TWI778513B - 手工具之轉動角度測量裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種手工具之轉動角度測量裝置，係安裝於一手工具中或結合於一手工具上，並隨所述的手工具轉動，其包含有：一殼體、一控制單元、一輸入單元、一電子式角度偵測單元及一顯示單元，該角度偵測單元偵測地球磁場的方位、該手工具之轉動角度，以及偵測該手工具於水平面及垂直面的傾角,該控制單元係針對該手工具的傾斜狀態進行補償。透過傾斜角度的補償，即使手工具呈傾斜的操作狀態，亦能量測出正確的轉動角度。

Description

手工具之轉動角度測量裝置
本發明係與轉動角度偵測有關，詳而言之，係指一種可與手工具配合或是直接安裝於手工具上之轉動角度測量裝置，以量測手工具之轉動角度。
按，日常生活上常需要各種手工具，現今的手工具係設置多種功能，以提高手工具的應用以及提昇手工具操作的精準度。以扭力扳手為例，其係內建多種功能，包括扭力偵測元件及角度偵測元件，可偵測扭力扳手操作時之扭力值及轉動角度，以更精準地完成工作。
現有之扳手之角度偵測元件為陀螺儀，然而，陀螺儀僅能於水平使用，若傾斜使用時將有誤差。如圖1所示，扳手10必須在水平面P操作，或該扳手10的傾斜角度在水平面P的8度角的範圍內時，陀螺儀才能正確的偵測扳手的轉動角度，若扳手10的傾斜角度超過8度時，陀螺儀的偵測值將產生誤差而不準確。
此外，如圖2所示，當扳手12的握柄16可相對於扳手的頭部14角位移時，設置陀螺儀的該握柄16必須在水平位置，或是在水平位置的8度角的範圍內，才能正確的偵測轉動角度，當握柄16並未水平或超出8度的範圍時，所測的角度值將不準確。
因此，現有技術以陀螺儀偵測扳手之轉動角度有許多使用上的限制。然而，許多操作場合或螺件的位置並無法允許扳手10在水平面P使用，亦無法允許扳手12的握柄16保持水平，因此，無法正確量測手工具的轉動角度，有待改進。
此外，當陀螺儀產生誤差時，使用者無法自行校正，必須送回製造者處，由製造者透過角度盤進行校正。
本發明之主要目的在於提供一種手工具之轉動角度測量裝置，可配合手工具或直接安裝於手工具上，使手工具在各種空間或使用場合，包括使手工具呈傾斜的工作狀態，仍能準確的量測手工具的轉動角度。
本發明之另一目的在於提供一種手工具之轉動角度測量裝置，令使用者可自行校正該測量裝置，以回復其準確值。
本發明所提供之手工具之轉動角度測量裝置，係安裝於一手工具中或結合於一手工具上，並隨所述的手工具轉動，其包含有： 一殼體； 一控制單元，可接收、運算、比對以及執行各種指令與命令； 一輸入單元，電性連接該控制單元，以供輸入數值； 一電子式角度偵測單元，偵測地球磁場的方位、該手工具之轉動角度，以及偵測該手工具於水平面及垂直面的傾角；該控制單元係針對該傾角進行傾角補償； 一顯示單元，設於該殼體上，並電性連接該控制單元，以顯示各種數據及資訊，包括顯示該手工具之轉動角度； 以及 一電源，提供電力。
藉此，透過傾斜角度的補償，即使手工具呈傾斜的操作狀態，亦能獲得正確的量測其轉動角度，以確保工作的準確性。
較佳地，該角度偵測單元係為三維電子羅盤，具有三軸加速計及三軸磁力計，該三軸加速計係測量該電子羅盤的傾角，該三軸磁力計係偵測地球磁場的方位。
較佳地，該角度偵測單元可偵測手工具所在環境的溫度；該控制單元依據所測得的溫度進行溫度補償。
該轉動角度測量裝置可供使用者進行校正，使用者以繞圈的方式移動該轉動角度測量裝置，即可完成角度測量單元的校正，校正方便。
較佳地，該轉動角度測量裝置係安裝於一手工具中，該手工具具有一主體，該主體係形成該轉動角度測量裝置的殼體。
較佳地，該殼體具有一結合部，該結合部以可拆卸之方式與該手工具結合，使轉動角度測量裝置可與該手工具結合或分離。
較佳地，該輸入單元包括一角度歸零鍵，按壓該角度歸零鍵時，該角度偵測單元設定目前的地球磁場的方位作為零度角。
