WO2012005001A1 - 踏力検出装置 - Google Patents

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基樹 緒方
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パナソニック株式会社
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/45—Control or actuating devices therefor
    • B62M6/50—Control or actuating devices therefor characterised by detectors or sensors, or arrangement thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/14—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/1407—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs
    • G01L3/1428—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers
    • G01L3/1442—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs using electrical transducers involving electrostatic means
    • G—PHYSICS
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    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/14—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/1464—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving screws and nuts, screw-gears or cams
    • G01L3/1471—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving screws and nuts, screw-gears or cams using planet wheels or conical gears

Definitions

  • the present invention relates to a pedaling force detection device mounted on, for example, a bicycle.
  • FIG. 10 is a side cross-sectional view of a bicycle in which the conventional pedaling force detection device 501 described in Patent Document 1 is mounted around the rotation axis of the pedal arm.
  • a driving system based on human power and a driving system based on an electric motor are provided in parallel, and the driving power of the electric motor is controlled in response to a change in driving power due to human power.
  • a rotational force applied to the bicycle pedal 3 is transmitted to the rotational drive body 2 and an external force in the thrust direction is also transmitted.
  • An external force in the thrust direction applied to the rotary drive body 2 is transmitted to the stationary body 4 via the rolling bearing 1.
  • the holding body 5 is connected to the stationary body 4 and is elastically deformed by an external force in the thrust direction applied to the rotary drive body 2.
  • One end of the stress sensor 6 is fixed to the holding body 5, and the other end is attached to the vehicle body 7.
  • the operation of the pedaling force detection device 501 will be described below.
  • a force in the thrust direction is applied to the rotary drive body 2 by the depression.
  • the force in the thrust direction causes the holding body 5 to elastically deform via the rolling bearing 1 and the stationary body 4 and slightly moves the holding body 5 in the axial direction of the pedal shaft 8.
  • This thrust force biases one end of the stress sensor 6. That is, the depression force of the pedal 3 is detected when the stress sensor 6 having the other end fixed to the vehicle body 7 is distorted. It is difficult to downsize the pedaling force detection device 501.
  • the pedaling force detection device of the present invention is mounted on a device including a rotating shaft that rotates by an applied force and a bearing that rotatably supports the rotating shaft, and detects the force.
  • the pedal effort detection device includes a stress transmission member fixed to a bearing, a support member, and a strain detection member.
  • the stress transmission member includes a deforming portion that is deformed by a force transmitted in a direction away from the bearing, and a contact portion.
  • the support member has a protrusion that contacts the contact portion of the stress transmission member.
  • the strain detection member detects a stress applied to the deformed portion of the stress transmission member.
  • This treading force detecting device can be miniaturized because the strain detecting member can be prevented from protruding in the outer diameter direction.
  • FIG. 1 is a side sectional view of a pedaling force detection device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a top view of a strain detection member of the pedal effort detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a device on which the pedal effort detection device according to the first embodiment is mounted.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of the apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a side sectional view showing the operation of the pedal effort detection apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the stress applied to the strain detection member of the pedaling force detection device in Embodiment 1 and the frequency.
  • FIG. 7 is a side sectional view of the pedaling force detection device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 8 is a side sectional view showing the operation of the pedal effort detection apparatus in the second embodiment.
  • FIG. 9 is a side sectional view showing the operation of the pedal effort detection apparatus in the second embodiment.
  • FIG. 10 is a side sectional view of a bicycle equipped with a conventional pedaling force detection device.
  • FIG. 1 is a side sectional view of a pedaling force detection device 1001 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the rotating shaft 37 rotates around the central axis 37C.
  • the bearing 21 supports the rotating shaft 37 so that the rotating shaft 37 can rotate around the central shaft 37C.
  • a bearing 21 is attached to the inside of the stress transmission member 22, and the stress transmission member 22 is disposed in the radial direction away from the central axis 37 ⁇ / b> C over the entire circumference of the bearing 21.
  • the bearing 21 is a rolling bearing.
  • Three support portions 22F are provided inside the stress transmission member 22, and the bearing 21 is supported by the three support portions 22F.
  • the stress transmission member 22 is fixed to the bearing 21 by the support portion 22F.
  • the stress transmission member 22 has two contact portions 23 and 123 having a step shape provided on the outer peripheral surface 22A.
  • the stress transmission member 22 has a linear deformation portion 24.
  • the strain detection member 25 is attached and fixed to the deformed portion 24 of the stress transmission member 22.
  • the support member 35 is provided outside the stress transmission member 22 and has protrusions 36 and 136 protruding inward.
  • the protrusions 36 and 136 are in contact with the contact portions 23 and 123 of the stress transmission member 22, respectively.
  • a surface 23C of the abutment portion 23 that abuts on the protrusion 36 faces a direction 23A along the circumferential direction 1001B centering on the central axis 37C, and abuts against the protrusion 36 of the support member 35.
  • a surface 123C of the abutting portion 123 that abuts against the protrusion 136 faces a direction 123A along the circumferential direction 1001A centering on the central axis 37C opposite to the circumferential direction 1001B, and faces the projection 136 of the support member 35. It touches.
