(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自転車のクランク軸に作用する駆動トルクを検出するトルク検出装置において、
前記クランク軸を回転可能に支持する軸受部と、
圧力センサと、
前記軸受部の一端を、車体フレームの支持部内に固定する第１固定部材と、
前記軸受部の他端に取り付けられ、前記クランク軸に作用する駆動トルクによる軸受部の他端の偏位に伴い偏位し、前記圧力センサを保持するための前記軸受部よりも小径に形成された保持部を有する偏位部材と、
前記センサと当接する当接部を備え、前記車体フレームの支持部内に固定されて、前記軸受部及び前記偏位部材の軸方向の移動を規制する第２固定部材とを備えることを特徴とするトルク検出装置。
【請求項２】
前記偏位部材の径方向の側壁が、前記第２固定部材の側壁に対してベアリングを介して接していることを特徴とする請求項１のトルク検出装置。
【請求項３】
前記偏位部材の保持部の上面及び下面が、前記第２固定部材に対してベアリングを介して接していることを特徴とする請求項１又は請求項２のトルク検出装置。
【請求項４】
前記圧力センサは、頂部に配設された球面形状の接点部材を介して、前記第２固定部材の当接部と接していることを特徴とする請求項１又は２のトルク検出装置。
【請求項５】
前記圧力センサを、前記第２固定部材の当接部へ押圧するための付勢部材を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載のトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トルク検出装置に係り、特に車輪を有し走行し得る自転車、及び、トレーニング用のエアロバイク等の走行し得ない自転車の駆動トルクの検出に好適なトルク検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、健康の維持やダイエットなどのために自転車の利用が増えているが、その運動にあたって、自分が消費したエネルギを知ることはきわめて有益である。そのために、自転車を走行するに必要な駆動トルクをトルク検出装置によって検出し、このトルク検出装置の出力に基づいて消費エネルギ（運動量）を演算できるようにしたものが、例えば、特開平２−１９７３５号公報あるいは特開平８−３３８７７４号公報等によって提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のトルク検出装置は、構造が複雑で高価であり、一般の自転車等への搭載が難しい問題があった。即ち、従来のトルク検出装置は、いずれも歪ゲージ方式や磁歪式等、高精度で高価なものであり、例えば、自転車競技者の訓練用など、高精度な測定データが必要なものには適するかも知れないが、一般の自転車への搭載はコスト的に難しく、そのために安価なトルク検出装置の出現が望まれている。
【０００４】
係る課題に対応するため、本出願人は、特開平１１−２５８０７８号にて、クランク軸を支持するベアリングの外周と、自転車のフレームの軸受の内周との間に、センサを配設したスリーブを設ける技術を提案した。この技術では、トルク検出装置を廉価に構成できるものの、ベアリングの外周にスリーブを配設するため、フレームの軸受の形状を変更しないと自転車に搭載することができなかった。
【０００５】
更に、自転車の駆動力によって生じる駆動トルクは、最大１０ｋＮ以上発生し、クランク軸には常にモーメントが加わっており、これらの力により車体フレーム等が変形してセンサ素子に正確に駆動トルクが伝わらない。このため、上記特開平１１−２５８０７８号の構成では、測定を正確に行うことが困難であった。
【０００６】
本発明は、既存の自転車に取り付けてトルクを検出することができるトルク検出装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、請求項１の発明は、自転車のクランク軸に作用する駆動トルクを検出するトルク検出装置において、
