CN102968065B - 自行车用传感器的控制装置、自行车用传感器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自行车用传感器的控制装置、自行车用传感器的控制方法，无论自行车的旋转部件的旋转速度如何、都能够稳定计量对应自行车的行驶状态而变化的物理量。装设在具有旋转部件的自行车上的传感器的控制装置（10）包含：检测旋转部件的旋转状态的检测部（11）、及对应检测部（11）的检测结果而变更传感器（20）中的检测频率的控制部（12）。由此，该控制装置（10）能够对应旋转部件的旋转状态来变更传感器（20）中的检测频率。

Description

自行车用传感器的控制装置、自行车用传感器的控制方法

技术领域

本发明涉及一种测量对应自行车的行驶状态而变化的物理量的自行车用传感器的控制装置以及控制方法。

背景技术

一般地，传感器使用计时器等以每规定的时间间隔测量某些物理现象。计量施加于自行车的部件的力的装置也同样如此。

在由传感器以每规定的时间间隔测量施加于自行车的部件的力的情况下，为了不论行驶状态如何都能获得足够的测量精度，需要事先将测量间隔尽量设定得短。因此，根据行驶状态的不同，进行过度的测量有时会不希望地消耗电力。

发明内容

因此，本发明是鉴于上述问题而研发的，其目的在于提供一种自行车用传感器的控制装置以及控制方法，能够抑制电力消耗量的同时控制测量对应自行车的行驶状态而变化的物理量的传感器获得足够的测量精度。

为解决上述问题，本发明提供一种自行车用传感器的控制装置，其控制装设在具有旋转部件的自行车上的传感器，对应旋转部件的旋转状态而变更检测频率。

为解决上述问题，本发明提供一种自行车用传感器的控制方法，其控制装设在具有旋转部件的自行车上的传感器，对应旋转部件的旋转状态而变更检测频率。

根据本发明，可实现一种自行车用传感器的控制装置以及控制方法，能够抑制电力消耗量的同时控制测量对应自行车的行驶状态而变化的物理量的传感器获得足够的测量精度。

附图说明

图1是表示本发明第一实施方式的自行车用计量装置的概略结构的框图。

图2是表示由发电机实现的检测部的一例的图。

图3（a）～（c）是表示发电机在所安装的旋转部件旋转时产生的交流电压以及对该交流电压进行处理后的电压的一例的图。

图4是表示由速度计的磁传感器实现的检测部的一例的图。

图5是表示第一实施方式的自行车用计量装置的处理的流程的流程图。

图6是表示控制部对应车速而变更传感器的采样速率的情况下的车速与采样速率的关系的图。

附图标记说明：10控制装置；11检测部；12控制部；20传感器；21传感器件；22放大电路；23A/D转换电路；24物理量计算部；30无线电路。

具体实施方式

<第一实施方式>

以下，参照附图对本发明的第一实施方式的自行车用计量装置进行说明。本实施方式中的自行车用计量装置不仅可以装设在骑乘者通过蹬踏脚踏板行驶的通常的自行车上，也可以装设在如动感单车（areobike）那样的固定的自行车。图1是表示本实施方式的自行车用计量装置的概略结构的框图。自行车用计量装置1设有控制装置10、传感器20、无线电路30。控制装置10设有检测部11、控制部12。传感器20设有传感器件21、放大电路22、A/D转换电路23、物理量计算部24。

控制装置10对应自行车的旋转部件的旋转状态来变更装设在自行车上的传感器20中的检测频率。该旋转部件包括车轮、曲柄、轮毂、链轮、滑轮以及脚踏板中的任一方。曲柄包括曲柄轴和设于曲柄轴的两端的一对曲柄臂。

传感器20基于由控制装置10变更的检测频率，来计量对应自行车的行驶状态而变化的物理量。该物理量这一概念典型地是施加于旋转部件的转矩或者所述旋转部件的旋转所需要的功率（パワ一、仕事率），但是也包括链张力、蹬踏脚踏板的力以及手把、车架等的扭力、挠度等。

无线电路30将用传感器20计量的物理量相关的数据发送给未图示的自行车载电脑（サイクルコンピユ一タ：cycle computer）。

检测部11例如由发电机（dynamo）或速度计（speedometer）的磁传 感器等实现。检测部11包含磁铁111和磁铁检测部112。关于检测部11的详情稍后描述。