  • the outer peripheral surface 21A of the bearing 21 faces the inner peripheral surface 22B of the stress transmission member 22, and is partially fixed to the inner peripheral surface 22B by three support portions 22F.
  • the outer peripheral surface 22 ⁇ / b> A of the stress transmission member 22 faces the inner peripheral surface 35 ⁇ / b> B of the support member 35.
  • the protrusions 36 and 136 protrude from the inner peripheral surface 35B.
  • the outer peripheral surface 22A of the stress transmission member 22 is provided with a recess 24B having a bottom surface 24A that is a flat outer surface.
  • the recess 24B forms a space 24P, and the bottom surface 24A of the deformable portion 24 of the stress transmission member 22 faces the inner peripheral surface 35B of the support member 35 via the space 24P.
  • the stress transmission member 22 surrounds the bearing 21.
  • the outer peripheral surface 21 ⁇ / b> A of the bearing 21 faces the inner peripheral surface 22 ⁇ / b> B of the stress transmission member 22.
  • the support member 35 surrounds the stress transmission member 22.
  • the outer peripheral surface 22 ⁇ / b> A of the stress transmission member 22 faces the inner peripheral surface 35 ⁇ / b> B of the support member 35.
  • the support member 35 is made of a metal such as cold rolled stainless steel (austenite type, for example, JIS standard SUS304).
  • the stress transmission member 22 is made of a metal such as cold rolled stainless steel (austenite type, for example, JIS standard SUS304).
  • the deformation part 24 is made of cold-rolled stainless steel (austenite type, for example, JIS standard SUS304).
  • the support portion 22A is made of a metal such as cold-rolled stainless steel (austenite type, for example, JIS standard SUS304).
  • the stress transmission member 22 is made of a uniform material including the deformed portion 24.
  • the support portion 22F may be integrally provided with the same material as the stress transmission member 22.
  • FIG. 2 is a top view of the strain detection member 25.
  • the strain detection member 25 drives the base material 125 extending in the longitudinal direction of the direction 25A, the vibrators 26 and 27 fixed to the base material 125, and the vibrators 26 and 27 to vibrate and from the vibrators 26 and 27.
  • the vibrator 26 has a beam shape of a doubly supported beam extending in the direction 25A and having opposite ends 26A, 26B. That is, the vibrator 26 has ends 26A and 26B opposite to each other in the direction 25A, and the ends 26A and 26B are fixed to the base material 125.
  • the vibrator 27 has a beam shape of a doubly-supported beam extending in a direction 25B perpendicular to the direction 25A and having opposite ends 27A and 27B. That is, the vibrator 27 has ends 27A and 27B opposite to each other in the direction 25B, and the ends 27A and 27B are fixed to the base material 125.
  • the strain detection member 25 includes a drive unit 29 and a detection unit 30 provided on each of the vibrators 26 and 27.
  • Each of the drive unit 29 and the detection unit 30 includes a lower electrode layer provided on the vibrators 26 and 27, a piezoelectric layer provided on the lower electrode layer, and an upper electrode layer provided on the piezoelectric layer.
  • Have The lower electrode layer is made of Pt.
  • the piezoelectric layer is made of a piezoelectric material such as PZT.
  • the upper electrode layer is made of Au.
  • the drive unit 29, the detection unit 30, and the IC 28 of each of the vibrators 26 and 27 are electrically connected by a wiring pattern made of Au.
  • the strain detection member 25 is configured so that the direction 25A is parallel to the circumferential directions 1001A and 1001B, that is, perpendicular to the radial direction about the central axis 37C and the vibrators 26 and 27 can vibrate. It is fixed to the deformed portion 24, that is, fixed to the bottom surface 24A of the recess 24B.
  • the base material 125 and the vibrators 26 and 27 are formed by etching a semiconductor substrate made of Si.
  • a wiring pattern made of Au is vapor-deposited on the upper surface of the semiconductor substrate, Pt is vapor-deposited at a place where the drive unit 29 and the detection unit 30 of the vibrators 26 and 27 are provided to form a lower electrode layer.
  • Pt is vapor-deposited at a place where the drive unit 29 and the detection unit 30 of the vibrators 26 and 27 are provided to form a lower electrode layer.
  • PZT on the upper surface of the lower electrode layer to form a piezoelectric layer
  • the drive unit 29 and The detection unit 30 is formed.
  • the IC 28 is mounted on the base material 125, and the IC 28 is electrically connected to the drive units 29 and the detection units 30 of the vibrators 26 and 27 to form the strain detection member 25.
  • the support 22 ⁇ / b> F of the stress transmission member 22 and the outer peripheral surface 21 ⁇ / b> A of the bearing 21 are in contact with each other.
  • the bearing 21 is fitted inside.
  • the stress transmission member 22 is housed inside the support member 35 so that the contact portions 23 and 123 of the stress transmission member 22 are in contact with the protrusions 36 and 136 of the support member 35, respectively.
  • FIGS. 3 and 4 are a schematic view and a partially enlarged view of a device 1002 on which the pedaling force detection device 1001 is mounted, respectively.
