TW201930752A - 一種具傾斜偵測器的滾珠螺桿 - Google Patents

Abstract

一種具傾斜偵測器的滾珠螺桿，包括一螺桿、兩螺帽、一管道、多個滾珠以及一傾斜偵測器。螺桿沿一軸線的一軸向延伸。兩螺帽套設於螺桿上，以使兩螺帽可沿軸向移動。傾斜偵測器設置於兩螺帽之間用以偵測二螺帽的一傾斜角及預壓力大小。傾斜偵測器包含一受力元件、至少一第一應變感測器及至少一第二應變感測器。該受力元件包含一點對稱的環狀結構且該環狀結構具有二相互平行的平面。該二相互平行的平面分別與兩螺帽接觸。

Description

一種具傾斜偵測器的滾珠螺桿

本發明是有關於一種滾珠螺桿，且特別是有關於一種可偵測螺帽傾斜以及預壓力變化的滾珠螺桿。

滾珠螺桿是一種將鋼珠安裝於螺帽與螺桿之間，並將螺帽內鋼珠的迴轉運動轉換為直線運動的傳動機械組件。滾珠螺桿具有精度高、使用壽命長以及可做高速正向、逆向的傳動等特性。

對於加工機的各種精密加工製程而言，越來越需要能夠即時監控滾珠螺桿的預壓力大小與溫度變化等訊號。如何將這些訊號即時回饋給控制器，以作為後續的精度控制與故障診斷的依據，已成為智慧滾珠螺桿未來的技術發展趨勢之一。

現有的滾珠螺桿透過安裝在螺帽內的壓力感測器，以感測滾珠螺桿的預壓力並藉此判別滾珠螺桿的精度是否產生偏差。由於現有的滾珠螺桿僅具備螺帽的預壓力感測器，無法補償因溫度變化所造成的預壓力變化。另一方面，現有的一些滾珠螺桿僅具備溫度感測器而無參考應變感測器，無法準確計算出因溫度變化而造成的預壓力大小。此外，現有滾珠螺桿在長期使用之後，螺帽與感測器的接觸面會成為非平行的面，進而造成螺帽傾斜。傾斜的螺帽容易造成螺帽與螺桿之間的磨損增加，進而影響滾珠螺桿的使用壽命及精度。

本發明提供一種滾珠螺桿，可偵測螺帽的傾斜程度以及預壓力變化，使滾珠螺桿保持在螺帽沒有傾斜的情況下進行運作，以避免滾珠螺桿的磨耗，以提高使用滾珠螺桿的壽命。

本發明的滾珠螺桿包括一螺桿、兩螺帽、一管道、多個滾珠以及一傾斜偵測器。螺桿的一外表面具有一第一溝槽。各個螺帽的一內表面具有一第二溝槽。螺桿沿一軸線的一軸向延伸。兩螺帽套設於螺桿上，以使兩螺帽可沿軸向移動。管道由第一溝槽與相應的第二溝槽所構成。多個滾珠配置於管道中。傾斜偵測器設置於兩螺帽之間用以偵測二螺帽的一傾斜角，且傾斜偵測器包含一受力元件、至少一第一應變感測器及至少一第二應變感測器。受力元件包含至少一環狀結構具有二平面，環狀結構所在的一第一切面上的一法向量與軸向平行，第一切面與軸線相交於一第一交點。其中，二平面相互平行且二平面分別與兩螺帽接觸，至少一環狀結構為以第一交點為一第一對稱點的一點對稱結構。

本發明的滾珠螺桿包括一螺桿、兩螺帽、一管道、多個滾珠以及一傾斜偵測器。螺桿的一外表面具有一第一溝槽。各個螺帽的一內表面具有一第二溝槽。螺桿沿一軸向延伸。兩螺帽套設於螺桿上，以使兩螺帽可沿軸向移動。管道由第一溝槽與相應的第二溝槽所構成。多個滾珠配置於管道中。傾斜偵測器設置於兩螺帽之間用以偵測二螺帽的一傾斜角，且傾斜偵測器包含一受力元件、至少一第一應變感測器、至少一第二應變感測器、至少一參考應變感測器及至少一溫度感測器。受力元件具有至少一環狀結構。至少一環狀結構具有二平面，至少一環狀結構所在的一第一切面上的一法向量與軸向平行，第一切面與軸線相交於一第一交點。其中，二平面相互平行且二平面分別與兩螺帽接觸。至少一環狀結構為以第一交點為一第一對稱點的一點對稱結構。至少一第一應變感測器及至少一第二應變感測器設置於受力元件的一高應變區。至少一參考應變感測器及至少一溫度感測器設置於受力元件的一低應變區。

本發明的滾珠螺桿包括一螺桿、兩螺帽、一管道、多個滾珠以及一傾斜偵測器。螺桿的一外表面具有一第一溝槽。各個螺帽的一內表面具有一第二溝槽。螺桿沿一軸向延伸。兩螺帽套設於螺桿上，以使兩螺帽可沿軸向移動。管道由第一溝槽與相應的第二溝槽所構成。多個滾珠配置於管道中。傾斜偵測器設置於兩螺帽之間用以偵測二螺帽的一傾斜角，且傾斜偵測器包含一受力元件、至少一第一應變感測器、至少一第二應變感測器、至少一參考應變感測器及至少一溫度感測器。受力元件包含至少一環狀結構，具有二平面。其中至少一環狀結構所在的一第一切面上的一法向量與軸向平行，第一切面與軸線相交於一第一交點；至少一第一感測單元包含至少一第一凹穴、至少一第一柱體以及至少一第一孔洞；至少一第二感測單元包含至少一第二凹穴、至少一第二柱體以及至少一第二孔洞。其中，至少一第一感測單元及至少一第二感測單元所在的一第三切面上的一法向量與該軸向平行，第三切面與軸線相交於一第三交點，二平面相互平行且二平面分別與兩螺帽接觸，至少一環狀結構為以第一交點為一第一對稱點的一點對稱結構。至少一第一感測單元與至少一第二感測單元以第三交點為第三對稱點，點對稱地設置於至少一環狀結構中。至少一第一感測單元及至少一第二感測單元的撓曲剛度分別小於受力元件的撓曲剛度。至少一柱體的二端分別連接至少一第一凹穴的一上表面及一下表面。至少一第一孔洞設置於至少一第一柱體中以形成兩第一支撐牆，每一第一支撐牆包含至少一外牆面及至少一內牆面，至少一外牆面與至少一第一凹穴的上表面或至少一第一凹穴的下表面定義一外接合角，至少一內牆面與至少一第一凹穴的上表面或至少一第一凹穴的下表面定義一內接合角，內接合角大於外接合角，至少一參考應變感測器及至少一溫度感測器設置於至少一第一凹穴的上表面或至少一第一凹穴的下表面。

