CN103597322B - 电容式位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有壳体的电容式位移传感器。在所述壳体中构造有用于至少能沿空间方向移动支承的滑动件的容纳部。所述容纳部具有参考区域，在该参考区域内，所述滑动件与位移无关地在安置在所述滑动件的第一侧上的板状接地电极和安置在所述滑动件的第二侧上的板状测量电极之间导引。所述容纳部还具有与参考区域相邻的测量区域，在该测量区域内，所述滑动件在安置在所述滑动件的第一侧上的板状接地电极和安置在所述滑动件的第二侧上的板状测量电极之间导引，其中所述滑动件与位移相关地至少部分伸入测量区域的子区域内。本发明还涉及一种具有这种位移传感器的电路装置，和一种具有这种电路装置的电子设备。

Description

电容式位移传感器
技术领域
本发明涉及一种具有壳体的电容式位移传感器。
背景技术
这样的传感器例如使用在电动工具中，尤其使用在钻孔机、电动螺丝刀、电动手持圆锯和其他电动的手持工具中。在这些电动工具中，例如借助或多或少可按压的操纵按钮改变电驱动马达的转速。在此，根据操纵按钮的按压深度调节到对应的转速。操纵按钮的运动借助于机械传动装置传递到与电路连接的位移传感器上，该电路使转速与位移成比例地变化，即，使得转速的变化与操纵按钮的按压深度有关。
已知的是，这种位移传感器设计成电位计，即，设计为例如带有滑动触点的可变欧姆电阻。滑动触点例如借助机械传动装置与电动工具的操纵按钮连接。这种滑动触点由于在钻孔、打磨或锯削时产生的有害物质，例如磨料物质而受到磨损，以至于与位移有关的控制受损或完全失灵。
发明内容
现在，本发明所要解决的技术问题是，提供一种位移传感器，其不易受到污物和由此形成的磨损的影响。本发明所要解决的另一个技术问题是，提供一种带有这种位移传感器的电路装置，通过该位移传感器可以实现对电子设备，例如电动工具进行与位移有关的稳定控制。最后，按本发明应当提供一种带有这种电路装置的电子设备。
本发明所述的技术问题按照本发明通过一种具有壳体的电容式位移传感器解决，其中，在所述壳体中构造有用于滑动件的容纳部，所述滑动件至少能沿平行于容纳部的开口方向的空间方向移动支承，并且所述容纳部具有测量区域，所述滑动件在所述测量区域内导引，并且其中，所述滑动件与滑动位移相关地至少伸入到所述测量区域的子区域中，由此形成调节器功能，在此规定，所述滑动件在安置在所述滑动件的第一侧上的板状接地电极和安置在所述滑动件的与第一侧相对置的第二侧上的板状测量电极之间导引，所述接地电极直接设置在所述壳体上并且与至少一个朝着电路板方向突出的连接引脚连接或者与其他连接件相连接，所述壳体上的容纳部由朝向电路板方向开口的容纳通道构成，所述测量电极由设在电路板上的、板状铜电极构成。所述技术问题按照本发明还通过一种电路装置解决，其具有前述类型的电容式位移传感器，在此规定，接地电极与地电位连接；参考电极和测量电极与微处理器的接口连接，其中，所述微处理器被设计成，使得所述微处理器基于对在所述参考电极和所述接地电极之间存在的参考电容与在所述接地电极和所述测量电极之间根据滑动件在所述位移传感器的测量区域内的滑动位移形成的、与位移有关的电容的比较产生与位移有关的信号。所述技术问题按照本发明还通过一种电子设备解决，其具有前述类型的电路装置，在此规定，所述滑动件借助于机械传动装置与所述电子设备的操纵元件相连接，其中，所述操纵元件的运动能够传递到所述滑动件上。
本发明有利的变型方案由以下说明给出。
根据本发明，在位移传感器的壳体中构造用于至少可沿一个空间方向移动支承的滑动件的容纳部。
根据本发明的电容式位移传感器的特征尤其为，不设置易受污染的滑动触点，而是将滑动件相对于电极可移动地支承在容纳部的内部。与传统的电阻电位计相反，在按本发明的位移传感器中在滑触头和电阻表面之间没有电压。
