JP5479436B2 - トルク検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動アシスト自転車などで踏力の検出に利用されるトルク検出装置に関するものである。

従来、このような分野の技術として、特開平１０−２３２１７５号公報がある。この公報に記載された電動アシスト自転車は、メインフレームの前部に前輪及びハンドルを備え、後部には駆動輪となる後輪を備えている。メインフレームの略中央には、上端にサドルを装着したシートチューブが配置され、シートチューブの下端には、ペダル機構を枢支する筒状フレームが設けられている。ペダル機構のクランクは、圧縮バネを介してスプロケットに連結され、このスプロケットは、モータ駆動する後輪のスプロケットにチェーンを介して連結されている。具体的に、圧縮バネは、スプロケットに形成された窓孔内に挿入され、圧縮バネの一端は、クランクの軸部に固定された係合板の押し片に支持され、圧縮バネの他端は、窓孔の端部で支持されている。よって、クランクのペダルを踏むと、その踏力は、圧縮バネを介してスプロケットに伝達される。さらに、ペダル機構には、トルク検出装置が装備されている。トルク検出装置は、スプロケットに形成されると共に、周方向で等間隔に形成された外側検出窓を有する外輪と、係合板に形成されると共に、周方向で等間隔に形成された内側検出窓を有する内輪と、対向して配置された外輪と内輪との間に配置されたマグネットと、内輪を挟んでマグネットに対向して配置された内側ホール素子と、外輪を挟んでマグネットに対向して配置された外側ホール素子と、で構成されている。そして、内輪と外輪に位相のずれが生じたとき、内外２つのホール素子の出力波形にも位相のずれが生じる。出力波形の位相のずれを検出し、トルク検出装置は、位相のずれに応じて補助動力であるモータの制御部に信号を送る。

特開平１０−２３２１７５号公報

しかしながら、前述した従来のトルク検出装置は、内外２つのホール素子と、内外の検出窓とを必要とするので、構造が複雑化して、小型化させ難いといった問題点がある。

本発明は、構造がシンプルでしかも小型化させ易いトルク検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、主回転部材と、主回転部材に弾性部材を介して連結された従回転部材と、を有する回転体の主回転部材に加わるトルクを検出するトルク検出装置において、
周方向にＳ極とＮ極とが交互に着磁された環状のマグネットと、
マグネットのＳ極にそれぞれ対峙して環状に配列された第１の被磁化部と、第１の被磁化部のそれぞれを連結するように環状に形成された第１の環状プレートと、を有する第１のヨークと、
マグネットのＮ極にそれぞれ対峙して環状に配列された第２の被磁化部と、第２の被磁化部のそれぞれを連結するように環状に形成され、第１の環状プレートに対面して配置された第２の環状プレートと、を有する第２のヨークと、
第１の環状プレートと第２の環状プレートとの間に配置されて磁気量を検知する磁気センサと、を備え、
マグネットは、回転体における主回転部材と従回転部材との何れか一方に固定され、第１及び第２のヨークは、回転体における他方に固定され、磁気センサは、非回転部材に固定されることを特徴とする。

このトルク検出装置においては、回転体にマグネットと第１のヨークと第２のヨークとが固定され、回転体は、主回転部材と従回転部材とを弾性部材を介して連結されたものであり、主回転部材と従回転部材との位相差を磁気センサで検出する。回転体に加わるトルク変動を検出するにあたって、トルク検出装置が複雑な構造であればあるほど壊れ易くなる。よって、トルク検出装置は、構造がシンプルであることが重要である。特に自転車は小型軽量化が求められているので、トルク検出装置も、小型軽量化されることが望まれる。そこで、このような目的を達成するために、本発明のトルク検出装置は、環状のマグネットと第１の環状のヨークと第２の環状のヨークと磁気センサとで構成され、環状のマグネットには、周方向にＳ極とＮ極とが交互に着磁され、第１のヨークは、マグネットのＳ極にそれぞれ対峙して環状に配列された第１の被磁化部と、第１の被磁化部のそれぞれを連結するように環状に形成された第１の環状プレートとを有し、第２のヨークは、マグネットのＮ極にそれぞれ対峙して環状に配列された第２の被磁化部と、第２の被磁化部のそれぞれを連結するように環状に形成され、第１の環状プレートに対面して配置された第２の環状プレートと、を有し、磁気センサは、第１の環状プレートと第２の環状プレートとの間に配置されている。従って、本発明のトルク検出装置では、磁気センサ及びマグネットが１個であっても、主回転部材に加わるトルクの変動を確実に検出することができ、これによって、トルク検出装置を、シンプルな構造にでき、しかも小型化させ易い。さらには、回転体の回転速度に拘わらず、トルクの変化を確実に検出することができる。

