(57)【要約】【課題】自転車が加速運動中でも自転車の正確な傾斜情報を得て、それに基づいて自転車用自動変速システムを得ること。【解決手段】  自転車１００に取り付けられるとともに自転車１００に対して移動可能に配置され気圧を検出する圧力センサ１１と、圧力センサ１１の出力と１１圧力センサの移動情報とに基づいて自転車１００の傾斜情報を検出する傾斜情報検出部４０と、を有する傾斜センサ３と、自転車１００に備えられ自転車１００を変速する変速機７と、前記傾斜情報に基づいて自転車１００の変速機７を制御する制御部１２と、を備える自転車用自動変速システム１とした。【選択図】  図１
2018052346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自転車に取り付けられるとともに前記自転車に対して移動可能に配置され気圧を検出する圧力センサと、
前記圧力センサの出力と前記圧力センサの移動情報とに基づいて前記自転車の傾斜情報を検出する傾斜情報検出部と、
前記自転車に備えられ前記自転車を変速する変速機と、
前記傾斜情報に基づいて前記変速機を制御する制御部と、を備えることを特徴とする自転車用自動変速システム。
【請求項２】
前記傾斜センサは、前記自転車に対して前記圧力センサを所定の移動経路で移動させる移動機構を備え、前記傾斜情報検出部は、前記移動機構によって前記所定の移動経路を移動された前記圧力センサの移動情報と、前記圧力センサの出力とに基づいて、前記自転車の傾斜情報を検出することを特徴とする請求項１に記載の自転車用自動変速システム。
【請求項３】
前記移動機構は、前記圧力センサが配置される回転体を備え、前記回転体を回転させることよって前記圧力センサを円状に移動させることを特徴とする請求項２に記載の自転車用自動変速システム。
【請求項４】
前記移動機構は、前記圧力センサが配置され、直線状に移動可能な直線移動体を備え、前記直線移動体を直線状に移動させることによって前記圧力センサを直線移動させることを特徴とする請求項２に記載の自転車用自動変速システム。
【請求項５】
前記傾斜情報検出部は、前記圧力センサの移動距離と、前記移動距離に対する前記圧力センサの出力値の変化とに基づいて、前記傾斜情報を検出することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の自転車用自動変速システム。
【請求項６】
前記制御部は、傾斜が既知の路面に前記自転車を設置したときの前記傾斜情報を初期値として記憶し、前記自転車が走行中の前記傾斜情報と前記初期値に基づいて前記自転車の変速機を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の自転車用自動変速システム。
【請求項７】
前記自転車用自動変速システムは速度センサを含み、前記制御部は、前記速度センサによって得られる前記自転車の速度情報と、前記傾斜情報と、に基づいて前記自転車の変速機を制御することを特徴とする請求項６に記載の自転車用自動変速システム。
【請求項８】
前記圧力センサは、
空気が流入するキャビティを有するセンサ本体と、
前記空気を前記キャビティの内外に流通させる連通孔を除く前記キャビティの開口面を塞ぐように基端部から先端部に向けて一方向に延びる板状であり、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、
前記カンチレバーの撓み変形に応じた前記気圧変動情報を検出する気圧変動検出部と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の自転車用自動変速システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、傾斜センサを搭載した自転車用自動変速システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
傾斜が変化する道路を走行中の自転車が常に最適なギアを選択するために、路面の傾斜情報を利用する技術が知られている。例えば特許文献１では、所定時間内の車輪の累積回転数から走行距離を求め、気圧センサによる気圧情報と、気圧と高度の関係を示すテーブルを参照することによって当該時間内の高度差を求める。この走行距離と高度差からその間の路面の傾斜角を求める。
また、一般的に知られる傾斜センサを自転車の所定位置に取り付けて傾斜を測定すれば、取付位置の路面に対する角度を差し引くことによって路面の傾斜角を求めることができる。傾斜センサは加速度センサを用いる方式では、本体が静止した状態で、加速度センサにかかる重力と加速度センサの内部座標軸との角度が、重力に対する加速度センサの姿勢と等しいことを利用して、本体の傾斜角を求める。
また、路面の傾斜角とギアチェンジ変換テーブルに基づいて最適ギアを選択することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１７４６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような、車輪の累積回転数による走行距離と高度差から傾斜角を得るためには所定時間の走行が必要であり、得られた傾斜角は常に走行済の道路に関する情報となり、現在位置における路面の傾斜角とは一般的には異なってしまう。
【０００５】
また、加速度センサを用いて傾斜角を得る方式では、自転車が加速運動しているとそれに伴う慣性力と重力の判別ができず、正確な傾斜角が得られない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の第１の特徴は、自転車に取り付けられるとともに前記自転車に対して移動可能に配置され気圧を検出する圧力センサと、前記圧力センサの出力と前記圧力センサの移動情報とに基づいて前記自転車の傾斜情報を検出する傾斜情報検出部と、を有する傾斜センサと、前記自転車に備えられ前記自転車を変速する変速機と、前記傾斜情報に基づいて前記変速機を制御する制御部と、を備えることである。
