台湾专利TW201300747A 力感測裝置及其力感測系統

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一種力感測裝置及其力感測系統。力感測裝置包括可相對運動地至少一層磁性材料層及力感測層。力感測層包括兩感測元件。第一感測元件設置在磁性材料層之第一軸向，用以產生隨著力感測裝置所受之第一橫向力而變動的感測訊號。第一橫向力為使第一感測元件與磁性材料層於第一軸向產生相對運動，用以產生代表第一橫向力。第二感測元件設置在磁性材料層之第二軸向，用以產生隨著力感測裝置所受之第二橫向力而變動的感測訊號。第二橫向力為使第二感測元件與磁性材料層於第二軸向產生相對運動，用以產生代表第二橫向力。
公开号:TW201300747A
申请号:TW100121712
申请日:2011-06-21
公开日:2013-01-01
发明作者:Yio-Wha Shau；Arvin Huang-Te Li；Gaung-Hui Gu；Bai-Kuang Hwang；Jen-Chieh Lin
申请人:Ind Tech Res Inst；
IPC主号:A61B5-00

专利说明:
力感測裝置及其力感測系統
本發明係有關於一種力感測的應用，特別是有關於一種力感測裝置及其力感測系統。
市面上，已有許多種感測裝置是設計而用來量測足部所施/受的力。大部分的感測裝置，是使用在站立時，用來量測足部貼附於地面或某個平面上所施/受的力。例如，量測足部所施/受的最大力、足部所施/受的總合力、或足部的某個特定區域所施/受的力。此種感測裝置，其外觀通常是平板式的平台。當使用者站立在此平台上時，感測裝置便會量測足部施/受的力。此種感測裝置經常使用在實驗室或醫院。
有關足部的力感測裝置實現，可使用不同類型的力感測元件。於實作中，力感測元件例如是電阻式感測器、電容式感測器、空壓式(pneumatic)感測器、水壓式感測器(hydraulic fluid activated sensor)、或應變規(strain gauge)感測器。各種力感測元件能將機械或外在所施的力轉換成適合的電性訊號，再以適當的方式轉換為力的量測數值。
然而，傳統的力感測裝置大多是著重在量測縱向力(normal force)，或稱之為沿著地心引力方向的作用力。再者，因足部施力的變化是仰賴於地心引力的方向，故傳統的力感測裝置通常只能量測使用者在站立時、或靜止時，其足部所施/受的靜態力。如此，將會限定力感測裝置所能應用的範圍。
本發明係有關於一種力感測裝置及其力感測系統，為基於磁動生電的原理來量測感測裝置所受的橫向力(lateral force)。此外，可進一步使用其他感測元件如壓電材料，來量測感測裝置所受的縱向力。如此，能使力感測裝置具有三維力感測之功能，以更多元化的應用。
根據本發明之一實施，提出一種力感測裝置。力感測裝置包括至少一層磁性材料層及力感測層。力感測層可與磁性材料層相對運動。力感測層包括兩感測元件，第一感測元件設置在磁性材料層之第一軸向。第一感測元件用以產生第一感測訊號，第一感測訊號係隨著力感測裝置所受第一橫向力而變動。第一橫向力為使第一感測元件與磁性材料層於第一軸向產生相對運動，用以產生代表第一橫向力。第二感測元件設置在磁性材料層之第二軸向。第二感測元件用以產生第二感測訊號，第二感測訊號係隨著力感測裝置所受第二橫向力而變動。第二橫向力為使第二感測元件與磁性材料層於第二軸向產生相對運動，用以產生代表第二橫向力。
