接近和接触传感器及传感元件的制作方法

专利名称：接近和接触传感器及传感元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测物体诸如人体的接近和接触的传感器。
背景技术：
接近和接触传感器(proximity and contact sensor)已经开发用于诸如用于 诊断或者治疗目的的医疗设备的装备。接近和接触传感器检测是否人体以非 接触方法接近该装备。常规的接近和接触传感器包括由两个电极形成的检测 板，并且通过检测板的电容的变化来检测人体的接近(参照专利文献1)。常规 的接近传感器由振荡电路、VSWR桥路、相位比较电路和控制方法构成，该 振荡电路产生具有预定频率的测量信号，VSWR桥路连接到该振荡电路，相 位比较电路检测在桥路的输出信号和振荡电路的测量信号之间的相位差，该 控制方法基于相位比较电路的输出而确定是否人体正在接近。
另一种常规的接近传感器由电容型接近和接触传感器的感测部分和导体 构成，其中该导体的厚度和表面电阻被设置在预定的范围中(参照专利文献 2)。在这种接近和接触传感器中，在导体面积以及电容型接近和接触传感器 的感测部分范围之间的比值被调整为2倍或者更高的值，以便实现限制感测 面积的扩大和扩宽冲企测范围两者。日本特开平专利公布号No.2001_203565日本特开平专利7>布号No.20(M-l50869

发明内容
在专利文献1和2中描述的常规的接近传感器中，当将被检测的物体接
检测板或者感测部分之间的电容的变化。这些仅仅通过电容的变化检测物体 的接近的常规方法具有以下的缺点，即，当该物体的接近速度较慢时，因为 电容变化非常小，检测灵敏度降低，因而，该敏感度变低。电容的小变化由 于噪声而很难检测，并且因此不能以稳固的精度检测。此外，常规的接近传 感器不能定量地检测接近速度，也不能可分辨地检测被检测的物体材料的特 性。
本发明提供一种传感器，其以高灵敏度、高稳定度，该物体的接近速度
为了实现以上所述的目的，本发明的一种形式是一种用于检测被检测的 物体的接近和接触的传感器。该传感器由传感器元件、 一对电极、高频振荡
电路和波形检测电路构成。传感器元件由模具(matrix)和散布在该模具中的线 圏形状的碳纤维(coil-shaped carbon fiber)构成。该线圈形状的碳纤维具有取决 于线圈形状的碳纤维的结构的电感(L)部件、电容(C)部件和电阻(R)部件，并 且该线圈形状的纤维起LCR谐振电路的作用。 一对电极被电连接到该传感器 元件。高频振荡电路连接在一对电极之间。波形检测电路检测在LCR谐振电 路中引起的信号变化。
本发明的其它形式是传感器的结构，其由传感器元件、 一组电极、高频 振荡电路和波形检测电路构成。该传感器元件由弹性地可变形的模具和散布 在该模具中的弹性地可变形的线圈形状的碳纤维构成。该传感器元件具有取 决于模具和线圏形状的碳纤维的弹性变形而变化的阻抗。 一组电极由第一电 极和第二电极构成，并且这些电极电连接到该传感器元件。高频振荡电路经 由第一电极提供高频激励信号给该传感器元件。波形一企测电路经由第二电极 接收传感器元件的输出信号，并且产生 一个对应于当该物体接近传感器元件 时引起的传感器元件的阻抗的变化的检测信号。
本发明的其它形式是该传感器元件的结构。该传感器元件具有在模具或 者该模具的一部分之内的空间部分。该空间部分允许该传感器元件容易地变


图1是按照本发明的第一实施例的接近传感器的示意图； 图2是图1中示出的传感器元件的等效电路图； 图3是图1中示出的接近和接触传感器的方框电路图； 图4是示出在从手到传感器元件的距离以及接近和接触传感器的输出电 压之间的关系的图形；
图5是示出取决于线圈形状的碳纤维的数量的、在从手到传感器元件的
距离以及接近和接触传感器的输出电压之间的关系的图形；
图6是示出取决于高频信号的频率的、在从手到传感器元件的距离以及
接近和接触传感器的输出电压之间的关系的图形；
图7是示出取决于模具的物质的、在从手到传感器元件的距离以及接近
和接触传感器的输出电压之间的关系的图形；
图8是示出取决于被检测的物体的材料的、在从手到传感器元件的距离
以及接近和接触传感器的输出电压之间的关系的图形；
图9是示出取决于被检测的物体的接近速度的、在从手到传感器元件的
距离以及接近和接触传感器的输出电压之间的关系的图形；
图10是示出按照本发明的第二实施例的接近和接触传感器的示意图11是图IO的传感器元件的制造例子的示意图12是图10中示出的传感器元件的制造例子的示意图13是图10中示出的传感器元件的制造例子的示意图14是图10中示出的传感器元件的应用例子的示意图15是示出图10中示出的传感器的输出信号的电压的图形，其取决于
在物体和水面之间的距离而变化；
图16是示出图10中示出的传感器的输出信号的电压的图形，其取决于 物体的位置和来自物体的压力而变化；
图17是图16中示出的范围A的放大图； 图18是图10中示出的传感器的应用例子的示意图； 图19是图10中示出的传感器的应用例子的示意图； 图20是示出图10中示出的传感器的响应特性的图形； 图21是图10中示出的传感器的应用例子的示意图； 图22是图10中示出的传感器的应用例子的示意图；和 图23是图10中示出的传感器的应用例子的示意图。
具体实施例方式
