JP2010066043A - Torque sensor - Google Patents

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JP2010066043A JP2008230695A JP2008230695A JP2010066043A JP 2010066043 A JP2010066043 A JP 2010066043A JP 2008230695 A JP2008230695 A JP 2008230695A JP 2008230695 A JP2008230695 A JP 2008230695A JP 2010066043 A JP2010066043 A JP 2010066043A
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Toshihiko Nagata
俊彦 永田
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Yamaha Motor Electronics Co Ltd
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Yamaha Motor Electronics Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly-reliable, low-cost torque sensor, which reliably obtains torque acting on a rotating shaft even when a magnetic sensor is not in contact with a magnet ring, and which detects accurate torque even when a circumferentially multipolarly magnetized magnet is used. <P>SOLUTION: The torque sensor includes a shaft 2 which rotates together with the rotating shaft, a rotor 3 which is arranged in the vicinity of both ends of the shaft 2, a case 5 for covering the shaft 2, and a stator 4 which is arranged facing the rotor 3. The rotor 3 is made of the magnet 8 which is multipolarly magnetized in the rotation direction of the rotating shaft. The stator 4, which is of the claw pole type which includes sidewalls 4a on axially both sides and is formed with pole teeth 4b intermittently in the inner peripheral direction, includes a stator inner space surrounded by the inner periphery of the case 5, the sidewalls 4a, and the surface of the pole teeth 4b. A magnetic sensor 13 includes in the stator inner space for measuring the direction and amount of a magnetic field from the rotor 3. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、回転軸の捩れトルクを検出し、これにより特に電動自転車の踏力を検出することができるトルクセンサに関するものである。   The present invention relates to a torque sensor that can detect a torsional torque of a rotating shaft, and in particular, can detect a pedaling force of an electric bicycle.

電動自転車では、ユーザがペダルを踏み込んだときの踏力を検出し、このトルクに応じた補助動力を与えている。このトルクを検出する装置として、特許文献1が開示されている。この特許文献1に記載の電動補助自転車の踏力検知装置は、電動アシスト付き自転車等のアシスト力を制御するための情報としてペダルに加わる踏力を検出する手段として、中空軸に加わる捻りトルクを検出するタイプの踏力検出装置であって、中空軸の両端外側にマグネットリングをそれぞれ備え、それに対向してバネを用いてMRセンサをそれぞれ接触配置する。中空軸が回転することによって得られる出力波形において、中空軸の捩れ量に比例して発生する出力波形の位相差より踏力を算出するものである。   In an electric bicycle, the pedaling force when the user depresses the pedal is detected, and auxiliary power corresponding to this torque is applied. Patent Document 1 is disclosed as an apparatus for detecting this torque. The pedaling force detection device for a battery-assisted bicycle described in Patent Document 1 detects torsional torque applied to a hollow shaft as means for detecting pedaling force applied to a pedal as information for controlling the assisting force of a bicycle with electric assist or the like. In this type of pedaling force detection device, magnet rings are provided on both outer sides of the hollow shaft, and MR sensors are arranged in contact with each other using springs facing each other. In the output waveform obtained by rotating the hollow shaft, the pedaling force is calculated from the phase difference of the output waveform generated in proportion to the twist amount of the hollow shaft.

しかしながら、特許文献1に記載の発明で踏力を検出することは、MRセンサをマグネットリングに対して接触配置しているために部品の磨耗が起こり、耐久性に問題がある。また、マグネットリングの真円度、着磁のバランスによって出力が不安定になりやすく、踏力検出の精度に悪影響を及ぼす。   However, the detection of the treading force in the invention described in Patent Document 1 has a problem in durability because the MR sensor is in contact with the magnet ring and wear of parts occurs. In addition, the output tends to become unstable due to the roundness of the magnet ring and the balance of magnetization, which adversely affects the accuracy of treading force detection.

