TWI654115B - 曲柄裝置、自行車及室內健身車 - Google Patents

曲柄裝置、自行車及室內健身車

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TWI654115B
TWI654115B TW106146329A TW106146329A TWI654115B TW I654115 B TWI654115 B TW I654115B TW 106146329 A TW106146329 A TW 106146329A TW 106146329 A TW106146329 A TW 106146329A TW I654115 B TWI654115 B TW I654115B
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林崇偉
Chung-Wei Lin
許孝文
Hsaio-Wen Hsu
沈志祥
Chih-Hsiang Shen
林敬堯
Ching-Yao Lin
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巨大機械工業股份有限公司
Giant Manufacturing Co., Ltd.
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Abstract

一種曲柄裝置，包括一曲柄臂、至少一薄形材料層及至少一感測元件。曲柄臂具有至少一凹穴，至少一凹穴與外界相互連通。至少一薄形材料層嵌入於至少一凹穴內，且暴露出一外表面。至少一感測元件貼附於外表面上。曲柄臂為非均勻應變特性之材料，薄形材料層為具均勻應變特性之材料，曲柄臂適於受力產生變形，薄形材料層適於隨曲柄臂的變形而相應地產生變形，至少一感測元件適於量測薄形材料層的應變以測得曲柄臂所受的力。本發明更提供一種自行車及一種室內健身車分別裝配有上述的曲柄裝置。

Description

曲柄裝置、自行車及室內健身車
本發明是有關於一種曲柄裝置、自行車及室內健身車，且特別是有關於一種曲柄裝置與使用此曲柄裝置的自行車以及室內健身車。
傳統的自行車功率計，常用的形式是採用應變規貼附於曲柄的表面來量測踩踏扭力，此種形式主要是利用曲柄受力後會造成形體扭曲與表面變形的特性，進而根據應變規的應力特性變化，經適度地換算而得到踩踏扭力。
然而，當曲柄為碳纖材質時，要將應變規貼附於碳纖材質的表面來量測踩踏扭力，必須另外考量以下因素：(1)應變規較難直接黏貼於碳纖材質，現有的方式是在碳纖材質的表面塗上一層金油層以利與應變規結合，但碳纖材質的變形量傳遞至金油層時，應變規所測得的數據會有失真的問題；(2)由於碳纖材質各疊 層纖維方向各異，使得曲柄形體的扭曲與表面的變形不均勻，導致應變規量測得到的應力特性變化量不夠線性。
因此，現有的應變規在碳纖材質曲柄的踩踏扭力量測精準度將會大幅下降。此外，現有的應變規為了增加量測的精確度，通常會在使用前進行特定的校正程序，使用者在使用上極為不便。
本發明提供一種曲柄裝置、自行車及室內健身車，其能夠提高量測的精準度，且能夠增加使用者在使用上的便利性。
本發明的一種曲柄裝置，包括一曲柄臂、至少一薄形材料層及至少一感測元件。曲柄臂具有至少一凹穴，至少一凹穴與外界相互連通。至少一薄形材料層嵌入於至少一凹穴內，且暴露出一外表面。至少一感測元件貼附於外表面上。曲柄臂為非均勻應變特性之材料，薄形材料層為具均勻應變特性之材料，曲柄臂適於受力產生變形，薄形材料層適於隨曲柄臂的變形而相應地產生變形，至少一感測元件適於量測薄形材料層的應變以測得曲柄臂所受的力。本發明更提供一種自行車及一種室內健身車分別裝配有上述的曲柄裝置。
在本發明的一實施例中，上述的曲柄臂包括多個突出壁，突出壁分別覆蓋於薄形材料層的邊緣。
在本發明的一實施例中，上述的一突出壁限制薄形材料層在曲柄臂內任三垂直軸向上的移動。
在本發明的一實施例中，上述的曲柄臂為實心件。
在本發明的一實施例中，上述的曲柄臂為中空件。
