TWI664510B - 力感應裝置、力陣列感應模組及其力感應元件 - Google Patents

Abstract

一種力感應裝置，包括一力陣列感應模組、一基板、至少一凸起部以及一保護層。力陣列感應模組具有至少一力感應元件。基板用以抵靠力陣列感應模組。至少一凸起部與至少一力感應元件的位置相對應。保護層至少覆蓋力陣列感應模組及基板之周圍。

Description

力感應裝置、力陣列感應模組及其力感應元件

本發明是有關於一種感應元件，且特別是有關於一種力感應裝置、力陣列感應模組及其力感應元件。

力感應元件主要是偵測使元件產生應變的外力。力陣列感應技術可用於辨識元件受壓時的壓力分佈、幾何梯度等變化。此外，在機械手臂加工系統中，透過機械手臂與人的協同運作，可提升複雜度高或需要高度彈性之製程的工作效率，但也提高操作人員的危險性。因此，如何規範機械手臂的運動範圍，並設計可供人員與機械手臂互動的操作模式，以避免高速運動的機械手臂對操作人員可能造成的傷害，實為重要。

本發明係有關於一種力感應裝置、力陣列感應模組及其力感應元件，用以偵測施加於力感應元件的外力或壓力分布，並可透過設置於機械手臂上或機械手臂周圍的力感應裝置來偵測是否發生一觸碰訊號或做為人機操作介面，並且力感應裝置 可於觸碰發生時藉由發出一力感應訊號至機械手臂，以控制機械手臂停止或啟動機械手臂。

根據本發明之一方面，提出一種力感應裝置，包括一力陣列感應模組、一基板、至少一凸起部以及一保護層。力陣列感應模組具有至少一力感應元件。基板用以抵靠力陣列感應模組。至少一凸起部與至少一力感應元件的位置相對應。保護層至少覆蓋力陣列感應模組及基板之周圍，其中至少一凸起部設置於基板及保護層中之至少一者上。

根據本發明之一方面，提出一種力感應元件，包括二膜層、二電極層、至少一感應層以及至少一間隙層。此二膜層具有相對的一第一內表面與一第二內表面。二電極層分別設置於第一內表面與第二內表面上，且此二電極層之間相隔一間隙。至少一感應層設置於二電極層之至少一者上。至少一間隙層設置於二膜層之間，以使二電極層之間保持間隙。

根據本發明之一方面，提出一種力陣列感應模組，包括多個力感應元件，其中此些力感應元件共用該二薄膜，並以陣列形式排列；以及一封膠層，設置於二膜層之間，用以密封此些力感應元件。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

100‧‧‧力感應裝置

101‧‧‧機械手臂

102‧‧‧端部

104‧‧‧活動式支架

106‧‧‧工具

110‧‧‧力陣列感應模組

111‧‧‧訊號出線端

112‧‧‧基板

113、117‧‧‧凸起部

114‧‧‧保護層

115‧‧‧凹槽

116‧‧‧開口

120‧‧‧力感應元件

121、122‧‧‧膜層

1211‧‧‧第一內表面

1221‧‧‧第二內表面

123、124‧‧‧電極層

125‧‧‧感應層

1251、1252‧‧‧壓敏材料

1253‧‧‧導電物質

126‧‧‧間隙層

1261、1262‧‧‧間隙材料

130‧‧‧封膠層

142‧‧‧法蘭片接頭

143‧‧‧電路控制單元

G‧‧‧間隙

H‧‧‧高度

S1、S2‧‧‧側面

S3‧‧‧底面

T1、T2‧‧‧開槽

第1A圖繪示依照本發明一實施例之力感應裝置的示意圖。

第1B圖繪示第1A圖之力感應裝置沿著A-A線的剖面示意圖。

第1C圖分別繪示依照本發明一實施例之力感應元件的示意圖。

第2圖分別繪示依照本發明一實施例之力陣列感應模組的示意圖。

第3圖分別繪示依照本發明一實施例之力陣列感應模組的示意圖。

第4A圖繪示依照本發明一實施例之力感應裝置的示意圖。

第4B圖繪示依照本發明另一實施例之力感應裝置的示意圖。

第5圖繪示依照本發明一實施例之力感應裝置裝設在機械手臂上的示意圖第6圖繪示依照本發明一實施例之力感應裝置組裝於機械手臂周圍的示意圖。

第7圖繪示依照本發明一實施例之力陣列感應模組組裝於具有凹槽之基板上的示意圖。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。

