JP2022049143A - 自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】クランク軸の軸方向両側の端部に加わるトルクを、それぞれ独立して測定する。【解決手段】一対のトルクセンサ２０ａ、２０ｂは、フレーム２に対し支持固定され、かつ、それぞれの検出部２２を、クランク軸１２の軸方向両側の端部のそれぞれに支持固定されたクランクアーム１３ａ、１３ｂの基端部外周面に対向させている。【選択図】図２

Description

本発明は、自転車に関する。

電動アシスト自転車は、電動モータを補助動力源として利用することにより、運転者がペダルを漕ぐ力を低減する電動アシスト装置を備える。図９は、特開２０１９－１０８１２６号公報に、従来構造として記載された電動アシスト自転車を示している。

電動アシスト自転車１００は、電動モータ１０１の補助動力を、チェーンホイールと呼ばれる駆動側スプロケット１０２に付与する。電動アシスト自転車１００は、クランク１０３と、電動アシスト装置１０４とを備える。

クランク１０３は、クランク軸１０５と、一対のクランクアーム１０６と、駆動側スプロケット１０２とを備える。一対のクランクアーム１０６は、それぞれの基端部を、クランク軸１０５の軸方向端部に支持固定し、かつ、それぞれの先端部に、ペダル１０７が回転自在に支持されている。駆動側スプロケット１０２は、クランク軸１０５の周囲に、電動アシスト自転車１００が前進する際のクランク軸１０５の回転方向に関してクランク軸１０５と同期した回転を可能に支持されている。電動アシスト自転車１００は、駆動側スプロケット１０２と、駆動輪と同期した回転を可能に支持された従動側スプロケットとにチェーンをかけ渡すことにより、駆動側スプロケット１０２の回転を駆動輪に伝達するように構成されている。

電動アシスト装置１０４は、電動モータ１０１と、人力伝達体１０８と、連動体１０９と、増力機構（減速機）１１０と、一方向クラッチ１１１と、トルクセンサ１１２とを備える。

人力伝達体１０８は、筒状に構成され、クランク軸１０５の周囲に、トルクの伝達を可能に外嵌固定されている。

連動体１０９は、筒状に構成され、クランク軸１０５の周囲に、該クランク軸１０５に対する回転を自在に支持され、かつ、駆動側スプロケット１０２と一体に回転する。すなわち、駆動側スプロケット１０２は、連動体１０９の周囲に、トルクの伝達を可能に外嵌固定されている。

増力機構１１０は、電動モータ１０１の出力トルクを増大させつつ、連動体１０９に伝達する。

一方向クラッチ１１１は、人力伝達体１０８と連動体１０９との間に配置され、かつ、電動アシスト自転車１００が前進する際の人力伝達体１０８の回転トルクを連動体１０９に伝達するのに対し、自転車が前進する際の連動体１０９の回転トルクを人力伝達体１０８に伝達しない。

トルクセンサ１１２は、磁歪式トルクセンサにより構成され、検出部を、人力伝達体１０８の外周面に対向させている。

電動アシスト装置１０４は、トルクセンサ１１２の出力信号などに基づいて、電動モータ１０１への通電を制御し、電動モータ１０１の出力トルクは、増力機構１１０により増大されてから、連動体１０９を介して駆動側スプロケット１０２に付与される。これにより、運転者がペダル１０７を漕ぐ力、すなわち踏力が低減される。

特開２０１９－１０８１２６号公報

特開２０１９－１０８１２６号公報に記載の電動アシスト自転車１００においては、電動アシスト装置１０４は、トルクセンサ１１２を１個のみ備え、該トルクセンサ１１２の検出部を、人力伝達体１０８の外周面に対向させている。したがって、クランク軸１０５の軸方向両側の端部に加わるトルクを、それぞれ独立して測定することはできない。すなわち、運転者の左右のペダル踏力を、それぞれ独立して測定することはできない。

本発明は、上述のような事情に鑑み、クランク軸の軸方向両側の端部に加わるトルクを、それぞれ独立して測定することができる自転車の構造を実現することを目的としている。

本発明の自転車は、
クランク軸、及び、前記クランク軸の周囲に該クランク軸と同期した回転を可能に支持された駆動側スプロケットを有するクランクと、
前記クランク軸の軸方向両側の端部にそれぞれ加わるトルクを測定可能に構成された一対のトルクセンサと、
を備える。

前記一対のトルクセンサは、それぞれの検出部を、前記クランク軸のうち、軸方向に関して前記駆動側スプロケットを挟む部分の外周面、又は、当該部分に支持固定された部材の外周面に備えられた被検出面に対向させることができる。

前記クランク軸の軸方向両側の端部のそれぞれには、クランクアームの基端部が結合固定される。クランクアームのそれぞれの先端部には、運転者により踏まれるペダルが回転可能に支持される。あるいは、本発明を手漕ぎ自転車に適用する場合には、クランクアームのそれぞれの先端部には、ハンドルが回転可能に支持される。

