TWI494773B - 具有安裝於車架的感應器的自行車功率計裝置 - Google Patents

Description

具有安裝於車架的感應器的自行車功率計裝置

本發明有關自行車功率計，其被使用於指示於騎自行車期間藉由該騎自行車者所耗盡之功率的數量。更特別是，本發明有關一使用能夠產生電信號之車架安裝式感應器的自行車功率計，功率能由該等電信號被決定。

自行車功率計漸增地被專業及業餘之騎自行車者所使用，當作開發訓練中之輔助。自行車功率計之數個不同型式係可用的，部份該等自行車功率計使用應變計，以測量藉由該騎自行車者施加至該曲柄組、該底部托架、或該後輪輪轂之力量。雖然在提供代表所施加之力量的電信號中為有效的，使用應變計的習知自行車功率計係相當昂貴的，且多少難以安裝。由於這些缺點，自行車功率計尚未發現被騎自行車者團體所廣泛接受。

本發明包括使用一或多個應變計感應器組件之自行車功率計，其係相當便宜，但在提供代表所施加之騎自行車者力量的電信號中為有效的，該等信號能被與速率信號結合，以產生實時功率量測。

於一最寬廣之態樣中，本發明包括一自行車功率計，該自行車功率計具有一後方自行車車架，其具有第一叉桿，該第一叉桿鄰接一能附接輪轂的區域具有一可相對壓縮之後方部份；及一鎖固至該可相對壓縮之後方部份的應變計感應器組件，該應變計感應器組件具有第一及第二伸展感應器，每一伸展感應器包括具有一安裝在其上面之可變電阻元件的第一層、及用於支撐該第一層之第二層，該第一及第二伸展感應器之可變電阻元件係歐姆性地互連至呈現一代表騎自行車者之力量的總電阻值。

該第一及第二伸展感應器另一選擇係配置成與每一個第一層呈面對關係，或與每一個第二層呈面對關係。

該自行車功率計另包括一橋接電路，其具有在第一分支中連接之第一及第二伸展感應器及一對在第二分支中連接之固定式電阻；一放大器，其耦接至該橋接電路，用於放大代表該總電阻值之信號；一類比至數位轉換器，其耦接至該放大器，用於將由該放大器所輸出之信號轉換成數位信號；一耦接至該類比至數位轉換器之微電腦，用於由一相關自行車速率計接收該等數位信號及自行車速度信號，並將該等被接收之信號轉換成功率信號；及一耦接至該微電腦之顯示器，用於顯示該等功率信號給騎自行車者。

該自行車功率計能被組構成為一有線或一無線系統。於一有線系統中，該等單元係全部歐姆性地互連。於一無線系統中，一發送器係耦接至該微電腦，用於接收該等功率信號及產生同等之無線信號；及一耦接至該顯示器之接收器接收該等同等之無線信號及將該等同等之無線信號提供至該顯示器。

於另一選擇具體實施例中，該後方自行車車架具有第二叉桿，該第二叉桿鄰接一能附接輪轂的區域具有第二可相對壓縮之後方部份；及一鎖固至該第二可相對壓縮之後方部份的額外之應變計感應器組件。該額外之應變計感應器組件具有第三及第四伸展感應器，每一伸展感應器包括具有一安裝在其上面之可變電阻元件的第一層、及用於支撐該第一層之第二層，該第三及第四伸展感應器之可變電阻元件係歐姆性地互連至呈現一代表騎自行車者之力量的總電阻值。

該第三及第四伸展感應器另一選擇係配置成與每一個第一層呈面對關係，或與每一個第二層呈面對關係。

於此另一選擇具體實施例中，該第三及第四伸展感應器係在該橋接電路之第二分支中連接。

本發明大幅有利於任何自行車包括一自行車功率計，該自行車功率計在該自行車車架之後方叉桿的端部具有一可相對壓縮之結構部份。該整個功率計系統、或僅只該等應變計感應器組件可在製造時被輕易地鎖固至該等自行車零組件。相同地，該整個系統可在該配送鏈中之任何點、諸如在該零售商當作一附加選項被輕易地鎖固至該自行車。該騎自行車者亦可在採購之後，以相當低之成本及工作量將該自行車功率計系統加至一自行車。

