(57)【要約】トルク検出装置にも兼用することができる一方向クラッチを提供することを目的とする。被駆動手段に取り付けられた歯部（１１２）と、ドライブ軸（４）に摺動可能で且つ回転不可能に取り付けられた駒部（１００）を備える。歯部は、複数の歯（１１４）が形成された第１の係合面（１２１）を有し、駒部は、複数の駒（１０２）が形成された第２の係合面（１１０）を有し、第１及び第２の係合面は、軸方向と略垂直に対面するように配置される。駒部の裏面には、皿バネ（１２４）が配置される。駒部が車体前進方向に回転されたとき、駒は、歯を係止するように歯のより急な斜面に係合すると共に、第２の係合面に対する角度を増加させ、皿バネに抗して歯部との間隔を増加させるように摺動する。逆方向に回転されたとき、駒は、歯のより緩やかな斜面に当接すると共に、第２の係合面に対する角度を減少させ、皿バネの弾性力により歯部との間隔を減少させる。
2004511736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向の回転のみを軸方向に沿って伝達可能な一方向クラッチであって、
前記一方向の回転によりクラッチ内部に発生した応力の少なくとも一部分が前記軸方向の応力に変換され、該軸方向の応力は弾性力により対抗されることを特徴とする、一方向クラッチ。
【請求項２】
前記軸方向に沿って直列に配置された第１の部材及び第２の部材を有し、
前記第１及び第２の部材のいずれか１つが前記一方向に回転されたとき、両部材は、前記第１及び第２の部材間の相対回転を係止させるように係合すると共に軸方向に前記弾性力に抗して互いから離れ、
前記一方向とは逆方向に回転されたとき、前記両部材は、前記相対回転を可能とするように係合を解除されると共に前記弾性力により軸方向に互いに接近することを特徴とする、請求項１に記載の一方向クラッチ。
【請求項３】
前記第１の部材は、複数の歯が形成された第１の係合面を有し、前記第２の部材は、複数の駒が形成された第２の係合面を有し、
前記第１及び第２の係合面は、前記軸方向と略垂直に対面するように配置され、
前記第１及び第２の部材のいずれか１つが前記一方向に回転されたとき、前記駒は、隣接する前記歯の間に係合して前記歯を係止し、
前記一方向とは逆方向に回転されたとき、前記駒は、前記歯に対する係止を解除する、請求項２に記載の一方向クラッチ。
【請求項４】
前記歯は、前記第１の係合面に対してより急な斜面と、より緩やかな斜面と、から形成され、
前記駒は、前記第２の係合面に対するその長さ方向の角度が変動可能に前記第２の部材に取り付けられ、
前記第１及び第２の部材のいずれか１つが前記一方向に回転されたとき、前記駒は、前記歯を係止するように前記歯のより急な斜面に係合すると共に、前記第２の係合面に対する角度を増加させ、
前記一方向とは逆方向に回転されたとき、前記駒は、前記歯のより緩やかな斜面に当接すると共に、前記第２の係合面に対する角度を減少させる、請求項３に記載の一方向クラッチ。
【請求項５】
前記駒が剛体であり、その長さ方向が前記第２の係合面に対して所定の角度をなした方向を中心として弾性的に回動可能である、請求項４に記載の一方向クラッチ。
【請求項６】
前記駒は、前記第２の部材に設けられた凹部内を回動自在に収容された回転軸部と、前記歯と係合するため該回転軸部から延在する係合部と、を有する、請求項５に記載の一方向クラッチ。
【請求項７】
前記駒は、前記回転軸部の側面に平面部を有し、該平面部に弾性部材が当接することによって、前記駒は弾性的に回動可能となる、請求項６に記載の一方向クラッチ。
【請求項８】
前記弾性部材は棒状であり、前記凹部に隣接して前記第２の部材に形成された溝に収容される、請求項７に記載の一方向クラッチ。
【請求項９】
前記弾性部材は、略直角に折り曲げられた第１の端部と、コ字状に折り曲げられた第２の端部を有する、請求項８に記載の一方向クラッチ。
【請求項１０】
前記第１及び第２の部材のいずれか一方は、前記軸方向に沿って摺動可能に且つ駆動手段に対する相対回転が防止されるように回転防止手段を介して該駆動手段に取り付け可能であり、他方は、被駆動手段に連結可能である、請求項２乃至９のいずれか１項に記載の一方向クラッチ。
【請求項１１】
前記回転防止手段を介して前記軸方向に摺動可能に取り付けられた前記第１及び第２の部材のいずれか一方は、その係合面の反対側の裏面に弾性手段が当接可能に支持され、該弾性手段により前記弾性力が提供される、請求項１０に記載の一方向クラッチ。
【請求項１２】
前記弾性手段は、軸方向の長さが径方向の長さより小さい略平坦な形状を有する、請求項１１に記載の一方向クラッチ。
【請求項１３】
前記弾性手段は、皿バネである、請求項１２に記載の一方向クラッチ。
【請求項１４】
前記弾性手段が当接される前記第１及び第２の部材のいずれか一方の裏面には、荷重受け及び回転滑り用のベアリングが設けられる、請求項１２に記載の一方向クラッチ。
【請求項１５】
前記ベアリングは、前記裏面に形成された円状溝の中に回転可能に嵌め込まれた複数の鋼球から構成される、請求項１４に記載の一方向クラッチ。
【請求項１６】
前記一方向の回転によるトルクが所定値以下の場合に前記裏面と前記弾性手段との間にクリアランスが生じるように前記第１及び第２の部材の少なくともいずれか一方を偏倚させるオフセット弾性部材を前記裏面と前記弾性手段との間に介在させる、請求項１２に記載の一方向クラッチ。
【請求項１７】
前記回転防止手段は、ボールスプラインから構成される、請求項１０に記載の一方向クラッチ。
【請求項１８】
前記軸方向に摺動可能に取り付けられた前記第１及び第２の部材のいずれか一方は、前記一方向の回転によるトルクを与えるための回転シャフトを収容するボアを有する、請求項１７に記載の一方向クラッチ。
【請求項１９】
前記回転防止手段は、前記ボアの内壁に形成された前記軸方向に延びる１又は複数列の第１の溝と、該第１の溝に対面するように前記シャフトに形成された該軸方向に延びる１又は複数列の第２の溝と、該第１及び第２の溝の両方に収容される鋼球と、から構成される、請求項１８に記載の一方向クラッチ。
【請求項２０】
前記回転防止手段は、前記ボアの内壁に形成された前記軸方向に延びる１又は複数列の第１の溝と、該第１の溝に対面するように前記シャフトに形成された該軸方向に延びる１又は複数列の第２の溝と、該第１及び第２の溝の両方に収容されるプレートと、から構成される、請求項１８に記載の一方向クラッチ。
【請求項２１】
前記回転防止手段は、前記ボアの内壁に形成された前記軸方向に延びる１又は複数列の溝と、該溝に収容されるように前記シャフトに形成された１又は複数列の突起部と、から構成される、請求項１８に記載の一方向クラッチ。
【請求項２２】
前記回転防止手段は、前記ボアの内壁に形成された前記軸方向に延びる１又は複数列の突起部と、該突起部を収容するように前記シャフトに形成された１又は複数列の溝と、から構成される、請求項１８に記載の一方向クラッチ。
【請求項２３】
前記回転防止手段は、前記ボアの直径に亘って延びて該ボアの内壁に連結された板部材と、前記軸方向に沿って前記シャフトを貫通するように該シャフトに形成された貫通溝と、を有し、前記板部材が前記貫通溝に摺動自在にはめ込まれてなる、請求項１８に記載の一方向クラッチ。
【請求項２４】
一方向の回転のみを軸方向に沿って伝達可能な一方向クラッチを有し、該一方向の回転によるトルクを検出するトルク検出装置であって、
前記一方向クラッチは、前記一方向の回転によりクラッチ内部に発生した応力の少なくとも一部分が前記軸方向の応力に変換され、該軸方向の応力は弾性力により対抗され、
前記軸方向の応力を前記トルクとして検出する検出手段を更に有することを特徴とする、トルク検出装置。
【請求項２５】
前記一方向クラッチは、前記軸方向に沿って直列に配置された第１の部材及び第２の部材を有し、
前記第１及び第２の部材のいずれか１つが前記一方向に回転されたとき、両部材は、前記第１及び第２の部材間の相対回転を係止させるように係合すると共に軸方向に前記弾性力に抗して互いから離れ、
前記一方向とは逆方向に回転されたとき、前記両部材は、前記相対回転を可能とするように係合を解除されると共に前記弾性力により軸方向に互いに接近することを特徴とする、請求項２４に記載のトルク検出装置。
