JPH08338774A

JPH08338774A - 自転車

Info

Publication number: JPH08338774A
Application number: JP7147056A
Authority: JP
Inventors: Kenjiro Soejima; 健次郎副島
Original assignee: Koyo Electronics Industries Co Ltd
Current assignee: Koyo Electronics Industries Co Ltd
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 1996-12-24

Abstract

(57)【要約】【目的】自転車の回転軸に加わるトルクを検出し、こ
れに基いてペダル踏力、消費エネルギを測定し、必要に
応じてその結果を表示すること。また、トルク又はペダ
ル踏力が大きくなり又は小さくなったときは自動的にギ
ヤをチェンジすること。【構成】磁歪合金からなり外周に左右対称にかつ互い
に反対方向に傾斜して設けたシェブロン状の凹溝７ａ，
７ｂにより磁気異方性が付与された回転軸３、及び検出
コイル１３ａ，１３ｂを有し回転軸３の外周に配設され
たコイルユニット１１かなるトルク検出器１０と、トル
ク検出器１０によって検出されたトルクに基いてペダル
の踏力を算出する演算器とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トルク検出器を備えた
自転車に係り、さらに詳しくは、自転車あるいは筋力ト
レーニングや健康のためのエネルギ消費運動を目的とし
た機器など（以下これらを自転車という）のペダルによ
って駆動される回転軸のトルクを検出し、この検出され
たトルク値からペダルに加わる負荷を測定し、この測定
結果に基いて筋力トレーニングや変速ギヤの制御などを
行うことのできるトルク検出器を備えた自転車に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０は従来の自転車のボトムブラケッ
ト部の概略斜視図である。１はボトムブラケット部で、
円筒状のハウジング２内には、例えば、両端部が断面四
角形に形成され中心部にねじ穴を有する回転軸３が挿通
され、軸受を介して回転自在に支持されており、ハウジ
ング２の両端部は、回転軸３の両端部が突出した状態で
アダプタ１２ａ，１２ｂが螺入され、閉塞されている。

【０００３】そして、回転軸３の一端には、先端部にペ
ダル３２ａが回転自在に装着されたクランク３１ａの基
部に設けた四角形の嵌合穴が嵌合されてねじで固定され
ており、回転軸３の他端には中心部に四角形の穴を有す
るチェーン駆動用のギヤ３０が嵌合され、その上にペダ
ル３２ｂを有するクランク３１ｂの基部に設けた嵌合穴
を嵌入し、ねじによりギヤ３０とクランク３１ｂが一体
に固定されている。そして、このような自転車に人が乗
車して走行し、あるいは台上に設置して筋力トレーニン
グなどが行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、健康の維持やダ
イエットなどのために自転車の利用がブームとなってい
るが、このような運動にあたっては、自分が消費したエ
ネルギを知ることがきわめて重要である。しかしなが
ら、上記のような自転車においては、従来、ペダルを足
で踏込む力、これにより得られた仕事量、及びこのため
に消費されたエネルギなどを測定する手段がなく、この
ため、筋力トレーニングなどの成果やこれに消費される
エネルギなどを数値的に知ることができなかった。ま
た、自転車には、坂道を登るときなどペダルの踏込みに
大きな力を必要とするときは、ギヤをチェンジするよう
にしたものがあるが、これらの切換えは運転者が感によ
り手動で行わなければならないので、きわめて面倒であ
る。

【０００５】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたもので、ペダルを有するクランクが装着された回
転軸に加わるトルクを検出し、これに基いてペダルを踏
込む力、及びこれによって消費された消費エネルギを検
知し、必要に応じてその結果を表示するようにした自転
車を得ることを目的としたものである。また、ペダル踏
力が大きくなり又は小さくなったときは、自動的にギヤ
をチェンジするようにした自転車を得ることを目的とし
たものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

（１）本発明に係る自転車は、磁歪合金からなり外周に
左右対称にかつ互いに反対方向に傾斜して設けたシェブ
ロン状の凹溝により磁気異方性が付与された回転軸、及
び検出コイルを有し回転軸の外周に配設されたコイルユ
ニットからなるトルク検出器と、このトルク検出器によ
って検出されたトルクに基いてペダルの踏力を算出する
演算器とを備えたものである。

【０００７】（２）また、上記（１）のトルク検出器に
代えて、磁歪合金によりほぼ有底円筒状に形成され、円
筒部に左右対称にかつ互いに反対方向に傾斜して設けた
シェブロン状のスリット又は凹溝により磁気異方性が付
与され、ギヤ又はギヤ保持部材に固定された検出部と、
ほぼ有底円筒状に形成されて内周に検出コイルが設けら
れ、検出部の外周に配設されたコイルユニットとからな
るトルク検出器を備えたものである。

【０００８】（３）上記（１）又は（２）の自転車にお
いて、トルク検出器の回転軸又は検出部を、Ｆｅ−Ａｌ
系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金又はＳＮＣＭ系浸炭鋼で構成
した。

【０００９】（４）上記（１）又は（２）の演算器によ
り、トルク検出器によって検出されたトルクに基いて、
ペダル踏力又は消費エネルギを算出するようにしたもの
である。

