(57)【要約】【課題】  磁気センサがマグネットリングに対して非接触であっても、確実に回転軸に加わるトルクを得ることができ、さらに円周方向に多極着磁されたマグネットを使用しても正確なトルクを検出することができる、高信頼性を有しかつ低コストなトルクセンサを提供する。【解決手段】  回転軸とともに回転するシャフト２と、当該シャフト２の両端部近傍に配設されるロータ３と、前記シャフト２を覆うケース５と、前記ロータ３に対向して配設されるステータ４とを有し、前記ロータ３は、前記回転軸の回転方向に多極着磁されたマグネット８からなり、前記ステータ４は、軸方向の両側に側壁４ａを有し、内周方向に断続的に極歯４ｂが形成されたクローポール型であって、前記ケース５の内周面と、前記側壁４ａと、前記極歯４ｂの面で囲われたステータ内空間を備え、当該ステータ内空間に、前記ロータ３からの磁界の方向及び量を計測する磁気センサ１３が備わる。【選択図】        図１
2010066043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に固定され、当該回転軸とともに回転するシャフトと、
当該シャフトの外周に沿って固定され、当該シャフトの両端部近傍に配設されるロータと、
前記シャフトを覆うケースと、
当該ケースの内周に沿って固定され、前記ロータに対向して配設されるステータとを有し、
前記ロータは、前記回転軸の回転方向に多極着磁されたマグネットからなり、
前記ステータは、軸方向の両側に側壁を有し、内周方向に断続的に極歯が形成されたクローポール型であって、前記ケース内周面と、前記側壁と、前記極歯面で囲われたステータ内空間を備え、
当該ステータ内空間に、前記ロータからの磁界の方向及び量を計測する磁気センサが備わることを特徴とするトルクセンサ。
【請求項２】
前記回転軸は、クランクを介してペダルと連結されたクランク軸であり、電動自転車に適用されることを特徴とする請求項１に記載のトルクセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転軸の捩れトルクを検出し、これにより特に電動自転車の踏力を検出することができるトルクセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動自転車では、ユーザがペダルを踏み込んだときの踏力を検出し、このトルクに応じた補助動力を与えている。このトルクを検出する装置として、特許文献１が開示されている。この特許文献１に記載の電動補助自転車の踏力検知装置は、電動アシスト付き自転車等のアシスト力を制御するための情報としてペダルに加わる踏力を検出する手段として、中空軸に加わる捻りトルクを検出するタイプの踏力検出装置であって、中空軸の両端外側にマグネットリングをそれぞれ備え、それに対向してバネを用いてＭＲセンサをそれぞれ接触配置する。中空軸が回転することによって得られる出力波形において、中空軸の捩れ量に比例して発生する出力波形の位相差より踏力を算出するものである。
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の発明で踏力を検出することは、ＭＲセンサをマグネットリングに対して接触配置しているために部品の磨耗が起こり、耐久性に問題がある。また、マグネットリングの真円度、着磁のバランスによって出力が不安定になりやすく、踏力検出の精度に悪影響を及ぼす。
【０００４】
また、特許文献１に記載のマグネットリングは、円周方向に沿って多極着磁されている。このようなリング形状の多極マグネットを着磁する場合、着磁ヨーク内径とマグネット外径にクリアランスがあるため、そのクリアランス分だけ中心がずれた状態で着磁される。その結果、マグネットの着磁ピッチにムラ及び磁極ごとの磁束密度にムラが発生する。このムラは、マグネットの真円度が悪い場合にも発生する。仮に、マグネットが誤差なく着磁されていても、マグネットに偏芯や芯ずれがあった場合、磁気センサが検出する波形にピッチずれや磁束密度ムラが発生する。このように、ムラやずれが発生すると、結果として正確なトルク検出が困難となる。
【０００５】
