JP2023104897A - 動力出力無線トルク検出機構及びそれを応用した自転車 - Google Patents

動力出力無線トルク検出機構及びそれを応用した自転車 Download PDF

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Abstract

【課題】動力出力無線トルク検出機構及びそれを応用した自転車の提供。【解決手段】本発明の動力出力無線トルク検出機構は、固定体上に入力ユニットと、当該入力ユニットに連動される出力ユニットが設けられ、当該入力ユニットと当該出力ユニットの間に無線センサー装置が設置され、当該無線センサー装置により回転トルク値と回転速度値を検出して、無線方式で伝送することで、モジュール化した設計が可能であり、より優れた汎用性を備え、かつトルク検出の精度を高め、信号伝送の安定性及び信頼性を向上し、後続の補助動力をより即時かつ正確に入力することができ、また組み立てやメンテナンスも容易で、全体コストをさらに削減することができる。【選択図】図4

Description

本発明は、動力を出力するトルク検出技術に関するものである。
現有のパワーアシスト自転車において、補助動力入力の必要性を検知するために用いられる従来のトルク検出機構は、主にクランク軸表面に歪みゲージが設置され、左右両側のクランクが踏み込まれたとき、クランク軸にねじれ力によって変形が発生するが、このとき当該歪みゲージが当該クランク軸の歪み量を検出し、かつ無線伝送信号の運用により、受信機を介して補助モーターの出力する補助動力を制御し、騎乗者をアシストして省力化を達成するというものである。
しかしながら、前述の構造において、無線伝送装置には電力が必要なため、一般に電池を使用して無線伝送装置に電力を供給しているが、電池が徐々に電力不足になり、無線伝送装置の信号が弱まって干渉を受けたり、不安定になったりしやすく、補助動力の出力に影響を与えることがある。例えば、無線伝送の歪みにより受信トルク値が小さくなると、対応する補助動力を効果的かつ即時に供給できなくなり、逆に無線伝送の歪みにより受信トルク値が大きくなりすぎると、補助動力が大きく供給されてしまい、補助動力の過大により急加速が発生して車両がスムーズに走行できなくなる可能性があり、また、フィードバックラグ現象により補助動力を即時かつ正確に発生させることができない等の問題も同時に存在する。
また、現有の無線伝送装置は動力出力軸に組み付けられているため、組み立て時や電池交換時、メンテナンス時には動力出力軸全体を分解する必要があり、手間と時間の無駄を招いている。さらに、部品を1つずつ組み立て直すと、組み立ての問題で精度が低下し、その後のトルク検出に影響を与える可能性があり、組み立てとメンテナンスが困難で、実質的に全体のコストが高くなるという問題がある。したがって、前述の問題をいかに克服するかが本発明の課題である。
本発明の主な目的は、無線給電の効果を達成するとともに、トルク値を正確に検出し、トルク値の検出信号を安定的かつ効果的に無線伝送して、トルク値を無線伝送するときの信号が弱まることによるノイズ干渉や歪みの発生を回避できる、動力出力無線トルク検出機構を提供することにある。
本発明の別の主な目的は、モジュール化した構造により汎用性を高め、組み立てやメンテナンスが容易であり、かつ現有の装置のように電池を交換する必要がなく、信号伝送の正確性を確保するとともに、組み立てやメンテナンスを容易にすることで、組み立てやメンテナンスのコストを低減することができる、動力出力無線トルク検出機構を提供することにある。
本発明のさらに別の主な目的は、回転軸のトルク変化値を検出し、無線方式により高い信頼性で正確に出力することができ、後続の補助動力をより即時かつ確実に入力することで、パワーアシスト自転車に作動の遅れや急加速の現象を発生させることがない、本発明の動力出力無線トルク検出機構を応用した自転車を提供することにある。
