JP6215471B2 - 回転角検出装置 - Google Patents

Description

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、クランク又は前記クランクと連動して回転する部材に、前記クランクの回転軸から第１距離及び前記第１距離とは異なる第２距離離れた位置にそれぞれ配置され前記クランクの長手方向と平行な方向の加速度である第１加速度及び第２加速度をそれぞれ検出する第１加速度センサ及び第２加速度センサと、前記第１加速度と、前記第２加速度と、前記第１距離と、前記第２距離と、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出力部と、を有することを特徴とする回転角検出装置である。

請求項９に記載された発明は、クランクの回転角に関する情報を出力する回転角検出装置の回転角検出方法であって、クランク又は前記クランクと連動して回転する部材に前記クランクの回転軸から第１距離及び前記第１距離とは異なる第２距離離れた位置にそれぞれ配置された第１加速度センサ及び第２加速度センサから、前記クランクの長手方向と平行な方向の加速度である第１加速度及び第２加速度を取得する加速度検出工程と、前記第１加速度、前記第２加速度、前記第１距離及び前記第２距離に基づいて、前記クランクの回転角に関する情報を出力する出力工程と、を含むことを特徴とする回転角検出方法である。

請求項１１に記載された発明は、請求項１０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１２に記載された発明は、請求項１１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、測定モジュール及びケイデンスセンサ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、測定モジュール及びケイデンスセンサ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。 −ｃｏｓθと回転角との関係を表したグラフである。 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の実施例にかかるサイクルコンピュータ、測定モジュール及びケイデンスセンサのブロック構成図である。 図１２に示されたフラグの変化を示した説明図である。 本発明の第３の実施例にかかるサイクルコンピュータ、測定モジュール及びケイデンスセンサのブロック構成図である。 クランクの長手方向の加速度と短手方向の加速度との関係を示した説明図である。 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。 本発明の第４の実施例にかかるサイクルコンピュータ、測定モジュール及びケイデンスセンサのブロック構成図である。 図１７の他の例にかかるサイクルコンピュータ、測定モジュール及びケイデンスセンサのブロック構成図である。 図１７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５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２０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、第１加速度センサが、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、回転軸から第１距離離れた位置に配置され、クランクの長手方向と平行な方向の加速度である第１加速度を検出し、第２加速度センサが、クランクまたはクランクと連動して回転する部材に、回転軸から第２距離離れた位置に配置され、クランクの長手方向と平行な方向の加速度である第２加速度を検出する。そして、出力部が、第１加速度と、第２加速度と、第１距離と、第２距離と、に基づいて、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、加速度センサのクランクの長手方向（検出軸方向）の重力加速度成分を算出することができる。そして、その重力加速度成分に基づいてクランクの回転角度に関する情報（例えば、角度自体に限らず余弦値や正弦値など）を算出することで、クランクの回転角を検出することができる。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、第１の距離と前記第２の距離とは異なる距離であってもよい。このようにすることにより、片側のクランクに第１加速度センサと第２加速度センサとを配置してクランクの回転角度に関する情報を出力することができる。

また、出力部が、第２距離と第１加速度とを乗じた値と第１距離と第２加速度とを乗じた値との差分に基づいて余弦値を算出し、そして、余弦値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、遠心力の加速度は回転軸の中心からの距離に比例するので、２つの加速度に基づいて加速度センサに加わる遠心力の加速度をキャンセルしてクランクの長手方向（検出軸方向）の重力加速度成分を算出することができる。

また、予め所定の回転角と余弦値との対応関係が設定されているテーブル部を有し、出力部が、算出された余弦値およびテーブル部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、余弦値から角度を計算で求める必要が無くなり、三角関数などの複雑な処理を行うことなく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。

また、クランクの１回転を鉛直方向で２等分した半回転のうちいずれの区間にクランクが位置しているかを検出するクランク位置検出部を有し、出力部は、当該クランク位置検出部の検出結果と余弦値とに基づいてクランクの回転角に関する情報を出力するようにしてもよい。このようにすることにより、余弦値が１８０°周期で変化する場合、０°≦θ＜１８０°の範囲と１８０°≦θ＜３６０°の範囲とを識別することができる。

