JP5203939B2 - トルク検出装置及び電動アシスト自転車 - Google Patents

Description

本発明は、一方向クラッチを利用したトルク検出装置、及び、該トルク検出装置を組み込んだ電動アシスト自転車に関する。

電動アシスト自転車において、一方向クラッチそれ自体に踏力を検出するための機構を組み込んだ技術が開発された。
この技術によれば、図８に示すように、電動アシスト自転車のスプロケット２は、ラチェットギアを介してドライブシャフト４に軸支される。このラチェットギアは、図９に示すように、主要な構成要素として、相対する駒部１００及び歯部１１２を備える。

駒部１００の裏面１０１からは円筒部１０３が延在している。この円筒部１０３の中央部も駒部ボア１０６によって貫通される。この裏面１０１には、円筒部１０３の外周囲に円状溝１５５（図８）が形成され、該円状溝１５５の中には、多数の鋼球１５２（図８）が回転自在に嵌め込まれている。これによって、裏面１０１には、軸方向の荷重受け兼滑り軸受け用のベアリングが形成される。

皿バネ１２４が、その中心孔１２７に円筒部１０３を通して駒部１００の裏面１０１に当接される。このとき、皿バネ１２４は、駒部１００からの圧力に弾力で対抗する方向に鋼球１５２即ち荷重受けベアリングを介して裏面１０１に滑動可能に接する。皿バネ１２４の表面には、１８０度の位置関係で対向する２個所に、歪みゲージ１２６が設置される。これらの歪みゲージ１２６は、リード線１２８を介してコントローラ１４に電気的に接続される。

駒部ボア１０６の内壁には、軸方向５に延びる第１の回転防止用溝１０８が形成されている。駒部ボア１０６の内壁と摺接するドライブシャフト４の外壁部分にも、第１の回転防止用溝１０８と対面するように軸方向５に延びる第２の回転防止用溝１４０が４個所に形成されている。各々の円柱溝の中には、これを埋めるように多数の鋼球１５０が収容される。これによって、駒部１００は、ドライブシャフト４の軸方向５に沿って摩擦抵抗最小で移動できると共に、ドライブシャフト４に対する相対回転が防止され、ドライブシャフト４と共に回転する。

駒部１００には、その周方向に沿って等角度毎に３つの剛性のラチェット駒１０２が、第２の係合面１１０側に配置されている。ラチェット駒１０２は、旋回自在に構成され、第２の係合面１１０に対する角度を変えることができる。ラチェット駒１０２は、外力が作用していないとき、その長さ方向が第２の係合面１１０に対して所定の角度をなすように、バネ棒１０４によって、僅かな弾性力を及ぼされている。

歯部１１２の第１の係合面１２１には、ラチェット駒１０２と係合するための複数のラチェット歯１１４が形成されている。ラチェット歯１１４は、歯部の周方向に沿って互い違いに周期的に形成された、第１の係合面１２１に対してより急な斜面１１８と、より緩やかな斜面１１６と、から構成される。歯部１１２は、ラチェット駒１０２とラチェット歯１１２とが係合された状態でドライブシャフト４に軸支されている。

ドライブシャフト４が、トルク伝達可能な一方向に回転されると、駒部１００が一緒に回転し、ラチェット駒１０２は、ラチェット歯１１４のより急な斜面１１８に当接して係止される。これによって、駒部１００の回転は、歯部１１２に伝達される。このときラチェット駒１０２は、第２の係合面１１０に対する角度を増大させるように旋回するため、駒部１００は、回転しながら、ドライブシャフト４の軸方向に沿って歯部１１２から離れるように摺動する。摺動する駒部１００は、鋼球ベアリング１５２を介して、回転していない皿バネ１２４を押圧する。皿バネ１２４は、駒部１００に弾性力を与えて抵抗する。力が釣り合ったときの皿バネ１２４の弾性力は、駒部１００を摺動させようとした力、即ちドライブシャフト４に加えられたトルク（踏力）を反映する。このようにして、皿バネ１２４の歪み量を歪みゲージ１２６により検出することにより、踏力を検知することができる。

一方、ドライブシャフト４が、上記一方向とは反対の方向に回転されると、ラチェット駒１０２は、ラチェット歯１１４のより緩やかな斜面１１６に当接するため係止されない。従って、駒部１００から歯部１１２へとトルクは伝達されず、皿バネ１２４の弾性力により、駒部１００は軸方向に沿って元の位置へと戻る。

以上のように、平面ラチェットセンサーは、固定側の皿バネ１２４上を平面ラチェットに内蔵されている鋼球ベアリング１５２で押し付け、皿ばね１２４の歪み量に基づいて踏力を検知している。

上記技術によれば、ラチェットギアとトルク検出装置とを一つの機構で実現したので、部品点数の削減化が図られ、小型、軽量化及び低コストを達成できる。更には、自転車を電動アシスト化する際に通常の自転車の車体の改造が少なくなるか、又は、全く改造が必要で無くなるという大きな利点を奏する。
ＷＯ００／０７５００６

しかしながら、上記従来の技術では、固定側の皿バネを押し付けながら鋼球部が回転するので、皿バネの磨耗や回転抵抗などが発生するという問題がある。
本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、上記従来技術の効果を維持しつつ、一方向クラッチの部品の磨耗や回転抵抗を少なくした、トルク検出装置及び電動アシスト自転車を提供することを、その目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電動アシスト自転車は、ドライブシャフトに作用するペダル踏力に応じて補助動力を付加するものであり、ドライブシャフトの一方向の回転のみを駆動輪に伝達するように該ドライブシャフトに連結された一方向クラッチ手段と、一方向クラッチ手段内部又は該一方向クラッチ手段に近接した位置に配置された磁石と、ペダル踏力に応じた一方向クラッチ手段の変形によって磁石の磁場が変化する位置に配置された磁場検出手段と、該磁場検出手段により検出された磁場に基づいて補助動力を制御する制御手段と、を有して構成したものである。

