(57)【要約】【課題】  電動アシスト自転車の普及により、より洗練されたデザインや機能の追及から、踏力センサーと駆動モーターを一体化し自転車車体のクランク軸下部に置く配置が主流になっており、踏力センサーには小型で機能性の高いものが要求されている。【解決手段】  自転車のクランク軸２に中空軸４を貫入接合し、中空軸４の他端にはチェーンホイール３を固定した構造に於いて、中空軸外周に二次コイル６と歪みゲージ８を固定している。また、センサーケース５を中空軸４の外側に配し、その内部に一次コイル７を置き、相互に接触しないで回転できるように構成する事で、中空軸４をコアとするロータリートランスとしている。一次コイル側にはコイルと直列に負荷抵抗１２が入っており、一次コイル７に交流信号１３を加える事で二次コイル６側の電力消費状況が一次コイル電流としても把握できる。ペダルに踏力が掛かると歪みゲージ抵抗が変化して電力消費が変わり、この事に因り一次コイルの電流変化となる。負荷抵抗１２両端の電圧は踏力に比例する。【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軸の外側に中空軸を固着接合させ、その他端にチェーンホイールを固着する構造に於いて、中空軸外周に二次コイルと歪みゲージを配して双方を接続し、更に中空軸に接触しないように空隙を空けて一次コイルを外装となるセンサーケース内側に配置する事により、一次コイルと中空軸と二次コイルにより変圧器を構成し、一次コイル側に交流信号を供給する事で、二次コイル側の消費電力に見合う交流電流を一次コイル側に現出させる事を特徴とする踏力検知センサー
【請求項２】
踏力が掛かるクランク軸の外側に中空軸を固着接合させ、その他端にチェーンホイールを固着する構造に於いて、中空軸外周に中空軸の捩れが巻き数に影響する手段として長手方向に広く二次コイルを巻き、かつ抵抗を配して双方を接続し、更に中空軸に接触しないように空隙を空けて一次コイルを外装となるセンサーケース内側に配置する事により、一次コイルと中空軸と二次コイルによる変圧器を構成し、一次コイル側に交流信号を供給する事で、二次コイル側の消費電力に見合う交流電流を一次コイル側に現出させる事を特徴とする踏力検知センサー
【請求項３】
請求項２に於いて、抵抗の代わりにコンデンサを置く事で二次コイルとコンデンサ間で直列共振回路を構成する事を特徴とする踏力検知センサー
【請求項４】
請求項２に於いて、抵抗の代わりに整流回路とツェナーダイオードを置く事を特徴とする踏力検知センサー
【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】  電動アシスト自転車は国内に於いては認知度も上がり、今では老人や主婦向けの限定的な用途に限らず若者や、スポーツ向け、業務用にも使われている。アシスト機能も洗練されてきており、またバッテリーも軽量で小型になって使い易くなり、また乗れる距離もより長くなっている為、普及にも加速がついている。【０００３】  世界的な省エネ、省資源への関心から、海外に於いても国内同様に販売数が増加しており、今後も長期的にかつ広範囲に市場が拡大すると考えられる。この事から、事業の将来性を見出し、多くの自転車関連企業や他業種からも参入が相次いでいる。【０００４】  現在電動アシスト自転車に搭載されている踏力検知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。
【先行技術文献】
【０００５】  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３４１５３２５
【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、実装上のデザイン性にも問題がある。【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、一般のクランク軸廻りとはならず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スプライン及び他端の外周にチェーンホイールに噛み合うネジ部を構成する金属パイプ状の中空部材が必要で、これは金型による打ち抜きなどでは出来ず、旋盤などでの精密加工が必要であり、また薄い磁性膜と厳密なギャップ管理も必要となるから、量産性とコスト低減には問題がある。【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、使い易くスマートな踏力検知センサーを提供するものである。前述した先行文献に於いては、単独での踏力センサーについて示されているが、電動アシスト自転車の構成として主流となっているのは、駆動用のモーターと一体となった内蔵型センサーである。駆動用モーターと踏力センサーを一体化し、自転車の中心下部に置く事で重量バランスの最適化やユニット化によるコスト削減、配線の削減などに大きなメリットが出る。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  本発明による踏力検知センサーは、前述した先行文献の［特許文献２］と同様な構造に於いて、捩れの検出に異なる特徴を持つ簡易な方式に関するものであり、この方式は駆動用のモーターに組み込まれて一体構造となる事を想定している。本案での踏力検知方式は、軸のねじれ具合を電力消費量の変化に置き換えて、非接触にて踏力信号を出力するものである。
