(57)【要約】【課題】簡単な構成で漕ぎ出し直後から人力によるペダル踏力を算出することが可能なトルク検出装置を得る。【解決手段】トルク検出装置２０は、クランク軸７に設けられる軸部回転体３０と、軸部回転体３０とコイルバネ５０を介して連結され、チェーン１０が噛み合わされる歯部４０ｄが外周部に形成された歯部回転体４０と、軸部回転体３０に設けられ、等間隔角度でＮ極、Ｓ極の順に磁石３７，３８が配置された支持部３２と、歯部回転体４０に設けられ、支持部３２と同じ等間隔角度でＮ極、Ｓ極の順に磁石４７，４８が配置された支持部４２と、所定の電気角だけずらして配置され、支持部３２の磁界を略正弦波状の検出信号として検出するホールセンサー３５，３６と、所定の電気角だけずらして配置され、支持部４２の磁界を略正弦波状の検出信号として検出するホールセンサー４５，４６と、を備えたものである。【選択図】図６
2012187963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動アシスト自転車に使用されるトルク検出装置であって、
人力駆動系のクランク軸に設けられる軸部回転体と、
該軸部回転体と弾性体を介して連結され、チェーンが噛み合わされる歯部が外周部に形成された歯部回転体と、
前記軸部回転体に設けられ、等間隔角度でＮ極、Ｓ極の順に第１の着磁部材が配置された第１の支持部と、
前記歯部回転体に設けられ、等間隔角度でＮ極、Ｓ極の順に第２の着磁部材が配置された第２の支持部と、
前記第１の着磁部材の磁界を略正弦波状の検出信号として検出する第１のホールセンサーと、
前記第１のホールセンサーと所定の電気角だけずらして配置され、前記第１の着磁部材の磁界を略正弦波状の検出信号として検出する第２のホールセンサーと、
前記第２の着磁部材の磁界を略正弦波状の検出信号として検出する第３のホールセンサーと、
前記第３のホールセンサーと所定の電気角だけずらして配置され、前記第２の着磁部材の磁界を略正弦波状の検出信号として検出する第４のホールセンサーと、
を備えたことを特徴とするトルク検出装置。
【請求項２】
前記第１の着磁部材は、前記第１の支持部に取り付けられた磁石であり、
前記第１のホールセンサー及び前記第２のホールセンサーは、
前記第１のホールセンサー及び前記第２のホールセンサーと前記第１の着磁部材との間の最短距離ｈ１が、［｛（前記第１の着磁部材の走行軌跡の直径／前記第１の着磁部材の数）−前記第１の着磁部材の走行軌跡方向の長さ｝≦ｈ１＜（前記第１の着磁部材の走行軌跡の直径／前記第１の着磁部材の数）］となるように配置されてい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】
前記第２の着磁部材は、前記第２の支持部に取り付けられた磁石であり、
前記第３のホールセンサー及び前記第４のホールセンサーは、
前記第３のホールセンサー及び前記第４のホールセンサーと前記第２の着磁部材との間の最短距離ｈ２が、［｛（前記第２の着磁部材の走行軌跡の直径／前記第２の着磁部材の数）−前記第２の着磁部材の走行軌跡方向の長さ｝≦ｈ２＜（前記第２の着磁部材の走行軌跡の直径／前記第２の着磁部材の数）］となるように配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトルク検出装置。
【請求項４】
前記第１のホールセンサー、前記第２のホールセンサー、前記第３のホールセンサー、前記第４のホールセンサー、前記第１の支持部及び前記第２の支持部の回りを覆うシールドカバーを設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のトルク検出装置。
【請求項５】
前記第１のホールセンサー、前記第２のホールセンサー、前記第３のホールセンサー及び前記第４のホールセンサーに接続されるコントローラーと、
該コントローラーに接続されるモーターを備え、
前記コントローラーは、
前記第１のホールセンサーで検出した略正弦波状の検出信号と、前記第２のホールセンサーで検出した略正弦波状の検出信号と、に基づいて前記軸部回転体の位相を算出し、
前記第３のホールセンサーで検出した略正弦波状の検出信号と、前記第４のホールセンサーで検出した略正弦波状の検出信号と、に基づいて前記歯部回転体の位相を算出し、
前記モーターの出力値を、前記軸部回転体と前記歯部回転体との位相差に対応する出力値に制御することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のトルク検出装置。
【請求項６】
前記第２のホールセンサーは、前記第１のホールセンサーに対して電気角で９０°ずらして配置され、
前記第４のホールセンサーは、前記第３のホールセンサーに対して電気角で９０°ずらして配置され、
前記コントローラーは、
前記第１のホールセンサー及び前記第２のホールセンサーで検出した正弦波状の検出信号のそれぞれをｓｉｎθ１及びｃｏｓθ１として、θ１＝ｔａｎ-1｛（ｓｉｎθ１）／（ｃｏｓθ１）｝を算出し、
前記第３のホールセンサー及び前記第４のホールセンサーで検出した正弦波状の検出信号のそれぞれをｓｉｎθ２及びｃｏｓθ２として、θ２＝ｔａｎ-1｛（ｓｉｎθ２）／（ｃｏｓθ２）｝を算出し、
前記軸部回転体と前記歯部回転体との位相差△θを、△θ＝θ１−θ２として求めることを特徴とする請求項５に記載のトルク検出装置。
【請求項７】
前記コントローラーは、
前記歯部回転体に外部からの負荷がかかっていない状態で検出した前記軸部回転体と前記歯部回転体との初期位相差を予め記憶しており、
