CN101273253B - 使用声波压力传感器的脚踏板控制装置 - Google Patents

Abstract

一种压敏声波传感器和致动器，包括形成于基体的声波腔、产生基本陷入所述声波腔中的声波的换能器、和响应在元件上的增加的压力而吸收声波腔中更多声波能的声波吸收元件。使用压敏声波传感器通过脚踏板的操作者的输入控制电动车辆的速度和/或制动。

Description

使用声波压力传感器的脚踏板控制装置

相关申请的互相参考

本正规美国申请要求2005年11月14日提交的60/736,212号美国临时申请的权益。

技术领域

本发明通常涉及在具有电驱动系统的电动车辆上的例如加速器和/或制动器组件的压力传感器和压敏致动器，并且更特别涉及利用压敏声波传感器的传感器和致动器。

背景技术

已知例如铲车、公共车辆、高尔夫车以及其它电动车俩均使用各种控制装置用于电驱动系统的运行、加速和/或制动功能。例如，已知使用各种类型的位置传感器，包括机械的和光学的位置传感器来确定油门踏板的位置并且由此控制加速。机电分压器使用由接触元件扫过的电阻元件。所述接触元件与脚踏板或者其它类似的致动系统共同运动。当所述接触元件移动通过所述电阻元件时，装置的电压就改变，使得装置的输出电压随着踏板的位置而改变。另一个已知的系统使用磁场来改变固态元件的状态。当磁体移动通过装置时，装置中的电子的状态改变，指示出踏板或者其它致动器已经移动。已知作为“霍耳效应”装置，有些读取磁场中该改变并且如同分压器一样显示这些改变，随着磁场极性和振幅的改变而改变输出电压。

机电系统由于机械的磨损而具有有限的寿命。由于这些装置要依赖两个互相接触并互相摩擦的表面，所以摩擦力和碎片能够使得材料磨损并且使得分压器过早故障。如果元件没有准确对准，那么也加速了磨损。车辆有时行驶于崎岖不平路面，所以部件的未对准可能迅速且意外地发生。在常规检测或者维护过程中检测到未对准之前可发生严重磨损。

霍耳效应装置和某些光学系统除了机械限制之外还具有高的生产成本。霍耳效应装置需要微芯片，该微芯片是特殊设置以与霍耳效应一起运作的，并且可使装置增加相当大的成本。光学装置通常需要具有准确定位和蚀刻标记的可由光学元件读取的编码盘。通常所述盘是激光蚀刻的并且是昂贵的。光学装置对于改变盘的光学性能的污染物非常敏感。密封该装置对于防止污染物是有效的，但是这进一步增加了组件的成本。

已知的声波传感器和开关，其中换能器被安装在或者邻近于形成于基体上的声波腔，以产生成为陷入声波腔中的驻波的声波。这些声波传感器或者开关已经被用来检测在与通过感应驻波的改变而安装换能器的表面相对的基体表面上的接触。

需要具有合理费用的耐用的更准确的电动车辆控制装置。

发明内容

根据本发明，上述的已有传感器的缺陷已经被克服。根据本发明，压力传感器和压敏致动器利用实质上陷入声波腔中的声波能和由声波吸收材料形成的阻尼器，其中，所述阻尼器是这样的：施加到所述阻尼器上的压力越大，由于所述阻尼器接触到的声波腔表面区域的增加，在声波腔中的声波能的吸收就越大。

更具体来说，根据本发明的一个特征，压力传感器包括基体，所述基体具有形成于其中的声波腔，所述声波腔由基体的每单位表面面积的质量大于基体邻近且围绕声波腔的部分的每单位表面面积的质量的区域形成。换能器被安装在或者邻近于声波腔的第一表面，用于在声波腔中产生声波。声波吸收元件，此处称为阻尼器，邻近于声波腔的表面安装，与所述腔的第一表面相对，其中，声波吸收元件或者阻尼器具有用于响应施加在声波吸收元件或者阻尼器上的压力而接触声波腔的表面。所述声波吸收元件或者阻尼器成形为使得：施加到声波吸收元件或者阻尼器上的压力越大，声波吸收元件或者阻尼器所接触的声波腔的表面面积越大。换能器响应于声波腔中的声波能以提供表示腔中的声波对施加于声波吸收元件或者阻尼器的压力的变化的响应的信号。

根据本发明的另一个特征，设置压力响应的脚踏板控制装置，其包括脚踏板，所述脚踏板具有用户输入表面和与用户输入表面相对的第二表面，所述第二表面形成阻尼器或者其上安装有声波压力传感器的声波吸收元件或者阻尼器。在脚踏板上的压力施加压力到声波吸收元件或者阻尼器上，从而由换能器提供的信号响应施加于脚踏板上的压力而改变。

