TWI599511B - 電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置 - Google Patents

Description

電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置

本發明係提供一種電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，尤指一種整合直接或間接的連結於腳踏曲柄軸之一位置感測系統、一能檢知所述腳踏曲柄於每一旋轉角度所受之踩踏扭力的扭力檢知單元、一處理單元、及一電助馬達的電助驅動方法；依據腳踏曲柄之確切旋轉角度、與其對應之踩踏扭力值及設定理想扭力曲線值，藉以經由處理單元，令電助馬達輸出精準的電助扭力輔助於該腳踏曲柄軸，以對應補償該扭力檢知單元所檢知之踩踏扭力，令使用者之踩踏扭力可均等於設定之理想扭力曲線值，進而提升電助自行車於騎乘時輸出動力之穩定性，以及使用者於踩踏時之舒適性。

基於環保與乘騎輕鬆、舒適的需求，市場上已有多種不同的電助腳踏車，而採踏扭力控制則為其主要的電助控制方式之一。

為提升騎士在騎乘電助自行車時之輸出動力的穩定性，及踩踏時之舒適性，具採踏扭力檢知裝置的電助腳踏車，每圈360度，均應有一對應腳踏曲柄於每一旋轉角度之理想扭力曲線值，而理想中之電助控制，則在於控制所提供的電助扭力，使騎士在騎乘電動車時的腳踏扭力與理想扭力曲線值相同； 但目前市面上尚未發現有滿足上述理想條件的電助腳踏車；現有的，多數都只有一對位置感測器，在配合計時器與處理單元後，計算出腳踏曲柄軸的轉速與旋轉角度，但無以設定該旋轉角度之原點，並令腳踏曲柄軸每轉一圈時，其旋轉角度均可以重新校準；因此，無以提供精確的電助扭力，所提供的電助扭力往往只是將量得的扭力值乘以1或小於1的分數，再加以調整。

習知具踏板位置感測器以偵測曲柄軸之旋轉角度的設計，係有如美國專利公開第20130054102號之「AUTOMATIC GEAR-SHIFTING BICYCLE WITH OPTIMAL SHIFT TIMING」，其主要係於透過在踩踏之過程中，令微電腦找出曲柄在下次位於踩踏死點(相對於水平面0度角及180度角之位置，即其第四圖點4及點8之位置)時間點做為最佳換檔時機，或在反踩時做為最佳換檔時機；該設計並未有與扭力檢知及電助扭力相關。

第20130054102號一案亦有設置一對踏板位置感測器以偵測曲柄軸之旋轉角度及轉速，其並無法進行角度之歸零與校準，故有導致錯估踩踏死點之缺失；且其僅係用以避開使用者踩踏時切換變速器之檔位，藉以避免踩踏時變速齒輪咬合不順之狀況，惟其仍未具有依照各使用者踩踏之位置而提供適當之電助力。

此外，具有偵測轉軸之旋轉角度與旋轉方向的編碼器，亦廣泛的被應用在移動平台如工具機上；但該編碼器主要是由光學位置感測器組成，需求的功能是偵測轉軸之旋轉方向及累積的旋轉角度，以換算成移動距離。

有鑑於此，吾等發明人乃潛心進一步研究電助自行車，並著手進行研發及改良，期以一較佳發明以解決上述問題，且在經過不斷試驗及修改後而有本發明之問世。

為達致以上目的，吾等發明人提供一種電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，其包含：一腳踏曲柄軸，其兩端分別設有一腳踏曲柄；一位置感測系統，其包含至少二組位置感測器，並界定有至少一對應腳踏曲柄軸之校準點，且所述位置感測器係直接或間接的連結於所述腳踏曲柄軸，藉以偵測該腳踏曲柄軸之旋轉角度、校準點與旋轉方向；所述校準點係用以設定該旋轉角度之原點；一扭力檢知單元，其係檢知所述腳踏曲柄於每一旋轉角度所受之踩踏扭力；以及一處理單元，其係分別電性連結於該位置感測系統、該扭力檢知單元、一計時器及一電助馬達；該處理單元設定有對應所述腳踏曲柄於每一旋轉角度之理想扭力曲線值；藉此，本發明可依據腳踏曲柄之確切旋轉角度、其對應之踩踏扭力值及設定理想扭力曲線值，藉以經由處理單元，令電助馬達輸出精準的電助扭力輔助於該曲柄軸，以對應補償該扭力檢知單元所檢知之踩踏扭力，令使用者之踩踏扭力可均等於設定之理想扭力曲線值；進而提升騎乘電助自行車時輸出動力之穩定性，以及使用者於踩踏時之舒適性者。

