TWI579112B - 旋轉裝置之扭力檢知器 - Google Patents

Description

旋轉裝置之扭力檢知器

本發明係有關於一種旋轉裝置之扭力檢知器，尤指一種數位顯示之扭力檢知器，主要於轉子端可量測施加之扭力值，並採用同軸心非接觸之光電信號耦合技術，透過低功率無線傳輸特性，可將轉子端感測到的扭力值信號輸出至定子端顯示的扭力檢知器為其創新應用發明者。

一般而言，對於扭力感測或檢知的需求存在於許多旋轉裝置產品之中，例如氣動工具的扭轉檢測裝置、室內運動器材之運動扭力檢測、電動螺絲起子、自行車變速齒輪之扭力感測、使用於螺絲鎖固之手動工具等等。這種旋轉裝置在使用時，會使轉動軸與外圍殼體產生持續的相對轉動運動，為了顯示旋轉裝置的轉動軸扭力值，傳統上需將扭力感測器貼附於扭力變形的轉動軸桿件上，並設置構造複雜的環式訊號拾取器，才能將轉動軸桿件感測到的扭力值信號傳輸至殼體，以便在外圍殼體顯示扭力值。

現有可顯示扭力值之扭力倍增器如台灣新型專利公告第M397882號『扭力倍增器』，即在扭力輸出軸121B貼附扭力感測器30，並於輸出軸121B外設置訊號拾取器123。該訊號拾取器123具有一連結於該輸出軸121B並隨之轉動的內環123A、一結合於該內環123A外側的中環123B，及一套接於該中環 123B外側的外環123C，經過此繞有線圈之環狀訊號拾取器123可將扭力感測器30的感測信號輸出至殼體；其主要缺點是需要設置構造複雜的環式訊號拾取器，才能將輸出桿件感測到的扭力值信號輸出至殼體，使扭力值顯示於扭力倍力器殼體的數位顯示器，而且此種線圈環繞而成的環式訊號拾取器容易受到環境磁場干擾，造成信號傳輸之不穩定。

或台灣發明專利公告第I466760號『倍力裝置』，此專利與一般扭力倍增器相同，係由行星齒輪組構成其扭力增強機構，其不同之處在於，不將扭力感測單元的應變規貼附於扭力輸出軸，而將扭力感測單元貼附於扭力倍增器的筒身，如此可以避免扭力感測單元與數位顯示單元分別處於相對迴轉運動的兩端，使扭力倍增器在使用時能夠透過筒身的反作用力變形量，同時感測扭力值並顯示於靜止端的扭力倍增器殼體表面。然而，量測扭力倍增器的輸出扭力的最準確方法需要直接將扭力感測單元直接貼附於扭力輸出軸。當此扭力感測單元被貼附於筒身時，所感測到的扭力值與輸出軸扭力值之間，會因為行星齒輪組的齒隙問題造成誤差，大幅度影響量測精準度，造成此種扭力倍增器的重大缺點。

另外，台灣新型專利公告第M406494號『倍力器構造改良(一)』，在其扭力輸出軸貼附扭力感測器，並在該扭力輸出軸設置數位顯示器，以顯示扭力倍增器的扭力值。然而，由於在操作扭力倍增器時，會使輸出桿件與扭力倍增器殼體產生持續的相對轉動運動，此設置於輸出軸的數位顯示器的持續轉動運動會阻礙使用者的扭力值觀看，在使用上甚為不便。

還有，台灣新型專利公告第M406495號『倍力器構造改良(二)』，是在其扭力輸出軸貼附扭力感測器，並藉由無線傳輸方式將扭力值訊號穿透保護殼傳輸至扭力倍增器外部附近的物體上，以顯示器顯示扭力倍增器的輸出扭力 值。此類扭力倍增器的缺點在於所使用的無線傳輸方式耗電量很大，導致扭力感測器到無線傳輸發射器的電池更換頻繁，造成使用者的不方便。在這類扭力倍增器中，由於從無線傳輸發射器到接收端的傳輸路徑障礙較多，一般選用無線電通訊或藍牙技術進行無線傳輸，此為其功率消耗較大的主因。

