JP2012008064A

JP2012008064A - トルク検出装置

Info

Publication number: JP2012008064A
Application number: JP2010145851A
Authority: JP
Inventors: Akira Matsuura; 昭松浦; Tsutomu Nakanishi; 努中西; Hideo Okoshi; 偉生大越
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2012-01-12

Abstract

【課題】本発明は、特殊な部品や重量部品を使用することなく組立てが簡単で軽量、安価なトルク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】この目的を達成するために、本発明のトルク検出装置は、シャフト２４の転がり軸受２６ａを筺体２２に支持するアダプタ２５ａ内に変形可能な梁部３２ａを設け、この梁部３２ａに歪検出素子３４，３５を装着することにより、ペダルに加えられる踏力をトルクとして検出するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は自転車のペダルによって駆動されるシャフトのトルクを検出するためのトルク検出装置に関する。

電動自転車においては、ペダルに作用する人の踏力をトルクとして検出し、このトルク値が予め設定した値を越える場合には、自動的に電動モーターなどを駆動させて補助駆動力を加えることにより、坂道などでも楽に走行できるように構成されている。また、一般的な自転車においても、ペダルに作用する人の踏力をトルクとして検出し、このトルク値が予め設定した値を越える場合には、自動的にギアを切り替えて最適なギア比で走行できるように構成されているものがある。

図４（ａ）は従来のトルク検出装置を搭載した電動自転車のボトムブラケット部の断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ部拡大図を示す（特許文献１参照）。図４（ａ）（ｂ）において、１は電動自転車のボトムブラケット部で、筺体２内には両端部にねじ孔３ａ，３ｂを有するシャフト４が挿通され、転がり軸受け５ａ，５ｂを介して回転自在に支持されている。６ａは基部に嵌合孔を有するクランクで、該嵌合孔が前記シャフト４の一方の端部に嵌合され、ねじ孔３ａに螺入したボルト７ａにより固定されており、先端部にはペダル（図示せず）が回転自在に装着されている。６ｂは基部に嵌合孔を有する円筒状のボス８を備えたクランクで、該嵌合孔が前記シャフト４の他方の端部に嵌合され、ねじ孔３ｂに螺入したボルト７ｂにより固定されており、先端部にはペダル（図示せず）が回転自在に装着されている。１０はトルク検出装置で、円筒部１１とフランジ１２からなり、ペダルを踏むことによりねじり応力が発生する検出部１３と、内周に検出コイル１４ａ，１４ｂが装着された有底円筒状のコイルユニット１５とからなっている。前記検出部１３はＦｅ−Ｎｉ系合金等の磁性合金からなり、前記円筒部１１の中心部には前記シャフト４が挿通する孔が設けられている。前記検出部１３はボルト１６ａ，１６ｂにより、前記クランク６ｂのボス８に固定されている。また、前記検出部１３のフランジ１２はギア保持部１７にボルト１８ａ，１８ｂにより固着されるとともに、前記ギア保持部１７にはチェーン（図示せず）が掛けられたギア１９がボルト２０ａ，２０ｂにより固着されている。さらにまた、前記検出部１３の円筒部１１の前記検出コイル１４ａ，１４ｂに対向する部分には、互いに反対方向の磁気異方性が付与されている。

ペダルを踏んでクランク６ｂを自転車の前進方向に回転させると、その回転力は、クランク６ｂ、ボス８、検出部１３、ギア保持部１７を経て、ギア１９に伝達される。この時、クランク６ｂと一体に結合された検出部１３には、クランク６ｂによる回転力とチェーンによる張力によりねじり応力が発生する。これにより、前記検出部１３の円筒部１１の前記検出コイル１４ａに対向する部分には引張応力が、前記検出コイル１４ｂに対向する部分には圧縮応力が加わるため、これに対応して各々の部分の透磁率が増減する。これにより、前記検出コイル１４ａ，１４ｂの自己インダクタンスが変化し、これらの検出コイルを含むブリッジ回路からシャフト４に加えられたトルクに対応する出力電圧が得られるものである。

