JP3182385B2 - 補助動力付人力走行車 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁歪材料よりなる
コアの歪み量に基づいてそのコアに作用する力を検出す
るセンサを用いた補助動力付人力走行車に関する。

【０００２】

【従来の技術】自転車の駆動輪にモータを連繋し、人力
駆動の際、ペダルに加わる負荷の大きさに応じてモータ
を回転させることにより、人力駆動に補助動力を作用さ
せ、軽い人力駆動力によって自転車を走行させることが
できる補助動力付自転車が知られている。

【０００３】人力により加えられた駆動力を測定する装
置として、例えば特開平７−３０９２８４号公報には、
ペダル機構のクランク軸内に踏力及び補助動力装置の駆
動力の差によって捻れ変形するトーションバーを収納す
るとともに、クランク軸外側にそのトーションバーの捻
れによってクランク軸の軸方向に摺動するスライダを設
け、そのスライダの摺動によってポテンショメータの検
出ロッドが押し込まれるように構成した踏力検出装置が
開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
従来の構成においては、トーションバーの捩じれをスラ
イダの摺動方向の変位に変換するための複雑な機構が必
要となり、その機構によって検出誤差が生じたり、ま
た、センサ自体の大型化をまねいたりするという問題が
あった。

【０００５】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であって、小型軽量で、正確な力検出が可能なセンサを
用いた補助動力付人力走行車を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の補助動力付人力
走行車は、人力による人力駆動系と補助動力装置による
動力駆動系とを設けた補助動力付人力走行車において、
人力によって人力走行車本体に対して回転駆動される回
転体に、磁歪材料よりなるコアと、該コアの歪み量に応
じたインピーダンス変化を生じるべくコアに巻回された
コイルとからなるセンサを有する回転側回路を設け、人
力走行車本体に、コイルのインピーダンス変化に基づく
電流または電圧の変化を検出する検出手段を有する固定
側回路を設け、検出手段の出力値に基づいて補助動力装
置の制御を行う制御手段を設けたものである。また、回
転体は、人力走行車本体に枢支されたクランク軸と、該
クランク軸の外周に回転可能に取り付けられた原動ホイ
ールとからなり、クランク軸には、そのクランク軸と一
体回転すべく先端にペダルを備えたクランクアームの基
端が固定され、原動ホイールには、人力駆動輪が連繋さ
れている。このような構成において、回転体に力が作用
すると、その力に応じてコアが歪み、コアを通る磁界に
変化が生じる。この磁界変化によってコアの周囲に巻回
されたコイルのインピーダンスが変化し、そのインピー
ダンス変化が検出手段にて検出される。

【０００７】

【０００８】

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【００１３】また、回転体に作用する力は、コアを圧縮
する方向に作用するものである。

【００１４】また、クランク軸に固定されたクランクア
ームが原動ホイール側に向かって突設された押し片を備
え、原動ホイールが押し片と回転方向において対向する
受け片を備え、押し片または受け片の当接面とコアの端
面との間に緩衝板を介挿したものである。このような構
成とすることにより、押し片または受け片の当接面とコ
アの端面との間の傾きが許容されるとともに、瞬間的に
コアに生じる強い力が弱められる。

【００１５】また、押し片または受け片の当接面が球面
状に形成され、該球面状当接面と緩衝板との間にコアの
端面に板状部材を介挿したものである。このような構成
とすることにより、押し片または受け片のうち一方の球
面状当接面と板状部材とが一点で当接し、緩衝板を介し
てコアの端面に一様に力が作用する。

【００１６】また、伝達部は、固定側回路に接続された
固定側伝達部と、回転側回路に接続された回転側伝達部
とからなり、固定側伝達部または回転側伝達部のうち一
方がクランク軸と同軸に配備された導体リングからな
り、他方が該導体リングに当接する位置に配備された導
体ブラシからなり、導体リング及び導体ブラシのうち一
方が回転体に、他方が人力走行車両本体に配備されてい
る。このような構成とすることにより、回転体とともに
回転する回転側回路からの信号が、導体リング及び導体
ブラシの接点を介して固定側回路に伝達される。

【００１７】また、固定側回路は、コイルのインピーダ
ンス変化に基づいて発振周波数が変化する発振手段を備
えている。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態につき、図面
に沿って詳述する。以下では、後輪１７を駆動輪とする
２輪の自転車に本発明を適用した例について説明する。
尚、ペダル６２を漕いだときに自転車１が進む方向を前
方とし、そのときの各回転部品の回転方向を正回転と
し、また、自転車１の進行方向の前方に向かって左右の
方向をとるものとする。

【００１９】まず、自転車１の全体構成の説明を行い、
その後で、トルク検出部５０に関する第１〜第３の実施
の形態と、コア９０の取り付け形態に関する第４、第５
の実施の形態と、回転側回路２００と固定側回路１００
との結合形態に関する第６の実施の形態について説明す
る。

【００２０】自転車１は、図１に示すように、フレーム
１１の前部に前輪１６及びハンドル１４を備え、後部に
は駆動輪となる後輪１７を備えている。フレーム１１の
略中央には、上端にサドル１３を備えるシートチューブ
１２が配備され、シートチューブ１２の下端には、図２
に示すように、ペダル機構４を枢支したボトムブラケッ
ト１５が配備されている。

