專利名稱：接近和接觸傳感器及傳感元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測(cè)物體諸如人體的接近和接觸的傳感器。
背景技術(shù)：
接近和接觸傳感器(proximity and contact sensor)已經(jīng)開發(fā)用于諸如用于 診斷或者治療目的的醫(yī)療設(shè)備的裝備。接近和接觸傳感器檢測(cè)是否人體以非 接觸方法接近該裝備。常規(guī)的接近和接觸傳感器包括由兩個(gè)電極形成的檢測(cè) 板，并且通過檢測(cè)板的電容的變化來檢測(cè)人體的接近(參照專利文獻(xiàn)1)。常規(guī) 的接近傳感器由振蕩電路、VSWR橋路、相位比較電路和控制方法構(gòu)成，該 振蕩電路產(chǎn)生具有預(yù)定頻率的測(cè)量信號(hào)，VSWR橋路連接到該振蕩電路，相 位比較電路檢測(cè)在橋路的輸出信號(hào)和振蕩電路的測(cè)量信號(hào)之間的相位差，該 控制方法基于相位比較電路的輸出而確定是否人體正在接近。
另一種常規(guī)的接近傳感器由電容型接近和接觸傳感器的感測(cè)部分和導(dǎo)體 構(gòu)成，其中該導(dǎo)體的厚度和表面電阻被設(shè)置在預(yù)定的范圍中(參照專利文獻(xiàn) 2)。在這種接近和接觸傳感器中，在導(dǎo)體面積以及電容型接近和接觸傳感器 的感測(cè)部分范圍之間的比值被調(diào)整為2倍或者更高的值，以便實(shí)現(xiàn)限制感測(cè) 面積的擴(kuò)大和擴(kuò)寬沖企測(cè)范圍兩者。日本特開平專利公布號(hào)No.2001_203565日本特開平專利7>布號(hào)No.20(M-l50869

發(fā)明內(nèi)容
在專利文獻(xiàn)1和2中描述的常規(guī)的接近傳感器中，當(dāng)將被檢測(cè)的物體接
檢測(cè)板或者感測(cè)部分之間的電容的變化。這些僅僅通過電容的變化檢測(cè)物體 的接近的常規(guī)方法具有以下的缺點(diǎn)，即，當(dāng)該物體的接近速度較慢時(shí)，因?yàn)?電容變化非常小，檢測(cè)靈敏度降低，因而，該敏感度變低。電容的小變化由 于噪聲而很難檢測(cè)，并且因此不能以穩(wěn)固的精度檢測(cè)。此外，常規(guī)的接近傳 感器不能定量地檢測(cè)接近速度，也不能可分辨地檢測(cè)被檢測(cè)的物體材料的特 性。
本發(fā)明提供一種傳感器，其以高靈敏度、高穩(wěn)定度，該物體的接近速度
為了實(shí)現(xiàn)以上所述的目的，本發(fā)明的一種形式是一種用于檢測(cè)被檢測(cè)的 物體的接近和接觸的傳感器。該傳感器由傳感器元件、 一對(duì)電極、高頻振蕩
電路和波形檢測(cè)電路構(gòu)成。傳感器元件由模具(matrix)和散布在該模具中的線 圏形狀的碳纖維(coil-shaped carbon fiber)構(gòu)成。該線圈形狀的碳纖維具有取決 于線圈形狀的碳纖維的結(jié)構(gòu)的電感(L)部件、電容(C)部件和電阻(R)部件，并 且該線圈形狀的纖維起LCR諧振電路的作用。 一對(duì)電極被電連接到該傳感器 元件。高頻振蕩電路連接在一對(duì)電極之間。波形檢測(cè)電路檢測(cè)在LCR諧振電 路中引起的信號(hào)變化。
本發(fā)明的其它形式是傳感器的結(jié)構(gòu)，其由傳感器元件、 一組電極、高頻 振蕩電路和波形檢測(cè)電路構(gòu)成。該傳感器元件由彈性地可變形的模具和散布 在該模具中的彈性地可變形的線圈形狀的碳纖維構(gòu)成。該傳感器元件具有取 決于模具和線圏形狀的碳纖維的彈性變形而變化的阻抗。 一組電極由第一電 極和第二電極構(gòu)成，并且這些電極電連接到該傳感器元件。高頻振蕩電路經(jīng) 由第一電極提供高頻激勵(lì)信號(hào)給該傳感器元件。波形一企測(cè)電路經(jīng)由第二電極 接收傳感器元件的輸出信號(hào)，并且產(chǎn)生 一個(gè)對(duì)應(yīng)于當(dāng)該物體接近傳感器元件 時(shí)引起的傳感器元件的阻抗的變化的檢測(cè)信號(hào)。
本發(fā)明的其它形式是該傳感器元件的結(jié)構(gòu)。該傳感器元件具有在模具或 者該模具的一部分之內(nèi)的空間部分。該空間部分允許該傳感器元件容易地變


圖1是按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的接近傳感器的示意圖； 圖2是圖1中示出的傳感器元件的等效電路圖； 圖3是圖1中示出的接近和接觸傳感器的方框電路圖； 圖4是示出在從手到傳感器元件的距離以及接近和接觸傳感器的輸出電 壓之間的關(guān)系的圖形；
圖5是示出取決于線圈形狀的碳纖維的數(shù)量的、在從手到傳感器元件的
距離以及接近和接觸傳感器的輸出電壓之間的關(guān)系的圖形；
圖6是示出取決于高頻信號(hào)的頻率的、在從手到傳感器元件的距離以及
接近和接觸傳感器的輸出電壓之間的關(guān)系的圖形；
圖7是示出取決于模具的物質(zhì)的、在從手到傳感器元件的距離以及接近
和接觸傳感器的輸出電壓之間的關(guān)系的圖形；
圖8是示出取決于被檢測(cè)的物體的材料的、在從手到傳感器元件的距離
以及接近和接觸傳感器的輸出電壓之間的關(guān)系的圖形；
圖9是示出取決于被檢測(cè)的物體的接近速度的、在從手到傳感器元件的
距離以及接近和接觸傳感器的輸出電壓之間的關(guān)系的圖形；
圖10是示出按照本發(fā)明的第二實(shí)施例的接近和接觸傳感器的示意圖11是圖IO的傳感器元件的制造例子的示意圖12是圖10中示出的傳感器元件的制造例子的示意圖13是圖10中示出的傳感器元件的制造例子的示意圖14是圖10中示出的傳感器元件的應(yīng)用例子的示意圖15是示出圖10中示出的傳感器的輸出信號(hào)的電壓的圖形，其取決于
在物體和水面之間的距離而變化；
圖16是示出圖10中示出的傳感器的輸出信號(hào)的電壓的圖形，其取決于 物體的位置和來自物體的壓力而變化；
圖17是圖16中示出的范圍A的放大圖； 圖18是圖10中示出的傳感器的應(yīng)用例子的示意圖； 圖19是圖10中示出的傳感器的應(yīng)用例子的示意圖； 圖20是示出圖10中示出的傳感器的響應(yīng)特性的圖形； 圖21是圖10中示出的傳感器的應(yīng)用例子的示意圖； 圖22是圖10中示出的傳感器的應(yīng)用例子的示意圖；和 圖23是圖10中示出的傳感器的應(yīng)用例子的示意圖。
具體實(shí)施例方式
按照本發(fā)明的 一次優(yōu)選實(shí)施例的接近和接觸傳感器描述如下。 如圖1所示，傳感器元件11形成按照第一實(shí)施例的接近和接觸傳感器 10，其包括板形的模具13和散布在模具13中的線圈形狀的碳纖維12。兩個(gè) 電極14被電連接到傳感器元件11的底面。兩個(gè)電極14最好是由導(dǎo)體、諸如 銅制成的板。檢測(cè)電路16通過第一連接線15連接在電極14之間。檢測(cè)電路 16通過第二連接線17連接到處理器18。該處理器18是用于顯示檢測(cè)電路 16的輸出信號(hào)的波形的示波器，或者用于處理檢測(cè)電路16的輸出信號(hào)的計(jì) 算機(jī)。該措詞"電子地連接，，指的是其中從電極14到模具13感應(yīng)的電流從 電極14流動(dòng)到線圈形狀的碳纖維12,或者經(jīng)由模具13在線圈形狀的碳纖維 12之間的連接。
