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JP6138998B1 - 自転車の動態気圧測定システム - Google Patents

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Abstract

【課題】全てのタイプの自転車の車輪内又は車輪上に応用することができる上、自転車の走行過程で運動情報をリアルタイムで分析し、受信装置に表示する自転車の動態気圧測定システムを提供する。【解決手段】自転車の動態気圧測定システムは、動態気圧測定装置１及び受信装置２を備える。動態気圧測定装置１は、自転車のタイヤ内又はタイヤ上に設置されるとともに、少なくとも１つの気圧測定モジュールと、処理モジュールと、伝送モジュールとを含む。気圧測定モジュールは、自転車のタイヤ気圧変化データを測定するために用い、タイヤ気圧変化データは、一定時間内の気体圧力波形を含む。受信装置２は、伝送モジュールが送信する演算結果を受信し、リアルタイムで運動情報を表示する。【選択図】図１

Description

本発明は、自転車の動態気圧測定システムに関し、特に、全てのタイプの自転車の車輪内又は車輪上に応用することができる上、自転車の走行過程で運動情報をリアルタイムで分析して受信装置に表示する自転車の動態気圧測定システムに関する。
踏力、ペダリング効率を測定する市販のセンサは、その大部分が自転車のフレーム中の主な構造（例えば、ペダル、ボトムブラケット、チェンリング、ハブ又はクランク）に設置され、歪みゲージ又は圧電材料のセンサにより踏力を直接測定するか、トルクセンサにより踏力を間接的に推算する。
従来、センサの製造工程は困難であるため、取付け工程も複雑である上、異なる車種には使用することができず、センサの電圧出力値の範囲を制御することは容易でなかった。
機械動作の観点から見ると、クランクに３６０度全方向で力を均一に加えることができるのが最も理想的で効率的である。しかし人は機械でないため、足部の筋肉によりペダルを前方又は下方へこぐときに力を加えることは容易で効率も高いが、ペダルを後方又は上方へこぐときに足部に力を加えることは容易でない上、疲れやすかった。有効な訓練を行ってフェーズに応じて異なる力で踏力を加えることができるようになると、最も効率的なペダリングを行うことができる。
例えば、一般にクランクが９０度（即ち、３時の方向）のとき、クランクが回転する接線力方向が地面に対して垂直となり、好ましい踏力を得ることができる。反対に、２７０度（９時の方向）のとき、力を加えることが容易でない上、足部の重量によりマイナス面の影響も最大となる。
そのため、ペダリング効率を最大限にするためには、ペダルをふむ力が最大となる位置が３時の方向付近であるか否かに注意しなければならず、ペダルの位置が９時の方向にあるときに、足部を円滑かつ迅速に通過させることができるか否かに注意する必要がある。これら２つの要素はペダリング効率に大きく影響する。
このことから分かるように、センサにより踏力及びペダリング効率を直接測定する場合、人がペダルをこぐ要素により測定結果が左右され、取付けが困難で汎用性がなく、センサの電圧出力値の範囲が制御困難であるなどの欠点があるため、センサにより踏力及びペダリング効率を直接測定する従来技術には、依然として大きな改善の余地があった。
そのため、タイヤ内又はタイヤ上に動態気圧測定システムを取付け、動態気圧測定装置が有する気圧測定モジュールにより、ケイデンスメーター、パワーメーターなどの様々な測定機能を代替するとコストを下げ、自転車の重量を大幅に減らすこともできる上、元来のフレームの外観設計に悪影響を及ぼさない技術が求められていた。
