▶ ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023106323
(43)【公開日】2023-08-01
(54)【発明の名称】自転車のためのセンサシステム、および、自転車
(51)【国際特許分類】
G01P 3/42 20060101AFI20230725BHJP
G01P 21/02 20060101ALI20230725BHJP
【ＦＩ】
G01P3/42 K
G01P21/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023001282
(22)【出願日】2023-01-06
(31)【優先権主張番号】10 2022 200 617.8
(32)【優先日】2022-01-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(71)【出願人】
【識別番号】591245473
【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ
(74)【代理人】
【識別番号】100177839
【弁理士】
【氏名又は名称】大場 玲児
(74)【代理人】
【識別番号】100172340
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 始
(74)【代理人】
【識別番号】100182626
【弁理士】
【氏名又は名称】八島 剛
(72)【発明者】
【氏名】プレティンクス，ジョー
(72)【発明者】
【氏名】シュニー，ヤン
(72)【発明者】
【氏名】クスマン，アドリアン
(57)【要約】 （修正有）
【課題】自転車の速度を確実かつ間違いなしに算出することができるセンサシステムを提供する。
【解決手段】自転車１０のためのセンサシステム１であって、磁界センサと、少なくとも１つの加速度センサを備えた加速度センサユニットと、前記磁界センサおよび前記加速度センサユニットからの信号を検出するように構成された評価ユニットと、を有し、前記磁界センサおよび前記加速度センサユニットは、前記自転車のホイール１１ａ，１１ｂに取り付けるために構成されており、前記磁界センサおよび前記加速度センサユニットは、互いに相対的に不動に、かつ回転軸１００に関連して予め規定された間隔を保って配置されており、前記評価ユニットは、前記回転軸に関連した前記磁界センサおよび／または前記加速度センサユニットの回転速度および／または配向を算出するために、前記磁界センサおよび前記加速度センサユニットの信号を評価するように構成されている。
【選択図】図１
【解決手段】自転車１０のためのセンサシステム１であって、磁界センサと、少なくとも１つの加速度センサを備えた加速度センサユニットと、前記磁界センサおよび前記加速度センサユニットからの信号を検出するように構成された評価ユニットと、を有し、前記磁界センサおよび前記加速度センサユニットは、前記自転車のホイール１１ａ，１１ｂに取り付けるために構成されており、前記磁界センサおよび前記加速度センサユニットは、互いに相対的に不動に、かつ回転軸１００に関連して予め規定された間隔を保って配置されており、前記評価ユニットは、前記回転軸に関連した前記磁界センサおよび／または前記加速度センサユニットの回転速度および／または配向を算出するために、前記磁界センサおよび前記加速度センサユニットの信号を評価するように構成されている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
自転車（１０）のためのセンサシステム（１）であって、
・磁界センサ（２）と、少なくとも１つの加速度センサ（３ａ，３ｂ）を備えた加速度センサユニット（３）と、
・前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）からの信号を検出するように構成された評価ユニット（４）と、を有しており、
・前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）は、前記自転車（１０）のホイール（１１ａ，１１ｂ）に取り付けるために構成されており、
・前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）は、互いに相対的に不動に、かつ回転軸（１００）に関連して予め規定された間隔（ｒ１，ｒ２，ｒ３）を保って配置されており、
・前記評価ユニット（４）は、前記回転軸（１００）に関連した前記磁界センサ（２）および／または前記加速度センサユニット（３）の回転速度（ω）および／または配向を算出するために、前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）の信号を評価するように構成されている、
自転車のためのセンサシステム。
・磁界センサ（２）と、少なくとも１つの加速度センサ（３ａ，３ｂ）を備えた加速度センサユニット（３）と、
・前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）からの信号を検出するように構成された評価ユニット（４）と、を有しており、
・前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）は、前記自転車（１０）のホイール（１１ａ，１１ｂ）に取り付けるために構成されており、
・前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）は、互いに相対的に不動に、かつ回転軸（１００）に関連して予め規定された間隔（ｒ１，ｒ２，ｒ３）を保って配置されており、
・前記評価ユニット（４）は、前記回転軸（１００）に関連した前記磁界センサ（２）および／または前記加速度センサユニット（３）の回転速度（ω）および／または配向を算出するために、前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）の信号を評価するように構成されている、
