擺動裝置及其轉動狀態檢測裝置與信息顯示裝置的製作方法

2023-05-11 16:20:16

專利名稱：擺動裝置及其轉動狀態檢測裝置與信息顯示裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種共振技術，尤其是指一種可以隨著轉動而共振以及利用擺動共振 的方式檢測轉動狀態的一種擺動裝置及其轉動狀態檢測裝置與信息顯示裝置。
背景技術：
隨著環保意識的興起，自行車已不只是代步工具，更是現代人休閒娛樂以及運動 健身的工具。根據統計，2007年全球自行車產量達到1. 3億輛，每年成長率約為3% 5%。 因此，自行車周邊商品，例如自行車燈，也越來越受歡迎。目前的自行車燈不僅有警示功能 而已，隨著科技發展，安裝於車輪上的LED燈已可做到固定圖案的功能。這些絢麗的周邊功 能已成為現代人流行文化的代表。關於固定圖案的自行車警示燈，已有現有技術可循，例如US5800039、US6072386、 US6492963等。這些現有技術將LED燈裝置於自行車輪子上，當輪子旋轉時，有一感測器感 知車輪位置以及速度，然後利用一個控制器控制LED燈明滅的時間，由於人眼有視覺殘留， 因此看起來就成為一個固定不動的圖案。此類現有技術必須有兩個關鍵元件感測器以及 電池。前者用於感知車輪位置以及速度，後者用於提供能源使LED燈發亮。就組裝的角度而 言，越多元件組裝越不易。因此若有一個元件兼有提供能源以及感測車輪位置的功能，組裝 成本將可大幅降低。此外，現有技術採用電池提供電源，電池的製造過程常造成許多汙染， 廢棄的電池隨意丟置，更造成環境的負擔。因此環保的供電裝置已成為現代社會的共識。應用於自行車的獵能器已有現有技術，例如US6002187、US7275844等。這些獵能 器均利用電磁感應原理，磁鐵固定於輪圈，線圈固定於車架上，當車輪轉動，帶動磁鐵通過 線圈，即可產生感應電流。然而線圈所產生的感應電流只能用於車架上，例如固定於車架上 的頭燈，無法將能量傳給跟輪圈一起轉動的LED燈。此外，這些獵能器均會產生阻力，使得 自行車使用者踩踏時更費力。關於固定圖案的自行車警示燈，可參考US5800039、US6072386、US64^963等。LED 燈明滅的時機必須配合車輪位置及車速，這些現有技術均利用一感測器測得車速，且需另 外加裝電池供電。

發明內容
本發明提供一種擺動裝置，其在能量供應體上設置一擺動機構，通過調整該擺動 機構與該能量供應體間的距離與該擺動機構的一特徵量間的比值，以使該擺動機構的擺動 頻率可以隨該能量供應體的運動頻率的變化而產生共振。本發明提供一種轉動狀態檢測裝置，其以擺動機構的擺動頻率與轉動物體的轉動 頻率一致，因此可用於測量車速具有感測轉動物體的轉動狀態的功能，可充分取代常用的 轉速感測器，該轉動狀態檢測裝置具有零件較少，組裝上更為方便的優點。此外，該轉動狀 態檢測裝置可獵取轉動物體的動能並轉化為電能，同時具有感測轉動物體位置及速度的功 能，因此可以一個裝置同時取代感測器及電池，在組裝上更為方便，由於只要轉動物體轉5動，便可源源不絕的供電，因此免去換電池的困擾，也避免了廢棄電池可能汙染環境的疑^^ ο本發明提供一信息顯示裝置，其更可利用共振擺動而自主產生電能，再與顯示元 件組合以顯示關於轉動狀態的信息或者是特定圖案或警示信息的影像。本發明所提供的轉動狀態檢測裝置以及信息顯示裝置，其可以自主發電，利用磁 鐵與線圈均固定於車輪上，因此可將能量傳給固定於車輪的顯示單元。此外，本發明利用車 輪旋轉時重力分量的改變，亦即能量來源為重力所做的功，使用者踩踏時不需額外增加力 氣。在一實施例中，本發明提供一種擺動裝置，包括一能量供應體，其進行一轉動運 動；以及一擺動機構，其設置於該能量供應體上，該擺動機構距離該能量供應體的轉動軸 心一特定距離，該擺動機構具有一特徵量使得該特定距離與該特徵量的比值介於一特定範 圍，進而使得該擺動機構於該能量供應體轉動時產生共振，其中該特徵量為該擺動機構的 轉動慣量與擺動機構質量和一特徵距離乘積的比值。