また、マグネットを包囲するように配置されると共に、第１及び第２の被磁化部に当接されて第１及び第２の被磁化部の台座をなす非磁性の環状スペーサを更に備える。
このような構成を採用すると、スペーサによって、第１及び第２のヨークの着座安定化を図ることができる。しかも、第１及び第２の被磁化部とマグネットの表面との間の僅かな隙間を容易に且つ精度良く作り出すことができる。

また、第１の被磁化部と第２の被磁化部は、回転体の回転軸線に対して直交して延在する同一平面状に配列されている。
このような構成を採用すると、被磁化部のフラット化を図ることができ、これによって、マグネットと被磁化部とを等間隔で離間させることができるので、均一な磁性を第１及び第２の環状プレート上に作り出すことができる。従って、回転体のどの位置であっても、第１の環状プレートと第２の環状プレートとの間に配置されている磁気センサによって、確実且つ精度良く変動トルクを検出することができる。

また、第１及び第２の被磁化部は、回転体の回転軸線に対して略直交する方向で歯状に形成され、第１及び第２の環状プレートの曲面部は、第１及び第２の被磁化部に対して略直角に配置されている。
このような構成を採用すると、第１及び第２のヨークの小径化が可能になる。

また、第１及び第２の被磁化部は、回転体の回転軸線に対して略直交する方向で歯状に形成され、第１及び第２の環状プレートの平面部は、回転軸線に対して略直角に配置されている。
このような構成を採用すると、第１及び第２のヨークの扁平薄型化が可能になる。

本発明によれば、構造がシンプルでしかも小型化させ易い。

本発明に係るトルク検出装置の一実施形態を示す分解斜視図である。 自転車に組み込まれたトルク検出装置を示す平面図である。 図２の断面図である。 第１のヨークの平面図である。 図４の断面図である。 第２のヨークの平面図である。 図６の断面図である。 スペーサの平面図である。 図８の断面図である。 マグネットとヨークの関係を示す平面図である。 マグネットと第１の被磁化部と第２の被磁化部との関係を模式的に示す図である。 他の変形例に係る第１及び第２のヨークを示す斜視図である。 図１２に示された第１のヨークと第２のヨークとが組み付けられた状態を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るトルク検出装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１に示されるトルク検出装置１は、電動および電動アシスト自転車に適用され、電動アシスト自転車は、サドルが取り付けられるメインフレームを有し、このメインフレームの前部には、モータで駆動可能とされる前輪及びハンドルが取り付けられ、後部には後輪が取り付けられている。メインフレームの略中央には、前側のスプロケット１１が回転自在に取り付けられ、前側のスプロケット１１と後側のスプロケットは、チェーンにより連結され、モータにより、ペダル２の踏力をアシストしている。

ペダル２により回転するスプロケット１１は、回転体１０の一部としてクランク４に連結されている。回転体１０は、チェーンに噛合されるスプロケット（従回転部材）１１と、クランク４が固定されると共にスプロケット１１の中央開口１１ａ内に挿入される円筒状のボス部１２ａを有する円板（主回転部材）１２と、スプロケット１１と円板１２とを連結する弾性部材としての圧縮コイルバネ１３と、からなる。

スプロケット１１には、中央開口１１ａを囲むように４個のバネ挿入孔１１ｂが形成されている。円板１２には、スプロケット１１の平面に対して摺接するフランジ部１２ｂが設けられ、このフランジ部１２ｂには、バネ挿入孔１１ｂ内に挿入されるバネ受け部１２ｃが設けられている。そして、圧縮コイルバネ１３の一端には、バネ挿入孔１１ｂの端に形成された凸部１１ｃが挿入され、圧縮コイルバネ１３の他端には、バネ受け部１２ｃに形成された凸部１２ｄが挿入され、これによって、圧縮コイルバネ１３がバネ挿入孔１１ｂから脱落するのを防止している。

