JP5127953B2 - 電動自転車の人力駆動力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は電動自転車の人力駆動力検出装置に関する。

バッテリなどの蓄電器と、この蓄電器から給電される電動モータとを有し、ペダルに加えられる踏力などの人力駆動力を、トルクセンサなどからなる人力駆動力検出装置により検出し、前記人力駆動力に、この人力駆動力に対応した電動モータの補助駆動力（アシスト力）を加えることで、上り坂等でも楽に走行できる電動自転車（電動アシスト自転車とも称せられる）は既に知られている。

前記人力駆動力の検出方法の１例としては、左右のペダルを踏み込んだ際にクランク軸が捩れるため、クランク軸の捩れ状態や、クランク軸からの人力駆動力が伝達される円筒軸の捩れ状態を、磁歪式のトルクセンサにより検出することが行われている（特許文献１等）。なお、前記クランク軸や前記円筒軸（人力伝達回転軸と称す）はベアリング軸受などにより回転自在に支持されている。また、前記人力伝達回転軸に伝達された人力駆動力は、前記人力伝達回転軸に固定された人力駆動輪体としての駆動スプロケット（前スプロケットや前ギヤ、クランクスプロケットとも称せられる）に伝達された後、駆動スプロケットと後輪に取り付けられた従動輪体としての従動スプロケット（後スプロケットや後ギヤとも称せられる）とにわたって架け渡されたチェーンなどの駆動力伝達体を介して後輪に伝達される。

しかし、前記磁歪式のトルクセンサを用いて人力駆動力を検出する場合、この磁歪式のトルクセンサは、磁歪発生部の加工やコイルが必要であり、多くの製造コストがかかるとともに工程管理も困難であり、多くの手間や時間がかかる短所がある。

一方、後輪を回転させる人力駆動力は、駆動スプロケットによりチェーンなどの駆動力伝達体の上側部分を前方に引張る力が実質的に走行させる力として作用しているので、このような駆動力伝達体の前方への張力に対応する力を検出することができれば、実際に後輪を駆動するための人力駆動力を測定できる。また、簡単な構成により、前記駆動力伝達体の前方への張力に対応する力を検出することができれば、製造コストの低減化も図ることができるので、より望ましい。

駆動力伝達体の前方への張力に対応する力を検出する方法の１例として、特許文献２に開示された電動自転車のトルク検出装置がある。電動自転車を含めた自転車では、走行時に、駆動スプロケットによってチェーンなどの駆動力伝達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、このような現象を応用して、図１８に示すように、クランク軸１０１が後方に弾性変形しようとする力をクランク軸１０１から受けて支持する弾性変形部（支持板部）１０２を設け、この弾性変形部１０２に、その弾性変形量を検出する歪み検出センサ（歪みゲージ）１０３を取り付けている。なお、弾性変形部１０２および歪み検出センサ１０３は、クランク軸１０１の真後ろの位置（詳しくは、側面視して、クランク軸１０１から真後ろに延びる水平線上の位置）に配設されている。

また、これと類似する構成が特許文献３に開示されている。この特許文献３に開示されたトルク検出装置では、図１９に示すように、クランク軸１１１を回転自在に支持するベアリング軸受１１２と、このベアリング軸受１１２を保持する支持部１１３との間に、センサスリーブ１１４を設けている。そして、センサスリーブ１１４におけるクランク軸１１１の真後ろに延びる水平線よりも少し上方（水平線よりも角度θだけ上方）となる位置に、歪みを検出するセンサチップ１１５を配設している。

特開平９−９５２８９号公報 特許４４２８８２５号公報 特開平１１−２５８０７８号公報

しかしながら、図１８や図１９に示すように、クランク軸１０１、１１１からの力を受けて略後方に弾性変形する弾性変形部１０２やセンサスリーブ１１４に、その弾性変形量を検出する歪み検出センサ（歪みゲージ）１０３やセンサチップ１１５を取り付けた構成のものでは、左右のペダルを踏み込んだ際には、踏力によって、チェーンを介して駆動力（回転トルク）となる有効成分以外に、歪み検出センサ１０３やセンサチップ１１５への誤差信号となる前方または後方への分力が発生する。しかも、この誤差を生じる力は搭乗者が踏み込む、ペダルの角度の違いによっても変化するため、このような誤差を生じる力の影響を最小限に抑えるように較正することが望ましい。つまり、一般の自転車と同様に電動自転車でも、図２０に簡略的に示すように、搭乗者は、クランク軸Ｋよりも前方では前側が少し上向きになった前上がり状態でペダルＰを踏み、また、クランク軸Ｋよりも後方では前側が少し下向きになった前下がり状態でペダルＰを踏む場合が多い。したがって、このようにペダルＰを水平状態では踏み込まないことにより、歪み検出センサ１０３やセンサチップ１１５への誤差信号となる前方または後方への分力が発生するため、これらの前方または後方への分力の影響を最小限に抑えるように較正することが好ましい。

