TW482895B - Sensor device for detecting an angle of rotation and/or a torque - Google Patents

Description

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五、發明說明（丨） [詳細說明] [發明的背景] 本發明關於依申請專利範圍主項引文的一種用於將旋 轉角度及/或力矩(特別是在軸線或軸桿上者)檢出的感測器 裝置。 在美專利US-PS5，501，110已提到一種感測器裝置， 其中要將傳到一軸上的力矩檢出。力矩係由該軸端的扭轉 或旋轉角度偏移(Versatz)及彈性常數(它與軸的材料及幾何 性質有關)決定。在此，有二個磁鐵及各一個與該磁鐵對立 的霍爾感測器呈偏心方式設在二個盤（它們隨軸轉動）的外 周圍上。 舉例而言，在方向盤轉動時，要檢出該作用到汽車之 方向盤軸的力矩，須測量該方向盤沿兩個，轉動方向的小小 的角度變化。在此旋轉的方向盤心軸中的力矩係爲汽車中 許多調節與控制的問題的解答値，且原則上可用各種不同 之習知方式檢出。舉例而言，它也可利用渦電流 (Wirbelstrom)原理的感測器裝置或利用一光學裝置[由一條 紋盤(Strichscheibe)及-CCD晶片構件]構成。 在上述依背景技術習知的原理的感測器裝置的場合主 要有一種危險：由於一種轉數變換(Umlaufmodulation)[它是 在設置磁鐵極的場合時由於差裕度的問題造成者]會造成較 大的測量誤差。此外，在旋轉的軸上作信號檢出時，信號 傳輸變得困難，這種信號傳輸作用固然可各依應用而定用 一種旋轉傳動器或用摩擦環而達成，但却成本密集且容易 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -νσ

T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 482895 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（2 ) 故障。 * [本發明的優點] 上述那種用於在旋轉機械構件上將旋轉角度及/或力矩 檢出的感測器裝置’依本發明，係利用申請專利範圍第1 項的特徵以有利的方式改革：在該旋轉的構件上形式一扭 力軸當作外軸’且有一股力矩耦合到其上。在此外軸的前 端側另一端的區域中，該力矩可拿掉，其中有一內軸與外 軸成同心，該內軸的固定在該力矩輸入端區域中在該外軸 上 '依本發明，信號產生元件以有利的方式位在該外軸與 內軸的前端側那一端上，各有一位置固定的檢出元件與該 信號產生元件配合。 在一較佳實施例中，有一個磁鐵設在內軸上當作信號 產生元件，以檢出力矩的輸入端上的旋轉角度，並產生一 朝向該軸之軸線的徑向磁場。另一個當作信號產生元件的 磁鐵設在外軸上，以有利方式設在一磁鐵外與內軸成同心 ，以將力矩的輸出端的旋轉角度檢出。如此產生另一徑向 磁場，因此，此時可利用力矩的作用測量磁場互相之相對 旋轉，其中該旋轉角度與力矩成比例。 在簡單的方式中，該檢出元件或感測器可爲磁阻式 (magnetoresistive)感測器，例如所謂的AMR-或GMR感測器 [AMR=各向異性磁阻（anisotrop-magnetoresistiv)，GMR=巨 磁阻（Giant-magnetoresistiv)]，它們產生一種信號，此信號 大致依該磁鐵（它們與該可轉動之軸連接）的場線方向而定 ，且該元件或感測器設在磁鐵的磁場中的方式，使其對磁 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) - 一-口*".. -丨線- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 482895 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（3 ) 場敏感的層係與該軸之造成角度改變的旋轉動作方向相切 * . 〇 在一有利的評定電路中，可由此信號各求出內軸與外 軸的絕對旋轉角度，且如上述，可由相對旋轉角度求出該 作用之力矩。如果該內軸及外軸設在汽車的方向盤心軸， 則造成本發明特別有利的應用。 此外，如果在外軸前端側那一端裝一驅動器以供另一 旋轉的構件用，設有與軸的軸線成偏心或同心，也甚有利 。如此，即使外軸或方向盤心軸轉動超過360° ，也可用 簡車方式檢出並評定，其中，該其他物體的旋轉的檢出作 業同樣地可利用一個對磁場敏感的感測器裝置做。所需的 驅動器宜爲一種齒輪驅動器，其中，該其他物體的周圍的 齒數與外軸上的齒數不同，因此，對於轉一整圏，就有一 種明確的信號。 總之，特別是由於將磁鐵中點及感測器元件放在軸的 軸線上，對於在軸上作密集的角度測量，可用簡單方式將 該旋轉的構件(例如方向盤）的角度根據二個磁場方向測量 的比較作誤差的監視。 又，當使用在汽車中時，該「評定電子電路」可以很 簡單地以模組方式構建在一緊密的殼體中，因爲特別是能 將力矩及方向盤角度(>360° )作一種無接觸式的測量而不會 有額外的摩擦力矩。因此，此處可建構一種封囊式 (kapseln，英:encapsulate)的殻體，它不會受溼氣影響，且可 使得感測器殼體可連同電子電路簡單地更換。 5 i . 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）~； 一 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 0 --------訂---------線— 482895 A7 B7 五、發明說明（本） 在此’利用本發明之感測器裝置所能做的角度測量作 業可用許多種(宜爲無接觸式）的測量方法達成，且不限於 測量磁場方向。這種測量方法可在許多轉動的構件上作， 例如！，當用在汽車中時也可用在駕駛艙中的方向盤的方向 盤聯動器上，用在差動器上，或在馬達軸上，例如用於將 方向盤角度、車輪角度、角速度、角加速度及力矩的資料 輸出。 本發明的較佳的進一步特點的種種特徵見於申請專利 範圍及說明書以及圖式，其中這些個別的特徵可以單獨地 或任意組合地用在本發明或其他領域，而在申請專利範圍 保護的範疇中都能達成很有利的效果。 」圖式的說明] 本發明的感測器的實施例在以下配合圖式說明。圖式 中： 第一圖係經一汽車用的轉向（方向盤）聯動器的剖面， 匕具有一感測器裝置，以將一股作用到該旋轉之構件上的 轉矩檢出。 第二圖係該方向盤聯動器的一內軸及外軸的前端側那 一端的部分視圖，它具有一種附加之用於將一方向盤心軸 的一整轉的範圍檢出。 i .