【０００７】
当該発明によると、自転車が加速運動中であっても圧力センサを用いて傾斜情報を検出するため、正確な傾斜情報が得られ、それに基づいて最適なギアを選択し続けることができ、走行中にリアルタイムで傾斜情報に基づいた正確な変速が可能になり、これにより自転車の走行中に傾斜情報に基づいた自動変速が可能になる。
【０００８】
また、本発明の第２の特徴は、傾斜センサは、自転車に対して圧力センサを所定の移動経路で移動させる移動機構を備え、傾斜情報検出部は、移動機構によって所定の移動経路を移動された圧力センサの移動情報と、圧力センサの出力とに基づいて、自転車の傾斜情報を検出することである。
【０００９】
当該発明によると、圧力センサの移動情報を正確に設定できるため、自転車の傾斜情報を正確に得ることができ、それに基づいて正確な変速が可能になる。
【００１０】
また、本発明の第３の特徴は、移動機構は、圧力センサが配置される回転体を備え、回転体を回転させることよって圧力センサを円状に移動させることである。
【００１１】
当該発明によると、圧力センサを安定して移動させることができ、正確な傾斜情報に基づいて正確な変速が可能になる。
【００１２】
また、本発明の第４の特徴は、移動機構は、圧力センサが配置され、直線状に移動可能な直線移動体を備え、直線移動体を直線状に移動させることによって圧力センサを直線移動させることである。
【００１３】
当該発明によると、ギア選択のために重要な進行方向の傾斜情報を正確に得ることができ、正確な変速が可能になる。
【００１４】
また、本発明の第５の特徴は、傾斜情報検出部は、圧力センサの移動距離と、移動距離に対する圧力センサの出力値の変化とに基づいて、傾斜情報を検出することである。
【００１５】
当該発明によると、簡便な数式による計算のみで正確な傾斜情報が得られ、正確な変速が可能になる。
【００１６】
また、本発明の第６の特徴は、制御部は、傾斜が既知の路面に自転車を設置したときの傾斜情報を初期値として記憶し、自転車が走行中の傾斜情報と初期値に基づいて自転車の変速機を制御することである。
【００１７】
当該発明によると、傾斜センサを任意の角度で自転車に取り付けても、正確な傾斜情報が得られるため、正確な変速が可能になる。
【００１８】
また、本発明の第７の特徴は、自転車用自動変速システムは速度センサを含み、制御部は、速度センサによって得られる自転車の速度情報と、傾斜情報と、に基づいて自転車の変速機を制御することである。
【００１９】
当該発明によると、速度情報も考慮することで、より適切なギアを選択することができる。
【００２０】
また、本発明の第８の特徴は、圧力センサは、空気が流入するキャビティを有するセンサ本体と、空気をキャビティの内外に流通させる連通孔を除くキャビティの開口面を塞ぐように基端部から先端部に向けて一方向に延びる板状であり、キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、カンチレバーの撓み変形に応じた気圧変動情報を検出する気圧変動検出部とを備えることである。
【００２１】
当該発明によると、微小な高さ変動を正確に検出できるため、正確な傾斜情報が得られ、適切なギアを選択することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明にかかる自転車用自動変速システムは、加速運動中であってもリアルタイムで正確な傾斜角を取得し、その情報に基づいて姿勢制御を行うため、正確で安定したギア選択が可能となり、これにより自転車の走行中に傾斜情報に基づいた自動変速が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る自転車用自動変速システム１の模式図である。
【図２】図１の自転車用自動変速システム１のブロック図である。
【図３】図１、図２の傾斜センサ３のブロック図である。
【図４】第１の実施形態における圧力センサ１１の水平時における出力信号の一例を説明する図である。
【図５】第１の実施形態における圧力センサ１１のＹ軸方向傾斜時における出力信号の一例を説明する図である。
【図６】第１の実施形態における自転車用自動変速システム１の動作を表すフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る自転車用自動変速システム１ａの動作を表すフローチャートの一部である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る傾斜センサ２００のブロック図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る自転車用自動変速システム３００のブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態における自転車用自動変速システム３００の動作を表すフローチャートの一部である。
【図１１】本発明の第５の実施形態における傾斜センサ４００のブロック図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態による圧力センサ４７１の一例を示す構成図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態による圧力センサ４７１の一例を示す構成図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態による検出回路５２２の一例を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第６の実施形態における圧力センサ４７１の出力信号の一例を示す図である。
