TW202026609A - 表面聲波剪應力測量裝置 - Google Patents

Abstract

一種表面聲波剪應力測量裝置，包含：一第一基板；一第二基板；一膠合層，黏附於該第一基板與該第二基板之間；一第一表面聲波收發器，貼附於該第一基板的第一側而鄰接該膠合層；及一控制電路，電連接該第一表面聲波收發器，控制該第一表面聲波收發器發射一第一表面聲波，並沿該第一基板的內表面傳遞，再控制該第一表面聲波收發器接收該第一表面聲波沿該第一基板的內表面所產生的一第一反射聲波；該控制電路依據該第一反射聲波的變化計算該第一基板所承受的一第一剪應力。

Description

表面聲波剪應力測量裝置

本發明係關於一種剪應力裝置，特別關於一種表面聲波剪應力測量裝置。

剪應力(τ)是應力的一種，其為單位面積上所承受的力(τ=F/A)，且力的方向與受力面的法線方向正交，換言之，剪應力的方向平行於受力面。剪應力的量測，目前均為大型儀器，尚未有小型化的儀器設備。

然而，在許多應用領域中，剪應力的量測有其必要，例如，機械手臂領域。機器手臂在自動化生產當中的重要性不可言喻，然而，在機械手臂抓取物品的同時，控制系統必須能夠掌握機械手臂的施力以及機械手臂與被抓取物件之間的各種受力狀況，以免在機械手臂抓取物件的過程中，對物件產生損害。

其中，有兩個主要的力需要被掌握，其一為正交於被抓取物件受力面的正向應力的量測，一般係採用壓電感測器的方式來進行量測；另一種就是平行於被抓取物受力面的剪應力，目前還沒有具體的解決方案。所以，各個機械手臂供應商皆努力於此剪應力元件的開發，但均未有所獲。因而，導致在機械手臂抓取物件的過程中，可能造成對物件的損害。若能適時量測剪應力，則可將此損害降低，進而提高機械手臂的效能。

因此，如何能開發一種小型化的剪應力量測裝置，好讓類似機械手臂這種微型化剪應力量測應用場域可資應用，是機械手臂市場上非常重要的研究發展方向。

為達上述目的，本發明提供一種表面聲波剪應力測量裝置，運用運用表面聲波收發器產生沿著受剪應力面的表面聲波，再藉由測量表面聲波的回波的變化，來測量該受剪應力面的剪應力大小。如此，即可將剪應力測量元件小型化，進而應用於多種不同的剪應力量測場景，例如，機器手臂等。

為達上述目的，本發明提供一種表面聲波剪應力測量裝置，包含：一第一基板；一第二基板；一膠合層，黏附於該第一基板與該第二基板之間；一第一表面聲波收發器，貼附於該第一基板的第一側；及一控制電路，電連接該第一表面聲波收發器，控制該第一表面聲波收發器發射一第一表面聲波，並沿該第一基板的內表面傳遞，再控制該第一表面聲波收發器接收該第一表面聲波沿該第一基板的內表面所產生的一第一反射聲波；該控制電路依據該第一反射聲波的變化計算該第一基板的一第一剪應力。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下(實施方式)。

11‧‧‧第一基板

12‧‧‧第二基板

20‧‧‧膠合層

21、22‧‧‧材料堆

31‧‧‧第一表面聲波收發器

32‧‧‧第二表面聲波收發器

50‧‧‧控制電路

61‧‧‧第一表面聲波

62‧‧‧第二表面聲波

63‧‧‧第一反射聲波

64‧‧‧第二反射聲波

第1A、1B圖，本發明所提供的表面聲波剪應力測量裝置的一具體實施例的剖面圖與立體示意圖。

第2A、2B圖，本發明第1A、1B圖的具體實施例中，表面聲波的發射與接收示意圖。

第3A、3B圖，本發明所提供的表面聲波剪應力測量裝置的另一具體實施例的剖面圖與立體示意圖。

本發明運用表面聲波收發器產生沿著受剪應力面的表面聲波，再藉由測量表面聲波的回波的變化，來測量該受剪應力面的剪應力大小。如此，即可將剪應力測量元件小型化，進而應用於多種不同的剪應力量測場景，例如，機器手臂等。

