism and the torque detection mechanism while minimizing changes in the conventional body frame. The purpose is to provide an assist bicycle.
本発明は、ドライブ軸に作用するペダル踏力に応じた補助動力を該ペダル踏力に並列に付加して走行する動力アシスト自転車において、動力アシスト自転車の走行に伴って回転するギアと、略平坦な表面を備え、実質的に全域に亘って厚さ一定のシート状に形成された、可撓性を有するリングマグネットであって、該リングマグネットは、該表面が前記ギアの回転軸に垂直に配置されるように該ギアに取り付けられ、該表面には、周方向に沿って一定角度周期で空間的に変化する磁場を該表面上に生じさせるように複数の磁石区分が形成された、前記リングマグネットと、該リングマグネットの表面に隣接した固定位置で磁場を検出し、該磁場に基づいて前記ギアの回転速度を求める回転速度検出手段と、ドライブ軸の一方向の回転のみをスプロケットに伝達するようにドライブ軸とスプロケットとを連結する一方向クラッチ手段であって、該一方向クラッチ手段は、ドライブシャフトの軸方向に沿って隣接して配置された2つの部品と弾性手段とを有し、該2つの部品は、前記一方向の回転時には互いに係合して弾性手段の弾性力により対抗されながら軸方向の部品間隔を増加させ、一方向とは反対方向の回転時には係合が解除される、前記一方向クラッチ手段と、該弾性手段の歪みを検出し、該歪みに基づいてペダル踏力を求める踏力検出手段と、該回転速度検出手段により求められたギアの回転速度及び踏力検出手段により求められたペダル踏力に基づいて補助動力を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。 The present invention relates to a power assist bicycle that travels by adding auxiliary power corresponding to a pedal depression force acting on a drive shaft in parallel to the pedal depression force, a gear that rotates as the power assist bicycle travels, and a substantially flat surface. A flexible ring magnet formed in a sheet shape with a substantially constant thickness over the entire area, the ring magnet having a surface arranged perpendicular to the rotation axis of the gear. The ring magnet is attached to the gear so that a plurality of magnet sections are formed on the surface so as to generate a magnetic field spatially changing on the surface at a constant angular period along a circumferential direction. And a rotational speed detecting means for detecting a magnetic field at a fixed position adjacent to the surface of the ring magnet and obtaining the rotational speed of the gear based on the magnetic field, and scanning only in one direction of the drive shaft. One-way clutch means for connecting a drive shaft and a sprocket so as to transmit to a rocket, the one-way clutch means comprising two parts and an elastic means arranged adjacent to each other along the axial direction of the drive shaft The two parts engage with each other when rotating in the one direction and increase the distance between the parts in the axial direction while being countered by the elastic force of the elastic means, and engage when rotating in the direction opposite to the one direction. The one-way clutch means, the pedaling force detection means for detecting the pedal depression force based on the distortion, the gear rotation speed and the pedaling force obtained by the rotation speed detection means Control means for controlling auxiliary power based on the pedal effort determined by the detection means.
リングマグネットの略平坦な表面には、周方向に沿って一定角度周期で空間的に変化する磁場を該表面上に生じさせる複数の磁石区分が形成されたので、回転速度検出手段において固定位置で検出される磁場は、上記一定角度周期及びリングマグネットの回転速度に応じた周期で変動する。よって、回転速度検出手段は、検出された磁場信号の周期から、リングマグネットの回転速度及び従ってギアの回転速度を求めることができる。 On the substantially flat surface of the ring magnet, a plurality of magnet sections are formed on the surface to generate a magnetic field that varies spatially at a constant angular period along the circumferential direction. The detected magnetic field fluctuates at a period according to the constant angular period and the rotation speed of the ring magnet. Therefore, the rotation speed detecting means can determine the rotation speed of the ring magnet and hence the rotation speed of the gear from the detected period of the magnetic field signal.
リングマグネットの凹凸の無い略平坦な表面上に複数の磁石区分を設け、該表面に隣接して磁場検出手段を配置したので、上記従来技術と比べて、リングマグネットの径方向及び軸方向のいずれにも省スペース化を達成することができる。 Since a plurality of magnet sections are provided on a substantially flat surface having no irregularities of the ring magnet and the magnetic field detecting means is disposed adjacent to the surface, either the radial direction or the axial direction of the ring magnet is compared with the conventional technique. In addition, space saving can be achieved.
また、リングマグネットは、実質的に全域に亘って厚さ一定のシート状に形成されているので、ギアへの組み付けの容易性及び軽量化をより促進することができる。更に、リングマグネットには可撓性があるので、ギアへの組み付けがより容易となる。 In addition, since the ring magnet is formed in a sheet shape having a substantially constant thickness over the entire region, it is possible to further promote the ease of assembly to the gear and the reduction in weight. Furthermore, since the ring magnet is flexible, it can be easily assembled to the gear.
ここで、磁石区分の形態及び配列は、周方向に沿って一定角度周期で空間的に変化する磁場を生じさせる限り任意のものを採用することができる。好ましくは、隣接する2つの磁石区分が張る角度を一定角度周期として正弦波状に変化するのがよい。例えば、複数の磁石区分が、周方向に沿って交互に反転した磁極をリングマグネットの略平坦な表面に各々向けている形態を取り得る。即ち、周方向に輪状に配置された複数の磁石区分のうち隣接する任意の2つの磁石区分が磁場の大きさが相等しいN極及びS極から必ず構成されるようにするのがよい。ここで、複数の磁石区分が張る各々の角度が実質的に等角度であるようにすれば、1空間周期を互いに等しくすることができる。 Here, any form and arrangement of the magnet sections can be adopted as long as a magnetic field that changes spatially at a constant angular period along the circumferential direction is generated. Preferably, the angle between two adjacent magnet sections is changed to a sine wave with a constant angular period. For example, a plurality of magnet sections may take a form in which magnetic poles alternately reversed along the circumferential direction are respectively directed to a substantially flat surface of the ring magnet. That is, it is preferable that any two adjacent magnet sections among a plurality of magnet sections arranged in a ring shape in the circumferential direction are always composed of an N pole and an S pole having the same magnitude of the magnetic field. Here, if each angle formed by the plurality of magnet sections is substantially equal, one spatial period can be made equal to each other.
このようにして、2つの磁石区分が占める角度を周期とした空間的に変化する磁場を生成することができる。このとき、1空間周期内で磁極の強さがN極乃至S極に変化するので磁場波形が鋭くなり、信号処理手段による回転速度検出を高精度に行うことが可能になる。また、N極及びS極が隣接しているため磁石区分における磁性の維持という観点からも好ましい。隣接する磁石区分は互いに接している、即ち、境界に磁化されていない領域を無くすことにより、リングマグネットの面積効率を高めることができる。 In this way, it is possible to generate a magnetic field that changes spatially with the period occupied by the two magnet sections as a period. At this time, since the magnetic pole strength changes from N pole to S pole within one spatial period, the magnetic field waveform becomes sharp, and the rotation speed can be detected by the signal processing means with high accuracy. Further, since the N pole and the S pole are adjacent to each other, it is preferable from the viewpoint of maintaining magnetism in the magnet section. Adjacent magnet sections are in contact with each other, i.e., the area efficiency of the ring magnet can be increased by eliminating a region that is not magnetized at the boundary.
