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JP4722271B2 - Torque detection device - Google Patents

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JP4722271B2
JP4722271B2 JP2000269581A JP2000269581A JP4722271B2 JP 4722271 B2 JP4722271 B2 JP 4722271B2 JP 2000269581 A JP2000269581 A JP 2000269581A JP 2000269581 A JP2000269581 A JP 2000269581A JP 4722271 B2 JP4722271 B2 JP 4722271B2
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JP
Japan
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bearing
detection device
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torque
torque detection
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JP2000269581A
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俊春 三上
かおり 藤田
清隆 木下
仁 岸本
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Shimano Inc
JTEKT Corp
Original Assignee
Shimano Inc
JTEKT Corp
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62MRIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M3/00Construction of cranks operated by hand or foot
    • B62M3/003Combination of crank axles and bearings housed in the bottom bracket
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62JCYCLE SADDLES OR SEATS; AUXILIARY DEVICES OR ACCESSORIES SPECIALLY ADAPTED TO CYCLES AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. ARTICLE CARRIERS OR CYCLE PROTECTORS
    • B62J45/00Electrical equipment arrangements specially adapted for use as accessories on cycles, not otherwise provided for
    • B62J45/40Sensor arrangements; Mounting thereof
    • B62J45/41Sensor arrangements; Mounting thereof characterised by the type of sensor
    • B62J45/411Torque sensors

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トルク検出装置に係り、特に車輪を有し走行し得る自転車、及び、トレーニング用のエアロバイク等の走行し得ない自転車の駆動トルクの検出に好適なトルク検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
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増えているが、その運動にあたって、自分が消費したエネルギを知ることはきわめて有益である。そのために、自転車を走行するに必要な駆動トルクをトルク検出装置によって検出し、このトルク検出装置の出力に基づいて消費エネルギ(運動量)を演算できるようにしたものが、例えば、特開平2−19735号公報あるいは特開平8−338774号公報等によって提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のトルク検出装置は、構造が複雑で高価であり、一般の自転車等への搭載が難しい問題があった。即ち、従来のトルク検出装置は、いずれも歪ゲージ方式や磁歪式等、高精度で高価なものであり、例えば、自転車競技者の訓練用など、高精度な測定データが必要なものには適するかも知れないが、一般の自転車への搭載はコスト的に難しく、そのために安価なトルク検出装置の出現が望まれている。
【0004】
係る課題に対応するため、本出願人は、特開平11−258078号にて、クランク軸を支持するベアリングの外周と、自転車のフレームの軸受の内周との間に、センサを配設したスリーブを設ける技術を提案した。この技術では、トルク検出装置を廉価に構成できるものの、ベアリングの外周にスリーブを配設するため、フレームの軸受の形状を変更しないと自転車に搭載することができなかった。
【0005】
更に、自転車の駆動力によって生じる駆動トルクは、最大10kN以上発生し、クランク軸には常にモーメントが加わっており、これらの力により車体フレーム等が変形してセンサ素子に正確に駆動トルクが伝わらない。このため、上記特開平11−258078号の構成では、測定を正確に行うことが困難であった。
【0006】
本発明は、既存の自転車に取り付けてトルクを検出することができるトルク検出装置を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、請求項1の発明は、自転車のクランク軸に作用する駆動トルクを検出するトルク検出装置において、
前記クランク軸13を回転可能に支持する軸受部30と、
圧力センサ40と、
前記軸受部30の一端を、車体フレーム12の支持部21内に固定する第1固定部材37と、
前記軸受部30の他端に取り付けられ、前記クランク軸13に作用する駆動トルクによる軸受部30の他端の偏位に伴い偏位し、前記圧力センサ40を保持するための前記軸受部30よりも小径に形成された保持部38cを有する偏位部材38と、
前記センサ40と当接する当接部36cを備え、前記車体フレーム12の支持部21内に固定されて、前記軸受部30及び前記偏位部材38の軸方向の移動を規制する第2固定部材36とを備えることを技術的特徴とする。
【0008】