【００２１】ペダル機構４は、図４及び図５に示すよう
に、ボトムブラケット１５に枢支されたクランク軸４０
と、そのクランク軸４０の両端に固定されたクランクア
ーム６１と、そのクランクアーム６１の先端に枢支され
たペダル６２と、クランク軸４０の右端に相対回転可能
に嵌められたスプロケットよりなる原動ホイール５とを
備えている。

【００２２】即ち、クランク軸４０の両端（右端側のみ
図示）には、クランクアーム６１に嵌まる角軸４１が突
設されている。その角軸４１に、クランクアーム６１の
基端に開設された角孔６３を嵌め、座金７６を介して抜
止め用のネジ７７を角軸４１上のネジ孔に螺合させるこ
とによって、クランクアーム６１とクランク軸４０とが
固定される。

【００２３】また、クランクアーム６１の基端には、外
周に押し片１６８が突設された取付板１６６が固定され
ており、その取付板１６６の原動ホイール５側の面に向
かう側の外周近傍には、押し片１６８が突設されてい
る。

【００２４】クランク軸４０は、磁歪材料で構成された
コア９０を介してスプロケットよりなる原動ホイール５
に連繋している。後輪１７の車軸７２に嵌められたスプ
ロケットよりなる従動ホイール７３と原動ホイール５と
の間には、無端状のチェーン７５が張設され、後輪１７
に対して人力による駆動力が伝達可能となっている。
尚、後輪１７の車軸７２と従動ホイール７３との間に
は、周知のワンウェイクラッチ（図示省略）が介在され
ている。

【００２５】原動ホイール５は、外周に設けられた平歯
部５１と、内周に設けられたハブリング５４と、それら
の間を繋ぐ５つのリブ片５２とから構成されている。ま
た、この原動ホイール５のボトムブラケット１５側の側
面には、後述する回転側回路２００が配置されている。

【００２６】後輪１７の外径は、前輪１６の外径よりも
小さく形成されている。フレーム１１には、シートチュ
ーブ１２と後輪１７との間において、人力による駆動力
を補助する補助動力ユニット２が取り付けられている。
補助動力ユニット２は、補助動力としてのモータ２２
と、その回転を減速して後輪１７に伝える伝達機構３と
を備えている。

【００２７】即ち、図２及び図３に示すように、フレー
ム１１上には、ベースプレート２４が設置され、そのベ
ースプレート２４は、固定部材２１によってフレーム１
１に固定されている。また、このベースプレート２４の
上面には、後述する固定側回路１００が配置されてい
る。

【００２８】モータ２２は、ベースプレート２４の側壁
の右側に配置され、ベースプレート２４の側壁の左側に
は、モータ２２の出力軸２３に固定された原動プーリ３
１が配置されるとともに、第１従動プーリ３３が支持さ
れている。ベルト３２は、原動プーリ３１と第１従動プ
ーリ３３との間に張設されている。

【００２９】第１従動プーリ３３の側方には、その第１
従動プーリ３３と同軸に位置し、且つ、その第１従動プ
ーリ３３より小径の第２従動プーリ３５が固定されてい
る。第３従動プーリ３７は、後輪１７のリム７１の左側
に一体成形されている。そして、第２従動プーリ３５と
第３従動プーリ３７との間には、ベルト３６が張設され
いる。

【００３０】モータ２２の回転は、モータ２２の出力軸
２３と一体に回転する原動プーリ３１からベルト３２を
経て第１従動プーリ３３に伝わり、第２従動プーリ３５
からベルト３６を経て第３従動プーリ３７に伝わる。こ
れにより、モータ２２は、伝達機構３を介して後輪１７
を減速駆動することができる。モータ２２の出力は、後
述のトルク検出部５０からのトルク検出信号に基づいて
制御部１３０によって制御される。

【００３１】シートチューブ１２には、モータ２２の電
源となるバッテリ２６が取り付けられている。以下、ト
ルク検出部５０の各構成について説明する。 第１の実施の形態 本実施の形態における補助動力付自転車は、図５〜図８
に示すように、センサとして磁歪材料からなるコア９０
及びそのコア９０に巻回されたコイル９１を用い、回転
側回路２００に発振手段としてＬＣ発振回路２０７を設
け、そのＬＣ発振回路２０７の発振周波数を原動ホイー
ル５に加わるトルクに応じて変化させ、その信号成分を
回転側回路２００の電圧波形に重畳させて、電磁誘導作
用により回転コイル２０１を介して固定コイル１０１に
伝達し、ＬＣ発振回路２０７の発振周波数を固定側回路
１００にて測定することによって、原動ホイール５に加
わるトルクを測定するものである。

【００３２】図５に示すように、ハブリング５４のボト
ムブラケット１５側の側面には、ボトムブラケット１５
に向かって開口を有する断面Ｕ字状のリングコア４３が
設けられ、そのリングコア４３内に原動ホイール５の回
転方向に沿って巻回された回転コイル２０１が設けられ
ている。

【００３３】また、ボトムブラケット１５の回転コイル
２０１と対向する位置には、回転コイル２０１に向かっ
て開口を有する断面Ｕ字状のリングコア４２が設けら
れ、そのリングコア４２内に原動ホイール５の回転方向
に沿って巻回された固定コイル１０１が回転コイル２０
１と平行な面内において近接配置される。このように断
面Ｕ字状のリングコア４２、４３を、夫々の開口が対向
するように配置し、それらの間に閉磁路を形成する。
尚、両コイル１０１、２０１の巻数比は、１対１等任意
である。