前記クランク軸１３を回転可能に支持する軸受部３０と、
圧力センサ４０と、
前記軸受部３０の一端を、車体フレーム１２の支持部２１内に固定する第１固定部材３７と、
前記軸受部３０の他端に取り付けられ、前記クランク軸１３に作用する駆動トルクによる軸受部３０の他端の偏位に伴い偏位し、前記圧力センサ４０を保持するための前記軸受部３０よりも小径に形成された保持部３８ｃを有する偏位部材３８と、
前記センサ４０と当接する当接部３６ｃを備え、前記車体フレーム１２の支持部２１内に固定されて、前記軸受部３０及び前記偏位部材３８の軸方向の移動を規制する第２固定部材３６とを備えることを技術的特徴とする。
【０００８】
請求項１では、第１固定部材３７により、軸受部３０の一端を車体フレーム１２の支持部２１内に固定し、軸受部３０の他端に偏位部材３８を取り付ける。軸受部３０及び偏位部材３８は、軸方向の移動が第２固定部材３６により規制される。軸受部３０の他端は、クランク軸１３に作用する駆動トルクにより偏位し、偏位部材３８はこれに伴い偏位する。偏位部材３８に取り付けられた圧力センサ４０が、偏位により第２固定部材３６の当接部３６ｃと当接し、偏位量に対応するクランク軸１３に作用した駆動トルクを検出する。
ここで、圧力センサ４０は、軸受部３０よりも小径に形成された偏位部材３８の保持部３８ｃに取り付けられる。即ち、軸受部３０の外周に圧力センサ４０を配設しないので、トルク検出装置が、軸受部３０と同じ径に収まり、既存の自転車に用いられている車体フレーム１２の支持部２１内に収容することが可能になる。
更に、車体フレーム１２の変形による影響を受け難いため、正確にトルクを検出することができる。
【０００９】
請求項２では、偏位部材３８の径方向の側壁３８ｂが、第２固定部材３６の側壁３６ｄに対してベアリング４８を介して接している。このため、偏位部材３８の側壁３８ｂと第２固定部材３６の側壁３６ｄとの間の摩擦による影響を受けず、正確にトルクを検出することができる。
【００１０】
請求項３では、偏位部材３８の保持部３８ｃの上面３６ｄ及び下面３６ｅが、第２固定部材３６に対してベアリング４８を介して接している。このため、ペダルを漕いだ際の踏力による摩擦の影響を受けず、正確にトルクを検出することができる。
【００１１】
請求４では、圧力センサ４０は、頂部に配設された球面形状の接点部材４２を介して、第２固定部材３６の当接部３６ｃと接している。このため、駆動トルクのセンサへの伝達が点接触となり、弾性変形による負荷点の移動の影響が少なくなる。
【００１２】
請求項５では、圧力センサ４０を、第２固定部材３６の当接部３６ｃへ押圧するための付勢部材４４を設けてある。即ち、圧力センサ４０に予圧を加え、駆動トルクの伝達点を固定してあるため、正確に測定することができる。更に、ペダルを漕いだ際に、圧力センサ４０が第２固定部材３６の当接部３６ｃから離れることがなく、当接を繰り返すことによる異音を防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る自転車について図を参照して説明する。図１において、１０は自転車の前輪、１１は後輪、１２は車体フレーム、１３はクランク軸（駆動軸）、１４はクランクアーム、１５はクランク軸１３によって駆動される駆動スプロケット、１６は後車軸、１７は後車軸１６上に設けられた従動スプロケット、１８は駆動スプロケット１５と従動スプロケット１７にかけ渡したチェーン、１９はハンドル部に設置された表示器である。
【００１４】
前記車体フレーム１２には、図２に詳細図示するように、前記クランク軸１３を挿通する中空円筒状の支持部２１が設けられ、この支持部２１の支持穴２１Ａにクランク軸１３を支持する軸受３０が収容されている。軸受３０のアウターケーシング３０ａ内には、ベアリング３２、３４を介してクランク軸１３が回転可能に支持されている。
