磁歪式トルクセンサ、この磁歪式トルクセンサを搭載した電動アシスト自転車及び電動パワーステアリング装置
【課題】検出精度の高い磁歪式トルクセンサを提供することを課題とする。
【解決手段】回転軸に形成された磁歪部と、この磁歪部の外周を囲うよう配置されるボビンと、このボビンに巻かれて磁歪部の磁気特性の変化を検出するコイルとからなる磁歪式トルクセンサにおいて、ボビンは、磁歪部に接触した状態で、磁歪部に対して相対回転可能に嵌合されている。
【効果】ボビンが磁歪部に接触しているため、コイルを磁歪部の近傍に配置することができる。コイルとボビンとが近いため、コイル又はボビンに生じた温度変化が素早く他方の部材に伝わる。素早く伝えることで、コイルと磁歪部との間の温度差を素早く補正する。素早く補正することで、磁歪式トルクセンサの高い検出精度を確保することができる。
【解決手段】回転軸に形成された磁歪部と、この磁歪部の外周を囲うよう配置されるボビンと、このボビンに巻かれて磁歪部の磁気特性の変化を検出するコイルとからなる磁歪式トルクセンサにおいて、ボビンは、磁歪部に接触した状態で、磁歪部に対して相対回転可能に嵌合されている。
【効果】ボビンが磁歪部に接触しているため、コイルを磁歪部の近傍に配置することができる。コイルとボビンとが近いため、コイル又はボビンに生じた温度変化が素早く他方の部材に伝わる。素早く伝えることで、コイルと磁歪部との間の温度差を素早く補正する。素早く補正することで、磁歪式トルクセンサの高い検出精度を確保することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪式トルクセンサ、磁歪式トルクセンサを搭載した電動アシスト自転車及び磁歪式トルクセンサを搭載した電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
乗員の踏力に応じてモータが作動し、このモータの力で乗員の踏力を補助する電動アシスト自転車が広く知られている（例えば、特許文献１（図１）参照。）。
【０００３】
特許文献１に示されるような、電動アシスト自転車は、乗員の踏力を検知するために、磁歪式トルクセンサを備えている。磁歪式トルクセンサは、クランク軸の外周に沿って配置される部材であり、コイルと磁歪部とを備えている。
【０００４】
乗員がペダルを漕ぐことで、クランク軸に捩りトルクが発生する。磁歪部がクランク軸の外周面に形成されているため、クランク軸に捩りトルクが発生することにより、磁歪部の磁界が変化する。磁界の変化を検出し、変化に応じて制御部がモータを作動させる。モータは、スプロケット及びチェーンを介して後輪を回転させる。乗員の足踏みトルクに、モータが後輪を回転させる補助トルクが加わることにより、乗員は小さい踏力で電動アシスト自転車を走行させることができる。
【０００５】
ところで、電動アシスト自転車は、様々な温度条件下で走行する。例えば、走行中に、気温が変化することがある。磁歪式トルクセンサを構成するコイルと磁歪部とは、それぞれ別の部材に支持されているため、外気温の変化がコイルに伝わるまでの時間と、磁歪部に伝わるまでの時間とに差が生じ得る。即ち、コイルと磁歪部との温度が異なる状況が生じ得る。コイルと磁歪部との温度が異なることで、検出される足踏みトルクに誤差が生じる。検出された足踏みトルクが実際の踏力よりも小さい場合は、本来得られるモータの補助力よりも小さな補助トルクがモータから出力される。モータからの補助トルクが小さいと、乗員は大きな力でペダルを漕がなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−５３０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、検出精度の高い磁歪式トルクセンサの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、回転軸に形成された磁歪部と、この磁歪部の外周を囲うよう配置されるボビンと、このボビンに巻かれて磁歪部の磁気特性の変化を検出するコイルとからなる磁歪式トルクセンサにおいて、ボビンは、磁歪部に接触した状態で、磁歪部に対して相対回転可能に嵌合されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明では、ボビンは、回転軸に支持されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明では、ボビンの外周面は、隙間を有してケースに覆われていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明では、磁歪部は、回転軸の全周にわたって形成された、実質的に均一な厚さの１枚の磁歪膜であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明では、コイルに通電するための端子は、ボビンからケースを貫通し、端子とケースとの間には、弾性部材が介在していることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の磁歪式トルクセンサを、自転車用ペダルクランクによって発生した、足踏みトルクを検出するための足踏みトルクセンサとして用い、足踏みトルクに基づいて、電動モータが発生した補助トルクを駆動車輪に付加する電動アシスト自転車に搭載されるものであり、回転軸は、中空軸によって構成され、この中空軸の中には、ペダルクランクを有したクランク軸が相対回転可能に嵌合され、このクランク軸は、中空軸に対してワンウェイクラッチによって連結されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に係る発明は、回転軸の軸方向の端部には、ワンウェイクラッチを収納するために拡径された収納部が形成され、この収納部の軸方向の一端面は、ボビンの軸方向の位置決めをなしていることを特徴とする。
【００１５】
請求項８に係る発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の磁歪式トルクセンサは、ステアリングハンドルで発生したステアリング系の操舵トルクを検出するための操舵トルクセンサとして用いられ、操舵トルクに基づいて電動モータが発生した補助トルクを操舵車輪に付加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明では、コイルの巻かれているボビンが、磁歪部に接触した状態で、磁歪部に対して相対回転可能に嵌合されている。ボビンが磁歪部に接触しているため、コイルを磁歪部の近傍に配置することができる。コイルとボビンとが近いため、コイル又はボビンに生じた温度変化が素早く他方の部材に伝わる。素早く伝えることで、コイルと磁歪部との間の温度差を素早く補正する。素早く補正することで、磁歪式トルクセンサの高い検出精度を確保することができる。また、コイルと磁歪部との隙間が小さく近接させられるので高い検出感度を得ることができる。
【００１７】
請求項２に係る発明では、ボビンは回転軸に支持されている。回転軸には、磁歪部が形成されており、この磁歪部にボビンが接触している。このため、回転軸に対して曲げ方向の負荷が加わった場合に、ボビンは回転軸に追従する。ボビンにはコイルが巻かれているため、回転軸に対して曲げ方向の負荷が加わった場合に、コイルも追従する。コイルを回転軸に追従させることで、コイルと磁歪部との距離を一定に保つことができる。一定に保つことで磁歪式トルクセンサの検出精度を高めることができる。
【００１８】
請求項３に係る発明では、ボビンは、隙間を有してケースに覆われている。ボビンの外周面に隙間があることで、ボビンに巻かれるコイルもケースに対して隙間を有して覆われる。コイルとケースとの間に隙間があることで、この隙間が空気の層となる。空気の層を有することで、ケースの外の温度変化がコイルに伝わり難くなる。ケース外部の温度変化を伝え難くすることにより、コイルと磁歪部との温度差が生じ難くなり、磁歪式トルクセンサの検出精度を高めることができる。
【００１９】
請求項４に係る発明では、磁歪部は、回転軸の全周にわたって形成された、実質的に均一な厚さの１枚の磁歪膜である。均一な厚さの磁歪膜を用いることで、磁歪部全体の温度が安定する。磁歪部全体の温度が安定することで、検出精度がさらに高まる。
【００２０】
