位置傳感器及其可變式電容組件的製作方法
2023-10-09 11:30:29
本發明涉及一種位置傳感器及其可變式電容組件，尤其涉及一種利用至少兩個電極片被介電性耦合物覆蓋的面積改變來使邊際電容產生變化的位置傳感器及其可變式電容組件。
背景技術：
一般來說，現有的電位器主要都是利用可變電阻的阻值變化來作為位移感測的基礎，然而由於此種電阻型的電位器往往容易因為電阻碳片受到電刷的磨損而造成使用壽命下降，因此現有技術中，則有利用電容效應的原理進行位移感測的技術在發展中。
請參閱圖1，圖1顯示現有技術在兩電極板之間產生電容效應的平面示意圖。如圖所示，在一般常見的電路配置中，時常會看到電容等電子組件，而電容效應的產生主要是在電極板pa1與電極板pa2之間產生電位差，而當電極板pa1與電極板pa2為平行設置時，在電極板pa1與電極板pa2互相面向的平行面之間會形成一平行電容電場pef，而電極板pa1與電極板pa2在兩端部的背面與側面則會形成一邊際電容電場fef。
請繼續參閱圖2，圖2顯示現有技術的變面積型電容傳感器的工作原理立體示意圖。如圖所示，當電極板pa1維持不動，而電極板pa2沿一平行方向p1相對於電極板pa1平行地移動時，由於電極板pa2覆蓋電極板pa1的面積改變，即電極板pa1與電極板pa2之間的重疊面積發生變化時，電極板pa1與電極板pa2之間的平行電容電場pef與邊際電容電場fef也會發生變化。
請參閱圖3，圖3顯示在現有技術中，兩電極板相對地水平移動所導致的電容值變化示意圖。如圖所示，由於兩電極板之間會因為電位差而產生電場，因此在現有的技術中，通常會使用銅等導電金屬來作為電極板的材料，例如將兩金屬銅電極板由未重疊的狀態(位移為0％)水平移動到完全重疊(位移 為50％)，然後又水平地移開(位移為100％)，兩金屬銅電極板之間的電容值變化則如圖3所示，由此可知，兩導電金屬板之間的電容值變化較不明顯。
由以上敘述可知，由於兩金屬電極板之間因為移動而使電容值改變的幅度並不敏銳，因此當利用平行電容效應的技術應用於位移傳感器時，其通過電容變化所感測到的位移靈敏度較差，無法供使用者精準的進行控制。
技術實現要素：
有鑑於現有的電容傳感器主要是利用平行電容效應的原理去感測電極板的位移，然而由於利用平行電容效應進行感測的變面積型電容傳感器的靈敏度主要取決於電容大小與電極板的長度，因此大都只能通過增加電極板長度來提高傳感器的靈敏度，然而此方式會使傳感器的尺寸較大，不利於使用者使用；緣此，為了解決現有的變面積型電容傳感器主要是通過增加電極板長度的方式來增加靈敏度，本發明提供了一種位置傳感器及其可變式電容組件，以利用介電性耦合物覆蓋電極的覆蓋率變化來改變電容值大小，進而計算出介電性耦合物的移動距離。
本發明為解決現有技術的問題，所採用的必要技術手段是提供一種可變式電容組件，設置於一位置傳感器內，該位置傳感器包含一用以感測出該可變式電容組件的一對交變電容值的電容感測電路，該可變式電容組件包含一基板以及一介電性耦合物。
基板包含一基板本體、一接地電極以及至少二電源電極。基板本體沿一長度方向延伸，並且包含一電極配置面。接地電極設置在該電極配置面，沿該長度方向延伸，並用於連接該電容感測電路。至少二電源電極在該電極配置面上沿該長度方向相間地設置於同一側，並在一垂直於該長度方向的寬度方向與該接地電極相間，且該至少二電源電極交變性地連接於該電容感測電路的一電源。
介電性耦合物具有一介電常數，在一與該電極配置面垂直的垂直方向與該接地電極及該至少二電源電極相間設置，並用以沿一與該長度方向平行的動作路徑移動。
