TWI607206B - 感應三軸應力之電子裝置及其三軸應力感應器 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種三軸應力感應器，特別是一種增強X軸和Y軸方向的感應效果的三軸應力感應器。
壓電效應是利用材料型變將機械能轉換成電能，或者將電能轉換成機械能。自從1942年發現鈦酸鋇(BaTiO3)的壓電特性之後，各式各樣壓電材料的研究和應用就不斷地發展，例如壓電材料如聚偏氟乙烯(Polyvinylidene，PVDF)可製成平面式的壓電薄膜，以形成一感測元件。
一般而言，壓電材料具有體積小、反應快速、位移消耗功率低等特色，但使用上仍有限制。例如，在使用聚偏氟乙烯製作為感應三軸應力的平面壓電薄膜時，壓電薄膜可以在Z軸具有良好的感應能力(亦即為該壓電薄膜之平面的法線上的感應能力)，但是該壓電薄膜在X軸和Y軸的感應能力(亦即為該壓電薄膜之平面的水平方向上的感應能力)則明顯較差；經實際實驗量測，聚偏氟乙烯之平面壓電薄膜在X軸和Y軸的感應能力上的感應能力，小於Z軸上的感應能力的一半。因此，傳統的平面壓電薄膜在三軸上的感應能力非常不均勻，無法周全得感應周圍的應力變化。
因此，有必要提供一種新的三軸應力感應器，特別是一種增強X軸和Y軸方向的感應效果。
本發明之主要目的係在提供一種增強X軸和Y軸方向的感應效果的三軸應力感應器。
為達成上述之目的，本發明之一種三軸應力感應器包括一第一感應件和一第二感應件。第一感應件包括一第一電極、複數第二電極和複數第三電極。第一電極包括一電極主體、複數第一
延伸柱、複數第二延伸柱、複數第一電極柱和複數第二電極柱。複數第一延伸柱和複數第二延伸柱連接電極主體。複數第一電極柱連接複數第一延伸柱，其中任兩個相鄰的第一電極柱之間，以及任一第一電極柱和相鄰的該電極主體之間，皆分別形成一第一容納空間。複數第二電極柱連接複數第二延伸柱，其中任兩個相鄰的第二電極柱之間，以及任一第二電極柱和相鄰的該電極主體之間，皆分別形成一第二容納空間。各個第二電極包括一第三延伸柱和複數第三電極柱。複數第三電極柱連接第三延伸柱，且各個第三電極柱分別位於各個第一容納空間。各個第三電極包括一第四延伸柱和複數第四電極柱。複數第四電極柱連接第四延伸柱，且各個第四電極柱分別位於各個第二容納空間。第二感應件位於第一感應件的下方。
根據本發明之一實施例，其中複數第三電極柱分別和周圍的複數第一電極柱以及電極主體相對應，以形成X軸的一極化方向；複數第四電極柱分別和周圍的複數第二電極柱以及電極主體相對應，以形成Y軸的一極化方向。
根據本發明之一實施例，其中電極主體和第二感應件相對應，以形成Z軸的一極化方向。
根據本發明之一實施例，其中當第一感應件受一外力影響而產生形變時，第一感應件傳輸第一感應件因形變而產生的一電子訊號。
根據本發明之一實施例，其中複數第一電極柱和複數第三電極柱互相平行。
根據本發明之一實施例，其中複數第二電極柱和複數第四電極柱互相平行。
根據本發明之一實施例，其中複數第一電極柱是以垂直的方式連接複數第一延伸柱，且複數第三電極柱是以垂直的方式連接複數第二電極的第三延伸柱。
根據本發明之一實施例，其中複數第二電極柱是以垂直的方式連接複數第二延伸柱，且複數第四電極柱是以垂直的方式連接複數第三電極的第四延伸柱。
根據本發明之一實施例，三軸應力感應器更包括一電極柱，電極柱連接第二感應件。
根據本發明之一實施例，三軸應力感應器更包括一第一保護板和一第二保護板，且第一感應件和第二感應件位於第一保護板和第二保護板之間。
本發明之另一主要目的係在提供一種感應三軸應力之電子裝置，其可增強X軸和Y軸方向的感應效果。
