(57)【要約】  応答性の良い、電動アシスト移動体用のセンサを提供する。  電動アシスト移動体に使用するためのセンサは、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが形成され、ドライブシャフトとともに回転するように相互に同軸に配置されたリング状の第１の磁石および第２の磁石と、第１の磁石および第２の磁石の磁界を検出するための、周方向に互いに間隔が隔てられて配置される、少なくとも一対の第１のホール素子および少なくとも一対の第２のホール素子と、ドライブシャフトが回転する際のトルクによって周方向に歪むように構成された歪み部材であって、歪みによって、第１の磁石と第２の磁石との周方向の相対位置を変化させるように配置された歪み部と、を備える。
2015194055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人力によって生じる第１の駆動力を電力によって生じる第２の駆動力で補助可能な電動アシスト移動体に使用するためのセンサであって、
周方向に沿ってＮ極とＳ極とが形成されたリング状の第１の磁石であって、前記電動アシスト移動体のドライブシャフトとともに回転するように配置された第１の磁石と、
周方向に沿ってＮ極とＳ極とが形成されたリング状の第２の磁石であって、前記第１の磁石と同軸に配置され、前記ドライブシャフトとともに回転するように配置された第２の磁石と、
前記第１の磁石の磁界を検出するための、周方向に互いに間隔が隔てられて配置される少なくとも一対の第１のホール素子と、
前記第２の磁石の磁界を検出するための、周方向に互いに間隔が隔てられて配置される少なくとも一対の第２のホール素子と、
前記ドライブシャフトが回転する際のトルクによって周方向に歪むように構成された歪み部であって、該歪みによって、前記第１の磁石と前記第２の磁石との周方向の相対位置を変化させるように配置された歪み部と
を備えたセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサであって、
前記少なくとも一対の第１のホール素子の各々は、周方向に９０度の角度をなすように配置され、
前記少なくとも一対の第２のホール素子の各々は、周方向に９０度の角度をなすように配置された
センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のセンサであって、
前記第１のホール素子および前記第２のホール素子は、それぞれ、複数対で構成される
センサ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のセンサであって、
前記歪み部は、ラチェット駒が取り付けられるように構成されたラチェットホルダと、ラチェット歯部が形成されたラチェットギアと、を有するラチェット機構のうちの前記ラチェットホルダの少なくとも一部分である
センサ。
【請求項５】
請求項４に記載のセンサであって、
前記ラチェットホルダは、
内側に貫通穴が形成された環状の内周部と、該内周部から径方向外側に向けて突出した第１の突出部と、を有する内側部位と、
前記内周部から径方向に間隔を隔てて該内周部を取り囲む外周部であって、前記ラチェット駒が取り付けられる外周部と、該外周部から径方向内側に向けて突出した第２の突出部であって、周方向において前記第１の突出部から間隔を隔てて配置される第２の突出部と、を有する外側部位と、
前記第１の突出部と前記第２の突出部とによって周方向に挟持される弾性部材と
を備え、
前記内側部位および前記外側部位は、同軸に周方向に相対移動可能に構成された
センサ。
【請求項６】
請求項４に記載のセンサであって、
前記ラチェットホルダは、
内側に貫通穴が形成された環状の内周部と、
前記内周部から径方向に間隔を隔てて該内周部を取り囲む外周部であって、前記ラチェット駒が取り付けられる外周部と、
前記内周部と前記外周部との間を連結する複数の連結部であって、互いに間隔を隔てて設けられた複数の連結部と
を備える
センサ。
【請求項７】
請求項６に記載のセンサであって、
前記連結部は、径方向に対して交差する方向に延在する
センサ。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載のセンサであって、
前記外周部の径方向の幅は、前記連結部が延在する方向と直交する方向における該連結部の幅よりも小さい
センサ。
【請求項９】
請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載のセンサであって、
前記連結部は、弾性材料によって形成された
センサ。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のセンサであって、
ドライブシャフトの周囲に固定されるように構成された筒状部材をさらに備え、
前記第１の磁石は、前記筒状部材の一端側に配置され、前記第２の磁石は、前記筒状部材の他端側に配置された
センサ。
【請求項１１】
電動アシストユニットであって、
請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載のセンサと、
前記第２の駆動力を発生させるためのモータと、
前記センサによる検出結果に基づいて前記モータを制御するように構成された制御装置と
