TWI805989B - 線性致動裝置 - Google Patents

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Abstract

本案提供一種線性致動裝置，包括基座、線性馬達、轉動馬達以及力量傳感器。線性馬達設置於基座上，且包括固定線圈模組以及可動磁性背板，其中固定線圈模組固定於基座，且可動磁性背板相對固定線圈模組於第一方向上滑動。轉動馬達環繞一中心軸轉動，其中中心軸平行第一方向。力量傳感器包括兩相對側邊，分別平行於第一方向，其中線性馬達之可動磁性背板以及轉動馬達分別連接於力量傳感器的兩相對側邊，其中力量傳感器受到轉動馬達所施加平行於第一方向的作用力，且組配將作用力轉換成電子信號。

Description

線性致動裝置
本案件關於一種致動裝置，尤指一種具有力量傳感器之線性致動裝置，以用於校準由線性致動裝置所產生的作用力。
目前，市場上的微型線性致動裝置大多是呈垂直地使用。由於具有高速和高精度的特性，線性致動裝置(或稱：線性致動器(linear actuator))已成為半導體和面板工業中必要的作動機制。然而，隨著半導體和面板類產品規格的提昇，於製造工程中進行取放部件的技術需求也變得相對嚴格。除了需在每個往復運動中保持位置精度的準確性外，於其中確保作用力的可再現性也被視為重要的一部分。當線性致動裝置不具有力量反饋機制，且所進行處理生產的部件又屬易碎並不耐壓時，則在拾取和放置部件的過程中，線性致動裝置便可能造成過度擠壓和碎裂的風險，且很容易導致產品的良率下降。另一方面，現今市場上傳統的微型線性致動裝置雖可透過裝置的驅動器來實現力量的校正，但由於傳統的線性致動裝置並不具有反饋機制，因此必須在使用前進行一次設定調整。然而，線性致動裝置在操作運行的過程中將伴隨溫度效應，且操作運行的溫度範圍更可由室溫至120攝氏度以上。故於操作運行的過程中所伴隨的溫差變化，可能造成機械零件的熱脹冷縮，從而導致尺寸不具一致性。另一方面，磁體中的磁力也會因溫度變化而受到影響。此時，磁場的不穩定性以及不均勻作用力的生成，均可能在每次作用力的輸出中造成錯誤操作。
有鑑於此，實有必要在提供一種線性致動裝置，以解決前述問題。
本案之目的在於提供一種具有力量傳感器之線性致動裝置，以用於校準由線性致動裝置所產生的作用力。由於線性致動裝置之力量傳感器的兩相對側分別連接有一線性馬達和一轉動馬達，因此將力量傳感器與線性馬達部分地重疊並堆置於基座上，可最小化線性致動裝置的整體尺寸。此外，線性致動裝置中的至少兩個主要組件沿一第一方向佈置，則可使線性致動裝置的整體結構在第一方向上相對其重心具有最小的偏移量，這將有助於線性致動裝置沿第一方向懸掛並應用於一部件的取放作業。換言之，本案具有力量傳感器之線性致動裝置係呈一細長形的排列設置。當線性致動裝置應用於一部件之取放作業時，整個線性致動裝置的支撐處和其重心會在取放部件的方向上產生偏移。而本案採用細長形的排列設置，則有助於避免因運動或受力而引起的晃動。
本案之另一目的在於提供具有力量傳感器之線性致動裝置，以應用於一部件之取放作業。藉由力量傳感器來校準由線性致動裝置所產生的作用力，且將線性致動裝置應用於以往復運動方式執行一部件的取放作業時，施加到部件的作用力可由力量傳感器所測量，並可於往復運動中進行作用力和位置的校正。藉此，每次往復運動中位置精度的準確性得以維持，並可於部件之取放作業中避免過度壓縮和碎裂的發生。此外，力量傳感器更可例如是應變規力量傳感器(strain gauge load cell)，其結構包括彈性元件和一組用於在特定範圍內測量作用力的應變規(strain gauge)。當作用力施加在力量傳感器上時，力量傳感器中的彈性元件會略微變形，但不致於過載負荷，以於變形後回復其原始形狀。而當彈性元件變形時，固定在彈性元件上的應變規也將隨之變形，並將應變規的變形轉換成一電子信號。其中電子信號可反饋至線性致動裝置所連接的驅動器。亦即，作用力的量值可根據力量傳感器的輸出來計算，並將其反饋給線性致動裝置所連接的驅動器。這將有助於其所連接的驅動器來控制線性致動裝置，並於執行部件的取放作業時維持位置精度的準確性。再者，操作期間的溫度差異造成的影響得以消除，作用力的再現性也得以實現。另一方面，為了避免過載負荷而導致力量傳感器不可逆的永久變形和其材料的損壞，力量傳感器的結構中更引入一限制部的特殊設計，使力量傳感器得以在一定的空間內產生變形。而通過限制部的支撐和限制位移的作用下，更可避免力量傳感器因過載負荷變形而損壞。
為達前述目的，本案提供一種線性致動裝置，透過一連接組件沿一第一方向懸掛，包括基座、線性馬達、線性編碼器、轉動馬達以及力量傳感器。線性馬達設置於基座上，且包括固定線圈模組以及可動磁性背板，其中固定線圈模組固定於基座，且可動磁性背板相對固定線圈模組於第一方向上滑動。線性編碼器設置於基座與線性馬達之可動磁性背板之間，且組配用以偵測可動磁性背板相對於基座之線性位移距離。轉動馬達環繞一中心軸轉動，其中中心軸平行第一方向。力量傳感器包括兩相對側邊，且兩相對側邊分別平行於第一方向，其中線性馬達之可動磁性背板以及轉動馬達分別連接於力量傳感器的兩相對側邊，其中力量傳感器受到轉動馬達所施加平行於第一方向的作用力，且組配將作用力轉換成電子信號。
於一實施例中，力量傳感器、可動磁性背板以及固定線圈模組中之至少兩者係沿一第二方向堆疊於基座上，第二方向垂直於第一方向。
於一實施例中，力量傳感器於基座上之投影以及可動磁性背板於基座上之投影至少部分重疊。
於一實施例中，可動磁性背板於基座上之投影以及固定線圈模組於基座上之投影至少部份重疊。
