CN107000214A - 接近传感器结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接近传感器结构(1)，其包括基板(2)、安装在基板(2)的表面(3)上的、承载接触表面(35、37)的电路板(4)以及至少一个支撑件(5)，支撑件承载与电路板(4)的接触表面(35、37)互补的接触表面(36、38)和至少一个接近传感器(7)，接近传感器具有测量电极(8)以及在测量电极(8)和表面(3)之间延展的屏蔽电极(9)。为了使电路板(4)和支撑件(5)的接触表面(35、36、37、38)接触，基板(2)和支撑件(5)沿平行于表面(3)延伸的插塞方向(R、L)插接。

Description

接近传感器结构

技术领域

本发明涉及一种接近传感器结构，所述接近传感器结构用于检测接近所述结构的物体。

背景技术

专利说明书US5166679公开了一种电容式接近传感器，其可以检测穿透到其场中的物体。接近传感器具有在柔性电路板上的测量电极以及与测量电极相反布置的屏蔽电极。屏蔽电极用于屏蔽测量电极免受干扰场的影响，干扰场可以影响测量电极的功能并且导致杂散场的减小，这是因为测量电极的测量场集中在背离屏蔽电极的方向上。

为了实现可再现的测量，电极必须具有不可改变的形式，并且为此目的，柔性电路板必须固定在固体基板上。测量信号必须经由电路板的暴露的外侧传导开。为此目的所需的触点可以有利地通过插接来建立，但是如果电路板位于基板上，那么为此目的所需的插塞连接件必须从暴露的外侧突出，这使得组件体积大且对机械损坏敏感。

发明内容

因此，本发明基于产生节省空间和耐用的接近传感器结构的问题。

本发明解决的问题通过接近传感器结构解决，其包括

基板，例如机器人臂

安装在所述基板的表面上的、承载接触表面的电路板，

至少一个支撑件，所述至少一个支撑件承载与电路板的接触表面互补的接触表面和至少一个接近传感器，

接近传感器包括与接触表面连接的测量电极以及在测量电极和基板的表面之间延展的屏蔽电极，由此为了使电路板的和支撑件的接触表面接触，基板和支撑件沿平行于表面延伸的插塞方向插接。

该插接能够以不同的方式建立。根据第一方法，支撑件本身可以插塞到基板上，使得在插接状态下，基板以摩擦和/或形状锁定的方式包围支撑件。

根据第二方法，基板和支撑件之间的插接可以经由电路板间接地建立，这是因为接触表面是设置在支撑件上和设置在电路板上的互补电插塞连接件的部分。

在两种情况下，由于表面平行的插塞方向，可以在基板表面上的狭窄有限的构造空间中容纳长的插塞行进距离。特别地，该构造空间的高度可以小于插塞行进距离的长度。

由于机械插接还建立与接近传感器的电接触，因此简化了结构的组装。

此外，通过用完整的接近传感器插入另一个支撑件中，可以简单地更换有缺陷的接近传感器，而不需要任何电缆。

电路板的和支撑件的接触表面有利地沿插塞方向定向或延展。以这种方式，尽管在支撑件的定位中存在公差，仍然可以确保电接触。

例如，接触表面中的一个可以被设计为导电弹簧，当插入支撑件中时，所述弹簧被推到互补接触表面上，这是因为弹簧弹性变形有助于插接的摩擦锁定。

支撑件有利地具有刚性底板，并且测量电极和屏蔽电极布置在底板的相反表面上。

刚性底板提供了用于整体固定电极的基础，并且使接近传感器布置稳定，特别是关于由振动和振荡引起的影响接近传感器的脱离现象。电极可以借助于气相沉积、印制或电镀施加到支撑件上。

另外，底板可以用作将测量电极与屏蔽电极分离的绝缘体。

互补的插塞连接件中的一个可包括底板或电路板的边缘，由此接触表面可以是布置在边缘上的接触焊盘。这些接触场可以在使用已知的批量生产技术制造底板或电路板期间经济地实现，在底板或电路板上安装插塞连接件部件因此变得不必要。为了能够接收边缘，另一个插塞连接件必须沿垂直于基板表面的方向与边缘重叠，这导致突起超过基板的进一步最小化。如果接触表面位于底板的边缘上，那么测量电极和屏蔽电极可在宽的区域上施加到基板，并且没有被任何部件中断。

