专利名称：扭矩检测装置、扭矩检测装置单元以及电动助力自行车的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电动助力自行车上的扭矩检测装置、具备该扭矩检测装置的扭矩检测装置单元以及具备该扭矩检测装置或者该扭矩检测装置单元的电动助力自行车。
背景技术：
以往，实施有在由人力驱动的自行车上并列地附加电气驱动系统，基于人力进行的踏板踏力的变化(即作用在与踏板相连的曲柄轴上的踩踏扭矩)控制电气驱动系统的输出，从而辅助人力进行的踏板踏力的电动助力自行车。在这种以往的电动助力自行车中，作为检测作用在曲柄轴上的踩踏扭矩的扭矩检测装置，采用了使用电位差计的扭矩检测装置或使用磁应变材料的扭矩检测装置等各种方式的装置。而且，在以往的电动助力自行车中，提出了通过使用磁传感器而非接触地检测作 用在曲柄轴上的踩踏扭矩，从而实现了扭矩检测装置构造的简易化的方案(例如参照专利文献I)。专利文献I所记载的扭矩检测装置具备设在曲柄轴上的轴部旋转体，和经由弹性体与该轴部旋转体相连且在外周部形成有链条啮合的齿部的齿部旋转体。该轴部旋转体以及齿部旋转体的每一个上设有以等间隔角度配置的多个磁铁。这样，专利文献I所记载的电动自行车是通过这些磁铁通过磁传感器的下方之际所检测的检测脉冲的时间间隔来计算出轴部旋转体以及齿部旋转体各自的相位，基于这些相位的相位差求出作用在曲柄轴上的踩踏扭矩。专利文献I特开平9-290795号公报(段落
、图I 图4)。在电动助力自行车中，根据道路交通法执行规则，规定在辅助人力进行的踏板踏力之际能够赋予的输出(助动力)为人力进行的踏板踏力的两倍以内。但是，专利文献I所记载的电动助力自行车由于通过检测脉冲的时间间隔检测轴部旋转体以及齿部旋转体的相位，所以存在若不使轴部旋转体以及齿部旋转体旋转某种程度则不能够计算出这些相位的问题。因此，专利文献I所记载的电动助力自行车存在蹬车刚开始后不能够立即赋予最佳的助动力的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够通过简单的结构而在蹬车刚开始后立即计算出人力进行的踏板踏力，并能够在蹬车刚开始后立即赋予最佳的助动力的扭矩检测装置，具备该扭矩检测装置的扭矩检测装置单元，以及具备该扭矩检测装置或者该扭矩检测装置单元的电动助力自行车。本发明所涉及的扭矩检测装置是用于电动助力自行车上的扭矩检测装置，具备轴部旋转体，设在人力驱动系统的曲柄轴上；齿部旋转体，经由弹性体与轴部旋转体相连，外周部形成有链条啮合的齿部；第I支撑部，设在轴部旋转体上，按照N极、S极的顺序以等间隔角度配置有第I磁化部件；第2支撑部，设在齿部旋转体上，按照N极、S极的顺序以等间隔角度配置有第2磁化部件；第I霍尔传感器，将第I磁化部件的磁场作为大致正弦波状的检测信号进行检测 ’第2霍尔传感器，与第I霍尔传感器仅偏离规定的电角度地配置，将第I磁化部件的磁场作为大致正弦波状的检测信号进行检测；第3霍尔传感器，将第2磁化部件的磁场作为大致正弦波状的检测信号进行检测；以及第4霍尔传感器，与第3霍尔传感器仅偏离规定的电角度地配置，将上述第2磁化部件的磁场作为大致正弦波状的检测信号进行检测。而且，本发明所涉及的扭矩检测装置单元具备上述的扭矩检测装置，曲柄轴，以及经由曲柄杆与该曲柄轴的两端部相连的踏板。而且，本发明所涉及的电动助力自行车具备上述的扭矩检测装置或者上述的扭矩检测装置单元。在本发明中，由于基于第I霍尔传感器以及第2霍尔传感器的检测值计算出轴部旋转体的相位，基于第3霍尔传感器以及第4霍尔传感器的检测值计算出齿部旋转体的相 位，所以在蹬车刚开始后(即虽然轴部旋转体因踏板踏力而旋转，弹性体变形，但齿部旋转体尚未旋转的状态)即能够立即检测轴部旋转体以及齿部旋转体的相位。因此，在本发明中，能够以简单的结构在蹬车刚开始后立即计算出人力进行的踏板踏力，在蹬车刚开始后即立即赋予最佳的助动力。
图I是表示本发明的实施方式所涉及的电动助力自行车的左侧视 图2是表示本发明的实施方式所涉及的扭矩检测装置的立体 图3是表示本发明的实施方式所涉及的扭矩检测装置的立体 图4是表示设在本发明的实施方式所涉及的扭矩检测装置上的密封箱的立体图(局部首1J视图);
