踏板輔助傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種裝置與方法，其用以根據(jù)量測一騎乘者所產(chǎn)生的機械功率控制一電動馬達提供該騎乘者協(xié)助。該騎乘者所產(chǎn)生的功率系由電動自行車的車鏈(或皮帶)張力以及每分鐘的轉(zhuǎn)速所測得。一車鏈滾輪(或皮帶滾輪)系設(shè)置于一懸臂梁的自由端，且該車鏈(或皮帶)系設(shè)于該車鏈滾輪(或皮帶滾輪)上。懸臂梁的偏移量值提供了車鏈張力的量測值。用于該電動馬達的一控制信號系根據(jù)騎乘者所產(chǎn)生的一平滑功率值而生成。
【專利說明】踏板輔助傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明系有關(guān)于電動自行車相關(guān)領(lǐng)域，尤其地，系有關(guān)于根據(jù)一使用者的踩踏以控制電動馬達輔助裝置驅(qū)動電動自行車的相關(guān)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]消費者與條例規(guī)定皆希望電動馬達提供給電動自行車的傳動系統(tǒng)的功率與騎乘者透過人工方式輸入踏板(即，踩踏踏板)的功率相關(guān)。也就是說，只有在騎乘者以人工方式轉(zhuǎn)動踏板時，電動能才會被傳遞至傳動系統(tǒng)，并且該電動能必須匹配或者為騎乘者踩踏踏板所輸入的功率的某比例。此些電動自行車系統(tǒng)又可被稱為踏板輔助系統(tǒng)(PedalAssist, PAS 或 Pedelec.)。
[0003]為了要使此些踏板輔助系統(tǒng)運作，需要對于由騎乘者踩踏踏板所得到的功率進行精準的量測。習(xí)知騎乘者所提供的功率的量測系統(tǒng)在制作上過于昂貴，因此需要提供低成本并且符合電動自行車整體成本的功率量測系統(tǒng)。此外，復(fù)雜的系統(tǒng)常有失效的情況，因此需要提供長效性并且具有低維護成本或零維護成本的功率量測系統(tǒng)。又因為復(fù)雜的系統(tǒng)需要校準與調(diào)整才能取得精確度高的量測值，因此需要提供透過簡易校準與調(diào)整即可以得到預(yù)定準確度的量測系統(tǒng)。
[0004]另外，需要提供一種量測裝置其可以不需調(diào)整或微幅調(diào)整而直接裝設(shè)于市面上現(xiàn)有的電動自行車，而可被消費者或電動自行車制造廠商以套組方式裝設(shè)于電動自行車上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上的問題，本發(fā)明提供一種裝置與方法，其用以根據(jù)量測一騎乘者所產(chǎn)生的機械功率控制一電動馬達提供該騎乘者協(xié)助。該騎乘者所產(chǎn)生的功率系由電動自行車的車鏈(或皮帶)張力以及每分鐘的轉(zhuǎn)速所測得。一車鏈滾輪(或皮帶滾輪)系設(shè)置于一懸臂梁的自由端，且該車鏈(或皮帶)系設(shè)于該車鏈滾輪(或皮帶滾輪)上。懸臂梁的偏移量值提供了車鏈張力的量測值。用于該電動馬達的一控制信號系根據(jù)騎乘者所產(chǎn)生的一平滑功率值而生成。
[0006]于本發(fā)明的一實施態(tài)樣中，系提供一種電動自行車的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包含一電動馬達、一車鏈、一傳感器以及一處理器。該電動馬達用以協(xié)助一騎乘者踩踏該電動自行車。該傳感器量測該車鏈的車鏈張力而產(chǎn)生初步車鏈張力數(shù)據(jù)。該處理器計算該電動馬達的一控制信號。該控制系統(tǒng)計算:利用該初步車鏈張力數(shù)據(jù)所得的一曲柄的每分鐘轉(zhuǎn)速值、該車鏈張力數(shù)據(jù)的一平滑化數(shù)值、由踩踏所得的平均功率，以及用于該電動馬達的一控制信號，其與該平均功率成比例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]在本文中提到并且構(gòu)成本文的一部分的【專利附圖】

