TWI687039B - 旋轉軸件之偏移感測機構 - Google Patents
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Abstract
本發明所提供旋轉軸件之偏移感測機構者，係於一旋轉軸件之周側設置可隨該旋轉軸件同步轉動之同心圓弧狀第一磁區以及一以增量編碼或絕對編碼之第二磁區，並以一定著於一外部固著元件之感測單元，於該旋轉軸件轉動時，對該第一磁區與該第二磁區進行感測並產生感測訊號，再以該感測訊號解析該旋轉軸件之位置，從而獲得該旋轉軸件之旋轉角度及其在徑向上或在軸向上之偏移量。
Description
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偏移感測機構。
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，對於因轉動慣量之變動所造成旋轉軸件產生偏心轉動的偏擺狀態，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偏移感測技術，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偏移感測機構，其係可感測旋轉軸件在轉動運動時於徑向或軸向之位置偏移量。
緣是，為達成上述目的，本發明所提供旋轉軸件之偏移感測機構者，係於一旋轉軸件之周側設置可隨該旋轉軸件同步轉動之同心圓弧狀第一磁區以及一以增量編碼或絕對編碼之第二磁區，並以一定著於一外部固著元件之感測單元，於該旋轉軸件轉動時，對該第一磁區與該第二磁區進行感測並產生感測訊號，再以該感測訊號解析該旋轉軸件之位置，從而獲得該旋轉軸件之旋轉角度及其在徑向上或在軸向上之偏移量。
其中，該第一磁區之南磁極與北磁極係分別位於以該旋轉軸件軸心為中心所虛擬出的不同圓形軌道上，從而使該感測單元在該旋轉軸件之轉動期間內得以持續地感測該第一磁區並產生對應之感測訊號。
在為獲得該旋轉軸件在軸向上之偏移量時，係使該感測單元之感測方向平行於該旋轉軸件之軸心，相反地，若要獲得該旋轉軸件在徑向上之偏移量時，則可使該感測單元之感測方向垂直於該旋轉軸件之軸心。
更進一步來說，為取得更佳之感測訊號，係可使該第一磁區之數量為多數，且使該些第一磁區均以該旋轉軸件之軸心為中心之圓環狀，以及使各該第一磁區彼此間相隔開來，其中，以獲得旋轉軸件之軸向偏移量為目的時，係使該些第一磁區在該旋轉軸件之徑向方向上彼此相隔開來，亦即使該些第一磁區之環形內徑彼此相異，相反地，在以獲得旋轉軸件之徑向偏移量為目的時，則係使該些第一磁區在旋轉軸件之軸向方向上彼此相隔開來，亦即使該些第一磁區之環形內徑彼此係為相等者。
其中，該第一磁區係位於一固設於該旋轉軸件上之身部上。
其中，當該第一磁區之數量為多數時，該身部之形狀係以適於承設該些第一磁區之形狀者，亦即，當該些第一磁區彼此之環形內徑相同時，該身部係呈圓環片狀，而使該些第一磁區環設於該身部之周側環面上，相反地，
當該第一磁區彼此之環形內徑係相異時，則使該身部呈圓片狀，以使該些第一磁區分別設於該身部之一側平面上。
(10)(10a):旋轉軸件之偏移感測機構
(20)(20a):旋轉軸件
(30):碼件
(31)(31a):身部
(32)(32a):第一磁區
(33)(33a):第二磁區
(34):磁極交界線
(35a):固定座
(40)(40a):感測單元
第一圖係本發明第一較佳實施例中碼件之立體圖。
第二圖係本發明第一較佳實施例之立體示意圖。
第三圖係本發明第一較佳實施例中預設之磁場強度變化與距離大小間之關係圖。
第四圖係本發明第二較佳實施例之碼件之立體圖。
第五圖係本發明第二較佳實施例之立體示意圖。
茲即舉以本發明二較佳之實施例，並配合圖式為進一步之說明。
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偏移感測機構(10)者，其主要乃係包含了有一旋轉軸件(20)、二碼件(30)以及二感測單元(40)。