优选地，接触焊盘中的一个与测量电极形成单件，另一个与屏蔽电极形成单件。以这种方式，电极和接触焊盘可有利地在单个工序中形成。

底板可具有突出超过承载屏蔽电极的表面的突起。突起使屏蔽电极与基板保持一定距离，并防止屏蔽电极和可能导电的基板短路。

至少一个突起可以是沿着屏蔽电极的一个边缘延伸的肋。以这种方式，突起可用作抵靠另一个屏蔽电极的绝缘体，所述另一个屏蔽电极被布置为与第一屏蔽电极相邻并且在与第一屏蔽电极相同的表面上。

支撑件可通过至少一个螺钉固定到基板。

可接纳这种螺钉的底板中的孔优选地穿过其中一个突起延伸。以这种方式，确保了当拧紧螺钉时不能将屏蔽电极压靠在基板上。

螺钉优选横向于插塞方向定向。以这种方式，当拧紧螺钉时，不会在接触表面之间引起任何相对运动。

支撑件优选地形成为沿纵向方向延展的槽。这允许支撑件至少部分地包围基板。

如果屏蔽电极施加到槽的面向基板的内侧，并且测量电极施加到槽的背离基板的外侧，那么屏蔽电极可以屏蔽测量电极免受来自基板的干扰。

优选地，接近传感器结构具有至少两个彼此互补的支撑件，以形成以管状方式包围基板的套管。以这种方式，能够以简单的方式围绕基板的整个周边分布接近传感器，以便检测异物从所有方向的接近。

接近传感器的测量电极和屏蔽电极优选地沿横向方向从支撑件的一个边缘延展到相对的边缘。以这种方式，特别是在支撑件的管状布置的情况下，可以实现在该布置的整个周边上的均匀的灵敏度。

如果只有单个接近传感器应用于支撑件，那么被物体正接近的点不能被精确地定位。因此，多个接近传感器应当沿纵向方向分布在支撑件上。以这种方式，可以基于哪个接近传感器对物体最强烈地做出响应来识别被物体正在接近的点。

多个接触表面可以沿着电路板分布，以便与多个接近传感器接触。

电路板优选地具有两组接触表面，并且两个支撑件从相反的插塞方向与基板插接。

优选地，接近传感器的测量电极在纵向方向上比屏蔽电极更窄。这允许测量电极被屏蔽电极更好地保护免受源自基板的干扰。

每个接近传感器的检测范围是有限的。因此，根据本发明的进一步发展，提供了一种开关，借助于所述开关可并联连接多个接近传感器。在这种情况下，并联连接的接近传感器像单个接近传感器一样工作；也就是说，不再可能区分哪个并联连接的接近传感器首先由接近的物体接近。然而，该措施具有以下效果：并联连接的接近传感器的检测区域的范围被延展(与非并联连接的接近传感器相比)，允许从更大的距离检测接近的物体。

并联连接可借助于开关部分地或完全地取消。虽然这再次减小了接近传感器的检测区域的范围，但是从更多数量的可用接近传感器，可以识别由物体首先接近的那些接近传感器。

在检测到物体时，可启动第一预防措施。例如，可降低机器人的速度。

附图说明

参考所附附图本发明进一步的特征和优点在以下示例性实施例的说明中得以解释，其中：

图1示出了具有接近传感器的支撑件，

图2示出了接近传感器结构的剖面图，

图3示出由两个支撑件包围的基板，

图4示出了插接的详细视图，

图5示出了以形状锁合的方式与基板连接的支撑件，以及

图6示出配备有支撑件的机器人。

具体实施方式

图1示出了支撑件5。支撑件5设计为沿纵向方向6延展并且横截面为U形的槽。多个接近传感器7牢固地附接至支撑件5。每个接近传感器7包括测量电极8和屏蔽电极9。

测量电极8和屏蔽电极9与支撑件5牢固地连接，并且例如可以粘接到支撑件上。在优选的替代方案中，电极借助于电镀或气相沉积施加到支撑件5。

测量电极8沿纵向方向间隔开被施加到槽形支撑件5的外侧，并且沿横向方向在外侧的整个宽度上从上边缘14延展到下边缘15。屏蔽电极9被施加到槽形支撑件5的内侧，并且在槽形支撑件整个宽度上也从边缘14延展到边缘15。因此，支撑件5几乎被测量电极8和屏蔽电极9覆盖。

