JPWO2002076813A1 - 回転速度センサー及び該センサーを備えた動力アシスト自転車 - Google Patents

Abstract

製作の容易性、被検出部への組み付けの簡素化、省スペース化及び軽量化を達成した回転速度センサー２２０を提供する。被検出部（ギア２１０）の回転速度を検出するための回転速度センサー２２０において、ギアと略同心に回転するよう取り付けられた略平坦な表面を備えたシート状のリングマグネット２００と、リングマグネットの表面に隣接した固定位置で磁場を検出するホール素子２１２と、磁場信号に基づいて、ギアの回転速度を検出するコントローラ１４と、を含み、リングマグネット２００の略平坦な表面には、複数の磁石区分（２０２、２０４）が形成される。各々の磁石区分では、周方向に沿って交互に反転した磁極（Ｎ極、Ｓ極）が該表面側に向けられている。

Description

発明の属する技術分野
本発明は、自転車等の車速を検出するため回転体の回転速度を検出する回転速度センサー、並びに、該センサーを備えた、通常の自転車及びペダル踏力に補助動力を付加する動力アシスト自転車に関する。
発明の背景
通常の自転車には、車速を表示するメータを取り付けることにより運転上の安全性を高めたものがある。また、検出した踏力の大きさに従って電動モータによるアシストトルクを踏力に付加して人力を補助する電動アシスト自転車においては、安全なアシストを行う上で、車速を検出することが必須となる。
一般に、自転車等の車速を検出するための回転速度センサーは、自転車の走行やペダル回転と共に回転する回転盤・ギヤ等の回転体を被検出部としてその回転速度を検出するように取り付けられる。
従来では、例えば、上記回転体として外周面に複数の凹凸が等間隔に形成された金属製ロータを用い、これら凹凸面に向かって高周波磁界を発生させるセンサーをロータに近接して取り付ける。センサーに対向した一つの凹面又は凸面には、センサーからの高周波磁界により渦電流が発生する。そこで、このセンサーは、この渦電流により発生した磁場、又は、検出コイルのインダクタンスの変化を検出する。ロータ外周面とセンサーとの間の距離は、凹凸面により回転体の回転と共に変化するので、渦電流により発生する磁場の強度、又は、検出コイルのインダクタンスも変動する。この変動周期は、回転体の回転速度に逆比例するので、センサーにより検出された強度信号の変動周期を抽出することにより、回転体の回転速度及び従って自転車の車速を検出できる。
また、別の従来技術では、図１７に示すように、上記回転体として円環体のバンド表面に凸状マグネットを等間隔に取り付けたものを用い、この円環体に隣接してホール素子を配置する。上記従来技術と同様に、ホール素子により検出された磁場強度信号の変動周期を検出すれば、円環体の回転速度を求めることができる。
しかし、上記いずれの従来技術においても、凹凸のある大型の回転体を用いているため、簡単には製作できないばかりか、自転車フレーム内でスペースを取り、また、凹凸形成のため剛性を高める必要から重量も増加するという問題が発生する。従って、従来の車体構造を有する自転車に、車体フレームの変更無しに上記従来技術のような車速検出手段を取り付けることは困難となる。特に、トルク検出手段や電動モータ等を新たに付与しなければならない動力アシスト自転車にとっては、上記問題を有する車速検出手段は好ましくない。
発明の概要
本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、製作の容易性、車体への組み付けの簡素化、省スペース化及び軽量化を達成した回転速度センサー、並びに、該回転速度センサーを備えることにより、従来の車体フレームからの変更を最小限に抑えた簡素な機構の自転車、特に動力アシスト自転車を提供することを目的とする。
本発明は、被検出部の回転速度を検出するための回転速度センサーにおいて、被検出部と略同心に回転するよう取り付け可能で略平坦な表面を備えたリングマグネットと、リングマグネットの表面に隣接した固定位置で磁場を検出する磁場検出手段と、磁場検出手段により検出された磁場信号に基づいて、被検出部の回転速度又はこれに関連する物理量を検出する、信号処理手段と、を含み、リングマグネットの略平坦な表面には、周方向に沿って一定角度周期で空間的に変化する磁場を該表面上に生じさせるように複数の磁石区分が形成されることを特徴とする。
本発明では、リングマグネットの略平坦な表面には、周方向に沿って一定角度周期で空間的に変化する磁場を該表面上に生じさせる複数の磁石区分が形成されたので、磁場検出手段が固定位置で検出する磁場は、上記一定角度周期及びリングマグネットの回転速度に応じた周期で変動する。そこで、信号処理手段は、検出された磁場信号の周期から、リングマグネットの回転速度及び従って被検査部の回転速度を検出することができる。
本発明では、凹凸の無い略平坦な表面上に複数の磁石区分を設け、該表面に隣接して磁場検出手段を配置したので、リングマグネットの径方向及び軸方向のいずれにも省スペース化を達成することができる。
ここで、磁石区分の形態及び配列は、周方向に沿って一定角度周期で空間的に変化する磁場を生じさせる限り任意のものを採用することができる。好ましくは、隣接する２つの磁石区分が張る角度を一定角度周期として正弦波状に変化するのがよい。例えば、複数の磁石区分が、周方向に沿って交互に反転した磁極をリングマグネットの略平坦な表面に各々向けている形態を取り得る。即ち、周方向に輪状に配置された複数の磁石区分のうち隣接する任意の２つの磁石区分が磁場の大きさが相等しいＮ極及びＳ極から必ず構成されるようにするのがよい。ここで、複数の磁石区分が張る各々の角度が実質的に等角度であるようにすれば、１空間周期を互いに等しくすることができる。
このようにして、２つの磁石区分が占める角度を周期とした空間的に変化する磁場を生成することができる。このとき、１空間周期内で磁極の強さがＮ極乃至Ｓ極に変化するので磁場波形が鋭くなり、信号処理手段による回転速度検出を高精度に行うことが可能になる。また、Ｎ極及びＳ極が隣接しているため磁石区分における磁性の維持という観点からも好ましい。隣接する磁石区分は互いに接している、即ち、境界に磁化されていない領域を無くすことにより、リングマグネットの面積効率を高めることができる。
複数の磁石区分は、各々、一方の磁極を表面に向け、他方の磁極を該表面と反対側の面に各けているのが好ましい。更に好ましくは、各々の磁石区分の両磁極を結ぶ方向は、リングマグネットの軸方向に略平行に各々整列されているのがよい。これにより、リングマグネット上の磁場を強くして検出精度を向上することができ、磁性も良好に維持できる。
リングマグネットは、例えば、リング状の強磁性体の各区分を各々磁化することにより作ることができる。また、磁石区分に相当する磁石を接続して作ってもよい。従って、製造はきわめて容易である。
リングマグネットは、トポロジー的にリング形態であれば任意の形状を採用することができる。例えば、Ｎ個の磁石区分を有する場合、中央に孔を持つ正Ｎ角形の図形として形成することができる。また、リングマグネットは、中央に孔が形成された円環形状であるのが、磁場の対称性や被検査部への組み付けの容易性等の点から好ましい。
更に、リングマグネットは、実質的に全域に亘って厚さ一定のシート状に形成されるのが好ましい。これによって、更なる被検査部への組み付けの容易性及び軽量化を図ることができる。この場合、リングマグネットに可撓性を持たせると、更に、被検査部への組み付けが容易となる。
本発明の好ましい態様では、リングマグネットは、被検出部に形成された溝の中に収容される。これによって、回転速度センサーの占めるスペースを減少することができる。更に、溝の中に収容されたリングマグネットの表面と、被検出部の前記溝の外側にある面とは面一であるようにすれば、従来の被検査部に凹凸を設けなくて済むという利点がある。また、リングマグネットは、溝の中に接着剤で固定可能にすれば、組み付けがより簡便となる。
