JP4428825B2 - 電動自転車のトルク検出装置およびそれを用いた電動自転車 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動自転車において走行中に人の踏む力を検知するためのトルク検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人力による駆動力に、電動モータなどの補助駆動部の補助駆動力を加えることで、坂道などでも楽に走行できる電動自転車は既に実用化されている。この種の電動自転車においては、ペダルに作用する人の足踏み力（すなわち人が車輪を駆動する力）をトルクとして検知し、このトルク値が、予め設定した値を越える場合には、補助駆動部を駆動させて補助駆動力を加えることができるように構成されている。
【０００３】
この種の電動自転車におけるトルクの検出装置として、例えば特開平９−１９３８７６号公報には、３つの軸受や弾性材料からなる緩衝材を介装してクランク軸（ドライブ軸）をハンガラグ（ケーシング）に対して弾性的に傾斜可能に配置し、ハンガラグから緩衝材を貫通して第１、第２のセンサをねじ込み、これらのセンサの先端をクランク軸を受けている軸受外周面に当接させて、クランク軸の傾斜変位量を測定する構造が開示されている。
【０００４】
また、特開平１０−１７６９６７号公報には、クランク軸を回転自在に支持する玉軸受と、この玉軸受を受ける軸受箱との間に隙間を設け、これらを内装するブロック状のボスと前記軸受箱とを貫通する貫通孔を形成し、この貫通孔を通して外周側より玉軸受に当接する接点部材を複数設け、この接点部材に設けた摺動子に歪みゲージを内包させて、前記隙間寸法の変位を前記歪みゲージにより測定する構造が開示されている。なお、前記歪みゲージが内包された接点部材は貫通孔にねじ込まれた押しばねによって押し付けられ、この押しばねは六角孔付きボルトにより外側から位置規制されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平９−１９３８７６号公報に示された構造においては、３つの軸受や緩衝材、２つのセンサなどの多数の部品を必要とするので、重量が大きくなったり、製造コストが高価となり易い不具合がある。
【０００６】
また、特開平１０−１７６９６７号公報に示された構造においては、ブロック状のボスを用いているので重量が大きくなり、また、各接点部材毎に別途に玉軸受を設けた構造であるため、これによっても、部品点数が多くなるなどの欠点がある。
【０００７】
さらに、前記何れの構造においても、貫通孔にセンサ機能部分をねじ込んで、その先端部だけを当接対象物に当接させながら測定する独特な構造であるため、そのセンサとして用いる専用部品を高い製造精度で製造しなければならないとともに、センサを内包する部品のねじ込み具合や、付勢するばねの特性などによってもセンサ出力が変化したりして、調整に手間が掛かることが多い。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するもので、比較的簡単な構造であり、かつ既製の部品を使用できて、製造コストを安価に済ませることができ、しかも重量も小さ目に抑えることのできる電動自転車のトルク検出装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の電動自転車のトルク検出装置は、後輪を回転駆動させるためのチェンなどの駆動力伝達用索体が駆動スプロケットなどの駆動用輪体に架け渡され、この駆動用輪体がクランク軸の片側に固定され、ペダルからの足踏み力によるトルクに基づいて補助駆動力を制御する電動自転車において、クランク軸を回転自在に支持するハンガラグまたはその近傍箇所に、駆動用輪体により駆動力伝達用索体を引張る力の反力によりクランク軸が後方へ弾性変形しようとする力をクランク軸から受けて支持する支持板部を設け、この支持板部に、この支持板部の弾性変形量からペダルからの足踏み力によるトルクを検出するための歪みゲージを取付けたことを特徴とする。
【００１０】
上記構成において、走行時には、ペダルの足踏み力により駆動スプロケットなどの駆動用輪体が回転され、チェンなどの駆動力伝達用索体を介して後輪が回転されるため、駆動用輪体によってチェンなどの駆動力伝達用索体を前方に引張る力が発生し、この反力によって、クランク軸が後方に弾性変形する。したがって、上記構成のように、クランク軸が後方に弾性変形しようとする力をクランク軸から受けて支持する支持板部を設けて、この支持板部に作用する、足踏み力に基づくトルクに対応する力を歪みゲージにより測定することで、足踏み力に基づくトルクを良好に検出することができる。また、この場合に、歪みゲージを貼り付けた支持板部を、クランク軸が後方に弾性変形しようとする力を受けて支持するように配設するだけの簡単な構造であるので、製造コストも安価に済ませることができ、しかも、支持板部と歪みゲージとの既製の部品を使用できるのでさらに製造コストの低減を図ることが可能となり、また、センサを埋め込むためのボスなどの厚肉部などを要しないため、比較的軽量に製造することが可能となる。
