专利名称：压电式水平信号提供装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种压电式水平信号提供装置，特别是一种借由压电材料 输出水平位置信号、供进一步利用的铅垂式水平仪结构者。
背景技术：
(一) 、水平仪在测量装置与仪器中，水平仪为一常见且必备的工具，其发明已久，且 广泛地运用在机械、土木、建筑、与精密加工上。常见的水平仪基本上有铅 垂式与水泡式两种，可再搭配其它激光装置而成为一极具效率的测量工具。无论是铅垂式或是水泡式的水平仪结构，大体而言，传统技术中的水平 仪常具有下列几种运用方式用以确定一平面是否为一水平面(如用以确定 一工作台的水平)、用以确定几个近距离的测量点是否位在同 一水平面上(例 如用以确定数根装置支柱的高度)、用以产生一水平面(如常见电子式水平仪 及激光水平仪的运用)、以及配合内建角规用以产生一定倾角的平面或延长 线(如常见激光水平仪的运用)。而在水平仪用以作为测量水平面的运用中，无论其结构是为铅垂式或是 水泡式水平仪，其用以显示确定水平的信号大都为实质的标记对位、或是水 泡对位方式，两者基本上同属肉眼目视测量法，因此，其水平判断标准极为 模糊、且效率不彰，往往其所提供水平判定结论的真伪，端视其使用者的经 验与工艺程度而定。(二) 、压电材料所谓的压电材料，为一种受到压力而体积变化时，在表面会产生微小电 荷(称为压电效应)的材料者，包括天然的晶体(如石英、电气石、罗德盐等材 料)、以及特殊的人工合成物(如氧化锌、聚合物、陶瓷材料、复合材料等)。当压电材料受到正向应力时，即会产生相对应的应变，而此应变即同时 产生相对应的表面电荷，所产生的电荷量与所承受的正向应力成正比。
发明内容
本发明的主要目的，是提供一种压电式水平信号提供装置，借由压电组 件的压电效应监测一平面的水平状态。本发明的另一目的，是提供一种压电式水平状态显示組合，依据本发明 压电式水平信号提供装置所提供的电压信号，计算并显示所监测平面的水平状态。本发明的又一目的，是提供一种压电式水平工作台，借由本发明压电式 水平状态显示组合所提供的控制信号，调整并维持工作台的水平状态。本发明的压电式水平信号^是供装置，包括一座体、 一铅垂才几构、以及至 少二个压电组件。座体，还至少包括一作为水平基准面的基准平面，此基准平面可为座体 的上平面、底平面、或是其它可资利用的至少三点构成平面者。铅垂机构，设置在座体的上方，用以悬吊一借由重力产生一铅垂线的重 锤，此重锤还包括一重锤作用面。至少二个压电组件，是以一预定排列模式、以紧邻重锤作用面的方式、 设置在座体上适当位置处；当每一压电组件受到一外力(重锤的挤压)时，即 会产生 一相对应的电压信号。本发明中，当铅垂线与座体的基准平面呈垂直状态时，压电组件即因未 受到重锤的挤压而不会产生电压信号；而当铅垂线与基准平面呈非垂直状态 时，至少一压电组件即因重锤偏移而受到重锤作用面的压迫，进而产生相对 应的电压信号。在本发明的一实施例中，压电式水平信号提供装置的铅垂机构又可实施 为包括一设于座体上方的支撑架、以及支撑架上向下悬吊重锤的重锤线。在本发明的一实施例中，压电式水平信号提供装置的铅垂机构又可实施 为包括一设于座体上方的爻撑架、以及支撑架上设置的一球状接头，此球状 接头用以万向悬吊产生铅垂线的重锤。在本发明的一实施例中，压电式水平信号提供装置的座体上又可包括一 铅垂穿孔，用以供重锤的一下端穿过；而压电组件即可设置在此铅垂穿孔中， 此时，用以压迫压电组件的重锤作用面即为重锤位于铅垂穿孔中的表面。在本发明的一实施例中，压电式水平信号提供装置的重锤又可包括一邻 近座体一上平面的作用突缘，此作用突缘的底面即形成为重锤作用面，而压