を備えた電動アシストユニット。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電動アシストユニットを備える電動アシスト移動体。
【請求項１３】
人力によって生じる第１の駆動力を電力によって生じる第２の駆動力で補助可能な電動アシスト移動体において、センサを使用して前記第１の駆動力のトルクを検出する方法であって、
前記電動アシスト移動体のドライブシャフトとともに回転するように配置された、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが形成されたリング状の第１の磁石の磁界を、周方向に互いに間隔が隔てられて配置される少なくとも一対の第１のホール素子によって検知する工程と、
前記ドライブシャフトとともに回転するように配置された、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが形成されたリング状の第２の磁石の磁界を、周方向に互いに間隔が隔てられて配置される少なくとも一対の第２のホール素子によって検知する工程と、
前記ドライブシャフトが回転する際のトルクによって周方向に歪む歪み部によって生じる角度差であって、前記第１のホール素子による検知結果に基づいて定まる前記ドライブシャフトの回転角度と、前記第２のホール素子による検知結果に基づいて定まる前記ドライブシャフトの回転角度と、の角度差に基づいて、前記第１の駆動力のトルクを検出する工程と
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動アシスト移動体においてトルクを検出するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ペダルの踏力によって生じる駆動力を、モータ駆動力によって生じる駆動力（アシスト力）で補助可能な電動アシスト自転車が知られている。一般的に、電動アシスト自転車では、センサによってペダル踏力（トルク）、車速およびクランク角度が検出され、制御装置が、センサの検出結果に基づいて最適なアシスト比（踏み力とアシスト力との比）を決定し、決定されたアシスト比に基づいてモータを制御する（例えば、下記の特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２５４５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１では、ペダル踏力、車速およびクランク角度は、２つのセンサによって検出される。すなわち、ペダル踏力が１つのトルクセンサによって検出され、車速およびクランク角度が他の１つのセンサによって検出される。トルクセンサは、ラチェット駒を収容するための凹部が形成されたラチェット駒部と、ドライブシャフトに固定された支持ディスクと、それらの間に配置される皿ばねと、駒部に取り付けられたリング状の永久磁石と、永久磁石の磁場を検出するためのホール素子と、を備えている。自転車のユーザがペダル踏力を与えると、回転力が駒部に伝達される。このとき、ラチェット駒は、駒部からペダル踏力に対応する第１の力を与えられ、ラチェット駒の先端部がラチェット歯に当接して、第１の力をラチェット歯に伝達しようとする。一方、ラチェット歯が形成されたラチェット歯部は、スプロケットに連結されており、ラチェット駒の先端部は、駆動のための負荷による第２の力をラチェット歯から受ける。つまり、ラチェット駒は、その両端に反対向きの力である第１の力および第２の力を受ける。その結果、ラチェット駒が回転して立ち上がる。このラチェット駒の立ち上がりによって、駒部は、軸線方向内側に移動し、皿ばねを押し込む。皿ばねは、これに対抗して、弾性力を駒部に作用させる。そして、駒部は、皿ばねの弾性力と、駒部を軸線方向に移動させるペダル踏力を反映した力と、が釣り合う地点で停止する。かかる駒部の移動に伴い、駒部に取り付けられた永久磁石も移動し、その結果、永久磁石とホール素子との距離が変化する。かかる距離の変化に伴う磁場の変化を検出することによって、ペダル踏力（トルク）が検出される。【０００５】
しかしながら、上述のトルクセンサでは、皿ばねが変位する分だけ、ユーザが踏力を与えてから自転車が動き出すまでに、時間差が生じる。このため、ユーザのペダルの踏み込みに対する自転車の応答性の向上が望まれる。また、皿ばねの分だけ、トルクセンサが軸線方向に大きくなるので、センサの小型化が望まれる。さらに、センサの小型化、コスト低減、製造工数の低減などの観点から、１つのセンサによって、ペダル踏力、車速およびクランク角度の全てを検出できることが望ましい。さらに、センサの感度は、良好であることが望まれる。これらの要望は、電動アシスト自転車に限らず、人力によって生じる駆動力を電力によって生じる駆動力で補助可能な種々の電動アシスト移動体に共通する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、例えば、以下の形態として実現することが可能である。【０００７】