請參照第1A及1B圖，依照本發明一實施例之力感應裝置100包括一力陣列感應模組110、一基板112、至少一凸起 部113以及一保護層114。基板112用以抵靠壓力陣列感測模組110。力陣列感應模組110具有至少一力感測元件120。至少一凸起部113設置於基板112上，用以抵靠於至少一力感測元件120的下方。本實施例僅示例性地繪示四個凸起部113以及七個力感測元件120，其中，凸起部113與力感測元件120的數量可相同或不相同，且凸起部113的位置與力感測元件120的位置可上下對應或上下交錯排列，例如，每一個凸起部113對應位於力感測元件120的正下方，或者，每一個凸起部113對應位於至少兩個力感測元件120的正下方，或者，每一個凸起部113對應位於兩相鄰的力感測元件120之間的下方，本發明對此不加以限制。

當使用者按壓的位置正對凸起部113的位置時，位於凸起部113上方的力感測元件120相對於周圍的力感測元件120承受較大的下壓力，因而可增加按壓的靈敏度。或者，使用者按壓的位置位於兩相鄰的凸起部113之間時，位於凸起部113之間的力感測元件120相對於周圍的力感測元件120具有較大的變形量，同樣可增加按壓的靈敏度。當然，使用者可同時按壓位於多個凸起部113上方的多個力感測元件120，以使多個力感測元件120同時導通。同時，力感應裝置100還可將按壓訊號傳送到外部的處理單元(圖未繪示)，以供辨識力感應裝置100受壓時的力分佈或梯度等，進而分析受力面積或形狀。

此外，保護層114之材質例如為矽膠或橡膠之類的防水材料，以熱塑成型的方式加熱至軟化並以氣壓差或抽真空的 方式包覆在力感應裝置100之周圍。在一實施例中，保護層114例如至少覆蓋力陣列感應模組110上方、基板112的至少二側面S1、S2與基板112的一底面S3，保護層114可避免水氣或濕氣進入力陣列感應模組110內，以避免影響力感測元件120的電性特性。

請參照第1C圖，依照本發明一實施例之力感應元件120包括二膜層121、122、二電極層123、124、至少一感應層125以及至少一間隙層126。此二膜層121、122具有相對的一第一內表面1211與一第二內表面1221。二電極層123、124分別設置於第一內表面1211與第二內表面1221上，且此二電極層123、124之間相隔一間隙。至少一感應層125設置於二電極層123、124之至少一者上。至少一間隙層126設置於二膜層121、122之間，以使二電極層123、124之間保持預定間隙，例如保持間隙G在10微米~100微米之間，例如30微米左右或更低。

在一實施例中，膜層可為軟性基板，電極層例如為銅之類的金屬或其他高導電材料，電極層可分別製作而形成於二膜層121、122的第一內表面1211與第二內表面1221上。感應層125例如以塗佈或印刷的方式形成於二電極層123、124上或其中一電極層上。在一實施例中，感應層125例如包括二壓敏材料(Pressure Sensitive Material)1251、1252，分別覆蓋於二電極層123、124上。壓敏材料於常態下藉由間隙層126保持適當的間隙G而不導電，一旦壓敏材料受到壓力時，二電極層123、124之間的距離變短，且位於壓敏材料1251、1252內的導電物質1253受壓而相互接觸，以形成一導電通路於二電極層123、124之間。 因此，壓敏材料1251、1252也因為內部形成導電通路而改變導電性。在一實施例中，當壓力不斷增加，壓敏材料1251、1252內的導電通路也會增加，而使得壓敏材料1251、1252的導電性更好。

在一實施例中，位於壓敏材料1251、1252內的導電物質1253例如為碳黑(carbon black)粉末或金屬粉末，可與高分子聚合物混合而均勻分布於壓敏材料1251、1252中。在一實施例中，壓敏材料1251、1252可藉由內部電阻值、感應電容值或感應電感值的改變而改變導電性，其材質例如選自壓阻材料、電容感應材料、電感材料或壓電材料等，本發明對此不加以限制。

在一實施例中，設置於二膜層121、122之間的間隙層126可為單一層的間隙材料或由二層堆疊接合的二間隙材料1261、1262組合而成。在未組合之前，二間隙材料1261、1262分別設置於二壓敏材料1251、1252上，且分隔於二壓敏材料1251、1252之間，接著，上下的二膜層121、122經由二間隙材料1261、1262堆疊接合，並保持預定的間隙於二電極層123、124之間。同樣地，當力感應元件120只有單一層的間隙材料時，上下的二膜層121、122也能經由單一層的間隙材料接合，並保持預定的間隙於二電極層123、124之間。當上下的二膜層121、122組合之後，間隙材料1261、1262可將二電極層123、124及感應層126分隔於二膜層121、122之間。在一實施例中，間隙材料1261、1262可為感光型間隙材料，其高度及寬度可透過曝光、顯影及烘烤等步驟得到精確的控制。在一實施例中，間隙層126的高度(即間隙G)例如在10微米~100微米之間，例如30微米或更低。