本発明は上記課題を解決するもので、ペダルを踏む姿勢に起因する前方や後方への分力の影響を最小限に抑えることができて、チェーンなどの駆動力伝達体を前方に引張る力に対応する力を良好に検出することができる電動自転車の人力駆動力検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電動自転車の人力駆動力検出装置は、後輪を回転駆動させるためのチェーンなどの駆動力伝達体が、クランク軸と一体的に回転する駆動スプロケットなどの人力駆動輪体と、後輪に取り付けられた従動輪体とにわたって架け渡され、ペダルからの踏力による人力駆動力に基づいて補助駆動力を付加可能に構成された電動自転車において、前記人力駆動輪体によって前記駆動力伝達体を前方に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受けて弾性変形する弾性変形部を設け、この弾性変形部に、この弾性変形部の弾性変形量から前記人力駆動力を検出する歪み検出センサを取付け、前記弾性変形部および歪み検出センサを、側面視して、前記人力駆動輪体によって前記駆動力伝達体を前方に引張る方向と平行でクランク軸の軸心を通る線よりも斜め下方に傾斜した後方位置に配設し、フレームに固定されたハンガー部内に、クランク軸を回転自在に支持する軸受を配設し、ハンガー部と軸受との間に、軸受に後方から当接して弾性変形可能な弾性変形部を有するセンサ支持部材を取付け、このセンサ支持部材の弾性変形部に前記歪み検出センサを取付け、前記センサ支持部材は、前記弾性変形部が薄肉となるように平面形状に切欠かれたリング形状部品であることを特徴とする。

上記構成において、搭乗者がペダルを踏み込んで走行する際に、搭乗者は、クランク軸よりも前方では前上り状態でペダルを踏み、また、クランク軸よりも後方では前下がり状態でペダルを踏む場合が多い。また、ペダルがクランク軸よりも前方に位置する箇所ではペダルを強く踏み込むために踏力は大きくなり、クランク軸よりも後方に位置する箇所では、ペダルに足を載せているだけで踏み込んでいない場合が多いため、踏力は小さくなる。したがって、弾性変形部に取り付けられる歪み検出センサを、側面視して、前記人力駆動輪体によって前記駆動力伝達体を前方に引張る方向と平行でクランク軸の軸心を通る線よりも斜め下方に傾斜した後方位置に配設すると、側面視して、前記人力駆動輪体によって前記駆動力伝達体を前方に引張る方向と平行でクランク軸の軸心を通る線上の後方位置に配設した場合よりも、ペダルを踏む姿勢に起因する前方や後方への分力の影響を抑えることができて、チェーンなどの駆動力伝達体を前方に引張る力に対応する力を良好に検出することができる。

つまり、ペダルがクランク軸よりも前方に位置する箇所ではペダルを強く踏み込む一方で、クランク軸よりも後方に位置する箇所では踏力は小さくなるので、仮に、ペダルがクランク軸よりも前方に位置する箇所だけでペダルからの踏力が発生し、クランク軸よりも後方に位置する箇所では、ペダルへの踏力が発生しない場合を簡略的な例として想定し、ペダルがクランク軸よりも前方に位置する箇所でのペダルの角度が一定である場合を考える。この場合、歪み検出センサをペダルの傾斜姿勢に沿ったようなクランク軸より後方の傾斜状態として力を検出する配置状態とすることで、すなわち、人力駆動輪体によってチェーンなどの駆動力伝達体が水平方向に引張られる場合には、側面視してクランク軸の真後ろの水平方向線よりも斜め下方に傾斜した位置に歪み検出センサを配設することで、ペダルが水平の状態で漕がれた場合と同様の、ペダルの傾斜角に影響され難い、チェーンなどの駆動力伝達体を前方に引張る力に対応する力を測定可能となる。

なお、前記弾性変形部および歪み検出センサを１つだけ設け、また、その場合に、前記弾性変形部および歪み検出センサを、左右方向における前記人力駆動輪体が取り付けられた側に設けると、少ない部品点数で安価に構成できる。一方、前記弾性変形部および歪み検出センサを、左右方向における前記人力駆動輪体が取り付けられた側と、左右方向における前記人力駆動輪体が取り付けられていない側との、複数の箇所に設けると、部品点数は多くなるが、測定精度を向上させることが可能となる。

また、本発明は、人力駆動輪体に架け渡された駆動力伝達体の上側部分が、後方ほど低くなるように傾斜して配設されている場合には、この傾斜して引張る方向と水平線方向との差の傾斜角だけ、歪み検出センサの設置角が増加するように、歪み検出センサおよび弾性変形部を配設したことを特徴とする。

この構成により、人力駆動輪体に対する駆動力伝達体の架け渡した姿勢に適した位置に歪み検出センサおよび弾性変形部を配設することができて、駆動力伝達体を前方に引張る力に対応する力を良好に検出することができる。

また、前記歪み検出センサの配設位置は、前記人力駆動輪体によって前記駆動力伝達体を前方に引張る方向と平行でクランク軸の軸心を通る線からの斜め下方の傾斜角が１０度以上１５度以下であると好適である。

本発明によれば、弾性変形部および歪み検出センサを、側面視して、人力駆動輪体によって駆動力伝達体を引張る方向と平行でクランク軸の軸心を通る線よりも斜め下方に傾斜した後方位置に配設したことにより、ペダルを踏む姿勢に起因する前方や後方への分力の影響を抑えることができて、チェーンなどの駆動力伝達体を前方に引張る力に対応する力を良好に検出することができる。

