專利名稱：用于角速度、扭矩和功率的軸傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及轉(zhuǎn)動軸，更具體地，但并非限制，涉及用于探測角速度、扭矩和功率的一種新穎的傳感器裝置。
背景技術(shù)：
通過應用于自行車類型的裝置來描述本發(fā)明，但這僅是說明舉例的目的，應理解到，本發(fā)明可用來探測任何軸的扭矩，例如，汽車、醫(yī)療監(jiān)控裝置和其他健身裝置上的軸。
扭矩響應節(jié)流閥已用于助動車，以在自行車駕駛者所施加的功率達到一預定程度時給自行車提供機動功率。已有報道，至少在一個國家中，存在一個要求，為了節(jié)約燃油，只在達到了預定的速度之后才提供動力幫助，輔助的機動功率僅最多達到自行車駕駛者所提供的功率的程度?？蓮淖孕熊嚭玩溳嗱?qū)動的兩曲柄之間延伸的軸上的扭矩和角速度的測量得到功率值的大致測量。另外，可僅對一個曲軸柄進行測量，然后將數(shù)值加倍。
可應用多種技術(shù)來提供測量軸的扭矩的裝置，其轉(zhuǎn)動力與扭矩成比例。某些技術(shù)具有復雜的缺陷，因此，相對成本較高、重量較重，某些要求滑環(huán)還具有伴隨的問題，某些在自行車環(huán)境中使用不能被封裝，某些不適于使用在自行車環(huán)境中，在自行車環(huán)境該裝置要暴露于液體和外部固體材料，例如水、冰、鹽、污物、塵垢等等，沒有一種提供用以防止軸過度扭轉(zhuǎn)和過度彎曲的簡單技術(shù)。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供相對簡單且成本較低的一種軸傳感器。
本發(fā)明的另一目的是提供適于使用在自行車環(huán)境中的一軸傳感器。
本發(fā)明的一附加目的是提供這樣一種軸傳感器，該傳感器提供了用以防止軸過度扭轉(zhuǎn)和過度彎曲的簡單技術(shù)。
本發(fā)明的另一目的是提供一高度敏感的軸傳感器。
本發(fā)明的又一目的是提供這樣一種軸傳感器，該傳感器在軸轉(zhuǎn)動時提供角速度、扭矩和功率值的指示，無需使用滑動環(huán)或遙測方法。
本發(fā)明的其他目的、以及具體的特征、元件和優(yōu)點將從以下的描述和附圖中闡明或變得顯而易見。
本發(fā)明的公開本發(fā)明通過在較佳實施例中提供用于一機械的一軸傳感器獲得了以上目的，所述軸傳感器包括第一和第二圓盤，以及一傳感器組件，各圓盤垂直地固定連接于所述機械的一軸的一部分上，所述軸的所述部分承受扭矩，所述第一和第二圓盤沿所述軸的所述部分在間隔開的位置上運作地連接于所述軸的所述部分；傳感器組件具有第一和第二傳感器，各傳感器與所述第一和第二圓盤設置成探測關(guān)系，以探測由于所述軸的所述部分的扭轉(zhuǎn)而導致的所述第一和第二圓盤的相對位置，以輸出代表與所述軸的扭轉(zhuǎn)相關(guān)的至少一個參數(shù)的信號。
附圖的簡要描述通過參見附圖將有利于理解本發(fā)明及其各個方面，提交附圖的目的僅為說明舉例，并非有意界定本發(fā)明的范圍，在附圖中

圖1是按照本發(fā)明的一實施例構(gòu)造的一軸扭矩傳感器裝置的局部端剖視圖。
圖2是沿圖1中線“2-2”的側(cè)視圖。
圖3是沿圖1中線“3-3”的側(cè)視圖。
圖4是本發(fā)明的信號處理電路的一實施例的示意/方塊圖。
圖5是與圖6所示的電路一起使用的一改型的圓盤的側(cè)視圖。
圖6是本發(fā)明的信號處理電路的另一實施例的示意/方塊圖。
圖7是按照本發(fā)明的另一實施例構(gòu)制的一軸扭矩傳感器裝置的局部側(cè)剖視圖。
圖8是沿圖7中線“8-8”的端視圖。
圖9是示出了安裝使用在本發(fā)明中的一傳感頭的一方法的側(cè)視圖。
圖10是適于安裝在健身或公路自行車中的圖7所示的軸扭矩傳感器的側(cè)視圖。
圖11是本發(fā)明的又一實施例的一局部端視圖。
圖12是應用至一健身自行車或醫(yī)療器械的本發(fā)明的一方框圖。
實施本發(fā)明的最佳模式現(xiàn)參見附圖，在所有的附圖中相似或相同的部分被賦予相同的標號，對附圖標號的插入標記是將讀者指引到能夠最清楚地看到所述部分的附圖上，盡管也可以在其他附圖上看到該部分。
圖1示出了按照本發(fā)明的基本實施例構(gòu)制的、總的標為20、應用于自行車(未圖示)的踏板軸30的一扭矩傳感器。踏板軸30在一非轉(zhuǎn)動軸承殼32內(nèi)轉(zhuǎn)動，非轉(zhuǎn)動軸承殼32是自行車框架(未圖示)的一部分。保持件34防止踏板軸30相對軸承殼32作軸向運動。一曲柄40固定地連接于踏板軸30的一端，可理解到一類似的曲柄(未圖示)將固定地連接于踏板軸的另一端，并且合適的傳動裝置也運作地連接于踏板軸的另一端，也給一驅(qū)動輪提供功率。上述部件是傳統(tǒng)自行車典型組成部分。
固定地垂直連接于踏板軸30且沿踏板軸一部分分隔開的是第一和第二圓盤50和52。圖2和圖3更清楚地示出，第一圓盤50具有環(huán)繞第一圓盤的內(nèi)表面設置成圓形陣列的多個開口56，而第二圓盤52具有環(huán)繞第二圓盤的內(nèi)表面設置成圓形陣列的多個開口58。如圖1所示，第一和第二圓盤的內(nèi)表面彼此面對。
