專利名稱：扭矩檢測裝置、扭矩檢測裝置單元以及電動助力自行車的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于電動助力自行車上的扭矩檢測裝置、具備該扭矩檢測裝置的扭矩檢測裝置單元以及具備該扭矩檢測裝置或者該扭矩檢測裝置單元的電動助力自行車。
背景技術：
以往，實施有在由人力驅動的自行車上并列地附加電氣驅動系統，基于人力進行的踏板踏力的變化(即作用在與踏板相連的曲柄軸上的踩踏扭矩)控制電氣驅動系統的輸出，從而輔助人力進行的踏板踏力的電動助力自行車。在這種以往的電動助力自行車中，作為檢測作用在曲柄軸上的踩踏扭矩的扭矩檢測裝置，采用了使用電位差計的扭矩檢測裝置或使用磁應變材料的扭矩檢測裝置等各種方式的裝置。而且，在以往的電動助力自行車中，提出了通過使用磁傳感器而非接觸地檢測作 用在曲柄軸上的踩踏扭矩，從而實現了扭矩檢測裝置構造的簡易化的方案(例如參照專利文獻I)。專利文獻I所記載的扭矩檢測裝置具備設在曲柄軸上的軸部旋轉體，和經由彈性體與該軸部旋轉體相連且在外周部形成有鏈條嚙合的齒部的齒部旋轉體。該軸部旋轉體以及齒部旋轉體的每一個上設有以等間隔角度配置的多個磁鐵。這樣，專利文獻I所記載的電動自行車是通過這些磁鐵通過磁傳感器的下方之際所檢測的檢測脈沖的時間間隔來計算出軸部旋轉體以及齒部旋轉體各自的相位，基于這些相位的相位差求出作用在曲柄軸上的踩踏扭矩。專利文獻I特開平9-290795號公報(段落

、圖I 圖4)。在電動助力自行車中，根據道路交通法執行規則，規定在輔助人力進行的踏板踏力之際能夠賦予的輸出(助動力)為人力進行的踏板踏力的兩倍以內。但是，專利文獻I所記載的電動助力自行車由于通過檢測脈沖的時間間隔檢測軸部旋轉體以及齒部旋轉體的相位，所以存在若不使軸部旋轉體以及齒部旋轉體旋轉某種程度則不能夠計算出這些相位的問題。因此，專利文獻I所記載的電動助力自行車存在蹬車剛開始后不能夠立即賦予最佳的助動力的問題。

發明內容
本發明是為了解決上述問題而提出的，其目的在于提供一種能夠通過簡單的結構而在蹬車剛開始后立即計算出人力進行的踏板踏力，并能夠在蹬車剛開始后立即賦予最佳的助動力的扭矩檢測裝置，具備該扭矩檢測裝置的扭矩檢測裝置單元，以及具備該扭矩檢測裝置或者該扭矩檢測裝置單元的電動助力自行車。本發明所涉及的扭矩檢測裝置是用于電動助力自行車上的扭矩檢測裝置，具備軸部旋轉體，設在人力驅動系統的曲柄軸上；齒部旋轉體，經由彈性體與軸部旋轉體相連，外周部形成有鏈條嚙合的齒部；第I支撐部，設在軸部旋轉體上，按照N極、S極的順序以等間隔角度配置有第I磁化部件；第2支撐部，設在齒部旋轉體上，按照N極、S極的順序以等間隔角度配置有第2磁化部件；第I霍爾傳感器，將第I磁化部件的磁場作為大致正弦波狀的檢測信號進行檢測 ’第2霍爾傳感器，與第I霍爾傳感器僅偏離規定的電角度地配置，將第I磁化部件的磁場作為大致正弦波狀的檢測信號進行檢測；第3霍爾傳感器，將第2磁化部件的磁場作為大致正弦波狀的檢測信號進行檢測；以及第4霍爾傳感器，與第3霍爾傳感器僅偏離規定的電角度地配置，將上述第2磁化部件的磁場作為大致正弦波狀的檢測信號進行檢測。而且，本發明所涉及的扭矩檢測裝置單元具備上述的扭矩檢測裝置，曲柄軸，以及經由曲柄桿與該曲柄軸的兩端部相連的踏板。而且，本發明所涉及的電動助力自行車具備上述的扭矩檢測裝置或者上述的扭矩檢測裝置單元。在本發明中，由于基于第I霍爾傳感器以及第2霍爾傳感器的檢測值計算出軸部旋轉體的相位，基于第3霍爾傳感器以及第4霍爾傳感器的檢測值計算出齒部旋轉體的相 位，所以在蹬車剛開始后(即雖然軸部旋轉體因踏板踏力而旋轉，彈性體變形，但齒部旋轉體尚未旋轉的狀態)即能夠立即檢測軸部旋轉體以及齒部旋轉體的相位。因此，在本發明中，能夠以簡單的結構在蹬車剛開始后立即計算出人力進行的踏板踏力，在蹬車剛開始后即立即賦予最佳的助動力。


圖I是表示本發明的實施方式所涉及的電動助力自行車的左側視 圖2是表示本發明的實施方式所涉及的扭矩檢測裝置的立體 圖3是表示本發明的實施方式所涉及的扭矩檢測裝置的立體 圖4是表示設在本發明的實施方式所涉及的扭矩檢測裝置上的密封箱的立體圖(局部首1J視圖);
