TW201319536A - 扭矩檢測裝置及具備該扭矩檢測裝置之自行車 - Google Patents

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Masato Iwase
Haruo Yo
Takayuki Hosoda
Tatsutoshi Shinjo
Hiroyasu Noguchi
Yoshinori Fukasaku
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Nidec Copal Corp
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Abstract

本發明公開了一種扭矩檢測裝置，旨在提供一種結構簡單且易於小型化之扭矩檢測裝置。本發明之技術要點是，扭矩檢測裝置(1)由環狀磁鐵(21)、第一環狀磁軛(22)、第二環狀磁軛(23)和磁傳感器(24)構成，在環狀磁鐵(21)上，沿周向交替磁化有S極和N極，第一磁軛(22)具有分別與磁鐵(21)之S極對峙並排列成環狀之齒狀第一被磁化部(22a)、和以連接各個第一被磁化部(22a)之方式形成為環狀之第一環狀板(22b)，第二磁軛(23)具有分別與磁鐵(21)之N極對峙並排列成環狀之齒狀第二被磁化部(23a)、和以連接各個第二被磁化部(23a)之方式形成為環狀且與第一環狀板(22b)面對面配置的第二環狀板(23b)，磁傳感器(24)配置在第一環狀板(22b)和第二環狀板(23b)之間。

Description

扭矩檢測裝置及具備該扭矩檢測裝置之自行車
本發明涉及一種在電動助力自行車等中用於踏力之檢測之扭矩檢測裝置及具備該扭矩檢測裝置之自行車。
目前，作為這種領域之技術，有特開平10-232175號公報。該公報記載的電動助力自行車，在主車架之前部具備前輪及手把，在後部具備作為驅動輪之後輪。在主車架之大致中央，配置有上端安裝了車座之座管，在座管之下端設有樞軸支承腳蹬機構之筒狀車架。腳蹬機構之曲軸經由壓縮彈簧與鏈輪相連接，該鏈輪經由鏈條與電動機驅動的後輪之鏈輪相連接。具體地說，壓縮彈簧被插入形成於鏈輪上之窗孔內，壓縮彈簧之一端被支承於固定在曲軸之軸部之卡合板之壓片上，壓縮彈簧之另一端由窗孔之端部支承。因此，當腳踏曲軸之腳蹬時，其踏力通過壓縮彈簧傳遞給鏈輪。另外，在腳蹬機構上裝備有扭矩檢測裝置。扭矩檢測裝置由下述構件構成：形成於鏈輪上並且具有在周向等間隔形成的外側檢測窗之外圈；形成於卡合板上並且具有在周向等間隔形成的內側檢測窗之內圈；配置於對向配置的外圈和內圈之間之磁鐵；夾著內圈與磁鐵對向配置的內側霍爾元件；夾著外圈與磁鐵對向配置之外側霍爾元件。而且，在內圈和外圈產生相位偏差時，內外兩個霍爾元件之輸出波形也產生相位之偏差。扭矩檢測裝置檢測 輸出波形之相位偏差，並根據相位之偏差向作為輔助動力之電動機之控制部發送信號。
專利文獻1：日本特開平10-232175號公報
但不足之處是，上述現有扭矩檢測裝置需要內外兩個霍爾元件和內外之檢測窗，因此，存在結構複雜化且難以小型化之問題。
本發明克服了現有技術中之不足，提供了一種結構簡單並且易於小型化之扭矩檢測裝置及具備該扭矩檢測裝置之自行車。
為解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的：一種扭矩檢測裝置，其檢測施加在具有主動旋轉部件和經由彈性部件與主動旋轉部件相連接的從動旋轉部件之旋轉體之主動旋轉部件上之扭矩，其技術要點在於，所述扭矩檢測裝置具備：沿周向交替磁化有S極和N極之環狀磁鐵；第一磁軛，其具有分別與磁鐵之S極對峙並排列成環狀之第一被磁化部、和以連接各個第一被磁化部之方式形成為環狀之第一環狀板；第二磁軛，其具有分別與磁鐵之N極對峙並排列成環狀之第二被磁化部、和以連接各個第二被磁化部之方式 形成為環狀且與第一環狀板面對面配置的第二環狀板；磁傳感器，其配置在第一環狀板和第二環狀板之間並檢測磁量，磁鐵固定於旋轉體之主動旋轉部件和從動旋轉部件中之任何一方，第一及第二磁軛部件固定於旋轉體之另一方，磁傳感器固定於非旋轉部件上。