再次參見圖1，一第一傳感頭64與第一圓盤50上的開口56的圓對齊，而一第二傳感頭66與第二圓盤52上的開口58的圓對齊。開口56和58的兩圓沿徑向偏移(圖2和圖3)，所以第一和第二傳感頭64和66相對踏板軸30沿軸向重疊，使第一和第二圓盤50和52之間的距離最小。如果第一和第二傳感頭64和66可以制造得足夠小，那么就不需要其重疊部分和開口56和58的兩圓的徑向偏移。在該情況下，因為頭部相對開口56和58的速度將是相等的，傳感頭64和66的輸出信號將更加相似。第一和第二傳感頭64和66可容納在一模制的塑料塊70中來進行保護。塊70是不轉(zhuǎn)動的且被一合適結(jié)構(gòu)72所支承，結(jié)構(gòu)72固定地連接于自行車框架的非轉(zhuǎn)動部分例如軸承殼32，在軸承殼32中一般使用滾珠軸承。
對于圖1所示的應用，第一和第二圓盤50和52可用大約五英寸直徑和大約四分之一英寸厚度的鋼板或其他合適材料制成。如圖所示，在該情況下，多個開口56和58都是八個，大約為三十二分之三英寸深，且可以填充非磁性材料，以減輕可能進入開口中的塵垢和污物所造成的污染程度。如上所述且如圖2和圖3所示，開口56和58的圓沿徑向偏移，在該情況下大約為二分之一英寸?？蓸硕▉碜詡鞲蓄^64和66的輸出信號，以補償該偏移和伴隨的速度差異。第一和第二圓盤50和52沿著踏板軸30彼此分隔開大約一英寸的距離。
在無負載的狀態(tài)下，開口56和58的兩圓在角度方向精確對齊，在負載狀態(tài)下，當踏板軸30轉(zhuǎn)動時，踏板軸給負載提供扭矩和能量。踏板軸30上的扭矩稍微角度方向移動第一和第二圓盤50和52，無需使傳感頭64和66機械接觸轉(zhuǎn)動的踏板軸，就可測量踏板軸傳遞的扭矩、角速度和功率。
盡管開口56和58以狹縫的形式示出在圖1-3中，也可以使用其他形狀的開口，包括(但不局限于)圓形、橢圓形、矩形、正方形等等。這些形狀可產(chǎn)生清晰的邊緣，因為傳感器間隙長度(例如磁頭)可以非常小。這些形狀可以容納能夠產(chǎn)生相對較強磁場的磁性材料、磁鐵、或者磁化的材料。這增加了信號對干擾的比值且減少了來自汽車、控制器等的可能的外部干擾效果，且降低了對防護的要求。而且，盡管所示的開口56和58各為八個，但可以應用任何數(shù)量的開口，使用的開口數(shù)目越多，可得到的信息量也就越多。
圖4示出了本發(fā)明的電路的一個實施例，用以測量踏板軸30(圖1)傳遞的角速度、扭矩和功率，該電路總的被標號80表示。電路80具有第一和第二磁頭86和88，它們分別包括傳感頭64和66(圖1)的部分。磁頭86和88與使用在聲音存儲中的磁頭相似，其間隙比那應用中的寬，以產(chǎn)生或探測離探測頭64和66(圖1)較遠的更多磁通，且被設置得接近圓盤50和52(圖1)的內(nèi)表面上的開口56和58的圓。通過一系列電阻給磁頭86和88提供電流，當開口56和58分別通過磁頭時，從磁頭輸出信號。磁頭86和88也可以使用其他類型的傳感器，例如磁阻元件。
使用傳統(tǒng)的電路，沿邊探測器102和122可被設計為響應頭部信號的前沿的快速變化部分。另外，也可以應用后沿探測，其要求(電確定)是充分的頭部信號區(qū)域和或信號持續(xù)時間(轉(zhuǎn)換為成比例的電壓或電流)必須剛好發(fā)生在后沿探測器復位觸發(fā)器130之前。也可以應用信號峰值探測。因此，可以減弱短時間的亂真電干擾和磁場干擾效果。
后沿探測方法也可用于角速度的確定。當使用聲音類型的磁頭時，觸發(fā)器130能夠在信號輸出的固定電平置位和復位，且能夠在可變電平置位和復位(作為所得到的角速度的一個功能)，以補償因在不同角速度時的磁通時間變化率所引起的信號電平的變化。在后沿探測中，在足夠區(qū)域或?qū)挾鹊男盘柊l(fā)生后，當沿邊下落至固定的或角速度變化電平之下時確定置位和復位電平。當應用該方法時，圖4中將角速度的反饋信號提供給沿邊探測器102和122的虛線將包括在電路80中。
另外，可不提供鐵磁材料的圓盤50和52，圓盤50和52也可用非磁性材料例如鋁來形成，磁性和/或磁化的材料設置在開口56和58中，以產(chǎn)生越過帶有磁性材料的頭部的顯著的磁阻變化和信號(這需要一系列電阻)，或者對于磁化材料的每單位時間的顯著的磁通量的變化(在該情況下不需要電阻)。而且，插入到鋼板中的鋁可具有填充磁性或磁化材料的開口56和58。其他形式的設置也是可行的，且處在本發(fā)明的設想之內(nèi)。例如，圓盤50和52可以是鐵磁材料，而開口56和58填充有磁化材料。復合的圓盤50和52，例如鋼質(zhì)外層和非磁性的內(nèi)層，而開口56和58設置在內(nèi)層中以利用鋼材的強度。具有最小磁性的不銹鋼也可用于圓盤50和52。
一般而言，圓盤50和52可用以下的一種或多種合適材料形成磁性材料、非磁性材料、鐵磁材料、非鐵磁材料、具有某些鐵磁性能的材料、以及復合材料。開口56和58可填充有以下一種或幾種合適的材料空氣、非磁性材料、磁性材料、以及可被磁化的材料。
來自第一磁頭86的信號通過一放大器100且通過沿邊探測器102，后者的輸出觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)的多諧振蕩器104，當運行在平均電路106中時，多諧振蕩器104的輸出藉助例如低通濾波技術(shù)提供與踏板軸30(圖1)的角速度成比例的一運行的平均模擬信號。另外，濾波可以比低通濾波更為復雜，以便于平滑和調(diào)節(jié)運行的平均周期。