該傳感器元件11的等效電路在圖2中示出。如圖2所示，該線圈形狀的 碳纖維12具有對(duì)應(yīng)于其線圈形狀(螺旋形狀)的電磁特性。該線圈形狀的碳纖 維12的電磁特性是固有的電感(L)部件、電容(C)部件和電阻(R)部件，并且因 此稱為L(zhǎng)CR部件。在該模具13中散布的線圈形狀的碳纖維12經(jīng)由模具13 ^皮電連接，該模具13具有電容(C)部件。因此，不僅每個(gè)線圈形狀的碳纖維 12獨(dú)立地形成LCR諧振電路，而且該散布的線圏形狀的碳纖維12和模具13 配合以形成諧振電3各網(wǎng)絡(luò)。
該接近和接觸傳感器10的電路參考圖3詳細(xì)描述。如圖3所示，該檢測(cè) 電路16由高頻振蕩電路(交流電路)19、；改大電路20、相位調(diào)整電路21、波形 檢測(cè)電路22和輸出電路23構(gòu)成。該高頻振蕩電路19連接到在傳感器元件 11和相位調(diào)整電路21之間的節(jié)點(diǎn)，并且將高頻信號(hào)Sl提供給傳感器元件11 和相位調(diào)整電路21。該放大電路20連接在傳感器元件11和波形檢測(cè)電路22 之間，并且放大傳感器元件11的輸出信號(hào)S2，和產(chǎn)生并且提供放大的輸出 信號(hào)S2a給波形檢測(cè)電路22。該相位調(diào)整電路21調(diào)整高頻振蕩電路19的高 頻信號(hào)Sl的相位，并且將相位調(diào)整的高頻信號(hào)(或者基準(zhǔn)高頻信號(hào))Sla提供 給波形檢測(cè)電路22。該波形檢測(cè)電路22比較放大的輸出信號(hào)S2a和相位調(diào) 整的高頻信號(hào)Sla,以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于比較結(jié)果的檢測(cè)信號(hào)S3。該輸出電路23產(chǎn) 生和輸出具有對(duì)應(yīng)于檢測(cè)信號(hào)S3的電壓的輸出信號(hào)S4。
該傳感器元件11具有固有阻抗。被檢測(cè)的物體24也具有固有阻抗。具 有預(yù)定頻率的高頻信號(hào)通過高頻振蕩電路19被施加到傳感器元件11。因此， 在傳感器元件11附近產(chǎn)生AC電場(chǎng)。除了該傳感器元件11的電容(C)部件之 外，還產(chǎn)生在傳感器元件11和被檢測(cè)的物體24之間的電容(C)部件。因此， 當(dāng)被檢測(cè)的物體24接近該傳感器元件11時(shí)，兩個(gè)電容(C)部件的總和改變。 當(dāng)電容(C)部件的總和改變時(shí)，該傳感器元件11的阻抗改變。當(dāng)被檢測(cè)的物 體24接觸到傳感器元件11時(shí)，該傳感器元件11和被檢測(cè)的物體24的電阻
(R)部件的總和改變。電阻(R)部件的總和的變化改變傳感器元件11的阻抗。 施加到傳感器元件11的該高頻信號(hào)Sl的電壓和相位取決于在阻抗的變
化量而改變。然后，變化的高頻信號(hào)S2^0M專感器元件11輸出。該變化的 高頻信號(hào)S2由放大電路20放大，并且高頻信號(hào)S2的電壓和相位的變化量被 放大。該波形檢測(cè)電路22檢測(cè)或者比較變化并放大的高頻信號(hào)S2a和從高頻 振蕩電路19經(jīng)由相位調(diào)整電路21提供的高頻信號(hào)(或者基準(zhǔn)高頻信號(hào))Sla, 以檢測(cè)或者監(jiān)控由被檢測(cè)的物體24的接近所引起的阻抗的連續(xù)變化。該波形 檢測(cè)電路22產(chǎn)生與該高頻信號(hào)S2a和Sla的波形檢測(cè)結(jié)果相一致的檢測(cè)信號(hào) S3,并且將該^r測(cè)信號(hào)S3提供給輸出電路23。該輸出電路23輸出與檢測(cè)信 號(hào)S3相一致的輸出信號(hào)S4,例如，輸出對(duì)應(yīng)于該檢測(cè)信號(hào)的電壓信號(hào)。
在圖4中，縱軸和橫軸分別地表示輸出信號(hào)S4的電壓以及在被檢測(cè)的物 體24和傳感器元件11之間的距離。人手的手掌用作被檢測(cè)的物體24。當(dāng)手 掌接近傳感器元件11并且手掌和傳感器元件11之間的距離(cm)縮小時(shí)，該 輸出電壓(V)以基本成比例的方式增加。該輸出信號(hào)曲線是在輸出信號(hào)和距離 之間的關(guān)系，其對(duì)于^皮檢測(cè)的物體24是唯一的。
因此，該輸出信號(hào)S4的唯一的變化，或者波形可以被對(duì)于某個(gè)檢測(cè)的物 體24提前測(cè)量，并且一個(gè)數(shù)據(jù)庫被建立，使得該處理器18可以把該輸出信 號(hào)S4提交給該數(shù)據(jù)庫，并且定量地確定檢測(cè)的物體24相對(duì)于該傳感器元件 11的接近速度、距離和其它的特性。此外，該輸出信號(hào)S4的固有的變化， 或者波形可以被對(duì)于各種各樣的檢測(cè)的物體24提前測(cè)量，并且一個(gè)數(shù)據(jù)庫被 建立，使得該處理器18可以把輸出信號(hào)S4提交給該數(shù)據(jù)庫，并且確定被檢 測(cè)的物體24的實(shí)質(zhì)。例如，可以進(jìn)行在有生命的物體和無生命的物體之間的 區(qū)別，可以進(jìn)行在金屬和陶器之間的區(qū)別，可以進(jìn)行在金屬和樹脂之間的區(qū) 別。該數(shù)據(jù)庫可以形成在處理器18的存儲(chǔ)設(shè)備中，或者可以形成在由該處理 器18可訪問的外部存儲(chǔ)設(shè)備中。
當(dāng)被檢測(cè)的物體24接觸接近和接觸傳感器10的傳感器元件11時(shí)，該傳 感器元件ll的阻抗變化。該波形檢測(cè)電路22檢測(cè)阻抗的變化量，使得除了 該物體的接近之外，接近和接觸傳感器10還可以纟企測(cè)物體的接觸。
該模具13起用于線圈形狀的碳纖維12的分散介質(zhì)的作用。該模具13最 好是由彈性地可變形的材料，諸如彈性樹脂(具有彈性的聚合物)，和非彈性地 可變形的材料，諸如硬樹脂形成，其具有作為電磁特性的電容(C)部件。在第
一實(shí)施例中，有機(jī)硅樹脂、聚氨酯樹脂、環(huán)氧樹脂、苯乙烯和熱塑性彈性體 的共聚物樹脂等等的成形產(chǎn)品用作該模具13。有機(jī)硅樹脂的例子包括由
Shin-Etsu化學(xué)制品有限公司制造的稱作KE103(JIS A硬度18)、 KE106(JISA 硬度50)和KE1202(JIS A硬度65)的產(chǎn)品。苯乙烯和熱塑性彈性體的共聚物樹 脂的例子包括由Kuraray有限公司制造的稱作Septon樹脂弁4033(JIS A硬度76) 和存8104(JIS A硬度98)的產(chǎn)品。聚氨酯樹脂的例子包括日本聚氨基曱酸酯工 業(yè)公司的產(chǎn)品名稱Coronate 4387。
