TW201946830A - 載具運轉參數之檢測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供載具運轉參數之檢測裝置。套管受力形變，令套管上磁性材料之磁導率改變，線圈產生相對應之感應電動勢，分析可得到一對應力矩值。磁環表面磁通密度分布在一相同極性區域內具有部分為一嚴格遞增或遞減函數之特性，令第一或第二霍爾感測器輸出相應一類比式電壓值可對應中軸之位置角度值。磁環可被中軸旋轉帶動，令空間中磁通密度分布產生變化，第一或第二霍爾感測器輸出之電壓產生相應變化，分析可得到中軸之位置角度值或旋轉角度值，取其隨時間之變化值可得到中軸之轉動速度值。藉此，可回饋準確之載具運轉參數，增進騎行體驗。

Description

載具運轉參數之檢測裝置

本發明係關於載具運轉參數之檢測裝置；更特別言之，係關於一種機車、自行車或三輪車的中軸之力矩、位置角度、轉動角度及轉動速度之檢測裝置。

騎乘自行車、機車或三輪車基於其環保、節能、成本不高及易於實施之特點，已成為現代人所日益重視之運輸、通勤、休閒或競技運動重要工具。自行車、機車或三輪車種類繁多，其中電動化、電動助力化或智能化的產品，基於其環保無污染、可提升電機助力效能或可智能指引提升踩踏蹬效率之特性，因此廣受歡迎。習知電動助力車或自行車功率計等產品，主要是透過偵測踩踏蹬力矩或曲柄轉速而智能地提升騎行效率及舒適度。

舉例而言，上述偵測力矩型式之一種電動自行車中，多使用霍爾感測器感測中軸轉速及踩踏蹬之力矩。此種型態的感測器一般設置於電動自行車之中軸或牙盤等旋轉部件表面。當電動自行車踩踏蹬時，中軸或牙盤因受到力矩作用而產生相應之扭轉形變，而霍爾感測器產生相對應於扭轉形變的 電訊號變化，再經分析處理後，即可控制電機馬達之輸出助力。然而，此種感測裝置基於其感測器之設置位置及數位輸出後分析的方式，準確度較差，導致騎行感覺不佳。

因此，市場上仍須發展一種可同時準確測得自行車、電動自行車、非電動自行車、電動機車、非電動機車、電動三輪車或非電動三輪車等載具之多種重要運轉參數的檢測裝置。

本發明目的，係在於提供一種能夠同時檢測中軸雙邊力矩、位置角度、轉動速度及功率之載具檢測裝置，並且具有高可靠度及量測的一致性，量測資料可具備較高解析度及較佳精度。

本發明係提供一載具運轉參數之檢測裝置，其係透過套管受力產生形變，令套管表面磁性材料之圖案化形狀產生變化，進而造成磁導率變化，令線圈感應產生相對應之感應電動勢，藉由量測線圈電壓值可獲得對應之中軸力矩值。此外，固定在中軸的磁環，其表面磁通密度分布在一相同極性區域內具有部分為一嚴格遞增或遞減函數之特性，令第一或第二霍爾感測器輸出相應一類比式電壓值對應中軸之位置角度值。再者，磁環被中軸旋轉帶動，令空間磁通密度分布產生變化，令第一或第二霍爾感測器輸出之電壓相應產生變化，分析電壓變化可得到中軸對應之旋轉角度值，再取旋轉角度值隨時間之變化值可得到中軸對應之轉動速度值。

藉此，本發明技術可準確獲得電動載具或非電動載具在運轉時之重要參數，進而可準確控制輔助動力輸出，增進騎行舒適度。

於一實施方式中，一載具運轉參數之檢測裝置包括一中軸、一左曲柄、一右曲柄、一套管、一磁性材料、一線圈、一磁環、一第一霍爾感測器以及一電訊號處理單元。中軸係配設於載具之一五通管內。左曲柄及右曲柄分別固設於中軸相對兩端。套管套設於中軸上。磁性材料不用膠貼地環繞於套管上而形成一圖案化形狀。線圈環繞磁性材料，其用以檢測磁性材料之一磁性變化。磁環固定在中軸。第一霍爾感測器對應於磁環，檢測磁環表面之一磁通密度數值與變化。電訊號處理單元電性連接線圈及第一霍爾感測器以收發和運算相關一電訊號。其中左曲柄及右曲柄分別對中軸產生一力矩，連動套管產生形變，藉此改變於磁性材料之一磁導率，令線圈產生相對應一感應電動勢，而生成一電壓值，電訊號處理單元分析電壓值而得到一力矩值。磁環為中軸旋轉帶動，令磁通密度分布產生變化。第一霍爾感測器輸出之一電壓產生相應變化，電訊號處理單元分析電壓之變化而得到中軸之一旋轉角度值。電訊號處理單元計算一單位時間內之旋轉角度值變化量而得到中軸之一轉動速度值。

