TWI487265B - Rotation spindle detection module - Google Patents

Description

旋轉主軸之檢測模組

本案與旋轉主軸檢測有關，更詳而言之，是一種將檢測旋轉主軸相關之霍爾元件、精密感應磁鐵、電路板等要件以模組化概念予以整合，從而達成易於將檢測模組安裝於旋轉主軸之目的。

一些使用霍爾感應元件於馬達的專利文獻如下：

中華民國專利公告第483229號，揭露在單相直流無刷馬達內裝上兩個霍爾感測元件，用來感測馬達主軸的旋轉方向。當馬達煞車時，由兩個霍爾感測元件得到的信號來判斷馬達的旋轉方向是否產生逆轉，當逆轉發生時，則停止馬達驅動器的輸出，讓馬達靜止下來。

中華民國專利公告第513004號，揭露以霍爾元件感應無刷馬達工作時轉子磁石之磁通量變化，藉由感應該磁通量的變化輸出適當之感應電壓至馬達之驅動電路，該驅動電路則藉由該霍爾元件所輸出之感應電壓對所連接控制之直流無刷馬達做適當之工作控制。所述之工作控制，包括兩個霍爾元件所感應得到之感應電壓，分別藉由適當之高、低電位之選取，經電路之處理，得到驅動電路所需控制該直流無刷馬達之第三相電壓。

中華民國專利公告第I 251396號，揭露馬達設置兩個霍爾感測元件，此兩個感測元件不會同時感測到轉子N-S極的交界處，因此若馬達啟動時，其中一個感測元件於轉子N-S極交界處，而使轉子產生抖動現象，則可由另一感測元件所感測到的訊號持續處於某一位準而得知，藉此可關斷馬達的供電以保護馬達免於毀損。

中華民國專利公告第I 273391號，揭露伺服馬達具有角度感測監測裝置。該角度感測監測裝置包括一設於該轉子的磁性元件，及二設於該定子，並可感測該磁性元件所產生之磁場變化的霍爾元件。一控制裝置用於接受該等霍爾元件輸出之回饋訊號，並配合該旋轉因子之計算方法處理該回饋訊號，最後比較處理之回饋訊號與外部操控信號以決定輸出至該轉子的驅動訊號。

中華民國專利公告第I 302401號，揭露一以霍爾元件所構成之感測模組感測馬達之一磁極位置以產生一感測訊號；一偏移模組係產生一相位偏移值；修正模組係接收該感測訊號與該相位偏移值，並依據該感測訊號與該相位偏移值產生一相位調整訊號；該驅動模組係接收該相位調整訊號，並依據該相位調整訊號產生一驅動電流以驅動該馬達。

中華民國專利公告第M294775號，揭露馬達過電流保護裝置包含一檢知單元、一驅動單元，及一控制單元。該檢知單元包括一設置於該轉軸周面的磁塊，及一設置於該轉軸旁側且可對應該磁塊的霍爾元件。該驅動單元是電連接於該控制埠與控制單元間。當該馬達運作時，每一次該磁塊與霍爾元件對應時就能經由該霍爾元件輸出一脈衝信號，如果該脈衝信號在單位時間內做累增後，未達到該控制器所預設的一轉速標準值，則該控制單元會經由該驅動單元停止該馬達運轉，以保護該馬達不會因為電流升高而有故障產生。

一個將霍爾感應器應用於電機裝置的例子，在中華民國新型專利第M363738號公告文獻中揭露。該案為具有霍爾感測器之電機裝置，包括有一定子、一套設於定子外部的轉子、以及至少一個霍爾感測器，轉子上設有多數個永久磁極，其中定子自軸心向外凸設有多數個繞設有線圈的繞線齒，相鄰兩繞線齒間設有一個不繞線的間隔齒，以及至少一個間隔齒往軸向凸設一支架，支架上結合一電路板，電路板上設有至少一個霍爾感測器用以感測轉子的永久磁極之位置。

除了馬達應用霍爾元件感應轉子旋轉位置之外，光電編碼器(旋轉式)亦被廣泛的應用在馬達之轉子感測、動力裝置的旋轉出力軸、或加工機的加工主軸上，做速度或角度(位置)的檢測。使用光電編碼器的優點在於易於實現小型化，傳感長度較長。但因旋轉編碼器屬精密元件，故不適用於具有高度震動性的旋轉軸。