本發明之力感測裝置更包括第三感測元件。第三感測元件可使用其他感壓材料如壓電材料，來量測感測裝置所受的縱向力。第三感測元件係設置在磁性材料層之所處平面之第三軸向。第三感測元件用以產生第三感測訊號，第三感測訊號係隨著力感測裝置於第三軸向所受之縱向力而變動。本發明內容所述之第一軸向、第二軸向與第三軸向，可為兩兩相互垂直之直角座標(Cartesian coordinate)或是任意廣義座標(generalized coordinates)的型態。
根據本發明之另一實施，提出一種力感測系統，包括至少一力感測裝置、類比訊號放大及濾波單元、控制單元、及輸出單元。其中各力感測裝置包括至少一層磁性材料層及力感測層。力感測層可與磁性材料層相對運動。力感測層包括兩感測元件。第一感測元件設置在磁性材料層之第一軸向。第一感測元件用以產生第一感測訊號，第一感測訊號係隨著力感測裝置所受第一橫向力而變動。第一橫向力為使第一感測元件與磁性材料層於第一軸向產生相對運動，用以產生代表第一橫向力。第二感測元件設置在磁性材料層之第二軸向。第二感測元件用以產生第二感測訊號，第二感測訊號係隨著力感測裝置所受第二橫向力而變動。第二橫向力為使第二感測元件與磁性材料層於第二軸向產生相對運動，用以產生代表第二橫向力。
本發明力感測系統中之力感測裝置更包括第三感測元件。第三感測元件可使用其他感壓材料如壓電材料，來量測感測裝置所受的縱向力。第三感測元件設置在磁性材料層之所處平面之第三軸向。第三感測元件用以產生第三感測訊號，第三感測訊號係隨著力感測裝置於第三軸向所受之縱向力而變動。
本發明力感測系統中之類比訊號放大及濾波單元耦接力感測裝置，用以將產生訊號進行放大及濾波。控制單元耦接類比訊號放大及濾波單元，用以轉換放大及濾波後的感測訊號，並作訊號收集。輸出單元耦接控制單元，用以接收收集後的感測訊號，並將訊號輸出。經由所量得感應電流或感應電壓的感測訊號相對於力的關係，即可得所受的橫向力與位移關係。
本發明力感測裝置及力感測系統中之力感測層包括兩感測元件，各感測元件包含導線、導體或線圈，例如，是可形成任意迴路結構的單圈、多圈、單層、多層、並聯、或串聯的線圈，或是具有任意形狀的平面或立體線圈。
再者，於一些實施例中，發明力感測裝置及力感測系統中之磁性材料層，例如，可包含永久磁鐵、感應磁鐵或磁性金屬等，其實例包括鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鈷鎳鉻合金(Co-Ni-Cr)、鈷鉻鉭合金(Co-Cr-Ta)、鈷鉻鉑合金(Co-Cr-Pt)、鈷鉻鉑硼合金(Co-Cr-Pt-B)、鐵化鋱合金(TbFe)、鈷化釓合金(GdCo)、鎳化鏑合金(DyNi)、釹鐵硼合金(NdFeB)等不同材質或其組合。磁性材料層，例如，可具有平板式或薄膜式的外觀。磁性材料層可包括至少一層磁性材料層，例如，可為單層或多層的堆疊結構。
又，於一些實施例中，本發明力感測裝置及力感測系統中之第三感測元件可包括感壓材料如壓電材料，例如，可包含陶瓷類的鈦酸鋇(BaTiO₃)、鋯鈦酸鉛(Lead zirconate titanate,PZT)、單晶類的石英(水晶)、電氣石(tourmaline)、羅德鹽(Rochelle salt或potassium sodium tartrate)、鉭酸鹽(tantalates)、鈮酸鹽(niobate)等，或是薄膜類的氧化鋅(ZnO)。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
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，並不會限縮本發明欲保護之範圍。此外，實施例中之圖式，相同或相仿的元件係使用同一標號，以清楚顯示本發明之技術特點。
依據本發明實施例所提出的力感測裝置及其力感測系統，係基於磁動生電的原理來量測感測裝置所受的橫向力。於實施例中，可進一步使用其他感壓材料如壓電材料，來量測感測裝置所受的縱向力。如此，能使力感測裝置具有三維力感測之功能，以更多元化的應用。