在本發明的一實施例中，上述的曲柄臂為非均勻應變特性之複合材料。
在本發明的一實施例中，上述的複合材料包括非金屬與非金屬之複合材料、非金屬與金屬之複合材料、以及金屬與金屬之複合材料。
在本發明的一實施例中，上述的曲柄臂的材質包括碳纖維、玻璃纖維、克維拉(Kevlar)纖維、迪尼瑪(Dyneema)纖維、植物纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化矽纖維、石棉纖維、單晶晶鬚(Monocrystalline whisker)、金屬絲和硬質細粒的任一者或其中至少二者所混合而成的複合材料。
在本發明的一實施例中，上述的薄形材料層為具均勻應變特性之單一材料。
在本發明的一實施例中，上述的薄形材料層的材質包括金屬、塑膠或可撓玻璃。
在本發明的一實施例中，上述的薄形材料層經過一表面處理而形成一粗糙表面，表面處理方式可為噴砂、咬花、雷射、電漿、化學處理其中任一者。
在本發明的一實施例中，上述的薄形材料層的厚度介於0.1公釐至1.85公釐之間。
在本發明的一實施例中，上述的至少一感測元件為應變 規(Strain Gauge)或壓力感測器。
在本發明的一實施例中，上述的至少一應變規以單軸向之方式配置於薄形材料層的外表面上，至少一應變規適於量測薄形材料層在單一軸向上的應變。
在本發明的一實施例中，上述的至少一應變規的數量為至少二個，至少二應變規以雙軸向之方式配置於薄形材料層的外表面上，至少二應變規適於量測薄形材料層在二垂直軸向上的應變。
在本發明的一實施例中，上述的至少一應變規的數量為至少三個，至少三應變規以三軸向之方式配置於薄形材料層的外表面上，至少三應變規適於量測薄形材料層在三垂直軸向上的應變。
在本發明的一實施例中，上述的至少一應變規以四分之一橋接之方式配置於薄形材料層的外表面上。
在本發明的一實施例中，上述的至少一應變規以二分之一橋接之方式配置於薄形材料層的外表面上。
在本發明的一實施例中，上述的至少一應變規以全橋接之方式配置於薄形材料層的外表面上。
本發明的一種自行車，包括一車體及上述的曲柄裝置。車體包括一曲柄軸。曲柄臂固定於曲柄軸上，曲柄臂適於受使用者的踩踏而受力產生變形。
本發明的一種室內健身車，包括一架體及上述的曲柄裝 置。架體包括一曲柄軸。曲柄臂固定於曲柄軸上，曲柄臂適於受使用者的踩踏而受力產生變形。
基於上述，在本發明的曲柄裝置、自行車及室內健身車中，薄形材料層嵌入於曲柄臂的凹穴內，且暴露出外表面，至少一感測元件進一步貼附於薄形材料層所暴露出的外表面上，曲柄臂為非均勻應變特性之材料，薄形材料層為具均勻應變特性之材料，曲柄臂適於受力產生變形，薄形材料層適於隨曲柄臂的變形而相應地產生變形，至少一感測元件適於量測薄形材料層的應變以測得曲柄臂所受的力，藉由感測元件直接量測具均勻應變特性之材料的薄形材料層，可提高感測元件量測薄形材料層的應變的精準度，進一步精確地計算出曲柄臂所受的踩踏力。此外，藉由感測元件直接量測具均勻應變特性之材料的薄形材料層，使用者能夠省去對感測元件校準的動作，故能夠增加使用者在使用上的便利性，進而增進其運動體驗。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
50‧‧‧自行車
52‧‧‧車體
54‧‧‧曲柄軸
60‧‧‧室內健身車
62‧‧‧架體
64‧‧‧曲柄軸
100、100A、200、200A、200B‧‧‧曲柄裝置
110、110A、210、210A、210B‧‧‧曲柄臂
111、211、211A‧‧‧凹穴
112‧‧‧突出壁
113‧‧‧固定端
114‧‧‧踩踏端
115‧‧‧表面
116‧‧‧壁面
217‧‧‧頂面
218‧‧‧底面
219A1、219A2‧‧‧側面
120、220、220A、220B‧‧‧薄形材料層
122、222、222A、222B‧‧‧外表面
124‧‧‧邊緣
126‧‧‧嵌入面
128‧‧‧側面
130、230、230A1、230A2、230A3、230A4、230B1、230B2、230B3、230B4‧‧‧感測元件
S‧‧‧空間
T‧‧‧厚度
