WO2016009537A1 - 回転角検出装置 - Google Patents

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WO2016009537A1
WO2016009537A1 PCT/JP2014/069081 JP2014069081W WO2016009537A1 WO 2016009537 A1 WO2016009537 A1 WO 2016009537A1 JP 2014069081 W JP2014069081 W JP 2014069081W WO 2016009537 A1 WO2016009537 A1 WO 2016009537A1
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WO
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crank
acceleration
rotation angle
output
strain gauge
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/069081
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
恭一 寺尾
秀人 遠藤
Original Assignee
パイオニア株式会社
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Publication date
Application filed by パイオニア株式会社 filed Critical パイオニア株式会社
Priority to PCT/JP2014/069081 priority Critical patent/WO2016009537A1/ja
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62J—CYCLE SADDLES OR SEATS; AUXILIARY DEVICES OR ACCESSORIES SPECIALLY ADAPTED TO CYCLES AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. ARTICLE CARRIERS OR CYCLE PROTECTORS
    • B62J50/00—Arrangements specially adapted for use on cycles not provided for in main groups B62J1/00 - B62J45/00
    • B62J50/20—Information-providing devices
    • B62J50/21—Information-providing devices intended to provide information to rider or passenger
    • B62J50/22—Information-providing devices intended to provide information to rider or passenger electronic, e.g. displays
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M3/00—Construction of cranks operated by hand or foot
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/22—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Definitions

  • the present invention relates to a rotation angle detection device that detects a rotation angle of a crank that rotates about a rotation axis.
  • this type of device may display the force applied to the pedal at predetermined angular intervals. For this purpose, it is necessary to detect the angle of the crank relative to the reference position.
  • a magnet group 21 in which a plurality of magnets are arranged at intervals of 30 ° around the center C of the frame-shaped member 20 on the surface of an annular frame-shaped member 20 fixed to the side surface of a bicycle frame.
  • a magnetic sensor 22 that is fixed to the chain ring and rotates together with the crank, and describes that the magnetic sensor 22 detects the position of each magnet in the magnet group 21 to detect the angle. Yes.
  • Patent Document 2 describes that the rotation angle of the crank is detected by the angular velocity sensor 10 and the acceleration sensors 11 and 12.
  • the pedaling state measuring device described in Patent Document 2 uses an angular velocity sensor, and thus has a problem of increasing power consumption. It is known that an angular velocity sensor generally consumes more power than an acceleration sensor. Since a device attached to a bicycle or the like is driven by a battery or the like as a power source, low power consumption is desired.
  • an object of the present invention is to provide a rotation angle detection device capable of reducing cost and improving durability and reducing power consumption.
  • the invention described in claim 1 is arranged on a crank attached to a rotating shaft or a member that rotates in conjunction with the crank, and the first in a direction parallel to the longitudinal direction of the crank.
  • An acceleration sensor that detects acceleration and a second acceleration in a direction parallel to the short direction of the crank, and acquires the first acceleration and the second acceleration, and n at different times (n is an integer of 3 or more)
  • An output unit that outputs information related to the current rotation angle of the crank based on the first acceleration and the second acceleration acquired twice, and a rotation angle detection device.
  • the invention described in claim 8 is disposed on a crank attached to a rotating shaft or a member that rotates in conjunction with the crank, and a first acceleration in a direction parallel to a longitudinal direction of the crank and a short direction of the crank
  • the invention described in claim 9 is a rotation angle detection program that causes a computer to execute the rotation angle detection method according to claim 8.
  • FIG. 2 is a block configuration diagram of a cycle computer and a measurement module shown in FIG. 1. It is explanatory drawing of arrangement
  • FIG. 5 is a diagram showing a longitudinal acceleration and a short-side acceleration on a plane having axes orthogonal to each other when the crank is stationary. It is explanatory drawing about the acceleration which an acceleration sensor detects when a crank is rotating.
  • FIG. 6 is a diagram showing a longitudinal acceleration and a short-side acceleration on a plane with axes orthogonal to each other when the crank rotates at a constant speed.
  • FIG. 6 is a diagram showing a longitudinal acceleration and a short-side acceleration on a plane with axes orthogonal to each other when the crank is accelerated or decelerated. It is explanatory drawing of the method of calculating the rotation angle of a crank from the newest output value and the output value for 1 round of cranks.
  • the output unit is disposed on a crank attached to a rotation shaft or a member that rotates in conjunction with the crank, and the first acceleration in a direction parallel to the longitudinal direction of the crank and Two accelerations are acquired from an acceleration sensor that detects a second acceleration in a direction parallel to the short direction of the crank. Then, based on the first acceleration and the second acceleration acquired n (n is an integer of 3 or more) times at different times, information on the current crank rotation angle is output.
  • the output unit calculates a center value of the acceleration in the longitudinal direction and the acceleration in the short direction based on the first acceleration and the second acceleration acquired n times at different times, and the center value and the first acceleration currently acquired Information on the rotation angle of the crank may be output based on the second acceleration.
  • the crank rotation angle can be calculated by calculating the arc tangent of the difference between the center value and the currently acquired output value.
  • the output unit may calculate the center value of the acceleration in the longitudinal direction and the acceleration in the short direction based on the first acceleration and the second acceleration for one or more revolutions of the crank. By doing so, the amount of data increases and the calculation accuracy of the center value increases, so that the calculation accuracy of the crank rotation angle can also be increased.
  • a reference position setting unit that sets a reference position for one turn of the crank may be provided, and the output unit may detect one turn of the crank based on the reference position set by the reference position setting unit. In this way, it is possible to easily detect one revolution of the crank.
  • the reference position setting unit may set the reference position based on the maximum value or the minimum value of the first acceleration. By doing so, it is possible to detect when the acceleration in the longitudinal direction is in the gravity direction or in the opposite direction, that is, in the vertical direction. Further, since the output value of the acceleration sensor for detecting the rotation angle of the crank can be used, there is no need to add another sensor or the like.
  • a filter unit that performs a filter process on the acquired first acceleration and the second acceleration, and a delay angle correction unit that performs an angle correction process after the filter process is performed may be included.
  • acceleration components other than gravitational acceleration and centrifugal force acceleration applied to the crank due to vibration or the like can be removed, and the accuracy of information related to the rotation angle of the crank can be improved.
  • the delay generated by the filter process can be corrected by the delay angle correction unit.
  • the rotation angle detection method is arranged in a first step in a direction parallel to the longitudinal direction of the crank, which is arranged in the acquisition step and is arranged on a crank attached to the rotary shaft or a member that rotates in conjunction with the crank.
  • the acceleration and the second acceleration in the direction parallel to the short side direction of the crank are respectively acquired from the acceleration sensor.
  • information on the current crank rotation angle is output based on the first acceleration and the second acceleration acquired n (n is an integer of 3 or more) times at different times in the acquisition step.
  • a rotation angle detection program that causes a computer to execute the rotation angle detection method described above may be used.
  • a plurality of measured values (sensor output values) of the longitudinal acceleration and the short-side acceleration of the crank can be obtained using a computer, information on the crank rotation angle such as the crank rotation angle can be obtained. Can be output. Therefore, since no magnet is used, the cost can be reduced, and since it is not affected by dust or iron sand, durability can be improved. Further, since the angular velocity sensor is not used, the power consumption can be reduced.
  • the rotation angle detection program described above may be stored in a computer-readable recording medium. In this way, the program can be distributed as a single unit in addition to being incorporated in the device, and version upgrades can be easily performed.
  • a bicycle 1 including a cycle computer 201 having a rotation angle detection device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the bicycle 1 includes a frame 3, a front wheel 5, a rear wheel 7, a handle 9, a saddle 11, a front fork 13, and a drive mechanism 101.
  • Frame 3 is composed of two truss structures.
  • the frame 3 is rotatably connected to the rear wheel 7 at the rear end portion.
  • a front fork 13 is rotatably connected in front of the frame 3.
  • the front fork 13 is connected to the handle 9.
  • the front fork 13 and the front wheel 5 are rotatably connected at the front end position of the front fork 13 in the downward direction.
  • the front wheel 5 has a hub part, a spoke part, and a tire part.
  • the hub portion is rotatably connected to the front fork 13. And this hub part and the tire part are connected by the spoke part.
  • the rear wheel 7 has a hub part, a spoke part, and a tire part.
  • the hub portion is rotatably connected to the frame 3. And this hub part and the tire part are connected by the spoke part.
  • the hub portion of the rear wheel 7 is connected to a sprocket 113 described later.
  • the bicycle 1 has a drive mechanism 101 that converts a stepping force (stepping force) by a user (driver) foot into a driving force of the bicycle 1.
  • the drive mechanism 101 includes a pedal 103, a crank mechanism 104, a chain ring 109, a chain 111, and a sprocket 113.
  • the pedal 103 is a part in contact with a foot for the user to step on.
  • the pedal 103 is supported so as to be rotatable by a pedal crankshaft 115 of the crank mechanism 104.
  • the crank mechanism 104 includes a crank 105, a crankshaft 107, and a pedal crankshaft 115 (see FIGS. 2, 4, and 12).
  • the crankshaft 107 passes through the frame 3 in the left-right direction (from one side of the bicycle side to the other).
  • the crankshaft 107 is rotatably supported by the frame 3. That is, it becomes the rotating shaft of the crank 105.
  • the crank mechanism 104 has such a structure on the side opposite to the side surface of the bicycle 1. That is, the crank mechanism 104 has two cranks 105 and two pedal crankshafts 115. Therefore, the pedal 103 is also provided on each side of the bicycle 1.
  • the chain ring 109 is connected to the crankshaft 107.
  • the chain ring 109 is preferably constituted by a variable gear capable of changing the gear ratio.
  • a chain 111 is engaged with the chain ring 109.
  • the chain 111 is engaged with the chain ring 109 and the sprocket 113.
  • the sprocket 113 is connected to the rear wheel 7.
  • the sprocket 113 is preferably composed of a variable gear.
  • the bicycle 1 converts the stepping force of the user into the rotational force of the rear wheel by such a drive mechanism 101.
  • the bicycle 1 has a cycle computer 201 and a measurement module 301 (see also FIG. 2).
  • the cycle computer 201 is disposed on the handle 9. As shown in FIG. 2, the cycle computer 201 includes a cycle computer display unit 203 that displays various types of information and a cycle computer operation unit 205 that receives user operations.
  • the various types of information displayed on the cycle computer display unit 203 include the speed of the bicycle 1, position information, the distance to the destination, the estimated arrival time to the destination, the travel distance since the departure, and the elapsed time since the departure. These are time, propulsive force, loss power, efficiency, etc. for each angle of the crank 105.
  • the propulsive force is the magnitude of the force applied in the rotation direction of the crank 105.
  • the loss force is a magnitude of a force applied in a direction different from the rotation direction of the crank 105.
  • the force applied in a direction different from the rotational direction is a useless force that does not contribute to the driving of the bicycle 1. Therefore, the user can drive the bicycle 1 more efficiently by increasing the propulsive force as much as possible and decreasing the loss force as much as possible. That is, these forces are loads applied to the crank 105 when the crank 105 rotates.
  • the cycle computer operation unit 205 is shown as a push button in FIG. 2, but is not limited thereto, and various input means such as a touch panel or a plurality of input means can be used in combination.
  • the cycle computer 201 has a cycle computer wireless reception unit 209.
  • the cycle computer wireless reception unit 209 is connected to the main body portion of the cycle computer 201 through wiring.
  • the cycle computer wireless reception unit 209 does not need to have a reception-only function. For example, you may have a function as a transmission part.
  • an apparatus described as a transmission unit or a reception unit may also have both a reception function and a transmission function.
  • the measurement module 301 has a magnetic sensor 373 that detects the approach of the magnet 503 provided on the frame 3 of the bicycle 1 (see FIG. 3).
  • the magnetic sensor 373 detects the position of the magnet 503 by being turned on by the approaching magnet 503. That is, when the magnetic sensor 373 is turned on, the crank 105 is also present at the position where the magnet 503 is present. Therefore, the cycle computer 201 can obtain cadence [rpm] from the output of the magnetic sensor 373. That is, the measurement module 301 also has a cadence sensor function.
  • FIG. 3 is a block diagram of the cycle computer 201 and the measurement module 301.
  • the measurement module 301 includes a measurement module wireless transmission unit 309, a measurement module control unit 351, a measurement module storage unit 353, a power sensor 368, an acceleration sensor 371, and a magnetic sensor 373.
  • the measurement module wireless transmission unit 309 is based on the propulsive force and loss force calculated from the strain information by the measurement module control unit 351, the rotation angle of the crank 105 calculated from the output information of the acceleration sensor 371, and the output of the magnetic sensor 373.
  • the calculated cadence or the like is transmitted to the cycle computer radio reception unit 209.
  • the measurement module control unit 351 comprehensively controls the measurement module 301.
  • the measurement module control unit 351 includes a propulsive force calculation unit 351a, a rotation angle estimation unit 351b, a transmission data creation unit 351d, and a cadence calculation unit 351e.
  • the measurement module storage unit 353 stores various types of information.
  • the various types of information are, for example, a control program for the measurement module control unit 351 and temporary information required when the measurement module control unit 351 performs control.
  • the measurement module storage unit 353 also stores an output value storage unit 355 and a tangent table unit 357.