經由上述的論述，以下整理出傳統現有的「扭力檢測設備」具有以下的缺點：

1.為了顯示「扭力檢測設備」的輸出扭力值，一般需將扭力感測器貼附於扭力輸出桿件上，但由於在操作扭力倍增器時，會使輸出桿件與扭力倍增器殼體產生持續的相對轉動運動，為了在扭力倍增器殼體顯示扭力值，傳統「扭力倍增器」需要設置構造複雜的環式訊號拾取器，才能將輸出桿件感測到的扭力值訊號輸出至殼體，而且這種線圈環繞而成的環式訊號拾取器易受環境磁場干擾，造成信號傳輸之不穩定。

2.一般的無線傳輸方式需要將扭力值訊號穿透保護殼傳輸至扭力倍增器外部附近的接收器上，才能在顯示器上顯示扭力倍增器的輸出扭力值。但此類無線傳輸方式耗電量很大，導致扭力感測器到無線傳輸發射器的電池更換頻繁，造成使用者的不方便。

今，發明人秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構再予以研究改良，提供一種旋轉裝置之扭力檢知器，以簡單而低成本的方法取代傳統上構造複雜且高成本的施行方式，對旋轉裝置之旋轉軸扭力達到精準量測的功效，達到更佳實用價值性之目的。

本發明之主要目的在於提供一種旋轉裝置之扭力檢知器，尤其是指一種數位顯示之扭力檢知器，主要於轉子端可量測施加之扭力變化值，並採用同軸心非接觸之光電信號耦合技術，透過低功率無線傳輸特性，可將轉子端感測到的扭力值信號輸出至定子端加以顯示的扭力檢知器。

本發明旋轉裝置之扭力檢知器主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：其主要於經過齒輪組動力傳遞到轉子端的扭力輸出部上設有扭力感測單元用來量測施加於扭力輸出部的扭力變化值，且利用一同軸心非接觸之光電信號耦合單元，將轉子端之扭力值信號傳輸至定子端的顯示單元；藉此，讓轉動中的扭力輸出部可透過同軸非接觸光電信號傳輸耦合，將扭力輸出部感測到的扭力值信號傳輸至定子端的顯示單元加以顯示，本發明的感測信號傳輸方式具有結構簡單、精確穩定與較低功耗的特性，對旋轉軸扭力可達到精準量測的功效。

本發明旋轉裝置之扭力檢知器中，關於所採用的感測信號傳輸方式所具有進步性之特性，說明如下：

(a)結構簡單之原因-只要一對光電信號發射器與光電信號接收器，比訊號拾取器的線圈環結構簡單。

(b)傳輸信號精確穩定之原因-因採用紅外線耦合比較不受周遭電磁場、電源、雜訊等環境因素干擾。

(c)較低功耗之原因-因扭力值信號調變成若干短脈衝所構成的脈衝串信號，進行光電耦合傳輸，由於短脈衝耗電極少，所以消耗功率較低。

本發明旋轉裝置之扭力檢知器的較佳實施例，其中係包含至少一齒輪組耦合，該齒輪組所連結的扭力輸入部進一步可為一動力馬達及減速機，或為扭力扳手類之手工具。

本發明旋轉裝置之扭力檢知器的較佳實施例，其中該扭力感測單元可為應變規；該應變規貼附於轉子端扭力輸出部，其主要讓應變規透過橋式電路來感測扭力輸出部的輸出扭力值者。

本發明旋轉裝置之扭力檢知器的較佳實施例，其中該同軸心非接觸之光電信號傳輸可為紅外線，以脈波寬度調變方式PWM(Pulse-width modulation)傳輸數位扭力值信號，顯示於顯示單元上。

本發明旋轉裝置之扭力檢知器的較佳實施例，其中該非接觸之信號傳輸，可為以非同步串列數據傳輸訊號，並經脈波位置調變PPM(Pulse-position modulation)單元調變後，成為串列脈衝訊號，從紅外線發射器發射至紅外線接收器後，顯示於顯示器上。