本発明の第１の形態によれば、人力によって生じる第１の駆動力を電力によって生じる第２の駆動力で補助可能な電動アシスト移動体に使用するためのセンサが提供される。このセンサは、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが形成されたリング状の第１の磁石であって、電動アシスト移動体のドライブシャフトとともに回転するように配置された第１の磁石と、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが形成されたリング状の第２の磁石であって、第１の磁石と同軸に配置され、ドライブシャフトとともに回転するように配置された第２の磁石と、第１の磁石の磁界を検出するための、周方向に互いに間隔が隔てられて配置される少なくとも一対の第１のホール素子と、第２の磁石の磁界を検出するための、周方向に互いに間隔が隔てられて配置される少なくとも一対の第２のホール素子と、ドライブシャフトが回転する際のトルクによって周方向に歪むように構成された歪み部であって、歪みによって、第１の磁石と第２の磁石との周方向の相対位置を変化させるように配置された歪み部と、を備える。【０００８】
かかるセンサによれば、第１のホール素子または第２のホール素子の検出結果に基づいて、すなわち、ドライブシャフトの回転に伴って第１または第２のホール素子で検出される磁界の変化に基づいて、ドライブシャフトの回転角度を検出することができる。また、磁界の変化の周期に基づいて、ドライブシャフトの回転速度を検出することができる。さらに、歪み部の歪みによって生じる、第１のホール素子の検出結果に基づいて定まる回転角度と、第２のホール素子の検出結果に基づいて定まる回転角度と、の差分、すなわち、第１の磁石と第２の磁石との回転角度差は、ドライブシャフトのトルクと相関がある。このため、当該回転角度差に基づいて、ドライブシャフトのトルクを検出することができる。以上のように、第１の形態のセンサは、１つのセンサによって、トルクと回転角度と回転速度（電動アシスト移動体の移動速度）とを検出することができる。また、第１の形態のセンサは、軸線方向に伸縮するばねを使用しないので、ユーザが第１の駆動力を電動アシスト移動体に与える操作に対する応答性に優れるとともに、コンパクトである。なお、センサの出力は、トルク、回転角度および回転速度そのものであってもよいし、これらに対応する他の物理量（例えば、磁界検出値）であってもよい。【０００９】
本発明の第２の形態によれば、第１の形態において、少なくとも一対の第１のホール素子の各々は、周方向に９０度の角度をなすように配置され、少なくとも一対の第２のホール素子の各々は、周方向に９０度の角度をなすように配置される。かかる形態によれば、回転角度を容易に検出することができる。【００１０】
本発明の第３の形態によれば、第１または第２の形態において、第１のホール素子および第２のホール素子は、それぞれ、複数対で構成される。かかる形態によれば、複数対の検出結果に基づいて、回転のぶれが吸収された回転角度を検出することができ、その結果、センサの検出精度が高まる。【００１１】
本発明の第４の形態によれば、第１ないし第３のいずれかの形態において、歪み部は、ラチェット駒が取り付けられるように構成されたラチェットホルダと、ラチェット歯部が形成されたラチェットギアと、を有するラチェット機構のうちのラチェットホルダの少なくとも一部分である。かかる形態によれば、電動アシスト移動体の一部分であるラチェット機構のラチェットホルダを歪み部としても利用することができる。したがって、センサ専用の歪み部を設ける場合と比べて、センサを小型化することができる。【００１２】
本発明の第５の形態によれば、第４の形態において、ラチェットホルダは、内側に貫通穴が形成された環状の内周部と、内周部から径方向外側に向けて突出した第１の突出部と、を有する内側部位と、内周部から径方向に間隔を隔てて内周部を取り囲む外周部であって、ラチェット駒が取り付けられる外周部と、外周部から径方向内側に向けて突出した第２の突出部であって、周方向において第１の突出部から間隔を隔てて配置される第２の突出部と、を有する外側部位と、第１の突出部と第２の突出部とによって周方向に挟持される弾性部材と、を備える。内側部位および外側部位は、同軸に周方向に相対移動可能に構成される。かかる形態によれば、第１の突出部と第２の突出部との間で弾性部材が圧縮されることによって第１の磁石と第２の磁石との回転角度差が生じる。つまり、弾性部材以外には歪みが生じないので、耐久性に優れている。【００１３】
本発明の第６の形態によれば、第４の形態において、ラチェットホルダは、内側に貫通穴が形成された環状の内周部と、内周部から径方向に間隔を隔てて内周部を取り囲む外周部であって、ラチェット駒が取り付けられる外周部と、内周部と外周部との間を連結する複数の連結部であって、互いに間隔を隔てて設けられた複数の連結部と、を備える。かかる形態によれば、連結部によって、ラチェットホルダの周方向の剛性が低減され、当該ラチェットホルダが周方向に歪みやすくなる。その結果、トルク検出の感度が向上する。【００１４】
本発明の第７の形態によれば、第６の形態において、連結部は、径方向に対して交差する方向に延在する。かかる形態によれば、ラチェットホルダの周方向の剛性がいっそう低減される。その結果、トルク検出の感度がいっそう向上する。【００１５】
本発明の第８の形態によれば、第６または第７の形態において、外周部の径方向の幅は、連結部が延在する方向と直交する方向における連結部の幅よりも小さい。かかる形態によれば、ラチェットホルダに所定の程度以上のトルクが作用した場合、幅が相対的に小さい外周部が径方向外側に向けて膨らむので、ラチェットホルダが所定の程度以上に歪まない。したがって、ラチェットホルダに大きなトルクが作用しても、ラチェットホルダの破壊が抑制される。【００１６】
