TWI671504B - 旋轉軸件之扭轉感測機構 - Google Patents

Abstract

本發明所提供旋轉軸件之扭轉感測機構，其主要之技術特徵係對一旋轉軸件之至少兩不同部位分別感測其轉動角度，並可依據兩不同部位之轉動角度差與歸零時之基準進行比對，以確認該旋轉軸件在旋轉運動時是否產生扭轉之狀態，並可由轉動角度差進一步地解析該旋轉軸件之扭矩。

Description

旋轉軸件之扭轉感測機構

本發明係與旋轉運動之感測技術有關，特別是關於一種旋轉軸件之扭轉感測機構。

為獲知工具機、主軸、馬達或轉軸等之旋轉軸件運動狀態，習知技術中係揭露有以旋轉編碼器對旋轉軸件之轉動角度進行量測，並以量測之轉動角度為基礎，經計算後則可獲得諸如角度、速度及位置等之數據，而可作為自動化控制之參數。

雖然習知技術已經公開了若干可以達到旋轉軸件轉動狀態之感測技術內容，但在日益要求精密性之自動化控制技術中，除需知悉旋轉軸件之轉動角度外，對於因旋轉軸件之扭轉狀態，在自動控制技術中亦必需作為控制參數加以納入，惟習知技術對於是等旋轉軸件之扭轉感測技術，並無較佳之設計。

因此，本發明之主要目的即係在提供一種旋轉軸件之扭轉感測機構，其係可感測旋轉軸件在轉動時之扭轉狀態，以供解析扭矩。

緣是，為達成上述目的，本發明所提供旋轉軸件之扭轉感測機構，其主要之技術特徵係對一旋轉軸件之至少兩不同部位分別感測其轉動角度，並可依據兩不同部位之轉動角度差與歸零時之基準進行比對，以確認該旋轉軸件在旋轉運動時是否產生扭轉之狀態，並可由轉動角度差進一步地解析該旋轉軸件之扭矩。

是項技術特徵之具體化，係可直接應用習知旋轉編碼器所提供之轉動角度感測技術，以至少二旋轉編碼器對該旋轉軸件之二不同部位進行感測，並使該二不同部位係在該旋轉軸件之轉動軸的方向上彼此相隔開來，從而感測該旋轉軸件靠近入力端之部位與靠近出力端之部位，在該旋轉軸件轉動時之轉動角度差異。

其中，該些旋轉編碼器係可為增量型光學旋轉編碼器、絕對型光學旋轉編碼器、增量型磁性旋轉編碼器或絕對型磁性旋轉編碼器。

而為更進一步地掌握該旋轉軸件之轉動狀態，係可使該些旋轉編碼器除其所分別具有之增量編碼或絕對編碼外，係使其用以感測靠近出力端之旋轉編碼器更包含有一環形之磁區，係同軸於該旋轉軸件之轉動軸，並以旋轉編碼器之感測單元感測該磁區之磁極變化。

首先，請參閱第一圖與第二圖所示，在本發明第一較佳實施例中所提供旋轉軸件之扭轉感測機構(10)，其主要乃係包含有一旋轉軸件(20)及二旋轉編碼器(30)。

該旋轉軸件(20)係呈直柱形狀之物品，而可供作為如馬達、主軸、轉軸或工具機中用以傳遞旋轉運動之傳動元件，惟此乃屬習知技術中所既已公開者，於本案中並無再加以贅述之必要。

該些旋轉編碼器(30)係以習知磁性旋轉編碼感測技術解析轉動角度之既有技術為基礎，將之用於感測該旋轉軸件(20)之轉動角度，但與習知技術僅應用單一旋轉編碼器感測旋轉運動時之轉動角度不同，本實施例中係以至少兩個旋轉編碼器之併存為必要，並使該二旋轉編碼器(30)分別感測該旋轉軸件(20)不同部位之轉動角度，且如第三圖所示般，可藉由感測該旋轉軸件(20)之不同部位在同一時間的轉動角度差是否與先前之歸零校準時的基準值相同進行判斷，當轉動角度差與基準值不同時，即意謂著所感測的兩不同部位間已有扭轉，且可依據轉動角度差與基準值間之差異，進一步解析該旋轉軸件(20)之扭矩，以作為產業上進行控制之參數。

具體而言，該些旋轉編碼器(30)係分別具有一碼件(31)以及一用以進行感測之感測單元(32)；

其中，該些碼件(31)係分別具有一圓片形狀之身部(311)，同軸於該旋轉軸件(20)之柱軸地固設於該旋轉軸件(20)上，一增量編碼且呈環狀之編碼區(312)係同軸於該旋轉軸件(20)之柱軸地設於該身部(311)之一側片面上，一環狀之磁區(313)係與該編碼區(312)同軸地設於該身部(311)之一側片面上；

該感測單元(32)係被固著於一外部的固著元件(圖上未示)上，而被定位在固定位置上，以感測隨該旋轉軸件(20)轉動而活動之該編碼區(312)與該磁區(313)，據以分別產生感測之訊號，而可從該編碼區(312)經由解析得到該旋轉軸件(20)之轉動角度，以及從該磁區(313)經由解析得道該旋轉軸(20)之偏移量。

更進一步來說，該些感測單元(32)係可為霍耳元件或磁阻元件等用以感測磁變化之習知技術，而該些編碼區(313)之編碼除可為上述絕對編碼外，亦得以為增量編碼型式，是等用以獲知旋轉角度之磁性感測技術，均為習知技術所已公開者，於此自無重為贅述之必要。