【００１５】
軸受３０の駆動スプロケット１５の反対側の端部（左端部）は、支持部２１の支持穴２１Ａに左アダプタ３７を介して固定されている。即ち、支持穴２１Ａの左側内周にはネジ２１ａが形成されており、該ネジ２１ａに、左アダプタ３７のネジ３７ａが螺合している。該左アダプタ３７の中央の開口には、左蓋４６Ａが嵌められている。
【００１６】
一方、軸受３０の駆動スプロケット１５側の端部（右端部）にはハウジング３８が取り付けられている。該ハウジング３８には、軸受３０の端部を嵌入するための凹部３８ａと、側壁３８ｂと、軸受３０よりも小径に形成された保持部３８ｃとが形成されている。該保持部３８ｃには、センサチップ４０が取り付けられる。
【００１７】
該ハウジング３８の保持部３８ｃの外周側には、中央に通孔３６ｂを有する右アダプタ３６が配設されている。該右アダプタ３６の内周には、上述したセンサチップ４０の頂部に取り付けられた接点部材４２が当接する当接部３６ｃが形成されている。該当接部３６ｃのクランク軸１３を挟んだ反対側の端部には、圧縮バネ４４が配設され、センサチップ４０を、該右アダプタ３６の内周に押し当てることで予圧を加えている。上述した軸受３０及びハウジング３８は、右アダプタ３６により、軸方向の移動が規制される。支持穴２１Ａの右側内周にはネジ２１ａが形成されており、該ネジ２１ａに、右アダプタ３６のネジ３６ａが螺合している。該右アダプタ３６の中央の開口には、右蓋４６Ｂが嵌められている。
【００１８】
この軸受３０、左アダプタ３７、ハウジング３８、右アダプタ３６の取り付けについて図３を参照して説明する。
先ず、支持部２１の支持穴２１Ａ内に軸受３０を挿入する（図３（Ａ））。次に、支持穴２１Ａの左側内周のネジ２１ａに、左アダプタ３７のネジ３７ａを螺合させることで、軸受３０の右端部を固定する（図３（Ｂ））。ここで、左アダプタ３７と軸受３０との間に図示しないカラーを介挿させることが好適である。そして、支持穴２１Ａの右側から、先ず、ハウジング３８を挿入し、支持穴２１Ａの右側内周のネジ２１ａに、右アダプタ３６のネジ３６ａを螺合させ、右アダプタ３６を固定する（図３（Ｃ））。
【００１９】
本実施形態では、左アダプタ３７により、軸受３０の左端を車体フレーム１２の支持孔２１Ａ内に固定し、軸受３０の右端にハウジング３８を取り付ける。軸受３０及びハウジング３８は、軸方向の移動が右アダプタ３６により規制される。軸受３０の右端は、クランク軸１３に作用する駆動トルクにより偏位し（弾性変形）、ハウジング３８はこれに伴い偏位する。ハウジング３８に取り付けられたセンサチップ４０が、偏位により右アダプタ３６の当接部３６ｃと当接し、偏位量に対応するクランク軸１３に作用した駆動トルクを検出する。
【００２０】
ここで、センサチップ４０は、軸受３０よりも小径に形成されたハウジング３８の保持部３８ｃに取り付けられる。即ち、軸受３０の外周にセンサチップを配設しないので、トルク検出装置が、軸受３０と同じ径に収まり、既存の自転車に用いられている車体フレームの支持孔２１Ａ内に収容することが可能になる。
【００２１】
ここで、図４を参照してセンサチップ４０による駆動トルク検出の原理を説明する。クランクアーム１４のペダルを踏力Ｋで踏んで駆動スプロケット１５を回転させると、チェーン１８でのチェーンテンションＴにより、軸受３０に反力Ｓが発生する。この反力により軸受３０の右端（図２参照）が撓み、軸受３０の撓みによりハウジング３８が偏位してセンサチップ４０を右アダプタ３６側へ押し当て、センサチップ４０に機械的な歪みを生起させ、この歪みに応じてセンサチップ４０の電気抵抗が変化する。なお、本実施形態では、センサチップ４０をクランク軸の中心から水平に位置させているが、特開平１１−２５８０７８号のように角度θ分ずらして配置することもできる。
