DE102011077395A1

DE102011077395A1 - Device for measuring force applied on pedal of e.g. bicycle-like device in competitive sports, has deflection element for deflecting light beam directed toward surface based on radial relative motion between pedal and pedal shaft

Info

Publication number: DE102011077395A1
Application number: DE201110077395
Authority: DE
Inventors: Markus Neubauer; Stefan Glück; Frank Benkert; Claus-Dieter Schilling
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-12-13

Abstract

The device has an optical detecting unit integrated into a pedal (1) and possessing a light source (5) i.e. LED, for producing a light beam, a light-sensitive measuring surface (7) and a deflection element for deflecting the beam. The surface detects the beam, and the deflection element is arranged between the source and the surface. The deflection element is attached at the pedal or a pedal shaft (2) such that the deflection element deflects the beam directed toward the surface based on radial relative motion between the pedal and the shaft, where the motion is caused by applied force. The light-sensitive measuring surface is formed as a position sensitive device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der auf ein Pedal eingeleiteten Kraft gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1.The invention relates to a device for determining the force applied to a pedal according to the preamble of the appended claim 1.

Fahrräder bzw. auch Ergometer werden seit geraumer Zeit als Trainingsgeräte und/oder zur Rehabilitierung genutzt. Hierbei hat es sich als sinnvoll erwiesen, die während des Trainings vom Benutzer aufgebrachte Kraft zu ermitteln, um auf das Drehmoment bzw. die Leistung schließen zu können und so dem Benutzer eine Rückkopplung über den Trainingserfolg geben zu können. Bicycles or ergometers are used for some time as training equipment and / or rehabilitation. It has proven to be useful to determine the force applied by the user during the training, in order to be able to conclude on the torque or the power and thus be able to give the user a feedback about the training success.

Bei Pedelecs, welche hybrid mit Elektromotor und Muskelkraft betrieben werden, wird häufig eine Erfassung der vom Benutzer aufgebrachten Kraft bzw. Drehmoment vorgenommen, da auf Basis dieser Daten ein Einschalten, Ausschalten bzw. die Steuerung des Hilfsmotors erfolgt.In pedelecs, which are operated hybrid with electric motor and muscle power, a detection of the force applied by the user force or torque is often made, since on the basis of this data is a switching on, off or the control of the auxiliary engine.

Die DE 101 49 912 A1 zeigt eine Tretkraft-Erfassungsvorrichtung mit einem schräg verzahnten Antriebszahnrad und einem schräg verzahnten Abtriebszahnrad, welche einen Teil einer Tretkraft zum Drehen einer Kurbelwelle in Axialrichtung der Kurbelwelle abzweigen. Die abgezweigte Kraft verschiebt das Abtriebszahnrad, wodurch ein Schublager veranlasst wird, einen Lastdetektor zusammenzudrücken. Der Lastdetektor umfasst einen dielektrischen Körper aus Kunstharz und zwei Elektroden.The DE 101 49 912 A1 shows a pedaling force detecting device with a helical drive gear and a helical driven gear, which branch off a part of a pedaling force for rotating a crankshaft in the axial direction of the crankshaft. The branched force shifts the output gear, causing a thrust bearing to compress a load detector. The load detector comprises a dielectric body made of synthetic resin and two electrodes.

Aus der DE 10 2009 043 949 A1 ist eine Drehmoment-Abtastanordnung bekannt, welche innerhalb einer hinteren Hohlkassette positioniert ist. Die Drehmoment-Abtastvorrichtung kann eine Röhre enthalten, welche zumindest einen darauf positionierten Dehnungsmessstreifen umfasst. Alternativ kann die Drehmoment-Abtastvorrichtung auch einen Biegebalken umfassen. Es erfolgt keine getrennte Erfassung der von dem linken und dem rechten Bein des Benutzers eingebrachten Drehmomente.From the DE 10 2009 043 949 A1 a torque sensing arrangement is known which is positioned within a rear hollow cassette. The torque sensing device may include a tube including at least one strain gauge positioned thereon. Alternatively, the torque sensing device may also include a bending beam. There is no separate detection of the introduced from the left and right leg of the user torques.