圖1是本發明的一實施例的一種曲柄裝置的剖面示意圖。
圖2是本發明的另一實施例的一種曲柄裝置的剖面示意圖。
圖3是圖1的曲柄裝置的製造過程示意圖。
圖4是本發明的再一實施例的一種曲柄裝置的立體示意圖。
圖5是圖4的曲柄裝置的局部剖面示意圖。
圖6是本發明的又一實施例的一種曲柄裝置的立體示意圖。
圖7是圖6的曲柄裝置的局部剖面示意圖。
圖8是本發明的更一實施例的一種曲柄裝置的立體示意圖。
圖1是本發明的一實施例的一種曲柄裝置的剖面示意圖。請參考圖1，曲柄裝置100包括曲柄臂110、至少一薄形材料層120以及至少一感測元件130。曲柄臂110在製造過程中可自然形成有至少一凹穴111，且凹穴111與外界相互連通。薄形材料層120嵌入於凹穴111內，且薄形材料層120暴露出外表面122。感測元件130貼附於薄形材料層120所暴露出的外表面122上。曲柄臂110為非均勻應變特性之材料，薄形材料層120為具均勻應變特性之材料，曲柄臂110可受力產生變形，薄形材料層120可隨曲柄臂110所產生的變形相應地產生變形，感測元件130可透過薄形材料層120測得曲柄臂110所受的力。在本實施例中，凹穴111設置在曲柄臂110上的位置與數量並沒有特別的限制，且薄形材料層120的位置與數量可對應凹穴111的位置與數量設置，端視實際需求而定。
本實施例的曲柄裝置100可裝設於自行車、室內健身車 或其它適於踩踏的器械，在此並不特別設限。舉例而言，曲柄裝置100可裝設於自行車50，自行車50可包括車體52，車體52更進一步包括可旋轉地設置於其上的曲柄軸54，曲柄臂110的固定端113固定於車體52的曲柄軸54上，以隨著曲柄軸54轉動，而曲柄臂110的踩踏端114可裝設腳踏板(未繪示)，以供使用者踩踏，當使用者踩踏腳踏板(未繪示)時，曲柄臂110即會隨之受力而產生變形，隨著曲柄臂110受力產生變形，變形後的曲柄臂110會擠壓或拉伸嵌入於凹穴111內的薄形材料層120，使得薄形材料層120進一步產生變形。由於薄形材料層120嵌入於凹穴111內，曲柄臂110與薄形材料層120之間的各個表面之間會有完整且良好的接觸，使得曲柄臂110所受到的力能夠良好地傳遞至薄形材料層120，且因為薄形材料層120具均勻應變特性(或稱均向性)，故薄形材料層120受力後所產生的變形均勻，可提高感測元件130量測曲柄臂110扭力的精準度，進一步精確地計算出曲柄臂110所受的踩踏力，使得感測元件130在量測薄形材料層120的應變時能夠更為精準。換句話說，感測元件130量測的目標是非均勻應變特性(或稱非均向性)材料的曲柄臂110，薄形材料層120係作為曲柄臂110所受力量傳遞至感測元件130的一介質，透過薄形材料層120可將曲柄臂110所受之非均勻形變的力量予以均勻化或均向化，使得感測元件130所量測到的力在各方向上力的變化能夠趨於均向應變，藉此提升感測元件130量測曲柄臂110扭力之精準度，如此可避免習知技術中感測元件直接量測非均勻應變 特性(或稱非均向性)材料的曲柄臂時造成的數據失真問題。此外，由於薄形材料層120本身具均勻應變特性，在將本發明的曲柄裝置100裝設於自行車50上之後，並不需要另外再對感測元件130進行任何校準的動作，故能夠增加使用者在使用上的便利性，進而增進其運動體驗。
在本實施例中，曲柄臂110可以是非均勻應變特性(或稱不等向性)之複合材料。舉例來說，應用於非均勻應變特性之複合材料可以是包含有陶瓷、石墨、橡膠、合成樹脂、碳、碳纖維、玻璃纖維、克維拉(Kevlar)纖維、迪尼瑪(Dyneema)纖維、植物纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化矽纖維、石棉纖維、單晶晶鬚(Monocrystalline whisker)、金屬絲、硬質細粒、鋁、鎂、銅和鈦的任一者或其中至少二者所混合而成的複合材料。在此並沒有特別限制曲柄臂110的材料，非均勻應變特性之複合材料可以是非金屬與非金屬之複合材料、非金屬與金屬之複合材料、以及金屬與金屬之複合材料，只要其為非均勻應變特性(或稱不等向性)即可，也就是說當在曲柄臂110施加一力量時，曲柄臂110在受力點所導致結構上的拉伸量或壓縮量與施力方向並無明確的關係可循，拉伸量或壓縮量在各個方向上呈現不規則的變化。
