JP3671586B2 - 回転トルクセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チェーン等により回転駆動される車輪等の被駆動ロータに加わる回転トルクを検出するセンサの技術分野に属し、特に補助電動機付自転車に用いて好適な回転トルクセンサの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術としての回転トルクセンサとしては、特開平８−８５４９１号公報に、電動自転車用の回転トルクセンサが開示されている。この従来技術では、チェーンから後輪にトルクが加わると伸縮するバネが回転軸回りに配設されており、このバネの一端に固定されているフェライトの変位がその周囲に配設されているコイルによってインダクタンスの変化として検出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが前述の従来技術では、上記フェライトおよびバネがチェーンスプロケットおよび後輪とともに回転する回転体であるので、バネの伸縮によるフェライトの変位を検出するために、コイルのインダクタンスの計測が必要である。それゆえ、インダクタンスの検出用の電子回路が必要とされる。また、バネを含んでトルクを伝達する機構が複雑であるので、部品点数が多くかさばるばかりではなく、精密な計測精度と機械的な強度とを確保するためには重量が重くならざるを得ない。その結果、上記従来技術による回転トルクセンサは、コスト的にも不利にならざるを得ないという不都合も生じる。
【０００４】
そこで本発明は、構成が簡素で軽量小型かつ安価なトルクセンサを提供することを解決すべき課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するために、発明者は以下の手段を発明した。
（第１手段）
本発明の第１手段は、固定軸と、該固定軸まわりに回転自在に軸支されている被駆動ロータと、該被駆動ロータに対し回転面内で所定の範囲を移動可能に保持され外周部に接線方向の力を受けて回転駆動されることにより該被駆動ロータを回転駆動する駆動ロータと、該固定軸に対して回転することなく該接線方向に所定区間の移動可能に該固定軸に保持されており該駆動ロータを回転自在に軸支している非回転体と、該非回転体と該固定軸との間に作用する押圧力および引っ張り力のうち一方を計測するセンサとを有することを特徴とする回転トルクセンサである。
【０００６】
本手段では、駆動ロータが接線方向の力（以下、接線力と呼ぶ）を受けると、その方向に所定の範囲で移動し、上記接線方向の力が加わっている点の固定軸を挟んで反対側で被駆動ロータを駆動するとともに、被駆動ロータからの反力を受ける。すると、接線力と反力との合力が上記接線方向に生じ、この合力は非回転体を固定軸に押しつけるので、非回転体と該固定軸との間に押圧力ないし（反対側に）引っ張り力が生じてセンサにより計測される。同センサで計測されるこの力は上記接線力と比例しているので、この力の計測により上記接線力を算出することができ、ひいてはトルクを算出することができる。
【０００７】
上記本手段では、回転トルクセンサの構成要素が、大きく分けて、固定軸、被駆動ロータ、駆動ロータ、非回転体、およびセンサの五点であるので、部品点数が少なく構成が極めて簡素である。また、特別にかさばる構成要素や高価な部品はないので、回転トルクセンサが軽量小型かつ安価に構成できる。
したがって本手段によれば、構成が簡素で軽量小型かつ安価なトルクセンサを提供することができるという効果がある。
【０００８】
（第２手段）
本発明の第２手段は、上記第１手段において、前記駆動ロータは、チェーン、ベルト、ラックを含む歯車、および摩擦面のうちいずれかにより前記接線方向に力を受けて回転駆動されることを特徴とする。
本手段では、駆動ロータに接線力を生じるトルク伝達手段であれば、ほとんどのものが本発明に含まれることが明らかにされている。
【０００９】
たとえば、駆動ロータがチェーン駆動のスプロケットであれば、引っ張り側のチェーンによって生じる接線力がセンサで計測されることにより、容易かつ精密にトルクの計測ができる。また、駆動ロータが歯車であり、ラックを含む歯車によって接線力が生じる場合にも、この接線力がセンサで計測されることにより、容易かつ精密にトルクの計測ができる。駆動ロータに接線力を及ぼす物が摩擦面である場合にも、上記ラックと歯車との組み合わせの場合と同様に、接線力がセンサで計測されることにより、容易かつ精密にトルクの計測ができる。駆動ロータがベルト駆動のプーリである場合には、トルクが加わっていない場合のセンサの出力をゼロ点と見なすことにより、チェーン駆動のスプロケットの場合と同様に、接線力がセンサで計測されることによって容易にトルクの計測ができる。
