TWI628898B - 交互作用力偵測裝置 - Google Patents

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Abstract

一種交互作用力偵測裝置，其包括感測器、致動元件、 運動元件以及連接元件。連接元件連接致動元件與感測器。致動元件與運動元件發生交互作用而產生一對作用力。所述的一對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於第二作用力的大小。感測器偵測施加於致動元件上的第一作用力，且第二作用力施加於運動元件上而產生運動。

Description

交互作用力偵測裝置
本發明是有關於一種交互作用力偵測裝置，且特別是有關於一種用來偵測馬達扭力的交互作用力偵測裝置。
在現行的馬達扭力的偵測技術中，例如是扭力計的感測裝置是配置於馬達的輸出軸上，以直接量測馬達的輸出扭力。然而，由於扭力計本身具有輸入/輸出訊號線，因此，馬達的輸出軸在轉動的過程中，可能會與訊號線纏繞而發生訊號線被扯斷的情形，使得扭力計僅能量測馬達的靜態扭力，而侷限了扭力計的應用範圍。
雖然，目前馬達的扭力計可另採用碳刷來作為訊號傳遞的方法。但是，碳刷在使用過程中會產生磨耗的情形，而增加維修及保養的困難度。此外，扭力計雖可另外透過行星齒輪組來配置於馬達的輸出端與負載端之間。然而，用來潤滑齒輪組或轉軸等的轉動件的潤滑油可能會對扭力計本身造成汙染。再者，馬達的轉動件在運作時，會使周圍的環境溫度升高，也會影響到扭力 計的特性，進而影響扭力計的感測準確度以及可靠度。
本發明提供一種交互作用力偵測裝置，其感測器是連接於連接元件，並且感測器可經由連接元件感測施加於致動元件上的反作用力大小。
本發明提供一種交互作用力偵測裝置，其具有配置於感測器的容置空間中的電路晶片，藉以推算出施加於致動元件上的反作用力大小。
本發明提供一種交互作用力偵測裝置，其具有固定座，並且致動元件及連接元件可經由感測器固定於固定座上。
本發明的交互作用力偵測裝置包括感測器、致動元件、運動元件以及連接元件。連接元件連接致動元件與感測器。致動元件與運動元件發生交互作用而產生一對作用力。所述的一對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於第二作用力的大小。感測器偵測施加於致動元件上的第一作用力，且第二作用力施加於運動元件上而產生運動。
本發明的交互作用力偵測裝置包括感測器、致動元件、運動元件、連接元件以及電路晶片。感測器包括應變計及彈性元件，且應變計設置於彈性元件上。連接元件連接致動元件與感測器。電路晶片配置於感測器的容置空間中。致動元件與運動元件發生交互作用而產生一對作用力。所述的一對作用力包括第一作 用力及第二作用力，且第一作用力的大小等於第二作用力的大小。感測器偵測施加於致動元件上的第一作用力而使應變計傳送電性訊號至電路晶片，且第二作用力施加於運動元件上而產生運動。
本發明的交互作用力偵測裝置包括感測器、致動元件、運動元件、連接元件、電路晶片以及固定座。感測器包括應變計。連接元件連接致動元件與感測器。電路晶片配置於感測器的容置空間中。固定座連接感測器。感測器連接至固定座及連接元件。致動元件與運動元件發生交互作用而產生一對作用力，且第一作用力的大小等於第二作用力的大小。所述的一對作用力包括第一作用力及第二作用力。感測器偵測施加於致動元件上的第一作用力而使應變計傳送電性訊號至電路晶片，且第二作用力施加於運動元件上而產生運動。
在本發明的一實施例中，上述的彈性元件的剛性小於連接元件的剛性並且小於致動元件的剛性。
在本發明的一實施例中，上述的交互作用力偵測裝置還包括固定座。固定座配置於感測器的一側，且感測器連接至固定座與連接元件。
在本發明的一實施例中，上述的交互作用力偵測裝置還包括電路晶片。電路晶片配置於感測器的容置空間中。
