轴向旋转式扭力感测器的制作方法

本发明涉及以旋转驱动机构中元件所生成的形变量来感测扭力值的技术，特别有关一种轴向旋转式扭力感测器。

背景技术：

传统的旋转驱动机构一般会搭载扭力感测元件(或器)来检测扭力值的大、小及变化，但在该机构传递扭力的过程中，如何能够精确的检知该扭力值的变化，并且有效缩减扭力感测元件(或器)的配置体积，长久以来都是一项棘手的技术课题。

已知，美国专利公告第5172774号、美国专利公告第8302702号、美国专利公开第20100139432号、美国专利公开第20150135856号、中国台湾专利公告第M451316号及中国台湾专利公告第M417320号等案专利中，都共同教示使用一种应变规(strain gauge)作为感测元件，来测量旋转驱动机构中所生成的扭力值变化。

一般常见的应变规，为金属线以单向阵列形式编排而成的金属薄片，其双端分别具有能和应变规信号处理模块连接用的接脚；应用时，可将应变规固定于旋转驱动机构中受力后会产生应变的机械元件上，当应变规跟随应变中的机械元件产生形变时，即可通过应变规的电阻阻值变化反应出所述机械元件的应变，进而检知旋转驱动机构中的扭力值大、小及变化。

然而，由于上述专利揭示的扭力感测结构及其应变规的搭载位置，所能感测到经由扭力转变成应变的效果并不理想，同时还存在扭力感测结构体积过大的问题。

例如美国公告第5172774号专利教示将多个应变规直接配置于一个会传递扭力的齿轮所形成的多个剪蹼(shear web)上，所述剪蹼虽然能沿齿轮的径向蹼面上传导负载而产生剪蹼的应变，但其感测的应变除了正向的应变的外还有剪应变，导致剪蹼所生成的应变无法充分代表齿轮的扭力值变化，因而丧失扭力感测的真实性及精确性，或是需求配置更多方向的应变规以感应正向应变及剪切方向应变，迫使其成本及复杂度相对提升；此外，剪蹼上搭载应变规的位置与齿轮轴心之间的径向间距必须够大，才有助于感测出较明显的正向应变及剪应变，但却因此造成结构的径向体积不易缩减的困扰。

另外，例如美国专利公开第20100139432号揭示一个固定于器壳上且用来枢接扭力轴的传感器(transducer)，该传感器呈圆盘状具有一枢接扭力轴的中心轮毂(hub)，轮毂周边延伸形成有环圈的盘面状的蹼部(web)，并以该蹼部作为上述的载体材料而搭载至少一应变规，以感测扭力轴的扭力变化；然而由于该蹼部是形成为环圈的盘面状，较难以集中式传导经由扭力转换形成的作用力，换言之，蹼部受到扭力传导所生成的应变将分散至环圈状蹼部的整个面域，因而减少了应变规所能生成形变量，乃至于也相对减损了扭力感测的真实性及精确性；此外，采用蹼部搭载应变规的结构设计仍然存在径向体积无法缩减的困扰。

再如美国专利公告第8302702号揭示将应变规镶嵌于一框形的扭力传递元件(torquetransferring element)的径向边肋平面上，该扭力传递元件的中心连结一环齿轮，利用该应变规来感测环齿轮的扭力；然而，其搭载有应变规的扭力传递元件(torquetransferring element)的边肋平面与环齿轮的轴心之间是通过扭力传递元件周边的边肋来传导作用力，使得该应变规镶嵌位置遭弯曲力矩作用，但是，由边肋所生成的弯曲力矩来感测扭力变化的真实性及精确性较为薄弱；而且，扭力传递元件的边肋同样存在有加大结构体的径向体积的问题。

又如美国公开第20150135856号专利揭示了一种轮座型的力/力矩感测器(force torque sensor)，用以对系统运动碰到阻碍时瞬间所生成的力或扭力进行侦测，一般作为安全防护使用。该力/力矩感测器中心同样形成有轴接转动元件用的轮毂，力/力矩感测器的径向周边还形成有框边(rim)，该轮毂的四周与框边之间的径向位置还分别形成多个衍梁(beam)，且各径向衍梁的四周端面上可分别固定应变规，利用各衍梁将所接受的负荷导引成对梁的弯曲负荷而产生拉伸作用力或压缩作用力或剪力，以便于梁面上的应变规能感测衍梁上所生成的应变，进而检知力、力矩值的变化。但是，此专利并没有进一步揭示所述衍梁是如何来将所接受负荷导引成拉力或/及压力或剪力的具体技术，也因此必须于各衍梁的四周端面上固设应变规，来增加其测量值的精度，但却因此而造成应变规应用数量上的浪费及应力结构的复杂度；而且，所述衍梁也存在加大结构体径向体积的问题。

