TWM527957U - 扭力感測器 - Google Patents

Description

扭力感測器

本創作係關於一種扭力感測器；特別關於一種扭力感測器裝置，該裝置係利用量測結構受力之變形撓曲，以計算出施力之有效力矩。

一般之扭力感測器常用於扭力板手用以量測鎖緊螺絲之力矩，或是用於電動助力腳踏車以偵測配合踩踏力進行馬達輔助驅動，或是用於車輛動力輔助方向盤以輔助車輛轉向操作等。其中不同設計所使用的原理包含有壓電式、磁致伸縮式、變形元件式等，其共通的特點都是利用結構件的受力產生變形，再以不同的感測元件作變形量測。例如，我國第I403009號創作專利所揭露的環狀壓電感測器，利用環狀極化壓電片之d15機電耦合係數來量測扭矩或剪力之大小；我國第I501434號及美國第8807260號創作專利所揭露使用磁致伸縮金屬玻璃感測披覆層，以感測軸心件受扭矩時之磁通量變化，提升感測之線性度；我國第I432711號創作專利所揭露使用螺紋或楔行接觸面，將扭矩轉換為軸向壓力，再由可變訊號件輸出對應之受力；我國第I416087號創作專利所揭露使用轉盤上之徑向桿件受力彎曲，產生兩轉盤上之相對轉動造成連接零件之電阻等變化，以量測轉軸扭矩；我國第M403647號、M268138號新型專利、美國第08011242號專利，所 揭露使用應變規量測可變形件之受力，以轉換為扭矩之設計等。美國第06880254號專利是以在一細長扭力桿兩端各耦合齒輪組，齒輪組帶動轉盤上有特定磁化方向之磁極轉動，對應磁極位置處各有一磁敏元件可偵測磁極之轉動，藉由扭力桿兩端之轉動相位差來量測扭力訊號；美國第08726742號專利是以在圓周方向裝置的兩個霍爾感測器之讀數差異，來產生對應之扭力訊號；美國第09121784號專利是以在一較細長扭力桿兩端裝設相對應之磁場感應遮罩，扭力桿之轉動變形改變遮罩與磁極之相對位置，因此影響磁通偵測器之訊號輸出，來產生對應之扭力訊號。

前述習用技術中，磁致伸縮感測器之敏感度極易受溫度變化之影響，激磁線圈與磁致伸縮材料間之溫度差改變，極易改變偵測之輸出值。含有扭力桿元件之設計因扭力桿須有適當之敏感度，因此在軸向長度方向須有較大之長度，對動力輔助轉向系統而言可能不是問題，但對空間較受限制之電動助力腳踏車設計而言，會有空間不足之缺點。另外，對於使用應變規作為變形感測元件而言，則會有施工技術要求高、成本較高等問題。

因此，本創作之目的即在提供一較不易受使用環境影響之扭力感測器，且施工之技術要求較不嚴苛，不佔用扭轉軸之軸向空間，也避免使用相對滑動之元件，降低使用時之磨耗，可容易適用於電動輔助腳踏車或扭力板手之場合。

於是，本創作包含一曲柄結構元件、一磁場感測元件、一永 久磁鐵元件，以及一電路系統組；其中曲柄元件內部具有一端連接於曲柄一側之懸臂樑，該懸臂樑自由端固定設置永久磁鐵元件，於永久磁鐵元件對應位置之曲柄內側安置磁場感測元件，磁場感測元件之供電、訊號處理與訊號傳送由電路系統組件負責處理後，以無線方式傳送至曲柄外之配合電路模組，作後續之訊號處理與顯示。

當曲柄之一端連接至扭矩軸，另一端連接至施力裝置，由於施力之力矩作用於曲柄扭矩軸端造成曲柄之撓曲變形，而懸臂樑因不受施力之作用變形撓曲，造成懸臂樑自由端與曲柄內側面間距產生改變，此一間距改變由設置該相對位置處之永久磁鐵與霍爾元件量測，配合已知曲柄長度，即可計算出曲柄上所受之扭矩。