本發明旋轉裝置之扭力檢知器的較佳實施例，其中該扭力檢知器可運用於扭力倍增器者。

由上述之元件組成與實施說明可知，本發明與現有結構相較之下，本發明具有以下之優點：

1.本發明旋轉裝置之扭力檢知器，利用扭力輸出部表面貼附有應變規以量測施加的扭力變化，並採用近距離無線通訊技術，配合紅外線直射特性，將扭力檢知器加入紅外線訊號無線傳遞的設計，透過低功率無線傳輸元件，將扭力輸出部感測到的扭力值訊號輸出顯示，具有結構簡單、信號傳輸精確穩定與較低功耗的特性，可達到精準量測的功效。

2.本發明旋轉裝置之扭力檢知器，藉由紅外線無線傳輸的技術，透過脈波訊號進行非接觸式的訊號傳輸可以維持扭力感測訊號的正確性與傳輸品質，藉由此排除無線傳輸失誤的方法將能確保扭力量測與顯示結果的可靠性與正確性。

(A)‧‧‧轉子端

(B)‧‧‧定子端

(1)‧‧‧扭力感測單元

(11)‧‧‧扭力輸出部

(12)‧‧‧信號處理單元

(13)‧‧‧扭力輸入部

(2)‧‧‧同軸心非接觸光電信號傳輸模組

(21)‧‧‧光電信號發射器

(22)‧‧‧光電信號接收器

(3)‧‧‧齒輪組

(31)‧‧‧入力軸

(32)‧‧‧出力軸

(33)‧‧‧齒輪

(4)‧‧‧顯示單元

(5)‧‧‧動力馬達

(51)‧‧‧減速機

第一實施例：

(1’)‧‧‧扭力感測器

(10’)‧‧‧內孔

(11’)‧‧‧扭力輸出軸

(12’)‧‧‧感測傳輸處理單元

(2’)‧‧‧同軸非接觸光電信號傳輸耦合單元

(21’)‧‧‧光電信號發射器

(22’)‧‧‧光電信號接收器

(221’)‧‧‧第一訊號線

(3’)‧‧‧行星齒輪組

(31’)‧‧‧太陽齒輪

(311’)‧‧‧入力軸

(312’)‧‧‧內孔

(32’)‧‧‧行星齒輪

(33’)‧‧‧行星齒輪架

(4’)‧‧‧顯示單元

(41’)‧‧‧第二訊號線

(5’)‧‧‧扭力板手

(51’)‧‧‧內孔

(6’)‧‧‧固定架

(7’)‧‧‧齒環座

(71’)‧‧‧上蓋

(C’)‧‧‧軸承

(D’)‧‧‧保護管

第一圖：本發明之扭力檢知器以平行軸齒輪組呈現的架構示意圖

第二圖：本發明之扭力檢知器以行星齒輪組呈現的架構示意圖

第三圖：本發明第一實施例之組合示意圖

第四圖：本發明第一實施例之分解示意圖

第五圖：本發明第一實施例組合剖視示意圖

為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：本發明實際運用技術與手段，請參閱第一圖所示，為本發明旋轉裝置之扭力檢知器以平行軸齒輪組呈現的架構示意圖，其主要包含如下：一扭力感測單元(1)，係設置在轉子端(A)之扭力輸出部(11)上，電性連接一信號處理單元(12)；一同軸心非接觸光電信號傳輸模組(2)，係包含有一光電信號發射器(21)及一接收信號的光電信號接收器(22)，該光電信號發射器(21)電性連接該信號處理單元(12)；至少一個耦合的齒輪組(3)，係包含有入力軸(31)、齒輪(33)、出力軸(32)之進行轉動運動的轉子端(A)，該齒輪組入力軸(31)連結扭力輸入部(13)且 施加輸入扭力，再由齒輪組(3)入力軸(31)經齒輪(33)間相互耦合驅動出力軸(32)達到動力傳遞。

一顯示單元(4)，係對應設置在靜止不動之定子端(B)，該顯示單元(4)電性連接光電信號接收器(22)，以顯示扭力數值者。

進一步該扭力檢知器進一步包含有電源供應器〔圖中未示〕，該電源供應器為供應扭力檢知器中所需的電力，如扭力感測單元(1)、信號處理單元、同軸心非接觸光電信號傳輸模組(2)或顯示單元(4)等所需的電力。