磁場検出手段として、磁場の検出精度及び省スペースの点でホール素子が好ましい。
本発明の回転速度センサーは、ペダル踏力を車輪に伝達して走行する自転車の車速を検出する手段として用いることができる。このとき、ペダル踏力に直接起因して回転する部分、例えば、ドライブ軸、スプロケット、駆動輪のギア等を回転速度センサーの被検査部として用いることができる。また、ペダル踏力により自転車が走行した結果、回転する部分、例えば、車輪のスポーク部分を被検査部として用いてもよい。更に、回転速度センサーにより検出された回転速度を、自転車の走行速度に換算する換算手段を設けてもよい。走行速度及び累積走行距離を表示するメータを取り付けることにより運転者に走行速度や走行距離を表示することができる。
また、本発明の回転速度センサーは、ドライブ軸に作用するペダル踏力に応じた補助動力を該ペダル踏力に並列に付加して走行する動力アシスト自転車に用いるのが好適である。
本発明の最も好ましい態様の動力アシスト自転車は、ペダル踏力に起因して回転する被検査部と、被検査部の回転速度を検出するため当該動力アシスト自転車に取り付けられた本発明に係る回転速度センサーと、ドライブ軸の実質的に一方向の回転のみをスプロケットに伝達するようにドライブ軸とスプロケットとを連結する一方向クラッチ手段と、一方向クラッチ手段のペダル踏力に応じた変形によって変化する物理量を検出する検出手段と、少なくとも前転速度センサーにより検出された被検査部の回転速度及び検出手段により検出された物理量に基づいて補助動力を制御する制御手段と、を有する。
本発明のこの態様では、ペダル踏力が付与されてドライブ軸が一方向（自転車の前進方向に対応する）に回転するとき、この踏み込みトルクが一方向クラッチ手段を介してスプロケットに伝達される。このスプロケットには、例えばチェーンからの引張力が負荷として作用し、この負荷と踏み込みトルクとの拮抗による応力のため、一方向クラッチ手段は歪むか及び／又は変形方向に沿ってその構成要素が変位するように変形する。この変形は、ペダル踏力に応じて定まる。即ち、ペダル踏力が大きくなるほど変形の度合いが増加し、逆に小さくなると、変形の度合いは減少する。このように変形をもたらす上記拮抗応力とこれに対抗する力とがバランスする。この拮抗応力に対抗する力として、一方向クラッチ手段には、その変形を元に戻すように弾性力が作用されるのが好ましい。例えば、一方向クラッチ手段の変形に対抗して弾性力を及ぼすための弾性体を配置する。なお、一方向クラッチ手段の構成要素にこの弾性力の少なくとも一部分を担わせてもよい。
一方向クラッチ手段の変形には、一方向クラッチ手段の全体又は一部の構成要素が弾性的に変形する場合のみならず、一方向クラッチ手段の剛体である構成要素の間の相対位置（回転を含む）の変化が含まれる。このようなペダル踏力に応じた変形を最も効率的に生じさせるため、一方向クラッチ手段は、ドライブ軸の軸方向に沿ってペダル踏力に応じた長さに伸縮するように変形するのが好ましい。
検出手段は、このような一方向クラッチ手段のペダル踏力に応じた変形により変化する物理量を検出する。この物理量には、一方向クラッチ手段の構成要素のみならず一方向クラッチ手段に連係する他の部材に関する物理量が含まれる。例えば、一方向クラッチ手段を構成する少なくとも１つの部品の車体フレームに対する位置若しくは応力歪み、一方向クラッチ手段を構成する少なくとも２つの部品の間の相対的な位置関係（クリアランス、部品間の角度等）、一方向クラッチ手段の変形方向に対抗する圧力の変化及び一方向クラッチ手段の変形方向に対抗して配置された部材（例えば弾性体）の応力歪みなどが挙げられる。この物理量の変化は、ペダル踏力に応じて定まるため、制御手段は、検出された物理量に基づいてペダル踏力を推定可能となり、かくして補助動力を制御することができる。
このように本発明によれば、自転車に必要不可欠である一方向クラッチ手段のペダル踏力に応じた変形によって変化する物理量に基づいて補助動力を制御するので、従来技術のように通常の自転車では用いられていないトルク検出用の大型コイルスプリングや円盤等の別体部品を追加する必要を無くし、上記目的を達成することができる。本発明では、一方向クラッチ手段の変形に対抗して好ましく配置される弾性体は、拮抗応力を直接受けず、一方向クラッチ手段を介してその変形方向の力を受けるので大型の弾性体ではある必要はない。その上、一方向クラッチ手段の変形量を少なくすることが可能なので、高さが横幅より小さい略平坦な弾性体を、一方向クラッチ手段の変形方向にその高さ方向を揃えて配置することができる。これによって、大幅な省スペースを図ることができる。このような略平坦な弾性体として、例えば皿バネなどがある。
本発明の好ましい態様では、一方向クラッチ手段は、ドライブ軸の軸方向に沿ってペダル踏力に応じた長さに伸縮するように変形するラチェットギヤである。好ましい構成のラチェットギヤは、第１の係合面に複数のラチェット歯が形成された歯部と、第２の係合面に複数のラチェット駒が形成された駒部と、を有し、第１及び第２の係合面は軸方向に略垂直に対面するように配置されると共に、ドライブ軸が一方向に回転するとき、ラチェット駒は、駒部及び歯部の間の相対回転を係止させるようにラチェット歯と係合し、ドライブ軸が一方向とは逆に回転するとき、ラチェット駒は、相対回転を可能とするようにラチェット歯に対する係止を解除する。歯部及び駒部のいずれか一方は、軸方向に沿って摺動可能で且つ該ドライブ軸に対する相対回転が防止されるように回転防止手段を介して該ドライブ軸に取り付けられ、他方は、スプロケットに連結される。
本発明の更に好ましい態様では、回転防止手段を介して軸方向に摺動可能に取り付けられた歯部及び駒部のいずれか一方は、その係合面の反対側の裏面に弾性手段が当接可能に支持される。検出手段は、弾性手段の応力歪みを検出する歪み検出センサーが好ましい。更に弾性手段として省スペース性に優れた皿バネを用い、歪み検出センサーとして皿バネの表面に設置された複数の歪ゲージを用いるのが最も好ましい。
この態様によれば、トルク検出機構と必須構成部品である一方向クラッチ手段とを兼用したのみならず、弾性手段と踏み込みトルクを検出する部分に、受け荷重ユニットと荷重検出センサーとを一体化した皿バネを用いたので、本発明の効果を更に向上させることができる。また、本発明の一態様に係る回転速度センサーをほとんどスペースを取らずに、従来の車体構造に取り付けることができる。かくして、自転車のフレーム構造をほとんど変更する必要がなくなり、軽量化、簡素化を図った軽快なフィーリング運転の電動アシスト自転車を実現することができる、というきわめて優れた効果が得られる。
本発明の他の態様及びその効果は、次に説明する図面を参照しながら詳細な説明を読むことによって、明らかとなろう。
発明の好ましい実施例
（第１実施例；回転速度センサー）
図２には、本発明の第１実施例に係る回転速度センサーを構成するＮＳ分極リングマグネット２００が示されている。このリングマグネット２００は、その中央に開口２０５を有する略平坦なリングに形成されている。リングマグネット２００は、そのリングを等角度毎に区分する複数の磁石区分からなり、これらの磁石区分では、その正面から見てＮ極側を向けたＮ極区分２０２と、Ｓ極側を向けたＳ極区分２０４とが交互に配置されている。この場合、側面図に示すように、Ｎ極区分２０２の反対側がＳ極となり、Ｓ極区分２０４の反対側がＮ極となるべく磁力線の向きがリング面に略垂直となるように磁石区分のＮ−Ｓ極を配向するのが好ましい。図の例では、１２個の磁石区分が形成されているが、これよりも多くても少なくてもよく、被検出部の回転速度及び要求される検出精度に応じて任意好適に変更可能である。
