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位移傳感器

（映維網(wǎng)Nweon?2022年02月23日）位移傳感器用于測量兩個導(dǎo)電物體之間的電容或電容變化，并根據(jù)測量的電容值計算出兩個物體的位移測量值。位移測量可包括平移測量和/或旋轉(zhuǎn)測量。在名為“Electromechanical displacement sensor”的專利申請中，Meta介紹了一種相關(guān)的機(jī)電式位移傳感器。

在一種實施例中，位移傳感器可包括具有耦合到第一對象的多個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子組件和具有耦合到第二對象的多個定子的定子組件。在一個實施例中，多個轉(zhuǎn)子可直接連接到第一對象和/或多個定子可直接連接到第二對象。所述多個轉(zhuǎn)子耦合到所述第一對象，使得所述多個轉(zhuǎn)子沿與所述第一對象相同的方向移動。所述多個定子耦合到所述第二對象，使得所述多個定子沿與所述第二對象相同的方向移動。轉(zhuǎn)子組件的多個轉(zhuǎn)子和定子組件的多個定子可以由一種或多種導(dǎo)電材料制成。在位移傳感器工作期間，其向多個轉(zhuǎn)子和多個定子提供電壓。

在一個實施例中，每個轉(zhuǎn)子和每個定子的形狀可以是矩形。在一個實施例中，所有轉(zhuǎn)子和所有定子的長邊和每個定子的長邊平行于第一個平面布置。通過利用所述組件，可以確定對象的平移運(yùn)動（即第一對象和/或第二對象在z方向的移動）和/或?qū)ο蟮男D(zhuǎn)運(yùn)動（即第一對象和/或第二對象圍繞y軸的移動）。

在另一個實施例中，轉(zhuǎn)子的第一子集和定子的第一子集的長邊平行于第一平面排列，轉(zhuǎn)子的第二子集和定子的第二子集的長邊平行于第二平面排列。通過利用所述組件，可以確定對象的平移運(yùn)動（即第一對象和/或第二對象在z方向、y方向和/或x方向的運(yùn)動）和/或?qū)ο蟮男D(zhuǎn)運(yùn)動（即第一對象和/或第二對象圍繞y軸的運(yùn)動）和/或?qū)ο蟮男D(zhuǎn)運(yùn)動（即第一對象和/或第二對象繞x軸的運(yùn)動）。所以，具有這種轉(zhuǎn)子和定子配置的位移傳感器可以感知多達(dá)五個自由度的位移。

無論轉(zhuǎn)子和定子是否對齊，多個轉(zhuǎn)子中的每個轉(zhuǎn)子都配置為接收多個定子中的相應(yīng)定子，以創(chuàng)建各自的轉(zhuǎn)子-定子對。當(dāng)電壓施加到多個轉(zhuǎn)子和多個定子時，位移傳感器測量的電容值在轉(zhuǎn)子-定子對內(nèi)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測量。

在另一實施例中，位移傳感器可包括耦合到第一對象的多個電極。在一個實施例中，多個電極可直接連接到第一對象。所述多個電極耦合到所述第一對象，使得所述多個電極沿著與所述第一對象相同的方向移動。在位移傳感器工作期間，向電極提供電壓，并在第一對象（和電極）和第二對象之間的空間（或區(qū)域）內(nèi)產(chǎn)生fringe field。位移傳感器測量fringe field中的電容值。

位移傳感器向位移控制器提供電容測量值，以確定對象相對于彼此的位移量。位移傳感器和位移控制器可以是位移系統(tǒng)的組成。由于電容值直接受導(dǎo)電表面積影響，間接受距離影響，位移控制器可以比較測量的電容值隨時間的變化，以確定位移量，例如第一對象相對于第二對象移動的量。位移控制器可確定第一對象相對于第二對象經(jīng)歷的平移運(yùn)動量和/或一個或兩個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，第二對象相對于第一對象經(jīng)歷的平移運(yùn)動量，或兩個對象相對于彼此經(jīng)歷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動量。位移控制器可確定將一個或多個對象移回標(biāo)稱位置所需的位移校正量。