來自第二磁頭88的信號在放大器120中被放大，且通過沿邊探測器122。沿邊探測器102的前沿輸出置位觸發(fā)器130，觸發(fā)器130被沿邊探測器122的前沿輸出復位，當扭矩或扭轉(zhuǎn)存在于踏板軸30(圖1)上時，這兩個前沿輸出稍微移位。
一般而言，臨界電平和斜坡可應用在沿邊探測器102和122中。
使用狹窄的開口56和58，例如圖2和圖3所示的槽口，位于放大器100和120的輸出的頭部信號在低扭矩時可能會重疊，在某些情況下，因為盤或開口的對不齊，沿邊探測器122復位信號可比沿邊探測器102置位觸發(fā)器130稍微早一點發(fā)生。在前沿探測中，避免引入較大誤差的一個方法是置位觸發(fā)器130，使沿邊探測器102的輸出具有較短的持續(xù)時間(例如，在自行車應用中為一至兩微秒)，且在越過臨界值時僅在從放大器100的正斜坡上置位觸發(fā)器130。沿邊探測器122的復位輸出具有相對較長的持續(xù)時間(例如，100-200微秒)，且在越過臨界值時僅在從放大器120的正斜坡輸出上復位觸發(fā)器130。這能夠確保當來自放大器100和120的信號存在重疊時，或者較小的圓盤開口在低扭矩情況下對不齊時，觸發(fā)器130將在來自沿邊探測器100的置位脈沖發(fā)生之后被復位。在后沿探測中，當來自沿邊探測器102和122的輸出信號越過臨界值時，應用相似的探測輸出寬度在負斜坡上來置位和復位觸發(fā)器130。
臨界電平可隨用于前沿和后沿探測以及用于重疊和非重疊信號的角速度的函數(shù)而變化。這可在沿邊探測器102和120中完成。
觸發(fā)器130的輸出寬度隨軸速度和扭矩而變化。觸發(fā)器130的輸出被與平均電路106相似的平均電路140求平均，其輸出是與扭矩成比例的一模擬信號。如果需要，平均電路140的輸出可與比較器(或差分電路)144中的一基準相比較，以產(chǎn)生一個信號，該信號指示扭矩何時超過基準值。當達到一設定角速度后，該信號可使用在一反饋回路中，以控制健身自行車或醫(yī)療裝置上的摩擦墊子。在較高的扭矩下很難用手調(diào)節(jié)這些墊子。該反饋信號通過其他裝置(例如一磁場)也可用來調(diào)節(jié)施加在飛輪上的力，以控制阻扭矩。角速度和扭矩輸出信號在乘法器150中倍增，以產(chǎn)生與功率成比例的一信號。乘法器150的輸出可與比較器(或差分電路)152中的一基準相比較，以產(chǎn)生用于反饋目的的一信號，該信號與上述來自比較器144的信號的使用相似。
為了有助于減少電干擾環(huán)境的效果或可以增加精確度，可僅在來自第一和第二磁頭86和88的信號通過使用后沿探測具有足夠的區(qū)域和持續(xù)時間后，觸發(fā)沿邊探測器102和122。
簡言之，一致的偏置誤差可在扭矩電平輸出時得到補償。
圖5示出了一圓盤160，圓盤160與圖2和圖3所示的圓盤50和52相似，且其上具有設置成一圓的八個開口162。設置在圓盤160上與開口162同一個圓中的是緊密間隔的一組三個開口164。該探測電路可通過傳統(tǒng)的裝置進行適當?shù)母男?，以探測組164且依據(jù)圓盤160的每一回轉(zhuǎn)提供一信號。三個開口的組164可與矩形開口162緊密地設置，并且來自該組的信號可被排除在多諧振蕩器104的速度輸出之外，以避免將該組與有規(guī)律地間隔的開口相平均。
當然，也可以設置除組164之外的其他裝置來指示圓盤160的每一回轉(zhuǎn)。當應用結(jié)合圖6描述的電路時，這樣的布置是有利的。
圖6示出了用以測量踏板軸30所傳遞的角速度、扭矩和功率的電路的另一實施例，該電路總的被標號180來表示。具有與電路80(圖4)的元件相同功能的電路180的元件保持相同的標號。當需要提供幾乎瞬時的角速度、扭矩或功率的測量時，電路180特別有用。
在此，觸發(fā)器130的輸出在乘法器190中被角速度倍增，且其輸出施加至一積分器192，其幅度在“沿邊2”處的觸發(fā)脈沖之后在周期內(nèi)保持恒定，直到積分器被下一狹縫的“沿邊1”設定為零。積分器的輸出通過一模擬門200，模擬門200在積分過程中被觸發(fā)器130的負輸出關(guān)閉，而后通過多個模擬門202，模擬門202通過的是所施加的最小信號，此后通過多個保持電路204，傳輸至一條形圖顯示器206。保持電路204可被到達它的輸入信號的前沿復位。條形圖顯示器206允許自行車的使用者在踏板軸的每一回轉(zhuǎn)中例如觀察到踏板軸30(圖1)的扭矩中的變化。另外，可應用一儀表來顯示選定參數(shù)的平均值。還有，也可應用一個或多個儀表來顯示各參數(shù)。
數(shù)字定序器210的輸出施加至模擬門202，該數(shù)字定序器被來自組164(圖5)的“一轉(zhuǎn)一次”(“once around”)信號復位，且在被“沿邊2”每次積分后前進。當頭放大器輸出施加至累加和衰減電路時，可得到“一轉(zhuǎn)一次”信號，以致組164比間隔的開口162提供更高得多的幅值。該較高幅度的信號用來產(chǎn)生“一轉(zhuǎn)一次”信號(例如，通過觸發(fā)一單觸發(fā)多諧振蕩器)。