圖5是表示本發明的實施方式所涉及的霍爾傳感器與支撐部的位置關系的說明 圖6是用于說明本發明的實施方式所涉及的扭矩檢測裝置的相位檢測方法的說明圖； 圖7是表示本發明的實施方式所涉及的扭矩檢測裝置的另一例的立體 圖8是表示以往的多極磁化環磁鐵與磁頭的位置關系的說明圖。附圖標記說明
I :電動助力自行車，2 :框架，2a :頭管，3 :手柄，4 :車座，5 :前輪，6 :后輪，7 :曲柄軸，8L 曲柄桿(左側)，SR 曲柄桿(右側)9L :踏板(左側)，9R :踏板(右側)，10 :鏈條，11 :車燈，20 :扭矩檢測裝置，21 :蓄電池，22 :控制器，23 :手動儀表盤，24 :馬達，30 :軸部旋轉體，30a:缺口，30b :凸部，31 :曲柄軸插入部，32 :支撐部，33 :凹部，35 :霍爾傳感器，36 :霍爾傳感器，37 :N極磁鐵，38 :S極磁鐵，40 :齒部旋轉體，40a :開口部，40b :凸部，40c :卡止部，40d :齒部，40e :突片，42 :支撐部，43 :凹部，45 :霍爾傳感器，46 :霍爾傳感器，47 :N極磁鐵，48 :S極磁鐵，50 :螺旋彈簧，51 :板簧，60 :軸承，61 :外輪，70 :密封罩，71 :平板部，72 :內周側緣部，73 :外周側緣部，101 :多極磁化環磁鐵，102 :磁頭。
具體實施例方式以下，參照附圖對本發明的實施方式所涉及的扭矩檢測裝置，具備該扭矩檢測裝置的扭矩檢測裝置單元，以及具備該扭矩檢測裝置或者該扭矩檢測裝置單元的電動助力自行車進行說明。另外，在以下所示的附圖中，會有各結構因素的形狀及大小因附圖的不同而不同的情況。而且，以下所示的扭矩檢測裝置，具備該扭矩檢測裝置的扭矩檢測裝置單元，以及具備該扭矩檢測裝置或者該扭矩檢測裝置單元的電動助力自行車僅僅是一例而已。發明所涉及的扭矩檢測裝置，具備該扭矩檢測裝置的扭矩檢測裝置單元，以及具備該扭矩檢測裝置或者該扭矩檢測裝置單元的電動助力自行車的結構并不是由以下的附圖所示的結構限定。圖I是表示本發明的實施方式所涉及的電動助力自行車的左側視圖。電動助力自行車I的主要的構架部分例如由金屬管制成的框架2構成。在該框架2的前方配置有前輪5。在前輪5上連接有用于對前輪5進行操舵的手柄3。手柄3由設在框架2的前部的頭管2a保持而旋轉自如。而且，在頭管2a上設有在夜間等對電動助力自行車I的前方進行照射的車燈11。在框架2的大致中央部的上側設有車座4。而且，在車座4的下方(即框架2的大致中央部的下側)設有成為人力驅動系統的曲柄軸7，曲柄桿8L、8R，以及踏板9L、9R。曲柄 軸7是沿著左右方向配置的，在其左側端部經由曲柄桿8L連接有踏板9L，在其右側端部經由曲柄桿SR連接有踏板9R。而且，曲柄桿8L以及曲柄桿SR的延伸設置方向為以曲柄軸7為中心相互旋轉180°的位置。該曲柄軸7貫通扭矩檢測裝置20的大致中央部而與扭矩檢測裝置20相連。該扭矩檢測裝置20在其外周部形成有齒部，通過與該齒部嚙合的鏈條10與后輪6相連。S卩，當對踏板9L、9R賦予人力進行的踏板踏力時，該踏板踏力經由曲柄軸7，扭矩檢測裝置20以及鏈條10傳遞到后輪6。另外，扭矩檢測裝置20也用于檢測人力進行的踏板踏力(即作用在曲柄軸7上的踩踏扭矩)時，關于詳細結構在之后描述。而且，在電動助力自行車I中，設有蓄電池21，控制器22，手動儀表盤23，以及馬達24。手動儀表盤23是用戶輸入助動力的通、斷等的裝置。該輸入值向控制器22輸出。控制器22基于扭矩檢測裝置20的檢測值以及來自手動儀表盤23的輸入值計算出人力進行的踏板踏力。而且，控制器22計算出與該踏板踏力相對應的助動力，并控制馬達24以賦予該助動力。馬達24例如與前輪5的旋轉軸相連,例如向前輪5賦予助動力。蓄電池21是供給控制器22及馬達24的驅動電力的裝置。(扭矩檢測裝置20的詳細結構)