In der DE 10 2007 040 016 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kraft-, Drehmoment- und Leistungsmessung an einem Ergometer oder Fahrrad beschrieben, bei dem eine Drehmomentübertragung von zwei mit Pedalen bestückten Tretkurbeln über eine Welle auf einen Umschlingungstrieb und weiter auf eine Ergometer-Schwungscheibe oder das Hinterrad des Fahrrads erfolgt. Der Umschlingungstrieb umfasst eine Riemenscheibe oder ein Kettenrad, welche wenigstens in einer Drehrichtung drehfest mit der Welle verbunden sind. Beidseitig der Riemenscheibe oder des Kettenrades werden unabhängig voneinander jeweils aus der Momentenübertragung resultierende elastische Torsionen der Welle als Maß für die auf die Welle aufgebrachten Kräfte zur Ermittlung des Drehmoments und der Leistung sowohl des linken als auch des rechten Beines des Benutzers erfasst und entsprechende Sensorsignale generiert. Die Sensorsignale werden zur weiteren Verarbeitung einer Speicher und/oder Auswerteeinheit zugeführt. Die elastische Torsion der Welle wird vorzugsweise nach dem Prinzip der Magnetostriktion erfasst.In the DE 10 2007 040 016 A1 is a method and apparatus for force, torque and power measurement on an ergometer or bicycle described in which a torque transmission from two pedals equipped with pedal cranks via a shaft on a belt drive and on an ergometer flywheel or the rear wheel of the bicycle , The belt drive comprises a pulley or a sprocket, which are connected to the shaft in a rotationally fixed manner, at least in one direction of rotation. On both sides of the pulley or the sprocket independently resulting from the torque transmission resulting elastic torsions of the shaft as a measure of the forces applied to the shaft to detect the torque and power of both the left and right leg of the user is detected and generates corresponding sensor signals. The sensor signals are supplied to a memory and / or evaluation unit for further processing. The elastic torsion of the shaft is preferably detected according to the principle of magnetostriction.

Die DE 10 2008 050 236 A1 beinhaltet ein Tretlager mit einer Welle und zwei Tretkurbeln, die drehfest mit der Welle verbunden sind, und einen mit einer Kettenblattwelle drehfest verbundenen Kettenblattträger. Die Kettenblattwelle ist drehfest mit der Welle verbunden. Die Kettenblattwelle weist abschnittsweise eine erste Magnetisierung auf. Ein erster Sensor erfasst eine Änderung der ersten Magnetisierung bei einem im Bereich der ersten Magnetisierung vorliegenden Drehmoment. Die erste Magnetisierung kann mittig zwischen den beiden Tretkurbeln angeordnet sein, wobei das mit dem ersten Sensor erfasste Drehmoment der Summe der beiden über die einzelnen Tretkurbeln eingeleiteten Drehmomente entspricht. Die Welle kann eine zweite Magnetisierung aufweisen. Ein zweiter Sensor erfasst eine Änderung der zweiten Magnetisierung bei einem im Bereich der zweiten Magnetisierung vorliegenden Drehmoment. Die zweite Magnetisierung kann in einem Bereich angeordnet sein, bei dem das Drehmoment dem von einer der beiden Tretkurbeln in die Welle eingeleiteten Drehmoment entspricht. Auf diese Weise lässt sich für jede der beiden Tretkurbeln das jeweils eingeleitete Drehmoment entweder direkt erfassen oder aus dem Gesamtdrehmoment durch Differenzbildung berechnen.The DE 10 2008 050 236 A1 includes a bottom bracket with a shaft and two cranks, which are rotatably connected to the shaft, and a non-rotatably connected to a chainring shaft chainring carrier. The chainring shaft is rotatably connected to the shaft. The chainring shaft has a first magnetization in sections. A first sensor detects a change in the first magnetization at a torque present in the region of the first magnetization. The first magnetization can be arranged centrally between the two cranks, wherein the torque detected by the first sensor corresponds to the sum of the two torques introduced via the individual cranks. The shaft may have a second magnetization. A second sensor detects a change in the second magnetization at a torque present in the region of the second magnetization. The second magnetization may be arranged in a region in which the torque corresponds to the torque introduced into the shaft by one of the two cranks. In this way, for each of the two cranks each introduced torque either directly detect or calculate from the total torque by subtraction.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Kraftmesseinrichtung für ein Pedale aufweisendes fahrradähnliches Gerät (insbesondere Fahrrad, Pedelec, Ergometer, E-Bike) zur Verfügung zu stellen, mit welchem die von beiden Beinen eines Benutzers eingebrachten Kräfte separat erfasst werden können. Die Kraftmesseinrichtung soll einen kompakten und einfachen Aufbau aufweisen und sich aufwandsarm in ein Pedal integrieren lassen.The object of the present invention is to provide an improved force measuring device for a bicycle-like device having pedals (in particular bicycle, pedelec, ergometer, e-bike) with which the forces introduced by both legs of a user can be detected separately. The force measuring device should have a compact and simple structure and can be integrated with little effort in a pedal.