為達成上述之目的，本發明之感應三軸應力之電子裝置包括一處理器、一電源件和三軸應力感應器。電源件電性連接處理器。三軸應力感應器電性連接處理器。三軸應力感應器包括一第一感應件和一第二感應件。第一感應件包括一第一電極、複數第二電極和複數第三電極。第一電極電性連接處理器，其包括一電極主體、複數第一延伸柱、複數第二延伸柱、複數第一電極柱和複數第二電極柱。複數第一延伸柱和複數第二延伸柱連接電極主體。複數第一電極柱連接複數第一延伸柱，其中任兩個相鄰的第一電極柱之間，以及任一第一電極柱和相鄰的該電極主體之間，皆分別形成一第一容納空間。複數第二電極柱連接複數第二延伸柱，其中任兩個相鄰的第二電極柱之間，以及任一第二電極柱和相鄰的該電極主體之間，皆分別形成一第二容納空間。各個第二電極電性連接處理器，並包括一第三延伸柱和複數第三電極柱。複數第三電極柱連接複數第三延伸柱，且各個第三電極柱分別位於各個第一容納空間。各個第三電極電性連接處理器，並包括一第四延伸柱和複數第四電極柱。複數第四電極柱連接第四延伸柱，且各個第
四電極柱分別位於各個第二容納空間。第二感應件位於第一感應件的下方。
1‧‧‧三軸應力感應器
20‧‧‧第一感應件
21‧‧‧第一電極
211‧‧‧電極主體
212‧‧‧第一延伸柱
213‧‧‧第二延伸柱
214‧‧‧第一電極柱
215‧‧‧第二電極柱
216‧‧‧第一容納空間
217‧‧‧第二容納空間
22‧‧‧第二電極
221‧‧‧第三延伸柱
222‧‧‧第三電極柱
23‧‧‧第三電極
231‧‧‧第四延伸柱
232‧‧‧第四電極柱
30‧‧‧第二感應件
40‧‧‧電極柱
50‧‧‧第一保護板
60‧‧‧第二保護板
70‧‧‧處理器
80‧‧‧電源件
100‧‧‧感應三軸應力之電子裝置
圖1係本發明之一實施例之三軸應力感應器之示意圖。
圖2係本發明之一實施例之三軸應力感應器之立體分解圖。
圖3係本發明之一實施例之第一感應件之立體分解圖。
圖4係本發明之一實施例之第一感應件之俯視圖。
圖5係本發明之一實施例之第二感應件和電極柱之示意圖。
圖6係本發明之一實施例之第一感應件之第一感應件形成極化之示意圖。
圖7係本發明之一實施例之感應三軸應力之電子裝置之系統架構圖。
為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉較佳具體實施例說明如下。
以下請一併參考圖1至圖7關於本發明之一實施例之感應三軸應力之電子裝置和三軸應力感應器。圖1係本發明之一實施例之三軸應力感應器之示意圖；圖2係本發明之一實施例之三軸應力感應器之立體分解圖；圖3係本發明之一實施例之第一感應件之立體
分解圖；圖4係本發明之一實施例之第一感應件之俯視圖；圖5係本發明之一實施例之第二感應件和電極柱之示意圖；圖6係本發明之一實施例之第一感應件之第一感應件形成極化之示意圖；圖7係本發明之一實施例之感應三軸應力之電子裝置之系統架構圖。
如圖1、圖2和圖7所示，在本發明之一實施例之中，感應三軸應力之電子裝置100為具有觸控功能的裝置，例如智慧型手機、簽名板、手寫板或平板電腦，但其種類並不以此為限。感應三軸應力之電子裝置100包括一處理器70、一電源件80和一個三軸應力感應器1。處理器70例如為一中央處理器(Central Processing Unit，CPU)，處理器70電性連接電源件80和三軸應力感應器1。處理器70用以控制感應三軸應力之電子裝置100內部的電子元件，並可接收並處理三軸應力感應器1傳送的電子訊號，以根據該電子訊號而控制其他的電子元件產生對應的動作。電源件80例如為一電池，其用以提供處理器70所需的電力。