本発明の主な目的は、全てのタイプの自転車の車輪内又は車輪上に応用することができる上、自転車の走行過程のペダリング効率を高頻度で分析し、その演算結果を受信装置に表示し、リアルタイムで運動情報をユーザに知らせる自転車の動態気圧測定システムを提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、両足の踏力を測定することができる上、力の測定範囲が大きく、組立てが容易で、様々なメーカーの車種に汎用可能で、センサを軽量化することができる自転車の動態気圧測定システムを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、動態気圧測定装置及び受信装置を備える自転車の動態気圧測定システムであって、前記動態気圧測定装置は、自転車のタイヤ内又はタイヤ上に設置されるとともに、少なくとも１つの気圧測定モジュールと、処理モジュールと、伝送モジュールと、を含み、前記気圧測定モジュールは、自転車のタイヤ気圧変化データを測定するために用い、前記タイヤ気圧変化データは、一定時間内の気体圧力波形を含み、前記処理モジュールは、前記気圧測定モジュールと電気的に接続され、前記気圧測定モジュールの動作を制御し、前記気圧測定モジュールは、前記タイヤ気圧変化データを処理モジュールへ送信し、前記処理モジュールは、前記タイヤ気圧変化データから自転車の動作過程でのケイデンス及び踏力を演算し、気体圧力波形中の気圧ピーク値から判断分析してケイデンス及び踏力を得て、前記伝送モジュールは、前記処理モジュールと電気的に接続され、前記処理モジュールの演算結果を送信し、前記受信装置は、前記伝送モジュールが送信する演算結果を受信し、リアルタイムで運動情報を表示することを特徴とする自転車の動態気圧測定システムが提供される。
前記処理モジュールは、ケイデンス分析ユニットを含み、前記ケイデンス分析ユニットは、一定期間内の気体圧力波形中の少なくとも２つの気圧ピーク間の時間をキャプチャし、自転車のケイデンスを計算することが好ましい。
前記処理モジュールは、踏力分析ユニットを含み、前記踏力分析ユニットは、一定期間内の気体圧力波形中の気圧ピーク値の大きさをキャプチャし、自転車のライダーの踏力値を計算することが好ましい。
前記受信装置は手持ち式スマート装置であり、前記手持ち式スマート装置には、アプリケーションがインストールされ、前記アプリケーションは、前記伝送モジュールが送信する演算結果を受信し、前記アプリケーション上に表示し、前記アプリケーションによりリアルタイムで運動情報を提供することが好ましい。
上記課題を解決するために、本発明の第２の形態によれば、動態気圧測定装置及び受信装置を備える自転車の動態気圧測定システムであって、前記動態気圧測定装置は、自転車のタイヤ上に設置されるとともに、少なくとも１つの気圧測定モジュールと、処理モジュールと、伝送モジュールと、を含み、前記気圧測定モジュールは、自転車のタイヤ気圧変化データを測定するために用い、前記タイヤ気圧変化データは、一定時間内の気体圧力波形を含み、前記処理モジュールは、前記気圧測定モジュールと電気的に接続され、前記気圧測定モジュールの動作を制御し、前記気圧測定モジュールは、前記処理モジュールへ前記タイヤ気圧変化データを送信し、前記伝送モジュールは、前記処理モジュールと電気的に接続され、前記処理モジュールが受信した前記タイヤ気圧変化データを送信し、前記受信装置は、リアルタイムで運動情報を表示するとともに、前記伝送モジュールが送信する前記タイヤ気圧変化データを受信し、前記タイヤ気圧変化データにより自転車の動作過程中のケイデンス及び踏力を演算し、気体圧力波形中の気圧ピーク値によりケイデンス及び踏力を判断分析して得ることを特徴とする自転車の動態気圧測定システムが提供される。
前記受信装置は手持ち式スマート装置であり、前記手持ち式スマート装置には、アプリケーションがインストールされ、前記アプリケーションは、伝送モジュールが送信する前記タイヤ気圧変化データを受信し、前記タイヤ気圧変化データから演算し、ケイデンス及び踏力を含む運動情報をリアルタイムでユーザに提供することが好ましい。
前記アプリケーションは、ケイデンス分析ユニットを含み、前記ケイデンス分析ユニットは、一定期間内の気体圧力波形中の少なくとも２つの気圧ピーク間の時間をキャプチャし、自転車のケイデンスを計算することが好ましい。
前記アプリケーションは、踏力分析ユニットを含み、前記踏力分析ユニットは、一定期間内の気体圧力波形中の気圧ピーク値の大きさをキャプチャし、自転車のライダーの踏力値を計算することが好ましい。
