JP2014509573A - 自転車用のクランク駆動装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ペダルクランク軸（４）と、該ペダルクランク軸（４）の両自由端部に固定された２つのペダルクランク（３，５）と、前記ペダルクランク軸（４）に加えられたトルクを検出する、トルクセンサ装置（５０）と、を備え、該トルクセンサ装置は容量式のセンサ装置（５０）として形成されている、自転車用のクランク駆動装置に関する。本発明はまた、電気モータ式の補助駆動装置（１０）と、このようなクランク駆動装置（１）とを備えた自転車（２）に関する。

Description

本発明は、自転車用のクランク駆動装置、このようなクランク駆動装置を備えた自転車及びセンサ装置に関する。

電気モータ式の補助駆動装置を備えた自転車（「ペデレック（Pedelec）」又はイーバイク（eBike）とも呼ばれる）のためには、１分間当たりのクランク回転数であるケイデンス（走行希望）を検出するセンサ装置が必要である。このセンサ装置は、ペダルクランクからセンサ装置への信号路を可能な限り短く保つために、理想的にはペダルクランク軸に組み込まれていることが望ましい。特に上り坂における始動時に良好な特性を得るために、ケイデンスとトルクのためのセンサコンビネーションが望まれている。

自転車のペダルクランク軸は完全に回転する軸であるので、耐用寿命の理由から非接触式のセンサシステムが有利である。ケイデンスセンサ（ペダルクランク軸の回転速度を測定）は、汎用のリングマグネットとホールセンサとを用いて非接触式の測定システムとして簡単に実現可能である。しかしながらこのことは、トルクセンサ装置においては困難である。今日公知のシステムは、多くの場合誘導式のベースで作動する。しかしながらこのようなシステムには、当該システムが極めて容易に外乱磁界に反応してしまう、という欠点がある。

例えばこのようなシステムは、磁石の交換によって又は磁石を遠ざけることによって、操作することができる。これによって高い走行出力の場合に問題が発生する。それというのは、このような出力上昇は違反であり、低い走行出力が発生する場合には、不都合な出力損失を生ぜしめるからである。さらにこのような操作によって、システム全体が完全に停止してしまうこともある。

さらに、必要な磁化特性に基づいて、多くの場合に特殊な材料が必要であり、このような材料は、例えば鋼のような汎用材料に比べて高価であり、しばしば、等しい機械的な負荷に耐えられない。

発明の開示
ゆえに本発明の課題は、公知の誘導式のシステムにおける欠点を甘受する必要なしに、トルクをペダルクランク軸において非接触式に検出することができる、自転車用のクランク駆動装置及びこのようなクランク駆動装置を備えた自転車を提供することである。

本発明によるクランク駆動装置及び本発明による自転車は、ペダルクランク軸に加えられたトルクを検出する、非接触式に作動するセンサ装置の利点を有し、この場合このセンサ装置はさらに、外部磁界の影響に対して鈍感である。さらに本発明では、本発明によるクランク駆動装置及び本発明による自転車のためにほとんど汎用材料を使用できる、という利点が得られる。

詳しく述べれば、本発明によるクランク駆動装置は、両自由端部にペダルクランクが固定されたペダルクランク軸を有する。さらにクランク駆動装置は、電気モータ式の補助駆動装置と、ペダルクランク軸に加えられたトルクを検出することができる、トルクセンサ装置とを備えている。この場合トルクセンサ装置は容量式のセンサ装置として形成されており、このようなセンサ装置は、既に詳しく述べた利点、特に外部磁界の影響に対して鈍感であるというような利点を、得ることができる。

従属請求項には、本発明の別の有利な態様が記載されている。

ペダルクランク軸は、特に好適な態様では、センサ装置の一部であるので、製造されかつ取り付けられる構成部材をさらに最小化できる、極めて小型の構造形式の利点が得られる。

本発明によるクランク駆動装置の小型化をさらに改善するために、センサスリーブはペダルクランク軸に装着され、好適にはプレス嵌めされ、このセンサスリーブは内歯列を有し、この内歯列は、外歯列もしくは内歯列の歯にそれぞれ電極が配置されていて、これらの電極が取付け状態において互いに正確に向かい合って位置することによって、ペダルクランク軸の外歯列と共働する。