請求項５に係る発明では、端子とケースとの間には、弾性部材が介在している。弾性部材が介在していることで、外部からケースに伝わる振動を弾性部材で吸収することができる。即ち、ケースから端子へ向かって外力が加わることを防止できる。端子へ外力が加わることを防止することで、ボビンへ外力が加わることを防止し、ボビン及びボビンに巻かれるコイルを有効に保護することができる。また、ケースからの熱を弾性部材によって断熱できる。
【００２１】
一方、回転軸に力が加わり、この力がボビンに伝わることがある。ボビンから延びる端子とケースとの間には、弾性部材が介在している。弾性部材が介在していることで、ケースと端子との間に加わる力を吸収することができる。相対的にケースから受ける力を小さくすることができ検出精度を向上できる。
【００２２】
請求項６に係る発明では、磁歪式トルクセンサを電動アシスト自転車に搭載した。磁歪式トルクセンサは、回転軸で直接ボビンを支持する構成である。回転軸とボビンとをそれぞれ別部材で支持する構成に比べ、磁歪式トルクセンサを小型化することができる。磁歪式トルクセンサを小型化することにより、クランク軸近傍をコンパクトにすることができる。ペダルの踏み操作の障害となり得る部品をコンパクト化することにより、これらの部品をペダルの回転する軌道から離して配置することができる。離して配置することにより、ペダルを踏みやすくすることができる。また、コンパクト化することにより、外観性を高めることができる。
【００２３】
請求項７に係る発明では、回転軸の端部を拡径して収納部を形成し、この収納部の一端面が、ボビンの軸方向の位置決めをなしているので、コイル位置と磁歪部との相対位置を正確に決めることができるばかりか、位置決め用の新たな部材が不要なので小型化することができる。また、ボビンの軸方向の位置決めをし、軸方向への移動を防止することにより、路上の段差等の乗り越え時に振動や衝撃を受けても、検出を安定させることができ、磁歪式トルクセンサの検出精度を高めることができる。
【００２４】
請求項８に係る発明では、磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置に搭載した。磁歪式トルクセンサは、回転軸で直接ボビンを支持する構成である。回転軸とボビンとをそれぞれ別部材で支持する構成に比べ、磁歪式トルクセンサを小型化することができる。ケースなどの別部品に依存しないので、磁歪式トルクセンサ単独で性能を出すことができ、電動パワーステアリングの形式によらずに同一のものが搭載できる。また、磁歪式トルクセンサの外形を小型化することができるので、電動パワーステアリング装置を小径化してコンパクトにでき、今まで搭載できなかった車両にも搭載を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例１に係る磁歪式トルクセンサを搭載した電動アシスト自転車の側面図である。
【図２】図１に示されるパワーユニットの模式図である。
【図３】図１の３−３線断面図である。
【図４】図３に示された回転軸の斜視図である。
【図５】図１の５−５線断面図である。
【図６】図５に示された減速機とモータとの関係を説明する図である。
【図７】本発明の実施例２に係る磁歪式トルクセンサを搭載した電動パワーステアリング装置の模式図である。
【図８】図７に示された電動パワーステアリング装置の全体構成図である。
【図９】図８の９−９線断面図である。
【図１０】図９に示された磁歪式トルクセンサの拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
【実施例１】
【００２７】
本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、電動アシスト自転車１０（以下、単に「電動自転車１０」という。）は、乗員の足踏みトルクと、乗員の足踏みトルクに基づいて、電動モータが発生する補助トルクとにより走行する車両である。
【００２８】
このような電動自転車１０は、ヘッドパイプ１１と、このヘッドパイプ１１に操舵自在に取付けられるフロントフォーク１２と、このフロントフォーク１２の下端に回転自在に取付けられる前輪１３と、ヘッドパイプ１１の上部に取付けられ車体を操舵するハンドル１４と、ヘッドパイプ１１から下方へ且つ車体後方に向かって延びているダウンフレーム１５と、このダウンフレーム１５の後端から車体後方に延びているロアフレーム１６と、このロアフレーム１６の後端部から上方へ延びているシートパイプ１７と、このシートパイプ１７の上端に設けられ乗員が着座するシート１８と、このシート１８の下方でシートパイプ１７に取付けられているバッテリ２１と、シートパイプ１７の上部及び下部から後方に向かって延びる略Ｖ字形状のリヤフレーム２２と、このリヤフレーム２２の後端に回転可能に支持されている後輪２４と、乗員が踏むペダル５８を含み後輪２４を駆動するパワーユニット３０とからなる。
【００２９】
図２に示すように、パワーユニット３０は、乗員がペダル５８を踏むことで捩りトルクを検出する磁歪式トルクセンサ４０と、後輪２４に取付けられ走行速度を計測するスピードセンサ３１と、これらのスピードセンサ３１及び磁歪式トルクセンサ４０が接続されている制御部３３とを備えている。制御部３３は、磁気特性の変化から乗員の踏力を計算すると共に、回転数から車速を計算する。計算により得られた値に基づき、制御部３３は電動モータ３２（以下単に「モータ３２」という。）を制御する。
【００３０】
モータ３２は、制御部３３の制御信号に基づき、踏力トルクに応じた補助トルクを発生して、減速機３４に伝える。減速機３４は、補助トルクを加えるための補助スプロケット３５に接続され、補助スプロケット３５は、チェーン３６を介して後輪２４に接続されている。電動自転車１０は、乗員がペダル５８を踏むことによる足踏みトルクに、モータ３２が発生した補助トルクを加えた複合トルクによって走行する。
磁歪式トルクセンサ４０について、次図以降で詳細に説明する。
【００３１】
図３に示すように、磁歪式トルクセンサ４０は、先端にペダル（図１、符号５８）が取付けられているペダルクランク４１と、このペダルクランク４１の端部（図面左側）に設けられたワンウェイクラッチ４３と、このワンウェイクラッチ４３を介してペダルクランク４１に接続される回転軸４４と、この回転軸４４の外周面に形成されている磁歪部４５，４６（図４も参照）と、これらの磁歪部４５，４６の外周に配置されているコイルユニット７０とからなる。
【００３２】
回転軸４４は、中空軸によって構成されている。この中空軸の中には、ペダルクランク４１を有したクランク軸５６が相対回転可能に嵌合されている。このクランク軸５６は、中空軸に対してワンウェイクラッチ４３によって連結されている。
【００３３】
クランク軸５６の両端部は、一端側が、回転軸４４のすべり軸受４７を介して、軸受５１によりケース４８に回転可能に支持され、他端側が、軸受５２によりケース４８に回転可能に支持され、両端のみがケース４８から突出すると共に、回転軸４４はクランク軸５６に回転可能に支持されている。従って、磁歪式トルクセンサ４０は、ケース４８に回転可能に支持されている。ケース４８は、開放した一端がリッド４８ｂによって塞がれており、内部に回転軸４４と、磁歪式トルクセンサ４０とを収納している。リッド４８ｂは、ケース本体４８ａにボルト５３によって取付けられている。
【００３４】
ペダルクランク４１は、クランク軸５６と、このクランク軸５６の両端からクランク軸５６に対して垂直に延びるクランクアーム５７，５７と、クランクアーム５７，５７の先端に取付けられているペダル（図１、符号５８）とからなる。
【００３５】
図４も参照し、クランク軸５６の外周に配置される回転軸４４の一端には、セレーション部６１が形成されている。このセレーション部６１に、乗員の踏力を後輪（図１、符号２４）に伝達するための駆動スプロケット６２が嵌合されている。図１も参照し、駆動スプロケット６２は、チェーン３６を介して後輪２４に接続されている。
【００３６】
一方、回転軸４４の他端にはワンウェイクラッチ４３を収納するために拡径された収納部６５が形成されている。収納部６５は、周方向に広がる拡径部６５ａと、この拡径部６５ａから延びワンウェイクラッチ４３を囲う壁部６５ｂとからなる。壁部６５ｂは、磁歪部４５，４６から離れる方向に延びている。
【００３７】