与屏蔽电极9相比，测量电极8被设计为在纵向方向上较窄，使得每个屏蔽电极9侧向地突出，在纵向方向上超过与屏蔽电极相反的测量电极8。这意味着屏蔽电极9还屏蔽测量电极8的边缘抵抗从基板2发出的干扰场。

位于屏蔽电极9.1、9.2和测量电极8.1、8.2之间的支撑件5由绝缘材料形成，通常由塑料注塑成型，从而使屏蔽电极和测量电极电隔离。

在支撑件5的内侧上，存在多个以肋的形式设计的突起12，突起在两个相邻的接近传感器7的屏蔽电极9之间延展。通过向内突出超过屏蔽电极9，肋12在肋和基板2之间保持开放一空腔18，从而确保屏蔽电极9与基板2的电流隔离。可选地，空腔18可填充有绝缘材料。

在这种情况下，槽形支撑件5的外侧具有以肋的形式设计的另一突起10，突起10向外突出超过测量电极8。突起10布置在两个接近传感器7之间并且用作绝缘体，这是因为突起将两个相邻的接近传感器7的测量电极8彼此分开。突起10也布置成与突起12相反。

突起10承载保护测量电极8不与接近接近传感器7的物体直接接触的壳体17。突起在测量电极8和壳体17之间保持开放一空气填充的空腔19。

根据未示出的变型，支撑件5在其外侧是平坦的，并且代替壳体，作为用于测量电极8的保护件，在外侧上盖上柔性膜，并且粘合或焊接到两个相邻的测量电极8之间的支撑件5，或者将清漆涂层涂覆到测量电极8和支撑件5。

孔11(参见图1)横向于支撑件5的纵向方向6延伸穿过突起10和12。螺钉13(参见图2)可穿过孔11引入，以便将支撑件5、可能与壳体17一起地固定到基板2。

基板2可以接地以便导走电流。

图3示出了接近传感器结构1，其包括在这种情况下为机器人臂的臂元件26的形式的基板2、两个配备有接近传感器7的支撑件5以及电路板4。支撑件5以摩擦接合包围基板2，其中一个支撑件5从一个方向L被推动，另一个支撑件从相反方向R被推动，直到支撑件的内部突起12在所有侧上抵靠基板2。两个槽形支撑件5因此组合以形成管状结构并且在纵向方向6上延展围绕基板2，使得基板2在所有侧上被接近传感器7的屏蔽电极9和测量电极8围绕。

电路板4用螺钉16牢固地拧紧到基板2的表面3。电路板4可以包括用于接近传感器7的信号处理所需的所有电路部件。电路板特别包括用于与支撑件5上的电极8、9建立电连接的多对弹簧20。

图4以放大剖面示出了两对弹簧20。左侧的一对弹簧20用于插入沿插塞方向L推动的支撑件5，右侧的一对弹簧20用于插入沿插塞方向R推动的另一个支撑件5。

每对弹簧20包括上弹簧21和设置在上弹簧下方的下弹簧22，每对弹簧被焊接到电路板4上并且一起形成插入槽的界限。左侧的一对弹簧20的插入槽向左开口并且夹住沿插塞方向L推动的左侧支撑件5的上边缘14。右侧一对弹簧20的插入槽向右开口并且夹住沿插塞方向R推动的右侧支撑件5的上边缘14。

因此，弹簧21和22对插塞在它们之间的支撑件5施加夹紧力，该夹紧力将支撑件5以摩擦锁合的方式连接到电路板4或连接到电路板4的基板2。

另一方面，弹簧21和22用作电路板4的接触表面35、37，接触表面能够以导电方式与支撑件5的相应接触表面36、38连接，使得边缘14中的一个形成阳插塞连接件，并且接收阳插塞连接件的一对弹簧20形成互补的阴插塞连接件。接触表面36、38沿着支撑件5的上边缘14布置成一排。如图4所示，经由上弹簧21建立与支撑件5的测量电极8中的一个的电接触，并且经由下弹簧22建立与支撑件5的屏蔽电极9中的一个的电接触，即延展到支撑件5的边缘14中的测量电极8和屏蔽电极9同时用作支撑件的接触表面36、38。

