力感测装置制造方法及图纸

一种力或压力感测装置，包括：一个或多个磁体(12,406)，与一个或多个磁传感器(14)弹性地保持间隔，使得该装置上的压力使该磁体(12、406)相对该磁场传感器(14)移位。该装置可以被合并到鞋垫(100、110、400)中，或者集成到鞋中，或集成到坐垫、垫子、床垫或车座中。该装置包括一个或多个磁聚焦元件(18)，位于磁场传感器(14)上与磁体(12、406)相反的一侧，以对通过传感器(10、14)的磁场进行会聚和调节。该磁聚焦元件(18)可以是永磁体(406)，或具有高磁导率的磁性材料，如高导磁合金。可将附加的磁聚焦元件(18)放置在磁体(12、406)附近。多个磁场传感器(14)可以在该一个或多个磁体(12、406)下方的平面中对称布置，使得施加到该装置的剪切力引起磁体(406)和磁场传感器(14)的横向相对位移改变磁场传感器(14)所感测到的磁场。该装置也可包括运动检测器，如可与磁场传感器(14)集成的加速度计。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】力感测装置
本专利技术涉及一种力感测装置。
技术介绍
许多应用中出现了测量力的需求。进一步的，存在用于提供力感测的多种不同技术。本专利技术具体涉及的力感测装置适合用作非侵入性医疗/运动/健身传感器，可用于测量施加于人体或由人体施加的力。通过测量力，可以计算压力、扭矩和剪切力。其目的是提供可用于可穿戴装置的传感装置，如鞋、智能服装，以及注重于施加于人体或由人体施加的力的对象，如床垫、垫子、轮椅、车座、滑雪板和其他运动装置等。对于身体康复、运动训练或实现医疗救治目标，如避免压疮或压力点，等用途而言，这些情况下的力的测量是非常宝贵的。例如，对足部-地面压力数据的精确测量，提供了关于人的足部状况和步态的重要信息，并且可用于改善恢复、性能或设计矫形鞋。对于床垫、坐垫和车座，诸如轮椅坐垫、床垫、汽车坐垫和车座或自行车车座的情况，压力的检测和记录对于皮肤健康和性能方面的原因而言，都是重要的。皮肤压力过度会导致软组织破裂和溃疡。足部问题也是与糖尿病相关的许多并发症之一。老茧、溃疡、感觉丧失(神经性病变)和血液循环不良等问题可导致感染、周围性血管疾病和溃疡，这可能导致需要截肢。由于糖尿病周围神经病变，可能是患者不了解他们脚部的压力点，并且日常缺乏仔细的观察，可能会导致严重的足部问题。通过提供足底压力监测，不仅可以提供这种问题的警告，还可以允许准确地研究患者的行走模式，允许设计定制的辅助装置，如矫形器和鞋支撑。在体育和健身领域，可穿戴装置，尤其是那些可与智能手机接口的装置，已经变得非常受欢迎，并且通过提供可用于监测足部、膝盖和臀部压力的压力或力感测装置，可以提供这些区域的连续实时监测，这对运动员，如田径、高尔夫、滑雪和自行车运动员来说，可以是重要的。对山地徒步圈而言，这样的装置也是重要的，产生了宝贵的定量数据。目前，主要有三种技术用于商业化的鞋内压力测量系统。例如，Tekscan的F扫描系统是基于电阻式传感器。这包括保持(hold)在两个电极之间的导电泡沫制成的力传感电阻器，并且当压力施加到传感器时，导电泡沫体变形并且电阻改变。电容技术，例如Novel的Pedar系统中采用的电容技术，是基于由两个由介电弹性层隔开的导电性带电板组成的传感器。当压力施加到传感器时，电介质弹性层弯曲，缩短了两板之间的距离，也就改变了电容。也提出了压电应变片，例如Orpyx的Surrosense鞋垫。该传感器使用压阻半导体材料，其体电阻率随施加压力而变化。US5,325,869公开了一种用作鞋垫的磁性传感器。该传感器包括至少一个磁体，以及至少一个固定在可变形垫的相对侧上的霍尔效应传感器。力施加在传感器上，使得垫子变形，改变一个或多个磁体与一个或多个传感器之间的距离。多个这样的传感器可以并入鞋的鞋垫中。对于上述应用范围，以及要求传感器提供精确的和可重复的力或压力测量，传感器必须是耐用和可靠的，并且优选具有低功耗。如果传感器的精度不因施力方向不同而受到影响，或者在磁传感器的情况下，不受外部磁性，如地球的磁场或金属或其他磁性物体的接近的，的影响，则也是理想的。
技术实现思路
相应地，本专利技术提供了一种力感测装置，包括：磁场发生器；磁场传感器；支撑该磁场发生器和磁场传感器的弹性支撑件，用于响应于施加到传感器的力的相对运动；该磁场传感器被设置为测量由这种相对运动引起的来自该磁场发生器的磁场的变化；该装置还包括：聚焦元件，设置在该磁场发生器上该磁场传感器的相对侧，通过该磁场传感器，将来自该磁场发生器的磁场聚焦。本专利技术的装置有效地测量磁场发生器相对于磁场传感器的位移。由于该位移抵抗由弹性支撑件提供的阻力，故而该位移对应于(经过校准过程)可以计算或测量的力。三个正交方向的位移对应于压缩、膨胀和剪切。知道力和施加该力的面积，就可以给出压力测量。下面描述的一些实施例使用微型力板来提供倾斜和扭矩测量。该磁聚焦元件的使用使自该磁场发生器通过该磁场传感器的磁通量增加。这提高了传感器的灵敏度，增加了传感器输出的分辨率和装置的动态范围。这也降低了该装置对该磁场发生器倾斜，例如在该装置表面上施力不匀而引起的倾斜，的敏感度。