JPH10232175A - トルク検出装置及び該装置を具えた補助動力付自転車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 補助動力付自転車において、ドライブ軸とス
プロケットホイールの位相のずれを非接触で検出する。 【解決する手段】ドライブ軸(30)及びホイール(32)に夫
々余裕のある状態に嵌まり合う様に両軸(30)(３)に同芯
に内輪(81)と外輪(83)を突設し、内外輪に位相を一致し
て等間隔に複数の検出窓(82)(83)を形成し、固定フレー
ム上に内外輪の間にマグネット(85)及び該マグネット(8
5)との間で内輪(81)と外輪(83)を挟む様に一対の内輪側
ホール素子(86a)(87a)を対向配備する。ホール素子(86
a)(87a)から出力波形を比較してドライブ軸(30)と出力
軸(３)の位相のずれに応じた値を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ドライブ軸に作用
するトルクを検出する装置及び、該装置によって人力に
よる駆動の負荷の変化を検出し、人力を補助する補助動
力装置を制御す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、クランク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】本発明の目的は、回転するドライブ軸に加
わる回転トルクを、固定側フレーム上のマグネットと磁
気センサーとの組合せ、或いは発光素子と受光素子との
組合せによる非接触で且つ固定側で検出できるトルク検
出装置及び該検出装置を具えた補助動力付自転車を提供
することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のトルク検出装置は、フレーム(26)に回転可
能に配備されたドライブ軸(30)と、該ドライブ軸と同芯
に配備されドライブ軸と相対回転可能な出力軸(３)と、
ドライブ軸(30)と出力軸(３)とを両者の位相のずれを阻
止する様に作用する付勢手段(70)と、出力軸(３)に作用
する負荷によりドライブ軸(30)と出力軸(３)に位相のず
れが生じたときに該位相のずれに応じた値を検出する検
出部(８)とによって構成され、検出器(８)は、ドライブ
軸(30)及び出力軸(３)に同心に突設され、互いに余裕の
ある状態に嵌まり合う内輪(81)と外輪(83)を具え、該内
輪(81)と外輪(83)には夫々位相を一致させて同数の検出
窓(82)(84)を形成し、フレーム(26)上に固定され前記内
輪(81)と外輪(83)との間に位置したマグネット(85)及び
該マグネットとの間で内輪(81)と外輪(83)を挟む様に一
対の磁気センサー(86)(87)を対向配備し、２つの磁気セ
ンサー(86)(87)からの出力信号を比較してドライブ軸(3
0)と出力軸(３)の位相のずれに応じた値を検出する検出
手段(100)を具えている。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)の外周に該ドライブ軸と相対回転可能に
ホイール(32)を設け、該ホイールを駆動輪と連繋し、ド
ライブ軸(30)とホイール(32)とを両者の位相のずれを阻
止する様に作用する付勢手段(70)にて連繋し、補助動力
装置を前記駆動輪の駆動系に連繋して、ホイール(32)に
作用する負荷によりドライブ軸(30)とホイール(32)に位
相のずれが生じたときに、該位相のずれに応じた値を検
出する検出部(８)からの信号に応じて動力補助装置を制
御するものであって、検出器(８)を前記構成としたこと
を特徴とする。

【０００６】

【作用及び効果】出力軸(３)に負荷が作用せず、ドライ
ブ軸(30)と出力軸(３)が一体に回転しているときは、ド
ライブ軸(30)側の内輪(81)と出力軸(３)側の外輪(83)は
位相のずれを生じることなく一体に回転する。磁気セン
サー(86)(87)は内外輪(81)(83)の検出窓(82)(84)が磁気
センサー(86)(87)に対向したときは、夫々マグネット(8
5)からの磁力線を検出するが、検出窓(82)(82)、(84)(8
4)間の磁性壁面が磁気センサー(86)(87)に対向したとき
は、磁力線が壁面に遮ぎられて磁力線を検出しない。内
輪(81)(83)が回転すると、磁気センサー(86)(87)は波形
で表される出力を得ることができる。内外輪(81)(83)が
位相のずれを生じることなく一体回転すると、磁気セン
サー(86)(87)が得られる出力波形の位相にもずれ生じな
い。

【０００７】ところが、出力軸(３)に負荷が作用する
と、付勢手段(70)に抗して出力軸(３)がドライブ軸(30)
に対して相対的に回転遅れ方向に変位し、内輪(81)と外
輪(83)に位相のずれが生じる。これによって、内輪側磁
気センサー(86)の出力波形と、外輪側磁気センサー(87)
の出力波形にも位相のずれが生じる。検出手段(100)が
この位相のずれを比較してドライブ軸と出力軸の位相の
ずれに応じた値を検出する。