在本實施例中，薄形材料層120為具均勻應變特性(或稱等向性)的單一材料。舉例而言，薄形材料層120的材質包括金屬、塑膠或可撓玻璃。在此並沒有特別限制薄形材料層120的材料，只要其為具均勻應變特性(或稱等向性)即可，也就是說當以相同的 力施加於薄形材料層120的各方向上時，薄形材料層120在每個不同施力方向的伸長量或壓縮量均相同。在本實施例中，薄形材料層120的較佳的厚度T係介於0.1公釐(mm)至1.85公釐(mm)之間，且薄形材料層120可經過表面處理而形成一粗糙表面，使得薄形材料層120在被嵌入夾固於曲柄臂110表面(即製程中自然形成的至少一凹穴111)時能夠更加地咬合且緊固，亦有助於應變力量的有效傳遞，此表面處理方式例如可為噴砂、咬花、雷射、電漿、化學處理其中任一種方式。
在本實施例中，曲柄臂110包括多個突出壁112，這些突出壁112遮蔽住部分的凹穴111，並覆蓋住薄形材料層120的邊緣124，以限制薄形材料層120在曲柄臂110的凹穴111內任三垂直軸向(即X,Y,Z空間座標)上的移動，即薄形材料層120係被夾持嵌固於曲柄臂表面已形成凹陷狀的凹穴111之中。換言之，這些突出壁112覆蓋住薄形材料層120的邊緣124，能夠使薄形材料層120穩固地嵌入於曲柄臂110的凹穴111中。
在本實施例中，曲柄臂110更包括一表面115及多個壁面116，表面115與多個壁面116共同界定出凹穴111。表面115與突出壁112彼此相對，且這些壁面116分別連接於表面115與突出壁112之間，突出壁112覆蓋住凹穴111的外緣。換句話說，突出壁112沿薄形材料層120的厚度T的方向投射到曲柄臂110的表面115上的正投影位於凹穴111的壁面116之內。
薄形材料層120具有嵌入面126以及多個側面128，嵌入 面126位於薄形材料層120上相對遠離外表面122的另一面，這些側面128分別連接於外表面122與嵌入面126之間。在本實施例中，曲柄臂110的凹穴111是四邊形，也就是說具有四個壁面116，曲柄臂110以一個表面115、四個壁面116、以及四個突出壁112共同界定出凹穴111，但在其它實施例中，凹穴也可以是其他形狀的多邊形所界定而成，在此並不特別限制凹穴的形狀為何，只要能夠確保薄形材料層被穩固地嵌入於凹穴中不會造成任何位移即可。
在本實施例中，感測元件130為應變規，但在其它實施例中感測元件也可以是壓力感測器。至少一感測元件130是以單一個作為舉例，且以單軸向的方式配置於薄形材料層120的外表面122上，以適於量測薄形材料層120在單一軸向上的應變，即空間座標上X,Y,Z僅其中單一方向上不同位置的受力變化，藉此測得薄形材料層120的拉伸應變、壓縮應變或扭曲應變，但感測元件的數量並不特別設限，感測元件的配置數量可以依據實際上的量測需求進行選用。在其它實施例中，感測元件可以雙軸向或三軸向的方式配置於薄形材料層的外表面上，即空間座標上X,Y,Z其中至少兩個方向上不同位置的受力變化，且感測元件的數量對應其不同的配置方式為對應的多個。舉例而言，在其它實施例中，配置在薄形材料層的外表面上的感測元件的數量可以是至少二個，此至少二個感測元件以雙軸向的方式配置於薄形材料層的外表面上，以適於量測薄形材料層在二垂直軸向上的應變，藉此 得到薄形材料層的拉伸應變、壓縮應變、蒲松比(Poisson's ratio)或扭力變化，感測元件在實際裝設時可以依照需求選用多組雙軸向配置的感測元件。舉例而言，在其它實施例中，配置在薄形材料層的外表面上的感測元件的數量可以是至少三個，此至少三個感測元件以三軸向的方式配置於薄形材料層的外表面上，以適於量測薄形材料層在三垂直軸向上的應變，藉此測得薄形材料層的拉伸應變、壓縮應變、扭曲應變、蒲松比或不同方向上應變的分量，感測元件在實際裝設時可以依照需求選用多組三軸向配置的感測元件。