本發明係提供一種供手工具使用之轉動角度測量裝置(以下簡稱為角度測量裝置)20(20A、20B)，以測量手工具之轉動角度，本發明所述的手工具為各式用於鎖固螺件的手工具，包括：各式扳手、各式套筒、各式與扳手或套筒連接的接桿，或其他類似作用的手工具。所述的轉動角度指手工具轉動螺件（螺栓或螺帽）的轉動角度，亦即，以圖3之方向R轉動扳手，以轉動螺件。請參閱圖3，本發明之轉動角度測量裝置20(20A)可內建於一扳手50中、或內建於一非扳手的手工具中，例如套筒或接桿或其類似物。該角度測量裝置20(20B)亦可為一獨立的裝置，並以固定的方式或可拆卸的方式結合於一手工具，圖4顯示角度測量裝置20(20B)係結合於一扳手60上，而圖5顯示角度測量裝置20(20B)結合於一非扳手的手工具65上，例如套筒或接桿或其類似物的手工具。本說明書以標號20統稱本發明之角度測量裝置，包括內建於手工具中或獨立製成的角度測量裝置，而標號20A係指內建於手工具中的角度測量裝置；標號20B則指獨立製成的角度測量裝置。
請參閱圖7，本發明之該角度測量裝置20具有一殼體22以及裝設於該殼體22中之一控制單元30、一輸入單元32、一顯示單元34、一電子式角度偵測單元36、一警示單元38、一記憶單元40以及一電源42。該殼體22內係具有一電路板（未示），所述之控制單元30、輸入單元32、顯示單元34、角度偵測單元36、警示單元38及記憶單元40係設於該電路板上或與該電路板電性連接。該電源42係提供該角度測量裝置20運作所需之電力，該電源42可以是電池。
當該角度測量裝置20(20A)係安裝於手工具(扳手、套筒或接桿等)時，係安裝於手工具的主體。以圖3之電子扭力扳手50為例，該扳手50具有一主體，包括：一頭部52一管狀握柄54，該扳手的主體係形成該角度測量裝置20(20A)殼體。於本實施例，該管狀握柄54為該角度測量裝置20(20A)之殼體22，該控制單元30、輸入單元32、顯示單元34、角度偵測單元36、警示單元38及記憶單元40、電路板及電源42等相關構件係裝設於該握柄54(殼體22)中。該扳手60具有一頭部62及一握柄64，該二者62、64係以一樞軸66相樞接，使得該握柄64可以該樞軸66為轉動支點而上下角位移。
所述的手工具為套筒時，套筒的筒身為套筒的主體，該角度測量裝置20(20A)裝設於套筒時，套筒的筒身為角度測量裝置20(20A)的殼體，使角度測量裝置的相關構件裝設於套筒的筒身。若所述的手工具為接桿時，接桿的桿身為接桿的主體，該角度測量裝置20(20A)裝設於接桿時，接桿的桿身為角度測量裝置20(20A)的殼體。
當該角度測量裝置20(20B)為獨立製成時，請參閱圖4至圖6，該殼體22是一中空的矩形體，具有一頂面23與一底面24，該顯示單元34、該輸入單元32設置於該殼體22之頂面23，該控制單元30、該電子偵測單元36、該警示單元38、該記憶單元40、電路板以及電源42則設於該殼體22內。為便於該裝置與各式扳手或非扳手的手工具65結合，本發明於該裝置20B設置一結合部，使該裝置20B可與手工具結合。本實施例係於殼體22之底面24設置一對扣耳26以及形成於該二扣耳之自由端之間的一開口28，以供手工具置入該二扣耳26之間的空間中。該二扣耳26可相對地彈性開合，利用該對扣耳26彈性夾住扳手60或手工具65，並可與扳手60及手工具65分離。該二扣耳26的內周面設有若干防滑凸條，增加該裝置20(20B)與扳手60或手工具65之間的組接穩固性。
請參閱圖12, 該結合部亦可為一個或一個以上的磁性元件(磁鐵)29，使該角度測量裝置20(20B)可吸附於手工具或自手工具分離。所述之結合部不以扣耳26或磁性元件29為限，亦可為束帶或黏著劑等, 或是相配合的公、母構件的嵌接結構，公、母構件之一係設於角度轉動裝置，而另一則設於手工具。
該控制單元30可為微控制器（MCU）或控制器（CPU），以接收、運算、比對以及執行各種指令與命令。
該輸入單元32電性連接該控制單元30，可供使用者輸入各種資訊及數值，包括用以輸入所欲設定之角度值，該輸入單元32可為實體按鍵或觸控按鍵，更可包含開機、關機、角度感測鍵以及用以調整數值之”上”按鍵與”下” 按鍵，所述按鍵可為單一按鍵或是根據不同功能設置多個按鍵，而數值的設定方法可為重複按壓”上”按鍵或”下” 按鍵或是直接有0~9數字鍵，用以供選擇輸入所需的數值。圖3所示之電子扭力扳手50更包括有：扭力感測元件以感測扭力，並可設定扭力值及顯示扭力值等功能。