【００１０】
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、駆動ロータに接線力を生じるトルク伝達手段であればほとんどのものに適用可能であるという効果がある。
（第３手段）
本発明の第３手段は、上記第１手段に於いて、前記センサは、歪みゲージであって、前記非回転体および固定軸のうち一方に固定されており両者の間に作用する力により変形する板バネに接合されていることを特徴とする。
【００１１】
本手段では、センサが板バネに固定されている歪みゲージであるから、センサの構成が極めて簡素であり、軽量小型で安価なうえ精度も信頼性も高い。また、センサ出力を取り出す回路も、簡素なブリッジ回路で済み、同様に軽量小型で安価なうえ精度も信頼性も高い。
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、本発明の回転トルクセンサをよりいっそう軽量小型で安価なうえ、高精度かつ高信頼性をもって構成できるという効果がある。
【００１２】
【発明の実施の形態および実施例】
本発明の回転トルクセンサの実施の形態については、当業者に実施可能な理解が得らえるよう、以下の実施例で明確かつ十分に説明する。
［実施例１］
（実施例１の構成）
本発明の実施例１としての回転トルクセンサは、図１に示すように、チェーン５に駆動されて固定軸１まわりに回転するスプロケット４２を一部として、電動自転車の後輪（図略）に組み込まれている。すなわち、本実施例の回転トルクセンサは、固定軸１、被駆動ロータ４、駆動ロータ２、非回転体１２、および押圧力センサ１３，１４などから構成され、チェーン５によって駆動ロータ４および被駆動ロータ２が回転駆動される。
【００１３】
固定軸１は、自転車の後輪の車軸であって、その回りに後輪の中央部を形成している被駆動ロータ２を回転自在に軸支している。すなわち固定軸１は、中間部で玉軸受け６１を介して被駆動ロータ２を回転自在に軸支しており、被駆動ロータ２の回転軸は固定軸１の中心線と常に一致している。
図２に示すように、固定軸１の先端部は角棒部１１で形成されており、前後方向に所定の範囲で移動可能な非回転体１２を保持している。非回転体１２の外周には玉軸受け６２が固定されており、玉軸受け６２を介して駆動ロータ４が回転自在に軸支されている。したがって、駆動ロータ４は、固定軸１に対して前後方向に所定範囲で移動可能であるとともに、固定軸１まわりに回転自在に軸支されている。ただし、駆動ロータ４の回転軸と固定軸１の中心軸とは平行ではあるが必ずしも一致せず、通常は前後方向にずれている。
【００１４】
駆動ロータ４は、再び図１に示すように、被駆動ロータ２に対しその回転面内で所定の範囲を移動可能に保持されており、外周部に接線方向の力を受けて回転駆動されることにより、被駆動ロータ２を回転駆動する。すなわち駆動ロータ４は、玉軸受け６２を介して非回転体１２まわりに軸支されているフランジ部材４１と、フランジ部材４１の外周に同軸で固定されているスプロケット４２とから構成されている。スプロケット４２の外周部にはチェーン５と噛み合う歯４３が形成されており、スプロケット４２は、チェーン５から歯４３を介して接線方向（この場合は前方）に引っ張り力（接線力）を受けて回転駆動される。
【００１５】
駆動ロータ４から被駆動ロータ２へのトルクの伝達は、駆動ロータ４の貫通孔４０と被駆動ロータ２の貫通孔２０をそれぞれ貫通している八本のジョイントピン３を介して行われる。図１および図３に示すように、両貫通孔２０，４０の内径は、ジョイントピン３の外径よりも０．１ｍｍ程度大きく、被駆動ロータ２に対する駆動ロータ４の所定範囲での移動を可能にしている。
【００１６】
非回転体１２は、図１および図２に示すように、固定軸１の角棒部１１に対して回転することなく、上記接線方向（すなわち前後方向）に所定区間の移動可能に固定軸１の角棒部１１に保持されている。そして非回転体１２は、玉軸受け６２を介して駆動ロータ４を回転自在に軸支している。また、図１に示すように、非回転体１２の貫通孔４２０からは適当な隙間を持って固定軸１の角棒部１１が突出しており、自転車が右側に倒れた場合にスプロケット４２等を保護するようになっている。
【００１７】
