TW202107054A - 力量感測器及其感測件 - Google Patents

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Abstract

一種力量感測器具有一感測件、一受力件及複數個應變規，該感測件具有複數個撓性機構，該受力件與各該撓性機構之一自由端結合，該些應變規分別設置於各該撓性機構之一彈性部，當一力量施加至該受力件時，該力量經由該受力件傳遞至該自由端，並經由各該撓性機構之一撓性鉸鍊傳遞至該彈性部，該些應變規用以感測該力量對該彈性部造成的彈性應變。

Description

力量感測器及其感測件
本發明關於一種力量感測器，特別是一種藉由撓性機構提昇靈敏度的力量感測器。
力量感測器已普遍應用於機械領域，以機械手臂為例，力量感測器偵測到力量變化後，回饋至驅動馬達以精密控制機械手臂，為現今機械領域中不可或缺的關鍵元件，力量感測器可分為電容式、壓電式、光學式及應變式，其中應變式力量感測器具有高精度、高靈敏度及低成本等優點。
一般的應變式力量感測器係於彈性樑設置應變規，外力造成彈性樑彎曲變形後，應變規隨之變形而改變其電阻值，藉此判斷外力大小，然而受限於彈性樑變形方向，應變規必須貼附於彈性樑側面，製程中不易將應變規精準地貼附在彈性樑側面的特定位置，因此難以提昇力量感測器的靈敏度。
本發明之目的在於提供一種力量感測器，藉由撓性機構將力量轉換為單一軸向力，以提昇應變規的靈敏度。
一種力量感測器包含一感測件、一受力件及複數個應變規，該感測件具有一本體及複數個撓性機構，該本體具有複數個容置空間，該些撓性機構分別設置於該些容置空間中，各該容置空間之一開口顯露各該撓性機構，各該撓性機構具有一第一撓性鉸鍊、一第二撓性鉸鍊、一第一塊體、一第二塊體及一第三塊體，該第一撓性鉸鍊連接該本體及該第三塊體之一第一側面，該第一塊體具有一固定端、一第一連接端及一彈性部，該固定端連接該本體，該第一連接端以該第二撓性鉸鍊連接該第三塊體之一第二側面，該彈性部之兩端分別連接該固定端及該第一連接端，該彈性部之一厚度小於該固定端之一厚度，該第二塊體具有一自由端及一第二連接端，該第二連接端連接該第三塊體之該第二側面，以使該自由端懸空於該容置空間中，該受力件設置於該感測件上，該受力件與該自由端結合，該些應變規分別設置於該彈性部之一上表面，該上表面面向該受力件，其中當一力量施加至該受力件時，該力量經由該受力件傳遞至該自由端，並經由該第一撓性鉸鍊及該第二撓性鉸鍊傳遞至該彈性部，使該彈性部產生彈性應變，該些應變規用以感測該彈性部的彈性應變。
一種力量感測器之感測件具有一本體及複數個撓性機構，該本體具有複數個容置空間，該些撓性機構分別設置於該些容置空間中，各該容置空間之一開口顯露各該撓性機構，各該撓性機構具有一第一撓性鉸鍊、一第二撓性鉸鍊、一第一塊體、一第二塊體及一第三塊體，該第一撓性鉸鍊連接該本體及該第三塊體之一第一側面，該第一塊體具有一固定端、一第一連接端及一彈性部，該固定端連接該本體，該第一連接端以該第二撓性鉸鍊連接該第三塊體之一第二側面，該彈性部之兩端分別連接該固定端及該第一連接端，該彈性部之一厚度小於該固定端之一厚度，該第二塊體具有一自由端及一第二連接端，該第二連接端連接該第三塊體之該第二側面，以使該自由端懸空於該容置空間中。
由於該第一撓性鉸鍊及該第二撓性鉸鍊具有接頭特性，當該力量傳遞至該彈性部時，該力量被轉換成單一軸向力，因此該彈性部會產生單一軸向的彈性應變，以使設置於該彈性部之各該應變規達到更高的靈敏度。
請參閱第1及2圖，其為本發明之較佳實施例，一種力量感測器A具有一感測件100、一受力件200及複數個應變規300，該些應變規300設置於該感測件100內，而該受力件200設置於該感測件100上，該力量感測器A可固定於一測量平台(圖未繪出)上，當一力量經由該受力件200輸入至該感測件100，該感測件100會產生特定方向變形，該些應變規300隨著該感測件100變形而發生電阻值變化。
請參閱第3至6圖，該感測件100具有一本體110及複數個撓性機構120，該本體110具有複數個容置空間111，該些撓性機構120分別設置於該些容置空間111中，各該容置空間111之一開口111a顯露各該撓性機構120，較佳地，該些撓性機構120一體成形於該本體110中，且該本體110之一中心點至該些撓性機構120的任一相同點距離相同，在本實施例中，該感測件110具有3個撓性機構120，但本發明不以此為限，可設置2個或3個以上的撓性機構120於該本體110上。