なお、リング面に対し磁場の垂直成分が存在すれば、各磁石区分のＮ−Ｓ極の配向の仕方は任意好適に変更できる。例えば隣接するＮ極区分及びＳ極区分を一つの磁石の両極として周方向に配置してもよい。この場合、Ｎ極区分２０２の反対側もＮ極となり、Ｓ極区分２０４の反対側もＳ極となるが、磁場の強度の点では、図２の例が好ましいと考えられる。
図３には、回転速度の被検出部としてのギア２１０が示されている。ギア２１０は、シャフト２１４により伝達されたトルクにより回転し、その一方の表面には、リングマグネット２００を収容できる寸法及び形状のリング溝２０８が形成されている。このリング溝２０８にリングマグネット２００が収容され、接着剤等で貼り付けられる。このとき、図示のように、リングマグネット２００とギア２１０の表面とが面一になることが好ましい。これにより、ギア表面からリングマグネットが突出せず、回転速度センサーの設置によるスペースの減少を最小限に抑えることができる。
ギア２１０に設置されたリングマグネット２０８に隣接して、磁場を検出するためのホール素子２１２が配置されている。このホール素子は、半導体内の電流の流れる方向と直角に磁場がある場合、ホール効果により、電流及び磁場と直角方向に電流と磁場に比例する起電力を生じさせる既存の磁場検出素子である。勿論、磁場を検出できれば、ホール素子以外の磁場検出センサー、例えばコイル等を用いてもよい。ホール素子２１２の出力端は、コントローラ１４に接続される。図３の回転速度センサー２２０を斜視図で表すと、図４に示す通りとなる。
コントローラ１４は、ホール素子２１２からの磁場検出信号を任意好適な方法により解析してギア２１０の回転速度を検出する。ここで、ホール素子２１２からコントローラ１４に出力される磁場信号の波形の一例を図５に示す。コントローラ１４は、例えば、磁場信号のゼロ交差点（磁場強度ゼロの点の時刻）、Ｎ極側ピーク、或いは、Ｓ極側ピークを検出して、それらの時刻を求める機能を有する。図５に示すＮ極側ピーク２２２及びＳ極側ピーク２２４は、Ｎ極区分及びＳ極区分の最大磁極がホール素子２１２の検出領域を通過した時点を各々示しているので、各ピークの出現数及びその時刻によりギア２１０が一回転するのに要する時間Ｔを検出することができる。かくして、ギア２１０の回転速度（２π／Ｔ）を直ちに求めることができる。勿論、ギア２１０の一回転を待たなくとも、所定角度回転したときにギアの回転速度を求めてもよい。
本実施形態の回転速度センサーは、ＮＳ分極リングマグネット２００が平坦なリング形状であるので、嵩張らず省スペース化及び軽量化を達成することができる。また、非常に簡易な構造なので製作が容易となり、従ってコスト削減を図ることもできる。
また、複数の磁石区分が一つの平坦なリングにまとめられたので、機器への組み付けも非常に容易となる。例えば、図３に示すように、ギア２１０の表面にリング状の溝を掘り、そこにリングマグネットを埋め込んで接着剤等で固定するだけである。分極に相当する個々の磁石をギアに埋め込んでいく作業と比べて、各段に作業効率の向上を図ることができる。その上、溝の深さとリングマグネットの高さとを揃えれば、全く外部に突出せず、省スペース化に寄与する。
また、各磁石区分が占める角度範囲を小さくすることによって、回転速度の時間分解能を向上させることができる。
以下、本発明の第１実施例に係る回転速度センサーを組み込んだ他の実施例に係る自転車について図面を参照して説明する。なお、以下で述べる自転車は、一例として電動モータにより補助トルクを与える電動アシスト自転車として説明する。
（第２実施例；電動アシスト自転車）
図１には、本発明の第２実施例に係る電動アシスト自転車１の概略が示されている。なお、第１実施例と同様の構成要素に関しては、同様の符号を用いることとする。
同図に示すように、この電動アシスト自転車１の主要な骨格部分は、金属管製の車体フレーム３から構成されており、該車体フレーム３には、前輪２０、該前輪を操舵するためのハンドル１６、後輪２２及びサドル１８などが周知の態様で取り付けられている。
また、車体フレーム３の中央下部には、該車体フレーム３に対して回転自在にドライブ軸４が軸支され、該ドライブ軸の左右両端部には、クランク棒６Ｌ、６Ｒを介してペダル８Ｌ、８Ｒが各々取り付けられている。この駆動側としてのドライブ軸４には、後述するラチェットギヤを介して、被駆動側としてのスプロケット２が同軸に取り付けられ、このラチェットギヤは、自転車１を前進させる一方向（Ｒ方向）の回転トルクのみが駆動側から被駆動側に伝達されるように構成、配置されている。
更に、後輪２２の中央部には、伝達された踏力を該後輪に与えるための後輪動力機構１０が設けられており、該後輪動力機構の内部に設けられた図示しないフリーホイールとスプロケット２との間には無端回動のチェーン１２が張設されている。
周知のように、ペダル８に与えられた前進方向のペダル踏力はクランク棒６を介してドライブ軸４を回転させ、この回転力が図のＲ方向の踏み込みトルクとしてスプロケット２を回転させ、該踏み込みトルクはチェーン１２を介して後輪動力機構１０に伝達され、その結果、後輪２２を回転させて自転車１を前方に走らせる。
回転速度センサー２２０は、走行速度を反映するように回転する任意の被検出部に取り付けることができる。この被検出部として、例えば、後輪動力伝達機構１０内に配置された図示しないギア、スプロケット２、後述するスプロケット駆動ギヤ１１、及び、前輪車軸の回転部分等が挙げられる。コントローラ１４は、これらの被検査部の回転速度を車体の走行速度に変換する参照テーブルを有する。
次に、本実施例に係るトルク検出機構の構成を図６乃至図９を用いて説明する。
まず、図７には、スプロケット２及び該スプロケット２に連結されたラチェットギヤ３９の正面図と、該正面図のＳ−Ｓ’線に沿って取られた該スプロケット２及びラチェットギヤ３９の断側面図が示されている。同正面図に示すように、スプロケット２は、剛性を有するボディ部３８の外周に亘ってチェーン１２と嵌合するための複数の歯２４及び隣接する歯の間に凹部２５が形成され、ボディ部３８の中央部にはドライブ軸４を貫通させるための孔４１、及び該孔４１の周囲を取り囲む円筒状のストッパー４６が形成されている。
ラチェットギヤ３９は、スプロケット中心（図では、ドライブ軸線５に一致）から等距離のところに等角度毎にスプロケット２のボディ部３８にそれぞれ固定配置された３つのラチェット駒４０と、該ラチェット駒に嵌合するようにスプロケット２の片面側に配置されたラチェット歯部４３と、を含んで構成される。
図７の断側面図は、スプロケット２及びラチェットギヤ３９をドライブ軸４に取り付けた状態を示している。同図によれば、ドライブ軸４の回りには、該ドライブ軸と同心に該軸に対し動かないように固定されたドライブシャフト４２が設けられている。このドライブシャフト４２には、その外周囲に軸線５に略平行な円筒シャフト面を有する台座４５が形成されている。この台座４５には、スプロケット２及びラチェット歯部４３が係合した状態で配置される。スプロケット２は、ラチェットギヤ３９のクラッチが作用しない方向には、台座４５内で、ドライブシャフト４２から独立に回転することができ、ラチェット歯部４３は後述するようにドライブシャフト４２に対し固定されている。
ここで、スプロケット２及びラチェット歯部４３の係合状態及びクラッチ機能に関して、図８及び図９を用いて概念的に説明する。
図８には、スプロケット２及びラチェット歯部４３を分解した状態の図式的な斜視図が示されている。同図に示すように、ラチェット駒４０は、弾性を備えた細長い金属製平板を折り曲げた爪状部材として形成され、該爪状部材の先端部４０ａがスプロケット２のボディ部３８に対してある一定の傾斜角度をなすように後部４０ｂが該ボディ部３８に溶接等により固定されている。