惟，本實施例中所揭者，係使該些身部(311)同軸地分設於該旋轉軸件(20)之軸向兩端上，且彼此間相隔有一固定之預設距離，據此，各該感測單元(32)對位於各該身部(31)上之各該編碼區(313)所為感測之結果，將會隨著該旋轉軸件(20)在旋轉運動時是否產生扭轉而有不同，當該旋轉軸件(20)之旋轉運動未產生扭轉狀態時，各該旋轉編碼器(30)分別感測所得之轉動角度間之差值，即與在歸零校準時所得之基準差值相同，相反地，當該旋轉軸件(20)在旋轉運動產生扭轉時，感測所得之兩個轉動角度之差值即會與基準差值有所不同，並可再進一步地依據轉動角度差值及該預設距離，解析出該旋轉軸件之扭矩。

另外，該磁區(313)係具有多數呈同心圓環狀排列之磁極，並使圓心位於該旋轉軸件(20)之柱軸上，藉此，當該旋轉軸件(20)在旋轉運動時未生徑向偏移時，該些磁極隨該旋轉軸件轉動之軸心係與其自身之圓心相同，惟當該旋轉軸件(20)在旋轉運動時產生徑向偏移，即使得該些磁極轉動之軸心與自身之圓心不同，此際，該些感測單元(32)即可感測出磁極之變動而產生對應之感測訊號，而供判斷該旋轉軸件(20)是否產生徑向偏移，以及其偏移量。

再者，關於碼件之構造，除可如上述第一較佳實施例中所揭者外，其亦可如第四圖與第五圖所示之本發明第二較佳實施例所揭者般，使該些碼件(31a)分別所具有之身部(311a)係呈圓環片狀，並藉由一固定片(314a)固定於該旋轉軸件(20a)上，同時令該編碼區(312a)與該磁區(313a)設於該身部(311a)之外周環側面上，並使該編碼區(312a)為絕對編碼之實施態樣者，藉此，本實施例所提供旋轉軸件之扭轉感測機構(10a)除可如第一較佳實施例般以感測元件(32a)達成感測該旋轉軸件(20a)是否存在扭轉狀態乃至其扭矩外，透過該些磁區(313a)之多數磁極係沿該旋轉軸件(20a)之軸向依序排列之空間型態，可以經由感測磁極之變動，解析該旋轉軸(20a)是否產生軸向之偏移，乃至於其偏移量，以達成與第一較佳實施例相同之功效。

(10)(10a)‧‧‧旋轉軸件之扭轉感測機構

(20)(20a)‧‧‧旋轉軸件

(30)‧‧‧旋轉編碼器

(31)(31a)‧‧‧碼件

(311)(311a)‧‧‧身部

(312)(312a)‧‧‧編碼區

(313)(313a)‧‧‧磁區

(314a)‧‧‧固定片

(32)(32a)‧‧‧感測單元

第一圖係本發明第一較佳實施例之碼件元件立體圖。 第二圖係本發明第一較佳實施例之立體圖。 第三圖係本發明第一較佳實施例之解析流程圖。 第四圖係本發明第二較佳實施例之碼件元件立體圖。 第五圖係本發明第二較佳實施例之立體圖。

Claims (8)

1. 一種旋轉軸件之扭轉感測機構，包含有：一旋轉軸件，係呈柱狀，而得以自身之柱軸為轉軸進行轉動；二旋轉編碼器，係分別感測並獲得該旋轉軸件二不同受測部位各自之轉動角度，並使各該受測部位彼此係在該旋轉軸件之柱軸方向上相隔有一固定之間距，該些旋轉編碼器係分別具有一作為該受測部位之環形編碼區、一環形之磁區與一用以感測該編碼區與該磁區之感測單元，並使該編碼區與該磁區之彼此係同軸於該旋轉軸件之柱軸；藉此，當各該受測部位所在轉動角度彼此之差值不同於歸零校準時之基準值時，即該旋轉軸件已生扭轉，並可依據該差值與該固定間距解析該旋轉軸件之扭矩；其中，該些磁區自身的同一磁極係位於以該旋轉軸件之柱軸為中心之虛擬之同心圓軌道上，並分別沿對應之同心圓軌道延伸呈連續之環形，當該些磁極轉動之軸心與自身之圓心不同時，即該旋轉軸件已生偏移，而該些感測單元可感測出該些磁極之變動，並解析出該旋轉軸件的偏移量。
2. 如請求項1所述旋轉軸件之扭轉感測機構，其中，該些旋轉編碼器係分別具有一身部，固設於該旋轉軸件上並可隨該旋轉軸件之轉動而同步轉動，並使該編碼區及該磁區分設於該身部上。
3. 如請求項1所述旋轉軸件之扭轉感測機構，其中，各該感測單元係分別被固著於一外部之固著元件上，以感測該些編碼區與該磁區之編碼，並產生對應之感測訊號。
4. 如請求項2所述旋轉軸件之扭轉感測機構，其中，該些身部係分別呈圓片狀，並使各該編碼區分設於該些身部之一側片面上。
5. 如請求項2所述旋轉軸件之扭轉感測機構，其中，該些身部係分別呈圓環片狀，並使各該編碼區分設於該些身部之外周環側上。
6. 如請求項1所述旋轉軸件之扭轉感測機構，其中，該些編碼區係分別為絕對編碼。
7. 如請求項1所述旋轉軸件之扭轉感測機構，其中，該些編碼區係分別為增量編碼。
8. 如請求項1項所述旋轉軸件之扭轉感測機構，其中，該些感測單元係分別包含有霍爾元件或磁阻元件。