また、過去に算出された余弦値を少なくとも１以上記憶する余弦値記憶部を有し、クランク位置検出部は、余弦値記憶部に記憶されている余弦値と今回算出された余弦値とに基づいて、クランクの１回転を鉛直方向で２等分した半回転のうちいずれの区間にクランクが位置しているか検出してもよい。このようにすることにより、算出された余弦値が増加傾向か減少傾向かを判定することで、０°≦θ＜１８０°の範囲と１８０°≦θ＜３６０°の範囲とを識別することができる。

また、クランクの１回転を鉛直方向で２等分した半回転のうちいずれの区間にクランクが位置しているかに応じて２値が交互に変化する情報を保持する保持部を有し、クランク位置検出部は、余弦値に基づいて、保持部に保持されている情報を変化させてもよい。このようにすることにより、保持部に保持されている情報を余弦値に応じてトグルすることができる。例えば、余弦値が “１”の場合と“−１”の場合とで保持部に保持されている情報をトグルさせることで、０°≦θ＜１８０°の範囲と１８０°≦θ＜３６０°の範囲とを識別することができる。

また、クランクの短手方向と平行な方向の加速度である第３加速度を検出する第３加速度センサを有し、クランク位置検出部は、第３加速度に基づいてクランクの１回転を鉛直方向で２等分した半回転のうちいずれの区間にクランクが位置しているかを検出してもよい。このようにすることにより、第３加速度の値によって０°≦θ＜１８０°の範囲と１８０°≦θ＜３６０°の範囲とを識別することができる。したがって、保持部や記憶部などの記憶手段等を必要としない。また、２軸の加速度センサを用いれば部品点数も増加しない。

また、第１加速度および第２加速度、または、余弦値のうちいずれか一方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、第１加速度取得工程で、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、回転軸から第１距離離れた位置に配置された第１加速度センサから、クランクの長手方向と平行な方向の加速度である第１加速度を取得し、第２加速度取得部で、クランクまたはクランクと連動して回転する部材に、回転軸から第２距離離れた位置に配置された第２加速度センサから、クランクの長手方向と平行な方向の加速度である第２加速度を検出する。そして、出力工程で、第１加速度と、第２加速度と、第１距離と、第２距離と、に基づいて、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、加速度センサのクランクの長手方向（検出軸方向）の重力加速度成分を算出することができる。そして、その重力加速度成分に基づいてクランクの回転角度に関する情報（例えば、角度自体に限らず余弦値や正弦値など）を算出することで、クランクの回転角を検出することができる。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、加速度センサのクランクの長手方向（検出軸方向）の重力加速度成分を算出することができる。そして、その重力加速度成分に基づいてクランクの回転角度に関する情報（例えば、角度自体に限らず余弦値や正弦値など）を算出することで、クランクの回転角を検出することができる。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１１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８参照）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、ケイデンスセンサ５０１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ケイデンス無線受信部２０７及び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ケイデンス無線受信部２０７及び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ケイデンス無線受信部２０７及び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。

ケイデンスセンサ５０１は、クランク１０５に設けられた磁石５０３の接近を検出する磁気センサ５０５を有している（図３参照）。磁気センサ５０５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５０５がＯＮになるということは、磁気センサ５０５が存在する位置にクランク１０５も存在することとなる。このケイデンスセンサ５０１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。

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８参照）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。

図３は、サイクルコンピュータ２０１、測定モジュール３０１及びケイデンスセンサ５０１のブロック図である。

まず、ケイデンスセンサ５０１のブロック構成を説明する。ケイデンスセンサ５０１は、磁気センサ５０５、ケイデンスセンサ無線送信部５０７、ケイデンスセンサ制御部５５１を有している。

磁気センサ５０５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５０５がＯＮとなると、磁気センサ５０５はその旨の情報信号をケイデンスセンサ制御部５５１に出力する。

ケイデンスセンサ無線送信部５０７は、ケイデンスセンサ制御部が算出したケイデンス情報を、サイクルコンピュータケイデンス無線受信部２０７に送信している。このケイデンスセンサ無線送信部５０７による送信は、例えば図示しないタイマ等によって所定の間隔ごとに行われている。

ケイデンスセンサ制御部５５１は、ケイデンスセンサ５０１を包括的に制御している。ケイデンスセンサ制御部５５１は、磁気センサ５０５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。ケイデンスセンサ制御部５５１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５０５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。

さらに、ケイデンスセンサ制御部５５１は、このケイデンス情報を図示しないメモリに記憶させる。そして、ケイデンス情報を送信するタイミングで、メモリに記憶したケイデンス情報を読み出してケイデンスセンサ無線送信部５０７に送信させる。