回転軸に加わるトルクを非接触で検出するトルクセンサとして、主なものに磁歪式があるが、この磁歪式は、センサ軸の製造の難しさ、温度変化に対する出力変化に対応するために温度補正制御が必要なことなど、それらに起因するコスト増等多くの問題を抱えている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３３５２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は、上記従来技術を考慮したものであって、磁気センサがマグネットリングに対して非接触であっても、確実に回転軸に加わるトルクを得ることができ、さらに円周方向に多極着磁されたマグネットを使用しても正確なトルクを検出することができる、高信頼性を有しかつ低コストなトルクセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、請求項１の発明では、回転軸に固定され、当該回転軸とともに回転するシャフトと、当該シャフトの外周に沿って固定され、当該シャフトの両端部近傍に配設されるロータと、前記シャフトを覆うケースと、当該ケースの内周に沿って固定され、前記ロータに対向して配設されるステータとを有し、前記ロータは、前記回転軸の回転方向に多極着磁されたマグネットからなり、前記ステータは、軸方向の両側に側壁を有し、内周方向に断続的に極歯が形成されたクローポール型であって、前記ケース内周面と、前記側壁と、前記極歯面で囲われたステータ内空間を備え、当該ステータ内空間に、前記ロータからの磁界の方向及び量を計測する磁気センサが備わることを特徴とするトルクセンサを提供する。
【０００９】
請求項２の発明では、前記回転軸は、クランクを介してペダルと連結されたクランク軸であり、電動自転車に適用されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によれば、磁気センサがステータとケースで囲まれたステータ内空間に配設されるため、磁気センサがロータ（マグネット）に対して非接触となる。このため、センサがマグネットの回転により磨耗することはなく、長期にわたり使用することができる。したがって、長期にわたって、この磁気センサを用いて、マグネットからの磁界の方向及び量を計測し、シャフト両端に発生する捩れ量を算出し、トルクを求めることができる。また、シャフトの両端に位置する磁気センサで磁束量を拾い、それぞれの磁気センサで検出した出力波形の位相差（時間差）をもとにしてトルクを算出するため、磁歪式等のコイルの温度特性などを主にした温度に起因する出力変化の影響がなくなり、温度変化が生じても安定したトルク検出が可能で、環境変化に対して信頼性が向上するとともに、製造時の温度補正値入力等の作業をすることなく、結果として低コストのトルクセンサを提供することができる。さらに、ステータをクローポール型として内面に極歯を備えたので、マグネットに磁極ピッチムラあるいは磁束密度ムラが発生していても、また、マグネットに偏芯や芯ずれがあっても、複数の極歯が集磁した磁束を合成して磁気センサに磁束を伝達するので、これらのムラやずれの影響がキャンセルされ、正確な出力波形を得ることができ、信頼性の高い、安定して高精度なトルク検出を行うことができる。
【００１１】
請求項２の発明によれば、電動自転車に適用することにより、ユーザの踏力（トルク）を確実に検出し、より的確な補助動力をユーザに対して与えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照してこの発明に係るトルクセンサについて説明する。
【００１３】
図１はこの発明に係るトルクセンサの概略断面図であり、図２はロータ及びステータを示す概略断面図である。また、図３はこの発明に係るトルクセンサを部品ごとに示した分解図であり、図４は電動補助自転車にこの発明に係るトルクセンサを適用したときの概略断面図である。
【００１４】
図示したように、この発明に係るトルクセンサ１は、筒状のシャフト２と、ロータ（マグネット）３と、ステータ４と、ケース５で構成される。シャフト２は、回転軸となるクランク軸６（図４参照）の外周に被冠して固定される。具体的には、クランク軸６の外周面に形成された凹凸部（図示省略）と、シャフト２の内周面に形成された凹凸部７をスプライン嵌合させて固定される。これにより、シャフト２はクランク軸６とともに回転する。シャフト２の凹凸部７と反対側の端部には、クランク軸６を挿通可能な環状部材１７が配設される。シャフト２は、ばね鋼やステンレス鋼、あるいはチタン合金等で形成される。
【００１５】