以下本発明について説明する。請求項1に記載する動力出力無線トルク検出機構は、固定体上に枢設可能な入力軸と、前記入力軸上に設置される無線センサー装置と、を含み、前記入力軸が、少なくとも1つの初期動力を受けて駆動可能であり、前記無線センサー装置が、前記固定体に固定される固定部材と、前記入力軸に設置される連動部材を備え、前記固定部材上に一次コイルが設置され、かつ前記固定部材上に回折格子センサー部材が設置され、前記連動部材上に前記一次コイルに対応する二次コイルが設置され、前記連動部材の二次コイルに無線で電気エネルギーを生成させることができ、また前記連動部材が前記固定部材の回折格子センサー部材に対応して同心軸線上に一連の等間隔の感知部を備え、前記連動部材に制御回路板が電気的に接続され、前記入力軸のトルク値の大きさを検出して、前記トルク値に基づき対応する無線伝送可能な歪み信号を生成する。
請求項2に記載する動力出力無線トルク検出機構は、請求項1における入力軸の前記無線センサー装置と異なる一側に出力ユニットが設置され、前記出力ユニットが、前記入力軸に被着された伝動軸スリーブを備え、かつ前記伝動軸スリーブと前記入力軸の間に少なくとも1つの第1ワンウェイベアリングが設置され、前記出力ユニットの外側に補助動力ユニットが被着され、前記補助動力ユニットが前記伝動軸スリーブ上に被着された動力部材を備え、かつ前記動力部材の内縁と前記伝動軸スリーブ間に少なくとも1つの第2ワンウェイベアリングが設置され、前記第2ワンウェイベアリングの作動方向が前記第1ワンウェイベアリングと反対であり、前記補助動力ユニットが前記無線センサー装置により検出された前記入力軸のトルク値の大きさに基づいて、前記出力ユニットに対応する大きさの補助動力を提供し、前記出力ユニットの伝動軸スリーブを補助して駆動することができる。
請求項3に記載する動力出力無線トルク検出機構は、請求項2における入力軸上に連動する検出軸スリーブが設置され、前記出力ユニットと前記無線センサー装置が前記検出軸スリーブ上にそれぞれ設置される。
請求項4に記載する動力出力無線トルク検出機構は、請求項3における入力軸が一端に噛合歯セクションを備え、前記検出軸スリーブの前記入力軸の噛合歯セクションに対応する一端に、対応する噛合歯セクションが形成され、前記検出軸スリーブを前記入力軸に噛合し、同期して回動させることができ、さらに前記検出軸スリーブの他端と前記入力軸間に軸受が設置され、前記検出軸スリーブが前記入力軸と前記出力ユニット間のトルク値を対応して反映できるよう確約に確約する。
請求項5に記載する動力出力無線トルク検出機構は、請求項2における出力ユニットの伝動軸スリーブの一端にさらに出力セクションが形成され、前記出力セクションが受動部材の組み込みに用いる噛合歯セクションであってもよい
請求項6に記載する自転車は、その車体のクランク軸の構造が、請求項1乃至5のいずれかに記載の動力出力無線トルク検出機構である。
本発明の立体外観図である。 本発明の出力ユニットの立体分解図である。 本発明の無線センサー装置の立体分解図である。 本発明の初期動力使用時の側面断面図である。 本発明の補助動力使用時の側面断面図である。
本発明の動力出力無線トルク検出機構の構成は、図1に示すように、入力軸10と、出力ユニット30と、補助動力ユニット40と、無線センサー装置50から構成され、そのうち、当該入力軸10と補助動力ユニット40がそれぞれ当該出力ユニット30に対して出力し、それぞれまたは共同でパワーアシスト自転車などの被駆動体(図示しない)を駆動する。本発明の特色は、当該入力軸10上に設置された当該無線センサー装置50が回転トルク値と回転速度値を正確に検出し、かつ無線方式でリアルタイムかつ正確に伝送できる点にある。