【００１０】（５）上記（１）又は（２）の演算器と併
せ又は演算器に代えて、トルク検出によって検出された
トルク又はペダル踏力に基いて、複数のギヤを自動的に
切換えるギヤ切換手段を備えたものである。

【００１１】（６）上記（１），（２），（４）又は
（５）のトルク、ペダル踏力、消費エネルギなどを表示
する表示器を設けたものである。

【００１２】

【作用】本発明の作用を上記番号にしたがって順を追っ
て説明する。（１）トルク検出器は、回転軸にトルクが加えられると
ねじり応力が発生し、磁気異方性が付与された領域の透
磁率が変化する。この透磁率の変化に対応して検出コイ
ルの自己インダクタンスが変化するので、この変化を測
定することにより回転軸に加えられたトルクを検出する
ことができる。請求項１の発明において、ギヤ側のペダ
ルを踏込んだときは、回転軸にねじり応力が発生しない
ためトルクは検出されない。一方、ギヤの反対側のペダ
ルを踏込むと回転軸にねじり応力が発生し、トルクが検
出される。したがって請求項１の発明においては、ギヤ
が１回転する間にギヤの反対側のペダルを踏込んだとき
に限りトルクが検出される。

【００１３】ここでのトルクとは、ペダルを踏込むこと
により発生するねじり応力によるトルクのことである。
ギヤ側のトルクを踏込んだときでも、ギヤの反対側のペ
ダルに加わる足の自重により回転軸にねじり応力が発生
し、トルクが検出される。しかし、このトルクは、前述
のギヤの反対側のペダルを踏込んだときに検出されるト
ルクが正値を示すのに対して負の値を示すので、このト
ルクについては無視している。

【００１４】ペダル踏力Ｆは、Ｆ＝Ｔrq／Ｒ（但し、Ｔ
rqはトルク、Ｒはクランク長さ）により得られるので、
演算器により算出することによりペダル踏力を求めるこ
とができる。ただし、前述のように、ギヤが１回転する
間にギヤと反対側のペダルを踏込んだときのみトルクが
検出されるので、得られたペダル踏力を２倍すれば、ギ
ヤが１回転する間の見掛け上のペダル踏力を求めること
ができる。

【００１５】（２）請求項２の発明においては、ギヤ側
のペダル及びギヤと反対側のペダルの何れを踏込んでも
検出部にねじり応力が発生し、トルクを検出することが
できるので、前記請求項１の発明と同様に演算器で演算
することによりギヤが１回転する間のペダル踏力を求め
ることができる。

【００１６】（３）上記（１）又は（２）の回転軸又は
検出部を、Ｆｅ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金又はＳ
ＮＣＭ系浸炭鋼で構成したので、回転軸又は検出部に直
接スリット又は凹溝を設けることができる。このため、
高精度のトルク検出器を多量生産することができる。

【００１７】（４）上記（１）の発明において、トルク
検出器により検出されたトルクに基いて、演算器により
下式によって消費エネルギｄE を求める。ｄE ＝１／（４．１８×１０³）×Ｔrq×２π／ＴK ×ｄt 但し、ＴK はｄt 時間ごとに計測された周期なお、上記
（２）の発明においては、ｄE ＝１／（４．１８×１０³）×Ｔrq×π／ＴK ×ｄt となる。

【００１８】（５）例えば、坂道を登る場合は、ペダル
踏力が大きくなり、したがってトルクが増大するが、検
出されたトルク又はペダル踏力があらかじめ定めた値を
超えると、大ギヤに自動的に切換えられる。また、ペダ
ル踏力があらかじめ定めた値以下になると、小ギヤに自
動的に切換えられる。

【００１９】（６）自転車の作動中に、回転軸又は検出
器に加えられるトルク、ペダルに加えられる踏力、これ
によって消費された消費エネルギなどの数値やグラフが
表示器に表示され、目視することができる。また、必要
に応じてこれを記録することができる。

【００２０】

【実施例】実施例１．図１は本発明の第１の実施例の要部をなす自
転車のトルク検出部の縦断面図である。図において、１
はボトムブラケット部で、２は中空ハウジングである。
３はハウジング２内に挿入され、球軸受８ａ，８ｂを介
して回転自在に支持された回転軸である。この回転軸３
は、例えば、Ｆｅ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金ある
いはＳＮＣＭ系浸炭鋼の如き磁性材料からなり、両端部
には断面四角形状のクランクの嵌合部４ａ，４ｂが設け
られ、端面中心部にはねじ穴５ａ，５ｂが設けられてい
る。６ａ，６ｂは嵌合部４ａ，４ｂの内側（中央部側）
の外周に設けられた球軸受８ａ，８ｂの受座である。

