TWI741858B - 壓電感測器及其工具機 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種壓電薄膜感測器，包括有支撐座、承載件以及PVDF壓電感測器。支撐座具有幾何構形，支撐座內具有容置空間。承載件設置於該容置空間內，該承載件之至少一端與該支撐座的一結構表面相連接。PVDF壓電感測器設置於該承載件的一表面上。在另一實施例中，本發明更提供一種工具機，在其承載加工模具的承載平台內設置有該PVDF壓電感測器，用以於該加工模具之加工過程中產生一電訊號。

Description

壓電感測器及其工具機

本發明為一種振動感測技術，特別是指一種用於檢測並收集加工模具在加工中振動的相關資訊，作為模具管理運用的一種壓電薄膜感測器及其工具機。

機械製造產業中大量產製的零組件常利用沖壓機械對薄板金屬施行沖剪、成型、彎曲、引伸和壓縮等加工，製成各種工業用及家庭用板金零件與製品。無論是精密機械、飛機、汽車、機車、輪船、軍火、鐘錶、電機、電子、家電和家俱等諸多產品零件，近來許多機械加工品、鑄件、壓鑄品及鍛造品已逐漸被沖壓品取代，原因在於連續沖壓的模具與沖壓設備結合具有大量生產之特性，在製造上被廣泛使用。利用沖壓機械對薄板金屬施行沖剪、成型、彎曲、引伸和壓縮等加工，製成各種工業用及家庭用板金零件與製品，具有生產效率高，成品尺寸精度一致的優點。

請參閱圖1所示，圖中可清楚表示高速沖床在多次沖壓生產過程的沖頭變化，而影響沖壓零件尺寸的精度在於沖壓模具的使用壽命，模具壽命中止後的產生現象包含尺寸誤差、頂出障礙等使生產中斷。在工廠 作業中，模具損壞率是許多廠商需要面對的問題，在模具使用次數未到達前，不應該將其拆下維護，但部分現場人員為了方便，會提前或是延後拆下維護的時間，這兩種情況都容易導致公司成本的提高。因此，如何明確判斷出何時為模具損壞的正確時間點，並通知現場人員將其拆下進行維護，藉此降低生產成本，是一個重要的課題。

雖然市面上已經有多種的振動感測器，用以感測在工具機加工過程中，工具機模具的受力狀態。儘管如此，這些振動感測器大部分在使用場域上都有所限制。例如圖2A與2B所示，其中圖2A為習用之模具示意圖，圖2B振動感測設置位置示意圖。在習用技術中，模具1具有上模10與下模110，量測時是透過壓電薄膜感測器12貼附在模具的表面，例如：上模10和下模11接觸的表面100。雖然因為薄膜的特性，壓電薄膜感測器12可以安裝在上下模之間的接觸面上，但在強大的作用力之下，還是會縮短壓電薄膜感測器12使用的壽命。此外，因為壓電薄膜感測器12是安裝在上模10與下模11之間，如果要拆換或維修模具時，壓電薄膜感測器12也會隨著模具拆除而離開工具機，如此會造成更換模具時，使用者就需要在新的模具上重新安裝感測器，增加使用者維修與更換模具的不便利性的問題。如果要免除壓電薄膜感測器12拆裝的方式，那麼每一組模具1都必須要設置壓電薄膜感測器12，這樣也會增加感測監測作業的成本。

爰是之故，有鑑於習知技術之缺失，本發明提出一種壓電薄膜感測器及其工具機，用以改善上述習用手段之缺失。

本發明提供一種壓電感測器，具有可以相應於設置區域的構形，設置於工具機非模具區域上，來達到振動量測的效果。因此，可配合工具機之適當位置設計感測器之外觀，不會有安裝不易或者被工具機模具間相互的作用力破壞的問題。此外，由於本發明之壓電感測器設置在非模具區域上，使得壓電感測器不用安裝在需要更換或維修的模具上，便可以準確的量測到工具機之振動，亦不會因更換或維修模具而拆裝感測器，達到感測器重複使用與節省感測器與維修成本的效果。