複数の磁石区分は、各々、一方の磁極を表面に向け、他方の磁極を該表面と反対側の面に向けているのが好ましい。更に好ましくは、各々の磁石区分の両磁極を結ぶ方向は、リングマグネットの軸方向に略平行に各々整列されているのがよい。これにより、リングマグネット上の磁場を強くして検出精度を向上することができ、磁性も良好に維持できる。 Each of the plurality of magnet sections preferably has one magnetic pole facing the surface and the other magnetic pole facing the surface opposite to the surface. More preferably, the direction connecting both magnetic poles of each magnet section is preferably aligned substantially parallel to the axial direction of the ring magnet. Thereby, the magnetic field on a ring magnet can be strengthened and detection accuracy can be improved, and magnetism can also be maintained satisfactorily.
リングマグネットは、例えば、リング状の強磁性体の各区分を各々磁化することにより作ることができる。また、磁石区分に相当する磁石を接続して作ってもよい。従って、製造はきわめて容易である。 A ring magnet can be made by, for example, magnetizing each section of a ring-shaped ferromagnetic material. Moreover, you may make by connecting the magnet corresponded to a magnet division. Therefore, manufacturing is very easy.
リングマグネットは、トポロジー的にリング形態であれば任意の形状を採用することができる。例えば、N個の磁石区分を有する場合、中央に孔を持つ正N角形の図形として形成することができる。また、リングマグネットは、中央に孔が形成された円環形状であるのが、磁場の対称性や被検査部への組み付けの容易性等の点から好ましい。 The ring magnet can adopt an arbitrary shape as long as it is topologically ring-shaped. For example, in the case of having N magnet sections, it can be formed as a regular N-gon figure having a hole in the center. Moreover, it is preferable that the ring magnet has an annular shape with a hole formed in the center from the viewpoints of the symmetry of the magnetic field and the ease of assembly to the part to be inspected.
好ましい態様では、リングマグネットは、被検出部に形成された溝の中に収容される。これによって、回転速度センサーの占めるスペースを減少することができる。更に、溝の中に収容されたリングマグネットの表面と、被検出部の前記溝の外側にある面とは面一であるようにすれば、従来の被検査部に凹凸を設けなくて済むという利点がある。また、リングマグネットは、溝の中に接着剤で固定可能にすれば、組み付けがより簡便となる。 In a preferred embodiment, the ring magnet is accommodated in a groove formed in the detected part. As a result, the space occupied by the rotation speed sensor can be reduced. Furthermore, if the surface of the ring magnet housed in the groove is flush with the surface of the detected portion outside the groove, it is not necessary to provide irregularities in the conventional inspected portion. There are advantages. The ring magnet can be assembled more easily if it can be fixed in the groove with an adhesive.
磁場検出手段として、磁場の検出精度及び省スペースの点でホール素子が好ましい。 As the magnetic field detection means, a Hall element is preferable in terms of magnetic field detection accuracy and space saving.
運転者がペダルを踏んで走行する際には、一方向クラッチの内部に収容された2つの部品が、互いに係合して軸方向の部品間隔を増加させる。この間隔の増大は、弾性手段により対抗される。弾性手段は、ペダル踏力に応じて弾性的に歪むため、弾性手段の歪みはペダル踏力を反映する。踏力検出手段は、弾性手段の歪みを検出し、該歪みに基づいてペダル踏力を求める。2つの部品は、運転者が踏力をかけていないときは係合が解除されて弾性手段の弾性力により増大した間隔が元に戻される。 When the driver steps on the pedal, the two components housed in the one-way clutch engage with each other to increase the axial component interval. This increase in spacing is countered by elastic means. Since the elastic means is elastically distorted according to the pedal effort, the distortion of the elastic means reflects the pedal effort. The pedaling force detection means detects the distortion of the elastic means and obtains the pedaling force based on the distortion. When the driver does not apply the pedaling force, the two parts are disengaged and the interval increased by the elastic force of the elastic means is restored.
本発明によれば、制御手段が、回転速度検出手段により求められたギアの回転速度(自転車の車速に対応)及び踏力検出手段により求められたペダル踏力に基づいて補助動力を制御する。例えば、高速で走行中は、アシスト比(補助動力/踏力)を小さくして安全性を高め、低速で走行中は、アシスト比を大きくして軽快な運転を可能にする。 According to the present invention, the control means controls the auxiliary power based on the rotation speed of the gear (corresponding to the vehicle speed of the bicycle) obtained by the rotation speed detection means and the pedal depression force obtained by the pedaling force detection means. For example, when traveling at high speed, the assist ratio (auxiliary power / stepping force) is decreased to increase safety, and during traveling at low speed, the assist ratio is increased to enable light driving.
本発明によれば、自転車に必須の構成部品である一方向クラッチ手段の内部に踏力を検出する手段を設けると共に、車速を検出するため実質的に全域に亘って厚さ一定のシート状に形成されたリングマグネットを用いるようにしたので、踏力検出手段及び車速検出手段を、ほとんどスペースを取らずに車体に容易に設置することができる。かくして、自転車のフレーム構造をほとんど変更する必要がなくなり、製造の容易さ及び軽量化を高いレベルで実現した軽快なフィーリング運転の電動アシスト自転車を実現することができる、というきわめて優れた効果が得られる。 According to the present invention, a means for detecting the pedaling force is provided inside the one-way clutch means, which is an essential component of the bicycle, and is formed in a sheet shape having a substantially constant thickness over the entire area in order to detect the vehicle speed. Since the ring magnet is used, the pedal force detection means and the vehicle speed detection means can be easily installed on the vehicle body with little space. Thus, it is unnecessary to change the frame structure of the bicycle, and it is possible to achieve an extremely advantageous effect that it is possible to realize an electric assist bicycle with a light feeling driving that realizes ease of manufacture and weight reduction at a high level. It is done.