全体構造をさらに簡単化するために、センサスリーブにはその一方の端部に、補助駆動装置の伝動装置車に係合する外歯環が設けられていてよい。

センサスリーブとペダルクランク軸との間における結合は、さらに、センサスリーブの他方の端部に、ペダルクランク軸における該センサスリーブの固定のためのプレス嵌め部分が設けられていることによって、簡単化することができる。

構造全体をさらに簡単化するために、本発明の別の態様では、センサスリーブの外壁に、互いに間隔をおいて位置する２つの金属リングが配置されており、該金属リングはセンサスリーブから電気的に遮断されていて、センサスリーブの内歯列における電極もしくはペダルクランク軸の外歯列における電極に接続されている。

さらに好ましくは、ペダルクランク軸の上にプラスチックスリーブが配置されており、このプラスチックスリーブは、ペダルクランク軸をその全長にわたって覆い、かつ該ペダルクランク軸に対して自由回転可能に設けられている。

このプラスチックスリーブは、その内壁に、互いに間隔をおいて位置する２つの金属リングを備えており、該金属リングは、ペダルクランク軸におけるプラスチックスリーブの取付け状態において、ペダルクランク軸の金属リングの上に配置されている。このような態様もまた、本発明によるクランク駆動装置の全体構造をコンパクト化するのに好適である。

本発明の別の好適な態様では、プラスチックスリーブは、その一端部において、軸受、好ましくは玉軸受を介してペダルクランク軸に支持されている。しかしながらまた、プラスチックスリーブの両端部が、各１つの軸受、好ましくは玉軸受を介してペダルクランク軸に支持されているような態様も可能である。

請求項１３，１４には、本発明による自転車が、独立して取扱い可能な対象として記載されている。

請求項１５には、センサ装置が、独立して取扱い可能な対象として記載されている。

次に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

電気モータ式の補助駆動装置を組み込まれた自転車を示す概略図である。 本発明によるクランク駆動装置の好適な実施形態を示す図である。 図２に示したクランク駆動装置のペダルクランク軸を示す図である。 図２に示したペダルクランク軸を示す断面図である。 図２に示したペダルクランク軸を示す縦断面図である。 図２に示したクランク駆動装置のペダルクランク軸とプラスチックスリーブとを示す図である。 ペダルランク軸に取り付けられたトルクセンサ装置を示す断面図である。 本発明によるクランク駆動装置のトルクを検出する機能原理を示す概略図である。 センサ装置の感度特性線を示すグラフである。

発明の実施の形態
以下においては、図１〜図８を参照しながら、本発明による自転車用のクランク駆動装置１と、電気式の補助駆動装置及びこのようなクランク駆動装置１を備えた自転車とについて、説明する。

図１には、電気式の補助駆動装置もしくは中央駆動装置を組み込まれて備えた自転車２が略示されている。図１から分かるように、中央駆動装置はクランク駆動装置１、電気式もしくは電気モータ式の補助駆動装置１０、制御ユニット１５、操作ユニット２８及び再充電可能なエネルギ源２７を有する。電気モータ式の補助駆動装置１０は、ダウンチューブ２６の下でかつ走行方向において自転車２のクランク駆動装置１の前に配置されていて、かつダウンチューブ２６に固定されている。クランク駆動装置１は、ペダルクランク軸（Tretkurbelwelle）４を有し、このペダルクランク軸４の両自由端部には、ペダルクランク（Tretkurbel）３もしくはペダルクランク５が固定されている。さらに図１に示されているように、制御ユニット１５はダウンチューブ２６に固定されていて、電気モータ式の補助駆動装置１０と、自転車２のハンドル３０における操作ユニット２８とに接続されている。制御ユニット１５はさらに、エネルギ供給のために、電気モータ式の補助駆動装置１０と同様に、再充電可能なエネルギ源２７に接続されており、このエネルギ源２７は、ダウンチューブ２６とトップチューブ２９との間における上側のフレーム三角形空間に配置されている。電気モータ式の補助駆動装置１０は、クランク駆動装置１に固定された歯車１７を介して歯付きベルト３３を用いて接続されており、この歯車１７は、スプロケット保持体３１に直ぐ近くに隣接して、クランク駆動装置１の同じ側に配置されている。スプロケット保持体３１は、自転車の後輪に配置された被動ピニオン２５とチェーン２８を介して接続されている。