於一實施例中，可動磁性背板於空間上相對於固定線圈模組，且包括一第一群組的磁性件以及一第二群組的磁性件，其中第一群組的磁性件以及第二群組的磁性件分別設置於可動磁性背板的兩個相對內表面，且於空間上分別相對於固定線圈模組的兩個相對外表面。
於一實施例中，第一群組的磁性件係沿第一方向排列，且第二群組的磁性件係沿第一方向排列。
於一實施例中，固定線圈模組包括複數個線圈件，逐一沿第一方向排列。
於一實施例中，基座包括一線性導軌，且線性馬達包括一滑動件安裝於可動磁性背板上，其中滑動件滑動連接於線性導軌，且沿線性導軌的一長度方向自由地往復運動。
於一實施例中，轉動馬達包括一連接件，且轉動馬達透過連接件安裝至力量傳感器。
於一實施例中，轉動馬達之連接件以及線性馬達之可動磁性背板係分別安裝於力量傳感器的兩相對側邊。
於一實施例中，轉動馬達包括一工作前端，設置於轉動馬達的一端，且組配執行一部件之取放作業。
於一實施例中，線性致動裝置更包括一防墜模組，設置於基座以及線性馬達之可動磁性背板之間。
於一實施例中，線性致動裝置更包括一防墜模組，設置於基座以及轉動馬達之間。
於一實施例中，線性致動裝置更包括一通信印刷電路板以及一連接電路板，其中通信印刷電路板安裝於基座上，且連接電路板安裝於線性馬達之可動磁性背板上，其中通信印刷電路板電連接至連接電路板。
於一實施例中，線性馬達、力量傳感器、通訊印刷電路板、連接電路板以及轉動馬達中至少兩者係沿第一方向排列。
於一實施例中，線性致動裝置更包括一蓋體，與基座相組接，以容置線性馬達、力量傳感器、轉動馬達、通訊印刷電路板以及連接電路板。
於一實施例中，線性致動裝置更外接至一驅動器，其中驅動器係電連接至線性馬達以及轉動馬達，且組配分別控制線性馬達以及轉動馬達。
於一實施例中，力量傳感器以及轉動馬達係通過連接電路板以及通訊印刷電路板而電連接至驅動器。
於一實施例中，力量傳感器包括一彈性元件、至少一應變規以及一中空部，其中至少一應變規固定於彈性元件，且中空部貫穿彈性元件，其中當力量傳感器受到轉動馬達所施加的作用力時，彈性元件變形，至少一應變規改變形狀，以量測並標準化轉動馬達所產生的作用力。
於一實施例中，力量傳感器更包括至少一限位部，向中空部內延伸，且彈性元件與限位部於第一方向上形成至少一間隙。
於一實施例中，線性馬達、力量傳感器以及轉動馬達中至少兩者係沿第一方向排列。
於一實施例中，連接組件為一電纜，連接該線性致動裝置至一驅動器
參考後續實施例將更具體地描述本案。需注意的是，後續對於較佳實施例的描述，其目的僅係用以說明和陳述。非意欲使其所揭露的精確形式徹底詳盡或受其限制。
第1圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置的外觀示意圖。第2圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置的內部結構示意圖。第3圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置的結構分解圖。第4圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置中可動磁性背板相對固定線圈模組滑動的示意圖。第5圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置的電路連接圖。如第1圖至第5圖所示，於本實施例中，線性致動裝置1可例如透過一連接組件沿一第一方向懸掛，其中第一方向可例如是Z軸方向，但不以此為限。其中連接組件可例如但不限於是一電䌫81或電纜82，用以將線性致動裝置1連接至一驅動器80。亦即連接組件可視實際應用需求調變。本案並不受限於此。於本實施例中，線性致動裝置1包括基座10、線性馬達20、線性編碼器74、力量傳感器30以及轉動馬達40。線性馬達20設置於基座10上。線性馬達20包括固定線圈模組21以及可動磁性背板22。其中固定線圈模組21固定於基座10，且可動磁性背板22相對固定線圈模組21於第一方向(即Z軸方向)上滑動。固定線圈模組21包括複數個線圈件211。其中複數個線圈件211係逐一沿第一方向(即Z軸方向)排列。可動磁性背板22於空間上相對於固定線圈模組21，且可動磁性背板22包括一第一群組的磁性件221以及一第二群組的磁性件222。其中第一群組的磁性件221以及第二群組的磁性件222分別設置於可動磁性背板22的兩個相對內表面，且於空間上分別相對於固定線圈模組21的兩個相對外表面。於本實施例中，基座10更例如包括一線性導軌12，且線性馬達20包括一滑動件23，且滑動件23安裝於可動磁性背板22上。其中滑動件23滑動連接於線性導軌12，且例如沿線性導軌12的一長度方向自由地往復運動。於本實施例中，線性導軌12的長度方向可例如相同或平行於第一方向(即Z軸方向)，本案並不以此為限。於本實施例中，複數個線圈件211排列成行，且平行於線性導軌12。較佳者，第一群組的磁性件221排列成行，且平行於線性導軌12。再者，第二群組的磁性件222排列成行，且平行於線性導軌12。亦即，複數個線圈件211、第一群組的磁性件221以及第二群組的磁性件222均沿第一方向(即Z軸方向)排列。每一第一群組的磁性件221具有 N磁極或S磁極。每一第二群組的磁性件222具有N磁極或S磁極。於一實施例中，第一群組的磁性件221以N磁極與S磁極交替排列方式構成，且第二群組的磁性件222亦以N磁極與S磁極交替排列方式構成。於本實施例中，可動磁性背板22之第一群組的磁性件221以及第二群組的磁性件222係組配產生一磁場。而與可動磁性背板22之第一群組的磁性件221以及第二群組的磁性件222相對應設置的固定線圈模組21之線圈件211，則於AC電流通過固定線圈模組21之線圈件211時產生偏移磁場。結果，排斥力或磁性吸引力因而產生，並形成驅動力以推動可動磁性背板22移動。 藉此，可動磁性背板22即可相對於固定線圈模組21沿著第一方向滑動。
