(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸に直交して固定され、該クランク軸と共に回転する略板状の駆動ホイールと、
前記駆動ホイールに相対向して配置されており、前記クランク軸に与えられた回転力を推進用車輪に伝達する略板状のスプロケットと、
前記駆動ホイール側に設けられた複数の押圧動作手段と、
前記スプロケット側に前記押圧動作手段に対向して設けられた複数の押圧受止手段と、
対となる前記押圧動作手段と前記押圧受止手段との間で、前記駆動ホイールとスプロケットを間接的に連結するとともに、前記駆動ホイールと前記スプロケットとの回転変位量に応じて、その円周方向に伸縮する弾性体と、
前記駆動ホイールと前記スプロケットとの相対的な回転位相差を検出するセンサと、
を備えるとともに、
前記押圧動作手段と前記押圧受止手段間において弾性体は個別に挟持され、
前記押圧動作手段と前記押圧受止手段間における弾性体が、同一円周軌道上において、同一の円周方向に複数のタイミングに分かれて圧縮を開始し、前記弾性体の合成のバネ定数が変化するように、前記複数の対となる押圧動作手段と押圧受止手段を配置したことを特徴とする踏力センサ。
【請求項２】
前記駆動ホイールの任意の円周軌道上に離間して形成された複数の第１の開口の一方の開口縁側が、前記複数の押圧動作手段であり、
前記スプロケットに、前記複数の第１の開口と対向する位置に形成された複数の第２の開口の他方の開口縁側が、前記複数の押圧受止手段であり、
前記弾性体が、前記第１の開口とそれに対応する第２の開口の双方に共有して収納されることで、前記スプロケットを前記駆動ホイールに対して間接的に連結することを特徴とする請求項１記載の踏力センサ。
【請求項３】
クランク軸に直交して固定され、該クランク軸と共に回転する略板状の駆動ホイールと、
前記駆動ホイールに相対向して配置され、前記クランク軸に与えられた回転力を推進用車輪に伝達する略板状のスプロケットと、
前記駆動ホイールの任意の円周軌道上に、離間して形成された複数の第１の開口と、
前記スプロケットに、前記複数の第１の開口と対応する位置に形成された複数の第２の開口と、
前記第１の開口とそれに対応する第２の開口の双方に共有して収納されており、前記スプロケットを前記駆動ホイールに間接的に連結するとともに、前記駆動ホイールの回転量に応じて、その円周方向に伸縮可能な弾性体と、
前記駆動ホイールの回転量に応じて、前記弾性体に、前記円周方向に収縮する力を付与する弾性体圧縮手段と、
前記駆動ホイールに、前記第１の開口とは異なる円周軌道上に略等間隔で設けられた複数の第１の被検出部と、
前記スプロケットに、前記第２の開口及び前記第１の被検出部とは異なる円周軌道上に、略等間隔で前記第１の被検出部と同数設けられた第２の被検出部と、
前記第１の被検出部を検出可能な位置に、該第１の被検出部と離間して配置されており、前記クランク軸と連動しない第１の非接触センサと、
前記第２の被検出部を検出可能な位置に、該第２の被検出部と離間して配置されており、前記クランク軸と連動しない第２の非接触センサと、
を備えるとともに、
前記弾性体圧縮手段による前記複数の第１の開口と前記複数の第２の開口の双方に共有して収納される複数の弾性体の圧縮が、同一円周軌道上において、同一の円周方向に複数のタイミングに分かれて開始し、前記複数の弾性体の合成のバネ定数が変化するように、前記弾性体と弾性体圧縮手段が配置されていることを特徴とする踏力センサ。
【請求項４】
前記弾性体圧縮手段が、
前記駆動ホイールの第１の開口の一方の縁部，又は、前記駆動ホイールとともに回転して前記弾性体に接触する接触体の少なくとも一方による押圧動作手段と、
前記スプロケットの第２の開口の他方の縁部側による押圧受止手段と、
により構成されることを特徴とする請求項３記載の踏力センサ。
【請求項５】
前記複数の弾性体は、前記駆動ホイールの第１の開口又はスプロケットの第２の開口の少なくとも一方に設けられた突起により、駆動ホイールの円周方向に伸縮可能に支承されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の踏力センサ。
【請求項６】
前記弾性体が、コイルバネであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の踏力センサ。
【請求項７】
前記駆動ホイールと前記スプロケット間の回転変位を、一定の範囲内に規制する回転制限手段を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の踏力センサ。
【請求項８】
前記複数の弾性体には、長さ又はバネ定数の少なくとも一方が異なる２種類以上の弾性体が含まれることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の踏力センサ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の踏力センサを搭載したことを特徴とする電動アシスト車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動アシスト自転車などに利用される踏力センサ及びそれを利用した電動アシスト車に関し、更に具体的には、踏力の検出特性の非リニア化（非直線化）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動アシスト自転車等においては、人によるペダルの踏み込みに応じた踏力を検出してモータによるアシスト量の制御を行っている。そのような踏力を検出するためのトルク検出装置には、５ｋｇ〜１００ｋｇ程度の広い範囲で力を検出することが要求される。そのようなトルク検出の手段としては、例えば、下記特許文献１に示すバネ機構を利用した技術がある。当該特許文献１は、人力で回転する入力側の回転体に対して、車輪に回転伝達を行う出力側を弾性部材によって反回転方向に付勢して配備し、両回転体の位相のズレによってトルクを検出するトルク検出装置であって、前記弾性体に伸縮コイルバネを利用することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２４９０５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したバネ機構によってトルクを検出する場合には、バネの取付位置や長さのばらつき等の理由により、以下に示す２つの課題が生じるため、その点について考慮する必要がある。第１の課題は、こぎ始めの力が同じであっても、製品間で認識踏力がばらついてしまう点である。図１１(A)には、横軸にバネの変位開始の位置を含むバネ変位（縮量）と、縦軸の上側の踏力及び縦軸の下側の認識踏力との関係が示されている。図中、ＬＡ〜ＬＣは、バネ定数及び長さが同じバネの取付位置を変えた場合であって、太い実線ＬＡはバネの取付位置が基準位置に一致している場合を、一点鎖線ＬＢはバネの取付位置が基準位置に対して横軸の右側にずれている場合を、点線ＬＣはバネの取付位置が基準位置に対して横軸の左側にずれている場合を示している。一点鎖線ＬＢについて見ると、実線ＬＡとはバネの圧縮開始位置がずれている，すなわち、オフセットがあるために、ある程度の力が加わるまでは、バネが変位しないことを意味している。ここで、認識踏力が、バネ取付位置が基準位置に一致している場合に基づいて細い実線ＬＡ´で示すように設定されていると、踏力がＡｋｇのとき、バネの取付位置が基準位置に一致していれば、認識踏力はＡ´となるが、バネの取付位置が横軸右側にずれている場合には、認識踏力はＡ´よりも大きいＢ´となる。反対にバネの取付位置が横軸左側にずれている場合には、認識踏力はＡ´よりも小さいＣ´となる。すなわち、バネの取付位置が、基準位置から横軸の左右のいずれの側にずれても、認識踏力にばらつきが生じることになる。認識踏力がばらつくと、搭乗者のアシスト感が製品ごとにばらついてしまうという不都合が生じる。