前記歯部回転体に外部からの負荷がかかった状態で検出した前記軸部回転体と前記歯部回転体との位相差を前記初期位相差で補正することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のトルク検出装置。
【請求項８】
前記弾性体は板バネであることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のトルク検出装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のトルク検出装置と、
前記クランク軸と、
該クランク軸の両端部にクランクバーを介して接続されたペダルと、
を備えたことを特徴とするトルク検出装置ユニット。
【請求項１０】
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のトルク検出装置、又は請求項９に記載のトルク検出装置ユニットを備えたことを特徴とする電動アシスト自転車。
【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に使用されるトルク検出装置、このトルク検出装置を備えたトルク検出装置ユニット、及びこのトルク検出装置又はこのトルク検出装置ユニットを備えた電動アシスト自転車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、人力で駆動する自転車に電気駆動系を並列に付加し、人力によるペダル踏力の変化（つまり、ペダルと接続されたクランク軸に作用する踏み込みトルク）に基づいて電気駆動系の出力を制御し、これによって人力によるペダル踏力を補助する電動アシスト自転車が実施されている。このような従来の電動アシスト自転車には、クランク軸に作用する踏み込みトルクを検出するトルク検出装置として、ポテンショメーターを用いたトルク検出装置や磁歪材を用いたトルク検出装置等、種々の方式のものが採用されている。
【０００３】
また、従来の電動アシスト自転車には、磁気センサーを用いてクランク軸に作用する踏み込みトルクを非接触で検出することにより、トルク検出装置の構造の簡易化を図ったものも提案されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載のトルク検出装置は、クランク軸に設けられる軸部回転体と、該軸部回転体と弾性体を介して連結され、チェーンが噛み合わされる歯部が外周部に形成された歯部回転体と、を備えている。これら軸部回転体及び歯部回転体のそれぞれには等間隔角度で配置された複数の磁石が設けられている。そして、特許文献１に記載の電動自転車は、これら磁石が磁気センサーの下方を通過する際に検出する検出パルスの時間間隔により、軸部回転体及び歯部回転体それぞれの位相を算出し、これら位相の位相差に基づいてクランク軸に作用する踏み込みトルクを求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２９０７９５号公報（段落［００１４］〜［００２０］、図１〜図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電動アシスト自転車においては、道路交通法施行規則により、人力によるペダル踏力を補助する際に付与できる出力（アシスト力）が人力によるペダル踏力の２倍までと規定されている。しかしながら、特許文献１に記載の電動アシスト自転車は、検出パルスの時間間隔により軸部回転体及び歯部回転体の位相を検出するため、軸部回転体及び歯部回転体をある程度回転させなければこれらの位相を算出できないという課題があった。このため、特許文献１に記載の電動アシスト自転車は、漕ぎ出し直後に最適なアシスト力を付与できないという課題があった。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、簡単な構成で漕ぎ出し直後から人力によるペダル踏力を算出することが可能で、漕ぎ出し直後から最適なアシスト力を付与することを可能とするトルク検出装置、このトルク検出装置を備えたトルク検出装置ユニット、及びこのトルク検出装置又はこのトルク検出装置ユニットを備えた電動アシスト自転車を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るトルク検出装置は、電動アシスト自転車に使用されるトルク検出装置であって、人力駆動系のクランク軸に設けられる軸部回転体と、軸部回転体と弾性体を介して連結され、チェーンが噛み合わされる歯部が外周部に形成された歯部回転体と、軸部回転体に設けられ、等間隔角度でＮ極、Ｓ極の順に第１の着磁部材が配置された第１の支持部と、歯部回転体に設けられ、等間隔角度でＮ極、Ｓ極の順に第２の着磁部材が配置された第２の支持部と、第１の着磁部材の磁界を略正弦波状の検出信号として検出する第１のホールセンサーと、第１のホールセンサーと所定の電気角だけずらして配置され、第１の着磁部材の磁界を略正弦波状の検出信号として検出する第２のホールセンサーと、第２の着磁部材の磁界を略正弦波状の検出信号として検出する第３のホールセンサーと、第３のホールセンサーと所定の電気角だけずらして配置され、第２の着磁部材の磁界を略正弦波状の検出信号として検出する第４のホールセンサーと、を備えたものである。
【０００８】
また、本発明に係るトルク検出装置ユニットは、上記のトルク検出装置と、クランク軸と、このクランク軸の両端部にクランクバーを介して接続されたペダルと、を備えたものである。
【０００９】
