CN110799799A - 位移测量装置 - Google Patents

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Abstract

位移测量装置(20)包括霍尔传感器(37)和安装在磁体壳体(38)中的磁体(35)，磁体壳体(38)在容纳空间(47)中具有旋转自由度，调节装置以获得最佳的灵敏度包括旋转磁体壳体(36)。在调节之后，磁体壳体(36)固定在容纳空间(47)中。

Description

位移测量装置
技术领域
本发明总体上涉及力的测量装置。
为了测量力，可以使用各种测量技术。力倾向于引起其上施加有力的物体的变形，并且一种测量技术是测量所涉及的物体的变形。可以通过例如应变仪测量相邻或实心物体的变形。应变仪实际上测量物体长度的局部变化(拉伸或收缩)。如果物体包括其间具有间隙的两个部分，则变形可以导致两个物体部分相对于彼此位移，并且这两个物体部分的相互位移可以被测量为与所施加的力成比例。另一方面，也可能需要测量两个不同物体的相对位移。
本发明尤其涉及一种基于测量位移的原理的测量装置。
背景技术
在各种技术领域中，希望能够测量力。一个特定领域是自行车(或其他人驱动的车辆)领域，其中需要测量骑车人施加的蹬踏力。为了背景的目的，参考EP-1863700。
所测量的信号例如可以用于计算骑车人消耗的能量，但是也可以用作备用电动机的控制装置的输入信号以辅助骑车人。在下文中，将特别针对电助力自行车的实例来解释本发明，但应注意，此解释不应被解释为限制本发明或其适用性。
图1示意性地示出了位移测量装置10的设计，其包括板形支撑基座1，尽管不是必须但通常是由足够厚度的实心金属板，通常为铝制成，通常在3-10mm的范围内。支撑基座1包括在两个支撑部2和3之间的至少一个间隙4。间隙4的宽度方向将被表示为X方向，而间隙4的纵向方向将被表示为Y方向。在间隙4的相对侧，两个连接腿5和6沿X方向延伸，连接两个支撑部2和3。图1中的设计是对称的，并且间隙4是大致H形间隙的中心部分。
支撑基座1包括用于将位移测量装置10安装到诸如自行车的物体上的安装孔。为了简单起见，未示出这些安装孔。在一些实施例中，支撑基座1成为自行车承载框架的一部分。
如果在X方向上施加力，特别是支撑基座1的连接腿5和6具有足够的刚度以基本上防止两个支撑部2和3在X方向上的相对移动。对于本领域技术人员来说是显而易见的，即连接腿5和6在Y方向上的刚度较小，从而响应于在Y方向上施加的力，特别是两个支撑部2和3将在Y方向上彼此相对地经受一些位移。同样，响应于在垂直于支撑基座1的位置的Z方向上施加的力，或者响应于扭矩，两个支撑部2和3将在Y方向和/或Z方向上彼此相对地经受一些位移。相比之下，两个支撑部2和3仅具有在Y方向和Z方向上的位移自由。显然，力和位移之间的比率将取决于刚度，并且在X方向，Y方向和Z方向上的刚度将尤其取决于各部分的形状，取决于支撑底基座，更具体地，取决于其连接腿5和6的材料的选择以及取决于材料的厚度。
位移测量装置10还包括传感器单元8和用于提供传感器单元8的输出信号的输入/输出端子9。传感器单元8安装在一个支撑部3中，靠近间隙4面向相对的支撑部2。附图标记7表示安装在相对的支撑部2中靠近间隙4的参考单元。连接参考单元7和传感器单元8的虚拟线将被表示为传感器朝向方向，并且基本上等于X方向。
传感器单元8包括安装在外壳中的实际敏感元件，而参考单元7包括安装在外壳中的实际参考元件。敏感元件(为了简单起见未示出)对参考元件的位移敏感。在优选实施例中，敏感元件是霍尔传感器，而参考元件是磁体。由于霍尔传感器和它们的操作通常是已知的，并且是市场上可买到的，因此这里省略了更详细的描述。
位移测量装置10的挑战是制造。为了能够精确地测量小位移，霍尔传感器和磁体之间的X距离应当很小。为此，间隙4通常被制造为宽度小于1mm的窄间隙，但是需要复杂和昂贵的技术。为了放置部件7和8，在支撑基座1的主表面上加工出凹槽。
