TWI834650B - 旋轉角度感測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種旋轉角度感測裝置，包括一固定部、一轉動模組、一感測模組、以及一導磁性元件。轉動模組包括一轉軸，轉軸樞接固定部，且轉動模組可繞一主軸相對於固定部轉動。感測模組用以感測轉軸相對於固定部的運動狀況，包括一磁力感測器和一磁性元件，其中磁性元件對應磁性感測器，且磁性元件可相對於磁力感測器旋轉。導磁性元件則設置於感測模組和轉動模組之間。

Description

旋轉角度感測裝置

本發明係有關於一種旋轉角度感測裝置。更具體地來說，本發明有關於一種具有磁力感測器的旋轉角度感測裝置。

編碼器是將旋轉位置或旋轉量轉換成類比或數位訊號的機電裝置。旋轉編碼器用在許多需要精確旋轉位置及速度的場合，如工業控制、機器人技術、攝影鏡頭、電腦輸入裝置(例如滑鼠及軌跡球)等。

一種常見的編碼器是使用光學方式來量測，例如在具有孔洞的轉盤兩側設置光源和光感測器。然而，在編碼器需小型化的狀況下，此方式將不易安裝進入編碼器中，且量測的精準度可能因此降低。因此，如何解決前述問題始成一重要之課題。

為了解決上述習知之問題點，本發明提供一種旋轉角度感測裝置，包括一固定部、一轉動模組、一感測模組、以及一導磁性元件。轉動模組包括一轉軸，轉軸樞接固定部，且轉動模組可繞一主軸相對於固定部轉動。感測模組用以感測轉軸相對於固定部的運動狀況，包括一磁力感測器和一磁性元件，其中磁性元件對應磁性感測器，且磁性元件可相對於磁力感測器旋轉。導磁性元件則設置於感測模組和轉動模組之間。

於本發明一些實施例中，轉動模組更包括一軸承元件，設置於固定部上，且轉軸藉由軸承元件樞接固定部。軸承元件可為弱導磁之金屬材質或非金屬材質。導磁性元件可設置於軸承元件和磁力感測器之間。

於本發明一些實施例中，磁性元件設置於磁力感測器和導磁性元件之間。轉動模組更包括一磁性元件固定座，固定於轉軸上，且磁性元件設置於磁性元件固定座上。沿垂直主軸之一方向觀察時，磁性元件固定座和磁性元件至少部分重疊。於部分實施例中，導磁性元件和磁性元件固定座可為一體成型。

於本發明一些實施例中，旋轉角度感測裝置更包括一另一導磁性元件，圍繞磁性元件。磁性元件內部的磁力線方向垂直於主軸。於部分實施例中，磁性元件為一多極磁鐵，且磁性元件內部的磁力線方向平行於主軸。

於本發明一些實施例中，旋轉角度感測裝置更包括一電路組件和複數個支撐元件。電路組件包括複數個連接部，且支撐元件對應於前述連接部。支撐元件可連接固定部和電路組件。其中，前述連接部之間的連線可形成一封閉圖形，且封閉圖形相對於主軸為非旋轉對稱的。

於本發明一些實施例中，電路組件包括一電路板、一連接端子、以及複數個電子元件。該電路板具有一切削部、複數個測試電路、以及複數個凹槽，其中至少一測試電路鄰近切削部。連接端子之一電性連接口朝向主軸、且凹槽形成於電路板之邊緣。磁力感測器和其中一個電子元件設置於電路板上，且電路板設置於磁力感測器和此電子元件之間。磁力感測器和另一個電子元件設置於電路板之同一面上，沿主軸觀察時，此電子元件和磁性元件未重疊，且沿垂直主軸之一方向觀察時，此電子元件和磁性元件至少部分重疊。其中，前述電子元件之厚度皆大於磁力感測器之厚度。

於本發明一些實施例中，轉軸更包括一凹陷部，且磁性元件至少部分設置於凹陷部中。轉軸可為弱導磁之金屬材質或非金屬材質。於部分實施例中，轉軸亦為為金屬材質，且導磁性元件設置於磁性元件和轉軸之間。