該旋轉軸件(20)係作為力之傳遞元件，而得以是諸如工具機、加工主軸、馬達或轉軸等產生旋轉運動之元件，在形狀上除可如本實施例所揭直柱型態之實心物體外，亦可為直管型態之空心物體或其他形狀。
該些碼件(30)分別具有一由磁性材料或導磁材料所製成圓片狀之身部(31)，同軸地固設於該旋轉軸件(20)上，並彼此相隔開來，多數以等距同心圓環狀排列之第一磁區(32)係分設於該身部(31)之一側片面上，並使同心圓環之圓心位於該旋轉軸件(20)之柱軸上，以確保該些第一磁區(32)與該旋轉軸件(20)
之同心度，以增量編碼所構成之一呈圓環形狀之第二磁區(33)，係同軸於該些第一磁區(32)地設於該身部(31)之一側片面上並位於該些第一磁區(32)之靠近圓心之一側。
更具體來看，該些第一磁區(32)各自之南磁極與北磁極乃係分別沿著各該第一磁區(32)自身之圓環形狀而連續地延伸呈圓環狀，從而使得介於相鄰第一磁區(32)之間的磁極交界線(34)亦呈圓環形狀；另外，該第二磁區(33)亦得採習知之絕對編碼方式者，其與本實施例所具體揭露之增量型編碼，均屬習知用以解析旋轉角度及位置者。
該些感測單元(40)係可為利用霍爾感測元件或磁阻感測元件所構成之習知磁性感測構件，並將該些感測元件(40)分別固定在外部之固著元件(圖上未示)上，以分別進行對各該碼件(30)之感測，從而產生對應之感測訊號以供解析；
其中，所稱外部之固著元件係以可使該些感測單元(40)被定位於固定位置即可，從而使感測單元(40)與碼件(30)之間具有固定側與活動側之相對關係，是等技術乃屬本發明所屬技術領域中具有通常知識者所能了解，因此於本案中當無贅述之必要。
進一步來說，當該旋轉軸件(20)在外力驅使下，以自身之柱軸為轉軸進行自轉運動時，該些碼件(30)係同步地隨著該旋轉軸件(20)而轉動，進而以該些感測單元(40)感測該第一磁區(32)與該些第二磁區(33)之磁極變化，並分別產生對應之感測訊號，而藉由該些感測訊號，係可進一步地解析出該旋轉軸件(20)之轉動狀態，以獲知該旋轉軸件(20)在旋轉運動時是否產生徑向之偏移，或獲知更進一步的徑向偏移量，並可解析獲知旋轉軸件(20)之扭矩大小，而可較習知技術之編碼器技術僅能達成感測轉動角度並據以解析轉動位置，可以更為全面地掌握旋轉運動之真實面貌，以提高自動控制之準確程度。
該些感測單元(40)在感測該些第一磁區(32)之磁極變化時，由於該些第一磁區(32)之磁極均呈圓環狀之排列，因此，當旋轉軸件(20)旋轉時若未產生徑向上之偏移，則該些感測單元(40)在該些第一磁區(32)中將不會感測到磁極之變化，此際，其所輸出之A/B相訊號在理想上的波形振幅會趨近於零，而一旦該旋轉軸件(20)之自轉運動產生徑向上之偏移時，該感測單元(40)於該第一磁區(32)之範圍內即會感測到對應的磁極變化，並產生與偏移程度成正比的振幅的A/B相弦波訊號，經由解析後即可獲知該旋轉軸件(20)在徑向上之偏移量；其中，本實施例所揭第一磁區之數量雖為多數，但關於該旋轉軸件(20)徑向偏移量之感測，係可基於單一之第一磁區在轉動時所產生之磁極改變為基礎，因此，本實施例中所揭第一磁區之數量不應限制本發明應受保護之範圍。
同時，該些感測單元(40)亦分別感測該些第二磁區(33)之磁極變化，並透過習知之技術解析該旋轉軸件(20)之轉動角度或所在之轉動位置，而透過對各該感測單元(40)對各該第二磁區(33)所分別進行之感測、解析所得到的兩個值之間的比對，即可獲得該旋轉軸件(20)之扭矩大小。
另外，於本實施例中雖僅揭露可由該些第一磁區(32)之磁極變化以感測該旋轉軸件(20)在徑向上之偏移，惟在實施上亦可將類比感測器(圖上未示)整合於感測單元(40)以感測該些碼件(30)在位於該旋轉軸件(20)軸向上之磁場強度變化，再透過如第三圖所舉例的磁場訊號強度(縱軸)及類比感測器與碼件磁場間距離(橫軸)之關係圖，解析該旋轉軸件在軸向上之偏移量。
