JP2011117886A

JP2011117886A - 荷重センサおよびそれを用いた踏力検出装置

Info

Publication number: JP2011117886A
Application number: JP2009277289A
Authority: JP
Inventors: Motoki Ogata; 基樹緒方
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2011-06-16

Abstract

【課題】本発明は、押圧部材に過大な力が加わっても、歪検出部材が塑性変形することにより、出力信号が変動するということのない、特性の安定した荷重センサおよびそれを用いた踏力検出装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の荷重センサおよびそれを用いた踏力検出装置は、撓み蓋３５に薄板２２に向かって突出する押圧部材３６を設け、この押圧部材３６の先端部３７が薄板２２と当接する構成としたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、人力による駆動系と電動モータによる駆動系とを並列に設け、電動モータの駆動力を人力による駆動力の変化に対応して制御するようにした電動モータ付き自転車に使用される荷重センサおよびそれを用いた踏力検出装置に関するものである。

従来のこの種の荷重センサは、図６，図７に示すように構成されていた。

以下、従来の荷重センサについて、図面を参照しながら説明する。

図６は従来の荷重センサの分解斜視図、図７は同荷重センサにおける歪検出部材の上面図である。

図６，図７において、１は略中央の上面に突出するセラミックまたは樹脂等の円柱状の弾性体からなる軸２と、軸２の上部に軟質ゴム等からなる略円筒状の押圧部材３とを有してなるフェノール、ガラスエポキシ等の樹脂またはセラミック等からなる歪検出部材で、この歪検出部材１、軸２と押圧部材３とで荷重センサを構成している。

そして、軸２の先端部２ａは平面形状であり、この先端部２ａのみが歪検出部材１の上面に当接するように構成されている。４，５は歪検出部材１の上面に直交しかつ電気的に接続するように設けられたｘ方向／ｙ方向を検知する歪ゲージ等からなる第１、第２の歪検出素子である。６は第１の歪検出素子４に第１の抵抗７を介して電気的に接続された第１の端子である。８は第２の歪検出素子５に第２の抵抗９を介して電気的に接続された第２の端子である。１０は第２の歪検出素子５に電気的に接続された第３の端子である。１１は第１の抵抗７に電気的に接続された第４の端子である。１２は第２の抵抗９に電気的に接続された第５の端子である。

以上のように構成された従来の荷重センサについて、以下にその動作を説明する。

指等により、押圧部材３に加えられた力によって、軸２の軸方向と垂直な分力により歪検出部材１が変形し、この変形に応じて第１、第２の歪検出素子４，５が伸縮し、第１、第２の歪検出素子４，５の抵抗値が変化する。この第１、第２の歪検出素子４，５は、それぞれ直交して配置されているので、歪検出部材１の変形を２つの座標に分割することができる。つまり、第１の歪検出素子４の抵抗値変化による電圧差を一方の座標軸方向の信号として、第１の端子６から荷重信号を出力し、第２の歪検出素子５の抵抗値変化による電圧差を他の座標軸方向の信号として第２の端子８から荷重信号を出力するものであった。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開平９−２８０９８１号公報