特開平８−３３８７７３号公報

しかしながら、上記従来のトルク検出装置を用いた電動自転車等においては、基部に嵌合孔を有する円柱状のボスを備えたクランク、互いに反対方向の磁気異方性を備えた部分を有する磁性合金製の検出部などの特殊な部品や、検出コイルを使用せねばならないため、組立てが煩雑で軽量化が困難となるのみならず、高価なものとなってしまう、という問題点があった。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、特殊な部品や重量部品を使用することなく構成され、組立てが簡単で軽量、安価なトルク検出装置を提供するものである。

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。

請求項１に記載の発明は、筺体と、該筺体を貫通するシャフトと、前記シャフトに嵌合する転がり軸受と、前記転がり軸受の外側側面を全周にわたって支持するハウジング部と、前記ハウジング部と前記筺体とを連結し鉛直方向に伸びる梁部と、前記シャフトに一端が固着され、かつ他端にペダルを回転自在に設けるとともに該ペダルに加わる踏力を伝達するクランクと、前記シャフトに固着されたギアと、前記ギアの回転運動を伝達して後輪等を駆動するチェーンとを備え、前記梁部の前記シャフトの軸に略平行な側面に歪検出素子を装着して、前記ペダルの踏み込みにより前記シャフトが前輪方向に移動する際に前記梁部に発生する歪を検知して前記ペダルに加えられる踏力をトルクとして検出するもので、この構成によれば、シャフトに印加される踏力を直接アダプタ内に設けた梁部の歪として検出できるため、基部に嵌合孔を有する円柱状のボスを備えたクランクや、互いに反対方向の磁気異方性を備えた部分を有する磁性合金製の検出部などの特殊な部品、また重い検出コイル等を使用することなく構成され、これにより、組立てが簡単で軽量、安価なトルク検出装置を提供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２に記載の発明は、特に、前記梁部の前記シャフトの軸に略平行でかつ対向する２側面に歪検出素子を装着したもので、この構成によれば、圧縮歪と引張歪の両方の歪が同時に検出でき、これにより、高い検出感度が得られるため、ペダルに加えられる踏力をトルクとして高精度で検出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３に記載の発明は、特に、前記歪検出素子をＭＥＭＳ歪検出素子としたもので、この構成によれば、一定の歪に対し大きな電気的出力が得られるため、ペダルに加えられる踏力が小さい時にも大きな電気的出力を得ることができ、これにより、ペダルに加えられる踏力をトルクとしてさらに高精度で検出できるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明のトルク検出装置は、筺体と、該筺体を貫通するシャフトと、前記シャフトに嵌合する転がり軸受と、前記転がり軸受の外側側面を全周にわたって支持するハウジング部と、前記ハウジング部と前記筺体とを連結し鉛直方向に伸びる梁部と、前記シャフトに一端が固着され、かつ他端にペダルを回転自在に設けるとともに該ペダルに加わる踏力を伝達するクランクと、前記シャフトに固着されたギアと、前記ギアの回転運動を伝達して後輪等を駆動するチェーンとを備え、前記梁部の前記シャフトの軸に略平行な側面に歪検出素子を装着して、前記ペダルの踏み込みにより前記シャフトが前輪方向に移動する際に前記梁部に発生する歪を検知して前記ペダルに加えられる踏力をトルクとして検出するもので、シャフトに印加される踏力を直接アダプタ内に設けた梁部の歪として検出できるため、基部に嵌合孔を有する円柱状のボスを備えたクランクや、互いに反対方向の磁気異方性を備えた部分を有する磁性合金製の検出部などの特殊な部品、また重い検出コイル等を使用することなく構成され、これにより、組立てが簡単で軽量、安価なトルク検出装置を提供できるという優れた効果を奏するものである。