当該動力出力無線トルク検出機構の詳細な構成は、図2、図3、図4に示すように、当該入力軸10の両端のうち少なくとも一端が、初期動力の入力を通じて作動し、その軸心で旋回させることができ、例えば当該入力軸10はパワーアシスト自転車のクランク軸とすることができ、両端に設置されたクランクを踏み込んで当該クランク軸を作動させ、クランク軸上のスプロケットを通じて出力を生成し、チェーンを動かして当該パワーアシスト自転車を駆動することができる。当該入力軸10は一端に噛合歯セクション11が形成され、かつ当該入力軸10の外側に検出軸スリーブ15が被着され、当該検出軸スリーブ15が軸孔150を備え、かつ当該検出軸スリーブ15の軸孔150の当該入力軸10の噛合歯セクション11に対応する一端に相対する噛合歯セクション16が形成され、当該検出軸スリーブ15を当該入力軸10に噛合し、同期して回動させることができ、さらに当該検出軸スリーブ15の軸孔150の他端と当該入力軸10の間に軸受17が設置され、当該検出軸スリーブ15が当該入力軸10と当該出力ユニット30間のトルク値を対応して反映できるよう確約し、さらに当該入力軸10の当該検出軸スリーブ15の軸受17と異なる一側に第1外側軸受18が設置され、外部の固定体(図示しない)内に組み込む際に当該入力軸10が自由に回動できるよう確約するために用いられる。
当該出力ユニット30は、当該入力軸10と当該検出軸スリーブ15に同時に対応する段状の伝動軸スリーブ31で構成され、そのうち、当該伝動軸スリーブ31が当該入力軸10の検出軸スリーブ15上に被せて設置され、かつ当該伝動軸スリーブ31と当該検出軸スリーブ15間に少なくとも1つの第1ワンウェイベアリング32が設置され、そのうち、当該第1ワンウェイベアリング32は順方向で駆動し、逆方向で空転する動作をし、さらに当該伝動軸スリーブ31と当該入力軸10間に軸受34が設置され、当該伝動軸スリーブ31の回動の安定性と円滑性が確保される。また、当該伝動軸スリーブ31上に第2外側軸受35が設置され、外部之固定体(図示しない)内に組み込む際に、当該伝動軸スリーブ31が自由に回動できるよう確約するために用いられる。かつ当該伝動軸スリーブ31の外部の一端にさらに出力セクション311が形成され、当該出力セクション311は噛合歯セクションとしてもよく、自転車のチェーンリングなどの受動部材(図示しない)を組み込み、チェーンを介して自転車を駆動するために用いられる。
また、当該補助動力ユニット40は、当該入力軸10のトルク値、回転速度値に基づいて、コントローラ駆動部材(図示しない)の作動により対応する大きさの補助動力を出力し、当該出力ユニット30の伝動軸スリーブ31を駆動する。当該補助動力ユニット40は、出力ユニット30の伝動軸スリーブ31上に被着された動力部材41を備え、かつ当該動力部材41の内縁と当該伝動軸スリーブ31間に少なくとも1つの第2ワンウェイベアリング42が設置される。当該第2ワンウェイベアリング42の作動方向は、前述の第1ワンウェイベアリング32と反対であり、例えば当該第2ワンウェイベアリング42は順方向で空転し、逆方向で駆動する動作をしてもよい。
当該無線センサー装置50は、当該入力軸10の検出軸スリーブ15上に設置される。当該無線センサー装置50は、固定部材51と、連動部材55を備え、そのうち、当該固定部材51は前述の固定体(図示しない)上に固定され、電気回路の接続に用いられる。かつ、当該固定部材51上に一次コイル52(一次側)が設置され、さらに当該固定部材51上に回折格子センサー部材53が設置される。当該連動部材55が当該検出軸スリーブ15上に固定され、かつ当該検出軸スリーブ15と同期して回動する。また、当該連動部材55上に当該固定部材51の一次コイル52に対応する二次コイル56(二次側)が設置され、当該連動部材55上の二次コイル56が当該固定部材51上の一次コイル52に相対して回動することができ、かつ磁力線を切り、当該連動部材55の二次コイル56に無線で電気エネルギーを生成させることができる。また、当該連動部材55は固定部材51の回折格子センサー部材53に対応して同心軸線上に一連の等間隔の感知部57を備え、当該連動部材55が検出軸スリーブ15を介して当該入力軸10と同期して回転するとき、当該連動部材55の感知部57で固定部材51の回折格子センサー部材53に対して当該入力軸10の回転速度を測定し、回転速度値の大きさに対応する歪み信号を生成する。当該連動部材55に制御回路板58が電気的に接続され、当該制御回路板58が当該歪み信号に基づき制御信号(例えば、外力駆動モードに切り替えるなど)を無線伝送し、駆動部材(モーターなど)を操作して当該補助動力ユニット40の動力部材41を作動させ、当該出力ユニット30の伝動軸スリーブ31に対して補助動力を出力させることができる。