以上各先前案大致揭露了設於馬達轉軸週面的磁性元件，感測該磁性元件所產生之磁場或磁極變化的霍爾元件，以及接收該霍爾元件之輸出訊號的控制裝置。揆諸各先前案雖未揭露磁性元件、霍爾元件、控制裝置之安裝方法和結構，但熟此項技術者知悉，各元件及控制裝置之電路板係為分別的獨立個體，且安裝時需拆卸馬達外殼及內部零組件，因此安裝複雜性和困難性相對提高。

有鑑於此，本案創作人提出一新的構想來解決旋轉主軸檢測器的安裝問題，而解決的手段主要是將檢測旋轉主軸之霍爾元件、精密感應磁鐵、電路板等要件以模組化概念予以整合，達成以降低組裝困難度之簡易手段安裝於旋轉主軸之目的。

更進一步，傳統永磁無刷馬達用以檢測轉子旋轉位置的磁鐵及霍爾元件，亦可被建置於本案之模組化構造上。據此使轉子位置檢測的相關組件之安裝得以簡易化。

本案模組化構造除應用於馬達之轉子外，亦可應用於電機裝置的旋轉主軸，動力裝置的旋轉出力軸，或加工機的加工主軸上，做為各旋轉主軸之速度或角度(位置)之檢測。

上述精密感應磁鐵係透過一磁鐵固定座而組配於旋轉主軸。

上述霍爾元件係組配於相鄰該磁鐵固定座的一固定位置。較佳的，該固定位置可實現於一霍爾元件固定座，或一具有接收感應該霍爾元件感應訊號電路佈局的電路板上。

用以檢測永磁無刷馬達轉子旋轉位置的轉子旋轉檢測磁鐵，可架構於上述的磁鐵固定座；用以感應該轉子旋轉檢測磁鐵之霍爾元件組配於相鄰該磁鐵固定座的一固定位置。

用以定義旋轉主軸零點的零點磁鐵，可架構於上述的磁鐵固定座；用以感應該零點磁鐵之霍爾元件則組配於相鄰該磁鐵固定座的一固定位置。

為便於說明本案於上述新型內容一欄中所表示的中心思想，茲以具體實施例表達。實施例中各種不同物件係按適於說明之比例、尺寸、變形量或位移量而描繪，而非按實際元件的比例予以繪製，合先敘明。且以下的說明中，類似的元件是以相同的編號來表示。

第一圖和第二圖揭露本案旋轉主軸之檢測模組第一實施例，該實施例係配合馬達做說明，但並不以此為限，除了馬達之外，本案亦可應用於電機裝置的旋轉主軸，動力裝置的旋轉出力軸，或加工機的加工主軸，合先敘明。該旋轉主軸之檢測模組包括：一用以固定精密感應磁鐵10之磁鐵固定座20、感應該精密感應磁鐵10磁極之霍爾元件30、一與上述各霍爾元件30耦合之電路板60。

上述磁鐵固定座20，固定於一馬達50轉軸51的端部52。如第十一圖和第十二圖，該精密感應磁鐵10在實施例中為環形構造，具有多數個N,S磁極，N,S的磁極方向係可磁化於該環形構造軸線方向的側端面11(如第十一圖)，或磁化於該環形構造的環形端面12(如第十二圖)。在本案實施例中更進一步定義各N,S磁極的寬度W，該寬度係小於3mm。

上述磁鐵固定座20較為詳細的結構揭露於第三圖及第四圖。在本案實施例中，該磁鐵固定座20具有一中心樞接部21及一精密感應磁鐵固定部22。該中心樞接部21設一貫通中心的樞接孔211。該磁鐵固定座20係以該樞接孔211樞套於該馬達50轉軸51之端部52，且該端部52與該中心樞接部21具有旋向限位關係。達成該旋向限位關係之旋向限位結構23係設置在該端部52與該中心樞接部21的相對結合部位，包括可相對結合的槽與鍵。在圖例中，該馬達50轉軸51之端部52係凸伸於馬達外殼53，據此，該磁鐵固定座20之安裝即不涉及馬達外殼、本體及內部零組件之拆組，具有安裝便利性。但本案之實施並不以此為限，該磁鐵固定座20亦可安裝於馬達內部。

該精密感應磁鐵10固定於該精密感應磁鐵固定部22，該精密感應磁鐵固定部22與該精密感應磁鐵10具有旋向限位關係，達成該旋向限位關係之旋向限位結構27係設置在該精密感應磁鐵固定部22與該精密感應磁鐵10的相對結合部位，包含但不限於可相對結合的凹槽與凸部。

上述霍爾元件30，固定在相鄰該磁鐵固定座20之一固定位置。在本案實施例中，該固定位置係實現在一霍爾元件固定座40上，該霍爾元件固定座40固定於該馬達50外殼53的尾端。

