TWI651521B - 具有較佳力矩感測器的可用馬達和肌力驅動的車子 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種可用馬達及/或肌力驅動的車子，特別是電動腳踏車，包括：電動馬達(3)；曲柄機構(2)，包括第一曲柄(7)、第二曲柄(8)及曲柄軸(12)；力矩感測器(13)，用於偵測騎車人施加於該曲柄機構(2)之力矩；及控制單元(16)，被設計成至少依據該力矩感測器(13)所偵測到的值對該電動馬達(3)進行控制以驅動該車子；其中該力矩感測器(13)設於該曲柄機構(2)上，並且該力矩感測器(13)包括至少一表面聲波感測器(14)。

Description

具有較佳力矩感測器的可用馬達和肌力驅動的車子
本發明係關於一種具有較佳力矩感測器的可用馬達及/或肌力驅動的車子，特別是電動腳踏車。
電動腳踏車例如在曲柄機構上使用應變片形式之力矩感測器，以偵測騎車人所施加的力矩。若騎車人選擇使用電動馬達，則一控制單元依據騎車人所施加的力矩對該電動馬達進行控制。但以往所用的力矩感測器相當複雜且成本較高。此外，例如US 20030074985 A1揭露一種測量方法，其在使用彈簧偏置式附加傳動裝置的情況下測量力矩，以便測量該附加傳動裝置之螺旋齒的軸向力。出於成本及重量原因，此類測量方法同樣不甚適用。
本發明提供一種具有如申請專利範圍所述特徵的可用馬達及/或肌力驅動的車子，特別是電動腳踏車，較之上述先前技術，其優點在於能以可靠而簡單之方式偵測騎車人所施加的力矩。該偵測可以非接觸方 式進行且成本極低。此外，本發明的力矩感測器尺寸極小且極為耐用。故特別適用於電動腳踏車。根據本發明，其實現方式如下：該用於偵測騎車人施加於曲柄機構之力矩的感測器包括至少一表面聲波感測器，其設於該曲柄機構上。該表面聲波感測器利用表面波動態測量力矩，並藉此直接測量由騎車人所施加之力矩引發的扭應力。其中依據高頻詢問脈衝的反射時延判斷表面波之扭轉程度。該表面聲波感測器可為一純無源部件，不需要自有能源支持其運行。偵測力矩時，例如由詢問單元向表面波感測器發送一高頻信號。若表面波感測器上存在騎車人所施加之力矩，發回詢問單元的信號便會發生變化，可據此測定騎車人所施加之力矩。作為替代方案，該詢問/發送單元整合於表面波感測器中。本發明包含該表面波感測器之結構因此而極其簡單而耐用，尤其是亦可大幅簡化電子系統。較佳以無線方式詢問該表面波感測器，故其亦可設於可及性不佳之位置。其中，本發明之力矩感測器不會對機械總效率產生不良影響，並且重量極輕，空間需求極小，造價極低。
附屬項係關於本發明之較佳改良方案。
該表面聲波感測器尤佳設於一連接曲柄軸之套筒上。該套筒例如可透過齒部連接曲柄軸。作為替代性較佳方案，該表面聲波感測器直接設於該曲柄軸上。
進一步較佳地，該表面聲波感測器為一單獨部件且特別包括壓電基板、數位間轉換器及天線。該數位間轉換器設於該基板上且具有由兩電極構成的梳狀結構。
作為替代性較佳方案，該表面聲波感測器之組件或該整個表 面聲波感測器直接設於一供測量力矩之用的表面上。其中可將該表面波感測器之組件例如加印於待測量表面。
進一步較佳地，該表面波感測器包括一反射器裝置。該反射器裝置尤佳設於亦設有該表面波感測器之其餘組件的單獨部件上。作為替代方案，該反射器裝置直接設於該供測量力矩之用的表面上。該反射器裝置尤佳包含溝槽或其他長形凹部及/或長形凸出區域。
根據本發明另一較佳技術方案，該車子進一步包括一印刷電路板，其中該表面波感測器之天線設於該印刷電路板上或整合於該印刷電路板中。該印刷電路板尤佳設於該車子的曲柄軸上。
進一步較佳地，本發明的車子包括一第二表面波感測器。當表面出現扭轉時，藉此可用第一表面波感測器偵測伸長，用第二表面波感測器偵測翹曲。該第一及第二表面波感測器較佳各具一縱軸，其中此二表面波感測器的縱軸不平行於該曲柄軸之縱軸。換言之，兩表面波感測器之縱軸傾斜於曲柄軸的縱軸設置。其中，兩表面波感測器尤佳被設置成使得其縱軸相交。其中，兩表面波感測器之縱軸尤佳成90°角相交。