图5是表示本发明的实施方式所涉及的霍尔传感器与支撑部的位置关系的说明 图6是用于说明本发明的实施方式所涉及的扭矩检测装置的相位检测方法的说明图； 图7是表示本发明的实施方式所涉及的扭矩检测装置的另一例的立体 图8是表示以往的多极磁化环磁铁与磁头的位置关系的说明图。附图标记说明
I :电动助力自行车，2 :框架，2a :头管，3 :手柄，4 :车座，5 :前轮，6 :后轮，7 :曲柄轴，8L 曲柄杆(左侧)，SR 曲柄杆(右侧)9L :踏板(左侧)，9R :踏板(右侧)，10 :链条，11 :车灯，20 :扭矩检测装置，21 :蓄电池，22 :控制器，23 :手动仪表盘，24 :马达，30 :轴部旋转体，30a:缺口，30b :凸部，31 :曲柄轴插入部，32 :支撑部，33 :凹部，35 :霍尔传感器，36 :霍尔传感器，37 :N极磁铁，38 :S极磁铁，40 :齿部旋转体，40a :开口部，40b :凸部，40c :卡止部，40d :齿部，40e :突片，42 :支撑部，43 :凹部，45 :霍尔传感器，46 :霍尔传感器，47 :N极磁铁，48 :S极磁铁，50 :螺旋弹簧，51 :板簧，60 :轴承，61 :外轮，70 :密封罩，71 :平板部，72 :内周侧缘部，73 :外周侧缘部，101 :多极磁化环磁铁，102 :磁头。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的实施方式所涉及的扭矩检测装置，具备该扭矩检测装置的扭矩检测装置单元，以及具备该扭矩检测装置或者该扭矩检测装置单元的电动助力自行车进行说明。另外，在以下所示的附图中，会有各结构因素的形状及大小因附图的不同而不同的情况。而且，以下所示的扭矩检测装置，具备该扭矩检测装置的扭矩检测装置单元，以及具备该扭矩检测装置或者该扭矩检测装置单元的电动助力自行车仅仅是一例而已。发明所涉及的扭矩检测装置，具备该扭矩检测装置的扭矩检测装置单元，以及具备该扭矩检测装置或者该扭矩检测装置单元的电动助力自行车的结构并不是由以下的附图所示的结构限定。图I是表示本发明的实施方式所涉及的电动助力自行车的左侧视图。电动助力自行车I的主要的构架部分例如由金属管制成的框架2构成。在该框架2的前方配置有前轮5。在前轮5上连接有用于对前轮5进行操舵的手柄3。手柄3由设在框架2的前部的头管2a保持而旋转自如。而且，在头管2a上设有在夜间等对电动助力自行车I的前方进行照射的车灯11。在框架2的大致中央部的上侧设有车座4。而且，在车座4的下方(即框架2的大致中央部的下侧)设有成为人力驱动系统的曲柄轴7，曲柄杆8L、8R，以及踏板9L、9R。曲柄 轴7是沿着左右方向配置的，在其左侧端部经由曲柄杆8L连接有踏板9L，在其右侧端部经由曲柄杆SR连接有踏板9R。而且，曲柄杆8L以及曲柄杆SR的延伸设置方向为以曲柄轴7为中心相互旋转180°的位置。该曲柄轴7贯通扭矩检测装置20的大致中央部而与扭矩检测装置20相连。该扭矩检测装置20在其外周部形成有齿部，通过与该齿部啮合的链条10与后轮6相连。S卩，当对踏板9L、9R赋予人力进行的踏板踏力时，该踏板踏力经由曲柄轴7，扭矩检测装置20以及链条10传递到后轮6。另外，扭矩检测装置20也用于检测人力进行的踏板踏力(即作用在曲柄轴7上的踩踏扭矩)时，关于详细结构在之后描述。而且，在电动助力自行车I中，设有蓄电池21，控制器22，手动仪表盘23，以及马达24。手动仪表盘23是用户输入助动力的通、断等的装置。该输入值向控制器22输出。控制器22基于扭矩检测装置20的检测值以及来自手动仪表盘23的输入值计算出人力进行的踏板踏力。而且，控制器22计算出与该踏板踏力相对应的助动力，并控制马达24以赋予该助动力。马达24例如与前轮5的旋转轴相连,例如向前轮5赋予助动力。蓄电池21是供给控制器22及马达24的驱动电力的装置。(扭矩检测装置20的详细结构)
