WO2023248764A1 - 回転機器および検出装置 - Google Patents
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- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
Definitions
- the present invention relates to rotating equipment and detection devices.
- magnetostrictive rotating devices or detecting devices are known as rotating devices or detecting devices that can detect the force applied to a shaft.
- a strain detection device has been proposed that includes a magnetic layer fixed on the outer circumferential surface of a shaft and a detection coil that detects changes in magnetic permeability of the magnetic layer (see, for example, Patent Document 1).
- An example of the present invention is to reduce the size of a rotating device or a detection device.
- a rotating device or a detection device includes a case, a shaft rotatably supported with respect to the case, and a detection section disposed on an outer surface or an inner surface of the case, and the case includes , a first case member, a second case member, and a connecting part that connects the first case member and the second case member, and the detecting part is arranged between the shaft and the connecting part. Placed.
- FIG. 1 is a perspective view of a rotating device (detection device) according to an embodiment that is an example of the present invention. It is another perspective view of the rotating device (detection device) concerning embodiment which is an example of the present invention.
- FIG. 1 is a side view of a rotating device (detection device) according to an embodiment that is an example of the present invention.
- FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3 of a rotating device (detection device) according to an embodiment that is an example of the present invention.
- 1 is a diagram showing an example of a usage state of a rotating device (detection device) according to an embodiment that is an example of the present invention.
- the direction of arrow a along the central axis (axis do.
- the direction along the axis X that is, the direction of the arrow ab is referred to as the axial direction.
- the direction of arrow cd in FIG. 4 that is, the direction perpendicular to the axial direction, is called the radial direction
- the direction of arrow c moving away from axis X is called the outside or one radial side
- the direction of arrow e (the front side of the electrically assisted bicycle 2 in FIG. 5) is referred to as the traveling direction side
- the direction of the arrow f (the rear side of the electrically assisted bicycle 2 in FIG. 5) is referred to as the backward direction side
- the direction of the arrow g along the direction of gravity is referred to as the upper side in the direction of gravity
- the direction of the arrow h along the direction of gravity is referred to as the lower side in the direction of gravity.
- FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of a rotating device 1 viewed from one side.
- FIG. 2 is a perspective view showing the overall configuration of the rotating device 1 viewed from the other side.
- FIG. 3 is a side view showing the configuration of one side of the rotating device 1.
- FIG. 4 is a sectional view showing the configuration of the rotating device 1 taken along the line AA in FIG. 3.
- FIG. 5 is a diagram showing an example of a usage state of the rotating device 1, in which the drive unit 3 including the rotating device 1 is attached to the electrically assisted bicycle 2.
- FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of a rotating device 1 viewed from one side.
- FIG. 2 is a perspective view showing the overall configuration of the rotating device 1 viewed from the other side.
- FIG. 3 is a side view showing the configuration of one side of the rotating device 1.
- FIG. 4 is a sectional view showing the configuration of the rotating device 1 taken along the line AA in FIG. 3.
- FIG. 5 is a diagram showing
- the rotating device 1 includes a case 10, a shaft 20, and a detection section 50 (see FIG. 4).
- the case 10 includes a first case member 11, a second case member 12, and a connecting portion 13 that connects the first case member 11 and the second case member 12.
- the second case member 12 is an egg-shaped cup-shaped member when viewed from the other axial side (arrow b direction), and is open on one axial side (arrow a direction).
- the first case member 11 is an egg-shaped flat member when viewed from one side in the axial direction (direction of arrow a), and functions as a lid that closes the opening of the second case member 12 from one side in the axial direction.
- the shapes of the first case member 11 and the second case member 12 are not limited to an oval shape when viewed from one axial side (direction of arrow a) and the other side of the axis (direction of arrow b), but may be any shape. It's good to be there.
- the case 10 (first case member 11 and second case member 12) is made of aluminum, magnesium, titanium, or an alloy containing at least one of these metals. Since these metals have a relatively high internal loss (tan ⁇ ), vibrations in the case 10 can be damped relatively quickly.
- the detection unit 50 described later can attenuate vibrations that occur simultaneously with the strain of the case 10 and vibrations that become noise when detecting the strain of the case 10 relatively quickly. , strain can be detected with high precision.
- the first case member 11 and the second case member 12 may be formed of other metals, resins, or the like.
- the first case member 11 and the second case member 12 may be formed of the same material, or may be formed of mutually different materials.
- the first case member 11 has a wall portion 11c that protrudes toward the other side in the axial direction (in the direction of arrow b) and extends around the edge of the first case member 11. is formed.
- the end portion of the wall portion 11c on the other axial direction (arrow b direction) is connected to the axial direction one side (arrow a direction).
- the motor accommodating portion 12m As shown in FIG. 2, at the end of the second case member 12 on the other side in the axial direction (direction of arrow b), there is a cup-shaped motor accommodating portion 12m that is approximately circular when viewed from the other side in the axial direction (direction of arrow b). is provided.
- the motor accommodating portion 12m is disposed on the traveling direction side (arrow e direction) than a through hole 12t, which will be described later, and protrudes toward the other axial side (arrow b direction).
- the motor accommodating portion 12m is a portion that accommodates a motor (not shown) arranged inside the case 10.
- the outside of the second case member 12 includes a lower side in the direction of gravity (direction of arrow h) on the backward direction side (direction of arrow f), an upper side in the direction of gravity (direction of arrow g), and an upper side in the direction of gravity (direction of arrow g).