本発明の一実施形態に係る自転車では、前記一対のトルクセンサのそれぞれを、前記クランク軸又は前記クランク軸に支持固定された部材に生じる逆磁歪効果を利用して、前記クランク軸又は前記クランク軸に支持固定された部材に加わるトルクを測定可能な磁歪式トルクセンサにより構成することができる。
この場合、前記クランク軸又は前記クランク軸に支持固定された部材は、外周面のうち、前記一対のトルクセンサのそれぞれの検出部が対向する軸方向範囲であって、かつ、円周方向に関する一部の範囲にのみショットピーニング処理部を有することができる。

本発明の一実施形態に係る自転車は、
従動側スプロケットと、
前記従動側スプロケットと同軸に、かつ、少なくとも前進する際の前記従動側スプロケットの回転トルクを伝達可能に支持された駆動輪と、
前記駆動側スプロケットと前記従動側スプロケットとにかけ渡されたチェーンと、
電動モータ及び前記一対のトルクセンサを有し、前記電動モータを補助動力源として、前記一対のトルクセンサの出力信号に応じた補助動力を前記駆動輪に付与する電動アシスト装置と、を備えることができる。

前記電動アシスト装置は、
前記クランク軸に外嵌固定された人力伝達体と、
前記クランク軸の周囲に、該クランク軸に対する回転を可能に支持され、かつ、前記駆動側スプロケットと一体に回転する連動体と、
前記電動モータの補助動力を前記連動体に伝達する増力機構と、
前記人力伝達体と前記連動体との間に配置され、かつ、前進する際の前記人力伝達体の回転トルクを前記連動体に伝達するのに対し、前進する際の前記連動体の回転トルクを前記人力伝達体に伝達しない一方向クラッチと、
を有することができる。

この場合、前記一対のトルクセンサは、それぞれの検出部を、前記クランク軸のうち、軸方向に関して前記駆動側スプロケットを挟み、前記人力伝達体よりも軸方向外側かつ前記連動体よりも軸方向外側に位置する部分の外周面、又は、当該部分に支持固定された部材の外周面に備えられた被検出面に対向させることができる。

本発明の自転車によれば、クランク軸の軸方向両側の端部に加わるトルクを、それぞれ独立して測定することができる。

図１は、実施の形態の第１例に係る自転車を示す側面図である。 図２は、図１のＡ－Ａ断面を模式的に示す図である。 図３（ａ）は、図２のＢ部拡大図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣ－Ｃ断面図である。 図４は、トルクセンサの検出部を構成する第１～第４コイル層を径方向外側から見た展開図である。 図５（ａ）～図５（ｄ）は、トルクセンサの検出部を構成する第１～第４コイル層をそれぞれ単体の状態で径方向外側から見た展開図である。 図６は、トルクセンサの検出部を構成する第１～第４コイル層を含んで構成されるブリッジ回路を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態の第２例に係る自転車を示す側面図である。 図８は、図７のＤ―Ｄ断面を模式的に示す図である。 図９は、従来構造の自転車を示す、部分拡大断面図である。

［実施の形態の第１例］
本発明の実施の形態の第１例について、図１～図６を用いて説明する。本例は、本発明の自転車を、電動モータを補助動力源として運転者がペダルを漕ぐ力を低減する電動アシスト装置を備える電動アシスト自転車に適用した例である。

本例の自転車１は、フレーム２と、前輪３と、後輪４と、ハンドル５と、サドル６と、クランク７と、一対のペダル８と、従動側スプロケット９と、チェーン１０と、電動アシスト装置１１とを備える。

フレーム２は、上下方向に伸長する立パイプ２ａと、立パイプ２ａの下側の端部から前方に向かって延出する下パイプ２ｂと、下パイプ２ｂの前側の端部に、上下方向に伸長する中心軸を中心とする回転を可能に支持された二股状のフォーク２ｃと、立パイプ２ａの上側の端部から後方に向かう程下方に向かう方向に延出するシートステー２ｄと、立パイプ２ａの下側の端部とシートステー２ｄの下側の端部とを接続するチェーンステー２ｅとを備える。

前輪３は、フォーク２ｃの下側の端部に、幅方向に配置された中心軸を中心とする回転を自在に支持されている。

なお、幅方向（図１の表裏方向、図２の左右方向）とは、フレーム２、すなわち車体の幅方向であって、左右方向と一致する。

後輪４は、シートステー２ｄの後下側の端部とチェーンステー２ｅの後側の端部との接続部に、幅方向に配置された中心軸を中心とする回転を自在に支持されている。後輪４には、後述するチェーン１０及び従動側スプロケット９を介して、クランク７からのトルクが伝達される。すなわち、本例では、後輪４が、駆動輪を構成する。

ハンドル５は、フォーク２ｃの上側の端部に結合固定されている。したがって、運転者のハンドル５の操作に伴い、フォーク２ｃが上下方向に伸長する中心軸を中心とする回転し、フォーク２ｃに回転自在に支持された前輪３に舵角が付与される。

サドル６は、立パイプ２ａの上方に支持されている。

クランク７は、クランク軸１２と、一対のクランクアーム１３ａ、１３ｂと、駆動側スプロケット１４とを備える。

クランク軸１２は、立パイプ２ａの下側の端部に、幅方向に配置された中心軸を中心とする回転を自在に支持されている。すなわち、クランク軸１２の軸方向は、車体の幅方向と一致する。

