TWI604982B - 扭力偵測器 - Google Patents

Description

扭力偵測器

本發明涉及一種扭力偵測器，特別有關由位於扭力偵測器之外圍套筒來傳輸扭力的一種磁伸縮式的扭力偵測器。

利用導磁材料磁伸縮特性來偵測固定軸或旋轉軸承受扭力大小之方法已廣為使用，此方法利用施加扭力在固定軸或旋轉軸上時，偵測固定軸或旋轉軸上導磁率的變化，可計算出施加於該軸上的扭力大小。磁伸縮式扭力偵測為一種非接觸式扭力偵測，相較於其他扭力偵測方式有無磨耗、不需保養、可靠度高等優勢。

磁伸縮特性的現象為當特定材料承受拉力或壓力時，該材料之導磁率會相應改變，若導磁率隨拉力增加而增加，或隨壓力增加而減小時，稱該材料具正磁伸縮特性，反之，則稱該材料具負磁伸縮特性。所以在一軸上施以扭力時，此軸將在正負45度角分別產生拉力及壓力，而產生導磁率增加或減少的現象，利用此現象在軸的正負45度角方向各配置至少一組線圈作為偵測器，或在軸上相鄰處取特定長度各別加工正負45度角之螺旋紋溝槽(或肋)，而在其相應位置外圍配置至少一組線圈作為偵測器，都可因導磁率的改變而導致該組線圈電感值相應的改變，當對線圈通以交流電源時即可利 用適當之電路配置偵測出相應之扭力值。這些基本應用可見於美國專利4506554號、4697459號、4765192號、4823620號等專利文獻。

傳統的磁伸縮式扭力偵測器之結構基本上傳動軸都位於中心，偵測線圈圍繞於外，並有一圓筒式導磁環作為外圈以增加偵測靈敏度。這種配置方式也被應用於馬達動力輔助腳踏車，如美國專利編號第8807260號專利及中華民國專利編號第293508號專利等，唯此種應用均安裝於腳踏車五通(bottom bracket shell)內，偵測腳踏曲柄軸受腳踏力作用時所產生的扭力，此扭力訊號將被轉換成數位訊號傳輸至一控制單元作為判斷基礎，用以控制一提供助力之馬達之運轉時機。然此種配置方式需改變原始車架之外型與組裝介面，應用上仍嫌不便。

有鑑於此，本發明之目的旨在提供一種適用於腳踏車之較佳形式之扭力偵測器，用以偵測騎乘者施於腳踏板之腳踏力。腳踏車的動力輸入與動力輸出分別為腳踏板與後輪胎，於此兩者之間均可設置腳踏力偵測器，或設置扭力偵測器用以偵測腳踏力。本發明即在腳踏車後輪盤與輪轂之間設置扭力偵測器，可在不改變原始車架、腳踏曲柄、曲軸、大盤等之配置，而簡易的將其整合至後輪，大幅簡化組合程序。

本發明之技術手段為於一固定支撐軸上設置一磁伸縮式扭力偵測器，包括：一扭力傳輸套筒，由具磁伸縮特性之金屬製成中空殼狀而與該固定支撐軸樞接，該扭力傳輸套筒於中段處形成一對左右旋向相反的 螺旋肋，且該扭力傳輸套筒具有一動力輸入端及一動力輸出端；一對導磁繞線軸，由高導磁材料製作而成，並受該對螺旋肋包圍而固定於固定支撐軸上；及一線圈組，纏繞於該對導磁繞線軸之上，用於偵測扭力傳輸套筒受扭力負荷時在該對螺旋肋所產生的導磁率變化。

在進一步實施上，本發明還包括：其中該螺旋肋於一特定軸距內由周向等節距排列之複數肋條組成。

其中該對左右旋向相反的螺旋肋分別具有一螺旋角θ，且0°<｜θ｜45°。

其中該導磁繞線軸由一圓筒及沿該圓筒兩側分別往外輻射延伸之一盤狀耳環形成。其中，該導磁繞線軸之盤狀耳環與扭力傳輸套筒間形成一氣隙。其中，該導磁繞線軸、該氣隙與該螺旋肋形成磁迴路。

其中該線圈組包含一對內層的激勵線圈以及一對外層的量測線圈。其中，該對激勵線圈以相同螺旋方向串聯連接，該對量測線圈以相反螺旋方向串聯連接。或者說，該對激勵線圈以相反螺旋方向串聯連接，該對量測線圈以相同螺旋方向串聯連接。