自転車のためのセンサシステム。
【請求項2】
前記加速度センサユニット（３）が、第１の加速度センサ（３ａ）および第２の加速度センサ（３ｂ）を有しており、これら第１の加速度センサ（３ａ）および第２の加速度センサ（３ｂ）が、互いに相対的に不動に、かつ前記回転軸（１００）に関連して異なる角度位置で配置されていることを特徴とする、請求項１記載のセンサシステム（１）。
【請求項3】
前記第１の加速度センサ（３ａ）と前記第２の加速度センサ（３ｂ）とが、前記回転軸（１００）に関連して鏡像対称的に配置されていることを特徴とする、請求項２記載のセンサシステム（１）。
【請求項4】
前記回転軸（１００）に関連して不動に配置された補助加速度センサ（５）が設けられており、前記評価ユニットが、前記補助加速度センサ（５）の信号を用いて、前記加速度センサユニット（３）の信号から遠心加速度を算出するように構成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサシステム（１）。
【請求項5】
前記評価ユニット（４）は、前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）の信号を融合し、この融合された信号から、前記回転軸（１００）に関連した前記磁界センサ（２）および／または前記加速度センサユニット（３）の回転速度および／または配向を算出するために、融合ユニット、特にカルマンフィルタを有していることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサシステム（１）。
【請求項6】
前記評価ユニット（４）が、前記磁界センサ（２）の信号を用いて第１の速度算出を行い、前記加速度センサユニット（３）の信号を用いて第２の速度算出を行い、前記第１の速度算出の結果と前記第２の速度算出の結果とが予め規定された公差よりも大きく異なっているときに、エラーメッセージをアウトプットするように構成されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサシステム（１）。
【請求項7】
前記評価ユニット（４）は、
・融合された信号から、前記回転軸（１００）に関連した前記磁界センサ（２）および／または前記加速度センサユニット（３）の回転速度および／または配向を算出するために、前記回転速度の予め規定された速度閾値の下側で、融合ユニット、特にカルマンフィルタを用いて前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）の信号を融合するように、構成されており、
・前記速度閾値の上側で、前記磁界センサ（２）の信号を用いて第１の速度算出を行い、また前記加速度センサユニット（３）の信号を用いて第２の速度算出を行い、前記第１の速度算出の結果と前記第２の速度算出の結果とが予め規定された公差よりも大きく異なっているときに、エラーメッセージをアウトプットするように、
構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサシステム（１）。
・融合された信号から、前記回転軸（１００）に関連した前記磁界センサ（２）および／または前記加速度センサユニット（３）の回転速度および／または配向を算出するために、前記回転速度の予め規定された速度閾値の下側で、融合ユニット、特にカルマンフィルタを用いて前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）の信号を融合するように、構成されており、
・前記速度閾値の上側で、前記磁界センサ（２）の信号を用いて第１の速度算出を行い、また前記加速度センサユニット（３）の信号を用いて第２の速度算出を行い、前記第１の速度算出の結果と前記第２の速度算出の結果とが予め規定された公差よりも大きく異なっているときに、エラーメッセージをアウトプットするように、
構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサシステム（１）。
【請求項8】
前記磁界センサ（２）が前記磁界を少なくとも２軸式に算出するために構成されており、および／または前記加速度センサユニット（３）が加速度を少なくとも２軸式に算出するために構成されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサシステム（１）。
【請求項9】
前記磁界センサ（２）が、地磁気の少なくとも２つの成分を、前記回転軸（１００）まわりを回転する座標系で次のように検出するように構成されており、この場合、前記成分が前記回転軸（１００）に対して垂直に配向されており、
Ａ（ψ）は、前記磁界センサ（２）の走行方向ψおよび取り付け角度ψ１における磁界の絶対値を表し、この場合、前記評価ユニット（４）が、前記成分ｍｘおよびｍｙから周波数ｆを算出し、それに基づいて次の関係に従って回転速度ωを算出するように構成されていて、
および／または
前記加速度センサユニット（３）が、前記回転軸（１００）まわりを回転する座標系（ｘｙｚ）内で前記加速度を次のように検出するように構成されており、
遠心加速度ａｚｅｎｔｒ＝ω２ｒであって、ｒを前記回転軸（１００）と前記加速度センサユニット（３）との間の間隔とし、前記回転軸（１００）に対して直交する平面における重力加速度ｇの成分ｇ′であって、
前記評価ユニット（４）が、前記回転速度ωを前記加速度ａｘおよびａｙから算出するように構成されている、
ことを特徴とする、請求項８記載のセンサシステム（１）。
【数1】
【数2】
前記加速度センサユニット（３）が、前記回転軸（１００）まわりを回転する座標系（ｘｙｚ）内で前記加速度を次のように検出するように構成されており、
【数3】
前記評価ユニット（４）が、前記回転速度ωを前記加速度ａｘおよびａｙから算出するように構成されている、