當該扭力檢知器使用時，係可如第一圖所示之以平行軸齒輪組呈現的架構，或如第二圖所示之以行星齒輪組呈現的架構，然而，除了上述二種齒輪組的呈現之外，亦能採用傘形齒輪組、齒輪與齒條之組合機構。接續說明該齒輪組(3)的設置，係採至少一齒輪組(3)耦合，當然也可多個齒輪(33)耦合，該齒輪組(3)入力軸(31)端對應連結扭力輸入部(13)，而該扭力輸入部(13)的動力進一步採用一動力馬達(5)及減速機(51)，利用動力馬達(5)驅動，且經減速機(51)減速帶動該齒輪組(3)入力軸(31)，經由齒輪組(3)耦合驅動轉子端(A)的扭力輸出部(11)作動；另外，該扭力輸入部(13)也可以採用扭力扳手類之手工具對入力軸(31)端施以輸入扭力。之後，能經由扭力輸出部(11)上所設之扭力感測單元(1)進行扭力感測，該扭力感測單元(1)可進一步為應變規，其主要讓應變規透過橋式電路來感測扭力輸出部(11)的輸出扭力值，以將所測得之扭力數值傳輸至信號處理單元(12)進行數據分析，再藉由信號處理單元(12)將分析後的數據資料透過同軸心非接觸光電信號傳輸模組(2)中的光電信號發射器(21)傳送至位於定子端(B)的光電信號接收器(22)，讓光電信號接收器(22)將接收的訊號傳送至顯示單元(4)，經由顯示單元(4)顯示扭力數值者。

接著，本發明之技術特徵除了藉由上述實施例而呈現之外，進一步本發明之技術特能運用於扭力倍增器，藉由扭力倍增器實現本發明之技術訴求。請繼續參閱第三~五圖所示，為第一較佳實施例立體組合、分解及剖視示意圖，其包含有一扭力感測器(1’)、一同軸非接觸光電信號傳輸耦合單元(2’)、一行星齒輪組(3’)及一顯示單元(4’)，其中：該扭力感測器(1’)一端設有扭力輸出軸(11’)，另一端鎖緊於行星齒輪組(3’)，其內部設有一接收扭力輸出訊號的感測傳輸處理單元(12’)；該行星齒輪組(3’)具有一太陽齒輪(31’)、數行星齒輪(32’)及行星齒輪架(33’)，其中該太陽齒輪(31’)與數行星齒輪(32’)組設在行星齒輪架(33’)上且互相嚙合，該行星齒輪架(33’)轉動式組設在一固定架(6’)上，該固定架(6’)上固定一齒環座(7’)，且讓數行星齒輪(32’)與齒環座(7’)互相嚙合，而該太陽齒輪(31’)設有入力軸(311’)，可對應嵌組一扭力板手(5’)而驅動太陽齒輪(31’)轉動，且驅使互相嚙合的數行星齒輪(32’)轉動，而該行星齒輪架(33’)係與扭力感測器(1’)鎖固，能藉行星齒輪(32’)的轉動，使扭力感測器(1’)之扭力輸出軸(11’)能夠產生較大之輸出扭力；該同軸非接觸光電信號傳輸耦合單元(2’)包含有一光電信號發射器(21’)及一光電信號接收器(22’)，該光電信號發射器(21’)固定於扭力感測器(1’)之內孔(10’)位置處，而光電信號接收器(22’)連結一第一訊號線(221’)，該第一訊號線(221’)透過軸承(C’)連接設置於太陽齒輪(31’)內孔(312’)位置處，以維持光電信號接收器(22’)與太陽齒輪(31’)之間的相對轉動運動；該顯示單元(4’)係定位於齒環座(7’)，且連結一第二訊號線(41’)，該第二訊號線(41’)穿設扭力板手(5’)內孔(51’)，且於扭力板手(5’) 嵌入入力軸(311’)端，讓該第二訊號線(41’)與第一訊號線(221’)連通傳輸信號者。

