JPWO2007029620A1 - 回転検出器およびトルクセンサ - Google Patents

Abstract

同一軸線上に位置しかつ一方が他方に対して相対的に回転可能な第１および第２の回転体を備える。これらの回転体のうち一方の回転体と同一軸線上に位置し、一方の回転体にスライドガイド手段３４を介して接続されることによって、一方の回転体に対して相対回転が制限されかつ軸線方向への移動が許容されたスライダ３３を備える。スライダ３３上の同一軸線上に固定された移動側磁石３２と、他方の回転体の同一軸線上に固定されかつ軸線方向への移動が規制された固定側磁石３１とを備える。移動側磁石３２と固定側磁石３１とは、一方の磁石の回転方向の位置が他方の磁石の回転方向の位置に対して変化することにより両磁石に軸線方向に作用する磁力の大きさが変化するように着磁されている。スライダ３３の軸線方向の位置に基づいて第１の回転体と第２の回転体の回転方向の位置ずれ量を検出する検出手段を備えている。

Description

本発明は、回転体の回転方向の位置ずれ量を永久磁石の磁力によって軸線方向の変位に変換して検出する回転検出器およびトルクセンサに関するものである。

従来、例えばモータの出力が乗員の踏力の大きさに対応して増減する電動自転車においては、踏力の大きさをトルクセンサによって検出する構成が採られている。この種の電動自転車に装備されている従来のトルクセンサとしては、例えば特開２００６−３５９２７号公報（以下、単に特許文献１という）、特開２０００−１５３７９５号公報（以下、単に特許文献２という）、特開２０００−１１４６１６号公報（以下、単に特許文献３という）、特開２０００−５３０６９号公報（以下、単に特許文献４という）および特開平１０−２５０６７３号公報（以下、単に特許文献５という）などに開示されているものがある。

特許文献１に示されているトルクセンサは、ペダルクランク軸と一体に回転する第１の回転体と、後輪駆動用チェーンスプロケットと一体に回転する第２の回転体とを備えている。ペダルクランク軸と後輪駆動用チェーンスプロケットとは、同一軸線上に位置付けられ、一方が他方に対して相対回転できるように構成されており、動力伝達用の圧縮コイルばねを介して連結されている。

前記第１の回転体には、ガイドピンが植設されており、このガイドピンを介して可動リングが装着されている。この可動リングは、円筒状に形成されており、ガイドピンにより第１の回転体に対して軸方向に移動可能、かつ周方向に一体回転するように第１の回転体に支持されている。可動リングは、ガイドピンに嵌められたばねにより第１の回転体から離反するように付勢されている。第２の回転体には、円筒状に形成された固定子が同心上に固定されており、前記可動リングの内周部内に位置付けられている。可動リングの内周部にはカムが形成されており、固定子の外周部には、このカムに接触するカムフォロアが設けられている。

前記カムは、可動リングの軸線方向の一端部から他端部に向かうにしたがって回転方向の前側から後側に傾斜して延びるように形成されている。すなわち、第１の回転体が動力伝達用圧縮コイルばねの弾発力に抗して第２の回転体に対して相対回転することによって可動リングは軸線方向に移動する。このトルクセンサは、このように軸線方向に移動した可動リングの位置をセンサによって検出し、この位置に基づいて踏力の大きさを算出する。

特許文献２に示されているトルクセンサは、ペダルクランク軸側の第１の遊星歯車機構と、後輪駆動用チェーンスプロケット側の第２の遊星歯車機構とを備えている。第１の遊星歯車機構の太陽歯車はペダルクランク軸に設けられており、第２の遊星歯車機構の太陽歯車は後輪駆動用チェーンスプロケット側の回転軸に設けられている。そして、これらの外周歯車どうしは互いに接続されている。第１の遊星歯車機構の遊星歯車支持用キャリアは、車体フレーム側に固定され、第２の遊星歯車機構の遊星歯車支持用キャリアは検出用歯車に接続されている。この検出用歯車には、ポテンショメータからなる回転検出用センサの入力歯車が噛合している。

このトルクセンサによれば、ペダルクランク軸と後輪駆動用チェーンスプロケットとの回転方向の位相がずれることにより検出用歯車が回転する。このトルクセンサは、検出用歯車の回転角度を回転検出用センサによって検出し、この回転角度に基づいて踏力の大きさを算出する。

特許文献３に示されているトルクセンサは、乗員の踏力が加えられる磁歪素子と、この磁歪素子の周囲に設けられた磁歪検出コイルとを備え、踏力の大きさと対応する磁歪素子の透磁率の変化を磁歪検出コイルによって検出する構成が採られている。

特許文献４と特許文献５に示されているトルクセンサは、ペダルクランク軸が内部に挿通された筒体と、この筒体が内部に挿通された検出用コイルなどを備えている。筒体は、軸線方向の一端部がペダルクランク時に結合され、他端部がチェーンスプロケット側に連結されており、踏力の大きさに対応して捻られるように構成されている。

この筒体の外周部には、捻られることにより透磁率が変化するように、平面視ハ字状のパターンとなる多数のスリットが形成された磁性膜（特許文献４）や、ハ字状のパターンとなる多数の突条（特許文献５）が設けられている。検出用コイルは、スリットや突条が捻られることにより生じる透磁率の変化を検出するように構成されている。

特許文献１に記載されているトルクセンサは、カムとカムフォロアとによって回転を軸線方向への移動に変える構造を採っているから、以下に述べるような理由によって径方向に小型化することができないという問題があった。
この種のトルクセンサにおいて、可動リングが固定子に対して相対的に回転するときの回転角度と、そのときの可動リングの軸線方向への移動量との割合は、カムの周方向に対する傾斜角度（以下、この傾斜角度を単にスキュー角度という）によって決まる。この割合は、乗員に違和感を与えることがなく、かつセンサで確実に変位を検出できるような最適な値に設定しなければならない。

すなわち、乗員がペダルを踏み込んだ後、圧縮コイルばねが圧縮されて後輪駆動用チェーンスプロケットが回転を始めるまでの回転角度が大きくなればなるほど乗員に違和感を与えてしまう。このため、可動リングが固定子に対して相対的に回転するときの回転角度は可及的小さくなるように設定している。
一方、可動リングの軸線方向への移動量は、第１の回転体の移動をセンサによって高い精度で検出するために、センサの分解能に対応した移動量となるように設定する。

上記割合を変えることなく可動リングと固定子とを小径に形成するためには、図２５および図２６に示すように、カムのスキュー角度を大きくしなければならない。例えば、図２５に示すように、外径が相対的に大きくスキュー角度が角度Ａである回転体の外径を上述した割合が変わることがないように小さく形成すると、図２６に示すように、スキュー角度は角度Ａより大きな角度Ｂになる。

スキュー角度が大きくなると、カムがカムフォロアが押しつけられるときの面圧が過度に大きくなり、摩擦力が増大して動作が円滑ではなくなり、トルクセンサとしての本来の機能が損なわれるばかりか、これらの部材が摩耗し易く、トルクセンサの耐久性が低下してしまう。すなわち、特許文献１に記載されているトルクセンサを小径に形成することができない理由は、このようにスキュー角度を大きく形成しなければならないからである。
以上述べた理由により、特許文献１に記載されたトルクセンサを採用すると、どうしてもトルクセンサが大型になってしまう。

特許文献２に記載されているトルクセンサは、ペダルクランク軸の回転と後輪駆動用チェーンスプロケットの回転との位相差を検出するために複数の遊星歯車機構を使用しているため、構造が複雑になって製造コストが高くなるという問題があった。

特許文献３〜特許文献５に記載されているトルクセンサは、透磁率の変化を検出するためのコイルに常に通電する必要があり、消費電力量が多くなってその分走行可能距離が短くなるという問題がある。
また、特許文献３〜特許文献５に記載されたトルクセンサは、微小な透磁率の変化を検出するものでありＳ／Ｎ比が低くなるから、外部の磁気（ノイズ）の影響を受け易く、必ずしも正確にトルクを検出することができるものではなかった。

特許文献４と特許文献５に示されているトルクセンサは、透磁率を変化させるために用いている多数のスリットや突条の形状が複雑になるから、歩留りよく製造することが難しい。そのうえ、これらのトルクセンサのスリット部分や突条を形成する磁性材料は相対的に価格が高いものである。このため、特許文献４，５に示されているトルクセンサは、製造コストが高くなるという問題がある。

本発明はこのような問題を解消するためになされたもので、径方向にコンパクトに形成することができるとともに、簡単な構造で二つの部材の相対回転を正確に検出することができる回転検出器およびトルクセンサを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る回転検出器は、同一軸線上に位置しかつ一方が他方に対して相対的に回転可能な第１および第２の回転体と、これら第１の回転体と第２の回転体とのうち一方の回転体と同一軸線上に位置し、この一方の回転体にスライドガイド手段を介して接続されることによって、一方の回転体に対して相対回転が制限されかつ軸線方向への移動が許容されたスライダと、このスライダ上の同一軸線上に固定された移動側磁石と、他方の回転体の同一軸線上に固定されかつ軸線方向への移動が規制された固定側磁石とを備え、これら移動側磁石と固定側磁石とは、一方の磁石の回転方向の位置が他方の磁石の回転方向の位置に対して変化することにより両磁石に軸線方向に作用する磁力の大きさが変化するように着磁され、このスライダの軸線方向の位置に基づいて第１の回転体と第２の回転体の回転方向の位置ずれ量を検出する検出手段を備えているものである。