積分器192的輸出也可在乘法器中被角速度倍增，以產(chǎn)生與功率成比例的一信號，通過應用并入在電路中的標度因子，借助于開關(guān)222的置位可選擇地將角速度、扭矩或功率顯示在條形圖顯示器206上。
與圖4中的電路80的情況一樣，當應用后沿探測時，在發(fā)生足夠區(qū)域或?qū)挾鹊男盘栔螅斞剡呄侣渲烈还潭ǖ幕蚪撬俣茸兓娖街聲r，就確定了置位和復位電平。再次，當應用該方法時，圖6中將角速度信號的反饋提供給沿邊探測器102和122的虛線將包括在電路80中。
對于自行車的應用，例如，當存在兩個功率輸入(即，兩個踏板)，且僅監(jiān)測一個踏板輸出時，假定來自兩個踏板的功率大致相同，且利用一恒定的標度因子來顯示需要的數(shù)值。當確定扭矩運行平均值時，在自行車的應用中也加倍單方面確定的扭矩。
圖7示出了按照本發(fā)明的另一實施例構(gòu)制的、總的被標為300的一扭矩傳感器的布置。所示的傳感器300是用于說明性的目的，且可以用鍵固于自行車的踏板軸310，該踏板軸設置在自行車框架(圖未示)的部分312中，自行車框架容納踏板軸和軸承，例如在設置在軸和端蓋/軸承座圈316之間的314處，踏板軸310的右端可適應各種不同的自行車設計。
傳感器300具有分別與第一和第二圓盤50和52(圖2和圖3)相似的第一和第二圓盤320和322，它們各自設置在中空扭轉(zhuǎn)管子330的一端，扭轉(zhuǎn)管子330可具有大約0.35至大約0.40英寸的內(nèi)直徑。傳感器300借助于開花鍵槽或開平鍵槽的轂340固定于踏板軸310，轂340插入到軸的末端中且通過帶螺紋的內(nèi)六角(Allen)頭型螺栓342固定在那兒。一密封的傳感單元350以非轉(zhuǎn)動的關(guān)系設置在第一和第二圓盤320和322之間，一定中心的簧片352從傳感單元沿軸向延伸且可滑動地接觸第一和第二圓盤的內(nèi)表面，以相對第一和第二圓盤將傳感單元保持在中央位置。該布置產(chǎn)生“幾乎”相等的頭部信號。
密封的傳感單元350包含傳感頭和相關(guān)的部分，且較佳地被構(gòu)制成以不暴露于有害環(huán)境的方式裝配其諸部分。一個這樣的構(gòu)制方法是將傳感體和相關(guān)部分設置在印刷電路板上，而后給印刷電路板涂覆一層合適的保護材料。另一這樣的構(gòu)制方法是將傳感元件密封在塑料材料塊中。在任一情況下，密封的傳感單元350提供防止物理和化學損傷的保護，它制造經(jīng)濟，且保持傳感頭的位置。電子元件可設置在密封的傳感單元350中，以保持它們接近傳感頭來減輕干擾，導線和屏蔽物及傳感頭不需要接觸圓盤。只有高電平信號需要從傳感單元350傳送和將能量傳輸至傳感單元。
中心簧片352也可以用塑料和/或塑料涂覆的金屬來構(gòu)制，且具有相同的性能，即使最初存在或因外力致使圓盤間距發(fā)生變化，也能夠保持傳感頭與第一和第二圓盤320和322的內(nèi)表面等距。不論使用哪一種，中心簧片352都可安裝在印制的電路板上或塑料塊上。
因為觸發(fā)器130(圖4)被來自傳感頭的相似處理的信號置位和復位，在置位和復位中將發(fā)生相同的延時，由此補償變化的頭部距離。尼龍和特氟隆特別適于形成密封的傳感單元350和中心簧片352，這是因為它們能夠抵抗相對較高的溫度且具有很低的摩擦系數(shù)，由此當?shù)谝缓偷诙A盤320和322克服該中心簧片而運動時減少熱量的產(chǎn)生和拖拉。
應注意到，第一和第二圓盤320和322形成傳感器300的一殼體，并且連接于自行車框架的圓形密封件360的結(jié)構(gòu)封閉該殼體，以防止外部物體的進入。該特征例如在自行車易于碰到的骯臟環(huán)境中特別重要。密封件360具有凸緣370，凸緣370嚙合環(huán)繞第一和第二圓盤320和322的內(nèi)表面界定的溝槽372，以將密封件固定就位。設置足夠的余隙，以允許第一和第二圓盤320和322與密封件360之間的靈活運動，這是由于密封件相對自行車框架基本靜止。密封件360可以是塑料擠壓成形物，例如具有低摩擦和高溫性能的特氟隆或尼龍。
內(nèi)部有螺紋的固定支柱(standoff)380固定地連接于第一圓盤320的內(nèi)表面，它從該內(nèi)表面向內(nèi)垂直地延伸。帶螺紋的內(nèi)六角頭，或者其他類型，螺栓382插入到固定支柱380中，且具有末端的非螺紋端部384，端部384被寬松地插入到界定在第二圓盤322的內(nèi)表面中的圓形開口386中，該圓形開口具有比末端384的直徑稍大的直徑，以下描述其結(jié)構(gòu)的目的。固定支柱380和螺栓382相嚙合，帶有沒有穿透第二圓盤322的螺栓，這進一步密封了由第一和第二圓盤320和322以及密封件360所產(chǎn)生的殼體。
應注意到，第一和第二圓盤320和322，扭轉(zhuǎn)管子330和轂340是一體形成的，但也可以是單獨固定的零件，各零件通過機械加工得到精確度、外形和位置的準確度。轂340也可以連接于踏板軸310的外部，第一和第二圓盤320和322連接在那兒，螺栓382和圓形開口386設置在轂中。傳感器開口可保留在第一和第二圓盤320和322外方薄的部分。其他的結(jié)構(gòu)也被本發(fā)明所設想。