本発明の第９の形態によれば、第６ないし第８のいずれかの形態において、連結部は、弾性材料によって形成される。かかる形態によれば、ラチェットホルダが周方向にいっそう歪みやすくなり、トルク検出の感度がいっそう向上する。【００１７】
本発明の第１０の形態によれば、第１ないし第３のいずれかの形態において、センサは、ドライブシャフトの周囲に固定されるように構成された筒状部材をさらに備える。第１の磁石は、筒状部材の一端側に配置され、第２の磁石は、筒状部材の他端側に配置される。かかる形態によっても、第１ないし第３の形態の効果を好適に奏する。【００１８】
本発明の第１１の形態によれば、電動アシストユニットが提供される。この電動アシストユニットは、第１ないし第１０のいずれかの形態のセンサと、第２の駆動力を発生させるためのモータと、センサによる検出結果に基づいてモータを制御するように構成された制御装置と、を備える。本発明の第１２の形態によれば、第１１の形態の電動アシストユニットを備える電動アシスト移動体が提供される。これらの形態によれば、第１ないし第１０の形態と同様の効果を奏する。【００１９】
本発明の第１３の形態によれば、人力によって生じる第１の駆動力を電力によって生じる第２の駆動力で補助可能な電動アシスト移動体において、センサを使用して第１の駆動力のトルクを検出する方法が提供される。この方法は、電動アシスト移動体のドライブシャフトとともに回転するように配置された、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが形成されたリング状の第１の磁石の磁界を、周方向に互いに間隔が隔てられて配置される少なくとも一対の第１のホール素子によって検知する工程と、ドライブシャフトとともに回転するように配置された、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが形成されたリング状の第２の磁石の磁界を、周方向に互いに間隔が隔てられて配置される少なくとも一対の第２のホール素子によって検知する工程と、ドライブシャフトが回転する際のトルクによって周方向に歪む歪み部によって生じる角度差であって、第１のホール素子による検知結果に基づいて定まるドライブシャフトの回転角度と、第２のホール素子による検知結果に基づいて定まるドライブシャフトの回転角度と、の角度差に基づいて、第１の駆動力のトルクを検出する工程と、を備える。かかる方法によれば、第１の形態と同様に、応答性に優れたトルク検出を行える。また、センサを小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例としての電動アシスト自転車を示す概略図である。
【図２】電動アシスト自転車のモータの周辺を示す概略図である。
【図３】電動アシストユニットの構成を示す断面図である。
【図４】センサの構成を示す説明図である。
【図５】トルクによるラチェットホルダの歪みによって生じる第１の磁石と第２の磁石との回転角度差を示す説明図である。
【図６】センサの原理を示す模式図である。
【図７】第１の磁石および第２の磁石の回転角度を示す説明図である。
【図８】ラチェット機構の別の構成を示す説明図である。
【図９】センサの別の構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての電動アシスト自転車１０の概略構成を示す。電動アシスト自転車１０は、自転車本体２０と、電動アシストユニット３５と、を備えている。自転車本体２０は、車体フレーム２１とハンドル２２とサドル２３と前輪２４と後輪２５とを備えている。
【００２２】
車体フレーム２１の中央下端には、ドライブシャフト２６が回転可能に支承され、その左右両端部には、ペダルクランク２７を介してペダル２８が取り付けられている。ドライブシャフト２６には、電動アシスト自転車１０の前進方向に相当する矢印Ａ１の方向の回転力のみを伝達するためのラチェット機構４０（図１では図示省略、図３参照）を介して、スプロケット２９がドライブシャフト２６と同軸に取り付けられている。このスプロケット２９と、後輪２５の中央部に設けられた後輪動力機構３１との間には無端のチェーン３２がかけられている。
【００２３】
電動アシストユニット３５は、センサ５０（図１では図示省略、後述する図３参照）と、モータ９０とを備えている。センサ５０は、電動アシスト自転車１０に関する所定の物理量を検出するために設けられる。かかる物理量には、ペダル２８の踏力（トルク）と、電動アシスト自転車１０の車速と、ペダルクランク２７の回転角度と、が含まれる。センサ５０の詳細については後述する。
【００２４】
モータ９０は、人力、すなわち、ユーザがペダル２８を踏む踏力によって生じる駆動力を補助するための駆動力（アシスト力）を提供するために設けられる。モータ９０によって生じる駆動力は、ギア（図示省略）を介して、ペダル２８の踏力をスプロケット２９に伝達するための伝達ギアに作用する。これによって、踏力とアシスト力とが合成されて、踏力が補助される。
【００２５】
かかる電動アシスト自転車１０では、モータ９０によるアシスト力は、次のようにして決定される。まず、センサ５０によって、ペダル２８の踏力（トルク）と、電動アシスト自転車１０の車速と、ペダルクランク２７の回転角度と、が検出される。次に、その検出結果に基づいて所定のアルゴリズムが実行され、最適なアシスト比が決定される。そして、決定されたアシスト比に基づいてモータが制御される。かかるアルゴリズムとしては、種々の公知のアルゴリズムを使用できる。