本発明によれば、自転車の運転者がペダルを踏むと、ペダル踏力がドライブシャフトに作用する。ペダル踏力はドライブシャフトを介して一方向クラッチ手段に伝達し、最終的に駆動輪に伝達される。このとき、一方向クラッチ手段は、ペダル踏力に応じて変形する。例えば、一方向クラッチ手段内部に磁石が取り付けられている場合、一方向クラッチ手段の変形によって磁石の位置等が変化すれば、磁場検出手段により検出される磁場は、変化する。また、一方向クラッチ手段に近接して磁石が取り付けられている場合でも、一方向クラッチ手段の変形によって磁石の磁力線に影響が与えられる場合には、磁場検出手段により検出される磁場は、変化する。よって、この磁場は、一方向クラッチ手段の変形の度合い、即ち、ペダル踏力に関連しているため、検出磁場に基づいて、ペダル踏力を推定することができる。このようにして制御手段は、ペダル踏力に応じた一方向クラッチ手段の変形によってその値を変化させる磁石の磁場に基づいて補助動力を制御することができる。

本発明によれば、皿バネの歪みを検出することによりペダル踏力を求める上記従来技術に比べて、一方向クラッチの部品の磨耗や回転抵抗を大幅に少なくさせる一方向クラッチ手段の設計が可能となる。例えば、従来技術では、皿バネに歪みセンサーを取り付けていたため、皿バネを固定側に取り付ける必要があったが、皿バネに接触する部品とが一緒に回転するように一方向クラッチ手段を構成することが可能となる。

本発明の好ましい態様によれば、一方向クラッチ手段は、ドライブシャフトの軸方向に沿って隣接して配置された少なくとも２つの部品と、例えば皿バネ、コイルスプリング又はゴム等の弾性手段と、を有し、２つの部品は、一方向の回転時には互いに係合して弾性手段の弾性力により対抗されながら軸方向の部品間隔を増加させ、一方向とは反対方向の回転時には係合が解除されて軸方向の部品間隔を減少させ、磁場の変化は、部品間隔の増減によりもたらされる。更に好ましくは、２つの部品のうちいずれか一方の部品は、軸方向に沿って摺動可能で且つ該ドライブシャフトに対する相対回転が防止されるように該ドライブシャフトに取り付けられ、他方の部品は、駆動輪にトルク伝達可能に連結され、一方の部品には、他方の部品とは反対側に、該一方の部品と共に回転可能に弾性手段が当接される。この態様によれば、弾性手段が、一方の部品と共に回転可能に当接されるため、即ち、固定側と回転側の接触部が無いため、弾性手段による回転抵抗及び弾性手段の磨耗を無くすことができる。

上記態様において、磁石の第１の取り付け態様では、摺動するいずれか一方の部品に磁石が装着される。好ましくは、磁石は、リング状に形成され、ドライブシャフトと同心に、摺動するいずれか一方の部品に取り付けられている。磁石の第１の取り付け態様によれば、加えられたペダル踏力に応じて、磁石を装着させた一方の部品が軸方向に位置を変えるため、固定側の位置における磁場は変化する。従って、磁場検出手段を固定側に取り付ければ、検出された磁場に基づいて一方の部品の軸方向位置即ちペダル踏力を求めることができる。

磁石の第２の取り付け態様では、摺動するいずれか一方の部品に、磁性体又は反磁性体が取り付けられ、磁石は、所定位置に配置され、該所定位置に対して上記いずれか一方の部品が移動する。好ましくは、磁性体又は反磁性体は、リング状に形成され、ドライブシャフトと同心に、摺動するいずれか一方の部品に取り付けられている。磁石の第２の取り付け態様によれば、加えられたペダル踏力に応じて、磁性体又は反磁性体を装着させた一方の部品が軸方向に位置を変えるため、例えば車体フレームの固定位置等の所定位置に取り付けられている磁石の磁場の分布は、磁性体又は反磁性体の影響により変化する。従って、検出された磁場に基づいて磁性体又は反磁性体を装着させた一方の部品の軸方向位置即ちペダル踏力を求めることができる。好ましくは、磁場検出手段は、磁石に近接した位置に配置されている。

好ましい態様の磁場検出手段は、少なくとも１箇所の所定位置に配置され、該所定位置に対して前記いずれか一方の部品が移動する。より好ましくは、磁場検出手段は、シャフトの軸線に対して垂直な平面内で、少なくとも２箇所の所定位置に各々配置され、制御手段は、磁場検出手段の各々の検出信号の平均に基づいてペダル踏力を演算する。ここで、検出信号の平均演算には、通常の意味の平均の他、検出信号の総和演算も含まれている。最も好ましくは、磁場検出手段は、前記シャフトの軸線に対して垂直な平面内で、少なくとも３箇所の所定位置に各々配置され、該少なくとも３箇所の所定位置は、シャフトの軸線に対して垂直な平面内で、該軸線から径方向に略等距離で、且つ、周方向に略等間隔に位置している。これによって、一方向クラッチの部品が揺れることによる磁石の軸方向位置のばらつきを相殺し、正確に踏力を検出することができる。

好ましい態様の上記２つの部品は、複数のラチェット歯が第１の係合面に形成された歯部と、複数のラチェット駒が第２の係合面に形成された駒部と、であり、歯部及び駒部は、第１及び第２の係合面が軸方向に略垂直に対面するように配置されると共に、複数のラチェット歯は、歯部の周方向に沿って互い違いに第１の係合面上に周期的に形成された、該第１の係合面に対してより急な斜面と、より緩やかな斜面と、から構成され、ラチェット駒は、その長さ方向が第２の係合面に対して所定の角度をなした方向を中心として弾性的に回動可能であり、ドライブシャフトが一方向に回転するとき、ラチェット駒は、回動しながらより急な斜面に当接して駒部及び歯部の間の相対回転を係止させ、ドライブシャフトが一方向とは逆に回転するとき、ラチェット駒は、より緩やかな斜面に当接して相対回転を可能とさせる。