於本實施例中，線性編碼器74設置於基座10與線性馬達20之可動磁性背板22之間，且組配用以偵測可動磁性背板22相對於固定線圈模組21以及基座10之線性位移距離。
於本實施例中，力量傳感器(load cell)30包括兩相對側邊，平行於第一方向(即Z軸方向)。轉動馬達40以及線性馬達20之可動磁性背板22則分別連接於力量傳感器30的兩相對側邊。亦即，力量傳感器30係安裝於轉動馬達40以及可動磁性背板22之間。此外，力量傳感器30、可動磁性背板22以及固定線圈模組21中之至少兩者係沿一第二方向重疊且堆疊於基座10上，其中第二方向例如是Y軸方向，第二方向垂直於第一方向(即Z軸方向)。於本實施例中，力量傳感器30於基座10上之投影以及線性馬達20之可動磁性背板22於基座10上之投影至少部分重疊。再者，可動磁性背板22於基座10上之投影以及固定線圈模組21於基座10上之投影至少部份重疊。這有助於線性致動裝置1最小化整體尺寸。於本實施例中，力量傳感器30是一種力量感測器。可動磁性背板22驅動力量傳感器30和轉動馬達40一起移動。當轉動馬達40的端部受到在第一方向上施加的作用力時，力量傳感器30組配將轉動馬達40施加到其上的作用力轉換成一電子信號，從而使自轉動馬達40產生的作用力得以被測量並標準化。隨著施加到力量傳感器30的作用力增加，電子信號亦成比例地變化。於本實施例中，力量傳感器30更例如是一種應變規力量傳感器，其具有高精確度，通用性佳，且成本效益佳。關於力量傳感器30的結構將於後詳細描述。
於本實施例中，轉動馬達40係環繞一中心軸C轉動，其中中心軸C平行第一方向，且更包括一連接件41。轉動馬達40透過連接件41安裝至力量傳感器30，且轉動馬達40組配與力量傳感器30以及線性馬達20之可動磁性背板22沿例如Z軸方向的第一方向移動。較佳者，連接件41更例如具有L型的結構，惟本案並不以此為限。再者，轉動馬達40可環繞中心軸C轉動，而中心軸C平行第一方向(即Z軸方向)。於本實施例中，轉動馬達40包括一工作前端42，設置於轉動馬達40的一端，且組配執行一部件之取放作業，惟本案並不以此為限。
於本實施例中，線性致動裝置1更包括一防墜模組50。防墜模組50可例如設置於基座10以及線性馬達20之可動磁性背板22之間，用以防止可動磁性背板22墜落。當然，本案並不以此為限。於本實施例中，防墜模組50可例如但不限於是一彈簧，包括兩相對端分別連接至基座10以及線性馬達20之可動磁性背板22。於其他實施例中，防墜模組50則例如設置於基座10以及轉動馬達40之間，用以防止轉動馬達40墜落。當然，本案並不以此為限。
於本實施例中，線性致動裝置1更包括一通訊印刷電路板60以及一連接電路板70。其中通訊印刷電路板60透過鎖固元件(例如螺絲)安裝於基座10上，以使通訊印刷電路板60鎖固連接至基座10。連接電路板70則透過鎖固元件(例如螺絲)安裝於線性馬達20之可動磁性背板22上，以使連接電路板70鎖固連接至可動磁性背板22。通訊印刷電路板60包括第一可撓印刷電路板61、第一連接器62、第二連接器63和第三連接器64，設置於通訊印刷電路板60的表面上。連接電路板70包括第四連接器71、第五連接器72和第六連接器73，設置於連接電路板70的表面上。另外，線性致動裝置1之線性編碼器74更設置在鎖固連接至可動磁性背板22上的連接電路板70和鎖固連接至基座10上的通訊印刷電路板60之間，用以組配檢測可動磁性背板22相對於固定線圈模組21以及基座10之一線性位移距離。於本實施例中，線性編碼器74可例如但不限於是一光學尺(optical ruler)。第一可撓印刷電路板61連接至連接電路板70的第六連接器73，以使通訊印刷電路板60電連接至連接電路板70。其中第六連接器73例如但不限於是14-PIN連接器。第四連接器71例如但不限於是6-PIN連接器，組配用以與轉動馬達40的編碼器連接。力量傳感器30更包括第二可撓電路板31，連接至連接電路板70之第五連接器72。其中第五連接器72可例如但不限於是8-PIN連接器。此外，第一連接器62更可例如但不限於是6-PIN連接器，組配用於轉動馬達40之編碼器的輸出。第二連接器63則可例如但不限於6-PIN連接器，組配用於通訊輸出。另外，第三連接器64可例如但不限於8-PIN連接器，組配用於霍爾傳感器或負溫度係數(negative temperature coefficient, NTC)傳感器。
於本實施例中，線性致動裝置1更例如包括一蓋體11，且蓋體11與基座10相組接，以容置線性馬達20、力量傳感器30、轉動馬達40、防墜模組50、通訊印刷電路板60以及連接電路板70。
於本實施例中，線性致動裝置1更外接至一驅動器80，其中驅動器80更例如電連接至線性馬達20以及轉動馬達40，且組配分別控制線性馬達20以及轉動馬達40。其中線性導軌12例如沿Z軸方向設置，而可動磁性背板22則組配受驅動器80控制而相對於固定線圈模組21滑動。於本實施例中，線性馬達20例如通過電纜81而電連接至驅動器80，藉以將電力和控制信號提供給線性馬達20。
於本實施例中，通訊印刷電路板60更例如通過電纜82而電連接至驅動器80。如此，力量傳感器30和轉動馬達40可通過連接電路板70和通訊印刷電路板60而電連接到驅動器80，則驅動器80能夠接收力量傳感器30的反饋和轉動馬達40的信息。另一方面，轉動馬達40更例如通過電力電纜83而與驅動器80電連接，以使電力可通過電力電纜83而提供給轉動馬達40。本案並不以此為限。
