TWI403720B - 彈力及位移量量測裝置與方法 - Google Patents

Description

彈力及位移量量測裝置與方法

本發明係有關於一種按鍵量測之技術領域，特別是關於一種能同步量測彈力與位移量之量測裝置與方法。

按鍵被運用於電子商品上已十分廣泛，如：電腦鍵盤、手機、電話等等。而為了讓使用者能更舒適地操作使用按鍵，製造廠商經過經年累月的實驗測試而規納出合適的按鍵彈力模式，以便於製造按鍵時對其產品進行量測，而此種用於量測按鍵彈力的量測機具，也應運而生。

如我國新型專利公告第529714號「按鍵彈力測量機」即是一例，其係由馬達驅動一昇降板昇降，且在該昇降板上結合一緩衝座來組裝量測儀，而由量測儀的測試桿抵壓按鍵來量測按鍵被下壓及上升行程中的彈力，並藉由設置在緩衝座上的一些微動開關來控制馬達的轉速，讓量測操作更精準且更迅速，並使量測作業更穩定，並避免人為操作不當之誤失。

前述專利所揭之按鍵彈力量測技術，應用在直線下降與上升的鍵盤按鍵上或許已經足夠。但對於管樂器(如：薩克斯風等)上的按鍵而言，由於這些樂器的按鍵是以一樞軸作樞轉的弧形往復運動來控制音孔蓋與音孔的開合。因此對於這一類的樂器按鍵不僅需量測其彈力，還必需能測出按鍵位移量(行程)與彈力的關係，才能符合所需，從而前述專利所揭之技術已不敷使用，而有再加以改進之必要。

而關於位移量的量測技術在美國US6839957號專利所揭之技術已不敷使用，而有再加以改進之必要。

而關於位移量的量測技術在美國US6839957號「Displacement Unit」專利中，即已揭示一種以油壓技術控制來量測位移量的機組。審視該項專利內容發現，其係使用油壓控制方式來驅動滑動設備位移，藉以量測其位移量。但該專利所揭之機組體積大且無法量測彈力的大小，因此並不適合轉用至管樂器按鍵之量測系統中。

再者，管樂器(如：薩克斯風等)上的按鍵是分佈在圓管形之管樂器的周緣，因此不同按鍵會分佈在不同的角度，前述專利所揭示之技術只能在垂直於測量機工作台之方向位移進行量測，這對樂器上不同角度所設置之按鍵而言，顯然並不適用。

因此，目前對管樂器上之按鍵的量測作業是以拉伸式微力錶配合一尺規量測儀(或用大型伺服馬達)，來達到量測彈力與位移量的目的，但是這樣的量測方式仍存在體積大且價格昂貴的問題。

另有以雷射測距設備來量測位移量之技術，但雷射測距設備之設置成本，同樣存在價格昂貴的問題。

本發明之主要目的係在於，提供一種小型可攜帶式且可同時量測彈力變化與位移量之量測裝置與方法。

為達前述目的本發明之彈力與位移量量測裝置，係將一位移感測模組及一力感測模組設置於可被往復移動之軸桿的兩端。該位移感測模組具有一光感測器與一反射板，該光感測器與該反射板其中一者係設置於該軸桿上，另一者則相對應設置於該機台，用以量測該軸桿之位移量；而該力感測模組設有一感測薄片，感測薄片的一面設有一探頭，另一面則設有一應變計，以於該探頭抵壓受測按鍵而使該感測薄片變形時，由該應變計測得彈力之大小。

據此，當該軸桿被帶動位移而由該探頭抵壓受測按鍵時，即可由該力感測模組與該位移感測模組同步量測彈力與位移量，進而計算其彈力特性，並且達到小型化便於攜帶的效用。

根據上述目的，本發明亦提供一種位移量之量測方法，其係以一紅外線感測器與一反射板來量測位移量，其主要是將量測行程區分為數段量測範圍，各段量測範圍均對應有一運算模型，而對紅外線感測器量測所得該反射板之相對位移距離資料分析，以判定量測距離所落入之測範圍，並選擇相對應之運算模型，再將取樣之距離資料值依照所選擇之運算模型來計算出距離值，以取得精確的位移量量測結果，並且可以降低設置的成本。

