CN1313505A - 压电扭矩传感器 - Google Patents
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Abstract
一具有最大应变敏感轴线的盘状压电晶体元件具有一对溅射沉积在相对表面上的电极。一对环形弹性衬垫设置在位于压电元件上的每个电极上,在每个衬垫子上设置一盖,分别在盖与电极之间形成一空气间隙,并组成一传感器组件。将被施加一扭矩的扭矩元件具有一预备区域,最好是凹入,设置在凹口中的组件的最大应变敏感轴线定向成相对于扭矩轴线成45度角。组件具有连接的引线,并用如环氧树脂这类应变传导封装化合物封装在凹口中。引线借助于一旋转可变电容耦合到一外部振荡电路上。
Description
本发明涉及扭矩传感器，特别涉及当一扭矩元件受到一变化的扭矩或转矩的作用时，用于提供扭矩应变的变化的电信号显示的传感器。这种传感器，特别是用于感应扭矩应变的传感器，在包括静态、半静态和动态扭矩变化的运行过程中，轴受到变化扭矩的作用的系统中，特别需要。这种应用包括用于车辆的转向轴，及电机或动力传动轴中的旋转轴。
到目前为止，用于轴的扭矩传感器使用设在轴上的磁体弹力元件，和用于当该磁体弹力元件受到扭矩应变时检测磁场变化的传感线圈。但是，将磁体弹力元件以一种能够可靠地将轴应变传导到磁体弹力元件上的方式连接到轴上是困难的，这产生了装置不能大量生产的问题。
使用压电元件的已知传感器使用的压电元件被机械限制并电联接以接收受到高脉冲负荷的压电元件的输出。这样的装置在授权给H.S.Lew的美国专利4,835,436中进行了表示和描述，且不适用于低扭矩应变率和低等级扭矩施加在扭矩元件上的情况，特别不适用于车辆转向轴的应用。
在诸如车辆转向轴的半静态应用中，还需要提供轴的角度移动的电显示；这在以前需要一个单独的角度位置传感器。
因此长期以来需要的是，提供一种方法或装置，以一提供高度敏感度和响应元件上扭矩应变变化的电信号输出的相对较高的分辨率的方式，对受到扭矩作用的元件上扭矩应变进行传感并提供电显示。还需要的是，提供一个这样的扭矩传感器，它可以提供旋转角度位置的电显示，在批量生产中容易制造和安装，并在使用中很耐用且制造费用相对较低。
本发明提供一种扭矩传感器，该扭矩传感器在一元件受到扭矩作用时提供了连续的扭矩应变的电显示。本发明的传感器使用一个压电元件，该压电元件封装在将产生应变的扭矩元件的预备区域中；该压电元件借助于一可变电容与一使用振荡器的外部检测电路电容耦合。该可变电容具有可变的电容，用于显示角度反映，从而不需要一单独的角度位置传感器。压电元件的电极被履盖，弹性绝缘衬垫在电极之间形成一空气间隙，盖形成一组件，以提高传感器在其共振频率上的信号输出。压电元件组件通过一应变传导封装介质固定在预备区域，最好是凹口中。在目前优选的实践中，检测电路包括一振荡器，并检测作为扭矩元件所受应变的测量的压电元件的共振频率。
本发明提供了一个制造简单和耐用的压电扭矩传感器，这种压电扭矩传感器成本相对较低，容易进行大批量生产，特别适于连接到一半静态应变元件，如车辆转向轴或旋转轴，如旋转动力传动轴或电机轴。
图1是安装在扭矩元件上的本发明传感器的投影视图；
图2是沿着图1中切线2-2的剖面视图；
图3是图1中传感器的分解视图；
图4是传感器另一实施例的分解视图；
图5是安装在一扭矩元件上的传感器另一个实施例的剖视图；
图6是安装了电容耦合的传感器的图像显示；
图7是图6中实施例的可替换设置；
图8是使用本发明传感器的系统电路的流程图；
图9是用于本发明安装传感器的系统电路图；
图10是沿图6中显示线10-10所取的提供角度位置的电容耦合电极的剖视图；
图11是用于显示角度位置的图7中旋转电极的投影视图；
图12是用于旋转角度位置传感的信号处理流程图；
图13是本发明一可替换实施例的透视图。