(第1実施形態;回転速度センサー)
図2には、本発明の第1実施形態に係る回転速度センサーを構成するNS分極リングマグネット200が示されている。このリングマグネット200は、その中央に開口205を有する略平坦なリングに形成されている。リングマグネット200は、そのリングを等角度毎に区分する複数の磁石区分からなり、これらの磁石区分では、その正面から見てN極側を向けたN極区分202と、S極側を向けたS極区分204とが交互に配置されている。この場合、側面図に示すように、N極区分202の反対側がS極となり、S極区分204の反対側がN極となるべく磁力線の向きがリング面に略垂直となるように磁石区分のN−S極を配向するのが好ましい。図の例では、12個の磁石区分が形成されているが、これよりも多くても少なくてもよく、被検出部の回転速度及び要求される検出精度に応じて任意好適に変更可能である。
(First embodiment; rotational speed sensor)
FIG. 2 shows an NS
なお、リング面に対し磁場の垂直成分が存在すれば、各磁石区分のN−S極の配向の仕方は任意好適に変更できる。例えば隣接するN極区分及びS極区分を一つの磁石の両極として周方向に配置してもよい。この場合、N極区分202の反対側もN極となり、S極区分204の反対側もS極となるが、磁場の強度の点では、図2の例が好ましいと考えられる。
In addition, if the perpendicular component of a magnetic field exists with respect to a ring surface, the method of the orientation of NS pole of each magnet division can be changed arbitrarily suitably. For example, adjacent N pole sections and S pole sections may be arranged in the circumferential direction as both poles of one magnet. In this case, the opposite side of the N-
図3には、回転速度の被検出部としてのギア210が示されている。ギア210は、シャフト214により伝達されたトルクにより回転し、その一方の表面には、リングマグネット200を収容できる寸法及び形状のリング溝208が形成されている。このリング溝208にリングマグネット200が収容され、接着剤等で貼り付けられる。このとき、図示のように、リングマグネット200とギア210の表面とが面一になることが好ましい。これにより、ギア表面からリングマグネットが突出せず、回転速度センサーの設置によるスペースの減少を最小限に抑えることができる。
FIG. 3 shows a
ギア210に設置されたリングマグネット208に隣接して、磁場を検出するためのホール素子212が配置されている。このホール素子は、半導体内の電流の流れる方向と直角に磁場がある場合、ホール効果により、電流及び磁場と直角方向に電流と磁場に比例する起電力を生じさせる既存の磁場検出素子である。勿論、磁場を検出できれば、ホール素子以外の磁場検出センサー、例えばコイル等を用いてもよい。ホール素子212の出力端は、コントローラ14に接続される。図3の回転速度センサー220を斜視図で表すと、図4に示す通りとなる。
A
コントローラ14は、ホール素子212からの磁場検出信号を任意好適な方法により解析してギア210の回転速度を検出する。ここで、ホール素子212からコントローラ14に出力される磁場信号の波形の一例を図5に示す。コントローラ14は、例えば、磁場信号のゼロ交差点(磁場強度ゼロの点の時刻)、N極側ピーク、或いは、S極側ピークを検出して、それらの時刻を求める機能を有する。図5に示すN極側ピーク222及びS極側ピーク224は、N極区分及びS極区分の最大磁極がホール素子212の検出領域を通過した時点を各々示しているので、各ピークの出現数及びその時刻によりギア210が一回転するのに要する時間Tを検出することができる。かくして、ギア210の回転速度(2π/T)を直ちに求めることができる。勿論、ギア210の一回転を待たなくとも、所定角度回転したときにギアの回転速度を求めてもよい。
The
本実施形態の回転速度センサーは、NS分極リングマグネット200が平坦なリング形状であるので、嵩張らず省スペース化及び軽量化を達成することができる。また、非常に簡易な構造なので製作が容易となり、従ってコスト削減を図ることもできる。
Since the NS
また、複数の磁石区分が一つの平坦なリングにまとめられたので、機器への組み付けも非常に容易となる。例えば、図3に示すように、ギア210の表面にリング状の溝を掘り、そこにリングマグネットを埋め込んで接着剤等で固定するだけである。分極に相当する個々の磁石をギアに埋め込んでいく作業と比べて、各段に作業効率の向上を図ることができる。その上、溝の深さとリングマグネットの高さとを揃えれば、全く外部に突出せず、省スペース化に寄与する。
In addition, since the plurality of magnet sections are combined into one flat ring, it is very easy to assemble the apparatus. For example, as shown in FIG. 3, a ring-shaped groove is dug in the surface of the
また、各磁石区分が占める角度範囲を小さくすることによって、回転速度の時間分解能を向上させることができる。 Moreover, the time resolution of the rotational speed can be improved by reducing the angle range occupied by each magnet section.
以下、本発明の第1実施形態に係る回転速度センサーを組み込んだ他の実施形態に係る自転車について図面を参照して説明する。なお、以下で述べる自転車は、一例として電動モータにより補助トルクを与える電動アシスト自転車として説明する。
(第2実施形態;電動アシスト自転車)
図1には、本発明の第2実施形態に係る電動アシスト自転車1の概略が示されている。なお、第1実施形態と同様の構成要素に関しては、同様の符号を用いることとする。
Hereinafter, a bicycle according to another embodiment incorporating the rotation speed sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The bicycle described below will be described as an electrically assisted bicycle that gives an auxiliary torque by an electric motor as an example.
(Second embodiment; electric assist bicycle)
FIG. 1 shows an outline of an electrically assisted
同図に示すように、この電動アシスト自転車1の主要な骨格部分は、金属管製の車体フレーム3から構成されており、該車体フレーム3には、前輪20、該前輪を操舵するためのハンドル16、後輪22及びサドル18などが周知の態様で取り付けられている。
As shown in the figure, the main skeleton part of the electrically assisted
また、車体フレーム3の中央下部には、該車体フレーム3に対して回転自在にドライブ軸4が軸支され、該ドライブ軸の左右両端部には、クランク棒6L、6Rを介してペダル8L、8Rが各々取り付けられている。この駆動側としてのドライブ軸4には、後述するラチェットギアを介して、被駆動側としてのスプロケット2が同軸に取り付けられ、このラチェットギアは、自転車1を前進させる一方向(R方向)の回転トルクのみが駆動側から被駆動側に伝達されるように構成、配置されている。
Further, a
更に、後輪22の中央部には、伝達された踏力を該後輪に与えるための後輪動力機構10が設けられており、該後輪動力機構の内部に設けられた図示しないフリーホイールとスプロケット2との間には無端回動のチェーン12が張設されている。
Further, a rear
周知のように、ペダル8に与えられた前進方向のペダル踏力はクランク棒6を介してドライブ軸4を回転させ、この回転力が図のR方向の踏み込みトルクとしてスプロケット2を回転させ、該踏み込みトルクはチェーン12を介して後輪動力機構10に伝達され、その結果、後輪22を回転させて自転車1を前方に走らせる。
As is well known, the forward pedaling force applied to the pedal 8 rotates the
回転速度センサー220は、走行速度を反映するように回転する任意の被検出部に取り付けることができる。この被検出部として、例えば、後輪動力伝達機構10内に配置された図示しないギア、スプロケット2、後述するスプロケット駆動ギア11、及び、前輪車軸の回転部分等が挙げられる。コントローラ14は、これらの被検査部の回転速度を車体の走行速度に変換する参照テーブルを有する。
The