據上所述之電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，其中，所述位置感測器係選自電磁感測器(霍爾感測器-Hall sensor、金屬感測器)、光學感測器、編碼器(Encoder)、紅外線感測器或電容式感測器中之其一或其組合。

所述位置感測器的位置並不予以限定，可被集中在一起，亦可被分開裝置在不同的位置，這些位置感測器均將直接或間接的連結於腳踏曲柄軸；位置可在中置電助馬達內或外部，亦可被裝置於非中置馬達系統。

位置感測系統可僅包含具一或二個校準點的位置感測器，與具複數環形陣列之定位點的位置感測器，該藉由該感測器所感測定位點之數量，以判斷所述腳踏曲柄軸之旋轉角度；該校準用的位置感測器，在於消除可能的曲柄軸旋轉角度誤差，當校準用的位置感測器之收訊端偵測到訊號時，將立即把曲柄軸旋轉角度重新校準歸零；並可令曲柄軸每旋轉一圈即可校準曲柄軸旋轉角度一或二次。

本位置感測系統亦可包含三或多於三組的位置感測器，以同時偵測該腳踏曲柄軸之旋轉角度、校準點與旋轉方向。

本發明之處理單元，係分別電性連結於該組感測系統、該扭力檢知單元、計時器及一電助馬達；該處理單元設定有對應所述腳踏曲柄於每一旋轉角度之理想扭力曲線值，藉此，本發明可依據腳踏曲柄之確切旋轉角度、與其對應之踩踏扭力值及設定理想扭力曲線值，藉以經由處理單元，令電助馬達輸出精準的電助扭力輔助於該曲柄軸，以對應補償該扭力檢知單元所檢知之踩踏扭力，令使用者之踩踏扭力可均等於設定之理想扭力曲線值；進而提升騎乘電助自行車時輸出動力之穩定性，以及使用者於踩踏時之舒適性者。

據上所述之電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，更包含一校準元件，其設有所述校準點及複數環形陣列之定位點，其一所述位置感測器係感測所述定位點，並依據所感測定位點之數量以判斷所述腳踏曲柄軸之旋轉角度；而另一所述位置感測器係感測所述校準點，藉以消除腳踏曲柄軸旋轉角度誤差，並於感測到所述校準點時，將該所偵測之腳踏曲柄軸的旋轉角度重新校準歸零。

據上所述之電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，該校準元件係設置二所述校準點，以令該腳踏曲柄軸旋轉一圈可校準二次所偵測之腳踏曲柄軸的旋轉角度。

據上所述之電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，其中，該校準元件更設有複數環形陣列之方向點，且所述方向點係與所述定位點具有相位差；其一所述之位置感測器係感測所述方向點，藉以透過所述相位差判斷所述腳踏曲柄軸之旋轉方向者。

是由上述說明及設置，顯見本發明主要具有下列數項優點及功效，茲逐一詳述如下：

1.本發明之每轉一圈即可達成旋轉角度校準的功能，可防止感測與記算旋轉角度之不正確問題，以避免電助馬達於不正確之旋轉角度提供不適當的電助力，進而可確保本發明於騎乘時之安全性與舒適性。

2.本發明之處理單元內設定有多組對應所述腳踏曲柄軸於每一旋轉角度之理想控制扭力曲線值，這些理想扭力曲線是經過馬達電助後的控制目標扭力曲線值，它可因應不同的乘騎需求而調整。

3.本發明整合能了每轉一圈即可達成旋轉角度校準的功能的一組旋轉角度感測系統、一能檢知所述腳踏曲柄於每一旋轉角度所受之踩踏扭力的扭力檢知單元、一處理單元、及一電助馬達的電助驅動方法；依據腳踏曲柄之確切旋轉角度、與其對應之踩踏扭力值及設定理想扭力曲線值，藉以經由處理單元，令電助馬達輸出精準的電助扭力輔助於該曲柄軸，以對應補償該扭力檢知單元所檢知之踩踏扭力，令使用者之踩踏扭力可均等於設定之理想扭力曲線 值，進而可提升本發明於騎乘時之安全性、穩定性與舒適性。

