WO2007139021A1

WO2007139021A1 - トルク検出装置及び電動アシスト自転車

Info

Publication number: WO2007139021A1
Application number: PCT/JP2007/060710
Authority: WO
Inventors: Akihito Yoshiie; Katsuhiro Yamaguchi
Original assignee: Sunstar Giken Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2007-05-25
Publication date: 2007-12-06
Also published as: JP5203939B2; EP2028097A1; JPWO2007139021A1; EP2028097B1; EP2028097A4; TWI401186B; TW200808611A

Abstract

　一方向クラッチの部品の磨耗や回転抵抗を少なくした、トルク検出装置及び電動アシスト自転車を提供する。　電動アシスト自転車は、ドライブシャフト４の一方向の回転のみを駆動輪に伝達するように係合する駒部１００及び歯部１１２を有する一方向クラッチ９９と、踏力に応じて軸方向に摺動する駒部１００に取り付けられたリング状永久磁石１６１と、フレーム固定位置に配置された３個のホール素子１６２と、駒部１００の軸方向移動に弾性力で対抗するように駒部１００と支持ディスク１５１との間に配置された皿バネ１３７と、を備える。マイクロコンピュータは、ホール素子からの磁場信号を平均化し、平均磁場に基づいてペダル踏力を推定し、適切なアシスト比で補助動力を制御する。皿バネ１３７は、ドライブシャフト４及び駒部１００と共に回転するため、皿バネの磨耗や回転抵抗を無くすことができる。　

Description

明細書

トルク検出装置及び電動アシスト自転車

技術分野

[0001] 本発明は、一方向クラッチを利用したトルク検出装置、及び、該トルク検出装置を組み込んだ電動アシスト自転車に関する。

背景技術

[0002] 電動アシスト自転車にお!/、て、一方向クラッチそれ自体に踏力を検出するための機構を組み込んだ技術が開発された。

[0003] この技術によれば、図 8に示すように、電動アシスト自転車のスプロケット 2は、ラチエツトギヤを介してドライブシャフト 4に軸支される。このラチエツトギヤは、図 9に示すように、主要な構成要素として、相対する駒部 100及び歯部 112を備える。

[0004] 駒部 100の裏面 101からは円筒部 103が延在している。この円筒部 103の中央部も駒部ボア 106によって貫通される。この裏面 101には、円筒部 103の外周囲に円状溝 155 (図 8)が形成され、該円状溝 155の中には、多数の鋼球 152 (図 8)が回転自在に嵌め込まれている。これによつて、裏面 101には、軸方向の荷重受け兼滑り軸受け用のべァリングが形成される。

[0005] 皿バネ 124力その中心孔 127に円筒部 103を通して駒部 100の裏面 101に当接される。このとき、皿バネ 124は、駒部 100からの圧力に弾力で対抗する方向に鋼球 152即ち荷重受けベアリングを介して裏面 101に滑動可能に接する。皿バネ 124の表面には、 180度の位置関係で対向する 2個所に、歪みゲージ 126が設置される。これらの歪みゲージ 126は、リード線 128を介してコントローラ 14に電気的に接続され

[0006] 駒部ボア 106の内壁には、軸方向 5に延びる第 1の回転防止用溝 108が形成されている。駒部ボア 106の内壁と摺接するドライブシャフト 4の外壁部分にも、第 1の回転防止用溝 108と対面するように軸方向 5に延びる第 2の回転防止用溝 140が 4個所に形成されている。各々の円柱溝の中には、これを埋めるように多数の鋼球 150が収容される。これによつて、駒部 100は、ドライブシャフト 4の軸方向 5に沿って摩擦抵抗最小で移動できると共に、ドライブシャフト 4に対する相対回転が防止され、ドライブシャフト 4と共に回転する。

[0007] 駒部 100には、その周方向に沿って等角度毎に 3つの剛性のラチェット駒 102が、第 2の係合面 110側に配置されている。ラチヱット駒 102は、旋回自在に構成され、第 2の係合面 110に対する角度を変えることができる。ラチェット駒 102は、外力が作用していないとき、その長さ方向が第 2の係合面 110に対して所定の角度をなすように、バネ棒 104によって、僅かな弾性力を及ぼされている。

[0008] 歯部 112の第 1の係合面 121には、ラチエツト駒 102と係合するための複数のラチエツト歯 114が形成されている。ラチェット歯 114は、歯部の周方向に沿って互い違いに周期的に形成された、第 1の係合面 121に対してより急な斜面 118と、より緩やかな斜面 116と、から構成される。歯部 112は、ラチェット駒 102とラチェット歯 112とが係合された状態でドライブシャフト 4に軸支されている。

[0009] ドライブシャフト 4力トルク伝達可能な一方向に回転されると、駒部 100がー緒に回転し、ラチエツト駒 102は、ラチエツト歯 114のより急な斜面 118に当接して係止される。これによつて、駒部 100の回転は、歯部 112に伝達される。このときラチェット駒 102は、第 2の係合面 110に対する角度を増大させるように旋回するため、駒部 100 は、回転しながら、ドライブシャフト 4の軸方向に沿って歯部 112から離れるように摺動する。摺動する駒部 100は、鋼球ベアリング 152を介して、回転していない皿バネ 124を押圧する。皿バネ 124は、駒部 100に弹性力を与えて抵抗する。力が釣り合つたときの皿バネ 124の弾性力は、駒部 100を摺動させようとした力、即ちドライブシャフト 4に加えられたトルク（踏力）を反映する。このようにして、皿バネ 124の歪み量を歪みゲージ 126により検出することにより、踏カを検知することができる。

[0010] 一方、ドライブシャフト 4が、上記一方向とは反対の方向に回転されると、ラチエツト駒 102は、ラチェット歯 114のより緩やかな斜面 116に当接するため係止されない。従って、駒部 100力も歯部 112へとトルクは伝達されず、皿バネ 124の弾性力により、駒部 100は軸方向に沿って元の位置へと戻る。