本發明的滾珠螺桿包括一螺桿、兩螺帽，一管道、多個滾珠以及一傾斜偵測器。螺桿沿一軸線的一軸向延伸。兩螺帽套設於該螺桿上，以使該兩螺帽可沿該軸向移動。傾斜偵測器，設置於該兩螺帽之間用以偵測該二螺帽的一傾斜角且使該些滾珠與相應的該第一溝槽以及該第二溝槽之間產生一預壓力。傾斜偵測器另包含一具有含二平面的受力元件及多個應變感測器。受力元件的二平面相互平行且分別與該兩螺帽接觸。受力元件另包含至少一環狀結構，該環狀結構的形狀為等邊多邊形。環狀結構每一邊上配置至少一該些應變感測器。

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。

圖1A為本發明之一實施例的一種滾珠螺桿的立體示意圖。圖1B繪示圖1A之滾珠螺桿的放大示意圖。圖1C及圖1D繪示圖1B之回流元件與滾珠的安裝示意圖。圖1E繪示圖1B之螺帽的傾斜示意圖。

參考圖1A及圖1B，本發明的滾珠螺桿100包括一螺桿110、兩螺帽120、一管道130、多個滾珠140以及一傾斜偵測器150。螺桿110例如是沿一軸線L的一軸向X1延伸成形的金屬桿件，且螺桿100的一外表面上具有一第一溝槽G1。詳細而言，第一溝槽G1例如是凹陷在螺桿110的外螺紋中，且第一溝槽G1延伸至螺桿110的兩端。

請參考圖1C及圖1D，兩螺帽120可轉動地套設於螺桿110上，且一傾斜偵測器150設置於兩螺帽120之間具。各個螺帽120的一內表面具有一第二溝槽G2。詳細而言，各個第二溝槽G2例如是螺旋凹陷在螺帽120的內螺紋中。各個第二溝槽G2分別對應於第一溝槽G1，且第一溝槽G1與相應的兩第二溝槽G2構成一管道130。參考圖1B及圖1C，一回流元件210配置於兩螺帽120中且具有第一開口211及第二開口212。

多個滾珠140配置在兩螺帽120與螺桿110之間的管道130中。當兩螺帽120與螺桿110產生相對轉動時，各個滾珠140適於在第一溝槽G1與各第二溝槽G2之間相對滾動，並從第一開口211 (或第二開口212)進入回流元件210，再由第二開口212(或第一開口211)離開回流元件210，以達成多個滾珠140的循環。因此，兩螺帽120通過多個滾珠140在管道130中的滾動，可同步沿著螺桿110的軸向X1產生直線移動。

圖2A為圖1A之滾珠螺桿的螺帽與傾斜偵測器的分解圖。圖2B為圖2A之傾斜偵測器與一第一切面SC1的放大示意圖。圖2C為圖2B的傾斜偵測器依軸向X1旋轉180度後的放大圖。圖2D為圖2B之傾斜偵測器與另一第三切面SC3的放大示意圖。圖2E為圖2B之傾斜偵測器與另一第二切面SC2的放大示意圖。

請參考圖1B、圖2A、圖2B及圖2C，傾斜偵測器150設置於兩螺帽120之間，並用以偵測各個螺帽120相對於螺桿110的軸向X1的一傾斜角A (見圖1E)。在本實施例中，是利用定位元件220貫穿傾斜偵測器150的定位孔後，再將定位元件220分別穿入兩螺帽120相對應之定位孔121，以使傾斜偵測器150設置於兩螺帽120之間，如圖2A所示。

具體而言，傾斜偵測器150包含一受力元件151、至少一第一應變感測器152及至少一第二應變感測器153。受力元件151包含一環狀結構157、第一感測單元1511及第二感測單元1522。在本實施例中，環狀結構157由二個獨立的半環形結構157a、157b所組成。第一感測單元1511包含至少一第一凹穴H1及至少一第一柱體R1且第二感測單元1522包含至少一第二凹穴H2及至少一第二柱體R2。參考圖2B、2C，環狀結構157所在的一第一切面SC1上的法向量N1與螺桿110的軸向X1平行且第一切面SC1與一軸向X1的一軸線L相交於一第一交點。環狀結構157為以第一交點為一第一對稱點P1的一點對稱結構。在本揭露中所稱的點對稱結構是指：在環狀結構157中的任一部份結構，存在相對應的另一部分結構。若此任一部份結構在第一切面SC1相對於第一對稱點P1旋轉180度後，會與其相對應的另一部分結構重合，如圖2B所示。此外，環狀結構157具有二相互平行的平面S3，且各個平面S3分別與各個螺帽120相接觸。進一步而言，點對稱的環狀結構157的二個相互平行的平面S3可分別迫緊兩螺帽120，使各個滾珠140與相應的第一溝槽G1以及第二溝槽G2之間產生一預壓力，並避免各螺帽120在相對於螺桿110的軸向X1上產生傾斜 (見圖1E)。更詳細地說，環狀結構157為點對稱結構的設計及二平行的平面S3的設計，可使受力元件151在各螺帽120沒有傾斜時，準確地量測預壓力。此外，環狀結構157為點對稱結構的設計及二平行的平面S3的設計，也可使受力元件151在一螺帽120傾斜時，能正確的量測出傾斜的角度。