上述檢測裝置中，磁性材料係可以一熔射、一噴砂、一滾壓機械加工、一滾切機械加工、一粉末冶金或一鑲嵌加工形成圖案化形狀。

上述檢測裝置中，圖案化形狀係可呈人字形或Z字形。當圖案化形狀呈人字形，可分隔成各自包含多個平行條紋之二區域，且二區域內之條紋平行方向不同，各區域內之條紋之邊段可相互連接或斷開。當圖案化形狀呈Z字形，可分隔成各自包含多個平行條紋之三區域，且三區域中，位於中央區域內之條紋與其相鄰二區域內之條紋平行方向不同，各區域內之條紋之邊段可相互連接或斷開。

上述檢測裝置中，各條紋之一切線與套管之一轉動軸中心線之一垂直線間，形成一夾角。夾角範圍可介於20度~70度或110度~160度之間。

上述檢測裝置可更包含一牙盤。牙盤套設於中軸上。套管之一端連接至中軸，套管之另一端直接連接或經由一轉接件連接至牙盤。

上述檢測裝置中，線圈可為一組、兩組且其繞線方向相反、兩組且其繞線方向相同或三組。

上述檢測裝置中，磁環表面之磁通密度分布呈部分為一單調遞增函數或一單調遞減函數。更佳地，磁環表面之磁通密度分布在一相同極性區域內呈部分為一嚴格遞增或遞減函數。上述嚴格遞增或遞減函數之波形可呈弦波或三角波。

上述檢測裝置中，第一霍爾感測器係採用一線性型式且對應磁環，第一霍爾感測器輸出之電壓之波形可部分呈一單調遞增函數或一單調遞減函數。更佳地，第一霍爾感測器在對應磁環之一相同極性區域所輸出之電壓之波形，呈部分 為一嚴格遞增函數或一嚴格遞減函數。上述波形可呈一弦波或一三角波。

上述檢測裝置中，磁環包含二磁極，將第一霍爾感測器輸出之電壓，結合對應電壓之波形之斜率，唯一對應磁環之一位置角度值。

上述檢測裝置中，磁環與左曲柄或右曲柄固定地以一角度組裝，第一霍爾感測器對應左曲柄或右曲柄的位置角度，輸出一組唯一的電壓值及對應電壓值處之波形之斜率。

上述檢測裝置中，磁環表面之磁通密度分布可呈一凹波形或一梯波形。

上述檢測裝置中，第一霍爾感測器採用一開關型式。

上述檢測裝置中，可更包含一第二霍爾感測器。第二霍爾感測器與第一霍爾感測器以周向間隔一圓周角度的方式排列，或第一霍爾感測器與第二霍爾感測器以輸出電壓波形相差一相位角度的方式排列。上述圓周角度或相位角度可為90度。第二霍爾感測器可採用一開關型式或一線性型式。

上述檢測裝置中，磁環可採用膠貼或注射模塑成型在中軸表面。

上述檢測裝置中，中軸與套管之間可設置有一塑膠承座。線圈之週邊可設置有防電磁干擾之一屏蔽罩。

上述檢測裝置中，中軸之一端設置一左軸承，中軸之另一端設置一右軸承，左軸承上套設一左牙碗，右軸承上 套設一右牙碗，中軸藉由左軸承、左牙碗、右軸承及右牙碗固定在五通管內。套管右側或左側與中軸之間可設置一墊片。

另一實施方式中，一載具運轉參數之檢測裝置包括一中軸、一左曲柄、一右曲柄、一套管、一磁性材料、一線圈、一磁環、至少二霍爾感測器以及一電訊號處理單元。中軸係配設於載具之一五通管內。左曲柄及右曲柄分別固設於中軸相對兩端。套管套設於中軸上。磁性材料不用膠貼地環繞於套管上而形成一圖案化形狀。線圈環繞磁性材料用以檢測磁性材料之一磁性變化。磁環與中軸同步轉動，磁環表面於一二維空間或一三維空間之一磁通密度分布，呈至少一曲線軌跡，曲線軌跡對應之一磁通密度變化呈部分為一單調遞增函數或一單調遞減函數。霍爾感測器，係對應於磁環，檢測磁環表面於二維空間或三維空間之磁通密度數值與變化。前述霍爾感測器位置可相異，或位置相同但相互擺放方向不同。電訊號處理單元電性連接線圈及霍爾感測器，以收發和運算相關一電訊號。其中左曲柄及右曲柄分別對中軸產生一力矩，連動套管產生形變，藉此改變於磁性材料之一磁導率，令線圈產生相對應之一感應電動勢，而生成一電壓值，電訊號處理單元分析電壓值而得到一力矩值。磁環為中軸旋轉帶動，令磁通密度分布產生變化，前述霍爾感測器輸出複數電壓值，組合呈部分為一單調遞增函數或一單調遞減函數，以擴增檢測一維、二維或三維磁通密度。電訊號處理單元分析前述電壓值與變化量而得到中軸之一位置角度值或一旋轉角度值。電訊號處理單元計算一單位時間內之旋轉角度值變化量而得到中軸之一轉動速度值。