しかしながら、上記従来の構成においては、軸２の先端部２ａのみが歪検出部材１に当接しているため、押圧部材３に過大な力が加わった場合には、押圧部材３に加わる力が直接に歪検出部材１のみに加わるから、歪検出部材１が塑性変形し易くなり、これにより、押圧部材３に力が加わっていない状態でも出力信号が発生するから、荷重センサからの出力信号が変動してしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、押圧部材に過大な力が加わっても、歪検出部材が塑性変形することにより、出力信号が変動するということのない、特性の安定した荷重センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、有底筒状のケースと、このケースの内側に収納されるとともに外周部を前記ケースの内側面に中央部が変位可能となるように固定した薄板と、この薄板に貼着されるとともに少なくとも１つの歪検出素子を設けた歪検出部材と、前記ケースの開口部を閉塞する撓み蓋とを備え、前記撓み蓋に薄板に向かって突出する押圧部材を設け、この押圧部材の先端部が薄板の略中央部に当接するようにしたもので、この構成によれば、撓み蓋に薄板に向かって突出する押圧部材を設け、この押圧部材の先端部が薄板と当接するようにしたため、撓み蓋に加わる荷重はケースとの当接部に加わることとなり、これにより、撓み蓋の変位量に応じた応力のみが押圧部材および薄板を介して歪検出部材に加わるから、歪検出部材が塑性変形しにくくなり、その結果、出力信号が安定するという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、押圧部材の先端部を半球形状としたもので、この構成によれば、押圧部材の先端部を半球形状としたため、押圧部材に偏芯荷重が付加されても、押圧部材の先端部と薄板とは点接触で当接することとなり、薄板での荷重点がずれないから、出力信号が安定するという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、歪検出部材における薄板を貼着した面と反対側の面に板バネを当接させて、この板バネにより、薄板を押圧部材に向かって付勢するようにしたもので、この構成によれば、歪検出部材における薄板を貼着した面と反対側の面に板バネを当接させて、この板バネにより、薄板を押圧部材に向かって付勢するようにしたため、押圧部材の先端部を薄板に確実に当接させることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項４に記載の発明は、特に、押圧部材の外側面にネジ部を設け、押圧部材を撓み蓋に対して移動可能にしたもので、この構成によれば、押圧部材の外側面にネジ部を設け、押圧部材を撓み蓋に対して移動可能にしたため、押圧部材の先端部を薄板に確実に当接させることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項５に記載の発明は、ペダルと、このペダルを一端に固着し、かつこのペダルに加わる踏力を伝達するとともに他端に回転軸を固着したアームと、前記回転軸を内側面に嵌合するように前記回転軸の外周側の全周に設けた転がり軸受と、この転がり軸受の外側面を支持するとともに当接部を設けた収納ケースと、前記回転軸に略中央が固着されるとともに、前記転がり軸受けと並設して設けられかつ回転軸の回転とともに回転する第１のスプロケットと、この第１のスプロケットおよびこの第１のスプロケットとは異なる位置に設けた第２のスプロケットの外周に張られたローラチェーンと、前記収納ケースにおける当接部と後輪との間に位置して設けられるとともに有底筒状のケースとこのケースの内側に収納されかつ外周部を前記ケースの内側面に中央部が変位可能となるように固定した薄板とこの薄板に貼着されるとともに少なくとも１つの歪検出素子を設けた歪検出部材と前記ケースの開口部を閉塞する撓み蓋とからなる荷重センサとを備え、前記荷重センサにおける撓み蓋に薄板に向かって突出する押圧部材を設け、この押圧部材の先端部が薄板と当接するようにしたもので、この構成によれば、荷重センサにおける撓み蓋に薄板に向かって突出する押圧部材を設け、この押圧部材の先端部が薄板と当接するようにしたため、撓み蓋に加わる荷重はケースとの当接部に加わることとなり、これにより、撓み蓋の変位量に応じた応力のみが押圧部材および薄板を介して歪検出部材に加わるから、歪検出部材が塑性変形しにくくなり、その結果、出力信号が安定するという作用効果を有するものである。

本発明の荷重センサは、有底筒状のケースと、このケースの内側に収納されるとともに外周部を前記ケースの内側面に中央部が変位可能となるように固定した薄板と、この薄板に貼着されるとともに少なくとも１つの歪検出素子を設けた歪検出部材と、前記ケースの開口部を閉塞する撓み蓋とを備え、前記撓み蓋に薄板に向かって突出する押圧部材を設け、この押圧部材の先端部が薄板の略中央部に当接するようにしたもので、この構成によれば、撓み蓋に薄板に向かって突出する押圧部材を設け、この押圧部材の先端部が薄板と当接するようにしたため、撓み蓋に加わる荷重はケースとの当接部に加わることとなり、これにより、撓み蓋の変位量に応じた応力のみが押圧部材および薄板を介して歪検出部材に加わるから、歪検出部材が塑性変形しにくくなり、その結果、出力信号が安定した荷重センサを提供することができるという効果を有するものである。