第一圓盤320的外表面具有通過多個帶螺紋的內(nèi)六角頭螺栓連接在那兒的一踏板曲柄390，螺栓如在392處插入通過踏板曲柄而進入到第一圓盤320中。當然，重要的是，螺栓392的內(nèi)端避開了塊350和傳感系統(tǒng)的其他內(nèi)部部件。
從圖7中可以看出，扭轉(zhuǎn)管子330的內(nèi)直徑比踏板軸310的直徑小。可理解到，應根據(jù)所需的扭矩程度來選擇扭轉(zhuǎn)管子330的直徑及其壁厚，較小的直徑及較薄的壁趨于增加靈敏性，但也趨于增加扭轉(zhuǎn)管子過于扭轉(zhuǎn)或過于彎曲的可能性。扭轉(zhuǎn)管子330也可與踏板軸30(圖1)的相似部分一樣是實心的。
再次，無需機械接觸轉(zhuǎn)動的踏板軸，即可測量踏板軸310所傳遞的扭矩、角速度和功率。只有中心簧片352接觸轉(zhuǎn)動件，在該例中是第一和第二圓盤320和322。
圖8更清楚地示出了本發(fā)明借以防止過度扭轉(zhuǎn)的裝置。如上所述，螺栓382(圖7)的末端384被插入到界定在第二圓盤322的內(nèi)表面中的圓形開口386中，螺栓末端的直徑比圓形開口的直徑稍小。因此，如果超過施加在扭轉(zhuǎn)管子330上的一預定程度的扭矩，末端384將約束圓形開口386的壁，施加至扭轉(zhuǎn)管子的扭矩將被限制于導致該約束所需的程度。再次參見圖7，過度彎曲被推壓第二圓盤322的內(nèi)表面的固定支柱380的末端所防止。扭矩和彎曲限制的特征在下面的應用中特別有用，即在起始扭矩和彎矩較高，而運行扭矩(被監(jiān)控)和彎矩較低的場合。螺栓382與圓形開口386的約束在第一和第二圓盤320和322的限制處可用來防止位移。
圖9示出了用以安裝鄰近圓盤402的傳感塊400的裝置，圓盤402具有界定在其內(nèi)表面中的開口404。傳感塊具有位于其內(nèi)的帶有空氣間隙412的磁性傳感頭410，且具有安裝在其上的一中心簧片結(jié)構(gòu)414，以頂靠著與圓盤402相對的一第二圓盤(圖未示)滑動?？衫斫獾?，一相同的中心簧片結(jié)構(gòu)和帶有空氣間隙的傳感頭將設置在傳感塊400的相對側(cè)，該中心簧片結(jié)構(gòu)頂靠圓盤402滑動。
傳感塊400結(jié)合于一環(huán)形懸臂式支承件420的上端，支承件420可由合適材料例如較薄的鋁、鋼、塑料或其他合適材料形成。懸臂式支承件420的下端固定在自行車的一靜止部分上，例如，借助于通過支承件下端通過的安裝孔。懸臂式支承件420足夠柔韌，以允許傳感塊400容易地定位在圓盤402和相對圓盤之間的中心，但也足夠剛強，以避免扭曲效果，扭曲效果將導致傳感頭410相對圓盤的偏移。產(chǎn)生接近其靜止安裝件的絞接效果的懸壁式支承件420的較薄厚度使得該支承件可容易地響應圓盤間隔的變化。該結(jié)構(gòu)相對更昂貴和復雜的機構(gòu)非?？煽浚嘿F和復雜的機構(gòu)可能會不利地受到塵垢和污物的污染。連接于和來自傳感塊400的導線可連接于懸臂式支承件420，由此保護導線且防止過多的導線纏繞于靜止部分。懸臂式支承件420被設置成離開固定支柱380。
圖10示出了適于連接于大量健身和公路自行車的圖7所示的傳感器300。與圖7中的相同部分具有相同形式和功能的傳感器300的部分保持相同的標號。一個大致圓形的轂500通過多個帶螺紋的內(nèi)六角頭螺栓502連接于第二圓盤322的外表面，螺栓502插入通過該轂而進入到第二圓盤中。一錐形的開口510沿軸向設置在轂500的中央，以接納大量的靜止的健身或公路或山地自行車中的一個的心軸(圖未示)，設置一帶螺紋的內(nèi)六角頭螺栓512，以擰進心軸中的一互補開口中。另外，開口510可以是方形或其他形狀。
圖10所示的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可從一健身或公路自行車中容易地取下傳感器300，且容易地替換或連接于另一自行車。
圖7和圖10所示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)通過拆下整個傳感器300允許從傳感器的外部容易地進入，以改變零件、保養(yǎng)等等。
圖11示出了按照本發(fā)明的又一實施例構(gòu)制的、總的被標號600表示的一傳感器。該實施例應用光傳感，而不是磁性傳感?？衫斫獾?，圖11未示的傳感器600的元件與傳感器300(圖7至圖10)的元件相似或相同，傳感器600中的信號處理與傳感器300中的信號處理相似或相同。
傳感器600具有第一和第二圓盤610和612，每個圓盤分別具有設置在其內(nèi)的多個開口614和616(在每個圓盤上只示出一個)，該圓盤具有反射的內(nèi)表面。與塊350(圖7和圖10)相似的一傳感塊620通過上述的裝置設置在第一和第二圓盤610和612的中央。設置在傳感塊620中以在第一和第二圓盤610和612的內(nèi)表面傾斜地指引細光束的分別是第一和第二光源630和632，光源例如為LED(發(fā)光二極管)。
