JP2016534924A - 運転者が電動自転車のペダルに適用したトルクを測定する方法、及び、電動自転車 - Google Patents

Abstract

本発明は、運転者が電動自転車のペダルに適用したトルクを測定する方法に関する。この方法では、ボトムブラケット締結部の弾性変形又は偏向を測定することによって、電動自転車のチェーンに作用する力が求められ、ここから適用されたトルクが計算される。冒頭に挙げた形式の方法を、特に簡単な構成を用いて容易に実現するために、ボトムブラケット締結部としての弾性スリーブの変形又は偏向が測定される（図３）。

Description

本発明は、請求項１又は２の上位概念の特徴を有する、運転者が電動自転車のペダルに適用したトルクを測定する方法に関する。

こうした電動自転車（Ｅバイク、電気駆動機構付き自転車）では、電気駆動機構の最適な制御が重要である。このために、運転者がペダルを介して適用したトルクを測定するセンサの信号を用いることができる。

ここで、ペダルから前チェーンホイールへトルクを伝達するシャフトの応力を測定するトルクセンサが公知である。この場合、シャフトは回転軸であるから、測定方式は非接触でかつ回転から独立していなければならない。使用される方式は、磁気的に適切な金属から形成されているか又は適切にコーティングされている特殊なシャフトを要する。また、磁気測定のために複雑なコイル及び電気信号処理部も必要である。

低コストの手段では、モータによるアシストをボトムブラケット又はスプロケットでの回転数検出によって制御している。ただし、この手段は、応答時間及び補助力の調整能の点で欠点を有する。

請求項１又は２の上位概念の特徴を有する方法が、ＤＥ１０２０１０００１７７５Ａ１から公知である。当該公知の方法では、ボトムブラケットに作用する力がペダル力によって形成される。この力に基づいてボトムブラケットが補助軸受内で運動し、これにより圧力測定室内のピストンが前進する。このように構成された力センサによって検出される圧力変化が制御ユニットへ供給され、トルクを求めるために用いられる。

ＥＰ２５１１１６５Ａ１からは、ペダル力の作用のもとで自転車の取り付けエレメント及びリアアクスルに作用する力をセンサで測定してトルク計算に利用するトルク測定方法が公知である。

ＥＰ２６８２３３５Ａ１には、ペダル力検出装置が、ストレインゲージを用いて、ペダル力によって金属体に形成された応力を測定し、そこからトルクを求める方法が記載されている。

ＤＥ１０２０１２２１５０２２Ａ１の対象発明では、ボトムブラケット締結部に加えて設けられた測定スリーブが用いられる。この測定スリーブは自身を同軸状に包囲する評価ユニットと協働する。

本発明の基礎とする課題は、特に簡単な要素を用いて容易に実現できる、冒頭に言及した形式の方法を提供することである。

この課題は、本発明にしたがって、請求項１又は２の特徴部分の特徴を有する上述した形式の方法において解決される。

本発明で提案される解決手段は、前輪又は後輪に補助モータを設けた自転車に適する。本発明によれば、回転軸での直接のトルク測定は行われず、これに代えて力測定が行われる。ここではチェーンに作用する張力が測定される。これは、後輪ハブとボトムブラケットとに作用する力である。チェーン張力を測定するために、ボトムブラケット締結部の弾性変形又は偏向が測定される。このことは、後述するように、種々の方式で実行可能である。

トルク測定に代えて力測定を行うことで、力によって生じる弾性変形又は偏向の測定に必要なセンサエレメントを定置状態で取り付けることができる。回転軸での測定は不要である。このために簡単なセンサエレメントを使用できる。ボトムブラケット締結部及び／又はホイールハブ締結部の弾性変形又は偏向を測定することにより、リアアクスルとボトムブラケットとの間の力成分のみが測定される。つまり、前進を生じさせる力のみの検出が達成される。運転者が例えば両方のペダルを同時に下方又は上方へ押したとしても（例えば運転者がペダル上に立ち上がっても）、後輪方向への力成分は生じないはずである。よってセンサは駆動モーメントを識別せず、自転車が意図しない加速を行うことはない。

本発明によれば、変形又は偏向の測定はボトムブラケットで行われる。なぜなら、後輪ハブには、ペダル力によって生じる力が作用するだけでなく、後輪ブレーキの操作もしくは駆動モータによる力も重なりうるからである。さらに、ボトムブラケットハウジングにより、測定に必要な部品の組み込み空間もより多く提供される。