圖1A示出了兩個對象之間的平移運(yùn)動130。對象110和對象120之間的平移運(yùn)動130是對象110、120相對于彼此的上下運(yùn)動。例如，平移運(yùn)動130可以包括向上或向下移動的對象110和保持靜止的對象120，向上或向下移動的對象120和保持靜止的對象110，或者對象110和對象120都向上或向下移動。

平移運(yùn)動130平行于運(yùn)動軸，例如z軸。位移傳感器105可以耦合到對象110和對象120。在另一個實施例中，位移傳感器可以耦合到對象110或?qū)ο?20中的一個。在一個實施例中，位移傳感器105直接連接到對象110和對象120。位移傳感器105隨時間進(jìn)行電容測量，并將測量結(jié)果提供給位移控制器160。在一個實施例中，位移傳感器105和位移控制器160是位移系統(tǒng)的組件。

位移控制器160基于位移傳感器105提供的電容測量值確定兩個對象110、120之間的位移量。例如，對象110和對象120可以在開始位置（即標(biāo)稱位置）開始，并且位移傳感器105測量兩個對象110、120之間的特定電容值。在所述示例中，當(dāng)對象110經(jīng)歷平移運(yùn)動130（例如向下靠近對象120移動）時，由位移傳感器105測量的電容值增加?；陔娙葜档脑黾恿?，位移量（即對象110相對于對象120的位置變化量）可由位移控制器160確定。

位移控制器160可以連接到對象110的結(jié)構(gòu)或?qū)ο?20的結(jié)構(gòu)上，或包括在對象110或?qū)ο?20的結(jié)構(gòu)內(nèi)。

圖1B示出了圖1A的兩個對象110、120之間的兩個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動140和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動150。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動140可與對象110和/或?qū)ο?20的傾斜運(yùn)動相關(guān)聯(lián)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動150可與對象110和/或?qū)ο?20的傾斜運(yùn)動相關(guān)聯(lián)。在一個實施例中，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動140是圍繞基本上平行于x軸的軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動150是圍繞基本上平行于垂直于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動140的旋轉(zhuǎn)軸的y軸旋轉(zhuǎn)。位移控制器160可以基于位移傳感器提供的電容測量來確定兩個對象110、120之間的位移量（即，可以確定一個或多個旋轉(zhuǎn)測量）。

當(dāng)兩個對象110、120在x-y平面彼此平行時，放置用于確定任意量的平移運(yùn)動和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的基準(zhǔn)軸。例如，當(dāng)兩個對象處于標(biāo)稱位置時，可以放置參考軸。

圖2A是示例性位移傳感器轉(zhuǎn)子-定子對200的透視圖。轉(zhuǎn)子-定子對200包括轉(zhuǎn)子210和定子220。在圖2A所示的實施例中，轉(zhuǎn)子210是一個空心矩形盒，具有用于接收定子220的開口底側(cè)211。在一個實施例中，轉(zhuǎn)子210的頂側(cè)213可耦合到第一對象110。在一個實施例中，定子220的底側(cè)221可耦合到第二對象120。轉(zhuǎn)子210的長側(cè)215與定子220的長側(cè)225平行對齊，轉(zhuǎn)子210的短側(cè)217與定子220的短側(cè)227平行對齊。在所示實施例中，轉(zhuǎn)子210和定子220的長邊215、225基本平行于x-z平面對齊，轉(zhuǎn)子210和定子220的短邊217、227基本平行于y-z平面對齊。轉(zhuǎn)子210和定子220對齊，使得定子220在轉(zhuǎn)子210、定子220或兩者的組合的平移運(yùn)動期間裝入空腔，即矩形轉(zhuǎn)子210的空腔。

轉(zhuǎn)子210的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動量和定子220的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動量可以通過轉(zhuǎn)子210和定子220的長邊215、225之間的間距和/或轉(zhuǎn)子210和定子220的短邊217、227之間的間距來控制。例如，轉(zhuǎn)子210可以圍繞基本上平行于x軸的軸旋轉(zhuǎn)，直到轉(zhuǎn)子210的長側(cè)215接觸定子220的長側(cè)。