此外，至少一第一應變感測器152及至少一第二應變感測器153點對稱地配置於環狀結構157中。於本實施例中，第一應變感測器152及第二應變感測器153的數量例如是一個，且第一應變感測器152與第二應變感測器153點對稱地配置於環狀結構157中。然而，本發明並未限制第一應變感測器152與第二應變感測器153的數量。在其他實施例中，可以有多對應變感測器被配置於環狀結構157上，而每一對感測器可各自包括點對稱地配置於環狀結構157中的第一應變感測器152與第二應變感測器153。點對稱配置於環狀結構157中的第一應變感測器152與第二應變感測器153可使受力元件151成為點對稱結構，使受力元件151可以準確地量測預壓力或準確地量測螺帽的傾斜角度。為了更詳細的說明點對稱配置的第一應變感測器152與第二應變感測器153，參考圖2E。可定義一第一應變感測器152與一第二應變感測器153所在的切面為第二切面SC2，其中第二切面SC2的法向量N2與螺桿110的軸向X1平行。第二切面SC2與軸向X1的軸線L的一第二交點可定義為一第二對稱點P2。在本揭露中所稱的第一應變感測器152與第二應變感測器153分別點對稱地配置在受力元件151上是指：若第一應變感測器152在第二切面SC2上，相對於第二對稱點P2旋轉180度後，會與其相對應的第二應變感測器153重合。

依據本發明的實施例，受力元件151可以具有多種型態。舉例而言，受力元件151可以包含一體成形的一環形結構，或是包含由兩個獨立元件所構成的二件式環形結構。環形結構的形狀也可以是點對稱的多邊形，例如正方形或等邊六角形。此外，在其它實施例中，當環形結構的形狀不是點對稱的多邊形時，環形結構的形狀也可以是等邊多邊形，例如正三角形或等邊五邊形。此時，為了使受力元件可以準確地量測預壓力或準確地量測螺帽的傾斜角度，在環形結構的每一邊的側面(此側面的法向量與軸向X1垂直)上都要設置至少一個應變感測器。更仔細地說，當二螺帽沒有傾斜時，該每一應變感測器所產生的電性信號的絕對值會小於一預設值。相對的，當二螺帽發生傾斜時，該每一應變感測器所產生的電性信號的絕對值會大於一預設值。

如圖2A、圖2B所示，受力元件151包含兩個獨立元件157a, 157b所構成的一二件式環形結構157及二個感測單元 (第一感測單元1511及第二感測單元1522)。第一感測單元1511及第二感測單元1522點對稱設置於環形結構157中。此外，第一感測單元1511及第二感測單元1522的撓曲剛度 (flexural rigidity)分別小於環形結構157的撓曲剛度。更仔細地說，第一感測單元1511以一縱向軸向XV及一橫向軸向XT所在的平面為一彎曲平面(bending plane)的撓曲剛度 (第一感測單元1511之楊氏模數與第一感測單元1511之慣性矩的乘積)小於環形結構157以一軸向X1及另一軸向X2所在的平面為一彎曲平面的撓曲剛度(環形結構157之楊氏模數與環形結構157之慣性矩的乘積)。相同地，第二感測單元1522以一縱向軸向及一橫向軸向所在的平面為一彎曲平面的撓曲剛度小於環形結構157以一軸向X1及另一軸向X2所在的平面為一彎曲平面的撓曲剛度。

如前所述，第一感測單元1511及第二感測單元1522的撓曲剛度分別小於環形結構157沿軸向的撓曲剛度的設計，可使環形結構157對二螺帽120施加適當的預壓力，同時能使第一應變感測器152與第二應變感測器153在量測受力元件151的應變時，有較佳的量測靈敏度。舉例而言，第一感測單元1511包含設置在環形結構157的一外側的一第一凹穴H1及一第一柱體R1。第一凹穴H1具有多個內表面，包含：上表面T1、下表面B1、左表面及右表面。第一柱體R1的二端分別連接在第一凹穴H1的一上表面T1及一下表面B1。同樣地，第二感測單元1522包含設置在環形結構157的另一外側的一第二凹穴H2及一第二柱體R2。第二凹穴H2具有多個內表面，包含：上表面T2、下表面B2、左表面及右表面。第二柱體R2的二端分別連接第二凹穴H2的一上表面T2及一下表面B2。在此實施例中，第一感測單元1511的撓曲剛度小於環形結構157的撓曲剛度且第二感測單元1522的撓曲剛度小於環形結構157的撓曲剛度。因此，當二螺帽120施加力量F1及F2於受力元件151時，第一感測單元1511會產生較大的橫向位移(lateral deflection)。換言之，第一感測單元1511的第一柱體R1或第二感測單元1522第二柱體R2在軸向XT上產生的位移會大於環形結構157在軸向X2(或軸向X3)上產生的位移。這使得傾斜偵測器150在量測二螺帽的傾斜角度或預壓力時，有較佳的靈敏度。

此外，第一應變感測器152配置在第一感測單元1511的第一柱體R1上，用以感測第一柱體R1的應變量。第二應變感測器153配置在第二感測單元1522的第二柱體R2上，用以感測第二柱體R2的應變量。此外，點對稱配置於環形結構157中的第一感測單元1511及第二感測單元1522可使受力元件151成為點對稱結構，進而使受力元件151在承受二螺帽120的力量F1、F2時，可以準確地量測預壓力或準確地量測螺帽的傾斜角度。