Zur Lösung der Aufgabe dient eine Vorrichtung zur Messung der auf ein Pedal eingeleiteten Kraft gemäß dem beigefügtem Anspruch 1. Das überwachte Pedal ist an einer Pedalwelle drehbar gelagert und mittels elastischer Verbindungselemente mit der Pedalwelle verbunden. Die Vorrichtung besitzt weiterhin eine in das Pedal integrierte optische Erfassungseinheit zur Erfassung der auf das Pedal eingeleiteten Kraft, welche eine Verformung der elastischen Verbindungselemente bewirkt. Die optische Erfassungseinheit umfasst eine mit dem Pedal verbundene Lichtquelle, insbesondere eine Licht emittierende Diode (LED), zum Erzeugen eines Lichtstrahls, eine mit dem Pedal verbundene lichtempfindliche Messfläche sowie ein zwischen LED und lichtempfindlicher Messfläche angeordnetes Ablenkelement zum Verändern des Lichtstrahls in Abhängigkeit der auf das Pedal eingeleiteten Kraft. Selbstverständlich kann die Zuordnung auch umgekehrt erfolgen, d.h. Lichtquelle und Messfläche befinden sich an der Pedalwelle, während das Ablenkelement am Pedal befestigt ist. To solve the problem, a device for measuring the force applied to a pedal force according to the appended claim 1. The monitored pedal is rotatably mounted on a pedal shaft and connected by means of elastic connecting elements with the pedal shaft. The device further has an optical detection unit integrated in the pedal for detecting the force applied to the pedal, which causes a deformation of the elastic connecting elements. The optical detection unit comprises a light source connected to the pedal, in particular a light emitting diode (LED), for generating a light beam, connected to the pedal photosensitive measuring surface and arranged between LED and photosensitive measuring surface deflection element for changing the light beam in dependence on the force introduced on the pedal. Of course, the assignment can also be reversed, ie the light source and measuring surface are located on the pedal shaft, while the deflection is attached to the pedal.

Die über das Pedal eingebrachte Tretkraft verursacht eine relative Auslenkung der Pedalwelle in radialer Richtung, da die Pedalwelle über elastische Verbindungselemente mit dem Pedal verbunden ist. Die Auslenkung der Pedalwelle wird über die optische Erfassungseinheit erfasst. Hierzu wird der von der Lichtquelle ausgesandte Lichtstrahl mittels Ablenkelement in Abhängigkeit der auf das Pedal eingeleiteten Kraft verschoben, wodurch er an unterschiedlichen Punkten auf der lichtempfindlichen Messfläche auftrifft. Die lichtempfindliche Messfläche kann beispielsweise eine CCD-Matrix sein. The treading force introduced via the pedal causes a relative deflection of the pedal shaft in the radial direction, since the pedal shaft is connected to the pedal via elastic connecting elements. The deflection of the pedal shaft is detected by the optical detection unit. For this purpose, the light beam emitted by the light source is displaced by means of a deflecting element as a function of the force applied to the pedal, whereby it impinges on different points on the photosensitive measuring surface. The photosensitive measuring surface can be, for example, a CCD matrix.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass durch die verwendete optische Erfassungseinheit sehr gute Messergebnisse erzielt werden können. Mittels verwendeter lichtempfindlicher Messfläche wird die Auslenkung des Ablenkelements aus der Nulllage erfasst. Da die Auflösung derartiger Messflächen sehr hoch ist, kann auch mit kleinen Auslenkungen ein sehr gutes Messergebnis realisiert werden. Weiterhin zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch einen verhältnismäßig einfachen Aufbau aus. Sie lässt sich aufwandsarm in beide Pedale integrieren, wodurch die von beiden Beinen des Benutzers eingebrachte Leistung separat erfasst und ausgewertet werden kann, was insbesondere bei Anwendungsfällen im Leistungssport vorteilhaft ist.A significant advantage of the device according to the invention is the fact that very good measurement results can be achieved by the optical detection unit used. By means of the light-sensitive measuring surface used, the deflection of the deflection element from the zero position is detected. Since the resolution of such measuring surfaces is very high, a very good measurement result can be realized even with small deflections. Furthermore, the device according to the invention is characterized by a relatively simple structure. It can be integrated with little effort in both pedals, whereby the power introduced by both legs of the user can be separately recorded and evaluated, which is particularly advantageous in applications in competitive sports.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ablenkelement eine an der Pedalwelle angeordnete und mit der Pedalwelle mitdrehende Scheibe mit mindestens einem Schlitz, der im Lichtstrahl liegt. Die Lichtquelle erzeugt einen Lichtstrahl der durch den Schlitz der Scheibe geleitet wird und auf die lichtempfindliche Messfläche auftrifft. Durch Auslenkung der Scheibe aus der Nulllage, welche durch die Krafteinwirkung bewirkt wird, wird der Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf die lichtempfindliche Messfläche verändert. Der Signalverlauf wird entsprechend erfasst und ausgewertet. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorzugsweise zusätzlich zur Bestimmung der Drehzahl verwendet werden. Die Drehzahl wird in an sich bekannter Weise über die Frequenz der bestimmten Lichtimpulse, welche durch den Schlitz fallen, erfasst.According to a preferred embodiment, the deflecting element is arranged on the pedal shaft and co-rotating with the pedal shaft disc with at least one slot which lies in the light beam. The light source generates a beam of light which is passed through the slit of the disc and impinges on the photosensitive measuring surface. By deflection of the disk from the zero position, which is caused by the action of force, the point of impact of the light beam is changed to the photosensitive measuring surface. The signal curve is detected and evaluated accordingly. This embodiment of the device according to the invention can preferably be used in addition to the determination of the rotational speed. The speed is detected in a manner known per se via the frequency of the specific light pulses which fall through the slot.

