(57)【要約】【課題】  電動アシスト自転車の普及に従い、より簡単な構成で、薄く、軽量で、安価な踏力センサーが要求されている。【解決手段】  チェーンホイールを取り付けるベース部材と、クランクを取り付ける弾性部材とを設け、該弾性部材をベース部材の各チェーンホイール取り付け部の間に配置をずらして固定し、かつ、弾性部材の一部に歪みセンサーを設けた事で、クランクに荷重された踏力を歪みセンサーにて検出し、かつ弾性部材で適度に緩衝しつつチェーンホイールまで踏力を伝達する事ができる。また、踏力がある時以外は電力を消費しない構造により、省電力を図る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
踏力が掛かるクランクの取り付け部とチェーンが掛かるホイール取り付け部とを同一円周上に配置しつつ、前者位置を後者の中間位置に配置する構造に於いて、前記クランクの取り付け部とホイール取り付け部間を弾性部材で結合し、該弾性部材の少なくとも１つに弾性部材の歪みを検出するストレインゲージを設け、歪み信号を電気的に処理して、無線にて外部へ伝送する事を特徴とする踏力センサー
【請求項２】
クランクに一定以上の荷重が掛かった時のみ、歪み検出回路が動作するスイッチを持つ構造である請求項１の踏力検知センサー
【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於いて、踏力を検出する為に用いられるセンサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  日常生活に於いて近隣への買い物や小児の送り迎え等に自転車を使う機会は多いが、特に荷物や児童を積載した時の発進や坂道での運転時にふらついたり、力を要する事があって、電動アシスト自転車の普及が進む要因ともなっている。この傾向は実用的な自転車だけでなく、近年はスポーツ車へも普及する動きになってきている。【０００３】  世界的な省エネ、省資源への関心は、ＣＯ２を排出するオートバイから電動によるアシスト自転車への動きにもなっており、今後更にこの傾向は続くと思われる。
既に電動アシスト自転車は多数のメーカーから発売されており、種々の原理を持った踏力検出センサーがそれらの製品に適用されている。【０００４】  現在電動アシスト自転車に搭載されている踏力センサーの方式には、踏力を垂直方向の力に変換して磁性コアを出し入れさせ、コイルのインダクタンスを変化させる事で非接触で検出するもの、また、踏力をクランク軸の捩れに変換し、磁歪原理を利用して非接触検出するもの、踏力を弾性材で結合した２枚の板の位置ずれに変換して、板に付設した磁気突起の位相ずれを非接触検出するものなどが代表例である。【０００５】
【先行技術文献】
参照用に挙げる下記の文献は、上記のそれぞれに対応する踏力検知手段である。
【特許文献１】  特開２００４−１０６８３７
【特許文献２】  特許第４０９１０９１
【特許文献３】  特開２００３−２７６６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  上述した文献１の発明に於いては、踏力による駆動方向に対して垂直方向にコアを移動させ、その外周にあるコイル巻線のインダクタンスを変化させる事で踏力を検出するものであるが、コアをスムーズに出し入れする為に隙間を持った溝が必要であり、その為に踏力に対するインダクタンスの変化が常に一様という訳では無く、出力の正確さに問題がある。また、コアの移動方向に厚みが必要であり薄く作れないので、実装上の制約があって汎用の自転車には適用できない。【０００７】  文献２に於ける発明は、自転車のクランク軸構造内にトルク検出機構を構成する事から、外部に露出するものが無く外観上の見栄えは良いが、汎用のクランク軸とはならず特殊な構造の専用車体を必要とする。また、クランク軸の内部で捩れを発生させる機構として、一端にクランク軸と噛み合う歯車及び他端の外周にチェーンホイールに噛み合う歯車を構成する金属パイプ状の中空部材が必要で、この部材は鋳物や金型による打ち抜きなどでは無く、旋盤などでの加工が必要であるから、量産性とコスト低減に大きな問題がある。【０００８】  文献３は弾性材で結合された２枚の円板間のずれを、相対する磁性突起の位置ずれとして踏力検知を行なうものであるが、簡単な構造で量産性にも問題は無いが、静止時の踏力検知ができないと言う問題が残っている。【０００９】  本発明は、これらの問題を解決し、薄くて、安くて、量産性も良く、シンプルな構造の踏力センサーを提案するものである。更に、特にスポーツ車向けで要求される多様性についても実質的なメリットを提供するものであり、実用性に於いて有用性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  本発明による踏力センサーは、クランクアーム端に固定される弾性部材と、該弾性部材を固定するベース板と、弾性部材に貼付けされた歪みセンサー及び信号処理回路から構成される。ペダルに加えられた踏み荷重は、クランクアームから弾性部材に伝えられ、更に弾性部材を固定したベース板を経由してチェーンホイールへと伝わる。チェーンホイールはチェーンを駆動し、チェーンは後輪を回転させる。このペダルからチェーンホイールに至る荷重の伝達過程において、途中にある弾性部材で踏力の大きさを測定する。【００１１】  踏力荷重の大きさは、弾性材に貼り付けた歪みセンサーにて測定するが、荷重が小さいと歪が小さく、逆に荷重が大きいと歪みも大きくなる。この歪みは電気的に増幅され、変調されて無線により外部へ伝送される。伝送手段は、本案に於いては電波を想定しているが、これに限定するものではなく光や電磁波、音波を使うものや、スリップリングによる接触伝送も考えられる。