【図１６】本発明の第６の実施形態における圧力センサ４７１の動作の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る自転車用自動変速システムの実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
＜全体構成＞
図１は本願の第１実施形態に係る自動変速システム１を自転車１００に搭載した模式図を示す。自動変速システム１は自転車１００のトップチューブ２に固定された傾斜センサ３と、シートステー４に固定された制御ユニット５と、リアハブのスプロケット６に固定された変速機７と、を持つ。図示は省略したが、自動変速システム１にはセンサとして傾斜センサ３以外に速度センサＳ１、加速度センサＳ２を持つ。傾斜センサ３はトップチューブ２の重力方向に垂直な水平面からの傾斜角をトップチューブ（取付位置の例）傾斜情報として制御ユニット５に送信する。制御ユニット５はその情報とあらかじめ保有している初期状態での傾斜角とから、道路傾斜情報を得る。重力と反対方向をＺ方向、自転車１００の前方方向をＹ方向、自転車１００の左方向をＸ方向と定義する。
図２は自動変速システム１のブロック図を示す。制御ユニット５は制御部１２、通信部１３、電源部１４、記憶部１５、変速制御部１６を持つ。傾斜センサ３、速度センサＳ１、加速度センサＳ２は、通信部１３を介して制御部１２と通信する。変速機７は変速制御部１６により制御されたアクチュエータ１７によって操作される。記憶部１５には、制御部１２において実行されるプログラム、後述する初期化によって得られる基準となる傾斜角データ、気圧差と出力波形振幅電圧の関係データ、気圧差と高低差の関係データ、路面傾斜角に対応した最適ギアの参照表データ、などの必要データが記憶されている。
図３は傾斜センサ３のブロック図である。傾斜センサ３はトップチューブ２に対して固定された移動機構２０と、圧力センサ１１と、磁石３１と、回転検出部３２と、同期クロック信号生成部３３と、傾斜センサ電源部３４と、スリップリング３５と、傾斜情報検出部４０とを備えている。また、移動機構２０は、回転板２１（回転体の一例）と、傾斜センサモータ制御部２２と、傾斜センサモータ２３とを備えている。移動機構２０は、回転板２１を回転させることよって圧力センサ１１を円状に移動させる。回転板２１は、傾斜センサモータ２３によって回転軸Ｃ１回りに回転する。圧力センサ１１は、例えば、空気などの流体の圧力を検出する。圧力センサ１１は、例えば、圧力による物理的な変形により抵抗値が変化する差圧センサ（相対センサ）と、当該差圧センサを抵抗の一部とするホイートストンブリッジ回路と、出力アンプとを備えており、圧力による差圧センサの抵抗変化に基づいて、圧力（例えば、気圧）を検出する。ＸＹＺ直交座標系は図１と同一の定義であり、重力と反対方向をＺ方向とする。基準状態として傾斜センサ３の姿勢が水平であるとすると、回転板２１は重力に直交する水平面（ＸＹ平面）上を所定の回転速度で回転する。
磁石３１は、回転板２１の円周付近に配置されており、圧力センサ１１（又は回転板２１）の回転位置の検出に利用される。回転検出部３２（移動情報検出部の一例）は、圧力センサ１１の移動情報を検出する。なお、圧力センサ１１の移動情報とは、例えば、圧力センサ１１の移動位置（回転位置）、移動量、速度、方向、及び位相などの情報であり、ここでは、一例として、圧力センサ１１の回転位置を示す情報（回転位置情報）として説明する。回転検出部３２は、例えば、ホール素子などの磁気検出素子であり、回転板２１に配置された磁石３１が接近することにより、回転板２１の基準位置を検出し、検出信号を出力する。
同期クロック信号生成部３３（参照信号生成部の一例）は、回転検出部３２が検出した移動情報に基づいて、所定の方向の傾斜に対応する同期クロック信号（参照信号）を生成する。すなわち、同期クロック信号生成部３３は、回転板２１の基準位置に応じて回転検出部３２から出力された検出信号に基づいて、例えば、Ｙ軸方向の傾斜を同期検波する同期クロック信号を生成する。具体的に、同期クロック信号生成部３３は、回転検出部３２から出力された検出信号をトリガとして、回転板２１の回転周期と同一周期のクロック信号を生成する。そして、同期クロック信号生成部３３は、Ｙ軸方向の傾斜を同期検波するように、生成したクロック信号を遅延させて、同期クロック信号として傾斜情報検出部４０に出力する。
傾斜センサ電源部３４は、傾斜センサ３を動作させるための電源電圧を生成し、生成した電源電圧を各部に供給する。また、傾斜センサ電源部３４は、スリップリング３５を介して、回転板２１上の圧力センサ１１に電源電圧（電源電力）を供給する。
スリップリング３５は、回転している回転板２１上の圧力センサ１１に、傾斜センサ電源部３４が生成した電源電圧（電源電力）を供給するとともに、圧力センサ１１から出力された出力信号を傾斜情報検出部４０に伝送する信号伝送手段である。スリップリング３５を用いることにより、傾斜センサ３は、回転している回転板２１上に配置されている圧力センサ１１の出力信号を適切に傾斜情報検出部４０に伝送することが可能になる。
傾斜情報検出部４０は、圧力センサ１１の出力と、圧力センサ１１の移動情報とに基づいて、移動体の傾斜情報を検出する信号処理部である。すなわち、傾斜情報検出部４０は、移動機構２０によって所定の移動経路を移動された圧力センサ１１の移動情報と、圧力センサ１１の出力とに基づいて、移動体の傾斜情報を検出する。ここで、傾斜情報には、例えば、傾斜角、水平度、傾斜の有無を示す情報などが含まれる。本実施形態では、一例として、傾斜情報検出部４０が、トップチューブ２の傾斜角を検出する例について説明する。