【００２６】
図２は、モータ９０が電動アシスト自転車１０に取り付けられた状態を示している。本実施例では、モータ９０は、電動アシスト自転車１０に着脱可能に取り付けられる。また、モータ９０には、制御装置９１が内蔵されている。制御装置９１は、例えば、ＣＰＵとメモリとを有するマイクロコンピュータとして構成される。メモリには、上述したアルゴリズムが格納されており、ＣＰＵは、当該アルゴリズムを実行する。モータ９０を電動アシスト自転車１０に取り付けると、制御装置９１とセンサ５０とが電気的に接続される。
【００２７】
図３は、電動アシストユニット３５の構成を示す断面図である。センサ５０は、第１の磁石５１と、第２の磁石５２と、二対の第１のホール素子５３（以下、一対の第１のホール素子５３ａ，５３ｂおよび一対の第１のホール素子５３ｃ，５３ｄとも呼ぶ。図３では、第１のホール素子５３ａ，５３ｃのみ図示されている）と、二対の第２のホール素子５４（以下、一対の第２のホール素子５４ａ，５４ｂおよび一対の第２のホール素子５４ｃ，５４ｄとも呼ぶ。図３では、第２のホール素子５４ａ，５４ｃのみ図示されている）と、センサ回路５５と、を備えている。本実施例では、ラチェット機構４０の一部分は、センサ５０の構成要素としても機能する。第１のホール素子５３および第２のホール素子５４は、それぞれ一対であってもよいし、三対以上であってもよい。
【００２８】
ラチェット機構４０は、ラチェット駒４３が取り付けられるように構成されたラチェットホルダ４１と、ラチェット歯部４４が形成されたラチェットギア４２と、を備えている。ラチェット機構４０は、ドライブシャフト２６の周囲に取り付けられている。周知の通り、ラチェット機構４０は、ドライブシャフト２６が矢印Ａ１の方向に回転する際には、ラチェット駒４３がラチェットギア４２のラチェット歯部４４に係止することによって、ドライブシャフト２６の回転力をラチェットホルダ４１およびラチェット駒４３を介してラチェットギア４２に伝達し、さらに、スプロケット２９に伝達する。ドライブシャフト２６が矢印Ａ１と反対の方向に回転する際には、ラチェット駒４３は、ラチェット歯部４４に係止されないので、ドライブシャフト２６の回転力は、スプロケット２９には伝達されない。
【００２９】
第１の磁石５１は、リング状の形状を有している。この第１の磁石５１は、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが形成された２極の磁石である。本実施例では、第１の磁石５１は、ドライブシャフト２６の周囲に設けられたボス５６の周囲に固定されている。このため、第１の磁石５１は、ドライブシャフト２６の回転とともにドライブシャフト２６と同軸に回転する。第２の磁石５２は、リング状の形状を有している。この第２の磁石５２は、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが形成された２極の磁石である。この第２の磁石５２は、第１の磁石５１と同軸に配置される。本実施例では、第２の磁石５２の直径は、第１の磁石５１の直径よりも大きい。このため、第２の磁石５２は、第１の磁石５１の径方向外側に配置される。本実施例では、第２の磁石５２は、第２の磁石５２を保持する例えば金属製の磁石ホルダ（図示省略）を介してラチェットホルダ４１（より具体的には、外周部４７（図４（ａ）参照））に固定されている。固定方法には、例えば、かしめやスポット溶接を使用することができる。このため、第２の磁石５２は、ドライブシャフト２６が矢印Ａ１（図１参照）の方向に回転する際に、ドライブシャフト２６の回転とともにドライブシャフト２６と同軸に回転する。
【００３０】
二対の第１のホール素子５３は、第１の磁石５１の磁界を検出するために設けられている。一対（２つ）の第１のホール素子５３ａ，５３ｂは、周方向に互いに間隔が隔てられて配置される（後述する図６参照）。本実施例では、第１のホール素子５３ａ，５３ｂは、周方向に９０度の角度をなすように配置されている。同様に、他の一対の第１のホール素子５３ｃ，５３ｄは、周方向に９０度の角度をなすように配置されている。つまり、４つの第１のホール素子５３ａ〜５３ｄは、周方向に等間隔に配置されている。二対の第２のホール素子５４は、第２の磁石５２の磁界を検出するために設けられている。一対（２つ）の第２のホール素子５４ａ，５４ｂは、周方向に互いに間隔が隔てられて配置される（後述する図６参照）。本実施例では、第２のホール素子５４ａ，５４ｂは、周方向に９０度の角度をなすように配置されている。同様に、他の一対の第２のホール素子５４ｃ，５４ｄは、周方向に９０度の角度をなすように配置されている。つまり、４つの第２のホール素子５４ａ〜５４ｄは、周方向に等間隔に配置されている。このように、９０度の角度をなすように一対のホール素子を配置にすることによって、後述する回転角度差Δθの計算が行いやすくなる。ただし、一対の第１のホール素子５３，５４は、任意の角度で配置され得る。これらの二対の第１のホール素子５３および二対の第２のホール素子５４は、スプロケット２９の回転によって周方向の位置が変化することがないように、電動アシスト自転車１０の固定部位に取り付けられている。より具体的には、二対の第１のホール素子５３および二対の第２のホール素子５４は、センサ回路５５を保持するセンサ回路ホルダに保持されている（図４（ｂ）では、ホール素子５３，５４とセンサ回路ホルダとを一体的に簡略表示している）。また、本実施例では、第１の磁石５１および第２の磁石５２は、それらの極性の周方向の位置が完全に一致するように配置されている。ただし、これらの極性は、周方向にずれていてもよい。
