(57)【要約】クランク軸（１）と、スプロケット（２）と、クランク軸（１）に取付けられているクランク（３）と、変形フレーム（４）とを備えた電動自転車のトルク及び速度センサ。変形フレーム（４）は、複数本の放射状の連結リブ（４ｃ）により互いに連結されているアウターリング（４ａ）とインナーリング（４ｂ）とを有する。インナーリング（４ｂ）はクランク（３）に緊締されていて、アウターリング（４ａ）はスプロケット（２）に緊締されている。また、インナーリング（４ｂ）上に二つのトルク検知磁石（Ａ）が取付けられ、この二つのトルク検知磁石（Ａ）の外面の極性は逆になっている。アウターリング（４ａ）上に信号出力板（５）が取付けられ、信号出力板（５）上にリニアホール素子（６）が取り付けられる。このリニアホール素子（６）の検知面は二つの磁石（Ａ）の外面に対向している。回転子（７）と固定子（８）が、クランク軸（１）上に同軸に嵌着されている。回転子（７）はスプロケット（２）、変形フレーム（４）、クランク（３）及びクランク軸（１）のうちの一つに取付けられていて、その上に二次巻線が取付けられている。固定子（８）は回転子（７）に対して動かないようになっていて、その上には一次巻線と信号受信板（９）とが取付けられている。一次巻線と二次巻線とで絶縁トランスが構成され、一次巻線は、信号受信板（９）上に設けられているＡＣジェネレータと電気的に接続される。リード線（１０）が信号受信板（９）上に設けられ、二次巻線は信号出力板（５）と電気的に接続される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸（１）と、スプロケット（２）と、クランク軸（１）に取付けられているクランク（３）と、変形フレーム（４）とを備えた電動自転車のトルク及び速度センサであって、
変形フレーム（４）が、複数本の放射状の連結リブ（４ｃ）により連結されているアウターリング（４ａ）とインナーリング（４ｂ）とを有し、
インナーリング（４ｂ）がクランク（３）に緊締され、アウターリング（４ａ）がスプロケット（２）に緊締され、インナーリング（４ｂ）上に二つのトルク検知磁石（Ａ）が取付けられ、その二つのトルク検知磁石（Ａ）の外面の極性が逆であり、
アウターリング（４ａ）上に信号出力板（５）が取付けられ、信号出力板（５）上にはリニアホール素子（６）が装着され、リニアホール素子（６）の検知面が二つの磁石の外面に対向し、
さらに、回転子（７）と固定子（８）とがクランク軸（１）上に同軸で嵌着され、回転子（７）がスプロケット（２）、変形フレーム（４）、クランク（３）及びクランク軸（１）のうちの一つに取付けられ、かつ、その上に二次巻線が取付けられ、
固定子（８）が回転子（７）に対して固定され、かつ、その上に一次巻線と信号受信板（９）とが取付けられ、その一次巻線と二次巻線とで絶縁トランスが構成され、一次巻線が、信号受信板（９）上に設けられているＡＣジェネレータに電気的に接続され、信号受信板（９）上にリード線（１０）が設けられ、二次巻線が信号出力板（５）に電気的に接続されている
ことを特徴とする電動自転車のトルク及び速度センサ。
【請求項２】
二次巻線が、回転子（７）上に取付けられているリング状の回転コアマグネット（１１）と、回転コアマグネット（１１）内に設けられている回転コイル（１２）とから構成され、
一次巻線が、固定子（８）上に取付けられているリング状の固定コアマグネット（１３）と、固定コアマグネット（１３）内に設けられている固定コイル（１４）とから構成され、
回転コアマグネット（１１）と固定コアマグネット（１３）とが組み合わさってループ回路を形成するとともに、内部の回転コアマグネット（１１）と固定コイル（１４）とで絶縁トランスを構成し、固定コイル（１４）が絶縁トランスの一次巻線に相当し、信号受信板（９）上に設けられているＡＣジェネレータに電気的に接続され、
回転コイル（１２）が絶縁トランスの二次巻線に相当し、信号出力板（５）に電気的に接続されている
請求項１に記載の電動自転車のトルク及び速度センサ。
【請求項３】
クランク軸（１）上にクランク軸カップ（１５）が嵌設され、
クランク軸カップ（１５）がネジ溝により、電動自転車のフレームに連結されている軸ジョイント（１６）上に緊締され、軸ジョイント（１６）とクランク軸カップ（１５）との間には凹部が設けられているストッパプレート（１７）が挟持され、
固定子（８）上に、ストッパプレート（１７）の凹部内に当接するように進入するストッパピン（１８）が設けられている
請求項１または２に記載の電動自転車のトルク及び速度センサ。
【請求項４】
