JP5618405B2 - フレーム取付けセンサを備えた自転車パワー・メータ - Google Patents

Description

本発明は、サイクリング中に自転車乗用者によって消費されるパワーの量を表示するために使用される自転車パワー・メータに関する。より詳細には、本発明は、パワーを決定することができる電気信号の生成を可能にするためのフレーム取付けセンサを使用した自転車パワー・メータに関する。

自転車パワー・メータは、強化トレーニングを目的として、プロの自転車乗用者およびアマチュアの自転車乗用者の両方による使用がますます増加している。いくつかの異なるタイプの自転車パワー・メータを入手することができ、それらのいくつかは、ひずみゲージを使用して、自転車乗用者によってクランクセット、底部ブラケットまたは後ろ側ホイール・ハブに加えられる力を測定している。ひずみゲージを使用した知られている自転車パワー・メータは、加えられる力を表す電気信号を提供するためには有効ではあるが、比較的高価であり、また、取付けが幾分か困難である。これらの欠点のため、自転車パワー・メータは、バイサイクリング集団に広く受け入れられていない。

本発明は、比較的安価だが、加えられる自転車乗用者の力を表す電気信号を有効に提供する１つまたは複数のひずみゲージ・センサ・アセンブリを使用した自転車パワー・メータを備えており、この信号を速度信号と組み合わせて実時間パワー測定値を生成することができる。

最も広義の態様では、本発明は、ハブを取り付け可能な領域に隣接する比較的圧縮性のある後方部分を有する第１のフォークを備えた後ろ側自転車フレームと、比較的圧縮性のある後方部分に固定されたひずみゲージ・センサ・アセンブリであって、第１および第２のストレッチ・センサを有し、これらのストレッチ・センサの各々が、可変抵抗素子が上に取り付けられた第１の層および第１の層を支持するための第２の層を含み、第１および第２のストレッチ・センサの可変抵抗素子が相互にオーム接続され、自転車乗用者の力を表す総合抵抗値を提供するひずみゲージ・センサ・アセンブリとを備えた自転車パワー・メータを備えている。

第１および第２のストレッチ・センサは、それぞれ第１の層が対向する関係で、あるいはそれぞれ第２の層が対向する関係で交互に配置される。

自転車パワー・メータには、さらに、第１の分岐で接続された第１および第２のストレッチ・センサならびに第２の分岐で接続された一対の固定抵抗を有するブリッジ回路と、ブリッジ回路に結合された増幅器であって、総合抵抗値を表す信号を増幅するための増幅器と、増幅器に結合されたアナログ−ディジタル変換器であって、増幅器から出力される信号をディジタル信号に変換するためのアナログ−ディジタル変換器と、アナログ−ディジタル変換器に結合されたマイクロコンピュータであって、ディジタル信号を受け取り、かつ、関連する自転車速度計から自転車速度信号を受け取り、受け取った信号をパワー信号に変換するためのマイクロコンピュータと、マイクロコンピュータに結合されたディスプレイであって、自転車乗用者にパワー信号を表示するためのディスプレイが含まれている。

自転車パワー・メータは、有線システムまたは無線システムのいずれかとして構成することができる。有線システムの場合、ユニットはすべて相互にオーム接続される。無線システムの場合、パワー信号を受け取り、かつ、等価無線信号を生成するためのトランスミッタがマイクロコンピュータに結合され、また、ディスプレイに結合されたレシーバが等価無線信号を受け取り、受け取った等価無線信号をディスプレイに提供する。

一代替実施形態では、後ろ側自転車フレームは、ハブを取り付けることができる領域に隣接する第２の比較的圧縮性のある後方部分を備えた第２のフォークを有しており、また、追加ひずみゲージ・センサ・アセンブリが第２の比較的圧縮性のある後方部分に固定されている。追加ひずみゲージ・センサ・アセンブリは、第３および第４のストレッチ・センサを有しており、これらのストレッチ・センサの各々には、可変抵抗素子が上に取り付けられた第１の層および第１の層を支持するための第２の層が含まれており、第３および第４のストレッチ・センサの可変抵抗素子が相互にオーム接続（オーム接触での接続）をされて、自転車乗用者の力を表す総合抵抗値を提供している。