[0011] 以上のように、平面ラチエツトセンサーは、固定側の皿バネ 124上を平面ラチエツトに内蔵されている鋼球ベアリング 152で押し付け、皿ばね 124の歪み量に基づいて踏カを検知している。

[0012] 上記技術によれば、ラチエツトギヤとトルク検出装置とを一つの機構で実現したので、部品点数の削減化が図られ、小型、軽量化及び低コストを達成できる。更には、自転車を電動アシスト化する際に通常の自転車の車体の改造が少なくなる力、、又は、全く改造が必要で無くなるという大きな利点を奏する。

特許文献 1： WO00/075006

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0013] しかしながら、上記従来の技術では、固定側の皿パネを押し付けながら鋼球部が回転するので、皿パネの磨耗や回転抵抗などが発生するという問題がある。

[0014] 本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、上記従来技術の効果を維持しつつ、一方向クラッチの部品の磨耗や回転抵抗を少なくした、トルク検出装置及び電動ァシスト自転車を提供することを、その目的とする。

課題を解決するための手段

[0015] 上記課題を解決するため、本発明の電動アシスト自転車は、ドライブシャフトに作用するペダル踏力に応じて補助動力を付加するものであり、ドライブシャフトの一方向の回転のみを駆動輪に伝達するように該ドライブシャフトに連結された一方向クラッチ手段と、一方向クラッチ手段内部又は該ー方向クラッチ手段に近接した位置に配置された磁石と、ペダル踏力に応じた一方向クラッチ手段の変形によって磁石の磁場が変化する位置に配置された磁場検出手段と、該磁場検出手段により検出された磁場に基づレ、て補助動力を制御する制御手段と、を有して構成したものである。

[0016] 本発明によれば、自転車の運転者がペダルを踏むと、ペダル踏力がドライブシャフトに作用する。ペダル踏力はドライブシャフトを介して一方向クラッチ手段に伝達し、最終的に駆動輪に伝達される。このとき、一方向クラッチ手段は、ペダル踏力に応じて変形する。例えば、一方向クラッチ手段内部に磁石が取り付けられている場合、一方向クラッチ手段の変形によって磁石の位置等が変化すれば、磁場検出手段により検出される磁場は、変化する。また、一方向クラッチ手段に近接して磁石が取り付けられている場合でも、一方向クラッチ手段の変形によって磁石の磁力線に影響が与えられる場合には、磁場検出手段により検出される磁場は、変化する。よって、この磁場は、一方向クラッチ手段の変形の度合い、即ち、ペダル踏力に関連しているため、検出磁場に基づいて、ペダル踏力を推定することができる。このようにして制御手段は、ペダル踏力に応じた一方向クラッチ手段の変形によってその値を変化させる磁石の磁場に基づいて補助動力を制御することができる。

[0017] 本発明によれば、皿パネの歪みを検出することによりペダル踏力を求める上記従来技術に比べて、一方向クラッチの部品の磨耗や回転抵抗を大幅に少なくさせる一方向クラッチ手段の設計が可能となる。例えば、従来技術では、皿パネに歪みセンサーを取り付けていたため、皿バネを固定側に取り付ける必要があった力皿パネに接触する部品とがー緒に回転するように一方向クラッチ手段を構成することが可能となる。

[0018] 本発明の好ましい態様によれば、一方向クラッチ手段は、ドライブシャフトの軸方向に沿って隣接して配置された少なくとも 2つの部品と、例えば皿バネ、コイルスプリング又はゴム等の弾性手段と、を有し、 2つの部品は、一方向の回転時には互いに係合して弾性手段の弾性力により対抗されながら軸方向の部品間隔を増加させ、一方向とは反対方向の回転時には係合が解除されて軸方向の部品間隔を減少させ、磁場の変化は、部品間隔の増減によりもたらされる。更に好ましくは、 2つの部品のうちいずれか一方の部品は、軸方向に沿って摺動可能で且つ該ドライブシャフトに対する相対回転が防止されるように該ドライブシャフトに取り付けられ、他方の部品は、駆動輪にトルク伝達可能に連結され、一方の部品には、他方の部品とは反対側に、該一方の部品と共に回転可能に弾性手段が当接される。この態様によれば、弾性手段 1S 一方の部品と共に回転可能に当接されるため、即ち、固定側と回転側の接触部が無いため、弾性手段による回転抵抗及び弾性手段の磨耗を無くすことができる。

[0019] 上記態様において、磁石の第 1の取り付け態様では、摺動するいずれか一方の部品に磁石が装着される。好ましくは、磁石は、リング状に形成され、ドライブシャフトと同心に、摺動するいずれか一方の部品に取り付けられている。磁石の第 1の取り付け態様によれば、加えられたペダル踏力に応じて、磁石を装着させた一方の部品が軸方向に位置を変えるため、固定側の位置における磁場は変化する。従って、磁場検出手段を固定側に取り付ければ、検出された磁場に基づいて一方の部品の軸方向位置即ちペダル踏力を求めることができる。

[0020] 磁石の第 2の取り付け態様では、摺動するいずれか一方の部品に、磁性体又は反磁性体が取り付けられ、磁石は、所定位置に配置され、該所定位置に対して上記いずれか一方の部品が移動する。好ましくは、磁性体又は反磁性体は、リング状に形成され、ドライブシャフトと同心に、摺動するいずれか一方の部品に取り付けられている。磁石の第 2の取り付け態様によれば、加えられたペダル踏力に応じて、磁性体又は反磁性体を装着させた一方の部品が軸方向に位置を変えるため、例えば車体フレームの固定位置等の所定位置に取り付けられている磁石の磁場の分布は、磁性体又は反磁性体の影響により変化する。従って、検出された磁場に基づいて磁性体又は反磁性体を装着させた一方の部品の軸方向位置即ちペダル踏力を求めることができる。好ましくは、磁場検出手段は、磁石に近接した位置に配置されている。