作為替代方案，該第一及第二表面波感測器之兩縱軸相對於曲柄軸的縱軸對稱設置。
為能實現特別緊湊的結構，該表面聲波感測器包括一用於詢問該表面波感測器之單獨詢問單元。該詢問單元收發信號且較佳設於該曲柄機構之殼體上。
進一步較佳地，該車子的電動馬達直接設於該曲柄機構上。藉此可在電動腳踏車上實現所謂的中置馬達結構。
如前所述，本發明的車子尤佳為一電動腳踏車。其因採用前述表面聲波感測器而能取得極佳之有益效果。
下面參照所附圖式詳述本發明之較佳實施例。
1‧‧‧腳踏車
2‧‧‧曲柄機構
3‧‧‧電動馬達
4‧‧‧鏈輪
5‧‧‧鏈條
6‧‧‧小齒輪
7‧‧‧第一曲柄
8‧‧‧第二曲柄
9‧‧‧後輪
10‧‧‧傳動裝置
11‧‧‧力矩套筒
12‧‧‧曲柄軸
13‧‧‧力矩感測器
14‧‧‧表面聲波感測器
14a‧‧‧第一表面聲波感測器
14b‧‧‧第二表面聲波感測器
15‧‧‧收發單元
16‧‧‧控制單元
17‧‧‧印刷電路板
24a‧‧‧縱軸
24b‧‧‧縱軸
40‧‧‧基板
41‧‧‧第一電極
42‧‧‧第二電極
43‧‧‧反射器
43a‧‧‧第一反射器
43b‧‧‧第二反射器
44‧‧‧天線結構
45‧‧‧高頻詢問脈衝，電磁脈衝
46‧‧‧高頻回應
53a‧‧‧縱軸
53b‧‧‧縱軸
α‧‧‧角度
β‧‧‧角度
圖1為依據本發明第一實施例之電動腳踏車示意圖；圖2為圖1所示車子之曲柄機構及電動馬達詳圖；圖3為包含圖2所示力矩套筒之曲柄軸示意圖；圖4為圖3所示曲柄軸及力矩套筒之零部件示意圖；圖5為圖1所示力矩感測器之作用原理示意圖；及圖6至圖10為本發明力矩感測器之替代性技術方案示意圖。
下面參照圖1至圖5對依據本發明第一實施例之電動腳踏車1進行詳細說明。
參照圖1所示，電動腳踏車1包括曲柄機構2，其包含曲柄軸12及第一曲柄7與第二曲柄8。符號3指代一電動馬達，其透過傳動裝置10連接一鏈輪(從動端)。鏈輪4透過鏈條5向設於電動腳踏車後輪9上的小齒輪6輸出一驅動力。
圖2詳細示出曲柄機構2及傳動裝置10與電動馬達3。特別如圖3所示，曲柄軸12的中部設有力矩套筒11。由騎車人傳遞給曲柄軸的力矩亦被傳遞至力矩套筒11。亦可在力矩套筒11上詢問此力矩。力矩套筒11用於累加左右踏板之二力矩。由此，原則上僅用一個感測器便能完成 偵測。
本發明另設有一力矩感測器13，其包括表面聲波感測器14及單獨的收發單元15。如圖2至圖4所示，表面聲波感測器14設於力矩套筒11上。為清楚起見，圖4單獨示出曲柄軸12及力矩套筒11兩部件。曲柄軸12與力矩套筒11透過花鍵(見圖3及圖4)相連。收發單元15設於殼體部件(圖2中僅示意性示出)上且連接控制單元16。其中，控制單元16被設計成至少依據力矩感測器13所偵測到的值對電動馬達3進行控制。控制單元16較佳還進一步依據其他值如電動腳踏車速度及曲柄軸轉速對電動馬達3進行控制。
圖5詳細示出力矩感測器13。參照圖5所示，表面聲波感測器14不需要自有能源。收發單元15向表面聲波感測器14發送高頻詢問脈衝45。該表面聲波感測器包括第一電極41、第二電極42、反射器43及天線結構44。其中，電極41、42及反射器43設於基板40上，該基板在本實施例中為一壓電基板。壓電基板40例如可由陶瓷或聚合物構成。此外，該二具有梳狀結構且形成一數位間轉換器的電極41、42可被加印於基板40上。反射器43可包括凸起及/或凹部。
基板40的表面在此提供一平面，此平面主要用於防止表面波傳播因套筒彎曲而受到影響並於套筒上形成平整的(傳播)面。
如此便可利用表面聲波對騎車人所施加的扭應力在曲柄軸12上引發之彈性變形進行直接測量。其中依據高頻詢問脈衝45的反射時延判斷曲柄軸12之扭轉程度。高頻詢問脈衝45由天線結構44傳導給真正的感測器結構即該數位間轉換器。利用反壓電效應將電磁脈衝45轉換成(機 械式)表面聲波。而後，該(機械式)表面聲波在反射器43的結構上被發射，再度利用壓電效應以高頻回應46之形式由天線結構44輸出並被收發單元15接收。
