专利名称：包含弹性材料的位置传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将物体的空间位置转换成电信号的转换器。典型的，根据物体沿着三个直角坐标方向距离参考点的距离，或根据物体距离参考点的线性距离以及相对于相交于参考点的正交面的两个方位角来测量空间位置。在许多申请中我们实际上仅需要知道物体在一个维度上的位置。这样，显然需要一种能够测量距离参考点的线性距离的位置传感器。
背景技术：
依据有关的距离范围，已经采用过各种不同的用于电或电子测量物体的线性距离的物理原理。一种实例是来自几百米或更长的范围内的物体的无线电波(RADAR)或光的反射。例如可以通过来自物体的超声的反射来进行大概下至1米的中程位置测量。1米以下的短程距离测量可以采用大量感性、容性和阻性的距离转换器。
在物体位置的短程测量中，一般使物体携带一个元件，该元件是转换器装置的一部分或者与转换器物理连接。例如，往复式机器部件可以与线性电位器的滑动片相连或携带构成部分动圈式距离转换器的电感线圈。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种新颖的位置传感器，它具有简单、长期稳定性和耐用性的优点。
根据本发明，一种位置传感器包括至少一个弹性材料(elastomeric)主体、将主体的第一部分安装到支架上的安装装置、以及距第一部分一定距离与主体的第二部分连接的可动装置，可动装置可以移动以拉伸位于安装装置和可动装置之间的主体的第三部分。该传感器具有在第三部分上的相对的第一和第二表面、在第一表面上的第一电极、以及在第二二表面上的第二电极。
在使用中，可动装置用作固定即将被测量位置或距离的物体的固定点。物体可以直接或通过如滑轮、联接或传动与可动装置连接。例如，物体在传感器的操作范围内移动时，弹性主体伸长从而通过可动装置引起的移动而改变度数。伸长主体将导致其变窄，正如经历过被橡皮带拉过的任何事物一样。主体的变窄将缩短主体上的电极之间的距离。如果电极作为电容器的电极操作，它们间隔的缩短将增加电容器的电容。这样，通过测量电极电容，可以获得可动装置的位置的电子测量值，并依次获得固定于其上的物体的位置的测量值。
本发明的传感器可以采用推拉方式，这将改善其操作性能。为此，主体上配备了用于将主体的第四部分安装到支架上的第二安装装置，支架上具有位于第一安装装置和第二安装装置之间的可动装置。位于可动装置和第二安装装置之间的主体的第五部分上配备有相对的第三和第四表面。第三电极配备在第三表面上而第四电极配备在第四表面上。在该实施例中，可动装置可移动以便当缩小第三部分的伸长程度时拉伸第五部分，并在缩小第五部分的伸长程度时拉伸第三部分。
由此，远离第一安装装置的可动装置的移动将增加由第一和第二电极构成的电容器的电容，并减少由第三和第四电极构成的电容器的电容。可以采用这种形式，例如在半桥电容测量电路中开发具有提高的线性和分辨率的位置测量。
在推拉式原理的明显变化中，可以利用两个分开的弹性主体，它们通过一个共同的可动装置头对头连接。
下面将参照
本发明的优选实施例。
图1是在相对的皱纹表面上具有电极的弹性板的侧视图。
图2是从顶上看同一块板的视图。
图3是利用图1中所示的单个弹性板的位置传感器的示意图，其中它处于靠近其感测范围的一个端点的状态中。
图4是图3中的位置传感器的示意图，其中它处于在其感测范围的相对端点上的状态中。
图5是利用具有两个主动部分的同一弹性板的推拉式位置传感器的示意图，它在自然零点位置上。
图6是图5中的位置传感器在其感测范围的一端时的示意图。