次に、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及び加速度センサ３７１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情報や、加速度センサ３７１の出力情報から算出したクランク１０５の回転角情報等を、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、クランク前後判定部３５１ｃと、送信データ作成部３５１ｄ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、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。

クランク前後判定部３５１ｃは、クランク１０５の位置がクランク１０５の回転方向の前側（例えば０°≦θ＜１８０°）か後側（例えば１８０°≦θ＜３６０°）かを判定する。判定方法は後述する。本実施例では、クランク１０５の先端が真上を向いたときを基準角度０°（３６０°）とし、クランク１０５の先端が真下を向いたときを１８０°とする。即ち、クランク前後判定部３５１ｃは、クランク１０５の１回転を鉛直方向で２等分した半回転のうちいずれの区間にクランク１０５が位置しているかを検出するクランク位置検出部として機能する。また、回転方向が右回りに角度が増加するようにするか、左回りに角度が増加するようにするかは、適宜定めればよい。要するにクランク１０５の位置が一意に定まればよい。

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、余弦値保管部３５５及び余弦テーブル部３５７も記憶されている。

余弦値保管部３５５は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）で構成され、クランク前後判定部３５１ｃでクランク１０５の位置を判定する際に用いる過去の算出された余弦値を保管する。即ち、余弦値保管部３５５は、過去に算出された余弦値を少なくとも１以上記憶する余弦値記憶部として機能する。

余弦テーブル部３５７は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）で構成され、回転角と余弦値ｃｏｓθとの対応テーブルが記憶される。即ち、余弦テーブル部３５７が、予め所定の回転角における余弦値との対応関係が設定されているテーブル部として機能する。

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。加速度センサ３７１は、第１加速度センサ３７１ａ、第２加速度センサ３７１ｂから構成されている。

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。

第１加速度センサ３７１ａと第２加速度センサ３７１ｂ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、クランク軸１０７の中心から異なる距離に設けられている。図４の例では、第１加速度センサ３７１ａの方が第２加速度センサ３７１ｂよりもクランク軸１０７の中心に近い位置に設けられている。また、第１加速度センサ３７１ａと第２加速度センサ３７１ｂは、クランク１０５の長手方向に対して平行な方向が検出方向となっている。即ち、第１加速度センサ３７１ａが検出する加速度が第１加速度、第２加速度センサ３７１ｂが検出する加速度が第２加速度となる。また、第１加速度センサ３７１ａと第２加速度センサ３７１ｂは、図４に示したように一直線上に設けられていなくてもよい。

加速度センサ３７１の検出結果は、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７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。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（図５（ａ））。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であるので、実際には、重力加速度の長手方向の成分が検出される（図５（ｂ））。重力加速度の長手方向の成分は以下の（１）式により表される。なお、第１加速度センサ３７１ａと第２加速度センサ３７１ｂとは同じ値が検出される。

次に、クランク１０５が回転すると図６に示したようになる。ここで、第１加速度センサ３７１ａはクランク軸１０７の中心からｒ１の距離（第１距離）、第２加速度センサ３７１ｂはクランク軸１０７の中心からｒ２の距離（第２距離）にそれぞれ設けられているとする。また、ｒ１＜ｒ２とする。

クランク１０５が回転すると、重力加速度とともにクランク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）に遠心力が発生するため、遠心力の加速度も加わる。遠心力の加速度は、回転中心（クランク軸１０７の中心）から離れるにしたがって大きくなる。また、第１加速度センサ３７１ａには、重力加速度と遠心力の加速度とを加算した加速度（瞬間加速度）が加わり、第２加速度センサ３７１ｂには、重力加速度と遠心力の加速度とを加算した加速度（瞬間加速度）が加わる。加速度センサ３７１は、上述したように、検出方向がクランク１０５の長手方向と平行な方向であるので、実際には、瞬間加速度の長手方向の成分が検出される。

図６の場合において、回転時の角速度をωとすると、第１加速度センサ３７１ａの遠心力の加速度は以下の（２）式、第２加速度センサ３７１ｂの遠心力の加速度は以下の（３）式によりそれぞれ表される。