以下說明本發明實施例之旋轉角度感測裝置。然而，可輕易了解本發明實施例提供許多合適的發明概念而可實施於廣泛的各種特定背景。所揭示的特定實施例僅僅用於說明以特定方法使用本發明，並非用以侷限本發明的範圍。

除非另外定義，在此使用的全部用語(包括技術及科學用語)具有與此篇揭露所屬之一般技藝者所通常理解的相同涵義。能理解的是這些用語，例如在通常使用的字典中定義的用語，應被解讀成具有一與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在此特別定義。

第1圖係表示本發明一實施例之旋轉角度感測裝置P的示意圖，且第2、3圖係分別表示前述旋轉角度感測裝置P的爆炸圖和剖視圖。請一併參閱第1~3圖，旋轉角度感測裝置P主要包括一固定部100、一轉動模組200、一電路組件300、複數個支撐元件400、複數個鎖固元件500、一感測模組600、以及一導磁性元件700。

固定部100包括一圓柱形的本體110，轉動模組200則可包括至少一軸承元件210、一轉軸220、以及一磁性元件固定座230。固定部100的本體110中央形成有一穿孔111，轉動模組200的軸承元件210可容置於此穿孔111中並固定於本體110上。轉軸220可穿過軸承元件210中間的孔洞，以藉由軸承元件210與固定部100的本體110樞接。

於本實施例中，轉動模組200包括有兩個軸承元件210，兩者係彼此分離地設置於本體110的穿孔111中，藉此可確保轉軸220沿一主軸R延伸，避免偏斜的狀況發生。

當轉軸220穿過軸承元件210而與本體110樞接時，其兩端會分別凸出於本體110的相反表面。磁性元件固定座230可固定於轉軸220的其中一端，而轉軸220的另一端則可連接馬達(未圖示)。如此一來，當馬達帶動轉軸220相對於固定部100繞主軸R旋轉時，磁性元件固定座230亦會同時被帶動而相對於固定部100旋轉。

如第4圖所示，磁性元件固定座230具有一碗型結構，其具有一底板231和一側壁232，其中側壁232係環繞於底板231的周圍且朝向遠離本體110的方向延伸，故可形成一容置空間。於本實施例中，底板231具有一圓形剖面，且前述轉軸220係連接磁性元件固定座230之底板231的圓心，因此當磁性元件固定座230被帶動時，其將會繞前述主軸R旋轉。另外，底板231上更可形成一膠槽233。

如第5A、5B圖所示，電路組件300可包括一電路板310、複數個電子元件320、330、至少一測試電路340、以及至少一連接端子350。電路板310的邊緣形成有複數個凹槽311，用來在組裝、移載、測試時與夾具結合。電路板310上更形成有複數個連接部312，當使用者欲將電路板310結合至固定部100之本體110時，可將支撐元件400對應前述連接部312，並利用支撐元件400連接本體110和電路板310，最後使鎖固元件500(例如螺絲、鉚釘、或螺栓)穿過連接部312與支撐元件400結合(如第3圖所示)。藉此，可使電路板310穩固地被固定至本體110。

需特別說明的是，連接部312之間的連線可構成一封閉圖形，且此封閉圖形相對於主軸R為非旋轉對稱的(亦即，繞主軸R旋轉至小於360度的任何角度皆無法與原圖形重疊)，以確認電路板310處於適當的連接方位。舉例而言，於本實施例中，連接部312之間的連線可構成一等腰三角形。此外，電路板310的邊緣更具有至少一切削部313，有利於使用者於組裝時確認電路板310的方位。

電子元件320、330、測試電路340和連接端子350可設置於電路板310上，且彼此之間可相互電性連接。電子元件320、330例如可包括電阻、電容、電感、及/或變壓器。測試電路340則可於測試時與外部探針電性連接，因此可設置於鄰近電路板310之邊緣，於本實施例中，測試電路340係鄰近於前述切削部313。連接端子350可透過外部導線與一外部電子裝置(例如電腦)電性連接，以將感測模組600偵測的資訊傳輸至外部電子裝置。應注意的是，連接端子350的電性連接口351可朝向主軸R，以避免旋轉角度感測裝置P被外殼封裝時前述外部導線因彎折而損壞。

