(57)【要約】クランク動力測定システムは、クランクの力、トルク、動力、および速度のうちの少なくとも１つを測定するものであり、クランクと、前記クランクの表面に配置された少なくとも２つのひずみゲージと、前記少なくとも２つのひずみゲージからひずみデータを受け取り、曲げひずみ、せん断ひずみ、および軸方向ひずみのうちの少なくとも１つを決定する電子装置を備えている。自転車クランク搭載型の発電機は、ユーザーが自転車に乗っているときに電力を発生するものであり、前記自転車のフレームに固定されたベースリングと、前記ベースリングに結合された複数の磁石と、クランクに取り付けられたコイルシステムと、電子装置を備えており、前記ベースリングは、前記クランクに取り付けられたボトムブラケットを囲んでおり、前記コイルシステムは前記複数の磁石に近接して、前記コイルのリード線に出力を生成し、前記電子装置は、前記出力を電子デバイスに供給し、および／または前記出力を電源に蓄えるように動作する。
2019516077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクの力、トルク、動力、および速度のうちの少なくとも１つを測定するクランク動力測定システムであって、
クランクと、
前記クランクの表面に配置された少なくとも２つのひずみゲージと、
前記少なくとも２つのひずみゲージからひずみデータを受け取り、曲げひずみ、せん断ひずみ、および軸方向ひずみのうちの少なくとも１つを決定する電子装置を備えているクランク動力測定システム。
【請求項２】
前記少なくとも２つのひずみゲージは、前記中立軸の両側から離れて配置された第１および第２の曲げ感知ひずみゲージを含む、請求項１に記載のクランク動力測定システム。
【請求項３】
前記少なくとも２つのひずみゲージは、第３および第４の曲げ感知ひずみゲージをさらに含む、請求項２に記載のクランク動力測定システム。
【請求項４】
前記第３の曲げ感知ひずみゲージは、前記中立軸と前記第１の曲げ感知ひずみゲージとの間に配置され、前記第４の曲げ感知ひずみゲージは、前記第２の曲げ感知ひずみゲージと前記中立軸との間に配置されている、請求項３に記載のクランク動力測定システム。
【請求項５】
前記第３の曲げ感知ひずみゲージは、前記第１の曲げ感知ひずみゲージに隣接し、かつ前記中立軸から前記第１の曲げ感知ひずみゲージと実質的に同じ距離で離れて配置されており、前記第４の曲げ感知ひずみゲージは、前記第２の曲げ感知ひずみゲージに隣接し、かつ前記中立軸から前記第２の曲げ感知ひずみゲージと実質的に同じ距離で離れて配置されている、請求項３に記載のクランク動力測定システム。
【請求項６】
前記少なくとも２つのひずみゲージは、第１および第２のせん断感知ひずみゲージをさらに含む、請求項２に記載のクランク動力測定システム。
【請求項７】
前記第１のせん断感知ひずみゲージは、前記第２のせん断感知ひずみゲージに対称的に対向している、請求項６に記載のクランク動力測定システム。
【請求項８】
前記少なくとも２つのひずみゲージは、前記中立軸上に配置された第１および第２の軸方向感知ひずみゲージをさらに含む、請求項２または６に記載のクランク動力測定システム。
【請求項９】
前記第１の軸方向感知ひずみゲージは、前記第２の軸方向感知ひずみゲージから９０度回転されている、請求項８に記載のクランク動力測定システム。
【請求項１０】
前記少なくとも２つのひずみゲージは、第１、第２、第３、および第４の軸方向感知ひずみゲージをさらに含む、請求項３、４、５に記載のクランク動力測定システム。
【請求項１１】
前記軸方向感知ひずみゲージのうちの２つは、前記クランクに沿って水平方向を向き、前記軸方向感知ひずみゲージのうちの２つは、前記クランク上で縦方向を向いている、請求項１０に記載のクランク動力測定システム。
【請求項１２】
前記第１および第２の軸方向感知ひずみゲージは、前記クランクのボトムブラケットに近づく方向に他のひずみゲージから離れており、前記第３および第４の軸方向感知ひずみゲージは、前記クランクのボトムブラケットから遠ざかる方向に他のひずみゲージから離れている、請求項１０または１１に記載のクランク動力測定システム。
【請求項１３】
前記少なくとも２つのひずみゲージは、第１、第２、第３、および第４のせん断感知ひずみゲージをさらに含む、上記請求項のいずれかに記載のクランク動力測定システム。
【請求項１４】
前記少なくとも２つのひずみゲージは、第一次組のひずみゲージと、第二次組のひずみゲージとを含む、請求項１に記載のクランク動力測定システム。
【請求項１５】
前記第二次組のひずみゲージによって取得されたデータは、前記電子装置によって利用されることで、前記第一次組のひずみゲージによって取得されたデータの精度を高める、請求項１４に記載のクランク動力測定システム。
【請求項１６】
前記第一次組のひずみゲージは、曲げ感知ひずみゲージである、請求項１４に記載のクランク動力測定システム。
【請求項１７】
前記第二次組のひずみゲージは、軸方向感知ひずみゲージである、請求項１６に記載のクランク動力測定システム。
【請求項１８】
前記第二次組のひずみゲージは、せん断感知ひずみゲージである、請求項１６に記載のクランク動力測定システム。
【請求項１９】
ユーザーが自転車に乗っているときに電力を発生する自転車クランク搭載型の発電機であって、
前記自転車のフレームに固定されたベースリングと、
前記ベースリングに結合された複数の磁石と、
クランクに取り付けられたコイルシステムと、
電子装置を備えており、
前記ベースリングは、前記クランクに取り付けられたボトムブラケットを囲んでおり、
前記クランクが前記ボトムブラケットを中心に回転するときに、前記コイルはそのリード線に出力を生成するように、前記コイルシステムは前記複数の磁石に近接して配置されており、
前記電子装置は、前記出力を電子デバイスに供給するか、または前記出力を電源に蓄えるように動作する、自転車クランク搭載型の発電機。
【請求項２０】
前記複数の磁石は、反対の極性で交互に配列された磁石を有する、請求項１９に記載の自転車搭載型の発電機。
【請求項２１】
前記電子デバイスは、請求項１乃至１８に記載の前記クランク動力測定システムのいずれかである、請求項１９に記載の自転車搭載型の発電機。
【請求項２２】
前記電源は、請求項１乃至１８に記載の前記クランク動力測定システムのいずれかに電力を供給する充電式バッテリである、請求項１９に記載の自転車搭載型の発電機。
【請求項２３】
前記電源は、請求項１乃至１８に記載の前記クランク動力測定システムのいずれかに電力を供給するスーパーキャパシタである、請求項１９に記載の自転車搭載型の発電機。
【請求項２４】
前記磁石は電磁石である、請求項１９に記載の自転車搭載型の発電機。
【請求項２５】
前記コイルシステムは、軸を中心に回転し、かつコイルを囲む内部磁石を含み、前記複数の磁石によって生成される磁界は、前記内部磁石を前記軸を中心に回転させることで、前記コイルの出力リード線に電気を発生させる、請求項１９に記載の自転車搭載型の発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１６年３月２１日に出願され、参照により本明細書に組み込まれる、「自転車動力測定およびエネルギー供給のためのシステムおよび方法」と題する米国特許出願番号：６２／３１１，３６７号に基づく優先権を主張するものである。本出願はまた、２０１５年８月２６日に出願された「力、トルク、および動力を測定するための接着結合式パワーメータ、および関連する方法」と題されるＰＣＴ出願番号：ＰＣＴ／ＩＢ２０１５／００２０９９号に関連するものである。
【背景技術】
【０００２】