在本發明之一實施例之中，三軸應力感應器1用以感應三軸方向(例如X軸、Y軸、Z軸)上的應力變化，並根據三軸方向的應力變化而傳送對應的電子訊號至處理器70，以供處理器70根據電子訊號而執行對應
的軟體。三軸應力感應器1包括一第一感應件20、一第二感應件30、一電極柱40、一第一保護板50以及一第二保護板60。
如圖2至圖4、圖6和圖7所示，在本發明之一實施例之中，第一感應件20是以壓電材料如聚偏氟乙烯(Polyvinylidene，PVDF)所製成，其用以感應X軸和Y軸上的應力變化，或是配合第二感應件30以感應Z軸上的應力變化。第一感應件20包括一第一電極21、二個第二電極22和二個第三電極23。第一電極21其電性連接處理器70。第一電極21包括一電極主體211、二個第一延伸柱212、二個第二延伸柱213、四個第一電極柱214和四個第二電極柱215；然而，第一延伸柱212、第二延伸柱213、第一電極柱214和第二電極柱215的數量皆不以上述為限，其可依照設計需求而改變。電極主體211用以配合周圍的第二電極22和第三電極23以感應X軸和Y軸上的應力變化，也用以配合第二感應件30以感應Z軸上的應力變化。二個第一延伸柱212沿著X軸延伸，並分別連接於電極主體211在X軸上的兩側。二個第二延伸柱213沿著Y軸延伸，並分別連接電極主體211在Y軸上的兩側。
在本發明之一實施例之中，在四個第一電極柱214之中，其中二個第一電極柱214以垂直的方式連接其中一個第一延伸柱
212，另外二個第一電極柱214以垂直的方式連接另一個第一延伸柱212。四個第一電極柱214互相平行，且四個第一電極柱214中的兩個位於電極主體211的一側，另外兩個位於電極主體211的另一側。在任兩個相鄰的第一電極柱214之間，會形成一第一容納空間216；在任一第一電極柱214和相鄰的該電極主體211之間，也會形成一第一容納空間216；藉此，位於電極主體211的一側的兩個第一電極柱214，可以配合電極主體211而形成二個第一容納空間216；位於電極主體211的另一側的兩個第一電極柱214，也可以配合電極主體211而形成另外二個第一容納空間216。在四個第二電極柱215之中，其中兩個以垂直的方式連接其中一第二延伸柱213，另外二個以垂直的方式連接另一個第二延伸柱213。四個第二電極柱215互相平行，且四個第二電極柱215中的兩個位於電極主體211的一側，另外兩個位於第二電極柱215的另一側。在任兩個相鄰的第二電極柱215之間，會形成一第二容納空間217；在任一第二電極柱215和相鄰的該電極主體211之間，也會形成一第二容納空間217；藉此，位於電極主體211的一側的兩個第二電極柱215，可以配合電極主體211而形成二個第二容納
空間217；位於電極主體211的另一側的兩個第二電極柱215，也可以配合電極主體211而形成另外二個第二容納空間217。
在本發明之一實施例之中，二個第二電極22為F形狀的電極板，其電性連接處理器70，二個第二電極22用以配合第一電極21之第一電極柱214和電極主體211，而形成X軸的一極化方向。各個第二電極22包括一第三延伸柱221和二個第三電極柱222；然而，第三電極柱222的數量並不以二個為限，其可依照設計需求而改變。在各個第二電極22之中，二個第三電極柱222以垂直的方式連接第三延伸柱221。二個第二電極22分別對應得設置在二個第一延伸柱212的旁邊，且各個第三電極柱222分別位於各個第一容納空間216內；也就是說，在本發明之一實施例之中，其中一個第二電極22的二個第三電極柱222，分別位於電極主體211的一側的二個第一容納空間216之中，另一個第二電極22的二個第三電極柱222則分別位於電極主體211的另一側的二個第一容納空間216之中。四個第一電極柱214和各個第二電極22的二個第三電極柱222互相平行。由於各個第一容納空間216是由任兩個相鄰的第一電極柱214，或是任一第一電極柱214和相鄰的電極主體211所形成，因此設置在第一容納空間216之中的