次に、本実施形態に係るトルク検出機構の構成を図6乃至図9を用いて説明する。 Next, the configuration of the torque detection mechanism according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図7には、スプロケット2及び該スプロケット2に連結されたラチェットギア39の正面図と、該正面図のS−S’線に沿って取られた該スプロケット2及びラチェットギア39の断側面図が示されている。同正面図に示すように、スプロケット2は、剛性を有するボディ部38の外周に亘ってチェーン12と嵌合するための複数の歯24及び隣接する歯の間に凹部25が形成され、ボディ部38の中央部にはドライブ軸4を貫通させるための孔41、及び該孔41の周囲を取り囲む円筒状のストッパー46が形成されている。
First, FIG. 7 shows a front view of the
ラチェットギア39は、スプロケット中心(図では、ドライブ軸線5に一致)から等距離のところに等角度毎にスプロケット2のボディ部38にそれぞれ固定配置された3つのラチェット駒40と、該ラチェット駒に嵌合するようにスプロケット2の片面側に配置されたラチェット歯部43と、を含んで構成される。
The
図7の断側面図は、スプロケット2及びラチェットギア39をドライブ軸4に取り付けた状態を示している。同図によれば、ドライブ軸4の回りには、該ドライブ軸と同心に該軸に対し動かないように固定されたドライブシャフト42が設けられている。このドライブシャフト42には、その外周囲に軸線5に略平行な円筒シャフト面を有する台座45が形成されている。この台座45には、スプロケット2及びラチェット歯部43が係合した状態で配置される。スプロケット2は、ラチェットギア39のクラッチが作用しない方向には、台座45内で、ドライブシャフト42から独立に回転することができ、ラチェット歯部43は後述するようにドライブシャフト42に対し固定されている。
7 shows a state in which the
ここで、スプロケット2及びラチェット歯部43の係合状態及びクラッチ機能に関して、図8及び図9を用いて概念的に説明する。
Here, the engagement state and the clutch function of the
図8には、スプロケット2及びラチェット歯部43を分解した状態の図式的な斜視図が示されている。同図に示すように、ラチェット駒40は、弾性を備えた細長い金属製平板を折り曲げた爪状部材として形成され、該爪状部材の先端部40aがスプロケット2のボディ部38に対してある一定の傾斜角度をなすように後部40bが該ボディ部38に溶接等により固定されている。
FIG. 8 shows a schematic perspective view of the
また、ラチェット歯部43は、平坦な表面を持つ円板部60を有し、スプロケット面と向かい合う側の該円板部60の面上には、その外周に沿って周全体にラチェット駒40と係合するための複数の歯44が形成されている。各々の歯44は、より緩やかな斜面44a及びより急な斜面44bを夫々有する。更に、円板部60の中央部には、軸方向に延在する円筒状のセンターシャフト54が該円板部の平面から両外側に突出するように設けられ、該センターシャフトには、ドライブ軸4の回りに設けられたドライブシャフト42を受け入れるための開口部57が貫通している。また、円板部60のスプロケット面に向かう側と反対側にあるセンターシャフト54の内部には、開口部57の直径に亘って橋渡しするように平板状の回り止め部52がシャフト内壁に固定連結されている。更に、センターシャフト54には、コイルバネ50が挿入され、該コイルバネ50の一方の端部は、回り止め部52に当接し、他方の端部は、図示しないがドライブシャフト42に固定されている。
Further, the
スプロケット2及びラチェット歯部43の係合状態では、図9に示すように、ラチェット駒40の先端部40aが隣接する斜面44a及び斜面44bにより画成された凹所内に入り込み、その最先端部分が、より急な斜面44bに対峙した状態でこれに当接する。また、センターシャフト54の開口部57は、ドライブシャフト42を受け入れている。このとき、図示しないが、回り止め部52は、ドライブシャフト42の軸方向に沿って該シャフト部を貫通するように形成されたより長いスロット58の中に挿入された状態になっている。これによって、ラチェット歯部43は、ドライブシャフト42に対して回転せず、踏み込みトルクによって回転するドライブ軸4と一緒に回転する。また、回り止め部52の軸方向幅はスロット58の長さより小さいため、回り止め部52はスロット58に沿って軸方向に摺動可能である。このとき、回り止め部52は、コイルバネ50によってスプロケット2に向かう方向に付勢されているため、ラチェット駒40の最先端部分がラチェット歯部43に係合したその高さのところで係止される。
In the engaged state of the
図9の下図に示すように、ドライブシャフト42が自転車1の前進方向に相当するR方向に回転すると、ラチェット駒40の最先端部分が歯44のより急な斜面44bに突き当たった状態で斜面に沿って滑らないため、ドライブシャフト42と共に、ラチェット歯部43及びスプロケット2が一緒にR方向に回転する。これに対し、ドライブシャフト42がR方向とは反対方向に回転すると、先端部40aの背面がより緩やかな斜面44aに当接するため、係止されずに該斜面に沿って滑り出し、ドライブシャフト42の回転はスプロケット2に伝達しない。これが、ラチェットギア39の一方向クラッチの原理である。
As shown in the lower part of FIG. 9, when the
ドライブシャフト42のR方向の回転がラチェット歯部43を介してスプロケット2に伝達される場合、図9の下図に示すように、より急な斜面44bから受ける回転力に抗して弾性を持つラチェット駒40が立ち上がる。このため、ラチェット歯部43は、通常の軸方向位置(図6、図7の位置48a)からコイルバネ50の付勢力に抗しながらスプロケット2からより離れるように軸方向に変位し、ペダル踏力による回転力とラチェット駒40の弾性力とが釣り合った位置(図6、図7の位置48b)で停止する。踏み込みトルクが減少すると、より急な斜面44bから受ける回転力が弱くなるため、ラチェット駒40がその弾性によって元の高さに戻ろうとし、これと共にコイルバネ50で下方に付勢されたラチェット歯部43がスプロケット2に近づくように軸方向に変位する。かくして、ラチェット歯部43の軸方向変位量△L(図7)は、踏み込みトルクの大きさを反映する。
When the rotation of the
このラチェット歯部43の軸方向変位量を検出するため、図6に示すように、所定位置からラチェット歯部43の円板部60までの軸方向距離を検出する位置センサー34を車体フレームに配設する。なお、この位置センサー34は、例えば、円板部60の軸方向変位に応じて軸方向に移動するように取り付けられたフェライト等の磁性材料からなる検出体と、該検出体の近傍に配置されたコイルと、該コイルのインダクタンスの変化をインピーダンスの変化として電気的に検出することが可能な検出回路と、によって実現できる。この構成の場合、ラチェット歯部43の軸方向変位量に応じて検出体がコイルに接近したり或いは遠ざかるが、検出体とコイルとの距離に応じてコイルのインダクタンスが変化するので、この変化を検出回路により検出することによってラチェット歯部43までの軸方向距離L1を演算することができる。勿論、ラチェット歯部43の軸方向距離又はその変位量△Lを検出できる限り、これ以外の型式の任意のセンサーを用いてもよく、また、センサーによってはラチェットギア39内に配置することもできる。
In order to detect the axial displacement of the
位置センサー34の出力端には、該センサーからの検出信号を受信するコントローラ14が接続されている。このコントローラ14は、いわゆるマイクロコンピュータなどで実現することができ、受信した軸方向距離に関する検出信号に基づいて踏み込みトルクの値を演算する演算機能などを有する。
A
次に、本実施形態の電動アシスト手段を説明する。この電動アシスト手段は、図6に示すように、スプロケット2に直接嵌合するスプロケット駆動ギア11と、図示しないバッテリーで回転駆動し、その補助トルクを回転軸37aを介して伝達する電動モータ37と、電動モータ37の回転軸37a回りの回転速度を減速してギア軸35aを介してスプロケット駆動ギア11に伝達する減速機構35と、演算した踏み込みトルクの値に基づいて電動モータ37を制御する上記コントローラ14と、を含んで構成される。
Next, the electric assist means of this embodiment will be described. As shown in FIG. 6, the electric assist means includes a
このうち減速機構35は、例えば、複数のギア等を組み合わせて構成されており、これらのギアにより構成された補助トルクの伝達経路の途中には、一方向にだけ動力を伝達する、いわゆるワンウェイクラッチ(図示せず)が設けられている。このワンウェイクラッチは、電動モータ37からの補助トルクをスプロケット駆動ギア11に伝達するが、その逆方向、即ちスプロケット駆動ギアから減速機構35へはトルクを伝達しないように構成・接続される。これによって、非駆動時の電動モータ37の負荷がスプロケット2には伝達せず、常に軽快な運転が可能となる。
Of these, the