該電子式角度偵測單元36於本實施例為三維電子羅盤，並電性連接該控制單元30，請參閱圖8，該電子羅盤（電子偵測單元）36具有三軸加速計（G Sensor）361、三軸磁力計（magnetometer）362及溫度偵測計363，該三軸加速計361係測量該電子羅盤36的傾斜狀態及傾角，當電子羅盤36傾斜時，該三軸加速計361可通過重力資料及向量關係對其傾角進行補償。該三軸磁力計362係測量地球的磁場的方位；該溫度偵測計363則測量環境溫度。該電子羅盤36藉由該三軸磁力計362偵測地球的南/北極、及藉由該三軸加速計361所測出的電子羅盤36的傾角並進行傾角補償，而該溫度偵測器363係依據溫度的變化進行溫度補償，以避免傾斜角及指向角因溫差造成的溫度漂移, 該磁力計362、該加速計361及該溫度偵測計363所測得數值經由類比/數位轉換器（A/D轉換器）364轉換為數位訊號，傳送至控制單元30進行運算，以計算出該電子羅盤36的方位與角度。藉由傾角補償及溫度補償，可獲得電子羅盤36對地球磁場量測的準確度，不受電子羅盤36之傾斜角度或所在的位置、空間及溫度的影響。
該電子羅盤36可偵測扳手50、扳手60或手工具65於操作時的旋轉角度而產生角度偵測訊號，並將所偵測的角度數值傳送至該控制單元30，可精確偵測扳手50、扳手60或手工具65操作時的角度變化、位置變化、速度變化以及作動方向的變化。
該顯示單元34為液晶螢幕，電性連接該控制單元30，以顯示各種數據、資訊供使用者讀取，包括該輸入單元32輸入之角度的設定值以及該電子羅盤36所偵測到的角度數值，和相關計算的結果。
該警示單元38電性連接該控制單元30，於接收到該控制單元30對該電子羅盤36所偵測的數值與該輸入單元32所輸入的設定值進行計算與比對後所發出之一指示命令時，該警示單元38用以產生一提醒與警報信號；該警示單元38可以光線、聲音、語音輸出、或震動模式等提供警示作用，例如指示燈、LED燈、一種或一種以上的顏色燈號、蜂鳴器、震動器等。
該記憶單元40電性連接該控制單元30，用以儲存該電子偵測單元36所偵測到之至少一角度感測資訊值以及使用者由該輸入單元32輸入之至少一角度設定值，及其他作業所需的數值。
裝設有本發明之角度測量裝置20之手工具於使用時，以圖6為例，當手工具65平行於水平面P，並未傾斜，轉動手工具65時，其電子羅盤36可偵測其轉動角度。即使該手工具65係大角度的傾斜水平面P，如圖9及圖10所示與水平面具有一傾斜角度δ， 由於該電子羅盤36偵測該手工具65的傾角δ後，將該傾角資訊傳輸給該控制單元30，該控制單元30經由軟體進行運算並進行傾角補償及溫度補償，修正手工具的轉動角度值。由於該電子羅盤36具有補償傾角之作用，故於手工具於圖9及圖10之傾斜狀態操作時，該角度測量裝置20(20B)仍可準確地測出手工具65的轉動角度。
同樣的，當手工具的握柄於垂直面上有傾角時，以圖11之扳手60為例，即便該扳手之握柄64以傾斜角度α上仰或以傾斜角度α向下傾斜，由於該電子羅盤36可偵測其傾角及溫度，並由該控制單元30進行傾角補償與溫度補償，故該扳手60之握柄64於圖11之傾斜狀態操作時，該角度測量裝置20(20B)仍可準確地測出扳手60的轉動角度。
於請參閱圖13，顯示使用本發明之角度測量裝置20(20A、20B)之扳手50、扳手60或手工具65之使用流程圖﹕
第一，按下該輸入單元32之開關，啟動角度測量裝置20；
第二，對該角度測量裝置20進行初始化(歸零)或校正，此時，該電子羅盤36將偵測地球磁場方位，並將此時的磁場方位作為轉動作業的初始角度, 即零度角；
第三，使用該輸入單元32輸入參數或警示範圍，即設定該手工具轉動螺件之轉動角度值；
第四，使用者以該手工具轉動螺件（螺栓或螺帽)，該手工具係產生轉動；