【請求項２６】
前記第１の部材は、複数の歯が形成された第１の係合面を有し、前記第２の部材は、複数の駒が形成された第２の係合面を有し、
前記第１及び第２の係合面は、前記軸方向と略垂直に対面するように配置され、
前記第１及び第２の部材のいずれか１つが前記一方向に回転されたとき、前記駒は、隣接する前記歯の間に係合して前記歯を係止し、
前記一方向とは逆方向に回転されたとき、前記駒は、前記歯に対する係止を解除する、請求項２５に記載のトルク検出装置。
【請求項２７】
前記歯は、前記第１の係合面に対してより急な斜面と、より緩やかな斜面と、から形成され、
前記駒は、前記第２の係合面に対するその長さ方向の角度が変動可能に前記第２の部材に取り付けられ、
前記第１及び第２の部材のいずれか１つが前記一方向に回転されたとき、前記駒は、前記歯を係止するように前記歯のより急な斜面に係合すると共に、前記第２の係合面に対する角度を増加させ、
前記一方向とは逆方向に回転されたとき、前記駒は、前記歯のより緩やかな斜面に当接すると共に、前記第２の係合面に対する角度を減少させる、請求項２６に記載のトルク検出装置。
【請求項２８】
前記駒が剛体であり、その長さ方向が前記第２の係合面に対して所定の角度をなした方向を中心として弾性的に回動可能である、請求項２７に記載のトルク検出装置。
【請求項２９】
前記駒は、前記第２の部材に設けられた凹部内を回動自在に収容された回転軸部と、前記歯と係合するため該回転軸部から延在する係合部と、を有する、請求項２８に記載のトルク検出装置。
【請求項３０】
前記駒は、前記回転軸部の側面に平面部を有し、該平面部に弾性部材が当接することによって、前記駒は弾性的に回動可能となる、請求項２９に記載のトルク検出装置。
【請求項３１】
前記弾性部材は棒状であり、前記凹部に隣接して前記第２の部材に形成された溝に収容される、請求項３０に記載のトルク検出装置。
【請求項３２】
前記弾性部材は、略直角に折り曲げられた第１の端部と、コ字状に折り曲げられた第２の端部を有する、請求項３１に記載のトルク検出装置。
【請求項３３】
前記第１及び第２の部材のいずれか一方は、前記軸方向に沿って摺動可能に且つ駆動手段に対する相対回転が防止されるように回転防止手段を介して該駆動手段に取り付け可能であり、他方は、被駆動手段に連結可能である、請求項２５乃至３２のいずれか１項に記載のトルク検出装置。
【請求項３４】
前記回転防止手段を介して前記軸方向に摺動可能に取り付けられた前記第１及び第２の部材のいずれか一方は、その係合面の反対側の裏面に弾性手段が当接可能に支持され、該弾性手段により前記弾性力が提供される、請求項３３に記載のトルク検出装置。
【請求項３５】
前記弾性手段は、軸方向の長さが径方向の長さより小さい略平坦な形状を有する、請求３４に記載のトルク検出装置。
【請求項３６】
前記弾性手段は、皿バネである、請求項３５に記載のトルク検出装置。
【請求項３７】
前記検出手段は、前記弾性手段の応力歪みを検出する、請求項３６に記載のトルク検出装置。
【請求項３８】
前記検出手段は、前記弾性手段の複数箇所に各々取り付けられた複数の歪みセンサーを備え、該複数の歪みセンサーの出力信号の平均値に基づいて前記トルクを検出する、請求項３７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、一方向の回転のみを軸方向に沿って伝達可能な一方向クラッチ及び該一方向クラッチを有して該クラッチに与えられた回転トルクを検出するトルク検出装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来の一方向クラッチは、周囲に鋸歯状の歯を持つ内周リングと、これらの歯に係合可能な爪を有する外周リングとを有していた。この内周リングを一方向に回転させるときのみ、内周リングの鋸歯状歯が外周リングの爪に係合して、内周リングの回転が外周リングに伝達し、その逆方向の回転時には、上記係合は解除されて内周リングが空転する。
【０００３】
また、内周リングと外周リングとの係合機構には、爪と鋸歯状歯の組み合わせの他にも、様々な種類があり、例えば溝と複数のボールとの組み合わせ等を用いたものがある。
【０００４】
従来の一方向クラッチは、単なる一方向クラッチ以外の用途がほとんど考えられなかった。
また、内周リングと外周リングとが係合するとき発生する応力が緩衝無しにそのまま係合部材に伝達するため、係合部材の応力歪みを防止する材料や機構を用いる必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、トルク検出装置にも兼用することができると共に、係合部材の係合時に発生する応力を緩衝することができる一方向クラッチ、及び、これを用いたトルク検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る一方向クラッチは、一方向の回転によりクラッチ内部に発生した応力の少なくとも一部分が該軸方向の応力に変換され、該軸方向の応力は弾性力により対抗されることを特徴とする。
【０００７】
本発明では、一方向の回転によりクラッチ内部に発生した応力の少なくとも一部分が軸方向の応力に変換され、これが弾性力と拮抗するため、一方向の回転によるトルクを反映する内部応力を検出することがきわめて容易になる。例えば、軸方向の応力を検出する検出手段を付加することで、この一方向クラッチは、一方向の回転によるトルクを検出するトルク検出装置として用いることが可能となる。
【０００８】
更に、この軸方向の応力が弾性力により対抗される機構のため、この弾性力は、一方向の回転によりクラッチ内部に発生した応力の緩衝として作用する。
軸方向の応力に変換するための好ましい態様として、本発明の一方向クラッチは、従来技術のような内周リング及び外周リングではなく、軸方向に沿って直列に配置された第１の部材及び第２の部材を有し、第１及び第２の部材のいずれか１つが一方向に回転されたとき、両部材は、第１及び第２の部材間の相対回転を係止させるように係合すると共に軸方向に弾性力に抗して互いから離れ、一方向とは逆方向に回転されたとき、両部材は、相対回転を可能とするように係合を解除されると共に弾性力により軸方向に互いに接近する構成とすることができる。
【０００９】
好ましい第１及び第２の部材の係合の態様としては、第１の部材は、複数の歯が形成された第１の係合面を有し、第２の部材は、複数の駒が形成された第２の係合面を有し、第１及び第２の係合面は、軸方向と略垂直に対面するように配置され、第１及び第２の部材のいずれか１つが一方向に回転されたとき、駒は、隣接する歯の間に係合して歯を係止し、一方向とは逆方向に回転されたとき、駒は、歯に対する係止を解除する、構成とすることができる。
【００１０】
更に、好ましい駒及び歯の態様としては、歯は、第１の係合面に対してより急な斜面と、より緩やかな斜面と、から形成され、駒は、第２の係合面に対するその長さ方向の角度が変動可能に第２の部材に取り付けられ、第１及び第２の部材のいずれか１つが一方向に回転されたとき、駒は、歯を係止するように歯のより急な斜面に係合すると共に、第２の係合面に対する角度を増加させ、一方向とは逆方向に回転されたとき、駒は、歯のより緩やかな斜面に当接すると共に、第２の係合面に対する角度を減少させる、構成とすることができる。更に、駒が剛体であり、その長さ方向が第２の係合面に対して所定の角度をなした方向を中心として弾性的に回動可能であるのが好ましい。
【００１１】
内部応力の軸方向応力への変換をスムーズに行うため、第１及び第２の部材のいずれか一方が、軸方向に沿って摺動可能に且つ駆動手段に対する相対回転が防止されるように回転防止手段を介して該駆動手段に取り付け可能であり、他方は、被駆動手段に連結可能であるのが好ましい。この回転防止手段は、いわゆるボールスプラインやキー溝等で構成することができる。
【００１２】
また、回転防止手段を介して軸方向に摺動可能に取り付けられた第１及び第２の部材のいずれか一方におけるその係合面の反対側の裏面に弾性手段を配置するのが好ましい。この弾性手段によって、軸方向応力に対抗する弾性力が適切に提供される。