該模具13的硬度與該接近和接觸傳感器10的靈敏度有關(guān)。如果該模具 13是具有由有機(jī)硅樹脂等等制成的極好的彈性的成形產(chǎn)品，該模具13的電 容可以提高，并且該傳感器元件11的靈敏度可以被增強(qiáng)。如果該模具13是 由硬的有機(jī)硅樹脂、聚氨酯樹脂、Septon樹脂等等制成的成形的產(chǎn)品，該模 具13的電容略微地降低。在這種情況下，該傳感器元件11的靈敏度降低， 但是該檢測(cè)范圍被擴(kuò)展。因此，該模具13具有電容(C)部件，并且起電容器 的作用，除了線圏形狀的碳纖維12的C部件之外，其提高總的電容。這擴(kuò)展 了在LCR諧振電路中電容的調(diào)整寬度。
由于該線圈形狀的碳纖維12具有螺旋形形狀，當(dāng)流過線圈形狀的碳纖維 12的該高頻信號(hào)變化時(shí)，該傳感器元件11的阻抗變化，其包括前面提到的L 部件、C部件和R部件的諧振電路，和該散布的線圈形狀的碳纖維12和模具 13的諧振電路網(wǎng)絡(luò)。因此，被檢測(cè)的物體24的接近可以基于阻抗的變化量 借助于波形檢測(cè)電路22檢測(cè)。該電感(L)部件指的是感應(yīng)系數(shù)，其是自感系 數(shù)或者互感應(yīng)系數(shù)，并且是電^f茲感應(yīng)特性的一個(gè)。該電容(C)部件指的是以電 荷對(duì)電勢(shì)(電壓)的比值表示的電容，并且是電磁感應(yīng)特性的一個(gè)。該電阻(R) 部件指的是電阻，并且是電^f茲感應(yīng)特性的一個(gè)。
一個(gè)優(yōu)選的線圈形狀的碳纖維12的例子是單螺旋線圈形狀的碳纖維12、 雙螺旋線圈形狀的碳纖維12、超彈性線圈和上述的線圈的混合。單螺旋線圏 形狀的碳纖維12是其中具有恒定布線直徑的纖維在單個(gè)繞組中以等螺距成 螺旋形延伸的線圈。最好是，單螺旋線圏形狀的碳纖維12具有0.1 (im至1 pm 的布線直徑，0.01 jum至50 jam的線圏直徑，0.01 pm至10 |am的線圈間距， 和O.l mm至10 mm的線圈長(zhǎng)度。從容易制造的的觀點(diǎn)看，最好是，該線圈 的直徑是0.1 至10 (am,并且該間距是在0.1 (am至10 (im之間。
雙螺旋線圈形狀的碳纖維12是空的和圓筒形線圏，其中兩個(gè)線圈被彼此
交替纏繞，并且沒有任何縫隙地彼此接觸。最好是，雙螺旋線圈形狀的碳纖
維12具有0.1 jum至1 jim的布線直徑，0.01 pm至50 |um的線圈直徑，大體 上與布線直徑(在纖維之間的縫隙大體上是零)相同的間距，和0.1 mm至10 mm的長(zhǎng)度。
超彈性線圈指的是隨著相對(duì)很大的線圈直徑和很小的布線直徑具有更大 的彈力的線圈。最好是，超彈性線圈具有5 pm至50 pm的線圈直徑，0,1 pm 至10 |_im的線圏間距，和0.3 mm至5 mm的線圈長(zhǎng)度。
該線圈形狀的碳纖維12的纏繞方向可以或者是圍繞該線圈的中心軸順 時(shí)針方向(向右旋的)或者是逆時(shí)針方向(向左旋的)。
該線圈形狀的碳纖維12可以隨機(jī)地在模具13中指向，或者在通過使用 諸如電場(chǎng)或者^t場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)的相同的方向指向。如果線圏形狀的碳纖維12在相同 的方向指向，LCR電路的功能可以在指向的方向上較高的水平實(shí)現(xiàn)，并且該 傳感器元件11可以獲得方向性。
雖然線圈形狀的碳纖維12可以由非晶體的碳纖維形成，該優(yōu)選的線圈形 狀的碳纖維12是具有結(jié)晶的石墨層的碳纖維，其是通過對(duì)非晶體的碳纖維加 工熱處理獲得的。在這種情況下，該線圏形狀的碳纖維12具有碳粒子，其在 石墨層中形成均勻地排成一行的碳纖維。這導(dǎo)致當(dāng)暴露于可變的電磁場(chǎng)時(shí)出 現(xiàn)的電阻變化變得顯著的，其隨后導(dǎo)致諧振特性變得顯著。因此，該傳感器 元件的檢測(cè)精度被改善，并且該敏感度提高。
散布在模具13中的線圈形狀的碳纖維12的數(shù)量按重量計(jì)算最好是以1 至20%。如果該線圈形狀的碳纖維12的含量按重量計(jì)算低于1%,該接近和 接觸傳感器10的敏感度基于該線圈形狀的碳纖維12趨向于降低。如果該線 圏形狀的碳纖維12的含量按重量計(jì)算超過20%,該傳感器元件11可以變得 堅(jiān)硬，該傳感器元件11的敏感度可以降低，并且該傳感器元件11的可塑性 趨向于變得很差。
以下是用于在模具13中散布線圈形狀的碳纖維12的方法的例子。
(1) 一個(gè)方法包括將線圈形狀的碳纖維12增添給模具13的原始材料(最好 是液態(tài))，均勻地?cái)嚢韬蜕⒉季€圈形狀的碳纖維12,去除泡沫，鑄成鑄模，加 壓，冷卻和凝固。當(dāng)使用有機(jī)硅樹脂等等用于模具13的原始材料時(shí)，這個(gè)方 法是最適宜的。
(2) 另一個(gè)方法包括將增塑劑增添給模具13的顆粒，加熱和熔化該顆粒，
增加線圈形狀的碳纖維12,均勻地?cái)嚢韬蜕⒉季€圈形狀的碳纖維12,鑄成該 鑄模，加壓，冷卻和凝固。
(3)另一個(gè)方法包括加熱和熔化該模具13,增加線圈形狀的碳纖維12,均 勻地?cái)嚢韬蜕⒉季€圈形狀的碳纖維12,鑄成該鑄模，加壓，冷卻和凝固。
該高頻振蕩電路19最好是輸出具有在50 kHz至1 MHz范圍內(nèi)的頻率的 高頻信號(hào)。從該傳感器元件11的敏感度和穩(wěn)定度的觀點(diǎn)看，該高頻信號(hào)的頻 率最好是在100和800 kHz之間。如果該高頻信號(hào)的頻率低于50 kHz,噪聲 的產(chǎn)生可以提高，并且該檢測(cè)趨向于變得不穩(wěn)定。如果該高頻信號(hào)的頻率超 過lMHz,該輸出信號(hào)可以變得弱，并且該敏感度趨向于降低。
代替活體，諸如手，該接近和接觸傳感器10的^皮;險(xiǎn)測(cè)的物體24可以是 金屬、陶器或者樹脂。由于活體的表面是帶電的，當(dāng)該活體接近該傳感器元 件ll時(shí)，該線圈形狀的碳纖維12的LCR諧振電路的功能被增強(qiáng)，并且該接 近和接觸傳感器10的檢測(cè)靈敏度提高?；铙w的例子(或者活體的一部分)是手、 臂、臉和腿。
在第一實(shí)施例中的該接近和接觸傳感器10的操作描述如下。
高頻信號(hào)通過該高頻振蕩電路19被施加于該傳感器元件11。被檢測(cè)的 物體24在這個(gè)狀態(tài)下接近該傳感器元件11。在傳感器元件11的每個(gè)線圈形 狀的碳纖維12具有固有的L部件、C部件和R部件，并且形成LCR諧振電 路。此外，該散布的線圏形狀的碳纖維12在該模具13中構(gòu)成諧振電路網(wǎng)絡(luò)。 當(dāng)在被^r測(cè)的物體24和傳感器11 (其中兩者都具有不同的固有阻抗)之間 的距離變短時(shí)，由于在傳感器元件11中的LCR諧振電路和諧振電路網(wǎng)絡(luò)， 該傳感器元件11的阻抗改變。