所述容纳部可以具有参考区域，在该参考区域内滑动件与位移无关地在布置于滑动件的第一侧上的板状接地电极和布置于滑动件的、与第一侧对置的第二侧上的板状参考电极之间导引。
此外，容纳部可以具有与参考区域相邻的测量区域，滑动件在该测量区域内在设置于滑动件的第一侧上的板状接地电极和设置于滑动件第二侧上的板状测量电极之间导引。滑动件与位移有关地至少伸入测量区域的子区域中。
在按本发明的位移传感器中，在构造在测量电极和接地电极之间，即构造在测量区域内的测量电容器中，在滑动件滑入或滑出容纳部时，电容与位移成比例地变化。
在此当利用参考区域时，与移动位移无关，滑动件一直位于参考电极和接地电极之间的参考区域内，也就是在由参考电极和接地电极构成的参考电容器的区域内。在参考电极和接地电极之间形成的电容在此保持不变。通过比较容纳部的测量区域内电容与位移成比例的变化和参考区域内与位移无关的恒定电容可以产生与位移成比例的信号，该信号可以通过合适的电路装置用于调节电动马达的转速。
测量区域内的电容和参考区域内的电容均会受到环境的影响，如湿度和温度，因此这些电容就会发生变化。因为测量区域可以直接与参考区域相邻地布置，在按本发明的位移传感器中，参考电容和与位移有关的电容经受相同的影响因素并且相应地以相同的程度变化。
按另一种特别简单的实施形式，布置在参考区域内的接地电极和布置在测量区域内的接地电极由一体式设计的公共接地电极构成。因此简化了位移传感器的结构以及它在电路装置的电路板上的接线。此外，接地电极在此也可以用作位移传感器的电磁屏蔽件。
参考电极和测量电极能够相邻地布置在同一个平面内，并且通过该绝缘装置彼此电绝缘。在此，参考电极和测量电极能够基本上平行于接地电极布置。
在滑动件的第一侧和接地电极之间可以安装第一绝缘层。在此，一方面可以将第一绝缘层直接布置在滑动件的第一侧上。另一方面也可以可选地将第一绝缘层布置在接地电极上。
在滑动件的第二侧和参考电极之间和/或在滑动件的第二侧和测量电极之间可以设置连续的第二绝缘层。在此，第二绝缘层能够直接安设在滑动件的第二侧上。可选地，第二绝缘层也可以设置在参考电极和测量电极上，其中，该第二绝缘层覆盖这两个电极。
通过可以设置在滑动件两侧的第一绝缘层以及第二绝缘层，一方面使滑动件与各电极电绝缘。另一方面，绝缘层也可以用作一种用于在容纳部中可移动地支承滑动件的滑动支座。
按本发明的一种优选的实施形式，接地电极可以直接被设置在壳体上，并且被该壳体保持。在此，接地电极可以与至少一个朝着电路板方向突出的、通向其它电路连接的连接引脚或同样的连接电极相连接。该连接引脚除了与接地电极接触外还能够用于将位移传感器固定在电路板上。
壳体上用于滑动件的容纳部可以由朝向电路板方向开口的容纳通道构成，以便滑动件的第二侧不被盖住并且朝向电路板的方向显露。在此，在电路板上可以设置两个彼此分离的、由绝缘装置相互电绝缘的、彼此相邻的电极面。在此，一个电极面形成参考电极，而另一个电极面形成测量电极。在一侧开口的容纳通道中导引的滑动件的第二侧在移动时经过参考电极和测量电极，其中，在它们之间可以设置绝缘层。通过这种布置使位移传感器的高度减至最小并且在整体上简化了结构。
滑动件可以具有矩形块状或长方六面体形的基体，该基体延伸到参考区域和测量区域中。这种造型特别容易实现。
滑动件的基体可以由金属或者喷镀金属的塑料构成或者是通孔电镀板。在此本发明的变型方案可以是，由金属构成的基体在其面向接地电极和/或测量电极和/或参考电极的一侧设置有绝缘层，优选所述基体由铝构成，并且该绝缘层设计为阳极氧化层。
按本发明的另一种基本思想，设计一种具有按本发明的位移传感器的电路装置。在这种电路装置中，接地电极与地电位相连接。而参考电极和测量电极与微处理器的接口连接。微处理器在此设计成，使得该微处理器基于参考电极和接地电极之间存在的、始终不变的参考电容与在接地电极和测量电极之间由于滑动件在位移传感器的测量区域内的位移形成的、与位移有关的电容比较产生与位移有关的数字信号。
