JP6095446B2 - 電動アシスト自転車 - Google Patents

Description

本発明は、電動アシスト自転車に係り、特に、磁歪センサで検知したペダル踏力に応じてモータによる駆動力補助を行うようにした電動アシスト自転車に関する。

従来から、人力によるペダル踏力に応じてモータによる駆動力補助を行う電動アシスト自転車が知られている。このような電動アシスト自転車では、通常、後輪に駆動力を伝達するドライブチェーンまたはペダルクランク軸に対してモータ駆動力を印加するが、いずれの方式であっても、ペダル踏力の検知はペダルクランク軸の周囲に配設されるトルクセンサによって行われる。このトルクセンサには、トルクを加えられることで発生する歪の変化を磁場の変化に変換する磁歪素子を用いた非接触式の磁歪センサが適用されることが多い。

特許文献１には、モータ駆動力をペダルクランク軸に印加する電動アシスト自転車において、内軸とその外側の中空軸からなる二重構造のペダルクランク軸を有し、中空軸の外周面に磁歪センサの磁歪素子を配設するようにした構造が開示されている。

特許文献１に記載された電動アシスト自転車では、中空軸の一端側の内周部に形成されたスプラインによって中空軸をペダルクランク軸に固定すると共に、中空軸の他端側にワンウェイクラッチを介してモータ駆動力の入力ギヤを取り付けるように構成されている。そして、この入力ギヤに、後輪に駆動力を伝達するドライブチェーンが巻き掛けられるドライブスプロケットが固定されている。

特開２００８−１１４８５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、ペダルクランク軸とドライブスプロケットとの間に、中空軸、ワンウェイクラッチおよび入力ギヤという３つの要素が介在するため構造が複雑になりやすい。また、部品点数が増えることで、部品間の隙間によるガタつきが生じる可能性もある。

また、非接触式の磁歪センサに用いられる磁歪素子には、代表的なものとして、ＳＮＣＭ（ニッケルモリブデン鋼）およびＮｉ−Ｆｅ（パーマロイ）が知られている。このうち、ＳＮＣＭを用いた場合には、トルクの変化に対する磁場の変化が小さい、換言すれば、磁歪素子による磁場の変化を検知するコイルのインピーダンス変化が小さいため、ノイズ源となるインバータやモータが近接配置される場合は、出力信号のＳ／Ｎ比を大きくするための複雑な増幅回路が必要となるという課題があった。

これに対し、Ｎｉ−Ｆｅを用いた場合には、トルク変化に対するコイルのインピーダンス変化が大きいことから複雑な増幅回路が不要になるという利点を有するものの、ペダル踏力の最大値がＮｉ−Ｆｅによるトルク検知に適した領域を超えてしまうため、その超えた領域において正しいペダル踏力の検知が難しくなるという課題があった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、非接触式の磁歪センサによってペダル踏力を正確に検知しつつ構造の簡略化を図ることができる電動アシスト自転車を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、ペダルクランク軸（１４）への入力トルクを検出するペダル踏力センサ（ＳＥ３）と、該ペダル踏力センサ（ＳＥ３）の出力に応じて駆動力の補助を行うモータ（１７）とを有する電動アシスト自転車（１）において、前記ペダルクランク軸（１４）の外周側に配設され、前記ペダルクランク軸（１４）の回転駆動力をワンウェイクラッチ（７８）を介して伝達する中空軸（４２）を具備し、前記ペダル踏力センサ（ＳＥ３）が、前記中空軸（４２）に形成された２つの磁歪膜（１０１，１０２）と、この２つの磁歪膜（１０１，１０２）にそれぞれ対応する２つのコイル（３９，４０）とを含む非接触式の磁歪センサ（３７）であり、前記２つの磁歪膜（１０１，１０２）は、前記中空軸（４２）の外周面を巻回する所定幅の帯状体を互いに重ならないように軸方向に近接配置してなり、前記２つの磁歪膜（１０１，１０２）は、入力トルクがゼロから増加するにつれ前記コイル（３９）のインピーダンス出力が減少する第１磁歪膜（１０１）と、入力トルクがゼロから増加するにつれ前記コイル（４０）のインピーダンス出力が増加した後に極値を持って減少する第２磁歪膜（１０２）とからなり、前記ワンウェイクラッチ（７８）は、前記中空軸（４２）と一体に形成されたクラッチアウタ（４２ｃ）を有し、前記クラッチアウタ（４２ｃ）に近接する側に前記第１磁歪膜（１０１）を配設すると共に、前記クラッチアウタ（４２ｃ）から離間した側に前記第２磁歪膜（１０２）を配設した点に第１の特徴がある。