按照本发明的 一次优选实施例的接近和接触传感器描述如下。 如图1所示，传感器元件11形成按照第一实施例的接近和接触传感器 10，其包括板形的模具13和散布在模具13中的线圈形状的碳纤维12。两个 电极14被电连接到传感器元件11的底面。两个电极14最好是由导体、诸如 铜制成的板。检测电路16通过第一连接线15连接在电极14之间。检测电路 16通过第二连接线17连接到处理器18。该处理器18是用于显示检测电路 16的输出信号的波形的示波器，或者用于处理检测电路16的输出信号的计 算机。该措词"电子地连接，，指的是其中从电极14到模具13感应的电流从 电极14流动到线圈形状的碳纤维12,或者经由模具13在线圈形状的碳纤维 12之间的连接。
该传感器元件11的等效电路在图2中示出。如图2所示，该线圈形状的 碳纤维12具有对应于其线圈形状(螺旋形状)的电磁特性。该线圈形状的碳纤 维12的电磁特性是固有的电感(L)部件、电容(C)部件和电阻(R)部件，并且因 此称为LCR部件。在该模具13中散布的线圈形状的碳纤维12经由模具13 ^皮电连接，该模具13具有电容(C)部件。因此，不仅每个线圈形状的碳纤维 12独立地形成LCR谐振电路，而且该散布的线圏形状的碳纤维12和模具13 配合以形成谐振电3各网络。
该接近和接触传感器10的电路参考图3详细描述。如图3所示，该检测 电路16由高频振荡电路(交流电路)19、；改大电路20、相位调整电路21、波形 检测电路22和输出电路23构成。该高频振荡电路19连接到在传感器元件 11和相位调整电路21之间的节点，并且将高频信号Sl提供给传感器元件11 和相位调整电路21。该放大电路20连接在传感器元件11和波形检测电路22 之间，并且放大传感器元件11的输出信号S2，和产生并且提供放大的输出 信号S2a给波形检测电路22。该相位调整电路21调整高频振荡电路19的高 频信号Sl的相位，并且将相位调整的高频信号(或者基准高频信号)Sla提供 给波形检测电路22。该波形检测电路22比较放大的输出信号S2a和相位调 整的高频信号Sla,以产生对应于比较结果的检测信号S3。该输出电路23产 生和输出具有对应于检测信号S3的电压的输出信号S4。
该传感器元件11具有固有阻抗。被检测的物体24也具有固有阻抗。具 有预定频率的高频信号通过高频振荡电路19被施加到传感器元件11。因此， 在传感器元件11附近产生AC电场。除了该传感器元件11的电容(C)部件之 外，还产生在传感器元件11和被检测的物体24之间的电容(C)部件。因此， 当被检测的物体24接近该传感器元件11时，两个电容(C)部件的总和改变。 当电容(C)部件的总和改变时，该传感器元件11的阻抗改变。当被检测的物 体24接触到传感器元件11时，该传感器元件11和被检测的物体24的电阻
(R)部件的总和改变。电阻(R)部件的总和的变化改变传感器元件11的阻抗。 施加到传感器元件11的该高频信号Sl的电压和相位取决于在阻抗的变
化量而改变。然后，变化的高频信号S2^0M专感器元件11输出。该变化的 高频信号S2由放大电路20放大，并且高频信号S2的电压和相位的变化量被 放大。该波形检测电路22检测或者比较变化并放大的高频信号S2a和从高频 振荡电路19经由相位调整电路21提供的高频信号(或者基准高频信号)Sla, 以检测或者监控由被检测的物体24的接近所引起的阻抗的连续变化。该波形 检测电路22产生与该高频信号S2a和Sla的波形检测结果相一致的检测信号 S3,并且将该^r测信号S3提供给输出电路23。该输出电路23输出与检测信 号S3相一致的输出信号S4,例如，输出对应于该检测信号的电压信号。
在图4中，纵轴和横轴分别地表示输出信号S4的电压以及在被检测的物 体24和传感器元件11之间的距离。人手的手掌用作被检测的物体24。当手 掌接近传感器元件11并且手掌和传感器元件11之间的距离(cm)缩小时，该 输出电压(V)以基本成比例的方式增加。该输出信号曲线是在输出信号和距离 之间的关系，其对于^皮检测的物体24是唯一的。
因此，该输出信号S4的唯一的变化，或者波形可以被对于某个检测的物 体24提前测量，并且一个数据库被建立，使得该处理器18可以把该输出信 号S4提交给该数据库，并且定量地确定检测的物体24相对于该传感器元件 11的接近速度、距离和其它的特性。此外，该输出信号S4的固有的变化， 或者波形可以被对于各种各样的检测的物体24提前测量，并且一个数据库被 建立，使得该处理器18可以把输出信号S4提交给该数据库，并且确定被检 测的物体24的实质。例如，可以进行在有生命的物体和无生命的物体之间的 区别，可以进行在金属和陶器之间的区别，可以进行在金属和树脂之间的区 别。该数据库可以形成在处理器18的存储设备中，或者可以形成在由该处理 器18可访问的外部存储设备中。
当被检测的物体24接触接近和接触传感器10的传感器元件11时，该传 感器元件ll的阻抗变化。该波形检测电路22检测阻抗的变化量，使得除了 该物体的接近之外，接近和接触传感器10还可以纟企测物体的接触。
该模具13起用于线圈形状的碳纤维12的分散介质的作用。该模具13最 好是由弹性地可变形的材料，诸如弹性树脂(具有弹性的聚合物)，和非弹性地 可变形的材料，诸如硬树脂形成，其具有作为电磁特性的电容(C)部件。在第
一实施例中，有机硅树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、苯乙烯和热塑性弹性体 的共聚物树脂等等的成形产品用作该模具13。有机硅树脂的例子包括由
Shin-Etsu化学制品有限公司制造的称作KE103(JIS A硬度18)、 KE106(JISA 硬度50)和KE1202(JIS A硬度65)的产品。苯乙烯和热塑性弹性体的共聚物树 脂的例子包括由Kuraray有限公司制造的称作Septon树脂弁4033(JIS A硬度76) 和存8104(JIS A硬度98)的产品。聚氨酯树脂的例子包括日本聚氨基曱酸酯工 业公司的产品名称Coronate 4387。
