JP2010537173A - エルゴメータまたは自転車で力測定、トルク測定、および出力測定をする方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、エルゴメータまたは自転車で力測定、トルク測定、および出力測定をする方法および装置に関するものであり、用途に即したその使用の結果としてペダルを装備する２つのペダルクランクからシャフト（１）を介して巻掛け伝動装置へ、さらにはエルゴメータのディスクフライホイールへ、または自転車の後輪へトルク伝達が行われ、巻掛け伝動装置は少なくとも回転方向でシャフト（１）と回転不能に結合されたベルトプーリ（４）またはスプロケットホイールを有している。ベルトプーリ（４）またはスプロケットホイールの両側で互いに独立してそれぞれモーメント伝達の結果として生じるシャフト（１）の弾性ねじりがシャフト（１）に印加される力を表す目安としてエルゴメータまたは自転車の利用者の左足と右足の両方のトルクおよび出力を判定するために検出され、これに対応する電気的なセンサ信号（８、９）が生起され、当該センサ信号がさらなる処理のために記憶ユニットおよび／または評価ユニット（７）へ供給されることが提案される。

Description

本発明は、エルゴメータまたは自転車で力測定、トルク測定、および出力測定をする方法および装置に関するものであり、用途に即したその使用の結果としてペダルを装備する２つのペダルクランクからシャフトを介して巻掛け伝動装置へ、さらにはエルゴメータのディスクフライホイールへ、または自転車の後輪へトルク伝達が行われ、巻掛け伝動装置は少なくとも回転方向でシャフトと回転不能に結合されたベルトプーリまたはスプロケットホイールを有している。

エルゴメータや自転車は、かなり以前からトレーニング器具として、および／またはリハビリテーション用として利用されており、その場合、このような器具の用途に即した使用中に、利用者によってトレーニング中に印加される出力を測定して相応に評価するのが有意義である。印加される出力を検出するための高いコストのかかる解決法は、たとえばチェーンのような巻掛け伝動装置における張力の評価を含んでおり、そうした評価を通じて印加される力を判定可能であり、さらにはそれを基にして、測定された角速度との関連で出力へと換算することができる。この点に関しては特許文献１を参照されたい。

さらに特許文献２より、人間によって印加される力が自転車のペダル軸受で直接測定される、自転車のクランク伝動装置のためのいわゆる出力計が公知である。ペダルにかかる力は、ひずみゲージが配置されている適当な曲げ部材の変形によって電気信号に変換され、自転車フレームと結合されている受信器へと誘導式の伝達によって伝達される。ペダル速度はペダル周波数によって判定される。ペダル力とペダル速度という両方の値が自転車のマイクロコンピュータで処理され、表示されて保存され、ないしは出力に換算される。

さらに特許文献３より、特に自転車のペダルクランクから印加される力と出力を検出する装置が公知であり、この場合、ひずみゲージが配置されたクランクピンないしペダル軸におけるせん断ひずみの測定により、力を印加する人間の両方の足について別々に力が判定される。

最後に、トーションロッドを有する、または有さない回転軸のトルクを、それ自体公知である磁気的な手法によって、たとえば磁気ひずみ方式のトルクセンサによって、測定することが以前から知られている。このような種類の磁気ひずみ方式のトルクセンサは強磁性材料の磁気特性に依拠するものであり、たとえば材料の引張応力が、その材料で誘導される磁界の増大を引き起こす。それに対して圧縮応力は、誘導される磁界の減少につながる。トルクを伝達する強磁性のシャフトへ磁界を誘導するために、交流の供給をうけるセンサコイルが主として用いられる。そして二次的なピックアップコイルまたはその他の手段が、シャフトの応力がトルクとともに変化したときの、誘導される磁界に関わる変化を監視する。二次コイルで誘導される応力信号がトルクを表す指標となる。

たとえば特許文献４は、磁気ひずみ方式のトルクセンサを備える、たとえばシャフトのような機械部品の機械的な応力状況を無接触式に検証するため、ないしは無接触式に測定するための構造を記載しており、この場合、磁気ひずみアモルファス材料からなる層がシャフトに配置されている。機械的な応力の影響のもとで、この層はその磁気透過性を変化させ、それにより、ひいてはこの層の近傍に配置された、少なくとも１つのコイルを含むセンサのインダクタンスが変化する。この皮膜はシャフトにスパッタリングされ、または電気分解で塗布され、またはフィルム形態で形成されてシャフトに接着され、もしくはこれと溶着されていてよい。