【０００５】
第２の課題は、アシスト開始時の設定についてである。図１１(B)に一点鎖線ＬＢで示すように、バネの取付位置が基準位置からずれている場合は、バネの圧縮開始位置が実線ＬＡで示す場合と比べてずれていることになるから、実際に踏力をかけなくても、認識踏力Ａ´ｋｇまでアシストされてしまう。このため、バネの取付位置がずれている場合には、踏力Ａｋｇ以下では、アシストしない設定、すなわち、弱い踏力を無視する設定にしなければならない。逆に、一点鎖線ＬＢに示す場合を基準としてアシスト設定をしたとすると、バネ取付位置が基準位置に一致する場合（実線ＬＡ）では、Ａｋｇの踏力がかかっても、バネ変位が０と誤検出されてしまう（図の破線で示す範囲）という不都合が生じる。これらの不都合は、バネの取付位置が異なる場合だけでなく、バネの長短の違いによっても生じる場合がある。このような不都合を解消するためには、バネの取付位置や長さのばらつきなどに起因する踏力の検出誤差を低減する必要がある。
【０００６】
本発明は、以上のような点に着目したもので、バネなどの弾性体を利用して踏力を検出するにあたり、弾性体の取付位置，長さ，弾性係数などの特性のばらつきを含み、初動時や加速時に起因する踏力の検出誤差を低減するとともに、初動時や加速時のように実際に踏力が加わったときに十分なアシストを必要とするときにも対応できるように、踏力の小さなときでも精度がよく、かつ広範囲で踏力を検出可能な特性を備えた踏力センサを提供することを、その目的とする。他の目的は、先の踏力センサを搭載した電動アシスト車を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の踏力センサは、クランク軸に直交して固定され、該クランク軸と共に回転する略板状の駆動ホイールと、前記駆動ホイールに相対向して配置されており、前記クランク軸に与えられた回転力を推進用車輪に伝達する略板状のスプロケットと、前記駆動ホイール側に設けられた複数の押圧動作手段と、前記スプロケット側に前記押圧動作手段に対向して設けられた複数の押圧受止手段と、対となる前記押圧動作手段と前記押圧受止手段との間で、前記駆動ホイールとスプロケットを間接的に連結するとともに、前記駆動ホイールと前記スプロケットとの回転変位量に応じて、その円周方向に伸縮する弾性体と、前記駆動ホイールと前記スプロケットとの相対的な回転位相差を検出するセンサと、を備えるとともに、前記押圧動作手段と前記押圧受止手段間において弾性体は個別に挟持され、前記押圧動作手段と前記押圧受止手段間における弾性体が、同一円周軌道上において、同一の円周方向に複数のタイミングに分かれて圧縮を開始し、前記弾性体の合成のバネ定数が変化するように、前記複数の対となる押圧動作手段と押圧受止手段を配置されているものである。
【０００８】
主要な形態の一つは、前記駆動ホイールの任意の円周軌道上に離間して形成された複数の第１の開口の一方の開口縁側が、前記複数の押圧動作手段であり、前記スプロケットに、前記複数の第１の開口と対向する位置に形成された複数の第２の開口の他方の開口縁側が、前記複数の押圧受止手段であり、前記弾性体が、前記第１の開口とそれに対応する第２の開口の双方に共有して収納されることで、前記スプロケットを前記駆動ホイールに対して間接的に連結した踏力センサである。
【０００９】
他の発明の踏力センサは、クランク軸に直交して固定され、該クランク軸と共に回転する略板状の駆動ホイールと、前記駆動ホイールに相対向して配置され、前記クランク軸に与えられた回転力を推進用車輪に伝達する略板状のスプロケットと、前記駆動ホイールの任意の円周軌道上に、離間して形成された複数の第１の開口と、前記スプロケットに、前記複数の第１の開口と対応する位置に形成された複数の第２の開口と、前記第１の開口とそれに対応する第２の開口の双方に共有して収納されており、前記スプロケットを前記駆動ホイールに間接的に連結するとともに、前記駆動ホイールの回転量に応じて、その円周方向に伸縮可能な弾性体と、前記駆動ホイールの回転量に応じて、前記弾性体に、前記円周方向に収縮する力を付与する弾性体圧縮手段と、前記駆動ホイールに、前記第１の開口とは異なる円周軌道上に略等間隔で設けられた複数の第１の被検出部と、前記スプロケットに、前記第２の開口及び前記第１の被検出部とは異なる円周軌道上に、略等間隔で前記第１の被検出部と同数設けられた第２の被検出部と、前記第１の被検出部を検出可能な位置に、該第１の被検出部と離間して配置されており、前記クランク軸と連動しない第１の非接触センサと、前記第２の被検出部を検出可能な位置に、該第２の被検出部と離間して配置されており、前記クランク軸と連動しない第２の非接触センサと、を備えるとともに、前記弾性体圧縮手段による前記複数の第１の開口と前記複数の第２の開口の双方に共有して収納される複数の弾性体の圧縮が、同一円周軌道上において、同一の円周方向に複数のタイミングに分かれて開始し、前記複数の弾性体の合成のバネ定数が変化するように、前記弾性体と弾性体圧縮手段が配置されているものである。
【００１０】
主要な形態の一つは、前記弾性体圧縮手段が、前記駆動ホイールの第１の開口の一方の縁部，又は、前記駆動ホイールとともに回転して前記弾性体に接触する接触体の少なくとも一方による押圧動作手段と、前記スプロケットの第２の開口の他方の縁部側による押圧受止手段と、により構成された踏力センサである。他の形態は、前記複数の弾性体は、前記駆動ホイールの第１の開口又はスプロケットの第２の開口の少なくとも一方に設けられた突起により、駆動ホイールの円周方向に伸縮可能に支承されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の踏力センサである。
【００１１】
更に他の形態は、前記弾性体が、コイルバネである踏力センサである。更に他の形態は、前記駆動ホイールと前記スプロケット間の回転変位を、一定の範囲内に規制する回転制限手段を設けた踏力センサである。更に他の形態は、前記複数の弾性体には、長さ又はバネ定数の少なくとも一方が異なる２種類以上の弾性体が含まれる踏力センサである。
【００１２】