电组件即设置在作用突缘与座体的上平面间；其中，由重锤延伸出的作用突 缘可构型为一环体、多个指状柱体、或是其它类似的突伸结构者。本发明的压电式水平状态显示组合，包括前述的压电式水平信号提供装 置、 一控制单元、及一连接于压电式水平信号提供装置与控制单元间的信号 缆线。其中的信号缆线，连接各压电组件，用以输出压电组件所产生的电压 信号，而控制单元，则于接收压电信号所产生的电压信号后，处理此电压信 号并计算与显示此压电信号所代表座体平面的水平状态。本发明的压电式水平工作台，包括前述的压电式水平状态显示组合、一 水平工作面、及多个驱动脚柱；其中压电式水平状态显示組合的压电式水平 信号提供装置设置在水平工作面上，而多个驱动脚柱则设置在水平工作面 下，并用以支撑并调整水平工作面的水平状态，其中，水平工作面与座体的 基准平面平行；本发明中，控制单元依据压电组件所产生电压信号计算水平 工作台的水平状态，并依据计算结果输出控制信号至多个驱动脚柱，用以控 制驱动脚柱，以一预定控制驱动才莫式调整水平工作面至一预定水平状态。为对于本发明能有更进一步的了解与认同，配合附图作一详细说明如后。
图1为本发明压电式水平信号提供装置操作原理的简单示意图；图2为本发明压电式水平信号提供装置一优选实施例的立体示意图；图3为图2中沿111面的剖面俯3见示意图；图4为图2中沿一包括铅垂线121的铅垂面的剖面示意图；图5为本发明压电式水平信号提供装置另一实施例的剖面示意图；图6为图5中沿AA线的剖面俯^L示意图；图7为本发明压电式水平信号提供装置又一实施例的压电组件与重锤臂 配置的示意图；图8为本发明压电式水平信号提供装置再一实施例的剖面示意图； 图9为本发明压电式水平信号提供装置另 一铅垂机构实施例的示意图； 图10为一利用本发明压电式水平信号提供装置的水平工作台的立体示 意图；以及图11为图10中水平工作台一水平控制方法的流程图。 图号"i兌明1压电式水平信号提供装置2控制单元3信号缆线10水平工作台11座体12铅垂机构101水平工作面102驱动脚柱111上平面111'底平面112铅垂穿孔113压电组件114信号输出线121铅垂线122支撑架123重《垂线124重锤125球状接头126重锤臂1130直线检验对正参考线1241重锤作用面1242作用突缘
具体实施例方式在以下的说明中，为能求得本发明技术解说的一贯性，故在不同的实施 例中，若有组件的功能相同但形状略异者，则仍是以相同的名称与图号表示。本发明的压电式水平信号提供装置，其基本设计概念是在一铅垂式水平 仪结构上加置用以感测水平位置偏移的压电材料，并借由压电材料的压电效 应，将水平位置的偏移量量化为压电材料的应变电压，利用此电压信号的的 处理，即可作进一步的观测与控制。请参阅图l所示，为本发明压电式水平信号提供装置操作原理的简单示 意图；其中，本发明压电式水平信号提供装置至少包括一用以产生一铅垂线 121的铅垂机构12与重锤124组合、一与铅垂线121垂直的重锤作用面1241、 以及至少二个压电组件113(图标为二个)；其中，铅垂枳^构12、重锤124与 重锤作用面1241维持在一第一固定连动关系，而压电组件113则是维持一 第二固定连动关系(通常是设置在一平台上)。如图实线所示的状态(称水平状态)，压电组件113的顶面(或是作用面) 与重锤作用面1241保持在一共平面状态(亦即水平状态)，此时，因压电组件 113未受到重锤作用面1241的挤压、或是其挤压关为一已知的固定参数，故 压电组件113即无电荷输出、或是以已知电荷量输出。
而当前述的第一固定连动关系组件与第二固定连动关系组件、以铅垂机构12的枢转点CR为轴心、产生转动偏移时(以图示的121，与1241，代表第 一固定连动关系组件的位置关为例)，重锤作用面1241即与压电组件113的 共面产生倾角，并于一侧(图示的右侧)的压电组件113上产生非预期的挤压， 又因压电效应的缘因此，故该挤压即反应为一相对应电荷的生成，而借由检 测此电荷生成量、以及装置出厂前的参数验证对照，即可由另一计算单元得 知第一固定连动关系组件与第二固定连动关系组件间的倾角关系。本发明的运用特点，即是借由电荷生成量4企测装置组件间的量化倾角关系。本发明中，因单一压电组件113与重锤作用面1241实际的接触为一面 接触，因此，若是以图1所示的二压电组件113运用，故可使本发明的压电 式水平信号提供装置具有检测一待测面水平状态的能力，只是，其检测的可观测性即较局限；故为求提高装置数据测量的可观测性，故建议在运用本发 明装置时，应以设置三个以上共平面的压电组件113运用为佳。