ことを特徴とする、請求項８記載のセンサシステム（１）。
【請求項10】
自転車（１０）であって、回転軸（１００ａ，１００ｂ）を中心にして回転可能な少なくとも１つのホイール（１１ａ，１１ｂ）並びに請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサシステム（１）を有しており、前記磁界センサ（２）と前記加速度センサユニット（３）とがそれぞれ１つの前記ホイール（１１ａ，１１ｂ）、特に同じホイール（１１ａ，１１ｂ）に取り付けられていて、前記回転軸（１００）が前記各ホイール（１１ａ，１１ｂ）の前記回転軸（１００ａ，１００ｂ）に相当する、自転車（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、自転車のためのセンサシステムに関する。また本発明は、このようなセンサシステムを備えた自転車に関する。このセンサシステムは、特に自転車のホイールの回転速度を算出するために用いられる。
【背景技術】
【0002】
自転車の速度を決定するための、しばしば使用されるセンサはいわゆる“Ｒｅｅｄ－Ｓｅｎｓｏｒ”（リードセンサ）である。このセンサは、ホイールに固定された磁石によって作動され、自転車の後輪の完全な１回転毎に信号を供給する。これらの２つのパルス間のタイムラグから、既知のホイールサイズを用いて最終的に後輪の速度を決定することができる。
【0003】
速度を決定するためのその他の測定原理は、磁気センサが地磁気内で回転するときに、測定された磁界の経時変化を利用することである。このために、センサは後輪のハブに固定される。ホイールが回転すると、センサは回転する磁界を検出する。多軸式の磁界センサを用いて、磁界若しくはセンサの振幅および回転速度が決定され得る。
【発明の概要】
【発明の効果】
【0004】
自転車、特にＥ－バイクのための、本発明によるセンサシステムは、自転車の１つのホイールの回転速度を算出することによって、自転車の速度を確実かつ間違いなしに算出することができる。これは、好適には、回転する磁界センサと回転する加速度センサユニットとの組み合わせによって行われる。磁界センサだけを使用した場合、速度の算出は、例えば単数または複数の通電コイル若しくは単数または複数の永久磁石を用いて人工的に発生された磁界によって妨害され得るが、これは加速度センサユニットによって阻止される。加速度センサユニットを、測定された磁界に依存しない別のセンサ原理として使用することによって、磁界センサを用いて算出された速度の点検が可能となる。
【0005】
さらに、２つのセンサ信号の融合によって、ホイール１回転毎の平均速度をより適切に推定できるだけではなく、１回転内のホイールの相対的な位置も推定することができる。したがって、ホイールの速度は、ホイールの完全な１回転毎に１回よりも多い頻度で決定され得る。
【0006】
センサシステムは、磁界センサと、少なくとも１つの加速度センサを備えた加速度センサユニットとを有している。さらに、センサシステムは評価ユニットを有している。この評価ユニットは、磁界センサおよび加速度センサユニットからの信号を検出するように構成されている。
【0007】
磁界センサおよび加速度センサユニットは、自転車のホイールに取り付けるために構成されていることが企図されている。自転車が動くと、加速度センサユニットに遠心加速度も作用している間、磁界センサが地磁気内で回転する。さらに、加速度センサユニットは地球の重力に対して相対的に回転する。磁界センサおよび加速度センサユニットによって算出された信号は、ホイールの回転に依存しており、それによってこの回転の特徴的な値の算出が可能である。さらに、磁界センサおよび加速度センサユニットは互いに相対的に不動に、かつ回転軸に関連して予め規定された間隔を保って配置されているようになっている。この場合、評価ユニットは、回転軸に関連した磁界センサおよび／または加速度センサユニットの回転速度および／または配向を算出するために、磁界センサおよび加速度センサユニットの信号を評価するように構成されている。したがって、評価ユニットは異なるセンサ原理に基づいて、ホイールの速度もまたホイールの配向も算出することができる。異なる測定原理によって、一方では測定精度が高くなり、他方では測定の妨害がされにくくなる。
【0008】
従属請求項は本発明の好適な発展形態を示す。
【0009】
好適には、加速度センサユニットが、第１の加速度センサおよび第２の加速度センサを有しており、これらの第１の加速度センサおよび第２の加速度センサが、互いに相対的に不動に、かつ回転軸に関連して異なる角度位置で配置されていることが企図されている。これによって、回転軸まわりの回転速度を加速度センサの遠心加速度だけから算出することができるようにするために、測定された加速度の様々な成分が互いに補正されるかまたは算出され得る。これらの成分は、例えば重力加速度によって、または凸凹の地面による衝撃によって生ぜしめられる。これにより、評価ユニットによる速度算出は単純化されている。
【0010】
特に好適には、第１の加速度センサと第２の加速度センサとが、回転軸に関連して鏡像対称的に配置されている。これにより、遠心加速度を除く加速度のすべての成分が直接算出される。これにより、加速度センサの測定されたセンサ信号の組み合わせによって、回転軸まわりの加速度センサユニットの回転速度のためのまさに値である遠心加速度を直接算出することができる。
【0011】
好適な実施例では、センサシステムが補助加速度センサを有している。補助加速度センサは回転軸に関連して不動に配置されており、したがって加速度センサユニットに対しては不動ではない。評価ユニットは特に、補助加速度センサの信号を用いて加速度センサユニットの複数の信号から遠心加速度を算出するように構成されている。したがって、加速度センサユニットの信号に別の加速度成分が含まれており、これらの別の加速度成分は、センサシステム全体に作用し、回転軸まわりの回転によって誘発されない。これらの成分は、不動の補助加速度センサによって検出され、加速度センサユニットの複数の信号から算出することができる。それにより、得られた結果は、加速度センサユニットの回転に基づく遠心加速度だけを含んでいる。したがって、評価ユニットは、回転速度の算出を単純化することができる。