1‧‧‧腳踏曲柄軸

11‧‧‧腳踏曲柄

2‧‧‧位置感測系統

21、21’、21”‧‧‧位置感測器

3‧‧‧校準點

31‧‧‧定位點

32‧‧‧方向點

4‧‧‧扭力檢知單元

5‧‧‧處理單元

51‧‧‧計時器

6‧‧‧電助馬達

7‧‧‧校準元件

8‧‧‧電助自行車

81‧‧‧踏板

82‧‧‧前鏈輪

83‧‧‧後輪

第1圖係本發明第一實施例之結構示意圖。

第2圖係本發明第一實施例之剖視示意圖。

第3圖係本發明之理想扭力曲線值及踩踏扭力之曲線示意圖。

第4圖係本發明第一實施例腳踏曲柄、校準點、定位點之旋轉角度位於0度位置之示意圖。

第5圖係本發明第一實施例之騎乘電助自行車時之使用狀態示意圖。

第6圖係本發明第一實施例腳踏曲柄、校準點、定位點之旋轉角度位於120度位置之示意圖。

第7圖係本發明第二實施例之剖視示意圖。

第8圖係本發明第二實施例之腳踏曲柄、定位點、其一位置感測器位於120度位置，而校準點係於固定位置之示意圖。

第9圖係本發明第三實施例之剖視示意圖。

第10圖係本發明第三實施例腳踏曲柄、校準點、定位點、方向點之旋轉角度位於120度位置之示意圖。

第11圖係本發明第四實施例腳踏曲柄、校準點、定位點、方向點之旋轉角度位於120度位置之示意圖。

關於吾等發明人之技術手段，茲舉數種較佳實施例配合圖式於下文進行詳細說明，俾供鈞上深入了解並認同本發明。

請先參閱第1圖至第6圖所示，其係本發明之第一實施例，本發明係一種電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，其包含：一腳踏曲柄軸1，其兩端分別設有一腳踏曲柄11；一位置感測系統2，其整組包含至少二組位置感測器21、21’，並界定有至少一對應腳踏曲柄軸之校準點3，且所述位置感測器21、21’係直接或間接的連結於所述腳踏曲柄軸1，藉以偵測該腳踏曲柄軸1之旋轉角度、校準點3與旋轉方向；所述校準點3係用以設定該旋轉角度之原點；此外，所述位置感測器21、21’係選自電磁感測器(霍爾感測器-Hall sensor、金屬感測器)、光學感測器、編碼器(Encoder)、紅外線感測器或電容式感測器中之其一或其組合；故位置感測系統2可以是前述單一種或是不同種位置感測器21、21’的組合；一扭力檢知單元4，其係檢知所述腳踏曲柄11於每一旋轉角度所受之踩踏扭力，在一實施例中，扭力檢知單元4係可設置於腳踏曲柄軸1上，以量測所述腳踏曲柄11之扭力，惟並不以此作為限定；以及一處理單元5，其係分別電性連結於該位置感測系統2、該扭力檢知單元4、一計時器51及一電助馬達6；該處理單元5設定有對應所述腳踏曲柄11於每一旋轉角度之理想扭力曲線值；本發明對於所述位置感測器21、21’的位置並不予以限定，可被集中在一起，亦可被分開裝置在不同的位置，這些位置感測器21、21’均將直接或間接的連結於腳踏曲柄軸1；位置可在中置之電助馬達6內或外部，亦可被裝置 於非中置馬達系統；在本實施例中，位置感測器21、21’均被設置在電助馬達6內部，可防止位置感測器21、21’受外力而致影響其判讀或損壞。