其中該扭力傳輸套筒之動力輸入端可組設一腳踏車的後輪盤組(或稱飛輪)，在動力輸出端可組設一輪轂馬達，再依前述扭力偵測實施方式，如此即可簡易將磁伸縮扭力偵測器與提供助力之馬達整合至腳踏車後輪。

此外，本發明更包含配置一高導電率但低導磁率之電磁波隔離裝置，包括：一第一電磁波隔離套筒，介於該導磁繞線軸與該固定支撐軸之間，三者並固接成 一體；一第二電磁波隔離套筒，緊貼套組於扭力傳輸套筒外圍；三片電磁波隔離片，間隔並側面緊貼該導磁繞線軸。用以隔離外界傳來之電磁波干擾，同時防止激勵線圈所產生之電磁波發散至外界環境。

依本發明上述實施例，其技術上的創意暨效果在於：將具磁伸縮特性之扭力傳輸機構件安排於外層，使成殼狀之套筒，而在其上刻鏤貫穿之螺旋紋而造就由螺旋肋連接之傳動件，當激勵線圈通以交流電時，受激勵而產生的磁力線會被集中導引通過螺旋肋，有別於傳統具螺旋肋之中心軸，在螺旋肋之下仍為實心桿件，磁力線會被分散至實心部位，所以本發明能更有效率的表現材料之磁伸縮效應。

此外，有關本發明可供據以實施的相關技術細節，將在後續的實施方式及圖式中加以闡述。

10‧‧‧扭力偵測器

11‧‧‧扭力傳輸套筒

11a、11b‧‧‧螺旋肋

11c‧‧‧動力輸入端

11d‧‧‧動力輸出端

12a、12b‧‧‧導磁繞線軸

121‧‧‧圓筒

122、123‧‧‧盤狀耳環

13、13a、13b‧‧‧氣隙

14‧‧‧線圈組

15、16‧‧‧線圈

15a、15b‧‧‧激勵線圈

16a、16b‧‧‧量測線圈

17a、17b‧‧‧磁迴路

20‧‧‧輪轂馬達

21‧‧‧馬達減速機

22‧‧‧棘輪組

23‧‧‧輪轂

30‧‧‧後齒盤組

41‧‧‧固定支撐軸

50、51‧‧‧軸承

61‧‧‧第一電磁波隔離套筒

62‧‧‧第二電磁波隔離套筒

63‧‧‧電磁波隔離片

h‧‧‧軸距

θ‧‧‧螺旋角

圖1是本發明實施例的立體分解圖。

圖2是本發明實施例的斷面剖示圖。

圖3是本發明扭力偵測器的斷面剖示圖。

圖4是圖3之A-A斷面剖示圖。

圖5是本發明實施例扭力偵測器磁迴路示意圖。

圖6是本發明線圈組之二對線圈電路圖。

圖7是本發明輪轂馬達棘輪組由左邊觀察的逆時針動作圖。

圖8是本發明輪轂馬達棘輪組由左邊觀察的順時針動作圖。

首先，請合併參閱圖1與圖2，揭露本發明之一種較佳實施例的配置細節，說明本發明所提供之扭力偵測器10將輪轂馬達20一起整合於腳踏車的後輪並且架設於一作為固定端使用的固定支撐軸41上。

請合併參閱圖3與圖4可見悉本發明之扭力偵測器10包括：一扭力傳輸套筒11、一對導磁繞線軸12a、12b及一線圈組14。其中，該扭力傳輸套筒11可由例如是鉻鉬鋼或鎳鉻鉬鋼等具磁伸縮(magneto strictive)特性的金屬製作而成，且呈中空之殼狀，該扭力傳輸套筒11於中段處形成有一對旋向相反之螺旋肋11a、11b，該對螺旋肋11a、11b於一固定支撐軸41的軸向保有一特定軸距h(如圖1)，該對螺旋肋11a、11b並於該特定軸距h內由周向等節距排列之複數肋條組成；該對導磁繞線軸12a、12b分別受該對螺旋肋11a、11b包圍而固定於支撐軸41上；該線圈組14包括兩對線圈15、16，所述兩對線圈15、16分別纏繞於該對導磁繞線軸12a、12b之上，用於偵測扭力傳輸套筒11受扭力負荷時在該對螺旋肋11a、11b所產生的導磁率變化。