本発明の実施の形態に係る人力駆動力検出装置を備えた電動自転車の全体側面図 同電動自転車の側面図 同電動自転車の制御ユニットの平面断面図 同電動自転車の制御ユニットの側面断面図 同電動自転車の人力駆動力検出装置の側面図 同電動自転車のペダルからの踏力のかかり状態を概略的に示す図 同電動自転車のクランク、軸受およびペダルの位置関係を概略的に示す図 センサ設置角度が０度である場合の、クランク角に対するチェーン張力比率を示す図 センサ設置角度が５度である場合の、クランク角に対するチェーン張力比率を示す図 センサ設置角度が１０度である場合の、クランク角に対するチェーン張力比率を示す図 センサ設置角度が１２．５度である場合の、クランク角に対するチェーン張力比率を示す図 センサ設置角度が１５度である場合の、クランク角に対するチェーン張力比率を示す図 センサ設置角度が２０度である場合の、クランク角に対するチェーン張力比率を示す図 クランク角に対するペダル角度の変動状態を概略的に示す図 センサ設置角度とチェーン張力比率との関係を示す図 人力駆動力と補助駆動力とチェーン張力（合計駆動力）との関係を示す図 制御部における、人力駆動力に係る人力駆動力を算出する演算処理部を概念的に示すブロック図 従来の人力駆動力検出装置の側面図 その他の従来の人力駆動力検出装置の側面図 クランク軸とペダルとの関係を示す図

以下、本発明の実施の形態に係る電動自転車について図面に基づき説明する。なお、以下の説明における左右とは、電動自転車に搭乗して前方（進行方向）に向いた状態での左右方向をいう。図１、図２における１は本発明の実施の形態に係る電動自転車である。図１、図２に示すように、この電動自転車１は、ヘッドパイプ２ａ、前フォーク２ｂ、メインパイプ２ｃ、立パイプ２ｄ、チェーンステー２ｅ、シートステー２ｆなどからなる金属製のフレーム２と、前フォーク２ｂの下端に回転自在に取り付けられた前輪３と、チェーンステー２ｅの後端に回転自在に取り付けられた後輪４と、前輪３の向きを変更するハンドル５と、サドル６と、クランク軸７ａおよびクランクアーム７ｂからなるクランク７と、クランク７の両端部に回転自在に取り付けられ、人力駆動力としての踏力が加えられる左右のペダル８と、補助駆動力（アシスト力）を発生させる電動モータ１０と、電動モータ１０を含めた各種の電気的制御を行う制御部１１と、電動モータ１０に駆動用の電力を供給する二次電池からなるバッテリ１２と、ハンドル５などに取り付けられて、搭乗者などが操作可能な手元操作部（図示せず）と、クランク７と一体的に回転するように取り付けられた人力駆動輪体としての駆動スプロケット（前スプロケットや前ギヤ、クランクスプロケットやクランクギヤとも称せられる）１３と、後輪４のハブ（後ハブとも称する）９に取り付けられた従動輪体としての従動スプロケット（後スプロケットや後ギヤ、後輪ギヤとも称せられる）１４と、駆動スプロケット１３と従動スプロケット１４とにわたって架け渡された無端状の駆動力伝達体としてのチェーン１５と、チェーン１５などを側方から覆うチェーンカバー２１などを備えている。

そして、ペダル８に人力駆動力である踏力が加えられると、クランク７がクランク軸７ａを中心に回転し、この人力駆動力が、駆動スプロケット１３、チェーン１５、および従動スプロケット１４を介して後輪４に伝達されて回転される。なお、この実施の形態では、駆動スプロケット１３の上端部分と従動スプロケット１４の上端部分とにわたって架け渡されたチェーン１５の上側部分が、水平線に沿う姿勢で配設されている。また、電動モータ１０が、前輪３の中心部に配設されている金属製のハブ（以下、前ハブとも称する）１６に内蔵されている。また、バッテリ１２は蓄電器の一例であり、二次電池が好適であるが、蓄電器の他の例としてはキャパシタなどであってもよい。

図３、図４に示すように、制御部１１は、左右２つ割のユニットケース２２ａ、２２ｂにより外殻部が構成されている制御ユニット２２の、中央部から後部に設けられた制御空間部２２ｃに配設されている。図２に示すように、制御ユニット２２は、電動自転車１の中央下部に、チェーンステー２ｅの前端部とメインパイプ２ｃの後端部と立パイプ２ｄの下端部とを連結するように配設された支持ブラケット１９やこの支持ブラケット１９などに固着された円筒形状のハンガー部２０などを介して吊り下げられた姿勢で支持されている。制御部１１は、電動自転車１の各構成要素（電動モータ１０を含む）の制御を行う制御基板や記憶回路などから構成されている。図３、図４に示すように、制御ユニット２２の前部には、クランク軸７ａが横方向（左右の水平方向）に挿通されているとともにクランク軸７ａを回転自在に支持する軸受２５、２６が配設されている略円筒形状のクランク軸挿通部２２ｄが設けられており、このクランク軸挿通部２２ｄの大部分は、ハンガー部２０に挿入された状態で支持されている。また、右のクランクアーム７ｂにおける、クランク軸７ａに嵌まり込んでいる部分に、駆動スプロケット１３がクランク軸７ａと一体的に回転するように取り付けられている。