【0012】
評価ユニットは、好適には融合ユニットを有している。融合ユニットは、特にカルマンフィルタである。融合ユニットは好適な形式で、磁界センサおよび加速度センサユニットの信号を融合することにより、この融合された信号から、回転軸に関連した磁界センサおよび／または加速度センサユニットの回転速度および／または配向を算出するために用いられる。したがって、データ融合は、速度の正確かつ安定した算出を可能にする。何故ならば、特に独立した測定原理からのデータが融合されるからである。
【0013】
評価ユニットは好適には、磁界センサの信号を用いて第１の速度算出を行い、加速度センサユニットの信号を用いて第２の速度算出を行うように構成されている。さらに評価ユニットは、第１の速度算出の結果と第２の速度算出の結果とが予め規定された公差よりも大きく異なっているときに、エラーメッセージをアウトプットするように構成されているのが好ましい。したがって、一方では磁界センサの意図的な操作を突き止めることができる。これは特に、このセンサシステムが、予め規定された速度閾値までだけモータアシストを実行するＥ－バイクに使用されている場合に関連している。エラーメッセージがアウトプットされると、好適には、Ｅ－バイクのモータアシストが終了されるようになっている。さらに、磁界センサまたは加速度センサユニットの故障を検知することができる。一方故障が発生すると、残りのデータによってさらに速度算出を実行することができる。
【0014】
好適な形式でさらに、評価ユニットは、回転速度に依存して様々な速度算出を実行するように構成されていることが企図されている。したがって特に、回転速度の予め規定された速度閾値の下側で、磁界センサおよび加速度センサユニットの信号を融合するようになっている。これは、特に前述のように、つまり、融合ユニット、特にカルマンフィルタによって行われる。これにより、融合された信号から、回転軸に関連した磁界センサおよび／または加速度センサユニットの回転速度および／または配向を算出することができる。これにより、まさに低い速度において、速度算出の精度が高められる。これは、速度の算出が低い速度では困難である自転車において好適である。速度閾値の上側で、磁界センサの信号を用いて第１の速度算出を行い、また加速度センサユニットの信号を用いて第２の速度算出を行うようになっている。これは特に前述のように行われる。評価ユニットは好適には、第１の速度算出の結果と第２の速度算出の結果とが予め規定された公差よりも大きく異なっているときに、エラーメッセージをアウトプットするように構成されている。まさに電動式のモータアシストを有する自転車においては、比較的高い速度においても速度の精確な算出は、例えばモータアシストのための最大速度のような法的な規定を順守するために重要である。磁界測定の操作は、加速度測定を用いて確実に検知され得る。
【0015】
好適には、磁界センサは磁界を少なくとも２軸式に算出するために構成されていることが企図されている。特に、回転軸の方向の磁界を算出する必要はない。何故ならば、回転軸の方向の磁界は、磁界センサの回転に基づく変化にさらされないからである。選択的にまたは追加的に、加速度センサユニットは、好適には加速度を少なくとも２軸式に算出するために構成されている。ここでも、加速度センサユニットの回転パラメータの算出のために、回転軸に沿った成分の算出は必要ない。好適な選択的実施形態では、磁界センサおよび／または加速度センサユニットは、３軸式に算出するために構成されている。これにより、例えば測定結果を妥当化することができる。
【0016】
磁界センサは好適には、地磁気の少なくとも２つの成分ｍｘおよびｍｙを、回転軸まわりを回転する座標系ｘｙｚで次のように検出するように構成されている。
【0017】
【数1】
【0018】
少なくとも検出された成分ｍｘおよびｍｙは、好適には回転軸に対して垂直に配向されている。オプション的に、回転軸の方向の地磁気の第３の成分ｍｚも、次のように検出され得る。
【0019】
【数2】
【0020】
この式中、Ａ（ψ）およびＢ（ψ）は、走行方向ψにおける磁界の絶対値であり、ψ１は、磁界センサの取り付け角度である。絶対値Ａ（ψ）およびＢ（ψ）は、地磁気に依存しており、ひいては回転軸の配向に依存している。しかしながら、これらの値は、速度算出のためには重要ではない。むしろ、評価ユニットは、成分ｍｘおよびｍｙから周波数ｆを算出し、それに基づいて次の関係に従って回転速度ωを算出するように構成されている。
【0021】
【数3】
【0022】
座標系ｘｙｚは、ｚ軸が回転軸に相当するように設計されている。したがって、ｘ軸およびｙ軸は、ｚ軸もしくは回転軸まわりを回転する。座標系は、磁界センサおよび／または加速度センサユニットに関連して好適には不動である。
【0023】
これらの成分ｍｘおよびｍｙは振動を表し、この場合、振動周波数ｆは、上記式から明らかなように、回転速度に依存している。したがって、評価ユニットは、速度を簡単かつ確実に算出できる。
【0024】
選択的にまたは追加的に、加速度センサユニットは、前記回転する座標系ｘｙｚ内で加速度を次のように検出するように構成されていることが企図されている。
【0025】
【数4】
【0026】
上記式で使用された遠心加速度ａｚｅｎｔｒは、ａｚｅｎｔｒ＝ω２ｒによって算出され得る。この式中、ｇ′は、特に回転軸に対して平行なｚ軸に対して直交する平面内の重力加速度ｇの成分であって、ｒは、回転軸と加速度センサユニットとの間の間隔であり、この場合、評価ユニットは、回転速度ωを加速度ａｘおよびａｙから算出するように構成されている。これはやはり、測定値は、回転速度ωに依存する振動である。追加的に、回転軸まわりの回転だけによって発生される遠心加速度ａｚｅｎｔｒが存在する。この場合、加速度センサユニットは、加速度のその他の成分を算出することができ、これらのその他の成分は、好適には無視されてよい。特に好適には、これらの測定は低い回転速度で行われる。何故ならば、低い回転速度では、遠心加速度ａｚｅｎｔｒは好適には同様に無視されてよいか若しくは概ねゼロにされるからである。