该模具13的硬度与该接近和接触传感器10的灵敏度有关。如果该模具 13是具有由有机硅树脂等等制成的极好的弹性的成形产品，该模具13的电 容可以提高，并且该传感器元件11的灵敏度可以被增强。如果该模具13是 由硬的有机硅树脂、聚氨酯树脂、Septon树脂等等制成的成形的产品，该模 具13的电容略微地降低。在这种情况下，该传感器元件11的灵敏度降低， 但是该检测范围被扩展。因此，该模具13具有电容(C)部件，并且起电容器 的作用，除了线圏形状的碳纤维12的C部件之外，其提高总的电容。这扩展 了在LCR谐振电路中电容的调整宽度。
由于该线圈形状的碳纤维12具有螺旋形形状，当流过线圈形状的碳纤维 12的该高频信号变化时，该传感器元件11的阻抗变化，其包括前面提到的L 部件、C部件和R部件的谐振电路，和该散布的线圈形状的碳纤维12和模具 13的谐振电路网络。因此，被检测的物体24的接近可以基于阻抗的变化量 借助于波形检测电路22检测。该电感(L)部件指的是感应系数，其是自感系 数或者互感应系数，并且是电^f兹感应特性的一个。该电容(C)部件指的是以电 荷对电势(电压)的比值表示的电容，并且是电磁感应特性的一个。该电阻(R) 部件指的是电阻，并且是电^f兹感应特性的一个。
一个优选的线圈形状的碳纤维12的例子是单螺旋线圈形状的碳纤维12、 双螺旋线圈形状的碳纤维12、超弹性线圈和上述的线圈的混合。单螺旋线圏 形状的碳纤维12是其中具有恒定布线直径的纤维在单个绕组中以等螺距成 螺旋形延伸的线圈。最好是，单螺旋线圏形状的碳纤维12具有0.1 (im至1 pm 的布线直径，0.01 jum至50 jam的线圏直径，0.01 pm至10 |am的线圈间距， 和O.l mm至10 mm的线圈长度。从容易制造的的观点看，最好是，该线圈 的直径是0.1 至10 (am,并且该间距是在0.1 (am至10 (im之间。
双螺旋线圈形状的碳纤维12是空的和圆筒形线圏，其中两个线圈被彼此
交替缠绕，并且没有任何缝隙地彼此接触。最好是，双螺旋线圈形状的碳纤
维12具有0.1 jum至1 jim的布线直径，0.01 pm至50 |um的线圈直径，大体 上与布线直径(在纤维之间的缝隙大体上是零)相同的间距，和0.1 mm至10 mm的长度。
超弹性线圈指的是随着相对很大的线圈直径和很小的布线直径具有更大 的弹力的线圈。最好是，超弹性线圈具有5 pm至50 pm的线圈直径，0,1 pm 至10 |_im的线圏间距，和0.3 mm至5 mm的线圈长度。
该线圈形状的碳纤维12的缠绕方向可以或者是围绕该线圈的中心轴顺 时针方向(向右旋的)或者是逆时针方向(向左旋的)。
该线圈形状的碳纤维12可以随机地在模具13中指向，或者在通过使用 诸如电场或者^t场对准的相同的方向指向。如果线圏形状的碳纤维12在相同 的方向指向，LCR电路的功能可以在指向的方向上较高的水平实现，并且该 传感器元件11可以获得方向性。
虽然线圈形状的碳纤维12可以由非晶体的碳纤维形成，该优选的线圈形 状的碳纤维12是具有结晶的石墨层的碳纤维，其是通过对非晶体的碳纤维加 工热处理获得的。在这种情况下，该线圏形状的碳纤维12具有碳粒子，其在 石墨层中形成均匀地排成一行的碳纤维。这导致当暴露于可变的电磁场时出 现的电阻变化变得显著的，其随后导致谐振特性变得显著。因此，该传感器 元件的检测精度被改善，并且该敏感度提高。
散布在模具13中的线圈形状的碳纤维12的数量按重量计算最好是以1 至20%。如果该线圈形状的碳纤维12的含量按重量计算低于1%,该接近和 接触传感器10的敏感度基于该线圈形状的碳纤维12趋向于降低。如果该线 圏形状的碳纤维12的含量按重量计算超过20%,该传感器元件11可以变得 坚硬，该传感器元件11的敏感度可以降低，并且该传感器元件11的可塑性 趋向于变得很差。
以下是用于在模具13中散布线圈形状的碳纤维12的方法的例子。
(1) 一个方法包括将线圈形状的碳纤维12增添给模具13的原始材料(最好 是液态)，均匀地搅拌和散布线圈形状的碳纤维12,去除泡沫，铸成铸模，加 压，冷却和凝固。当使用有机硅树脂等等用于模具13的原始材料时，这个方 法是最适宜的。
(2) 另一个方法包括将增塑剂增添给模具13的颗粒，加热和熔化该颗粒，
增加线圈形状的碳纤维12,均匀地搅拌和散布线圈形状的碳纤维12,铸成该 铸模，加压，冷却和凝固。
(3)另一个方法包括加热和熔化该模具13,增加线圈形状的碳纤维12,均 匀地搅拌和散布线圈形状的碳纤维12,铸成该铸模，加压，冷却和凝固。
该高频振荡电路19最好是输出具有在50 kHz至1 MHz范围内的频率的 高频信号。从该传感器元件11的敏感度和稳定度的观点看，该高频信号的频 率最好是在100和800 kHz之间。如果该高频信号的频率低于50 kHz,噪声 的产生可以提高，并且该检测趋向于变得不稳定。如果该高频信号的频率超 过lMHz,该输出信号可以变得弱，并且该敏感度趋向于降低。
代替活体，诸如手，该接近和接触传感器10的^皮;险测的物体24可以是 金属、陶器或者树脂。由于活体的表面是带电的，当该活体接近该传感器元 件ll时，该线圈形状的碳纤维12的LCR谐振电路的功能被增强，并且该接 近和接触传感器10的检测灵敏度提高。活体的例子(或者活体的一部分)是手、 臂、脸和腿。
在第一实施例中的该接近和接触传感器10的操作描述如下。