接著，對本實施方式所涉及的扭矩檢測裝置20的詳細結構進行說明。圖2以及圖3是表示本發明的實施方式所涉及的扭矩檢測裝置的立體圖。另外，圖2是表示從框架2 —側(圖I的紙面里側)看到的扭矩檢測裝置20的立體圖。而且，圖3是表示從曲柄桿8L —側(圖I的紙面前側)看到扭矩檢測裝置20的立體圖。另外，在圖2以及圖3中，以將扭矩檢測裝置20配置在框架2與曲柄桿8L之間的情況為例進行說明，但扭矩檢測裝置20也可以配置在框架2與曲柄桿SR之間。如圖2以及圖3所示，扭矩檢測裝置20具備軸部旋轉體30以及齒部旋轉體40。軸部旋轉體30安裝在曲柄軸7上，呈大致圓板形狀。在該軸部旋轉體30的外周部形成有配置螺旋彈簧50的缺口 30a。這樣，在缺口 30a上形成有插入螺旋彈簧50的一側的端部的凸部30b。另外，在本實施方式中形成有多個缺口 30a，但缺口 30a的數量可以是任意的。如后所述，螺旋彈簧50將賦予到軸部旋轉體30上的踩踏扭矩向齒部旋轉體40傳遞。因此，缺口 30a的個數(即螺旋彈簧50的設置個數)通過考察所使用的螺旋彈簧50的彈性力等而適當決定即可。在軸部旋轉體30的一個面(框架2 —側的面)上形成有曲柄軸7插入的曲柄軸插入部31。即，軸部旋轉體30以曲柄軸7的軸心為中心與曲柄軸7 —起旋轉。另外，曲柄軸7與軸部旋轉體30 (更詳細地說是曲柄軸插入部31)的固定方法只要是使用以往所使用的公知的固定方法即可。而且，在軸部旋轉體30的該面(框架2—側的面)上設有例如大致為環形狀的支撐部32 (第I支撐部)。另外，在本實施方式中，軸部旋轉體30與支撐部32是作為分別的部件構成的，但也可以一體地形成軸部旋轉體30與支撐部32。在該支撐部32上，以等間隔角度形成有多個凹部33。在這些凹部33中交錯地配置N極磁鐵37以及S極磁鐵38 (參照后述的圖6)。另外，N極磁鐵37以及S極磁鐵38能夠使用各種磁鐵(例如釹磁鐵或鐵氧體磁鐵等)，并不限定磁鐵的種類。例如，可以一體地形成支撐部32和N極磁鐵37以及S極磁鐵38作為多極磁鐵。在此，N極磁鐵37以及S極 磁鐵38相當于本發明中的第I磁化部件。而且，在軸部旋轉體30的另一面(曲柄桿8L—側的面)上安裝有曲柄桿8L。另外，曲柄桿8L的安裝方法是任意的。例如可以將曲柄桿8L安裝在插入軸部旋轉體30的曲柄軸插入部31的曲柄軸7的端部。而且，在例如作為扭矩檢測裝置單元而與扭矩檢測裝置20一起銷售曲柄軸7，曲柄桿8L、8R，以及踏板9L、9R等的情況下，當然也可以一體地形成曲柄桿8L和軸部旋轉體30。齒部旋轉體40成大致環形狀，在外周部形成有鏈條10嚙合的齒部40d。而且，齒部旋轉體40的內周部的直徑形成為比設在軸部旋轉體30上的支撐部32的外周部的直徑稍大。通過將軸部旋轉體30的支撐部32插入齒部旋轉體40的內周部，由形成在齒部旋轉體40上的卡止部40c卡止軸部旋轉體30，齒部旋轉體40被旋轉自如地安裝在軸部旋轉體30上。另外，齒部旋轉體40向軸部旋轉體30上的安裝構造并不僅限于本實施方式所示的構造。只要是將齒部旋轉體40向軸部旋轉體30上安裝成齒部旋轉體40以曲柄軸7的軸心為中心旋轉自如的構造即可，兩者的安裝構造是任意的。而且，在齒部旋轉體40上與軸部旋轉體30的缺口 30a整合的位置上形成有配置螺旋彈簧50的開口部40a。這樣，在該開口部40a中形成有插入螺旋彈簧50的另一個端部(即與缺口 30a的插入凸部30b的端部相反一側的端部)的凸部40b。在齒部旋轉體40的一個面(框架2 —側的面)上例如設有大致環形狀的支撐部42(第2支撐部)。更詳細地說，支撐部42的內周部的直徑形成為比設在軸部旋轉體30上的支撐部32的外周部的直徑大，支撐部42配置在支撐部32的外周側。另外，在本實施方式中，齒部旋轉體40與支撐部42是作為分別的部件構成的，但也可以一體地形成齒部旋轉體40與支撐部42。在該支撐部42上，以與支撐部32的凹部33相同的等間隔角度形成有多個凹部43。在這些凹部43中交錯地配置N極磁鐵47以及S極磁鐵48 (參照后述的圖6)。另外，N極磁鐵47以及S極磁鐵48能夠使用各種磁鐵(例如釹磁鐵或鐵氧體磁鐵等)，并不限定磁鐵的種類。例如，可以一體地形成支撐部42和N極磁鐵47以及S極磁鐵48作為多極磁鐵。在此，N極磁鐵47以及S極磁鐵48相當于本發明中的第2磁化部件。