在該扭矩檢測裝置中，在旋轉體上固定有磁鐵和第一磁軛和第二磁軛，旋轉體經由彈性部件連接主動旋轉部件和從動旋轉部件，用磁傳感器檢測主動旋轉部件和從動旋轉部件之相位差。在檢測施加於旋轉體上之扭矩變動時，扭矩檢測裝置結構越是複雜越容易損壞。因此，扭矩檢測裝置結構簡單是非常重要的。尤其是自行車要求小型輕量化，因此，扭矩檢測裝置也希望小型輕量化。於是，為了達到這種目的，本發明之扭矩檢測裝置由環狀磁鐵、第一環狀磁軛、第二環狀磁軛和磁傳感器構成，在環狀磁鐵上，沿周向交替磁化有S極和N極，第一磁軛具有分別與磁鐵之S極對峙並排列成環狀之第一被磁化部、以連接各個第一被磁化部之方式形成為環狀之第一環狀板，第二磁軛具有分別與磁鐵之N極對峙並排列成環狀之第二被磁化部、和以連接各個第二被磁化部之方式形成為環狀且與第一環狀板面對面配置的第二環狀板，磁傳感器配置在第一環狀板和第二環狀板之間。因此，在本發明之扭矩檢測裝置中，即使磁傳感器及磁鐵為1個，也能夠可靠地檢測施加在主動旋轉部件上之扭矩之變動，由此，可以將扭矩 檢測裝置設計成簡單之結構，並且易於小型化。另外，能夠與旋轉體之旋轉速度無關地、可靠地檢測扭矩之變化。
另外，本發明還可以：還具備非磁性之環狀墊片，該環狀墊片以包圍磁鐵之方式配置，並且，與第一及第二被磁化部抵接，形成第一及第二被磁化部之底座。
採用這種構成時，利用墊片能夠實現第一及第二磁軛之落座穩定化。並且，能夠容易且高精度地形成第一及第二被磁化部和磁鐵之表面之間之稍許間隙。
另外，本發明還可以：第一被磁化部和第二被磁化部排列成相對於旋轉體之旋轉軸線正交延伸的同一平面狀。
採用這種構成時，能夠實現被磁化部之平坦化，由此，能夠使磁鐵和被磁化部以等間隔分開，所以能夠在第一及第二環狀板上形成均勻之磁性。因此，不論是旋轉體的哪個位置，都能夠用配置於第一環狀板和第二環狀板之間之磁傳感器，可靠且高精度地檢測變動扭矩。
另外，本發明還可以：第一及第二被磁化部在相對於旋轉體之旋轉軸線大致正交之方向形成為齒狀，第一及第二環狀板之面部相對於第一及第二被磁化部配置成大致直角。
採用這種構成時，第一及第二磁軛之小徑化成為可能。
另外，本發明還可以：第一及第二被磁化部在相對於旋轉體之旋轉軸線大致正交之方向形成為齒狀，第一及第二環狀板之平面部相對於旋轉軸線配置成大致直角。
採用這種構成時，第一及第二磁軛之扁平薄型化成為可能。
與現有技術相比，本發明之有益效果是：根據本發明，結構簡單且易於小型化。
下面參照附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。
圖1所示的扭矩檢測裝置1適用於電動及電動助力自行車。如圖15所示，電動助力自行車50具有安裝有車座52之主車架51，在該主車架51之前部，安裝有設有電動機53之前輪54及手把56，在後部安裝有後輪55。在主車架51之大致中央，旋轉自如地安裝有扭矩檢測裝置1之鏈輪11，該鏈輪11和後輪55之鏈輪通過鏈條相連接。而且，前輪54由電動機53來驅動，由此，輔助腳蹬2之踏力。
利用腳蹬2進行旋轉的鏈輪11，作為旋轉體10之一部分與曲軸4相連接。旋轉體10包括：與鏈條嚙合的鏈輪(從動旋轉部件)11、固定有曲軸4並且具有插入鏈輪11之中央開口11a內之圓筒狀之輪轂部12a之圓盤(主動旋轉部件)12、作為連接鏈輪11和圓盤12之彈性部件之壓縮螺旋彈簧13。
在鏈輪11上，以圍繞中央開口11a之方式形成有四個彈簧插入孔11b。在圓盤12上設有相對於鏈輪11之平 面滑動相接的凸緣部12b，在該凸緣部12b上設有插入彈簧插入孔11b內之彈簧支承部12c。而且，在壓縮螺旋彈簧13之一端，插入有形成於彈簧插入孔11b之端部之凸部11c，在壓縮螺旋彈簧13之另一端，插入有形成於彈簧支承部12c之凸部12d，由此，防止壓縮螺旋彈簧13從彈簧插入孔11b脫落。