請參照第2圖，依照本發明一實施例之力陣列感應模組110包括至少一力感應元件120以及一封膠層130。本實施例僅示例性地繪示二個力感應元件120，其中力感應元件120共用二膜層121、122，並以一維陣列或二維陣列形式排列於二膜層121、122之間。此外，封膠層130設置於二膜層121、122之間，用以密封此些力感應元件120。封膠層130的高度H例如在50微米~300微米之間，例如100微米或更低。另外，力感應元件120透過間隙層126分隔，以確保各個力感應元件120的二電極層123、124之間的間隙保持一致，以使各個力感應元件120具有一致的電性特性。有關力感應元件120，請參照上述實施例之說明，在此不再贅述。封膠層130可避免水氣或濕氣進入力感應元件120內，以避免影響力感應元件120的電性特性。

請參照第3圖，在一實施例中，力陣列感應模組110不限定應用於平面基板上，亦可應用於其他外型(例如圓弧形)的基板上。當力陣列感應模組110呈彎曲狀時，各個力感應元件120的二電極層123、124之間的間隙仍可透過間隙層126保持一致，可避免彎曲程度過大而影響力感應元件120的電性特性。

請參照第1B圖，凸起部113例如與基板112一體成形而成為基板112的一部分，也就是說，透過移除基板112部分材料而形成凹口，而未移除的凸出部分即為凸起部113。接著，請參照第4A圖，在一實施例中，凸起部113例如為塗布或貼附在平面基板112上的一表面結構層，也就是說，凸起部113可與基板112結合而達到抵接於力陣列感應模組110與基板112之間的功效。

接著，在另一實施例中，除了設置凸起部113在力陣列感應模組110的下方之外，亦可設置凸起部117於力陣列感應模組110的上方。請參照第4B圖，凸起部117例如與保護層114一體成形而成為保護層114的一部分，或者，凸起部117為塗布或貼附在保護層114上的一表面結構層，其抵接於力陣列感應模組110的上方，功能與凸起部113相同。凸起部117可與凸起部113配合使用，可使力陣列感應模組110的上方與下方分別抵接凸起部117與凸起部113，然而，凸起部117與凸起部113亦可個別使用，本發明對此不加以限制。

請參照第5圖，在一實施例中，基板112例如由兩片可相對結合的半圓形板材所組成，組合後的基板112具有一中空圓柱形，且具有至少一出線口，以做為連接至力陣列感應模組110之訊號線(圖未繪示)的出口。此外，上述實施例的二力陣列感應模組110可分別設置在半圓形板材上，並透過訊號線(圖未繪示)連接至一處理模組。在一實施例中，組合後的基板112可固設在機械手臂101上，並藉由設置於基板112上的力陣列感應模組110來偵測是否發生碰撞的情形，或以力陣列感應模組110做為人機操作介面，以供使用者對機械手臂101進行直覺式教導並記錄機械手臂101的移動軌跡。

請參照第5圖，在一實施例中，機械手臂101的端部102例如設有一法蘭片接頭142、一電路控制單元143以及一力感應裝置100。力感應裝置100的中空圓柱形的基板112與電路控制單元143可藉由螺絲固定在法蘭片接頭142上，且電路控制單元143可套設在力感應裝置100的基板112的上部外圍，中空圓柱形 的基板112的下部外圍可設有力陣列感應模組110，以做為人機操作介面。力感應裝置100例如以環狀形式裝設於一機械手臂末端(即端部102)。此外，電路控制單元143設置於中空圓柱形的基板112的上部且可透過訊號線連接至力感應裝置100，用以接收力感應訊號，以偵測是否發生碰撞的情形，或切換至人機操作模式以接收操作人員輸入的指令。

請參照第6圖，在一實施例中，至少一力感應裝置100可組裝於機械手臂101周圍。有關力感應裝置100，請參照上述實施例之說明，在此不再贅述。本實施例僅示例性地繪示五個力感應裝置100。各個力感應裝置100例如藉由活動式支架104固定在機械手臂101的端部102上，並圍繞在機械手臂101的端部102的周圍。力感應裝置100可透過有線方式連接至一集線盤，再經由集線盤的傳輸線連接至外部的處理模組。當然，力感測裝置100亦可透過無線通訊方式與外部的處理模組進行訊號傳輸，本發明對此不加以限制。此外，機械手臂101的端部102上設有一工具106，例如是夾具、焊接工具、鑽孔工具或切割工具等，當機械手臂101活動時，可藉由力感應裝置100來偵測是否發生碰撞的情形。因此，可預防外力碰撞或避免高速運動的機械手臂101對操作人員可能造成的傷害。請參照第6圖，在一實施例中，力感應裝置100亦可裝設在一機械手臂表面，例如上、下活動臂表面及/或支撐座表面等任一表面。