【００３４】原動ホイール５の５本のリブ片５２のうち
の１本のリブ片５２には、押し片１６８と対向するよう
に受け片１５８が突設されている。また、この受け片１
５８が突設されたリブ片５２とそれに隣接するリブ片５
２に、図７に示す回転側回路２００が架設されている。

【００３５】押し片１６８と受け片１５８とは、磁歪材
料からなる円柱状のコア９０を介して連結されており、
これにより、クランク軸４０と原動ホイール５は、一体
回転可能となっている。

【００３６】コア９０の外周には、コイル９１が巻回さ
れてインダクタを形成しており、そのコイル９１は、回
転側回路２００に接続されている。回転側回路２００
は、図７に示すように、固定コイル１０１に接近して配
備された回転コイル２０１と、回転コイル２０１に接続
された整流電源回路２０４とを備えている。また回転側
回路２００は、その整流電源回路２０４に接続され、正
弦波発振するＬＣ発振回路２０７と、そのＬＣ発振回路
２０７のインダクタンス回路として機能する前記コア９
０及びコイル９１と、ＬＣ発振回路２０７から発振され
た信号を増幅して回転コイル２０１に伝達するアンプ２
０８とを備えている。

【００３７】整流電源回路２０４は、整流・平滑回路２
０５と、電圧安定回路２０６とからなる。固定コイル１
０１の交流電圧に基づく電磁誘導作用により回転コイル
２０１に対し発生した起電力は、整流・平滑回路２０５
にて整流、平滑化され、電圧安定回路２０６にてその電
圧が安定化されることによって、回転側回路２００を動
作させる。

【００３８】固定側回路１００は、電源回路１０２と、
その電源回路１０２に接続された固定コイル１０１と、
その固定コイル１０１に接続され、前記ＬＣ発振回路２
０７の発振周波数帯域と同じ帯域の信号を通過させるバ
ンドパスフィルタ１１１とを備えている。また、固定側
回路１００は、アンプ１１２を介して接続された周波数
測定回路１２０と、その周波数測定回路１２０に接続さ
れた制御部１３０とを備えている。尚、固定側回路１０
０は、ベースプレート２４上に配置されている。

【００３９】電源回路１０２は、モータ２２を駆動する
バッテリ２６に基づいて直流電圧を発生する直流電源１
０３と、その直流電源１０３から発生された電圧をＰＷ
Ｍ駆動により所定間隔（略２０ｋＨｚ）でオン・オフ駆
動するスイッチング回路１１０とから構成されている。
これにより、固定コイル１０１には、所定間隔の矩形波
電圧が印加される。

【００４０】周波数測定回路１２０は、図８に示すよう
に、比較回路１２１、エッジ検出回路１２２、カウンタ
回路１２３から構成されている。そして、回転側回路２
００から伝達された電圧波形（発振波形）は、バンドパ
スフィルタ１１１を介して電源回路１０２のスイッチン
グ波形と分離され、アンプ１１２にて増幅後、比較回路
１２１にて所定電圧と比較される。これにより、前記電
圧波形のうち所定電圧以上の波形部分が電源電圧レベル
（ハイレベル）に変換され、それ以外の部分がグランド
レベル（ローレベル）に変換されて、方形波が生成され
る。その後、エッジ検出回路１２２にてこの方形波の立
ちあがり、または、立ち下がりを検出して、エッジパル
スを形成する。これにより、固定コイル１０１に伝達さ
れた交流電圧波形の周波数に応じた周期のエッジパルス
を得ることができる。

【００４１】このエッジパルスを、ＬＣ発振回路２０７
の発振周波数よりはるかに高い動作速度、例えば８ＭＨ
ｚでフリーランニングするカウンタ回路１２３に入力
し、エッジパルスが入力される毎にそのカウンタ値を制
御回路１３０に出力するとともに、クリアするように構
成すると、エッジパルスの間隔周期がカウンタ回路１２
３のカウンタ値として表される。

【００４２】これにより、回転側回路２００から固定コ
イル１０１に伝達された電圧波形の周波数、即ち、後述
するＬＣ発振回路２０７の発振周波数を検出することが
できる。

【００４３】本実施の形態における固定側回路１００と
回転側回路２００の動作について、図７及び図８を用い
て説明する。固定側回路１００の電源回路１０２から固
定コイル１０１に、スイッチング回路１１０によりオン
・オフ制御された矩形波電圧（２０ｋＨｚ）を印加する
と、第１の実施の形態と同様に、回転コイル２０１に
は、固定コイル１０１との電磁誘導作用によって誘導起
電力が発生し、回転側回路２００に誘導電流が流れる。

【００４４】回転側回路２００に発生する起電力は、交
流波形となる。整流電源回路２０４では、この交流波形
を整流、平滑化し、定電圧を得る。ＬＣ発振回路２０７
は、整流電源回路２０４からの電力供給を受けて、コイ
ル９１のインダクタンスに応じた周波数（数ｋＨｚ〜数
十ｋＨｚ）で発振する。

【００４５】ＬＣ発振回路２０７にて発振された発振電
圧波形は、アンプ２０８にて増幅されて、回転コイル２
０１に印加される。この電圧波形が、回転コイル２０１
から固定コイル１０１へ相互誘導作用を及ぼしている電
圧波形に重畳されて、固定コイル１０１に誘導起電力を
生じさせる。つまり、固定コイル１０１には、図９(ａ)
に示すように、電源回路１０２から供給される矩形波電
圧による相互誘導作用から生じる電圧波形に、ＬＣ発振
回路２０７から発振された発振電圧波形が重畳された波
形が現れる。