[0021] 好ましい態様の磁場検出手段は、少なくとも 1箇所の所定位置に配置され、該所定位置に対して前記いずれか一方の部品が移動する。より好ましくは、磁場検出手段は、シャフトの軸線に対して垂直な平面内で、少なくとも 2箇所の所定位置に各々配置され、制御手段は、磁場検出手段の各々の検出信号の平均に基づいてペダル踏力を演算する。ここで、検出信号の平均演算には、通常の意味の平均の他、検出信号の総和演算も含まれている。最も好ましくは、磁場検出手段は、前記シャフトの軸線に対して垂直な平面内で、少なくとも 3箇所の所定位置に各々配置され、該少なくとも 3箇所の所定位置は、シャフトの軸線に対して垂直な平面内で、該軸線から径方向に略等距離で、且つ、周方向に略等間隔に位置している。これによつて、一方向クラッチの部品が揺れることによる磁石の軸方向位置のばらつきを相殺し、正確に踏力を検出すること力できる。

[0022] 好ましい態様の上記 2つの部品は、複数のラチエツト歯が第 1の係合面に形成された歯部と、複数のラチエツト駒が第 2の係合面に形成された駒部と、であり、歯部及び駒部は、第 1及び第 2の係合面が軸方向に略垂直に対面するように配置されると共に、複数のラチヱット歯は、歯部の周方向に沿って互い違いに第 1の係合面上に周期的に形成された、該第 1の係合面に対してより急な斜面と、より緩や力、な斜面と、から構成され、ラチェット駒は、その長さ方向が第 2の係合面に対して所定の角度をなした方向を中心として弹性的に回動可能であり、ドライブシャフトが第一方向に回転するとき、ラチェット駒は、回動しながらより急な斜面に当接して駒部及び歯部の間の相対回転を係止させ、ドライブシャフトがー方向とは逆に回転するとき、ラチェット駒は、より緩やかな斜面に当接して相対回転を可能とさせる。

[0023] 本発明の更なる態様は、補助動力を発生するための電動手段と、スプロケットに同軸に固定された動力伝達ギアと、を備え、前記動力伝達ギアと、前記電動手段の出力ギアと、を嚙み合わせることによって、前記補助動力を踏力に並列に付加するための合力手段が構成され、前記一方向クラッチ手段の前記他方の部品は、前記動力伝達ギアの板面に形成されている。

[0024] 上記態様によれば、動力伝達ギアが、一方向クラッチ手段と、補助動力を踏力に並列に付加するための合力手段と、踏力検出手段との構成部品を兼ねるため、電動ァシスト自転車において、部品点数を少なくして構造を簡素化すると共に、軸方向の省スペース化を図ることができる。

[0025] 上記態様において、好ましくは、前記動力伝達ギアには、該ギアの一方の板面側に円周等分に配置された複数の永久磁石が固着され、前記電動アシスト自転車は、前記動力伝達ギアの前記一方の板面側に隣接して車体に対して固定された磁場検出手段と、前記磁場検出手段からの磁場パルス信号をカウントするカウント手段と、を備え、前記カウント手段によりカウントされた磁場パルス信号のカウント値に基づいて車体速度を検出する。これによつて、動力伝達ギアが、更に車体速度検出手段の構成] ¾品あ兼ねること力でさる。

[0026] 本発明は、トルク検出装置としても実現することができる。本発明に係るトルク検出装置は、シャフトの一方向の回転のみを伝達する一方向クラッチ手段と、該一方向クラッチ手段内部又は該ー方向クラッチ手段に近接した位置に配置された磁石と、シャフトに作用するトルクに応じた一方向クラッチ手段の変形によって磁石の磁場が変化する位置に配置された磁場検出手段と、該磁場検出手段により検出された磁場に基づレ、てトルクを演算する演算手段と、を有して構成したものである。

[0027] 本発明のトルク検出装置の他の態様は、上記電動アシスト自転車の他の態様と同様に構成することができる。図面の簡単な説明

[図 1]図 1は、本発明の実施例に係る電動アシスト自転車の概略図である。

[図 2]図 2は、図 1に示す電動アシスト自転車の制御系を示す概略図である。

[図 3]図 3は、図 1に示す電動アシスト自転車で使用される、本発明の実施例に係るトルク検出機構を組み込んだ一方向クラッチの側面図である。

[図 4]図 4は、一方向クラッチの駒部及び該駒部で使用されるパネ棒の構成を示す図であって、（a)は、バネ棒が取り付けられた状態の駒部の斜視図、（b)は、バネ棒を取り外した状態の駒部の斜視図、（c)は、パネ棒の側面図である。

[図 5]図 5は、図 1に示す電動アシスト自転車の踏力検出の原理を説明するため一方向クラッチ (ラチェットギア）の歯及び駒の嵌合状態を示す図である。

[図 6]図 6は、ドライブシャフトに対する駒部の相対回転を防止する回転防止手段の例を示す図であり、（a)はボールスプライン、（b)はスプラインキー、（c)はキー?冓の概略構成を示す上面図である。

[図 7]図 7は、本発明の実施例に係る合力機構で用いられる動力伝達ギアの正面図及び側面図である。

[図 8]図 8は、従来技術のトルク検出機構を組み込んだ一方向クラッチの側面図であ

[図 9]図 9は、図 8に示された従来技術の一方向クラッチ（ラチェットギヤ)及びトルク検出装置の分解斜視図である。

符号の説明

1 電動アシスト自転車

2 スプロケット

3 フレーム

4 ドライブ'シャフト

11 電動アシストユニット

12 チェーン

14 マイクロコンピュータ

15 増幅回路 17 ノテリー

22 駆動輪 (後輪）

37 電動モーター

37a 電動モーターの出力軸

99 一方向クラッチ

100 駒部

102 ラチェット駒

108 第 1の回転防止用溝

112 歯部

114 ラチェット

137 皿バネ

140 第 2の回転防止用溝

150 鋼球

151 支持ディスク

161 リング状の永久磁石

162 ホール素子

163 (磁性体又は反磁性体でできた）リング部材

164 水久磁石

200 動力伝達ギア

202 クランク角度検出用の永久磁石

204 動力伝達ギアの歯部

206 固定ピン

210 クランク角度検出用のホール素子

220 ギア

222 補助動力の出力シャフト

実施例

以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。なお、これらの図面中に示された実施例に係る構成要素において、従来技術に関する図 8及び図 9に示す構成要素と同様の構成要素については、従来技術の構成要素と同様の参照番号を附すことにする。