図３に戻り、コイルユニット７０は、回転軸４４に支持され磁歪部４５，４６に接触するボビン７１と、このボビン７１に巻かれ磁歪部４５，４６で発生した磁気特性の変化を検出するコイル７２，７３と、これらのコイル７２，７３及びボビン７１を囲うハウジング７４と、このハウジング７４の外周面に固定されているヨーク７５とからなる。
【００３８】
回転軸４４には、磁歪部４５，４６が形成されており、この磁歪部４５，４６にボビン７１が接触している。このため、回転軸４４に対して曲げ方向の負荷が加わった場合に、ボビン７１は回転軸４４に追従する。追従するために、磁歪部４５，４６とコイル７２，７３との距離の変化を抑制することができる。磁歪部４５，４６とコイル７２，７３との距離の変化を抑制することにより、磁歪式トルクセンサ４０の検出感度を安定させ検出精度を高めることができる。
【００３９】
加えて、ボビン７１が磁歪部４５，４６に接触しているため、コイル７２，７３を磁歪部４５，４６の近傍に配置することができる。コイル７２，７３とボビン７１とが近いため、大きい感度を得ることができるばかりか、コイル７２，７３又はボビン７１に生じた温度変化が素早く他方の部材に伝わる。素早く伝えることで、コイル７２，７３と磁歪部４５，４６との間の温度差を素早く小さくなるように補正する。素早く補正することで、磁歪式トルクセンサ４０の検出を安定化させ、高い検出精度を確保することができる。
【００４０】
ボビン７１を覆っているハウジング７４は、回転軸４４に接触しない。必要な部位のみを接触させることで、回転軸４４が回転する際の抵抗を低減させることができる。
【００４１】
ハウジング７４及びヨーク７５の外周面は、隙間７８を有してケース４８に覆われている。即ち、ハウジング７４に覆われているボビン７１の外周面もケース４８に対して隙間７８を有して設けられている。ボビン７１の外周に隙間７８があることで、ボビン７１に巻かれるコイル７２，７３もケース４８に対して隙間７８を有して覆われる。コイル７２，７３とケース４８との間に隙間７８があることで、この隙間７８が空気の層、即ち断熱層となる。空気の層を間に有することで、ケース４８の外の温度変化がコイル７２，７３に伝わり難くなる。外部の温度変化がコイル７２，７３に伝わり難くなることにより、急な温度変化を防止することができる。急な温度変化を防止することで、コイル７２，７３の検出を安定化させ、検出精度を高めることができる。
【００４２】
加えて、ハウジング７４とケース４８との間に隙間７８を有していることにより、回転軸４４に曲げが入力されても、ハウジング７４（ボビン７１）がケース４８と回転軸４４とに挟まれることを防止することができる。ボビン７１が回転軸４４とケース４８とにはさまれて圧迫されることを防止できる。
【００４３】
ボビン７１からケース４８を貫通し、コイル７２，７３に通電するための端子８１がハウジング７４に一体的に形成されている。端子８１は、通電部８１ａと、この通電部８１ａを囲う周壁部８１ｂとからなる。
【００４４】
端子８１とケース４８との間には、弾性部材としてのシール８３が介在されている。シール８３が介在していることで、外部からケースに伝わる振動をシール８３で吸収することができる。即ち、ケース４８から端子８１へ向かって外力が加わることを防止できる。端子８１へ外力が加わることを防止することで、ボビン７１へ外力が加わることを防止することができる。ボビン７１への外力の伝達を防止することで、より安定した状態で回転軸４４の捩りトルクを検出することができる。より安定した状態で捩りトルクを検出することで、検出精度を高めることができる。弾性部材には、シール８３の他にも板ばね等の任意の部材を用いることができる。
【００４５】
一方、回転軸４４に力が加わり、この力がボビン７１に伝わることがある。ボビン７１から延びる端子８１とケース４８との間には、シール８３が介在している。シール８３が介在していることで、ケース４８と端子８１との間に加わる力を吸収することができる。相対的にケース４８から受ける力を小さくすることができる。
【００４６】
なお、弾性部材にシール８３を用いた場合は、ケース４８によって囲われた領域の密閉性を高めることができる。密閉性を高めることにより、ケース４８内の隙間７８の急激な温度変化を防止することができる。急な温度変化を防止することで、コイル７２，７３の検出精度を高めることができる。
【００４７】
ハウジング７４は、一端が板ばね８５に接触している。この板ばね８５によりハウジング７４は、回転軸４４の収納部６５に向かって付勢されている。ハウジング７４は、他端が収納部６５の拡径部６５ａに接触することで、位置決めされている。即ち、ハウジング７４に覆われているボビン７１も、収納部６５によって位置決めされている。収納部６５の一端面が、ボビン７１の軸方向の位置決めをなしている。ボビン７１の軸方向の位置決めをし、軸方向への移動を防止することにより、コイル位置と磁歪部との相対位置を正確に決めることができるばかりか位置決め用の新たな部材が不要なので小型化できる。また、磁歪式トルクセンサ４０の検出精度を高めることができる。
【００４８】
また、回転軸４４は、ワンウェイクラッチ４３を収納するための必要な部位のみを拡径している。必要な部位のみを拡径することで、回転軸４４の小型化を図ることができる。
加えて、回転軸４４の一部を利用して位置決めを行っているため、位置決めを行うための部材を別途追加する必要がない。数ない部品点数で位置決めを行うことができ、有益である。
【００４９】
磁歪部４５，４６は、回転軸４４の全周にわたって形成された、実質的に均一な厚さの１枚の磁歪膜である。均一な厚さの磁歪膜を用いることで、磁歪部４５，４６全体の温度が安定する。磁歪部４５，４６全体の温度が安定することで、捩りトルクの検出精度が高まる。
【００５０】
乗員がペダル（図１、符号５８）を踏むことで、クランクアーム５７及びクランク軸５６は回転する。一方、回転軸４４は、ワンウェイクラッチ４３を介してクランク軸５６に接続されている。ワンウェイクラッチ４３を介していることにより、車両が前進する方向にクランク軸５６を回転させている場合にのみ、回転軸４４は回転する。コイルユニット７０は回転しない。コイルユニット７０に一体的に形成されている端子８１がケース４８から貫通することで、コイルユニット７０の回り止めの役割を果たしている。端子８１を利用してコイルユニット７０の回転を防止することができる。
【００５１】
本発明に係る電動自転車によれば以下のことがいえる。
電動自転車１０に搭載される磁歪式トルクセンサ４０は、回転軸４４で直接ボビン７１を支持する構成である。回転軸４４とボビン７１とをそれぞれ別部材で支持する構成に比べ、磁歪式トルクセンサ４０を小型化することができる。磁歪式トルクセンサ４０を小型化することにより、クランク軸５６近傍をコンパクトにすることができ、乗員が漕ぐペダルクランク４１のペダルの踏み操作の障害となり得る部品をコンパクト化することにより、これらの部品をペダルの回転する軌道から離して配置することができる。離して配置することにより、ペダルを踏みやすくすることができる。また、コンパクト化することにより、外観性を高めることができる。
【００５２】
図５及び図６に示すように、モータ３２は、車両の進行方向に対して傾けた状態で車体８７に取付けられている。車両の進行方向に対して傾けることで、車両の幅方向に対してコンパクトにモータ３２を配置することができる。車両の幅方向に対してコンパクトにすることで、乗員の足がモータ３２に接触することを防止することができる。
【００５３】
減速機３４は、モータ３２の出力軸に取付けられたウォーム３２ａと、ウォーム３２ａに噛み合うウォームホイール３４ａとからなる、ウォームギヤ機構である。
減速機３４及び補助スプロケット３５を支持する補助トルク用回転軸９１は、軸受９２，９３を介して車体８７に取り付けられている。補助トルク用回転軸９１は、内軸９４と外軸９５とからなる二重軸の構造を呈している。即ち、内軸９４を外軸９５で囲い、内軸９４と外軸９５とは、ワンウェイクラッチ９６によって連結されている。
【００５４】
補助トルク用回転軸９１の内軸９４の先端にセレーション部９４ａが形成されており、このセレーション部９４ａに補助スプロケット３５が嵌合されている。また、補助トルク用回転軸９１の外軸９５に減速機３４が嵌合されている。
【００５５】