舉例來說，請參照第1圖，其繪示依據本發明實施例之力感測裝置基於磁動生電原理的示意圖。磁場B的磁通平面係由第一軸向X與第二軸向Y所構成平面來表示。依法拉第電磁感應定律，電路及磁場的相對運動會產生電流或電壓改變。當導電體C相對於磁鐵(未繪示)於磁場B中運動時(反之亦然)，磁場與導電體的磁通量變化會產生電動勢。如果導電體C連著電性負載的話，導電體C上會有電流流動。電動勢極性或電流方向與導電體C及磁場B之間的相對運動的方向有關。電動勢或電流的產生，表示機械運動的能量可轉變成電能，且可作為力感測的依據。
本發明內容所述之第一軸向、第二軸向與第三軸向，可為兩兩相互垂直之直角座標(Cartesian coordinate)或是任意廣義座標(generalized coordinates)的型態。
於本發明實施例中，力感測裝置及其力感測系統可利用上述磁動生電的原理，使磁性材料層與感測元件層在受到橫向力時產生相對運動，從而感應出與橫向力或位移關係有關的電性訊號。如此，便能從電性訊號來獲得橫向力的大小或位移關係。茲以多種實施態樣進一步說明如下。
第一實施例
請參照第2圖，其繪示依據本發明第一實施例之力感測裝置之結構的上視圖。力感測裝置200包括磁性材料層210及力感測層220。力感測裝置200的磁性材料層210處於一平面上，該平面以第一軸向X及第二軸向Y所構成平面來表示。力感測裝置200可用來量測其於第一軸向X上感測訊號，用以代表所受之第一橫向力(lateral force)，或量測第二軸向Y上感測訊號，用以代表所受之第二橫向力。所謂橫向力，例如是使磁性材料層210於其所處平面與力感測層220產生相對運動的電訊號，用以產生代表的作用力。
本實施例之磁性材料層210係使用永久磁鐵。磁性材料層210的磁力線例如是沿著磁性材料層210之所處平面的法線方向(normal direction)如軸向Z射出。法線方向於此例中是以射出紙張的方向為例所繪示，然亦不限於此。
磁性材料層210與力感測層220兩者是可相互運動地相互連接。例如，磁性材料層210與力感測層220其中一者是固定的，而另一者是可移動的，或兩者都是可移動的，並與另一者進行相對運動。
於本實施例中，力感測層220包括第一感測元件221及第二感測元件222。本實施例之第一感測元件221及第二感測元件222係使用線圈。
第一感測元件221設置在磁性材料層210之所處平面之第一軸向X上。第一感測元件221用以產生第一感測訊號。第一感測訊號可隨著力感測裝置200所受之第一橫向力而變動。第一橫向力例如是使第一感測元件221與磁性材料層210於第一軸向X上產生相對運動，用以產生代表第一橫向力。
第二感測元件222設置在磁性材料層210之所處平面之第二軸向Y上。第二感測元件222用以產生第二感測訊號。第二感測訊號可隨著力感測裝置200所受之第二橫向力而變動。第二橫向力例如是使第二感測元件222與磁性材料層210於第二軸向Y上產生相對運動，用以產生代表第二橫向力。
本實施例中，力感測層220之第一感測元件221與第二感測元件222所處位置相對於磁性材料層210是在同一側。如此，磁性材料層210及力感測層220兩者之間的相對運動可引發磁通變化而產生電性訊號，從而使力感測裝置200實現橫向力的量測。
舉例來說，假設力感測層220是被固定的。當磁性材料層210沿著第一軸向X或第二軸向Y移動時，磁性材料層210與力感測層220兩者之間的相對運動，使得力感測層220的第一感測元件221或222感受到磁場變化，而產生感應電流或感應電壓的感測訊號，再經由所量得感應電流或感應電壓的感測訊號相對於力的關係，即可得所受的橫向力與位移關係。