第３および第４のストレッチ・センサは、それぞれ第１の層が対向する関係で、あるいはそれぞれ第２の層が対向する関係で交互に配置される。

この代替実施形態では、第３および第４のストレッチ・センサは、ブリッジ回路の第２の分岐で接続される。

本発明によれば、自転車フレームの後ろ側フォークの末端に比較的圧縮性のある構造部分を有する任意の自転車への自転車パワー・メータの取付けが著しく容易になる。パワー・メータ・システム全体あるいはひずみゲージ・センサ・アセンブリのみを製造段階で自転車コンポーネントに容易に固定することができる。同様に、追加オプションとして小売業者などの流通連鎖の任意の段階でシステム全体を自転車に容易に固定することができる。また、自転車乗用者は、自転車を購入した後に、比較的安価なコストおよび少ない努力で自転車に自転車パワー・メータ・システムを追加することも可能である。

本発明の性質および利点をより完全に理解するために、添付の図面に照らして行う以下の詳細な説明を参照されたい。

本発明の第１の実施形態のフォーク・エンド、ハブ、チェーンおよびひずみゲージ・センサ・アセンブリを示す自転車後ろ側フレームを上から見た部分斜視図である。 図１の線Ａ−Ａに沿って取った、右側後ろ側フォークの圧縮性部分の内部表面のひずみゲージ・センサ・アセンブリの取付け位置を示す正面図である。 有線ユニットとして構成された単一のひずみゲージ・センサ・アセンブリを使用した自転車パワー・メータ・ユニットのブロック図である。 無線ユニットとして構成された単一のひずみゲージ・センサ・アセンブリを使用した自転車パワー・メータ・ユニットのブロック図である。 ３つの異なる位置におけるセンサを示す単一のひずみゲージ・センサの略図である。 二重素子ひずみゲージ・センサ・アセンブリの第１の実施形態の略図である。 二重素子ひずみゲージ・センサ・アセンブリの第２の実施形態の略図である。 ２つの個別ひずみゲージ・センサ・アセンブリを有する本発明の第２の実施形態のフォーク・エンド、ハブ、チェーンおよびひずみゲージ・センサ・アセンブリを示す自転車後ろ側フレームを上から見た部分斜視図である。 図８の線Ｂ−Ｂに沿って取った、左側後ろ側フォークの圧縮性部分の内部表面の第２のひずみゲージ・センサ・アセンブリの取付け位置を示す正面図である。 有線ユニットとして構成された２つのひずみゲージ・センサ・アセンブリを使用した自転車パワー・メータ・ユニットのブロック図である。 無線ユニットとして構成された２つのひずみゲージ・センサ・アセンブリを使用した自転車パワー・メータ・ユニットのブロック図である。 自転車乗用者のパワーの変化をクランクセット角位置と共に示す略図である。

図面を参照すると、図１は、本発明の第１の実施形態のフォーク・エンド、ハブ、チェーンおよびひずみゲージ・センサ・アセンブリを示す自転車後ろ側フレームを上から見た部分斜視図である。この図から分るように、自転車後ろ側フレームは、右側フォーク１２および左側フォーク１４と呼ばれる一対の終端部分を有している。フォーク１２と１４の間には、後ろ側ハブ２０およびスプロケット・アセンブリ２２が、車軸１６および捕捉ナット１７、１８によって固定されている。駆動チェーン２４は、自転車乗用者によるサイクリング努力に応答したハブ２０の回転運動を提供するために、スプロケット・アセンブリ２２を備えた個々のスプロケットの周りを通過している。