そして、第１加速度センサ３７１ａの瞬間加速度は以下の（４）式、第２加速度センサ３７１ｂの瞬間加速度は以下の（５）式によりそれぞれ表される。

したがって、第１加速度センサ３７１ａの出力値（第１加速度センサ３７１ａで検出された第１加速度）は以下の（６）式、第２加速度センサ３７１ｂの出力値（第２加速度センサ３７１ｂで検出された第２加速度）は以下の（７）式によりそれぞれ表される。

ここで、ｒ２×ａ１−ｒ１×ａ２とすると、遠心力の加速度成分がキャンセルできる。即ち、（１）式および（４）式〜（７）式により以下の（８）式が導かれる。

（８）式を変形すると、クランク１０５が回転している際の長手方向の重力加速度が以下の（９）式により表される。

（１）式と（９）式から余弦値ｃｏｓθは以下の（１０）式により表される。

したがって、（１０）式によりクランク１０５の回転角を求めることができる。即ち、−ｃｏｓθが、本実施例における第２距離（ｒ２）と第１加速度（ａ１）とを乗じた値と第１距離（ｒ１）と第２加速度（ａ１）とを乗じた値との差分に基づいて算出される余弦値となる。

本実施例では、角度θを直接算出することは行わず、例えば３０°毎など所定角度の余弦値ｃｏｓθを余弦テーブル部３５７として測定モジュール記憶部３５３に予め持っておき、（１０）式により算出された結果と比較することで、所定角度を検出する。例えば、０°の場合は−ｃｏｓθは−１、３０°の場合−ｃｏｓθは０．８６６、６０°の場合は−ｃｏｓθは−０．５となるので、（１０）式の演算結果がこれらの値となった（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なる。即ち、本実施例では、回転角推定部３５１ｂが出力部として機能し、−ｃｏｓθ（余弦値）および余弦テーブル部３５７（テーブル部）に基づいてクランクの回転角に関する情報として角度が出力される。なお、クランクの回転角に関する情報としては、角度ではなく、算出された−ｃｏｓθをそのまま、あるいは正負を反転した値（ｃｏｓθ）等を出力し、出力先で角度（θ）に変換するようにしてもよい。

ここで、余弦値ｃｏｓθの場合、０°≦θ＜１８０°と１８０°≦θ＜３６０°とでは同じ値をとる角度（θ）が存在する。そのため、クランク前後判定部３５１ｃで０°≦θ＜１８０°と１８０°〜３６０°のいずれの範囲にあるかを判定する。具体的には、−ｃｏｓθは図７に示したように、０°≦θ＜１８０°の範囲は増加し、１８０°≦θ＜３６０°の範囲は減少する。そこで、例えば（１０）式の算出結果（−ｃｏｓθ）を連続する過去数回分を測定モジュール記憶部３５３の余弦値保管部３５５に保管（記憶）しておき、今回の算出結果と過去の算出結果を比較して増加傾向か減少傾向かを判断することで、０°≦θ＜１８０°と１８０°≦θ＜３６０°のいずれの範囲にあるかを判定する。そして、回転角推定部３５１ｂは、クランク前後判定部３５１ｃの判定結果に基づいて算出された−ｃｏｓθの示す角度を特定する。

即ち、クランク前後判定部３５１ｃ（クランク位置検出部）は、余弦値保管部３５５（余弦値記憶部）に記憶されている余弦値と今回回転角推定部３５１ｂで算出された余弦値とに基づいて、クランク１０５の１回転を鉛直方向で２等分した半回転のうちいずれの区間にクランク１０５が位置しているか検出している。

なお、保管するのは、前回のみなど１回分であってもよいし、連続しない過去の算出結果（例えば２回前など）であってもよい。要するに、増加傾向か減少傾向かを判断できればよい。

また、（１０）式の分母は定数となるので、定数Ｋとして、−ｃｏｓθ×Ｋの値をテーブル等として持っていてもよい。この場合、除算が不要となり、演算処理の負荷を軽減することができる。この−ｃｏｓθ×Ｋも、特許請求の範囲における余弦値に含むものとする。即ち、本発明における余弦値は、ｃｏｓθで表される値であれば、正負の符号や係数等が含まれていてもよい。

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、クランク前後判定部３５１ｃ、送信データ作成部３５１ｄ）と、測定モジュール記憶部３５３（余弦値保管部３５５、余弦テーブル部３５７）と、加速度センサ３７１（第１加速度センサ３７１ａ、第２加速度センサ３７１ｂ）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。