また、ラチェット歯部４３は、平坦な表面を持つ円板部６０を有し、スプロケット面と向かい合う側の該円板部６０の面上には、その外周に沿って周全体にラチェット駒４０と係合するための複数の歯４４が形成されている。各々の歯４４は、より緩やかな斜面４４ａ及びより急な斜面４４ｂを夫々有する。更に、円板部６０の中央部には、軸方向に延在する円筒状のセンターシャフト５４が該円板部の平面から両外側に突出するように設けられ、該センターシャフトには、ドライブ軸４の回りに設けられたドライブシャフト４２を受け入れるための開口部５７が貫通している。また、円板部６０のスプロケット面に向かう側と反対側にあるセンターシャフト５４の内部には、開口部５７の直径に亘って橋渡しするように平板状の回り止め部５２がシャフト内壁に固定連結されている。更に、センターシャフト５４には、コイルバネ５０が挿入され、該コイルバネ５０の一方の端部は、回り止め部５２に当接し、他方の端部は、図示しないがドライブシャフト４２に固定されている。
スプロケット２及びラチェット歯部４３の係合状態では、図９に示すように、ラチェット駒４０の先端部４０ａが隣接する斜面４４ａ及び斜面４４ｂにより画成された凹所内に入り込み、その最先端部分が、より急な斜面４４ｂに対峙した状態でこれに当接する。また、センターシャフト５４の開口部５７は、ドライブシャフト４２を受け入れている。このとき、図示しないが、回り止め部５２は、ドライブシャフト４２の軸方向に沿って該シャフト部を貫通するように形成されたより長いスロット５８の中に挿入された状態になっている。これによって、ラチェット歯部４３は、ドライブシャフト４２に対して回転せず、踏み込みトルクによって回転するドライブ軸４と一緒に回転する。また、回り止め部５２の軸方向幅はスロット５８の長さより小さいため、回り止め部５２はスロット５８に沿って軸方向に摺動可能である。このとき、回り止め部５２は、コイルバネ５０によってスプロケット２に向かう方向に付勢されているため、ラチェット駒４０の最先端部分がラチェット歯部４３に係合したその高さのところで係止される。
図９の下図に示すように、ドライブシャフト４２が自転車１の前進方向に相当するＲ方向に回転すると、ラチェット駒４０の最先端部分が歯４４のより急な斜面４４ｂに突き当たった状態で斜面に沿って滑らないため、ドライブシャフト４２と共に、ラチェット歯部４３及びスプロケット２が一緒にＲ方向に回転する。これに対し、ドライブシャフト４２がＲ方向とは反対方向に回転すると、先端部４０ａの背面がより緩やかな斜面４４ａに当接するため、係止されずに該斜面に沿って滑り出し、ドライブシャフト４２の回転はスプロケット２に伝達しない。これが、ラチェットギヤ３９の一方向クラッチの原理である。
ドライブシャフト４２のＲ方向の回転がラチェット歯部４３を介してスプロケット２に伝達される場合、図９の下図に示すように、より急な斜面４４ｂから受ける回転力に抗して弾性を持つラチェット駒４０が立ち上がる。このため、ラチェット歯部４３は、通常の軸方向位置（図６、図７の位置４８ａ）からコイルバネ５０の付勢力に抗しながらスプロケット２からより離れるように軸方向に変位し、ペダル踏力による回転力とラチェット駒４０の弾性力とが釣り合った位置（図６、図７の位置４８ｂ）で停止する。踏み込みトルクが減少すると、より急な斜面４４ｂから受ける回転力が弱くなるため、ラチェット駒４０がその弾性によって元の高さに戻ろうとし、これと共にコイルバネ５０で下方に付勢されたラチェット歯部４３がスプロケット２に近づくように軸方向に変位する。かくして、ラチェット歯部４３の軸方向変位量△Ｌ（図７）は、踏み込みトルクの大きさを反映する。
このラチェット歯部４３の軸方向変位量を検出するため、図６に示すように、所定位置からラチェット歯部４３の円板部６０までの軸方向距離を検出する位置センサー３４を車体フレームに配設する。なお、この位置センサー３４は、例えば、円板部６０の軸方向変位に応じて軸方向に移動するように取り付けられたフェライト等の磁性材料からなる検出体と、該検出体の近傍に配置されたコイルと、該コイルのインダクタンスの変化をインピーダンスの変化として電気的に検出することが可能な検出回路と、によって実現できる。この構成の場合、ラチェット歯部４３の軸方向変位量に応じて検出体がコイルに接近したり或いは遠ざかるが、検出体とコイルとの距離に応じてコイルのインダクタンスが変化するので、この変化を検出回路により検出することによってラチェット歯部４３までの軸方向距離Ｌ１を演算することができる。勿論、ラチェット歯部４３の軸方向距離又はその変位量△Ｌを検出できる限り、これ以外の型式の任意のセンサーを用いてもよく、また、センサーによってはラチェットギヤ３９内に配置することもできる。
位置センサー３４の出力端には、該センサーからの検出信号を受信するコントローラ１４が接続されている。このコントローラ１４は、いわゆるマイクロコンピュータなどで実現することができ、受信した軸方向距離に関する検出信号に基づいて踏み込みトルクの値を演算する演算機能などを有する。
次に、本実施例の電動アシスト手段を説明する。この電動アシスト手段は、図６に示すように、スプロケット２に直接嵌合するスプロケット駆動ギヤ１１と、図示しないバッテリーで回転駆動し、その補助トルクを回転軸３７ａを介して伝達する電動モータ３７と、電動モータ３７の回転軸３７ａ回りの回転速度を減速してギヤ軸３５ａを介してスプロケット駆動ギヤ１１に伝達する減速機構３５と、演算した踏み込みトルクの値に基づいて電動モータ３７を制御する上記コントローラ１４と、を含んで構成される。
このうち減速機構３５は、例えば、複数のギヤ等を組み合わせて構成されており、これらのギヤにより構成された補助トルクの伝達経路の途中には、一方向にだけ動力を伝達する、いわゆるワンウェイクラッチ（図示せず）が設けられている。このワンウェイクラッチは、電動モータ３７からの補助トルクをスプロケット駆動ギヤ１１に伝達するが、その逆方向、即ちスプロケット駆動ギヤから減速機構３５へはトルクを伝達しないように構成・接続される。これによって、非駆動時の電動モータ３７の負荷がスプロケット２には伝達せず、常に軽快な運転が可能となる。
スプロケット駆動ギヤ１１及びスプロケット２の嵌合状態の正面図を図１０（クランク棒の図示省略）に示す。ここに、スプロケット２に張設されたチェーン１２は、２枚のまゆ型のリンクプレートに２本のピンを圧入したピンリンクと、２個のブシュを２枚のリングプレートに圧入し、そのブッシュの外周囲にローラを回転自在にはめ込んだローラリンクとを交互に組み合わせてなるものである。チェーン１２のピンリンク及びローラリンクを構成する各ローラは、スプロケット２の各歯に嵌合するように、ピッチ及び直径が定められている。
スプロケット駆動ギヤ１１は、上記チェーン１２の嵌合と同じ態様でスプロケット２に嵌合するように、例えば図１１に示すように構成されている。スプロケット駆動ギヤ１１は、平行に対置された２枚のローラプレート１７ａ、１７ｂと、これらのプレート間を連結するようにプレートの周囲領域に沿ってチェーン１２のローラと同一ピッチ毎に該プレートに対し略垂直に圧入された複数（図の例では６個）の円筒形のブシュ（ローラ軸）１５と、これらのブシュの外周囲を覆って回転自在に各々はめ込まれた複数（図の例では６個）の円筒形のローラ２１と、を備えている。ローラプレート１７ａ、１７ｂは、その中央部に、駆動手段１３に取り付けるための取り付け孔１９が形成され、隣接するローラ２１の間の外周部には、内側に凹んだ凹部３３が形成されている。
スプロケット駆動ギヤ１１の隣接する２つのローラ２１はスプロケット２の凹部２５に係合し、これらローラ間の間隙には、スプロケット２の一つの歯２４が各々進入する（図１０参照）。なお、スプロケット駆動ギヤ１１の上述した凹部３３は、チェーン１２の歯がローラ２１の間に嵌合しやすいように成形されるのがよく、例えばチェーン１２のまゆ型のリンクプレートの中央のくびれ部分と略同一形状に成形されるのが好ましい。
次に、本発明の第２実施例の作用を各図面を参照して説明する。
