[发明专利]力测量传感器

说明书

一种力测量传感器，包括周边部分(34)、中央部分(35)和将周边部分(34)的上部区段(342)连结中央部分(35)的上部部分(352)上的第一框架(33)；所述中央部分(35)包括座(351)，该座用于接纳轴承的外圈以便安装绕轴线Z旋转的轴，所述框架(33)包括由基本上彼此平行的两个臂(331，332)包围的芯部(333)，使得周边部分(34)的所述上部区段(342)、中央部分(35)的所述上部部分(352)和所述两个臂(331，332)形成平行四边形。

技术领域

本发明涉及一种用于测量施加在被旋转驱动的轴上的力的装置。具体而言，本发明涉及一种用于测量旋转轴上的力的验证体。在自行车领域，曲柄组(脚踏组件)主轴是一个旋转轴，该旋转轴由踏板驱动而旋转，本发明的测量装置可以应用于该旋转轴。然而，本发明不限于在曲柄组主轴上进行力测量的简单应用。尽管如此，在下文的描述中，将针对测量自行车曲柄组主轴、特别是电动辅助自行车的曲柄组主轴的扭矩的应用来描述本发明。

背景技术

测量施加在旋转轴上的扭矩比测量施加在固定元件上的扭矩或力更难执行。事实上，如果针对力测量将引伸应变片粘在旋转轴上，则需要将在轴上完成的测量传输到外部单元，以便处理和/或显示信号。然后需要增加一个回转滑环，这会产生摩擦和干扰，或者布置与轴一起旋转的处理电子设备，该处理电子设备有自己的电源和用于检索信息的无线数据传输系统，这很复杂，成本高，不可靠并且可能在信号处理中造成延迟。

为了避免需要回转滑环或无线传输设备，已考虑重新定位测量，使得测量不直接在旋转轴上进行，而是在轴承外圈上进行。后一种可能性特别是在专利US8117923中被使用。该文献描述了一种传感器，该传感器可以测量脚踏组件外壳轴承的力，特别是可以测量分量Fx(链条张力)。该传感器包括成+/-45°定位在支承轴承力的大致一半(上半部/下半部)的臂上的两个引伸应变片。然而，这种传感器确实有许多缺点。首先，由于应变片安装在小臂的外壁上，因此它们对小臂所承受的弯矩和扭转力矩高度敏感。现在，好的传感器应当只对要进行测量的分量—这里是Fx—敏感，而对其他分量Fy/Fz/Mx/My/Mz尽可能不敏感。为了减弱对力矩Mx/My/Mz的敏感性，在臂的两个相对面上放置了两对应变片，这使得其粘合复杂并且显著增加了成本。此外，臂在应变片粘合区域中的变形梯度非常显著，因此应变片粘合的任何不准确都会对测量的灵敏度产生很大影响。

文献US8117923中描述的传感器具有三个宽的孔洞，这不仅使脚踏组件外壳的密封变得复杂，而且使应变片本身的保护变得复杂。事实上，测量通过μ电阻变化反映的μ变形的变形应变片需要非常好的保护以防止潮湿以及化学和机械攻击。在现有技术解决方案中，特别是在US8117923中，应变片是可见的并且需要使用漆或凝胶来保护它们。所有这些产品都有许多缺点。它们通常很昂贵，而且它们的实施也很昂贵，因为它们需要相当长的聚合时间。随着时间的推移，它们会因环境(紫外线、臭氧、油脂、潮湿、酸/碱等)而劣化。由于它们的机械强度较弱，它们极易受到外部攻击(螺丝刀的撞击、扔出的石头、自行车掉落、运输、维护等)。此外，尽管所用凝胶的模量较低，但它们的特性会随温度和老化而变化，并且会引起粘性摩擦，从而破坏传感器的偏离和校准。

最后，文献US8117923描述了一种传感器，其目的是测量链条张力，该传感器实际上测量施加在滚珠轴承上的水平合力。现在，虽然该合力受链条张力的影响最大，特别是当链环很小时，但这并非是唯一的情况。事实上，该水平合力也受到骑车人产生的水平分量影响。因此，右踏板上指向前方的水平作用力会削弱信号，而左踏板上的相同作用力会增强信号。这就是为什么该文献中描述的传感器所提供的测量对左踏板的作用力会比对右踏板的作用力更敏感的原因。在可能希望将这种传感器用于自行车辅助马达的伺服控制回路中的情况下，这种对左右踏板作用力的敏感性变化将导致马达控制设定点在曲柄组旋转期间变化。

传感器一般具有各种缺陷，主要缺陷之一是由于偏离的稳定性不足，所述偏离经常随温度和传感器的热稳定性而漂移。为了使偏离漂移相对最小，希望传感器的满量程信号较高，以使相对偏离尽可能低，换言之，传感器必须确定尺寸为尽可能接近要测量的最大满量程。