制御ユニット２２のクランク軸挿通部２２ｄには、駆動スプロケット１３によってチェーン１５を前方に引張る力の反力によりクランク軸７ａが後方へ弾性変形しようとする力を受けて弾性変形する弾性変形部２３ａが設けられている。そして、この弾性変形部２３ａに、この弾性変形部２３ａの弾性変形量から前記人力駆動力を検出する歪み検出センサ２４を取付けている。前記弾性変形部２３ａは、制御ユニット２２のクランク軸挿通部２２ｄにおける右側、すなわち、駆動スプロケット１３に近い側に配設されている軸受２６と、右側のユニットケース２２ｂにおけるクランク軸挿通部２２ｄの外殻部をなす筒状部との間に配設された、センサ支持部材としての略リング形状のセンサリング２３の一部に形成されている。つまり、センサリング２３における一部の外周側が平面形状に切欠かれて薄肉部が形成され、この薄肉部により弾性変形部２３ａが構成されている。そして、これらの弾性変形部２３ａと歪み検出センサ２４とにより、弾性変形部２３ａの平面部分やこれに沿って配設されている歪み検出センサ２４の表面部分にほぼ直交する方向の力を感度良く検出し、弾性変形部２３ａの平面部分や歪み検出センサ２４の表面部分に沿う方向（ほぼチェーン１５に直交する方向、上下方向）への力は殆ど検出しない（キャンセルする）よう構成されている。センサリング２３の弾性変形部２３ａの平面部分に直交する方向の感度と沿う方向の感度との比は、例えば５０〜２００：１となる応力分布を有する。歪み検出センサ２４としては、わずかな変位、すなわち微小な応力に対しても良好に検知できる、高感度で、かつ機械的に高い耐力を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）を応用した荷重センサを用いることが好ましい。また、この実施の形態では、弾性変形部２３ａおよび歪み検出センサ２４は、左右方向における前記人力駆動輪体が取り付けられた側だけに、すなわち１つだけしか設けられていない。

ここで、弾性変形部２３ａおよび歪み検出センサ２４は、図４、図５に示すように、側面視してクランク軸７ａの軸心７ａ’から（詳しくは軸心７ａ’を通る水平線Ｈから）斜め下方に傾斜した後方位置に設けられ、より詳しくは、歪み検出センサ２４に直交する線が前記後方位置からクランク軸７ａの軸心７ａ’を通る姿勢で配設されている。特にこの実施の形態では、クランク軸７ａの軸心７ａ’を通る水平線Ｈと、歪み検出センサ２４が配設された斜め下方に傾斜する線との角度差である傾斜角が、１０度以上１５度以下となるように歪み検出センサ２４が配設されている。なお、図５においては、理解し易くするために、センサリング２３および歪み検出センサ２４などからなる人力駆動力検出装置の部分を大きめに示している。

上記構成において、搭乗者がペダル８を踏み込んで走行する際に、搭乗者は、図６に示すように、クランク軸７ａよりも前方では前上がり状態でペダル８を踏み、また、クランク軸７ａよりも後方では前下がり状態でペダル８を踏む場合が多い。また、ペダル８がクランク軸７ａよりも前方に位置する箇所ではペダル８を強く踏み込むために踏力は大きくなり、クランク軸７ａよりも後方に位置する箇所では、ペダル８に足を載せているだけで踏み込んでいない場合が多いため、踏力は小さくなる。したがって、図５に示すように、弾性変形部２３ａに取り付けられる歪み検出センサ２４を、側面視してクランク軸７ａの真後ろの水平方向線よりも斜め下方に傾斜した位置に配設すると、側面視してクランク軸７ａの真後ろの水平方向線上に配設した場合よりも、ペダル８を踏む姿勢に起因する前方や後方への分力の影響を抑えることができて、チェーン１５を前方に引張る力に対応する力を良好に検出することができる。

つまり、仮に、ペダル８がクランク軸７ａよりも前方に位置する箇所だけでペダル８からの踏力が発生し、クランク軸７ａよりも後方に位置する箇所では、ペダル８への踏力が発生しない場合を簡略的な例として想定し、ペダル８がクランク軸７ａよりも前方に位置する箇所でのペダル８の角度δが一定である場合を考えると、歪み検出センサ２４をペダル８の傾斜姿勢に沿ったようなクランク軸７ａより後方の傾斜状態として力を検出すると、すなわち、側面視してクランク軸７ａの真後ろに延びる水平方向線（つまり、駆動スプロケット１３によってチェーン１５を前方に引張る方向と平行でクランク軸７ａの軸心７ａ’を通る線）よりも斜め下方に傾斜した位置からクランク軸７ａの軸心に向けて歪み検出センサ２５を配設すると、ペダル８が水平の状態で漕がれた場合と同様の、ペダル８の傾斜角δに影響され難い、チェーン１５などの駆動力伝達体を前方に引張る力に対応する力を測定可能となる。

なお、実際には、クランク軸７ａに作用する力と、駆動スプロケット１３によってチェーン１５の上側部分を前方に引張る力とは、ペダル８を踏む際の角度に起因するもの以外にも、以下のような誤差要因を有する。

すなわち、（ア）左右のペダル８にかかる軸受荷重の差を生じるとともに、（イ）ペダル８を踏み込む際には、クランク軸７ａより前方に位置するペダル８（ドライブ側のペダル８とも称す）に大きな力を加えるが、クランク軸７ａより後方に位置するペダル８（非ドライブ側ペダル８とも称す）にも足を載せているため、この足載せ荷重に起因する誤差も生じる。（ウ）また、チェーン１５の上側部分は、駆動スプロケット１３の上端部分と従動スプロケット１４の上端部分とにわたって架け渡されているが、このチェーン１５の上側部分は、必ずしも水平線に沿う姿勢で配設されてはいない。したがって、チェーン１５の上側部分が傾斜して配設されている場合には、この傾斜角も誤差要因となる。