為了更詳細的說明點對稱配置的第一感測單元1511及第二感測單元1522，參考圖2D。可定義一第一感測單元1511及第二感測單元1522所在的一切面為一第三切面SC3，第三切面SC3的法向量N3與螺桿110的軸向X1平行。第三切面SC3與沿軸向X1之軸線L的第三交點可定義為一第三對稱點P3。在本實施例中所稱的第一感測單元1511及第二感測單元1522分別點對稱地配置在環形結構157中是指：第一感測單元1511中的一第一柱體R1及第一凹穴H1，在第三切面SC3上相對於第三對稱點P3旋轉180度後，第一柱體R1與第一凹穴H1分別會與其相對應的一第二感測單元1522中的一第二柱體R2及一第二凹穴H2重合。

圖3A及圖3B繪示圖1B之傾斜偵測器的承受力量F1、F2時的示意圖。依照本發明的實施例，可以對前述第一柱體R1做進一步的設計。具體而言，如圖3A及圖3B所示，本實施例的第一柱體R1可設置一第一孔洞O1。第一孔洞O1可以是貫穿第一柱體R1的貫穿孔(through hole)或是在第一柱體R1的一盲孔(blind via)。第一孔洞O1可使第一柱體R1形成兩對向的第一支撐牆W1。第一柱體R1設置一第一孔洞O1可降低第一柱體R1在螺桿110的軸向X1上的剛性，進而降低第一感測單元1511撓曲剛度且提升第一應變感測器152的量測靈敏度。

進一步而言，上述的各個第一支撐牆W1分別包含一第一外牆面I1及一第一內牆面U1。第一外牆面I1與第一凹穴H1的上表面T1或第一凹穴H1的下內表面B1可定義出一第一外接合角OD1。第一內牆面U1與第一凹穴H1的上表面T1或第一凹穴H1的下表面B1可定義出一內接合角ID1。依據不同設計的需求，第一外接合角OD1與第一內接合角ID1可以有不同的設計。例如，第一外接合角OD1可以是銳角，第一內接合角ID1可以是鈍角。此時，由於第一柱體R1的第一內接合角ID1大於第一外接合角OD1，可確保第一柱體R1 在受到各種力量F1、F2作用下，第一柱體R1的各個第一支撐牆W1都會自第一內牆面U1朝向第一外牆面I1彎曲(或稱挫曲buckle)。

同樣地，採用與前段所述的方法，可對第二柱體R2做同樣的設計，可確保第二柱體R2在受到力量F1、F2的作用下，第二柱體R2的各個第二支撐牆W2都會自第二內牆面U2朝向第二外牆面I2彎曲(或稱挫曲buckle)。

為了更清楚的定義第一外接合角OD1，請參考圖2B及圖3A。圖3A為第一柱體R1、第一凹穴H1的一上表面T1及第一凹穴H1的下表面B1之切面圖，該切面的法向量與軸向X3平行。在此切面上，第一凹穴H1的上表面T1與第一外牆面I1相接於一外接點OPJ。一外切線OLT通過該外接點OPJ並與第一外牆面I1相切於一外切點OPT。第一外接合角OD1可定義為外切線OLT與第一凹穴H1的一上表面T1之間的夾角。相同地，第二外接合角OD2也可以用相同的方式，加以定義。

此外 ，如圖3A所示的切面圖中，第一凹穴H1的一上表面T1與第一內牆面U1相接於一內接點IPJ(圖未示)。一內切線ILT(圖未示)通過該內接點IPJ並與第一內牆面U1相切於一內切點IPT。第一內外接合角ID1可定義為內切線ILT與第一凹穴H1的一上表面T1之間的夾角。相同地，第二內接合角ID2也可以用相同的方式，加以定義。

第一柱體R1的各個第一支撐牆W1及第二柱體R2的各個第二支撐牆W2都會自內牆面朝向外牆面彎曲的設計，可以讓第一應變感測器152與第二應變感測器153量測到正確的電性訊號，供特殊應用積體電路晶片(ASIC chip)計算出正確的預壓力值。在本實施例中，由於第一外接合角OD1是銳角，第一內接合角ID1是鈍角，所以當第一柱體R1承受力量F1、F2時，第一柱體R1的各個第一支撐牆W1會自第一內牆面U1朝向第一外牆面I1彎曲。同樣地，由於第二外接合角OD2是銳角且第二內接合角ID2是鈍角，所以當第二柱體R2承受力量F1、F2時，第二柱體R2的各個第二支撐牆W2也會自第二內牆面U2朝向第二外牆面I2彎曲。在另一實施例中，第一外接合角大於第一內接合角且第二外接合角大於第二外接合角，以確保第一柱體R1、第二柱體R2 在受到力量F1、F2作用下，第一柱體R1的各個第一支撐牆W1及第二柱體R2的各個第二支撐牆W2都會自外牆面朝向內牆面彎曲。

第一應變感測器152可配置在第一感測單元1511的第一柱體R1的第一外牆面I1上或第一內牆面U1上。同時，第二應變感測器153可配置在第二感測單元1522的第二柱體R2的第二外牆面I2上或第二內牆面U2上。第一外牆面I1或第一內牆面U1為第一柱體R1於承受力量F1、F2時的高應變區。同樣地，第二外牆面I2或第二內牆面U2為第二柱體R2於承受力量F1、F2時的高應變區。由於第一應變感測器152及第二應變感測器153皆設置在高應變區，第一應變感測器152可靈敏地感測第一柱體R1的第一應變值，進而產生第一電性訊號且第二應變感測器153也可靈敏地感測第二柱體R2的第二應變值，進而產生第二電性訊號。藉著比較第一電性訊號與第二電性訊號的差值，可以判別抵靠在受力元件151之二平行之平面S3上的二螺帽120是否相對於螺桿110產生傾斜。