【０００８】上記トルク検出装置を補助動力付自転車に
実施した場合、ペタルアーム(54)をドライブ軸(30)に連
繋し、後輪駆動のスプロケットホイール(32)を出力軸
(３)とすれば、自転車(10)の駆動車輪に作用する負荷に
応じて、検出手段(100)が補助動力を制御し、ペタルに
対する踏力を軽減できる。回転しないフレーム(26)に取
り付けられたマグネット(85)及び磁気センサー(86)(87)
とによって、非接触でドライブ軸(30)と出力軸(３)の位
相のずれを測定できる。従って、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。磁気センサー(86)(87)によ
る検出であるから、該センサーやマグネット(85)が塵で
覆われても、泥が付着しても検出には支障はない。

【０００９】

【実施例】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(1
0)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、以下の説明でペタル(56)に連繋されたドラ
イブ軸(30)及び該ドライブ軸(30)によって従動回転する
出力軸(３)(実施例の自転車においては、ドライブ軸(3
0)に同芯に配備されたホイール(32)を示す)の正回転と
は自転車の進行時の回転方向をいう。

【００１０】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。ペダル機構(24)のクラ
ンク軸(30)は、後述する通り、弾性体(70)を介してホイ
ール(32)に連繋しており、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、
後述の検出手段(100)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)と一体に回転するペタルアーム(54)と、該ペタル
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)に固定した環状の係合板(60)、該係合板(60)上
に回転自由に嵌めたホイール(32)とから構成される。

【００１３】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、ペタルアーム(54)に嵌まる角軸(31)
が突設される。該角軸(31)は、対向するペタルアーム(5
4)の基端中央に開設された角孔(55)に嵌まり、ペタルア
ーム(54)は、ネジ(59)によってドライブ軸(30)に固定さ
れる。

【００１４】係合板(60)の内面に該板と同芯に短筒状の
内輪(81)が突設され、外周寄りに、等間隔に５つの押し
片(62)が内向きに突設される。

【００１５】ホイール(32)は、図２乃至図４に示すよう
に、中央の丸孔(68)にベアリング(63)を介して係合板(6
0)の内輪(81)を嵌めている。ホイール(32)は丸孔(68)の
孔縁に内向きに短筒状の外輪(83)を突設し、外周にスプ
ロケット(64)を形成し、周方向に５つの窓孔(66)を等間
隔に開設している。

【００１６】各窓孔(66)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、弾性
体(70)の基端をホイール(32)に固定する。弾性体(70)の
先端は夫々前記係合板(60)の押し片(62)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、ドライブ
軸(30)と係合板(60)は一体に回転して、弾性体(70)に対
向している５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。

【００１７】ホイール(32)に負荷が作用した場合、弾性
体(70)に抗してホイール(32)の回転は遅れる。即ちホイ
ール(32)とドライブ軸(30)に位相のずれが生じる。但し
実施例では、１５゜以上の位相のずれが生じない様に適
所に設けたストッパ(図示せず)により規制されている。

【００１８】前記係合板(60)の内輪(81)と、ホイール(3
2)の外輪(83)は両者の間に環状の空間が生じる様に同心
に嵌まり合っている。内輪(81)及び外輪(83)は、磁性
体、即ち、磁界を遮る特性を有する金属で形成され、夫
々周方向に等間隔に同数の検出窓(82)(84)を貫通開設し
ている。実施例の検出窓(82)は矩形であって、内輪(81)
上の検出窓(82)は夫々同形であり、又、外輪(83)上の検
出窓(84)は夫々同形である。外輪(83)上の検出窓(82)の
回転方向の幅長さＷは、後記する理由により、内輪(81)
上の検出窓(84)のそれよりも僅か大である。

【００１９】フレーム(26)には、ホイール(32)側に向け
て取付け台(88)が突設され、該取付け台(88)に、マグネ
ット(85)及びマグネット(85)に対向して一対の磁気セン
サー(86)(87)が配備されている。実施例の磁気センサー
はホール素子(86a)(87a)である。マグネット(85)は内輪
(81)と外輪(83)との間の環状空間に位置し、一方のホー
ル素子(86a)は、内輪(81)の内側に、他方のホール素子
(87a)は外輪(83)の外側に位置し、且つマグネット(85)
と両ホール素子は、内外輪(81)(83)の径上に位置してい
る。外輪側ホール素子(87a)を内部に収容する様に、ホ
イール(32)とフレーム(26)には２つ割型のカバー(27)が
設けられている。２つのホール素子(86a)(87a)は、検出
手段(100)に連繋されている。内輪(81)が回転すると、
内輪側ホール素子(86a)は内輪(81)の検出窓(82)が該素
子を通過するときに磁界を検出し、検出窓(82)(82)間の
磁性壁面が通過するときは、該壁面に磁界が遮られて磁
界を検出しない。