上述霍爾元件固定座40較為詳細的結構揭露於第五圖及第六圖。在本案實施例中，該霍爾元件固定座40依據霍爾元件的使用數量預設霍爾元件槽41，每一霍爾元件槽41容納固定一霍爾元件30。該霍爾元件固定座40具有一定位部42，圖示例於定位部42實施一螺絲孔位俾供一螺絲元件43穿鎖，將該霍爾元件固定座40固定於該馬達50之外殼53尾端，該霍爾元件30位於感應該精密感應磁鐵10磁極之位置，霍爾元件30感應磁極變化後送出信號至電路板60。關於該霍爾元件固定座40之固定位置及固定方式包含但不限於圖例所描述者。

上述電路板60，預設有接收該霍爾元件30感應訊號的電路佈局。該電路板60設置於相鄰該霍爾元件30之一固定位置。上述電路板60較為詳細的結構揭露於第一圖中，該電路板60具有至少一個定位部61，圖示例於定位部61實施一螺絲孔位供一螺絲元件62穿鎖，將該電路板60固定於該霍爾元件固定座40。關於該電路板60之固定位置及固定方式包含但不限於圖例所描述者，該電路板60亦可固定於該馬達50的外殼53。

如第七圖至第十圖，該磁鐵固定座20的第二實施例，係在第一實施例的主體上再架構一轉子磁鐵固定部70。具有與馬達極數相對應的特定極對數(如2P,4P,8P…)的轉子旋轉檢測磁鐵71固定於該轉子磁鐵固定部70。該轉子磁鐵固定部70與該轉子旋轉檢測磁鐵71之間具有旋向限位關係，達成該旋向限位關係之旋向限位結構72係設置在該轉子旋轉檢測磁鐵71與該轉子磁鐵固定部70的相對結合部位，包含但不限於可相對結合的凹槽凸部。用以感應該轉子旋轉檢測磁鐵71的霍爾元件73係設置在鄰近該磁鐵固定座20的一固定位置，該固定位置包含但不限於設置在該電路板60上。該電路板60預設有接收該霍爾元件73感應訊號的電路佈局。霍爾元件73感應該轉子旋轉檢測磁鐵71之磁極方向，根據磁極方向送出不同的信號至該電路板60。

另，一用以定義旋轉主軸零點位置的零點磁鐵80，是由該精密感應磁鐵10的旋向限位結構27充磁而實現的。在本案實施例中，這是一個最佳的實現方式，但不以此為限。感應該零點磁鐵80的霍爾元件81係設置在鄰近該磁鐵固定座20的一固定位置，該固定位置包含但不限於設置在該電路板60上。該電路板60預設有接收該霍爾元件81感應訊號的電路佈局。

綜上所陳，上述實施例描述了將旋轉主軸檢測所需之霍爾元件、磁鐵以及電路板以模組化概念整合的可行性，且該模組化物件以安裝於馬達轉軸末端為最佳，具有組裝簡便性之優勢，據此使利用磁場感應訊號來控制馬達達到特定目的之手段更容易實現。

雖然本案是以一個最佳實施例做說明，但精於此技藝者能在不脫離本案精神與範疇下做各種不同形式的改變。以上所舉實施例僅用以說明本案而已，非用以限制本案之範圍。舉凡不違本案精神所從事的種種修改或變化，俱屬本案申請專利範圍。