傳感器元件11的阻抗的變化導(dǎo)致高頻信號(hào)Sl(電壓、相位等等)的變化。 變化量由該放大電路20放大。該放大的信號(hào)S2a被提供給波形檢測(cè)電路22。 該高頻振蕩電路19將高頻信號(hào)Sl提供給相位調(diào)整電路21以及傳感器元件 11。該相位調(diào)整電路21將相位調(diào)整的高頻信號(hào)提供給該波形檢測(cè)電路22。 該波形檢測(cè)電路22將放大的信號(hào)S2a與作為基準(zhǔn)的相位調(diào)整的高頻信號(hào)Sla 比較，并且產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)S3,以及提供給輸出電路23。來自該輸出電路23 的輸出信號(hào)被作為適宜的波形顯示在示波器的屏幕上，用于目視識(shí)別，該示 波器起處理器18的作用。
用于#:檢測(cè)的特定的物體24的該輸出信號(hào)的固有變化(顯示為輸出波形 (彎曲的形狀))被預(yù)先測(cè)量，以建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫，使得當(dāng)被檢測(cè)的物體24相對(duì) 于傳感器元件11的接近速度或者距離變化時(shí)，從該輸出波形中可以確定接近 速度和距離。固有輸出波形可以被預(yù)先測(cè)量以建立一個(gè)用于被檢測(cè)的各種各
樣的物體24諸如有生命的物體(手掌)，或者無生命的物體(鋼板)的數(shù)據(jù)庫， 使得該接近速度、距離和被檢測(cè)的物體24的實(shí)質(zhì)可以基于檢測(cè)的波形和數(shù)據(jù) 庫確定。
第一實(shí)施例具有如下所述的優(yōu)點(diǎn)。
在第一實(shí)施例的接近和接觸傳感器10中，該線圈形狀的碳纖維12被散 布在該模具13中以形成該傳感器元件11。該線圈形狀的碳纖維12基于該線 圈的形狀起具有L部件、C部件和R部件的LCR諧振電路的作用，并且該線 圈形狀的碳纖維12和模具13產(chǎn)生諧振電路網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)電極14電連接到該傳 感器元件11,并且該高頻振蕩電路19和波形;險(xiǎn)測(cè)電路22被連接在電極14 之間。
因此，當(dāng)被檢測(cè)的物體24接近于被施加高頻信號(hào)的該傳感器元件11時(shí)， 該LCR諧振電路和諧振電路網(wǎng)絡(luò)影響以改變傳感器元件11的阻抗。這個(gè)阻 抗改變導(dǎo)致高頻信號(hào)的變化，并且該高頻信號(hào)變化由波形檢測(cè)電路22檢測(cè)。
更加穩(wěn)固的，在常規(guī)的接近傳感器中檢測(cè)是僅僅基于該電容部件執(zhí)行的。
基于由被檢測(cè)的物體24接近于傳感器元件11所引起的連續(xù)的阻抗變化， 可以實(shí)現(xiàn)接近速度等等數(shù)量上的檢測(cè)、和被檢測(cè)的物體24的材料的識(shí)別。因 此，該接近和接觸傳感器10最適宜供用于診斷或者治療的醫(yī)療設(shè)備的領(lǐng)域 中，或者類似機(jī)器人的其它領(lǐng)域中使用。
當(dāng)模具13中的該線圏形狀的碳纖維12的數(shù)量以重量百分?jǐn)?shù)是在1至20% 的范圍之內(nèi)時(shí)，該接近和接觸傳感器IO的性能充分地得出。
當(dāng)由高頻振蕩電路19產(chǎn)生的高頻信號(hào)的頻率是在100至800 kHz的范圍 之內(nèi)時(shí)，有效地得出該接近和接觸傳感器10的效果。
當(dāng)被檢測(cè)的物體24接觸該傳感器元件11時(shí)，該接近和觸覺傳感器10示 出一個(gè)不同于當(dāng)被檢測(cè)的物體24接近時(shí)的輸出信號(hào)。因此，該接近和接觸傳 感器10起接近和接觸傳感器的作用，其不僅檢測(cè)被檢測(cè)的物體24的接近， 而且檢測(cè)被檢測(cè)的物體24的接觸。通過使用彈性地可變形的材料，諸如包括 有機(jī)硅樹脂的彈性聚合物，該有機(jī)硅樹脂具有用于模具13的彈力，除了被檢
測(cè)的物體24的接近和接觸之外，該接近和接觸傳感器10檢測(cè)由被檢測(cè)的物
體24施加于接近和接觸傳感器10的壓力數(shù)值。彈性聚合物的使用防止或者 減少可能由在被檢測(cè)的物體24以及接近和接觸傳感器IO之間的碰撞所引起 的損壞。
如果被檢測(cè)的物體24是活體，可以通過出現(xiàn)于活體表面的電荷來提高該 檢測(cè)靈敏度，并且精確地檢測(cè)活體的接近。 這些例子以下詳細(xì)地描述。 (例子1)
準(zhǔn)備了四個(gè)平面?zhèn)鞲衅髟?1。它們每個(gè)具有95 mm的長(zhǎng)度、95 mm的 寬度和2 mm的厚度。兩個(gè)電極14被附著在每個(gè)傳感器元件11的底面上。 每個(gè)傳感器元件11的模具13是用起彈性樹脂作用的有機(jī)硅樹脂(由Shin-Etsu 化學(xué)制品有限公司制造的KE103, JIS A硬度18)制成的。該線圈形狀的碳纖 維12的形狀是具有0.5 jim至1 nm的布線直徑、5 |am至10 的線圈直徑、 大體上與布線直徑(在纖維之間的縫隙大體上是零)相同的線圈間距、和150
iam至300 pm的線圈長(zhǎng)度的雙螺旋類型。四個(gè)傳感器元件11的每個(gè)具有按重 量計(jì)算1%、按重量計(jì)算5%、按重量計(jì)算10%和按重量計(jì)算20%的該線圈形 狀的碳纖維12的不同的含量。在圖5中，該橫軸表示在傳感器元件11和物 體24之間的距離，并且該縱軸表示輸出電壓。圖5示出用于該線圈形狀的碳 纖維12的不同的含量的四條曲線。
銅電極被用于兩個(gè)電極14。由高頻振蕩電路19、波形檢測(cè)電路22和其 它構(gòu)成的檢測(cè)電路16利用第一連接線15連接到電極14,并且起處理器18 作用的數(shù)字示波器利用第二連接線17連接到檢測(cè)電路16。 200kHz的高頻信 號(hào)通過該高頻振蕩電路19被施加于該傳感器元件11。該接近和接觸傳感器 l(M皮以這種結(jié)構(gòu)形成。
作為被檢測(cè)的物體24,人的手掌被放置在傳感器元件11之上的8cm處。 當(dāng)該手掌接近傳感器元件11時(shí)，測(cè)量輸出電壓的變化。該結(jié)果在圖5中示出。 如圖5所示，當(dāng)在傳感器元件11中的線圏形狀的碳纖維12的含量提高時(shí)， 輸出電壓(V)趨向于提高。但是，當(dāng)線圈形狀的碳纖維12的含量按重量計(jì)算 是10%時(shí)，該輸出電壓是最高的，也就是說，該^:感度是最高的。此外，當(dāng) 手掌觸摸傳感器元件lla時(shí)和之后，獲得相同的或者比接近時(shí)間更高的速度 的輸出電壓。因此，很顯然，該傳感器IO可以不僅檢測(cè)接近，而且可以檢測(cè) 接觸。
(例子2)
