TWI392860B - 壓電振動式力感測器及感測力的方法 - Google Patents
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Description
本發明有關一使用壓電體之力感測器，用於感測力，特別是有關一壓電振動式力感測器，其利用一壓電體之共振現象，用於感測一靜力。
作為傳統之力感測器，應變計、電容式力感測器、傳導性橡膠、及類似者被開發。使用那些的力感測器之每一個利用一構件之變形，且如此其係需要保證一充分之變形數量，用於實現測量之高靈敏度及一較寬廣之動態範圍。因此，如果該感測器被減縮尺寸，無法獲得充分之變形數量。結果，發生一問題，即一輸出信號被埋入雜訊中，使準確性惡化。
作為一對於該問題之對策，提供有一利用壓電體之共振現象的感測器，如在日本專利特許公開申請案第S52-078483號中所述者。當施加一暫時地改變之電壓(例如交流電壓)時，根據該電壓之振幅的時間變化，該壓電體具有在一特定方向中振動之特性。
根據日本專利特許公開申請案第S52-078483號中所敘述之技術，一阻抗6係首先串聯地連接至該壓電體，且一具有不高於壓電體1之共振頻率的固定頻率之電壓係由電源7所施加，藉此該壓電體被振動。如果一力係以此狀態施加在該壓電體上，該壓電體之阻抗增加，以致該壓電體
之共振頻率係轉移至一高頻側。於該轉移狀態中，施加至該壓電體1的電壓之值係由在施加該力之前的值改變。依據該電壓值之此種變化，已施加在該壓電體上之力的量值可被定量地計算(看圖8)。
日本專利特許公開申請案第S52-078483號中所敘述之壓電振動式力感測器具有一優點，即以一低負載，其靈敏度係高的，因為該電壓振幅之變化係大的。然而，當施加在該感測器上之外力增加時，該電壓振幅之變化減少。如此，其感測範圍係狹窄的。
當作一對於此問題之對策，於日本專利特許公開申請案第S60-187834號及日本專利特許公開申請案第S60-222734號中提出有一用於擴大該感測範圍之方法。
首先，日本專利特許公開申請案第S60-222734號之特徵為一結構，其中二壓電體被彼此接合，亦即，一所謂雙壓電晶片型壓電體被使用。此雙壓電晶片壓電體的一端部被固定，而另一端部被製成為一自由端，藉此力係施加在該壓電體上。此外，一高於該壓電體之共振點的頻率信號係施加至該壓電體。此感測器具有該結構，其中二壓電體被彼此接合，且因此其振幅可被造成為較大，具有感測力之範圍能被擴大的結果。
其次，關於日本專利特許公開申請案第S60-222734號，一施加至該壓電體的電壓及該壓電體的端電壓之間而藉由該外力所造成的相位角差值被感測，以控制該頻率，以致該相位角差值變成一設定值。此頻率變化被利用於感
測該力。如此，該靈敏度可為均勻的，且該感測範圍可被造成較寬廣的。
然而，日本專利特許公開申請案第S60-187834號之發明使用該雙壓電晶片壓電體。該雙壓電晶片壓電體具有該結構，其中二壓電元件被彼此接合，且因此對於成本減少及減縮尺寸係不利的。
此外，日本專利特許公開申請案第S60-187834號之發明感測施加至該壓電體的電壓及該壓電體的端電壓之間而藉由該外力所造成的相位角差值，藉此控制該頻率，以致該相位角差值變成一設定值。然而，一額外之相位角感測電路及一額外之相位角設定電路係需要的，導致該電路之複雜性。因此，對於成本減少及減縮尺寸係亦不利的。
本發明已針對解決上述問題而製作，且其一目的係提供一能夠於較寬廣之範圍中以簡單結構感測靜力的壓電振動式力感測器。