該位置感測系統2對於旋轉角度之偵測，係藉由設置一校準元件7，使校準元件7直接或間接連結並同步旋動於腳踏曲柄軸1，其設有所述校準點3及複數環形陣列之定位點31，其一所述位置感測器21’係感測所述定位點31，並依據所感測定位點31之數量以判斷所述腳踏曲柄軸1之旋轉角度；而另一所述位置感測器21係感測所述校準點3，藉以消除腳踏曲柄軸1旋轉角度誤差，並於感測到所述校準點3時，將該所偵測之腳踏曲柄軸1的旋轉角度重新校準歸零；而位置感測系統2之校準點3於本實施例中係設置有二者，且令其相隔180度，藉以令腳踏曲柄軸1每旋轉一圈即可校準二次；在另一較佳的實施例中，為提升感測之便利性及準確性，故可設定位置感測器21、21’至少其一者為非接觸式感測器，其中，該非接觸式感測器可為霍爾感測器(Hall sensor)、金屬感測器、光學感測器、編碼器(Encoder)、紅外線感測器或電容式感測器；故當位置感測器21、21’為霍爾感測器(Hall sensor)時，則所述校準點3及定位點31為磁性元件；而若位置感測器21、21’為金屬感測器時，所述校準點3及定位點31則為金屬元件；位置感測器21、21’為光學感測器，而所述校準點3及定位點31為反光元件或光學編碼器(ENCODER)；該位置感測器21、21’為電容式感測器，而所述校準點3及定位點31為電極單元；惟其僅為舉例說明，並不以此作為限定，位置感測器21、21’之種類係可包含但不限於前述之非接觸式感測器，此外，位置感測器21、21’亦可為接觸式感測器。

該處理單元5係依據該旋轉角度，令該電助馬達6補償一電助扭力，該電助扭力為於該旋轉角度中該踩踏扭力與該理想扭力曲線值之差值； 而在一實施例中，該理想扭力曲線值可被設定為第3圖所揭之波形曲線，理想扭力曲線值可僅設定腳踏曲柄11旋轉一周之扭力變化即可，當然亦可將理想扭力曲線值設定為腳踏曲柄11旋轉半周之扭力變化，然而因使用者係左右交互踩踏於一電助自行車8之踏板81，而左右腳所施之踏力通常並不均等，故仍以設定腳踏曲柄11旋轉一周之扭力變化為佳；而理想扭力曲線值之取得，除可直接以波形函數定義設定之外，亦可透過量測使用者於未被電助馬達6所電助驅動時，其一腳踏曲柄11旋轉一周之扭力變化，其中，理想扭力曲線值於極大值至極小值之期間，係另一腳踏曲柄11於45度至135度之抬升階段，故電助扭力可被定義為於該旋轉角度中該踩踏扭力與該理想扭力曲線值的絕對值之差值。

並如第4圖所示，當校準點3被設定為對應腳踏曲柄11為0度時，位置感測器21將於腳踏曲柄11為0度時與所述校準點3對位，此時即由第3圖所示之波形曲線之0度開始判斷電助馬達6欲輸出之電助扭力；因此，為令使用者於初始欲驅動電助自行車8時，踩踏所屬踏板81令腳踏曲柄11作動之當下，即校準旋轉角度之原點或予以歸零，進而令電助馬達6補償電助扭力，故可將位置感測器21、21’設置在0度至90度之間之角度，因在此角度之間，係使用者較利於施力於腳踏曲柄11者，惟並不以此作為限定。

而如第5圖及第6圖所示，當使用者踩踏使腳踏曲柄11而透過腳踏曲柄軸1傳動於該電助自行車8之前鏈輪82以驅動該電助自行車8之後輪83時，將如前述，校準元件7將與腳踏曲柄軸1同步轉動，使位置感測器21於一方向上感測所述校準點3後，位置感測器21’始依據感測該定位點31之數量，該計時器51亦開始計時，藉以由處理單元5判斷每一時間點內所述腳踏曲柄11之旋轉角度， 而於取得旋轉角度之當下，扭力檢知單元4亦將同時量測到所述腳踏曲柄11於該旋轉角度時之踩踏扭力，假設踩踏扭力係如第3圖中所示之雙點鏈線，並假定此時其一所述腳踏曲柄11之旋轉角度係約於120度之位置，故如第3圖中，處理單元5即於旋轉角度120度之位置，將此時之踩踏扭力扣除該此時所對應之理想扭力曲線值以得到該電助扭力τ₀，故處理單元5即令電助馬達6補償於旋轉角度當下之電助扭力，藉此反覆，可令使用者無論於任何路面上，皆可於每一旋轉角度實際所施之踏力皆均等於理想扭力曲線值，藉可提升本發明於踩踏時之舒適性，以及電助驅動時之穩定性及安全性者。