これにより、当該無線センサー装置50の固定部材51と連動部材55間の相対する一次コイル52と二次コイル56が無線給電を発生することにより、当該連動部材55上の制御回路板58がトルク値、回転速度値を歪み信号に変換し、制御信号を無線伝送して、当該補助動力ユニット40が当該入力軸10のトルク値、回転速度値の大きさに基づいて当該出力ユニット30に対し対応する大きさの補助動力を提供することを可能にし、動力出力無線トルク検出機構を構成することができる。
本発明の動力出力無線トルク検出機構の構成を実際に動作させるときは、図1、図4に示すように、当該入力軸10が両端のうち少なくとも一端の初期動力を得たとき、例えば入力軸10が自転車のクランク軸であるとき、両端のクランクを踏み込んで初期動力が入力され、当該入力軸10が当該検出軸スリーブ15を通じ当該第1ワンウェイベアリング32を介して当該出力ユニット30の伝動軸スリーブ31を動かし、当該伝動軸スリーブ31を初期動力で駆動させることができ、かつ当該伝動軸スリーブ31はその外縁の第2ワンウェイベアリング42により当該動力部材41に対して空転を形成し、コントローラの駆動部材を逆方向に動かして破損することがないようにすることができる。同時に、当該無線センサー装置50は、当該固定部材51及び当該検出軸スリーブ15と連動する連動部材55間の一次コイル52と二次コイル56の相対誘導現象を利用して、当該無線センサー装置50の制御回路板58に必要な電力を無線で生成して供給することができ、かつ当該入力軸10の検出軸スリーブ15のトルク値と回転速度値の大きさを測定し、コントローラ(図示しない)に対して対応する歪み信号を発して、当該コントローラにより所定値を超過していないか判断するために提供することができる。例えば、当該入力軸10の歪み信号が当該補助動力ユニット40を作動させる設定値に達していない場合、当該補助動力ユニット40の動力部材41は静止した状態となり、当該出力ユニット30の伝動軸スリーブ31と補助動力ユニット40の動力部材41間は、第2ワンウェイベアリング42の設置により空転が形成され、当該補助動力ユニット40の動力部材41に噛み合わされたモーターなどのコントローラ駆動部材(図示しない)を作動させるに至らず、当該駆動部材の破損を回避することができる。
図4、図5に示すように、当該入力軸10が初期動力により駆動されてトルク値が大きくなり、回転速度値が遅くなって(例えば、自転車に乗っていて坂道を上がるとき)、当該コントローラの所定値に達した、または駆動部材を直接作動させたいときは、当該コントローラが補助動力ユニット40の動力部材41と噛み合わされた駆動部材を作動させ、当該補助動力ユニット40により対応する補助動力を出力し、当該動力部材41に当該第2ワンウェイベアリング42を介して出力ユニット30の伝動軸スリーブ31を回動させることができる。かつ当該出力ユニット30の伝動軸スリーブ31と検出軸スリーブ15間に第1ワンウェイベアリング32が設置されているため、両者間に空転が形成され、入力軸10から伝達される初期動力と当該補助動力ユニット40の動力部材41から伝達される補助動力が互いに干渉するに至らない。
前述の設計と説明に基づき、本発明の動力出力無線トルク検出機構は、当該無線センサー装置50の設計を利用して、電力を無線で提供し、当該連動部材55の制御回路板58が入力軸10の検出軸スリーブ15のトルク値と回転速度値の大きさを検出し、無線方式で当該歪み信号を伝送して当該補助動力ユニット40が当該入力軸10のトルク値、回転速度値の大きさに基づいて当該出力ユニット30に補助動力を提供することを可能にすることができ、無線給電の効果を達成するとともに、トルク値及び回転速度値を正確に検出し、かつその検出信号を安定的かつ効果的に無線伝送して、無線伝送時の信号が弱まることによるノイズ干渉や歪みの発生を回避できる。