本発明の更なる態様は、補助動力を発生するための電動手段と、スプロケットに同軸に固定された動力伝達ギアと、を備え、前記動力伝達ギアと、前記電動手段の出力ギアと、を噛み合わせることによって、前記補助動力を踏力に並列に付加するための合力手段が構成され、前記一方向クラッチ手段の前記他方の部品は、前記動力伝達ギアの板面に形成されている。

上記態様によれば、動力伝達ギアが、一方向クラッチ手段と、補助動力を踏力に並列に付加するための合力手段と、踏力検出手段との構成部品を兼ねるため、電動アシスト自転車において、部品点数を少なくして構造を簡素化すると共に、軸方向の省スペース化を図ることができる。

上記態様において、好ましくは、前記動力伝達ギアには、該ギアの一方の板面側に円周等分に配置された複数の永久磁石が固着され、前記電動アシスト自転車は、前記動力伝達ギアの前記一方の板面側に隣接して車体に対して固定された磁場検出手段と、前記磁場検出手段からの磁場パルス信号をカウントするカウント手段と、を備え、前記カウント手段によりカウントされた磁場パルス信号のカウント値に基づいて車体速度を検出する。これによって、動力伝達ギアが、更に車体速度検出手段の構成部品も兼ねることができる。

本発明は、トルク検出装置としても実現することができる。本発明に係るトルク検出装置は、シャフトの一方向の回転のみを伝達する一方向クラッチ手段と、該一方向クラッチ手段内部又は該一方向クラッチ手段に近接した位置に配置された磁石と、シャフトに作用するトルクに応じた一方向クラッチ手段の変形によって磁石の磁場が変化する位置に配置された磁場検出手段と、該磁場検出手段により検出された磁場に基づいてトルクを演算する演算手段と、を有して構成したものである。

本発明のトルク検出装置の他の態様は、上記電動アシスト自転車の他の態様と同様に構成することができる。

図１は、本発明の実施例に係る電動アシスト自転車の概略図である。 図２は、図１に示す電動アシスト自転車の制御系を示す概略図である。 図３は、図１に示す電動アシスト自転車で使用される、本発明の実施例に係るトルク検出機構を組み込んだ一方向クラッチの側面図である。 図４は、一方向クラッチの駒部及び該駒部で使用されるバネ棒の構成を示す図であって、（ａ）は、バネ棒が取り付けられた状態の駒部の斜視図、（ｂ）は、バネ棒を取り外した状態の駒部の斜視図、（ｃ）は、バネ棒の側面図である。 図５は、図１に示す電動アシスト自転車の踏力検出の原理を説明するため一方向クラッチ（ラチェットギア）の歯及び駒の嵌合状態を示す図である。 図６は、ドライブシャフトに対する駒部の相対回転を防止する回転防止手段の例を示す図であり、（ａ）はボールスプライン、（ｂ）はスプラインキー、（ｃ）はキー溝の概略構成を示す上面図である。 図７は、本発明の実施例に係る合力機構で用いられる動力伝達ギアの正面図及び側面図である。 図８は、従来技術のトルク検出機構を組み込んだ一方向クラッチの側面図である。 図９は、図８に示された従来技術の一方向クラッチ（ラチェットギア）及びトルク検出装置の分解斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。なお、これらの図面中に示された実施例に係る構成要素において、従来技術に関する図８及び図９に示す構成要素と同様の構成要素については、従来技術の構成要素と同様の参照番号を附すことにする。

図１には、電動アシスト自転車１の概略が示されている。同図に示すように、この電動アシスト自転車１の主要な骨格部分は、通常の自転車と同様に、金属管製の車体フレーム３から構成され、該車体フレーム３には、前輪２０、後輪２２、ハンドル１６、及びサドル１８などが周知の態様で取り付けられている。

また、車体フレーム３の中央下部には、ドライブシャフト４が回転自在に軸支され、その左右両端部には、クランク棒６Ｌ、６Ｒを介してペダル８Ｌ、８Ｒが各々取り付けられている。このドライブシャフト４には、車体の前進方向に相当するＲ方向の回転のみを伝達するための一方向クラッチ（後述する図３の９９）を介して、スプロケット２が同軸に取り付けられている。このスプロケット２と、後輪２２の中央部に設けられた後輪動力機構１０との間には無端回動のチェーン１２が張設されている。

電動アシスト自転車１には、補助電動力を発生する電動アシストユニット１１が取り付けられている。補助電動力は、図示しない合力機構を用いて駆動輪２２に伝達される。
電動アシストユニット１１に収容された電動アシスト自転車１の制御系の概略が図２に示されている。電動アシスト自転車１の制御系は、該自転車全体の電子的処理を一括して制御する１個のマイクロコンピュータ１４と、ＰＷＭ制御可能な電動モーター３７と、マイクロコンピュータ１４に直接接続され、その制御信号の電力を増幅する増幅回路１５と、を備える。増幅回路１５には、電動モーター３７に電源供給するバッテリー１７（ユニット１１の外部）が接続されている。また、電動アシストユニット１１には、モーターの回転速度を減速するための減速ギア等が収容されている。

マイクロコンピュータ１４には、少なくとも走行速度を演算するための回転速度信号、及び、踏力を演算するための磁場信号１、２、３が入力される。これらの入力信号を発生する手段については後述する。マイクロコンピュータ１４は、これらの入力信号から走行速度及び踏力を演算し、所定のアルゴリズムに基づいてアシスト比率（補助電動力／踏力）を決定する電子的処理を行う。次に、マイクロコンピュータ１４は、決定されたアシスト比率に対応する補助動力を発生させるよう電動モーター３７を指令するため、該補助動力に応じたＰＷＭ指令を順次出力する。