在另一實施例中，本發明提供一種轉動狀態檢測裝置，包括一能量供應體，其進 行一轉動運動；一擺動機構，其設置於該能量供應體上，該擺動機構距離該能量供應體的 轉動軸心一特定距離，該擺動機構具有一特徵量使得該特定距離與該特徵量的比值介於一 特定範圍，進而使得該擺動機構於該能量供應體轉動時產生共振而產生關於擺動頻率的一 電訊信號，其中該特徵量為該擺動機構的轉動慣量與擺動機構質量和一特徵距離乘積的比 值；以及一控制單元，其根據該電訊信號決定該能量供應體的轉動狀態。在另一實施例中，本發明更提供一種具轉動狀態檢測的信息顯示裝置，包括一能 量供應體，其進行一轉動運動；一擺動機構，其設置於該能量供應體上，該擺動機構距離該 能量供應體的轉動軸心一特定距離，該擺動機構具有一特徵量使得該特定距離與該特徵量 的比值介於一特定範圍，進而使得該擺動機構於該能量供應體轉動時產生共振而產生關於 擺動頻率的一電訊信號，其中該特徵量為該擺動機構的轉動慣量與擺動機構質量和一特徵 距離乘積的比值；一控制單元，其根據該電訊信號決定該能量供應體的轉動狀態，並產生一 控制信號；以及一顯示單元，其與該控制單元相連接，該顯示單元根據該控制信號顯示對應 的信息。



圖5C為顯示單元顯示時間控制示意圖；圖5D為具有兩排發光元件模塊的顯示單元示意圖。其中，附圖標記1-轉動狀態檢測裝置10-能量供應體100-轉動軸心11-擺動機構110-擺動部1100-質量體1101-杆體111-配重部1110、1111-質量體1112-杆體112-擺動中心12-控制單元90-轉動運動91-擺動中心92-位置R-特定距離3-轉動狀態檢測裝置30-能量供應體31-擺動機構310-擺動部311-配重部3110、3111-磁性的33-感應線圈部330、331_ 線圈34-儲能裝置4-信息顯示裝置40-能量供應體400-框架41-擺動機構410-第一板體4100-轉動樞軸411-凹槽412-感應線圈部4120-線圈413-第二板體4130-滑槽414-擺動部4140-板體4141-質量體415-配重部4150-磁性質量體416-整流單元414-儲電單元42-控制單元43-無線傳輸單元44-顯示單元440-顯示器441-無線接收單元5-信息顯示裝置50-能量供應體51-擺動機構52-控制單元53、53a-顯示單元530-發光元件M-圖案
具體實施例方式為使本領域技術人員能對本發明的特徵、目的及功能有更進一步的認知與了解， 下文特將本發明的裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得本領域技術 人員可以了解本發明的特點，詳細說明陳述如下請參閱圖1所示，其中圖1為本發明的轉動狀態檢測裝置實施例及其擺動機構放 大示意圖。在本實施例中，該轉動狀態檢測裝置1具有一能量供應體10、一擺動機構11以 及一控制單元12。該能量供應體10提供一轉動運動90，在另一實施例中，該轉動運動再配合一平移運動即可形成滾動運動。因此該能量供應體10可以為單純轉動的物體或者是滾 動的物體，例如車輪。該擺動機構11，其設置於該能量供應體10上，該擺動機構10的擺 動中心91到該能量供應體10的轉動中心100 —特定距離R，該擺動機構11具有一特徵量 使得該特定距離與該特徵量的比值介於一特定範圍，其中該特徵量為該擺動機構11的轉 動慣量與擺動機構11質量和一特徵距離乘積的比值，該擺動機構11在該能量供應體10轉 動時產生共振，進而產生一電訊信號。其中，在本實施例中，該轉動慣量為對擺動中心的轉 動慣量。不過，轉動慣量要針對某一點來定義，亦即對不同點所定義的轉動慣量，其值是不 同的，至於哪一點可以根據使用者的決定，並不以本發明的以擺動中心為限制。產生電訊信 號的方式可以利用在擺動體上設置一磁性體與線圈的組合，利用擺動時線圈切割磁力線產 生電流以形成該電訊信號。該控制單元12，其根據該電訊信號決定該能量供應體10的轉動 狀態。在圖1中，該擺動機構11連接於一能量供應體10上，該能量供應體10的轉動角 速度為ω，其轉動中心100可為靜止或一平移運動，使得該能量供應體10呈現轉動或者是 滾動運動。