JPH09126917A - トルク及び速度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トルクと速度を同時に高精度に検出すること
ができる構造単純で組立性に優れた安価なトルク及び速
度検出装置を提供すること。 【構成】 トルクを捩れ角に変換するトーションバー
（トルク伝達軸）２９によって連結されたドライブ軸
（第１の回転軸）２４と合力軸（第２の回転軸）２５の
一方（ドライブ軸２４）に円板状基板４８を取り付け、
他方（合力軸２５）にブラシ６８を取り付け、前記基板
４８の両面に導体と抵抗体をそれぞれ取り付けるととも
に、基板４８の一方の面に取り付けられた導体と抵抗体
にハウジング４６側（静止側）に固設されたブラシ６０
〜６３を接触せしめ、同基板４８の他方の面に取り付け
られた導体と抵抗体に前記ブラシ６８を接触せしめてト
ルク及び速度検出装置３０を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転軸に入力され
るトルクと同回転軸の速度を同時に検出することができ
るトルク及び速度検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】補助動力式車両として、人力による駆動
力を電動モータによる補助動力によって補う電動モータ
付自転車が提案され、既に実用に供されている。この電
動モータ付自転車は、人力による駆動系の他に電動モー
タによる駆動系を備え、人力を検知してその大きさに応
じた補助動力を車輪に付与することによってライダーの
肉体的負担を軽減するものである。

【０００３】ところで、斯かる電動モータ付自転車には
クランク軸に入力される人力（トルク）の検出が不可欠
であるが、この人力の検出のために次のような方式が採
用されていた。

【０００４】即ち、クランク軸と合力軸（人力と補助動
力を合力する軸）を同軸に配置し、これらと並列にトル
ク検出軸を配し、クランク軸から合力軸への動力伝達に
遊星ギヤ機構を用い、クランク軸に入力される人力によ
ってサンギヤに発生する反力をカム機構を介して前記ト
ルク検出軸に伝達し、該トルク検出軸の作動角を回転ポ
テンショメータ等で検出することによって人力を検出し
ていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のトルク検出方式にあっては、反力の伝達経路が長い
ために部品点数が増加し、組立工数の増大とコストアッ
プを招くという問題があった。

【０００６】又、多くの構成部品の寸法公差の集積やカ
ム接触部に発生する大きなフリクションのためにトルク
検出精度が悪くなるという問題もあった。

【０００７】更に、速度検出装置はトルク検出装置とは
別に設けられていたため、部品点数や組立工数の増加及
びコストアップを招いていた。

【０００８】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、その目的とする処は、トルクと速度を同時に高精度
に検出することができる構造単純で組立性に優れた安価
なトルク及び速度検出装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、トルクを捩れ角に変換する
トルク伝達軸によって連結された相対回転可能な第１の
回転軸と第２の回転軸の一方に円板状基板を取り付け、
他方にブラシを取り付け、前記基板の両面に導体と抵抗
体をそれぞれ取り付けるとともに、基板の一方の面に取
り付けられた導体と抵抗体に静止側に固設されたブラシ
を接触せしめ、同基板の他方の面に取り付けられた導体
と抵抗体に前記回転軸に取り付けられたブラシを接触せ
しめてトルク及び速度検出装置を構成したことを特徴と
する。

【００１０】従って、請求項１記載の発明によれば、第
１の回転軸に入力されるトルクはトルク伝達軸を介して
第２の回転軸に伝達されるが、その際、トルク伝達軸に
はトルクの大きさに比例した捩れが発生し、このため、
両回転軸にトルクの大きさに比例した相対ズレが発生す
る。

【００１１】而して、一方の回転軸に取り付けられた基
板の一方の面に設けられた抵抗体と他方の回転軸に設け
られたブラシとの間で両回転軸の相対ズレ角に等しい角
度分の相対移動が生じる。又、基板の他方の面に設けら
れた抵抗体と静止側に固設されたブラシとの間では両回
転軸の１回転に対して一定角を周期とする位相差が発生
する。

