CN1534269A - 用于测量成形目标的成形的非接触电容式位移传感器 - Google Patents

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Abstract

一种改进的可以准确地测量传感器元件和成形目标之间的小距离的非接触电容式位移传感器。所述非接触电容式位移传感器包括具有一传感器元件和防护元件的探测器。所述防护元件基本上围绕所述传感器元件。至少一个传感器元件具有基本上与目标元件的形状匹配的形状。

Description

用于测量成形目标的成形的非接触电容式位移传感器
本发明申请要求申请日为2003年3月19日、申请号为60/455,757、发明名称为“用于测量成形目标的成形(shaped)非接触电容式位移传感器”的美国专利申请的优先权。
技术领域
本发明通常涉及一种非接触电容式位移传感器，更具体地说，涉及一种能够准确地测量传感器和成形目标之间距离的非接触电容式位移传感器。
背景技术
非接触电容式位移传感器是一种公知的通过检测传感器和目标之间电容量变化而测量传感器元件和目标元件之间距离的传感器。普通的非接触电容式位移传感器通常包括一种探测器设备，其包括一传感器元件、一防护元件和一接地元件。所述防护元件围绕所述传感器元件，从而使该传感器对该传感器和探测器的其它部位之间可能产生的电容量不敏感。接地元件围绕所述防护元件。具体地说，接地元件构成探测器结构的一部分。例如，接地元件可以被构造成提供一用于安装所述探测器的表面的环。应该指出的是，在某些探测器结构中，防护和/或接地环可以被省略。普通探测器设备的传感器元件、防护元件和接地元件通常包括机加工后的金属元件，这些所述金属元件在制造过程中被结合在一起，以便形成整体探测器结构。
在一种典型操作模式下，普通探测器设备的传感器元件形成电容器的一个板。目标元件形成电容器的另一个板，通过检测不同导板之间的电容量的变化，探测器和目标之间距离被确定。所检测到的电容量随着探测器和目标之间距离的变化而改变，电容量的这种变化提供一种测量信号，该信号随后可以被处理，从而产生一表示距离或距离改变的输出信号。
然而上述普通的非接触电容式位移传感器具有一些缺点。例如由于普通探测器设备的不同元件通常包括单个被加工的元件，用于制造探测器的工序可能非常耗费人工，可能导致传感器整体成本增加。
此外，当测量传感器和成形目标之间距离时，也就是目标元件具有这样一种形状，即它不是一种平坦的导板，使用普通的非接触电容式位移传感器获得距离测量可能是有问题的。例如，目标元件可以是一个圆盘，可以希望使用普通的探测器设备检测探测器和所述圆盘边缘之间的距离。在该示例中，圆盘边缘不是平的，而是圆形轮廓。因而传感器元件和目标元件(也就是圆盘边缘)的组合不能形成一种平行板电容器，普通的确定两个平行板之间电容量的方法不可以被用于准确地测量探测器和成形目标之间的距离。
希望具有一种改进的非接触电容式位移传感器。这种电容式位移传感器可以准确地测量传感器元件和成形目标之间的小距离。希望有一种可容易和成本低廉地制造的非接触电容式位移传感器。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种改进的非接触电容式位移传感器，其可以准确地测量传感器元件和成形目标之间的小距离。通过提供一种形状基本上与目标形状匹配的传感器元件，可以获得本发明电容式位移传感器的优点。
在一个实施例中，非接触电容式位移传感器包括具有传感器元件、防护元件和接地元件的探测器。所述防护元件基本上围绕所述传感器元件，接地元件基本上围绕该防护元件。此外，至少一个传感器元件具有基本上与目标元件的形状匹配的形状。在另一个实施例中，接地元件可以部分地围绕传感器元件和防护元件，或防护元件和/或接地元件可以被省略。