また、傾斜情報検出部４０は、例えば、圧力センサ１１の移動距離と、移動距離に対する圧力センサ１１出力値の変化とに基づいて、移動体の傾斜情報を検出する。ここで、図３及び図４、図５を参照して、傾斜情報検出部４０による傾斜角の検出原理について説明する。
＜傾斜角の検出原理＞
図４は、本実施形態における圧力センサ１１の水平時における出力信号の一例を説明する図である。図４（ａ）では、傾斜センサ３は、トップチューブ２に対して固定された傾斜センサモータ２３と、傾斜センサモータ２３によって回転軸Ｃ１回りに回転する回転板２１と、回転板２１の上に固定された圧力センサ１１を持つ。図４（ａ）は、トップチューブ２が水平である場合の状態を示している。図４（ｂ）は、このときの圧力センサ１１の出力信号を示している。図４（ｂ）において、グラフの縦軸は、圧力センサ１１の出力信号の電圧を示し、グラフの横軸は、時間を示している。また、波形Ｗ１は、圧力センサ１１の出力信号の波形を示している。図４（ａ）に示すように、トップチューブ２が水平状態である場合、回転板２１とともに、円状に移動する圧力センサ１１は、水平に移動するため、図４（ｂ）の波形Ｗ１に示すように、一定の電圧を出力する。
図５は、本実施形態における圧力センサ１１のＹ軸方向傾斜時における出力信号の一例を説明する図である。図５（a）はトップチューブ２が、重力に垂直な水平面から傾斜角θだけ傾斜した状態を示す。圧力センサ１１は回転板２１の回転に伴って回転するが、回転板２１が傾斜しているため、圧力センサ１１は重力に対して上下方向に振動し、大気圧の高さ依存性に従って高度が上がった瞬間は気圧が低いことを示す出力を出し、高度が下がった瞬間は気圧が高いことを示す出力を出す。そのため、一定の周波数で回転板２１を回転させたときの圧力センサ１１の出力は図５（ｂ）のような正弦波Ｗ２になる。圧力センサ１１の感度（単位高さ変化に対する出力電圧）をあらかじめ測定しておくと、Ｗ２振幅ΔＶ０から圧力センサ１１の高さ方向における変位量ΔＨが算出できる。圧力センサ１１と回転軸Ｃ１との距離Ｒｓは所定値に設計しておくと、式（１）から傾斜角θを算出できる。
【００２５】
【数１】
2018052346.tif 000003
【００２６】
ここで、変数Ｒｓは、図４（ａ）に示すように、圧力センサ１１の回転半径を示している。また、変化量ΔＶ０に対応する高さの変化ΔＨは、圧力センサ１１の出力信号の変化量ΔＶ０をＺ軸方向の高さの変化に変換したものである。傾斜情報検出部４０は、例えば、演算により変化量ΔＶ０から高さの変化を変換してもよいし、変化量ΔＶ０と高さの変化とを対応付けた変換テーブルに基づいて、変化量ΔＶ０に対応する高さの変化ΔＨを生成してもよい。圧力センサ１１の出力信号から得られた気圧変動から高さ変動への変換の方法は数式で記憶しておくこともできるが、例えば式（２）が知られている。
ΔＨ＝１８４１０．０×（ｌｏｇ１０Ｐ１−ｌｏｇ１０Ｐ２）・・・式（２）
ここでＰ１とＰ２は気圧の変動前と後の値である。また、傾斜情報検出部４０は式（１）を利用して、傾斜角θを傾斜情報として生成する。
図３の説明に戻り、傾斜情報検出部４０は、同期クロック信号生成部３３が生成した同期クロック信号と、圧力センサ１１から出力される周期的な出力信号とに基づいて同期検波を実行し、当該同期検波の結果に基づいて、検出対象物の所定の方向の傾斜情報を検出する。同期検波部４１は、上述した圧力センサ１１の周期的な出力信号と、同期クロック信号生成部３３が生成した同期クロック信号とに基づいて同期検波を実行する。同期検波部４１は、例えば、ロックインアンプ回路とローパスフィルタ（ＬＰＦ）とを含み、圧力センサ１１の出力信号の振幅に比例した直流信号を生成する。
傾斜角生成部４２は、同期検波部４１が生成した圧力センサ１１の出力信号の振幅に比例した直流信号に基づいて、式（１）を利用して、傾斜角θを傾斜情報として生成する。
＜自動変速システム１の動作＞
図６は本実施形態における自転車用自動変速システム１の動作を表すフローチャートである。まずＳＴＥＰ１で、傾斜角が既知（典型的には０度（水平））の地面に自転車１００を置いて、圧力センサ１１の出力波形振幅を取得する。傾斜センサ３は本実施形態ではトップチューブ２に固定しているが、トップチューブ２の長手方向は一般的には水平ではないため、この方向に合わせて傾斜センサ３を固定すると、水平の地面に自転車１００を置いた場合であっても圧力センサ１１の出力波形振幅は０にはならない。このときの振幅から算出した傾斜角を、制御部１２は初期値として記憶部１５に記憶させる。これを初期化と呼ぶ。速度センサＳ１から速度がゼロ、すなわち静止している情報が得られている場合は、加速度センサＳ２が重力加速度のみを検出するため、検出した加速度の方向と傾斜センサ３の姿勢の相対角度から、傾斜センサ３の初期傾斜角を求めることもできる。次に自転車１００の走行を開始し、ＳＴＥＰ２で圧力センサ１１の出力波形振幅を取得する。振幅は電圧の形で得られるが、気圧差と出力波形振幅電圧の関係は、あらかじめ所定の気圧差を発生させる装置を用いて計測したデータを記憶部１５から呼び出して、気圧差を算出する（ＳＴＥＰ３）。気圧差と高低差の関係もまた、記憶部１５から呼び出して、高低差を算出する（ＳＴＥＰ４）。気圧差から高低差への変換は、上述したように式（２）で算出することもできる。次にＳＴＥＰ５で、上述したように式（１）を用いて、傾斜センサ３の傾斜角を算出する。次にＳＴＥＰ６で、初期化の際に記憶した水平状態での出力を呼び出して、それを差し引くことにより、路面傾斜角を算出する。路面傾斜角と、それに対応した最適ギアの表を記憶部１５から呼び出して、この瞬間の最適ギアを選択する（ＳＴＥＰ７）。この路面傾斜角と最適ギアの表は、たとえば路面傾斜角が３°以下であれば５段、３°を超え５°以下であれば４段、５°を超え７°以下であれば３段、７°を超え１０°以下であれば２段、１０°を超えれば１段、が最適ギアであるという情報を保持している。この関係は自転車の設計によって異なるため、異なるモデルにおいてはこの表は異なる数値を持つ。次にＳＴＥＰ８で、制御部１２からの指示信号を受けた変速制御部１６は、変速機７に対して最適ギアへの変速動作を行う。この動作を測定継続が終了するまで繰り返し行う（ＳＴＥＰ９）。