Von Vorteil ist es, wenn der mindestens eine Schlitz der Scheibe in einem Winkel abweichend zum Radius angeordnet ist. Weiterhin ist es zweckmäßig die Scheibe mit einer Vielzahl, paarweise angeordneter Schlitze auszustatten, wobei die paarweise angeordneten Schlitze in Richtung Außendurchmesser der Scheibe zueinander geneigt verlaufen. Durch die Schrägstellung der Schlitze wird ein unterschiedliches Abtastverhältnis erzeugt, je nach dem, wie stark die vom Benutzer aufgewendete Kraft ist. It is advantageous if the at least one slot of the disc is arranged at an angle deviating from the radius. Furthermore, it is expedient to equip the disc with a plurality of slots arranged in pairs, wherein the paired slots extend in the direction of the outer diameter of the disc to each other inclined. Slanting the slits produces a different sampling ratio, depending on how strong the user's effort is.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die zur Lagerung der Pedalwelle dienenden Lager in einem Gehäuse angeordnet. Bei dieser Ausführung ist das Pedal über die elastischen Verbindungselemente mit dem Gehäuse verbunden. Das Ablenkelement kann vorzugsweise einer der Lichtquelle gegenüberliegende mit dem Gehäuse verbundene Blende sein. Der Lichtstrahl der Lichtquelle verläuft bei dieser Ausführung im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Pedalwelle. Bei einer weitergebildeten Ausführung kann die Blende zumindest teilweise in einem mit dem Gehäuse in Verbindung stehenden druckempfindlichen Hydraulikaggregat in Richtung Pedal verschiebbar angeordnet sein. Durch die Kraft die auf das Pedal aufgebracht wird, steigt der Druck im Innenraum des Hydraulikaggregats, wodurch die Blende verschoben wird. Auf diese Weise wird wiederum der Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf die lichtempfindliche Messfläche verändert. According to a further preferred embodiment, the bearing for supporting the pedal shaft bearings are arranged in a housing. In this embodiment, the pedal is connected to the housing via the elastic connecting elements. The deflecting element may preferably be an aperture opposite the light source and connected to the housing. The light beam of the light source extends in this embodiment substantially parallel to the longitudinal axis of the pedal shaft. In a further developed embodiment, the diaphragm can be arranged at least partially displaceable in the direction of the pedal in a pressure-sensitive hydraulic unit in communication with the housing. Due to the force applied to the pedal, the pressure in the interior of the hydraulic unit increases, causing the panel to shift. In this way, in turn, the impact point of the light beam on the photosensitive measuring surface is changed.

Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist das Ablenkelement ein der Lichtquelle gegenüberliegender, am Gehäuse angeordneter Spiegel. Bei dieser Ausführungsform verläuft der Lichtstrahl der Lichtquelle nicht mehr parallel zur Längsachse der Pedalwelle sondern winklig zu dieser. According to a further expedient embodiment, the deflecting element is a mirror which is located opposite the light source and is arranged on the housing. In this embodiment, the light beam of the light source is no longer parallel to the longitudinal axis of the pedal shaft but at an angle to this.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further advantages, details and developments of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, with reference to the drawing. Show it:

1: ein Pedal mit einer integrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform; 1 a pedal with an integrated device according to the invention in a first embodiment;

2: eine bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Scheibe in einer ersten Ausführung; 2 a disc used in the device according to the invention in a first embodiment;

3: eine bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Scheibe in einer zweiten Ausführung; 3 a disc used in the device according to the invention in a second embodiment;

4: verschiedene Signalverläufe bei unterschiedlichem Lichtdurchgang durch die Scheibe; 4 : different waveforms with different light passing through the disc;

5: ein Pedal mit einer integrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform; 5 a pedal with an integrated device according to the invention in a second embodiment;

6: eine bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete optische Erfassungseinheit in einer ersten Ausführung; 6 a used in the second embodiment of the device according to the invention optical detection unit in a first embodiment;

7: eine bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete optische Erfassungseinheit in einer zweiten Ausführung; 7 a used in the second embodiment of the device according to the invention optical detection unit in a second embodiment;

8: eine bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete optische Erfassungseinheit in einer dritten Ausführung. 8th a used in the second embodiment of the device according to the invention optical detection unit in a third embodiment.