在這種旋轉體10中，圓盤12依靠腳蹬2之踏力進行旋轉，該圓盤12之旋轉力通過壓縮螺旋彈簧13傳遞給鏈輪11。而且，在旋轉體10上安裝有用於檢測傳遞給圓盤12之踏力之扭矩變動之扭矩檢測裝置1。
扭矩檢測裝置1具備：在周向交替磁化有S極和N極之環狀磁鐵21(參照圖10)；第一磁軛22，其具有分別保持間隙與磁鐵21之S極對峙並排列成環狀之齒狀之第一被磁化部22a、和以連接各個第一被磁化部22a之方式形成為環狀之第一環狀板22b；第二磁軛23，其具有分別保持間隙與磁鐵21之N極對峙並排列成環狀之齒狀之第二被磁化部23a、和以連接各個第二被磁化部23a之方式形成為環狀，且與第一環狀板22b面對面配置的第二環狀板23b；霍爾元件24，其配置在第一環狀板22b和第二環狀板23b之間並檢測磁量。
如圖1~圖5所示，在第一磁軛22上，第一被磁化部22a在相對於旋轉體10之旋轉軸線L大致正交之方向以等間隔形成為梯形之齒狀。第一環狀板22b以連接各第一被磁化部22a之基端之方式形成為環狀，第一環狀板 22b之面部相對於第一被磁化部22a配置成大致直角。而且，在第一環狀板22b之基端，在各個第一被磁化部22a之間形成有切口部22c，第二磁軛23之第二被磁化部23a保持間隙地插入該切口部22c內。
如圖1~圖3及圖6、圖7所示，在第二磁軛23上，第二被磁化部23a在相對於旋轉體10之旋轉軸線L大致正交之方向以等間隔形成為梯形之齒狀。第二環狀板23b與以連接各第二被磁化部23a之基端之方式形成為環狀之環狀擴大部23c相接合。而且，第二環狀板23b之面部相對於第二被磁化部23a配置成大致直角，並且，配置於第一環狀板22b之外側。
各第一及第二被磁化部22a、23a排列在圖8及圖9所示的環狀之非磁性(例如鋁)之環狀墊片27上。該環狀墊片27以包圍環狀磁鐵21之方式配置，並且，與第一及第二被磁化部22a、23a抵接，用作第一及第二被磁化部22a、23a之底座。通過採用墊片27，能夠實現第一及第二磁軛22、23之落座穩定化。並且，墊片27之壁厚比磁鐵21之壁厚稍大，因此，能夠利用壁厚之差量在第一及第二被磁化部22a、23a和磁鐵21之表面之間，容易且高精度地形成稍許之間隙。
另外，如圖10所示，第一被磁化部22a和第二被磁化部23a通過墊片27排列在相對於旋轉體10之旋轉軸線L正交延伸的同一平面上。而且，各第一被磁化部22a相對於磁鐵21之S極保持間隙分別對峙，各第二被磁化部 23a相對於磁鐵21之N極保持間隙分別對峙，由此，第一環狀板22b在整週上形成S極，第二環狀板23b也在整週上形成N極。
採用墊片27時，能夠容易地實現被磁化部22a、23a之平坦化，由此，能夠使磁鐵21和被磁化部22a、23a以等間隔分開，所以能夠在第一及第二環狀板22b、23b上形成均勻之磁性。因此，不論是旋轉體10的哪個位置，都能夠用配置於第一環狀板22b和第二環狀板23b之間之霍爾元件24，可靠且高精度地檢測變動扭矩。
如圖1~圖3所示，磁鐵21由粘接劑固定於圓盤12之輪轂部12a。第一及第二磁軛22、23通過貫通形成於第一及第二被磁化部22a、23a之螺絲插入孔22d、23d(參照圖4及圖6)之螺絲25、26固定於非磁性之墊片27上，墊片27由粘接劑固定於鏈輪11上。在由鋁等非磁性體構成之墊片27上設有定位凸部27a(參照圖8及圖9)，該定位凸部27a插入形成於鏈輪11上之定位凹部11d內，實現了墊片27之安裝作業之效率化。
另外，配置在第一環狀板22b和第二環狀板23b之間之霍爾元件24被固定於電路基板28上，該電路基板28被固定於未圖示之鏈盒、主車架等非旋轉部件上。而且，從電路基板28到控制部57進行配線。