以下、本発明の実施例に係る電動アシスト自転車の踏力検出機構、合力機構、並びに、車速の検出機構について各々説明する。
（踏力検出機構）
マイクロコンピュータ１４に入力される磁場信号１、２、３を出力する踏力検出機構を図３乃至図７を用いて説明する。この踏力検出機構は、踏力に応じた一方向クラッチ９９の変形によって変化する磁場を検出する。

図３に示すように、一方向クラッチ９９は、駒部１００及び歯部１１２を備える。
駒部１００は、図４（ａ）に示すように、ドライブ軸４を受け入れるための駒部ボア１０６が中央部に形成された略円盤形状を有し、その周方向に沿って等角度毎に３つの剛性のラチェット駒１０２が、歯部１１２と相対する第２の係合面１１０側に配置されている。駒部１００は、ラチェット駒１０２を各々収容するため、図４（ｂ）に示すように、周方向に沿って３つの凹部１７０が形成される。かくして、ラチェット駒１０２は、凹部１７０にその回転軸部が収容された状態で回動し、この回動に応じてラチェット駒１０２は、第２の係合面１１０に対する角度を変える。

再び図４（ｂ）を参照すると、駒部１００には、各々の凹部１７０に隣接して、バネ棒１０４を収容可能な直線溝１７１が夫々形成されており、３つの直線溝１７１の両端部は、駒部１００の外周エッジまで延在している。図４（ｃ）に示すように、バネ棒１０４は、一方の端部Ａが略垂直に折り曲げられ、他方の端部Ｂがコ字状に曲げられている。バネ棒１０４を駒部１００の直線溝１７１内に取り付ける場合、図４（ｂ）に示すように、バネ棒１０４を直線溝内を摺動させながら、コ字状のＢ部が駒部１００をクリップ状に挟み止めさせるようにするだけで、バネ棒１０４を駒部１００に容易に装着することができる。しかし、このままだと、Ｂ部から引っ張る力によりバネ棒１０４が抜け落ちる可能性があるので、垂直に折れ曲がったＡ部が駒部の側壁と係合することにより、バネ棒の脱落を防止している。従って、本実施形態のバネ棒１０４は、取り付けの容易さ及び抜け防止を両立している。

バネ棒１０４を駒部１００の直線溝１７１に取り付けた場合、ラチェット駒１０２は、外力が作用していないとき、その長さ方向が第２の係合面１１０に対して所定の角度をなす（図５の平衡方向１６０）ように立ち上がる。図５に示すように、ラチェット駒１０２が平衡方向１６０から上昇方向ａ又は下降方向ｂに偏倚するとき、バネ棒１０４は、その偏倚を平衡方向１６０に戻すようにラチェット駒１０２に僅かな弾性力を及ぼす。

駒部ボア１０６の内壁には、軸方向５に延びる第１の回転防止用溝１０８が４個所に形成されている。駒部ボア１０６の内壁と摺接するドライブシャフト４の外壁部分にも、第１の回転防止用溝１０８と対面するように軸方向５に延びる第２の回転防止用溝１４０が４個所に形成されている。図６（ａ）に示すように、第１の回転防止用溝１０８及びこれに対面する第２の回転防止用溝１４０は、軸方向に沿って延びる円柱溝を形成し、各々の円柱溝の中には、これを埋めるように多数の鋼球１５０が収容される。これによって、駒部１００は、軸方向５に沿って摩擦抵抗最小で移動できると共に、ドライブシャフト４に対する相対回転が防止される。これは、一種のボールスプラインであるが、他の形式のボールスプライン、例えば無端回動のボールスプラインなどを、このような摺動可能な回転防止手段として適用することができる。

また、駒部１００のドライブシャフト４への取り付け方法として、図６（ａ）のボールスプライン以外の手段を用いることも可能である。例えば、図６（ｂ）に示すように、軸方向に延びる突起部１４０ａをドライブシャフト４に設け、該突起部１４０ａを収容する第３の回転防止用溝１０８ａを駒部１００に形成する、いわゆるキースプライン形式も回転防止手段として適用可能である。なお、図６（ｂ）において、突起部１４０ａを駒部１００側に、第３の回転防止用溝１０８ａをドライブシャフト４側に設けてもよい。更に、図６（ｃ）に示すように、軸方向に延びる第４の回転防止用溝１０８ｂ及びこれに対面する第５の回転防止用溝１４０ｂを駒部１００及びドライブシャフト４に夫々設け、これらの溝が形成する直方体状の溝の中にキープレートを収容する、いわゆるキー溝形式も回転防止手段として適用可能である。

図３に示されるように、皿バネ１３７が、駒部１００と、ドライブシャフト４に固定された支持ディスク１５１との間に介在されている。皿バネ１３７の両端部は、各々、駒部１００の裏面と支持ディスク１５１とに当接している。従って、皿バネ１３７は、駒部１００の軸方向内側への摺動に対して弾性力で対抗する。

一方、歯部１１２は、図７に示されるように、動力伝達ギア２００の表面である第１の係合面１２１上に形成されている。第１の係合面１２１には、ラチェット駒１０２と係合するための複数のラチェット歯１１４が形成されている。ラチェット歯１１４は、図５に示されるように、歯部の周方向に沿って互い違いに周期的に形成された、第１の係合面１２１に対してより急な斜面１１８と、より緩やかな斜面１１６と、から構成される。歯部１１２は、その第１の係合面１２１を駒部１００の第２の係合面１１０に対面させ、ラチェット駒１０２とラチェット歯１１２とを係合させた状態（図５）で、ドライブシャフト４に摺接可能に軸支される。即ち、ドライブシャフト４は、ラチェット駒１０２とラチェット歯１１２との係合部分を介してのみ歯部１１２と作動的に連結される。