フィットネストレーニングは、知覚される労力、心拍数、またはパワー出力のような、いくつかの異なるイデオロギーの下で達成され得る。これらのイデオロギーは、アスリートの努力の主観的および客観的な尺度のカテゴリーに分類される。知覚される労力および心拍数は、疲労、温度、水分、努力の継続時間などによって変化する主観的尺度の例である。一方、パワーメータは、（回転システムにおける）トルクおよび角速度の両方、または（平行移動システムにおける）力および速度の両方を測定し、システムに入力されるエネルギー率を決定する客観的な装置である。このエネルギー率は、一般に、ワットまたは馬力で測定される。
【０００３】
パワーメータは、アスリートのパワー出力を客観的に表示するので、トレーニングやレース用にパワーメータを使用することは非常に流行している。この客観的尺度は、心拍数モニタなどによって提供される主観的尺度よりも好ましい。ユーザーの心拍数は運動中に変化し、この変化は、通常、激しい動作に遅れて現れるため、アスリートによる動作を正確に示すことができない。従って、主観的に決定された測定値には限界がある。一方、パワーメータの測定値はより正確であり、偏りのない、ほとんど瞬間的なフィードバックを提供する。
【０００４】
例えば自転車に入力される動力を測定するために、力、トルク、および／または角速度が測定され得るいくつかの場所がある。そのような場所の例として、シューズクリート、ペダル、クランクアーム、クランクをチェーンリングに接続するスパイダー、チェーン、ホイールハブ、およびフレームが挙げられる。これらの各場所で動力を測定するためには、機器を取り付けるために特別に設計された特殊なコンポーネントに、熟練した技術者によって特別な機器を取り付ける必要がある。
【０００５】
図１は、長手軸Ｘ、縦軸Ｙ、および横軸Ｚを有するクランク１０２を含む従来技術の自転車ペダルクランク組立体１００を示す。この組立体１００は、クランクの回転平面（ＸＹ平面）内でのペダル踏力によって発生するトルクを測定するために使用される。ペダルクランク組立体１００は、上面１０４と、底面１０６と、内面１０８と、外面１１０とを有するクランク１０２を含む。クランク１０２は、横軸Ｚを中心に回転するボトムブラケット（図示せず）に駆動軸締結具１１２にて取り付けられている。駆動軸締結具１１２は、クランク１０２の第１の端部１１４に近接している。クランク１０２の第２の端部１１６に近接して、ペダル（図示せず）を取り付けるためのペダル軸１１８が取り付けられている。乗り手は、矢印１２０で表される力をペダルに加え、それによって、クランク１００をボトムブラケット（図示せず）において横軸Ｚを中心に回転させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
乗り手が力１２０を加えると、トルクはクランク１００に曲げを引き起こす。この曲げは、第１および第２のひずみゲージ１２２，１２４によって測定される。第１のひずみゲージ１２２は上面１０４に配置され、第２のひずみゲージ１２４はクランク１００の底面１０６（破線で示されている）に配置されている。第１および第２のひずみゲージ１２２，１２４は、回路（図示せず）を介してホイートストンブリッジに結線されている。第１および第２のひずみゲージ１２２，１２４の配置は、力１２０がペダルに加えられたときのクランク１００の曲げの感知を可能とするが、長手軸Ｘに沿って加えられる軸方向の力の感知を可能としない。しかしながら、第１および第２のひずみゲージは、上面１０４および底面１０６に位置し、しばしば乗り手および他の要素と物理的に接触するため、物理的な損傷を非常に受けやすい。さらに、第１および第２のゲージ１０４，１０６をクランク１００の互いに反対側の表面上に配置することは、製造を困難にし、かつ非効率的にする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、クランク動力測定システムは、クランクの力、トルク、動力、および速度のうちの少なくとも１つを測定する。このシステムは、クランクと、前記クランクの表面に配置された少なくとも２つのひずみゲージと、前記少なくとも２つのひずみゲージからひずみデータを受け取り、曲げひずみ、せん断ひずみ、および軸方向ひずみのうちの少なくとも１つを決定する電子装置を備えている。
【０００８】
別の実施形態では、ユーザーが自転車に乗っているときに電力を発生する自転車クランク搭載型の発電機である。自転車クランク搭載型の発電機は、自転車のフレームに固定されたベースリングと、前記ベースリングに結合された複数の磁石と、クランクに取り付けられたコイルシステムと、電子装置を備えており、前記ベースリングは、前記クランクに取り付けられたボトムブラケットを囲んでおり、前記クランクが前記ボトムブラケットを中心に回転するときに、前記コイルはそのリード線に出力を生成するように、前記コイルシステムは前記複数の磁石に近接して配置されており、前記電子装置は、前記出力を電子デバイスに供給するか、または前記出力を電源に蓄えるように動作する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、クランクの回転平面内のペダル踏力によって生成されるトルクを測定するための従来技術の自転車ペダルクランクを示す。
【００１０】
【図２】図２は、一実施形態における、内面ひずみゲージを有するクランクの一例を示す。
【００１１】
【図３】図３は、一実施形態における、図２のクランクと共に使用される追加のひずみゲージ構造を示す。
【００１２】
【図４】図４は、一実施形態における、図２のクランクと共に使用される追加のひずみゲージ構造を示す。
【００１３】
【図５】図５は、一実施形態における、図２のクランク組立体と共に使用される追加のひずみゲージ構造を示す。
【００１４】
【図６Ａ】図６Ａは、代替の実施形態における、図２のクランク組立体と共に使用される追加のひずみゲージ構造を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、代替の実施形態における、図２のクランク組立体と共に使用される追加のひずみゲージ構造を示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、代替の実施形態における、図２のクランク組立体と共に使用される追加のひずみゲージ構造を示す。
【００１５】
【図７】図７は、一実施形態における、図２のクランク組立体と共に使用される追加のひずみゲージ構造を示す。
【００１６】
【図８】図８は、一実施形態における、例示的なひずみゲージ電子モジュール８００を示す。
【００１７】
【図９】図９は、一実施形態における、自転車搭載型の磁石発電機システムの底面斜視図を示す。
【００１８】
【図１０】図１０は、図９の自転車搭載型の磁石発電機システムの上部正面斜視図である。
【００１９】
【図１１】図１１は、一実施形態における、図９の自転車搭載型の磁石発電機システムに使用される、磁石を有するベースリングの正面図を示す。
【００２０】
【図１２Ａ】図１２Ａは、図９の自転車搭載型の磁石発電機システムの分解図である。
【００２１】
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、一実施形態における、自転車搭載型の磁石発電機システムに取り付けられたときのひずみゲージ、電子装置、およびコイルを示し、ベース部を図示しない。
【００２２】
【図１３】図１３は、一実施形態における、図９乃至図１２に示す自転車搭載型の磁石発電機に使用されるコイルシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本明細書で開示される実施形態は、本体に加えられた荷重を間接的に測定するひずみセンサを備えた本体に関する。典型的な使用例では、特定の軸に沿って加えられる力またはモーメントを決定することが望ましい。この測定を可能にするために、少なくとも１つのひずみセンサが本体に取り付けられている。既知の荷重が本体に加えられ、ひずみが記録されて、これらの荷重に対するセンサの較正が可能になる。通常の幾何学的形状、均質材料、および明確に定義された荷重の場合は、１つの主要ひずみセンサのみを用いて、正確な測定を繰り返し行うことも可能である。しかしながら、ほとんどの状況では、いくつかの例を挙げると、不規則な幾何学的形状、製造のばらつき、軸からずれた荷重、および非理想的なセンサ配置などを補正するために、主要ひずみセンサを補うためにいくつかのひずみセンサを使用しなければならない。