【００１１】
また、より具体的な構成としては、立パイプとチェーンステーとが固設されたハンガケース内に、クランク軸を回転自在に支持するハンガラグを内装し、ハンガケースに、略上下方向に沿って配置され、ハンガラグに後方から当接して弾性変形可能な支持板部としてのセンサー金具を取付け、このセンサー金具に歪みゲージを取付ける。
【００１２】
この構成によれば、立パイプとチェーンステーとをハンガケースに固設したフレーム部分と、クランク軸を組付けたハンガラグ部分とをそれぞれ別個に組付けた後に組み合わせることで、組み立て作業を能率良く行うことができ、また、ハンガラグが複数種類のものがある場合でも、ハンガケースへのセンサー金具の取付け位置の変更だけで容易に対処することができる。
【００１３】
また、この場合においては、駆動用輪体から離れた側でハンガケースとハンガラグとを固定させ、この固定点を支持点として、ハンガラグにおける駆動用輪体寄り部分が、ハンガケース内においてセンサー金具を弾性変形させるように後方に移動可能に配設することが好ましい。
【００１４】
また、別途具体的構成としては、立パイプとチェーンステーとが固設されたハンガラグ内に、クランク軸を回転自在に支持する軸受を内装し、ハンガラグと軸受との間に、略上下方向に沿って配置され、軸受に後方から当接して弾性変形可能な支持板部としてのセンサー金具を取付け、このセンサー金具に歪みゲージを取付ける。
【００１５】
この構成によれば、ハンガラグと軸受との間に、支持板部としてのセンサー金具を取付け、このセンサー金具に歪みゲージを取付けるだけの極めて簡単な構造で、足踏み力に基づくトルクを良好に測定することができて、製造コストを一層低減させることができる。
【００１６】
さらに、別途具体的構成としては、立パイプとチェーンステーとが固設されたハンガラグ内に、クランク軸を回転自在に支持する軸受を内装し、ハンガラグにおける軸受の後端部に臨む箇所に、軸受の後端部が集中して当接する部分を形成し、ハンガラグにおける前記集中当接部を支持板部として用いて、歪みゲージを取付ける。
【００１７】
この構成によっても、ハンガラグにおける集中当接部に歪みゲージを取付けるだけの極めて簡単な構造で、足踏み力に基づくトルクを良好に測定することができて、製造コストを低減させることができる。
【００１８】
また、他の別途具体的構成としては、ハンガラグに固着されたチェーンステーを支持板部として用い、このチェーンステーの側面に歪みゲージを取付ける。
この構成によれば、チェーンステーの側面に歪みゲージを取付けるだけの極めて簡単な構造で、足踏み力に基づくトルクを良好に測定することができて、製造コストをさらに低減させることができる。
【００１９】
上記トルク検出装置を備えた電動自転車もまた、本発明の趣旨に包含される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１〜図４に示すように、電動自転車には、一般の自転車と同様に、クランク軸１の両端からそれぞれ反対方向にクランクアーム２が延設されているとともに、これらのクランクアーム２の先端側方にペダル３が回動可能に支持されて取付けられている。クランク軸１の片側（例えば平面視して右側）には駆動用輪体としての駆動スプロケット４が固定され、この駆動スプロケット４には後輪５側への駆動力を伝達する駆動力伝達用索体としてのチェン６が、後輪５に固定された従動スプロケット７にわたって架け渡されている。なお、チェン６の下部側は、駆動スプロケット４に噛み合った後に、その後方で、補助駆動力の発生源としての電動モータ８に連動する補助駆動用スプロケット８ａにも噛み合っている。クランク軸１は、軸受９を介して筒状金属製のハンガラグ１０に回転自在に支持されている。
【００２１】
ハンガラグ１０は、側面視矩形枠形状の金属板からなるハンガケース１１内に配置されている。このハンガケース１１には、後輪５を支持するフレームである２叉のチェーンステー１２と、サドルを支持するフレームである立パイプ１３と、ハンドルポストなどに接続されているメインパイプ１４とが溶着されている。ハンガケース１１は、チェーンステー１２が溶着される後辺部１１ａと、残りの上辺部、下辺部、前辺部からなるケース本体１１ｂとに２分割可能とされ、ケース連結ボルト１５にて結合されている。
【００２２】