1‧‧‧扭力量測曲柄

2‧‧‧永久磁鐵元件

3‧‧‧磁場感測元件

4‧‧‧訊號處理電路系統

10‧‧‧曲柄結構元件

11‧‧‧扭力軸孔

12‧‧‧施力軸孔

13‧‧‧懸臂樑

第1圖係本創作之一實施例結構立體圖

第2圖係本創作之另一實施例結構立體圖

第3圖為本創作之一訊號處理流程圖

第4圖為本創作之另一訊號處理流程圖

為使本創作之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後。

如第1圖所示為本創作之一實施例，其中扭力量測裝置是由 曲柄本體10、永久磁鐵2、磁場感測元件3及訊號處理電路系統4所組成。曲柄本體10之一端設有裝置扭力軸(圖中未繪出)之軸孔11，以耦合連接扭力軸，另一端則設有裝置施力軸(圖中未繪出)之軸孔12，以連接施力踏板或把手。曲柄本體10之內部設有中空處，以降低質量與材料使用，而在扭力軸端設有一與曲柄軸線近似平行之懸臂樑13，懸臂樑13自由端並不與曲柄連接，因此懸臂樑13並不承受負載。在懸臂樑13之自由端附近裝設固定有一永久磁鐵2，且其磁極方向應可驅動一裝設固定於對向曲柄內側之磁場感測元件3，此磁場感測元件3，可為常用之霍爾感測晶片等，係由同為固定於曲柄內側之訊號處理電路系統4所驅動。訊號處理電路系統4除供應磁場感測元件3所需之電源外，亦將量測訊號作適當處理後，提供顯示器或無線傳輸模組座訊號輸出。

當曲柄本體10一側之施力軸孔12受力後，曲柄本體10以扭力軸端11作為固定端產生相對撓曲變形，帶動磁場感測元件3位移，而懸臂樑13因不傳遞此一負載而不產生撓曲變形，因此，永久磁鐵2與磁場感測元件3之相對間距產生改變，造成磁場感測元件3上之電壓輸出改變。由於上述相對間距是因曲柄側向撓曲變形所產生，軸向施力並不影響間距之變化，所以，本創作設計僅量測有效力矩之施力，無效扭矩之軸向力並不影響量測結果。

由於本創作之量測原理僅偵測懸臂樑13末端永久磁鐵2與曲柄內側磁場感測元件3之間距變化，將扭力軸端11與施力軸端12對調，如第2圖所示，並不影響量測之結果，亦可作為本創作之另一實施例。當然，將永久磁鐵2與磁場感測元件3之位置對調也不會造成量測差異，都不脫離本 創作之特徵。

如第3圖所示為本創作之訊號處理流程之一實施例，磁場感測元件3所偵測之電壓訊號可經由訊號處理電路系統4進行濾波、放大等處理後，直接輸出至顯示系統作扭力量測顯示，此一實施例可直接用於一般扭力板手之設計。若用於電動輔助腳踏車之設計，其訊號處理流程可如第4圖所示之另一實施例。在電動輔助腳踏車之應用，由於曲柄為持續轉動且左右曲柄之輸出應合併計算，所以在此實施例是以無線傳輸模組，如藍芽等技術，傳送至外部進行計算顯示。另外，也可先將作右兩側之傳輸系統配對後，由其中一側之晶片先行計算處理後，再傳送至外部顯示模組。

惟以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，並非用來限定本創作實施之範圍，舉凡依本創作申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本創作之申請專利範圍內。

1‧‧‧扭力量測曲柄

2‧‧‧永久磁鐵元件

3‧‧‧磁場感測元件

4‧‧‧訊號處理電路系統

10‧‧‧曲柄結構元件

11‧‧‧扭力軸孔

12‧‧‧施力軸孔

13‧‧‧懸臂樑

Claims (4)

1. 一種扭力感測器，包括：一曲柄結構元件、一磁場感測元件、一永久磁鐵元件，以及一訊號處理電路系統；其中該曲柄結構元件內部具有一懸臂樑，該懸臂樑自由端固定設置該永久磁鐵元件，並於該永久磁鐵元件對應位置之曲柄內側安置該磁場感測元件，該磁場感測元件之供電、訊號處理與訊號傳送由該訊號處理電路系統負責處理後，作後續之訊號處理與顯示。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之扭力感測器，其扭力之感測輸出係與永久磁鐵元件及磁場感測元件之間距相關。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之扭力感測器，其電路系統組件具有顯示模組，可將量測結果顯示者。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之扭力感測器，其電路系統組件具有無線傳輸模組，可將量測訊號送作後續處理。