  • the device 1002 in Embodiment 1 is a bicycle.
  • the rotary shaft 37 rotates.
  • the IC 28 applies an AC voltage having substantially the same frequency as the natural frequency fa0 of the vibrator 26 to the drive unit 29 of the vibrator 26, and substantially the same as the natural frequency fb0 of the vibrator 27 to the drive unit 29 of the vibrator 27. Apply an alternating voltage of frequency.
  • the vibrator 26 vibrates at a natural frequency fa0, and the vibrator 27 vibrates at a natural frequency fb0.
  • the frequency fa is detected.
  • the frequency fb is detected from the detection unit 30 in the second vibrator 27.
  • FIG. 5 is a sectional side view showing the operation of the pedaling force detection device 1001 in the first embodiment.
  • the rotating shaft 37 rotates as shown in FIG. 4 in a state where the tension F1 is generated in the chain 38.
  • the stress F2 in the direction D1 from the bearing 21 toward the rear wheel acts on the bearing 21 from the rotating shaft 37.
  • the direction D1 is a radial direction away from the bearing 21 with the bearing 21 as the center.
  • the stress F2 acts on the stress transmission member 22 from the bearing 21 via the support portion 22F, and the stress transmission member 22 is urged in the direction D1 toward the rear wheel.
  • reaction forces F3 and F13 in the circumferential directions 1001A and 1001B act on the contact portions 23 and 123 of the stress transmission member 22 from the protrusions 36 and 136 of the support member 35, respectively.
  • the reaction forces F3 and F13 are transmitted to the deformed portion 24 in the stress transmitting member 22, and the compressive stresses F4 and F14 in the circumferential directions 1001A and 1001B act on the deformed portion 24 to compress the strain detecting member 25 in the direction 25A.
  • the contact portions 23 and 123 are symmetric with respect to a straight line L1 extending in the direction D1 through the central axis 37C.
  • the protrusions 36 and 136 are symmetric with respect to the straight line L1.
  • the directions 23A and 123A are symmetric with respect to the straight line L1.
  • the frequency fa of the vibrator 26 is reduced from the natural frequency fa0 to the frequency fa1, and the frequency fb of the vibrator 27 is increased from the natural frequency fb0 to the frequency fb1.
  • the stress F2 and the reaction forces F3 and F13 are changed by the pedaling force of the driver stepping on the pedal 1002A, and the magnitude of the compressive stress for compressing the strain detecting member 25 is changed.
  • the frequencies fa and fb of the vibrators 26 and 27 change.
  • the IC 28 processes signals output from the detection units 30 of the vibrators 26 and 27 according to the vibrations of the vibrators 26 and 27, so that the driver steps on the pedal 1002A based on changes in the frequencies fa and fb.
  • the pedal force can be detected.
  • the pedaling force detection device 501 shown in FIG. 10 since the stationary body 4, the holding body 5, and the stress sensor 6 provided around the rolling bearing 1 protrude in the outer diameter direction, the pedaling force detection device 501 can be downsized. It is difficult.
  • the stress transmission member 22 and the strain detection member 25 are housed inside the inner peripheral surface 35B of the support member 35 surrounding the bearing 21.
  • the device 1001 can be miniaturized.
  • the strain detection member 25 is provided in the deformation portion 24 of the stress transmission member 22 in which the bearing 21 is fixed to the inner peripheral surface 22B and disposed in the radial direction of the bearing 21. Therefore, since the strain detection member 25 does not protrude in the outer diameter direction, the pedaling force detection device 1001 can be reduced in size.
  • FIG. 7 is a side sectional view of the pedal effort detection device 1003 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the same reference numerals are assigned to the same parts as those in the pedal effort detection device 1001 in the first embodiment shown in FIGS.
  • a pedal force detection device 1003 shown in FIG. 7 includes a support member 46 and a stress transmission member 42 instead of the support member 35 and the stress transmission member 22 of the pedal force detection device 1001 in the first embodiment shown in FIGS.
  • the bearing 21 is fixed inside the cylindrical stress transmission member 42. That is, the outer peripheral surface 21 ⁇ / b> A of the bearing 21 is fixed to the cylindrical inner peripheral surface 42 ⁇ / b> B of the stress transmission member 42.
  • the stress transmission member 42 is disposed in the radial direction of the entire outer peripheral surface 21 ⁇ / b> A of the bearing 21.
  • the cylindrical outer peripheral surface 42A of the stress transmission member 42 is provided with a deformed portion 43 having a flat outer surface 43A.
  • the outer surface 43A faces the inner peripheral surface 46B of the support member 46 via the space 43B.
  • a pair of gaps 44 and 144 are provided between the inner peripheral surface 42B of the stress transmission member 42 and the outer peripheral surface 21A of the bearing 21 at both ends 43C and 43D of the deformable portion 43, respectively.
  • the strain detection member 25 is attached and fixed to the outer surface 43A of the deformation portion 43 of the stress transmission member 42 so that the direction 25A is parallel to the circumferential directions 1001A and 1001B, and the stress applied to the deformation portion 43 is detected. is doing.