本発明によれば、固定側磁石の位置に対して移動側磁石の回転方向の位置が変化することにより、磁力によってスライダが軸線方向に移動し、検出手段によって第１および第２の回転体の回転方向の位置ずれ量が検出される。検出手段は、軸線方向に移動する部材の位置を検出する一般的なセンサを用いて構成することができる。

したがって、本発明によれば、移動側磁石と固定側磁石との相対的な回転を磁力によって軸線方向への移動に変えるから、この変換をカムとカムフォロアとによって機械的に行う装置に較べて面圧の制約を受けることがなくスキュー角度を大きくとることができる。このため、本発明によれば、上述したカムとカムフォロアとを使用する装置に較べて径方向に小型化された回転検出器を提供することができる。

特に、本発明に係る回転検出器によって電動自転車用動力ユニットにおいて乗員の踏力を検出する場合、径方向への小型化を図りながら、乗員が一般的な自転車と同じ走行感覚で運転できるとともに、乗員の踏力を高い精度で検出することができる。このようなことができる理由は、上述したようにスキュー角度を大きくとることができ、固定側磁石と移動側磁石との一方が他方に対して相対回転するときの角度と、そのときの移動側磁石の軸線方向への移動量との割合を最適になるように設定することができるからである。

すなわち、この回転検出器を電動自転車用動力ユニットに装備することによって、ペダルクランク軸と後輪駆動用チェーンスプロケットとの間の動力伝達系に介装する圧縮コイルばねとしてばね常数が相対的に大きいものを使用することができるから、乗員に走行時に違和感を与えることがなくなる。また、この回転検出器によれば、移動側磁石の移動量を多くとることができるから、この移動側磁石の移動をセンサによって高い精度で検出することができ、踏力の大きさの検出精度が高くなる。

本発明によれば、磁界の変化を検出するコイルは不要であるから、消費電力量を少なく抑えながら、二つの回転物の回転方向の位置ずれを検出する回転検出器を提供することができる。
また、本発明に係る回転検出器は、回転方向の位置ずれ量を移動側磁石と固定側磁石の磁力によって軸方向移動量に変換するものであり、単純な形状の部品を使用して構成することができる。このため、二つの回転体の回転方向の位置ずれを検出するに当たって、スリットや突条の捩り方向の変形量を磁気的に検出する構成を採る場合や、複数の遊星歯車機構を使用する場合に較べて、構造が簡単で、しかも一般的な材料を使用して構成することができるから、製造コストを低減することができる。

さらに、本発明に係る回転検出器は、移動側磁石と固定側磁石の磁力によって軸線方向に移動したスライダの移動量を検出するに当たって、このスライダに設けた位置検出専用の磁石を使用することができる。この構成を採ることにより、単純な構造で移動量に比例した線形の出力を容易に得ることができ、検出精度も向上する。
加えて、本発明に係る回転検出器は、磁石を用いるものであるから、機械加工では製造が困難なスキュー角が一定でないものも容易に造ることができ、位相差に対する出力値を自在に調整することができる。

図１は、本発明に係る回転検出器を用いて構成されたトルクセンサを装備した電動自転車用動力ユニットの平面図である。 図２は、トルクセンサを拡大して示す断面図である。 図３は、固定側磁石と移動側磁石の着磁パターンを示す斜視図である。 図４は、位置検出用磁石の着磁パターンを示す斜視図である。 図５は、スライドガイドリングを示す斜視図である。 図６は、位置検出用磁石の他の形成例を示す斜視図である。 図７は、第２の実施の形態によるトルクセンサの断面図である。 図８は、第３の実施の形態によるトルクセンサの断面図である。 図９は、第４の実施の形態による電動自転車用動力ユニットの平面図である。 図１０は、図９のトルクセンサを拡大して示す断面図である。 図１１Ａは、図１０における固定側磁石と移動側磁石の着磁パターンを説明するための側面図である。 図１１Ｂは、図１１Ａの着磁パターンを説明するための平面図である。 図１２Ａは、図１０における固定側磁石と移動側磁石の他の着磁例の着磁パターンを説明するための側面図である。 図１２Ｂは、図１２Ａの着磁パターンを説明するための平面図である。 図１３は、図１０におけるXIII−XIII線断面図である。 図１４Ａは、図１０における固定側磁石と移動側磁石とのうち一方の磁石のさらに他の着磁例の着磁パターンを説明するための側面図である。 図１４Ｂは、図１４Ａの着磁パターンを説明するための平面図である。 図１５Ａは、図１０における固定側磁石と移動側磁石とのうち他方のの磁石のさらに他の着磁例の着磁パターンを説明するための側面図である。 図１５Ｂは、図１５Ａの着磁パターンを説明するための平面図である。 図１６は、図１４Ａ，Ｂに示す着磁パターンの磁石と、図１５Ａ，Ｂに示す着磁パターンの磁石とを組み合わせて使用した場合における位相角と反発力との関係を示すグラフである。 図１７は、第５の実施の形態による電動自転車用動力ユニットの断面図である。 図１８は、図１７のトルクセンサを拡大して示す断面図である。 図１９は、スライダの車体右側から見た側面図である。 図２０は、スライダの平面図である。 図２１は、図２０におけるXXI−XXI線断面図である。 図２２は、スライドガイドリングの車体左側から見た側面図である。 図２３は、図２２におけるXXIII−XXIII線断面図である。 図２４は、スキュー角度と面圧との関係を示すグラフである。 図２５は、外径が大きい場合のスキュー角度を示す図である。 図２６は、外径が小さい場合のスキュー角度を示す図である。

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る回転検出器およびトルクセンサの一実施の形態を図１ないし図６によって詳細に説明する。ここでは本発明に係る回転検出器によって電動アシスト自転車用トルクセンサを構成する場合の形態について説明する。なお、図１においては、要部を破断した状態で描いてある。

図１〜図６において、符号１で示すものは、この実施の形態による電動自転車用動力ユニットを示す。この動力ユニット１は、図示していない車体フレームのハンガー部に取付けられるもので、後述するペダルクランク軸２と、このペダルクランク軸２に接続されたペダル（図示せず）を乗員が踏み込んだときの力を検出するためのトルクセンサ３と、後輪駆動用のモータ４などを備えている。この動力ユニット１は、図１において左側が車体前側となり、図１において右側が車体後側となるように車体フレームに搭載される。

この動力ユニット１の各部品は、車幅方向に分割可能なハウジング５に支持されている。このハウジング５は、左側半部５ａと右側半部５ｂとからなり、車体前側の端部（図１においては左側の端部）に設けられた取付用ブラケット６と、後側に設けられた取付用ブラケット（図示せず）とを介して車体フレームに取付けられている。車体前側の取付用ブラケット６は、図１中に符号７で示すボルトによって車体フレームに固定されている。

ハウジング５は、車体前側の端部でペダルクランク軸２を回転自在に支持し、ペダルクランク軸２より車体後側でモータ４を支持している。このモータ４は、ハウジング５の左側半部５ａに取付けられており、出力軸１１に設けられたピニオン１２と、このピニオン１２に噛合する従動ギヤ１３と、従動ギヤ１３の軸心部に介装された一方向クラッチ（図示せず）とを介してハウジング後部の出力軸１４に接続されている。一方向クラッチは、モータ４の前進方向の回転のみを出力軸１４に伝達するものが用いられている。

出力軸１４は、従動ギヤ１３を支持しかつ両端部がハウジング５に回転自在に支持されており、ハウジング５の右側半部５ｂから車体右側に突出している。出力軸１４の突出側端部には、後輪駆動用チェーン（図示せず）を巻掛けるためのスプロケット１５が設けられている。
このモータ４の出力は、後述するトルクセンサ３が検出した踏力の大きさに略比例するように、制御装置１６によって制御される。

ペダルクランク軸２は、車幅方向の両端部が軸受２１，２２によってハウジング５に回転自在に支持されており、ハウジング５を車幅方向に貫通している。ペダルクランク軸２の車体右側の端部を支持する軸受２２は、ペダルクランク軸２の車体右側の端部に回転自在に嵌合されたスプロケット支持用ボス２３の外周部とハウジング５の右側半部５ｂとの間に介装されている。

ボス２３は、車体右側の端部がハウジング５から右側に突出するように形成されている。ボス２３のこの端部には、後輪駆動用チェーン（図示せず）が巻掛けられる人力駆動用スプロケット２４が螺着されている。チェーンは、この人力駆動用スプロケット２４と、出力軸１４のスプロケット１５と、図示していないテンションスプロケットと、後輪のフリーホイールとに巻掛けられている。フリーホイールは、動力をチェーン側からハブ側へのみ伝達する一方向クラッチが設けられている。