请参阅图2、图3、以及图4所示，分别为本发明压电式水平信号提供 装置1 一优选实施例的立体示意图、沿图2中111面的剖面俯^L示意图、以 及沿图2中包括铅垂线121的部分铅垂面的剖面示意图。如图所示，本发明的压电式水平信号提供装置1可包括一座体11、 一铅 垂机构12、以及至少二个压电组件113(图标为四个分度配置的压电组件 113)。座体11，包括一作为水平基准面的基准平面，此基准平面可为座体11的上平面iii、底平面iir、或是其它可资认可的点线构成的平面。如图所示，在此实施例中，座体11上又可包括一供重锤124的下端穿过的铅垂穿 孔112，而压电组件113即可设置在此铅垂穿孔112中铅垂机构12，设置在座体ll的上方，用以悬吊一借由重力产生一铅垂 线121的重锤124,此重锤124的下端穿过座体11的铅垂穿孔112(如图4 所示)，而其用以压迫压电组件113的重锤作用面1241即为重锤124位于铅 垂穿孔112中的表面。如图2所示，铅垂机构12可包括一设于座体11上方 的支撑架122、以及支撑架122上向下悬吊重锤124的重锤线123，借由重 锤124的重力作用而使重锤线123呈铅直状态(亦即与铅锤线121迭合)。至少二个压电组件113，是以一预定排列模式(如图3中的均匀分度配
置)、以紧邻重锤作用面1241的方式、设置在座体11上适当位置处(如此实 施例的铅垂穿孔112内缘)；当任一压电组件113受到一外力(重锤124的挤 压)时，即会产生一相对应的电压信号。本发明中，为使压电组件113能成功地感测到基准平面的非铅垂状态， 故在其设置校准时，将每一压电组件113维持与重锤124上重锤作用面1241 相同的一预定微小间隙s(如图3所示)。如图2与图3所示，本发明装置1于二相对压电组件113间又可延伸形 成一直线检验对正参考线1130，借由此直线检验对正参考线1130的设置， 即可便利观察待側面在相对应方向上的水平状态。在图2与图3所示的实施例中，其第一固定连动关系包括組件121、 123、 124、及1241，而第二固定连动关系则包括组件11、 111、 111，、 112、 113、 122、及1130。本发明中，当铅垂线121与座体11的基准平面lll(以上平面为代表)呈 垂直状态时，压电组件113即因未受到重锤124的挤压而不会产生电压信号 (如图3实线所示、及图4所示的状态)；而当铅垂线121与基准平面111呈 非垂直状态时(如图3中的虛线位置)，则其中至少一压电组件113(如图3中 位于左侧的压电組件113)即因重锤124偏移而受到重锤作用面1241的压迫， 进而产生相对应的电压信号；此压电信号即可由连接在压电组件113上的信 号输出线114导出，以供进一步的观测、计算、显示与控制等用途。请参阅图5所示，为在本发明压电式水平信号提供装置另一实施例的剖 面示意图(其剖面位置对比图4所示)；与图4比较，在此一实施例中，压电 式水平信号提供装置1的重锤124的下端虽同为穿过铅垂穿孔112设置，但 其压电組件113则移往座体11的上平面111上设置，而为使重锤124在上 平面1U(基准平面)呈非水平状态时、得能有效挤压相对应的压电組件113， 故重锤124上于邻近座体11上平面111之处又水平延伸出有一作用突缘 1242，并于此作用突缘1242的底面形成为与压电组件113距离预定微小间 隙s的重锤作用面1241;亦即，在此实施例中，压电组件113设置在作用突 缘1424与座体11的上平面111间。请参阅图6所示，为图5中沿AA线的剖面俯视示意图；其中清楚显现 由重锤124水平延伸出的作用突缘1242构型为一环体，而四个压电组件113 则以均匀分度的模式设置在此环体1242下。