在例子1中，該線圈形狀的碳纖維12的含量按重量計(jì)算保持在20%上， 并且該高頻信號(hào)的不同頻率50 kHz、 100kHz、 200 kHz、 400 kHz、 600 kHz 和800 kHz由高頻振蕩電路19施加給傳感器元件11。其它的部分與例子1 是相同的，并且當(dāng)朝向傳感器元件11移動(dòng)該手掌時(shí)，輸出電壓的變化被測(cè)量。 該結(jié)果在圖6中示出。如從在圖6中示出的結(jié)果中清晰可見的，當(dāng)高頻信號(hào) 的頻率是800kHz時(shí)，當(dāng)該手掌接近傳感器元件11時(shí)，輸出電壓的變化是很 小的，并且該檢測(cè)靈敏度是低的，但是，該手掌的接近仍然被^r測(cè)。當(dāng)頻率 降低時(shí)，輸出電壓的變化提高，并且該檢測(cè)靈敏度趨向于提高。但是，當(dāng)高 頻信號(hào)的頻率變?yōu)?0kHz時(shí)，噪聲提高，并且在該輸出波形中出現(xiàn)干擾。因 此，該高頻信號(hào)的頻率最好是在100至800kHz的范圍內(nèi)。
(例子3)
在例子1中，用于該傳感器元件11的該線圏形狀的碳纖維12的含量按 重量計(jì)算被保持在5%上。由高頻振蕩電路19施加于傳感器元件11的該高頻 信號(hào)的頻率被保持在200kHz上。聚丙烯樹脂用作傳感器元件11的模具13。 并且其它的部分與例子1是相同的，當(dāng)朝向傳感器元件11移動(dòng)該手掌時(shí)，輸 出電壓的變化被測(cè)量。該結(jié)果在圖7中示出。如圖7所示，對(duì)于聚丙烯樹脂， 與有機(jī)硅樹脂相比較，該輸出電壓是略微地低的。但是，被檢測(cè)的該物體24 的接近被充分地檢測(cè)。
從圖7中顯而易見，被檢測(cè)的物體24與傳感器元件11的接觸可以被檢 測(cè)，或者模具13是一個(gè)彈性地可變形的材料，諸如具有出眾的彈力的有機(jī)硅 樹脂，或者非彈性地可變形的材料，諸如聚丙烯樹脂。
具體地，如果模具13的材料是具有出眾的彈力的彈性地可變形的材料， 諸如有機(jī)硅樹脂，該輸出信號(hào)的波形在被檢測(cè)的物體24和傳感器元件11之 間的接觸時(shí)刻上突然地變化。因此，可以從波形的這個(gè)突然的變化中4全測(cè)到 被檢測(cè)的物體24與傳感器元件11的接觸。此外，可以基于輸出信號(hào)的電平(如 果被檢測(cè)的物體24的物質(zhì)是已知的)檢測(cè)被檢測(cè)的物體24與傳感器元件11 的接觸。當(dāng)該模具13是由彈性地可變形的材料形成時(shí)，由于由被檢測(cè)的物體 24施加的機(jī)械外力，上述的輸出信號(hào)的波形的突然變化推測(cè)是主要地由線圈 形狀的碳纖維12的彈性變形所引起的。該線圈形狀的碳纖維12的彈性變形
改變線圈形狀(長(zhǎng)度、直徑、纏繞密度)，和在線圈形狀的碳纖維12之間的距
離。因此，每個(gè)線圈形狀的碳纖維12的LCR部件和諧振電路網(wǎng)絡(luò)的C部件 改變，并且該傳感器元件11的阻抗改變。應(yīng)該明白，當(dāng)輸出信號(hào)的波形的變 化時(shí)，可以觀察到這些。在使用由彈性地可變形的材料制成的模具13的接近 和接觸傳感器中，當(dāng)一皮檢測(cè)的物體24正在接觸傳感器元件11時(shí)，由被沖全測(cè) 的物體24施加的接觸壓力相對(duì)容易從該輸出信號(hào)中檢測(cè)到。
如果該模具13是用非彈性地可變形的材料，諸如聚丙烯樹脂制成的，在 被檢測(cè)的物體24和傳感器元件11之間的接觸時(shí)刻上在輸出信號(hào)的電平中出 現(xiàn)干擾(連續(xù)的激增和激跌)。此外，在被檢測(cè)的物體24保持接觸傳感器元件 ll期間，在輸出信號(hào)電平中的干擾繼續(xù)。當(dāng)在輸出信號(hào)電平中出現(xiàn)干擾時(shí)， 檢測(cè)到被檢測(cè)的物體24與傳感器元件11的接觸。當(dāng)該模具13是用非彈性地 可變形的材料制成時(shí)，仍然不知曉在輸出信號(hào)電平中干擾的原因。假設(shè)由被 檢測(cè)的物體24施加的機(jī)械外力產(chǎn)生的模具13的內(nèi)應(yīng)力影響模具13和線圈形 狀的碳纖維12的C部件。
(例子4)
在例子1中，用于該傳感器元件11的該線圏形狀的碳纖維12的含量按 重量計(jì)算被保持在20%上。由高頻振蕩電路19施加于傳感器元件11的該高 頻信號(hào)的頻率祐:保持在200 kHz上。^皮^r測(cè)的物體24的四個(gè)類型的物質(zhì)，即， 聚丙烯樹脂板、鋁板、鋼板和陶瓷板被使用。并且其它的部分與例子1是相 同的，當(dāng)朝向傳感器元件11移動(dòng)被檢測(cè)的物體24時(shí)，輸出電壓的變化被測(cè) 量。該結(jié)果在圖8中示出。如圖8所示，對(duì)于在例子l中的手掌，輸出電壓 的變化是最大的，接著以鋼板、鋁板、陶瓷板和聚丙烯樹脂板的順序。從該 結(jié)果中顯而易見，可以以更高的敏感度檢測(cè)具有帶電的表面或者用導(dǎo)電材料 制成的被檢測(cè)的物體24。由于其表面是帶電的，手掌被認(rèn)為是具有最高的敏 感度。
(例子5，接近速度的測(cè)量)
當(dāng)在例子4中使用手掌作為被檢測(cè)的物體24時(shí)，接近速度參考圖9描述。 在手掌和傳感器元件11的表面之間的距離最初地被設(shè)置為9cm(90 mm, 輸出電壓OV)。在其達(dá)到在傳感器元件11之上1 cm(10 mm，輸出電壓3V) 之前，朝向該傳感器元件11移動(dòng)手掌80mm。在圖9中，該輸出波形l是當(dāng) 手掌以10mm/秒速度朝向傳感器元件11移動(dòng)時(shí)獲得的曲線。該輸出電壓在8
秒之后達(dá)到3V。圖9的輸出波形2是當(dāng)以不同的速度朝向傳感器元件11移 動(dòng)手掌時(shí)獲得的曲線。由于從當(dāng)開始接近移動(dòng)時(shí)開始在4秒之后輸出電壓達(dá) 到3V，該4妄近速度是20 mm/秒(80/4 = 20)。
(例子6，在活體和無生命的物體之間的區(qū)別)
在例子4中，當(dāng)在被檢測(cè)的物體24和傳感器元件11之間的距離是預(yù)定 值時(shí)，可以通過使用輸出電壓作為基準(zhǔn)區(qū)別被檢測(cè)的物體24的實(shí)質(zhì)(例如， 活體(手掌)和無生命的物體(鋼板、鋁板、陶瓷板和聚丙烯樹脂板))。換句話說， 當(dāng)在被檢測(cè)的物體24和傳感器元件ll之間的距離是lcm時(shí)，如果該輸出電 壓大于或等于2.5V(由在圖8中的雙虛線表示的位置)，其確定一皮檢測(cè)的物體 24是活體，并且如果該輸出電壓小于2.5V,被檢測(cè)的物體24是無生命的物 體。取決于被檢測(cè)的物體24的材料，用作基準(zhǔn)的該輸出電壓可以適當(dāng)?shù)馗淖儭?br> 按照本發(fā)明第二實(shí)施例的物體檢測(cè)傳感器100的討論集中在與第一實(shí)施 例的差別上。
如圖IO所示，該物體檢測(cè)傳感器IOO在傳感器元件lla的結(jié)構(gòu)上不同于 第一實(shí)施例。該電極14和電極14的連接部分以及第一連接線15最好是被覆 蓋和絕緣。
除了在第一實(shí)施例中描述的優(yōu)選的材料之外，彈性體可用于形成第二實(shí) 施例的模具13。