請參閱第3至6圖，各該撓性機構120具有一第一塊體121、一第二塊體122、一第三塊體123、一第一撓性鉸鍊(flexure hinge)124及一第二撓性鉸鍊125，該第一撓性鉸鍊124位於該本體110及該第三塊體123之間，該第二撓性鉸鍊位於該第一塊體121及該第三塊體123之間，該第一撓性鉸鍊124連接該本體110及該第三塊體123之一第一側面123a，該第二撓性鉸鍊125連接該第一塊體121及該第三塊體123之一第二側面123b，該第二塊體122連接該第三塊體123之該第二側面123b，該第一側面123a及該第二側面123b為該第三塊體123之不同側面，即該第一塊體121及該第二塊體122位於該第三塊體123之同一側，但該第一撓性鉸鍊124位於該第三塊體123之另一側，較佳地，該第三塊體123為矩形塊體，該第一側面123a連接該第二側面123b並相互垂直，且該第一側面123a鄰近該第一塊體121之該第一連接端122b。
較佳地，該第一撓性鉸鍊124之寬度小於該第三塊體123之寬度，該第二撓性鉸鍊125之寬度小於該第一塊體121之寬度，該第一塊體121、該第二塊體122及該第三塊體123於該容置空間111中實質上呈U形排列，且該第一塊體121及該第二塊體122實質上平行，但本發明不以此為限，該第一塊體121、該第二塊體122及該第三塊體123可於該容置空間111中排列成其他形狀。
請參閱第3至7圖，該第一塊體121具有一體成形的一固定端121a、一第一連接端121b及一彈性部121c，該固定端121a連接該本體110，該第一連接端121b以該第二撓性鉸鍊125連接該第三塊體123之該第二側面123b，即該第二撓性鉸鍊125位於該第一連接端121b及該第三塊體123之間且兩端分別連接該第一連接端121b及該第三塊體123之該第二側面123b，該彈性部121c位於該固定端121a及該第一連接端121b之間且兩端分別連接該固定端121a及該第一連接端121b。
該彈性部121c具有一上表面121d及一下表面121e，該上表面121d面向該受力件200，該上表面121d及該下表面121e之間的最短距離為該彈性部121c之厚度，較佳地，該彈性部121c之厚度小於該固定端121a及該第一連接端121b之厚度，且該彈性部121c之厚度小於該彈性部121c之寬度。
請參閱第5至7圖，在本實施例中，該第一塊體121另具有一支撐樑121f，該支撐樑121f一體成形於該彈性部121c，且凸出於該彈性部121c之該下表面121e，該支撐樑121d之兩端分別連接該固定端121a及該第一連接端121b，用以支撐該彈性部121c，因此該彈性部121c可抵抗施加於該上表面121d的垂直力(z軸向力)，避免該彈性部121c產生垂直方向的形變而影響應變值讀取。
請參閱第2至6圖，該第二塊體122具有一自由端122a及一第二連接端122b，該第二連接端122b連接該第三塊體123之該第二側面123b，以使該自由端122a懸空於該容置空間111中，該受力件200結合於該自由端122a，因此當一力量施加至該受力件200時，該力量經由該受力件200傳遞至該自由端122a，使懸空於該容置空間111的該自由端122a隨著該受力件200移動，在本實施例中，該力量感測器A另具有複數個結合件400，該感測件100及該受力件200上分別具有複數個結合孔，該感測件100之結合孔位於該自由端122a上，將該些結合件400同時設置於該受力件200及該自由端122a上的該些結合孔，以結合該受力件200及該自由端122a。
請參閱第4、7及8圖，由於該第一撓性鉸鍊124及該第二撓性鉸鍊125具有旋轉接頭的特性，當一力量(如扭力)施加至該受力件200時，該力量會經由該受力件200傳遞至該自由端122a，使該第二塊體122及該第三塊體123隨著該受力件200旋轉，但該固定端121a連接該本體110，該第一塊體121不會隨之旋轉，接著，當該力量經由該第一撓性鉸鍊124與第二撓性鉸鍊125傳遞至該第一塊體121之該彈性部121c時，該力量會被轉換成xy平面的單一軸向力，使該彈性部121c產生彈性應變，因此各該應變規300係設置於該彈性部121c之該上表面121d，用以感測單一軸向力對該彈性部121c造成的彈性應變，特別是拉伸應變。
該力量與該彈性部121c變形量之間的關係能以下列雅可比矩陣(Jacobian Matrix)表示：