微处理器运行一种运算算法，使得输出与滑动件的滑动位移相类似的与位移有关的信号。这种算法例如可以执行Microchip Technology Inc.公司的所谓的CVD方法(电容分压器方法)或者类似的方法，用于评估和比较电容。嵌入在微处理器中的CVD方法(或者其他算法)可进行防干扰的检测和评估测量值。在此，CVD方法(或者类似方法)对电磁耦合的干扰也非常不敏感。
此外还规定，所述微处理器(50)与输出电路(52)相连接或者这样设计所述微处理器(50)，使得根据所述滑动件(18)的滑动位移(a)输出模拟电压(Vanalog)。输出的模拟电压可以包括在所施加的供电电压10％至90％之间的范围。在输出的模拟电压在10％至90％之间使用供电电压的范围具有这样的优点，即，位移传感器的传感器信号能可靠地转换成与位移有关的信号，因为在供电电压附近会由于接触电阻或短路出现故障，并且干扰与位移有关的、准确的转速控制。
按本发明的一种扩展的构思，输出电路或微处理器可以与根据滑动件在位移传感器的测量区域内的位移调节的电子设备，例如电动工具连接。
此外，按本发明可以这样构造配有按本发明的电路装置的电子设备，使得滑动件借助机械的传动装置与电子设备可手动操纵的操纵元件连接。在此，操纵元件的运动传递到位移传感器的滑动件上，因此可以与位移有关地控制电子设备。
按照本发明的另一种基本构思，设计一种具有按本发明的电路装置的电子设备。滑动件可以借助机械传动装置与电子设备的操纵元件连接，其中，操纵元件的运动可传递到滑动件上。
附图说明
以下根据附图所示的实施形式详细说明本发明。在附图中：
图1示意性示出了安设在电路板上的位移传感器的一种实施形式的纵剖面图；
图2示意性示出了在图1中所示的位移传感器的俯视图，其中，示出了处于两个不同的滑动位置上的滑动件；
图3示意性示出了在图2中所示的位移传感器的立体视图；以及
图4示意性示出了带有在图1至3中所示的位移传感器的电路装置的简化电路图。
图1示意性地示出安装在电路板12上的位移传感器10的实施例的纵剖面图。
具体实施方式
电容式位移传感器10具有安装在电路板12上的、由塑料构成的壳体14。在壳体14中构造有在横截面图中垂直于图面的、扁平的矩形容纳部16。在壳体14上的容纳部16由朝向电路板12的方向开口的容纳通道构成。在容纳部16内支承有可沿用双向箭头A表示的空间方向移动支承的滑动件18。滑动件18具有在横截面图中垂直于图面的、扁平的矩形基体19，该基体19例如由铝或者其他金属所构成。当轻质的电容式位移传感器应被成本低廉地制造时，铝是优选。还可以考虑用铜来制造基体19。
容纳部16通过参考区域20和与之相邻的、在图1中在参考区域20右侧示出的测量区域30来限定。
在参考区域20内，滑动件18或其基体19在设置于滑动件18的第一侧18a上的板状接地电极22和设置在滑动件18的、与第一侧18a对置的下部的第二侧18b上的板状参考电极24之间的容纳部16内导引。参考电极24由设置在电路板12上的板状铜电极所构成。
在此，滑动件18或其基体19与滑动件18的位移a无关地始终位于参考区域20内，从而即使滑动件18沿双向箭头A的方向移动位移a，滑动件18还是始终填充参考电极24和接地电极22之间的空间区域。
在图1中与参考区域20右边相邻的测量区域30内，滑动件18在设置于滑动件18上部的第一侧18a上的板状接地电极22和设置于滑动件18的下部的第二侧18b上的板状测量电极32之间导引。测量电极32由设在电路板12上的、板状铜电极构成。
如果只构成调节器功能，滑动件18右侧的自由端部依据滑动件18的位移a至少伸入测量区域30的子区域30a中，或者如果除了调节器功能还构成开关功能，则完全地从测量区域30中被拉出。在子区域30a内，滑动件18或其基体19填充测量电极32和接地电极22之间的空间区域，而在测量区域30的其余子区域30b中仅用空气填充测量电极32和接地电极22之间的空间区域。测量区域30的子区域30a和30b与滑动件18的位移a相应地变化。