以下，將列舉數個實施例來說明本發明的技術特徵。首先，請參考第1A、1B圖，本發明所提供的表面聲波剪應力測量裝置的一具體實施例的剖面圖與立體示意圖。本發明的剪應力測量裝置，包含：第一基板11、第二基板12、膠合層20、第一表面聲波收發器31、第二表面聲波收發器32、控制電路50。其中，第一基板11與第二基板12可運用金屬基板或複合材料基板來製作，例如，鋁、鋼、銅、錫、鈦等金屬與其複合金屬。膠合層20則黏附於第一基板11與第二基板12之間。第一表面聲波收發器31貼附於該第一基板11的第一側而鄰接該膠合層，在此實施例中，第一表面聲波收發器31係以一夾角θ斜置於第一基板11的內表面，第一表面聲波發射器31與第一基板11之間係填入與膠合層20相同材料之材料堆21，而使第一表面聲波收 發器31能以一夾角θ斜置於第一基板11的內表面，該夾角θ係小於90度。材料堆21採用與膠合層20的相同材料，能使第一表面聲波發射器31所發射的第一表面聲波能順利沿著第一基板11的內表面傳遞。就其他的實施例而言，材料堆21也可採用與膠合層20不同的材料。

請參考第2A、2B圖，第二表面聲波收發器32貼附於第二基板12的一側，就此實施例而言，其係貼附於第一表面聲波收發器31的對角側。控制電路50則電連接第一表面聲波收發器31、第二表面聲波收發器32，其控制第一表面聲波收發器31與第二表面聲波收發器32發射第一表面聲波61與第二表面聲波62。第一表面聲波與第二表面聲波分別沿第一基板11的內表面與第二基板12的內表面傳遞出去，並分別於第一基板11的尾端反射為第一反射聲波63，於第二基板12的尾端反射為第二反射聲波64，如第2A、2B圖所示。控制電路50再控制第一表面聲波收發器11接收第一表面聲波沿第一基板11的內表面所產生的第一反射聲波，並控制第二表面聲波收發器32接收第二表面聲波沿第二基板12的內表面所產生的第二反射聲波。最後，控制電路50依據第一反射聲波、第二反射聲波的變化計算施於第一基板11的第一剪應力與施於第二基板12的第二剪應力。

其中，第一表面聲波收發器11與第二表面聲波收發器12係為可進行發射與接收表面聲波的元件，其可由一顆單顆的壓電式聲波收發晶片，或者，由一顆壓電式聲波發射晶片與一顆壓電式聲波接收晶片組合而成。或者，壓電式聲波發射晶片與壓電式聲波接收晶片分開設置，而以設置於不同位置的方式配置(未繪出)。除了壓電式聲波收發晶片外，亦可採用電容式聲波收發晶片。

此外，聲波的頻段可採用一般聲波或者超聲波。

其中膠合層20的材料係選自：化學固化膠黏劑(CHEMICAL CURING ADHESIVES)與物理固化膠黏劑(PHYSICAL CURING ADHESIVES)。其中，化學固化膠黏劑可選自：加聚聚合物黏合劑(Polyaddtion adhesives)、聚合聚合物黏合劑(Polimerization adhesives)、縮聚聚合物黏合劑(Polycondensation adhesives)、環氧膠粘劑(Epoxy adhesives)、甲基丙烯酸酯粘合劑(Metacrylates adhesives)、有機矽(Silicones)、聚氨酯粘合劑(Poliurethanes adhesives)、氰基丙烯酸酯(Cyanoacrilates)、矽烷改性(Silanes modified)、有機矽粘合劑(Silicones adhesives)、厭氧膠(Anaerobic adhesives)、酚醛膠粘劑(Phenolic adhesives)、熱固化橡膠粘合劑(Hot curing rubber adhesives)、不飽和聚酯粘合劑(Unsaturated polyester adhesives)、聚酰胺(Polyamides)、丙烯酸酯固化輻射(Acrylates curing radiation)、環氧固化輻射(Epoxy curing radiation)。其中，物理固化膠黏劑可選自：熱熔膠(Hotmelts)、溶劑型粘合劑(Solvent based adhesives)、水骨膠粘劑(Waterborne adhesives)、接觸膠粘劑(Contact adhesives)、分散粘合劑(Dispersion adhesives)、增塑溶膠粘合劑(Plastisols adhesives)、壓敏粘合劑(PSA)Pressure sensitive adhesives(PSA)等。而厚度可介於0.1mm至500mm(毫米)之間。

接著，請參考第3A、3B圖，本發明所提供的表面聲波剪應力測量裝置的又一具體實施例的剖面圖與立體示意圖。此實施例與第1A、1B圖的實施例的差異在於，第一表面聲波收發器11與第二表面聲波收發器12的配置位置，第3A、3B圖的實施例為相互面對，並於同側的對角；而第 1A、1B圖的實施例為設於對角。其餘者與第1A、1B圖的實施例相同，於此不多加贅述。

