CN107628185A - 扭力侦测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扭力侦测器，包括一具有磁伸缩特性的扭力传输机构件安排于外层，使成壳状的套筒，而在其上刻镂贯穿的螺旋纹而造就由一对旋向相反的螺旋肋连接的传动件，其内并围绕一对导磁绕线轴，并在导磁绕线轴上缠绕一对激励线圈与一对测量线圈。当激励线圈通以交流电时，受激励而产生的磁力线会被集中导引通过螺旋肋，能更有效率的表现扭力传输构件受扭力负荷时的磁伸缩效应，并在测量线圈感应一电压信号而达到侦测扭力的效果。

Description

扭力侦测器

技术领域

本发明涉及一种扭力侦测器，特别有关由位于扭力侦测器的***套筒来传输扭力的一种磁伸缩式的扭力侦测器。

背景技术

利用导磁材料磁伸缩特性来侦测固定轴或旋转轴承受扭力大小的方法已广为使用，此方法利用施加扭力在固定轴或旋转轴上时，侦测固定轴或旋转轴上导磁率的变化，可计算出施加于该轴上的扭力大小。磁伸缩式扭力侦测为一种非接触式扭力侦测，相较于其他扭力侦测方式有无磨耗、不需保养、可靠度高等优势。

磁伸缩特性的现象为当特定材料承受拉力或压力时，该材料的导磁率会相应改变，若导磁率随拉力增加而增加，或随压力增加而减小时，称该材料具正磁伸缩特性，反之，则称该材料具负磁伸缩特性。所以在一轴上施以扭力时，此轴将在正负45度角分别产生拉力及压力，而产生导磁率增加或减少的现象，利用此现象在轴的正负45度角方向各配置至少一组线圈作为侦测器，或在轴上相邻处取特定长度各别加工正负45度角的螺旋纹沟槽(或肋)，而在其相应位置***配置至少一组线圈作为侦测器，都可因导磁率的改变而导致该组线圈电感值相应的改变，当对线圈通以交流电源时即可利用适当的电路配置侦测出相应的扭力值。这些基本应用可见于美国专利4506554号、4697459号、4765192号、4823620号等专利文献。

传统的磁伸缩式扭力侦测器的结构基本上传动轴都位于中心，侦测线圈围绕于外，并有一圆筒式导磁环作为外圈以增加侦测灵敏度。这种配置方式也被应用于马达动力辅助脚踏车，如美国专利编号第8807260号专利及中国台湾专利编号第293508号专利等，唯此种应用均安装于脚踏车五通(bottom bracket shell)内，侦测脚踏曲柄轴受脚踏力作用时所产生的扭力，此扭力信号将被转换成数位信号传输至一控制单元作为判断基础，用以控制一提供助力的马达的运转时机。然此种配置方式需改变原始车架的外型与组装介面，应用上仍嫌不便。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的旨在提供一种适用于脚踏车的较佳形式的扭力侦测器，用以侦测骑乘者施于脚踏板的脚踏力。脚踏车的动力输入与动力输出分别为脚踏板与后轮胎，于此两者之间均可设置脚踏力侦测器，或设置扭力侦测器用以侦测脚踏力。本发明即在脚踏车后轮盘与轮毂之间设置扭力侦测器，可在不改变原始车架、脚踏曲柄、曲轴、大盘等的配置，而简易的将其整合至后轮，大幅简化组合程序。

本发明的技术手段为于一固定支撑轴上设置一磁伸缩式扭力侦测器，包括：一扭力传输套筒，由具有磁伸缩特性的金属制成中空壳状而与该固定支撑轴枢接，该扭力传输套筒于中段处形成一对左右旋向相反的螺旋肋，且该扭力传输套筒具有一动力输入端及一动力输出端；一对导磁绕线轴，由高导磁材料制作而成，并受该对螺旋肋包围而固定于固定支撑轴上；及一线圈组，缠绕于该对导磁绕线轴上，用于侦测扭力传输套筒受扭力负荷时在该对螺旋肋所产生的导磁率变化。

