專利名稱：包含彈性材料的位置傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于將物體的空間位置轉換成電信號的轉換器。典型的，根據物體沿著三個直角坐標方向距離參考點的距離，或根據物體距離參考點的線性距離以及相對于相交于參考點的正交面的兩個方位角來測量空間位置。在許多申請中我們實際上僅需要知道物體在一個維度上的位置。這樣，顯然需要一種能夠測量距離參考點的線性距離的位置傳感器。
背景技術：
依據有關的距離范圍，已經采用過各種不同的用于電或電子測量物體的線性距離的物理原理。一種實例是來自幾百米或更長的范圍內的物體的無線電波(RADAR)或光的反射。例如可以通過來自物體的超聲的反射來進行大概下至1米的中程位置測量。1米以下的短程距離測量可以采用大量感性、容性和阻性的距離轉換器。
在物體位置的短程測量中，一般使物體攜帶一個元件，該元件是轉換器裝置的一部分或者與轉換器物理連接。例如，往復式機器部件可以與線性電位器的滑動片相連或攜帶構成部分動圈式距離轉換器的電感線圈。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種新穎的位置傳感器，它具有簡單、長期穩定性和耐用性的優點。
根據本發明，一種位置傳感器包括至少一個彈性材料(elastomeric)主體、將主體的第一部分安裝到支架上的安裝裝置、以及距第一部分一定距離與主體的第二部分連接的可動裝置，可動裝置可以移動以拉伸位于安裝裝置和可動裝置之間的主體的第三部分。該傳感器具有在第三部分上的相對的第一和第二表面、在第一表面上的第一電極、以及在第二二表面上的第二電極。
在使用中，可動裝置用作固定即將被測量位置或距離的物體的固定點。物體可以直接或通過如滑輪、聯接或傳動與可動裝置連接。例如，物體在傳感器的操作范圍內移動時，彈性主體伸長從而通過可動裝置引起的移動而改變度數。伸長主體將導致其變窄，正如經歷過被橡皮帶拉過的任何事物一樣。主體的變窄將縮短主體上的電極之間的距離。如果電極作為電容器的電極操作，它們間隔的縮短將增加電容器的電容。這樣，通過測量電極電容，可以獲得可動裝置的位置的電子測量值，并依次獲得固定于其上的物體的位置的測量值。
本發明的傳感器可以采用推拉方式，這將改善其操作性能。為此，主體上配備了用于將主體的第四部分安裝到支架上的第二安裝裝置，支架上具有位于第一安裝裝置和第二安裝裝置之間的可動裝置。位于可動裝置和第二安裝裝置之間的主體的第五部分上配備有相對的第三和第四表面。第三電極配備在第三表面上而第四電極配備在第四表面上。在該實施例中，可動裝置可移動以便當縮小第三部分的伸長程度時拉伸第五部分，并在縮小第五部分的伸長程度時拉伸第三部分。
由此，遠離第一安裝裝置的可動裝置的移動將增加由第一和第二電極構成的電容器的電容，并減少由第三和第四電極構成的電容器的電容。可以采用這種形式，例如在半橋電容測量電路中開發具有提高的線性和分辨率的位置測量。
在推拉式原理的明顯變化中，可以利用兩個分開的彈性主體，它們通過一個共同的可動裝置頭對頭連接。
下面將參照
本發明的優選實施例。
圖1是在相對的皺紋表面上具有電極的彈性板的側視圖。
圖2是從頂上看同一塊板的視圖。
圖3是利用圖1中所示的單個彈性板的位置傳感器的示意圖，其中它處于靠近其感測范圍的一個端點的狀態中。
圖4是圖3中的位置傳感器的示意圖，其中它處于在其感測范圍的相對端點上的狀態中。
圖5是利用具有兩個主動部分的同一彈性板的推拉式位置傳感器的示意圖，它在自然零點位置上。
圖6是圖5中的位置傳感器在其感測范圍的一端時的示意圖。