また、本発明に係る電動アシスト自転車は、上記のトルク検出装置又は上記のトルク検出装置ユニットを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、第１のホールセンサー及び第２のホールセンサーの検出値に基づいて軸部回転体の位相を算出し、第３のホールセンサー及び第４のホールセンサーの検出値に基づいて歯部回転体の位相を算出するので、漕ぎ出し直後（つまり、ペダル踏力によって軸部回転体が回転し、弾性体は弾性変形しているが、歯部回転体は未だ回転していない状態）から軸部回転体及び歯部回転体の位相を検出することができる。このため、本発明においては、簡単な構成で、漕ぎ出し直後から人力によるペダル踏力を算出することができ、漕ぎ出し直後から最適なアシスト力を付与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る電動アシスト自転車を示す左側面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るトルク検出装置を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るトルク検出装置を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るトルク検出装置に設けられたシールドケースを示す斜視図（部分断面図）である。
【図５】本発明の実施の形態に係るホールセンサーと支持部との位置関係を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るトルク検出装置の位相検出方法を説明するための説明図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るトルク検出装置の別の一例を示す斜視図である。
【図８】従来の多極着磁リング磁石と磁気ヘッドとの位置関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態．
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係るトルク検出装置、このトルク検出装置を備えたトルク検出装置ユニット、及びこのトルク検出装置又はこのトルク検出装置ユニットを備えた電動アシスト自転車について説明する。なお、以下に示す図面では、各構成要素の形状や大きさ等が図面ごとに異なる場合がある。また、以下に示すトルク検出装置、このトルク検出装置を備えたトルク検出装置ユニット、及びこのトルク検出装置又はこのトルク検出装置ユニットを備えた電動アシスト自転車は、あくまでも一例である。以下の図面に示す構成により、本発明に係るトルク検出装置、このトルク検出装置を備えたトルク検出装置ユニット、及びこのトルク検出装置又はこのトルク検出装置ユニットを備えた電動アシスト自転車の構成が限定されるものではない。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る電動アシスト自転車を示す左側面図である。
電動アシスト自転車１の主要な骨格部分は、例えば金属管製のフレーム２によって構成されている。このフレーム２の前方には、前輪５が配置されている。前輪５には、前輪５を操舵するためのハンドル３が接続されており、ハンドル３は、フレーム２の前部に設けられたヘッドパイプ２ａに回転自在に保持されている。また、ヘッドパイプ２ａには、夜間等に電動アシスト自転車１の前方を照射するライト１１が設けられている。
【００１４】
フレーム２の略中央部の上側には、サドル４が設けられている。また、サドル４の下方（つまり、フレーム２の略中央部の下側）には、人力駆動系となるクランク軸７、クランクバー８Ｌ，８Ｒ、及びペダル９Ｌ，９Ｒが設けられている。クランク軸７は、左右方向に沿って配置されたものであり、その左側端部にはクランクバー８Ｌを介してペダル９Ｌが接続され、その右側端部にはクランクバー８Ｒを介してペダル９Ｒが接続されている。また、クランクバー８Ｌ及びクランクバー８Ｒの延設方向は、クランク軸７を中心として互いに１８０°回転した位置となっている。
【００１５】
このクランク軸７は、トルク検出装置２０の略中央部を貫通して、トルク検出装置２０と接続されている。このトルク検出装置２０は、その外周部に歯部が形成されており、当該歯部に噛み合わされたチェーン１０により後輪６と接続されている。つまり、ペダル９Ｌ，９Ｒに人力によるペダル踏力が付与されると、このペダル踏力は、クランク軸７、トルク検出装置２０及びチェーン１０を介して後輪６に伝達されることとなる。
なお、トルク検出装置２０は、人力によるペダル踏力（つまり、クランク軸７に作用する踏み込みトルク）を検出する際にも用いられるものであり、詳細構成については後述する。
【００１６】
また、電動アシスト自転車１には、バッテリー２１、コントローラー２２、手元コンソール２３及びモーター２４が設けられている。手元コンソール２３は、ユーザーがアシスト力のＯＮ・ＯＦＦ等を入力するものである。この入力値は、コントローラー２２に出力される。コントローラー２２は、トルク検出装置２０の検出値及び手元コンソール２３からの入力値に基づき、人力によるペダル踏力を算出するものである。また、コントローラー２２は、このペダル踏力に対応したアシスト力を算出し、当該アシスト力が付与されるようにモーター２４を制御するものである。モーター２４は、例えば前輪５の回転軸と接続されており、例えば前輪５にアシスト力を付与するものである。バッテリー２１は、コントローラー２２やモーター２４の駆動電力を供給するものである。
【００１７】
（トルク検出装置２０の詳細構成）
続いて、本実施の形態１に係るトルク検出装置２０の詳細構成について説明する。
【００１８】