請求項1では、第1固定部材37により、軸受部30の一端を車体フレーム12の支持部21内に固定し、軸受部30の他端に偏位部材38を取り付ける。軸受部30及び偏位部材38は、軸方向の移動が第2固定部材36により規制される。軸受部30の他端は、クランク軸13に作用する駆動トルクにより偏位し、偏位部材38はこれに伴い偏位する。偏位部材38に取り付けられた圧力センサ40が、偏位により第2固定部材36の当接部36cと当接し、偏位量に対応するクランク軸13に作用した駆動トルクを検出する。
ここで、圧力センサ40は、軸受部30よりも小径に形成された偏位部材38の保持部38cに取り付けられる。即ち、軸受部30の外周に圧力センサ40を配設しないので、トルク検出装置が、軸受部30と同じ径に収まり、既存の自転車に用いられている車体フレーム12の支持部21内に収容することが可能になる。
更に、車体フレーム12の変形による影響を受け難いため、正確にトルクを検出することができる。
【0009】
請求項2では、偏位部材38の径方向の側壁38bが、第2固定部材36の側壁36dに対してベアリング48を介して接している。このため、偏位部材38の側壁38bと第2固定部材36の側壁36dとの間の摩擦による影響を受けず、正確にトルクを検出することができる。
【0010】
請求項3では、偏位部材38の保持部38cの上面36d及び下面36eが、第2固定部材36に対してベアリング48を介して接している。このため、ペダルを漕いだ際の踏力による摩擦の影響を受けず、正確にトルクを検出することができる。
【0011】
請求4では、圧力センサ40は、頂部に配設された球面形状の接点部材42を介して、第2固定部材36の当接部36cと接している。このため、駆動トルクのセンサへの伝達が点接触となり、弾性変形による負荷点の移動の影響が少なくなる。
【0012】
請求項5では、圧力センサ40を、第2固定部材36の当接部36cへ押圧するための付勢部材44を設けてある。即ち、圧力センサ40に予圧を加え、駆動トルクの伝達点を固定してあるため、正確に測定することができる。更に、ペダルを漕いだ際に、圧力センサ40が第2固定部材36の当接部36cから離れることがなく、当接を繰り返すことによる異音を防止することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る自転車について図を参照して説明する。図1において、10は自転車の前輪、11は後輪、12は車体フレーム、13はクランク軸(駆動軸)、14はクランクアーム、15はクランク軸13によって駆動される駆動スプロケット、16は後車軸、17は後車軸16上に設けられた従動スプロケット、18は駆動スプロケット15と従動スプロケット17にかけ渡したチェーン、19はハンドル部に設置された表示器である。
【0014】
前記車体フレーム12には、図2に詳細図示するように、前記クランク軸13を挿通する中空円筒状の支持部21が設けられ、この支持部21の支持穴21Aにクランク軸13を支持する軸受30が収容されている。軸受30のアウターケーシング30a内には、ベアリング32、34を介してクランク軸13が回転可能に支持されている。
【0015】
軸受30の駆動スプロケット15の反対側の端部(左端部)は、支持部21の支持穴21Aに左アダプタ37を介して固定されている。即ち、支持穴21Aの左側内周にはネジ21aが形成されており、該ネジ21aに、左アダプタ37のネジ37aが螺合している。該左アダプタ37の中央の開口には、左蓋46Aが嵌められている。
【0016】
一方、軸受30の駆動スプロケット15側の端部(右端部)にはハウジング38が取り付けられている。該ハウジング38には、軸受30の端部を嵌入するための凹部38aと、側壁38bと、軸受30よりも小径に形成された保持部38cとが形成されている。該保持部38cには、センサチップ40が取り付けられる。
【0017】
該ハウジング38の保持部38cの外周側には、中央に通孔36bを有する右アダプタ36が配設されている。該右アダプタ36の内周には、上述したセンサチップ40の頂部に取り付けられた接点部材42が当接する当接部36cが形成されている。該当接部36cのクランク軸13を挟んだ反対側の端部には、圧縮バネ44が配設され、センサチップ40を、該右アダプタ36の内周に押し当てることで予圧を加えている。上述した軸受30及びハウジング38は、右アダプタ36により、軸方向の移動が規制される。支持穴21Aの右側内周にはネジ21aが形成されており、該ネジ21aに、右アダプタ36のネジ36aが螺合している。該右アダプタ36の中央の開口には、右蓋46Bが嵌められている。
【0018】
この軸受30、左アダプタ37、ハウジング38、右アダプタ36の取り付けについて図3を参照して説明する。
先ず、支持部21の支持穴21A内に軸受30を挿入する(図3(A))。次に、支持穴21Aの左側内周のネジ21aに、左アダプタ37のネジ37aを螺合させることで、軸受30の右端部を固定する(図3(B))。ここで、左アダプタ37と軸受30との間に図示しないカラーを介挿させることが好適である。そして、支持穴21Aの右側から、先ず、ハウジング38を挿入し、支持穴21Aの右側内周のネジ21aに、右アダプタ36のネジ36aを螺合させ、右アダプタ36を固定する(図3(C))。
【0019】
本実施形態では、左アダプタ37により、軸受30の左端を車体フレーム12の支持孔21A内に固定し、軸受30の右端にハウジング38を取り付ける。軸受30及びハウジング38は、軸方向の移動が右アダプタ36により規制される。軸受30の右端は、クランク軸13に作用する駆動トルクにより偏位し(弾性変形)、ハウジング38はこれに伴い偏位する。ハウジング38に取り付けられたセンサチップ40が、偏位により右アダプタ36の当接部36cと当接し、偏位量に対応するクランク軸13に作用した駆動トルクを検出する。
【0020】
ここで、センサチップ40は、軸受30よりも小径に形成されたハウジング38の保持部38cに取り付けられる。即ち、軸受30の外周にセンサチップを配設しないので、トルク検出装置が、軸受30と同じ径に収まり、既存の自転車に用いられている車体フレームの支持孔21A内に収容することが可能になる。
【0021】
ここで、図4を参照してセンサチップ40による駆動トルク検出の原理を説明する。クランクアーム14のペダルを踏力Kで踏んで駆動スプロケット15を回転させると、チェーン18でのチェーンテンションTにより、軸受30に反力Sが発生する。この反力により軸受30の右端(図2参照)が撓み、軸受30の撓みによりハウジング38が偏位してセンサチップ40を右アダプタ36側へ押し当て、センサチップ40に機械的な歪みを生起させ、この歪みに応じてセンサチップ40の電気抵抗が変化する。なお、本実施形態では、センサチップ40をクランク軸の中心から水平に位置させているが、特開平11−258078号のように角度θ分ずらして配置することもできる。
【0022】
本実施形態のトルク検出装置は、ハウジング38と右アダプタ36との間での摩擦を低減するようにベアリングが配設されている。この構成について、図4及び図5を参照して説明する。
