JP2018004635A - 押し引きによる力を利用して被測定物体に変形信号を発生させるひずみ検出器の配置方法及び装置 - Google Patents

押し引きによる力を利用して被測定物体に変形信号を発生させるひずみ検出器の配置方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】押し引きによる力を利用して被測定物体に変形信号を発生させるひずみ検出器の配置方法及び装置を提供する。
【解決手段】本発明のひずみ検出器は少なくとも２つを有し、配置方法に基づいてモペット上の配置位置の異なる変形量を有する２つの側面上に配置される。前記配置方法は以下の方法を含む。人により操作されて押し引きされる力がかけられた場合、前記配置位置が変形し、且つ前記変形の作用力は前記押し引きの力に正比例する方法１。前記押し引きされる力がかけられた場合の前記ひずみ検出器の配置位置の変形方向は前記押し引きの力の移動方向から独立する方法２。前記ひずみ検出器のひずみ検出方向は前記配置位置の変形方向と同じである方法３。これにより、引く力または押す力のデータが精確に測定される。
【選択図】図1

Description

本発明は、押し引きによる力を利用して被測定物体に変形信号を発生させるひずみ検出器の配置方法及び装置に関し、より詳しくは、引く力または押す力データを精確に測定可能であり、補助モーターの運転時にフィードバック信号を発生させず、補助動力を前記モペットに正確に供給させ、前記モペットの騎乗がより自然となる。
電動自転車は電動補助モーターを有する自転車であり、使用者がペダルに作用力をかけることにより自転車が駆動される。前記補助モーターが加える補助動力は使用者がペダルをこぐ力と正比例する。すなわち、踏力(すなわち、推進力)が大きくなるほど、補助モーターの補助動力も大きくなる。
従来の技術により踏力を測定する方法の先行案では、例えば、特許文献１に示すように、前案は主に自転車の騎乗者が加える踏力を測定する際に、前記自転車のフレームの変形信号の大きさにより補助モーターから出力される補助動力の大きさの制御を行う。また、特許文献２によれば、主にチェーンに張力差測定装置が装設され、自転車の騎乗者が加える踏力の測定の際に、前記チェーンが伝達させるトルク変化信号の測定に用いられる。なお、特許文献３では、使用者が踏力を加えた際の駆動軸の湾曲変形量が測定される。さらに、特許文献４、特許文献５によると、自転車の後ドロップアウトの位置には歪みゲージ(strain gauge)が配置され、自転車の騎乗者が踏力を加える際の前記後ドロップアウトの変形量信号が測定される。
上述の特許文献４では、本来の自転車のフレームの後ドロップアウトの位置に弱化されたドロップアウト(dropout 50、図３Ａ参照)が追加されて固定され、前記ドロップアウトにより車輪軸の一端が支持される。前記ドロップアウトには垂直方向の空洞溝(５５)が設けられ、前記ドロップアウトが変形可能領域を有する。測定ユニット(７０)の一端が前記変形可能領域上に配置され、対応する他端が前記ドロップアウトの前記変形可能領域から離れた位置に配置される。これにより、自転車の騎乗者が踏力を加えると、前記後ドロップアウトの変形量信号が測定される。
國際特許第ＷＯ２００１０３０６４３ Ａ１号明細書 中国特許第ＣＮ１８０６１６１ Ａ号明細書 國際特許第ＷＯ０３／０７３０５７号明細書 米国特許第７，８１４，８００Ｂ２号明細書 米国特許第２０１１／００４０５００Ａ１号明細書
しかしながら、前記特許文献４には応用上以下の欠点が存在する。
１．前記弱化されたドロップアウトは追加部品であるため、別途成型し、精密に切断しなければならない上、フレームに固装させる必要があり、製造コストが上昇する。また、前記ドロップアウトが一旦取り外されると、自転車には乗れなくなる。