續請參閱第四圖與第五圖所示，在本發明第二較佳實施例中所提供旋轉軸件之偏移感測機構(10a)，其技術特徵係與前述第一較佳實施所揭者相同，所不同者主要係在於在第一較佳實施例中，感測單元係從旋轉軸件之軸向方向上感測第一磁區之磁極變化，據以判斷旋轉軸件在徑向上是否產生偏移，而於本實施例中則係使該感測單元(40a)係從旋轉軸件(20a)之徑向方向上感測第
一磁區(32a)之磁極變化，進以判斷旋轉軸件在軸向上是否產生偏移；另外，於本實施例中則以增量編碼為該第二磁區(33a)之例示。
進一步地，為能設置多數之該些第一磁區(32a)，於第二較佳實施例中即使各該身部(31a)之形狀為圓環片狀，並藉由一圓片狀之固定座(35a)固定在該旋轉軸件(20a)上，再使各該第一磁區(32a)與各該第二磁區(33a)分設於該身部(31a)之外周環面上，據此，於本實施例中即可經由被固著在外部固著元件上之該些感測單元(40a)，從該旋轉軸件(20a)之徑向方向上感測該些第一磁區(32a)在該旋轉軸件(20a)軸向上所產生之磁極變化，以獲得該旋轉軸件(20a)在轉動時是否產生軸向上之偏移，以及其具體的偏移量。
(30):碼件
(31):身部
(32):第一磁區
(33):第二磁區
(34):磁極交界線
Claims (9)
- 一種旋轉軸件之偏移感測機構，包含有：一旋轉軸件，係呈柱狀，並得以自身之柱軸為轉軸而為轉動；一碼件，具有一身部，係固設於該旋轉軸件上，可隨該旋轉軸件同步轉動，一圓弧狀之第一磁區係同軸於該旋轉軸件之柱軸地設於該身部上，並使該第一磁區之南磁極及北磁極位於以該旋轉軸件柱軸為中心所虛擬之不同圓形軌道上，一圓弧狀之第二磁區亦同軸於該旋轉軸件之柱軸地設於該身部上；以及一感測單元，係定著於一外部固著元件上，以感測該碼件之該第一磁區以及該第二磁區；該第一磁區之南磁極與北磁極係相對於該旋轉軸件軸向上之同一位置上，而使該第一磁區之南極與北磁極各自所在之圓形軌道係於該旋轉軸件之徑向方向上相隔開來。
- 如請求項1所述旋轉軸件之偏移感測機構，其中，該第二磁區係為增量編碼或絕對編碼。
- 如請求項1所述旋轉軸件之偏移感測機構，其中，該身部係呈圓片形狀。
- 如請求項1所述旋轉軸件之偏移感測機構，其中，該碼件所具有之該第一磁區之數量係為複數，並使各該第一磁區同以該旋轉軸件之柱軸為中心地在該旋轉軸件之徑向方向上相隔開來。
- 一種旋轉軸件之偏移感測機構，包含有：一旋轉軸件，係呈柱狀，並得以自身之柱軸為轉軸而為轉動；一碼件，具有一身部，係固設於該旋轉軸件上，可隨該旋轉軸件同步轉動，一圓弧狀之第一磁區係同軸於該旋轉軸件之柱軸地設於該身部上，並使該第一 磁區之南磁極及北磁極位於以該旋轉軸件柱軸為中心所虛擬之不同圓形軌道上，一圓弧狀之第二磁區亦同軸於該旋轉軸件之柱軸地設於該身部上；以及一感測單元，係定著於一外部固著元件上，以感測該碼件之該第一磁區以及該第二磁區；該第一磁區之南磁極與北磁極係相對於該旋轉軸件軸向上之不同位置上，而使該第一磁區之南極與北磁極各自所在之圓形軌道係於該旋轉軸件之軸向方向上相隔開來。
- 如請求項5所述旋轉軸件之偏移感測機構，其中，該身部係呈圓環片狀。
- 如請求項5所述旋轉軸件之偏移感測機構，其中，該碼件所具有之該第一磁區之數量係為複數，並使各該第一磁區同以該旋轉軸件之柱軸為中心地在該旋轉軸件之軸向方向上相隔開來。
- 如請求項1或5所述旋轉軸件之偏移感測機構，其中，該感測單元係為霍爾感測元件或磁阻感測元件。
- 如請求項1或5所述旋轉軸件之偏移感測機構，其中，該身部係由磁性材料或導磁材料所製成。
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Citations (4)
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2018
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