ドイツ特許出願公開第１０２００５０５２４４５Ａ１号明細書 ドイツ特許第３７２２７２８Ｃ１号明細書 ドイツ特許第４４３５１７４Ｃ２号明細書 ドイツ特許出願公開第３４１７８９３Ａ１号明細書

以上を前提とする本発明の課題は、エルゴメータまたは自転車を用途に即して使用する利用者の両方の足について互いに別々に、少ない測定工学上のコストで信頼度の高い測定結果を検出するのに適している、エルゴメータまたは自転車で力測定、トルク測定、および出力測定をする改良された方法、ならびにこれを実施する装置を提供することにある。

本発明の根底には、特に巻掛け伝動装置での応力測定やひずみゲージを用いた力測定を意図するエルゴメータまたは自転車の従来式の測定方式は、高いコストがかかり、そのためにコスト集中的であるという認識がある。

したがって課された課題は、まず第１に、エルゴメータまたは自転車で力測定、トルク測定、および出力測定をする方法によって解決され、用途に即したその使用の結果としてペダルを装備する２つのペダルクランクからシャフトを介して巻掛け伝動装置へ、さらにはエルゴメータのディスクフライホイールへ、または自転車の後輪へトルク伝達が行われ、巻掛け伝動装置は少なくとも回転方向でシャフトと回転不能に結合されたベルトプーリまたはスプロケットホイールを有している。さらに方法に関しては、ベルトプーリまたはスプロケットホイールの両側で互いに独立してそれぞれモーメント伝達の結果として生じるシャフトの弾性ねじりがシャフトに印加される力を表す目安としてエルゴメータまたは自転車の利用者の左足と右足の両方のトルクおよび出力を判定するために検出され、これに対応するセンサ信号が生起され、当該センサ信号がさらなる処理のために記憶ユニットおよび／または評価ユニットへ供給されることが意図される。

利用者によってその右足および／または左足によって印加される力、ないしペダルクランクのレバー長さを介して作用するトルク、ならびに単位時間あたりに利用者から加えられる出力についてこうして得られた値を、引き続き算定して表示装置で表示し、電子式に保存し、および／またはその他の目的のために利用することができる。

本方法の特別に有利な実施形態では、シャフトの弾性ねじりはそれぞれ磁気ひずみの原理に基づいて検出される。その場合、生起されるセンサ信号を電気式または無接触式に記憶ユニットおよび／または評価ユニットへ供給することができる。

さらに本発明は、利用者によってその右足および／または左足で加えられる出力を算定するためにシャフトの回転数が検出されて記憶ユニットおよび／または評価ユニットへ供給され、当該ユニットでは右側および／または左側でシャフトに作用するトルクを測定された回転数で除算することで、利用者によってその右足および／または左足で加えられる出力が算出されることを意図している。

装置に関して本発明は、エルゴメータまたは自転車で力測定および出力測定をする装置を対象としており、用途に即したエルゴメータまたは自転車の使用の結果としてペダルを装備する２つのペダルクランクからシャフトを介して巻掛け伝動装置へ、さらにはエルゴメータのディスクフライホイールへ、または自転車の後輪へトルク伝達が行われ、巻掛け伝動装置は少なくとも回転方向でシャフトと回転不能に結合されたベルトプーリまたはスプロケットホイールを有している。

課された課題を装置に関して解決するために、エルゴメータまたは自転車の利用者の左足と右足の両方のトルクと出力を判定するためにシャフトに印加される力を表す目安としてのモーメント伝達の結果として生じる弾性ねじりの形態でシャフトの変形を無接触式に検出する少なくとも１つのセンサ装置がベルトプーリまたはスプロケットホイールの軸方向両側にそれぞれ配置されることが意図される。

このセンサ装置は、シャフトの弾性ねじりを測定するために、それぞれ少なくとも１つの磁気ひずみ方式のトルクセンサ装置によって構成されているのが特別に有利である。このときトルクセンサ装置は、シャフトの少なくとも１つの磁気コーディング領域と、これに対して間隔をおいて配置された少なくとも１つのセンサコイルとをそれぞれ含んでいる。シャフトの磁気コーディング領域に関しては、シャフトと固定的に結合された磁気ひずみ材料からなるコーティングによってこの領域が構成されていてよく、または、前述した磁気ひずみ材料からなる、シャフトと固定的に結合された別個の取付部品によって構成されていてよい。