図5(A)は図2のB−B断面図であり、図4に示すハウジング38が90度回転して示されている。図5(D)は図(A)のD−D断面図である。図4に示すようにハウジング38の保持部38cの上端面38d及び下端面38eと、右アダプタ36の通孔36bとの間には、リテーナ47に保持されたローラベアリング48が介在されている。即ち、上述したようにクランクアーム14のペダルを踏力Kで踏むと、ハウジング38を右アダプタ36に対して下方向に押し付ける力が発生するが、ローラベアリング48を介在させることで、センサチップ40による反力検出に影響がないようにしてある。ここでは、ローラベアリング48を用いているが、図5(E)に示すように、リテーナ47を介してボールベアリング49を介在させることも可能である。
【0023】
図5(C)は、図2中のC−C断面図である。図5(C)及び図2に示すように、ハウジング38の右側面38bの側方には、リテーナ47を介してボールベアリング48が配設されている。即ち、右アダプタ36の左端面36dは、ボールベアリング48を介して上述したハウジング38の側壁38bと接するようになっている。図3(C)を参照して上述したように、自転車へのトルク検出装置組み付けの際に、ハウジング38を右アダプタ36で押し付ける。このため、ボールベアリング48を介在させることで、右アダプタ36の左端面36dとハウジング38の側壁38bとの接触抵抗により、センサチップ40による反力検出に影響を受けないようにしてある。
【0024】
図2を参照して上述したように、センサチップ40の当接する当接部36cのクランク軸13を挟んだ反対側の端部には、圧縮バネ44が配設され、センサチップ40を、該右アダプタ36の内周に押し当てることで予圧を加えている。即ち、センサチップ40に100N以下の予圧を加え、駆動トルクの伝達点を固定してあるため、正確に測定することができる。更に、ペダルを漕いだ際に、センサチップ40が当接部36cから離れることがなく、当離を繰り返すことによる異音を防止することができる。
【0025】
ここで、予圧を加えた状態で、図6(B)に示すようにセンサチップ40が偏位すると、予圧を加えた時に生じた接点部材42、右アダプタ36の当接点が初期変位が変わり、センサチップ40で検出する力は、(テンション反力−予圧変化)となる。また、テンション負荷が解放されたとき、2部品間の予圧の大きさが、弾性変形した部品が元に戻ろうとする時の摩擦力となり、初期位置に復帰しなくなり、無負荷時の出力が変化する。このため、予圧は位置変化に影響しない100N以下に抑える必要がある。
【0026】
なお、圧縮バネ44の代わりに、図5(B)に示すように、ゴム144等の弾性部材を介在させて予圧を発生させることもできる。
【0027】
更に、本実施形態では、図6(A)に示すように、センサチップ40の頂部に半球形状の接点部材42が取り付けられ、当接部36cへ当接している。即ち、駆動トルクのセンサチップ40への伝達が点接触となり、弾性変形による負荷点の移動の影響が少なくなる。これに対して、図6(B)に示すように、半球形状の接点部材42をセンサチップ40に配設しないと、片当たりすると共に、センサチップ40の端部の欠損理由となる。
【0028】
このセンサチップ40は後に詳述するように、機械的な歪みに応じて電気抵抗が変化する特性を有する機能性セラミックにて構成されている。そして、センサチップ40は、荷重検出回路50に接続され、この荷重検出回路50によりセンサチップ40に加えられた荷重をその抵抗変化に基づいて検出するようになっている。センサチップ40としては、例えば、特願平8−205320号に記載された機能性セラミックが好適である。当該機能性セラミックは、圧力を加えると、電極間(感圧部)の抵抗値が減少する特性を有し、これを電圧として検出し、圧力を求める。
【0029】
ここで、センサチップ40を用いる荷重検出回路50の構成について図7を参照して説明する。
センサチップ40は、一対の検出部(R+ΔR)と、検出部の一方に接続されたダミー抵抗Rとからなる。ここで、ΔRは、反力Sによる抵抗変化を示している。一方、荷重検出回路50には、一対の固定抵抗r、rが備えられており、上記センサーチップ40の検出部とブリッジを構成している。ここで、定電圧Vが印加されると、ブリッジ出力eとして、次式で表される電位が発生する。
【数1】
e={〔R/(R+r)〕−(R+ΔR)/〔(R+ΔR)+r〕}×V
この出力電位eから、反力Sを求めることができる。
【0030】
図8は荷重検出回路50にて検出された荷重から駆動トルクを演算するとともに、この駆動トルクから消費エネルギを演算して表示するためのブロック図である。CPU52には荷重検出回路50で検出された荷重に対応したアナログ信号が、A/D変換回路54でデジタル信号に変換されて加えられる。ROM56には検出された荷重に基づいて、駆動トルクならびに消費エネルギを演算するためのプログラムが格納されており、またRAM58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、ROM56およびRAM58とCPU52との間で必要な信号が授受され、駆動トルクならびに消費エネルギが演算される。そして、演算された消費エネルギは表示装置19に表示される。
【0031】
前記ROM56のプログラムは、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)に割り込み起動して荷重検出回路50にて検出された荷重信号(抵抗もしくは電圧)をサンプリングする。一方、メインプログラムは、タイマ割り込みルーチンによってサンプリングされた荷重信号を単位時間毎に積分して駆動トルクを演算し、さらにこの駆動トルクより消費エネルギ換算式を用いて消費エネルギを演算し、表示装置19に表示する。なお、表示器19には消費エネルギの他、時間積分によって求められた駆動トルクを併せて表示させることもできる。
【0032】
次に上述のように構成した本発明装置の作用を説明する。図4に示すようにクランクアーム14のペダルを踏力Kで踏んで駆動スプロケット15を回転させると、チェーン18でのチェーンテンションTにより、軸受30に反力Sが発生する。この反力により軸受30の右端が撓み、この撓みに応じてセンサチップ40に機械的な歪みが生起され、この歪みに応じてセンサチップ40の電気抵抗が変化する。
【0033】
すなわち、自転車に駆動トルクが作用していない状態においては、センサチップ40には上述した予圧しか作用しておらず、センサチップ40の電気抵抗値は大きくなっているが、自転車の走行に伴って駆動トルク(駆動反力)が作用すると、その駆動トルクの増大に応じてセンサチップ40に作用する荷重が大きくなり、センサチップ40の電気抵抗値は荷重の増大に反比例して減少する。従って、センサチップ40の電気抵抗の変化に基づいて自転車に作用する駆動トルクを計測できるようになる。
【0034】
タイマ割り込みルーチンは、一定時間周期ごとに割り込み起動して荷重検出回路50にて検出された荷重信号をサンプリングし、メインプログラムでは、タイマ割り込みルーチンによってサンプリングされた荷重信号を時間積分して駆動トルクを求め、さらにこの駆動トルクに基づいて消費エネルギを演算し、表示装置19に表示する。
