TW201115129A - Torque sensing device - Google Patents

Description

201115129 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係與車輛的扭力感測有關，並且特別地，本發 明是關於一種可提高車輛的轉向軸剛性且成本低廉的扭力 感測裝置。 【先前技術】 近年來，由於車輛發展日新月異，及輔助行車安全的 車用電子相關產品亦不斷推陳出新的情況下，所以車輛行 車系統設置各種辅助駕駛者行車安全的電子裝置比例亦逐 步提高。 二般來說’電動辅助轉向系統(Electric power steering， EPf)係在機械轉向系統增設辅助動力。該電動辅助轉向系 、、先此夠根據行車速度及車輛方向盤的扭力訊號使得輔助動 力產生相對應的額及大小之伽扭力，財效提升車輛 二.：、田％得鱿的扭力感測裝置通常是屬於非接觸3 感雜置’―般採肢磁阻感測元件纽計的扭; =置均是以量轉向軸的旋轉肖度為主。除此之外 巨磁阻感測元件之間產生的轉角差時，必須i 木絲梓。由於扭力桿具有較易彈性變形的特性，所J m扭力之作用時’扭力桿的兩端即會產生4 差計算出;向根據揚氏係數理論對該轉; 201115129 若以扭力桿當成轉向軸承受扭 【發明内容】