【００４６】固定コイル１０１に加わる電圧波形は、図
９(ｂ)に示すように、バンドパスフィルタ１１１により
ＬＣ発振回路２０７より発振された周波数成分だけが取
り出され、アンプ１１２を介して周波数測定回路１２０
に入力される。

【００４７】周波数測定回路１２０では、入力された電
圧波形から生成されるエッジパルスの周期がカウントさ
れ、そのカウント値が制御回路１３０に入力される。こ
のカウント値が原動ホイール５に加わるトルクを示して
いる。

【００４８】制御回路１３０は、内蔵するメモリ（図示
省略）に原動ホイール５に加わるトルクと周波数測定回
路１２０の出力値との関係を記憶している。自転車１の
始動時、加速時、登坂時等に、原動ホイール５に大きな
負荷が加わると、この負荷により、クランク軸４０と原
動ホイール５との間に設けられた磁歪材料からなるコア
９０に圧縮力が加わり、磁歪材料の磁束が変化し、コイ
ル９１のインダクタンスが変化する。このインダクタン
スの変化によって、ＬＣ発振回路２０７の発振周波数が
変化し、その変化が固定側回路１００の周波数測定回路
１２０にて測定されるカウント値の変化となって現れ
る。

【００４９】制御部１３０は、このカウント値の変化に
応じた駆動力でモータ２２を駆動し、その駆動力を伝達
機構３を介して後輪１７に伝達することによって、人力
の補助が行われる。

【００５０】本実施の形態によれば、センサを、磁歪材
料からなるコア９０とそれに巻回されたコイル９１とで
構成したため、複雑な変位機構を設けることなく、簡単
な構成とすることができ、小型軽量化を図ることができ
る。

【００５１】更に、変位機構自体の誤差や、変位機構の
変形や摩耗等から生じる測定誤差等が生じないため、原
動ホイール５に加わるトルクを正確に測定することがで
きる。

【００５２】更に、クランク軸４０と原動ホイール５と
の間に回転方向の相対的変位が殆ど生じることがなく、
操縦の違和感をなくすことができる。また、コア９０
は、強度の高い圧縮方向に負荷を作用させているため、
自転車等の大きな踏力をコア９０だけで受けることがで
きる。これにより、互いに回転自由なクランク軸４０及
び原動ホイール５をコア９０だけで連繋することがで
き、別途両者を連携する部材を不要とすることができ
る。

【００５３】更に、コア９０だけで踏力を受けることに
よって、作用する力全体を測定することができるため、
精度の高い検出を行うことができる。また、原動ホイー
ル５に加わるトルクの変化をＬＣ発振回路２０７の発振
周波数の変化に基づいて検出しているため、回転コイル
２０１の機械的変位が生じても、トルク検出信号の振幅
が変化するだけで、周波数が変化することはない。これ
により、回転コイル２０１の機械的変位がトルク変化に
影響することがなく、信頼性の高い検出を行うことがで
きる。

【００５４】尚、本実施の形態において、回転側回路２
００の整流電源回路２０４に充電用のコンデンサを設け
るとともに、図１０(ａ)の区間Ａに示すように、固定側
回路１００の電源回路１０２から発生する電圧のオン・
オフ制御を所定期間停止して、この停止期間中にコンデ
ンサからの放電を利用してＬＣ発振回路２０７を動作さ
せる構成としてもよい。そして、この発振周波数を、上
記と同様にアンプ２０８を介して、周波数測定回路１２
０で測定する。この場合、固定コイル１０１には、図１
０(ｂ)にαで示すような電圧波形が入力されるが、特に
給電停止期間（区間Ａ）中のみの周波数をアンプ１１２
で増幅した後、周波数測定回路１２０で測定すればよ
い。

【００５５】これにより、固定側回路１００では、電源
回路１０２から供給される矩形波電圧による相互誘導作
用から生じる電圧波形とＬＣ発振回路２０７から発振さ
れた発振電圧波形が重畳された波形から、ＬＣ発振回路
２０７から発振された発振電圧波形だけを取り出すフィ
ルタリング処理が不要となる。

【００５６】更に、電源回路１０２から供給される矩形
波電圧の周波数とＬＣ発振回路２０７から発振された発
振電圧の周波数との混信を生じることがなくなるため、
固定側回路１００ではＬＣ発振回路２０７から発振され
た電圧波形の周波数を正確に検出することができる。

【００５７】また、本実施の形態においては、発振手段
として、ＬＣ発振回路２０７を用いた場合について説明
したが、無安定マルチバイブレータ等を使用してもよ
い。また、本実施の形態においては、回転側回路２００
が、固定側回路１００からの電源供給を受けて動作する
場合について説明したが、回転側回路２００に電池を設
けてもよい。

【００５８】この場合、固定側回路１００から回転側回
路２００に電力供給する必要がないため、固定側回路１
００のスイッチング回路１１０、回転側回路２００の整
流電源回路２０４等が不要となる。 第２の実施の形態 本実施の形態は、回転側回路２００の異なる実施の形態
を示すものである。尚、第１の実施の形態と同様の構成
である部分については説明を省略する。また、以下の構
成において、固定側回路１００の構成については第１の
実施の形態と同様である。