スプロケット駆動ギア11及びスプロケット2の嵌合状態の正面図を図10(クランク棒の図示省略)に示す。ここに、スプロケット2に張設されたチェーン12は、2枚のまゆ型のリンクプレートに2本のピンを圧入したピンリンクと、2個のブッシュを2枚のリングプレートに圧入し、そのブッシュの外周囲にローラを回転自在にはめ込んだローラリンクとを交互に組み合わせてなるものである。チェーン12のピンリンク及びローラリンクを構成する各ローラは、スプロケット2の各歯に嵌合するように、ピッチ及び直径が定められている。
A front view of the
スプロケット駆動ギア11は、上記チェーン12の嵌合と同じ態様でスプロケット2に嵌合するように、例えば図11に示すように構成されている。スプロケット駆動ギア11は、平行に対置された2枚のローラプレート17a、17bと、これらのプレート間を連結するようにプレートの周囲領域に沿ってチェーン12のローラと同一ピッチ毎に該プレートに対し略垂直に圧入された複数(図の例では6個)の円筒形のブシュ(ローラ軸)15と、これらのブシュの外周囲を覆って回転自在に各々はめ込まれた複数(図の例では6個)の円筒形のローラ21と、を備えている。ローラプレート17a、17bは、その中央部に、駆動手段13に取り付けるための取り付け孔19が形成され、隣接するローラ21の間の外周部には、内側に凹んだ凹部33が形成されている。
For example, the
スプロケット駆動ギア11の隣接する2つのローラ21はスプロケット2の凹部25に係合し、これらローラ間の間隙には、スプロケット2の一つの歯24が各々進入する(図10参照)。なお、スプロケット駆動ギア11の上述した凹部33は、チェーン12の歯がローラ21の間に嵌合しやすいように成形されるのがよく、例えばチェーン12のまゆ型のリンクプレートの中央のくびれ部分と略同一形状に成形されるのが好ましい。
Two
次に、本発明の第2実施形態の作用を各図面を参照して説明する。 Next, the operation of the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
搭乗者がペダル8R、8Lにペダル踏力を与え、ドライブ軸4をR方向に回転させると、回り止め部52によってドライブ軸4に回転不能に固定されたラチェット歯部43が該ドライブ軸4と共に回転し、その歯44に係合したラチェット駒40を介して、チェーン12からの引張力が負荷として作用するスプロケット2に踏み込みトルクを印加する。このとき、弾性を持つラチェット駒40は、ラチェット歯のより急な斜面44bから受ける回転力に抗して立ち上がり、このため、ラチェット歯部43は、通常の軸方向位置(図7の位置48a)からコイルバネ50の付勢力に抗しながらスプロケット2からより離れるように軸方向に変位し、ペダル踏力による回転力とラチェット駒40の弾性力とが釣り合った位置(図7の位置48b)で停止する。
When the rider applies a pedaling force to the
図6の位置センサー34は、その固定された位置からラチェット歯部43の円板部60までの軸方向距離を常時検出し、その検出信号(位置48bに対応)をコントローラ14に伝達する。コントローラ14は、内部メモリに予め記憶しておいた踏み込みトルクが作用していないときのラチェット歯部43の位置48aと、受信した検出信号が示す位置48bとから、その差分を演算して軸方向変位量△Lを求める。この軸方向変位量△Lは、踏み込みトルクが大きいほど大きくなるので、両者の対応関係からコントローラ14は、踏み込みトルクの値を演算することができる。これは、例えば、軸方向変位量△Lと踏み込みトルクとの関係を予め実験的に求めておき、この関係を表す参照テーブルをコントローラ14の内部メモリに記憶しておけば実現できる。
The
次に、コントローラ14は、少なくとも演算された踏み込みトルクTに基づいて印加すべきアシスト用の補助トルクTeを演算し、該補助トルクで回転駆動するように電動モータ37を指令する制御信号を演算出力する。好ましくは、コントローラ14は、回転速度センサー220により検出された回転速度を車速に変換し、踏み込みトルクT及び回転速度センサー車速の両方に基づいて補助トルクTeを演算するのがよい。
Next, the
例えば、最も簡単な電動アシスト制御の場合、演算された踏み込みトルクTが所定値以上となったとき、電動モータ37をオンにして踏み込みトルクに対し所定の比率を保つような補助トルクを指令するモータ制御信号を出力し、それ以外では電動モータをオフにするモータ制御信号を出力する。この場合、軸方向変位量△Lそれ自体を直接用いて、この値が一定値以上となったときのみに電動モータ37をオンにしてもよい。
For example, in the simplest electric assist control, when the calculated stepping torque T is equal to or greater than a predetermined value, the motor that instructs the auxiliary torque to turn on the
電動モータ37がオンとなって回転すると、この回転力は、減速機構35を介してスプロケット駆動ギア11に伝達され、スプロケット駆動ギア11は、その駆動中心軸9の回りに図10に示すK方向に回転する。このとき、各々のローラ21がスプロケット2のそれぞれの凹部25に、順次、係合していき、これと共に、スプロケット2がドライブ軸4の中心軸線5の回りのR方向の駆動トルクを与えられる。このように本実施形態では、電動モータ37からの補助トルクがスプロケット駆動ギア11を介して剛性の高い歯24が形成されたスプロケット2の領域に伝達されるため、スプロケット2を撓ませることなく、且つ回転中心がずれることなく踏力を補助することができる。このように踏み込みトルクが一定以上とみなされるような条件下で、アシスト用補助トルクが加わるので、ペダル運転を楽に行うことができる。
When the
以上のように本実施形態では、剛性が高く体積及び重量が大きい弾性部材や伝達機構などを、既存の電動アシスト自転車に別途、追加することなく、一般の自転車でも必要となるラチェットギア内部の軸方向変位量に基づいてトルクを演算するようにしたので、トルク検出機構のスペース及び重量を大幅に削減すると共にその機構を簡素化することができる。 As described above, in the present embodiment, the shaft inside the ratchet gear that is also required for a general bicycle without adding an elastic member, a transmission mechanism, etc. having high rigidity and large volume and weight separately to an existing electric assist bicycle. Since the torque is calculated based on the amount of directional displacement, the space and weight of the torque detection mechanism can be greatly reduced and the mechanism can be simplified.
また、本実施形態では、電動モータ37からの補助トルクがスプロケット駆動ギア11を介して、直径が大きいスプロケット2の外周部分に伝達されるため、ドライブ軸4から補助トルクを付加するという構造と比べて減速比を大きく取れるという利点がある。これによって、合力機構の小型軽量化並びに簡素化を図ることができる。
Further, in the present embodiment, since the auxiliary torque from the
更に、本実施形態では、トルク検出機構の弾性変位部分をラチェットギアに一体的に含ませると共に、スプロケット駆動ギア11と駆動手段13とを設けるだけで電動アシスト手段を構成したので、従来の車体のフレーム構造を変更する必要はほとんどなくなり、電動アシスト自転車の更なる小型軽量化、簡素化、及びコスト削減を図ることができる。
(第3実施形態)
本発明の第3の実施形態に係るトルク検出機構を図12(a)、(b)に示す。なお、トルク検出機構以外は第2の実施形態と同様であるので、詳細な説明を省略し、同様の構成要件については同一の符号を附すことにする。
Furthermore, in the present embodiment, the elastic displacement portion of the torque detection mechanism is integrally included in the ratchet gear, and the electric assist means is configured only by providing the
(Third embodiment)
FIGS. 12A and 12B show a torque detection mechanism according to the third embodiment of the present invention. In addition, since it is the same as that of 2nd Embodiment except a torque detection mechanism, detailed description is abbreviate | omitted and it attaches | subjects the same code | symbol about the same component.