1 zeigt ein Pedal mit einer integrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform. Bei dem Pedal 01 kann es sich um ein bei einem herkömmlichen Fahrrad verwendetes Pedal handeln. Das Pedal 01 kann jedoch auch Bestandteil eines Pedelecs, E-Bikes, Ergometers oder ähnlichen Gerätes sein. Derartige Pedal können über die Füße oder die Hände eines Benutzers angetrieben werden. Das Pedal 01 ist an einer Pedalwelle 02 über Lager 03 drehbar gelagert. Die Lager 03 sind mittels elastischer Verbindungselemente 04 mit dem Pedal 01 verbunden. Als Verbindungselemente kommen Feder, Federscheiben, Gummipuffer oder ähnliche Mittel in Betracht, die eine hinreichende Elastizität aufweisen und die auftretenden Kräfte ohne die Gefahr einer Zerstörung vom Pedal auf die Pedalwelle übertragen können. 1 shows a pedal with an integrated device according to the invention in a first embodiment. At the pedal 01 it can be a pedal used on a conventional bicycle. The pedal 01 However, it can also be part of a pedelec, e-bike, ergometer or similar device. Such pedal can be driven over the feet or the hands of a user. The pedal 01 is on a pedal shaft 02 over camp 03 rotatably mounted. Camps 03 are by means of elastic connecting elements 04 with the pedal 01 connected. As connecting elements come spring, spring washers, rubber buffers or similar means into consideration, which have a sufficient elasticity and can transmit the forces occurring without the risk of destruction from the pedal to the pedal shaft.

In das Pedal 01 ist eine optische Erfassungseinheit zur Erfassung der auf das Pedal 01 eingeleiteten Kraft integriert. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die Erfassungseinheit eine Lichtquelle 05, eine Scheibe 06 und eine lichtempfindliche Messfläche 07. Die Lichtquelle 05 steht mit dem Pedal 01 in Verbindung und erzeugt einen Lichtstrahl, der im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Pedalwelle 02 verläuft. Die Scheibe 06 ist an der Pedalwelle 02 angeordnet, so dass sie sich mit der Pedalwelle 02 bei deren Drehbewegung mitdreht. Die Scheibe 06 weist mindestens einen Schlitz 09 auf, durch welchen der von der Lichtquelle 05 ausgehende Lichtstrahl hindurch treten kann. In the pedal 01 is an optical detection unit for detecting the on the pedal 01 integrated force integrated. At the in 1 In the embodiment shown, the detection unit comprises a light source 05 , a disk 06 and a photosensitive measurement surface 07 , The light source 05 stands with the pedal 01 in conjunction and generates a light beam that is substantially parallel to the longitudinal axis of the pedal shaft 02 runs. The disc 06 is at the pedal shaft 02 arranged so that they are with the pedal shaft 02 rotates during their rotation. The disc 06 has at least one slot 09 on, by which of the light source 05 Outgoing light beam can pass through.

Spezielle Ausführungsformen der Scheibe 06 werden in den 2 und 3 gezeigt. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform besitzt die Scheibe 06 mehrere Schlitze 09, welche vorzugsweise in einem Winkel abweichend zum Radius angeordnet sind. Als besonders günstig hat sich die in 3 gezeigte Ausführungsform der Scheibe 06 erwiesen, welche paarweise angeordnete Schlitze 09 umfasst. Die paarweise angeordneten Schlitze 09 verlaufen in Richtung Außendurchmesser der Scheibe 06 zueinander geneigt. Special embodiments of the disc 06 be in the 2 and 3 shown. At the in 2 illustrated embodiment has the disc 06 several slots 09 , which are preferably arranged at an angle deviating from the radius. As particularly favorable, the in 3 shown embodiment of the disc 06 proved which paired slots 09 includes. The paired slots 09 run in the direction of the outer diameter of the disc 06 inclined to each other.

Die lichtempfindliche Messfläche 07 ist am Pedal 01 befestigt und ist in Lichtstrahlrichtung (ausgehend von der Lichtquelle 05) hinter der Scheibe 06 angeordnet, so dass der durch die Schlitze 09 geleitete Lichtstrahl der Lichtquelle 05 auf der lichtempfindlichen Messfläche 07 auftrifft. Die lichtempfindliche Messfläche 07 kann beispielsweise als PSD-Element (Position Sensitive Device) ausgeführt sein.The photosensitive measuring surface 07 is on the pedal 01 attached and is in the direction of light beam (starting from the light source 05 ) behind the glass 06 arranged so that through the slots 09 directed light beam of the light source 05 on the light-sensitive measuring surface 07 incident. The photosensitive measuring surface 07 can for example be designed as a PSD element (Position Sensitive Device).