[0031] 図 1には、電動アシスト自転車 1の概略が示されている。同図に示すように、この電動アシスト自転車 1の主要な骨格部分は、通常の自転車と同様に、金属管製の車体フレーム 3から構成され、該車体フレーム 3には、前輪 20、後輪 22、ハンドル 16、及びサドル 18などが周知の態様で取り付けられている。

[0032] また、車体フレーム 3の中央下部には、ドライブシャフト 4が回転自在に軸支され、その左右両端部には、クランク棒 6L、 6Rを介してペダル 8L、 8Rが各々取り付けられている。このドライブシャフト 4には、車体の前進方向に相当する R方向の回転のみを伝達するための一方向クラッチ（後述する図 3の 99)を介して、スプロケット 2が同軸に取り付けられている。このスプロケット 2と、後輪 22の中央部に設けられた後輪動力機構 10との間には無端回動のチェーン 12が張設されている。

[0033] 電動アシスト自転車 1には、補助電動力を発生する電動アシストユニット 11が取り付けられている。補助電動力は、図示しない合力機構を用いて駆動輪 22に伝達される

〇

[0034] 電動アシストユニット 11に収容された電動アシスト自転車 1の制御系の概略が図 2 に示されている。電動アシスト自転車 1の制御系は、該自転車全体の電子的処理を一括して制御する 1個のマイクロコンピュータ 14と、 PWM制御可能な電動モーター 3 7と、マイクロコンピュータ 14に直接接続され、その制御信号の電力を増幅する増幅回路 15と、を備える。増幅回路 15には、電動モーター 37に電源供給するバッテリー 17 (ユニット 11の外部）が接続されている。また、電動アシストユニット 11には、モータ一の回転速度を減速するための減速ギア等が収容されている。

[0035] マイクロコンピュータ 14には、少なくとも走行速度を演算するための回転速度信号、及び、踏力を演算するための磁場信号 1、 2、 3が入力される。これらの入力信号を発生する手段については後述する。マイクロコンピュータ 14は、これらの入力信号から走行速度及び踏力を演算し、所定のアルゴリズムに基づ!/、てアシスト比率 (補助電動力/踏力）を決定する電子的処理を行う。次に、マイクロコンピュータ 14は、決定されたアシスト比率に対応する補助動力を発生させるよう電動モーター 37を指令するため、該補助動力に応じた PWM指令を順次出力する。

[0036] 以下、本発明の実施例に係る電動アシスト自転車の踏力検出機構、合力機構、並びに、車速の検出機構について各々説明する。

(踏力検出機構）

マイクロコンピュータ 14に入力される磁場信号 1、 2、 3を出力する踏力検出機構を図 3乃至図 7を用いて説明する。この踏力検出機構は、踏力に応じた一方向クラッチ 99の変形によって変化する磁場を検出する。

[0037] 図 3に示すように、一方向クラッチ 99は、駒部 100及び歯部 112を備える。

[0038] 駒部 100は、図 4 (a)に示すように、ドライブ軸 4を受け入れるための駒部ボア 106 が中央部に形成された略円盤形状を有し、その周方向に沿って等角度毎に 3つの剛性のラチヱット駒 102が、歯部 112と相対する第 2の係合面 110側に配置されている。駒部 100は、ラチエツト駒 102を各々収容するため、図 4 (b)に示すように、周方向に沿って 3つの凹部 170が形成される。力、くして、ラチェット駒 102は、凹部 170にその回転軸部が収容された状態で回動し、この回動に応じてラチェット駒 102は、第 2 の係合面 110に対する角度を変える。

[0039] 再び図 4 (b)を参照すると、駒部 100には、各々の凹部 170に隣接して、バネ棒 10 4を収容可能な直線溝 171が夫々形成されており、 3つの直線溝 171の両端部は、駒部 100の外周エッジまで延在している。図 4 (c)に示すように、バネ棒 104は、一方の端部 Aが略垂直に折り曲げられ、他方の端部 Bがコ字状に曲げられている。パネ棒 104を駒部 100の直線溝 171内に取り付ける場合、図 4 (b)に示すように、バネ棒 104を直線溝内を摺動させながら、コ字状の B部が駒部 100をクリップ状に挟み止めさせるようにするだけで、パネ棒 104を駒部 100に容易に装着することができる。しかし、このままだと、 B部から引っ張る力によりパネ棒 104が抜け落ちる可能性があるので、垂直に折れ曲がった A部が駒部の側壁と係合することにより、パネ棒の脱落を防止している。従って、本実施形態のバネ棒 104は、取り付けの容易さ及び抜け防止を両立している。

[0040] バネ棒 104を駒部 100の直線溝 171に取り付けた場合、ラチェット駒 102は、外力が作用していないとき、その長さ方向が第 2の係合面 110に対して所定の角度をなす (図 5の平衡方向 160)ように立ち上がる。図 5に示すように、ラチエツト駒 102が平衡方向 160から上昇方向 a又は下降方向 bに偏倚するとき、バネ棒 104は、その偏倚を平衡方向 160に戻すようにラチエツト駒 102に僅かな弾性力を及ぼす。

[0041] 駒部ボア 106の内壁には、軸方向 5に延びる第 1の回転防止用溝 108が 4個所に形成されている。駒部ボア 106の内壁と摺接するドライブシャフト 4の外壁部分にも、第 1の回転防止用溝 108と対面するように軸方向 5に延びる第 2の回転防止用溝 14 0が 4個所に形成されている。図 6 (a)に示すように、第 1の回転防止用溝 108及びこれに対面する第 2の回転防止用溝 140は、軸方向に沿って延びる円柱溝を形成し、各々の円柱溝の中には、これを埋めるように多数の鋼球 150が収容される。これによつて、駒部 100は、軸方向 5に沿って摩擦抵抗最小で移動できると共に、ドライブシャフト 4に対する相対回転が防止される。これは、一種のボールスプラインである力他の形式のボールスプライン、例えば無端回動のボールスプラインなどを、このような摺動可能な回転防止手段として適用することができる。