图7是利用图1中所示类型的两个弹性板的推拉式位置传感器的示意图。
图8是比图1至7中更简化的利用推拉原理以及滑轮的旋转式位置传感器的示意图。
具体实施例方式
图1是由硅橡胶复合物铸成的弹性传感器元件1的侧视图。该传感器元件具有构成为具有10-50微米厚度的板的主体2。主体具有两个尾部3和4以及与尾部相连的中部5。板2的上下表面10和11由槽6和横过板的宽度的脊7弄皱。皱纹的峰到峰的尺寸c一般为板的厚度d的10-20％。例如板可以是20微米厚并且皱纹可以具有4微米的峰到峰的尺寸。
主体2的中部5由两表面上的电极8和9覆盖。电极延伸到主体的尾部3和4上。它们可以通过例如汽相淀积或电解法由银、铜或其他合适的金属或导电材料形成。电极一般具有大约20-100毫微米的厚度。
图2是图1中的弹性板的顶视图。在目前的优选实施例中，板2具有2-4厘米的全长和0.5至2厘米的宽度。从这些尺寸可以很明显地看出图2中未显示刻度并且皱纹的槽6和脊7的尺寸粗略地夸张了。图2显示了与板2的横向或宽度尺寸平行的皱纹。
图3显示了在位置传感器中对图1和2中的弹性传感元件的运用。通过省略许多皱纹6、7而简化了示意图。弹性主体或板2的尾部4夹在例如作为胶质玻璃公知的透明聚丙烯材料的小横梁12、13的绝缘材料之间。通过在横梁12、13和电极之间插入铜、铝或其他合适金属的金属箔16、17来提供与电极8、9的电接触。金属箔16、17暴露在横梁上以允许电极与电容测量电路18的电连接。电路18测量并指示由电极8和9以及板2的中部5构成的电容器的电容值，板2的中部5用做电介质。
图3中显示的夹紧机构可以是将横梁12和13夹持在一起并且将横梁与固定支架19相连的支架或其他紧固装置。可以从图中看出，夹紧力引起了板2的尾部4相对于中部5的压力。
不用提供任何电接触就可以将另一尾部3夹紧在相似的横梁14、15之间。由于横梁14和15并不与固定支架19相连，因此在端3的夹紧装置可作为整体移动。如图所示，横梁14与即将被测量位置的可动物体20相连。
图3中还显示了一个固定行进限制器21，它限制传感器装置的可动端3朝固定端4的任何移动。定位限制器21，从而使当横梁15邻接限制器21时板2的中部5处于非常轻微的拉伸状态。
在图3中，可动物体20不会朝图的右侧移动。当物体移动时，由于与物体20相连的板的端部4上的夹紧装置14、15的牵引运动，物体将拉伸弹性板2的中部5。图4中为了清楚起见以放大的方式显示了物体20的端部位置。板的中部5被非常剧烈地拉伸，这导致其厚度减少到t，该厚度大大低于其在传感器装置的静态时的厚度d。
板部5的厚度的减少导致了随着电极8和9的靠近由它们构成的电容器的电容的增加。电路18测量并指示这种增加。已经发现电容的增加是对可动物体20离开限制器21行进的距离的精确测量值。因此，图3和4中的装置是对于可动物体21相对于限制器21的位置的精确位置转换器。
图5显示了一个装置，其中相似的弹性板2具有三个被夹部分3、4和22以及在被夹部分之间的两个中部5和23。这些中部同样具有皱纹并且具有电极8、9和24、25。在尾部4和23的夹紧装置与支架19和26固定在一起并且分别为电极对8、9和24、25提供各个电接触。在中心部3的夹紧装置是可移动的并且与即将被测量位置的物体21相连。
在图5的传感器中，选择支架19和16之间的距离以便当没有外力施加到中心部3上时，板2的两个中部5和23以大约它们的全部拉伸力的一半拉伸。这是所显示的状态。可动物体20不会以离开感测装置的自然零点的所有方向行进，感测装置位于当两个中部5和23相等拉伸时的位置。