上述檢測裝置中，磁性材料係可以一熔射、一噴砂、一滾壓機械加工、一滾切機械加工、一粉末冶金或一鑲嵌加工形成圖案化形狀。

上述檢測裝置中，磁通密度變化在對應磁環之一相同極性區域內，呈部分為一嚴格遞增函數或一嚴格遞減函數。

上述檢測裝置中，此些霍爾感測器輸出複數電壓值，組合成對應磁環之一相同極性區域內呈部分為一嚴格遞增函數或一嚴格遞減函數。

1‧‧‧中軸

11‧‧‧左曲柄

12‧‧‧右曲柄

2‧‧‧套管

21‧‧‧牙盤

3‧‧‧磁性材料

210‧‧‧屏蔽罩

220‧‧‧左軸承

230‧‧‧左牙碗

240‧‧‧墊片

250‧‧‧右軸承

260‧‧‧右牙碗

33‧‧‧條紋

4‧‧‧線圈

5‧‧‧磁環

6‧‧‧第一霍爾感測器

7‧‧‧電訊號處理單元

41‧‧‧塑膠承座

51‧‧‧呈正弦波形狀之表面磁通密度

52‧‧‧呈二正交方波形狀與正弦波形狀之電壓

53‧‧‧呈兩二正交正弦波形狀之電壓

54‧‧‧呈凹波形之表面磁通密度

55‧‧‧呈梯波形之表面磁通密度

61‧‧‧第二霍爾感測器

200‧‧‧套管表面

300‧‧‧條紋

510‧‧‧呈正弦波形狀之電壓

520‧‧‧呈二極正弦波形狀之表面磁通密度

530‧‧‧呈二極正弦波形狀之電壓

540‧‧‧呈方波形狀之電壓

550‧‧‧電壓

700‧‧‧夾角

701‧‧‧夾角

800‧‧‧第一組態

801‧‧‧第二組態

802‧‧‧第三組態

803‧‧‧第四組態

804‧‧‧第五組態

L1‧‧‧垂直線

L2‧‧‧轉動軸中心線

L3‧‧‧切線

第1圖係繪示本發明一實施例之自行車運轉參數之檢測裝置結構分解示意圖；第2圖係繪示第1圖中之檢測裝置之應用組合狀態圖；第3圖係繪示第2圖中之檢測裝置之部分剖面圖；第4圖係繪示本發明檢測裝置之套管及其上磁性材料之圖案化形狀的斜視圖；第5圖係繪示本發明檢測裝置之套管及其上磁性材料之圖案化形狀之正視圖；第6圖係繪示第5圖中之磁性材料之圖案化形狀之條紋與垂直線間形成夾角之示意圖；第7圖係繪示第5圖中之磁性材料之另一圖案化形狀之條紋與垂直線間形成另一夾角之示意圖； 第8圖係繪示本發明之呈人字形之圖案化形狀之一排列方式；第9圖係繪示本發明之呈Z字形之圖案化形狀之一排列方式；第10圖係繪示本發明之呈人字形之圖案化形狀之另一排列方式；第11圖係繪示本發明之呈Z字形之圖案化形狀之另一排列方式；第12圖係繪示本發明之呈Z字形之圖案化形狀又一排列方式；第13A圖係繪示第1圖中之檢測裝置之磁環、中軸及第一霍爾感測器之相對位置之左側視圖；第13B圖係繪示第13A圖中之磁環、中軸及第一霍爾感測器之相對位置之正視圖；第14A圖係繪示本發明另一實施例中，磁環、中軸、第一霍爾感測器及第二霍爾感測器之相對位置之左側視圖；第14B圖係繪示第14A圖中，磁環、中軸、第一霍爾感測器及第二霍爾感測器之相對位置之正視圖；第15圖係繪示本發明中，對應左、右曲柄轉動角度之磁環表面之磁通密度呈正弦波形狀之示意圖；第16圖係繪示本發明中，對應左、右曲柄轉動角度之呈正弦波形狀之第一霍爾感測器輸出之電壓示意圖；第17圖係繪示本發明中，對應左、右曲柄位置角度之磁環表面呈二極正弦波形狀之磁通密度示意圖； 第18圖係繪示本發明中，對應左、右曲柄位置角度之呈二極正弦波形狀之第一霍爾感測器輸出之電壓示意圖；第19圖係繪示本發明中，對應左、右曲柄位置角度之分別呈正弦波與方波形狀之第一、第二霍爾感測器輸出之電壓示意圖；第20圖係繪示本發明中，對應左、右曲柄位置角度之二正交且呈正弦波形狀之第一、第二霍爾感測器輸出之電壓示意圖；第21圖係繪示本發明中，對應左、右曲柄轉動角度之磁環表面呈凹波形之磁通密度示意圖；第22圖係繪示本發明中，對應左、右曲柄轉動角度之磁環表面呈梯波形之磁通密度示意圖；第23圖係繪示本發明中，對應左、右曲柄轉動角度之呈方波形狀之第一霍爾感測器輸出之電壓示意圖；以及第24圖係繪示本發明中，對應左、右曲柄轉動角度之二正交且呈方波形狀之第一、第二霍爾感測器輸出之電壓示意圖。