對於本發明之本質及優點的較完全了解，應參考會同所附圖面所採取之隨著而來的詳細敘述。

現在翻至該等圖面，圖1係取自一自行車後方車架的上面之局部透視圖，說明本發明之第一具體實施例的叉桿端部、輪轂、鏈條、及應變計感應器組件。如在此圖面中所視，一自行車後方車架具有一對被命名為右叉桿12及左叉桿14之終止部份。後方輪轂20及鏈輪組件22係藉著輪軸16及捉住螺帽17、18鎖固於叉桿12、14之間。一驅動鏈條24圍繞著包括鏈輪組件22之個別鏈輪通過，以便回應於藉由該騎自行車者之騎自行車的力量提供輪轂20之旋轉式移動。

每一個叉桿12、14之端部26、28比每一個叉桿12、14之其餘主要部份具有一較薄之橫側厚度尺寸。一在下面更充分地敘述之應變計計量感應器組件30係鎖固至右叉12的端部26之內表面。如在圖2中所最佳顯示，應變計感應器組件30係附接至一沿著右叉12的端部26延伸之薄腹板部份32。當比較於右後方叉桿12之更堅固的結構時，腹板部份32具有可相對壓縮之機械特性，以致應變計感應器組件30之物理尺寸能隨著經由鏈條24、鏈輪組件22、與輪軸16施加至腹板部份32之不同的力量大小而改變。

圖5說明一簡單之伸展感應器40，其具有一歐姆電阻之特性，且隨著該感應器本體之線性縱向位移以可預期之數量變化。伸展感應器40具有安裝一薄的可變電阻元件43之第一層42、及承載該第一層及對於感應器40提供額外之機械強度的第二基底層44。感應器40之電阻值視該感應器本體之縱向位移而定。如圖5所示，於第一方向中，當感應器40係在一方向中位移時(被說明為撓曲的)，該電阻之值增加(R+r)，在此R係感應器40之靜止電阻值，且r係由於該第一方向中之位移的額外電阻值。相同地，當感應器40係在該相反方向中位移時，該電阻之值減少(R-r)。

圖6說明一種併入圖1及2所示之功率計組構的應變計感應器組件30。如在此圖面中所視，感應器組件30包括二x二層伸展感應器40a、40b，其具有第一層42a、42b、及第二層44a、44b。在(R+r)、(R-r)之關係中，伸展感應器40a、40b被配置成使該等第一層42a、42b呈面對關係。當感應器組件30係藉由施加至右後方叉桿12的腹板部份32之力量位移時、每一個伸展感應器之總電阻將在相等與相反的方向中變化。

圖7說明一種併入圖1及2所示之功率計組構的替代之應變計感應器組件50。如在此圖面中所視，感應器組件50包括二x二層伸展感應器40a、40b，其具有第一層42a、42b、及第二層44a、44b。在(R+r)、(R-r)之關係中，伸展感應器40a、40b被配置成使該等第二層44a、44b呈面對關係。當感應器組件50係藉由施加至右後方叉桿12的腹板部份32之力量位移時，每一個伸展感應器之總電阻將在相等與相反的方向中變化。

圖3係一自行車功率計單元之方塊圖，並使用被組構成為有線單元之單一應變計感應器組件。如在此圖面中所視，包括應變計感應器組件30或50之伸展感應器40a、40b係以熟知之惠斯登橋接電路組構連接至一對固定式電阻52、54。該橋接電路之頂部節點係連接至藉由電池所供給之電位Vc的來源。該橋接電路之底部節點係連接至接地電路。該右節點係連接至該等固定式電阻52、54的一端部，且具有該橋接電路的一輸出端子之作用。該固定式電阻52的第二端部係連接至伸展感應器40a的一端部及至供給電壓Vc。該固定式電阻54的第二端部係連接至伸展感應器40b的一端部及至接地電路。伸展感應器40a、40b的另一端部被連接在一起及具有該橋接電路之另一輸出端子的作用。