實施上該對螺旋肋11a、11b分別具有一相對朝固定支撐軸41之徑向展開的螺旋角θ(如圖1)，且0°<｜θ｜45°，使得該對螺旋肋11a、11b能相對的各自呈反向螺旋。當該扭力傳輸套筒11受扭力作用時，該對螺旋肋11a、11b分別在其中之一承受壓力，另一則承受拉力，譬如，若螺旋肋11a承受壓力時，則螺旋肋11b承受拉力，若當扭力傳輸套筒11由正磁伸縮效應之材料加工而成時，螺旋肋11a導磁率將降低，螺旋肋11b導磁率則增加。

該扭力傳輸套筒11並於兩端藉由軸承50、51與固定支撐軸41樞接，而可在固定支撐軸41上穩定旋轉。

該對導磁繞線軸12a、12b在實施上可由高導磁材料製作而成，例如選用高導磁性的麻田散鐵系不鏽鋼、純鐵、鎳鋼或矽鋼等，該對導磁繞線軸12a、12b並分別對應該對螺旋肋11a、11b而互相鏡射地對稱配置。單一導磁繞線軸分別由一圓筒121及沿該圓筒121兩側分別往外輻射延伸之盤狀耳環122、123形成。該盤狀耳環122、123與扭力傳輸套筒11間形成一氣隙13，包含相對於盤狀耳環122、123的氣隙13a、13b，避免當該扭力傳輸套筒11旋轉運動時與該盤狀耳環122、123產生摩擦干涉。

必須更加說明的是該對螺旋肋11a、11b與其所包圍的該對導磁繞線軸12a、12b形成一對磁迴路17a、17b。磁迴路17a由該圓筒121、該盤狀耳環122、該氣隙13a、該螺旋肋11a、該氣隙13b、該盤狀耳環123，環繞形成；磁迴路17b由該圓筒121、該盤狀耳環122、該氣隙13a、該螺旋肋11b、該氣隙13b、該盤狀耳環123，另環繞形成。

請續參閱圖3與圖6，說明上述該線圈組14所包含的兩對線圈15、16分別是一對激勵線圈15a、15b以及一對量測線圈16a、16b，且分別纏繞於導磁繞線軸12a、12b上；更具體的實施細節為，該對激勵線圈15a、15b先分別纏繞於導磁繞線軸12a、12b上，而後再分別纏繞該對量測線圈16a、16b於導磁繞線軸12a、12b上，使得該對激勵線圈15a、15b與該對量測線圈16a、16b 分別相對介置於導磁繞線軸12a、12b的內層及外層。其中，激勵線圈15a與激勵線圈15b纏繞圈數相同為N，量測線圈16a與量測線圈16b纏繞圈數相同為M，M通常為N之數倍。

請參閱圖6為本發明採用之配線方式，即該對激勵線圈15a、15b以相同螺旋方向串聯連接，而該對量測線圈16a、16b則以相反螺旋方向串聯連接。其他之配線方式也可採用該對激勵線圈15a、15b以相反螺旋方向串聯連接，而該對量測線圈16a、16b則以相同螺旋方向串聯連接。當該對激勵線圈15a、15b給予交流弦波電源時，即在該對磁迴路17a、17b上產生磁力線，意即磁通量，磁通量之強弱與方向隨交流電源之弦波而變，依法拉第定律，該量測線圈16a、16b因而感應產生交變電壓Va、Vb，以數學式可表示為：Va=Am×cos(ωt)

Vb=Bm×cos(ωt)

其中，Am為量測線圈16a所感應之電壓峰值，Bm為量測線圈16b所感應之電壓峰值。

因該對量測線圈16a、16b以相反螺旋方向串聯連接，所以16a與16b產生之電壓會互相抵消，即該對量測線圈16a、16b之串聯端電壓Vab可表示為：Vab=Va-Vb=(Am-Bm)×cos(ωt)