フォーク１２、１４の各々の末端部分２６、２８は、個々のフォーク１２、１４の残りの主要部分より薄い横方向の厚さ寸法を有している。右側フォーク１２の末端部分２６の内部表面には、以下でより詳細に説明するひずみゲージ・センサ・アセンブリ３０が固定されている。図２に最も良好に示されているように、ひずみゲージ・センサ・アセンブリ３０は、右側フォーク１２の末端部分２６に沿って延在している薄いウェブ部分３２に取り付けられている。ウェブ部分３２は、チェーン２４、スプロケット・アセンブリ２２および車軸１６を介してウェブ部分３２に異なる大きさの力を加えることによってひずみゲージ・センサ・アセンブリ３０の物理寸法を変化させることができるよう、右側後ろ側フォーク１２のより頑丈な構造と比較すると、比較的圧縮性のある機械特性を有している。

図５は、センサ・ボディの縦方向の直線的な変位に応じて予測可能な量で変化するオーム抵抗の特性を有する単純なストレッチ・センサ４０を示したものである。ストレッチ・センサ４０は、薄い可変抵抗素子４３が上に取り付けられた第１の層４２、および第１の層を支え、かつ、追加機械強度をセンサ４０に提供している第２のベース層４４を有している。センサ４０の抵抗値は、センサ・ボディの縦方向の変位によって決まる。図５に示されているように、センサ４０が第１の方向である一方の方向に変位すると（たわみとして示されている）、抵抗の値が大きくなる（Ｒ＋ｒ）。Ｒは変位していない状態におけるセンサ４０の抵抗値であり、ｒは第１の方向の変位による追加抵抗値である。同様に、センサ４０が逆方向に変位すると、抵抗の値が小さくなる（Ｒ−ｒ）。

図６は、図１および２に示されているパワー・メータ構成に組み込まれるタイプのひずみゲージ・センサ・アセンブリ３０を示したものである。この図に示されているように、センサ・アセンブリ３０は、第１の層４２ａ、４２ｂおよび第２の層４４ａ、４４ｂを有する２つの２層ストレッチ・センサ４０ａ、４０ｂを備えている。ストレッチ・センサ４０ａ、４０ｂは、第１の層４２ａ、４２ｂが（Ｒ＋ｒ）、（Ｒ−ｒ）の関係である対向する関係で配置されている。右側後ろ側フォーク１２のウェブ部分３２に加えられる力によってセンサ・アセンブリ３０が変位すると、個々のストレッチ・センサの総合抵抗が、等しく、かつ、逆方向に変化する。

図７は、図１および２に示されているパワー・メータ構成に組み込まれるタイプの代替ひずみゲージ・センサ・アセンブリ５０を示したものである。この図に示されているように、センサ・アセンブリ５０は、第１の層４２ａ、４２ｂおよび第２の層４４ａ、４４ｂを有する２つの２層ストレッチ・センサ４０ａ、４０ｂを備えている。ストレッチ・センサ４０ａ、４０ｂは、第２の層４４ａ、４４ｂが（Ｒ−ｒ）、（Ｒ＋ｒ）の関係である対向する関係で配置されている。右側後ろ側フォーク１２のウェブ部分３２に加えられる力によってセンサ・アセンブリ５０が変位すると、個々のストレッチ・センサの総合抵抗が、等しく、かつ、逆方向に変化する。

図３は、有線ユニットとして構成された単一のひずみゲージ・センサ・アセンブリを使用した自転車パワー・メータ・ユニットのブロック図である。この図に示されているように、ひずみゲージ・センサ・アセンブリ３０または５０を備えたストレッチ・センサ４０ａ、４０ｂは、よく知られているホイートストン・ブリッジ回路構成で一対の固定抵抗５２、５４に接続されている。ブリッジの頂部接続点は、電池によって供給される電位源Ｖｃに接続されている。ブリッジの底部接続点は回路接地に接続されている。右側の接続点は、固定抵抗５２、５４の一方の末端に接続されており、ブリッジ回路の一方の出力端子の役割を果たしている。固定抵抗５２の第２の末端は、ストレッチ・センサ４０ａの一方の末端および電源電圧Ｖｃに接続されている。固定抵抗５４の第２の末端は、ストレッチ・センサ４０ｂの一方の末端および回路接地に接続されている。ストレッチ・センサ４０ａ、４０ｂのもう一方の末端は一体に接続されており、ブリッジ回路のもう一方の出力端子の役割を果たしている。