另一方面，為了使每個主要構件在第一方向(即Z軸方向)上相對線性致動裝置1的整體結構的重心具有最小的偏移量，線性馬達20、力量傳感器30，通訊印刷電路板60，連接電路板70以及轉動馬達40中至少兩者更沿著第一方向(即Z軸方向)排列設置。於本實施例中，力量傳感器30、連接電路板70和通訊印刷電路板60係沿第一方向排列設置。線性馬達20和通訊印刷電路板60也沿著第一方向排列設置。另外，於本實施例中，力量傳感器30在基座10上的投影和線性馬達20之可動磁性背板22在基座10上的投影部分重疊。此外，可動磁性背板22在基座10上的投影與固定線圈模塊21在基座10上的投影也部分重疊。亦即，力量傳感器30、可動磁性背板22和固定線圈模組21中的至少兩者係沿第二方向堆疊在基座10上，其第二方向例如但不限於是Y軸方向，垂直於第一方向（即Z軸方向）。因此，當線性致動裝置1需沿第一方向懸掛並應用於一部件的取放作業時，線性致動裝置1可輕易地被掛起。
第6圖至第8圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置的作動示意圖。如第5圖至第7圖所示，當線性馬達20由驅動器80所致動時，可動磁性背板22會相對於固定線圈模組21滑動，而可動磁性背板22進一步驅動轉動馬達40沿第一方向運動，其中第一方向可例如但不限於是Z軸方向。如此，線性致動裝置1可利用工作前端42來拾取和放置部件90。另一方面，如第5圖、第7圖以及第8圖所示，當轉動馬達40被驅動器80所致動時，轉動馬達40則圍繞平行於第一方向（即Z軸方向）的中心軸C而旋轉。如此，工作前端42可用於旋轉所拾取的部件90。
於本實施例中，線性致動裝置1更例如應用於處理部件的拾取和放置。第9圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置應用於部件取放作業之一示例性程序。於本實施例中，複數個線性致動裝置1沿一直線排列設置，且例如但不限於平行於Y軸方向。複數個線性致動裝置1由對應的驅動器80所驅動（參考圖5），以對排列於第一平台91之第一容置座92上的部件90平順地進行取放作業。
第10圖至第13圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置應用於部件取放作業之另一示例性程序。如第4圖、第5圖以及第10圖所示，在本案的線性致動裝置1中，可動磁性背板22可受驅動而相對於固定線圈模組21滑動，且可動磁性背板22更進一步驅動轉動馬達40沿第一方向向下移動。其中第一方向可例如但不限於Z軸方向。如此，工作前端42可位移並施力於部件90的表面，且部件90在第一平台91的第一容置座92中被拾取。如第4圖、第5圖以及第11圖所示，部件90在第一平台91的第一容置座92中被拾取後，線性致動裝置1的可動磁性背板22會被驅動以相對於固定線圈模組21滑動，並使可動磁性背板22進一步驅動轉動馬達40沿第一方向向上運動。其中第一方向可例如但不限於Z軸方向。如此，工作前端42與所拾取的部件90向上位移。在這種情況下，轉動馬達40可被致動，以旋轉由工作前端42所拾取的部件90。此外，整個線性致動裝置1也可被驅動位移，以運送部件90。如第4圖、第5圖以及第12圖所示，當整個線性致動裝置1移動至第二平台93的複數個第二容置座94的上方時，轉動馬達40可被驅動而旋轉部件90，以使部件90可配合相應的第二容置座94。然後，如第4圖、第5圖以及第13圖所示，線性致動裝置1的可動磁性背板22受驅動以相對於固定線圈模組21滑動，且可動磁性背板22更驅動轉動馬達40沿第一方向向下移動。其中第一方向可例如但不限於Z軸方向。當部件90貼附至相應的第二容置座94時，工作前端42釋放部件90，使得部件90得以放置於第二平台93上的相應第二容置座94上。當然，本案並不以此為限，且不再贅述。
值得注意的是，力量傳感器30具有分別平行於第一方向（即Z軸方向）的兩相對側邊，而轉動馬達40和線性馬達20的可動磁性背板22則分別連接到力量傳感器30的兩相對側邊上。如此，於拾取期間在第一方向上工作前端42與部件90之間產生的作用力便得以校準。於本實施例中，力量傳感器30更例如是一種力量感測器。當線性致動裝置1應用於沿第一方向以往復運動方式執行一部件的取放作業時，施加到部件90的作用力可由力量傳感器30測量，並可於沿第一方向的往復運動中進行作用力和位置的校正。藉此，每次往復運動中位置精度的準確性得以維持，並可於部件90之取放作業中避免過度壓縮和碎裂的發生。
於本實施例中，力量傳感器30更例如是應變規力量傳感器。第14圖係揭示本案線性致動裝置所使用之力量傳感器的第一示例性結構。第15圖係揭示本案力量傳感器所使用之應變規的示例性結構。第16圖係揭示本案力量傳感器的電路圖。第17圖係揭示本案力量傳感器受力而產生變形的示意圖。第18圖係揭示於力量傳感器受力時應變規因而拉伸的示範性形狀。第19圖係揭示於力量傳感器受力時應變規因而壓縮的示範性形狀。於本實施例中，力量傳感器30a包括彈性元件32、四個應變規S1~S4以及中空部33。彈性元件32包括第一側邊301、第二側邊302、第三側邊303以及第四側邊304，第一側邊301與第二側邊302彼此相對，第三側邊303與第四側邊304彼此相對，且第三側邊303以及第四側邊304係分別連接於第一側邊301以及第二側邊302之間。中空部33架構於第一側邊301、第二側邊302、第三側邊303以及第四側邊304之間。較佳者，第一側邊301例如與第一方向（即Z軸方向）平行，且第二側邊302與第一方向（即Z軸方向）平行。