回転子（７）上に、円周状に配置されている複数の速度検知磁石（Ｂ）が設けられ、信号受信板（９）上に、スイッチングホール素子（１９）が装着され、
スイッチングホール素子（１９）の検知面が速度検知磁石（Ｂ）の表面に対向している
請求項１または２に記載の電動自転車のトルク及び速度センサ。
【請求項５】
クランク（３）上に、変形フレーム（４）を覆うプロテクトカバーが取付けられている
請求項１または２に記載の電動自転車のトルク及び速度センサ。
【請求項６】
固定子（８）と回転子（７）とが係止ツメによって軸方向で係止されている
請求項１または２に記載の電動自転車のトルク及び速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動自転車のトルク及び速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電動自転車は、速度が速く手軽で、環境汚染がないという長所により、中国国内にて日増しに広く使用されるようになっている。従来の電動自転車には、ハンドルで車速を調節し、速度センサによりモータの出力を制御するいわゆる人工知能付き電動自転車などがあるが、このような人工知能付き電動自転車には、平坦地での走行は楽であるが、上り坂ではそれなりに労力が必要であるという特長がある。
トルク及び速度センサを採用した電動自転車はこれとは反対に、平坦地走行時におけるモータの出力は小さく、走行が楽で電力消費も少なく、上り坂では大きめの電力を出力して上り坂での負担を少なくするというものであって、真の意味で運転者に人と機械との自然な融合を感じさせる電動自転車である。
【０００３】
しかしながら、現在の中国国内におけるトルク及び速度センサは効果が不十分であり、主に低速時に正常なトルク信号を出力することができず、発進時の力が大きかったり、小さかったりと、人と機械との協調性に欠けることがあり、さらに力いっぱいに走行する時にはセンサの出力信号が早期に飽和状態となってしまい、上り坂での力不足を引き起こし、全体的な動作安定性と感度が悪い。確かに中国国外（特に日本）にはこのような製品があるものの、構造が複雑で、製造の難度及びコストが高く、しかもセンサのリード線がクランク軸に絡まりやすく、回転信号と停止信号との間の変換の問題もあり、これら電動自転車の急速の普及を妨げていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、動作安定性及び感度がより優れた電動自転車のトルク及び速度センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、クランク軸と、スプロケットと、クランク軸に取付けられているクランクと、変形フレームとを備えた電動自転車のトルク及び速度センサに関する。変形フレームは、複数本の放射状の連結リブにより互いに連結されているアウターリングとインナーリングとを有する。インナーリングはクランクに緊締されていて、アウターリングはスプロケットに緊締されている。また、インナーリング上に二つのトルク検知磁石が取付けられ、この二つのトルク検知磁石の外面の極性は逆になっている。アウターリング上に信号出力板が取付けられ、信号出力板上にリニアホール素子が取り付けられる。このリニアホール素子の検知面は二つの磁石の外面に対向している。回転子と固定子が、クランク軸上に同軸に嵌着されている。回転子はスプロケット、変形フレーム、クランク及びクランク軸のうちの一つに取付けられていて、その上に二次巻線が取付けられている。固定子は回転子に対して動かないようになっていて、その上には一次巻線と信号受信板とが取付けられている。一次巻線と二次巻線とで絶縁トランスが構成され、一次巻線は、信号受信板上に設けられているＡＣジェネレータと電気的に接続される。リード線が信号受信板上に設けられ、二次巻線は信号出力板と電気的に接続される。
【０００６】
さらに、本発明における二次巻線は、回転子上に取付けられているリング状の回転コアマグネットと、回転コアマグネット内に設けられている回転コイルとから構成されている。一次巻線は、固定子上に取付けられているリング状の固定コアマグネットと、固定コアマグネット内に設けられている固定コイルとから構成されている。回転コアマグネットと固定コアマグネットとが組み合わさって閉ループ回路を形成するとともに、内部の回転コアマグネットと固定コイルとで絶縁トランスを構成していて、固定コイルは絶縁トランスの一次巻線に相当し、信号受信板上に設けられているＡＣジェネレータに電気的に接続されている。回転コイルは絶縁トランスの二次巻線に相当し、信号出力板に電気的に接続される。
【０００７】