在进一步实施上，本发明还包括：

其中该螺旋肋于一特定轴距内由周向等节距排列的复数肋条组成。

其中该对左右旋向相反的螺旋肋分别具有一螺旋角θ，且0<∣θ∣≤45°。

其中该导磁绕线轴由一圆筒及沿该圆筒两侧分别往外辐射延伸的一盘状耳环形成。其中，该导磁绕线轴的盘状耳环与扭力传输套筒间形成一气隙。其中，该导磁绕线轴、该气隙与该螺旋肋形成磁回路。

其中该线圈组包含一对内层的激励线圈以及一对外层的测量线圈。其中，该对激励线圈以相同螺旋方向串联连接，该对测量线圈以相反螺旋方向串联连接。或者说，该对激励线圈以相反螺旋方向串联连接，该对测量线圈以相同螺旋方向串联连接。

其中该扭力传输套筒的动力输入端可组设一脚踏车的后轮盘组(或称飞

轮)，在动力输出端可组设一轮毂马达，再依前述扭力侦测具体实施方式，如此即可简易将磁伸缩扭力侦测器与提供助力的马达整合至脚踏车后轮。

此外，本发明更包含配置一高导电率但低导磁率的电磁波隔离装置，包括：一第一电磁波隔离套筒，介于该导磁绕线轴与该固定支撑轴之间，三者并固接成一体；一第二电磁波隔离套筒，紧贴套组于扭力传输套筒***；三片电磁波隔离片，间隔并侧面紧贴该导磁绕线轴。用以隔离外界传来的电磁波干扰，同时防止激励线圈所产生的电磁波发散至外界环境。

依本发明上述实施例，其技术上的创意暨效果在于：将具有磁伸缩特性的扭力传输机构件安排于外层，使成壳状的套筒，而在其上刻镂贯穿的螺旋纹而造就由螺旋肋连接的传动件，当激励线圈通以交流电时，受激励而产生的磁力线会被集中导引通过螺旋肋，有别于传统具螺旋肋的中心轴，在螺旋肋的下仍为实心杆件，磁力线会被分散至实心部位，所以本发明能更有效率的表现材料的磁伸缩效应。

此外，有关本发明可供据以实施的相关技术细节，将在后续的具体实施方式及图式中加以阐述。

附图说明

图1是本发明实施例的立体分解图。

图2是本发明实施例的断面剖示图。

图3是本发明扭力侦测器的断面剖示图。

图4是图3的A-A断面剖示图。

图5是本发明实施例扭力侦测器磁回路示意图。

图6是本发明线圈组的二对线圈电路图。

图7是本发明轮毂马达棘轮组由左边观察的逆时针动作图。

图8是本发明轮毂马达棘轮组由左边观察的顺时针动作图。

附图标记说明：10扭力侦测器；11扭力传输套筒；11a、11b螺旋肋；11c动力输入端；11d动力输出端；12a、12b导磁绕线轴；121圆筒；122、123盘状耳环；13、13a、13b气隙；14线圈组；15、16线圈；15a、15b激励线圈；16a、16b测量线圈；17a、17b磁回路；20轮毂马达；21马达减速机；22棘轮组；23轮毂；30后齿盘组；41固定支撑轴；50、51轴承；61第一电磁波隔离套筒；62第二电磁波隔离套筒；63电磁波隔离片；h轴距；θ螺旋角。

具体实施方式

首先，请合并参阅图1与图2，揭示本发明的一种较佳实施例的配置细节，说明本发明所提供的扭力侦测器10将轮毂马达20一起整合于脚踏车的后轮并且架设于一作为固定端使用的固定支撑轴41上。

请合并参阅图3与图4可见悉本发明的扭力侦测器10包括：一扭力传输套筒11、一对导磁绕线轴12a、12b及一线圈组14。其中，该扭力传输套筒11可由例如是铬钼钢或镍铬钼钢等具磁伸缩(magneto strictive)特性的金属制作而成，且呈中空的壳状，该扭力传输套筒11于中段处形成有一对旋向相反的螺旋肋11a、11b，该对螺旋肋11a、11b于一固定支撑轴41的轴向保有一特定轴距h(如图1)，该对螺旋肋11a、11b并于该特定轴距h内由周向等节距排列的复数肋条组成；该对导磁绕线轴12a、12b分别受该对螺旋肋11a、11b包围而固定于支撑轴41上；该线圈组14包括两对线圈15、16，所述两对线圈15、16分别缠绕于该对导磁绕线轴12a、12b上，用于侦测扭力传输套筒11受扭力负荷时在该对螺旋肋11a、11b所产生的导磁率变化。