【００２４】
様々なひずみセンサの較正の例として、単一の重りをある向きに取り付け、ひずみ出力を観察するか、あるいはいくつかの重りを様々な位置に様々な向きで本体に加えることが挙げられる。このデータは、回帰などの洗練されたモデルで処理することができる。
【００２５】
ひずみセンシングは、典型的にはひずみゲージを用いて行われる。単一のゲージを使用して特定の方向のひずみを測定することができるが、２つ、３つ、４つ、またはより多いゲージをホイートストンブリッジに組み合わせて、単一の方向のひずみ応答を測定してもよい。４分の１、ハーフ、４分の３、またはフルホイートストンブリッジを含むホイートストンブリッジの任意の形態が、本発明の範囲から逸脱することなく利用され得る。追加のゲージには、単一のゲージの感応性の４倍まで感応性を向上させるなど、いくつかの利点がある。追加のゲージのもう１つのメリットは、金属の温度変化が材料の膨張または収縮を引き起こし、荷重が加えられていなくてもひずみの変化として測定されることである。複数のゲージがホイートストンブリッジに組み合わせられている場合は、それらは温度に対して鈍感になる。
【００２６】
複数のひずみ感知ゲージがホイートストンブリッジに結線されている場合であっても、出力におけるゼロ荷重オフセットの変化および感応性傾斜の変化のために温度感応性が依然として現れることがある。ゲージ、回路、および収容器の個々の特性により、ゼロ・オフセットの変化は個別にテストすることができる。これらのオフセット効果は、温度の小さな範囲内であれば単純な線形変化でモデル化することができ、２点の温度較正のみを必要とする。しかし、より一般的な場合には、温度に対するゼロ荷重オフセットの非線形変化のために多点温度特性化を行うことができる。温度に対する傾き感応性の変化についても同じことが言える。各構成は、応答オプションの完全な非線形マッピングのために、いくつかの異なる温度にわたって試験することができる。最も単純な場合では、例えば、全体的な構造剛性が傾き変化の支配的要因である場合、単純な２点温度試験で十分である。
【００２７】
図２は、一実施形態における、内面ひずみゲージを有するクランク組立体２００の一例を示す。クランク組立体２００は、長手軸Ｘ、縦軸Ｙ、および横軸Ｚを有するクランク２０２を含む。クランク２０２は、上面２０４、底面２０６、内面２０８、および外面２１０を有する。クランク組立体２００は、自転車に配置されたクランク組立体２００に関して、クランク２０２の内面２０８に配置された第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４を有する。クランク２０２は、横軸Ｚに相当するボトムブラケット（図示せず）に駆動軸締結具２１２にて取り付けられている。駆動軸締結具２１２は、クランク２０２の第１の端部２１４に近接している。クランク２０２の第２の端部２１６に近接して、ペダル（図示せず）を取り付けるためのペダル軸２１８が取り付けられている。乗り手は、矢印２２０で示す方向の力をペダルに加え、縦軸Ｙ（および場合によっては長手軸Ｘ）に沿って力を加え、これによってクランク組立体２００をボトムブラケットにおいて横軸Ｚを中心に回転させる。クランク２０２に加わる実際の力は、矢印２２０によって示されるような縦方向の力に限定されないが、実際には、Ｘ、Ｙ、およびＺ軸を含む多次元の力を含むことを理解されたい。矢印２２０は、説明のためだけのものである。
【００２８】
乗り手が力２２０を加えると、トルクはクランク組立体２００の曲げを引き起こし、この曲げは第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４によって測定される。第１のひずみゲージ２２２は、内面１０８上に配置されており、かつクランク組立体２００の中立軸２２６の上方に位置している。第２のひずみゲージ２２４は、クランク組立体２００の内面１０８に配置されており、かつクランク組立体２００の中立軸の下方に位置している。第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４は、軸方向の力（例えば、Ｘ軸／中立軸２２６の周りの力）を感知せず、その一方で曲げ（Ｘ軸／中立軸２２６に沿った曲げ）を感知できるように、回路（図示せず）を介してホイートストンブリッジに結線されている。第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４に関連する回路および電子装置については、さらに詳細に後述する。曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４をクランク組立体２００の内面２０８上に配置することで、乗り手または他の要素による接触の影響を受けにくくなるので、ゲージの保護を著しく向上させる。
【００２９】
図２では、中立軸２２６は、長手軸Ｘと同じものとして示されている。完全に対称なクランク組立体２００の場合、中立軸２２６は幾何学的な中心（長手軸Ｘ）に沿っているが、他の形状では、中立軸２２６は実験的または分析的に決定されなければならない。最大の曲げ感知のためには、第１および第２の曲げ感知ゲージ２２２，２２４は、中立軸２２６から遠くに配置される。
【００３０】
システムの感応性を高めるために、追加のひずみゲージを追加してもよい。例えば、図３は、図２のクランク組立体２００と共に使用される追加のひずみゲージ構造３００の一実施形態を示す。ひずみゲージ構造３００は、図２の第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４と同じ位置２３０（図２参照）および同じ向きでクランク組立体２００に取り付けられている。ひずみゲージ構造３００は、図２に関して上述したように、第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４を含み、さらに第３および第４の曲げ感知ひずみゲージ３０２，３０４を含む。第３の曲げ感知ひずみゲージ３０２は、第１の曲げ感知ひずみゲージ２２２と中立軸２２６との間に配置されている。第４の曲げ感知ひずみゲージ３０４は、第２の曲げ感知ひずみゲージ２２４と中立軸２２６との間に配置されている。
【００３１】
図４は、図２のクランク組立体２００と共に使用される追加のひずみゲージ構造４００の一実施形態を示す。ひずみゲージ構造４００は、図２の第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４と同じ位置２３０（図２参照）および同じ向きでクランク組立体２００に取り付けられている。ひずみゲージ構造４００は、図２に関して上述したように、第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４を含み、さらに第３および第４の曲げ感知ひずみゲージ４０２，４０４を含む。第３の曲げ感知ひずみゲージ４０２は、第１の曲げ感知ひずみゲージ２２２に隣接し、かつ第１の曲げ感知ひずみゲージ２２２と対称的に対向して配置されており、中立軸２２６から同じ距離にある。第４の曲げ感知ひずみゲージ４０４は、第２の曲げ感知ひずみゲージ２２４に隣接し、かつ第２の曲げ感知ひずみゲージ２２４と対称的に対向して配置されており、中立軸２２６から同じ距離にある。構成３００および構成４００は、ひずみゲージによって検出される検出ひずみの感度を高める。
【００３２】
