JPH11258078A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のトルク検出装置は、歪ゲージ方式や磁歪
式等、高精度で高価なものであり、自転車競技者の訓練
用など、高精度な測定データが必要なものには適するか
も知れないが、一般の自転車への搭載はコスト的に難し
く、そのために安価なトルク検出装置の出現が望まれて
いる。 【解決手段】支持部２１にベアリング２２，２３を介し
て回転可能に支持された駆動軸１３に作用する駆動トル
クを検出するトルクセンサにおいて、前記支持部２１の
内周とベアリング２２の外周との間にセンサスリーブ２
５を設け、このセンサスリーブ２５に機械的な歪みに応
じて電気抵抗が変化する特性を有するセンサチップ（機
能性セラミック）２７を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トルク検出装置に
係り、特に自転車の駆動トルクの検出に好適なトルク検
出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、健康の維持やダイエットなどのた
めに自転車の利用が増えているが、その運動にあたっ
て、自分が消費したエネルギを知ることはきわめて有益
である。そのために、自転車を走行するに必要な駆動ト
ルクをトルク検出装置によって検出し、このトルク検出
装置の出力に基づいて消費エネルギ（運動量）を演算で
きるようにしたものが、例えば、特開平２−１９７３５
号公報あるいは特開平８−３３８７７４号公報等によっ
て提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のトルク検出装置は、構造が複雑で高価であり、
一般の自転車等への搭載が難しい問題があった。すなわ
ち、前者のトルク検出装置は、駆動ホイールに加えられ
た回転トルクをスラスト方向の変位に変換するカムを設
け、このカムによって発生したスラスト力を可撓性ディ
スクに取付けた歪ゲージにより検出することにより、駆
動ホイールに加えられた伝達トルクを検出し、これをハ
ンドル部に設置した指針盤上に指示できるようにしたも
のである。

【０００４】また、後者のトルク検出装置は、クランク
ペダルの踏力が作用する磁歪合金からなる回転軸に、互
いに反対方向に傾斜して凹溝を形成することにより磁気
異方性を付与し、この回転軸の外周に、回転軸に生起さ
れた捩じれによる透磁率の変化を検出する検出コイルを
配設したことにより、回転軸に加えられたトルクを検出
し、このトルクに基づいてペダル踏力、消費エネルギ等
を演算して表示装置に表示させるようにしたものであ
る。

【０００５】上記した従来のトルク検出装置は、いずれ
も歪ゲージ方式や磁歪式等、高精度で高価なものであ
り、例えば、自転車競技者の訓練用など、高精度な測定
データが必要なものには適するかも知れないが、一般の
自転車への搭載はコスト的に難しく、そのために安価な
トルク検出装置の出現が望まれている。本発明は、簡素
で低コストであり、しかも堅牢なトルク検出装置を提供
することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、支持
部にベアリングを介して回転可能に支持された駆動軸に
作用する駆動トルクを検出するトルク検出装置におい
て、前記支持部の内周とベアリングの外周との間に、機
械的な歪みに応じて電気抵抗が変化する特性を有するセ
ンサチップを設けたことを特徴とするものである。

【０００７】請求項２の発明は、請求項１の発明に加
え、前記センサチップを、駆動力が作用する角度位置に
位置するように、前記支持部とベアリングとの間に装着
してなるなるものである。請求項３の発明は、請求項１
もしくは請求項２の発明に加え、前記センサチップが、
導電性あるいは半導電性の粒子を絶縁性の母材に分散さ
せた圧力検出素子であることを特徴とするものである。

【０００８】請求項４の発明は、自転車の車体フレーム
の支持部にベアリングを介して回転可能に支持されたク
ランク軸に作用する駆動トルクを検出するトルク検出装
置において、前記支持部の内周とベアリングの外周との
間にセンサスリーブを装着し、このセンサスリーブに機
械的な歪みに応じて電気抵抗が変化する特性を有するセ
ンサチップを設けたことを特徴とするものである。

