JP3607314B2 - トルク検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、回転力を伝達するホイールのトルクを検出するためのトルク検出装置に係わり、特に、人力による輸送手段の補助動力を駆動する際の制御手段として好適なトルク検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記のようなトルク検出装置としては、人力で回転されるシャフトとシャフトの回転力を伝達するホイールとを弾性的に変形可能な部材を介して結合し、シャフトとホイールとの相対的な角度変位を検出するセンサを具備したものが知られている。たとえば、米国特許第５，０２４，２８６号には、そのようなトルク検出装置を補助モータ付き自転車に適用した例が開示されている。この米国特許に開示された自転車では、互いに平行な２枚のディスクをそれらの中央部で結合し、一方のディスクを人力による回転力を伝達するために用い、他方のディスクを２枚のディスクの相対的な角度変位を検出するために用いている。具体的には、この自転車では、２枚のディスクの周縁付近に複数の開口部が形成され、それぞれのディスクの開口部は、無負荷状態、つまり２枚のディスクに相対的な角度変位が無い状態で他方のディスクにより閉塞されるように配置されている。
【０００３】
一方、自転車のフレームには光センサがその光軸をディスクの開口部が横切ることができるように配置されている。そして、一方のディスクに回転力が加えられるとディスクどうしに相対的な角度変位が生じ、その結果、開口部どうしがオーバーラップする。光センサは、このオーバーラップした開口部が通過するタイミングと通過に要する時間とを検出し、この２つの検出結果から２つのディスクの相対的な角度変位を算出する。そして、角度変位が予め設定された値を上回る場合、つまり、人力により所定以上の回転力が負荷されている場合に補助モータの駆動が開始されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなトルク検出装置においては、光センサの汚れに極めて敏感であり、しかも、光センサの使用に伴って多くの電力を必要とするという問題があった。
【０００５】
【発明の目的】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、少ない消費電力で作動させることができ、しかも、トルク検出の信頼性が高いトルク検出装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明のトルク検出装置は、フレームに、外部からの回転力により回転させられる第１のホイールを設け、この第１のホイールの回転中心部分に、回転力を外周部分から外部へ伝達する第２のホイールの回転中心部分を結合し、第２のホイールの回転中心部分と外周部分とを回転力に応じて回転方向に相対的に変位可能なように弾性的に結合し、第１のホイールおよび第２のホイールの外周部分に、磁気的性質が同外周部分の他の部分と異なる材料からなる被検出部をそれぞれ設け、フレームに、被検出部を検出する検出手段を設けたことを特徴としている。
【０００７】
【作用】
第１のホイールに加えられた回転力により、第１、第２のホイールが回転し、第２のホールの回転中心部分と外周部分との間に相対的な角度変位が生じる。これにより、第１、第２のホイールの外周部分に設けられた被検出部どうしの間の離間距離が変化する。一方、検出手段は、被検出部の他の部分との磁気的性質の相違により被検出部を磁気的に検出し、被検出部の検出タイミングに基づいて被検出部どうしの離間距離を算出する。
【０００８】
【実施例】
以下、この発明の一実施例を図１ないし図３を参照しながら説明する。これらの図に示すトルク検出装置は、本発明を補助モータ付き自転車に適用した例であり、実施例のトルク検出装置は自転車のペダル駆動部を構成している。図１はペダル駆動部の一部破砕平断面図を示す。図において符号１はクランク軸であり、クランク軸１は図示しない自転車のフレームに回転自在に支持されている。クランク軸１にはディスク（第１のホイール）２が取り付けられている。ディスク２は、その外周部から中央部へ向かうに従って厚さが漸次増加する外観略円錐形状をなし、その中央部にはハブ（回転中心部分）４が形成されている。ハブ４の中央部には断面矩形状をなすとともに表面側へ向かうに従って断面の大きさが漸次小さくなる取付孔４ａが形成され、取付孔４ａにはこれと同一断面形状のクランク軸１の端部が挿入されている。そして、ディスク２は、そのハブ４の中央部に挿通されるとともにクランク軸１に螺合させたボルト３によりクランク軸１に締付け固定されている。また、ディスク２には、端部にペダル（図示略）を取り付けたクランク５がディスク２と一体的に形成されている。なお、もう一方のクランクは図示しないがクランク軸１の他端部に取り付けられている。
【０００９】
上記のように構成されたディスク２のハブ４には、以下の構成からなるホイール（第２のホイール）Ｗが取り付けられている。図中符号８はホイールＷの取付部（回転中心部分）である。取付部８は、中央部をクランク軸１により貫通された底板部９と、この底板部９の周縁部に突設されハブ４の外周面に嵌合する筒状部１０とからなっている。そして、ホイールＷは、底板部９を貫通してハブ４に螺合された複数のネジ７によってハブ４に取り付けられている。