【００２１】７ａ，７ｂは受座６ａ，６ｂの間に、左右
対称にかつ互いに反対方向に傾斜して設けられたシェブ
ロン状の凹溝で、回転軸３にはこれら凹溝７ａ，７ｂに
より互いに反対方向の磁気異方性が付与されている。１
１はねじ等１２によりハウジング２の内壁に固定された
円筒状のコイルユニットで、ヨーク１１ａを介して第
１、第２の検出コイル１３ａ，１３ｂが設けられてお
り、これら回転軸３及びコイルユニット１１によりトル
ク検出部１０を構成する。１４ａ，１４ｂは外周にねじ
を有し、ハウジング２の内周に設けたねじに螺入されて
球軸受８ａ，８ｂを保持するアダプタ、１４はロックリ
ンクである。なお、実施例では、回転軸３を、重量％で
Ａｌを１１．０〜１５．０％含み残部が実質的にＦｅか
らなるＦｅ−Ａｌ系合金、重量％でＮｉを３２〜８５％
含み残部が実質的にＦｅからなるＦｅ−Ｎｉ系合金及び
ＳＮＣＭ８１５でそれぞれ製作した。

【００２２】図２は回転軸３にａ₁方向、ａ₂方向のね
じり応力が加わった場合のトルク検出回路の一例を示す
ブロック図である。１３ａ，１３ｂはコイルユニット１
１に設けられた検出コイル、Ｒ₁，Ｒ₂は抵抗器で、こ
れらによりブリッジ回路１５が形成されている。１６は
ブリッジ回路１５に発振電圧ｅ_Vを印加する発振回路で
ある。１７はブリッジ回路１５の出力交流電圧ｅ₁，ｅ
₂を検波する同期検波回路、１８は検波された両直流電
圧Ｅ₁，Ｅ₂を比較してその差電圧ΔＥを出力する比較
回路、１９は比較回路１８の出力電圧ΔＥを増幅する増
幅回路で、これらによりトルク検出回路２０を構成して
いる。

【００２３】上記のようなトルク検出回路２０におい
て、回転軸３にねじり応力が加わっていない場合は、回
転軸３の凹溝７ａと７ｂの透磁率μ₁，μ₂は等しく保
たれており、このときの検出コイル１３ａ，１３ｂの自
己インダクタンスＬ₁，Ｌ₂は、次式で示される。Ｌ₁＝４πＮ₁ ²μ₁Ａ［１］Ｌ₂＝４πＮ₂ ²μ₂Ａ［２］但し、Ｎ₁：検出コイル１３ａのコイル巻数Ｎ₂：検出コイル１３ｂのコイル巻数Ａ：コアの形状で決る係数したがって、Ｎ₁＝Ｎ₂、μ₁＝μ₂であれば、
［１］，［２］式よりＬ₁＝Ｌ₂である。

【００２４】検出コイル１３ａ，１３ｂは抵抗器Ｒ₁，
Ｒ₂とによりブリッジ回路１５を形成しており、中点の
電圧ｅ₁，ｅ₂は下式で表わされる。ｅ₁＝ｊωＬ₁／（ｊωＬ₁＋Ｒ₁）・ｅ［３］ｅ₂＝ｊωＬ₂／（ｊωＬ₂＋Ｒ₂）・ｅ［４］いま、回転軸３にａ₁、ａ₂方向のねじり応力が加わる
と、シェブロン状の凹溝７ａ，７ｂのうち、凹溝７ａに
は引張応力が加わるためＶｉｌｌａｒｉ効果により透磁
率μ₁が増大し、凹溝７ｂには圧縮力が加わるため透磁
率μ₂が減少する。

【００２５】検出コイル１３ａ，１３ｂの自己インダク
タンスＬ₁，Ｌ₂は、前述のようにＬ₁＝４πＮ₁ ²μ₁ＡＬ₂＝４πＮ₂ ²μ₂Ａであり、回転軸３にねじり応力ａ₁，ａ₂が加わるとμ
₁が大、μ₂が小に変化するため、Ｌ₁は大、Ｌ₂は小
となる。

【００２６】故に、前記［３］，［４］式から、ブリッ
ジ回路１５の中点の電圧ｅ₁は上昇し、ｅ₂は下降す
る。両電圧ｅ₁，ｅ₂は同期検波回路１７でそれぞれ平
滑化され、その出力直流電圧Ｅ₁，Ｅ₂は比較回路１８
で比較され、その差の電圧ΔＥが出力する。この差の電
圧ΔＥは増幅器１９で増幅されると共にトルク値に変換
され、出力信号として取出される。この出力信号は、通
常Ａ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換され、演算
器であるマイクロプロセッサに加えられて演算され、ト
ルク値や消費エネルギ値として表示される。

【００２７】次に、上記のように構成した本発明の組立
順序の一例を説明する。（１）コイルユニット１１が装着されたハウジング２内
に回転軸３を挿通し、受座６ａ，６ｂにそれぞれ多数の
球軸受８ａ，８ｂを配設し、ハウジング２のねじにアダ
プタ１４ａ，１４ｂを螺入して球軸受８ａ，８ｂを所定
の位置に保持し、ロックリンク１４をアダプタ１４ａの
ねじに螺入して固定し、回転軸３を回転自在に保持す
る。

【００２８】（２）次に、図１０に示すように、回転軸
３の一方の嵌合部４ａにペダル３２ａを有するクランク
３１ａの基部を嵌合してねじで固定し、他方の嵌合部４
ｂにギヤ３０及びペダル３２ｂを有するクランク３１ｂ
の基部を嵌合してねじで固定する。これにより、ボトム
ブラケット部１の組立が終了する。