【００２０】図６のＡは、内輪側磁気センサー(86)の磁
界の検出によって得られる出力を波形で表わしたもので
ある。外輪(83)が回転すると、同様にして、外輪側ホー
ル素子（87a）も磁界の変化を検出し、図６のＢに示す
出力波形を得ることができる。内外輪(81)(83)には夫々
１２個の検出窓(82)(84)が開設されているため、波形の
ピークも１２箇所である。

【００２１】内輪(81)の各検出窓(82)がマグネット(85)
を通過する時間と、外輪(83)の各検出窓(84)がマグネッ
ト(85)を通過する時間が同じになる様に、内輪(81)と外
輪(83)の径の違いに対応して、外輪(83)の検出窓(84)の
回転方向の幅長さＷが内輪(81)のそれよりも僅か長くな
っている。従って、両者が１回転したときに得られる内
外２つのホール素子(86a)(87a)の出力波形は、３６０゜
を検出窓(82)(84)の数１２で除した３０゜毎の繰り返し
であり、同形である。

【００２２】内輪(81)と外輪(83)に位相のずれが生じた
とき、内外２つのホール素子(86a)(87a)の出力波形にも
位相のずれが生じる。この位相のずれを検出し、位相の
ずれに応じて補助動力であるモータ(40)の制御部(48)に
信号を送るのが検出手段(100)である。

【００２３】図８に検出手段(100)の一例を示す。内輪
側ホール素子(86a)から得られた出力波形は、差動増幅
器(101)によって増幅され、ＡＤ変換器(102)によって、
デジタル化された電圧信号を出力する。この電圧信号を
ルックアップテーブル(103)によって角度に変換する。

【００２４】図９のＡは電圧信号の波形であるが、波形
の１山はピークを中心に対称形であるから、波形の上昇
側と下降側の対称位置、例えば１０゜と２０゜を判別で
きない。そこで電圧信号を微分して、増減検出回路(10
4)により、図９のＢに示す様に、Ａの波形が上昇してい
るとは正の値、下降している時は負の値をとる微分値を
得る。微分値が正の値のとき、Ａでの値をそのまま用
い、微分値が負の値のときは、３０゜からＡでの値を減
じた値を用いる。

【００２５】以上のことは、外輪側ホール素子(87a)側
でも差動増幅器(101a)、ＡＤ変換器(102)、ルックアッ
プテーブル(103a)、増減検出回路(104a)により同様に行
なわれる。

【００２６】２つの増減検出回路(104)(104a)からの信
号は、位相差比較回路(105)によって比較される。これ
は、ドライブ軸(30)と一体回転する内輪(81)による磁界
の変化を検出する内輪側ホール素子(86a)の増減検出回
路(104a)からの波形と、ホイール(32)と一体回転する外
輪(83)による磁界の変化を検出する増減検出回路(104)
からの波形の位相のずれによる差分を求めて行なう。

【００２７】但し、波形を０〜３０゜の繰り返しで表す
と、０゜と３０゜とでは同じ位置となる。従って、図１
０Ａに示す様に、内輪側ホール素子(86a)側の波形と、
図１０Ｂで示す外輪側ホール素子(87a)の波形の差分が
負の値をとる範囲が生じる。この場合、補正回路(106)
より３０゜の値を加えて、正の値とする。この正の値の
角度をルックアップテーブル(107)により、トルク信号
に変換し、制御部(48)に送る。

【００２８】内輪側ホール素子(86a)側の波形と、図６
Ｂに外輪側ホール素子(87a)の波形が１山分の１／２(実
施例では１５゜)ずれると、位相のずれを検出できない
が、実施例では、内輪(81)と外輪(83)は１５゜以上のず
れは生じないため、その虞れはない。

【００２９】然して、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、図６の如く、内輪側ホール素子(86a)側の波
形と、図６Ｂに外輪側ホール素子(87a)の波形の位相は
一致する。

【００３０】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。従って、内輪(8
1)と外輪(83)に位相差が生じ、例えば図７に示す如く、
内輪側ホール素子(86a)側の波形と、外輪側ホール素子
(87a)の波形の位相にずれが生じる。このずれに応じ
て、制御部(48)は、モータ(40)を制御するのである。

【００３１】尚、マグネット(85)に代えて発光素子、ホ
ール素子(86a)(87b)に代えて受光素子を前記同様に配備
し、一対の受光素子からの出力信号を比較してドライブ
軸と出力軸の位相のずれに応じた値を検出することも可
能である等、本発明は特許請求の範囲に記載の範囲で種
々の変形が可能である。