在傳感塊620中還設置有第一和第二光探測器640和642，用以分別接收第一和第二光源630和632所產(chǎn)生且被第一和第二圓盤610和612的內(nèi)表面反射的光，光探測器例如可以是光敏晶體管，它們相對光源產(chǎn)生的細光束具有較寬的收集區(qū)域。
第一和第二圓盤610和612都相對傳感塊620以前述的方式轉(zhuǎn)動，如圖11所示，各圓盤傾斜地移動，使來自第二光源632的光束沒有完全到達槽口616的邊緣，因此，該光束被第二圓盤612的內(nèi)表面反射，且被光探測器642探測。同時，來自第一光源630的光束到達第一槽口614，切口614擴散了該光束，所以光束沒有被第一圓盤610的內(nèi)表面反射，且因此沒有被第一光探測器640探測到。以此方式，可通過來自第一和第二光探測器640和642的信號的損失來探測第一和第二開口614和616的邊緣。
處理電路被設計為忽略第一和第二圓盤610和612中微小的內(nèi)表面反射變化。第一和第二開口614和616可以是開放的或填充有低反射的材料。如果需要，可以使用擦拭墊(圖未示)使第一和第二圓盤610和612的內(nèi)表面保持相對潔凈。
本發(fā)明在評估肌肉力量和運動的醫(yī)療應用中特別有用和有效，當使用兩個單元時也可用來探測不對稱性。按照后一結(jié)構(gòu)的一系統(tǒng)的簡圖示出在圖12中，其中該系統(tǒng)總的被標號700指示。在此，系統(tǒng)700具有第一和第二電路710和712，每一電路具有諸傳感器且與圖4所示的電路80相似，每一傳感器都與例如健身自行車或醫(yī)療評估裝置上的踏板相連。第一和第二電路710和712輸出代表角速度、扭矩或功率的信號，這些信號被第三電路720接收，后者提供代表第一和第二電路的角速度、扭矩或功率輸出之間不對稱性的一輸出信號。第三電路720的輸出可用來評估使用健身自行車或醫(yī)療評估裝置的人的能力。在健身自行車或醫(yī)療評估裝置上設置分開的軸的情況下，不對稱的角速度很重要。
可以應用模擬、數(shù)字或計算機技術(shù)來設計圖4和圖6所示的元件。
在上述本發(fā)明的實施例中，應意識到，其單個的元件和/或特征并非必須局限于某一具體實施例，而是在可應用的情況下可相互替換，且可以使用在任何所選擇的實施例中，即使該實施例并沒有具體示出。
當使用諸如“上”、“下”、“內(nèi)”、“外”“向內(nèi)”、“向外”等詞語時，是指示出在附圖中的各個元件的位置，本發(fā)明并非必須局限于這些位置。
因此，可看出已充分獲得前面的描述中所闡明的那些目的，因為只要不脫離本發(fā)明的范圍，在上述的結(jié)構(gòu)中可進行一定的變化，所以應意識到，包含在上面的描述或示出在附圖中的所有內(nèi)容僅為舉例說明，而非限制。
也應當理解到，下面的權(quán)利要求書意欲涵蓋在此描述的本發(fā)明的所有一般和具體特征，從語言角度，本發(fā)明范圍的表述應落在其間。
權(quán)利要求
1．一種用于一機械的軸傳感器，所述軸傳感器包括(a)第一和第二圓盤，各圓盤垂直地固定連接于所述機械的一軸的一部分上，所述軸的所述部分承受扭矩，所述第一和第二圓盤沿所述軸的所述部分在間隔開的位置運作地連接于所述軸的所述部分；以及(b)一傳感器組件，該傳感器組件具有第一和第二傳感器，各傳感器與所述第一和第二圓盤設置成探測關(guān)系，以探測由于所述軸的所述部分的扭轉(zhuǎn)而導致的所述第一和第二圓盤的相對位置，以輸出代表與所述軸的扭轉(zhuǎn)相關(guān)的至少一個參數(shù)的信號。
2．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于還包括環(huán)繞且密封界定在所述第一和第二圓盤之間的空間的一蓋子，所述第一和第二圓盤、所述蓋子、以及所述軸的所述部分構(gòu)成了一密封殼體，所述傳感器組件設置在該殼體中。
3．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于(a)所述第一和第二圓盤分別具有界定在所述第一和第二圓盤的面向內(nèi)的表面中的諸開口的第一和第二環(huán)形陣列；以及(b)所述第一和第二傳感器是磁性傳感器，分別設置成鄰近諸開口的所述第一和第二環(huán)形陣列，以探測諸開口的所述第一和第二環(huán)形陣列的相對位置。
4．如權(quán)利要求3所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于(a)所述第一和第二圓盤由從以下選出的一種或多種合適材料形成磁性材料、非磁性材料、鐵磁材料、非鐵磁材料、具有某種鐵磁性能的材料、及復合材料；以及(b)諸開口的所述第一和第二環(huán)形陣列填充有從以下選出的一種或多種合適材料空氣、非磁性材料、磁性材料、以及磁化的材料。
5．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于所述第一和第二傳感器及與其相關(guān)的電路設置在保護性材料的塊中。
6．如權(quán)利要求5所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于還包括設置在所述保護性材料塊的任一側(cè)的諸中心簧片，諸中心簧片接觸所述第一和第二圓盤的表面，以使所述保護性材料塊相對所述第一和第二圓盤保持在選定的位置。