また、前記２つの磁性膜（１０１，１０２）は、互いに異なる磁気異方性を与えられており、前記入力トルクが、前記２つのコイル（３９，４０）によってそれぞれ検知されるインピーダンス出力の差分に基づいて算出される点に第２の特徴がある。

また、前記ワンウェイクラッチ（７８）が、前記ペダルクランク軸（１４）に一体に設けられるクラッチインナ（１４ａ）と、前記中空軸（４２）に一体に設けられるクラッチアウタ（４２ｃ）と、前記クラッチインナ（１４ａ）から前記クラッチアウタ（４２ｃ）へ駆動力を伝達する爪（７８ａ）とからなる機構である点に第３の特徴がある。

また、前記中空軸（４２）に対して、前記モータ（１７）の駆動力が印加される入力ギヤ（２７）と、ドライブチェーン（２２）を介して後輪（ＷＲ）に駆動力を伝達するためのドライブスプロケット（１５）とが直接固定される点に第４の特徴がある。

また、前記磁歪膜（１０１，１０２）は、前記中空軸（４２）の表面にメッキまたはスパッタリングで付着されたＮｉ−Ｆｅからなる第５の特徴がある。

また、前記中空軸（４２）の車幅方向左端部に前記クラッチアウタ（４２ｃ）が形成されると共に、前記中空軸（４２）の車幅方向右端部に前記ドライブスプロケット（１５）を固定するためのスプライン（４２ａ）が形成され、前記クラッチアウタ（４２ｃ）と前記スプライン（４２ａ）との間に前記磁歪膜（１０１，１０２）が設けられる点に第６の特徴がある。

さらに、前記中空軸（４２）上において、前記磁歪膜（１０１，１０２）と前記ドライブスプロケット（１５）との間に前記モータ（１７）の駆動力が印加される入力ギヤ（２７）が配設されている点に第７の特徴がある。

第１の特徴によれば、前記ペダルクランク軸の外周側に配設され、前記ペダルクランク軸の回転駆動力をワンウェイクラッチを介して伝達する中空軸を具備し、前記ペダル踏力センサが、前記中空軸に形成された２つの磁歪膜と、この２つの磁歪膜にそれぞれ対応する２つのコイルとを含む非接触式の磁歪センサであり、前記２つの磁歪膜は、前記中空軸の外周面を巻回する所定幅の帯状体を互いに重ならないように軸方向に近接配置してなり、前記２つの磁歪膜は、入力トルクがゼロから増加するにつれ前記コイルのインピーダンス出力が減少する第１磁歪膜と、入力トルクがゼロから増加するにつれ前記コイルのインピーダンス出力が増加した後に極値を持って減少する第２磁歪膜とからなり、前記ワンウェイクラッチは、前記中空軸と一体に形成されたクラッチアウタを有し、前記クラッチアウタに近接する側に前記第１磁歪膜を配設すると共に、前記クラッチアウタから離間した側に前記第２磁歪膜を配設したので、ペダルクランク軸の回転駆動力を伝達する中空軸にクラッチアウタを一体に形成することで、動力伝達系の部品点数の低減が図られると共に、部品間の隙間によるガタつきの発生を防ぐことができる。

また、大きなペダル踏力が入力されてワンウェイクラッチに応力が集中し、その影響が中空軸の磁歪膜に及ぶ場合でも、トルク検知の正確性を保つことが可能となる。

第２の特徴によれば、前記２つの磁性膜は、互いに異なる磁気異方性を与えられており、前記入力トルクが、前記２つのコイルによってそれぞれ検知されるインピーダンス出力の差分に基づいて算出されるので、一般的な磁歪センサを用いて、電動アシスト自転車のアシスト駆動ユニットの構造を簡略化することができる。

第３の特徴によれば、前記ワンウェイクラッチが、前記ペダルクランク軸に一体に設けられるクラッチインナと、前記中空軸に一体に設けられるクラッチアウタと、前記クラッチインナから前記クラッチアウタへ駆動力を伝達する爪とからなる機構であるので、簡素な構造で、部品点数、コストを低減することができる。