さらに、本発明におけるクランク軸上にはクランク軸カップが嵌設されていて、クランク軸カップはネジ溝により、電動自転車のフレームに連結されている軸ジョイント上に緊締されていて、軸ジョイントとクランク軸カップとの間には凹部が設けられているストッパプレートが挟持されていて、固定子上には凹部内に当接するように進入するストッパピンが設けられていて、ストッパピンとストッパプレートとを組み合わせて、固定子８が回転子７に対して動かないようにしている。
【０００８】
さらに、本発明における回転子上には、円周状に配置されている複数の速度検知磁石が設けられていて、信号受信板上にはスイッチングホール素子が装着されていて、スイッチングホール素子の検知面が速度検知磁石の表面に対向している。
【０００９】
さらに、本発明におけるクランク上には、変形フレームを覆うプロテクトカバーが取付けられている。
【００１０】
さらに、本発明における固定子と回転子とは、係止ツメによって軸方向で係止されている。
【００１１】
本発明による動作原理は以下の通りである。
【００１２】
運転者が自転車を運転するとき、クランクは変形フレームを介してスプロケットを駆動する。通常技術と同じく、スプロケット上にチェーンを取付けることで自転車を駆動することになり、チェーンはスプロケットを介して変形フレームに反作用のトルクを付与することでバランスを取っている。スプロケット及びクランクは、それぞれ変形フレームのアウターリング及びインナーリングに取付けられているので、逆方向の二つのトルクが変形フレームのアウターリング及びインナーリングに付与されて、力を受けた変形フレームのアウターリング及びインナーリングは変形し位置がずれ、ひいてはリニアホール素子とトルク検知磁石との相対的な位置に変化が生じる。二つのトルク検知磁石によって、リニアホール素子の検知面の狭い範囲内に、Ｎ極からＳ極までの直線に近い磁界分布が発生しているため、リニアホール素子と二つのトルク検知磁石との相対的な位置に変化が生じると、リニアホール素子の検知面が通過する磁界にも変化が生じ、リニアホール素子の出力電圧の変化に影響する。信号出力板は、その上の電子回路を介して、リニアホール素子の出力電圧をこれに対応する可変性負荷に変換するという作用をもつ。
【００１３】
本発明のおける回転子及び固定子がクランク軸上に同軸で装着されている場合、回転コアマグネットと固定コアマグネットとが組み合わさって閉ループ回路を形成するとともに、内部の回転コイルと固定コイルとで絶縁トランスを構成していて、固定コイルは絶縁トランスの一次巻線に相当し、信号受信板上に設けられているＡＣジェネレータに電気的に接続されている。回転コイルは絶縁トランスの二次巻線に相当し、信号出力板に電気的に接続されている。信号受信板上に装着されているＡＣジェネレータは固定コイルに給電する、つまり絶縁トランスの一次巻線にＡＣ電源を供給するものである。絶縁トランスの二次巻線（回転コイル）に可変性負荷が接続されているので、その一次側の電流は二次側の可変性負荷の変換に伴って変化し、この電流の変化を信号受信板を介して電圧出力に処理変換して、トルクの検出が完了する。
【００１４】
本発明では具体的な動作時に、回転子がスプロケット及び変形フレームの回転に伴って回転し、一方固定子はストッパピン及びストッパプレートの作用により回転しないようになっているため、固定子とともに固定されている信号受信板上のリード線は動かないようになっている。従って、従来技術のようにリード線がクランク軸に巻き付いて損傷し、信号出力の安定性が損なわれるということはなくなり、回転の電気信号を停止の電気信号に変換するという難題を解決することができる。
【００１５】
同時に、本発明では速度の検出も可能であって、電動自転車を運転するとき、回転子はスプロケットとともに回転する一方で、スイッチングホール素子は停止していることから、円周状に配置されている複数の速度検知磁石がスイッチングホール素子の検出面を連続して通過し、スイッチングホール素子が感知するとともに対応する速度パルス電圧信号を出力できる。この信号は最終的に信号受信板により対応して信号処理された後にリード線を介して出力される。
【発明の効果】
【００１６】
１．本発明が提供するこの種の電動自転車のトルク及び速度センサでは、専門的に設計された変形フレームならびにその上に設けられているトルク検出磁石及びリニアホール素子により、ペダル上に付与される運転者の踏力を測定するものであって、測定感度は高い。同時に本発明では更に、固定子、回転子上に設けられている絶縁トランスが測定したホール電圧信号を、一次、二次巻線が出力するように、専門的に設計していて、このトランスの原理を用いて、回転信号を停止信号に変換するという難題を巧みに解決し、かつ信号伝送の安定性に優れ、本発明の全体的な動作性能及び測定精度を大幅に向上している。