其中，該至少二電源電極分別具有一面向該接地電極的平行電容效應作用面與一面向該動作路徑的邊際電容效應(fringingelectricfieldeffects)作 用面，該平行電容效應作用面的面積大於該邊際電容效應作用面的面積，該介電性耦合物的介電常數介於10與50之間，且在該介電性耦合物沿該動作路徑移動時，改變該介電性耦合物覆蓋該至少二電源電極與該接地電極的一覆蓋位置，使該電容感測電路所感應出的該對交變電容值隨著該覆蓋位置的改變而改變，藉以定義該介電性耦合物在該動作路徑上的一相對位置。
由上述必要技術手段所衍生的一附屬技術手段為，該至少二電源電極為一矩形片狀結構。
由上述必要技術手段所衍生的一附屬技術手段為，該位置傳感器還包含一可移動式載體，該可移動式載體在該垂直方向與該接地電極及該至少二電源電極相間設置，用以設置該介電性耦合物，並設有至少一操控組件，以供一用戶操控該可移動式載體沿該動作路徑移動。較佳的，該位置傳感器還包含一殼體，該可移動式載體可移動地受該殼體的至少一軌道所限位。
由上述必要技術手段所衍生的一附屬技術手段為，該介電性耦合物為一陶瓷片。較佳的，該陶瓷片由氧化鋁、氧化鈣、石墨、過磷酸鈣、氧化鐵、氧化銅、錫石、氧化鉛與氧化鈦中的一個所組成；該陶瓷片的厚度介於0.5mm與1.2mm之間，該陶瓷片的長度介於16mm與25mm之間，且該陶瓷片的寬度介於10mm與15mm之間；該陶瓷片與該至少二電源電極及該接地電極在該垂直方向之間隔距離為0.1mm與0.5mm之間。
本發明為解決現有技術的問題，更提供了另一必要技術手段，其為一種位置傳感器，包含一可變式電容組件以及一電路板。可變式電容組件包含一基板以及一介電性耦合物。基板包含一基板本體、一接地電極以及至少二電源電極。基板本體沿一長度方向延伸，並且包含一電極配置面；接地電極設置在該電極配置面，沿該長度方向延伸；至少二電源電極在該電極配置面上沿該長度方向相間地設置於同一側，並在一垂直於該長度方向的寬度方向與該接地電極相間，且該至少二電源電極交變性地連接於一電源。
介電性耦合物具有一介電常數，在一與該電極配置面垂直的垂直方向與該接地電極及該至少二電源電極相間設置，並用以沿一與該長度方向平行的動作路徑移動。
電路板設有一電容感測電路，且該電容感測電路連接於該接地電極與該至少二電源電極，並用以感測出該可變式電容組件的一對交變電容值。
其中，該至少二電源電極分別具有一面向該接地電極的平行電容效應作用面與一面向該動作路徑的邊際電容效應作用面，該平行電容效應作用面的面積大於該邊際電容效應作用面的面積，該介電常數介於10與50之間，且在該介電性耦合物沿該動作路徑移動時，改變該介電性耦合物覆蓋該至少二電源電極與該接地電極的一覆蓋位置，使該電容感測電路所感應出的該對交變電容值隨著該覆蓋位置的改變而改變，藉以定義該介電性耦合物在該動作路徑上的一相對位置。
由上述必要技術手段所衍生的一附屬技術手段為，該至少二電源電極為一矩形片狀結構。
由上述必要技術手段所衍生的一附屬技術手段為，位置傳感器還包含一可移動式載體，該可移動式載體在該垂直方向與該接地電極及該至少二電源電極相間設置，用以設置該介電性耦合物，並設有至少一操控組件，以供一用戶操控該可移動式載體沿該動作路徑移動。較佳的，位置傳感器還包含一殼體，該可移動式載體可移動地受該殼體的至少一軌道所限位。
由上述必要技術手段所衍生的一附屬技術手段為，該介電性耦合物為一陶瓷片。較佳的，該陶瓷片由氧化鋁、氧化鈣、石墨、過磷酸鈣、氧化鐵、氧化銅、錫石、氧化鉛與氧化鈦中的一個所組成；該陶瓷片的厚度介於0.5mm與1.2mm之間，該陶瓷片的長度介於16mm與25mm之間，且該陶瓷片的寬度介於10mm與15mm之間；該陶瓷片與該至少二電源電極及該接地電極在該垂直方向之間隔距離為0.1mm與0.5mm之間。
由上述必要技術手段所衍生的一附屬技術手段為，該基板與該電路板整合為一整合電路板。