以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖 式中將以簡單示意的方式繪示之；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示之。

請一併參照第1圖至第5圖。第1圖係繪示本發明一實施例的載具運轉參數檢測裝置結構分解示意圖；第2圖係繪示第1圖中之檢測裝置之應用組合狀態圖；第3圖係繪示第2圖中之檢測裝置之部分剖面圖，其中套管2係直接連接至牙盤12；第4圖係繪示本發明檢測裝置之套管2及其上磁性材料3之圖案化形狀之斜視圖；第5圖係繪示本發明檢測裝置之套管2及其上磁性材料3之圖案化形狀之正視圖。本發明所揭示之載具運轉參數檢測裝置可應用於電動或非電動之自行車、機車或三輪車等，並無特別限制。以下以自行車為例說明之。

依據一實施例，本發明之自行車運轉參數之檢測裝置至少包括一中軸1、一左曲柄11、一右曲柄12、一套管2、一磁性材料3、一線圈4、一電訊號處理單元7、一第一霍爾感測器6以及一磁環5。

以下續說明上述各元件之組設關係。中軸1係配設於自行車之一五通管(圖未示)內。左曲柄11及右曲柄12分別固設於中軸1相對兩端；且左曲柄11及右曲柄12分別對應中軸1朝相對向外伸以產生一力矩，藉此相異位置設計可供識別左曲柄11或右曲柄12之相異數據。套管2套設於中軸1上。磁性材料3環繞於套管2表面，且磁性材料3形成一圖案化形狀。線圈4環繞磁性材料3，其係用以檢測磁性材料3之一磁性變化。電訊號處理單元7電性連接線圈4及第一霍爾感測器6。磁環5對應於第一霍爾感測器6，磁環5可採用膠貼或注射模塑成型固 定在中軸1表面並連動於中軸1。另有一牙盤21套設於中軸1上。套管2之一端連接至中軸1，套管2之另一端直接或經由一轉接件(圖未示)連接至牙盤21。當騎乘者通過蹬踏帶動左曲柄11及右曲柄12後，進而帶動牙盤21的轉動，最終通過鏈條及飛輪，驅動後輪轉動，提供行進動力。

於上述結構中，套管2承受且傳遞左曲柄11及右曲柄12分別對中軸1所產生之力矩而產生形變(剪切應變)。藉此力矩之影響，基於壓磁效應，於磁性材料3之圖案化形狀上之磁導率分別被相對應地增加及減少，進而導致磁性材料3之圖案化形狀區域週邊之線圈4產生相應之感應電動勢，並產生電壓值。另外，當騎乘者騎乘踩踏後，將帶動左曲柄11及右曲柄12相對旋轉，進而帶動中軸1旋轉。此時，與中軸1連動之磁環5，具有表面磁通密度分布呈部分為一單調遞增函數或一單調遞減函數；更佳地，在一相同極性區域內的表面磁通密度分布，具有部分為一嚴格遞增或遞減函數之特性，磁環5亦將隨中軸1之旋轉角度變化，進而導致其週邊之第一霍爾感測器6之位置之磁通密度分布產生相對應之變化而呈一單調遞增函數或一單調遞減函數；更佳為呈一嚴格遞增或遞減函數，令第一霍爾感測器6輸出相應之類比式的電壓變化亦可呈一單調遞增函數或一單調遞減函數；更佳為呈一嚴格遞增或遞減函數(如：呈弦波、三角波或其餘可能之波形)。線圈4及第一霍爾感測器6共同電性連接電訊號處理單元7。此時，透過電訊號處理單元7分析線圈4及第一霍爾感測器6各自之類比式呈弦波形狀的電壓值與其變化，可精確分別獲得中軸1之一力矩值及中 軸1之一位置角度值或一旋轉角度值。更進一步，電訊號處理單元7透過類比式呈弦波形狀的電壓變化能精細計算單位時間內之旋轉角度值變化量，即可獲得中軸1之轉動速度值。藉此，本發明之檢測裝置可同時快速、安全、可靠地測量自行車中軸1之運轉參數，即力矩值、位置角度值、轉動角度值及轉動速度值，以便獲得即時之回饋，增加踩踏蹬或電機助力效率。