- Flange portions 12a to 12f are provided to protrude.
- the case 10 is fixed to the electrically assisted bicycle 2 via the flanges 12a to 12f.
- the positions, numbers, and shapes of the flange portions 12a to 12f are not limited thereto, and may be any position, number, and shape as long as they can be fixed to the electrically assisted bicycle 2.
- the means for fixing the case 10 to the electrically assisted bicycle 2 does not have to be via the flanges 12a to 12f.
- each connecting portion 13 is a bolt, but is not limited to this.
- each connecting portion 13 has a through hole 11h that passes through the first case member 11 in the axial direction (direction of arrow ab) and a through hole 11h that passes through the first case member 11 in the axial direction (direction of arrow a).
- the first case member 11 and the second case member 12 are fixed via a bottomed hole 12h formed toward the other axial side (direction of arrow b) with respect to the end surface.
- a circular through hole 11t is formed near the center of the first case member 11 in the direction of gravity (direction of arrow f) and in the direction of gravity. Further, at the other end of the second case member 12 in the axial direction (direction of arrow b), on the retreating direction side (direction of arrow f) and near the center in the direction of gravity, there is a circular through hole with a diameter larger than that of the through hole 11t. A hole 12t is formed. As shown in FIG. 4, the through hole 11t and the through hole 12t are in communication, and the shaft 20 passes through the case 10 via the through hole 11t and the through hole 12t.
- An end 21 (FIG. 4) on one axial side (direction of arrow a) of the shaft 20 projects to the outside of the case 10 (one axial side) through the through hole 11t of the first case member 11.
- An end 22 of the shaft 20 on the other axial side (direction of arrow b) projects to the outside of the case 10 (on the other axial side) through the through hole 12t of the second case member 12.
- the first case member 11 is provided with a cylindrical protrusion 11d that protrudes toward the other axial side (in the direction of arrow b) on the radially outer side (one radial side) of the through hole 11t. It is being The first bearing 60 is arranged on the radially inner side (the other radial side) of the protrusion 11d.
- the first bearing 60 is a ball bearing having an inner ring 61, an outer ring 62, and rolling elements.
- the first bearing 60 is not limited to a ball bearing, and may be various other bearings such as a sleeve bearing.
- the outer ring 62 of the first bearing 60 is inserted inside the protrusion 11d in the radial direction.
- the inner ring 61 of the first bearing 60 is bonded or press-fitted to the outer circumferential surface (radially outer surface) of the shaft 20. Thereby, the inner ring 61 of the first bearing 60 is fixed to the shaft 20 and rotates together with the shaft 20.
- an output gear 80 is arranged near the end 22 of the shaft 20 on the other axial side (in the direction of arrow b).
- the output gear 80 is a gear that transmits rotation of a motor (not shown) to the shaft 20.
- the output gear 80 includes a gear portion 81, a substantially cylindrical boss portion 82 that is provided coaxially with the gear portion 81, has a smaller diameter than the gear portion 81, and projects toward the other side in the axial direction (in the direction of arrow b), and a gear portion 82.
- This member includes an annular connecting portion 83 that connects the portion 81 and the boss portion 82 .
- the output gear 80 is bonded or press-fitted to the outer circumferential surface (radially outer surface) of the shaft 20. Thereby, the output gear 80 is fixed to the shaft 20 and rotates together with the shaft 20.
- the second bearing 70 is arranged outside the connecting portion 83 of the output gear 80 in the radial direction.
- the second bearing 70 has a larger diameter than the first bearing 60.
- the second bearing 70 is a ball bearing having an inner ring 71, an outer ring 72, and rolling elements.
- the second bearing 70 is not limited to a ball bearing, and may be various other bearings such as a sleeve bearing.
- the inner ring 71 of the second bearing 70 is bonded or press-fitted to the outer circumferential surface (radially outer surface) of the connecting portion 83 of the output gear 80. Thereby, the inner ring 71 of the second bearing 70 is fixed to the output gear 80 and rotates together with the shaft 20 and the output gear 80.
- the outer ring 72 of the second bearing 70 is fixed to the second case member 12 of the case 10 from the outside in the radial direction and the other side in the axial direction (in the direction of arrow b). With the above configuration, the shaft 20 is rotatably supported with respect to the case 10.
- the shaft 20 is arranged between the first connecting portion 13a and the second connecting portion 13b of the connecting portion 13.
- the first connecting part 13a, the second connecting part 13b, and the shaft 20 are arranged in a straight line in the direction of gravity in the order of the first connecting part 13a, the shaft 20, and the second connecting part 13b from the upper side in the direction of gravity.
- the distance between the shaft 20 and the first connecting portion 13a (X1+Y1 in FIG. 3) is equal to the distance between the shaft 20 and the second connecting portion 13b (X2+Y2 in FIG. 3).
- the distance between the shaft 20 and the first connecting portion 13a may be different from the distance between the shaft 20 and the second connecting portion 13b.
- the first case member 11 of the case 10 has an outer surface 11a that is a surface on one side in the axial direction (direction of arrow a) and an inner surface 11b that is a surface on the other side in the axial direction (direction of arrow b). has.
- a detection unit 50 for detecting stress is arranged on the outer surface 11a of the first case member 11.
- the detection unit 50 may be arranged on the inner surface 11b of the first case member 11.