【００１２】従って、各抵抗体に例えば定電流を流せ
ば、各抵抗体は可変抵抗器として機能し、ブラシの接触
位置によってその抵抗値がリニアに変化するため、各抵
抗体から出力される電圧は第１及び第２の回転軸の相対
ズレ角に比例してリニアに変化し、この電圧の変化を検
出すれば、第１の軸に入力されるトルクを求めることが
できる。又、基板の他方に取り付けられた抵抗体から出
力される電圧は回転軸の１回転に対して周期的に変化す
るため、該電圧変化の単位時間当たりのパルス数をカウ
ントしたり、或は電圧変化の単位時間当たりの変化量
（即ち、変化率）を計測することによって回転軸の回転
速度を検出することができる。

【００１３】よって、本トルク及び速度検出装置は一方
の回転軸に取り付けられた基板と、該基板の両面に取り
付けられた導体と抵抗体及び導体と抵抗体に摺接するブ
ラシとで本来２つの装置であったものを一体化でき、構
造単純に構成されるため、その部品点数が削減されて組
立性向上、コンパクト化及びコストダウンが図られると
ともに、部品の寸法公差の集積や大きなフリクションの
発生を防いで高いトルク検出精度を得ることができる。

【００１４】又、請求項２記載の発明は、請求項１記載
の発明において、前記第１の回転軸と第２の回転軸及び
トルク伝達軸を同軸上に配したことを特徴とする。

【００１５】従って、請求項２記載の発明によれば、当
該トルク及び速度検出装置の更なるコンパクト化が可能
となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００１７】図１は本発明に係るトルク及び速度検出装
置を備える電動モータ付自動車の側面図、図２は同電動
モータ付自転車のパワーユニット部の平断面図、図３は
本発明に係るトルク及び速度検出装置の拡大断面図、図
４は図３のＡ−Ａ線断面図、図５は図３のＢ−Ｂ線断面
図、図６は同トルク及び速度検出装置の基板の両面に設
けられる導体と抵抗体の配置を示す模式的斜視図であ
る。

【００１８】先ず、図１に基づいて電動モータ付自転車
１の概略構成を説明する。

【００１９】図１において、２は車体前方に位置するヘ
ッドパイプであり、該ヘッドパイプ２内にはハンドルス
テム３が回動自在に挿通している。そして、ハンドルス
テム３の上端にはハンドル４が結着され、同ハンドルス
テム３の下端にはフロントフォーク５が結着されてお
り、該フロントフォーク５の下端部には前輪６が回転自
在に軸支されている。

【００２０】又、前記ヘッドパイプ２には略Ｕ字状に折
曲されたメインフレーム７の前端が結着されており、該
メインフレーム７の斜め上方に立設するシートパイプを
兼ねる部分にはシートポスト８を介してシート９が支持
されている。そして、メインフレーム７の前半部の直線
部分上にはバッテリ１０が着脱自在に支持されている。

【００２１】ところで、車体の略中央下部には、パワー
ユニット１１がブラケット１２，１３を介してメインフ
レーム７に支持されている。このパワーユニット１１は
人力による駆動系と電動モータによる駆動系を並設して
構成され、これにはクランク軸１４が回転自在に支承さ
れており、該クランク軸１４の左右両端にはクランク１
５が取り付けられ、各クランク１５の端部にはペダル１
６が回転自在に軸支されている。

【００２２】又、上記パワーユニット１１からは左右一
対のチェーンステイ１７が車体後方に向かって延出して
おり、該チェーンステイ１７の後端部と前記メインフレ
ーム７とは左右一対のシートステイ１８によって連結さ
れている。そして、チェーンステイ１７後端の前記シー
トステイ１８との連結部には後輪１９が回転自在に軸支
されており、後輪１９のハブにはホイールスプロケット
２０が結着されている。