  • the output value storage unit 355 is composed of, for example, a RAM (Random Access Memory), and stores the output value of the acceleration sensor 371. As the amount to be stored, the output value for one revolution of the crank 105 is stored in this embodiment.
  • the memory capacity required for the output value storage unit 355 can be appropriately determined from the minimum rotation speed of the crank 105 and the sampling frequency at which the acceleration sensor 371 obtains the output value.
  • the output value of the acceleration sensor 371 for one round is acquired as described above, it is necessary to detect one round. Therefore, a position (reference position) that is the starting point of one round is defined.
  • the magnetic sensor 373 and the magnet 503 used for cadence measurement are used. Since the magnet 503 is provided on the frame 3 as described above, one rotation can be detected when the rotation angle estimation unit 351b receives an information signal indicating that the magnetic sensor 373 is turned on. That is, the position of the magnet 503 becomes the reference position.
  • the power sensor 368 has a strain gauge 369 and a measurement module strain detection circuit 365.
  • the strain gauge 369 is bonded to the crank 105 and integrated.
  • the strain gauge 369 includes a first strain gauge 369a, a second strain gauge 369b, a third strain gauge 369c, and a fourth strain gauge 369d (see FIG. 12 and the like). Each terminal of the strain gauge 369 is connected to the measurement module strain detection circuit 365.
  • FIG. 12 shows an example of the arrangement of the strain gauge 369 on the crank 105 in this embodiment.
  • the strain gauge 369 is bonded to the inner surface 119 of the crank 105.
  • the direction parallel to the central axis C1 that is the axis extending in the longitudinal direction of the crank 105 is the first strain gauge 369a
  • the detection direction of the strain gauge 369b and the third strain gauge 369c is the detection direction of the fourth strain gauge 369d in the direction perpendicular to the central axis C1 (the lateral direction in FIG. 12), that is, the direction perpendicular to the longitudinal direction of the crank 105. It becomes. Accordingly, the detection directions of the first strain gauge 369a to the third strain gauge 369c and the fourth strain gauge 369d are orthogonal to each other.
  • the two fixed resistors R are shared by the first detection circuit 373a and the second detection circuit 373b.
  • the two fixed resistors R have the same resistance value.
  • the two fixed resistors R have the same resistance value as that before the compression or expansion of the strain gauge 369 occurs.
  • the first strain gauge 369a to the fourth strain gauge 369d have the same resistance value.
  • the resistance value of the first strain gauge 369a decreases and the resistance value of the second strain gauge 369b increases. It becomes higher and the potential Vr does not change. That is, a potential difference is generated between the potential Vab and the potential Vr.
  • the resistance value of the first strain gauge 369a increases and the resistance value of the second strain gauge 369b decreases. The potential Vr does not change. That is, a potential difference is generated between the potential Vab and the potential Vr.
  • both the first strain gauge 369a and the second strain gauge 369b When both the first strain gauge 369a and the second strain gauge 369b are compressed, the resistance value of both the first strain gauge 369a and the second strain gauge 369b decreases, so the potential difference between the potential Vab and the potential Vr is almost zero. It becomes.
  • both the first strain gauge 369a and the second strain gauge 369b are extended, the resistance value of both the first strain gauge 369a and the second strain gauge 369b increases, so that the potential difference between the potential Vab and the potential Vr is almost zero. It becomes.
  • the first detection circuit includes a connection point between the first strain gauge 369a and the second strain gauge 369b where the potential Vab of the first detection circuit 373a can be measured, and a connection point between the two fixed resistors R capable of measuring the potential Vr.
  • the output of 373a (hereinafter referred to as A output).
  • the connection point between the third strain gauge 369c and the fourth strain gauge 369d that can measure the potential Vcd of the second detection circuit 373b, and the connection point of the two fixed resistors R that can measure the potential Vr are represented by the second detection circuit 373b.
  • Output (hereinafter referred to as B output).
  • the A output and B output become strain information.
  • the measurement module strain detection circuit 365 is arranged as shown in FIG. 12 and connected to the first strain gauge 369a, the second strain gauge 369b, the third strain gauge 369c, and the fourth strain gauge 369d as shown in FIG.
  • a method for detecting (measuring) the bending deformation x, the bending deformation y, the tensile deformation z, and the torsional deformation rz will be described.
  • the output A of the first detection circuit 373a is a positive output (the potential Vab is high and the potential Vr is low).
  • the output A of the first detection circuit 373a is a negative output (the potential Vab is low and the potential Vr is high).
  • Bending deformation y causes the right crank 105R to deform from the outer surface 120 toward the inner surface 119 or in the opposite direction.
  • the resistance value of both decreases. Therefore, the output A of the first detection circuit 373a is zero (there is no potential difference between the potential Vab and the potential Vr).
  • both the first strain gauge 369a and the second strain gauge 369b are stretched, so that the resistance value of both increases. For this reason, the output A of the first detection circuit 373a is zero.
  • the first detection circuit 373a is connected to the first strain gauge 369a and the second strain gauge 369b, and detects the rotational strain generated in the crank 105.
  • the B output of the second detection circuit 373b is zero.
  • Bending deformation y causes the right crank 105R to deform from the outer surface 120 toward the inner surface 119 or in the opposite direction.
  • the third strain gauge 369c is compressed and thus the resistance value is decreased, and the fourth strain gauge 369d is expanded and the resistance value is increased. Therefore, the B output of the second detection circuit 373b is a positive output (the potential Vcd is high and the potential Vr is low).
  • the third strain gauge 369c is expanded and thus the resistance value is increased, and the fourth strain gauge 369d is compressed and the resistance value is decreased. Therefore, the output B of the second detection circuit 373b is a negative output (the potential Vcd is low and the potential Vr is high).
  • the tensile deformation z deforms so that the right crank 105R is stretched or compressed in the longitudinal direction.
  • the third strain gauge 369c is extended and the resistance value is increased, and the fourth strain gauge 369d is compressed and the resistance value is decreased. Therefore, the B output of the second detection circuit 373b is a negative output.
  • the third strain gauge 369c is compressed and thus the resistance value is decreased, and the fourth strain gauge 369d is expanded and the resistance value is increased. Therefore, the B output of the second detection circuit 373b is a positive output.
  • the second detection circuit 373b is connected to the third strain gauge 369c and the fourth strain gauge 369d, and detects the inward / outward strain or tensile strain generated in the crank 105.
  • the propulsive force calculation unit 351a determines that the propulsive force Ft is the following equation (1) and the loss force Fr is the following (2).
  • Each is calculated by an equation.
  • the tensile deformation z is very small compared to the bending deformation y and can be ignored. That is, the values calculated by the equations (1) and (2) are values relating to the load applied to the crank 105 when the crank 105 rotates.
  • A is the A output value at the time of calculating the propulsive force Ft (or loss force Fr)
  • A0 is the A output value at no load
  • B is B at the time of calculating the propulsive force Ft (or loss force Fr).
  • the output value, B0 is the B output value when there is no load
  • p, q, s, u are coefficients, and are values calculated by simultaneous equations consisting of the following equations (3) to (6).
  • Am is an A output value when m [kg] is placed on the pedal 103 with the angle of the crank 105 facing forward in the horizontal direction (a state in which the crank 105 extends horizontally and in the direction of the front wheel 5).
  • Be is the B output value when the angle of the crank 105 is horizontally forward and m [kg] is placed on the pedal 103.
  • Ae is an A output value when m [kg] is placed on the pedal 103 with the angle of the crank 105 being vertically downward (a state in which the crank 105 extends vertically and toward the ground).
  • Bm is the B output value when the angle of the crank 105 is vertically downward and m [kg] is placed on the pedal 103.
  • the thrust Ft can be calculated by substituting A and B into the equation (15).
  • the cycle computer display unit 203 displays various types of information based on user instructions and the like.
  • the propulsive force Ft and the loss force Fr are visualized and displayed.
  • the visualization method may be any method, but based on the rotation angle of the crank 105 transmitted from the measurement module 301, for example, the propulsive force Ft and the loss when the rotation angle of the crank 105 is 30 °.
  • the force Fr can be displayed as a vector.
  • any method such as graph display, color-coded display, symbol display, and three-dimensional display may be used. Also, a combination thereof may be used.
  • the cycle computer operation unit 205 receives a user instruction (input). For example, the cycle computer operation unit 205 receives a display content instruction from the user on the cycle computer display unit 203.
  • step ST11 the output value of the acceleration sensor 371 is acquired.
  • step ST11 the tangent value is calculated by the method described above. Detailed processing in this step will be described later with reference to FIG. That is, step ST11 functions as an acquisition process and an output process.
  • step ST15 the measurement module strain detection circuit 365 is driven. That is, a power source voltage is applied to the bridge circuit as shown in FIG.
  • the transmission data creation unit 351d transmits the calculated propulsive force Ft, loss force Fr, rotation angle, and cadence as transmission data via the measurement module wireless transmission unit 309.
  • the transmitted propulsive force Ft and loss force Fr, rotation angle, and cadence are received by the cycle computer radio reception unit 209 of the cycle computer 201.
  • the cadence need not be transmitted every time and may be transmitted once per rotation, so in the present embodiment, it may be transmitted once every 12 times.
  • step ST35 an angle (tangent value) is calculated.
  • X 0 -X c and Y 0 -Y c may be used instead of the tangent value.
  • step ST75 the cycle computer control unit 251 stores the propulsive force Ft, the loss force Fr, and the cadence in the cycle computer storage unit 253 of the cycle computer storage unit 253. Thereafter, the cycle computer control unit 251 performs other processes until the interrupt of step ST51 is performed again.
  • the rotation angle estimation unit 351b is disposed on the crank 105 attached to the crankshaft 107, and the acceleration in the direction parallel to the longitudinal direction of the crank 105 and the acceleration in the direction parallel to the short direction of the crank 105 are performed.
  • the output value of the acceleration sensor 371 that detects the above is acquired.
  • the center value of the acceleration in the longitudinal direction and the acceleration in the short direction is calculated from the output value of the latest acceleration sensor 371 and the output value of the acceleration sensor 371 for one revolution of the past crank 105, and the calculated value and the latest value are calculated.
  • the rotation angle of the crank 105 is calculated by calculating the arctangent of the difference from the output value of the acceleration sensor 371.
  • the rotation angle of the crank 105 can be calculated from the arc tangent of the difference between the center value and the latest output value. Therefore, since no magnet is used for the angle detection itself, the cost can be reduced and it is not affected by dust or iron sand, so that the durability can be improved. Further, since the angular velocity sensor is not used, the power consumption can be reduced.
  • the power sensor 368 is operated when the detected rotation angle is an angle of every 30 °, the operation period of the power sensor 368 can be limited, and the power consumption can be further reduced.
  • the acceleration sensor 371 is composed of a biaxial acceleration sensor, the number of parts can be reduced, which can contribute to cost reduction.
  • the correspondence between the angle ⁇ and the tangent value is stored in the tangent table unit 357 in advance, and the measurement module control unit 351 (rotation angle estimation unit 351b) outputs the rotation angle of the crank 105 based on the tangent table unit 357. Therefore, it is not necessary to perform an arctangent calculation, and the processing of the calculation can be reduced.
  • the reference position setting unit that sets the reference position for one turn of the crank 105 includes a magnet 503 that is fixedly disposed on the frame 3 and a magnetic sensor 373 that is disposed on the crank 105 and detects the magnet 503. Configured. By doing in this way, one round of the crank 105 can be detected easily. Moreover, since it can serve as a cadence sensor, a dedicated sensor or the like is not required.
  • This embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, but differs in the way of obtaining the center value when calculating the rotation angle of the crank 105.
  • the center value is obtained from the output value of the acceleration sensor 371 for one revolution of the crank 105.
  • a center value is calculated from the output value of the acceleration sensor 371 acquired twice (see FIG. 16).
  • a circle having a radius of 1 [G] is drawn from each of the three output values, and the overlapping point can be estimated as the center value (X c , Y c ).
  • the center value (X c , Y c ) can be obtained from the solution (X, Y) of the simultaneous equations by the following equations (7) to (9).
  • the tangent value may be obtained in the same manner as in the first embodiment, and the rotation angle of the crank 105 may be obtained based on the tangent table unit 357.
  • the rotation angle estimation unit 351b obtains the center value based on the latest output value of the acceleration sensor 371 and the output value of the acceleration sensor 371 acquired twice at different times in the past.
  • the center value can be calculated with a smaller amount of data compared to obtaining the output value for one round. Therefore, the capacity of the output value storage unit 355 can be saved.
  • FIGS. a rotation angle detection apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the same parts as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • FIG. 18 is a graph of the output value (first acceleration) in the longitudinal direction of the acceleration sensor 371.
  • 18A is a graph when the crank 105 is stationary
  • FIG. 18B is a graph when the crank 105 is rotating. Since the centrifugal force is applied when the crank 105 rotates, an offset is applied to the curve.
  • the angle of the crank 105 is 180 ° (the direction of gravity, that is, the tip of the crank 105 faces directly below). Therefore, by detecting this, 180 ° can be set as the reference position.
  • the difference between the previous measurement value and the current measurement value is calculated for the output value (first acceleration) in the longitudinal direction of the acceleration sensor 371.
  • a predetermined threshold value is provided, and when the difference is equal to or less than the threshold value, the maximum value may be determined.
  • This process is performed by the rotation angle estimation unit 351b. That is, the rotation angle estimation unit 351b sets the reference position based on the maximum output value of the acceleration sensor 371.
