(57)【要約】【課題】本発明は、特殊な部品や重量部品を使用することなく組立てが簡単で軽量、安価な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。【解決手段】この目的を達成するために、本発明のトルク検出装置は、シャフト２４の転がり軸受２６ａを筺体２２に支持するハウジング部２５ａ内に略矩形形状のスロット３０を設け、このスロット３０内の前記転がり軸受２６ａに対向する側壁３１上に歪検出素子３２を装着することにより、ペダルに加えられる踏力をトルクとして検出するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筺体と、該筺体を貫通する前輪側シャフトと、前記前輪側シャフトに嵌合する転がり軸受と、前記転がり軸受の外側側面を支持するハウジング部と、前記前輪側シャフトに一端が固着され、かつ他端にペダルを回転自在に設けるとともに該ペダルに加わる踏力を伝達するクランクと、前記前輪側シャフトに固着されたギアと、前記ギアの回転運動を伝達して後輪を駆動するチェーンとを備え、前記ハウジング部内に前記転がり軸受の後輪側の外側側面に近接して鉛直方向に伸びる略矩形形状のスロットを設けるとともに、前記スロット内の前記転がり軸受に対向する側壁上に歪検出素子を装着して、前記ペダルの踏み込みにより前記シャフトが後輪方向に移動する際に前記スロット内の転がり軸受に対向する側壁に発生する歪を検知して前記ペダルに加えられる踏力を検出するトルク検出装置。
【請求項２】
前記転がり軸受の外側側面の後輪側は前記転がり軸受の中心を通る水平線近傍および前記転がり軸受の中心を通る垂直線近傍においてのみ前記ハウジング部と接触することを特徴とする請求項１に記載のトルク検出装置。
【請求項３】
前記歪検出素子がＭＥＭＳ歪検出素子であることを特徴とする請求項１または２に記載のトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自転車のペダルによって駆動されるシャフトのトルクを検出するためのトルク検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動自転車においては、ペダルに作用する人の踏力をトルクとして検出し、このトルク値が予め設定した値を越える場合には、自動的に電動モーターなどを駆動させて補助駆動力を加えることにより、坂道などでも楽に走行できるように構成されている。また、一般的な自転車においても、ペダルに作用する人の踏力をトルクとして検出し、このトルク値が予め設定した値を越える場合には、自動的にギアを切り替えて最適なギア比で走行できるように構成されているものがある。
【０００３】
図５（ａ）は従来のトルク検出装置を搭載した電動自転車のボトムブラケット部の断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ部拡大図を示す（特許文献１参照）。図５（ａ）（ｂ）において、１は電動自転車のボトムブラケット部で、筺体２内には両端部にねじ孔３ａ，３ｂを有するシャフト４が挿通され、転がり軸受け５ａ，５ｂを介して回転自在に支持されている。６ａは基部に嵌合孔を有するクランクで、該嵌合孔が前記シャフト４の一方の端部に嵌合され、ねじ孔３ａに螺入したボルト７ａにより固定されており、先端部にはペダル（図示せず）が回転自在に装着されている。６ｂは基部に嵌合孔を有する円筒状のボス８を備えたクランクで、該嵌合孔が前記シャフト４の他方の端部に嵌合され、ねじ孔３ｂに螺入したボルト７ｂにより固定されており、先端部にはペダル（図示せず）が回転自在に装着されている。１０はトルク検出装置で、円筒部１１とフランジ１２からなり、ペダルを踏むことによりねじり応力が発生する検出部１３と、内周に検出コイル１４ａ，１４ｂが装着された有底円筒状のコイルユニット１５とからなっている。前記検出部１３はＦｅ−Ｎｉ系合金等の磁性合金からなり、前記円筒部１１の中心部には前記シャフト４が挿通する孔が設けられている。前記検出部１３はボルト１６ａ，１６ｂにより、前記クランク６ｂのボス８に固定されている。また、前記検出部１３のフランジ１２はギア保持部１７にボルト１８ａ，１８ｂにより固着されるとともに、前記ギア保持部１７にはチェーン（図示せず）が掛けられたギア１９がボルト２０ａ，２０ｂにより固着されている。さらにまた、前記検出部１３の円筒部１１の前記検出コイル１４ａ，１４ｂに対向する部分には、互いに反対方向の磁気異方性が付与されている。
【０００４】