高频信号通过该高频振荡电路19被施加于该传感器元件11。被检测的 物体24在这个状态下接近该传感器元件11。在传感器元件11的每个线圈形 状的碳纤维12具有固有的L部件、C部件和R部件，并且形成LCR谐振电 路。此外，该散布的线圏形状的碳纤维12在该模具13中构成谐振电路网络。 当在被^r测的物体24和传感器11 (其中两者都具有不同的固有阻抗)之间 的距离变短时，由于在传感器元件11中的LCR谐振电路和谐振电路网络， 该传感器元件11的阻抗改变。
传感器元件11的阻抗的变化导致高频信号Sl(电压、相位等等)的变化。 变化量由该放大电路20放大。该放大的信号S2a被提供给波形检测电路22。 该高频振荡电路19将高频信号Sl提供给相位调整电路21以及传感器元件 11。该相位调整电路21将相位调整的高频信号提供给该波形检测电路22。 该波形检测电路22将放大的信号S2a与作为基准的相位调整的高频信号Sla 比较，并且产生检测信号S3,以及提供给输出电路23。来自该输出电路23 的输出信号被作为适宜的波形显示在示波器的屏幕上，用于目视识别，该示 波器起处理器18的作用。
用于#:检测的特定的物体24的该输出信号的固有变化(显示为输出波形 (弯曲的形状))被预先测量，以建立一个数据库，使得当被检测的物体24相对 于传感器元件11的接近速度或者距离变化时，从该输出波形中可以确定接近 速度和距离。固有输出波形可以被预先测量以建立一个用于被检测的各种各
样的物体24诸如有生命的物体(手掌)，或者无生命的物体(钢板)的数据库， 使得该接近速度、距离和被检测的物体24的实质可以基于检测的波形和数据 库确定。
第一实施例具有如下所述的优点。
在第一实施例的接近和接触传感器10中，该线圈形状的碳纤维12被散 布在该模具13中以形成该传感器元件11。该线圈形状的碳纤维12基于该线 圈的形状起具有L部件、C部件和R部件的LCR谐振电路的作用，并且该线 圈形状的碳纤维12和模具13产生谐振电路网络。两个电极14电连接到该传 感器元件11,并且该高频振荡电路19和波形;险测电路22被连接在电极14 之间。
因此，当被检测的物体24接近于被施加高频信号的该传感器元件11时， 该LCR谐振电路和谐振电路网络影响以改变传感器元件11的阻抗。这个阻 抗改变导致高频信号的变化，并且该高频信号变化由波形检测电路22检测。
更加稳固的，在常规的接近传感器中检测是仅仅基于该电容部件执行的。
基于由被检测的物体24接近于传感器元件11所引起的连续的阻抗变化， 可以实现接近速度等等数量上的检测、和被检测的物体24的材料的识别。因 此，该接近和接触传感器10最适宜供用于诊断或者治疗的医疗设备的领域 中，或者类似机器人的其它领域中使用。
当模具13中的该线圏形状的碳纤维12的数量以重量百分数是在1至20% 的范围之内时，该接近和接触传感器IO的性能充分地得出。
当由高频振荡电路19产生的高频信号的频率是在100至800 kHz的范围 之内时，有效地得出该接近和接触传感器10的效果。
当被检测的物体24接触该传感器元件11时，该接近和触觉传感器10示 出一个不同于当被检测的物体24接近时的输出信号。因此，该接近和接触传 感器10起接近和接触传感器的作用，其不仅检测被检测的物体24的接近， 而且检测被检测的物体24的接触。通过使用弹性地可变形的材料，诸如包括 有机硅树脂的弹性聚合物，该有机硅树脂具有用于模具13的弹力，除了被检
测的物体24的接近和接触之外，该接近和接触传感器10检测由被检测的物
体24施加于接近和接触传感器10的压力数值。弹性聚合物的使用防止或者 减少可能由在被检测的物体24以及接近和接触传感器IO之间的碰撞所引起 的损坏。
如果被检测的物体24是活体，可以通过出现于活体表面的电荷来提高该 检测灵敏度，并且精确地检测活体的接近。 这些例子以下详细地描述。 (例子1)
准备了四个平面传感器元件11。它们每个具有95 mm的长度、95 mm的 宽度和2 mm的厚度。两个电极14被附着在每个传感器元件11的底面上。 每个传感器元件11的模具13是用起弹性树脂作用的有机硅树脂(由Shin-Etsu 化学制品有限公司制造的KE103, JIS A硬度18)制成的。该线圈形状的碳纤 维12的形状是具有0.5 jim至1 nm的布线直径、5 |am至10 的线圈直径、 大体上与布线直径(在纤维之间的缝隙大体上是零)相同的线圈间距、和150
iam至300 pm的线圈长度的双螺旋类型。四个传感器元件11的每个具有按重 量计算1%、按重量计算5%、按重量计算10%和按重量计算20%的该线圈形 状的碳纤维12的不同的含量。在图5中，该横轴表示在传感器元件11和物 体24之间的距离，并且该纵轴表示输出电压。图5示出用于该线圈形状的碳 纤维12的不同的含量的四条曲线。
铜电极被用于两个电极14。由高频振荡电路19、波形检测电路22和其 它构成的检测电路16利用第一连接线15连接到电极14,并且起处理器18 作用的数字示波器利用第二连接线17连接到检测电路16。 200kHz的高频信 号通过该高频振荡电路19被施加于该传感器元件11。该接近和接触传感器 l(M皮以这种结构形成。
作为被检测的物体24,人的手掌被放置在传感器元件11之上的8cm处。 当该手掌接近传感器元件11时，测量输出电压的变化。该结果在图5中示出。 如图5所示，当在传感器元件11中的线圏形状的碳纤维12的含量提高时， 输出电压(V)趋向于提高。但是，当线圈形状的碳纤维12的含量按重量计算 是10%时，该输出电压是最高的，也就是说，该^:感度是最高的。此外，当 手掌触摸传感器元件lla时和之后，获得相同的或者比接近时间更高的速度 的输出电压。因此，很显然，该传感器IO可以不仅检测接近，而且可以检测 接触。