ハンガケース１１のケース本体１１ｂにおける後辺部１１ａに臨む辺の駆動スプロケット４寄り箇所には、それぞれ切欠部１１ｃが形成されている。また、これらの切欠部１１ｃにわたって略上下方向に延びるように支持板部としてのセンサー金具１６が取付ボルト１９により取付けられ、このセンサー金具１６は、ハンガラグ１０に後方から当接して弾性変形可能とされている。そして、このセンサー金具１６における中央裏面、すなわちハンガラグ１０に当接している箇所の裏面に、センサー金具１６の弾性変形量に基づいてペダル３からの足踏み力によるトルクを検出するための歪みゲージ１７が貼り付けられている。
【００２３】
なお、歪みゲージ１７は図示しない制御回路に接続されており、この制御回路の演算部により歪みゲージ１７の電圧変化に基づくトルクが算出される。そして、トルクが所定値を超えた際に電動モータ８が駆動されて、補助駆動力が加えられるようになっている。
【００２４】
また、ハンガケース１１のケース本体１１ｂにおける駆動スプロケット４から離れた側には、ハンガケース１１とハンガラグ１０とを固定させる固定ボルト１８をねじ込むねじ孔１１ｄがそれぞれ形成されており、ハンガラグ１０における対応する箇所にも固定ボルト１８の先端が係合可能な穴部１０ａが設けられている。そして、固定ボルト１８をハンガケース１１のねじ孔１１ｄからハンガラグ１０の穴部１０ａにかけてねじ込むことで、この点でハンガケース１１とハンガラグ１０とが固定され、この固定点を支持点として、ハンガラグ１０における駆動用輪体寄り部分が、ハンガケース１１内においてセンサー金具１６を弾性変形させるように後方に移動可能とされている。
【００２５】
図５に概略的に示すように、走行時には、ペダル３の足踏み力により駆動スプロケット４が回転され、チェン６を介して後輪５が回転される。この際、駆動スプロケット４によってチェン６が前方に引張られるが、このチェン６を前方に引張る力の反力により、クランク軸１の駆動スプロケット４取付箇所が前記固定点を支持点として後方に弾性変形し、これに伴って、軸受９およびハンガラグ１０を介してクランク軸１を受けているセンサー金具１６も当接箇所が後方に弾性変形する。この結果、センサー金具１６に取付けた歪みゲージ１７の弾性変形に基づく電圧変化が、足踏み力に基づくトルクに対応する値として測定される。このようにして、足踏み力に基づくトルクを良好に検出することができる。なお、図６は、ペダル踏力と、歪みゲージ１７からのセンサー出力との関係を示す特性を表す図で、図６に示すように、ペダル踏力に応じて直線性がよく、正確な値がセンサー出力として得られることが確認できた。
【００２６】
また、この構成によれば、歪みゲージ１７を貼り付けたセンサー金具１６を、ハンガラグ１０に後方から当接するようにハンガケース１１に取り付けるだけの簡単な構造であるので、故障することが殆どないとともに、製造コストも安価に済ませることができ、しかも、歪みゲージ１７としては既製の部品（例えば、株式会社共和電業製のもの）を使用できるため、安価でありながら、精度の高い検出データを容易に得ることができる。さらに、ハンガケース１１を用いたことで、フレーム構造としても強固となりながら、センサを埋め込むためのボスなどの厚肉部を要しないため、比較的軽量に製造することが可能となる。
【００２７】
また、チェーンステー１２、立パイプ１３、メインパイプ１４（または下パイプ）などのフレーム構造に応じたハンガケース１１を用いて、ハンガラグ１０の直径に応じた位置にセンサー金具１６を取付けることで、多種類の車種に対しても容易に対処することができる。
【００２８】
なお、この実施の形態においては、センサー金具１６を両端で支持する両持ち状態で支持した場合を述べたが、これに限るものではなく、センサー金具１６を片方の端部だけで支持する片持ち状態で支持してもよく、この場合は、センサー金具１６の変形が大きい片持ち支持点近傍に歪みゲージ１７を貼り付ければよい。
【００２９】
図７は本発明の他の実施の形態にかかるトルク検出装置を示すもので、この実施の形態のトルク検出装置では、ハンガケース１１が省かれており、ハンガラグ２０にチェーンステー１２、立パイプ１３、メインパイプ１４（または下パイプ）などが直接溶着されている（チェーンステー１２、立パイプ１３、メインパイプ１４は図示せず、略して示している）。図７に示すように、クランク軸１の駆動スプロケット４寄り側には通常のベアリングからなる軸受２１が取付けられている一方、クランク軸１の駆動スプロケット４から離れた側には調芯機能を有するベアリングからなる調芯軸受２２が取付けられている。そして、ハンガラグ２０の片側（駆動スプロケット４から離れた側）は通常の円筒形状とされ、調芯軸受２２の外周面に固定されている一方、ハンガラグ２０の他方側（駆動スプロケット４寄り側）は、長円の筒形状とされ、このハンガラグ２０の長円筒形状部２０ａと、軸受２１の後部側との間に、歪みゲージ１７が貼り付けられたセンサー金具２４が介装されている。なお、ハンガラグ２０の長円筒形状部２０ａにおける内面には上下２箇所にセンサー金具２４を取付けるための凹部２０ｂが設けられて、この凹部２０ｂにセンサー金具２４の両端が挿入されて保持されている。