モータ３２の軸部３２ａが回転することで、この軸部３２ａに接続される減速機３４及び外軸９５が回転する。軸部３２ａが車両の前進する方向に回転した場合のみ、ワンウェイクラッチ９６を介して内軸９４が回転する。内軸９４が回転することで、補助スプロケット３５が回転する。仮に補助スプロケット３５に接続されるチェーン３６が、車両の前進する方向と逆に変位した場合には、内軸９４のみが回転する。外軸９５、減速機３４、モータ３２の軸部３２ａは回転しない。
【００５６】
本発明に係る磁歪式トルクセンサ４０は、車両の電動パワーステアリング装置にも用いることができる。電動パワーステアリング装置が搭載された車両を例に以下説明する。
【実施例２】
【００５７】
次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図７に示されるように、電動パワーステアリング装置１００は、車両のステアリングハンドル１２１から車両の操舵車輪１２９，１２９（例えば前輪）に至るステアリング系１２０と、このステアリング系１２０に補助トルクを加える補助トルク機構１４０とからなる。
【００５８】
ステアリング系１２０は、ステアリングハンドル１２１にステアリングシャフト１２２及び自在軸継手１２３，１２３を介して回転軸１２４（ピニオン軸１２４）を連結し、回転軸１２４にラックアンドピニオン機構１２５を介してラック軸１２６を連結し、ラック軸１２６の両端に左右のタイロッド１２７，１２７及びナックル１２８，１２８を介して左右の操舵車輪１２９，１２９を連結したものである。
【００５９】
ラックアンドピニオン機構１２５は、回転軸１２４に形成されたピニオン１３１と、ラック軸１２６に形成されたラック１３２とからなる。
【００６０】
ステアリング系１２０によれば、運転者がステアリングハンドル１２１を操舵することで、この操舵トルクによりラックアンドピニオン機構１２５及び左右のタイロッド１２７，１２７を介して、左右の操舵車輪１２９，１２９を操舵することができる。
【００６１】
補助トルク機構１４０は、ステアリングハンドル１２１に加えたステアリング系１２０の操舵トルクを操舵トルクセンサとしての磁歪式トルクセンサ１５０で検出し、この磁歪式トルクセンサ１５０のトルク検出信号に基づき制御部１４２で制御信号を発生し、この制御信号に基づき操舵トルクに応じた補助トルクをモータ１４３で発生し、この補助トルクをウォームギヤ機構１４４を介して回転軸１２４に伝達し、さらに、補助トルクを回転軸１２４からステアリング系１２０のラックアンドピニオン機構１２５に伝達するようにした機構である。
【００６２】
電動パワーステアリング装置１００によれば、運転者の操舵トルクにモータ１４３の補助トルクを加えた複合トルクにより、ラック軸１２６で操舵車輪１２９，１２９を操舵することができる。
【００６３】
図８に示されるように、ラック軸収納部材１４６は車幅方向（図左右方向）に延びており、ラック軸１２６を軸方向にスライド可能に収容している。ラック軸１２６は、ラック軸収納部材１４６から突出した長手方向両端にボールジョイント１４７，１４７を介してタイロッド１２７，１２７を連結している。
【００６４】
図９及び図１０に示すように、磁歪式トルクセンサ１５０は、回転軸１２４の外周面に形成されている磁歪部１５５，１５６と、これらの磁歪部１５５，１５６の外周に配置され回転軸１２４に対して相対的に回転可能なコイルユニット１６０とからなる。このような磁歪式トルクセンサ１５０は、ケース１５８に軸受１５９を介して収納されている。ケース１５８は、複数の部材１５８ａ，１５８ｂからなる。
【００６５】
コイルユニット１６０は、回転軸１２４に支持され磁歪部１５５，１５６に接触するボビン１６１と、このボビン１６１に巻かれ磁歪部１５５，１５６で発生した磁気特性の変化を検出するコイル１６２，１６３と、これらのコイル１６２，１６３及びボビン１６１を囲うハウジング１６４と、このハウジング１６４の外周面に固定されているヨーク１６５とからなる。ハウジング１６４及びヨーク１６５の外周面は、隙間１６８を有してケース１５８に覆われている。
【００６６】
ボビン１６１からケース１５８を貫通し、コイル１６２，１６３に通電するための端子１７１がハウジング１６４に一体的に形成されている。端子１７１は、通電部１７１ａと、この通電部１７１ａを囲う周壁部１７１ｂとからなる。端子１７１とケース１５８との間には、弾性部材としてのシール１７３が介在されている。
【００６７】
磁歪式トルクセンサ１５０を電動パワーステアリング装置１００に搭載した場合も、磁歪式トルクセンサ１５０の高い検出精度を確保することができる。
【００６８】
加えて、回転軸１２４とボビン１６１とをそれぞれ別部材で支持する構成に比べ、磁歪式トルクセンサ１５０を小型化することができる。磁歪式トルクセンサ１５０を小型化することで、電動パワーステアリング装置１００をコンパクトにすることができる。ケースなどの別部品に依存しないので、磁歪式トルクセンサ単独で性能を出せ、電動パワーステアリングの形式によらずに同一のものが搭載できる。また、磁歪式トルクセンサの外形を小型化することができるので、電動パワーステアリング装置を小径化してコンパクトにでき、今まで搭載できなかった車両にも搭載を可能にすることができる。
【００６９】
尚、本発明に係る磁歪式トルクセンサは、電動アシスト自転車又は電動パワーステアリング装置に搭載する場合を例に説明したが、その他の用途にも適用することができ、これらの形式のものに限られるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の磁歪式トルクセンサは、電動アシスト自転車に採用するのに好適である。
【符号の説明】
【００７１】
１０…電動アシスト自転車（電動自転車）、２４…後輪（駆動車輪）、３２…モータ、４０，１５０…磁歪式トルクセンサ、４１…ペダルクランク、４３…ワンウェイクラッチ、４４，１２４…回転軸、４５，４６，１５５，１５６…磁歪部、４８，１５８…ケース、５６…クランク軸、６５…収納部、７１，１６１…ボビン、７２，７３，１６２，１６３…コイル、７８，１６８…隙間、８１，１７１…端子、８３，１７３…シール（弾性部材）、１００…電動パワーステアリング装置、１２０…ステアリング系、１２１…ステアリングハンドル、１２９…操舵車輪。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪式トルクセンサ、磁歪式トルクセンサを搭載した電動アシスト自転車及び磁歪式トルクセンサを搭載した電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
乗員の踏力に応じてモータが作動し、このモータの力で乗員の踏力を補助する電動アシスト自転車が広く知られている（例えば、特許文献１（図１）参照。）。
【０００３】
特許文献１に示されるような、電動アシスト自転車は、乗員の踏力を検知するために、磁歪式トルクセンサを備えている。磁歪式トルクセンサは、クランク軸の外周に沿って配置される部材であり、コイルと磁歪部とを備えている。
【０００４】
乗員がペダルを漕ぐことで、クランク軸に捩りトルクが発生する。磁歪部がクランク軸の外周面に形成されているため、クランク軸に捩りトルクが発生することにより、磁歪部の磁界が変化する。磁界の変化を検出し、変化に応じて制御部がモータを作動させる。モータは、スプロケット及びチェーンを介して後輪を回転させる。乗員の足踏みトルクに、モータが後輪を回転させる補助トルクが加わることにより、乗員は小さい踏力で電動アシスト自転車を走行させることができる。
【０００５】