另舉例來說，假設磁性材料層210是被固定的。當力感測層220沿著第一軸向X或第二軸向Y移動時，磁性材料層210與力感測層220兩者之間相對運動，使得力感測層220的第一感測元件221或222感受到磁場變化，而產生感應電流或感應電壓的感測訊號，再經由所量得感應電流或感應電壓的感測訊號相對於力的關係，即可得所受的橫向力與位移關係。
第二實施例
請參照第3圖，其繪示依據本發明第二實施例之力感測裝置之結構上視圖。
第二實施例的力感測裝置300與第一實施例的力感測裝置200的不同之處在於，第二實施例的力感測裝置300的第一感測元件221與第二感測元件222位置是位在磁性材料層210的不同側。例如，於第3圖所示之例中，第一感測元件221是位在磁性材料層210的下側，而第二感測元件222是位在磁性材料層210的上側。
不論第一感測元件221及第二感測元件222位在磁性材料層210的同層、同側或不同側，只要第一感測元件221及第二感測元件222的配置能夠在受力時感受到磁性材料層210的磁場變化，皆為可行的實施例。
如此，於本實施例中，磁性材料層210及力感測層220兩者之間相對運動會引發磁通變化而產生電性訊號，再經由所量得感應電流或感應電壓的感測訊號相對應力的關係，即可得所受的橫向力與位移關係。從而使力感測裝置300實現橫向力的量測。
第三實施例
請參照第4圖，其繪示依據本發明第三實施例之力感測裝置之結構上視圖。
第三實施例的力感測裝置400與第一實施例的力感測裝置200的不同之處在於，第三實施例的力感測裝置400更包括另一磁性材料層230。磁性材料層230與磁性材料層210實質上可平行/非平行相對。力感測層220設置於磁性材料層210與磁性材料層230之間。
如此，於本實施例中，磁性材料層210及力感測層220兩者之間的相對運動、或磁性材料層230及力感測層220兩者之間的相對運動，或磁性材料層210及磁性材料層230兩者之間的相對運動，或磁性材料層210及磁性材料層230及力感測層220三者之間的相對運動，可引發磁通變化而產生電性訊號，再經由所量得感應電流或感應電壓的感測訊號相對於力的關係，即可得所受的橫向力與位移關係，從而使力感測裝置400實現橫向力的量測。
第四實施例
請參照第5圖，其繪示依據本發明第四實施例之力感測裝置之結構的側視圖。
第四實施例的力感測裝置500與第一實施例的力感測裝置200的不同之處在於，力感測裝置500除了可用來量測橫向力外，還可用來量測縱向力(normal force)。所謂的縱向力，例如是指第三軸向Z作用力。於此例中，縱向力為沿著磁性材料層210之所處平面之法線方向如第三軸向Z的作用力。
如第5圖所示，力感測裝置500更包括第三感測元件223。第三感測元件223設置在磁性材料層之所處平面之第三軸向Z上。第三感測元件223用以產生第三感測訊號。第三感測訊號係隨著力感測裝置500於第三軸向Z上所受之縱向力而變動。
本實施例使用薄膜型壓電(piezoelectric)材料作為第三感測元件223，其例如是基於壓電效應而實現機械能量和電能的互相轉換的材料。所謂壓電材料被認為是一種存在於晶體材質且介於機械與電氣狀態之間的機電交互作用(electromechanical interaction)。壓電效應是一種可逆過程，因其材料能呈現出正壓電效應，如施加應力所導致內部電荷的產生，或逆壓電效應，如施加電場所導致的應力。
如此，當力感測裝置500於受到沿著第三軸向Z之縱向力時，第三感測元件223會因形變而產生電性訊號，再經由所量得感應電流或感應電壓的感測訊號相對於力的關係，即可得所受的橫向力與位移關係，從而使力感測裝置500實現縱向力的量測。
