TW201409005A - 非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置 - Google Patents

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Abstract

一種非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置，係用於一受扭力旋轉之傳動件，傳動件以一第一軸向為軸心旋轉，非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置包含一磁性件、複數感測件，以及一運算單元。磁性件具有一第一中心，磁性件係以隨傳動件旋轉之方式設於傳動件，磁性件隨傳動件旋轉時，磁性件相對於傳動件沿非平行於第一軸向之方向偏移，且磁性件之第一中心與傳動件之第一軸向之間產生一偏移量。感測件係共同感應一磁場變化而輸出複數電性訊號，電性訊號之間具有相位差，磁場變化由磁性件旋轉所產生，各電性訊號之振幅與磁性件之偏移量成正比。運算單元係接收該等感測件之電性訊號，進而計算電性訊號之振幅，並將其轉換為扭力值及旋轉角度。

Description

非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置
本發明係與扭力感測裝置有關，特別是指一種可應用於各式承受扭力作用之傳動件的非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置。
為符合環保節能的趨勢潮流，電動自行車的使用率與普及率越來越高，電動自行車除了具有一般自行車的機構組件以外，另外還包括電池、傳動馬達、控制器與扭力感測裝置等電控組件。騎乘電動自行車的時候，騎乘者的踩踏力會由扭力感測裝置量測出對應訊號，再利用控制器接收訊號並加以控制傳動馬達輸出動力至自行車，如果踩踏力越大，馬達輸出的動力也就越大，達到增加輔助動力驅動自行車的效果，藉以節省騎乘時所需施加的人力。
目前已經有許多不同種類的扭力感測裝置使用於電動自行車，例如在曲柄設置應變規，藉由曲柄受力變形而使應變規產生電性訊號變化進而推估出扭力。或者是將應變規設置在自行車的傳動組件，利用傳動組件會因扭力帶動旋轉而產生微小變形的特性，也能夠藉由應變規依上述變形估算出扭力。
再如US6,644,135號專利則揭露出在自行車中軸(Bottom Bracket axle)套設一軸承套及四壓力感測器，中軸穿設於軸承套，壓力感測器緊貼於軸承套與中軸軸承部之 間，當中軸受扭力作用時，扭力會直接傳遞至軸承套，進而讓各壓力感測器產生出對應的壓力，根據壓力再轉換為扭力值。
上述扭力感測器都是利用應變規或是壓力感測器直接接觸於設置位置，再利用偵測設置位置的結構變形量轉換為扭力。但是，設置位置的結構變形狀態常常會受到材料本身的組織成分以及製造成形過程的不同而產生變異，使得應變規無法準確地量測出實際扭力值。再者，現有扭力感測裝置的組成構件都較為複雜，或者是安裝後會直接曝露於外界，無法兼顧安裝簡便性與外觀性上的要求。
因此，本發明之主要目的乃在於提供一種非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置，其可更為精準地量測出扭力，安裝也較為簡便。
為達成前揭目的，本發明所提供之非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置，係用於一傳動件，該傳動件以一第一軸向為軸心受扭力而旋轉，該非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置包含一磁性件、複數感測件，以及一運算單元；該磁性件係以隨該傳動件受扭力旋轉之方式設於該傳動件，該磁性件具有一第一中心，該磁性件隨該傳動件旋轉時，該磁性件相對於該傳動件沿非平行於該第一軸向之方向偏移，且該磁性件之第一中心與該傳動件之第一軸向之間產生一偏移量；該等感測件係共同感應一磁場變化而輸出複 數具有預定波形曲線之電性訊號，該等電性訊號之間具有相位差，該磁性件旋轉時產生該磁場變化；該磁性件之偏移量與該傳動件所受之扭力成正比，各該電性訊號的振幅與該偏移量成正比；而該運算單元係接收該等複數感測件之電性訊號，利用電性訊號的大小與訊號之間的相位差計算出電性訊號的振幅，再轉換該等複數電性訊號為扭力值。