(例子2)
在例子1中，该线圈形状的碳纤维12的含量按重量计算保持在20%上， 并且该高频信号的不同频率50 kHz、 100kHz、 200 kHz、 400 kHz、 600 kHz 和800 kHz由高频振荡电路19施加给传感器元件11。其它的部分与例子1 是相同的，并且当朝向传感器元件11移动该手掌时，输出电压的变化被测量。 该结果在图6中示出。如从在图6中示出的结果中清晰可见的，当高频信号 的频率是800kHz时，当该手掌接近传感器元件11时，输出电压的变化是很 小的，并且该检测灵敏度是低的，但是，该手掌的接近仍然被^r测。当频率 降低时，输出电压的变化提高，并且该检测灵敏度趋向于提高。但是，当高 频信号的频率变为50kHz时，噪声提高，并且在该输出波形中出现干扰。因 此，该高频信号的频率最好是在100至800kHz的范围内。
(例子3)
在例子1中，用于该传感器元件11的该线圏形状的碳纤维12的含量按 重量计算被保持在5%上。由高频振荡电路19施加于传感器元件11的该高频 信号的频率被保持在200kHz上。聚丙烯树脂用作传感器元件11的模具13。 并且其它的部分与例子1是相同的，当朝向传感器元件11移动该手掌时，输 出电压的变化被测量。该结果在图7中示出。如图7所示，对于聚丙烯树脂， 与有机硅树脂相比较，该输出电压是略微地低的。但是，被检测的该物体24 的接近被充分地检测。
从图7中显而易见，被检测的物体24与传感器元件11的接触可以被检 测，或者模具13是一个弹性地可变形的材料，诸如具有出众的弹力的有机硅 树脂，或者非弹性地可变形的材料，诸如聚丙烯树脂。
具体地，如果模具13的材料是具有出众的弹力的弹性地可变形的材料， 诸如有机硅树脂，该输出信号的波形在被检测的物体24和传感器元件11之 间的接触时刻上突然地变化。因此，可以从波形的这个突然的变化中4全测到 被检测的物体24与传感器元件11的接触。此外，可以基于输出信号的电平(如 果被检测的物体24的物质是已知的)检测被检测的物体24与传感器元件11 的接触。当该模具13是由弹性地可变形的材料形成时，由于由被检测的物体 24施加的机械外力，上述的输出信号的波形的突然变化推测是主要地由线圈 形状的碳纤维12的弹性变形所引起的。该线圈形状的碳纤维12的弹性变形
改变线圈形状(长度、直径、缠绕密度)，和在线圈形状的碳纤维12之间的距
离。因此，每个线圈形状的碳纤维12的LCR部件和谐振电路网络的C部件 改变，并且该传感器元件11的阻抗改变。应该明白，当输出信号的波形的变 化时，可以观察到这些。在使用由弹性地可变形的材料制成的模具13的接近 和接触传感器中，当一皮检测的物体24正在接触传感器元件11时，由被冲全测 的物体24施加的接触压力相对容易从该输出信号中检测到。
如果该模具13是用非弹性地可变形的材料，诸如聚丙烯树脂制成的，在 被检测的物体24和传感器元件11之间的接触时刻上在输出信号的电平中出 现干扰(连续的激增和激跌)。此外，在被检测的物体24保持接触传感器元件 ll期间，在输出信号电平中的干扰继续。当在输出信号电平中出现干扰时， 检测到被检测的物体24与传感器元件11的接触。当该模具13是用非弹性地 可变形的材料制成时，仍然不知晓在输出信号电平中干扰的原因。假设由被 检测的物体24施加的机械外力产生的模具13的内应力影响模具13和线圈形 状的碳纤维12的C部件。
(例子4)
在例子1中，用于该传感器元件11的该线圏形状的碳纤维12的含量按 重量计算被保持在20%上。由高频振荡电路19施加于传感器元件11的该高 频信号的频率祐:保持在200 kHz上。^皮^r测的物体24的四个类型的物质，即， 聚丙烯树脂板、铝板、钢板和陶瓷板被使用。并且其它的部分与例子1是相 同的，当朝向传感器元件11移动被检测的物体24时，输出电压的变化被测 量。该结果在图8中示出。如图8所示，对于在例子l中的手掌，输出电压 的变化是最大的，接着以钢板、铝板、陶瓷板和聚丙烯树脂板的顺序。从该 结果中显而易见，可以以更高的敏感度检测具有带电的表面或者用导电材料 制成的被检测的物体24。由于其表面是带电的，手掌被认为是具有最高的敏 感度。
(例子5，接近速度的测量)
当在例子4中使用手掌作为被检测的物体24时，接近速度参考图9描述。 在手掌和传感器元件11的表面之间的距离最初地被设置为9cm(90 mm, 输出电压OV)。在其达到在传感器元件11之上1 cm(10 mm，输出电压3V) 之前，朝向该传感器元件11移动手掌80mm。在图9中，该输出波形l是当 手掌以10mm/秒速度朝向传感器元件11移动时获得的曲线。该输出电压在8
秒之后达到3V。图9的输出波形2是当以不同的速度朝向传感器元件11移 动手掌时获得的曲线。由于从当开始接近移动时开始在4秒之后输出电压达 到3V，该4妄近速度是20 mm/秒(80/4 = 20)。
(例子6，在活体和无生命的物体之间的区别)
在例子4中，当在被检测的物体24和传感器元件11之间的距离是预定 值时，可以通过使用输出电压作为基准区别被检测的物体24的实质(例如， 活体(手掌)和无生命的物体(钢板、铝板、陶瓷板和聚丙烯树脂板))。换句话说， 当在被检测的物体24和传感器元件ll之间的距离是lcm时，如果该输出电 压大于或等于2.5V(由在图8中的双虚线表示的位置)，其确定一皮检测的物体 24是活体，并且如果该输出电压小于2.5V,被检测的物体24是无生命的物 体。取决于被检测的物体24的材料，用作基准的该输出电压可以适当地改变。