ペダルクランク軸２の両端部には、先端部にペダル（図示せず）を有するペダルクランク２５がそれぞれ取付けられている。また、ペダルクランク軸２の車体右側の端部であってハウジング５から右側に突出する部位には、駆動用レバー２６がスプライン嵌合により一体に回転するように取付けられている。

この駆動用レバー２６は、ペダルクランク軸２を中心として放射状に延びる複数のレバー本体２６ａを有し、人力駆動用スプロケット２４の車体右側に隣接するように位置付けられている。この駆動用レバー２６とスプロケット２４とは、後述する連結機構２７を介して外周部どうしが互いに連結されている。

連結機構２７は、動力伝達系においてペダルクランク軸側に位置する駆動用レバー２６から踏力をスプロケット２４に伝達するためのものである。この連結機構２７は、駆動用レバー２６のレバー本体２６ａに一体的に設けられた押圧部材（図示せず）と、スプロケット２４に一体的に設けられた受圧部材（図示せず）と、これらの押圧部材と受圧部材との間に軸線方向が回転方向を指向するように弾装された圧縮コイルばね（図示せず）とから構成されており、駆動用レバー２６とスプロケット２４とにそれぞれこれらの厚み方向（車幅方向）に貫通するように装着されている。

このように連結機構２７を介して駆動用レバー２６とスプロケット２４とを連結することにより、乗員がペダルを踏み込んだときの踏力が駆動用レバー２６から連結機構２７を介してスプロケット２４に伝達され、さらにスプロケット２４からチェーンを介して後輪に伝達される。この前進時には、連結機構２７の圧縮コイルばねが圧縮されることによって、スプロケット２４の回転方向の位置に対して駆動用レバー２６の位置が回転方向の前側にずれる。

言い換えれば、このとき、駆動用レバー２６およびペダルクランク軸２の回転方向の位置は、車体右側から見た状態で、スプロケット２４に対して時計方向にずれることになる。この実施の形態によるトルクセンサ３は、両者の回転方向の位置ずれ量を検出し、この位置ずれ量に基づいて踏力の大きさを演算によって求める。

このトルクセンサ３は、図１および図２に示すように、ペダルクランク軸２と駆動用レバー２６などからなる第１の回転体と、スプロケット２４に結合されたスプロケット支持用ボス２３および後述するスライドガイドリング３５などからなる第２の回転体と、この第２の回転体と同一軸線上に位置し、この第２の回転体のスライドガイドリング３５に後述するスライドガイド手段３４を介して接続されることによって、第２の回転体に対して相対回転が制限されかつ軸線方向への移動が許容されたスライダ３３と、このスライダ上の同一軸線上に固定された移動側磁石３２と、第１の回転体（ペダルクランク軸２）の同一軸線上に固定されかつ軸線方向への移動が規制された固定側磁石３１と、スライダ３３の軸線方向の位置に基づいて第１の回転体と第２の回転体の回転方向の位置ずれ量を検出する後述する検出手段とから構成されている。検出手段は、スライダ３３の車体左側の端部に設けられた円筒状の位置検出用磁石３６と、この位置検出用磁石３６の外周面に隙間をおいて対向するホール素子３７と、このホール素子３７に接続された制御装置１６の演算手段３８（図１参照）などによって構成されている。

固定側磁石３１は、この実施の形態においては、図２に示すように、ペダルクランク軸２に嵌合する円筒状に形成された永久磁石からなり、ペダルクランク軸２に同一軸線上で一体回転するように圧入、固定されている。この固定側磁石３１は、ペダルクランク軸２に一体に形成された環状のつば部２ａによって軸線方向に位置決めされている。

移動側磁石３２は、円筒状に形成された永久磁石からなり、その内周面が上述した固定側磁石３１の外周面に隙間をおいて対向するように後述するスライダ３３に固定されている。すなわち、固定側磁石３１は、移動側磁石３２の内側に挿入されている。
この移動側磁石３２は、この実施の形態においては、後述するスライダ３３の内周部に接着されており、ペダルクランク軸２および固定側磁石３１と同一軸線上であって、図２に示すように、軸線方向とは直交する方向から見て固定側磁石３１と重なるような位置に位置付けられている。この移動側磁石３２はスライダ３３にインサート成形により一体に形成することもできる。この実施の形態による移動側磁石３２は、スライダ３３が図１および図２に図示した初期位置に位置している状態において、固定側磁石３１における車体右側の端部の外周面と対向するような位置に位置付けられている。

これらの固定側磁石３１と移動側磁石３２は、図３に示すように、外周面と内周面とにそれぞれ径方向に並ぶように多数の磁極４２，４２‥‥が形成されている。これらの磁極４２は、例えば外周面側がＮ極の場合には内周面側がＳ極になるように、磁石の径方向に着磁することによって形成されており、軸線方向の一端から他端に延びるように外周面と内周面とに形成されている。

これらの磁極４２は、周方向に隣接する磁極４２とは極性が異なり、軸線方向の一端から他端に向かうにしたがって周方向の一方へ変位するように形成されている。この実施の形態によるこれらの磁極４２は、固定側磁石３１および移動側磁石３２の軸心を中心として描いた仮想の螺旋の一部をなす形状、すなわち螺旋状に形成されている。移動側磁石３２は、固定側磁石３１より外径と内径とが大きくかつ軸線方向に短くなるように形成されているが、固定側磁石３１と同一の着磁パターンとなるように形成されている。この実施の形態による固定側磁石３１と移動側磁石３２の磁極４２は、車体に装備された状態で車体右側（図３においては上側）から見て車体左側に向けて反時計方向に捩られる螺旋の一部となるような形状に形成されている。円筒状に形成された移動側磁石３２の径方向の厚みは、固定側磁石３１の厚みより薄くなるように形成されている。

移動側磁石３２を保持するスライダ３３は、図２に示すように、合成樹脂によって円筒状に形成されている。このスライダ３３の車体右側の端部には、他の部位より外径が大きくなる大径部４３が形成され、車体左側の端部には小径部４４が形成されている。大径部４３は、スライドガイドリング３５の外周面に摺動自在に嵌合するように形成されている。

スライドガイドリング３５は、スプロケット支持用ボス２３の車体左側の端部に嵌合し支持されている。また、このスライドガイドリング３５は、その内周部に形成された係合溝４５と、ボス２３に立設されたピン４６との係合により、このボス２３に対して回転方向への移動が規制され、ボス２３と一体に回転する。

スライダ３３の小径部４４は、ペダルクランク軸２の外周面に摺動自在に嵌合するように形成されており、外周部において後述する位置検出用磁石３６を保持している。すなわち、この実施の形態によるスライダ３３は、後述するスライドガイド手段３４が設けられていない状態ではスライドガイドリング３５とペダルクランク軸２との両方に対して回転方向と軸線方向とに移動自在に両部材に嵌合している。また、このスライダ３３は、これら二箇所の嵌合部分の間となる軸線方向の中央部において移動側磁石３２を保持するとともに、車体左側の端部において位置検出用磁石３６を保持している。

このスライダ３３の大径部４３には、スライドガイド手段３４の一部を構成するピン５１が径方向の内側に突出するように立設されている。このピン５１は、大径部４３を周方向に３等分する位置にそれぞれ立設され、スライドガイドリング３５の外周部の三箇所に形成された凹溝５２内に摺動自在に嵌入している。これらの凹溝５２は、この実施の形態においては、図５に示すように、固定側磁石３１および移動側磁石３２の磁極４２と同一の傾斜角度であって、かつ逆向き、すなわち車体に装備された状態で車体右側（図３においては上側）から見て車体左側に向けて時計方向に捩られる螺旋の一部となるような形状に形成されている。なお、凹溝５２の捩れ方向を磁極４２と同方向とすることもできるが、その場合、傾斜角度を磁極４２の傾斜角度とは異なる角度に設定しなければ、スライダ３３をスライドガイドリング３５に対して移動させることはできない。異なる傾斜角度としては、スライドガイドリング３５の摺動性や、スライダ３３の目標とする移動量の大きさなどによって適宜変更することができる。さらに、凹溝５２は、軸線方向にストレートであってもよい。この凹溝５２とピン５１とによって本発明でいうスライドガイド手段３４が構成されている。すなわち、スライダ３３は、スライドガイド手段３４を介してスライドガイドリング３５に接続されることによって、スライドガイドリング３５を有する第２の回転体に対して相対回転が制限されかつ軸線方向への移動が許容されることになる。
凹溝５２を有するスライドガイドリング３５は、ピン５１が凹溝５２に沿って円滑に移動することができるように、摩擦係数の小さい合成樹脂によって形成されている。

このスライダ３３は、外力が加えられていない状態では、固定側磁石３１と移動側磁石３２との互いに及ぼし合う磁力が安定した位置、例えば固定側磁石３１のＮ極に移動側磁石３２のＳ極が対向する位置に静止する。

この状態で固定側磁石３１を移動側磁石３２に対して車体右側から見て時計方向に回転させることによって、移動側磁石３２は、磁力によって引かれ（または反発され）、固定側磁石３１と同一の方向に連れ回ろうとする。このとき、スライダ３３のピン５１がスライドガイドリング３５の凹溝５２に係合しているため、自由な連れ回りが規制されて両磁石３１，３２間に回転方向のずれが発生する。そして、これら固定側磁石３１と移動側磁石３２の互いに対向する磁極４２が螺旋状に形成されていることから、移動側磁石３２は、いわゆるねじの作用と同様の作用により磁力からなる軸線方向への付勢力によって付勢され、スライダ３３とともに車体左側に移動する。