擺動機構與能量供應體的轉動中心100距離為R，則此擺動機構11受到一離心 加速度a為式⑴所示a= (O2R(1)當能量供應體10旋轉時，此擺動機構11所受重力將隨其位置的改變而變化，進而 帶動此擺動機構11以擺動中心91進行擺動。設定一坐標(X，y，ζ)，其中Z軸垂直於能量 供應體的轉動平面，擺動機構11的質心93擺置於-y方向。擺動機構11的質心93與擺動 中心91相距d。假設擺動機構11的體積為V，質量密度為P，其為坐標(X，y, ζ)的函數。 亦即擺動機構11可由不同密度的物質所組成。根據振動學原理，假設擺動角度為Θ，則擺 動機構11的運動方程式為如式(2)所示I谷 + ΚΘ = -g sin wt Jpr sin φ ν(2)V其中t為時間，g為重力加速度，因此擺動機構11對擺動中心91的轉動慣量I如 下式⑶所示/ = \r2pdV(3)ν此外，該擺動機構11更具有一等效彈性常數K，如下式(4)所示，其為角速度ω、 特定距離R以及一等效常數ipuin^Vm關係式VK = -(O2R Jprsin)dV(4)V因此，根據式(3)與G)，可以得到擺動自然頻率ωη為下式(5)所示COn=Jf = ω^(5)其中L*為一特徵量，其為該擺動機構的轉動慣量與擺動機構質量和一特徵距離乘 積的比值，其如下式(6)所示L* = —(6)Md8
其中I為擺動機構對擺動中心的轉動慣量，M為擺動機構的質量，d為該特徵距離， 在本實施例中，該特徵距離為擺動機構質心到擺動中心的距離。根據振動學中的共振原理， 若能量供應體10的轉動運動的角速度(旋轉頻率)接近於擺動機構11的自然頻率，則擺 動機構11會發生共振現象。亦即當方程式(7)成立時，共振現象發生
權利要求
1.一種擺動裝置，其特徵在於，該擺動裝置包括一能量供應體，其進行一轉動運動；以及一擺動機構，其設置於該能量供應體上，該擺動機構距離該能量供應體的轉動軸心一 特定距離，該擺動機構具有一特徵量使得該特定距離與該特徵量的比值介於一特定範圍， 進而使得該擺動機構於該能量供應體轉動時產生共振，其中該特徵量為該擺動機構的轉動 慣量與擺動機構質量和一特徵距離乘積的比值。
2.根據權利要求1所述的擺動裝置，其特徵在於，該能量供應體還可進行一平移運動 以形成滾動。
3.根據權利要求1所述的擺動裝置，其特徵在於，該特徵距離為該擺動機構的擺動中 心與該擺動機構質心的距離，該轉動慣量為該擺動機構對該擺動機構質心的轉動慣量。
4.根據權利要求1所述的擺動裝置，其特徵在於，該特定範圍介於0.1至10之間。
5.一種轉動狀態檢測裝置，其特徵在於，包括一能量供應體，其進行一轉動運動；一擺動機構，其設置於該能量供應體上，該擺動機構距離該能量供應體的轉動軸心一 特定距離，該擺動機構具有一特徵量使得該特定距離與該特徵量的比值介於一特定範圍， 進而使得該擺動機構於該能量供應體轉動時產生共振而產生關於擺動頻率的一電訊信號， 其中該特徵量為該擺動機構的轉動慣量與擺動機構質量和一特徵距離乘積的比值；以及一控制單元，其根據該電訊信號決定該能量供應體的轉動狀態。
6.根據權利要求5所述的轉動狀態檢測裝置，其特徵在於，該能量供應體為車輪。
7.根據權利要求5所述的轉動狀態檢測裝置，其特徵在於，該擺動機構包括一擺動部，其設置於該能量供應體上且以一擺動中心進行擺動，該擺動中心與該能量 供應體的轉動軸心相距一特定距離；以及一配重部，其與該擺動部相連接以使該擺動機構的擺動頻率能隨該能量供應體所供應 的能量頻率的變化而改變。
8.根據權利要求7所述的轉動狀態檢測裝置，其特徵在於，該擺動部上還具有至少一 質量體，該配重部上還具有至少一質量體。
9.根據權利要求5所述的轉動狀態檢測裝置，其特徵在於，該轉動狀態為轉速或轉動 角度。
10.根據權利要求5所述的轉動狀態檢測裝置，其特徵在於，該擺動機構為一磁性擺動 機構，該磁性擺動機構包括一磁性擺動部，其設置於該能量供應體上且以一擺動中心進行擺動，該擺動中心與該 能量供應體的轉動軸心相距一特定距離；以及一磁性配重部，其與該磁性擺動部相連接以使該磁性擺動機構的擺動頻率能隨該能量 供應體所供應的能量頻率的變化而改變。