本発明の一実施形態に係る自転車の動態気圧測定システムの全体のアーキテクチャを示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る自転車の動態気圧測定システムの内部アーキテクチャを示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る自転車の動態気圧測定システムの処理モジュールの内部アーキテクチャを示すブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る自転車の動態気圧測定システムの動態気圧測定装置の受信装置の内部アーキテクチャを示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る自転車の動態気圧測定システムの動態気圧測定装置の実施の応用を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る自転車の動態気圧測定システムの動態気圧測定装置の気体圧力を示す波形図である。 本発明の一実施形態に係る自転車の動態気圧測定システムの動態気圧測定装置の気体圧力を示す分析図である。
以下、本発明を実施形態に基づいて、より具体的に説明する。但し、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
図１〜図３を参照する。図１は、本発明の一実施形態に係る自転車の動態気圧測定システムの全体のアーキテクチャを示すブロック図である。図２は、本発明の一実施形態に係る自転車の動態気圧測定システムの内部アーキテクチャを示すブロック図である。図３は、本発明の一実施形態に係る自転車の動態気圧測定システムの処理モジュールの内部アーキテクチャを示すブロック図である。
図１〜図３に示すように、本発明の一実施形態に係る自転車の動態気圧測定システムは、動態気圧測定装置１と、受信装置２と、を含む。動態気圧測定装置１は、少なくとも１つの気圧測定モジュール１１と、処理モジュール１２と、伝送モジュール１３と、を含む。気圧測定モジュール１１は、自転車のタイヤの気圧変化データを測定するために用いる。タイヤ気圧変化データは、少なくとも一定時間内の気体圧力波形を含む。
処理モジュール１２は、気圧測定モジュール１１と電気的に接続され、気圧測定モジュール１１の動作を制御する。気圧測定モジュール１１は、タイヤ気圧変化データを処理モジュール１２へ送信する。処理モジュール１２は、ケイデンス分析ユニット１２１及び踏力分析ユニット１２２を含む。処理モジュール１２は、タイヤ気圧変化データにより、自転車の動作過程のケイデンス及び踏力を演算することができる。
ケイデンス分析ユニット１２１は、一定期間内の気体圧力波形中の少なくとも２つの気圧ピーク間の時間をキャプチャし、自転車のケイデンスを計算する。踏力分析ユニット１２２は、一定期間内の気体圧力波形中の気圧ピーク値の大きさをキャプチャし、自転車のライダーの踏力値を計算する。
ケイデンス及び踏力を演算してから、処理モジュール１２により演算した結果、伝送モジュール１３を介して受信装置２へ送信し、受信装置２は、リアルタイムで運動情報を表示する。
受信装置２は、手持ち式スマート装置でもよい。手持ち式スマート装置には、アプリケーション２１を取り付ける。アプリケーション２１は、リアルタイムで運動情報を表示する。しかし、図４に示すように、アプリケーション２１によりケイデンス分析ユニット２１１及び踏力分析ユニット２１２を設置し、ケイデンス分析ユニット２１１及び踏力分析ユニット２１２の動作モードは既に述べているため、ここでは繰り返して述べない。
もし処理モジュール１２及びアプリケーション２１がケイデンス及び踏力を演算する能力のみ有する場合、処理モジュール１２は、ケイデンス及び踏力を自ら演算するか、タイヤ気圧変化データをアプリケーション２１へ送信し、アプリケーション２１により演算する。
もし処理モジュール１２がケイデンス及び踏力を演算する能力のみ有する場合、処理モジュール１２は、ケイデンス及び踏力を演算した後、その演算結果をアプリケーション２１へ送信する。