【００３１】
センサ回路５５は、二対の第１のホール素子５３および二対の第２のホール素子５４からの出力に基づいて、ペダル２８の踏力（トルク）と、電動アシスト自転車１０の車速と、ペダルクランク２７の回転角度と、のそれぞれに対応する信号を制御装置９１に出力する。また、センサ回路５５は、不揮発性のメモリを備えている。このメモリには、二対の第１のホール素子５３および二対の第２のホール素子５４の検出結果から、トルク値（あるいは、トルク値に換算可能な値）を算出するための情報が格納されている（詳細は後述する）。
【００３２】
図４は、センサ５０の構成を示す説明図である。図４（ａ）は、ドライブシャフト２６の軸線方向においてラチェット機構４０をスプロケット２９側から見た図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の断面図である。図４（ｂ）は、既に説明した図３に示したセンサ５０の周辺の拡大図でもある。図４（ａ）に示すように、ラチェット機構４０のラチェットホルダ４１は、内周部４５と、外周部４７と、複数の連結部４６と、を備えている。内周部４５は、その内側に貫通穴が形成された環状の形状を有している。内周部４５の貫通穴には、ドライブシャフト２６が配置される。外周部４７は、内周部４５から径方向に間隔を隔てて内周部４５を取り囲んでいる。この外周部４７にラチェット駒４３が取り付けられている。複数の連結部４６は、互いに間隔を隔てられて設けられている。この複数の連結部４６は、内周部４５と外周部４７との間を連結する。複数の連結部４６の間には、空隙４８が形成されている。なお、複数の連結部４６の間は、空隙４８が形成される代わりに、連結部４６よりも厚みが小さい部位が形成されていてもよい。
【００３３】
かかるラチェット機構４０は、空隙４８を有しているので、空隙４８を有さない従来のラチェット機構と比べて、ラチェットホルダ４１の周方向の剛性が小さい。このため、内周部４５の貫通穴に配置されたドライブシャフト２６が回転した際に、ラチェットホルダ４１（より具体的には、連結部４６および外周部４７）が周方向に歪みやすい。つまり、ドライブシャフト２６の回転角度に対して、この歪みの分だけ回転角度差が生じた状態で、外周部４７が回転することになる。上述したとおり、第２の磁石５２は、外周部４７に固定されているので、この歪みの影響を受けないボス５６に固定されている第１の磁石５１と、歪みの影響を受ける第２の磁石５２と、の間には、回転角度差が生じる。このように、連結部４６および外周部４７は、ドライブシャフトが回転する際のトルクによって周方向に歪むように構成されており、当該歪みによって、第１の磁石５１と第２の磁石５２との周方向の相対位置を変化させる歪み部として機能する。ラチェットホルダ４１の一部分をセンサの構成要素（歪み部）としても利用することによって、センサ専用の歪み部を設ける場合と比べて、センサ５０、ひいては、電動アシスト自転車１０が小型化および軽量化される。なお、上述の通り、第２の磁石５２が外周部４７に固定されることによって、連結部４６の歪みを、第１の磁石５１と第２の磁石５２との回転角度差に正確に反映することができる。ただし、第２の磁石５２は、ラチェットギア４２に固定されてもよい。かかる構成によっても、連結部４６の歪みを、第１の磁石５１と第２の磁石５２との回転角度差にある程度反映することができる。あるいは、ドライブシャフト２６の回転力が、外周部４７が完全に歪んだ後にラチェットギア４２に伝達される場合には、連結部４６の歪みを、第１の磁石５１と第２の磁石５２との回転角度差に正確に反映することができる。
【００３４】
図５は、上述したラチェットホルダ４１の歪みによって生じる第１の磁石５１と第２の磁石５２との回転角度差を示している。図５において、第１の磁石５１および第２の磁石５２のハッチング部分はＮ極を表しており、ハッチングのない部分はＳ極を表している。また、図５（ａ）は、無負荷時のラチェット機構４０を示しており、図５（ｂ）は、矢印Ａ１の方向（図１参照）に負荷がかけられた時のラチェット機構４０を示している。図示するように、負荷時には、ラチェットホルダ４１の歪みによって、無負荷時と比べて、第１の磁石５１と第２の磁石５２との間に回転角度差Δθが生じている（図５（ｂ）では、図示を簡略化するために、ラチェットホルダ４１を歪んでいない状態で示している）。センサ５０は、かかる回転角度差Δθを、第１のホール素子５３および第２のホール素子５４を用いて検出し、その結果に基づいて、トルクの検出を行う。
【００３５】