【００１３】
弾性手段は、軸方向の長さが径方向の長さより小さい略平坦な形状を有し、例えば皿バネで構成するのが好ましい。これによって、一方向クラッチの軸方向サイズを短縮化できる。
【００１４】
このような弾性手段の応力歪みを検出する検出手段を設けることで、一方向の回転によるトルクを簡単に検出することができるトルク検出装置を実現できる。好ましくは、検出手段が弾性手段の複数箇所に各々取り付けられた複数の歪みセンサーを備え、該複数の歪みセンサーの出力信号の平均値に基づいてトルクを検出するのがよい。これによって、トルク検出信号のＳ／Ｎ比を向上することができる。
【００１５】
本発明の他の態様及び効果は、図面を参照して以下の詳細な説明を参酌することによって、更に明らかとなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の一方向クラッチ（ラチェットギヤ）及びこれを用いたトルク検出装置を、電動アシスト自転車に適用した例に基づいて、図面を参照して以下に説明する。
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態に係る一方向クラッチ（ラチェットギヤ）及びこれを用いたトルク検出装置が適用された電動アシスト自転車１の概略が示されている。同図に示すように、この電動アシスト自転車１の主要な骨格部分は、金属管製の車体フレーム３から構成されており、該車体フレーム３には、前輪２０、該前輪を操舵するためのハンドル１６、後輪２２及びサドル１８などが周知の態様で取り付けられている。
【００１７】
また、車体フレーム３の中央下部には、該車体フレーム３に対して回転自在にドライブ軸４が軸支され、該ドライブ軸の左右両端部には、クランク棒６Ｌ、６Ｒを介してペダル８Ｌ、８Ｒが各々取り付けられている。この駆動側としてのドライブ軸４には、後述するラチェットギヤを介して、被駆動側としてのスプロケット２が同軸に取り付けられ、このラチェットギヤは、自転車１を前進させる一方向（Ｒ方向）の回転トルクのみが駆動側から被駆動側に伝達されるように構成、配置されている。
【００１８】
更に、後輪２２の中央部には、伝達された踏力を該後輪に与えるための後輪動力機構１０が設けられており、該後輪動力機構の内部に設けられた図示しないフリーホイールとスプロケット２との間には無端回動のチェーン１２が張設されている。
【００１９】
周知のように、ペダル８に与えられた前進方向のペダル踏力はクランク棒６を介してドライブ軸４を回転させ、この回転力が図のＲ方向の踏み込みトルクとしてスプロケット２を回転させ、該踏み込みトルクはチェーン１２を介して後輪動力機構１０に伝達され、その結果、後輪２２を回転させて自転車１を前方に走らせる。
【００２０】
次に、本実施形態に係るトルク検出装置の構成を図２乃至図５を用いて説明する。
まず、図３には、スプロケット２及び該スプロケット２に連結されたラチェットギヤ３９の正面図と、該正面図のＳ−Ｓ’線に沿って取られた該スプロケット２及びラチェットギヤ３９の断側面図が示されている。同正面図に示すように、スプロケット２は、剛性を有するボディ部３８の外周に亘ってチェーン１２と嵌合するための複数の歯２４及び隣接する歯の間に凹部２５が形成され、ボディ部３８の中央部にはドライブ軸４を貫通させるための孔４１、及び該孔４１の周囲を取り囲む円筒状のストッパー４６が形成されている。
【００２１】
ラチェットギヤ３９は、スプロケット中心（図では、ドライブ軸線５に一致）から等距離のところに等角度毎にスプロケット２のボディ部３８にそれぞれ固定配置された３つのラチェット駒４０と、該ラチェット駒に嵌合するようにスプロケット２の片面側に配置されたラチェット歯部４３と、を含んで構成される。
【００２２】
図３の断側面図は、スプロケット２及びラチェットギヤ３９をドライブ軸４に取り付けた状態を示している。同図によれば、ドライブ軸４の回りには、該ドライブ軸と同心に該軸に対し動かないように固定されたドライブシャフト４２が設けられている。このドライブシャフト４２には、その外周囲に軸線５に略平行な円筒シャフト面を有する台座４５が形成されている。この台座４５には、スプロケット２及びラチェット歯部４３が係合した状態で配置される。スプロケット２は、ラチェットギヤ３９のクラッチが作用しない方向には、台座４５内で、ドライブシャフト４２から独立に回転することができ、ラチェット歯部４３は後述するようにドライブシャフト４２に対し固定されている。
【００２３】
ここで、スプロケット２及びラチェット歯部４３の係合状態及びクラッチ機能に関して、図４及び図５を用いて概念的に説明する。
図４には、スプロケット２及びラチェット歯部４３を分解した状態の図式的な斜視図が示されている。同図に示すように、ラチェット駒４０は、弾性を備えた細長い金属製平板を折り曲げた爪状部材として形成され、該爪状部材の先端部４０ａがスプロケット２のボディ部３８に対してある一定の傾斜角度をなすように後部４０ｂが該ボディ部３８に溶接等により固定されている。
【００２４】
また、ラチェット歯部４３は、平坦な表面を持つ円板部６０を有し、スプロケット面と向かい合う側の該円板部６０の面上には、その外周に沿って周全体にラチェット駒４０と係合するための複数の歯４４が形成されている。各々の歯４４は、より緩やかな斜面４４ａ及びより急な斜面４４ｂを夫々有する。更に、円板部６０の中央部には、軸方向に延在する円筒状のセンターシャフト５４が該円板部の平面から両外側に突出するように設けられ、該センターシャフトには、ドライブ軸４の回りに設けられたドライブシャフト４２を受け入れるための開口部５７が貫通している。また、円板部６０のスプロケット面に向かう側と反対側にあるセンターシャフト５４の内部には、開口部５７の直径に亘って橋渡しするように平板状の回り止め部５２がシャフト内壁に固定連結されている。更に、センターシャフト５４には、コイルバネ５０が挿入され、該コイルバネ５０の一方の端部は、回り止め部５２に当接し、他方の端部は、図示しないがドライブシャフト４２に固定されている。
【００２５】
スプロケット２及びラチェット歯部４３の係合状態では、図５に示すように、ラチェット駒４０の先端部４０ａが隣接する斜面４４ａ及び斜面４４ｂにより画成された凹所内に入り込み、その最先端部分が、より急な斜面４４ｂに対峙した状態でこれに当接する。また、センターシャフト５４の開口部５７は、ドライブシャフト４２を受け入れている。このとき、図示しないが、回り止め部５２は、ドライブシャフト４２の軸方向に沿って該シャフト部を貫通するように形成されたより長いスロット５８の中に挿入された状態になっている。これによって、ラチェット歯部４３は、ドライブシャフト４２に対して回転せず、踏み込みトルクによって回転するドライブ軸４と一緒に回転する。また、回り止め部５２の軸方向幅はスロット５８の長さより小さいため、回り止め部５２はスロット５８に沿って軸方向に摺動可能である。このとき、回り止め部５２は、コイルバネ５０によってスプロケット２に向かう方向に付勢されているため、ラチェット駒４０の最先端部分がラチェット歯部４３に係合したその高さのところで係止される。
【００２６】
図５の下図に示すように、ドライブシャフト４２が自転車１の前進方向に相当するＲ方向に回転すると、ラチェット駒４０の最先端部分が歯４４のより急な斜面４４ｂに突き当たった状態で斜面に沿って滑らないため、ドライブシャフト４２と共に、ラチェット歯部４３及びスプロケット２が一緒にＲ方向に回転する。これに対し、ドライブシャフト４２がＲ方向とは反対方向に回転すると、先端部４０ａの背面がより緩やかな斜面４４ａに当接するため、係止されずに該斜面に沿って滑り出し、ドライブシャフト４２の回転はスプロケット２に伝達しない。これが、ラチェットギヤ３９の一方向クラッチの原理である。
【００２７】