圖4A繪示本發明之另一實施例的一種滾珠螺桿的螺帽與傾斜偵測器的分解圖。圖4B為圖4A之傾斜偵測器的放大圖。參考圖4A及圖4B，本實施例的傾斜偵測器150c包含一受力元件151c、一第一應變感測器152c、一第二應變感測器153c及二個感測單元1511c、1522c。二個感測單元1511c、1522c分別點對稱地配置於環狀結構157c的兩外側。本實施例的傾斜偵測器150c的與圖2A的傾斜偵測器150的結構大致相同。本實施例與前述之實施例之間的不同處在於傾斜偵測器150c的受力元件151c包含一體成型的一環狀結構157c。

請參考圖1B、圖1E及圖3A、圖3B，以下說明滾珠螺桿100的傾斜偵測器150對於各個螺帽120之傾斜角的感測方法。 在本實施例中，另包含一特殊應用積體電路晶片(ASIC chip) 160，其例如是配置於傾斜偵測器150內的低應變區(例如第一凹穴H1的下表面B1)，且透過無線傳輸的方式傳遞電性訊號。在其它實施例中，特殊應用積體電路晶片例如是配置在滾珠螺桿外且透過導電線傳遞電性訊號。當二螺帽120分別緊迫受力元件151時，兩相向的力量F1、F2分別作用在二平行之平面S3上。兩力量F1、F2同時造成受力元件151的兩柱體(第一柱體R1及第二柱體R2)產生應變，其中配置在第一柱體R1上的第一應變感測器152量測第一柱體R1的應變以產生一第一電性訊號，且第二應變感測器153量測第二柱體R2的應變以產生一第二電性訊號。

接著通過特殊應用積體電路晶片160計算第一電性訊號與第二電性訊號之間的差值。若特殊應用積體電路晶片160判定該差值的絕對值大於一預設值時，即第一電性訊號大於第二電性訊號或第二電性訊號大於第一電性訊號，此表示受力元件151內的兩柱體R1、R2的應變量並不相同。這代表兩螺帽120並非平行緊迫在各平面S3上而是傾斜於軸向X1，致使受力元件151的受力不均。此時，特殊應用積體電路晶片160產生一通知訊號，顯示兩螺帽已產生傾斜，進而告知使用者必須對滾珠螺桿進行檢修。當特殊應用積體電路晶片160判定差值的絕對值小於一預設值時，此表示受力元件151內的兩柱體R1、R2的應變量相近。這表示兩螺帽120沒有傾斜且緊迫在各平面S3上，使得受力元件151的受力均衡。此時，特殊應用積體電路晶片160紀錄第一電性訊號與第二電性訊號，以供計算傾斜偵測器150施加於滾珠140的預壓力。

進一步而言，參考圖2B、圖3A及圖3B，滾珠螺桿100另包含兩溫度感測器170及兩參考應變感測器180。兩溫度感測器170分別配置在第一感測單元1511的第一凹穴H1及第二感測單元1522的第二穴H2內。兩參考應變感測器180也同樣分別配置在第一感測單元1511的第一凹穴H1及第二感測單元1522的第二穴H2內。詳細而言，一參考應變感測器180及一溫度感測器170設置於第一凹穴H1的上表面T1或下表面B1。另一參考應變感測器180及另一溫度感測器170設置於第二凹穴H2的上表面T2或下表面B2。第一凹穴H1的上表面T1或下表面B1及第二凹穴H2的上表面T2或下表面B2為受力元件151內的低應變區。二個溫度感測器170設置於低應變區，可防止溫度感測器170量測的數值受到外力F1、F2的干擾，進而能準確的量測出滾珠螺桿內的溫度。二個參考應變感測器180分別設置於低應變區，可防止參考應變感測器180量測的數值受到外力F1、F2的干擾，而準確的量測出僅因溫度變化而產生的應變。

以下說明溫度感測器170及參考應變感測器180感測校正第一應變感測器152及第二應變感測器153的方法。溫度感測器170用以量測設置於受力元件151中之第一凹穴H1(或第二凹穴H2)內的溫度。在滾珠螺桿工作時，第一凹穴H1內及第二凹穴H2內的溫度會產生變化。參考應變感測器180則配置在第一凹穴H1的下表面B1，此區域為受力元件151内的低應變區。因此，參考應變感測器180只會感測溫度變化對受力元件151所造成的應變量，而不會感測到力量F1、F2對受力元件151所造成的應變量。進一步而言，第一應變感測器152感測到的應變量是由溫度變化以及力量F1、F2共同造成。將第一應變感測器152量測到的第一電性訊號與相對應的參考應變感測器180量測到的參考電性訊號通過quarter bridge strain gauge circuit的校正運算，可消除溫度變化對受力元件151之應變量所造成的影響，進而準確地計算出二螺帽分別施加於傾斜偵測器150之二平面S3之力量F1、F2的大小。

綜上所述，本發明的滾珠螺桿可用以偵測螺帽的傾斜程度及施加於滾珠的預壓力大小。當螺帽的傾斜程度在一可接受的範圍內時，本發明可感測滾珠螺桿的預壓力大小及其變化。傾斜偵測器的受力元件中的環狀結構為點對稱結構且的環狀結構的二平面與兩螺帽的接觸面相互平行，使螺帽不易傾斜而能避免滾珠螺桿產生磨耗。因此，本發明可提高使用滾珠螺桿的可靠度及使用壽命。此外，也由於受力元件中的環狀結構為點對稱結構且環狀結構與螺帽接觸的二平面相互平行，使得受力元件能夠穩定且準確地感測來自螺帽的力量，以實現對滾珠螺桿預壓力的精確感測。本發明的各柱體還具有不同角度大小的內接合角與外接合角，以此可確保在各種受力情況下，柱體的支撐牆都會自外牆面朝向內牆面彎曲或都會自內牆面朝向外牆面彎曲，以提升各個應變感測器的感測靈敏度及感測準確度。進一步而言，本發明的滾珠螺桿還具有設置於低應力區的溫度感測器及參考應變感測器，可直接量測滾珠螺桿的溫度變化，進而能避免溫度變化對預壓力的量測準確度造成影響，以達成具備螺帽傾斜度感測能力及預壓力量測能力等複合功能的滾珠螺桿。