本発明の一実施の形態における荷重センサの側断面図同荷重センサにおける歪検出部材の斜視図同荷重センサにおける歪検出部材の回路図同荷重センサを用いた踏力検出装置が動作する状態を示す模式図同荷重センサを用いた踏力検出装置が動作する状態を示す側断面図従来の荷重センサの分解斜視図同荷重センサにおける歪検出部材の上面図

以下、本発明の一実施の形態における荷重センサおよびそれを用いた踏力センサにについて、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における荷重センサの側断面図、図２は同荷重センサにおける歪検出部材の斜視図、図３は同荷重センサにおける歪検出部材の回路図である。

図１〜図３において、２１は開口部２１ａを有する有底筒状のケースである。２２は薄板で、この薄板２２は前記ケース２１の内側に収納されるとともに、外周部２３がケース２１における段差部２４に固定されており、略中央部は変位可能になっている。２５は歪検出部材で、この歪検出部材２５は前記薄板２２に貼着されるとともに、図２に示すように、裏面に銀からなる電源端子２６、第１の出力端子２７、第２の出力端子２８およびＧＮＤ端子２９を設けている。そしてまた前記歪検出部材２５の裏面にはＲｕＯ₂とＳｉＯ₂等のガラス成分との混合物からなる第１の歪検出素子３０を設けており、この第１の歪検出素子３０は銀からなる回路パターン３１を介して一端が前記電源端子２６に電気的に接続され、かつ他端が前記第１の出力端子２７に電気的に接続されている。さらに前記歪検出部材２５の裏面には第２の歪検出素子３２を設けており、この第２の歪検出素子３２は一端が前記第１の歪検出素子３０および第１の出力端子２７に回路パターン３１を介して電気的に接続され、かつ他端がＧＮＤ端子２９に電気的に接続されている。さらにまた前記歪検出部材２５の裏面には第３の歪検出素子３３を設けており、この第３の歪検出素子３３は一端が前記回路パターン３１を介して前記電源端子２６および第１の歪検出素子３０に電気的に接続され、かつ他端が前記第２の出力端子２８に電気的に接続されている。また前記歪検出部材２５の裏面には第４の歪検出素子３４を設けており、この第４の歪検出素子３４は前記回路パターン３１を介して一端が前記第３の歪検出素子３３および第２の出力端子２８に電気的に接続され、かつ他端がＧＮＤ端子２９に電気的に接続されている。そしてまた前記歪検出部材２５の裏面に設けた第１の歪検出素子３０、第２の歪検出素子３２、第３の歪検出素子３３、および第４の歪検出素子３４により図３に示すようにブリッジ回路を構成しているものである。３５は撓み蓋で、この撓み蓋３５は前記ケース２１における開口部２１ａを閉塞する撓み蓋で、この撓み蓋３５は、略中央に薄板２２に向かって突出する押圧部材３６を設けており、この押圧部材３６の先端に半球形状の先端部３７を設けている。また、前記押圧部材３６の外周にはネジ部３８を設けており、このネジ部３８により撓み蓋３５に取着している。３９は板バネで、この板バネ３９は前記歪検出部材２５における薄板２２を貼着した面と反対側の面に当接しており、この板バネ３９により、薄板２２を押圧部材３６に向かって付勢させている。

そして、歪検出部材２５における薄板２２を貼着した面と反対側の面に板バネ３９を当接させて、この板バネ３９により、薄板２２を押圧部材３６に向かって付勢するようにしたため、押圧部材３６の先端部３７を薄板２２に確実に当接させることができるという作用効果を有するものである。