２．前記ドロップアウトの変形方向は補助モーターがハブを推進させる方向と同じであり、前記補助モーターがハブを駆動させる際にフィードバック現象が発生し、前記ドロップアウトの変形信号がひずみ、前記補助モーターが正確に助力を提供できなくなり、騎乗が不自然になる。
３．前記測定ユニット(７０)は歪みゲージ(strain gauge)であり、前記歪みゲージの応用原理は前記歪みゲージ中の金属導線の抵抗値の変化により歪み量を測定する。前記歪みゲージが引っ張られると細長くなり、抵抗値が大きくなる。反対に、圧縮されると太く短くなり、抵抗値が小さくなる。このため、貼付された歪みゲージを被測定物体と一体とし、測定方向も被測定物体の変形方向と同じとする必要がある。前記特許文献４の図３Ａに図示される測定ユニット(７０)は前記ドロップアウトの変形方向と一致していないため(正確には、前記測定ユニット(７０)が図３Ａの脚(carrying leg 62)面上に配置される)、測定が不精確になり、測定不能になる状態に陥る可能性もある。
上述の特許文献５については、図８に示す２つのひずみ検出器(strain gauge sensor 30a、30b)が２つの後ドロップアウトの対応する内面にそれぞれ装設される。前記２つの後ドロップアウトが受力して変形する際の変形方向が、同時に車輪軸の中間方向に変形する。このため、前記特許文献５の２つのひずみ検出器が検出する変形信号が相互に打ち消し合って精確性が失われる。また、例えば、図２に示すひずみ検出器(strain gauge sensor 30)の設置位置では、車輪軸が固定されると、前記ひずみ検出器(strain gauge sensor 30)にぶつかりやすく、破壊される恐れがある。
そこで、本発明者は上記の従来の特許文献４、特許文献５の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に到った。
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、押し引きによる力を利用して被測定物体に変形信号を発生させるひずみ検出器の配置方法及び装置を提供することを目的とする。すなわち、補助動力を有する電動自転車、電動車椅子等のモペットに応用され、踏力(推進力)データを精確に取得させ、補助モーターの回転時にフィードバック信号を発生させず、補助動力を前記モペットに正確に供給し、前記モペットの騎乗をより自然にする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るひずみ検出器はモペットのフレームの配置位置に配置され、すなわち、前記配置位置の配置方法は以下のとおりである。
前記モペットを人が操作して推進力が加えられると、前記配置位置が変形し、且つ前記変形量が前記推進力と正比例する方法１と、
前記モペットに前記推進力が加えられると、前記ひずみ検出器の配置位置の変形方向が前記推進力の移動方向から独立する方法２と
前記ひずみ検出器のひずみ検出方向は前記配置位置の変形方向と同じである方法３とを少なくとも含む。
本発明に係るひずみ検出器は上述の配置方法に基づいてモペットのフレームの配置位置に配置される。前記ひずみ検出器は金属プレート及び２つの歪みゲージを備え、前記２つの歪みゲージは前記金属プレートの左右両側の対応し合う側面上にそれぞれ貼付され、前記金属プレートの両端は前記配置位置の側面に固定される。これら前記の設置により、騎乗者の踏力の大きさが前記配置位置で相応の変形現象を発生させ、２つの歪みゲージの抵抗値の変化差が派生する。これにより、補助モーターが正比例の助力を加えるように制御される。
本発明に係るひずみ検出器は上述の配置方法に基づいて配置位置に配置される。前記ひずみ検出器は２つの歪みゲージを備え、前記２つの歪みゲージは前記配置位置の左右両側の対応し合う側面上にそれぞれ貼付される。これら前記の設置により、騎乗者の踏力の大きさが前記配置位置で相応の変形現象を発生させ、２つの歪みゲージの抵抗値の変化差が派生する。これにより、補助モーターが正比例の助力を加えるように制御される。
