JPH10230893A - 補助動力付自転車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転するドライブ軸に作用する回転トルク
を、回転側に設けられた回転コイルと、固定側のフレー
ムに設けられた固定コイルを介して固定側に取り出すこ
とのできる補助動力付自転車において、回転コイルと固
定コイルとの間隔の調整を不要とし、コイル間隔を一定
に維持して正確なトルク検出を行なう。 【解決手段】 回転側のドライブ軸又はホイールに回転
コイルを配備し、フレームが回転コイル76と対向する側
の端部には、ハンガリング28を取り付けて、該ハンガリ
ング28には、弾性手段29を介して固定コイル78を連繋
し、該固定コイル78を弾性手段29によって回転コイル76
に押し付け付勢する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人力による駆動の
負荷が所定限度を越えたとき、人力を補助する補助動力
装置を具えた自転車に関するものであり、具体的にはド
ライブ軸に加わる踏込みトルクを測定し、該測定値に基
づいて補助動力を生じさせる補助動力付自転車に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】自転車の駆動輪にモータを連繋し、人力
による駆動の際、ペダルに加わる負荷の大きさに応じて
モータを駆動し、人力による自転車の駆動に補助動力を
作用させ、軽い人力駆動によって自転車を走行できる補
助動力付自転車が知られている。人力により加えられた
駆動力を測定する方法として、例えば特開平４−１００
７９０号公報には、ドライブ軸にトーションバーを用
い、トーションバーの捩れ量をトーションバーに配備さ
れたポテンショメータ、歪ゲージ等で検出し、回転トル
クを測定する方法が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポテン
ショメータ、歪ゲージは回転する軸に設けられているた
め、これらの検出値は、スリップリング、ブラシ等を用
いて信号を外部に取り出す必要があり、摩擦や摩耗によ
ってノイズが混入し易く、回転トルクを正確に検出する
ことは難しかった。

【０００４】そこで、発明者らは、スリップリング等を
用いずに、検出されたトルクを取り出すことのできる補
助動力付自転車を提案している。図９は、発明者らが提
案している補助動力付自転車のドライブ軸部分の拡大断
面図である。該補助動力付自転車は、回転側のドライブ
軸(30)に回転コイル(76)、固定側のフレーム(26)に固定
コイル(78)を接近且つ対向して配備しており、回転コイ
ル(76)にはドライブ軸(30)に生ずるトルクに応じてイン
ピーダンスが変化する測定手段(72)を接続し、固定コイ
ル(78)には、周期的な電圧又は電流を供給する電源回路
(52)と、固定コイル(78)の電圧又は電流を測定する検出
手段(87)を接続している(図５参照)。なお、各回路構成
及び動作については、実施例にて詳述する。ドライブ軸
(30)にトルクが作用して、測定手段(72)のインピーダン
スが変化すると、コイル(76)(78)間に生ずる電磁誘導作
用により、回転コイル(76)が固定コイル(78)に誘起する
起電力の周波数が変化する。この周波数の変化は、ドラ
イブ軸(30)に生ずるトルクに応じたものとなるため、検
出手段(87)により固定コイル(78)の起電力の周波数変化
を測定して、ドライブ軸(30)に生ずるトルクを回転しな
いフレーム側で測定するものである。

【０００５】回転コイル(76)と固定コイル(78)との間で
効果的に電磁誘導作用を生じさせるには、両コイル(76)
(78)は、より接近して配備することが望まれる。しかし
ながら、取付車種が異なると、フレーム(26)の長さ、ド
ライブ軸(30)の長さ等が違ってくるため、回転コイル(7
6)と固定コイル(78)の間隔(図９のＷ)を一定にすること
が困難であり、車種毎に設計、調整を行なう必要があっ
た。また、同じ車種でも、組立誤差、振れや振動などに
より、コイルどうしの間隔が変化して、回転トルクの検
出を正確に行なえない可能性も考えられる。