第４の特徴によれば、前記中空軸に対して、前記モータの駆動力が印加される入力ギヤと、ドライブチェーンを介して後輪に駆動力を伝達するためのドライブスプロケットとが直接固定されるので、複数の部品を支持する機能を中空軸に与えることで、部品点数を低減すると共に、部品同士の間の隙間によるガタつきを防ぐことが可能となる。

第５の特徴によれば、前記磁歪膜は、前記中空軸の表面にメッキまたはスパッタリングで付着されたＮｉ−Ｆｅからなるので、一般的な磁歪素子として知られるＳＮＣＭに比して大きなインピーダンス変化を検知できるため、複雑な増幅回路を不要とし、構成の簡略化を図ることが可能となる。

第６の特徴によれば、前記中空軸の車幅方向左端部に前記クラッチアウタが形成されると共に、前記中空軸の車幅方向右端部に前記ドライブスプロケットを固定するためのスプラインが形成され、前記クラッチアウタと前記スプラインとの間に前記磁歪膜が設けられるので、通常の自転車と同様に、車幅方向右側にドライブスプロケットが露出する外観を得ながら、クラッチアウタとドライブスプロケットとの間のスペースを有効利用して磁歪膜の磁場の変化を検知するコイルを配設することが可能となる。これにより、アシスト駆動ユニットの小型化を図ることができる。

第７の特徴によれば、前記中空軸上において、前記磁歪膜と前記ドライブスプロケットとの間に前記モータの駆動力が印加される入力ギヤが配設されているので、駆動力伝達経路における磁歪センサの下流側に入力ギヤが配設されることで、モータによる補助力に起因して磁歪センサ出力に影響を与えることを防ぐことができる。また、スペースを利用して入力ギヤを取り付けることで、アシスト駆動ユニットの小型化が可能となる。

本発明の一実施形態に係る電動アシスト自転車の左側面図である。 電動アシスト自転車の要部を示す左側面図である。 電動アシスト自転車の要部を示す右側面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 アシスト／回生制御を実行するモータ制御部およびその周辺の構成を示すブロック図である。 中空軸の左側面図である。 図６のＢ−Ｂ線断面図である。 乗員がペダルを踏んでクランク軸を正転させた際の中空軸の応力解析図である。 磁歪センサの出力概念図である。 インピーダンス出力と歪との関係図である（本願発明）。 インピーダンス出力と歪との関係図である（本願発明と異なる配置）。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電動アシスト自転車１の左側面図である。図２は、図１の電動アシスト自転車１の要部を示す左側面図であり、図３は同右側面図であり、図４は図３のＡ−Ａ線断面図である。

電動アシスト自転車１は、車体前方に位置するヘッドパイプ３と、該ヘッドパイプ３から後方かつ下方に延びるダウンフレーム２と、ダウンフレーム２の後端から上方に立ち上がるシートパイプ６とを備える。ヘッドパイプ３には、下方に延びるフロントフォーク５が操舵可能に接続されており、このフロントフォーク５の下端に前輪ＷＦが軸支されている。ヘッドパイプ３の上端にはハンドル４が設けられており、ハンドル４の両端には、前後輪のブレーキレバー４４が左右一対で取り付けられている。ブレーキレバー４４の支持部には、ブレーキ操作を検知するためのブレーキスイッチＳＷが設けられている。

ダウンフレーム２の後端には、後方に延びるリヤフォーク１１が配設されており、このリヤフォーク１１の後端に後輪ＷＲが軸支されている。また、シートパイプ６の上部とリヤフォーク１１の後部との間には、左右一対のステー１０が配設されている。

ダウンフレーム２およびリヤフォーク１１は、アシスト駆動ユニット２４を支持している。シートパイプ６には、シート７の上下位置を調整可能とするシートポスト８が支持されている。シートパイプ６の後方には、アシスト駆動ユニット２４に電力を供給するバッテリ９が、シートパイプ６のステー２０に対して着脱可能に取り付けられている。

車幅方向に延びるクランク軸（ペダルクランク軸）１４は、アシスト駆動ユニット２４およびスプロケット（ドライブスプロケット）１５を貫通して配設されている。クランク軸１４の両側には、ペダル１３Ｌを有するクランク１２Ｌと、ペダル１３Ｒを有するクランク１２Ｒとが固定されており、運転者がペダル１３Ｌ，１３Ｒを漕ぐことにより、クランク軸１４に回転トルクが与えられる。