接着，对本实施方式所涉及的扭矩检测装置20的详细结构进行说明。图2以及图3是表示本发明的实施方式所涉及的扭矩检测装置的立体图。另外，图2是表示从框架2 —侧(图I的纸面里侧)看到的扭矩检测装置20的立体图。而且，图3是表示从曲柄杆8L —侧(图I的纸面前侧)看到扭矩检测装置20的立体图。另外，在图2以及图3中，以将扭矩检测装置20配置在框架2与曲柄杆8L之间的情况为例进行说明，但扭矩检测装置20也可以配置在框架2与曲柄杆SR之间。如图2以及图3所示，扭矩检测装置20具备轴部旋转体30以及齿部旋转体40。轴部旋转体30安装在曲柄轴7上，呈大致圆板形状。在该轴部旋转体30的外周部形成有配置螺旋弹簧50的缺口 30a。这样，在缺口 30a上形成有插入螺旋弹簧50的一侧的端部的凸部30b。另外，在本实施方式中形成有多个缺口 30a，但缺口 30a的数量可以是任意的。如后所述，螺旋弹簧50将赋予到轴部旋转体30上的踩踏扭矩向齿部旋转体40传递。因此，缺口 30a的个数(即螺旋弹簧50的设置个数)通过考察所使用的螺旋弹簧50的弹性力等而适当决定即可。在轴部旋转体30的一个面(框架2 —侧的面)上形成有曲柄轴7插入的曲柄轴插入部31。即，轴部旋转体30以曲柄轴7的轴心为中心与曲柄轴7 —起旋转。另外，曲柄轴7与轴部旋转体30 (更详细地说是曲柄轴插入部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，在轴部旋转体30的该面(框架2—侧的面)上设有例如大致为环形状的支撑部32 (第I支撑部)。另外，在本实施方式中，轴部旋转体30与支撑部32是作为分别的部件构成的，但也可以一体地形成轴部旋转体30与支撑部32。在该支撑部32上，以等间隔角度形成有多个凹部33。在这些凹部33中交错地配置N极磁铁37以及S极磁铁38 (参照后述的图6)。另外，N极磁铁37以及S极磁铁38能够使用各种磁铁(例如钕磁铁或铁氧体磁铁等)，并不限定磁铁的种类。例如，可以一体地形成支撑部32和N极磁铁37以及S极磁铁38作为多极磁铁。在此，N极磁铁37以及S极 磁铁38相当于本发明中的第I磁化部件。而且，在轴部旋转体30的另一面(曲柄杆8L—侧的面)上安装有曲柄杆8L。另外，曲柄杆8L的安装方法是任意的。例如可以将曲柄杆8L安装在插入轴部旋转体30的曲柄轴插入部31的曲柄轴7的端部。而且，在例如作为扭矩检测装置单元而与扭矩检测装置20一起销售曲柄轴7，曲柄杆8L、8R，以及踏板9L、9R等的情况下，当然也可以一体地形成曲柄杆8L和轴部旋转体30。齿部旋转体40成大致环形状，在外周部形成有链条10啮合的齿部40d。而且，齿部旋转体40的内周部的直径形成为比设在轴部旋转体30上的支撑部32的外周部的直径稍大。通过将轴部旋转体30的支撑部32插入齿部旋转体40的内周部，由形成在齿部旋转体40上的卡止部40c卡止轴部旋转体30，齿部旋转体40被旋转自如地安装在轴部旋转体30上。另外，齿部旋转体40向轴部旋转体30上的安装构造并不仅限于本实施方式所示的构造。只要是将齿部旋转体40向轴部旋转体30上安装成齿部旋转体40以曲柄轴7的轴心为中心旋转自如的构造即可，两者的安装构造是任意的。而且，在齿部旋转体40上与轴部旋转体30的缺口 30a整合的位置上形成有配置螺旋弹簧50的开口部40a。这样，在该开口部40a中形成有插入螺旋弹簧50的另一个端部(即与缺口 30a的插入凸部30b的端部相反一侧的端部)的凸部40b。在齿部旋转体40的一个面(框架2 —侧的面)上例如设有大致环形状的支撑部42(第2支撑部)。更详细地说，支撑部42的内周部的直径形成为比设在轴部旋转体30上的支撑部32的外周部的直径大，支撑部42配置在支撑部32的外周侧。另外，在本实施方式中，齿部旋转体40与支撑部42是作为分别的部件构成的，但也可以一体地形成齿部旋转体40与支撑部42。在该支撑部42上，以与支撑部32的凹部33相同的等间隔角度形成有多个凹部43。在这些凹部43中交错地配置N极磁铁47以及S极磁铁48 (参照后述的图6)。另外，N极磁铁47以及S极磁铁48能够使用各种磁铁(例如钕磁铁或铁氧体磁铁等)，并不限定磁铁的种类。例如，可以一体地形成支撑部42和N极磁铁47以及S极磁铁48作为多极磁铁。在此，N极磁铁47以及S极磁铁48相当于本发明中的第2磁化部件。