[0042] また、駒部 100のドライブシャフト 4への取り付け方法として、図 6 (a)のボールスプライン以外の手段を用いることも可能である。例えば、図 6 (b)に示すように、軸方向に延びる突起部 140aをドライブシャフト 4に設け、該突起部 140aを収容する第 3の回転防止用溝 108aを駒部 100に形成する、いわゆるキースプライン形式も回転防止手段として適用可能である。なお、図 6 (b)において、突起部 140aを駒部 100側に、第 3の回転防止用溝 108aをドライブシャフト 4側に設けてもよい。更に、図 6 (c)に示すように、軸方向に延びる第 4の回転防止用溝 108b及びこれに対面する第 5の回転防止用溝 140bを駒部 100及びドライブシャフト 4に夫々設け、これらの溝が形成する直方体状の溝の中にキープレートを収容する、いわゆるキー溝形式も回転防止手段として適用可能である。

[0043] 図 3に示されるように、皿バネ 137が、駒部 100と、ドライブシャフト 4に固定された支持ディスク 151との間に介在されている。皿バネ 137の両端部は、各々、駒部 100の裏面と支持ディスク 151とに当接している。従って、皿バネ 137は、駒部 100の軸方向内側への摺動に対して弾性力で対抗する。

[0044] 一方、歯部 112は、図 7に示されるように、動力伝達ギア 200の表面である第 1の係合面 121上に形成されている。第 1の係合面 121には、ラチェット駒 102と係合するための複数のラチェット歯 114が形成されている。ラチェット歯 114は、図 5に示されるように、歯部の周方向に沿って互い違いに周期的に形成された、第 1の係合面 121 に対してより急な斜面 118と、より緩やかな斜面 116と、から構成される。歯部 112は、その第 1の係合面 121を駒部 100の第 2の係合面 110に対面させ、ラチェット駒 10 2とラチェット歯 112とを係合させた状態（図 5)で、ドライブシャフト 4に摺接可能に軸支される。即ち、ドライブシャフト 4は、ラチエツト駒 102とラチェット歯 112との係合部分を介してのみ歯部 112と作動的に連結される。

[0045] 図 3に示されるように、歯部 112を備える動力伝達ギア 200は、固定ピン 206を用いてスプロケット 2と同軸に固定され、更に、ドライブシャフト 4の先端にはペダル軸が取り付けられる。力、くして、車体前進方向のペダル踏力による回転のみをスプロケット 2 に伝達するようにドライブシャフト 4とスプロケット 2とを連結するラチェットギア 99が完成する。

[0046] 更に、ラチエツトギア 99の駒部 100には、ドライブシャフト 4及び駒部 100と同心に、リング状に形成された永久磁石 161が取り付けられて!/、る。リング状の永久磁石 161 は、好ましくは、リングの一方の表面が N極、反対側の表面が S極となるように構成され、永久磁石 161のリング軸方向とラチエツトギア 99の軸方向とが整列するように酉己歹される。

[0047] また、磁場を検出するための複数 (本実施例では 3個）のホール素子 162が、ドライブシャフト ₄の軸線に対して垂直な平面内で、 3箇所の所定位置に各々配置されている。好ましくは、ホール素子が配置される 3箇所の所定位置は、該軸線を中心として径方向に略等距離で周方向に略等角度毎の位置である。更に、ホール素子 162が配置される所定位置は、リング状永久磁石 161に近接した車体フレームの固定位置に相当する。これらのホール素子 162は、マイクロコンピュータ 14 (図 2)に接続される。 3個のホール素子 162から各々出力された磁場検出信号 1、 2、 3は、上述したように、マイクロコンピュータ 14 (図 2)に入力される。

[0048] 代替実施例として、リング状永久磁石 161の代わりに、鉄等の磁性体からなるリング部材 163を用いることができる。この場合、磁石 164を駒部 100が相対的に移動するところの所定位置、例えば、ホール素子 162に近接した位置に固定する。なお、リング部材 163の材料は、磁石 164の磁場を変化させることができる任意の材料、例えば反磁十生体カゝら作ることあでさる。

(合力機構）

電動アシスト自転車 1の合力機構を、図 3及び図 7を用いて説明する。

[0049] 図 3には、上述されたように固定ピン 206を用いてスプロケット 2に同軸に固定された動力伝達ギア 200が示されている。動力伝達ギア 200は、図 7に示すように、外周部に複数の歯 204が形成されている。

[0050] 動力伝達ギア 200の歯 204は、図 3に示されるように、電動アシストユニット 11の補助動力出力シャフト 222の先端に設けられたギア 220と嵌合する。従って、電動ァシストユニット 11から出力された補助動力は、シャフト 222、ギア 220を介して動力伝達ギア 200に伝達され、該動力伝達ギア 200からスプロケット 2、チェーン 12を介して駆動輪に伝達される。力べして、踏力と補助動力との合力が達成される。動力伝達ギア 200の歯 204の数は、ギア 220の歯数よりも多いので、動力伝達ギア 200は、減速ギァとしてあ機倉する。

(車速の検出機構）

電動アシスト自転車 1の車速検出機構を、図 3及び図 7を用いて説明する。

[0051] 図 7に示すように、動力伝達ギア 200の一方の板面側には、 12個の永久磁石 202 が円周 12等分に配置されている。これらの永久磁石 202は、一方の磁極（N極又は S極）を当該板面の表面に出し、他方の磁極を該表面と反対側に向け、両磁極を結ぶ方向が、ドライブシャフト 4の軸方向に整列するように配置されている。板面の表面に出ている磁極は、全て同一に揃えるのが好ましいが、隣接する磁石 202の磁極が互レ、違いになるように配置することもできる。