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８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８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８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８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８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８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９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１０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１０（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１０（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１０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８のように配置され、図９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１０（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１０（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１０（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１０（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（１１）式により、損失力Ｆｒは次の（１２）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、（１１）式及び（１２）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。

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（１３）〜（１６）式からなる連立方程式により算出される値である。

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（１１）式に代入することで推進力Ｆｔが算出できる。

また、（１１）式ではＢ出力を用いてＡ出力の補正をしている。（１２）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８や図９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ケイデンス無線受信部２０７、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ケイデンス無線受信部２０７は、ケイデンスセンサ５０１から送信されるケイデンス情報を受信する。

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）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、ケイデンスセンサ５０１及び測定モジュール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１１を参照して説明する。図１１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１１（ａ）に示す。ステップＳＴ１１において、第１加速度センサ３７１ａ、第２加速度センサ３７１ｂで検出された値を取得する。そして、上述した（１０）式により−ｃｏｓθ（或いは−ｃｏｓθ×Ｋ）を算出し、算出値と余弦値保管部３５５に保管されている直近の複数回分の−ｃｏｓθから０°≦θ＜１８０°の範囲か１８０°≦θ＜３６０°の範囲かを特定して、回転角を検出する。なお、本ステップで、算出された−ｃｏｓθの値は余弦値保管部３５５に記憶するとともに、記憶数が上限の場合は最も古い−ｃｏｓθの値を削除する。即ち、ステップＳＴ１１が、第１加速度検出工程、第２加速度検出工程、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−ｃｏｓθ等を余弦テーブル部３５７の値と比較して、テーブルの値となった場合は、そのテーブルが示す角度が検出されたこととなるので、それによって判断することができる。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９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。

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１２（ｂ）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情報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情報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及びケイデンス情報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、第１加速度センサ３７１ａが、クランク軸１０７に取り付けたクランク１０５に、クランク軸１０７の中心からｒ１離れた位置に配置され、クランク１０５の長手方向と平行な方向の加速度であるａ１を検出し、第２加速度センサ３７１ｂが、クランク軸１０７に取り付けたクランク１０５に、ｒ１とは異なるｒ２クランク軸１０７から離れた位置に配置され、クランク１０５の長手方向と平行な方向の加速度であるａ２を検出する。そして、測定モジュール制御部３５１（回転角推定部３５１ｂ）が、ａ１と、ａ２と、ｒ１と、ｒ２と、に基づいて、クランク１０５の回転角に関する情報（−ｃｏｓθや−ｃｏｓθ×Ｋ等）を算出する。このようにすることにより、加速度センサのクランク１０５の長手方向（検出軸方向）の重力加速度成分を算出することができる。そして、その重力加速度成分に基づいてクランク１０５の回転角度に関する情報を算出することで、クランク１０５の回転角を検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。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、測定モジュール制御部３５１部が、ｒ２×ａ１−ｒ１×ａ２の算出値に基づいてクランクの回転角に関する情報を出力している。このようにすることにより、遠心力の加速度は回転軸の中心からの距離に比例するので、２つの加速度ａ１、ａ２から加速度センサに加わる遠心力の加速度をキャンセルしてクランク１０５の長手方向（検出軸方向）の重力加速度成分を算出することができる。

また、予め３０°ごとの−ｃｏｓθや−ｃｏｓθ×Ｋの値を余弦テーブル部３５７として測定モジュール記憶部３５３に格納され、測定モジュール制御部３５１部（回転角推定部３５１ｂ）が、余弦テーブル部３５７と余弦値に基づいてクランク１０５の回転角を出力しているので、余弦値から角度を計算で求める必要が無くなり、例えば三角関数などの複雑な処理を行うことなくクランク１０５の回転を出力することができる。

また、余弦値保管部３５５に過去に算出された−ｃｏｓθや−ｃｏｓθ×Ｋを少なくとも１以上記憶し、測定モジュール制御部３５１部（クランク前後判定部３５１ｃ）が、余弦値保管部３５５に記憶されている−ｃｏｓθや−ｃｏｓθ×Ｋと今回算出された−ｃｏｓθや−ｃｏｓθ×Ｋとを比較して、クランク１０５の１回転を鉛直方向で２等分した半回転のうちいずれの区間にクランクが位置しているか検出する。そして、測定モジュール制御部３５１部（回転角推定部３５１ｂ）は、前記した検出結果と今回算出された−ｃｏｓθや−ｃｏｓθ×Ｋとに基づいてクランク１０５の回転角に関する情報を出力している。このようにすることにより、−ｃｏｓθや−ｃｏｓθ×Ｋが増加傾向か減少傾向かを判定することで、０°≦θ＜１８０°の範囲と１８０°≦θ＜３６０°の範とを識別することができる。