これにより、本実施形態による傾斜センサ３は、圧力センサ１１を用いて傾斜情報を検出するため、自転車が加速あるいは減速走行中であっても加速度の影響を受けることがない。例えば、本実施形態による傾斜センサ３は、水平方向の加速度の影響を受けることがないので、自転車１００が加速運動している最中でも正確な傾斜情報を取得して、それに基づいたギア選択が可能である。また、本実施形態による傾斜センサ３は、圧力センサ１１を移動させて傾斜情報を検出し、１つの圧力センサ１１により傾斜情報を検出できる。よって、本実施形態による傾斜センサ３は、傾斜情報の検出精度を向上させることができ、自転車１００はより正確な傾斜情報に基づいたギア選択が可能である。
ところで、自転車走行中の傾斜情報の検出に、加速度センサを使用した場合、加速度の変化を距離の変化に変換するためには、２回積分する必要がある。また、加速度センサの出力に基づいて遠心力から角速度を検出する場合、又はジャイロセンサ（角速度センサ）により角速度を検出する場合には、角速度から角度を算出するために、１回積分する必要がある。このように、加速度センサ又はジャイロセンサを使用した場合には、積分が必要となり、積分により誤差が蓄積され、傾斜情報の検出精度が低下する傾向にある。
これに対して、本実施形態による自動変速システム１においては、傾斜情報取得のために用いる傾斜センサ３が圧力センサ１１を使用しているため、上述したような積分により誤差の蓄積がなく、傾斜情報の検出精度を向上させることができる。また、本実施形態による傾斜センサ３は、式（１）を利用して、簡易な演算処理により、傾斜角θを検出することができる。
このようにして得られた傾斜角θに基づいて制御部１２は演算あるいは判断処理を行い、変速制御部１６に対して適切な命令を出すことで、自転車１００は最適ギアを選択し続けることができ、これにより自転車１００の自動変速ができる。
（第２の実施形態）
図７は本発明の第２の実施形態に係る自転車用自動変速システム１ａの動作を表すフローチャートの一部を示す。全体構成やブロック図など、第１実施形態と同様の部分については説明を省略する。本実施形態においては、最適ギアを選択する際に路面傾斜角情報以外に自転車１００の速度情報も併せて利用する点が特徴である。図７に示すように、路面傾斜角を算出するＳＴＥＰ６の後で、速度情報を取得するＳＴＥＰ６ａを行ってから、ＳＴＥＰ７で最適ギアを選択する。速度情報は通常の速度計や車輪に取り付けられたエンコーダタイプの高精度速度センサなどから取得することができる。最適ギアは路面傾斜角だけでなく、その瞬間の自転車１００の速度にも依存することは知られているため、本実施形態のように速度情報を利用することで、より適切なギアを選択することができる。この場合は、路面傾斜角と速度の組み合わせに対して最適ギアを与える表を記憶部１５に記憶させておく。
（第３の実施形態）
本実施形態の特徴は傾斜センサ２００の構成にあるので、全体構成と動作については説明を省略する。  
＜傾斜センサの構成＞
図８は傾斜センサ２００のブロック図である。傾斜センサ２００は、圧力センサ１９０と、移動機構２００ｂと、磁石２１１と、位置検出部２１２ｂと、同期クロック信号生成部２１３と、傾斜センサ電源部２１４と、フレキシブル基板２１５ａと、傾斜情報検出部２２０とを備えている。本実施形態では、圧力センサ１９０の移動を、円状の移動の代わりに、直線状に往復移動させる直線移動にしている点が上述の実施形態とは異なっている。図８に示すＹ軸が自転車１００の進行方向であり、Ｚ軸が重力方向、Ｘ軸が自転車１００の左右方向（図１の紙面に垂直方向）である。本実施形態ではトップチューブ２の傾斜はＹ軸方向に沿った傾斜のみが重要であるので、傾斜センサ２００はＹ軸方向に沿った傾斜情報を取得するよう設計されている。移動機構２００ｂは、圧力センサ１９０が配置され、直線状に移動可能な移動板２０５（直線移動体）を備え、移動板２０５を直線状に移動させることによって圧力センサ１９０を直線移動させる。すなわち、移動機構２００ｂは、圧力センサ１９０を直線状に往復移動させる直線移動を可能にする。また、移動機構２００ｂは、例えば、リニアトラッキング機構２３０と、モータ制御部２０２と、モータ２０３とを備えている。リニアトラッキング機構２３０は、回転板２０１と、クランクシャフト２０４と、移動板２０５と、レール２０６とを備え、回転板２０１の回転運動を、移動板２０５のＹ軸方向に沿った直線移動に変換する。移動板２０５は、圧力センサ１９０及び磁石２１１が配置され、モータ２０３によって、回転板２０１が回転されることによって、クランクシャフト２０４を介して、水平時にレール２０６上をＹ軸方向に直線状に移動する。モータ制御部２０２は、回転板２０１を所定の回転速度で回転させて、圧力センサ１９０を上述した直線移動させるように制御する。位置検出部２１２ｂは、圧力センサ１９０の移動情報を検出する。位置検出部２１２ｂは、例えば、ホール素子などの磁気検出素子であり、移動板２０５に配置された磁石２１１が接近することにより、移動板２０５の基準位置を検出し、検出信号を同期クロック信号生成部２１３に出力する。
【００２７】