為了達成該前述之目的，提供有感測力之方法，包括：施加一電壓，其對一壓電體暫時地造成改變，以在特定方向中振動該壓電體；致使一限制構件以可滑動的方式鄰接待振動之壓電體，該限制構件係彈性地變形，以當從外部接受一力時，將該力傳送至該壓電體；及
感測一由該壓電體之阻抗所施加的力，該阻抗按照該壓電體及該限制構件之間藉由施加在該限制構件上的力所產生之摩擦力而改變，其中該限制構件係實質上平行於該壓電體之振動方向。
再者，為了達成該前述之目的，提供有壓電振動式力感測器，包括：一壓電體，其當施加一暫時變化之電壓時，在一特定方向中振動；一對驅動電極，其設在該壓電體之表面上；及一限制構件，其彈性地變形，以當從外部接受一力時，將該力傳送至該壓電體，其中該限制構件係以可滑動的方式相對於該壓電體固持，該對驅動電極係設在該壓電體上，且藉由感測該壓電體之阻抗而感測所施加之力，於一施加該電壓以振動該壓電體之狀態中，該阻抗依經由該限制構件施加在該壓電體上的力所產生之摩擦力而改變，且其中該限制構件係實質上平行於設有該對驅動電極之該壓電體之振動方向。
根據上述結構，與該傳統結構比較，其中該振動係直接由與該振動方向相同之方向所限制，本發明能擴大感測力之範圍，因為該振動被該壓電體及該限制構件間之摩擦所限制。
此外，如果該壓電體之厚度被減少，以致一對彼此相向之驅動電極的表面間之距離係減少更多，用於變薄及減
縮該感測器之尺寸，則該振動的一主要模式變成一橫效應(lateral effect)。因此，一偏振方向及該振動方向變成彼此垂直。換句話說，該限制構件係於一扭曲位置中相對於該壓電體之振動方向設在該表面上，且因此該設置位置係對於該振動之干擾有抵抗力的。因此，於一與該傳統感測器比較之安裝態樣中，此結構係亦適當的。
如上面所述，根據本發明，其係可能提供能夠於較寬廣之範圍以簡單的結構感測靜力之壓電振動式力感測器。
本發明之進一步特色將參考所附圖面由示範具體實施例之以下敘述變得明顯。
圖1係一圖解，以最佳之方式說明本發明之特色，如一壓電振動型力感測器之橫截面，該感測器包括壓電體1、一在其上施加力之限制構件2、一用於擷取來自驅動電極之信號的電極3、及用於施加一電壓至待振動的壓電體之驅動電極4。具有上述結構之壓電振動式力感測器被支撐在一安裝表面11上。圖1係一圖解，用於說明本發明之感測器的原理，用於感測一力，其包括該壓電體1、該限制構件2、及該驅動電極4。除了該安裝表面11以外，其他固定構件未說明於圖1中。有別於該安裝表面，各種用於固定該感測器之樣式可被採用。例如，該感測器之外緣可被一具有此等不會實質上阻礙該壓電體振動之彈性性質的構件所圍繞。以別的方式，一習知的固定方法可被採用。
再者，如圖3所說明，當一諸如傳導性橡膠的傳導性構件被用作該限制構件時，該電極3能被消除。
該壓電體1可為一由水晶、鈦酸鋇、或聚偏氟乙烯所製成之壓電元件。該限制構件2可為由一能被彈性地變形、像矽氧烷或聚氨基甲酸乙酯之材料所製成。這是因為如果一硬的構件(具有充分大之彈性常數)直接地鄰接該壓電體，該振動係迅速地減少，結果是該感測操作變得困難。
該壓電體1係設有一對彼此相向之驅動電極4，且一暫時地改變之電壓係施加至該等驅動電極，藉此該壓電體能振動。至於振動方向，該壓電體之切口形狀決定該主要振動方向，藉此於一主要模式中之振動方向能被決定。
相對於設在該壓電體1上之驅動電極4，該等鉛電極3係以薄片之形式附接至該限制構件2，且該等鉛電極3及該等驅動電極4被帶入可互相滑動的接觸。