さらに、利用者によってエルゴメータまたは自転車に印加される出力を算定するために、回転数発生器の半径方向上方に配置され、記憶ユニットおよび／または評価ユニットと接続された回転数センサと協働する回転数発生器が、シャフトの表面に配置されていることが意図される。シャフトが回転すると、回転数センサのそばを通過する回転数発生器が回転数センサで回転数信号を生成し、この回転数信号が記憶ユニットおよび／または評価ユニットへ転送される。

さらにトルクセンサ装置は、検出されたシャフトの変形の生起されたセンサ信号を処理するための電子式の記憶ユニットおよび／または評価ユニットと電気式または無接触式にそれぞれ接続されているのが有利である。

ここで説明している装置の第１の有利な実施態様では、ベルトプーリまたはチェーンスプロケットは、軸方向でベルトプーリまたはチェーンスプロケットの両側に配置されたセンサ装置とともに、シャフトの２つの軸受個所によって軸方向に区切られているシャフトの領域の内部に配置されていてよい。

第２の有利な実施態様では、ベルトプーリまたはチェーンスプロケットは、シャフトの２つの軸受個所によって軸方向に区切られているシャフトの領域の外部に配置されていてもよく、この場合、ベルトプーリまたはチェーンスプロケットの軸方向両側にセンサ装置が配置されており、少なくとも１つのセンサ装置は前述した領域の内部に配置されている。

次に、２通りの好ましい実施形態を用いて、添付の図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。

２つの軸受個所の間に配置されたベルトプーリと、第１の実施形態に基づく測定装置とを備える、本発明に基づいて構成されたエルゴメータのシャフトである。 第２の実施形態に基づいて２つの軸受個所の間の領域の外部に配置されたベルトプーリを備える、本発明に基づいて構成されたエルゴメータのシャフトである。

図１に模式的に示す、それ自体公知であるので詳細には図示しないエルゴメータのペダル軸受のシャフト１は、このシャフト１を介して巻掛け伝動装置へ、さらにはエルゴメータのディスクフライホイールへ、ペダルを装備する２つのペダルクランクのトルク伝達を可能にするものである。シャフト１は、転がり軸受によって２つの軸受個所２、３で、詳しくは図示しないエルゴメータのフレームに回転支承されている。本例では、巻掛け伝動装置はベルト伝動装置として構成されており、少なくとも１つの回転方向でシャフト１と回転不能に結合されたベルトプーリ４を有している。

エルゴメータを用途に即して使用する利用者の両方の足について互いに別々に、少ない測定工学上のコストで信頼度の高い測定結果を検出できるようにするために、ベルトプーリ４の軸方向両側には、モーメント伝達の結果として生じるシャフト１の弾性ねじりの形態で変形を無接触式に検出するためのセンサ装置５ないし６がそれぞれ設けられている。センサで検出される弾性ねじりは、利用者によって単位時間あたりに加えられるエルゴメータの利用者の左足および右足の出力を計算で求めるために、シャフト１に印加される力ないしトルクを表す目安となる。

測定手段は、それぞれ少なくとも１つの磁気ひずみ式トルクセンサ装置５ないし６によって構成されており、シャフト１の磁気コーディング領域５ａ、６ａと、これに対して間隔をおいて配置された少なくとも１つのセンサコイル５ｂ、６ｂとを含んでいる。このような種類の磁気ひずみ式トルクセンサ装置５、６の機能形態は、すでに導入部のところで説明したとおりである。

磁気コーディング領域５ａ、６ａは、シャフト１と固定的に結合された磁気ひずみ材料からなるコーティングによって構成されるのが好ましい。しかしながら、その代わりにシャフト１と固定的に結合されるべき別個の取付部品、たとえば、シャフト１に外嵌されてこれと摩擦接合式および／または形状接合式に結合され、検出されるべきシャフト１の弾性ねじりが磁気ひずみ取付部品に伝達されるようになっている、磁気ひずみ材料からなる環状の取付部材が好ましい場合もある（詳しくは図示せず）。

トルクセンサ装置５、６ないしそのセンサコイル５ｂ、６ｂは、センサ装置５、６により生起される、シャフト１の検出された変形ないし弾性ねじりのセンサ信号８、９を処理するために、それぞれ電気式または無接触式に、たとえば無線や超音波によって、電子式の記憶ユニットおよび／または評価ユニット７と接続されている。そのために必要な電圧は、据え付けられている電源網および／または１つまたは複数の蓄電池によって提供されるのが好都合である。