図12(a)、(b)に示すように、第3実施形態に係るトルク検出機構は、その中央部に円筒収容部82を有するスプロケット70を備える。この円筒収容部82は、スプロケット70の一方の板面側に円筒状に突出し、他方の板面側で凹んでいる。スプロケット70は、円筒収容部82の凹み部分が、ペダル側に向くように配置され、該凹み部分には、一方向の回転のみを、その駆動側部からその被駆動側部に伝達する一方向クラッチ72が収容されている。この一方向クラッチ72は、R方向のみの回転をスプロケット70に伝達するように、円筒収容部82の凹み部分との係合部において、その被駆動側部が固定連結され、その被駆動側部がドライブ軸4に固定連結されている。なお、スプロケット70は、軽量化のため、円筒収容部82の回りに複数の孔84(図12(a))が形成されている。
As shown in FIGS. 12A and 12B, the torque detection mechanism according to the third embodiment includes a
この一方向クラッチ72として、ドライブ軸4がR方向に回転してその回転力がスプロケット70に伝達されるとき一方向クラッチ72の被駆動側部が踏み込みトルクの大きさに対応した変位量だけ軸方向に沿ってスプロケット側に変位する型式のクラッチが選択される。一例として、第2実施形態のラチェットギア型式の一方向クラッチなどがある。
As the one-way clutch 72, when the
一方、これとは反対側のスプロケット70のより内側の面には、ベアリング74が円筒収容部82の突出部分の回りに配置され、その側面周囲から該円筒収容部を保持している。このベアリング74は、軸方向及び径方向の両荷重に対応するのが好ましい。更に、弾性を備えた金属製の円錐台形状の皿バネ76がこのベアリング74の外周囲を覆うようにベアリング74を保持し、該皿バネ76は剛性の支持台78を介して車体に固定されている。即ち、スプロケット70は、一方向クラッチ72と反対側において、車体に対し回転可能なように弾力的に保持されている。図12(b)より明らかに、一方向クラッチ72の軸方向幅と、皿バネ76の軸方向幅とをドライブ軸4の中心軸線に射影したとき、その軸位置において互いに重なり合う領域を有していることがわかる。
On the other hand, a
また、皿バネ76には、印加された応力による皿バネの歪みを検出する歪みゲージ80が取り付けられ、該歪みゲージ80は、コントローラ14(図6参照)に接続されている。この歪みゲージ80は、例えば薄膜金属抵抗の素子などから形成できる。この薄膜金属抵抗素子の場合、鏡面研磨した皿バネ76の表面に薄い酸化皮膜の絶縁層を設け、その上に複数の素子からなる抵抗体をスパッタリングなどの手法でブリッジ状に形成する。コントローラ14は、皿バネ76に加わった応力歪みによるブリッジ素子の抵抗の変化を検出することによって、その応力の大きさを検知することができる。歪みゲージ80は、皿バネ76の最も応力変形を受けやすいところに、その応力変形量による抵抗値の変化が可能な限り大きくなるように設置するのが検出精度を向上する上で好ましい。
Further, a
なお、歪みゲージ80の代替手段として、皿バネ76に加わった圧力による抵抗の変化を検出するピエゾ圧電抵抗素子、或いは、皿バネ76表面の変位量を検出する位置センサーなどがある。
As an alternative to the
次に、第3の実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of the third embodiment will be described.
搭乗者がペダル8R、8Lにペダル踏力を与え、ドライブ軸4をR方向に回転させると、この回転力が一方向クラッチ72の駆動側部分を介してスプロケット70に伝達される。このとき、一方向クラッチ72の被駆動側部が軸方向に沿ってスプロケット側に踏み込みトルクに対応した変位量だけ変位しようとするため、スプロケット70には、軸方向に沿って、より内側に押し込む力が作用する。この押し込む力は、ベアリング74を介してスプロケット70を保持する皿バネ76に加わり、皿バネ76に応力歪みをもたらす。この応力歪みは、一方向クラッチ72によるスプロケット70の軸方向移動量、即ち踏み込みトルクの大きさを反映している。
When the rider applies a pedal depression force to the
皿バネ76の応力歪みによって歪みゲージ80の抵抗値が変化する。この変化した抵抗値は、コントローラ14によって検知される。コントローラ14は、その内部メモリに、予め歪みゲージ80の抵抗値と踏み込みトルクとの対応関係を示す参照テーブルを記憶しており、検知した歪みゲージの抵抗値を該参照テーブルに照合することによって踏み込みトルクTを求める。そして、第2の実施形態と同様に、コントローラ14は、踏み込みトルクTに基づき演算した補助トルクTeで回転駆動するように電動モータ37を制御し、この補助トルクがスプロケット駆動ギア11を介してスプロケット70に直接伝達される。
The resistance value of the
以上のように第3実施形態においても、剛性が高く体積及び重量が大きい弾性部材や伝達機構などを、既存の電動アシスト自転車に別途、追加することなく、一般の自転車でも必要となる一方向クラッチ72の押し込み力による皿バネ76の応力歪みに基づいてトルクを演算するようにしたので、トルク検出機構のスペース及び重量を大幅に削減すると共にその機構を簡素化することができる。
As described above, also in the third embodiment, a one-way clutch that is necessary even for a general bicycle without adding an elastic member, a transmission mechanism, or the like having high rigidity and large volume and weight to an existing electric assist bicycle. Since the torque is calculated based on the stress distortion of the
更に、第3の実施形態においては、一方向クラッチ72がスプロケット70の円筒収容部82の内部に収容され、その収容部の外周から間接的に皿バネ76が保持するという、同じ幅内に両者を配置した構造であるため、軸方向のストロークがより短くて済む。この利点は、皿バネ76の表面に薄く形成された歪みゲージ80によって踏み込みトルクに対応する量を検出する手段の採用により、更に前進する。これより、第3の実施形態は、省スペースという点において、第2の実施形態よりも更に優れた効果を有する。
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態に係るトルク検出機構を図13乃至図15を用いて説明する。なお、トルク検出機構以外は第2及び第3の実施形態と同様であるので、詳細な説明を省略し、同様の構成要件については同一の符号を附すことにする。
Further, in the third embodiment, the one-way clutch 72 is housed in the
(Fourth embodiment)
A torque detection mechanism according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, since it is the same as that of 2nd and 3rd Embodiment except a torque detection mechanism, detailed description is abbreviate | omitted and it attaches | subjects the same code | symbol about the same component.
図13に示すように、スプロケット2は、ラチェットギアを介してドライブ軸4に軸支される。このラチェットギアは、図14に示すように、駒部100及び歯部112を備える。
As shown in FIG. 13, the
駒部100では、3つのラチェット駒102が周方向に沿って等角度毎にその第2の係合面110に配置されている。このラチェット駒102は剛体でできており、第2の係合面110に近く且つ該係合面の略径方向に沿った軸の回りに回動可能とされている。ラチェット駒102は、ラチェット駒102に力が作用していないとき、その長さ方向が第2の係合面110に対して所定の角度をなす(図15の平衡方向160)ように駒立ち上げスプリング104によって付勢されている。図15に示すように、ラチェット駒102が平衡方向160から上昇方向a又は下降方向bに偏倚するとき、駒立ち上げスプリング104は、その偏倚を平衡方向160に戻すようにラチェット駒102に僅かな弾性力を及ぼす。
In the
また、駒部100の中央部には、ドライブ軸4を受け入れるための駒部ボア106が形成され、この駒部ボア106は、駒部100の裏面101から突出した円筒部103も貫通している。裏面101には、円筒部103の外周囲に円状溝155(図13)が形成され、該円状溝155の中には、多数の鋼球152が回転自在に嵌め込まれている。これによって、裏面101には、軸方向の荷重受け兼滑り軸受け用のベアリングが形成される。
In addition, a piece portion bore 106 for receiving the
皿バネ124が、その中心孔127に円筒部103を通して駒部100の裏面101に当接される。このとき、皿バネ124は、駒部100からの圧力に弾力で対抗する方向に鋼球152即ち荷重受けベアリングを介して裏面101に滑動可能に接する。皿バネ124の表面には、180度の位置関係で対向する2個所に、歪みゲージ126が設置される。これらの歪みゲージ126は、リード線128を介してコントローラ14に電気的に接続される。更に好ましくは、3個以上の歪みゲージを皿バネ124に設置してもよい。このとき、複数の歪みゲージを、皿バネ124の表面上で夫々が回転対称の位置となるように設置するのが好ましい。
The