- the detection section 50 is composed of a plurality of (two in this embodiment) detection sections including a first detection section 51 and a second detection section 52.
- the detection section 50 is arranged between the shaft 20 and the connecting section 13.
- the first detection section 51 is arranged in the region between the shaft 20 and the first connection section 13a
- the second detection section 52 is arranged in the region between the shaft 20 and the second connection section 13b. located in the area.
- the first detection section 51, and the second detection section 52 are arranged on a straight line connecting the first connection section 13a and the second connection section 13b.
- the distance between the shaft 20 and the detection section 50 is larger than the distance between the connection section 13 and the detection section 50 when viewed from the axial direction.
- the distance between the shaft 20 and the first detection unit 51 (distance Y1 between the center of the shaft 20 and the center of the first strain sensor 31 in FIG. 3) is It is larger than the distance between the first connecting part 13a and the first detecting part 51 (distance X1 between the center of the first connecting part 13a and the center of the first strain sensor 31 in FIG. 3).
- the distance between the shaft 20 and the second detection section 52 (the distance Y2 between the center of the shaft 20 and the center of the second strain sensor 32 in FIG. 3) is the distance between the second connection section 13b and the second detection section 52. portion 52 (distance X2 between the center of the second connecting portion 13b and the center of the second strain sensor 32 in FIG. 3).
- the distance Y1 between the shaft 20 and the first detection section 51 is equal to the distance Y2 between the shaft 20 and the second detection section 52 when viewed from the axial direction.
- the distance Y1 between the shaft 20 and the first detection section 51 may be different from the distance Y2 between the shaft 20 and the second detection section 52.
- the first detection unit 51 includes a first strain sensor 31 attached to the outer surface 11a of the first case member 11, and a first strain sensor 31 attached to the outer surface 11a of the first case member 11. (first deformed portion 41).
- the second detection unit 52 includes a second strain sensor 32 attached to the outer surface 11a of the first case member 11, and a portion of the outer surface 11a of the first case member 11 to which the second strain sensor 32 is attached (a portion of the outer surface 11a of the first case member 11). 2 deformation section 42).
- the first deformable portion 41 and the second deformable portion 42 are capable of elastic deformation or plastic deformation. Further, the first deformable portion 41 and the second deformable portion 42 may be formed of a material (such as a shape memory material) that can be restored to the shape before deformation under certain conditions after being deformed.
- the entire first case member 11 including the first deformable portion 41 and the second deformable portion 42 may be integrally formed of the same material, and the first deformable portion 41 and the second deformable portion 42 are The other parts of the case member 11 may be made of a different material. Note that the first deformable portion 41 and the second deformable portion 42 only need to be capable of elastic deformation or plastic deformation, and do not need to be more easily deformed than other parts of the first case member 11. do not have.
- the area between the shaft 20 and the connecting part 13 (the first deformed part 41 and the second deformed part 42, and the periphery of the first deformed part 41 and the second deformed part 42) (including the area) is not provided with ribs, recesses, protrusions, etc., and is formed as a smooth surface.
- the smooth surface is bent in the axial direction (in the direction of the arrow AB) by the stress applied to the first case member 11, and becomes a deformable surface (vibration surface) that can be deformed into an uneven shape.
- the first strain sensor 31 and the second strain sensor 32 are sensors that detect strain in the first deformable portion 41 and the second deformable portion 42, respectively.
- the first strain sensor 31 and the second strain sensor 32 are strain gauges.
- the first strain sensor 31 and the second strain sensor 32 have a grid (gauge) whose orientation (typically, the longitudinal direction of the strain gauge) is It is attached to the outer surface 11a of the first case member 11 along a straight line connecting the first detection section 51 and the second detection section 52 (along the direction of gravity).
- first strain sensor 31 and the second strain sensor 32 are strain gauges
- the strain in the first deformable portion 41 and the second deformable portion 42 is detected as a change in resistance value.
- first strain sensor 31 and the second strain sensor 32 are not limited to strain gauges, and may be various other sensors such as piezoelectric elements.
- the shaft 20 is a crankshaft of the electrically assisted bicycle 2.
- a pedal (not shown) attached to an end 21 on one axial side (in the direction of arrow a) of the shaft 20 is stepped on, the end on one axial side (in the direction of arrow a) of the shaft 20 moves downward in the direction of gravity. Try to lean to the side.
- the opposite end 22 of the shaft 20 on the other axial side (direction of arrow b) tends to tilt upward in the direction of gravity (direction of arrow g).
- the shaft 20 presses the first bearing 60 in the radial direction (downward in the direction of gravity (direction of arrow h) or upward in the direction of gravity (direction of arrow g)), so that the first bearing 60 Stress is generated in the inserted first case member 11 in accordance with the force with which the pedal is depressed (pedal force).
- the first case member 11 is fixed to the second case member by the first connecting part 13a and the second connecting part 13b, and the first connecting part 13a, the second connecting part 13b and the shaft 20 are connected in the direction of gravity. Since the shafts 20 and 20 are arranged in a straight line, the stress exerted on the first case member 11 by the shaft 20 is concentrated on the straight line connecting the first connecting part 13a, the shaft 20, and the second connecting part 13b.
- the first deformable portion 41 and the second deformable portion 42 are arranged on a straight line connecting the first connecting portion 13a, the shaft 20, and the second connecting portion 13b, and the first deformable portion 41 and the second deformable portion 42 have a second deformable portion, respectively. Since the first strain sensor 31 and the second strain sensor 32 are attached, the first strain sensor 31 and the second strain sensor 32 can detect stress as strain.