藉由姉城卿置， 向時產_二力值=::: 、>ί-ΪΪ=具體實施例，本發明之扭力感測裝置係用以感 測-轉向―軸之扭力值’扭力感測裝置包含第一巨磁阻感測 元件第一巨磁阻感測元件、轉動線模組及控制電路模 於此實施例中，第一巨磁阻感測元件係設置於轉向軸 上且與轉向軸之中心軸線相差一第一角度，且第二巨磁阻 感測元件相對第一巨磁阻感測元件設置於轉向軸上且與該 轉向軸之中心軸線相差一第二角度。第—巨磁阻感測元件 與第二巨磁阻感測元件分別根據轉向軸之轉動方向產生第 一訊说及第一訊號。其中’第一角度為正0〜90度且第二 角度為負〇〜90度，致使第一巨磁阻感測元件與第二巨磁 阻感測元件係彼此相對地設置於轉向軸上。 201115129 於此實施例中，轉動線模組係耦接第-巨磁阻感測元 件及第二巨磁阻感測元件，轉動線模組用以傳送第一訊號 及第二訊號，並根據轉向軸之轉動方向相對應地產生彈^ 變化。控制電路模組_接轉動線模組，控制電路模组用 以根據第一訊號及第二訊號判斷轉向軸之扭力值。 綜上所述，本發明提供之扭力❹樣㈣運用轉動線 模組取代傳統上_的扭力桿，並由轉動雜組搭配直接 貼合於車輛轉向軸表面的至少兩個巨磁阻感測元件，使得 本發明之扭力感職置構造更為㈣，且成本較為低廉。 虽本發明之扭力感測裝置裝設於車體時，無須特別考處車 輛空間設計即可順難設於車體中；並且其可轉動範圍符 合車輛轉向軸之轉_圍，使得車輛之轉向軸的剛性能夠 提升。 關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及 所附圖式得到進一步的瞭解。 【實施方式】 請參見圖一，圖一係繪示根據本發明之一具體實施例 之扭力感測裝置2的示意圖。如圖一所示，扭力感測裝置 2 包含第一巨磁阻(GiantMagneto-Resistance, GMR)感測元件 2〇、第一巨磁阻感測元件22、轉動線(clock-spring)模組24及 控制電路模組26。 於此實施例中，第一巨磁阻感測元件20係設置於轉 向軸3上且與轉向軸3之中心軸線相差第一角度0 ;第二 201115129 巨磁阻感測7L件22 ；}：目對第—巨雜感測元件2Q設置於轉 向軸^上且與轉向轴3之中心轴線相差第二角度其 中’第-巨磁1^且感测元件2〇與第二巨磁阻感測元件22將 會根據轉向軸3之轉動方向分職生第—訊號及第二訊 號。 接下來’將就巨磁阻之相關原理進行介紹。一般而 言’巨雜大致可分類為金屬多層膜(MUlti-layer)、自旋 閥(Spin-Wve)及非均值鐵磁合金((}服此加麵即咖 System)。巨磁阻效應一般發生於非鐵磁性(例如&、&、 ^和Au)及鐵磁性(例如c〇、&和Ν〇的多層膜系統中。 ϋ當线是藉由非磁性層改變雜層的磁交換 2 V致自由電子產生各種等級的散射而發生巨磁阻效 _兩種^ 1 旋(_ d〇Wn)與向上自旋(_ 卩)兩種1^，§鐵磁層的磁矩因外在 上述兩種型態的自由電子推人钟#爲立十订時 率。舉例Μ 鐵層將產生列散射機 :于^自“子在綱射散賴較，絲雜值大千 相反地，若自由電子自旋方向盥 ’ 率小表示f阻值小。 ，、矩方向_，則散射機 巨磁阻感測元件的電阻變化係根據 角作用，且橫向磁阻與縱向磁阻 /、’該巨雜_元件結構如同三㈣結構 鐵磁層中㈣麵鐵磁層。需躲意的是，當巨磁阻多^ 201115129 膜，『磁’鐵磁膜間的磁矩是 當巨磁阻多層膜在高外加磁 ^尤3产上=插Ϊ均平订磁場方向排列’ m常磁阻的變 化就疋扣上述兩種情況之間所產生 加磁場和電流相對方向無關，：具有正負效應且二 般來6兒，磁阻變化率約為1〇%。 、 。〜90其卢中致1;角Γ為正。〜90度且第二角料為負 乂度致使第一巨磁阻感測元件2〇與第二巨磁阻感測 =件22係彼此相對地設置於轉向轴3上，但不以此為 ，此實補巾，當轉向軸3受到扭力運料，且已知 =向=3的表面彡脉受任诚_最 =1元件(2…2)貼於轉向軸3的外表面以ii 里測轉向軸3受到最大剪應力的影響程度。 項 Λ於日測元件(20 * 22)貼合於轉向輛3的 度面時，可透過莫關轉換求得最大拉應力或壓岸 力’因此，本發明選擇以45度角貼合 ^ 感測裝置2可精準地擷取訊號，二Λ吏 壓U巨磁阻感測兀件均能感測到實際所受到之拉應力或 於實際應財，本發明透過機械加工程序將轉向袖3 側的圓弧面磨平，以於—平面3G上產生第—凹槽及第 ^凹槽’或者使第—凹槽及第二凹槽分別位於不同平面 上，再分別將第-巨磁阻感測元件2G與第二巨磁阻感 201115129 測元件22設置於轉向軸3上的第一凹槽及第二凹槽。 更精確來說，巨磁阻感測元件(20及22)並未侷限於 僅能設置在轉向軸3的同一平面30上，實際上，轉向軸 3之外表面90度或180度的相對位置亦可額外形成平面 30以設置巨磁阻感測元件(20及22)。因此，設置於轉向 軸3外表面之巨磁阻感測元件數量並不以此實施例為限， 應視實際需求或設計而定。 此外，第一巨磁阻感測元件2〇及第二巨磁阻感測元 件22均可為薄膜之型式，故能夠輕易地設置於轉向轴3 之平面30上，且不會影響轉向軸3的高速轉動。 、至於轉動線(clock-spring)模組24係耦接第一巨磁阻 感測元件20及第二巨磁阻感測元件22，轉動線模組％ 係用以傳送第—訊號及第二訊號，並根據轉向軸3的轉動 方向相對應地產生彈性變化。 於實際應用中，轉動線模組24本體係裝設於車體 一其連接第一巨磁阻感測單元20及第二巨磁阻感測單 内3之„導線可隨著轉向軸3轉動方向而使轉動線模組24 :的彈性體產生I縮或放鬆的仙，故使得導線不會因 ~轉向軸3轉動而造成導線折損或斷裂。 力产本發=係_轉動線模組Μ來取代先前技術中的扭 得^ I Ϊ論是轉動線模組24的體積或重量均較扭力桿來 重量輕因此，本發明之扭力感測裝置2能夠具有體積小及 里二之優點。再者，由於本發明之扭力感測裝置2並未 201115129 體的機械剛性亦能維持而不 採用扭力桿，所以轉向軸3整 會被破壞。 控制電路模組26輕接轉動線模組24，控制電路模 26用以根據第—訊號即第二訊號判斷轉向軸3之實際^ 力值。實際上，控制電路模組26耦接轉動線模組％ 定於車體内m端的連麟為蚊導線並 向軸3轉動而產生變化。 轉 於此，施例中，控制電路模組26可細分為處理電路 及計算電路脱。其中，處理電路係用以比較第 -訊號及第二訊號而產生應變量，接著，計算電路262係 用以接收應變量並轉換成電壓訊號關斷轉向軸3承受之、 扭力值。 由於，轉向軸3上之巨磁阻感測元件(2〇及22)係以 相對方式貼合，故巨磁阻感測元件(2〇及22)可進行位置 比例(P^m〇n Rati0)的補償。再者，由於轉向軸3之轉動 f向使仵第一巨磁阻感測元件2〇及第二巨磁阻感測元件 2產生不同方向的扭力，所以巨磁阻感測元件(2〇及 將會產生具有補償雛之第—訊號及第二訊號。 拖4控制Ϊ路模組26對第—訊號及第二訊號進行訊號轉 、^，使得車輛的行車電腦或處理器可得知轉向軸3實際 又的扭力值，所以車輛電子系統在車輛轉向時，除可維 '供給駕駛者固定的轉向力，亦能判斷辅助的轉向力是否 =達到^大的額定輸出’使得該車輛的電子轉向系統之運 更可罪、準確與靈敏，並且有效提升駕駛人開車時的行 201115129 車安全。 相較於先前技術，本發明之扭力感測裝置係 線模組取代傳統上所採用的扭力捍，並由轉動線模^動 f接貼合於車輛轉向軸表_至少兩個巨雖感测元 扭力感測裝置具有構造簡單及成本低廉等優 f °备本發明之扭力制裝置《設於車料，I須特別考 慮車輛空間設料可順設於車财。此外，由於其可 ^動範圍符合車輛轉向軸之轉動，故㈣使得車輛的 轉向軸之剛性獲得提升。 ^藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚 知述本發明之特徵與精神’而並非m述賴露的較佳具 =實=例來對本發明之範嚕加以限制。相反地，其目的是 望處涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請 之專利範圍的範疇内。