  • the minimum value may be used instead of the maximum value.
  • the detected reference position is 0 ° (in the opposite direction to gravity, that is, the tip of the crank 105 faces directly above).
  • FIGS. a rotation angle detection apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the same parts as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the output of the acceleration sensor 371 is subjected to a low-pass filter (LPF) process, and the rotation angle estimation unit 351b2 corrects the amount delayed by the low-pass filter process. That is, the LPF 372 functions as a filter unit.
  • LPF low-pass filter
  • the acceleration sensor 371 Since a vehicle equipped with a rotation angle detection device such as a bicycle is subjected to various vibrations from the outside, the acceleration sensor 371 includes an acceleration component other than gravity acceleration, acceleration component of centrifugal force, and acceleration component of rotation force in the output value. There are many. Accordingly, the output of the acceleration sensor 371 is subjected to low-pass filter processing using a digital filter such as an FIR (finite impulse response) filter or an IIR (infinite impulse response) filter with the LPF 372, thereby causing vibrations included in the output of the acceleration sensor 371. Remove noise components. Of course, an analog filter may be used instead of a digital filter.
  • a digital filter such as an FIR (finite impulse response) filter or an IIR (infinite impulse response) filter with the LPF 372, thereby causing vibrations included in the output of the acceleration sensor 371.
  • an analog filter may be used instead of a digital filter.
  • the rotation angle estimation unit 351b2 corrects the rotation angle by performing a calculation as shown in the equation (12) described later. That is, the rotation angle estimation unit 351b2 functions as a delay angle correction unit.
  • the angular velocity ⁇ is calculated by the following equation (11) from the calculated angle ⁇ [rad] and the previously calculated angle ⁇ ⁇ 1 .
  • the angular velocity ⁇ may be calculated by the following equation (12) on the assumption that a round time t r [sec] is measured and a constant angular velocity continues for the next round.
  • FIGS. a rotation angle detection apparatus according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the same parts as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • crank 105 components that can detect the rotation angle of the crank 105 by detecting the longitudinal acceleration and the short-side acceleration of the crank 105 in addition to the crank 105 will be described.
  • FIG. 21 is a plan view showing the chain ring 109 and the crank 105A according to this embodiment
  • FIG. 22 is a plan view showing the crank 105A shown in FIG.
  • the crank 105A is attached to the chain ring 109 via a spider arm 77 described later.
  • the chain ring 109 has two large and small sprockets (an example of a front chain wheel) 109a and 109b.
  • the large-diameter sprocket 109a has an annular gear member.
  • the gear member is made of, for example, an aluminum alloy material.
  • Gear teeth 86a with which the chain 111 is engaged are formed on the outer periphery of the gear member.
  • the small-diameter sprocket 109b has an annular gear member.
  • the gear member is made of, for example, an aluminum alloy material.
  • Gear teeth 72a with which the chain 111 is engaged are formed on the outer periphery of the gear member.
  • the spider arm 77 is formed integrally with the crank arm 78, but is not limited thereto and may be a separate body.
  • the rotation angle of the crank arm 78 can be calculated in the same manner as shown in the first embodiment.
  • the detection axis of the acceleration sensor needs to be parallel to the direction parallel to the longitudinal direction of the crank arm 78 and parallel to the short direction.
  • any crank or member that rotates in conjunction with the crank and that can detect the acceleration in the longitudinal direction of the crank is applicable.
  • the interlock means that the same rotation shaft as the crank rotates at the same rotation speed as the crank.
  • the biaxial acceleration sensor is arranged on the spider arm 77, and the information on the rotation angle of the crank arm 78 based on the current output value of the acceleration sensor and the past two or more output values. Is calculated. By doing so, the rotational angle of the crank arm 78 can be obtained even if the acceleration sensor is arranged on a part other than the crank arm 78, and the degree of freedom of the arrangement of the acceleration sensor is increased.
  • the propulsive force, the loss force, and the rotation angle measured by the measurement module 301 are displayed in real time on the cycle computer display unit 203 of the cycle computer 201, but are not limited thereto.
  • the information output from the measurement module 301 to a recording medium such as a memory card, and the information recorded on the memory card later is read by a personal computer or the like, and the propulsive force and loss force are displayed in time series for each rotation angle of the crank 105. May be.
  • the human-powered machine in the present invention refers to a machine driven by human power equipped with a crank 105 (crank arm 78) such as a bicycle 1 or a fitness bike.
  • a crank 105 crank arm 78
  • any human-powered machine may be used as long as it is a machine that is driven by a human power equipped with the crank 105 (it is not always necessary to move locally).
  • the measuring device in the present invention may be a part of the cycle computer 201 or another independent device. Further, it may be an aggregate of a plurality of devices physically separated. In some cases, a device other than the strain gauge 369 (measurement module strain detection circuit 365) and the acceleration sensor 371 may be a device in a completely different place through communication.

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Abstract

　低コスト化と耐久性の向上を図るとともに、低消費電力化も図ることができる回転角検出装置を提供する。　回転角推定部（３５１ｂ）が、クランク軸（１０７）に取り付けたクランク（１０５）に配置され、クランク（１０５）の長手方向と平行な方向の加速度とクランク（１０５）の短手方向と平行な方向の加速度を検出する加速度センサ（３７１）の出力を取得する。そして、最新の加速度センサ（３７１）の出力値および過去のクランク（１０５）の１周分の加速度センサ（３７１）の出力値から長手方向の加速度および短手方向の加速度の中心値を算出し、その算出値と最新の加速度センサ（３７１）の出力値との差分の逆正接を算出することよりクランク（１０５）の回転角を算出する。

Description

回転角検出装置
　本発明は、回転軸を中心として回転するクランクの回転角度を検出する回転角検出装置に関する。