以上の、ペダル８を踏む際の角度に起因する誤差要因に、上記（ア）、（イ）の誤差要因を加えた誤差要因を排除するものとして、ペダル８への踏力に基づく複合荷重とチェーン１５の張力との関係を、図７に示すように、クランク軸７ａの２点支持構造の単純化したモデルを想定して、相関式を用いて誤差率を求めた。なお、添え字のＤはドライブ側のペダル８を意味し、添え字のＮは非ドライブ側のペダル８を意味し、添え字のＬは左側のペダル８を意味し、添え字のＲは右側のペダル８を意味する。

クランクアーム７ｂの有効長をＬ、クランク角（ドライブ側のペダル８が組み付けられたクランクアーム７ｂがクランク軸７ａから真上に延びる線と交わる角度）をθ度、ドライブ側のペダル８の、踏力をＰ_Ｄ（Ｎｍ）、トルクをＴ_Ｄ、ペダル角をδ_Ｄ度とすると、
Ｔ_Ｄ＝Ｌ・Ｐ_Ｄ・ｓｉｎ（θ＋δ_Ｄ）
であり、非ドライブ側のペダル８の踏力をＰ_Ｎ（Ｎｍ）、トルクをＴ_Ｎ、ペダル角をδ_Ｎとすると、
Ｔ_Ｎ＝Ｌ・Ｐ_Ｎ・ｓｉｎ（δ_Ｎ＋１８０−θ）＝Ｌ・Ｐ_Ｎ・ｓｉｎ（１８０＋δ_Ｎ＋−θ）＝Ｌ・Ｐ_Ｎ・ｓｉｎ（−（θ−δ_Ｎ−１８０））
＝−Ｌ・Ｐ_Ｎ・ｓｉｎ（θ−δ_Ｎ−１８０）
＝Ｌ・Ｐ_Ｎ・ｓｉｎ（θ−δ_Ｎ）
である。

また、ドライブ側のペダル８の水平分力Ｐ_ＤＨは
Ｐ_ＤＨ＝Ｐ_Ｄ・ｓｉｎδ_Ｄ
非ドライブ側のペダル８の水平分力Ｐ_ＮＨは
Ｐ_ＮＨ＝Ｐ_Ｎ・ｓｉｎδ_Ｎ
である。

チェーン１５の張力に対する歪み検出センサ２４を取り付けている右側の軸受２６に作用する水平分力の割合であるチェーン張力比率（チェーン張力に対する歪み検出センサ２４の検出値の誤差比率）εは、以下のような式となる。ここで、標準的な自転車の寸法として、歪み検出センサ２４の設置角をα度、歪み検出センサ２４の検出荷重をＰ_Ａ（Ｎｍ）、チェーン１５の張力をＰ_Ｃ（Ｎｍ）、駆動スプロケット１３の直径Ｄ＝０．１３３ｍ、クランク軸７ａの軸受２５、２６間距離Ｌ_Ｏ＝８４．３ｍｍ、チェーン１５と右側の軸受２６との間の距離Ｌ_Ｃ＝１６．１ｍｍ、右側のペダル８と右側の軸受２６との間の距離Ｌ_Ｒ＝１２３．３ｍｍ、左側のペダル８と左側の軸受２５との間の距離Ｌ_Ｌ＝１１１．６ｍｍとする（図７参照）。また、ε’_ＬＡは右側の軸受２６に作用する左側のペダル８が駆動側ペダルである時の誤差、ε”_ＲＡは右側の軸受２６に作用する右側のペダル８が駆動側ペダルである時の誤差である。
（式１）
ε’_ＬＡ＝Ｐ’_ＡＳ／Ｐ_Ｃ
＝｛２．９５・Ｐ_Ｄ・ｓｉｎ（θ＋δ_Ｄ）・ｃｏｓα−２．９５・Ｐ_Ｎ・ｓｉｎ（θ−δ_Ｎ）・ｃｏｓα＋２．４６・Ｐ_Ｎ・ｓｉｎ（δ_Ｎ＋α）＋１．３２・Ｐ_Ｄ・ｓｉｎ（δ_Ｄ−α）｝／｛（２Ｌ／Ｄ）・｛Ｐ_Ｄ・ｓｉｎ（θ＋δ_Ｄ）−Ｐ_Ｎ・ｓｉｎ（θ−δ_Ｎ）｝
であり、
（式２）
ε”_ＲＡ＝Ｐ”_ＡＳ／Ｐ_Ｃ
＝｛２．９５・Ｐ_Ｄ・ｓｉｎ（θ＋δ_Ｄ）・ｃｏｓα−２．９５・Ｐ_Ｎ・ｓｉｎ（θ−δ_Ｎ）・ｃｏｓα−２．４６・Ｐ_Ｄ・ｓｉｎ（δ_Ｄ−α）−１．３２・Ｐ_Ｎ・ｓｉｎ（δ_Ｎ＋α）｝／｛（２Ｌ／Ｄ）・｛Ｐ_Ｄ・ｓｉｎ（θ＋δ_Ｄ）−Ｐ_Ｎ・ｓｉｎ（θ−δ_Ｎ）｝
である。