本發明提供一種工具機，透過將壓電感測器設置在承載平台上，偵測模具沖壓之機械特性，藉由在沖壓過程中壓電感測器電訊號的擷取，將訊號傳送到電腦，對模具的狀態進行分析，若模具尚未損壞則可以繼續進行沖壓，損壞則應將模具拆下進行維修。透過本發明具有壓電感測器的工具機，可以有助於工廠端找出模具的最大壽命，並訂定模具保養的標準操作流程，建立製造沖片生產履歷，並減少過度保養導致模具壽命縮減的問題。

在一實施例中，本發明提供一種壓電感測器，包括有支撐座、承載件以及PVDF壓電薄膜感測器，該支撐座具有一幾何構形，支撐座內具有一容置空間，該承載件，設置於該容置空間內，該承載件之至少一端與該支撐座的一結構表面相連接。該PVDF壓電薄膜感測器，設置於該承載件的一表面上

在一實施例中，本發明提供工具機，包括有承載台以及壓電感測器。該承載台，用以承載一加工模具，該承載台上具有一容置部，用以 提供容置固定該加工模具的一固定組件。該壓電感測器設置於該容置部內，該壓電薄膜感測器包括有支撐座、承載件以及PVDF壓電薄膜感測器。該支撐座具有一幾何構形，支撐座內具有一容置空間。該承載件，設置於該容置空間，該承載件之至少一端與該支撐座的一結構表面相連接。該PVDF薄膜壓電感測器設置於該承載件的一表面上，該PVDF壓電感測器於該加工模具之加工過程中產生一電訊號。

2:壓電感測器

20:支撐座

200:容置空間

21:承載件

210、211:端面

212:表面

22:PVDF壓電薄膜感測器

220:上電極層

221:下電極層

222、222a:聚偏二氟乙烯膜層

223:金屬導線

224、224a:絕緣保護膜

23:配重塊

3:工具機

30:工具機本體

31:沖壓頭

32:承載台

320a~320c:容置槽

4:加工模具

40:上模具

41:下模具

5:固定組件

50:固定壓體

51:固定鎖件

圖1為高速沖床在多次沖壓生產過程中沖頭與模具變化示意圖。

圖2A為習用之模具示意圖。

圖2B為振動感測設置位置示意圖。

圖3為本發明之壓電感測器的一實施例示意圖。

圖4A為本發明的PVDF壓電感測器一實施例的AA截面構造示意圖。

圖4B為本發明的PVDF壓電感測器另一實施例的AA截面構造示意圖。

圖5為本發明之壓電感測器另一實施例示意圖。

圖6A為本發明之工具機之一實施例示意圖。

圖6B為承載有模具的工具機示意圖。

圖6C與圖6D分別為本發明之壓電感測器與工具機結合之立體與剖面示意圖。

在下文將參考隨附圖式，可更充分地描述各種例示性實施 例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。類似數字始終指示類似元件。以下將以多種實施例配合圖式來說明所述壓電薄膜感測器及其工具機，然而，下述實施例並非用以限制本發明。

請參閱圖3所示，該圖為本發明之壓電感測器的一實施例示意圖。本實施例中，壓電感測器2包括有支撐座20、承載件21以及PVDF壓電薄膜感測器22。支撐座20具有一幾何構形，用以配合安裝的位置。該幾何構形因為是配合安裝位置的需求，使用者可以任意改變，因此不以本實施例圖中所示的構形為限制。支撐座20內具有容置空間200，用以提供容置承載件21以及PVDF壓電薄膜感測器22。本實施例中，支撐座20可以用高分子材料或者是金屬材料來製作，並無一定的限制。