図２から分かるように、クランク駆動装置１はさらに、センサスリーブ７を備えたセンサ装置５０を有し、このセンサスリーブ７の端部７Ａ（図３及び図５参照）には、外歯環８が配置されており、この外歯環８は、補助駆動装置１０の伝動装置車９に係合する。ペダルクランク軸４は、図４から分かるように、センサ装置５０の一部であり、部分的な歯列（長手方向において連続して形成されておらず、かつ／又は３６０°にわたって完全には環状に形成されていない歯列）、つまり外歯列６を有し、この外歯列６は、ペダルクランク軸４を、該ペダルクランク軸４の長さが好ましくは約１／３と２／３との比になるように、分割する。外歯列６は歯６Ａを有し、これらの歯６Ａは、一方の側にそれぞれ１つの電極（図示せず）を有し、これらの電極は、ペダルクランク軸４に押し嵌められたセンサスリーブ７の一部である内歯列１１の歯１１Ａにおける電極（図示せず）と向かい合って位置するように、配置されている。この場合、センサ装置５０における電極の択一的な２つの配置形態が可能である。択一的な第１の形態では、陽極２６（又は陰極）が、ペダルクランク軸４の各歯６Ａのそれぞれ一方の側に配置され、陰極２７（又は陽極）が、センサスリーブ７の歯１１Ａの、前記一方の側に向かい合って位置する側に配置されている。これによってペダルクランク軸の可能な両回転方向におけるトルク検出が可能になる。

択一的な第２の形態では、陽極（又は陰極）が軸４の各歯６Ａのそれぞれ両側に設けられ、陰極（又は陽極）が歯１１Ａの、前記両側に向かい合って位置する側に設けられている。この配置形態には、ペダルクランク軸４及びセンサスリーブ７の両歯環をそれぞれ大きな電極として製造することができるので、製造が簡単であるという利点がある。

センサスリーブ７の他方の端部７Ｂには、図５に示されているように、プレス嵌め部分２１が設けられており、このプレス嵌め部分２１を用いて、センサスリーブ７はペダルクランク軸４に固定されている。さらに、センサスリーブ７の外壁２２においてほぼ真ん中に、互いに間隔をおいて位置する２つの金属リング１２，１３が配置されており、両金属リング１２，１３はセンサスリーブ７から電気的に遮断されている。金属リング１２，１３は、好ましくはセンサスリーブ７内に組み込まれた、ここでは見えない導体を介して、センサスリーブ７の内歯列１１における電極、もしくはペダルクランク軸４の外歯列６における電極に接続されている。プラスチックスリーブ１４は、図６からさらに分かるように、矢印Ｐの方向でペダルクランク軸４の全体に被せ嵌められる。プラスチックスリーブ１４は、一端に配置された軸受２５を用いてペダルクランク軸４に、該ペダルクランク軸４とプラスチックスリーブ１４との間に一定の間隔が保証されかつプラスチックスリーブ１４が自由回転可能であるように、支持されている。択一的に、プラスチックスリーブ１４は、２つの軸受を用いてペダルクランク軸４に、支持されていてもよい。

プラスチックスリーブ１４は、内壁１８に、同様に互いに間隔をおいて位置する２つの金属リング１６，１７を有し、両金属リング１６，１７は、ペダルクランク軸４にプラスチックスリーブ１４が取り付けられた状態において、半径方向で向かい合って位置するように、つまりペダルクランク軸４の金属リング１２，１３の上に位置するように配置されている。金属リング１６，１７は、制御ユニット１５への信号伝達のために、外方に向かって延びる各１つの導体１９，２０と接続されている。図７から分かるように、センサスリーブ７の外面２２における導電性の金属リング１２，１３は、プラスチックスリーブ１４の内面１８における金属リング１６，１７と一緒に、誘電体として空気を有する結合コンデンサ４０として作用し、この場合誘電体としての空気は、金属リング１２，１３と金属リング１６，１７との間の間隔に存在している。