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。

100‧‧‧滾珠螺桿

110‧‧‧螺桿

120‧‧‧螺帽

121‧‧‧定位孔

130‧‧‧管道

140‧‧‧多個滾珠

150‧‧‧傾斜偵測器

151、151c‧‧‧受力元件

1511、1511c‧‧‧第一感測單元

1522、1522c‧‧‧第二感測單元

152、152c‧‧‧第一應變感測器

153、153c‧‧‧第二應變感測器

160‧‧‧特殊應用積體電路晶片

170‧‧‧溫度感測器

180‧‧‧參考應變感測器

210‧‧‧回流元件

211‧‧‧第一開口

212‧‧‧第二開口

220‧‧‧定位元件

A‧‧‧傾斜角

OD1‧‧‧第一外接合角

ID1‧‧‧第一內接合角

OD2‧‧‧第二外接合角

ID2‧‧‧第二內接合角

OLT‧‧‧外切線

OPJ‧‧‧外接點

OPT‧‧‧外切點

F1、F2‧‧‧力量

G1‧‧‧第一溝槽

G2‧‧‧第二溝槽

S3‧‧‧平面

H1‧‧‧第一凹穴

H2‧‧‧第二凹穴

T1、T2‧‧‧上表面

B1、B2‧‧‧下表面

X1、X2、X3‧‧‧軸向

L‧‧‧軸線

N1‧‧‧第一切面的法向量

N2‧‧‧第二切面的法向量

N3‧‧‧第三切面的法向量

O1‧‧‧第一孔洞

O2‧‧‧第二孔洞

R1‧‧‧第一柱體

R2‧‧‧第二柱體

W1‧‧‧第一支撐牆

W2‧‧‧第二支撐牆

U1‧‧‧第一內牆面

U2‧‧‧第一內牆面

I1‧‧‧第一外牆面

I2‧‧‧第二外牆面

SC1‧‧‧第一切面

SC2‧‧‧第二切面

SC3‧‧‧第三切面

XV‧‧‧縱向軸向

XT‧‧‧橫向軸向

P1‧‧‧第一對稱點

P2‧‧‧第二對稱點

P3‧‧‧第三對稱點

圖1A為本發明之一實施例的一種滾珠螺桿的立體示意圖。 圖1B繪示圖1A之滾珠螺桿的放大示意圖。 圖1C及圖1D繪示圖1B之回流元件與滾珠的安裝示意圖。 圖1E繪示圖1B之螺帽的傾斜示意圖。 圖2A為圖1A之滾珠螺桿的螺帽與傾斜偵測器的分解圖。 圖2B為圖2A之傾斜偵測器與一第一切面的放大示意圖。 圖2C為圖2B之傾斜偵測器依軸向X1旋轉180度後的放大示意圖。 圖2D為圖2B之傾斜偵測器與另一第三切面的放大示意圖。 圖2E為圖2B之傾斜偵測器與另一第二切面的放大示意圖。 圖3A及圖3B繪示圖1B之傾斜偵測器的承受力量的感測示意圖。 圖4A繪示本發明之另一實施例的一種滾珠螺桿的螺帽與傾斜偵測器的分解圖。 圖4B為圖4A之傾斜偵測器的放大圖。

Claims (30)