ドライブシャフト４２のＲ方向の回転がラチェット歯部４３を介してスプロケット２に伝達される場合、図５の下図に示すように、より急な斜面４４ｂから受ける回転力に抗して弾性を持つラチェット駒４０が立ち上がる。このため、ラチェット歯部４３は、通常の軸方向位置（図２、図３の位置４８ａ）からコイルバネ５０の付勢力に抗しながらスプロケット２からより離れるように軸方向に変位し、ペダル踏力による回転力とラチェット駒４０の弾性力とが釣り合った位置（図２、図３の位置４８ｂ）で停止する。踏み込みトルクが減少すると、より急な斜面４４ｂから受ける回転力が弱くなるため、ラチェット駒４０がその弾性によって元の高さに戻ろうとし、これと共にコイルバネ５０で下方に付勢されたラチェット歯部４３がスプロケット２に近づくように軸方向に変位する。かくして、ラチェット歯部４３の軸方向変位量△Ｌ（図３）は、踏み込みトルクの大きさを反映する。
【００２８】
このラチェット歯部４３の軸方向変位量を検出するため、図２に示すように、所定位置からラチェット歯部４３の円板部６０までの軸方向距離を検出する位置センサー３４を車体フレームに配設する。なお、この位置センサー３４は、例えば、円板部６０の軸方向変位に応じて軸方向に移動するように取り付けられたフェライト等の磁性材料からなる検出体と、該検出体の近傍に配置されたコイルと、該コイルのインダクタンスの変化をインピーダンスの変化として電気的に検出することが可能な検出回路と、によって実現できる。この構成の場合、ラチェット歯部４３の軸方向変位量に応じて検出体がコイルに接近したり或いは遠ざかるが、検出体とコイルとの距離に応じてコイルのインダクタンスが変化するので、この変化を検出回路により検出することによってラチェット歯部４３までの軸方向距離Ｌ１を演算することができる。勿論、ラチェット歯部４３の軸方向距離又はその変位量△Ｌを検出できる限り、これ以外の型式の任意のセンサーを用いてもよく、また、センサーによってはラチェットギヤ３９内に配置することもできる。
【００２９】
位置センサー３４の出力端には、該センサーからの検出信号を受信するコントローラ１４が接続されている。このコントローラ１４は、いわゆるマイクロコンピュータなどで実現することができ、受信した軸方向距離に関する検出信号に基づいて踏み込みトルクの値を演算する演算機能などを有する。
【００３０】
次に、本実施形態の電動アシスト手段を説明する。この電動アシスト手段は、図２に示すように、スプロケット２に直接嵌合するスプロケット駆動ギヤ１１と、図示しないバッテリーで回転駆動し、その補助トルクを回転軸３７ａを介して伝達する電動モータ３７と、電動モータ３７の回転軸３７ａ回りの回転速度を減速してギヤ軸３５ａを介してスプロケット駆動ギヤ１１に伝達する減速機構３５と、演算した踏み込みトルクの値に基づいて電動モータ３７を制御する上記コントローラ１４と、を含んで構成される。
【００３１】
このうち減速機構３５は、例えば、複数のギヤ等を組み合わせて構成されており、これらのギヤにより構成された補助トルクの伝達経路の途中には、一方向にだけ動力を伝達する、いわゆるワンウェイクラッチ（図示せず）が設けられている。このワンウェイクラッチは、電動モータ３７からの補助トルクをスプロケット駆動ギヤ１１に伝達するが、その逆方向、即ちスプロケット駆動ギヤから減速機構３５へはトルクを伝達しないように構成・接続される。これによって、非駆動時の電動モータ３７の負荷がスプロケット２には伝達せず、常に軽快な運転が可能となる。
【００３２】
スプロケット駆動ギヤ１１及びスプロケット２の嵌合状態の正面図を図６（クランク棒の図示省略）に示す。ここに、スプロケット２に張設されたチェーン１２は、２枚のまゆ型のリンクプレートに２本のピンを圧入したピンリンクと、２個のブシュを２枚のリングプレートに圧入し、そのブッシュの外周囲にローラを回転自在にはめ込んだローラリンクとを交互に組み合わせてなるものである。チェーン１２のピンリンク及びローラリンクを構成する各ローラは、スプロケット２の各歯に嵌合するように、ピッチ及び直径が定められている。
【００３３】
スプロケット駆動ギヤ１１は、上記チェーン１２の嵌合と同じ態様でスプロケット２に嵌合するように、例えば図７に示すように構成されている。スプロケット駆動ギヤ１１は、平行に対置された２枚のローラプレート１７ａ、１７ｂと、これらのプレート間を連結するようにプレートの周囲領域に沿ってチェーン１２のローラと同一ピッチ毎に該プレートに対し略垂直に圧入された複数（図の例では６個）の円筒形のブシュ（ローラ軸）１５と、これらのブシュの外周囲を覆って回転自在に各々はめ込まれた複数（図の例では６個）の円筒形のローラ２１と、を備えている。ローラプレート１７ａ、１７ｂは、その中央部に、駆動手段１３に取り付けるための取り付け孔１９が形成され、隣接するローラ２１の間の外周部には、内側に凹んだ凹部３３が形成されている。
【００３４】
スプロケット駆動ギヤ１１の隣接する２つのローラ２１はスプロケット２の凹部２５に係合し、これらローラ間の間隙には、スプロケット２の一つの歯２４が各々進入する（図６参照）。なお、スプロケット駆動ギヤ１１の上述した凹部３３は、チェーン１２の歯がローラ２１の間に嵌合しやすいように成形されるのがよく、例えばチェーン１２のまゆ型のリンクプレートの中央のくびれ部分と略同一形状に成形されるのが好ましい。
【００３５】
次に、本発明の第１実施形態の作用を各図面を参照して説明する。
搭乗者がペダル８Ｒ、８Ｌにペダル踏力を与え、ドライブ軸４をＲ方向に回転させると、回り止め部５２によってドライブ軸４に回転不能に固定されたラチェット歯部４３が該ドライブ軸４と共に回転し、その歯４４に係合したラチェット駒４０を介して、チェーン１２からの引張力が負荷として作用するスプロケット２に踏み込みトルクを印加する。このとき、弾性を持つラチェット駒４０は、ラチェット歯のより急な斜面４４ｂから受ける回転力に抗して立ち上がり、このため、ラチェット歯部４３は、通常の軸方向位置（図３の位置４８ａ）からコイルバネ５０の付勢力に抗しながらスプロケット２からより離れるように軸方向に変位し、ペダル踏力による回転力とラチェット駒４０の弾性力とが釣り合った位置（図３の位置４８ｂ）で停止する。
【００３６】
図２の位置センサー３４は、その固定された位置からラチェット歯部４３の円板部６０までの軸方向距離を常時検出し、その検出信号（位置４８ｂに対応）をコントローラ１４に伝達する。コントローラ１４は、内部メモリに予め記憶しておいた踏み込みトルクが作用していないときのラチェット歯部４３の位置４８ａと、受信した検出信号が示す位置４８ｂとから、その差分を演算して軸方向変位量△Ｌを求める。この軸方向変位量△Ｌは、踏み込みトルクが大きいほど大きくなるので、両者の対応関係からコントローラ１４は、踏み込みトルクの値を演算することができる。これは、例えば、軸方向変位量△Ｌと踏み込みトルクとの関係を予め実験的に求めておき、この関係を表す参照テーブルをコントローラ１４の内部メモリに記憶しておけば実現できる。
【００３７】
次に、コントローラ１４は、少なくとも演算された踏み込みトルクＴに基づいて印加すべきアシスト用の補助トルクＴｅを演算し、該補助トルクで回転駆動するように電動モータ３７を指令する制御信号を演算出力する。なお、自転車に車速センサーを取り付け、踏み込みトルクＴ及び車速の両方に基づいて補助トルクＴｅを演算してもよい。
【００３８】
例えば、最も簡単な電動アシスト制御の場合、演算された踏み込みトルクＴが所定値以上となったとき、電動モータ３７をオンにして踏み込みトルクに対し所定の比率を保つような補助トルクを指令するモータ制御信号を出力し、それ以外では電動モータをオフにするモータ制御信号を出力する。この場合、軸方向変位量△Ｌそれ自体を直接用いて、この値が一定値以上となったときのみに電動モータ３７をオンにしてもよい。
【００３９】
電動モータ３７がオンとなって回転すると、この回転力は、減速機構３５を介してスプロケット駆動ギヤ１１に伝達され、スプロケット駆動ギヤ１１は、その駆動中心軸９の回りに図６に示すＫ方向に回転する。このとき、各々のローラ２１がスプロケット２のそれぞれの凹部２５に、順次、係合していき、これと共に、スプロケット２がドライブ軸４の中心軸線５の回りのＲ方向の駆動トルクを与えられる。このように本実施形態では、電動モータ３７からの補助トルクがスプロケット駆動ギヤ１１を介して剛性の高い歯２４が形成されたスプロケット２の領域に伝達されるため、スプロケット２を撓ませることなく、且つ回転中心がずれることなく踏力を補助することができる。このように踏み込みトルクが一定以上とみなされるような条件下で、アシスト用補助トルクが加わるので、ペダル運転を楽に行うことができる。