【００２９】次に、本発明の作用を説明する。なお、ギ
ヤ３０にはチェーンＣが掛けられているものとする。い
ま、図３に示すようにペダルを踏んでクランク３１ｂを
矢印ａ方向（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３１ｂから回転軸３に伝達される。こ
のとき、他方のクランク３１ａはペダル３２ａに掛かる
足の自重により回転軸３にねじり応力が発生し、トルク
が検出される。しかし、このトルクは負の値のため無視
する。

【００３０】次に、他方のクランク３１ａを矢印ａ方向
に回転させると、クランク３１ｂはフリー状態にある
が、回転軸３に結合されたギヤ３０にはチェーンＣが掛
けられていて矢印ｂ方向の張力が加えられているため、
回転軸３には図２に示す矢印ａ₁方向のねじり応力が発
生する。これにより、回転軸３に設けた凹溝７ａ，７ｂ
のうち、凹溝７ａ側には引張り応力が、また、凹溝７ｂ
側には圧縮応力が加わるため、これに対応して回転軸３
の透磁率が変化する。

【００３１】回転軸３の透磁率の変化に伴って前述のよ
うに第１、第２の検出コイル１３ａ，１３ｂの自己イン
ダクタンスが変化し、ブリッジ回路１５にはインピーダ
ンスの変化、したがって、回転軸３に加えられたトルク
の大きさに対応した不平衡電圧ｅ₁，ｅ₂が出力する。
この出力電圧ｅ₁，ｅ₂は図２で説明したプロセスによ
り処理され、出力する。この出力電圧は、回転軸３に加
えられたトルクに対応した値である。このように、本実
施例においては、ギヤ３０が１回転する間、すなわち、
ギヤ３０の反対側のペダル３２ａを踏込む間に回転軸３
に加えられたトルクが検出される。

【００３２】なお、本実施例において、ギヤ３０の反対
側のペダル３２ａを踏んだときに発生したトルク値を電
気的手段によって記憶又は保持しておき、ギヤ３０側の
ペダルを３２ｂを踏んだときに、上記のトルク値をペダ
ル３２ｂの見掛け上のトルク値として再現させるように
してもよい。

【００３３】ところで、上記のようにして検出されたト
ルクから、ペダル３２ａ，３２ｂを足で踏込む力（以下
ペダル踏力という）、これによって得られた仕事量、及
びこのために消費した消費エネルギを求めることができ
る。いま、検出された回転軸３のトルクをＴrq、ペダル
踏力をＦ、回転軸３の中心からクランク３１ａ，３１ｂ
のペダルの軸の中心迄の長さ（以下クランク長さとい
う）をＲとすると、これらの間には、次の関係がある。Ｔrq＝Ｆ×Ｒ［５］したがって、トルクを検出することにより、次式により
ペダル踏力Ｆを求めることができる。Ｆ＝Ｔrq／Ｒ［６］

【００３４】また、ペダル３２ａ，３２ｂを踏込むこと
によってなされる仕事量ｄＷは、ペダル３２ａ，３２ｂ
に加えられる力（すなわちペダル踏力Ｆ）と、ペダル３
２ａ，３２ｂの移動距離（以下ペダル移動距離という）
ｄs との積、ｄＷ＝Ｆ×ｄsによって求められる。自転
車のペダル３２ａ，３２ｂをクランク３１ａ，３１ｂの
回転軸３の中心に対してｄθラジアン回転させたときの
ペダル移動距離ｄs は、ｄs ＝Ｒ×ｄθにより求められ
るので、ペダル３２ａ，３２ｂをθラジアン回転させた
ときの仕事量Ｗは、

【００３５】

【数１】となる。

【００３６】仕事量の単位はジュール（Ｊ）であり、こ
れを栄養学的熱量Ｅに換算すると、１カロリは４．１８
×１０³（Ｊ）なので、

【００３７】

【数２】となる。

【００３８】一方、ギヤ３０を１回転する間にペダル踏
力Ｆは、右足で最も強く踏込んだときと、左足で最も強
く踏込んだときの２回最高値に達するが、前述のように
ギヤ３０側のペダル３２ｂを踏込んだとき（右足）はト
ルクが検出されず、ペダル３２ａを踏込んだときに限り
トルクが検出されるので、トルクが検出される周期をＴ
とすれば、ペダルの回転角速度は２π／Ｔラジアンとな
る。したがって、ｄt時間のペダルの回転角ｄθは、２
π／Ｔ×ｄt となる。

【００３９】トルク検出をｄt 時間ごとに行うときに、
この間の消費エネルギｄE は、計測された周期ＴK と、
トルク検出により求めたペダル踏力ＦK とにより、
［８］式からｄE ＝１／（４．１８×１０³）×Ｔrq×２π／ＴK ×ｄt ［９］となる。したがって、ペダルをθラジアン回転させたと
きの消費エネルギＥは、トルク検出を行うごとに上記演
算を行い、この間に消費されたエネルギを算出して累積
エネルギ値に加算することにより求めることができる。