按照本发明第二实施例的物体检测传感器100的讨论集中在与第一实施 例的差别上。
如图IO所示，该物体检测传感器IOO在传感器元件lla的结构上不同于 第一实施例。该电极14和电极14的连接部分以及第一连接线15最好是被覆 盖和绝缘。
除了在第一实施例中描述的优选的材料之外，弹性体可用于形成第二实 施例的模具13。
在第二实施例中， 一个具有1 nm至1 nm的布线直径，1 nm至100 (im 的线圈直径，1 nm至100 jum的螺旋形线圈间距，和100 |iim至10 mm的线 圏长度的螺旋形线圈形状的碳纤维12是优选的。从制造容易的观点看，进一 步最好是，该线圈直径是l nm至10 )^m,并且该螺旋形间距是10nm至10 pm。 最好是，该线圏长度小于或等于150 (am以确保在该模具13中的分散性。
在第二实施例中，具有0.1 jim至1 )am的布线直径，0.01m至50iim的 直径，几乎是零的螺旋形间距，和O.l mm至10 mm的线圈长度的双螺旋形 线圈形状的碳纤维12是优选的。
在第二实施例中，具有5 iam至100 iam的线圈直径，0.1 |im至10 pm的 线圈间距，和0.3 mm至5 mm的线圈长度的超弹性线圏是优选的。
在第二实施例中，除了具有螺旋形缠绕结构的碳纤维之外，简单地缠绕 或者弯曲的碳纤维可以用作该线圈形状的碳纤维12。该螺旋形缠绕的线圈形 状的碳纤维12的缠绕方向可以是围绕该线圈轴的顺时针方向(向右旋的)或者
是逆时针方向(向左旋的)。该简单地缠绕或者弯曲的线圈形状的碳纤维12的 旋的)。
许多的气孔13a(参见图ll)(其起空白部分的作用)或者一个或多个空腔 31和31a(参见图12和13)(其起空白部分的作用)^皮形成在该模具13中。 该气孔13a和空腔31和31a增强该模具13的可变形性。该模具13的增强的 可变形性提高在该模具13中的线圏形状的碳纤维12的弹性可变形性。取决 于该线圈形状的碳纤维s12的弹性变形，该线圈形状的碳纤维12的L部件、 C部件和R部件的至少一个改变。因此，该传感器元件lla的阻抗比相对于 施加于传感器元件lla的压力的变化没有气孔或者空腔的传感器元件更多地 变化。因此，在该模具13中的气孔13a或者空腔31和31a大大地有助于改 善该传感器元件lla的检测灵敏度。
用于制造传感器元件lla的方法的例子描述如下。
(a) 当以热塑性树脂形成该模具13时，被增加给该模具的该线圏形状的碳 纤维12被搅拌，其处于熔化状态，以均匀地散布该线圈形状的碳纤维12， 并且然后在铸模中被压模。
(b) 当以 一次液体硫化类型或者二次液体硫化类型的热固性树脂形成该模 具13时，在处理之前该线圈形状的碳纤维12被增加给该树脂，被搅拌以均 匀地散布线圈形状的碳纤维12,并且然后在铸模中被铸模。
用于制造包括气孔13a或者空腔31、 31a的模具13的方法的例子被描述 如下。
(a) 如图ll所示，二种液体可起泡沫的树脂被铸模在铸模30中。这形成 具有许多的气孔13a的该模具13。
(b) 树脂在该铸模30中被熔化，并且该熔化的树脂被减压。这使熔化的树 脂排气，并且在该铸模模具13中形成许多的气孔13a。
(c) 多个杆状的核心(未示出)被设置在铸模30中，以例如形成多个并行信 道(空腔)31，其^f皮对于该才莫具13的侧面的一个敞开。该空腔31的开口端可以 被关闭或者保留开放。由与模具13相同的材料形成的板形状的盖子(未示出) 附着在该铸模的模具的侧面上，其中该空腔31接近该空腔31的开口端。在 这种情况下，多个封闭的空腔31被形成在该传感器元件lla中。
(d) 树脂在该铸模30中被熔化。空气被从铸模30外面通过注射器、恒定
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速率气泵等等(未示出)注入到熔化的树脂中。在这种情况下，层状的空腔31a 被形成在该模具13中，并且具有凹部的模具13被获得，如图13所示。该层 状的空腔3 la可以通过在铸模处理期间在铸模30中设置的一个或多个层状的 核心形成。
其它的部分，诸如该检测电路16的结构、传感器元件lla的等效电路、 线圈形状的碳纤维12的数量等等如在第一实施例中描述的那样。 第二实施例的传感器100的操作将描述如下。
如图14所示，该传感器元件lla被放置在贮水池32的底部，该贮水池 32包含起流体介质作用的水。当高频信号Sl被从检测电路16施加于传感器 元件lla时，该传感器元件lla产生达到水面以上位置的AC电磁场。如果被 检测的物体24在AC电磁场的范围之内，则该传感器元件11a和被^r测的物 体24形成一个谐振电路。在这种情况下，该检测电路16输出具有对应于谐 振电路的阻抗的电压的检测信号S3。
当被检测的物体24接近贮水池32的水面时，包括传感器元件lla和被 检测的物体24的谐振电路的阻抗连续地变化。如图15所示，取决于被检测 的物体24和水面之间的距离，该检测电路16的检测信号S3的电压连续地变 化。取决于被检测的物体24的阻抗，检测信号S3的变化是固有的。因此， 当被检测的物体24接近该水面时，检测信号S3的变化和该物体离水面的距 离之间的关系被预先测量以建立一个数据库。通过使用这个数据库，可以基 于检测信号S3的变化来检测被检测的物体24到水面的接近。
当被检测的物体24接触水面时，在包括传感器元件11a和被^r测的物体 24的谐振电路中的阻抗突然地变化。如图15所示，该检测信号S3的电压突 然地变化。因此，可以基于检测信号S3的变化来检测被检测的物体24与水 面的4妾触。