【０００６】本発明の目的は、回転するドライブ軸に作
用する回転トルクを、回転側に設けられた回転コイル
と、固定側のフレームに設けられた固定コイルを介して
固定側に取り出すことのできる補助動力付自転車におい
て、回転コイルと固定コイルとの間隔の調整を不要と
し、コイル間隔を一定に維持して正確なトルク検出を行
なうことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の補助動力付自転車は、フレーム(26)に枢支
され、人力によって駆動されるドライブ軸(30)、又は該
ドライブ軸(30)の外周に設けられたホイール(32)に、人
力によって生ずるトルクを測定する測定手段(72)を具
え、該測定手段(72)の検出トルクを、ドライブ軸(30)又
はホイール(32)と同心に一体回転可能に配備された回転
コイル(76)と、該回転コイル(76)に接近且つ対向するよ
うにフレーム(26)と同心に固定して配備された固定コイ
ル(78)との間に発生する電磁誘導作用により、フレーム
側に具えられた検出手段(87)にて測定し、該検出手段(8
7)の出力値に応じて、駆動輪を補助駆動する補助動力装
置を制御する補助動力付自転車において、フレームが回
転コイル(76)と対向する側の端部には、ハンガリング(2
8)を配備し、該ハンガリング(28)には、弾性手段(29)を
介して前記固定コイル(78)を取り付け、固定コイル(78)
を弾性手段(29)によって回転コイル(76)に押し付け付勢
する。

【０００８】固定コイル(78)は、弾性手段(29)により回
転コイル(76)に常に押え付けられた状態となるため、フ
レーム(26)の長さが車種毎に異なったり、ドライブ軸(3
0)の長さが違っても、両コイル(76)(78)の間隔は、常に
一定に維持される。また、組み付け時にコイルどうしの
間隔の微調整を行なう手間を省くことができ、さらに、
コイル間隔が一定に保たれるから、検出されるトルク信
号の信頼性も向上する。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施例につき、図面に沿
って詳述する。以下では、後輪(18)を駆動輪とする２輪
の自転車(10)に本発明を適用した例について説明する
が、前輪駆動の自転車や、その他の人力駆動装置にも本
発明は適用できる。なお、以下の説明でドライブ軸(30)
及びホイール(32)の正回転とは自転車の進行時の回転方
向をいう。

【００１０】まず、補助動力付自転車(10)の全体的な説
明を行ない、その後で、トルク検出部(46)について説明
する。補助動力付自転車(10)は、図１に示すように、メ
インフレーム(12)の前部に前輪(14)及びハンドル(16)を
具え、後部には駆動輪となる後輪(18)を具えている。メ
インフレーム(12)のほぼ中央には、上端にサドル(20)を
具えるシートチューブ(22)が配備され、シートチューブ
(22)の下端には、ペダル機構(24)を枢支した筒状フレー
ム(26)が配備されている。該筒状フレーム(26)の一端に
は、環状のハンガリング(28)がネジ止め又は螺合により
取り付けられている。ペダル機構(24)のドライブ軸(30)
は、後述する通り、弾性体(70)を介してホイール(32)に
連繋されており、後輪(18)の車軸(34)に嵌められたスプ
ロケット(36)と、ホイール(32)との間に、無端状チェー
ン(38)が張設されて動力伝動可能となっている。

【００１１】後輪(18)の車軸(34)には、プーリ(41)が嵌
められ、該プーリ(41)は、フレーム(12)に配備された補
助動力装置となるモータ(40)とタイミングベルト(42)を
介して連繋される。モータ(40)はシートチューブ(22)に
取り付けたバッテリー(44)を電源とし、モータ(40)は回
転して後輪(18)を直接駆動する。モータ(40)の出力は、
後述のトルク検出部(46)からのトルク信号に基づいて制
御部(48)によって制御される。なお、制御部(48)の構
成、動作については前掲の公知例に開示されているため
説明を省略する。