一対のクランクアーム１３ａ、１３ｂは、それぞれの基端部を、クランク軸１２の軸方向両側の端部のそれぞれに支持固定している。一対のクランクアーム１３ａ、１３ｂのそれぞれは、クランク軸１２の軸方向両側の端部のそれぞれから、クランク軸１２の中心軸を中心とする径方向に関して互いに反対側に向けて伸長している。

駆動側スプロケット１４は、クランク軸１２の周囲に、自転車１が前進する際のクランク軸１２の回転方向に関して該クランク軸１２と同期した回転を可能に支持されている。具体的には、本例では、駆動側スプロケット１４は、後述する電動アシスト装置１１を構成する人力伝達体１５と一方向クラッチ１６と連動体１７とを介して、クランク軸１２に支持されている。

一対のペダル８のそれぞれは、クランクアーム１３のそれぞれの先端部に、クランク軸１２と平行に配置された中心軸を中心とする回転を可能に支持されている。

従動側スプロケット９は、後輪４と同軸に、フリーホイールと呼ばれる、ラチェット式又はカム式の一方向クラッチにより支持されている。したがって、自転車１が前進する際の従動側スプロケット９の回転トルクは、後輪４に伝達されるのに対し、自転車１が前進する際の後輪４の回転トルクは、従動側スプロケット９に伝達されない。要するに、運転者がペダル８を漕いで自転車１を前進させる際には、ペダル８側からの回転トルクを、駆動側スプロケット１４とチェーン１０と従動側スプロケット９とを介して後輪４に伝達するが、自転車１を前方に惰性走行させる際には、後輪４の回転トルクを、一方向クラッチにより遮断して後輪４を空転させることで、ペダル８が回転しないようにしている。

チェーン１０は、駆動側スプロケット１４と従動側スプロケット９とにかけ渡されている。すなわち、運転者が一対のペダル８を漕ぐことに伴い、クランク軸１２が回転し駆動側スプロケット１４が回転すると、該駆動側スプロケット１４の回転は、チェーン１０により、従動側スプロケット９に伝達される。さらに、従動側スプロケット９の回転に伴い、後輪４が回転して自転車１が前進する。

電動アシスト装置１１は、電動モータ１８と、人力伝達体１５と、連動体１７と、増力機構（減速機）１９と、一方向クラッチ１６と、一対のトルクセンサ２０ａ、２０ｂとを備える。

人力伝達体１５は、筒状に構成され、クランク軸１２の周囲に、セレーション嵌合などのトルク伝達可能な構造により外嵌されている。

連動体１７は、筒状に構成され、クランク軸１２の周囲に、該クランク軸１２に対する回転を可能に支持され、かつ、駆動側スプロケット１４と一体に回転する。すなわち、駆動側スプロケット１４は、連動体１７の周囲に、セレーション嵌合などのトルク伝達可能な構造により外嵌されている。

増力機構１９は、電動モータ１８の出力トルクを増大させつつ、連動体１７に伝達する。増力機構１９は、トルクの伝達方向に関して電動モータ１８と連動体１７との間に、一方向クラッチ２１を有する。一方向クラッチ２１は、電動モータ１８側からの回転トルクを連動体１７側に伝達するのに対し、連動体１７側からの回転トルクを電動モータ１８側に伝達しない。これにより、バッテリの残容量の減少などに伴い、電動モータ１８からの出力トルクが十分でない場合に、電動モータ１８がペダル８を漕ぐことに対する抵抗となることを防止している。

なお、本例では、増力機構１９は、複数の歯車を噛合させてなる歯車式減速機により構成されている。ただし、本発明を実施する場合、電動アシスト装置を構成する増力機構を、遊星歯車式減速機やウォーム減速機などにより構成することもできる。

一方向クラッチ１６は、人力伝達体１５と連動体１７との間に配置され、かつ、自転車１が前進する際の人力伝達体１５の回転トルクを連動体１７に伝達するのに対し、自転車１が前進する際の連動体１７の回転トルクを人力伝達体１５に伝達しない。電動アシスト装置１１を備える自転車１では、電動モータ１８を保護するため、運転者がペダル８を漕ぐことを止めた後、しばらくの間、電動モータ１８の出力軸を回転させ続ける。本例では、一方向クラッチ１６により、ペダル８を漕ぐのをやめた後、しばらくの間、電動モータ１８の出力軸が回転し続けることに基づいて、クランク軸１２やペダル８が回転しまうことを防止している。

一対のトルクセンサ２０ａ、２０ｂは、クランク軸１２の軸方向両側の端部にそれぞれ加わるトルクを測定可能に構成されている。このために、本例では、一対のトルクセンサ２０ａ、２０ｂは、フレーム２に対し支持固定され、かつ、それぞれの検出部２２を、クランク軸１２の軸方向両側の端部のそれぞれに支持固定されたクランクアーム１３ａ、１３ｂの基端部外周面に対向させている。すなわち、本例では、クランクアーム１３ａ、１３ｂの基端部外周面を、被検出面２３ａ、２３ｂとしている。