【００３０】
この構成において、走行時にペダル３を踏むと、チェン６を前方に引張る力の反力により、クランク軸１の駆動スプロケット４取付箇所が調芯軸受２２の軸受箇所を支持点として後方（図７（ａ）、（ｂ）における方向ａ）に弾性変形し、これに伴って、軸受２１を介してクランク軸１を受けているセンサー金具２４も当接箇所が後方に弾性変形する。この結果、センサー金具２４に取付けた歪みゲージ１７からの出力により、足踏み力に基づくトルクを良好に検出することができる。
【００３１】
この実施の形態によれば、ハンガラグ２０として特殊な形状のものを用いなければならないが、ハンガケース１１を省いた構成であるので、部品点数を低減できて、製造コストを一層低減させることができるとともに、さらなる軽量化を図ることができる。
【００３２】
図８、図９は本発明のその他の実施の形態にかかるトルク検出装置を示すもので、同図に示すように、この実施の形態においても、ハンガケース１１が省かれており、金属製のハンガラグ３０にチェーンステー１２、立パイプ１３、メインパイプ１４（または下パイプ）などが直接溶着されている。クランク軸１の駆動スプロケット４寄り側には通常のベアリングからなる軸受２１が取付けられている一方、クランク軸１の駆動スプロケット４から離れた側には調芯機能を有するベアリングからなる調芯軸受２２が取付けられている。
【００３３】
また、ハンガラグ３０の片側（駆動スプロケット４から離れた側）は通常の円筒形状とされ、調芯軸受２２の外周面に固定されている一方、ハンガラグ３０の他方側（駆動スプロケット４寄り側）は、集中当接部としてのくびれ部３０ａを有する異形の筒形状とされ、このハンガラグ３０のくびれ部３０ａが軸受２１の後部側に集中して当接している。そして、このくびれ部３０ａの外側に歪みゲージ１７が貼り付けられている。
【００３４】
この構成においても、歪みゲージ１７からの出力により、足踏み力に基づくトルクを良好に検出することができ、ハンガラグ３０として特殊な形状のものを用いなければならないが、ハンガケース１１およびセンサー金具１６、２４を省いた構成であるので、部品点数を低減できて、製造コストを一層低減させることができるとともに、さらなる軽量化を図ることができる。
【００３５】
図１０は本発明のさらに他の実施の形態にかかるトルク検出装置を示すもので、同図に示すように、この実施の形態においては、クランク軸１を回転自在に支持する軸受（図示せず）が内装された、一般に使用されている円筒形状のハンガラグ３０が備えられており、このハンガラグ３０に溶着されている金属円柱板状のチェーンステー１２（詳しくは、駆動スプロケット４寄りのチェーンステー１２の側面）に歪みゲージ１７が貼り付けられている。
【００３６】
この構成によっても、チェーンステー１２に貼り付けた歪みゲージ１７からの出力により、足踏み力に基づくトルクを良好に検出することができる。特に、一般的な自転車用の構成部品としてのハンガラグ３０やチェーンステー１２を用いながら、チェーンステー１２に歪みゲージ１７を貼り付けるだけの極めて簡単な構成で、トルクを検出できるため、これによれば、製造コストをさらに低減させることができる。また、これに代えて、歪みゲージ１７を、立パイプ１３の側面、メインパイプ１４や下パイプの下部、チェーンステー１２の下部などに取付けることも考えられるが、この場合には、ペダル３の踏み力により駆動スプロケット４を駆動するための力だけでなく、乗員の乗車姿勢、体重、車速の影響を受ける傾向がある。これに比べて、上記のように、チェーンステー１２の側面に歪みゲージ１７を貼り付けることによって、上述のような乗員の乗車姿勢、体重、車速の影響を殆ど受けることなく、チェン６を前方に引張る力が作用した際にこの応力に応じたトルクだけを良好に検出することができる。
【００３７】
なお、上記実施の形態においては、駆動力伝達用索体としてチェン６を用い、駆動用輪体として駆動スプロケット４を用いた場合を述べたが、これに限るものではなく、駆動力伝達用索体として歯付きベルトと使用し、駆動用輪体として駆動歯車を用いるベルト式電動自転車にも適用可能であることはいうまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、クランク軸を回転自在に支持するハンガラグまたはその近傍箇所に、駆動用輪体により駆動力伝達用索体を引張る力によりクランク軸が後方へ弾性変形しようとする力をクランク軸から受けて支持する支持板部を設け、この支持板部に、この支持板部の弾性変形量からペダルからの足踏み力によるトルクを検出するための歪みゲージを取付けることにより、簡単な構成で、足踏み力に基づくトルクを良好に検出することができ、製造コストも安価に済ませることができ、しかも、支持板部と歪みゲージとの既製の部品を使用でき、また、トルク検出装置として比較的軽量に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる電動自転車の斜視図である。