なお、上述した実施例では、算出した−ｃｏｓθや−ｃｏｓθ×Ｋからテーブルを用いてクランク１０５の回転角を求めていたが、余弦テーブル部３５７を用いずに計算によって回転角を求めてもよい。

また、上述した実施例では片側のクランク１０５に第１加速度センサ３７１ａと第２加速度センサ３７１ｂとが配置されていたが、両側のクランク１０５、つまり、クランク１０５Ｒとクランク１０５Ｌとに１つずつ加速度センサが配置されていてもよい。この場合、各加速度センサのクランク軸１０７からの距離の絶対値は同じであってもよい。そして、クランク軸１０７からの距離は、一方のクランクにおける距離を正数で表し、他方のクランクにおける距離を負数で表せばよい。また、距離を負数で表した側の加速度センサの測定値ａ（ａ１やａ２）は負数（−１）を掛けて表せばよい。

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１２および図１３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、余弦値ｃｏｓθが、０°≦θ＜１８０°と１８０°≦θ＜３６０°とのいずれの範囲にあるかを判断する方法が異なる。本実施例では、−ｃｏｓθの値が−１（０°）、１（１８０°）になる度に、トグルする１ビットのフラグ３５１ｅ（図１２参照）を測定モジュール制御部３５１に設ける。なお、フラグ３５１ｅは、レジスタやＲＡＭ等値を保持できる素子で構成すればよい。即ち、フラグ３５１ｅが、クランク１０５の１回転を鉛直方向で２等分した半回転のうちいずれの区間にクランク１０５が位置しているかに応じて２値が交互に変化する情報を保持する保持部として機能する。

例えば、図１３の網掛けの無い範囲ではフラグ３５１ｅを“０”とし、網掛けのある範囲ではフラグを“１”とすれば、フラグ３５１ｅを参照することで、余弦値ｃｏｓθが、０°≦θ＜１８０°と１８０°≦θ＜３６０°とのいずれの範囲にあるかを判断できる。

本実施例によれば、クランク１０５の１回転のうち０°≦θ＜１８０°と１８０°≦θ＜３６０°のうちいずれの区間にクランク１０５が位置しているかに応じて“０”または“１”にトグルするフラグ３５１ｅを設ける。そして、測定モジュール制御部３５１（回転角推定部３５１ｂ）は、算出した−ｃｏｓθや−ｃｏｓθ×Ｋの値に基づいてフラグ３５１ｅをトグルさせ、回転角推定部３５１ｂは、フラグ３５１ｅと余弦値とに基づいてクランク１０５の回転を出力してもよい。このようにすることにより、フラグ３５１ｅとして保持されている値を余弦値に応じてトグルすることで、０°≦θ＜１８０°の範囲と１８０°≦θ＜３６０°未満の範囲とを識別することができる。また、フラグ３５１ｅは１ビットのみで識別できるので過去の−ｃｏｓθの値を記憶する必要が無くメモリ等の容量を節約できる。

上述した説明から明らかなように、本実施例においては、回転角推定部３５１ｂが、余弦値に基づいて、フラグ３５１ｅ（保持部）に保持されている情報を変化させるクランク位置検出部として機能する。

なお、フラグ３５１ｅの初期値については、例えば、クランク１０５の先端（ペダルクランク軸１１５）が真上（つまり０°）を向いたことを運転者からの操作等により検出して、その検出がなされたときにフラグを“０”に初期化して、以降はトグル動作をするようにすればよい。

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１４乃至図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。

本実施例では、余弦値ｃｏｓθが、０°≦θ＜１８０°と１８０°≦θ＜３６０°とのいずれの範囲にあるかを判断する方法が異なる。本実施例では、第１加速度センサ３７１ａ、第２加速度センサ３７１ｂに加えて第３加速度センサ３７１ｃを追加する（図１４参照）。第３加速度センサ３７１ｃは、第１加速度センサ３７１ａ、第２加速度センサ３７１ｂとは異なり、クランク１０５の短手方向に対して平行な方向（クランク１０５回転の接線方向）が検出方向となっている。また、第３加速度センサ３７１ｃは、個別のセンサではなく、第１加速度センサ３７１ａ、第２加速度センサ３７１ｂのいずれか一方を２軸加速度センサとしてもよい。