10‧‧‧精密感應磁鐵

11‧‧‧環形構造之側端面

12‧‧‧環形構造之環形端面

20‧‧‧磁鐵固定座

21‧‧‧中心樞接部

211‧‧‧樞接孔

22‧‧‧精密感應磁鐵固定部

23‧‧‧旋向限位結構

27‧‧‧旋向限位結構

30‧‧‧霍爾元件

40‧‧‧霍爾元件固定座

41‧‧‧霍爾元件槽

42‧‧‧定位部

43‧‧‧螺絲元件

50‧‧‧馬達

51‧‧‧轉軸

52‧‧‧端部

53‧‧‧外殼

60‧‧‧電路板

61‧‧‧定位部

62‧‧‧螺絲元件

70‧‧‧轉子磁鐵固定部

71‧‧‧轉子旋轉檢測磁鐵

72‧‧‧旋向限位結構

73‧‧‧霍爾元件

80‧‧‧零點磁鐵

81‧‧‧霍爾元件

W‧‧‧磁極寬度

第一圖為本案旋轉主軸之檢測模組第一實施例安裝於馬達之剖面圖。

第二圖為第一圖之右側視圖。

第三圖為本案磁鐵固定座第一實施例之正視圖。

第四圖為本案磁鐵固定座第一實施例之剖面圖。

第五圖為本案霍爾元件固定座之正視圖。

第六圖為本案霍爾元件固定座之剖面圖。

第七圖為本案磁鐵固定座第二實施例之正視圖。

第八圖為本案磁鐵固定座第二實施例之剖面圖。

第九圖為本案旋轉主軸之檢測模組第二實施例安裝於馬達之剖面圖。

第十圖為第九圖之右側視圖。

第十一圖為本案精密感應磁鐵磁極方向示意圖之一。

第十二圖為本案精密感應磁鐵磁極方向示意圖之二。

10．．．精密感應磁鐵

20．．．磁鐵固定座

21．．．中心樞接部

22．．．精密感應磁鐵固定部

23．．．旋向限位結構

30．．．霍爾元件

40．．．霍爾元件固定座

42．．．定位部

43．．．螺絲元件

50．．．馬達

51．．．轉軸

52．．．端部

53．．．外殼

60．．．電路板

61．．．定位部

62．．．螺絲元件

Claims (6)

1. 一種旋轉主軸之檢測模組，包括：一磁鐵固定座，固定於一旋轉主軸；一精密感應磁鐵，固定於該磁鐵固定座；該精密感應磁鐵具有多數個N,S磁極；一定義該旋轉主軸零點的零點磁鐵，該零點磁鐵設於該磁鐵固定座；至少一感應該精密感應磁鐵之霍爾元件，固定在相鄰該磁鐵固定座之一固定位置；至少一感應該零點磁鐵之霍爾元件，設置於鄰近該磁鐵固定座之一固定位置；一與感應該精密感應磁鐵之霍爾元件以及感應該零點磁鐵之霍爾元件耦合之電路板，該電路板預設有接收上述所有霍爾元件感應訊號的電路佈局。
2. 如申請專利範圍第1項所述旋轉主軸之檢測模組，其中，上述磁鐵固定座具有中心樞接部及一精密感應磁鐵固定部；該中心樞接部樞套固定於該旋轉主軸；該精密感應磁鐵固定部用以固定上述之精密感應磁鐵。
3. 如申請專利範圍第1項所述旋轉主軸之檢測模組，其中，該霍爾元件之固定位置係形成於一霍爾元件固定座上；以及，該電路板係固定於相鄰該霍爾元件之一固定位置。
4. 如申請專利範圍第3項所述旋轉主軸之檢測模組，其中，霍爾元件 固定座依據該霍爾元件的使用數量及位置預設霍爾元件槽，每一霍爾元件槽容納固定一霍爾元件。
5. 一種旋轉主軸之檢測模組，包括：一磁鐵固定座，固定於一旋轉主軸；一精密感應磁鐵，固定於該磁鐵固定座；該精密感應磁鐵具有多數個N,S磁極；一定義該旋轉主軸零點的零點磁鐵，該零點磁鐵是由凸出於該精密感應磁鐵且用以使該精密感應磁鐵與該磁鐵固定座相互結合固定之一旋向限位結構充磁所構成；至少一感應該精密感應磁鐵之霍爾元件，固定在相鄰該磁鐵固定座之一固定位置；至少一感應該零點磁鐵之霍爾元件，設置於鄰近該磁鐵固定座之一固定位置；一與感應該精密感應磁鐵之霍爾元件以及感應該零點磁鐵之霍爾元件耦合之電路板，該電路板預設有接收上述所有霍爾元件感應訊號的電路佈局。
6. 一種旋轉主軸之檢測模組，包括：一磁鐵固定座，固定於一旋轉主軸；一精密感應磁鐵，固定於該磁鐵固定座；該精密感應磁鐵具有多數個N,S磁極；一轉子磁鐵固定部，設於該磁鐵固定座；一具有與馬達極數相對應的特定極對數的轉子旋轉檢測磁鐵固 定於該轉子磁鐵固定部；至少一感應該精密感應磁鐵之霍爾元件，固定在相鄰該磁鐵固定座之一固定位置；至少一感應該轉子旋轉檢測磁鐵的霍爾元件被設置於鄰近該磁鐵固定座之一固定位置；一與感應該精密感應磁鐵之霍爾元件以及感應該轉子旋轉檢測磁鐵之霍爾元件耦合之電路板，該電路板預設有接收上述所有霍爾元件感應訊號的電路佈局。