例如，当目标元件是圆盘时，传感器元件可以被成形的具有与圆盘边缘轮廓匹配的曲率半径。采用这种方式，均匀距离可以被保持在成形传感器元件和成形目标也就是圆盘边缘之间。然后，可以使用传感器元件测量传感器和圆盘边缘之间的距离。
使用层压技术制造该实施例的非接触电容式位移传感器。例如，可以使用层压技术形成包括传感器元件、多个电介质元件层和防护元件的层叠。在该示例中，传感器元件被设置在两个电介质层之间，防护元件包括两个被分别重叠在所述电介质层上的导电平面。此外，象在制造扰性印刷电路板中所使用的层压技术那样，可以使用所述层压技术，从而允许扰性元件被成形的与目标元件的轮廓匹配。
对于包括升起圆环的圆盘结构来说，探测器可以包括被成形的具有与所述圆环轮廓匹配的曲率半径的传感器元件。例如，可以使用这种传感器元件测量圆环的轴向位置。在该示例中，当测量所述圆环轴向位置时，探测器可以被设置成基本上垂直于所述圆环的平面。
通过形成丝网印制、激光切割或光刻蚀刻划导电层图案，并将该导电层设置在基片上，该实施例的非接触电容式位移传感器可以被制造。象在制造扰性印刷电路板中所使用的那样的形成图案技术可以被使用，从而允许扰性元件被成形的与目标元件的轮廓匹配。
通过设置具有传感器元件的非接触电容式位移传感器，所述传感器元件具有基本上与目标形状匹配的形状，通过确定传感器和目标之间的电容量，传感器和目标元件之间的小距离可以被测量。此外，通过使用在制造扰性印刷电路板中所使用的层压和/或形成图案技术，可以低成本地制造成形传感器元件。
通过下文地详尽介绍，本发明的其它特征、功能和方面将变得非常清楚。
附图说明
通过下文结合附图所进行的详尽的介绍，本发明将变得更加清楚。
图1是一个包括圆形传感器元件的普通探测器设备的端视图；
图2是一个图1所示正被用于测量探测器和圆形目标元件之间距离的普通探测器设备的侧视图；
图3a是一个符合本发明的用于测量传感器和圆形目标元件之间距离的非接触电容式位移传感器的侧视图；
图3b是一个图3a的非接触电容式位移传感器的端视图；
图3c是显示图3a的非接触电容式位移传感器的层叠结构的横截面视图；
图4a是成形目标元件的平面视图；
图4b是图4a的成形目标元件的横截面视图；
图4c是一个符合本发明的用于测量传感器和图4a的圆形目标元件之间距离的非接触电容式位移传感器的平面视图；
图4d是一个显示包括传感器元件和被应用在图4c所示非接触电容式位移传感器的基片上的防护元件的导电图的横截面视图；
图5a是一个制造图3a所示非接触电容式位移传感器的方法的流程图；
图5b是一个制造图4c所示非接触电容式位移传感器的方法的流程图。
具体实施方式
申请日为2003年3月19日、申请号为60/455,757、发明名称为“用于测量成形目标的成形(shaped)非接触电容式位移传感器”的美国专利申请的内容被结合在本发明申请中。
介绍一种可以准确测量传感器和成形目标之间距离的改进的非接触电容式位移传感器。被介绍的非接触电容式位移传感器包括一形状基本上与目标形状匹配的传感器元件。
通常，电容式位移传感器提供不与要被测量目标表面物理接触的位移测量。普通的电容式位移传感器通常包括具有一个板的探测器，该板形成电容器的一个板。电容器的另一个板包括位移要被测量的目标。在一种典型的操纵模式下，使探测器接近要被测量的目标表面。由于距离和电容量之间的关系是公知的，通过测量电容量，探测器与目标之间的距离可以被获得。特别是，对于理想的平行板电容器来说，用下述公式反应电容量和距离之间的关系
      C＝ε0A/d                   (1)
其中“C”表示电容量，“ε0”表示自由空间的电容率，“A”是探测器传感器元件的面积，“d”是传感器与目标之间的距离。如公式(1)所确定的那样，随着传感器与目标之间的距离的改变，电容量C伴随地改变。
本领域普通技术人员从上述公式(1)可以明白的是，探测器的检测面积A至少是某种最小数值，从而被检测的探测器和目标之间的电容量足够大，确保可以被检测到并被后续处理。