ペダルを踏んでクランク６ｂを自転車の前進方向に回転させると、その回転力は、クランク６ｂ、ボス８、検出部１３、ギア保持部１７を経て、ギア１９に伝達される。この時、クランク６ｂと一体に結合された検出部１３には、クランク６ｂによる回転力とチェーンによる張力によりねじり応力が発生する。これにより、前記検出部１３の円筒部１１の前記検出コイル１４ａに対向する部分には引張応力が、前記検出コイル１４ｂに対向する部分には圧縮応力が加わるため、これに対応して各々の部分の透磁率が増減する。これにより、前記検出コイル１４ａ，１４ｂの自己インダクタンスが変化し、これらの検出コイルを含むブリッジ回路からシャフト４に加えられたトルクに対応する出力電圧が得られるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３３８７７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来のトルク検出装置を用いた電動自転車等においては、基部に嵌合孔を有する円柱状のボスを備えたクランク、互いに反対方向の磁気異方性を備えた部分を有する磁性合金製の検出部などの特殊な部品や、検出コイルを使用せねばならないため、組立てが煩雑で軽量化が困難となるのみならず、高価なものとなってしまう、という問題点があった。
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、特殊な部品や重量部品を使用することなく構成され、組立てが簡単で軽量、安価なトルク検出装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【０００９】
請求項１に記載の発明は、筺体と、該筺体を貫通する前輪側シャフトと、前記前輪側シャフトに嵌合する転がり軸受と、前記転がり軸受の外側側面を支持するハウジング部と、前記前輪側シャフトに一端が固着され、かつ他端にペダルを回転自在に設けるとともに該ペダルに加わる踏力を伝達するクランクと、前記前輪側シャフトに固着されたギアと、前記ギアの回転運動を伝達して後輪を駆動するチェーンとを備え、前記ハウジング部内に前記転がり軸受の後輪側の外側側面に近接して鉛直方向に伸びる略矩形形状のスロットを設けるとともに、前記スロット内の前記転がり軸受に対向する側壁上に歪検出素子を装着し、前記ペダルの踏み込みにより前記シャフトが後輪方向に移動する際に前記スロット内の転がり軸受に対向する側壁に発生する歪を検知して前記ペダルに加えられる踏力を検出するもので、この構成によれば、ハウジング部内に設けたスロット内の転がり軸受に対向する側壁に発生する歪を検知することによりシャフトに印加される踏力を直接検出できるため、基部に嵌合孔を有する円柱状のボスを備えたクランクや、互いに反対方向の磁気異方性を備えた部分を有する磁性合金製の検出部などの特殊な部品、また重い検出コイル等を使用することなく構成され、これにより、組立てが簡単で軽量、安価なトルク検出装置を提供できるという作用効果を有するものである。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、前記転がり軸受の外側側面の後輪側は前記転がり軸受の中心を通る水平線近傍および前記転がり軸受の中心を通る垂直線近傍においてのみ前記ハウジング部と接触するもので、この構成によれば、前記ペダルの踏み込みにより前記シャフトが後輪方向に移動する際に前記スロット内の転がり軸受に対向する側壁に応力が集中するために、この側壁により大きな歪が発生する。これにより、ペダルに加えられる踏力をトルクとしてより高精度で検出できるという作用効果を有するものである。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、前記歪検出素子をＭＥＭＳ歪検出素子としたもので、この構成によれば、一定の歪に対し大きな電気的出力が得られるため、ペダルに加えられる踏力が小さい時にも大きな電気的出力を得ることができ、これにより、ペダルに加えられる踏力をトルクとしてさらに高精度で検出できるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように本発明のトルク検出装置は、筺体と、該筺体を貫通する前輪側シャフトと、前記前輪側シャフトに嵌合する転がり軸受と、前記転がり軸受の外側側面を支持するハウジング部と、前記前輪側シャフトに一端が固着され、かつ他端にペダルを回転自在に設けるとともに該ペダルに加わる踏力を伝達するクランクと、前記前輪側シャフトに固着されたギアと、前記ギアの回転運動を伝達して後輪を駆動するチェーンとを備え、前記ハウジング部内に前記転がり軸受の後輪側の外側側面に近接して鉛直方向に伸びる略矩形形状のスロットを設けるとともに、前記スロット内の前記転がり