スライダ３３は、３本のピン５１が凹溝５２内を移動することにより、図１と図２とに図示した初期位置と、この初期位置から車体左側に移動する移動位置（図示せず）との間で、スライドガイドリング３５に対して螺旋に沿って回転方向に変位しながら軸方向に移動する。この実施の形態によれば、凹溝５２の捩れ方向が磁極４２とは逆方向となるように形成されているから、ピン５１は、凹溝５２内を円滑に車体左側に移動する。
スライダ３３に対する移動側磁石３２の回転方向の取付位置は、スライダ３３が初期位置に位置している状態で、固定側磁石３１との間で生じる吸引力が最大となるような位置に位置付けられている。

すなわち、この実施の形態による移動側磁石３２は、電動自転車が前進する方向へペダルクランク軸２が回転する状態において、固定側磁石３１が移動側磁石３２に対して回転方向の前方（車体右側から見て時計方向）へ相対的に回転することによって、固定側磁石３１と同一の方向に回転しながら車体左側へ移動することになる。なお、固定側磁石３１と移動側磁石３２の磁極４２は、Ｎ極とＳ極とが周方向に少なくとも１つずつ並ぶように形成することによって、この実施の形態と同等の効果を奏する。

位置検出用磁石３６は、円筒状に形成された永久磁石からなり、内部にスライダ３３の小径部４４を嵌合させ、この小径部４４に同一軸線上に位置する状態で接着されている。この位置検出用磁石３６は、図４に示すように、径方向に着磁され、軸線方向の一端部がＮ極になるとともに他端部がＳ極になるように形成されている。なお、この位置検出用磁石３６は、スライダ３３にインサート成形によって一体的に形成することができる。

この位置検出用磁石３６の外周面と対向するホール素子３７は、図２に示すように、スライダ３３を径方向の外側から覆う筒状に形成されたセンサ用ケース５３に取付けられている。このホール素子３７は、磁界の強さ（磁束密度の大きさ）を検出し、この強さを示す検出信号を制御装置１６に送出する。この実施の形態によれば、このホール素子３７によって本発明でいう位置検出用センサが構成されている。
この実施の形態によるホール素子３７は、磁束密度の大きさに対応して出力がいわゆるアナログ的に変化するものが使用されている。この実施の形態では、ホール素子３７としてホールＩＣを使用している。なお、位置検出用磁石３６の磁界の強さを検出するに当たっては、ホールＩＣとは異なる他の種類のホール素子の他に、例えばリードスイッチなどの他の磁気センサを使用することができる。

センサ用ケース５３は、ハウジング５に回転が規制されかつペダルクランク軸２によって軸線方向への移動が規制された状態でハウジング５に支持されている。ホール素子３７は、このハウジング５に対して回転する位置検出用磁石３６の磁束を検出する。このホール素子３７が検出する位置検出用磁石３６の磁束密度の大きさは、位置検出用磁石３６の軸線方向の位置に対応して変化する。このため、ホール素子３７により磁束密度の大きさを検出することによって、位置検出用磁石３６の軸線方向の位置を検出することができる。

このホール素子３７から検出信号が送られた制御装置１６は、位置検出用磁石３６の軸線方向の位置を検出し、この位置に基づいて演算により固定側磁石３１と移動側磁石３２の回転方向の位置ずれ量、換言すれば駆動用レバー２６の人力駆動用スプロケット２４に対する回転方向のずれ量を求め、さらに、このずれ量から踏力の大きさを求める。このように踏力の大きさを検出した後、制御装置１６は、モータ４の出力を踏力の大きさに略比例するように制御する。

このように構成されたトルクセンサ３を有する電動自転車用動力ユニット１においては、前進時にペダルクランク軸２が無負荷となるような状態で回転する場合、連結機構２７の圧縮コイルばねは圧縮されず、駆動用レバー２６と人力駆動用スプロケット２４とが同期して回転し、ペダルクランク軸２、ボス２３、スライドガイドリング３５なども同期して回転する。

このとき、固定側磁石３１と移動側磁石３２との回転方向の位置ずれが発生しないため、スライダ３３は軸線方向に移動しない。
すなわち、ペダルクランク軸２（駆動用レバー２６）と人力駆動用スプロケット２４とが同期して回転する場合、移動側磁石３２を有するスライダ３３は、移動側磁石３２と固定側磁石３１とが磁力により吸引し合った状態が維持されペダルクランク軸２と同期して回転する。

この動力ユニット１において、ペダルクランク軸２に加えられた乗員の踏力が増大すると、駆動用レバー２６と人力駆動用スプロケット２４との間に介装された圧縮コイルばねが圧縮されることにより駆動用レバー２６が人力駆動用スプロケット２４に対して回転方向に位置ずれを起こす。このとき、駆動用レバー２６の回転方向の位置は、スプロケット２４の回転方向の位置に較べて圧縮コイルばねの圧縮分だけ回転方向の前方に移動することになる。

このように両者に回転方向の位置ずれが生じることにより、駆動用レバー２６と一体に回転する固定側磁石３１は、人力駆動用スプロケット２４と一体に回転する移動側磁石３２に対して回転方向に位置ずれを起こす。この場合、移動側磁石３２に対して固定側磁石３１が回転方向に変位する。

固定側磁石３１の回転方向の位置が移動側磁石３２の回転方向の位置に対してずれると、これらの磁石３１，３２は磁力によって互いに吸引し合っているから、移動側磁石３２は、磁力によって固定側磁石３１の移動する方向、すなわち回転方向の前方へ引かれる。しかし、移動側磁石３２を有するスライダ３３は、人力駆動用スプロケット２４側のスライドガイドリング３５の凹溝５２にピン５１を介して連結されているため、スライダ３３は、スライドガイドリング３５に対して相対回転が制限され、かつこれらの固定側磁石３１および移動側磁石３２の磁極４２は螺旋状に着磁されているために、固定側磁石３１の移動側磁石３２に対する相対的な回転により、移動側磁石３２にこれを軸線方向へ付勢するような磁力が作用する。

この実施の形態による移動側磁石３２は、このように磁力により軸線方向に付勢されることによって、スライダ３３とともにスライドガイドリング３５に対して車体左側に移動する。このとき、スライドガイドリング３５の凹溝５２は捩れ方向が磁極４２とは逆方向の螺旋状に形成されているから、スライダ３３が上記方向に移動するときのピン５１と凹溝５２との摩擦抵抗が小さくなり、スライダ３３が円滑に移動する。

このようにスライダ３３が車体左側に移動すると、位置検出用磁石３６の位置の変化をホール素子３７が検出し、制御装置１６が位置検出用磁石３６（スライダ３３）の軸線方向への移動量に基づいて踏力の大きさを求める。そして、制御装置１６は、モータ４の出力を踏力と比例するように制御する。この結果、この電動自転車用動力ユニット１においては、踏力と、この踏力に略比例するモータ４の動力とによって後輪を駆動することになる。

したがって、この実施の形態によるトルクセンサ３を構成する回転検出器は、固定側磁石３１と移動側磁石３２の相対的な回転を磁力によって軸線方向への移動に変えるものであるから、この変換をカムとカムフォロアとによって機械的に行う装置に較べて面圧の制約を受けることがなく、スキュー角度を大きくとることができる。このため、この実施の形態によれば、ペダルクランク軸２と駆動用レバー２６などからなる第１の回転体が、人力駆動用スプロケット２４、スプロケット支持用ボス２３およびスライドガイドリング３５などからなる第２の回転体に対して相対回転するときの回転角度と、スライダ３３の軸線方向への移動量との割合を最適になるように設定しながら、径方向に小型化された回転検出器を製造することができる。

また、上述した回転検出器は、固定側磁石３１および移動側磁石３２の磁力により回転方向のずれを軸線方向の移動に変換し、この移動量に基づいて回転方向の位置ずれ量を検出するものであるから、透磁率の変化を利用する従来の回転検出器（トルクセンサ）に較べて磁界の変化を検出するコイルは不要になる。
このため、この実施の形態による回転検出器（トルクセンサ３）においては、消費電力量を少なく抑えながら、二つの回転体（ペダルクランク軸２と人力駆動用スプロケット２４）の回転方向の位置ずれを検出し、これらの回転体に回転方向の位置ずれを起こさせた踏力（トルク）の大きさを検出することができる。

また、この実施の形態によるトルクセンサ３に用いられている回転検出器は、固定側磁石３１および移動側磁石３２の磁力によって移動したスライダ３３の軸線方向への移動量を検出するものであるから、単純な形状の部品を使用して構成することができる。このため、このトルクセンサ３においては、二つの回転体（ペダルクランク軸２と人力駆動用スプロケット２４）の回転方向の位置ずれを検出するに当たって、スリットや突条の捩り方向の変形量を磁気的に検出する構成の従来の磁歪式トルクセンサや、複数の遊星歯車機構を使用するトルクセンサに較べて、構造が簡単で、しかも一般的な材料を使用して構成することができるから、安価に製造することができる。