在本發明的一實施例中，上述的運動元件包括馬達轉子以及轉動軸，且馬達轉子固定於轉動軸上。連接元件包括馬達殼 體，而致動元件包括馬達定子。馬達定子固定於馬達殼體上，且感測器為扭力感測器。
在本發明的一實施例中，上述的交互作用力偵測裝置還包括固定座。扭力感測器連接至馬達殼體及固定座。
在本發明的一實施例中，上述的扭力感測器包括第一蓋板、第二蓋板、樑柱、應變計以及電路晶片。第一蓋板與第二蓋板彼此相對配置。樑柱連接第一蓋板與第二蓋板，以定義出容置空間。電路晶片設置於容置空間中，且應變計配置於樑柱上。
在本發明的一實施例中，上述的運動元件包括馬達轉子及轉動軸。連接元件包括馬達殼體，而致動元件包括馬達定子。馬達定子固定於馬達殼體上，並且感測器為扭力感測器。
在本發明的一實施例中，上述的感測器還包括第一蓋板及第二蓋板，並且彈性元件為樑柱。樑柱連接第一蓋板與第二蓋板，以定義出容置空間。電路晶片設置於容置空間中，且應變計配置於樑柱上。
在本發明的一實施例中，上述的運動元件包括馬達轉子及轉動軸。連接元件包括馬達殼體。致動元件包括馬達定子，且馬達定子固定於馬達殼體上。感測器為扭力感測器。扭力感測器還包括第一蓋板、第二蓋板以及樑柱。第一蓋板與第二蓋板彼此相對配置，且第一蓋板連接馬達殼體，而第二蓋板連接固定座。樑柱連接第一蓋板與第二蓋板，以定義出容置空間。電路晶片設置於容置空間中，且應變計配置於樑柱上。
在本發明的一實施例中，上述的馬達殼體包括相對的第一壁體、第二壁體以及連接於第一壁體與第二壁體之間的側壁。轉動軸穿過第一壁體，而馬達定子固定於側壁，且扭力感測器連接於第二壁體。
在本發明的一實施例中，上述的交互作用力偵測裝置還包括電路板。電路晶片設置於電路板上，並且電路板及電路晶片設置於容置空間中。電路晶片電性連接電路板及應變計。
基於上述，在本發明的多個實施例中，交互作用力偵測裝置的感測器是配置於致動元件、運動元件以及連接元件之外，並且不與運動元件連接。此外，致動元件可施加作用力於運動元件上，並且運動元件對應作用力產生的反作用力同時施加於致動元件上。再者，施加於致動元件上的反作用力可經由連接元件傳送至感測器。感測器可感測施加於致動元件上的反作用力，並且計算出反作用力的大小。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、200‧‧‧交互作用力偵測裝置
110‧‧‧致動元件
120、220‧‧‧運動元件
130‧‧‧連接元件
140‧‧‧感測器
142‧‧‧彈性元件
144、244‧‧‧應變計
170‧‧‧固定座
172‧‧‧第一固定元件
174‧‧‧第二固定元件
210‧‧‧致動元件/馬達定子
222‧‧‧馬達轉子
224‧‧‧轉動軸
230‧‧‧連接元件/馬達殼體
232‧‧‧第一壁體
234‧‧‧第二壁體
236‧‧‧側壁
240‧‧‧感測器/扭力感測器
241‧‧‧第一蓋板
242‧‧‧樑柱
243‧‧‧第二蓋板
245‧‧‧容置空間
247‧‧‧電路板
248‧‧‧電路晶片
249‧‧‧固定座
FP‧‧‧一對作用力
F1‧‧‧第一作用力
F2‧‧‧第二作用力
圖1是依照本發明的一實施例的交互作用力偵測裝置的示意圖。
圖2A是依照本發明的另一實施例的交互作用力偵測裝置的示意圖。
圖2B是圖2A的交互作用力偵測裝置的部分構件示意圖。
圖1是依照本發明的一實施例的交互作用力偵測裝置的示意圖。在本實施例中，交互作用力偵測裝置100包括致動元件110、運動元件120、連接元件130以及感測器140。如圖1所示，運動元件120配置於致動元件110的一側。致動元件110固定於連接元件130上。再者，感測器140連接於連接元件130的另一側。也就是，如圖1所示，連接元件130分別連接至感測器140與致動元件110。