  • the inner peripheral surface 46B of the support member 46 having a hollow shape is in contact with the outer peripheral surface 42A of the stress transmission member 42 to support the stress transmission member 42.
  • the stress transmission member 42 including the deformation portion 43 may be formed of the same material as the stress transmission member 22 including the deformation portion 24 of the treading force detection device 1001 in the first embodiment.
  • the operation of the pedaling force detection device 1003 will be described below.
  • the pedaling force detection device 1003 is mounted on the device 1002 instead of the pedaling force detection device 1001 in the first embodiment in the device 1002 shown in FIG.
  • FIG. 8 is a side sectional view showing the operation of the pedaling force detection device 1003.
  • the rotary shaft 37 rotates as shown in FIG. 4 in a state where the tension F1 is generated in the chain 38 (see FIG. 3).
  • a stress F2 in the direction D1 in which the bearing 21 faces the rear wheel acts on the bearing 21 from the rotating shaft 37, and the stress transmission member 42 is urged in the direction D1 in the direction towards the rear wheel.
  • the deformed portion 43 of the stress transmission member 42 faces the inner peripheral surface 46B of the support member 46 via the space 43B, the deformed portion 43 receives the stress F2 in the direction D1 by the bearing 21, and the deformed portion 43 Bending stress acts on As a result, the outer surface 43A extends along the circumferential directions 1001A and 1001B, and the strain detection member 25 also extends along the direction 25A. Accordingly, the frequency fa of the vibrator 26 shown in FIG. 6 is increased from the natural frequency fa0 to the frequency fa2, and the frequency fb of the vibrator 27 is decreased from the natural frequency fb0 to the frequency fb2. . By detecting the frequencies fa2 and fb2, the pedaling force applied to the bicycle pedal 1002A by the IC 28 can be detected, as in the pedaling force detection device 1001 in the first embodiment.
  • FIG. 9 is a side sectional view showing the operation of the pedaling force detection device 1003.
  • a downward stress F5 that is perpendicular to the direction D1 of the stress F2 may be applied to the bearing 21.
  • the gap 144 provided on the lower side of the deforming portion 43 becomes narrower or disappears to absorb the downward movement of the bearing 21, and the deforming portion 43 is not deformed.