【0035】
本実施形態では、検出のために歪ゲージを取付ける可撓部を実質的に設ける必要がなく、また温度変化による影響も受けにくいので、装置を堅牢に構成することができる。従って雨水や炎天下等の過酷な条件下で使用される自転車等への適用に際しても、長期にわたって安定したトルク検出を行い得るようになる。このようなトルク検出装置の実現により、自転車の駆動に要した消費エネルギを求めることが容易に実現できるようになり、健康の維持管理あるいはダイエット用に寄与できるものである。
【0036】
なお、上述した構成では、右アダプタ36とハウジング38との摩擦を軽減するため、ベアリングを用いたが、この代わりに、エアー或いは液体を封止した部品を自転車のフレーム内に組み込むことも可能である。
【0037】
なお、上記したトルク検出装置は、上記した消費エネルギ表示用の他、クランクペダルの操作力を電動でアシストする電動アシスト自転車のトルク検出用、又は、屋内でのトレーニング用のエアロバイク等の走行し得ない自転車のトルク検出にも用いることもできる。上記した実施の形態においては、トルク検出装置を、自転車のトルク検出用に適用した例について述べたが、上記のトルク検出装置は自転車の他に、工作機械等へも適用可能である。
【0038】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、センサチップは、軸受よりも小径に形成されたハウジングの保持部に取り付けられる。即ち、軸受の外周にセンサチップを配設しないので、トルク検出装置が、軸受と同じ径に収まり、既存の自転車に用いられている車体フレームの支持孔内に収容することが可能になる。更に、機械的な歪みに応じて電気抵抗が変化する特性を有するセンサチップによって駆動トルクを検出するようにした構成であるので、きわめて簡素な構成でかつ低コストでありながら、堅牢であり、長期にわたって安定したトルク検出を行い得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る自転車を示す外観図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】図3(A)、図3(B)、図3(C)は、トルク検出装置の自転車への組み付けの説明図である。
【図4】センサチップに加わる力を示す説明図である。
【図5】図5(A)は図2のB−B断面図であり、図5(B)は図5(A)の変形例を示す断面図であり、図5(C)は図2のC−C断面図であり、図5(D)は図5(A)のD−D断面図であり、図5(E)は図5(D)の変形例を示す断面図である。
【図6】図6(A)、図6(B)は、センサチップに加わる力を示す説明図である。
【図7】センサチップの回路構成を示す回路図である。
【図8】消費エネルギーを演算するための構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
10 前輪
11 後輪
12 車体フレーム
13 クランク軸(駆動軸)
14 クランクアーム
15 駆動スプロケット
16 後車軸
17 従動スプロケット
18 チェーン
19 表示器
21 支持部
21A 支持孔
21a、21b ネジ
30 軸受
30a アウターケーシング
32、34 ベアリング
36 左アダプタ
36a ネジ
36b 通孔
36c 当接部
36d 左端面
36e 下端面
36d 上端面
37 右アダプタ
37a ネジ
38 ハウジング
38a 凹部
38b 側壁
38c 保持部
40 センサチップ
42 接点部材
44 バネ
46A 左蓋
46B 右蓋
48 ベアリング
50 荷重検出回路
52 CPU
54 A/D変換回路
56 ROM
58 RAM
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a torque detection device, and more particularly to a torque detection device suitable for detection of driving torque of a bicycle that has wheels and can travel, and a bicycle that cannot travel, such as a training exercise bike.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the use of bicycles for health maintenance and dieting has increased, but it is extremely useful to know the energy that you have consumed in exercising. For this purpose, for example, Japanese Patent Laid-Open No. Hei 2-19735 has been disclosed in which a driving torque necessary for traveling a bicycle is detected by a torque detection device and energy consumption (momentum) can be calculated based on the output of the torque detection device. No. 8 or Japanese Patent Laid-Open No. 8-338774.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional torque detection device has a complicated structure and is expensive, and has a problem that it is difficult to mount on a general bicycle or the like. That is, all of the conventional torque detection devices are highly accurate and expensive, such as a strain gauge method and a magnetostriction method, and are suitable for devices that require highly accurate measurement data, for example, for training a bicycle athlete. However, mounting on a general bicycle is difficult in terms of cost, and therefore the appearance of an inexpensive torque detection device is desired.