図８〜図１３はそれぞれ、前記式１、式２に基づく、クランク角に対するチェーン張力比率を示す図であり、図８は歪み検出センサ２４の設置角αが０度の場合、図９〜図１３は、順に、設置角αが５度、１０度、１２．５度、１５度、２０度の場合を示す。なお、これらの図は、ドライブ側のペダル８に、非ドライブ側のペダル８への荷重の５倍の荷重が作用している場合の値を示している。

図８に示すように、歪み検出センサ２４の設置角αが０度の場合、ペダル８の傾斜角δが０度である場合（すなわち、水平線に沿った前後方向の力が作用しない場合）には、クランク角θが約１０度以上の範囲では、チェーン張力比率が、チェーン１５の実際の引張り力の１．１９倍に近い一定値（以下、比率基準とも称し、この値は、チェーン１５と左側の軸受２５との間の距離／軸受２５、２６間の距離、すなわち、（Ｌ_Ｃ＋Ｌ_Ｏ）／Ｌ_Ｏである）となり、歪み検出センサ２４によりチェーン１５の実際の引張り力を誤差無く安定して測定することができる。しかしながら、ペダル８の傾斜角δが増加するにつれて、チェーン張力比率が前記比率基準から大きく乖離してしまう。また、図９〜図１３に示すように、歪み検出センサ２４の設置角αが大きくなるにつれて、ペダル８の傾斜角δが大きい場合のチェーン張力比率εが、前記比率基準に近づく一方で、ペダル８の傾斜角δが小さい場合のチェーン張力比率εが、前記比率基準から離れる。

また、図１４はクランク角θに対するペダル最大角度およびペダル最小角度の関係を概略的に示す図、図１５は、クランク角θが６０度から１２０度である範囲（重点クランク角とも称す）における、歪み検出センサ２４の設置角度αとチェーン張力比率εとの関係を示す図である。上述したように、搭乗者は走行時にクランク軸７ａよりも前方ではペダル８を前上がり状態で踏む場合が多いが、さらに、図１４に示すように、クランク角が小さい場合には、ペダル８上の足と股関節とが近接した位置となっているので、ペダル８の傾斜角（ペダル角とも称す）δが大きくなる傾向がある。一方、クランク角θが大きくなって１８０度に近くなるにつれて（ペダル８が真下に近づくにつれて）、ペダル８上の足と股関節とが離れた位置となるので、ペダル角δが小さくなる傾向がある。また、側面視してペダル８がクランク軸７ａの真上や真下の位置や近傍位置である場合には、足を載せているだけで、力は殆どかけていない場合が多い。したがって実質的には、図１４における四角の枠で囲んだペダル角δおよびクランク角θ（３０度から１５０度）の範囲（実用的範囲）で、歪み検出センサ２４の測定値の信頼性が高くて誤差が小さくなる設置角αのものを使用することが好ましい。さらに、ペダル８には、クランク角θが６０度から１２０度の範囲（重点クランク角）において大きな踏力が負荷される場合が多いので、この範囲で、より信頼性が高くなる設置角αのものを使用することが特に好ましい。

当該電動自転車１が、ペダル角δ（−５度から２５度）およびクランク角θ（３０度から１５０度）の範囲で使用される場合のチェーン張力比率εの範囲を、図８〜図１３において、右（Ｒ）ペダル駆動時と左（Ｌ）ペダル駆動時とで、それぞれ四辺の枠Ａ、Ｂで示し、さらに、これらの枠Ａ、Ｂで囲まれた範囲におけるクランク角θが６０度から１２０度の範囲である場合（重点クランク角とも称す）を矩形枠Ｃで示す。なお、枠Ａは右側のペダル８のクランク角θに対応するチェーン張力比率εの範囲であり、枠Ｂは左側のペダル８のクランク角θに対応するチェーン張力比率の範囲である。クランク角θが６０度から１２０度である範囲（それぞれ矩形枠Ｃで示す）において、図１０、図１５に示すように、歪み検出センサ２４の設置角αが１０度の場合には、チェーン張力比率εが０．９０から１．４７であり、図１１、図１５に示すように、歪み検出センサ２４の設置角αが１２．５度の場合には、チェーン張力比率εが０．９６から１．４５であり、図１２、図１５に示すように、歪み検出センサ２４の設置角αが１５度の場合には、チェーン張力比率εが０．９７から１．５３である。このように、歪み検出センサ２４の設置角αが１０度から１５度、すなわち、１０度以上で１５度以下の場合には、チェーン張力比率εが前記比率基準に近い値となり、特に、設置角αが１２．５度の場合には、チェーン張力比率εが前記比率基準に最も近い値となって、ペダル８の傾斜角δに係る水平分力の影響を最も受け難くなり、信頼性の高い値を測定できる。

これに対して、クランク角θが６０度から１２０度である範囲（それぞれ矩形枠Ｃで示す）において、図８、図１５に示すように、歪み検出センサ２４の設置角αが０度の場合には、チェーン張力比率εが０．７４から１．５０であり、図９、図１５に示すように、歪み検出センサ２４の設置角αが５度の場合にはチェーン張力比率εが０．８２から１．４６であり、図１４、図１５に示すように、歪み検出センサ２４の設置角αが２０度の場合には、チェーン張力比率εが０．８７から１．６３である。このように、歪み検出センサ２４の設置角αが５度や２０度の場合、すなわち、設置角αが１０度より小さい場合や、１５度より大きい場合は、設置角αが１０度から１５度の場合と比べて、何れの場合もチェーン張力比率εが前記比率基準から離れて広範囲にわたるので、ペダル８の傾斜角δに係る水平分力の影響を受け易くなる。ただし、歪み検出センサ２４の設置角αが０度の場合と比較すると、チェーン張力比率εが前記比率基準に近い値となるので、ペダル８の傾斜角δに係る水平分力の影響を受け難くする、すなわち誤差を小さくする作用効果を有することになる。