【図２】同電動自転車におけるハンガケースおよびその近傍箇所の平面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、図２のＡ−Ａ線矢視断面図およびＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図４】同ハンガケースおよびセンサー金具の分解斜視図である。
【図５】同電動自転車におけるクランク軸に対する力のかかり方を概略的に示す平面図である。
【図６】同電動自転車における、ペダル踏力と、歪みゲージ１７からのセンサー出力との関係を示す特性を表す図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、本発明の他の実施の形態にかかる電動自転車のハンガラグ箇所の平面断面図および図７（ａ）のＣ−Ｃ線矢視断面図である。
【図８】本発明のその他の実施の形態にかかる電動自転車のハンガラグ箇所の要部斜視図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、同実施の形態にかかる電動自転車のハンガラグ箇所の平面断面図および図９（ａ）のＤ−Ｄ線矢視断面図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施の形態にかかる電動自転車のハンガラグ箇所の要部斜視図である。
【符号の説明】
１ クランク軸
３ ペダル
４ 駆動スプロケット（駆動用輪体）
５ 後輪
６ チェン（駆動力伝達用索体）
７ 従動スプロケット
９ 軸受
１０、２０、３０ ハンガラグ
１１ ハンガケース
１２ チェーンステー
１３ 立パイプ
１４ メインパイプ
１６、２４ センサー金具
１７ 歪みゲージ
２１ 軸受
２２ 調芯軸受

Claims (7)

1. 後輪を回転駆動させるためのチェンなどの駆動力伝達用索体が駆動スプロケットなどの駆動用輪体に架け渡され、この駆動用輪体がクランク軸の片側に固定され、ペダルからの足踏み力によるトルクに基づいて補助駆動力を制御する電動自転車において、クランク軸を回転自在に支持するハンガラグまたはその近傍箇所に、駆動用輪体により駆動力伝達用索体を引張る力の反力によりクランク軸が後方へ弾性変形しようとする力をクランク軸から受けて支持する支持板部を設け、この支持板部に、この支持板部の弾性変形量からペダルからの足踏み力によるトルクを検出するための歪みゲージを取付けた電動自転車のトルク検出装置。
2. 立パイプとチェーンステーとが固設されたハンガケース内に、クランク軸を回転自在に支持するハンガラグを内装し、ハンガケースに、略上下方向に沿って配置され、ハンガラグに後方から当接して弾性変形可能な支持板部としてのセンサー金具を取付け、このセンサー金具に歪みゲージを取付けた請求項１記載の電動自転車のトルク検出装置。
3. 駆動用輪体から離れた側でハンガケースとハンガラグとを固定させ、この固定点を支持点として、ハンガラグにおける駆動用輪体寄り部分が、ハンガケース内においてセンサー金具を弾性変形させるように後方に移動可能に配設された請求項２に記載の電動自転車のトルク検出装置。
4. 立パイプとチェーンステーとが固設されたハンガラグ内に、クランク軸を回転自在に支持する軸受を内装し、ハンガラグと軸受との間に、略上下方向に沿って配置され、軸受に後方から当接して弾性変形可能な支持板部としてのセンサー金具を取付け、このセンサー金具に歪みゲージを取付けた請求項１記載の電動自転車のトルク検出装置。
5. 立パイプとチェーンステーとが固設されたハンガラグ内に、クランク軸を回転自在に支持する軸受を内装し、ハンガラグにおける軸受の後端部に臨む箇所に、軸受の後端部が集中して当接する部分を形成し、ハンガラグにおける前記集中当接部を支持板部として用いて、歪みゲージを取付けた請求項１記載の電動自転車のトルク検出装置。
6. ハンガラグに固着されたチェーンステーを支持板部として用い、このチェーンステーの側面に歪みゲージを取付けた請求項１記載の電動自転車のトルク検出装置。
7. 請求項１〜６の何れかに記載のトルク検出装置を備えた電動自転車。

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