（ａ）本発明の実施の形態１におけるトルク検出装置を搭載した電動自転車のボトムブラケット部の断面図、（ｂ）（ａ）のＢ−Ｂ線断面図（ａ）シャフトに後輪側への張力が印加された時にアダプタの梁部に発生する歪の状態を示す図、（ｂ）シャフトにさらに踏力によるトルクが印加された時にアダプタの梁部に発生する歪の状態を示す図（ａ）本発明の実施の形態２におけるトルク検出装置で使用するＭＥＭＳ歪検出素子の上面図、（ｂ）（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｃ）（ａ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｄ）（ｂ）のＥ部の詳細図（ａ）従来のトルク検出装置を搭載した電動自転車のボトムブラケット部の断面図、（ｂ）（ａ）のＡ部拡大図

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１，２に記載の発明について説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１におけるトルク検出装置を搭載した電動自転車のボトムブラケット部の断面図を示す。図１（ａ）において、２１は電動自転車のボトムブラケット部で、筺体２２内には両端部にねじ孔２３ａ，２３ｂを有するシャフト２４が挿通され、前記筺体２２の両端開口部に取付けられたアダプタ２５ａ，２５ｂ内に保持された転がり軸受２６ａ，２６ｂを介して回転自在に支持されている。２７ａは基部に嵌合孔を有するクランクで、該嵌合孔が前記シャフト２４の一方の端部に嵌合され、ねじ孔２３ａに螺入したボルト２８ａにより固定されており、先端部にはペダル（図示せず）が回転自在に装着されている。２７ｂは基部に嵌合孔を有するクランクで、該嵌合孔が前記シャフト２４の他方の端部に嵌合され、ねじ孔２３ｂに螺入したボルト２８ｂにより、固定されており、先端部にはペダル（図示せず）が回転自在に装着されている。また、前記シャフト２４にはギア２９が固着されている。

図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図を示す。図１（ｂ）において、アダプタ２５ａは前記転がり軸受２６ａの外側側面を全周にわたって支持する軸ハウジング部３０ａと、前記筺体２２の一方の開口部にねじにて取付けられる外周ハウジング部３１ａと、前記軸ハウジング部３０ａと前記外周ハウジング部３１ａとを連結し鉛直方向に伸びる２つの梁部３２ａ，３３ａとからなり、前記梁部３２ａの前記シャフト２４の軸に略平行軸に略平行でかつ対向する２側面にはストレインゲージからなる歪検出素子３４，３５が装着されている。同様に、アダプタ２５ｂは前記転がり軸受２６ｂの外側側面を全周にわたって支持する軸ハウジング部（図示せず）と、前記筺体２２の他方の開口部にねじにて取付けられる外周ハウジング部（図示せず）と、前記軸ハウジング部と前記外周ハウジング部とを連結し鉛直方向に伸びる２つの梁部（図示せず）と、からなる。

前記ギア２９にチェーン（図示せず）を掛け後輪等との間に張力が印加されると、前記シャフト２４が後輪側に移動するため、図２（ａ）に示すように、前記アダプタ２５ａの梁部３２ａ，３３ａには歪が発生する。これにより、歪検出素子３４には引張歪が作用して抵抗値が上昇するとともに、歪検出素子３５には圧縮歪が作用して抵抗値が低下する。そのため、これらの歪検出素子と２つの固定抵抗から構成されるブリッジ回路に前記張力に対応する出力電圧が発生する。次に、ペダルを踏んでクランク２７ｂを自転車の前進方向に回転させると、その回転力は、クランク２７ｂ、シャフト２４に伝達されるため、前記シャフト２４が後輪側に移動して、図２（ｂ）に示すように、前記アダプタ２５ａの梁部３２ａ，３３ａにはさらに大きな歪が発生する。これにより、歪検出素子３４，３５の抵抗値が変化し、これらの歪検出素子と２つの固定抵抗から構成されるブリッジ回路にシャフト２４に加えられたトルクに対応する出力電圧が得られることになる。

このように、本発明の実施の形態１におけるトルク検出装置は、シャフトに印加される踏力を直接アダプタ内に設けた梁部の歪として検出できるため、基部に嵌合孔を有する円柱状のボスを備えたクランクや、互いに反対方向の磁気異方性を備えた部分を有する磁性合金製の検出部などの特殊な部品、また重い検出コイル等を削減でき、これにより、部品点数が少なくなり、組立てが簡単で軽量、安価なトルク検出装置を提供することができる。