前記比率基準の値である１．１９は比例定数として換算できるが、チェーン張力比率εの最低値と最高値との間のチェーン張力比率εの変動は、歪み検出センサ２４の検出値の誤差となるため、適切な設定角度とすることで誤差を低減することができる。そして特に、図１５に示すように、歪み検出センサ２４の設置角αが１０度から１５度の場合には、チェーン張力比率εが前記比率基準に近い値となって、ペダル８の傾斜角δに係る水平分力の影響を最も受け難くなり、信頼性の高い値を測定できることがわかる。

また、本発明の実施の形態によれば、チェーンステー２ｅの前端部などのフレーム２に固定されたハンガー部２０内に、クランク軸７ａを回転自在に支持する軸受２６を内装し、ハンガー部２０と軸受２６との間に、軸受２６に後方から当接して弾性変形可能な弾性変形部２３ａを有するセンサ支持部材としてのセンサリング２３を取付け、このセンサリング２３の弾性変形部２３ａに歪み検出センサ２４を取付けている。この構成により、比較的簡単な構成でありながら、チェーン１５を前方に引張る力に対応する力を良好に検出することができる。また、構成が比較的簡単であるので、製造コストの低減化も図ることができる。

また、センサ支持部材としてのセンサリング２３を、前記弾性変形部２３ａが薄肉となるように平面形状に切欠かれたリング形状部品で構成している。これにより、簡単な構成でありながら、センサリング２３に対して上下方向に作用する力（厳密には、弾性変形部２３ａの平面部分に沿う方向への力）を殆ど検出せずに、弾性変形部２３ａの平面部分や歪み検出センサ２４の表面部分にほぼ直交する方向の力だけを感度良く検出できて、チェーン１５を前方に引張る力に対応する力をさらに良好に検出することができる。このように、軸受２６に作用する回転や変動する荷重を一方向成分のみに分離するセンシング機構部品を用いることで、チェーン１５を前方に引張る力に対応する力だけを良好に検出することができる。

なお、上記実施の形態においては、弾性変形部２３ａおよび歪み検出センサ２４を１つだけ設けた場合を述べ、この場合には、製造コストや部品点数の増加を最小限で済ますことができる利点がある。しかし、これに限るものではなく、例えば、左右方向における駆動スプロケット１３が取り付けられた右側の軸受２６だけでなく、左右方向における駆動スプロケット１３が取り付けられていない左側の軸受２５にも同様な構成の弾性変形部２３ａを有するセンサリング２３と歪み検出センサ２４とを設けるなど、弾性変形部２３ａおよび歪み検出センサ２４を複数設けてもよい。この構成によれば、製造コストや部品点数は若干増加するものの、これら複数の弾性変形部２３ａおよび歪み検出センサ２４を用いるとともに、複数の歪み検出センサ２４からの信号に対して演算処理をすることで、チェーン１５を前方に引張る力に対応する力を、より高精度で検出することが可能となる。

また、上記の実施の形態においては、駆動スプロケット１３の上端部分と従動スプロケット１４の上端部分とにわたって架け渡されたチェーン１５の上側部分が、水平線に沿う姿勢で配設されている場合を述べたが、これに限るものではない。すなわち、駆動スプロケット１３に架け渡されたチェーン１５の上側部分が、後方ほど低くなるように傾斜して配設されている場合には、この傾斜して引張る方向と水平線方向との差の傾斜角だけ、歪み検出センサ２４の設置角αが増加するように、歪み検出センサ２４および弾性変形部２３ａを配設する。このように構成することで、チェーン１５の上側部分と、歪み検出センサ２４および弾性変形部２３ａとの相対位置が上記実施の形態と同様になるので、駆動スプロケット１３に対するチェーン１５の架け渡した姿勢に適した位置に歪み検出センサ２４および弾性変形部２３ａを配設することができて、チェーン１５を前方に引張る力に対応する力を良好に検出することができる。なお、駆動スプロケット１３に架け渡されたチェーン１５の上側部分が、後方ほど高くなるように傾斜して配設されている場合には、この傾斜して引張る方向と水平線方向との差の傾斜角だけ、歪み検出センサ２４の設置角αが減少するように、歪み検出センサ２４および弾性変形部２３ａを配設すればよい。すなわち、歪み検出センサ２４および弾性変形部２３ａを、側面視して、駆動スプロケット１３によってチェーン１５の上側部分を前方に引張る方向と平行でクランク軸７ａの軸心７ａ’を通る線よりも設置角αで斜め下方に傾斜した後方位置に配設すればよい。