参照图1至3，一个传感器组件总体上用10表示，包括一压电晶体元件12，该压电晶体元件12具有一对例如通过将导电材料溅射在其上而形成在压电晶体元件12两相对面上的板或盘形式的电极14、16。在本发明目前的实践中，电极是由金材料制成；但可以理解，其它适当的导电材料也可以使用。一对弹性环形绝缘衬垫18、20设置在元件12相对的两侧；盖元件22、24设置在每个衬垫上并分别在每个衬垫18、20上对齐，从而在每个电极14、16上面限定一个空气间隙26、28。在目前的优选实践中，环形衬垫18、20由弹性材料制成；特别是，已经发现，如果硬度不超过肖氏A级硬度70丢洛的话，氟硅酮弹性体是令人满意的。盖元件22、24可以用适当的塑料或金属材料制成。组件10可以通过适当的粘接剂暂时固定在一起，例如，一种喷射粘性材料。引线30、32最好通过焊接，例如低温焊接分别连接到每个电极14、16上。
参照图1，一个扭矩应变元件34具有一形成在其中的凹口36，凹口36包含一个预备区域，组件10可以放入该预备区域中并通过由参考数字38表示的适当的衬垫从其底部支撑。组件10然后通过适当的应力传导封装化合物，如环氧树脂材料封装到凹口36中。在本发明目前的实践中已经发现，带有工作温度上限约500°F，弹性模数，最好在150℃至少为5.6×108PA，玻璃传导温度最好至少在150℃的环目胺或六氢化邻苯硬化剂型环氧树脂材料的双酚A型树脂是令人满意；但可以理解，其它封装材料也可以用作应变传导介质。应该理解，压电晶体元件12的边缘与用于在其间传导应力的封装材料直接接触。在本发明目前的实践中，已经发现由陶瓷材料制造衬垫38是令人满意的。组件10相对于预备区域36设置在中央。
在本发明目前的实践中，压电元件12将最大应变敏感性轴线设置成相对于扭矩元件34的纵轴线，或图1中用参考数字42表示的施加到元件34上的扭矩的轴线成大约45度角，该最大应变敏感性轴线由位于其圆周上的平面40识别，该平面40用于对带有边缘40的组件10进行定向。当组件10安装到凹口36中时，凹口中充满封装化合物，该封装化合的在硬化和熟化后具有足够高的弹性模量，从而在将应变从扭矩元件34传导到晶体元件12。
在本发明目前的实践中，扭矩元件由中碳钢，如SAE1045钢制成，且直径约.75英寸(19mm)；而凹口36是直径大约.60英寸(15.2mm)和深度大约.28英寸(7.1mm)的平底埋头孔的形式。但可以理解，扭矩元件34和传感器元件的特殊尺寸可以按照本发明的实践变化，其中凹口36的直径大约是扭矩元件34直径的80％。
参照图4，传感器组件一个可替换的实施例总体上由50表示，并包括一压电晶体元件52，该压电晶体元件52最好为大致盘形结构，并具有沉积在两相对侧上的电极层52、56。图4的实施例中具有设置在电极54、56上的弹性环形衬垫58、60；衬垫58具有大致矩形的剖面或垫圈结构。一对平的盘状或薄片构成的盖62、64分别设置在衬垫58、60上，分别在电极56、54表面与盖62、64的内表面之间限定了一空气间隙。
参照图5，示出本发明另一个实施例，其中总体上用70表示的传感器组件有一个电极沉积在其相对表面上的大致盘形结构的压电晶体元件72，其中一个在图5中示出，由参考数字74表示，其上面分别附有引线76、78。一对环形弹性衬垫80、82设置在电极上，一对薄片状盖84、86分别设置在衬垫80、82上。组件70安装在扭矩元件90的凹口88中；同时凹口充满了一种适当的应力传导封装材料92。组件70通过环绕其设置的适当的衬垫94与埋头孔88的底部保持一定距离。在本发明目前的实践中已经发现，用陶瓷材料形成衬垫94是满意的。
参照图6，本发明的扭矩传感器总体上用100表示，包括一个安装在位于一扭矩元件106中的凹口104中的传感器组件102。如果需要，传感器组件102可以包括组件10、50、70的结构中的任何一种，并通过应力传导封装装置(图6没有显示)放入预备区域中。
传感器组件102具有从封装材料延伸出来的引线108和110，引线108连接到一电容极板112上，该电容极板112安装在扭矩元件106上并在组件102的一侧轴向间隔开。其余的引线110与一相对设置的电容极板114联接，该电容极板114在组件102上与电容极板112相对的一侧轴向间隔开。可以理解，极板114可以类似地安装在扭矩元件106上，用于与之一起运动。