此外，例如中国台湾专利公告第M451316号及中国台湾专利公告第M417320号分别揭示在曲柄轴上设置一套筒，该套筒的表面贴附有一应变规，用以测量套筒在受到扭力作用时所产生的应变量，并将测量到的应变量转换成一应变信号，以控制电动马达输出动力。其中使用套筒搭载应变规的设计虽然可达缩减结构体径向体积的效果，但是，由于其应变规是搭载于运动件(套筒)上，所以必须搭配能源传输元件，如变压器等及信号无线传输元件；当此等配件安装于运动件(套筒)时又增加了配置空间，以致更加大了结构体。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在改善传统搭载有应变规的扭力感测结构，其感测精确度和灵敏度不足以及径向体积无法有效缩减的问题。

为了实现上述目的并解决问题，本发明应用了弹片受力时会生成弯曲变形的特性，并可搭载应变规来精确且灵敏的感测应用元件或设备的扭力变化，并需设计所述弹片的配置位置，来克服应用元件或设备的径向体积无法有效缩减的问题。

为此，本发明一较佳的技术方案是提供一种轴向旋转式扭力感测器，包括：一惰轮，配置于一入力轴与一出力轴之间，该入力轴与出力轴分别形成一切线作用力驱动惰轮沿一中心轴线的圆周旋转，所述切线作用力的总合生成一反作用力作为惰轮沿所述圆周旋转时的扭力负载；及复数条片状的弹片，其中至少一弹片的片体上配置有至少一应变规，所述弹片的一端部各自固定，且所述弹片的另一端部分别用于吸收惰轮所负载的反作用力而沿所述圆周旋转的方向生成弯曲变形，该应变规并感测该弯曲变形而生成应变，作为入力轴与出力轴之间的扭力感测数值；其中，所述弹片分别和入力轴的轴向相互平行。

在进一步实施中，上述技术方案还包括：

一行星齿轮组，该入力轴轴接行星齿轮组中之一太阳齿轮，该出力轴由行星齿轮组中一围绕于太阳齿轮周围的环齿轮所形成，该惰轮的数量至少为二且由行星齿轮组中分别对称配置于太阳齿轮与环齿轮之间的行星齿轮构成，该行星齿轮并相啮于入力的太阳齿轮和出力的环齿轮之间负载扭力。其中，该入力轴的轴接对象与出力轴的形成对象可以互换。

其中，该惰轮(或称行星齿轮)枢置于一驱动盘上定位，该惰轮(或称行星齿轮)并带动驱动盘沿所述中心轴线自转，该惰轮(或称行星齿轮)所负载的反作用力是经由驱动盘的传导而使弹片生成弯曲变形。该驱动盘的中心轴线的周缘设有一卡槽，所述弹片用于吸收惰轮(或称行星齿轮)所负载的反作用力的端部分别滑动套设或固定于卡槽内。

其中，所述弹片被固定的端部经由一固定盘固定，该固定盘与驱动盘沿所述中心轴线间隔配置。所述中心轴线坐落于入力轴的轴心上；或者说，所述中心轴线是太阳齿轮与环齿轮的轮心线，所述弹片分别坐落于入力轴轴心或太阳齿轮轮心的径向线上。其中该应变规贴合位置相对接近固定盘。

根据上述技术方案，本发明的技术效果在于：

1.经由惰轮(或称行星齿轮)负载入力轴与出力轴(或称太阳齿轮与环齿轮)所分别形成的切线作用力，并且充分的将该负载传导成扳动弹片产生弯曲变形的反作用力，使所述弹片生成弯曲力矩，进而使所述应变规随之生成形变，以提升应变规感测扭力的精度。