換言之，當該傳動件受扭力旋轉，除了讓該磁性件產生該偏移量以外，隨著該磁性件的旋轉角度對應產生出該磁場變化，各該感測件依據該磁性件的偏心旋轉角度而感應到接近弦波的電性訊號(亦即弦波的橫座標為旋轉角度)；雖然各該感測件輸出之電性訊號隨著旋轉角度而改變，藉由複數電性訊號之間的相位差關係，不論在任何角度均能相當準確的推算出弦波的振幅，進而計算出扭力值。
作為本發明的進一步改進，該傳動件設有一座體，該座體設有一導引部，該磁性件設有一嵌槽，該導引部係設於該嵌槽，該嵌槽之寬度大於該導引部之長度。
作為本發明的進一步改進，該驅動件具有一推動部，該驅動件設於該傳動件，該推動部可分離地抵接於該磁性件，該驅動件與該座體之間設有至少一撓性連接桿。
作為本發明的進一步改進，該等感測件係位於同一平面且彼此之間具有間隔角度。
有關本發明所提供之詳細構造、特點、安裝或量測方法，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以 及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。
為了詳細說明本發明之結構、特徵及功效，茲列舉若干較佳實施例並配合下列圖式說明如後，各圖式之簡要說明如下： 第一圖係為本發明第一較佳實施例之立體分解圖；第二圖係為本發明第一較佳實施例之剖視圖；第三圖係為本發明第一較佳實施例之正視圖，主要顯示磁性件尚未受扭力旋轉之狀態；第四圖係為第三圖之後視狀態，其中僅顯示出磁性件與傳動件部分。
第五圖係類同於第三圖，主要顯示磁性件偏移於傳動件之狀態；第六圖係為第五圖之後視狀態，其中僅顯示出磁性件與傳動件部分。
第七圖至第十圖係為磁性件呈偏心旋轉之示意狀態；以及第十一圖係為磁性件之磁場變化曲線圖。
如第一圖至第四圖所示，本發明所提供之非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置10，主要係應用於一承受扭力而旋轉之傳動件20，例如各式載具、運動器材，以及各種機構組件中之傳動軸。本較佳實施例之傳動件20以電動自行車 中軸(bottom bracket axle)為例，傳動件20受自行車騎乘者踩動踏板而產生的扭力帶動，使傳動件20係以一第一軸向22為軸心旋轉，傳動件20穿設一圓盤狀座體24，座體24凸設一長條狀導引部26。
本發明之非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置10包含一磁性件30以及至少二感測件40，磁性件30係為圓環狀磁鐵，磁性件30於中心孔32位置定義出一第一中心34，磁性件30具有一中空容置部36，容置部36自磁性件30之中心孔32孔壁沿徑向一體地朝外延伸。磁性件30於朝向座體24之一側面凹設有一長形嵌槽38，嵌槽38亦可以貫穿於磁性件30之二側面，或是只凹設於磁性件30朝向座體24之一側面，嵌槽38寬度大於座體24之導引部26的長度。
傳動件20穿設於磁性件30之中心孔32，磁性件30之一側面靠向座體24，使座體24之導引部26設於嵌槽38內，一驅動件50由磁性件30之另一側面方向設於傳動件20。驅動件50具有一套環52與一設於套環52外周之延伸部54，延伸部54外端設有一推動部56。驅動件50利用套環52套設傳動件20，延伸部54沿著容置部36伸設，推動部56抵接於容置部36之壁面，套環52與座體24之間利用二穿經中心孔32之撓性連接桿58相互結合。
傳動件20一端與驅動件50承受自行車騎乘者踩踏所產生之扭力作用而旋轉，傳動件20另一端即可隨之帶動大齒盤(圖中未示)。如第五及第六圖所示，由於驅動件50之 推動部56抵壓著磁性件30，撓性連接桿58連結著座體24，使磁性件30與座體24也同時旋轉。而在扭力的作用下，驅動件50與座體24相對扭轉二撓性連接桿58變形，使驅動件50相對於座體24之間產生偏移，磁性件30除了會隨著傳動件20旋轉以外，磁性件30也會相對於傳動件20沿著導引部26以非平行於第一軸向22之方向偏移。本較佳實施例的磁性件30係以垂直於第一軸向22方向位移，磁性件30之第一中心34與傳動件20之第一軸向22之間就會產生出一偏移量D，偏移量D的大小與扭力大小成正比。