図２及び図３は、本発明の実施の形態に係るトルク検出装置を示す斜視図である。なお、図２は、フレーム２側（図１の紙面奥側）から見たトルク検出装置２０を示す斜視図である。また、図３は、クランクバー８Ｌ側（図１の紙面手前側）から見たトルク検出装置２０を示す斜視図である。なお、図２及び図３ではフレーム２とクランクバー８Ｌとの間にトルク検出装置２０を配置した場合を例に説明するが、トルク検出装置２０は、フレーム２とクランクバー８Ｒとの間に配置してもよい。
【００１９】
図２及び図３に示すように、トルク検出装置２０は、軸部回転体３０及び歯部回転体４０を備えている。
軸部回転体３０は、クランク軸７に取り付けられるものであり、略円板形状をしている。この軸部回転体３０の外周部には、コイルバネ５０が配置される切欠き３０ａが形成されている。そして、この切欠き３０ａには、コイルバネ５０の一方の端部に挿入される凸部３０ｂが形成されている。なお、本実施の形態では複数の切欠き３０ａを形成しているが、切欠き３０ａの個数は任意である。後述のように、コイルバネ５０は、軸部回転体３０に付与された踏み込みトルクを歯部回転体４０に伝達するものである。このため、切欠き３０ａの個数（つまり、コイルバネ５０の設置個数）は、使用されるコイルバネ５０の弾性力等を勘案して適宜決定すればよい。
【００２０】
軸部回転体３０の一方の面（フレーム２側の面）には、クランク軸７が挿入されるクランク軸挿入部３１が形成されている。つまり、軸部回転体３０は、クランク軸７の軸心を中心として、クランク軸７と共に回転するものである。なお、クランク軸７と軸部回転体３０（より詳しくはクランク軸挿入部３１）との固定方法は、従来より用いられている公知の固定方法を用いればよい。また、軸部回転体３０のこの面（フレーム２側の面）には、例えば略リング形状の支持部３２（第１の支持部）が設けられている。なお、本実施の形態では、軸部回転体３０と支持部３２とを別部品として構成しているが、軸部回転体３０と支持部３２とを一体形成してもよい。
【００２１】
この支持部３２には、等間隔角度で複数の凹部３３が形成されている。これら凹部３３には、Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８が交互に配置される（後述の図６参照）。なお、Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８は、種々の磁石（例えばネオジウム磁石やフェライト磁石等）を使用することができ、磁石の種類を限定するものではない。例えば、多極磁石として、支持部３２とＮ極磁石３７及びＳ極磁石３８とを一体形成してもよい。ここで、Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８が、本発明における第１の着磁部材に相当する。
【００２２】
また、軸部回転体３０の他方の面（クランクバー８Ｌ側の面）には、クランクバー８Ｌが取り付けられている。なお、クランクバー８Ｌの取り付け方法は、任意である。例えば、軸部回転体３０のクランク軸挿入部３１に挿入されたクランク軸７の端部に、クランクバー８Ｌを取り付けてもよい。また例えば、トルク検出装置ユニットとしてトルク検出装置２０と共にクランク軸７、クランクバー８Ｌ，８Ｒ及びペダル９Ｌ，９Ｒを販売する等の場合、クランクバー８Ｌと軸部回転体３０を一体形成しても勿論よい。
【００２３】
歯部回転体４０は、略リング形状をしており、外周部にはチェーン１０が噛み合わされる歯部４０ｄが形成されている。また歯部回転体４０の内周部の直径は、軸部回転体３０に設けられた支持部３２の外周部の直径よりも若干大きく形成されている。歯部回転体４０の内周部に軸部回転体３０の支持部３２を挿入し、歯部回転体４０に形成された係止部４０ｃで軸部回転体３０を係止することにより、歯部回転体４０は、軸部回転体３０に回転自在に取り付けられる。なお、歯部回転体４０の軸部回転体３０への取り付け構造は、本実施の形態に示す構造に限定されるものではない。クランク軸７の軸心を中心として歯部回転体４０が回転自在となるように歯部回転体４０を軸部回転体３０へ取り付ける構造であれば、両者の取り付け構造は任意である。
【００２４】
また、歯部回転体４０には、軸部回転体３０の切欠き３０ａと整合する位置に、コイルバネ５０が配置される開口部４０ａが形成されている。そして、この開口部４０ａには、コイルバネ５０の他方の端部（つまり、切欠き３０ａの凸部３０ｂが挿入される端部と反対側の端部）に挿入される凸部４０ｂが形成されている。
【００２５】
歯部回転体４０一方の面（フレーム２側の面）には、例えば略リング形状の支持部４２（第２の支持部）が設けられている。より詳しくは、支持部４２の内周部の直径は軸部回転体３０に設けられた支持部３２の外周部の直径よりも大きく形成されており、支持部４２は支持部３２の外周側に配置されている。なお、本実施の形態では、歯部回転体４０と支持部４２とを別部品として構成しているが、歯部回転体４０と支持部４２とを一体形成してもよい。
【００２６】
この支持部４２には、支持部３２の凹部３３と同じ等間隔角度で、複数の凹部４３が形成されている。これら凹部４３には、Ｎ極磁石４７及びＳ極磁石４８が交互に配置される（後述の図６参照）。なお、Ｎ極磁石４７及びＳ極磁石４８は、種々の磁石（例えばネオジウム磁石やフェライト磁石等）を使用することができ、磁石の種類を限定するものではない。例えば、多極磁石として、支持部４２とＮ極磁石４７及びＳ極磁石４８とを一体形成してもよい。ここで、Ｎ極磁石４７及びＳ極磁石４８が、本発明における第２の着磁部材に相当する。
【００２７】