【００２３】ここで、前記パワーユニット１１の構成の
詳細を図２に基づいて説明する。

【００２４】図２に示すパワーユニット１１において、
左右に２分割されたケース２１には前記クランク軸１４
がベアリング２２，２３によって回転自在に支持されて
おり、該クランク軸１４の後方には、左右に２分割され
て横方向に同軸に配された中空のドライブ軸２４と合力
軸２５がベアリング２６，２７によってそれぞれ回転自
在に支承されている。これらのドライブ軸２４と合力軸
２５は互いに相対回転可能であって、図示のようにドラ
イブ軸２４の端部外周に合力軸２５の一端がリミッタ２
８を介して相対回転可能に嵌合されている。尚、リミッ
タ２８はトーションバー２９の捩れ角を規定値（本実施
の形態では２０°）以内に規制するためのものである。
そして、これらのドライブ軸２４と合力軸２５の内部
（中空部）にはトーションバー２９が挿通しており、該
トーションバー２９の一端はドライブ軸２４の外端部に
ピン結合によって結着され、同トーションバー２９の他
端は合力軸２５の外端部に同じくピン結合によって結着
されている。そして、上記ドライブ軸２４と合力軸２５
上には、本発明に係るトルク及び速度検出装置が設けら
れている。

【００２５】而して、上記ドライブ軸２４の外端部外周
には小径の増速ギヤ３１がセレーション結合によって結
着されており、該増速ギヤ３１は、クランク軸１４の一
端外周にワンウェイクラッチ３２を介して支持された大
径の内歯増速ギヤ３３に噛合している。又、合力軸２５
の中間部外周にはワンウェイクラッチ３４を介して大径
の減速ギヤ３５が設けられており、同合力軸２５のケー
ス２１外へ延出する端部外周にはドライブスプロケット
３６がネジ結合によって結着されている。そして、ドラ
イブスプロケット３６と図１に示す前記ホイールスプロ
ケット２０には無端状のチェーン３７が巻装されてい
る。

【００２６】一方、ケース２１には電動モータ３８が横
向きに取り付けられており、該電動モータ３８のモータ
軸３９の一端には小径の減速ギヤ４０が形成されてい
る。そして、この減速ギヤ４０はアイドルギヤ４１に噛
合しており、該アイドルギヤ４１は、ケース２１にベア
リング４２によって回転自在に支承された減速軸４３の
一端にセレーション結合によって結着された大径の減速
ギヤ４４に噛合している。又、減速軸４３の他端には小
径の減速ギヤ４５が一体に形成されており、該減速ギヤ
４５は前記減速ギヤ３５に噛合している。

【００２７】ところで、本実施例においては、ケース２
１内の前記増速ギヤ３３の内側であって、前記クランク
軸１４の周囲に画成された空間Ｓ内には、前記バッテリ
１０から前記電動モータ３８への供給電圧（又は電流）
を制御するためのコントローラ６０が収納されている。

【００２８】ここで、本発明に係る前記トルク及び速度
検出装置３０の構成を図３乃至図６に基づいて説明す
る。

【００２９】図３に示すように、トルク及び速度検出装
置３０は静止側（例えば、ケース２１）に固設された樹
脂製のハウジング４６を有し、該ハウジング４６内には
前記ドライブ軸２４の外周に結着されたスリーブ４７を
介して結着された樹脂製の円板状基板４８と前記合力軸
２５の端部外周に結着された同じく樹脂製のフランジ状
プレート４９が収納されており、これらはハウジング４
６の開口部内周に嵌着されたスナップリング５０によっ
てサブ組時の軸方向位置が決められている。尚、ハウジ
ング４６の外面には、電磁波やノイズによる弊害を避け
るために電磁遮蔽用の導電性塗料が塗布されている。
又、図３に示すように、プレート４９とハウジング４６
の間にはシールリング５１が介設されている。

【００３０】ところで、上記基板４８のハウジング４６
に対向する面（図３の左端面、図６の下側に示す面）に
は、図６に示すように、１つのリング状の抵抗体５２
と、該抵抗体５２の内側に同心状に配されるリング状の
導体５３と、同抵抗体５２の外側に同心状に配される２
つのリング状導体５４，５５が設けられている。そし
て、導体５３と抵抗体５２及び導体５４と抵抗体５２と
は、互いに角度１８０°隔てて相対向する直線状の導体
５６，５７によってそれぞれ電気的に接続されている。
尚、図６では抵抗体５２，５８にはハッチングを付して
いる。