2.应用条片状的弹片来搭载应变规，可使弹片的一端部于受力扳动状态下较为灵敏的生成弯曲变形，进而提升应变规感测扭力的精度。

3.令弹片与入力轴(或称太阳齿轮或环齿轮)轴向相互平行配置，而非沿入力轴(或称太阳齿轮或环齿轮)的径向配置，可有效缩减应用元件或设备或扭力感测器的径向体积。

以上所述装置的技术手段及其产生效能的具体实施细节，请参照下列实施例及图式加以说明。

附图说明

图1是本发明的一较佳实施例的立体分解图；

图2是图1组合后的横断面剖示图；

图3是图2的A-A断面剖示图；

图4是图2的B-B断面剖示图；

图5是图4的C-C断面剖示图；

图6是图1中部分构件的立体组合图；

图7是图3中行星齿轮生成周向力的解说图；

图8a是弹片固定于固定盘的示意图；

图8b是弹片受到固定盘带动而弯曲变形的示意图；

图9是图4中弹片承受周向力作用的解说图；

图10a及图10b分别是弹片的前视图及侧视图；

图11是图10a中弹片在受力后弯曲变形的解说图。

附图标记说明：1器壳；2惰轮；20、21行星齿轮；20a、21a行星齿轮轴；3弹片；3a第一端部；3b第二端部；3c第一端面；3d第二端面；30固定盘；31驱动盘；30a、31a通孔；31b卡槽；32底座；4应变规；5入力轴；50、60轴承；51、61端部；52太阳齿轮；6出力轴；62环齿轮；D径向线；C中心轴线。

具体实施方式

首先请合并参阅图1至图5，揭示出本发明所提供的扭力感测装置的第一款实施例态样，说明该扭力感测装置包括有一惰轮2、复数弹片3、一应变规4、一入力轴5与一出力轴6。其中：

如图1至图2所示，该惰轮2是配置于入力轴5与出力轴6之间，且该惰轮2、入力轴5及出力轴6是容置于一器壳1内，该器壳1实质上是作为整个装置体的固定端，用以枢接该入力轴5及出力轴6。进一步的说，该入力轴5及出力轴6可分别经由轴承50、60而枢设于器壳1内，并使入力轴5及出力轴6的一端部51、61分别突伸至器壳1外。

上述惰轮2与入力轴5、出力轴6之间的具体配置细节，请进一步搭配图3所示，本发明例举一行星齿轮组作为实施例，具体说明该行星齿轮组是配置于器壳1内，该惰轮2、入力轴5及出力轴6是通过行星齿轮组而相互连动。其中，该入力轴5的一端部51突伸至器壳1外，并使入力轴5的另一端部延伸至器壳11内而轴接行星齿轮组中的太阳齿轮52。该出力轴6由一围绕于太阳齿轮52及行星齿轮20、21周围的环齿轮62所形成；换个方式说，该出力轴6与环齿轮62是同轴一体延制形成，且该出力轴6与入力轴5为同轴向间隔配置；除此之外，将入力轴5与出力轴6的轴接对象互换，也即，使入力轴5轴接环齿轮62，出力轴6轴接太阳齿轮52，也是本发明所思及的应用范畴，以便能轻易变换入力至出力的驱动对象与顺序。该惰轮2在实施上可为二对称配置于太阳齿轮52与环齿轮62之间的行星齿轮(以下用20、21表示)所构成，所述行星齿轮20、21分别与太阳齿轮52及环齿轮62相啮组，使得所述行星齿轮20、21(或称惰轮)能被太阳齿轮52、环齿轮62的其中之一驱动而沿一中心轴线C的圆周旋转(详见图2、图3)，所述中心轴线C坐落于入力轴5(或称太阳齿轮52或环齿轮62)的轴心上，也可称为所述中心轴线C是太阳齿轮52与环齿轮62的轮心线。

请配合图1及图2，说明所述行星齿轮20、21枢置于一驱动盘31上定位；具体的说，所述行星齿轮20、21分别经由二行星齿轮轴20a、21a而枢置于驱动盘31上，使所述行星齿轮20、21受到驱动盘31的拘束而只能在各自的枢置位置处自转。依此，受到太阳齿轮52或环齿轮62驱动的行星齿轮20、21(或称惰轮)便能进一步带动驱动盘31沿所述中心轴线C自转。

请配合图1、图5及图6所示，说明所述复数弹片3都呈条片状或板片状的形体，且其中至少一弹片3的片体上必须配置有至少一应变规4；在此，所述至少一弹片3意指复数弹片3之中只要有一或一以上弹片的片体上粘贴应变规4即可，且粘贴应变规4的弹片3，其应变规4的粘贴数量可为一片或两片；当单一弹片3上粘贴的应变规4数量为二时，所述二应变规4可以相对的贴合于该弹片3的片体的第一端面3c及第二端面3d上。所述弹片3可由例如是碳钢等金属制成的条片状形体，使片体的各个区段均可呈现出相同的断面，以传导作用力而在其所用金属材料的强度容许范围内生成应变，因而作为应变规4的载体。