當扭力傳輸套筒11尚未承受扭力負荷時，磁迴路17a磁阻等於磁迴路17b磁阻，所以激勵線圈15a電感等於激勵線圈15b電感，因而其阻抗也相等，在串聯電路上的分壓也相等，所以激勵線圈15a端電壓等於 激勵線圈15b端電壓，因而量測線圈16a、16b感應之電壓Va=Vb，即Am=Bm，所以Vab=0。當扭力傳輸套筒11承受扭力負荷時，若螺旋肋11a承受壓力，螺旋肋11b承受拉力，且若扭力傳輸套筒11由正磁伸縮效應之材料加工而成時，螺旋肋11a導磁率降低，螺旋肋11b導磁率增加，因此磁迴路17a磁阻大於磁迴路17b磁阻，激勵線圈15a電感小於激勵線圈15b電感，所以激勵線圈15a阻抗小於激勵線圈15b阻抗，在串聯電路上激勵線圈15a分壓小於激勵線圈15b分壓，也就是激勵線圈15a端電壓小於激勵線圈15b端電壓，因而量測線圈16a、16b感應之電壓絕對值｜Va｜<｜Vb｜，意即Am<Bm，所以Vab=Va-Vb=(Am-Bm)×cos(ωt)≠0。依前面所述，Vab源自於該對激勵線圈15a、15b之電感差，該電感差源自於該對螺旋肋11a、11b之導磁率變化，也就是源自於扭力傳輸套筒11所受扭力值之大小變化，依此技術理論，該線圈組14可用以偵測該扭力傳輸套筒11所受扭力值。

參閱圖1與圖3，可見悉本發明更配置高導電率但低導磁率之電磁波隔離裝置，包括：一第一電磁波隔離套筒61、一第二電磁波隔離套筒62及三片電磁波隔離片63。其中，該第一電磁波隔離套筒61介於該對導磁繞線軸12a、12b與該固定支撐軸41之間(如圖4)，且第一電磁波隔離套筒61、該對導磁繞線軸12a、12b與該固定支撐軸41三者並固接成一體；該第二電磁波隔離套筒62緊貼套組於扭力傳輸套筒11外圍；所述三片電磁波隔離片63分別間隔並且側面緊貼該對導磁繞線軸12a、12b。用以隔離外界傳來之電磁波干擾，同 時防止激勵線圈所產生之電磁波發散至外界環境。另外必須加以說明的是，該對導磁繞線軸12a、12b、該線圈組14、該三片電磁波隔離片63、該第一電磁波隔離套筒61與固定支撐軸41固組成一體；該第二電磁波隔離套筒62係緊貼地套組於扭力傳輸套筒11的外圍，並藉由軸承50、51樞接於固定支撐軸上作為旋轉件。所述旋轉件與固定件之間設定有特定間隙13，避免旋轉時發生干涉摩擦。

該扭力傳輸套筒11更加包含一動力輸入端11c，及一動力輸出端11d。該扭力傳輸套筒11之動力輸入端11c可組設一腳踏車的後輪盤組(或稱飛輪)30，在動力輸出端11d可組設一輪轂馬達20，再依前述扭力偵測實施方式，如此即可簡易將磁伸縮扭力偵測器10與提供助力之輪轂馬達20整合至腳踏車的後輪。

基本上，該後輪盤組30已包含一棘輪組(圖未顯示)，由腳踏車左方觀察，當施予腳踏力使後輪盤組30逆時針旋轉時，後輪盤組30會對扭力傳輸套筒11施加扭力；反之，使後輪盤組30順時針旋轉時，後輪盤組30則不會對扭力傳輸套筒11施加扭力。

另外必須附帶說明該輪轂馬達20部分動作原理，請同時參閱圖2可見悉輪轂馬達20包含：一馬達減速機21，一棘輪組22，一輪轂23。在此不對馬達減速機21的內部機構作詳細說明。

請再同時參閱圖7與圖8，此二圖皆為由腳踏車的左方(亦即圖2的左方)觀察的視圖。當輪轂23逆時針旋轉時，表示腳踏車朝前進方向，當馬達提供動力推使馬達減速機21逆時針旋轉時，該馬達減速機21可 藉由該棘輪組22嚙合該輪轂23而推動該輪轂23逆時針同步旋轉(如圖7)；當馬達不提供動力時，該馬達減速機21不旋轉，若當輪轂23藉由其他力量逆時針旋轉時，該棘輪組22不提供嚙合功能，馬達減速機21與輪轂23不互相連動(如圖8)。

根據上述配置細節，當腳踏車騎乘者對腳踏板施予腳踏力時，透過鏈條(圖未顯示)對該後齒盤組30施加扭力，此扭力傳至該輪轂23驅動腳踏車克服負載前進。過程中該扭力傳輸套筒11之動力輸入端11c接受來自後齒盤組30傳來之扭力，動力輸出端11d則將此扭力再傳輸出去用以克服腳踏車前進所遭遇之負載(嚴格來說還有對腳踏車提供加速所需之扭力)，此扭力在該扭力傳輸套筒11上每處垂直於中心軸之截面都是相同的，而在正負45度螺旋角方向則會表現出壓力與拉力，該螺旋肋11a因此而承受壓力，而致使導磁率降低，該螺旋肋11b也因此承受拉力，而致使導磁率增加。在此同時該對激勵線圈15a、15b也被施予交流電源而在該對磁迴路17a、17b上產生交變磁通量。依前述說明該對量測線圈16a、16b可量測到一串聯端電壓Vab=Va-Vb=(Am-Bm)x cos(ωt)，而Am-Bm與扭力值呈一定比例關係，將此Vab訊號傳送至一訊號處理單元即可控制輪轂馬達提供助力之適當時機，並可依Vab之大小計算提供助力之多寡，以減輕騎乘者在遭遇到崎嶇路面或爬坡時之腳踏力。