皿バネ124は、椀状の支持器130の内底部132に収められる。支持器130には、ドライブ軸4を受け入れるため中央部を貫通する支持ボア133及び後面から突出する支持円筒部134が形成される。この支持円筒部134の内壁には、軸方向及び径方向の両荷重対応のベアリング138が係合される(図13参照)。ベアリング138は、ドライブ軸4に形成されたストッパー斜面144によって係止される。
The
駒部ボア106の内壁には、軸方向5に延びる第1の回転防止用溝108が4個所に形成されている。駒部ボア106の内壁と摺接するドライブ軸4の外壁部分にも、第1の回転防止用溝108と対面するように軸方向5に延びる第2の回転防止用溝140が4個所に形成されている。図16(a)に示すように、第1の回転防止用溝108及びこれに対面する第2の回転防止用溝140は、軸方向に沿って延びる円柱溝を形成し、各々の円柱溝の中には、これを埋めるように多数の鋼球150が収容される。これによって、駒部100は、軸方向5に沿って摩擦抵抗最小で移動できると共に、ドライブ軸4に対する相対回転が防止される。これは、一種のボールスプラインであるが、他の形式のボールスプライン、例えば無端回動のボールスプラインなどを、このような摺動可能な回転防止手段として適用することができる。
Four first
また、ボールスプライン以外の手段を用いることも可能である。例えば、図16(b)に示すように、軸方向に延びる突起部140aをドライブ軸4に設け、該突起部140aを収容する第3の回転防止用溝108aを駒部100に形成する、いわゆるキースプライン形式も回転防止手段として適用可能である。なお、図16(b)において、突起部140aを駒部100側に、第3の回転防止用溝108aをドライブ軸4側に設けてもよい。更に、図16(c)に示すように、軸方向に延びる第4の回転防止用溝108b及びこれに対面する第5の回転防止用溝140bを駒部100及びドライブ軸4に夫々設け、これらの溝が形成する直方体状の溝の中にキープレートを収容する、いわゆるキー溝形式も回転防止手段として適用可能である。なお、第2実施形態で示した回り止め部52も第4実施形態で採用できる。
It is also possible to use means other than the ball spline. For example, as shown in FIG. 16B, a
歯部112の第1の係合面121には、ラチェット駒102と係合するための複数のラチェット歯114が形成されている。ラチェット歯114は、歯部の周方向に沿って互い違いに周期的に形成された、第1の係合面121に対してより急な斜面118と、より緩やかな斜面116と、から構成される。
A plurality of ratchet teeth 114 for engaging with the
歯部112は、その第1の係合面121を駒部100の第2の係合面110に対面させるようにドライブ軸4に軸支され、ラチェット駒102とラチェット歯112とが係合される(図15)。このとき、ドライブ軸4はカラー111を介して歯部112の中央部に形成された歯部ボア120を通過し、ワッシャー122を介して端部142から固定される(図13)。更に、歯部112は、スプロケット2並びにドライブ軸4に対して回転自在の支持器130と連結される。かくして、車体前進方向のドライブ軸4の回転のみをスプロケット2に伝達するようにドライブ軸4とスプロケット2とを連結するラチェットギアが完成する。
The
好ましくは、オフセット用バネ136が、ドライブ軸4のストッパー斜面144と、駒部100の裏面101との間に介在されるのがよい。このオフセット用バネ136は、ペダル踏力が所定値以下の場合(例えば事実上ゼロに近い場合)、裏面101に収容された鋼球152と皿バネ124との間にクリアランスを生じさせるように駒部100を軸方向に偏倚させる。
Preferably, the offset
次に、第4実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of the fourth embodiment will be described.
搭乗者がペダル8R、8Lにペダル踏力を与え、ドライブ軸4を車体前進方向に回転させると、この回転力は、ドライブ軸4に対し回転不可能に軸支された駒部100に伝達される。このとき、図15に示すように、ラチェット駒102は、駒部100からペダル踏力に対応する力Fdを与えられので、その先端部は歯部112のラチェット歯のより急な斜面118に当接し、この力をラチェット歯に伝達しようとする。ラチェット歯部112は、スプロケット2に連結されているので、ラチェット駒102の先端部は、駆動のための負荷による力Fpをより急な斜面118から受ける。その両端部から互いに反対向きの力Fp及びFdを与えられたラチェット駒102は、a方向に回転して立ち上がる。駒部100は、ラチェット駒102の立ち上がりによって軸方向内側に移動し、駒部100と支持器130との間に介在する皿バネ124を押し込む。皿バネ124は、これに対抗して弾性力Frを駒部100に作用する。この力Frと、駒部100を軸方向に移動させるペダル踏力を反映した力とは短時間で釣り合う。かくして、皿バネ124の応力歪み、駒部100と歯部112との間のクリアランス、ラチェット駒102の第2の係合面110に対する角度、駒部100の車体フレームに対する位置及び皿バネ124が押し込まれる圧力などはペダル踏力を反映する物理量となる。従って、これらのうち少なくとも1つを検出することによって踏み込みトルクを推定することが可能となる。
When the rider applies a pedal depression force to the
本実施形態では、一例として皿バネ124の応力歪みを検出する。コントローラ14は、皿バネ124に設けられた2つの歪みゲージ126からの信号を少なくとも加算演算する(平均演算を含む)。このように複数箇所の応力歪み量を平均化して計測することによって、同じ踏み込みトルクでも出力変化を大きくとれ且つノイズ成分を平滑化することができるので、SN比を改善し、トルク推定精度を更に向上させることができる。この効果は、歪みゲージの個数が増えるほど大きくなる。
In the present embodiment, as an example, the stress strain of the
また、ペダル踏力が所定値以下の場合などでは、オフセット用バネ136は、駒部100の裏面101と皿バネ124との間にクリアランスを生じさせているため、鋼球152が皿バネ124に頻繁に衝突することが少なくなる。これによって、歪みゲージ信号のノイズ成分が軽減して、トルク検出及び電動アシスト制御の安定性を向上させることができる。
Further, when the pedal depression force is less than a predetermined value, the offset
本実施形態の電動アシスト制御の流れは、第2及び第3の実施形態と同様である。 The flow of the electric assist control of the present embodiment is the same as that of the second and third embodiments.
第4実施形態には以下のような更に優れた効果がある。
1.ラチェットギアとトルク検出機構とを一つの機構で実現したので、部品点数の削減化が図られ、小型、軽量化及び低コストを達成できる。
2.踏み込みトルクを検出する部分に、受け荷重ユニットと荷重検出センサーとを一体化した皿バネを用い、2つの機能を1ユニットで実現したので、上記効果に加えて更に小型、軽量化及び低コストを達成できる。
3.上記項目1及び2に示したようにトルク検出機構の小型、軽量化及び簡素化をより高いレベルで達成したので、通常の自転車であってもトルク検出機構を取り付ける可能性が更に広がった。
4.上記項目1及び2で示した理由により、従来機構に比べて荷重の伝達ロスが少なくなり、制御の応答性のよいアシストフィーリングを実現できる。
5.上記項目1及び2で示した理由により、従来機構(コイルバネ使用)に比べ、ペダルに無駄な動き(センサーが感知するまで)が無くなり、ペダルを踏み込んだときのフィーリングは、従来機構は踏み込み時に弾力感があったのに対し、本実施形態では、通常の自転車のフィーリングと同様になった。
The fourth embodiment has the following more excellent effects.
1. Since the ratchet gear and the torque detection mechanism are realized by a single mechanism, the number of parts can be reduced, and a reduction in size, weight, and cost can be achieved.
2. The disc spring that integrates the load receiving unit and the load detection sensor is used in the part that detects the depression torque, and two functions are realized in one unit, so in addition to the above effects, further miniaturization, weight reduction and low cost can be achieved. Can be achieved.
3. As shown in the
4). For the reasons described in
5. Due to the reasons shown in
以上が本発明の各実施形態であるが、本発明は、上記例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において任意好適に変更可能である。 Although the above is each embodiment of the present invention, the present invention is not limited to the above example, and can be arbitrarily and suitably changed within the scope of the gist of the present invention.