本發明前述的特點、特性，將從下述實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入了解。

茲配合圖式將本發明之實施例詳細說明如下。

請同時參考第1圖至第6圖。第1圖係表示本發明量測裝置之方塊圖；第2圖係表示本發明之結構示意圖；第3圖係本發明位移感測模組之結構示意圖；第4圖係本發明力感測模組之結構示意圖；第5圖係本發明運算處理單元之方塊圖；第6圖係本發明量測方法之流程方塊圖。

首先請參閱第1圖，本發明之彈力及位移量量測裝置主要係由一位移感測模組2與一力感測模組3同步對按鍵進行量測工作，再將量測所得之資訊傳送至一運算處理單元4進行運算處理，最後再由運算處理單元4將運算處理後之資訊傳輸至電腦5與顯示器6顯示結果。

請參考第2圖，本發明之位移感測模組2及力感測模組3係被設置於一機台1上，且為同軸設置之形態。該機台1具有一基座10，該基座10設有一樞接座11，該樞接座11上樞設有一可依所需調整角度之滑軌12，該滑軌12上設有一動力源13(如：伺服馬達)與由該動力源13所驅動之一滑塊14，使該滑塊14可沿該滑軌12往復移動。實務上該滑軌12、動力源13及滑塊14可以採用線性滑軌來實現。

該滑軌12外緣滑設有一支架15，該支架15上對應該滑軌12設有數個鎖緊件151，藉以將該支架15鎖固於該滑軌12，或於放鬆時使該支架15可沿該滑軌12調整位置，並且該支架15相對於該滑軌12的一側設有一框體152，該框體152大致與該滑軌12平行，而且框體152中滑設有一軸桿16，該軸桿16與該滑塊14之間並以一連動桿17連結，使該軸桿16可與該滑塊14同步移動，而該軸桿16中段設有一擋板18，並且該軸桿16於該擋板18與該支架15底部之間套設有一彈簧19，俾藉由該彈簧19之彈力使該軸桿16常態之下保持於一個固定位置，於本實施例中係將該軸桿16保持於一上方之位置。

請參閱第3圖，該位移感測模組2具有一光感測器與一反射板22；於本實施中該光感測器係為一紅外線感測器21，而該反射板22係設置於該軸桿16之頂面，而該紅外線感測器21則對應該反射板22而設置於該支架15之頂部，且該紅外線感測器21係電性連接至該運算處理單元4，藉此可於該反射板22隨該軸桿16移動而與該紅外線感測器21相對位移時，經由紅外線的發射、反射與接收來感測該反射板22隨著軸桿16移動的位移量。

請參閱第4圖，該力感測模組3係設置於該軸桿16的底端，其具有一框架31，該框架31係固定於該軸桿之底端，該框架31中設有一感測薄片32，於該感測薄片32的底面設有一向下延伸之探頭33，而於該感測薄片32的頂面設有一應變計34，該應變計34則電性連接至該運算處理單元4，藉此可於該探頭33抵壓按鍵使該感測薄片32變形時，由該應變計34測得彈力之大小。於本實施例中該力感測模組3之量測範圍係設計成0~1000g之間，而該感測薄片32之規格係為30mm×30mm方形之黃銅材質薄片，而探頭33則使用質量輕、剛性較強的5mm玻離纖維圓柱。

請參閱第5圖，該運算處理單元4係由一處理器41、一記憶體42、一鍵盤模組43、一通訊模組44及一電源模組45所組成。該處理器41係供接收並運算處理由該位移感測模組2與該力感測模組3所傳送之資料；該記憶體42係供儲存量測所得之彈力與位移量之資料；該鍵盤模組43係供使用者輸入訊息並操控該運算處理單元4；該通訊模組44係供與外界設備連結；例如以RS232串列通訊埠為通訊模組44而連接至電腦5；而該電源模組45則係供應該運算處理單元4所需之電力。

而前述有關位移量之量測技術，為了達到降低設置成本之目的，本發明係採用紅外線感測元件來量測位移量，但紅外線感測元件的距離光電感測響應並非線性變化，若要保持量測值之精確度，則需對量測方法再以改進。

因此，本發明另揭露一種位移量之量測方法，更進一步而言，其係一種以紅外線感測元件量測位移量之方法，係包括下列步驟：

一、距離資料讀取

讀取該紅外線感測器21量測所得該反射板22相對位移距離之資料。

若要讓量測結果更為精確，可以取用量測所得之距離資料的10次平均值，讓量測結果更為精確。

二、距離比較分析

分析前一步驟所讀取之量測距離資料，以判定該量測距離落在哪一個測距離範圍，並選擇相對應之運算模型。

由於紅外線感測元件的距離光電感測響應並非線性變化，當量測距離變大時，量測訊號會過小，解析度相對變差，而需將微弱量測信號額外做放大處理，因此，將全距離量測需設計成依區段分段計算，再設計不同放大電路處理，才能確保量測精確度。