而且，在本实施方式所涉及的扭矩检测装置20中，如图4所示设有检测支撑部32的磁场(更详细地说是设在支撑部32上的N极磁铁37以及S极磁铁38的磁场)的霍尔传感器35 (第I霍尔传感器)以及霍尔传感器36 (第2霍尔传感器)。而且，霍尔传感器35以及霍尔传感器36设在支撑部32的旋转轨迹上，霍尔传感器35以及霍尔传感器36配置在相差90°的电角度的位置上。同样，在本实施方式所涉及的扭矩检测装置20中，如图4所示设有检测支撑部42的磁场(更详细地说是设在支撑部42上的N极磁铁47以及S极磁铁48的磁场)的霍尔传感器45 (第3霍尔传感器)以及霍尔传感器46 (第4霍尔传感器)。而且，霍尔传感器45以及霍尔传感器46设在支撑部42的旋转轨迹上，霍尔传感器45以及霍尔传感器46配置在相差90°的电角度的位置上。在本实施方式中，这些霍尔传感器35，霍尔传感器36，霍尔传感器45，以及霍尔传感器46设在密封罩70 (更详细地说是后述的密封罩70的平板部71)上。该密封罩70成为覆盖在支撑部32，霍尔传感器35，霍尔传感器36，支撑部42，霍尔传感器45，以及霍尔传感器46周围的形状。更详细地说，密封罩70具备平板部71，内周侧缘部72，以及外周侧缘部73。平板 部71为大致环形状的平板，与支撑部32以及支撑部42隔开规定的间隔对向配置。内周侧缘部72是从平板部71的内周侧端部向支撑部32以及支撑部42的方向突出设置的缘部。在该内周侧缘部72上插入有轴承60的外轮61。这样，轴承60在其内轮中插入有轴部旋转体30的曲柄轴插入部31。这样一来，成为了即使在曲柄轴7，轴部旋转体30 (支撑部32)，以及齿部旋转体40 (支撑部42)旋转之际，密封罩70也不旋转的结构。外周侧缘部73是从平板部71的外周侧端部向支撑部32以及支撑部42的方向突出设置的缘部。本实施方式所涉及的扭矩检测装置20安装在曲柄轴7上。此时，会有因曲柄轴7的形状(例如表面形状等)对支撑部32及支撑部42的磁场(磁通)带来影响的情况。而且，曲柄轴7的形状会有因各厂家的不同而不同的情况。在这种情况下，曲柄轴7对支撑部32及支撑部42的磁场(磁通)带来的影响因曲柄轴7的形状的不同而不同。但是，通过设置本实施方式所涉及的密封罩70 (覆盖在支撑部32、霍尔传感器35、霍尔传感器36、支撑部42、霍尔传感器45、以及霍尔传感器46的周围的密封罩)，能够防止曲柄轴7对支撑部32及支撑部42的磁场(磁通)带来影响。即，无论曲柄轴7的形状如何，均能够采用通用规格的扭矩检测装置20。(霍尔传感器与支撑部的位置关系)
在此，在本实施方式所涉及的扭矩检测装置20中，以如下的位置关系配置有霍尔传感器和支撑部。另外，霍尔传感器45、46与支撑部42的位置关系与霍尔传感器35、36与支撑部32的位置关系相同。因此，以下对霍尔传感器35、36与支撑部32的位置关系进行说明。图5是表示本实施方式所涉及的霍尔传感器与支撑部的位置关系的说明图。以下，使用该图5并参照后述的图8对霍尔传感器35、36与支撑部32的位置关系进行说明。以往，在旋转编码器等中，以图8那样的位置关系配置多极磁化环磁铁(由多极磁铁形成的环状部件)和磁头。即，如图8所示，在设多磁化环磁铁101的磁极间隔为d的情况下，将磁头102以及多极磁化环磁铁101配置成磁头102与多磁化环磁铁101的间隔h满足h > d。通过这样配置磁头102以及多极磁化环磁铁101，能够使磁头102的检测信号为大致正弦波形状。
当着眼于本实施方式所涉及的霍尔传感器35、36与支撑部32的位置关系时(图5)，由于霍尔传感器能够判断磁铁的极性，所以通过将霍尔传感器35、36仅离开支撑部32(即N极磁铁37以及S极磁铁38)规定的距离地配置，能够使霍尔传感器35、36的检测信号为大致正弦波形状。此时，即使在将N极磁铁37以及S极磁铁38安装在凹部33的本实施方式所涉及的支撑部32中，本领域的技术人员通常也必定仿照上述的磁头102以及多极磁化环磁铁101的位置关系配置霍尔传感器35、36以及支撑部32。即，本领域的技术人员通常必定将霍尔传感器35、36配置成满足下式(I)。hi 彡 d (I)
在此，hi表示支撑部32的N极磁铁37以及S极磁铁38与霍尔传感器35、36之间的最短距离。而且，d表示N极磁铁37与S极磁铁38的中心间距离。即，d表示{支撑部32(即N极磁铁37以及S极磁铁38)的行走轨迹的直径} / (N极磁铁37以及S极磁铁38的数量)。 但是，申请人通过反复讨论研究发现，通过将霍尔传感器35、36配置成满足下式
(2)，霍尔传感器35、36的检测信号为大致正弦波形状。hi 彡 d， (2)