在本實施例中，致動元件110與運動元件120會因交互作用(interaction force)而產生一對作用力FP(a pair of forces)分別施加在致動元件110與運動元件120上。這一對作用力FP包含二個大小相等且方向相反的作用力。這一對作用力FP可以是接觸式的交互作用力，例如兩物體撞擊時的作用力與反作用力或一物體碰撞另一物體時的作用力與反作用力。這一對作用力FP也可以是非接觸式的超距力(action-at-a-distance force)，例如二個帶著電荷的物體之間的靜電力或二個磁性物體之間的磁力。
在本實施例中，這一對作用力FP包含第一作用力F1及第二作用力F2。如圖1所示，第一作用力F1施加在致動元件110上且第二作用力F2施加在運動元件120上。當第二作用力F2施加於運動元件120上時，運動元件120會產生例如是位移或轉動 的運動。致動元件110會藉著連接元件130將第一作用力F1傳遞給感測器140。
在本實施例中，感測器140包括由至少一個彈性元件142以及配置於彈性元件142上的至少一個應變計144。彈性元件142可根據上述由連接元件130傳遞至感測器140的第一作用力F1的大小產生對應的應變。應變計144可量測前述彈性元件142的應變大小，進而根據彈性元件142的應變大小推算出施加於致動元件110上的第一作用力F1的大小。在本實施例中，交互作用力偵測裝置100可進一步藉由上述推算獲得的第一作用力F1來推算與其對應的作用力F2的大小。
在本實施例中，感測器140的彈性元件142的剛性小於連接元件130的剛性且該感測器140的彈性元件142的剛性小於該致動元件110的剛性，以使感測器140具有較佳的感測靈敏度。然而，感測器140的彈性元件142仍需具有一定大小的剛性，以避免在施加第一作用力F1於彈性元件142上時，彈性元件142由於本身產生過大的應變而破裂。
進一步而言，由於致動元件110是經由連接元件130連接於感測器140上。因此，若感測器140的彈性元件142的剛性過小，則過度容易受到來自外界的各種外力的影響，而產生額外的應變，進而影響感測器140的感測準確度。此外，當感測器140的彈性元件142的剛性過小時，致動元件110亦會由於彈性元件142的大幅應變而被帶動，使得致動元件110產生不正常的運動， 進而影響致動元件110的穩定性，並使運動元件120產生預期之外的運動。
請再參考圖1，交互作用力偵測裝置100還包括固定座170，其可配置於感測器140的一側。在本實施例中，固定座170可為圖1中的第一固定元件172。感測器140連接至連接元件130與第一固定元件172，以使經由連接元件130傳來的第一作用力F1施加於感測器140上時，能產生較大的應變，以提升感測器140的感測靈敏度。此外，交互作用力偵測裝置100可藉由感測器140固定於第一固定元件172上。
如圖1所示，在本實施例中，固定座170也可為配置於致動元件110的另一側的第二固定元件174。因此，交互作用力偵測裝置100可經由致動元件110固定於第二固定元件174上。
在本實施例中，固定座170的配置位置可根據交互作用力偵測裝置100的實際使用情形作適當的調整，以將交互作用力偵測裝置100藉由固定座170本身來進行固定，或是經由固定座170固定於牆面上或是各種工作平台上。
圖2A是依照本發明的另一實施例的交互作用力偵測裝置的示意圖。圖2B是圖2A的交互作用力偵測裝置的部分構件示意圖。在本實施例中，交互作用力偵測裝置200可在馬達運轉過程中用來偵測施加於致動元件210上的第一作用力F1，並藉以推算出馬達的扭力F2。
如圖2A所示，交互作用力偵測裝置200可包括致動元件 210、運動元件220、連接元件230以及感測器240。在本實施例中，致動元件210為馬達定子，而運動元件220可包括馬達轉子222與轉動軸224，並且馬達轉子222可固定於轉動軸224上。此外，連接元件230可為馬達殼體。馬達殼體230包括彼此相對的第一壁體232、第二壁體234以及連接於其之間的側壁236。轉動軸224由第一壁體232穿出馬達殼體230。