而且，在本實施方式所涉及的扭矩檢測裝置20中，如圖4所示設有檢測支撐部32的磁場(更詳細地說是設在支撐部32上的N極磁鐵37以及S極磁鐵38的磁場)的霍爾傳感器35 (第I霍爾傳感器)以及霍爾傳感器36 (第2霍爾傳感器)。而且，霍爾傳感器35以及霍爾傳感器36設在支撐部32的旋轉軌跡上，霍爾傳感器35以及霍爾傳感器36配置在相差90°的電角度的位置上。同樣，在本實施方式所涉及的扭矩檢測裝置20中，如圖4所示設有檢測支撐部42的磁場(更詳細地說是設在支撐部42上的N極磁鐵47以及S極磁鐵48的磁場)的霍爾傳感器45 (第3霍爾傳感器)以及霍爾傳感器46 (第4霍爾傳感器)。而且，霍爾傳感器45以及霍爾傳感器46設在支撐部42的旋轉軌跡上，霍爾傳感器45以及霍爾傳感器46配置在相差90°的電角度的位置上。在本實施方式中，這些霍爾傳感器35，霍爾傳感器36，霍爾傳感器45，以及霍爾傳感器46設在密封罩70 (更詳細地說是后述的密封罩70的平板部71)上。該密封罩70成為覆蓋在支撐部32，霍爾傳感器35，霍爾傳感器36，支撐部42，霍爾傳感器45，以及霍爾傳感器46周圍的形狀。更詳細地說，密封罩70具備平板部71，內周側緣部72，以及外周側緣部73。平板 部71為大致環形狀的平板，與支撐部32以及支撐部42隔開規定的間隔對向配置。內周側緣部72是從平板部71的內周側端部向支撐部32以及支撐部42的方向突出設置的緣部。在該內周側緣部72上插入有軸承60的外輪61。這樣，軸承60在其內輪中插入有軸部旋轉體30的曲柄軸插入部31。這樣一來，成為了即使在曲柄軸7，軸部旋轉體30 (支撐部32)，以及齒部旋轉體40 (支撐部42)旋轉之際，密封罩70也不旋轉的結構。外周側緣部73是從平板部71的外周側端部向支撐部32以及支撐部42的方向突出設置的緣部。本實施方式所涉及的扭矩檢測裝置20安裝在曲柄軸7上。此時，會有因曲柄軸7的形狀(例如表面形狀等)對支撐部32及支撐部42的磁場(磁通)帶來影響的情況。而且，曲柄軸7的形狀會有因各廠家的不同而不同的情況。在這種情況下，曲柄軸7對支撐部32及支撐部42的磁場(磁通)帶來的影響因曲柄軸7的形狀的不同而不同。但是，通過設置本實施方式所涉及的密封罩70 (覆蓋在支撐部32、霍爾傳感器35、霍爾傳感器36、支撐部42、霍爾傳感器45、以及霍爾傳感器46的周圍的密封罩)，能夠防止曲柄軸7對支撐部32及支撐部42的磁場(磁通)帶來影響。即，無論曲柄軸7的形狀如何，均能夠采用通用規格的扭矩檢測裝置20。(霍爾傳感器與支撐部的位置關系)
在此，在本實施方式所涉及的扭矩檢測裝置20中，以如下的位置關系配置有霍爾傳感器和支撐部。另外，霍爾傳感器45、46與支撐部42的位置關系與霍爾傳感器35、36與支撐部32的位置關系相同。因此，以下對霍爾傳感器35、36與支撐部32的位置關系進行說明。圖5是表示本實施方式所涉及的霍爾傳感器與支撐部的位置關系的說明圖。以下，使用該圖5并參照后述的圖8對霍爾傳感器35、36與支撐部32的位置關系進行說明。以往，在旋轉編碼器等中，以圖8那樣的位置關系配置多極磁化環磁鐵(由多極磁鐵形成的環狀部件)和磁頭。即，如圖8所示，在設多磁化環磁鐵101的磁極間隔為d的情況下，將磁頭102以及多極磁化環磁鐵101配置成磁頭102與多磁化環磁鐵101的間隔h滿足h > d。通過這樣配置磁頭102以及多極磁化環磁鐵101，能夠使磁頭102的檢測信號為大致正弦波形狀。
當著眼于本實施方式所涉及的霍爾傳感器35、36與支撐部32的位置關系時(圖5)，由于霍爾傳感器能夠判斷磁鐵的極性，所以通過將霍爾傳感器35、36僅離開支撐部32(即N極磁鐵37以及S極磁鐵38)規定的距離地配置，能夠使霍爾傳感器35、36的檢測信號為大致正弦波形狀。此時，即使在將N極磁鐵37以及S極磁鐵38安裝在凹部33的本實施方式所涉及的支撐部32中，本領域的技術人員通常也必定仿照上述的磁頭102以及多極磁化環磁鐵101的位置關系配置霍爾傳感器35、36以及支撐部32。即，本領域的技術人員通常必定將霍爾傳感器35、36配置成滿足下式(I)。hi 彡 d (I)
在此，hi表示支撐部32的N極磁鐵37以及S極磁鐵38與霍爾傳感器35、36之間的最短距離。而且，d表示N極磁鐵37與S極磁鐵38的中心間距離。即，d表示{支撐部32(即N極磁鐵37以及S極磁鐵38)的行走軌跡的直徑} / (N極磁鐵37以及S極磁鐵38的數量)。 但是，申請人通過反復討論研究發現，通過將霍爾傳感器35、36配置成滿足下式
(2)，霍爾傳感器35、36的檢測信號為大致正弦波形狀。hi 彡 d， (2)
在此，d’表示N極磁鐵37與S極磁鐵38的最短距離。即，d’表示[{支撐部32 (即N極磁鐵37以及S極磁鐵38)的行走軌跡的直徑}/ (N極磁鐵37以及S極磁鐵38的數量)]-(N極磁鐵37以及S極磁鐵38的直徑)。因此，本實施方式所涉及的扭矩檢測裝置20將霍爾傳感器35、36配置成滿足下式