請回到第1~3圖，感測模組600可包括一磁性元件610和一磁力感測器620，磁性元件610設置於磁性元件固定座230的容置空間中，而磁力感測器620則是設置於電路板310上。磁性元件610例如可透過黏貼方式固定於磁性元件固定座230上，應注意的是，由於底板231形成有膠槽233，因此即便使用者使用了過多的膠水，膠水仍可填充於此膠槽233中而保持磁性元件610的水平。

沿垂直主軸R之方向觀看時，磁性元件610和磁性元件固定座230的側壁232會重疊，而磁力感測器620的位置則對應磁性元件610的位置，可用來偵測磁性元件610的轉動角度。

舉例而言，如第6A~6C圖所示，磁力感測器620可為一穿隧磁阻效應感測器(Tunneling Magnetoresistance Effect Sensor, TMR Sensor)，包括一固定層621、一絕緣層622、以及一自由層623，其中絕緣層622設置於固定層621和自由層623之間。

固定層621可被磁化而產生固定的磁場方向，而自由層623的磁場方向則可依據外部環境的磁場方向改變。當外部環境的磁場方向相反於固定層621的磁場方向時(第6A圖)，磁力感測器620具有最大電阻。當外部環境的磁場方向與固定層621的磁場方向相異時(第6B圖，磁力方向垂直於紙面)，磁力感測器620的電阻會下降。當外部環境的磁場方向與固定層621的磁場方向相同時(第6C圖)，磁力感測器620具有最小電阻。

如第7圖所示，於本實施例中，磁性元件610的磁極方向垂直於主軸R(亦即其內部的磁力線方向垂直於主軸R)。磁力感測器620的自由層623會受到磁性元件610的磁力影響而產生磁場方向F。因此，當馬達驅動轉軸220、磁性元件固定座230、以及磁性元件610繞主軸R旋轉時，自由層623的磁場方向F將會改變(具體而言為相對於主軸R旋轉)，從而磁力感測器620可獲得轉軸220、磁性元件固定座230、或磁性元件610的轉動角度。

請參閱第8圖，於本發明另一實施例中，磁性元件610亦可為多極磁鐵，且其內部的磁力線方向將平行於主軸R。此配置可使磁力較強的區域集中在磁力感測器620上，同時使整體的磁力線較集中不發散，降低電磁干擾。

於一些實施例中，磁力感測器620亦可為磁阻效應感測器(Magnetoresistance Effect Sensor, MR Sensor)或巨磁阻效應感測器(Giant Magnetoresistance Effect Sensor, GMR Sensor)。

需特別說明的是，在小型化的旋轉角度感測裝置P中，磁性元件610可能會很靠近軸承元件210(如第3圖所示)。在軸承元件210包含金屬的情況下，軸承元件210可能會被磁化，進而造成磁力感測器620量測不準確的問題。

因此，如第1~3圖所示，於本實施例中，導磁性元件700可被設置於軸承元件210和磁性元件610之間，避免軸承元件210被磁化。而因為導磁性元件700會與磁性元件610同時旋轉，因此即便導磁性元件700被磁化也不會造成磁力感測器620量測不準確。

於一些實施例中，軸承元件210可為弱導磁之金屬材質或是非金屬材質(例如陶瓷)，以進一步地防止軸承元件210被磁化。

另外，請參閱第3圖，由於電子元件320、330主軸R方向上的厚度會大於磁力感測器620的厚度，在小型化的旋轉角度感測裝置P中，為了避免磁性元件固定座230和磁性元件610旋轉時碰撞到電子元件320、330，電子元件320、330可設置於電路板310的邊緣或是電路板310的另一面上。

於本實施例中，電子元件320和磁力感測器620設置於電路板310的同一面，並鄰近電路板310的邊緣。沿主軸R之方向觀看時，電子元件320和磁力感測器620未重疊，而沿垂直主軸R之方向觀看時，電子元件320和磁力感測器620則會部分重疊。電子元件330和磁力感測器620則是設置於電路板310的相反面(亦即電路板310會位於電子元件330和磁力感測器620之間)，且電子元件330之厚度係大於電子元件320的厚度。