控制部12对应检测部11的检测结果来变更传感器20中的检测频率。另外，在进行传感器20中的检测时，控制部12对传感器20供给电力。控制部12根据情况的不同，可包含计算传感器20的检测频率的运算部。关于控制部12的详情稍后描述。

传感器件21为装设在作为自行车的一部分、受到骑乘者施加的力的部件上。受到骑乘者施加的力的部件例如有曲柄臂、曲柄轴、脚踏板、底部托架、车架、手把、车座等。传感器件21典型地由应变规（歪みゲ一ジ）形成，但是也可以由磁致应变元件（磁歪素子）、变位传感器、利用流体等的压力传感器等形成。传感器件21通过控制部12的供电而被起动，测量骑乘者在该部件上施加的力。

放大电路22将从传感器件21输出的模拟电气信号增幅。A/D转换电路23将增幅后的模拟电气信号转换为数字信号。物理量计算部24根据该数字信号计算对应自行车的行驶状态而变化的物理量。例如，物理量计算部24可以根据装设在后轮毂上的传感器件21的输出来计算施加在后轮毂上的转矩。另外，物理量计算部24也可以由装设在曲柄臂或曲柄轴上的传感器件21的输出来计算施加在曲柄轴上的转矩。另外，物理量计算部24也可以由装设在底部托架上的传感器20的输出来计算链张力。另外，物理量计算部24也可以由装设在脚踏板上的传感器件21的输出来计算施加在脚踏板上的力。另外，物理量计算部24也可以根据由传感器20的输出计算的上述的转矩、链张力或上述的施加力来计算骑乘者蹬骑自行车的功率以及后轮输出的功率。

图2是由发电机实现的检测部11的一例。该发电机是如轮毂发电机等装设在旋转部件的旋转轴上的发电机。图2是从旋转轴方向看该发电机的截面图。

在发电机的中央设有内部具有发电线圈的定子113。定子113相当于图1的磁铁检测部112。定子113在绕旋转轴线的周围具有多对磁极片113a、113b。一方的磁极片113a以嵌入相对的另一方的两个磁极片113b之间的方式形成，在绕旋转轴线的周向上交替设置磁极片113a和磁极片113b。

在定子113的外部设有转子114。转子114由环状的轭部114a和固接在轭部114a的内周面上的磁体114b构成。磁体(マグネツト)114b相当于图1的磁铁(磁石)111。图2中，固接着四个磁体114b，但根据不 同的发电机也可以固接不同数量的磁体114b。各磁体114b在周向上交替具有N极和S极。图2表示各磁体N极和S极共计形成8极的例子，在转子一周上形成有32极。另外，转子一周的极数不限于32极。但是，控制部12足以获得传感器20的检测时机（timing）的极数是必要的。

图3表示图2所示发电机在所装设的旋转部件旋转时产生的交流电压以及对该交流电压进行处理后的电压的一例。图3（a）为发电机产生的交流电压的一例。该电压每当磁极片113a、113b从与磁体114b的N极相对的位置向与S极相对的位置、或者从与S极相对的位置向与N极相对的位置移动时产生。因此，图3（a）所示的交流电压的1周期T是磁极片113a、113b从与磁体114b的N极相对的位置移动到与S极相对的位置、又移动到与N极相对的位置（或者，从与S极相对的位置移动到与N极相对的位置、又移动到与S极相对的位置）的期间。

图3（b）表示将图3（a）的交流电压通过波形整形电路处理后的电压的一例。经这样处理则能获得如在交流电压的半个周期输出一次脉冲波那样的输出信号。换言之，该输出信号的脉冲表示磁极片113a、113b移动到与不同的极相对的位置、即旋转部件的旋转轴旋转了将360°除以转子1周的极数所得的角度。

图3（c）表示将图3（a）的交流电压通过半波整流电路以及波形整形电路处理后的电压的一例。经这样处理则能获得如在交流电压的1周期输出一次脉冲波那样的信号。换言之，该输出信号的脉冲表示磁极片113a、113b移动到与不同的极相对的位置后又再移动到与相同的极相对的位置、即旋转部件的旋转轴旋转了将360°除以转子1周的S极的极数或转子1周的N极的极数所得的角度。