【００４０】
以上のように本実施形態では、剛性が高く体積及び重量が大きい弾性部材や伝達機構などを、既存の電動アシスト自転車に別途、追加することなく、一般の自転車でも必要となるラチェットギヤ内部の軸方向変位量に基づいてトルクを演算するようにしたので、トルク検出装置のスペース及び重量を大幅に削減すると共にその機構を簡素化することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、電動モータ３７からの補助トルクがスプロケット駆動ギヤ１１を介して、直径が大きいスプロケット２の外周部分に伝達されるため、ドライブ軸４から補助トルクを付加するという構造と比べて減速比を大きく取れるという利点がある。これによって、合力機構の小型軽量化並びに簡素化を図ることができる。
【００４２】
更に、本実施形態では、トルク検出装置の弾性変位部分をラチェットギヤに一体的に含ませると共に、スプロケット駆動ギヤ１１と駆動手段１３とを設けるだけで電動アシスト手段を構成したので、従来の車体のフレーム構造を変更する必要はほとんどなくなり、電動アシスト自転車の更なる小型軽量化、簡素化、及びコスト削減を図ることができる。
（合力及び補助動力機構）
電動アシスト自転車１における補助動力と踏力との合力機構、並びに、該補助動力の供給機構を図１６乃至図１８を用いて説明する。
【００４３】
図１６には、主スプロケット２を裏側（図１の反対側）から見たときの合力機構の一例が示されている。この合力機構は、主スプロケット２と同軸に軸支された副スプロケット３０と、所定条件下で出力される補助動力により回転可能な動力スプロケット３３と、動力スプロケット３３から副スプロケット３０へ補助動力を伝達させるため、これらのスプロケット（３０、３３）の間に張設された無端回動の補助用チェーン３２と、を含む。動力スプロケット３３及び副スプロケット３０は、同一ピッチの歯を備えており、好ましくは、動力スプロケット３３の歯数は、副スプロケット３０の歯数より小さい。
【００４４】
図１６の合力機構は、主スプロケット２より車体の内側に配置されているので、副スプロケット３０及び動力スプロケット３３の車体外側への出っ張りが無くなり、車体の小型化を図ることができる。更に、図示のように、主スプロケット２と動力スプロケット３３との間隔を主スプロケット２の半径より小さくできるので、合力機構全体を小さくまとめることができる。このため、図１８（ａ）に示すように、自転車外部（表側）から見ると、合力機構は、主スプロケット２の軸方向内側にそのほとんどが隠され、外観を損なうおそれがない。チェーン１２を隠すように主スプロケット２にチェーンカバー３８を取り付けることにより、チェーン保護と共に更に外観を改善することができる。
【００４５】
図１８（ａ）の側断面図を図１８（ｂ）に示す。同図に示すように、主スプロケット２及び副スプロケット３２は、互いに対し動かないように（即ち一体回転するように）ピン１２３で固定されており、それらは共に一方向クラッチ９９を介してドライブシャフト４に連結されている。動力スプロケット３３は、ドライブシャフト４に平行に延びる動力シャフト３５ａを介して電動力出力ユニットボックス１３に作動的に連結される。動力スプロケット３３の中心孔３４にセレーション（図１６参照）を形成することにより、動力シャフト３５ａと中心孔３４との間の滑り回転が防止される。
【００４６】
電動力出力ユニットボックス１３は、一般の自転車と同様のフレームに取り付けられており、そのハウジング内に、バッテリー１７（図２）によって電源供給される電動モータ３７と、該モータの出力軸３７ａに連結され、その回転速度を減速して動力スプロケット３３の動力シャフト３５ａに伝達する減速機構３５と、を含む。減速機構３５における補助動力の伝達経路の途中には、一方向にだけ動力を伝達する、いわゆる一方向クラッチ（図示せず）が設けられている。この一方向クラッチは、電動モータ３７からの補助動力を動力スプロケット３３に伝達するが、その逆方向、即ち動力スプロケットから減速機構３５へはトルクを伝達しないように構成・接続される。
【００４７】
次に、本実施例に係る合力機構の作用を説明する。
所定条件下で電動モータ３７が回転制御され、その補助動力が減速機構３５を介して動力スプロケット３３に提供されたとき、動力スプロケットのトルクは、補助用チェーン３２を介して副スプロケット３０に伝達され、該副スプロケット３０に対し固定された、踏力により回転される主スプロケット２に直ちに伝達される。かくして、補助動力及び踏力の合力が達成される。
【００４８】
電動モータ３７が回転していないときは、減速機構３５内に設けられた図示しない上記一方向クラッチにより、モータの回転負荷は動力スプロケット３３に伝達されることがなく、軽快な運転が可能となる。
【００４９】
このように本実施例では、従来技術のように踏力伝達用のチェーン１２に直接、補助動力を伝達させるのではなく、動力スプロケット３３の補助トルクを、別体のチェーン３２を介して主スプロケット２と共に回転する副スプロケット３０に伝達させる、いわゆる二重チェーン方式を採用した。これによって、従来技術と比較して、電動力出力ユニットボックス１３の配置の自由度が大幅に広がることになる。例えば、図１６及び図１８（ａ）に示すように、自転車の進行方向へ電動力出力ユニットボックスを配置することができるので、電動アシスト自転車用に特別に用意した専用フレームでなくても、通常の自転車フレームでも電動力出力ユニットボックス１３を取り付けることができる。
【００５０】
勿論、周方向の任意の位置に動力スプロケット３３を配置することができる。図１７には、動力スプロケット３３の位置を周方向に時計回りで９０度ほど変更した例が示されている。この場合、サドル１８（図１）の支持フレームに電動力出力ユニットボックス１３を取り付けることが可能となる。更には、補助用チェーン３２の長さを選択することによって、動力スプロケット３３の径方向位置（主スプロケット２の中心から動力スプロケット３３の中心までの距離）も、より外側及びより内側へと自在に調整可能となる。かくして、電動力出力ユニットボックス１３の最低地上高も高くすることや低くすることもできる。
【００５１】
このように二重チェーン方式には、設置自由度があるため、自転車の種類を選ばず、その電動化を実現することができる。逆に云えば、フレームデザインの自由度がきわめて高くなる。
【００５２】
その上、図示のように動力スプロケット３３の歯数を副スプロケット３０の歯数に対して小さくすれば、合力機構だけで減速が可能となる。これによって、減速機構３５の減速比を小さく取れ、その結果、減速機構を簡素化及び小型化することができる。このように本実施例では、減速比に関しても設計の自由度を拡大することができる。
（第２実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るトルク検出装置を図８（ａ）、（ｂ）に示す。なお、トルク検出装置以外は第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明を省略し、同様の構成要件については同一の符号を附すことにする。
【００５３】
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、第２実施形態に係るトルク検出装置は、その中央部に円筒収容部８２を有するスプロケット７０を備える。この円筒収容部８２は、スプロケット７０の一方の板面側に円筒状に突出し、他方の板面側で凹んでいる。スプロケット７０は、円筒収容部８２の凹み部分が、ペダル側に向くように配置され、該凹み部分には、一方向の回転のみを、その駆動側部からその被駆動側部に伝達する一方向クラッチ７２が収容されている。この一方向クラッチ７２は、Ｒ方向のみの回転をスプロケット７０に伝達するように、円筒収容部８２の凹み部分との係合部において、その被駆動側部が固定連結され、その被駆動側部がドライブ軸４に固定連結されている。なお、スプロケット７０は、軽量化のため、円筒収容部８２の回りに複数の孔８４（図８（ａ））が形成されている。