【００２２】
本実施形態のトルク検出装置は、ハウジング３８と右アダプタ３６との間での摩擦を低減するようにベアリングが配設されている。この構成について、図４及び図５を参照して説明する。
図５（Ａ）は図２のＢ−Ｂ断面図であり、図４に示すハウジング３８が９０度回転して示されている。図５（Ｄ）は図（Ａ）のＤ−Ｄ断面図である。図４に示すようにハウジング３８の保持部３８ｃの上端面３８ｄ及び下端面３８ｅと、右アダプタ３６の通孔３６ｂとの間には、リテーナ４７に保持されたローラベアリング４８が介在されている。即ち、上述したようにクランクアーム１４のペダルを踏力Ｋで踏むと、ハウジング３８を右アダプタ３６に対して下方向に押し付ける力が発生するが、ローラベアリング４８を介在させることで、センサチップ４０による反力検出に影響がないようにしてある。ここでは、ローラベアリング４８を用いているが、図５（Ｅ）に示すように、リテーナ４７を介してボールベアリング４９を介在させることも可能である。
【００２３】
図５（Ｃ）は、図２中のＣ−Ｃ断面図である。図５（Ｃ）及び図２に示すように、ハウジング３８の右側面３８ｂの側方には、リテーナ４７を介してボールベアリング４８が配設されている。即ち、右アダプタ３６の左端面３６ｄは、ボールベアリング４８を介して上述したハウジング３８の側壁３８ｂと接するようになっている。図３（Ｃ）を参照して上述したように、自転車へのトルク検出装置組み付けの際に、ハウジング３８を右アダプタ３６で押し付ける。このため、ボールベアリング４８を介在させることで、右アダプタ３６の左端面３６ｄとハウジング３８の側壁３８ｂとの接触抵抗により、センサチップ４０による反力検出に影響を受けないようにしてある。
【００２４】
図２を参照して上述したように、センサチップ４０の当接する当接部３６ｃのクランク軸１３を挟んだ反対側の端部には、圧縮バネ４４が配設され、センサチップ４０を、該右アダプタ３６の内周に押し当てることで予圧を加えている。即ち、センサチップ４０に１００Ｎ以下の予圧を加え、駆動トルクの伝達点を固定してあるため、正確に測定することができる。更に、ペダルを漕いだ際に、センサチップ４０が当接部３６ｃから離れることがなく、当離を繰り返すことによる異音を防止することができる。
【００２５】
ここで、予圧を加えた状態で、図６（Ｂ）に示すようにセンサチップ４０が偏位すると、予圧を加えた時に生じた接点部材４２、右アダプタ３６の当接点が初期変位が変わり、センサチップ４０で検出する力は、（テンション反力−予圧変化）となる。また、テンション負荷が解放されたとき、２部品間の予圧の大きさが、弾性変形した部品が元に戻ろうとする時の摩擦力となり、初期位置に復帰しなくなり、無負荷時の出力が変化する。このため、予圧は位置変化に影響しない１００Ｎ以下に抑える必要がある。
【００２６】
なお、圧縮バネ４４の代わりに、図５（Ｂ）に示すように、ゴム１４４等の弾性部材を介在させて予圧を発生させることもできる。
【００２７】
更に、本実施形態では、図６（Ａ）に示すように、センサチップ４０の頂部に半球形状の接点部材４２が取り付けられ、当接部３６ｃへ当接している。即ち、駆動トルクのセンサチップ４０への伝達が点接触となり、弾性変形による負荷点の移動の影響が少なくなる。これに対して、図６（Ｂ）に示すように、半球形状の接点部材４２をセンサチップ４０に配設しないと、片当たりすると共に、センサチップ４０の端部の欠損理由となる。
【００２８】
このセンサチップ４０は後に詳述するように、機械的な歪みに応じて電気抵抗が変化する特性を有する機能性セラミックにて構成されている。そして、センサチップ４０は、荷重検出回路５０に接続され、この荷重検出回路５０によりセンサチップ４０に加えられた荷重をその抵抗変化に基づいて検出するようになっている。センサチップ４０としては、例えば、特願平８−２０５３２０号に記載された機能性セラミックが好適である。当該機能性セラミックは、圧力を加えると、電極間（感圧部）の抵抗値が減少する特性を有し、これを電圧として検出し、圧力を求める。