【0027】
本発明はさらに自転車に関する。自転車は、回転軸まわりを回転可能な少なくとも１つのホイールを有している。さらに、自転車は前記センサシステムを有している。センサシステムの加速度センサユニットおよび磁界センサは、それぞれ１つのホイールに取り付けられており、この場合、これらの加速度センサユニットおよび磁界センサは、自転車の特に同じホイールに取り付けられている。各ホイールの回転軸は、センサシステムの回転軸に相当する。したがって、このセンサシステムによって、ホイールの回転速度およびひいては自転車の速度を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】センサシステムを備えた、本発明の一実施例による自転車を示す図である。
【図2】本発明の第１実施例によるセンサシステムの概略図である。
【図3】本発明の第１実施例によるセンサシステムの概略的な概観図である。
【図4】本発明の第２実施例によるセンサシステムの概略図である。
【図5】本発明の第２実施例によるセンサシステムの概略的な概観図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下に本発明の実施例を添付の図面を参照して詳しく説明する。
【0030】
図１は本発明の実施例による自転車１０を示す。自転車１０は、第１のホイール１１ａおよび第２のホイール１１ｂを有しており、この場合、好適にはホイール１１ａ，１１ｂのうちの一方は、使用者の筋力によってもまた電気駆動装置９によっても駆動可能である。したがって、自転車１０は好適にはＥ－バイクである。自転車１０はさらに、自転車１０の速度を算出するために用いられるセンサシステム１を有している。
【0031】
第１のホイール１１ａは、第１の回転軸１００ａまわりを回転可能であり、第２のホイール１１ｂは第２の回転軸１００ｂまわりを回転可能である。センサシステム１は、磁界センサ２（図２乃至図５参照）と、少なくとも１つの加速度センサ３ａ，３ｂを備えた加速度センサユニット３（図２乃至図５参照）とを有している。磁界センサ２と加速度センサユニット３とは、互いに相対的に不動にかつ回転軸１００に関連して予め規定された間隔ｒ１，ｒ２，ｒ３（図２および図５参照）を保って配置されている。したがって、磁界センサ２および加速度センサユニット３は、回転軸１００まわりを回転可能である。好適には、磁界センサ２および加速度センサユニット３は、第１のホイール１１ａおよび／または第２のホイール１１ｂのハブに配置されているので、回転軸１００は、ホイール１１ａ，１１ｂのそれぞれの回転軸１００ａ，１００ｂに相当することが企図されている。
【0032】
このような配置によって、一方では地磁気ｍに対して相対的に回転する磁界センサ２が設けられていて、他方では地球の重力ｇに対して相対的に回転し、遠心加速度に作用する少なくとも１つの加速度センサ３ａ，３ｂが設けられている。このようなセンサを用いて自転車１０の速度が最適に決定され得る。
【0033】
すべての実施例において、磁界センサ２および加速度センサユニット３は第１のホイール１１ａに配置されていることが示されている。代替的に、磁界センサ２および加速度センサユニット３を、第２のホイール１１ｂまたはそれぞれ異なるホイール１１ａ，１１ｂに配置してもよい。全ての図面は同じ座標系を使用している。この場合、ｚ軸は、回転軸１００である。ｘ軸はｚ軸に対して直交し、ｙ軸はｚ軸およびｘ軸に対して直交して配向されており、この場合、この座標系はホイール１１ａ，１１ｂと共に運動し、かつ共に回転する。
【0034】
図２は、本発明の第１実施例によるセンサシステム１を概略的に示し、この場合、図２は追加的に、自転車１０のホイール１１ａ，１１ｂにおける配置を示す。この本発明の実施例によるセンサシステム１は、図１に示されたセンサシステム１として使用されてよい。
【0035】
既に記載したように、センサシステム１は、磁界センサ２並びに加速度センサユニット３を有しており、この加速度センサユニット３は、この第１実施例では唯一の加速度センサ３ａを有している。磁界センサ２および加速度センサ３は、回転軸１００まわりを回転可能であるか若しくはホイール１１ａ，１１ｂの回転軸１００ａ，１００ｂまわりを回転可能である。回転軸１００に対する加速度センサ３ａの第１の間隔ｒ１および回転軸１００に対する磁界センサ２の第３の間隔ｒ３は、好適には同じであるが、異なっていてもよい。
【0036】
さらに、センサシステム１は評価ユニット４を有しており、この評価ユニット４は、磁界センサ２および加速度センサユニット３、つまり加速度センサ３ａの信号を検出するように構成されている。これは好適な形式で、評価ユニット４が、第１実施例で示されているように、ホイール１１ａ，１１ｂと共に回転するのではなく、自転車１０に不動に配置されている場合は、無線接続を介して行われる。選択的に、評価ユニット４はホイール１１ａ，１１ｂに共に回転するように固定されていてもよい。その場合、好適には磁界センサ２および加速度センサユニット３と評価ユニットとの固定配線が設けられている。
【0037】
したがって、評価ユニット４は、磁界センサ２によって、回転軸１００に対して垂直に向けられた、地磁気ｍの少なくとも個別の成分ｍｘ，ｍｙ、特に回転軸１００に対して平行な成分ｍｚも、一緒に回転する座標系ｘｙｚ内で次のように算出するように設計されている。
【0038】
【数5】
【0039】
この式中、Ａ（ψ）およびＢ（ψ）は、走行方向ψにおける磁界の絶対値を表す。さらに、成分ｍｘおよびｍｙは、磁界センサ２の第１の取り付け角度ψ１に依存している。