本実施例においては、図４および図５に示すように、連結部４６は、径方向に対して交差する方向に延在する。交差する方向は、一定の方向であってもよいし、位置に応じて変化してもよい。例えば、連結部４６は、湾曲した形状を有していてもよい。かかる構成によれば、連結部４６が径方向に延在する構成と比べて、ラチェットホルダ４１の周方向の剛性がいっそう低減される。その結果、トルク検出の感度がいっそう向上する。本実施例では、連結部４６は、その内側端部の周方向の位置が、外側端部の周方向の位置よりも、矢印Ａ１の方向（すなわち、ドライブシャフト２６の回転力がラチェットギア４２に伝達される場合の回転方向）に関して進んだ位置にある（周方向において、外側端部から内側端部に向かう方向が、矢印Ａ１の方向と一致する）。かかる構成によれば、連結部４６がいっそう歪みやすくなり、トルク検出の感度がいっそう向上する。さらに、連結部４６は、弾性材料（例えば、ばね鋼）によって形成されてもよい。この場合、ラチェットホルダ４１が周方向にいっそう歪みやすくなる。
【００３６】
さらに、本実施例においては、図４および図５に示すように、外周部４７の径方向の幅は、連結部４６が延在する方向と直交する方向における連結部４６の幅よりも小さい。かかる構成によれば、ラチェットホルダ４１に所定の程度以上のトルクが作用した場合、幅が相対的に小さい外周部４７が径方向外側に向けて膨らむ。このため、ラチェットホルダ４１が所定の程度以上に周方向に歪まない。その結果、ラチェットホルダ４１に大きなトルクが作用した場合でも、ラチェットホルダ４１の破壊が抑制される。
【００３７】
図６は、センサ５０の検出原理を示す模式図である。図６（ａ）は、一対の第１のホール素子５３ａ，５４ｂを用いて、２極の第１の磁石５１の回転角度を検出する様子を示している。図６（ｂ）は、一対の第２のホール素子５４ａ，５４ｂを用いて、２極の第２の磁石５２の回転角度を検出する様子を示している。ドライブシャフト２６の回転に伴って、第１の磁石５１および第２の磁石５２が回転すると、第１の磁石５１および第２の磁石５２の回転角度に応じて、第１のホール素子５３ａ，５４ｂおよびホール素子５４ａ，５４ｂで検出される磁界の強さが変化するので、この変化に基づいて、第１の磁石５１および第２の磁石５２のそれぞれの回転角度（実際の回転角度）を検出することができる。この検出された２つの回転角度の差を上述した回転角度差Δθとして取得することができる。
【００３８】
図７は、第１の磁石５１および第２の磁石５２の回転角度を示している。波形Ｗ１は、第２の磁石５２の回転角度を表し、波形Ｗ２は、第１の磁石５１の回転角度を表している。この２つの波形から回転角度差Δθを求めることができる。かかる計算は、センサ回路５５によって実行される。
【００３９】
本実施例においては、第１のホール素子５３および第２のホール素子５４は、それぞれ、二対用意されているから、一対ごとに上述した波形が得られることになる。本実施例では、これらの二対の波形を平均することによって、回転角度差Δθを算出する。かかる構成によれば、回転のぶれが吸収された回転角度を検出することができる。その結果、センサ５０の検出精度が高まる。
【００４０】
こうして得られる回転角度差Δθとトルクとの対応関係を事前に測定して、その測定結果をセンサ回路５５のメモリに記憶しておけば、センサ回路５５は、当該対応関係を参照して、回転角度差Δθに基づいてトルク値を算出することができる。また、センサ回路５５は、第１のホール素子５３および第２のホール素子５４のいずれかの検出結果に基づいて、ドライブシャフト２６の回転角度（図７（ｂ）において波形Ｗ１または波形Ｗ２として表されている）を検出することができる。さらに、センサ回路５５は、この回転角度の周期に基づいて、ドライブシャフト２６の回転速度を検出することができる。このように、センサ５０は、トルクと回転角度と回転速度とを検出することができる。つまり、１つのセンサでこれらの３つの値を検出することができる。また、従来のトルクセンサのように、軸線方向に伸縮するばねを使用しないので、踏力に対する応答性に優れるとともに、コンパクトである。センサ回路５５は、トルク、回転角度および回転速度そのものを制御装置９１に出力してもよいし、これらに対応する他の物理量（例えば、磁界検出値、または、中間的な計算値）を制御装置９１に出力し、制御装置９１においてトルク、回転角度および回転速度が求められてもよい。
【００４１】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について、以下に説明する。第２実施例は、電動アシスト自転車１０が上述したラチェット機構４０に代えて、ラチェット機構１４０を備えている点のみが第１実施例と異なっており、その他の点については第１実施例と同じである。図８は、本発明の第２実施例としてのラチェット機構１４０の構成を示している。図８において、第１実施例（図４）と同一の構成要素については、図４と同一の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
ラチェット機構１４０は、第１実施例のラチェットホルダ４１に代えて、ラチェットホルダ１４１を備えている。ラチェットホルダ１４１は、内周部位１４４と外周部位１４７とを備えている。内周部位１４４は、内周部１４２と第１の突出部１４３とを備えている。内周部１４２は、その内側に貫通穴が形成された環状の形状を有している。内周部１４２の貫通穴には、ドライブシャフト２６が配置される。第１の突出部１４３は、内周部１４２から径方向外側に向けて突出している。本実施例では、３つの第１の突出部１４３が周方向に等間隔に配置されている。第１の突出部１４３には、第１の突出部１４３を軸線方向に貫通する貫通穴１４８が形成されている。
【００４３】