次に、本発明の一実施の形態における荷重センサを用いた踏力検出装置について、図面を参照しながら説明する。

図４は同荷重センサを用いた踏力検出装置が動作する状態を示す模式図、図５は同荷重センサを自転車に取り付けた状態を示す側断面図である。

４１は自転車のペダルである。４２は金属製のアームで、このアーム４２は前記ペダル４１を一端に固着して前記ペダル４１に加わる踏力を伝達するものであり、そしてこのアーム４２の他端には自転車（図示せず）における前輪の回転軸４３を固着している。４４は転がり軸受で、この転がり軸受４４は前記回転軸４３を内側面に嵌合するように設けている。４５は荷重センサで、この荷重センサ４５は、前述の如く、ケース２１と、薄板２２と、歪検出部材２５と、撓み蓋３５とで構成されている。４６は収納部で、この収納部４６は、図５に示すように、転がり軸受４４の外側面を支持するとともに、凸形状の当接部４７を設けている。そして、この収納部４６における当接部４７は、前記荷重センサ４５における撓み蓋３５と当接している。４８は金属製の第１のスプロケットで、この第１のスプロケット４８の略中央には前記回転軸４３が固着されているとともに、前記転がり軸受４４が並設されており、前記回転軸４３の回転とともに第１のスプロケット４８を回転させるものである。４９はローラチェーンで、このローラチェーン４９は前記第１のスプロケット４８およびこの第１のスプロケット４８とは異なる位置に設けた第２のスプロケット５０の外周側に張られており、そしてこのローラチェーン４９により、前記第１のスプロケット４８に回転軸４３により加えられた駆動力が第２のスプロケット５０に伝達されるものである。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における荷重センサおよびそれを用いた踏力検出装置について、次にその組立方法を説明する。

まず、予め準備された絶縁材料からなる歪検出部材２５の裏面に銀のペーストを印刷した後、焼成して電源端子２６、第１の出力端子２７、第２の出力端子２８、ＧＮＤ端子２９および回路パターン３１を形成する。

次に、歪検出部材２５の裏面に前記回路パターン３１を介して電源端子２６、第１の出力端子２７、第２の出力端子２８およびＧＮＤ端子２９に電気的に接続されてブリッジ回路を構成するようにＲｕＯ₂とＳｉＯ₂等のガラス成分との混合物からなる抵抗ペーストを印刷した後、焼成して前記第１の歪検出素子３０、第２の歪検出素子３２、第３の歪検出素子３３および第４の歪検出素子３４を形成する。

次に、前記歪検出部材２５を前記薄板２２に貼着した後、薄板２２の外周部２３をケース２１における段差部２４に固着する。

次に、自転車（図示せず）における転がり軸受４４の外側面に収納部４６を固着した後、この収納部４６における当接部４７を、荷重センサ４５における撓み蓋３５に固着する。

次に、押圧部材３６の先端部３７が薄板２２と当接するように、押圧部材３６の外側面に設けたネジ部３８により、押圧部材３６を回転させて、撓み蓋３５に対して移動せしめ、押圧部材３６の先端部３７を薄板２２に確実に当接させる。

以上のように構成、組立られた本発明の一実施の形態における荷重センサおよびそれを用いた踏力検出装置について、次にその動作を説明する。

人が自転車のペダル４１を踏み込むと、この踏み込みによりアーム４２が回転するように力が加わり、そして、この回転により収納部４６の当接部４７に、図４に示すように当接部４７を自転車（図示せず）における後輪側に向かって移動させる方向に力を加える。そしてこの収納部４６における当接部４７により前記荷重センサ４５の撓み蓋３５に力が伝達され、撓み蓋３５に伝達された力の一部が押圧部材３６にも伝わり、薄板２２を介して、歪検出部材２５に負荷される。

そして、歪検出部材２５の裏面に設けた第１の歪検出素子３０および第４の歪検出素子３４に引張応力が加わるとともに、第２の歪検出素子３２および第３の歪検出素子３３に圧縮応力が加わる。これにより、前記第１の歪検出素子３０および第４の歪検出素子３４の抵抗値が大となるとともに、前記第２の歪検出素子３２および第３の歪検出素子３３の抵抗値が小となる。そしてこの第１の歪検出素子３０、第２の歪検出素子３２、第３の歪検出素子３３、第４の歪検出素子３４により図３に示すようにブリッジ回路が構成されているため、前記第１の出力端子２７と第２の出力端子２８との間に電位差が生じ、この電位差を相手側のコンピュータ（図示せず）に出力し前記ペダル４１に加わる踏力を検出するものである。