  • a signal based on the stress F5 is not output from the vibrators 26 and 27 from the strain detection member 25 provided in the deforming portion 43, and an external force other than the pedal depression force is not detected.
  • the gap 44 provided on the upper side of the deformed portion 43 becomes narrower or disappears. The upward movement is absorbed and the deformation portion 43 is not deformed. Therefore, no external force other than the pedal depression force is detected from the strain detection member 25.
  • the pedaling force detection device 1003 can accurately detect the stress F2 without being influenced by the stress F5 even when the stress F5 in a direction perpendicular to the stress F2 to be detected is applied to the bearing 21.
  • a pair of gaps 44 and 144 are provided between the stress transmission member 22 and the bearing 21 at both ends 43C and 43D of the deformable portion 43.
  • the pair of gaps 44 and 144 absorb the stress F ⁇ b> 5 that is not directly applied to the deformed portion 43 among the stress applied to the stress transmission member 22 from the bearing 21.
  • the pedaling force detection device of the present invention can be miniaturized and is useful in a pedaling force detection device used for a bicycle with an electric motor.

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Abstract

　踏力検出装置は、印加される力により回転する回転軸と、回転軸を回転可能に支持する軸受とを備えた装置に搭載されてその力を検出する。その踏力検出装置は、軸受に固定された応力伝達部材と、支持部材と、歪検出部材とを備える。応力伝達部材は、軸受から遠ざかる方向の力が伝達されて変形する変形部と、当接部とを有する。支持部材は、応力伝達部材の当接部と当接する突部を有する。歪検出部材は、応力伝達部材の変形部に加わる応力を検出する。

Description

踏力検出装置
　本発明は、例えば自転車に搭載される踏力検出装置に関する。
　図１０は特許文献１に記載された従来の踏力検出装置５０１がペダルアームの回転軸周りに搭載された自転車の側断面である。この自転車では、人力による駆動系と電動モータによる駆動系とを並列に設けられ、電動モータの駆動力が人力による駆動力の変化に対応して制御される。回転駆動体２には自転車のペダル３に加わる回転方向の踏力が伝達されるとともに、スラスト方向の外力も伝達されている。静止体４には回転駆動体２に加わるスラスト方向の外力が、転がり軸受１を介して伝達されている。保持体５は静止体４と接続されるとともに、回転駆動体２に加わるスラスト方向の外力により、弾性変形する。応力センサ６の一端は保持体５に固定され、他端が車体７に取り付けられている。
　踏力検出装置５０１について、以下にその動作を説明する。人が自転車のペダル３を踏み込むと、この踏み込みによりスラスト方向の力が回転駆動体２に加わる。このスラスト方向の力は、転がり軸受１、静止体４を介して保持体５を弾性変形させ、保持体５をペダルシャフト８の軸方向にわずかに移動させる。このスラスト方向の力は応力センサ６の一端を付勢する。すなわち、車体７に固定された他端を有する応力センサ６が歪むことにより、ペダル３の踏み込み力を検出する。踏力検出装置５０１を小型化することは困難である。
特開平１０－１５３５０３号公報
　本発明の踏力検出装置は、印加される力により回転する回転軸と、回転軸を回転可能に支持する軸受とを備えた装置に搭載されてその力を検出する。その踏力検出装置は、軸受に固定された応力伝達部材と、支持部材と、歪検出部材とを備える。応力伝達部材は、軸受から遠ざかる方向の力が伝達されて変形する変形部と、当接部とを有する。支持部材は、応力伝達部材の当接部と当接する突部を有する。歪検出部材は、応力伝達部材の変形部に加わる応力を検出する。
　この踏力検出装置は、歪検出部材が外径方向に突出しないようにすることができるので小型化できる。
図１は本発明の実施の形態１における踏力検出装置の側断面図である。 図２は実施の形態１における踏力検出装置の歪検出部材の上面図である。 図３は実施の形態１における踏力検出装置を搭載する機器の模式図である。 図４は実施の形態１における装置の部分拡大図である。 図５は実施の形態１における踏力検出装置の動作を示す側断面図である。 図６は実施の形態１における踏力検出装置の歪検出部材にかかる応力と振動数の関係を示す図である。 図７は本発明の実施の形態２における踏力検出装置の側断面図である。 図８は実施の形態２における踏力検出装置の動作を示す側断面図である。 図９は実施の形態２における踏力検出装置の動作を示す側断面図である。 図１０は従来の踏力検出装置が搭載された自転車の側断面図である。
