[发明专利]压电扭矩传感器

说明书

本发明涉及扭矩传感器，特别涉及当一扭矩元件受到一变化的扭矩或转矩的作用时，用于提供扭矩应变的变化的电信号显示的传感器。这种传感器，特别是用于感应扭矩应变的传感器，在包括静态、半静态和动态扭矩变化的运行过程中，轴受到变化扭矩的作用的系统中，特别需要。这种应用包括用于车辆的转向轴，及电机或动力传动轴中的旋转轴。

到目前为止，用于轴的扭矩传感器使用设在轴上的磁体弹力元件，和用于当该磁体弹力元件受到扭矩应变时检测磁场变化的传感线圈。但是，将磁体弹力元件以一种能够可靠地将轴应变传导到磁体弹力元件上的方式连接到轴上是困难的，这产生了装置不能大量生产的问题。

使用压电元件的已知传感器使用的压电元件被机械限制并电联接以接收受到高脉冲负荷的压电元件的输出。这样的装置在授权给H.S.Lew的美国专利4,835,436中进行了表示和描述，且不适用于低扭矩应变率和低等级扭矩施加在扭矩元件上的情况，特别不适用于车辆转向轴的应用。

在诸如车辆转向轴的半静态应用中，还需要提供轴的角度移动的电显示；这在以前需要一个单独的角度位置传感器。

因此长期以来需要的是，提供一种方法或装置，以一提供高度敏感度和响应元件上扭矩应变变化的电信号输出的相对较高的分辨率的方式，对受到扭矩作用的元件上扭矩应变进行传感并提供电显示。还需要的是，提供一个这样的扭矩传感器，它可以提供旋转角度位置的电显示，在批量生产中容易制造和安装，并在使用中很耐用且制造费用相对较低。

本发明提供一种扭矩传感器，该扭矩传感器在一元件受到扭矩作用时提供了连续的扭矩应变的电显示。本发明的传感器使用一个压电元件，该压电元件封装在将产生应变的扭矩元件的预备区域中；该压电元件借助于一可变电容与一使用振荡器的外部检测电路电容耦合。该可变电容具有可变的电容，用于显示角度反映，从而不需要一单独的角度位置传感器。压电元件的电极被履盖，弹性绝缘衬垫在电极之间形成一空气间隙，盖形成一组件，以提高传感器在其共振频率上的信号输出。压电元件组件通过一应变传导封装介质固定在预备区域，最好是凹口中。在目前优选的实践中，检测电路包括一振荡器，并检测作为扭矩元件所受应变的测量的压电元件的共振频率。

本发明提供了一个制造简单和耐用的压电扭矩传感器，这种压电扭矩传感器成本相对较低，容易进行大批量生产，特别适于连接到一半静态应变元件，如车辆转向轴或旋转轴，如旋转动力传动轴或电机轴。

图1是安装在扭矩元件上的本发明传感器的投影视图；

图2是沿着图1中切线2-2的剖面视图；

图3是图1中传感器的分解视图；

图4是传感器另一实施例的分解视图；

图5是安装在一扭矩元件上的传感器另一个实施例的剖视图；

图6是安装了电容耦合的传感器的图像显示；

图7是图6中实施例的可替换设置；

图8是使用本发明传感器的系统电路的流程图；

图9是用于本发明安装传感器的系统电路图；

图10是沿图6中显示线10-10所取的提供角度位置的电容耦合电极的剖视图；

图11是用于显示角度位置的图7中旋转电极的投影视图；

图12是用于旋转角度位置传感的信号处理流程图；

图13是本发明一可替换实施例的透视图。

参照图1至3，一个传感器组件总体上用10表示，包括一压电晶体元件12，该压电晶体元件12具有一对例如通过将导电材料溅射在其上而形成在压电晶体元件12两相对面上的板或盘形式的电极14、16。在本发明目前的实践中，电极是由金材料制成；但可以理解，其它适当的导电材料也可以使用。一对弹性环形绝缘衬垫18、20设置在元件12相对的两侧；盖元件22、24设置在每个衬垫上并分别在每个衬垫18、20上对齐，从而在每个电极14、16上面限定一个空气间隙26、28。在目前的优选实践中，环形衬垫18、20由弹性材料制成；特别是，已经发现，如果硬度不超过肖氏A级硬度70丢洛的话，氟硅酮弹性体是令人满意的。盖元件22、24可以用适当的塑料或金属材料制成。组件10可以通过适当的粘接剂暂时固定在一起，例如，一种喷射粘性材料。引线30、32最好通过焊接，例如低温焊接分别连接到每个电极14、16上。