該等橋接電路輸出端子被耦接至一放大器55之輸入端子，在此該等橋接信號被放大。放大器55較佳地係一可用來自MAXIM公司之MAX4197單元型式。由放大器55所輸出之放大信號被耦接至一類比至數位轉換器56之輸入，該轉換器56將該被放大的類比信號轉換成同等之數位信號。由類比至數位轉換器56所輸出之數位信號被耦接至一微電腦58之輸入埠。類比至數位轉換器56及微電腦58較佳地係組合在一種可用來自Microchip公司之PIC 16F73單元中。來自自行車轉速計(未示出)之速度信號係亦耦接至微電腦58。微電腦58使用一習知演算法處理該等力量信號及該等速度信號，以提供功率振幅信號。該等功率振幅信號被耦接至一多功能顯示器60，其以可被該騎自行車者讀取之形式顯示該電流功率值。於該圖3具體實施例中，該等單元係藉由歐姆電線連接來耦接在一起。

圖4係一自行車功率計單元之方塊圖，並使用被組構成為無線單元之單一應變計感應器組件。於此圖面中，對應於圖3系統中之相同元件的元件被標以相同之參考數字。於該圖4系統中，該等經處理之功率信號被耦接至位於靠近該感應器組件30(50)的一r.f發送器62之輸入。發送器62將該等功率信號傳送至位於靠近該多功能顯示器60之接收器64，其將這些信號供給至該多功能顯示器60。

圖8係取自一自行車後方車架的上面之局部透視圖，說明本發明之第二具體實施例的叉桿端部、輪轂、鏈條、及應變計感應器組件，且具有二個分開之應變計感應器組件。於此圖面中，對應於圖1中所示相同元件的元件被標以相同之參考數字，除了感應器組件30被標以參考30a以外。第二應變計感應器組件30b被鎖固至左叉桿14的端部28之內表面。感應器組件30b具有與上述感應器組件30相同之結構及功能。如在圖9中所最佳顯示，應變計感應器組件30b係附接至一沿著左叉桿14的端部28延伸之薄腹板部份33。當比較於左後方叉桿14之更堅固的結構時，腹板部份33具有可相對壓縮之機械特性，以致應變計感應器組件30b之物理尺寸能隨著經由鏈條24、鏈輪組件22、與輪軸16施加至腹板部份33之不同的力量大小而改變。

圖10係一自行車功率計單元之方塊圖，並使用被組構成為有線單元之二個應變計感應器組件30a、30b。圖11係一自行車功率計單元之方塊圖，並使用被組構成為無線單元之二個應變計感應器組件30a、30b。每一圖面中所顯示之主要元件本質上係與圖3及4中所顯示者相同，除了該橋接電路之組構以外。於圖10及11兩者中，該等固定式電阻52、54被包括該第二感應器組件30b之個別的伸展感應器40a、40b所替換，並具有如所顯示之電連接。如此，該橋接電路包括四個個別之可變電阻伸展感應器40。

於使用中，當該騎自行車者施加力量至該等自行車腳踏板時，該力量之大小被該橋接電路所監視及轉換成可看見之功率顯示信號供該騎自行車者觀察。圖12係一概要圖，說明騎自行車者的功率隨著曲柄組角位置中之變化。於位置(a)中，這些腳踏板本質上係水平的，且該騎自行車者正以該向前之腳踏板施加最大力量。於位置(b)中，該等腳踏板本質上係直立的，且該騎自行車者正施加最小力量。於位置(c)中，該等腳踏板再次本質上係水平的，且該騎自行車者正以該向前之腳踏板施加最大力量而在位置(d)中，該等腳踏板再次本質上係直立的，且該騎自行車者正施加最小力量。

