(57)【要約】      （修正有）【課題】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。【解決手段】トルク検出対象であるシャフト２３をＺ軸の周りに枢支された第１の軸受２４とＸ軸方向のみに移動可能な状態で保持された第２の軸受２５とにより軸支することでシャフトに印加されるトルクをシャフト２３のＸ軸方向の変位に変換し、第１の軸受２４と第２の軸受２５の中間に位置する第３の軸受２６に配置された歪検出素子４０で前記変位を検出することでトルクを直接構造体に生ずる歪として検出する。【選択図】図１
2013200243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトに作用するトルクを検出するトルク検出装置であって、前記シャフトが挿通される構造体と、前記構造体の一端部において、外輪部が前記構造体の内壁に当接し前記シャフトを回転自在に支持するとともに前記シャフトの軸に垂直な第１の軸の周りに枢支される第１の軸受と、前記構造体の他端部に設けられ、前記シャフトを回転自在に支持する第２の軸受と、前記第１の軸受と前記第２の軸受との間において、外輪部が前記構造体の内壁に当接し前記シャフトを回転自在に支持する第３の軸受と、該第３の軸受が当接している前記構造体の外周部上で前記第２の軸と交叉する位置に設けられた歪検出素子と、を備え、前記第２の軸受が前記シャフトの軸および前記第１の軸に垂直な第２の方向にのみ弾性的に移動可能であることを特徴とするトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシャフト(回転軸)に作用する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】
従来、シャフトに作用するトルクを検出するためのトルク検出装置としては図４に示すようなものが知られている。このトルク検出装置は電動自転車に適用されるものであり、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ものである。
【０００３】
図４（ａ）は前記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４（ｂ）は図４（ａ）のａ部拡大図を示す（特許文献１参照）。図４（ａ）（ｂ）において、１は電動自転車のボトムブラケット部で、構造体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においては、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であり、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、シャフトに作用するトルクを検出するトルク検出装置であって、前記シャフトが挿通される構造体と、前記構造体の一端部において、外輪部が前記構造体の内壁に当接し前記シャフトを回転自在に支持するとともに前記シャフトの軸に垂直な第１の軸の周りに枢支される第１の軸受と、前記構造体の他端部に設けられ、前記シャフトを回転自在に支持する第２の軸受と、前記第１の軸受と前記第２の軸受との間において、外輪部が前記構造体の内壁に当接し前記シャフトを回転自在に支持する第３の軸受と、該第３の軸受が当接している前記構造体の外周部上で前記第２の軸と交叉する位置に設けられた歪検出素子と、を備え、前記第２の軸受が前記シャフトの軸および前記第１の軸に垂直な第２の方向にのみ弾性的に移動可能であるもので、この構成によれば、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、シャフトに印加されるトルクを直接構造体に生ずる歪として検出できるとともに、前記シャフトに第２の方向以外の方向の力が加わっても、前記第２の軸受は前記シャフトの軸および前記第１の軸に垂直な第２の方向にのみ弾性的に移動可能であるために、歪検出素子には前記第２の方向の力成分による信号出力のみが発生するため、シャフトに印加されるトルクが正確に測定できるものであり、これにより、組立てが簡単で軽量、安価、高精度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。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように本発明は、シャフトに作用するトルクを検出するトルク検出装置であって、前記シャフトが挿通される構造体と、前記構造体の一端部において、外輪部が前記構造体の内壁に当接し前記シャフトを回転自在に支持するとともに前記シャフトの軸に垂直な第１の軸の周りに枢支される第１の軸受と、前記構造体の他端部に設けられ、前記シャフトを回転自在に支持する第２の軸受と、前記第１の軸受と前記第２の軸受との間において、外輪部が前記構造体の内壁に当接し前記シャフトを回転自在に支持する第３の軸受と、該第３の軸受が当接している前記構造体の外周部上で前記第２の軸と交叉する位置に設けられた歪検出素子と、を備え、前記第２の軸受が前記シャフトの軸および前記第１の軸に垂直な第２の方向にのみ弾性的に移動可能であるもので、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、シャフトに印加されるトルクを直接構造体に生ずる歪として検出できるとともに、前記シャフトに第２の方向以外の方向の力が加わっても、前記第２の軸受は前記シャフトの軸および前記第１の軸に垂直な第２の方向にのみ弾性的に移動可能であるために、歪検出素子には前記第２の方向の力成分による信号出力のみが発生するため、シャフトに印加されるトルクが正確に測定できるものであり、これにより、組立てが簡単で軽量、安価、高精度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】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態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一部断面図