【００１０】
また、筒状部１０の外周には、リング状をなす外輪部（外周部分）１３がスポーク１１，１２を介して固定されている。外輪部１３は取付部８と同軸となるように配置され、その内周側縁部には外周側よりも幅が広いフランジ部１４が形成されている。フランジ部１４の内周面には、内周側へ突出する１０個の凸部１５が円周方向へ等間隔に形成されている。凸部１５は平面視台形状をなし、その内周面中央部に上記スポーク１１，１２の端部が固定されている。よって、この実施例では、スポーク１１，１２の組が縁周方向に１０組等間隔で配置されている。
【００１１】
スポーク１１，１２、外輪部１３および取付部８は、この実施例では弾性変形可能なプラスチック等の合成樹脂で一体的に形成されているが、それらを別々に構成して互いに組み付けることもできる。スポーク１１，１２は断面略矩形の板状体であり、その側面はクランク軸１と平行とされている。また、スポーク１１，１２は取付部８の外周から略放射状に突出させられ、スポーク１１，１２どうしの間隔は、スポーク１１，１１どうしおよびスポーク１２，１２どうしの間隔よりも狭くされている。また、スポーク１１，１２は、図１に示すように、緩いＳ字状をなすように湾曲させられ、それらスポーク１１，１２間の中央は、その両端部においてクランク軸１の中心を通る半径線上にほぼ位置している。また、外輪部１３のフランジ部１４よりも外周側にはリング状をなすリブ１６が形成され、このリブ１６の端面には、第１スプロケットホイール１８と、この第１スプロケットホイール１８よりも小径の第２スプロケットホイール１７がボルト１９およびナット１９ａにより取り付けられている。
【００１２】
次に、ディスク２の裏面には、ホイールＷの内部に突出して凸部１５，１５の間に位置するノーズ部２０がディスク２と一体的に形成されている。ノーズ部２０は、図１に断面で表されているように、その外周側端部が内周側端部に対して時計回りの方向へ向けて緩く傾斜した形状をなしている。また、ノーズ部２０の内周側端部の裏面には、図２に示すように永久磁石２３が埋設されている。さらに、ノーズ部２０の外周側端部の右側面には、ピン２２が取り付けられている。一方、外輪部１３の凸部１５の左側面にも上記ピン２２と相対向するピン２２が取り付けられ、これらピン２２，２２は、ノーズ部２０と凸部１５との間に介装されたコイルバネ２１の端部に挿入されてコイルバネ２１を支持している。これにより、ノーズ部２０は、コイルバネ２１の弾性力により凸部１５の側面に押圧されている。さらに、凸部１５の裏面中央部には永久磁石２４が埋設され、この永久磁石２４はノーズ部２０の永久磁石２３よりも外周側に配置されている。なお、図示しないが、フレームには、永久磁石２３，２４が前を通過した際に作動するリードスイッチ（検出手段）と、このリードスイッチの作動信号が供給されるコントローラが取り付けられている。なお、リードスイッチは確実に作動するのであれば１個でもよいが、各永久磁石２３，２４毎に配置することもできる。
【００１３】
上記構成のトルク検出装置が設けられた補助モータ付き自転車では、例えば第１スプロケットホイール１８は、自転車の後輪のスプロケットとチェーンによって連結され、第２スプロケットホイール１７は、補助モータの回転軸のスプロケットとチェーンによって連結され、かつ、それらはクランク５を図１の矢印Ｘで示す時計方向へ回転させることにより後輪が回転するように取付られる。そして、使用者が自転車のペダルを漕ぐと、回転力がホイールＷの取付部８、スポーク１１，１２および外輪部１３等を介して自転車の後輪に伝達され、自転車は走行する。その際、取付部８から外輪部１３に伝達される回転力の大きさに応じてスポーク１１，１２が弾性的に変形し、これにより、外輪部１３は、無負荷状態の初期位置から取付部８に対して反時計方向（図１中矢印Ｙで示す方向）へ相対的に変位する。一方、ディスク２は取付部８に取り付けられているため、ディスク２に形成されたノーズ部２０と取付部８との角度変位は生じない。よって、外輪部１３の凸部１５はコイルバネ２１の付勢力に抗して相対向するノーズ部２０側へ移動し、その結果、ノーズ部２０内の永久磁石２３と凸部１５内の永久磁石２４との距離が変化する。
【００１４】
一方、自転車のフレームに取り付けられたリードスイッチは、その前を永久磁石２３，２４が通過する度に作動し、作動信号をコントローラに供給する。コントローラは、いずれか一方の永久磁石２３，２４による作動信号からペダルの回転数を算出するとともに、この回転数と永久磁石２３，２４による作動タイミングの時間的ずれから両永久磁石２３，２４間の距離を算出する。そして、この距離が予め定められた敷居値を下回った場合には、駆動信号を補助モータに供給し、補助モータを回転させて第２スプロケットホイール１７に回転力を加える。また、コントローラは、永久磁石２３，２４間の距離が敷居値以上となった場合に停止信号を補助モータに供給し、その回転を停止させる。
【００１５】
