TWI824320B - 力量感測裝置及其感測器、壓電元件 - Google Patents

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Abstract

一種力量感測裝置及其感測器、壓電元件，其用以被裝設於一機具，以感測力量，尤其是用以感測準靜態力及靜態力，該力量感測裝置至少包含一感測器，該感測器包含一壓電元件，該壓電元件具有一驅動部及一感測部，該驅動部用以被輸入一第一電壓，使該壓電元件產生振動，該感測部用以感測傳遞至該感測部的振動，並輸出一第二電壓值，當該壓電元件的振動被外力抑制時，會使該感測部輸出的該第二電壓值改變，藉由該第二電壓值的變化以計算所受的外力值。

Description

力量感測裝置及其感測器、壓電元件
本發明關於一種力量感測裝置及其感測器、壓電元件，尤其是一種用以感測準靜態力及靜態力的力量感測裝置及其感測器、壓電元件。
習知的壓電式力量力矩感測器，是以正壓電效應感測力量，然由於正壓電效應所產生的電荷會在短時間散失，因此並無法感測準靜態力及靜態力，尤其無法感測超音波加工及超音波手術器的微動力量。
本發明的主要目的是在一壓電元件上形成有一驅動部及一感測部，該驅動部用以被輸入一第一電壓後，使該壓電元件產生振動，該感測部用以感測傳遞至該感測部的振動，並輸出一第二電壓值，當該壓電元件受一外力時，會抑制該壓電元件的振動，同時改變該感測部輸出的該第二電壓值，藉由該第二電壓值的變化以計算該外力。
本發明之一種力量感測裝置包含至少一上基座、一下基座及至少一第一感測器，該第一感測器設置於該上基座及該下基座之間，該第一感測器包含一上殼體及一壓電元件，該壓電元件具有一驅動部及一感測部，該上殼體罩蓋該壓電元件，且該上殼體接觸該壓電元件，該上殼體位於該上基座與該壓電元件之間，該驅動部用以被輸入一第一電壓，使該壓電元件產生振動，該感測部用以感測經由該驅動部傳遞至該感測部的振動，並輸出一第二電壓值，當該上基座受一外力時，該外力經由該上基座及該上殼體傳遞至該壓電元件，並抑制該壓電元件的振動，同時改變該感測部輸出的該第二電壓值，藉由該第二電壓值的變化以計算所受的外力值。
本發明之一種力量感測裝置的感測器包含一上殼體及一壓電元件，該壓電元件具有一驅動部及一感測部，該上殼體罩蓋該壓電元件，且該上殼體接觸該壓電元件，該驅動部用以被輸入一第一電壓，以使該壓電元件產生振動，該感測部用以感測傳遞至該感測部的振動，並輸出一第二電壓值，當該上殼體受一外力時，該外力經由該上殼體傳遞至該壓電元件，並抑制該壓電元件的振動，同時改變該感測部輸出的該第二電壓值，以藉由該第二電壓值的變化以計算所受的外力值。
本發明之一種力量感測裝置的壓電元件，其特徵在於該壓電元件具有一驅動部及一感測部，該驅動部用以被輸入一第一電壓，使該壓電元件產生振動，該感測部用以感測經由該驅動部傳遞至該感測部的振動，並輸出一第二電壓值，當該壓電元件受一外力時，會抑制該壓電元件的振動，同時改變該感測部輸出的該第二電壓值，以藉由該第二電壓值的變化以計算所受的外力值。
本發明藉由用以驅動該壓電元件振動的該驅動部及用以感測該壓電元件振動的該感測部，使該感測部可輸出該第二電壓值，且藉由該第二電壓值的變化以計算該外力值。
100:力量感測裝置
110:上基座
111:第一基部
112:第二基部
120:下基座
130:第一感測器
131:上殼體
132:壓電元件
132a:驅動部
132a1:驅動電極
132b:感測部
132b1:感測電極
132c:接地電極
133:下殼體
134:第一電極片
135:第二電極片
136:第三電極片
140:第二感測器
150:載台
151:臂
160:第一結合件
170:第二結合件
180:黏著劑
190:第三結合件
第1圖：本發明的力量感測裝置的立體圖。
第2圖：本發明的力量感測裝置的分解圖。
第3圖：本發明的力量感測裝置的上視圖。
第4圖：本發明的力量感測裝置的側視圖。