本発明の電動アシスト車は、前記いずれかに記載の踏力センサを搭載したものである。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、クランク軸に固定された駆動ホイールと、推進用車輪にクランク軸の回転力を伝達するスプロケットとの間を、複数の弾性体で間接的に連結して、前記駆動ホイールとスプロケットとの回転変位量から踏力を検出する。その際に、前記複数の弾性体が、同一円周軌道上において、同一の円周方向に複数のタイミングに分かれて圧縮開始し、前記複数の弾性体の合成のバネ定数が変化するように弾性体と弾性体圧縮手段間の距離を設定して配置する。この配置に加え、必要に応じて長さやバネ定数が異なる複数の弾性体を利用することで、弾性体の変位量と踏力の関係を非リニア化して所望の検出特性に近似させた踏力センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】バネの取付位置の違いによる検出踏力の誤差量が、バネ定数の違いにより変化する様子を示す説明図である。
【図２】バネ定数の異なる複数のバネを利用して、変位と踏力の関係を非リニア化させる原理を示す説明図である。
【図３】複数のバネの圧縮開始タイミングをずらすことで、踏力検出に利用するバネの本数を変化させることを示す説明図である。
【図４】複数のバネの圧縮開始タイミングをずらすことで、踏力検出に利用するバネの本数を変化させる他の例を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例１の踏力センサを搭載した電動アシスト自転車の主要部を示す断面図である。
【図６】(A)は前記図５を矢印ＦＡ側から見た平面図であり、(B)は前記図５を矢印ＦＢ側から見た平面図，(C)は第１の開口に収納したバネをスプロケット側から見た平面図である。
【図７】(A)は駆動ホイール（クランク内板）を前記図５の矢印ＦＡ側から見た平面図，(B)はクランク内ギヤを図５の矢印ＦＡ側から見た平面図，(C)はスプロケット（クランク外ギヤ）を図５の矢印ＦＡ側から見た平面図である。
【図８】前記実施例１の踏力センサの内部構造を示す斜視図である。
【図９】前記実施例１の作用を示す図である。
【図１０】前記実施例１の検出回路の一例を示す図である。
【図１１】背景技術を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
最初に、図１〜図３を参照しながら、本発明の踏力センサの基本概念を説明する。電動アシスト自転車などで踏力のトルク検出に弾性体としてバネを利用した場合、上述した図１１(A)及び(B)に示すように、バネの取付位置や長さのばらつき、あるいは、バネの長さと反比例の関係にあるバネ定数のばらつきに起因する課題が生じる。本発明は、そのような弾性体の長短，取付位置，特性（弾性係数など）のばらつきに起因する検出踏力の誤差を低減するとともに、初動時や加速時のように十分なアシストを必要とするレンジでは、広範囲での踏力検出を可能としたものである。具体的には、踏力検出に用いる弾性体を複数利用し、これら複数の弾性体の弾性係数を変えること、すなわちバネの場合、バネ定数を変えるとともに、複数の弾性体の圧縮開始タイミングをずらすような配置、あるいはオフセットを設けた配置で踏力センサを構成することにより、踏力検出特性を非リニア化して、所望の検出特性カーブに近似させた踏力センサの提供が可能になる。以下、弾性体としてコイルバネを利用した場合を例に挙げて、所望の検出特性の実現化について説明する。
【００１７】
図１に、踏力をＦ，バネ定数をｋ，バネ変位（縮量）ｘをすると、Ｆ＝ｋｘになる関係式の特性を示す。図１には、横軸にバネの変位開始の位置を含むバネ変位（縮量）と、縦軸の上側の踏力及び縦軸の下側のコンピュータによる認識踏力との関係が示されている。図中の太い実線ＬＡ及び一点鎖線ＬＢで示される特性は、バネの長さとバネ定数が同じ基準品のバネであって、実線ＬＡは、バネの取付位置が基準位置に一致する場合を、一点鎖線ＬＢは、バネの取付位置を基準位置からずらした場合，すなわち、変位開始位置をずらした場合の特性を示している。また、太い点線ＬＡ´は、前記基準品よりもバネ定数が小さいバネを、基準位置に一致するように取り付けた場合の特性を示し、太い二点鎖線ＬＢ´は、点線ＬＡ´と同じバネ（基準品よりもバネ定数が小さいバネ）の変位開始位置を右へずらした場合の特性を示している。
【００１８】
実線ＬＡと一点鎖線ＬＢは、変位開始位置が異なるため、図１の下側において、２つのバネの変位が同じであっても、認識踏力が異なってしまうことが示されている。すなわち、認識踏力特性の直線ＮＦＰにおいて、バネ取付位置が基準位置の実線ＬＡの場合、認識踏力はＡ´であるが、バネ取付位置がずれている一点鎖線ＬＢの場合、認識踏力はＢ´になってしまう。一般的にコンピュータによる認識踏力は、バネの取付位置が基準位置と一致している場合の実線ＬＡを基準にして数値Ａ´が表示されるように設定されるため、位置をずらして取り付けた場合の一点鎖線ＬＢでは、数値Ａ´とは異なる数値Ｂ´を表示することになる。
【００１９】
次に、前記基準品よりもバネ定数が小さい２つのバネの変位開始位置をずらした場合の特性について検討する。点線ＬＡ´は、バネ定数が小さいバネを基準位置に一致させて取り付けた場合の特性を示し、二点鎖線ＬＢ´は、同じくバネ定数が小さいバネを基準位置からずらして取り付けた場合の特性を示している。これらＬＡ´及びＬＢ´で示す特性は、前記ＬＡ及びＬＢで示す特性と比較して、同じ踏力の場合、変位が約２倍の大きさの違いで示されている。一方、図１の下側において、点線ＬＡ´と二点鎖線ＬＢ´は、２つのバネの変位が同じであっても、変位開始位置が異なることにより認識踏力が異なることが示されている。すなわち、認識踏力特性の直線ＮＦＰ´において、バネ取付位置が基準位置の点線ＬＡ´の場合、認識踏力はＡ´であるが、バネ取付位置がずれている二点鎖線ＬＢ´の場合、認識踏力はＣ´となる。すなわち、変位開始位置が異なることによる認識踏力Ａ´とＣ´の差は、先の基準品のバネを用いた場合における認識踏力Ａ´とＢ´の差に比較し、図示の例では約半分の相違となっている。以上より、バネ定数の小さいバネを基準品の代わりに使用すると、位置をずらしてもバネ定数が小さくなった分、認識踏力の差も小さくできる。従って、踏力の検出機構にバネを利用した場合には、バネの取付位置が変わる場合（バネの長短のばらつきも含む）であっても、バネ定数が小さいバネを利用すれば、認識踏力の誤差の低減が可能となる。
【００２０】
しかしながら、バネ定数が小さいままでは踏力の検出範囲が狭いため、発進時（初動時）や加速時あるいは坂道等での強い踏力を検出することができず、アシスト感が弱い自転車になってしまう。そこで、本発明では、長さのばらつきによる検出誤差の低減とともに、例えば５ｋｇ〜１００ｋｇのような広範囲での踏力検出を達成するために、複数のバネを利用してバネごとの圧縮のタイミングをずらす例を試みた。
【００２１】
図２(A)には、バネの材料、線形あるいは平均コイル径などが同じで、バネ定数ｋのみがａ１〜ａ６までの６つの異なるバネそれぞれについて、横軸をバネの変位開始の位置を含む変位、縦軸を踏力とした場合の関係が示されている。バネ定数ｋは、ａ１が最小、ａ６が最大であり、バネ定数ｋがａ１からａ６まで順に大きくなるにつれて、特性直線の傾きが大きくなっている。このようにバネに荷重（踏力）をかけると変位するが、仮に、バネ定数ｋ＝ａ１のバネのみを利用して踏力センサを構成したとすると、少しの踏力で大きく変位するが、踏力検出範囲が狭くなる。反対に、バネ定数ｋ＝ａ６のバネを利用して踏力センサを構成したとすると、踏力による変化は小さいので、限られた長さのバネにおいて、大きな踏力を対象にすることができ、踏力検出範囲を広げることができる。