【００１７】
２．本発明が提供するこの種の電動自転車のトルク及び速度センサでは、具体的な動作時に、回転子がスプロケット及び変形フレームの回転に伴って回転し、一方固定子はストッパピン及びストッパプレートの作用により回転しないようになっているため、固定子とともに固定されている信号受信板上のリード線は動かないようになっていて、これによって、回転の電気信号を停止の電気信号に変換するという難題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明装置の斜視説明図
【図２】同、図１の反対面から見た斜視説明図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、図面と実施例を合わせて本発明をより詳細に説明する。
【００２０】
実施例：
図１及び２に示すように、本実施例で提供する電動自転車のトルク及び速度センサは、クランク軸１と、スプロケット２と、クランク軸１に取付けられているクランク３と、変形フレーム４と、信号出力板５と、リニアホール素子６と、回転子７と、固定子８と、信号受信板９と、リード線１０と、回転コアマグネット１１と、回転コイル１２と、固定コアマグネット１３と、固定コイル１４と、クランク軸カップ１５と、軸ジョイント１６と、ストッパプレート１７と、ストッパピン１８と、スイッチングホール素子１９と、プロテクトカバー２０とから構成されている。
【００２１】
本実施例における変形フレーム４はアウターリング４ａと、インナーリング４ｂと、インナー、アウターリングの間に連結される放射状の１０本の連結リブ４ｃとから構成されていて（図１には変形フレーム４の半分のみ示す）、このうちインナーリング４ｂはクランク３にネジで緊締されていて、アウターリング４ａはスプロケット２に同じくネジで緊締されている。インナーリング４ｂ上に二つのトルク検知磁石Ａが取付けられ、この二つのトルク検知磁石Ａの外面の極性は逆になっている。アウターリング４ａ上に信号出力板５が取付けられ、信号出力板５上にリニアホール素子６が取り付けられる。リニアホール素子６の検知面は二つのトルク検知磁石Ａの外面に対向している。
【００２２】
本実施例における回転子７及び固定子８はクランク軸１上に同軸で嵌着されている。回転子７上には固定子８を係止する４つの係止ツメ（図示しない）が設けられていて、回転子７及び固定子８を軸方向で固定している。回転子７は変形フレーム４にネジで互いに固定されているので、クランク軸１、スプロケット２、クランク３及び変形フレーム４に伴って回転する。同時に、本実施例におけるクランク軸１上にはクランク軸カップ１５が嵌設されていて、クランク軸カップ１５はネジ溝により、電動自転車のフレームに連結されている軸ジョイント１６上に緊締されていて、軸ジョイント１６とクランク軸カップ１５との間には凹部が設けられているストッパプレート１７が挟持されていて、固定子８上には凹部内に当接するように進入するストッパピン１８が設けられていて、ストッパピン１８とストッパプレート１７とを組み合わせて、固定子８が回転子７に対して動かないようにしている。
【００２３】
本実施例における回転子７上には二次巻線が取付けられていて、二次巻線は回転子７上に取付けられているリング状の回転コアマグネット１１と、回転コアマグネット１１内に設けられている回転コイル１２とから構成されている。固定子８上には一次巻線と信号受信板９とが取付けられていて、一次巻線は固定子８上に取付けられているリング状の固定コアマグネット１３と、固定コアマグネット１３内に設けられている固定コイル１４とから構成されている。回転コアマグネット１１と固定コアマグネット１３とが組み合わさって閉ループ回路を形成するとともに、内部の回転コアマグネット１１と固定コイル１４とで絶縁トランスを構成していて、固定コイル１４は絶縁トランスの一次巻線に相当し、信号受信板９上に設けられているＡＣジェネレータに電気的に接続されている。回転コイル１２は絶縁トランスの二次巻線に相当し、信号出力板５に電気的に接続されている。リード線１０は信号受信板９上に設けられている。
【００２４】
本実施例における回転子７上には、円周状に配置されている２０個の速度検知磁石Ｂが設けられていて、信号受信板９上にはスイッチングホール素子１９が装着されていて、スイッチングホール素子１９の検知面が速度検知磁石Ｂの表面に対向している。
【００２５】
本実施例におけるプロテクトカバー２０はネジでクランク３上に取付けられていて、プロテクトカバー２０は変形フレーム４を覆ってこれを保護している。