【附圖說明】了本發(fā)明的實施例，并且與實施方式一起用以解釋本發(fā)明的原理，其中:[0008]圖1A系為本發(fā)明的一傳感器組的左側(cè)視圖，所述傳感器組用以量測騎乘者于一車鏈所產(chǎn)生的扭矩；
[0009]圖1B系為本發(fā)明的傳感器組的右側(cè)視圖；
[0010]圖1C系為本發(fā)明的傳感器組的俯視圖；
[0011]圖2系為本發(fā)明的傳感器組的立體示意圖；
[0012]圖3系為本發(fā)明的傳感器組的第二實施例的立體示意圖，所述傳感器組用以量測騎乘者于一車鏈所產(chǎn)生的扭矩；
[0013]圖4系為本發(fā)明的傳感器組的第二實施例的外殼的立體示意圖；
[0014]圖5A系為本發(fā)明的傳感器組的第二實施例的外殼的左側(cè)視圖；
[0015]圖5B系為本發(fā)明的傳感器組的第二實施例的外殼的俯視圖；
[0016]圖5C系為本發(fā)明的傳感器組的第二實施例的外殼的前側(cè)視圖；
[0017]圖系為本發(fā)明的傳感器組的第二實施例的外殼的后側(cè)視圖； [0018]圖6系為本發(fā)明的一自行車的右側(cè)視圖，所述自行車接設(shè)有傳感器；
[0019]圖7系為本發(fā)明的車鏈、自行車踏板、鏈盤以及傳感器的右側(cè)視圖，傳感器設(shè)置以量測車鏈扭矩；
[0020]圖8系為本發(fā)明接設(shè)有傳感器的一自行車以及輔助踩踏的一電動馬達的右側(cè)視圖(一);
[0021]圖9系為本發(fā)明接設(shè)有傳感器的一自行車以及輔助踩踏的一電動馬達的右側(cè)視圖(二)。
[0022]【符號說明】
[0023]10電路
[0024]12，12a 傳感器組
[0025]13固定圍體
[0026]14車鏈滾輪
[0027]16懸臂梁
[0028]16a非固定端
[0029]17磁鐵
[0030]18霍爾效應(yīng)傳感器
[0031]20車鏈導(dǎo)引件
[0032]24外殼
[0033]26空孔
[0034]30, 30a, 30b 電動自行車
[0035]31車架
[0036]34，34a, 52 車鏈
[0037]34b第二車鏈
[0038]36，38鏈盤
[0039]40曲柄
[0040]48自由輪
[0041]50電動馬達[0042]50a高速馬達
[0043]54中間軸
[0044]60傳動系統(tǒng)/變速器
【具體實施方式】
[0045]以下說明書內(nèi)容系為本發(fā)明之最佳實施例，其非用于限制本發(fā)明的范疇而僅適用于說明本發(fā)明的一個或多個較佳實施例，本發(fā)明的發(fā)明范疇系取決于本發(fā)明所主張的權(quán)利要求項。
[0046]圖1A、圖1B、圖1C以及圖2系分別為用以于一車鏈34量測騎乘者所產(chǎn)生扭矩的一傳感器組12的左側(cè)視圖、右側(cè)視圖、俯視圖以及立體示意圖。設(shè)置于一懸臂梁16的一非固定端16a的一位移傳感器系量測非固定端16a的偏移量值而決定車鏈34的張力。舉例而言，一磁鐵17系設(shè)置于該懸臂梁16的非固定端16a,而一霍爾效應(yīng)傳感器18系定位于一固定圍體13內(nèi)而使該磁鐵17的一磁極直接地位于該霍爾效應(yīng)傳感器18上方。該磁鐵17表面與該霍爾效應(yīng)傳感器18之間的距離通常為八分之一英吋。該傳感器組12系與一車鏈滾輪14以及與該車鏈滾輪14協(xié)同運作的一車鏈導(dǎo)引件20匹配(如圖7所示)。