另外，第三側邊303則可例如與第一方向（即Z軸方向）垂直，且第四側邊304例如與第一方向（即Z軸方向）垂直。當然，本案並不以此為限。其中四個應變規S1~S4固定於彈性元件32的第三側邊303以及第四側邊304上。較佳者，應變規S1與應變規S4為空間上彼此相對的一對應變規，且分別對稱設置於第三側邊303以及第四側邊304上。另外，應變規S2與應變規S3為空間上彼此相對的一對應變規，且分別對稱設置於第三側邊303以及第四側邊304上。於本實施例中，力量傳感器30a的彈性元件32可例如但不限於是由鋁、合金鋼或不銹鋼所製成。中空部33貫穿過彈性元件32。當作用力沿第一方向（即Z軸方向）施加於力量傳感器30a之第二側邊302時，第二側邊302相對第一側邊301位移，彈性元件32略微變形，但不致於過載負荷，以於變形後回復其原始形狀。而當彈性元件32變形時，固定在彈性元件32上的應變規S1~S4也將隨之變形，以於一特定範圍內量測並標準化所述作用力。於本實施例中，每個應變規S1~S4可例如是由金屬線W0或金屬片所構成，且其係呈網格狀設置並附接到彈性元件32上。於本實施例中，四個應變規S1~S4設置成一橋式電路，如第16圖所示。當應變規S1至S4的形狀改變時，其對應的電阻R1~R4即發生變化。而應變規S1~S4所對應電阻R1~R4變化的結果可測量出一電壓V。該電壓V的變化便與施加到力量傳感器30a上的作用力成正比。因此，所施加的作用力的量值可由力量傳感器30a的輸出來計算。如第17圖至第19圖所示，當力量傳感器30a的一端部施加來自轉動馬達40的作用力時，力量傳感器30a即組配將自轉動馬達40施加於其上的作用力轉換成一電子信號，從而使自轉動馬達40產生的作用力得以被測量並標準化。隨著施加到力量傳感器30a的作用力增加，電子信號亦成比例地變化。於本實施例中，當施加到力量傳感器30a之端部的作用力使應變規S1和S3受張力而拉伸，則應變規S1和S3的金屬線W1變長，從而導致應變規S1和S3所對應的電阻R1和R3增加。若是受壓則呈反向變化。當施加到力量傳感器30a之端部的作用力使應變規S2和S4因壓力而壓縮，應變規S2和S4的金屬線W2變短，從而導致應變規S2和S4所對應的電阻R2和R4減小。藉由將應變規S1至S4安裝在彈性元件32上，有利於力量傳感器30a反映出微小變化的待測值，且於一特定範圍內量測並標準化前述作用力。當然，本案並不以此為限。
第20圖係揭示本案線性致動裝置所使用之力量傳感器的第二示例性結構。於本實施例中，力量傳感器30b與第14圖所示力量傳感器30a相似，且相同的元件標號代表相同的元件、結構與功能，於此不再贅述。於本實施例中，力量傳感器30b更包括一對限位部34，連接彈性元件32，由第一側邊301向第二側邊302的方向(即X軸方向之逆向)延伸至中空部33內，且於空間上相對於應變規S2和應變規S3，且彈性元件32與一對限位部34於第一方向上更形成一對間隙g，例如於彈性元件32與限位部34之間呈一圓弧狀。當在力量傳感器30b上施加過大的力時，彈性元件32將變形，直到彈性元件32與限位部34相接觸，而對應的間隙g消失。此時，力量傳感器30b的變形會被限位在一定的空間內。通過限位部34之支撐和限制位移的作用下，可防止力量傳感器30b因過度受力變形而損壞。於其他實施例中，中空部33及限位部34的輪廓可根據實際需求進行調整，本案並不以此為限。在本實施例中，力量傳感器30b還包括兩個第一固定孔35和兩個第二固定孔36。兩個第一固定孔35組配與螺釘或螺栓接合，以將力量傳感器30b安裝在可動磁性背板22上。兩個第二固定孔36組配與螺釘或螺栓接合，以將力量傳感器30b安裝在轉動馬達40的連接件41上。藉此，線性馬達20和轉動馬達40分別連接至力量傳感器30b的第一側邊301以及第二側邊302，且力量傳感器30b於第一方向上作為線性馬達20和轉動馬達40之間的力量感測器，將轉動馬達40所施加平行於第一方向的作用力轉換成一電子信號。
第21圖及第22圖係揭示本案線性致動裝置所使用之力量傳感器的第三示例性結構。第23圖係為第21圖所示力量傳感器的前視圖。第24圖係為第23圖中區域P1的放大圖。於本實施例中，力量傳感器30c與第20圖所示力量傳感器30b相似，且相同的元件標號代表相同的元件、結構與功能，於此不再贅述。於本實施例中，力量傳感器30c包括一對限位部34，連接彈性元件32，由第一側邊301向第二側邊302的方向(即X軸方向之逆向)延伸至中空部33內。一對限位部34於空間上分別相對於一對應變規S2和S3。其中一對限位部34的位置更分別與應變規S2和應變規S3的位置相鄰設置。於本實施例中，彈性元件32和該對限位部34例如是一體成型構成，且更例如是由鋁、合金鋼或不銹鋼所製成。於第一方向上，一對間隙g係分別形成於彈性元件32和該對限位部34之間。又該對間隙g於空間上係分別相對於成對的應變規S2和S3。於本實施例中，每一間隙g在例如Z軸方向的第一方向上以及彈簧元件32和限位部34之間更具有一間隔距離D。當作用力如沿著例如第一方向（即Z軸方向）或相反於第一方向而施加於力量傳感器30c上時，彈簧元件32變形，且對應間隙g的間隔距離D逐漸減小。直到其中之一間隙g的間隔距離D消失為止，力量傳感器30c可於特定範圍內精確地測量施加於力量傳感器30c上的作用力。另一方面，當施加於力量傳感器30c上的作用力超過特定範圍時，該對間隙g中之一者的間隔距離D完全消失，限位部34將力量傳感器30c之彈性元件32的變形限制於一特定空間內。換言之，間隔距離D係與作用力成反比。當一對間隙g中之一者的間隔距離D為零時，即表示作用力大於力量傳感器30c所限定量測的特定範圍，則限位部34可支撐彈性元件32，俾以限制彈性元件32之變形。於本實施例中，力量傳感器30c的限位部34和彈性元件32之間的間隙g例如具有0.2 mm的間隔距離D，並組配用於測量5kg以下的力。然而通過在限位部34和彈性元件32之間設計間隙g，力量傳感器30c可承受50kg的過度作用力施加於其上而不使力量傳感器30c的彈件元件32受限。藉由限位部34的支撐和限制位移的作用，可避免力量傳感器30c的彈性元件32因過度作用力的變形而導致損壞。於其他實施例中，中空部33及限位部34的輪廓可根據實際需求進行調整。本案並不以此為限。