第5圖：本發明的力量感測裝置/感測器的立體圖。
第6圖：本發明的力量感測裝置/感測器的分解圖。
第7圖：本發明的力量感測裝置/感測器的剖視圖。
第8圖：本發明的力量感測裝置的立體圖。
第9圖：本發明的力量感測裝置的分解圖。
第10圖：本發明的力量感測裝置/感測器的剖視圖。
請參閱第1、5及8圖，本發明的一種力量感測裝置100可為單軸感測裝置(請參閱第5圖)或多軸感測裝置(請參閱第1及8圖所揭示的六軸感測裝置或三軸感測裝置)。
請參閱第1至7圖，其為本發明的一第一實施例，該力量感測裝置100包含至少一上基座110、一下基座120、至少一第一感測器130、至少一第二感測器140及一載台150，請參閱第1圖，在本實施例中，該力量感測裝置100用以感測六軸向力量，請參閱第1至4圖，該力量感測裝置100包含有三個上基座110、三個 第一感測器130及三個第二感測器140，該載台150具有至少一臂151，該第一感測器130與該第二感測器140構造相同，但不以此為限。
請參閱第1至4圖，該載台150具有三個臂151，該上基座110具有一第一基部111及一第二基部112，該第一基部111與該第二基部112結合成一體，該些第一感測器130分別設置於該上基座110及該下基座120之間，在本實施例中，該些第一感測器130分別設置於該上基座110的該第一基部111與該下基座120之間，較佳地，該上基座110及該下基座120以至少一第一結合件160結合成一體，以使該第一感測器130被夾持於該上基座110及該下基座120之間，該些第二感測器140分別設置於該第二基部112及該臂151之間，較佳地，該第二基部112及該臂151以至少一第二結合件170結合成一體，以使該第二感測器140被夾持於該第二基部112及該臂151之間，且該載台150懸空於該下基座120上方。
請參閱第2、5至7圖，該第一感測器130包含一上殼體131及一壓電元件132，該壓電元件132材料選自於壓電陶瓷，但不以此為限，該上殼體131罩蓋該壓電元件132，該上殼體131位於該上基座110與該壓電元件132之間，較佳地，該第一感測器130另包含一下殼體133，該壓電元件132設置於該上殼體131與該下殼體133之間，且該上殼體131接觸該壓電元件132，在本實施例中，該上殼體131及該下殼體133可藉由一黏著劑180結合成一體，使該壓電元件132被夾持於該上殼體131及該下殼體133之間，並使該壓電元件132被該上殼體131及該下殼體133施以一預壓力。
請參閱第5至7圖，該壓電元件132具有一驅動部132a及一感測部132b，該驅動部132a用以被輸入一第一電壓，使該壓電元件132產生振動，該感測部132b用以感測經由該驅動部132a傳遞至該感測部132b的振動，並輸出一第 二電壓值，較佳地，該驅動部132a及該感測部132b設置於該壓電元件132的同一側面。
請參閱第5至7圖，該第一感測器130另包含一第一電極片134及一第二電極片135，該驅動部132a具有一驅動電極132a1，該感測部132b具有一感測電極132b1，該第一電極片134與該驅動電極132a1電性連接，該第二電極片135與該感測電極132b1電性連接，在本實施例中，該壓電元件132具有一接地電極132c，該第一感測器130另包含一第三電極片136，該第三電極片136與該接地電極132c電性連接，該感測電極132b1環繞該驅動電極132a1，該第二電極片135環繞該第一電極片134，該上殼體131觸壓該第一電極片134及該第二電極片135，該第一電極片134位於該驅動電極132a1與該上殼體131之間，該第二電極片135位於該感測電極132b1與該上殼體131之間。