Figure 02_image001
其中
Figure 02_image003
、
Figure 02_image005
及
Figure 02_image007
分別為各該撓性機構120上的該彈性部121c拉伸變形量，發生彈性應變的該彈性部121c長度減掉該彈性部121c原長度即為該彈性部121c拉伸變形量(
Figure 02_image009
)，矩陣中的
Figure 02_image011
、
Figure 02_image013
……及
Figure 02_image015
均為常數項，須根據該感測件100的結構剛性及尺寸進行調整，
Figure 02_image017
、
Figure 02_image019
及
Figure 02_image021
分別為x軸、y軸及z軸方向的力，本發明之該力量感測器A可用以量測三軸向的力、xy軸向的力或z軸向的扭力。
請參閱第4及7圖，傳遞至該彈性部121c的該力量會被轉換成xy平面的單一軸向力，各該應變規300貼附於該彈性部121c之該上表面121d即可感測到力量變化，由於該容置空間111之該開口111a顯露該上表面121f，在該受力件200設置於該感測件100之前，可輕易將該應變規300準確貼附於該彈性部121c之該上表面121f，以達到更高的靈敏度。
請參閱第3至6圖，在本實施例中，除了該第一撓性鉸鍊124及該第二撓性鉸鍊125，各該撓性機構120另具有一第三撓性鉸鍊126及一第四撓性鉸鍊127，該第三撓性鉸鍊126位於該第二連接端122b及該第三塊體123之間且兩端分別連接該第二連接端122b及該第三塊體123之該第二側面123b，即該第二連接端122b以該第三撓性鉸鍊126連接該第三塊體123，該第四撓性鉸鍊127位於該自由端122a及該第二連接端122b之間且兩端分別連接該自由端122a及該第二連接端122b，即該自由端122a以該第四撓性鉸鍊127連接該第二連接端122b，其中該第三撓性鉸鍊126之寬度小於該第二連接端122b之寬度，該第四撓性鉸鍊127之寬度小於該自由端122a及該第二連接端122b之寬度。
該第三撓性鉸鍊126及該第四撓性鉸鍊127除了具有接頭特性外，亦可增加各該撓性機構120的柔軟性，本發明未限制撓性鉸鍊數量，可根據各該撓性機構120之剛性及尺寸選擇性地設置該第三撓性鉸鍊126及該第四撓性鉸鍊127，或設置更多撓性鉸鍊。
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。
100:感測件 110:本體 111:容置空間 111a:開口 120:感測件 121:第一塊體 121a:固定端 121b:第一連接端 121c:彈性部 121d:上表面 121e:下表面 121f:支撐樑 122:第二塊體 122a:自由端 122b:第二連接端 123:第三塊體 123a:第一側面 123b:第二側面 124:第一撓性鉸鍊 125:第二撓性鉸鍊 126:第三撓性鉸鍊 127:第四撓性鉸鍊 200:受力件 300:應變規 400:結合件 A:力量感測器
第1圖：依據本發明之較佳實施例，一種力量感測器之立體圖。 第2圖：依據本發明之較佳實施例，該力量感測器之分解圖。 第3圖：依據本發明之較佳實施例，一感測件之立體圖(正面)。 第4圖：第3圖之上視圖。 第5圖：依據本發明之較佳實施例，該感測件之立體圖(背面)。 第6圖：第5圖之上視圖。 第7圖：沿第4圖A-A剖線之剖視圖。 第8圖：依據本發明之較佳實施例，該感測件之受力狀態圖。
100:感測件
110:本體
111:容置空間
111a:開口
120:撓性機構
122a:自由端
200:受力件
400:結合件
A:力量感測器

Claims (15)