【００２２】
そこで、図２(B)に示すように、バネ定数ｋ＝ａ１からｋ＝ａ６までの６つのバネの設定位置ないし取付位置をそれぞれ少しずらし、すなわち、特性直線の起点を少しずつずらし、変位０〜変位ｘ１までの範囲ではバネ定数ｋが最も小さいｋ＝ａ１の直線を利用し、変位ｘ１〜変位ｘ２までの範囲ではその次にバネ定数ｋが小さいｋ＝ａ２の直線を利用し、同様に、変位ｘ２〜変位ｘ３までの範囲ではバネ定数ｋ＝ａ３の直線を利用し、変位ｘ３〜ｘ４までの範囲ではバネ定数ｋ＝ａ４の直線を利用し、変位ｘ４〜ｘ５までの範囲ではバネ定数ｋ＝ａ５の直線を利用し、変位ｘ５以上の範囲では、バネ定数ｋが最も大きいｋ＝ａ６の直線を用いることができれば、理論上は変位に応じて利用するバネ定数が異なることになる。なお、このような異なるバネ定数の組み合わせを用いた場合の各バネの配置として、ここでは、バネ定数が一番小さいものを最初に変位開始する位置に置き、順に大きなものを配置した説明をしたが、必ずしもそうである必要はない。なぜならば、バネを並列に使用する場合、合成バネ定数は、足し算的にバネ定数が大きくなるバネを使用していることと同じになるためである。
【００２３】
この場合の踏力検出特性は、図２(C)にバネ定数ｋ＝ａｍｉｘで示すように、変位が小さいときには踏力検出範囲が狭く、すなわち、長さや取付位置のばらつきによる検出誤差が小さく、変位が大きくなるにつれて踏力検出範囲が広くなっている。すなわち、図２(C)に示すバネ定数ｋ＝ａ６のグラフと起点が同じであっても、ｋ＝ａ６の場合はリニアな特性を示すのに対し、複数のバネ定数を用いたｋ＝ａｍｉｘでは、特性曲線の立ち上がりが緩やかなカーブに近似された形状となっている。この特性曲線は、単純に考え方を模式的に示したが、実際には合成バネ定数のバネの特性曲線を示すことになる。
【００２４】
別言すれば、特性曲線の立ち上がりを穏やかにすることで、踏力が小さい範囲、例えば０〜１０ｋｇの範囲では、踏力の変化に対するバネの変位が大きいが、踏力の変位にはあまり反映されない。踏力が小さいときの検出は、バネのばらつきが検出結果に出るため、そのばらつきは踏力の測定に影響が少なくなるように、例えば電動アシスト自転車における漕ぎ始めの状態を良好に検出して、アシスト量の制御を的確に行なうことができるようにすることが可能である。
【００２５】
次に、変位に応じて利用するバネ定数を変化させる手法について、図３を参照して説明する。図３は、複数のバネの圧縮開始タイミングをずらすことで、踏力検出に利用するバネの本数が変化することを示す説明図である。図３(A)に示すように、同じ長さ及びバネ定数の６本のバネＳＡ〜ＳＦは、６本のバネ全てが少しずつ位置をずらして配置されている。これらバネＳＡ〜ＳＦは、バネの後端ＲＥ側が固定側の押圧受止壁ＲＷに固定されており、先端ＴＥ側がボールＢの移動に応じて変位する押圧動作壁ＯＷに接触することにより圧縮される。図３(A)には、圧縮力がかかる前の状態が示されており、押圧動作壁ＯＷは、位置Ｐ０においてバネＳＡの先端ＴＥに接触している。この状態から、図３(B)に示すように、ボールＢによって押圧動作壁ＯＷを同図に矢印で示す方向に位置Ｐ１まで移動させると、バネＳＡが圧縮されるとともに、押圧動作壁ＯＷがバネＳＢの先端ＴＥに接触する。すなわち、押圧動作壁ＯＷを位置Ｐ０から位置Ｐ１まで移動させる力がかかったときは、利用されるバネの本数が１本である。更に、押圧動作壁ＯＷを矢印方向に移動させると、バネＳＢ，ＳＣ，ＳＤ，ＳＥの圧縮が順次開始される。すなわち、押圧動作壁ＯＷをバネＳＦの先端ＴＥに達する位置Ｐ２まで移動させる力がかかったときは、利用されるバネはバネＳＡ〜ＳＥまでの合計５本である。更に、押圧動作壁ＯＷを位置Ｐ２よりも図の左側に移動させる力がかかると、６本全てのバネが利用される。この図３において、バネＳＡ〜ＳＦをバネ定数の小さいものからバネ定数の大きいものを使用したときには、図２(C)のバネ定数ｋ＝ａｍｉｘで示す合成バネ定数の特性曲線と同様のトルク検出の装置とすることができる。
【００２６】
このように、押圧動作壁ＯＷを変位させる力が変化するときに、その力の大きさに応じて利用されるバネの本数が変化するということは、利用される複数のバネを並列接続したときの合成バネ定数が足し算的に変化しているということができる。すなわち、バネ定数が小さいバネのみを利用した場合であっても、複数本のバネを圧縮開始のタイミングがずれるように配置することによって、バネのばらつきによる影響を極力少なくし、検出誤差を低減させると同時に、広範囲での踏力検出も可能な特性が実現できるようになる。
【００２７】
次に、図４〜図１０を参照しながら、上述した複数のバネの圧縮開始のタイミングのずれを実現可能な装置構成を説明する。図４は、前記図３を、以下の図５〜図１０に示す装置構成に対応させた説明図である。図５は、本実施例の踏力センサを搭載した電動アシスト自転車の主要部を示す断面図であり、図６(A)は前記図５を矢印ＦＡ側から見た平面図，図６(B)は前記図５を矢印ＦＢ側から見た平面図，図６(C)は第１の開口内に収納されたバネをスプロケット側から見た平面図である。また、前記図５は、図６(A)の＃Ａ−＃Ａ断面図，図６(B)の＃Ａ´−＃Ａ´断面図に相当する。図７(A)は駆動ホイールを、図７(B)はクランク内ギヤを、図７(C)はスプロケット（クランク外ギヤ）を、それぞれ図５の矢印ＦＡ側から見た平面図である。図８は、本実施例の踏力センサの内部構造を示す斜視図であり、図９は、本実施例の作用を示す図である。図１０は、本実施例の検出回路の一例を示す図である。
【００２８】
図４に示すように、本例では、同じ長さの２本のバネＳＡ及びＳＢが同じ位置に配置され、該バネＳＡ及びＳＢよりも短い同じバネＳＣ´〜ＳＦ´が、少しずつ位置をずらして配置されている。ここでは、前記バネＳＡ及びＳＢのバネ定数は、例えば、他のバネＳＣ´〜ＳＦ´の１／２であるものとする。これらバネＳＡ，ＳＢ，ＳＣ´〜ＳＦ´は、バネの後端ＲＥ側が固定側の押圧受止壁ＲＷに固定されており、先端ＴＥ側がボールＢの移動に応じて変位する押圧動作壁ＯＷに接触することにより圧縮される。図４(A)には、圧縮力がかかる前の状態が示されており、押圧動作壁ＯＷは、位置Ｐ０において２本のバネＳＡ及びＳＢの先端ＴＥに接触している。この状態から、図４(B)に示すように、ボールＢによって押圧動作壁ＯＷを同図に矢印で示す方向に位置Ｐ１まで移動させると、２本のバネＳＡ及びＳＢが圧縮されるとともに、押圧動作壁ＯＷがバネＳＣ´の先端ＴＥに接触する。すなわち、押圧動作壁ＯＷを位置Ｐ０から位置Ｐ１まで移動させる力がかかったときは、利用されるバネの本数が２本である。更に、押圧動作壁ＯＷを矢印方向に移動させると、バネＳＣ´、ＳＤ´、ＳＥ´の圧縮が順次開始される。すなわち、押圧動作壁ＯＷをバネＳＦ´の先端ＴＥに達する位置Ｐ２まで移動させる力がかかったときは、利用されるバネは長いバネＳＡ及びＳＢと、短いバネＳＣ´，ＳＤ´，ＳＥ´の合計５本である。更に、押圧動作壁ＯＷを位置Ｐ２よりも図の左側に移動させる力がかかると、６本全てのバネが利用される。このように設定するバネ定数１／２のバネを二つ並列に使用することで、バラツキを平均化することが可能になる。また、バネ定数の同じ４つのバネの位置を少しずつずらすことで徐々に合成バネ定数を大きくすることができる。その上、バネの特性曲線を穏やかな立ち上がりで徐々にあがっていくものとすることが可能となるのである。以下に、この原理を利用した踏力を検出する装置の説明をする。
