CN108254119B

CN108254119B - 交互作用力侦测装置

Info

Publication number: CN108254119B
Application number: CN201611247354.1A
Authority: CN
Inventors: 苏中源; 陈志远; 黄肇达; 许郁文
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2036-12-29
Also published as: CN108254119A

Abstract

本发明公开一种交互作用力侦测装置，其包括感测器、制动元件、运动元件以及连接元件。连接元件连接制动元件与感测器。制动元件与运动元件发生交互作用而产生一对作用力。所述的一对作用力包括第一作用力及第二作用力。第一作用力的大小等于第二作用力的大小。感测器侦测施加于制动元件的第一作用力，且第二作用力施加于运动元件上而产生运动。

Description

交互作用力侦测装置

技术领域

本发明涉及一种交互作用力侦测装置，且特别是涉及一种用来侦测马达扭力的交互作用力侦测装置。

背景技术

在现行的马达扭力的侦测技术中，例如是扭力计的感测装置是配置于马达的输出轴上，以直接量测马达的输出扭力。然而，由于扭力计本身具有输入/输出信号线，因此，马达的输出轴在转动的过程中，可能会与信号线缠绕而发生信号线被扯断的情形，使得扭力计仅能量测马达的静态扭力，而局限了扭力计的应用范围。

虽然，目前马达的扭力计可另采用碳刷来作为信号传递的方法。但是，碳刷在使用过程中会产生磨耗的情形，而增加维修及保养的困难度。此外，扭力计虽可另外通过行星齿轮组来配置于马达的输出端与负载端之间。然而，用来润滑齿轮组或转轴等的转动件的润滑油可能会对扭力计本身造成污染。再者，马达的转动件在运作时，会使周围的环境温度升高，也会影响到扭力计的特性，进而影响扭力计的感测准确度以及可靠度。

发明内容

本发明提供一种交互作用力侦测装置，其感测器是连接于连接元件，并且感测器可经由连接元件感测施加于制动元件上的反作用力大小。

本发明提供一种交互作用力侦测装置，其具有配置于感测器的容置空间中的电路芯片，用于推算出施加于制动元件上的反作用力大小。

本发明提供一种交互作用力侦测装置，其具有固定座，并且制动元件及连接元件可经由感测器固定于固定座上。

本发明的交互作用力侦测装置包括感测器、制动元件、运动元件以及连接元件。连接元件连接制动元件与感测器。制动元件与运动元件发生交互作用而产生一对作用力。所述的一对作用力包括第一作用力及第二作用力，且第一作用力的大小等于第二作用力的大小。感测器侦测施加于制动元件上的第一作用力，且第二作用力施加于运动元件上而产生运动。

本发明的交互作用力侦测装置包括感测器、制动元件、运动元件、连接元件以及电路芯片。感测器包括应变计及弹性元件，且应变计设置于弹性元件上。连接元件连接制动元件与感测器。电路芯片配置于感测器的容置空间中。制动元件与运动元件发生交互作用而产生一对作用力。所述的一对作用力包括第一作用力及第二作用力，且第一作用力的大小等于第二作用力的大小。感测器侦测施加于制动元件上的第一作用力而使应变计传送电性讯号至电路晶片，且第二作用力施加于运动元件上而产生运动。

本发明的交互作用力侦测装置包括感测器、制动元件、运动元件、连接元件、电路芯片以及固定座。感测器包括应变计。运动元件设置于连接元件的一侧。电路芯片配置于感测器的容置空间中。固定座连接感测器。感测器连接至固定座及连接元件。制动元件与运动元件发生交互作用而产生一对作用力。所述的一对作用力包括第一作用力及第二作用力，且第一作用力的大小等于第二作用力的大小。感测器侦测施加于制动元件上的第一作用力而使应变计传送电性信号至电路芯片，且第二作用力施加于运动元件上而产生运动。