【発明の効果】
【００１２】  このように、本発明は荷重の大きさを簡単な構造によって計測するものであるから、静止時の荷重でも走行中の動的な荷重でも正確に測定でき、構成部材も少なく、安価で量産性が良く、またシンプルな構成から電気回路を含めて厚みを薄くでき、クランクアームとチェーンホイールの間に実装する事も可能で、実用的にも極めて有用である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】（第１の実施形態）
【００１４】  以下に図１、図２を参照しながら本発明の構成概要を説明した上で、図３以降を使用して個々の部分を説明する。
先ず図１に於いて構成を簡単に説明すると、同図は本発明の踏力センサーの全体構成図であり、５箇所の取り付け穴を有する市販のクランクと、２枚の市販チェーンホイールを取り付ける事ができる事例を示している。
【００１５】  荷重セル１０は放射状に均等に５個円形配置されており、更に回転軸中心に近い側でベース板２０にリベット１３にて固着されている。ベース板２０は、５箇所の放射状アームと先端に穴を持つ１枚構成の板金である。ベース板の先端穴は、前記荷重セルの穴と同一円周上に配置される。また、本図では荷重セルを個別に多数配置しているが、これらを纏めて１枚の板金で構成しても良い。
【００１６】  図２は、本発明の構成を実際に適用した場合の構成図である。同図は、スポーツタイプ自転車に見られるスパイダー３０ａを持つクランク３０と２枚のチェーンホイール３４，３５を装着したものを示している。同図に於いて、スパイダー先端は荷重セル１０の穴１１に、そして２枚のチェーンホイール３４、３５はベース板の穴２１に実装されている。この配置は本発明の荷重の伝達と検出に於いて主要な点であり、クランク荷重を測定し、かつチェーンホイールまでそれを伝える。
【００１７】  この構造はクランクとチェーホイールは交換可能である事を意味し、今後浸透するであろうスポーツモデルに於いては、使用者の能力や体格に合わせてチェーンホイールやクランクの交換ができる事が重要な要素であるから、このようなカスタマイズが簡単に出来る本案のメリットは大きい。
【００１８】  図３（ａ）は、踏力により発生する荷重を、歪みとして検出する原理を説明する図である。金属部材を加工して、上方に取り付け用丸穴１１と中下方に四角い穴１４を設け、角穴の両側にできた梁に歪みセンサー１２ａ、１２ｂを貼り付けた構造である。この部品の下方を固定し、上方に図中に矢印で示す方向に荷重を掛けると、両側の梁が力学的に弱いので破線で示すように変形する。この時、図の右側の梁は圧縮方向、左側の梁は逆に伸張方向の力を受ける事から、これらの力による伸縮を歪みセンサー１２ａ、１２ｂで電気的に検出する事ができる。
【００１９】  図３（ｂ）は、荷重に対する歪みの特性をグラフ化したもので、荷重を大きくするに従って比例して歪みも大きくなるが、荷重が大きすぎると歪みは直線的に大きくはならない。実際の適用に於いては、荷重と歪みの関係が直線的である範囲内で使用する。
図３（ｃ）は、荷重を受けた時の伸縮が容易で、歪みも大きくなるように梁を変形させたものであり、本発明の構成要素として使用している。これを荷重セルと呼ぶ。
【００２０】  図４は歪み成分を電気的に処理し、外部に出力する為の電気回路ブロック構成を示したもので、荷重セル１０に貼り付けた歪みセンサー１２ａ、１２ｂと、固定抵抗１２ｃ、１２ｄとでブリッジ回路を構成している。また、該ブリッジ回路には常に安定した電圧Ｖｒｅｆが印加され、荷重による歪みでブリッジ回路のバランスが崩れ、ブリッジ回路のＶｒｅｆ電圧印加端とは異なる両端に誤差電圧が発生する。
【００２１】  この誤差電圧は荷重の大きさに比例しており、次ブロックのアンプ４１により増幅される。アンプ後の信号は変調回路４２に加えられて、高周波信号による変調信号となり、アンテナ４３から電波として外部に発信される。
【００２２】  この発信電波は微弱なものであるが、例えば図示しない近傍にあるアンテナにて受信し、復調して踏力信号とし、電動アシスト自転車の制御回路で処理し、アシスト力の大きさを決定して、自転車に踏力比例の駆動力を与える基本情報として使う事ができる。
【００２３】  図５は電気処理系の全体を示すもので、図４全体を顕す電気回路４０とバッテリー４４及びスイッチ４５で構成される。これらのブロックは、小型に組まれて図１の荷重セル１０の直近に置き、図２の実使用状態に於いてはチェーンホイールとクランクの狭間にほぼ隠れるようになる為、外観上目立つというような事は無い。
【００２４】  図６は、本発明に於けるセンサーに於いて省電力化を図る為の説明図であるが、荷重が発生してその荷重の大きさを外部に知らせる必要がある場合にのみ電力を使用し、荷重が掛からない場合にはその電力を消費しないようにスイッチを切って電力を節約し、バッテリー寿命を延ばす事を目的としている。