加速度センサ３７１が、上述したように配置されると、第１加速度センサ３７１ａと第２加速度センサ３７１ｂとは、クランク１０５の長手方向の加速度を検出し、第３加速度センサ３７１ｃは、クランク１０５の短手方向の加速度を検出する。図１５は、重力加速度Ｇの場合の例である。図１５に示したように、第１加速度センサ３７１ａまたは第２加速度センサ３７１ｂによって長手方向の加速度成分が検出され、第３加速度センサ３７１ｃによって短手方向の加速度成分を検出することができる。

これらの加速度の検出値（加速度センサの出力値）とクランク１０５の回転角との関係は図１６に示したグラフのようになる。このグラフから短手方向の加速度は、０°≦θ＜１８０°が正の値をなり、１８０°≦θ＜３６０°が負の値となる。したがって、短手方向の加速度、即ち、回転角推定部３５１ｂが、第３加速度センサ３７１ｃの出力値を参照することで、余弦値ｃｏｓθが、０°≦θ＜１８０°と１８０°≦θ＜３６０°とのいずれの範囲にあるかを判断することができる。

短手方向の加速度は、重力加速度成分とクランク回転加速度成分（一定速度回転時は０［ｍ／ｓ²］、加速時プラス、減速時マイナス）によって決まるが、例えば自転車走行でのクランク回転の場合は、重力加速度成分が多くを占めるため上述した判定が可能となる。

本実施例によれば、クランク１０５の短手方向と平行な方向の加速度である第３加速度を検出する第３加速度センサを有して、測定モジュール制御部３５１（回転角推定部３５１ｂ）は、第３加速度に基づいてクランク１０５の１回転のうち０°≦θ＜１８０°と１８０°≦θ＜３６０°のうちいずれの区間にクランク１０５が位置しているかを検出する。そして、その検出結果と−ｃｏｓθ等の値とに基づいてクランク１０５の回転角を出力する。このようにすることにより、第３加速度の値によって０°≦θ＜１８０°の範囲と１８０°≦θ＜３６０°の範囲とを識別することができる。したがって、記憶手段等を必要としない。また、２軸の加速度センサを用いれば部品点数も増加しない。

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１７乃至図１９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、加速度センサ３７１の出力（図１７参照）、または、算出された−ｃｏｓθ等の値（図１８参照）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またはＬＰＦ３５１ｆ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。或いは、図１８に示したように、回転角推定部３５１ｂ２で算出された−ｃｏｓθ等にローパスフィルタ処理を施してもよい。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や余弦値（−ｃｏｓθ等）は、図１９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（１９）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、クランク軸１０７中心からｒ［ｍ］の遠心力の加速度をａ_遠［ｍ／ｓｅｃ²］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。

また、遠心力の加速度ａ_遠は角速度をωとすると（１７）式により表され、角速度ωは（１８）式により表される。

したがって、算出された回転角に（１９）式だけ進めるように補正すればよい。

なお、遠心力の加速度ａ_遠は、例えば第２加速度センサ３７１ｂの場合、第１の実施例に示した（７）式−（６）式によって導かれる次の（２０）式により算出することができる。勿論第１加速度センサ３７１ａから求めてもよい。その場合も同様にして（７）式−（６）式から求めることができる。

あるいは、クランク１０５が１回転のうちのいずれの半回転にあるかの判定において、半回転間の時間を測定することで、回転加速度を算出し、その値から補正用の遠心力の加速度を求めるようにしてもよい。そして、半回転間は前の半回転の時間から算出された遠心力の加速度を用いる。

本実施例によれば、第１加速度および第２加速度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２０および図２１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２０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２１は、図２０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２０や図２１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。加速度センサは、１つをスパイダーアーム７７に配置し、もう１つをクランクアーム７８に配置してもいし、２つともスパイダーアーム７７に配置してもよい。但し、第１の実施例に示したように、２つの加速度センサの検出軸はクランクアーム７８の長手方向と平行な方向であって、かつ、右または左の同じ側に設ける場合は、２つの加速度センサのクランク軸中心からの距離が異なる必要がある。