図３に示されるように、歯部１１２を備える動力伝達ギア２００は、固定ピン２０６を用いてスプロケット２と同軸に固定され、更に、ドライブシャフト４の先端にはペダル軸が取り付けられる。かくして、車体前進方向のペダル踏力による回転のみをスプロケット２に伝達するようにドライブシャフト４とスプロケット２とを連結するラチェットギア９９が完成する。

更に、ラチェットギア９９の駒部１００には、ドライブシャフト４及び駒部１００と同心に、リング状に形成された永久磁石１６１が取り付けられている。リング状の永久磁石１６１は、好ましくは、リングの一方の表面がＮ極、反対側の表面がＳ極となるように構成され、永久磁石１６１のリング軸方向とラチェットギア９９の軸方向とが整列するように配列される。

また、磁場を検出するための複数（本実施例では３個）のホール素子１６２が、ドライブシャフト４の軸線に対して垂直な平面内で、３箇所の所定位置に各々配置されている。好ましくは、ホール素子が配置される３箇所の所定位置は、該軸線を中心として径方向に略等距離で周方向に略等角度毎の位置である。更に、ホール素子１６２が配置される所定位置は、リング状永久磁石１６１に近接した車体フレームの固定位置に相当する。これらのホール素子１６２は、マイクロコンピュータ１４（図２）に接続される。３個のホール素子１６２から各々出力された磁場検出信号１、２、３は、上述したように、マイクロコンピュータ１４（図２）に入力される。

代替実施例として、リング状永久磁石１６１の代わりに、鉄等の磁性体からなるリング部材１６３を用いることができる。この場合、磁石１６４を駒部１００が相対的に移動するところの所定位置、例えば、ホール素子１６２に近接した位置に固定する。なお、リング部材１６３の材料は、磁石１６４の磁場を変化させることができる任意の材料、例えば反磁性体から作ることもできる。
（合力機構）
電動アシスト自転車１の合力機構を、図３及び図７を用いて説明する。

図３には、上述されたように固定ピン２０６を用いてスプロケット２に同軸に固定された動力伝達ギア２００が示されている。動力伝達ギア２００は、図７に示すように、外周部に複数の歯２０４が形成されている。

動力伝達ギア２００の歯２０４は、図３に示されるように、電動アシストユニット１１の補助動力出力シャフト２２２の先端に設けられたギア２２０と嵌合する。従って、電動アシストユニット１１から出力された補助動力は、シャフト２２２、ギア２２０を介して動力伝達ギア２００に伝達され、該動力伝達ギア２００からスプロケット２、チェーン１２を介して駆動輪に伝達される。かくして、踏力と補助動力との合力が達成される。動力伝達ギア２００の歯２０４の数は、ギア２２０の歯数よりも多いので、動力伝達ギア２００は、減速ギアとしても機能する。
（車速の検出機構）
電動アシスト自転車１の車速検出機構を、図３及び図７を用いて説明する。

図７に示すように、動力伝達ギア２００の一方の板面側には、１２個の永久磁石２０２が円周１２等分に配置されている。これらの永久磁石２０２は、一方の磁極（Ｎ極又はＳ極）を当該板面の表面に出し、他方の磁極を該表面と反対側に向け、両磁極を結ぶ方向が、ドライブシャフト４の軸方向に整列するように配置されている。板面の表面に出ている磁極は、全て同一に揃えるのが好ましいが、隣接する磁石２０２の磁極が互い違いになるように配置することもできる。

図３を参照すると、磁石２０２が配置された動力伝達ギア２００の板面に隣接して、車体フレームに対して固定された位置にホール素子２１０が配置されている。このホール素子２１０のドライブシャフト４からの径方向距離は、永久磁石２０２のドライブシャフト４からの径方向距離と実質的に同一に設定されている。動力伝達ギア２００は、ペダルの回転と共に回転し、一方、ホール素子２１０は車体に対して静止しているので、ペダルクランク回転によって、ホール素子２１０の検出範囲に永久磁石２０２の磁場が次々横切っていく。従って、ホール素子２１０は、ペダルクランク回転数に応じたパルス数の検出信号を出力する。この磁場パルス信号は、回転速度信号として、マイクロコンピュータ１４（図２）へと入力される。

動力伝達ギア２００は、ペダルクランク及びスプロケット２と一緒に回転するため、動力伝達ギア２００の回転速度は、車速を反映している。かくして、マイクロコンピュータ１４は、単位時間当たりの磁場パルス信号のカウント数から、車速を演算することができる。

以上のように、動力伝達ギア２００は、踏力検出手段を構成する一方向クラッチ９９の歯部１１２、合力機構、合力時の減速ギア、車速の検出機構、並びに、踏力検出機構を一体化した手段として機能している。これにより、電動アシスト自転車１において部品点数の削減、軸方向の省スペース化を図ることができる。

次に、本発明の実施例の作用を説明する。
搭乗者がペダル８Ｒ、８Ｌ（図１）にペダル踏力を与え、ドライブシャフト４を車体前進方向に回転させると、この回転力は、ドライブシャフト４に対し回転不可能且つ摺動可能に軸支された駒部１００に伝達される。このとき、図５に示すように、ラチェット駒１０２は、駒部１００からペダル踏力に対応する力Ｆｄを与えられるので、その先端部は歯部１１２のラチェット歯のより急な斜面１１８に当接し、この力をラチェット歯に伝達しようとする。ラチェット歯部１１２は、スプロケット２に連結されているので、ラチェット駒１０２の先端部は、駆動のための負荷による力Ｆｐをより急な斜面１１８から受ける。その両端部から互いに反対向きの力Ｆｐ及びＦｄを与えられたラチェット駒１０２は、ａ方向に回転して立ち上がる。このとき駒部１００は、ラチェット駒１０２の立ち上がりによって軸方向内側に移動し、駒部１００と支持ディスク１５１との間に介在する皿バネ１３７を押し込む。皿バネ１３７は、これに対抗して弾性力Ｆｒを駒部１００に作用する。この力Ｆｒと、駒部１００を軸方向に移動させるペダル踏力を反映した力とは短時間で釣り合う。かくして、駒部１００の軸方向位置はペダル踏力を反映する物理量となる。