第25圖係揭示本案線性致動裝置所使用之力量傳感器的第四示例性結構。第26圖係為第25圖所示力量傳感器的前視圖。於本實施例中，力量傳感器30d與第20圖所示力量傳感器30b相似，且相同的元件標號代表相同的元件、結構與功能，於此不再贅述。於本實施例中，力量傳感器30d更包括一連接部37，連接部37連接於彈性元件32的第一側邊301和限位部34之間。於本實施例中，彈性元件32和連接部37可例如是但不限於由鋁所製成，以便提供變形所需的拉伸性。較佳者，限位部34可例如是但不限於由不銹鋼所製成，以便提供支撐和限制位移所需的剛度。另一方面，與第23圖的力量傳感器30c相比，力量傳感器30d更減小了限位部34的體積，且將力量傳感器30d之中空部33的體積增大。又力量傳感器30d的每個間隙g具有相同於力量傳感器30c之間隙g的間隔距離D。通過增加中空部33相對於限位部34的體積比，有助於減輕力量傳感器30d的整體重量。於其他實施例中，中空部33與限位部34的輪廓可視實際應用需求而調變，本案並不以此為限。
第27圖係揭示本案第二較佳實施例之線性致動裝置的外觀示意圖。第28圖係揭示本案第二較佳實施例之線性致動裝置的內部結構示意圖。第29圖係揭示本案第二較佳實施例之線性致動裝置的結構分解圖。第30圖係揭示本案第二較佳實施例之線性致動裝置中可動磁性背板相對固定線圈模組滑動的示意圖。於本實施例中，線性致動裝置1a與第1圖至第5圖所示線性致動裝置1相似，且相同的元件標號代表相同的元件、結構與功能，於此不再贅述。於本實施例中，連接電路板70、力量傳感器30和轉動馬達40係沿第一方向（即Z軸方向）排列設置。此外，力量傳感器30和轉動馬達40更通過例如L形連接件41而彼此組裝。相較於第一實施例中線性致動裝置器1的排列設置，線性致動裝置1a的排列設置更具備節省空間以及最小化整體尺寸的優點。 當然，線性致動裝置1和線性致動裝置器1a的排列設置可視實際應用需求而調變，本案並不受限於此，且不再贅述。
第31圖係揭示本案第三較佳實施例之線性致動裝置的外觀示意圖。第32圖係揭示本案第三較佳實施例之線性致動裝置的內部結構示意圖。第33圖係揭示本案第三較佳實施例之線性致動裝置的結構分解圖。第34圖係揭示本案第三較佳實施例之線性致動裝置中可動磁性背板相對固定線圈模組滑動的示意圖。於本實施例中，線性致動裝置1b與第1圖至第5圖所示線性致動裝置1相似，且相同的元件標號代表相同的元件、結構與功能，於此不再贅述。於本實施例中，力量傳感器30更例如沿垂直於第一方向的第二方向，例如Y軸方向，安裝堆疊於可動磁性背板22上。亦即，力量傳感器30於基座10上的投影和可動磁性背板22於基座10上的投影部分重疊。此外，力量傳感器30和轉動馬達40a相鄰於連接件41且安裝於連接件41上，使得力量傳感器30和轉動馬達40a可沿例如但不限於Z軸方向的第一方向排列設置。另外，通訊印刷電路板60a在第一方向（即Z軸方向）上與線性馬達20和力量傳感器30相鄰設置。連接電路板70a則安裝並堆疊在線性馬達20上。結果，線性馬達20、力量傳感器30、轉動馬達40a、通訊印刷電路板60a和連接電路板70a得以沿例如是但不限於是Z軸方向的第一方向排列佈置，以實現線性致動裝置1b的細長形的排列設置。藉由線性致動結置1b的細長形的排列設置，當線性致動裝置1b沿第一方向（即Z軸方向）懸掛而起時，沿第一方向（即Z軸方向）排列設置的每個構件都接近整個線性致動裝置1b的重心。當線性致動裝置1b應用於沿第一方向（即Z軸方向）進行一部件之取放作業時，容易將線性致動裝置1b掛起，並使每個構件在第一方向上相對線性致動裝置1b的整體結構的重心具有最小的偏移量。當線性致動裝置1b沿X軸方向或Y軸方向移動時，或線線性致動裝置1b之轉動馬達40a沿第一方向受力時，這將有利於減少晃動的產生。另一方面，於一實施例中，通訊印刷電路板60a包括一集成連接器61a，而集成連接器61a通過電纜82a電連接至驅動器80，以將力量傳感器30的反饋和轉動馬達40a的信息傳送至驅動器80。再者，線性馬達20和轉動馬達40a通過電力電纜81a電連接到驅動器80，以將電力供予線性馬達20和轉動馬達40a。於本實施例中，電路板70a鎖固連接至可動磁性背板22上，而線性編碼器74a更設置於連接電路板70a的下方，俾以最小化線性致動裝置1b的整體體積。於本實施例中，防墜模組50則設置於基座10與連接件41之間。轉動馬達40a、力量傳感器30和線性馬達20之可動磁性背板22則安裝在連接件41上。如此，可防止了可動磁性背板22、力量傳感器30以及轉動馬達40a的墜落。於本實施例中，防墜模組50可例如但不限於是彈簧，且具有兩個相對端，分別連接到基座10和連接件41。當然，於其他實施例中，線性馬達20、力量傳感器30、轉動馬達40a、防墜模組50、通訊印刷電路板60a和連接電路板70a的佈置可視實際應用需求而調變。本案並不以此為限，且不再贅述。