また、特許文献1に記載のマグネットリングは、円周方向に沿って多極着磁されている。このようなリング形状の多極マグネットを着磁する場合、着磁ヨーク内径とマグネット外径にクリアランスがあるため、そのクリアランス分だけ中心がずれた状態で着磁される。その結果、マグネットの着磁ピッチにムラ及び磁極ごとの磁束密度にムラが発生する。このムラは、マグネットの真円度が悪い場合にも発生する。仮に、マグネットが誤差なく着磁されていても、マグネットに偏芯や芯ずれがあった場合、磁気センサが検出する波形にピッチずれや磁束密度ムラが発生する。このように、ムラやずれが発生すると、結果として正確なトルク検出が困難となる。   Further, the magnet ring described in Patent Document 1 is multipolarly magnetized along the circumferential direction. When magnetizing such a ring-shaped multipole magnet, there is a clearance between the magnetized yoke inner diameter and the magnet outer diameter, and therefore the magnet is magnetized with the center shifted by the clearance. As a result, unevenness occurs in the magnetized pitch of the magnet and unevenness in the magnetic flux density for each magnetic pole. This unevenness also occurs when the roundness of the magnet is poor. Even if the magnet is magnetized without error, if the magnet is decentered or misaligned, a pitch shift or magnetic flux density unevenness occurs in the waveform detected by the magnetic sensor. Thus, if unevenness or deviation occurs, accurate torque detection becomes difficult as a result.

回転軸に加わるトルクを非接触で検出するトルクセンサとして、主なものに磁歪式があるが、この磁歪式は、センサ軸の製造の難しさ、温度変化に対する出力変化に対応するために温度補正制御が必要なことなど、それらに起因するコスト増等多くの問題を抱えている。   The main type of torque sensor that detects the torque applied to the rotating shaft in a non-contact manner is the magnetostrictive type. However, this magnetostrictive type compensates for the difficulty in manufacturing the sensor shaft and the temperature correction to cope with the output change with respect to the temperature change. There are many problems such as the need for control and cost increase due to them.

特開2003−335291号公報JP 2003-335291 A

この発明は、上記従来技術を考慮したものであって、磁気センサがマグネットリングに対して非接触であっても、確実に回転軸に加わるトルクを得ることができ、さらに円周方向に多極着磁されたマグネットを使用しても正確なトルクを検出することができる、高信頼性を有しかつ低コストなトルクセンサを提供することを目的とする。   The present invention takes the above-described conventional technology into consideration, and even when the magnetic sensor is not in contact with the magnet ring, it is possible to reliably obtain torque applied to the rotating shaft, and further to multipolar in the circumferential direction. An object of the present invention is to provide a highly reliable and low-cost torque sensor that can detect an accurate torque even when a magnetized magnet is used.

前記目的を達成するため、請求項1の発明では、回転軸に固定され、当該回転軸とともに回転するシャフトと、当該シャフトの外周に沿って固定され、当該シャフトの両端部近傍に配設されるロータと、前記シャフトを覆うケースと、当該ケースの内周に沿って固定され、前記ロータに対向して配設されるステータとを有し、前記ロータは、前記回転軸の回転方向に多極着磁されたマグネットからなり、前記ステータは、軸方向の両側に側壁を有し、内周方向に断続的に極歯が形成されたクローポール型であって、前記ケース内周面と、前記側壁と、前記極歯面で囲われたステータ内空間を備え、当該ステータ内空間に、前記ロータからの磁界の方向及び量を計測する磁気センサが備わることを特徴とするトルクセンサを提供する。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the shaft is fixed to the rotating shaft, rotates together with the rotating shaft, is fixed along the outer periphery of the shaft, and is disposed near both ends of the shaft. A rotor, a case that covers the shaft, and a stator that is fixed along the inner periphery of the case and is disposed so as to face the rotor; and the rotor is multipolar in the rotation direction of the rotating shaft. The stator is magnetized, and the stator has a side wall on both sides in the axial direction, and is a claw pole type in which pole teeth are intermittently formed in the inner circumferential direction, the inner circumferential surface of the case, There is provided a torque sensor comprising a stator inner space surrounded by a side wall and the pole tooth surface, wherein the stator inner space is provided with a magnetic sensor for measuring the direction and amount of a magnetic field from the rotor.

請求項2の発明では、前記回転軸は、クランクを介してペダルと連結されたクランク軸であり、電動自転車に適用されることを特徴としている。   The invention according to claim 2 is characterized in that the rotating shaft is a crankshaft connected to a pedal via a crank, and is applied to an electric bicycle.

