TWI557400B - Non - contact eccentric rotary torque sensing device - Google Patents

Description

非接觸偏心旋轉式扭力感測裝置

本發明係與扭力感測裝置有關，特別是指ㄧ種非接觸偏心旋轉式扭力感測裝置。

為了確認或是利用扭力作用，在許多的機械或是電控技術領域都必須設計出扭力感測或是檢測機制，讓使用者能夠得知機械元件或是力量作用下的扭力。

如TWI403708號專利即揭露出一種扭力感測裝置，其主要透過將第一巨磁阻感測元件設置於轉向軸上與轉向軸之中心軸線相差第一角度，用以根據轉動方向產生第一訊號，並且另以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中心軸線相差第二角度，用以根據轉動方向產生第二訊號，轉動線模組用以傳送第一訊號及第二訊號，並根據轉動方向相對應地產生彈性變化，控制電路模組即可根據第一訊號及第二訊號判斷扭力值。

再如US6,644,135號專利則揭露出在自行車中軸(Bottom Bracket axle)套設ㄧ軸承套及四壓力感測器，中軸穿設於軸承套，壓力感測器緊貼於軸承套與中軸軸承部之間，當中軸受扭力作用時，扭力會直接傳遞至軸承套，進而讓各壓力感測器產生出對應的壓力，根據壓力再轉換為扭力值。

由以上專利所揭示的內容可知，現有的扭力感測器大多利用偵測受到扭力作用之元件的應力應變狀態，再轉換出其所受到的扭力值。但是為了感測應力應變狀態的應變規，常常會受限於設置位置的選擇以及固定方式，因而造成使用上的麻煩。更重要的是，受扭力作用的元件可能會受到材料本身或是製造過程的變異而產生結構變形，使得應變規無法準確地量測出實際的變形量與扭力值，再者，現有扭力檢測器的整體成本亦較為昂貴，無法符合各種領域的使用性。

本發明之主要目的乃在於提供ㄧ種非接觸偏心旋轉式扭力感測裝置，其可更為準確地偵測出扭力，可無限制地適用於各種裝設位置，同時整體組成構件的成本亦較低。

為達成前揭目的，本發明所提供之非接觸偏心旋轉式扭力感測裝置，包含有一第一連結件、一第二連結件，以及複數感測件，該第一連結件設有一第一磁環，該第二連結件設有一第二磁環，該第一連結件與該第二連結件相互連動，使該第一磁環與該第二磁環繞著感測中心軸呈偏心狀旋轉，該第一磁環與該第二磁環之間形成一間隔空間，該第一磁環與該第二磁環分別以相同的極性對應設置在該間隔空間二側；該感測件係設於該間隔空間，各該感測件與一感測中心軸之間的垂直距離皆相等，而且該感測中心軸與該磁環中心軸之間具有一偏心距離，該等感測件可共同感應該第一磁環與該第二磁環的磁場變化而輸出電性訊號，該磁場變化由該第一磁環與該第二磁環相對於各該感測件偏心旋轉之角度相位差所產生；藉由上述感測器以非接觸方式感測偏心旋轉的第一磁環與第二磁環，可以使扭力感測的結果更為直接與精確，同時組成構件較為單純且降低整體成本。

有關本發明所提供之詳細構造、特點、安裝或量測方法，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

首先要說明的是，本發明所提供的非接觸偏心旋轉式扭力感測裝置，可應用於任何需要感測出扭力的檢測設備、電動輔助載具、機器構件，或是測試等用途。本說明書內容所提及的方向性用語，只是以正常使用方向為基準的例示性描述用語，並非據以作為限制主張範圍之用意。

如第1圖至第2圖所示，本發明所提供之非接觸偏心旋轉式扭力感測裝置，主要包含一第一連結件10、一第二連結件20，以及複數感測件30。第一連結件10與第二連結件20分別具有一端面11、21，第一連結件10與第二連結件20的外周分別套設齊平於端面11、21之一第一磁環14與一第二磁環24。

第一連結件10與第二連結件20以二端面11、21相對且間隔的方式，透過一以撓性材質製成的結合件22設於第一連結件10與第二連結件20之間，使第一連結件10與第二連結件20可相互連動旋轉，並且因輸入扭力作用而讓二者之間具有些許旋轉角度差之現象，本說明書將上述旋轉角度差現象的差值稱之為角度相位差φ，第一磁環14與第二磁環24分別隨第一連結件10與第二連結件20繞一感測中心軸34轉動。如第8圖所示，第一磁環14與第二磁環24分別為軸向充磁，第一磁環14與第二磁環24的磁場分佈分別對第一磁環中心軸15與對第二磁環中心軸25對稱，如圖示的圓環狀即為其中一種實施態樣，而且第一磁環14與第二磁環24的磁力方向相反。