搭乗者がペダル８Ｒ、８Ｌにペダル踏力を与え、ドライブ軸４をＲ方向に回転させると、回り止め部５２によってドライブ軸４に回転不能に固定されたラチェット歯部４３が該ドライブ軸４と共に回転し、その歯４４に係合したラチェット駒４０を介して、チェーン１２からの引張力が負荷として作用するスプロケット２に踏み込みトルクを印加する。このとき、弾性を持つラチェット駒４０は、ラチェット歯のより急な斜面４４ｂから受ける回転力に抗して立ち上がり、このため、ラチェット歯部４３は、通常の軸方向位置（図７の位置４８ａ）からコイルバネ５０の付勢力に抗しながらスプロケット２からより離れるように軸方向に変位し、ペダル踏力による回転力とラチェット駒４０の弾性力とが釣り合った位置（図７の位置４８ｂ）で停止する。
図６の位置センサー３４は、その固定された位置からラチェット歯部４３の円板部６０までの軸方向距離を常時検出し、その検出信号（位置４８ｂに対応）をコントローラ１４に伝達する。コントローラ１４は、内部メモリに予め記憶しておいた踏み込みトルクが作用していないときのラチェット歯部４３の位置４８ａと、受信した検出信号が示す位置４８ｂとから、その差分を演算して軸方向変位量△Ｌを求める。この軸方向変位量△Ｌは、踏み込みトルクが大きいほど大きくなるので、両者の対応関係からコントローラ１４は、踏み込みトルクの値を演算することができる。これは、例えば、軸方向変位量△Ｌと踏み込みトルクとの関係を予め実験的に求めておき、この関係を表す参照テーブルをコントローラ１４の内部メモリに記憶しておけば実現できる。
次に、コントローラ１４は、少なくとも演算された踏み込みトルクＴに基づいて印加すべきアシスト用の補助トルクＴｅを演算し、該補助トルクで回転駆動するように電動モータ３７を指令する制御信号を演算出力する。好ましくは、コントローラ１４は、回転速度センサー２２０により検出された回転速度を車速に変換し、踏み込みトルクＴ及び回転速度センサー車速の両方に基づいて補助トルクＴｅを演算するのがよい。
例えば、最も簡単な電動アシスト制御の場合、演算された踏み込みトルクＴが所定値以上となったとき、電動モータ３７をオンにして踏み込みトルクに対し所定の比率を保つような補助トルクを指令するモータ制御信号を出力し、それ以外では電動モータをオフにするモータ制御信号を出力する。この場合、軸方向変位量△Ｌそれ自体を直接用いて、この値が一定値以上となったときのみに電動モータ３７をオンにしてもよい。
電動モータ３７がオンとなって回転すると、この回転力は、減速機構３５を介してスプロケット駆動ギヤ１１に伝達され、スプロケット駆動ギヤ１１は、その駆動中心軸９の回りに図１０に示すＫ方向に回転する。このとき、各々のローラ２１がスプロケット２のそれぞれの凹部２５に、順次、係合していき、これと共に、スプロケット２がドライブ軸４の中心軸線５の回りのＲ方向の駆動トルクを与えられる。このように本実施例では、電動モータ３７からの補助トルクがスプロケット駆動ギヤ１１を介して剛性の高い歯２４が形成されたスプロケット２の領域に伝達されるため、スプロケット２を撓ませることなく、且つ回転中心がずれることなく踏力を補助することができる。このように踏み込みトルクが一定以上とみなされるような条件下で、アシスト用補助トルクが加わるので、ペダル運転を楽に行うことができる。
以上のように本実施例では、剛性が高く体積及び重量が大きい弾性部材や伝達機構などを、既存の電動アシスト自転車に別途、追加することなく、一般の自転車でも必要となるラチェットギヤ内部の軸方向変位量に基づいてトルクを演算するようにしたので、トルク検出機構のスペース及び重量を大幅に削減すると共にその機構を簡素化することができる。
また、本実施例では、電動モータ３７からの補助トルクがスプロケット駆動ギヤ１１を介して、直径が大きいスプロケット２の外周部分に伝達されるため、ドライブ軸４から補助トルクを付加するという構造と比べて減速比を大きく取れるという利点がある。これによって、合力機構の小型軽量化並びに簡素化を図ることができる。
更に、本実施例では、トルク検出機構の弾性変位部分をラチェットギヤに一体的に含ませると共に、スプロケット駆動ギヤ１１と駆動手段１３とを設けるだけで電動アシスト手段を構成したので、従来の車体のフレーム構造を変更する必要はほとんどなくなり、電動アシスト自転車の更なる小型軽量化、簡素化、及びコスト削減を図ることができる。
（第３実施例）
本発明の第３の実施例に係るトルク検出機構を図１２（ａ）、（ｂ）に示す。なお、トルク検出機構以外は第２の実施例と同様であるので、詳細な説明を省略し、同様の構成要件については同一の符号を附すことにする。
図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、第３実施例に係るトルク検出機構は、その中央部に円筒収容部８２を有するスプロケット７０を備える。この円筒収容部８２は、スプロケット７０の一方の板面側に円筒状に突出し、他方の板面側で凹んでいる。スプロケット７０は、円筒収容部８２の凹み部分が、ペダル側に向くように配置され、該凹み部分には、一方向の回転のみを、その駆動側部からその被駆動側部に伝達する一方向クラッチ７２が収容されている。この一方向クラッチ７２は、Ｒ方向のみの回転をスプロケット７０に伝達するように、円筒収容部８２の凹み部分との係合部において、その被駆動側部が固定連結され、その被駆動側部がドライブ軸４に固定連結されている。なお、スプロケット７０は、軽量化のため、円筒収容部８２の回りに複数の孔８４（図１２（ａ））が形成されている。
この一方向クラッチ７２として、ドライブ軸４がＲ方向に回転してその回転力がスプロケット７０に伝達されるとき一方向クラッチ７２の被駆動側部が踏み込みトルクの大きさに対応した変位量だけ軸方向に沿ってスプロケット側に変位する型式のクラッチが選択される。一例として、第２実施例のラチェットギヤ型式の一方向クラッチなどがある。
一方、これとは反対側のスプロケット７０のより内側の面には、ベアリング７４が円筒収容部８２の突出部分の回りに配置され、その側面周囲から該円筒収容部を保持している。このベアリング７４は、軸方向及び径方向の両荷重に対応するのが好ましい。更に、弾性を備えた金属製の円錐台形状の皿バネ７６がこのベアリング７４の外周囲を覆うようにベアリング７４を保持し、該皿バネ７６は剛性の支持台７８を介して車体に固定されている。即ち、スプロケット７０は、一方向クラッチ７２と反対側において、車体に対し回転可能なように弾力的に保持されている。図１２（ｂ）より明らかに、一方向クラッチ７２の軸方向幅と、皿バネ７６の軸方向幅とをドライブ軸４の中心軸線に射影したとき、その軸位置において互いに重なり合う領域を有していることがわかる。
また、皿バネ７６には、印加された応力による皿バネの歪みを検出する歪みゲージ８０が取り付けられ、該歪みゲージ８０は、コントローラ１４（図６参照）に接続されている。この歪みゲージ８０は、例えば薄膜金属抵抗の素子などから形成できる。この薄膜金属抵抗素子の場合、鏡面研磨した皿バネ７６の表面に薄い酸化皮膜の絶縁層を設け、その上に複数の素子からなる抵抗体をスパッタリングなどの手法でブリッジ状に形成する。コントローラ１４は、皿バネ７６に加わった応力歪みによるブリッジ素子の抵抗の変化を検出することによって、その応力の大きさを検知することができる。歪みゲージ８０は、皿バネ７６の最も応力変形を受けやすいところに、その応力変形量による抵抗値の変化が可能な限り大きくなるように設置するのが検出精度を向上する上で好ましい。
なお、歪みゲージ８０の代替手段として、皿バネ７６に加わった圧力による抵抗の変化を検出するピエゾ圧電抵抗素子、或いは、皿バネ７６表面の変位量を検出する位置センサーなどがある。
次に、第３の実施例の作用を説明する。
搭乗者がペダル８Ｒ、８Ｌにペダル踏力を与え、ドライブ軸４をＲ方向に回転させると、この回転力が一方向クラッチ７２の駆動側部分を介してスプロケット７０に伝達される。このとき、一方向クラッチ７２の被駆動側部が軸方向に沿ってスプロケット側に踏み込みトルクに対応した変位量だけ変位しようとするため、スプロケット７０には、軸方向に沿って、より内側に押し込む力が作用する。この押し込む力は、ベアリング７４を介してスプロケット７０を保持する皿バネ７６に加わり、皿バネ７６に応力歪みをもたらす。この応力歪みは、一方向クラッチ７２によるスプロケット７０の軸方向移動量、即ち踏み込みトルクの大きさを反映している。