在本发明的一实施例中，上述的弹性元件的刚性小于连接元件的刚性并且小于制动元件的刚性。

在本发明的一实施例中，上述的交互作用力侦测装置还包括固定座。固定座配置于感测器的一侧，且感测器连接至固定座与连接元件。

在本发明的一实施例中，上述的交互作用力侦测装置还包括电路芯片。电路芯片配置于感测器的容置空间中。

在本发明的一实施例中，上述的运动元件包括马达转子以及转动轴，且马达转子固定于转动轴上。连接元件包括马达壳体，而制动元件包括马达定子。马达定子固定于马达壳体上，且感测器为扭力感测器。

在本发明的一实施例中，上述的交互作用力侦测装置还包括固定座。扭力感测器连接至马达壳体及固定座。

在本发明的一实施例中，上述的扭力感测器包括第一盖板、第二盖板、梁柱、应变计以及电路芯片。第一盖板与第二盖板彼此相对配置。梁柱连接第一盖板与第二盖板，以定义出容置空间。电路芯片设置于容置空间中，且应变计配置于梁柱上。

在本发明的一实施例中，上述的运动元件包括马达转子及转动轴。连接元件包括马达壳体，而制动元件包括马达定子。马达定子固定于马达壳体上，并且感测器为扭力感测器。

在本发明的一实施例中，上述的感测器还包括第一盖板及第二盖板，并且弹性元件为梁柱。梁柱连接第一盖板与第二盖板，以定义出容置空间。电路芯片设置于容置空间中，且应变计配置于梁柱上。

在本发明的一实施例中，上述的运动元件包括马达转子及转动轴。连接元件包括马达壳体。制动元件包括马达定子，且马达定子固定于马达壳体上。感测器为扭力感测器。扭力感测器还包括第一盖板、第二盖板以及梁柱。第一盖板与第二盖板彼此相对配置，且第一盖板连接马达壳体，而第二盖板连接固定座。梁柱连接第一盖板与第二盖板，以定义出容置空间。电路芯片设置于容置空间中，且应变计配置于梁柱上。

在本发明的一实施例中，上述的马达壳体包括相对的第一壁体、第二壁体以及连接于第一壁体与第二壁体之间的侧壁。转动轴穿过第一壁体，而马达定子固定于侧壁，且扭力感测器连接于第二壁体。

在本发明的一实施例中，上述的交互作用力侦测装置还包括电路板。电路芯片设置于电路板上，并且电路板及电路芯片设置于容置空间中。电路芯片电连接电路板及应变计。

基于上述，在本发明的多个实施例中，交互作用力侦测装置的感测器是配置于制动元件、运动元件以及连接元件之外，并且不与运动元件连接。此外，制动元件可施加作用力于运动元件上，并且运动元件对应作用力产生的反作用力同时施加于制动元件上。再者，施加于制动元件上的反作用力可经由连接元件传送至感测器。感测器可感测施加于制动元件上的反作用力，并且计算出反作用力的大小。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的一实施例的交互作用力侦测装置的示意图；

图2A是依照本发明的另一实施例的交互作用力侦测装置的示意图；

图2B是图2A的交互作用力侦测装置的部分构件示意图。

符号说明

100、200：交互作用力侦测装置

110：制动元件

120、220：运动元件

130：连接元件

140：感测器

142：弹性元件

144、244：应变计

170：固定座

172：第一固定元件

174：第二固定元件

210：制动元件/马达定子

222：马达转子

224：转动轴

230：连接元件/马达壳体

232：第一壁体

234：第二壁体

236：侧壁

240：感测器/扭力感测器

241：第一盖板

242：梁柱

243：第二盖板

245：容置空间

247：电路板

248：电路芯片

249：固定座

F_P:一对作用力

F1：第一作用力

F2：第二作用力

具体实施方式

图1是依照本发明的一实施例的交互作用力侦测装置的示意图。在本实施例中，交互作用力侦测装置100包括制动元件110、运动元件120、连接元件130以及感测器140。如图1所示，运动元件120配置于制动元件110的一侧。制动元件110固定于连接元件130上。再者，感测器140连接于连接元件130的另一侧。也就是，如图1所示，连接元件130分别连接至感测器140与制动元件110。