圖7是利用圖1中所示類型的兩個彈性板的推拉式位置傳感器的示意圖。
圖8是比圖1至7中更簡化的利用推拉原理以及滑輪的旋轉式位置傳感器的示意圖。
具體實施例方式
圖1是由硅橡膠復合物鑄成的彈性傳感器元件1的側視圖。該傳感器元件具有構成為具有10-50微米厚度的板的主體2。主體具有兩個尾部3和4以及與尾部相連的中部5。板2的上下表面10和11由槽6和橫過板的寬度的脊7弄皺。皺紋的峰到峰的尺寸c一般為板的厚度d的10-20％。例如板可以是20微米厚并且皺紋可以具有4微米的峰到峰的尺寸。
主體2的中部5由兩表面上的電極8和9覆蓋。電極延伸到主體的尾部3和4上。它們可以通過例如汽相淀積或電解法由銀、銅或其他合適的金屬或導電材料形成。電極一般具有大約20-100毫微米的厚度。
圖2是圖1中的彈性板的頂視圖。在目前的優選實施例中，板2具有2-4厘米的全長和0.5至2厘米的寬度。從這些尺寸可以很明顯地看出圖2中未顯示刻度并且皺紋的槽6和脊7的尺寸粗略地夸張了。圖2顯示了與板2的橫向或寬度尺寸平行的皺紋。
圖3顯示了在位置傳感器中對圖1和2中的彈性傳感元件的運用。通過省略許多皺紋6、7而簡化了示意圖。彈性主體或板2的尾部4夾在例如作為膠質玻璃公知的透明聚丙烯材料的小橫梁12、13的絕緣材料之間。通過在橫梁12、13和電極之間插入銅、鋁或其他合適金屬的金屬箔16、17來提供與電極8、9的電接觸。金屬箔16、17暴露在橫梁上以允許電極與電容測量電路18的電連接。電路18測量并指示由電極8和9以及板2的中部5構成的電容器的電容值，板2的中部5用做電介質。
圖3中顯示的夾緊機構可以是將橫梁12和13夾持在一起并且將橫梁與固定支架19相連的支架或其他緊固裝置。可以從圖中看出，夾緊力引起了板2的尾部4相對于中部5的壓力。
不用提供任何電接觸就可以將另一尾部3夾緊在相似的橫梁14、15之間。由于橫梁14和15并不與固定支架19相連，因此在端3的夾緊裝置可作為整體移動。如圖所示，橫梁14與即將被測量位置的可動物體20相連。
圖3中還顯示了一個固定行進限制器21，它限制傳感器裝置的可動端3朝固定端4的任何移動。定位限制器21，從而使當橫梁15鄰接限制器21時板2的中部5處于非常輕微的拉伸狀態。
在圖3中，可動物體20不會朝圖的右側移動。當物體移動時，由于與物體20相連的板的端部4上的夾緊裝置14、15的牽引運動，物體將拉伸彈性板2的中部5。圖4中為了清楚起見以放大的方式顯示了物體20的端部位置。板的中部5被非常劇烈地拉伸，這導致其厚度減少到t，該厚度大大低于其在傳感器裝置的靜態時的厚度d。
板部5的厚度的減少導致了隨著電極8和9的靠近由它們構成的電容器的電容的增加。電路18測量并指示這種增加。已經發現電容的增加是對可動物體20離開限制器21行進的距離的精確測量值。因此，圖3和4中的裝置是對于可動物體21相對于限制器21的位置的精確位置轉換器。
圖5顯示了一個裝置，其中相似的彈性板2具有三個被夾部分3、4和22以及在被夾部分之間的兩個中部5和23。這些中部同樣具有皺紋并且具有電極8、9和24、25。在尾部4和23的夾緊裝置與支架19和26固定在一起并且分別為電極對8、9和24、25提供各個電接觸。在中心部3的夾緊裝置是可移動的并且與即將被測量位置的物體21相連。
在圖5的傳感器中，選擇支架19和16之間的距離以便當沒有外力施加到中心部3上時，板2的兩個中部5和23以大約它們的全部拉伸力的一半拉伸。這是所顯示的狀態。可動物體20不會以離開感測裝置的自然零點的所有方向行進，感測裝置位于當兩個中部5和23相等拉伸時的位置。