【００２５】  図６（ａ）に於いて、荷重が掛からない時は、荷重セル１０はバネ５４で引かれたマグネット取り付け板５２により垂直状態になっている。この時、マグネット取り付け板５２に付けられたマグネット４６は、スイッチ４５から離れている為有効では無く、図５に於ける電源はＯＦＦの状態にある。
【００２６】  図の右（ｂ）のように、荷重が矢印に示すように右方向に掛かった場合は、マグネット取り付け板５２は回転軸５３を中心に回転し、マグネット４６はスイッチ４５に接近する為、図５に於けるスイッチ４５はＯＮとなり、電子回路４０へ電源が供給され荷重情報を伝送可能な状態となる。
【００２７】  この電源をＯＮする為の荷重は、踏力制御を必要とする最小荷重よりもかなり小さく設定されており、例えばペダルに足を置いた程度の荷重であり、その状態から更に踏み込んだ場合に荷重比例信号が発信される事になる。この動作状態は、図の矢印に示すように右側に荷重した場合だけに起こる事であり、逆方向に荷重した場合や、足を載せていない場合にはスイッチＯＦＦのままであるから、踏力の信号発生も起こらないし、電力の消費も無い。
【００２８】  これを電動アシスト自転車に適用した場合、停車時やペダルを漕がずに走行した時、ペダルを逆回転させた時などには、スイッチが入らず電力を消費しない為、バッテリーの長期使用が可能となる。ここでは、スイッチの動作に於いてマグネットとリードスイッチを使用した例を示したが、直接に機械的接点を用いたスイッチでも可能である。
また、このスイッチには、通常の機械接点を有するものではなく、通常は絶縁状態にあるが、荷重を掛ける事により圧縮され、絶縁体の中に仕組まれた導電材が接触して導通するエラスチックコネクタを使う事もできる。
このスイッチは、電気回路の電源をＯＮ／ＯＦＦする接点としてではなく、電源はＯＮのままであるが、スイッチを荷重情報の伝送開始の起動信号として使う事も考えられる。
【００２９】（第２の実施形態）
図７は、本発明の別の実施構造を示したもので、図１の荷重セルをベース板と一体化し、更に荷重の印加による梁の変形も円周方向の歪みに変更したものである。図１に於いては、荷重セル取り付け方向に対して直角方向に荷重を与えたが、図７に於いては荷重と取り付けの方向を同じにして、図１と同様な効果の荷重歪みを発生させるものである。
【００３０】  図７に於いて、チェーンホイールは図の番号２１とその１つ置きの穴を使い固定され、また、クランクは図の番号１１とその１つ置きの穴（図では黒丸で表示）を使って固定される。この状態でも概ね図２と同様な外観となって、この場合、踏力荷重はクランクから穴１１を経由し、弾性部のセンサー１２ａ，１２ｂを経由し、更に穴２１を経由してチェーンホイールにまで伝わる。
【００３１】  図７の構造に於いては、図１の構造に比して、一体化する事によるコストダウンのメリットが生じる。図７の矢印に示す方向の踏力で、歪みセンサー１２ａには圧縮方向、同１２ｂには伸張方向の歪みが発生し、双方の歪みの差から踏力の大きさに比例した信号を得る事ができる。
【００３２】  以上述べたように、本発明によれば厚みが少ないシンプルな構造による踏力センサーが実現でき、最小の部材によるコストダウンだけで無く、実用車やスポーツ車へのモデル適用など用途も広くなり、自転車への実装上も目立つ事が無い事から、デザイン上でも有利である。
【００３３】  また、踏力信号を無線で伝送する事から、アシスト制御部の配置にも融通性を持たせられ、従来のような長いケーブルを這わせる作業性の問題や外観上の見栄え、軽量化などに改善を図る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の全体構成を説明する概略図
【図２】本発明を実使用状態で示した構成図
【図３ａ】荷重の検出原理を説明する図
【図３ｂ】荷重と歪みの関係を示すグラフ
【図３ｃ】全体構成に適用した荷重センサー
【図４】歪み信号の処理を説明する回路ブロック図
【図５】電気回路の全体構成図
【図６】省電力を図るスイッチの動作説明図
【図７】本発明の別の構成図
【符号の説明】
【００３５】１０：      荷重セル
１１：      クランク取り付け穴
１２ａ、１２ｂ：  歪みセンサー
１３：      リベット                    １４：      角穴
２０：      ベース板
２１：      ホイール取り付け穴
３０：      クランク
３０ａ：    スパイダー
３０ｂ：    ペダル取り付け穴
３２：      クランク軸穴
３４：      チェーホイール（大）
３５：      チェーホイール（小）
４０：      電気回路
４１：      アンプ
４２：      変調回路
４３：      アンテナ
４４：      バッテリー
４５：      スイッチ
４６：      マグネット
５２：      マグネット取付板
５３：      回転軸
５４：      バネ
【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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