ブリッジ回路の出力端子は、ブリッジ信号が増幅される増幅器５５の入力端子に結合されている。増幅器５５は、ＭＡＸＩＭ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手することができるタイプＭＡＸ４１９７ユニットであることが好ましい。増幅器５５から出力される増幅信号は、増幅されたアナログ信号をディジタル等価信号に変換するアナログ−ディジタル変換器５６の入力に結合される。アナログ−ディジタル変換器５６から出力されるディジタル信号は、マイクロコンピュータ５８の入力ポートに結合される。アナログ−ディジタル変換器５６およびマイクロコンピュータ５８は、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手することができるタイプＰＩＣ１６Ｆ７３ユニットの中で結合されることが好ましい。また、自転車速度計（図示せず）からの速度信号も、マイクロコンピュータ５８に結合されている。マイクロコンピュータ５８は、知られているアルゴリズムを使用して力信号および速度信号を処理し、パワー・マグニチュード信号を提供する。パワー・マグニチュード信号は、自転車乗用者が読み取ることができる形で現在のパワー値を表示する多機能ディスプレイ６０に結合される。図３の実施形態では、ユニットは、オーム・ワイヤ接続によって一体に結合されている。

図４は、無線ユニットとして構成された単一のひずみゲージ・センサ・アセンブリを使用した自転車パワー・メータ・ユニットのブロック図である。この図では、図３のシステムにおける構成要素と同じ構成要素に対応する構成要素は、同じ参照数表示を使用して示されている。図４のシステムでは、処理されたパワー信号は、センサ・アセンブリ３０（５０）の近傍に配置される無線周波トランスミッタ６２の入力に結合される。トランスミッタ６２は、多機能ディスプレイ６０の近傍に配置されるレシーバ６４にパワー信号を送信し、レシーバ６４は、これらの信号を多機能ディスプレイ６０に供給する。

図８は、２つの個別ひずみゲージ・センサ・アセンブリを有する本発明の第２の実施形態のフォーク・エンド、ハブ、チェーンおよびひずみゲージ・センサ・アセンブリを示す自転車後ろ側フレームを上から見た部分斜視図である。この図では、図１に示されている構成要素と同じ構成要素に対応する構成要素は、参照数表示３０ａで示されているセンサ・アセンブリ３０を除き、同じ参照数表示を使用して示されている。左側フォーク１４の末端部分２８の内部表面に、第２のひずみゲージ・センサ・アセンブリ３０ｂが固定されている。センサ・アセンブリ３０ｂは、上で説明したセンサ・アセンブリ３０の構造と同じ構造を有しており、また、上で説明したセンサ・アセンブリ３０の機能と同じ機能を有している。図９に最も良好に示されているように、ひずみゲージ・センサ・アセンブリ３０ｂは、左側フォーク１４の末端部分２８に沿って延在している薄いウェブ部分３３に取り付けられている。ウェブ部分３３は、チェーン２４、スプロケット・アセンブリ２２および車軸１６を介してウェブ部分３３に異なる大きさの力を加えることによってひずみゲージ・センサ・アセンブリ３０ｂの物理寸法を変化させることができるよう、左側後ろ側フォーク１４のより頑丈な構造と比較すると、比較的圧縮性のある機械特性を有している。

図１０は、有線ユニットとして構成された２つのひずみゲージ・センサ・アセンブリ３０ａ、３０ｂを使用した自転車パワー・メータ・ユニットのブロック図である。図１１は、無線ユニットとして構成された２つのひずみゲージ・センサ・アセンブリ３０ａ、３０ｂを使用した自転車パワー・メータ・ユニットのブロック図である。個々の図に示されている主要な構成要素は、ブリッジ回路の構成を除き、図３および４に示されている構成要素と本質的に同じである。図１０および１１では、いずれも、固定抵抗５２、５４が、図に示されているように電気接続された第２のセンサ・アセンブリ３０ｂを備えた個々のストレッチ・センサ４０ａ、４０ｂに置き換えられている。したがってブリッジは、４つの個々の可変抵抗ストレッチ・センサ４０を備えている。