請參閱第1至7圖，以該力量感測裝置100感測外力(如準靜態力、靜態力或動態力)時，是經由該第一電極片134輸入該第一電壓至該驅動電極132a1，以使該壓電元件132產生一振動，該感測部132b感測傳遞至該感測部132b的該振動時，並輸出該第二電壓值，請參閱第1及4圖，當該載台150受一外力時，該外力經由該載台150的該臂151傳遞至該第二感測器140，再經由該第二感測器140傳遞至該上基座110，使該上基座110受該外力，該外力再經由該上基座110傳遞至該第一感測器130。
請參閱第6及7圖，當該外力經由該臂151傳遞至該第二感測器140或者經由該上基座110傳遞至該第一感測器130時，該外力會經由該上殼體131傳遞至該壓電元件132，並抑制該壓電元件132的振動，由於該壓電元件132的振動被抑制，同時改變該感測部132b輸出的該第二電壓值，因此可藉由該感測部132b 輸出的該第二電壓值的變化計算所受的外力值，以感測該六軸向力量。
請參閱第5至7圖，其為本發明的一第二實施例，該第二實施例與該第一實施例的差異在於，該第二實施例僅使用該第一感測器130作為單軸力量感測裝置，該第一感測器130包含該上殼體131及該壓電元件132，較佳地，該第一感測器130另包含該下殼體133，該上殼體131及該下殼體133可藉由該黏著劑180結合成一體，使該壓電元件132被夾持於該上殼體131及該下殼體133之間，並使該壓電元件132被該上殼體131及該下殼體133施以一預壓力，該上殼體131用以承受外力。
請參閱第5至7圖，當以該第一感測器130為單軸力量感測裝置，感測外力時，相同地，經由該第一電極片134輸入一第一電壓至該驅動電極132a1，以使該壓電元件132產生一振動，該感測部132b感測傳遞至該感測部132b的該振動時，並輸出一第二電壓值，當該上殼體131受一外力時，該外力經由該上殼體131傳遞至該壓電元件132，並抑制該壓電元件132的振動，由於該壓電元件132的振動被抑制，同時改變該感測部132b輸出的該第二電壓值，因此，相同地，可藉由該感測部132b輸出的該第二電壓值的變化以計算所受的外力值，以感測單軸向力量。
請參閱第8至10圖，其為本發明的一第三實施例，該第三實施例與該第一實施例的差異在於該力量感測裝置100使用三第一感測器130，並以該上基座110承受外力，使該力量感測裝置100作為三軸力量感測裝置，請參閱第8及10圖，該些第一感測器130分別設置於該上基座110及該下基座120之間，且該上基座110及該下基座120以三個第三結合件190結合成一體，在本實施例中，該第三結合件190可選自於一螺桿及一螺帽，各該第三結合件190分別穿設於該下基 座120、該第一感測器130及該上基座110，以使該些第一感測器130被夾持於該上基座110及該下基座120之間。
請參閱第8至10圖，以該力量感測裝置100感測外力時，相同地，經由該第一電極片134輸入一第一電壓至該驅動電極132a1，以使該壓電元件132產生一振動，該感測部132b感測傳遞至該感測部132b的該振動時，並輸出一第二電壓值，當該上基座110受一外力時，該外力經由該上基座110傳遞至該上殼體131，再經由該上殼體131傳遞至該些壓電元件132，當該外力傳遞至該些壓電元件132時會抑制該些壓電元件132的振動，由於該振動被抑制，同時改變該感測部132b輸出的該第二電壓值，因此可藉由該感測部132b輸出的該第二電壓值的變化以計算所受的外力值，以感測三軸向力量。
本發明藉由該第一電壓被輸入至該驅動部132a後，使該壓電元件132產生振動，並使該感測部132b輸出該第二電壓值，當該壓電元件132的該振動被抑制時，使得該感測部132b輸出的該第二電壓值改變，藉由該第二電壓值的變化以感測力量，請參閱第1及8圖所揭露之多軸感測裝置(三軸感測裝置或六軸感測裝置)及第5圖所揭露之單軸感測裝置，其可被運用於感測微振動工具或機械(如超音波加工及超音波手術器等)，以感測準靜態力、靜態力或動態力。
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，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