在本实施例中，制动元件110与运动元件120会因交互作用(interaction force)而产生一对作用力F_P(a pair of forces)分别施加在制动元件110与运动元件120上。这一对作用力F_P包含二个大小相等且方向相反的作用力。这一对作用力F_P可以是接触式的交互作用力，例如两物体撞击时的作用力与反作用力或一物体碰撞另一物体时的作用力与反作用力。这一对作用力F_P也可以是非接触式的超距力(action-at-a-distance force)，例如二个带着电荷的物体之间的静电力或二个磁性物体之间的磁力。

在本实施例中，这一对作用力F_P包含第一作用力F1及第二作用力F2。如图1所示，第一作用力F1施加在制动元件110上且第二作用力F2施加在运动元件120上。当第二作用力F2施加于运动元件120上时，运动元件120会产生例如是位移或转动的运动。制动元件110会借着连接元件130将第一作用力F1传递给感测器140。

在本实施例中，感测器140包括由至少一个弹性元件142以及配置于弹性元件142上的至少一个应变计144。弹性元件142可根据上述由连接元件130传递至感测器140的第一作用力F1的大小产生对应的应变。应变计144可量测前述弹性元件142的应变大小，进而根据弹性元件142的应变大小推算出施加于制动元件110上的第一作用力F1的大小。在本实施例中，交互作用力侦测装置100可进一步通过上述推算获得的第一作用力F1来推算与其对应的作用力F2的大小。

在本实施例中，感测器140的弹性元件142的刚性小于连接元件130的刚性且所述感测器140的弹性元件142的刚性小于所述制动元件110的刚性，以使感测器140具有较佳的感测灵敏度。然而，感测器140弹性元件142仍需具有一定大小的刚性，以避免在施加第一作用力F1于弹性组件142上时，弹性组件142由于本身产生过大的应变而破裂。

进一步而言，由于制动元件110是经由连接元件130连接于感测器140上。因此，若感测器140的弹性元件142的刚性过小，则过度容易受到来自外界的各种外力的影响，而产生额外的应变，进而影响感测器140的感测准确度。此外，当感测器140的弹性元件142的刚性过小时，制动元件110也会由于弹性元件142的大幅应变的带动，使得制动元件110产生不正常的运动，进而影响制动元件110的稳定性，并使运动元件120产生预期之外的运动。

请再参考图1，交互作用力侦测装置100还包括固定座170，其可配置于感测器140的一侧。在本实施例中，固定座170可为图1中的第一固定元件172。感测器140连接至连接元件130与第一固定元件172，以使感测器140在承受经由连接元件130传来的第一作用力F1时，能产生较大的变形，以提升感测器140的感测灵敏度。此外，交互作用力侦测装置100可通过感测器140固定于第一固定元件172上。

如图1所示，在本实施例中，固定座170也可为配置于制动元件110的另一侧的第二固定元件174。因此，交互作用力侦测装置100可经由制动元件110固定于第二固定元件174上。

在本实施例中，固定座170的配置位置可根据交互作用力侦测装置100的实际使用情形作适当的调整，以将交互作用力侦测装置100藉由固定座170本身来进行固定，或是经由固定座170固定于墙面上或是各种工作平台上。

图2A是依照本发明的另一实施例的交互作用力侦测装置的示意图。图2B是图2A的交互作用力侦测装置的部分构件示意图。在本实施例中，交互作用力侦测装置200可在马达运转过程中用来侦测施加于制动元件210上的第一作用力F1，并用于推算出马达的扭力F2。