- the force with which the pedal is pressed is calculated based on the stress detected by the first strain sensor 31 and the second strain sensor 32.
- the output of the motor (not shown) of the electrically assisted bicycle 2 can be adjusted according to the calculated pedal effort. If the calculated pedal force value is smaller than a predetermined reference threshold, it is considered that the situation does not require much assistance, and the output of the motor is reduced. On the other hand, if the calculated pedal force value is larger than the predetermined threshold, it is considered that the situation requires greater assistance, so the output of the motor is increased. Since the rotating device 1 according to the present embodiment has a simple structure in which the detection unit 50 is placed directly on the case 10, it can be made smaller as a whole.
- the distances Y1, Y2 between the shaft 20 and the detecting section 50 are larger than the distances X1, X2 between the connecting section 13 and the detecting section 50. That is, the detection section 50 is arranged at a position closer to the coupling section 13 than the shaft 20.
- the first case member 11 It is possible to accurately detect the stress generated in the Therefore, in the rotating device 1 according to the present embodiment, the pedal force can be calculated accurately.
- the rotating equipment and detection device of the present invention have been described above with reference to preferred embodiments, the rotating equipment and detection device of the present invention are not limited to the configurations of the above embodiments.
- the rotating device 1 according to the above embodiment is used for a power-assisted bicycle, but the rotating device and detection device of the present invention are not limited to those used for a power-assisted bicycle. It can be applied to any device that needs to detect stress applied to a freely supported shaft.
- the detection section 50 is arranged on the outer surface 11a of the first case member 11.
- the detection section may be arranged on the inner surface of the first case member.
- the strain sensor and the wiring can be housed within the case, resulting in a more durable configuration.
- the detection section 50 is composed of two detection sections including a first detection section 51 and a second detection section 52.
- the number of detection sections may be one, or three or more.
- the second detecting section 52 may not exist and only the first detecting section 51 may exist.
- the first detection section 51 may not exist, and only the second detection section 52 may exist.
- an additional detection section may be provided on the second case member of the case.
- the connecting portion 13 and the shaft 20 are arranged side by side in the direction of gravity.
- the connecting portion and the shaft may be arranged side by side in a direction inclined from the direction of gravity.