轉(zhuǎn)子210和定子220由一種或多種導(dǎo)電材料制成。在位移傳感器的操作期間，向轉(zhuǎn)子210和定子220提供電壓，并測量轉(zhuǎn)子210和定子220之間的電容。

圖2B是位移傳感器的多個轉(zhuǎn)子-定子對205的透視圖。圖2A中描述的轉(zhuǎn)子-定子對200可以與其他轉(zhuǎn)子-定子對200一起放置在一維陣列或二維陣列中，以形成多個轉(zhuǎn)子-定子對205。在一個實施例中，每個轉(zhuǎn)子-定子對200通過間隙（或開放空間）與另一個轉(zhuǎn)子-定子對200分離。在其他實施例中，每個轉(zhuǎn)子-定子對200直接位于相鄰的轉(zhuǎn)子-定子對200旁邊，每個轉(zhuǎn)子-定子對200接觸相鄰的轉(zhuǎn)子-定子對200。轉(zhuǎn)子-定子對205的轉(zhuǎn)子210的頂側(cè)可以耦合到第一對象，轉(zhuǎn)子-定子對205的定子220的底側(cè)可以連接到第二對象。

在一個實施例中，多個轉(zhuǎn)子-定子對205的布置可以使轉(zhuǎn)子210和定子220在一個方向上并排放置，如圖2B所示。在其他實施例（未示出）中，多個轉(zhuǎn)子-定子對205的布置可以使得轉(zhuǎn)子210和定子220在兩個方向上并排放置。與位移傳感器中的單個轉(zhuǎn)子-定子對200相比，多個旋轉(zhuǎn)定子對205提供更大的導(dǎo)電表面積。轉(zhuǎn)子-定子對205的陣列提供了一種根據(jù)標(biāo)稱位置轉(zhuǎn)子-定子對陣列的電容測量值與第二位置陣列的電容測量值來確定第一對象和第二對象之間更精細(xì)移動的方法，如圖2C所示。

圖2C是圖2A轉(zhuǎn)子-定子對200的兩個位置的橫截面。陣列中的每個轉(zhuǎn)子-定子對200可以具有標(biāo)稱位置240。定子220安裝在轉(zhuǎn)子210的空腔內(nèi)，定子220和轉(zhuǎn)子210之間有間隙。與偏離標(biāo)稱位置240相關(guān)聯(lián)的電容值用于測量，例如平移運(yùn)動。

在位移系統(tǒng)的操作期間，當(dāng)電壓施加到轉(zhuǎn)子-定子對200的轉(zhuǎn)子210和定子220時，位移傳感器可以在轉(zhuǎn)子210的長邊215和定子220的長邊225之間的區(qū)域219中進(jìn)行電容測量。在一個實施例中，位移傳感器利用位于轉(zhuǎn)子側(cè)和定子側(cè)位移傳感器固定部分的電極來測量區(qū)域219中的電容。在一個實施例中，當(dāng)轉(zhuǎn)子-定子對200處于標(biāo)稱位置240時，位移傳感器進(jìn)行第一電容測量，并且可以提供并存儲在位移控制器中。隨著轉(zhuǎn)子210和/或定子220相對彼此移動，位移傳感器可隨時間進(jìn)行后續(xù)電容測量。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)子-定子對200處于第二位置250時，位移傳感器可以在轉(zhuǎn)子210的長邊215和定子220的長邊225之間的區(qū)域219中進(jìn)行第二電容測量。位移傳感器可向位移控制器提供第二電容測量值。

在一個實施例中，位移控制器可將電容測量值（即第一電容測量值和第二電容測量值）與預(yù)定查找表或預(yù)定位移確定模型進(jìn)行比較，以估計第一對象相對于第二對象之間的位移量。預(yù)定查找表或預(yù)定位移確定模型描述了電容值和位移量之間的關(guān)系。例如，預(yù)定查找表和/或預(yù)定位移確定模型可以通過比較由位移傳感器測量的電容值與預(yù)定查找表來識別第一對象相對于第二對象的位移量。