水平方向に適用されるチェーン張力によるボトムブラケットの弾性変形又は偏向は障害として受け取られるおそれがあるため、この変形又は偏向はできるだけ小さくなるべきである。したがって、好ましくは、変形又は偏向の測定は磁気方式で行われる。なぜなら、この場合、１ｍｍのオーダーの変化のみで充分な分解能の測定が可能となるからである。ここでの測定は例えば磁石及びホールセンサによって行うことができる。また、誘導性近接センサ方式による測定、例えば鉄心を備えたコイルによる測定を行ってもよい。２つの方式のどちらにおいても、信号処理部を含めて、きわめて低コストの手段を利用できる。

本発明の方法の別のバリエーションでは、変形又は偏向の測定はストレインゲージによって行われる。

本発明によれば、好ましくは、運転者が適用して電動自転車のチェーンに作用する力を検出するために、ボトムブラケット締結部の水平方向での弾性変形又は偏向が測定される。この場合、測定は、第１の実施形態によれば、ボトムブラケット締結部として用いられる弾性スリーブの変形又は偏向を測定することにより実現される。別の実施形態では、偏心回転可能に支承されたボトムブラケットの作用を受けるばねの変形又は偏向が測定される。

本発明はさらに、ボトムブラケットを有する電動自転車に関する。ボトムブラケットは、運転者がペダルを介してチェーンに適用した張力が測定可能な弾性変形又は偏向を締結部に生じさせるように、自転車フレームに締結されている。また、電動自転車には、当該変形又は偏向を測定するセンサが備えられている。

後輪ハブでの測定に比べたボトムブラケットでの変形又は偏向の測定の利点は、上述した通りである。この実施形態では、ボトムブラケットは、好ましくは、垂直方向ではできるかぎり堅固に固定されるが、水平方向では力に依存した変形又は偏向が許容されるように、フレームに取り付けられる。このようにすれば、チェーン張力に対応する水平方向の変形成分又は偏向成分のみが測定されることが保証される。

ボトムブラケット締結部の変形又は偏向の測定を実現可能にするために、本発明の一実施形態では、ボトムブラケットがボトムブラケットハウジングの弾性スリーブに取り付けられ、この弾性スリーブの変形又は偏向が配設されたセンサによって検出される。別の実施形態では、ボトムブラケットは、例えばスウィングアームを介して偏心回転可能にフレームに支承されて、ばねに作用し、このばねの変形又は偏向がセンサによって測定される。

センサは磁気センサとして構成可能である。本発明の別の実施形態として、センサをストレインゲージによって形成してもよい。

本発明を以下に、図に関連する実施形態に即して、詳細に説明する。

自転車のチェーン駆動機構の概略図である。 弾性締結部を含む自転車のボトムブラケットの横断面図である。 図２のボトムブラケットの縦断面図である。 別の実施形態の弾性締結部を含む自転車のボトムブラケットの縦断面図である。

図１に概略的に示されている自転車のチェーン駆動機構では、例えば、垂直方向にペダル力がかかったペダル位置が示されている。ペダル１を介して、（ベクトルとして示されている）力２が適用される。当該力２は、トルクをペダル軸４に作用させる力成分３を有する。当該トルクは、スプロケット６の半径に対するクランク長さの比の分だけ力成分３よりも大きいチェーン力５を生じさせる。力２，５はボトムブラケットにおいて支持され、そこに、垂直方向で下方に向かう、トルク情報を含まない力７と、スプロケット径９との乗算によってトルクをなす力８とを生じさせる。ここで力８は力５に相応する。したがって、力８を測定することにより、運転者が適用したトルクを求めることができる。

図２（横断面図），図３（縦断面図）には、力８をどのように測定するかという実施形態が示されている。このために、特に管軸受１０とシャフト１１と球軸受１２とから形成されるボトムブラケットがボトムブラケットハウジング１４の弾性スリーブ１３に取り付けられている。力８はボトムブラケットの軽度の偏向（傾動）を生じさせる。ホールセンサ（又は誘導性センサ）１５によってこの偏向が検出され、力８の尺度量として用いられる。この技術ではきわめて小さな距離変化も検出可能であるので、弾性スリーブ１３はきわめて剛的に構成可能であり、ボトムブラケットのさらなるガイドは必要ない。いずれの場合にも、電動自転車の運転者が望ましくない偏向を感知することはない。また、重量負荷が大きい場合（直立走行時など）の垂直方向の偏向を排除するために、ボトムブラケットを後ろ側でガイドしかつ後輪ハブの方向の水平偏向のみを許容する部材１６を組み込むことができる。