採用此結構，該振動可被一與該壓電體及該限制構件接觸的表面上所產生之摩擦力所限制。如在圖1所說明，本發明之特色為藉由利用相對於該壓電體之振動方向的摩擦限制該振動。用於此目的，需要採用該結構，其中該限制構件鄰接設在一未垂直於該振動方向(或係由該振動方向扭曲)之位置的壓電體之表面在此場合，對於安裝該限制構件有利的是如果該限制構件實質上係與該振動方向平行，以便不會橫越該振動方向，因為該限制構件不會直接地干預該壓電體之振動表面。
於該傳統壓電振動式力感測器中，該限制構件係藉由外力F鄰接該振動表面，以便直接地限制該振動。相對地，當動摩擦係數以μ表示時，本發明藉由摩擦力μF限制該振動。因此，在理論上如果μ係0.5，相較於該振動如該傳統感測器直接地限制的情形，有可能感測達大約其兩倍範圍之力。如果μ係0.1，則有可能感測達大約十倍範圍之力。換句話說，於該壓電振動式力感測器中，藉由利用用於限制該振動之摩擦力，有可能在一寬廣範圍中感測靜力。
如圖2所說明，可變頻率振盪器7經由一由電阻器等所組成之阻抗6，施加一具有該壓電體的共振頻率附近中之頻率的電壓至力感測器5之壓電體1，藉此該壓電體被振動。於此狀態中，如果一力係施加在該限制構件2上，該壓電體1之振動被該限制構件2所限制。如此，該壓電體之阻抗增加，且因此跨過阻抗6之電壓振幅改變。其結果是，獲得該力及一輸出電壓間之關係，如圖4所說明。由此改變之阻抗，該力被感測。
圖5說明該案例(傳統技術)與該案例(本發明)間之比較的結果，在該傳統技術中，一具有5.0毫米直徑及9.8毫米厚度之圓柱形壓電體被用於直接地限制該振動方向，且在本發明中，該摩擦被利用於在與該振動方向垂直的方向中施加該力。在此，該壓電體係設有該驅動電極，
其被設在一限制位置及被施加以交流電壓。一主要共振頻率變成145千赫，且一振動模式變成直立之效應。此外，具有1毫米厚度之聚氨基甲酸乙酯橡膠被用作該限制構件。
縱使該力被進一步施加在該限制構件上，輸出電壓振幅不會改變的一點被當作一力感測限制。當該力被施加在一平行方向中(在直接地限制該壓電體之振動的案例中)時，該力感測限制大約係300gf。相對地，當該力被施加在一垂直方向中(在藉由利用該摩擦力限制該壓電體之振動的案例中)時，該力感測限制大約係400gf。
因此，當然如果在與該振動方向垂直的方向中施加該力，該力感測限制變得較大。換句話說，藉由該摩擦力限制該壓電體之振動的方法對於擴大感測力之範圍係有效的。
至於上述之實驗結果，該振動方向及施加該力之方向係彼此垂直(θ=90度)(看圖6)。因此，基於該等實驗結果，當該力被施加在該垂直方向中時，施加在該壓電體上之力及該角度θ間之關係被研究，該角度θ在該振動方向及施加該力的方向之間。其結果被說明在圖7中。該角度θ係在該力F為400gf之條件時改變。如此，於此時之實驗模型中，例如，該平行方向中之力感測限制係300gf。因此，在50度θ130度之範圍中，關於相對於該振動方向施加該力之方向，該傳統感測方法係超出該感測限制。因此，使用本發明之方法，感測力之範圍能被擴大，以便消
除該力不能被感測之範圍。於該理想之狀態中，其中未提供任何打滑率在承接該限制構件之力的表面上，只要該角度θ係大於零，該力能被感測。其係可能採用該結構，其中該限制構件之彈性特徵、該限制構件之諸如表面粗糙度的表面特徵、與該壓電體接觸之方法、及類似者等被適當地決定，以致該力能夠在一想要之角度中被感測。