押圧力センサ１３，１４は、再び図１に示すように、固定軸１の角棒部１１の後面に固定されており、非回転体１２と固定軸１との間に作用する押圧力を計測するセンサである。このセンサは、図４（ａ）に示すように、コの字状の板バネ１３および歪みゲージ１４からなる。板バネ１３は、中間部を形成している板バネ部１３１と、板バネ部１３１の左右両側から前方に突出しており角棒部１１（図略）に立脚して固定されている一対の脚部１２と、板バネ部１３１の中央部から後方に突出している突条部１３３とからなる一体部材である。突条部１３３と背向している板バネ部１３１の中央部の前面には、左右方向の伸縮を検知する歪みゲージ１４が固着している。
【００１８】
図４（ｂ）に示すように、突条部１３３と対向している非回転体１２（一部のみ図示）から固定軸１の角棒部１１（図略）に前方に向かう押圧力Ｆがかかると、板バネ１３の突条部１３３が押されて板バネ部１３１が曲がる。すると、歪みゲージ１４は左右方向に引き伸ばされ、押圧力Ｆにほぼ比例した抵抗値の変化を生じるので、この変化を別途設けられている公知のブリッジ回路等（図略）で検出すれば、押圧力Ｆの測定をすることができる。
【００１９】
（実施例１の作用効果）
本実施例の回転トルクセンサは、以上のように構成されているので、次のような作用を生じる。
すなわち図５（ａ）に示すように、スプロケット４２の外周部にチェーン５により接線力Ｆ１がかかると、スプロケット４２を含む駆動ロータ４を軸支している非回転体１２は、板バネ１３の変形に相当する距離を前方に移動する。フランジ部材４１を含む駆動ロータ４には、図中時計回りにトルクがかかるので、駆動ロータ４は前方へ移動するだけではなく、被駆動ロータ２に対してジョイントピン３の許容範囲で時計回りに相対的に回転する。すると、最下部のジョイントピン３だけが前述の両貫通孔２０，４０の内周面に挟持され、最下部のジョイントピン３を介して駆動ロータ４から被駆動ロータ２へとトルクが伝達される。その際、最下部のジョイントピン３を介して駆動ロータ４には被駆動ロータ２からの反力Ｆ２が生じる。
【００２０】
その結果、図５（ｂ）に示すように、チェーン５からの接線力Ｆ１とジョイントピン３からの反力Ｆ２とが駆動ロータ４にかかり、その合力Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２が非回転体１２（図略）を介して板バネ１３にかかる。換言すると、梃子４の両端にかかる接線力Ｆ１および反力Ｆ２を、板バネ１３が支点として支え、その合力Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２の反力を生じて梃子４を支持している。なお、接線力Ｆ１に対する反力Ｆ２の比率は、両モーメントアームｒ１，ｒ２の比率で梃子の原理により定まっている。したがって、設計上明らかな両モーメントアームｒ１，ｒ２と、板バネ１３にかかる押圧力Ｆの計測値をもって、駆動ロータ４にかかっているトルクは容易に算出される。
【００２１】
なお、図５（ａ）に示す負荷Ｌは、上記トルクに見合う分が出力されるものと考えられる。
ここで、駆動ロータ４および被駆動ロータ２の回転に伴い、最下部のジョイントピン３から次のジョイントピン３へとトルク伝達を行うジョイントピン３が次々に交代するが、この際のトルクの伝達には不連続なジャンプはなく、連続的にトルク伝達が行われる。ただし、センサ１４が付いた板バネ１３からジョイントピン３までのモーメントアームは、位相を少しずつ（ジョイントピン３の角度間隔だけ）ずらして隣り合う正弦波関数の頂部が連続するので、わずかながらセンサ出力には脈動が伴う。その脈動の幅は、本実施例のようにジョイントピン３が八本、等間隔に配設されている場合には±３％程度であり、おおむねスムースな出力が得られる。脈動の量をさらに減らす要求がある場合には、ジョイントピン３の数を増やしてその角度間隔を減らすことにより、容易に脈動を低減することができる。
【００２２】
本実施例の回転トルクセンサは、以上のトルク計測機能を持ちながら、前述の構成で実施できるので、特殊な部品や重量や容積がかさばる部品を要せず、その構成は極めて簡素である。したがって本実施例によれば、構成が簡素で軽量小型であり、信頼性も計測精度も高いトルクセンサを安価に提供することができるという効果がある。
【００２３】
（実施例１の変形態様）
前述の実施例１のジョイントピン３の部分に関し、やや異なる構成の変形態様が可能である。
たとえば変形態様１として、図６（ａ）に示すように、ジョイントピン３が被駆動ロータ２’の貫通孔２０’には締まりばめで挿入されており、駆動ロータ４の貫通孔２０（バカ穴）には極端な緩みばめで挿入されている構成が可能である。本変形態様の回転トルクセンサの他の部分は、実施例１と同様である。
【００２４】