[0004]
In order to address such a problem, the present applicant has disclosed a sleeve in which a sensor is disposed between an outer periphery of a bearing supporting a crankshaft and an inner periphery of a bearing of a bicycle frame in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-258078. Proposed technology to provide In this technique, although the torque detection device can be configured at a low cost, since the sleeve is disposed on the outer periphery of the bearing, it cannot be mounted on the bicycle unless the shape of the bearing of the frame is changed.
[0005]
Furthermore, the driving torque generated by the driving force of the bicycle is generated at a maximum of 10 kN or more, and a moment is always applied to the crankshaft, and the body frame is deformed by these forces, and the driving torque is not accurately transmitted to the sensor element. . For this reason, it has been difficult to accurately perform measurement with the configuration disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-258078.
[0006]
An object of this invention is to provide the torque detection apparatus which can be attached to the existing bicycle and can detect a torque.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a torque detector for detecting a driving torque acting on a crankshaft of a bicycle.
A bearing 30 that rotatably supports the crankshaft 13;
A pressure sensor 40;
A first fixing member 37 for fixing one end of the bearing portion 30 in the support portion 21 of the vehicle body frame 12;
From the bearing portion 30 that is attached to the other end of the bearing portion 30 and is displaced with the displacement of the other end of the bearing portion 30 due to the driving torque acting on the crankshaft 13 to hold the pressure sensor 40. A displacement member 38 having a holding portion 38c formed with a small diameter,
A second fixing member 36 that includes a contact portion 36c that contacts the sensor 40, is fixed in the support portion 21 of the vehicle body frame 12, and restricts axial movement of the bearing portion 30 and the displacement member 38. It is a technical feature to have.
[0008]
In the first aspect, one end of the bearing portion 30 is fixed in the support portion 21 of the vehicle body frame 12 by the first fixing member 37, and the displacement member 38 is attached to the other end of the bearing portion 30. The axial movement of the bearing portion 30 and the displacement member 38 is restricted by the second fixing member 36. The other end of the bearing portion 30 is displaced due to the driving torque acting on the crankshaft 13, and the displacement member 38 is displaced accordingly. The pressure sensor 40 attached to the displacement member 38 contacts the contact portion 36c of the second fixing member 36 due to the displacement, and detects the drive torque applied to the crankshaft 13 corresponding to the displacement amount.
Here, the pressure sensor 40 is attached to the holding portion 38 c of the displacement member 38 formed to have a smaller diameter than the bearing portion 30. In other words, since the pressure sensor 40 is not disposed on the outer periphery of the bearing portion 30, the torque detection device fits in the same diameter as the bearing portion 30 and is accommodated in the support portion 21 of the vehicle body frame 12 used in an existing bicycle. It becomes possible.
Furthermore, since it is difficult to be affected by the deformation of the vehicle body frame 12, the torque can be accurately detected.
[0009]
In the second aspect, the radial side wall 38 b of the displacement member 38 is in contact with the side wall 36 d of the second fixing member 36 via the bearing 48. Therefore, the torque can be accurately detected without being affected by the friction between the side wall 38b of the displacement member 38 and the side wall 36d of the second fixing member 36.
[0010]
In the third aspect, the upper surface 36 d and the lower surface 36 e of the holding portion 38 c of the displacement member 38 are in contact with the second fixing member 36 via a bearing 48. For this reason, it is possible to accurately detect the torque without being affected by the friction caused by the pedaling force when the pedal is stroked.
[0011]
In the fourth aspect, the pressure sensor 40 is in contact with the contact portion 36 c of the second fixing member 36 via the spherical contact member 42 disposed on the top. For this reason, transmission of the drive torque to the sensor becomes point contact, and the influence of movement of the load point due to elastic deformation is reduced.
[0012]
In the fifth aspect, the urging member 44 for pressing the pressure sensor 40 against the abutting portion 36 c of the second fixing member 36 is provided. That is, since the preload is applied to the pressure sensor 40 and the transmission point of the driving torque is fixed, the measurement can be performed accurately. Furthermore, when the pedal is stroked, the pressure sensor 40 does not move away from the contact portion 36c of the second fixing member 36, and noise due to repeated contact can be prevented.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a bicycle according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In FIG. 1, 10 is a bicycle front wheel, 11 is a rear wheel, 12 is a body frame, 13 is a crankshaft (drive shaft), 14 is a crank arm, 15 is a drive sprocket driven by the crankshaft 13, and 16 is a rear axle. , 17 is a driven sprocket provided on the rear axle 16, 18 is a chain spanning the drive sprocket 15 and the driven sprocket 17, and 19 is an indicator installed on the handle.
[0014]
As shown in detail in FIG. 2, the body frame 12 is provided with a hollow cylindrical support portion 21 through which the crankshaft 13 is inserted, and a bearing that supports the crankshaft 13 in a support hole 21 </ b> A of the support portion 21. 30 are accommodated. The crankshaft 13 is rotatably supported in the outer casing 30 a of the bearing 30 via bearings 32 and 34.