【００５９】図１１に示すように、回転側回路２００
は、固定コイル１０１に接近して配備された回転コイル
２０１に、整流・平滑回路２０５及び電圧安定回路２０
６からなる整流電源回路２０４が接続されている。回転
側回路２００は、更に、その整流電源回路２０４からの
電力供給を受けて動作するＰＬＬ(Phase Locked Loop)
回路２１０と、ＬＣ発振回路２０７とを備えている。

【００６０】第１の実施の形態と同様に、原動ホイール
５とクランク軸４０は、磁歪材料からなるコア９０にて
連結されている（図６参照）。コア９０には、ＬＣ発振
回路２０７に接続されたコイル９１が巻回されている。
本実施の形態で用いるコア９０とコイル９１は、図１２
に示すように、１０²Ｈｚ〜１０⁴Ｈｚの周波数帯の給電
電圧で特に大きなインダクタンス変化を示すものである
が、１０⁵程度の周波数帯域までの給電電圧であれば、
検出可能なインダクタンス変化を示すものである。

【００６１】また、ＬＣ発振回路２０７は、図１１に示
すように、位相比較器２１１、ローパスフィルタ２１
２、電圧制御発振器２１３及び分周器２１４からなるＰ
ＬＬ回路２１０に接続されている。

【００６２】ＰＬＬ回路２１１に入力された信号（数十
ｋＨｚ帯で発振）は、位相比較器２１１で後述するよう
に制御電圧に変換され、電圧制御発振器２１３にて発振
周波数をＭＨｚ帯にまで引き上げられる。この信号は、
分周比が１／１００程度の分周器２１４で分周された
後、位相比較器２１１にフィードバックされ、位相比較
器２１１にてＬＣ発振回路２０７の発振波形と位相の比
較が行われる。位相比較器２１１は、２つの入力信号の
位相差に対応する制御電圧を発生し、その電圧はローパ
スフィルタ２１２にて高調波成分が除去されて、電圧制
御発振器２１３に入力され、ＭＨｚ帯にまで発振周波数
が引き上げられる。この信号はアンプ２０９にて増幅さ
れた後、回転側回路２００の電圧波形に重畳され、コイ
ル２０１、１０１の電磁誘導作用により固定側回路１０
０に伝達される。

【００６３】本実施の形態によれば、回転側回路２００
のＬＣ発振回路２０７から発振された電圧波形の周波数
が、ＰＬＬ回路２１０にて数十ｋＨｚ帯からＭＨｚ帯に
まで引き上げられるため、固定側回路１００から回転側
回路２００にその電源として伝達される電圧波形（２０
ｋＨｚ）と混信することがなく、固定側回路１００では
正確にＬＣ発振回路２０７から発振された電圧波形の周
波数を検出することができる。 第３の実施の形態 第１及び第２の実施の形態では、発振手段としてのＬＣ
発振回路２０７を回転側回路２００に設け、そのＬＣ発
振回路２０７の発振周波数を固定側回路１００にて測定
することによって、原動ホイール５に加わるトルクを測
定するものであった。

【００６４】本実施の形態では、図１３に示すように、
発振手段としてＬＣ発振回路１１３を固定側回路１００
に設け、固定コイル１０１側からみたインダクタンスを
原動ホイール５に加わるトルクに応じて変化させて、こ
のときのＬＣ発振回路１１３の発振周波数を測定するこ
とにより、原動ホイール５に加わるトルクを測定するも
のである。

【００６５】尚、以下の説明において、周波数測定回路
１２０は、第１の実施の形態で説明したものと同様であ
る。原動ホイール５とクランク軸４０は、図６に示す第
１の実施の形態と同様に、円柱状の磁歪材料からなるコ
ア９０を介して連繋されている。図１３に示すように、
センサとして設けられた磁歪材料からなるコア９０及び
コイル９１と、コイル９１に接続された回転コイル２０
１とから回転側回路２００が構成されている。

【００６６】また、固定側回路１００は、回転コイル２
０１に近接して配置された固定コイル１０１と、固定コ
イル１０１のインダクタンスに応じて発振周波数を変化
させるＬＣ発振回路１１３と、そのＬＣ発振回路１１３
から発振された信号の発振周波数を測定する周波数測定
回路１２０と、その周波数測定回路１２０の測定結果に
応じてモータ２２の駆動力を制御する制御部１３０と、
直流電源１０３とから構成されている。

【００６７】ＬＣ発振回路１１３は、固定コイル１０１
のインダクタンスの変化に応じて発振周波数が略４．４
ｋＨｚから４．７ｋＨｚの間で変化する正弦波を発振す
る。このとき、固定コイル１０１からみたインダクタン
スは、固定コイル１０１の自己インダクタンスと、回転
コイル２０１のインダクタンスと、コイル９１のインダ
クタンスとによって決まる。

【００６８】自転車１の始動時、加速時、登坂時等に、
原動ホイール５に大きな負荷が加わると、この負荷によ
り、クランク軸４０と原動ホイール５との間に設けられ
た磁歪材料からなるコア９０に圧縮力が加わり、コア９
０を通る磁界が変化し、コイル９１のインダクタンスが
変化する。これにより、固定コイル１０１からみたイン
ダクタンスが変化する。

【００６９】従って、ＬＣ発振回路１１３に接続された
固定コイル１０１からみたインダクタンスが変化するた
め、ＬＣ発振回路１１３の発振周波数が変化する。そし
て、このＬＣ発振回路１１３から発振された発振電圧波
形は、周波数測定回路１２０に入力され、その発振電圧
波形から生成されるエッジパルスの周期がカウントされ
て、そのカウント値が制御部１３０に入力される。