本実施形態による傾斜センサ２００では、圧力センサ１９０が、移動機構２００ｂによって、直線移動されることにより、圧力センサ１９０は、トップチューブ２の傾斜に応じて、周期的な出力信号を出力する。また、同期クロック信号生成部２１３は、位置検出部２１２ｂによって検出された移動板２０５の位置を示す情報に基づいて、Ｙ軸方向の傾斜を検出するための同期クロック信号を生成する。傾斜情報検出部２２０は、圧力センサ１９０がフレキシブル基板２１５ａを介して出力した周期的な出力信号と、同期クロック信号とに基づいて、同期検波を実行し、当該同期検波の結果に基づいて、傾斜角を検出する。このような特徴を持つ傾斜センサ２００を搭載することで、ギア選択にとって最も重要な方向の路面傾斜角を取得することができ、常に最適なギアを選択することができる。
（第４の実施形態）
図９は本実施形態にかかる自動変速システム３００のブロック図を示す。図２に示した第１実施形態の自動変速システム１と同様の部分については同一符号を与え説明を省略する。本実施形態の特徴は、温度センサＳ３と気圧センサＳ４を持つ点である。本実施形態においては、路面傾斜情報を温度情報と気圧情報を用いて補正する。図１０は自転車用自動変速システム３００の動作を表すフローチャートの一部である。傾斜センサ３が内部に持つ圧力センサ１１は、圧力変動を電気抵抗変化に変換し、更にそれを電圧変化として出力する。この電気抵抗は温度依存性を持つため、気温が変化すると電気抵抗が変化して、圧力変動の検出値に対してノイズとなってしまう。本実施形態では、電気抵抗の温度依存性をあらかじめ測定した温度依存性テーブルを記憶部１５に保存しておき、傾斜センサ３からの出力信号を受けた制御部１２は、温度センサＳ３からＳＴＥＰ２ａで取得した温度情報と上記温度依存性テーブルを参照して、気圧差を算出する（ＳＴＥＰ３）。また、電圧変化を高さ変化に変換した値は、周囲の気圧に依存するため、高度や天候の変化が高さ変化計算値にノイズを与え、結果として得られる傾斜角にもノイズとなってしまう。本実施形態では、圧力変化と高さ変化の関係の気圧依存性をあらかじめ気圧依存性テーブルとして記憶部１５に保存しておき、制御部１２は、気圧センサＳ４からＳＴＥＰ３ａで取得した気圧情報と上記気圧依存性テーブルを参照して、高低差を算出する（ＳＴＥＰ４）。
以上説明したように、温度や天候あるいは高度が異なる場所であっても正確な路面傾斜角を取得することで、常に最適なギアを選択することができる。
（第５の実施形態）
本実施形態の特徴は傾斜センサ４００の構成にあるので、全体構成と動作については説明を省略する。
＜傾斜センサの構成＞
図１１は傾斜センサ４００のブロック図である。図８に示した第３実施形態の傾斜センサ２００と同様の部分については同一符号を与え説明を省略する。本実施形態の特徴は、モータなど能動的に圧力センサの移動を制御する移動機構を持たない点である。圧力センサ１９０が固定された移動板２０５は、自転車１００の加速運動や路面凹凸に起因する振動によって、レール２０６上をＹ軸方向に直線状に移動する。位置検出部２１２ｂが磁石２１１を利用して圧力センサ１９０の移動を検出して、検出信号を同期クロック信号生成部２１３に出力する点は第３実施形態と同様である。本実施形態では、移動板２０５の移動のタイミングや速度が制御されずに外部からの偶発的な力によって引き起こされるが、常に位置検出部２１２ｂが移動を検出しているため、移動情報を生成することができる。これにより、極めて小型で且つ低消費電力で路面傾斜角を取得することで、常に最適なギアを選択することができる。
（第６の実施形態）
本実施形態の特徴は圧力センサ４７１の構成にあるので、全体構成と動作については説明を省略する。
次に、図１２から図１４を参照して、本実施形態における圧力センサ４７１の詳細な構成について説明する。
図１２と図１３は、本実施形態による圧力センサ４７１の一例を示す構成図である。
図１２は、本実施形態における圧力センサ４７１の一例を示す平面図であり、図１３は、図１２に示すＡ−Ａ線に沿った圧力センサ４７１の断面図である。
図１２と図１３に示すように、圧力センサ４７１は、表裏の圧力差に応じて変形するカンチレバー４７４と、一端がカンチレバー４７４と対向するように配設された蓋部５１２と、カンチレバー４７４の変位を測定するための気圧変動検出部４７５と、カンチレバー４７４及び蓋部５１２の一面に配設されたキャビティ筐体４７３と、を有している。
キャビティ筐体４７３（センサ本体の一例）は、内部にキャビティ５１０が形成された箱状の部材である。キャビティ筐体４７３は、例えば、キャビティ５１０を構成するセラミック材よりなる第１筐体部４７３−１と、第１筐体部４７３−１上に配置され、かつ後述のシリコン支持層４７２ａ及びシリコン酸化膜等の酸化層４７２ｂよりなる第２筐体部４７３−２とを有している。
カンチレバー４７４は、例えば、シリコン支持層４７２ａ、シリコン酸化膜等の酸化層４７２ｂ、及びシリコン活性層４７２ｃを熱的に貼り合わせたＳＯＩ基板４７２を加工することで形成されている。具体的には、カンチレバー４７４は、ＳＯＩ基板４７２を構成するシリコン活性層４７２ｃよりなり、平板状のシリコン活性層４７２ｃから平面視コ字状に形成されたギャップ５１３を切り出した形状からなる。これにより、カンチレバー４７４は、基端部４７４ａを固定端とし、蓋部５１２と対向する側の端部である先端部４７４ｂを自由端とした片持ち梁構造となる。
また、カンチレバー４７４は、キャビティ筐体４７３に形成されたキャビティ５１０の上面を囲うように配置されている。つまり、カンチレバー４７４は、キャビティ５１０の開口を略閉塞している。カンチレバー４７４は、基端部４７４ａを介してキャビティ筐体４７３に第２筐体部４７３−２上に対して一体的に固定されることで、片持ち支持される。これにより、カンチレバー４７４は、基端部４７４ａを固定端としてキャビティ５１０内部と外部との圧力差（差圧）に応じた撓み変形が可能になる。
このように、カンチレバー４７４は、空気をキャビティ５１０の内外に流通させるギャップ５１３（連通孔）を除くキャビティ５１０の開口面を塞ぐように基端部４７４ａから先端部４７４ｂに向けて一方向に延びる板状であり、キャビティ５１０の内部と外部との圧力差に応じて撓み変形する。