もしアプリケーション２１がケイデンス及び踏力を演算する能力のみ有する場合、処理モジュール１２は、タイヤ気圧変化データをアプリケーション２１へ送信し、アプリケーション２１により演算を行う。
図５に示すように、動態気圧測定装置１は、自転車３のタイヤ３１内部又は外表面上に設置され、動態気圧測定装置１が測定したタイヤ気圧変化データを得る。タイヤ気圧変化データは、少なくとも一定期間内の気体圧力波形を含み、気体圧力波形を図６Ａに示す（タイヤ３１が地面に触れると、タイヤ３１が押圧されて圧力が上昇するが、タイヤ３１は常に押圧された状態に維持されずに、押圧が処理されて放出された圧力状態であるため、タイヤ３１の圧力が僅かに放出されて下がり、気体圧力波形が発生する）。
図６Ａ及び図６Ｂを参照する。図６Ａは、本発明の一実施形態に係る自転車の動態気圧測定システムの動態気圧測定装置の気体圧力を示す波形図である。図６Ｂは、本発明の一実施形態に係る自転車の動態気圧測定システムの動態気圧測定装置の気体圧力を示す分析図である。
図６Ａは、複数の気圧ピーク値を示す。図６Ｂは、気体圧力波形を拡大した後の気圧ピーク値の位置を示す。気圧ピーク値は、ペダリングされたことを表し、２つの気圧ピーク値間の時間はＰｔである。ケイデンスはＣＡＤであり、次式（１）で表される。
ケイデンスで算出される数値の単位はＲＰＭである。ここで３０は、単位変換の係数であり、これは１秒当たりの回数を１分単位当たりの回転数へ変換する変換係数を表す。
さらに、各（最大）気圧ピーク値は、異なる気体圧力（Ｐａ）へ対応するため、一定期間内の気体圧力波形中の全ての気圧ピーク値が対応する気体圧力（Ｐａ）を自転車のライダーの踏力値を演算する基礎として用い、実際の踏力は、次式（２）で表すことができる。
ここで、Ｆは踏力であり、ｋは補正値定数（単位はパスカルである）であり、ΔＰは気圧変化値（最大気圧値−平均気圧値）であり、Ｒは補正値定数である。最大気圧値は、一定期間内の各気圧ピーク値の大きさであり、平均気圧値は一定期間内の全ての気圧ピーク値の平均であるため、上式（２）により実際の踏力を算出することができる。
上述したことから分かるように、本発明の自転車の動態気圧測定システムは、従来技術と比べて以下（１）〜（３）の長所を有する。
（１）タイヤ内又はタイヤ上に動態気圧測定装置を取付け、動態気圧測定装置が有する気圧測定モジュールが様々なパラメータを介して自転車の車速を得ることができる上、ケイデンスメーター、パワーメーターなどの様々なセンサの機能を代替し、コストを下げて自転車の重量を大幅に減らすことができるため、元々のフレームの外観設計に悪影響を与えることがない。
（２）全てのタイプの自転車の車輪内又は車輪上に応用することができる上、データを高頻度でキャプチャした後、波変化量及び高さ変化量に基づいて自転車の走行過程におけるペダリング効率を分析して計算し、その演算結果を受信装置に表示し、リアルタイムで運動情報をユーザに知らせることができる。
（３）両足の踏力を測定することができる上、力の測定範囲が大きく、組立てが容易で、様々なメーカーの車種に汎用可能で、センサを軽量化することができ、ターンオン電圧値を補正する必要がないなどの長所を有する。
当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。
１ 動態気圧測定装置
２ 受信装置
３ 自転車
１１ 気圧測定モジュール
１２ 処理モジュール
１３ 伝送モジュール
２１ アプリケーション
３１ タイヤ
１２１ ケイデンス分析ユニット
１２２ 踏力分析ユニット
２１１ ケイデンス分析ユニット
２１２ 踏力分析ユニット

Claims (8)

  1. 動態気圧測定装置及び受信装置を備える自転車の動態気圧測定システムであって、
    前記動態気圧測定装置は、自転車のタイヤ内又はタイヤ上に設置されるとともに、少なくとも１つの気圧測定モジュールと、処理モジュールと、伝送モジュールと、を含み、