【００２９】
本実施例の踏力センサ１０は、駆動ホイール（クランク内板）３０，スプロケット（クランク外ギヤ）５０，クランク内ギヤ７４，複数のコイルバネ（以下「バネ」とする）８０〜９０及びその圧縮手段，駆動ホイール３０に設けられた複数の突起４８，スプロケット５０に設けられた複数の突起６８，前記突起４８，６８を検出する非接触センサ１６８，１７０を中心に構成されている。このほか、踏力センサ１０には、回転板１１０，クランク外カバー１２０，センサカバー１５０，回転制限機構などが含まれる。以下、前記各部について順に説明する。
【００３０】
前記駆動ホイール３０は、自転車フレーム１２に回転可能に支持されたクランク軸１４に、該クランク軸１４とともに回転するように取り付けられている。図５に示すように、前記クランク軸１４には、クランク１６が固定されており、該クランク１６のアーム１８の先端側には、ペダル２４のペダル軸２４Ａが取り付けられている。また、前記クランク１６の複数の固定用アーム２０（図６(B)の例では４個）は、取付ナット２２によって後述するクランク外カバー１２０に固定されている。該クランク外カバー１２０は、後述するように、クランク内ギヤ７４を介して前記駆動ホイール３０に固定される。このため、ペダル２４を踏む運動がクランク１６の回転運動へと変換されてクランク軸１４に伝達されると、該クランク軸１４が回転するとともに、前記クランク１６が固定されたクランク外カバー１２０，クランク内ギヤ７４，駆動ホイール３０も一体に回転する。
【００３１】
駆動ホイール３０は、図７(A)に示すように、前記クランク軸１４が貫通可能な開口部３２が中央に形成された略円板状であって、前記開口部３２の縁部近傍には後述するクランク外カバー１２０，クランク内ギヤ７４，回転板１１０と一体に固定するためのリベット１２５（図５参照）を通す穴３４が、略等間隔で複数形成されている。また、前記複数の穴３４よりも外周側の円周軌道上には、複数の第１の開口３６〜４６が、略等間隔で設けられている。これら第１の開口３６、３８、４０、４２、４４、４６は、収納するバネ８０、８２、８４、８６、８８、９０の寸法と、これらバネ８０、８２、８４、８６、８８、９０の圧縮を開始するタイミングに応じて適宜設定される。例えば、本実施例では、第１の開口３６と、該開口３６に対向する第１の開口４２は、同寸法に形成されており、これら開口に長いバネ８０，８６がそれぞれ収納される。また、第１の開口３８，４０，４４，４６は、前記第１の開口３６及び４２よりも短く形成されており、それぞれに短いバネ８２，８４，８８，９０が収納される。なお、バネ８０，８６は同じ長さであり、他のバネ８２，８４，８８，９０は、同じ長さであって、かつ前記バネ８０及び８６よりも短いものが利用される。これらバネ８０〜９０のバネ定数は異なり、２種類のバネ定数のものを利用している。すなわち、バネ定数が小さい長いバネ８０，８６と、バネ定数が大きい短いバネ８２，８４，８８，９０の２種類である。前記長いバネ８０，８６は、前記図４のバネＳＡとＳＢに対応し、短いバネ８２，８４，８８，９０は、それぞれ前記図４のバネＳＣ´，ＳＤ´，ＳＥ´，ＳＦ´に相当する。
【００３２】
図６(A)には、バネ８０〜９０を収納した状態が示されている。同図に示すように、長いバネ８０，８６（例えば、株式会社ミスミのＳＷＢ１２−３０）を収納する第１の開口３６，４２は、それらの開口縁３６Ｂ，４２Ｂとバネ８０，８６の自由端側の端部８０Ｂ，８６Ｂとの間に隙間が生じないように寸法が設定されている。一方、短いバネ８２，８４，８８，９０（例えば、株式会社ミスミのＳＷＢ１２−２０）を収納する第１の開口３８，４０，４４，４６は、それぞれ若干長さが異なっている。例えば、図６(A)に示す例では、バネ８２の端部８２Ｂと開口縁３８Ｂの隙間が最も狭く、次いで、バネ８４の端部８４Ｂと開口縁４０Ｂの隙間、バネ８８の端部８８Ｂと開口縁４４Ｂの隙間、バネ９０の端部９０Ｂと開口縁４６Ｂの隙間の順で隙間の幅が広がるように寸法が設定されている。
【００３３】
この隙間は、図６(C)に隙間Ｉとして示されている。図６(C)に示すように、第１の開口３６〜４６の開口縁３６Ｂ〜４６Ｂを、図４に示す押圧動作壁ＯＷとみなし、後述するバネ支持体９２の端面９４Ａを前記図４の押圧受止壁ＲＷとみなし、バネ８０〜９０の端部８０Ａ〜９０Ａを前記図４のバネ後端ＲＥとみなし、バネ８０〜９０の端部８０Ｂ〜９０Ｂを前記図４のバネ先端ＴＥとみなした場合、前記隙間Ｉは、バネ８２，８４，８６，８８に踏力が加わるときの押圧動作壁ＯＷの当たり位置（図４の位置Ｐ１〜Ｐ２までの範囲での４つの当たり位置）の調整幅に相当する。更に、前記駆動ホイール３０には、前記第１の開口３６〜４６よりも外側の円周軌道上に、略等間隔で複数の突起４８が設けられている。これら複数の突起４８は、後述する第１の非接触センサ１６８により検出される。
【００３４】
以上のような構成の駆動ホイール３０は、図５に示すように、回転板１１０を介して自転車フレーム１２に対して回転可能に連結される。前記回転板１１０は、開口部１１３が形成された凹部１１２の外側にフランジ１１６を設けた形状となっている。前記凹部１１２には、前記駆動ホイール３０の穴３４と対応する位置に、前記リベット１２５を通すための同数の穴１１４（図示せず）が形成されている。
【００３５】
次に、スプロケット（クランク外ギヤ）５０及びクランク内ギヤ７４について説明する。クランク内ギヤ７４は、図７(B)に示すように、中央に前記クランク軸１４が貫通する開口部７６が形成された略リング状であって、該開口部７６の周囲には、略等間隔で複数の穴７８が形成されている。該穴７８は、前記駆動ホイール３０とクランク内ギヤ７４を重ねたときに、前記駆動ホイール３０の穴３４と一致する位置及び間隔で形成されている。
【００３６】
前記スプロケット５０は、前記クランク内ギヤ７４の外側に配置されるものであって、中央の開口部５２の径は、前記クランク内ギヤ７４の外径よりも若干大きく設定されている。すなわち、駆動ホイール３０及びクランク内ギヤ７４がクランク軸１４とともに回転しても、スプロケット５０には、直接その回転力が伝達されることはない。そこで、駆動ホイール３０とスプロケット５０を間接的に連結するために、前記複数のバネ８０〜９０が用いられる。前記スプロケット５０には、前記駆動ホイール３０と重ねたときに、前記複数の第１の開口３６、３８、４０、４２、４４、４６と対応する位置に、複数の第２の開口５６、５６、５８、６０、６２、６４、６６が形成されており、対応する第１及び第２の開口に共有して前記バネ８０〜９０が収納される。図６には、第１の開口３６及び第２の開口５６に長いバネ８０が収納され、第１の開口３８と第２の開口５８に短いバネ８２が収納され、第１の開口４０と第２の開口６０に短いバネ８４が収納され、第１の開口４２と第２の開口６２に長いバネ８６が収納され、第１の開口４４と第２の開口６４に短いバネ８８が収納され、第１の開口４６と第２の開口６６に短いバネ９０が収納されている。なお、前記第２の開口５６〜６６は、収納状態のバネ８０〜９０の端部８０Ｂ、８２Ｂ、８４Ｂ、８６Ｂ、８８Ｂ、９０Ｂと開口縁５６Ｂ、５８Ｂ、６０Ｂ、６２Ｂ、６４Ｂ、６６Ｂとの間に、ほぼ隙間ができない寸法に設定されている点で、前記第１の開口３６〜４６と異なっている。また、前記第２の開口５６〜６６の一方の端部５６Ａ、５８Ａ、６０Ａ、６２Ａ、６４Ａ、６６Ａの近傍には、ネジ１０２をねじ込むためのネジ穴７２が設けられている。