在本发明的还有一个方面，本发明提供了一种用于控制电动车辆的运动的方法，该方法包括在车辆上设置声波传感器；用所述声波传感器感应用户输入，以提供声波传感器信号，该信号随着所述用户输入的变化而改变，以及响应所述声波传感器信号的变化而改变车辆的运动特征。

本发明的一个优势是提供了一种粗糙但是敏感且准确的压力传感器和/或控制机构。

本发明的另一个优势是提供了一种用于电动车辆的加速器和/或制动系统的传感器和/或控制机构，其是粗糙的，并且其相对于当前使用的机械开关来说很少可能出故障。

本发明的还有一个优势是提供了一种可以合理花费提供的用于电动车辆的加速器和/或制动系统的传感器和/或控制机构。

在阅读了下面的详细描述说明书、权利要求和附图后，本发明的其它特征和优势对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的，图中，相同的数字用来表示相同的部件。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的声波压力传感器的示意图；

图2示出了由电动车辆的油门踏板和制动踏板操作的声波压敏系统；

图3是具有根据本发明的声波压敏系统的脚踏板的正视图；

图4是使用根据本发明的声波压敏系统的踏板的另一个实施方式的正视图。

在详细说明本发明的实施方式之前，应该理解本发明并不局限于应用于在下面的描述中所陈述的或者在附图中所示出的部件的具体结构和配置。本发明能够有其它实施方式并且可以以各种方式实现或者完成。此外，应该理解，此处使用的措辞和术语是为了解释说明，不应该被看作是限定。此处使用的“包括”、“包含”以及其变型意思是涵盖了其后列出的项目和其等同物，以及附加的项目和其等同物。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的声波压力传感器包括其中具有声波腔20的基体14，所述声波腔由基体的每单位表面积的质量大于基体的邻近且围绕声波腔20的部分21的每单位表面积的质量的区域形成。在一个实施方式中，声波腔通过在基体的表面上磨出通道22来形成，从而通道的内边缘形成了声波腔的外边界，声波腔穿过基体的厚度从第一表面18延伸到第二表面23。在另一个实施方式中，声波腔可以由基体上的凸起区域形成，其中，声波腔的边界由凸起区域的周边形成。在转让给本发明受让人的题目为ACOUSTIC WAVETOUCHACTUATED SWITCH的7,106,310号美国专利中公开了形成声波腔的各种方式的实施例，并且其在此被引入作为参考。

声波压力传感器10包括换能器，例如为安装在声波腔20的表面18上以在声波腔20中产生声波的压电换能器12。在声波腔20中产生的声波是驻波，该驻波实质上陷入所述声波腔20中。根据本发明的另一个实施方式，换能器可以是邻近声波腔20的表面定位以在声波腔20中产生声驻波的电磁声换能器。用于产生实质上陷入在声波腔中的共振声波即驻波的电磁声换能器的细节在转让给本发明受让人的题目为ACOUSTIC WAVE SENSOR WITH EMATDRIVE的6,933,932号美国专利中公开，并且该专利在此被引入作为参考。

声波压力传感器10还包括声波吸收元件28，在此也称为阻尼器，其由接触到表面例如声波腔20的表面23时将在声波腔20中吸收声波能的材料形成。声波吸收元件28成形为施加到其表面29上的声波吸收元件的压力越大，接触声波腔的声波吸收元件的表面31的面积越大，依次，由声波吸收元件28的表面31接触的声波腔的面积越大。声波吸收元件28优选由例如橡胶、乳胶、Viton橡胶等弹性材料形成，并且成形为元件28的表面31是弯曲的或者圆形的，从而当压力施加于声波吸收元件28的后表面29时，表面31变平抵靠声波腔的表面23。由于声波吸收元件28的表面31逐渐变平抵靠声波腔20的表面23，所以声波吸收元件28所接触到的声波腔20的面积增加。当声波吸收元件所接触的声波腔20的面积增加时，该元件28吸收更多的声波能。换能器12响应声波腔中的声波能以提供信号，该信号表示声波腔中的声波能对施加于声波吸收元件28的压力的变化的响应，从而，当更大地压力施加于声波吸收元件28增加了元件28所接触的声波腔20的表面23的面积时，表示腔20中的声波能的信号更迅速地衰减到预定水平。