請求項1の発明によれば、磁気センサがステータとケースで囲まれたステータ内空間に配設されるため、磁気センサがロータ(マグネット)に対して非接触となる。このため、センサがマグネットの回転により磨耗することはなく、長期にわたり使用することができる。したがって、長期にわたって、この磁気センサを用いて、マグネットからの磁界の方向及び量を計測し、シャフト両端に発生する捩れ量を算出し、トルクを求めることができる。また、シャフトの両端に位置する磁気センサで磁束量を拾い、それぞれの磁気センサで検出した出力波形の位相差(時間差)をもとにしてトルクを算出するため、磁歪式等のコイルの温度特性などを主にした温度に起因する出力変化の影響がなくなり、温度変化が生じても安定したトルク検出が可能で、環境変化に対して信頼性が向上するとともに、製造時の温度補正値入力等の作業をすることなく、結果として低コストのトルクセンサを提供することができる。さらに、ステータをクローポール型として内面に極歯を備えたので、マグネットに磁極ピッチムラあるいは磁束密度ムラが発生していても、また、マグネットに偏芯や芯ずれがあっても、複数の極歯が集磁した磁束を合成して磁気センサに磁束を伝達するので、これらのムラやずれの影響がキャンセルされ、正確な出力波形を得ることができ、信頼性の高い、安定して高精度なトルク検出を行うことができる。   According to the first aspect of the present invention, since the magnetic sensor is disposed in the stator inner space surrounded by the stator and the case, the magnetic sensor is not in contact with the rotor (magnet). For this reason, the sensor is not worn by the rotation of the magnet and can be used for a long time. Therefore, for a long period of time, using this magnetic sensor, the direction and amount of the magnetic field from the magnet can be measured, the amount of twist generated at both ends of the shaft can be calculated, and the torque can be obtained. In addition, the magnetic characteristics of coils such as magnetostrictive type are used to pick up the amount of magnetic flux with magnetic sensors located at both ends of the shaft and calculate the torque based on the phase difference (time difference) of the output waveform detected by each magnetic sensor. This eliminates the influence of output changes caused by temperature, etc., enables stable torque detection even when temperature changes occur, improves reliability against environmental changes, and inputs temperature correction values during manufacturing, etc. As a result, a low-cost torque sensor can be provided. Furthermore, since the stator is a claw pole type and has pole teeth on the inner surface, even if the magnet has uneven magnetic pole pitch or magnetic flux density, or even if the magnet has eccentricity or misalignment, multiple polar teeth Since the magnetic flux collected is transmitted to the magnetic sensor and the magnetic flux is transmitted to the magnetic sensor, the effects of these irregularities and deviations are cancelled, and an accurate output waveform can be obtained, which is reliable, stable and highly accurate. Torque detection can be performed.

請求項2の発明によれば、電動自転車に適用することにより、ユーザの踏力(トルク)を確実に検出し、より的確な補助動力をユーザに対して与えることができる。   According to the second aspect of the present invention, when applied to an electric bicycle, it is possible to reliably detect the user's pedaling force (torque) and to give more accurate auxiliary power to the user.

以下、図面を参照してこの発明に係るトルクセンサについて説明する。   Hereinafter, a torque sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1はこの発明に係るトルクセンサの概略断面図であり、図2はロータ及びステータを示す概略断面図である。また、図3はこの発明に係るトルクセンサを部品ごとに示した分解図であり、図4は電動補助自転車にこの発明に係るトルクセンサを適用したときの概略断面図である。   FIG. 1 is a schematic sectional view of a torque sensor according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic sectional view showing a rotor and a stator. FIG. 3 is an exploded view showing the torque sensor according to the present invention for each part, and FIG. 4 is a schematic cross-sectional view when the torque sensor according to the present invention is applied to a battery-assisted bicycle.

図示したように、この発明に係るトルクセンサ1は、筒状のシャフト2と、ロータ(マグネット)3と、ステータ4と、ケース5で構成される。シャフト2は、回転軸となるクランク軸6(図4参照)の外周に被冠して固定される。具体的には、クランク軸6の外周面に形成された凹凸部(図示省略)と、シャフト2の内周面に形成された凹凸部7をスプライン嵌合させて固定される。これにより、シャフト2はクランク軸6とともに回転する。シャフト2の凹凸部7と反対側の端部には、クランク軸6を挿通可能な環状部材17が配設される。シャフト2は、ばね鋼やステンレス鋼、あるいはチタン合金等で形成される。   As shown, the torque sensor 1 according to the present invention includes a cylindrical shaft 2, a rotor (magnet) 3, a stator 4, and a case 5. The shaft 2 is fixed to the outer periphery of a crankshaft 6 (see FIG. 4) that serves as a rotating shaft. Specifically, the uneven portion (not shown) formed on the outer peripheral surface of the crankshaft 6 and the uneven portion 7 formed on the inner peripheral surface of the shaft 2 are fixed by spline fitting. As a result, the shaft 2 rotates together with the crankshaft 6. An annular member 17 through which the crankshaft 6 can be inserted is disposed at the end of the shaft 2 opposite to the concave and convex portion 7. The shaft 2 is made of spring steel, stainless steel, titanium alloy, or the like.