【００５４】
この一方向クラッチ７２として、ドライブ軸４がＲ方向に回転してその回転力がスプロケット７０に伝達されるとき一方向クラッチ７２の被駆動側部が踏み込みトルクの大きさに対応した変位量だけ軸方向に沿ってスプロケット側に変位する型式のクラッチが選択される。一例として、第１実施形態のラチェットギヤ型式の一方向クラッチなどがある。
【００５５】
一方、これとは反対側のスプロケット７０のより内側の面には、ベアリング７４が円筒収容部８２の突出部分の回りに配置され、その側面周囲から該円筒収容部を保持している。このベアリング７４は、軸方向及び径方向の両荷重に対応するのが好ましい。更に、弾性を備えた金属製の円錐台形状の皿バネ７６がこのベアリング７４の外周囲を覆うようにベアリング７４を保持し、該皿バネ７６は剛性の支持台７８を介して車体に固定されている。即ち、スプロケット７０は、一方向クラッチ７２と反対側において、車体に対し回転可能なように弾力的に保持されている。図８（ｂ）より明らかに、一方向クラッチ７２の軸方向幅と、皿バネ７６の軸方向幅とをドライブ軸４の中心軸線に射影したとき、その軸位置において互いに重なり合う領域を有していることがわかる。
【００５６】
また、皿バネ７６には、印加された応力による皿バネの歪みを検出する歪みゲージ８０が取り付けられ、該歪みゲージ８０は、コントローラ１４（図２参照）に接続されている。この歪みゲージ８０は、例えば薄膜金属抵抗の素子などから形成できる。この薄膜金属抵抗素子の場合、鏡面研磨した皿バネ７６の表面に薄い酸化皮膜の絶縁層を設け、その上に複数の素子からなる抵抗体をスパッタリングなどの手法でブリッジ状に形成する。コントローラ１４は、皿バネ７６に加わった応力歪みによるブリッジ素子の抵抗の変化を検出することによって、その応力の大きさを検知することができる。歪みゲージ８０は、皿バネ７６の最も応力変形を受けやすいところに、その応力変形量による抵抗値の変化が可能な限り大きくなるように設置するのが検出精度を向上する上で好ましい。
【００５７】
なお、歪みゲージ８０の代替手段として、皿バネ７６に加わった圧力による抵抗の変化を検出するピエゾ圧電抵抗素子、或いは、皿バネ７６表面の変位量を検出する位置センサーなどがある。
【００５８】
次に、第２の実施形態の作用を説明する。
搭乗者がペダル８Ｒ、８Ｌにペダル踏力を与え、ドライブ軸４をＲ方向に回転させると、この回転力が一方向クラッチ７２の駆動側部分を介してスプロケット７０に伝達される。このとき、一方向クラッチ７２の被駆動側部が軸方向に沿ってスプロケット側に踏み込みトルクに対応した変位量だけ変位しようとするため、スプロケット７０には、軸方向に沿って、より内側に押し込む力が作用する。この押し込む力は、ベアリング７４を介してスプロケット７０を保持する皿バネ７６に加わり、皿バネ７６に応力歪みをもたらす。この応力歪みは、一方向クラッチ７２によるスプロケット７０の軸方向移動量、即ち踏み込みトルクの大きさを反映している。
【００５９】
皿バネ７６の応力歪みによって歪みゲージ８０の抵抗値が変化する。この変化した抵抗値は、コントローラ１４によって検知される。コントローラ１４は、その内部メモリに、予め歪みゲージ８０の抵抗値と踏み込みトルクとの対応関係を示す参照テーブルを記憶しており、検知した歪みゲージの抵抗値を該参照テーブルに照合することによって踏み込みトルクＴを求める。そして、第１の実施形態と同様に、コントローラ１４は、踏み込みトルクＴに基づき演算した補助トルクＴｅで回転駆動するように電動モータ３７を制御し、この補助トルクがスプロケット駆動ギヤ１１を介してスプロケット７０に直接伝達される。
【００６０】
以上のように第２実施形態においても、剛性が高く体積及び重量が大きい弾性部材や伝達機構などを、既存の電動アシスト自転車に別途、追加することなく、一般の自転車でも必要となる一方向クラッチ７２の押し込み力による皿バネ７６の応力歪みに基づいてトルクを演算するようにしたので、トルク検出装置のスペース及び重量を大幅に削減すると共にその機構を簡素化することができる。
【００６１】
更に、第２の実施形態においては、一方向クラッチ７２がスプロケット７０の円筒収容部８２の内部に収容され、その収容部の外周から間接的に皿バネ７６が保持するという、同じ幅内に両者を配置した構造であるため、軸方向のストロークがより短くて済む。この利点は、皿バネ７６の表面に薄く形成された歪みゲージ８０によって踏み込みトルクに対応する量を検出する手段の採用により、更に前進する。これより、第２の実施形態は、省スペースという点において、第１の実施形態よりも更に優れた効果を有する。
（第３実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る一方向クラッチ（ラチェットギヤ）及びトルク検出装置を図９乃至図１４を用いて説明する。なお、一方向クラッチ以外は第１及び第２の実施形態と同様であるので、詳細な説明を省略し、同様の構成要件については同一の符号を附すことにする。
【００６２】
図９に示すように、スプロケット２は、ラチェットギヤを介してドライブ軸４に軸支される。このラチェットギヤは、図１０に示すように、主要な構成要素として、相対する駒部１００及び歯部１１２を備える。
【００６３】
駒部１００は、図１３（ａ）に示すように、ドライブ軸４を受け入れるための駒部ボア１０６が中央部に形成された略円盤形状を有し、その周方向に沿って等角度毎に３つの剛性のラチェット駒１０２が、歯部１１２と相対する第２の係合面１１０側に配置されている。駒部１００は、ラチェット駒１０２を各々収容するため、図１３（ｂ）に示すように、周方向に沿って３つの凹部１７０が形成される。ラチェット駒１０２は、図１４（ａ）に示すように、凹部１７０内で回転軸Ｒの回りに回転自在に収容可能な回転軸部１０２ａと、該回転軸部の側面から延在する係合部１０２ｂと、係合部１０２ｂが延在していない回転軸部１０２ａの側面に該係合部１０２ｂに隣接して形成された平面部１０２と、を備える。かくして、ラチェット駒１０２は、凹部１７０にその回転軸部１０２ａが収容された状態で回動し、この回動に応じて係合部１０２ｂは、第２の係合面１１０に対する角度を変える。なお、凹部１７０は、係合部１０２ｂが倒れたとき該係合部を収容可能な凹み部分を延長して形成してもよい（図１４（ｂ））。
【００６４】
再び図１３（ｂ）を参照すると、駒部１００には、各々の凹部１７０に隣接して、バネ棒１０４を収容可能な直線溝１７１が夫々形成されており、３つの直線溝１７１の両端部は、駒部１００の外周エッジまで延在している。図１３（ｃ）に示すように、バネ棒１０４は、一方の端部Ａが略垂直に折り曲げられ、他方の端部Ｂがコ字状に曲げられている。バネ棒１０４を駒部１００の直線溝１７１内に取り付ける場合、図１５に示すように、バネ棒１０４を直線溝内を摺動させながら、コ字状のＢ部が駒部１００をクリップ状に挟み止めさせるようにするだけで、バネ棒１０４を駒部１００に容易に装着することができる。しかし、このままだと、Ｂ部から引っ張る力によりバネ棒１０４が抜け落ちる可能性があるので、垂直に折れ曲がったＡ部が駒部の側壁と係合することにより、バネ棒の脱落を防止している。従って、本実施形態のバネ棒１０４は、取り付けの容易さ及び抜け防止を両立している。
【００６５】
バネ棒１０４を駒部１００の直線溝１７１に取り付けた場合、バネ棒１０４の直線部分は、図１４（ｂ）に示すように、ラチェット駒１０２の平面部１０２ｃと係合し、平面部１０２ｃに対して押すように作用するので、平面部１０２ｃがバネ棒１０４の直線部分にならう。よって、ラチェット駒１０２は、外力が作用していないとき、その長さ方向が第２の係合面１１０に対して所定の角度をなす（図１１の平衡方向１６０）ように立ち上がる。図１１に示すように、ラチェット駒１０２が平衡方向１６０から上昇方向ａ又は下降方向ｂに偏倚するとき、バネ棒１０４は、その偏倚を平衡方向１６０に戻すようにラチェット駒１０２に僅かな弾性力を及ぼす。
【００６６】