この実施の形態によるトルクセンサ３においては、固定側磁石３１と移動側磁石３２は螺旋状に着磁されているから、移動側磁石３２を軸線方向に付勢する磁力は、固定側磁石３１と移動側磁石３２との回転方向の位置ずれ量が増大するにしたがって次第に大きくなる。

このため、この実施の形態によれば、駆動用レバー２６と人力駆動用スプロケット２４との相対的な位置ずれ量の変化に略比例するように移動側磁石３２を軸線方向に移動させることができるから、回転方向の位置ずれ量、すなわち駆動用レバー２６と人力駆動用スプロケット２４との回転方向の位置ずれを起こさせたトルク（踏力）の大きさを正確に検出することができる。

この実施の形態によるトルクセンサ３においては、例えば図６に示すように、位置検出用磁石３６に回転検出用磁石６１を設け、この回転検出用磁石６１の磁界を検出する回転検出用ホール素子６２を装備することができる。回転検出用磁石６１は、位置検出用磁石３６と同様に円筒状に形成し、位置検出用磁石３６の例えば車体左側の端部に固定する。また、この回転検出用磁石６１は、位置検出用磁石３６と一体に形成し、所定の位置に着磁することによって形成することもできる。

この回転検出用磁石６１の着磁パターンは、外周面に多数のＮ極６１ａとＳ極６１ｂとが周方向に交互に繰り返し並ぶように形成されている。この構成を採ることにより、ペダルクランク軸２と略等しい回転数で回転するスライダ３３の回転数を回転検出用ホール素子６２によって検出することができる。このようにペダルクランク軸２またはこれと同等の回転体（人力駆動用スプロケット２４）の回転数を検出することができるようになると、電動自転車用動力ユニット１においては車速を演算によって求めることができるようになる。

このため、この車速と踏力とを利用することにより、例えば電動式の自動変速機（図示せず）を装備した電動自転車においては、変速を自動で行うことが可能になる。すなわち、上り坂を走行するときなどにおいて、ペダルクランク軸２が低速で回転しているにもかかわらず踏力が相対的に大きくなっているような場合には、変速機のギヤ比を自動的に下げ、乗員の負荷を軽減することができるようになる。

この実施の形態によるトルクセンサ３においては、スライダ３３の軸線方向への移動のガイドとなる凹溝５２を磁極４２と同一の傾斜角度であって、かつ捩れ方向が磁極４２とは逆方向になる螺旋状に形成する例を示したが、この凹溝５２は、傾斜角度を磁極４２の傾斜角度とは異なる角度に設定することにより磁極４２と同じ捩れ方向の螺旋状に形成してもよく、またペダルクランク軸２の軸線と平行に形成することもできる。凹溝５２をペダルクランク軸２の軸線と平行に形成する場合、スライダ３３は、スライドガイドリング３５に対して回転方向に変位することはなく、軸線方向のみに移動することになる。

また、上記とは反対に、スライドガイドリング３５の凹溝５２を螺旋状に形成し、固定側磁石３１と移動側磁石３２の磁極４２をペダルクランク軸２の軸線と平行に形成することもできる。この場合、螺旋状の凹溝５２とピン５１とが実質的にトルクカムとして機能し、移動側磁石３２が固定側磁石３１との間で作用する磁力により回転方向の前方へ付勢されることによって、スライダ３３がスライドガイドリング３５に対して車体左側へ移動することになる。なお、上述した実施の形態においては、スライダ３３にピン５１を立設するとともにスライドガイドリング３５に凹溝５２を形成する例を示したが、スライダ３３の内周部に凹溝５２を形成するとともに、この凹溝５２に係入するピン５１をスライドガイドリング３５に立設することもできる。

（第２、第３の実施の形態）
本発明に係るトルクセンサに用いるスライドガイド手段は、第１の実施の形態で示した凹溝５２とピン５１とによって構成する他に、図７および図８に示すように、永久磁石によって構成することができる。
図７は第２の実施の形態によるトルクセンサを示す断面図、図８は第３の実施の形態によるトルクセンサを示す断面図で、これらの図において、図１〜図６によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。

図７に示すトルクセンサ３のスライドガイド手段３４は、スライドガイドリング３５の車体左側の端部に固着した円筒状の永久磁石からなる外側磁石６３と、この外側磁石６３の径方向の内側に位置付けられた円筒状の永久磁石からなる内側磁石６４とによって構成されている。
外側磁石６３は、スライドガイドリング３５に同一軸線上に位置するように支持されている。この外側磁石６３の軸線方向の長さは、固定側磁石３１の軸線方向の長さと同等の長さとなるように形成されている。

内側磁石６４は、移動側磁石３２の外周部に嵌合し固着しており、移動側磁石３２と同一軸線上に位置する状態でこの移動側磁石３２とともにスライダ３３に支持されている。この内側磁石６４の外周面と、外側磁石６３の内周面との間には、微小な隙間が形成されている。この実施の形態によるスライダ３３は、車体左側に形成された小径部４４がペダルクランク軸２に摺動自在に嵌合し、ペダルクランク軸２に回転自在かつ軸線方向に移動自在に支持されている。

これらの外側磁石６３と内側磁石６４の着磁パターンは、これら両磁石どうしが磁力によって互いに吸引または反発し合い、内側磁石６４の回転に伴って外側磁石６３が一体的に回転するように設定されている。例えば、これらの外側磁石６３と内側磁石６４の磁極は、図６に示した回転検出用磁石６１の磁極（Ｎ極６１ａ、Ｓ極６１ｂ）と同等に形成することができる。

すなわち、これらの外側磁石６３と内側磁石６４とは、外周面と内周面とに磁極が形成されるように径方向に着磁され、これら磁極は、軸線方向の一端から他端へペダルクランク軸２の軸線と平行に延び、かつ周方向に多数形成される。また、隣接する磁極どうしは、極性が異なるように形成される。

外側磁石６３と内側磁石６４の磁極は、上述したようにペダルクランク軸２の軸線と平行に延びるように形成する他に、第１の実施の形態で示した固定側磁石３１および移動側磁石３２の磁極４２のように螺旋状に形成することができる。この構成を採る場合、スライダ３３は第１の実施の形態で示したスライダ３３と同様に回転方向に変位しながら軸線方向に移動することになる。また、外側磁石６３と内側磁石６４の磁極を螺旋状に形成する場合、固定側磁石３１と移動側磁石３２の磁極４２をペダルクランク軸２の軸線と平行に形成することもできる。

図８に示すトルクセンサ３のスライドガイド手段３４は、スライドガイドリング３５の車体左側の端部に固着した円筒状の永久磁石からなる外側磁石６３と、この外側磁石６３の径方向の内側に位置付けられたリング状の永久磁石からなる内側磁石６４とによって構成されている。
外側磁石６３は、スライドガイドリング３５に同一軸線上に位置するように支持されている。この外側磁石６３の軸線方向の長さは、固定側磁石３１の軸線方向の長さと同等の長さとなるように形成されている。

内側磁石６４は、スライダ３３の大径部４３における車体右側の端部にスライダ３３と同一軸線上に位置するように固着されている。これらの外側磁石６３と内側磁石６４の着磁パターンは、図７に示したトルクセンサ３の外側磁石６３、内側磁石６４と同様に設定されている。すなわち、図８に示すトルクセンサ３においても、外側磁石６３、内側磁石６４の磁極をペダルクランク軸２の軸線と平行に形成する形態と、これら両磁石６３，６４の磁極を螺旋状に形成する形態と、これら両磁石６３，６４の磁極を螺旋状に形成するとともに固定側磁石３１および移動側磁石３２の磁極４２をペダルクランク軸２の軸線と平行に形成する形態とを採ることができる。

上述した第１の実施の形態または第２、第３の実施の形態においては、移動側磁石３２が車体右側に位置する初期位置から車体左側へ移動する例を示したが、本発明に係る回転検出器においては、このような限定にとらわれることなく、軸線方向に移動可能な移動側磁石３２が車体左側に位置する初期位置から車体右側へ移動する構成を採ることができる。また、移動側磁石３２の回転する方向も上記実施の形態で示す方向とは逆方向とすることができる。

（第４の実施の形態）
請求項８ないし請求項１０に記載した発明に係るトルクセンサの一実施の形態を図９ないし図１６によって詳細に説明する。
図９は第４の実施の形態による電動自転車用動力ユニットの平面図で、同図においては要部を破断した状態で描いてある。図１０は図９に示すトルクセンサを拡大して示す断面図である。図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２Ａおよび図１２Ｂは固定側磁石および移動側磁石の２種類の着磁パターンを説明するための図で、図１１Ａと図１２Ａは軸線方向から見た状態を示す側面図、図１１Ｂと図１２Ｂは平面図である。図１１Ａと図１２Ａにおいては、磁石の周方向の一部を省略した状態で描いてある。図１３は図１０におけるXIII−XIII線断面図である。図１４Ａ、図１４Ｂ、図１５Ａおよび図１５Ｂは一組の磁石の他の着磁例を示す図で、図１４Ａと図１５Ａは磁石の軸線方向から見た状態を示す側面図、図１４Ｂと図１５Ｂは平面図である。図１６は図１４Ａ，Ｂに示す磁石と、図１５Ａ，Ｂに示す磁石とを組み合わせて使用した場合における位相角と反発力との関係を示すグラフである。これらの図において、図１〜図８によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。