第五實施例
請參照第6圖，其繪示依據本發明第五實施例之力感測裝置之結構的側視圖。
第五實施例的力感測裝置600與第四實施例的力感測裝置500的不同之處在於，第五實施例的力感測裝置600，第一感測元件221與第二感測元件222是位在磁性材料層210的不同側。例如，於第6圖所示之例中，第一感測元件221是位在磁性材料層210的下側，而第二感測元件222是位在磁性材料層210的上側。
不論第一感測元件221及第二感測元件222位在磁性材料層210的同層、同側或不同側，只要第一感測元件221及第二感測元件222的配置能夠在受力時感受到磁性材料層210的磁場變化，皆為可行的實施例。
如此，於本實施例中，磁性材料層210及力感測層220兩者之間的相對運動會引發磁通變化而產生電性訊號，再經由所量得感應電流或感應電壓的感測訊號相對於力的關係，即可得所受的橫向力與位移關係，從而使力感測裝置600實現橫向力的量測。
第六實施例
請參照第7圖，其繪示依據本發明第六實施例之力感測裝置之結構側視圖。
第六實施例的力感測裝置700與第四實施例的力感測裝置500不同之處在於，第六實施例的力感測裝置700更包括另一磁性材料層230。磁性材料層230與磁性材料層210實質上平行/非平行相對。力感測層220設置於磁性材料層210與磁性材料層230之間。
如此，於本實施例中，磁性材料層210及力感測層220兩者之間的相對運動、或磁性材料層230及力感測層220兩者之間的相對運動，或磁性材料層210及磁性材料層230兩者之間的相對運動，或磁性材料層210及磁性材料層230及力感測層220三者之間的相對運動，可引發磁通變化而產生電性訊號，再經由所量得感應電流或感應電壓的感測訊號相對於力的關係，即可得所受的橫向力與位移關係，從而使力感測裝置700實現橫向力的量測。
於上所揭露之一些實施例中，力感測裝置可利用磁性元件經由所量得感應電流或感應電壓的感測訊號相對於力的關係來感測力，以實現橫向力的量測。再者，於上所揭露之另一些實施例中，力感測裝置還可使用其他感壓材料(如壓電材料)來感測壓力，以實現縱向力的量測。如此，相較於傳統中只能量測使用者在站立時、或靜止時，足部所施加的靜態力，本發明實施例的橫向力感測能使力感測裝置有多元化的應用。
第七實施例
請參照第8A圖，其繪示依據本發明實施例之力感測系統之一例之方塊圖。力感測系統80包含力感測裝置800、類比訊號放大及濾波單元802、控制單元804、及輸出單元806。於此例中，力感測系統80使用一個力感測裝置800，故可視為單一感測元(unit cell)力感測系統。
力感測裝置800可實現為上述任實施例所述之力感測裝置。若力感測裝置800實現為第一、第二、或第三實施例所述之力感測裝置200、300、400，則可產生二組與橫向力有關的感測訊號。若力感測裝置800實現為第四、第五、或第六實施例所述之力感測裝置500、600、700，則可產生二組與橫向力有關的感測訊號、及一組與縱向力有關的感測訊號。
類比訊號放大及濾波單元802耦接至力感測裝置800。類比訊號放大及濾波單元802為前端的處理電路，用以將力感測裝置800所產生的感測訊號進行放大及濾波。請參照第8B圖，其繪示第8A圖之力感測系統中的類比訊號放大及濾波單元之一例之電路圖。於此例中，類比訊號放大及濾波單元802可包含多級放大器802a及多個濾波器802b，並連接於兩個電源軌Vcc及Vss之間，用以將小訊號S1放大為增益訊號S2。於實作中，放大器802a的級數、增益、或濾波器的個數，可依不同使用需求來設計。