皿バネ７６の応力歪みによって歪みゲージ８０の抵抗値が変化する。この変化した抵抗値は、コントローラ１４によって検知される。コントローラ１４は、その内部メモリに、予め歪みゲージ８０の抵抗値と踏み込みトルクとの対応関係を示す参照テーブルを記憶しており、検知した歪みゲージの抵抗値を該参照テーブルに照合することによって踏み込みトルクＴを求める。そして、第２の実施例と同様に、コントローラ１４は、踏み込みトルクＴに基づき演算した補助トルクＴｅで回転駆動するように電動モータ３７を制御し、この補助トルクがスプロケット駆動ギヤ１１を介してスプロケット７０に直接伝達される。
以上のように第３実施例においても、剛性が高く体積及び重量が大きい弾性部材や伝達機構などを、既存の電動アシスト自転車に別途、追加することなく、一般の自転車でも必要となる一方向クラッチ７２の押し込み力による皿バネ７６の応力歪みに基づいてトルクを演算するようにしたので、トルク検出機構のスペース及び重量を大幅に削減すると共にその機構を簡素化することができる。
更に、第３の実施例においては、一方向クラッチ７２がスプロケット７０の円筒収容部８２の内部に収容され、その収容部の外周から間接的に皿バネ７６が保持するという、同じ幅内に両者を配置した構造であるため、軸方向のストロークがより短くて済む。この利点は、皿バネ７６の表面に薄く形成された歪みゲージ８０によって踏み込みトルクに対応する量を検出する手段の採用により、更に前進する。これより、第３の実施例は、省スペースという点において、第２の実施例よりも更に優れた効果を有する。
（第４実施例）
本発明の第４実施例に係るトルク検出機構を図１３乃至図１５を用いて説明する。なお、トルク検出機構以外は第２及び第３の実施例と同様であるので、詳細な説明を省略し、同様の構成要件については同一の符号を附すことにする。
図１３に示すように、スプロケット２は、ラチェットギヤを介してドライブ軸４に軸支される。このラチェットギヤは、図１４に示すように、駒部１００及び歯部１１２を備える。
駒部１００では、３つのラチェット駒１０２が周方向に沿って等角度毎にその第２の係合面１１０に配置されている。このラチェット駒１０２は剛体でできており、第２の係合面１１０に近く且つ該係合面の略径方向に沿った軸の回りに回動可能とされている。ラチェット駒１０２は、ラチェット駒１０２に力が作用していないとき、その長さ方向が第２の係合面１１０に対して所定の角度をなす（図１５の平衡方向１０６）ように駒立ち上げスプリング１０４によって付勢されている。図１５に示すように、ラチェット駒１０２が平衡方向１０６から上昇方向ａ又は下降方向ｂに偏倚するとき、駒立ち上げスプリング１０４は、その偏倚を平衡方向１０６に戻すようにラチェット駒１０２に僅かな弾性力を及ぼす。
また、駒部１００の中央部には、ドライブ軸４を受け入れるための駒部ボア１０６が形成され、この駒部ボア１０６は、駒部１００の裏面１０１から突出した円筒部１０３も貫通している。裏面１０１には、円筒部１０３の外周囲に円状溝１５５（図１３）が形成され、該円状溝１５５の中には、多数の鋼球１５２が回転自在に嵌め込まれている。これによって、裏面１０１には、軸方向の荷重受け兼滑り軸受け用のベアリングが形成される。
皿バネ１２４が、その中心孔１２７に円筒部１０３を通して駒部１００の裏面１０１に当接される。このとき、皿バネ１２４は、駒部１００からの圧力に弾力で対抗する方向に鋼球１５２即ち荷重受けベアリングを介して裏面１０１に滑動可能に接する。皿バネ１２４の表面には、１８０度の位置関係で対向する２個所に、歪みゲージ１２６が設置される。これらの歪みゲージ１２６は、リード線１２８を介してコントローラ１４に電気的に接続される。更に好ましくは、３個以上の歪みゲージを皿バネ１２４に設置してもよい。このとき、複数の歪みゲージを、皿バネ１２４の表面上で夫々が回転対称の位置となるように設置するのが好ましい。
皿バネ１２４は、椀状の支持器１３０の内底部１３２に収められる。支持器１３０には、ドライブ軸４を受け入れるため中央部を貫通する支持ボア１３３及び後面から突出する支持円筒部１３４が形成される。この支持円筒部１３４の内壁には、軸方向及び径方向の両荷重対応のベアリング１３８が係合される（図１３参照）。ベアリング１３８は、ドライブ軸４に形成されたストッパー斜面１４４によって係止される。
駒部ボア１０６の内壁には、軸方向５に延びる第１の回転防止用溝１０８が４個所に形成されている。駒部ボア１０６の内壁と摺接するドライブ軸４の外壁部分にも、第１の回転防止用溝１０８と対面するように軸方向５に延びる第２の回転防止用溝１４０が４個所に形成されている。図１６（ａ）に示すように、第１の回転防止用溝１０８及びこれに対面する第２の回転防止用溝１４０は、軸方向に沿って延びる円柱溝を形成し、各々の円柱溝の中には、これを埋めるように多数の鋼球１５０が収容される。これによって、駒部１００は、軸方向５に沿って摩擦抵抗最小で移動できると共に、ドライブ軸４に対する相対回転が防止される。これは、一種のボールスプラインであるが、他の形式のボールスプライン、例えば無端回動のボールスプラインなどを、このような摺動可能な回転防止手段として適用することができる。
また、ボールスプライン以外の手段を用いることも可能である。例えば、図１６（ｂ）に示すように、軸方向に延びる突起部１４０ａをドライブ軸４に設け、該突起部１４０ａを収容する第３の回転防止用溝１０８ａを駒部１００に形成する、いわゆるキースプライン形式も回転防止手段として適用可能である。なお、図１６（ｂ）において、突起部１４０ａを駒部１００側に、第３の回転防止用溝１０８ａをドライブ軸４側に設けてもよい。更に、図１６（ｃ）に示すように、軸方向に延びる第４の回転防止用溝１０８ｂ及びこれに対面する第５の回転防止用溝１４０ｂを駒部１００及びドライブ軸４に夫々設け、これらの溝が形成する直方体状の溝の中にキープレートを収容する、いわゆるキー溝形式も回転防止手段として適用可能である。なお、第２実施例で示した回り止め部５２も第４実施例で採用できる。
歯部１１２の第１の係合面１２１には、ラチェット駒１０２と係合するための複数のラチェット歯１１４が形成されている。ラチェット歯１１４は、歯部の周方向に沿って互い違いに周期的に形成された、第１の係合面１２１に対してより急な斜面１１８と、より緩やかな斜面１１６と、から構成される。
歯部１１２は、その第１の係合面１２１を駒部１００の第２の係合面１１０に対面させるようにドライブ軸４に軸支され、ラチェット駒１０２とラチェット歯１１２とが係合される（図１５）。このとき、ドライブ軸４はカラー１１１を介して歯部１１２の中央部に形成された歯部ボア１２０を通過し、ワッシャー１２２を介して端部１４２から固定される（図１３）。更に、歯部１１２は、スプロケット２並びにドライブ軸４に対して回転自在の支持器１３０と連結される。かくして、車体前進方向のドライブ軸４の回転のみをスプロケット２に伝達するようにドライブ軸４とスプロケット２とを連結するラチェットギヤが完成する。
好ましくは、オフセット用バネ１３６が、ドライブ軸４のストッパー斜面１４４と、駒部１００の裏面１０１との間に介在されるのがよい。このオフセット用バネ１３６は、ペダル踏力が所定値以下の場合（例えば事実上ゼロに近い場合）、裏面１０１に収容された鋼球１５２と皿バネ１２４との間にクリアランスを生じさせるように駒部１００を軸方向に偏倚させる。
次に、第４実施例の作用を説明する。
