TWI403708B - 扭力感測裝置 - Google Patents

Description

扭力感測裝置

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。

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輔助駕駛者行車安全的電子裝置比例亦逐步提高。

一般來說，電動輔助轉向系統(Electric Power Steering,EPS)係在機械轉向系統增設輔助動力。該電動輔助轉向系統能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方向及大小之輔助扭力，以有效提升車輛的轉向特性。

然而，由於傳統的扭力感測裝置通常是屬於非接觸式的扭力感測裝置，一般採用巨磁阻感測元件來設計的扭力感測裝置均是以量測轉向軸的旋轉角度為主。除此之外，當量測兩個巨磁阻感測元件之間產生的轉角差時，必須連接一扭力桿。由於扭力桿具有較易彈性變形的特性，所以當轉向軸承受到扭力之作用時，扭力桿的兩端即會產生轉角差。接著，車輛輔助系統再根據楊氏係數理論對該轉角差計算出轉向軸所受之扭力值。

若以扭力桿當成轉向軸承受扭力作用時的應變裝置，雖然扭力桿能夠使得轉向軸產生車輛轉向時的角度差異，但由於需增設扭力桿將導致扭力感測裝置體積變大及重量重的缺點，而且扭力桿需要較好的彈性變形之特性，亦導致機械剛性不佳的缺點顯現於該系統中。

因此，本發明之一範疇在於提供一種扭力感測裝置，藉由至少兩個巨磁阻感應元件結合轉動線模組與控制電路可準確計算車輛轉向時產生的實際扭力值，並避免輔助的出力超出最大額定扭力，以提高扭力感測裝置的可靠度、精確度及靈敏度。

根據一具體實施例，本發明之扭力感測裝置係用以感測一轉向軸之扭力值，扭力感測裝置包含第一巨磁阻感測元件、第二巨磁阻感測元件、轉動線模組及控制電路模組。

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。第一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號及第二訊號。其中，第一角度為正0~90度且第二角度為負0~90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。

於此實施例中，轉動線模組係耦接第一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性變化。控制電路模組係耦接轉動線模組，控制電路模組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，本發明提供之扭力感測裝置係運用轉動線模組取代傳統上採用的扭力桿，並由轉動線模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測裝置構造更為簡易，且成本較為低廉。當本發明之扭力感測裝置裝設於車體時，無須特別考慮車輛空間設計即可順利裝設於車體中；並且其可轉動範圍符合車輛轉向軸之轉動範圍，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。

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(Giant Magneto-Resistance,GMR)感測元件20、第二巨磁阻感測元件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θ₁ ；第二巨磁阻感測元件22相對第一巨磁阻感測元件20設置於轉向軸3上且與轉向軸3之中心軸線相差第二角度θ₂ 。其中，第一巨磁阻感測元件20與第二巨磁阻感測元件22將會根據轉向軸3之轉動方向分別產生第一訊號及第二訊號。

接下來，將就巨磁阻之相關原理進行介紹。一般而言，巨磁阻大致可分類為金屬多層膜(Multi-layer)、自旋閥(Spin-Valve)及非均值鐵磁合金(Granular Ferromagnetic System)。巨磁阻效應一般發生於非鐵磁性(例如Cr、Cu、Ag和Au)及鐵磁性(例如Co、Fe和Ni)的多層膜系統中。然而，通常系統是藉由非磁性層改變磁性層的磁交換作用，導致自由電子產生各種等級的散射而發生巨磁阻效應。

自由電子可分成向下自旋(spin down)與向上自旋(spin up)兩種型態，當鐵磁層的磁矩因外在因素相互平行時，上述兩種型態的自由電子進入鐵磁層將產生不同散射機率。舉例來說，若自由電子自旋方向與磁矩方向相反且平行時，自由電子在鐵磁層中散射機率大，表示電阻值大；相反地，若自由電子自旋方向與磁矩方向相同，則散射機率小表示電阻值小。

巨磁阻感測元件的電阻變化係根據鐵磁層間的相對磁化方向之交角作用，且橫向磁阻與縱向磁阻並無明顯差異，該巨磁阻感測元件結構如同三明治結構，例如上下為鐵磁層中間夾住非鐵磁層。需要注意的是，當巨磁阻多層膜在零磁場環境中，鐵磁膜間的磁矩是反鐵磁性耦合(anti-ferromagnetic coupling)；當巨磁阻多層膜在高外加磁場作用，則全部磁矩均平行磁場方向排列，通常磁阻的變化就是指上述兩種情況之間所產生之電阻的差異。磁阻效應與外加磁場和電流相對方向無關，且具有正負效應，一般來說，磁阻變化率約為10%。