设置了第二对固定的电容极板，其中一个板用参考数字116表示，绕扭矩元件106对中设置并紧靠极板112轴向间隔开。极板116有一个连接到其电极表面上的引线117。该对中的另一个极板118相对于极板114轴向紧密设置。极板118在扭矩元件106外部由一个支撑结构或基座120支撑，并具有一个连接到极板118上的引线119，用于外部电路联接。以相似的形式，极板116在扭矩元件106的外部由一个支撑结构122支撑。所示极板116带有间隙孔124，扭矩元件106以完全间隙设置安装在间隙孔124中，从而元件106可相对于它自由旋转。可以理解，极板118相似地具有一个如图6中虚线所示的贯穿其中心形成的间隙孔，由参照数字126表示，从而元件106可相对于极板118自由旋转。如果需要，为了额外的布线电容，可使用大量电容耦合板对。
参照图7，示出使用本发明的扭矩传感器的系统的另一个实施例，总体上用130表示，包括一个其中具有凹口134的扭矩应变元件132，一个扭矩传感器组件136具有连接到其上并从此处延伸出来的引线138、140，传感器组件136安装在凹口134中，并用一应变传导封装材料(没有显示)封装在其中。
引线138连接到一个圆柱电极层142上，该圆柱电极层142设置在连接到扭矩元件132上的环形极板144上。一第二圆柱电极146设置在极板148上，该极板148连接到扭矩元件132上，并在与极板144相对的一侧与凹口134轴向间隔开。一外部环形支撑元件或环150由一外部固定支撑结构152支撑，并具有一设置在其内边缘上的第二圆柱电极154，该电极154在沿扭矩元件132同样的轴向位置设置在电极表面142的径向间隔中，这样电极142和154形成一个电容。极板电容154具有一与其联接的引线155用于外部电路联接。
一第二环形支撑结构或环156以与电极表面146相同的轴向位置设置，并由固定支撑底座158支撑。环形结构或环156有一个环绕其内边缘设置的电极极板或表面160，该电极极板160与电极表面146径向间隔开，与它一起形成一个环形电容。电极表面160还有一个连接到其上的电极头161，用于外部电路联接。
参照图8，用于本发明的电子检测系统的一个流程图显示出，扭矩传感器安装在扭矩元件上，并在100、130处电容耦合，包含总体上用10、50、70、102、136表示的组件中的任何一种，并通过引线117、155将固定电容极板116、154和118、160分别连接到一振荡器170上，该振荡器170的输出端与混合电容172的输入端连接。混合电容172在其另一输入端接收来自于一个参考振荡器174的输出信号，该参考振荡器174具有一与之连接的参考压电元件。混合电容172的输出由一个低通滤波器176传送，该低通滤波器176过滤出外差频率并提供一个信号，该信号包括漏电应变压电元件与参考压电元件171的输出之间的差，该信号通过一信号调节器178传送，该信号调节器178在其输出180将该信号转换成一系列脉冲。
参照图9，传感器100、130通过包括极板118、160的可变电容CC1及包括极板116、154和极板112、142的电容CC2提供输出。来自极板160、118和116、154的输出连接到振荡器170的输入端182、184上。振荡器170利用连接到开关Q1基部的电阻R1、R2和电容C1-C3及二极管D1、D2，开关Q1的输出端连接到L1并通过R5连接到混合电容172的一输入端。
一个参考压电元件或者晶体171连接到参考振荡器174的输入端186、188上，该振荡器174包括连接到开关Q2基部的二极管D3、D4和电阻R3、R4及电容C2、C5-C6，开关Q2的输出端连接到L2并通过R6连接到混合电容172的另一输入端。
振荡器170在端子190、192处从电源198接收一个供电电压Vcc，振荡器174在端子194、196处由来自电源198的Vcc供电，电源198具有电压输出端VccA、 B、C并包括装置U2，线圈L3、L4及电容C11、C12和C13。
混合电容172向低通滤波电路176提供一个输入，低通滤波电路176包括电容C8，电阻网R7至R13及电容C10和装置U1A。滤波网176向比较器U1B提供输入，用于在其输出端180将该信号调节成一系列正频率模数脉冲。混合电容输出的频率变化因此显示了在扭矩元件中的扭矩应变的变化。下面的表Ⅰ中列出来电路组件的值。
| 表Ⅰ | |||||
| 电容 | 微法 | 电阻 | 欧姆 | 装置 | 型号 |