11 201115129 【圖式簡單說明】 圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之扭力感測裝 置的示意圖。 【主要元件符號說明】 2 :扭力感測裝置 20 :第一巨磁阻感測元件 22 :第二巨磁阻感測元件 24 :轉動線模組 參 26 :控制電路模組 262 :計算電路 30 :平面 θ2 :第二角度 260 :處理電路 3 :轉向軸 Θ :第一角度

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Claims (1)

1. 201115129 七、申請專利範圍： 、 種扭力感測裝置，用以感測一轉向軸之一扭力值，該 扭力感測裝置包含： 人 一第一巨磁阻(Giant Magneto-Resistance, GMR)感測元 件，δχ置於該轉向軸上且與該轉向軸之中心軸線才目 差一第一角度，該第一巨磁阻感測元件根據該轉向 軸之一轉動方向產生一第一訊號； 一第二巨磁阻感測元件，相對該第一巨磁阻感測元件 S又置於該轉向轴上且與該轉向軸之中心軸線相差〜 第二角度，該第二巨磁阻感測元件根據該轉向軸之 該轉動方向產生一第二訊號； 一轉動線(clock-spring)模組，耦接該第一巨磁阻感挪 元件及該第二巨磁阻感測元件，該轉動線模組用以 傳送該第一訊號及該第二訊號，並根據該轉動方向 相對應地產生一彈性變化；以及 控制電路模組，耦接該轉動線模組，該控制電路模 • 組用以根據該第一訊號及該第二訊號判斷該轉向^ 之該扭力值。 2、 如申請專利範圍第1項所述之扭力感測裝置，其中該苐〜 角度為正〇〜90度且該第二角度為負〇〜9〇度，致使該第二 巨磁阻感測元件與該第二巨磁阻感測元件係彼此相 設置於該轉向軸上。 3、 如申請專利範圍第1項所述之扭力感職置，其中當該轉 向軸依照該轉動方向轉動時，言亥第一巨磁阻感測^受 13 201115129 到拉應力或壓應力而產生變化以輸出該第一訊號。 4、 如申請專利範圍第1項所述之扭力感測裝置，其中當該轉 向軸依照該轉動方向轉動時，該第二巨磁阻感測元件受 到拉應力或壓應力而產生變化以輸出該第二訊號。 5、 如申請專利範圍第1項所述之扭力感測裝置，其中該控制 電路模組包含一處理電路及一計算電路。 6、 如申請專利範圍第6項所述之扭力感測裝置，其中該處理 電路係用以比較該第一訊號與該第二訊號而產生一應變 鲁 量。 7、 如申請專利範圍第6項所述之扭力感測裝置，其中該計算 電路係用以接收該應變量並轉換成一電壓訊號以判斷該 轉向軸承受之該扭力值。 8、 如申請專利範圍第1項所述之扭力感測裝置，其中該第一 巨磁阻感測元件與該第二巨磁阻感測元件係分別設置於 該轉向軸之一平面上的一第一凹槽及一第二凹槽。 鲁 9、 如申請專利範圍第1項所述之扭力感測裝置，其中該第一 巨磁阻感測元件與該第二巨磁阻感測元件均為薄膜之型 式。 14