图6显示了可动物体在传感器到左边的几乎全部范围内行进的状态。板2的左边的中部5此时已放松，从而当板2的右边的中部23几乎以其全部力拉伸时左边的中部5仅非常轻微地拉伸。因此，当右部23的厚度几乎缩小到其最小值t时左部5几乎回到其铸造厚度d。当测量电路30检测到由电极24和25构成的电容器的电容增加时，测量电路18对其检测作为由电极8和9构成的电容器的电容的减少。
通过将来自两测量电路的信号适当结合，可以导出对可动物体20相对于传感器装置中心的位置的精确测量的信号。
如图7中所示，通过将两个单独的传感器头对头连接，可以构成推拉式传感器。
如图8中所示，通过利用滑轮系统，推拉原理使其容易地构成为旋转位置转换器。当然，可以以同样的方式采用单端转换器。
这种转换器系统在电位器上的一个关键优势在于它不会磨蚀、接触磨损和发出接触噪声。应该提到该转换器系统的固有特性是存在回复力。弹性体会始终倾向于缩回到其原始形状。这导致了在即将被测量位置的物体上的永久力载荷，这使其倾向于回到零点位置。从上述解释的弹性体的一般量度可以推出，这些力可能很小，但它们仍然存在并且可能使该传感器不适合某些应用。
表面皱纹使弹性体在其机械属性上具有高度的各向异性。它非常容易拉伸并且由于皱纹使其在横向上远不及在沿着长度方向上顺从因此它仅少量变窄。所以，由于拉伸而长度的增加几乎专门地转换成了厚度的减少。这导致了器件优良的线性(这甚至是较大范围的增加)以及推拉式装置的分辩率。但是，应该注意，其他构造也可在电极以平面上的图案布置的方式下工作，从而使其可拉伸。图案可以是例如曲折的图案或网络图案。
权利要求
1.一种位置传感器，包括至少一个弹性材料主体，用于将主体的第一部分安装到支架上的安装装置；距第一部分一定距离与主体的第二部分连接的可动装置，可动装置可移动以拉伸位于安装装置和可动装置之间的主体的第三部分；在第三部分上的相对的第一和第二表面；在第一表面上的第一电极；以及在第二表面上的第二电极。
2.根据权利要求1的位置传感器，进一步包括用于将主体的第四部分安装到支架上的第二安装装置，其中可动装置位于第一安装装置和第二安装装置之间；在主体的第五部分上的相对的第三和第四表面，主体的第五部分位于可动装置和第二安装装置之间；在第三表面上的第三电极；以及在第四表面上的第四电极；其中可动装置可移动从而当第三部分的拉伸程度降低时拉伸第五部分，并且当第五部分的拉伸程度降低时拉伸第三部分。
3.根据权利要求1的位置传感器，其中第一和第二表面被弄皱。
4.根据权利要求2的位置传感器，其中第一、第二、第三和第四表面被弄皱。
5.根据权利要求1的位置传感器，其中电极的图案便于第三部分的拉伸。
6.根据权利要求2的位置传感器，其中电极的图案便于第三和第五部分的拉伸。
7.一种位置传感器系统，包括具有共同的可动装置的根据权利要求1、3或5的两个位置传感器。
全文摘要
本发明涉及用于将物体的空间位置转换成电信号的转换器，更具体的说涉及一种新颖的位置传感器，它具有简便、长期稳定性和耐用性的优点。根据本发明，一种位置传感器包括一个弹性材料的主体、用于将主体的第一部分安装到支架上的安装装置、以及距第一部分一定距离与主体的第二部分连接的可动装置，可动装置可移动以拉伸位于安装装置和可动装置之间的主体的第三部分。该传感器具有在第三部分上的相对的第一和第二表面、在第一表面上的第一电极、以及在第二表面上的第二电极。
文档编号G01D5/12GK1606683SQ02825570
公开日2005年4月13日 申请日期2002年12月17日 优先权日2001年12月21日
发明者M·Y·本斯利马恩, P·格拉夫森 申请人:丹福斯有限公司