また、本実施の形態に係るトルク検出装置２０には、図４に示すように、支持部３２の磁界（より詳しくは、支持部３２に設けられたＮ極磁石３７及びＳ極磁石３８の磁界）を検出するホールセンサー３５（第１のホールセンサー）及びホールセンサー３６（第２のホールセンサー）が設けられている。また、ホールセンサー３５及びホールセンサー３６は支持部３２の回転軌跡上に設けられており、ホールセンサー３５とホールセンサー３６とは電気角で９０°ずれた位置に配置されている。同様に、本実施の形態に係るトルク検出装置２０には、図４に示すように、支持部４２の磁界（より詳しくは、支持部４２に設けられたＮ極磁石４７及びＳ極磁石４８の磁界）を検出するホールセンサー４５（第３のホールセンサー）及びホールセンサー４６（第４のホールセンサー）が設けられている。また、ホールセンサー４５及びホールセンサー４６は支持部４２の回転軌跡上に設けられており、ホールセンサー４５とホールセンサー４６とは電気角で９０°ずれた位置に配置されている。
【００２８】
本実施の形態においては、これらホールセンサー３５、ホールセンサー３６、ホールセンサー４５及びホールセンサー４６は、シールドカバー７０（より詳しくは、後述するシールドカバー７０の平板部７１）に設けられている。このシールドカバー７０は、支持部３２、ホールセンサー３５、ホールセンサー３６、支持部４２、ホールセンサー４５及びホールセンサー４６の回りを覆うような形状となっている。
【００２９】
より詳しくは、シールドカバー７０は、平板部７１、内周側縁部７２及び外周側縁部７３を備えている。平板部７１は、略リング形状の平板であり、支持部３２及び支持部４２と所定の間隔をあけて対向配置されている。内周側縁部７２は、平板部７１の内周側端部から支持部３２及び支持部４２の方向に突設された縁部である。この内周側縁部７２には、ベアリング６０の外輪６１が挿入されている。そして、ベアリング６０は、その内輪に軸部回転体３０のクランク軸挿入部３１が挿入されている。これにより、クランク軸７、軸部回転体３０（支持部３２）及び歯部回転体４０（支持部４２）が回転した際にも、シールドカバー７０が回転しない構成となっている。外周側縁部７３は、平板部７１の外周側端部から支持部３２及び支持部４２の方向に突設された縁部である。
【００３０】
本実施の形態に係るトルク検出装置２０はクランク軸７に取り付けられることとなる。このとき、クランク軸７の形状（例えば表面形状等）によっては支持部３２や支持部４２の磁界（磁束）に影響を及ぼす場合がある。また、クランク軸７の形状は、各メーカーによって異なる場合がある。この場合、クランク軸７が支持部３２や支持部４２の磁界（磁束）に及ぼす影響は、クランク軸７の形状ごとに異なるものとなる。しかしながら、本実施の形態に係るシールドカバー７０（支持部３２、ホールセンサー３５、ホールセンサー３６、支持部４２、ホールセンサー４５及びホールセンサー４６の回りを覆うシールドカバー）を設けることにより、クランク軸７が支持部３２や支持部４２の磁界（磁束）に影響を及ぼすことを防止することができる。つまり、クランク軸７の形状にかかわらず、共通仕様のトルク検出装置２０を採用することができる。
【００３１】
（ホールセンサーと支持部の位置関係）
ここで、本実施の形態に係るトルク検出装置２０においては、ホールセンサーと支持部を次のような位置関係で配置している。なお、ホールセンサー４５，４６と支持部４２の位置関係は、ホールセンサー３５，３６と支持部３２の位置関係と同様になる。このため、以下では、ホールセンサー３５，３６と支持部３２の位置関係について説明する。
【００３２】
図５は、本発明の実施の形態に係るホールセンサーと支持部との位置関係を示す説明図である。以下、この図５を用いて、後述の図８を参照しながら、ホールセンサー３５，３６と支持部３２の位置関係について説明する。
従来より、ロータリーエンコーダー等においては、多極着磁リング磁石（多極磁石で形成されたリング状部材）と磁気ヘッドとを、図８のような位置関係で配置している。つまり、図８に示すように、多極着磁リング磁石１０１の磁極間隔をｄとした場合、磁気ヘッド１０２と多極着磁リング磁石１０１との距離ｈがｈ≧ｄを満たすように、磁気ヘッド１０２及び多極着磁リング磁石１０１を配置している。このように、磁気ヘッド１０２及び多極着磁リング磁石１０１を配置することにより、磁気ヘッド１０２の検出信号を略正弦波形状とすることができる。
【００３３】
本実施の形態に係るホールセンサー３５，３６と支持部３２の位置関係に着目すると（図５）、ホールセンサーは磁石の極性を判定できるものであるため、ホールセンサー３５，３６を支持部３２（つまり、Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８）から所定の距離だけ離して配置することにより、ホールセンサー３５，３６の検出信号を略正弦波形状とすることができる。このとき、Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８を凹部３３に取り付けた本実施の形態に係る支持部３２においても、当業者は通常、上述した磁気ヘッド１０２及び多極着磁リング磁石１０１の位置関係に倣ってホールセンサー３５，３６及び支持部３２を配置するはずである。つまり、当業者は通常、次式（１）を満たすようにホールセンサー３５，３６を配置するはずである。
ｈ１≧ｄ…（１）
ここで、ｈ１は、支持部３２のＮ極磁石３７及びＳ極磁石３８とホールセンサー３５，３６との間の最短距離を示す。また、ｄは、Ｎ極磁石３７とＳ極磁石３８の中心間距離を示す。つまり、ｄは、｛支持部３２（つまり、Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８）の走行軌跡の直径｝／（Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８の数）を示す。