在图16中，当被检测的物体24循环地在贮水池32的水中移动时，如图 18所示，范围A示出检测信号S3的变化。图17是范围A的放大图。当被 检测的物体24循环地在水中移动时，被检测的物体24和传感器元件lla之 间的电容随着它们之间的距离变化而周期地变化。此外，被4企测的物体24的 移动循环地改变施加于该传感器元件lla的压力。该模具13和线圏形状的碳 纤维12通过压力的循环性的变化而循环地变形。因此，在包括传感器元件 11a和一皮检测的物体24的谐振电路中的阻抗循环地改变，并且该检测信号S3
的电压循环地改变。
由于该模具13的气孔13a和空腔31、 31a，除了该模具13之外，该线圈 形状的碳纤维12变得更容易变形。这增强了传感器100在水中相对于施加于 传感器元件lla的压力的敏感度和响应度。因此，可以基于检测信号S3的变 化令人满意地检测被检测的物体24在水中的行为。
如图19所示，当被^r测的物体24与传感器元件lla在水中接触时，取 决于由被检测的物体24施加于传感器元件lla的压力的级别，在包括传感器 元件11a和被检测的物体24的谐振电路中的阻抗突然地改变。如图16所示， 在范围B中，取决于由被^:测的物体24施加于该传感器元件lla的压力的级 别，该检测信号S3的电压大大地改变。因此，可以基于检测信号S3的变化 来检测被检测的物体24与该传感器元件lla的接触。
图20示出当压力在水中施加于第二实施例的传感器元件lla时，在模具 13内部具有气孔13a和没有气孔的传感器元件之间的响应信号的比较。从图 20中显而易见，在模具13中形成的气孔13a相对于该压力猛烈地增强敏感度。
如上所述，由于该传感器元件的可变形性通过气孔13a以及空腔31和31a 而提高，因此可以以高灵敏度检测经由流体介质间接地施加于传感器元件lla 的压力，或者通过直接接触施加的压力。
该物体检测传感器100的一个应用例子被描述如下。
在图21的例子中，该物体检测传感器100的传感器元件lla被设置在浴 缸40的底部或者侧壁上。该物体检测传感器IOO在无接触条件下检测需要照 料的人员41的行为，诸如年长者的照料或者护理。该行为包括进入和离开浴 缸40的移动，或者在浴缸40中的移动。该物体检测传感器IOO通过人员与 传感器元件lla的直接接触检测需要照料的人员41是否在该浴缸40中。因 此，可以远程监控浴缸条件和需要照料的人员41的行为。
在图22的例子中，该物体检测传感器100的传感器元件lla被设置在动 物园的水池42中。该物体4企测传感器100在无接触条件下4企测动物43进入 或者离开水池42的移动，或者动物43在水池42中的位置。该物体4全测传感 器100借助于直接接触检测动物43是否处于该水池42中。因此，动物43的 状态可以被远程监控。
在图23的例子中，物体检测传感器100的多个传感器元件lla被设置在 电镀生产线的电镀槽44中。该物体检测传感器IOO在非接触的条件下检测加
工件45进入和离开电镀槽44的移动，或者加工件45在电镀槽44中的4亍为。 当该加工件45从悬挂夹具46落下并且沉到底部时，该物体检测传感器100 通过设置在电镀槽44的底部上的传感器元件lla检测加工件45在电镀槽44 底部上的接触。因此，可以远程监控该加工件45的电镀处理。 第二实施例具有如下所述的优点。
(1) 起LCR谐振电路作用的该线圏形状的碳纤维12被散布在模具13(是介 质材料)中，以形成该传感器元件lla。气孔13a或者空腔31和31a由模具13 制造，其允许传感器元件lla容易地变形。因此，该传感器元件lla通过压 力容易地、弹性地变形，并且传感器元件lla的阻抗的变化量相对于压力的 变化变得很大。因此，当该传感器元件lla被放置在流体介质中时，敏感度 相对于经由流体介质传送给传感器元件lla的压力的变化增强。此外，对于 由被检测的物体24直接接触于传感器元件lla施加的压力的敏感度也被增 强。因此，如果该传感器元件lla被放置在流体介质中，被检测的物体24与 流体介质的表面的接近和接触、和被检测的物体24在流体介质中的行为被借 助于高的灵敏度检测。此外，检测被检测的物体24与传感器元件lla在流体 介质中的接触。
(2) 在该模具13的原料被处理起泡沫期间产生许多的气孔，并且该传感器 元件lla的可变形性通过许多的气孔13a被增强。因此，在模铸该传感器元 件lla之后，不需要用于形成空腔的加工。这改善该传感器元件lla的生产 力。
(3) 当铸造传感器元件lla时，该空腔31、 31a一皮使用在该铸模中的一个 或多个核心形成。因此，在模铸该传感器元件lla之后，不需要产生空腔31、 31a的加工。这改善该传感器元件lla的生产力。金属铸模可以产生用于空腔 31、31a的多样的形状。这以有效和控制方式提高传感器元件lla的可变形性。
第一实施例和第二实施例可以如下所述修改。
金、铜等的金属薄膜可以形成在线圈形状的碳纤维12的表面上以增强导 电性。在这种情况下，该传感器元件11的敏感度和稳定度可以被改善。
在该模具13中，除了线圈形状的碳纤维12之外，蒸汽生长纤维(VGCF)、 石墨纳纤维、炭粉、金属粉末、电介质粉末、压电粉末等等可以混合。
具有不同硬度等的树脂可以混合以调节物理性能，诸如该模具13的硬度。
单螺旋线圈形状的碳纤维12和双螺旋形线圈形状的碳纤维12可以被混
合，并且用作该线圈形状的碳纤维12。
该输出电压值的正和反属性当然可以被反转，或者该输出可以是电流， 而不是电压。上述的改变可以容易地由那些熟练的制造商进行。