[0015]
The end (left end) of the bearing 30 opposite to the drive sprocket 15 is fixed to the support hole 21 </ b> A of the support portion 21 via the left adapter 37. That is, the screw 21a is formed on the left inner periphery of the support hole 21A, and the screw 37a of the left adapter 37 is screwed to the screw 21a. A left lid 46 </ b> A is fitted in the central opening of the left adapter 37.
[0016]
On the other hand, a housing 38 is attached to the end (right end) of the bearing 30 on the drive sprocket 15 side. The housing 38 is formed with a recess 38 a for fitting the end of the bearing 30, a side wall 38 b, and a holding portion 38 c formed with a smaller diameter than the bearing 30. A sensor chip 40 is attached to the holding portion 38c.
[0017]
A right adapter 36 having a through hole 36b in the center is disposed on the outer peripheral side of the holding portion 38c of the housing 38. On the inner periphery of the right adapter 36, a contact portion 36c is formed on which the contact member 42 attached to the top of the sensor chip 40 contacts. A compression spring 44 is disposed at the opposite end of the abutting portion 36c across the crankshaft 13, and a preload is applied by pressing the sensor chip 40 against the inner periphery of the right adapter 36. The axial movement of the bearing 30 and the housing 38 described above is restricted by the right adapter 36. A screw 21a is formed on the right inner periphery of the support hole 21A, and the screw 36a of the right adapter 36 is screwed into the screw 21a. A right lid 46 </ b> B is fitted in the central opening of the right adapter 36.
[0018]
The attachment of the bearing 30, the left adapter 37, the housing 38, and the right adapter 36 will be described with reference to FIG.
First, the bearing 30 is inserted into the support hole 21A of the support portion 21 (FIG. 3A). Next, the right end of the bearing 30 is fixed by screwing the screw 37a of the left adapter 37 into the screw 21a on the left inner periphery of the support hole 21A (FIG. 3B). Here, it is preferable to insert a collar (not shown) between the left adapter 37 and the bearing 30. Then, first, the housing 38 is inserted from the right side of the support hole 21A, the screw 36a of the right adapter 36 is screwed into the screw 21a on the right inner periphery of the support hole 21A, and the right adapter 36 is fixed (FIG. 3 ( C)).
[0019]
In the present embodiment, the left adapter 37 fixes the left end of the bearing 30 in the support hole 21 </ b> A of the vehicle body frame 12, and the housing 38 is attached to the right end of the bearing 30. The axial movement of the bearing 30 and the housing 38 is restricted by the right adapter 36. The right end of the bearing 30 is deviated by the driving torque acting on the crankshaft 13 (elastic deformation), and the housing 38 is deviated accordingly. The sensor chip 40 attached to the housing 38 comes into contact with the contact portion 36c of the right adapter 36 due to the displacement, and detects the driving torque applied to the crankshaft 13 corresponding to the displacement amount.
[0020]
Here, the sensor chip 40 is attached to the holding portion 38 c of the housing 38 that has a smaller diameter than the bearing 30. That is, since the sensor chip is not disposed on the outer periphery of the bearing 30, the torque detection device can be accommodated in the support hole 21A of the body frame used in the existing bicycle and fit in the same diameter as the bearing 30. Become.
[0021]
Here, the principle of detection of the drive torque by the sensor chip 40 will be described with reference to FIG. When the drive sprocket 15 is rotated by stepping on the pedal of the crank arm 14 with the depression force K, a reaction force S is generated in the bearing 30 due to the chain tension T in the chain 18. This reaction force causes the right end of the bearing 30 (see FIG. 2) to bend, and the housing 38 is displaced due to the deflection of the bearing 30 to press the sensor chip 40 toward the right adapter 36, causing mechanical distortion in the sensor chip 40. The electrical resistance of the sensor chip 40 changes according to this distortion. In the present embodiment, the sensor chip 40 is positioned horizontally from the center of the crankshaft. However, it can be arranged by shifting by an angle θ as disclosed in JP-A-11-258078.
[0022]
In the torque detection device according to the present embodiment, a bearing is disposed so as to reduce friction between the housing 38 and the right adapter 36. This configuration will be described with reference to FIGS.
FIG. 5A is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 2, and the housing 38 shown in FIG. 4 is shown rotated 90 degrees. FIG. 5D is a cross-sectional view along the line DD in FIG. As shown in FIG. 4, a roller bearing 48 held by the retainer 47 is interposed between the upper end surface 38 d and the lower end surface 38 e of the holding portion 38 c of the housing 38 and the through hole 36 b of the right adapter 36. That is, as described above, when the pedal of the crank arm 14 is stepped on with the depression force K, a force to press the housing 38 downward against the right adapter 36 is generated. The reaction force detection is not affected. Here, the roller bearing 48 is used, but it is also possible to interpose a ball bearing 49 via a retainer 47 as shown in FIG.
[0023]
FIG. 5C is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. As shown in FIGS. 5C and 2, a ball bearing 48 is disposed on the side of the right side surface 38 b of the housing 38 via a retainer 47. That is, the left end surface 36 d of the right adapter 36 is in contact with the side wall 38 b of the housing 38 described above via the ball bearing 48. As described above with reference to FIG. 3C, the housing 38 is pressed by the right adapter 36 when the torque detection device is assembled to the bicycle. For this reason, by interposing the ball bearing 48, the contact resistance between the left end surface 36d of the right adapter 36 and the side wall 38b of the housing 38 is not affected by the reaction force detection by the sensor chip 40.