Um die vom Benutzer von beiden Beinen eingebrachte Tretkraft separat erfassen zu können, werden beide Pedale 01 des jeweiligen Gerätes mit den genannten optischen Erfassungseinheiten 05, 06, 07 ausgestattet. In order to be able to record separately the treading force introduced by the user from both legs, both pedals become 01 the respective device with said optical detection units 05 . 06 . 07 fitted.

Die durch den Benutzer über die Pedale 01 eingebrachte Tretkraft verursacht eine radiale Auslenkung der Pedalwelle 02 gegenüber dem Pedal 01, da die Pedalwelle 02 über die elastischen Verbindungselemente 04 mit dem Pedal 01 verbunden ist. Die Auslenkung der Pedalwelle 02 wird über die optische Erfassungseinheit 05, 06, 07 erfasst. Durch Auslenkung der Pedalwelle 02 aus ihrer Nulllage wird die auf der Pedalwelle 02 angeordnete Scheibe 06 ebenfalls ausgelenkt, wodurch der Auftreffpunkt des von der Lichtquelle 05 durch die Schlitze 09 der Scheibe 06 geführten Lichtstrahls auf der lichtempfindlichen Messfläche 07 verändert wird. The by the user about the pedals 01 introduced pedaling force causes a radial deflection of the pedal shaft 02 opposite the pedal 01 because the pedal shaft 02 over the elastic connecting elements 04 with the pedal 01 connected is. The deflection of the pedal shaft 02 is via the optical detection unit 05 . 06 . 07 detected. By deflection of the pedal shaft 02 from its zero position becomes the on the pedal shaft 02 arranged disc 06 also deflected, causing the point of impact of the light source 05 through the slots 09 the disc 06 guided light beam on the photosensitive measuring surface 07 is changed.

Die Auflösung der lichtempfindlichen Messfläche 07 ist sehr hoch, daher kann auch mit kleinen Auslenkungen der Scheibe 06 ein gutes Messsignal generiert werden. In der rechten Darstellung der 4 sind drei Signalverläufe gezeigt, die sich durch eine unterschiedlich starke Auslenkung der Pedalwelle 02 und damit auch der Scheibe 06 aus ihrer Ausgangsposition (Kurve a) ergeben. Links ist ein Ausschnitt der Scheibe 06 dargestellt. In der Ausgangsposition tritt der Lichtstrahl der Lichtquelle 05 durch den unteren Bereich der Schlitze 09. Bei dem in Kurve b gezeigten Signalverlauf wurde die Scheibe 06 durch Wirkung einer Tretkraft ausgelenkt, so dass der Lichtstrahl der Lichtquelle 05 nunmehr die Schlitze 09 in einem mittleren Bereich durchläuft. Indem noch mehr Tretkraft ausgeübt wird, kommt es zu einer größeren Auslenkung der Scheibe 06, wodurch sich der in Kurve c gezeigte Signalverlauf ergibt. Der Lichtstrahl wird durch den oberen Bereich der Schlitze 09 geleitet. Die jeweilig vom Benutzer ausgeübte Tretkraft kann durch die Änderungen im Abtastverhältnis ermittelt werden. Je höher die Tretkraft, umso kürzer wird der High-Pegel des an der Messfläche erfassten Lichtstrahls. Prinzipiell ist aber auch mit nur einem Schlitz unter Verwendung eines PSD-Elements die Messung der Stärke der Tretkraft möglich. Die Drehzahl kann aus den erfassten Signalen über die Frequenz erfasst werden.The resolution of the light-sensitive measuring surface 07 is very high, therefore it can with small deflections of the disc 06 a good measurement signal can be generated. In the right-hand illustration of the 4 three signal curves are shown, which are characterized by a different strong deflection of the pedal shaft 02 and thus also the disc 06 from their starting position (curve a) result. On the left is a section of the disc 06 shown. In the starting position, the light beam of the light source occurs 05 through the bottom of the slots 09 , At the waveform shown in curve b, the disk became 06 deflected by the action of a pedaling force, so that the light beam of the light source 05 now the slots 09 goes through in a middle area. By more pedaling force is exercised, there is a greater deflection of the disc 06 , which results in the waveform shown in curve c. The beam of light passes through the top of the slots 09 directed. The respective pedaling force exerted by the user can be determined by the changes in the sampling ratio. The higher the pedaling force, the shorter the high level of the light beam detected at the measuring surface becomes. In principle, however, the measurement of the strength of the pedaling force is possible even with only one slot using a PSD element. The speed can be detected from the detected signals via the frequency.