請參照第7圖，依照本發明一實施例之力陣列感應模組110例如具有一訊號出線端111，為了避免訊號出線端111彎折時產生的應變力影響力感應元件120的電性特性，訊號出線端 111之兩側例如具有二開槽T1、T2，此二開槽T1、T2可使訊號出線端111與力感應元件120所在的區域分隔，以減少力感應元件120的訊號受到應力干擾。此外，基板112包括一凹槽115，此凹槽115用以容納訊號出線端111，使訊號出線端111的高度低於力陣列感應模組110所承靠的基板112表面的高度。如此，彎折至凹槽115中的訊號出線端111不會影響力感應元件120的電性特性。

此外，在一實施例中，凹槽115底部具有一開口116(即出線口)，訊號出線端111可經由開口116通過基板112而連接至訊號線，或訊號線可經由開口116通過基板112而連接至訊號出線端111。

本發明上述實施例所揭露之力感應元件及應用其之力陣列感應模組及力感應裝置，用以偵測施加於力感應元件的外力或壓力分布，並可透過設置於機械手臂上或機械手臂周圍的力感應裝置來偵測是否發生一觸碰訊號或以力陣列感應模組做為人機操作介面，並且力感應裝置可於觸碰發生時藉由發出一力感應訊號至機械手臂，以控制機械手臂停止或啟動機械手臂。根據上述的說明，本發明可應用在觸覺感應相關的電子裝置上，包括機械手臂之人機操作介面、智能皮膚、電子皮膚、防碰撞預警系統以及觸覺感測陣列等領域，應用範圍廣且實用性佳。

綜上所述，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。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，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。

Claims (12)

1. 一種力感應裝置，包括：一力陣列感應模組，具有至少一力感應元件；一基板，用以抵靠該力陣列感應模組，至少一凸起部，與該至少一力感應元件的位置相對應；以及一保護層，至少覆蓋該力陣列感應模組及該基板之周圍，其中該至少一凸起部不位於該力陣列感應模組內且設置於該基板及該保護層中之至少一者上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之力感應裝置，其中該至少一凸起部係與該基板及該保護層中之至少一者一體成形，或為塗布或貼附在該基板及該保護層中之至少一者上的一表面結構層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之力感應裝置，其中該力陣列感應模組包括一訊號出線端，該基板包括一凹槽，該凹槽用以容納該訊號出線端，使該訊號出線端的高度低於該力陣列感應模組所承靠的該基板表面的高度，其中該凹槽底部具有一開口，對應至該訊號出線端。
4. 如申請專利範圍第3項所述之力感應裝置，其中該訊號出線端之兩側具有二開槽，該二開槽使該訊號出線端與該至少一力感應元件分隔。
5. 如申請專利範圍第3項所述之力感應裝置，其中該基板包括二半圓形板材，且該二半圓形板材分別具有一出線口，對應至該訊號出線端。
6. 如申請專利範圍第1項所述之力感應裝置，其中該力感應裝置裝設於一機械手臂表面。
7. 如申請專利範圍第1項所述之力感應裝置，其中該力感應裝置以環狀形式裝設於一機械手臂末端。
8. 如申請專利範圍第1項所述之力感應裝置，其中該力感應裝置裝藉由一活動式支架固定在一機械手臂之周圍。
9. 一種力感應元件，包括：二膜層，具有相對的一第一內表面與一第二內表面；二電極層，分別設置於該第一內表面與該第二內表面上，且該二電極層之間相隔一間隙；至少一感應層，設置於該二電極層之至少一者上；以及至少一間隙層，設置於該二膜層之間，以使該二電極層之間保持該間隙。
10. 如申請專利範圍第9項所述之力感應元件，其中該至少一感應層包括覆蓋在該二電極層其中之一上的一壓敏材料，或分別覆蓋於該二電極層上的二壓敏材料，該壓敏材料內包含至少一導電物質。
11. 如申請專利範圍第9項所述之力感應元件，其中該至少一間隙層包括單一層的間隙材料或堆疊接合的二間隙材料，該間隙材料設置於該至少一感應層上且位於該二電極層之間。
12. 一種壓力陣列感測模組，包括：複數個如申請專利範圍第9至11項其中之一所述的力感測元件，其中該些力感測元件共用該二膜層，並以陣列形式排列；以及一封膠層，設置於該二膜層之間，用以密封該些力感測元件。