控制單元804耦接至類比訊號放大及濾波單元802。控制單元804用以轉換放大及濾波後的感測訊號，並作訊號收集。控制單元804例如是在偵測感測訊號的電壓值或電流值後，將電壓值或電流值轉換成能代表相對之力大小的數值。數值的轉換例如是使用電壓與力大小參照表(look up table)，或是使用電流與力大小參照表，或使用公式推導，或是基於實驗經驗與試誤。於實作中，控制單元804例如是以微處理單元(micro control unit,MCU)來實現。
輸出單元806耦接至控制單元804。輸出單元806用以接收收集後的感測訊號，並將訊號輸出。輸出單元806例如是通訊電路。於一些實作之例子中，輸出單元806則可為無線傳送通訊電路，例如是基於藍牙、紅外線、射頻識別(radio frequency identification,RFID)技術、或其他無線通訊技術。於另一些實作之例子中，輸出單元806則例如是有線通訊電路，並經由有線傳輸線將訊號輸出。
於第七實施例中，力感測系統80可更包括訊號分析單元808，如第8A圖所示。訊號分析單元808耦接至輸出單元806，兩者連接方式例如是無線傳送或有線傳輸。訊號分析單元808用以接收輸出後的感測訊號，並作訊號分析。於實作之例子中，訊號分析單元808進一步包含一顯示單元，例如包含顯示器，用以顯示感測訊號的各種參數如施/受力大小、位移關係、振幅、頻率或相位，以供使用者檢閱。
第八實施例
請參照第9圖，其繪示依據本發明實施例之力感測系統之另一例之方塊圖。與第8A圖之力感測系統80不同的是，第9圖的多感測元力感測系統90使用複數個力感測裝置900-1~900-16，故可視為多感測元(multi cell)力感測系統。
於第八實施例中，多感測元力感測系統90可更包括掃描單元910，如第9圖所示。掃描單元910例如是受控於控制單元904，以分時多工的方式從複數個力感測裝置900-1~900-16中選擇一者或多者，再擷取被選定者的感測訊號。於此例中，掃描單元910包含兩解多工器910a、910b、及一多工器910c，以一次選擇一個力感測裝置。於其他實作之例子中，掃描單元910也可以另他方式來實現，來一次選擇兩個或兩個以上的力感測裝置。
於此多感測元力感測系統90中，各個感測單可分布於不同的地方，以實現局部或區域性的力感測。如此，能使多感測元力感測系統90有多元化的應用。
請參照第10A及10B圖，其繪示第9圖之多感測元力感測系統之實際應用之一例之示意圖。於此例中，如第10A圖所示，多感測元力感測系統90是應用於鞋墊912，用以量測足部施/受力。力感測裝置900-1~900-16分布在鞋墊912的各個位置，如鞋墊912的邊緣或中間、前端或後端。如此，力感測裝置900-1~900-16的每一者，可獨自運作而感測其所處位置的施/受力狀態。如此，多感測元力感測系統90可將各個位置的施/受力作分析、整合，以獲得鞋墊912的總施/受力、或鞋墊912之部分區域的施/受力、或鞋墊912之施/受力分佈狀態。
再者，由於第10A圖之多感測元力感測系統90是以應用於鞋墊912為例做說明，故其他的訊號處理元件如類比訊號放大及濾波單元902、控制單元904、或輸出單元906的實現可經過適當設計，以避免影響力感測裝置900-1~900-16之作動。例如，可將該些單元902、904、906實現為訊號處理電路920，並經由連接端922而與力感測裝置900-1~900-16相連接。訊號處理電路920例如是嵌入在鞋子914的內襯、底部、或腳跟處，或外掛或貼附在鞋子914的側邊鞋面，如第10B圖所示。當然，本發明亦不限於此，只要能避免影響力感測裝置900-1~900-16之作動，任何訊號處理電路920的放置位置皆為可行的實施例。