このような回転体１０では、ペダル２の踏力によって円板１２が回転し、この円板１２の回転力は圧縮コイルバネ１３を介してスプロケット１１に伝達される。そして、円板１２に伝達された踏力のトルク変動を検出するためのトルク検出装置１が回転体１０に取り付けられている。

トルク検出装置１は、周方向にＳ極とＮ極とが交互に着磁された環状のマグネット２１（図１０参照）と、マグネット２１のＳ極に隙間をもってそれぞれ対峙して環状に配列された歯状の第１の被磁化部２２ａと、第１の被磁化部２２ａのそれぞれを連結するように環状に形成された第１の環状プレート２２ｂと、を有する第１のヨーク２２と、マグネット２１のＮ極に隙間をもってそれぞれ対峙して環状に配列された歯状の第２の被磁化部２３ａと、第２の被磁化部２３ａのそれぞれを連結するように環状に形成され、第１の環状プレート２２ｂに対面して配置された第２の環状プレート２３ｂと、を有する第２のヨーク２３と、第１の環状プレート２２ｂと第２の環状プレート２３ｂとの間に配置されて磁気量を検知するホール素子としての磁気センサ２４と、を備えている。

図１〜図５に示されるように、第１のヨーク２２において、第１の被磁化部２２ａは、回転体１０の回転軸線Ｌに対して略直交する方向で台形の歯状に等間隔で形成されている。第１の環状プレート２２ｂは、各第１の被磁化部２２ａの基端を連結するように環状に形成され、第１の環状プレート２２ｂの曲面部は、第１の被磁化部２２ａに対して略直角に配置されている。そして、第１の環状プレート２２ｂの基端には、各第１の被磁化部２２ａの間に切欠き部２２ｃが形成され、この切欠き部２２ｃ内に第２のヨーク２３の第２の被磁化部２３ａが隙間をもって挿入されている。

図１〜図３及び図６、図７に示されるように、第２のヨーク２３において、第２の被磁化部２３ａは、回転体１０の回転軸線Ｌに対して略直交する方向で台形の歯状に等間隔で形成されている。第２の環状プレート２３ｂは、各第２の被磁化部２３ａの基端を連結するように環状に形成された環状の拡大部２３ｃに接合されている。そして、第２の環状プレート２３ｂの曲面部は、第２の被磁化部２３ａに対して略直角に配置されていると共に、第１の環状プレート２２ｂの外側に配置されている。

各第１及び第２の被磁化部２２ａ，２３ａは、図８及び図９に示される環状の非磁性（例えばアルミニウム）の環状スペーサ２７上に配列される。この環状スペーサ２７は、環状のマグネット２１を包囲するように配置されると共に、第１及び第２の被磁化部２２ａ，２３ａに当接されて第１及び第２の被磁化部２２ａ，２３ａの台座として利用される。スペーサ２７の採用によって、第１及び第２のヨーク２２，２３の着座安定化を図ることができる。しかも、スペーサ２７の肉厚は、マグネット２１の肉厚より僅かに大きくなっているので、肉厚の差分をもって、第１及び第２の被磁化部２２ａ，２３ａとマグネット２１の表面との間に僅かな隙間を容易に且つ精度良く作り出すことができる。

さらに、図１０に示されるように、第１の被磁化部２２ａと第２の被磁化部２３ａは、スペーサ２７によって、回転体１０の回転軸線Ｌに対して直交して延在する同一平面上に配列させられている。そして、各第１の被磁化部２２ａは、マグネット２１のＳ極に対して隙間をもってそれぞれ対峙させられ、各第２の被磁化部２３ａは、マグネット２１のＮ極に対して隙間をもってそれぞれ対峙させられ、これによって、第１の環状プレート２２ｂは全周にわたってＳ極になり、第２の環状プレート２３ｂも全周にわたってＮ極になる。