ロータ３は、環状のマグネット８からなる。マグネット８は、放射方向（ラジアル方向）に多極着磁される。このロータ３（マグネット８）は、シャフト２の外周に沿って固定され、シャフト２の両端部近傍にそれぞれ配設される。マグネット８は、例えばプラスチックマグネットやフェライト、あるいはネオジウム等で形成される。
【００１６】
ステータ４は、環状に形成され、磁性体で構成される。ステータ４は、軸方向の両側に側壁４ａを有し、この側壁４ａから櫛歯状にクローポール４ｂが立ち上がり、このクローポール４ｂは対向する側壁４ａの方向に折れ曲がって形成される。ステータ４は、この両側の側壁４ａからのクローポール４ｂが互いに噛み合うようにして形成される。すなわち、ステータ４は、クローポール型のステータである。ステータ４は、シャフト２を覆うケース５の内周に沿って、ロータ３に対向してそれぞれ設けられる。ステータ４は、電磁鋼板や亜鉛メッキ鋼板、あるいは焼結合金等で形成される。
【００１７】
ステータ４とケース５で形成された空間（側壁４ａの間）には、ＰＣＢからなる環状部材２１が配設され、この環状部材２１にＭＲ（磁気抵抗）センサ１３が固定される。なお、ＭＲセンサ１３は磁束あるいは磁界の量や向きを検出できるものであればどのような磁気（磁界）センサを用いてもよい。このような構成により、ＭＲセンサ１３がロータ３に対して非接触となるので、センサ１３がロータ３の回転により磨耗することはなく、センサ１３を長期にわたり使用することができる。したがって、長期にわたって、このＭＲセンサ１３を用いて、マグネット８からの磁界の方向及び量を計測し、後述するような方法でシャフト２の両端に発生する捩れ量を算出し、トルクを求めることができる。
【００１８】
上述したクローポール４ｂは、ステータ４の内周方向に断続的に形成されるため、これが極歯となる。この極歯は、Ｓ極とＮ極が交互に形成される。この極歯を通してロータ３からの磁界の方向とその量（磁束量）をＭＲセンサ１３が拾う。なお、このＭＲセンサ１３をステータ４内に複数個設け、得られた結果を平均して出力してもよい。すなわち、マグネット８の磁界は、シャフト２の回転とともにクローポール４ｂから側壁４ａに伝わり、これが対向する他方の側壁４ａに伝わる。このとき、側壁４ａ間に設けられたＭＲセンサ１３がこの磁束を拾う。この磁束量から、シャフト２の両端における出力波形を算出する。これにより、後述するように、ＭＲセンサ１３で検出した出力波形の位相差（時間差）をもとにしてトルクを算出できる。このため、磁歪式等のコイルの温度特性などを主にした温度に起因する出力変化の影響がなくなり、温度変化が生じても安定したトルク検出が可能で、環境変化に対して信頼性が向上するとともに、製造時の温度補正値入力等の作業をすることなく、結果として低コストのトルクセンサ１を提供することができる。また、クローポール型のステータを利用することにより、出力波形の精度を安定させることができ、安定して高精度なトルク検出が可能となる。
【００１９】
ロータ３及びステータ４の軸方向外側であって、シャフト２とケース５の間には、環状のベアリング１８が備わる。ケース５は、アルミや他の非磁性材料で形成される。ベアリング１８は、ボールベアリングや、焼結合金、樹脂等で形成される。
【００２０】
図４に示すように、クランク軸６の両端には、ペダル付クランク１４が取付けられる。電動自転車を運転するユーザによるペダルを踏み込んだときの踏力（トルク）は、クランク軸６からトルクセンサ１に伝わり、ワンウェイクラッチ１５を介してスプロケット１６に伝達される。１９はハウジングである。このように、トルクセンサ１を電動自転車に適用することにより、ユーザの踏力（トルク）を確実に検出し、より的確な補助動力をユーザに対して与えることができる。他の適用としては、例えば自動車のパワーステアリングの回転トルクの補助にも用いることができる。
【００２１】
図５はＭＲセンサによって得られた結果の出力波形を示すグラフ図である。
【００２２】
図示したように、ＭＲセンサによって得られた磁束量は、そのまま電圧波形として出力することができる。実線Ａがシャフト２の凹凸部７に近い側のＭＲセンサ１３の結果であり、点線Ｂが遠い側のＭＲセンサ１３の結果である（以下、符号については図１〜図４を参照）。本来であれば、クランク軸６とともにシャフト２が回転すると、シャフト２の両端のＭＲセンサ１３の出力波形はそれぞれ重なるはずである。しかしながら、シャフト２の片方の端部のみで凹凸部７によりクランク軸６にスプライン嵌合しているため、クランク軸６が回転すると、シャフト２の両端部には捩れが発生する。したがって、シャフト２の両端部の回転は同期せず、出力波形に位相差（時間差Δｔ）が生じる。すなわち、凹凸部７から遠い側の点線Ｂの方が、実線Ａより遅れて回転する結果となる。この時間差Δｔを計ることは、シャフト２の捩れ量を計ることと同じである。したがって、この捩れ量から、トルクを算出することが可能となる。