在此，d’表示N极磁铁37与S极磁铁38的最短距离。即，d’表示[{支撑部32 (即N极磁铁37以及S极磁铁38)的行走轨迹的直径}/ (N极磁铁37以及S极磁铁38的数量)]-(N极磁铁37以及S极磁铁38的直径)。因此，本实施方式所涉及的扭矩检测装置20将霍尔传感器35、36配置成满足下式
(3)。d，( hl〈d (3)
通过这样配置霍尔传感器35、36，能够比以往更接近支撑部32地配置霍尔传感器35、36。从上述的图I可知，扭矩检测装置20配置在电动助力自行车I的框架2与曲柄杆8L(或者曲柄杆8R)之间。因此，希望扭矩检测装置20的厚度尽可能地薄。因此，像本实施方式那样配置霍尔传感器35、36的扭矩检测装置20作为搭载在电动助力自行车I上的扭矩检测装置是非常有用的。另外，本实施方式所涉及的扭矩检测装置20是将霍尔传感器35、36、45、46安装在了密封罩70上,但也可以另外设置安装霍尔传感器35、36、45、46的传感器托架。而且,在支撑部32 (即N极磁铁37以及S极磁铁38)的高度与支撑部42 (即N极磁铁47以及S极磁铁48)的高度不同的情况下，只要是将霍尔传感器35、36、45、46配置成检测高度较高的支撑部的磁场的霍尔传感器满足上式(3)即可。而且，在本实施方式中，将霍尔传感器35、36配置在了支撑部32的行走轨迹上，将霍尔传感器45、46配置在了支撑部42的行走轨迹上，但霍尔传感器35、36、45、46的配置位置并不仅限于此。例如，也可以将霍尔传感器35、36配置在比支撑部32的行走轨迹靠内周侧缘部72，将霍尔传感器45、46配置在比支撑部42的行走轨迹靠外周侧缘部73。这样一来，能够抑制霍尔传感器35、36中支撑部42的磁场产生的影响，并能够抑制霍尔传感器45、46中支撑部32的磁场产生的影响。而且，上述的式(2)以及式(3)是设想了将大致圆柱形状的N极磁铁37以及S极磁铁38设在支撑部32的凹部33的情况，但N极磁铁37以及S极磁铁38的形状是任意的。例如，在从与支撑部32的行走轨迹垂直的方向观察N极磁铁37以及S极磁铁38的情况下，其形状不是圆形状。在这种情况下，只要是在计算出式(2)以及式(3)的d’之际将「N极磁铁37以及S极磁铁38的直径」换成「N极磁铁37以及S极磁铁38的行走轨迹方向上的长度」即可。(扭矩检测装置的相位检测方法)
图6是用于说明本发明的实施方式所涉及的扭矩检测装置的相位检测方法的说明图。另外，图6 (a)是表不支撑部32、42与霍尔传感器35、36、45、46的位置关系的说明图。而且，图6 (b)是说明霍尔传感器35、36、45、46的检测波形的说明图。以下，基于该图6以及上述的图I 图5对本实施方式所涉及的扭矩检测装置20的相位检测方法进行说明。如上所述，人力进行的踏板踏力经由曲柄轴7传递到轴部旋转体30。即当人力进 行的踏板踏力赋予踏板9L、9R时，轴部旋转体30与曲柄轴7 —起旋转。随着轴部旋转体30的旋转，在连接轴部旋转体30与齿部旋转体40的螺旋弹簧50上作用有人力进行的踏板踏力(即作用在曲柄轴7上的踩踏扭矩)，螺旋弹簧50被压缩。这样，当成为被压缩时的螺旋弹簧50的反作用力(弹性力)与人力进行的踏板踏力平衡的状态时，齿部旋转体40开始旋转。这样一来，人力进行的踏板踏力经由与齿部旋转体40啮合的链条10向后轮6传递。S卩，在轴部旋转体30与齿部旋转体40之间产生相当于人力进行的踏板踏力的相位差Λ Θ。因此，在本实施方式中，计算出轴部旋转体30的相位和齿部旋转体40的相位，并求出相当于人力进行的踏板踏力的这些相位差。例如，当轴部旋转体30处于初始相位状态(以无负荷状态开始旋转之前的状态)时，霍尔传感器35检测大致正弦波状的检测波形的上限位置。同样，当齿部旋转体40处于初始相位状态(以无负荷状态开始旋转之前的状态)时，霍尔传感器45检测大致正弦波状的检测波形的上限位置。当在该状态下人力进行的踏板踏力赋予踏板9L、9R，轴部旋转体30以及齿部旋转体40旋转时，霍尔传感器35以及霍尔传感器45的检测信号如图6 (b)中所示那样。因此，控制器22能够基于从霍尔传感器35以及霍尔传感器45输入的这些检测信号而计算出相当于人力进行的踏板踏力的相位差Λ Θ (= Θ丨一 02)。此时，本实施方式所涉及的扭矩检测装置20由于具备霍尔传感器36以及霍尔传感器46，所以控制器22通过使用这些霍尔传感器的检测信号而在刚开始了轴部旋转体30以及齿部旋转体40的相位检测后立即计算出这些相位的绝对值。