【００４０】図４は上述のペダル踏力、仕事量及び消費
エネルギを求めるためのブロック図である。図におい
て、ＣＰＵ２１にはトルク検出回路２０で検出された回
転軸３のトルクに対応したアナログ信号が、Ａ／Ｄ変換
回路２４でディジタル信号に変換されて加えられる。ま
た、ＲＯＭ２２には検出されたトルクに基いて、ペダル
踏力、仕事量及び消費エネルギを演算するプログラムが
格納されており、ＲＡＭ２３には演算時に使用される作
業領域が確保されている。そして、ＲＯＭ２２及びＲＡ
Ｍ２３とＣＰＵ２１との間には、信号が授受される。な
お、これらＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３及びＡ
／Ｄ変換回路２４により演算器２５が構成される。

【００４１】ＲＯＭ２２のプログラムは、例えば、メイ
ンプログラムとタイマ割り込みルーチンとにより構成さ
れている。タイマ割り込みルーチンは、一定時間周期ご
と（例えば、１０ｍｓｅｃごと、あるいは０．１ｓｅｃ
ごと）に割り込み起動してトルクの検出及び周期測定を
行い、メインプログラムでは、タイマ割り込みルーチン
が動作していないときに、タイマ割り込みルーチンによ
って検出されたトルクと周期とにより、ペダル踏力、仕
事量又は消費エネルギの何れかを演算し、表示装置２６
に表示する。なお、消費エネルギの場合は、累積して表
示する。

【００４２】実施例２．上述の第１の実施例では、ギヤ
３０が１回転する間にギヤ３０の反対側のペダル３２ａ
を踏込んだときに発生するトルクを検出し、これに基い
て、ペダル踏力、仕事量及び消費エネルギを検出する場
合を示したが、本実施例は、ギヤ３０が１回転する間
に、ギヤ３０の反対側のペダル３２ａと、ギヤ３０側の
ペダル３２ｂを踏込むことにより発生するトルクとを検
出するようにしたものである。図５は本発明の第２の実
施例の縦断面図、図６は図５の要部の分解斜視図であ
る。なお、第１の実施例と同じ機能の部分にはこれと同
じ符号を付し、説明を省略する。

【００４３】３５はトルク検出器で、図６、図７に示す
ように、円筒部３７とフランジ３８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有底円筒状の検出
部３６と、内周に検出コイル４９ａ，４９ｂが装着され
た有底円筒状のコイルユニット４５とからなっている。
検出部３６は、例えば、Ｆｅ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ
系合金、ＳＮＣＭ系浸炭鋼等の磁歪特性を有する磁性合
金からなり、底部３９の中心部には回転軸３が挿通され
る穴４０が設けられており、その周囲には複数のねじ挿
通穴４１が設けられている。

【００４４】また、検出部３６の円筒部３７には、左右
対称に、かつ互いに反対方向に傾斜したシェブロン状の
多数のスリット４２ａ，４２ｂが設けられており、これ
らスリット４２ａとスリット４２ｂとによって互いに反
対方向の磁気異方性が付与されている。なお、スリット
４２ａ，４２ｂに代えて、凹溝により磁気異方性を付与
してもよい。４３はフランジ３８に設けた複数のナット
挿入穴である。実施例では、検出部３６を、第１の実施
例の回転軸３と同様に、重量％でＡｌを１１．０〜１
５．０％含み残部が実質的にＦｅからなるＦｅ−Ａｌ系
合金、重量％でＮｉを３２〜８５％含み残部が実質的に
ＦｅからなるＦｅ−Ｎｉ系合金及びＳＮＣＭ８１５でそ
れぞれ製作した。また、検出部３６の円筒部３７の厚み
を１〜３ｍｍとした。

【００４５】コイルユニット４５は有底円筒状に形成さ
れており、底部４６にはアダプタ１４ｂの外周に設けた
ねじに螺合するねじ穴４８が設けられており、検出部３
６に嵌合する円筒部４７の内壁には検出部３６の透磁率
の変化により自己インダクタンスが変化する第１、第２
の検出コイル４９ａ，４９ｂ及びヨーク５１が装着され
ている。５０は第１、第２の検出コイル４９ａ，４９ｂ
の引出し線である。

【００４６】５５はギヤ保持部材で、図６、図７に示す
ように、円板状のハブ部５６と、ハブ部５６の外周から
ほぼ等間隔で内側（回転軸３側）に傾斜して突設された
複数の腕部５７とからなり、ハブ部５６には検出部３６
のフランジ３８が嵌合される凹部５８と、凹部５８の中
心部に設けられ、クランク３１ｂの円柱状のボス３１が
嵌入される穴５９が設けられている。６０は穴５９の外
周に設けられた複数のねじ挿通穴、６１は腕部５７の先
端部にはほぼ垂直に立設されたギヤ取付部で、ナット挿
通穴６２が設けられている。３０はチェーンが掛けられ
るギヤで、中心部にはギヤ保持部材５５のハブ部５６及
び腕部５７が嵌入される穴が設けられている。

【００４７】次に、上記のように構成した本発明の組立
順序の一例を説明する。（１）ハウジング２内に回転軸３を挿通し、球軸受８
ａ，８ｂで回転自在に支持させ、ハウジング２の両端開
口部をアダプタ１４ａ，１４ｂで閉塞し、アダプタ１４
ａはロックリング１４でハウジング２に固定される。