例えば、上記各実施形態では、補助トルクを提供する手段として電動モータを例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、他の任意の動力手段、例えばガソリンエンジンなどを用いることも可能である。 For example, in each of the above embodiments, the electric motor is exemplified as the means for providing the auxiliary torque. However, the present invention is not limited to this, and any other power means such as a gasoline engine can be used. is there.
また、各実施形態において、ラチェットギアの駒及び歯のいずれか一方をスプロケットに取り付け、他方をドライブ軸に取り付けるかは、任意好適に変更可能である。例えば第4実施形態の場合、駒部100をスプロケット側に取り付け、歯部112をドライブ軸4に摺動可能且つ回転不可能に取り付け、歯部112によって皿バネ124を押し込めるようにしてもよい。
Moreover, in each embodiment, it can change arbitrarily suitably whether any one of the piece and teeth of a ratchet gear is attached to a sprocket, and the other is attached to a drive shaft. For example, in the case of the fourth embodiment, the
第2及び第4実施形態では、ラチェット駒が3個の例を示したが、2個又は4個以上あってもよいことは勿論である。図16(a)、(b)、(c)に示した回転防止手段の溝の数及び突起部の数も、上記した以外の数であってもよい。 In the second and fourth embodiments, an example in which there are three ratchet pieces has been described, but it is needless to say that there may be two or more ratchet pieces. The number of grooves and the number of protrusions of the rotation preventing means shown in FIGS. 16A, 16B, and 16C may be other than those described above.
上記1又は2つの実施形態で説明したが、他の実施形態では説明しなかった構成要件は、当該他の実施形態にもその要旨を変更しない範囲内で適用可能である。例えば、図16(a)、(b)、(c)に示した回転防止手段は、第2及び第3実施形態に共に適用できる。また、第3実施形態の一方向クラッチは、第2及び第4実施形態のラチェットギアが共に適用可能である。また、第3実施形態の歪みゲージを第4実施形態と同様に複数設置し、その出力信号を平均演算してもよい。 The configuration requirements described in the above-described one or two embodiments but not described in other embodiments can be applied to the other embodiments within the scope of not changing the gist thereof. For example, the rotation preventing means shown in FIGS. 16A, 16B, and 16C can be applied to both the second and third embodiments. Further, the ratchet gears of the second and fourth embodiments can be applied to the one-way clutch of the third embodiment. Further, a plurality of strain gauges according to the third embodiment may be provided in the same manner as in the fourth embodiment, and the output signals may be averaged.
また、ラチェットギアの変形に対抗して配置される弾性体も任意好適に種類及びその形状を変更可能である。皿バネやコイルバネ以外に例えばゴム弾性体などを用いることもできる。 In addition, the type and shape of the elastic body arranged against the deformation of the ratchet gear can be arbitrarily and suitably changed. For example, a rubber elastic body can be used in addition to the disc spring and the coil spring.
各実施形態で検出する物理量は、第4実施形態の説明で挙げた例のようにラチェットギアの変形に基づくものであれば任意好適に選択することができる。例えば第2実施形態では、ラチェット歯部の軸方向変位による押し出し圧力の変化を検出する圧電センサーを用いてもよい。また、ラチェット駒に歪みゲージを取り付け、ラチェット駒の応力歪み量に基づいて踏み込みトルクを演算することも可能である。また、第4実施形態では支持器の内底部に圧電センサーを配置してもよい。また、ラチェット駒の回転角度をその回転軸に設けたエンコーダーなどで検出してもよい。更に、歯部に対する駒部の位置を検出する位置センサーを設けてもよい。 The physical quantity detected in each embodiment can be arbitrarily selected as long as it is based on the deformation of the ratchet gear as in the example given in the description of the fourth embodiment. For example, in the second embodiment, a piezoelectric sensor that detects a change in the extrusion pressure due to the axial displacement of the ratchet tooth portion may be used. It is also possible to attach a strain gauge to the ratchet piece and calculate the depression torque based on the stress strain amount of the ratchet piece. In the fourth embodiment, a piezoelectric sensor may be disposed on the inner bottom of the support. Further, the rotation angle of the ratchet piece may be detected by an encoder provided on the rotation shaft. Furthermore, a position sensor that detects the position of the piece portion with respect to the tooth portion may be provided.
また、応力歪みを検出する手段として、歪みゲージを例にしたが、応力歪みに関連した物理量を検出できれば、これに限定されるものではない。 In addition, as a means for detecting stress strain, a strain gauge is taken as an example, but the present invention is not limited to this as long as a physical quantity related to stress strain can be detected.
Claims (17)
前記動力アシスト自転車の走行に伴って回転するギアと、
略平坦な表面を備え、実質的に全域に亘って厚さ一定のシート状に形成された、可撓性を有するリングマグネットであって、該リングマグネットは、該表面が前記ギアの回転軸に垂直に配置されるように該ギアに取り付けられ、該表面には、周方向に沿って一定角度周期で空間的に変化する磁場を該表面上に生じさせるように複数の磁石区分が形成された、前記リングマグネットと、
前記リングマグネットの表面に隣接した固定位置で磁場を検出し、該磁場に基づいて前記ギアの回転速度を求める回転速度検出手段と、
前記ドライブ軸の一方向の回転のみをスプロケットに伝達するように前記ドライブ軸と前記スプロケットとを連結する一方向クラッチ手段であって、該一方向クラッチ手段は、前記ドライブシャフトの軸方向に沿って隣接して配置された2つの部品と弾性手段とを有し、該2つの部品は、前記一方向の回転時には互いに係合して前記弾性手段の弾性力により対抗されながら軸方向の部品間隔を増加させ、前記一方向とは反対方向の回転時には係合が解除される、前記一方向クラッチ手段と、
前記弾性手段の歪みを検出し、該歪みに基づいて前記ペダル踏力を求める踏力検出手段と、
前記回転速度検出手段により求められた前記ギアの回転速度及び前記踏力検出手段により求められたペダル踏力に基づいて前記補助動力を制御する制御手段と、
を備える、動力アシスト自転車。 A power-assisted bicycle that travels by adding auxiliary power corresponding to the pedal depression force acting on the drive shaft in parallel to the pedal depression force,
A gear that rotates as the power-assisted bicycle travels;
A ring magnet having flexibility that is formed in a sheet shape having a substantially flat surface and having a substantially constant thickness over the entire area, and the ring magnet has a surface on the rotating shaft of the gear. Attached to the gear to be vertically arranged, the surface was formed with a plurality of magnet sections so as to generate a magnetic field on the surface that varied spatially with a constant angular period along the circumferential direction. The ring magnet;
Rotational speed detection means for detecting a magnetic field at a fixed position adjacent to the surface of the ring magnet and obtaining the rotational speed of the gear based on the magnetic field;
One-way clutch means for connecting the drive shaft and the sprocket so as to transmit only rotation in one direction of the drive shaft to the sprocket, the one-way clutch means extending along the axial direction of the drive shaft Two parts arranged adjacent to each other and elastic means are arranged, and the two parts engage with each other during rotation in the one direction and are opposed to each other by the elastic force of the elastic means, thereby maintaining an axial part interval. The one-way clutch means to be increased and disengaged when rotating in a direction opposite to the one direction;
Treading force detecting means for detecting distortion of the elastic means and obtaining the pedal depression force based on the distortion;
Control means for controlling the auxiliary power based on the rotation speed of the gear obtained by the rotation speed detection means and the pedal depression force obtained by the pedal effort detection means;
Power assisted bicycle with
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