　従来、自転車等の人力機械に装着され、自転車の走行に関する情報や運転者の運動に関する情報等を算出し表示する装置がある。この種の装置は、自転車に設けられたセンサからデータを受信することによって、所定の情報を算出し表示する。表示する情報としては、運転者がペダルに加える力（トルク等）が挙げられる。
　また、この種の装置は、所定角度間隔でペダルに加える力を表示することが行われる場合がある。そのためには、クランクの基準位置に対する角度を検出する必要がある。例えば特許文献１には、自転車のフレーム側面に固定された円環状の枠状部材２０の表面に枠状部材２０の中心Ｃを中心として３０°間隔で複数の磁石が配置されている磁石群２１と、チェーンリングに固定されてクランクと共に回転する磁気センサ２２と、から構成されており、磁石群２１の個々の磁石の位置を磁気センサ２２が検出することで角度を検出することが記載されている。
　また、特許文献２には、角速度センサ１０と、加速度センサ１１，１２によりクランクの回転角度を検出することが記載されている。
国際公開第２０１３／０４６４７２号公報 特開２０１４－８７８９号公報
　特許文献１に記載された回転角度検出装置の場合、角度の検出精度は高いものの、基準角度とする位置に配置する磁石は磁力の高い磁石を必要とするなど、複数種類の磁石を用いるのでコストアップとなってしまう。
　また、塵埃、土砂などが多い悪影響下では、枠状部材２０とクランクとの間にはごみなどが侵入しやすい。さらに、磁石を用いているので、砂鉄等が付着しやすくなり耐久性が低いという問題がある。
　特許文献２に記載されたペダリング状態計測装置は、角速度センサを利用しているため、消費電力が大きくなってしまうという問題がある。角速度センサは一般的に加速度センサと比較して消費電力が大きいことが知られている。自転車等に取り付けられる装置は電源として電池等によるバッテリ駆動となるため低消費電力化が望まれる。
　そこで、本発明は、上述した問題に鑑み、例えば、低コスト化と耐久性の向上を図るとともに、低消費電力化も図ることができる回転角検出装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、回転軸に取り付けたクランクまたは前記クランクと連動して回転する部材に配置され、前記クランクの長手方向と平行な方向の第１加速度および前記クランクの短手方向と平行な方向の第２加速度とを検出する加速度センサと、前記第１加速度および前記第２加速度を取得するとともに、異なる時刻にｎ（ｎは３以上の整数）回取得した前記第１加速度および前記第２加速度に基づいて、現在の前記クランクの回転角に関する情報を出力する出力部と、有することを特徴とする回転角検出装置である。
　請求項８に記載された発明は、回転軸に取り付けたクランクまたは前記クランクと連動して回転する部材に配置され、前記クランクの長手方向と平行な方向の第１加速度および前記クランクの短手方向と平行な方向の第２加速度を取得する取得工程と、前記取得工程で異なる時刻にｎ（ｎは３以上の整数）回取得した前記第１加速度および前記第２加速度に基づいて、現在の前記クランクの回転角に関する情報を出力する出力工程と、を有することを特徴とする回転角検出方法である。
　請求項９に記載された発明は、請求項８に記載の回転角度検出方法を、コンピュータにより実行させることを特徴とする回転角度検出プログラムである。
　請求項１０に記載された発明は、請求項９に記載の回転角度検出プログラムを格納したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
本発明の第１の実施例にかかる回転角検出装置を有する自転車の全体構成を示す説明図である。 図１に示されたサイクルコンピュータ及び測定モジュールの位置関係を示した説明図である。 図１に示されたサイクルコンピュータ及び測定モジュールのブロック構成図である。 図３に示された加速度センサのクランクへの配置の説明図である。 クランクが静止しているときの加速度センサが検出する加速度についての説明図である。 クランクが静止しているときのクランクの長手方向の加速度および短手方向の加速度とクランクの回転角との関係を示したグラフである。 クランクが静止しているときに長手方向の加速度と短手方向の加速度を互いに直交する軸とした平面上に表した図である。 クランクが回転しているときの加速度センサが検出する加速度についての説明図である。 クランクが等速回転しているときに長手方向の加速度と短手方向の加速度を互いに直交する軸とした平面上に表した図である。 クランクが加速または減速したときに長手方向の加速度と短手方向の加速度を互いに直交する軸とした平面上に表した図である。 最新の出力値とクランク１周分の出力値からクランクの回転角を算出する方法の説明図である。 図３に示されたひずみゲージのクランクへの配置の説明図である。 図３に示された測定モジュールひずみ検出回路の回路図である。 右側クランクに加わる力と変形の説明図である。 図３に示された測定モジュール及びサイクルコンピュータの処理のフローチャートである。 本発明の第２の実施例にかかる最新の出力値と過去２つの出力値からクランクの回転角を算出する方法の説明図である。 本発明の第３の実施例にかかるサイクルコンピュータ及び測定モジュールのブロック構成図である。 静止時と回転時の加速度センサの測定値を示したグラフである。 本発明の第４の実施例にかかるサイクルコンピュータ及び測定モジュールのブロック構成図である。 図１９に示されたＬＰＦを施す前後の加速度センサの出力を示したグラフである。 本発明の第６の実施例にかかるチェーンリングとクランクとを示した平面図である。 図２１に示されたクランクを示した平面図である。
　以下、本発明の一実施形態にかかる回転角検出装置を説明する。本発明の一実施形態にかかる回転角検出装置は、出力部が、回転軸に取り付けたクランクまたはクランクと連動して回転する部材に配置されてクランクの長手方向と平行な方向の第１加速度およびクランクの短手方向と平行な方向の第２加速度を検出する加速度センサから２つの加速度を取得する。そして、異なる時刻にｎ（ｎは３以上の整数）回取得した第１加速度および第２加速度に基づいて、現在のクランクの回転角に関する情報を出力する。このようにすることにより、クランクの長手方向の加速度と短手方向の加速度の測定値（センサ出力値）が複数取得できれば、クランクの回転角等のクランクの回転角に関する情報を出力することができる。したがって、磁石を用いないので、低コスト化が図れ、ごみや砂鉄などの影響を受けないことから、耐久性を向上させることができる。また、角速度センサを利用しないので、低消費電力化を図ることもできる。
　また、出力部は、異なる時刻にｎ回取得した第１加速度および第２加速度に基づいて長手方向の加速度および短手方向の加速度の中心値を算出し、当該中心値と現在取得した第１加速度および第２加速度とに基づいてクランクの回転角に関する情報を出力してもよい。このようにすることにより、例えば中心値と現在取得した出力値との差分の逆正接（アークタンジェント）を算出することによりクランクの回転角を算出することができる。
　また、出力部は、クランクの１周分以上の第１加速度および第２加速度に基づいて長手方向の加速度および短手方向の加速度の中心値を算出してもよい。このようにすることにより、データ量が多くなり中心値の算出精度が高くなるため、クランクの回転角の算出精度も高くすることができる。
　また、クランクの１周の基準位置を設定する基準位置設定部を有し、出力部は、基準位置設定部が設定した基準位置に基づいてクランクの１周を検出してもよい。このようにすることにより、容易にクランクの１周を検出することができる。
　また、基準位置設定部が、クランクの特定の回転角に対応する位置に固定されて配置されている被検出部と、クランクに配置され被検出部を検出する検出部と、を有してもよい。このようにすることにより、例えばクランクに磁気センサを設け、自転車のフレームに磁石を設けることで、クランクの１周を検出することができる。
　基準位置設定部が、第１加速度の最大値または最小値に基づいて基準位置を設定してもよい。このようにすることにより、長手方向の加速度が重力方向またはその逆方向のとき、即ち鉛直方向となるときを検出することができる。また、クランクの回転角を検出する加速度センサの出力値を利用できるので他のセンサ等を追加する必要が無い。
　また、取得した第１加速度および第２加速度にフィルタ処理を施すフィルタ部と、フィルタ処理が施された後に角度補正処理を施す遅延角度補正部と、を有してもよい。このようにすることにより、振動などにより重力加速度やクランクに加わる遠心力の加速度以外の加速度成分を取り除くことができ、クランクの回転角に関する情報の精度を良くすることができる。また、遅延角度補正部によって、フィルタ処理によって発生する遅延を補正することができる。
　また、本発明の一実施形態にかかる回転角検出方法は、取得工程で、回転軸に取り付けたクランクまたはクランクと連動して回転する部材に配置され、クランクの長手方向と平行な方向の第１加速度およびクランクの短手方向と平行な方向の第２加速度を加速度センサからそれぞれ取得する。そして、出力工程で、取得工程で異なる時刻にｎ（ｎは３以上の整数）回取得した第１加速度および第２加速度に基づいて、現在のクランクの回転角に関する情報を出力する。このようにすることにより、クランクの長手方向の加速度と短手方向の加速度の測定値（センサ出力値）が複数取得できれば、クランクの回転角等のクランクの回転角に関する情報を出力することができる。したがって、磁石を用いないので、低コスト化が図れ、ごみや砂鉄などの影響を受けないことから、耐久性を向上させることができる。また、角速度センサを利用しないので、低消費電力化を図ることもできる。
　また、上述した回転角検出方法をコンピュータにより実行させる回転角検出プログラムとしてもよい。このようにすることにより、コンピュータを用いて、クランクの長手方向の加速度と短手方向の加速度の測定値（センサ出力値）が複数取得できれば、クランクの回転角等のクランクの回転角に関する情報を出力することができる。したがって、磁石を用いないので、低コスト化が図れ、ごみや砂鉄などの影響を受けないことから、耐久性を向上させることができる。また、角速度センサを利用しないので、低消費電力化を図ることもできる。
　また、上述した回転角検出プログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納してもよい。このようにすることにより、当該プログラムを機器に組み込む以外に単体でも流通させることができ、バージョンアップ等も容易に行える。
　本発明の第１の実施例にかかる回転角検出装置を有するサイクルコンピュータ２０１を備えた自転車１を図１乃至図１５を参照して説明する。自転車１は図１に示すように、フレーム３と、フロント車輪５と、リア車輪７と、ハンドル９と、サドル１１と、フロントフォーク１３と、駆動機構１０１と、を有している。
　フレーム３は、２つのトラス構造から構成されている。フレーム３は、後方の先端部分において、リア車輪７と回転自在に接続されている。また、フレーム３の前方において、フロントフォーク１３が回転自在に接続されている。
　フロントフォーク１３は、ハンドル９と接続されている。フロントフォーク１３の下方向の先端位置において、フロントフォーク１３とフロント車輪５とは回転自在に接続されている。
　フロント車輪５は、ハブ部、スポーク部及びタイヤ部を有している。ハブ部はフロントフォーク１３と回転自在に接続されている。そして、このハブ部とタイヤ部はスポーク部によって接続されている。
　リア車輪７は、ハブ部、スポーク部及びタイヤ部を有している。ハブ部はフレーム３と回転自在に接続されている。そして、このハブ部とタイヤ部はスポーク部によって接続されている。リア車輪７のハブ部は、後述するスプロケット１１３と接続されている。
　自転車１は、ユーザ（運転者）の足による踏み込み力（踏力）を自転車１の駆動力に変換する駆動機構１０１を有している。駆動機構１０１は、ペダル１０３、クランク機構１０４、チェーンリング１０９、チェーン１１１、スプロケット１１３と、を有している。
　ペダル１０３は、ユーザが踏み込むための足と接する部分である。ペダル１０３は、クランク機構１０４のペダルクランク軸１１５によって回転自在となるように支持されている。
　クランク機構１０４は、クランク１０５とクランク軸１０７及びペダルクランク軸１１５（図２、図４および図１２参照）から構成されている。
　クランク軸１０７はフレーム３を左右方向に（自転車側面の一方から他方に）貫通している。クランク軸１０７は、フレーム３によって回転自在に支持されている。即ち、クランク１０５の回転軸となる。
　クランク１０５は、クランク軸１０７と直角に設けられている。クランク１０５は、一端部において、クランク軸１０７と接続されている。
　ペダルクランク軸１１５は、クランク１０５と直角に設けられている。ペダルクランク軸１１５の軸方向は、クランク軸１０７と同一方向となっている。ペダルクランク軸１１５は、クランク１０５の他端部においてクランク１０５と接続されている。
　クランク機構１０４は、このような構造を自転車１の側面の反対側にも有している。つまり、クランク機構１０４は、２個のクランク１０５及び、２個のペダルクランク軸１１５を有している。したがって、ペダル１０３も自転車１の両側面にそれぞれ有している。
　これらが自転車１の右側にあるか左側にあるかを区別する場合には、それぞれ右側クランク１０５Ｒ、左側クランク１０５Ｌ、右側ペダルクランク軸１１５Ｒ、左側ペダルクランク軸１１５Ｌ、右側ペダル１０３Ｒ、左側ペダル１０３Ｌと記載する。
　また右側クランク１０５Ｒと左側クランク１０５Ｌは、クランク軸１０７を中心として反対方向に延びるように接続されている。右側ペダルクランク軸１１５Ｒ、クランク軸１０７および左側ペダルクランク軸１１５Ｌは、平行かつ同一平面に形成されている。右側クランク１０５Ｒ及び左側クランク１０５Ｌは、平行かつ同一平面上に形成されている。
　チェーンリング１０９は、クランク軸１０７に接続されている。チェーンリング１０９は、ギア比を変化させることができる可変ギアで構成されると好適である。また、チェーンリング１０９にはチェーン１１１が係合されている。
　チェーン１１１はチェーンリング１０９及びスプロケット１１３に係合している。スプロケット１１３は、リア車輪７と接続されている。スプロケット１１３は、可変ギアで構成されると好適である。
　自転車１は、このような駆動機構１０１によってユーザの踏み込み力をリア車輪の回転力に変換している。
　自転車１は、サイクルコンピュータ２０１と、測定モジュール３０１と、を有している（図２も参照）。
　サイクルコンピュータ２０１は、ハンドル９に配置されている。サイクルコンピュータ２０１は、図２に示すように、各種情報を表示するサイクルコンピュータ表示部２０３およびユーザの操作を受けるサイクルコンピュータ操作部２０５を有している。