線圈4數量可為一組、兩組或三組以上，且其繞線方向可相同或相反，藉此可消除共模雜訊。

於一實施例中，中軸1與套管2之間可設置有一塑膠承座41。線圈2之週邊可設置有防電磁干擾之一屏蔽罩210。另外，中軸1之一端設置一左軸承220，而其另一端設置一右軸承250。左軸承220上可套設一左牙碗230，右軸承250上可套設一右牙碗260。中軸1藉由左軸承220、左牙碗230、右軸承250及右牙碗260，固定在自行車之五通管內。此外，套管2右側或左側與中軸1之間可設置一墊片240，以確保套管2與中軸1之間平滑轉動。

請接續在參閱第4圖至第5圖後，再參照第6圖及第7圖。第6圖係繪示第5圖中之磁性材料3之圖案化形狀之條紋300與垂直線L1間形成夾角700之示意圖。第7圖係繪示第5圖中之磁性材料3之另一圖案化形狀之條紋33與垂直線L1間形成另一夾角701之示意圖。本發明中，磁性材料3係可以一熔射、一噴砂、一滾壓機械加工、一滾切機械加工、一粉末冶金或一鑲嵌加工等方式不用膠貼地形成圖案化形狀。由於磁性材料3就是一體化在套管2表面，有效提昇即時回饋參數的精確 性。於本發明中，圖案化形狀係可呈一人字形或Z字形，以便形成相對應之磁性變化。詳而言之，於第6圖中，磁性材料3係呈人字形之圖案化形狀。磁性材料3之圖案化形狀於套管2之表面200上形成一條紋300。條紋300之切線L3與套管2轉動軸中心線L2之垂直線L1間形成一夾角700。夾角700範圍可介於20度~70度或110度~160度之間。於第7圖中，磁性材料3係呈Z字形之圖案化形狀。磁性材料3之圖案化形狀於套管2之表面200上形成一條紋33。條紋33之切線L3與套管2轉動軸中心線L2之垂直線L1間形成一夾角701。夾角701範圍可介於20度~70度或110度~160度之間。藉此，磁性材料3透過其圖案化形狀，隨中軸1旋轉之過程中，受到曲柄踩踏蹬所產生之扭力作用，令線圈4周圍產生電壓變化。

本發明之磁性材料3可形成多種圖案化形狀之變化。請參照第8圖至第12圖。第8圖係繪示本發明之呈人字形之圖案化形狀之一排列方式；第9圖係繪示本發明之呈Z字形之圖案化形狀之一排列方式；第10圖係繪示本發明之呈人字形之圖案化形狀之另一排列方式；第11圖係繪示本發明之呈Z字形之圖案化形狀之另一排列方式；第12圖係繪示本發明之呈Z字形之圖案化形狀又一排列方式。

第8圖中，圖案化形狀呈人字形，且可分隔成各自包含多個平行條紋之二區域，且二區域內之條紋平行方向不同。第8圖中，各區域中之條紋之邊段連接而形成第一組態800。第9圖中，圖案化形狀呈Z字形，且可分隔成各自包含多個平行條紋之三個區域。三個區域中，位於中央之區域內之條 紋與其相鄰兩區域內之條紋平行方向不同。第9圖中，各區域內之條紋之邊段連接而形成第二組態801。第10圖中，各區域中之條紋之邊段則斷開而形成第三組態802。第11圖中，各區域內之條紋之邊段斷開而形成第四組態803。第12圖中，位於中央之區域內之條紋與其相鄰一區域內之條紋邊段連接，而與其相鄰另一區域內之條紋邊段斷開，而形成第五組態804。不同組態的圖案化形狀，相對應適合不同的機械加工方式，且可產生不同的剪切應變效果。

值得一提的是，亦可以在磁性材料設置時，以磁性材料透過粉末冶金一體地製作套管及套管表面環繞的圖案化形狀，此為粉末冶金加工技術的另一應用變化。

請續參照第13A圖至第14B圖。第13A圖係繪示第1圖中之檢測裝置之磁環5、中軸1及第一霍爾感測器6之相對位置之左側視圖；第13B圖係繪示第13A圖中之磁環5、中軸1及第一霍爾感測器6之相對位置之正視圖；第14A圖係繪示本發明另一實施例中，磁環5、中軸1、第一霍爾感測器6及第二霍爾感測器61之相對位置之左側視圖；第14B圖係繪示第14A圖中，磁環5、中軸1、第一霍爾感測器6及第二霍爾感測器61之相對位置之左側視圖。

由第13A圖至第14B圖，可知本發明中，通過磁環5、中軸1、第一霍爾感測器6及第二霍爾感測器61之相對位置及數量變化，不僅可以擴增檢測二維或三維磁通密度，也可獲得更為準確之測量效果。此將於後續之實施例詳細說明之。