なお、カンチレバー４７４の基端部４７４ａには、カンチレバー４７４が撓み変形しやすいように、平面視コ字状の貫通孔５１５が形成される。ただし、この貫通孔５１５の形状は、カンチレバー４７４の撓み変形を容易にする形状ならば、上記コ字状に限定されるものではない。
蓋部５１２は、キャビティ５１０上方に位置し、ギャップ５１３を介して、カンチレバー４７４の周囲に配置されている。当該蓋部５１２は、シリコン活性層４７２ｃで構成される。
気圧変動検出部４７５は、外部から加わる応力に応じて電気抵抗値が変化するピエゾ抵抗５２０と、この電気抵抗値変化を取り出す検出回路５２２から構成されている。
ピエゾ抵抗５２０は、図１２に示すように、図中縦方向において、貫通孔５１５を挟んだ両側に対となって配置される。これら一対のピエゾ抵抗５２０は、導電性材料からなる配線部５２１を介して相互に電気的に接続されている。
なお、この配線部５２１及びピエゾ抵抗５２０を含む全体的な形状は、例えば、図１２に示すように平面視Ｕ字状とすることができるが、別の配置形状としてもよい。
検出回路５２２は、ピエゾ抵抗５２０と接続され、ピエゾ抵抗５２０の電気抵抗値変化に基づいた信号を出力する回路である。検出回路５２２は、例えば、図１４に示すように、ブリッジ回路５２３及び増幅回路５２４で構成される。すなわち、検出回路５２２は、ピエゾ抵抗５２０と、固定抵抗Ｒｏ、可変抵抗Ｒｏ’を用いて、ブリッジ回路５２３を構成することで、ピエゾ抵抗５２０の電気抵抗値の変化を電圧変化として取り出すことができる。そして、検出回路５２２は、この電圧変化を増幅回路５２４により所定のゲインで増幅して出力する。
なお、上記のピエゾ抵抗５２０は、例えば、イオン注入法や拡散法等の各種方法によりリン等のドープ剤（不純物）をシリコン活性層４７２ｃにドーピングすることで形成される。また、ドープ剤は、シリコン活性層４７２ｃ表面近傍のみに添加される。このため、ピエゾ抵抗５２０の電気抵抗値の変化は、カンチレバー４７４に加わる応力の圧縮／伸長の方向に対して正負逆となる。
また、一対のピエゾ抵抗５２０間は、配線部５２１のみで電気的に導通するように構成されている。このため、カンチレバー４７４のうち配線部５２１近傍におけるシリコン活性層４７２ｃは、配線部５２１以外でピエゾ抵抗５２０双方が導通しないよう、エッチング等によりシリコン活性層４７２ｃを除去して形成した溝部を有している。なお、上記の配線部５２１近傍におけるシリコン活性層４７２ｃは、部分的に不純物ドープされることで、エッチングを省略した構成としてもよい。
次に、図面を参照して、本実施形態による傾斜計測装置１の動作について説明する。
まず、図１５及び図１６を参照して、本実施形態における圧力センサ４７１の動作について説明する。ここでは、計測対象物の高度が変化することで、大気（空気）の圧力が変化した場合のカンチレバー４７４の動作と、その時の検出回路５２２の出力特性について説明する。なお、以下の説明において、空気の圧力は、以下、外圧Ｐｏｕｔと表記することとする。外圧Ｐｏｕｔは、カンチレバー４７４のキャビティ筐体４７３への配設面と対向する面（すなわち、図１６における上面）側の圧力である。また、キャビティ５１０内部の内圧を内圧Ｐｉｎと定義し、外圧Ｐｏｕｔとする。
図１５は、本実施形態における圧力センサ４７１の出力信号の一例を示す図である。
ここで、図１５（ａ）は、外圧Ｐｏｕｔ及び内圧Ｐｉｎの経時変化を示しており、図１５（ｂ）は、検出回路５２２の出力信号の経時変化を示している。
また、図１６は、実施形態における圧力センサ４７１の動作の一例を示す図であり、図１２及び図１３に示すカンチレバー４７４の動作の一例を模式的に示す断面図である。
ここで、図１６（ａ）は、初期状態のカンチレバー４７４の断面図を示し、（図１６（ｂ）は、外圧Ｐｏｕｔが内圧Ｐｉｎより高い状態のカンチレバー４７４の断面図を示している。また、図１６（ｃ）は、キャビティ５１０内外の圧力が同じに戻った状態のカンチレバー４７４の断面図を示している。なお、図１６において、検出回路５２２の図示を省略する。
まず、図１５（ａ）における期間Ａのように、外圧Ｐｏｕｔと内圧Ｐｉｎとが等しく、差圧ΔＰがゼロである場合には、図１６（ａ）に示すように、カンチレバー４７４は、撓み変形しない。
次に、図１５（ｂ）における時刻ｔ１以降の期間Ｂのように、例えば、外圧Ｐｏｕｔがステップ状に上昇すると、内圧Ｐｉｎは急激に変化できず、差圧ΔＰが生じるため、図１６（ｂ）に示すように、カンチレバー４７４は、キャビティ５１０内部に向けて撓み変形する。すると、当該カンチレバー４７４の撓み変形に応じてピエゾ抵抗５２０に応力が加わり、電気抵抗値が変化するので、図１５（ｂ）に示すように、検出回路５２２の出力信号が増大する。
また、外圧Ｐｏｕｔの上昇以降（時刻ｔ１以降）において、ギャップ５１３を介してキャビティ５１０の外部から内部へと圧力伝達媒体が徐々に流動する。このため、図１５（ｂ）に示すように、内圧Ｐｉｎは、時間の経過とともに、外圧Ｐｏｕｔに遅れながら、かつ外圧Ｐｏｕｔの変動よりも緩やかな応答で上昇する。
その結果、内圧Ｐｉｎが外圧Ｐｏｕｔに徐々に近づくので、カンチレバー４７４の撓みが徐々に小さくなり、図１５（ｂ）に示すように、上述の出力信号が、徐々に低下する。
そして、図１５（ｂ）に示す時刻ｔ２以降の期間Ｃのように、内圧Ｐｉｎが外圧Ｐｏｕｔと同じになると、図１６（ｃ）に示すように、カンチレバー４７４の撓み変形が解消され、図１６（ｃ）に示す初期状態に復帰する。さらに、図１５（ｂ）に示すように、検出回路５２２の出力信号も期間Ａの初期状態と同値に戻る。