【発明の効果】
【００１１】  本案の検出方式に於いては［特許文献２］に示す磁歪式の物ではなく、磁性膜を必要としない。この為、磁性膜の作成や厳しい磁気空隙の加工を省く事が出来、量産とコストダウンに於いてメリットがある。また、この踏力検知センサーを駆動用モーターと一体化する事で、工場での一括生産が可能となり、センサーと駆動部との配線も無くなり、信号品質の向上にも優位である。【００１２】  このように、難しい加工や高価な磁性膜を必要としない簡単な機構により、駆動用のモーターと一体に組み合わせる事が出来る為、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】  以下に図１、図３を参照しながら本発明の構成概要を説明した上で、各図を使用して動作の内容と応用に関する説明を行なう。
【００１４】  先ず図１に於いて構成を簡単に説明すると、同図は本発明に於ける踏力検知センサーの第一の構成図であり、ペダル１に直結するクランク軸２とそれに貫入した中空軸４及びその外周に二次コイル６及び歪みゲージ８が固定されている。中空軸４は磁性材でできている必要がある。
【００１５】  中空軸４の一端はクランク軸２に貫入固定されているが、他端は図示しない後輪を駆動するチェーン１１を掛けるチェーンホイール３の中心部に固定されている。中空軸４の外側には踏力検知センサーの外皮としての機能を持つセンサーケース５があり、その内側に中空軸とは僅かに空隙を設けて一次コイル７を構成している。
【００１６】  図３は本発明に於ける踏力検知センサーの第二の構成図であり、中空軸の外周に構成する部品の構成が図１と異なる。図３に示す二次コイル６は、中空軸が受ける捩れの影響が出るようにその全面をカバーする如く広く巻かれている。また、同じく図１の歪みゲージに代わり、素子９が配置されているが、この素子は、例えば抵抗、コンデンサ、回路などを意味し、二次コイル６両端に接続されている。
【００１７】    図２は、図１に於ける電気回路を示しており、図１の各機械部品と番号で対応しているが、交流信号源１３と負荷抵抗１２は図１、図３の構成部品としては示していない。
【００１８】  図４は、図３に於ける中空軸の捩れに伴う二次コイルの変化について説明する為の図で、中空軸の外周に二次コイルがゴムシートのような弾性体１５の上に巻かれている事を示している。
【００１９】  図５は図３に於ける電気回路を示しており、同図の二次コイル６に矢印が追加され上部にｎ２＋Δとあるのは、コイルの巻き数が僅かに変化する事を示している。この事が、出力電圧やインダクタンスの変化を引き起こす。
【００２０】  図６は図３に示す素子９にコンデンサ１０を適用した場合の回路図であり、二次コイルのインダクタンスとの間で直列共振回路を構成する事が考えられる。
【００２１】  図８は図３の素子９としてダイオード、コンデンサ、ツェナーダイオードから構成した場合の回路図を示しているが、別の回路構成も考えられる。
図７はツェナーダイオード１７の入出力特性のグラフであり、Ｘ軸の電圧（Ｖｏ）の小変化に対しＹ軸の電流（Ｉｄ）が大幅に変動する事を示している。
（第１の実施形態）
【００２２】  以下、第１の実施形態について図１、図２を用いてより詳しく説明を行なうと、図１のクランク１に踏力が掛かると、その力はクランク軸２から中空軸４に伝わり、更にチェーンホイール３を駆動し、チェーン１１を介して後輪を回転させる。ペダル１の荷重とチェーンホイール３に掛かる後輪の負荷との関係により、中空軸４の両端に捩れストレスが発生し、クランク軸２との接続部位近辺に大きな歪みが起こり、貼付けされた歪みゲージの抵抗値が変化する。
【００２３】  図２に示すように、中空軸４の外周に巻かれた二次コイル６とセンサーケース５内に巻かれた一次コイル７とは中空軸４が磁性体である為、電気的には変圧器を構成している。また、一次コイル７とセンサーケース５は自転車車体側に固定されて回転しないが、その他の要素（２，３，４，６，８）は、ペダル１の回転につれてペダルと共に回転する。一次コイル７と二次コイル６は微小な空間を空けて互いに機械的に干渉しないような配置になっている。
【００２４】ここで、一次コイル側に負荷抵抗１２と交流信号源１３を図のように接続して交流電圧を与えると、二次コイル側にも電圧が誘起し、歪みゲージ８がその負荷として電力を消費する。この電力は、一次コイル７から供給される電力となる為、一次コイルに相応の電流が流れ、それは負荷抵抗１２に電圧として現われる。
【００２５】この電圧は、二次コイル側の電力消費に比例するから、歪みゲージの抵抗変化を負荷抵抗１２の両端で見る事になる。つまり、ペダルに掛かった踏力を、一次コイルがある固定側で非接触にて測る事ができる。図１では、歪みゲージを１個しか示していないが、複数個の歪みゲージを円環状に置き直列接続して、歪みに関する感度を上げる事も可能である。