使用中、自転車乗用者が自転車ペダルに力を加えると、力の大きさがブリッジ回路によってモニタされ、自転車乗用者が観察することができるよう、可視パワー表示信号に変換される。図１２は、自転車乗用者のパワーの変化をクランクセット角位置と共に示す略図である。位置（ａ）ではペダルは本質的に水平であり、自転車乗用者は、前向きペダルに最大の力を加えている。位置（ｂ）ではペダルは本質的に垂直であり、自転車乗用者は、最小の力を加えている。位置（ｃ）ではペダルは再び本質的に水平であり、自転車乗用者は、前向きペダルに最大の力を加えている。一方、位置（ｄ）ではペダルは再び本質的に垂直であり、自転車乗用者は、最小の力を加えている。

以上から明らかなように、本発明の教示に従って製造される自転車パワー・メータによれば、ひずみゲージを使用した知られている自転車パワー・メータに優るコスト上の利点が提供され、かつ、取付け上の容易性の利点が提供される。第１に、ひずみゲージは、後ろ側ハブに隣接する比較的圧縮性のある薄いウェブ部分を有するあらゆる自転車フレームに比較的単純に取り付けることができる。自転車フレームへの取付けは、自転車工場で実施することも、あるいは商業連鎖中の他のどこかで実施することができる（例えば小売業者、あるいは使用者すなわち自転車乗用者によって）。さらに、本発明の教示に従って製造される自転車パワー・メータは、有線モードまたは無線モードのいずれかで構成することができ、取付けプロセスに著しい柔軟性がもたらされる。さらに、２層二重ひずみゲージ・アセンブリを使用することにより、単一のひずみゲージ設計に優る優れた感度が達成される。最後に、図８〜１１に示されている４ひずみゲージ構成を使用することにより、サイクリング中に遭遇する温度変化に対する高レベルの鈍感性を達成することができる。

以上、本発明について、特定の実施形態を参照して説明したが、本発明の精神から逸脱することなく、様々な改変、代替構造および等価物を使用することができる。例えば、特定の回路コンポーネントが開示されているが、必要に応じて他の等価ユニットを使用することも可能である。したがって以上の説明を、特許請求の範囲の各請求項によって定義されている本発明を限定するものとして解釈してはならない。

１２ 右側フォーク； １４ 左側フォーク； １６ 車軸；
１７、１８ 捕捉ナット； ２０ 後ろ側ハブ； ２２ スプロケット・アセンブリ；
２４ 駆動チェーン； ２６、２８ フォークの末端部分；
３０、３０ａ、３０ｂ ひずみゲージ・センサ・アセンブリ；
３２、３３ 薄いウェブ部分； ４０ ストレッチ・センサ；
４０ａ、４０ｂ ２層ストレッチ・センサ； ４２、４２ａ、４２ｂ 第１の層；
４３ 薄い可変抵抗素子； ４４ 第２のベース層； ４４ａ、４４ｂ 第２の層；
５０ 代替ひずみゲージ・センサ・アセンブリ； ５２、５４ 固定抵抗；
５５ 増幅器； ５６ アナログ−ディジタル変換器； ５８ マイクロコンピュータ；６０ 多機能ディスプレイ； ６２ 無線周波トランスミッタ； ６４ レシーバ。

Claims (10)