接續請一併參照第15圖至第24圖。此一系列圖式，說明本發明中以弦波形狀的部分圖形代表繪示之具有單調遞增或遞減；更佳為嚴格遞增或遞減函數特性之磁環之表面空間處磁通密度的分布狀態，令對應之霍爾感測器輸出以弦波形狀代表繪示之相應地具有單調遞增或遞減；更佳為嚴格遞增或遞減函數特性之類比式電壓變化，其上可以取得任一位置的電壓狀況，且嚴格遞增或遞減函數呈現的波形可供快速、簡易及精確進行訊號分析；故本發明可透過磁環5、第一霍爾感測器6及第二霍爾感測器61之各式變化，產生多種複雜之表面磁通密度分布波形及相應之電壓變化，以類比式數值分析得到更為準確之量測結果。

第15圖中，繪示當磁環5受中軸1帶動而轉動時，引起第一霍爾感測器6處之磁通密度變化。此時，第一霍爾感測器6採線性型式，對應左、右曲柄11、12轉動角度之磁環5可延徑向或軸向充磁而呈正弦波形狀之表面磁通密度51。而於第16圖中，第一霍爾感測器6輸出呈正弦波形狀之電壓510。藉此，透過分析正弦波形狀之電壓510的細微電壓變化可獲得磁環5、中軸1、左曲柄11和右曲柄12的轉動角度值及相應的轉動速度值。前述正弦波形狀僅為嚴格遞增或遞減函數的其中一種實施態樣，並不拘限於本實施方式可以產生的弦波形狀。

本發明中，磁環5可包含二磁極，可將第一霍爾感測器6輸出之電壓，結合電壓之波形之一斜率，唯一對應磁環5之一位置角度值。並且，磁環5與左曲柄11或右曲柄12固定地以一角度組裝，第一霍爾感測器6對應左曲柄11或右曲柄 12的位置角度，輸出一組唯一的電壓值及該電壓值處波形之該斜率。

第17圖中，磁環5沿軸向或徑向充磁而形成呈二極正弦波形狀之表面磁通密度520。藉此，於中軸1周向一圈360度之行程範圍內，磁環5之磁通密度與其位置角度間的對應關係可唯一確定。並且，左曲柄11和右曲柄12係採用對位方式安裝於中軸1上，並固定對應至呈二極正弦波形狀之表面磁通密度520。於第18圖中，當左曲柄11和右曲柄12轉動時，此時採線性型式的第一霍爾感測器6可感測並輸出呈二極正弦波形狀之電壓530，透過分析二極正弦波形狀之電壓530的電壓值與變化量可獲得磁環5、中軸1及左、右曲柄11、12所在的位置角度及相應之轉動速度值。

於本發明中，霍爾感測器之數量與位置可加以變化。舉例而言，可同時使用第一霍爾感測器6及第二霍爾感測器61，兩者間並可以周向間隔圓周角90度的方式排列或第一霍爾感測器6與第二霍爾感測器61以輸出電壓波形相差90度相位角的方式排列(或其他數量之偶數對)，藉此提升感測準確度或擴增檢測一維、二維或三維磁通密度。磁環5表面於二維空間或三維空間之一磁通密度分布呈至少一曲線軌跡。且此曲線軌跡對應之一磁通密度變化呈部分為一單調遞增函數或一單調遞減函數；更佳地，在磁環一相同極性區域內的分布，具有部分為一嚴格遞增或遞減函數之特性。當左曲柄11和右曲柄12轉動時，第一霍爾感測器6及第二霍爾感測器61可輸出兩正交之電壓波形，因而提升感測準確度。第19圖中，展示第二 霍爾感測器61採用開關型式，且對應左曲柄11及右曲柄12位置角度之第一霍爾感測器6及第二霍爾感測器61之呈二正交方波形狀與正弦波形狀之電壓52；而於第20圖中，展示第二霍爾感測器61採用線性型式，且呈二正交正弦波形狀之電壓53。

第21圖中，展示對應左曲柄11及右曲柄12轉動角度之磁環5之呈凹波形之表面磁通密度54，而於第22圖中，展示磁環5之呈梯波形之表面磁通密度55。此時，如第23圖所繪示，第一霍爾感測器6亦可採用開關型式，其同樣能運用呈方波形狀之電壓540。

第24圖中，則展示同時使用第一霍爾感測器6及第二霍爾感測器61的開關型式時，呈二正交方波形狀之電壓550。透過第一霍爾感測器6或第二霍爾感測器61，可擴增所檢測空間磁通密度的維度，從一維磁通密度到二維或三維磁通密度，如此可獲得更多有關磁環轉動的情境；若是第一霍爾感測器6及第二霍爾感測器61採用呈弦波形狀的電壓變化型式時，更可增加量測的精準度，並可提高可靠度。

由上述，可知使用霍爾感測器6及霍爾感測器61時，可輸出複數電壓值，組合為呈部分為一單調遞增函數或一單調遞減函數；更佳地，組成對應磁環5之一相同極性區域內呈部分為一嚴格遞增或遞減函數，以擴增檢測一維、二維或三維磁通密度，並且透過電訊號處理單元分析電壓值與其變化量，可得到中軸之一位置角度值或一旋轉角度值。