また、上記の実施の形態では、電動モータ１０が、前輪３の中心部に配設されている金属製のハブ９に内蔵されている場合を示しているが、これに限るものではなく、制御部１１と合わせて、モータ駆動ユニットとして当該電動自転車１の中央下部に配設していてもよい。但し、この場合には、図１６、図１７に示すように、チェーン張力が、搭乗者である人間の踏力による人力駆動力と電動モータによる補助駆動力との合算値となる。そのため、歪み検出センサで計測された値から、電動モータによる補助駆動力を差し引いて、人力駆動力を算出する。なお、図１６は、人力駆動力と補助駆動力とチェーン張力（合計駆動力）との関係を示す図で、図１６において、Ａで示す領域は人力駆動力、Ｂで示す領域は電動モータによる補助駆動力、Ｃで示す線は後輪への出力値（合算値）であるチェーン張力（合計駆動力）を示している。また、図１７は、制御部１１における、人力駆動力に係る人力駆動力を算出する演算処理部を概念的に示すブロック図である。すなわち、図１６に示すように、歪み検出センサ２４によって計測されるチェーン張力（合計駆動力）は、人力駆動力と補助駆動力との合算値であるので、図１７に示すように、歪み検出センサ２４によって計測されるチェーン張力（合計駆動力）から、補助駆動力を減算して人力駆動力を算出する。なお、図１７に示すように、補助駆動力は電動モータ１０の電流値とほぼ比例するので、制御部１１の演算処理部では電動モータ１０の電流値から補助駆動力の値を算出して、前記補助駆動力の値として用いる。これにより、人力駆動力を算出して、制御部は前記人力駆動力に基づいて出力すべき補助駆動力を決定する。

また、上記の実施の形態では、図３に示すように、駆動スプロケット１３が、右のクランクアーム７ｂにおけるクランク軸７ａに嵌まり込んでいる部分を介して、クランク軸７ａと一体的に回転するように取り付けられている場合を述べたが、これに限るものではなく、駆動スプロケット１３がクランク軸７ａに直接取り付けられていてもよい。

また、上記実施の形態では、ペダル８からの踏力を後輪４に伝達する駆動力伝達体として、チェーン１５を用いた場合を述べたが、これに限るものではなく、チェーンに代えて歯付きベルトを用いてもよい。なお、歯付きベルト（駆動力伝達歯付きベルト）を用いた場合には、人力駆動力を出力する人力駆動輪体として、駆動スプロケット１３に代えて駆動歯車を用い、後部輪体として後スプロケット１４に代えて後歯車を用いるとよい。

本発明は、実際に走行する電動自転車に好適に適用できるが、これに限るものではなく、スポーツジムなどに設置される固定されたトレーニング用の電動自転車にも適用することが可能である。

１ 電動自転車
２ フレーム
３ 前輪
４ 後輪
５ ハンドル
７ クランク
７ａ クランク軸
７ｂ クランクアーム
８ ペダル
９ ハブ（後ハブ）
１０ 電動モータ
１１ 制御部
１２ バッテリ
１３ 駆動スプロケット（人力駆動輪体）
１４ 従動スプロケット（後部輪体）
１５ チェーン（駆動力伝達体）
１６ ハブ（前ハブ）
２０ ハンガー部
２２ 制御ユニット
２３ センサリング（センサ支持部材）
２３ａ 弾性変形部
２３ｂ 切欠部
２４ 歪み検出センサ（センサ）
２５、２６ 軸受
２８ 支点軸

Claims (6)

1. 後輪を回転駆動させるためのチェーンなどの駆動力伝達体が、クランク軸と一体的に回転する駆動スプロケットなどの人力駆動輪体と、後輪に取り付けられた従動輪体とにわたって架け渡され、ペダルからの踏力による人力駆動力に基づいて補助駆動力を付加可能に構成された電動自転車において、
   前記人力駆動輪体によって前記駆動力伝達体を前方に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受けて弾性変形する弾性変形部を設け、
   この弾性変形部に、この弾性変形部の弾性変形量から前記人力駆動力を検出する歪み検出センサを取付け、
   前記弾性変形部および歪み検出センサを、側面視して、前記人力駆動輪体によって前記駆動力伝達体を前方に引張る方向と平行でクランク軸の軸心を通る線よりも斜め下方に傾斜した後方位置に配設し、
   フレームに固定されたハンガー部内に、クランク軸を回転自在に支持する軸受を配設し、ハンガー部と軸受との間に、軸受に後方から当接して弾性変形可能な弾性変形部を有するセンサ支持部材を取付け、このセンサ支持部材の弾性変形部に前記歪み検出センサを取付け、
   前記センサ支持部材は、前記弾性変形部が薄肉となるように平面形状に切欠かれたリング形状部品であることを特徴とする電動自転車の人力駆動力検出装置。
2. 前記弾性変形部および歪み検出センサは１つだけ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電動自転車の人力駆動力検出装置。
3. 前記弾性変形部および歪み検出センサは、左右方向における前記人力駆動輪体が取り付けられた側に設けられていることを特徴とする請求項２記載の電動自転車の人力駆動力検出装置。
4. 前記弾性変形部および歪み検出センサが、左右方向における前記人力駆動輪体が取り付けられた側と、左右方向における前記人力駆動輪体が取り付けられていない側との、複数の箇所に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電動自転車の人力駆動力検出装置。
5. 人力駆動輪体に架け渡された駆動力伝達体の上側部分が、後方ほど低くなるように傾斜して配設されている場合には、この傾斜して引張る方向と水平線方向との差の傾斜角だけ、歪み検出センサの設置角が増加するように、歪み検出センサおよび弾性変形部を配設したことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電動自転車の人力駆動力検出装置。
6. 前記歪み検出センサの、前記人力駆動輪体によって前記駆動力伝達体を前方に引張る方向と平行でクランク軸の軸心を通る線からの斜め下方の傾斜角が１０度以上１５度以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電動自転車の人力駆動力検出装置。

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