【００４８】（２）ギヤ保持部材５５の穴５９にクラン
ク３１ｂの円柱状のボス３１を挿入し、ついで、検出部
３６を円柱状のボス３１に嵌入してねじ挿通穴３６に挿
通したねじ６５を円柱状のボス３１のねじ穴３１ｃに螺
入し、固定する。このとき、ギヤ保持部材５５の穴５９
と、クランク３１ｂの円柱状のボス３１との間には、接
触しない程度のすき間が形成されている。（３）次に、ギヤ保持部材５５の凹部５８を検出部３６
のフランジ３８に嵌合し、フランジ３８のナット挿入穴
４３にナット６６を挿入すると共に、ギヤ保持部材５５
のねじ挿入穴６０にねじ６７を挿入してナット６６に螺
入する。これにより、クランク３１ｂ、検出部３６及び
ギヤ保持部材５５は一体に結合される。

【００４９】（４）ハウジング２の他端に螺入されてい
るアダプタ１４ｂのねじに、コイルユニット４５のねじ
穴４８を螺入し、固定する。（５）クランク３１ｂに取付けた検出部３６をコイルユ
ニット４５内に挿入してその穴４０に回転軸３が接触し
ない程度の間隙を隔てて挿通すると共に、円柱状ボス３
１に設けた嵌合穴を回転軸３の端部に嵌入し、ボルトを
ねじ穴５ｂに螺入して固定する。これにより、第１、第
２の検出コイル４９ａ，４９ｂは僅かな間隙を隔てて検
出部３６に設けたスリット４２ａ，４２ｂとそれぞれ対
向し、トルク検出器３５が形成される。

【００５０】（６）ギヤ３０をギヤ保持部材５５の取付
部６１の一方の面に当接すると共に、取付部６１の他方
の面に小ギヤ３０ａを当接し、小ギヤ３０ａに設けたナ
ット挿入穴とギヤ取付部６１に設けたナット挿入穴６２
に挿入したナット６６に、ギヤ３０のねじ挿入穴に挿入
したねじ６７を螺入して固定する。なお、小ギヤ３０ａ
は本発明に必須のものではない。（７）最後に、クランク３１ａの嵌合穴を回転軸３の端
部に嵌合し、ボルトで固定すれば組立が完了する。

【００５１】次に、本発明の作用を説明する。なお、ギ
ヤ３０にはチェーンが掛けられているものとする。い
ま、図８に示すように、ペダルを踏んでクランク３１ｂ
を矢印ａ方向（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３１ｂ、円柱状のボス３１、検出
部３６、ギヤ保持部材５５を経て、ギヤ３０に伝達され
る。このとき、クランク３１ｂと一体に結合された検出
部３６には、クランク３１ｂによる矢印ａ方向の回転力
と、チェーンＣによる矢印ｂ方向の張力とによりねじ応
力が発生する。

【００５２】これにより、検出部３６に設けた磁気異方
性を付与するスリット４２ａとスリット４２ｂのうち、
底部３９側のスリット４２ａには引張り応力が、また、
フランジ３８側のスリット４２ｂには圧縮応力が加わる
ため、これに対応して検出部３６の透磁率が変化する。

【００５３】検出部３６の透磁率の変化に伴って第１、
第２の検出コイル４９ａ，４９ｂの自己インダクタンス
が変化し、ブリッジ回路１５にはインピーダンスの変
化、したがって、検出部３６に加えられたトルクの大き
さに対応した不平衡電圧ｅ₁，ｅ₂が出力する。この出
力電圧ｅ₁，ｅ₂は図２で説明したようにトルク検出回
路２０で処理され、出力する。この出力電圧は、回転軸
３に加えられたトルクに対応した値である。

【００５４】次に、他方のペダルを踏込でクランク３１
ａを回転すると、その回転力はクランク３１ａ、回転軸
３、クランク３１ｂの円柱状のボス３１、検出部３６、
ギヤ保持部材５５を経てギヤ３０に伝えられる。この場
合、クランク３１ｂの円柱状のボス３１以降の伝達経路
及び回転方向は、前述のクランク３１ｂの場合と全く同
一であり、しかも、ギヤ３０にはチェーンＣにより前記
と同方向（矢印ｂ方向）の張力が作用しているため、ク
ランク３１ｂを回転した場合と同様のプロセスで検出部
３６の透磁率が変化し、出力端子にはクランク３１ａに
より回転軸３に加えらたれトルクに対応した電圧が出力
する。

【００５５】本実施例においても、検出されたトルクか
ら第１の実施例と同様に、ペダル踏力、これによって得
られた仕事量及びこのために消費した消費エネルギを求
めることができる。ただし、本実施例においては、ギヤ
３０が１回転する間にペダル３２ａ，３２ｂを踏込むこ
とにより発生する最大トルクを２回検出することができ
るので、ペダルの回転角速度はπ／Ｔラジアンとなる。