[0047]需要說明的是，在此懸臂梁16系為一較佳實施例，應(yīng)知任何可以藉由量測與車鏈路徑相互垂直的力量而量 測車鏈34的車鏈張力的裝置(舉例而言，活塞以及螺旋彈簧)皆應(yīng)落入本發(fā)明的發(fā)明范疇。
[0048]當該力量系藉由該車鏈34施加于該車鏈滾輪14時，該懸臂梁16的該非固定端16a系產(chǎn)生位移，導(dǎo)致該磁鐵17更為靠近被固定的該霍爾效應(yīng)傳感器18。因此，該霍爾效應(yīng)傳感器18偵測到一磁場變化并導(dǎo)致其電子輸出值隨著該磁鐵17的位置改變而變化。
[0049]由于懸臂梁16的設(shè)計理念系為如此，因此懸臂梁16不會壓迫該霍爾效應(yīng)傳感器18，而使得霍爾效應(yīng)傳感器18不會因為長時間持續(xù)受壓而失效。一般來說，該磁鐵17相對該霍爾效應(yīng)傳感器18的總位移量系小于八分之一英吋。該系統(tǒng)的零件大小與尺寸系可以對應(yīng)其應(yīng)用以及所欲量測的力量量值大小而改變。
[0050]設(shè)有該霍爾效應(yīng)傳感器18的該固定圍體13系為密封且防水而仍可以于極度潮濕與骯臟環(huán)境中使用。
[0051]該傳感器組12系典型地以大約五伏特以及一共線加以驅(qū)動。一第三導(dǎo)線運送傳感器的信號，該信號表示施加于該懸臂梁16的力量。
[0052]模擬霍爾效應(yīng)傳感器18產(chǎn)生一高階電子信號，其系與供電源成比例。此高階電子信號使得本量測系統(tǒng)不再需要如同以應(yīng)變片為基礎(chǔ)的一量測系統(tǒng)中所需的高增益信號條件。
[0053]圖3系為用以于一車鏈34量測騎乘者所產(chǎn)生扭矩的一傳感器組12a的第二實施例的立體示意圖。圖4、圖5A、圖5B、圖5C以及圖系分別為該傳感器組12a的外殼24的立體示意圖、左側(cè)視圖、俯視圖、前側(cè)視圖以及后側(cè)視圖。該外殼24包含與該外殼24 —體成型的一懸臂梁16，如此一體成型設(shè)計的外殼24與懸臂梁16提供了持續(xù)性的量測。位于該外殼24內(nèi)的一空孔26系供一電路10配置。
[0054]圖6系為接設(shè)該傳感器組12/12a的一電動自行車30的車架31的右側(cè)視圖。圖7系為一車鏈34、曲柄40以及鏈盤36、38的右側(cè)視圖。為了量測人力踩踏自行車30的功率，系將該傳感器組12/12a與該車鏈滾輪14以及該車鏈導(dǎo)引件20配合設(shè)置(請參閱圖1A至圖OT)。完整的傳感器組12/12a系較佳地設(shè)置于車架31的一固定位置，于此位置車鏈滾輪14系位于車鏈34正下方且位于曲柄40后側(cè)。該懸臂梁16系被允許可因在車鏈滾輪14上的施力而彎曲。該車鏈34系被調(diào)整而使得其所施予滾輪14的力量系與踏板施予曲柄40的力量成比例。
[0055]圖8系為接設(shè)該傳感器組12/12a的一電動自行車30a以及輔助踩踏的一電動馬達50的右側(cè)視圖。圖9系為接設(shè)該傳感器組12/12a的具有一變速器60的一電動自行車30b以及輔助踩踏的一高速電動馬達50a的右側(cè)視圖。藉由將該扭矩傳感器設(shè)置于與一低速馬達(小于300RPM)相連動的一踏板車鏈34a上，并且藉由一第二車鏈34b (或皮帶)連動該馬達50至自行車常用的一后輪傳動系統(tǒng)(例如:變速器60)，所有由騎乘者以及馬達50所產(chǎn)生的能量將被饋入至多速的傳動系統(tǒng)60，使得沒有輔助的騎乘者也可以因為該傳動系統(tǒng)60而受益。藉由將該車鏈34a自該曲柄40移動至位于一自由輪48的該馬達50，騎乘者系可選擇直接驅(qū)動馬達50進入傳動系統(tǒng)60而不需將踏板踩踏至不需踏板輔助系統(tǒng)的位置。