    前記気圧測定モジュールは、自転車のタイヤ気圧変化データを測定するために用い、前記タイヤ気圧変化データは、一定時間内の気体圧力波形を含み、
    前記処理モジュールは、前記気圧測定モジュールと電気的に接続され、前記気圧測定モジュールの動作を制御し、前記気圧測定モジュールは、前記タイヤ気圧変化データを処理モジュールへ送信し、前記処理モジュールは、前記タイヤ気圧変化データから自転車の動作過程でのケイデンス及び踏力を演算し、気体圧力波形中の気圧ピーク値から判断分析してケイデンス及び踏力を得て、
    前記伝送モジュールは、前記処理モジュールと電気的に接続され、前記処理モジュールの演算結果を送信し、
    前記受信装置は、前記伝送モジュールが送信する演算結果を受信し、リアルタイムで運動情報を表示することを特徴とする、
    自転車の動態気圧測定システム。
  2. 前記処理モジュールは、ケイデンス分析ユニットを含み、前記ケイデンス分析ユニットは、一定期間内の気体圧力波形中の少なくとも２つの気圧ピーク間の時間をキャプチャし、自転車のケイデンスを計算することを特徴とする請求項１に記載の自転車の動態気圧測定システム。
  3. 前記処理モジュールは、踏力分析ユニットを含み、前記踏力分析ユニットは、一定期間内の気体圧力波形中の気圧ピーク値の大きさをキャプチャし、自転車のライダーの踏力値を計算することを特徴とする請求項１に記載の自転車の動態気圧測定システム。
  4. 前記受信装置は手持ち式スマート装置であり、前記手持ち式スマート装置には、アプリケーションがインストールされ、前記アプリケーションは、前記伝送モジュールが送信する演算結果を受信し、前記アプリケーション上に表示し、前記アプリケーションによりリアルタイムで運動情報をユーザに提供することを特徴とする請求項１に記載の自転車の動態気圧測定システム。
  5. 動態気圧測定装置及び受信装置を備える自転車の動態気圧測定システムであって、
    前記動態気圧測定装置は、自転車のタイヤ上に設置されるとともに、少なくとも１つの気圧測定モジュールと、処理モジュールと、伝送モジュールと、を含み、
    前記気圧測定モジュールは、自転車のタイヤ気圧変化データを測定するために用い、前記タイヤ気圧変化データは、一定時間内の気体圧力波形を含み、
    前記処理モジュールは、前記気圧測定モジュールと電気的に接続され、前記気圧測定モジュールの動作を制御し、前記気圧測定モジュールは、前記処理モジュールへ前記タイヤ気圧変化データを送信し、
    前記伝送モジュールは、前記処理モジュールと電気的に接続され、前記処理モジュールが受信した前記タイヤ気圧変化データを送信し、
    前記受信装置は、リアルタイムで運動情報を表示するとともに、前記伝送モジュールが送信する前記タイヤ気圧変化データを受信し、前記タイヤ気圧変化データにより自転車の動作過程中のケイデンス及び踏力を演算し、気体圧力波形中の気圧ピーク値によりケイデンス及び踏力を判断分析して得ることを特徴とする、
    自転車の動態気圧測定システム。
  6. 前記受信装置は手持ち式スマート装置であり、前記手持ち式スマート装置には、アプリケーションがインストールされ、前記アプリケーションは、伝送モジュールが送信する前記タイヤ気圧変化データを受信し、前記タイヤ気圧変化データから演算し、ケイデンス及び踏力を含む運動情報をリアルタイムでユーザに提供することを特徴とする請求項５に記載の自転車の動態気圧測定システム。
  7. 前記アプリケーションは、ケイデンス分析ユニットを含み、前記ケイデンス分析ユニットは、一定期間内の気体圧力波形中の少なくとも２つの気圧ピーク間の時間をキャプチャし、自転車のケイデンスを計算することを特徴とする請求項６に記載の自転車の動態気圧測定システム。
  8. 前記アプリケーションは、踏力分析ユニットを含み、前記踏力分析ユニットは、一定期間内の気体圧力波形中の気圧ピーク値の大きさをキャプチャし、自転車のライダーの踏力値を計算することを特徴とする請求項６に記載の自転車の動態気圧測定システム。
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