如图2A所示，交互作用力侦测装置200可包括制动元件210、运动元件220、连接元件230以及感测器240。在本实施例中，制动元件210为马达定子，而运动元件220可包括马达转子222与转动轴224，并且马达转子222可固定于转动轴224上。此外，连接元件230可为马达壳体。马达壳体230包括彼此相对的第一壁体232、第二壁体234以及连接于其之间的侧壁236。转动轴224由第一壁体232穿出马达壳体230。

在本实施例中，交互作用力侦测装置200的感测器240可配置于马达壳体230的第二壁体234上。如图2A所示，感测器240是配置于马达壳体230的外侧。详细而言，感测器240可为马达的扭力感测器，并且具有相对配置的第一盖板241、第二盖板243以及至少一个连接第一盖板241及第二盖板243的梁柱242。第一盖板241连接于马达壳体230的第二壁体234。第一盖板241、第二盖板243以及前述的至少一个梁柱242可定义出容置空间245。在本实施例中，前述的至少一个梁柱242为弹性元件，其可对应所受到的第一作应力F1产生应变。此外，前述的感测器240的至少一个梁柱242上可分别配置应变计244，以在第一作用力F1施加于制动元件210上时，量测前述的至少一个梁柱242所产生的应变。

请参考图2B，在本实施例中，感测器240另具有电路板247及配置于其上的电路芯片248。电路板247及电路芯片248设置于上述第一盖板241、第二盖板243以及前述的至少一个梁柱242所定义出的容置空间245中。此外，电路芯片248经由电路板247与应变计244电连接，以接收来自应变计244的电性信号。电路芯片248可对电性信号进行处理与分析。再者，感测器240的电路板247可进一步电连接配置于交互作用力侦测装置200外的外部装置或是电源(未示出)，以传送电性信号至外部装置或是电性耦接外部电源。借着将电路板247及电路芯片248设置于容置空间245中，可避免信号线被转动轴224缠绕而发生信号线被扯断的现象。

如图2A所示，感测器240还包括固定座249，其配置于第二盖板243上相对于梁柱242的一侧。在本实施例中，交互作用力侦测装置200是藉由感测器240的固定座249来进行固定，或是经由固定座249固定于平面上。举例而言，交互作用力侦测装置200是经由固定座249固定于墙面或是其他的工作平台(未示出)以增进交互作用力侦测装置200运作时的稳定性，避免交互作用力侦测装置200的制动元件210或马达壳体230产生不正常的动作或位移，而影响感测器240感测的准确度。

详细而言，在本实施例中，当马达定子210的磁场与马达转子222所产生的磁场发生交互作用时会产生一对作用力。此对作用力为非接触式的超距力，且此对作用力包含施加于马达定子210的第一作用力F1及施加于马达转子222的第二作用力F2。第二作用力F2带动转动轴224沿图2A中的右边箭头方向旋转。在本实施例中，对应产生的第一作用力F1也同时施加于马达定子210。此外，施加于马达定子210上的第一用作力F1可经由马达壳体230传递至与其连接的感测器240。由于第一作用力F1与第二作用力F2的大小相等且方向相反，所以感测器240可通过侦测第一作用力F1，即能求出施加于马达转子222的第二作用力F2。换言之，马达的输出扭力(即第二作用力F2)可由感测器240的侦测而得知。

感测器240可接收马达壳体230所传送的第一作用力F1，并且第一作用力F1可使感测器240的至少一个梁柱242产生对应的应变。接着，应变计244可量测至少一个梁柱242的应变量，并将撷取自量测结果的电性信号传送至电路芯片248。电路芯片248可接收并处理来自应变计244的电性信号，并进行信号计算与分析。在本实施例中，电路芯片248可根据至少一个梁柱242的应变量的大小来推算施加于马达定子210与马达壳体230的第一作用力F1的大小。据此第一作用力F1的大小，可推算出施加于马达转子222及转动轴224的第二作用力F2，进而求得马达输出的扭力值。