【００３４】
しかしながら、出願人は、鋭意検討を重ねることにより、次式（２）を満たすようにホールセンサー３５，３６を配置することにより、ホールセンサー３５，３６の検出信号が略正弦波形状になることを見出した。
ｈ１≧ｄ’…（２）
ここで、ｄ’は、Ｎ極磁石３７とＳ極磁石３８の最短距離を示す。つまり、ｄ’は、［｛支持部３２（つまり、Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８）の走行軌跡の直径｝／（Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８の数）］−（Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８の直径）、を示す。
【００３５】
このため、本実施の形態に係るトルク検出装置２０は、次式（３）を満たすようにホールセンサー３５，３６を配置している。
ｄ’≦ｈ１＜ｄ…（３）
【００３６】
このようにホールセンサー３５，３６を配置することにより、ホールセンサー３５，３６を従来よりも支持部３２に近づけて配置することができる。上述の図１からもわかるように、トルク検出装置２０は、電動アシスト自転車１のフレーム２とクランクバー８Ｌ（又はクランクバー８Ｒ）との間に配置されるものである。このため、トルク検出装置２０の厚みは極力薄い方が望ましい。したがって、本実施の形態のようにホールセンサー３５，３６を配置したトルク検出装置２０は、電動アシスト自転車１に搭載するトルク検出装置として非常に有用なものとなる。
【００３７】
なお、本実施の形態に係るトルク検出装置２０は、ホールセンサー３５，３６，４５，４６をシールドカバー７０に取り付けているが、ホールセンサー３５，３６，４５，４６が取り付けられるセンサーブラケットを別途設けてもよい。また、支持部３２（つまり、Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８）の高さと支持部４２（つまり、Ｎ極磁石４７及びＳ極磁石４８）の高さが異なっている場合、高さの高い支持部の磁界を検出するホールセンサーが次式（３）を満たすように、ホールセンサー３５，３６，４５，４６を配置すればよい。
【００３８】
また、本実施の形態では、ホールセンサー３５，３６を支持部３２の走行軌跡上に配置し、ホールセンサー４５，４６を支持部４２の走行軌跡上に配置したが、ホールセンサー３５，３６，４５，４６の配置位置はこれに限定されるものではない。例えば、ホールセンサー３５，３６を支持部３２の走行軌跡よりも内周側縁部７２寄りに配置し、ホールセンサー４５，４６を支持部４２の走行軌跡よりも外周側縁部７３寄りに配置してもよい。これにより、ホールセンサー３５，３６における支持部４２の磁界による影響を抑制でき、ホールセンサー４５，４６における支持部３２の磁界による影響を抑制できる。
【００３９】
また、上述の式（２）及び式（３）は、略円柱形状のＮ極磁石３７及びＳ極磁石３８を支持部３２の凹部３３に設けた場合を想定したものとなっているが、Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８の形状は任意である。例えば、支持部３２の走行軌跡と垂直方向にＮ極磁石３７及びＳ極磁石３８を見た場合、これらの形状が円形状でないとする。このような場合、式（２）及び式（３）のｄ’を算出する際、「Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８の直径」に換えて「Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８の走行軌跡方向の長さ」を用いればよい。
【００４０】
（トルク検出装置の位相検出方法）
図６は、本発明の実施の形態に係るトルク検出装置の位相検出方法を説明するための説明図である。なお、図６（ａ）は、支持部３２，４２とホールセンサー３５，３６，４５，４６との位置関係を示す説明図である。また、図６（ｂ）は、ホールセンサー３５，３６，４５，４６の検出波形を説明する説明図である。
以下、この図６及び上述の図１〜図５に基づき、本実施の形態に係るトルク検出装置２０の位相検出方法について説明する。
【００４１】
上述のように、人力によるペダル踏力はクランク軸７を介して軸部回転体３０に伝達される。つまり、人力によるペダル踏力がペダル９Ｌ，９Ｒに付与されると、クランク軸７と共に軸部回転体３０が回転する。軸部回転体３０の回転に伴って、軸部回転体３０と歯部回転体４０とを接続するコイルバネ５０には人力によるペダル踏力（つまり、クランク軸７に作用する踏み込みトルク）が作用し、コイルバネ５０が圧縮される。そして、圧縮された際のコイルバネ５０の反力（弾性力）と人力によるペダル踏力とが釣り合った状態になると、歯部回転体４０が回転し始める。これにより、人力によるペダル踏力は、歯部回転体４０に噛み合わされたチェーン１０を介して、後輪６へ伝達される。つまり、軸部回転体３０と歯部回転体４０との間には、人力によるペダル踏力に相当する位相差△θが発生する。
【００４２】
そこで、本実施の形態では、軸部回転体３０の位相と歯部回転体４０の位相を算出し、人力によるペダル踏力に相当するこれらの位相差を求めている。
【００４３】