　サイクルコンピュータ表示部２０３に表示される各種情報とは、自転車１の速度、位置情報、目的地までの距離、目的地までの予測到達時間、出発してからの移動距離、出発してからの経過時間、クランク１０５の角度ごとの推進力や損失力、効率等である。
　ここで、推進力とはクランク１０５の回転方向に加わる力の大きさである。一方、損失力とは、クランク１０５の回転方向とは別の方向に加わる力の大きさである。この回転方向とは別の方向に加わる力は、何ら自転車１の駆動に寄与しない無駄な力である。したがって、ユーザは、推進力をできるだけ増加させ、損失力をできるだけ減少させることによって、より効率的に自転車１を駆動させることが可能となる。即ち、これらの力は、クランク１０５の回転時に当該クランク１０５に加えられる負荷である。
　サイクルコンピュータ操作部２０５は、図２では押しボタンで示されているが、それに限らず、タッチパネルなど各種入力手段や複数の入力手段を組み合わせて用いることができる。
　また、サイクルコンピュータ２０１は、サイクルコンピュータ無線受信部２０９を有している。サイクルコンピュータ無線受信部２０９は、配線を介してサイクルコンピュータ２０１の本体部分と接続されている。なお、サイクルコンピュータ無線受信部２０９は、受信のみの機能を有する必要はない。例えば、送信部としての機能を有していても良い。以下、送信部又は受信部と記載した装置も、受信機能及び送信機能の両方を有していても良い。
　測定モジュール３０１は、例えばクランク１０５の内面に設けられ、複数のひずみゲージ素子から構成されるひずみゲージ３６９（図３及び図１２参照）を用いて、ペダル１０３にユーザが加えている人力（踏力）を検出する。具体的には、クランク１０５の回転力であって自転車１の駆動力となる推進力と、回転方向とは別の方向に加わる力である損失力を算出する。また、測定モジュール３０１は、後述する加速度センサ３７１を用いて、クランク１０５の回転角も検出する。
　また、測定モジュール３０１は、自転車１のフレーム３に設けられた磁石５０３の接近を検出する磁気センサ３７３を有している（図３参照）。磁気センサ３７３は、接近する磁石５０３によってＯＮになることで、磁石５０３の位置を検出する。つまり、磁気センサ３７３がＯＮになるということは、磁石５０３が存在する位置にクランク１０５も存在することとなる。したがって、この磁気センサ３７３の出力から、サイクルコンピュータ２０１は、ケイデンス［ｒｐｍ］を得ることができる。即ち、測定モジュール３０１は、ケイデンスセンサの機能も合わせて有している。
　図３は、サイクルコンピュータ２０１及び測定モジュール３０１のブロック図である。
　まず、測定モジュール３０１のブロック構成を説明する。測定モジュール３０１は、図３に示したように、測定モジュール無線送信部３０９、測定モジュール制御部３５１、測定モジュール記憶部３５３、パワーセンサ３６８、加速度センサ３７１及び磁気センサ３７３を有している。
　測定モジュール無線送信部３０９は、測定モジュール制御部３５１がひずみ情報から算出した推進力及び損失力や、加速度センサ３７１の出力情報から算出したクランク１０５の回転角や、磁気センサ３７３の出力に基づいて算出したケイデンス等を、サイクルコンピュータ無線受信部２０９に送信している。
　測定モジュール制御部３５１は、測定モジュール３０１を包括的に制御している。測定モジュール制御部３５１は、推進力演算部３５１ａと、回転角推定部３５１ｂと、送信データ作成部３５１ｄと、ケイデンス演算部３５１ｅと、を有している。
　推進力演算部３５１ａは、パワーセンサ３６８が出力するひずみ情報から推進力及び損失力を算出する。推進力及び損失力の算出方法は後述する。
　回転角推定部３５１ｂは、所定時間間隔で取得した加速度センサ３７１の出力情報から算出したクランク１０５の回転角を算出（推定）し、ひずみ情報を取得するタイミング等を制御している。クランク１０５の回転角の算出方法は後述する。
　ケイデンス演算部３５１ｅは、磁気センサ３７３がＯＮとなった旨の情報信号の出力を受けると、以下の動作を行う。ケイデンス演算部３５１ｅは、自身の持つカウンタの値を参照する。そして、そのカウンタ値からケイデンスを算出する。具体的には、カウンタのカウント数（Ｃ）と１度のカウント間隔（Ｔ）を掛け合わせることによって、磁気センサ３７３がＯＮとなる時間（周期）［秒］を算出する。そして、６０をこの周期で割ることによって、ケイデンス［ｒｐｍ］を算出する。なお、カウンタは外部にタイマ等として持っていてもよい。
　送信データ作成部３５１ｄは、推進力演算部３５１ａで算出された推進力及び損失力や回転角推定部３５１ｂで算出されたクランク１０５の回転角やケイデンス演算部３５１ｅで算出されたケイデンスから送信データを作成して、測定モジュール無線送信部３０９に出力する。
　測定モジュール記憶部３５３には、各種情報が記憶される。各種情報とは、例えば、測定モジュール制御部３５１の制御プログラム、及び、測定モジュール制御部３５１が制御を行う際に必要とされる一時的な情報である。測定モジュール記憶部３５３は、前記した情報の他に、出力値保管部３５５及び正接テーブル部３５７も記憶されている。
　出力値保管部３５５は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）で構成され、加速度センサ３７１の出力値が保管されている。保管する量は、本実施例おいては、クランク１０５の１周分の出力値を保管する。出力値保管部３５５として必要なメモリ容量は、クランク１０５の最低回転数と加速度センサ３７１が出力値を得るサンプリング周波数から適宜決定することができる。
　正弦テーブル部３５７は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）で構成され、回転角と正接値ｔａｎθとの対応テーブルが記憶される。
　磁気センサ３７３は、磁石５０３が接近することによってＯＮ／ＯＦＦが切り替わる。そして、磁気センサ３７３がＯＮとなると、磁気センサ３７３はその旨の情報信号を測定モジュール制御部３５１に出力する。
　加速度センサ３７１は、クランク１０５に接着されて、一体化される。加速度センサ３７１は、静電容量型やピエゾ抵抗型等周知の方式を適宜選択すればよい。
　図４に、本実施例における加速度センサ３７１のクランク１０５への配置の例を示す。加速度センサ３７１は、クランク１０５の内面１１９に接着されている。クランク１０５の内面とは、クランク軸１０７が突設されている（接続されている）面であり、クランク１０５の回転運動により定義される円を含む平面と平行な面（側面）である。また、図４には図示しないが、クランク１０５の外面１２０は、内面１１９と対向しペダルクランク軸１１５が突設されている（接続されている）面である。つまり、ペダル１０３が回転自在に設けられている面である。クランク１０５の上面１１７は、内面１１９および外面１２０と同じ方向に長手方向が延在し、かつ内面１１９および外面１２０と直交する面の一方である。クランク１０５の下面１１８は、上面１１７と対向する面である。なお、本実施例では、加速度センサ３７１はクランク１０５の内面１１９に接着した例で説明するが、外面１２０や上面１１７あるいは下面１１８に接着してあってもよいし、クランク１０５内部に設けられていてもよい。
　加速度センサ３７１は、クランク１０５の長手方向に対して平行な方向（中心軸Ｃ１と平行な方向）と、クランク１０５の短手方向に対して平行な方向（中心軸Ｃ１と垂直な方向）と、の２つの軸方向の加速度を検出可能な２軸加速度センサである。即ち、第１加速度と第２加速度との両方が検出可能となっている。なお、本実施例では２軸加速度センサで説明するが、クランク１０５の長手方向に対して平行な方向の加速度を検出する加速度センサとクランク１０５の短手方向に対して平行な方向の加速度を検出する加速度センサとの２つの加速度センサを配置する構成であってもよい。
　加速度センサ３７１の検出結果（出力）は、測定モジュール制御部３５１に出力される。この際に、図示しないＡ／Ｄコンバータによって、アナログ情報からデジタル情報に変換してもよい。
　ここで、図４に示したように設けられた加速度センサ３７１を用いて、回転角推定部３５１ｂでクランク１０５の回転角を検出する方法について、図５乃至図１１を参照して説明する。図５は、クランク１０５が静止しているときの加速度センサ３７１が検出する加速度についての説明図である。図５の長手方向とは、クランク１０５の長手方向であり、矢印の先端に向かう方向がクランク軸１０７からペダルクランク軸１１５に向かう方向を示している。図５の短手方向とは、クランク１０５の短手方向である。また、図５の場合、鉛直方向からずれた位置に静止している状態である。
　図５の場合、クランク１０５は静止しているので、遠心力は加わらず、加速度センサ３７１には重力加速度のみが検出される。但し、加速度センサ３７１は、検出方向がクランク１０５の長手方向と平行な方向と短手方向と平行な方向であるので、実際には、重力加速度の長手方向の成分と短手方向の成分が検出される。
　ここで、加速度センサ３７１の検出値（出力値）は、クランク１０５の静止している位置の角度によって、図６に示したように変化する。したがって、長手方向の加速度をＸ軸、短手方向の加速度をＸ軸と直交するＹ軸とすると、加速度センサ３７１が出力する出力値（Ｘ，Ｙ）は、図７に示したようにＸ軸とＹ軸の交点を中心とする半径が１［Ｇ］の円として表わすことができる。図７において、図６のグラフから、クランク１０５が真上を向いた状態を０°とすると、（Ｘ，Ｙ）＝（１，０）の場合は１８０°、（Ｘ，Ｙ）＝（－１，０）の場合は０°、（Ｘ，Ｙ）＝（０，１）の場合は９０°、（Ｘ，Ｙ）＝（０，－１）の場合は２７０°を示すことが明らかである。
　クランク１０５が回転すると、クランク１０５の長手方向（クランク軸１０７からペダルクランク軸１１５に向かう方向、即ち、クランク１０５の回転の法線方向）に遠心力が発生し、クランク１０５の短手方向（クランク１０５の回転方向または回転の逆方向、即ち、クランク１０５の回転の接線方向）に回転力の加速度が発生する。したがって、図８に示したように重力加速度とともに遠心力の加速度（遠心加速度）や回転力の加速度（回転加速度）も加わる。
　クランク１０５が等速回転する場合、図７に示した円は、図９に示すように、遠心力の加速度によって長手方向に中心がオフセットする。
　クランク１０５が静止状態から徐々に加速し等速回転する場合は、図７に示した円は、図１０（ａ）に示すように、遠心力の加速度と回転力の加速度が加わるので長手方向と短手方向の両方のオフセットが加わりながら中心が図９の位置に移動する。また、クランク１０５が等速回転から徐々に減速し静止状態となる場合は、図９に示した円は、図１０（ｂ）に示すように、遠心力の加速度と回転力の加速度が加わるので長手方向と短手方向の両方のオフセットが加わりながら中心が図７の位置に移動する。なお、図１０（ａ）は加速であり、（ｂ）は減速であるので短手方向の変化が逆向きとなる。
　本実施例では、上述した原理を利用する。つまり、クランク１０５の１周分の複数回加速度センサ３７１の出力値（第１の加速度、第２の加速度）を一定時間ごとに取得（サンプリング）して出力値保管部３５５に保管し、その１周における長手方向の加速度と短手方向の加速度との中心値を求め、その中心値と最新の出力値（現在の出力値）から最新の出力値におけるクランク１０５の角度を算出する。具体例を図１１に示す。即ち、異なる時刻にｎ回取得した加速度センサ３７１の出力値（第１加速度センサおよび第２加速度）に基づいて長手方向の加速度および短手方向の加速度の中心値を算出し、当該中心値と最新の加速度センサ３７１の出力値（現在取得した第１加速度および第２加速度）とに基づいてクランク１０５の回転角に関する情報を出力する。
　図１１において、ＸＹ平面上にプロットされている点は過去１周分の加速度センサ３７１の出力値と最新の加速度センサ３７１の出力値である。プロットにばらつきがあるのは、振動等のノイズの影響である。回転角推定部３５１ｂは、過去１周分の加速度センサ３７１の出力値から平均値を求めることで中心値（Ｘc，Ｙc）を推定する。そして、最新の出力値（Ｘ0，Ｙ0）と中心値（Ｘc，Ｙc）に基づいて、逆正接ａｒｃｔａｎ（（Ｙ0－Ｙc）／（Ｘ0－Ｘc））を求めることで角度θを算出することができる。
　実際は、逆正接演算は行わず、例えば３０°ごとなど所定角度の正接値が格納されている正接テーブル部３５７を用いる。つまり、Ｘ0－ＸcとＹ0－Ｙcから正接ｔａｎθを求め、求めた正接ｔａｎθの値を正接テーブル３７５と比較して正接テーブル３７５の値となった（あるいは近い値となった）場合はその値が示す角度が検出されたこととする。
　なお、本実施例では、１周を３６０°で示すため、正接が同じ値となる角度が複数存在するので、例えば、Ｘ0－Ｘcが正か負か、Ｙ0－Ｙcが正か負かの情報も正接テーブル部３５７に含め、これらの情報も合わせて比較するようにすればよい。
　また、本実施例では、角度θをクランク１０５の回転角に関する情報として出力するようにしているが、角度θを出力してもよいし、正接値やＸ0－ＸcとＹ0－Ｙcをクランク１０５の回転角に関する情報として出力するようにして、その後の演算を出力先で行うようにしてもよい。
　ここで、本実施例の場合、上述したように１周分の加速度センサ３７１の出力値を取得しているので１周を検出する必要がある。したがって、１周の起点となる位置（基準位置）を定義する。本実施例においては、ケイデンスの測定に用いた磁気センサ３７３と磁石５０３とを用いる。磁石５０３は上述したようにフレーム３に設けられているので、磁気センサ３７３がＯＮとなった旨の情報信号を回転角推定部３５１ｂが受けることで１周が検出できる。つまり、磁石５０３の位置が基準位置となる。
　即ち、磁石５０３が被検出部、磁気センサ３７３が検出部として機能し、回転角推定部３５１ｂが基準位置設定部として機能する。
　なお、上述した説明では、クランク１周分の出力値で中心値を算出していたが２周以上の出力値で算出してもよい。また、中心値は、１周に１回（あるいは複数周に１回）算出するようにしてもよいし、加速度センサ３７１の出力値を得る度に算出するようにしてもよい。つまり、中心値は、前周１周分の出力値で中心値を算出し、現在の１周では、前週１周分の出力値で算出された中心値を使用してもよいし、最新の出力値から１周分であってもよい。
　以上の説明から明らかなように、測定モジュール制御部３５１（回転角推定部３５１ｂ、送信データ作成部３５１ｄ）と、測定モジュール記憶部３５３（出力値保管部３５５、正接テーブル部３５７）と、加速度センサ３７１と、磁気センサ３７３と、磁石５０３と、で本実施例にかかる回転角検出装置３１０を構成している。
　なお、本実施例では、磁気センサ３７３と磁石５０３とを検出部と被検出部として用いたが、それに限らず、光センサやメカニカルセンサなどクランク１０５とフレーム３とに設置可能で、クランク１０５の１回転を検出可能なセンサ等であればよい。