リング状永久磁石を使用した実施例の場合、駒部１００の軸方向位置に応じて、ホール素子１６２により検出される磁場強度は異なっている。即ち、ペダル踏力が増大すると、駒部１００は軸方向内側に摺動し、永久磁石１６１がホール素子１６２に接近するため、ホール素子により検出される磁場強度は増大する。逆に、ペダル踏力が減少すると、駒部１００は軸方向外側に摺動し、永久磁石１６１がホール素子１６２から遠ざかるため、ホール素子により検出される磁場強度は減少する。

マイクロコンピュータ１４は、３個のホール素子１６２により検出された磁場検出信号を平均演算（単なる加算演算を含む）して平均磁場強度を求める。マイクロコンピュータ１４は、磁場強度とペダル踏力を反映する永久磁石１６１の軸方向位置との間の関数関係を表すルックアップテーブルをメモリに格納しており、該テーブルを参照することにより演算した平均磁場強度からペダル踏力Ｔを求める。

このようにマイクロコンピュータ１４は、複数箇所の軸方向の磁場を平均化しているため、ＳＮ比を改善することができるだけでなく、駒部１００の振れに起因する磁場強度のばらつきを相殺することにより、より正確にペダル踏力Ｔを求めることができる。

なお、磁性体又は反磁性体のリング部材１６３を使用した代替実施例の場合、リング部材１６３の軸方向位置に応じて、磁性体又は反磁性体の影響の変化により磁石１６４の磁場分布は変化する。従って、代替実施例においても、検出された磁場強度に基づいて、上述のようにペダル踏力Ｔを求めることができる。

次に、マイクロコンピュータ１４は、求められた踏力Ｔに基づいて印加すべきアシスト用の補助動力Ｔｅを演算し、該補助動力で回転駆動するように電動モーター３７を指令する制御信号を演算出力する。好ましくは、マイクロコンピュータ１４は、回転速度センサー（図示せず）により検出された回転速度信号を車速に変換し、踏力T及び車速の両方に基づいて適切な補助動力Tｅを決定し、該補助動力Ｔｅを発生させるよう電動モーター３７を制御する。

上記した踏力検出機構には以下のような優れた効果がある。
(1) 皿バネ１３７は、ドライブシャフト４に対して相対的に回転しない駒部１００と支持ディスク１５１とに当接しているため、皿バネ１３７もドライブシャフト４、駒部１００及び支持ディスク１５１と共に、回転する。よって、皿バネ１３７と駒部１００との間には摩擦が生じず、回転抵抗も発生しない。
(2) 一方向クラッチと踏力検出機構とを一つの機構で実現したので、部品点数の削減化が図られ、小型、軽量化及び低コストを達成できる。
(3) 踏力を検出する部分を、磁力発生ユニットに対して皿バネに近接して磁場検出センサーを設けたので、皿バネの磨耗や回転抵抗などが発生せず、トルク検出装置の精度を向上させると共に耐久性を向上させることができる。
(4) 上記項目(2)及び(3)に示したように踏力検出機構の小型、軽量化及び簡素化をより高いレベルで達成したので、通常の自転車であっても踏力検出機構を取り付ける可能性が更に広がった。
(5) 上記項目(2)及び(3)で示した理由により、従来機構に比べて、非接触式の磁場強度による踏力検出機構を用いたので、制御の応答性のよいアシストフィーリングを実現できる。
(6) 上記項目(2)及び(3)で示した理由により、従来機構（コイルバネ使用）に比べ、ペダルに無駄な動き（センサーが感知するまで）が無くなり、ペダルを踏み込んだときのフィーリングは、従来機構は踏み込み時に弾力感があったのに対し、上記例では、通常の自転車のフィーリングと同様になった。

以上が本発明の実施例であるが、本発明は、上記例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において任意好適に変更可能である。
例えば、一方向クラッチ９９の駒及び歯のいずれか一方をスプロケットに取り付け、他方をドライブシャフトに取り付けるかは、任意好適に変更可能である。例えば駒部１００をスプロケット側に取り付け、歯部１１２をドライブシャフト４に摺動可能且つ回転不可能に取り付け、歯部１１２によって皿バネ１３７を押し込めるようにしてもよい。

更に、一方向クラッチ９９の変形に対抗して配置される弾性体も任意好適に種類及びその形状を変更可能である。皿バネ以外に例えばコイルスプリング、ゴム等の弾性体などを用いることもできる。また、磁場を検出する手段として、ホール素子を例にしたが、磁場を検出できれば、これに限定されるものではない。

また、磁場検出手段の位置、磁石の形状及びその取り付け位置、並びに、磁性体又は反磁性体の形状及びその取り付け位置も、一方向クラッチの変形によりもたらされる磁場の変化を検出することができる限り、任意好適に変更可能である。また、磁場検出手段、磁石及び磁性体又は反磁性体の数に関しても、上記例に限定されるものではなく、任意好適に変更可能である。