由换能器12提供的信号被连接于微处理器控制器24，该控制器响应表示声波腔中的声波能的换能器的信号以确定表示使声波衰减到预定水平的时间周期的值。换能器信号衰减到预定水平越快，则声波压力传感器10检测到的压力就越大。应该注意到，施加压力和信号衰减到预定水平的时间之间的关系不必是线性关系，而是由用于形成声波吸收元件28的特定材料确定。微处理器控制器24可以利用查表根据换能器信号衰减到预定水平的时间来确定施加于声波吸收元件28的压力。在转让给本发明受让人的、基于2003年6月4日提交的题目为ACOUSTIC WAVE TOUCH DETECTION CIRCUIT ANDMETHOD的10/454,003号专利申请而于2004年12月9日公开的US2004/0246239A1号美国公开申请中公开了用于检测声波开始衰减到预定水平的时间周期的合适的微处理器控制器的具体细节，上述专利申请此处被引入作为参考。微处理器控制器24的输出可以被连接到系统控制器32，用于响应施加于声波吸收元件28的压力的变化而控制装置，以提供压敏致动器。声波压力传感器系统的一个优势是该系统可以被制成所谓的“智能系统”。例如，如果微处理器在超过多数连续周期检测到相同的衰减时间，那么该衰减时间可以被用作表示没有施加压力的一个新的基本衰减时间。可以利用微处理器制成其它的调节设备以利用在系统“接通”但是系统处于无压力或者稳定状态的情况下运行时发生的系统自我诊断。

根据本发明的另一个特征，声波压力传感器可以被用于加速或者制动用的脚踏板。例如，油门踏板或者制动踏板可以被安装在声波吸收元件即阻尼器28的后表面29上，从而油门踏板上增加的压力能够由声波压力传感器10检测以用于电动车辆中的车辆速度控制和感应系统40，如图2所示。感应系统40包括油门踏板42和制动踏板44，它们被压下以分别使车辆加速和使车辆制动。为了进一步加速，要进一步压下油门踏板42。为了稳定速度运行，要以相对稳定的位置保持油门踏板42。为了减速，要减少油门踏板42上脚的压力。制动踏板44以相同的方式被操作。通过进一步按压制动踏板44开始更有力并且迅速的制动。停车制动踏板46用于维持制动状态以防止车辆滑行。

图3示出了用于本发明的一个实施方式的脚踏板组件的直压式实施方式，该脚踏板组件可以被用作系统40中的油门踏板42或者制动踏板44。前述类型的声波传感器50此处被结合在绕轴54枢转的脚踏板52中。脚踏板52由扭簧56偏压。由箭头58所示的用户对踏板52施加的力抵抗由箭头60所示的弹力。传感器50由踏板52的后表面62所覆盖，从而该表面62邻接图1所述的阻尼器28的表面29。在另一个实施方式中，踏板52可以形成阻尼器28，从而阻尼器28接触通过脚压力施加的直接用户输入。

当力58被施加于踏板52时，声波传感器50可以检测力或者压力，如上所述。当操作者施加更大的力58时，吸收更多的声波能并且在传感器50上检测到这种变化。声波传感器50可以检测比弹簧56的力更大的力，该更大的力能够克服弹力并且使得脚踏板52移动。表示这种状态的来自传感器50的信号被传送给速度控制器32，以指令例如加速。在达到所需的按压位置之后，施加在踏板52上的力仅够与由弹簧56所施加的力相等，从而踏板52被保持在所需的位置。传感器50确定该状态并且将信号发送给车辆速度控制器，以维持现在的速度。最后，传感器50还可以确定何时施加到脚踏板52上的力58小于弹簧56的偏压力60，由此允许弹簧56向外移动踏板52。来自传感器50的表示这种状态的信号被用来触发控制器的合适的输出变化。

图4示出了另一个实施方式的压敏声波制动器系统70，该系统使用间接应用用户输出力，以影响声波能吸收。脚踏板72绕枢转点74枢转。提供由箭头76指示的用户输入力作用在脚踏板72的暴露表面。所述类型的声波压力传感器78由具有阻尼器82的弹簧插塞80接触。增加的用户输入力76由弹簧插塞80在传感器78上施加增加的阻尼力。由插塞80施加的压力的改变使得由阻尼器82吸收的声波能的数量改变。可以再检测声波能的改变，以提供信号给控制器，以按与图3所述的相同方式进行操作变化。

前述的变型和改进在本发明的范围内。应该理解，此处公开和限定的本发明可以延伸到从正文和/或附图中提到的或者显而易见的各技术特征中的两个或者多个的所有的各种组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各个不同的方面。此处描述的实施方式说明了用于实现本发明的最佳方式，并且使得本领域的技术人员能够利用本发明。权利要求书将被解释为包括由已有技术允许的范围的可选实施方式。

在下面的权利要求书中将陈述本发明的各种特征。

Claims (16)