この実施の形態による電動自転車用動力ユニット１のトルクセンサ３は、ペダルクランク軸２の軸線方向の中央部に後述する円筒状のスライダ７１を介して軸線方向に移動自在に支持されたリング状の永久磁石からなる移動側磁石７２と、この移動側磁石７２の車体右側（図９、図１０においては上側）の端面に対向する固定側磁石７３と、移動側磁石７２より車体左側に位置し移動側磁石７２とともにスライダ７１に支持された位置検出用磁石３６と、この位置検出用磁石３６の車体左側の端面に対向する位置検出用ホール素子３７とを備えている。

移動側磁石７２は、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、周方向に多極を有するように形成されている。詳述すると、この移動側磁石７２は、軸線方向の両端面に多数の磁極７４が形成されるように軸線方向に着磁されている。これらの磁極７４は、周方向に並ぶように形成され、隣り合う磁極７４とは極性が異なるように形成されている。この実施の形態においては、各磁極７４の周方向の幅は、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、全てのＮ極７４ａと全てのＳ極７４ｂとにおいて略等しくなるように形成されている。なお、これらの磁極７４の周方向の幅は、図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、不均一となるように形成することができる。図１２Ａおよび図１２Ｂに示す磁極７４のＮ極７４ａの形成幅は、全てにおいて一定になるように形成され、Ｓ極７４ｂの形成幅は、同図の左側に位置するＳ極７４ｂから右側に向かうにしたがって次第に狭くなるように形成されている。

このように着磁された移動側磁石７２は、図１０に示すように、内周部にスライダ７１が嵌入し、このスライダ７１に固着している。
スライダ７１の内周部は、ペダルクランク軸２の外周部に摺動自在に嵌合している。このスライダ７１と、移動側磁石７２、固定側磁石７３および位置検出用磁石３６と、ペダルクランク軸２とは、同一軸線上に位置付けられている。

スライダ７１とペダルクランク軸２との嵌合部は、図１０および図１３に示すように、スライダ７１の内周部に径方向の内側に向けて突設された二つの突条７５がペダルクランク軸２のガイド溝７６に摺動自在に嵌合する構造が採られている。突条７５は、スライダ７１の軸線方向に延びるように形成され、かつペダルクランク軸２の外周を２分するような位置に設けられている。

ガイド溝７６は、ペダルクランク軸２の外周部に軸線方向に延びるように形成されている。このガイド溝７６に突条７５が嵌合することにより、スライダ７１と移動側磁石７２とは、ペダルクランク軸２に軸線方向に移動自在に支持されることになる。この実施の形態においては、スライダ７１の突条７５とガイド溝７６とによって、本発明でいうスライドガイド手段が構成されている。

また、スライダ７１は、その車体左側の端部に接続された圧縮コイルばね７７によって車体右側へ付勢され、ペダルクランク軸２の周方向に形成されたつば部２ａに車体左側から押し付けられ右方への移動が規制されている。スライダ７１は、このようにつば部２ａによって右方へ移動が規制される位置を初期位置として、この初期位置から圧縮コイルばね７７の弾発力に抗して車体左側へ移動する。

圧縮コイルばね７７は、スライダ７１と、ペダルクランク軸２の車体左側の端部に取付けられた受圧部材７８との間に弾装されている。圧縮コイルばね７７の車体右側の先端部７７ａは、車体右側（図１０において上側）に延びるように形成されてスライダ７１の係合孔７１ａに係合し、車体左側の先端部７７ｂは、車体左側に延びるように形成されて受圧部材７８の係合孔７８ａに係合している。
この実施の形態による圧縮コイルばね７７は、ばね特性がいわゆる線形になる一般的なものが用いられている。なお、この圧縮コイルばね７７としては、ばね特性が非線形となるものを使用することもできる。

移動側磁石７２と対向する固定側磁石７３は、移動側磁石７２と同一寸法のリング状に形成されており、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、移動側磁石７２と同等の着磁パターンとなるように着磁されて磁極７４が設けられている。すなわち、固定側磁石７３の軸線方向の端面にも多数のＮ極７４ａとＳ極７４ｂとが周方向に交互に並ぶように形成されている。

この固定側磁石７３は、スプロケット支持用ボス２３の車体左側の端部にペダルクランク軸２と同一軸線上に位置する状態で固着し支持されている。また、この固定側磁石７３は、移動側磁石７２との間に所定の隙間が形成されるようにスプロケット支持用ボス２３に取付けられている。

この固定側磁石７３と移動側磁石７２の周方向の位置は、ペダルクランク軸２が人力駆動用スプロケット２４に対して回転方向へ位置ずれを起こしていない状態で、移動側磁石７２および固定側磁石７３の磁力からなる反発力と圧縮コイルばね７７の弾発力とが釣り合うような位置に設定されている。さらに、これらの移動側磁石７２および固定側磁石７３は、移動側磁石７２が固定側磁石７３に対して車体右側から見て時計方向に回ることによって、両磁石に作用する反発力が増大するように構成されている。

すなわち、このトルクセンサ３においては、ペダルクランク軸２と人力駆動用スプロケット２４とが一体に回転する状態（初期状態）から踏力の増大に起因してペダルクランク軸２が人力駆動用スプロケット２４に対して回転方向の前側に回ると（回転位相差が生じると）、反発力が圧縮コイルばね７７の弾発力を上回るようになる。このことから、このトルクセンサ３においては、この反発力によって移動側磁石７２が圧縮コイルばね７７の弾発力に抗して車体左側に移動する。

この実施の形態による位置検出用磁石３６は、移動側磁石７２および固定側磁石７３と同一寸法のリング状に形成されており、スライダ７１の外周部であって、移動側磁石７２の車体左側に隣接する位置に、ペダルクランク軸２と同一軸線上に位置するように固着されている。この位置検出用磁石３６の着磁パターンは、第１の実施の形態で示した位置検出用磁石３６（図６参照）と同様に、Ｎ極とＳ極とが軸線方向に並ぶように着磁されている。なお、この実施の形態によるトルクセンサ３においては、位置検出用磁石３６を移動側磁石７２と一体に形成することができる。この構成を採るに当たっては、移動側磁石７２の車体右側の端部と車体左側の端部とで磁極の構成を変える。この場合、移動側磁石７２の車体右側の端部は、周方向に多極となるように着磁され、車体左側の端部は、軸端面に例えばＮ極が形成され、外周面にＳ極が形成されるように着磁される。

この位置検出用磁石３６の車体左側の端面に対向する位置検出用ホール素子３７は、位置検出用磁石３６から軸線方向に所定距離だけ離間した位置に位置付けられており、この動力ユニット１のハウジング５に図示していないブラケットを介して支持、固定されている。
この実施の形態によるホール素子３７は、位置検出用磁石３６との間の距離に対応して（磁束密度の大きさに対応して）出力がいわゆるアナログ的に変化するものが用いられ、磁束密度の大きさを示す検出信号を制御装置１６に送出するように構成されている。

この実施の形態によるトルクセンサ３においては、乗員の踏力が大きくなったときなどでペダルクランク軸２が人力駆動用スプロケット２４に対して回転方向の前方に相対的に移動することにより、移動側磁石７２と固定側磁石７３との反発力と圧縮コイルばね７７の弾発力とが釣り合う状態から反発力が上回る状態に移行する。このように反発力が圧縮コイルばね７７の弾発力を上回ることによって、移動側磁石７２が位置検出用磁石３６とともに車体左側に移動する。

このとき、ホール素子３７が位置検出用磁石３６との間の距離を検出し、制御装置１６が演算によってトルク（踏力）の大きさを求め、モータ４の出力を踏力に略比例するように増大させる。一方、踏力が消失し、ペダルクランク軸２と人力駆動用スプロケット２４との回転方向の位置ずれが解消されたときには、移動側磁石７２は圧縮コイルばね７７の弾発力によって初期位置に復帰する。この結果、制御装置１６はモータ４への給電を停止する。

したがって、この実施の形態によるトルクセンサ３においては、移動側磁石７２と固定側磁石７３とに作用する磁力からなる反発力と、圧縮コイルばね７７の弾発力とが釣り合う状態と、この弾発力より反発力のほうが大きくなる状態とが切り替わることにより、いわゆるＯＮ，ＯＦＦ的に踏力の増減を検出することになる。このため、このトルクセンサ３によれば、ペダルクランク軸２に人力駆動用スプロケット２４に対して回転方向の位置ずれを起こすようなトルクが加えられたことを確実に検出することができる。