【００７０】制御部１３０は、内蔵するメモリ（図示省
略）に記憶されたＬＣ発振回路１１３の発振周波数と原
動ホイール５に加わるトルクとの関係に基づいて、モー
タ２２の駆動力を制御し、その駆動力を伝達機構３を介
して後輪１７に伝達することによって、人力の補助を行
うことができる。

【００７１】本実施の形態によれば、固定側回路１００
に発振手段としてＬＣ発振回路１１３を設けて、その発
振周波数の変化によって原動ホイール５に加わるトルク
の変化を検出している。そのため、回転側回路２００に
電源供給する必要がなく回転側回路２００の構成を簡単
にすることができる。 第４の実施の形態 本実施の形態では、磁歪材料からなる円柱状のコア９０
の異なる取付形態を示すものであって、コア９０を原動
ホイール５とクランクアーム６１との間の隙間に配置し
たものである。

【００７２】図１４及び図１５に示すように、原動ホイ
ール５の隣り合う２つのリブ片５２には、クランクアー
ム６１に向けて受け片２５８を突設した取付部材２５６
が固定されている。クランクアーム６１には、前記受け
片２５８と回転方向において対向するように押し片２６
８を突設した棒状の取付部材２６６が、クランクアーム
６１の孔を貫通した状態で固定されている。

【００７３】コア９０は、その一端面９３において受け
片２５８に連結固定され、他端面９２が押し片２６８に
連結されている。コア９０の外周には、第１乃至第３の
実施の形態と同様にコイル９１が巻回されている。電気
回路構成は、上記実施例３と同様である。

【００７４】本実施の形態によれば、原動ホイール５と
クランクアーム６１との間のスペースにコア９０を配置
しているため、コア９０が原動ホイール５とクランクア
ーム６１によって囲まれて、足や走行中の飛び石等が当
たりにくくなり、それらによる破損を防止することがで
きる。

【００７５】また、押し片２６８は、クランクアーム６
１に取り付けているため、先の第１の実施の形態におい
て説明したような取付板１６６も不要である。尚、本実
施の形態では、原動ホイール５とクランクアーム６１と
の間のスペースにコア９０を配置したが、更に、原動ホ
イール５とクランクアーム６１との間のスペースに回転
側回路２００を設けてもよい。

【００７６】また、本実施の形態では、押し片２６８及
び受け片２５８をコア９０の端面９２、９３に夫々直接
連結するように構成したが、押し片２６８とコア９０の
端面９２との間、または、受け片２５８とコア９０の端
面９３との間に、ゴム等の緩衝板を介挿してもよい。

【００７７】これにより、押し片２６８の当接面とコア
９０の端面９２との間の平行度のずれ、または、受け片
２５８の当接面とコア９０の端面９３との間の平行度の
ずれが許容されるとともに、瞬間的にコア９０に生じる
強い力が弱められるため、コア９０の局部的な疲労もし
くは破損を防止することができる。 第５の実施の形態 本実施の形態では、磁歪材料からなるコア９０の別の押
圧形態を示すものである。尚、第４の実施の形態と同様
の構成については、説明を省略する。

【００７８】図１６に示すように、クランクアーム６１
に設けられた取付部材２６６は、その押し片２６８の当
接面２６９を球面状に形成したものである。また、コア
９０は、コイル９１が巻回された状態で磁性体からなる
カップ状の筐体９７に収納されている。コア９０の端面
９３と筐体９７の底面と間には、緩衝板としてのゴム板
９４が介挿され、端面９２には、緩衝板としてのゴム板
９５を介して、板状部材としての金属板９６が取り付け
られている。これら、ゴム板９４、９５、金属板９６
は、コア９０の端面９２、９３と略同形、同大に形成さ
れいる。

【００７９】筐体９７は、原動ホイール５の取付部材２
５６上に、その底面外側が受け片２５８に固定されると
ともに、金属板９６が押し片２６８の球面状当接面２６
９に当接するように配置されている。

【００８０】このような構成において、クランクアーム
６１に力が加わると、押し片２６８はその当接面２６９
が球面状であるため、押し片２６８が受け片２５８に対
して傾いていたとしても、金属板９６の中心付近に一点
で当接し、ゴム板９５を介してコア９０の端面９２全体
に対して略一様に力が作用する。これにより、片当たり
による検出誤差や、コア９０の局部的な疲労もしくは破
損が生じなくなる。

【００８１】また、受け片２５８とコア９０との間にゴ
ム板９４を設けているため、受け片２５８とコア９０と
の片当たりも生じなくなる。また、コア９０及びコイル
９１を収納する筐体９７を磁性体から構成しているた
め、コイル９１からの漏れ磁束が減少し、検出感度が向
上する。

【００８２】尚、本実施の形態においては、押し片２６
８の当接面２６９を球面形状に形成した場合について説
明したが、受け片２５８の当接面を球面状に、押し片２
６８の当接面２６９を平面状に形成してもよい。この場
合、筐体９７は、原動ホイール５の取付部材２５６上
に、その底面外側が押し片２６８に固定されるととも
に、金属板９６が受け片２５８の球面状当接面に当接す
るように配置される。

【００８３】また、本実施の形態においては、緩衝板と
してゴム板９４、９５を使用した場合について説明した
が、ゴムに限定されることなく、合成樹脂等の弾性を有
する部材であれば使用できる。