再请参阅图7所示，为本发明压电式水平信号提供装置又一实施例的示 意图(视角位置对比图6);其中，由重锤124水平延伸出的作用突缘1242构 型为多个指状柱体结构，重锤作用面1241即为各指状柱体1242的底面，而 压电组件113则可依指状柱体1242相应设置在各指状柱体1242下方的座体 上平面111上；在此实施例中，指状柱体1242与压电组件113亦是采均勻 分度的模式设置。请参阅图8所示，为在本发明压电式水平信号提供装置再一实施例的剖 面示意图(其剖面位置对比图4与图5所示)；与图5比较，在此一实施例中， 压电式水平信号提供装置1的重锤124下端亦同为穿过铅垂穿孔112设置， 但其主要重量则集中在座体11上平面111的相对側上(亦即下缘处)，且其压 电组件113则由座体11的上平面111上移往与上平面111相对应的内平面 115设置，而重锤作用面1241则设置在重锤124面向压电组件113的对应面 上。在传统，技术中，可用以形成本发明重锤作用面1241与压电组件113间 配置关系的结构繁多，而此类的结构属于业内人士根据本发明的公开而可轻 易据以实施者，故在此不再赘叙。本发明中，压电式水平信号提供装置的铅垂机构12除可实施为如图2 所示的支撑架122、重锤线123与重锤124的组合外，亦可以其它传统铅垂 悬吊、或是铅直线产生机构实施，如图9所示，即为利用球状接头125(或称 球状轴承)作为主要自由枢转组件的铅垂机构12;如图所示，此铅垂机构12 包括一设于座体上方的支撑架122、以及一设置在支撑架122上球状接头 125,此球状接头125则以万向自由悬吊的方式、借由一重锤臂126、连接一 用以产生铅垂线的重锤124(实施为一重球)。同样地，在传统技术中，可用以形成本发明产生铅垂线的机构繁多，而 此类的等效结构属于业内人士根据本发明的公开而可轻易据以实施者，故在 此不再赘叙。请参阅图IO所示，为一利用本发明压电式水平信号提供装置1的水平 工作台IO的立体示意图；其中，本发明压电式水平信号提供装置1与一控 制单元2及一信号缆线3组合成一压电式水平状态显示組合；其中信号联机 3连接压电式水平信号提供装置1与控制单元2，且在压电式水平信号提供 装置1上，信号缆线3总成各压电组件113的信号输出线114,用以输出各 压电组件113所产生的电压信号；而控制单元2，则于接收压电组件所产生 的电压信号后，处理此电压信号并计算与显示此压电信号所代表座体基准平 面的水平状态。如图所示，本发明的压电式水平工作台10，包括前述的压电式水平状态 显示组合(l、 2、 3)、 一水平工作面101、及多个驱动脚柱102;其中压电式 水平状态显示组合的压电式水平信号提供装置1是以其基准平面(此时优选为底平面iir)平行水平工作面ioi的型式、设置在水平工作面ioi上，而多个驱动脚柱102则设置在水平工作面101下，作为支撑并调整水平工作面 101水平状态的制动工具，其实施可为气压式、液压式、或是其它可控制的 高度调整装置。请参阅图ll所示，为图10中水平工作台一水平控制方法的流程图；在 此操作前，压电式水平状态显示组合是以如图10所示及同前所述的技术设 置在水平工作面101上。本发明水平工作台的优选水平控制方法可为(参阅前述图2与图10所示)步骤100:借由本发明的压电式水平信号提供装置1感应水平工作台10 水平工作面101的水平状态，并由压电组件113产生相对应的电压信号；步骤200:压电组件113产生的电压信号借由信号缆线3输送制控制单 元2，再由控制单元2依据所接收的电压信号计算水平工作台101的水平状态；步骤300:根据控制单元2计算结果，在控制单元2或是水平工作台10 的显示装置上，以数字或是其它显明方式显示水平工作台101的水平状态；步骤400:在控制单元2中，根据控制单元2计算结果判断水平工作台 101是否维持在水平状态；若是维持在水平状态，则执行步骤600;若是非 为水平状态，则执行步骤500;步骤500:依据控制单元2的计算结果，分别输出控制信号至多个驱动 脚柱102，并以一预定控制驱动模式控制驱动脚柱102将水平工作面101调 整至一水平状态；之后，再回复执行步骤IOO，以动态持续对水平工作台10 水平工作面101的水平状态监控；以及步骤600:暂时停止各驱动脚柱102的任何调整操作，并回复执行步骤 100，以持续对水平工作台IO水平工作面101的水平状态动态监控。