1. 一種滾珠螺桿，包括： 一螺桿，其外表面具有一第一溝槽； 兩螺帽，其內表面具有一第二溝槽； 其中，該螺桿沿一軸線的一軸向延伸，該兩螺帽套設於該螺桿上，以使該兩螺帽可沿該軸向移動； 一管道，由該第一溝槽與相應的該第二溝槽所構成； 多個滾珠，配置於該管道中；以及 一傾斜偵測器，設置於該兩螺帽之間用以偵測該二螺帽的一傾斜角，包含： 一受力元件，包含： 至少一環狀結構，具有二平面，其中該至少一環狀結構所在的一第一切面上的一法向量與該軸向平行，該第一切面與該軸線相交於一第一交點； 至少一第一應變感測器；以及 至少一第二應變感測器； 其中，該二平面相互平行且該二平面分別與該兩螺帽接觸，該至少一環狀結構為以該第一交點為一第一對稱點的一點對稱結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述的滾珠螺桿，其中該至少一第一應變感測器及該至少一第二應變感測器所在的一第二切面上的一法向量與該軸向平行，該第二切面與該軸線相交於一第二交點，該至少一第一應變感測器及該至少一第二應變感測器，以該第二交點為一第二對稱點而點對稱地設置於該至少一環狀結構上。
3. 如申請專利範圍第1項所述的滾珠螺桿，其中該二平面分別迫緊該兩螺帽，使該些滾珠與相應的該第一溝槽以及該第二溝槽之間產生一預壓力。
4. 如申請專利範圍第1項所述的滾珠螺桿，另包含一特殊應用積體電路晶片，其中當該受力元件產生應變時，該至少一第一應變感測器產生一第一電性訊號且該至少一第二應變感測器產生一第二電性訊號，該特殊應用積體電路晶片計算該第一電性訊號與該第二電性訊號之間的一差值。
5. 如申請專利範圍第4項所述的滾珠螺桿，其中當該特殊應用積體電路晶片判定該差值的絕對值大於一預設值時，該特殊應用積體電路晶片產生一通知訊號。
6. 如申請專利範圍第4項所述的滾珠螺桿，其中當該特殊應用積體電路晶片判定該差值的絕對值小於一預設值時，該特殊應用積體電路晶片紀錄該第一電性訊號與該第二電性訊號。
7. 如申請專利範圍第1項所述的滾珠螺桿，該受力元件另包含至少一第一感測單元及該至少一第二感測單元，其中該至少一第一感測單元及該至少一第二感測單元所在的一第三切面上的一法向量與該軸向平行，該第三切面與該軸線相交於一第三交點，該至少一第一感測單元及該至少一第二感測單元以該第三交點為一第三對稱點，點對稱地設置於該至少一環狀結構中，該至少一第一感測單元的撓曲剛度及該至少一第二感測單元的撓曲剛度分別小於該至少一環狀結構的撓曲剛度。
8. 如申請專利範圍第7項所述的滾珠螺桿，其中該至少一第一感測單元另包含至少一第一凹穴及至少一第一柱體，該至少一第二感測單元另包含至少一第二凹穴及至少一第二柱體，該至少一第一柱體的二端分別連接該至少一第一凹穴的一上表面及一下表面，該至少一第二柱體的二端分別連接該至少一第二凹穴的一上表面及一下表面，該至少一第一凹穴及該至少一第二凹穴以該第三對稱點而點對稱地設置於該至少一環狀結構中，該至少一第一柱體及該至少第二柱體以該第三對稱點而點對稱地設置於該至少一環狀結構中。
9. 如申請專利範圍第8項所述的滾珠螺桿，其中該至少一第一柱體另包含一第一孔洞，該第一孔洞設置於該至少一第一柱體中，形成兩第一支撐牆以降低該至少一第一柱體沿該軸向的剛性，該至少一第二柱體另包含一第二孔洞，該第二孔洞設置於該至少一第二柱體中，形成兩第二支撐牆以降低該至少一第二柱體沿該軸向的剛性。
10. 如申請專利範圍第9項所述的滾珠螺桿，其中該兩第一支撐牆分別包含至少一第一外牆面及至少一第一內牆面，該至少一第一外牆面與該至少一第一凹穴的該上表面或該至少一第一凹穴的該下表面定義一第一外接合角，該至少一第一內牆面與該至少一第一凹穴的該上表面或該至少一第一凹穴的該下表面定義一第一內接合角，該第一內接合角小於該第一外接合角。
11. 如申請專利範圍第9項所述的滾珠螺桿，其中該兩第一支撐牆分別包含至少一第一外牆面及至少一第一內牆面，該至少一第一外牆面與該至少一第一凹穴的該上表面或該至少一第一凹穴的該下表面定義一第一外接合角，該至少一第一內牆面與該至少一第一凹穴的該上表面或該至少一第一凹穴的該下表面定義一第一內接合角，該第一內接合角大於該第一外接合角。
12. 如申請專利範圍第7項所述的滾珠螺桿，另包含至少一溫度感測器及至少一參考應變感測器，其中該至少一第一應變感測器設置於該第一感測單元的一高應變區，該至少一溫度感測器及該至少一參考應變感測器設置於該第一感測單元的一低應變區。
13. 如申請專利範圍第12項所述的滾珠螺桿，其中該至少一第一應變感測器設置於該至少一第一柱體上，該至少一參考應變感測器及該至少一溫度感測器設置於該至少一第一凹穴的該上表面或該至少一第一凹穴的該下表面。
14. 一種滾珠螺桿，包括： 一螺桿，其外表面具有一第一溝槽； 兩螺帽，其內表面具有一第二溝槽； 其中，該螺桿沿一軸線的一軸向延伸，該兩螺帽套設於該螺桿上，以使該兩螺帽可沿該軸向移動； 一管道，由該第一溝槽與相應的該第二溝槽所構成； 多個滾珠，配置於該管道中；以及 一傾斜偵測器，設置於該兩螺帽之間用以偵測該二螺帽的一傾斜角，包含： 一受力元件，包含： 至少一環狀結構，具有二平面，其中該至少一環狀結構所在的一第一切面上的一法向量與該軸向平行，該第一切面與該軸線相交於一第一交點； 至少一第一應變感測器； 至少一第二應變感測器； 至少一參考應變感測器；以及 至少一溫度感測器； 其中，該二平面相互平行且該二平面分別與該兩螺帽接觸，該至少一環狀結構為以該第一交點為一第一對稱點的一點對稱結構，該至少一第一應變感測器及該至少一第二應變感測器設置於該受力元件的一高應變區，該至少一參考應變感測器及該至少一溫度感測器設置於該受力元件的一低應變區。