图1是一个显示包括探测器100的普通非接触电容式位移传感器的端视图，所述探测器100包括圆形传感器元件102、防护元件104和接地元件106。如图1所示，防护元件104围绕传感器元件102，接地元件106形成一围绕防护元件104的环。防护元件104使传感器元件102对传感器102和探测器100其它部位之间可能产生的电容不敏感。此外，形成探测器100结构的一部分的接地元件106提供一可以被用于安装探测器100的表面。包括圆形传感器102的普通探测器100通常对围绕探测器轴线的转动不敏感，通常提供适合其尺寸的最大检测面积。此外，传感器元件102、防护元件104和接地元件106通常包括机加工后的金属零件，这些金属零件被结合在一起形成探测器100的整体结构。
图1所示普通探测器100的一个缺点是它不能准确地测量传感器102和具有非平面表面的目标之间的距离。例如图2显示了普通探测器100和具有圆表面的目标208的侧视图。如图2所示，探测器100被用于测量包含在探测器100内的传感器和圆柱形目标208之间的距离“d”。
可以理解的是，当圆柱形的半径非常大时，普通探测器100可以被用于准确地测量传感器和圆柱形目标之间的距离。然而，如果圆柱形的半径小时，在不过分接近目标的前提下，传感器可能不能发现足够大的要被检测的电容量，并不能进行后续处理。
这种具有小半径“rT”的圆柱形目标如图2所示。由于目标208的半径rT很小，普通探测器100必须在距目标208距离为d的范围内才能发现具有足够大的用于检测和后续处理的电容量。此外，应该指出的是，由探测器100内的传感器以及目标208的圆柱表面所形成的电容器不近似于平行板电容器，因而，描述适用于平行板电容器的电容量和距离之间一般关系的公式(1)可能不能获得准确的距离d。
图3a显示了符合本发明的包括探测器300的非接触电容式位移传感器的实施例。在所示实施例中，探测器300具有基本上与目标308匹配的形状。当目标308的轴向高度非常大时，也就是目标308可以是圆柱体，探测器300可以被成形的基本上与圆柱体表面轮廓匹配。当目标308的轴向高度很小时，也就是目标308可以是一个圆盘，探测器300被成形的基本上与圆盘的边缘轮廓匹配。
应该指出的是，圆柱形目标308具有图3a所示的相对较小半径“rT”。如上所述，探测器300具有一基本上与目标308的轮廓匹配的形状。因而，包括传感器元件302的探测器300(参考图3b)被成形的具有曲率半径为“rP”，其基本上与圆柱体表面轮廓匹配，因而，允许传感器302测量成形传感器302和成形目标308之间的均匀的距离“rP-rT”。
应该理解的是，即使目标308的半径rT很小，探测器300也无须过分接近目标308，以便发现传感器302和目标308之间可检测的电容量。这是由于成形传感器302被构造的保持传感器302和目标308的圆柱表面之间的均匀距离rP-rT。此外，由于传感器302和目标308之间的距离一致。可以使用诸如表述适用于平行板电容器的电容量和距离之间通常关系的上述公式(1)的公知公式，从而获得均匀距离“rP-rT的准确测量。
图3b显示了探测器300的端视图(也参考图3a)，如图3b所示，探测器300具有矩形横截面。具体地说，探测器300包括矩形传感器元件302和围绕该传感器元件302的防护元件304。由于传感器元件302的横截面是矩形，可以减少传感器302所需的轴向柱体高度。防护元件304被构造成使传感器302对传感器302和探测器300的其它部位之间可能产生的电容量不敏感。