綜上所述，本案提供一種具有力量傳感器之線性致動裝置，以用於校準由線性致動裝置所產生的作用力。由於線性致動裝置之力量傳感器的兩相對側分別連接有一線性馬達和一轉動馬達，因此將力量傳感器與線性馬達部分地重疊並堆置於基座上，可最小化線性致動裝置的整體尺寸。此外，線性致動裝置中的至少兩個主要組件沿一第一方向佈置，則可使線性致動裝置的整體結構在第一方向上相對其重心具有最小的偏移量，這將有助於線性致動裝置沿第一方向懸掛並應用於一部件的取放作業。換言之，本案具有力量傳感器之線性致動裝置係呈一細長形的排列設置。當線性致動裝置應用於一部件之取放作業時，整個線性致動裝置的支撐處和其重心會在取放部件的方向上產生偏移。而本案採用細長形的排列設置，則有助於避免因運動或受力而引起的晃動。又本案具有力量傳感器之線性致動裝置應用於一部件之取放作業時，可藉由力量傳感器來校準由線性致動裝置所產生的作用力。而將線性致動裝置應用於以往復運動方式執行一部件的取放作業時，施加到部件的作用力可由力量傳感器所測量，並可於往復運動中進行作用力和位置的校正。藉此，每次往復運動中位置精度的準確性得以維持，並可於部件之取放作業中避免過度壓縮和碎裂的發生。此外，力量傳感器更可例如是應變規力量傳感器，其結構包括彈性元件和一組用於在特定範圍內測量作用力的應變規。當作用力施加在力量傳感器上時，力量傳感器中的彈性元件會略微變形，但不致於過載負荷，以於變形後回復其原始形狀。而當彈性元件變形時，固定在彈性元件上的應變規也將隨之變形，並將應變規的變形轉換成一電子信號。其中電子信號可反饋至線性致動裝置所連接的驅動器。亦即，作用力的量值可根據力量傳感器的輸出來計算，並將其反饋給線性致動裝置所連接的驅動器。這將有助於其所連接的驅動器來控制線性致動裝置，並於執行部件的取放作業時維持位置精度的準確性。再者，操作期間的溫度差異造成的影響得以消除，作用力的再現性也得以實現。另一方面，為了避免過載負荷而導致力量傳感器不可逆的永久變形和其材料的損壞，力量傳感器的結構中更引入一限制部的特殊設計，使力量傳感器得以在一定的空間內產生變形。而通過限制部的支撐和限制位移的作用下，更可避免力量傳感器因過載負荷變形而損壞。
本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
1、1a、1b:線性致動裝置 10:基座 11:蓋體 12:線性導軌 20:線性馬達 21:固定線圈模組 211:線圈件 22:可動磁性背板 221:第一群組的磁性件 222:第二群組的磁性件 23:滑動件 30、30a、30b、30c、30d:力量傳感器 301:第一側邊 302:第二側邊 303:第三側邊 304:第四側邊 31:第二可撓電路板 32:彈性元件 33:中空部 34:限位部 35:第一固定孔 36:第二固定孔 37:連接部 40、40a:轉動馬達 41:連接件 42:工作前端 50:防墜模組 60、60a:通訊印刷電路板 61:第一可撓印刷電路板 61a:集成連接器 62:第一連接器 63:第二連接器 64:第三連接器 70、70a:連接電路板 71:第四連接器 72:第五連接器 73:第六連接器 74、74a:線性編碼器 80:驅動器 81、82、82a:電纜 81a、83:電力電纜 90:部件 91:第一平台 92:第一容置座 93:第二平台 94:第二容置座 g:間隙 C:中心軸 D:間隔距離 R1、R2、R3、R4:電阻 S1、S2、S3、S4:應變規 W0、W1、W2:金屬體 X、Y、Z:軸
第1圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置的外觀示意圖。 第2圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置的內部結構示意圖。 第3圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置的結構分解圖。 第4圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置中可動磁性背板相對固定線圈模組滑動的示意圖。 第5圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置的電路連接圖。 第6圖至第8圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置的作動示意圖。 第9圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置應用於部件取放作業之一示例性程序。 第10圖至第13圖係揭示本案第一較佳實施例之線性致動裝置應用於部件取放作業之另一示例性程序。 第14圖係揭示本案線性致動裝置所使用之力量傳感器的第一示例性結構。 第15圖係揭示本案力量傳感器所使用之應變規的示例性結構。 第16圖係揭示本案力量傳感器的電路圖。 第17圖係揭示本案力量傳感器受力而產生變形的示意圖。 第18圖係揭示於力量傳感器受力時應變規因而拉伸的示範性形狀。 第19圖係揭示於力量傳感器受力時應變規因而壓縮的示範性形狀。 第20圖係揭示本案線性致動裝置所使用之力量傳感器的第二示例性結構。 第21圖係揭示本案線性致動裝置所使用之力量傳感器的第三示例性結構。 第22圖係揭示本案線性致動裝置所使用之力量傳感器的第三示例性結構於另一視角的結構示意圖。 第23圖係為第21圖所示力量傳感器的前視圖。 第24圖係為第23圖中區域P1的放大圖。 第25圖係揭示本案線性致動裝置所使用之力量傳感器的第四示例性結構。 第26圖係為第25圖所示力量傳感器的前視圖。 第27圖係揭示本案第二較佳實施例之線性致動裝置的外觀示意圖。 第28圖係揭示本案第二較佳實施例之線性致動裝置的內部結構示意圖。 第29圖係揭示本案第二較佳實施例之線性致動裝置的結構分解圖。 第30圖係揭示本案第二較佳實施例之線性致動裝置中可動磁性背板相對固定線圈模組滑動的示意圖。 第31圖係揭示本案第三較佳實施例之線性致動裝置的外觀示意圖。 第32圖係揭示本案第三較佳實施例之線性致動裝置的內部結構示意圖。 第33圖係揭示本案第三較佳實施例之線性致動裝置的結構分解圖。 第34圖係揭示本案第三較佳實施例之線性致動裝置中可動磁性背板相對固定線圈模組滑動的示意圖。