- the degree of inclination may be, for example, 30° or less, 20° or less, 10° or less, or 5° or less.
- the shaft 20, the first detection section 51, and the second detection section 52 are arranged on the straight line connecting the first connection section 13a and the second connection section 13b.
- the connecting portion, the shaft, and the detection portion do not necessarily have to be arranged in a strictly linear manner.
- the detection part may be arranged slightly shifted toward the advancing direction or the retreating direction from a straight line connecting the connecting part and the shaft.
- SYMBOLS 1 Rotating device (detection device), 10... Case, 11... First case member, 11a... Outer surface, 11b... Inner surface, 12... Second case member, 13... Connection part, 13a... First connection part, 13b ...Second connection part, 20...Shaft, 50...Detection part, 51...First detection part, 52...Second detection part.
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Abstract
回転機器または検出装置を小型化すること。 ケース(10)と、ケース(10)に対して回転自在に支持されたシャフト(20)と、ケース(10)の外表面(11a)または内表面(11b)に配置された検出部(50)と、を有し、ケース(10)は、第1ケース部材(11)と、第2ケース部材(12)と、第1ケース部材(11)と第2ケース部材(12)とを連結する連結部(13)と、を備え、検出部(50)は、シャフト(20)と連結部(13)との間に配置される、回転機器(検出装置)(1)。
Description
本発明は、回転機器および検出装置に関する。
従来、シャフトにかかる力を検出可能な回転機器または検出装置として、磁歪式の回転機器または検出装置が知られている。例えば、シャフトの外周面上に固着された磁性層と、磁性層の透磁率変化を検出する検出コイルとを有するひずみ検出装置が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。
磁歪式の回転機器または検出装置においては、検出コイル等を配置する必要があるため、シャフト周りの装置全体が大型化する傾向にある。本発明は、回転機器または検出装置の小型化を課題の一例とする。
本発明の回転機器または検出装置は、ケースと、前記ケースに対して回転自在に支持されたシャフトと、前記ケースの外表面または内表面に配置された検出部と、を有し、前記ケースは、第1ケース部材と、第2ケース部材と、前記第1ケース部材と前記第2ケース部材とを連結する連結部と、を備え、前記検出部は、前記シャフトと前記連結部との間に配置される。
本発明の実施の形態の説明において、説明の便宜上、シャフト20の中心軸(軸X)に沿った矢印a方向を軸方向一方側とし、軸Xに沿った矢印b方向を軸方向他方側とする。ここで、軸Xに沿った方向、すなわち矢印ab方向を軸方向と称する。図4における矢印cd方向、すなわち軸方向に直交する方向を径方向と称し、軸Xから離れる矢印c方向を外側または径方向一方側、軸Xに近づく矢印d方向を内側または径方向他方側と称する。
また、矢印e方向(図5における電動アシスト自転車2の前側)を進行方向側、矢印f方向(図5における電動アシスト自転車2の後ろ側)を後退方向側と称する。さらに、電動アシスト自転車2に装着した状態における、重力方向に沿った矢印g方向を重力方向上側、重力方向に沿った矢印h方向を重力方向下側と称する。
以下、本発明の一例である実施の形態について図面を参照しながら説明する。本実施の形態において、回転機器または検出装置(以下、回転機器1と称する)は、電動アシスト自転車2のドライブユニット3の一部分である(図5参照)。図1は、回転機器1を一方側から見た全体構成を示す斜視図である。図2は、回転機器1を他方側から見た全体構成を示す斜視図である。図3は、回転機器1の一方側の構成を示す側面図である。図4は、回転機器1の、図3のA-A断面における構成を示す断面図である。図5は、回転機器1の使用状態の一例を示す図であり、回転機器1を含むドライブユニット3が電動アシスト自転車2に装着されている。
回転機器1は、ケース10と、シャフト20と、検出部50(図4参照)と、を有する。ケース10は、第1ケース部材11と、第2ケース部材12と、第1ケース部材11と第2ケース部材12とを連結する連結部13と、を備える。第2ケース部材12は軸方向他方側(矢印b方向)から見て卵形のカップ状の部材であり、軸方向一方側(矢印a方向)に開口している。第1ケース部材11は軸方向一方側(矢印a方向)から見て卵形の平板状の部材であり、第2ケース部材12の開口部を軸方向一方側から塞ぐ蓋として機能する。ただし、第1ケース部材11および第2ケース部材12の形状は、軸方向一方側(矢印a方向)および軸方向他方側(矢印b方向)から見て卵形に限定されず、任意の形状であってよい。
ケース10(第1ケース部材11および第2ケース部材12)は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、またはこれらのうち少なくとも1つの金属を含む合金によって形成されている。これらの金属は比較的高い内部損失(tanδ)を有するため、ケース10における振動を比較的早く減衰させることができる。
ケース10が上記金属によって形成されていることにより、後述する検出部50において、ケース10のひずみと同時に発生する振動や、ケース10のひずみを検出する際にノイズとなる振動を比較的早く減衰でき、ひずみを高精度に検出することができる。ただし、第1ケース部材11および第2ケース部材12は、その他の金属や樹脂等により形成されていてもよい。また、第1ケース部材11および第2ケース部材12は、同一素材により形成されていてもよく、互いに異なる素材により形成されていてもよい。