　パワーセンサ３６８は、ひずみゲージ３６９と、測定モジュールひずみ検出回路３６５と、を有している。ひずみゲージ３６９は、クランク１０５に接着されて、一体化される。ひずみゲージ３６９は、第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂ、第３ひずみゲージ３６９ｃ、第４ひずみゲージ３６９ｄから構成されている（図１２等参照）。そして、ひずみゲージ３６９のそれぞれの端子は、測定モジュールひずみ検出回路３６５に接続されている。
　図１２に、本実施例におけるひずみゲージ３６９のクランク１０５への配置の例を示す。ひずみゲージ３６９は、クランク１０５の内面１１９に接着されている。
　第１ひずみゲージ３６９ａと第２ひずみゲージ３６９ｂは、クランク１０５の長手方向に対して検出方向が平行、つまり、内面１１９の中心軸Ｃ１に対して平行かつ、内面１１９の中心軸Ｃ１に対して対称になるように設けられている。第３ひずみゲージ３６９ｃは、中心軸Ｃ１上に設けられ、検出方向が中心軸Ｃ１に対して平行かつ、第１ひずみゲージ３６９ａと第２ひずみゲージ３６９ｂに挟まれるように設けられている。第４ひずみゲージ３６９ｄは、クランク１０５の長手方向に対して検出方向が垂直、つまり、内面１１９の中心軸Ｃ１に対して垂直かつ、中心軸Ｃ１上に設けられている。
　即ち、クランク１０５の長手方向に延在する軸である中心軸Ｃ１と平行な方向（図１２の縦方向）、つまり、クランク１０５の長手方向と平行な方向が、第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂ、第３ひずみゲージ３６９ｃの検出方向となり、中心軸Ｃ１と垂直な方向（図１２の横方向）、つまり、クランク１０５の長手方向と垂直な方向が、第４ひずみゲージ３６９ｄの検出方向となる。したがって、第１ひずみゲージ３６９ａ乃至第３ひずみゲージ３６９ｃと第４ひずみゲージ３６９ｄは検出方向が互いに直交している。
　なお、第１ひずみゲージ３６９ａ乃至第４ひずみゲージ３６９ｄの配置は図１２に限らない。つまり、中心軸Ｃ１と平行または垂直の関係が維持されていれば他の配置でもよい。但し、第１ひずみゲージ３６９ａ及び第２ひずみゲージ３６９ｂは、中心軸Ｃ１を挟んで対称に配置し、第３ひずみゲージ３６９ｃ及び第４ひずみゲージ３６９ｄは、中心軸Ｃ１上に配置する方が、後述する各変形を精度良く検出できるので好ましい。
　また、図１２では、クランク１０５を単純な直方体として説明しているが、デザイン等により、角が丸められていたり、一部の面が曲面で構成されていてもよい。そのような場合でも、上述した配置を極力維持するようにひずみゲージ３６９を配置することで、後述する各変形を検出することができる。但し、上記した中心軸Ｃ１との関係（平行または垂直）がずれるにしたがって検出精度が低下する。
　測定モジュールひずみ検出回路３６５は、第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂ、第３ひずみゲージ３６９ｃ、第４ひずみゲージ３６９ｄが接続されて、ひずみゲージ３６９のひずみ量が電圧として出力される。測定モジュールひずみ検出回路３６５の出力は、図示しないＡ／Ｄコンバータによって、アナログ情報からデジタル情報であるひずみ情報信号に変換される。そして、ひずみ情報信号は測定モジュール制御部３５１の推進力演算部３５１ａに出力される。
　測定モジュールひずみ検出回路３６５の例を図１３に示す。測定モジュールひずみ検出回路３６５は、２つのブリッジ回路である第１検出回路３７３ａと第２検出回路３７３ｂとで構成されている。第１検出回路３７３ａの第１系統側では、電源Ｖｃｃから順に、第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂの順に接続されている。即ち、第１ひずみゲージ３６９ａおよび第２ひずみゲージ３６９ｂが電源Ｖｃｃに対して直列に接続されている。第２系統側では、電源Ｖｃｃから順に、固定抵抗Ｒ、固定抵抗Ｒの順に接続されている。第２検出回路３７３ｂの第１系統側では、電源Ｖｃｃから順に、第３ひずみゲージ３６９ｃ、第４ひずみゲージ３６９ｄの順に接続されている。即ち、第３ひずみゲージ３６９ｃおよび第４ひずみゲージ３６９ｄが電源Ｖｃｃに対して直列に接続されている。第２系統側では、電源Ｖｃｃから順に、固定抵抗Ｒ、固定抵抗Ｒの順に接続されている。
　即ち、２つの固定抵抗Ｒは、第１検出回路３７３ａと第２検出回路３７３ｂとで共有している。ここで、２つの固定抵抗Ｒは同一の抵抗値を有している。また、２つの固定抵抗Ｒは、ひずみゲージ３６９の圧縮又は伸長が生ずる前の抵抗値と同一の抵抗値を有する。なお、第１ひずみゲージ３６９ａ乃至第４ひずみゲージ３６９ｄは同じ抵抗値を有している。
　ひずみゲージ３６９の抵抗値は、公知のように圧縮されている場合には抵抗値が下がり、伸長されている場合には抵抗値が上がる。この抵抗値の変化は、変化量がわずかな場合には比例している。また、ひずみゲージ３６９の検出方向は、配線が伸びている方向であり、上述したように第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂ、第３ひずみゲージ３６９ｃが、中心軸Ｃ１と平行な方向、第４ひずみゲージ３６９ｄが、中心軸Ｃ１と垂直な方向となる。この検出方向以外において圧縮又は伸長が生じた場合には、ひずみゲージ３６９に抵抗値の変化は生じない。
　このような特性を持つひずみゲージ３６９を使用した第１検出回路３７３ａは、第１ひずみゲージ３６９ａと第２ひずみゲージ３６９ｂの検出方向で圧縮または伸長されていない場合は、第１ひずみゲージ３６９ａと第２ひずみゲージ３６９ｂとの間の電位Ｖａｂと、２つの固定抵抗Ｒの間の電位Ｖｒとの電位差はほぼゼロとなる。
　第１ひずみゲージ３６９ａが圧縮され、第２ひずみゲージ３６９ｂが伸張された場合は、第１ひずみゲージ３６９ａの抵抗値が減少して第２ひずみゲージ３６９ｂの抵抗値が増加するために、電位Ｖａｂが高くなり、電位Ｖｒは変化しない。つまり、電位Ｖａｂと電位Ｖｒとの間に電位差が発生する。第１ひずみゲージ３６９ａが伸張され、第２ひずみゲージ３６９ｂが圧縮された場合は、第１ひずみゲージ３６９ａの抵抗値が増加して第２ひずみゲージ３６９ｂの抵抗値が減少するために、電位Ｖａｂが低くなり、電位Ｖｒは変化しない。つまり、電位Ｖａｂと電位Ｖｒとの間に電位差が発生する。
　第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂともに圧縮された場合は、第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂともに抵抗値が減少するために、電位Ｖａｂと、電位Ｖｒとの電位差はほぼゼロとなる。第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂともに伸張された場合は、第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂともに抵抗値が増加するために、電位Ｖａｂと、電位Ｖｒとの電位差はほぼゼロとなる。
　第２検出回路３７３ｂも第１検出回路３７３ａと同様の動作となる。つまり、第３ひずみゲージ３６９ｃが圧縮され、第４ひずみゲージ３６９ｄが伸張された場合は、電位Ｖｃｄが高くなり、電位Ｖｒは低くなり、電位Ｖｃｄと電位Ｖｒとの間に電位差が発生する。第３ひずみゲージ３６９ｃが伸張され、第４ひずみゲージ３６９ｄが圧縮された場合は、電位Ｖｃｄが低くなり、電位Ｖｒは高くなり、電位Ｖｃｄと電位Ｖｒとの間に電位差が発生する。第３ひずみゲージ３６９ｃ、第４ひずみゲージ３６９ｄともに圧縮された場合と、第３ひずみゲージ３６９ｃ、第４ひずみゲージ３６９ｄともに伸張された場合は、電位Ｖｃｄと、電位Ｖｒとの電位差はほぼゼロとなる。
　そこで、第１検出回路３７３ａの電位Ｖａｂが測定できる第１ひずみゲージ３６９ａと第２ひずみゲージ３６９ｂとの接続点と、電位Ｖｒが測定できる２つの固定抵抗Ｒの接続点と、を第１検出回路３７３ａの出力（以降Ａ出力）とする。第２検出回路３７３ｂの電位Ｖｃｄが測定できる第３ひずみゲージ３６９ｃと第４ひずみゲージ３６９ｄとの接続点と、電位Ｖｒが測定できる２つの固定抵抗Ｒの接続点と、を第２検出回路３７３ｂの出力（以降Ｂ出力）とする。このＡ出力とＢ出力がひずみ情報となる。
　図１４は、ユーザにより力（踏力）が加えられた際の右側クランク１０５Ｒの変形状態を示している。（ａ）は右クランク１０５Ｒの上面１１７から見た平面図、（ｂ）は右側クランク１０５Ｒの内面１１９から見た平面図、（ｃ）は右側クランク１０５Ｒのクランク軸１０７側の端部から見た平面図である。なお、以降の説明では右側クランク１０５Ｒで説明するが、左側クランク１０５Ｌでも同様である。
　ユーザの足からペダル１０３を介して踏力が加えられると、その踏力はクランク１０５の回転力となる、クランク１０５の回転の接線方向の力である推進力Ｆｔと、クランク１０５の回転の法線方向の力である損失力Ｆｒとに分けられる。このとき、右側クランク１０５Ｒには、曲げ変形ｘ、曲げ変形ｙ、引張変形ｚ、ねじれ変形ｒｚの各変形状態が生じる。
　曲げ変形ｘは、図１４（ａ）に示したように、右側クランク１０５Ｒが上面１１７から下面１１８に向かって、或いは下面１１８から上面１１７に向かって曲がるように変形することであり、推進力Ｆｔによって生じる変形である。即ち、クランク１０５の回転方向に発生する変形によるひずみ（クランク１０５の回転方向に生じているひずみ）を検出することとなり、曲げ変形ｘの検出によってクランク１０５に生じている回転方向ひずみが検出できる。曲げ変形ｙは、図１４（ｂ）に示したように、右側クランク１０５Ｒが外面１２０から内面１１９に向かって、或いは内面１１９から外面１２０に向かって曲がるように変形することであり、損失力Ｆｒによって生じる変形である。即ち、クランク１０５の外面１２０から内面１１９、または内面１１９から外面１２０に向かって発生する変形によるひずみ（右側クランク１０５Ｒの回転運動により定義される円を含む平面と垂直な方向に生じているひずみ）を検出することとなり、曲げ変形ｙの検出によってクランク１０５に生じている内外方向ひずみが検出できる。
　引張変形ｚは、右側クランク１０５Ｒが長手方向に伸張または圧縮されるように変形することであり、損失力Ｆｒによって生じる変形である。即ち、クランク１０５が長手方向に引っ張られるまたは押される方向に発生する変形によるひずみ（長手方向と平行な方向に生じているひずみ）を検出することとなり、引張変形ｚの検出によってクランク１０５に生じている引張方向ひずみが検出できる。ねじれ変形ｒｚは、右側クランク１０５Ｒが、ねじれるように変形することであり、推進力Ｆｔによって生じる変形である。即ち、クランク１０５がねじれる方向に発生する変形によるひずみを検出することとなり、ねじれ変形ｒｚの検出によってクランク１０５に生じているねじり方向ひずみが検出できる。なお、図１４は、曲げ変形ｘ、曲げ変形ｙ、引張変形ｚ、ねじれ変形ｒｚの変形方向を矢印で示したが、上述したように、この矢印と逆方向に各変形が発生する場合もある。
　したがって、推進力Ｆｔを測定するためには、曲げ変形ｘまたはねじれ変形ｒｚのいずれか、損失力Ｆｒを測定するためには、曲げ変形ｙまたは引張変形ｚのいずれかを定量的に検出すればよい。
　ここで、図１２のように配置され、図１３のように第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂ、第３ひずみゲージ３６９ｃ、第４ひずみゲージ３６９ｄが接続された測定モジュールひずみ検出回路３６５によって、曲げ変形ｘ、曲げ変形ｙ、引張変形ｚ、ねじれ変形ｒｚを検出（測定）する方法を説明する。
　まず、第１検出回路３７３ａのＡ出力において、各変形がどのように検出（測定）されるかを説明する。曲げ変形ｘは、右側クランク１０５Ｒが上面１１７から下面１１８に向かって、或いはその逆方向に変形する。右側クランク１０５Ｒが上面１１７から下面１１８に向かって変形する場合、第１ひずみゲージ３６９ａは圧縮されるので抵抗値が減少し、第２ひずみゲージ３６９ｂは伸張されるので抵抗値が増加する。そのため、第１検出回路３７３ａのＡ出力は正出力（電位Ｖａｂが高く電位Ｖｒが低い）となる。また、右側クランク１０５Ｒが下面１１８から上面１１７に向かって変形する場合、第１ひずみゲージ３６９ａは伸張されるので抵抗値が増加し、第２ひずみゲージ３６９ｂは圧縮されるので抵抗値が減少する。そのため、第１検出回路３７３ａのＡ出力は負出力（電位Ｖａｂが低く電位Ｖｒが高い）となる。
　曲げ変形ｙは、右側クランク１０５Ｒが外面１２０から内面１１９に向かって、或いはその逆方向に変形する。右側クランク１０５Ｒが外面１２０から内面１１９に向かって変形する場合、第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂともに圧縮されるので、どちらも抵抗値が減少する。そのため、第１検出回路３７３ａのＡ出力はゼロ（電位Ｖａｂと電位Ｖｒに電位差が無い）となる。また、右側クランク１０５Ｒが内面１１９から外面１２０に向かって変形する場合、第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂともに伸張されるので、どちらも抵抗値が増加する。そのため、第１検出回路３７３ａのＡ出力はゼロとなる。
　引張変形ｚは、右側クランク１０５Ｒが長手方向に伸張または圧縮されるように変形する。右側クランク１０５Ｒが伸張する場合、第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂともに伸張されるので、どちらも抵抗値が増加する。そのため、第１検出回路３７３ａのＡ出力はゼロとなる。また、右側クランク１０５Ｒが圧縮する場合、第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂともに圧縮されるので、どちらも抵抗値が減少する。そのため、第１検出回路３７３ａのＡ出力はゼロとなる。
　ねじれ変形ｒｚは、右側クランク１０５Ｒが、ねじれるように変形する。右側クランク１０５Ｒが図１４（ｂ）の矢印の方向にねじれる場合、第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂともに伸張されるので、どちらも抵抗値が増加する。そのため、第１検出回路３７３ａのＡ出力はゼロとなる。また、右側クランク１０５Ｒが図１４（ｂ）の矢印と逆方向にねじれる場合、第１ひずみゲージ３６９ａ、第２ひずみゲージ３６９ｂともに伸張されるので、どちらも抵抗値が増加する。そのため、第１検出回路３７３ａのＡ出力はゼロとなる。
　以上のように、Ａ出力からは、曲げ変形ｘのみが検出される。即ち、第１検出回路３７３ａは、第１ひずみゲージ３６９ａおよび第２ひずみゲージ３６９ｂが接続され、クランク１０５に生じている回転方向ひずみを検出する。