クランク軸１４は、筒状の中空軸４２の内側にワンウェイクラッチ７８（図４参照）を介して回転自在に軸支されており、この中空軸４２の外周側にスプライン係合によってスプロケット１５が固定されている。スプロケット１５の回転は、ドライブチェーン２２を介して後輪ＷＲ側のスプロケット（ドリブンスプロケット）２３に伝達される。

アシスト駆動ユニット２４は、その筐体としてのケース２６の内部に、ブラシレスモータ（以下、単にモータと示すこともある）１７と、モータ１７を駆動させる駆動ドライバ２５と、後述するペダル踏力センサの出力値に基づいて駆動ドライバ２５のＰＷＭ制御を行うコントローラ１６と、モータ１７の駆動軸１８と噛み合って回転する駆動ギヤ３５と、駆動ギヤ３５と一体となって回転する出力軸３３と、出力軸３３と噛み合って回転する入力ギヤ２７とが含まれる。入力ギヤ２７は、スプロケット１５と同様に、クランク軸１４の中空軸４２に対してスプライン係合によって固定されている。出力軸３３は、右側ケース半体２８に固定されたベアリング４８および左側ケース半体２９に固定されたベアリング４９によって回転自在に支持されている。

モータ１７の駆動軸１８には、モータ１７の回転速度を検知するモータ回転速度センサＳＥ１が設けられている。また、前輪ＷＦの車軸には車速センサＳＥ２が設けられており、クランク軸１４には運転者によるペダル踏力を検知するペダル踏力センサＳＥ３が設けられている。モータ回転速度センサＳＥ１は、モータ１７の駆動軸１８の外周部に設けられた磁石および磁石の通過を検知するホールＩＣからなる。また、ペダル踏力センサＳＥ３は、中空軸４２の外周部に配設された非接触式の磁歪センサ３７（図４参照）からなる。なお、車速センサＳＥ２は、後輪ＷＲ等に設けてもよい。

モータ制御部としてのコントローラ１６は、磁歪センサ３７によって検出された回転トルク値に基づいて運転者がペダル１３Ｌ、１３Ｒを鉛直方向に踏む力を算出し、この踏み力と電動アシスト自転車１の車速に応じたアシスト比とによって定められるアシストトルクが発生するように、モータ１７の駆動ドライバ２５をＰＷＭ制御する。

駆動ドライバ２５は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からなる３相のスイッチング素子を有する。コントローラ１６は、所定のデューティ比でＵＶＷ相の各スイッチング素子をオン・オフ制御することで駆動ドライバ２５をＰＷＭ制御する。駆動ドライバ２５は、このＰＷＭ制御によりバッテリ９の直流電力を３相交流電力に変換して、モータ１７のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各ステータコイルに通電する。

モータ１７が発生したアシストトルクは、駆動軸１８および駆動ギヤ３５を介して出力軸３３に伝達される。出力軸３３に伝達されたアシストトルクは、入力ギヤ２７を介してクランク軸１４の中空軸４２に伝達される。これにより、運転者がクランク軸１４に与えた回転トルクおよびモータ１７が与えたアシストトルクの合力が、チェーン２２を介して後輪側のスプロケット２３に伝達されることとなる。

磁歪センサ３７は、中空軸４２の外周面に設けられた磁歪素子による磁歪膜１０１，１０２と、磁歪膜１０１，１０２の外側に配置された円環状のコイル３９，４０とによって構成されている。コイル３９，４０は、それぞれ、磁歪膜１０１，１０２に対して所定の隙間を有するように支持部材３６によってケース２６に固定されている。

乗員のペダル踏力によって中空軸４２にねじりトルクが印加されると、磁歪膜１０１，１０２が歪むことで透磁率が変化し、これがコイル３９，４０のインピーダンス変化として検知される。コイル３９，４０からの出力信号はコントローラ１６に伝達され、両コイルの出力信号の差分から、ペダル踏力によるトルク値が算出される。

図５は、アシスト／回生制御を実行するモータ制御部およびその周辺の構成を示すブロック図である。モータ制御部（コントローラ）１６には、モータ回転数センサＳＥ１（ホールＩＣおよび磁石）、車速センサＳＥ２、ペダル踏力センサＳＥ３（磁歪センサ３７）からのセンサ情報およびブレーキスイッチＳＷからの情報がそれぞれ入力される。モータ制御部１６は、これらの情報に基づいて、モータ１７を発動機として駆動してアシストトルクを与える一方、モータ１７を発電機として駆動して回生発電し、この発電によりバッテリ９を充電する制御を実行できるように構成されている。