本発明は、引く力または押す力データを精確に測定可能であり、補助モーターの運転時にフィードバック信号を発生させず、補助動力を前記モペットに正確に供給させることができる。
本発明の配置方法を示す説明図である。 本発明の好ましい実施形態によるひずみ検出器がモペット（電動自転車）に応用される側面図である。 図２の部分拡大図である。 本発明の第１実施形態によるひずみ検出器が電動自転車の後端ダウンチューブの側面に装設される平面図である。 本発明の第１実施形態によるひずみ検出器が電動自転車の後端ダウンチューブの側面に装設される分解図である。 モペットに押し力がかけられた後、図３に示す後端ダウンチューブ及び金属プレート、二つの歪みゲージの変形を示す参考図である。 本発明の第２実施形態によるひずみ検出器の二つの歪みゲージが電動自転車の後端ダウンチューブの側面にそれぞれ装設される平面図である。 モペットに押し力がかけられた後、図６に示す後端ダウンチューブ及び二つの歪みゲージの変形を示す参考図である。 本発明の第１実施形態によるひずみ検出器が電動自転車の後端ダウンチューブの湾曲部に装設される平面図である。
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。
本発明は電動自転車や補助動力を有する車椅子等のモペットに適用される。前記モペットは補助モーターにより補助されて駆動され、より省力で騎乗可能となる。本発明の前記補助モーターの起動及びトルクの大きさは、主に前記モペットのフレームの配置位置に物体のひずみの測定に用いられるひずみ検出器が配置され、人により操作されて推進力(例えば、自転車のペダルをこぐ踏力)が加えられると、前記モペットフレームの前記配置位置及び前記ひずみ検出器が変形し、前記ひずみ検出器により変形信号が検出され、前記変形信号の大きさにより補助モーターが前記変形量と正比例する助力を供給するように制御される。前記推進力が大きくなると変形信号量も大きくなり、対応して前記補助モーターが供給する助力も大きくなる。
図１、図２及び図２ａはモペット１のフレーム１０の配置位置１１にひずみ検出器２が固定されることを図示する。前記配置位置１１の配置(選択)方法は以下の方法を少なくとも含む。
前記モペット１が人に操作されて押し引きされる力がかけられた場合(例えば、人の足で自転車のペダルがこがれ、チェーンが引かれて自転車のハブが駆動されて回転される際の踏力、または手で車椅子が押されて補助車輪が移動される際の推進力)、前記ひずみ検出器２は前記モペット１の配置位置１１に配置されるため変形し、且つ前記変形作用力が前記押し引きされる力と正比例する方法１。
前記配置位置１１の変形作用力の変形方向は前記押し引きの力の移動方向から独立する。このため、前記補助モーターが発生させるトルクの方向が押し引きされる力の移動方向(踏力や車椅子を手で推進する力)と同じとなり、誤ったフィードバック現象が発生する事態が防止される。補助モーターのトルクの誤ったフィードバック信号の発生が防止されることで、押し引きされる力(踏力や手で車椅子を押す推進力)の大きさが精確に取得され、補助モーターが正確に助力を供給する方法２。
前記配置位置１１は前記押し引きされる力(踏力)が加えられた際の変形方向が前記ひずみ検出器２のひずみ検出方向と同じとなる。前記配置位置１１の変形方向及び前記ひずみ検出器２のひずみ検出方向が両者とも同じ方向となることにより、前記ひずみ検出器２が前記配置位置１１の変形量を正確に測定可能となる（図５及び図７参照）方法３。