[圖號說明] (1) 方向盤 (2) 接頭部 (3) 外軸 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 纛 訂 線！ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 482895 A7 * B7 五、發明說明（t ) (4) 扭轉區域 (5) 接頭部 (6) 桿條 (7) 內軸 (8) 磁鐵 (9)(11) 感測器 ♦ (10) 磁鐵’ (12) 評定電路 (13) 電插接件 (15) 冠齒輪 (16) 第三磁鐵 (17) 感測器 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · [實施例的說明] 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第一圖中顯示一方向盤聯動器（1)的示意圖，它可經一 可轉動的接頭部(2)施一種受力矩作用的轉向運動(力矩人力 端）。在方向盤聯動器⑴中形成一外軸（3)，它有一扭轉區 域(4)，且有一接頭部(5)將旋轉運動傳動到一桿條(6)，其中 在此接頭部上，此轉向運動的力矩利用一個對應設計的聯 動器再傳輸(力矩出力端）。 在第一圖中的轉向聯動器（1)中還有一內軸(7)，牢牢地 錨固在接頭部(2)上（力矩人力端）。在內軸⑺的前端側那— 端有一磁鐵(8)，在其徑向磁場中設有一磁場敏感的感測器 ，例如一個AMS感測器。在外軸（3)之前端側的線圈 (Wende)上有一磁鐵（10)，其徑向磁場用一第二感酒1器（11) 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 482895 A7 B7 五、發明說明（么） 檢出。 感測器(9)與（11)接到一個電子評定電路(12)，在其中可 將感測器(9)與（11)之與旋轉位置有關的信號，並作一部分 之評定。此處，要了解本發明，並不須對此評定電路（12) 中的個別構件及其功能再作詳細說明，評定電路（12)的輸 出信號係經一用於接到汽車的面板電子電路的電插接件 (13)而得到。 當作依第一圖作用到轉向聯動器（1)上的轉向運動時， 藉著將一股轉矩施到外軸（3)的一區域[它位在接頭部（力矩 人力端)]以及位於其前端側那一端的區域(力矩出力端)而產 生該外軸的旋轉角度(扭轉角度）。此處，該外軸(3)的磁鐵 (10)以和在所謂之「力矩出力端」上外軸的區域(5)相同的 量轉動。但內軸(7)以及內軸(7)的磁鐵(8)則用與在所謂的「 力矩人力端」上的外軸(3)的區域(2)相同的是轉動。因此， 二磁鐵（8)與（10)及其磁場合相對轉動，且相關的旋轉角度 可以檢出。在感測器(9)及（11)上在測量磁場的地點，此磁 場的旋轉角度係與外軸的旋轉角度以及力矩成比例。 第二圖中顯示第一圖之方向盤聯動器（1)的進一步發展 ，它具有一旋轉構件(4)的附加之驅動器。此處，經由外軸 (3)前端側那一端之外冠齒輪(15)以及經由附加構件（14)上之 一相關的冠齒輪（15)將一第三磁鐵（16)作共轉’第三磁鐵同 樣可利用一個對磁場敏感的感測器（17)檢出。此處之測量 原理及評定宜與第一圖感測器(9)與（11)的工作方式相當。 利用第二圖的裝置，舉例而言，可利用二個冠齒輪（15)之 ♦ · 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) - 丨線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 482895 ___B7_五、發明說明（1 )不同齒數，而將接到轉向心軸的完整周轉作明確的檢出及 計數。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -•線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 482895 8 8 8 8 A BCD 六、申請專利範圍 ,1·—種用於檢出旋轉角度及/或力矩的感測器裝置’用 於旋轉之機械構件(3)(7)，（14)上，具有 ——信號產生元件(8)(10)，（16)及信號檢出元件(9)(11) ，（17)，其中該信號產生元件(8)(10)，（16)各固定在該運動 之機械構件(3)(7)，（14)上，其特徵在： 一一在該旋轉之構件上形成一扭力軸，當作外軸⑶有 一股力矩耦合到該外軸之一端上的區域(2)，而在該前端側 的另外那一端的區域(5)可將此力矩取出，其中有一內軸(7) 該內軸的一端固定在外軸(3)上力矩