上記構成のトルク検出装置においては、永久磁石２３，２４で構成された被検出部をリードスイッチで磁気的に検出する構成であるから、その部分の汚れには一切影響を受けずに被検出体を確実に検出することができ、信頼性は極めて高い。また、光センサを使用した場合のように、発光のための電力を常時消費するようなことがないので、消費電力が少なく、よって、屋外で使用する乗り物に特に適している。
【００１６】
特に、上記実施例では、永久磁石２３，２４とリードスイッチとを用いているので構成が簡略化され、製造コストを低減することができるとともに故障の発生も非常に少ない。また、上記実施例では、スポーク１１，１２を略Ｓ字状に湾曲させているため、取付部８と外輪部１３とに角度変位が生じた場合には湾曲した部分の曲率に変化が生じるだけで、スポーク１１，１２に引張応力や圧縮応力が生じることがない。よって、スポーク１１，１２の耐久性を向上させることができる。さらに、コイルバネ２１により取付部８と外輪部１３とを初期位置の回転方向へ付勢しているので、スポーク１１，１２に過度の応力が負荷されることがなく、よって、スポーク１１，１２の耐久性をより一層高めることができる。
【００１７】
なお、上記実施例では、被検出部として永久磁石２３，２４を用いているが、金属などの磁性体を被検出部とし、検出手段を近接スイッチとしてもよい。また、被検出部を非磁性体とし、被検出部以外の周囲を磁性体で構成してもよい。また、上記実施例では、スポーク１１，１２を略Ｓ字状に湾曲させているが、円弧状に湾曲させたり直線状にすることもできる。さらに、スポークの代わりに、リング状の板材を用いることもできる。この場合、取付部８と板材または板材と外輪部１３、あるいは板材と取付部８および外輪部１３とは円周方向に所定角度相対的に変位可能に取り付けられ、それらは例えばコイルバネなどによって初期位置の回転方向へ付勢される。加えて、上記実施例では、人力が加えられる第１のホイールをディスク２により構成しているが、そのような円板状のものに限定されるものではなく、外周部分に被検出部を設けることができるものであればその形状は任意である。
【００１８】
ところで、本発明は上記実施例のような補助モータ付き自転車に限定されるものではなく、たとえば、補助モータ付きのペダル式ボートなどのように、人力で回転させるシャフトを補助的に動力で回転させる機構は勿論のこと、回転する部分を有するあらゆる機構のトルク検出に適用することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明のトルク検出装置においては、フレームに、外部からの回転力により回転させられる第１のホイールを設け、この第１のホイールの回転中心部分に、回転力を外周部分から外部へ伝達する第２のホイールの回転中心部分を結合し、第２のホイールの回転中心部分と外周部分とを回転力に応じて回転方向に相対的に変位可能なように弾性的に結合し、第１のホイールおよび第２のホイールの外周部分に、磁気的性質が同外周部分の他の部分と異なる材料からなる被検出部をそれぞれ設け、フレームに、被検出部を検出する検出手段を設けているから、少ない電力で作動させることができ、しかも、トルク検出の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のトルク検出装置が適用された補助モータ付き自転車のペダル駆動部を示す一部破砕平断面図である。
【図２】図１のＩＩ線断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ線断面図である。
【符号の説明】
１…シャフト、２…ディスク（第１のホイール）、
４…ハブ（回転中心部分）、
２３，２４…永久磁石（被検出部）、
８…取付部（回転中心部分）、
１８…スプロケットホイール（外周部分）、
Ｗ…ホイール（第２のホイール）。

Claims (1)

1. フレームに設けられ、外部からの回転力によって回転させられる第１のホイールと、
   前記第１のホイールの回転中心部分に対して結合され、前記回転力を外周部分から外部へ伝達する第２のホイールと、
   前記フレームに設けられ、両ホイールの相対的変位を検出するコントローラとを有するトルク検出装置において、
   前記第２のホイールの回転中心部分と前記外周部分を回転方向に相対的に変位可能なように結合する弾性変形可能なスポークと、
   前記第１のホイールの外周部分および前記第２のホイールの外周部分に設けられた１または複数の第１被検出部および第２被検出部と、
   前記第１被検出部および前記第２被検出部の各々に取り付けられた第１永久磁石および第２永久磁石と、
   前記第１被検出部と前記第２被検出部の間に挟まれた弾性部材と、
   前記第１永久磁石と前記第２永久磁石が順次通過するように前記フレームに設けられ、前記第１永久磁石が通過したとき、前記第１被検出部を検出して信号を出力し、前記第２永久磁石が通過したとき、前記第２被検出部を検出して信号を出力する検出手段と、
   前記検出手段からの信号を受けて、両被検出部の離間距離を算出する前記コントローラを備えたトルク検出装置。

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