例如，在霍尔传感器35的检测信号为O的情况下，如果没有霍尔传感器36的检测信号，则控制器22不能够进行齿部旋转体的相位是在图6(b)所示的A点还是B点的判别。另一方面，若霍尔传感器36的检测信号已输入到控制器22中，则控制器22能够将霍尔传感器35的检测信号为O、霍尔传感器36的检测信号为正的情况判别为轴部旋转体30的相位是在A点，将霍尔传感器35的检测信号为O、霍尔传感器36的检测信号为负的情况判别为轴部旋转体30的相位是在B点。即，控制器22能够基于霍尔传感器35以及霍尔传感器36的检测信号，在刚开始了轴部旋转体30的相位检测后立即计算出轴部旋转体30为电角度偏离了多少度的状态(即Θ I的值)。同样，控制器22能够基于霍尔传感45以及霍尔传感器46的检测信号，在刚开始了齿部旋转体40的相位检测后立即计算出齿部旋转体40为电角度偏离了多少度的状态(即Θ 2的值)。
另外，在本实施方式中，控制器22例如下述那样计算出Θ I以及Θ 2的值。在此，由于Θ I和Θ 2的计算方法使用同样的方法，因而以下对Θ I的计算方法进行说明。当设霍尔传感器35以及霍尔传感器36的振幅的最大值为k时，霍尔传感器35的检测信号Vl以及霍尔传感器36的检测信号V2能够表示成下式(4)以及下式(5)。Vl = ksin Θ I · · · (4)
V2 = kcos Θ I · · · (5)
这样，通过使用式(4)以及式(5)，Θ I能够表示成下式(6)。Θ I = tarf1 { (sin Θ I) / (cos θ I) } · · · (6)
因此，在本实施方式中，控制器22将霍尔传感器35的检测信号作为sin Θ I，将霍尔传感器36的检测信号作为cos Θ 1，从上述的式(6)求出Θ1。振幅的最大值k是因支撑部32 (更详细地说是N极磁铁37以及S极磁铁38)与霍尔传感器36、37的距离而变化的值。而且，振幅的最大值k也因支撑部32 (更详细地说是N极磁铁37以及S极磁铁38)而变化。即，振幅的最大值k是随时间推移而变化的值。但是，通过从上述的式(6)求出0 1，在01的计算上不再需要使用k，从而能够没有随时间推移而变化的影响地正确求出Θ I。而且，在本实施方式中，控制器22例如下述那样计算出人力进行的踏板踏力。控制器22预先存储对应于轴部旋转体30与齿部旋转体40的相位差，和人力进行的踏板踏力的表格及计算式。这样，控制器22将上述那样计算出的轴部旋转体30与齿部旋转体40的相位差代入该表格及计算式，计算出人力进行的踏板踏力。另外，该表格及计算式既可以例如基于螺旋弹簧50的弹簧常数计算出，也可以例如通过模拟求出，还可以例如通过实测求出。以上，由于这样使用本实施方式所涉及的扭矩检测装置20，控制器22能够在刚开始了轴部旋转体30以及齿部旋转体40的相位检测后立即计算出这些相位的绝对值，所以能够在蹬车刚开始后立即计算出人力进行的踏板踏力。因此，能够在蹬车刚开始后即立即赋予最佳的助动力。另外，在本实施方式中，是将霍尔传感器35与霍尔传感器36配置在相差90°的电角度的位置上，但霍尔传感器35与霍尔传感器36的偏离角并不仅限于90°电角度。在从支撑部32的0°电角度到360°电角度之间，霍尔传感器35表示同一个检测值的部位有多个。只要是能够判断该同一个检测值为多少电角度，则霍尔传感器35与霍尔传感器36的偏离角可以是任意的。例如，在霍尔传感器35与霍尔传感器36的偏离角为Θ h的情况下，可以将上述的式(5)以及式(6)换成下式(7)以及下式(8)。V2 = ksin ( Θ I + Θ h) · · · (7)
Θ I = tarf1 [VI/{ (V2 — Vlcos0h)/sin0h}] · · · (8)