請參閱第9圖，於本發明另一實施例中，旋轉角度感測裝置P可更包括環狀的另一導磁性元件800，圍繞於前述磁性元件610。如此可進一步地避免磁性元件610側邊的磁力造成磁力感測器620的量測準確率降低。

於一些實施例中，磁性元件固定座230和導磁性元件700、800可為一體成型，換言之，磁性元件固定座230可由導磁性材料構成。

請參閱第10圖，於本發明另一實施例中，轉軸220之尺寸較大且可具有一凹陷部221，磁性元件固定座230可被省略，而磁性元件610和導磁性元件700、800可直接設置於轉軸220的凹陷部221中，且導磁性元件700、800可位於磁性元件610和轉軸220之間。於此實施例中，轉軸220可為金屬材質，以利馬達驅動轉軸220旋轉。

於一些實施例中，轉軸220亦可為弱導磁之金屬材質或是非金屬材質(例如陶瓷)。

第11圖係表示前述各實施例中電路組件300、磁力感測器620、以及外部元件的電路連接示意圖。如圖所示，外部電源W可透過連接端子350電性連接電路組件300，以供給電力至電路組件300。其中，保險絲單元301可位於處理單元302和外部電源W之間，當異常電流流經保險絲單元301時，保險絲單元301可中斷與外部電源W之間的電性連接，以保護電路組件300。

磁力感測器620偵測之資料可傳輸至處理單元302，處理單元302再將前述資料轉換為需要的編碼(例如波形)，最後可透過連接端子350傳送至外部電子裝置E。

綜上所述，本發明提供一種旋轉角度感測裝置，包括一固定部、一轉動模組、一感測模組、以及一導磁性元件。轉動模組包括一轉軸，轉軸樞接固定部，且轉動模組可繞一主軸相對於固定部轉動。感測模組用以感測轉軸相對於固定部的運動狀況，包括一磁力感測器和一磁性元件，其中磁性元件對應磁性感測器，且磁性元件可相對於磁力感測器旋轉。導磁性元件則設置於感測模組和轉動模組之間。

雖然本發明的實施例及其優點已揭露如上，但應該瞭解的是，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。此外，本發明之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本發明揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本發明使用。因此，本發明之保護範圍包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本發明之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。

雖然本發明以前述數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。此外，每個申請專利範圍建構成一獨立的實施例，且各種申請專利範圍及實施例之組合皆介於本發明之範圍內。

100:固定部110:本體111:穿孔200:轉動模組210:軸承元件220:轉軸230:磁性元件固定座231:底板232:側壁233:膠槽300:電路組件301:保險絲單元302:處理單元310:電路板311:凹槽312:連接部313:切削部320:電子元件330:電子元件340:測試電路350:連接端子351:電性連接口400:支撐元件500:鎖固元件600:感測模組610:磁性元件620:磁力感測器621:固定層622:絕緣層623:自由層700:導磁性元件800:導磁性元件E:外部電子裝置F:磁場方向P:旋轉角度感測裝置R:主軸W:外部電源

第1圖係表示本發明一實施例之旋轉角度感測裝置的示意圖。 第2圖係表示本發明一實施例之旋轉角度感測裝置的爆炸圖。 第3圖係表示本發明一實施例之旋轉角度感測裝置的剖視圖。 第4圖係表示本發明一實施例中之磁性元件固定座的示意圖。 第5A圖係表示本發明一實施例中之電路組件的示意圖。 第5B圖係表示本發明一實施例中之電路組件於另一視角的示意圖。 第6A圖係表示本發明一實施例中，磁力感測器中之固定層和自由層的磁場方向相反的示意圖。 第6B圖係表示本發明一實施例中，磁力感測器中之固定層和自由層的磁場方向相異的示意圖。 第6C圖係表示本發明一實施例中，磁力感測器中之固定層和自由層的磁場方向相同的示意圖。 第7圖係表示本發明一實施例中之磁力感測器和磁性元件的示意圖。 第8圖係表示本發明另一實施例中之磁力感測器和磁性元件的示意圖。 第9圖係表示本發明另一實施例之旋轉角度感測裝置的示意圖。 第10圖係表示本發明另一實施例之旋轉角度感測裝置的示意圖。 第11圖係表示本發明一些實施例中之電路組件、磁力感測器、外部電源、和外部電子裝置的電路連接示意圖