モータ制御部１６には、勾配推定手段８０、状態判定手段８１およびタイマ８２が含まれている。勾配推定手段８０は、各センサ情報に基づいて、電動アシスト自転車１が走行中の路面の勾配度合いを推定する機能を有する。また、状態判定手段８１は、各センサ情報およびブレーキ情報に基づいて、モータ１７の制御状態を判定する機能を有する。タイマ８２は、各種時間を計測するものであり、例えば、モータ回転速度センサＳＥ１を構成するホールＩＣから出力されるパルサ信号情報に基づいてモータ１７の回転速度を算出するための時間情報を得ることができる。

図４のアシスト駆動ユニットの断面図を参照して、モータ１７は、円周方向に交互に配置された例えば８個のＮ極およびＳ極の永久磁石を有するロータ３２と、該ロータ３２の外周部を覆うように径方向で対向配置され、ロータ３２を回転させる回転磁界を発生する３相のステータ巻線を有する例えば１２個のステータ３０とを備える。駆動軸１８はロータ３２に固定され、これと一体に回転する。

アシスト駆動ユニット２４は、ワンウェイクラッチ７８の作用によって、ペダル１３Ｌ，１３Ｒを前進方向に漕いだ場合にはスプロケット１５を回転させ、ペダル１３Ｌ，１３Ｒを逆方向に漕いだ場合にはスプロケット１５を回転させない機構を有する。

ワンウェイクラッチ７８は、クランク軸１４と、クランク軸１４の外周に挿嵌される中空軸４２との間に設けられている。クランク軸１４の図示左端側は、ベアリング３８によってケース２６の左側ケース半体２９に軸支されている。中空軸４２の図示右端側は、ベアリング４３によってケース２６の右側ケース半体２８に軸支されている。中空軸４２の右端側の外周部には、スプロケット１５を固定するためのスプラインが形成されている。

前進方向（正転方向）にペダル１３Ｌ，１３Ｒが漕がれると、クランク軸１４が回転すると共に、ワンウェイクラッチ７８が係合してクランク軸１４と中空軸４２とが一体的に回転する。一方、逆転方向にペダル１３Ｌ，１３Ｒが漕がれると、クランク軸１４は回転するが、ワンウェイクラッチ７８が空転して中空軸４２は回転しない。

また、モータ１７の駆動軸１８と出力軸３３との間は、常時動力が伝達されるように構成されており、後輪ＷＲの回転によってスプロケット１５が従動回転される場合は、モータ１７は従動回転するものの、この従動回転による動力はペダル１３Ｌ，１３Ｒに伝わらないこととなる。これにより、制動時、下り坂および平坦な路面を惰性走行する際等に、モータ１７を発電機として作動させて回生発電を実行することが可能となる。

なお、モータ１７による回生発電を行わない場合は、ドリブンスプロケット２３側にもワンウェイクラッチを設けて、従動回転力がドライブチェーン２２に伝達されないように構成することができる。

モータ１７の回転速度を検出するモータ回転速度センサＳＥ１は、モータ１７の駆動軸１８に固定された磁石と、この磁石の通過状態を検出するホールＩＣとから構成されている。モータ１７を保護するカバー６０は、モータ１７の外周に沿って配設される複数のボルト３４によってケース２６に取り付けられている。モータ１７の駆動軸１８は、ロータ３２の左右の位置で、モータカバー６０に固定されるベアリング５７および左側ケース半体２９に固定されるベアリング５０によって回転自在に軸支されている。

モータ１７は、クランク軸１４の車体前方かつ下方で磁歪センサ３７と区画された空間に収納配置されている。駆動ドライバ２５およびコントローラ１６は、磁歪センサ３７の車体下方でケース２６の壁面に固定されている。

図６の中空軸４２の正面図を併せて参照する。本実施形態に係る中空軸４２は、磁歪膜１０１，１０２が形成されたトルク検知体として機能するだけでなく、軸方向に長い一体形状とすることで、ドライブスプロケット１５を固定する機能、入力ギヤ２７を固定する機能、さらに、ワンウェイクラッチ７８のアウタケースとしての機能を併せ持つ。これにより、前記した従来技術のように、クランク軸からドライブスプロケットまでの間に、中空軸、ワンウェイクラッチおよび入力ギヤが直列的に連結された構造に対して、部品点数を減らすと共に構造の簡略化を可能としている。