在上述执行步骤中，控制单元2对压电组件113所产生电压信号的水平 状态判断准则及其控制信号的输出，可根据装置出厂前的试验作预先的参数 设定，而此类判断与控制因应为业内人士所熟知，故在此不再赘述。在上述执行步骤中，驱动脚柱102的控制与驱动方式可根据传统的线性 或非线性控制法则控制，借以有效地补偿水平工作面101的水平状态，而此 类控制法则为业内人士所熟知，故在此不再赘述。借由本发明所提供的技术，可使水平工作台10的运用得为移动式的装 置，可车载或任意移置设置地点操作，较传统仅能作固定点设置、或是移动 设置地点即需繁复地进行人工水平状态调整的水平工作台装置，其便利性显 然卓越。本发明中，重锤作用面1241与压电组件113间的微小间隙s，其数值大 小是依据装置设计的裕度、控制单元2数值计算的精度、装置出厂前参数的 可调整空间、以及水平工作面101水平度的要求等等因素而定，而此类数值 的调整与决定为业内人士所熟知，故在此不再赘述本发明中，借由所提供的压电式水平信号提供装置，乃可有效地监测一 平面的水平状态。本发明中，借由所提供的压电式水平状态显示组合，乃可随时计算并显 示所监测平面的水平状态。本发明中，借由所提供的压电式水平工作台，乃可随时并动态地调整并 维持一工作面的水平状态，不再使工作台的设置受到设置地点的限制。以上所述是利用 一优选实施例详细说明本发明，而非限制本发明的范 围，而且业内人士皆能明了，适当而作些微的改变及调整，仍将不失本发明 的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种压电式水平信号提供装置，包括一座体，至少还包括一基准平面；一铅垂机构，设置在该座体一上方，还包括一用以产生一铅垂线的重锤，该重锤还包括一重锤作用面；以及至少二个压电组件，是以一预定排列模式、以紧邻该重锤作用面的方式、设置在该座体上；当每一该压电组件受到一外力时，即会相对产生一电压信号；其中，借由该铅垂线与该基准平面呈一垂直状态，或该铅垂线与该基准平面呈非垂直状态，该压电组件受到该重锤作用面的压迫作用，而分别产生相对应的该电压信号。
2. 根据权利要求1所述的压电式水平信号提供装置，其特征在于，所述 的该铅垂机构还包括一设于该座体上方的支撑架，该支撑架又提供一向下悬 吊该重锤的重锤线。
3. 根据权利要求1所述的压电式水平信号提供装置，其特征在于，所述 的该铅垂机构还包括一设于该座体上方的支撑架，该支撑架还设有一球状接 头，用以万向悬吊该重锤。
4. 根据权利要求1所述的压电式水平信号提供装置，其特征在于，所述 的该座体上还包括一铅垂穿孔，用以供该重锤的一下端穿过，该压电组件即 设于该铅垂穿孔中，而该重锤作用面即为该重锤位于该铅垂穿孔中的表面。
5. 根据权利要求1所述的压电式水平信号提供装置，其特征在于，所述 的该重锤还包括一邻近该座体一上平面的作用突缘，该作用突缘的底面即形 成该重锤作用面，而该压电组件即设置在作用突缘与该上平面间。
6. 根据权利要求5所述的压电式水平信号提供装置，其特征在于，所述 的该作用突缘构型为该重锤上的一环体。
7. 根据权利要求5所述的压电式水平信号提供装置，其特征在于，所述 的该作用突缘构型为该重锤上多个向外凸伸的指状柱体。
全文摘要
一种压电式水平信号提供装置，包括一座体、一铅垂机构、以及至少二个压电组件；座体，还至少包括一作为水平基准面的基准平面；铅垂机构，设置在座体的上方，用以悬吊一借由重力产生一铅垂线的重锤，此重锤还包括一重锤作用面；压电组件，是以一预定排列模式紧邻重锤作用面设置在座体上；当任一压电组件受到重锤作用面挤压时，即会产生一相对应的电压信号。
文档编号G01C15/10GK101131322SQ20061012132
公开日2008年2月27日 申请日期2006年8月21日 优先权日2006年8月21日
发明者何文中, 许贻玎 申请人:明基电通股份有限公司