   、利 .代 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 設成對外軸(3)成同 輸入的區域(2)， ^ ——該信號產#胃件(8)(10)設在該外軸(3)的內軸⑺之 前端側那一端上，各有一位置固定之信號檢出元件(9)(11) ，（17)與該信號產生元件(8)(10)配合。 2. 如申請專利範圍第1項之感測器裝置，其中： 該感測器裝置具有： 一一至少一磁鐵(8)(10)，（16)作爲信號產生元件，及至 少一感測器(9)(11) ’（Π)，作爲信號檢出元件(9)(11)，（17) » · ，該信號檢出元件產生一個與該磁場(8)(10)，（16)之場線方 向有關的電輸出信號’其特徵在： 一一該具有沿徑向對準的磁場的磁鐵（8)(10)設在外軸 (3)與內軸(7)的前端側那一端上’各有一位置固定之對磁場 敏感的感測器(9)(n)，（17)(宜設在軸的軸線上)與該磁鐵配 合。 3. 如申請專利範圍第2項之感測器裝置，其中：

   (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1T 線 本紙張尺度適家#率(〇奶）八4規格（210父297公釐） 482895 8 8 8 8 ABCD 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 在內軸(7)上的一磁鐵(8)產生一徑向磁場，以將力矩輸 入端之區域(2)的旋轉角度檢出，而在外軸上的一磁鐵（10) 係設在第一磁鐵(8)外，以檢出力矩輸出端的區域(5)中的旋 * * 轉角度，並產生另一徑向磁場，在該力矩影響之下，磁場 互相之相對旋轉可以測量出來，其中該旋轉角度與力矩成 正比。 4. 如申請專利範圍第1或第2項之感測器裝置，其中 一一在外軸(3)之前端側那一端上設有供另一旋轉構件 (14)用的一驅動器（15)，藉之可以檢出比360°更大的轉 (3)(7)的轉動角度。 5. 如申請專利範圍第4項之感測器裝置，其中： 一一該其他構件(14)之旋轉同樣地可利用一個對磁場敏 感的感測器裝置（16)(17)檢出。 6. 如申請專利範圍第4項之感測器裝置，其中： 該驅動器爲一種齒輪驅動器，其中在該另外之構件 (14)周圍的齒數與外軸(3)上的齒數不同。 7. 如申請專利範圍第1或第2項之感測器裝置，其中 ——該感測器⑼爲磁阻式感測器，其設在磁鐵(8)(10) ，（16)的磁場中的方式，使其對磁場敏感的層與該軸（3)(7) ，（14)之造成角度改變的旋轉運動相切。 8. 如申請專利範圍第7項之感測器裝置，其中： 該感測器(9)(10)，（17)爲磁阻式AMR-或GMR感測器 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

   482895 * 、 Λ8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 Ο 它們產生一種大致與該和可轉動軸（3)(7)，（14)連接的 磁鐵⑻(10)(16)之場線方向有關的丨目號’且 ——在一個評定裝置（12)中，由這些信號可將該內軸 (3)及外軸(7)之絕對旋轉角度求出，而由相對之旋轉角度可 將所作用的力矩求出。9·如申請專利範圍第1或第2項之感測器裝置，其中 該內軸(3)與外軸(7)設在一汽車的轉向心軸上。10.如申請專利範圍第1或第2項之感測器裝置，其中 該內軸(3)及外軸(7)整合到一馬達的軸中。 (請先軋讀背釙之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X29*7公着）