上述の方法２の前記ひずみ検出器２の配置位置１１の変形方向が前記押し引きの力の移動方向から独立するとは、前記配置位置１１の変形方向が前記押し引きの力の移動方向と相違し、且つ押し引きされる力と比例する大きさの変形信号が発生することを指す。前記配置位置１１は前記押し引きされる力の移動方向の平行軸線を基準とした正負３０度の角度の間に位置される。上述の配置位置１１は、自転車の右後端ダウンチューブ１２(すなわち、チェーン側の近隣の右後端ダウンチューブ１２)を指し、且つ後車軸１４から約１０ｃｍ以内であり、後車軸１４から約５ｃｍ以内が最も好ましい(図２ａ参照)。上述の配置位置１１は好ましくは前記右後端ダウンチューブ１２の後ハブ側の側面に対面される。
本発明に係るひずみ検出器は２種類の配置方式を有する。その内の１つは、ひずみ検出器２が上述の配置方法に基づいて配置位置１１に配置され、図３乃至図５に示すように、弾性を有する金属プレート２０及び２つの歪みゲージ(strain gauge)２１ａ、２１ｂを備える。前記２つの歪みゲージ２１ａ、２１ｂは前記金属プレート２０の左右両側の相互に対応し合う側面上にそれぞれ貼付され、前記金属プレート２０の両端は前記配置位置１１の側面にネジ２２で固定される。これら前記の設置により、前記金属プレート２０、２つの前記歪みゲージ２１ａ、２１ｂ、及び前記右後端ダウンチューブ１２が固結されて一体となり、一体で変形する。また、前述の構造の長所として、前記ひずみ検出器２が前記モペット１のフレーム１０に焼付け塗装された後、前記金属プレート２０の両端が前記ネジ２２でフレーム１０の配置位置１１に固定されるのみでよく、２つの歪みゲージ２１ａ、２１ｂが配置位置１１に貼付されて固定された後に焼付け塗装をする必要がなく、製造過程がよりスムーズになる。応用において、騎乗者により前記モペット１(電動自転車または電動車椅子)に対して押し引きされる力がかけられた場合、前記フレーム１０の配置位置１１で変形現象が発生し、前記金属プレート２０が追随して変形し、前記金属プレート２０の両側面上に位置される前記２つの歪みゲージ２１の抵抗値が前記金属プレート２０の湾曲変形により生じる抵抗値の変化差信号に従い、前記変形信号により補助モーターがモペット１に正比例の助力を加えるように制御される。また、前記ひずみ検出器２の配置位置１１は自転車の後ドロップアウト(dropout)の前の右後端ダウンチューブ１２(chain stay)に位置され、且つ前記右後端ダウンチューブ１２が自転車のボトムブラケット(bottom bracket)方向に鈍角１３０で湾曲する湾曲部１３に位置され、前記ひずみ検出器２の両端は前記鈍角１３０を跨ぐ（図８参照）。
本発明の第２実施形態によるひずみ検出器３は、上述の配置方法に基づいて配置位置１１に配置され、２つの歪みゲージ(strain gauge)３０ａ、３０ｂを備える（図６及び図７参照）。前記２つの歪みゲージ３０ａ、３０ｂは前記配置位置１１の左右両側の相互に対応し合う側面上にそれぞれ貼付され、２つの前記歪みゲージ３０ａ、３０ｂはフレーム１０の配置位置１１と同体で変形する。これら前記の設置により、騎乗者により前記モペット１に対して押し引きされる力がかけられた場合、前記フレームの配置位置１１で相応の変形現象が発生し、２つの歪みゲージ３０ａ、３０ｂの抵抗値の変化差が派生し、変形信号により補助モーターが正比例の助力を加えるように制御される。
ちなみに、特許文献４の先行案の変形の移動方向は前後であるが、本案では左右であり、両者は異なる。特許文献４の先行案は弱化されたドロップアウトにより変形量を測定するが、これは本発明には不要である。本発明の金属プレートは車両の変形により直接位置が移動し、装設及び測定が行いやすくなる。前記特許文献４の先行案のドロップアウトが一旦取り外されると車両に騎乗できなくなるが、本発明に係るひずみ検出器にはこれが存在せず、車両も通常の自転車と同様に騎乗可能である。よって、本発明は先行案に比べて機能性及び進歩性を有する。