(3)。d，( hl〈d (3)
通過這樣配置霍爾傳感器35、36，能夠比以往更接近支撐部32地配置霍爾傳感器35、36。從上述的圖I可知，扭矩檢測裝置20配置在電動助力自行車I的框架2與曲柄桿8L(或者曲柄桿8R)之間。因此，希望扭矩檢測裝置20的厚度盡可能地薄。因此，像本實施方式那樣配置霍爾傳感器35、36的扭矩檢測裝置20作為搭載在電動助力自行車I上的扭矩檢測裝置是非常有用的。另外，本實施方式所涉及的扭矩檢測裝置20是將霍爾傳感器35、36、45、46安裝在了密封罩70上,但也可以另外設置安裝霍爾傳感器35、36、45、46的傳感器托架。而且,在支撐部32 (即N極磁鐵37以及S極磁鐵38)的高度與支撐部42 (即N極磁鐵47以及S極磁鐵48)的高度不同的情況下，只要是將霍爾傳感器35、36、45、46配置成檢測高度較高的支撐部的磁場的霍爾傳感器滿足上式(3)即可。而且，在本實施方式中，將霍爾傳感器35、36配置在了支撐部32的行走軌跡上，將霍爾傳感器45、46配置在了支撐部42的行走軌跡上，但霍爾傳感器35、36、45、46的配置位置并不僅限于此。例如，也可以將霍爾傳感器35、36配置在比支撐部32的行走軌跡靠內周側緣部72，將霍爾傳感器45、46配置在比支撐部42的行走軌跡靠外周側緣部73。這樣一來，能夠抑制霍爾傳感器35、36中支撐部42的磁場產生的影響，并能夠抑制霍爾傳感器45、46中支撐部32的磁場產生的影響。而且，上述的式(2)以及式(3)是設想了將大致圓柱形狀的N極磁鐵37以及S極磁鐵38設在支撐部32的凹部33的情況，但N極磁鐵37以及S極磁鐵38的形狀是任意的。例如，在從與支撐部32的行走軌跡垂直的方向觀察N極磁鐵37以及S極磁鐵38的情況下，其形狀不是圓形狀。在這種情況下，只要是在計算出式(2)以及式(3)的d’之際將「N極磁鐵37以及S極磁鐵38的直徑」換成「N極磁鐵37以及S極磁鐵38的行走軌跡方向上的長度」即可。(扭矩檢測裝置的相位檢測方法)
圖6是用于說明本發明的實施方式所涉及的扭矩檢測裝置的相位檢測方法的說明圖。另外，圖6 (a)是表不支撐部32、42與霍爾傳感器35、36、45、46的位置關系的說明圖。而且，圖6 (b)是說明霍爾傳感器35、36、45、46的檢測波形的說明圖。以下，基于該圖6以及上述的圖I 圖5對本實施方式所涉及的扭矩檢測裝置20的相位檢測方法進行說明。如上所述，人力進行的踏板踏力經由曲柄軸7傳遞到軸部旋轉體30。即當人力進 行的踏板踏力賦予踏板9L、9R時，軸部旋轉體30與曲柄軸7 —起旋轉。隨著軸部旋轉體30的旋轉，在連接軸部旋轉體30與齒部旋轉體40的螺旋彈簧50上作用有人力進行的踏板踏力(即作用在曲柄軸7上的踩踏扭矩)，螺旋彈簧50被壓縮。這樣，當成為被壓縮時的螺旋彈簧50的反作用力(彈性力)與人力進行的踏板踏力平衡的狀態時，齒部旋轉體40開始旋轉。這樣一來，人力進行的踏板踏力經由與齒部旋轉體40嚙合的鏈條10向后輪6傳遞。S卩，在軸部旋轉體30與齒部旋轉體40之間產生相當于人力進行的踏板踏力的相位差Λ Θ。因此，在本實施方式中，計算出軸部旋轉體30的相位和齒部旋轉體40的相位，并求出相當于人力進行的踏板踏力的這些相位差。例如，當軸部旋轉體30處于初始相位狀態(以無負荷狀態開始旋轉之前的狀態)時，霍爾傳感器35檢測大致正弦波狀的檢測波形的上限位置。同樣，當齒部旋轉體40處于初始相位狀態(以無負荷狀態開始旋轉之前的狀態)時，霍爾傳感器45檢測大致正弦波狀的檢測波形的上限位置。當在該狀態下人力進行的踏板踏力賦予踏板9L、9R，軸部旋轉體30以及齒部旋轉體40旋轉時，霍爾傳感器35以及霍爾傳感器45的檢測信號如圖6 (b)中所示那樣。因此，控制器22能夠基于從霍爾傳感器35以及霍爾傳感器45輸入的這些檢測信號而計算出相當于人力進行的踏板踏力的相位差Λ Θ (= Θ丨一 02)。此時，本實施方式所涉及的扭矩檢測裝置20由于具備霍爾傳感器36以及霍爾傳感器46，所以控制器22通過使用這些霍爾傳感器的檢測信號而在剛開始了軸部旋轉體30以及齒部旋轉體40的相位檢測后立即計算出這些相位的絕對值。