　（実施の形態１）
　図１は本発明の実施の形態１における踏力検出装置１００１の側断面図である。回転軸３７は中心軸３７Ｃを中心に回転する。軸受２１は回転軸３７が中心軸３７Ｃで回転できるように回転軸３７を支持する。応力伝達部材２２の内側には軸受２１が取付けられ、応力伝達部材２２は軸受２１の全周にわたって中心軸３７Ｃから遠ざかるラジアル方向に配設されている。実施の形態１では軸受２１は転がり軸受である。応力伝達部材２２の内側には３つの支持部２２Ｆが設けており、３つの支持部２２Ｆにより軸受２１を支持している。このように、応力伝達部材２２は支持部２２Ｆにより軸受２１に固定されている。応力伝達部材２２は外周面２２Ａに設けられた段差形状の２つの当接部２３、１２３を有する。応力伝達部材２２は直線状の変形部２４を有する。歪検出部材２５は応力伝達部材２２の変形部２４に貼り着けられて固定されている。支持部材３５は応力伝達部材２２の外側に設けられており、内側に突出する突部３６、１３６を有する。突部３６、１３６は応力伝達部材２２の当接部２３、１２３にそれぞれ当接している。当接部２３の突部３６に当接する面２３Ｃは中心軸３７Ｃを中心とする周方向１００１Ｂに沿った方向２３Ａを向き、支持部材３５の突部３６に対向して当接している。当接部１２３の突部１３６に当接する面１２３Ｃは周方向１００１Ｂの反対の中心軸３７Ｃを中心とする周方向１００１Ａに沿った方向１２３Ａを向き、支持部材３５の突部１３６に対向して当接している。軸受２１の外周面２１Ａは応力伝達部材２２の内周面２２Ｂに対向し、３つの支持部２２Ｆで部分的に内周面２２Ｂに固定されている。応力伝達部材２２の外周面２２Ａは支持部材３５の内周面３５Ｂに対向している。突部３６、１３６は内周面３５Ｂから突出している。
　変形部２４において、応力伝達部材２２の外周面２２Ａには平坦な外面である底面２４Ａを有する凹部２４Ｂが設けられている。凹部２４Ｂは空間２４Ｐを形成し、応力伝達部材２２の変形部２４の底面２４Ａは支持部材３５の内周面３５Ｂと空間２４Ｐを介して対向する。
　応力伝達部材２２は軸受２１を囲む。軸受２１の外周面２１Ａは応力伝達部材２２の内周面２２Ｂに対向する。支持部材３５は応力伝達部材２２を囲む。応力伝達部材２２の外周面２２Ａは支持部材３５の内周面３５Ｂに対向する。
　実施の形態１では、支持部材３５は冷間圧延ステンレス鋼（オーステナイト系、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４）等の金属よりなる。応力伝達部材２２は、冷間圧延ステンレス鋼（オーステナイト系、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４）等の金属よりなる。変形部２４は、冷間圧延ステンレス鋼（オーステナイト系、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４）よりなる。支持部２２Ａは、冷間圧延ステンレス鋼（オーステナイト系、例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４）等の金属よりなる。十進の形態１では、応力伝達部材２２は変形部２４を含めて一様の材料よりなる。支持部２２Ｆは応力伝達部材２２と同じ材料で一体に設けられていてもよい。
　図２は歪検出部材２５の上面図である。歪検出部材２５は方向２５Ａの長手方向に延びた基材１２５と、基材１２５に固定された振動子２６、２７と、振動子２６、２７を駆動して振動させるとともに振動子２６、２７から出力される信号を処理する集積回路（ＩＣ）２８とを備える。振動子２６は方向２５Ａに延びて互いに反対側の端２６Ａ、２６Ｂを有する両持梁の梁形状を有する。すなわち振動子２６は、方向２５Ａで互いに反対側の端２６Ａ、２６Ｂを有し、端２６Ａ、２６Ｂは基材１２５に固定されている。振動子２７は方向２５Ａと直角の方向２５Ｂに延びて互いに反対側の端２７Ａ、２７Ｂを有する両持梁の梁形状を有する。すなわち振動子２７は、方向２５Ｂで互いに反対側の端２７Ａ、２７Ｂを有し、端２７Ａ、２７Ｂは基材１２５に固定されている。歪検出部材２５は、振動子２６、２７のそれぞれの上に設けられた駆動部２９と検知部３０とを有する。駆動部２９と検知部３０のそれぞれは振動子２６、２７上に設けられた下部電極層と、下部電極層上に設けられた圧電体層と、圧電体層上に設けられた上部電極層とを有する。下部電極層はＰｔよりなる。圧電体層はＰＺＴ等の圧電材料よりなる。上部電極層はＡｕよりなる。振動子２６、２７のそれぞれの駆動部２９、検知部３０とＩＣ２８とはＡｕからなる配線パターンにより電気的に接続されている。
　歪検出部材２５は、方向２５Ａが周方向１００１Ａ、１００１Ｂと平行となる、すなわち中心軸３７Ｃを中心とするラジアル方向と直角となり、かつ振動子２６、２７が振動できるように、応力伝達部材２２の変形部２４に固定されている、すなわち凹部２４Ｂの底面２４Ａに固定されている。
　踏力検出装置１００１の製造方法を以下に説明する。
　まず、Ｓｉからなる半導体基板をエッチングすることにより、基材１２５と振動子２６、２７を形成する。次に、その半導体基板の上面に、Ａｕからなる配線パターンを蒸着した後、振動子２６、２７の駆動部２９および検知部３０を設ける箇所にＰｔを蒸着して下部電極層を形成する。次に、下部電極層の上面にＰＺＴを蒸着して圧電体層を形成した後、さらに、Ａｕを蒸着して上部電極層を形成し、振動子２６、２７のそれぞれの上面に駆動部２９および検知部３０を形成する。次に、基材１２５にＩＣ２８を載置して、ＩＣ２８を振動子２６、２７のそれぞれの駆動部２９および検知部３０と電気的に接続し、歪検出部材２５を形成する。