【０００９】請求項５の発明は、請求項４の発明に加
え、前記センサチップが、駆動力が作用する角度位置
で、かつクランクペダルに加わる重量に影響されない角
度位置に位置するように、前記センサスリーブを前記支
持部とベアリングとの間に装着してなるものである。

【００１０】

【実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に基づい
て説明する。図１において、１０は自転車の前輪、１１
は後輪、１２は車体フレーム、１３はクランク軸（駆動
軸）、１４はクランクアーム、１５はクランク軸１３に
よって駆動される駆動スプロケット、１６は後車軸、１
７は後車軸１６上に設けられた従動スプロケット、１８
は駆動スプロケット１５と従動スプロケット１７にかけ
渡したチェーン、１９はハンドル部に設置された表示器
である。

【００１１】前記車体フレーム１２には、図２に詳細図
示するように、前記クランク軸１３を挿通する中空円筒
状の支持部２１が設けられ、この支持部２１の支持穴２
１Ａにクランク軸１３がベアリング２２、２３を介して
回転可能に支持されている。一方のベアリング２２の外
輪と支持部２１の支持穴２１Ａとの間にはセンサスリー
ブ２５が装着されている。以下にセンサスリーブ２５の
具体的な構成について図３に基づいて説明する。

【００１２】前記センサスリーブ２５は、主として金属
製のスリーブ部材２６と、このスリーブ部材２６の外周
に埋め込まれたセンサチップ２７からなっており、この
センサチップ２７は後に詳述するように、機械的な歪み
に応じて電気抵抗が変化する特性を有する機能性セラミ
ックにて構成されている。センサスリーブ２５は、セン
サチップ２７を樹脂モールド（電気絶縁体）でスリーブ
部材２６の外周部にインサート成形等によって一体成形
した構造をなし、センサチップ２７の先端はスリーブ部
材２６の外周面とほぼ同一の円周線上、もしくはそれよ
りも僅かに突出する位置に位置されている。これによっ
て支持部２１とベアリング２２との間に生ずる半径方向
の押し付け荷重がセンサスリーブ２５に作用すると、セ
ンサチップ２７がその押し付け荷重に応じて押圧され、
機械的な歪みを生ずるようになっている。

【００１３】なお、センサチップ２７の取付けは、上記
したようにスリーブ部材２６の外周に埋め込む以外に、
スリーブ部材２６の外周に切欠きを形成し、その切欠き
部上に設けるようにすることもできる。センサチップ２
７は、予め両端にリード線２８Ａ、２８Ｂを接合し、し
かる後に外面を電気絶縁材でコーティングするなどして
センサチップ２７を介した両リード線２８Ａ、２８Ｂ以
外への漏洩電流の経路を遮断するようにしている。両リ
ード線２８Ａ、２８Ｂはコネクタ２９Ａ、２９Ｂを介し
て荷重検出回路３０に接続され、この荷重検出回路３０
によりセンサチップ２７に加えられた荷重をその抵抗変
化に基づいて検出するようになっている。

【００１４】上記した構成のセンサスリーブ２５は、そ
のセンサチップ２７が前記クランク軸１３に作用する駆
動力を検出できる角度位置となるように、支持部２１と
ベアリング２２との間に圧入嵌合される。すなわち、ク
ランクアーム１４のペダルを踏んでクランク軸１３およ
び駆動スプロケット１５を回転させると、チェーン１８
を介して従動スプロケット１７に回転が伝えられ、後車
軸１６および後輪１１が回転して自転車が走行するが、
このときクランク軸１３には、図３に示すように、自転
車に作用する駆動力Ｆ０と逆向きの駆動反力（駆動トル
ク）Ｆ１と、運転者の体重等に依存した下向きの荷重Ｆ
２とが作用する。クランクペダルに片足もしくは両足で
体重をかけているような状態では、前記下向きの荷重Ｆ
２のみが発生するが、これは駆動トルクではないので、
駆動トルクを検出するためには、荷重Ｆ０を検出しない
角度位置にセンサチップ２７を配設することが必要とな
る。