在本實施例中，交互作用力偵測裝置200的感測器240配置於馬達殼體230的第二壁體234上，並且如圖2A所示，感測器240是配置於馬達殼體230的外側。詳細而言，感測器240可為馬達的扭力感測器，並且具有相對配置的第一蓋板241、第二蓋板243以及至少一個連接第一蓋板241及第二蓋板243的樑柱242。第一蓋板241連接於馬達殼體230的第二壁體234。第一蓋板241、第二蓋板243以及前述的至少一個樑柱242可定義出容置空間245。在本實施例中，前述的至少一個樑柱242為彈性元件，其可對應所受到的第一作應力F1產生應變。此外，前述的感測器240的至少一個樑柱242上可分別配置應變計244，以在第一作用力F1施加於致動元件210上時，量測前述的至少一個樑柱242所產生的應變。
請參考圖2B，在本實施例中，感測器240另具有電路板247及配置於其上的電路晶片248。電路板247及電路晶片248設置於上述第一蓋板241、第二蓋板243以及前述的至少一個樑柱242所定義出的容置空間245中。此外，電路晶片248經由電路板 247與應變計244電性連接，以接收來自應變計244的電性訊號。電路晶片248可對電性訊號進行處理與分析。再者，感測器240的電路板247可進一步電性連接配置於交互作用力偵測裝置200外的外部裝置或是電源(未示出)，以傳送電性訊號至外部裝置或是電性耦接外部電源。藉著將電路板247及電路晶片248設置於容置空間245中，可避免訊號線被轉動軸224纏繞而發生訊號線被扯斷的現象。
如圖2A所示，感測器240還包括固定座249，其配置於第二蓋板243上相對於至少一個樑柱242的一側。在本實施例中，交互作用力偵測裝置200是藉由感測器240的固定座249來進行固定，或是經由固定座249固定於平面上。舉例而言，交互作用力偵測裝置200是經由固定座249固定於牆面或是其他的工作平台(未示出)以增進交互作用力偵測裝置200運作時的穩定性，避免交互作用力偵測裝置200的致動元件210或馬達殼體230產生不正常的動作或位移，而影響感測器240感測的準確度。
詳細而言，在本實施例中，當馬達定子210的磁場與馬達轉子222所產生的磁場交互作用時會產生一對作用力。此對作用力為非接觸式的超距力，且此對作用力包含施加於馬達定子210的第一作用力F1及施加於馬達轉子222的第二作用力F2。第二作用力F2帶動轉動軸224沿圖2A中的右邊箭頭方向旋轉。在本實施例中，對應產生的第一作用力F1亦同時施加於馬達定子210上。此外，施加於馬達定子210上的第一用作力F1可經由馬達殼 體230傳遞至與其連接的感測器240。由於第一作用力F1與第二作用力F2的大小相等且方向相反，所以感測器240可藉由偵測第一作用力F1，即能求出施加於馬達轉子222的第二作用力F2。換言之，馬達的輸出扭力(即第二作用力F2)可由感測器240的偵測而得知。
感測器240可接收馬達殼體230所傳送的第一作用力F1，並且第一作用力F1可使感測器240的至少一個樑柱242產生對應的應變。接著，應變計244可量測至少一個樑柱242的應變量，並將擷取自量測結果的電性訊號傳送至電路晶片248。電路晶片248可接收並處理來自應變計244的電性訊號，並進行訊號計算與分析。在本實施例中，電路晶片248可根據至少一個樑柱242的應變量的大小來推算施加於馬達定子210與馬達殼體230的第一作用力F1的大小。據此第一作用力F1的大小，可推算出施加於馬達轉子222及轉動軸224的第二作用力F2，進而求得馬達輸出的扭力值。
在本實施例中，感測器240可經由馬達殼體230來偵測施加於馬達定子210的第一作用力F1的大小，並藉以推算馬達的輸出扭力。因此，感測器240可配置於馬達殼體230外，且無需連接於轉動軸224上。也因此，感測器240與轉動軸224之間不需透過齒輪組連接，而可避免齒輪組與轉動軸224的軸承之間的產生磨耗，進而避免對馬達的扭力輸出造成影響。