なお、本発明の実施の形態１におけるトルク検出装置では外周ハウジング部と軸ハウジング部と梁部とを有するアダプタを筺体２２の開口部にねじにて取付けたが、筺体２２と軸ハウジング部と梁部とを一体に構成してもよい。また、本発明の実施の形態１におけるトルク検出装置では歪検出素子を梁部と軸ハウジング部の接続点近傍の表裏のみに配置しているが、歪検出素子を梁部と外周ハウジング部の接続点近傍の表裏にも配置して、これら４つの歪検出素子によりブリッジ回路を構成してもよい。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項３に記載の発明について説明する。本発明の実施の形態２は歪検出素子をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術と呼ばれる微細加工技術を応用したＭＥＭＳ歪検出素子としたもので、加えられる荷重が小さくても周波数やインピーダンスが大きく変動する高精度の振動子である。このような微小機械振動子を歪の発生する物体に貼着するだけで簡便に、かつ高精度で荷重や歪を測定することができる。

図３（ａ）は前記ＭＥＭＳ歪検出素子４０の上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＤ−Ｄ線断面図、図３（ｄ）は図３（ｂ）のＥ部の詳細図である。図３（ａ）〜（ｄ）において、４１はシリコン等からなる半導体基板で、この半導体基板４１の表面には酸化シリコン層や窒化シリコン層からなる絶縁層が形成されている。４２は半導体基板４１をエッチング処理して形成した梁部で、この梁部４２は力学量の作用により固有振動数が変化する梁状の振動体を構成しているものである。４３は前記梁部４２を取り囲む固定部で、この固定部４３は前記梁状の振動体の両端を支持しているものである。また、前記梁部４２の表面の中央部には順に下部電極、ＰＺＴ等からなる圧電体層、上部電極からなる駆動素子４４が形成され、かつ前記梁部４２の両端部には梁部４２の中心に対して対称な位置に同じく順に下部電極、ＰＺＴ等からなる圧電体層、上部電極からなる検出素子４５，４６が形成され、そして、前記駆動素子４４、検出素子４５，４６は配線パターン（図示せず）によりランド４７に電気的に接続されている。また、このＭＥＭＳ歪検出素子は半導体基板４１における梁部４２の両端の固定部４３において、アダプタ２５ａの梁部３２ａに発生する歪が振動子に伝達されるようにＡｕ−Ａｕ接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質４８で接続固定されているものである。図３（ｄ）において、駆動素子４４は増幅器５０の出力側に接続され、検出素子４５，４６はゲイン調整・移相器５１を介して前記増幅器５０の入力側に接続されている。また、駆動素子４４、検出素子４５，４６の共振周波数は梁部４２の固有振動数ｆ_eの近傍に選定されているものである。なお、発明者らが作成したＭＥＭＳ歪検出素子の半導体基板は長さ２ｍｍ、幅１．５ｍｍ、厚み０．３ｍｍの矩形形状であり、梁部は長さ１．２ｍｍ、幅０．２ｍｍ、厚み１０μｍとしている。

上記構成において、増幅器５０から駆動素子４４に梁部４２の固有振動数ｆ_eの近傍の周波数を持つ交流電圧が印加されると、梁部４２の中央に設けられた駆動素子４４は梁部４２の長手方向に平行な方向に伸縮振動を開始する。この伸縮振動によって梁部４２は固有振動数ｆ_eで上下に弦振動を開始する。この弦振動は検出素子４５，４６によって受信され、そして、この検出素子４５，４６から梁部４２の固有振動数ｆ_eと等しい周波数を持つ交流信号が発生する。これらの交流信号はゲイン調整・移相器５１で位相調整されて前記増幅器５０の入力側にフィードバックされる。これにより、梁部４２はその固有振動数ｆ_eと等しい周波数で弦振動を持続する。この時、検出素子４５，４６からの交流信号を加算器で加算した後、前記ゲイン調整・移相器５１を介して増幅器５０の入力側にフィードバックしてもよいものである。このように梁部４２が上下に弦振動している状態で、アダプタ２５ａの梁部３２ａに引張歪が働くと、前記梁部４２の固有振動数ｆ_eは上昇する。逆にアダプタ２５ａの梁部３２ａに圧縮歪が働くと、梁部４２の固有振動数ｆ_eは低下する。このようにして、端子に出力される固有振動数ｆ_eを測定することによりアダプタ２５ａの梁部３２ａに働く歪を測定できるものである。