[0024]
As described above with reference to FIG. 2, the compression spring 44 is disposed at the opposite end of the abutting portion 36 c with which the sensor chip 40 abuts across the crankshaft 13, and the sensor chip 40 is attached to the sensor chip 40. Preload is applied by pressing against the inner periphery of the right adapter 36. That is, since the preload of 100 N or less is applied to the sensor chip 40 and the transmission point of the drive torque is fixed, it can be measured accurately. Further, when the pedal is stroked, the sensor chip 40 does not move away from the contact portion 36c, and abnormal noise due to repeated hitting can be prevented.
[0025]
Here, when the sensor chip 40 is deviated as shown in FIG. 6B with the preload applied, the contact point of the contact member 42 and the right adapter 36 generated when the preload is applied changes the initial displacement, The force detected by the sensor chip 40 is (tension reaction force−preload change). In addition, when the tension load is released, the magnitude of the preload between the two parts becomes the frictional force when the elastically deformed part tries to return to its original state, so that it does not return to the initial position and the output at no load changes. To do. For this reason, it is necessary to suppress the preload to 100 N or less which does not affect the position change.
[0026]
Instead of the compression spring 44, as shown in FIG. 5B, an elastic member such as rubber 144 may be interposed to generate preload.
[0027]
Furthermore, in this embodiment, as shown in FIG. 6A, a hemispherical contact member 42 is attached to the top of the sensor chip 40 and is in contact with the contact portion 36c. That is, transmission of driving torque to the sensor chip 40 becomes point contact, and the influence of movement of the load point due to elastic deformation is reduced. On the other hand, as shown in FIG. 6B, if the hemispherical contact member 42 is not disposed on the sensor chip 40, it will come into contact with one another and cause the end of the sensor chip 40 to be lost.
[0028]
As will be described in detail later, the sensor chip 40 is made of a functional ceramic having a characteristic that the electric resistance changes according to mechanical strain. The sensor chip 40 is connected to a load detection circuit 50 and detects the load applied to the sensor chip 40 by the load detection circuit 50 based on the resistance change. As the sensor chip 40, for example, a functional ceramic described in Japanese Patent Application No. 8-205320 is suitable. The functional ceramic has a characteristic that the resistance value between the electrodes (pressure-sensitive part) decreases when a pressure is applied, and this is detected as a voltage to obtain the pressure.
[0029]
Here, the configuration of the load detection circuit 50 using the sensor chip 40 will be described with reference to FIG.
The sensor chip 40 includes a pair of detection units (R + ΔR) and a dummy resistor R connected to one of the detection units. Here, ΔR indicates a resistance change due to the reaction force S. On the other hand, the load detection circuit 50 is provided with a pair of fixed resistors r and r, and constitutes a bridge with the detection part of the sensor chip 40. Here, when the constant voltage V is applied, a potential represented by the following equation is generated as the bridge output e.
[Expression 1]
e = {[R / (R + r)]-(R + ΔR) / [(R + ΔR) + r]} × V
The reaction force S can be obtained from this output potential e.
[0030]
FIG. 8 is a block diagram for calculating drive torque from the load detected by the load detection circuit 50 and calculating and displaying energy consumption from this drive torque. An analog signal corresponding to the load detected by the load detection circuit 50 is converted into a digital signal by the A / D conversion circuit 54 and added to the CPU 52. The ROM 56 stores a program for calculating drive torque and energy consumption based on the detected load, and the RAM 58 has a work area used for calculation. Then, necessary signals are exchanged between the ROM 56 and RAM 58 and the CPU 52, and driving torque and energy consumption are calculated. The calculated energy consumption is displayed on the display device 19.
[0031]
The program in the ROM 56 includes a main program and a timer interrupt routine. The timer interrupt routine starts an interrupt at regular time intervals (for example, every 10 msec) and samples a load signal (resistance or voltage) detected by the load detection circuit 50. On the other hand, the main program integrates the load signal sampled by the timer interruption routine every unit time to calculate the driving torque, and further calculates the energy consumption from the driving torque using the energy consumption conversion formula, and the display device 19 To display. In addition to the energy consumption, the display 19 can also display the driving torque obtained by time integration.
[0032]
Next, the operation of the device of the present invention configured as described above will be described. As shown in FIG. 4, when the pedal of the crank arm 14 is depressed with the depression force K to rotate the drive sprocket 15, a reaction force S is generated in the bearing 30 due to the chain tension T in the chain 18. The reaction force causes the right end of the bearing 30 to bend, and mechanical distortion occurs in the sensor chip 40 in response to the bending, and the electrical resistance of the sensor chip 40 changes in response to the distortion.
[0033]
That is, in the state where the driving torque is not applied to the bicycle, only the above-described preload is applied to the sensor chip 40, and the electrical resistance value of the sensor chip 40 is increased. When drive torque (drive reaction force) acts, the load acting on the sensor chip 40 increases as the drive torque increases, and the electrical resistance value of the sensor chip 40 decreases in inverse proportion to the increase in load. Accordingly, the driving torque acting on the bicycle can be measured based on the change in the electrical resistance of the sensor chip 40.
[0034]
The timer interrupt routine starts an interrupt at regular time intervals, samples the load signal detected by the load detection circuit 50, and the main program time-integrates the load signal sampled by the timer interrupt routine to obtain a driving torque. Further, energy consumption is calculated based on this driving torque and displayed on the display device 19.