【００３７】
前記バネ８０〜９０を第１及び第２の開口部に共有して収納保持するために、本実施例では、図８に示すバネ支持体９２を利用している。該バネ支持体９２は、略円柱状の取付基部９４にロッド９８を設けた構造となっており、このロッド９８の根本になる取付基部９４の端面９４Ａは、前記バネ８０〜９０の各端部８０Ａ、８２Ａ、８４Ａ、８６Ａ、８８Ａ、９０Ａが当たる押圧受止壁ＲＷとして、バネ圧縮手段の一方を構成する。更に、前記取付基部９４には、段部９６とネジ穴１００が形成されている。前記ロッド９８には、端部８０Ａ〜９０Ａが前記取付基部９４側を向くようにしてバネ８０〜９０が通される。そして、前記取付基部９４の段部９６をスプロケット５０の第２の開口５６〜６６のそれぞれの開口縁５６Ａ、５８Ａ、６０Ａ、６２Ａ、６４Ａ、６６Ａ側に当接して、取付基部９４のネジ穴１００とスプロケット５０のネジ穴７２の位置を合わせてネジ１０２を螺合することにより、バネ８０〜９０が、対応する位置の第１の開口及び第２の開口に共通して収納される。すなわち、これらバネ８０〜９０により駆動ホイール３０とスプロケット５０が間接的に連結される。なお、前記バネ８０〜９０は、後述するバネ圧縮手段の他方との協同によって、前記駆動ホイール３０の回転量に応じて、その円周方向に圧縮される。また、駆動ホイール３０が回転しない状態では、前記バネ８０〜９０は形状が復元するように、前記バネ支持体９２のロッド９８によって、伸縮可能に支承されている。なお、上記のバネ支持体９２は、ネジ１０２の螺合によってスプロケット５０に固定する構成を示したが、必ずしも螺合させてなくてもよい。要は、前記バネ８０〜９０が、第１の開口３６〜４６と、これら第１の開口３６〜４６に対向する第２の開口５６〜６６との組み合わせにより構成された開口内に収まっていれば十分であり、前記バネ支持体９２以外の手段によって、前記組み合わせにより構成された開口内に収まるように保持されればよい。
【００３８】
前記スプロケット５０の外周部にはギヤ部５４が形成されており、該ギヤ部５４には、自転車の推進用車輪（後輪）を駆動するチェーン７３（図５参照）が掛けられている。従って、クランク軸１４に与えられた回転力は、前記駆動ホイール３０から前記バネ８０〜９０を介してスプロケット５０に間接的に伝達され、更に、該スプロケット５０からチェーン７３を介して推進用車輪に伝達される。また、前記スプロケット５０の駆動ホイール側の主面には、前記外周部の近傍に、略等間隔で複数の突起６８が設けられている。該複数の突起６８は、前記駆動ホイール３０の突起４８と同数設けられており、後述する第２の非接触センサ１７０により検出される。これら突起４８及び６８は、駆動ホイール３０とスプロケット５０の位相差を検出するものであって、何も負荷が掛かっていない状態では、図９(A)に示すように位置ずれが生じないように調整されている。更に前記スプロケット５０には、前記第２の開口５６、５８、６０、６２、６４、６６の円周軌道と前記複数の突起６８の円周軌道の間に、複数（図示の例では５つ）の長穴７０が設けられている。該長穴７０は、後述する回転制限ピン１４０の移動範囲を制限することによって、駆動ホイール３０とスプロケット５０の回転ずれが一定の範囲を超えないように規制するものである。
【００３９】
以上のようなスプロケット５０のペダル２４側の主面には、クランク外カバー１２０が設けられている。該クランク外カバー１２０は、図５に示すように、前記スプロケット５０及びクランク内ギヤ７４と重ねたとときに、該クランク内ギヤ７４にのみ接触するように、中央が前記クランク内ギヤ７４とほぼ同形状の凹部１２２に形成されており、その中心にはクランク軸１４が貫通する開口部１２４が形成されている。また、前記凹部１２２には、前記リベット１２５を通すための穴１２３が、前記駆動ホイール３０の穴３４及びクランク内ギヤ７４の穴７８と対応する位置に複数設けられている。前記凹部１２２の外側部分は、前記スプロケット５０に取り付けたバネ８０〜９０の伸縮を妨げないように、スプロケット５０の表面との間に所定の間隔を有するように立ち上がっている。
【００４０】
このようなクランク外カバー１２０は、前記クランク１６の固定用アーム２０と取付ナット２２により固定されている。そのため、前記回転板１１０の穴１１４，駆動ホイール３０の穴３４，クランク内ギヤ７４の穴７８，クランク外カバー１２０の凹部１２２の穴１２３の位置を合わせてリベット１２５で固定することにより、ペダル２４の操作によってクランク軸１４が回転すると同時に、回転板１１０，駆動ホイール３０，クランク内ギヤ７４，クランク外カバー１２０が一体となって回転する。このとき、スプロケット５０は、バネ８０〜９０により駆動ホイール３０に間接的に連結されているものの、チェーン７３により駆動ホイール３０の回転方向と逆方向にトルクが掛かっているため、駆動ホイール３０が回転を始めてからスプロケット５０が回転を始めるまでには、若干のずれが生じる。なお、クランク外カバー１２０の凹部１２２と前記クランク外ギヤ７４の間には、必要に応じて図５及び図８に示すスペーサ１４２が設けられる。該スペーサ１４２には、前記穴１１４，３４，７８，１２３と対応する位置に、複数の穴１４４が形成されている。
【００４１】
更に、前記クランク外カバー１２０には、前記駆動ホイール３０と固定したときに、前記第１の開口３６〜４６の開口縁３６Ｂ、３８Ｂ、４０Ｂ、４２Ｂ、４４Ｂ、４６Ｂとほぼ対応する位置に、複数（図示の例では６つ）のピン１２６、１２８、１３０、１３２、１３４、１３６が設けられている。これらピン１２６〜１３６は、駆動ホイール３０の回転量に応じて、前記開口縁３６Ｂ〜４６Ｂとともに、前記バネ８０〜９０の端部８０Ｂ〜９０Ｂを圧縮するものであって、前記スプロケット５０に達しない程度の長さに設定されている。すなわち、本実施例では、前記開口縁３６Ｂ〜４６Ｂとバネ８０〜９０の端部８０Ｂ〜９０Ｂが接触するのと同じタイミングで、前記ピン１２６〜１３６も前記端部８０Ｂ〜９０Ｂに接触するように配置しているため、開口縁３６Ｂ〜４６Ｂとピン１２６〜１３６の双方が、バネの圧縮手段の他方、すなわち押圧動作壁ＯＷを構成している。また、前記クランク外カバー１２０には、前記スプロケット５０の長穴７０と対応する位置に、回転制限ピン１４０が複数設けられている。該回転制限ピン１４０は、前記駆動ホイール３０に達しない長さに設定されており、前記長穴７０内でのみ移動が可能となっている。このため、駆動ホイール３０とクランク外カバー１２０が一体に回転し、該駆動ホイール３０に遅れてスプロケット５０が回転を始めた場合、その回転ずれは、前記回転制限ピン１４０が長穴７０の端部に接触した時点で最大となり、それ以降は、駆動ホイール３０とともにスプロケット５０が回転することとなる。