各該感測件40可為霍爾感測器(Hall sensor)或是巨磁阻感測器(giant magnetoresistive,GMR)，如第二及第七至十圖所示，二感測件40設於鄰近磁性件30之位置，本較佳實施例之二感測件40係以設於自行車中軸管的內壁為例，感測件40位於同一平面且彼此之間具有預定間隔角度的位置，例如二感測件40相互間隔30、45、60，或90度角位置。二感測件40主要用以共同感應磁性件30隨傳動件20旋轉時之磁場變化而輸出電性訊號，並且分別將各電性訊號傳送至一運算單元60。上述磁場變化與偏移量D之間成正比，亦即同時與施加於傳動件20之扭力值大小呈正比。運算單元60接收感測件40偵測到的電性訊號以後，即可透過內建之計算式將電性訊號轉換為數值，進而組合出電性訊號之波形曲線。
藉著上述本發明之組成構件說明，磁性件30受扭力作 用而產生出偏移量D，偏移量D的大小與扭力大小成正比，使磁性件30呈偏心狀態隨傳動件20旋轉。由於二感測件40位在固定位置，當偏心磁性件30以第一軸向22為中心旋轉，磁性件30與各感測件40之間就會因不同的旋轉角度而往復式地改變相互之間的距離，如第十一圖所示，只要二感測件40之間具有任意間隔角度，二感測件40因感應磁性件30之磁場變化所產生的電性訊號即可形成近似弦波波形的二曲線A、B，二曲線A、B之間亦具有預定相位差。如果磁性件30的充磁量越均勻對稱，第十一圖的曲線就越能近似弦波，而弦波的振幅與磁性件30的偏移量成正比，偏心量越大，振幅就越大，如果偏移量為零，振幅亦為零。
本發明主要是利用二感測件40共同感測偏心旋轉之磁性件30的磁場變化產生出二具有相位差之弦波曲線A、B，再藉由二曲線A、B的振幅即可計算出扭力值。以二感測件40之間隔角度為90度為例，傳動件20之扭力值τ可由如下(1)式計算得出，(1)式中的a代表電性訊號平均值，其係傳動件20轉動一圈(360度)的平均值，可在預先校正中求得；而比例常數k亦可預先量測傳動件承受已知扭力時之弦波振幅之大小換算求得。
τ：扭力
k：比例常數
x：振幅
s1、s2：各感測件的電性訊號值
a：電性訊號平均值
利用上述技術特徵，由於傳動件20與隨之旋轉的磁性件30皆承受扭力作用，感測件40未接觸於傳動件20，使得磁性件30的偏移量直接相關連於扭力大小，不會因為傳動件20或是相關構件本身於材料特性上的變異造成誤差，本發明的量測結果更為直接與靈敏。而且，透過至少二感測件40偵測偏心旋轉磁性件30的磁場變化產生出具有相位差之弦波波形曲線A、B，再由各曲線的振幅大小以上述三角函數關係式計算出扭力值，應用三角函數的數值關係，具有相位差的各曲線A、B可以互補地共同偵測出磁場變化曲線的振幅，得到磁性件的偏心量，進而估算出實際扭力值。
再者，磁性件30與感測件40可配合使用方式改變結構型式與設置方式，即使要裝在例如自行車中軸管內部的狹小空間，或是考量產品外觀性、配合動力源設置方式等因素時，本發明也能較為方便地調整與安裝，同時產生出穩定的感測性能。
值得一提的是，若設置四相互間隔90度之感測件於磁性件外側，量測結果會更為準確。同時，本發明除了能應用於感測扭力以外，還可用於感測傳動件的轉動角度與轉速，只須仍然利用二感測件偵測偏心旋轉磁性件之磁場變化所產生的弦波訊號，利用如下(2)式計算即可得出轉角θ。
θ=tan-1(s1-a)/(s2-a) (2)
藉此，利用上述揭露之磁性件、複數感測件等技術特 點，即可達成本發明之發明目的。
最後，必須再次說明，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件與應用領域僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代、變化或是不同的應用方式，例如電動汽車、各式電動工具等，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置