由于各弹片3都具有一第一端部3a及一第二端部3b；其中，第一端部3a必须固定，第二端部3b用于吸收行星齿轮20、21(或称惰轮)所负载的反作用力F。进一步的说，所述弹片被固定的第一端部3a经由一固定盘30固定，该固定盘30能形成一底座32上，或以螺组、焊接、插梢栓接或一体形成等方式将固定盘30及底座32一体固定于器壳1内，以便作为整个装置体的固定端，且固定盘30与驱动盘31是各自独立的沿着所述中心轴线C而间隔配置。该驱动盘31的中心轴线C的周缘设有复数卡槽31b，所述卡槽的数量必须相等或多于所述弹片3的配置数量，使得所述弹片3用于吸收行星齿轮20、21(或称惰轮)所负载的反作用力F的第二端部3b都可滑动地或者是固定地套设于卡槽31b内。依此，能使所述弹片3分别和入力轴5的轴向相互平行配置。

此外，该固定盘30与驱动盘31(含底座32)的中心分别形成有通孔30a、31a供入力轴5穿伸通过，而使固定盘30与驱动盘31分别沿入力轴5的轴向对称配置在入力轴5上，且该入力轴5是穿伸通过固定盘30与驱动盘31的通孔30a、31a而轴接太阳齿轮52。进一步的说，所述弹片3分别是配置于固定盘30与驱动盘31之间，而使所述弹片3分别坐落于太阳齿轮52轮心(或称入力轴5轴心)的径向线D上(如图4所示)。

请合并参阅图6及图7，说明当作为入力端使用的太阳齿轮52以顺时针方向转动时，会带动两个行星齿轮20、21以逆时针方向转动，所述行星齿轮20、21并带动作为出力端使用的环齿轮62以逆时针方向转动而输出动力。由于环齿轮62必须克服外界的扭力负载T1，太阳齿轮52会输入扭力T2，且T2乘以减速比所得的扭力须克服T1而达到平衡。其中，于太阳齿轮52与行星齿轮20、21的相啮接触点形成一切线作用力F2，并于环齿轮62与行星齿轮20、21的相啮接触点形成一切线作用力F1，所述切线作用力F1与F2相互平行。

根据力系平衡定理∑F_x＝0，可知：F＝F1+F2，且F1＝F2＝F/2，因此，所述切线作用力的总合(F1+F2)即会生成一反作用力F作为行星齿轮20、21(或称惰轮)沿所述中心轴线C的圆周旋转时的扭力负载；进一步的说，由于驱动盘31拘束了行星齿轮20、21而只能原地自转，使得上式中的F成为了行星齿轮20、21由其轮心所生成的反作用力F，此一反作用力F(以下称周向力F)即是以周向力方式通过行星齿轮轴20a、21a传递到驱动盘31上，而使驱动盘31沿着中心轴线C的圆周自转；更细微的说，此刻的驱动盘31只会生成微量的自转，而且驱动盘31自转时的转动量即为各弹片3末端的变形量，促使各弹片3受到周向力F的作用而生成弯曲变形；也就是说，所述行星齿轮20、21所负载的反作用力F(或称周向力F)是经由驱动盘31的传导，而使每一弹片都生成弯曲变形。其中，假设环齿轮62的节圆半径为R，以及行星齿轮20、21的数量为二，因此可知T1＝2×(F1×R)，且F1＝T1/(2×R)。其中，必须说明的是，当入力的太阳齿轮52与出力的环齿轮62的轴接对象互换时，并不会影响所述行星齿轮20、21(或称惰轮)形成周向力而使弹片3生成弯曲变形的事实。

请合并参阅图8a及图8b，说明所述弹片3的第一端部3a都各自的固定于固定盘30上(如图8a所示)，而且所述弹片3的第二端部3b都能以滑动方式浮动接触于驱动盘31的卡槽31b。如此配置下，当驱动盘31因行星齿轮20、21传递的周向力F微量自转而带动所述弹片3时(如图8b所示)，由于各弹片3的第一端部3a已经固定不动，相对的，各弹片3的第二端部3b经由驱动盘31形成的微量自转而跟着产生微量的移动，进而使得各弹片3都生成弯曲变形，并使各弹片3的第一端面3c受到压力以及第二端面3d受到拉力，此刻，以贴附方式搭载于其中至少一弹片3上的至少一片应变规4便能同步的受到弯曲变形的作用而生成应变，以作为入力轴5与出力轴6之间的扭力感测数值。此外，必须说明的是，所述弹片3的第二端部3b若是以固定方式结合于驱动盘31的卡槽31b内，该第二端部3b已非浮动接触卡槽31b，因此，当驱动盘31微量转动而使第二端部3b跟着移动时，，如此状态下，应变规4同样的能够受到弯曲变形作用而生成应变。