5 zeigt ein Pedal mit einer integrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform. Das Pedal 01 ist an einer Pedalwelle 02 über Lager 03 drehbar gelagert. Die Lager 03 befinden sich in einem Gehäuse 11. Das Gehäuse 11 ist wiederum über elastische Verbindungselemente 04 mit dem Pedal 01 verbunden. In das Pedal 01 ist eine optische Erfassungseinheit 12 integriert, mit welcher die durch die Tretkraft hervorgerufene Verformung der elastischen Verbindungselemente 04 erfasst wird. Die Energieversorgung der optischen Erfassungseinheit 12 erfolgt über einen Energiespeicher 13. Der Energiespeicher 13 kann entweder gewechselt werden, wenn er leer ist oder über eine Ladevorrichtung 14 geladen werden. Als Ladevorrichtung 14 kann beispielsweise eine Solarzelle dienen. Eine vergleichbare Energieversorgung muss natürlich auch bei der o.g. Ausführungsform vorgesehen sein. 5 shows a pedal with an integrated device according to the invention in a second embodiment. The pedal 01 is on a pedal shaft 02 over camp 03 rotatably mounted. Camps 03 are in a housing 11 , The housing 11 in turn is about elastic fasteners 04 with the pedal 01 connected. In the pedal 01 is an optical detection unit 12 integrated, with which caused by the treading deformation of the elastic connecting elements 04 is detected. The power supply of the optical detection unit 12 takes place via an energy store 13 , The energy storage 13 can either be changed when it is empty or via a charging device 14 getting charged. As a charging device 14 For example, a solar cell can serve. Of course, a comparable power supply must also be provided in the above-mentioned embodiment.

6 zeigt eine bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete optische Erfassungseinheit in einer ersten Ausführung. Die optische Erfassungseinheit 12 umfasst eine mit dem Pedal 01 verbundene Lichtquelle 05, eine Blende 16, welche mit dem Gehäuse 11 verbunden ist und gegenüberliegend der Lichtquelle 05 angeordnet ist, sowie eine lichtempfindliche Messfläche 07. Die lichtempfindliche Messfläche 07 ist mit dem Pedal 01 verbunden und in Lichtstrahlrichtung hinter der Blende 16 angeordnet. Der Lichtstrahl der Lichtquelle 05 verläuft im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Pedalwelle 02. Der Lichtstrahl wird durch die Öffnung in der Blende 16 geleitet und trifft auf die dahinter liegende Messfläche 07. Die durch die Pedalkraft ausgelöste Auslenkung des mit den elastischen Elementen 04 verbundenen Gehäuses 11 bewirkt eine Verschiebung der Blende 16, wodurch der Lichtstrahl in unterschiedlichen Punkten auf der lichtempfindlichen Messfläche 07 auftrifft. Die Blende 16 kann bei einer abgewandelten Ausführung durch einen Spiegel ersetzt sein, sodass Lichtquelle und Messfläche in einer baulichen Einheit integriert werden können. 6 shows an optical detection unit used in the second embodiment of the device according to the invention in a first embodiment. The optical detection unit 12 includes one with the pedal 01 connected light source 05 , a panel 16 , which with the housing 11 is connected and opposite the light source 05 is arranged, as well as a photosensitive measuring surface 07 , The photosensitive measuring surface 07 is with the pedal 01 connected and in the beam direction behind the aperture 16 arranged. The light beam of the light source 05 runs substantially parallel to the longitudinal axis of the pedal shaft 02 , The light beam is through the opening in the aperture 16 passed and meets the underlying measuring surface 07 , The deflection of the elastic elements triggered by the pedal force 04 connected housing 11 causes a shift of the aperture 16 , whereby the light beam at different points on the photosensitive measuring surface 07 incident. The aperture 16 may be replaced by a mirror in a modified embodiment, so that light source and measuring surface can be integrated in a structural unit.

Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform des PSD-Elements 12 ist die Blende 16 zumindest teilweise innerhalb eines Hydraulikaggregats 17 angeordnet. Durch die Tretkraft, die auf das Pedal 01 aufgebracht wird, steigt der Druck im Innenraum des Hydraulikaggregats 17, wodurch die Blende 16 wiederum verschoben wird und der Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf die lichtempfindliche Messfläche 07 verändert wird.At the in 7 shown embodiment of the PSD element 12 is the aperture 16 at least partially within a hydraulic unit 17 arranged. By the pedaling force on the pedal 01 is applied, the pressure in the interior of the hydraulic unit increases 17 , causing the aperture 16 is again shifted and the point of impact of the light beam on the photosensitive measuring surface 07 is changed.