同時に、モジュール化した構造により、組み立てやメンテナンスが容易であり、かつ現有の装置のように電池を交換する必要がなく、信号伝送の正確性を確保するとともに、組み立てやメンテナンスを容易にすることで、組み立てやメンテナンスのコストを低減することができる。これをパワーアシスト自転車などに応用し、回転軸のトルクと回転速度の変化を検出させる場合、無線方式により高い信頼性で正確に出力することができ、後続の補助動力をより即時かつ確実に入力することで、パワーアシスト自転車に作動の遅れや急加速の現象を発生させることがない。
10 入力軸
11 噛合歯セクション
15 検出軸スリーブ
150 軸孔
16 噛合歯セクション
17 軸受
18 第1外側軸受
30 出力ユニット
31 伝動軸スリーブ
311 出力セクション
32 第1ワンウェイベアリング
34 軸受
35 第2外側軸受
40 補助動力ユニット
41 動力部材
42 第2ワンウェイベアリング
50 無線センサー装置
51 固定部材
52 一次コイル
53 回折格子センサー部材
55 連動部材
56 二次コイル
57 感知部
58 制御回路板

Claims (6)

  1. 動力出力無線トルク検出機構であって、固定体上に枢設可能な入力軸と、前記入力軸上に設置される無線センサー装置と、を含み、
    前記入力軸が、少なくとも1つの初期動力を受けて駆動可能であり、
    前記無線センサー装置が、前記固定体に固定される固定部材と、前記入力軸に設置される連動部材を備え、前記固定部材上に一次コイルが設置され、かつ前記固定部材上に回折格子センサー部材が設置され、前記連動部材上に前記一次コイルに対応する二次コイルが設置され、前記連動部材の二次コイルに無線で電気エネルギーを生成させることができ、また前記連動部材が前記固定部材の回折格子センサー部材に対応して同心軸線上に一連の等間隔の感知部を備え、前記連動部材に制御回路板が電気的に接続され、前記入力軸のトルク値の大きさを検出して、前記トルク値に基づき対応する無線伝送可能な歪み信号を生成する、
    ことを特徴とする、動力出力無線トルク検出機構。
  2. 前記入力軸の前記無線センサー装置と異なる一側に出力ユニットが設置され、前記出力ユニットが、前記入力軸に被着された伝動軸スリーブを備え、かつ前記伝動軸スリーブと前記入力軸の間に少なくとも1つの第1ワンウェイベアリングが設置され、前記出力ユニットの外側に補助動力ユニットが被着され、前記補助動力ユニットが前記伝動軸スリーブ上に被着された動力部材を備え、かつ前記動力部材の内縁と前記伝動軸スリーブ間に少なくとも1つの第2ワンウェイベアリングが設置され、前記第2ワンウェイベアリングの作動方向が前記第1ワンウェイベアリングと反対であり、前記補助動力ユニットが前記無線センサー装置により検出された前記入力軸のトルク値の大きさに基づいて、前記出力ユニットに対応する大きさの補助動力を提供し、前記出力ユニットの伝動軸スリーブを補助して駆動することができる、ことを特徴とする、請求項1に記載の動力出力無線トルク検出機構。
  3. 前記入力軸上に連動する検出軸スリーブが設置され、前記出力ユニットと前記無線センサー装置が前記検出軸スリーブ上にそれぞれ設置される、ことを特徴とする、請求項2に記載の動力出力無線トルク検出機構。
  4. 前記入力軸が一端に噛合歯セクションを備え、前記検出軸スリーブの前記入力軸の噛合歯セクションに対応する一端に、対応する噛合歯セクションが形成され、前記検出軸スリーブを前記入力軸に噛合し、同期して回動させることができ、さらに前記検出軸スリーブの他端と前記入力軸間に軸受が設置され、前記検出軸スリーブが前記入力軸と前記出力ユニット間のトルク値を対応して反映できるよう確約に確約する、ことを特徴とする、請求項3に記載の動力出力無線トルク検出機構。
  5. 前記出力ユニットの伝動軸スリーブの一端にさらに出力セクションが形成され、前記出力セクションが受動部材の組み込みに用いる噛合歯セクションであってもよい、ことを特徴とする、請求項2に記載の動力出力無線トルク検出機構。
  6. 自転車であって、その車体のクランク軸の構造が、請求項1乃至5のいずれかに記載の動力出力無線トルク検出機構であることを特徴とする、自転車。
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