綜上所述，應不難瞭解本發明所述之一種利用磁伸縮效應之扭力偵測器之可行性。然而，以上實施例僅為表達了本發明的較佳實施方式，但並不能因此而 理解為對本發明專利範圍的限制。因此，本發明應以申請專利範圍中限定的請求項內容為準。

11‧‧‧扭力傳輸套筒

11a、11b‧‧‧螺旋肋

11c‧‧‧動力輸入端

11d‧‧‧動力輸出端

12a、12b‧‧‧導磁繞線軸

121‧‧‧圓筒

122、123‧‧‧盤狀耳環

13、13a、13b‧‧‧氣隙

14‧‧‧線圈組

15、16‧‧‧線圈

15a、15b‧‧‧激勵線圈

16a、16b‧‧‧量測線圈

50、51‧‧‧軸承

61‧‧‧第一電磁波隔離套筒

62‧‧‧第二電磁波隔離套筒

63‧‧‧電磁波隔離片

Claims (11)

1. 一種扭力偵測器，配置於一固定支撐軸，包括：一扭力傳輸套筒，由具磁伸縮特性之金屬製成中空殼狀而與該固定支撐軸樞接，該扭力傳輸套筒於中段處形成一對左右旋向相反的螺旋肋，且該扭力傳輸套筒具有一動力輸入端及一動力輸出端；一對導磁繞線軸，由高導磁材料製作而成，並受該對螺旋肋包圍而固定於固定支撐軸上；及一線圈組，纏繞於該對導磁繞線軸之上，用於偵測扭力傳輸套筒受扭力負荷時在該對螺旋肋所產生的導磁率變化；其中，該線圈組介設於相對內層的固定支撐軸與相對外層的扭力傳輸套筒之間，該固定支撐軸為支撐一腳踏車後輪轉動的固定輪軸。
2. 如申請專利範圍第1項所述的扭力偵測器，其中該螺旋肋於一特定軸距內由周向等節距排列之複數肋條組成。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述的扭力偵測器，其中該對左右旋向相反的螺旋肋分別具有一螺旋角θ，且0°<|θ|45°。
4. 如申請專利範圍第1項所述的扭力偵測器，其中該導磁繞線軸由一圓筒及沿該圓筒兩側分別往外輻射延伸之一盤狀耳環形成。
5. 如申請專利範圍第4項所述的扭力偵測器，其中該導磁繞線軸之盤狀耳環與扭力傳輸套筒間形成一氣隙。
6. 如申請專利範圍第5項所述的扭力偵測器，其中該導 磁繞線軸、該氣隙與該螺旋肋形成磁迴路。
7. 如申請專利範圍第1項所述的扭力偵測器，其中該線圈組包含一對內層的激勵線圈以及一對外層的量測線圈。
8. 如申請專利範圍第7項所述的扭力偵測器，其中該對激勵線圈以相同螺旋方向串聯連接，該對量測線圈以相反螺旋方向串聯連接。
9. 如申請專利範圍第7項所述的扭力偵測器，其中該對激勵線圈以相反螺旋方向串聯連接，該對量測線圈以相同螺旋方向串聯連接。
10. 如申請專利範圍第1項所述的扭力偵測器，其中更配置一電磁波隔離裝置，包括：一第一電磁波隔離套筒，介於各該導磁繞線軸與該固定支撐軸之間，且第一電磁波隔離套筒、導磁繞線軸與固定支撐軸並固接成一體；一第二電磁波隔離套筒，緊貼地套組於該扭力傳輸套筒的外圍；及三片電磁波隔離片，分別間隔並且側面緊貼該導磁繞線軸。
11. 如申請專利範圍第1項所述的扭力偵測器，其中該扭力傳輸套筒之動力輸入端組設該腳踏車的一後輪盤組，動力輸出端組設一輪轂馬達。