CN217878102U - 具有选择性约束的可变形传感器 - Google Patents

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Abstract

一种传感器可以包括可变形感测元件，该感测元件具有可变形导体，该可变形导体被布置成响应于感测元件的变形而变形，其中感测元件的变形被选择性地控制。感测元件可以由约束元件选择性地控制。约束元件可以通过分配施加至感测元件的力来控制感测元件的变形。感测元件可以包括可变形主体，可变形主体带有可变形导体，可变形导体被布置成响应于可变形主体的伸长。可变形导体可以包括导电凝胶。一种传感器可以包括可变形主体、被布置成响应于可变形主体的变形而变形的可变形导体、以及被布置成选择性地控制可变形主体的变形的约束元件。

Description

具有选择性约束的可变形传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年6月5日提交的序列号为62/857,799的美国临时专利申请的优先权，其通过引用并入。
背景
本专利公开的创造性原理总体上涉及传感器，更具体地说，涉及可选择性地响应于一个或更多个刺激的可变形传感器。
概述
一种传感器可以包括可变形感测元件，该感测元件具有可变形导体，该可变形导体被布置成响应于感测元件的变形而变形，其中感测元件的变形被选择性地控制。感测元件可以由约束元件(restraining element)选择性地控制。约束元件可以通过分配施加至感测元件的力来控制感测元件的变形。感测元件可以包括可变形主体，该可变形主体带有可变形导体，该可变形导体被布置成响应于可变形主体的伸长。感测元件可以被折叠成堆叠构型。约束元件可以包括弹性模量大于可变形主体的材料件。约束元件可以包括设置在折叠的感测元件的顶部上的扁平片。感测元件可以设置在反应接地平面上。传感器还可以包括第二约束元件，该第二约束元件被布置成选择性地控制感测元件。第二约束元件可以包括设置在折叠的感测元件的层之间的材料片。约束元件可以在至少一个维度上包围可变形主体。约束元件可以在平面中包围可变形主体。感测元件可以在第一方向上伸长。约束元件可以在第一方向上约束感测元件。约束元件可以包括双向拉伸织物。可变形主体可以包括具有大致半圆形横截面的核心。可变形导体可以包括导电凝胶。导电凝胶可以包括镓合金。
一种感测刺激的方法可以包括：使感测元件变形，该感测元件具有可变形导体，该可变形导体被布置成响应于感测元件的变形而变形；以及选择性地控制感测元件的变形。
一种传感器可以包括可变形主体、被布置成响应于可变形主体的变形而变形的可变形导体、以及被布置成选择性地控制可变形主体的变形的约束元件。
附图简述
附图不必是按比例绘制的，并且为了说明的目的，在所有附图中，相似结构或功能的元件通常由相似的参考数字表示。附图仅旨在便于描述本文中描述的各种实施例。附图没有描述在本文中公开的教导的每个方面，并且不限制权利要求的范围。为了防止附图变得模糊不清，并非所有的部件、连接等都会被示出，而且并不是所有的部件都可以具有参考数字。然而，部件构型的模式可以从附图中容易地看出。
图1是根据本专利公开的一些创造性原理的可变形传感器的实施例的示意图。
图2是根据本专利公开的一些创造性原理的处于松弛状态或中性状态的可变形传感器的另一实施例的侧视图。
图3是施加刺激的情况下的图2的实施例的侧视图。
图4是根据本专利公开的一些创造性原理的处于松弛状态或中性状态的可变形的传感器的另一实施例的侧视图。
图5和图6是根据本专利公开的一些创造性原理的适合于在图2的传感器中使用的可变形感测元件的实施例的俯视图和侧视图。
图7和图8是根据本专利公开的一些创造性原理的适合于在图4的传感器中使用的可变形感测元件的实施例的俯视图和侧视图。
图9是根据本专利公开的一些创造性原理的另一可变形传感器的透视图。
图10是沿着图9中所示的截面A-A截取的图9的传感器的横截面视图。
图11是示出根据本专利公开的一些创造性原理的另一可变形传感器的局部横截面的透视图。
详述