第三電極柱222會位於兩個相鄰的第一電極柱214之間，或是位於第一電極柱214和相鄰的電極主體211之間；藉此，四個第一電極柱214會和各個第二電極22的二個第三電極柱222以及電極主體211平行且交錯排列。
在本發明之一實施例之中，二個第三電極23為F形狀的電極板，其電性連接處理器70，二個第三電極23用以配合第一電極21之第二電極柱215和電極主體211，而形成Y軸的一極化方向。各個第三電極23包括一第四延伸柱231和二個第四電極柱232；然而，第四電極柱232的數量並不以二個為限，其可依照設計需求而改變。在各個第三電極23之中，二個第四電極柱232以垂直的方式連接第四延伸柱231。二個第三電極23分別對應得設置在二個第二延伸柱213的旁邊，且各個第四電極柱232分別位於各個第二容納空間217內；也就是說，在本發明之一實施例之中，其中一個第三電極23的二個第四電極柱232，分別位於電極主體211的一側的二個第二容納空間217之中，另一個第三電極23的二個第四電極柱232則分別位於電極主體211的另一側的二個第二容納空間217之中。四個第二電極柱215和各個第三電極23的二個第四電極柱232互相平行。由於各個第二容納空間217
是由任兩個相鄰的第二電極柱215，或是任一第二電極柱215和相鄰的電極主體211所形成，因此設置在第二容納空間217之中的第四電極柱232會位於兩個相鄰的第二電極柱215之間，或是位於第二電極柱215和相鄰的電極主體211之間；藉此，四個第二電極柱215會和各個第三電極23的二個第四電極柱232以及電極主體211平行且交錯排列。
在本發明之一實施例之中，第二感應件30是以壓電材料如聚偏氟乙烯所製成，用以感應Z軸上的應力變化。第二感應件30電性連接處理器70，位於第一感應件20之電極主體211之下方。第二感應件30用以和電極主體211相對應，以形成Z軸的一極化方向。
在本發明之一實施例之中，藉由上述之四個第一電極柱214和各個第二電極22的二個第三電極柱222以及電極主體211之間的平行和交錯排列，四個第一電極柱214會和各個第二電極22的二個第三電極柱222以及電極主體211相對應，以形成X軸的一極化方向；而且交錯排列的第一電極柱214、第三電極柱222皆會和相鄰的電極柱或電極主體211互相對應(如圖4和圖6所示)而產生綿密的X軸之感應電場，因此，X軸上的應力感應效果可
大幅提高。另外，藉由上述之四個第二電極柱215和各個第三電極23的二個第四電極柱232以及電極主體211之間的平行和交錯排列，四個第二電極柱215會和各個第三電極23的二個第四電極柱232以及電極主體211相對應，以形成Y軸的一極化方向；而且交錯排列的第二電極柱215、第四電極柱232皆會和相鄰的電極柱或電極主體211互相對應(如圖4和圖6所示)而產生綿密的Y軸之感應電場，因此，Y軸上的應力感應效果可大幅提高。另外，第二感應件30也會和電極主體211相對應，以形成Z軸的一極化方向。