7．如權(quán)利要求6所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于所述保護性材料塊固定地安裝在一懸臂件的末端，該懸臂件具有連接于所述機械的一部分的最近端，該最近端相對所述軸的所述部分是靜止的，以使所述保護性材料塊可相對容易地在所述第一和第二圓盤之間移動。
8．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于所述傳感器組件連接于所述機械的一非轉(zhuǎn)動件。
9．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于(a)所述第一和第二圓盤分別具有界定在所述第一和第二圓盤的面向內(nèi)的表面中的諸開口的第一和第二環(huán)形陣列；以及(b)所述第一和第二傳感器是光傳感器，分別設置成鄰近諸開口的所述第一和第二環(huán)形陣列，以探測諸開口的所述第一和第二環(huán)形陣列的相對位置。
10．如權(quán)利要求9所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于(a)所述第一和第二圓盤的所述面向內(nèi)的表面是可反射的；(b)所述第一和第二傳感器各具有一光源和一光探測器，以及(c)諸開口的所述第一和第二環(huán)形陣列的相對位置是通過探測或沒有探測到每個所述光源發(fā)出且被所述第一和第二圓盤的面向內(nèi)表面反射的光束來確定的，諸開口的所述第一和第二環(huán)形陣列的任何開口使光線進入而不反射。
11．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于還包括設置在所述第一和第二圓盤之間的多個第一止動件，以防止所述軸的所述部分過度扭轉(zhuǎn)。
12．如權(quán)利要求11所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于所述多個第一止動件中的每一個都包括一根軸，該軸固定地連接于所述第一和第二圓盤中的一個圓盤上，且從該圓盤延伸進入到界定在另一圓盤中的一開口中，所述開口具有比所述軸較大的直徑，因此，當過大的扭矩施加至所述軸的所述部分上時，所述軸將約束所述開口，以防止所述軸的所述部分的所述過大扭轉(zhuǎn)。
13．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于還包括設置在所述第一和第二圓盤之間的多個第二止動件，以防止所述軸的所述部分的過度彎曲。
14．如權(quán)利要求13所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于所述多個第二止動件中的每一個都包括一部分，該部分固定地連接于所述第一和第二圓盤中的一個圓盤上，且從該圓盤延伸至一位置，在該位置所述部分的末端接近另一圓盤的內(nèi)表面，因此，當所述軸的所述部分彎曲時，所述末端將約束所述內(nèi)表面，以防止所述軸的過度彎曲。
15．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于所述至少一個參數(shù)可從以下選出角速度、扭矩和功率。
16．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于(a)所述第一和第二圓盤分別具有界定在其面向內(nèi)的表面中的諸開口的第一和第二環(huán)形陣列；(b)所述第一和第二傳感器分別設置在諸開口的所述第一和第二環(huán)形陣列的鄰近處，以探測所述第一和第二開口陣列的相對位置；(c)諸開口的所述第一和第二環(huán)形陣列與所述第一和第二傳感器相對所述軸的所述部分分別沿徑向偏移，以使所述第一和第二圓盤之間的距離最小。
17．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于所述第一和第二傳感器及其相關(guān)電路設置在密封的印刷電路板中。
18．如權(quán)利要求17所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于還包括中心簧片，該中心簧片設置在所述密封的印刷電路板的任一側(cè)且接觸所述第一和第二圓盤的表面，以使所述密封的印刷電路板相對所述第一和第二圓盤保持在選定的位置。
19．如權(quán)利要求17所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于所述密封的印刷電路板固定地安裝在一懸臂件的末端，該懸臂件具有連接于所述機械的一部分上的最近端，其最近端相對所述軸的所述部分是靜止的，以使所述密封的印刷電路板在所述第一和第二圓盤之間相對容易地移動。
20．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于還包括用以指示所述至少一個參數(shù)的數(shù)值的一顯示器。
21．如權(quán)利要求20所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于所述至少一個參數(shù)的所述數(shù)值以運行平均值來顯示。