此外，霍尔传感器和磁体应当相对于彼此非常精确地定位。通常，首先连接磁体单元7，然后使霍尔单元8定位。支撑基座1允许霍尔单元8在垂直于X方向的方向上的一些线性位移。在获得被监视的输出信号的同时进行定位，并且如果输出信号具有某个目标值，则认为定位是最佳的。然后，固定霍尔单元8，通常用快速起效的胶水。然而，这样很繁琐，并且所获得的精确度不是最佳的。
还提出了霍尔传感器和磁体首先一起安装在子框架上的方案，子框架然后附接到支撑基座1上，但是这带来了将霍尔传感器和磁体安装到子框架上以及将子框架附接到支撑基座1上的公差的问题。
文献US-2008/0034896公开了一种具有复杂设计的测量装置，包括弯曲杆和圆柱形套筒。弯曲杆具有在纵向方向上彼此平行延伸的两个弯曲腿，并且在基底部分中彼此相遇。在基底部分中，纵向磁体室设置在两个腿之间。套筒具有径向孔。首先，轴向引入细长磁体并将其固定在磁体室中。然后，套筒围绕杆布置并焊接到杆上。最后，传感器单元布置在套筒的径向孔中，承载霍尔传感器，霍尔传感器将位于杆的两个腿之间，靠近细长磁体的突出端。传感器单元绕其相对于弯曲杆径向延伸的旋转轴旋转，以找到输出信号为零的位置，然后被固定。
这种已知的测量装置的缺点是需要旋转传感器单元，这需要将测量信号传送到外部世界。但是更重要的是，缺点在于，用于测量装置的功能元件(即磁体和传感器)的两个容纳孔在分开的部件，即杆和套筒中形成，这些部件稍后通过焊接连接。除了昂贵之外，这使得磁体和传感器之间的相对定位难以实现高精度。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种位移测量装置10的设计和制造方法，允许更容易和更经济有效的组装，允许以更容易和更方便的方式实现定位精确，并且特别允许更简单和更精确的可调节性。
根据本发明的第一方面，磁体被包括在可旋转磁体单元中，首先连接霍尔传感器单元8，然后调整和固定磁体单元7的定位。考虑到连接到霍尔传感器单元8的导线9，更容易操纵磁体单元7的定位。
根据本发明的第二方面，在板状支撑基座中分别用于磁体单元和传感器单元的容纳孔是圆形容纳孔，其轴向方向垂直于X方向和Y方向的Z方向，即垂直于板状支撑基座的平面。这些孔可以通过在板状支撑基座1中钻孔或冲孔等容易且精确地形成，其中钻孔方向或冲孔方向指向垂直于X方向和Y方向的Z方向。就直径，方向和定位而言，以这种方式制造孔是相对容易和精确的。应当注意，在作为同一板的整体部分的两个支撑部中形成两个孔，因此它们的相对定位是并保持精确。霍尔传感器单元8被放置在其相应的孔中，使用沿Z方向的插入，并且通过胶水等固定。使用沿Z方向的插入将磁体单元7放置在其相应的孔中。磁体单元7中的磁体偏心地定位，靠近表面。当插入磁体单元7时，单元大致定位在正确的方向上，具有低精度。随后，磁体单元7围绕Z轴旋转，在朝向霍尔传感器单元8的表面部分处引起Y方向的位移。同时，监测霍尔传感器单元8的输出信号，并且调整磁体单元7的角度朝向，使得输出信号具有在某一容差内的某一目标值。由于磁体单元7已经保持在其相应的孔内，因此改变角度朝向相对容易。实际上，可以中断调整过程，并随后继续或改进它。因此可以补偿孔的任何制造公差和霍尔传感器单元8定位中的任何公差，但是与US-2008/0034896的现有技术设计相比，它们已经是更小了。
根据本发明的第三方面，容纳孔的中心轴位于距间隙4的边缘的距离比该孔的半径小。因此，每个容纳孔通向间隙，并且磁体单元7和传感器单元8突出到间隙中。因此，磁体单元7和传感器单元8之间的相互距离可以比间隙宽度小得多。相反地，间隙4可以具有例如3-5mm的相当大的宽度，并且间隙4的宽度的精确度不那么重要，从而间隙可以用传统的技术例如铣削或冲孔来更容易和更具成本效益的被制造。