如圖2、圖5和圖7所示，在本發明之一實施例之中，電極柱40連接第二感應件30，電極柱40可以將三軸應力感應器1內部多餘的電能導出至外部，以避免三軸應力感應器1內部的電子元件毀損。第一保護板50和第二保護板60為質地較堅硬的板材，第一感應件20和第二感應件30位於第一保護板50和第二保護板60之間，藉此，第一保護板50和第二保護板60可以保護第一感應件20和第二感應件30不受外力影響而破損。另外，本發明之三軸應力感應器1之結構，係將第一感應件20、第二感應件30、第一保護
板50和第二保護板60互相疊合而成，其整體高度相當小，因此可以達到微小化、薄型化之目的。
如圖1至圖4和圖7所示，在本發明之一實施例之中，當三軸應力感應器1受一外力影響而產生形變時，第一感應件20也會連帶著受到外力影響而產生形變；此時，藉由壓電效應，第一感應件20會產生電子訊號，且第一感應件20會傳輸因形變而產生的電子訊號給處理器70，而處理器70即可分析接收到的電子訊號，以判斷三維空間上的應力和方向的變化。由於正壓電效應為已知技術，故未在此多贅述。需注意的是，若是該外力是沿著X軸或Y軸而施加在三軸應力感應器1上，以使第一感應件20產生形變時，由於交錯排列的第一電極柱214、第三電極柱222皆會和相鄰的電極柱或電極主體211互相對應而產生綿密的X軸之感應電場，並且交錯排列的第二電極柱215、第四電極柱232也會和相鄰的電極柱或電極主體211互相對應而產生綿密的Y軸之感應電場，因此三軸應力感應器1可以在X軸和Y軸上皆具有良好的感應能力，故三軸應力感應器1可以靈敏得感應到沿著X軸或Y軸而施加的外力。
藉由本發明之感應三軸應力之電子裝置及其三軸應力感應器1之設計，可以使三軸應力感應器1靈敏得感應到沿著X軸或Y
軸而施加的外力。經發明人之實際實驗測試，本發明之三軸應力感應器1在X軸、Y軸的應力感應能力和Z軸上的應力感應能力一樣好。因此本發明之感應三軸應力之電子裝置及其三軸應力感應器1適合可以周全得感應周圍的應力變化。
需注意的是，上述僅為實施例，而非限制於實施例。譬如此不脫離本發明基本架構者，皆應為本專利所主張之權利範圍，而應以專利申請範圍為準。
1‧‧‧三軸應力感應器
20‧‧‧第一感應件
40‧‧‧電極柱
50‧‧‧第一保護板
60‧‧‧第二保護板
Claims (20)
- 一種三軸應力感應器，包括：一第一感應件，包括：一第一電極，包括：一電極主體；複數第一延伸柱，連接該電極主體；複數第二延伸柱，連接該電極主體；複數第一電極柱，連接該複數第一延伸柱，其中任兩個相鄰的第一電極柱之間，以及任一第一電極柱和相鄰的該電極主體之間，皆分別形成一第一容納空間；以及複數第二電極柱，連接該複數第二延伸柱，其中任兩個相鄰的第二電極柱之間，以及任一第二電極柱和相鄰的該電極主體之間，皆分別形成一第二容納空間；以及複數第二電極，各個第二電極包括：一第三延伸柱；以及複數第三電極柱，連接該第三延伸柱，且各個第三電極柱分別位於各個第一容納空間；以及複數第三電極，各個第三電極包括：一第四延伸柱；複數第四電極柱，連接該第四延伸柱，且各個第四電極柱分別位於各個第二容納空間；以及一第二感應件，位於該第一感應件的下方。
- 如申請專利範圍第1項所述之三軸應力感應器，其中該複數第三電極柱分別和周圍的該複數第一電極柱以及該電極主體相對應，以形成X軸的一極化方向；該複數第四電極柱分別和周圍的該複數第二電極柱以及該電極主體相對應，以形成Y軸的一極化方向。
- 如申請專利範圍第2項所述之三軸應力感應器，其中該電極主體和第二感應件相對應，以形成Z軸的一極化方向。
- 如申請專利範圍第3項所述之三軸應力感應器，其中當該第一感應件受一外力影響而產生形變時，該第一感應件傳輸該第一感應件因形變而產生的一電子訊號。
- 如申請專利範圍第4項所述之三軸應力感應器，其中該複數第一電極柱和該複數第三電極柱互相平行。