如上所述，目标308的半径rT和轴向高度可以相对较小，也就是目标308可以是圆盘。图3c显示了探测器300的最佳实施例，所述探测器300可以测量从探测器300到圆盘目标308的距离。具体地说，图3c的探测器300包括包括层叠(stack)，所述层叠包括两个电介质层303、被设置在两个电介质层303之间的传感器元件302以及围绕两个电介质层303的防护元件304。在该最佳实施例中，利用层压技术制造图3c的探测器300，其中，电介质层303被层压在传感器元件302上，防护元件304被层压在电介质层303上。此外，象在制造挠性印刷电路板中所使用的那些层压技术那样，所述层压技术可以允许诸如传感器302的扰性传感器元件被成形，以便与圆盘目标308的轮廓匹配。应该指出的是，象在制造刚性印刷电路板中所使用的那些层压技术或其它适合层压技术那样，所述层压技术可以允许导电层被层叠在非导电层之间，也可以使非导电层被层叠在导电层之间。
图4a显示了另一种可以使用符合本发明的非接触电容式位移传感器进行测量的有代表性的目标元件408。具体地说，目标元件408是一种具有轴向位置需要被测量的升起圆环410的圆盘。包括圆环410的圆盘目标408的横截面在图4b中被显示。在该实施例中，圆盘目标408的半径相对较小，圆环410相对较窄。
图4c显示了包括探测器400的符合本发明的非接触电容式位移传感器的实施例。在该实施例中，探测器400的形状基本上与目标408的形状匹配，具体地说，与圆环410的形状匹配。具体地说，探测器400包括传感器402和基本上围绕传感器402的防护元件404，其中，传感器402和防护元件404的组合被设置在基片412的表面上。如图4c所示，传感器402的横截面形状是一个半径为“rs”的环，该半径与圆环410的半径匹配。在该实施例中，传感器402的宽度稍微比圆环410的相应宽度窄。因而，探测器400可以被这样设置，从而在传感器402和圆环410之间具有一致的距离，诸如上述公式(1)的公知公式可以被使用，从而获得分开传感器402和圆环410的均匀距离的准确测量。
在所介绍的优选实施例中，基片412具有矩形横截面。然而可以理解的是，基片可以具有其它任何适合的形状，避免不同的可以被安装的靠近目标408的特性，或避免目标自身的其它特性。应该理解的是，防护元件404可以具有图4c所示的弧形形状或其它任何适合的形状。
图4d显示了探测器400的最佳应用，其可以被用于测量从探测器400到圆环410的距离。具体地说，图4d的探测器400包括形成设置在基片412表面上的防护元件404的第一导电层、被设置在防护元件404上的电介质层403、以及形成作用在电介质层403上的传感器402的第二导电层。在第一导电层被任意形成图案，以便形成防护元件404，第二导电层被形成图案，从而形成传感器402。在最佳实施例中，利用丝网印制法技术、激光切割技术或光刻蚀法制造探测器400，这些技术用于描绘导电层图案。用于执行这些技术的工艺包括厚膜工艺、薄膜工艺、用于制造扰性或刚性印刷电路板的工艺、或其它可以在基片上加工薄图案导电层的工艺。
图5a显示了制造包括图3c所示探测器300的非接触电容式位移传感器的方法。在这种方法中，使用象那些在制造扰性印刷电路板中所使用的层压技术，从而允许所获得的探测器被成形的与探测器元件的轮廓匹配。如步骤502所示，设置一传感器元件。随后如步骤504所示，至少分别在传感器元件的两个相反表面上层叠电介质层。然后如步骤506所示，将防护元件506层叠到所述电介质层上，从而形成被电介质分离的导电元件(也就是传感器元件和防护元件)的层叠。最终在步骤508，形成与目标元件的轮廓匹配的包括传感器元件的层叠。
图5b是一个制造包括图4d所示探测器400的非接触电容式位移传感器的方法。如步骤512所示，设置一基片，然后在步骤514，在所述基片的表面上设置第一导电层，从而，形成基片表面上的防护元件。第一导电层被形成图案，从而防护元件基本上围绕在步骤518所设置的传感器元件。然后在步骤516，在形成防护元件的第一导电层上设置电介质层，然后在步骤518，第二导电层在电介质层上被设置并形成图案，从而形成传感器。第二导电层被形成图案，从而传感器元件与目标元件的轮廓匹配。