在第二實(shí)施例中， 一個(gè)具有1 nm至1 nm的布線直徑，1 nm至100 (im 的線圈直徑，1 nm至100 jum的螺旋形線圈間距，和100 |iim至10 mm的線 圏長(zhǎng)度的螺旋形線圈形狀的碳纖維12是優(yōu)選的。從制造容易的觀點(diǎn)看，進(jìn)一 步最好是，該線圈直徑是l nm至10 )^m,并且該螺旋形間距是10nm至10 pm。 最好是，該線圏長(zhǎng)度小于或等于150 (am以確保在該模具13中的分散性。
在第二實(shí)施例中，具有0.1 jim至1 )am的布線直徑，0.01m至50iim的 直徑，幾乎是零的螺旋形間距，和O.l mm至10 mm的線圈長(zhǎng)度的雙螺旋形 線圈形狀的碳纖維12是優(yōu)選的。
在第二實(shí)施例中，具有5 iam至100 iam的線圈直徑，0.1 |im至10 pm的 線圈間距，和0.3 mm至5 mm的線圈長(zhǎng)度的超彈性線圏是優(yōu)選的。
在第二實(shí)施例中，除了具有螺旋形纏繞結(jié)構(gòu)的碳纖維之外，簡(jiǎn)單地纏繞 或者彎曲的碳纖維可以用作該線圈形狀的碳纖維12。該螺旋形纏繞的線圈形 狀的碳纖維12的纏繞方向可以是圍繞該線圈軸的順時(shí)針方向(向右旋的)或者
是逆時(shí)針方向(向左旋的)。該簡(jiǎn)單地纏繞或者彎曲的線圈形狀的碳纖維12的 旋的)。
許多的氣孔13a(參見圖ll)(其起空白部分的作用)或者一個(gè)或多個(gè)空腔 31和31a(參見圖12和13)(其起空白部分的作用)^皮形成在該模具13中。 該氣孔13a和空腔31和31a增強(qiáng)該模具13的可變形性。該模具13的增強(qiáng)的 可變形性提高在該模具13中的線圏形狀的碳纖維12的彈性可變形性。取決 于該線圈形狀的碳纖維s12的彈性變形，該線圈形狀的碳纖維12的L部件、 C部件和R部件的至少一個(gè)改變。因此，該傳感器元件lla的阻抗比相對(duì)于 施加于傳感器元件lla的壓力的變化沒有氣孔或者空腔的傳感器元件更多地 變化。因此，在該模具13中的氣孔13a或者空腔31和31a大大地有助于改 善該傳感器元件lla的檢測(cè)靈敏度。
用于制造傳感器元件lla的方法的例子描述如下。
(a) 當(dāng)以熱塑性樹脂形成該模具13時(shí)，被增加給該模具的該線圏形狀的碳 纖維12被攪拌，其處于熔化狀態(tài)，以均勻地散布該線圈形狀的碳纖維12， 并且然后在鑄模中被壓模。
(b) 當(dāng)以 一次液體硫化類型或者二次液體硫化類型的熱固性樹脂形成該模 具13時(shí)，在處理之前該線圈形狀的碳纖維12被增加給該樹脂，被攪拌以均 勻地散布線圈形狀的碳纖維12,并且然后在鑄模中被鑄模。
用于制造包括氣孔13a或者空腔31、 31a的模具13的方法的例子被描述 如下。
(a) 如圖ll所示，二種液體可起泡沫的樹脂被鑄模在鑄模30中。這形成 具有許多的氣孔13a的該模具13。
(b) 樹脂在該鑄模30中被熔化，并且該熔化的樹脂被減壓。這使熔化的樹 脂排氣，并且在該鑄模模具13中形成許多的氣孔13a。
(c) 多個(gè)桿狀的核心(未示出)被設(shè)置在鑄模30中，以例如形成多個(gè)并行信 道(空腔)31，其^f皮對(duì)于該才莫具13的側(cè)面的一個(gè)敞開。該空腔31的開口端可以 被關(guān)閉或者保留開放。由與模具13相同的材料形成的板形狀的蓋子(未示出) 附著在該鑄模的模具的側(cè)面上，其中該空腔31接近該空腔31的開口端。在 這種情況下，多個(gè)封閉的空腔31被形成在該傳感器元件lla中。
(d) 樹脂在該鑄模30中被熔化?？諝獗粡蔫T模30外面通過注射器、恒定
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速率氣泵等等(未示出)注入到熔化的樹脂中。在這種情況下，層狀的空腔31a 被形成在該模具13中，并且具有凹部的模具13被獲得，如圖13所示。該層 狀的空腔3 la可以通過在鑄模處理期間在鑄模30中設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)層狀的 核心形成。
其它的部分，諸如該檢測(cè)電路16的結(jié)構(gòu)、傳感器元件lla的等效電路、 線圈形狀的碳纖維12的數(shù)量等等如在第一實(shí)施例中描述的那樣。 第二實(shí)施例的傳感器100的操作將描述如下。
如圖14所示，該傳感器元件lla被放置在貯水池32的底部，該貯水池 32包含起流體介質(zhì)作用的水。當(dāng)高頻信號(hào)Sl被從檢測(cè)電路16施加于傳感器 元件lla時(shí)，該傳感器元件lla產(chǎn)生達(dá)到水面以上位置的AC電磁場(chǎng)。如果被 檢測(cè)的物體24在AC電磁場(chǎng)的范圍之內(nèi)，則該傳感器元件11a和被^r測(cè)的物 體24形成一個(gè)諧振電路。在這種情況下，該檢測(cè)電路16輸出具有對(duì)應(yīng)于諧 振電路的阻抗的電壓的檢測(cè)信號(hào)S3。
當(dāng)被檢測(cè)的物體24接近貯水池32的水面時(shí)，包括傳感器元件lla和被 檢測(cè)的物體24的諧振電路的阻抗連續(xù)地變化。如圖15所示，取決于被檢測(cè) 的物體24和水面之間的距離，該檢測(cè)電路16的檢測(cè)信號(hào)S3的電壓連續(xù)地變 化。取決于被檢測(cè)的物體24的阻抗，檢測(cè)信號(hào)S3的變化是固有的。因此， 當(dāng)被檢測(cè)的物體24接近該水面時(shí)，檢測(cè)信號(hào)S3的變化和該物體離水面的距 離之間的關(guān)系被預(yù)先測(cè)量以建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫。通過使用這個(gè)數(shù)據(jù)庫，可以基 于檢測(cè)信號(hào)S3的變化來檢測(cè)被檢測(cè)的物體24到水面的接近。
當(dāng)被檢測(cè)的物體24接觸水面時(shí)，在包括傳感器元件11a和被^r測(cè)的物體 24的諧振電路中的阻抗突然地變化。如圖15所示，該檢測(cè)信號(hào)S3的電壓突 然地變化。因此，可以基于檢測(cè)信號(hào)S3的變化來檢測(cè)被檢測(cè)的物體24與水 面的4妾觸。
在圖16中，當(dāng)被檢測(cè)的物體24循環(huán)地在貯水池32的水中移動(dòng)時(shí)，如圖 18所示，范圍A示出檢測(cè)信號(hào)S3的變化。圖17是范圍A的放大圖。當(dāng)被 檢測(cè)的物體24循環(huán)地在水中移動(dòng)時(shí)，被檢測(cè)的物體24和傳感器元件lla之 間的電容隨著它們之間的距離變化而周期地變化。此外，被4企測(cè)的物體24的 移動(dòng)循環(huán)地改變施加于該傳感器元件lla的壓力。該模具13和線圏形狀的碳 纖維12通過壓力的循環(huán)性的變化而循環(huán)地變形。因此，在包括傳感器元件 11a和一皮檢測(cè)的物體24的諧振電路中的阻抗循環(huán)地改變，并且該檢測(cè)信號(hào)S3
的電壓循環(huán)地改變。