付加的なせん断および／または軸方向感知ひずみゲージを使用することにより、これらのひずみゲージによって得られた付加的なデータに基づいて、非対称性、設計外の荷重、および製造における不完全性（例えば、クランク組立体２００および／またはゲージ２２２，２２４，３０２，３０４，４０２，４０４の製造における不完全性）に対する補償が可能となる。構成３００および構成４００は、第１、第２、第３、および第４の曲げ感知ひずみゲージがフルホイートストンブリッジまたは２つのハーフホイートストンブリッジで連結されるように設定される。
【００３３】
図５は、図２のクランク組立体２００と共に使用される追加のひずみゲージ構造５００の一実施形態を示す。ひずみゲージ構造５００は、図２の第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４と同じ位置２３０（図２参照）および同じ向きでクランク組立体２００に取り付けられている。ひずみゲージ構造５００は、図２に関して上述したように、第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４を含む。ひずみゲージ構造５００は、図４に関して上述したように、第３および第４の曲げ感知ひずみゲージ４０２，４０４をさらに含む。第１、第２、第３、および第４の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４，４０２，４０４は、第１のフルホイートストンブリッジ、または第１および第２のハーフホイートストンブリッジで互いに連結されてもよい。
【００３４】
ひずみゲージ構造５００は、第１、第２、第３、および第４の軸方向感知ひずみゲージ５０２，５０４，５０６，５０８をさらに含む。第２の軸方向感知ひずみゲージ５０４は第１の軸方向感知ひずみゲージ５０２に対して９０度回転されている。第３の軸方向感知ひずみゲージ５０６は、第２軸方向感知ひずみゲージ５０４に対して９０度回転され、第１軸方向感知ひずみゲージ５０２に対して１８０度回転されている。第４の軸方向感知ひずみゲージ５０８は、第３の軸方向感知ひずみゲージ５０６に対して９０度回転され、第２の軸方向感知ひずみゲージ５０４に対して１８０度回転され、第１の軸方向感知ひずみゲージ５０２に対して２７０度回転されている。一般に、これら軸方向感知ひずみゲージのうちの２つは、長手軸Ｚに沿って水平方向を向き、これら軸方向感知ひずみゲージのうちの２つは、縦方向を向いている。第１、第２、第３、および第４の軸方向感知ひずみゲージ５０２，５０４，５０６，５０８は、中立軸２２６に沿って配置され、第２のフルホイートストンブリッジ、または第３および第４のハーフホイートストンブリッジで互いに連結されてもよい。
【００３５】
ひずみゲージ構造５００は、第１、第２、第３、第４のせん断感知ひずみゲージ５１０，５１２，５１４，５１６をさらに含む。せん断感知ゲージは、クランク２０２のねじれ、つまりＸ軸を中心としたクランク２００のねじれを最も良好に感知する。第１のせん断感知ひずみゲージ５１０は、第１および第３の曲げ感知ひずみゲージ２２２，４０２と第２のせん断感知ひずみゲージ５１２との間に配置されている。第２のせん断感知ひずみゲージ５１２は、第１のせん断感知ひずみゲージ５１０と中立軸２２６との間に配置されている。第２のせん断感知ひずみゲージ５１２は、第１のせん断感知ひずみゲージ５１０に対して縦方向に鏡映されるような向きに配置されてもよい。第３のせん断感知ひずみゲージ５１４は、第２および第４の曲げ感知ひずみゲージ２２４，４０４と、第４のせん断感知ひずみゲージ５１６との間に配置されている。第４のせん断感知ひずみゲージ５１６は、第３のせん断感知ひずみゲージ５１４と中立軸２２６との間に配置されている。第４のせん断感知ひずみゲージ５１６は、第３のせん断感知ひずみゲージ５１４に対して縦方向に鏡映されるような向きに配置され、第２のせん断感知ひずみゲージ５１２と同じ向きとされてもよい。第１、第２、第３、および第４せん断感知ひずみゲージ５１０，５１２，５１４、および５１６は、第３のフルホイートストンブリッジ、または第５および第６のハーフホイートストンブリッジで互いに連結されてもよい。
【００３６】
図６Ａ乃至図６Ｃは、図２のクランク組立体２００と共に使用される追加のひずみゲージ構造６００，６５０，６７０の別の実施形態を示す。ひずみゲージ構造６００，６５０，６７０は、図２の第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４と同じ位置２３０（図２参照）および同じ向きでクランク組立体２００に取り付けられている。ひずみゲージ構造６００，６５０，６７０は、図２に関して上述したように、第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４を含む。ひずみゲージ構造６００，６５０，６７０は、図３に関して上述したように、第３および第４の曲げ感知ひずみゲージ３０２，３０４を含む。第１、第２、第３、および第４の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４，３０２，３０４は、第１のフルホイートストンブリッジ、または第１および第２のハーフホイートストンブリッジで互いに連結されてもよい。
【００３７】
ひずみゲージ構造６００，６５０，６７０は、第１、第２、第３、および第４のせん断感知ひずみゲージ６０２，６０４，６０６，６０８をさらに含む。第１のせん断感知ひずみゲージ６０２は、第３の曲げ感知ひずみゲージ３０２と第２のせん断感知ひずみゲージ６０４との間に配置されている。第２のせん断感知ひずみゲージ６０４は、第１のせん断感知ひずみゲージ６０２と中立軸２２６との間に配置されている。第２のせん断感知ひずみゲージ６０４は、第１のせん断感知ひずみゲージ６０２に対して縦方向に鏡映されるような向きに配置されてもよい。第３のせん断感知ひずみゲージ６０６は、第４の曲げ感知ひずみゲージ３０４と第４のせん断感知ひずみゲージ６０８との間に配置されている。第４のせん断感知ひずみゲージ６０８は、第３のせん断感知ひずみゲージ６０６および中性軸２２６との間に配置されている。第４のせん断感知ひずみゲージ６０８は、第３のせん断感知ひずみゲージ６０６に対して縦方向に鏡映されるような向きに配置され、第２のせん断感知ひずみゲージ６０４と同じ向きとされてもよい。第１、第２、第３、および第４のせん断感知ひずみゲージ６０２，６０４，６０６，６０８は、第２のフルホイートストンブリッジ、または第３および第４のハーフホイートストンブリッジで互いに連結されてもよい。
【００３８】
ひずみゲージ構造６００は、第１、第２、第３、および第４の軸方向感知ひずみゲージ６１０，６１２，６１４，６１６をさらに含む。第１および第２の軸方向感知ひずみゲージ６１０，６１２は、中立軸２２６に沿って配置されており、かつボトムブラケットに近づく方向に、曲げ感知およびせん断感知ひずみゲージから離れている。第３および第４の軸方向感知ひずみゲージ６１４，６１６は、中立軸２２６に沿って配置されており、かつボトムブラケットから遠ざかる方向に、曲げ感知およびせん断感知ひずみゲージから離れている。第２の軸方向感知ひずみゲージ６１４は、第１の軸方向感知ひずみゲージ６１０に対して９０度回転されてもよい。第３の軸方向感知ひずみゲージ６１４は、第４の軸方向感知ひずみゲージ６１６に対して９０度回転されてもよい。通常は、これら軸方向感知ひずみゲージのうちの２つは、長手軸Ｚに沿って水平方向を向き、これら軸方向感知ひずみゲージのうちの２つは、縦方向を向いている。第１、第２、第３、および第４の軸方向感知ひずみゲージ６１０，６１２，６１４，６１６は、第３のフルホイートストンブリッジ、または第５および第６のハーフホイートストンブリッジで互いに連結されてもよい。
【００３９】