【００１５】従って、クランク軸１３の中心から見て、
センサチップ２７が前記荷重Ｆ１方向の半径線上よりや
や上方の角度位置（θ）に位置するように、センサスリ
ーブ２５をクランク軸１３上に組み付けることにより、
センサチップ２７には自転車の駆動トルクに応じた荷重
のみが作用されるようになる。かかるセンサチップ２７
を構成する機能性セラミックは、図５に示すように、応
力が作用していない、すなわち機械的な歪みがない状態
では電気抵抗値が大きく、応力が作用して機械的な歪み
が大きくなるほど電気抵抗値が小さくなる特性を有する
のものである。

【００１６】ここで、機能性セラミックとしては、例え
ば、特願平８−２０５３２０号に記載されたものが好適
である。このものは、絶縁性の母材からなる第１相と、
この母材に比べて弾性率が同程度かそれよりも低く、母
材中に連続的に分散した絶縁性の第２相と、この第２相
中に不連続に分散した導電性あるいは半導電性の第３相
粒子からなる圧力センシング材料である。そして、第３
相粒子がこの粒子径の１／２以下の間隔で第２相中に不
連続に分散し、外部からの負荷に対する第３相粒子の状
態変化から負荷に対応した圧力を検出するするようにし
てなる複合材料である。この機能性セラミックによれ
ば、室温から８００℃の広い温度範囲において、ワイド
レンジの応力を高い感度で検出することができる。

【００１７】前記センサチップ２７は、前記第１相の原
料物質となる粒径が０．２μｍの窒化ケイ素原料粉末６
９ｗｔ％と、前記第２相の原料物質となる６ｗｔ％の酸
化イットリウムと、前記第３相の原料物質となる粒径が
３０ｎｍの炭化ケイ素原料粉末３０ｗｔ％とを湿式でボ
ールミル混合後乾燥して得た混合粉末を、２０ＭＰａの
圧力でプレス成形した後、１８５０℃の窒素中で１時間
ホットプレスを行うことにより得ることができる。

【００１８】図６は前記荷重検出回路３０にて検出され
た荷重から駆動トルクを演算するとともに、この駆動ト
ルクから消費エネルギを演算して表示するためのブロッ
ク図である。ＣＰＵ３１には荷重検出回路３０で検出さ
れた荷重に対応したアナログ信号が、Ａ／Ｄ変換回路３
２でデジタル信号に変換されて加えられる。ＲＯＭ３３
には検出された荷重に基づいて、駆動トルクならびに消
費エネルギを演算するためのプログラムが格納されてお
り、またＲＡＭ３４には演算時に使用される作業領域が
確保されている。そして、ＲＯＭ３３およびＲＡＭ３４
とＣＰＵ３１との間で必要な信号が授受され、駆動トル
クならびに消費エネルギが演算される。そして、演算さ
れた消費エネルギは前記表示装置１９に表示される。

【００１９】前記ＲＯＭ３３のプログラムは、メインプ
ログラムとタイマ割り込みルーチンとにより構成されて
いる。タイマ割り込みルーチンは、一定時間周期ごと
（例えば、１０ｍｓｅｃごと）に割り込み起動して荷重
検出回路３０にて検出された荷重信号（抵抗もしくは電
圧）をサンプリングする。一方、メインプログラムは、
タイマ割り込みルーチンによってサンプリングされた荷
重信号を単位時間毎に積分して駆動トルクを演算し、さ
らにこの駆動トルクより消費エネルギ換算式を用いて消
費エネルギを演算し、表示装置１９に表示する。なお、
表示器１９には消費エネルギの他、時間積分によって求
められた駆動トルクを併せて表示させることもできる。

【００２０】次に上述のように構成した本発明装置の作
用を説明する。クランクアーム１４のペダルを踏んで駆
動スプロケット１５を回転させると、チェーン１８およ
び従動スプロケット１７を介して後車軸１６に回転が伝
えられ、後輪１１が回転して自転車が走行する。この
際、自転車に作用する駆動力Ｆ０と逆向きの駆動反力Ｆ
１が、車体フレーム１２の支持部２１とクランク軸１３
との間に作用し、この駆動反力Ｆ１の方向にベアリング
２２およびセンサスリーブ２５に荷重が加えられる。そ
して加えられた荷重に応じてセンサチップ２７に機械的
な歪みが生起され、この歪みに応じてセンサチップ２７
の電気抵抗が変化する。