同样，霍尔传感器45与霍尔传感器46的偏离角也是任意的。而且，在本实施方式中，是通过压缩式的螺旋弹簧50连接轴部旋转体30与齿部旋转体，但连接轴部旋转体30与齿部旋转体的弹性体能够使用各种弹性体。例如，作为连接轴部旋转体30与齿部旋转体的弹性体，可以使用橡胶及拉伸式的螺旋弹簧。而且，例如图7所示，作为连接轴部旋转体30与齿部旋转体的弹性力，也可以使用板簧。另外，图7所示的扭矩检测装置20是轴部旋转体30与曲柄杆8L —体形成，从轴部旋转体30的外周部延伸设有多个板簧51。这样，由于这些板簧51的端部固定在齿部旋转体40的突片40e上，从而轴部旋转体30与齿部旋转体40连接在一起。本实施方式所示的扭矩检测装置20由于支撑部32、42与霍尔传感器35、36、45、46的距离非常重要，所以希望轴部旋转体30与齿部旋转体40的位置关系不相对于旋转轴方向(曲柄轴7的轴心方向)偏离。通过由板簧51连接轴部旋转体30与齿部旋转体，即使不另外设置用于防止位置偏离的结构也能够防止轴部旋转体30与齿部旋转体40的旋转轴方向上的偏离，廉价地制造扭矩检测装置20。而且，在本实施方式中，虽然在检测轴部旋转体30与齿部旋转体40的相位差之际未特别进行初始补正，但也可以在检测轴部旋转体30与齿部旋转体40的相位差之际进行初始补正。例如，由于扭矩检测装置20的结构零部件的制作误差及组装误差等，支撑部32与霍尔传感器35、36的位置关系及支撑部42与霍尔传感器45、46的位置关系变化。这样一来，在轴部旋转体30以及齿部旋转体40上未施加负荷(踏板踏力)的状态下，会有在轴部旋转体30与齿部旋转体40之间产生相位差的情況。在使该初始相位差预先存储在控制器22中，检测轴部旋转体30与齿部旋转体40的相位差之际，通过以该初始相位差补正上述那样检测的轴部旋转体30与齿部旋转体40的相位差，能够更正确地计算出轴部旋转体30与 齿部旋转体40的相位差。而且，在本实施方式中，将支撑部42构成为凹部43为与凹部33相同的等间隔角度。但是，凹部43只要是各凹部43以等间隔角度配置即可，无需是与凹部33相同的等间隔角度。即，只要是N极磁铁47以及S极磁铁48是以等间隔角度配置即可，而无需是与N极磁铁37以及S极磁铁38相同的等间隔角度。S卩，当将支撑部32的极对数设为pfl，将支撑部42的极对数设为pf2，将从霍尔传感器35 (或者霍尔传感器36)到附近的N极磁铁37的电角度设为Θ el，将从霍尔传感器45 (或者霍尔传感器46)到附近的N极磁铁47的电角度设Θ e2,则轴部旋转体30与齿部旋转体40的机械相位差△ Θ能够以下式(9)表示。ΔΘ = Θ I — Θ 2 = ( Θ el/pf I) — ( Θ e2/pf2) · · (9)
例如，在支撑部32的极对数为6 (N极磁铁37为6个，S极磁铁38为6个)，支撑部42的极对数也为6 (N极磁铁47为6个，S极磁铁48为6个)的情况下，即支撑部32的极对数与支撑部42的极对数为相同数量的情况下，式(9)则成为下式(10)。ΔΘ = Θ I — Θ 2 = ( Θ el/6) — ( Θ e2/6) · · · (10)
而且，在例如支撑部32的极对数为6 (N极磁铁37为6个，S极磁铁38为6个)，支撑部42的极对数为12 (N极磁铁47为12个，S极磁铁48为12个)的情况下，即支撑部42的极对数为支撑部32的极对数的2倍的情况下，式(9)则成为下式(11)。ΔΘ = Θ I — Θ 2 = ( Θ el/6) —( Θ e2/12)= ( Θ el/6)— {( Θ e2/6)/2} ···( 11)
因此，在支撑部42的极对数为支撑部32的极对数的j (= pf2/pfl)倍的情况下，通过求出从电角度Θ el减去电角度Θ e2的Ι/j倍的值后的减法值，再用该减法值除以pfl (支撑部32的极对数)，能够求出轴部旋转体30与齿部旋转体40的机械相位差Λ Θ。
权利要求
1.ー种扭矩检测装置，用于电动助力自行车上，其特征在于，具备 轴部旋转体，设在人力驱动系统的曲柄轴上； 齿部旋转体，经由弾性体与该轴部旋转体相连，外周部形成有链条啮合的齿部； 第I支撑部，设在上述轴部旋转体上，按照N扱、S极的顺序以等间隔角度配置有第I磁化部件； 第2支撑部，设在上述齿部旋转体上，按照N扱、S极的顺序以等间隔角度配置有第2磁化部件； 第I霍尔传感器，将上述第I磁化部件的磁场作为大致正弦波状的检测信号进行检測； 第2霍尔传感器，与上述第I霍尔传感器仅偏离规定的电角度地配置，将上述第I磁化部件的磁场作为大致正弦波状的检测信号进行检测； 第3霍尔传感器，将上述第2磁化部件的磁场作为大致正弦形状的检测信号进行检測； 第4霍尔传感器，与上述第3霍尔传感器仅偏离规定的电角度地配置，将上述第2磁化部件的磁场作为大致正弦波状的检测信号进行检測。