さらに図１に示すように、ベルトプーリ４は、その軸方向両側に配置されたセンサ装置５、６とともに、シャフト１の両方の軸受個所２、３により軸方向で区切られるシャフト１の領域の内部に配置されており、それにより、きわめてコンパクトな、かつそれに応じて所要の設計スペースに関して最低限に抑えられた構造が提供される。

図２に示す実施例が上に説明した態様と相違しているのは、基本的に、ベルトプーリ４が、シャフト１の両方の軸受個所２、３の間にはさまれた領域の軸方向外部に配置されていることによってであり、同じくベルトプーリ４の軸方向両側にセンサ装置５、６が配置されているものの、少なくとも１つのセンサ装置５は前述した領域の内部に配置されている。

さらに図２は、シャフト１の円周に磁気式の信号発生器１０が相互間隔をおきながら配置されている様子を示しており、これらの信号発生器は、半径方向の間隔をおいて回転数発生器１０の上方に位置決めされた、それ自体公知である回転数センサ１１と協働する。シャフト１の回転運動に基づいて回転数センサ１１の下方を回転数発生器１０が通過すると、回転数センサは変化する磁界を記録し、これに基づいて回転数信号１２を生起し、この回転数信号が記憶ユニットおよび／または評価ユニット７へ転送される。上述した測定原理に代えて、シャフト１の回転数を検出するために別の測定原理を適用し、たとえば公知の光学測定システムを適用することも可能である。

記録されたシャフト１のねじりから求めたトルクと、測定されたシャフトの回転数とを用いて、記憶ユニットおよび／または評価ユニット７で、シャフト１のそれぞれの側で印加された単位時間あたりのトルクを判定し、それによって利用者がそのつど加えた出力を判定することができる。利用者の出力の知見、特にその右足および／または左足によって印加された出力の知見は、エルゴメータの利用者に知らせる情報として重要であるばかりでなく、エルゴメータの制動装置の、たとえば渦電流ブレーキやベルトブレーキの、機械抵抗を正確に調整するためにも重要である。

従来知られているエルゴメータでは、渦電流ブレーキの供給電圧から、数学的に比例しない関係を用いて、エルゴメータの利用者が対抗すべき、ないしは対抗する渦電流ブレーキの制動モーメントないし制動出力が見積もられている。このときの精度は制動モーメントの実際の値の±１０％の範囲内にあり、これは少なくとも診断で適用されるべきエルゴメータにおいては不十分であると判定される。したがってこのような公知のエルゴメータでは、渦電流ブレーキの供給電圧とその制動作用（制動モーメント、制動出力）との間の比例しない関係を見出して、ＤＩＮ規定で求められる制動モーメント調整の精度ないし利用者に対するトルク表示と出力表示の精度を実現できるようにするために、渦電流ブレーキのキャリブレーションが行われるのが普通である。

本発明による測定システムでは、特に図２の測定システムでは、このようなコストが必要ない。エルゴメータの利用者により印加されるトルクないし出力が、トルク測定と回転数測定を用いて連続的に判定されるからである。

上記の実施例は、ベルト伝動装置の形態の巻掛け伝動装置を備えるエルゴメータに照準を合わせたものである。しかしながら本発明は、このような実施例に限定されるものではなく、チェーン伝動装置の形態の巻掛け伝動装置や、ベルト伝動装置またはチェーン伝動装置を備える従来式の自転車なども含んでおり、これらは本発明に基づき、ペダル軸受の領域でその用途に即した使用中の負荷が生じたときにシャフト１の弾性ねじりを検出するための特別なセンサ装置５、６が装備され、好ましくは磁気ひずみ式トルクセンサ装置５、６が装備される（詳しくは図示せず）。

１ シャフト
２ 軸受個所
３ 軸受個所
４ ベルトプーリ
５ センサ装置（トルクセンサ装置）
５ａ 磁気コーディング領域
５ｂ センサコイル
６ センサ装置（トルクセンサ装置）
６ａ 磁気コーディング領域
６ｂ センサコイル
７ 記憶ユニットおよび／または評価ユニット
８ 信号
９ 信号
１０ 回転数発生器
１１ 回転数センサ
１２ 回転数信号

Claims (12)