より詳しくは、円筒状の本体部４２ｂには、メッキやスパッタリング法で形成されたＮｉ−Ｆｅによる磁歪膜１０１，１０２が、それぞれ、所定幅を有する帯状をなして形成されている。隣接する２つの磁歪膜１０１，１０２には、互いに異なった異方性が与えられており、コントローラ１６はコイル３９，４０のインピーダンス出力の差分値に基づいてトルクを算出する。本体部４２ｂの図示右端側には、スプロケット１５が係合されるスプライン４２ａが形成されており、本体部４２ｂの図示左端部には、ワンウェイクラッチ７８のクラッチアウタ４２ｃが形成されている。

図７は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。本実施形態では、ワンウェイクラッチ７８として２枚爪式のラチェット機構が適用されている。ラチェット機構としてのワンウェイクラッチ７８は、クランク軸１４に一体成型されたクラッチインナ１４ａと、クラッチインナ１４ａに対して揺動可能に支持された２枚のラチェット爪７８ａと、中空軸４２に一体成型されたクラッチアウタ４２ｃとから構成されている。２枚のラチェット爪７８ａは、それぞれ、コイルばね等の弾発部材（不図示）によって径方向外側に揺動されるように付勢されており、クラッチアウタ４２ｃの内周部に形成された溝７８ｂに係合するように構成されている。

図８は、電動アシスト自転車１の乗員がペダルを踏んでクランク軸１４を正転（電動アシスト自転車１の前進方向）させた際の中空軸４２の応力解析図である。この図では、色が濃くなるほど大きな歪が生じていることを示している。

乗員がペダルを踏んでクランク軸１４を正転させると、ラチェット機構が係合して中空軸４２が供回りする。クラッチインナ１４ａからクラッチアウタ４２ｃに伝達される駆動力は、溝７８ｂに係合する２枚のラチェット爪７８ａによって行われるので、クラッチアウタ４２ｃの側壁の２か所に応力が集中する。このとき、本実施形態の例では、クラッチアウタ４２ｃに生じる歪の影響が、クラッチインナ収納部４２ｄの壁部分のみならず、本体部４２ｂの磁歪膜１０１にまで及んでいる（Ｂ矢視部）。すなわち、この程度の歪が部品の作動状態等に影響を与えることはないものの、中空軸４２の端部にクラッチアウタ４２ｃを一体化することで、部品点数の低減という効果が得られる一方、磁歪センサ３７の出力値が影響を受ける可能性があることとなる。

ところで、磁歪センサは、入力トルクによって磁歪膜に発生する歪の変化量をインピーダンスの変化量に変換している。この歪は、単一の磁歪膜におけるいずれの箇所においても均一であることが理想的である。しかしながら、図８を用いて説明したように、磁歪膜がクラッチアウタが一体に形成されている中空軸に形成されており、ペダル踏力が大きい場合には、２つの磁歪膜１０１，１０２のうち、クラッチアウタ４２ｃに近い側の磁歪膜１０１にクラッチインナのラチェット爪の影響により、発生する歪にムラが大きく生じてしまう。そして、発生する歪の平均よりも大きい歪が発生している箇所（図８に示す色の濃い部分）が、極値を持つ磁歪膜上にある場合、その箇所に対応するインピーダンスの変化が線形性を保つことができないため、そのインピーダンス出力値の信頼性が欠けることが予想される。

図９は、磁歪センサ３７の出力概念図である。磁気異方性を互いに異ならせたＮｉ−Ｆｅ磁歪膜を用いた磁歪センサは、ニュートラル位置から正転側および逆転側の双方に生じる比較的低いトルクを検知するのに好適とされている。その代表的な用途には、四輪車のパワーステアリング装置において、乗員がステアリングホイールを回動させることでその回転軸に生じるトルクを検知する場合がある。

このとき、トルク検知の基となるステアリングホイールの回転軸に生じる歪が、マイナスＴ１〜プラスＴ１の範囲Ｄに収まるとすると、２つのコイルのインピーダンス出力が共に線形性を保つ範囲で差分値ｄ１を算出することができる。より詳しくは、ステアリングホイールの右回転側を正転とした場合、歪Ｔ１までであれば、右回転の入力トルクの増加に応じて第１コイルの出力が略直線的に減少すると共に第２コイルの出力が略直線的に増加するため、その差分値ｄ１が正確に求められることとなる。