  1. 一種力量感測器，其包含： 一感測件，具有一本體及複數個撓性機構，該本體具有複數個容置空間，該些撓性機構分別設置於該些容置空間中，各該容置空間之一開口顯露各該撓性機構，各該撓性機構具有一第一撓性鉸鍊、一第二撓性鉸鍊、一第一塊體、一第二塊體及一第三塊體，該第一撓性鉸鍊連接該本體及該第三塊體之一第一側面，該第一塊體具有一固定端、一第一連接端及一彈性部，該固定端連接該本體，該第一連接端以該第二撓性鉸鍊連接該第三塊體之一第二側面，該彈性部之兩端分別連接該固定端及該第一連接端，該彈性部之一厚度小於該固定端之一厚度，該第二塊體具有一自由端及一第二連接端，該第二連接端連接該第三塊體之該第二側面，以使該自由端懸空於該容置空間中； 一受力件，設置於該感測件上，該受力件與該自由端結合；以及 複數個應變規，分別設置於該彈性部之一上表面，該上表面面向該受力件，其中當一力量施加至該受力件時，該力量經由該受力件傳遞至該自由端，並經由該第一撓性鉸鍊及該第二撓性鉸鍊傳遞至該彈性部，使該彈性部產生彈性應變，該些應變規用以感測該彈性部的彈性應變。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之力量感測器，其中各該撓性機構另具有一第三撓性鉸鍊，該第三撓性鉸鍊位於該第二連接端及該第三塊體之間，該第二連接端以該第三撓性鉸鍊連接該第三塊體。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之力量感測器，其中各該撓性機構另具有一第四撓性鉸鍊，該第四撓性鉸鍊位於該自由端及該第二連接端之間，該自由端以該第四撓性鉸鍊連接該第二連接端。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之力量感測器，其中該第三塊體之該第一側面連接該第二側面並鄰近該第一連接端。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之力量感測器，其中該第一塊體另具有一支撐樑，該支撐樑凸出於該彈性部之一下表面，該支撐樑之兩端分別連接該固定端及該第一連接端。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之力量感測器，其中該彈性部之該厚度小於該彈性部之一寬度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之力量感測器，其中該本體之一中心點至各該撓性機構的距離相同。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之力量感測器，其另包含複數個結合件，該些結合件設置於該受力件及該自由端。
  9. 一種力量感測器之感測件，其包含： 一本體，具有複數個容置空間；以及 複數個撓性機構，分別設置於該些容置空間中，各該容置空間之一開口顯露各該撓性機構，各該撓性機構具有一第一撓性鉸鍊、一第二撓性鉸鍊、一第一塊體、一第二塊體及一第三塊體，該第一撓性鉸鍊連接該本體及該第三塊體之一第一側面，該第一塊體具有一固定端、一第一連接端及一彈性部，該固定端連接該本體，該第一連接端以該第二撓性鉸鍊連接該第三塊體之一第二側面，該彈性部之兩端分別連接該固定端及該第一連接端，該彈性部之一厚度小於該固定端之一厚度，該第二塊體具有一自由端及一第二連接端，該第二連接端連接該第三塊體之該第二側面，以使該自由端懸空於該容置空間中。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之力量感測器之感測件，其中各該撓性機構另具有一第三撓性鉸鍊，該第三撓性鉸鍊位於該第二連接端及該第三塊體之間，該第二連接端以該第三撓性鉸鍊連接該第三塊體。
  11. 如申請專利範圍第9或10項所述之力量感測器之感測件，其中各該撓性機構另具有一第四撓性鉸鍊，該第四撓性鉸鍊位於該自由端及該第二連接端之間，該自由端以該第四撓性鉸鍊連接該第二連接端。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之力量感測器之感測件，其中該第三塊體之該第一側面連接該第二側面並鄰近該第一連接端。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之力量感測器之感測件，其中該第一塊體另具有一支撐樑，該支撐樑凸出於該彈性部之一下表面，該支撐樑之兩端分別連接該固定端及該第一連接端。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之力量感測器之感測件，其中該彈性部之該厚度小於該彈性部之一寬度。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之力量感測器之感測件，其中該本體之一中心點至各該撓性機構的距離相同。
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