| CC1-2 | 15微微法 | R1,4 | 390 | D1-4 | 1N148 |
| C1,2,9,10 | 100微微法 | R2,4 | 130K | Q1,2 | 2N3904 |
| C3,5 | 47微微法 | R5,6 | 1K | U1A,1B | MC34072 |
| C4,6 | 0.1 | R7,8 | 1.0K | U2 | 78L05 |
| C7 | 47微微法 | R9 | 10K | MRX | SRA-1(微电路) |
| C8 | 0.22 | R10,11 | 1.15K | L3,4 | 4.7微亨 |
| C11-13 | 0.33 | R12 | 39.2K | MI | SRA-1 |
| R13 | 37.4K | XTAL | NE612(菲利普) | ||
工作过程中，压电元件100、130和参考元件171分别放置在单独的振荡器170、174的反馈回路中；扭矩应变下压电元件性质的变化将导致输出频率的相应转换。参考振荡器174的频率选择为接近无应力传感压电元件的频率，从而在两者之间有一偏差。两振荡器170、174的输被输入到混合电容172中，混合电容172产生的外差频率包括振荡器输出的和、差及乘积。混合电容172仅通过两振荡器输出的差值。参考振荡器174被调谐成当压电元件处于零扭矩应变时振荡器170的输出有一偏差。本发明设置的优点在于，只有在千赫兹范围内的低频信号需要处理；因而电路的成本降到了最小。在本发明目前的实践中，压电元件具有一个大约5兆赫兹的共振频率，振荡器有一个大约15兆赫兹的频率。这样压电晶体元件频率的变化就很容易用不太昂贵的电路进行检测。
参照图10，所示可变电容极板114在它上面有一个由参考数字115表示的具有螺旋形边缘的电极表面115，该电极表面115与位于固定板118上的具有径向边缘的扇形电极(没有显示)合作，产生一个指示极板114的旋转或角度位置的线性斜面输出。
参照图11，示出了图7中实施例的旋转极板144，其中电极142具有一个在电极142上具有变化的轴向宽度的螺旋或轴向斜面边缘143，并因而在极板144旋转时向电容提供了一个线性斜面输出或电容值，从而提供了极板144相对于固定环150的角位置的电显示。本发明的电容耦合因而包括一个固有设备，用于提供表示扭矩元件角度或旋位置的电信号。可以理解，斜面电极可以可替换地设置在用于电容的固定电极上。同样可以理解，尽管仅对其中一个电容示出斜面电极，但两个电容都可以这样设置，从而提供一个信号，该信号或者通过矢量和技术或者通过比率，将两个电容中的电容变化进行平均。
参照图12，示出用于角位置传感的电信号处理的流程图，其中在步骤200，电容被压电元件刺激；在步骤202，一个矢量耦合由第一和第二电极对的电容形成。在步骤204，监测电路或检测电路将电容转换成电压或数字逻辑信号。从步骤204产生的电压或逻辑信号通过步骤206的算法运转，其中两电极对的电容之差被确定并用作角位置指示器。可替换地，可采取两电极对的电容比率并用于指示角位置。
参照图13，示出图1中设置的一可替换实施例，其中传感器组件10′连接到一预备区域中，或包含形成于扭矩元件34′端部中的凹口36′。
本发明因此提供了一种独一无二的和新型的扭矩传感器，该扭矩传感器利用一压电元件，该压电元件的最大应变敏感轴线定向成相对于受到所施加扭矩的扭矩元件的轴线成大约45度角。压电元件夹在盖之间，盖通过弹性衬垫在电极上提供了一个空气间隙，并封装在形成于扭矩元件中的凹口中。从压电元件出来的引线通过一同样用作可变位置角传感器的可变电容联接到一外部固定检测电路上。本发明的设置有利地提供了一个传感器，该传感器组装简单，制造费用低，耐用同时提供了一个相对较高的扭矩敏感性和信号分辨率。
尽管本发明此处是相对于图解实施例进行描述的，但可以理解，发明可进行修改和变化，并仅由下述权利要求限定。
Claims (25)
1、一种制造扭矩传感器的方法，包括：
(a)在一适于通过施加扭矩而产生应变的扭矩元件的表面上形成一预备区域；
(b)提供一压电元件，该压电元件具有一最大应变敏感度轴线，并在上述元件的每个相对表面上设置一对电极，并在每个电极上连接一引线；