ただし、本発明の自転車を実施する場合、一対のトルクセンサは、クランク軸の軸方向両側の端部にそれぞれ加わるトルクを測定することができれば、それぞれの検出部を、クランクアームの基端部外周面に限らず、任意の部分に対向させることができる。すなわち、電動アシスト装置を備える構造においては、一対のトルクセンサは、それぞれの検出部を、クランク軸のうち、軸方向に関して駆動側スプロケットを挟み、人力伝達体よりも軸方向外側かつ連動体よりも軸方向外側に位置する部分の外周面、又は、当該部分に支持固定された部材に備えられた被検出面に対向させることができる。例えば、図２の右側のトルクセンサ２０ａは、検出部２２を、クランク軸１２のうち、駆動側スプロケット１４よりも右側に位置する部分の外周面、又は、当該部分に支持固定された部材に備えられた被検出面２３ａに対向させることができる。図２の左側のトルクセンサ２０ｂは、検出部２２を、クランク軸１２のうち、人力伝達体１５よりも左側に位置する部分の外周面、又は、当該部分に支持固定された部材に備えられた被検出面２３ｂに対向させることができる。

なお、軸方向外側とは、自転車１の幅方向外側をいう。

本例では、トルクセンサ２０ａ、２０ｂのそれぞれとして、回転体に生じる逆磁歪効果を利用して、前記回転体が伝達するトルクを測定可能な磁歪式トルクセンサにより構成されている。すなわち、トルクセンサ２０ａ、２０ｂのそれぞれは、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、磁性材製で円筒状のバックヨーク２４と、バックヨーク２４の径方向内側に接着などの適宜の固定手段によって保持固定された検出部２２とを備える。

検出部２２は、多数のコイル（第１～第４検出コイル２９～３２）を含んで構成され、クランク軸１２の中心軸Ｏを中心とする一部の円周方向範囲にのみ配置されている。すなわち、検出部２２は、部分円筒状に構成されている。特に、本例では、検出部２２は、半円筒状に構成されており、クランク軸１２の中心軸Ｏを中心とする中心角が１８０°の円周方向範囲に配置されている。ただし、本発明を実施する場合、検出部は、本例の検出部２２よりも小さい若しくは大きい円周方向範囲に配置するか、又は全周にわたって配置することもできる。又、バックヨーク２４は、円筒状に構成されているが、本発明を実施する場合には、バックヨークを、検出部と同じ円周方向範囲にのみ存在する部分円筒状に構成することもできる。

検出部２２は、図３（ｂ）に示すように、それぞれが円筒状に構成された４つのコイル層である、第１～第４コイル層２５～２８を備える。第１～第４コイル層２５～２８は、径方向内側から第１コイル層２５、第２コイル層２６、第３コイル層２７、第４コイル層２８の順に積層配置されている。第１コイル層２５と第２コイル層２６とは、図示しない帯状のフレキシブル基板の片側面と他側面とに分けて成形され、かつ、該フレキシブル基板を半円筒状に湾曲させることにより、半円筒状に構成されている。第３コイル層２７と第４コイル層２８とは、図示しない別の帯状のフレキシブル基板の片側面と他側面とに分けて成形され、かつ、該フレキシブル基板を半円筒状に湾曲させることにより、半円筒状に構成されている。第２コイル層２６と第３コイル層２７との間には、絶縁層が設けられている。

図４は、検出部２２を径方向外側から見た展開図を示している。図５（ａ）～図５（ｄ）は、検出部２２を構成する第１～第４コイル層２５～２８をそれぞれ個別に径方向外側から見た展開図を示している。

第１コイル層２５は、図５（ａ）に示すように、複数個の第１検出コイル２９を備える。第１検出コイル２９は、円周方向に関して等ピッチに並べて配置されており、かつ、円周方向に隣り合う第１検出コイル２９同士が直列に接続されている。

第２コイル層２６は、図５（ｂ）に示すように、複数個の第２検出コイル３０を備える。第２検出コイル３０は、円周方向に関して等ピッチに並べて配置されており、かつ、円周方向に隣り合う第２検出コイル３０同士が直列に接続されている。

第３コイル層２７は、図５（ｃ）に示すように、複数個の第３検出コイル３１を備える。第３検出コイル３１は、円周方向に関して等ピッチに並べて配置されており、かつ、円周方向に隣り合う第３検出コイル３１同士が直列に接続されている。

第４コイル層２８は、図５（ｄ）に示すように、複数個の第４検出コイル３２を備える。第４検出コイル３２は、円周方向に関して等ピッチに並べて配置されており、かつ、円周方向に隣り合う第４検出コイル３２同士が直列に接続されている。

第１検出コイル２９及び第４検出コイル３２のそれぞれは、円周方向に関する両側辺に、クランク軸１２の軸方向に対して＋４５゜傾斜した配線を含んで構成されている。これに対し、第２検出コイル３０及び第３検出コイル３１のそれぞれは、円周方向に関する両側辺に、クランク軸１２の軸方向に対して－４５゜傾斜した配線を含んで構成されている。

なお、本例では、第１～第４コイル層２５～２８のそれぞれを、フレキシブル基板の側面に成形しているが、本発明を実施する場合、磁歪式トルクセンサの検出部を構成する複数のコイル層のそれぞれを、ボビンなどの支持部材に導線を巻き付けることによって構成することもできる。