軸受に対向する側壁上に歪検出素子を装着して、前記ペダルの踏み込みにより前記シャフトが後輪方向に移動する際に前記スロット内の転がり軸受に対向する側壁に発生する歪を検知して前記ペダルに加えられる踏力を検出するもので、シャフトに印加される踏力をハウジング部内に設けたスロット内の転がり軸受に対向する側壁に発生する歪を検知することにより直接検出できるため、基部に嵌合孔を有する円柱状のボスを備えたクランクや、互いに反対方向の磁気異方性を備えた部分を有する磁性合金製の検出部などの特殊な部品、また重い検出コイル等を使用することなく構成され、これにより、組立てが簡単で軽量、安価なトルク検出装置を提供できるという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１におけるトルク検出装置を搭載した電動自転車のボトムブラケット部の断面図、（ｂ）（ａ）のＢ−Ｂ線断面図
【図２】（ａ）シャフトにチェーンによる後輪側への張力が印加された時にハウジング部内に設けたスロット内の転がり軸受に対向する側壁に発生する歪の状態を示す図、（ｂ）シャフトにさらに踏力によるトルクが印加された時にハウジング部内に設けたスロット内の転がり軸受に対向する側壁に発生する歪の状態を示す図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２におけるトルク検出装置を搭載した電動自転車のボトムブラケット部の断面図、（ｂ）（ａ）のＢ′−Ｂ′線断面図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態３におけるトルク検出装置で使用するＭＥＭＳ歪検出素子の上面図、（ｂ）（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、（ｃ）（ａ）のＤ−Ｄ線断面図、（ｄ）（ｂ）のＥ部の詳細図
【図５】（ａ）従来のトルク検出装置を搭載した電動自転車のボトムブラケット部の断面図、（ｂ）（ａ）のＡ部拡大図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１に記載の発明について説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１におけるトルク検出装置を搭載した電動自転車のボトムブラケット部２１を水平に切断した時の断面図を示す。図１（ａ）において、筺体２２内には両端部にねじ孔２３ａ，２３ｂを有するシャフト２４が挿通され、前記筺体２２の両端開口部に取付けられたハウジング部２５ａ，２５ｂ内に保持された転がり軸受２６ａ，２６ｂを介して回転自在に支持されている。２７ａは基部に嵌合孔を有するクランクで、該嵌合孔が前記シャフト２４の一方の端部に嵌合され、ねじ孔２３ａに螺入したボルト２８ａにより固定されており、先端部にはペダル（図示せず）が回転自在に装着されている。２７ｂは基部に嵌合孔を有するクランクで、該嵌合孔が前記シャフト２４の他方の端部に嵌合され、ねじ孔２３ｂに螺入したボルト２８ｂにより、固定されており、先端部にはペダル（図示せず）が回転自在に装着されている。また、前記シャフト２４にはギア２９が固着されている。
【００１５】
図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図を示す。図１（ｂ）において、矢印方向は後輪側を示すもので、ハウジング部２５ａは前記転がり軸受２６ａの外側側面を全周にわたって支持している。そして、ハウジング部２５ａ内には前記転がり軸受２６ａの後輪側の外側側面に近接して鉛直方向に伸びる略矩形形状のスロット３０を設けるとともに、前記スロット３０内の前記転がり軸受２６ａに対向する側壁３１上にはストレインゲージからなる歪検出素子３２が装着されている。同様に、ハウジング部２５ｂは前記転がり軸受２６ｂの外側側面を全周にわたって支持している。
【００１６】
前記ギア２９にチェーン（図示せず）を掛け後輪等との間に張力が印加されると、前記シャフト２４が後輪側に移動するため、図２（ａ）に示すように、前記スロット３０内の前記転がり軸受２６ａに対向する側壁３１上には歪が発生する。これにより、歪検出素子３２には引張歪が作用して抵抗値が上昇する。そのため、この歪検出素子３２と３つの固定抵抗から構成されるブリッジ回路に前記張力に対応する出力電圧が発生する。次に、ペダルを踏んでクランク２７ｂを自転車の前進方向に回転させると、その回転力は、クランク２７ｂ、シャフト２４に伝達されるため、前記シャフト２４が後輪側に移動して、図２（ｂ）に示すように、前記スロット３０内の前記転がり軸受２６ａに対向する側壁３１上にはさらに大きな歪が発生する。これにより、歪検出素子３２の抵抗値が変化し、この歪検出素子と３つの固定抵抗から構成されるブリッジ回路にシャフト２４に加えられたトルクに対応する出力電圧が得られることになる。