スペーサ２７を採用すると、被磁化部２２ａ，２３ａのフラット化を容易に図ることができ、これによって、マグネット２１と被磁化部２２ａ，２３ａとを等間隔で離間させることができるので、均一な磁性を第１及び第２の環状プレート２２ｂ，２３ｂ上に作り出すことができる。従って、回転体１０のどの位置であっても、第１の環状プレート２２ｂと第２の環状プレート２３ｂとの間に配置されているホール素子２４によって、確実且つ精度良く変動トルクを検出することができる。

図１〜図３に示されるように、マグネット２１は、接着剤をもって円板１２のボス部１２ａに固定されている。第１及び第２のヨーク２２，２３は、第１及び第２の被磁化部２２ａ，２３ａに形成されたビス挿入孔２２ｄ，２３ｄ（図４及び図６参照）を貫通するビス２５，２６によって非磁性のスペーサ２７に固定され、スペーサ２７は、スプロケット１１に接着剤をもって固定されている。アルミ等の非磁性体からなるスペーサ２７には、位置決め凸部２７ａ（図８及び図９参照）が設けられ、この位置決め凸部２７ａは、スプロケット１１に形成された位置決め凹部１１ｄ内に挿入され、スペーサ２７の取り付け作業の効率化を図っている。

また、第１の環状プレート２２ｂと第２の環状プレート２３ｂとの間に配置されるホール素子２４は回路基板２８に固定され、この回路基板２８は、図示しないチェーンカバー、メインフレーム等の非回転部材に固定される。そして、回路基板２８からモータ制御部まで配線されている。

図１１（ａ）に示されるように、自転車の定速走行中にあって、各第１の被磁化部２２ａは、マグネット２１のＳ極に対峙させられ、各第２の被磁化部２３ａは、マグネット２１のＮ極に対峙させられた状態になっている。この状態からペダル２を踏んで自転車を加速させると、図１１（ｂ）に示されるように、マグネット２１が矢印Ａ方向に移動する。このとき、ホール素子２４を通過する磁界の方向や磁束量に変化が生じ、その変化をホール素子２４により電気信号に変換し、この電気信号がモータの制御部に送られ、電気信号に応じてモータの出力を増加させる。なお、自転車の走行開始時においても同様のことが言える。

前述したトルク検出装置１においては、回転体１０にマグネット２１と第１のヨーク２２と第２のヨーク２３とが固定され、回転体１０は、円板（主回転部材）１２とスプロケット（従回転部材）１１とを圧縮コイルバネ１３を介して連結されたものであり、主回転部材１２と従回転部材１１との位相差を磁気センサとしてのホール素子２４で検出する。回転体１０に加わるトルク変動を検出するにあたって、トルク検出装置１が複雑な構造であればあるほど壊れ易くなる。よって、トルク検出装置１は、構造がシンプルであることが重要である。さらに、自転車は小型軽量化が求められているので、トルク検出装置１も、小型軽量化されることが望まれる。

そこで、このような目的を達成するために、前述したトルク検出装置１は、環状のマグネット２１と第１の環状のヨーク２２と第２の環状のヨーク２３と磁気センサ２４とで構成され、環状のマグネット２１には、周方向にＳ極とＮ極とが交互に着磁され、第１のヨーク２２は、マグネット２１のＳ極にそれぞれ対峙して環状に配列された歯状の第１の被磁化部２２ａと、第１の被磁化部２２ａのそれぞれを連結するように環状に形成された第１の環状プレート２２ｂとを有し、第２のヨーク２３は、マグネット２１のＮ極にそれぞれ対峙して環状に配列された歯状の第２の被磁化部２３ａと、第２の被磁化部２３ａのそれぞれを連結するように環状に形成され、第１の環状プレート２２ｂに対面して配置された第２の環状プレート２３ｂと、を有し、磁気センサ２４は、第１の環状プレート２２ｂと第２の環状プレート２３ｂとの間に配置されている。

従って、トルク検出装置１では、ホール素子２４及びマグネット２１が１個であっても、円板（主回転部材）１２に加わるトルクの変動を確実に検出することができ、これによって、トルク検出装置１を、シンプルな構造にでき、しかも小型化させ易い。さらには、回転体１０の回転速度に拘わらず、トルクの変化を確実に検出することができる。