[0052] 図 3を参照すると、磁石 202が配置された動力伝達ギア 200の板面に隣接して、車体フレームに対して固定された位置にホール素子 210が配置されている。このホール素子 210のドライブシャフト 4からの径方向距離は、永久磁石 202のドライブシャフト 4からの径方向距離と実質的に同一に設定されている。動力伝達ギア 200は、ぺダルの回転と共に回転し、一方、ホール素子 210は車体に対して静止しているので、ペダルクランク回転によって、ホール素子 210の検出範囲に永久磁石 202の磁場が次々横切っていく。従って、ホール素子 210は、ペダルクランク回転数に応じたパルス数の検出信号を出力する。この磁場パルス信号は、回転速度信号として、マイクロコンピュータ 14 (図 2)へと入力される。

[0053] 動力伝達ギア 200は、ペダルクランク及びスプロケット 2と一緒に回転するため、動力伝達ギア 200の回転速度は、車速を反映している。力、くして、マイクロコンピュータ 14は、単位時間当たりの磁場パルス信号のカウント数から、車速を演算することができる。

[0054] 以上のように、動力伝達ギア 200は、踏力検出手段を構成する一方向クラッチ 99 の歯部 112、合力機構、合力時の減速ギア、車速の検出機構、並びに、踏力検出機構を一体化した手段として機能している。これにより、電動アシスト自転車 1において部品点数の削減、軸方向の省スペース化を図ることができる。

[0055] 次に、本発明の実施例の作用を説明する。

[0056] 搭乗者がペダル 8R、 8L (図 1)にペダル踏力を与え、ドライブシャフト 4を車体前進方向に回転させると、この回転力は、ドライブシャフト 4に対し回転不可能且つ摺動可能に軸支された駒部 100に伝達される。このとき、図 5に示すように、ラチェット駒 102 は、駒部 100からペダル踏力に対応する力 Fdを与えられるので、その先端部は歯部 112のラチェット歯のより急な斜面 118に当接し、このカをラチェット歯に伝達しようとする。ラチエツト歯部 112は、スプロケット 2に連結されているので、ラチエツト駒 102の先端部は、駆動のための負荷による力 Fpをより急な斜面 118から受ける。その両端部から互いに反対向きの力 Fp及び Fdを与えられたラチェット駒 102は、 a方向に回転して立ち上がる。このとき駒部 100は、ラチェット駒 102の立ち上がりによって軸方向内側に移動し、駒部 100と支持ディスク 151との間に介在する皿バネ 137を押し込む。皿バネ 137は、これに対抗して弾性力 Frを駒部 100に作用する。この力 Frと、駒部 100を軸方向に移動させるペダル踏力を反映した力とは短時間で釣り合う。力、くして、駒部 100の軸方向位置はペダル踏力を反映する物理量となる。

[0057] リング状永久磁石を使用した実施例の場合、駒部 100の軸方向位置に応じて、ホール素子 162により検出される磁場強度は異なっている。即ち、ペダル踏力が増大すると、駒部 100は軸方向内側に摺動し、永久磁石 161がホール素子 162に接近するため、ホール素子により検出される磁場強度は増大する。逆に、ペダル踏力が減少すると、駒部 100は軸方向外側に摺動し、永久磁石 161がホール素子 162から遠ざ力、るため、ホール素子により検出される磁場強度は減少する。

[0058] マイクロコンピュータ 14は、 3個のホール素子 162により検出された磁場検出信号を平均演算（単なる加算演算を含む）して平均磁場強度を求める。マイクロコンピュータ 14は、磁場強度とペダル踏力を反映する永久磁石 161の軸方向位置との間の関数関係を表すルックアップテーブルをメモリに格納しており、該テーブルを参照することにより演算した平均磁場強度からペダル踏力 Tを求める。

[0059] このようにマイクロコンピュータ 14は、複数箇所の軸方向の磁場を平均化しているため、 SN比を改善することができるだけでなぐ駒部 100の振れに起因する磁場強度のばらつきを相殺することにより、より正確にペダル踏力 Tを求めることができる。

[0060] なお、磁性体又は反磁性体のリング部材 163を使用した代替実施例の場合、リング部材 163の軸方向位置に応じて、磁性体又は反磁性体の影響の変化により磁石 16 4の磁場分布は変化する。従って、代替実施例においても、検出された磁場強度に基づいて、上述のようにペダル踏力 Tを求めることができる。

[0061] 次に、マイクロコンピュータ 14は、求められた踏力 Tに基づいて印加すべきアシスト用の補助動力 Teを演算し、該補助動力で回転駆動するように電動モーター 37を指令する制御信号を演算出力する。好ましくは、マイクロコンピュータ 14は、回転速度センサー（図示せず）により検出された回転速度信号を車速に変換し、踏力 T及び車速の両方に基づレ、て適切な補助動力 Teを決定し、該補助動力 Teを発生させるよう電動モーター 37を制御する。

[0062] 上記した踏力検出機構には以下のような優れた効果がある。

(1)皿バネ 137は、ドライブシャフト 4に対して相対的に回転しない駒部 100と支持デイスク 151とに当接しているため、皿バネ 137もドライブシャフト 4、駒部 100及び支持ディスク 151と共に、回転する。よって、皿バネ 137と駒部 100との間には摩擦が生じず、回転抵抗も発生しない。

(2)一方向クラッチと踏力検出機構とを一つの機構で実現したので、部品点数の削減化が図られ、小型、軽量化及び低コストを達成できる。

(3) 踏力を検出する部分を、磁力発生ユニットに対して皿パネに近接して磁場検出センサーを設けたので、皿パネの磨耗や回転抵抗などが発生せず、トルク検出装置の精度を向上させると共に耐久性を向上させることができる。

(4) 上記項目 (2)及び (3)に示したように踏力検出機構の小型、軽量化及び簡素化をより高いレベルで達成したので、通常の自転車であっても踏力検出機構を取り付ける可能性が更に広がった。

(5) 上記項目 (2)及び (3)で示した理由により、従来機構に比べて、非接触式の磁場強度による踏力検出機構を用いたので、制御の応答性のよいアシストフィーリングを実現できる。