同樣地，由於感測器240是配置於馬達殼體230之外， 且不與轉動軸224連接，因此，用來潤滑轉動軸224的潤滑油不會對感測器240造成汙損。也就是說，本實施例的感測器240可隔絕於馬達殼體230之外，而不會受到馬達殼體230內的環境因素例如是馬達的運轉溫度或是各種潤滑油料的污染所影響，以使感測器240易於保養與維護，進而增進感測器240的可靠度。
本實施例的感測器240的配置方式，使得感測器240電源線或是訊號線等電性訊號傳輸線(未示出)可不需經過轉動軸224。因此，在轉動軸224轉動的過程中，可避免轉動軸224與感測器240的電源線或是訊號線纏繞，而發生電源線或是訊號線磨耗或是被扯斷的情形。因此，在本實施例中，轉動軸224對於電性訊號的傳輸路徑產生的影響可加以避免，以增進訊號傳輸的穩定性。
綜上所述，本發明的多個實施例的交互作用力偵測裝置可用來偵測馬達運轉時馬達殼體所受到的第一作用力，並藉以推算出馬達的輸出扭力。在本發明的多個實施例中，用來偵測馬達扭力的感測器可配置於馬達殼體之外。在馬達運轉時，感測器可經由馬達殼體來接收馬達定子所受到的第一作用力。感測器的電路晶片可根據應變計量測到的第一作用力於其樑柱所造成的應變大小，來推算第一作用力的大小以及馬達的輸出扭力。因此，本發明的多個實施例的交互作用力偵測裝置的感測器可直接透過馬達殼體所傳遞的第一作用力來推算馬達的輸出扭力，而無需藉由將感測器配置於馬達的輸出端與負載端之間的方式來達成，進而 避免馬達的扭力輸出受到感測器與轉動軸的齒輪組及軸承磨耗的影響。因為，在本發明的多個實施例中，轉動軸上無需配置感測器，馬達的扭力輸出可免於齒輪組所造成的扭力損耗。
同時，由於感測器配置是配置於馬達殼體之外，感測器不會受到馬達殼體內部的環境因素，例如運轉溫度或是潤滑油汙等影響，以增進感測器的感測準確度，並使得感測器易於進行維護。此外，如同上述，由於本發明的多個實施例的感測器不需配置於馬達的轉動軸上，因此，轉動軸與感測器的線材發生纏繞的情形可有效的避免，以增進感測器的電性訊號傳輸的穩定性。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (15)

  1. 一種交互作用力偵測裝置，包括：一感測器；一致動元件；一運動元件；以及一連接元件，連接該致動元件與該感測器，其中該致動元件與該運動元件發生交互作用而產生一對作用力，該對作用力包括一第一作用力及一第二作用力，該第一作用力的大小等於該第二作用力的大小，該感測器偵測施加於該致動元件的該第一作用力，且該第二作用力施加於該運動元件上而產生運動。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的交互作用力偵測裝置，其中該感測器更包括至少一彈性元件，該至少一彈性元件的剛性小於該連接元件的剛性並且小於該致動元件的剛性。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的交互作用力偵測裝置，更包括一固定座，設置於該感測器的一側，且該感測器連接至該固定座與該連接元件。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的交互作用力偵測裝置，更包括一電路晶片，設置於該感測器的一容置空間中。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的交互作用力偵測裝置，其中該運動元件包括一馬達轉子以及一轉動軸，該馬達轉子固定於該轉動軸上，該連接元件包括一馬達殼體，而該致動元件包括一馬達定子，該馬達定子固定於該馬達殼體上，且該感測器 為一扭力感測器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的交互作用力偵測裝置，更包括一固定座，其中該扭力感測器連接至該馬達殼體及該固定座。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的交互作用力偵測裝置，其中該扭力感測器包括一第一蓋板、一第二蓋板、至少一樑柱、至少一應變計以及一電路晶片，該第一蓋板及該第二蓋板彼此相對配置，該至少一樑柱連接該第一蓋板與該第二蓋板，以定義出一容置空間，該電路晶片設置於該容置空間中，且該至少一應變計配置於該至少一樑柱上。