第五，該電子羅盤36之三軸加速計361、三軸磁力計362及溫度偵測計363將偵測該手工具之傾斜狀態、目前的地球磁場的方位及所在位置的溫度，並經傾斜補償(傾角補償)與溫度補償後，計算出該手工具的轉動角度；手工具之轉動角度為當前的地球磁場的方位與初始角度時的地球磁場的方位的變化, 手工具的轉動角度可小於360度，亦可大於360度；
第六，所偵測到轉動角度值顯示於該顯示單元34，如圖4及圖5所示，該顯示單元34顯示360.0，代表該手工具已轉動360度角，該顯示單元所顯示的數值係到達小數點第一位。該控制單元30並將所偵測到的轉動角度與所設定的轉動角度值進行比對，當手工具的轉動角度到達該設定值時，該控制單元30即發出一指示命令使該警示單元38發出警示，例如發光警示、聲音警示、或是震動警示，提醒使用者已到達轉動的角度，停止轉動手工具；
第七，該控制單元30使該記憶單元40儲存所操作的資訊，包括：該手工具每次的轉動角度、以及於操作過程中所有轉動角度的加總，以供查詢，並判斷手工具的工作條件。當工作完成後，即可關閉該角度測量裝置20。
此外，該輸入單元的按鍵包括一角度歸零鍵。完成一個螺件的轉動後，手工具進行下一個螺件的轉動時，於轉動前，使用者可按壓該角度歸零鍵，使該電子羅盤36係將目前所測得地球磁場的方位作為轉動作業的零度角，以測量手工具的轉動角度。如此，不需重新啟動該角度測量裝置20，可立即獲得轉動作業的零度角。
由於地球南/北極的極向固定，本發明可供使用者校正該電子羅盤36，使用者以繞圈的方式移動該測量裝置20可實施該電子羅盤36的校正。以圖14為例，使用者可直接手持該測量裝置20(20B)或手持手工具，並以”8”字型的移動路徑來回移動該測量裝置20數次之方式進行校正，可得到電子羅盤36的磁感量的最大值(Xmax、Ymax)及最小值(Xmin、Ymin)，如圖15所示, 便可得到偏移的磁感量Ｔ，之後，以軟體進行校正，回復正確的磁感量Q，完成電子羅盤36的校正。
本發明所提供之轉動角度量測裝置20可準確量測手工具的轉動角度，不受該手工具之傾斜狀態或所處的環境、空間及溫度高低而影響其測量值，即使手工具大角度傾斜或於低溫或高溫的環境中使用，均能提供精密的量測功效。
再者，本發明可供使用者自行校正該轉動角度量測裝置20，以維持角度測量之準確性，且校正方式簡單方便，易於實施。
上揭實施例僅係說明本發明而非限制，舉凡由本發明之等效修改，均應視為本發明之保護範圍。本發明為所屬技術領域首創之技術，並具實用功效之增進，依法提出申請。
20、20A、20B 轉動角度測量裝置              22 殼體 23 頂面                   24 底面                 26 扣耳 28 開口                   29 磁性元件 30 控制單元               32 輸入單元           34 顯示單元 36 電子式角度偵測單元(電子羅盤)            361 三軸加速計 362 三軸磁力計        363 溫度偵測計       364 類比/數位轉換器 38 警示單元             40 記憶單元           42 電源 50 電子扭力扳手         52 頭部                  54 握柄 60 扳手                     62 頭部                  64 握柄 66 樞軸 P 水平面                   R 方向                   δ 傾斜角度 α 傾斜角度               T 偏移的磁感量       Q 校正後的磁感量