【００１７】
このように、本発明の実施の形態１におけるトルク検出装置は、ハウジング部内に設けたスロット内の転がり軸受に対向する側壁に発生する歪を検知することによりシャフトに印加される踏力を直接検出できるため、基部に嵌合孔を有する円柱状のボスを備えたクランクや、互いに反対方向の磁気異方性を備えた部分を有する磁性合金製の検出部などの特殊な部品、また重い検出コイル等を削減でき、これにより、部品点数が少なくなり、組立てが簡単で軽量、安価なトルク検出装置を提供することができる。
【００１８】
なお、本発明の実施の形態１におけるトルク検出装置では前記筺体２２の両端開口部にハウジング部２５ａ,２５ｂを取付け、このハウジング部２５ａ,２５ｂ内に保持された転がり軸受２６ａ，２６ｂを介してシャフト２４を回転自在に支持しているが、ハウジング部２５ａ,２５ｂを用いることなく筺体２２にシャフト２４を回転自在に支持する転がり軸受２６ａ，２６ｂを直接取付けるとともに、前記筺体２２内に前記転がり軸受２６ａの後輪側の外側側面に近接して鉛直方向に伸びる略矩形形状のスロット３０を設けてもよい。
【００１９】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項２に記載の発明について説明する。図３（ａ）は本発明の実施の形態２におけるトルク検出装置を搭載した電動自転車のボトムブラケット部２１を水平に切断した時の断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＢ′−Ｂ′線断面図を示す。なお、この本発明の実施の形態２においては、上記した本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しており、その説明は省略する。
【００２０】
図３（ａ）（ｂ）において、本発明の実施の形態２が上記した本発明の実施の形態１と相違する点は、転がり軸受２６ａの外側側面の後輪側が前記転がり軸受２６ａの中心を通る水平線近傍Ｈ部および前記転がり軸受２６ａの中心を通る垂直線近傍Ｖ部においてのみハウジング部２５ａと接触するように、ハウジング部２５ａに切り欠き部３３を設けた点である。
【００２１】
本発明の実施の形態２におけるトルク検出装置においては、ペダルを踏んでクランク２７ｂを自転車の前進方向に回転させた時、転がり軸受２６ａの外側側面の後輪側のハウジング部２５ａに切り欠き部３３を設けているため、シャフト２４が水平方向には自由に移動できるとともに、スロット３０内の転がり軸受２６ａに対向する側壁３１に応力が集中するために、この側壁３１により大きな歪が発生する。これにより、本発明の実施の形態２におけるトルク検出装置はペダルに加えられる踏力をトルクとしてより高精度で検出できるという作用効果を有するものである。
【００２２】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項３に記載の発明について説明する。本発明の実施の形態３は歪検出素子をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術と呼ばれる微細加工技術を応用したＭＥＭＳ歪検出素子としたもので、加えられる荷重が小さくても周波数やインピーダンスが大きく変動する高精度の振動子である。このような微小機械振動子を歪の発生する物体に貼着するだけで簡便に、かつ高精度で荷重や歪を測定することができる。
【００２３】
図４（ａ）は前記ＭＥＭＳ歪検出素子４０の上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＤ−Ｄ線断面図、図４（ｄ）は図４（ｂ）のＥ部の詳細図である。図４（ａ）〜（ｄ）において、４１はシリコン等からなる半導体基板で、この半導体基板４１の表面には酸化シリコン層や窒化シリコン層からなる絶縁層が形成されている。４２は半導体基板４１をエッチング処理して形成した梁部で、この梁部４２は力学量の作用により固有振動数が変化する梁状の振動体を構成しているものである。４３は前記梁部４２を取り囲む固定部で、この固定部４３は前記梁状の振動体の両端を支持しているものである。また、前記梁部４２の表面の中央部には順に下部電極、ＰＺＴ等からなる圧電体層、上部電極からなる駆動素子４４が形成され、かつ前記梁部４２の両端部には梁部４２の中心に対して対称な位置に同じく順に下部電極、ＰＺＴ等からなる圧電体層、上部電極からなる検出素子４５，４６が形成され、そして、前記駆動素子４４、検出素子４５，４６は配線パターン（図示せず）によりランド４７に電気的に接続されている。