如現在將變得明顯，根據本發明的教導所製造之自行車功率計提供勝過習知使用應變計的自行車功率計之成本與易於安裝的優點。首先，該等應變計安裝在任何自行車車架上係相當簡單的，該車架鄰接該後方輪轂具有該可相對壓縮之薄腹板部份。此安裝操作能在該自行車製造廠或於該商業鏈中之其他地方完成(例如藉由該零售商或該使用者-騎自行車者)。此外，根據本發明的教導所製造之自行車功率計能以有線或無線模式的其中之一被組構，這在該安裝製程中給與大彈性。再者，藉由採用該二層雙重應變計組件，較大敏感性係在單一應變計設計上方達成。最後，藉由採用圖8-11所顯示之四個應變計組構，於騎自行車期間所遭遇之對溫度變化的高度不敏感性可被達成。

雖然本發明已參考特定之具體實施例被敘述，各種修改、替代結構及同等項可被採用，而不會由本發明之精神脫離。譬如，雖然某些電路零組件已被揭示，如想要，其他同等單元可被採用。因此，該上文將不被解釋為限制本發明，本發明係藉由所附申請專利範圍所界定。

12．．．右叉桿

14．．．左叉桿

16．．．輪軸

17．．．捉住螺帽

18．．．捉住螺帽

20．．．輪轂

22．．．鏈輪組件

24．．．驅動鏈條

26．．．端部

28．．．端部

30．．．感應器組件

30a．．．感應器組件

30b．．．感應器組件

32．．．腹板部份

33．．．腹板部份

40．．．伸展感應器

40a．．．伸展感應器

40b．．．伸展感應器

42．．．第一層

42a．．．第一層

42b．．．第一層

43．．．電阻元件

44．．．第二基底層

44a．．．第二層

44b．．．第二層

50．．．感應器組件

52．．．電阻

54．．．電阻

55．．．放大器

56．．．類比至數位轉換器

58．．．微電腦

60．．．多功能顯示器

62．．．發送器

64．．．接收器

圖1係取自一自行車後方車架的上面之局部透視圖，說明本發明之第一具體實施例的叉桿端部、輪轂、鏈條、及應變計感應器組件；

圖2係一取自圖1沿著剖線A-A之正視圖，說明該應變計感應器組件在該右後方叉桿之可壓縮部份的內表面上之安裝位置；

圖3係一自行車功率計單元之方塊圖，並使用被組構成為有線單元之單一應變計感應器組件；

圖4係一自行車功率計單元之方塊圖，並使用被組構成為無線單元之單一應變計感應器組件；

圖5係單一應變計感應器之概要視圖，說明在三個不同位置中之感應器；

圖6係雙重元件應變計感應器組件之第一具體實施例的概要視圖；

圖7係雙重元件應變計感應器組件之第二具體實施例的概要視圖；

圖8係取自一自行車後方車架的上面之局部透視圖，說明本發明之第二具體實施例的叉桿端部、輪轂、鏈條、及應變計感應器組件，且具有二個分開之應變計感應器組件；

圖9係一取自圖8沿著剖線B-B之正視圖，說明該第二應變計感應器組件在該左後方叉桿之可壓縮部份的內表面上之安裝位置；

圖10係一自行車功率計單元之方塊圖，並使用被組構成為有線單元之二個應變計感應器組件；

圖11係一自行車功率計單元之方塊圖，並使用被組構成為無線單元之二個應變計感應器組件；及

圖12係一概要圖，說明騎自行車者的功率隨著曲柄組角位置中之變化。

12．．．右叉桿

14．．．左叉桿

16．．．輪軸

17．．．捉住螺帽

18．．．捉住螺帽

20．．．輪轂

22．．．鏈輪組件

24．．．驅動鏈條

26．．．端部

28．．．端部

30．．．感應器組件

Claims (10)