【００２３】
トルクは、捩れ角度θを算出し、その後に求めることができる。その際、センサ組立精度に起因する初期誤差Ｔｒｅｆを補正値として用いる。周期ｔは、極歯が隣の極歯の位置に行くまでの時間を示す。なお、トルクと捩れ角は比例関係にあるため、この比例定数を予め求めておく。また、「センサ極数」とは、ロータ３（マグネット８）一個当たりのＮ極とＳ極の数である。すなわち、多極着磁されたマグネット８のＮ極とＳ極の数の合計である。
捩れ角度θは、以下のようにして求めることができる。
捩れ角度θ＝時間差Δｔ×（３６０／（センサ極数／２））／周期ｔ
トルク（Ｔ）は、以下のようにして求めることができる。
トルク（Ｔ）＝比例定数×捩れ角度θ―初期誤差Ｔｒｅｆ
【００２４】
また、出力波形の周期ｔとロータ３の分解数（センサ極数）からクランク軸６の回転速度を算出し、上記で求めたトルクと合算することでパワー（Ｗ）を算出することができる。これにより、トルクセンサと別に速度センサを設けなくても、ユーザのペダルを漕いだ力をパワー（Ｗ）として得ることができ、踏力と比例しているモータに指令するアシスト量制御が容易となる。また、システムの構成として速度センサ分安価になる。
回転速度（Ｎ）は、以下のようにして求めることができる。
回転速度（Ｎ）＝１／（周期ｔ×（センサ極数／２））
パワー（Ｗ）は、以下のようにして求めることができる。
パワー（Ｗ）＝１．０４７×１０−１×回転速度（Ｎ）×トルク（Ｔ）
【００２５】
図６はクローポール型のステータを用いて磁束を検出するときの説明図である。
【００２６】
図で示したステータ４は、クローポール４ｂが一方向にのみ折り曲げられて形成されている（図の手前側に爪の先端が向いている）。上述したように、リング状のマグネット８に対してラジアル方向に着磁した場合、着磁ピッチにムラが生じることがある。図では、図の右側がピッチ間隔が小さくて、左側が大きい場合を示している。このような場合、磁気センサが検出する波形にピッチずれや磁束密度ムラが発生し、結果として正確なトルク検出ができないおそれがある。しかしながら、クローポール型のステータを用いることにより、突出した極歯に集磁された磁束が合成されて（矢印Ｐ）、磁気センサ１３に伝達される。
【００２７】
このため、マグネット８に磁極ピッチムラあるいは磁束密度ムラが発生していても、また、マグネット８に偏芯や芯ずれがあっても、複数の極歯（クローポール４ｂ）が集磁した磁束を合成して磁気センサ１３に磁束を伝達するので、これらのムラやずれの影響がキャンセルされ、正確な出力波形を得ることができ、信頼性の高い、安定して高精度なトルク検出を行うことができる。したがって、ホール素子で直接マグネットの磁束を検出するよりも、検出精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明に係るトルクセンサの概略断面図である。
【図２】ロータ及びステータを示す概略断面図である。
【図３】この発明に係るトルクセンサを部品ごとに示した分解図である。
【図４】電動補助自転車にこの発明に係るトルクセンサを適用したときの概略断面図である。
【図５】ＭＲセンサによって得られた結果の出力波形を示すグラフ図である。
【図６】クローポール型のステータを用いて磁束を検出するときの説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１：トルクセンサ、２：シャフト、３：ロータ、４：ステータ、４ａ：側壁、４ｂ：クローポール、５：ケース、６：クランク軸、７：凹凸部、８：マグネット、１３：ＭＲセンサ、１４：ペダル付クランク、１５：ワンウェイクラッチ、１６：スプロケット、１７：環状部材、１８：ベアリング、１９：ハウジング
【図１】
2010066043.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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