【００２１】すなわち、自転車に駆動トルクが作用して
いない状態においては、センサチップ２７には組み付け
上の僅かな初期荷重しか作用しておらず、センサチップ
２７の電気抵抗値は図５に示すように大きくなっている
が、自転車の走行に伴って駆動トルク（駆動反力）が作
用すると、その駆動トルクの増大に応じてセンサチップ
２７に作用する荷重が大きくなり、センサチップ２７の
電気抵抗値は荷重の増大に反比例して減少する。従っ
て、センサチップ２７の電気抵抗の変化に基づいて自転
車に作用する駆動トルクを計測できるようになる。

【００２２】タイマ割り込みルーチンは、一定時間周期
ごとに割り込み起動して荷重検出回路３０にて検出され
た荷重信号をサンプリングし、メインプログラムでは、
タイマ割り込みルーチンによってサンプリングされた荷
重信号を時間積分して駆動トルクを求め、さらにこの駆
動トルクに基づいて消費エネルギを演算し、表示装置１
９に表示する。

【００２３】上記した実施の形態によれば、機械的な歪
みに応じて電気抵抗値が変化する特性を有するセンサチ
ップ２７を組込んだセンサスリーブ２５を、半径方向荷
重が作用するベアリング２２の外周と支持部２１の内周
との間に設けたことにより、自転車の駆動トルクを簡素
な構成で低コストで検出できるとともに、装置を堅牢に
構成することができる。

【００２４】しかも検出のために歪ゲージを取付ける可
撓部を実質的に設ける必要がなく、また温度変化による
影響も受けにくいので、装置を堅牢に構成することがで
きる。従って雨水や炎天下等の過酷な条件下で使用され
る自転車等への適用に際しても、長期にわたって安定し
たトルク検出を行い得るようになる。このようなトルク
検出装置の実現により、自転車の駆動に要した消費エネ
ルギを求めることが容易に実現できるようになり、健康
の維持管理あるいはダイエット用に寄与できるものであ
る。

【００２５】なお、上記したトルク検出装置は、上記し
た消費エネルギ表示用の他、クランクペダルの操作力を
電動でアシストする電動アシスト自転車のトルク検出用
に用いることもできる。上記した実施の形態において
は、トルク検出装置を、自転車のトルク検出用に適用し
た例について述べたが、上記のトルク検出装置は自転車
の他に、工作機械等へも適用可能である。

【００２６】図７、図８および図９は本発明の他の実施
の形態を示すもので、工作機械のギヤトレーン中に作用
する駆動トルクを検出するためのもので、この場合に
は、駆動軸間の剛性、精度を確保するために、センサス
リーブ２５も高剛性、高精度な構成とする必要がある。
すなわち、この実施の形態においては、センサスリーブ
２５を、金属リングからなる内スリーブ２５Ａおよび外
スリーブ２５Ｂにて構成し、内スリーブ２５Ａの外周お
よび外スリーブ２５Ｂの内周に、電気絶縁処理コートを
施している。内スリーブ２５Ａの外周一部には、図８、
図９に示すように切欠き部５０が形成されており、この
切欠き部５０にはセンサチップとして機能性セラミック
の厚膜処理部５１が形成され、その両端に形成した電極
処理部５２の導電箔膜でリード線結合を行っている。そ
の後、内、外スリーブ２５Ａ、２５Ｂを圧入により一体
化し、後述する支持部の内周とベアリングの外周との間
に装着される。