在本实施例中，感测器240可经由马达壳体230来侦测施加于马达定子210第一作用力F1的大小，并藉以推算马达的输出扭力。因此，感测器240可配置于马达壳体230外，且无需连接于转动轴224上。也因此，感测器240与转动轴224之间不需通过齿轮组连接，而可避免齿轮组与转动轴224的轴承之间的产生磨耗，进而避免对马达的扭力输出造成影响。

同样地，由于感测器240是配置于马达壳体230之外，且不与转动轴224连接，因此，用来润滑转动轴224的润滑油不会对感测器240造成污损。也就是说，本实施例的感测器240可隔绝于马达壳体230之外，而不会受到马达壳体230内的环境因素例如是马达的运转温度或是各种润滑油料的污染所影响，以使感测器240易于保养与维护，进而增进感测器240的可靠度。

本实施例的感测器240的配置方式，使得感测器240电源线或是信号线等电性信号传输线(未示出)可不需经过转动轴224。因此，在转动轴224转动过程中，可避免转动轴224与感测器240的电源线或是信号线缠绕，而发生电源线或是信号线磨耗或是被扯断的情形。因此，在本实施例中，转动轴224对于电性信号的传输路径产生的影响可加以避免，以增进信号传输的稳定性。

综上所述，本发明的多个实施例的交互作用力侦测装置可用来侦测马达运转时马达壳体所受到的第一作用力，并用于推算出马达的输出扭力。在本发明的多个实施例中，用来侦测马达扭力的感测器可配置于马达壳体之外。在马达运转时，感测器可经由马达壳体来接收马达定子所受到的第一作用力。感测器的电路芯片可根据应变计量测到的第一作用力于其梁柱所造成的应变大小，来推算第一作用力的大小以及马达的输出扭力。因此，本发明的多个实施例的交互作用力侦测装置的感测器可直接通过马达壳体所传递的第一作用力来推算马达的输出扭力，而无需通过将感测器配置于马达的输出端与附载端之间的方式来达成，进而避免马达的扭力输出受到感测器与转动轴的齿轮组及轴承磨耗的影响。因为，在本发明的多个实施例中，转动轴上无需配置传感器，马达的扭力输出可免于齿轮组所造成的扭力损耗。

同时，由于感测器配置是配置于马达壳体之外，感测器不会受到马达壳体内部的环境因素，例如运转温度或是润滑油污等影响，以增进感测器的感测准确度，并使得感测器易于进行维护。此外，如同上述，由于本发明的多个实施例的感测器不需配置于马达的转动轴上，因此，转动轴与感测器的线材发生缠绕的情形可有效的避免，以增进感测器的电性信号传输的稳定性。

虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种交互作用力侦测装置，用于侦测马达扭力，所述交互作用力侦测装置包括：

感测器；

制动元件；

运动元件；以及

连接元件，连接所述制动元件与所述感测器，其中所述制动元件与所述运动元件发生交互作用而产生一对作用力，所述一对作用力为非接触式的磁力并且包括第一作用力及第二作用力，所述第一作用力的大小等于所述第二作用力的大小，所述感测器侦测施加于所述制动元件上的所述第一作用力，且所述第二作用力施加于所述运动元件上而产生运动，

其中所述运动元件包括马达转子以及转动轴，所述马达转子固定于所述转动轴上，所述连接元件包括马达壳体，而所述制动元件包括马达定子，所述马达壳体包括相对的第一壁体、第二壁体以及连接于所述第一壁体与所述第二壁体之间的侧壁，所述感测器配置于所述马达壳体的所述第二壁体上，并且所述感测器为所述马达的扭力感测器。