容纳孔可以在间隙被切割之前形成。同样，可以在切割间隙的相同过程中切割容纳孔。
附图说明
本发明的这些和其它方面、特征和优点将通过以下参照附图对一个或多个优选实施例的描述来进一步解释，其中相同的附图标记表示相同或相似的部件，并且其中：
图1示意性地示出了位移测量装置；
图2示意性地示出了根据本发明的位移测量装置的实施例；
图3示意性地示出了较大比例的位移测量装置的细节；
图4A-4C示出了磁体壳体和相应容纳孔的可能形状的细节；
图5A和5B是磁体单元的实施例的示意性透视图；
图6是用于调节磁体壳体的装置的示意性框图；
图7A-7C示出了磁体壳体中磁体位置的可能的径向调整。
具体实施方式
图2示意性地示出了根据本发明的位移测量装置20的实施例，其适于用作电助力自行车中的力测量装置。在21-29的范围内的附图标记表示与参考图1在上面讨论的附图标记在1-9的范围内的部件相同或相似的部件。附图标记33表示用于将一个支撑部23连接到这种自行车的车架上的穿过螺钉的安装孔。附图标记32表示用于将相对的支撑部22连接到从动轮的轴上的安装孔。如果骑车者推动踏板，则传动系(通常为链条)中的驱动力将在从动轮上施加力，从而使从动轮(通常为后轮)的轴相对于自行车车架稍微位移，从而使支撑部22和23相对于彼此位移，主要在垂直于X方向的方向，即连接磁体和传感器的虚拟线的方向。
图3以较大的比例示意性地示出了位移测量装置20的细节。附图标记42表示板状支撑部22的边缘。附图标记43表示板状支撑部23的边缘。附图标记47表示用于容纳磁体单元27的圆形容纳孔。附图标记48表示用于容纳霍尔传感器单元28的圆形容纳孔。所述孔的轴向在Z方向上，即垂直于附图平面。在虚线的左手侧，示出了在磁体壳体36中具有磁体35的磁体单元27，并且示出了在传感器壳体38中具有霍尔传感器37的传感器单元28，而在虚线的右手侧，相应的容纳孔47，48显示为空。可以看出容纳孔47，48朝向间隙24开口，并且磁体单元27和霍尔传感器单元28突出到间隙24中，使得它们的相互距离小于间隙24的宽度。容纳孔47，48可以具有相互相同的直径，但这并不是关键的。
通过沿Z方向的线性轴向运动将磁体单元27和传感器单元28插入相应的孔47和48中是方便做到的。
传感器部件27，28中的至少一个以旋转自由度保持在相应的容纳孔47，48内。在任何情况下，这将应用到在相应容纳孔47中的磁体单元27，但是同样也可以应用到霍尔传感器单元28。
为了保持旋转自由度，单元和孔不必具有旋转对称性。图4A示出圆形单元44在方形孔45中具有旋转自由度。图4B示出正方形单元44在圆形孔45中具有旋转自由度。此外，在本发明的意义上，旋转自由度不需要超过360°的旋转自由度。为了所需的调节目的，20°的旋转自由度通常是绰绰有余的。这又意味着单元的一部分通过容纳孔的“口”突出到间隙24中，甚至不需要如图4C以夸大的方式所示的装配在容纳孔内。
图5A是根据本发明的磁体单元27的实施例的示意性透视图。磁体单元27包括磁体壳体36，在本示例中磁体壳体36具有圆柱形横截面。磁体壳体36可以由合适的塑料材料或任何其它合适的材料制成。为了简单起见，未示出布置在磁体壳体36中的磁体。
在一个实施例中，磁体壳体36在一端具有凸缘51，优选地是如图所示的锥形凸缘。相应的容纳孔47可以设置有类似的锥形入口部分。在将磁体壳体36插入其相应的容纳孔47中时，这些锥形部分协作以提供轴向止动，从而确保正确的轴向定位。应当清楚的是，这种“停止功能”也可以用不同的形状来实现。
如图5B的示意性透视图所示，在一个端面52中，在本例中，该端面是与锥形凸缘51相关联的端面，轮廓凹槽53允许旋转磁体壳体36的工具的接合，。优选是具有6点星形轮廓(“梅花形”)的凹槽。相反的端面用附图标记56表示。