續請參閱第7圖及第8圖所示，其係本發明之第二實施例，其與第一實施例之差別在於，位置感測器21’及校準元件7係設置於電助馬達6內部，且校準元件7僅設置定位點31；另一位置感測器21則係設置並從動於腳踏曲柄11，且於電助馬達6之外部設置所述校準點3，由於校準元件7及腳踏曲柄11係藉由腳踏曲軸1而同步轉動；故於本實施例中，位置感測器21’之位置固定，而僅定位點31將隨校準元件7旋轉而被位置感測器21’所感測；位置感測器21則係受腳踏曲柄11轉動而感應固定於電助馬達6之外部之校準點3，故本實施例同樣可如上所述，感測並校準旋轉角度，並據以正確的補償電助扭力，本實施例其餘之實施方式皆與第一實施例近似，故在此不予贅述。

續請參閱第9圖及第10圖所示，其係本發明之第三實施例，其與第一實施例之差別在於，本實施例之校準元件7更設有複數環形陣列之方向點32，且所述方向點32係與所述定位點31具有相位差；且本實施例係設有三組位置感測器21、21’、21”，而位置感測器21”係感測所述方向點32，藉以透過所述相位差判斷所述腳踏曲柄軸1之旋轉方向者，如順時針方向或逆時針方向旋轉， 藉以防止誤判角踏曲柄軸1之旋轉角度，本實施例其餘之實施方式皆與第一實施例近似，故在此不予贅述。

而本發明之第四實施例，係如第11圖所示，其與第三實施例之差別在於，本實施例之位置感測器21係如同第二實施例所示，設置於設置並從動於腳踏曲柄11，藉以感測於電助馬達6外部設置之所述校準點3，藉可同樣利用相位差判斷所述腳踏曲柄軸1之旋轉方向；本實施例其餘之實施方式皆與第三實施例近似，故在此不予贅述。

綜上所述，本發明所揭露之技術手段確能有效解決習知等問題，並達致預期之目的與功效，且申請前未見諸於刊物、未曾公開使用且具長遠進步性，誠屬專利法所稱之發明無誤，爰依法提出申請，懇祈 鈞上惠予詳審並賜准發明專利，至感德馨。

惟以上所述者，僅為本發明之數種較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧腳踏曲柄軸

2‧‧‧位置感測系統

4‧‧‧扭力檢知單元

5‧‧‧處理單元

51‧‧‧計時器

6‧‧‧電助馬達

Claims (7)

1. 一種電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，其包含：一腳踏曲柄軸，其兩端分別設有一腳踏曲柄；一位置感測系統，其包含至少二組位置感測器，並界定有至少一對應腳踏曲柄軸之校準點，且所述位置感測器係直接或間接的連結於所述腳踏曲柄軸，藉以偵測該腳踏曲柄軸之旋轉角度、校準點與旋轉方向；所述校準點係用以設定該旋轉角度之原點；一扭力檢知單元，其係檢知所述腳踏曲柄於每一旋轉角度所受之踩踏扭力；以及一處理單元，其係分別電性連結於該位置感測系統、該扭力檢知單元、一計時器及一電助馬達；該處理單元設定有對應所述腳踏曲柄於每一旋轉角度之理想扭力曲線值；藉之，該處理單元係依據該旋轉角度，令該電助馬達補償一電助扭力，該電助扭力為該旋轉角度中，該踩踏扭力與該理想扭力曲線值之差值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，其中，所述位置感測器係選自電磁感測器(霍爾感測器-Hall sensor、金屬感測器)、光學感測器、編碼器(Encoder)、紅外線感測器或電容式感測器中之其一或其組合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，其中，所述位置感測器係集中設置或分離設置者。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，其中，所述位置感測器係直接或間接的連結於該腳踏曲柄軸，且所述位置感測器係設置於該電助馬達之內部或外部。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，更包含一校準元件，其設有所述校準點及複數環形陣列之定位點，其一所述位置感測器係感測所述定位點，並依據所感測定位點之數量以判斷所述腳踏曲柄軸之旋轉角度；而另一所述位置感測器係感測所述校準點，藉以消除腳踏曲柄軸旋轉角度誤差，並於感測到所述校準點時，將該所偵測之腳踏曲柄軸的旋轉角度重新校準歸零。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，該校準元件係設置二所述校準點，以令該腳踏曲柄軸旋轉一圈可校準二次所偵測之腳踏曲柄軸的旋轉角度。
7. 如申請專利範圍第5項所述之電助自行車之腳踏曲柄軸位置感測裝置，其中，該校準元件更設有複數環形陣列之方向點，且所述方向點係與所述定位點具有相位差；其一所述之位置感測器係感測所述方向點，藉以透過所述相位差判斷所述腳踏曲柄軸之旋轉方向者。