本领域技术人员应该理解的是，在不脱离上述创造性概念范围的前提下，可以对上述用于测量成形目标的成形非接触电容式位移传感器进行各种改进和变型。例如使用上述技术可以制造适合于具有与上述形状和尺寸不同的目标的其它探测器。这种探测器包括至少一个传感器元件，其形状基本上与要被测量目标的至少一个非线性或非平面特性相应形状匹配。因而，本发明并不局限于上述方面。

Claims (18)

1、一种非接触电容式位移传感器，包括：
至少一个导电传感器元件，其形状基本上与要被测量目标的至少一个非线性或非平面特性的相应形状相匹配，
从而在传感器元件被设置为靠近目标的同时，允许在该传感器元件和目标特性之间保持均匀距离。
2、如权利要求1所述非接触电容式位移传感器，其特征在于，还包括被构造成基本上围绕该传感器元件的导电的防护元件。
3、如权利要求2所述非接触电容式位移传感器，其特征在于，还包括被构造成基本上围绕该防护器元件的接地元件。
4、如权利要求2所述非接触电容式位移传感器，其特征在于，还包括至少一个被设置在传感器元件和围绕所述传感器元件的防护元件之间的非导电元件。
5、如权利要求4所述非接触电容式位移传感器，其特征在于，至少一个所述传感器元件被成形为与要被测量的目标的特征形状匹配。
6、如权利要求1所述非接触电容式位移传感器，其特征在于，还包括被构造为基本上围绕该传感器元件的接地元件。
7、如权利要求1所述非接触电容式位移传感器，其特征在于，还包括基片，传感器元件被设置在所述基片上。
8、如权利要求7所述非接触电容式位移传感器，其特征在于，所述传感器元件包括被设置在所述基片上的导电层，该导电层被形成图案，与要被测量目标的特征形状匹配。
9、一种制造非接触电容式位移传感器的方法，包括如下步骤：
设置一导电的传感器元件；
在该传感器元件的一表面上设置至少一非导电层，
因而用该非导电层基本上围绕该传感器元件；
在所述非导电层的表面上设置至少一导电层，
因而用该导电层基本上围绕该非导电层；
成形至少一个形状基本上与要被测量目标的至少一个非线性或非平面特性相应形状匹配的传感器元件，
因而，允许在传感器元件被设置为靠近目标的同时，允许在该传感器元件和目标特性之间保持均匀距离。
10、如权利要求9所述方法，其特征在于：第一设置步骤包括将至少一非导电层层叠在所述传感器元件的表面上。
11、如权利要求9所述方法，其特征在于：第二设置步骤包括将至少一导电层层叠在所述非导电层的表面上。
12、如权利要求9所述方法，其特征在于：至少一个非导电层包括电介质层。
13、如权利要求9所述方法，其特征在于：第一设置步骤包括将至少一非导电层层叠在所述传感器元件的表面上，第二设置步骤包括将至少一导电层层叠在所述非导电层的表面上，因而形成被至少一个非导电层分离的导电层的层叠。
14、一种制造非接触电容式位移传感器的方法，包括如下步骤：
设置一基片；以及
在该基片上设置至少一导电层；
其中该至少一个导电层被形成图案，从而在基片上形成至少一个传感器元件，和
其中：该至少一个传感器元件具有基本上与要被测量目标的至少一个非线性或非平面特性相应形状匹配的形状，
从而在传感器元件被设置为靠近目标的同时，允许在该传感器元件和目标特性之间保持均匀距离。
15、如权利要求14所述方法，其特征在于：该至少一个导电层包括一包含一防护元件的第一导电层以及一包含传感器元件的第二导电层，该防护元件基本上围绕该传感器元件，该防护元件位于基片和传感器元件之间。
16、如权利要求14所述方法，其特征在于：所述设置步骤包括利用丝网遮蔽技术将至少一个导电层设置在基片的表面上。
17、如权利要求14所述方法，其特征在于，还包括利用激光切割技术在该至少一个导电层上形图案的步骤。
18、如权利要求14所述方法，其特征在于，所述设置步骤包括利用光刻蚀法技术将至少一个导电层设置在基片的表面上。
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