15. 如申請專利範圍第14項所述的滾珠螺桿，其中該至少一第一應變感測器及該至少一第二應變感測器所在的一第二切面上的一法向量與該軸向平行，該第二切面與該軸線相交於一第二交點，該至少一第一應變感測器及該至少一第二應變感測器以該第二交點為一第二對稱點而點對稱地設置於該至少一環狀結構上。
16. 如申請專利範圍第14項所述的滾珠螺桿，其中該二平面分別迫緊該兩螺帽，使該些滾珠與相應的該第一溝槽以及該第二溝槽之間產生一預壓力。
17. 如申請專利範圍第14項所述的滾珠螺桿，另包含一特殊應用積體電路晶片，其中當該受力元件產生應變時，該至少一第一應變感測器產生一第一電性訊號且該至少一第二應變感測器產生一第二電性訊號，該特殊應用積體電路晶片計算該第一電性訊號與該第二電性訊號之間的一差值。
18. 如申請專利範圍第17項所述的滾珠螺桿，其中該特殊應用積體電路晶片判定該差值的絕對值大於一預設值時，該特殊應用積體電路晶片產生一通知訊號。
19. 如申請專利範圍第17項所述的滾珠螺桿，其中該特殊應用積體電路晶片判定該差值的絕對值小於一預設值時，該特殊應用積體電路晶片紀錄該第一電性訊號與該第二電性訊號。
20. 一種滾珠螺桿，包括： 一螺桿，其外表面具有一第一溝槽； 兩螺帽，其內表面具有一第二溝槽； 其中，該螺桿沿一軸線的一軸向延伸，該兩螺帽套設於該螺桿上，以使該兩螺帽可沿該軸向移動； 一管道，由該第一溝槽與相應的該第二溝槽所構成， 多個滾珠，配置於該管道中；以及 一傾斜偵測器，設置於該兩螺帽之間用以偵測該二螺帽的一傾斜角，包含： 一受力元件，包含： 至少一環狀結構，具有二平面，其中該至少一環狀結構所在的一第一切面上的一法向量與該軸向平行，該第一切面與該軸線相交於一第一交點； 至少一第一感測單元，包含： 至少一第一凹穴； 至少一第一柱體； 至少一第一孔洞； 至少一第二感測單元，包含： 至少一第二凹穴； 至少一第二柱體； 至少一第二孔洞； 至少一第一應變感測器； 至少一第二應變感測器； 至少一參考應變感測器；以及 至少一溫度感測器； 其中，該至少一第一感測單元及該至少一第二感測單元所在的一第三切面上的一法向量與該軸向平行，該第三切面與該軸線相交於一第三交點，該二平面相互平行且該二平面分別與該兩螺帽接觸，該至少一環狀結構為以該第一交點為一第一對稱點的一點對稱結構，該至少一第一感測單元與該至少一第二感測單元以該第三交點為第三對稱點，點對稱地設置於該至少一環狀結構中，該至少一第一感測單元的撓曲剛度及該至少一第二感測單元的撓曲剛度分別小於該至少一環狀結構的撓曲剛度，該至少一第一柱體的二端分別連接該至少一第一凹穴的一上表面及一下表面，該至少一第一孔洞設置於該至少一第一柱體中以形成兩第一支撐牆，每一該第一支撐牆包含至少一外牆面及至少一內牆面，該至少一外牆面與該至少一第一凹穴的該上表面或該至少一第一凹穴的該下表面定義一外接合角，該至少一內牆面與該至少一第一凹穴的該上表面或該至少一第一凹穴的該下表面定義一內接合角，該內接合角大於該外接合角，該至少一參考應變感測器及該至少一溫度感測器設置於該至少一第一凹穴的該上表面或該至少一第一凹穴的該下表面。
21. 如申請專利範圍第20項所述的滾珠螺桿，其中該至少一第一應變感測器及該至少一第二應變感測器所在的一第二切面上的一法向量與該軸向平行，該第二切面與該軸線相交於一第二交點，該至少一第一應變感測器及該至少一第二應變感測器以該第二交點為一第二對稱點而點對稱地設置於該至少一環狀結構上。
22. 如申請專利範圍第20項所述的滾珠螺桿，其中該至少一第一凹穴與該至少一第二凹穴以該第三交點為第三對稱點，點對稱地設置於該至少一環狀結構中，該至少一第一柱體及該至少一第二柱體以該第三交點為第三對稱點，點對稱地設置於該至少一環狀結構中，該至少一第一柱體的二端分別連接該至少一第一凹穴的一上表面及一下表面，該至少一第二柱體的二端分別連接該至少一第二凹穴的一上表面及一下表面。
23. 如申請專利範圍第20項所述的滾珠螺桿，其中該二平面分別迫緊該兩螺帽，使該些滾珠與相應的該第一溝槽及該第二溝槽之間產生一預壓力。
24. 如申請專利範圍第20項所述的滾珠螺桿，另包含一特殊應用積體電路晶片，其中當該受力元件產生應變時，該至少一第一應變感測器產生一第一電性訊號且該至少一第二應變感測器產生一第二電性訊號，該特殊應用積體電路晶片計算該第一電性訊號與該第二電性訊號之間的一差值。
25. 如申請專利範圍第24項所述的滾珠螺桿，其中該特殊應用積體電路晶片判定該差值的絕對值大於一預設值時，該特殊應用積體電路晶片產生一通知訊號。
26. 如申請專利範圍第24項所述的滾珠螺桿，其中該特殊應用積體電路晶片判定該差值的絕對值小於一預設值時，該特殊應用積體電路晶片紀錄該第一電性訊號與該第二電性訊號。
27. 一種滾珠螺桿，包括： 一螺桿，其外表面具有一第一溝槽； 兩螺帽，其內表面具有一第二溝槽； 其中，該螺桿沿一軸線的一軸向延伸，該兩螺帽套設於該螺桿上，以使該兩螺帽可沿該軸向移動； 一管道，由該第一溝槽與相應的該第二溝槽所構成； 多個滾珠，配置於該管道中；以及 一傾斜偵測器，設置於該兩螺帽之間用以偵測該二螺帽的一傾斜角且使該些滾珠與相應的該第一溝槽以及該第二溝槽之間產生一預壓力。
28. 如申請專利範圍第27項所述的滾珠螺桿，其中該傾斜偵測器另包含一受力元件，其中該受力元件包含二平面，該二平面相互平行且該二平面分別與該兩螺帽接觸。
29. 如申請專利範圍第28項所述的滾珠螺桿，其中該受力元件另包含至少一環狀結構，該環狀結構的形狀為等邊多邊形。
30. 如申請專利範圍第29項所述的滾珠螺桿，其中該傾斜偵測器另包含多個應變感測器，該環狀結構每一邊的一側面上配置至少一該應變感測器。