本発明は、前述した実施形態に限定されないことは言うまでもない。

例えば、図１２及び図１３に示されるように、第１のヨーク３２において、第１の被磁化部３２ａは、回転体１０の回転軸線Ｌに対して略直交する方向で台形の歯状に形成されている。各第１の被磁化部３２ａは、環状の連結プレート３２ｃの一端に接合され、この連結プレート３２ｃは、第１の被磁化部３２ａに対して直角に配置されている。この連結プレート３２ｃの他端には、回転軸線Ｌに対して略直角をなす第１の環状プレート３２ｂが接合されている。

第２のヨーク３３において、第２の被磁化部３３ａは、回転体１０の回転軸線Ｌに対して略直交する方向で台形の歯状に形成されている。各第２の被磁化部３３ａの基端は、回転軸線Ｌに対して略直角をなす第２の環状プレート３３ｂが接合されている。このような形状の第１及び第２のヨーク３２，３３を採用すると、第１及び第２のヨーク３２，３３の扁平薄型化が可能になる。

回転体１０のうち、スプロケット（従回転部材）１１にマグネット２１を固定させ、円板（主回転部材）１２に第１及び第２のヨーク２２，３２，２３，３３を固定させても、初期の目的を達成することができる。

磁気センサとしては、ホール素子でなくともＭＲセンサであってもよい。

本発明に係るトルク検出装置は、電動および電動アシスト自転車以外であっても適用可能である。

上記実施形態に係る電動および電動アシスト自転車では、前輪をモータにより駆動可能としたが、後輪をモータにより駆動可能としてもよい。

１…トルク検出装置 １０…回転体 １１…スプロケット（従回転部材） １２…円板（主回転部材） １３…圧縮コイルバネ（弾性部材） ２１…マグネット ２２，３２…第１のヨーク ２２ａ，３２ａ…第１の被磁化部 ２２ｂ，３２ｂ…第１の環状プレート ２３，３３…第２のヨーク ２３ａ，３３ａ…第２の被磁化部 ２３ｂ，３３ｂ…第２の環状プレート ２４…ホール素子（磁気センサ） ２７…スペーサ Ｌ…回転軸線

Claims (5)

1. 主回転部材と、前記主回転部材に弾性部材を介して連結された従回転部材と、を有する回転体の前記主回転部材に加わるトルクを検出するトルク検出装置において、
   周方向にＳ極とＮ極とが交互に着磁された環状のマグネットと、
   前記マグネットの前記Ｓ極にそれぞれ対峙して環状に配列された歯状の第１の被磁化部と、前記第１の被磁化部のそれぞれを連結するように環状に形成された第１の環状プレートと、を有する第１のヨークと、
   前記マグネットの前記Ｎ極にそれぞれ対峙して環状に配列された歯状の第２の被磁化部と、前記第２の被磁化部のそれぞれを連結するように環状に形成され、前記第１の環状プレートに対面して配置された第２の環状プレートと、を有する第２のヨークと、
   前記第１の環状プレートと前記第２の環状プレートとの間に配置されて磁気量を検知する磁気センサと、を備え、
   前記第１の被磁化部の歯の間に前記第２の被磁化部の歯が配置され、
   前記マグネットは、前記回転体における前記主回転部材と前記従回転部材との何れか一方に固定され、前記第１及び第２のヨークは、前記回転体における他方に固定され、前記磁気センサは、非回転部材に固定されることを特徴とするトルク検出装置。
2. 前記マグネットを包囲するように配置されると共に、前記第１及び第２の被磁化部に当接されて前記第１及び第２の被磁化部の台座をなす非磁性の環状スペーサを更に備えたことを特徴とする請求項１記載のトルク検出装置。
3. 前記第１の被磁化部と前記第２の被磁化部は、前記回転体の回転軸線に対して直交して延在する同一平面状に配列されていることを特徴とする請求項１又は２記載のトルク検出装置。
4. 前記第１及び第２の被磁化部は、前記回転体の回転軸線に対して略直交する方向で歯状に形成され、前記第１及び第２の環状プレートの曲面部は、前記第１及び第２の被磁化部に対して略直角に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のトルク検出装置。
5. 前記第１及び第２の被磁化部は、前記回転体の回転軸線に対して略直交する方向で歯状に形成され、前記第１及び第２の環状プレートの平面部は、前記回転軸線に対して略直角に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のトルク検出装置。

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