【００４２】
次に、位相差を検出するためのセンサについて説明する。前記センサカバー１５０は、前記駆動ホイール３０側に配置されており、センサ固定板１７２によって前記自転車フレーム１２に固定され、駆動ホイール３０とは一体に回転しない。該センサカバー１５０の開口部１５２の内側には、図５に示すようにスライダ１５４を介して前記回転板１１０の凹部１１２が収納されており、更に前記回転板１１０のフランジ１１４とセンサカバー１５０の間の適宜位置には、他のスライダ１５６，１５８が設けられている。
【００４３】
また、前記センサカバー１５０の外側、すなわち、自転車フレーム１２側には、センサベース１６０が設けられている。該センサベース１６０内には、センサ基板１６２，センサボビン１６４，１６６が設けられており、前記センサカバー１５０の内側には、前記ボビン１６４と対応する位置に第１の非接触センサ１６８が設けられ、ボビン１６６と対応する位置に第２の非接触センサ１７０が設けられている。前記第１の非接触センサ１６８は、前記駆動ホイール３０の突起４８を検出可能な位置に、非接触状態で配置されており、前記第２の非接触センサ１７０は、前記スプロケット１５０の突起６８を検出可能な位置に、非接触状態で配置されている。すなわち、前記突起４８，６８が、前記第１の非接触センサ１６８，第２の非接触センサ１７０に対向する位置に来た時にセンサ１６８，１７０から信号が発生する。
【００４４】
次に、図９も参照して、本実施例の作用を説明する。図９(A)は、駆動ホイール３０及びスプロケット５０の双方に負荷が掛かっていない状態，あるいは、同じ負荷状態、すなわちペダル２４を踏んでいない状態を示しており、このとき、駆動ホイール３０の突起４８とスプロケット５０の突起６８は同じ円周角で同位置にあり、非接触センサ１６８，１７０から発生する信号にずれ（位相差）は発生しない。また、長いバネ８０及び８６の端部８０Ｂ及び８６Ｂは、第１の開口３６，４２の開口縁３６Ｂ，４２Ｂとともに、ピン１２６，１３２にほぼ接触した状態となっており、他のバネ８２，８４，８８，９０の端部８２Ａ，８４Ａ，８８Ａ，９０Ａは、開口縁３８Ｂ，４０Ｂ，４４Ｂ，４６Ｂ及びピン１２８，１３０，１３４，１３６との間に所定の隙間を形成している。
【００４５】
初動時，あるいは、走行中に加速したい場合には、前記図９(A)に示す状態からペダル２４を踏むことになるが、ペダル２４を踏む力は、クランク１６を介してクランク軸１４を回転させるとともに、クランク外カバー１５０，クランク内ギヤ７４，駆動ホイール３０，回転板１１０にも伝達され、これらを一体に回転させる。本実施例では、駆動ホイール３０とスプロケット５０をバネ８０〜９０により間接的に連結しているが、ペダル２４を踏んでトルクが掛かったとき、スプロケット５０にはチェーン７３を介して連結した後輪によって、前記駆動ホイール３０に掛る踏力と逆方向のトルクが掛かっているから、これら駆動ホイール３０とスプロケット５０に掛かるトルクの差が前記バネ８０〜９０を圧縮し、相対的に駆動ホイール３０とスプロケット５０の位置ずれを生じさせる。
【００４６】
図９(B)には、駆動ホイール３０の回転によりスプロケット５０との相対的な位置ずれが生じた状態が示されている。同図(B)では、バネ８０（及び８６）の端部８０Ｂ（及び８６Ｂ）が、駆動ホイール３０の開口縁３６Ｂ（及び４２Ｂ）とピン１２６（及び１３２）により圧縮され、バネ８２の端部８２Ｂが、開口縁３８Ｂとピン１２８に接触した状態が示されている。駆動ホイール３０が更に回転を続けると、圧縮手段との間隔が狭い順，すなわち、本実施例では、バネ８２，８４，８８，９０の順に圧縮が開始される。この駆動ホイール３０とスプロケット５０の相対的な位置ずれは、駆動ホイール３０と一体に回転するクランク外カバー１５０に設けた回転制限ピン１４０が、スプロケット５０の長穴７０の端に当接するまで生じる。そして、前記回転制限ピン１４０が長穴７０の端に当たった後は、それ以上の相対位置ずれは発生せず、ペダル２４を踏む力は、スプロケット５０に掛けられたチェーン７３を経由して後輪に伝達される。図９(C)は、駆動ホイール３０とスプロケット５０の相対的な位置ずれが最大になった状態であって、バネ９０の端部９０Ｂが、開口縁４６Ｂ及びピン１３６により圧縮されている。
【００４７】
前記図９(A)から図９(C)に変化するまでの間、スプロケット５０の突起６８に対して、駆動ホイール３０の突起４８が相対的に移動するとともに、圧縮されるバネの本数が変化する。前記突起４８と突起６８の相対的な位置ずれは、非接触センサ１６８，１７０の信号のずれから検出可能である。図１０に示した検出回路では、非接触センサ１６８，１７０の検出信号は、増幅器１８０Ａ，１８０Ｂによってそれぞれ増幅される。ここで、非接触センサ１６８，１７０の検出信号は、必ずしもゲイン（利得）が安定していないため、ＡＧＣ（オートマチックゲインコントロール）回路１８２Ａ，１８２Ｂでそれぞれゲインを整える。これらＡＧＣ回路１８２Ａ，１８２Ｂでゲインが調整された増幅器１８０Ａ，１８０Ｂの出力信号は、変換回路１８４Ａ，１８４Ｂによってそれぞれ矩形波パルスに変換される。
【００４８】
変換後の矩形波パルス信号は、位相差検出回路１８６に供給されてその位相差が検出され、検出結果が制御回路１８８に供給される。該制御回路１８８では、前記位相差検出回路１８６の検出結果に基づいて制御信号が生成され、この制御信号に応じて電動モータ１９２が駆動される。すなわち、制御回路１８８の制御信号に基づいて、駆動回路１９０による電動モータ１９２への通電が制御される。これにより、踏力の検出結果に応じた電動モータ１９２の補助駆動が可能となる。なお、駆動ホイール３０とスプロケット５０の相対的な位置ずれは、踏力がかからなくなると、バネ８０〜９０が復元力により元の状態に戻るため、非接触センサ１６８，１７０からの信号にも位相差がなくなる。
【００４９】
このように、実施例１によれば、次のような効果が得られる。
(1)クランク軸１４に固定された駆動ホイール３０と、推進用車輪にクランク軸１４の回転力を伝達するスプロケット５０との間を、複数のバネ８０〜９０で間接的に連結して、前記駆動ホイール３０とスプロケット５０の位相差から踏力を検出するにあたり、前記バネ８０〜９０の圧縮開始のタイミングがずれるように、バネ８０〜９０の端部８０Ｂ、８２Ｂ、８４Ｂ、８６Ｂ、８８Ｂ，９０Ｂと、弾性体圧縮手段の一方、すなわち第１の開口縁３６Ｂ、３８Ｂ、４０Ｂ、４２Ｂ、４４Ｂ，４６Ｂ及びピン１２６、１２８、１３０、１３２、１３４、１３６とのそれぞれの間隔を設定して配置することとした。このため、変位量と踏力の関係を非リニア化して、広範囲での踏力検出が可能になる。
(2)踏力が小さいとき、すなわちバネの長さや取付位置のバラツキが影響する踏力の小さなときは、大きく変位するようにしたのでバラツキを吸収すると同時に検出精度を高めることが可能となり、同時に電動アシスト自転車における漕ぎ始めの踏力が大きくなる状態も良好に検出することができる。これにより、アシスト量の制御を的確に行なうことができる。
(3)最初に、対向位置にある長いバネ８０と８６が同時に圧縮開始するため、安定性が増す。