藉由前述說明可知本發明所述目的及功效在於：其一，本發明透過將環繞於套管表面的磁性材料以不使用膠貼 地加工形成圖案化形狀，以提高可靠度及增加量測的精準度。其二，本發明使用具有嚴格遞增或遞減函數特性之一維或多維度之表面磁通密度之磁環，與中軸連動旋轉，可令空間磁通密度值及切線斜率唯一對應中軸位置角度，令空間磁通密度變化量準確對應中軸旋轉角度值。其三，本發明利用第一霍爾感測器或第二霍爾感測器輸出相應之呈一嚴格遞增或遞減函數的類比式電壓值，並分析電壓變化的數值可回饋準確之電動載具運轉參數或非電動載具運轉參數。其四，本發明利用複數霍爾感測器位置相異，或位置相同但相互擺放方向不同，可藉由複數霍爾感測器輸出相應之複數電壓組合為部分為一嚴格遞增或遞減函數，以擴增檢測一維、二維或三維磁通密度。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (32)

1. 一種載具運轉參數之檢測裝置，該檢測裝置包括：一中軸，其係配設於一載具之一五通管內；一左曲柄及一右曲柄分別固設於該中軸相對兩端；一套管，其係套設於該中軸上；一磁性材料，其不用膠貼地環繞於該套管上而形成一圖案化形狀；一線圈，其係環繞該磁性材料，用以檢測該磁性材料之一磁性變化；一磁環，其係固定在該中軸；一第一霍爾感測器，其係對應於該磁環，檢測該磁環表面之一磁通密度之數值與變化；以及一電訊號處理單元，其係電性連接該線圈及該第一霍爾感測器，以收發和運算相關一電訊號；其中該左曲柄及該右曲柄分別對該中軸產生一力矩，連動該套管產生一形變，藉此改變於該磁性材料之一磁導率，令該線圈產生相對應之一感應電動勢，而生成一電壓值，該電訊號處理單元分析該電壓值而得到一力矩值；該磁環為該中軸旋轉帶動，令一磁通密度分布產生變化，該第一霍爾感測器輸出之一電壓產生相應變化，該電訊號處理單元分析該電壓之變化而得到該中軸之一旋轉角度值； 該電訊號處理單元計算一單位時間內之該旋轉角度值變化量而得到該中軸之一轉動速度值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之檢測裝置，其中該磁性材料係以一熔射、一噴砂、一滾壓機械加工、一滾切機械加工、一粉末冶金或一鑲嵌加工形成該圖案化形狀。
3. 如申請專利範圍第2項所述之檢測裝置，其中該圖案化形狀係呈人字形或Z字形。
4. 如申請專利範圍第2項所述之檢測裝置，其中該圖案化形狀呈人字形，可分隔成各自包含多個平行條紋之二區域，且二區域內之條紋平行方向不同，各該區域內之該些條紋之邊段可相互連接或斷開。
5. 如申請專利範圍第2項所述之檢測裝置，其中該圖案化形狀呈Z字形，可分隔成各自包含多個平行條紋之三區域，且該三區域中，位於一中央區域內之該些條紋與其相鄰二區域內之該些條紋平行方向不同，各該區域內之該些條紋之邊段可相互連接或斷開。
6. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之檢測裝置，其中各該條紋之一切線與該套管之一轉動軸中心線之一垂直線間形成一夾角。
7. 如申請專利範圍第6項所述之檢測裝置，其中該夾角範圍介於20度~70度或110度~160度之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之檢測裝置，其中更包含一牙盤套設於該中軸上，該套管之一端連接至該中軸，該套管之另一端直接或經由一轉接件連接至該牙盤。
9. 如申請專利範圍第1項所述之檢測裝置，其中該線圈為一組、為兩組且其繞線方向相反、為兩組且其繞線方向相同或為三組。
10. 如申請專利範圍第1項所述之檢測裝置，其中該磁環表面之該磁通密度分布呈部分為一單調遞增函數或一單調遞減函數。
11. 如申請專利範圍第10項所述之檢測裝置，其中該磁環表面之該磁通密度分布在一相同極性區域內呈部分為一嚴格遞增函數或一嚴格遞減函數。
12. 如申請專利範圍第11所述之檢測裝置，其中該嚴格遞增函數或該嚴格遞減函數之一波形呈一弦波或一三角波。
13. 如申請專利範圍第10項所述之檢測裝置，其中該第一霍爾感測器係採用一線性型式且對應該磁環，該第一霍爾感測器輸出之該電壓之一波形呈部分為一單調遞增函數或一單調遞減函數。