从图1中可以明显地看出，安置在参考区域20内的接地电极和安置在测量区域30内的接地电极由一体式的、直接安置在壳体14上的公共的接地电极22构成。公共的接地电极22关于垂直于图1的图平面的横向平面设计成U形，也就是沿按双向箭头A的滑动运动方向具有平行于图平面的上侧平面和下侧平面。接地电极22与四个朝电路板12突出的、突伸过电路板12的连接引脚相连接。两个连接引脚与接地电极22的后侧面连接，并且被焊接在电路板12上。同样焊接在电路板12上的另外两个连接引脚相应地位于前侧平面上。但是，在图1中只示出了两个可见的连接引脚22a和22b。
参考电极24和测量电极32被安置在共同的平面内，并且通过安置在两者之间的由塑料构成的绝缘装置40相对彼此电绝缘。在滑动件18和接地电极22之间安置有第一绝缘层42。由塑料构成的第一绝缘层42直接安置在接地电极22上，而在一种(未示出的)可选的实施方式中，第一绝缘层42也可以安置在滑动件18上部的第一侧18a上。
在滑动件18和参考电极24之间以及在滑动件18和测量电极32之间设有连续的、由塑料构成的第二绝缘层44。第二绝缘层44直接安置在参考电极24和测量电极32上，并且覆盖这两个电极。在一种(未示出的)可选的实施方式中，第二绝缘层也可以直接安置在滑动件18下部的第二侧18b上。
可选地，绝缘装置40、第一绝缘层42和第二绝缘层44也可以由陶瓷材料构成，或者进一步可选地，绝缘层42和44也可通过滑动件绝缘的涂层形成、例如通过由铝构成的滑动件的阳极氧化形成。此外还可考虑，一个或者两个绝缘层42、44由聚四氟乙烯构成，或者具有聚四氟乙烯层。在此，除了良好的绝缘特性外，还可利用聚四氟乙烯材料的良好的滑移特性用于滑动件的滑动性。
图2示意性地示出图1所示的位移传感器10的俯视图，其中示出处于两个不同滑动位置上的滑动件18。图3示意性地示出在图2中所示的位移传感器10的立体图。
如图2和图3所示，在滑动件18的基体19左边连接有从壳体14上突出的头部区域21。在滑动件18的头部区域21上设有通孔23，电子设备、例如电动工具的操作元件未示出的传动机构可以接合在该通孔23上。在此，电路板12例如也可以用位移传感器10的壳体14封闭，以便滑动件18能够突出电路板12的边缘并且易于操纵。
在图2和3中，用实线表示滑动件18的初始位置。在初始位置中，滑动件18完全推入测量区域30，因此位移a等于零。初始滑动件18在该初始位置完全位于测量区域30内，因此，滑动件18或其基体19完全填充测量电极32和接地电极22之间的空间区域。在初始位置上，滑动件18右边的自由端部抵靠在成型在壳体14上的后止挡26上。
此外，在图2和3中还用虚线示出处于相对于初始位置移动位移a的移动位置中的滑动件18，在该滑动位置上，滑动件18的右边自由端部正好不再突伸入测量区域30内。在测量区域30内，测量电极32和接地电极22之间的空间区域只用空气来填充。
在图2和3所示的最大位置之间，滑动件18右边的自由端部可以与位移a有关地位于测量区域30内的任意位置上，并且在操作滑动件18时在测量电极32的区域内移动。
如果在图2和3中所示的滑动件18a在测量区域30内向左滑动位移a，测量电极32和接地电极14之间的电容Cweg在此相对于初始位置与位移a有关地变化。
在此要注意的是，在图2和3所示的移动位置中，滑动件18还始终位于参考电极24和接地电极22之间。参考电极24和接地电极22之间的参考电容Cref保持始终不变。为了避免滑动件18过多地向左滑动，以至于滑动件18右边的自由端部伸进参考区域20中，在滑动件18右边的自由端上成型有两个平行于电极延伸的凸起部28a和28b，所述凸起部在最大的滑动位置，即在最大的移动位移a之后抵靠在壳体14上的(在图中没有详细示出的)相应止挡上。