【００５６】実施例３．自転車には、複数のギヤが設け
られていて、例えば、登り坂などにおいてペダル踏力が
大きくなるとレバーを操作して大ギヤに切換え、平坦地
などでペダル踏力が小さくなると再び小ギヤに切換える
ようにしたものがある。本実施例は、上述の第１〜第２
の実施例において、検出されたトルク（又はペダル踏
力）があらかじめ定めた値を超え、又はあらかじめ定め
た値以下になったときはギヤを自動的に切換えるように
したものである。

【００５７】図９は本実施例の構成を示すブロック図で
ある。ＲＡＭ２３にはトルク検出回路２０で検出したト
ルク値に対応してギヤを切換える表１に示すようなギヤ
切換情報がテーブル形式によって格納されている。

【００５８】

【表１】

【００５９】このテーブルの内容は、自転車の運転開始
時に、演算器２５に電源が投入されて自動ギヤ切換モー
ドになったとき、ＲＯＭ２２に格納された表１に示す情
報をＲＡＭ２３にコピーすることにより作成される。な
お、図示してない設定手段により、自転車を使用する者
が設定してもよい（但し、この場合は、ＲＡＭ２３は停
電保持する必要がある）。また、ギヤ切換装置２８は、演算器２５からの指令によ
りギヤ３０ａを切換える（自動ギヤ切換モード）もので
あるが、手動切換手段２９により手動でギヤ３０ａを切
換えることもできる（手動ギヤ切換モード）。

【００６０】上記のように構成した本実施例において
は、自動ギヤ切換モード中は、ＲＯＭ２２に格納されて
いるプログラムは、トルク検出回路２０、Ａ／Ｄ変換回
路２４を経て入力されるトルク値Ｔrgと、表１のテーブ
ルのトルク値とを常時比較している。

【００６１】自転車の運転開始時には、ペダル踏力が大
きいため大きなトルクＴrgが発生し、表１のテーブルと
の間にＴrg＞トルク１の関係が成立する。これにより、
演算器２５は、テーブルから大ギヤ側への切換信号を取
出し、この切換信号を出力回路２７を介してギヤ切換装
置２８に出力し、ギヤ切換装置２８はこれを受けてギヤ
３０ａを大ギヤに切換える。大ギヤに切換え後、暫くの
間トルクが減少する。一定時間経過後も依然としてＴrg
＞トルク１の場合は、さらに上記のプロセスにより大ギ
ヤに切換える。

【００６２】このような切換操作を繰返すと、最終的に
は最も大きいギヤが選択される。この場合は、演算器２
５から大ギヤへの切換信号が出力されてもギヤ切換装置
２８は作動せず、最も大きなギヤが選択されたままとな
る。自転車が走行してペダル踏力が小さくなり、トルク
が減少すると、トルク２＜Ｔrg＜トルク１の関係が成立
する。このときは、演算器２５はギヤの切換信号を出力
しない。

【００６３】次に、自転車がスピードを増してトルクが
減少し、Ｔrg＜トルク２の関係が成立すると、演算器２
５はＲＡＭ２３から小ギヤへの切換信号を取出し、この
切換信号を出力回路２７を介してギヤ切換装置２８へ出
力する。ギヤ切換装置２８はこの信号に基いて、ギヤを
小ギヤに切換える。なお、小ギヤに切換後暫くの間はト
ルクが増加する。さらに、自転車がスピードを増すと、
上記のプロセスが繰返され、最終的には最も小さいギヤ
が選択される。この場合は、ギヤ切換装置２８に小ギヤ
の切換信号が出力されてもギヤ切換装置２８は作動せ
ず、最も小さいギヤが選択されたままとなる。

【００６４】このように、本実施例においては、トルク
の検出回路２０で検出されたトルク値に基いて、自動的
にギヤを切換えるようにしたので、きわめて便利な自転
車を実現することができる。

【００６５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば次のような効果を得ることができる。なお、以
下の説明では請求項に付した番号と同じ番号を付して各
請求項の効果を記述する。（１）ペダルが装着された一対のクランク及び両端部に
クランクが取付けられた回転軸を有し、ペダルを踏むこ
とによりチェーンが掛けられたギヤを駆動する自転車に
おいて、磁歪合金からなり外周に左右対称にかつ互いに
反対方向に傾斜して設けたシェブロン状の凹溝により磁
気異方性が付与された回転軸、及び検出コイルを有し回
転軸の外周に配設されたコイルユニットからなるトルク
検出器と、このトルク検出器によって検出されたトルク
に基いてペダルの踏力を算出する演算器とを備えたの
で、自転車で走行しあるいは筋力トレーニングなどを行
う際にペダル踏力を知ることができ、効果的な走行やト
レーニングを行うことができる。

【００６６】（２）上記（１）のトルク検出器を、磁歪
合金によりほぼ有底円筒状に形成され、円筒部に左右対
称にかつ互いに反対方向に傾斜して設けたシェブロン状
のスリット又は凹溝により磁気異方性が付与され、ギヤ
又はギヤ保持部材に固定された検出部と、ほぼ有底円筒
状に形成されて内周に検出コイルが設けられ、検出部の
外周に配設されたコイルユニットとによって構成したの
で、左右何れのペダルを踏んだときでもトルクを検出す
ることができる。このため、より一層正確なペダル踏力
を検出することができ、走行やトレーニングを効果的に
行うことができる。