例如，在霍爾傳感器35的檢測信號為O的情況下，如果沒有霍爾傳感器36的檢測信號，則控制器22不能夠進行齒部旋轉體的相位是在圖6(b)所示的A點還是B點的判別。另一方面，若霍爾傳感器36的檢測信號已輸入到控制器22中，則控制器22能夠將霍爾傳感器35的檢測信號為O、霍爾傳感器36的檢測信號為正的情況判別為軸部旋轉體30的相位是在A點，將霍爾傳感器35的檢測信號為O、霍爾傳感器36的檢測信號為負的情況判別為軸部旋轉體30的相位是在B點。即，控制器22能夠基于霍爾傳感器35以及霍爾傳感器36的檢測信號，在剛開始了軸部旋轉體30的相位檢測后立即計算出軸部旋轉體30為電角度偏離了多少度的狀態(即Θ I的值)。同樣，控制器22能夠基于霍爾傳感45以及霍爾傳感器46的檢測信號，在剛開始了齒部旋轉體40的相位檢測后立即計算出齒部旋轉體40為電角度偏離了多少度的狀態(即Θ 2的值)。
另外，在本實施方式中，控制器22例如下述那樣計算出Θ I以及Θ 2的值。在此，由于Θ I和Θ 2的計算方法使用同樣的方法，因而以下對Θ I的計算方法進行說明。當設霍爾傳感器35以及霍爾傳感器36的振幅的最大值為k時，霍爾傳感器35的檢測信號Vl以及霍爾傳感器36的檢測信號V2能夠表示成下式(4)以及下式(5)。Vl = ksin Θ I · · · (4)
V2 = kcos Θ I · · · (5)
這樣，通過使用式(4)以及式(5)，Θ I能夠表示成下式(6)。Θ I = tarf1 { (sin Θ I) / (cos θ I) } · · · (6)
因此，在本實施方式中，控制器22將霍爾傳感器35的檢測信號作為sin Θ I，將霍爾傳感器36的檢測信號作為cos Θ 1，從上述的式(6)求出Θ1。振幅的最大值k是因支撐部32 (更詳細地說是N極磁鐵37以及S極磁鐵38)與霍爾傳感器36、37的距離而變化的值。而且，振幅的最大值k也因支撐部32 (更詳細地說是N極磁鐵37以及S極磁鐵38)而變化。即，振幅的最大值k是隨時間推移而變化的值。但是，通過從上述的式(6)求出0 1，在01的計算上不再需要使用k，從而能夠沒有隨時間推移而變化的影響地正確求出Θ I。而且，在本實施方式中，控制器22例如下述那樣計算出人力進行的踏板踏力。控制器22預先存儲對應于軸部旋轉體30與齒部旋轉體40的相位差，和人力進行的踏板踏力的表格及計算式。這樣，控制器22將上述那樣計算出的軸部旋轉體30與齒部旋轉體40的相位差代入該表格及計算式，計算出人力進行的踏板踏力。另外，該表格及計算式既可以例如基于螺旋彈簧50的彈簧常數計算出，也可以例如通過模擬求出，還可以例如通過實測求出。以上，由于這樣使用本實施方式所涉及的扭矩檢測裝置20，控制器22能夠在剛開始了軸部旋轉體30以及齒部旋轉體40的相位檢測后立即計算出這些相位的絕對值，所以能夠在蹬車剛開始后立即計算出人力進行的踏板踏力。因此，能夠在蹬車剛開始后即立即賦予最佳的助動力。另外，在本實施方式中，是將霍爾傳感器35與霍爾傳感器36配置在相差90°的電角度的位置上，但霍爾傳感器35與霍爾傳感器36的偏離角并不僅限于90°電角度。在從支撐部32的0°電角度到360°電角度之間，霍爾傳感器35表示同一個檢測值的部位有多個。只要是能夠判斷該同一個檢測值為多少電角度，則霍爾傳感器35與霍爾傳感器36的偏離角可以是任意的。例如，在霍爾傳感器35與霍爾傳感器36的偏離角為Θ h的情況下，可以將上述的式(5)以及式(6)換成下式(7)以及下式(8)。V2 = ksin ( Θ I + Θ h) · · · (7)
Θ I = tarf1 [VI/{ (V2 — Vlcos0h)/sin0h}] · · · (8)