由于該模具13的氣孔13a和空腔31、 31a，除了該模具13之外，該線圈 形狀的碳纖維12變得更容易變形。這增強(qiáng)了傳感器100在水中相對(duì)于施加于 傳感器元件lla的壓力的敏感度和響應(yīng)度。因此，可以基于檢測(cè)信號(hào)S3的變 化令人滿意地檢測(cè)被檢測(cè)的物體24在水中的行為。
如圖19所示，當(dāng)被^r測(cè)的物體24與傳感器元件lla在水中接觸時(shí)，取 決于由被檢測(cè)的物體24施加于傳感器元件lla的壓力的級(jí)別，在包括傳感器 元件11a和被檢測(cè)的物體24的諧振電路中的阻抗突然地改變。如圖16所示， 在范圍B中，取決于由被^:測(cè)的物體24施加于該傳感器元件lla的壓力的級(jí) 別，該檢測(cè)信號(hào)S3的電壓大大地改變。因此，可以基于檢測(cè)信號(hào)S3的變化 來檢測(cè)被檢測(cè)的物體24與該傳感器元件lla的接觸。
圖20示出當(dāng)壓力在水中施加于第二實(shí)施例的傳感器元件lla時(shí)，在模具 13內(nèi)部具有氣孔13a和沒有氣孔的傳感器元件之間的響應(yīng)信號(hào)的比較。從圖 20中顯而易見，在模具13中形成的氣孔13a相對(duì)于該壓力猛烈地增強(qiáng)敏感度。
如上所述，由于該傳感器元件的可變形性通過氣孔13a以及空腔31和31a 而提高，因此可以以高靈敏度檢測(cè)經(jīng)由流體介質(zhì)間接地施加于傳感器元件lla 的壓力，或者通過直接接觸施加的壓力。
該物體檢測(cè)傳感器100的一個(gè)應(yīng)用例子被描述如下。
在圖21的例子中，該物體檢測(cè)傳感器100的傳感器元件lla被設(shè)置在浴 缸40的底部或者側(cè)壁上。該物體檢測(cè)傳感器IOO在無接觸條件下檢測(cè)需要照 料的人員41的行為，諸如年長(zhǎng)者的照料或者護(hù)理。該行為包括進(jìn)入和離開浴 缸40的移動(dòng)，或者在浴缸40中的移動(dòng)。該物體檢測(cè)傳感器IOO通過人員與 傳感器元件lla的直接接觸檢測(cè)需要照料的人員41是否在該浴缸40中。因 此，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控浴缸條件和需要照料的人員41的行為。
在圖22的例子中，該物體檢測(cè)傳感器100的傳感器元件lla被設(shè)置在動(dòng) 物園的水池42中。該物體4企測(cè)傳感器100在無接觸條件下4企測(cè)動(dòng)物43進(jìn)入 或者離開水池42的移動(dòng)，或者動(dòng)物43在水池42中的位置。該物體4全測(cè)傳感 器100借助于直接接觸檢測(cè)動(dòng)物43是否處于該水池42中。因此，動(dòng)物43的 狀態(tài)可以被遠(yuǎn)程監(jiān)控。
在圖23的例子中，物體檢測(cè)傳感器100的多個(gè)傳感器元件lla被設(shè)置在 電鍍生產(chǎn)線的電鍍槽44中。該物體檢測(cè)傳感器IOO在非接觸的條件下檢測(cè)加
工件45進(jìn)入和離開電鍍槽44的移動(dòng)，或者加工件45在電鍍槽44中的4亍為。 當(dāng)該加工件45從懸掛夾具46落下并且沉到底部時(shí)，該物體檢測(cè)傳感器100 通過設(shè)置在電鍍槽44的底部上的傳感器元件lla檢測(cè)加工件45在電鍍槽44 底部上的接觸。因此，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控該加工件45的電鍍處理。 第二實(shí)施例具有如下所述的優(yōu)點(diǎn)。
(1) 起LCR諧振電路作用的該線圏形狀的碳纖維12被散布在模具13(是介 質(zhì)材料)中，以形成該傳感器元件lla。氣孔13a或者空腔31和31a由模具13 制造，其允許傳感器元件lla容易地變形。因此，該傳感器元件lla通過壓 力容易地、彈性地變形，并且傳感器元件lla的阻抗的變化量相對(duì)于壓力的 變化變得很大。因此，當(dāng)該傳感器元件lla被放置在流體介質(zhì)中時(shí)，敏感度 相對(duì)于經(jīng)由流體介質(zhì)傳送給傳感器元件lla的壓力的變化增強(qiáng)。此外，對(duì)于 由被檢測(cè)的物體24直接接觸于傳感器元件lla施加的壓力的敏感度也被增 強(qiáng)。因此，如果該傳感器元件lla被放置在流體介質(zhì)中，被檢測(cè)的物體24與 流體介質(zhì)的表面的接近和接觸、和被檢測(cè)的物體24在流體介質(zhì)中的行為被借 助于高的靈敏度檢測(cè)。此外，檢測(cè)被檢測(cè)的物體24與傳感器元件lla在流體 介質(zhì)中的接觸。
(2) 在該模具13的原料被處理起泡沫期間產(chǎn)生許多的氣孔，并且該傳感器 元件lla的可變形性通過許多的氣孔13a被增強(qiáng)。因此，在模鑄該傳感器元 件lla之后，不需要用于形成空腔的加工。這改善該傳感器元件lla的生產(chǎn) 力。
(3) 當(dāng)鑄造傳感器元件lla時(shí)，該空腔31、 31a一皮使用在該鑄模中的一個(gè) 或多個(gè)核心形成。因此，在模鑄該傳感器元件lla之后，不需要產(chǎn)生空腔31、 31a的加工。這改善該傳感器元件lla的生產(chǎn)力。金屬鑄?？梢援a(chǎn)生用于空腔 31、31a的多樣的形狀。這以有效和控制方式提高傳感器元件lla的可變形性。
第一實(shí)施例和第二實(shí)施例可以如下所述修改。
金、銅等的金屬薄膜可以形成在線圈形狀的碳纖維12的表面上以增強(qiáng)導(dǎo) 電性。在這種情況下，該傳感器元件11的敏感度和穩(wěn)定度可以被改善。
在該模具13中，除了線圈形狀的碳纖維12之外，蒸汽生長(zhǎng)纖維(VGCF)、 石墨納纖維、炭粉、金屬粉末、電介質(zhì)粉末、壓電粉末等等可以混合。
具有不同硬度等的樹脂可以混合以調(diào)節(jié)物理性能，諸如該模具13的硬度。
單螺旋線圈形狀的碳纖維12和雙螺旋形線圈形狀的碳纖維12可以被混
合，并且用作該線圈形狀的碳纖維12。
該輸出電壓值的正和反屬性當(dāng)然可以被反轉(zhuǎn)，或者該輸出可以是電流， 而不是電壓。上述的改變可以容易地由那些熟練的制造商進(jìn)行。
起被檢測(cè)的物體24作用的活體可以是動(dòng)物，諸如狗或者貓，而不是人類。 在第二實(shí)施例中，該模具13可以包括氣孔13a、空腔31和空腔31a中的 至少兩個(gè)。當(dāng)形成該模具13時(shí)，通過當(dāng)鑄造該傳感器元件lla時(shí)使用一個(gè)或 多個(gè)核心或者注入空氣，該氣孔13a可以被與空腔31和/或31a的形成同時(shí)地 起泡沫。在這種情況下，該傳感器元件11變得可容易地變形，并且該纟企測(cè)靈 敏度被改善。
第二實(shí)施例的傳感器元件lla可以在物體檢測(cè)傳感器中使用，用于檢測(cè) 動(dòng)物園、水族館等中的動(dòng)物接近水面或者其在水中的行為。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)物體的接近和接觸的傳感器，該傳感器包括:包括模具和散布在模具中的線圈形狀的碳纖維的傳感器元件，該線圈形狀的碳纖維具有取決于線圈形狀的碳纖維的線圈形狀的電感部件、電容部件和電阻部件，并且該線圈形狀的纖維起LCR諧振電路的作用；電連接到傳感器元件的一對(duì)電極；連接在所述一對(duì)電極之間的高頻振蕩電路；和用于檢測(cè)由LCR諧振電路改變的信號(hào)的波形檢測(cè)電路。