如上所述，相較於現有技術的變面積型電容傳感器主要是利用平行電容效應的技術去得知電極板的移動距離，本發明是利用介電性耦合物覆蓋電源電極與接地電極的覆蓋率不同來改變電源電極與接地電極之間的電容值，進而通過電容值的變化來計算出介電性耦合物的位置變化。
附圖說明
圖1顯示現有技術在兩電極板之間產生電容效應的平面示意圖；
圖2顯示現有技術的變面積型電容傳感器的工作原理立體示意圖；
圖3顯示在現有技術中，兩電極板相對地水平移動所導致的電容值變化示意圖；
圖4顯示本發明較佳實施例所提供的位置傳感器的立體分解示意圖；
圖5顯示本發明較佳實施例所提供的可變式電容組件的立體分解示意圖；
圖6顯示本發明較佳實施例所提供的可變式電容組件的平面示意圖；
圖7顯示本發明較佳實施例所提供的電容感測電路的電路示意圖；
圖8a至圖8c顯示介電性耦合物由起始位置沿動作路徑移動至終點位置的平面示意圖；
圖9顯示介電性耦合物由起始位置沿動作路徑移動至終點位置的位移百分比與對應的一對交變電容值的相對關係示意圖；
圖10顯示本發明另一較佳實施例所提供的位置傳感器的立體分解示意圖。
附圖標記：
pa1、pa2：電極板
pef：平行電容電場
fef：邊際電容電場
p1：平行方向
100、100'：位置傳感器
1、1'：可變式電容組件
11、11'：基板
12、12'：介電性耦合物
111、111'：基板本體
1111、1111'：電極配置面
112、112'：接地電極
113、114、113'、114'：電源電極
1141：平行電容效應作用面
1142：邊際電容效應作用面
2、2'：電路板
21、21'：電容感測電路
3、3'：可移動式載體
31、31'：操控組件
4、4'：殼體
l1：長度方向
w1：寬度方向
d：垂直方向
p：動作路徑
ca：曲線
c1：第一曲線
c2：第二曲線
di：起始位置
dc：中心位置
dt：終點位置
δs：距離
δst：全程距離
vi：電源
v1、v2：電壓
c：參考電容
rc：交流轉直流電路
lc：濾波電路
opa：比較器
具體實施方式
請參閱圖4至圖7，圖4顯示本發明較佳實施例所提供的位置傳感器的立體分解示意圖；圖5顯示本發明較佳實施例所提供的可變式電容組件的立體分解示意圖；圖6顯示本發明較佳實施例所提供的可變式電容組件的平面示意圖；圖7顯示本發明較佳實施例所提供的電容感測電路的電路示意圖。
如圖所示，一種位置傳感器100包含一可變式電容組件1、一電路板2、一可移動式載體3以及一殼體4。
可變式電容組件1包含一基板11以及一介電性覆蓋物12。基板11包含一基板本體111、一接地電極112以及二電源電極113與電源電極114。
基板本體111沿一長度方向l1延伸，並且包含一電極配置面1111。接地電極112設置在電極配置面1111，並沿長度方向l1延伸。二電源電極113與電源電極114在電極配置面1111上沿長度方向l1相間地設置於同一側，並在一垂直於長度方向l1的寬度方向w1與接地電極112相間，且二電源電極113與電源電極114交變性地連接於一電源(圖未示)。其中，所謂交變性地連接指一電源在連結於電源電極113與連結於電源電極114之間進行交替性的變化。
介電性耦合物12具有一介電常數k，在一與電極配置面1111垂直的垂直方向d與接地電極112及二電源電極113與電源電極114相間設置，並用以沿一與長度方向l1平行的動作路徑p移動；其中，介電性耦合物12在本實施例中例如為一陶瓷片，且陶瓷片由氧化鋁、氧化鈣、石墨、過磷酸鈣、氧化鐵、氧化銅、錫石、氧化鉛與氧化鈦中的一個所組成；此外，陶瓷片的厚度介於0.5mm與1.2mm之間，陶瓷片的長度介於16mm與25mm之間，且陶瓷片的寬度介於10mm與15mm之間，而陶瓷片與二電源電極113與電源電極114及接地電極112在垂直方向d之間隔距離為0.1mm與0.5mm之間。