動力の伝達は、自転車に乗る人によってペダルクランク３，５に加えられるトルクを起点とし、このトルクによって、ペダルクランク軸４が回転させられる。次いで、ペダルクランク軸４にプレス嵌めされたセンサスリーブ７を介して、ペダル力はトルクとして、センサスリーブ７の外歯環８に係合する伝動装置車９に伝達される。センサスリーブ７は端部７Ｂにおいてだけ、ペダルクランク軸４にプレス嵌めされているので、プレス嵌め部分２１と外歯環８との間においてセンサスリーブ７には、弾性的なねじれが生ぜしめられる。このねじれの強さは、センサスリーブ７の材料及び幾何学形状（壁厚さ／長さ）と、プレス嵌め部分２１の長さとに関連する。これらのパラメータによって、ねじれ強さの調節／適合を行うことができる。

ペダルクランク軸４の内歯列１１に対するセンサスリーブ７の外歯環８のねじれによって、内歯列１１と外歯列６との間の中間室は、一方の側において小さく又は大きくなる。これらの中間室はいわば、単純なプレートキャパシタの間隔ｄを形成し、このプレートキャパシタの両電極は、ペダルクランク軸４及びセンサスリーブ７の互いに向かい合って位置する電極面に相当し、このことは、プレートキャパシタのための一般的な式Ｃ＝ε*Ａ／ｄによって確定されている。各歯における個々の面積の総和は、トルクセンサ装置５０の生じるセンサ容量Ｃｓを形成する総面積を生ぜしめる。センサスリーブ７のねじれによって、この発生するセンサ容量Ｃｓは変化する。この場合図８に示すように、変化するセンサ容量Ｃｓは、結合コンデンサ４０の容量Ｃ_４０から、例えば信号変調によって確定することができる。信号を処理するためには、増幅兼フィルタ回路４１が必要であり、この増幅兼フィルタ回路４１は、センサ装置５０に後置されている。増幅兼フィルタ回路４１においては、均一で高周波の励起信号ＡＳが、変化する複雑な抵抗によって、位相、周波数及び振幅において、変調された信号ＭＳに変調される。これら３つの変調形式のうちの１つを介して、適宜な電子的な復調器Ｄによって、センサ容量Ｃｓの変化を突き止めることができる。システムに関連した特定される伝達関数Ｆを用いて、そこから再び、存在するトルクを特定することができる。この際に注意すべきことを付言すると、センサ容量が基準容量と共に容量性の分圧器を形成することによって、検出法としては例えばμＣの基準容量を使用することもできる。

ペダルクランク軸４に対する、そのために必要な周波数信号の伝達は、プラスチックスリーブ１４の両金属リング１６，１７を介してセンサスリーブ７に、結合コンデンサ４０における容量性の結合を用いて行われる。そのために、それぞれ対応して配設された金属リング１２，１３；１６，１７は、上に述べたように、ペダルクランク軸４もしくはプラスチックスリーブ１４に配置されていて、そして可能な限り正確に半径方向において互いに上下に位置していなくてはならない。さらに中間室は、金属リング１２，１３；１６，１７が互いに接触することなしに、可能な限り僅かでかつ一定であることが望ましい。さらに金属リング１２，１３；１６，１７は可能な限り等しい幅を有することが望ましく、しかもこの幅は、可能な限り大きいことが望ましい。ペダルクランク軸４とプラスチックスリーブ１４との間における軸受２５によって、ペダルクランク軸４は自由に回転し、センサ信号は、例えばスリップコンタクト又はこれに類したもののような追加的な部材なしに、プラスチックスリーブ１４において取り出すことができる。