ロータ3は、環状のマグネット8からなる。マグネット8は、放射方向(ラジアル方向)に多極着磁される。このロータ3(マグネット8)は、シャフト2の外周に沿って固定され、シャフト2の両端部近傍にそれぞれ配設される。マグネット8は、例えばプラスチックマグネットやフェライト、あるいはネオジウム等で形成される。   The rotor 3 includes an annular magnet 8. The magnet 8 is multipolarly magnetized in the radial direction (radial direction). The rotor 3 (magnet 8) is fixed along the outer periphery of the shaft 2, and is disposed near both ends of the shaft 2, respectively. The magnet 8 is formed of, for example, a plastic magnet, ferrite, or neodymium.

ステータ4は、環状に形成され、磁性体で構成される。ステータ4は、軸方向の両側に側壁4aを有し、この側壁4aから櫛歯状にクローポール4bが立ち上がり、このクローポール4bは対向する側壁4aの方向に折れ曲がって形成される。ステータ4は、この両側の側壁4aからのクローポール4bが互いに噛み合うようにして形成される。すなわち、ステータ4は、クローポール型のステータである。ステータ4は、シャフト2を覆うケース5の内周に沿って、ロータ3に対向してそれぞれ設けられる。ステータ4は、電磁鋼板や亜鉛メッキ鋼板、あるいは焼結合金等で形成される。   The stator 4 is formed in an annular shape and is made of a magnetic material. The stator 4 has side walls 4a on both sides in the axial direction. A claw pole 4b rises in a comb shape from the side walls 4a, and the claw pole 4b is bent in the direction of the opposite side wall 4a. The stator 4 is formed such that the claw poles 4b from the side walls 4a on both sides mesh with each other. That is, the stator 4 is a claw pole type stator. The stator 4 is provided to face the rotor 3 along the inner periphery of the case 5 that covers the shaft 2. The stator 4 is formed of an electromagnetic steel plate, a galvanized steel plate, a sintered alloy, or the like.

ステータ4とケース5で形成された空間(側壁4aの間)には、PCBからなる環状部材21が配設され、この環状部材21にMR(磁気抵抗)センサ13が固定される。なお、MRセンサ13は磁束あるいは磁界の量や向きを検出できるものであればどのような磁気(磁界)センサを用いてもよい。このような構成により、MRセンサ13がロータ3に対して非接触となるので、センサ13がロータ3の回転により磨耗することはなく、センサ13を長期にわたり使用することができる。したがって、長期にわたって、このMRセンサ13を用いて、マグネット8からの磁界の方向及び量を計測し、後述するような方法でシャフト2の両端に発生する捩れ量を算出し、トルクを求めることができる。   An annular member 21 made of PCB is disposed in a space formed between the stator 4 and the case 5 (between the side walls 4 a), and an MR (magnetic resistance) sensor 13 is fixed to the annular member 21. The MR sensor 13 may be any magnetic (magnetic field) sensor as long as it can detect the amount and direction of the magnetic flux or magnetic field. With such a configuration, the MR sensor 13 is not in contact with the rotor 3, so the sensor 13 is not worn by the rotation of the rotor 3, and the sensor 13 can be used for a long time. Therefore, for a long period of time, the MR sensor 13 is used to measure the direction and amount of the magnetic field from the magnet 8, calculate the amount of twist generated at both ends of the shaft 2 by a method as described later, and obtain the torque. it can.