第１～第４コイル層２５～２８は、図６に示すような、ブリッジ回路３３を構成している。ブリッジ回路３３は、発振器３４及びロックイン増幅器３５をさらに備える。発振器３４は、第１コイル層２５と第２コイル層２６との接続点であるＡ点と、第３コイル層２７と第４コイル層２８との接続点であるＢ点との間に交流電圧を印加する。ロックイン増幅器３５は、第１コイル層２５と第３コイル層２７との接続点であるＣ点と、第２コイル層２６と第４コイル層２８との接続点であるＤ点との間の電位差（中点電圧、差動電圧）を検出し、かつ、増幅する。

本例では、クランクアーム１３ａ、１３ｂのうち、少なくとも被検出面２３ａ、２３ｂが備えられた基端部外周面は、ＳＣｒ４２０（クロム鋼）、ＳＣＭ４２０（クロムモリブデン鋼）、ＳＮＣＭ４２０（ニッケルクロムモリブデン鋼）などの鋼（鉄合金）などの磁歪特性を有する材料により構成されている。具体的には、クランクアーム１３ａ、１３ｂ全体を、磁歪特性を有する材料により構成することができる。あるいは、クランクアーム１３ａ、１３ｂの基端部外周面を含む部分を、磁歪特性を有する材料により構成し、残部を構成する部品と結合固定することもできる。

本例では、クランクアーム１３ａ、１３ｂの基端部外周面に備えられた被検出面２３ａ、２３ｂのそれぞれは、円周方向一部に、ショットピーニング処理が施されたショットピーニング処理部３６（図３（ａ）及び図３（ｂ）において斜格子を付した部分）を有し、かつ、残部に、ショットピーニング処理が施されていないショットピーニング非処理部３７を有する。本例では、ショットピーニング処理部３６は、全周に対する５０％の円周方向範囲（中心角が１８０度の円周方向範囲）に存在しており、ショットピーニング非処理部３７は、全周に対する残りの５０％の円周方向範囲に存在している。なお、本発明を実施する場合、ショットピーニング処理部は、本例のショットピーニング処理部３６よりも狭い円周方向範囲又は広い円周方向範囲に存在させることもできる。ただし、後述する出力Ｖのレベルを大きく確保する観点から、ショットピーニング処理部は、被検出面において、全周に対する３０％以上（より好ましくは５０％以上、さらに好ましくは７０％以上）の円周方向範囲に存在するようにするのが良い。

一対のクランクアーム１３ａ、１３ｂのうち、図２の右側のクランクアーム１３ａの基端部外周面の備えられた被検出面２３ａのショットピーニング処理部３６は、被検出面２３ａのうち、右側のクランクアーム１３ａからクランク軸１２にトルクが入力されているときに、右側のトルクセンサ２０ａの検出部２２が対向する部分に形成されている。換言すれば、右側のクランクアーム１３ａの被検出面２３ａのショットピーニング処理部３６は、右側のクランクアーム１３ａが上側に位置する場合に、右側のトルクセンサ２０ａの検出部２２が対向する部分に形成されている。一方、右側のクランクアーム１３ａが下側に位置する場合、右側のトルクセンサ２０ａの検出部２２には、ショットピーニング非処理部３７が対向する。

これに対し、一対のクランクアーム１３ａ、１３ｂのうち、図２の左側のクランクアーム１３ｂの基端部外周面の備えられた被検出面２３ｂのショットピーニング処理部３６は、被検出面２３ｂのうち、左側のクランクアーム１３ｂからクランク軸１２にトルクが入力されているときに、左側のトルクセンサ２０ｂの検出部２２が対向する部分に形成されている。換言すれば、左側のクランクアーム１３ｂの被検出面２３ｂのショットピーニング処理部３６は、左側のクランクアーム１３ｂが上側に位置する場合に、左側のトルクセンサ２０ｂの検出部２２が対向する部分に形成されている。一方、左側のクランクアーム１３ｂが下側に位置する場合、左側のトルクセンサ２０ｂの検出部２２には、ショットピーニング非処理部３７が対向する。

したがって、左右のトルクセンサ２０ａ、２０ｂのそれぞれの検出部２２の円周方向に関する取り付け位相が同じ場合、右側のクランクアーム１３ａに備えられた被検出面２３ａのショットピーニング処理部３６と、左側のクランクアーム１３ｂに備えられた被検出面２３ｂのショットピーニング処理部３６とは、径方向に関して互いに反対側に位置する（配置の位相が１８０°異なる）。一方、右側のクランクアーム１３ａに備えられた被検出面２３ａのショットピーニング処理部３６と、左側のクランクアーム１３ｂに備えられた被検出面２３ｂのショットピーニング処理部３６との円周方向に関する位相が同じ場合、左右のトルクセンサ２０ａ、２０ｂのそれぞれの検出部２２が径方向に関して互いに反対側に位置する（取り付け位相が１８０°異なる）。