在圖2C中，在位移系統(tǒng)運(yùn)行期間，位移控制器可以將轉(zhuǎn)子-定子對200處于標(biāo)稱位置240時的第一電容測量值和轉(zhuǎn)子-定子對200處于第二位置250時的第二電容測量值與預(yù)定查找表和/或預(yù)定位移確定模型進(jìn)行比較，以確定位移轉(zhuǎn)子210相對于定子220的位移量。

圖3A是示例性位移傳感器300的分解圖，位移傳感器300包括第一對準(zhǔn)配置中的轉(zhuǎn)子組件330和定子組件340。

轉(zhuǎn)子組件330包括多個轉(zhuǎn)子310、電樞（例如電樞333）和轉(zhuǎn)子架335。多個轉(zhuǎn)子310是上文詳細(xì)描述的轉(zhuǎn)子210的實施例。多個轉(zhuǎn)子310通過轉(zhuǎn)子組件330的所有四個側(cè)面上的電樞（例如電樞333）連接到轉(zhuǎn)子框架335。轉(zhuǎn)子框架335可以連接到定子框架345。電樞的材料特性使得多個轉(zhuǎn)子310具有一定的自由度。

定子組件340包括多個定子320和定子框架345。多個定子320是上文描述的定子220的實施例。定子框架345包含多個定子320，并且可以連接到對象120。在一個實施例中，位移傳感器的長度和寬度可以從幾百微米到幾毫米，厚度可以從大約500微米到兩毫米。例如，轉(zhuǎn)子組件330和定子組件340可以具有相同的尺寸。

在圖3A中，多個轉(zhuǎn)子310和多個定子320均布置在第一對準(zhǔn)配置中。第一對準(zhǔn)配置包括多個轉(zhuǎn)子310和多個定子320的四組。一組轉(zhuǎn)子310包括一個或多個轉(zhuǎn)子310。定子320的一組包括一個或多個定子320。如圖3A所示，兩個分組包括多個轉(zhuǎn)子310的第一子集332和多個定子320的第一子集342。所述定子320與轉(zhuǎn)子310的長邊和平行于y-z平面的定子320的長邊對齊。其他兩組包括多個轉(zhuǎn)子310的第二子集334和多個定子320的第二子集344，它們與轉(zhuǎn)子310的長邊和平行于x-z平面的定子320的長邊對齊。多個轉(zhuǎn)子310和多個定子320對齊，使得多個定子320中的每個定子在沿運(yùn)動軸（即沿z軸）平移運(yùn)動期間安裝到多個轉(zhuǎn)子310中相應(yīng)轉(zhuǎn)子的空腔中，從而形成轉(zhuǎn)子-定子對（例如轉(zhuǎn)子-定子對205）。

在位移系統(tǒng)運(yùn)行期間，向多個轉(zhuǎn)子310和多個定子320提供電壓，位移傳感器300測量多個轉(zhuǎn)子310的每個轉(zhuǎn)子的長邊與每個轉(zhuǎn)子-定子對中多個定子320的每個定子的長邊之間的電容。例如，在轉(zhuǎn)子-定子對的標(biāo)稱位置期間，位移傳感器300測量每個轉(zhuǎn)子-定子對的第一電容值。當(dāng)?shù)谝粚ο蠛?或第二對象相對于另一物體移動時，位移傳感器300繼續(xù)測量電容值。位移傳感器300可以測量每個轉(zhuǎn)子-定子對的第二電容值、每個轉(zhuǎn)子-定子對的第三電容值等等。電容值提供并存儲在位移控制器中。位移控制器基于電容測量值確定轉(zhuǎn)子組件330和/或定子組件340經(jīng)歷的位移量，例如平移運(yùn)動量和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動量。