【００２９】
ここで、センサチップ４０を用いる荷重検出回路５０の構成について図７を参照して説明する。
センサチップ４０は、一対の検出部（Ｒ＋ΔＲ）と、検出部の一方に接続されたダミー抵抗Ｒとからなる。ここで、ΔＲは、反力Ｓによる抵抗変化を示している。一方、荷重検出回路５０には、一対の固定抵抗ｒ、ｒが備えられており、上記センサーチップ４０の検出部とブリッジを構成している。ここで、定電圧Ｖが印加されると、ブリッジ出力ｅとして、次式で表される電位が発生する。
【数１】
ｅ＝｛〔Ｒ／（Ｒ＋ｒ）〕−（Ｒ＋ΔＲ）／〔（Ｒ＋ΔＲ）＋ｒ〕｝×Ｖ
この出力電位ｅから、反力Ｓを求めることができる。
【００３０】
図８は荷重検出回路５０にて検出された荷重から駆動トルクを演算するとともに、この駆動トルクから消費エネルギを演算して表示するためのブロック図である。ＣＰＵ５２には荷重検出回路５０で検出された荷重に対応したアナログ信号が、Ａ／Ｄ変換回路５４でデジタル信号に変換されて加えられる。ＲＯＭ５６には検出された荷重に基づいて、駆動トルクならびに消費エネルギを演算するためのプログラムが格納されており、またＲＡＭ５８には演算時に使用される作業領域が確保されている。そして、ＲＯＭ５６およびＲＡＭ５８とＣＰＵ５２との間で必要な信号が授受され、駆動トルクならびに消費エネルギが演算される。そして、演算された消費エネルギは表示装置１９に表示される。
【００３１】
前記ＲＯＭ５６のプログラムは、メインプログラムとタイマ割り込みルーチンとにより構成されている。タイマ割り込みルーチンは、一定時間周期ごと（例えば、１０ｍｓｅｃごと）に割り込み起動して荷重検出回路５０にて検出された荷重信号（抵抗もしくは電圧）をサンプリングする。一方、メインプログラムは、タイマ割り込みルーチンによってサンプリングされた荷重信号を単位時間毎に積分して駆動トルクを演算し、さらにこの駆動トルクより消費エネルギ換算式を用いて消費エネルギを演算し、表示装置１９に表示する。なお、表示器１９には消費エネルギの他、時間積分によって求められた駆動トルクを併せて表示させることもできる。
【００３２】
次に上述のように構成した本発明装置の作用を説明する。図４に示すようにクランクアーム１４のペダルを踏力Ｋで踏んで駆動スプロケット１５を回転させると、チェーン１８でのチェーンテンションＴにより、軸受３０に反力Ｓが発生する。この反力により軸受３０の右端が撓み、この撓みに応じてセンサチップ４０に機械的な歪みが生起され、この歪みに応じてセンサチップ４０の電気抵抗が変化する。
【００３３】
すなわち、自転車に駆動トルクが作用していない状態においては、センサチップ４０には上述した予圧しか作用しておらず、センサチップ４０の電気抵抗値は大きくなっているが、自転車の走行に伴って駆動トルク（駆動反力）が作用すると、その駆動トルクの増大に応じてセンサチップ４０に作用する荷重が大きくなり、センサチップ４０の電気抵抗値は荷重の増大に反比例して減少する。従って、センサチップ４０の電気抵抗の変化に基づいて自転車に作用する駆動トルクを計測できるようになる。
【００３４】
タイマ割り込みルーチンは、一定時間周期ごとに割り込み起動して荷重検出回路５０にて検出された荷重信号をサンプリングし、メインプログラムでは、タイマ割り込みルーチンによってサンプリングされた荷重信号を時間積分して駆動トルクを求め、さらにこの駆動トルクに基づいて消費エネルギを演算し、表示装置１９に表示する。
【００３５】
本実施形態では、検出のために歪ゲージを取付ける可撓部を実質的に設ける必要がなく、また温度変化による影響も受けにくいので、装置を堅牢に構成することができる。従って雨水や炎天下等の過酷な条件下で使用される自転車等への適用に際しても、長期にわたって安定したトルク検出を行い得るようになる。このようなトルク検出装置の実現により、自転車の駆動に要した消費エネルギを求めることが容易に実現できるようになり、健康の維持管理あるいはダイエット用に寄与できるものである。