図９及び図１０を再び参照すると、駒部１００の裏面１０１からは円筒部１０３が延在している。この円筒部１０３の中央部も駒部ボア１０６によって貫通される。この裏面１０１には、円筒部１０３の外周囲に円状溝１５５（図９）が形成され、該円状溝１５５の中には、多数の鋼球１５２が回転自在に嵌め込まれている。これによって、裏面１０１には、軸方向の荷重受け兼滑り軸受け用のベアリングが形成される。
【００６７】
皿バネ１２４が、その中心孔１２７に円筒部１０３を通して駒部１００の裏面１０１に当接される。このとき、皿バネ１２４は、駒部１００からの圧力に弾力で対抗する方向に鋼球１５２即ち荷重受けベアリングを介して裏面１０１に滑動可能に接する。皿バネ１２４の表面には、１８０度の位置関係で対向する２個所に、歪みゲージ１２６が設置される。これらの歪みゲージ１２６は、リード線１２８を介してコントローラ１４に電気的に接続される。更に好ましくは、３個以上の歪みゲージを皿バネ１２４に設置してもよい。このとき、複数の歪みゲージを、皿バネ１２４の表面上で夫々が回転対称の位置となるように設置するのが好ましい。
【００６８】
皿バネ１２４は、椀状の支持器１３０の内底部１３２に収められる。支持器１３０には、ドライブシャフト４を貫通させるための支持ボア１３３及び後面から突出する支持円筒部１３４が形成される。支持円筒部１３４の外周表面には、ねじが切ってあり、これを支持部１４５のねじ切り内壁に螺合することによって、支持器１３０が車体に固定される。この支持円筒部１３４の内壁には、軸方向及び径方向の両荷重対応のベアリング１３８が係合され（図９参照）、ベアリング１３８は、ドライブシャフト４に形成されたストッパー斜面１４４によって係止される。同様に、ドライブシャフト４の反対側にもベアリング１３９（図８（ｂ）参照）が取り付けられるので、ドライブシャフト４は車体に対して回転自在となる。
【００６９】
駒部ボア１０６の内壁には、軸方向５に延びる第１の回転防止用溝１０８が４個所に形成されている。駒部ボア１０６の内壁と摺接するドライブ軸４の外壁部分にも、第１の回転防止用溝１０８と対面するように軸方向５に延びる第２の回転防止用溝１４０が４個所に形成されている。図１２（ａ）に示すように、第１の回転防止用溝１０８及びこれに対面する第２の回転防止用溝１４０は、軸方向に沿って延びる円柱溝を形成し、各々の円柱溝の中には、これを埋めるように多数の鋼球１５０が収容される。これによって、駒部１００は、軸方向５に沿って摩擦抵抗最小で移動できると共に、ドライブ軸４に対する相対回転が防止される。これは、一種のボールスプラインであるが、他の形式のボールスプライン、例えば無端回動のボールスプラインなどを、このような摺動可能な回転防止手段として適用することができる。
【００７０】
また、ボールスプライン以外の手段を用いることも可能である。例えば、図１２（ｂ）に示すように、軸方向に延びる突起部１４０ａをドライブ軸４に設け、該突起部１４０ａを収容する第３の回転防止用溝１０８ａを駒部１００に形成する、いわゆるキースプライン形式も回転防止手段として適用可能である。なお、図１２（ｂ）において、突起部１４０ａを駒部１００側に、第３の回転防止用溝１０８ａをドライブ軸４側に設けてもよい。更に、図１２（ｃ）に示すように、軸方向に延びる第４の回転防止用溝１０８ｂ及びこれに対面する第５の回転防止用溝１４０ｂを駒部１００及びドライブ軸４に夫々設け、これらの溝が形成する直方体状の溝の中にキープレートを収容する、いわゆるキー溝形式も回転防止手段として適用可能である。なお、第１実施形態で示した回り止め部５２も第３実施形態で採用できる。
【００７１】
図９及び図１０を再び参照すると、歯部１１２は、ドライブ軸４を受け入れるための歯部ボア１２０が中央部に形成され且つ周辺部に取り付けフランジが設けられた略円筒体として構成される。この略円筒体の内底に相当する、第１の係合面１２１には、ラチェット駒１０２と係合するための複数のラチェット歯１１４が形成されている。ラチェット歯１１４は、歯部の周方向に沿って互い違いに周期的に形成された、第１の係合面１２１に対してより急な斜面１１８と、より緩やかな斜面１１６と、から構成される。
【００７２】
歯部１１２は、その第１の係合面１２１を駒部１００の第２の係合面１１０に対面させるようにドライブシャフト４にカラー１１１を介して摺接可能に軸支される。このとき、ラチェット駒１０２とラチェット歯１１２とが係合される（図１１）。即ち、ドライブシャフト４は、ラチェット駒１０２とラチェット歯１１２との係合部分を介してのみ歯部１１２と作動的に連結される。カラー１１１を介して歯部ボア１２０を通過したドライブシャフト４の端部１４２には、歯部１１２が軸方向外側にずれないようワッシャー１２２が嵌合される（図９）。歯部１１２には、主スプロケット２がピン１２３（図９）を介して動かないように取り付けられ、更に、ドライブシャフト４の先端にはペダル軸１４６が取り付けられる。かくして、車体前進方向のペダル踏力による回転のみを主スプロケット２に伝達するようにドライブシャフト４と主スプロケット２とを連結するラチェットギヤが完成する。
【００７３】
好ましくは、オフセット用バネ１３６が、ドライブ軸４のストッパー斜面１４４と、駒部１００の裏面１０１との間に介在されるのがよい。このオフセット用バネ１３６は、ペダル踏力が所定値以下の場合（例えば事実上ゼロに近い場合）、裏面１０１に収容された鋼球１５２と皿バネ１２４との間にクリアランスを生じさせるように駒部１００を軸方向に偏倚させる。
【００７４】
次に、第３の実施形態の作用を説明する。
搭乗者がペダル８Ｒ、８Ｌにペダル踏力を与え、ドライブ軸４を車体前進方向に回転させると、この回転力は、ドライブ軸４に対し回転不可能に軸支された駒部１００に伝達される。このとき、図１１に示すように、ラチェット駒１０２は、駒部１００からペダル踏力に対応する力Ｆｄを与えられので、その先端部は歯部１１２のラチェット歯のより急な斜面１１８に当接し、この力をラチェット歯に伝達しようとする。ラチェット歯部１１２は、スプロケット２に連結されているので、ラチェット駒１０２の先端部は、駆動のための負荷による力Ｆｐをより急な斜面１１８から受ける。その両端部から互いに反対向きの力Ｆｐ及びＦｄを与えられたラチェット駒１０２は、ａ方向に回転して立ち上がる。駒部１００は、ラチェット駒１０２の立ち上がりによって軸方向内側に移動し、駒部１００と支持器１３０との間に介在する皿バネ１２４を押し込む。皿バネ１２４は、これに対抗して弾性力Ｆｒを駒部１００に作用する。この力Ｆｒと、駒部１００を軸方向に移動させるペダル踏力を反映した力とは短時間で釣り合う。かくして、皿バネ１２４の応力歪み、駒部１００と歯部１１２との間のクリアランス、ラチェット駒１０２の第２の係合面１１０に対する角度、駒部１００の車体フレームに対する位置及び皿バネ１２４が押し込まれる圧力などはペダル踏力を反映する物理量となる。従って、これらのうち少なくとも１つを検出することによって踏み込みトルクを推定することが可能となる。
【００７５】
本実施形態では、一例として皿バネ１２４の応力歪みを検出する。コントローラ１４は、皿バネ１２４に設けられた２つの歪みゲージ１２６からの信号を少なくとも加算演算する（平均演算を含む）。このように複数箇所の応力歪み量を平均化して計測することによって、同じ踏み込みトルクでも出力変化を大きくとれ且つノイズ成分を平滑化することができるので、ＳＮ比を改善し、トルク推定精度を更に向上させることができる。この効果は、歪みゲージの個数が増えるほど大きくなる。
【００７６】
また、ペダル踏力が所定値以下の場合などでは、オフセット用バネ１３６は、駒部１００の裏面１０１と皿バネ１２４との間にクリアランスを生じさせているため、鋼球１５２が皿バネ１２４に頻繁に衝突することが少なくなる。これによって、歪みゲージ信号のノイズ成分が軽減して、トルク検出及び電動アシスト制御の安定性を向上させることができる。
【００７７】
本実施形態の電動アシスト制御の流れは、第１及び第２の実施形態と同様である。
第３実施形態には以下のような更に優れた効果がある。
▲１▼　ラチェットギヤとトルク検出装置とを一つの機構で実現したので、部品点数の削減化が図られ、小型、軽量化及び低コストを達成できる。
▲２▼、踏み込みトルクを検出する部分に、受け荷重ユニットと荷重検出センサーとを一体化した皿バネを用い、２つの機能を１ユニットで実現したので、上記効果に加えて更に小型、軽量化及び低コストを達成できる。