本例の自転車１において、クランク軸１２に加わるトルクを測定する際には、発振器３４により、ブリッジ回路３３のＡ点とＢ点との間に交流電圧を印加し、第１～第４コイル層２５～２８に交流電流を流す。すると、第１～第４コイル層２５～２８には、図５（ａ）～図５（ｄ）に矢印イ、ロ、ハ、ニで示すように、円周方向に隣り合う検出コイル２９～３２同士で互いに逆向きの電流が流れる。換言すれば、円周方向に隣り合う検出コイル２９～３２同士で互いに逆向きの電流が流れるように、それぞれの検出コイル２９～３２が巻かれている。この結果、第１～第４コイル層２５～２８の周囲に交流磁界が発生し、この交流磁界の磁束が、クランクアーム１３ａ、１３ｂの基端部外周面に備えられた被検出面２３ａ、２３ｂの表層部を通過する。

この状態で、クランクアーム１３ａ（又は１３ｂ）の基端部に、図３（ａ）に示す方向のトルクＴが加わると、クランクアーム１３ａ（又は１３ｂ）の基端部には、軸方向に対して＋４５゜方向の引っ張り応力（＋σ）と、軸方向に対して－４５゜方向の圧縮応力（－σ）とが作用する。そして、逆磁歪効果により、引っ張り応力（＋σ）が作用する方向である＋４５゜方向では、クランクアーム１３ａ（又は１３ｂ）の基端部の透磁率が増加し、圧縮応力（－σ）が作用する方向である－４５゜方向では、クランクアーム１３ａ（又は１３ｂ）の基端部の透磁率が減少する。

一方、第１コイル層２５及び第４コイル層２８は、クランク軸１２の軸方向に対して＋４５゜傾斜した配線を含んで構成されており、該配線の周囲に発生する交流磁界の磁束の一部は、被検出面２３ａ（又は２３ｂ）の表層部を、透磁率が減少した方向である－４５゜方向に通過する。このため、第１コイル層２５及び第４コイル層２８の自己インダクタンスは、それぞれ減少する。第２コイル層２６及び第３コイル層２７は、クランク軸１２の軸方向に対して－４５゜傾斜した配線を含んで構成されており、該配線の周囲に発生する交流磁界の磁束の一部は、被検出面２３ａ（又は２３ｂ）の表層部を、透磁率が増加した方向である＋４５゜方向に通過する。このため、第２コイル層２６及び第３コイル層２７の自己インダクタンスは、それぞれ増大する。

これに対し、クランクアーム１３ａ（又は１３ｂ）の基端部に、図３（ａ）に示す方向とは逆方向のトルクＴが加わると、上述した場合とは逆の作用により、第１コイル層２５及び第４コイル層２８の自己インダクタンスが増大し、第２コイル層２６及び第３コイル層２７の自己インダクタンスが減少する。

いずれにしても、ブリッジ回路３３では、Ｃ点とＤ点との間の電位差（中点電圧、差動電圧）をロックイン増幅器３５により検出及び増幅することによって、クランクアーム１３ａ（又は１３ｂ）の基端部、延いてはクランクアーム１３ａ（又は１３ｂ）の基端部が結合されているクランク軸１２の軸方向端部に負荷されているトルクＴの方向及び大きさに応じた出力Ｖが得られるようになっている。

本例の自転車１において、運転者が左右のペダル８を漕いで前進しようとすると、ペダル８に加わった人力の駆動力は、クランクアーム１３ａ、１３ｂに加わり、トルクセンサ２０ａ、２０ｂにより検出される。クランクアーム１３ａ、１３ｂに加わった人力の駆動力は、クランク軸１２に加わり、さらに、人力伝達体１５及び一方向クラッチ１６を介して連動体１７に伝達される。

電動アシスト装置１１は、トルクセンサ２０ａ、２０ｂの出力信号やクランク軸１２の回転数などに基づいて、電動モータ１８を駆動し、該電動モータ１８の出力トルクを増力機構１９により増大させつつ、連動体１７に伝達する。なお、クランク軸１２の回転数は、トルクセンサ２０ａ、２０ｂの出力信号から求めることもできるし、別に備えた回転センサにより検出することもできる。

ペダル８から加わった人力の駆動力と、電動モータ１８の出力トルクとは、連動体１７で合成され、駆動側スプロケット１４とチェーン１０と従動側スプロケット９とを介して、駆動輪である後輪４に伝達される。以上のように、本例の自転車１では、電動モータ１８を補助動力源として利用することにより、運転者がペダル８を漕ぐ力を低減することができる。

本例の自転車１では、一対のトルクセンサ２０ａ、２０ｂのそれぞれの検出部２２を、左右のクランクアーム１３ａ、１３ｂのそれぞれの基端部外周面に備えられた被検出面２３に対向させている。これにより、クランクアーム１３ａ、１３ｂのそれぞれからクランク軸１２の軸方向両側の端部に加わるトルクを、それぞれ独立して測定可能としている。要するに、運転者の左右のペダル踏力を独立して測定することができる。このため、本例の自転車１によれば、運転者の左右のペダル踏力の差に基づいて、運転者の筋力バランスや心肺能力などを計測することができる。