作为摩擦锁合连接的替代，图5示出了以形状配合的方式与基板2连接的支撑件5。支撑件5沿插塞方向L插塞到基板2上。弹簧21在支撑件的上边缘14处固定到支撑件5的内侧并且另一弹簧22固定在支撑件的下边缘15处。弹簧21和22与固定到基板2的上侧和下侧的两个电路板4相对。

电路板4是一致的，并且沿着电路板的垂直于图5中的剖面延伸的边缘设置有凹部或开口39。电路板4中的至少一个(在这种情况下是上电路板4)在每个开口39和相邻边缘之间具有接触表面35。

弹簧21和22是发夹形的，在每种情况下具有平坦地抵靠支撑件的内侧的一个腿部40和弯曲成多个波纹的一个腿部41，这些腿部经由面向边缘14的弯曲部连接以形成单件。当支撑件5沿插塞方向L被推到基板2上直到限制挡块时，弯曲腿部的波纹42卡入两个电路板4中的开口39中的一个中，产生锁定连接。第二波纹形成接触表面36，当弹簧卡入开口39中的一个中时，接触表面也与邻近开口39的上电路板的接触表面35建立电接触。

屏蔽电极9在弹簧21的区域中具有如图5中的剖面所示的切口使得在屏蔽电极和该弹簧之间不发生电接触。相反，弹簧21经由通孔连接43、即在支撑件5中焊料填充的孔与布置在支撑件5的外侧上的测量电极8导电地连接。在图5的透视图中被隐藏在所示的弹簧21的后面的另一个弹簧被直接焊接到屏蔽电极9上。因为每个接近传感器7的两个电极因此与上电路板4接触，所以下电路板4的布线可以被省略；弹簧22仅用于将支撑件5固定在适当位置。

根据本发明的支撑件5适于随后为现有系统配备接近传感器。如图6所示，支撑件5可以插塞和/或拧到机器人23的臂元件26或27上。臂元件26和27分别用作沿纵向方向延展的基板2，如例如图3中所示。电路板4被拧到用作基板2的臂元件26或27的表面上。支撑件5然后可被推到臂元件26或27上并且插塞到电路板4上的一对弹簧20中。

支撑件5被制造为与两个臂元件26和27的长度匹配，使得接近传感器7在两个臂元件26和27的整个长度上分布。在图6中，用虚线表示接近传感器7的轮廓。

机器人23可以在不同的方向上移动其臂元件26和27。下臂元件26借助于铰接接头单元25安装，以便围绕竖直的第一轴线31并围绕第二轴线32相对于固定基部24可旋转，所述第二轴线在这里所示的构造中垂直于绘图平面。上臂元件27借助于另一铰接接头单元25安装，以便围绕平行于第二轴线的第三轴线33并围绕沿上臂元件的纵向方向延伸的第四轴线34相对于下臂元件26可旋转。器械28也借助于另一铰接接头单元25安装，以便可相对于上臂元件27旋转。

如果物体30进入位于臂元件26和27上的接近传感器7中的至少一个的检测范围内，那么该接近传感器7产生信号并将信号传递到可以容纳在基部24中的控制单元29。控制单元29然后可启动合适的安全措施以避免机器人23与物体30的碰撞并且例如停止机器人23的运动。

两个臂元件26、27上的接近传感器、特别是在铰接接头单元25附近的接近传感器如果它们由于围绕第三轴线33旋转而彼此接近的话也可以彼此检测。至少在臂上元件26上，插塞方向R、L平行于第三轴线33定向，使得安装在臂元件26上的两个支撑件5中的一个的接近传感器背离另一个臂元件27，并且不被另一个臂元件干扰。

为了增加接近传感器结构1的检测范围的长度，控制单元29可以将位于相同支撑件5上的接近传感器7都并联地连接在一起或以相邻接近传感器7的组并行地连接，以便创建具有较大电极表面的组合传感器。一旦已经由这种组合传感器检测到物体30，则可完全或部分地取消并联连接。