11.根據權利要求10所述的轉動狀態檢測裝置，其特徵在於，其還具有一感應線圈部 以及與該感應線圈部相耦接的一儲能裝置，該感應線圈部其與該磁性擺動機構相對應，該 感應線圈部於該擺動機構擺動時產生感應電流，該儲能裝置儲存該感應線圈部產生的電 能。
12.—種具轉動狀態檢測的信息顯示裝置，其特徵在於，該信息顯示裝置包括一能量供應體，其進行一轉動運動；一擺動機構，其設置於該能量供應體上，該擺動機構距離該能量供應體的轉動軸心一 特定距離，該擺動機構具有一特徵量使得該特定距離與該特徵量的比值介於一特定範圍， 進而使得該擺動機構於該能量供應體轉動時產生共振而產生關於擺動頻率的一電訊信號， 其中該特徵量為該擺動機構的轉動慣量與擺動機構質量和一特徵距離乘積的比值；一控制單元，其根據該電訊信號決定該能量供應體的轉動狀態，並產生一控制信號；以及一顯示單元，其與該控制單元相連接，該顯示單元根據該控制信號顯示對應的信息。
13.根據權利要求12所述的具轉動狀態檢測的信息顯示裝置，其特徵在於，該能量供 應體為車輪。
14.根據權利要求12所述的具轉動狀態檢測的信息顯示裝置，其特徵在於，該擺動機 構包括一擺動部，其設置於該能量供應體上且以一擺動中心進行擺動，該擺動中心與該能量 供應體的轉動軸心相距一特定距離；以及一配重部，其與該擺動部相連接以使該擺動機構的擺動頻率能隨該能量供應體所供應 的能量頻率的變化而改變。
15.根據權利要求14所述的具轉動狀態檢測的信息顯示裝置，其特徵在於，該擺動部 上還具有至少一質量體，該配重部上還具有至少一質量體。
16.根據權利要求12所述的具轉動狀態檢測的信息顯示裝置，其特徵在於，該轉動狀 態為轉速或轉動角度。
17.根據權利要求12所述的具轉動狀態檢測的信息顯示裝置，其特徵在於，該擺動機 構為一磁性擺動機構，該磁性擺動機構包括一磁性擺動部，其設置於該能量供應體上且以一擺動中心進行擺動，該擺動中心與該 能量供應體的轉動軸心相距一特定距離；以及一磁性配重部，其與該磁性擺動部相連接以使該磁性擺動機構的擺動頻率能隨該能量 供應體所供應的能量頻率的變化而改變。
18.根據權利要求17所述的具轉動狀態檢測的信息顯示裝置，其特徵在於，其還具有 一感應線圈部以及與該感應線圈部相耦接的一儲能裝置，該感應線圈部其與該磁性擺動機 構相對應，該感應線圈部於該擺動機構擺動時產生感應電流，該儲能裝置儲存該感應線圈 部產生的電能。
19.根據權利要求12所述的具轉動狀態檢測的信息顯示裝置，其特徵在於，該顯示單 元為一發光元件模塊，其設置於該能量供應體上，該發光元件模塊具有至少一排發光元件， 該控制信號根據該轉動狀態控制特定的發光元件發光，使該能量供應體轉動時可以利用視 覺暫留效應產生影像。
20.根據權利要求19所述的具轉動狀態檢測的信息顯示裝置，其特徵在於，該發光元 件為發光二極體。
21.根據權利要求12所述的具轉動狀態檢測的信息顯示裝置，其特徵在於，該控制信 號為對應該轉動狀態信息的信號，該控制信號通過與該控制單元電訊連接的一無線傳輸信息。
全文摘要
本發明公開一種擺動裝置，其具有設置於一能量供應體上的擺動機構，通過調整該擺動機構的尺寸與形狀以及該擺動機構與該能量供應體的距離，使該擺動機構與該能量供應體間的距離與該擺動機構的一特徵量間的比值介於一特定範圍，以使該擺動機構隨該能量供應體的轉動而共振。利用該擺動機構可以檢測轉動物體的轉動頻率，此外，該擺動機構更可與一顯示單元結合，根據該擺動裝置檢測的轉動狀態而控制顯示單元顯示對應的信息或者是根據轉動狀態控制顯示單元顯示特定的影像。本發明亦公開該擺動裝置的轉動狀態檢測裝置與信息顯示裝置。
文檔編號H02K11/00GK102055300SQ20091020917
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月28日 優先權日2009年10月28日
發明者吳佩芬, 張平, 李健, 王鬱仁, 陳重德 申請人:財團法人工業技術研究院