130:第一感測器
131:上殼體
132:壓電元件
132a:驅動部
132a1:驅動電極
132b:感測部
132b1:感測電極
133:下殼體
134:第一電極片
135:第二電極片
136:第三電極片

Claims (13)

  1. 一種力量感測裝置，包含：至少一上基座；一下基座；以及至少一第一感測器，設置於該上基座及該下基座之間，該第一感測器包含：一上殼體；及一壓電元件，具有一驅動部及一感測部，該上殼體罩蓋該壓電元件，且該上殼體接觸該壓電元件，該上殼體位於該上基座與該壓電元件之間，該驅動部用以被輸入一第一電壓，使該壓電元件產生振動，該感測部用以感測經由該驅動部傳遞至該感測部的振動，並輸出一第二電壓值，當該上基座受一外力時，該外力經由該上基座及該上殼體傳遞至該壓電元件，並抑制該壓電元件的振動，同時改變該感測部輸出的該第二電壓值，藉由該第二電壓值的變化以計算所受的外力值。
  2. 如請求項1之力量感測裝置，其中該驅動部及該感測部設置於該壓電元件的同一側面。
  3. 如請求項1之力量感測裝置，其中該驅動部具有一驅動電極，該感測部具有一感測電極，該第一感測器另包含一第一電極片及一第二電極片，該第一電極片與該驅動電極電性連接，該第二電極片與該感測電極電性連接，且該上殼體觸壓該第一電極片及該第二電極片。
  4. 如請求項3之力量感測裝置，其中該第一電極片位於該驅動電極與該上殼體之間，該第二電極片位於該感測電極與該上殼體之間。
  5. 如請求項1之力量感測裝置，其中該第一感測器另包含一下殼體，該壓電元件設置於該上殼體與該下殼體之間，該上殼體與該下殼體結合成一體， 使該壓電元件被施以一預壓力。
  6. 如請求項1或3之力量感測裝置，其另包含至少一第二感測器及一載台，該上基座具有一第一基部及一第二基部，該第一基部與該第二基部結合成一體，該第一感測器設置於該第一基部與該下基座之間，該載台具有至少一臂，該第二感測器設置於該第二基部及該臂之間，且該臂與該第二基部結合成一體，該載台懸空於該下基座上方。
  7. 一種力量感測裝置的感測器，包含：一上殼體；及一壓電元件，其具有一驅動部及一感測部，該上殼體罩蓋該壓電元件，且該上殼體接觸該壓電元件，該驅動部用以被輸入一第一電壓，以使該壓電元件產生振動，該感測部用以感測傳遞至該感測部的振動，並輸出一第二電壓值，當該上殼體受一外力時，該外力經由該上殼體傳遞至該壓電元件，並抑制該壓電元件的振動，同時改變該感測部輸出的該第二電壓值，以藉由該第二電壓值的變化以計算所受的外力值。
  8. 如請求項7之力量感測裝置的感測器，其中該驅動部及該感測部設置於該壓電元件的同一側面。
  9. 如請求項7之力量感測裝置的感測器，其另包含一第一電極片及一第二電極片，該驅動部具有一驅動電極，該感測部具有一感測電極，該第一電極片與該驅動電極電性連接，該第二電極片與該感測電極電性連接，且該上殼體觸壓該第一電極片及該第二電極片。
  10. 如請求項9之力量感測裝置的感測器，其中該第一電極片位於該驅動電極與該上殼體之間，該第二電極片位於該感測電極與該上殼體之間。
  11. 如請求項7之力量感測裝置的感測器，其另包含一下殼體，該壓電元件設置於該上殼體與該下殼體之間，藉由該上殼體結合該下殼體，使該壓電元件被施以一預壓力。
  12. 一種力量感測裝置的壓電元件，其特徵在於該壓電元件具有一驅動部及一感測部，該驅動部用以被輸入一第一電壓，使該壓電元件產生振動，該感測部用以感測經由該驅動部傳遞至該感測部的振動，並輸出一第二電壓值，當該壓電元件受一外力時，會抑制該壓電元件的振動，同時改變該感測部輸出的該第二電壓值，以藉由該第二電壓值的變化以計算所受的外力值。
  13. 如請求項12之力量感測裝置的壓電元件，其中該驅動部及該感測部設置於該壓電元件的同一側面。
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