ところで、電動アシスト自転車は、様々な温度条件下で走行する。例えば、走行中に、気温が変化することがある。磁歪式トルクセンサを構成するコイルと磁歪部とは、それぞれ別の部材に支持されているため、外気温の変化がコイルに伝わるまでの時間と、磁歪部に伝わるまでの時間とに差が生じ得る。即ち、コイルと磁歪部との温度が異なる状況が生じ得る。コイルと磁歪部との温度が異なることで、検出される足踏みトルクに誤差が生じる。検出された足踏みトルクが実際の踏力よりも小さい場合は、本来得られるモータの補助力よりも小さな補助トルクがモータから出力される。モータからの補助トルクが小さいと、乗員は大きな力でペダルを漕がなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−５３０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、検出精度の高い磁歪式トルクセンサの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、回転軸に形成された磁歪部と、この磁歪部の外周を囲うよう配置されるボビンと、このボビンに巻かれて磁歪部の磁気特性の変化を検出するコイルとからなる磁歪式トルクセンサにおいて、ボビンは、磁歪部に接触した状態で、磁歪部に対して相対回転可能に嵌合されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明では、ボビンは、回転軸に支持されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明では、ボビンの外周面は、隙間を有してケースに覆われていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に係る発明では、磁歪部は、回転軸の全周にわたって形成された、実質的に均一な厚さの１枚の磁歪膜であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明では、コイルに通電するための端子は、ボビンからケースを貫通し、端子とケースとの間には、弾性部材が介在していることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の磁歪式トルクセンサを、自転車用ペダルクランクによって発生した、足踏みトルクを検出するための足踏みトルクセンサとして用い、足踏みトルクに基づいて、電動モータが発生した補助トルクを駆動車輪に付加する電動アシスト自転車に搭載されるものであり、回転軸は、中空軸によって構成され、この中空軸の中には、ペダルクランクを有したクランク軸が相対回転可能に嵌合され、このクランク軸は、中空軸に対してワンウェイクラッチによって連結されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に係る発明は、回転軸の軸方向の端部には、ワンウェイクラッチを収納するために拡径された収納部が形成され、この収納部の軸方向の一端面は、ボビンの軸方向の位置決めをなしていることを特徴とする。
【００１５】
請求項８に係る発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の磁歪式トルクセンサは、ステアリングハンドルで発生したステアリング系の操舵トルクを検出するための操舵トルクセンサとして用いられ、操舵トルクに基づいて電動モータが発生した補助トルクを操舵車輪に付加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明では、コイルの巻かれているボビンが、磁歪部に接触した状態で、磁歪部に対して相対回転可能に嵌合されている。ボビンが磁歪部に接触しているため、コイルを磁歪部の近傍に配置することができる。コイルとボビンとが近いため、コイル又はボビンに生じた温度変化が素早く他方の部材に伝わる。素早く伝えることで、コイルと磁歪部との間の温度差を素早く補正する。素早く補正することで、磁歪式トルクセンサの高い検出精度を確保することができる。また、コイルと磁歪部との隙間が小さく近接させられるので高い検出感度を得ることができる。
【００１７】
請求項２に係る発明では、ボビンは回転軸に支持されている。回転軸には、磁歪部が形成されており、この磁歪部にボビンが接触している。このため、回転軸に対して曲げ方向の負荷が加わった場合に、ボビンは回転軸に追従する。ボビンにはコイルが巻かれているため、回転軸に対して曲げ方向の負荷が加わった場合に、コイルも追従する。コイルを回転軸に追従させることで、コイルと磁歪部との距離を一定に保つことができる。一定に保つことで磁歪式トルクセンサの検出精度を高めることができる。
【００１８】
請求項３に係る発明では、ボビンは、隙間を有してケースに覆われている。ボビンの外周面に隙間があることで、ボビンに巻かれるコイルもケースに対して隙間を有して覆われる。コイルとケースとの間に隙間があることで、この隙間が空気の層となる。空気の層を有することで、ケースの外の温度変化がコイルに伝わり難くなる。ケース外部の温度変化を伝え難くすることにより、コイルと磁歪部との温度差が生じ難くなり、磁歪式トルクセンサの検出精度を高めることができる。
【００１９】
請求項４に係る発明では、磁歪部は、回転軸の全周にわたって形成された、実質的に均一な厚さの１枚の磁歪膜である。均一な厚さの磁歪膜を用いることで、磁歪部全体の温度が安定する。磁歪部全体の温度が安定することで、検出精度がさらに高まる。
【００２０】
請求項５に係る発明では、端子とケースとの間には、弾性部材が介在している。弾性部材が介在していることで、外部からケースに伝わる振動を弾性部材で吸収することができる。即ち、ケースから端子へ向かって外力が加わることを防止できる。端子へ外力が加わることを防止することで、ボビンへ外力が加わることを防止し、ボビン及びボビンに巻かれるコイルを有効に保護することができる。また、ケースからの熱を弾性部材によって断熱できる。
【００２１】
一方、回転軸に力が加わり、この力がボビンに伝わることがある。ボビンから延びる端子とケースとの間には、弾性部材が介在している。弾性部材が介在していることで、ケースと端子との間に加わる力を吸収することができる。相対的にケースから受ける力を小さくすることができ検出精度を向上できる。
【００２２】
請求項６に係る発明では、磁歪式トルクセンサを電動アシスト自転車に搭載した。磁歪式トルクセンサは、回転軸で直接ボビンを支持する構成である。回転軸とボビンとをそれぞれ別部材で支持する構成に比べ、磁歪式トルクセンサを小型化することができる。磁歪式トルクセンサを小型化することにより、クランク軸近傍をコンパクトにすることができる。ペダルの踏み操作の障害となり得る部品をコンパクト化することにより、これらの部品をペダルの回転する軌道から離して配置することができる。離して配置することにより、ペダルを踏みやすくすることができる。また、コンパクト化することにより、外観性を高めることができる。
【００２３】
請求項７に係る発明では、回転軸の端部を拡径して収納部を形成し、この収納部の一端面が、ボビンの軸方向の位置決めをなしているので、コイル位置と磁歪部との相対位置を正確に決めることができるばかりか、位置決め用の新たな部材が不要なので小型化することができる。また、ボビンの軸方向の位置決めをし、軸方向への移動を防止することにより、路上の段差等の乗り越え時に振動や衝撃を受けても、検出を安定させることができ、磁歪式トルクセンサの検出精度を高めることができる。
【００２４】
請求項８に係る発明では、磁歪式トルクセンサを電動パワーステアリング装置に搭載した。磁歪式トルクセンサは、回転軸で直接ボビンを支持する構成である。回転軸とボビンとをそれぞれ別部材で支持する構成に比べ、磁歪式トルクセンサを小型化することができる。ケースなどの別部品に依存しないので、磁歪式トルクセンサ単独で性能を出すことができ、電動パワーステアリングの形式によらずに同一のものが搭載できる。また、磁歪式トルクセンサの外形を小型化することができるので、電動パワーステアリング装置を小径化してコンパクトにでき、今まで搭載できなかった車両にも搭載を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例１に係る磁歪式トルクセンサを搭載した電動アシスト自転車の側面図である。
【図２】図１に示されるパワーユニットの模式図である。
【図３】図１の３−３線断面図である。
【図４】図３に示された回転軸の斜視図である。
【図５】図１の５−５線断面図である。
【図６】図５に示された減速機とモータとの関係を説明する図である。
【図７】本発明の実施例２に係る磁歪式トルクセンサを搭載した電動パワーステアリング装置の模式図である。
【図８】図７に示された電動パワーステアリング装置の全体構成図である。
【図９】図８の９−９線断面図である。
【図１０】図９に示された磁歪式トルクセンサの拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
【実施例１】
【００２７】
本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、電動アシスト自転車１０（以下、単に「電動自転車１０」という。）は、乗員の足踏みトルクと、乗員の足踏みトルクに基づいて、電動モータが発生する補助トルクとにより走行する車両である。