承載件21設置於容置空間200內。本實施例中，承載件21的兩端面210與211與支撐座20的結構表面相連接。PVDF壓電薄膜感測器22設置於承載件21的表面212上。請參閱圖4A所示，其繪製本發明的PVDF壓電感測器一實施例的AA截面構造示意圖。PVDF壓電感測器22包含一上電極層220、一下電極層221、一聚偏二氟乙烯膜層222、一對金屬導線223以及一絕緣保護膜224；上電極層220和下電極層221分別為含銀、銅或鎳金屬之前述任一者或兩者以上的電極層，聚偏二氟乙烯膜層222係為介於該上電極層220和下電極層221之間的功能層，該對金屬導線223各別一端分別連接上電極層220和下電極層221，而另一端則分別連接訊號處理器，例 如：訊號放大器等，用以將PVDF壓電感測器所偵測的電訊號放大處理。絕緣保護膜224係包覆上電極層220、下電極層221以及聚偏二氟乙烯膜層222，以對PVDF壓電感測器22的內部膜層形成保護。

根據本發明一實施例，其中上電極層220的厚度介於2~10μm；較佳地，上電極層220的厚度介於4~8μm；更佳地，上電極層220的厚度為6μm±1μm。下電極層221的厚度介於2~10μm；較佳地，下電極層221的厚度介於4~8μm；更佳地，下電極層221的厚度為6μm±1μm。根據本發明一實施例，其中聚偏二氟乙烯膜層222的厚度介於20~120μm；較佳地，聚偏二氟乙烯膜層222的厚度介於20~60μm；更佳地，聚偏二氟乙烯膜層222的厚度介於25~30μm。

根據本發明一實施例，其中聚偏二氟乙烯膜層222為β晶型的聚偏二氟乙烯(PVDF)的膜層。因為在PVDF材料是由CFCH鍵接成的長鏈分子，一般通常狀態下為半結晶高聚物且共有五種晶型：α、β、γ、δ及ε晶型，在不同的條件下形成，在一定條件下(熱、電場、機械及輻射能的作用)又可以相互轉化，在這五種晶型中，β晶型的分子鏈是反式(Trans)的鋸齒狀(Zigzag)排列，由於此分子鏈上CF2偶極(Dipole)在同一方向相互平行而產生自發性分極的極性結晶構造。當對此PVDF結晶的某一方向施加壓力而產生形變時，偶極的大小及方向也隨之變化，因此電荷量也隨之變化而產生電壓。β晶型一般存在於拉伸取向的PVDF中，分子鏈呈規整排列，自發極化大，取向後的介電常數從6~8F/m提高到11~14F/m，可通過機械拉伸α晶型的PVDF以產生晶型的轉變，從而得到β晶型的PVDF。

圖3中PVDF壓電感測器除了圖4A的方式之外，在另一實施 例中，可以如圖4B所示的結構，其為圖3所示的PVDF壓電感測器另一實施例的AA截面構造示意圖。本實施例中的PVDF壓電感測器22a包含一複合膜層222a、一對金屬導線223a以及一絕緣保護膜224a。複合膜層222a係以聚偏二氟乙烯(Polyvinylidenedifluoride,PVDF)和石墨烯(Graphene)所製成的複合膜層。該對金屬導線223a各別一端分別連接複合膜層222a的上下表面，而另一端則分別連接訊號處理元件，例如：訊號放大器等。絕緣保護膜224a係包覆複合膜層222a，以對PVDF壓電感測器22a的內部膜層形成保護。

承上所述，複合膜層222a的製備可預先準備多個材料鑄模液，包含聚偏二氟乙烯、石墨烯、丙酮等等鑄模液，並將該些鑄模液進行再一適當溫度下置入一磁石攪拌機進行攪拌，攪拌完成後在將攪拌後的混合液置入一均質機進行細化處理，完成細化處理後通過乾燥化處理後以完成複合膜層222a的製備。根據本發明一實施例，其中複合膜層222a的厚度介於100~800μm；較佳地，複合膜層222a的厚度介於100~300μm；更佳地，複合膜層222a的厚度介於120~250μm。根據本發明各個實施例，其中上述絕緣保護膜224a可為PET、PVC、PP、PE等材料所製成。

再回到圖3所示，承載件21的另一表面上設置有配重塊23，用以調整承載件21受振動時的振動頻率，以和受測工具機相匹配。請參閱圖5所示，該圖為本發明之壓電感測器另一實施例示意圖。本實施例中的壓電感測器2a基本上與圖3的相似，差異的是本實施例的承載件21a兩端段，只有其中一端面211與支撐座20的結構表面相連接，另一端面210為自由 端，使得承載件21a構成類似懸臂的結構。