其中，第一角度θ₁ 為正0~90度且第二角度θ₂ 為負0~90度，致使第一巨磁阻感測元件20與第二巨磁阻感測元件22係彼此相對地設置於轉向軸3上，但不以此為限。

於此實施例中，當轉向軸3受到扭力運動時，且已知轉向軸3的表面須承受任何截面的最大剪應力，所以將巨磁阻感測元件(20及22)貼於轉向軸3的外表面，以準確量測轉向軸3受到最大剪應力的影響程度。

由於當巨磁阻感測元件(20及22)貼合於轉向軸3的45度面時，可透過莫爾圓轉換求得最大拉應力或壓應力，因此，本發明選擇以45度角貼合於轉向軸3上，使該扭力感測裝置2可精準地擷取訊號，以確保轉向軸3上的任何巨磁阻感測元件均能感測到實際所受到之拉應力或壓應力。

於實際應用中，本發明透過機械加工程序將轉向軸3一側的圓弧面磨平，以於一平面30上產生第一凹槽及第二凹槽，或者使第一凹槽及第二凹槽分別位於不同平面30上，再分別將第一巨磁阻感測元件20與第二巨磁阻感測元件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20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軸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24係用以傳送第一訊號及第二訊號，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本體係裝設於車體中，其連接第一巨磁阻感測單元20及第二巨磁阻感測單元22之導線可隨著轉向軸3轉動方向而使轉動線模組24內部的彈性體產生收縮或放鬆的作用，故使得導線不會因為轉向軸3轉動而造成導線折損或斷裂。

本發明係採用轉動線模組24來取代先前技術中的扭力桿，無論是轉動線模組24的體積或重量均較扭力桿來得小，因此，本發明之扭力感測裝置2能夠具有體積小及重量輕之優點。再者，由於本發明之扭力感測裝置2並未採用扭力桿，所以轉向軸3整體的機械剛性亦能維持而不會被破壞。

控制電路模組26耦接轉動線模組24，控制電路模組26用以根據第一訊號即第二訊號判斷轉向軸3之實際扭力值。實際上，控制電路模組26耦接轉動線模組24為固定於車體內，因此，這一端的連接線為固定導線並不隨轉向軸3轉動而產生變化。

於此實施例中，控制電路模組26可細分為處理電路260及計算電路262。其中，處理電路260係用以比較第一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以判斷轉向軸3承受之扭力值。

由於，轉向軸3上之巨磁阻感測元件(20及22)係以相對方式貼合，故巨磁阻感測元件(20及22)可進行位置比例(Position Ratio)的補償。再者，由於轉向軸3之轉動方向使得第一巨磁阻感測元件20及第二巨磁阻感測元件22產生不同方向的扭力，所以巨磁阻感測元件(20及22)將會產生具有補償特性之第一訊號及第二訊號。

控制電路模組26對第一訊號及第二訊號進行訊號轉換後，使得車輛的行車電腦或處理器可得知轉向軸3實際承受的扭力值，所以車輛電子系統在車輛轉向時，除可維持供給駕駛者固定的轉向力，亦能判斷輔助的轉向力是否已達到最大的額定輸出，使得該車輛的電子轉向系統之運作更可靠、準確與靈敏，並且有效提升駕駛人開車時的行車安全。

相較於先前技術，本發明之扭力感測裝置係運用轉動線模組取代傳統上所採用的扭力桿，並由轉動線模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測裝置具有構造簡單及成本低廉等優點。當本發明之扭力感測裝置裝設於車體時，無須特別考慮車輛空間設計即可順利裝設於車體中。此外，由於其可轉動範圍符合車輛轉向軸之轉動範圍，故能夠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，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能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內。

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

26．．．控制電路模組

260．．．處理電路

262．．．計算電路

3．．．轉向軸

30．．．平面

θ₁ ．．．第一角度

θ₂ ．．．第二角度

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。

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

26．．．控制電路模組

260．．．處理電路

262．．．計算電路

3．．．轉向軸

30．．．平面

θ₁ ．．．第一角度

θ₂ ．．．第二角度

Claims (9)

1. 一種扭力感測裝置，用以感測一轉向軸之一扭力值，該扭力感測裝置包含：一第一巨磁阻(Giant Magneto-Resistance,GMR)感測元件，設置於該轉向軸上且與該轉向軸之中心軸線相差一第一角度，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設置於該轉向軸上且與該轉向軸之中心軸線相差一第二角度，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測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；以及一控制電路模組，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軸之該扭力值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之扭力感測裝置，其中該第一角度為正0~90度且該第二角度為負0~90度，致使該第一巨磁阻感測元件與該第二巨磁阻感測元件係彼此相對地設置於該轉向軸上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之扭力感測裝置，其中當該轉向軸依照該轉動方向轉動時，該第一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5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量。
7. 如申請專利範圍第5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。
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。