【００２８】
このような電動自転車１０は、ヘッドパイプ１１と、このヘッドパイプ１１に操舵自在に取付けられるフロントフォーク１２と、このフロントフォーク１２の下端に回転自在に取付けられる前輪１３と、ヘッドパイプ１１の上部に取付けられ車体を操舵するハンドル１４と、ヘッドパイプ１１から下方へ且つ車体後方に向かって延びているダウンフレーム１５と、このダウンフレーム１５の後端から車体後方に延びているロアフレーム１６と、このロアフレーム１６の後端部から上方へ延びているシートパイプ１７と、このシートパイプ１７の上端に設けられ乗員が着座するシート１８と、このシート１８の下方でシートパイプ１７に取付けられているバッテリ２１と、シートパイプ１７の上部及び下部から後方に向かって延びる略Ｖ字形状のリヤフレーム２２と、このリヤフレーム２２の後端に回転可能に支持されている後輪２４と、乗員が踏むペダル５８を含み後輪２４を駆動するパワーユニット３０とからなる。
【００２９】
図２に示すように、パワーユニット３０は、乗員がペダル５８を踏むことで捩りトルクを検出する磁歪式トルクセンサ４０と、後輪２４に取付けられ走行速度を計測するスピードセンサ３１と、これらのスピードセンサ３１及び磁歪式トルクセンサ４０が接続されている制御部３３とを備えている。制御部３３は、磁気特性の変化から乗員の踏力を計算すると共に、回転数から車速を計算する。計算により得られた値に基づき、制御部３３は電動モータ３２（以下単に「モータ３２」という。）を制御する。
【００３０】
モータ３２は、制御部３３の制御信号に基づき、踏力トルクに応じた補助トルクを発生して、減速機３４に伝える。減速機３４は、補助トルクを加えるための補助スプロケット３５に接続され、補助スプロケット３５は、チェーン３６を介して後輪２４に接続されている。電動自転車１０は、乗員がペダル５８を踏むことによる足踏みトルクに、モータ３２が発生した補助トルクを加えた複合トルクによって走行する。
磁歪式トルクセンサ４０について、次図以降で詳細に説明する。
【００３１】
図３に示すように、磁歪式トルクセンサ４０は、先端にペダル（図１、符号５８）が取付けられているペダルクランク４１と、このペダルクランク４１の端部（図面左側）に設けられたワンウェイクラッチ４３と、このワンウェイクラッチ４３を介してペダルクランク４１に接続される回転軸４４と、この回転軸４４の外周面に形成されている磁歪部４５，４６（図４も参照）と、これらの磁歪部４５，４６の外周に配置されているコイルユニット７０とからなる。
【００３２】
回転軸４４は、中空軸によって構成されている。この中空軸の中には、ペダルクランク４１を有したクランク軸５６が相対回転可能に嵌合されている。このクランク軸５６は、中空軸に対してワンウェイクラッチ４３によって連結されている。
【００３３】
クランク軸５６の両端部は、一端側が、回転軸４４のすべり軸受４７を介して、軸受５１によりケース４８に回転可能に支持され、他端側が、軸受５２によりケース４８に回転可能に支持され、両端のみがケース４８から突出すると共に、回転軸４４はクランク軸５６に回転可能に支持されている。従って、磁歪式トルクセンサ４０は、ケース４８に回転可能に支持されている。ケース４８は、開放した一端がリッド４８ｂによって塞がれており、内部に回転軸４４と、磁歪式トルクセンサ４０とを収納している。リッド４８ｂは、ケース本体４８ａにボルト５３によって取付けられている。
【００３４】
ペダルクランク４１は、クランク軸５６と、このクランク軸５６の両端からクランク軸５６に対して垂直に延びるクランクアーム５７，５７と、クランクアーム５７，５７の先端に取付けられているペダル（図１、符号５８）とからなる。
【００３５】
図４も参照し、クランク軸５６の外周に配置される回転軸４４の一端には、セレーション部６１が形成されている。このセレーション部６１に、乗員の踏力を後輪（図１、符号２４）に伝達するための駆動スプロケット６２が嵌合されている。図１も参照し、駆動スプロケット６２は、チェーン３６を介して後輪２４に接続されている。
【００３６】
一方、回転軸４４の他端にはワンウェイクラッチ４３を収納するために拡径された収納部６５が形成されている。収納部６５は、周方向に広がる拡径部６５ａと、この拡径部６５ａから延びワンウェイクラッチ４３を囲う壁部６５ｂとからなる。壁部６５ｂは、磁歪部４５，４６から離れる方向に延びている。
【００３７】
図３に戻り、コイルユニット７０は、回転軸４４に支持され磁歪部４５，４６に接触するボビン７１と、このボビン７１に巻かれ磁歪部４５，４６で発生した磁気特性の変化を検出するコイル７２，７３と、これらのコイル７２，７３及びボビン７１を囲うハウジング７４と、このハウジング７４の外周面に固定されているヨーク７５とからなる。
【００３８】
回転軸４４には、磁歪部４５，４６が形成されており、この磁歪部４５，４６にボビン７１が接触している。このため、回転軸４４に対して曲げ方向の負荷が加わった場合に、ボビン７１は回転軸４４に追従する。追従するために、磁歪部４５，４６とコイル７２，７３との距離の変化を抑制することができる。磁歪部４５，４６とコイル７２，７３との距離の変化を抑制することにより、磁歪式トルクセンサ４０の検出感度を安定させ検出精度を高めることができる。
【００３９】
加えて、ボビン７１が磁歪部４５，４６に接触しているため、コイル７２，７３を磁歪部４５，４６の近傍に配置することができる。コイル７２，７３とボビン７１とが近いため、大きい感度を得ることができるばかりか、コイル７２，７３又はボビン７１に生じた温度変化が素早く他方の部材に伝わる。素早く伝えることで、コイル７２，７３と磁歪部４５，４６との間の温度差を素早く小さくなるように補正する。素早く補正することで、磁歪式トルクセンサ４０の検出を安定化させ、高い検出精度を確保することができる。
【００４０】
ボビン７１を覆っているハウジング７４は、回転軸４４に接触しない。必要な部位のみを接触させることで、回転軸４４が回転する際の抵抗を低減させることができる。
【００４１】
ハウジング７４及びヨーク７５の外周面は、隙間７８を有してケース４８に覆われている。即ち、ハウジング７４に覆われているボビン７１の外周面もケース４８に対して隙間７８を有して設けられている。ボビン７１の外周に隙間７８があることで、ボビン７１に巻かれるコイル７２，７３もケース４８に対して隙間７８を有して覆われる。コイル７２，７３とケース４８との間に隙間７８があることで、この隙間７８が空気の層、即ち断熱層となる。空気の層を間に有することで、ケース４８の外の温度変化がコイル７２，７３に伝わり難くなる。外部の温度変化がコイル７２，７３に伝わり難くなることにより、急な温度変化を防止することができる。急な温度変化を防止することで、コイル７２，７３の検出を安定化させ、検出精度を高めることができる。
【００４２】
加えて、ハウジング７４とケース４８との間に隙間７８を有していることにより、回転軸４４に曲げが入力されても、ハウジング７４（ボビン７１）がケース４８と回転軸４４とに挟まれることを防止することができる。ボビン７１が回転軸４４とケース４８とにはさまれて圧迫されることを防止できる。
【００４３】
ボビン７１からケース４８を貫通し、コイル７２，７３に通電するための端子８１がハウジング７４に一体的に形成されている。端子８１は、通電部８１ａと、この通電部８１ａを囲う周壁部８１ｂとからなる。
【００４４】
端子８１とケース４８との間には、弾性部材としてのシール８３が介在されている。シール８３が介在していることで、外部からケースに伝わる振動をシール８３で吸収することができる。即ち、ケース４８から端子８１へ向かって外力が加わることを防止できる。端子８１へ外力が加わることを防止することで、ボビン７１へ外力が加わることを防止することができる。ボビン７１への外力の伝達を防止することで、より安定した状態で回転軸４４の捩りトルクを検出することができる。より安定した状態で捩りトルクを検出することで、検出精度を高めることができる。弾性部材には、シール８３の他にも板ばね等の任意の部材を用いることができる。
【００４５】
一方、回転軸４４に力が加わり、この力がボビン７１に伝わることがある。ボビン７１から延びる端子８１とケース４８との間には、シール８３が介在している。シール８３が介在していることで、ケース４８と端子８１との間に加わる力を吸収することができる。相対的にケース４８から受ける力を小さくすることができる。