　次に、第２検出回路３７３ｂのＢ出力において、各変形がどのように検出（測定）されるかを説明する。曲げ変形ｘは、右側クランク１０５Ｒが上面１１７から下面１１８に向かって、或いはその逆方向に変形する。右側クランク１０５Ｒが上面１１７から下面１１８に向かって変形する場合、第３ひずみゲージ３６９ｃ、第４ひずみゲージ３６９ｄは曲がるだけのため、検出方向に圧縮も伸張もされないので抵抗値は変化しない。そのため、第２検出回路３７３ｂのＢ出力はゼロとなる。また、右側クランク１０５Ｒが下面１１８から上面１１７に向かって変形する場合、第３ひずみゲージ３６９ｃ、第４ひずみゲージ３６９ｄは曲がるだけのため、検出方向に圧縮も伸張もされないので抵抗値は変化しない。そのため、第２検出回路３７３ｂのＢ出力はゼロとなる。
　曲げ変形ｙは、右側クランク１０５Ｒが外面１２０から内面１１９に向かって、或いはその逆方向に変形する。右側クランク１０５Ｒが外面１２０から内面１１９に向かって変形する場合、第３ひずみゲージ３６９ｃは圧縮されるので抵抗値が減少し、第４ひずみゲージ３６９ｄは伸張されるので抵抗値が増加する。そのため、第２検出回路３７３ｂのＢ出力は正出力（電位Ｖｃｄが高く電位Ｖｒが低い）となる。また、右側クランク１０５Ｒが内面１１９から外面１２０に向かって変形する場合、第３ひずみゲージ３６９ｃは伸張されるので抵抗値が増加し、第４ひずみゲージ３６９ｄは圧縮されるので抵抗値が減少する。そのため、第２検出回路３７３ｂのＢ出力は負出力（電位Ｖｃｄが低く電位Ｖｒが高い）となる。
　引張変形ｚは、右側クランク１０５Ｒが長手方向に伸張または圧縮されるように変形する。右側クランク１０５Ｒが伸張する場合、第３ひずみゲージ３６９ｃは伸張されるので抵抗値が増加し、第４ひずみゲージ３６９ｄは圧縮されるので抵抗値が減少する。そのため、第２検出回路３７３ｂのＢ出力は負出力となる。また、右側クランク１０５Ｒが圧縮する場合、第３ひずみゲージ３６９ｃは圧縮されるので抵抗値が減少し、第４ひずみゲージ３６９ｄは伸張されるので抵抗値が増加する。そのため、第２検出回路３７３ｂのＢ出力は正出力となる。
　ねじれ変形ｒｚは、右側クランク１０５Ｒが、ねじれるように変形する。右側クランク１０５Ｒが図１４（ｂ）の矢印の方向にねじれる場合、第３ひずみゲージ３６９ｃは伸張されるので抵抗値が増加し、第４ひずみゲージ３６９ｄは検出方向に変形しないので抵抗値は変化しない。そのため、第２検出回路３７３ｂのＢ出力は負出力となる。また、右側クランク１０５Ｒが図１４（ｂ）の矢印と逆方向にねじれる場合、第３ひずみゲージ３６９ｃは伸張されるので抵抗値が増加し、第４ひずみゲージ３６９ｄは検出方向に変形しないので抵抗値は変化しない。そのため、第２検出回路３７３ｂのＢ出力は負出力となる。
　以上のように、Ｂ出力からは、曲げ変形ｙ、引張変形ｚ、ねじれ変形ｒｚが検出される。即ち、第２検出回路３７３ｂは、第３ひずみゲージ３６９ｃおよび第４ひずみゲージ３６９ｄが接続され、クランク１０５に生じている内外方向ひずみまたは引張方向ひずみを検出する。
　そして、第１検出回路３７３ａのＡ出力と、第２検出回路３７３ｂのＢ出力から、推進力演算部３５１ａが、推進力Ｆｔは次の（１）式により、損失力Ｆｒは次の（２）式によりそれぞれ算出する。なお、引張変形ｚは曲げ変形ｙと比較すると非常に小さいので無視することができる。即ち、（１）式及び（２）式で算出される値が、クランク１０５の回転時に当該クランク１０５に加えられる負荷に関する値となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、Ａは推進力Ｆｔ（あるいは損失力Ｆｒ）を算出する時点におけるＡ出力値、Ａ０は無負荷時のＡ出力値、Ｂは推進力Ｆｔ（あるいは損失力Ｆｒ）を算出する時点におけるＢ出力値、Ｂ０は無負荷時のＢ出力値、ｐ、ｑ、ｓ、ｕは係数であり、次の（３）～（６）式からなる連立方程式により算出される値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、Ａｍはクランク１０５の角度が水平前向き（クランク１０５で水平かつフロント車輪５方向に延在している状態）でペダル１０３にｍ［ｋｇ］を載せたときのＡ出力値である。Ｂｅはクランク１０５の角度が水平前向きでペダル１０３にｍ［ｋｇ］を載せたときのＢ出力値である。Ａｅはクランク１０５の角度が垂直下向き（クランク１０５で鉛直かつ地面方向に延在している状態）でペダル１０３にｍ［ｋｇ］を載せたときのＡ出力値である。Ｂｍはクランク１０５の角度が垂直下向きでペダル１０３にｍ［ｋｇ］を載せたときのＢ出力値である。
　係数ｐ、ｑ、ｓ、ｕおよびＡ０、Ｂ０は予め算出又は測定可能な値であるので、ＡおよびＢを（１５）式に代入することで推進力Ｆｔが算出できる。
　また、（１）式ではＢ出力を用いてＡ出力の補正をしている。（２）式ではＡ出力を用いてＢ出力の補正をしている。これにより、第１検出回路３７３ａや第２検出回路３７３ｂに含まれる検出対象以外のひずみの影響を排除することができる。なお、第１ひずみゲージ３６９ａと第２ひずみゲージ３６９ｂがクランク方向（中心軸Ｃ１と平行な方向）にずれが無い場合、Ａｅ＝Ａ０となりＢ出力による補正の必要がなくなる。
　なお、ひずみゲージ３６９の配置やブリッジ回路の構成は図１２や図１３に示した構成に限らない。例えばひずみゲージ３６９は４つに限らないし、ブリッジ回路も１つに限らない。要するに、推進力Ｆｔや損失力Ｆｒが算出できる構成であればよい。
　次に、サイクルコンピュータ２０１のブロック構成を説明する。サイクルコンピュータ２０１は、図３に示したように、サイクルコンピュータ表示部２０３、サイクルコンピュータ操作部２０５、サイクルコンピュータ無線受信部２０９、サイクルコンピュータ記憶部２５３及びサイクルコンピュータ制御部２５１を有している。
　サイクルコンピュータ表示部２０３は、ユーザの指示等に基づいて、各種の情報を表示する。本実施例においては、推進力Ｆｔと損失力Ｆｒを視覚化して表示する。なお、視覚化の方法はどのような方法であっても良いが、測定モジュール３０１から送信されたクランク１０５の回転角に基づいて、例えばクランク１０５の回転角が３０°毎の推進力Ｆｔと損失力Ｆｒをベクトル表示することができる。また、他の方法としては、例えば、グラフ表示、色分け表示、記号の表示、３次元表示等どのような方法であってもよい。また、それらの組み合わせ等であってよい。
　サイクルコンピュータ操作部２０５は、ユーザの指示（入力）を受ける。例えば、サイクルコンピュータ操作部２０５は、ユーザから、サイクルコンピュータ表示部２０３に表示内容の指示を受ける。
　サイクルコンピュータ無線受信部２０９は、測定モジュール３０１から送信される送信データ（推進力Ｆｔ及び損失力Ｆｒとクランク１０５の回転角とケイデンス）を受信する。
　サイクルコンピュータ記憶部２５３には、各種情報が記憶される。各種情報とは、例えば、サイクルコンピュータ制御部２５１の制御プログラム、及び、サイクルコンピュータ制御部２５１が制御を行う際に必要とされる一時的な情報である。なお、サイクルコンピュータ記憶部２５３は、ＲＡＭ及びＲＯＭを有している。ＲＯＭには制御プログラム、及び、推進力Ｆｔおよび損失力Ｆｒをサイクルコンピュータ表示部２０３に視覚的に表示するデータに変換するための各種のパラメータ、定数、等が記憶されている。
　サイクルコンピュータ制御部２５１は、サイクルコンピュータ２０１を包括的に制御している。さらに、測定モジュール３０１をも包括的に制御していても良い。サイクルコンピュータ制御部２５１は、推進力Ｆｔおよび損失力Ｆｒをサイクルコンピュータ表示部２０３に視覚的に表示するデータに変換する。
　次に、測定モジュール３０１及びサイクルコンピュータ２０１の処理を図１５を参照して説明する。図１５の処理は測定モジュール制御部３５１やサイクルコンピュータ制御部制御部２５１が内蔵するＣＰＵで動作するソフトウェア（コンピュータプログラム）により実行されてもよいし、ハードウェアで実行されてもよい。まず、測定モジュール３０１の処理を図１５（ａ）に示す。ステップＳＴ１１において、加速度センサ３７１の出力値を取得する。そして、上述した方法により正接値を算出する。本ステップにおける詳細処理は図１５（ｂ）を参照して後述する。即ち、ステップＳＴ１１が、取得工程、出力工程として機能する。
　次に、ステップＳＴ１３において、ステップＳＴ１１で検出された回転角が３０°ごとの角度か否かを判断し、３０°       ごとの角度である場合（ＹＥＳの場合）はステップＳＴ１５に進み、そうでない場合はステップＳＴ１１に戻る。回転角が３０°ごとの角度か否かは、上述したように、算出された正接値を正接テーブル部３５７の値と比較することで判断できる。そして、本ステップによって、ステップＳＴ１１で算出された正接値が角度θに変換される。つまり、ステップＳＴ１１では、正接値を算出するまでであり、本ステップで３０°ごとの角度と判定されなければ回転角には変換されない。即ち、本実施例では、ステップＳＴ１３も出力工程となる。なお、本実施例では３０°ごととしているが、勿論４５°ごとなど他の角度ごとであってもよい。
　次に、ステップＳＴ１５において、測定モジュールひずみ検出回路３６５を駆動する。つまり、図１０に示したようなブリッジ回路に電源電圧を印加してひずみゲージ３６９による測定が可能な状態とする。
　次に、ステップＳＴ１７において、測定モジュールひずみ検出回路３６５からの出力（Ａ出力、Ｂ出力）に基づいて推進力Ｆｔ及び損失力Ｆｒを算出する。
　次に、ステップＳＴ１９において、送信データ作成部３５１ｄは、測定モジュール無線送信部３０９を介して、算出された推進力Ｆｔ及び損失力Ｆｒと回転角とケイデンスとを送信データとして送信する。送信された推進力Ｆｔ及び損失力Ｆｒと回転角とケイデンスとは、サイクルコンピュータ２０１のサイクルコンピュータ無線受信部２０９によって受信される。なお、ケイデンスは、毎回送信する必要はなく１回転に１度送信すればよいので、本実施例の場合は１２回に１回送信すればよい。
　上述したステップＳＴ１１の処理は、図１５（ｂ）に示したように、ステップＳＴ３１において、加速度センサ３７１から１周分の出力値（第１加速度および第２加速度）を取得する。
　次に、ステップＳＴ３３において、ステップＳＴ３１で取得した出力値から中心値（Ｘc，Ｙc）を算出する。
　そして、ステップＳＴ３５において、角度（正接値）を算出する。正接値ではなくＸ0－ＸcとＹ0－Ｙcであってもよい。
　また、サイクルコンピュータ２０１のサイクルコンピュータ制御部２５１は、図１５（ｃ）の処理を行う。ステップＳＴ７１において、サイクルコンピュータ制御部２５１は、推進力Ｆｔ、損失力Ｆｒ、回転角またはケイデンスを受信すると割り込みが行われる。つまり、サイクルコンピュータ無線受信部２０９が推進力Ｆｔ、損失力Ｆｒ、回転角またはケイデンスを受信したことをサイクルコンピュータ制御部２５１が検出した時には、サイクルコンピュータ制御部２５１は、それまでの処理を中断（割り込み）し、ステップＳＴ７３以下の処理を開始する。
　次に、ステップＳＴ７３において、サイクルコンピュータ制御部２５１は、サイクルコンピュータ表示部２０３に回転角ごとの推進力Ｆｔと損失力Ｆｒやケイデンスを表示させる。サイクルコンピュータ表示部２０３は、推進力Ｆｔと損失力Ｆｒをクランク１０５の回転角ごとにベクトル表示したり、ケイデンス値を数値として表示したりする。
　例えば、クランク１０５の所定の回転角（３０°）毎に推進力Ｆｔと損失力Ｆｒの大きさを矢印等で表示することなどが挙げられる。
　次に、ステップＳＴ７５において、サイクルコンピュータ制御部２５１は、推進力Ｆｔと損失力Ｆｒ及びケイデンスをサイクルコンピュータ記憶部２５３のサイクルコンピュータ記憶部２５３に記憶する。その後、サイクルコンピュータ制御部２５１は、再びステップＳＴ５１の割り込みが行われるまで他の処理を行う。
　本実施例によれば、回転角推定部３５１ｂが、クランク軸１０７に取り付けたクランク１０５に配置され、クランク１０５の長手方向と平行な方向の加速度とクランク１０５の短手方向と平行な方向の加速度を検出する加速度センサ３７１の出力値を取得する。そして、最新の加速度センサ３７１の出力値および過去のクランク１０５の１周分の加速度センサ３７１の出力値から長手方向の加速度および短手方向の加速度の中心値を算出し、その算出値と最新の加速度センサ３７１の出力値との差分の逆正接を算出することよりクランク１０５の回転角を算出している。このようにすることにより、中心値を算出することができれば、その中心値と最新の出力値との差分の逆正接からクランク１０５の回転角を算出することができる。したがって、角度の検出自体に磁石を用いないので、低コスト化が図れ、ごみや砂鉄などの影響を受けないことから、耐久性を向上させることができる。また、角速度センサを利用しないので、低消費電力化を図ることもできる。
　また、角速度センサを利用しないので、低消費電力化を図ることもできる。角速度センサ、例えばジャイロセンサは、振動子などを常時振動させなければならないので加速度センサに比べて一般的に消費電力が大きい。したがって、本実施例のように、加速度センサ３７１のみで回転角を検出することで、消費電力を低減させて、バッテリ等の駆動時間を延ばすことができる。
　また、検出した回転角が３０°ごとの角度の場合に、パワーセンサ３６８を動作させているので、パワーセンサ３６８の動作期間を制限することができ、消費電力をさらに削減することができる。
　また、加速度センサ３７１が２軸加速度センサで構成されているので部品点数を削減することができ、コストダウンに貢献できる。
　また、予め角度θと正接値との対応を正接テーブル部３５７に保管して、測定モジュール制御部３５１部（回転角推定部３５１ｂ）が、正接テーブル部３５７に基づいてクランク１０５の回転角を出力しているので、逆正接演算を行う必要が無くなり演算の処理を軽減することができる。
　また、クランク１０５の１周の基準位置を設定する基準位置設定部が、フレーム３に固定されて配置されている磁石５０３と、クランク１０５に配置され磁石５０３を検出する磁気センサ３７３と、を有して構成されている。このようにすることにより、容易にクランク１０５の１周を検出することができる。また、ケイデンスセンサと兼ねることができるので、専用のセンサ等が不要となる。
　次に、本発明の第２の実施例にかかる回転角検出装置を図１６を参照して説明する。なお、前述した第１の実施例と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
　本実施例は、構成は第１の実施例と同様であるが、クランク１０５の回転角を算出する際の中心値の求め方が異なる。第１の実施例では、クランク１０５の１周分の加速度センサ３７１の出力値から中心値を求めていたが、本実施例では、最新の加速度センサ３７１の出力値と、少なくとも過去の異なる時刻に２回取得した加速度センサ３７１の出力値から中心値を算出する（図１６参照）。