虽然这再次减小了范围，但是因为非并联连接的接近传感器可彼此独立地检测物体，所以可更精确地定位由物体30接近的臂元件26或27上的点。

附图标记列表

1 接近传感器结构

2 基板

3 表面

4 电路板

5 支撑件

6 纵向方向

7 接近传感器

8 测量电极

9 屏蔽电极

10 突起

11 孔

12 突起

13 螺钉

14 边缘

15 边缘

16 螺钉

17 壳体

18 空腔

19 空腔

20 一对弹簧

21 弹簧

22 弹簧

23 机器人

24 基部

25 铰接接头单元

26 臂元件

27 臂元件

28 器械

29 控制单元

30 物体

31 轴线

32 轴线

33 轴线

34 轴线

35 接触表面

36 接触表面

37 接触表面

38 接触表面

39 开口

40 腿部

41 腿部

42 波纹

Claims (18)

1.一种接近传感器结构(1)，其包括：

基板(2)，

安装在所述基板(2)的表面(3)上的、承载接触表面(35、37)的电路板(4)，以及

至少一个支撑件(5)，所述至少一个支撑件承载与所述电路板(4)的接触表面(35、37)互补的接触表面(36、38)和至少一个接近传感器(7)，所述接近传感器(7)包括测量电极(8)以及在所述测量电极(8)和所述表面(3)之间延展的屏蔽电极(9)，

其中，为了使所述电路板(4)的和所述支撑件(5)的接触表面(35、36、37、38)接触，所述基板(2)和支撑件(5)沿平行于所述表面(3)延伸的插塞方向(R、L)插接。

2.根据权利要求1所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，所述电路板(4)的和所述支撑件(5)的接触表面(35、36、37、38)沿所述插塞方向(L、R)延展。

3.根据权利要求1或2所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，所述支撑件(5)以摩擦锁定和/或形状锁定的方式包围所述基板(2)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，所述接触表面(35、36、37、38)是所述支撑件(5)的和所述电路板(4)的互补电插塞连接件的一部分，所述部分在基板(2)和支撑件(5)之间建立所述插接。

5.根据权利要求3或4所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，所述支撑件(5)具有刚性底板，并且所述测量电极(8)和所述屏蔽电极(9)在所述底板的相反表面上布置。

6.根据在回引权利要求4前提下的权利要求5所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，所述互补插塞连接件中的一个包括所述底板的或所述电路板(4)的边缘(14)，并且所述接触表面(35、36、37、38)是布置在所述边缘(14)上的接触焊盘。

7.根据权利要求6所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，所述接触焊盘中的一个与所述测量电极(8)形成单件，并且所述接触焊盘中的另一个与所述屏蔽电极(9)形成单件。

8.根据权利要求6或7所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，所述底板具有超过承载所述屏蔽电极(9)的表面延展的突起(12)。

9.根据权利要求8所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，所述突起(12)中的至少一个是沿所述屏蔽电极(9)的边缘延伸的肋。

10.根据权利要求8或9所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，穿过所述底板的孔(11)通过所述突起(12)中的至少一个延伸。

11.根据前述权利要求中任一项所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，所述支撑件(5)借助于至少一个横向于所述插塞方向(L、R)定向的螺钉(13)固定到所述电路板(4)。

12.根据权利要求12至14中任一项所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，所述支撑件(5)成形为沿纵向方向(6)延展的槽。

13.根据权利要求12所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，两个支撑件(5)彼此互补以形成以管状方式包围所述基板(2)的套管。

14.根据权利要求12至13中任一项所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，所述接近传感器(7)的测量电极(8)和屏蔽电极(9)沿横向方向从所述支撑件(5)一个边缘(14)延展到相对的边缘(15)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，多个接近传感器(7)沿纵向方向(6)分布在所述支撑件(5)上。

16.根据权利要求15所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，用于接触所述多个接近传感器(7)的接触表面(35、37)沿着所述电路板分布。

17.根据权利要求15所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，所述电路板(4)具有两组接触表面(35、37)，并且两个支撑件(5)从相反的插塞方向(L、R)与所述基板(2)插接。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的接近传感器结构(1)，其特征在于，所述接近传感器(7)的测量电极(8)在纵向方向(6)上比所述屏蔽电极(9)更窄。