1.一种声波压力传感器，包括：

基体，其具有声波腔，其中所述声波腔由所述基体的每单位表面积质量比所述基体的邻近且围绕所述声波腔的部分的每单位表面积的质量大的区域形成；

换能器，安装在或者邻近于所述声波腔的第一表面，用于在所述声波腔中产生声波；以及

声波吸收元件，邻近于所述声波腔的与所述声波腔的第一表面相对的表面安装，并且具有用于响应所述声波吸收元件上施加的压力而接触所述声波腔的表面，所述声波吸收元件成形为使得施加给所述声波吸收元件的压力越大，所述声波吸收元件接触所述声波腔的表面的面积就越大，所述换能器提供表示所述声波腔中的声波对施加给所述声波吸收元件的压力变化的响应的信号。

2.根据权利要求1所述的声波压力传感器，其中，所述声波吸收元件接触所述声波腔的表面是弯曲的，使得当给所述声波吸收元件的与所述弯曲表面相对的表面施加压力时所述弯曲表面变平抵靠所述声波腔。

3.根据权利要求2所述的声波压力传感器，其中，所述声波吸收元件由弹性材料形成。

4.根据权利要求1所述的声波压力传感器，其中，所述声波吸收元件接触所述声波腔的表面是圆形的，使得当给所述声波吸收元件的与所述圆形表面相对的表面施加压力时所述圆形表面变平抵靠所述声波腔。

5.根据权利要求1所述的声波压力传感器，其中，所述基体包括形成于其中的通道，所述通道围绕所述声波腔。

6.一种压力响应脚踏板控制装置，包括：

基体，其具有声波腔，其中所述声波腔由所述基体的每单位表面积质量比所述基体的邻近且围绕所述声波腔的部分的每单位表面积质量大的区域形成；

换能器，安装在所述声波腔的第一表面上或者邻近于所述声波腔的第一表面，用于在所述声波腔中产生声波；

阻尼器，邻近所述声波腔的与所述声波腔的第一表面相对的表面安装，并且具有用于响应阻尼器上施加的压力而接触所述声波腔的表面，所述阻尼器成形为使得施加给所述阻尼器的压力越大，所述阻尼器接触到的所述声波腔的表面的面积就越大，所述换能器提供表示所述声波腔中的声波对施加给所述阻尼器的压力变化的响应的信号；以及

脚踏板，具有用户输入表面和与所述用户输入表面相对的其上安装所述阻尼器的第二表面，在所述脚踏板上的压力施加给所述阻尼器，从而所述换能器提供的信号响应施加给所述脚踏板的压力而改变。

7.根据权利要求6所述的压力响应脚踏板控制装置，其中，所述阻尼器的接触所述声波腔的表面是弯曲的，使得当给所述阻尼器的与所述弯曲表面相对的表面施加压力时所述弯曲表面变平抵靠所述声波腔。

8.根据权利要求6所述的压力响应脚踏板控制装置，其中，所述基体包括形成于其中的通道，所述通道围绕所述声波腔。

9.根据权利要求8所述的压力响应脚踏板控制装置，其中，所述换能器被安装在所述基体的形成所述通道的同侧。

10.一种电动车辆驱动控制装置，包括：

脚踏板组件；

如权利要求1-5中任一项所述的声波压力传感器，可操作地连接于所述脚踏板组件，用于检测作用在所述脚踏板组件上的力；以及

控制器，接收来自所述声波压力传感器的信号，用于响应作用在所述脚踏板组件上的力而发出驱动控制信号。

11.根据权利要求10所述的电动车辆驱动控制装置，其中，所述脚踏板组件包括脚踏板，并且所述声波压力传感器设置在所述脚踏板处。

12.根据权利要求10所述的电动车辆驱动控制装置，其中，所述脚踏板组件包括脚踏板，所述声波吸收元件连接于所述脚踏板以通过所述脚踏板的移动而被移动，所述声波吸收元件在所述脚踏板移动时接触所述声波腔的表面，从而所述脚踏板移动越大，所述声波腔由所述声波吸收元件接触的面积越大。

13.一种用于控制电动车辆运动的方法，包括：

在所述车辆中设置如权利要求1-5中任一项所述的声波压力传感器；

用所述声波压力传感器感应用户输入，以提供随着所述用户输入的变化而变化的声波传感器信号；以及

响应声波压力传感器信号的变化而改变车辆的运动特性。

14.根据权利要求13所述的用于控制电动车辆运动的方法，所述方法包括操作脚踏板，以进行所述声波压力传感器的所述用户输入。

15.根据权利要求13所述的用于控制电动车辆运动的方法，所述方法包括检测所述声波压力传感器的稳定状态性能，并且根据检测的声波压力传感器的稳定状态性能中改变调整对所述声波压力传感器信号的响应。

16.根据权利要求13所述的用于控制电动车辆运动的方法，其中，所述改变的步骤包括变换车辆运行的速度。

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