電路板2設置於基板11相對於電極配置面1111的另一側，並設有一電容感測電路21，且電容感測電路21連接於接地電極112與二電源電極113與電源電極114，並用以在上述電源(如圖中vi)交變性地連接於可變式電容組件1的電源電極113與電源電極114時，感測出可變式電容組件1的一對交變電容值。其中，電容感測電路21實際上是有一參考電容c、一交流轉直流電路rc、一濾波電路lc以及一比較器opa所組成，藉此電容感測電路21將參考電容c與通過可變式電容組件1所感測到的一對交變電容值經由交流轉直流電路rc與濾波電路lc來產生兩電壓v1與電壓v2，進而通過比較器opa進行比較，藉以反推出電容值的關係。
在本實施例中，電容感測電路21例如是設置於電路板2連結基板11的另一側，且電容感測電路21可以通過外接線路電性連結至接地電極112以及二電源電極113與電源電極114，或者通過內部線路直接電性連結至接地電極112與二電源電極113與電源電極114，然而電容感測電路21、接地電極112以及二電源電極113與電源電極114之間的電性連結方式為所屬技術領域中常用的技術手段，故在此不多加贅述。此外，在本實施例中，基板11與電路板2整合為一整合電路板。
可移動式載體3在垂直方向d與接地電極112及二電源電極113與電源電極114相間設置，用以設置介電性耦合物12，並設有一操控組件31，以供一用戶通過操控組件31操控可移動式載體3沿動作路徑p移動，進而帶動介電性耦合物12沿動作路徑p移動。在本實施例中，可移動式載體3更設有四個支撐部(圖未示)，藉以使可移動式載體3與基板11相間地設置，進而使介電性耦合物12在垂直方向d與接地電極112及二電源電極113與電源電極114相間設置。
殼體4固設於基板11，可移動式載體3沿長度方向l1可移動地受殼體4所限位。在本實施例中，可移動式載體3沿長度方向l1可移動地受殼體4的內部軌道(圖未示)所限位，或者是殼體4與基板11之間所形成的空間所限位，甚至殼體4內部更可設有沿長度方向l1延伸的導柱來貫穿可移動式載體3，使可移動式載體3沿長度方向l1可移動地設置於殼體4與基板11之間。
其中，如圖4至圖6所示，以電源電極114為例，電源電極114具有一面向接地電極112的平行電容效應作用面1141與一面向動作路徑(圖未示，相當於介電性耦合物12)的邊際電容效應作用面1142，平行電容效應作用面1141的面積大於邊際電容效應作用面1142的面積，介電常數k介於10與50之間。在上述電源交變性地連接於電源電極113與電源電極114，且介電性耦合物12沿動作路徑移動時，改變介電性耦合物12覆蓋二電源電極113與電源電極114以及接地電極112的一覆蓋位置，使電容感測電路21所感應出的一對交變電容值隨著覆蓋位置的改變而改變，藉以定義介電性耦合物12在動作路徑上的一相對位置。
請繼續參閱圖8a至圖8c以及圖9，圖8a至圖8c顯示介電性耦合物由起始位置沿動作路徑移動至終點位置的平面示意圖；圖9顯示介電性耦合物由起始位置沿動作路徑移動至終點位置的位移百分比與電容值的相對關係示意圖。如圖所示，其中，當上述電源連接於電源電極113時，所量測的電容值與位移百分比之間的變化關係即為圖9所示的一第一曲線c1，當上述電源連接於電源電極114時，所量測的電容值與位移百分比之間的變化關係即為圖9所示的一第二曲線c2，由圖可知，每一個位移百分比對應到第一曲線c1上的一第一電容值與第二曲線c2上的一第二電容值。上述的一對交變電容值即為第一電容值與第二電容值。由以上敘述可知，在介電性耦合物12受操作而移動到上述動作路徑p上的每個位置時，都可以交變性地量測出包含第一電容值與第二電 容值的一對交變電容值，並利用第一電容值與第二電容值的變化趨勢來決定介電性耦合物12在動作路徑p上相對位置。