[0035]
In this embodiment, it is not necessary to provide a flexible part for attaching a strain gauge for detection, and it is difficult to be affected by temperature changes, so that the apparatus can be configured robustly. Therefore, stable torque detection can be performed over a long period of time even when applied to a bicycle or the like used under severe conditions such as rainwater or hot weather. By realizing such a torque detection device, it is possible to easily obtain the energy consumption required for driving the bicycle, which can contribute to health maintenance and diet.
[0036]
In the above-described configuration, the bearing is used to reduce the friction between the right adapter 36 and the housing 38. However, instead of this, a part sealed with air or liquid can be incorporated into the bicycle frame. is there.
[0037]
In addition to the above-mentioned energy consumption display, the above-described torque detection device travels on an exercise bike for detecting the torque of an electrically assisted bicycle that assists the operation force of the crank pedal electrically or for indoor training. It can also be used to detect the torque of bicycles that cannot be obtained. In the above-described embodiment, the example in which the torque detection device is applied for bicycle torque detection has been described. However, the torque detection device can be applied to a machine tool or the like in addition to the bicycle.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the sensor chip is attached to the holding portion of the housing formed with a smaller diameter than the bearing. That is, since the sensor chip is not disposed on the outer periphery of the bearing, the torque detection device can be accommodated in the support hole of the body frame used in an existing bicycle, and can be accommodated in the same diameter as the bearing. Furthermore, since the driving torque is detected by the sensor chip having the characteristic that the electric resistance changes according to the mechanical strain, it is very simple and low cost, but is robust and long-term. There is an effect that stable torque detection can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view showing a bicycle according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
FIGS. 3A, 3B, and 3C are explanatory diagrams of assembly of the torque detection device to a bicycle.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a force applied to a sensor chip.
5A is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 2, FIG. 5B is a cross-sectional view illustrating a modification of FIG. 5A, and FIG. FIG. 5D is a cross-sectional view taken along the line DD of FIG. 5A, and FIG. 5E is a cross-sectional view illustrating a modification of the FIG. 5D.
6A and 6B are explanatory diagrams showing forces applied to the sensor chip. FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a sensor chip.
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration for calculating energy consumption.
[Explanation of symbols]
10 Front wheel 11 Rear wheel 12 Body frame 13 Crankshaft (drive shaft)
14 Crank arm 15 Drive sprocket 16 Rear axle 17 Drive sprocket 18 Chain 19 Display 21 Support portion 21A Support hole 21a, 21b Screw 30 Bearing 30a Outer casing 32, 34 Bearing 36 Left adapter 36a Screw 36b Through hole 36c Contact portion 36d Left end Surface 36e Lower end surface 36d Upper end surface 37 Right adapter 37a Screw 38 Housing 38a Recess 38b Side wall 38c Holding portion 40 Sensor chip 42 Contact member 44 Spring 46A Left lid 46B Right lid 48 Bearing 50 Load detection circuit 52 CPU
54 A / D conversion circuit 56 ROM
58 RAM

Claims (5)

自転車のクランク軸に作用する駆動トルクを検出するトルク検出装置において、
前記クランク軸を回転可能に支持する軸受部と、
圧力センサと、
前記軸受部の一端を、車体フレームの支持部内に固定する第1固定部材と、
前記軸受部の他端に取り付けられ、前記クランク軸に作用する駆動トルクによる軸受部の他端の偏位に伴い偏位し、前記圧力センサを保持するための前記軸受部よりも小径に形成された保持部を有する偏位部材と、
前記センサと当接する当接部を備え、前記車体フレームの支持部内に固定されて、前記軸受部及び前記偏位部材の軸方向の移動を規制する第2固定部材とを備えることを特徴とするトルク検出装置。
In a torque detection device for detecting drive torque acting on a bicycle crankshaft,
A bearing portion for rotatably supporting the crankshaft;
A pressure sensor;
A first fixing member for fixing one end of the bearing portion in the support portion of the vehicle body frame;
It is attached to the other end of the bearing portion, and is displaced with the displacement of the other end of the bearing portion due to the driving torque acting on the crankshaft, and is formed with a smaller diameter than the bearing portion for holding the pressure sensor. A deflection member having a holding part;
A contact portion that contacts the sensor; and a second fixing member that is fixed in the support portion of the vehicle body frame and restricts axial movement of the bearing portion and the displacement member. Torque detection device.
前記偏位部材の径方向の側壁が、前記第2固定部材の側壁に対してベアリングを介して接していることを特徴とする請求項1のトルク検出装置。The torque detection device according to claim 1, wherein a radial side wall of the displacement member is in contact with a side wall of the second fixing member via a bearing. 前記偏位部材の保持部の上面及び下面が、前記第2固定部材に対してベアリングを介して接していることを特徴とする請求項1又は請求項2のトルク検出装置。The torque detection device according to claim 1 or 2, wherein an upper surface and a lower surface of the holding portion of the displacement member are in contact with the second fixing member via a bearing. 前記圧力センサは、頂部に配設された球面形状の接点部材を介して、前記第2固定部材の当接部と接していることを特徴とする請求項1又は2のトルク検出装置。3. The torque detection device according to claim 1, wherein the pressure sensor is in contact with a contact portion of the second fixing member via a spherical contact member disposed on a top portion. 前記圧力センサを、前記第2固定部材の当接部へ押圧するための付勢部材を設けたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1に記載のトルク検出装置。5. The torque detection device according to claim 1, further comprising an urging member for pressing the pressure sensor against a contact portion of the second fixing member.
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