また、このＭＥＭＳ歪検出素子は半導体基板４１における梁部４２の両端の固定部４３において、ハウジング部２５ａに設けたスロット３０内の転がり軸受２６ａに対向する側壁３１に発生する歪が振動子に伝達されるようにＡｕ−Ａｕ接合等の金属系接合材やエポキシ樹脂等の剛性を有する物質４８で接続固定されているものである。図４（ｄ）において、駆動素子４４は増幅器５０の出力側に接続され、検出素子４５，４６はゲイン調整・移相器５１を介して前記増幅器５０の入力側に接続されている。また、駆動素子４４、検出素子４５，４６の共振周波数は梁部４２の固有振動数ｆeの近傍に選定されているものである。なお、発明者らが作成したＭＥＭＳ歪検出素子の半導体基板は長さ２ｍｍ、幅１．５ｍｍ、厚み０．３ｍｍの矩形形状であり、梁部は長さ１．２ｍｍ、幅０．２ｍｍ、厚み１０μｍとしている。
【００２４】
上記構成において、増幅器５０から駆動素子４４に梁部４２の固有振動数ｆeの近傍の周波数を持つ交流電圧が印加されると、梁部４２の中央に設けられた駆動素子４４は梁部４２の長手方向に平行な方向に伸縮振動を開始する。この伸縮振動によって梁部４２は固有振動数ｆeで上下に弦振動を開始する。この弦振動は検出素子４５，４６によって受信され、そして、この検出素子４５，４６から梁部４２の固有振動数ｆeと等しい周波数を持つ交流信号が発生する。これらの交流信号はゲイン調整・移相器５１で位相調整されて前記増幅器５０の入力側にフィードバックされる。これにより、梁部４２はその固有振動数ｆeと等しい周波数で弦振動を持続する。この時、検出素子４５，４６からの交流信号を加算器で加算した後、前記ゲイン調整・移相器５１を介して増幅器５０の入力側にフィードバックしてもよいものである。このように梁部４２が上下に弦振動している状態で、ハウジング部２５ａに設けたスロット３０内の前記転がり軸受２６ａに対向する側壁３１上に引張歪が働くと、前記梁部４２の固有振動数ｆeは上昇する。このようにして、端子に出力される固有振動数ｆeを測定することによりハウジング部２５ａ内に設けたスロット３０内の転がり軸受に対向する側壁３１に発生する歪を検知して測定できるものである。
【００２５】
このように、本発明の実施の形態３におけるトルク検出装置は、特に、前記歪検出素子をＭＥＭＳ歪検出素子としたもので、この構成によれば、一定の歪に対し大きな電気的出力が得られるため、ペダルに加えられる踏力が小さい時にも大きな電気的出力を得ることができ、これにより、ペダルに加えられる踏力を高精度で検出できるトルク検出装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明に係るトルク検出装置は、筺体と、該筺体を貫通する前輪側シャフトと、前記前輪側シャフトに嵌合する転がり軸受と、前記転がり軸受の外側側面を支持するハウジング部と、前記前輪側シャフトに一端が固着され、かつ他端にペダルを回転自在に設けるとともに該ペダルに加わる踏力を伝達するクランクと、前記前輪側シャフトに固着されたギアと、前記ギアの回転運動を伝達して後輪を駆動するチェーンとを備え、前記ハウジング部内に前記転がり軸受の後輪側の外側側面に近接して鉛直方向に伸びる略矩形形状のスロットを設けるとともに、前記スロット内の前記転がり軸受に対向する側壁上に歪検出素子を装着して、前記ペダルの踏み込みにより前記シャフトが後輪方向に移動する際に前記スロット内の転がり軸受に対向する側壁に発生する歪を検知して前記ペダルに加えられる踏力を検出するようにしたもので、ハウジング部内に設けたスロット内の転がり軸受に対向する側壁に発生する歪を検知することによりシャフトに印加される踏力を直接検出できるため、基部に嵌合孔を有する円柱状のボスを備えたクランクや、互いに反対方向の磁気異方性を備えた部分を有する磁性合金製の検出部などの特殊な部品、また重い検出コイル等を削減でき、これにより、部品点数が少なくなり、組立てが簡単で軽量、安価なトルク検出装置を提供できるという効果を有するものであり、特に、電動自転車や自動変速装置付自転車に適用して有用なものである。
【符号の説明】
【００２７】
２２  筺体
２４  シャフト
２５ａ，２５ｂ  ハウジング部
２６ａ，２６ｂ  転がり軸受
２７ａ，２７ｂ  クランク
２９  ギア
３０  スロット
３２  歪検出素子
【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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