上述したように、本発明の上述の配置方法に基づいてひずみ検出器がモペットのフレームの配置位置に配置される。前記ひずみ検出器は補助モーターの駆動時の駆動力の影響を受けず、前記補助モーターの回転時のフィードバック信号も発生しない。ゆえに、モペットに騎乗する際に、より自然になり、進歩性を有する。
従って、本明細書に開示された実施例は、本発明を限定するものではなく、説明するためのものであり、このような実施例によって本発明の思想と範囲が限定されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲により解釈すべきであり、それと同等の範囲内にある全ての技術は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈すべきである。
１ モペット
１０ フレーム
１１ 配置位置
１２ 右後端ダウンチューブ
１３ 湾曲部
１４ 後車軸
２ ひずみ検出器
２０ 金属プレート
２１ａ 歪みゲージ
２１ｂ 歪みゲージ
２２ ネジ
３ ひずみ検出器
３０ａ 歪みゲージ
３０ｂ 歪みゲージ
１３０ 鈍角

Claims (8)

  1. ひずみ検出器の配置位置は、
    前記配置位置は押し引きされる力がかけられた場合、前記配置位置が変形し、且つ前記変形の作用力は前記押し引きの力が正比例する方法１と、
    前記押し引きされる力がかけられた場合の前記配置位置の変形方向は前記押し引きされる力の移動方向から独立する方法２と、
    前記ひずみ検出器のひずみ検出方向が前記配置位置の変形方向と同じとなる方法３とを少なくとも含むことを特徴とする押し引きによる力を利用して被測定物体に変形信号を発生させるひずみ検出器の配置方法。
  2. 前記配置位置は、前記押し引きの力の移動方向の平行軸線を基準とした正負３０度の角度の間に位置されることを特徴とする、請求項１に記載の押し引きによる力を利用して被測定物体に変形信号を発生させるひずみ検出器の配置方法。
  3. 前記配置位置は、前記自転車のチェーン端の右後端ダウンチューブの近隣で後車軸から１０ｃｍ以内に位置されることを特徴とする、請求項２に記載の押し引きによる力を利用して被測定物体に変形信号を発生させるひずみ検出器の配置方法。
  4. 前記配置位置は後車軸から５ｃｍの位置が好ましいことを特徴とする、請求項３に記載の押し引きによる力を利用して被測定物体に変形信号を発生させるひずみ検出器の配置方法。
  5. 前記右後端ダウンチューブの配置位置は後ハブ端の側面に対面されることを特徴とする、請求項３に記載の押し引きによる力を利用して被測定物体に変形信号を発生させるひずみ検出器の配置方法。
  6. 弾性を有する金属プレート及び２つの歪みゲージを備え、前記２つの歪みゲージは前記金属プレートの左右両側の相互に対応し合う側面上にそれぞれ貼付され、前記金属プレートの両端は前記配置位置の壁面に固定されることを特徴とする、請求項５に記載の配置方法で配置されるひずみ検出器装置。
  7. 前記右後端ダウンチューブの左右両側の相互に対応し合う側面上にそれぞれ貼付される２つの歪みゲージを備えることを特徴とする、請求項４に記載の配置方法で配置されるひずみ検出器装置。
  8. 弾性を有する金属プレート及び２つの歪みゲージを備え、前記２つの歪みゲージは前記金属プレートの左右両側の相互に対応し合う側面上にそれぞれ貼付され、前記金属プレートの両端は前記配置位置の壁面に固定され、また、前記配置位置は前記自転車の後ドロップアウトの前の右後端ダウンチューブ上に位置され、且つ前記右後端ダウンチューブが前記自転車のボトムブラケット方向に鈍角で湾曲する湾曲部に位置され、前記ひずみ検出器の両端は前記鈍角を跨ぐことを特徴とする、請求項２に記載の配置方法で配置されるひずみ検出器装置。
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