上述したクローポール4bは、ステータ4の内周方向に断続的に形成されるため、これが極歯となる。この極歯は、S極とN極が交互に形成される。この極歯を通してロータ3からの磁界の方向とその量(磁束量)をMRセンサ13が拾う。なお、このMRセンサ13をステータ4内に複数個設け、得られた結果を平均して出力してもよい。すなわち、マグネット8の磁界は、シャフト2の回転とともにクローポール4bから側壁4aに伝わり、これが対向する他方の側壁4aに伝わる。このとき、側壁4a間に設けられたMRセンサ13がこの磁束を拾う。この磁束量から、シャフト2の両端における出力波形を算出する。これにより、後述するように、MRセンサ13で検出した出力波形の位相差(時間差)をもとにしてトルクを算出できる。このため、磁歪式等のコイルの温度特性などを主にした温度に起因する出力変化の影響がなくなり、温度変化が生じても安定したトルク検出が可能で、環境変化に対して信頼性が向上するとともに、製造時の温度補正値入力等の作業をすることなく、結果として低コストのトルクセンサ1を提供することができる。また、クローポール型のステータを利用することにより、出力波形の精度を安定させることができ、安定して高精度なトルク検出が可能となる。   Since the above-described claw pole 4b is intermittently formed in the inner circumferential direction of the stator 4, this becomes a pole tooth. The pole teeth are alternately formed with S poles and N poles. The MR sensor 13 picks up the direction and amount (magnetic flux) of the magnetic field from the rotor 3 through the pole teeth. A plurality of MR sensors 13 may be provided in the stator 4 and the obtained results may be averaged and output. That is, the magnetic field of the magnet 8 is transmitted from the claw pole 4b to the side wall 4a along with the rotation of the shaft 2, and this is transmitted to the other side wall 4a opposite to it. At this time, the MR sensor 13 provided between the side walls 4a picks up this magnetic flux. From this amount of magnetic flux, output waveforms at both ends of the shaft 2 are calculated. Thereby, as will be described later, the torque can be calculated based on the phase difference (time difference) of the output waveform detected by the MR sensor 13. For this reason, the influence of output change due to temperature mainly due to temperature characteristics of coils such as magnetostrictive type is eliminated, stable torque detection is possible even if temperature change occurs, and reliability against environmental change is improved In addition, as a result, the low-cost torque sensor 1 can be provided without performing an operation such as inputting a temperature correction value at the time of manufacture. In addition, by using a claw pole type stator, the accuracy of the output waveform can be stabilized, and stable and highly accurate torque detection becomes possible.

ロータ3及びステータ4の軸方向外側であって、シャフト2とケース5の間には、環状のベアリング18が備わる。ケース5は、アルミや他の非磁性材料で形成される。ベアリング18は、ボールベアリングや、焼結合金、樹脂等で形成される。   An annular bearing 18 is provided between the shaft 2 and the case 5 outside the rotor 3 and the stator 4 in the axial direction. The case 5 is formed of aluminum or other nonmagnetic material. The bearing 18 is formed of a ball bearing, a sintered alloy, a resin, or the like.

図4に示すように、クランク軸6の両端には、ペダル付クランク14が取付けられる。電動自転車を運転するユーザによるペダルを踏み込んだときの踏力(トルク)は、クランク軸6からトルクセンサ1に伝わり、ワンウェイクラッチ15を介してスプロケット16に伝達される。19はハウジングである。このように、トルクセンサ1を電動自転車に適用することにより、ユーザの踏力(トルク)を確実に検出し、より的確な補助動力をユーザに対して与えることができる。他の適用としては、例えば自動車のパワーステアリングの回転トルクの補助にも用いることができる。   As shown in FIG. 4, pedal-equipped cranks 14 are attached to both ends of the crankshaft 6. A pedaling force (torque) when a user who operates an electric bicycle depresses a pedal is transmitted from the crankshaft 6 to the torque sensor 1 and is transmitted to the sprocket 16 via the one-way clutch 15. Reference numeral 19 denotes a housing. Thus, by applying the torque sensor 1 to an electric bicycle, it is possible to reliably detect the pedaling force (torque) of the user and to give more accurate auxiliary power to the user. As another application, for example, it can be used for assisting the rotational torque of the power steering of an automobile.

図5はMRセンサによって得られた結果の出力波形を示すグラフ図である。   FIG. 5 is a graph showing the output waveform of the result obtained by the MR sensor.