【００５０】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した各部の形状、寸法は一例であり、同様の効果を奏する範囲内であれば、必要に応じて適宜変更してよい。例えば、第１の開口３６〜４６や、第２の開口５６〜６６の大きさは、バネ８０〜９０の長さに応じて設定すればよい。
(2)バネ端部８０Ｂ〜９０Ｂから、第１の開口３６〜４６の開口縁３６Ｂ〜４６Ｂまでの間隔及びピン１２６〜１３６までの間隔（オフセット）も一例であり、圧縮開始のタイミングずれの設定に応じて適宜変更してよい。また、前記実施例では、バネ支持体９２の取付基部端面９４Ａをバネ圧縮手段の一方とし、前記開口縁３６Ｂ〜４６Ｂ及びピン１２６〜１３６をバネ圧縮手段の他方としたが、これも一例であり、開口縁３６Ｂ〜４６Ｂのみをバネ圧縮手段の他方としてもよい。更に、これらバネ圧縮手段も一例であり、同様の効果を奏するように適宜設計変更してよい。
【００５１】
(3)前記実施例で示したバネ支持体９２によるバネ支持機構は一例であり、同様の効果を奏するように適宜設計変更可能である。例えば、前記第１の開口３６〜４６と第２の開口５６〜６６の端部のどちらか一方の隣接部分に、開口端部に対して角度を有する細い溝孔を設け、該溝孔にバネ８０〜９０の端部を挿入することにより、バネを保持することも可能である。
(4)あるいは、前記第１の開口３６〜４６と第２の開口５６〜６６の縁部周辺に対向するように断面Ｌ字状の保持部を設けることにより、バネ８０〜９０を保持するようにして、バネ８０〜９０が前記第１の開口３６〜４６と第２の開口５６〜６６の対の開口から飛び出さないように保持してもよい。
(5)更に、前記(4)の断面Ｌ字状の保持部の代わりに、前記(3)に記載した開口端部に対して角度を有する細い溝孔を設け、バネを圧縮利用でなく引っ張り利用することでトルクを測定できるようにしてもよい。
【００５２】
(6)前記実施例１の具体的な装置例では、長いバネ８０，８６と、それよりも短いバネ８２，８４，８８，９０の６本を利用することとしたが、これも一例であり、全て同じ長さ・同じバネ定数の複数のバネを利用し、圧縮開始のタイミングがずれるように配置してもよいし、同じ長さでバネ定数が異なる複数のバネを利用してもよい。複数のバネの長さやバネ定数が同じであっても、圧縮開始のタイミングがずれるように配置決定することで、前記実施例１と同様の効果が得られるが、長さやバネ定数が異なるバネを混ぜて使用すると、踏力をより所望の特性に近づけることが可能となる。
【００５３】
(7)第１の開口３６〜４６や第２の開口５６〜６６，あるいは、突起４８及び６８や、長穴７０の数や、これらを設ける円周軌道の位置も一例であり、同様の効果を奏する範囲内で適宜変更してよい。
(8)クランク１６とクランク軸１４の連結構造も一例であり、クランク１６とクランク軸１４，駆動ホイール３０が一体に回転可能であれば、公知の各種の連結機構を用いてよい。
(9)図１０に示した検出回路も一例であり、同様の効果を奏する範囲内であれば、公知の各種の検出回路が利用可能である。
【００５４】
(10)前記実施例で示した回転制限機構も一例であり、例えば、駆動ホイール３０に規制孔（長穴７０）を設け、スプロケット５０にピン１２６〜１３６を設けるなど、同様の効果を奏する範囲内で適宜設計変更してよい。
(11)前記実施例では、弾性体としてコイルバネ８０〜９０を利用することとしたが、これも一例であり、樹脂系弾性体や、弾性を有する金属片、空気などの気体や油などの液体閉じ込め型あるいはバネ併用のシリンダも利用可能である。いずれにしても、踏力の検出範囲で長期間の復元性を有するものであれば、公知の各種の弾性体が利用可能である。
(12)踏力に比例するアシストを行うために、踏力の非線形出力をソフトウェアで線形補正して利用することも可能である。
(13)前記実施例では、本発明の踏力センサを、電動アシスト自転車に搭載することとしたが、これも一例であり、踏力の検出が必要とされる他の公知の各種の電動車（例えば、電動アシスト車椅子など）にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明によれば、クランク軸に固定された駆動ホイールと、推進用車輪にクランク軸の回転力を伝達するスプロケットとの間を、複数の弾性体で間接的に連結して、前記駆動ホイールとスプロケットの位相差から踏力を検出する。その際に、前記複数の弾性体が、同一円周軌道上において、同一の円周方向に複数のタイミングに分かれて圧縮開始し、前記複数の弾性体の合成のバネ定数が変化するように弾性体と弾性体圧縮手段間の距離を設定して配置する。この配置に加え、必要に応じて長さやバネ定数が異なる複数の弾性体を利用することで、変位量と踏力の関係を非リニア化して所望の検出特性に近似させることが可能となるため、踏力センサの用途に適用できる。特に、踏力が小さいときの検出精度の向上を図ることができ、広範囲での踏力検出によって初動時や加速時の十分なアシストが可能となるため、電動アシスト自転車などの用途に好適である。
【符号の説明】
【００５６】
１０：踏力センサ
１２：自転車フレーム
１４：クランク軸
１６：クランク
１８：アーム
２０：固定用アーム
２２：取付ナット
２４：ペダル
２４Ａ：ペダル軸
３０：駆動ホイール（クランク内板）
３２：開口部
３４：穴
３６，３８，４０，４２，４４，４６：第１の開口
３６Ａ，３６Ｂ，３８Ａ，３８Ｂ，４０Ａ，４０Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４４Ａ，４４Ｂ，４６Ａ，４６Ｂ：開口縁
４８：突起
５０：スプロケット（クランク外ギヤ）
５２：開口部
５４：ギヤ部
５６，５８，６０，６２，６４，６６：第２の開口
５６Ａ，５６Ｂ，５８Ａ，５８Ｂ，６０Ａ，６０Ｂ，６２Ａ，６２Ｂ，６４Ａ，６４Ｂ，６６Ａ，６６Ｂ：開口縁
６８：突起
７０：長穴
７２：ネジ穴
７３：チェーン
７４：クランク内ギヤ
７６：開口部
７８：穴
８０，８２，８４，８６，８８，９０：コイルバネ
８０Ａ，８０Ｂ，８２Ａ，８２Ｂ，８４Ａ，８４Ｂ，８６Ａ，８６Ｂ，８８Ａ，８８Ｂ，９０Ａ，９０Ｂ：端部
９２：バネ支持体
９４：取付基部
９４Ａ：端面
９６：段部
９８：ロッド
１００：ネジ穴
１０２：ネジ
１１０：回転板
１１２：凹部
１１３：開口部
１１４：穴
１１６：フランジ
１２０：クランク外カバー
１２２：凹部
１２３：穴
１２４：開口部
１２５：リベット
１２６，１２８，１３０，１３２，１３４，１３６：ピン
１４０：回転制限ピン
１４２：スペーサ
１４４：穴
１５０：センサカバー
１５２：開口部
１５４，１５６，１５８：スライダ
１６０：センサベース
１６２：センサ基板
１６４，１６６：センサボビン
１６８，１７０：非接触センサ
１７２：センサ固定板
１８０Ａ，１８０Ｂ：増幅器
１８２Ａ，１８２Ｂ：ＡＧＣ回路
１８４Ａ，１８４Ｂ：変換回路
１８６：位相差検出回路
１８８：制御回路
１９０：駆動回路
１９２：電動モータ
Ｂ：ボール
ＳＡ〜ＳＦ，ＳＣ´〜ＳＦ´：バネ
ＲＥ：バネ後端
ＴＥ：バネ先端
ＲＷ：押圧受止壁
ＯＷ：押圧動作壁
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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