図４には、ボトムブラケットの別の実施形態が縦断面図で示されている。この実施形態では、ボトムブラケット１０が短いスウィングアーム２２を介して偏心回転可能に懸架されている。スウィングアームの回転軸１８は、ここではボトムブラケットシャフト１１に対して平行に延在しており、さらに、自転車フレームの、ヘッドチューブ１９とシートチューブ２０とチェーンステー２１との接続部に締結されている。通常の環状のボトムブラケットハウジングに代わり、成形部２４がヘッドチューブ１９とシートチューブ２０とチェーンステー２１とを接続している。この場合、ボトムブラケット１０は、力８によって後方へ旋回可能である。当該運動は、力８に１次比例する偏向を許容するばねエレメント２３によって制限される。ここでの偏向が図２の実施形態と同様に測定される。後者の幾分複雑な手段の利点は、踏み込み力が大きい場合にもボトムブラケットが後輪ハブに対して平行なままにとどまるということである。

本発明は、請求項１の上位概念の特徴を有する、運転者が電動自転車のペダルに適用したトルクを測定する方法に関する。

こうした電動自転車（Ｅバイク、電気駆動機構付き自転車）では、電気駆動機構の最適な制御が重要である。このために、運転者がペダルを介して適用したトルクを測定するセンサの信号を用いることができる。

ここで、ペダルから前チェーンホイールへトルクを伝達するシャフトの応力を測定するトルクセンサが公知である。この場合、シャフトは回転軸であるから、測定方式は非接触でかつ回転から独立していなければならない。使用される方式は、磁気的に適切な金属から形成されているか又は適切にコーティングされている特殊なシャフトを要する。また、磁気測定のために複雑なコイル及び電気信号処理部も必要である。

低コストの手段では、モータによるアシストをボトムブラケット又はスプロケットでの回転数検出によって制御している。ただし、この手段は、応答時間及び補助力の調整能の点で欠点を有する。

請求項１の上位概念の特徴を有する方法が、ＤＥ１０２０１０００１７７５Ａ１から公知である。当該公知の方法では、ボトムブラケットに作用する力がペダル力によって形成される。この力に基づいてボトムブラケットが補助軸受内で運動し、これにより圧力測定室内のピストンが前進する。このように構成された力センサによって検出される圧力変化が制御ユニットへ供給され、トルクを求めるために用いられる。

ＥＰ２５１１１６５Ａ１からは、ペダル力の作用のもとで自転車の取り付けエレメント及びリアアクスルに作用する力をセンサで測定してトルク計算に利用するトルク測定方法が公知である。

ＥＰ２６８２３３５Ａ１には、ペダル力検出装置が、ストレインゲージを用いて、ペダル力によって金属体に形成された応力を測定し、そこからトルクを求める方法が記載されている。

ＤＥ１０２０１２２１５０２２Ａ１の対象発明では、ボトムブラケット締結部に加えて設けられた測定スリーブが用いられる。この測定スリーブは自身を同軸状に包囲する評価ユニットと協働する。

ＤＥ１０２０１１０８９５５９Ａ１から、自転車用のクランク駆動機構が公知である。この機構は、なかんずく、プラネタリギヤと、このプラネタリギヤの中空ホイールに配置された、中空ホイールの支持モーメントを求めるためのセンサとを有する。この場合、中空ホイールの支持モーメントは、中空ホイールの周方向での運動をセンサで測定することにより求められ、ここから生じた力が計算され、この力から運転者が適用したトルクを計算することができる。

ＤＥ２０２０１２００６６９８Ｕ１から、自転車のボトムブラケットアセンブリに取り付けられる力測定装置が公知である。この装置は、スリーブハウジングと環状体とセンサ保持ユニットと力伝達支承部とホール測定ユニットとを含む。環状体は、回転力に応じた変形運動を生じるように構成された変形領域を有し、当該変形運動が配設されたセンサによって検出される。