図1、図2および図4に示すように、第1ケース部材11には、軸方向他方側(矢印b方向)へ突出する壁部11cが、第1ケース部材11の縁部を一周するように形成されている。第1ケース部材11と第2ケース部材12とが連結された状態において、壁部11cの軸方向他方側(矢印b方向)の端部が、第2ケース部材12の軸方向一方側(矢印a方向)の端部と接触している。
図2に示すように、第2ケース部材12の軸方向他方側(矢印b方向)の端部には、軸方向他方側(矢印b方向)から視て略円形のカップ状のモータ収容部12mが設けられている。モータ収容部12mは、後述する貫通孔12tよりも進行方向側(矢印e方向)に配置されており、軸方向他方側(矢印b方向)に突出している。モータ収容部12mは、ケース10の内部に配置されたモータ(図示せず)を収容する部分である。
図1および図2に示すように、第2ケース部材12の外側には、後退方向側(矢印f方向)の重力方向下側(矢印h方向)および重力方向上側(矢印g方向)、ならびに進行方向側(矢印e方向)の重力方向上側(矢印g方向)において、それぞれ軸方向一方側(矢印a方向)および軸方向他方側(矢印b方向)に1つずつ、計6つの略三角形状のフランジ部12a~12fが突出して設けられている。
ケース10は、フランジ部12a~12fを介して電動アシスト自転車2に固定される。ただし、フランジ部12a~12fの位置、数および形状はこれに限定されず、電動アシスト自転車2に固定可能であれば、任意の位置、数および形状であってよい。また、電動アシスト自転車2に対するケース10の固定手段は、フランジ部12a~12fを介するものでなくてもよい。
図1および図3に示すように、第1ケース部材11と第2ケース部材12とは、第1ケース部材11の壁部11cが形成されている部分において、7つのボルト等の連結部13(第1連結部13a~第7連結部13g)により連結されている。ただし、連結部13の数はこれに限られず、2つ以上の任意の数であってよい。本実施の形態において、各連結部13は、いずれもボルトであるが、これに限るものではない。図4に示すように、各連結部13は、第1ケース部材11を軸方向(矢印ab方向)に貫通する貫通孔11hと、第2ケース部材12の軸方向一方側(矢印a方向)の端面に対し、軸方向他方側(矢印b方向)に向かって形成された有底孔12hと、を介し、第1ケース部材11および第2ケース部材12を固定している。
第1ケース部材11の後退方向側(矢印f方向)かつ重力方向中央部付近には、円形の貫通孔11tが形成されている。また、第2ケース部材12の軸方向他方側(矢印b方向)の端部において、後退方向側(矢印f方向)かつ重力方向中央部付近には、貫通孔11tよりも直径の大きい円形の貫通孔12tが形成されている。図4に示すように、貫通孔11tおよび貫通孔12tは連通しており、シャフト20は、貫通孔11tおよび貫通孔12tを介して、ケース10を貫通している。
シャフト20の軸方向一方側(矢印a方向)の端部21(図4)は、第1ケース部材11の貫通孔11tを介し、ケース10の外側(軸方向一方側)へ突出している。シャフト20の軸方向他方側(矢印b方向)の端部22は、第2ケース部材12の貫通孔12tを介し、ケース10の外側(軸方向他方側)へ突出している。
図4に示すように、第1ケース部材11には、貫通孔11tの径方向外側(径方向一方側)において、軸方向他方側(矢印b方向)へ突出する円筒状の突出部11dが設けられている。突出部11dの径方向内側(径方向他方側)には、第1軸受60が配置されている。第1軸受60は、内輪61、外輪62および転動体を有するボールベアリングである。ただし、第1軸受60は、ボールベアリングに限られず、例えばスリーブベアリング等、その他種々の軸受であってもよい。
第1軸受60の外輪62は、突出部11dの径方向内側に挿入されている。第1軸受60の内輪61は、シャフト20の外周面(径方向外側の面)に接着または圧入されている。これにより、第1軸受60の内輪61は、シャフト20に固定され、シャフト20と一体に回転する。
図4に示すように、シャフト20の軸方向他方側(矢印b方向)の端部22付近には、出力ギヤ80が配置されている。出力ギヤ80は、モータ(図示せず)の回転をシャフト20に伝達するギヤである。出力ギヤ80は、歯車部81と、歯車部81と同軸に設けられ、歯車部81よりも直径が小さく、軸方向他方側(矢印b方向)へ突出する略円筒状のボス部82と、歯車部81とボス部82とを接続する円環状の接続部83と、を有する部材である。出力ギヤ80は、シャフト20の外周面(径方向外側の面)に接着または圧入されている。これにより、出力ギヤ80は、シャフト20に固定され、シャフト20と一体に回転する。
径方向において、出力ギヤ80の接続部83の外側には、第2軸受70が配置されている。第2軸受70は、第1軸受60よりも直径が大きい。第2軸受70は、内輪71、外輪72および転動体を有するボールベアリングである。ただし、第2軸受70は、ボールベアリングに限られず、例えばスリーブベアリング等、その他種々の軸受であってもよい。
第2軸受70の内輪71は、出力ギヤ80の接続部83の外周面(径方向外側の面)に接着または圧入されている。これにより、第2軸受70の内輪71は、出力ギヤ80に固定され、シャフト20および出力ギヤ80と一体に回転する。第2軸受70の外輪72は、ケース10の第2ケース部材12に径方向外側および軸方向他方側(矢印b方向)から固定されている。以上の構成により、シャフト20は、ケース10に対して回転自在に支持されている。
図1および図3に示すように、シャフト20は、連結部13のうち、第1連結部13aと第2連結部13bとの間に配置されている。第1連結部13a、第2連結部13bおよびシャフト20は、重力方向上側から、第1連結部13a、シャフト20、第2連結部13bの順で、重力方向に直線上で並んで配置されている。本実施の形態において、シャフト20と第1連結部13aとの間の距離(図3におけるX1+Y1)は、シャフト20と第2連結部13bとの間の距離(図3におけるX2+Y2)と等しい。ただし、シャフト20と第1連結部13aとの間の距離は、シャフト20と第2連結部13bとの間の距離と異なっていてもよい。
図4に示すように、ケース10の第1ケース部材11は、軸方向一方側(矢印a方向)の面である外表面11aおよび軸方向他方側(矢印b方向)の面である内表面11bを有する。第1ケース部材11の外表面11aには、応力を検出するための検出部50が配置されている。ただし、検出部50は、第1ケース部材11の内表面11bに配置されていてもよい。