1:線性致動裝置
10:基座
12:線性導軌
20:線性馬達
21:固定線圈模組
22:可動磁性背板
30:力量傳感器
31:第二可撓電路板
40:轉動馬達
41:連接件
42:工作前端
50:防墜模組
60:通信印刷電路板
61:第一可撓印刷電路板
62:第一連接器
63:第二連接器
64:第三連接器
70:連接電路板
71:第四連接器
72:第五連接器
73:第六連接器
74:線性編碼器
80:驅動器
81、82:電纜
83:電力電纜
C:中心軸
X、Y、Z:軸

Claims (19)

  1. 一種線性致動裝置，透過一連接組件沿一第一方向懸掛，其中該線性致動裝置包括：一基座；一線性馬達，設置於該基座上，且包括一固定線圈模組以及一可動磁性背板，其中該固定線圈模組固定於該基座，且該可動磁性背板相對該固定線圈模組於該第一方向上滑動；一線性編碼器，設置於該基座與該線性馬達之該可動磁性背板之間，且組配用以偵測該可動磁性背板相對於該基座之一線性位移距離一轉動馬達，環繞一中心軸轉動，其中該中心軸平行該第一方向；以及一力量傳感器，包括兩相對側邊，且該兩相對側邊分別平行於該第一方向，其中該線性馬達之該可動磁性背板以及該轉動馬達分別連接於該力量傳感器的該兩相對側邊，其中該力量傳感器受到該轉動馬達所施加平行於該第一方向的一作用力，且組配將該作用力轉換成一電子信號，其中該力量傳感器以及該轉動馬達係沿該第一方向排列。
  2. 如請求項1所述之線性致動裝置，其中該力量傳感器、該可動磁性背板以及該固定線圈模組中之至少兩者係沿一第二方向堆疊於該基座上，該第二方向垂直於該第一方向。
  3. 如請求項1所述之線性致動裝置，其中該力量傳感器於該基座上之投影以及該可動磁性背板於該基座上之投影至少部分重疊，其中該可動磁性背板於該基座上之投影以及該固定線圈模組於該基座上之投影至少部份重疊。
  4. 如請求項1所述之線性致動裝置，其中該可動磁性背板於空間上相對於該固定線圈模組，且包括一第一群組的磁性件以及一第二群組的磁性件， 其中該第一群組的磁性件以及該第二群組的磁性件分別設置於該可動磁性背板的兩個相對內表面，且於空間上分別相對於該固定線圈模組的兩個相對外表面，其中該第一群組的磁性件係沿該第一方向排列，且該第二群組的磁性件係沿該第一方向排列。
  5. 如請求項1所述之線性致動裝置，其中該固定線圈模組包括複數個線圈件，逐一沿該第一方向排列。
  6. 如請求項1所述之線性致動裝置，其中該基座包括一線性導軌，且該線性馬達包括一滑動件安裝於該可動磁性背板上，其中該滑動件滑動連接於該線性導軌，且沿該線性導軌的一長度方向自由地往復運動。
  7. 如請求項1所述之線性致動裝置，其中該轉動馬達包括一連接件，且該轉動馬達透過該連接件安裝至該力量傳感器。
  8. 如請求項7所述之線性致動裝置，其中該轉動馬達之該連接件以及該線性馬達之該可動磁性背板係分別安裝於該力量傳感器的該兩相對側邊。
  9. 如請求項1所述之線性致動裝置，其中該轉動馬達包括一工作前端，設置於該轉動馬達的一端，且組配執行一部件之取放作業。
  10. 如請求項1所述之線性致動裝置，更包括一防墜模組，設置於該基座以及該線性馬達之該可動磁性背板之間。
  11. 如請求項1所述之線性致動裝置，更包括一防墜模組，設置於該基座以及該轉動馬達之間。
  12. 如請求項1所述之線性致動裝置，更包括一通信印刷電路板以及一連接電路板，其中該通信印刷電路板安裝於該基座上，且該連接電路板安裝於 該線性馬達之該可動磁性背板上，其中該通信印刷電路板電連接至該連接電路板。
  13. 如請求項12所述之線性致動裝置，其中該線性馬達、該力量傳感器、該通訊印刷電路板、該連接電路板以及該轉動馬達中至少兩者係沿該第一方向排列。
  14. 如請求項12所述之線性致動裝置，更包括一蓋體，與該基座相組接，以容置該線性馬達、該力量傳感器、該轉動馬達、該通訊印刷電路板以及該連接電路板。
  15. 如請求項12所述之線性致動裝置，更外接至一驅動器，其中該驅動器係電連接至該該線性馬達以及該轉動馬達，且組配分別控制該線性馬達以及該轉動馬達。
  16. 如請求項15所述之線性致動裝置，其中該力量傳感器以及該轉動馬達係通過該連接電路板以及該通訊印刷電路板而電連接至該驅動器。
  17. 如請求項1所述之線性致動裝置，其中該力量傳感器包括一彈性元件、至少一應變規以及一中空部，其中該至少一應變規固定於該彈性元件，且該中空部貫穿該彈性元件，其中當該力量傳感器受到該轉動馬達所施加的該作用力時，該彈性元件變形，該至少一應變規改變形狀，以量測並標準化該轉動馬達所產生的該作用力。
  18. 如請求項17所述之線性致動裝置，其中該力量傳感器更包括至少一限位部，向該中空部內延伸，且該彈性元件與該限位部於該第一方向上形成至少一間隙。
  19. 如請求項1所述之線性致動裝置，其中該連接組件為一電纜，連接該線性致動裝置至一驅動器。
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