本発明の基礎とする課題は、特に簡単な要素を用いて容易に実現できる、冒頭に言及した形式の方法を提供することである。

この課題は、本発明にしたがって、請求項１の特徴部分の特徴を有する上述した形式の方法において解決される。

本発明で提案される解決手段は、前輪又は後輪に補助モータを設けた自転車に適する。本発明によれば、回転軸での直接のトルク測定は行われず、これに代えて力測定が行われる。ここではチェーンに作用する張力が測定される。これは、後輪ハブとボトムブラケットとに作用する力である。チェーン張力を測定するために、ボトムブラケット締結部の弾性変形又は偏向が測定される。このことは、後述するように、種々の方式で実行可能である。

トルク測定に代えて力測定を行うことで、力によって生じる弾性変形又は偏向の測定に必要なセンサエレメントを定置状態で取り付けることができる。回転軸での測定は不要である。このために簡単なセンサエレメントを使用できる。ボトムブラケット締結部及び／又はホイールハブ締結部の弾性変形又は偏向を測定することにより、リアアクスルとボトムブラケットとの間の力成分のみが測定される。つまり、前進を生じさせる力のみの検出が達成される。運転者が例えば両方のペダルを同時に下方又は上方へ押したとしても（例えば運転者がペダル上に立ち上がっても）、後輪方向への力成分は生じないはずである。よってセンサは駆動モーメントを識別せず、自転車が意図しない加速を行うことはない。

本発明によれば、変形又は偏向の測定はボトムブラケットで行われる。なぜなら、後輪ハブには、ペダル力によって生じる力が作用するだけでなく、後輪ブレーキの操作もしくは駆動モータによる力も重なりうるからである。さらに、ボトムブラケットハウジングにより、測定に必要な部品の組み込み空間もより多く提供される。

水平方向に適用されるチェーン張力によるボトムブラケットの弾性変形又は偏向は障害として受け取られるおそれがあるため、この変形又は偏向はできるだけ小さくなるべきである。したがって、好ましくは、変形又は偏向の測定は磁気方式で行われる。なぜなら、この場合、１ｍｍのオーダーの変化のみで充分な分解能の測定が可能となるからである。ここでの測定は例えば磁石及びホールセンサによって行うことができる。また、誘導性近接センサ方式による測定、例えば鉄心を備えたコイルによる測定を行ってもよい。２つの方式のどちらにおいても、信号処理部を含めて、きわめて低コストの手段を利用できる。

本発明の方法の別のバリエーションでは、変形又は偏向の測定はストレインゲージによって行われる。

本発明によれば、好ましくは、運転者が適用して電動自転車のチェーンに作用する力を検出するために、ボトムブラケット締結部の水平方向での弾性変形又は偏向が測定される。この場合、測定は、偏心回転可能に支承されたボトムブラケットの作用を受けるばねの変形又は偏向を測定することにより実現される。

本発明はさらに、ボトムブラケットを有する電動自転車に関する。ボトムブラケットは、運転者がペダルを介してチェーンに適用した張力が測定可能な弾性変形又は偏向を締結部に生じさせるように、自転車フレームに締結されている。また、電動自転車には、当該変形又は偏向を測定するセンサが備えられている。

後輪ハブでの測定に比べたボトムブラケットでの変形又は偏向の測定の利点は、上述した通りである。この実施形態では、ボトムブラケットは、好ましくは、垂直方向ではできるかぎり堅固に固定されるが、水平方向では力に依存した変形又は偏向が許容されるように、フレームに取り付けられる。このようにすれば、チェーン張力に対応する水平方向の変形成分又は偏向成分のみが測定されることが保証される。

ボトムブラケット締結部の変形又は偏向の測定を実現可能にするために、ボトムブラケットは、例えばスウィングアームを介して偏心回転可能にフレームに支承されて、ばねに作用し、このばねの変形又は偏向がセンサによって測定される。

センサは磁気センサとして構成可能である。本発明の別の実施形態として、センサをストレインゲージによって形成してもよい。

本発明を以下に、図に関連する実施形態に即して、詳細に説明する。

自転車のチェーン駆動機構の概略図である。 弾性締結部を含む自転車のボトムブラケットの縦断面図である。

図１に概略的に示されている自転車のチェーン駆動機構では、例えば、垂直方向にペダル力がかかったペダル位置が示されている。ペダル１を介して、（ベクトルとして示されている）力２が適用される。当該力２は、トルクをペダル軸４に作用させる力成分３を有する。当該トルクは、スプロケット６の半径に対するクランク長さの比の分だけ力成分３よりも大きいチェーン力５を生じさせる。力２，５はボトムブラケットにおいて支持され、そこに、垂直方向で下方に向かう、トルク情報を含まない力７と、スプロケット径９との乗算によってトルクをなす力８とを生じさせる。ここで力８は力５に相応する。したがって、力８を測定することにより、運転者が適用したトルクを求めることができる。