2.如权利要求I所述的扭矩检测装置，其特征在干， 上述第I磁化部件是安装在上述第I支撑部上的磁铁， 上述第I霍尔传感器以及上述第2霍尔传感器配置成上述第I霍尔传感器以及上述第2霍尔传感器与上述第I磁化部件之间的最短距离hi为[{(上述第I磁化部件的行走轨迹的直径/上述第I磁化部件的数量)一上述第I磁化部件的行走轨迹方向上的长度} <hl〈(上述第I磁化部件的行走轨迹的直径/上述第I磁化部件的数量)]。
3.如权利要求I所述的扭矩检测装置，其特征在干， 上述第2磁化部件是安装在上述第2支撑部上的磁铁， 上述第3霍尔传感器以及上述第4霍尔传感器配置成上述第3霍尔传感器以及上述第4霍尔传感器与上述第2磁化部件之间的最短距离h2为[{(上述第2磁化部件的行走轨迹的直径/上述第2磁化部件的数量)一上述第2磁化部件的行走轨迹方向上的长度} く h2〈(上述第2磁化部件的行走轨迹的直径/上述第2磁化部件的数量)]。
4.如权利要求I所述的扭矩检测装置，其特征在干， 设有覆盖上述第I霍尔传感器，上述第2霍尔传感器，上述第3霍尔传感器，上述第4霍尔传感器，上述第I支撑部，以及上述第2支撑部的周围的密封罩。
5.如权利要求I所述的扭矩检测装置，其特征在干， 具备与上述第I霍尔传感器、上述第2霍尔传感器、上述第3霍尔传感器、以及上述第4霍尔传感器相连的控制器，和与上述控制器相连的马达； 上述控制器基于由上述第I霍尔传感器检测的大致正弦波状的检测信号和由上述第2霍尔传感器检测的大致正弦波状的检测信号计算出上述轴部旋转体的相位，基于由上述第3霍尔传感器检测的大致正弦波状的检测信号和由上述第4霍尔传感器检测的大致正弦波状的检测信号计算出上述齿部旋转体的相位，将上述马达的输出值控制成与上述轴部旋转体与上述齿部旋转体的相位差相对应的输出值。
6.如权利要求5所述的扭矩检测装置，其特征在干，上述第2霍尔传感器相对于上述第I霍尔传感器偏离90°电角度地配置， 上述第4霍尔传感器相对于上述第3霍尔传感器偏离90°电角度地配置， 上述控制器将由上述第I霍尔传感器以及上述第2霍尔传感器检测的正弦波状的检测信号分别作为sin Θ I以及cos Θ 1，计算出Θ I = tarT1 { (sin Θ I)/ (cos Θ I)}，将由上述第3霍尔传感器以及上述第4霍尔传感器检测的正弦波状的检测信号分别作为sin Θ 2以及 cos Θ 2,计算出 Θ 2 = tarT1 { (sin Θ 2) / (cos θ 2) }, 将上述轴部旋转体与上述齿部旋转体的相位差Λ Θ作为Λ θ = Θ I — Θ2求出。
7.如权利要求5所述的扭矩检测装置，其特征在干， 上述控制器预先存储了在上述齿部旋转体上未施加来自外部的负荷的状态下检测的上述轴部旋转体与上述齿部旋转体的初始相位差， 以上述初始相位差对在上述齿部旋转体上施加了来自外部的负荷的状态下检测的上述轴部旋转体与上述齿部旋转体的相位差进行补正。
8.如权利要求I所述的扭矩检测装置，其特征在干， 上述弾性体是板簧。
9.ー种扭矩检测装置単元，其特征在于，具备 权利要求I 权利要求8中任ー项所述的扭矩检测装置， 上述曲柄轴， 经由曲柄杆与该曲柄轴的两端部相连的踏板。
10.一种电动助力自行车，其特征在干， 具备权利要求I 权利要求8中任ー项所述的扭矩检测装置或者权利要求9所述的扭矩检测装置単元。
全文摘要
本发明涉及一种扭矩检测装置、扭矩检测装置单元以及电动助力自行车。本发明提供能够通过简单的结构而在蹬车刚开始后立即计算出人力进行的踏板踏力的扭矩检测装置。扭矩检测装置具备设在曲柄轴上的轴部旋转体；经由螺旋弹簧与轴部旋转体相连，外周部形成有链条啮合的齿部的齿部旋转体；设在轴部旋转体上，按照N极、S极的顺序以等间隔角度配置有磁铁的第1支撑部；设在齿部旋转体上，按照N极、S极的顺序以与第1支撑部相同的等间隔角度配置有磁铁的支撑部；仅偏离规定的电角度地配置，将第1支撑部的磁场作为大致正弦波状的检测信号进行检测的霍尔传感器；以及仅偏离规定的电角度地配置，将第2支撑部的磁场作为大致正弦波状的检测信号进行检测的霍尔传感器。
文档编号B62M6/50GK102673718SQ20111025646
公开日2012年9月19日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年3月9日
发明者坂本三直, 市川崇行, 权赫镇, 蔡文强, 鹿岛祐晃 申请人:迈为株式会社