例えば、軸部回転体３０が初期位相状態（無負荷状態で回転し始める前の状態）のとき、ホールセンサー３５が、略正弦波状の検出波形の上限位置を検出するとする。同様に、歯部回転体４０が初期位相状態（無負荷状態で回転し始める前の状態）のとき、ホールセンサー４５が、略正弦波状の検出波形の上限位置を検出するとする。この状態で人力によるペダル踏力がペダル９Ｌ，９Ｒに付与され、軸部回転体３０及び歯部回転体４０が回転すると、ホールセンサー３５及びホールセンサー４５の検出信号は図６（ｂ）に示すものとなる。このため、コントローラー２２は、ホールセンサー３５及びホールセンサー４５から入力されるこれらの検出信号に基づき、人力によるペダル踏力に相当する位相差△θ（＝θ１−θ２）を算出することができる。
【００４４】
このとき、本実施の形態に係るトルク検出装置２０はホールセンサー３６及びホールセンサー４６を備えているため、コントローラー２２は、これらホールセンサーの検出信号を用いることにより、軸部回転体３０及び歯部回転体４０の位相検出を開始した直後にこれらの位相の絶対値を算出することもできる。
【００４５】
例えば、ホールセンサー３５の検出信号が０の場合、ホールセンサー３６の検出信号が無ければ、コントローラー２２は、歯部回転体の位相が図６（ｂ）に示すＡ点であるのかＢ点であるのかの判別を行うことができない。一方、ホールセンサー３６の検出信号がコントローラー２２に入力されていれば、コントローラー２２は、ホールセンサー３５の検出信号が０でホールセンサー３６の検出信号が正の場合は軸部回転体３０の位相がＡ点であると判別することができ、ホールセンサー３５の検出信号が０でホールセンサー３６の検出信号が負の場合は軸部回転体３０の位相がＢ点であると判別することができる。つまり、コントローラー２２は、ホールセンサー３５及びホールセンサー３６の検出信号に基づき、軸部回転体３０の位相検出を開始した直後に、軸部回転体３０が電気角で何度ずれた状態か（つまり、θ１の値）を算出することができる。同様に、コントローラー２２は、ホールセンサー４５及びホールセンサー４６の検出信号に基づき、歯部回転体４０の位相検出を開始した直後に、歯部回転体４０が電気角で何度ずれた状態か（つまり、θ２の値）を算出することができる。
【００４６】
なお、本実施の形態では、コントローラー２２は、例えば次のようにθ１及びθ２の値を算出している。ここで、θ１とθ２の算出方法は同様の方法を用いるので、以下ではθ１の算出方法について説明する。
【００４７】
ホールセンサー３５及びホールセンサー３６の振幅の最大値をｋとすると、ホールセンサー３５の検出信号Ｖ１及びホールセンサー３６の検出信号Ｖ２は、次式（４）及び次式（５）のように表すことができる。
Ｖ１＝ｋｓｉｎθ１…（４）
Ｖ２＝ｋｃｏｓθ１…（５）
そして、これら式（４）及び式（５）を用いることにより、θ１は次式（６）のように表すことができる。
θ１＝ｔａｎ-1｛（ｓｉｎθ１）／（ｃｏｓθ１）｝…（６）
【００４８】
このため、本実施の形態では、コントローラー２２は、ホールセンサー３５の検出信号をｓｉｎθ１とし、ホールセンサー３６の検出信号をｃｏｓθ１として、θ１を上記の式（６）から求めている。  振幅の最大値ｋは、支持部３２（より詳しくは、Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８）とホールセンサー３６，３７の距離により変化する値である。また、振幅の最大値ｋは、支持部３２（より詳しくは、Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８）によっても変化する。つまり、振幅の最大値ｋは、経年変化する値である。しかしながら、θ１を上記の式（６）から求めることにより、θ１の算出にｋを用いる必要がなくなり、θ１を経年変化の影響なく正確に求めることが可能となる。
【００４９】
また、本実施の形態では、コントローラー２２は、例えば次のように人力によるペダル踏力を算出している。コントローラー２２は、軸部回転体３０と歯部回転体４０の位相差と、人力によるペダル踏力と、を対応づけたテーブルや計算式を予め記憶している。そして、コントローラー２２は、上述のように算出された軸部回転体３０と歯部回転体４０の位相差をこのテーブルや計算式に代入し、人力によるペダル踏力を算出する。なお、このテーブルや計算式は、例えばコイルバネ５０のバネ常数に基づいて算出してもよいし、例えばシミュレーションにより求めてもよいし、例えば実測により求めてもよい。
【００５０】
以上、このように本実施の形態に係るトルク検出装置２０を用いることにより、コントローラー２２は、軸部回転体３０及び歯部回転体４０の位相検出を開始した直後にこれらの位相の絶対値を算出することができるので、漕ぎ出し直後から人力によるペダル踏力を算出することができる。このため、漕ぎ出し直後から最適なアシスト力を付与することができる。
【００５１】
なお、本実施の形態では、ホールセンサー３５とホールセンサー３６とを電気角で９０°ずれた位置に配置したが、ホールセンサー３５とホールセンサー３６のずれ角は電気角９０°に限定されるものではない。支持部３２の電気角０°から電気角３６０°の間には、ホールセンサー３５が同一の検出値を示す箇所が複数ある。この同一検出値がどの電気角となるかを判断できれば、ホールセンサー３５とホールセンサー３６のずれ角は任意である。
例えば、ホールセンサー３５とホールセンサー３６のずれ角がθｈの場合、上記の式（５）及び式（６）に換えて、次式（７）及び次式（８）を用いればよい。
Ｖ２＝ｋｓｉｎ（θ１＋θｈ）…（７）
θ１＝ｔａｎ-1［Ｖ１／｛（Ｖ２−Ｖ１ｃｏｓθｈ）／ｓｉｎθｈ｝］…（８）
同様に、ホールセンサー４５とホールセンサー４６のずれ角も任意である。
【００５２】