【0040】
したがって、信号ｍｘおよびｍｙは振動を表し、これらの振動の周波数ｆは、ホイール１１ａ，１１ｂの回転速度ω＝２×π×ｆに依存している。この振動は測定される。何故ならばホイール１１ａ，１１ｂと不動に結合された磁界センサは、地磁気ｍ内で回転するからである。これらの振動はさらに振幅Ａ（ψ）を有しており、この振幅Ａ（ψ）は、ホイール１１ａ，１１ｂの走行方向ψに依存している。ｚ軸は回転軸１００を表しているので、ｍｚは概ね一定Ｂ（ψ）であるが、同様に走行方向ψに依存している。振幅Ａ（ψ）およびＢ（ψ）は、走行方向の他にさらに地面上のホイール１１ａ，１１ｂの位置に依存している。何故ならば、振幅もまた地磁気ｍの鉛直成分も位置に依存しているからである。振幅Ａ（ψ）およびＢ（ψ）の絶対値はその先の過程にとって重要ではない。
【0041】
評価ユニット４は、磁界センサ２を用いてホイール１１ａ，１１ｂの回転速度ωの算出を可能とし、この場合、ホイール１１ａ，１１ｂの既知のホイールサイズにおいて自転車１０の速度も算出可能である。
【0042】
回転速度ωを算出するための別の可能性として、加速度センサ３ａが設けられている。ホイール１１ａ，１１ｂ例えばホイールハブに取り付けることによって、加速度センサ３ａに、回転時に、ホイール１１ａ，１１ｂの回転速度ωに依存する遠心加速度ａｚｅｎｔｒが作用する。第１実施例では、加速度センサ３ａが座標（ｒ１，０，０）を有する箇所に位置している。この場合、ｒ１は、前述のように、回転軸１００に対する加速度センサ３ａの間隔を表す。
【0043】
遠心加速度ａｚｅｎｔｒは、次の式によって記述される。
【0044】
【数6】
【0045】
遠心加速度ａｚｅｎｔｒはもっぱら、一緒に回転するｘ軸の方向にのみ作用する。
【0046】
さらに、加速度センサ３ａに追加的に、重力加速度ｇの成分ｇ′が回転軸に対して直交する平面で作用する。一緒に回転する座標系ｘｙｚで、重力加速度ｇの成分ｇ′は２つの成分に分かれる。
【0047】
【数7】
【0048】
この式中、φ２は加速度センサ３ａの取り付けに基づく角度オフセットであり、ｔは連続的な時間である。重力加速度ｇの成分ｇ′は、自転車の傾斜角度に依存している。
【0049】
さらに、加速度センサ３ａの測定された値に別の成分が含まれている。これらの別の成分は、例えば制動または加速による走行方向での自転車１０の前後方向加速度ａｄ、並びに例えば凸凹の地面に基づく衝撃による上下方向の上下方向加速度ａｕである。これらの追加的な加速度も、２つの成分に分かれる。
【0050】
【数8】
【0051】
回転速度ωにおいて、加速度センサ３ａの信号ａｘ１およびａｙ１のために次の式が得られる。
【0052】
【数9】
【0053】
成分ａｘ,ｆおよびａｙ,ｆは、有効信号ａｚｅｎｔｒ±ａｘ,ｇ若しくはａｙ,ｇと比較して小さい。有効信号はやはり、ホイール１１ａ，１１ｂの回転速度ωに依存する振動を表す。既知のｒ１において、２つの信号ａｘ１およびａｙ１から回転速度ωが推定され得る。
【0054】
したがって、回転速度ωは、互いに依存しない２つの測定原理によって算出され得る。これは、以下に記載される複数の利点を可能にする。
【0055】
低い速度において、自転車１０の走行方向ψは迅速に変化し得る。したがって、走行方向ψへの磁界センサ２の信号の依存性は、瞬間的な位置若しくは速度の決定を困難にする。適切な融合アルゴリズムを用いて、例えば磁界センサ２の信号を加速度センサ３ａの信号と好適に組み合わせるカルマンフィルタを用いて、ホイール１１ａ，１１ｂのホイール１回転毎の自転車１０の速度だけがより良好に推定されるだけではなく、ホイール１１ａ，１１ｂの角度位置もホイール１回転内のどの時点でも推定され得る。したがって、平均的な速度以外に瞬間的な速度がより良好に決定され得る。低い速度において、加速度ａｕ，ａｄおよび遠心加速度ａｚｅｎｔｒも、回転軸に対して直交する平面における重力加速度ｇの成分ｇ’に対して小さいので、概ね次の式が当てはまる。
【0056】
【数10】
【0057】
この近似から、ホイール１１ａ，１１ｂの回転速度ω、およびひいては自転車１０の速度が容易に決定され得る。
【0058】
より高い速度においては、好適な形式で、加速度成分ａｄおよびａｕを、補助的な回転しない補助加速度センサ５（図１参照）を用いて検出するようになっている。補助加速度センサ５は、様々なアシスト機能を実現するためにＥ－バイクの駆動ユニット内に既にしばしば含まれている。ａｄおよびａｕが既知であることによって、ａｘ１およびａｙ１から回転速度ｗを決定することができ、この場合、センサシステム１自体はその他の加速度センサを必要としない。
【0059】
図４および図５は、本発明の第２実施例によるセンサシステム１を示す。本発明の第１実施例とは異なり、２つの加速度センサ３ａ，３ｂが設けられている。第１の加速度センサ３ａも、また第２の加速度センサ３ｂも、ホイール１１ａ，１１ｂに一緒に回転するように設けられている。磁界センサ２と第１の加速度センサ３ａと第２の加速度センサ３ｂとは、互いに相対的に不動である。第１の加速度センサ３ａと第２の加速度センサ３ｂとは、互いに角度をずらしている。
【0060】
より高い速度において、上記近似はもはや当てはまらない、つまり成分ａｄおよびａｕはもはや無視できない。第２の加速度センサ３ｂを使用することによって、これらの成分も算出され得るか若しくはホイール１１ａ，１１ｂの回転速度ωを算出する際に考慮され得る。
【0061】
特に好適には、第１の加速度センサ３ａおよび第２の加速度センサ３ｂは、図５に示されているように、回転軸１００に関連して鏡像対称的に配置されていることが企図されている。この場合、回転軸１００に対する第１の加速度センサ３ａの第１の間隔ｒ１は、回転軸１００に対する第２の加速度センサ３ｂの第２の間隔ｒ２と同じである。回転軸１００に対する磁界センサ２の第３の間隔ｒ３も同様に同じであってよいが、異なっていてもよい。したがって、第２の加速度センサ３ｂによって測定された加速度のために次の式が得られる。