【００２７】なお、厚膜処理部５１の厚みは、厚膜処理
部５１の外表面から内スリーブ２５Ａの中心までの距離
が、内スリーブ２５Ａの半径にほぼ等しいか、もしくは
それよりも僅かに大きく設定されている。このような
内、外スリーブ２５Ａ、２５Ｂの一体構造により、セン
サスリーブ２５の剛性を保証するようにしている。前記
センサスリーブ２５は支持部６０の支持穴６０Ａ内に嵌
着されて回り止めされ、このセンサスリーブ２５はギヤ
トレーン中のドライブギヤ５３を取付けた回転軸５４上
にベアリング５５を介して相対回転可能に支持されてい
る。これにより、機能性セラミックの厚膜処理部５１に
ギヤトレーン中のドライブギヤ５３に作用する駆動力に
応じた荷重が作用されるようになり、先に述べた実施の
形態と同様に、ギヤトレーン中に作用する駆動トルクを
高剛性かつ高精度に検出できるようになる。

【００２８】上記した実施の形態においては、センサチ
ップ２７を、導電性あるいは半導電性の粒子を絶縁性の
母材に分散させた圧力検出素子、すなわち機能性セラミ
ックにて構成した例について述べたが、センサチップ２
７としては機能性セラミックに限らず、機械的な歪みに
応じて電気抵抗が変化する特性を有する同種のものを用
いることも可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、機
械的な歪みに応じて電気抵抗が変化する特性を有するセ
ンサチップによって駆動トルクを検出するようにした構
成であるので、きわめて簡素な構成でかつ低コストであ
りながら、堅牢であり、長期にわたって安定したトルク
検出を行い得る効果がある。

【００３０】また、センサチップを導電性あるいは半導
電性の粒子を絶縁性の母材に分散させた圧力検出素子に
て構成したものにおいては、広い温度範囲において、ワ
イドレンジの応力を高い感度で検出できる効果がある。
さらに、センサチップを設けたセンサスリーブを、自転
車のクランク軸に加わる駆動力検出用に用いたものにお
いては、雨水や炎天下等の過酷な条件下での使用におい
ても、長期にわたって安定したトルク検出を行い得る効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施の形態を示す自転車の外観図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】図２のＢ−Ｂ線断面図である。

【図４】図３のＣ部の詳細図である。

【図５】機能性セラミックの荷重−電気抵抗特性図であ
る。

【図６】消費エネルギを演算するためのブロック図であ
る。

【図７】本発明の他の実施の形態を示す図である。

【図８】図７のＤ−Ｄ線断面図である。

【図９】図８のＥ矢視詳細図である。

【符号の説明】

１２ 車体フレーム １３ クランク軸 ２１ 支持部 ２１Ａ 支持穴 ２２、２３ ベアリング ２５ センサスリーブ ２７ センサチップ ３０ 荷重検出回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅井 満 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 神谷 信雄 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支持部にベアリングを介して回転可能に
   支持された駆動軸に作用する駆動トルクを検出するトル
   ク検出装置において、前記支持部の内周とベアリングの
   外周との間に、機械的な歪みに応じて電気抵抗が変化す
   る特性を有するセンサチップを設けたことを特徴とする
   トルク検出装置。
2. 【請求項２】 前記センサチップを、駆動力が作用する
   角度位置に位置するように、前記支持部とベアリングと
   の間に装着してなる請求項１に記載のトルク検出装置。
3. 【請求項３】 前記センサチップが、導電性あるいは半
   導電性の粒子を絶縁性の母材に分散させた圧力検出素子
   であることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記
   載のトルク検出装置。
4. 【請求項４】 自転車の車体フレームの支持部にベアリ
   ングを介して回転可能に支持されたクランク軸に作用す
   る駆動トルクを検出するトルク検出装置において、前記
   支持部の内周とベアリングの外周との間にセンサスリー
   ブを装着し、このセンサスリーブに機械的な歪みに応じ
   て電気抵抗が変化する特性を有するセンサチップを設け
   たことを特徴とするトルク検出装置。
5. 【請求項５】 前記センサチップが、駆動力が作用する
   角度位置で、かつクランクペダルに加わる重量に影響さ
   れない角度位置に位置するように、前記センサスリーブ
   を前記支持部とベアリングとの間に装着してなる請求項
   ４に記載のトルク検出装置。