また、本実施の形態では、軸部回転体３０と歯部回転体とを圧縮式のコイルバネ５０で接続したが、軸部回転体３０と歯部回転体とを接続する弾性体は種々のものを用いることができる。例えば、軸部回転体３０と歯部回転体とを接続する弾性体として、ゴムや引っ張り式のコイルバネを用いてもよい。また例えば、図７に示すように、軸部回転体３０と歯部回転体とを接続する弾性体として、板バネを用いてもよい。なお、図７に示すトルク検出装置２０は、軸部回転体３０とクランクバー８Ｌが一体形成されており、軸部回転体３０の外周部から複数の板バネ５１が延設されている。そして、これら板バネ５１の端部が歯部回転体４０の突片４０ｅに固定されることで、軸部回転体３０と歯部回転体４０とが接続されている。本実施の形態に示したトルク検出装置２０は、支持部３２，４２とホールセンサー３５，３６，４５，４６との距離が重要であるため、軸部回転体３０と歯部回転体４０の位置関係が回転軸方向（クランク軸７の軸心方向）に対してずれないようにすることが望ましい。軸部回転体３０と歯部回転体とを板バネ５１で接続することにより、位置ずれ防止用の構成を別途設けなくとも軸部回転体３０と歯部回転体４０の回転軸方向のずれを防止でき、トルク検出装置２０を安価に製造することができる。
【００５３】
また、本実施の形態では、軸部回転体３０と歯部回転体４０の位相差を検出する際に初期補正を特に行っていないが、軸部回転体３０と歯部回転体４０の位相差を検出する際に初期補正を行ってもよい。例えば、トルク検出装置２０の構成部品の製作誤差や組立誤差等により、支持部３２とホールセンサー３５，３６との位置関係や支持部４２とホールセンサー４５，４６との位置関係が変化する。これにより、軸部回転体３０及び歯部回転体４０に負荷（ペダル踏力）がかかっていない状態において、軸部回転体３０と歯部回転体４０との間に位相差が生じてしまう場合がある。この初期位相差を予めコントローラー２２に記憶させ、軸部回転体３０と歯部回転体４０の位相差を検出する際、上記のように検出された軸部回転体３０と歯部回転体４０の位相差をこの初期位相差で補正することにより、軸部回転体３０と歯部回転体４０の位相差をより正確に算出することができる。
【００５４】
また、本実施の形態では、凹部４３が凹部３３と同じ等間隔角度となるように支持部４２を構成した。しかしながら、凹部４３は、各凹部４３が等間隔角度に配置されていればよく、凹部３３と同じ等間隔角度である必要はない。つまり、Ｎ極磁石４７及びＳ極磁石４８は、これらが等間隔角度に配置されていればよく、Ｎ極磁石３７及びＳ極磁石３８と同じ等間隔角度である必要はない。
【００５５】
つまり、支持部３２の極対数をｐｆ１、支持部４２の極対数をｐｆ２、ホールセンサー３５（又はホールセンサー３６）から近傍のＮ極磁石３７までの電気角をθｅ１、ホールセンサー４５（又はホールセンサー４６）から近傍のＮ極磁石４７までの電気角をθｅ２とすると、軸部回転体３０と歯部回転体４０の機械的位相差△θは、次式（９）で表すことができる。
△θ＝θ１−θ２＝（θｅ１／ｐｆ１）−（θｅ２／ｐｆ２）…（９）
例えば、支持部３２の極対数が６（Ｎ極磁石３７が６個、Ｓ極磁石３８が６個）で支持部４２の極対数も６（Ｎ極磁石４７が６個、Ｓ極磁石４８が６個）の場合、つまり、支持部３２の極対数と支持部４２の極対数が同数の場合、式（９）は、次式（１０）となる。
△θ＝θ１−θ２＝（θｅ１／６）−（θｅ２／６）…（１０）
また例えば、支持部３２の極対数が６（Ｎ極磁石３７が６個、Ｓ極磁石３８が６個）で支持部４２の極対数が１２（Ｎ極磁石４７が１２個、Ｓ極磁石４８が１２個）の場合、つまり、支持部４２の極対数が支持部３２の極対数の２倍となっている場合、式（９）は、次式（１１）となる。
△θ＝θ１−θ２＝（θｅ１／６）−（θｅ２／１２）＝（θｅ１／６）−｛（θｅ２／６）／２｝…（１１）
したがって、支持部４２の極対数が支持部３２の極対数のｊ（＝ｐｆ２／ｐｆ１）倍となっている場合、電気角θｅ２を１／ｊ倍した値を電気角θｅ１から引いた減算値を求め、当該減算値をｐｆ１（支持部３２の極対数）で割ることにより、軸部回転体３０と歯部回転体４０の機械的位相差△θを求めることができる。
【符号の説明】
【００５６】
１  電動アシスト自転車、２  フレーム、２ａ  ヘッドパイプ、３  ハンドル、４  サドル、５  前輪、６  後輪、７  クランク軸、８Ｌ  クランクバー（左側）、８Ｒ  クランクバー（右側）、９Ｌ  ペダル（左側）、９Ｒ  ペダル（右側）、１０  チェーン、１１  ライト、２０  トルク検出装置、２１  バッテリー、２２  コントローラー、２３  手元コンソール、２４  モーター、３０  軸部回転体、３０ａ  切欠き、３０ｂ  凸部、３１  クランク軸挿入部、３２  支持部、３３  凹部、３５  ホールセンサー、３６  ホールセンサー、３７  Ｎ極磁石、３８  Ｓ極磁石、４０  歯部回転体、４０ａ  開口部、４０ｂ  凸部、４０ｃ  係止部、４０ｄ  歯部、４０ｅ  突片、４２  支持部、４３  凹部、４５  ホールセンサー、４６  ホールセンサー、４７  Ｎ極磁石、４８  Ｓ極磁石、５０  コイルバネ、５１  板バネ、６０  ベアリング、６１  外輪、７０  シールドカバー、７１  平板部、７２  内周側縁部、７３  外周側縁部、１０１  多極着磁リング磁石、１０２  磁気ヘッド。
【図５】
2012187963.tif 000003
【図６】
2012187963.tif 000004
【図８】
2012187963.tif 000005
【図１】
2012187963.tif 000006
【図２】
2012187963.tif 000007
【図３】
2012187963.tif 000008
【図４】
2012187963.tif 000009
【図７】
2012187963.tif 000010