【００２６】
本実施例の動作原理は以下の通りである。
【００２７】
運転者が自転車を運転するとき、クランク３は変形フレーム４を介してスプロケットを駆動する。通常技術と同じく、スプロケット２上にチェーンを取付けることで自転車を駆動することになり、チェーンはスプロケット２を介して変形フレーム４に反作用のトルクを付与することでバランスを取っている。スプロケット２及びクランク３は、それぞれ変形フレーム４のアウターリング４ａ及びインナーリング４ｂに取付けられているので、逆方向の二つのトルクが変形フレーム４のアウターリング４ａ及びインナーリング４ｂに付与されて、力を受けた変形フレーム４のアウターリング４ａ及びインナーリング４ｂは変形し位置がずれ、ひいてはリニアホール素子６とトルク検知磁石Ａとの相対的な位置に変化が生じる。二つのトルク検知磁石Ａによって、リニアホール素子６の検知面の狭い範囲内に、Ｎ極からＳ極までの直線に近い磁界分布が発生しているため、リニアホール素子６と二つのトルク検知磁石Ａとの相対的な位置に変化が生じると、リニアホール素子６の検知面もまた通過する磁界に変化が生じ、リニアホール素子の出力電圧の変化に影響する。信号出力板５は、その上の電子回路を介して、リニアホール素子６の出力電圧をこれに対応する可変性負荷に変換するという作用をもつ。
【００２８】
本実施例における回転子７及び固定子８がクランク軸１上に同軸で装着されている場合、回転コアマグネット１１と固定コアマグネット１３とが組み合わさって閉ループ回路を形成するとともに、内部の回転コイル１２と固定コイル１４とで絶縁トランスを構成していて、固定コイル１４は絶縁トランスの一次巻線に相当し、信号受信板９上に設けられているＡＣジェネレータに電気的に接続されている。回転コイル１２は絶縁トランスの二次巻線に相当し、信号出力板５に電気的に接続されている。信号受信板９上に装着されているＡＣジェネレータは固定コイル１４に給電する、つまり絶縁トランスの一次巻線にＡＣ電源を供給するものである。絶縁トランスの二次巻線（回転コイル１２）に可変性負荷が接続されているので、その一次側の電流は二次側の可変性負荷の変換に伴って変化するが、この電流の変化を信号受信板９を介して電圧出力に処理変換して、トルクの検出が完了する。
【００２９】
本実施例では具体的な運転時に、回転子７がスプロケット２及び変形フレーム４の回転に伴って回転し、固定子８はストッパピン１８及びストッパプレート１７の作用により回転しないようになっているため、固定子８とともに固定されている信号受信板９上のリード線１０は動かないようになっている。従って、従来技術のようにリード線１０がクランク軸１に巻き付いて損傷し、信号出力の安定性が損なわれるということはなくなり、回転の電気信号を停止の電気信号に変換するという難題を解決することができる。
【００３０】
同時に、本実施例では速度の検出も可能であって、電動自転車を運転するとき、回転子７はスプロケット２とともに回転する一方で、スイッチングホール素子１９は停止していることから、円周状に配置されている２０個の速度検知磁石Ｂがスイッチングホール素子１９の検出面を連続して通過し、スイッチングホール素子１９が感知するとともに対応する速度パルス電圧信号を出力できる。この信号は最終的に信号受信板９により対応して信号処理された後にリード線１０を介して出力される。
【符号の説明】
【００３１】
１    クランク軸
２    スプロケット
３    クランク
４    変形フレーム
４ａ  アウターリング
４ｂ  インナーリング
４ｃ  連結リブ
５    信号出力板
６    リニアホール素子
７    回転子
８    固定子
９    信号受信板
１０  リード線
１１  回転コアマグネット
１２  回転コイル
１３  固定コアマグネット
１４  固定コイル
１５  クランク軸カップ
１６  軸ジョイント
１７  ストッパプレート
１８  ストッパピン
１９  スイッチングホール素子
２０  プロテクトカバー
Ａ    トルク検知磁石
Ｂ    速度検知磁石
【図１】
2013517973.tif 000003
【図２】
2013517973.tif 000004
【国際調査報告】
2013517973.tif 000005
2013517973.tif 000006
2013517973.tif 000007
2013517973.tif 000008
2013517973.tif 000009
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