起被检测的物体24作用的活体可以是动物，诸如狗或者猫，而不是人类。 在第二实施例中，该模具13可以包括气孔13a、空腔31和空腔31a中的 至少两个。当形成该模具13时，通过当铸造该传感器元件lla时使用一个或 多个核心或者注入空气，该气孔13a可以被与空腔31和/或31a的形成同时地 起泡沫。在这种情况下，该传感器元件11变得可容易地变形，并且该纟企测灵 敏度被改善。
第二实施例的传感器元件lla可以在物体检测传感器中使用，用于检测 动物园、水族馆等中的动物接近水面或者其在水中的行为。
权利要求
1.一种用于检测物体的接近和接触的传感器，该传感器包括:包括模具和散布在模具中的线圈形状的碳纤维的传感器元件，该线圈形状的碳纤维具有取决于线圈形状的碳纤维的线圈形状的电感部件、电容部件和电阻部件，并且该线圈形状的纤维起LCR谐振电路的作用；电连接到传感器元件的一对电极；连接在所述一对电极之间的高频振荡电路；和用于检测由LCR谐振电路改变的信号的波形检测电路。
2. —种用于检测物体的接近和接触的传感器，该传感器包括 包括弹性地可变形的模具和散布在模具中的多个弹性地可变形的线圈形状碳纤维的传感器元件，该传感器元件具有取决于模具和线圈形状的碳纤维 的弹性变形而变化的阻抗；和连接到传感器元件的检测电路，该检测电路包括电连接到传感器元件的第 一 电极和第二电极；高频振荡电路，用于经由第一电极提供高频信号给传感器元件；和波形检测电路，用于经由第二电极接收传感器元件的输出信号，并且产 生 一个取决于当物体接近时发生的传感器元件的阻抗的变化的检测信号。
3. 根据权利要求1或2所述的传感器，其中线圈形状的碳纤维以按重量 1%至20%的量包含在模具中。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的传感器，其中高频振荡电路以 100至800 kHz的频率产生和输出高频信号。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的传感器，其中模具是具有弹性的 聚合物的成形产品。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的传感器，其中传感器检测生物体 的接近。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的传感器，其中线圈形状的碳纤维 是单螺旋线圈形状的碳纤维、或者双螺旋线圈形状的碳纤维。
8. 根据权利要求1或2的传感器，其中波形检测电路比较基准高频信号 和传感器元件的输出信号以产生一个对应于比较结果的检测信号。
9. 根据权利要求8的传感器，进一步包括 连接在高频振荡电路和波形检测电路之间的相位调整电路，并且相位调 整电路调整高频信号的相位以产生相位调整的高频信号，和给波形检测电路 提供作为基准高频信号的相位调整的高频信号。
10. 根据权利要求2的传感器，进一步包括连接到波形检测电路的处理器，用于处理波形检测电路的输出信号，其 中处理器包括记录对于各个物体的波形检测电路的输出信号的固有变化的数 据库，并且处理器参照波形检测电路的输出信号和数据库以确定物体的实质。
11. 根据权利要求1至9中任一项所述的传感器，进一步包括输出电路，用于输出当物体接近传感器元件时提高的电压输出信号。
12. 根据权利要求1至9中任一项所述的传感器，进一步包括 输出电路，用于输出当物体接触传感器元件时和当物体接近传感器元件时而不同的输出信号。
13. 根据权利要求1至9中任一项所述的传感器，其中该传感器元件的 模具包括空间部分，使得传感器元件容易地变形。
14. 一种传感器元件，包括模具；散布在模具中的线圈形状的碳纤维，该线圈形状的碳纤维具有取决于线 圈形状的碳纤维的线圈形状的电感部件、电容部件和电阻部件，并且该线圏形状的纤维起LCR谐振电路的作用；和形成在模具中的空间部分，使得传感器元件容易地变形。
15. 根据权利要求14的传感器元件，其中空间部分是通过对模具的材料 起泡形成的。
16. 根据权利要求14的传感器元件，其中空间部分是通过用作供铸造传 感器元件的铸模部分的一个或多个核心形成的。
17. 根据权利要求14的传感器元件，其中模具是能渗透的，并且空间部 分包括能渗透的模具的气孔。
18. 根据权利要求14的传感器元件，其中空间部分包括形成在模具中的 多个平行通道。
19. 根据权利要求14的传感器元件，其中模具是具有分层形状的空腔的 空壳体。
20. —种使用根据权利要求13的传感器检测物体的方法，该方法包括步 骤在流体介质中设置传感器元件；和测量传感器元件的输出信号的变化，并且检测物体与流体介质的表面的 接近、物体与流体介质的表面的接触、流体介质、中物体的行为、和物体与传 感器元件的接触。
全文摘要
接近和接触传感器(10)提供有传感器元件(11)和检测电路(16)。该传感器元件提供有模具(13)，其中散布着线圈形状的碳纤维(12)。该检测电路(16)的高频振荡电路(19)将一个高频信号提供给传感器元件。该检测电路(16)中的检测器(22)从传感器元件(11)接收输出信号，并且检测物体(24)的接近。在一个例子中，该线圈形状的碳纤维按重量1％至20％包含在模具中。在另一个例子中，高频振荡电路产生100至800kHz的高频信号。
文档编号G01V3/10GK101375500SQ20078000339
公开日2009年2月25日 申请日期2007年1月23日 优先权日2006年1月24日
发明者元岛栖二, 杨少明, 河边宪次, 高木诚 申请人:株式会社岛津制作所;株式会社Cmc技术发展