本変形態様によっても、実施例１と同様の作用効果が得られるうえ、振動等が加わってもジョイントピン３が暴れることがなくしっかりと被駆動ロータ２’に保持されており、騒音の発生が抑えられるという効果がある。なお、貫通孔２０’と貫通孔４０との関係が逆の構成であっても、本変形態様と同様の作用効果が得られる。
【００２５】
また変形態様２として、図６（ｂ）に示すように、ジョイントピン３の代わりに先端部にのみ雄ねじが形成されているボルト３’を用い、被駆動ロータ２”に貫通孔２０の代わりに形成されている雌ねじ孔２０”と螺合させる構成も可能である。本変形態様でも、駆動ロータ４の貫通孔４０はバカ穴であるので前述の変形態様１と同様の作用効果が得られるうえ、ボルト３’の先端が被駆動ロータ２”を貫通して反対側に突出することがないので、よりコンパクトに構成できるという効果もある。
【００２６】
［実施例２］
本発明の実施例２としての回転トルクセンサは、図７（ａ）〜（ｂ）に示すように、実施例１のチェーン駆動に代えて歯車駆動とした実施例である。本実施例では、駆動ロータ４Ａは歯車であってこれと噛み合う他の歯車５’によって回転駆動され、複数のジョイントピン３を介して被駆動ロータ２Ａを回転駆動する。被駆動ロータ２Ａはまた、固定軸１Ａによって回転自在に軸支されている。そして駆動ロータ４Ａの固定軸を兼ねる非回転体１２Ａは、図７（ｂ）に示すように、押圧力センサとして首部の両側にそれぞれ歪みゲージ１４を備えている。
【００２７】
それゆえ、両歪みゲージ１４の抵抗値の差分をとることにより、比較的精密に非回転体１２Ａにかかる押圧力Ｆを計測することができる。図７（ｃ）に示すように、押圧力Ｆが計測されれば、実施例１と同様の手法で駆動ロータ４Ａに作用しているトルクを算出することができる。
したがって、歯車駆動の本実施例によっても、実施例１と同様に、構成が簡素で軽量小型であり、信頼性も計測精度も高いトルクセンサを安価に提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１としての回転トルクセンサの構成を示す水平断面図
【図２】 実施例１としての回転トルクセンサの構成を示す端面図
【図３】 実施例１の摺動部の構成を示す端面図
【図４】 実施例１の押圧力センサの構成および作用を示す組図
（ａ）無負荷時の押圧力センサの形状を模式的に示す断面図
（ｂ）押圧力下の押圧力センサの作用を模式的に示す断面図
【図５】 実施例１としての回転トルクセンサの作用を示す組図
（ａ）側面図 （ｂ）押圧力センサの原理図
【図６】 実施例１の変形態様の構成を示す組図
（ａ）変形態様１のジョイントピン付近の構成を示す断面図
（ｂ）変形態様２のジョイントピン付近の構成を示す断面図
【図７】 実施例２としての回転トルクセンサの構成および作用を示す組図
（ａ）実施例２の駆動ロータの構成を示す側面図
（ｂ）実施例２としての回転トルクセンサの構成を示す水平断面図
（ｃ）実施例２としての回転トルクセンサの作用を示す模式図
【符号の説明】
１，１Ａ：固定軸 １１：角棒部
１２：非回転体 １２Ａ：固定軸を兼ねる非回転体
１３：コの字状の板バネ １４：歪みゲージ
２，２’，２”，２Ａ：被駆動ロータ
２０，２０’：貫通孔 ２０”：ネジ孔
３：ピン ３’：ボルト
４：駆動ロータ ４０：貫通孔 ４２０：貫通孔
４１：フランジ部材 ４２：スプロケット ４３：歯
５：チェーン ５１：引っ張り側チェーン ５２：弛み側チェーン
４Ａ：駆動ロータとしての歯車 ５’：歯車
Ｆ：押圧力 Ｆ１：接線力 Ｆ２：反力 Ｌ：負荷
ｒ１，ｒ２：モーメントアーム

Claims (3)

1. 固定軸と、
   該固定軸まわりに回転自在に軸支されている被駆動ロータと、
   該被駆動ロータに対し回転面内で所定の範囲を移動可能に保持され、外周部に接線方向の力を受けて回転駆動されることにより該被駆動ロータを回転駆動する駆動ロータと、
   該固定軸に対して回転することなく該接線方向に所定区間の移動可能に該固定軸に保持されており、該駆動ロータを回転自在に軸支している非回転体と、
   該非回転体と該固定軸との間に作用する押圧力および引っ張り力のうち一方を計測するセンサと、
   を有することを特徴とする回転トルクセンサ。
2. 前記駆動ロータは、チェーン、ベルト、ラックを含む歯車、および摩擦面のうちいずれかにより前記接線方向に力を受けて回転駆動される請求項１記載の回転トルクセンサ。
3. 前記センサは、歪みゲージであって、前記非回転体および固定軸のうち一方に固定されており両者の間に作用する力により変形する板バネに接合されている請求項１記載の回転トルクセンサ。

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