１ 電動アシスト自転車
２ スプロケット
３ フレーム
４ ドライブシャフト
１１ 電動アシストユニット
１２ チェーン
１４ マイクロコンピュータ
１５ 増幅回路
１７ バッテリー
２２ 駆動輪（後輪）
３７ 電動モーター
３７ａ 電動モーターの出力軸
９９ 一方向クラッチ
１００ 駒部
１０２ ラチェット駒
１０８ 第１の回転防止用溝
１１２ 歯部
１１４ ラチェット歯
１３７ 皿バネ
１４０ 第２の回転防止用溝
１５０ 鋼球
１５１ 支持ディスク
１６１ リング状の永久磁石
１６２ ホール素子
１６３ （磁性体又は反磁性体でできた）リング部材
１６４ 永久磁石
２００ 動力伝達ギア
２０２ クランク角度検出用の永久磁石
２０４ 動力伝達ギアの歯部
２０６ 固定ピン
２１０ クランク角度検出用のホール素子
２２０ ギア
２２２ 補助動力の出力シャフト

Claims (28)

1. ドライブシャフトに作用するペダル踏力に応じて補助動力を付加する電動アシスト自転車であって、
   前記ドライブシャフトの一方向の回転のみを駆動輪に伝達するように該ドライブシャフトに連結された一方向クラッチ手段と、
   前記一方向クラッチ手段内部又は該一方向クラッチ手段に近接した位置に配置された磁石と、
   前記ペダル踏力に応じた前記一方向クラッチ手段の変形によって前記磁石の磁場が変化する位置に配置された磁場検出手段と、
   前記磁場検出手段により検出された磁場に基づいて前記補助動力を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記一方向クラッチ手段は、前記ドライブシャフトの軸方向に沿って隣接して配置された少なくとも２つの部品と、弾性手段と、を有し、
   前記２つの部品のうちいずれか一方の部品は、前記軸方向に沿って摺動可能で且つ該ドライブシャフトに対する相対回転が防止されるように該ドライブシャフトに取り付けられ、他方の部品は、前記駆動輪にトルク伝達可能に連結され、前記一方の部品には、他方の部品とは反対側に、該一方の部品と共に回転可能に弾性手段が当接され、
   前記２つの部品は、前記一方向の回転時には互いに係合して前記弾性手段の弾性力により対抗されながら軸方向の部品間隔を増加させ、前記一方向とは反対方向の回転時には係合が解除されて前記軸方向の部品間隔を減少させ、前記磁場の変化は、前記部品間隔の増減によりもたらされる、電動アシスト自転車。
2. 前記磁石は、前記いずれか一方の部品に装着される、請求項１に記載の電動アシスト自転車。
3. 前記磁石は、リング状に形成され、前記ドライブシャフトと同心に前記いずれか一方の部品に取り付けられている、請求項２に記載の電動アシスト自転車。
4. 前記いずれか一方の部品に、磁性体又は反磁性体が取り付けられ、前記磁石は、所定位置に配置され、該所定位置に対して前記いずれか一方の部品が移動する、請求項１に記載の電動アシスト自転車。
5. 前記磁性体又は反磁性体は、リング状に形成され、前記ドライブシャフトと同心に前記いずれか一方の部品に取り付けられている、請求項４に記載の電動アシスト自転車。
6. 前記磁場検出手段は、前記磁石に近接した位置に配置されている、請求項４又は５に記載の電動アシスト自転車。
7. 前記磁場検出手段は、少なくとも１箇所の所定位置に配置され、該所定位置に対して前記いずれか一方の部品が移動する、請求項３乃至６のいずれか１項に記載の電動アシスト自転車。
8. 前記磁場検出手段は、前記ドライブシャフトの軸線に対して垂直な平面内で、少なくとも２箇所の所定位置に各々配置され、前記制御手段は、前記磁場検出手段の各々の検出信号の平均に基づいて前記ペダル踏力を演算する、請求項７に記載の電動アシスト自転車。
9. 前記磁場検出手段は、前記ドライブシャフトの軸線に対して垂直な平面内で、少なくとも３箇所の所定位置に各々配置され、該少なくとも３箇所の所定位置は、前記ドライブシャフトの軸線に対して垂直な平面内で、該軸線から径方向に略等距離で、且つ、周方向に略等間隔に位置している、請求項８に記載の電動アシスト自転車。
10. 前記所定位置は、車体フレームに対して固定された位置である、請求項４乃至９のいずれか１項に記載の電動アシスト自転車。
11. 前記弾性手段は、皿バネ、コイルスプリング、及び、ゴム弾性体のうちいずれかから選択される、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電動アシスト自転車。
12. 前記２つの部品は、複数のラチェット歯が第１の係合面に形成された歯部と、複数のラチェット駒が第２の係合面に形成された駒部と、であり、前記歯部及び前記駒部は、前記第１及び第２の係合面が前記軸方向に略垂直に対面するように配置されると共に、
    前記複数のラチェット歯は、前記歯部の周方向に沿って互い違いに前記第１の係合面上に周期的に形成された、該第１の係合面に対してより急な斜面と、より緩やかな斜面と、から構成され、
    前記ラチェット駒は、その長さ方向が前記第２の係合面に対して所定の角度をなした方向を中心として弾性的に回動可能であり、
    前記ドライブシャフトが前記一方向に回転するとき、前記ラチェット駒は、回動しながら前記より急な斜面に当接して前記駒部及び前記歯部の間の相対回転を係止させ、前記ドライブシャフトが前記一方向とは逆に回転するとき、前記ラチェット駒は、前記より緩やかな斜面に当接して前記相対回転を可能とさせる、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電動アシスト自転車。
13. シャフトの一方向の回転のみを伝達する一方向クラッチ手段と、
    前記一方向クラッチ手段内部又は該一方向クラッチ手段に近接した位置に配置された磁石と、
    前記シャフトに作用するトルクに応じた前記一方向クラッチ手段の変形によって前記磁石の磁場が変化する位置に配置された磁場検出手段と、