【0062】
【数11】
【0063】
次いで、ホイール１１ａ，１１ｂの回転速度ωは、外からの加速の影響を受けることなしに、ａｘ１およびａｘ２を用いて推定され得る。何故ならば、以下の式だからである。
【0064】
【数12】
【0065】
言い換えれば、加速度センサユニット３が第２実施例のものと同様に構成されていれば、遠心加速度ａｚｅｎｔｒを含む加速度の測定されたすべての成分が算出される。したがって、速度算出は、加速度センサユニット３を用いて単純化されている。
【0066】
これは、第１実施例にも、また第２実施例にも当てはまる。
【0067】
より高い速度において、加速度センサユニット３を用いて自転車１０の速度が算出されると（補助的な定置のまたは共に回転する加速度センサによって）、磁界センサ２に基づいて算出された速度が妥当化され得る。例えば速度測定に影響を及ぼすことを目的として、磁界に意図的な妨害が加えられると、算出された２つの速度間の不一致が生じる。何故ならば、加速度センサユニット３に基づいて算出された速度は、磁界の妨害によって影響を受けないからである。このような不一致は、評価ユニット４によって検知され、適切な手段、例えばＥ－バイクのモータアシストの中断を開始させるために使用され得る。
【0068】
地磁気ｍの予期せぬ妨害が発生した場合、速度のフェールセーフな算出を得るために、評価ユニット４は、加速度センサユニット３によって算出された速度を一時的なフォールバック解決策として使用することができる。
【符号の説明】
【0069】
１ センサシステム
２ 磁界センサ
３ 加速度センサユニット
３ａ 第１の加速度センサ
３ｂ 第２の加速度センサ
４ 評価ユニット
５ 補助加速度センサ
９ 電気駆動装置
１０ 自転車
１１ａ 第１のホイール
１１ｂ 第２のホイール
１００ 回転軸
１００ａ 第１の回転軸
１００ｂ 第２の回転軸
ｒ１ 第１の間隔
ｒ２ 第２の間隔
ｒ３ 第３の間隔
ｘｙｚ 座標系
２ 磁界センサ
３ 加速度センサユニット
３ａ 第１の加速度センサ
３ｂ 第２の加速度センサ
４ 評価ユニット
５ 補助加速度センサ
９ 電気駆動装置
１０ 自転車
１１ａ 第１のホイール
１１ｂ 第２のホイール
１００ 回転軸
１００ａ 第１の回転軸
１００ｂ 第２の回転軸
ｒ１ 第１の間隔
ｒ２ 第２の間隔
ｒ３ 第３の間隔
ｘｙｚ 座標系
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【手続補正書】
【提出日】2023-05-17
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0035】
既に記載したように、センサシステム１は、磁界センサ２並びに加速度センサユニット３を有しており、この加速度センサユニット３は、この第１実施例では唯一の加速度センサ３ａを有している。磁界センサ２および加速度センサ３ａは、回転軸１００まわりを回転可能であるか若しくはホイール１１ａ，１１ｂの回転軸１００ａ，１００ｂまわりを回転可能である。回転軸１００に対する加速度センサ３ａの第１の間隔ｒ１および回転軸１００に対する磁界センサ２の第３の間隔ｒ３は、好適には同じであるが、異なっていてもよい。
【手続補正3】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
自転車（１０）のためのセンサシステム（１）であって、
・磁界センサ（２）と、少なくとも１つの加速度センサ（３ａ，３ｂ）を備えた加速度センサユニット（３）と、
・前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）からの信号を検出するように構成された評価ユニット（４）と、を有しており、
・前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）は、前記自転車（１０）のホイール（１１ａ，１１ｂ）に取り付けるために構成されており、
・前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）は、互いに相対的に不動に、かつ回転軸（１００）に関連して予め規定された間隔（ｒ１，ｒ２，ｒ３）を保って配置されており、
・前記評価ユニット（４）は、前記回転軸（１００）に関連した前記磁界センサ（２）および／または前記加速度センサユニット（３）の回転速度（ω）および／または配向を算出するために、前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）の信号を評価するように構成されている、
自転車のためのセンサシステム。
・磁界センサ（２）と、少なくとも１つの加速度センサ（３ａ，３ｂ）を備えた加速度センサユニット（３）と、
・前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）からの信号を検出するように構成された評価ユニット（４）と、を有しており、
・前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）は、前記自転車（１０）のホイール（１１ａ，１１ｂ）に取り付けるために構成されており、
・前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）は、互いに相対的に不動に、かつ回転軸（１００）に関連して予め規定された間隔（ｒ１，ｒ２，ｒ３）を保って配置されており、
・前記評価ユニット（４）は、前記回転軸（１００）に関連した前記磁界センサ（２）および／または前記加速度センサユニット（３）の回転速度（ω）および／または配向を算出するために、前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）の信号を評価するように構成されている、
自転車のためのセンサシステム。
【請求項2】