图1示出了根据本专利公开的一些创造性原理的可变形传感器的实施例。在图1的实施例中，可变形主体210具有可变形导体212，可变形导体212被布置成使得对可变形主体210施加一个或更多个刺激214引起主体变形以及引起可变形导体212的最终变形。可变形主体210以及因此可变形导体212的变形由一个或更多个约束元件216选择性地控制。一个或更多个约束元件216可以被布置成响应于一个或更多个刺激214(例如压力、力、振动等)约束、增强、重定向、重新分布或者以其他方式改变、控制或操纵可变形主体210和可变形导体212的变形。约束元件可以与可变形主体210成一体或分离，或者约束元件可以以混合构型布置。在具有多个约束元件的实施例中，约束元件可以以整体构型、分离构型或混合构型的任意组合来布置。在一些实施例中，可变形主体210可以用多个可变形主体来实现。
检测电路218被布置成检测可变形导体212响应于一个或更多个刺激 214的诸如电阻、电抗(例如电感或电容)等电特性的变化。
作为示例而非限制性地，一个或更多个约束元件可以被布置成约束可变形主体的第一部分，使得第一部分响应于刺激变形较小或者完全不变形，同时允许第二部分响应于刺激而比第一部分变形更大。作为另一示例，一个或更多个约束元件可以被布置成防止或限制主体沿着第一轴线的变形，同时允许沿着第二轴线的一些或更大的变形。作为又一示例，一个或更多个约束元件可以被布置成使得传感器不受某些类型的刺激(例如使传感器扭曲的扭转力或拉伸力)的影响或相对不敏感，同时对另一类型的刺激(例如施加至传感器的压力)更敏感。
图2示出了根据本专利公开的一些创造性原理的利用选择性约束的传感器的另一实施例。图2的实施例包括可变形的感测元件158，该感测元件158开始是如图5和图6所示的扁平条带，并且随后沿着点划线 164A-164D被折叠以形成图2所示的堆叠结构。感测元件158包括可变形主体162，可变形主体162具有由可变形导体160形成的图案，该可变形导体160被布置成响应于感测元件的变形而变形。第一端子166和第二端子168提供到可变形导体160的电连接。折叠的感测元件158示出为在反应接地平面170上。约束元件172被布置成选择性地控制感测元件的变形。
图2的实施例可以用各种各样的材料实现，并且应用于大量应用中。一些创造性原理将在传感器用作力(和/或压力)传感器的示例性实施例的背景下描述，但是创造性原理不限于这些细节。
在示例性力传感器实施例中，可变形导体160可以是导电凝胶，例如下面描述的任何共晶镓合金。导电凝胶可以在相对软的弹性体材料(诸如软热塑性聚氨酯(TPU))的基底上形成图案，并且用另一层TPU封装以形成可变形主体162。在一些实施方式中，主体的折叠层可以用粘合剂或通过某种形式的诱导式结合(例如超声波焊接或RF焊接等)彼此固定。在其他实施方式中，这些层可以通过摩擦、自然表面粘附或任何其他合适的技术粘在一起。
在示例性力传感器实施例中，约束元件172可以用比可变形主体162 更刚性的材料层(例如聚碳酸酯片)来实现。
在图2中，示出了处于没有施加力的中性状态或松弛状态下的传感器。图3示出了由于力(压力)174沿着z轴大致在竖直方向上施加至约束元件172而处于变形状态下的传感器。该力引起可变形主体162的折叠层的压缩，这可能会由于U形部分向外凸出(沿着x轴大致在水平方向上)而引起拉伸动作，从而延长可变形导体的路径和/或引起导致导电凝胶的图案的电阻的可测量变化的任何其他变形。
图2、图3、图5和图6的实施例可以用于许多不同的应用中。在一个示例性应用中，示例性力传感器实施例可以用于测量运动鞋中的冲击力或其他力。例如，感测元件158可以被粘附或以其他方式放置在运动鞋的斯创贝尔(strobel，中底布)或鞋底上，带有或不带有相对硬质材料(诸如聚碳酸酯)的附加中间层。然后，可以将鞋内底放置在传感器上，使得每当鞋落在刚性表面上时，穿用者的脚在斯创贝尔或鞋底上的向下的力被传递至约束元件172，并因此传递至感测元件158。图2和图3的实施例的潜在优点是，根据实施细节，它可以高度抵抗在x轴方向上由箭头176 示出的水平剪切力和在y轴方向上(进入或离开附图平面)的水平剪切力。这在运动鞋应用和其他应用中可能是重要的，在这些应用中，试图在一个方向上测量的力通常伴随着在另一个方向上的非常高的剪切力，这通常导致其他类型的力传感器(例如薄膜传感器)失效或失去有效性。