在本實施例中，至少一感測元件130的數量是以單一個作為舉例，且以四分之一橋接的組態配置於薄形材料層120的外表面122上，但感測元件130的數量並不特別設限，感測元件130的配置數量可以依據實際上的需求進行選用。在其它實施例中，感測元件可依照量測靈敏度的需求，選擇以二分之一橋接或全橋接的方式配置於薄形材料層的外表面上。舉例而言，在其它實施例中，在薄形材料層的外表面上的感測元件的數量可以是至少二個，此至少二個感測元件以二分之一橋接的組態方式配置於薄形材料層的外表面上，感測元件以二分之一橋接的組態方式配置，實際裝設時可以依照需求選用多組的二分之一橋接配置方式的感測元件。舉例而言，在其它實施例中，配置在薄形材料層的外表面上的感測元件的數量可以是至少四個，此至少四個感測元件以全橋接的組態方式配置於薄形材料層的外表面上，實際裝設時可 以依照需求選用多組的全橋接配置方式的感測元件，本發明在此並不設限。
在本實施例中，曲柄臂110為實心件，但在其它實施例中，曲柄臂也可以為空心件。圖3是圖1的曲柄裝置的製造過程示意圖，而此製程亦適用於如圖2所示的曲柄裝置。請對照參考圖1及圖3，本實施例利用實心件的曲柄臂110完成曲柄裝置100的製造方法步驟如下：提供由非均向應變特性之材料所製作而成的曲柄臂110；令具有均向應變特性的薄形材料層120以嵌入面126接觸於曲柄臂110的表面115上；令突出壁112覆蓋於薄形材料層120的邊緣124，在曲柄臂110表面115上自然形成略呈凹陷狀的至少一凹穴111，透過突出壁112所延伸的覆蓋結構令薄形材料層120被嵌入夾固於曲柄臂110的凹穴111中，同時使薄形材料層120保有暴露出的外表面122；以及令感測元件130貼附於薄形材料層120的外表面122上。
圖2是本發明的另一實施例的一種曲柄裝置的剖面示意圖。在本實施例的曲柄裝置100A中，與上述實施例的曲柄裝置100相同或相似的元件符號沿用前述實施例的元件符號，在此僅針對曲柄裝置100A的不同之處加以說明。請參考圖2，在本實施例中，曲柄裝置100A的曲柄臂110A為空心件，但在其它實施例中，曲柄臂也可以為實心件。曲柄臂110A的內部具有空間S，空間S可連通或不連通於外界，如此可在製造過程中，節省曲柄臂110A的材料，進而達成曲柄裝置100A輕量化的目的。
本實施例的曲柄裝置100A可裝設於自行車、室內健身車或其它適於踩踏的器械，在此並不特別設限。舉例而言，曲柄裝置100A可裝設於室內健身車60，室內健身車60可包括架體62，架體62更進一步包括可旋轉地設置於其上的曲柄軸64，曲柄臂110A的固定端113A固定於架體62的曲柄軸64上，以隨著曲柄軸64轉動，而曲柄臂110A的踩踏端114A可裝設腳踏板(未繪示)，以供使用者踩踏，當使用者踩踏腳踏板(未繪示)時，曲柄臂110A即會隨之受力而產生變形，隨著曲柄臂110A受力產生變形，變形後的曲柄臂110A會擠壓嵌入於凹穴111內的薄形材料層120，使得薄形材料層120進一步產生變形。由於薄形材料層120嵌入於凹穴111內，曲柄臂110A與薄形材料層120之間的各個表面之間會有完整且良好的接觸，使得曲柄臂110A所受到的力能夠良好地傳遞至薄形材料層120，且因為薄形材料層120具均勻應變特性(或稱均向性)，故薄形材料層120受力後所產生的變形均勻，可提高感測元件130量測曲柄臂110扭力的精準度，進一步精確地計算出曲柄臂110A所受的踩踏力，使得感測元件130在量測薄形材料層120的應變時能夠更為精準。換句話說，感測元件130量測的目標是非均勻應變特性(或稱非均向性)材料的曲柄臂110A，薄形材料層120係作為曲柄臂110A所受力量傳遞至感測元件130的一介質，透過薄形材料層120可將曲柄臂110A所受之非均勻形變的力量予以均勻化或均向化，使得感測元件130所量測到的力在各方向上力的變化能夠趨於均向應變，藉此提升感測元件130量測 曲柄臂110A扭力之精準度，如此可避免習知技術中感測元件直接量測非均勻應變特性(或稱非均向性)材料的曲柄臂時造成的數據失真問題。此外，由於薄形材料層120本身具均勻應變特性，使用者再將本發明的曲柄裝置100A裝設於室內健身車60上之後，並不需要另外再對感測元件130進行任何校準的動作，故能夠增加使用者在使用上的便利性，進而增進其運動體驗。