如圖11(a)所示，在自行車之定速行駛中，形成各第一被磁化部22a與磁鐵21之S極對峙、各第二被磁化部23a與磁鐵21之N極對峙之狀態。從該狀態開始腳踏 腳蹬2使自行車加速時，如圖11(b)所示，磁鐵21向箭頭A方向移動。此時，在霍爾元件24中通過的磁場之方向及磁通量產生變化，由霍爾元件24將該變化轉換為電信號，該電信號被發送至控制部57，且根據電信號使電動機53之輸出增加。另外，可以說在自行車之行駛開始時也是同樣之情況。
如圖15、圖16所示，具有霍爾元件24之扭矩檢測裝置1與控制部57連接。另外，在控制部57經由連接器還連接有：電動機53、設於主車架51之大致中央之蓄電池58、設於手把56並進行電源接通、斷開操作等之控制器59、設於前部之燈61。而且，在控制部59連接有制動開關60。控制部57儲存有CPU(Central Processing Unit)和控制電動助力自行車50之程序，根據由扭矩檢測裝置1檢測的腳蹬2之踏力之檢測信息或基於制動開關60之制動操作之信息等，進行電動機53之輸出之控制。
在前文敘述的扭矩檢測裝置1中，在旋轉體10上固定有磁鐵21、第一磁軛22和第二磁軛23，旋轉體10通過壓縮螺旋彈簧13將圓盤(主動旋轉部件)12和鏈輪(從動旋轉部件)11相連接，用作為磁傳感器之霍爾元件24檢測圓盤(主動旋轉部件)12和鏈輪(從動旋轉部件)11之相位差。在檢測施加在旋轉體10上之扭矩變動時，扭矩檢測裝置1越是複雜之結構越容易損壞。因此，扭矩檢測裝置1結構簡單是非常重要的。此外，由於要求自行車小型輕量化，所以也希望扭矩檢測裝置1小型輕量 化。
於是，為了達到這種目的，前文敘述的扭矩檢測裝置1由環狀磁鐵21、第一環狀磁軛22、第二環狀磁軛23和霍爾元件24構成，在環狀磁鐵21上，沿周向交替磁化有S極和N極，第一磁軛22具有與磁鐵21之S極分別對峙並排列成環狀之齒狀之第一被磁化部22a、和以連接各個第一被磁化部22a之方式形成為環狀之第一環狀板22b，第二磁軛23具有與磁鐵21之N極分別對峙並排列成環狀之齒狀之第二被磁化部23a、和以連接各個第二被磁化部23a之方式形成為環狀且與第一環狀板22b面對面配置的第二環狀板23b，霍爾元件24配置於第一環狀板22b和第二環狀板23b之間。
因此，在扭矩檢測裝置1中，即使霍爾元件24及磁鐵21為1個，也能夠可靠地檢測施加在圓盤(主動旋轉部件)12上之扭矩之變動，由此，可將扭矩檢測裝置1設計成簡單之結構，並且易使其小型化。進而，能夠與旋轉體10之旋轉速度無關地、可靠地檢測扭矩之變化。
當然，本發明不限定於前文敘述的實施方式。
例如，如圖12及圖13所示，在第一磁軛32中，第一被磁化部32a在相對於旋轉體10之旋轉軸線L大致正交之方向形成為梯形之齒狀。各第一被磁化部32a與環狀之連接板32c之一端相接合，該連接板32c相對於第一被磁化部32a配置成直角。在該連接板32c之另一端，接合有相對於旋轉軸線L大致呈直角之具有平面部之第一環狀 板32b。
在第二磁軛33中，第二被磁化部33a在相對於旋轉體10之旋轉軸線L大致正交之方向形成為梯形之齒狀。各第二被磁化部33a之基端接合有相對於旋轉軸線L大致呈直角之具有平面部之第二環狀板33b。採用這種形狀之第一及第二磁軛32、33時，可以實現第一及第二磁軛32、33之扁平薄型化。
在旋轉體10中，使磁鐵21固定在鏈輪(從動旋轉部件)11上，使第一及第二磁軛22、32、23、33固定在圓盤(主動旋轉部件)12上，也能夠達到初始之目的。
霍爾元件24也可以設置多個。也可以如圖14所示，例如在夾著旋轉軸線L相對向的位置，即以旋轉軸線L為中心、以180度之間隔設置兩個霍爾元件24。
作為磁傳感器，也可以不是霍爾元件而是MR傳感器。
本發明之扭矩檢測裝置，在電動及電動助力自行車以外也可以應用。
在上述實施方式之電動及電動助力自行車中，製造成了利用電動機驅動前輪，但也可以製造成利用電動機驅動後輪。