これに対し、同様のＮｉ−Ｆｅ磁歪膜を用いた磁歪センサを、電動アシスト自転車のペダル踏力検知に用いると、その歪の想定幅は、ゼロ〜プラスＴ２の範囲Ｅとなる。これは、電動アシスト自転車においては、後進方向に駆動力がかかることがなく、かつ、前進側では足動による大きなペダル踏力の検知が必要となるためである。

そこで、本発明においては、同軸上に隣接する２つの磁歪膜のうち、歪がゼロから増加するにつれコイルのインピーダンス出力が減少する第１磁歪膜１０１を、クラッチアウタ４２ｃに近接した位置に配設することで、ペダル踏力が大きい状態でも正確なトルク検知ができるようにしている。図１０，１１を参照して詳細を説明する。

図１０，１１は、インピーダンス出力と歪との関係図である。図中の曲線はインピーダンス出力を示し、棒グラフは磁歪膜に生じる歪の分布を示している。図１０は、２つの磁歪膜を本願発明に係る配置とした場合であり、図１１はこれと逆に配置した場合を示している。

前記したように、２つの磁歪膜のうち、クラッチアウタに近接する側の磁歪膜には、ラチェット爪の影響によって歪にムラが生じる。図中の棒グラフは歪の分布を示しており、近接側では、離間側に比して歪の分布が左右に大きく広がっていることがわかる。歪の大きさを示すハッチング処理（色の濃さ）は図８の応力解析図に対応している。

このとき、図１１に示すように、入力トルクがゼロから増加するにつれコイルのインピーダンス出力が増加する第２磁歪膜１０２を、クラッチアウタの近接側に配置した場合には、第２コイルのインピーダンス出力が極値を経て減少するところでは歪の影響によりインピーダンスが線形性を保つことができず、正確なトルク検知が難しくなる。

これに対し、本願発明に対応する図１０に示すように、入力トルクがゼロから増加するにつれコイルのインピーダンス出力が減少する第１磁歪膜１０１を、クラッチアウタの近接側に配置した場合には、インピーダンス出力に極値がないためインピーダンス出力の線形性が保たれることとなる。一方、離間側とした第２磁歪膜１０２は、歪の分布がインピーダンスの線形性を保つ領域にあるので、問題が生じることがない。

したがって、上記した磁歪膜の設定に加え、図６に示すコイル３９を第１コイル、コイル４０を第２コイルに設定することにより、図９に示すように、差分ｄ２が算出される領域のみならず、第２コイルのインピーダンス出力が極値を超えている差分ｄ３の領域においても正確なトルク検出が可能となる。

上記したように、本発明に係る電動アシスト自転車によれば、磁歪センサの磁歪膜を設ける中空軸を軸方向に長い一体部品とし、その一端部にラチェット機構のクラッチアウタを形成すると共に、他端側にドライブスプロケットおよびモータ駆動力の入力ギヤを直接取り付けるようにしたうえで、入力トルクがゼロから増加するにつれてコイルのインピーダンス出力が減少する側の第１磁歪膜をクラッチアウタに近い側に配設すると共に、入力トルクがゼロから増加するにつれてコイルのインピーダンス出力が増加する側の第２磁歪膜をクラッチアウタから遠い側に配設したので、大きなペダル踏力によってクラッチアウタに歪が生じた場合でもその影響を受けることがなくなり、これにより、トルク検知の正確性を保ちつつ中空軸の一体化による構造の簡略化を図ることが可能となる。

なお、電動アシスト自転車の態様、アシスト駆動ユニットの構造、磁歪センサの磁歪膜の配置箇所、材質および形成方法、コイルの構造および配置、中空軸の形状や材質、クランク軸の形状や材質、ワンウェイクラッチの構造等は、上記実施形態に限られず、種々の変更が可能である。本発明に係る電動アシスト自転車は、アシスト駆動ユニットを有する三輪自転車や四輪自転車として構成してもよい。