控制部12以该脉冲为基础，在传感器20的检测时机使传感器件21起动。例如，当旋转部件的旋转轴旋转360°÷Ｎ（N为转子1周的极数），若为传感器20的检测时机，则控制部12在产生图3（b）的脉冲波的时机起动传感器件21。控制部12在使传感器件21起动规定时间之后，使传感器件21的检测停止。上述规定时间被选择为比相邻的脉冲的间隔短的时间。所谓产生脉冲波的时机可以是脉冲的上升沿的时机和脉冲的下降沿的时机任一者。这种情况下，生成图3（b）的信号的波形整形电路相当于控制部12。另外，当旋转部件的旋转轴旋转360°÷M（M为转子1周的S极的极数或转子1周的N极的极数），若为传感器20的检测时机，则控制部12在产生图3（c）的脉冲波的时机起动传感器件21。这种情况下，生成图3 （c）的信号的半波整流电路以及波形整形电路相当于控制部12。

此外，当旋转部件的旋转轴以360°÷Ｎ（N为转子1周的极数）×K（K为整数）进行旋转等、以与输出图3（b）的脉冲的角度不同的角度旋转，若为传感器20的检测时机，则控制部12除了生成图3（b）的信号的波形整形电路，还设有计量脉冲数的计数器。这种情况下，计数器相当于图1的运算部121。而且，控制部12在计数值变为规定的值（上述的例中为K）的倍数的情况下，将构成触发信号的脉冲波输出给传感器件21。

另外，上述脉冲波也可以作为用于传感器件21起动的触发信号使用。这种情况下，传感器20设有接收触发信号并起动传感器件21的传感器件驱动部。

而且，上述脉冲波也可以作为传感器件21的起动电压使用。这种情况下，脉冲电压作为传感器件21的起动电压而供给传感器20。在用脉冲电压作为传感器件21的起动电压的情况下，为了脉冲电压不随发电机的旋转速度的变化而变动，控制部12可以设有电压限制电路。

接下来，就检测部11由速度计的磁传感器实现的情况进行说明。图4是由速度计的磁传感器实现的检测部11的一例。该检测部中，车轮300的辐条310上安装有磁体115a～115c，自行车的车叉320上安装有舌簧开关116。该磁体115a～115c相当于图1的磁铁111，舌簧开关116相当于图1的磁铁检测部112。车轮旋转、每当磁体115a～115c在舌簧开关116之前通过，则舌簧开关116被ON/OFF（接通/断开），该ON/OFF信号作为检测部11的输出而被输出。只要是磁体115a～115c设置为对于控制部12检测传感器20的检测时机所必要的数量，任何配置方法都可以。图3中表示当车轮旋转120°而到了传感器20的检测时机的情况下的磁体的配置方法。图3中，设车轮的旋转中心330为点O、磁体115a～115c的各中心分别为A～～C时，配置成∠AOB=∠BOC=∠COA=120°。

图4的情况下，控制部12设有波形整形电路，输入上述的舌簧开关的ON/OFF信号，基于将ON/OFF信号整形成脉冲波后的信号，以规定时间起动传感器件21。这种情况下，整形成该脉冲波后的信号可以与上述的发电机的信号经整形后的脉冲波同样地被使用。另外可以采用这样的结构，在磁体115a～115c配置成能够测量比计量传感器20的检测时机所必要的角度分辨率更高的角度分辨率的情况下，控制部12设有计数器作为运算部121，到了规定的时机的情况下，输出脉冲波。

接下来，就本实施方式的自行车用传感器中的计量方法的处理的流程 进行说明。图5是表示本实施方式的自行车用传感器中的计量方法的处理的流程的流程图。

首先，控制部12判定是否为传感器20的检测时机（步骤S1）。在不是传感器20的检测时机的情况下（步骤S1中为“否”），则控制部100等待直到变为该时机（步骤S1）。这通过如上所述由波形整形电路等处理检测部11的输出信号来进行。