  8. 一種交互作用力偵測裝置，包括：一感測器，包括至少一應變計及至少一彈性元件，且該至少一應變計設置於該至少一彈性元件上；一致動元件；一運動元件；一連接元件，連接該致動元件與該感測器；以及一電路晶片，配置於該感測器的一容置空間中，其中該致動元件與該運動元件發生交互作用而產生一對作用力，該對作用力包括一第一作用力及一第二作用力，該第一作用力的大小等於該第二作用力的大小，該感測器偵測施加於該致動元件的該第一作用力而使該至少一應變計傳送一電性訊號至該電路晶片，該第二作用力施加於該運動元件上而產生運動。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的交互作用力偵測裝置，其中該至少一彈性元件的剛性小於該連接元件的剛性，且小於該致動元件的剛性。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的交互作用力偵測裝置，其中該運動元件包括一馬達轉子及一轉動軸，該連接元件包括一馬達殼體，而該致動元件包括一馬達定子，該馬達定子固定於該馬達殼體上，該感測器為一扭力感測器。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的交互作用力偵測裝置，其中該感測器更包括一第一蓋板及一第二蓋板，並且該至少一彈性元件為至少一樑柱，該至少一樑柱連接該第一蓋板與該第二蓋板，以定義出該容置空間，該電路晶片設置於該容置空間中，且該至少一應變計配置於該至少一樑柱上。
  12. 一種交互作用力偵測裝置，包括：一感測器，包括至少一應變計；一致動元件；一運動元件；一連接元件，連接該致動元件與該感測器；一電路晶片，配置於該感測器的一容置空間中；以及一固定座，連接該感測器，其中該感測器連接至該固定座及該連接元件，該致動元件與該運動元件發生交互作用而產生一對作用力，該對作用力包括一第一作用力及一第二作用力，該第一作用力的大小等於該第二作用力的大小，該感測器偵測施加於該致動 元件的該第一作用力而使該至少一應變計傳送一電性訊號至該電路晶片，該第二作用力施加於該運動元件上而產生運動。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的交互作用力偵測裝置，其中該運動元件包括一馬達轉子及一轉動軸，該連接元件包括一馬達殼體，該致動元件包括一馬達定子，該馬達定子固定於該馬達殼體上且該感測器為一扭力感測器，該扭力感測器更包括一第一蓋板、一第二蓋板以及至少一樑柱，該第一蓋板與該第二蓋板彼此相對配置，且該第一蓋板連接該馬達殼體，而該第二蓋板連接該固定座，該至少一樑柱連接該第一蓋板與該第二蓋板，以定義出該容置空間，該電路晶片設置於該容置空間中，且該至少一應變計配置於該至少一樑柱上。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的交互作用力偵測裝置，其中該馬達殼體包括相對的一第一壁體、一第二壁體以及連接於該第一壁體與該第二壁體之間的一側壁，該轉動軸穿過該第一壁體，而該馬達定子固定於該側壁，該扭力感測器連接該第二壁體。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的交互作用力偵測裝置，更包括一電路板，其中該電路晶片設置於該電路板上，該電路板及該電路晶片設置於該容置空間中，且電路晶片電性連接該電路板及該至少一應變計。
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