【００１２】ペダル機構(24)は、図１乃至図３に示すよ
うに、シートチューブ(22)下端の筒状フレーム(26)に枢
支されたドライブ軸(30)と、該ドライブ軸(30)の両端か
ら該軸(30)に直交して夫々反対方向に突出し、ドライブ
軸(30)と一体に回転するクランクアーム(54)と、該クラ
ンクアーム(54)の先端に枢支されたペダル(56)、及びド
ライブ軸(30)を回転自由に嵌めたホイール(32)から構成
される。

【００１３】以下、トルク検出部(46)の構成について説
明する。トルク検出部(46)は、ドライブ軸(30)とホイー
ル(32)を弾性体(70)にて一体回転可能に連繋し、ドライ
ブ軸(30)とホイール(32)の回転方向の相対的な変位量を
測定手段(72)にて測定することにより、ドライブ軸(30)
に加わるトルクを測定している。図２及び図３に示すよ
うに、ドライブ軸(30)の両端に設けられたクランクアー
ムのうち、ホイール側に設けたクランクアーム(54)の基
端には、円盤状の係合板(60)がカシメ止めされている。
係合板(60)の内面の外周近傍には、等間隔に５つの押し
片(62)が内向きに突設される。公知構成のとおり、ドラ
イブ軸(30)のホイール側の端部には、クランクアーム(5
4)に嵌まる角軸(31)が突設される。該角軸(31)は、対向
するクランクアーム(54)の基端中央に開設された角孔(5
5)に嵌まり、クランクアーム(54)は、座金(58)を介して
抜止め用のネジ(59)を螺合し、ドライブ軸(30)に固定さ
れる。

【００１４】ホイール(32)は、図２乃至図４に示すよう
に、スプロケット(64)を外周に形成し、ハブリング(68)
とスプロケット(64)との間を５つのリブ片(66)によって
一体に繋いでいる。図４に示す如く、５つのリブ片(66)
の中の４つには、ホイール(32)の回転遅れ方向に向けて
コイルバネ等の弾性体(70)を配備し、残る１つのリブ片
(66a)には、直動式ポテンショメータなどの変位量に対
してインピーダンスが変化する測定手段(72)を、ホイー
ル(32)の回転遅れ方向に向けて配備する。図４の例で
は、測定手段(72)は、変位を検出する検出ピン(74)を具
え、該検出ピン(74)の突出量に応じて電気抵抗値が比例
的に又は反比例して変わる直動式のポテンショメータで
ある。

【００１５】ホイール(32)は、ベアリングが内面に取り
付けられたハブリング(68)にドライブ軸(30)を回転自由
に嵌め、リブ片(66)に配備された弾性体(70)の先端及び
検出ピン(74)の先端を、夫々前記係合板(60)の押し片(6
2)に当接するように取り付けられる。ペダル(56)を踏み
込むと、係合板(60)、ドライブ軸(30)は一体に回転し
て、弾性体(70)に対向している４つの押し片(62)が夫々
弾性体(70)を押して、ホイール(32)を回転させる。ペダ
ル(56)の踏み込みによりホイール(32)に加わる負荷が小
さいときには、弾性体(70)の圧縮量も小さいから、ドラ
イブ軸(30)とホイール(32)とは、殆んど一体となって回
転し、相対的な回転変位も殆んど生じない。従って、測
定手段(72)の検出ピン(74)に対して、押し片(62a)は働
かない。ペダル(56)の踏み込みの際、ホイール(32)に加
わる負荷が大きいときは、押し片(62)によって押される
弾性体(70)は大きく変形し、ドライブ軸(30)に対して、
ホイール(32)は相対的に逆方向に回転変位する。このと
き、測定手段(72)の検出ピン(74)は、押し片(62a)に押
し込まれて突出量は大きく変わり、抵抗値を変える。