图4示意性地示出具有图1至3所示的位移传感器10的电路装置的简化电路图。
接地电极22与测量电极24共同构成具有电容Cref的参考电容器。测量电极32与接地电极22共同构成具有与位移相关的电容Cweg的测量电容器。
根据图1至3设计为公共的接地电极的接地电极22与地电位GND相连接。
参考电极24和测量电极32与微处理器50的接口连接。该微处理器50产生与位移相关的数字信号S，该数字信号基于参考电容Cref与根据滑动件18的位移a在位移传感器10的测量区域30内形成的、与位移有关的电容Cweg的比较而形成。
微处理器50进行这种运算算法，使得产生与滑动件的滑动位移相似的、与位移相关的信号。例如，能够为此使用Microchip Technology Inc.公司的CVD方法，其中位移相关的电容变化产生转换成脉宽调制的PWM-信号S的模拟电压变化。一方面这单独为参考电极24和接地电极32之间的参考电容Cref而进行，另一方面这为测量电极32和接地电极22之间的、与位移相关的电容Cweg进行。PWM-信号S通过微处理器50的输出端输出。
因为所述参考电容器和测量电容器的两个电容Cref和Cweg会受到环境、如湿气和温度的影响，所以电容值相应地变化。因为在位移传感器10中参考电容器和测量电容器的直接相邻地布置，所以两个电容Cref和Cweg经受到相同的影响因素，并且以相同的程度变化。
通过与预先固定的电容值相比较而确定出准确的参考电容。这例如在采样保持方法中借助模拟-数字-转换器的固定的、非常稳定的电容实现。相应地通过与这个预先固定地规定的电容相比较确定与位移相关的电容。这种电容的确定借助预先固定规定的电容器利用CVD方法或者其它类型的运算算法在微处理器50内进行。因此，可以通过与位移有关的电容Cweg与参考电容Cref的比较准确地确定位移a。
微处理器50与输出电路52相连接。该输出电路52与根据滑动件18在位移传感器10的测量区域30内的位移a调节的电子设备60、例如电动工具连接。输出电路52的开关功能还能够直接集成在微处理器内。
输出电路52根据由微处理器50产生的、与位移相关的PWM-信号S，通过连接接口52a和52b输出模拟电压Vanalog，用于调节连接的电子设备60。在此，输出接口52b处于地电位GND上。在此，输出的、与位移相关的模拟电压Vanalog使用所施加的供应电压的(未详细示出的)10％至90％之间的范围。
参考电极24和测量电极32通过两个分开的电阻R1和R2和复位电路54与微处理器50的两个接口相连接。输入电阻R1和R2相对由于干扰的电磁耦合导致的过高的电流和电压保护微处理器50。供应电压的一部分与微处理器50的电压供应接口56连接。

Claims (17)

1.一种具有壳体(14)的电容式位移传感器(10)，其中，在所述壳体(14)中构造有用于支承滑动件(18)的容纳部(16)，所述滑动件(18)至少能沿平行于容纳部(16)的开口方向的空间方向(A)在所述容纳部(16)内移动，并且所述容纳部(16)具有测量区域(30)，所述滑动件(18)在所述测量区域(30)内导引，并且其中，所述滑动件(18)与滑动位移(a)相关地至少伸入到所述测量区域(30)的子区域(30a)中，由此形成调节器功能，其特征在于，所述滑动件(18)在安置在所述滑动件(18)的第一侧(18a)上的板状接地电极(22)和安置在所述滑动件(18)的与第一侧(18a)相对置的第二侧(18b)上的板状测量电极(32)之间导引，所述接地电极(22)直接设置在所述壳体(14)上并且与至少一个朝着电路板(12)方向突出的连接引脚(22a；22b)连接或者与其他连接件相连接，所述壳体(14)上的容纳部(16)由朝向电路板(12)方向开口的容纳通道构成，所述测量电极(32)由设在电路板(12)上的、板状铜电极构成。