　次に、歪検出部材２５を応力伝達部材２２における変形部２４に貼り着けて固定した後、応力伝達部材２２における支持部２２Ｆと軸受２１の外周面２１Ａが当接するように、応力伝達部材２２の内側に軸受２１を嵌合させる。
　最後に、応力伝達部材２２における当接部２３、１２３が支持部材３５における突部３６、１３６にそれぞれ当接するように、支持部材３５の内側に応力伝達部材２２を収納する。
　踏力検出装置１００１の動作を以下に説明する。
　図３と図４はそれぞれ踏力検出装置１００１を搭載する機器１００２の模式図、部分拡大図である。実施の形態１における機器１００２は自転車である。運転者がペダル１００２Ａを踏み込んで踏力をペダル１００２Ａに印加することで回転軸３７が回転する。ＩＣ２８は振動子２６における駆動部２９に振動子２６の固有振動数ｆａ０と略同一の周波数の交流電圧を印加し、振動子２７における駆動部２９に振動子２７の固有振動数ｆｂ０と略同一の周波数の交流電圧を印加する。これらの交流電圧の印加により、振動子２６は固有振動数ｆａ０で弦振動し、振動子２７は固有振動数ｆｂ０で弦振動する。この状態において、振動子２６における検知部３０からの出力信号をＩＣ２８により、処理すると、振動数ｆａが検出され、同様に、第２の振動子２７における検知部３０からは振動数ｆｂが検出される。
　図５は実施の形態１における踏力検出装置１００１の動作を示す側断面図である。運転者がペダル１００２Ａ（図３参照）を踏み込むと、チェーン３８に張力Ｆ１が発生した状態で、図４に示すように回転軸３７が回転する。この回転により、回転軸３７から軸受２１に、軸受２１から後輪に向かう方向Ｄ１の応力Ｆ２が作用する。方向Ｄ１は軸受２１を中心として軸受２１から遠ざかるラジアル方向である。図５に示すように、支持部２２Ｆを介して軸受２１から応力伝達部材２２に応力Ｆ２が作用し、応力伝達部材２２が後輪に向かう方向Ｄ１に付勢される。これにより、支持部材３５の突部３６、１３６から応力伝達部材２２における当接部２３，１２３に周方向１００１Ａ、１００１Ｂの反力Ｆ３、Ｆ１３がそれぞれ作用する。反力Ｆ３、Ｆ１３は応力伝達部材２２における変形部２４に伝達されて、変形部２４に周方向１００１Ａ、１００１Ｂの圧縮応力Ｆ４、Ｆ１４が作用し、歪検出部材２５を方向２５Ａに圧縮させる。当接部２３、１２３は中心軸３７Ｃを通り方向Ｄ１に延びる直線Ｌ１について互いに対称である。同様に、突部３６、１３６は直線Ｌ１について互いに対称である。同様に、方向２３Ａ、１２３Ａは直線Ｌ１について互いに対称である。
　図６は歪検出部材２５にかかる応力と振動子２６、２７の振動数の関係を示す。図６において、縦軸は振動子２６、２７の振動数を示し、横軸は歪検出部材２５にかかる方向２５Ａの応力を示す。図６の横軸において応力「０」より右側は歪検出部材２５を方向２５Ａで伸張させる伸張応力を示し、応力「０」より左側は歪検出部材２５を方向２５Ａで圧縮させる圧縮応力を示す。歪検出部材２５にかかる方向２５Ａの応力が０の場合は、振動子２６、２７は固有振動数ｆａ０．ｆｂ０で振動する。振動子２６、２７単体では、振動子２６、２７の梁形状が伸張するように振動子２６、２７に応力がかかって付勢されると振動数ｆａ、ｆｂは高くなり、振動子２６、２７の梁形状が圧縮されるように振動子２６、２７に応力がかかって付勢されると振動数ｆａ、ｆｂは低くなる。振動子２６、２７が組み合わされた歪検出部材２５に方向２５Ａの圧縮応力がかかると、方向２５Ａに延びる振動子２６は圧縮され、方向２５Ｂ（図２）に延びる振動子２７は伸張される。したがって、図６に示すように、振動子２６の振動数ｆａは固有振動数ｆａ０から低くなって振動数ｆａ１となり、振動子２７の振動数ｆｂは固有振動数ｆｂ０から高くなって振動数ｆｂ１となる。運転者がペダル１００２Ａを踏む踏力により応力Ｆ２や反力Ｆ３、Ｆ１３は変化し、歪検出部材２５を圧縮させる圧縮応力の大きさが変化する。この応力が変化することで振動子２６、２７の振動数ｆａ、ｆｂが変化する。振動子２６、２７のそれぞれの検知部３０から振動子２６、２７の振動に応じて出力される信号をＩＣ２８が処理することにより、振動数ｆａ、ｆｂの変化に基づき運転者がペダル１００２Ａを踏む踏力を検出できる。
　図１０に示す従来の踏力検出装置５０１では、転がり軸受１の周囲に設けた静止体４、保持体５および応力センサ６が外径方向に突出しているので、踏力検出装置５０１を小型化することは困難である。
　図１～図６に示す実施の形態１における踏力検出装置１００１では、軸受２１を囲む支持部材３５の内周面３５Ｂの内側に応力伝達部材２２や歪検出部材２５が収容されるので、踏力検出装置１００１は小型化することができる。
　踏力検出装置１００１では、軸受２１が内周面２２Ｂに固定されて軸受２１のラジアル方向に配設された応力伝達部材２２における変形部２４に歪検出部材２５が設けられている。したがって、歪検出部材２５が外径方向に突出しないので、踏力検出装置１００１を小型にできる。
　（実施の形態２）
　図７は本発明の実施の形態２における踏力検出装置１００３の側断面図である。図７において図１から図６に示す実施の形態１における踏力検出装置１００１と同じ部分には同じ参照番号を付す。図７に示す踏力検出装置１００３は図１～図６に示す実施の形態１における踏力検出装置１００１の支持部材３５と応力伝達部材２２の代わりに支持部材４６と応力伝達部材４２を備える。