ひずみゲージ構造６５０は、ひずみゲージ６００と似ているが、第１、第２、第３、および第４の軸方向感知ひずみゲージ６１０，６１２，６１４，６１６のそれぞれは、中立軸２２６に沿って配置され、かつボトムブラケットに近づく方向に離れて配置されている。ひずみゲージ構造６７０も、ひずみゲージ６００と似ているが、第１、第２、第３、および第４の軸方向感知ひずみゲージ６１０，６１２，６１４，６１６のそれぞれは、中立軸２２６から離れて配置され、かつボトムブラケットに近づく方向に離れて配置されている。ひずみゲージ構造６７０は、軸方向感知ひずみゲージが中立軸から離れて配置され、かつボトムブラケットから遠ざかる方向に離れて配置されるように変更してもよい。
【００４０】
図７は、図２のクランク組立体２００と共に使用される追加のひずみゲージ構造７００の一実施形態を示す。ひずみゲージ構造７００は、図２の第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４と同じ位置２３０（図２参照）および同じ向きでクランク組立体２００に取り付けられている。ひずみゲージ構造７００は、図２に関して上述したように、第１および第２の曲げ感知ひずみゲージ２２２，２２４を含む。これらは第１ハーフホイートストンブリッジで互いに連結されてもよい。
【００４１】
ひずみゲージ構造７００は、第１および第２の軸方向感知ひずみゲージ７０２，７０４を含む。第２の軸方向感知ひずみゲージ７０４は、第１の軸方向感知ひずみゲージ７０２に対して９０度回転されている。第１および第２の軸方向感知ひずみゲージ７０２，７０４は、中立軸２２６に沿って配置されており、第２のハーフホイートストンブリッジで互いに連結されてもよい。
【００４２】
ひずみゲージ構造７００は、第１および第２のせん断感知ひずみゲージ７０６，７０８をさらに含む。第１のせん断感知ひずみゲージ７０６は、第１の曲げ感知ひずみゲージ２２２と中立軸２２６との間に配置されている。第２のせん断感知ひずみゲージ７０８は、第１のせん断感知ひずみゲージ７０６に対して縦方向に鏡映されるような向きに配置されてもよい。第２のせん断感応ひずみゲージ７０８は、第２の曲げひずみゲージ２２４と中立軸２２６との間に配置されている。第１および第２のせん断感知ひずみゲージ７０６，７０８は、第３のハーフホイートストンブリッジで互いに連結されてもよい。
【００４３】
構造７００の複製を構造７００に隣接して配置してもよい。これにより、曲げ、せん断、軸方向の感知ひずみゲージのそれぞれを４つにすることができる。このような実施形態では、曲げ、せん断、および軸方向の感知ひずみゲージは、それぞれ、第１、第２、および第３のフルホイートストンブリッジで互いに連結されてもよい。
【００４４】
構造３００〜７００のそれぞれにおいて、様々な既知の荷重を用いて較正を実行して、各ゲージセットがこれらの荷重にどのように応答するかを決定してもよい。そして、実際のペダル踏力がクランクに加えられるとき、対象の荷重を決定することが可能になる。これら対象の荷重は、典型的には、自転車への入力動力に対応するモーメントであり、さらに、クランクが回転するときにペダルに作用する軸方向の荷重および方向である。
【００４５】
サイクリング用途では、クランクに加えられる荷重は、ペダルに加えられる荷重によるものである。ペダルおよびクランク設計の本質により、これら加えられた力はクランクからずれており（オフセットされており）、したがってクランク組立体２００の長手軸Ｚを中心とした純粋な曲げモーメントを生じさせない。代わりに、このペダルオフセットは、限定するものではないが、曲げ、ねじり、および軸方向荷重を同時に発生させる。これは、個々のサイクリストが、その脚を動かしてクランクを回転させるときの力プロファイルはそれぞれ異なるという事実によって、さらに複雑になる。一般に、加えられるペダル踏力はクランクに対して垂直ではなく、軸方向成分およびねじり成分を含むことがある。複数のゲージセンサーと較正の目的は、これらの荷重を分離して、対象の曲げモーメント、軸方向の力、およびペダルオフセットが正確に推定されるようにすることである。
【００４６】
図２乃至図７の上記説明では、本発明の範囲から逸脱することなく、追加の構成として、より多くのまたはより少ないひずみゲージを実装することができることを理解されたい。各図でひずみゲージが示されている場合、本発明の範囲から逸脱することなく、個々の図は、単一のひずみゲージ、または互いに接続された一対のひずみゲージ、または互いに接続された２つよりも多いひずみゲージを表していることを理解されたい。さらに、ひずみゲージが中立軸２２６上に示されている場合、このひずみゲージは、本発明の範囲から逸脱することなく、中立軸２２６から離れて配置されてもよいことを理解されたい。さらに、ひずみゲージが中立軸２２６から離れて示されている場合、このひずみゲージは、本発明の範囲から逸脱することなく、中立軸２２６上に配置されてもよいことを理解されたい。このような構成を利用することにより、一組のひずみゲージを第一次組のひずみゲージとすることができる。さらに、第二次組のひずみゲージを利用して、第一次組の精度を高めることができる。例えば、第一次組は、上述の曲げ感知ひずみゲージのいずれかであり、第二次組は、上述のせん断または軸方向の感知ひずみゲージセットのいずれかである。この組み合わせは、クランク組立体２００の形状、サイズ、温度などの不確定要素に適応しながら、精度および効率を高めることができる。
【００４７】
温度補償：
変化する温度は、ゲージ材料およびその下地材料に基づいて、ひずみゲージのいくつかの態様に異なる影響を与える。これらは、ゼロ・オフセットのずれ、ゲージ要素（機械的応答と比較した電気的応答）の感応性の変化、温度における材料特性の変化に分類される。ハーフブリッジ、フルブリッジ、または受動的に補償されるその他の拡張などの受動的に補償されたセンシングの場合、熱誤差は、リード線抵抗の変化とゲージの熱応答の変化の組み合わせである。したがって、最低２つのデータ点を取ることにより、温度に対するゼロ・オフセットのずれを直線的に回帰することが可能である。非線形温度応答を有する単一ゲージの場合、この方法は、非線形回帰によって適切に一致するようにしてもよい。動作中、ゲージまたはその下地材料の温度測定を行うことができ、回帰を使用してゼロ・オフセットを補償してもよい。
【００４８】
クランクが、アルミニウムのような高熱伝導材料で作られている場合、近くの場所で測定した温度を取得し、全てのゲージがこの温度であると仮定することが可能である。炭素のような熱伝導率の低い材料の場合、ゲージの場所での測定が必要な場合があり、同じ補償方法が使用できる。
【００４９】
測定されたひずみは、曲げ、軸方向、およびせん断のうちの１つまたは全てである。これらに係数を乗算し、次いで加算することで、加えられたトルクを決定してもよい。これらの係数は較正から決定することができる。異なる較正方法を使用して、異なる係数が決定される。これら決定された係数は、加えられた軸方向の力または他の対象の荷重を決定するために使用されてもよい。これらの係数は温度に対してわずかに敏感である。温度に対する感応性を決定するために、異なる温度で較正を行うことができる。例えば、較正は、室温で、次にオーブンおよび／または冷凍庫内で行うことができる。
【００５０】
温度の変化はまた、ゲージ要素の応答または材料係数を変化させ、これによって較正値に影響を及ぼす可能性がある。線形または非線形の手段の２つの効果を組み合わせ、様々な温度での較正に対する応答を測定することにより、線形または非線形の手段によって補償することが可能である。これにより、精度を上げるために動作中に補間できる較正要素が変更される。
【００５１】
したがって、上述のひずみゲージのそれぞれに加えて、クランク組立体２００は、１つまたは複数の温度センサをさらに含んでもよい。単一の温度センサは、高熱伝導材料に使用することができる。あるいは、複数の温度センサを使用し、各温度センサを、図２乃至図７で説明したひずみゲージのそれぞれの横に、またはひずみゲージ群の横に配置してもよい。