圖4是本發明的再一實施例的一種曲柄裝置的立體示意圖。圖5是圖4的曲柄裝置的局部剖面示意圖。為了清楚表現與便於說明，在圖4中以虛線的方式繪示出曲柄裝置200被遮蔽的輪廓，請對照參考圖4及圖5，曲柄裝置200包括曲柄臂210、至少一薄形材料層220以及至少一感測元件230。曲柄臂210具有至少一凹穴211，且凹穴211與外界相互連通。薄形材料層220嵌入於凹穴211內，且薄形材料層220暴露出外表面222。感測元件230貼附於薄形材料層220所暴露出的外表面222上。曲柄臂210為非均勻應變特性之材料，薄形材料層220為具均勻應變特性之材料，曲柄臂210可受力產生變形，薄形材料層220可隨曲柄臂210所產生的變形相應地產生變形，感測元件230可量測薄形材料層220的應變，以藉由所量測的應變量計算得出曲柄臂210所受的力。
在本實施例中，曲柄臂210包括彼此相對的頂面217及底面218，凹穴211的數量為二個，且分別位於曲柄臂210的頂面217及底面218，薄形材料層220對應凹穴211的數量為二個，二 薄形材料層220分別嵌入位於曲柄臂210的頂面217及底面218的凹穴211內。感測元件230對應薄形材料層220的數量為二個，二感測元件230分別以單軸向的方式配置於薄形材料層220的外表面222上，以適於量測薄形材料層220在單一軸向上的應變，即空間座標上X,Y,Z僅其中單一方向上不同位置的受力變化，藉此測得薄形材料層220的拉伸應變、壓縮應變或扭曲應變，但感測元件230的數量並不特別設限，感測元件230的配置數量可以依據實際上的量測需求進行選用。在本實施例中，感測元件230以四分之一橋接的組態配置於薄形材料層220的外表面222上，但感測元件230的數量並不特別設限，感測元件230的配置數量可以依據實際上的需求進行選用。需特別說明的是，為了方便說明，在圖4中示意性地繪示出X,Y,Z空間座標，感測元件230實際上量測的方向並不以圖4中所示的X,Y,Z方向為限，端視實際需求而定。
圖6是本發明的又一實施例的一種曲柄裝置的立體示意圖。圖7是圖6的曲柄裝置的局部剖面示意圖。在本實施例的曲柄裝置200A中，與上述實施例的曲柄裝置200相同或相似的元件符號沿用前述實施例的元件符號，在此僅針對曲柄裝置200A的不同之處加以說明。為了清楚表現與便於說明，在圖6中以虛線的方式繪示出曲柄裝置200A被遮蔽的輪廓，請對照參考圖6及圖7，在本實施例中，曲柄臂210A包括彼此相對的二側面219A1、219A2，其中曲柄臂210A所包括的凹穴211A的數量為單一個， 且位於曲柄臂210A的側面219A1，薄形材料層220A對應凹穴211A的數量為單一個，薄形材料層220A係被嵌入於曲柄臂210A的側面219A1之適合量測應力特性變化的位置。薄形材料層220A的外表面222A上配置有四個感測元件230A1、230A2、230A3、230A4，四感測元件230A1、230A2、230A3、230A4以略呈45度角的方式排列配置於薄形材料層220A的外表面222A，而可量測至少兩個空間方向上(即雙軸向)力的分量變化，換言之，前述配置方式適於量測薄形材料層220A在二垂直軸向(在空間上均位於XY,YZ或XZ之共平面)上受力的應變，但感測元件的數量並不特別設限，感測元件的配置數量可以依據實際上的量測需求進行選用。在本實施例中，感測元件230A1、230A2、230A3、230A4以全橋接的組態配置於薄形材料層220A的外表面222A上，但感測元件的數量並不特別設限，感測元件的配置數量可以依據實際上的需求進行選用。需特別說明的是，為了方便說明，在圖6中示意性地繪示出X,Y,Z空間座標，感測元件230A1、230A2、230A3、230A4實際上量測的方向並不以圖6中所示的X,Y,Z方向為限，端視實際需求而定。