当控制部12判定为传感器20的检测时机时（步骤S1中为“是”），控制部12起动传感器件21（步骤S2）。另外，在步骤S2中，代替控制部12起动传感器件21，可以发送用于传感器件获取数据的触发信号。这通过控制部12将脉冲波输出到传感器件21来进行。

自行车部件以及车架等自身被装设的部分上所被施加的力以应变量等为基础进行计量（步骤S3）。然后，传感器件21将计测结果作为模拟电气信号输出。即，传感器件21输出与被进行装设的部位的应变量对应的电气信号。

放大电路22将该模拟电气信号增幅至适于A/D转换处理的范围（步骤S4）。A/D转换电路23将增幅后的模拟电气信号转换为数字信号（步骤S5）。

接着，物理量计算部24根据数字信号计算对应自行车的行驶状态而变化的物理量（步骤S6）。典型地，物理量计算部24根据在后轮毂、曲柄、底部托架以及脚踏板等上装设的传感器件21的输出来计算施加在后轮毂、后轮、曲柄轴等旋转部件上的转矩、链张力或脚踏板的踏力等。然后，物理量计算部24利用与施加在后轮毂、后轮、曲柄轴等旋转部件上的转矩、链张力或脚踏板的踏力等相关的信息和预定的运算式来计算自行车所输出的功率和/或骑乘者输出的功率等。

例如，物理量计算部24根据施加在曲柄轴上的转矩和检测部11所检测出的踏频（cadence；ケデンス）（曲柄旋转速度）通过以下的式（1）计算骑乘者蹬骑自行车的功率。

功率（W）=转矩（N·m）×踏频（rpm）×2π/60……（1）

另外，例如物理量计算部24能够基于施加在后轮上的转矩和后轮的转速来计算自行车输出的功率。

在检测部11装设在曲柄轴上的情况下，踏频为由检测部11测定的旋转速度。但是，在检测部11装设在车轮上的情况下，物理量计算部24由检测部11所检测出的旋转速度并基于齿轮比来推定曲柄的旋转速度，并以 该推定的旋转速度为基础计算功率。

另外，物理量计算部24也可以基于在上述的部件以外装设的传感器件21的输出信号来计算不同的物理量。这样的物理量例如为链张力、踏动脚踏板的力以及手把、车架等的转矩、挠度等。

最后，无线电路30将物理量计算部24计算出的计算结果发送给自行车载电脑（S7）。

<第一实施方式的效果>

下面，就本实施方式的效果进行说明。本实施方式的自行车用计量装置能够对应旋转部件的旋转状态而变更传感器的检测频率，因而可以不进行不必要的检测。因此，在抑制电力消费量的同时能获得足够的测量精度。

此外，自行车用测量装置在旋转部件的旋转量变为规定的值的情况下测量对应自行车的行驶状态而变化的物理量，因而在旋转部件变为一定的相位时总是能够测量该物理量。另外，自行车用测量装置能够使车轮每旋转一次或曲柄每旋转一次的检测次数一定而与旋转速度无关。其结果，测量精度得以稳定。另外，即使在自行车以低速行驶的情况下，由于检测次数不增加，所以能够降低消耗电力。

另外，作为检测部，以利用发电机的情况以及利用速度计的磁传感器的情况该两者为例进行了说明，但速度计的磁传感器产生测量延迟，而相对于此，利用发电机的检测部不产生测量延迟。由此，利用发电机的检测部相比于利用速度计的磁传感器的检测部，能够实现较高的测量精度。

<变型例>

另外，控制部12中的传感器20的检测时机的判定方法不限于上述的情况。例如，对于由检测部11检测车速的自行车载电脑可以是这样的结构，控制部12输入由检测部输出的车速，如图6所示对应车速而决定采样速率，配合所决定的采样速率而以规定时间起动传感器20。另外，在车速v₁～v₂（v₁<v₂）之间与车速成正比例地使采样速率在f_min～f_max范围（f_min<f_max）增加，图6所示的采样速率的决定方法只不过是一例而已。例如，车速v₁也可以为零，车速v₂也可以为无穷大。只要是随着车速变快而采样速率变大，任何方法皆可以采用。