【００３１】他方、基板４８の前記プレート４９に対向
する面（図３の右端面、図６の上側に示す面）には、図
６に示すように、円弧状の抵抗体５８と、これの外側に
配されるリング状の導体５９が設けられている。そし
て、図６に破線にて示すように、抵抗体５８の一端と前
記導体５３とはｃ，ｂ点において、抵抗体５８の他端と
前記導体５４とは点ａ，ｄ点において、導体５９と導体
５５とはｅ，ｆ点においてそれぞれ電気的に接続されて
いる。

【００３２】ところで、ハウジング４６の基板４８に対
向する内面には、図６に示すようにブラシ６０，６１，
６２，６３が取り付けられており、これらのブラシ６０
〜６３はその先端部が前記導体５３、抵抗体５２、導体
５４，５５にそれぞれ接している。尚、各ブラシ６０〜
６３はハウジング４６の外壁に取り付けられた端子６
４，６５，６６，６７を介して前記コントローラ６０
（図２参照）に電気的に接続されている。

【００３３】又、前記プレート４９の基板に対向する面
には、図６に示すように、その先端部が抵抗体５８と導
体５９に接する二股状の一体型ブラシ６８が取り付けら
れている。

【００３４】次に、電動モータ付自転車１の作用を説明
する。

【００３５】ライダーが左右のペダル１６を交互に踏ん
でクランク軸１４を回転駆動すると、クランク軸１４の
回転はワンウェイクラッチ３２、増速ギヤ３３，３１を
経て増速されてドライブ軸２４とトーションバー２９に
伝達され、更に、トーションバー２９から合力軸２５に
伝達される。従って、クランク軸１４に入力される人力
（トルク）はトーションバー２９を介して合力軸２５に
伝達される。

【００３６】他方、電動モータ３８のモータ軸３９の回
転は、減速ギヤ４０、アイドルギヤ４１、減速ギヤ４
４、減速軸４３、減速ギヤ４５，３５及びワンウェイク
ラッチ３４を経て減速されて合力軸２５に伝達され、従
って、電動モータ３８にて発生する補助動力は以上の経
路を経て合力軸２５に伝達される。

【００３７】而して、合力軸２５は人力と補助動力の双
方によって回転駆動され、その回転はドライブスプロケ
ット３６、チェーン３７及びホイールスプロケット２０
を経て後輪１９に伝達されるため、後輪１９が人力と補
助動力の双方によって回転駆動されて当該電動モータ付
自転車１が走行せしめられる。

【００３８】ところで、前述のようにクランク軸１４に
入力される人力はトーションバー２９を介して合力軸２
５に伝達されるため、トーションバー２９は人力の大き
さに比例した量だけ捩れ、この捩れによってドライブ軸
２４と合力軸２５の間に相対ズレが生じ、両者の相対ズ
レ角は本発明に係るトルク及び速度検出装置３０によっ
て検出される。

【００３９】又、ドライブ軸２４と共に一体に回転する
基板４８と静止側に固設されたハウジング４６との間に
はドライブ軸２４の１回転毎に角度３６０°を１周期と
する位相差が発生し、この位相差が電圧変化として本発
明に係るトルク及び速度検出装置３０によって検出され
る。

【００４０】ここで、本発明に係るトルク及び速度検出
装置３０の検出原理を図７に基づいて説明する。尚、図
７はトルク及び速度検出装置３０の検出原理を説明する
ための電気回路と電圧特性を示す図である。

【００４１】図７に示すように、端子６４と６６間に定
電圧Ｅを印加し、端子６５，６７から電圧を取り出せ
ば、各抵抗体５２，５８には定電流が流れ、これらの抵
抗体５２，５８は可変抵抗器として機能する。従って、
抵抗体５８へのブラシ６８の接触位置によって端子（ト
ルク出力端子）６７から取り出される電圧値は、図７に
示すように、ドライブ軸２４と合力軸２５の相対ズレ角
に比例してリニアに変化する。従って、この電圧の変化
を検出すれば、ドライブ軸２４に入力されるトルクを求
めることができる。