如上所述，表面聲波感測器14係一純無源部件，不需要自有能源支持其運行。故表面聲波感測器14不需維護。另外，表面聲波感測器14的電子系統簡單許多，尤其是不必設置使用應變片時所需要的振盪電路。又，表面聲波感測器14空間需求小且極其耐用。該表面聲波感測器亦可設於可及性不佳之位置，例如設置在因電動馬達3關係而空間較小的曲柄軸12上(亦因為可用無線電詢問--無纜線，電子系統可進一步刪減)。此外，本發明之力矩感測器13重量極輕且造價極低。另外，使用本發明之力矩感測器13時不產生聲發射，尤其不會對曲柄機構2之機械總效率產生不良影響。
另外需指出，可在基板40上以預製部件形式提供本發明之表面聲波感測器14，而後將該預製部件簡單黏著於力矩套筒11上即可。作為替代方案，亦可例如以印刷方式將該表面聲波感測器之結構直接設於一表面，例如力矩套筒11之表面。感測器結構可能存在會導致信號失真的組裝相關內應力，而藉此可避免形成此內應力。
由於表面波傳播速度為該詢問脈衝之光速的1/100000，表面聲波感測器14的高頻回應46幾乎無干擾。所有來自周圍環境的干擾反射如回聲或類似之物通常在延遲回應期間皆會消失。藉此可提供極其精確的信號，進而以極高精度偵測騎車人所施加之力矩。
圖6至圖10示出較佳替代方案。參照圖6所示，本實施例 示出第一表面聲波感測器14a與第二表面聲波感測器14b。此二表面聲波感測器14a、14b各具一縱軸24a、24b，該等縱軸成90°之角度α相交。使用兩表面聲波感測器14a、14b能偵測不受溫度因素影響的偏好信號。藉此能以更高精度偵測騎車人所施加之力矩。兩縱軸24a、24b與曲柄軸12之中心軸X-X分別成45°角設置。
圖7示出表面聲波感測器14之另一替代性技術方案。與第一實施例不同，依據圖7中第三實施例之表面聲波感測器14具有一基板40，其上僅設第一及第二電極41、42。包含例如凹痕形式之相應結構的反射器43直接設於供測量力矩之用的部件上，此部件在本實施例中為力矩套筒11。該等凹痕例如可藉由雷射或者以機械方式透過銑削而形成於套筒材料中。套筒表面的此一間斷致使自基板發出之表面波被反射。藉由形成數個凹痕可為回應信號外加一明確型態(編碼)，從而實現力矩信號與可能干擾信號(例如電動馬達引發的結構聲音)之區分。透過反射器與基板的分離，可以簡單方式最大程度地避免以夾緊方式連接基板與套筒時所產生的組裝相關干擾，例如感測器內形成預應力。
為了儘量以最佳效果將表面波自基板傳遞至力矩套筒11，基板40以機械方式(例如透過黏著工藝)以該數位間轉換器所在一面接觸力矩套筒11。其中，該單獨製成且其上加印有數位間轉換器的壓電基板可由陶瓷或聚合物構成。由於該數位間轉換器及力矩套筒11皆由金屬構成，須使用不導電黏著劑。
圖8示出依據本發明第四實施例之另一技術方案，其中天線結構44設於一印刷電路板17上。印刷電路板17呈盤形且圍繞力矩套筒11 設置。其中，天線結構44沿徑向朝該曲柄軸之中心軸X-X延伸。天線結構44可以任意形狀及任意長度設於印刷電路板17上，從而達到最佳設置效果。
本發明如圖9所示之第五實施例與圖6中的第二實施例大體一致，其中同樣設有兩表面聲波感測器14a、14b。但此二表面聲波感測器14a、14b係在圖6基礎上旋轉90°後方形成圖9所示之狀態。換言之，兩表面聲波感測器14a、14b設於一將曲柄軸12之中心軸X-X包含在內的縱向平面兩側。本實施例在其他方面皆與第二實施例相符。
圖10示出本發明之第六實施例，其中僅設一個表面聲波感測器14。但本實施例設有第一反射器43a與第二反射器43b。兩反射器43a、43b在此直接設於力矩套筒11表面。此外，兩反射器43a、43b被設置成使得兩反射器43a、43b的縱軸53a、53b成90°之角度β相交。由此形成兩條表面聲波反射路線，其中僅需設置一個表面聲波感測器41。僅使用一個表面波感測器14有助於降低成本。另外亦能大幅簡化安裝。其中，例如可藉由在力矩套筒11表面開設凹痕來形成該等反射器。
另外需指出，作為替代方案，亦可將表面聲波感測器14設於力矩套筒11內表面。藉此可防止電磁干擾脈衝。天線結構44例如可透過一開口而向外伸出於該力矩套筒。