【００５２】
ひずみゲージ用電子モジュール：
図８は、例示的なひずみゲージ電子モジュール８００の一実施形態を示す。ひずみゲージ電子モジュール８００は、ひずみゲージ８０４、追加センサ８０６、および電子装置８０８を収容するハウジング８０２を含む。
【００５３】
ハウジング８０２は、クランク（例えば、図２のクランク組立体２００）に恒久的に取り付けられてもよい。あるいは、ハウジング８０２は、アフターマーケットで購入された装置の一部であってもよく、ハウジング３０２およびその設置機構に関してＰＣＴ／ＩＢ２０１５／００２０９９号に記載されたハウジングの取り付け方法を使用して取り付けられてもよい。ハウジング８０２は、当該ＰＣＴ出願に記載されているハウジングの１つまたは複数の機構を含んでもよい。
【００５４】
ひずみゲージ８０４は、図２乃至図７に関して上述したひずみゲージ構造のいずれかを備えてもよいし、あるいは他の構成を備えてもよい。ひずみゲージ８０４は、電子装置８０８のコントローラ８１０に連結されている。コントローラ８１０は、ひずみゲージ８０４の動作を制御するように動作し、乗り手に動力読み取り値８１２を伝達することもできる。動力読み取り値８１２は、ひずみゲージ８０４およびオプションとしてのセンサ８０６から得られたデータに基づく。動作の一例では、動力読み取り値８１２は、無線インターフェース８１４を介して、スマートフォン８１６、自転車コンピュータ８１８、またはコンピュータ８２０のうちの１つまたは複数に送信される。動力読み取り値８１２は、有線通信回線を通じて送信されてもよい。ひずみゲージ８０４は、ハウジング８０２に組み込まれてもよく、またはハウジング８０２の外に配置され、異なる場所でクランクに取り付けられてもよい。例えば、ひずみゲージ８０４をクランクに組み込み、ハウジング８０２を取り付けた後に、既に設置されたひずみゲージのリード線にハウジング８０２を電気的に結合してもよい。
【００５５】
一実施形態では、ひずみゲージ８０４は、その上部に取り付けられた熱伝導枕（図８の熱伝導枕８２２を参照）を備えてもよい。この熱伝導枕は、（ａ）ゲージ温度の測定を改善し、対応する電子的熱補償を改善するため、および（ｂ）測定中にひずみゲージ１０２によって発生する熱の放散を改善するために設けられる。熱伝導枕は、（ｃ）プリント回路基板組立体が非常に均一な放熱特性を有する場合に使用される。別の実施形態では、ゲージ近傍の熱源からの局部的な熱勾配を低減するために、非熱伝導枕を使用してひずみゲージ８０４を断熱してもよい。例えば、ひずみゲージ８０４に影響を及ぼす大きな熱勾配を発生させる構成要素をプリント回路基板組立体が有する場合、非熱伝導枕を使用することができる。測定の電子的熱補償のために、少なくとも１つの熱センサをひずみゲージ８０４上に配置して、温度測定の精度を向上してもよい。柔らかい枕の層を設け、ひずみゲージ８０４に加わる局所的な力を低減させることで、ひずみゲージ８０４への機械的な損傷を防止してもよい。例えば、設置中に加えられるクランプ力は、柔らかい枕によって広い領域に分散され、ひずみゲージ８０４へのダメージが回避される。
【００５６】
追加のセンサ８０６は、上述した温度センサと、付録Ａとして添付のＰＣＴ／ＩＢ２０１５／００２０９９号に記載されているような慣性センサとを含むことができる。慣性センサ以外のセンサも同様に使用してもよい。例えば、角速度またはケイデンスを測定するための磁気リードスイッチまたはホールセンサのようなものが使用できる。追加のセンサ８０６は、乗り手によって利用される様々なセンサからのセンサ入力をさらに含んでもよい。例えば、サイクリストの効率がコントローラ８１０によって決定できるように、センサ８０６は、空気力学、風、斜度、心拍数、最大酸素摂取量などからのデータを含んでもよい。このようなセンサデータは、ハウジング８０２に結線されてもよく、または無線インターフェース８１４を使用して無線で送信してもよい。
【００５７】
電子装置８０８は、コントローラ８１０と、電源８２４と、ひずみゲージ８０４と共に使用されるホイートストンブリッジを実装するために必要な他の回路とを含むことができる。電源８２４は、バッテリまたは他の充電式電源であってもよい。
【００５８】
コントローラ８１０は、ハウジング８０２に収容された様々なデバイスの動作を制御するための電力管理ロジックを含むことができる。例えば、電力管理ロジック８２６は、様々な周波数サンプリングレートに従ってひずみゲージ８０４を設定することができる。ペダリング動作がある位相にある間、記録されたひずみレベルは非常に遅い速度で変化する。よって、この間はより低いサンプリング速度を使用することができる。しかし、ペダルストロークの他の部分では、ゲージは急激に変化する荷重を受けている可能性があるため、より高速にサンプリングする必要がある。この可変サンプリングレートの手法は、異なるケイデンス率、異なるライディングスタイル、および異なる道路タイプにも適用することもできる。
【００５９】
代替的に（または付加的に）、電力管理ロジック８２４は、図２乃至図７に関して上述した１つまたは複数のひずみゲージをオンまたはオフに切り替え、ひずみゲージの一部のみが所定の時間の間動作可能であるようにすることができる。例えば、１組、またはそれ以上のゲージ（典型的には、前述のせん断感知または軸方向感知ひずみゲージなどの第二次ゲージ）が出力動力の測定に実質的に寄与していないことが観察された場合、これらのゲージセットをオフにすることができる。しかし、異なる荷重が加わっている場合では、これらの第二次ゲージは著しい補正効果を有する可能性があるので、オンにすべきである。あるひずみゲージセットを含まないことが、既知の因子により精度に影響を与える別の状況が生じる。この既知の因子は、補正要素として適用され、これにより省エネを達成しつつ、精度が維持される。
【００６０】
さらに、電力管理ロジック８２４は、ひずみゲージ８０４によって生成されたデータに含まれる繰り返しパターンを認識することができる学習アルゴリズムを含むことができる。例えば、乗り手による一貫したペダルストロークは、ひずみゲージ８０４によって同じようなデータ出力をもたらす。したがって、ひずみゲージ８０４、つまりオン状態の特定のひずみゲージ８０４のサンプリングレートを変更して、これら繰り返しパターンの間にひずみゲージ８０４によって使用される電力を低減することができる。
【００６１】
自転車駆動型の電子モジュール：
電力管理は、装置８００の寿命に重要であり得る。例えば、電子モジュール８００がトレーニングジム内の据え置き型トレーニングバイクに備えられている場合、電源８２４のバッテリを頻繁に変えることは面倒なことがある。したがって、電源８２４は、様々な自転車駆動型のエネルギー発生器を使用して充電可能であってもよい。そのような自転車駆動型のエネルギー発生器の例として、限定されないが、ホイールハブ、駆動軸、自転車フレームのボトムブラケット、ペダルスピンドルに配置された機械駆動発電機；乗り手、または自転車フレーム、または自転車の他の部分に配置されたソーラーパネル；乗り手が動いている間にエネルギーを取り込む風力発電機；あるいはライディング中のフレームの曲げ／伸長に基づいてエネルギーを生成する自転車に取り付けられたピエゾ電気エネルギー供給装置などが挙げられる。
【００６２】
このような自転車駆動型のエネルギー発生器は、電源８２４に連結されて、電子モジュール８００内で使用するエネルギーを蓄えることができる充電式バッテリ、スーパーキャパシタ、または小型フライホイールを充電することができる。このような電源８２４は、充電式電池とともに、非充電式バックアップ電池を含んでもよい。さらに、そのような電源８２４は、自転車上の他の電子デバイスに電力を供給するように、またはユーザーによって使用されている他の電子デバイスに電力を供給するように構成することができる。