图6是用于插入和调节磁体壳体36的装置60的示意性框图。装置60包括具有顶面62的支撑件61，以及从该顶面62直立延伸的工具63，该工具63具有与凹部53的轮廓相匹配的轮廓。工人将磁体壳体36(已经设置有磁体)放置在工具63上，使得工具63和凹部53相互接合。然后，工人拿起测量装置10的支撑基座1，将容纳孔47与磁体壳体36对准，并轻轻地向下推动，使得磁体壳体36进入容纳孔47，直到凸缘51撞击支撑件61。或者，工人可以首先将磁体壳体36推入容纳孔47中，然后使凹部53与工具63接合。工人优选地在视觉上确保磁体壳体36的角度朝向大约是向右的，但是大约1mm的公差(在磁体壳体36的圆周上测量)是可接受的。测量装置10的输入/输出端子29连接到装置60的接口64，该接口连接到控制装置65，该控制装置65控制用于旋转工具63的马达66。在持续地接收来自霍尔传感器的测量输出信号的同时，控制装置65调节磁体壳体36的旋转位置，使得来自霍尔传感器的测量输出信号的值等于预定精度范围内的预定期望值，通常好于0.1％。假定不同测量装置的类似测量行为，这确保了作为输出提供的测量信号将非常精确地对应于支撑基底21的某种机械变形。
在已经到达该位置之后，控制装置65保持工具63静止并向工人提供信号，然后工人将施加快速起效的胶水以将磁体壳体36固定在适当位置。在完全自动化的形式中，装置60设置有由控制装置65控制的涂胶器(未示出)。胶水将被施加到在装置60中可见的磁体壳体36，在该实施例中，是在与凸缘51相对的一侧。
胶水将磁体壳体36附接到支撑基座1。为此，胶水(以液体状态施加)必须能够在磁体壳体36的壁和容纳孔47的壁之间流动。如果磁体壳体36和容纳孔47在它们的整个轴向长度上都具有圆形轮廓，则很难确保适当地施加胶水。
为了克服这个问题，可以在磁体壳体36的外表面和/或容纳孔47的壁中设置轴向槽或螺旋槽54。如图5A所示，优选的解决方案是在磁体壳体36的外表面上设置这种槽54。
如果磁体壳体36或容纳孔47具有非圆形轮廓，则可能不需要应用这种槽。在上文中，参考图4A和4B，解释了这些部件不必具有圆形对称性。例如，如果磁体壳体36具有平坦表面部55(图5A)，或者甚至具有正方形横截面(图4B)，或者六边形或八边形横截面(未示出)，则将自动地在磁体壳体36和容纳孔47之间留下空间45，该空间可以用胶水填充。
图7A-7D示意性地示出了根据本发明的磁体外壳36内的磁体35的径向调节。磁体壳体36被示出为实心圆柱体，其中心轴与Z轴(垂直)对齐。垂直于中心轴线，磁体腔71从侧壁到侧壁延伸穿过磁体壳体36。平行于中心轴线，工具腔72从顶表面56到磁体腔71延伸穿过磁体壳体36。
在第一安装步骤中，磁体35被侧向推入磁体壳体36中，即推入磁体腔71(图7A和7B)中，以在磁体腔71内达到特定的位置“深度”，如图7C所示。该位置，特别是经过工具腔72的位置，可能或多或少是精确的。该图以夸张的方式示出了磁体腔71的尺寸可以稍微小于磁体35的尺寸，从而磁体35被磁体腔71夹紧就位。
在磁体35处于该位置的情况下，磁体壳体36如上所述地插入其容纳孔47中。现在，锥形调节工具80向下插入工具腔72，如图7C和7D所示。调节工具80的锥形前部接合磁体35并将其进一步在示意性地用实线表示的X方向上推向霍尔传感器37。校准厚度的参考工具81(这里用虚线示意性地表示)可以保持在霍尔传感器37的前面，以确保磁体35被推到距霍尔传感器37的校准距离。
现在移除调节工具80，并将胶水施加到工具腔72中。胶水将接合磁体35以将其固定就位。胶水也将穿过磁体腔71并接合容纳孔47以将磁体壳体36固定就位。
本领域的技术人员应当清楚，本发明不限于上面讨论的示例性实施例，而是在所附权利要求所限定的本发明的保护范围内可以进行多种变化和修改。例如，固定传感器单元的步骤可以在调整参考单元的定位之前或之后执行。