(6) 上記項目 (2)及び (3)で示した理由により、従来機構（コイルパネ使用）に比べ、ぺダルに無駄な動き（センサーが感知するまで）が無くなり、ペダルを踏み込んだときのフィーリングは、従来機構は踏み込み時に弹カ感があったのに対し、上記例では、通常の自転車のフィーリングと同様になつた。

[0063] 以上が本発明の実施例であるが、本発明は、上記例にのみ限定されるものではなぐ本発明の要旨の範囲内において任意好適に変更可能である。

[0064] 例えば、一方向クラッチ 99の駒及び歯のいずれか一方をスプロケットに取り付け、他方をドライブシャフトに取り付けるかは、任意好適に変更可能である。例えば駒部 1 00をスプロケット側に取り付け、歯部 112をドライブシャフト 4に摺動可能且つ回転不可能に取り付け、歯部 112によって皿バネ 137を押し込めるようにしてもよい。

[0065] 更に、一方向クラッチ 99の変形に対抗して配置される弾性体も任意好適に種類及びその形状を変更可能である。皿バネ以外に例えばコイルスプリング、ゴム等の弾性体などを用いることもできる。また、磁場を検出する手段として、ホール素子を例にした力磁場を検出できれば、これに限定されるものではない。

[0066] また、磁場検出手段の位置、磁石の形状及びその取り付け位置、並びに、磁性体又は反磁性体の形状及びその取り付け位置も、一方向クラッチの変形によりもたらされる磁場の変化を検出することができる限り、任意好適に変更可能である。また、磁場検出手段、磁石及び磁性体又は反磁性体の数に関しても、上記例に限定されるものではなぐ任意好適に変更可能である。

Claims

請求の範囲

[1] ドライブシャフトに作用するペダル踏力に応じて補助動力を付加する電動アシスト自転車であって、

前記ドライブシャフトの一方向の回転のみを駆動輪に伝達するように該ドライブシャフトに連結された一方向クラッチ手段と、

前記一方向クラッチ手段内部又は該ー方向クラッチ手段に近接した位置に配置された磁石と、

前記ペダル踏力に応じた前記一方向クラッチ手段の変形によって前記磁石の磁場が変化する位置に配置された磁場検出手段と、

前記磁場検出手段により検出された磁場に基づいて前記補助動力を制御する制御手段と、

を有する電動アシスト自転車。

[2] 前記一方向クラッチ手段は、前記ドライブシャフトの軸方向に沿って隣接して配置された少なくとも 2つの部品と、弾性手段と、を有し、

前記 2つの部品は、前記一方向の回転時には互いに係合して前記弾性手段の弾性力により対抗されながら軸方向の部品間隔を増加させ、前記一方向とは反対方向の回転時には係合が解除されて前記軸方向の部品間隔を減少させ、

前記磁場の変化は、前記部品間隔の増減によりもたらされる、請求項 1に記載の電動アシスト自転車。

[3] 前記 2つの部品のうちいずれか一方の部品は、前記軸方向に沿って摺動可能で且っ該ドライブシャフトに対する相対回転が防止されるように該ドライブシャフトに取り付けられ、他方の部品は、前記駆動輪にトルク伝達可能に連結され、前記一方の部品には、他方の部品とは反対側に、該一方の部品と共に回転可能に弾性手段が当接される、請求項 2に記載の電動アシスト自転車。

[4] 前記磁石は、前記いずれか一方の部品に装着される、請求項 3に記載の電動ァシスト自転車。

[5] 前記磁石は、リング状に形成され、前記ドライブシャフトと同心に前記いずれか一方の部品に取り付けられて!/、る、請求項 4に記載の電動アシスト自転車。

[6] 前記いずれか一方の部品に、磁性体又は反磁性体が取り付けられ、前記磁石は、所定位置に配置され、該所定位置に対して前記いずれか一方の部品が移動する、請求項 3に記載の電動アシスト自転車。

[7] 前記磁性体又は反磁性体は、リング状に形成され、前記ドライブシャフトと同心に前記レ、ずれか一方の部品に取り付けられて!/、る、請求項 6に記載の電動アシスト自転車。

[8] 前記磁場検出手段は、前記磁石に近接した位置に配置されている、請求項 6又は

7に記載の電動アシスト自転車。

[9] 前記磁場検出手段は、少なくとも 1箇所の所定位置に配置され、該所定位置に対して前記いずれか一方の部品が移動する、請求項 5乃至 8のいずれか 1項に記載の電動アシスト自転車。

[10] 前記磁場検出手段は、前記ドライブシャフトの軸線に対して垂直な平面内で、少なくとも 2箇所の所定位置に各々配置され、前記制御手段は、前記磁場検出手段の各々の検出信号の平均に基づいて前記ペダル踏力を演算する、請求項 9に記載の電動アシスト自転車。

[11] 前記磁場検出手段は、前記ドライブシャフトの軸線に対して垂直な平面内で、少なくとも 3箇所の所定位置に各々配置され、該少なくとも 3箇所の所定位置は、前記ドライブシャフトの軸線に対して垂直な平面内で、該軸線力、ら径方向に略等距離で、且つ、周方向に略等間隔に位置している、請求項 10に記載の電動アシスト自転車。

[12] 前記所定位置は、車体フレームの固定位置である、請求項 6乃至 11のいずれか 1 項に記載の電動アシスト自転車。

[13] 前記弾性手段は、皿バネ、コイルスプリング、及び、ゴム弾性体のうちレ、ずれかから選択される、請求項 2乃至 12のいずれか 1項に記載の電動アシスト自転車。

[14] 前記 2つの部品は、複数のラチエツト歯が第 1の係合面に形成された歯部と、複数のラチェット駒が第 2の係合面に形成された駒部と、であり、前記歯部及び前記駒部は、前記第 1及び第 2の係合面が前記軸方向に略垂直に対面するように配置されると共に、

前記複数のラチェット歯は、前記歯部の周方向に沿って互い違いに前記第 1の係合面上に周期的に形成された、該第 1の係合面に対してより急な斜面と、より緩やかな斜面と、から構成され、