本例では、クランクアーム１３ａ、１３ｂのそれぞれの基端部外周面に備えられた被検出面２３ａ、２３ｂのそれぞれは、円周方向一部に、ショットピーニング処理が施されたショットピーニング処理部３６を有する。これにより、被検出面２３ａ、２３ｂのうちの円周方向一部の表層部の残留オーステナイト量を少なく抑えている。具体的には、ショットピーニング処理部３６が形成された円周方向範囲における、被検出面２３ａ、２３ｂから３０μｍの深さまでの範囲の残留オーステナイト量を６容量％以下に抑えている。したがって、被検出面２３ａ、２３の表層部のうちで、トルクセンサ２０ａ、２０ｂの検出部２２から放出された磁束が通過する部分の磁気特性を良好にでき、トルク測定のヒステリシスを抑えつつ、トルク測定の感度を効果的に向上させることができる。

特に本例では、ショットピーニング処理部３６は、被検出面２３ａ、２３ｂのうちの円周方向一部にのみ形成されている。具体的には、右側のクランクアーム１３ａの被検出面２３ａのショットピーニング処理部３６は、右側のクランクアーム１３ａが上側に位置する場合に、右側のトルクセンサ２０ａの検出部２２が対向する部分に形成されており、かつ、左側のクランクアーム１３ｂの被検出面２３ｂのショットピーニング処理部３６は、左側のクランクアーム１３ｂが上側に位置する場合に、左側のトルクセンサ２０ｂの検出部２２が対向する部分に形成されている。したがって、本例によれば、ショットピーニング処理部を全周に形成した構造と比較して製造コストを低減することができる。

すなわち、ショットピーニング処理部を全周に形成する場合、被加工物を回転させながら、ショットと呼ばれる粒子を前記被加工物の表面に噴出する必要がある。これに対し、本例では、ショットピーニング処理部３６は、被検出面２３ａ、２３ｂのうちの円周方向一部にのみ形成されており、ショットピーニング処理部３６を形成する際に、被加工物であるクランクアーム１３ａ、１３ｂを回転させる必要がなく、その分、製造コストを抑えることができる。

なお、右側のクランクアーム１３ａからクランク軸１２にトルクが入力されている間は、右側のトルクセンサ２０ａの検出部２２と、右側のクランクアーム１３ａの被検出面２３ａのショットピーニング処理部３６との対向部の円周方向長さが一定に保たれていることが好ましい。このために、例えば、右側のトルクセンサ２０ａの検出部２２の円周方向長さを、右側のクランクアーム１３ａの被検出面２３ａのショットピーニング処理部３６の円周方向長さよりも長くすることができる。一方、左側のクランクアーム１３ｂからクランク軸１２にトルクが入力されている間は、左側のトルクセンサ２０ｂの検出部２２と、左側のクランクアーム１３ｂの被検出面２３ｂのショットピーニング処理部３６との対向部の円周方向長さが一定に保たれていることが好ましい。このために、例えば、左側のトルクセンサ２０ｂの検出部２２の円周方向長さを、左側のクランクアーム１３ｂの被検出面２３ｂのショットピーニング処理部３６の円周方向長さよりも長くすることができる。これにより、クランクアーム１３ａ（又は１３ｂ）からクランク軸１２に入力されるトルクを安定的に測定することができる。

ただし、本発明を実施する場合、トルクセンサの検出部が対向する部分に、ショットピーニング処理部を全周にわたって形成することもできる。あるいは、トルクセンサの検出部が対向する部分を、磁歪特性を有する材料により構成していれば、ショットピーニング処理部を省略することもできる。

また、本発明を実施する場合、トルクセンサの検出部を、コイルに限らず、ホール素子などの磁気検出素子により構成することもできる。あるいは、トルクセンサとして、歪みゲージを利用するセンサや、エンコーダを利用して位相差を検出することによりトルクを測定するセンサなどを使用することもできる。ただし、トルクセンサを小型化して、設置スペースを小さく抑える面からは、本例のように、複数のコイル層２５～２８を有する検出部２２を備える、磁歪式のトルクセンサ２０ａ、２０ｂを使用することが好ましい。

なお、本発明を、電動アシスト装置を備える自転車に適用する場合、電動アシスト装置は、実施の形態の第１例のように、電動モータの補助動力を、連動体を介して駆動側スプロケットに付与する構成に限らず、運転者がペダルを漕ぐ力を低減できれば、任意の構成を採用することができる。例えば、電動アシスト装置は、電動モータの補助動力を、従動側スプロケットや後輪、前輪などに付与するように構成することもできる。

又、本発明は、手漕ぎ式の自転車に適用することもできる。この場合、クランク軸の軸方向両側の端部には、ハンドルが支持固定される。

［実施の形態の第２例］
本発明の実施の形態の第２例について、図７及び図８を用いて説明する。本例の自転車１ａは、実施の形態の第１例に係る自転車１が備えていた電動アシスト装置１１を備えていない。

本例の自転車１ａにおいても、一対のトルクセンサ２０ａ、２０ｂは、クランク軸１２の軸方向両側の端部にそれぞれ加わるトルクを測定可能に構成されている。このために、本例では、一対のトルクセンサ２０ａ、２０ｂは、それぞれの検出部２２を、クランク軸１２の軸方向両側の端部のそれぞれに支持固定されたクランクアーム１３ａ、１３ｂの基端部外周面に対向させている。すなわち、クランクアーム１３ａ、１３ｂの基端部外周面を、被検出面２３ａ、２３ｂとしている。