【００６７】（３）上記（１）又は（２）のトルク検出
器の回転軸又は検出部を、Ｆｅ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｎ
ｉ系合金又はＳＮＣＭ系浸炭鋼で構成したので、スリッ
トや凹溝を回転軸又は検出部に直接設けることができ
る。このため、製造が容易で多量生産が可能になり、そ
の上高精度のトルク検出器を得ることができる。

【００６８】（４）上記（１）又は（２）において、演
算器により、トルク検出器によって検出されたトルクに
基いて、ペダルを踏むことによって消費した消費エネル
ギを算出するようにしたので、自転車の走行や健康を目
的としたエネルギ消費運動あるいは筋力トレーニングを
効果的に行うことができる。

【００６９】（５）上記（１）又は（２）において、演
算器と併せ又は演算器に代えて、トルク検出器によって
検出されたトルク又はペダル踏力に基いて、複数のギヤ
を自動的に切換えるギヤ切換手段を備え、例えばペダル
踏力が増大したときは、自動的に大ギヤに切換え、ペダ
ル踏力が小さくなったときは自動的に小ギヤに切換える
ようにしたので、取扱いが容易で使い易い自転車を得る
ことができる。

【００７０】また、本発明に係る自転車においては、大
きなトルクが発生すると大ギヤ側へ切換えてトルクを減
少させ、また、トルクが小さいときは小ギヤ側へ切換え
てトルクを増加させるようにしたので、表１に示すトル
ク１とトルク２との間にトルクが納まるように作用す
る。したがって、表１のトルク１とトルク２とを自分の
体力に応じた値に設定することにより、体力に合った運
動を行うことができる。

【００７１】（６）上記（１），（２），（４）又は
（５）において、トルク、ペダル踏力、消費エネルギな
どの数値等を表示する表示器を設け、この数値を見なが
ら走行や筋力トレーニングを行えるようにしたので、こ
れらを効果的に行うことができる。また、この数値等を
記録しておけば、後日のトレーニング等の参考に資する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の要部を示す縦断面図で
ある。

【図２】第１の実施例のトルク検出回路の一例を示すブ
ロック図である。

【図３】第１の実施例の作用説明図である。

【図４】ペダル踏力などの測定の一例を示すブロック図
である。

【図５】本発明の第２の実施例の要部を示す縦断面図で
ある。

【図６】図５の分解斜視図である。

【図７】図５の要部の分解断面図である。

【図８】第２の実施例の作用説明図である。

【図９】本発明の第３の実施例のブロック図である。

【図１０】従来の自転車のボトムブラケット部の斜視図
である。

【符号の説明】

１ボトムブラケット部２ハウジング３，３ａ回転軸７ａ，７ｂ凹溝８ａ，８ｂ球軸受１０トルク検出部１３ａ，１３ｂ検出コイル１５ブリッジ回路２０トルク検出回路２５演算器３１円柱状のボス３１ａ，３１ｂクランク３２ａ，３２ｂペダル３５トルク検出部３６，３６ａ検出部３７円筒部４２ａ，４２ｂスリット又は凹溝４５コイルユニット４９ａ，４９ｂ検出コイル５５ギヤ保持部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 41/20 Ｈ０１Ｌ 41/20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ペダルが装着された一対のクランク及び
両端部に前記クランクが取付けられた回転軸を有し、前
記ペダルを踏むことによりチェーンが掛けられたギヤを
駆動する自転車において、磁歪合金からなり外周に左右対称にかつ互いに反対方向
に傾斜して設けたシェブロン状の凹溝により磁気異方性
が付与された回転軸、及び検出コイルを有し前記回転軸
の外周に配設されたコイルユニットからなるトルク検出
器と、該トルク検出器によって検出されたトルクに基いて前記
ペダルの踏力を算出する演算器とを備えたことを特徴と
する自転車。
【請求項２】トルク検出器に代えて、磁歪合金により
ほぼ有底円筒状に形成され、円筒部に左右対称にかつ互
いに反対方向に傾斜して設けたシェブロン状のスリット
又は凹溝により磁気異方性が付与され、ギヤ又はギヤ保
持部材に固定された検出部と、ほぼ有底円筒状に形成さ
れて内周に検出コイルが設けられ、前記検出部の外周に
配設されたコイルユニットからなるトルク検出器を備え
たことを特徴とする請求項１記載の自転車。
【請求項３】トルク検出器の回転軸又は検出部を、Ｆ
ｅ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金又はＳＮＣＭ系浸炭
鋼で構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の自
転車。
【請求項４】演算器により、トルク検出器によって検
出されたトルクに基いて、ペダル踏力又は消費エネルギ
を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の自転
車。
【請求項５】演算器と併せ又は演算器に代えて、トル
ク検出器によって検出されたトルク又はペダル踏力に基
いて、複数のギヤを自動的に切換えるギヤ切換手段を備
えたことを特徴とする請求項１又は２記載の自転車。
【請求項６】トルク、ペダル踏力、消費エネルギなど
を表示する表示器を設けたことを特徴とする請求項１，
２，４又は５記載の自転車。