同樣，霍爾傳感器45與霍爾傳感器46的偏離角也是任意的。而且，在本實施方式中，是通過壓縮式的螺旋彈簧50連接軸部旋轉體30與齒部旋轉體，但連接軸部旋轉體30與齒部旋轉體的彈性體能夠使用各種彈性體。例如，作為連接軸部旋轉體30與齒部旋轉體的彈性體，可以使用橡膠及拉伸式的螺旋彈簧。而且，例如圖7所示，作為連接軸部旋轉體30與齒部旋轉體的彈性力，也可以使用板簧。另外，圖7所示的扭矩檢測裝置20是軸部旋轉體30與曲柄桿8L —體形成，從軸部旋轉體30的外周部延伸設有多個板簧51。這樣，由于這些板簧51的端部固定在齒部旋轉體40的突片40e上，從而軸部旋轉體30與齒部旋轉體40連接在一起。本實施方式所示的扭矩檢測裝置20由于支撐部32、42與霍爾傳感器35、36、45、46的距離非常重要，所以希望軸部旋轉體30與齒部旋轉體40的位置關系不相對于旋轉軸方向(曲柄軸7的軸心方向)偏離。通過由板簧51連接軸部旋轉體30與齒部旋轉體，即使不另外設置用于防止位置偏離的結構也能夠防止軸部旋轉體30與齒部旋轉體40的旋轉軸方向上的偏離，廉價地制造扭矩檢測裝置20。而且，在本實施方式中，雖然在檢測軸部旋轉體30與齒部旋轉體40的相位差之際未特別進行初始補正，但也可以在檢測軸部旋轉體30與齒部旋轉體40的相位差之際進行初始補正。例如，由于扭矩檢測裝置20的結構零部件的制作誤差及組裝誤差等，支撐部32與霍爾傳感器35、36的位置關系及支撐部42與霍爾傳感器45、46的位置關系變化。這樣一來，在軸部旋轉體30以及齒部旋轉體40上未施加負荷(踏板踏力)的狀態下，會有在軸部旋轉體30與齒部旋轉體40之間產生相位差的情況。在使該初始相位差預先存儲在控制器22中，檢測軸部旋轉體30與齒部旋轉體40的相位差之際，通過以該初始相位差補正上述那樣檢測的軸部旋轉體30與齒部旋轉體40的相位差，能夠更正確地計算出軸部旋轉體30與 齒部旋轉體40的相位差。而且，在本實施方式中，將支撐部42構成為凹部43為與凹部33相同的等間隔角度。但是，凹部43只要是各凹部43以等間隔角度配置即可，無需是與凹部33相同的等間隔角度。即，只要是N極磁鐵47以及S極磁鐵48是以等間隔角度配置即可，而無需是與N極磁鐵37以及S極磁鐵38相同的等間隔角度。S卩，當將支撐部32的極對數設為pfl，將支撐部42的極對數設為pf2，將從霍爾傳感器35 (或者霍爾傳感器36)到附近的N極磁鐵37的電角度設為Θ el，將從霍爾傳感器45 (或者霍爾傳感器46)到附近的N極磁鐵47的電角度設Θ e2,則軸部旋轉體30與齒部旋轉體40的機械相位差△ Θ能夠以下式(9)表示。ΔΘ = Θ I — Θ 2 = ( Θ el/pf I) — ( Θ e2/pf2) · · (9)
例如，在支撐部32的極對數為6 (N極磁鐵37為6個，S極磁鐵38為6個)，支撐部42的極對數也為6 (N極磁鐵47為6個，S極磁鐵48為6個)的情況下，即支撐部32的極對數與支撐部42的極對數為相同數量的情況下，式(9)則成為下式(10)。ΔΘ = Θ I — Θ 2 = ( Θ el/6) — ( Θ e2/6) · · · (10)
而且，在例如支撐部32的極對數為6 (N極磁鐵37為6個，S極磁鐵38為6個)，支撐部42的極對數為12 (N極磁鐵47為12個，S極磁鐵48為12個)的情況下，即支撐部42的極對數為支撐部32的極對數的2倍的情況下，式(9)則成為下式(11)。ΔΘ = Θ I — Θ 2 = ( Θ el/6) —( Θ e2/12)= ( Θ el/6)— {( Θ e2/6)/2} ···( 11)
因此，在支撐部42的極對數為支撐部32的極對數的j (= pf2/pfl)倍的情況下，通過求出從電角度Θ el減去電角度Θ e2的Ι/j倍的值后的減法值，再用該減法值除以pfl (支撐部32的極對數)，能夠求出軸部旋轉體30與齒部旋轉體40的機械相位差Λ Θ。
權利要求
1.ー種扭矩檢測裝置，用于電動助力自行車上，其特征在于，具備 軸部旋轉體，設在人力驅動系統的曲柄軸上； 齒部旋轉體，經由弾性體與該軸部旋轉體相連，外周部形成有鏈條嚙合的齒部； 第I支撐部，設在上述軸部旋轉體上，按照N扱、S極的順序以等間隔角度配置有第I磁化部件； 第2支撐部，設在上述齒部旋轉體上，按照N扱、S極的順序以等間隔角度配置有第2磁化部件； 第I霍爾傳感器，將上述第I磁化部件的磁場作為大致正弦波狀的檢測信號進行檢測； 第2霍爾傳感器，與上述第I霍爾傳感器僅偏離規定的電角度地配置，將上述第I磁化部件的磁場作為大致正弦波狀的檢測信號進行檢測； 第3霍爾傳感器，將上述第2磁化部件的磁場作為大致正弦形狀的檢測信號進行檢測； 第4霍爾傳感器，與上述第3霍爾傳感器僅偏離規定的電角度地配置，將上述第2磁化部件的磁場作為大致正弦波狀的檢測信號進行檢測。