當介電性耦合物12由一起始位置di沿動作路徑p移動至一中心位置dc時，介電性耦合物12覆蓋電源電極113的面積會逐漸減少，而介電性耦合物12覆蓋電源電極114的面積則會開始增加，而當介電性耦合物12繼續沿動作路徑p移動至一終點位置dt時，由第一曲線c1與第二曲線c2可知，介電性耦合物12覆蓋電源電極113的面積會逐漸減少至不覆蓋的狀態，而介電性耦合物12覆蓋電源電極114的面積則會增加到完全覆蓋的狀態。其中，圖9中的位移百分比是由介電性耦合物12由起始位置di沿動作路徑p移動的距離△s除以介電性耦合物12由起始位置di移動至終點位置dt的全程距離△st所計算出，而電容值則是電容感測電路21可以分別通過電源電極113與電源電極114感測到，藉以形成對應於電源電極113的曲線c1與對應於電源電極114的曲線c2。此外，曲線ca表示現有技術在兩金屬電極板相對移動時，其電容值變化的關係。
承上所述，相較於現有技術利用兩金屬電極板之間的平行電容效應來判斷兩金屬電極板之間的覆蓋率，由於本發明是利用介電常數k介於10與50的介電性耦合物12來覆蓋接地電極112與電源電極113以及電源電極114之間因邊際電容效應所產生的電場，進而增加接地電極112與電源電極113以及電源電極114之間因邊際電容效應所產生的電容值，因此可以通過電容值的變化來判斷介電性耦合物12的位移百分比。
此外，由於本發明是利用介電性耦合物12覆蓋電源電極113與接地電極112間的電場，以及利用利用介電性耦合物12覆蓋電源電極114與接地電極112間的電場，因此當介電性耦合物12由電源電極113的上方沿著動作路徑p移動至電源電極114的上方時，電容感測電路21可以分別通過電源電極113與電源電極114感測到兩種電容值變化的曲線c1與曲線c2，藉以通過曲線c1與曲線c2的趨勢來判斷介電性耦合物12的移動方向與相對位置。
請繼續參閱圖10，圖10顯示本發明另一較佳實施例所提供的位置傳感器的立體分解示意圖。如圖所示，一種位置傳感器100'包含一可變式電容組件1'、一電路板2'、一可移動式載體3'以及一殼體4'。
可變式電容組件1'包含一基板11'以及一介電性耦合物12'。基板11'包含一基板本體111'、一接地電極112'以及二電源電極113'與電源電極114'。其中， 位置傳感器100'與上述的位置傳感器100相似，基板本體111'同樣具有一電極配置面1111'。接地電極112'以及二電源電極113'與電源電極114'皆設置在電極配置面1111'，且介電性耦合物12'同樣是藉由可移動式載體3'與接地電極112'及二電源電極113'與電源電極114'相間設置，而殼體4'同樣是固設於基板11'，而其差異主要在於電路板2'設置於基板11'相對於電極配置面1111'的另一側，並設有一電容感測電路21'，且電容感測電路21'連接於接地電極112'與二電源電極113'與電源電極114'。
綜上所述，相較於現有技術是利用兩金屬電極板之間的平行電容效應來判斷兩金屬電極板之間的覆蓋率，本發明利用介電常數k介於10與50的介電性耦合物來覆蓋接地電極與電源電極之間因邊際電容效應所產生的電場，進而增加接地電極與電源電極之間因邊際電容效應所產生的電容值，因此可以通過電容值的變化來判斷介電性耦合物的位移百分比，本發明不僅能有效的提高電容值變化的靈敏度，更可通過非接觸的方式來增加位置傳感器的使用壽命。
藉由以上較佳具體實施例的詳述，希望能更加清楚描述本發明的特徵與精神，而並非以上述所揭示的較佳具體實施例來對本發明的範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請的保護範疇內。