【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】実施例１のペダル機構の分解図である。

【図３】付勢手段を取付けたホイールの正面図である。

【図４】ホイール及びマグネット、磁気センサー取付け
状態の断面図である。

【図５】マグネット及び磁気センサーの取付け状態の平
面図である。

【図６】Ａは、内輪の展開図及び内輪側ホール素子検出
による出力波形、Ｂは外輪の展開図及び外輪側ホール素
子検出による出力波形である。

【図７】図６の状態から位相がずれ状態を示す。

【図８】検出手段のブロック図である。

【図９】Ａは、電圧信号の波形、Ｂはその微分値の波形
を示している。

【図１０】位相のずれの差分が負の値をとる範囲を示し
ている。

【符号の説明】

(10) 自転車 (26) 筒状フレーム (30) クランク軸 (32) ホイール (70) 弾性体 (86) 内輪側磁気センサー (87) 外輪側磁気センサー (100) 検出手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フレーム(26)に回転可能に配備されたド
   ライブ軸(30)と、該ドライブ軸と同芯に配備されドライ
   ブ軸と相対回転可能な出力軸(３)と、ドライブ軸(30)と
   出力軸(３)とを両者の位相のずれを阻止する様に作用す
   る付勢手段(70)と、出力軸(３)に作用する負荷によりド
   ライブ軸(30)と出力軸(３)に位相のずれが生じたときに
   該位相のずれに応じた値を検出する検出部(８)とによっ
   て構成され、 検出器(８)は、ドライブ軸(30)及び出力軸(３)に同心に
   突設され、互いに余裕のある状態に嵌まり合う内輪(81)
   と外輪(83)を具え、該内輪(81)と外輪(83)には夫々位相
   を一致させて同数の検出窓(82)(84)を形成し、 フレーム(26)上に固定され前記内輪(81)と外輪(83)との
   間に位置したマグネット(85)及び該マグネットとの間で
   内輪(81)と外輪(83)を挟む様に一対の磁気センサー(86)
   (87)を対向配備し、 ２つの磁気センサー(86)(87)からの出力信号を比較して
   ドライブ軸(30)と出力軸(３)の位相のずれに応じた値を
   検出する検出手段(100)を具えるトルク検出装置。
2. 【請求項２】 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)の外周に該ドライブ軸と相対
   回転可能にホイール(32)を設け、該ホイールを駆動輪と
   連繋し、ドライブ軸(30)とホイール(32)とを両者の位相
   のずれを阻止する様に作用する付勢手段(70)にて連繋
   し、補助動力装置を前記駆動輪の駆動系に連繋して、ホ
   イール(32)に作用する負荷によりドライブ軸(30)とホイ
   ール(32)に位相のずれが生じたときに、該位相のずれに
   応じた値を検出する検出部(８)からの信号に応じて動力
   補助装置を制御する補助動力付自転車において、 検出器(８)は、ドライブ軸(30)及びホイール(32)に同心
   に突設され、互いに余裕のある状態に嵌まり合う内輪(8
   1)と外輪(83)を具え、該内輪(81)と外輪(83)には夫々位
   相を一致させて同数の検出窓(82)(84)を形成し、 フレーム(26)上に固定され前記内輪(81)と外輪(83)との
   間に位置したマグネット(85)及び該マグネットとの間で
   内輪(81)と外輪(83)を挟む様に一対の磁気センサー(86)
   (87)を対向配備し、 ２つの磁気センサー(86)(87)からの出力信号を比較して
   ドライブ軸(30)とホイール(32)の位相のずれに応じた値
   を検出する検出手段(100)を具えて構成される補助動力
   付自転車。
3. 【請求項３】フレーム(26)に回転可能に配備されたドラ
   イブ軸(30)と、該ドライブ軸と同芯に配備されドライブ
   軸と相対回転可能な出力軸(３)と、ドライブ軸(30)と出
   力軸(３)とを両者の位相のずれを阻止する様に作用する
   付勢手段(70)と、出力軸(３)に作用する負荷によりドラ
   イブ軸(30)と出力軸(３)に位相のずれが生じたときに該
   位相のずれに応じた値を検出する検出部(８)とによって
   構成され、 検出器(８)は、ドライブ軸(30)及び出力軸(３)に同心に
   突設され、互いに余裕のある状態に嵌まり合う内輪(81)
   と外輪(83)を具え、該内輪(81)と外輪(83)には夫々位相
   を一致させて同数の検出窓(82)(84)を形成し、 フレーム(26)上に固定され前記内輪(81)と外輪(83)との
   間に位置した発光素子及び該発光素子との間で内輪(81)
   と外輪(83)を挟む様に一対の受光素子を対向配備し、 ２つの受光素子からの出力信号を比較してドライブ軸(3
   0)と出力軸(３)の位相のずれに応じた値を検出する検出
   手段を具えているトルク検出装置。