JP2014122796A

JP2014122796A - トルク検出装置

Info

Publication number: JP2014122796A
Application number: JP2012277778A
Authority: JP
Inventors: Motoki Ogata; 基樹緒方; Akira Matsuura; 昭松浦
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-07-03

Abstract

【課題】本発明は、周方向に力を伝達する回転板を回転させる回転軸に加わる回転トルクを検出するトルク検出装置に関し、回転トルクの検出精度を向上させることを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために本発明は、回転軸２と回転板の間にトルク検出板１６を介在させ、これらの回転係合を係合突起１９および係合孔１７、１８の内接より確保するとともに、回転板の径方向で係合突起１９と内接する扇形形状の第１の係合孔１７を少なくとも３つ配置し、回転板３の回転方向で係合突起１９と当接する矩形形状の第２の係合孔１８を少なくとも１つ配置し、この第２の係合孔１８の近傍に歪検出素子７を設ける構成とした。
【選択図】図５

Description

本発明は、周方向に力を伝達する回転板を回転させる回転軸に加わる回転トルクを検出するトルク検出装置に関する。

この種のトルク検出装置を搭載する構成としては、例えば、図１に示す電動アシスト付自転車の駆動部分のように、ペダル１を漕ぐことで回転軸２を介しスプロケット３が回転し、この回転するスプロケット３に係合したチェーン４を介して車輪５に動力を伝達する構造において、回転軸２に加わる回転トルク６の大きさを検出し、補助動力によるアシスト量を決定する構成が挙げられる。

なお、この出願の発明に関連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２０１２−１８１２７号公報

そして、この回転軸２のトルク検出においては、スプロケット３の表面に歪検出素子７を配置して、回転軸２に加わる回転トルク６をスプロケット３に生じる歪量として検出する構造が検討されている。

しかしながら、スプロケット３には、チェーン４を引っ張る際に、この引っ張り応力に応じて矢印で示すようにスプロケット３の外周端から中心部に向かう径方向の圧縮応力８が働き径方向の歪が生じてしまう。つまり、スプロケット３には回転軸２の回転による周方向の回転トルク６と、チェーン４の引張に伴う径方向の圧縮応力８が生じるので、これらの異なる応力を分離することが、回転トルク６の検出精度を向上させるために重要となる。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、回転トルクの検出精度を向上させることを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、回転軸と回転板の間にトルク検出板を介在させ、これらの回転係合を係合突起および係合孔を内接より確保するとともに、係合孔は係合突起が内接する矩形形状とし、回転板の径方向で係合突起と内接する第１の係合孔を少なくとも３つ配置し、回転板の回転方向で係合突起と当接する第２の係合孔を少なくとも１つ配置し、この第２の係合孔の近傍に歪検出素子を設けた構成としたのである。

これにより、周方向に力を伝達する回転板を回転させる回転軸に加わる回転トルクを検出するトルク検出装置の回転トルクの検出精度を向上させることができるのである。

本発明のトルク検出装置を用いた電動アシスト付自転車を示す模式図同トルク検出装置を構成する歪検出素子を示す図同歪検出素子の出力信号を示す図本発明の一実施の形態におけるトルク検出装置を示す図同トルク検出装置の検出原理を示す模式図

以下、本発明の一実施の形態について図を用いて説明する。なお、上述した従来の技術と同様の構成については同じ符号を付して説明する。

図１はトルク検出装置を搭載した電動アシスト付自転車を示したもので、自転車を駆動させる駆動部となるペダル１と、このペダル１と係合した回転軸２と、この回転軸２に係合して回転板として機能するスプロケット３と、スプロケット３の回転に伴う周方向の力を車輪５に伝達する側力伝達部として機能するチェーン４を有している。なお、補助アシスト機構は特に図示していないが、この補助アシストによるアシスト量を決定するため、スプロケット３の主面に歪検出素子７を配置している。