2. —種用于檢測(cè)物體的接近和接觸的傳感器，該傳感器包括 包括彈性地可變形的模具和散布在模具中的多個(gè)彈性地可變形的線圈形狀碳纖維的傳感器元件，該傳感器元件具有取決于模具和線圈形狀的碳纖維 的彈性變形而變化的阻抗；和連接到傳感器元件的檢測(cè)電路，該檢測(cè)電路包括電連接到傳感器元件的第 一 電極和第二電極；高頻振蕩電路，用于經(jīng)由第一電極提供高頻信號(hào)給傳感器元件；和波形檢測(cè)電路，用于經(jīng)由第二電極接收傳感器元件的輸出信號(hào)，并且產(chǎn) 生 一個(gè)取決于當(dāng)物體接近時(shí)發(fā)生的傳感器元件的阻抗的變化的檢測(cè)信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其中線圈形狀的碳纖維以按重量 1%至20%的量包含在模具中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的傳感器，其中高頻振蕩電路以 100至800 kHz的頻率產(chǎn)生和輸出高頻信號(hào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的傳感器，其中模具是具有彈性的 聚合物的成形產(chǎn)品。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的傳感器，其中傳感器檢測(cè)生物體 的接近。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的傳感器，其中線圈形狀的碳纖維 是單螺旋線圈形狀的碳纖維、或者雙螺旋線圈形狀的碳纖維。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的傳感器，其中波形檢測(cè)電路比較基準(zhǔn)高頻信號(hào) 和傳感器元件的輸出信號(hào)以產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于比較結(jié)果的檢測(cè)信號(hào)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的傳感器，進(jìn)一步包括 連接在高頻振蕩電路和波形檢測(cè)電路之間的相位調(diào)整電路，并且相位調(diào) 整電路調(diào)整高頻信號(hào)的相位以產(chǎn)生相位調(diào)整的高頻信號(hào)，和給波形檢測(cè)電路 提供作為基準(zhǔn)高頻信號(hào)的相位調(diào)整的高頻信號(hào)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2的傳感器，進(jìn)一步包括連接到波形檢測(cè)電路的處理器，用于處理波形檢測(cè)電路的輸出信號(hào)，其 中處理器包括記錄對(duì)于各個(gè)物體的波形檢測(cè)電路的輸出信號(hào)的固有變化的數(shù) 據(jù)庫，并且處理器參照波形檢測(cè)電路的輸出信號(hào)和數(shù)據(jù)庫以確定物體的實(shí)質(zhì)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的傳感器，進(jìn)一步包括輸出電路，用于輸出當(dāng)物體接近傳感器元件時(shí)提高的電壓輸出信號(hào)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的傳感器，進(jìn)一步包括 輸出電路，用于輸出當(dāng)物體接觸傳感器元件時(shí)和當(dāng)物體接近傳感器元件時(shí)而不同的輸出信號(hào)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的傳感器，其中該傳感器元件的 模具包括空間部分，使得傳感器元件容易地變形。
14. 一種傳感器元件，包括模具；散布在模具中的線圈形狀的碳纖維，該線圈形狀的碳纖維具有取決于線 圈形狀的碳纖維的線圈形狀的電感部件、電容部件和電阻部件，并且該線圏形狀的纖維起LCR諧振電路的作用；和形成在模具中的空間部分，使得傳感器元件容易地變形。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的傳感器元件，其中空間部分是通過對(duì)模具的材料 起泡形成的。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14的傳感器元件，其中空間部分是通過用作供鑄造傳 感器元件的鑄模部分的一個(gè)或多個(gè)核心形成的。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14的傳感器元件，其中模具是能滲透的，并且空間部 分包括能滲透的模具的氣孔。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14的傳感器元件，其中空間部分包括形成在模具中的 多個(gè)平行通道。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14的傳感器元件，其中模具是具有分層形狀的空腔的 空殼體。
20. —種使用根據(jù)權(quán)利要求13的傳感器檢測(cè)物體的方法，該方法包括步 驟在流體介質(zhì)中設(shè)置傳感器元件；和測(cè)量傳感器元件的輸出信號(hào)的變化，并且檢測(cè)物體與流體介質(zhì)的表面的 接近、物體與流體介質(zhì)的表面的接觸、流體介質(zhì)、中物體的行為、和物體與傳 感器元件的接觸。
全文摘要
接近和接觸傳感器(10)提供有傳感器元件(11)和檢測(cè)電路(16)。該傳感器元件提供有模具(13)，其中散布著線圈形狀的碳纖維(12)。該檢測(cè)電路(16)的高頻振蕩電路(19)將一個(gè)高頻信號(hào)提供給傳感器元件。該檢測(cè)電路(16)中的檢測(cè)器(22)從傳感器元件(11)接收輸出信號(hào)，并且檢測(cè)物體(24)的接近。在一個(gè)例子中，該線圈形狀的碳纖維按重量1％至20％包含在模具中。在另一個(gè)例子中，高頻振蕩電路產(chǎn)生100至800kHz的高頻信號(hào)。
文檔編號(hào)G01V3/10GK101375500SQ20078000339
公開日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2007年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月24日
發(fā)明者元島棲二, 楊少明, 河邊憲次, 高木誠(chéng) 申請(qǐng)人:株式會(huì)社島津制作所;株式會(huì)社Cmc技術(shù)發(fā)展