2.如權利要求I所述的扭矩檢測裝置，其特征在干， 上述第I磁化部件是安裝在上述第I支撐部上的磁鐵， 上述第I霍爾傳感器以及上述第2霍爾傳感器配置成上述第I霍爾傳感器以及上述第2霍爾傳感器與上述第I磁化部件之間的最短距離hi為[{(上述第I磁化部件的行走軌跡的直徑/上述第I磁化部件的數量)一上述第I磁化部件的行走軌跡方向上的長度} <hl〈(上述第I磁化部件的行走軌跡的直徑/上述第I磁化部件的數量)]。
3.如權利要求I所述的扭矩檢測裝置，其特征在干， 上述第2磁化部件是安裝在上述第2支撐部上的磁鐵， 上述第3霍爾傳感器以及上述第4霍爾傳感器配置成上述第3霍爾傳感器以及上述第4霍爾傳感器與上述第2磁化部件之間的最短距離h2為[{(上述第2磁化部件的行走軌跡的直徑/上述第2磁化部件的數量)一上述第2磁化部件的行走軌跡方向上的長度} く h2〈(上述第2磁化部件的行走軌跡的直徑/上述第2磁化部件的數量)]。
4.如權利要求I所述的扭矩檢測裝置，其特征在干， 設有覆蓋上述第I霍爾傳感器，上述第2霍爾傳感器，上述第3霍爾傳感器，上述第4霍爾傳感器，上述第I支撐部，以及上述第2支撐部的周圍的密封罩。
5.如權利要求I所述的扭矩檢測裝置，其特征在干， 具備與上述第I霍爾傳感器、上述第2霍爾傳感器、上述第3霍爾傳感器、以及上述第4霍爾傳感器相連的控制器，和與上述控制器相連的馬達； 上述控制器基于由上述第I霍爾傳感器檢測的大致正弦波狀的檢測信號和由上述第2霍爾傳感器檢測的大致正弦波狀的檢測信號計算出上述軸部旋轉體的相位，基于由上述第3霍爾傳感器檢測的大致正弦波狀的檢測信號和由上述第4霍爾傳感器檢測的大致正弦波狀的檢測信號計算出上述齒部旋轉體的相位，將上述馬達的輸出值控制成與上述軸部旋轉體與上述齒部旋轉體的相位差相對應的輸出值。
6.如權利要求5所述的扭矩檢測裝置，其特征在干，上述第2霍爾傳感器相對于上述第I霍爾傳感器偏離90°電角度地配置， 上述第4霍爾傳感器相對于上述第3霍爾傳感器偏離90°電角度地配置， 上述控制器將由上述第I霍爾傳感器以及上述第2霍爾傳感器檢測的正弦波狀的檢測信號分別作為sin Θ I以及cos Θ 1，計算出Θ I = tarT1 { (sin Θ I)/ (cos Θ I)}，將由上述第3霍爾傳感器以及上述第4霍爾傳感器檢測的正弦波狀的檢測信號分別作為sin Θ 2以及 cos Θ 2,計算出 Θ 2 = tarT1 { (sin Θ 2) / (cos θ 2) }, 將上述軸部旋轉體與上述齒部旋轉體的相位差Λ Θ作為Λ θ = Θ I — Θ2求出。
7.如權利要求5所述的扭矩檢測裝置，其特征在干， 上述控制器預先存儲了在上述齒部旋轉體上未施加來自外部的負荷的狀態下檢測的上述軸部旋轉體與上述齒部旋轉體的初始相位差， 以上述初始相位差對在上述齒部旋轉體上施加了來自外部的負荷的狀態下檢測的上述軸部旋轉體與上述齒部旋轉體的相位差進行補正。
8.如權利要求I所述的扭矩檢測裝置，其特征在干， 上述弾性體是板簧。
9.ー種扭矩檢測裝置単元，其特征在于，具備 權利要求I 權利要求8中任ー項所述的扭矩檢測裝置， 上述曲柄軸， 經由曲柄桿與該曲柄軸的兩端部相連的踏板。
10.一種電動助力自行車，其特征在干， 具備權利要求I 權利要求8中任ー項所述的扭矩檢測裝置或者權利要求9所述的扭矩檢測裝置単元。
全文摘要
本發明涉及一種扭矩檢測裝置、扭矩檢測裝置單元以及電動助力自行車。本發明提供能夠通過簡單的結構而在蹬車剛開始后立即計算出人力進行的踏板踏力的扭矩檢測裝置。扭矩檢測裝置具備設在曲柄軸上的軸部旋轉體；經由螺旋彈簧與軸部旋轉體相連，外周部形成有鏈條嚙合的齒部的齒部旋轉體；設在軸部旋轉體上，按照N極、S極的順序以等間隔角度配置有磁鐵的第1支撐部；設在齒部旋轉體上，按照N極、S極的順序以與第1支撐部相同的等間隔角度配置有磁鐵的支撐部；僅偏離規定的電角度地配置，將第1支撐部的磁場作為大致正弦波狀的檢測信號進行檢測的霍爾傳感器；以及僅偏離規定的電角度地配置，將第2支撐部的磁場作為大致正弦波狀的檢測信號進行檢測的霍爾傳感器。
文檔編號B62M6/50GK102673718SQ20111025646
公開日2012年9月19日 申請日期2011年9月1日 優先權日2011年3月9日
發明者坂本三直, 市川崇行, 權赫鎮, 蔡文強, 鹿島祐晃 申請人:邁為株式會社