以測量薩克斯風之按鍵為例，該彈力與位移量量測裝置所需之量測行程(即該滑塊14連動軸桿16位移之行程)約為40mm，本發明人經過不斷的研究測試，發現將該量測行程區分為三個區段：0~d1(0~15mm)、d1~d2(15~30mm)與d2~d3(30~40mm)三個區段為較佳模式，但並不以此為限。

進行距離比較分析時，係將前一步驟中量測所得之距離資料比較其是否大於d2，如果大於d2則選用運算模型3來進行運算；若否，則再該距離資料是否大於d1，若是則選用運算模型d2；若否，則選用運算模型1來進行運算。

三、距離計算

將取樣之距離資料值依照所選擇之運算模型套入分析公式，以計算出距離值。

例如：當量測距離為12mm時，12mm之數值係落在區段d1(0~15mm)內，因此選用運算模型1來進行運算；而當量測距離為22mm時，22mm之數值係落在區段d2(15~30mm)內，所以選用運算模型2來進行運算。

本發明人所研究出之各運算模型之運算公式如下，其中y為距離值；x為量測之數位值(即前述之位移感測模組2所測得之8位元數位值)。

運算模型1之運算公式：

運算模型2之運算公式：

運算模型3之運算公式：

y =94.54813-0.43117x +0.000695706x ²

經由前述各步驟之量測與計算後，即可獲致一精確的位移量量測值。

使用本發明之彈力及位移量量測裝置時，係先將待測物件(如：薩克斯風)安置於基座10上，然後調整該樞接座11與滑軌12的角度，使軸桿16的角度與待測件按鍵之樞轉方向接近垂直的狀態，再調整該支架15之位置，使軸桿16前端所凸出之力感測模組3的探頭33對準並貼近按鍵。

而後即啟動動力源13帶動滑塊14於滑軌12上向下位移，並由連動桿17同步帶動軸桿16向下，而由軸桿16前端凸出的探頭33下壓按鍵，再於按鍵被按壓到底後，由動力源13反向驅滑塊14連動軸桿16上升，至探頭33離開按鍵為止。

而在本發明之彈力及位移量量測裝置動作的過程中，當軸桿16被帶動向下位移而以探頭33下壓按鍵時，該位移感測模組2與該力感測模組3便會同時進行位移量與彈力之量測，並將量測所得之數據傳送至運算處理單元4進行運算處理，而後運算所得之資訊傳送到顯示器6顯示出來，並且同時將資訊經由通訊模組44傳輸至電腦5儲存。

雖然本發明以前述之若干實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所作更動與潤飾之等效替換，仍為本發明之專利保護範圍內。

1．．．機台

10．．．基座

11．．．樞接座

12．．．滑軌

13．．．動力源

14．．．滑塊

15．．．支架

151．．．鎖緊件

152．．．框體

16．．．軸桿

17．．．連動桿

18．．．擋板

19．．．彈簧

2．．．位移感測模組

21．．．紅外線感測器

22．．．反射板

3．．．力感測模組

31．．．框架

32．．．感測薄片

33．．．探頭

34．．．應變計

4．．．運算處理單元

41．．．處理器

42．．．記憶體

43．．．鍵盤模組

44．．．通訊模組

45．．．電源模組

5．．．電腦

6．．．顯示器

第1圖係表示本發明量測裝置之方塊圖；

第2圖係表示本發明之結構示意圖；

第3圖係本發明位移感測模組之結構示意圖；

第4圖係本發明力感測模組之結構示意圖；

第5圖係本發明運算處理單元之方塊圖；及

第6圖係本發明量測方法之流程方塊圖。

1．．．機台

10．．．基座

11．．．樞接座

12．．．滑軌

13．．．動力源

14．．．滑塊

15．．．支架

151．．．鎖緊件

152．．．框體

16．．．軸桿

17．．．連動桿

18．．．擋板

19．．．彈簧

2．．．位移感測模組

3．．．力感測模組

Claims (14)