該等感測件30於本較佳實施例係以霍爾感測器(Hall sensor)作為舉例說明，但是不限於上述選用元件。於本較佳實施例的感測件30利用一框架32設於間隔空間28，使得各感測件30至感測中心軸34之間的垂直距離皆相等，而且感測中心軸34與第一、第二磁環中心軸15、25之間具有一偏心距離h，各感測件30即可共同感應第一磁環14與第二磁環24之間因具有角度相位差所產生的磁場變化而輸出電性訊號，亦即磁場變化係因第一磁環14與第二磁環24相對於感測中心軸34之旋轉角度差所產生。再者，因為第一磁環14與第二磁環24分別為軸向充磁，磁場分佈分別對稱於第一磁環中心軸15與第二磁環中心軸25，而且第一磁環14與第二磁環24的磁力方向相反，因此當第一磁環14與第二磁環24的旋轉角度之角度相位差φ為0時，各感測器30所測得之磁力強度為0，角度相位差φ之大小與感測器30所測得磁力強度的變化幅度之間為正比關係。

藉著上述本發明之組成構件說明，當第一連結件10或第二連結件20受扭力驅轉的時候，由於第一連結件10與第二連結件20之間的結合件22具有撓性，除了分別帶動第一磁環14與第二磁環24旋轉以外，如第10圖所示，第一磁環14與第二磁環24之間還會因受到扭力作用而有沿著徑向的錯位現象，讓第一磁環14與第二磁環24產生出角度相位差φ，二者之間的磁場產生偏移效果。

以第11圖為例，第11圖之橫座標所顯示的旋轉角度為第一磁環14 與第二磁環24的平均旋轉角度，角度相位差φ則是代表第一磁環14 與第二磁環24 之間的旋轉角度差，例如第一磁環14旋轉99度，第二磁環24旋轉101度，則二者的平均旋轉角度為100度，角度相位差為2度。若第一磁環14 旋轉100度，第二磁環24 也旋轉100度，二者的平均旋轉角度為100度，角度相位差等於0度，而作用在第一連結件10或第二連結件20的扭力即等於角度相位差乘以結合件22的彈性係數。由於第一磁環14與第二磁環24係相互間隔且非接觸於感測件30的狀態，如第3至第7圖所示，當第一磁環14及第二磁環24相對各感測件30往復旋轉的時候，感測件30就可以既不受到物件磨擦或是應力應變的干擾因素，又能夠直接且共同感應第一磁環14及第二磁環24的磁場變化。

第11圖所示之波形係為使用單顆感測件30偵測磁場強度變化的狀況，當第一磁環14與第二磁環24之角度相位差φ為0時，感測件30在任何旋轉角度所量到的磁場強度皆為0，而當角度相位差φ大於0，感測件30在不同旋轉角度所量測到的磁場強度會以接近弦波之波形變化，而且弦波之振幅與角度相位差φ成正比。但是只由單一感測件所量到的磁場強度數值會隨著角度變化，比較難以求得弦波的振幅。因此如第12圖所示，使用兩個相距90度的感測件30，感測件30各自量測磁場強度之後再依畢氏定理計算弦波之振幅。由於圖11之波形並非理想弦波，因此圖12所顯示的振幅估測值隨不同旋轉角度對應各角度相位差所計算得到的波形雖然有所起伏，但已可由此粗估角度相位差之大小。進一步如第13圖所示，若是使用三個以 120 度角分布的感測件30量測第一磁環14與第二磁環24之間的磁場強度，就能夠在不同的旋轉角度取得大約相同的數值，亦即只要第一磁環14 與第二磁環24 的角度相位差不變，任意的旋轉角度都能得出約略相同的數值，此數值再乘以結合件22 之彈性係數就是扭力。

因為本發明主要是利用各感測件30以非接觸式地共同感測偏心旋轉之第一磁環14與第二磁環24的磁場變化，利用上述技術特徵，即可讓磁場變化直接關連於扭力大小，不論旋轉的角度為何，都能夠感測出扭力值，而且也不會因為材料特性上的差異或是組裝位置的限制與誤差影響到扭力感測的結果，同時扭力量測的結果可以更為直接與精確，同時本發明的組成構件較為單純，降低扭力感測的複雜性與整體成本。