1‧‧‧扭矩檢測裝置
10‧‧‧旋轉體
11‧‧‧鏈輪(從動旋轉部件)
12‧‧‧圓盤(主動旋轉部件)
13‧‧‧壓縮螺旋彈簧(彈性部件)
21‧‧‧磁鐵
22、32‧‧‧第一磁軛
22a、32a‧‧‧第一被磁化部
22b、32b‧‧‧第一環狀板
23、33‧‧‧第二磁軛
23a、33a‧‧‧第二被磁化部
23b、33b‧‧‧第二環狀板
24‧‧‧霍爾元件(磁傳感器)
27‧‧‧墊片
L‧‧‧旋轉軸線
圖1是表示本發明之扭矩檢測裝置之一實施方式之分解立體圖； 圖2是表示被裝入自行車之扭矩檢測裝置之俯視圖；圖3是圖2之剖面圖；圖4是第一磁軛之俯視圖；圖5是圖4之剖面圖；圖6是第二磁軛之俯視圖；圖7是圖6之剖面圖；圖8是墊片之俯視圖；圖9是圖8之剖面圖；圖10是表示磁鐵和磁軛之關係之俯視圖；圖11是示意性地表示磁鐵和第一被磁化部和第二被磁化部之關係之圖；圖12是表示變形例之第一及第二磁軛之立體圖；圖13是表示裝入圖12所示的第一磁軛和第二磁軛後之狀態之剖面圖；圖14是表示另一實施方式之扭矩檢測裝置之分解立體圖；圖15是表示具備扭矩檢測裝置之電動助力自行車之側視圖；圖16是表示電動助力自行車之系統構成之圖。
23a‧‧‧第二被磁化部
23b‧‧‧第二環狀板
24‧‧‧磁傳感器
22a(22b)‧‧‧第一被磁化部
21‧‧‧磁鐵

Claims (7)

  1. 一種扭矩檢測裝置，其檢測施加在具有主動旋轉部件和經由彈性部件與所述主動旋轉部件連接的從動旋轉部件之旋轉體之所述主動旋轉部件上之扭矩，其特徵在於，具備：沿周向交替磁化有S極和N極之環狀磁鐵；第一磁軛，其具有分別與所述磁鐵之所述S極對峙並排列成環狀之第一被磁化部、以連接各個所述第一被磁化部之方式形成為環狀之第一環狀板；第二磁軛，其具有分別與所述磁鐵之所述N極對峙並排列成環狀之第二被磁化部、以連接各個所述第二被磁化部之方式形成為環狀且與所述第一環狀板面對面配置的第二環狀板；磁傳感器，其配置在所述第一環狀板和所述第二環狀板之間並檢測磁量，所述磁鐵固定於所述旋轉體之所述主動旋轉部件和所述從動旋轉部件中之任何一方，所述第一及第二磁軛部件固定於所述旋轉體之另一方，所述磁傳感器固定於非旋轉部件上。
  2. 根據申請專利範圍第1項之扭矩檢測裝置，其特徵在於，還具備非磁性之環狀墊片，該環狀墊片以包圍所述磁鐵之方式配置，並且，與所述第一及第二被磁化部抵接，形成所述第一及第二被磁化部之底座。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項之扭矩檢測裝置， 其特徵在於，所述第一被磁化部和所述第二被磁化部排列成相對於所述旋轉體之旋轉軸線正交延伸之同一平面狀。
  4. 根據申請專利範圍第1~3中任一項之扭矩檢測裝置，其特徵在於，所述第一及第二被磁化部，在相對於所述旋轉體之旋轉軸線大致正交之方向形成為齒狀，所述第一及第二環狀板之面部相對於所述第一及第二被磁化部配置成大致直角。
  5. 根據申請專利範圍第1~3中任一項之扭矩檢測裝置，其特徵在於，所述第一及第二被磁化部，在相對於所述旋轉體之旋轉軸線大致正交之方向形成為齒狀，所述第一及第二環狀板之平面部相對於所述旋轉軸線配置成大致直角。
  6. 根據申請專利範圍第1~5中任一項之扭矩檢測裝置，其特徵在於，在所述主動旋轉部件上，固定有可連接腳蹬之曲軸。
  7. 一種自行車，具備：申請專利範圍1~6中任一項之扭矩檢測裝置、驅動車輪之電動機、根據所述扭矩檢測裝置之檢測信息進行所述電動機之控制之控制部。
TW101141160A 2011-11-07 2012-11-06 扭矩檢測裝置及具備該扭矩檢測裝置之自行車 TW201319536A (zh)

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