【図２】本発明の実施の形態におけるボトムブラケット部図１（ａ）のＡ−Ａ断面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態における歪検出素子の上面図、（ｂ）同歪検出素子（ａ）のＥ−Ｅ線断面図、（ｃ）同歪検出素子（ａ）のＧ−Ｇ線断面図、（ｄ）同歪検出素子（ｂ）のＨ部詳細図
【図４】（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】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態におけるトルク検出装置について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態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を示す。図１において、２１は電動自転車のボトムブラケット部で、構造体２２内には両端部にねじ孔（図示せず）を有するシャフト２３が挿通され、前記構造体２２に設けられた第１の軸受２４、第２の軸受２５、第３の軸受２６を介して回転自在に支持されている。２７ａはクランクで、前記シャフト２３の一方の端部にボルト（図示せず）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。同様に、２７ｂは前記シャフト２３の他方の端部にボルト（図示せず）により固定され、先端部にはペダル（図示せず）が回転自在に装着された他方のクランクである。３０はギア等の回転体である。前記第１の軸受２４は前記構造体２２の一端部において、外輪部２４ａが前記構造体２２の内壁２２ａに当接されている。そして、図１に示すように、前記シャフトの軸に平行にＹ軸、紙面に垂直方向にＺ軸、紙面内でＹ軸に垂直な方向にＸ軸をとった時、第１の軸受２４はＺ軸の周りに枢支、すなわち所定の角度だけ回転可能なように支持されている。第２の軸受２５は前記構造体２２の他端部に固着されたアダプタ３１内において、前記Ｘ軸方向のみに移動可能な状態で保持されている。また、第３の軸受２６は前記第１の軸受２４と第２の軸受２５との間において、外輪部２６ａが前記構造体の内壁２２ａに当接されている。４０は歪検出素子であり、前記第３の軸受２６の外輪部２６ａが当接している内壁２２ａに対向する、前記構造体２２の外周部上で前記Ｘ軸に平行な方向と交叉する位置に設けられている。このとき前記構造体２２上に凹部４１を設けて歪検出素子４０が設置される部分の肉厚を薄くすることが望ましい。これにより、シャフト２３にトルクが印加されたときに歪検出素子４０に発生する歪が大きくなり、高感度化が図れるものである。
【００１３】
図２は本発明の実施の形態におけるボトムブラケット部のＡ−Ａ断面図を示す。図２において、３２ａ、３２ｂは前記第２の軸受２５をアダプタ３１に対して保持する直線運動用軸受であり、これにより前記第２の軸受２５は図１、図２に示したＸ軸方向にのみ移動できるものである。また、３３は前記第２の軸受２５とアダプタ３１との間に挟持された板ばねである。
【００１４】
前記回転体３０と後輪（図示せず）との間にチェーン（図示せず）が掛けられた状態で、シャフト２３にトルクＴが作用してシャフト２３がＣの方向に回転すると、前記回転体３０には後輪方向に向かう張力Ｆが印加される。前記のように、第１の軸受２４はＺ軸の周りに回転可能に支持されており、第２の軸受２５はＸ軸方向に移動可能に保持されているため、この張力Ｆにより、シャフト２３は前記第１の軸受２４の中心Ｏを通るＺ軸の周りに時計回りの方向Ｄに回転する。そのため、第３の軸受２６の外輪部２６ａから構造体２２の内壁に押圧力が加わり、構造体２２の外側面には引張り歪が発生する。この引張り伸び歪は構造体２２の外側面に設けた歪検出素子４０により、電気信号に変換され、モーター（図示せず）を駆動するための制御信号として使用されるものである。
【００１５】
シャフト２３にトルクＴが加えられなくなると、前記第２の軸受２５とアダプタ３１との間に挟持された板ばね３３による復元力により、シャフト２３は前記第１の軸受２４の中心Ｏを通るＺ軸の周りに反時計回りの方向に回転して元の状態に復帰する。
【００１６】