14. 如申請專利範圍第13項所述之檢測裝置，其中該第一霍爾感測器在對應該磁環之一相同極性區域所輸出之該電壓之該波形呈部分為一嚴格遞增函數或一嚴格遞減函數。
15. 如申請專利範圍第14項所述之檢測裝置，其中該波形呈一弦波或一三角波。
16. 如申請專利範圍第11項或第14項所述之檢測裝置，其中該磁環包含二磁極，將該第一霍爾感測器輸出之該電壓，結合該電壓之該波形之一斜率，唯一對應該磁環之一位置角度值。
17. 如申請專利範圍第16項所述之檢測裝置，其中該磁環與該左曲柄或右曲柄固定地以一角度組裝，該第一霍爾感測器對應該左曲柄或該右曲柄的位置角度，輸出一組唯一的電壓值及該電壓值處波形之該斜率。
18. 如申請專利範圍第1項所述之檢測裝置，其中該磁環表面之該磁通密度分布呈一凹波形或一梯波形。
19. 如申請專利範圍第1項所述之檢測裝置，其中該第一霍爾感測器係採用一開關型式。
20. 如申請專利範圍第1項所述之檢測裝置，其中更包含一第二霍爾感測器，該第二霍爾感測器與該第一霍爾感測器以周向間隔一圓周角度的方式排列，或該第一霍爾感測器與該第二霍爾感測器以輸出電壓波形相差一相位角度的方式排列。
21. 如申請專利範圍第20項所述之檢測裝置，其中該第一霍爾感測器與該第二霍爾感測器以周向間隔圓周角度90度的方式排列。
22. 如申請專利範圍第20項所述之檢測裝置，其中該第一霍爾感測器與該第二霍爾感測器以輸出電壓波形相位角度相差90度的方式排列。
23. 如申請專利範圍第20項所述之檢測裝置，其中該第二霍爾感測器採用一線性型式或一開關型式。
24. 如申請專利範圍第1項所述之檢測裝置，其 中該磁環採用膠貼或注射模塑成型在該中軸表面。
25. 如申請專利範圍第1項所述之檢測裝置，其中該中軸與該套管之間設置有一塑膠承座。
26. 如申請專利範圍第1項所述之檢測裝置，其中該線圈之週邊設置有防電磁干擾之一屏蔽罩。
27. 如申請專利範圍第1項所述之檢測裝置，其中該中軸之一端設置一左軸承，該中軸之另一端設置一右軸承，該左軸承上套設一左牙碗，該右軸承上套設一右牙碗，該中軸藉由該左軸承、該左牙碗、該右軸承及該右牙碗固定在該五通管內。
28. 如申請專利範圍第27項所述之檢測裝置，其中該套管右側或左側與該中軸之間設置一墊片。
29. 一種載具運轉參數之檢測裝置，該檢測裝置包括：一中軸，其係配設於一載具之一五通管內；一左曲柄及一右曲柄分別固設於該中軸相對兩端；一套管，其係套設於該中軸上；一磁性材料，其不用膠貼地環繞於該套管上而形成一圖案化形狀； 一線圈，其係環繞該磁性材料，用以檢測該磁性材料之一磁性變化；一磁環，其係與該中軸同步轉動，該磁環表面於一二維空間或一三維空間之一磁通密度分布，呈至少一曲線軌跡，該曲線軌跡對應之一磁通密度變化呈部分為一單調遞增函數或一單調遞減函數；至少二霍爾感測器，其係對應於該磁環，檢測該磁環表面於該二維空間或該三維空間之該磁通密度值與變化，該些霍爾感測器位置相異，或位置相同但相互擺放方向不同；以及一電訊號處理單元，其係電性連接該線圈及該些霍爾感測器，以收發和運算相關一電訊號；其中該左曲柄及該右曲柄分別對該中軸產生一力矩，連動該套管產生一形變，藉此改變於該磁性材料之一磁導率，令該線圈產生相對應之一感應電動勢，而生成一電壓值，該電訊號處理單元分析該電壓值而得到一力矩值；該磁環為該中軸旋轉帶動，令該磁通密度分布產生變化，該些霍爾感測器輸出複數電壓值，組合呈部分為一單調遞增函數或一單調遞減函數，以擴增檢測一維、二維或三維磁通密度，該電訊號處理單元分析該些電壓數值與變化量而得到該中軸之一位置角度值或一旋轉角度值；該電訊號處理單元計算一單位時間內之該旋轉角度值變化量而得到該中軸之一轉動速度值。
30. 如申請專利範圍第29項所述之檢測裝置，其中該磁性材料係以一熔射、一噴砂、一滾壓機械加工、一滾切機械加工、一粉末冶金或一鑲嵌加工形成該圖案化形狀。
31. 如申請專利範圍第29項所述之檢測裝置，其中該磁通密度變化在對應該磁環之一相同極性區域內呈部分為一嚴格遞增函數或一嚴格遞減函數。
32. 如申請專利範圍第29項所述之檢測裝置，其中該些霍爾感測器輸出複數電壓值，組合成對應該磁環之一相同極性區域內呈部分為一嚴格遞增函數或一嚴格遞減函數。