1. ハブを取り付け可能な領域に隣接する比較的圧縮性のある後方部分を有する第１のフォークであって、前記後方部分が前記第１のフォークの末端部分に沿って延在しているウェブ部分である第１のフォークを備える後ろ側自転車フレームと、
   前記比較的圧縮性のある後方部分に固定されたひずみゲージ・センサ・アセンブリであって、第１および第２のストレッチ・センサを有し、これらのストレッチ・センサの各々が、可変抵抗素子が上に取り付けられた第１の層および前記第１の層を支持するための第２の層を含み、前記第１および第２のストレッチ・センサの前記可変抵抗素子が相互にオーム接続され、自転車乗用者の力を表す総合抵抗値を提供するひずみゲージ・センサ・アセンブリと
   を備えた自転車パワー・メータ。
2. 前記第１および第２のストレッチ・センサがそれぞれ前記第１の層が対向する関係で配置される、請求項１に記載の自転車パワー・メータ。
3. 前記第１および第２のストレッチ・センサがそれぞれ前記第２の層が対向する関係で配置される、請求項１に記載の自転車パワー・メータ。
4. 第１の分岐で接続された前記第１および第２のストレッチ・センサならびに第２の分岐で接続された一対の固定抵抗を有するブリッジ回路と、
   前記ブリッジ回路に結合された増幅器であって、前記総合抵抗値を表す信号を増幅するための増幅器と、
   前記増幅器に結合されたアナログ−ディジタル変換器であって、前記増幅器から出力される信号をディジタル信号に変換するためのアナログ−ディジタル変換器と、
   前記アナログ−ディジタル変換器に結合されたマイクロコンピュータであって、前記ディジタル信号を受け取り、かつ、関連する自転車速度計から自転車速度信号を受け取り、受け取った信号をパワー信号に変換するためのマイクロコンピュータと、
   前記マイクロコンピュータに結合されたディスプレイであって、自転車乗用者に前記パワー信号を表示するためのディスプレイと
   をさらに含む、請求項１に記載の自転車パワー・メータ。
5. 前記マイクロコンピュータに結合されたトランスミッタであって、前記パワー信号を受け取り、かつ、等価無線信号を生成するためのトランスミッタと、前記ディスプレイに結合された出力を有するレシーバであって、前記等価無線信号を受け取り、かつ、前記ディスプレイに前記等価無線信号を提供するためのレシーバとをさらに含む、請求項４に記載の自転車パワー・メータ。
6. 前記後ろ側自転車フレームが、ハブを取り付け可能な領域に隣接する第２の比較的圧縮性のある後方部分を備えた第２のフォークを有し、この第２の比較的圧縮性のある後方部分にも、追加ひずみゲージ・センサ・アセンブリが固定され、前記追加ひずみゲージ・センサ・アセンブリが第３および第４のストレッチ・センサを有し、これら第３および第４のストレッチ・センサの各々が、可変抵抗素子が取り付けられた第１の層および前記第１の層を支持するための第２の層を含み、前記第３および第４のストレッチ・センサの前記可変抵抗素子が相互にオーム接続され、自転車乗用者の力を表す総合抵抗値を提供する、
   請求項１に記載の自転車パワー・メータ。
7. 前記第３および第４のストレッチ・センサがそれぞれ前記第１の層が対向する関係で配置される、請求項６に記載の自転車パワー・メータ。
8. 前記第３および第４のストレッチ・センサがそれぞれ前記第２の層が対向する関係で配置される、請求項６に記載の自転車パワー・メータ。
9. 第１の分岐で接続された前記第１および第２のストレッチ・センサならびに第２の分岐で接続された前記第３および第４のストレッチ・センサを有するブリッジ回路と、
   前記ブリッジ回路に結合された増幅器であって、前記総合抵抗値を表す信号を増幅するための増幅器と、
   前記増幅器に結合されたアナログ−ディジタル変換器であって、前記増幅器から出力される信号をディジタル信号に変換するためのアナログ−ディジタル変換器と、
   前記アナログ−ディジタル変換器に結合されたマイクロコンピュータであって、前記ディジタル信号を受け取り、かつ、関連する自転車速度計から自転車速度信号を受け取り、受け取った信号をパワー信号に変換するためのマイクロコンピュータと、
   前記マイクロコンピュータに結合されたディスプレイであって、自転車乗用者に前記パワー信号を表示するためのディスプレイと
   をさらに含む、請求項６に記載の自転車パワー・メータ。
10. 前記マイクロコンピュータに結合されたトランスミッタであって、前記パワー信号を受け取り、かつ、等価無線信号を生成するためのトランスミッタと、前記ディスプレイに結合された出力を有するレシーバであって、前記等価無線信号を受け取り、かつ、前記ディスプレイに前記等価無線信号を提供するためのレシーバとをさらに含む、請求項９に記載の自転車パワー・メータ。

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