図示したように、MRセンサによって得られた磁束量は、そのまま電圧波形として出力することができる。実線Aがシャフト2の凹凸部7に近い側のMRセンサ13の結果であり、点線Bが遠い側のMRセンサ13の結果である(以下、符号については図1〜図4を参照)。本来であれば、クランク軸6とともにシャフト2が回転すると、シャフト2の両端のMRセンサ13の出力波形はそれぞれ重なるはずである。しかしながら、シャフト2の片方の端部のみで凹凸部7によりクランク軸6にスプライン嵌合しているため、クランク軸6が回転すると、シャフト2の両端部には捩れが発生する。したがって、シャフト2の両端部の回転は同期せず、出力波形に位相差(時間差Δt)が生じる。すなわち、凹凸部7から遠い側の点線Bの方が、実線Aより遅れて回転する結果となる。この時間差Δtを計ることは、シャフト2の捩れ量を計ることと同じである。したがって、この捩れ量から、トルクを算出することが可能となる。   As shown in the figure, the amount of magnetic flux obtained by the MR sensor can be output as a voltage waveform as it is. The solid line A is the result of the MR sensor 13 on the side close to the concavo-convex portion 7 of the shaft 2, and the dotted line B is the result of the MR sensor 13 on the far side (refer to FIGS. 1 to 4 for symbols). Originally, when the shaft 2 rotates together with the crankshaft 6, the output waveforms of the MR sensors 13 at both ends of the shaft 2 should overlap each other. However, since only one end of the shaft 2 is spline-fitted to the crankshaft 6 by the concavo-convex portion 7, when the crankshaft 6 rotates, twisting occurs at both ends of the shaft 2. Therefore, the rotations at both ends of the shaft 2 are not synchronized, and a phase difference (time difference Δt) occurs in the output waveform. That is, the dotted line B on the side farther from the concavo-convex portion 7 results in rotation with a delay from the solid line A. Measuring this time difference Δt is the same as measuring the amount of twist of the shaft 2. Therefore, the torque can be calculated from this twist amount.

トルクは、捩れ角度θを算出し、その後に求めることができる。その際、センサ組立精度に起因する初期誤差Trefを補正値として用いる。周期tは、極歯が隣の極歯の位置に行くまでの時間を示す。なお、トルクと捩れ角は比例関係にあるため、この比例定数を予め求めておく。また、「センサ極数」とは、ロータ3(マグネット8)一個当たりのN極とS極の数である。すなわち、多極着磁されたマグネット8のN極とS極の数の合計である。
捩れ角度θは、以下のようにして求めることができる。
捩れ角度θ=時間差Δt×(360/(センサ極数/2))/周期t
トルク(T)は、以下のようにして求めることができる。
トルク(T)=比例定数×捩れ角度θ―初期誤差Tref
The torque can be obtained after calculating the twist angle θ. At that time, the initial error Tref resulting from the sensor assembly accuracy is used as a correction value. The period t indicates the time until the pole tooth reaches the position of the adjacent pole tooth. Since the torque and the torsion angle are in a proportional relationship, this proportionality constant is obtained in advance. The “number of sensor poles” is the number of N poles and S poles per rotor 3 (magnet 8). That is, it is the total number of N poles and S poles of the magnet 8 magnetized with multiple poles.
The twist angle θ can be obtained as follows.
Twist angle θ = time difference Δt × (360 / (number of sensor poles / 2)) / period t
The torque (T) can be obtained as follows.
Torque (T) = proportional constant × twist angle θ−initial error Tref

また、出力波形の周期tとロータ3の分解数(センサ極数)からクランク軸6の回転速度を算出し、上記で求めたトルクと合算することでパワー(W)を算出することができる。これにより、トルクセンサと別に速度センサを設けなくても、ユーザのペダルを漕いだ力をパワー(W)として得ることができ、踏力と比例しているモータに指令するアシスト量制御が容易となる。また、システムの構成として速度センサ分安価になる。
回転速度(N)は、以下のようにして求めることができる。
回転速度(N)=1/(周期t×(センサ極数/2))
パワー(W)は、以下のようにして求めることができる。
パワー(W)=1.047×10−1×回転速度(N)×トルク(T)
Further, the rotational speed of the crankshaft 6 is calculated from the period t of the output waveform and the number of decompositions of the rotor 3 (number of sensor poles), and the power (W) can be calculated by adding the torque obtained above. Thus, even if a speed sensor is not provided separately from the torque sensor, the force applied by the user's pedal can be obtained as power (W), and the assist amount control for instructing the motor proportional to the pedaling force is facilitated. . In addition, the system configuration is cheaper than the speed sensor.
The rotation speed (N) can be obtained as follows.
Rotational speed (N) = 1 / (cycle t × (number of sensor poles / 2))
The power (W) can be obtained as follows.
Power (W) = 1.047 × 10 −1 × Rotational speed (N) × Torque (T)

図6はクローポール型のステータを用いて磁束を検出するときの説明図である。   FIG. 6 is an explanatory diagram when the magnetic flux is detected using a claw pole type stator.