搭乗者がペダル８Ｒ、８Ｌにペダル踏力を与え、ドライブ軸４を車体前進方向に回転させると、この回転力は、ドライブ軸４に対し回転不可能に軸支された駒部１００に伝達される。このとき、図１５に示すように、ラチェット駒１０２は、駒部１００からペダル踏力に対応する力Ｆｄを与えられので、その先端部は歯部１１２のラチェット歯のより急な斜面１１８に当接し、この力をラチェット歯に伝達しようとする。ラチェット歯部１１２は、スプロケット２に連結されているので、ラチェット駒１０２の先端部は、駆動のための負荷による力Ｆｐをより急な斜面１１８から受ける。その両端部から互いに反対向きの力Ｆｐ及びＦｄを与えられたラチェット駒１０２は、ａ方向に回転して立ち上がる。駒部１００は、ラチェット駒１０２の立ち上がりによって軸方向内側に移動し、駒部１００と支持器１３０との間に介在する皿バネ１２４を押し込む。皿バネ１２４は、これに対抗して弾性力Ｆｒを駒部１００に作用する。この力Ｆｒと、駒部１００を軸方向に移動させるペダル踏力を反映した力とは短時間で釣り合う。かくして、皿バネ１２４の応力歪み、駒部１００と歯部１１２との間のクリアランス、ラチェット駒１０２の第２の係合面１１０に対する角度、駒部１００の車体フレームに対する位置及び皿バネ１２４が押し込まれる圧力などはペダル踏力を反映する物理量となる。従って、これらのうち少なくとも１つを検出することによって踏み込みトルクを推定することが可能となる。
本実施例では、一例として皿バネ１２４の応力歪みを検出する。コントローラ１４は、皿バネ１２４に設けられた２つの歪みゲージ１２６からの信号を少なくとも加算演算する（平均演算を含む）。このように複数箇所の応力歪み量を平均化して計測することによって、同じ踏み込みトルクでも出力変化を大きくとれ且つノイズ成分を平滑化することができるので、ＳＮ比を改善し、トルク推定精度を更に向上させることができる。この効果は、歪みゲージの個数が増えるほど大きくなる。
また、ペダル踏力が所定値以下の場合などでは、オフセット用バネ１３６は、駒部１００の裏面１０１と皿バネ１２４との間にクリアランスを生じさせているため、鋼球１５２が皿バネ１２４に頻繁に衝突することが少なくなる。これによって、歪みゲージ信号のノイズ成分が軽減して、トルク検出及び電動アシスト制御の安定性を向上させることができる。
本実施例の電動アシスト制御の流れは、第２及び第３の実施例と同様である。
第４実施例には以下のような更に優れた効果がある。
▲１▼ ラチェットギヤとトルク検出機構とを一つの機構で実現したので、部品点数の削減化が図られ、小型、軽量化及び低コストを達成できる。
▲２▼、踏み込みトルクを検出する部分に、受け荷重ユニットと荷重検出センサーとを一体化した皿バネを用い、２つの機能を１ユニットで実現したので、上記効果に加えて更に小型、軽量化及び低コストを達成できる。
▲３▼ 上記項目▲１▼及び▲２▼に示したようにトルク検出機構の小型、軽量化及び簡素化をより高いレベルで達成したので、通常の自転車であってもトルク検出機構を取り付ける可能性が更に広がった。
▲４▼ 上記項目▲１▼及び▲２▼で示した理由により、従来機構に比べて荷重の伝達ロスが少なくなり、制御の応答性のよいアシストフィーリングを実現できる。
▲５▼ 上記項目▲１▼及び▲２▼で示した理由により、従来機構（コイルバネ使用）に比べ、ペダルに無駄な動き（センサーが感知するまで）が無くなり、ペダルを踏み込んだときのフィーリングは、従来機構は踏み込み時に弾力感があったのに対し、本実施例では、通常の自転車のフィーリングと同様になった。
以上が本発明の各実施例であるが、本発明は、上記例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において任意好適に変更可能である。
例えば、上記各実施例では、補助トルクを提供する手段として電動モータを例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、他の任意の動力手段、例えばガソリンエンジンなどを用いることも可能である。
また、各実施例において、ラチェットギヤの駒及び歯のいずれか一方をスプロケットに取り付け、他方をドライブ軸に取り付けるかは、任意好適に変更可能である。例えば第４実施例の場合、駒部１００をスプロケット側に取り付け、歯部１１２をドライブ軸４に摺動可能且つ回転不可能に取り付け、歯部１１２によって皿バネ１２４を押し込めるようにしてもよい。
第２及び第４実施例では、ラチェット駒が３個の例を示したが、２個又は４個以上あってもよいことは勿論である。図１６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した回転防止手段の溝の数及び突起部の数も、上記した以外の数であってもよい。
上記１又は２つの実施例で説明したが、他の実施例では説明しなかった構成要件は、当該他の実施例にもその要旨を変更しない範囲内で適用可能である。例えば、図１６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した回転防止手段は、第２及び第３実施例に共に適用できる。また、第３実施例の一方向クラッチは、第２及び第４実施例のラチェットギヤが共に適用可能である。また、第３実施例の歪みゲージを第４実施例と同様に複数設置し、その出力信号を平均演算してもよい。
また、ラチェットギヤの変形に対抗して配置される弾性体も任意好適に種類及びその形状を変更可能である。皿バネやコイルバネ以外に例えばゴム弾性体などを用いることもできる。
各実施例で検出する物理量は、第４実施例の説明で挙げた例のようにラチェットギヤの変形に基づくものであれば任意好適に選択することができる。例えば第２実施例では、ラチェット歯部の軸方向変位による押し出し圧力の変化を検出する圧電センサーを用いてもよい。また、ラチェット駒に歪みゲージを取り付け、ラチェット駒の応力歪み量に基づいて踏み込みトルクを演算することも可能である。また、第４実施例では支持器の内底部に圧電センサーを配置してもよい。また、ラチェット駒の回転角度をその回転軸に設けたエンコーダーなどで検出してもよい。更に、歯部に対する駒部の位置を検出する位置センサーを設けてもよい。
また、応力歪みを検出する手段として、歪みゲージを例にしたが、応力歪みに関連した物理量を検出できれば、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る動力アシスト自転車の概略図である。
図２は、本発明の第１実施例に係る回転速度センサーを構成するＮＳ分極リングマグネットの上面図及び側面図である。
図３は、図２のＮＳ分極リングマグネットをギア表面に組み付けて第１実施例に係る回転速度センサーを構成した状態を示す正面図及び垂直線に沿って取られた側断面図である。
図４は、第１実施例に係る回転速度センサーの斜視図である。
図５は、ＮＳ分極リングマグネットに隣接して配置されたホール素子により検出された磁場信号の時間的変化を示す波形である。
図６は、本発明の回転速度センサーを組み付けた第２実施例に係る動力アシスト自転車のトルク検出機構を示す図である。
図７は、本発明の第２実施例に係る動力アシスト自転車で用いられるスプロケット及びラチェットギヤが嵌合した状態の正面図並びに側面図である。
図８は、スプロケット及びラチェット歯部を分解した状態の図式的な斜視図である。
図９は、ラチェット歯部の軸方向変位を説明するため、スプロケット及びラチェットギヤを嵌合させた状態で示した図式的な斜視図である。
図１０は、第２実施例に係る動力アシスト自転車のスプロケット及びスプロケット駆動ギヤの正面図である。
図１１は、スプロケット駆動ギヤの正面図及び側面図である。
図１２は、本発明の第３実施例に関する図であって、（ａ）は、第３実施例に係るスプロケットの正面図、（ｂ）は、第３実施例に係るトルク検出機構の側断面図である。
図１３は、本発明の第４実施例に係るトルク検出機構の側断面図である。
図１４は、図１３に示されたトルク検出機構を構成するラチェットギヤの分解斜視図である。
図１５は、ラチェットギヤの歯及び駒の嵌合状態を示す図である。