请参阅图9，说明本发明以下列数据模拟弹片3所受到作用力，例如：设定环齿轮62所负载的扭力T1＝2.5N-m，环齿轮62的节圆半径R＝10.5mm，以及环齿轮62作用于行星齿轮20、21的切线作用力F1，依此，得知：

T1＝2×(F1×R)

F1＝T1/(2×R)＝2.5/(2×0.0105)＝119.0476N＝12.1394(kgf)

设定弹片3的中心至太阳齿轮52的轮心的间距R'＝9.75(mm)，行星齿轮20、21的轮心至太阳齿轮52的轮心的间距R"＝7.15(mm)，当行星齿轮20、21传递周向力F于驱动盘31时，根据力可平行移动的原理，行星齿轮20、21所负载的周向力F等于扳动弹片3弯曲的正向推力，假设各弹片3所受到的正向推力为F'，所述弹片3的数量为四，以及2×(F×R")＝4×(F'×R')，依此，得知：

F'＝(R"/R')×(F/2)＝(7.15/9.75)×12.1394＝8.9022(kgf)

设定所述弹片3的材质为JIS SK7，经查表得知其抗拉强度为176kgf/mm2，降伏强度为158.362kgf/mm2，且其杨氏模数E为21,000kgf/mm2。此外，请合并参阅图10a及图10b，说明设定各弹片3的长度L＝20mm，宽度b＝4mm，厚度h＝2mm，当各弹片3受到的正向推力为F'时，各弹片3于与固定盘30固定处的应力σ：

σ＝6×L×F'/(b×h²)＝6×20×8.9022/(4×2²)＝66.766(kgf/mm²)

由此可知所得应力σ小于抗拉强度158.362kgf/mm²的一半，断定各弹片3都能符合足够的疲劳寿命。

请参阅图11，说明当所述弹片3受到作用力F'时，各弹片3的第二端部3b的偏移量δ：

δ＝4×L³×F'/(b×h³×E)

＝4×20³×8.9022/(4×2³×21000)＝0.4239(mm)

此外，设定应变规4贴合于弹片3的位置d＝15mm，依此，得知：

弯曲力矩M

M＝F'×d＝8.9022×15＝133.533(kgf.mm)

面积惯性矩I

I＝b×h³/12＝4×2³/12＝2.6667(mm)

曲率半径r

r＝(M/E×I)-1＝(133.533/21000×2.6667)-1＝419.377(mm)

应变量ε

ε＝(2π(r+0.5h)-2πr)/2πr＝h/2r

＝2/(2×419.377)＝0.002384＝2.384×10^-3

其中，d处位置是考量组装的方便性与其能产生最大的弯曲力矩而决定，例如应变规4在弹片3上的贴合位置，可以相对地较为接近固定盘30(即远离驱动盘31)，以便于生成较大的应变而有助于取得更为精确的扭力测量精度。。

根据上述模拟，可确知本发明利用条片状弹片3的一端部于受力扳动状态下能较为灵敏的生成弯曲，而使所述应变规4随之生成形变，是具体可行的，而且还能提升应变规4感测扭力的精度。此外，令所述弹片3分别与入力轴5(或称太阳齿轮或环齿轮)轴向相互平行配置，而非沿入力轴5(或称太阳齿轮或环齿轮)的径向配置，也确实能够有效缩减应用元件或设备或扭力感测器的径向体积，乃至于能够对背景技术作出贡献。

以上实施例仅为表达了本发明的较佳具体实施方式而已，但并不因此而理解为对本发明专利范围的限制。其中，特别的是，上述惰轮2与入力轴5、出力轴6之间配置关系，只要入力轴5与出力轴6分别形成切线作用力驱动惰轮2沿中心轴线C的圆周旋转，所述切线作用力的总合生成一反作用力F作为惰轮2沿所述圆周旋转时的扭力负载，即属本发明所思及的应用范筹，并不受到是否为行星齿轮组的限制。