實施時，當齒環座(7’)為開放式時，可在開放端組設一上蓋(71’)密合齒環座(7’)，使其扭力板手(5’)驅動太陽齒輪(31’)帶動行星齒輪組(3’)，讓行星齒輪組(3’)被包覆在齒環座(7’)內運轉；於此實施例中該齒環座(7’)與上蓋(71’)如同定子端，而扭力感測器(1’)、行星齒輪組(3’)等則為轉子端。進一步該扭力感測器(1’)主要由一片應變規或多片應變規貼附於扭力輸出軸(11’)，透過橋式電路以感測扭力輸出軸(11’)的扭力值，再經感測傳輸處理單元(12’)接收與訊號處理後，送出感測處理訊號，經由光電信號發射器(21’)到光電信號接收器(22’)的無線傳輸，能於顯示單元(4’)即時顯示扭力輸出軸(11’)的扭力值。

另外，為了使扭力輸出軸(11’)轉動時，光電信號發射器(21’)能夠保持直射無線訊號至光電信號接收器(22’)，該第一訊號線(221’)套組於一保護管(D’)內，且該保護管(D’)被以軸承(C’)固定於太陽齒輪(31’)的軸心內孔(312’)中，因此，光電信號接收器(22’)的第一訊號線(221’)可被安裝於保護管(D’)內，使光電信號接收器(22’)被保持在太陽齒輪(31’)的軸心內孔中心位置。並經由第一訊號線(221’)與第二訊號線(41’)連通傳輸信號，而即時將扭力輸出軸(11’)的扭力值顯示於顯示單元(4’)者。

經由上述諸等實施例說明之後，其本發明實施例中所述之同軸心非接觸光電信號傳輸模組(2)、同軸非接觸光電信號傳輸耦合單元(2’)之光電信號傳輸可為紅外線，以脈波寬度調變方式PWM(Pulse-width modulation)傳輸數位扭力值信號，顯示於顯示單元(4)、(4’)上。或該非接觸之信號傳輸可為以非同 步串列數據傳輸訊號，並經脈波位置調變PPM(Pulse-position modulation)單元調變後，成為串列脈衝訊號，從紅外線發射器發射至紅外線接收器後，顯示於顯示器(4)、(4’)上。

由上述之元件組成與實施說明可知，本發明與現有結構相較之下，本發明具有以下之優點：

1.本發明旋轉裝置之扭力檢知器，利用扭力輸出部表面貼附有應變規以量測施加的扭力變化，並採用近距離無線通訊技術，配合紅外線直射特性，將扭力檢知器加入紅外線訊號無線傳遞的設計，透過低功率無線傳輸元件，將扭力輸出部感測到的扭力值訊號輸出顯示，具有結構簡單、信號傳輸精確穩定與較低功耗的特性，可達到精準量測的功效。

2.本發明旋轉裝置之扭力檢知器，藉由紅外線無線傳輸的技術，透過脈波訊號進行非接觸式的訊號傳輸可以維持扭力感測訊號的正確性與傳輸品質，藉由此排除無線傳輸失誤的方法將能確保扭力量測與顯示結果的可靠性與正確性。

3.本發明旋轉裝置之扭力檢知器所採用的感測信號傳輸方式所具(a)結構簡單優點-只要一對光電信號發射器與光電信號接收器，比訊號拾取器的線圈環結構簡單。(b)傳輸信號精確穩定優點-因採用紅外線耦合比較不受周遭電磁場、電源、雜訊等環境因素干擾。(c)較低功耗優點-因扭力值信號調變成若干短脈衝所構成的脈衝串信號，進行光電耦合傳輸，由於短脈衝耗電極少，所以消耗功率較低。

然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。

綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

(A)‧‧‧轉子端

(B)‧‧‧定子端

(1)‧‧‧扭力感測單元

(11)‧‧‧扭力輸出部

(12)‧‧‧信號處理單元

(13)‧‧‧扭力輸入部

(2)‧‧‧同軸心非接觸光電信號傳輸模組

(21)‧‧‧光電信號發射器

(22)‧‧‧光電信號接收器

(3)‧‧‧齒輪組

(31)‧‧‧入力軸

(32)‧‧‧出力軸

(33)‧‧‧齒輪

(4)‧‧‧顯示單元

(5)‧‧‧動力馬達

(51)‧‧‧減速機

Claims (10)