【００４６】
なお、弾性部材にシール８３を用いた場合は、ケース４８によって囲われた領域の密閉性を高めることができる。密閉性を高めることにより、ケース４８内の隙間７８の急激な温度変化を防止することができる。急な温度変化を防止することで、コイル７２，７３の検出精度を高めることができる。
【００４７】
ハウジング７４は、一端が板ばね８５に接触している。この板ばね８５によりハウジング７４は、回転軸４４の収納部６５に向かって付勢されている。ハウジング７４は、他端が収納部６５の拡径部６５ａに接触することで、位置決めされている。即ち、ハウジング７４に覆われているボビン７１も、収納部６５によって位置決めされている。収納部６５の一端面が、ボビン７１の軸方向の位置決めをなしている。ボビン７１の軸方向の位置決めをし、軸方向への移動を防止することにより、コイル位置と磁歪部との相対位置を正確に決めることができるばかりか位置決め用の新たな部材が不要なので小型化できる。また、磁歪式トルクセンサ４０の検出精度を高めることができる。
【００４８】
また、回転軸４４は、ワンウェイクラッチ４３を収納するための必要な部位のみを拡径している。必要な部位のみを拡径することで、回転軸４４の小型化を図ることができる。
加えて、回転軸４４の一部を利用して位置決めを行っているため、位置決めを行うための部材を別途追加する必要がない。数ない部品点数で位置決めを行うことができ、有益である。
【００４９】
磁歪部４５，４６は、回転軸４４の全周にわたって形成された、実質的に均一な厚さの１枚の磁歪膜である。均一な厚さの磁歪膜を用いることで、磁歪部４５，４６全体の温度が安定する。磁歪部４５，４６全体の温度が安定することで、捩りトルクの検出精度が高まる。
【００５０】
乗員がペダル（図１、符号５８）を踏むことで、クランクアーム５７及びクランク軸５６は回転する。一方、回転軸４４は、ワンウェイクラッチ４３を介してクランク軸５６に接続されている。ワンウェイクラッチ４３を介していることにより、車両が前進する方向にクランク軸５６を回転させている場合にのみ、回転軸４４は回転する。コイルユニット７０は回転しない。コイルユニット７０に一体的に形成されている端子８１がケース４８から貫通することで、コイルユニット７０の回り止めの役割を果たしている。端子８１を利用してコイルユニット７０の回転を防止することができる。
【００５１】
本発明に係る電動自転車によれば以下のことがいえる。
電動自転車１０に搭載される磁歪式トルクセンサ４０は、回転軸４４で直接ボビン７１を支持する構成である。回転軸４４とボビン７１とをそれぞれ別部材で支持する構成に比べ、磁歪式トルクセンサ４０を小型化することができる。磁歪式トルクセンサ４０を小型化することにより、クランク軸５６近傍をコンパクトにすることができ、乗員が漕ぐペダルクランク４１のペダルの踏み操作の障害となり得る部品をコンパクト化することにより、これらの部品をペダルの回転する軌道から離して配置することができる。離して配置することにより、ペダルを踏みやすくすることができる。また、コンパクト化することにより、外観性を高めることができる。
【００５２】
図５及び図６に示すように、モータ３２は、車両の進行方向に対して傾けた状態で車体８７に取付けられている。車両の進行方向に対して傾けることで、車両の幅方向に対してコンパクトにモータ３２を配置することができる。車両の幅方向に対してコンパクトにすることで、乗員の足がモータ３２に接触することを防止することができる。
【００５３】
減速機３４は、モータ３２の出力軸に取付けられたウォーム３２ａと、ウォーム３２ａに噛み合うウォームホイール３４ａとからなる、ウォームギヤ機構である。
減速機３４及び補助スプロケット３５を支持する補助トルク用回転軸９１は、軸受９２，９３を介して車体８７に取り付けられている。補助トルク用回転軸９１は、内軸９４と外軸９５とからなる二重軸の構造を呈している。即ち、内軸９４を外軸９５で囲い、内軸９４と外軸９５とは、ワンウェイクラッチ９６によって連結されている。
【００５４】
補助トルク用回転軸９１の内軸９４の先端にセレーション部９４ａが形成されており、このセレーション部９４ａに補助スプロケット３５が嵌合されている。また、補助トルク用回転軸９１の外軸９５に減速機３４が嵌合されている。
【００５５】
モータ３２の軸部３２ａが回転することで、この軸部３２ａに接続される減速機３４及び外軸９５が回転する。軸部３２ａが車両の前進する方向に回転した場合のみ、ワンウェイクラッチ９６を介して内軸９４が回転する。内軸９４が回転することで、補助スプロケット３５が回転する。仮に補助スプロケット３５に接続されるチェーン３６が、車両の前進する方向と逆に変位した場合には、内軸９４のみが回転する。外軸９５、減速機３４、モータ３２の軸部３２ａは回転しない。
【００５６】
本発明に係る磁歪式トルクセンサ４０は、車両の電動パワーステアリング装置にも用いることができる。電動パワーステアリング装置が搭載された車両を例に以下説明する。
【実施例２】
【００５７】
次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図７に示されるように、電動パワーステアリング装置１００は、車両のステアリングハンドル１２１から車両の操舵車輪１２９，１２９（例えば前輪）に至るステアリング系１２０と、このステアリング系１２０に補助トルクを加える補助トルク機構１４０とからなる。
【００５８】
ステアリング系１２０は、ステアリングハンドル１２１にステアリングシャフト１２２及び自在軸継手１２３，１２３を介して回転軸１２４（ピニオン軸１２４）を連結し、回転軸１２４にラックアンドピニオン機構１２５を介してラック軸１２６を連結し、ラック軸１２６の両端に左右のタイロッド１２７，１２７及びナックル１２８，１２８を介して左右の操舵車輪１２９，１２９を連結したものである。
【００５９】
ラックアンドピニオン機構１２５は、回転軸１２４に形成されたピニオン１３１と、ラック軸１２６に形成されたラック１３２とからなる。
【００６０】
ステアリング系１２０によれば、運転者がステアリングハンドル１２１を操舵することで、この操舵トルクによりラックアンドピニオン機構１２５及び左右のタイロッド１２７，１２７を介して、左右の操舵車輪１２９，１２９を操舵することができる。
【００６１】
補助トルク機構１４０は、ステアリングハンドル１２１に加えたステアリング系１２０の操舵トルクを操舵トルクセンサとしての磁歪式トルクセンサ１５０で検出し、この磁歪式トルクセンサ１５０のトルク検出信号に基づき制御部１４２で制御信号を発生し、この制御信号に基づき操舵トルクに応じた補助トルクをモータ１４３で発生し、この補助トルクをウォームギヤ機構１４４を介して回転軸１２４に伝達し、さらに、補助トルクを回転軸１２４からステアリング系１２０のラックアンドピニオン機構１２５に伝達するようにした機構である。
【００６２】
電動パワーステアリング装置１００によれば、運転者の操舵トルクにモータ１４３の補助トルクを加えた複合トルクにより、ラック軸１２６で操舵車輪１２９，１２９を操舵することができる。
【００６３】
図８に示されるように、ラック軸収納部材１４６は車幅方向（図左右方向）に延びており、ラック軸１２６を軸方向にスライド可能に収容している。ラック軸１２６は、ラック軸収納部材１４６から突出した長手方向両端にボールジョイント１４７，１４７を介してタイロッド１２７，１２７を連結している。
【００６４】
図９及び図１０に示すように、磁歪式トルクセンサ１５０は、回転軸１２４の外周面に形成されている磁歪部１５５，１５６と、これらの磁歪部１５５，１５６の外周に配置され回転軸１２４に対して相対的に回転可能なコイルユニット１６０とからなる。このような磁歪式トルクセンサ１５０は、ケース１５８に軸受１５９を介して収納されている。ケース１５８は、複数の部材１５８ａ，１５８ｂからなる。
【００６５】
コイルユニット１６０は、回転軸１２４に支持され磁歪部１５５，１５６に接触するボビン１６１と、このボビン１６１に巻かれ磁歪部１５５，１５６で発生した磁気特性の変化を検出するコイル１６２，１６３と、これらのコイル１６２，１６３及びボビン１６１を囲うハウジング１６４と、このハウジング１６４の外周面に固定されているヨーク１６５とからなる。ハウジング１６４及びヨーク１６５の外周面は、隙間１６８を有してケース１５８に覆われている。