（第２の実施形態）
【００２６】  図３の構造に於いて、クランク軸２に固着した中空軸４の外周には、二次コイル６と素子９が固定されている。二次コイル６は中空軸４の長手方向に広く巻かれており、中空軸の捩れが二次コイルの巻き方に影響を与える効果を狙っている。
【００２７】  図４は中空軸４の捩れによる二次コイル６への影響について説明する為の図である。図３に於いてペダル荷重が掛かった時に、クランク軸２は同図の右側から見て右回転するとすれば、中空軸４の左端は同様に少し右回転するが、チェーンホイール３により後輪に引っ張られる右端は回転しないまま中空軸が捩れる。
【００２８】  図４に於いて説明すれば、図のＣ端は右回転するがＡ端は回転しないので中空軸は捩れ、外周に巻かれた二次コイル端部がＣからＢの位置に移動する。この事は、二次コイルの巻き数が少し増えた事を意味する。同時に、両端が固定されたコイルが円筒により多く巻き付く事により、きつく巻かれて表面に貼られた弾性体１５を締め付ける事になり、僅かに中空軸の磁性体に接近し、漏れ磁束の減少に寄与するから、二次コイルに誘起する電圧は総合的に上昇する。
【００２９】  図５に於いて説明すると、ペダル荷重が掛かると二次コイル６の巻き数が多くなり、かつ磁気特性も改善するので二次コイルの負荷である抵抗１４にはより多くの電圧が掛かり、より多くの電力が消費される。
このように、踏力を多く掛ける事により、電力消費が上がり、一次コイルの電流が増えて、負荷抵抗１２の電圧が上がる事になる。この電圧出力は踏力に比例し、非接触での検出となる。
【００３０】  図３の構成に於いて、図３に於ける素子９をコンデンサにした別の実施案を図６に示して説明を行なう。前述の理由により、踏力が掛かると二次コイルの巻き数が僅かに変化する。因って、二次コイルのインダクタンスも変化する為、この二次コイルとコンデンサで直列共振回路を構成しておくと、共振状態時と共振状態からずれた時に流れる電流は大きく変化する。
【００３１】  この電流の変化は前述と同じ理由で、一次コイルを通じて負荷抵抗１２に現出する。回路が共振した場合は大きな電流が流れるが、ずれた場合は大きく減少するので、このずれ具合で踏力の大きさを知る事ができる。
【００３２】  図８は図３に於ける構成に於いての別の応用例である。図３の素子９に３つの素子を回路構成したもので、電力消費手段としてツェナーダイオード１７の出力特性を利用したものである。ツェナーダイオードのツェナー電圧を超えて電圧を印加した場合、図７に示すように電流が徐々に流れ始め、印可電圧の僅かな変化で大きな電流変化を得られる。
【００３３】  二次コイルの巻き数の変動により、二次コイルの誘起電圧が変化し、その電圧はダイオード１６とコンデンサ１０により直流化され、ツェナーダイオード１７に加えられ、そこに電流が流れる。この電流の大きさは一次コイル側に反映されて負荷抵抗１２で読み取れる。
【００３４】  このように、負荷抵抗１２に現われる踏力に比例する電圧は、交流信号源の振幅として変化する電圧となるが、この信号は例えば直流化してＣＰＵで読み込み、踏力比例信号としてアシスト制御に利用される。
【００３５】  図１、図３の各電気要素は、薄型のチップ部品やプリントコイルなどを使用する事が可能で、その場合には実装に於いても、作業性や耐久・信頼性に於いてもメリットを出す事ができる。
【００３６】  以上述べたように、本発明によれば、踏力の大きさを変圧器の二次側電力消費に変換して一次側で検出するようにした事で、高価な磁性膜や斜め溝加工等を使わずに済むので、部材加工も簡単になり、安価、かつ容易に非接触で踏力比例信号を得る事ができ、実効性、優位性がある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第一案の全体構成を示す概略図
【図２】本発明の第一案による回路図
【図３】本発明の第二案の全体構成を示す概略図
【図４】中空軸の捩れによるコイルの変化を説明する図
【図５】本発明の第二案による回路図
【図６】本発明の第二案による応用回路図その１
【図７】ツェナーダイオードの入出力特性を示すグラフ
【図８】本発明の第二案による応用回路図その２
【符号の説明】１：ペダル            ２：クランク軸                ３：チェーンホイール
４：中空軸            ５：センサーケース            ６：二次コイル
７：一次コイル        ８：歪みゲージ                ９：素子
１０：コンデンサ      １１：チェーン                １２：負荷抵抗
１３：交流信号源      １４：抵抗                    １５：弾性体
１６：ダイオード      １７：ツェナーダイオード      １８：リード線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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