図で示したステータ4は、クローポール4bが一方向にのみ折り曲げられて形成されている(図の手前側に爪の先端が向いている)。上述したように、リング状のマグネット8に対してラジアル方向に着磁した場合、着磁ピッチにムラが生じることがある。図では、図の右側がピッチ間隔が小さくて、左側が大きい場合を示している。このような場合、磁気センサが検出する波形にピッチずれや磁束密度ムラが発生し、結果として正確なトルク検出ができないおそれがある。しかしながら、クローポール型のステータを用いることにより、突出した極歯に集磁された磁束が合成されて(矢印P)、磁気センサ13に伝達される。   The stator 4 shown in the figure is formed by bending the claw pole 4b only in one direction (the front end of the claw faces the front side in the figure). As described above, when the ring-shaped magnet 8 is magnetized in the radial direction, the magnetization pitch may be uneven. In the figure, the right side of the figure shows a case where the pitch interval is small and the left side is large. In such a case, pitch deviation and magnetic flux density unevenness occur in the waveform detected by the magnetic sensor, and as a result, accurate torque detection may not be possible. However, by using the claw pole type stator, the magnetic flux collected by the protruding pole teeth is synthesized (arrow P) and transmitted to the magnetic sensor 13.

このため、マグネット8に磁極ピッチムラあるいは磁束密度ムラが発生していても、また、マグネット8に偏芯や芯ずれがあっても、複数の極歯(クローポール4b)が集磁した磁束を合成して磁気センサ13に磁束を伝達するので、これらのムラやずれの影響がキャンセルされ、正確な出力波形を得ることができ、信頼性の高い、安定して高精度なトルク検出を行うことができる。したがって、ホール素子で直接マグネットの磁束を検出するよりも、検出精度を高めることができる。   For this reason, even if magnetic pole pitch unevenness or magnetic flux density unevenness occurs in the magnet 8, or even if the magnet 8 is eccentric or misaligned, the magnetic flux collected by the plurality of pole teeth (claw pole 4b) is synthesized. Since the magnetic flux is transmitted to the magnetic sensor 13, the influence of these unevenness and deviation can be canceled, an accurate output waveform can be obtained, and highly reliable, stable and highly accurate torque detection can be performed. it can. Therefore, the detection accuracy can be improved as compared with the case where the magnetic flux of the magnet is directly detected by the Hall element.

この発明に係るトルクセンサの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the torque sensor which concerns on this invention. ロータ及びステータを示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows a rotor and a stator. この発明に係るトルクセンサを部品ごとに示した分解図である。It is the exploded view which showed the torque sensor which concerns on this invention for every component. 電動補助自転車にこの発明に係るトルクセンサを適用したときの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing when the torque sensor which concerns on this invention is applied to a battery-assisted bicycle. MRセンサによって得られた結果の出力波形を示すグラフ図である。It is a graph which shows the output waveform of the result obtained by MR sensor. クローポール型のステータを用いて磁束を検出するときの説明図である。It is explanatory drawing when detecting a magnetic flux using a claw pole type stator.

符号の説明Explanation of symbols

1:トルクセンサ、2:シャフト、3:ロータ、4:ステータ、4a:側壁、4b:クローポール、5:ケース、6:クランク軸、7:凹凸部、8:マグネット、13:MRセンサ、14:ペダル付クランク、15:ワンウェイクラッチ、16:スプロケット、17:環状部材、18:ベアリング、19:ハウジング 1: Torque sensor, 2: Shaft, 3: Rotor, 4: Stator, 4a: Side wall, 4b: Claw pole, 5: Case, 6: Crankshaft, 7: Concavity and convexity, 8: Magnet, 13: MR sensor, 14 : Crank with pedal, 15: one-way clutch, 16: sprocket, 17: annular member, 18: bearing, 19: housing

Claims (2)