20‧‧‧傳動件
22‧‧‧第一軸向
24‧‧‧座體
26‧‧‧導引部
30‧‧‧磁性件
32‧‧‧中心孔
34‧‧‧第一中心
36‧‧‧容置部
38‧‧‧嵌槽
40‧‧‧感測件
50‧‧‧驅動件
52‧‧‧套環
54‧‧‧延伸部
56‧‧‧推動部
58‧‧‧撓性連接桿
D‧‧‧偏移量
60‧‧‧運算單元
第一圖係為本發明第一較佳實施例之立體分解圖；第二圖係為本發明第一較佳實施例之剖視圖；第三圖係為本發明第一較佳實施例之正視圖，主要顯示磁性件尚未受扭力旋轉之狀態；第四圖係為第三圖之後視狀態，其中僅顯示出磁性件與傳動件部分。
第五圖係類同於第三圖，主要顯示磁性件偏移於傳動件之狀態；第六圖係為第五圖之後視狀態，其中僅顯示出磁性件與傳動件部分。
第七圖至第十圖係為磁性件呈偏心旋轉之示意狀態；以及第十一圖係為磁性件之磁場變化曲線圖。
10‧‧‧非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置
20‧‧‧傳動件
22‧‧‧第一軸向
24‧‧‧座體
26‧‧‧導引部
30‧‧‧磁性件
32‧‧‧中心孔
34‧‧‧第一中心
36‧‧‧容置部
38‧‧‧嵌槽
50‧‧‧驅動件
52‧‧‧套環
54‧‧‧延伸部
56‧‧‧推動部
58‧‧‧連接桿

Claims (7)

  1. 一種非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置，係用於一受扭力旋轉之傳動件，該傳動件以一第一軸向為軸心旋轉，該非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置包含有：一磁性件，係以隨該傳動件受扭力旋轉之方式設於該傳動件，該磁性件具有一第一中心，該磁性件隨該傳動件旋轉時，該磁性件可相對於該傳動件沿非平行於該第一軸向之方向偏移，且該磁性件之第一中心與該傳動件之第一軸向之間產生一偏移量；複數感測件，係共同感應一磁場變化而輸出複數電性訊號，該等電性訊號之間具有相位差，該磁場變化由該磁性件旋轉所產生，各該電性訊號的振幅與該磁性件之偏移量成正比；以及一運算單元，係接收該等感測件輸出之電性訊號，進而計算該等電性訊號之振幅為扭力值與旋轉角度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置，該傳動件設有一座體，該座體設有一導引部，該磁性件設有一嵌槽，該導引部係設於該嵌槽，該嵌槽之寬度大於該導引部之長度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置，另包含一驅動件，該驅動件具有一推動部，該驅動件設於該傳動件，該推動部可分離地抵接於該磁性件。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之非接觸式扭力及旋轉 角度感測裝置，另包含一驅動件，該驅動件具有一推動部，該驅動件設於該傳動件，該推動部可分離地抵接於該磁性件，該驅動件與該座體之間設有至少一撓性連接桿。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置，其中該等感測件係位於同一平面且彼此之間具有間隔角度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置，其中該等感測件之間的間隔角度為90度。
  7. 一種應用如申請專利範圍第1項所述非接觸式扭力及旋轉角度感測裝置之量測方法，包含有：a.施加扭力旋轉該傳動件，使該磁性件隨著該傳動件旋轉時產生該偏移量與該磁場變化；b.該等感測件感測該磁場變化而輸出該等具有預定波形曲線之電性訊號；以及c.利用三角函數關係式計算出該傳動件之旋轉角度以及該等電性訊號之振幅，進而轉換為該傳動件所承受之扭力值。
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