【００６６】
ボビン１６１からケース１５８を貫通し、コイル１６２，１６３に通電するための端子１７１がハウジング１６４に一体的に形成されている。端子１７１は、通電部１７１ａと、この通電部１７１ａを囲う周壁部１７１ｂとからなる。端子１７１とケース１５８との間には、弾性部材としてのシール１７３が介在されている。
【００６７】
磁歪式トルクセンサ１５０を電動パワーステアリング装置１００に搭載した場合も、磁歪式トルクセンサ１５０の高い検出精度を確保することができる。
【００６８】
加えて、回転軸１２４とボビン１６１とをそれぞれ別部材で支持する構成に比べ、磁歪式トルクセンサ１５０を小型化することができる。磁歪式トルクセンサ１５０を小型化することで、電動パワーステアリング装置１００をコンパクトにすることができる。ケースなどの別部品に依存しないので、磁歪式トルクセンサ単独で性能を出せ、電動パワーステアリングの形式によらずに同一のものが搭載できる。また、磁歪式トルクセンサの外形を小型化することができるので、電動パワーステアリング装置を小径化してコンパクトにでき、今まで搭載できなかった車両にも搭載を可能にすることができる。
【００６９】
尚、本発明に係る磁歪式トルクセンサは、電動アシスト自転車又は電動パワーステアリング装置に搭載する場合を例に説明したが、その他の用途にも適用することができ、これらの形式のものに限られるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の磁歪式トルクセンサは、電動アシスト自転車に採用するのに好適である。
【符号の説明】
【００７１】
１０…電動アシスト自転車（電動自転車）、２４…後輪（駆動車輪）、３２…モータ、４０，１５０…磁歪式トルクセンサ、４１…ペダルクランク、４３…ワンウェイクラッチ、４４，１２４…回転軸、４５，４６，１５５，１５６…磁歪部、４８，１５８…ケース、５６…クランク軸、６５…収納部、７１，１６１…ボビン、７２，７３，１６２，１６３…コイル、７８，１６８…隙間、８１，１７１…端子、８３，１７３…シール（弾性部材）、１００…電動パワーステアリング装置、１２０…ステアリング系、１２１…ステアリングハンドル、１２９…操舵車輪。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に形成された磁歪部と、この磁歪部の外周を囲うよう配置されるボビンと、このボビンに巻かれて前記磁歪部の磁気特性の変化を検出するコイルと、からなる磁歪式トルクセンサにおいて、
前記ボビンは、前記磁歪部に接触した状態で、前記磁歪部に対して相対回転可能に嵌合されていることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
【請求項２】
前記ボビンは、前記回転軸に支持されていることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
【請求項３】
前記ボビンは、隙間を有してケースに覆われていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁歪式トルクセンサ。
【請求項４】
前記磁歪部は、前記回転軸の全周にわたって形成された、実質的に均一な厚さの１枚の磁歪膜であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の磁歪式トルクセンサ。
【請求項５】
前記コイルに通電するための端子は、前記ボビンから前記ケースを貫通し、
前記端子と前記ケースとの間には、弾性部材が介在していることを特徴とする請求項３記載の磁歪式トルクセンサ。
【請求項６】
請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の磁歪式トルクセンサは、自転車用ペダルクランクによって発生した、足踏みトルクを検出するための足踏みトルクセンサとして用いられ、前記足踏みトルクに基づいて、電動モータが発生した補助トルクを駆動車輪に付加する電動アシスト自転車に搭載されるものであり、
前記回転軸は、中空軸によって構成され、この中空軸の中には、前記ペダルクランクを有したクランク軸が相対回転可能に嵌合され、
このクランク軸は、前記中空軸に対してワンウェイクラッチによって連結されていることを特徴とする電動アシスト自転車。
【請求項７】
前記回転軸の軸方向の端部には、前記ワンウェイクラッチを収納するために拡径された収納部が形成され、
この収納部の軸方向の一端面は、前記ボビンの軸方向の位置決めをなしていることを特徴とする請求項６記載の電動アシスト自転車。
【請求項８】
請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の磁歪式トルクセンサは、ステアリングハンドルで発生したステアリング系の操舵トルクを検出するための操舵トルクセンサとして用いられ、前記操舵トルクに基づいて電動モータが発生した補助トルクを操舵車輪に付加することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【請求項１】
回転軸に形成された磁歪部と、この磁歪部の外周を囲うよう配置されるボビンと、このボビンに巻かれて前記磁歪部の磁気特性の変化を検出するコイルと、からなる磁歪式トルクセンサにおいて、
前記ボビンは、前記磁歪部に接触した状態で、前記磁歪部に対して相対回転可能に嵌合されていることを特徴とする磁歪式トルクセンサ。
【請求項２】
前記ボビンは、前記回転軸に支持されていることを特徴とする請求項１記載の磁歪式トルクセンサ。
【請求項３】
前記ボビンは、隙間を有してケースに覆われていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁歪式トルクセンサ。
【請求項４】
前記磁歪部は、前記回転軸の全周にわたって形成された、実質的に均一な厚さの１枚の磁歪膜であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の磁歪式トルクセンサ。
【請求項５】
前記コイルに通電するための端子は、前記ボビンから前記ケースを貫通し、
前記端子と前記ケースとの間には、弾性部材が介在していることを特徴とする請求項３記載の磁歪式トルクセンサ。
【請求項６】
請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の磁歪式トルクセンサは、自転車用ペダルクランクによって発生した、足踏みトルクを検出するための足踏みトルクセンサとして用いられ、前記足踏みトルクに基づいて、電動モータが発生した補助トルクを駆動車輪に付加する電動アシスト自転車に搭載されるものであり、
前記回転軸は、中空軸によって構成され、この中空軸の中には、前記ペダルクランクを有したクランク軸が相対回転可能に嵌合され、
このクランク軸は、前記中空軸に対してワンウェイクラッチによって連結されていることを特徴とする電動アシスト自転車。
【請求項７】
前記回転軸の軸方向の端部には、前記ワンウェイクラッチを収納するために拡径された収納部が形成され、
この収納部の軸方向の一端面は、前記ボビンの軸方向の位置決めをなしていることを特徴とする請求項６記載の電動アシスト自転車。
【請求項８】
請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の磁歪式トルクセンサは、ステアリングハンドルで発生したステアリング系の操舵トルクを検出するための操舵トルクセンサとして用いられ、前記操舵トルクに基づいて電動モータが発生した補助トルクを操舵車輪に付加することを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−１１３７１３（Ｐ２０１３−１１３７１３Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６０１３４（Ｐ２０１１−２６０１３４）
【出願日】平成２３年１１月２９日（２０１１．１１．２９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２９日（２０１１．１１．２９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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