　つまり、３つの出力値からそれぞれ半径１［Ｇ］の円を描き、重なった点が中心値（Ｘc，Ｙc）と推定できる。３点の場合は、以下の（７）式～（９）式による連立方程式の解（Ｘ，Ｙ）から中心値（Ｘc，Ｙc）を求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　中心値を求めた以降は第１の実施例と同様に正接値を求めて正接テーブル部３５７に基づいてクランク１０５の回転角を求めればよい。
　なお、過去の加速度センサ３７１の出力値は最新の加速度センサ３７１の出力値と同じ回転（最新の出力値から１周以内）に限らず、１周以上前の出力値であってもよい。過去の２つの加速度センサ３７１の出力値もそれぞれ異なる回転であってもよい。また、最新の加速度センサ３７１の出力値を含まず、過去の３回の出力値から中心値を求めてもよい。要するに異なる時刻に取得された出力値であればよい。
　本実施例によれば、回転角推定部３５１ｂが最新の加速度センサ３７１の出力値と、過去の異なる時刻に２回取得した加速度センサ３７１の出力値に基づいて、中心値を求めているので、１周分の出力値を取得するのと比較して少ないデータで中心値を算出することができる。したがって、出力値保管部３５５の容量を節約することができる。
　なお、上述した実施例では、加速度センサ３７１の出力値は３つで説明したが、勿論４以上であってもよい。
　次に、本発明の第３の実施例にかかる回転角検出装置を図１７及び図１８を参照して説明する。なお、前述した第１の実施例と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
　本実施例では、図１７に示したように、磁気センサ３７３が回転角推定部３５１ｂに接続されず、基準位置の検出に磁気センサ３７３や磁石５０３を使用しない。図１８は加速度センサ３７１の長手方向の出力値（第１加速度）のグラフである。図１８（ａ）はクランク１０５が静止している際のグラフ、図１８（ｂ）はクランク１０５が回転している際のグラフである。クランク１０５が回転すると遠心力がかかるため曲線にオフセットがかかる。
　図１８から明らかなように、加速度の傾きが“０”で、その値が最大値のときは、クランク１０５の角度が１８０°（重力方向、つまりクランク１０５の先端が真下を向く）になる。したがって、これを検出することで、１８０°を基準位置とすることができる。
　本実施例では、加速度の傾きを算出するために、加速度センサ３７１の長手方向の出力値（第１加速度）について、前回の測定値と現在の測定値との差を算出する。また、差が“０”になることは実際は少ないため、所定の閾値を設け、その閾値以下の場合に最大値と判断すればよい。なお、この処理は、回転角推定部３５１ｂで行う。即ち、回転角推定部３５１ｂが、加速度センサ３７１の出力値の最大値に基づいて基準位置を設定している。
　本実施例によれば、加速度センサ３７１の長手方向の加速度の出力値が最大値の場合を基準位置としている。このようにすることにより、長手方向と平行な方向が検出方向の加速度センサが検出する加速度が重力方向のとき、即ち鉛直方向となるときを検出することができる。また、クランク１０５の回転角を検出する加速度センサ３７１の出力値を利用できるので他のセンサ等を追加する必要が無い。
　なお、本実施例の場合、最大値ではなく最小値であってもよい。この場合は、検出される基準位置が０°（重力と逆方向、つまりクランク１０５の先端が真上を向く）となる。
　次に、本発明の第４の実施例にかかる回転角検出装置を図１９及び図２０を参照して説明する。なお、前述した第１の実施例と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
　本実施例では、図１９に示したように、加速度センサ３７１の出力にローパスフィルタ（ＬＰＦ）処理を施し、さらに、ローパスフィルタ処理によって遅延した分を回転角推定部３５１ｂ２で補正する。即ち、ＬＰＦ３７２がフィルタ部として機能する。
　自転車など回転角検出装置が設けられる車両は外部から様々な振動が加わるため、加速度センサ３７１は、重力加速度や遠心力の加速度成分や回転力の加速度成分以外の加速度成分が出力値に含まれることが多い。したがって、加速度センサ３７１の出力に対して、ＬＰＦ３７２でＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタやＩＩＲ（無限インパルス応答）フィルタなどデジタルフィルタによるローパスフィルタ処理を施すことで加速度センサ３７１の出力に含まれる振動などのノイズ成分を除去する。勿論、デジタルフィルタでなくアナログフィルタであってもよい。
　デジタルフィルタを施された出力値は、図２０に示すように、デジタルフィルタの特性によって、一定サンプル数分の遅延した値が出力されるため、最終的に算出されるクランク１０５の回転角を補正する必要がある。そこで、回転角推定部３５１ｂ２では、後述する（１２）式に示すような演算を行って回転角の補正を行う。即ち、回転角推定部３５１ｂ２が遅延角度補正部として機能する。
　例えば、ｎタップのＦＩＲフィルタ、サンプリング周波数ｆｓ［Ｈｚ］で、角速度ω［ｒａｄ／ｓｅｃ］とした場合、ｎ／（２×ｆｓ）［ｓｅｃ］前のクランク１０５の回転角を算出することとなるので、算出されたクランクの回転角に以下の（１０）式だけ進めるように補正すればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ここで、角速度ωは、一定時間ｔ［ｓｅｃ］ごとに角度検知する場合、算出された角度をθ［ｒａｄ］、前回算出された角度θ-1から以下の（１１）式により算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　あるいは、角速度ωは、一周の時間ｔr［ｓｅｃ］を測定し、次の周回も一定の角速度が続くと仮定して次の（１２）式により算出してもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　本実施例によれば、加速度センサ３７１の出力値にフィルタ処理を施すＬＰＦ３７２と、フィルタ処理が施された後に角度補正処理を施す回転角推定部３５１ｂ２と、を有している。このようにすることにより、振動などにより重力加速度やクランク１０５に加わる遠心力の加速度以外の加速度成分を取り除くことができ、クランク１０５の回転角に関する情報の精度を良くすることができる。また、回転角推定部３５１ｂ２によって、フィルタ処理によって発生する遅延を補正することができる。
　次に、本発明の第５の実施例にかかる回転角検出装置を図２１および図２２を参照して説明する。なお、前述した第１の実施例と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
　本実施例では、クランク１０５以外にクランク１０５の長手方向の加速度と短手方向の加速度を検出することによって、クランク１０５の回転角を検出することができる部品について説明する。
　図２１は、本実施例にかかるチェーンリング１０９とクランク１０５Ａとを示した平面図、図２２は、図２１に示されたクランク１０５Ａを示した平面図である。
　クランク１０５Ａは、チェーンリング１０９に後述するスパイダーアーム７７を介して取り付けられている。チェーンリング１０９は、大小２つのスプロケット（フロントチェーンホイールの一例）１０９ａ、１０９ｂを有している。
　クランク１０５Ａは、クランク軸側から放射状に延び、大小２枚のスプロケット１０９ａ、１０９ｂを先端に装着可能な５つのスパイダーアーム７７と、クランク軸１０７に固定され先端にペダルクランク軸装着孔１１５ａが形成されたクランクアーム７８と、を有している。クランク１０５Ａは、クランク軸から放射状に延びる複数のアーム部を有するアーム部材であって、クランクと連動して回転する部材に相当する。スパイダーアーム７７の先端には、固定ボルトが貫通する貫通孔７７ｂとスプロケット１０９ａ、１０９ｂ取付用の２つの取付面７７ｃとを有するスプロケット取付部７７ａが形成されている。
　大径のスプロケット１０９ａは、環状のギア部材を有している。ギア部材は、例えばアルミニウム合金材で形成されている。ギア部材の外周部には、チェーン１１１が噛み合うギア歯８６ａが形成されている。小径のスプロケット１０９ｂは、環状のギア部材を有している。ギア部材は、例えばアルミニウム合金材で形成されている。ギア部材の外周部には、チェーン１１１が噛み合うギア歯７２ａが形成されている。
　なお、図２１や図２２は、スパイダーアーム７７がクランクアーム７８と一体的に形成されていたが、それに限らず別体であってもよい。
　このような構成のクランク１０５Ａにおいて、スパイダーアーム７７に２軸加速度センサを設けることで、第１の実施例に示したのと同様にクランクアーム７８の回転角を算出することができる。但し、第１の実施例に示したように、加速度センサの検出軸はクランクアーム７８の長手方向に平行な方向と平行な方向と短手方向と平行な方向となっている必要がある。
　なお、スパイダーアーム７７だけでなく、ペダルクランク軸１１５（ペダル軸）に加速度センサを配置してもよい。要するに、回転軸に取り付けたクランクまたはクランクと連動して回転する部材であって、クランクの長手方向の加速度を検出可能な部材であれば適用可能である。ここで、連動とは、クランクと同じ回転軸でクランクと同じ回転速度で回転するという意味である。
　本実施例によれば、スパイダーアーム７７に２軸加速度センサを配置し、その加速度センサの現在の出力値と、過去の２以上の出力値と、に基づいて、クランクアーム７８の回転角に関する情報を算出する。このようにすることにより、クランクアーム７８以外の部品に加速度センサを配置してもクランクアーム７８の回転角を求めることができ、加速度センサの配置の自由度が増す。
　なお、上述した６つの実施例では、測定モジュール３０１で測定した推進力及び損失力や回転角は、サイクルコンピュータ２０１のサイクルコンピュータ表示部２０３にリアルタイムに表示させていたが、それに限らない。例えば、測定モジュール３０１からメモリカード等の記録媒体に出力し、後にパーソナルコンピュータ等でメモリカードに記録された情報を読み出して時系列にクランク１０５の回転角ごと推進力及び損失力の表示するようにしてもよい。
　また、本発明おける人力機械とは、自転車１、フィットネスバイク等のクランク１０５（クランクアーム７８）を備えた人力で駆動される機械をいう。つまり、クランク１０５を備えた人力で駆動（必ずしも場所的な移動をする必要はない）される機械であれば、人力機械はどの様なものであっても良い。
　また、本発明における測定装置とは、サイクルコンピュータ２０１の一部であってもよいし、他の独立した装置であっても良い。さらに、物理的に別れた複数の装置の集合体であっても良い。場合によっては、ひずみゲージ３６９（測定モジュールひずみ検出回路３６５）や加速度センサ３７１以外は通信を介することとし全く別の場所にある装置であってもよい。
　また、本発明は上記実施例に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の回転角検出装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。
　　１　　　　自転車
　　７７　　　スパイダーアーム（クランクと連動して回転する部材）
　　１０５　　クランク
　　１０７　　クランク軸（回転軸）
　　３１０　　回転角検出装置
　　３５１　　測定モジュール制御部
　　３５１ｂ　回転角推定部（取得部、出力部、基準位置設定部、遅延角度補正部）
　　３５３　　測定モジュール記憶部
　　３７１　　加速度センサ
　　３７２　　ＬＰＦ（フィルタ部）
　　３７３　　磁気センサ（検出部）
　　５０３　　磁石（被検出部）
　　ＳＴ１１　回転角検出（取得工程、出力工程）

Claims (10)

  1. 　回転軸に取り付けたクランクまたは前記クランクと連動して回転する部材に配置され、前記クランクの長手方向と平行な方向の第１加速度および前記クランクの短手方向と平行な方向の第２加速度とを検出する加速度センサと、
    　前記第１加速度および前記第２加速度を取得するとともに、異なる時刻にｎ（ｎは３以上の整数）回取得した前記第１加速度および前記第２加速度に基づいて、現在の前記クランクの回転角に関する情報を出力する出力部と、
    有することを特徴とする回転角検出装置。
  2. 　前記出力部は、異なる時刻に前記ｎ回取得した前記第１加速度および前記第２加速度に基づいて前記長手方向の加速度および前記短手方向の加速度の中心値を算出し、当該中心値と現在取得した前記第１加速度および前記第２加速度とに基づいて前記クランクの回転角に関する情報を出力することを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
  3. 　前記出力部は、前記クランクの１周分以上の前記第１加速度センサおよび前記第２加速度センサに基づいて前記中心値を算出することを特徴とする請求項２に記載の回転角検出装置。
  4. 　前記クランクの１周の基準位置を設定する基準位置設定部を有し、
    　前記出力部は、前記基準位置設定部が設定した前記基準位置に基づいて前記クランクの１周を検出する、
    することを特徴とする請求項３に記載の回転角検出装置。
  5. 　前記基準位置設定部が、前記クランクの特定の回転角に対応する位置に固定されて配置されている被検出部と、
    　前記クランクに配置され前記被検出部を検出する検出部と、
    を有していることを特徴とする請求項４に記載の回転角検出装置。
  6. 　前記基準位置設定部が、取得した前記第１加速度の最大値または最小値に基づいて前記基準位置を設定することを特徴とする請求項４に記載の回転角検出装置。
  7. 　取得した前記第１加速度および前記第２加速度にフィルタ処理を施すフィルタ部と、
    　前記フィルタ処理が施された後に角度補正処理を施す遅延角度補正部と、
    を有していることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の回転角検出装置。
  8. 　回転軸に取り付けたクランクまたは前記クランクと連動して回転する部材に配置され、前記クランクの長手方向と平行な方向の第１加速度および前記クランクの短手方向と平行な方向の第２加速度を取得する取得工程と、
    　前記取得工程で異なる時刻にｎ（ｎは３以上の整数）回取得した前記第１加速度および前記第２加速度に基づいて、現在の前記クランクの回転角に関する情報を出力する出力工程と、
    を有することを特徴とする回転角検出方法。
  9. 　請求項８に記載の回転角検出方法を、コンピュータにより実行させることを特徴とする回転角検出プログラム。
  10. 　請求項９に記載の回転角検出プログラムを格納したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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