さらに、図２（ａ）に示すようにアダプタ２５ａの梁部３２ａの前記シャフト２４の軸に略平行軸に略平行でかつ対向する２側面に前記ＭＥＭＳ歪検出素子を装着すれば、ＭＥＭＳ歪検出素子３４には引張歪が作用して固有振動数が上昇するとともに、ＭＥＭＳ歪検出素子３５には圧縮歪が作用して固有振動数が低下する。よって、これら２つのＭＥＭＳ歪検出素子の固有振動数の差をとることにより、シャフト２４に加えられるトルクをより高精度に測定できる。

このように、本発明の実施の形態２におけるトルク検出装置は、特に、前記歪検出素子をＭＥＭＳ歪検出素子としたもので、この構成によれば、一定の歪に対し大きな電気的出力が得られるため、ペダルに加えられる踏力が小さい時にも大きな電気的出力を得ることができ、これにより、ペダルに加えられる踏力を高精度で検出できるトルク検出装置を提供することができる。

本発明に係るトルク検出装置は、筺体と、該筺体を貫通するシャフトと、前記シャフトに嵌合する転がり軸受と、前記転がり軸受の外側側面を全周にわたって支持するハウジング部と、前記ハウジング部と前記筺体とを連結し鉛直方向に伸びる梁部と、前記シャフトに一端が固着され、かつ他端にペダルを回転自在に設けるとともに該ペダルに加わる踏力を伝達するクランクと、前記シャフトに固着されたギアと、前記ギアの回転運動を伝達して後輪等を駆動するチェーンとを備え、前記梁部の前記シャフトの軸に略平行な側面に歪検出素子を装着して、前記ペダルの踏み込みにより前記シャフトが前輪方向に移動する際に前記梁部に発生する歪を検知して前記ペダルに加えられる踏力をトルクとして検出するようにしたもので、シャフトに印加される踏力を直接アダプタ内に設けた梁部の歪として検出できるため、基部に嵌合孔を有する円柱状のボスを備えたクランクや、互いに反対方向の磁気異方性を備えた部分を有する磁性合金製の検出部などの特殊な部品、また重い検出コイル等を削減でき、これにより、部品点数が少なくなり、組立てが簡単で軽量、安価なトルク検出装置を提供できるという効果を有するものであり、特に、電動自転車や自動変速装置付自転車に適用して有用なものである。

２２筺体
２４シャフト
２６ａ，２６ｂ転がり軸受
２７ａ，２７ｂクランク
２９ギア
３０ａ軸ハウジング部
３１ａ外周ハウジング部
３２ａ，３３ａ梁部
３４，３５歪検出素子

Claims

筺体と、該筺体を貫通するシャフトと、前記シャフトに嵌合する転がり軸受と、前記転がり軸受の外側側面を全周にわたって支持するハウジング部と、前記ハウジング部と前記筺体とを連結し鉛直方向に伸びる梁部と、前記シャフトに一端が固着され、かつ他端にペダルを回転自在に設けるとともに該ペダルに加わる踏力を伝達するクランクと、前記シャフトに固着されたギアと、前記ギアの回転運動を伝達して後輪等を駆動するチェーンとを備え、前記梁部の前記シャフトの軸に略平行な側面に歪検出素子を装着して、前記ペダルの踏み込みにより前記シャフトが前輪方向に移動する際に前記梁部に発生する歪を検知して前記ペダルに加えられる踏力をトルクとして検出するトルク検出装置。
前記梁部の前記シャフトの軸に略平行でかつ対向する２側面に歪検出素子を装着することを特徴とする請求項１記載のトルク検出装置。
前記歪検出素子がＭＥＭＳ歪検出素子であることを特徴とする請求項１から２に記載のトルク検出装置。