    前記磁場検出手段により検出された磁場に基づいて前記トルクを演算する演算手段と、
    を備え、
    前記一方向クラッチ手段は、前記シャフトの軸方向に沿って隣接して配置された少なくとも２つの部品と、弾性手段と、を有し、
    前記２つの部品のうちいずれか一方の部品は、前記軸方向に沿って摺動可能で且つ該シャフトに対する相対回転が防止されるように該シャフトに取り付けられ、他方の部品は、前記シャフトに連結されず、前記一方の部品には、他方の部品とは反対側に、該一方の部品と共に回転可能に弾性手段が当接され、
    前記２つの部品は、前記一方向の回転時には互いに係合して前記弾性手段の弾性力により対抗されながら軸方向の部品間隔を増加させ、前記一方向とは反対方向の回転時には係合が解除されて前記軸方向の部品間隔を減少させ、前記磁場の変化は、前記部品間隔の増減によりもたらされる、トルク検出装置。
14. 前記磁石は、前記いずれか一方の部品に装着される、請求項１３に記載のトルク検出装置。
15. 前記磁石は、リング状に形成され、前記シャフトと同心に前記いずれか一方の部品に取り付けられている、請求項１４に記載のトルク検出装置。
16. 前記いずれか一方の部品に、磁性体又は反磁性体が取り付けられ、前記磁石は、所定位置に配置され、該所定位置に対して前記いずれか一方の部品が移動する、請求項１３に記載のトルク検出装置。
17. 前記磁性体又は反磁性体は、リング状に形成され、前記シャフトと同心に前記いずれか一方の部品に取り付けられている、請求項１６に記載のトルク検出装置。
18. 前記磁場検出手段は、前記磁石に近接した位置に配置されている、請求項１６又は１７に記載のトルク検出装置。
19. 前記磁場検出手段は、少なくとも１箇所の所定位置に配置され、該所定位置に対して前記いずれか一方の部品が移動する、請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載のトルク検出装置。
20. 前記磁場検出手段は、前記シャフトの軸線に対して垂直な平面内で、少なくとも２箇所の所定位置に各々配置され、前記演算手段は、前記磁場検出手段の各々の検出信号の平均に基づいて前記シャフトに作用するトルクを演算する、請求項１９に記載のトルク検出装置。
21. 前記磁場検出手段は、前記シャフトの軸線に対して垂直な平面内で、少なくとも３箇所の所定位置に各々配置され、該少なくとも３箇所の所定位置は、前記シャフトの軸線に対して垂直な平面内で、該軸線から径方向に略等距離で、且つ、周方向に略等間隔に位置している、請求項２０に記載のトルク検出装置。
22. 前記トルク検出装置は電動アシスト自転車に取り付けられるものであり、前記所定位置は、前記電動アシスト自転車の車体フレームに対して固定された位置である、請求項１８乃至２１のいずれか１項に記載のトルク検出装置。
23. 前記弾性手段は、皿バネ、コイルスプリング、及び、ゴム弾性体のうちいずれかから選択される、請求項１３乃至２２のいずれか１項に記載のトルク検出装置。
24. 前記２つの部品は、複数のラチェット歯が第１の係合面に形成された歯部と、複数のラチェット駒が第２の係合面に形成された駒部と、であり、前記歯部及び前記駒部は、前記第１及び第２の係合面が前記軸方向に略垂直に対面するように配置されると共に、
    前記複数のラチェット歯は、前記歯部の周方向に沿って互い違いに前記第１の係合面上に周期的に形成された、該第１の係合面に対してより急な斜面と、より緩やかな斜面と、から構成され、
    前記ラチェット駒は、その長さ方向が前記第２の係合面に対して所定の角度をなした方向を中心として弾性的に回動可能であり、
    前記シャフトが前記一方向に回転するとき、前記ラチェット駒は、回動しながら前記より急な斜面に当接して前記駒部及び前記歯部の間の相対回転を係止させ、前記シャフトが前記一方向とは逆に回転するとき、前記ラチェット駒は、前記より緩やかな斜面に当接して前記相対回転を可能とさせる、請求項１３乃至２３のいずれか１項に記載のトルク検出装置。
25. 補助動力を発生するための電動手段と、
    スプロケットに同軸に固定された動力伝達ギアと、
    を備え、
    前記動力伝達ギアと、前記電動手段の出力ギアと、を噛み合わせることによって、前記補助動力を踏力に並列に付加するための合力手段が構成され、
    前記一方向クラッチ手段の前記他方の部品は、前記動力伝達ギアの板面に形成されている、請求項１に記載の電動アシスト自転車。
26. 前記動力伝達ギアには、該ギアの一方の板面側に円周等分に配置された複数の永久磁石が固着され、
    前記電動アシスト自転車は、
    前記動力伝達ギアの前記一方の板面側に隣接して車体に対して固定された磁場検出手段と、
    前記磁場検出手段からの磁場パルス信号をカウントするカウント手段と、
    を備え、
    前記カウント手段によりカウントされた磁場パルス信号のカウント値に基づいて車体速度を検出する、請求項２５に記載の電動アシスト自転車。
27. 動力を発生する動力手段の出力ギアと噛み合う動力伝達ギアを更に備え、
    前記一方向クラッチ手段の前記他方の部品は、前記動力伝達ギアの板面に形成されている、請求項１３に記載のトルク検出装置。
28. 前記動力伝達ギアには、該ギアの一方の板面側に円周等分に配置された複数の永久磁石が固着され、
    前記トルク検出装置は、
    前記動力伝達ギアの前記一方の板面側に隣接して配置された磁場検出手段と、
    前記磁場検出手段からの磁場パルス信号をカウントするカウント手段と、
    を備え、
    前記カウント手段によりカウントされた磁場パルス信号のカウント値に基づいて前記動力伝達ギアの回転速度を検出する、請求項２７に記載のトルク検出装置。

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