(57)【特許請求の範囲】
【請求項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圧電式のセンサ装置（５０）として形成されている、クランク駆動装置において、
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、歯（６Ａ）を備えた外歯列（６）を有し、該外歯列（６）の歯（６Ａ）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）に向かい合って配置されており、前記外歯列（６）の前記歯（６Ａ）と前記内歯列（１１）の前記歯（１１Ａ）との間に、少なくとも１つの圧電素子（５１，５２）が配置されており、
電気モータ式の補助駆動装置（１０）が設けられており、該補助駆動装置（１０）は、自転車（２）のダウンチューブ（２６）に配置されていて、かつクランク駆動装置（１）に該クランク駆動装置（１）に固定された歯車（３７）を介して歯付きベルト（３３）を用いて接続されており、
プラスチックスリーブ（１４）が、前記ペダルクランク軸（４）全体に被せられて配置されていて、該プラスチックスリーブ（１４）は前記ペダルクランク軸（４）を中心にして自由回転可能であることを特徴とする、自転車用のクランク駆動装置。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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少なくとも２つの金属リング（１２，１３；１２０，１２１，１３０，１３１）が配置されており、該金属リング（１２，１３；１２０，１２１，１３０，１３１）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。
【請求項５】
前記金属リング（１２，１３；１２０，１２１，１３０，１３１）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）と前記ペダルクランク軸（４）の前記外歯列（６）との間の前記圧電素子に接続されている、請求項４記載のクランク駆動装置。
【請求項６】
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少なくとも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）におけるプラスチックスリーブ（１４）の取付け状態において、前記センサスリーブ（７）の金属リング（１２，１３）の上に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のクランク駆動装置。
【請求項７】
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（２６）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から６までのいずれか１項記載のクランク駆動装置。
【請求項８】
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７までのいずれか１項記載のクランク駆動装置。
【請求項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。
【請求項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圧電式のセンサ装置（５０）として形成されている、自転車において、
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、歯（６Ａ）を備えた外歯列（６）を有し、該外歯列（６）の歯（６Ａ）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）に向かい合って配置されており、前記外歯列（６）の前記歯（６Ａ）と前記内歯列（１１）の前記歯（１１Ａ）との間に、少なくとも１つの圧電素子（５１，５２）が配置されており、
電気モータ式の補助駆動装置（１０）が設けられており、該補助駆動装置（１０）は、自転車（２）のダウンチューブ（２６）に配置されていて、かつクランク駆動装置（１）に該クランク駆動装置（１）に固定された歯車（３７）を介して歯付きベルト（３３）を用いて接続されており、
プラスチックスリーブ（１４）が、前記ペダルクランク軸（４）全体に被せられて配置されていて、該プラスチックスリーブ（１４）は前記ペダルクランク軸（４）を中心にして自由回転可能であることを特徴とする自転車。
【請求項１１】
請求項２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。
【請求項１２】
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において使用されるセンサ装置（５０）であって、軸（４）が設けられていて、該軸（４）は、歯（６Ａ）を備えた外歯列（６）を有し、該外歯列（６）の歯（６Ａ）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）に向かい合って配置されており、前記外歯列（６）の前記歯（６Ａ）と前記内歯列（１１）の前記歯（１１Ａ）との間に、少なくとも１つの圧電素子（５１，５２）が配置されていることを特徴とするセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【０００３】
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無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無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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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無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。
【０００７】
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、無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。
【０００８】
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圧電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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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、該内歯列とペダルクランク軸の外歯列の歯との間に少なくとも１つの圧電素子が配置されていることによって、ペダルクランク軸の外歯列と共働する。これによって、ペダルクランク軸の一方の回転方向におけるトルク検出が可能である。択一的に、両回転方向におけるトルクを検出するためには、２つの圧電素子が設けられている。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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少なくとも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とペダルクランク軸の外歯列との間における圧電素子に接続されている。択一的に、両回転方向におけるトルク検出のために２つの圧電素子が設けられていてもよい。
【００１５】
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。
【００１６】
このプラスチックスリーブは、その内壁に、少なくとも２つの（又は択一的に４つの）互いに間隔をおいて位置する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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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。