圖6顯示了可動物體在傳感器到左邊的幾乎全部范圍內行進的狀態。板2的左邊的中部5此時已放松，從而當板2的右邊的中部23幾乎以其全部力拉伸時左邊的中部5僅非常輕微地拉伸。因此，當右部23的厚度幾乎縮小到其最小值t時左部5幾乎回到其鑄造厚度d。當測量電路30檢測到由電極24和25構成的電容器的電容增加時，測量電路18對其檢測作為由電極8和9構成的電容器的電容的減少。
通過將來自兩測量電路的信號適當結合，可以導出對可動物體20相對于傳感器裝置中心的位置的精確測量的信號。
如圖7中所示，通過將兩個單獨的傳感器頭對頭連接，可以構成推拉式傳感器。
如圖8中所示，通過利用滑輪系統，推拉原理使其容易地構成為旋轉位置轉換器。當然，可以以同樣的方式采用單端轉換器。
這種轉換器系統在電位器上的一個關鍵優勢在于它不會磨蝕、接觸磨損和發出接觸噪聲。應該提到該轉換器系統的固有特性是存在回復力。彈性體會始終傾向于縮回到其原始形狀。這導致了在即將被測量位置的物體上的永久力載荷，這使其傾向于回到零點位置。從上述解釋的彈性體的一般量度可以推出，這些力可能很小，但它們仍然存在并且可能使該傳感器不適合某些應用。
表面皺紋使彈性體在其機械屬性上具有高度的各向異性。它非常容易拉伸并且由于皺紋使其在橫向上遠不及在沿著長度方向上順從因此它僅少量變窄。所以，由于拉伸而長度的增加幾乎專門地轉換成了厚度的減少。這導致了器件優良的線性(這甚至是較大范圍的增加)以及推拉式裝置的分辯率。但是，應該注意，其他構造也可在電極以平面上的圖案布置的方式下工作，從而使其可拉伸。圖案可以是例如曲折的圖案或網絡圖案。
權利要求
1.一種位置傳感器，包括至少一個彈性材料主體，用于將主體的第一部分安裝到支架上的安裝裝置；距第一部分一定距離與主體的第二部分連接的可動裝置，可動裝置可移動以拉伸位于安裝裝置和可動裝置之間的主體的第三部分；在第三部分上的相對的第一和第二表面；在第一表面上的第一電極；以及在第二表面上的第二電極。
2.根據權利要求1的位置傳感器，進一步包括用于將主體的第四部分安裝到支架上的第二安裝裝置，其中可動裝置位于第一安裝裝置和第二安裝裝置之間；在主體的第五部分上的相對的第三和第四表面，主體的第五部分位于可動裝置和第二安裝裝置之間；在第三表面上的第三電極；以及在第四表面上的第四電極；其中可動裝置可移動從而當第三部分的拉伸程度降低時拉伸第五部分，并且當第五部分的拉伸程度降低時拉伸第三部分。
3.根據權利要求1的位置傳感器，其中第一和第二表面被弄皺。
4.根據權利要求2的位置傳感器，其中第一、第二、第三和第四表面被弄皺。
5.根據權利要求1的位置傳感器，其中電極的圖案便于第三部分的拉伸。
6.根據權利要求2的位置傳感器，其中電極的圖案便于第三和第五部分的拉伸。
7.一種位置傳感器系統，包括具有共同的可動裝置的根據權利要求1、3或5的兩個位置傳感器。
全文摘要
本發明涉及用于將物體的空間位置轉換成電信號的轉換器，更具體的說涉及一種新穎的位置傳感器，它具有簡便、長期穩定性和耐用性的優點。根據本發明，一種位置傳感器包括一個彈性材料的主體、用于將主體的第一部分安裝到支架上的安裝裝置、以及距第一部分一定距離與主體的第二部分連接的可動裝置，可動裝置可移動以拉伸位于安裝裝置和可動裝置之間的主體的第三部分。該傳感器具有在第三部分上的相對的第一和第二表面、在第一表面上的第一電極、以及在第二表面上的第二電極。
文檔編號G01D5/12GK1606683SQ02825570
公開日2005年4月13日 申請日期2002年12月17日 優先權日2001年12月21日
發明者M·Y·本斯利馬恩, P·格拉夫森 申請人:丹福斯有限公司