在没有约束元件172的情况下，施加至传感器的各种力可能引起电阻的变化，但是力的性质不确定。例如，力可能是由施加在第一箭头178、第二箭头180或第三箭头182中的任何一个附近的局部力(例如，来自突出的脚骨或草皮填充物颗粒)引起的，该局部力可以以不代表寻求被测量的总力或总压力的方式使可变形主体162扭曲。约束元件172可以将力分配在感测元件158的顶表面之上，从而阻止不希望的扭曲。约束元件172 还可以使感测元件158从寻求被测量的一个或更多个刺激中滤除传感器的扭曲。例如，传感器可能由于如上所述的横向剪切力而扭曲，或者传感器可能在鞋随着穿着者行走、奔跑、跳跃、躲闪、移动等而弯曲或扭曲时，由于鞋的斯创贝尔或鞋底弯曲或扭曲而扭曲。约束元件172可以使传感器不受传感器扭曲的影响或对此相对不敏感，而对施加至传感器的向下压力较敏感。
代替约束元件172或除约束元件172之外，也可以将鞋的斯创贝尔或鞋底或传感器放置在其上的任何其他表面用作附加的约束元件。
图4示出了根据本专利公开的一些创造性原理的传感器的另一实施例。图4的实施例包括：如图7和图8中所示的可变形的感测元件184，该可变形的感测元件184类似于图5和图6的感测元件158，并且包括可变形主体188，该可变形主体188具有由可变形导体186形成的图案，该可变形导体186被布置成响应于感测元件的变形而变形。第一端子190和第二端子192提供到可变形导体186的电连接。然而，图7和图8的实施例还包括附加的第一约束元件194、附加的第二约束元件196、附加的第三约束元件198和附加的第四约束元件200，在感测元件184折叠成图4中所示的结构后，附加的第一约束元件194、附加的第二约束元件196、附加的第三约束元件198和附加的第四约束元件200最终夹在感测元件184的层之间。折叠的感测元件184示出为在反应接地平面202上。约束元件204 被布置成选择性地控制感测元件184的变形。
与图2的实施例一样，图4的实施例可以用各种各样的材料实现，并且可在无数应用中使用。根据实施细节，附加的第一约束元件194、附加的第二约束元件196、附加的第三约束元件198和附加的第四约束元件200 可以提供对可变形主体188的变形的控制，该控制是对图2的实施例中提供的控制的补充或与图2的实施例中提供的控制不同。在一些实施方式中，附加的第一约束元件194、附加的第二约束元件196、附加的第三约束元件198和附加的第四约束元件200可以具有比可变形主体188更高的弹性模量。因此，附加的约束元件可以为由局部力引起的不希望的扭曲提供额外的阻力。
当可变形主体188处于中性状态或松弛状态下时，可变形导体186的图案可以具有标称电阻。如果附加的第一约束元件194、附加的第二约束元件196、附加的第三约束元件198和附加的第四约束元件200基本上防止它们下面或上面的导体的大部分或全部变形，那么由于传感器变形而引起的标称电阻的大部分或全部变化可以限制于指定为R1、R2、R3和R4 的区段。也就是说，电阻的响应于变形而变化的部分可以是区段 R1+R2+R3+R4中的各导体区段的电阻之和。(在图7的视图中，约束元件 201以虚线轮廓示出，以指示由于在图4的堆叠中在感测元件的区段上方或下方存在约束元件而可能施加至该区段的约束作用。)因此，约束元件可以以选择性方式将感测作用引导和/或集中至感测元件的部分，以提供对传感器的改进的控制和/或响应。在一些实施例中，这种改进的响应性可以被描述为放大。
在图4中，传感器被显示为处于中性状态或松弛状态，没有施加力。当力(压力)沿着z轴大致在竖直方向上被施加至约束元件204时，传感器可以以类似于图3的方式变形，然而附加的第一约束元件194、附加的第二约束元件196、附加的第三约束元件198和附加的第四约束元件200 的作用也会有助于感测元件184的变形。
图9和图10示出了根据本专利公开的一些创造性原理的传感器的另一实施例。图9和图10的实施例包括由相对较硬的约束元件222包围的相对软的可变形主体220。可变形导体224沿着可变形主体220和约束元件222之间的界面设置。接触垫226使得感测电路能够被耦合至可变形导体224，可变形导体224可以例如响应于施加至可变形主体220的力或压力(如箭头228所示)而变形，该可变形主体220被约束元件222选择性地约束。尽管图9和图10示出可变形主体220为扁平的盘状物，并且可变形导体224在可变形主体220和约束元件222之间的凹槽或凹部中延伸主体的整个厚度，但是也可以使用许多其他的几何形状。