22．如權(quán)利要求20所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于所述至少一個參數(shù)的所述數(shù)值基本以瞬時值來顯示。
23．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于所述至少一個參數(shù)可從以下選出角速度、扭矩和功率。
24．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于所述至少一個參數(shù)可從以下選出扭矩和功率。
25．如權(quán)利要求24所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于所述信號與一基準信號相比而產(chǎn)生一差別信號，該差別信號應用在一反饋回路中，以調(diào)節(jié)所述機械的特征。
26．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于還包括(a)分別連接于所述第一和第二傳感器的第一和第二沿邊探測器；以及(b)作為所述軸的角速度的功能，用來調(diào)節(jié)所述第一和第二沿邊探測器的輸送的裝置。
27．一種用于健身自行車或醫(yī)療器械的傳感裝置，所述健身自行車或醫(yī)療器械具有第一和第二功率輸入裝置，所述傳感裝置包括(a)分別運作地連接于所述第一和第二功率輸入裝置的第一和第二軸傳感器；(b)分別運作地連接于所述第一和第二軸傳感器的第一和第二處理電路，以提供代表與所述第一和第二功率輸入裝置相關(guān)的一參數(shù)的第一和第二輸出信號；以及(c)第三電路，以接收所述第一和第二輸出信號，且指示施加至所述第一和第二功率輸入裝置的角速度、扭矩或功率的大小和不對稱性。
28．如權(quán)利要求1所述的一種用于一機械的軸傳感器，其特征在于還包括用以使所述傳感器組件定位在所述第一和第二圓盤之間的中心的裝置。
29．用以確定至少與一機械中的一根軸的扭矩相關(guān)的一個參數(shù)的一種方法，所述方法包括(a)將第一和第二圓盤設置成固定地垂直連接于所述軸的一部分，所述軸的所述部分承受扭矩，所述第一和第二圓盤沿所述軸的所述部分在間隔開的位置運作地連接于所述軸的所述部分；(b)設置具有第一和第二傳感器的一傳感器組件，第一和第二傳感器與所述第一和第二圓盤設置成傳感關(guān)系；(c)使用所述傳感器組件來探測由于所述軸的所述部分的扭轉(zhuǎn)而引起的所述第一和第二圓盤的相對位置，以輸出代表至少與所述軸的扭矩相關(guān)的一個參數(shù)的信號。
30．如權(quán)利要求29所述的用以確定至少與一機械中的一根軸的扭矩相關(guān)的一個參數(shù)的一種方法，其特征在于還包括(d)步驟(c)包括探測分別界定在所述第一和第二圓盤中的第一和第二開口陣列。
31．如權(quán)利要求30所述的用以確定至少與一機械中的一根軸的扭矩相關(guān)的一個參數(shù)的一種方法，其特征在于還包括(e)設置分別連接于第一和第二傳感頭的第一和第二沿邊探測器，以接收代表所述第一和第二開口陣列的相對位置的第一和第二信號，且提供與斜坡、幅值、臨界值、以及/或前沿相關(guān)的第一和第二輸出信號。
32．如權(quán)利要求31所述的用以確定至少與一機械中的一根軸的扭矩相關(guān)的一個參數(shù)的一種方法，其特征在于還包括(f)從所述第一和第二輸出信號計算角速度。
33．如權(quán)利要求31所述的用以確定至少與一機械中的一根軸的扭矩相關(guān)的一個參數(shù)的一種方法，其特征在于還包括(g)作為所述軸的角速度的功能，調(diào)節(jié)所述第一和第二輸出信號。
34．如權(quán)利要求32所述的用以確定至少與一機械中的一根軸的扭矩相關(guān)的一個參數(shù)的一種方法，其特征在于還包括(h)作為所述角速度的功能，調(diào)節(jié)所述沿邊探測器的臨界值。
35．如權(quán)利要求32所述的用以確定至少與一機械中的一根軸的扭矩相關(guān)的一個參數(shù)的一種方法，其特征在于還包括(ⅰ)僅在所述第一和第二信號具有足夠的區(qū)域或持續(xù)時間后，激發(fā)所述第一和第二沿邊探測器。
全文摘要
在較佳實施例中,用于一機械的一軸傳感器,該軸傳感器具有:第一和第二圓盤(50)和(52),以及傳感器(64,66)組件,各圓盤垂直地固定連接于該機械的軸(30)的一部分,軸的該部分承受扭矩,第一和第二圓盤沿軸的該部分在分隔開的位置運作地連接于軸的該部分;傳感器(64、66)組件具有與第一和第二圓盤的關(guān)系,以探測由于軸的該部分的扭轉(zhuǎn)所引起的第一和第二圓盤的相對位置,輸出代表與軸的扭轉(zhuǎn)相關(guān)的至少一個參數(shù)的信號。
文檔編號G01P3/481GK1297528SQ00800373
公開日2001年5月30日 申請日期2000年1月31日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月5日
發(fā)明者D·A·戈德曼 申請人:柯蒂斯儀器股份有限公司