【００８４】また、本実施の形態においては、板状部材
として金属板９６を用いた場合について説明したが、金
属に限定されることなく、ペダル６２を踏み込んだ際、
押し片２６８または受け片２５８から受ける力に対し
て、大きく変形せず破損しないものであれば使用でき
る。更に、板状部材を磁性体から構成した場合には、筐
体９７とともに、コイル９１からの漏れ磁束をなくすこ
とができるため、検出感度が向上する。

【００８５】また、上述した第１乃至第４の実施の形態
においては、後輪１７を駆動輪とする２輪の自転車に本
発明を適用した場合について説明したが、前輪駆動の自
転車や、その他の人力走行車にも適用することができ
る。

【００８６】また、上述した第１乃至第４の実施の形態
においては、原動ホイール５とクランク軸４０の回転方
向に加わるトルクを検出する場合について説明したが、
従動ホイール７３と車軸７２の回転方向に加わるトルク
を検出してもよい。

【００８７】また、上述した第１乃至第５の実施の形態
においては、駆動輪である後輪１７が、人力による駆動
力と補助動力装置からの駆動力とによって駆動される場
合について説明したが、その駆動輪を、人力によって駆
動される人力駆動輪と、補助動力装置によって駆動され
る動力駆動輪とに分けて構成することもできる。例え
ば、２輪の自転車の場合、後輪を人力駆動輪とし、前輪
を動力駆動輪とすればよい。 第６の実施の形態 また、上述した第１乃至第５の実施の形態においては、
回転側回路２００に設けられたコイル９１のインピーダ
ンス変化に基づく変化を、回転コイル２０１及び固定コ
イル１０１間の磁気的結合によって、非接触で回転側回
路２００から固定側回路１０１へ伝達する場合について
説明したが、回転側回路２００と固定側回路１００とを
電気的に接続してもよい。

【００８８】例えば、回転コイルコイル４３の代わりに
一対の導体ブラシ１４３を用いるとともに、固定コイル
４２の代わりに一対の導体リング１４２を用いて、導体
ブラシ１４３及び導体リング１４２間を当接させること
によって、回転側回路２０１と固定側側回路１０１とを
電気的に接続する場合について説明する。尚、導体ブラ
シ１４３以外の回転側回路２００の構成及び導体リング
１０１以外の固定側回路１００の構成については、上記
第１乃至第３のいずれかの実施の形態と同一であるた
め、その説明は省略する。

【００８９】図１７に示すように、ボトムブラケット１
５の右端には、ドーナツ状の蓋体１４８が固定され、そ
の蓋体１４８の右側面には、図１８に示す一対の導体リ
ング１４２がクランク軸４０と同軸に配置されている。

【００９０】また、原動ホイール５の左側面には、ドー
ナツ状のケース１４４が固定され、そのケース１４４の
左側面には、図１９に示す導体ブラシ１４３が導体リン
グ１４２と対向する位置に配置されている。この導体ブ
ラシ１４３は、一端がケース１４４に固定され、他端が
導電ブラシ１４３の弾性によって蓋体１４８の導体リン
グ１４２に押し付けられている。このため、原動ホイー
ル５が回転しても、導体リング１４２に当接しながら摺
動する。

【００９１】これにより、原動ホイール５の回転中であ
っても、導体リング１４２及び導体ブラシ１４３の接点
において回転側回路１００と固定側回路２００とが電気
的に接続されて、回転側回路２００に設けられたコイル
９１のインピーダンス変化に基づく電流または電圧の変
化が固定側回路１００に伝達される。

【００９２】

【発明の効果】本発明によれば、センサを、磁歪材料か
らなるコアとそれに巻回されたコイルとで構成したた
め、複雑な変位機構を設けることなく、簡単な構成とす
ることができ、小型軽量化を図ることができ、このセン
サを補助動力付人力走行車に適用したので、回転体の回
転方向における相対的変位が殆ど生じないため、操縦の
違和感をなくすことができる。

【００９３】

【００９４】また、コアは、強度の高い圧縮方向に負荷
を作用させることによって、人力走行車等の大きな踏力
をコアだけで受けることができる。これにより、互いに
回転自由なクランク軸及び原動ホイールをコアだけで連
繋することができ、別途部材間を連携する部材を不要と
することができる。

【００９５】更に、コアだけで力を受けている場合、作
用する力全体を測定することができるため、精度の高い
検出を行うことができる。また、押し片または受け片の
当接面と、コアの端面との間に緩衝板を介挿させること
によって、当接面及び端面の平行度のずれを許容するこ
とができるため、片当たりによるコアの局部的な疲労も
しくは破損を防止することができる。

【００９６】更に、押し片または受け片の当接面を球面
状に形成し、この球面状当接面と緩衝板との間に板状部
材を介挿させることによって、球面状当接面が板状部材
の略中央付近に一点で当接し、緩衝板を介してコアの端
面に略一様に力が作用するため、クランク軸に加わるト
ルクを正確に検出することができる。

【００９７】また、回転体に作用するトルクの変化を周
波数変化で検出した場合には、伝達部の機械的変位がト
ルク変化とは無関係となるため、信頼性の高い検出を行
うことができる。

【００９８】また、固定側回路に発振手段を設けて、そ
の周波数変化でクランク軸に加わるトルクの変化を検出
した場合には、回転側回路に電源供給する必要がなく、
固定側回路だけでなく回転側回路の構成も簡単にするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態における補助動力付人力
走行車の全体構成を表す側面図である。

【図２】 図１の補助動力付人力走行車の駆動機構を左
斜め後方から見た斜視図である。

【図３】 図１の補助動力付人力走行車の駆動機構を上
側から見た平面図である。

【図４】 第１の実施の形態におけるペダル機構の構成
を表す分解斜視図である。

【図５】 図４のペダル機構のＡ−Ａ断面図である。

【図６】 図４のペダル機構の側面図である。

【図７】 第１の実施の形態におけるトルク検出回路を
表すブロック図である。

【図８】 第１の実施の形態における周波数測定回路を
表すブロック図である。

【図９】 第１の実施の形態におけるトルク検出方法を
用いた場合の固定コイルにかかる電圧波形（ａ）と、バ
ンドパスフィルタによって分離された電圧波形（ｂ）と
を表すグラフである。

【図１０】 第１の実施の形態における別のトルク検出
方法を用いた場合の電源回路から固定コイルに印加され
る電圧波形（ａ）と、それによって固定コイルにかかる
電圧波形（ｂ）とを表すグラフである。

【図１１】 第２の実施の形態におけるトルク検出回路
を表すブロック図である。

【図１２】 第１乃至第５の実施の形態で用いるコア及
びコイルの特性を表すグラフである。

【図１３】 第３の実施の形態におけるトルク検出回路
を表すブロック図である。

【図１４】 第４及び第５の実施の形態におけるペダル
機構の構成を表す側面図である。

【図１５】 第４の実施の形態における図１４のＢ−Ｂ
に沿った拡大断面図である。

【図１６】 第５の実施の形態における図１４のＢ−Ｂ
に沿った拡大断面図である。

【図１７】 第６の実施の形態におけるペダル機構の断
面図である。

【図１８】 図１７のペダル機構における蓋体の平面図
である。

【図１９】 図１７のペダル機構におけるケースの平面
図である。

【符号の説明】

１１ ：フレーム ４０ ：クランク軸（第１の部材） ５ ：原動ホイール（第２の部材） ２００：回転側回路 ２０１：回転コイル（回転側伝達部） １００：固定側回路 １０１：固定コイル（固定側伝達部）

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−157026（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−253364（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−26171（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−85491（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−1924（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−105834（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 3/14 G01L 1/12 B62M 23/02

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 人力による人力駆動系と補助動力装置に
   よる動力駆動系とを設けた補助動力付人力走行車におい
   て、 人力によって前記人力走行車本体に対して回転駆動され
   る回転体に、磁歪材料よりなるコアと、該コアの歪み量
   に応じたインピーダンス変化を生じるべく前記コアに巻
   回されたコイルとからなるセンサを有する回転側回路を
   設け、 前記人力走行車本体に、前記コイルのインピーダンス変
   化に基づく電流または電圧の変化を検出する検出手段を
   有する固定側回路を設け、 前記検出手段の出力値に基づいて前記補助動力装置の制
   御を行う制御手段を設け、 前記回転体は、前記人力走行車本体に枢支されたクラン
   ク軸と、該クランク軸の外周に回転可能に取り付けられ
   た原動ホイールとからなり、 前記クランク軸には、そのクランク軸と一体回転すべく
   先端にペダルを備えたクランクアームの基端が固定さ
   れ、前記原動ホイールには、人力駆動輪が連繋されてい
   ることを特徴とする補助動力付人力走行車。
2. 【請求項２】 前記回転側回路及び前記固定側回路は、
   伝達部を介して電気的または磁気的に結合され、前記コ
   イルのインピーダンス変化に基づく電流または電圧の変
   化が前記伝達部を介して固定側回路に伝達されることを
   特徴とする請求項１記載の補助動力付人力走行車。
3. 【請求項３】 前記回転体に作用する力は、前記コアを
   圧縮する方向に作用することを特徴とする請求項１また
   は２記載の補助動力付人力走行車。
4. 【請求項４】 前記クランク軸に固定されたクランクア
   ームが原動ホイール側に向かって突設された押し片を備
   え、前記原動ホイールが前記押し片と回転方向において
   対向する受け片を備え、 前記押し片または前記受け片の当接面と前記コアの端面
   との間に緩衝板を介挿したことを特徴とする請求項１乃
   至３のいずれかに記載の補助動力付人力走行車。
5. 【請求項５】 前記押し片または前記受け片の当接面が
   球面状に形成され、該球面状当接面と前記緩衝板との間
   に板状部材を介挿したことを特徴とする請求 項４記載の
   補助動力付人力走行車。
6. 【請求項６】 前記伝達部は、前記固定側回路に接続さ
   れた固定側伝達部と、前記回転側回路に接続された回転
   側伝達部とからなり、 前記固定側伝達部または前記回転側伝達部のうち一方が
   前記クランク軸と同軸に配備された導体リングからな
   り、他方が該導体リングに当接する位置に配備された導
   体ブラシからなり、前記導体リング及び前記導体ブラシ
   のうち一方が前記回転体に、他方が前記走行車両本体に
   配備されていることを特徴とする請求項１乃至５のいず
   れかに記載の 補助動力付人力走行車。
7. 【請求項７】 前記回転側回路は、前記コイルのインピ
   ーダンス変化に基づいて発振周波数が変化する発振動手
   段を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいず
   れかに記載の補助動力付人力走行車。
8. 【請求項８】 前記固定側回路は、前記コイルのインピ
   ーダンス変化に基づいて発振周波数が変化する発振手段
   を備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれ
   かに記載の補助動力付人力走行車。