创造性原理不限于任何特定的材料，但是在一个示例性实施方式中，可变形主体220可以用肖氏OO级硬度的材料实现，而约束元件222可以用肖氏A级硬度(例如肖氏90A)的材料实现。
图10以虚线轮廓示出了传感器可以附接到其上的基础材料230。例如，传感器可以附接至任何合适的基底、反应接地平面等。图10还以虚线轮廓示出了可以用作封装剂、密封剂等的材料232。
图11是示出根据本专利公开的一些创造性原理的另一可变形传感器的局部横截面的透视图。图11的实施例包括具有大致半圆形横截面的长形的感测元件，该感测元件具有由可变形导体236包围并由封装剂238封闭的核心可变形主体234。感测元件被安装在约束元件240上，约束元件240 可以控制感测元件的变形。
尽管不限于这些细节，但是在一个示例性实施方式中，核心可变形主体234可以用诸如硅树脂或软TPU的软弹性体来实现，并且约束元件240 可以用诸如双向拉伸织物的受控运动织物来实现。如果织物被定向为在Y 轴上拉伸，即在X方向上沿着传感器的长度受到约束，那么当传感器被缠绕在弯曲物体上时，织物可以使传感器保持对Z方向上的压缩力或压力的敏感性。例如，传感器可以如箭头244所示缠绕在圆柱体242上，圆柱体242以虚线轮廓示出并且具有半径r。因此，约束元件可以使传感器选择性地保持对刺激的敏感性，同时使传感器不受传感器扭曲的影响或相对不敏感。
在以上附图的实施例的背景下在上文中描述的创造性原理可以应用于各种各样的实现，其中感测元件选择性地受到约束以控制可变形主体和相关联的可变形导体的变形。例如，尽管以上附图的实施例中的约束元件的一些示例已经在具有与可变形主体相比相对刚性的约束元件的系统的背景下进行了描述，但是约束元件不需要比可变形主体更刚性。例如，约束元件可以非常柔韧，但具有高抗拉强度以便通过拉伸动作来进行约束。同样，选择性约束作用不限于任何特定方向、约束元件的图案、或可变形主体和/或导体的构型。创造性原理还扩展到许多机械和几何构型。例如，传感器安装所在的任何材料的表面可以用作约束元件。
在一些实施例中，以上公开的元件可以在创造性原理范围内的各种附加构型中实现。例如，在图2的实施例中结合可变形主体的折叠层可以实现与在图4的实施例中使用附加的约束元件相同或相似的功能。作为另一示例，图2-图3的实施例中的约束元件172(仅在图2中被标记出而在图 3中未被标记出)、图4的实施例中的约束元件204等可以省略，因为图 2-图3的实施例中的反应接地平面170(仅在图2中被标记出而在图3中未被标记出)和图4的实施例中的反应接地平面202或其他约束元件可以提供足够的约束。约束元件可以与感测元件一体形成，例如，可以通过任何合适的制造工艺形成可变形主体的较刚性(更小变形)的区段的图案。除了拉伸形式的变形之外，创造性原理还适用于其中约束元件被布置成以压缩形式选择性约束变形的实施例。
可适合于任何可变形主体或约束元件的材料的示例包括天然橡胶和合成橡胶和塑料材料，例如硅树脂、TPU、EPDM、氯丁橡胶和聚碳酸酯，以及环氧树脂、纯金属和合金金属、织物、木材、皮革、纸、玻璃纤维和碳、以及其他复合材料等。
适合用作可变形导体的材料的示例包括导电凝胶，例如2019年2月 21日公布的第2019/0056277号美国专利申请公开中公开的镓铟合金，该美国专利申请公开通过引用并入。其他合适的材料可以包括：任何导电金属，包括金、镍、银、铂、铜等；基于硅、镓、锗、锑、砷、硼、碳、硒、硫、碲等的半导体；半导体化合物，包括砷化镓、锑化铟和许多金属的氧化物；有机半导体；以及导电非金属物质，例如石墨。导电凝胶的其他示例包括基于石墨的凝胶或其他形式的碳和离子凝胶。其他示例包括液体 (例如水、油、油墨、酒精等，它们中的任一者可以是电活性的)，以及可能是电活性的任何弹性材料。
根据实施方式细节，通过沿着选定的几何形状选择性地约束可变形主体，变形可以以如下方式被约束至选定的平面、曲线、方向等，所述方式即为与在其他情况下如果允许主体在所有方向上自由变形可能会出现的情况相比，导体可以具有更大的变形，即放大。