また、歪検出素子７は、ＭＥＭＳプロセスにより形成される微小構造体であり、その構造は、図２に示すように、矩形状のシリコン基板９に振動可能な縦方向の梁１０と横方向の梁１１と、梁１０、１１の振動を制御する制御回路素子１２を配置している。梁１０、１１にはそれぞれ、ＰＺＴからなる圧電膜を上下電極で挟み込んだ積層構造の駆動電極１３と、ＰＺＴからなる圧電膜を上下電極で挟み込んだ積層構造の検出電極１４が配置している。そして、駆動電極１３に制御回路素子１２から駆動信号を印加することで梁１０、１１をそれぞれの固有振動周波数で振動させ、この梁１０、１１の振動数を検出電極１４で検出する構造となっている。

なお、この歪検出素子７の検出原理は、歪検出素子７に対して矢印で示すような側方からの応力１５が加わった場合、縦方向の梁１０にはその延伸方向に対して引っ張り方向の力が働くので、図３のｆａで示すように、その応力が大きさに比例して振動周波数が高くなる。また、横方向の梁１１にはその延伸方向に圧縮方向の力が働くので、図３のｆｂで示すように、その応力の大きさに比例して振動周波数が低くなる。そして、これらの振動周波数信号を制御回路素子１２で所定の信号処理を施して応力１５に応じた検出信号を形成する。

そして、この電動アシスト付自転車においては、図４に示すように、スプロケット３がトルク検出板１６を介して回転軸２に接続された構造としており、ペダル１から伝達された動力は回転軸２に伝わり、この回転軸２からトルク検出板１６を介してスプロケット３に伝達する構造としている。なお、スプロケット３は回転軸２からの回転トルク６を直接受けないように、回転軸２の挿入孔３ａの径を回転軸２の挿入部分の径より大きく設定し、回転軸２とスプロケット３の間に回転軸２の回転トルク６を伝達させるトルク検出板１６を設けている。なお、トルク検出板１６は、図５に示すように、回転軸２と回転係合するため回転軸２の挿入孔１６ａを角形とし、この部分に挿入される回転軸２の形状も同等の角形としている。

そして、このトルク検出板１６とスプロケット３の係合構造について説明する。トルク検出板１６には、回転軸２を中心とする扇型形状の第１の係合孔１７を３つ同心円上に均等配置し、さらに、長手方向がスプロケット３の径方向に合致した矩形形状の第２の係合孔１８を、一組の第１の係合孔１７の間に配置する。

また、スプロケット３には、第１の係合孔１７及び第２の係合孔１８の中心部分において内接する円柱状の係合突起１９が設けられ、トルク検出板１６とスプロケット３の回転方向における係合はこれらの第１の係合孔１７、第２の係合孔１８とこれらに挿入される係合突起１９により確保している。なお、第１の係合孔１７の扇形形状および第２の係合孔１８の矩形形状には、４隅部分がフィレット加工などによる曲線で結ばれたような形状も含まれる。

この構成によれば、スプロケット３は３つの第１の係合孔１７とこれに内接する係合突起１９により回転軸２に対して同軸方向の位置決めがなされ、第２の係合孔１８とこれに内接する係合突起１９により周方向の位置決めがなされる。そして、この周方向の位置決めを行う第２の係合孔１８の周方向の近傍に上述した歪検出素子７を配置することで、回転トルク６を高い精度で検出することができる。

すなわち、回転軸２の回転トルク６をスプロケット３の歪成分をもって検出する場合、先に述べたようにスプロケット３に回転トルク６に由来する周方向の歪成分と、チェーンの引張力に伴う径方向の歪成分の合成歪成分を検出することになるのであるが、トルク検出板１６を介してその係合部分、つまり、第１の係合孔１７と第２の係合孔１８により回転方向の係合と径方向の係合を分離させたので、回転トルク６に応じる周方向の応力を検出する第２の係合孔１８の近傍に歪検出素子７を配置することで検出精度が高められるのである。

なお、第１の係合孔１７は３つ設けることで、回転軸２に対する径方向の取り付け位置が特定できるものであるが３つ以上設けても構わない。さらに第２の係合孔についても１つあることで周方向の応力を検出できるが１つ以上設けても構わない。