8 zeigt eine weitere, alternative Ausführungsform der optischen Erfassungseinheit 12. Die optische Erfassungseinheit 12 umfasst eine am Pedal 01 angeordnete Lichtquelle 05, einen am Gehäuse 11 angeordneten und der Lichtquelle 05 gegenüberliegenden Spiegel 18 sowie eine in Lichtstrahlrichtung hinter dem Spiegel 18 liegende lichtempfindliche Messfläche 07. Der Lichtstrahl der Lichtquelle 05 verläuft bei dieser Ausführung winklig zur Längsachse der Pedalwelle 02. Da sich der Auftreffwinkel des Lichtstrahls ändert, wenn sich der Spiegel 18 der Messfläche 07 nähert, ändert sich auch der Auftreffpunkt auf die Messfläche 07, wodurch wiederum eine Kraftmessung ermöglicht wird. 8th shows a further, alternative embodiment of the optical detection unit 12 , The optical detection unit 12 includes one on the pedal 01 arranged light source 05 , one on the housing 11 arranged and the light source 05 opposite mirror 18 and one in the light beam direction behind the mirror 18 lying photosensitive measuring surface 07 , The light beam of the light source 05 runs at this angle at an angle to the longitudinal axis of the pedal shaft 02 , Since the angle of incidence of the light beam changes when the mirror 18 the measuring surface 07 approaching, the impact point also changes to the measuring surface 07 , which in turn enables a force measurement.

Die vorgestellte Methode zur Kraftmessung ist sehr genau. Lichtquelle 05 und lichtempfindliche Messfläche 07 sind vorzugsweise über eine Regeleinheit gekoppelt, so dass der fließende Summenstrom immer konstant geregelt werden kann.The presented force measurement method is very accurate. light source 05 and photosensitive measuring surface 07 are preferably coupled via a control unit, so that the flowing sum flow can always be controlled constantly.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0101: Pedal pedal
0202: Pedalwelle pedal shaft
0303: Lager camp
0404: elastische Verbindungselemente elastic connecting elements
0505: Lichtquelle light source
0606: Scheibe disc
0707: lichtempfindliche Messfläche photosensitive measuring surface
0808: - -
0909: Schlitze slots
1010: - -
1111: Gehäuse casing
1212: optische Erfassungseinheit optical detection unit
1313: Energiespeicher energy storage
1414: Ladevorrichtung loader
1515: - -
1616: Blende cover
1717: Hydraulikaggregat hydraulic power unit
1818: Spiegel mirror

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10149912 A1 [0004]
DE 102009043949 A1 [0005]
DE 102007040016 A1 [0006]
DE 102008050236 A1 [0007]

Claims

Device for measuring on a pedal ( 01 ) introduced force, the pedal ( 01 ) on a pedal shaft ( 02 ) is rotatably mounted and by means of elastic when introduced force deforming fasteners ( 04 ) with the pedal shaft ( 02 ), characterized in that they are inserted into the pedal ( 01 ) comprises an integrated optical detection unit which comprises a light source ( 05 ) for generating a light beam, a light-sensing measuring surface ( 07 ) as well as between light source ( 05 ) and light-sensitive measuring surface ( 07 ) arranged deflection element for deflecting the light beam, wherein the deflection element in such a way on the pedal ( 01 ) or the pedal shaft ( 02 ) is mounted so that it due to a caused by the force introduced radial relative movement between the pedal and pedal shaft for deflecting the on the measuring surface ( 07 ) directed light beam comes.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the deflection element between an 05 ) and light-sensitive measuring surface ( 07 ), rotating disk ( 06 ) with at least one slot ( 09 ), the light beam of the light source ( 05 ) substantially parallel to the longitudinal axis of the pedal shaft ( 02 ) runs.

Device according to claim 2, characterized in that the slot ( 09 ) in the disc ( 06 ) is arranged at an angle deviating from the radius.

Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the disc ( 06 ) a plurality of pairs of slots ( 09 ), which in the direction of the outer diameter of the disc ( 06 ) are inclined to each other.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that it further serves to determine the speed by the frequency of the on the photosensitive measuring surface ( 07 ) is evaluated incident light pulses.

Apparatus according to claim 1, characterized in that at least one for the storage of the pedal shaft ( 02 ) serving warehouse ( 03 ) in a housing ( 11 ) and that the pedal ( 01 ) via the elastic connecting elements ( 04 ) with the housing ( 11 ) connected is.

Apparatus according to claim 6, characterized in that the deflection element is one of the light source ( 05 ) opposite, with the housing ( 11 ) connected aperture ( 16 ), the light beam of the light source ( 05 ) substantially parallel to the longitudinal axis of the pedal shaft ( 02 ) runs.

Device according to claim 7, characterized in that the diaphragm ( 16 ) at least partially in one with the housing ( 11 ) associated pressure-sensitive hydraulic power unit ( 17 ) in the direction of the pedal ( 01 ) is arranged displaceably.

Device according to claim 6, characterized in that the deflecting element is a light source ( 05 ) opposite, on the housing ( 11 ) arranged mirror ( 18 ) is that the photosensitive measuring surface ( 07 ) the mirror ( 18 ) is arranged opposite and that the light beam of the light source ( 05 ) at an angle to the longitudinal axis of the pedal shaft ( 02 ) runs.

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the photosensitive measuring surface ( 07 ) is a PSD (Position Sensitive Device) element.