この実施の形態によるトルクセンサ３においては、移動側磁石７２が初期位置に位置している状態において、移動側磁石７２と固定側磁石７３との間に生じる反発力と、圧縮コイルばね７７の弾発力とが釣り合い、ペダルクランク軸２と人力駆動用スプロケット２４とに回転位相差が生じることによって釣り合い状態が解消されるように構成されている。このため、このトルクセンサ３においては、反発力の増加と移動側磁石７２の移動とが略同時に起こるようになるから、回転位相差が発生したときに応答性よく移動側磁石７２を移動させることができる。したがって、ペダルクランク軸２に人力駆動用スプロケット２４に対して回転方向の位置ずれを起こすように加えられたトルクの大きさを正確に検出することができる。

この実施の形態によるトルクセンサ３において、圧縮コイルばね７７としてばね特性が非線形のものを使用することにより、移動側磁石７２をペダルクランク軸２と人力駆動用スプロケット２４との回転方向の位置ずれ量の変化に略比例するように移動させることができるようになる。この構成を採ることにより、ペダルクランク軸２に回転方向の位置ずれを起こすように加えられたトルク（踏力）の大きさをより一層正確に検出することができる。

この実施の形態によるトルクセンサ３の移動側磁石７２と固定側磁石７３は、軸線方向に着磁され、軸線方向の両端面に磁極７４が形成されている。このため、これら両磁石７２，７３間で作用する吸引力または反発力を軸線方向に作用させることができるから、磁力を効率よく利用することができる。この実施の形態によるトルクセンサ３においては、移動側磁石７２および固定側磁石７３の着磁パターンを図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように不等ピッチとなるように形成することにより、吸引力または反発力の大きさを回転方向の位置ずれ量に対応するように変化させることができる。このため、この構成を採ることにより、軸線方向に移動する移動側磁石７２をより一層円滑にかつ正しく移動させることができるようになる。

この実施の形態によるトルクセンサ３においては、移動側磁石７２と固定側磁石７３とに作用する反発力と、圧縮コイルばね７７の弾発力とが初期位置において釣り合うように構成されているが、本発明に係るトルクセンサ（回転検出器）は、移動側磁石７２と固定側磁石７３とに吸引力を作用させ、この吸引力を初期位置においてばねの弾発力と釣り合わせる構成を採ることができる。この場合、移動側磁石７２を固定側磁石７３とは反対方向に引く引張りばねを用いる形態と、移動側磁石７２を固定側磁石７３側から固定側磁石７３とは反対方向に押す圧縮コイルばねを用いる形態とを採ることができる。また、この場合は、ペダルクランク軸２と人力駆動用スプロケット２４とに回転位相差が生じることによって吸引力が低減するように構成する。

このような構成を採る場合、回転位相差が増大することにより吸引力が低下し、ばねの弾発力で移動側磁石７２が車体左側に移動するから、回転位相差が解消されたときに吸引力によってでは移動側磁石７２を初期位置に正確に戻すことができなくなるおそれがある。このため、この形態を採る場合は、移動側磁石７２の軸線方向への移動量を規制するストッパーを装備し、回転位相差が解消されたときには移動側磁石７２が吸引力によって初期位置に復帰できるようにすることが望ましい。

この実施の形態を採るに当たっては、移動側磁石７２と固定側磁石７３とのうち一方を図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように着磁させ、他方を図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように着磁させることができる。
これらの図に示す磁石も軸線方向に着磁されている。図１４Ａおよび図１４Ｂに示す磁石のＮ極７４ａとＳ極７４ｂは、環状の磁石を周方向に４等分するような位置にそれぞれ形成されている。各Ｎ極７４ａは、周方向の一方（図１４Ａにおいては反時計方向）に向かうにしたがって径方向の幅が漸次狭くなるように形成され、逆に各Ｓ極７４ｂは径方向の幅が漸次広くなるよう形成されている。
図１５Ａおよび図１５Ｂに示す磁石も環状の磁石を周方向に４等分するような位置にそれぞれ形成されている。図１５Ａおよび図１５Ｂに示す磁石のＮ極７４ｃは、Ｓ極７４ｄより周方向の幅が狭くなるように形成されている。

このように磁極７４が形成された移動側磁石７２または固定側磁石７３は、Ｎ極どうし（Ｎ極７４ａとＮ極７４ｃ）が互いに対向する状態で軸線方向に同一軸線上に位置するように並べて使用される。図１４Ａにおいては、同図に図示した移動側磁石７２のＮ極７４ａと対向する固定側磁石７３のＮ極７４ｃを波線によって示す。

移動側磁石７２と固定側磁石７３とを図１４Ａ、図１４Ｂ、図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように着磁させることにより、図１４Ａ中に波線の矢印で示すように、図１４Ａおよび図１４Ｂに図示した磁石に対して他方の図１５Ａおよび図１５Ｂに図示した磁石が時計方向に回転することによって、Ｎ極どうし（Ｎ極７４ａとＮ極７４ｃ）の軸線方向から見て重なる部分の面積が位相角に対応して線形的に増大する。したがって、この構成を採ることにより、図１６に示すように、移動側磁石７２と固定側磁石７３の位相角に比例して反発力が増大するようになるから、踏力の大きさに比例した出力が得られる。

（第５の実施の形態）
第１の実施の形態で説明したトルクセンサは、図１７ないし図２４によって示すように形成することができる。これらの図において、前記図１〜図６によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。

図１７に示す電動自転車用動力ユニット１のトルクセンサ３は、図１および図２に示すトルクセンサ３に較べてコンパクトに形成されているとともに、後述するように機能向上が図られている。この実施の形態に示すトルクセンサ３に用いられているスライダ３３は、第１の実施の形態で示すスライダに較べて軸線方向に短く形成されている。このスライダ３３の外周部には、位置検出用磁石３６が固着されている。すなわち、このトルクセンサ３は、位置検出用磁石３６を移動側磁石３２の径方向の外側に配設することによって、軸線方向への小型が図られている。

また、このトルクセンサ３においては、このように位置検出用磁石３６が固定側磁石３１、移動側磁石３２と同軸状に位置付けられているにもかかわらず、固定側磁石３１と移動側磁石３２の厚みを必要最小限の厚みになるように形成することによって、径方向に大型化するのを防いでいる。固定側磁石３１は、ペダルクランク軸２に圧入、固定されている。固定側磁石３１の軸線方向の長さＬ１は、図１８に示すように、移動側磁石３２の軸線方向の長さＬ２と、移動側磁石３２の軸線方向への移動距離Ｌｓとを加算した長さ以上の長さに形成されている。

移動側磁石３２は、スライダ３３と位置検出用磁石３６とを磁力によって移動させることができる大きさであって、最小の大きさに形成されている。移動側磁石３２の厚みＴ１は、図１８に示すように、固定側磁石３１の厚みＴ２以下の厚みに形成されている。

この実施の形態によるスライダ３３は、上述したように軸線方向の長さが短く形成されていることから、図１８に示すように、車体左側の端部が固定側磁石３１に回転自在かつ軸線方向に摺動自在に支持されている。スライダ３３の車体左側の端部であって内周部には、図２１に示すように、軸心側に向けて凸になる状態で周方向に延びる突条１０１が形成されている。この突条１０１の内径は、固定側磁石３１に支持される寸法に形成されている。

一方、スライダ３３の車体右側の端部であって内周部には、図１８および図２１に示すように、ペダルクランク軸２に設けられたリング１０２に回転自在かつ軸線方向に摺動自在に接触する断面山形状の突条１０３が複数形成されている。リング１０２は、摩擦係数が小さい合成樹脂によって環状に形成され、ペダルクランク軸２に固着している。突条１０３は、スライダ３３の軸線方向に延びるように形成されている。
スライダ３３の車体右側の端部であって外周部には、図１８〜図２０に示すように、スライダ３３の軸線方向に延びる複数のリブ１０４が形成されている。これらのリブ１０４は、スライドガイドリング３５の内周部に形成された溝１０５（図２２、図２３参照）内に移動自在に嵌合するように形成されている。

すなわち、この実施の形態によるスライドガイド手段３４は、これらのリブ１０４と溝１０５との係合によって、スライダ３３の移動する方向を軸線方向への移動のみに規制する構成が採られている。
この実施の形態によるスライドガイドリング３５は、図１８および図２３に示すように、車体右側の端部に突設された爪１０６をスプロケット支持用ボス２３に係止させることによって、このボス２３に固定されている。

この実施の形態によるトルクセンサ３は、図１７および図１８に示すように、固定側磁石３１の車体左側に支持部材１０７を備えている。この支持部材１０７は、回転検出用磁石６１を支持するためのもので、円板状に形成されており、ペダルクランク軸２に嵌合し固定されている。また、この支持部材１０７は、固定側磁石３１の端部に係合しており、固定側磁石３１に対する回転方向の位置が変わることがないように規制されている。

回転検出用磁石６１は、円筒状に形成され、支持部材１０７の外周部に固着されている。この実施の形態による回転検出用磁石６１は、車体左側の端部と車体右側の端部とにおいて異なる構成が採られている。回転検出用磁石６１の車体左側の端部は、図６に示した回転検出用磁石６１と同様に、外周面に多数のＮ極とＳ極とが周方向に交互に繰り返し並ぶように着磁されている。回転検出用磁石６１の車体右側の端部は、周方向に１つずつのＮ極とＳ極とが並ぶように着磁されている。回転検出用磁石６１の車体左側の端部の磁束は、回転検出用ホール素子６２（図１８参照）によって検出される。また、回転検出用磁石６１の車体右側の端部の磁束は、回転検出用ホール素子６２と同じ基板１０８に設けられている回転位置検出用ホール素子１０９によって検出される。