　円筒形状の応力伝達部材４２の内側には軸受２１が固定されている。すなわち応力伝達部材４２の円筒形状の内周面４２Ｂには軸受２１の外周面２１Ａが固定されている。応力伝達部材４２は軸受２１の外周面２１Ａ全体のラジアル方向に配設されている。応力伝達部材４２の円筒形状の外周面４２Ａには平坦な外面４３Ａを有する変形部４３が設けられている。外面４３Ａは支持部材４６の内周面４６Ｂと空間４３Ｂを介して対向している。また、変形部４３の両端４３Ｃ、４３Ｄには応力伝達部材４２の内周面４２Ｂと軸受２１の外周面２１Ａとの間に一対の間隙４４、１４４がそれぞれ設けられている。方向２５Ａが周方向１００１Ａ、１００１Ｂと平行になるように歪検出部材２５は応力伝達部材４２の変形部４３の外面４３Ａに貼り着けられて固定されており、変形部４３に加わっている応力を検出している。中空形状を有する支持部材４６の内周面４６Ｂは応力伝達部材４２の外周面４２Ａに当接して応力伝達部材４２を支持している。変形部４３を含む応力伝達部材４２は実施の形態１における踏力検出装置１００１の変形部２４を含む応力伝達部材２２と同じ材料で形成されていてもよい。
　踏力検出装置１００３の動作を以下に説明する。踏力検出装置１００３は、図３に示す機器１００２において実施の形態１における踏力検出装置１００１の代わりに機器１００２に搭載される。
　図８は踏力検出装置１００３の動作を示す側断面図である。運転者がペダル１００２Ａを踏み込むと、チェーン３８に張力Ｆ１が発生した状態で、図４に示すように回転軸３７が回転する（図３参照）。この回転により、図８に示すように、回転軸３７から軸受２１に、軸受２１が後輪に向かう方向Ｄ１の応力Ｆ２が作用し、応力伝達部材４２が後輪に向かう方向Ｄ１に付勢される。応力伝達部材４２の変形部４３の外面４３Ａは空間４３Ｂを介して支持部材４６の内周面４６Ｂに対向しているので、軸受２１により変形部４３が方向Ｄ１に応力Ｆ２を受け、変形部４３に曲げ応力が作用する。これにより、外面４３Ａは周方向１００１Ａ，１００１Ｂに沿って伸張し、歪検出部材２５も方向２５Ａに沿って伸張する。これに伴い、図６に示す振動子２６の振動数ｆａが固有振動数ｆａ０から高くなって振動数ｆａ２となり、振動子２７の振動数ｆｂが固有振動数ｆｂ０から低くなって振動数ｆｂ２となる。振動数ｆａ２、ｆｂ２を検出することにより、実施の形態１における踏力検出装置１００１と同様に、ＩＣ２８により自転車のペダル１００２Ａに印加された踏力を検出することができる。
　踏力検出装置１００３は、ペダル１００２Ａに印加される踏力以外の力が回転軸３７に加わっても、その力に影響されずに踏力を検出することができる。図９は踏力検出装置１００３の動作を示す側断面図である。図９に示すように、回転軸３７にペダル１００２Ａが踏み込まれる踏力以外の外力が加わることにより、軸受２１に応力Ｆ２の方向Ｄ１と直角の下方向の応力Ｆ５が加わる場合がある。この場合には、踏力検出装置１００３においては、変形部４３の下側に設けた間隙１４４が狭くなってあるいは無くなって軸受２１の下方向への移動を吸収し、変形部４３を変形させない。したがって、変形部４３に設けられた歪検出部材２５からは応力Ｆ５に基づく信号が振動子２６、２７からは出力されず、ペダルの踏込力以外の外力が検出されない。同様に、軸受２１に通常の使用状態に加わる応力Ｆ２に直角な方向の応力が上方向に加わる場合には、変形部４３の上側に設けられた間隙４４が狭くなってあるいは無くなって軸受２１の上方向への移動を吸収し、変形部４３を変形させない。したがって、歪検出部材２５からはペダルの踏込力以外の外力は検出されない。したがって、踏力検出装置１００３は、検出すべき応力Ｆ２と直角の方向の応力Ｆ５が軸受２１に加わっても、応力Ｆ５の影響を受けずに応力Ｆ２を正確に検出することができる。このように、変形部４３の両端４３Ｃ、４３Ｄにおいて応力伝達部材２２と軸受２１との間に一対の間隙４４、１４４が設けられている。一対の間隙４４、１４４は軸受２１から応力伝達部材２２に加わる応力のうち変形部４３に直接加わらない応力Ｆ５を吸収する。
　本発明の踏力検出装置は小型化することができ、電動モータ付き自転車に使用される踏力検出装置において有用である。
２１　軸受
２２，４２　　応力伝達部材
２３，１２３　　当接部
２４，４３　　変形部
２５　　歪検出部材
３５，４６　　支持部材
３６，１３６　　突部
３７　　回転軸
４４，１１４　　間隙
１００１，１００３　　踏力検出装置
１００２　　機器

Claims (5)

  1. 印加される力により回転する回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する軸受とを備えた機器に搭載されて前記力を検出する踏力検出装置であって、
    前記軸受から遠ざかる方向の応力が伝達されて変形する変形部と、当接部とを有して、前記軸受に固定された応力伝達部材と、
    前記応力伝達部材の前記当接部と当接する突部を有する支持部材と、
    前記応力伝達部材の前記変形部に加わる応力を検出する歪検出部材と、
    を備えた踏力検出装置。
  2. 前記歪検出部材は前記変形部の外面に配置されており、
    前記変形部の前記外面は前記支持部材の内周面と空間を介して対向する、請求項１に記載の踏力検出装置。
  3. 印加される力により回転する回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する軸受とを備えた機器に搭載されて前記力を検出する踏力検出装置であって、
    前記軸受から遠ざかる方向の力が伝達されて変形する変形部を有して、前記軸受の外周面に固定された応力伝達部材と、
    前記応力伝達部材の外周を支持する支持部材と、
    前記応力伝達部材の前記変形部に加わる応力を検出する歪検出部材と、
    を備えた踏力検出装置。
  4. 前記変形部の両端において前記応力伝達部材と前記軸受との間に一対の間隙が設けられており、
    前記一対の間隙は前記軸受から前記応力伝達部材に加わる応力のうち前記変形部に直接加わらない応力を吸収する、請求項３記載の踏力検出装置。
  5. 前記歪検出部材は前記変形部の外面に配置されており、
    前記変形部の前記外面は前記支持部材の内周面と空間を介して対向する、請求項３に記載の踏力検出装置。
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