外周部位１４７は、外周部１４５と第２の突出部１４６とを備えている。外周部１４５は、内周部１４２から径方向に間隔を隔てて内周部１４２を取り囲んでいる。この内周部１４２には、ラチェット駒４３が取り付けられる。第２の突出部１４６は、外周部１４５から径方向内側に向けて突出している。第２の突出部１４６は、第１の突出部１４３と同じ数設けられており、本実施例では、３つの第２の突出部１４６が周方向に等間隔に配置されている。第２の突出部１４６は、第１の突出部１４３と周方向に間隔を隔てて配置される。このため、内周部位１４４と外周部位１４７とは、同軸に周方向に相対移動することができる。
【００４４】
内周部位１４４と外周部位１４７とは、外周部位１４７と一体的に形成されたストッパが貫通穴１４８に挿入されることによって、内周部位１４４と外周部位１４７との周方向の相対移動の範囲が制限されている。第１の突出部１４３と第２の突出部１４６との間には、弾性部材１６０が配置されている。弾性部材１６０は、第１の突出部１４３と第２の突出部１４６とによって、それらの間に挟持されている。
【００４５】
かかるラチェット機構１４０では、図８（ａ）に示す無負荷状態に対して踏力による負荷がかけられると、図８（ｂ）に示すように、内周部位１４４と外周部位１４７とが周方向に相対移動し、第１の突出部１４３と第２の突出部１４６との間で弾性部材１６０が圧縮される。これによって、第１の磁石５１と第２の磁石５２との回転角度差Δθが生じる。かかるラチェット機構１４０は、弾性部材１６０以外には歪みが生じないので、耐久性に優れている。
【００４６】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について、以下に説明する。第３実施例は、センサ２５０が、回転角度差Δθを生じさせる歪み部として、ラチェット機構４０に代えて、筒状部材２７０を備えている点のみが第１実施例と異なっており、その他の点については第１実施例と同じである。ラチェット機構は、任意の構成とすることができる。図９は、センサ２５０の概略構成を示している。図９において、第１実施例と同一の構成要素については、第１実施例の各図と同一の符号を付して説明を省略する。
【００４７】
センサ２５０は、円筒状の筒状部材２７０を備えている。この筒状部材２７０は、ドライブシャフト２６の周囲に取り付けられている。筒状部材２７０は、ドライブシャフト２６にトルクが生じた場合に、周方向に歪むことができる弾性部材によって形成されている。筒状部材２７０の一端には、第１の磁石５１が取り付けられており、その近傍に、第１のホール素子５３ａ，５３ｂが配置されている。筒状部材２７０の他端には、第２の磁石５２が取り付けられており、その近傍に、第２のホール素子５４ａ，５４ｂが配置されている。第１の磁石５１は、筒状部材２７０の歪みの影響を受けないように、電動アシスト自転車１０の固定部位に固定されている。かかる構成によっても、第１の磁石５１と第２の磁石５２との回転角度差Δθを好適に生じさせることができる。
【００４８】
以上説明した電動アシスト自転車１０の構成は、人力によって生じる駆動力を電力によって生じる駆動力で補助可能な種々の電動アシスト移動体に適用することができる。こうした移動体としては、例えば、車椅子、三輪車、荷物用の台車などであってもよい。
【００４９】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明には、その等価物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。例えば、ラチェット機構４０，１４０の構成は、センサ５０の他の構成と切り離して、単独で使用することができる。ラチェット機構４０，１４０の構成は、歪みを利用してトルクを検出する種々のセンサに利用可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…電動アシスト自転車
２０…自転車本体
２１…車体フレーム
２２…ハンドル
２３…サドル
２４…前輪
２５…後輪
２６…ドライブシャフト
２７…ペダルクランク
２８…ペダル
２９…スプロケット
３１…後輪動力機構
３２…チェーン
３５…電動アシストユニット
４０…ラチェット機構
４１…ラチェットホルダ
４２…ラチェットギア
４３…ラチェット駒
４４…ラチェット歯部
４５…内周部
４６…連結部
４７…外周部
４８…空隙
５０…センサ
５１…第１の磁石
５２…第２の磁石
５３，５３ａ〜５３ｄ…第１のホール素子
５４，５４ａ〜５４ｄ…第２のホール素子
５５…センサ回路
５６…ボス
９０…モータ
９１…制御装置
１４０…ラチェット機構
１４１…ラチェットホルダ
１４２…内周部
１４３…第１の突出部
１４４…内周部位
１４５…外周部
１４６…第２の突出部
１４７…外周部位
１４８…貫通穴
１６０…弾性部材
２５０…センサ
２７０…筒状部材
【図１】
2015194055.tif 000003
【図２】
2015194055.tif 000004
【図３】
2015194055.tif 000005
【図４】
2015194055.tif 000006
【図５】
2015194055.tif 000007
【図６】
2015194055.tif 000008
【図７】
2015194055.tif 000009
【図８】
2015194055.tif 000010
【図９】
2015194055.tif 000011
【国際調査報告】
2015194055.tif 000012
2015194055.tif 000013