值得一提的是，只要是間隔空間28二側的磁場在兩磁環之角度相位差為0時可相互抵銷，即使第一、第二磁環14、24具有如第9圖所示的二環狀磁極29、29’，各磁極29、29’具有相反的極性，同樣能夠讓感測件30達成相同感應效果。另外也可以如第14圖所示，讓第一磁環的二環狀磁極29、29’與第二磁環的二環狀磁極39、39’之間以非同軸方式設於各連結件，並且各磁極之間的磁場在角度相位差為0時相互抵銷，再利用多個感測件共同感應磁場變化，即可精確地計算出角度相位差，據此獲得扭力值的電性訊號。

最後，必須再次說明，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件與應用領域僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代、變化或是不同的應用方式，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧第一連結件
21‧‧‧端面
14‧‧‧第一磁環
20‧‧‧第二連結件
22‧‧‧結合件
24‧‧‧第二磁環
15‧‧‧第一磁環中心軸
25‧‧‧第二磁環中心軸
28‧‧‧間隔空間
29、29’、39、39’‧‧‧磁極
30‧‧‧感測件
32‧‧‧框架
34‧‧‧感測中心軸
h‧‧‧偏心距離
φ‧‧‧角度相位差

第1圖係為本發明一較佳實施例之剖視圖；                 第2圖係為本發明一較佳實施例之正視圖；                 第3圖至第7圖係為本發明一較佳實施例之示意圖；                 第8圖係為本發明一較佳實施例中一磁環的示意圖；                 第9圖係為本發明一較佳實施例中另一磁環的示意圖；                 第10圖係為本發明一較佳實施例之示意圖，主要顯示第一連結件與第二連結件之間產生角度相位差的狀態；                 第11圖係為第一連結件與第二連結件產生角度相位差時，單一感測器在不同旋轉角度所量測到的磁力強度波形圖，各個曲線代表在不同角度相位差時所量測到的波形，角度相位差愈大，波形隨旋轉角度的變化幅度愈大；                 第12圖係為使用兩個相對位置相差90度的感測器分別量測磁力強度，再依畢氏定理計算前述波形振幅之波形圖；                第13圖係使用三個相對位置相差120度的感測器分別量測磁力強度，再計算出前述波形振幅之波形圖；以及                第14圖係為本發明一較佳實施例之另一實施態樣。

10‧‧‧第一連結件

11‧‧‧端面

14‧‧‧第一磁環

15‧‧‧第一磁環中心軸

20‧‧‧第二連結件

21‧‧‧端面

22‧‧‧結合件

24‧‧‧第二磁環

25‧‧‧第二磁環中心軸

28‧‧‧間隔空間

30‧‧‧感測件

32‧‧‧框架

34‧‧‧感測中心軸

h‧‧‧偏心距離

Claims (5)

1. 一種非接觸偏心旋轉式扭力感測裝置，包含有：一第一磁環，該第一磁環之磁場分佈係對該第一磁環之一第一磁環中心軸對稱；一第二磁環，該第二磁環之磁場分佈係對該第二磁環之一第二磁環中心軸對稱；該第一磁環與該第二磁環可相對連動，使該第一磁環與該第二磁環以一感測中心軸為中心呈偏心狀旋轉，該第一磁環與該第二磁環之間形成一間隔空間，該間隔空間二側的磁場在角度相位差為0時相互抵銷；以及至少一感測件，係設於該間隔空間，各該感測件與該感測中心軸之間的垂直距離皆相等，而且該感測中心軸與該第一磁環中心軸、該第二磁環中心軸其中之一之間具有一偏心距離，該等感測件可共同感應該第一磁環與該第二磁環的磁場變化而輸出電性訊號，該磁場變化由該第一磁環與該第二磁環相對於各該感測件偏心旋轉之角度相位差所產生。
2. 如請求項第1項所述之非接觸偏心旋轉式扭力感測裝置，其中該第一磁環與該第二磁環分別套設於一第一連結件與一第二連結件的外周，該第一連結件與該第二連結件分別具有一端面，該第一磁環與該第二磁環分別齊平於該第一連結件之該端面與該第二連結件之該端面。
3. 如請求項第1項所述之非接觸偏心旋轉式扭力感測裝置，其中該等感測件利用一框架設於該間隔空間。
4. 如請求項第1項所述之非接觸偏心旋轉式扭力感測裝置，其中各該感測件係為霍爾感測器(Hall sensor)。
5. 如請求項第1項所述之非接觸偏心旋轉式扭力感測裝置，其中該第一磁環具有複數環狀磁極，該第二磁環亦具有複數環狀磁極，該第一磁環與該第二磁環以非同軸方式設置，並且各該環狀磁極之間的磁場在角度相位差為0時相互抵銷。