本文中公开的实施例可以在各种实施细节的背景下描述，但是本公开的原理不限于这些或任何其他具体细节。一些功能已经被描述为由某些部件实现，但是在其他实施例中，功能可以在不同位置分布在不同系统和部件之间，并且具有各种用户界面。某些实施例已经被描述为具有特定的部件、过程、步骤、其组合和/或类似物，但是这些术语也可以包括其中特定的过程、步骤、其组合和/或类似物可以用多个部件、过程、步骤、其组合和/或类似物来实现的实施例，或者其中多个过程、步骤、其组合和/或类似物可以被集成到单个过程、步骤、其组合和/或类似物中的实施例。对部件或元件的引用可以仅指部件或元件的一部分。在本公开和权利要求中使用诸如“第一”和“第二”的术语可以仅为了区分它们所修饰的事物，并且可以不指示任何空间或时间顺序，除非从上下文中明显看出。对第一事物的引用并不意味着第二事物的存在。此外，根据本专利公开的创造性原理，上述各种细节和实施例可以被组合以产生附加的实施例。本文中描述的各种细节和实施例可以与2018年8月30日公布的第2018/0247727号美国专利申请公开、2019年2月21日公布的第2019/0056277号美国专利申请公开和2020年2月27日公布的第2020/0066628号美国专利申请公开中所述的任何细节和实施例结合使用，这些美国专利申请公开都通过引用并入。
由于本专利公开的创造性原理可以在不脱离创造性概念的情况下在布置和细节上进行修改，因此这种改变和修改被认为落入所附权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种传感器，其特征在于，所述传感器包括：
可变形的感测元件，所述感测元件具有可变形导体，所述可变形导体被布置成响应于所述感测元件的变形而变形；
其中所述感测元件的变形被选择性地控制，并且
其中所述感测元件被折叠成堆叠构型。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述感测元件由约束元件选择性地控制。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述约束元件通过分配施加至所述感测元件的力来控制所述感测元件的变形。
4.根据权利要求2所述的传感器，其中所述感测元件包括可变形主体，所述可变形主体带有所述可变形导体，所述可变形导体被布置成响应于所述可变形主体的伸长。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中所述约束元件包括弹性模量大于所述可变形主体的材料件。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中所述约束元件包括设置在折叠的感测元件的顶部上的扁平片。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中所述感测元件被设置在反应接地平面上。
8.根据权利要求6所述的传感器，所述传感器还包括第二约束元件，所述第二约束元件被布置成选择性地控制所述感测元件。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述第二约束元件包括设置在所述折叠的感测元件的层之间的材料片。
10.根据权利要求4所述的传感器，其中所述约束元件在至少一个维度上包围所述可变形主体。
11.根据权利要求10所述的传感器，其中所述约束元件在平面内包围所述可变形主体。
12.根据权利要求4所述的传感器，其中所述感测元件在第一方向上伸长。
13.根据权利要求12所述的传感器，其中所述约束元件在所述第一方向上约束所述感测元件。
14.根据权利要求13所述的传感器，其中所述约束元件包括双向拉伸织物。
15.根据权利要求13所述的传感器，其中所述可变形主体包括具有大致半圆形横截面的核心。
16.根据权利要求1所述的传感器，其中所述可变形导体包括导电凝胶。
17.根据权利要求16所述的传感器，其中所述导电凝胶包括镓合金。
18.一种传感器，其特征在于，所述传感器包括：
可变形的感测元件，其包括可变形主体；
可变形导体，其被布置成响应于所述可变形主体的变形而变形；和
约束元件，其被布置成选择性地控制所述可变形主体的变形，
其中所述感测元件被折叠成堆叠构型。
CN202090000638.4U 2019-06-05 2020-06-04 具有选择性约束的可变形传感器 Active CN217878102U (zh)

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