需特別說明的是，在本實施例中，感測元件230A1、230A2二者以雙軸向的方式配置於薄形材料層220A的外表面222A上，感測元件230A3、230A4二者以雙軸向的方式配置於薄形材料層220A的外表面222A上，也就是說，感測元件230A1、230A2、230A3、230A4以兩組雙軸向配置的方式或全橋接的組態配置於薄 形材料層220A的外表面222A上，以適於量測薄形材料層220A在二垂直軸向上的應變，藉此得到薄形材料層220A的拉伸應變、壓縮應變、蒲松比(Poisson's ratio)或扭力變化。
圖8是本發明的更一實施例的一種曲柄裝置的立體示意圖。在本實施例的曲柄裝置200B中，與上述實施例的曲柄裝置200相同或相似的元件符號沿用前述實施例的元件符號，在此僅針對曲柄裝置200B的不同之處加以說明。為了清楚表現與便於說明，在圖8中以虛線的方式繪示出曲柄裝置200B被遮蔽的輪廓，請參考圖8，感測元件230B1、230B2、230B3、230B4四者以雙軸向的方式平行排列配置於薄形材料層220B的外表面222B上，以適於量測薄形材料層220B在單一方向上不同位置處的應變，藉此得到薄形材料層220B的拉伸應變、壓縮應變或扭曲應變，但感測元件的數量以及配置方式並不特別設限，端視實際上的量測需求進行選用。在本實施例中，感測元件230B1、230B2、230B3、230B4以全橋接的組態配置於薄形材料層220B的外表面222B上，但感測元件的數量以及配置方式並不特別設限，端視實際上的量測需求進行選用。在本實施例中，將感測元件230B1、230B2、230B3、230B4以全橋接的方式配置於薄形材料層220B的外表面222B上，可擁有較佳的量測靈敏度。需特別說明的是，為了方便說明，在圖8中示意性地繪示出X,Y,Z空間座標，感測元件230B1、230B2、230B3、230B4實際上量測的方向並不以圖8中所示的X,Y,Z方向為限，端視實際需求而定。
綜上所述，在本發明的曲柄裝置中，曲柄臂為非均勻應變特性之材料，薄形材料層為具均勻應變特性之材料，薄形材料層嵌入於凹穴內，曲柄臂與薄形材料層之間的各個表面之間會有完整且良好的接觸，使得曲柄臂所受到的力能夠良好地傳遞至薄形材料層，當使用者踩踏腳踏板時，曲柄臂即會隨之受力而產生變形，隨著曲柄臂受力產生變形，變形後的曲柄臂會擠壓嵌入於凹穴內的薄形材料層，使得薄形材料層進一步產生變形，感測元件可透過作為力量傳遞介質的薄形材料層測得曲柄臂所受的力，由於薄形材料層受力後所產生的變形均勻，可提高感測元件量測薄形材料層之應變的精準度，如此可避免習知技術中感測元件直接量測非均勻應變特性(或稱非均向性)材料的曲柄臂時造成的數據失真問題。此外，由於薄形材料層本身具均勻應變特性，在將本發明的曲柄裝置裝設於自行車或室內健身車上之後，並不需要另外再對感測元件進行任何校準的動作，故能夠增加使用者在使用上的便利性，進而增進其運動體驗。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (21)

  1. 一種曲柄裝置，包括： 一曲柄臂，具有至少一凹穴，且該至少一凹穴與外界相互連通； 至少一薄形材料層，嵌入於該至少一凹穴內，且暴露出一外表面；以及 至少一感測元件，貼附於該外表面上，其中該曲柄臂為非均勻應變特性之材料，該薄形材料層為具均勻應變特性之材料，該曲柄臂適於受力產生變形，該薄形材料層適於隨該曲柄臂的變形而相應地產生變形，該至少一感測元件適於量測該薄形材料層的應變以測得該曲柄臂所受的力。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的曲柄裝置，其中該曲柄臂包括多個突出壁，該些突出壁分別覆蓋於該薄形材料層的邊緣。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的曲柄裝置，其中該一突出壁限制該薄形材料層在該曲柄臂內任三垂直軸向上的移動。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的曲柄裝置，其中該曲柄臂為實心件。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的曲柄裝置，其中該曲柄臂為中空件。