図３（ａ）は本発明の実施の形態における歪検出素子の上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＥ−Ｅ線断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＧ−Ｇ線断面図、図３（ｄ）は図３（ｂ）のＨ部の詳細図である。図３（ａ）〜（ｄ）において、６１はシリコン等からなる半導体基板で、この半導体基板６１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。６２は半導体基板６１をエッチング処理して形成した梁部で、この梁部６２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。６３は前記梁部６２を取り囲む固定部で、この固定部６３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６２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６４が形成され、かつ前記梁部６２の両端部には梁部６２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６５，６６が形成され、そして、前記駆動素子６４、検出素子６５，６６は配線パターン（図示せず）によりランド６７に電気的に接続されている。また、この歪検出素子は半導体基板６１における梁部６２の両端の固定部６３において、構造体２２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６９で接続固定されているものである。図３（ｄ）において、駆動素子６４は増幅器７０の出力側に接続され、検出素子６５，６６はゲイン調整・移相器７１を介して前記増幅器７０の入力側に接続されている。また、駆動素子６４、検出素子６５，６６の共振周波数は梁部６２の固有振動数ｆeの近傍に選定されているものである。
【００１７】
上記構成において、増幅器７０から駆動素子６４に梁部６２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６２の中央に設けられた駆動素子６４は梁部６２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６２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６５，６６によって受信され、そして、この検出素子６５，６６から梁部６２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７１で位相調整されて前記増幅器７０の入力側にフィードバックされる。これにより、梁部６２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６５，６６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７１を介して増幅器７０の入力側にフィードバックしてもよいものである。
【００１８】
このように梁部６２が上下に弦振動している状態で、構造体２２にシャフト２３の軸方向の引張り伸び歪が発生すると前記梁部６２に働く引張り力が大きくなるため、前記梁部６２の固有振動数ｆeは上昇する。逆に構造体２２の軸方向の引張り伸び歪が小さくなると梁部６２に働く引張り力が小さくなるため、梁部６２の固有振動数ｆeは低下する。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構造体２２に働く歪を電気信号として高感度にて出力できるものである。
【００１９】
このように、本発明の実施の形態におけるトルク検出装置はシャフト２３に作用するトルクをＺ軸の周りに枢支された第１の軸受２４と、Ｘ軸方向のみに移動可能な状態で保持された第２の軸受２５とにより、Ｘ軸方向の変位に変換し、直接構造体に生ずる歪として検出するもので、特殊な部品を使用することなく、構成できるとともに、既存の自転車等にも容易に取り付けることができ、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ものである。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明に係るトルク検出装置は、シャフトに作用するトルクを検出するトルク検出装置であって、前記シャフトが挿通される構造体と、前記構造体の一端部において、外輪部が前記構造体の内壁に当接し前記シャフトを回転自在に支持するとともに前記シャフトの軸に垂直な第１の軸の周りに枢支される第１の軸受と、前記構造体の他端部に設けられ、前記シャフトを回転自在に支持する第２の軸受と、前記第１の軸受と前記第２の軸受との間において、外輪部が前記構造体の内壁に当接し前記シャフトを回転自在に支持する第３の軸受と、該第３の軸受が当接している前記構造体の外周部上で前記第２の軸と交叉する位置に設けられた歪検出素子と、を備え、前記第２の軸受が前記シャフトの軸および前記第１の軸に垂直な第２の方向にのみ弾性的に移動可能であるもので、シャフトに印加されるトルクを直接構造体に生ずる歪として検出できるため、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、電動自転車やパワーステアリング装置等に適用して有用なものである。
【符号の説明】
【００２１】
２２  構造体
２２ａ  内壁
２３  シャフト
２４  第１の軸受
２５  第２の軸受
２６  第３の軸受
４０  歪検出素子
【図１】
2013200243.tif 000003
【図２】
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【図３】
2013200243.tif 000005
【図４】
2013200243.tif 000006