図１６は、ドライブ軸に対する駒部の相対回転を防止する回転防止手段の例を示す図であり、（ａ）はボールスプライン、（ｂ）はスプラインキー、（ｃ）はキー溝の概略構成を示す上面図である。
図１７は、従来の回転速度センサーの斜視図である。

Claims (33)

1. 被検出部の回転速度を検出するための回転速度センサーであって、
   略平坦な表面を備えたリングマグネットであって、該表面には、周方向に沿って一定角度周期で空間的に変化する磁場を該表面上に生じさせるように複数の磁石区分が形成される、前記被検出部と略同心に回転するよう取り付け可能な前記リングマグネットと、
   前記リングマグネットの表面に隣接した固定位置で磁場を検出する磁場検出手段と、
   前記磁場検出手段により検出された磁場信号に基づいて、前記被検出部の回転速度又はこれに関連する物理量を検出する、信号処理手段と、
   を含む、回転速度センサー。
2. 前記複数の磁石区分は、前記周方向に沿って交互に反転した磁極を前記表面に各々向けている、請求項１に記載の回転速度センサー。
3. 各々の磁石区分は、一方の磁極を前記表面に向け、他方の磁極を前記表面と反対側の面に向けている、請求項２に記載の回転速度センサー。
4. 各々の磁石区分の両磁極を結ぶ方向は、前記リングマグネットの軸方向に略平行に整列されている、請求項３に記載の回転速度センサー。
5. 前記複数の磁石区分が張る各々の角度は、実質的に等角度である、請求項２に記載の回転速度センサー。
6. 隣接する磁石区分は互いに接している、請求項２に記載の回転速度センサー。
7. 前記リングマグネットの表面上に生じる磁場は、隣接する２つの磁石区分が張る角度を一定角度周期として正弦波状に変化する、請求項１に記載の回転速度センサー。
8. 前記リングマグネットは、中央に孔が形成された円環形状である、請求項１に記載の回転速度検出センサー。
9. 前記リングマグネットは、実質的に全域に亘って厚さ一定のシート状に形成される、請求項１に記載の回転速度センサー。
10. 前記リングマグネットは、可撓性を有する、請求項９に記載の回転速度センサー。
11. 前記リングマグネットは、前記被検出部に形成された溝の中に収容される、請求項１に記載の回転速度センサー。
12. 前記リングマグネットは、前記溝の中に接着剤で固定される、請求項１１に記載の回転速度センサー。
13. 前記溝の中に収容されたリングマグネットの表面と、前記被検出部の前記溝の外側にある面とは面一である、請求項１１に記載の回転速度センサー。
14. 前記磁場検出手段は、ホール素子である、請求項１に記載の回転速度センサー。
15. ペダル踏力を車輪に伝達して走行する自転車であって、
    前記ペダル踏力に起因して回転する被検査部と、
    前記被検査部の回転速度を検出するため前記自転車に取り付けられた請求項１乃至１４のいずれか１項に載の回転速度センサーと、
    前記回転速度センサーにより検出された回転速度を、前記自転車の走行速度に換算する換算手段と、
    を含む、前記自転車。
16. ドライブ軸に作用するペダル踏力に応じた補助動力を該ペダル踏力に並列に付加して走行する動力アシスト自転車であって、
    前記ペダル踏力に起因して回転する被検査部と、
    前記被検査部の回転速度を検出するため前記動力アシスト自転車に取り付けられた請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の回転速度センサーと、
    前記ドライブ軸の実質的に一方向の回転のみをスプロケットに伝達するように前記ドライブ軸と前記スプロケットとを連結する一方向クラッチ手段と、
    前記一方向クラッチ手段の前記ペダル踏力に応じた変形によって変化する物理量を検出する検出手段と、
    少なくとも前記回転速度センサーにより検出された前記被検査部の回転速度及び前記検出手段により検出された物理量に基づいて前記補助動力を制御する制御手段と、
    を有する動力アシスト自転車。
17. 前記一方向クラッチ手段は、前記ドライブ軸の軸方向に沿って前記ペダル踏力に応じた長さに伸縮するように変形する、請求項１６に記載の動力アシスト自転車。
18. 前記一方向クラッチ手段は、その変形を元に戻すように弾性力が作用される、請求項１６に記載の動力アシスト自転車。
19. 前記一方向クラッチ手段の変形に対抗して弾性体が配置され、該弾性体によって前記弾性力の少なくとも一部分が与えられる、請求項１８に記載の動力アシスト自転車。
20. 前記弾性体は、軸方向の長さが径方向の長さより小さい略平坦な形状を有し、前記一方向クラッチ手段の変形方向に該軸方向を揃えて配置される、請求項１９に記載の動力アシスト自転車。
21. 前記検出手段は、前記弾性体の応力歪みを前記物理量として検出する、請求項１９に記載の動力アシスト自転車。
22. 前記検出手段は、前記一方向クラッチ手段を構成する少なくとも１つの部品の車体フレームに対する位置を前記物理量として検出する、請求項１６に記載の動力アシスト自転車。
23. 前記検出手段は、前記一方向クラッチ手段を構成する少なくとも２つの部品の間の相対的な位置関係を前記物理量として検出する、請求項１６に記載の動力アシスト自転車。
24. 前記検出手段は、前記一方向クラッチ手段の変形方向に対抗する圧力の変化を前記物理量として検出する、請求項１６に記載の動力アシスト自転車。
25. 前記一方向クラッチ手段は、ラチェットギヤである、請求項１６に記載の動力アシスト自転車。
26. 前記ラチェットギヤは、前記ドライブ軸の軸方向に沿って前記ペダル踏力に応じた長さに伸縮するように変形する、請求項２５に記載の動力アシスト自転車。
27. 前記ラチェットギヤは、
    第１の係合面に複数のラチェット歯が形成された歯部と、
    第２の係合面に複数のラチェット駒が形成された駒部と、
    を有し、
    前記第１及び第２の係合面は前記軸方向に略垂直に対面するように配置されると共に、
    前記ドライブ軸が前記一方向に回転するとき、前記ラチェット駒は、前記駒部及び前記歯部の間の相対回転を係止させるように前記ラチェット歯と係合し、前記ドライブ軸が前記一方向とは逆に回転するとき、前記ラチェット駒は、前記相対回転を可能とするように前記ラチェット歯に対する係止を解除する、請求項２６に記載の動力アシスト自転車。
28. 前記複数のラチェット歯は、前記歯部の周方向に沿って互い違いに前記第１の係合面上に周期的に形成された、該第１の係合面に対してより急な斜面と、より緩やかな斜面と、から構成され、
    前記ラチェット駒は、前記第２の係合面に対してその角度が変動可能に前記駒部に取り付けられ、
    前記ドライブ軸が前記第一方向に回転するとき、前記ラチェット駒は、前記より急な斜面に対抗するように係合し、前記ドライブ軸が前記一方向とは逆に回転するとき、前記ラチェット駒は、前記より緩やかな斜面に当接する、請求項２７に記載の動力アシスト自転車。
29. 前記歯部及び前記駒部のいずれか一方は、前記軸方向に沿って摺動可能で且つ該ドライブ軸に対する相対回転が防止されるように回転防止手段を介して該ドライブ軸に取り付けられ、他方は、前記スプロケットに連結される、請求項２７に記載の動力アシスト自転車。
30. 前記回転防止手段を介して前記軸方向に摺動可能に取り付けられた前記歯部及び前記駒部のいずれか一方は、その係合面の反対側の裏面に弾性手段が当接可能に支持される、請求項２９に記載の動力アシスト自転車。
31. 前記弾性手段は、皿バネである、請求項３０に記載の動力アシスト自転車。
32. 前記皿バネには、前記検出手段として１つ又は複数の歪みゲージが設置される、請求項３１に記載の動力アシスト自転車。
33. 前記補助動力は電動モータにより供給される、請求項１６に記載の動力アシスト自転車。

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