实施上该对螺旋肋11a、11b分别具有一相对朝固定支撑轴41的径向展开的螺旋角θ(如图1)，且0<∣θ∣≤45°，使得该对螺旋肋11a、11b能相对的各自呈反向螺旋。当该扭力传输套筒11受扭力作用时，该对螺旋肋11a、11b分别在其中之一承受压力，另一则承受拉力，譬如，若螺旋肋11a承受压力时，则螺旋肋11b承受拉力，若当扭力传输套筒11由正磁伸缩效应的材料加工而成时，螺旋肋11a导磁率将降低，螺旋肋11b导磁率则增加。

该扭力传输套筒11并于两端凭借轴承50、51与固定支撑轴41枢接，而可在固定支撑轴41上稳定旋转。

该对导磁绕线轴12a、12b在实施上可由高导磁材料制作而成，例如选用高导磁性的麻田散铁系不锈钢、纯铁、镍钢或硅钢等，该对导磁绕线轴12a、12b并分别对应该对螺旋肋11a、11b而互相镜射地对称配置。单一导磁绕线轴分别由一圆筒121及沿该圆筒121两侧分别往外辐射延伸的盘状耳环122、123形成。该盘状耳环122、123与扭力传输套筒11间形成一气隙13，包含相对于盘状耳环122、123的气隙13a、13b，避免当该扭力传输套筒11旋转运动时与该盘状耳环122、123产生摩擦干涉。

必须更加说明的是该对螺旋肋11a、11b与其所包围的该对导磁绕线轴12a、12b形成一对磁回路17a、17b。磁回路17a由该圆筒121、该盘状耳环122、该气隙13a、该螺旋肋11a、该气隙13b、该盘状耳环123，环绕形成；磁回路17b由该圆筒121、该盘状耳环122、该气隙13a、该螺旋肋11b、该气隙13b、该盘状耳环123，另环绕形成。

请续参阅图3与图6，说明上述该线圈组14所包含的两对线圈15、16分别是一对激励线圈15a、15b以及一对测量线圈16a、16b，且分别缠绕于导磁绕线轴12a、12b上；更具体的实施细节为，该对激励线圈15a、15b先分别缠绕于导磁绕线轴12a、12b上，而后再分别缠绕该对测量线圈16a、16b于导磁绕线轴12a、12b上，使得该对激励线圈15a、15b与该对测量线圈16a、16b分别相对介置于导磁绕线轴12a、12b的内层及外层。其中，激励线圈15a与激励线圈15b缠绕圈数相同为N，测量线圈16a与测量线圈16b缠绕圈数相同为M，M通常为N的数倍。

请参阅图6为本发明采用的配线方式，即该对激励线圈15a、15b以相同螺旋方向串联连接，而该对测量线圈16a、16b则以相反螺旋方向串联连接。其他的配线方式也可采用该对激励线圈15a、15b以相反螺旋方向串联连接，而该对测量线圈16a、16b则以相同螺旋方向串联连接。当该对激励线圈15a、15b给予交流弦波电源时，即在该对磁回路17a、17b上产生磁力线，意即磁通量，磁通量的强弱与方向随交流电源的弦波而变，依法拉第定律，该测量线圈16a、16b因而感应产生交变电压Va、Vb，以数学式可表示为：

Va＝Am×cos(ωt)

Vb＝Bm×cos(ωt)

其中，Am为测量线圈16a所感应的电压峰值，Bm为测量线圈16b所感应的电压峰值。

因该对测量线圈16a、16b以相反螺旋方向串联连接，所以16a与16b产生的电压会互相抵消，即该对测量线圈16a、16b的串联端电压Vab可表示为：

Vab＝Va-Vb＝(Am-Bm)×cos(ωt)