- 如申請專利範圍第5項所述之三軸應力感應器，其中該複數第二電極柱和該複數第四電極柱互相平行。
- 如申請專利範圍第6項所述之三軸應力感應器，其中該複數第一電極柱是以垂直的方式連接該複數第一延伸柱，且該複數第三電極柱是以垂直的方式連接該複數第二電極的該第三延伸柱。
- 如申請專利範圍第7項所述之三軸應力感應器，其中該複數第二電極柱是以垂直的方式連接該複數第二延伸柱，且該複數第四電極柱是以垂直的方式連接該複數第三電極的該第四延伸柱。
- 如申請專利範圍第8項所述之三軸應力感應器，更包括一電極柱，該電極柱連接該第二感應件。
- 如申請專利範圍第9項所述之三軸應力感應器，更包括一第一保護板和一第二保護，且該第一感應件和該第二感應件位於該第一保護板和該第二保護板之間。
- 一種感應三軸應力之電子裝置，包括：一處理器；一電源件，電性連接該處理器；以及一三軸應力感應器，電性連接該處理器，該三軸應力感應器包括：一第一感應件，包括：一第一電極，電性連接該處理器，該第一電極包括：一電極主體；複數第一延伸柱，連接該電極主體；複數第二延伸柱，連接該電極主體； 複數第一電極柱，連接該複數第一延伸柱，其中任兩個相鄰的第一電極柱之間，以及任一第一電極柱和相鄰的該電極主體之間，皆分別形成一第一容納空間；以及複數第二電極柱，連接該複數第二延伸柱，其中任兩個相鄰的第二電極柱之間，以及任一第二電極柱和相鄰的該電極主體之間，皆分別形成一第二容納空間；以及複數第二電極，電性連接該處理器，該第二電極包括：一第三延伸柱；以及複數第三電極柱，連接該第三延伸柱，且各個第三電極柱分別位於各個第一容納空間；以及複數第三電極，電性連接該處理器，各個第三電極包括：一第四延伸柱；複數第四電極柱，連接該第四延伸柱，且各個第四電極柱分別位於各個第二容納空間；以及一第二感應件，電性連接該處理器，並位於該第一感應件的下方。
- 如申請專利範圍第11項所述之感應三軸應力之電子裝置，其中該複數第三電極柱分別和周圍的該複數第一電極柱以 及該電極主體相對應，以形成X軸的一極化方向；該複數第四電極柱分別和周圍的該複數第二電極柱以及該電極主體相對應，以形成Y軸的一極化方向。
- 如申請專利範圍第12項所述之感應三軸應力之電子裝置，其中該電極主體和第二感應件相對應，以形成Z軸的一極化方向。
- 如申請專利範圍第13項所述之感應三軸應力之電子裝置，其中當該第一感應件受一外力影響而產生形變時，該第一感應件傳輸該第一感應件因形變而產生的一電子訊號給該處理器。
- 如申請專利範圍第14項所述之感應三軸應力之電子裝置，其中該複數第一電極柱和該複數第三電極柱互相平行。
- 如申請專利範圍第15項所述之感應三軸應力之電子裝置，其中該複數第二電極柱和該複數第四電極柱互相平行。
- 如申請專利範圍第16項所述之感應三軸應力之電子裝置，其中該複數第一電極柱是以垂直的方式連接該複數第一延伸柱，且該複數第三電極柱是以垂直的方式連接該複數第二電極的該複數第三延伸柱。
- 如申請專利範圍第17項所述之感應三軸應力之電子裝置，其中該複數第二電極柱是以垂直的方式連接該複數第二延伸柱，且該複數第四電極柱是以垂直的方式連接該複數第三電極的該複數第四延伸柱。
- 如申請專利範圍第18項所述之感應三軸應力之電子裝置，其中該三軸應力感應器更包括一電極柱，該電極柱連接該第二感應件。
- 如申請專利範圍第19項所述之感應三軸應力之電子裝置，其中該三軸應力感應器更包括一第一保護板和一第二保護板，且該第一感應件和該第二感應件位於該第一保護板和該第二保護板之間。
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