結合コンデンサ４０の容量Ｃ_４０もしくは生じるセンサ容量Ｃｓは、例えば次のように計算される：
センサスリーブ７の半径：ｒ＝２０ｍｍ
金属リング１２，１３，１６，１７の幅：ｂ＝１５ｍｍ
金属リングの平均の間隔：ｄ＝０.５ｍｍ
誘電体 空気：ε＝８.８５４*１０^-12Ａｓ／Ｖｍ
Ａ＝２π*ｒ*ｂ＝１８８５ｍｍ²
Ｃ_４０＝ε*Ａ／ｄ＝３.７７ｍ*８.８５４*１０^-12Ａｓ／Ｖｍ＝３３.３８ｐＦ
もしくは、
歯縁部の面積：Ａｓ＝１０ｍｍ*２ｍｍ
歯環の歯数：ｎ＝６４
平均の間隔：ｄｓ＝０.５ｍｍ
Ａｓ＝１０ｍｍ*２ｍｍ*６４＝１２８０ｍｍ²
Ｃｓ＝ε*Ａ／ｄｓ＝２.５６ｍ*８.８５４*１０^-12Ａｓ／Ｖｍ＝２２.６７ｐＦ

この計算例から分かるように、センサスリーブ７の外半径が約２.５ｃｍ、金属リング１２，１３；１６，１７の幅が１.５ｃｍ、そして互いに向かい合って位置している金属リング１２，１３；１６，１７の間における間隔が約０.５ｍｍである場合、結合コンデンサ４０の容量Ｃ_４０は、約３０ｐＦにも達する。

センサ容量Ｃｓとしては、この計算例において２０ｐＦを超える値が算出され、この場合歯縁部は約１０×２ｍｍの大きさであり、歯環は６４の歯を有し、かつ平均の間隔は０.５ｍｍである。

図９には、図４を参照して記載した、センサ装置７の電極配置の実施形態の感度特性線が、距離変化Δｄ［％］に関連した容量変化ΔＣ［％］として、線図で示されている。この場合特性線Ｋ１は、第１の実施形態の信号行程を再現し、特性線Ｋ２は第２の実施形態の信号行程を再現する。

センサ容量Ｃｓの増大によって、大きな信号行程に基づいて、故障発生度は著しく減じられる。センサ容量Ｃｓの増大は、構成部材の寸法もしくは全構造体積を変化させることなしに、他の誘電体を使用するだけで達成することができる。そのためにペダルクランク軸４とセンサスリーブ７との間の中間室は、例えば好ましくはシリコーンフォーム（補償体積として気泡を入れられたシリコーン）によって満たすことができ、これによって３倍までの容量上昇を得ることができる。これによってさらに、機械的な安定性が高められ、かつセンサ装置５０の電極の絶縁が達成される。

本発明によるクランク駆動装置１は、トルクセンサ装置５０を用いて、ペダルクランク軸４に加えられるトルクの非接触式で容量式の検出を提供し、このような検出は、外部磁界の影響に対して十分に鈍感である。さらに、使用される部材については、走行運転時における極めて高い機械的な負荷にも耐えられる十分に安価な標準材料を使用することができる。

センサ装置５０は上においては、自転車用のクランク駆動装置の例において述べたが、センサ装置５０はこのような使用目的に制限されるものではない。すなわちセンサ装置５０は、他の技術的な装置の一部である軸におけるトルク検出のために使用することができる、独立して販売可能な対象物である。

Claims (12)