当扭力传输套筒11尚未承受扭力负荷时，磁回路17a磁阻等于磁回路17b磁阻，所以激励线圈15a电感等于激励线圈15b电感，因而其阻抗也相等，在串联电路上的分压也相等，所以激励线圈15a端电压等于激励线圈15b端电压，因而测量线圈16a、16b感应的电压Va＝Vb，即Am＝Bm，所以Vab＝0。当扭力传输套筒11承受扭力负荷时，若螺旋肋11a承受压力，螺旋肋11b承受拉力，且若扭力传输套筒11由正磁伸缩效应的材料加工而成时，螺旋肋11a导磁率降低，螺旋肋11b导磁率增加，因此磁回路17a磁阻大于磁回路17b磁阻，激励线圈15a电感小于激励线圈15b电感，所以激励线圈15a阻抗小于激励线圈15b阻抗，在串联电路上激励线圈15a分压小于激励线圈15b分压，也就是激励线圈15a端电压小于激励线圈15b端电压，因而测量线圈16a、16b感应的电压绝对值∣Va∣<∣Vb∣，意即Am<Bm，所以Vab＝Va–Vb＝(Am–Bm)×cos(ωt)≠0。依前面所述，Vab源自于该对激励线圈15a、15b的电感差，该电感差源自于该对螺旋肋11a、11b的导磁率变化，也就是源自于扭力传输套筒11所受扭力值的大小变化，依此技术理论，该线圈组14可用以侦测该扭力传输套筒11所受扭力值。

参阅图1与图3，可见悉本发明更配置高导电率但低导磁率的电磁波隔离装置，包括：一第一电磁波隔离套筒61、一第二电磁波隔离套筒62及三片电磁波隔离片63。其中，该第一电磁波隔离套筒61介于该对导磁绕线轴12a、12b与该固定支撑轴41之间(如图4)，且第一电磁波隔离套筒61、该对导磁绕线轴12a、12b与该固定支撑轴41三者并固接成一体；该第二电磁波隔离套筒62紧贴套组于扭力传输套筒11***；所述三片电磁波隔离片63分别间隔并且侧面紧贴该对导磁绕线轴12a、12b。用以隔离外界传来的电磁波干扰，同时防止激励线圈所产生的电磁波发散至外界环境。另外必须加以说明的是，该对导磁绕线轴12a、12b、该线圈组14、该三片电磁波隔离片63、该第一电磁波隔离套筒61与固定支撑轴41固组成一体；该第二电磁波隔离套筒62系紧贴地套组于扭力传输套筒11的***，并凭借轴承50、51枢接于固定支撑轴上作为旋转件。所述旋转件与固定件之间设定有特定间隙13，避免旋转时发生干涉摩擦。

该扭力传输套筒11更加包含一动力输入端11c，及一动力输出端11d。该扭力传输套筒11的动力输入端11c可组设一脚踏车的后轮盘组(或称飞轮)30，在动力输出端11d可组设一轮毂马达20，再依前述扭力侦测具体实施方式，如此即可简易将磁伸缩扭力侦测器10与提供助力的轮毂马达20整合至脚踏车的后轮。

基本上，该后轮盘组30已包含一棘轮组(图未显示)，由脚踏车左方观察，当施予脚踏力使后轮盘组30逆时针旋转时，后轮盘组30会对扭力传输套筒11施加扭力；反之，使后轮盘组30顺时针旋转时，后轮盘组30则不会对扭力传输套筒11施加扭力。

另外必须附带说明该轮毂马达20部分动作原理，请同时参阅图2可见悉轮毂马达20包含：一马达减速机21，一棘轮组22，一轮毂23。在此不对马达减速机21的内部机构作详细说明。

请再同时参阅图7与图8，此二图都为由脚踏车的左方(也即图2的左方)观察的视图。当轮毂23逆时针旋转时，表示脚踏车朝前进方向，当马达提供动力推使马达减速机21逆时针旋转时，该马达减速机21可凭借该棘轮组22啮合该轮毂23而推动该轮毂23逆时针同步旋转(如图7)；当马达不提供动力时，该马达减速机21不旋转，若当轮毂23凭借其他力量逆时针旋转时，该棘轮组22不提供啮合功能，马达减速机21与轮毂23不互相连动(如图8)。