【００１６】ハブリング(68)のフレーム側の側面には、
回転コイル(76)がドライブ軸(30)と同心にコイルケース
(77)内に配置され、ハブリング(68)と一体となって回転
する。コイルケース(77)内の回転コイル(76)の内周側に
は、回転コイル(76)及び後述する固定コイル(78)に接近
して、鎖交磁束を高める環状のフェライトコア(80)が配
備される。該フェライトコア(80)は、ホイール(32)と一
体に回転する。回転コイル(76)を含む回路中には、前記
測定手段(72)が電気的に接続されて、図５に示すよう
な、可変インピーダンス回路(50)を構成している。

【００１７】前記回転コイル(76)と向かい合う位置の筒
状フレーム(26)に配備されたハンガリング(28)には、図
２及び図３に示すように、１又は複数の弾性手段(29)が
回転コイル側に向けて伸縮可能に取り付けられている。
弾性手段(29)の他端は、回転コイル(76)と同心に配備さ
れた固定コイル(78)を収容するコイルケース(79)に連繋
されている。本実施例では、弾性手段(29)はコイルバネ
であって、該コイルバネは、自由長がハンガリング(28)
と回転コイル(76)との間隔よりも長いものを用いてお
り、固定コイル(78)を回転コイル(76)に向けて押し付け
ている。固定コイル(78)は、後述する電気回路(52)に電
気的に接続される。回転コイル(76)と固定コイル(78)の
巻線比は任意であるが、１対１としてもよい。

【００１８】上述のとおり、固定コイル(78)は、弾性手
段(29)によって、常に回転コイル(76)に押し付けられて
いるため、自転車の車種が異なったり、ドライブ軸や筒
状フレームの長さが違っていても、回転コイル(76)と固
定コイル(78)の間隔は一定に保たれる。

【００１９】前記固定コイル(78)は、図５に示すよう
に、一端には直流電源(82)、トランジスタ(84)からなる
電源回路(52)が接続されて、固定側回路(81)を形成す
る。該電源回路(52)は、トランジスタ(84)に制御され
て、所定間隔の矩形波電圧を固定コイル(78)に印加す
る。固定コイル(78)の他端は抵抗(89)を介して接地され
ている。トランジスタ(84)のコレクタ側と接地回線との
間は、ダイオード(86)を介し、固定コイル(78)と並列に
接地している。固定コイル(78)の接地側端子には、検出
手段(87)としてのコンパレータ(88)が接続され、固定コ
イル(78)に流れる電流による抵抗(89)両端の電圧降下
と、後述する基準電圧Ｖrefとの差電圧を出力して、こ
れをローパスフィルタ(85)によってノイズ除去し、制御
部(48)に出力する。

【００２０】以下、動作説明を行う。トランジスタ(84)
のベースには、図６ａに示す所定間隔(約２０kHz)のパ
ルス矩形波を入力し、直流電源(82)の電圧をオン・オフ
制御して、固定コイル(78)に印加する。固定コイル(78)
には、脈流の電流が流れ、固定コイル(78)と回転コイル
(76)との相互誘導作用によって、固定コイル(78)を流れ
る電流は、回転コイル(76)を含む可変インピーダンス回
路(50)のインピーダンス変化の影響を受ける。両コイル
(76)(78)は、直接的な接続はないから、互いに回転自由
である。しかし、接近して共通のフェライトコア(80)上
に同心に配置されているから、回転コイル(76)には、固
定コイル(78)の相互誘導によって誘導起電力が発生し、
可変インピーダンス回路(50)に誘導電流が流れる。ま
た、可変インピーダンス回路(50)を流れる誘導電流の自
己誘導による起電力が、回転コイル(76)に発生する。可
変インピーダンス回路(50)には、相互誘導起電力と自己
誘導起電力との和である起電力に応じた誘導電流が流
れ、この誘導電流は、固定コイル(78)に相互誘導作用を
及ぼして、固定コイル(78)に誘導起電力を発生させる。