なお、検出回路５２２の出力信号は、初期状態における基準電圧と、ピエゾ抵抗５２０の抵抗変化に基づいて増幅された信号との加算となる。初期状態における基準電圧は、カンチレバー４７４に加わる差圧ΔＰがゼロの場合の、図１４に図示したブリッジ回路５２３の分圧点Ｖａと分圧点Ｖｂとの電圧差を増幅回路５２４で増幅した電圧値となる。
なお、上述した圧力センサ４７１では、ＳＯＩ基板４７２のシリコン活性層４７２ｃを利用して半導体プロセス技術によりカンチレバー４７４を形成できるので、非常に薄型化（例えば数十から数百ｎｍ厚）しやすい。したがって、圧力センサ４７１では、微小な圧力変動の検出を精度よく行うことができる。
さらに、圧力センサ４７１では、外圧Ｐｏｕｔが非常に緩やかに変化する場合、ギャップ５１３による圧力伝達媒体の流動制限機能が作用せず、内圧Ｐｉｎは外圧Ｐｏｕｔに対して時間遅れせず、ほぼ同じ圧力値となり、差圧ΔＰが発生しない。本実施形態では、これを逆に利用し、外圧Ｐｏｕｔが非常に遅い変化速度の場合（例えば、気象変化のような気圧変化の場合）、外圧Ｐｏｕｔの変化を無視することが可能となる。よって、気象変化のような気圧変化をノイズとして除去することが可能になる。
このような高分解能で気圧変動を検出できる圧力センサ４７１を利用して微小な高度差を検出し、それに基づいて道路の傾斜情報を算出することで常に最適なギアを選択することができる。
すなわち、以上の実施形態に係る自転車用自動変速システムは、自転車に取り付けられるとともに前記自転車に対して移動可能に配置され気圧を検出する圧力センサと、前記圧力センサの出力と前記圧力センサの移動情報とに基づいて前記自転車の傾斜情報を検出する傾斜情報検出部と、を有する傾斜センサと、前記自転車に備えられ前記自転車を変速する変速機と、前記傾斜情報に基づいて前記変速機を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
また、以上の実施形態に係る自転車用自動変速システムは、前記傾斜センサが、前記自転車に対して前記圧力センサを所定の移動経路で移動させる移動機構を備え、前記傾斜情報検出部は、前記移動機構によって前記所定の移動経路を移動された前記圧力センサの移動情報と、前記圧力センサの出力とに基づいて、前記自転車の傾斜情報を検出することを特徴とする。
また、以上の実施形態に係る自転車用自動変速システムは、前記移動機構が、前記圧力センサが配置される回転体を備え、前記回転体を回転させることよって前記圧力センサを円状に移動させることを特徴とする。
また、以上の実施形態に係る自転車用自動変速システムは、前記移動機構が、前記圧力センサが配置され、直線状に移動可能な直線移動体を備え、前記直線移動体を直線状に移動させることによって前記圧力センサを直線移動させることを特徴とする。
また、以上の実施形態に係る自転車用自動変速システムは、前記傾斜情報検出部が、前記圧力センサの移動距離と、前記移動距離に対する前記圧力センサの出力値の変化とに基づいて、前記傾斜情報を検出することを特徴とする。
また、以上の実施形態に係る自転車用自動変速システムは、前記制御部が、傾斜が既知の路面に前記自転車を設置したときの前記傾斜情報を初期値として記憶し、前記自転車が走行中の前記傾斜情報と前記初期値に基づいて前記自転車の変速機を制御することを特徴とする。
また、以上の実施形態に係る自転車用自動変速システムは、速度センサを含み、前記制御部は、前記速度センサによって得られる前記自転車の速度情報と、前記傾斜情報と、に基づいて前記自転車の変速機を制御することを特徴とする。
また、以上の実施形態に係る自転車用自動変速システムは、前記圧力センサが、空気が流入するキャビティを有するセンサ本体と、前記空気を前記キャビティの内外に流通させる連通孔を除く前記キャビティの開口面を塞ぐように基端部から先端部に向けて一方向に延びる板状であり、前記キャビティの内部と外部との圧力差に応じて撓み変形するカンチレバーと、前記カンチレバーの撓み変形に応じた前記気圧変動情報を検出する気圧変動検出部とを備えることを特徴とする。
【符号の説明】
【００２８】
１    自動変速システム
１ａ  自動変速システム
２    トップチューブ
３    傾斜センサ
４    シートステー
５    制御ユニット
６    スプロケット
７    変速機
１１  圧力センサ
１２  制御部
１３  通信部
１４  電源部
１５  記憶部
１６  変速制御部
１７  アクチュエータ
２０  移動機構
２１  回転板
２２  傾斜センサモータ制御部
２３  傾斜センサモータ
３１  磁石
３２  回転検出部
３３  同期クロック信号生成部
３４  傾斜センサ電源部
３５  スリップリング
４０  傾斜情報検出部
４１  同期検波部
４２  傾斜角生成部
１００  自転車
２００  傾斜センサ
３００  自動変速システム
４００  自動変速システム
４７１  圧力センサ
４７２  ＳＯＩ基板
４７２ａ  シリコン支持層
４７２ｂ  酸化層
４７２ｃ  シリコン活性層
４７３  キャビティ筐体
４７３−１  第１筐体部
４７３−２  第２筐体部
４７４  カンチレバー
４７４ａ  基端部
４７４ｂ  先端部
４７５  気圧変動検出部
５１０  キャビティ
５１２  蓋部
５１３  ギャップ
５１５  貫通孔
５２０  ピエゾ抵抗
５２１  配線部
５２２  検出回路
５２３  ブリッジ回路
５２４  増幅回路
Ｃ１  回転軸
Ｓ１  速度センサ
Ｓ２  加速度センサ
Ｓ３  温度センサ
Ｓ４  気圧センサ
Ｗ１  出力波形
Ｗ２  出力波形
ΔＶ０  出力波形Ｗ２のピーク間の変化量
ΔＶ１  出力波形Ｗ３のピーク間の変化量
θ、φ  傾斜角
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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