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に加速度センサを少なくとも１つ配置し、その加速度センサの出力値と、他のスパイダーアーム７７またはクランクアーム７８に配置された加速度センサの出力値と、２つの加速度センサのクランク軸の回転中心からの距離と、に基づいて、クランクアーム７８の回転角に関する情報（−ｃｏｓθや−ｃｏｓθ×Ｋ等）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５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（出力部、遅延角度補正部）
３５１ｃ クランク前後判定部（クランク位置検出部）
３５１ｅ フラグ（保持部）
３５１ｆ ＬＰＦ（フィルタ部）
３５３ 測定モジュール記憶部
３５５ 余弦値保管部（余弦値記憶部）
３５７ 余弦テーブル部（テーブル部）
３７１ａ 第１加速度センサ
３７１ｂ 第２加速度センサ
３７１ｃ 第３加速度センサ
３７２ ＬＰＦ（フィルタ部）
ａ１ 第１加速度センサから検出される加速度（第１加速度）
ａ２ 第２加速度センサから検出される加速度（第２加速度）
ｒ１ 第１加速度センサのクランク軸中心からの距離（第１距離）
ｒ２ 第２加速度センサのクランク軸中心からの距離（第２距離）
ＳＴ１１ 回転角検出（第１加速度検出工程、第２加速度検出工程、出力工程）

Claims (11)

1. クランク又は前記クランクと連動して回転する部材に、前記クランクの回転軸から第１距離及び前記第１距離とは異なる第２距離離れた位置にそれぞれ配置され前記クランクの長手方向と平行な方向の加速度である第１加速度及び第２加速度をそれぞれ検出する第１加速度センサ及び第２加速度センサと、
   前記第１加速度と、前記第２加速度と、前記第１距離と、前記第２距離と、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出力部と、
   を有することを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記出力部が、前記第２距離と前記第１加速度とを乗じた値と前記第１距離と第２加速度とを乗じた値との差分に基づいて余弦値を算出し、そして、前記余弦値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. 予め所定の回転角と前記余弦値との対応関係が設定されているテーブル部を有し、
   前記出力部が、算出された前記余弦値および前記テーブル部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２に記載の回転角検出装置。
4. 前記クランクの１回転を鉛直方向で２等分した半回転のうちいずれの区間に前記クランクが位置しているかを検出するクランク位置検出部を有し、
   前記出力部は、当該クランク位置検出部の検出結果と前記余弦値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２または３に記載の回転角検出装置。
5. 過去に算出された前記余弦値を少なくとも１以上記憶する余弦値記憶部を有し、
   前記クランク位置検出部は、前記余弦値記憶部に記憶されている前記余弦値と今回算出された前記余弦値とに基づいて、前記クランクの１回転を鉛直方向で２等分した半回転のうちいずれの区間に前記クランクが位置しているか検出する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の回転角検出装置。
6. 前記クランクの１回転を鉛直方向で２等分した半回転のうちいずれの区間に前記クランクが位置しているかに応じて２値が交互に変化する情報を保持する保持部を有し、
   前記クランク位置検出部は、前記余弦値に基づいて、前記保持部に保持されている情報を変化させる、
   ことを特徴とする請求項４に記載の回転角検出装置。
7. 前記クランクの短手方向と平行な方向の加速度である第３加速度を検出する第３加速度センサを有し、
   前記クランク位置検出部は、前記第３加速度に基づいて前記クランクの１回転を鉛直方向で２等分した半回転のうちいずれの区間に前記クランクが位置しているかを検出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。
8. 前記第１加速度および前記第２加速度、または、前記余弦値のうちいずれか一方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２乃至７のうちいずれか一項に記載の回転角検出装置。
9. クランクの回転角に関する情報を出力する回転角検出装置の回転角検出方法であって、
   クランク又は前記クランクと連動して回転する部材に前記クランクの回転軸から第１距離及び前記第１距離とは異なる第２距離離れた位置にそれぞれ配置された第１加速度センサ及び第２加速度センサから、前記クランクの長手方向と平行な方向の加速度である第１加速度及び第２加速度を取得する加速度検出工程と、
   前記第１加速度、前記第２加速度、前記第１距離及び前記第２距離に基づいて、前記クランクの回転角に関する情報を出力する出力工程と、
   を含むことを特徴とする回転角検出方法。
10. 請求項９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。
11. 請求項１０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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