就本發明的又一實施例而言，第3A、3B圖的實施例中，可調整為第一表面聲波收發器11與第二表面聲波收發器12兩者彼此相鄰而面對(未繪出)。

就本發明的另一實施例而言，可僅採用一個表面聲波收發器(未繪出)。換言之，僅測量一面的剪應力。

雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11‧‧‧第一基板

12‧‧‧第二基板

20‧‧‧膠合層

21、22‧‧‧材料堆

31‧‧‧第一表面聲波收發器

32‧‧‧第二表面聲波收發器

50‧‧‧控制電路

Claims (9)

1. 一種表面聲波剪應力測量裝置，包含：一第一基板；一第二基板；一膠合層，黏附於該第一基板與該第二基板之間；一第一表面聲波收發器，貼附於該第一基板的第一側而鄰接該膠合層；及一控制電路，電連接該第一表面聲波收發器，控制該第一表面聲波收發器發射一第一表面聲波，並沿該第一基板的內表面傳遞，再控制該第一表面聲波收發器接收該第一表面聲波沿該第一基板的內表面所產生的一第一反射聲波；該控制電路依據該第一反射聲波的變化計算該第一基板所承受的的一第一剪應力。
2. 如請求項1的表面聲波剪應力測量裝置，更包含：一第二表面聲波收發器，貼附於該第二基板的一側；其中，該控制電路電連接該第二表面聲波收發器，控制該第二表面聲波收發器發射一第二表面聲波，沿該第二基板的內表面傳遞，再控制該第二表面聲波收發器接收該第二表面聲波沿該第二基板的內表面所產生的一第二反射聲波；該控制電路依據該第二反射聲波的變化計算該第二基板的一第二剪應力。
3. 如請求項2的表面聲波剪應力測量裝置，其中該第二表面聲波發射器配置於貼附於該第二基板的一側而面對該第一表面聲波收發器。
4. 如請求項2的表面聲波剪應力測量裝置，其中該第二表面聲波發射器配置於貼附於該第二基板的一側而位於該第一表面聲波收發器的對角側。
5. 如請求項1的表面聲波剪應力測量裝置，其中該第一基板與該第二基板係為金屬基板或複合材料基板。
6. 如請求項1的表面聲波剪應力測量裝置，其中該膠合層的材料係選自：化學固化膠黏劑(CHEMICAL CURING ADHESIVES)與物理固化膠黏劑(PHYSICAL CURING ADHESIVES)；其中，該化學固化膠黏劑可選自：加聚聚合物黏合劑(Polyaddtion adhesives)、聚合聚合物黏合劑(Polimerization adhesives)、縮聚聚合物黏合劑(Polycondensation adhesives)、環氧膠粘劑(Epoxy adhesives)、甲基丙烯酸酯粘合劑(Metacrylates adhesives)、有機矽(Silicones)、聚氨酯粘合劑(Poliurethanes adhesives)、氰基丙烯酸酯(Cyanoacrilates)、矽烷改性(Silanes modified)、有機矽粘合劑(Silicones adhesives)、厭氧膠(Anaerobic adhesives)、酚醛膠粘劑(Phenolic adhesives)、熱固化橡膠粘合劑(Hot curing rubber adhesives)、不飽和聚酯粘合劑(Unsaturated polyester adhesives)、聚酰胺(Polyamides)、丙烯酸酯固化輻射(Acrylates curing radiation)、環氧固化輻射(Epoxy curing radiation)；其中，該物理固化膠黏劑可選自：熱熔膠(Hotmelts)、溶劑型粘合劑(Solvent based adhesives)、水骨膠粘劑(Waterborne adhesives)、接觸膠粘劑(Contact adhesives)、分散粘合劑(Dispersion adhesives)、增塑溶膠粘合劑(Plastisols adhesives)、壓敏粘合劑(PSA)Pressure sensitive adhesives(PSA)。
7. 如請求項1的表面聲波剪應力測量裝置，其中該膠合層的厚度介於0.1毫米至500毫米之間。
8. 如請求項1的表面聲波剪應力測量裝置，其中該第一表面聲波發射器係以一夾角θ斜置於該第一基板的內表面，該第一表面聲波發射器與該第一基板之間係填入該膠合層之材料。
9. 如請求項8的表面聲波剪應力測量裝置，其中該夾角θ係小於90度。

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