[0056]可替代地，當車鏈34a連動于裝設(shè)有如前所述的傳感器組12的一中間軸54時，系可以直接以相同方式使用高速馬達50a。高速馬達50a系可以藉由另一車鏈52 (或皮帶)透過可藉由齒輪比達成減速的一自由輪與該中間軸54相連接，而使得高速馬達50a的轉(zhuǎn)速可以減至與騎乘者踩踏速度相匹配的速率。然后，該車鏈34a (或皮帶)系與一后輪傳動系統(tǒng)60連動，并且將來自該馬達50a和/或該騎乘者的能量轉(zhuǎn)移至該傳動系統(tǒng)60中。
[0057]于模擬輸出電子訊號必須以一原本即存在的裝置作為其接口的某些實施態(tài)樣中，可于該系統(tǒng)內(nèi)建制一簡單信號調(diào)控器。當該系統(tǒng)需要從該傳感器12/12a得到一非模擬或數(shù)字信號時，該電子信號亦可以簡單地于該傳感器內(nèi)配置為一脈沖寬度調(diào)制組態(tài)。
[0058]于啟動狀態(tài)時，該裝置系假設(shè)騎乘者并無施加任何明顯力或扭矩于該踏板因而對該傳感器組12/12a建置一零位置。當后續(xù)有小于該零位置的張力情況時，則此些量測結(jié)果皆會個別為該次騎乘過程創(chuàng)造一個新的零位置。所有大于零位置的量測結(jié)果皆會被視為由騎乘者所產(chǎn)生的力或扭矩。
[0059]該傳感器12/12a的資料系提供給一處理器以控制馬達50。當騎乘者開始踩踏自行車30 (或是任何藉由踏板驅(qū)動的車輛)使曲軸40轉(zhuǎn)動時,踏板轉(zhuǎn)動的行為造成了一個不均勻的車鏈張力量測結(jié)果。由于左腳與右腳個別以360度轉(zhuǎn)動踏板的曲軸40，一次的轉(zhuǎn)動系包含二個峰值。該處理器處理初步張力數(shù)據(jù)而偵測張力數(shù)據(jù)中所具有的峰值以計算每分鐘轉(zhuǎn)速(RPM);接著，該處理器由所測得的車鏈張力乘以曲軸鏈盤半徑以計算曲軸的扭矩，而后將扭矩乘以每分鐘轉(zhuǎn)速而得到騎乘者所產(chǎn)生的功率。
[0060]在使用者利用曲軸所產(chǎn)生的功率以及馬達的功率皆饋入傳動系統(tǒng)以增加效能的場合中，處理器系可以利用曲軸鏈盤扭矩以及踏板轉(zhuǎn)速決定齒輪于傳動系統(tǒng)中的最佳位置而調(diào)整傳動系統(tǒng)。于曲軸鏈盤扭矩系會增加而曲軸每分鐘轉(zhuǎn)速(或者藉由量測車輪速度所測得的車速)系為持平或減少的情況下，處理器會調(diào)整傳動系統(tǒng)至一較低齒輪比。而于踏板扭矩減少而踏板轉(zhuǎn)速(或者藉由量測車輪速度所測得的車速)系為增加的情況下，處理器會調(diào)整傳動系統(tǒng)至一較高齒輪比。
[0061]藉由軟件的睡眠與喚醒功能可以避免傳感器組12/12a于第一次開機時輸出一驅(qū)動信號。當踏板無施力時，該傳感器組12/12a系會進入一預(yù)設(shè)睡眠狀態(tài)，此一安全特征可以避免騎乘者不在車上時扭矩傳感器輸出信號并驅(qū)動馬達。
[0062]該傳感器組12/12a系可更包含一速度傳感器而可以得知自行車30是否移動。該速度傳感器系可以偵測車輪轉(zhuǎn)動以及真實的車輛速度，并且該傳感器組12/12a系會根據(jù)于某些車輛所規(guī)范的車速限制該扭矩傳感器的輸出。該速度傳感器亦可以用以限制或避免扭矩傳感器輸出，直到速度傳感器偵測到車輛輪胎移動。
[0063]本發(fā)明于電動自行車領(lǐng)域中具有產(chǎn)業(yè)利用性。
[0064]雖然本發(fā)明以前述的實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)相像技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的專利保護范圍須視本說明書所附的申請專利范圍所界定者為準。
【權(quán)利要求】