另外，由控制装置10检测旋转部件的旋转量的检测方法不限于上述的实施方式中所述。例如，作为检测部11也可以使用旋转编码器等不同的器件。

此外，图2图示出如轮毂发电机等装设在旋转部件的旋转轴上的发电 机，但也可以代之以利用块发电机（block dynamo）。另外，图4的检测部11装设在车轮上，但也可以装设在曲柄上。

另外，传感器20的内部结构并非一定限于上述的实施方式中所述。例如，在为传感器件21输出数字信号的情况下，可以省略放大电路22、A/D转换电路23。另外，在与由传感器20计量的物理量有关的数据通过有线方式发送给自行车载电脑的情况下，可以省略无线电路30。

另外，传感器20可以是仅设有传感器件21的结构，放大电路22、A/D转换电路23以及物理量计算部24可以设于控制部12上。另外，物理量计算部24可以设于自行车载电脑上，这种情况下从传感器20输出表示传感器件21的输出的信息。

另外，传感器件21形成在检测时机以规定时间由控制部12进行起动的结构，但也可以采用这样的结构：使传感器件21总是处于起动状态，当变为检测时机时，传感器件21的输出值由物理量计算部24、控制部121获取，或者在未设物理量计算部的情况下由无线电路等获取。

另外，控制装置10也可以采用这样的结构：不设置物理量计算部24，而预先设置仅存储从A/D转换电路23输出的信息的存储部，并用无线通信或有线通信读出存储在存储部中的信息。

<实装例>

另外，上述的运算部121、物理量计算部24典型地由微型计算机实现，但也可以通过由CPU（Central Processing Unit，中央处理单元）解释执行内置于存储装置（ROM（Read-Only Memory：只读存储器）、RAM（random access memory：随机存储器）等）中的能够执行上述的处理过程的程序数据来实现。另外，A/D转换电路23以及物理量计算部24也可以与控制部12一起由一个微型计算机来实现。另外，从控制部12发送给传感器件21的信号也可以不单是脉冲波，若是作为触发信号的信号或者能够对传感器件21供电的信号，可以是各种形式的信号。

Claims (13)

1.一种自行车用传感器的控制装置，该传感器装设在具有旋转部件的自行车上，

该控制装置对应所述旋转部件的旋转状态而变更所述传感器的检测频率。

2.如权利要求1所述的自行车用传感器的控制装置，其中，该控制装置包含：检测部，该检测部检测所述旋转部件的旋转状态；及

控制部，该控制部对应所述检测部的检测结果而变更所述传感器的检测频率。

3.如权利要求1或2所述的自行车用传感器的控制装置，其中，所述旋转部件包括车轮、曲柄、轮毂、链轮、滑轮以及脚踏板中的任一方。

4.如权利要求1所述的自行车用传感器的控制装置，其中，所述传感器检测对应自行车的行驶状态而变化的物理量。

5.如权利要求2所述的自行车用传感器的控制装置，其中，所述检测部由发电机构成。

6.如权利要求5所述的自行车用传感器的控制装置，其中，所述发电机包括轮毂发电机或块发电机。

7.如权利要求5所述的自行车用传感器的控制装置，其中，所述控制部基于所述发电机产生的交流电压而变更所述传感器的检测频率。

8.如权利要求2所述的自行车用传感器的控制装置，其中，在进行所述传感器的检测时，所述控制部对所述传感器供给电力。

9.如权利要求2所述的自行车用传感器的控制装置，其中，所述检测部检测所述自行车的前轮或后轮的旋转速度、或者曲柄或脚踏板的旋转速度。

10.如权利要求2所述的自行车用传感器的控制装置，其中，所述检测部包含：磁铁；及

磁铁检测部，该磁铁检测部检测所述磁铁。

11.如权利要求10所述的自行车用传感器的控制装置，其中，所述控制部设有运算部，该运算部对应所述磁铁检测部的检测结果来运算检测频率。

12.如权利要求4所述的自行车用传感器的控制装置，其中，所述物理量为施加于所述旋转部件的转矩、或者使所述旋转部件旋转的功率。

13.一种自行车用传感器的控制方法，该传感器装设在具有旋转部件的自行车上，

该控制方法由可操作地连接到所述传感器的控制装置对应所述旋转部件的旋转状态来变更所述传感器的检测频率。