1. 一種自行車功率計裝置，包括：後方自行車車架，具有第一叉桿，該第一叉桿具有主體部份及鄰接能附接輪轂的區域的末端部份，該末端部份的厚度尺寸薄於該主體部份的厚度尺寸且較該主體部份更可相對壓縮；以及應變計感應器組件，具有第一伸展感應器及第二伸展感應器，各者包括具有安裝在其上面的可變電阻元件的第一層及用於支撐該第一層的第二層，該第一伸展感應器及該第二伸展感應器中的一者係固接至該第一叉桿的可相對壓縮的該末端部份而無旋轉，該第一伸展感應器及該第二伸展感應器的可變電阻元件係歐姆性地互連以呈現在該第一叉桿的該末端部份的代表騎自行車者力量的總電阻值。
2. 如申請專利範圍第1項的自行車功率計裝置，其中，該第一伸展感應器及該第二伸展感應器各者被配置成具有呈面對關係的該第一層。
3. 如申請專利範圍第1項的自行車功率計裝置，其中，該第一伸展感應器及該第二伸展感應器各者被配置成具有呈面對關係的該第二層。
4. 如申請專利範圍第1項的自行車功率計裝置，復包括：橋接電路，具有在第一分支中連接的該第一伸展感應器及該第二伸展感應器和一對在第二分支中連接的固定式電阻； 放大器，耦接至該橋接電路，用於放大代表該總電阻值的信號；類比至數位轉換器，耦接至該放大器，用於將由該放大器所輸出的信號轉換成數位信號；微電腦，耦接至該類比至數位轉換器，用於由相關自行車速率計接收該等數位信號及自行車速度信號並將該等被接收的信號轉換成功率信號；以及顯示器，耦接至該微電腦，用於顯示該等功率信號給騎自行車者。
5. 如申請專利範圍第4項的自行車功率計裝置，復包括發送器，耦接至該微電腦，用於接收該等功率信號及產生同等的無線信號；以及接收器，具有耦接至該顯示器的輸出，用於接收該等同等的無線信號及提供該等同等的無線信號至該顯示器。
6. 如申請專利範圍第1項的自行車功率計裝置，其中，該後方自行車車架具有第二叉桿，其具有主體部份及鄰接能附接輪轂的區域的末端部份，該第二叉桿的該末端部份的厚度尺寸薄於該第二叉桿的該主體部份的厚度尺寸且較該第二叉桿的該主體部份更可相對壓縮，額外應變計感應器組件具有第三伸展感應器及第四伸展感應器，各者伸展感應器包括具有安裝在其上面的可變電阻元件的第一層及用於支撐該第一層的第二層，該第三伸展感應器及該第四伸展感應器中的一者係固接至該第二叉桿的可相對壓 縮的該末端部份而無旋轉，且該第三伸展感應器及該第四伸展感應器的可變電阻元件係歐姆性地互連以呈現在該第二叉桿的該末端部份的代表騎自行車者力量的總電阻值。
7. 如申請專利範圍第6項的自行車功率計裝置，其中，該第三伸展感應器及該第四伸展感應器各者被配置成具有呈面對關係的該第一層。
8. 如申請專利範圍第6項的自行車功率計裝置，其中，該第三伸展感應器及該第四伸展感應器各者被配置成具有呈面對關係的該第二層。
9. 如申請專利範圍第6項的自行車功率計裝置，復包括：橋接電路，具有在第一分支中連接的該第一伸展感應器及該第二伸展感應器和在第二分支中連接的該第三伸展感應器及該第四伸展感應器；放大器，耦接至該橋接電路，用於放大代表該總電阻值的信號；類比至數位轉換器，耦接至該放大器，用於將由該放大器所輸出的信號轉換成數位信號；微電腦，耦接至該類比至數位轉換器，用於由相關自行車速率計接收該等數位信號及自行車速度信號並將該等被接收的信號轉換成功率信號；以及顯示器，耦接至該微電腦，用於顯示該等功率信號給騎自行車者。
10. 如申請專利範圍第9項的自行車功率計裝置，復包括： 發送器，耦接至該微電腦，用於接收該等功率信號及產生同等的無線信號；以及接收器，具有耦接至該顯示器的輸出，用於接收該等同等的無線信號及提供該等同等的無線信號至該顯示器。