また、歪検出素子７ａを第２の係合孔１８の反対側にも配置することで、トルク検出板１６の回転方向も検出可能となる。これは、第２の係合孔１８の回転方向に位置する歪検出素子７には、回転トルクに伴う押圧力が印加されるのに対して、反対側に位置する歪検出素子７ａには押圧力が働かないので、歪検出素子７、７ａのいずれの検出信号であるかを判別することで、回転方向を判定することができる。

さらに、第２の係合孔１８の両側に設けられた歪検出素子７、７ａを、第２の係合孔１８に対して対称配置することで、歪検出素子７、７ａが受ける温度変化によるスプロケット３やトルク検出板１６の熱膨張や外乱に伴う出力変動が、２つの歪検出素子７、７ａに対して同様に働くので、これらの出力を比較すれば、このような出力変動をキャンセルすることができ、検出精度高めることができる。

ただし、スプロケット３とトルク検出板１６の係合構造においては、スプロケット３がトルク検出板１６に対して固定されていない状態となるため、スプロケット３の回転が不安定となり回転ブレの原因となるので、これらの間に板バネ（特に図示せず）などの付勢部材を介在させることでスプロケット３の回転ブレを低減させることができ、より回転トルク６の検出精度を高めることができる。

なお、上述した一実施の形態においては、回転軸２の回転トルク６を要するトルク装置として電動アシスト付自転車を例に挙げ、その回転軸２の駆動させる駆動部をペダル１として、回転軸２により回転する回転板をスプロケット３として、回転板の回転に伴う周方向の力を伝達する側力伝達部をチェーン４として説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものでなく、回転軸２により回転する回転板と、回転軸２に回転トルク６を印加する駆動部と、回転板の周方向の力を伝達する側力伝達部を備えたトルク装置における回転軸２に加わる回転トルク６を検出するトルク検出装置に対して同様の効果を奏することができる。

本発明は、周方向に力を伝達する回転板を回転させる回転軸に加わる回転トルクを検出するトルク検出装置の回転トルクの検出精度を向上させることができるという効果を有し、特に細かな制御設定により省電力化が要望される電動アシスト付自転車において有効となる。

１ペダル（駆動部）
２回転軸
３スプロケット（回転板）
４チェーン（側力伝達部）
７、７ａ歪検出素子
１６トルク検出板
１７第１の係合孔
１８第２の係合孔
１９係合突起

Claims

回転軸と、この回転軸により回転する回転板と、前記回転軸を回転させる駆動部と、前記回転板の回転に伴う周方向の力を伝達する側力伝達部を備えたトルク装置における前記回転軸に加わる回転トルクを検出するトルク検出装置であって、前記トルク検出装置は、前記回転軸と係合するトルク検出板を設け、前記回転板はこのトルク検出板を介して前記回転軸の回転トルクが伝達され、前記トルク検出板と前記回転板は、前記トルク検出板あるいは前記回転板の一方に設けられた柱状の係合突起が、前記トルク検出板あるいは前記回転板の他方に設けられた係合孔に内接することで係合し、前記係合孔は、前記回転軸を中心とした扇形状で、かつ、前記回転板の径方向で前記係合突起と内接する前記第１の係合孔と、前記回転軸の径方向を長手方向とした矩形形状で、かつ、前記回転板の回転方向で前記係合突起と内接する第２の係合孔を有し、前記第１の係合孔を少なくとも３つ配置するとともに、前記第２の係合孔を少なくとも１つ配置し、前記第２の係合孔の近傍に歪検出素子を設けたことを特徴とするトルク検出装置。
トルク検出板の回転方向において、歪検出素子を第２の係合孔の両側に設けたことを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
歪検出素子を第２の係合孔に対して対称位置に配置したことを特徴とする請求項２に記載のトルク検出装置。
トルク検出板と回転板の間に付勢部材を介在させたことを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。