即使在不同的从属权利要求中叙述了某些特征，本发明也涉及包括共同的这些特征的实施例。即使已经结合彼此描述了某些特征，本发明也涉及其中省略了这些特征中的一个或多个的实施例。没有明确描述为必要的特征也可以被省略。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制该权利要求的范围。
本领域的技术人员应当特别清楚，本发明提出的测量装置基本上由两个元件组成，在所讨论的例子中，这两个元件是霍尔传感器和磁体，并且测量装置基本上对一个元件相对于另一个元件的位移敏感，因为该装置的输出信号取决于这种位移，并且在第一近似中与这种位移成比例。为此，测量装置将被表示为位移测量装置。然而，这种位移可能由诸如力的外部影响引起，使得输出信号指示这种外部影响，并且测量装置可以被指示为用于这种外部影响的测量装置。

Claims (17)

1.一种制造位移测量装置(20)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-提供包括由间隙(24)分开的两个支撑部(22，23)的板状支撑基底(21)，所述支撑基底(21)是可变形的，使得所述两个支撑部(22，23)可相对于彼此移动；
-将第一圆形容纳空间(47)布置在所述两个支撑部中的第一个支撑部(22)中，邻近所述间隙(24)，垂直于所述板状支撑基底；
-将第二圆形容纳空间(48)布置在所述两个支撑部中的第二个支撑部(23)中，邻近所述间隙(24)，垂直于所述板状支撑基底，其中连接所述第一容纳空间(47)和所述第二容纳空间(48)的虚拟线限定传感器定向方向(X)；
-提供包括传感器单元(28)和基准单元(27)的传感器系统(27，28)，
其中
-所述传感器单元(28)包括传感器壳体(38)和安装在所述传感器壳体中的感应元件(37)，和
-所述基准单元(27)包括基准壳体(36)和偏心地安装在所述基准壳体内的传感器基准元件(35)；
-将所述基准单元(27)插入到所述第一容纳空间(47)中，其中插入位移方向(Z)垂直于所述传感器定向方向(X)并且垂直于所述板状支撑基底；
-将所述传感器单元(28)以垂直于所述传感器定向方向(X)且垂直于所述板状支撑基底的插入位移方向(Z)放置到所述第二容纳空间(48)中；
-通过所述基准壳体(36)围绕其在第一圆形容纳空间(47)中的相应旋转轴的旋转来调节所述传感器系统(27，28)的定位；
-将所述基准单元(27)和所述传感器单元(28)固定在它们相应的容纳空间中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述感应元件包括霍尔传感器，并且其中所述基准元件包括磁体。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一容纳空间(47)和所述第二容纳空间(48)朝向所述间隙(24)开口。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述基准单元(27)和/或所述传感器单元(28)从所述相应的支撑部(22，23)突出到所述间隙(24)中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，调节所述传感器系统(27，28)的所述定位的步骤包括相对于所述基准壳体径向移动所述基准元件的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，径向移动所述基准元件的步骤包括将锥形工具轴向插入所述基准壳体的步骤。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，调整所述传感器系统(27，28)的所述定位的步骤是在监视所述传感器单元(28)的输出信号的情况下执行的，并且其中，所述基准单元(27)的旋转位置被设置为使得所述传感器单元(28)的所述输出信号具有预定的目标值。