請參閱圖6A至圖6B所示，圖6A為本發明之工具機之一實施例示意圖；圖6B為承載有模具的工具機示意圖。在本實施例中，工具機3為一沖壓床，但不以此為限制。要說明的是，沖壓床為本領域技術之人所熟知的工具機，其細部結構在此不做贅述。工具機3上具有一工具機本體30，其係由金屬，例如：鑄鐵，所構成的本體。工具機本體30上具有可以進行Z方向上升與下降沖壓運動的沖壓頭31以及用以承載模具的承載台32。該承載台32，用以承載一加工模具4，該承載台32上具有一容置部320，本實施例為複數個容置槽320a~320c所構成，用以提供容置固定該加工模具4的一固定組件5。容置槽320a~320c在YZ平面上的截面為相應於壓電感測器2的支撐座20所具有的截面構形，本實施例中，容置槽的截面構形為凸字型的形狀，但不以此為限制。

在本實施例中，加工模具4為上模具40與下模具41所構成，其中上模具40固定在沖壓頭31上，而下模具41則透過固定組件5，(或稱模具壓板)，固定在承載台32上。在本實施例中，透過複數個固定組件5分別固定在下模具41的四個位置上。要說明的是固定組件5要達到的目的是將下模具41穩定的固定在承載台32上，因此每一個固定組件5透過固定壓體50以及固定鎖件51與承載台32以及下模具41相抵靠，產生固定的下壓力於下模具41上。在本實施例中，每一固定壓體50的一端抵靠在下模具41上，而另一端則抵靠在承載台32的檯面上。本實施例中，固定鎖件51一端容置在任一個容置槽320a~320c內，使用者可以選擇適合位置的容置槽320a~320c，並無一定之限制。固定鎖件51為螺栓與螺帽的組合，用以產生 作用利於固定壓體50上。固定組件5為本領域技術之人所熟知的技術，在此不做贅述。

請參閱圖6C與圖6D所示，該圖分別為本發明之壓電感測器與工具機結合之立體與剖面示意圖。本發明的精神在於將壓電感測器2係設置在非屬模具本體上的區域，也就是設置在模具以外的區域內。在本實施例中，壓電感測器2設置在承載台32的容置槽320a內。由於容置槽320c的截面構形為凸字型，因此壓電感測器2的支撐座20也為可以和容置槽320c截面構形相互緊配合的凸字型構形。壓電感測器2設置在對應下模具41的容置槽內。要說明的是，雖然本實施例的壓電感測器2設置在320c內，但不以此容置槽為限制，以圖6來說，壓電感測器2可以設置在每一個容置槽320a~320c內，只要能夠與下模具相互對應的位置即可，而且數量並不以一個為限制，使用者可以根據需求，在同一個容置槽320a~320c內設置多個壓電感測器。

當沖壓過程當中，沖壓頭31藉由Z軸向的上下往復運動，帶動上模具40衝擊在下模具41表面上的材料，以將材料沖壓成形。在此過程中，壓電感測器2可以隨時偵測沖壓所產生的振動，進而產生相應的電訊號輸出給訊號處理器，例如訊號放大、濾除雜訊的電子元件以及具有訊號運算處理與判斷的處理器的組合，將電訊號轉換成相應於振動的資訊，這些資訊可以透過事先儲存於資料庫中的關於模具正常或異常的資料，進行比對之後判斷模具的狀態，提供使用者監控模具的生命週期，最佳化使用模具的壽命，以及維持生產線的生產效能。

由於壓電感測器2設置在非模具的區域，偵測模具在沖壓過程 中之機械特性，解決習用技術將感測器安裝在模具上，受到沖壓直接衝擊，縮短感測器使用壽命的問題。此外，壓電感測器設置在非模具區域上，更可以使壓電感測器不用安裝在需要更換或維修的模具上，便可以準確的量測到工具機之振動，亦不會因更換或維修模具而拆裝感測器，達到感測器重複使用與節省成本的效果。