1. 自転車（２）用のクランク駆動装置であって、
   ペダルクランク軸（４）と、
   該ペダルクランク軸（４）の両自由端部に固定された２つのペダルクランク（３，５）と、
   前記ペダルクランク軸（４）に加えられたトルクを検出する、トルクセンサ装置（５０）と、を備え、
   該トルクセンサ装置は容量式のセンサ装置（５０）として形成されており、
   前記ペダルクランク軸（４）は、前記センサ装置（５０）の一部であり、該センサ装置（５０）は、外歯列（６）を有し、該外歯列（６）の歯（６Ａ）は一方の側にそれぞれ１つの電極を有し、該電極は、前記ペダルクランク軸（４）にプレス嵌めされたセンサスリーブ（７）の一部である内歯列（１１）の歯（１１Ａ）における電極と向かい合って配置されており、
   プラスチックスリーブ（１４）が、前記ペダルクランク軸（４）全体にわたって配置されていて、該プラスチックスリーブ（１４）はペダルクランク軸（４）を中心にして自由回転可能である、クランク駆動装置において、
   前記プラスチックスリーブ（１４）はその内壁（１８）に、互いに間隔をおいて位置する２つの金属リング（１６，１７）を備えていて、該金属リング（１６，１７）は、外方に向かって延びる各１つの導体（１９，２０）に接続されていて、前記ペダルクランク軸（４）における前記プラスチックスリーブ（１４）の取付け状態において、前記ペダルクランク軸（４）の金属リング（１２，１３）の上に配置されていることを特徴とする、自転車用のクランク駆動装置。
2. 前記センサスリーブ（７）は一方の端部（７Ａ）に、外歯環（８）を有し、該外歯環（８）は、補助駆動装置（１０）の伝動装置車（９）に係合する、請求項１記載のクランク駆動装置。
3. 前記センサスリーブ（７）の他方の端部（７Ｂ）に、前記ペダルクランク軸（４）のためのプレス嵌め部分（２１）が配置されている、請求項１又は２記載のクランク駆動装置。
4. 前記センサスリーブ（７）の外壁（２２）においてほぼ真ん中に、互いに間隔をおいて位置する２つの金属リング（１２，１３）が配置されており、該金属リング（１２，１３）は前記センサスリーブ（７）から電気的に遮断されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のクランク駆動装置。
5. 前記金属リング（１２，１３）は、好ましくは前記センサスリーブ（７）に組み込まれた導体を介して、前記センサスリーブ（７）の前記内歯列（１１）における電極もしくは前記ペダルクランク軸（４）の前記外歯列（６）における電極に接続されている、請求項４記載のクランク駆動装置。
6. 前記プラスチックスリーブ（１４）は、その端部のうちの一端部又は両端部において、それぞれ１つの軸受（２５）を介して前記ペダルクランク軸（４）に支持されている、請求項１記載のクランク駆動装置。
7. 前記ペダルクランク軸（４）の前記外歯列（６）は、部分的な歯列として形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のクランク駆動装置。
8. 電気モータ式の補助駆動装置（１０）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載のクランク駆動装置。
9. 前記外歯列（６）は前記ペダルクランク軸（４）の長さを、ほぼ１／３と２／３に分割する、請求項１から８までのいずれか１項記載のクランク駆動装置。
10. クランク駆動装置（１）を備えた自転車であって、
    ペダルクランク軸（４）と、該ペダルクランク軸（４）の自由端部に固定された２つのペダルクランク（３，５）と、前記ペダルクランク軸（４）に加えられたトルクを検出する、トルクセンサ装置（５０）と、を備え、
    該トルクセンサ装置は容量式のセンサ装置（５０）として形成されており、
    前記ペダルクランク軸（４）は、前記センサ装置（５０）の一部であり、該センサ装置（５０）は、外歯列（６）を有し、該外歯列（６）の歯（６Ａ）は一方の側にそれぞれ１つの電極を有し、該電極は、前記ペダルクランク軸（４）にプレス嵌めされたセンサスリーブ（７）の一部である内歯列（１１）の歯（１１Ａ）における電極と向かい合って配置されており、
    プラスチックスリーブ（１４）が、前記ペダルクランク軸（４）全体にわたって配置されていて、該プラスチックスリーブ（１４）はペダルクランク軸（４）を中心にして自由回転可能である、自転車において、
    前記プラスチックスリーブ（１４）はその内壁（１８）に、互いに間隔をおいて位置する２つの金属リング（１６，１７）を備えていて、該金属リング（１６，１７）は、外方に向かって延びる各１つの導体（１９，２０）に接続されていて、前記ペダルクランク軸（４）における前記プラスチックスリーブ（１４）の取付け状態において、前記ペダルクランク軸（４）の金属リング（１２，１３）の上に配置されていることを特徴とする自転車。
11. 請求項１から９までのいずれか１項記載のクランク駆動装置を備えた、請求項１０記載の自転車。
12. 容量式のセンサ装置（５０）であって、外歯列（６）を備えた軸（４）を有し、該外歯列（６）の歯（６Ａ）は、一方の側にそれぞれ１つの電極（２６）を有し、該電極（２６）は、前記軸（４）にプレス嵌めされたセンサスリーブ（７）の一部である内歯列（１１）の歯（１１Ａ）における電極と向かい合って配置されている、容量式のセンサ装置。

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