8.一种具有传感器系统(27，28)的位移测量装置(20)，其特征在于，所述测量装置包括：
-包括由间隙(24)隔开的两个支撑部(22，23)的板状支撑基底(21)，所述支撑基底(21)是可变形的，使得所述两个支撑部(22，23)可相对于彼此移动；
-其中所述两个支撑部中的第一个支撑部(22)具有与所述间隙(24)相邻的、垂直于所述板状支撑基底的第一圆形容纳空间(47)；
-其中所述两个支撑部中的第二个支撑部(23)具有与所述间隙(24)相邻的、垂直于所述板状支撑基底的第二圆形容纳空间(48)，其中连接所述第一容纳空间(47)和第二容纳空间(48)的虚拟线限定传感器定向方向(X)；
-其中所述传感器系统(27，28)包括传感器单元(28)和基准单元(27)，所述传感器单元(28)包括传感器壳体(38)和安装在所述传感器壳体中的感应元件(37)，并且所述基准单元(27)包括
基准壳体(36)和偏心地安装在所述基准壳体内的传感器基准元件(35)；
-其中所述基准单元(27)布置在所述第一容纳空间(47)中；
-其中所述传感器单元(28)布置在所述第二容纳空间(48)中；
-其中所述第一容纳空间(47)和所述基准单元(27)被成形为使得所述基准单元(27)在相应的容纳空间(47)内具有围绕垂直于所述传感器定向方向(X)的旋转轴线(Z)的旋转自由度。
9.根据权利要求8所述的位移测量装置，其特征在于，所述感应元件包括霍尔传感器，并且所述基准元件包括磁体。
10.根据前述权利要求8-9中任一项所述的位移测量装置，其特征在于，所述第一容纳空间(47)和所述第二容纳空间(48)朝向所述间隙(24)开口。
11.根据前述权利要求8-10中任一项所述的位移测量装置，其特征在于，所述基准单元(27)和/或所述传感器单元(28)从所述相应的支撑部(22，23)突出到所述间隙(24)中。
12.一种包括根据权利要求8-11中任一项所述的位移测量装置(20)的力测量装置，所述力测量装置通过所述两个支撑部(22，23)相对于彼此的位移来响应外力。
13.一种用于调节根据权利要求8-11中任一项所述的位移测量装置(20)的单元(27)的壳体(36)的位置的调节装置，其特征在于，包括具有顶表面(62)的支撑件(61)，以及从所述顶表面(62)直立延伸并具有适于接合所述壳体(36)的轮廓的工具(63)；
用于旋转所述工具(63)的马达(66)；
控制所述马达(66)的控制装置(65)；
耦合到所述控制装置(65)并且适于从所述位移测量装置接收输出信号的接口(64)；
其中，所述控制装置(65)适于监视从所述位移测量装置接收到的测量输出信号，并控制所述马达(66)，使得所述工具(63)被带到旋转位置，其中在所述旋转位置，从所述位移测量装置接收到的所述测量输出信号具有预定的期望值。
14.一种位移测量装置(20)，其特征在于，包括保持霍尔传感器(37)的板状支撑基底(21)和安装在磁体壳体(36)中的磁体(35)，所述磁体壳体(36)围绕垂直于所述支撑基底的旋转轴线相对于所述支撑基底(21)具有旋转自由度。
15.一种用于调节权利要求14所述的位移测量装置(20)的方法，所述方法包括相对于所述支撑基底(21)旋转所述磁体壳体(36)的步骤。
16.一种具有辅助电动机的人类驱动车辆，所述辅助电动机用于提供与由人类驾驶员提供的驱动力相关的辅助驱动力，其特征在于，所述车辆包括用于测量由所述人类驾驶员提供的驱动力的力测量系统，所述力测量系统包括根据权利要求8-11中任一项所述的位移测量装置或根据权利要求12所述的力测量装置。
17.根据权利要求16所述的车辆，其特征在于，所述车辆是自行车。
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