以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決間題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

2:壓電感測器

20:支撐座

200:容置空間

21:承載件

210、211:端面

212:表面

22:PVDF壓電薄膜感測器

23:配重塊

Claims (10)

1. 一種壓電感測器，包括： 一支撐座，具有一幾何構形，支撐座內具有一容置空間； 一承載件，設置於該容置空間內，該承載件之至少一端與該支撐座的一結構表面相連接；以及 一PVDF壓電薄膜感測器，設置於該承載件的一表面上。
2. 如請求項1所述之壓電感測器，其中該PVDF壓電薄膜感測器包括： 一上電極層，為含銀、銅或鎳金屬之前述任一者或兩者以上的電極層； 一下電極層，為含銀、銅或鎳金屬之前述任一者或兩者以上的電極層； 一聚偏二氟乙烯膜層，介於該上電極層和下電極層之間，該聚偏二氟乙烯膜層為β晶型的PVDF； 一對金屬導線，其各別一端分別連接該上電極層和該下電極層；以及 一絕緣保護膜，包覆該上電極層、該下電極層與該聚偏二氟乙烯膜層，該絕緣保護膜為PET、PVC、PP或者PE所製成。
3. 如請求項1所述之壓電感測器，其中該承載件上更具有配重塊。
4. 如請求項1所述之壓電感測器，其中該PVDF壓電薄膜感測器包括： 一複合膜層，其以聚偏二氟乙烯和石墨烯共燒結所製成的該複合膜層，該複合膜層的厚度介於120~250μm； 一對金屬導線，其各別一端嵌合於該複合膜層的上、下表面；以及 一絕緣保護膜，包覆該複合膜層，該絕緣保護膜為PET、PVC、PP或者PE所製成。
5. 一種工具機，包括： 一承載台，用以承載一加工模具，該承載台上具有一容置部，用以提供容置固定該加工模具的一固定組件；以及 一壓電感測器，設置於該容置部內，該壓電薄膜感測器包括有： 一支撐座，具有一幾何構形，支撐座內具有一容置空間； 一承載件，設置於該容置空間，該承載件之至少一端與該支撐座的一結構表面相連接；以及 一PVDF薄膜壓電感測器，設置於該承載件的一表面上，該PVDF壓電感測器於該加工模具之加工過程中產生一電訊號。
6. 如請求項5所述之工具機，其中該PVDF壓電薄膜感測器包括： 一上電極層，為含銀、銅或鎳金屬之前述任一者或兩者以上的電極層； 一下電極層，為含銀、銅或鎳金屬之前述任一者或兩者以上的電極層； 一聚偏二氟乙烯膜層，介於該上電極層和下電極層之間，該聚偏二氟乙烯膜層為β晶型的PVDF； 一對金屬導線，其各別一端分別連接該上電極層和該下電極層；以及 一絕緣保護膜，包覆該上電極層、該下電極層與該聚偏二氟乙烯膜層，該絕緣保護膜為PET、PVC、PP或者PE所製成。
7. 如請求項5所述之工具機，其中該上電極層的厚度介於2~10μm，該下電極層的厚度為2~10μm，該聚偏二氟乙烯膜層的厚度介於20~120μm。
8. 如請求項5所述之工具機，其中該PVDF壓電薄膜感測器包括： 一複合膜層，其以聚偏二氟乙烯和石墨烯共燒結所製成的該複合膜層，該複合膜層的厚度介於120~250μm； 一對金屬導線，其各別一端嵌合於該複合膜層的上、下表面；以及 一絕緣保護膜，包覆該複合膜層，該絕緣保護膜為PET、PVC、PP或者PE所製成。
9. 如請求項5所述之工具機，其中該容置部為開設於該承載台上的一容置槽，該壓電感測器設置於該容置槽內，且該支撐座的該幾何構形相應於該容置槽的幾何構形。
10. 如請求項5所述之工具機，其中該承載件上更具有配重塊。

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