【００６３】
このような自転車駆動型のエネルギー発生器によって生成されたエネルギーは、限定するものではないが、導線、導電箔、導電糸、自転車フレームからクランク組立体２００に電力を送るブラシ接点を含む様々な方法を用いて電源８２４に伝送することができる。あるいは、磁気誘導結合、磁気共鳴結合、容量結合、およびレーザーまたはマイクロ波を用いた放射遠距離無線などの非放射手段を含む無線方法によってエネルギーを電源８２４に伝送してもよい。
【００６４】
次に、自転車駆動型のエネルギー発生器の一例を詳細に説明する。図９は、一実施形態における、自転車搭載型の磁石発電機システム９００の一実施形態の底面斜視図を示す。図１０は、図９の自転車搭載型の磁石発電機システム９００の上面正面斜視図を示す。図１１は、図９の自転車搭載型の磁石発電機システム９００に使用される磁石９１８を備えたベースリング９１６の一実施形態の正面図を示す。図１２Ａは、図９の自転車搭載型の磁石発電機システム９００の分解図を示す。図１２Ｂは、自転車搭載型の磁石発電機システム９００に取り付けられたときのひずみゲージ８０４、電子装置９１４、およびコイル９１２の一実施形態を示す。ただし、図１２Ｂではベース部１２０２は省略されている。以下の説明は、図９乃至１２Ｂに最もよく示されている。
【００６５】
自転車搭載型の磁石発電機システム９００は、ボトムブラケット９０８上の自転車フレーム９０６に連結された自転車クランク９０４の内面に取り付けられた電子モジュール９０２を備えている。クランク９０４は、ペダル取り付け点９１０においてクランク９０４に取り付けられたペダル（図示せず）に加えられた力によって動作する。電子モジュール９０２は、上述した電子モジュール８００の任意の特徴を含むことができ、図２乃至図７に関して上述したひずみゲージ構造のうちのいずれか１つを動作させるために使用することができる。
【００６６】
発電機システム９００は、発電するためのマグネトシステムとして示されている。電子モジュール９０２は、バッテリなどの蓄電要素に連結された少なくとも１つのコイル９１２を備えている。コイル９１２は、発電機を制御するための電子装置９１４に連結されている。コイル９１２は、複数の固定磁石９１８（１）、９１８（２）、…、９１８（Ｎ）を有するベースリング９１６に隣接するように、クランク９０４に取り付けられている。ベースリング９１８は、クランク９０４がボトムブラケット９０８を中心に回転するときに静止しているように連結されてもよい。例えば、ベースリング９１８は、回転しないように、または移動しないように、フレーム９０６に直接取り付けられるか、またはボトムブラケット９０８の周りの中間部分に取り付けられてもよい。乗り手のペダリングによってコイル９１２が回転すると、磁石９１８によって生成された磁場に基づいてコイル９１２のリード線に電圧が発生する。
【００６７】
図１１に示すように、ベースリング９１６は、フレーム９０６に取り付けられており、複数の磁石９１８（１）〜９１８（Ｎ）を有する。２２個の磁石９１８が示されているが、本発明の範囲から逸脱することなく、より多くのまたはより少ない磁石が設けられてもよい。Ｎ極（Ｎ）の磁石９１８とＳ極（Ｓ）の磁石９１８は交互に並んでいる。したがって、コイル９１２が磁石９１８を通過するとき、コイルは磁石９１８の極性に応じて交流の電圧パルスを生成する。電子モジュール９１２はこの信号を整流しフィルタリングして、滑らかなＤＣ信号を生成する。このＤＣ信号は、蓄電モジュール（例えば、図８の電源８２４内の充電可能な電池）に蓄えられる。そして、電源は、１つまたは複数の電子デバイス（例えば、無線インターフェース８１４および図２乃至図７に関して上述した構成のいずれかを有するひずみゲージ８０４を動作させるコントローラ８１０）を動作させることができる。代替の実施形態では、磁石９１８はすべて同じ極性（例えばＮ極またはＳ極）を有する。
【００６８】
磁石９１８は、その磁場を集束させ、コイル９１２を通じて生成される電力を増加させるための様々な要素をさらに含んでもよい。例えば、磁石９１８は、磁場をコイル９１２に集中させる鉄のカップを備えてもよい。加えて、磁石９１８は、自身が生成する磁場を強くするための様々な材料から構成されてもよい。磁石９１８は、様々な希土類金属から形成されてもよく、あるいは、電磁石であってもよい。さらに、磁石９１８は、その磁場をコイル９１２に集中させるために、角柱または円錐形であってもよい。
【００６９】
電子装置９１４は、乗り手のパフォーマンスの様々な状況を決定するためのアルゴリズムをさらに含むことができる。磁石９１８がリング９１６の周りに規則的に配置されている場合、コイル９１２によって生成された出力信号の周期的性質は、加速度、回転／分などを決定するために電子装置によって利用されてもよい。換言すれば、コイル９１２は、磁石９１８間の間隔に基づいたロータリエンコーダとして使用することができる。
【００７０】
図１２Ａに示すように、ハウジングは、コイル取り付け位置１２０４を有するベース部１２０２を備えてもよい。ベース部１２０２は、電子装置９１４に連結してもよく、またクランク９０４に取り付けられたひずみゲージ８０４に隣接して取り付けられてもよい。一実施形態では、ベース部１２０２は、磁石９１８およびコイル９１２によって生成された磁場がひずみゲージ８０４の動作を妨げないように磁場シールドを形成するためのシールド（図示せず）をさらに含むことができる。図１２Ｂに示すように、クランク９０４に取り付けられたとき、コイル９１２はひずみゲージ８０４に隣接し、クランク９０４の内面の最小の物理的領域のみを占めるに過ぎない。したがって、システム９００は、いかなるクランク９０４にも容易に設置される。よって、いかなるクランクも、発電システム９００および電子モジュール８００を備えるように改変することができる。
【００７１】
別の実施形態では、磁石をクランク９０４上に配置してもよく、１つまたは複数のコイルをリング９１６に配置し、フレーム上に配置された電源に接続してもよい。この電源は、自転車に設置された電源（例えば、フレーム９０６上またはフレーム９０６内に設置された電源）に電力を供給する、すなわち充電するために使用することができる。
【００７２】
コイル９１２は、磁石９１８に隣接して配置され、磁石９１８から所定の距離だけ離れて配置されている。そこで、クランク９０４は、コイル９１２が磁石９１８から離れている距離を設定するためのスペーサ（図示せず）を含むことができる。コイル９１２が磁石９１８に近接するほど、より大きい電力がコイルのリード線に出力される。
【００７３】
図示されていないが、電子装置９０２は、コイル９１２を覆う、または覆わない外側ハウジングをさらに含むことができる。
【００７４】
図１３は、図９乃至図１２の自転車搭載型発電機９００に使用されるコイルシステム１３００の一実施形態を示す。コイルシステム１３００は、コイル９１２の一例であり、軸１３０６に回転可能に取り付けられた内部磁石１３０４を囲む固定コイル１３０２を有する。（上述した構成の）リング９１６内の磁石９１８からの磁場は、コイルシステム１３００内の磁石１３０４を軸１３０６を中心に回転させる。この回転は、コイル１３０２内に電流を誘起し、コイルリード線１３１０に出力１３０８を生成する。動作中、ベースリング９１６に配置された磁石９１８によって生成される磁場は、磁石１３０４を軸１３０６を中心に回転させるのに十分強いが、コイルリード線１３１０の出力１３０８に悪影響を与えるほど強くはない。代替の実施形態では、コイル１３０２とベースリング９１６との間に磁気シールドを配置し、磁石９１８によって生成された磁界が磁石１３０４にのみ作用し、コイル１３０２内に電気を誘起しないようにしてもよい。
【００７５】
機能の組み合わせ