１…電動アシスト自転車、９…バッテリ、１３Ｌ，１３Ｒ…ペダル、１４…クランク軸（ペダルクランク軸）、１４ａ…クラッチインナ、１６…コントローラ（モータ制御部）、１７…モータ、２４…アシスト駆動ユニット、２６…ケース、３９…第１コイル、４０…第２コイル、４２…中空軸、４２ａ…スプライン、４２ｃ…クラッチアウタ、７８…ワンウェイクラッチ（ラチェット機構）、７８ａ…ラチェット爪、８０…勾配推定手段、８１…状態判定手段、８２…タイマ、１０１…第１磁性膜、１０２…第２磁性膜、ＳＥ１…モータ回転速度センサ、ＳＥ２…車速センサ、ＳＥ３…ペダル踏力センサ（磁歪センサ３７）、ＳＷ…ブレーキスイッチ、ＷＦ…前輪、ＷＲ…後輪

Claims (7)

1. ペダルクランク軸（１４）への入力トルクを検出するペダル踏力センサ（ＳＥ３）と、該ペダル踏力センサ（ＳＥ３）の出力に応じて駆動力の補助を行うモータ（１７）とを有する電動アシスト自転車（１）において、
   前記ペダルクランク軸（１４）の外周側に配設され、前記ペダルクランク軸（１４）の回転駆動力をワンウェイクラッチ（７８）を介して伝達する中空軸（４２）を具備し、
   前記ペダル踏力センサ（ＳＥ３）が、前記中空軸（４２）に形成された２つの磁歪膜（１０１，１０２）と、この２つの磁歪膜（１０１，１０２）にそれぞれ対応する２つのコイル（３９，４０）とを含む非接触式の磁歪センサ（３７）であり、
   前記２つの磁歪膜（１０１，１０２）は、前記中空軸（４２）の外周面を巻回する所定幅の帯状体を互いに重ならないように軸方向に近接配置してなり、
   前記２つの磁歪膜（１０１，１０２）は、入力トルクがゼロから増加するにつれ前記コイル（３９）のインピーダンス出力が減少する第１磁歪膜（１０１）と、入力トルクがゼロから増加するにつれ前記コイル（４０）のインピーダンス出力が増加した後に極値を持って減少する第２磁歪膜（１０２）とからなり、
   前記ワンウェイクラッチ（７８）は、前記中空軸（４２）と一体に形成されたクラッチアウタ（４２ｃ）を有し、
   前記クラッチアウタ（４２ｃ）に近接する側に前記第１磁歪膜（１０１）を配設すると共に、前記クラッチアウタ（４２ｃ）から離間した側に前記第２磁歪膜（１０２）を配設したことを特徴とする電動アシスト自転車。
2. 前記２つの磁歪膜（１０１，１０２）は、互いに異なる磁気異方性を与えられており、
   前記入力トルクが、前記２つのコイル（３９，４０）によってそれぞれ検知されるインピーダンス出力の差分に基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の電動アシスト自転車。
3. 前記ワンウェイクラッチ（７８）が、前記ペダルクランク軸（１４）に一体に設けられるクラッチインナ（１４ａ）と、前記中空軸（４２）に一体に設けられるクラッチアウタ（４２ｃ）と、前記クラッチインナ（１４ａ）から前記クラッチアウタ（４２ｃ）へ駆動力を伝達する爪（７８ａ）とからなる機構であることを特徴とする請求項１または２に記載の電動アシスト自転車。
4. 前記中空軸（４２）に対して、前記モータ（１７）の駆動力が印加される入力ギヤ（２７）と、ドライブチェーン（２２）を介して後輪（ＷＲ）に駆動力を伝達するためのドライブスプロケット（１５）とが直接固定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電動アシスト自転車。
5. 前記２つの磁歪膜（１０１，１０２）は、前記中空軸（４２）の表面にメッキまたはスパッタリングで付着されたＮｉ−Ｆｅからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電動アシスト自転車。
6. 前記中空軸（４２）の車幅方向左端部に前記クラッチアウタ（４２ｃ）が形成されると共に、前記中空軸（４２）の車幅方向右端部に前記ドライブスプロケット（１５）を固定するためのスプライン（４２ａ）が形成され、
   前記クラッチアウタ（４２ｃ）と前記スプライン（４２ａ）との間に前記２つの磁歪膜（１０１，１０２）が設けられることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電動アシスト自転車。
7. 前記中空軸（４２）上において、前記２つの磁歪膜（１０１，１０２）と前記ドライブスプロケット（１５）との間に前記モータ（１７）の駆動力が印加される入力ギヤ（２７）が配設されていることを特徴とする請求項６に記載の電動アシスト自転車。