1. エルゴメータまたは自転車で力測定、トルク測定、および出力測定をする方法であって、用途に即したその使用の結果としてペダルを装備する２つのペダルクランクからシャフト（１）を介して巻掛け伝動装置へ、さらにはエルゴメータのディスクフライホイールへ、または自転車の後輪へトルク伝達が行われ、前記巻掛け伝動装置は少なくとも回転方向で前記シャフト（１）と回転不能に結合されたベルトプーリ（４）またはスプロケットホイールを有している、そのような方法において、
   モーメント伝達の結果として生じる前記シャフト（１）の弾性ねじりが前記シャフト（１）に印加される力を表す目安としてエルゴメータまたは自転車の利用者の左足と右足のそれぞれのトルクおよび出力を判定するために、前記ベルトプーリ（４）または前記スプロケットホイールの左側と右側において互いに独立して検出され、これに対応するセンサ信号（８、９）が生起され、当該センサ信号がさらなる処理のために記憶ユニットおよび／または評価ユニット（７）へ供給されることを特徴とする方法。
2. 前記シャフト（１）の弾性ねじりは磁気ひずみの原理に基づいてそれぞれ検出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記シャフト（１）の回転数が検出されて前記記憶ユニットおよび／または評価ユニット（７）へ供給され、該ユニットでは該右側および／または該左側で前記シャフト（１）に作用するトルクを測定された回転数で除算することで、利用者によってその右足および／または左足で加えられる出力が算出されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記センサ信号（８、９、１２）は前記記憶ユニットおよび／または評価ユニット（７）へ電気式または無接触式に供給されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
5. エルゴメータまたは自転車で力測定および出力測定をする装置であって、用途に即したエルゴメータまたは自転車の使用の結果としてペダルを装備する２つのペダルクランクからシャフト（１）を介して巻掛け伝動装置へ、さらにはエルゴメータのディスクフライホイールへ、または自転車の後輪へトルク伝達が行われ、前記巻掛け伝動装置は少なくとも回転方向で前記シャフト（１）と回転不能に結合されたベルトプーリまたはスプロケットホイールを有している、そのような装置において、エルゴメータ（４）または自転車の利用者の左足と右足の両方のトルクと出力を判定するために前記シャフト（１）に印加される力を表す目安としてのモーメント伝達の結果として生じる弾性ねじりの形態で前記シャフト（１）の変形を無接触式に検出する少なくとも１つのセンサ装置（５、６）が前記ベルトプーリ（４）または前記スプロケットホイールの軸方向両側にそれぞれ配置されていることを特徴とする装置。
6. 前記シャフト（１）の弾性ねじりを測定するための前記センサ装置（５、６）はそれぞれ少なくとも１つの磁気ひずみ式トルクセンサ装置（５、６）によって構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記トルクセンサ装置（５、６）は、前記シャフト（１）の少なくとも１つの磁気コーディング領域（５ａ、６ａ）と、これに対して間隔をおいて配置された少なくとも１つのセンサコイル（５ｂ、６ｂ）とを含んでいることを特徴とする、請求項５または６に記載の装置。
8. 前記シャフト（１）の前記磁気コーディング領域（５ａ、６ａ）は前記シャフト（１）と固定的に結合された磁気ひずみ材料からなるコーティングによって構成されており、または、前記シャフト（１）と固定的に結合された磁気ひずみ材料からなる別個の取付部品によって構成されていることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 回転数発生器（１０）の上方に配置され、前記記憶ユニットおよび／または評価ユニット（７）と接続された回転数センサ（１１）と協働する前記回転数発生器（１０）が前記シャフト（１）の表面に配置されていることを特徴とする、請求項５から８までの少なくともいずれか一項に記載の装置。
10. 前記トルクセンサ装置（５、６）は前記シャフト（１）の検出された変形の生起されたセンサ信号（８、９）を処理するための記憶ユニットおよび／または評価ユニット（７）とそれぞれ電気式または無接触式に接続されていることを特徴とする、請求項５から９までの少なくともいずれか一項に記載の装置。
11. 前記ベルトプーリ（４）または前記チェーンスプロケットは、軸方向で前記ベルトプーリ（４）または前記チェーンスプロケットの両側に配置された前記センサ装置（５、６）とともに、前記シャフト（１）の２つの軸受個所（２、３）によって軸方向に区切られている前記シャフトの領域の内部に配置されていることを特徴とする、請求項５から１０までの少なくともいずれか一項に記載の装置。
12. 前記ベルトプーリ（４）または前記チェーンスプロケットは前記シャフト（１）の２つの軸受個所（２、３）によって軸方向に区切られている前記シャフトの領域の外部に配置されており、軸方向で前記ベルトプーリ（４）または前記チェーンスプロケットの両側に前記センサ装置（５、６）が配置されており、少なくとも１つの前記センサ装置（５）は前記領域の内部に配置されていることを特徴とする、請求項５から１１までの少なくともいずれか一項に記載の装置。

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