表1顯示用於研究將該壓電體電連接至外部控制電路之電極的影響之結果。作為該壓電體，一圓盤元件(具有2毫米之直徑及0.5毫米之厚度)及一圓環元件(具有2毫米之外徑、1毫米之內徑、及0.5毫米之厚度)被使用。當施加20gf之負載時，輸出電壓被顯示在表1中。至於“具有焊料”，一引線係藉由焊接直接地連接至該壓電體。於對比下，至於“沒有焊料”，鋁箔被設在該限制構件之表面上，以便藉由接觸保持導電性。
由該等實驗結果，可證實於該圓環元件之案例中及於該圓盤元件之案例中，“沒有焊料”能獲得大約兩倍大於
“具有焊料”之輸出電壓。因此，藉由造成該壓電體及該限制構件之導電部份未被固定、但互相接觸用於保持導電性之狀態，感測力之範圍能被擴大。
由於該焊料附著至該壓電體，該傳統結構造成該振動之限制，導致該感測範圍變窄，其中該引線被直接地焊接用於將該壓電體電連接至該外部控制電路。使用本發明，藉由造成該壓電體及該限制構件之導電部份未被固定、但互相接觸用於保持導電性之狀態(被摩擦所限制)，感測力之範圍可被擴大。
此外，本發明亦可解決由於焊接之各種問題，其包括振盪器之振動特徵由於焊接狀態的變動、及該引線由於焊接失效之脫落。
雖然本發明已參考示範具體實施例敘述，其將了解本發明不被限制於所揭示之示範具體實施例。以下申請專利之範圍被給與最寬廣之解釋，以便涵括所有此等修改及同等結構與功能。
1‧‧‧壓電體
2‧‧‧限制構件
3‧‧‧電極
4‧‧‧驅動電極
5‧‧‧力感測器
6‧‧‧阻抗
7‧‧‧振盪器
11‧‧‧安裝表面
圖1係一圖解，說明根據本發明之壓電振動型力感測器的結構。
圖2係一圖解，用於說明本發明之測量原理。
圖3係一圖解，說明根據本發明之壓電振動型力感測器的另一結構。
圖4係一曲線圖，顯示力及輸出電壓間之關係。
圖5係一曲線圖，顯示在與振動方向平行的方向中及與該振動方向垂直的方向中之力的施加之結果。
圖6係一圖解，說明該壓電體之振動方向及施加力的方向間之關係。
圖7係一曲線圖，顯示相對於該壓電體之振動方向施加該力的方向之影響。
圖8係一圖解，說明一傳統壓電振動式力感測器。
1‧‧‧壓電體
2‧‧‧限制構件
3‧‧‧電極
4‧‧‧驅動電極
11‧‧‧安裝表面
Claims (3)
- 一種感測力的方法，包括：施加一電壓，其對一壓電體暫時造成改變，以在特定方向中振動該壓電體；致使一限制構件以可滑動的方式鄰接待振動之壓電體，該限制構件係彈性地變形，以當從外部接受一力時，將該力傳送至該壓電體；及感測一由該壓電體之阻抗所施加的力，該阻抗依該壓電體及該限制構件間藉由施加在該限制構件上之力所產生之摩擦力而改變，其中該限制構件係實質上平行於該壓電體之振動方向。
- 一種壓電振動式力感測器，包括：一壓電體，其當施加一暫時改變之電壓時，在一特定方向中振動；一對驅動電極，其設在該壓電體之表面上；及一限制構件，其彈性地變形，以當從外部接受一力時，將該力傳送至該壓電體，其中該限制構件係以可滑動的方式相對於該壓電體固持，該對驅動電極係設在該壓電體上，且藉由感測該壓電體之阻抗而感測所施加之力，於一施加該電壓以振動該壓電體之狀態中，該阻抗依經由該限制構件施加在該壓電體上之力所產生之摩擦力而改變，且其中該限制構件係實質上平行於設有該對驅動電極之該壓電體之振動方向。
- 如申請專利範圍第2項之壓電振動式力感測器，其中該限制構件具有設在一表面上之鉛電極，該表面與該對驅動電極之每一個接觸。
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