1.一種馬達控制系統(tǒng)，用于一電動自行車，其特征在于，所述馬達控制系統(tǒng)包括: 一電動馬達，用以協(xié)助一騎乘者踩踏所述電動自行車； 一車鏈； 一偏移傳感器，用以量測所述車鏈的張力而產(chǎn)生車鏈張力數(shù)據(jù)；以及 一處理器，用以計算: 利用所述車鏈張力數(shù)據(jù)所得的一曲柄的每分鐘轉(zhuǎn)速值； 由所述車鏈張力資料所得的踏板扭矩資料； 由所述每分鐘轉(zhuǎn)速值及所述踏板扭矩數(shù)據(jù)所得的功率；以及 用于所述電動馬達的一控制信號，與所述功率成比例。
2.如權(quán)利要求1所述的馬達控制系統(tǒng)，其特征在于，所述偏移傳感器包括一位移傳感器以及一懸臂梁，且所述車鏈張力資料系與由所述位移傳感器所測得的所述懸臂梁的一偏移量值有關(guān)。
3.如權(quán)利要求2所述的馬達控制系統(tǒng)，其特征在于，所述偏移傳感器系為一霍爾效應(yīng)傳感器用以量測所述懸臂梁的所述偏移量值。
4.如權(quán)利要求2所述的馬達控制系統(tǒng)，其特征在于，所述霍爾效應(yīng)傳感器系設(shè)置于一張力傳感器外殼內(nèi)，一磁鐵系貼附所述懸臂梁的一自由端以量測所述懸臂梁的所述偏移量值。
5.如權(quán)利要求2所述的馬達控制系統(tǒng)，其特征在于，所述偏移傳感器系包括一外殼用以設(shè)置電路與所述懸臂梁，且所述外殼系一體成型。
6.如權(quán)利要求5所述的馬達控制系統(tǒng)，其特征在于，所述一體成型的外殼與懸臂梁系包括一 L型懸臂梁，所述L型懸臂梁的一第一端系接設(shè)所述外殼，另一端則裝設(shè)有一傳感器。
7.如權(quán)利要求6所述的馬達控制系統(tǒng)，其特征在于，所述外殼形成一封閉邊界空孔，環(huán)繞設(shè)置一傳感器電路。
8.如權(quán)利要求2所述的馬達控制系統(tǒng)，其特征在于，一車鏈滾輪系鄰設(shè)于所述懸臂梁的一自由端。
9.如權(quán)利要求8所述的馬達控制系統(tǒng)，其特征在于，一車鏈導(dǎo)引件系接設(shè)于鄰近所述車鏈滾輪的所述懸臂梁。
10.一種馬達控制系統(tǒng)，用于一電動自行車，其特征在于，所述馬達控制系統(tǒng)包括: 一電動馬達，用以協(xié)助一騎乘者踩踏所述電動自行車； 一車鏈； 一懸臂梁； 一車鏈滾輪，設(shè)置于所述懸臂梁的一自由端，所述車鏈系設(shè)于所述車鏈滾輪上； 一偏移傳感器，用以量測所述懸臂梁的一偏移量值以量測車鏈張力資料；以及 一處理器，用以計算: 利用所述車鏈張力數(shù)據(jù)所得的一曲柄的每分鐘轉(zhuǎn)速值； 由所述車鏈張力資料所得的踏板扭矩資料； 由所述每分鐘轉(zhuǎn)速值及所述踏板扭矩數(shù)據(jù)所得的功率；以及 用于所述電動馬達的一控制信號，與所述功率成比例。
11.一種馬達控制系統(tǒng)，用于一電動自行車，其特征在于，所述馬達控制系統(tǒng)包括:一電動馬達，用以協(xié)助一騎乘者踩踏所述電動自行車；一車鏈； 體成型外殼，包括:一封閉邊界空孔，環(huán)繞設(shè)置一傳感器電路；以及一懸臂梁；一車鏈滾輪，設(shè)置于所述懸臂梁的一自由端，所述車鏈系設(shè)于所述車鏈滾輪上；一霍爾效應(yīng)傳感器，用以量測所述懸臂梁的一偏移量值以量測車鏈張力資料；以及一處理器，用以計算:利用所述車鏈張力數(shù)據(jù)所得的一曲柄的每分鐘轉(zhuǎn)速值；由所述車鏈張力資料所得的踏板扭矩資料；由所述每分鐘轉(zhuǎn)速值及所述踏板扭矩數(shù)據(jù)所得的功率；以及用于所述電動馬達的一控制信號，`與所述功率成比例。
【文檔編號】G01L5/04GK103732487SQ201280025395
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月23日
【發(fā)明者】托馬斯·博伊勒 申請人:托馬斯·博伊勒