ただし、本発明の自転車を実施する場合、一対のトルクセンサは、クランク軸の軸方向両側の端部にそれぞれ加わるトルクを測定することができれば、それぞれの検出部を、クランクアームの基端部外周面に限らず、任意の部分に対向させることができる。すなわち、電動アシスト装置を備えない構造においては、一対のトルクセンサは、それぞれの検出部を、クランク軸のうち、軸方向に関して駆動側スプロケットを挟む部分の外周面、又は、当該部分に支持固定された部材に備えられた被検出面に対向させることができる。

又、本例においても、クランクアーム１３ａ、１３ｂの基端部外周面に備えられた被検出面２３ａ、２３ｂのそれぞれは、円周方向一部に、ショットピーニング処理が施されたショットピーニング処理部３６（図３（ａ）及び図３（ｂ）参照）を有し、かつ、残部に、ショットピーニング処理が施されていないショットピーニング非処理部３７を有する。

本例の自転車１ａでも、運転者の左右のペダル踏力を独立して測定することができ、該ペダル踏力の差に基づいて、運転者の筋力バランスや心肺能力などを計測することができる。なお、図示の例では、従動側スプロケット９ａを、複数のスプロケットを備えるカセットスプロケットにより構成している。ただし、従動側スプロケットを、単一のスプロケットにより構成することもできる。又、駆動側スプロケットを、複数のスプロケットを備える構成とすることもできる。その他の部分の構成及び作用効果は、実施の形態の第１例と同様である。

１、１ａ 自転車
２ フレーム
２ａ 立パイプ
２ｂ 下パイプ
２ｃ フォーク
２ｄ シートステー
２ｅ チェーンステー
３ 前輪
４ 後輪
５ ハンドル
６ サドル
７ クランク
８ ペダル
９、９ａ 従動側スプロケット
１０ チェーン
１１ 電動アシスト装置
１２ クランク軸
１３ａ、１３ｂ クランクアーム
１４ 駆動側スプロケット
１５ 人力伝達体
１６ 一方向クラッチ
１７ 連動体
１８ 電動モータ
１９ 増力機構
２０ａ、２０ｂ トルクセンサ
２１ 一方向クラッチ
２２ 検出部
２３ａ、２３ｂ 被検出面
２４ バックヨーク
２５ 第１コイル層
２６ 第２コイル層
２７ 第３コイル層
２８ 第４コイル層
２９ 第１検出コイル
３０ 第２検出コイル
３１ 第３検出コイル
３２ 第４検出コイル
３３ ブリッジ回路
３４ 発振器
３５ ロックイン増幅器
３６ ショットピーニング処理部
３７ ショットピーニング非処理部
１００ 電動アシスト自転車
１０１ 電動モータ
１０２ 駆動側スプロケット
１０３ クランク
１０４ 電動アシスト装置
１０５ クランク軸
１０６ クランクアーム
１０７ ペダル
１０８ 人力伝達体
１０９ 連動体
１１０ 増力機構
１１１ 一方向クラッチ
１１２ トルクセンサ

Claims (5)

1. クランク軸、及び、前記クランク軸の周囲に該クランク軸と同期した回転を可能に支持された駆動側スプロケットを有するクランクと、
   前記クランク軸の軸方向両側の端部にそれぞれ加わるトルクを測定可能に構成された一対のトルクセンサと、
   を備える、自転車。
2. 前記一対のトルクセンサのそれぞれが、前記クランク軸又は前記クランク軸に支持固定された部材に生じる逆磁歪効果を利用して、前記クランク軸又は前記クランク軸に支持固定された部材に加わるトルクを測定可能な磁歪式トルクセンサにより構成されている、
   請求項１に記載の自転車。
3. 前記クランク軸又は前記クランク軸に支持固定された部材は、外周面のうち、前記一対のトルクセンサのそれぞれの検出部が対向する軸方向範囲であって、かつ、円周方向に関する一部の範囲にのみショットピーニング処理部を有する、
   請求項２に記載の自転車。
4. 従動側スプロケットと、
   前記従動側スプロケットと同軸に、かつ、少なくとも前進する際の前記従動側スプロケットの回転トルクを伝達可能に支持された駆動輪と、
   前記駆動側スプロケットと前記従動側スプロケットとにかけ渡されたチェーンと、
   電動モータ及び前記一対のトルクセンサを有し、前記電動モータを補助動力源として、前記一対のトルクセンサの出力信号に応じた補助動力を前記駆動輪に付与する電動アシスト装置と、を備える、
   請求項１～３のいずれかに記載の自転車。
5. 前記電動アシスト装置が、
   前記クランク軸に外嵌固定された人力伝達体と、
   前記クランク軸の周囲に、該クランク軸に対する回転を可能に支持され、かつ、前記駆動側スプロケットと一体に回転する連動体と、
   前記電動モータの補助動力を前記連動体に伝達する増力機構と、
   前記人力伝達体と前記連動体との間に配置され、かつ、前進する際の前記人力伝達体の回転トルクを前記連動体に伝達するのに対し、前進する際の前記連動体の回転トルクを前記人力伝達体に伝達しない一方向クラッチと、
   を有する、
   請求項４に記載の自転車。

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