根据上述配置细节，当脚踏车骑乘者对脚踏板施予脚踏力时，通过链条(图未显示)对该后齿盘组30施加扭力，此扭力传至该轮毂23驱动脚踏车克服负载前进。过程中该扭力传输套筒11的动力输入端11c接受来自后齿盘组30传来的扭力，动力输出端11d则将此扭力再传输出去用以克服脚踏车前进所遭遇的负载(严格来说还有对脚踏车提供加速所需的扭力)，此扭力在该扭力传输套筒11上每处垂直于中心轴的截面都是相同的，而在正负45度螺旋角方向则会表现出压力与拉力，该螺旋肋11a因此而承受压力，而致使导磁率降低，该螺旋肋11b也因此承受拉力，而致使导磁率增加。在此同时该对激励线圈15a、15b也被施予交流电源而在该对磁回路17a、17b上产生交变磁通量。依前述说明该对测量线圈16a、16b可测量到一串联端电压Vab＝Va–Vb＝(Am–Bm)xcos(ωt)，而Am–Bm与扭力值呈一定比例关系，将此Vab信号传送至一信号处理单元即可控制轮毂马达提供助力的适当时机，并可依Vab的大小计算提供助力的多寡，以减轻骑乘者在遭遇到崎岖路面或爬坡时的脚踏力。

综上所述，应不难了解本发明所述的一种利用磁伸缩效应的扭力侦测器的可行性。然而，以上实施例仅为表达了本发明的较佳具体实施方式，但并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。

Claims (11)

1.一种扭力侦测器，配置于一固定支撑轴，其特征在于，包括：

一扭力传输套筒，由具有磁伸缩特性的金属制成中空壳状而与该固定支撑轴枢接，该扭力传输套筒在中段处形成一对左右旋向相反的螺旋肋，且该扭力传输套筒具有一动力输入端及一动力输出端；

一对导磁绕线轴，由高导磁材料制作而成，并受该对螺旋肋包围而固定于固定支撑轴上；及

一线圈组，缠绕于该对导磁绕线轴上，用于侦测扭力传输套筒受扭力负荷时在该对螺旋肋所产生的导磁率变化。

2.根据权利要求1所述的扭力侦测器，其特征在于：该螺旋肋在一特定轴距内由周向等节距排列的复数肋条组成。

3.根据权利要求1或2所述的扭力侦测器，其特征在于：该对左右旋向相反的螺旋肋分别具有一螺旋角θ，且0<∣θ∣≤45°。

4.根据权利要求1所述的扭力侦测器，其特征在于：该导磁绕线轴由一圆筒及沿该圆筒两侧分别往外辐射延伸的一盘状耳环形成。

5.根据权利要求4所述的扭力侦测器，其特征在于：该导磁绕线轴的盘状耳环与扭力传输套筒间形成一气隙。

6.根据权利要求5所述的扭力侦测器，其特征在于：该导磁绕线轴、该气隙与该螺旋肋形成磁回路。

7.根据权利要求1所述的扭力侦测器，其特征在于：该线圈组包含一对内层的激励线圈以及一对外层的测量线圈。

8.根据权利要求7所述的扭力侦测器，其特征在于：该对激励线圈以相同螺旋方向串联连接，该对测量线圈以相反螺旋方向串联连接。

9.根据权利要求7所述的扭力侦测器，其特征在于：该对激励线圈以相反螺旋方向串联连接，该对测量线圈以相同螺旋方向串联连接。

10.根据权利要求1所述的扭力侦测器，其特征在于：还配置一电磁波隔离装置，包括：

一第一电磁波隔离套筒，介于各该导磁绕线轴与该固定支撑轴之间，且第一电磁波隔离套筒、导磁绕线轴与固定支撑轴并固接成一体；

一第二电磁波隔离套筒，紧贴地套组于该扭力传输套筒的***；及

三片电磁波隔离片，分别间隔并且侧面紧贴该导磁绕线轴。

11.根据权利要求1所述的扭力侦测器，其特征在于：该扭力传输套筒的动力输入端组设一脚踏车的后轮盘组，动力输出端组设一轮毂马达。