▲３▼　上記項目▲１▼及び▲２▼に示したようにトルク検出装置の小型、軽量化及び簡素化をより高いレベルで達成したので、通常の自転車であってもトルク検出装置を取り付ける可能性が更に広がった。
▲４▼　上記項目▲１▼及び▲２▼で示した理由により、従来機構に比べて荷重の伝達ロスが少なくなり、制御の応答性のよいアシストフィーリングを実現できる。
▲５▼　上記項目▲１▼及び▲２▼で示した理由により、従来機構（コイルバネ使用）に比べ、ペダルに無駄な動き（センサーが感知するまで）が無くなり、ペダルを踏み込んだときのフィーリングは、従来機構は踏み込み時に弾力感があったのに対し、本実施形態では、通常の自転車のフィーリングと同様になった。
【００７８】
以上が本発明の各実施形態であるが、本発明は、上記例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において任意好適に変更可能である。
例えば、各実施形態において、ラチェットギヤの駒及び歯のいずれか一方をスプロケットに取り付け、他方をドライブ軸に取り付けるかは、任意好適に変更可能である。例えば第３実施形態の場合、駒部１００をスプロケット側に取り付け、歯部１１２をドライブ軸４に摺動可能且つ回転不可能に取り付け、歯部１１２によって皿バネ１２４を押し込めるようにしてもよい。
【００７９】
第１及び第３実施形態では、ラチェット駒が３個の例を示したが、２個又は４個以上あってもよいことは勿論である。図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した回転防止手段の溝の数及び突起部の数も、上記した以外の数であってもよい。
【００８０】
上記１又は２つの実施形態で説明したが、他の実施形態では説明しなかった構成要件は、当該他の実施形態にもその要旨を変更しない範囲内で適用可能である。例えば、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した回転防止手段は、第１及び第２実施形態に共に適用できる。また、第２実施形態の一方向クラッチは、第１及び第３の実施形態のラチェットギヤが共に適用可能である。また、第２実施形態の歪みゲージを第３実施形態と同様に複数設置し、その出力信号を平均演算してもよい。
【００８１】
また、ラチェットギヤの変形に対抗して配置される弾性体も任意好適に種類及びその形状を変更可能である。皿バネやコイルバネ以外に例えばゴム弾性体などを用いることもできる。
【００８２】
各実施形態で検出する物理量は、第３実施形態の説明で挙げた例のようにラチェットギヤの変形に基づくものであれば任意好適に選択することができる。例えば第１実施形態では、ラチェット歯部の軸方向変位による押し出し圧力の変化を検出する圧電センサーを用いてもよい。また、ラチェット駒に歪みゲージを取り付け、ラチェット駒の応力歪み量に基づいて踏み込みトルクを演算することも可能である。また、第３実施形態では支持器の内底部に圧電センサーを配置してもよい。また、ラチェット駒の回転角度をその回転軸に設けたエンコーダーなどで検出してもよい。更に、歯部に対する駒部の位置を検出する位置センサーを設けてもよい。
【００８３】
また、応力歪みを検出する手段として、歪みゲージを例にしたが、応力歪みに関連した物理量を検出できれば、これに限定されるものではない。
更に、本発明に係る一方向クラッチ及びトルク検出装置は、電動アシスト自転車に適用される例を示したが、駆動手段から被駆動手段へ一方向の回転のみを伝達するため本発明に係る一方向クラッチを適用できるものであれば、他の任意の用途にも応用することができる。
【００８４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る一方向クラッチは、一方向の回転によりクラッチ内部に発生した応力の少なくとも一部分が該軸方向の応力に変換され、該軸方向の応力は弾性力により対抗されるようにしたので、軸方向の応力を検出する検出手段を付加することで、一方向の回転によるトルクを検出するトルク検出装置として用いることが可能となる、という優れた効果が得られる。更に、この軸方向の応力が弾性力により対抗される機構のため、この弾性力は、一方向の回転によりクラッチ内部に発生した応力の緩衝としても作用することができる。
【００８５】
本発明に係るトルク検出装置は、上記一方向クラッチの軸方向応力をトルクとして検出するようにしたので一方向クラッチと兼用できるようになり、かくして、このような一方向クラッチを用い且つトルク検出を行う必要がある装置の小型軽量化を達成することができる、という優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明に係る一方向クラッチ及びトルク検出装置が適用された動力アシスト自転車の概略図である。
【図２】
図２は、本発明の第１実施形態に係るトルク検出装置を示す図である。
【図３】
図３は、本発明の第１実施形態に係るトルク検出装置で用いられるスプロケット及びラチェットギヤが嵌合した状態の正面図並びに側面図である。
【図４】
図４は、スプロケット及びラチェット歯部を分解した状態の図式的な斜視図である。
【図５】
図５は、ラチェット歯部の軸方向変位を説明するため、スプロケット及びラチェットギヤを嵌合させた状態で示した図式的な斜視図である。
【図６】
図６は、第１実施形態に係るトルク検出装置のスプロケット及びスプロケット駆動ギヤの正面図である。
【図７】
図７は、スプロケット駆動ギヤの正面図及び側面図である。
【図８】
図８は、本発明の第２実施形態に係るトルク検出装置の構成図であって、（ａ）は、該トルク検出装置で用いられるスプロケットの正面図、（ｂ）は、該トルク検出装置の側断面図である。
【図９】
図９は、本発明の第３実施形態に係る一方向クラッチ（ラチェットギヤ）が動力アシスト自転車に適用されてトルク検出装置を構成したときの側断面図である。
【図１０】
図１０は、図９に示された一方向クラッチ（ラチェットギヤ）及びトルク検出装置の分解斜視図である。
【図１１】
図１１は、第３の実施形態のトルク検出装置の原理を示すため、一方向クラッチ（ラチェットギヤ）の歯及び駒の嵌合状態を表した図である。
【図１２】
図１２は、ドライブ軸に対する駒部の相対回転を防止する回転防止手段の例を示す図であり、（ａ）はボールスプライン、（ｂ）はスプラインキー、（ｃ）はキー溝の概略構成を示す上面図である。
【図１３】
図１３は、一方向クラッチの駒部及び該駒部で使用されるバネ棒の構成を示す図であって、（ａ）は、バネ棒が取り付けられた状態の駒部の斜視図、（ｂ）は、バネ棒を取り外した状態の駒部の斜視図、（ｃ）は、バネ棒の側面図である。
【図１４】
図１４は、バネ棒の作用を説明するための図であって、（ａ）は、バネ棒を取り付けていない場合、（ｂ）は、バネ棒を取り付けた場合を各々示す。
【図１５】
図１５は、バネ棒の利点を説明するための図である。
【図１６】
図１６は、本発明の一実施例に係る電動アシスト自転車の二重チェーン方式の合力機構を示すため、主スプロケットの裏側から見た拡大正面図である。
【図１７】
図１７は、本発明の別の実施例に係る電動アシスト自転車の二重チェーン方式の合力機構を示すため、主スプロケットの裏側から見た拡大正面図である。
【図１８】
図１８は、本発明の電動アシスト自転車の合力機構を示す図であって、（ａ）は主スプロケットの表側から見た拡大正面図、（ｂ）はその側断面図である。
【図２】
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【図５】
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【図８】
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【図１０】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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