2.如权利要求1所述的电容式位移传感器(10)，其特征在于，除了调节器功能还形成开关功能，其中，所述滑动件(18)完全地从所述测量区域(30)中被拉出。
3.如权利要求1所述的电容式位移传感器(10)，其特征在于，所述容纳部(16)具有参考区域(20)，在所述参考区域(20)内，所述滑动件(18)与滑动位移(a)无关地在安置在所述滑动件(18)的第一侧(18a)上的板状接地电极(22)和安置在所述滑动件(18)的第二侧(18b)上的板状参考电极(24)之间导引。
4.如权利要求3所述的电容式位移传感器(10)，其特征在于，所述测量区域(30)沿滑动方向与所述参考区域相邻。
5.如权利要求3所述的电容式位移传感器(10)，其特征在于，安置在所述参考区域(20)内的接地电极和安置在所述测量区域(30)内的接地电极由一体式构造的、公共的接地电极(22)形成。
6.如权利要求3至5之一所述的电容式位移传感器(10)，其特征在于，所述参考电极(24)和所述测量电极(32)布置在同一平面内，并且通过绝缘装置(40)相对彼此电绝缘。
7.如权利要求6所述的电容式位移传感器(10)，其特征在于，在所述滑动件(18)和所述接地电极(22)之间设置第一绝缘层(42)。
8.如权利要求7所述的电容式位移传感器(10)，其特征在于，在所述滑动件(18)和所述参考电极(24)之间和/或在所述滑动件(18)和所述测量电极(32)之间设置连续的第二绝缘层(44)。
9.如权利要求6所述的电容式位移传感器(10)，其特征在于，在所述电路板(12)上构造有两个通过所述绝缘装置(40)相互电绝缘的、相邻的电极面，其中一个电极面形成所述参考电极(24)，而另一个电极面形成所述测量电极(32)。
10.如权利要求3所述的电容式位移传感器(10)，其特征在于，所述滑动件(18)具有矩形块状的基体(19)，所述基体(19)延伸到所述参考区域(20)和/或所述测量区域(30)中。
11.如权利要求10所述的电容式位移传感器(10)，其特征在于，所述滑动件(18)的基体(19)由金属构成。
12.如权利要求11所述的电容式位移传感器(10)，其特征在于，所述由金属构成的基体(19)在其面向所述接地电极(22)和/或测量电极(32)和/或参考电极(24)的一侧上设置有绝缘层。
13.如权利要求12所述的电容式位移传感器(10)，其特征在于，所述基体(19)由铝构成，并且所述绝缘层设计为阳极氧化层。
14.一种电路装置，具有如权利要求3至13之一所述的电容式位移传感器(10)，其特征在于，接地电极(22)与地电位(GND)连接；参考电极(24)和测量电极(32)与微处理器(50)的接口连接，其中，所述微处理器(50)被设计成，使得所述微处理器(50)基于对在所述参考电极(24)和所述接地电极(22)之间存在的参考电容(Cref)与在所述接地电极(22)和所述测量电极(32)之间根据滑动件(18)在所述电容式位移传感器(10)的测量区域(30)内的滑动位移(a)形成的、与位移有关的电容(Cweg)的比较产生与位移有关的信号(S)。
15.如权利要求14所述的电路装置，其特征在于，所述微处理器(50)与输出电路(52)相连接或者这样设计所述微处理器(50)，使得根据所述滑动件(18)的滑动位移(a)输出模拟电压(Vanalog)。
16.如权利要求15所述的电路装置，其特征在于，所述输出电路(52)或微处理器(50)与根据所述滑动件(18)在所述电容式位移传感器(10)的所述测量区域(30)内的滑动位移(a)被调节的电子设备(60)相连接。
17.一种电子设备，具有如权利要求14至16之一所述的电路装置，其特征在于，所述滑动件(18)借助于机械传动装置与所述电子设备的操纵元件相连接，其中，所述操纵元件的运动能够传递到所述滑动件(18)上。
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