【００３６】
なお、上述した構成では、右アダプタ３６とハウジング３８との摩擦を軽減するため、ベアリングを用いたが、この代わりに、エアー或いは液体を封止した部品を自転車のフレーム内に組み込むことも可能である。
【００３７】
なお、上記したトルク検出装置は、上記した消費エネルギ表示用の他、クランクペダルの操作力を電動でアシストする電動アシスト自転車のトルク検出用、又は、屋内でのトレーニング用のエアロバイク等の走行し得ない自転車のトルク検出にも用いることもできる。上記した実施の形態においては、トルク検出装置を、自転車のトルク検出用に適用した例について述べたが、上記のトルク検出装置は自転車の他に、工作機械等へも適用可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、センサチップは、軸受よりも小径に形成されたハウジングの保持部に取り付けられる。即ち、軸受の外周にセンサチップを配設しないので、トルク検出装置が、軸受と同じ径に収まり、既存の自転車に用いられている車体フレームの支持孔内に収容することが可能になる。更に、機械的な歪みに応じて電気抵抗が変化する特性を有するセンサチップによって駆動トルクを検出するようにした構成であるので、きわめて簡素な構成でかつ低コストでありながら、堅牢であり、長期にわたって安定したトルク検出を行い得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る自転車を示す外観図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は、トルク検出装置の自転車への組み付けの説明図である。
【図４】センサチップに加わる力を示す説明図である。
【図５】図５（Ａ）は図２のＢ−Ｂ断面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の変形例を示す断面図であり、図５（Ｃ）は図２のＣ−Ｃ断面図であり、図５（Ｄ）は図５（Ａ）のＤ−Ｄ断面図であり、図５（Ｅ）は図５（Ｄ）の変形例を示す断面図である。
【図６】図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、センサチップに加わる力を示す説明図である。
【図７】センサチップの回路構成を示す回路図である。
【図８】消費エネルギーを演算するための構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０  前輪
１１  後輪
１２  車体フレーム
１３  クランク軸（駆動軸）
１４  クランクアーム
１５  駆動スプロケット
１６  後車軸
１７  従動スプロケット
１８  チェーン
１９  表示器
２１  支持部
２１Ａ  支持孔
２１ａ、２１ｂ  ネジ
３０  軸受
３０ａ  アウターケーシング
３２、３４  ベアリング
３６  左アダプタ
３６ａ  ネジ
３６ｂ  通孔
３６ｃ  当接部
３６ｄ  左端面
３６ｅ  下端面
３６ｄ  上端面
３７  右アダプタ
３７ａ  ネジ
３８  ハウジング
３８ａ  凹部
３８ｂ  側壁
３８ｃ  保持部
４０  センサチップ
４２  接点部材
４４  バネ
４６Ａ  左蓋
４６Ｂ  右蓋
４８  ベアリング
５０  荷重検出回路
５２  ＣＰＵ
５４  Ａ／Ｄ変換回路
５６  ＲＯＭ
５８  ＲＡＭ
【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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