1. 一種彈力與位移量量測裝置，其包含有：一軸桿，係可被往復移動地安置於一機台；一位移感測模組，其具有一光感測器與一反射板，該光感測器與該反射板其中一者係設置於該軸桿上，另一者則相對應設置於該機台，用以量測該軸桿之位移量；以及一力感測模組，其係設置於該軸桿相對於該位移感測模組之一端，該力感測模組設有一感測薄片，該感測薄片的一面設有一探頭，而另一面則設有一應變計，俾於該探頭抵壓受測按鍵而使該感測薄片變形時，由該應變計測得彈力之大小；藉此，於該軸桿移動而由該探頭抵壓受測按鍵時，即可由該力感測模組與該位移感測模組同步量測彈力與位移量。
2. 依申請專利範圍第1項所述之彈力與位移量量測裝置，其中該反射板係設置於該軸桿之頂面，而該光感測器則對應該反射板而設置於機台上。
3. 依申請專利範圍第1項所述之彈力與位移量量測裝置，其中該力感測模組其具有一框架，該框架係固定於該軸桿之底端，而該感測薄片則設置於該框架中。
4. 依申請專利範圍第1項所述之彈力與位移量量測裝置，其中該光感測器係為一紅外線感測器。
5. 依申請專利範圍第1項所述之彈力與位移量量測裝置，其中該機台具有一基座，該基座上設有一滑軌，該滑軌上設有一動力源與由該動力源所驅動之一滑塊，使該滑塊可沿該滑軌往復移動，而該滑軌之一側延伸有一支架，該支架係供前述之軸桿滑設，該軸桿與該滑塊之間並以一連動桿連結，使該軸桿可與該滑塊同步移動，而該軸桿中段設有一擋板，並且該軸桿於該擋板與該支架底部之間套設有一彈簧，俾藉由該彈簧之彈力使該軸桿常態之下保持於一個固定位置。
6. 依申請專利範圍第5項所述之彈力與位移量量測裝置，其中該基座設有一樞接座，該樞接座則與該滑軌樞接連結，俾以調整該滑軌之角度。
7. 依申請專利範圍第5項所述之彈力與位移量量測裝置，其中該動力源係為一步進馬達。
8. 依申請專利範圍第5項所述之彈力與位移量量測裝置，其中該支架係滑設於該滑軌外緣，且該支架對應該滑軌設有數個鎖緊件，俾以將該支架鎖固於該滑軌，並且該支架相對於該滑軌的一側設有一框體，該框體係供該軸桿滑設。
9. 依申請專利範圍第1項所述之彈力與位移量量測裝置，其中進一步包括一運算處理單元，該運算處理單元係由一處理器、一記憶體、一鍵盤模組、一通訊模組及一電源模組所組成，該處理器係供接收並運算處理由該位移感測模組與該力感測模組所傳送之資料；該記憶體係供儲存量測所得之彈力與位移量之資料；該鍵盤模組係供使用者輸入訊息並操控該運算處理單元；該通訊模組係供與外界設備連結；而該電源模組則係供應該運算處理單元所需之電力。
10. 依申請專利範圍第9項所述之彈力與位移量量測裝置，其中該通訊模組係為RS232串列通訊埠，俾以連接至電腦及顯示器。
11. 一種位移量之量測方法，係以一紅外線感測器與一反射板來量測位移量，其包含下列步驟：讀取該紅外線感測器量測所得該反射板之相對位移距離資料；將量測行程區分為數段量測範圍，各量測範圍均對應有一運算模型，分析前一步驟所讀取之量測距離資料，以判定該量測距離所落入之測範圍，並選擇相對應之運算模型；以及將取樣之距離資料值依照所選擇之運算模型來以計算出距離值。
12. 依據申請專利範圍第11項所述之位移量之量測方法，其中該量測行程係區分為d1、d2與d3三個區段，當量測之距離落在d1範圍內，則選用運算模型1做放大處理；當量測之距離落在d2範圍內，則選用運算模型2做放大處理；當量測之距離落在d3範圍內，則選用運算模型3處做放大處理。
13. 依據申請專利範圍第12項所述之位移量之量測方法，其中該量測行程約為40mm，而該區段d1係介於0~15mm；該區段d2係介於15~30mm；該區段d3係介於30~40mm，而該運算模型1之運算公式為： 該運算模型2之運算公式為： 運算模型3之運算公式為：y =94.54813-0.43117x +0.000695706x ² 其中，y為距離值；x為前述之紅外線感測器所測得之數位值。
14. 一種如申請專利範圍第1項述之彈力與位移量量測裝置之用途，其係用以量測薩克斯風等管樂器之按鍵的彈力與位移量。