図4に示すように、検出部50は、第1検出部51および第2検出部52を含む複数(本実施の形態においては、2つ)の検出部から構成されている。検出部50は、シャフト20と連結部13との間に配置されている。具体的には、第1検出部51は、シャフト20と第1連結部13aとの間の領域に配置されており、第2検出部52は、シャフト20と第2連結部13bとの間の領域に配置されている。軸方向からみて、言い換えると、軸方向視において、第1連結部13aと第2連結部13bとを結ぶ直線上に、シャフト20、第1検出部51および第2検出部52が配置されている。言い換えると、シャフト20と交差する方向に延在する面、具体的には、シャフト20に対して垂直な方向に延在する面である外表面11aの面内または内表面11bの面内において、第1連結部13aと第2連結部13bとを結ぶ直線上に、シャフト20、第1検出部51および第2検出部52が配置されている。
軸方向からみて、シャフト20と検出部50との間の距離は、連結部13と検出部50との間の距離より大きい。具体的には、軸方向からみて、シャフト20と第1検出部51との間の距離(図3における、シャフト20の中心と第1ひずみセンサ31の中心との間の距離Y1)は、第1連結部13aと第1検出部51との間の距離(図3における、第1連結部13aの中心と第1ひずみセンサ31の中心との間の距離X1)より大きい。また、シャフト20と第2検出部52との間の距離(図3における、シャフト20の中心と第2ひずみセンサ32の中心との間の距離Y2)は、第2連結部13bと第2検出部52との間の距離(図3における、第2連結部13bの中心と第2ひずみセンサ32の中心との間の距離X2)より大きい。
本実施の形態において、軸方向からみて、シャフト20と第1検出部51との間の距離Y1は、シャフト20と第2検出部52との間の距離Y2と等しい。ただし、軸方向からみて、シャフト20と第1検出部51との間の距離Y1は、シャフト20と第2検出部52との間の距離Y2と異なっていてもよい。
図4に示すように、第1検出部51は、第1ケース部材11の外表面11aに取り付けられた第1ひずみセンサ31と、第1ケース部材11の外表面11aにおける、第1ひずみセンサ31が取り付けられた部分(第1変形部41)とを含む。第2検出部52は、第1ケース部材11の外表面11aに取り付けられた第2ひずみセンサ32と、第1ケース部材11の外表面11aにおける、第2ひずみセンサ32が取り付けられた部分(第2変形部42)とを含む。
第1変形部41および第2変形部42は、弾性変形または塑性変形が可能である。また、第1変形部41および第2変形部42は、変形後、一定条件で変形前の形状に復元されるような素材(形状記憶素材等)により形成されていてもよい。第1変形部41および第2変形部42を含めた第1ケース部材11全体は、同一の素材で一体に形成されていてもよく、第1変形部41および第2変形部42が、第1ケース部材11の他の部分とは異なる素材で形成されていてもよい。なお、第1変形部41および第2変形部42は、弾性変形または塑性変形が可能であればよく、第1ケース部材11の他の部分と比較して、より変形しやすくなっている必要はない。
第1ケース部材11の外表面11aにおいて、シャフト20と連結部13との間の領域(第1変形部41および第2変形部42、ならびに第1変形部41および第2変形部42の周辺を含めた領域)は、リブ、凹部、凸部等が設けられておらず、平滑面として形成されている。当該平滑面は、第1ケース部材11にかかる応力により、軸方向(矢印ab方向)に撓み、凹凸状に変形可能な変形面(振動面)となっている。
第1ひずみセンサ31および第2ひずみセンサ32は、それぞれ第1変形部41および第2変形部42のひずみを検出するセンサである。典型的には、第1ひずみセンサ31および第2ひずみセンサ32は、ひずみゲージである。第1ひずみセンサ31および第2ひずみセンサ32がひずみゲージである場合、第1ひずみセンサ31および第2ひずみセンサ32は、グリッド(ゲージ)の向き(典型的には、ひずみゲージの長手方向)が第1検出部51および第2検出部52を結ぶ直線に沿うように(重力方向に沿うように)、第1ケース部材11の外表面11aに取り付けられている。
第1ひずみセンサ31および第2ひずみセンサ32がひずみゲージである場合、第1変形部41および第2変形部42のひずみは抵抗値の変化として検出される。なお、第1ひずみセンサ31および第2ひずみセンサ32は、ひずみゲージに限られず、圧電素子等、その他種々のセンサであってもよい。
本実施の形態において、シャフト20は、電動アシスト自転車2のクランクシャフトである。シャフト20の軸方向一方側(矢印a方向)の端部21に装着されたペダル(図示せず)が踏まれると、シャフト20の軸方向一方側(矢印a方向)の端部が重力方向下側に傾こうとする。この場合、てこの原理により、その反対側であるシャフト20の軸方向他方側(矢印b方向)の端部22は、重力方向上側(矢印g方向)に傾こうとする。反対に、シャフト20の軸方向他方側(矢印b方向)の端部22に装着されたペダル(図示せず)が踏まれると、シャフト20の軸方向他方側(矢印a方向)の端部22が重力方向下側(矢印h方向)に傾こうとする。この場合、てこの原理により、その反対側であるシャフト20の軸方向一方側(矢印a方向)の端部21は、重力方向上側(矢印g方向)に傾こうとする。このように、ペダルが踏まれると、シャフト20が第1軸受60を径方向(重力方向下側(矢印h方向)または重力方向上側(矢印g方向))へ押圧するため、第1軸受60が挿入された第1ケース部材11には、ペダルを踏む力(踏力)に応じた応力が生じる。
ここで、第1ケース部材11は第1連結部13aおよび第2連結部13bによって第2ケース部材に固定されており、また、第1連結部13a、第2連結部13bおよびシャフト20は重力方向に並んで直線状に配置されていることから、シャフト20によって第1ケース部材11にもたらされる応力は、第1連結部13a、シャフト20および第2連結部13bを結ぶ直線上に集中する。そして、第1連結部13a、シャフト20および第2連結部13bを結ぶ直線上に第1変形部41および第2変形部42が配置され、第1変形部41および第2変形部42にそれぞれ第1ひずみセンサ31および第2ひずみセンサ32が取り付けられていることから、第1ひずみセンサ31および第2ひずみセンサ32は、応力をひずみとして検出することができる。