【００２１】ペダル(56)を踏んでいない状態、又は、ペ
ダル(56)を踏んでいても、ホイール(32)にかかる負荷が
小さく、ホイール(32)が、ドライブ軸(30)に対して殆ん
ど変位することなく一体に回転している状態では、ドラ
イブ軸(30)とホイール(32)に回転方向のずれがないか
ら、回転コイル(76)に接続された測定手段(72)の抵抗値
は殆んど変化しない。また、回転コイル(76)は、固定コ
イル(78)と同心に巻回されているため、筒状フレーム(2
6)上に固定された固定コイル(78)に対して回転コイル(7
6)が回転しても、鎖交磁束は変化しない。このとき、固
定コイル(78)を流れる電流は、図６ｂに実線で示すよう
に、固定コイル(78)の自己及び相互誘導による電圧に応
じた所定の波形となる。ホイール(32)とドライブ軸(30)
との間にずれがない場合には、抵抗(89)に現われる電圧
波形はトランジスタ(84)のベース入力信号の波形及び位
相と一致するように、トランジスタ(84)のベースに加え
るオン・オフ制御信号の一部を、積分回路(図示せず)等
を介して基準信号(Ｖref)とし、これをコンパレータ(8
8)の基準電圧端子に印加しておく。

【００２２】自転車(10)の始動時、加速時、登坂時等
に、ペダル(56)を踏み込むと、ホイール(32)に大きな負
荷がかかる。この負荷が、弾性体(70)のバネ力を越え
て、ホイール(32)に作用すると、押し片(62)は弾性体(7
0)を圧縮変形させ、ホイール(32)が、ドライブ軸(30)に
対して相対的に逆向きに回転変位する。ホイール(32)と
ドライブ軸(30)との間に変位が生じると、その変位量に
応じて、測定手段(72)の検出ピン(74)が押し片(62a)に
押し込まれて抵抗値が大きくなり、回転コイル(76)の誘
導電流が変化する。従って、コイル(78)を流れる電流
は、インピーダンス変化の影響を受け、図６ｂに破線で
示すように、前記所定の波形(図６ｂの実線)から変形す
る。コンパレータ(88)は、固定コイル(78)に流れる電流
を抵抗(89)の電圧降下として検出し、検出された電圧波
形と、基準電圧波形Ｖrefとの差を測定して差電圧信号
を出力する。コンパレータ(88)で検出された差電圧信号
は、ローパスフィルタ(85)を介してノイズを除去され
て、制御部(48)に送信される。制御部(48)は、予め、図
７に示すように、前記電圧の差(トルク信号)と、ドライ
ブ軸(30)に加わるトルクとの関係を測定して、メモリ
(図示せず)に記憶しており、差電圧信号に応じた駆動力
でモータ(40)を駆動して、後輪(18)に補助駆動力を供給
することにより、人力の補助を行なうことができる。

【００２３】なお、補助動力付自転車(10)に、速度検出
装置(図示せず)を設け、車速が所定値を越えると、モー
タ(40)による補助駆動力の供給を停止する構成とするこ
ともできる。上記実施例では、ホイール(32)に回転コイ
ル(76)を設けたが、ドライブ軸(30)に回転コイルを設け
ることもできる。本発明は、回転コイル(76)と固定コイ
ル(78)の電磁誘導作用によりトルクを固定側に取り出す
機構において、測定精度を向上させることを目的とする
ものであり、回転コイル(76)に接続されたトルクの測定
手段(72)や、固定コイル(78)を含む電気回路(52)の構成
は、上記実施例に限定されるものではない。例えば、上
記実施例では、測定手段(72)として直動式ポテンショメ
ータを用いているが、回転式ポテンショメータや他の可
変抵抗(例えば、磁気抵抗素子と磁石など)、可変容量の
コンデンサー、インダクタンスの変化するコイルなどを
用いることもできる。また、弾性体(70)、弾性手段(29)
として、コイルバネだけでなく、板バネやゴム等を用い
てもよい。