すなわち、この実施の形態によれば、回転検出用ホール素子６２によってペダルクランク軸７の回転数を検出できるとともに、回転位置検出用ホール素子１０９によってペダルクランク軸７の回転方向の位置を検出することができる。ペダルクランク軸７の回転方向の位置に基づいてペダル（図示せず）の位置を求めることができるから、このトルクセンサ３を使用した電動自転車用動力ユニット１においては、ペダルの位置に対応させて補助動力の大きさを制御することができる。この実施の形態においては、これらの回転検出用ホール素子６２と回転位置検出用ホール素子１０９とによって、請求項７に記載した回転検出用センサが構成されている。

これらのホール素子６２、１０９が設けられている基板１０８には、位置検出用磁石３６の磁界を検出するためのホール素子３７（位置検出用センサ）が設けられている。言い換えれば、１つの基板１０８に３個のホール素子３７，６２，１０９が設けられている。この構成を採ることにより、基板１０８を装備するためのスペースを可及的狭くすることができるから、３個のホール素子を使用する構成を採りながら、トルクセンサ３をコンパクトに形成することができる。

トルクセンサ３をこの実施の形態で示したように構成しても第１の実施の形態を採る場合と同様に、図２４に示したように、スキュー角度を大きくとることができる。図２４においては、この実施の形態によるトルクセンサの性能を実線で示し、カムとカムフォロアを使用した従来の機械的トルクセンサの性能を破線で示している。なお、同図は、摩擦係数μが０．４になる材料によって可動部分を形成した場合の例を示している。

同図から分かるように、従来のトルクセンサではスキュー角度が４０°を越えると摩擦により面圧が高くなって使用することができなくなるが、この実施の形態によるトルクセンサ３においては、スキュー角度が６０°を越えるまで面圧が上昇することはない。なお、この実施の形態によるトルクセンサ３でいう面圧とは、スライダ３３のリブ１０４と、スライドガイドリング３５の溝１０５との接触部分の圧力をいう。

したがって、この実施の形態においても第１の実施の形態によるトルクセンサ３と同じ効果が得られる。すなわち、この実施の形態によるトルクセンサ３においても、乗員に違和感を与えたり、踏力の検出精度を低下させることなく、トルクセンサ３の径方向の小型化を図ることができる。
また、このトルクセンサ３は、位置検出用磁石３６が固定側磁石３１、移動側磁石３２と同心円状に位置しているから、軸線方向へも小型化することができた。
さらに、このトルクセンサ３は、３個のホール素子３７，６２，１０９が１つの基板１０８に設けられているから、より一層コンパクトに形成することができる。

上述した第１〜第５の実施の形態に示したトルクセンサ３は、ペダルクランク軸２から駆動用レバー２６と連結機構２７とを介して人力駆動用スプロケット２４に踏力が伝達される。このため、このトルクセンサ３に用いられている回転検出器は後輪を駆動する駆動力伝達系の外に位置することになるから、この回転検出器を構成する部品は、磁力や圧縮コイルばね７７の弾発力を支えることができるような必要最小限の剛性を有するように形成すればよい。したがって、この回転検出器は、コンパクトに形成され、電動自転車用動力ユニット１の小型化を図りながら、この動力ユニット１内に泥水や塵埃などがかかることがないように収納することができる。

上述した第１ないし第５の実施の形態に示したトルクセンサ３は、固定側磁石３１，７３と移動側磁石３２，７２の磁力によりこれらの磁石のうち一方を軸線方向に移動させるものであり、機械的トルクカムのような回転を軸線方向の往復動に変換する機構を採用する場合に較べて動作に要する力は小さくてよい。このため、これらの実施の形態に示したトルクセンサ３は、トルクを検出するときの動作に伴って発生する振動、微小な衝撃などが乗員の足に伝達されることはなく、電動自転車の乗り心地を向上させることができる。

上述した第１〜第５の実施の形態においては、本発明に係る回転検出器を使用して電動自転車の動力ユニット１のトルクセンサ３を構成する例を示したが、本発明に係る回転検出器は、このようなトルクセンサ３に限定されることはなく、二つの回転体の相対的な回転方向のずれ量を検出するものであればどのようなものにも用いることができる。例えば、本発明に係る回転検出器を使用することにより、自動二輪車のスロットル開度を検出するためのスロットルポジションセンサを構成することができる。

本発明に係る回転検出器は、電動自転車の踏力を検出するトルクセンサを構成したり、自動二輪車のスロットル開度を検出するためのスロットルポジションセンサなどを構成することができる。

Claims (10)

1. 同一軸線上に位置しかつ一方が他方に対して相対的に回転可能な第１および第２の回転体と、
   これら第１の回転体と第２の回転体とのうち一方の回転体と同一軸線上に位置し、この一方の回転体にスライドガイド手段を介して接続されることによって、一方の回転体に対して相対回転が制限されかつ軸線方向への移動が許容されたスライダと、
   このスライダ上の同一軸線上に固定された移動側磁石と、
   他方の回転体の同一軸線上に固定されかつ軸線方向への移動が規制された固定側磁石とを備え、
   これら移動側磁石と固定側磁石とは、一方の磁石の回転方向の位置が他方の磁石の回転方向の位置に対して変化することにより両磁石に軸線方向に作用する磁力の大きさが変化するように着磁され、
   このスライダの軸線方向の位置に基づいて第１の回転体と第２の回転体の回転方向の位置ずれ量を検出する検出手段を備えていることを特徴とする回転検出器。
2. 請求項１記載の回転検出器を用いたトルクセンサであって、
   第１の回転体と第２の回転体とは、弾性部材を介して互いに接続されるとともに、これら両回転体のうち一方から他方へ動力が伝達されるように動力伝達系に介装され、
   検出手段は、スライダの軸線方向の位置に基づいて第１の回転体と第２の回転体との間で伝達されるトルクの大きさを検出することを特徴とするトルクセンサ。
3. 請求項２記載のトルクセンサにおいて、
   移動側磁石と固定側磁石とのうち一方の磁石は、他方の磁石の中空部内に遊嵌状態で挿入され、
   これら移動側磁石および固定側磁石は、互いに対向する面に複数の磁極が周方向に並ぶとともに軸線方向の一端から他端に延びるように形成され、
   これらの磁極は、周方向に隣接する磁極とは極性が異なり、かつ第１および第２の回転体の軸線を中心とする螺旋状に延びるように形成されていることを特徴とするトルクセンサ。
4. 請求項３記載のトルクセンサにおいて、
   移動側磁石と固定側磁石とはそれぞれ円筒状に形成され、
   移動側磁石の厚みは、固定側磁石の厚み以下の厚みに形成されていることを特徴とするトルクセンサ。
5. 請求項３記載のトルクセンサにおいて、
   固定側磁石の軸線方向の長さは、移動側磁石の軸線方向の長さと、この移動側磁石の移動可能な長さとを加えた長さ以上の長さに形成されていることを特徴とするトルクセンサ。
6. 請求項３記載のトルクセンサにおいて、
   第１の回転体は電動自転車のペダルクランク軸によって構成され、
   固定側磁石は、このペダルクランク軸の外周部に固着され、
   第２の回転体は、ペダルクランク軸の径方向の外側に配設され、
   スライダは、この第２の回転体にスライドガイド手段を介して移動可能に接続され、
   検出手段は、スライダに固着した位置検出用磁石と、電動自転車の車体フレーム側に支持させて位置検出用磁石を検出する位置検出用センサとを備え、
   位置検出用磁石は、移動側磁石の径方向の外側に配設されていることを特徴とするトルクセンサ。
7. 請求項６記載のトルクセンサにおいて、
   ペダルクランク軸には回転検出用磁石が設けられ、
   この回転検出用磁石の磁束を検出する回転検出用センサは、位置検出用センサと共通の基板に設けられていることを特徴とするトルクセンサ。
8. 請求項２に記載したトルクセンサにおいて、
   移動側磁石と固定側磁石とは、軸線方向の端面どうしが互いに対向し、
   これら両磁石の磁極は、各磁石の互いに対向する面に多数のＮ極とＳ極とが回転方向に繰り返し並ぶように形成されていることを特徴とするトルクセンサ。
9. 請求項８記載のトルクセンサにおいて、
   移動側磁石と固定側磁石とに作用する磁力の方向とは反対方向に移動側磁石を付勢する付勢手段を備え、
   第１の回転体と第２の回転体とが同期して回転する状態において、前記磁力と前記付勢手段の付勢力とが釣り合い、一方の磁石の回転方向の位置が他方の磁石の回転方向の位置に対して変化することにより、前記磁力と前記付勢力とが釣り合う状態が解消されることを特徴とするトルクセンサ。
10. 請求項９記載のトルクセンサにおいて、
    付勢手段は、ばね特性が非線形となるばねによって構成されていることを特徴とするトルクセンサ。

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