100:固定部

110:本體

200:轉動模組

220:轉軸

230:磁性元件固定座

300:電路組件

400:支撐元件

500:鎖固元件

600:感測模組

610:磁性元件

620:磁力感測器

P:旋轉角度感測裝置

R:主軸

Claims (19)

1. 一種旋轉角度感測裝置，包括：一固定部；一轉動模組，包括一轉軸，其中該轉軸樞接該固定部，且該轉動模組可繞一主軸相對於該固定部轉動；一感測模組，感測該轉軸相對該固定部之運動狀況，其中該感測模組包括：一磁力感測器；以及一磁性元件，對應該磁力感測器，且該磁性元件可相對於該磁力感測器旋轉；一導磁性元件，設置於該感測模組和該轉動模組之間；一電路組件，包括複數個連接部；以及複數個支撐元件，對應於該些連接部，且連接該固定部和該電路組件，其中該些連接部之間的連線可形成一封閉圖形，且該封閉圖形相對於該主軸為非旋轉對稱的，其中該電路組件包括一連接端子，該連接端子之一電性連接口朝向該主軸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度感測裝置，其中該轉動模組更包括一軸承元件，設置於該固定部上，且該轉軸藉由該軸承元件樞接該固定部。
3. 如申請專利範圍第2項所述之旋轉角度感測裝置，其中該軸承元件為弱導磁之金屬材質或非金屬材質。
4. 如申請專利範圍第2項所述之旋轉角度感測裝置，其中該導磁性元件設置於該軸承元件和該磁力感測器之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度感測裝置，其中該磁性元件設置於該磁力感測器和該導磁性元件之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度感測裝置，其中該轉動模組更包括一磁性元件固定座，固定於該轉軸上，且該磁性元件設置於該磁性元件固定座上。
7. 如申請專利範圍第6項所述之旋轉角度感測裝置，其中沿垂直該主軸之一方向觀察時，該磁性元件固定座和該磁性元件至少部分重疊。
8. 如申請專利範圍第7項所述之旋轉角度感測裝置，其中該導磁性元件和該磁性元件固定座為一體成型。
9. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度感測裝置，其中該旋轉角度感測裝置更包括一另一導磁性元件，圍繞該磁性元件。
10. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度感測裝置，其中該磁性元件內部的磁力線方向垂直於該主軸。
11. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度感測裝置，其中該磁性元件為一多極磁鐵，且該磁性元件內部的磁力線方向平行於該主軸。
12. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度感測裝置，其中該電路組件包括一電路板，該電路板具有一切削部和複數個測試電路，其中至少一測試電路鄰近該切削部。
13. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度感測裝置，其中該電路組件包括一電路板和至少一電子元件，該磁力感測器和該電子元件設置於該電路板上，且該電路板設置於該磁力感測器和該電子元件之間，其中該電子元件之厚度大於該磁力感測器之厚度。
14. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度感測裝置，其中該電路組件包括一電路板和至少一電子元件，該磁力感測器和該電子元件設置於該電路板之同一面上，其中該電子元件之厚度大於該磁力感測器之厚度，且沿該主軸觀察時，該電子元件和該磁性元件未重疊。
15. 如申請專利範圍第14項所述之旋轉角度感測裝置，其中沿垂直該主軸之一方向觀察時，該電子元件和該磁性元件至少部分重疊。
16. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度感測裝置，其中該電路組件包括一電路板，該電路板之邊緣上形成有複數個凹槽。
17. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度感測裝置，其中該轉軸更包括一凹陷部，且該磁性元件至少部分設置於該凹陷部中。
18. 如申請專利範圍第17項所述之旋轉角度感測裝置，其中該轉軸為弱導磁之金屬材質或非金屬材質。
19. 如申請專利範圍第17項所述之旋轉角度感測裝置，其中該轉軸為金屬材質，且該導磁性元件設置於該磁性元件和該轉軸之間。

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