1. 一種旋轉裝置之扭力檢知器，其主要包含如下：一扭力感測單元，係設置在轉子端之扭力輸出部上，電性連接一信號處理單元；一同軸心非接觸光電信號傳輸模組，係包含有一光電信號發射器及一接收信號的光電信號接收器，該光電信號發射器電性連接該信號處理單元；至少一個耦合的齒輪組，係包含有入力軸、齒輪、出力軸之進行轉動運動的轉子端，該齒輪組入力軸連結扭力輸入部且施加輸入扭力，再由齒輪組入力軸經齒輪間相互耦合驅動出力軸達到動力傳遞；一顯示單元，係對應設置在定子端，該顯示單元電性連接光電信號接收器，以顯示扭力值者。
2. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉裝置之扭力檢知器，其中該齒輪組係可採用平行軸齒輪組、行星齒輪組、傘形齒輪組、齒輪與齒條之組合機構其中之一。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之旋轉裝置之扭力檢知器，其中該齒輪組入力軸端對應連結扭力輸入部，該扭力輸入部的動力進一步採用動力馬達帶動減速機，或採一扭力扳手類之手工具其中一種。
4. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉裝置之扭力檢知器，其中該扭力感測單元可為應變規者。
5. 如申請專利範圍第4項所述之旋轉裝置之扭力檢知器，其中該同軸心非接觸之光電信號傳輸模組可採用紅外線，以脈波寬度調變PWM方式傳輸數位扭力值，顯示於顯示單元上。
6. 如申請專利範圍第4項所述之旋轉裝置之扭力檢知器，其中該同軸心非接觸之光電信號傳輸模組中的非接觸之信號傳輸可為以非同步串列數據傳輸訊號，並經脈波位置調變PPM單元調變後，成為串列脈衝訊號者。
7. 如申請專利範圍第5或6項所述之旋轉裝置之扭力檢知器，其中該扭力檢知器進一步包含有電源供應器，該電源供應器為供應扭力檢知器中所需的電力。
8. 一種扭力檢知器，其包含有一扭力感測器、一同軸非接觸光電信號傳輸耦合單元、一行星齒輪組及一顯示單元，其中：該扭力感測器一端設有扭力輸出軸，另一端鎖緊於行星齒輪組，其內部設有一接收扭力輸出訊號的感測傳輸處理單元；該行星齒輪組具有一太陽齒輪、數行星齒輪及行星齒輪架，其中該太陽齒輪與數行星齒輪組設在行星齒輪架上且互相嚙合，該行星齒輪架轉動式組設在一固定架上，該固定架上固定一齒環座，且讓數行星齒輪與齒環座互相嚙合，而該太陽齒輪設有入力軸，可對應嵌入一扭力板手而驅動太陽齒輪轉動，且驅使互相嚙合的數行星齒輪轉動，而該行星齒輪架係與扭力感測器鎖固，能藉行星齒輪的轉動，使扭力感測器之扭力輸出軸能夠產生較大之輸出扭力；該同軸非接觸光電信號傳輸耦合單元包含有一光電信號發射器及一光電信號接收器，該光電信號發射器固定於扭力感測器之內孔位置處，而光電信號接收器連結一第一訊號線，該第一訊號線透過軸承連接設置於太陽齒輪內孔位置處，以維持光電信號接收器與太陽齒輪之間的相對轉動運動；該顯示單元係定位於齒環座，且連結一第二訊號線，該第二訊號線穿設扭 力板手內孔，且於扭力板手嵌入入力軸端，讓該第二訊號線與第一訊號線連通傳輸信號者。
9. 如申請專利範圍第8項所述之旋轉裝置之扭力檢知器，其中該第一訊號線套組於一保護管內，且該保護管被以軸承固定於太陽齒輪的軸心內孔中。
10. 如申請專利範圍第8項所述之旋轉裝置之扭力檢知器，其中該齒環座開放端可對應組設一上蓋密合齒環座者。