在一個實施例中，位移控制器可將電容測量值分組。例如，可以平均每個分組中每排轉(zhuǎn)子-定子對中每對轉(zhuǎn)子-定子對的電容測量值。在另一個示例中，可以平均每個分組中轉(zhuǎn)子-定子對的每列中的每個轉(zhuǎn)子-定子對的電容測量值。在一個實施例中，位移控制器可以利用每個轉(zhuǎn)子-定子對的每個單獨(dú)電容測量。

位移控制器可將電容值與預(yù)定查找表和/或預(yù)定位移確定模塊進(jìn)行比較。在一個實施例中，位移控制器可將平均電容值與預(yù)定查找表和/或預(yù)定位移確定模型進(jìn)行比較，以確定轉(zhuǎn)子組件330和/或定子組件340經(jīng)歷的位移量。

圖3B是定子組件360的俯視圖350。定子組件360基本類似于定子組件340。位移控制器從位移傳感器接收電容測量值，并可將值分組。位移控制器可以按行和列對每個轉(zhuǎn)子-定子對電容測量進(jìn)行分組。

可在任何給定時間確定平均電容值。在一個實施例中，位移控制器可將每行轉(zhuǎn)子-定子對的平均電容值與預(yù)定查找表進(jìn)行比較，以確定轉(zhuǎn)子組件和/或定子組件360可能經(jīng)歷的繞基本上平行于y軸的軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動量。類似地，位移控制器可以將每列轉(zhuǎn)子-定子對的平均電容值與預(yù)定查找表進(jìn)行比較，以確定圍繞基本上平行于x軸的軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖3A和3B中所示的第一對準(zhǔn)配置。位移傳感器的3A和3B可提供高分辨率位移測量，并可測量多達(dá)五個自由度的運(yùn)動。通過在第一次對準(zhǔn)配置中增加轉(zhuǎn)子-定子對的數(shù)量，位移傳感器的靈敏度增加。第一對準(zhǔn)配置允許對平移運(yùn)動和傾斜運(yùn)動進(jìn)行差分傳感。

圖5A是示例性位移傳感器510的橫截面。位移傳感器510對應(yīng)于是圖1A和AB中位移傳感器105，和/或圖3A的位移傳感器300。位移傳感器510包括轉(zhuǎn)子組件530和定子組件540。轉(zhuǎn)子組件530基本上類似于前面討論的轉(zhuǎn)子組件330、430，并且可以包括以前面討論的任何對準(zhǔn)方向布置的多個轉(zhuǎn)子。定子組件540可包括以與轉(zhuǎn)子組件530匹配的對準(zhǔn)配置布置的多個定子。在圖5A中，多個轉(zhuǎn)子和多個定子的長邊平行于平面布置，類似于圖4中討論的第二對準(zhǔn)配置。在第一連接配置中，轉(zhuǎn)子組件530通過粘合材料550（例如粘合劑、PDMS等）連接到對象110。在圖5A所示的一個實施例中，粘合材料550可應(yīng)用于轉(zhuǎn)子組件530的一部分。在另一個實施例中，粘合材料530可應(yīng)用于轉(zhuǎn)子組件530的整個頂側(cè)。在第一連接配置中，定子組件540可以經(jīng)由定子框架連接到對象120。

通過上述方式，位移傳感器可以測量和計算一個對象和另一個對象之間的位移量。Meta指出，傳統(tǒng)的位移傳感器一般僅測量一個平移測量或一個旋轉(zhuǎn)測量，所以廠商會使用多個位移傳感器來監(jiān)測沿不同平移和/或旋轉(zhuǎn)方向的運(yùn)動。但對于專利描述的位移傳感器，其可以感知多達(dá)五個自由度的位移。另外，所述位移傳感器能夠檢測兩個對象之間可能發(fā)生的更精細(xì)移動，提供了靈敏度更高的差分傳感。

相關(guān)專利：Facebook Patent | Electromechanical displacement sensor

名為“Electromechanical displacement sensor”的Meta專利申請最初在2020年9月提交，并在日前由美國專利商標(biāo)局公布。

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