【図２】本発明によるクランク駆動装置を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態による、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４】図３に示したペダルクランク軸を断面して示す図である。
【図５】図３に示したペダルクランク軸の縦断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態による、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７】図６に示したペダルクランク軸を断面して示す図である。
【図８】図６に示したペダルクランク軸の縦断面図である。
【図９】クランク駆動装置のペダルクランク軸とクランク駆動装置のプラスチックスリーブとを示す図である。
【図１０】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。
【図１１】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。
【００２２】
発明の実施の形態
以下においては、図１〜図５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、その好適な第１実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
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３７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３７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。
【００２４】
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４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、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に向かい合って位置するように、配置されている。外歯列６の歯６Ａと内歯列１１の歯１１Ａとの間には、少なくとも１つの圧電素子５１が、矢印Ｒによって示された回転方向におけるトルクを検出するために配置されている（図３及び図４参照）。
【００２５】
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、図３から分かるように、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、圧電素子５１に接続されている。プラスチックスリーブ１４は、図９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。
【００２６】
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１０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。
【００２７】
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。
【００２８】
ペダルクランク軸４に対するセンサスリーブ７の外歯環８もしくは内歯列１１のねじれによって、内歯列１１と外歯列６との間の中間室に配置された圧電素子５１は、この中間室が小さくなることによって、力作用を受ける。この力作用によって、圧電素子５１の結晶から電圧が発生し、この電圧は、センサスリーブ７の金属リング１２，１３に導かれる。構造上の構成は、好ましくは、トルクが０の場合、つまり力が作用しない場合には、電圧が発生しないように、設計されている。トルク検出時において負のオフセットが発生しないようにするために、圧電素子５１とペダルクランク軸４もしくはセンサスリーブ７との間に、たとえ僅かでも基本応力が保証されていることが望ましい。加えられるトルクに相応して、圧電結晶に対する力作用は、高められるか又は減じられる。これによって、金属リング１２，１３に導かれる電位差（電圧）も高められるか又は減じられる。
【００２９】
この電位差は、加えられたトルクに直に関連していて、システムに関連した特定される伝達関数Ｆ（図１１参照）を介して、前記トルクに再計算することができる。伝達関数の形式及び構成は、ねじれのパラメータと使用される圧電材料とによって、影響／適合されることができる。
【００３０】
プラスチックスリーブ１４の金属リング１６，１７へのセンサスリーブ７の両金属リング１２，１３の電位差の伝達は、容量性連結によってもしくは結合コンデンサ４０を用いて行われる。そのために、それぞれ対応配置された金属リング１２，１３；１６，１７が、既に述べたように、ペダルクランク軸４もしくはプラスチックスリーブ１４に配置されていなくてはならない。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は自由に回転可能なままであり、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。さらに図１１から分かるように、結合コンデンサ４０の容量Ｃ４０は、信号を処理するために、センサ装置５０に後置された演算増幅器４１に供給され、この演算増幅器４１の回路設計は、自転車２のそれぞれの使用形式に関連している。
【００３１】
結合コンデンサ４０の容量Ｃ４０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
Ｃ４０＝ε*Ａ／ｄ＝３.７７ｍ*８.８５４*１０-12Ａｓ／Ｖｍ＝３３.３８ｐＦ
【００３２】
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Ｃ４０は、約３０ｐＦにも達する。計算のためには、ほぼ、空気を誘電体として有する理想的なプレートキャパシタに対する式が使用された。
【００３３】
次に、図６〜図８を参照しながら、好適な第２の実施形態による本発明によるクランク駆動装置１について詳説する。同じ部材及び同じ機能を有する部材は、第１実施形態におけると同じ符号で示されている。
【００３４】
既に述べた第１実施形態とは異なり、この場合トルク検出のために、図７に示すように、２つの圧電素子５１，５２が、外歯列６の歯６Ａと内歯列１１の歯１１Ａとの間に設けられている。さらに図６及び図８から分かるように、センサスリーブ７の外壁２２には、該センサスリーブ７から電気的に遮断された４つの金属リング１２０，１２１，１３０，１３１が配置されている。第１実施形態におけると同様に、相応に内壁に配置された４つの金属リングを備えたプラスチックスリーブ（図示せず）が設けられており、このプラスチックスリーブはペダルクランク軸４に被せられている。金属リングは同様に、信号伝達のために外方に向かって延びる各１つの導体に接続されている。このような配置形態によって、ペダルクランク軸４の可能な両回転方向における簡単かつ運転確実なトルク検出が可能になる。図７からさらに明らかなように、追加的な圧電素子５１′，５２′を圧電素子５１，５２とは反対の側に設けることも、さらに可能である。これらの追加的な圧電素子５１′，５２′によって、信号増幅を好適に実施することができる。それというのは、圧電素子が配属された中間室が減少すると、両回転方向において、各２つの圧電素子に力が作用し、その結果信号増幅が生ぜしめられるからである。
【００３５】
本発明によるクランク駆動装置１は、トルクセンサ装置もしくは圧電式のセンサ装置５０を用いて、ペダルクランク軸４に加えられるトルクの無接触式の検出を提供し、この場合センサ装置５０は、磁気による外乱影響、つまり外部磁界の影響に対して著しく鈍感である。さらに、使用される部材に対しては、自転車走行における極めて大きな機械的な負荷にも耐えられる極めて安価な標準材料を使用することができる。
【００３６】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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