請參照第11圖，其繪示力感測系統之運作過程之一例之流程圖。如步驟S110所示，由力感測裝置感測使用者在站立時、或移動時，施加在力感測裝置上的力。如步驟S120所示，因施/受力而造成形變或感應的力感測裝置，產生與橫向力或縱向力有關的感測訊號。如步驟S130所示，由力感測系統進行訊號處理。如步驟S140所示，由力感測系統以有線傳輸或無線傳送的方式，將訊號輸出。如步驟S150所示，將所輸出的訊號進行分析。
本發明實施例所提出的力感測裝置及系統，可基於磁動生電的原理，經由所量得感應電流或感應電壓的感測訊號，即可得感測訊號相對於力的關係，並可同時得到橫向力與位移關係。再者，本發明實施例的力感測裝置及系統亦可進一步利用其他感壓材料如壓電材料，來量測裝置所受的縱向力。既可量測橫向力，又可選擇性量測縱向力，使本發明之力感測裝置及系統具有三維力感測之功能，以更多元化的應用。舉例來說，本發明的力感測裝置可應用在足部三維力感測系統，實際的應用情況例如是末梢神經鈍化患者的復健、運動員的姿勢矯正、幼兒或年長者於傾倒或受撞擊的即時偵測或警示等。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，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。
80、90．．．力感測系統
200、300、400、500、600、700、800、900-1~900-16．．．力感測裝置
210、230．．．磁性材料層
220．．．力感測層
221．．．第一感測元件
222．．．第二感測元件
223．．．第三感測元件
802、902．．．類比訊號放大及濾波單元
802a．．．放大器
802b．．．濾波器
804、904．．．控制單元
806、906．．．輸出單元
808、908．．．訊號分析單元
910．．．掃描單元
910a、910b．．．解多工器
910c．．．多工器
912．．．鞋墊
914．．．鞋子
920．．．訊號處理電路
922．．．連接端
S110~S150．．．步驟
X、Y、Z．．．軸向
第1圖繪示依據本發明實施例之力感測裝置所基於之磁動生電的原理的示意圖。
第2圖繪示依據本發明第一實施例之力感測裝置之結構的上視圖。
第3圖繪示依據本發明第二實施例之力感測裝置之結構的上視圖。
第4圖繪示依據本發明第三實施例之力感測裝置之結構的上視圖。
第5圖繪示依據本發明第四實施例之力感測裝置之結構的側視圖。
第6圖繪示依據本發明第五實施例之力感測裝置之結構的側視圖。
第7圖繪示依據本發明第六實施例之力感測裝置之結構的側視圖。
第8A圖繪示依據本發明實施例之力感測系統之一例之方塊圖。
第8B圖繪示第8A圖之力感測系統中的類比訊號放大及濾波單元之一例之電路圖。
第9圖繪示依據本發明實施例之力感測系統之另一例之方塊圖。
第10A及10B圖繪示第9圖之力感測系統之實際應用之一例之示意圖。
第11圖繪示力感測系統之運作過程之一例之流程圖。
200．．．力感測裝置
210．．．磁性材料層
220．．．力感測層
221．．．第一感測元件
222．．．第二感測元件
X．．．第一軸向
Y．．．第二軸向
Z．．．第三軸向

权利要求:
Claims (20)
[1] 一種力感測裝置，包括：至少一層磁性材料層；以及至少一層力感測層，與磁性材料層可相對運動，該力感測層包括：第一感測元件，設置在磁性材料層之第一軸向，該第一感測元件可與磁性材料層相對運動，產生代表第一橫向力的訊號；及第二感測元件，設置在磁性材料層之第二軸向，該第二感測元件可與磁性材料層相對運動，產生代表第二橫向力的訊號。
[2] 如申請專利範圍第1項之力感測裝置，其中該力感測層更包括：第三感測元件，設置在磁性材料層之第三軸向，該第三感測元件受壓，產生縱向力。