根據另一替代方案，表面聲波感測器14可實施為薄膜元件且例如以黏著方式進行設置。在此情況下，反射器43尤佳直接設於力矩套筒11表面。
根據本發明又一較佳替代性技術方案，天線結構44例如設置在傳動裝置10緊鄰力矩套筒11的齒輪上。藉此，天線結構44可徑向延 伸，而不必設置附加部件。

Claims (14)

  1. 一種可用馬達及/或肌力驅動的車子，特別是電動腳踏車，包括：電動馬達(3)，曲柄機構(2)，包括第一曲柄(7)、第二曲柄(8)及曲柄軸(12)，力矩感測器(13)，用於偵測騎車人施加於該曲柄機構(2)之力矩，及控制單元(16)，被設計成至少依據該力矩感測器(13)所偵測到的值對該電動馬達(3)進行控制以驅動該車子，其中該力矩感測器(13)設於該曲柄機構(2)上，其特徵在於，該力矩感測器(13)包括至少一表面聲波感測器(14)，其中該表面聲波感測器利用表面波動態測量力矩，並藉此直接測量由騎車人所施加之力矩引發的扭應力，以及依據高頻詢問脈衝的反射時延判斷表面波之扭轉程度。
  2. 如申請專利範圍第1項之車子，其中該表面聲波感測器(14)設於一連接該曲柄軸(12)之套筒(11)上。
  3. 如申請專利範圍第1項之車子，其中該表面波感測器(14)直接設於該曲柄軸(12)上且特別是一印刷表面波感測器或一設於薄膜上之表面感測器。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之車子，其中該表面聲波感測器(14)為一單獨部件且特別包括壓電基板(40)、包含第一電極(41)與第二電極(42)之數位間轉換器及天線結構(44)。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之車子，其中該表面聲波感測器(14)之部件或該整個表面聲波感測器(14)直接設於一供測量力矩之用的表面上。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之車子，其中該表面聲波感測器包括一反射器裝置(43)，其中該反射器裝置(43)設於該表面波感測器上或直接設於一供測量力矩之用的表面上。
  7. 如申請專利範圍第6項之車子，其中該反射器裝置(43)包含設於表面之凹痕及/或凸起。
  8. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之車子，進一步包括一印刷電路板(17)，其中該表面聲波感測器之天線(40)設於該印刷電路板上或整合於該印刷電路板中。
  9. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之車子，包括第一表面聲波感測器(14a)及第二表面聲波感測器(14b)。
  10. 如申請專利範圍第9項之車子，其中該第一及第二表面聲波感測器(14a,14b)各具一縱軸(24a,24b)，且該等表面波感測器的縱軸(24a,24b)不平行於該曲柄軸(12)之縱軸(X-X)。
  11. 如申請專利範圍第9項之車子，其中該第一及第二表面聲波感測器(14a,14b)被設置成使得該等表面聲波感測器(14a,14b)的縱軸(24a,24b)相交，特別是成90°角相交。
  12. 如申請專利範圍第9項之車子，其中該第一及第二表面聲波感測器(14a,14b)相對於一將該曲柄軸(12)之縱軸(X-X)包含在內的平面對稱設置。
  13. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之車子，其中該力矩感測器(13)包括一單獨收發單元(15)，該收發單元特別設於一殼體上，該殼體特別是該曲柄機構(2)之殼體或該電動馬達(3)之殼體。
  14. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之車子，其中該電動馬達(3)直接設於該曲柄機構(2)上。
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