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的曲柄裝置，其中該曲柄臂為非均勻應變特性之複合材料。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的曲柄裝置，其中該複合材料包括非金屬與非金屬之複合材料、非金屬與金屬之複合材料、以及金屬與金屬之複合材料。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的曲柄裝置，其中該曲柄臂的材質包括碳纖維、玻璃纖維、克維拉(Kevlar)纖維、迪尼瑪(Dyneema)纖維、植物纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化矽纖維、石棉纖維、單晶晶鬚(Monocrystalline whisker)、金屬絲和硬質細粒的任一者或其中至少二者所混合而成的複合材料。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的曲柄裝置，其中該薄形材料層為具均勻應變特性之單一材料。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的曲柄裝置，其中該薄形材料層的材質包括金屬、塑膠或可撓玻璃。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的曲柄裝置，其中該薄形材料層經過一表面處理而形成一粗糙表面，該表面處理方式可為噴砂、咬花、雷射、電漿、化學處理其中任一者。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的曲柄裝置，其中該薄形材料層的厚度介於0.1公釐至1.85公釐之間。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的曲柄裝置，其中該至少一感測元件為應變規(Strain Gauge)或壓力感測器。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的曲柄裝置，其中該至少一應變規以單軸向之方式配置於該薄形材料層的該外表面上，該至少一應變規適於量測該薄形材料層在單一軸向上的應變。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的曲柄裝置，其中該至少一應變規的數量為至少二個，該至少二應變規以雙軸向之方式配置於該薄形材料層的該外表面上，該至少二應變規適於量測該薄形材料層在二垂直軸向上的應變。
  16. 如申請專利範圍第13項所述的曲柄裝置，其中該至少一應變規的數量為至少三個，該至少三應變規以三軸向之方式配置於該薄形材料層的該外表面上，該至少三應變規適於量測該薄形材料層在三垂直軸向上的應變。
  17. 如申請專利範圍第13項所述的曲柄裝置，其中該至少一應變規以四分之一橋接之方式配置於該薄形材料層的該外表面上。
  18. 如申請專利範圍第13項所述的曲柄裝置，其中該至少一應變規以二分之一橋接之方式配置於該薄形材料層的該外表面上。
  19. 如申請專利範圍第13項所述的曲柄裝置，其中該至少一應變規以全橋接之方式配置於該薄形材料層的該外表面上。
  20. 一種自行車，包括： 一車體，包括一曲柄軸；以及 如申請專利範圍第1項所述的曲柄裝置，其中該曲柄臂固定於該曲柄軸上，該曲柄臂適於受使用者的踩踏而受力產生變形。
  21. 一種室內健身車，包括： 一架體，包括一曲柄軸；以及 如申請專利範圍第1項所述的曲柄裝置，其中該曲柄臂固定於該曲柄軸上，該曲柄臂適於受使用者的踩踏而受力產生變形。
TW106146329A 2017-12-28 2017-12-28 曲柄裝置、自行車及室內健身車 TWI654115B (zh)

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