[3] 如申請專利範圍第1項之力感測裝置，更包括：另一層磁性材料；其中該力感測層係設置在兩層磁性材料層之內或外。
[4] 如申請專利範圍第3項之力感測裝置，其中該力感測層更包括：第三感測元件，設置在磁性材料層之第三軸向，該第三感測元件受壓，產生縱向力。
[5] 如申請專利範圍第1或2項之力感測裝置，其中該第一感測元件與該第二感測元件係位在磁性材料層之同層、同側或不同側。
[6] 如申請專利範圍第1項之力感測裝置，其中該磁性材料層為單層或多層的堆疊結構。
[7] 如申請專利範圍第1項之力感測裝置，其中該第一感測元件及該第二感測元件包括導線、導體或線圈。
[8] 如申請專利範圍第1項之力感測裝置，其中該第一橫向力及該第二橫向力係由磁場變化產生電壓或電流變化值計算所得之值。
[9] 如申請專利範圍第2或4項之力感測裝置，其中該第三感測元件包括壓電材料。
[10] 如申請專利範圍第9項之力感測裝置，其中該壓電材料包含陶瓷類的鈦酸鋇(BaTiO₃)、鋯鈦酸鉛(Lead zirconate titanate,PZT)、單晶類的石英(水晶)、電氣石(tourmaline)、羅德鹽(Rochelle salt或potassium sodium tartrate)、鉭酸鹽(tantalates)、鈮酸鹽(niobate)，或是薄膜類的氧化鋅(ZnO)。
[11] 如申請專利範圍第2或4項之力感測裝置，其中該縱向力係該第三感測元件受壓產生電壓或電流變化值計算所得之值。
[12] 如申請專利範圍第1項之力感測裝置，其中該磁性材料層包括永久磁鐵、感應磁鐵或磁性金屬。
[13] 如申請專利範圍第12項之力感測裝置，其中該磁性材料層包括鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鈷鎳鉻合金(Co-Ni-Cr)、鈷鉻鉭合金(Co-Cr-Ta)、鈷鉻鉑合金(Co-Cr-Pt)、鈷鉻鉑硼合金(Co-Cr-Pt-B)、鐵化鋱合金(TbFe)、鈷化釓合金(GdCo)、鎳化鏑合金(DyNi)、釹鐵硼合金(NdFeB)或其組合。
[14] 一種力感測系統，包括：至少一力感測裝置，其中該力感測裝置包括：至少一層磁性材料層；以及至少一層力感測層，與磁性材料層可相對運動，該力感測層包括：第一感測元件，設置在磁性材料層之第一軸向，該第一感測元件與磁性材料層相對運動，產生代表第一橫向力的訊號；及第二感測元件，設置在磁性材料層之第二軸向，該第二感測元件與該層磁性材料相對運動，產生代表第二橫向力的訊號；類比訊號放大及濾波單元，耦接至該力感測裝置，用以將產生訊號進行放大及濾波；控制單元，耦接至該類比訊號放大及濾波單元，用以轉換放大及濾波後的感測訊號，並作訊號收集；及輸出單元，耦接至該控制單元，用以接收收集後的感測訊號，並將訊號輸出。
[15] 如申請專利範圍第14項之力感測系統，其中該力感測層更包括：第三感測元件，設置在磁性材料層之第三軸向，該第三感測元件受壓，產生縱向力。
[16] 如申請專利範圍第14項之力感測系統，其中該第一感測元件及該第二感測元件包括導線、導體或線圈。
[17] 如申請專利範圍第15項之力感測系統，其中該第三感測元件包括壓電材料。
[18] 如申請專利範圍第14項之力感測系統，其中該感測訊號為電壓或電流訊號。
[19] 如申請專利範圍第14項之力感測系統，更包括：訊號分析單元，耦接至該輸出單元，用以接收輸出後之該感測訊號，並作訊號分析。
[20] 如申請專利範圍第19項之力感測系統，其中該訊號分析單元包括顯示單元，用以顯示其分析結果。

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