ここで、自転車のペダル４１に予期せぬ過大な力が負荷される場合を考えると、本発明の一実施の形態における荷重センサおよびそれを用いた踏力検出装置においては、撓み蓋３５に薄板２２に向かって突出する押圧部材３６を設け、この押圧部材３６の先端部３７が薄板２２と当接するようにしたため、撓み蓋３５に加わる荷重はケース２１との当接部に加わることとなり、これにより、撓み蓋３５の変位量に応じた応力のみが押圧部材３６および薄板２２を介して歪検出部材２５に加わるから、歪検出部材２５が塑性変形しにくくなり、その結果、出力信号が安定するという作用効果を有するものである。

また、撓み蓋３５に偏芯荷重が加わる場合を考えると、本発明の一実施の形態における荷重センサおよびそれを用いた踏力検出装置においては、押圧部材３６の先端部３７を半球形状としたため、撓み蓋３５を介して押圧部材３６に偏芯荷重が付加されても、押圧部材３６の先端部３７と薄板２２とは点接触で当接することとなり、薄板２２での荷重点がずれないから、出力信号が安定するという作用効果を有するものである。

本発明の荷重センサおよびそれを用いた踏力検出装置は、押圧部材に課題な力が加わっても、歪検出部材が塑性変形することにより、出力信号が変動するということのない、特性の安定した荷重センサを提供できるという効果を有するものであり、特に、電動モータ付き自転車に使用される荷重センサおよびそれを用いた踏力検出装置等において有用なものである。

２１ケース
２２薄板
２３外周部
２５歪検出部材
３０，３２，３３，３４歪検出素子
３５撓み蓋
３６押圧部材
３７先端部
３８ネジ部
３９板バネ
４１ペダル
４２アーム
４３回転軸
４４転がり軸受
４５荷重センサ
４８第１のスプロケット
４９ローラチェーン
５０第２のスプロケット

Claims

有底筒状のケースと、このケースの内側に収納されるとともに外周部を前記ケースの内側面に中央部が変位可能となるように固定した薄板と、この薄板に貼着されるとともに少なくとも１つの歪検出素子を設けた歪検出部材と、前記ケースの開口部を閉塞する撓み蓋とを備え、前記撓み蓋に薄板に向かって突出する押圧部材を設け、この押圧部材の先端部が薄板の略中央部に当接するように構成した荷重センサ。
押圧部材の先端部を半球形状とした請求項１記載の荷重センサ。
歪検出部材における薄板を貼着した面と反対側の面に板バネを当接させて、この板バネにより、薄板を押圧部材に向かって付勢するように構成した請求項１記載の荷重センサ。
押圧部材の外側面にネジ部を設け、押圧部材を撓み蓋に対して移動可能にした請求項１記載の荷重センサ。
ペダルと、このペダルを一端に固着し、かつこのペダルに加わる踏力を伝達するとともに他端に回転軸を固着したアームと、前記回転軸を内側面に嵌合するように前記回転軸の外周側の全周に設けた転がり軸受と、この転がり軸受の外側面を支持するとともに当接部を設けた収納ケースと、前記回転軸に略中央が固着されるとともに、前記転がり軸受けと並設して設けられかつ回転軸の回転とともに回転する第１のスプロケットと、この第１のスプロケットおよびこの第１のスプロケットとは異なる位置に設けた第２のスプロケットの外周に張られたローラチェーンと、前記収納ケースにおける当接部と後輪との間に位置して設けられるとともに有底筒状のケースとこのケースの内側に収納されかつ外周部を前記ケースの内側面に中央部が変位可能となるように固定した薄板とこの薄板に貼着されるとともに少なくとも１つの歪検出素子を設けた歪検出部材と前記ケースの開口部を閉塞する撓み蓋とからなる荷重センサとを備え、前記荷重センサにおける撓み蓋に薄板に向かって突出する押圧部材を設け、この押圧部材の先端部が薄板と当接するように構成した踏力検出装置。