【００２４】図８は、本発明の異なる実施例を示す拡大
断面図であって、固定コイル(78)を収容するコイルケー
ス(79)のハンガリング側には、外周に軸方向に延びるキ
ー溝(79a)が開設されており、ハンガリング(28)には、
前記キー溝(79a)にスライド可能に嵌まる突条(28a)が軸
方向に突設されている。突条(28a)とキー溝(79a)が係合
するように、固定コイル(78)をハンガリング(28)に取り
付けると、固定コイル(78)は、弾性手段(29)により、軸
方向には移動可能であるが、周方向には回転しない。従
って、固定コイル(78)が、回転コイル(76)に押し付けら
れた状態で、回転コイル(76)に追従して一体に回転する
ことがない。

【００２５】

【発明の効果】本発明の補助動力付自転車(10)によれ
ば、ドライブ軸(30)に加わるトルクを、回転側のドライ
ブ軸(30)又はホイール(32)に設けた回転コイル(76)か
ら、回転しないフレーム(26)に取り付けられた固定コイ
ル(78)を介して、非接触で測定することができ、トルク
信号の取り出しにスリップリングなどを必要とせず、摩
擦、摩耗によるノイズの混入を防止できる。固定コイル
(78)は、弾性手段(29)により回転コイル(76)に向けて常
に押し付けられた状態に保持されるため、固定コイル(7
8)と回転コイル(76)との間隔は一定であり、振れや振動
などの影響を受けないから、測定されるトルク信号の信
頼性及び測定精度を向上させることができる。さらに、
上記機構を取り付ける自転車の車種の違っても、弾性手
段(29)の伸縮動作により、固定コイル(78)と回転コイル
(76)の間隔を一定に保つことができるから、車種毎にコ
イルの間隔が一定になるように設計を行ったり、固定コ
イルを取り付けた後に、回転コイルと固定コイルとの間
隔を微調整するなどの手間を省くことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】補助動力付自転車の正面図である。

【図２】ペダル機構の分解図である。

【図３】図２を線Ｘ−Ｘに沿って断面し、矢印方向に見
た断面図である。

【図４】ホイールを図３の矢印Ｙ方向から見た背面図で
ある。

【図５】回転トルクを検出する回路図である。

【図６】ａは、固定コイルに加えられる電圧の制御信号
波形を示すグラフ、ｂは固定コイルを流れる電流波形を
示すグラフであり、無負荷時を実線、過負荷時を破線で
示す。

【図７】ドライブ軸に加わる回転トルクと、コンパレー
タ(88)の出力との関係を示すグラフである。

【図８】本発明の異なる実施例を示す拡大断面図であ
る。

【図９】発明者らが提案している補助動力付自転車のペ
ダル機構の断面図である。

【符号の説明】

(10) 自転車 (26) 筒状フレーム (28) ハンガリング (29) 弾性手段 (30) ドライブ軸 (32) ホイール (76) 回転コイル (78) 固定コイル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フレーム(26)に枢支され、人力によって
   駆動されるドライブ軸(30)、又は該ドライブ軸(30)の外
   周に設けられたホイール(32)に、人力によって生ずるト
   ルクを測定する測定手段(72)を具え、該測定手段(72)の
   検出トルクを、ドライブ軸(30)又はホイール(32)と同心
   に一体回転可能に配備された回転コイル(76)と、該回転
   コイル(76)に接近且つ対向するようにフレーム(26)と同
   心に固定して配備された固定コイル(78)との間に発生す
   る電磁誘導作用により、フレーム側に具えられた検出手
   段(87)にて測定し、該検出手段(87)の出力値に応じて、
   駆動輪を補助駆動する補助動力装置を制御する補助動力
   付自転車であって、 フレームが回転コイル(76)と対向する側の端部には、ハ
   ンガリング(28)が配備され、該ハンガリング(28)には、
   弾性手段(29)を介して前記固定コイル(78)が取り付けら
   れており、固定コイル(78)は、弾性手段(29)によって回
   転コイル(76)に押し付け付勢されていることを特徴とす
   る補助動力付自転車。
2. 【請求項２】 固定コイル(78)は、回転コイル(76)に追
   従して回転しないように、ハンガリング(28)に係合され
   ていることを特徴とする請求項１に記載の補助動力付自
   転車。