2.如权利要求1所述的交互作用力侦测装置，其中所述感测器还包括至少一弹性元件，所述至少一弹性元件的刚性小于所述连接元件的刚性并且小于所述制动元件的刚性。

3.如权利要求1所述的交互作用力侦测装置，还包括固定座，设置于所述感测器的一侧，且所述感测器连接至所述固定座与所述连接元件。

4.如权利要求3所述的交互作用力侦测装置，更包括一电路芯片，设置于所述感测器的容置空间中。

5.如权利要求1所述的交互作用力侦测装置，其中所述马达定子固定于所述马达壳体上。

6.如权利要求5所述的交互作用力侦测装置，还包括固定座，其中所述扭力感测器连接至所述马达壳体及所述固定座。

7.如权利要求6所述的交互作用力侦测装置，其中所述扭力感测器包括第一盖板、第二盖板、至少一个梁柱、至少一个应变计以及电路芯片，所述第一盖板及所述第二盖板彼此相对配置，所述至少一个梁柱连接所述第一盖板与所述第二盖板，以定义出容置空间，所述电路芯片设置于所述容置空间中，且所述至少一个应变计配置于所述至少一个梁柱上。

8.一种交互作用力侦测装置，用于侦测马达扭力，所述交互作用力侦测装置包括：

感测器，包括至少一应变计及至少一弹性元件，且所述至少一应变计设置于所述至少一弹性元件上；

制动元件；

运动元件；

连接元件，连接所述制动元件与所述感测器；以及

电路芯片，配置于所述感测器的容置空间中，其中所述制动元件与所述运动元件发生交互作用而产生一对作用力，所述一对作用力为非接触式的磁力并且包括第一作用力及第二作用力，所述第一作用力的大小等于所述第二作用力的大小，所述感测器侦测施加于所述制动元件上的所述第一作用力而使所述至少一应变计传送一电性信号至所述电路芯片，所述第二作用力施加于所述运动元件上而产生运动，

9.如权利要求8所述的交互作用力侦测装置，其中所述至少一弹性元件的刚性小于所述连接元件的刚性，且小于所述制动元件的刚性。

10.如权利要求8所述的交互作用力侦测装置，其中所述马达定子固定于所述马达壳体上。

11.如权利要求10所述的交互作用力侦测装置，其中所述感测器还包括第一盖板及第二盖板，并且所述至少一弹性元件为至少一个梁柱，所述至少一个梁柱连接所述第一盖板与所述第二盖板，以定义出所述容置空间，所述电路芯片设置于所述容置空间中，且所述至少一应变计配置于所述至少一个梁柱上。

12.一种交互作用力侦测装置，用于侦测马达扭力，所述交互作用力侦测装置包括：

感测器，包括至少一应变计；

制动元件；

运动元件；

连接元件，连接所述制动元件与所述感测器；

电路芯片，配置于所述感测器的容置空间中；以及

固定座，连接所述感测器，其中所述感测器连接至所述固定座及所述连接元件，所述制动元件与所述运动元件发生交互作用而产生一对作用力，所述一对作用力为非接触式的磁力并且包括第一作用力及第二作用力，所述第一作用力的大小等于所述第二作用力的大小，所述感测器侦测施加于所述制动元件上的所述第一作用力而使所述至少一应变计传送电性信号至所述电路芯片，所述第二作用力施加于所述运动元件上而产生运动，

13.如权利要求12所述的交互作用力侦测装置，其中所述马达定子固定于所述马达壳体上，所述扭力感测器还包括第一盖板、第二盖板以及至少一个梁柱，所述第一盖板与所述第二盖板彼此相对配置，且所述第一盖板连接所述马达壳体，而所述第二盖板连接所述固定座，所述至少一个梁柱连接所述第一盖板与所述第二盖板，以定义出所述容置空间，所述电路芯片设置于所述容置空间中，且所述至少一应变计配置于所述至少一个梁柱上。

14.如权利要求13所述的交互作用力侦测装置，其中所述转动轴穿过所述第一壁体，而所述马达定子固定于所述侧壁。

15.如权利要求13所述的交互作用力侦测装置，还包括电路板，其中所述电路芯片设置于所述电路板上，所述电路板及所述电路芯片设置于所述容置空间中，且电路芯片电连接所述电路板及所述至少一应变计。