図２には、ボトムブラケットの一実施形態が縦断面図で示されている。この実施形態では、ボトムブラケット１０が短いスウィングアーム２２を介して偏心回転可能に懸架されている。スウィングアームの回転軸１８は、ここではボトムブラケットシャフト１１に対して平行に延在しており、さらに、自転車フレームの、ヘッドチューブ１９とシートチューブ２０とチェーンステー２１との接続部に締結されている。通常の環状のボトムブラケットハウジングに代わり、成形部２４がヘッドチューブ１９とシートチューブ２０とチェーンステー２１とを接続している。この場合、ボトムブラケット１０は、力８によって後方へ旋回可能である。当該運動は、力８に１次比例する偏向を許容するばねエレメント２３によって制限される。ここでの偏向がホールセンサ（又は誘導性センサ）１５によって測定され、力８の尺度量として用いられる。後者の幾分複雑な手段の利点は、踏み込み力が大きい場合にもボトムブラケットが後輪ハブに対して平行なままにとどまるということである。

Claims (11)

1. 運転者が電動自転車のペダルに適用したトルクを測定する方法であって、
   前記電動自転車のチェーンに作用する力を、ボトムブラケット締結部の弾性変形又は偏向を測定することによって求め、ここから適用された前記トルクを計算する、方法において、
   前記ボトムブラケット締結部としての弾性スリーブ（１３）の変形又は偏向を測定する、
   ことを特徴とする方法。
2. 運転者が電動自転車のペダルに適用したトルクを測定する方法であって、
   前記電動自転車のチェーンに作用する力を、ボトムブラケット締結部の弾性変形又は偏向を測定することによって求め、ここから適用された前記トルクを計算する、方法において、
   偏心回転可能に支承されたボトムブラケット（１０）の作用を受けるばね（２３）の変形又は偏向を測定する、
   ことを特徴とする方法。
3. 前記変形又は偏向の測定を、磁気方式で行う、
   請求項１又は２記載の方法。
4. 前記変形又は偏向の測定を、磁石及びホールセンサによって行う、
   請求項３記載の方法。
5. 前記変形又は偏向の測定を、誘導性近接センサ方式で行う、
   請求項３記載の方法。
6. 前記変形又は偏向の測定を、ストレインゲージによって行う、
   請求項１又は２記載の方法。
7. ボトムブラケットを有する電動自転車であって、
   前記ボトムブラケットは、運転者がペダルを介してチェーンに適用した張力が測定可能な弾性変形を締結部に生じさせるように、自転車フレームに締結されており、
   前記締結部の変形又は偏向を測定するセンサを備える、電動自転車において、
   前記ボトムブラケット（１０）は、ボトムブラケットハウジング（１４）の弾性スリーブ（１３）に取り付けられており、該弾性スリーブ（１３）の変形又は偏向が前記センサ（１５）によって検出される、
   ことを特徴とする電動自転車。
8. ボトムブラケットを有する電動自転車であって、
   前記ボトムブラケットは、運転者がペダルを介してチェーンに適用した張力が測定可能な弾性変形を締結部に生じさせるように、自転車フレームに締結されており、
   前記締結部の変形又は偏向を測定するセンサを備える、電動自転車において、
   前記ボトムブラケット（１０）は、偏心回転可能に前記フレームに支承されて、ばね（２３）に作用し、
   該ばね（２３）の変形又は偏向が前記センサ（１５）によって測定される、
   ことを特徴とする電動自転車。
9. 前記ボトムブラケット（１０）は、垂直方向ではできるかぎり堅固に固定されるが、水平方向では力に依存した変形又は偏向が許容されるように、前記フレームに取り付けられている、
   請求項７又は８記載の電動自転車。
10. 前記センサ（１５）は、磁気センサとして構成されている、
    請求項７から９までのいずれか１項記載の電動自転車。
11. 前記センサは、ストレインゲージによって構成されている、
    請求項７から１０までのいずれか１項記載の電動自転車。

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