ペダルを踏む力(踏力)は、第1ひずみセンサ31および第2ひずみセンサ32によって検出された応力に基づいて算出される。算出された踏力に応じて、電動アシスト自転車2のモータ(図示せず)の出力を調節することができる。算出された踏力の値が基準となる所定の閾値よりも小さい場合、さほど補助が必要でない状況であると考えられることから、モータの出力を小さくする。反対に、算出された踏力の値が所定の閾値よりも大きい場合、より大きな補助が必要な状況であると考えられるため、モータの出力を大きくする。本実施の形態にかかる回転機器1は、検出部50がケース10に対して直接配置された簡素な構造となっているため、全体として小型化を可能とすることができる。
なお、踏力を算出する際には、シャフト20の軸方向一方側(矢印a方向)の端部21が重力方向上側(矢印g方向)または重力方向下側(矢印h方向)へ傾いた際に第1ケース部材11に生じる応力のみが検出されるのが理想である。しかしながら、検出部50がシャフト20に近い位置に配置されている場合、シャフト20の一方側の端部21が重力方向でない方向に傾いた際にも、検出部50にひずみが生じ、検出部50によって(ノイズとして)検出されてしまう可能性がある。これは、第1ケース部材11におけるシャフト20の周辺の領域は、第2ケース部材12に固定されている連結部13から離れているため、変形しやすく、応力によるひずみが生じやすくなっているためである。
ここで、本実施の形態にかかる回転機器1においては、シャフト20と検出部50との間の距離Y1,Y2は、連結部13と検出部50との間の距離X1,X2より大きい。すなわち、検出部50は、シャフト20よりも連結部13に近い位置に配置されている。これにより、本実施の形態にかかる回転機器1は、ノイズの発生が抑制され、シャフト20の軸方向一方側(矢印a方向)の端部21が重力方向に傾いた際に第1ケース部材11に生じる応力を精度よく検出することができる。したがって、本実施の形態にかかる回転機器1では、踏力を正確に算出することができる。
以上、本発明の回転機器および検出装置について、好ましい実施の形態を挙げて説明したが、本発明の回転機器および検出装置は上記実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば、上記実施の形態にかかる回転機器1は、電動アシスト自転車に用いられるものであるが、本発明の回転機器および検出装置は、電動アシスト自転車に用いられるものに限られず、ケースに対して回転自在に支持されたシャフトにかかる応力を検出する必要のある装置全般に適用することができる。
上記実施の形態にかかる回転機器1において、検出部50は、第1ケース部材11の外表面11aに配置されている。しかしながら、本発明の回転機器および検出装置において、検出部は、第1ケース部材の内表面に配置されていてもよい。検出部が第1ケース部材の内表面に配置されている場合、ひずみセンサおよび配線をケース内に収めることができるため、より耐久性の高い構成となる。
上記実施の形態にかかる回転機器1において、検出部50は、第1検出部51および第2検出部52を含む2つの検出部から構成されている。しかしながら、本発明の回転機器および検出装置において、検出部は、1つであってもよく、3つ以上であってもよい。検出部が1つである場合、例えば、上記実施の形態にかかる回転機器1において、第2検出部52が存在せず、第1検出部51のみが存在するような形態であってもよい。また、反対に、上記実施の形態にかかる回転機器1において、第1検出部51が存在せず、第2検出部52のみが存在するような形態であってもよい。さらに、検出部が3つ以上である場合、例えば、第1連結部とシャフトとの間に2つと、第2連結部とシャフトとの間に2つの、合計4つの検出部が配置されていてもよい。また、追加の検出部が、ケースの第2ケース部材に設けられていてもよい。
上記実施の形態にかかる回転機器1において、連結部13およびシャフト20は、重力方向に並んで配置されている。しかしながら、本発明の回転機器および検出装置において、連結部およびシャフトは、重力方向から傾斜した方向に並んで配置されていてもよい。傾斜の程度は、例えば30°以下であってもよく、20°以下であってもよく、10°以下であってもよく、5°以下であってもよい。
上記実施の形態にかかる回転機器1においては、第1連結部13aと第2連結部13bとを結ぶ直線上に、シャフト20、第1検出部51および第2検出部52が配置されている。しかしながら、本発明の回転機器および検出装置において、連結部、シャフトおよび検出部は、必ずしも厳密に直線状に並んで配置されていなくてもよい。例えば、検出部は、連結部とシャフトとを結んだ直線から、進行方向側または後退方向側へ僅かにずれて配置されていてもよい。
その他、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明のセンサ装置を適宜改変し、また各種構成の組み合わせを変更することができる。かかる変更によってもなお本発明の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。
1…回転機器(検出装置)、10…ケース、11…第1ケース部材、11a…外表面、11b…内表面、12…第2ケース部材、13…連結部、13a…第1連結部、13b…第2連結部、20…シャフト、50…検出部、51…第1検出部、52…第2検出部。
Claims (7)
- ケースと、
前記ケースに対して回転自在に支持されたシャフトと、
前記ケースの外表面または内表面に配置された検出部と、を有し、
前記ケースは、
第1ケース部材と、
第2ケース部材と、
前記第1ケース部材と前記第2ケース部材とを連結する連結部と、を備え、
前記検出部は、前記シャフトと前記連結部との間に配置される、回転機器。 - 前記シャフトの軸方向からみて、前記シャフトと前記検出部との間の距離が、前記連結部と前記検出部との間の距離より大きい、請求項1に記載の回転機器。
- 前記連結部と前記シャフトとは、重力方向に並んで配置されている、請求項1または2に記載の回転機器。
- 前記連結部は、第1連結部と第2連結部とを含む複数の連結部を有し、
前記検出部は、第1検出部と第2検出部とを含む複数の検出部を有する、請求項1または2に記載の回転機器。 - 前記第1検出部と、前記第2検出部とは、前記第1ケース部材に配置されている、請求項4に記載の回転機器。
- 前記シャフトの軸方向からみて、前記第1連結部と前記第2連結部とを結ぶ直線上に、前記シャフトと前記第1検出部と前記第2検出部とが配置される、請求項4に記載の回転機器。
- ケースと、
前記ケースに回転自在に支持されたシャフトと、
前記ケースの外表面または内表面に配置された検出部と、を有し、
前記ケースは、
第1ケース部材と、
第2ケース部材と、
前記第1ケース部材と前記第2ケース部材とを連結する連結部と、を備え、
前記検出部は、前記シャフトと前記連結部との間に配置される、検出装置。
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