【００４２】又、抵抗体５２とハウジング４６側に固設
されたブラシ６１との間にはドライブ軸２４（合力軸２
５）の１回転に対して角度３６０°を周期とする位相差
が発生するため、図７に示すように、端子６５と端子６
６間の電圧は同じく角度３６０°を周期として変化す
る。従って、この電圧の周期的な変化の単位時間当たり
のパルス数或は単位時間当たりの電圧の変化量又はその
双方を検出することによってドライブ軸２４（合力軸２
５）の回転速度を検出することができる。尚、パルス数
をカウントする場合、本実施の形態のような１回転を１
周期とする他に、導体５６，５７を複数対設けることに
より、１回転２周期以上とすることもできる。これによ
り、パルス数計測における分解能を上げることができ
る。

【００４３】而して、トルク及び速度検出装置３０によ
って検出されたトルクと速度は前記コントローラ６０に
入力され、コントローラ６０検出されたトルクの大きさ
に応じてバッテリ１０から電動モータ３８への供給電圧
（又は電流）を制御し、電動モータ３８が発生する補助
動力を人力に対して所定の値に調整する。

【００４４】以上において、本発明に係るトルク及び速
度検出装置３０はドライブ軸２４に取り付けられた基板
４８と、該基板４８の両面に取り付けられた導体５３〜
５５，５９と抵抗体５２，５８及び各抵抗体５２，５８
に摺接するブラシ６０〜６３，６８とで構造単純に構成
されるため、その部品点数が削減されてコンパクト化及
びコストダウンが図られるとともに、部品の寸法公差の
集積や大きなフリクションの発生を防いで高いトルク検
出精度を得ることができる。

【００４５】又、本実施の形態では、ドライブ軸２４合
力軸２５及びトーションバー２９を同軸上に配したた
め、当該トルク及び速度検出装置３０の更なるコンパク
ト化が可能となる。

【００４６】尚、以上は本発明を特に電動モータ付自転
車における人力の検出に適用した形態について述べた
が、本発明の適用はこれに限定されるものではないこと
は勿論である。

【００４７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、トルクを捩れ角に変換するトルク伝達軸によっ
て連結された相対回転可能な第１の回転軸と第２の回転
軸の一方に円板状基板を取り付け、他方にブラシを取り
付け、前記基板の両面に導体と抵抗体をそれぞれ取り付
けるとともに、基板の一方の面に取り付けられた導体と
抵抗体に静止側に固設されたブラシを接触せしめ、同基
板の他方の面に取り付けられた導体と抵抗体に前記回転
軸に取り付けられたブラシを接触せしめてトルク及び速
度検出装置を構成したため、トルクと速度を同時に高精
度に検出することができるとともに、該トルク及び速度
検出装置を構造単純で安価に構成することができ、更に
その組立性を高めることができるという効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るトルク及び速度検出装置を備える
電動モータ付自動車の側面図である。

【図２】本発明に係るトルク及び速度検出装置を備える
電動モータ付自動車のパワーユニット部の平断面図であ
る。

【図３】本発明に係るトルク及び速度検出装置の拡大断
面図である。

【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。

【図５】図３のＢ−Ｂ線断面図である。

【図６】本発明に係るトルク及び速度検出装置の基板の
両面に設けられる導体と抵抗体の配置を示す模式的斜視
図である。

【図７】本発明に係るトルク及び速度検出装置の検出原
理を説明するための電気回路と電圧特性を示す図であ
る。

【符号の説明】

２４ ドライブ軸（第１の回転軸） ２５ 合力軸（第２の回転軸） ２９ トーションバー（トルク伝達軸） ３０ トルク及び速度検出装置 ４８ 基板 ５２，５８ 抵抗体 ５３〜５５，５９ 導体 ６０〜６３，６８ ブラシ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トルクを捩れ角に変換するトルク伝達軸
   によって連結された相対回転可能な第１の回転軸と第２
   の回転軸の一方に円板状基板を取り付け、他方にブラシ
   を取り付け、前記基板の両面に導体と抵抗体をそれぞれ
   取り付けるとともに、基板の一方の面に取り付けられた
   導体と抵抗体に静止側に固設されたブラシを接触せし
   め、同基板の他方の面に取り付けられた導体と抵抗体に
   前記回転軸に取り付けられたブラシを接触せしめて構成
   されることを特徴とするトルク及び速度検出装置。
2. 【請求項２】 前記第１の回転軸と第２の回転軸及びト
   ルク伝達軸を同軸上に配したことを特徴とする請求項１
   記載のトルク及び速度検出装置。