回転軸に固定され、当該回転軸とともに回転するシャフトと、
当該シャフトの外周に沿って固定され、当該シャフトの両端部近傍に配設されるロータと、
前記シャフトを覆うケースと、
当該ケースの内周に沿って固定され、前記ロータに対向して配設されるステータとを有し、
前記ロータは、前記回転軸の回転方向に多極着磁されたマグネットからなり、
前記ステータは、軸方向の両側に側壁を有し、内周方向に断続的に極歯が形成されたクローポール型であって、前記ケース内周面と、前記側壁と、前記極歯面で囲われたステータ内空間を備え、
当該ステータ内空間に、前記ロータからの磁界の方向及び量を計測する磁気センサが備わることを特徴とするトルクセンサ。
A shaft fixed to the rotating shaft and rotating together with the rotating shaft;
A rotor fixed along the outer periphery of the shaft and disposed near both ends of the shaft;
A case covering the shaft;
A stator fixed along the inner periphery of the case, and disposed opposite the rotor,
The rotor is composed of a magnet that is multipolarly magnetized in the rotation direction of the rotating shaft,
The stator is a claw pole type having side walls on both sides in the axial direction, and pole teeth are intermittently formed in an inner circumferential direction, the case inner circumferential surface, the side walls, and the pole tooth surfaces. With an enclosed stator space,
A torque sensor characterized in that a magnetic sensor for measuring the direction and amount of a magnetic field from the rotor is provided in the stator internal space.
前記回転軸は、クランクを介してペダルと連結されたクランク軸であり、電動自転車に適用されることを特徴とする請求項1に記載のトルクセンサ。   The torque sensor according to claim 1, wherein the rotation shaft is a crankshaft connected to a pedal via a crank, and is applied to an electric bicycle.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013015459A (en) * 2011-07-05 2013-01-24 Sinfonia Technology Co Ltd Torque sensor
CN103868634A (en) * 2012-12-17 2014-06-18 Lg伊诺特有限公司 Torque sensor
CN107850501A (en) * 2015-07-23 2018-03-27 罗伯特·博世有限公司 For measuring measurement assembly, crank driving mechanism and the vehicle of the torque on axle
WO2023031145A3 (en) * 2021-08-31 2023-04-27 Delta Force Solutions GmbH Bottom bracket bearing and vehicle
WO2023139055A1 (en) * 2022-01-20 2023-07-27 Brose Antriebstechnik GmbH & Co. Kommanditgesellschaft, Berlin Drive unit for an electric bicycle, comprising two signal transmitters taking into account elastic deformation, and control method

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5896227U (en) * 1981-12-23 1983-06-30 富士電機株式会社 Shaft torque measuring device
JP2003335291A (en) * 2002-05-20 2003-11-25 Honda Motor Co Ltd Pedaling force detecting device for power-assisted bicycle
JP2004309463A (en) * 2003-04-04 2004-11-04 Valeo Schalter & Sensoren Gmbh Instrument for measuring torque applied to shaft
JP2006170624A (en) * 2004-12-10 2006-06-29 Ntn Corp Bearing with wireless sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5896227U (en) * 1981-12-23 1983-06-30 富士電機株式会社 Shaft torque measuring device
JP2003335291A (en) * 2002-05-20 2003-11-25 Honda Motor Co Ltd Pedaling force detecting device for power-assisted bicycle
JP2004309463A (en) * 2003-04-04 2004-11-04 Valeo Schalter & Sensoren Gmbh Instrument for measuring torque applied to shaft
JP2006170624A (en) * 2004-12-10 2006-06-29 Ntn Corp Bearing with wireless sensor

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013015459A (en) * 2011-07-05 2013-01-24 Sinfonia Technology Co Ltd Torque sensor
CN103868634A (en) * 2012-12-17 2014-06-18 Lg伊诺特有限公司 Torque sensor
CN107850501A (en) * 2015-07-23 2018-03-27 罗伯特·博世有限公司 For measuring measurement assembly, crank driving mechanism and the vehicle of the torque on axle
CN107850501B (en) * 2015-07-23 2020-09-22 罗伯特·博世有限公司 Measuring assembly for measuring a torque on a shaft, crank drive and vehicle
WO2023031145A3 (en) * 2021-08-31 2023-04-27 Delta Force Solutions GmbH Bottom bracket bearing and vehicle
WO2023139055A1 (en) * 2022-01-20 2023-07-27 Brose Antriebstechnik GmbH & Co. Kommanditgesellschaft, Berlin Drive unit for an electric bicycle, comprising two signal transmitters taking into account elastic deformation, and control method

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