(c)将引线与上述电极联接；
(d)将上述元件设置在上述预备区域上，将上述敏感轴线在上述元件上定向，并用从包括(ⅰ)粘性材料，和(ⅱ)封装材料的组中选择的材料将上述元件固定到上述预备区域上。
2、如权利要求1限定的方法，其中上述设置压电元件的步骤包括将上述压电元件构造成板形结构，并在上述板形元件的每个相对表面上设置一弹性环形元件，用一保护盖盖住每个上述环形元件。
3、如权利要求1中限定的方法，其中上述形成预备区域的步骤包括从上述扭矩元件表面去除材料。
4、如权利要求1中限定的方法，其中上述形成预备区域的步骤包括去除材料并形成一凹口。
5、在权利要求1中限定的方法，其中上述形成预备区域的步骤包括在环形元件外表面上形成一平面区域并将上述环形元件连接到将通过施加扭矩而产生应变的轴上。
6、如权利要求1中限定的方法，其中上述形成预备区域的步骤包括在轴的末端形成一凹口。
7、如权利要求1中限定的方法，其中上述形成预备区域的步骤包括在轴的外表面上形成一凹口。
8、如权利要求1中限定的方法，其中上述形成预备区域的步骤包括从轴的外表面上去除材料。
9、如权利要求1中限定的方法，其中上述对最大应变敏感轴线进行定向的步骤包括将上述轴线定向成相对于上述施加扭矩的轴线成大约45度角。
10、如权利要求1中限定的方法，其中上述设置压电元件的步骤包括形成一包括压电薄片的封壳，该压电薄片在其相对侧具有一对电极，每个相对侧具有一环形密封件，一保护盖盖住每个密封件。
11、如权利要求1中限定的方法，其中上述设置压电元件的步骤包括在上述元件的每个相对面上设置一弹性环形密封件，并用一由聚四氟乙烯(PTFE)材料制成的盖子盖住每个密封件。
12、如权利要求1中限定的方法，还包括将上述引线电容耦合到外部检测电路上。
13、如权利要求1中限定的方法，还包括用一电容将一外部检测电路旋转耦合到到上述引线上。
14、如权利要求1中限定的方法，还包括将一振荡器电路电容耦合到上述引线上。
15、如权利要求1中限定的方法，还包括电容耦合到上述引线上，改变其电容，并与其一起显示旋转角度位置。
16、一种对施加到一扭矩元件上的扭矩进行传感的方法，包括：
(a)将一压电元件封装在上述元件上；
(b)将上述元件电容耦合到一检测电路上，并且当在上述元件上施加扭矩时，检测由上述元件产生的电压衰减到一预定水平的时间；及
(c)通过使上述衰减时间与所施加扭矩和衰减时间的已知值发生关联而确定所施加的扭矩。
17、如权利要求16限定的方法，其中上述电容耦合的步骤包括耦合到一振荡器电路上。
18、如权利要求16限定的方法，其中上述将一检测电路联接到上述元件上的步骤包括绕上述扭矩元件设置一转动电容耦合。
19、如权利要求16限定的方法，其中上述封装步骤包括用一保护盖盖住上述压电元件。
20、如权利要求16限定的方法，其中上述封装步骤包括在上述预备区域上对上述元件进行对中。
21、一种对施加在一扭矩元件上的扭矩进行传感的方法，包括：
(a)用一应变传导介质将一压电元件连接到上述元件上；
(b)将一检测电路电容耦合到上述元件上，并检测上述元件的共振频率，作为施加在上述元件上的应变的显示；
(c)通过使上述频率变化与所施加扭矩和频率相关联而确定所施加的扭矩。
22、如权利要求21限定的方法，其中上述电容耦合步骤包括将上述元件耦合到一振荡器电路上。
23、按照权利要求1的方法制造的扭矩传感器，包括；
(a)一具有一对间隔电极的压电元件，每个电极上有一盖，每个盖具有一设置在上述盖与上述元件之间的弹性绝缘衬垫，并在上述盖与上述电极之间限定一空气间隙；
(b)一扭矩元件，该扭矩元件适于通过一施加的扭矩而产生应变，并在其上具有一个预备区域；
(c)用一应变传导封装材料将上述组件固定在上述预备区域中；
(d)其中上述电极以一非接触设置与一外部振荡电路电容耦合，共振频率的变化被检测作为扭矩应变的显示。
24、如权利要求23所限定的扭矩传感器，其中每个上述电极联接到一设置在上述扭矩元件上的单独充电板上。
25、如权利要求23所限定的扭矩传感器，其中每个上述电极与一可变电容联接，提供一指示其角位置的输出。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |