JP3241177U

JP3241177U - 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

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Publication number: JP3241177U
Application number: JP2023000052U
Authority: JP
Inventors: 立和姚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-01-17
Filing date: 2023-01-10
Publication date: 2023-03-09
Anticipated expiration: 2033-01-10
Also published as: CN116443159A; JP2023104897A; TWM628604U; US20230227122A1; EP4212422A1; CN219750069U

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】動力出力無線トルク検出機構は、固定体上に入力軸１０と、当該入力軸に連動される出力ユニット３０が設けられ、当該入力軸と当該出力ユニットの間に無線センサー装置５０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

本考案は、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考案の課題である。

本考案の主な目的は、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。

本考案の別の主な目的は、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。

本考案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、本考案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。

以下本考案について説明する。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。

本考案の立体外観図である。本考案の出力ユニットの立体分解図である。本考案の無線センサー装置の立体分解図である。本考案の初期動力使用時の側面断面図である。本考案の補助動力使用時の側面断面図である。

本考案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。本考案の特色は、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。

本考案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、本考案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

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。
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。
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。
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。
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。
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。