前記ラチエツト駒は、その長さ方向が前記第 2の係合面に対して所定の角度をなした方向を中心として弹性的に回動可能であり、

前記ドライブシャフトが前記第一方向に回転するとき、前記ラチエツト駒は、回動しながら前記より急な斜面に当接して前記駒部及び前記歯部の間の相対回転を係止させ、前記ドライブシャフトが前記一方向とは逆に回転するとき、前記ラチエツト駒は、前記より緩やかな斜面に当接して前記相対回転を可能とさせる、請求項 3乃至 13のいずれか 1項に記載の電動アシスト自転車。

[15] シャフトの一方向の回転のみを伝達する一方向クラッチ手段と、

前記シャフトに作用するトルクに応じた前記一方向クラッチ手段の変形によって前記磁石の磁場が変化する位置に配置された磁場検出手段と、

前記磁場検出手段により検出された磁場に基づいて前記トルクを演算する演算手段と、

を有する、トルク検出装置。

[16] 前記一方向クラッチ手段は、前記シャフトの軸方向に沿って隣接して配置された少なくとも 2つの部品と、弾性手段と、を有し、

前記磁場の変化は、前記部品間隔の増減によりもたらされる、請求項 15に記載のトルク検出装置。

[17] 前記 2つの部品のうちいずれか一方の部品は、前記軸方向に沿って摺動可能で且っ該シャフトに対する相対回転が防止されるように該シャフトに取り付けられ、他方の部品は、前記シャフトに連結されず、前記一方の部品には、他方の部品とは反対側に、該一方の部品と共に回転可能に弾性手段が当接される、請求項 16に記載のトルク検出装置。

[18] 前記磁石は、前記いずれか一方の部品に装着される、請求項 17に記載のトルク検出装置。

[19] 前記磁石は、リング状に形成され、前記シャフトと同心に前記いずれか一方の部品に取り付けられている、請求項 18に記載のトルク検出装置。

[20] 前記いずれか一方の部品に、磁性体又は反磁性体が取り付けられ、前記磁石は、所定位置に配置され、該所定位置に対して前記いずれか一方の部品が移動する、請求項 17に記載のトルク検出装置。

[21] 前記磁性体又は反磁性体は、リング状に形成され、前記シャフトと同心に前記いずれか一方の部品に取り付けられている、請求項 20に記載のトルク検出装置。

[22] 前記磁場検出手段は、前記磁石に近接した位置に配置されている、請求項 20又は 21に記載のトルク検出装置。

[23] 前記磁場検出手段は、少なくとも 1箇所の所定位置に配置され、該所定位置に対して前記いずれか一方の部品が移動する、請求項 19乃至 22のいずれ力、 1項に記載のトルク検出装置。

[24] 前記磁場検出手段は、前記シャフトの軸線に対して垂直な平面内で、少なくとも 2 箇所の所定位置に各々配置され、前記制御手段は、前記磁場検出手段の各々の検出信号の平均に基づいて前記ペダル踏力を演算する、請求項 23に記載のトルク検出装置。

[25] 前記磁場検出手段は、前記シャフトの軸線に対して垂直な平面内で、少なくとも 3 箇所の所定位置に各々配置され、該少なくとも 3箇所の所定位置は、前記シャフトの軸線に対して垂直な平面内で、該軸線から径方向に略等距離で、且つ、周方向に略等間隔に位置している、請求項 24に記載のトルク検出装置。

[26] 前記所定位置は、車体フレームの固定位置である、請求項 22乃至 24のいずれか 1項に記載のトルク検出装置。

[27] 前記弾性手段は、皿バネ、コイルスプリング、及び、ゴム弾性体のうち!/、ずれかから選択される、請求項 18乃至 26のいずれ力、 1項に記載のトルク検出装置。

[28] 前記 2つの部品は、複数のラチエツト歯が第 1の係合面に形成された歯部と、複数のラチェット駒が第 2の係合面に形成された駒部と、であり、前記歯部及び前記駒部は、前記第 1及び第 2の係合面が前記軸方向に略垂直に対面するように配置されると共に、

前記シャフトが前記第一方向に回転するとき、前記ラチエツト駒は、回動しながら前記より急な斜面に当接して前記駒部及び前記歯部の間の相対回転を係止させ、前記シャフトが前記一方向とは逆に回転するとき、前記ラチエツト駒は、前記より緩やかな斜面に当接して前記相対回転を可能とさせる、請求項 19乃至 27のいずれ力、 1項に記載のトルク検出装置。

[29] 補助動力を発生するための電動手段と、

スプロケットに同軸に固定された動力伝達ギアと、

を備え、

前記動力伝達ギアと、前記電動手段の出力ギアと、を嚙み合わせることによって、前記補助動力を踏力に並列に付加するための合力手段が構成され、

前記一方向クラッチ手段の前記他方の部品は、前記動力伝達ギアの板面に形成されている、請求項 3に記載の電動アシスト自転車。

[30] 前記動力伝達ギアには、該ギアの一方の板面側に円周等分に配置された複数の永久磁石が固着され、

前記電動アシスト自転車は、

前記動力伝達ギアの前記一方の板面側に隣接して車体に対して固定された磁場検出手段と、

前記磁場検出手段からの磁場パルス信号をカウントするカウント手段と、を備え、

前記カウント手段によりカウントされた磁場パルス信号のカウント値に基づいて車体速度を検出する、請求項 29に記載の電動アシスト自転車。

[31] 動力を発生する動力手段の出力ギアと嚙み合う動力伝達ギアを更に備え、

前記一方向クラッチ手段の前記他方の部品は、前記動力伝達ギアの板面に形成されている、請求 17に記載のトルク検出装置。

[32] 前記動力伝達ギアには、該ギアの一方の板面側に円周等分に配置された複数の永久磁石が固着され、

前記トルク検出装置は、

前記ディスクの前記一方の板面側に隣接して配置された磁場検出手段と、前記磁場検出手段からの磁場パルス信号をカウントするカウント手段と、を備え、

前記カウント手段によりカウントされた磁場パルス信号のカウント値に基づいて前記動力伝達ギアの回転速度を検出する、請求項 31に記載のトルク検出装置。