前記加速度センサユニット（３）が、第１の加速度センサ（３ａ）および第２の加速度センサ（３ｂ）を有しており、これら第１の加速度センサ（３ａ）および第２の加速度センサ（３ｂ）が、互いに相対的に不動に、かつ前記回転軸（１００）に関連して異なる角度位置で配置されていることを特徴とする、請求項１記載のセンサシステム（１）。
【請求項3】
前記第１の加速度センサ（３ａ）と前記第２の加速度センサ（３ｂ）とが、前記回転軸（１００）に関連して鏡像対称的に配置されていることを特徴とする、請求項２記載のセンサシステム（１）。
【請求項4】
前記回転軸（１００）に関連して不動に配置された補助加速度センサ（５）が設けられており、前記評価ユニットが、前記補助加速度センサ（５）の信号を用いて、前記加速度センサユニット（３）の信号から遠心加速度を算出するように構成されていることを特徴とする、請求項１または２記載のセンサシステム（１）。
【請求項5】
前記評価ユニット（４）は、前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）の信号を融合し、この融合された信号から、前記回転軸（１００）に関連した前記磁界センサ（２）および／または前記加速度センサユニット（３）の回転速度および／または配向を算出するために、融合ユニット、特にカルマンフィルタを有していることを特徴とする、請求項１または２記載のセンサシステム（１）。
【請求項6】
前記評価ユニット（４）が、前記磁界センサ（２）の信号を用いて第１の速度算出を行い、前記加速度センサユニット（３）の信号を用いて第２の速度算出を行い、前記第１の速度算出の結果と前記第２の速度算出の結果とが予め規定された公差よりも大きく異なっているときに、エラーメッセージをアウトプットするように構成されていることを特徴とする、請求項１または２記載のセンサシステム（１）。
【請求項7】
前記評価ユニット（４）は、
・融合された信号から、前記回転軸（１００）に関連した前記磁界センサ（２）および／または前記加速度センサユニット（３）の回転速度および／または配向を算出するために、前記回転速度の予め規定された速度閾値の下側で、融合ユニット、特にカルマンフィルタを用いて前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）の信号を融合するように、構成されており、
・前記速度閾値の上側で、前記磁界センサ（２）の信号を用いて第１の速度算出を行い、また前記加速度センサユニット（３）の信号を用いて第２の速度算出を行い、前記第１の速度算出の結果と前記第２の速度算出の結果とが予め規定された公差よりも大きく異なっているときに、エラーメッセージをアウトプットするように、
構成されていることを特徴とする、請求項１または２記載のセンサシステム（１）。
・融合された信号から、前記回転軸（１００）に関連した前記磁界センサ（２）および／または前記加速度センサユニット（３）の回転速度および／または配向を算出するために、前記回転速度の予め規定された速度閾値の下側で、融合ユニット、特にカルマンフィルタを用いて前記磁界センサ（２）および前記加速度センサユニット（３）の信号を融合するように、構成されており、
・前記速度閾値の上側で、前記磁界センサ（２）の信号を用いて第１の速度算出を行い、また前記加速度センサユニット（３）の信号を用いて第２の速度算出を行い、前記第１の速度算出の結果と前記第２の速度算出の結果とが予め規定された公差よりも大きく異なっているときに、エラーメッセージをアウトプットするように、
構成されていることを特徴とする、請求項１または２記載のセンサシステム（１）。
【請求項8】
前記磁界センサ（２）が前記磁界を少なくとも２軸式に算出するために構成されており、および／または前記加速度センサユニット（３）が加速度を少なくとも２軸式に算出するために構成されていることを特徴とする、請求項１または２記載のセンサシステム（１）。
【請求項9】
前記磁界センサ（２）が、地磁気の少なくとも２つの成分を、前記回転軸（１００）まわりを回転する座標系で次のように検出するように構成されており、この場合、前記成分が前記回転軸（１００）に対して垂直に配向されており、
Ａ（ψ）は、前記磁界センサ（２）の走行方向ψおよび取り付け角度ψ１における磁界の絶対値を表し、この場合、前記評価ユニット（４）が、前記成分ｍｘおよびｍｙから周波数ｆを算出し、それに基づいて次の関係に従って回転速度ωを算出するように構成されていて、
および／または
前記加速度センサユニット（３）が、前記回転軸（１００）まわりを回転する座標系（ｘｙｚ）内で前記加速度を次のように検出するように構成されており、
遠心加速度ａｚｅｎｔｒ＝ω２ｒであって、ｒを前記回転軸（１００）と前記加速度センサユニット（３）との間の間隔とし、前記回転軸（１００）に対して直交する平面における重力加速度ｇの成分ｇ′であって、
前記評価ユニット（４）が、前記回転速度ωを前記加速度ａｘおよびａｙから算出するように構成されている、
ことを特徴とする、請求項８記載のセンサシステム（１）。
【数1】
【数2】
前記加速度センサユニット（３）が、前記回転軸（１００）まわりを回転する座標系（ｘｙｚ）内で前記加速度を次のように検出するように構成されており、
【数3】
前記評価ユニット（４）が、前記回転速度ωを前記加速度ａｘおよびａｙから算出するように構成されている、
ことを特徴とする、請求項８記載のセンサシステム（１）。
【請求項10】
自転車（１０）であって、回転軸（１００ａ，１００ｂ）を中心にして回転可能な少なくとも１つのホイール（１１ａ，１１ｂ）並びに請求項１または２記載のセンサシステム（１）を有しており、前記磁界センサ（２）と前記加速度センサユニット（３）とがそれぞれ１つの前記ホイール（１１ａ，１１ｂ）、特に同じホイール（１１ａ，１１ｂ）に取り付けられていて、前記回転軸（１００）が前記各ホイール（１１ａ，１１ｂ）の前記回転軸（１００ａ，１００ｂ）に相当する、自転車（１０）。
【外国語明細書】