為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之目的、特徵以及所達成之功效，以下茲舉本發明若干較佳實施例，並配合圖式詳細說明於后： 圖1係習知一種扳手之端視圖。 圖2係習知一種扳手之側視圖，並顯示該扳手之握柄上下擺動。 圖3係本發明一較佳實施例之手工具之轉動角度測量裝置之立體圖，並顯示本發明之轉動角度測量裝置係內建安裝於一電子扭力扳手中。 圖4係本發明另一較佳實施例之手工具之轉動角度測量裝置之立體圖，並顯示該轉動角度測量裝置係結合於一扳手上。 圖5係本發明另一較佳實施例之手工具之轉動角度測量裝置之立體圖，並顯示該轉動角度測量裝置係結合於一非扳手的手工具上之示意圖。 圖6係圖5之端視圖。 圖7係本發明之轉動角度測量裝置之電路方塊示意圖。 圖8係本發明之電子羅盤之結構示意圖。 圖9及圖10顯示裝設有本發明之轉動角度測量裝置之手工具之使用狀態示意圖。 圖11顯示裝設有本發明之轉動角度測量裝置之手工具之使用狀態示意圖。 圖12係本發明再一較佳實施例之手工具之轉動角度測量裝置之立體圖，並顯示該轉動角度測量裝置係結合於一扳手上。 圖13係本發明之操作流程示意圖。 圖14顯示校正本發明之角度偵測單元之操作示意圖。 圖15顯示本發明之角度偵測單元之磁感量校正示意圖。
20 轉動角度測量裝置                      30 控制單元 32 輸入單元                                 34 顯示單元 36 電子式角度偵測單元(電子羅盤)     38警示單元 40記憶單元                                  42電源

Claims (11)

  1. 一種手工具之轉動角度測量裝置，係安裝於一手工具中或結合於一手工具上，並隨所述的手工具轉動，其包含有：一殼體；一控制單元，設於該殼體內，可接收、運算、比對以及執行各種指令與命令；一輸入單元，設於該殼體上，並電性連接該控制單元，以供輸入數值；一電子式角度偵測單元，設於該殼體內，並電性連接該控制單元，該角度偵測單元偵測地球磁場的方位、該手工具之轉動角度，以及偵測該手工具於水平面及垂直面的傾角；該控制單元依據該傾角進行傾角補償，以獲得正確的轉動角度；該角度偵測單元為三維電子羅盤，具有三軸加速計及三軸磁力計，該三軸加速計係測量該電子羅盤的傾角，該三軸磁力計係偵測地球磁場的方位；一顯示單元，設於該殼體上，並電性連接該控制單元，以顯示各種數據及資訊，包括顯示該手工具之轉動角度；以及一電源，提供該轉動角度測量裝置所需之電力。
  2. 如請求項1所述之轉動角度測量裝置，其中：以繞圈的方式移動該轉動角度測量裝置，進行該角度測量單元的校正。
  3. 如請求項1所述之轉動角度測量裝置，其中：該角度偵測單元可偵測溫度；該控制單元依據該溫度進行溫度補償，以獲得正確的轉動角度。
  4. 如請求項3所述之轉動角度測量裝置，其中：該角度偵測單元包括溫度偵測器，以偵測溫度。
  5. 如請求項1所述之轉動角度測量裝置，其中：該轉動角度測量裝置可設定一轉動角度值；更包含有：一警示單元，設於該殼體內，並電性連接該控制單元；當該手工具之轉動角度到達該設定的轉動角度值時，該控制單元係驅使該警示單元發出警示。
  6. 如請求項1所述之轉動角度測量裝置，包含有：一記憶單元，設於該殼體內，並電性連接該控制單元，用以儲存資訊，包括儲存該手工具之轉動角度。
  7. 如請求項1所述之轉動角度測量裝置，其中：該轉動角度測量裝置安裝於該手工具中，所述的手工具具有一主體，該主體係形成該轉動角度測量裝置的殼體。
  8. 如請求項1所述之轉動角度測量裝置，其中：該殼體具有一結合部，該結合部以可拆卸之方式與該手工具結合。
  9. 如請求項8所述之轉動角度測量裝置，其中，該殼體之一表面設有一對扣耳；一開口，形成於該二扣耳之自由端之間；該轉動角度測量裝置係以該二扣耳夾住該手工具。
  10. 如請求項8所述之轉動角度測量裝置，其中：至少一磁性元件，設於該殼體之一表面；該轉動角度測量裝置以該磁性元件吸附於該手工具。
  11. 如請求項1所述之轉動角度測量裝置，其中：該輸入單元包括一角度歸零鍵，按壓該角度歸零鍵時，該角度偵測單元設定目前的地球磁場的方位作為零度角。
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