上述の特徴および以下に請求される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく様々に組み合わせることができる。以下の例は、上記に説明した本発明の、可能かつ非限定的な組み合わせを例示するものであり、本発明の思想および範囲から逸脱することなく、多くの変更および改変を工程および製品に施すことができることは明らかである。
【００７６】
（Ａ）  クランク動力測定システムは、クランクの力、トルク、動力、および速度のうちの少なくとも１つを測定する。このシステムは、クランクと、前記クランクの表面に配置された少なくとも２つのひずみゲージと、前記少なくとも２つのひずみゲージからひずみデータを受け取り、曲げひずみ、せん断ひずみ、および軸方向ひずみのうちの少なくとも１つを決定する電子装置を備えている。
【００７７】
（Ｂ）  （Ａ）に示されるシステムにおいて、前記少なくとも２つのひずみゲージは、前記中立軸の両側から離れて配置された第１および第２の曲げ感知ひずみゲージを含む。
【００７８】
（Ｃ）  （Ａ）および（Ｂ）のいずれかのシステムにおいて、前記少なくとも２つのひずみゲージは、第３および第４の曲げ感知ひずみゲージをさらに含む。
【００７９】
（Ｄ）  （Ｃ）に示されるシステムにおいて、前記第３の曲げ感知ひずみゲージは、前記中立軸と前記第１の曲げ感知ひずみゲージとの間に配置され、前記第４の曲げ感知ひずみゲージは、前記第２の曲げ感知ひずみゲージと前記中立軸との間に配置されている。
【００８０】
（Ｅ）  （Ｃ）に示されるシステムにおいて、前記第３の曲げ感知ひずみゲージは、前記第１の曲げ感知ひずみゲージに隣接し、かつ前記中立軸から前記第１の曲げ感知ひずみゲージと実質的に同じ距離で離れて配置されており、前記第４の曲げ感知ひずみゲージは、前記第２の曲げ感知ひずみゲージに隣接し、かつ前記中立軸から前記第２の曲げ感知ひずみゲージと実質的に同じ距離で離れて配置されている。
【００８１】
（Ｆ）  （Ａ）乃至（Ｅ）に示されるシステムのいずれかにおいて、前記少なくとも２つのひずみゲージは、第１および第２のせん断感知ひずみゲージをさらに含む。
【００８２】
（Ｇ）  （Ａ）乃至（Ｆ）に示されるシステムのいずれかにおいて、前記第１のせん断感知ひずみゲージは、前記第２のせん断感知ひずみゲージに対称的に対向している。
【００８３】
（Ｈ）  （Ａ）乃至（Ｇ）に示されるシステムのいずれかにおいて、前記少なくとも２つのひずみゲージは、前記中立軸上に配置された第１および第２の軸方向感知ひずみゲージをさらに含む。
【００８４】
（Ｉ）  （Ａ）乃至（Ｈ）に示されるシステムのいずれかにおいて、前記第１の軸方向感知ひずみゲージは、前記第２の軸方向感知ひずみゲージから９０度回転されている。
【００８５】
（Ｊ）  （Ａ）乃至（Ｉ）に示されるシステムのいずれかにおいて、前記少なくとも２つのひずみゲージは、第１、第２、第３、および第４の軸方向感知ひずみゲージをさらに含む。
【００８６】
（Ｋ）  （Ｊ）に示されるシステムのいずれかにおいて、前記軸方向感知ひずみゲージのうちの２つは、前記クランクに沿って水平方向を向き、前記軸方向感知ひずみゲージのうちの２つは、前記クランク上で縦方向を向いている。
【００８７】
（Ｌ）  （Ｊ）および（Ｋ）に示されるシステムのいずれかにおいて、前記第１および第２の軸方向感知ひずみゲージは、前記クランクのボトムブラケットに近づく方向に他のひずみゲージから離れており、前記第３および第４の軸方向感知ひずみゲージは、前記クランクのボトムブラケットから遠ざかる方向に他のひずみゲージから離れている。
【００８８】
（Ｍ）  （Ａ）乃至（Ｌ）に示されるシステムのいずれかにおいて、前記少なくとも２つのひずみゲージは、第１、第２、第３、および第４のせん断感知ひずみゲージをさらに含む。
【００８９】
（Ｎ）  （Ａ）乃至（Ｍ）に示されるシステムのいずれかにおいて、前記少なくとも２つのひずみゲージは、第一次組のひずみゲージと、第二次組のひずみゲージとを含む。
【００９０】
（Ｏ）  （Ｎ）に示されるシステムのいずれかにおいて、前記第二次組のひずみゲージによって取得されたデータは、前記電子装置によって利用されることで、前記第一次組のひずみゲージによって取得されたデータの精度を高める。
【００９１】
（Ｐ）  （Ｎ）および（Ｏ）に示されるシステムのいずれかにおいて、前記第一次組のひずみゲージは、曲げ感知ひずみゲージである。
【００９２】
（Ｑ）  （Ｎ）乃至（Ｐ）に示されるシステムのいずれかにおいて、前記第二次組のひずみゲージは、軸方向感知ひずみゲージである。
【００９３】
（Ｒ）  （Ｎ）乃至（Ｐ）で示されたシステムのいずれかにおいて、前記第二次組のひずみゲージは、せん断感知ひずみゲージである。
【００９４】
（Ｓ）  ユーザーが自転車に乗っているときに電力を発生する自転車クランク搭載型の発電機である。自転車クランク搭載型の発電機は、前記自転車のフレームに固定されたベースリングと、前記ベースリングに結合された複数の磁石と、クランクに取り付けられたコイルシステムと、電子装置を備えており、前記ベースリングは、前記クランクに取り付けられたボトムブラケットを囲んでおり、前記クランクが前記ボトムブラケットを中心に回転するときに、前記コイルはそのリード線に出力を生成するように、前記コイルシステムは前記複数の磁石に近接して配置されており、前記電子装置は、前記出力を電子デバイスに供給するか、または前記出力を電源に蓄えるように動作する。
【００９５】
（Ｔ）  上記（Ｓ）に示す自転車クランク搭載型の発電機において、前記複数の磁石は、反対の極性で交互に配列された磁石を有する。
【００９６】
（Ｕ）  （Ｓ）および（Ｔ）に示される自転車クランク搭載型の発電機のいずれかにおいて、前記電子デバイスは、請求項１乃至１８のいずれかの前記クランク動力測定システムである。
【００９７】
（Ｖ）  （Ｓ）乃至（Ｕ）に示される自転車クランク搭載型の発電機のいずれかにおいて、前記電源は、請求項１乃至１８のいずれかの前記クランク動力測定システムに電力を供給する充電式バッテリである。
【００９８】
（Ｗ）  （Ｓ）乃至（Ｕ）に示される自転車クランク搭載型の発電機のいずれかにおいて、前記電源は、請求項１乃至１８のいずれかの前記クランク動力測定システムに電力を供給するスーパーキャパシタである。
【００９９】
（Ｘ）  （Ｓ）乃至（Ｗ）に示される自転車用クランク搭載型の発電機のいずれかにおいて、前記磁石は電磁石である。
【０１００】
（Ｙ）  （Ｓ）乃至（Ｗ）に示される自転車用クランク式発電機のいずれかにおいて、前記コイルシステムは、軸を中心に回転し、かつコイルを囲む内部磁石を含み、前記複数の磁石によって生成される磁界は、前記内部磁石を前記軸を中心に回転させることで、前記コイルの出力リード線に電気を発生させる。
【０１０１】
本発明の範囲から逸脱することなく、上記の方法およびシステムにおいて変更を加えることができる。したがって、上記の説明に含まれるか、または添付の図面に示される事項は、例示的なものであり、限定的な意味ではなく解釈されるべきである。以下の特許請求の範囲は、本明細書に記載された全ての一般的かつ具体的な特徴、ならびに本発明の方法およびシステムの範囲に文言上含まれうる全ての記述を網羅するものである。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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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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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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