由于通过传感器的磁通量较强，不需要放大输出信号，从而降低了装置的功耗。该聚焦元件可以是永磁体、磁化元件、电磁体，或者可以由具有高磁导率的材料制成，例如超材料(meta-material)或高导磁合金(镍-铁合金)。该磁场传感器可以是片簧传感器、霍尔效应传感器、磁隧道结(magnetictunnelingjunction，MTJ)传感器、各向异性磁阻(anisotropicmagnetoresistance，AMR)传感器、微分磁阻(differentialmagnetoresistance，DMR)传感器、巨磁阻(giantmagnetoresistance，GMR)传感器或洛伦兹力传感器。可以提供多个磁场传感器和多个磁聚焦元件，每一个分别设置在磁场发生器上磁场传感器的相对侧，该磁场传感器被设置为测量来自该磁场发生器的、由于该磁场发生器和该磁场传感器之间彼此相向和远离移动以及彼此横向相对移动而产生的磁场的变化，通过该装置，可以测量施加到该装置的剪切力。磁聚焦元件可以设置为与多个磁场传感器中的每一个相邻。可以有两个、三个或四个磁场传感器，并且该磁场传感器可以相对于该磁场发生器对称地设置。该磁场传感器可以布置为：一个位于结构的中心，并且其余的布置在其周围，并且结构中心的磁场传感器可以设置在来自该磁场发生器的磁场的中心轴上。更多的磁场发生器可以放置在来自该磁场发生器的磁场的中心轴上。可选地，更多的磁聚焦元件可以放置在来自该磁场发生器的磁场的中心轴上。在一个实施例中，可以有至少四个磁场传感器设置在矩形结构的顶点处，该矩形结构可以是例如正方形，限定了将磁场发生器隔开的平面。这允许通过减去对侧的磁场传感器的读数来计算平面内正交(x和y)的位移。也允许通过对所有四个读数求和来获得平面外(z方向)的位移。这减小了信号处理的负担。本专利技术的另一方面提供了一种力感测装置，包括：磁场发生器；磁场传感器；支撑该磁场发生器和该磁场传感器的弹性支撑件，用于响应于施加到该装置的力作相对运动；该磁场传感器被设置为测量由这种相对运动引起的来自该磁场发生器的磁场的变化；该磁场传感器是磁阻传感器，操作用于感测该磁场发生器和磁场传感器在两个正交方向上的相对运动，由此，该力感测装置感测施加到该力感测装置的压缩力和剪切力。因此，本专利技术的这一方面使用该磁阻传感器来感测该磁场发生器和该磁场传感器在两个正交方向上的相对运动引起的磁场变化，从而允许该装置感测并测量施加到其上的剪切力以及压缩力。剪切力使该磁场发生器相对于该磁场传感器发生横向位移，而压缩(或拉伸)力使其朝向和背离传感器发生位移。本专利技术人已经发现，单个磁阻传感器可以感应和测量这些剪切力，而不需要多个磁场传感器来对相对运动进行三角测量。该磁阻传感器可以是各向异性(AMR)传感器、微分磁阻(DMR)传感器或巨磁阻(GMR)传感器。本专利技术的这个方面也可以使用磁聚焦元件。该弹性支撑件可以包括：弹性的第一层，并且支撑该磁场发生器；以及在该磁场发生器和该磁场传感器之间的第二弹性层。该第一层可以是诸如多孔、泡沫、EVA、硅脂、硅胶或聚氨酯材料，并且可以包括柔性和刚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种力感测装置，包括：磁场发生器；至少一个磁场传感器；弹性支撑件，支撑所述磁场发生器和磁场传感器，用于响应于施加到所述装置的力的相对运动；所述磁场传感器被设置为测量由这种相对运动导致的、来自所述磁场发生器的磁场中的变化；所述装置还包括：至少一个磁聚焦元件，设置在所述磁场传感器上与所述磁场发生器相反的一侧，对来自所述磁场发生器、通过所述磁场传感器的磁场进行聚焦。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.10 GB 1421952.1;2014.12.10 GB 1421950.5;201.一种力感测装置，包括：磁场发生器；至少一个磁场传感器；弹性支撑件，支撑所述磁场发生器和磁场传感器，用于响应于施加到所述装置的力的相对运动；所述磁场传感器被设置为测量由这种相对运动导致的、来自所述磁场发生器的磁场中的变化；所述装置还包括：至少一个磁聚焦元件，设置在所述磁场传感器上与所述磁场发生器相反的一侧，对来自所述磁场发生器、通过所述磁场传感器的磁场进行聚焦。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述磁聚焦元件是永磁体、磁化元件、电磁体、或由具有高磁导率的材料制成。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述磁场传感器是片簧传感器、霍尔效应传感器、磁隧道结MTJ、各向异性磁阻AMR、巨磁阻GMR或微分磁阻DMR传感器或洛伦兹力磁力计，并且其中所述磁场发生器是永磁体、磁化元件或电磁体。4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其中提供了多个磁场传感器和多个磁聚焦元件，每一个分别配置在所述磁场传感器上与所述磁场发生器相反的一侧，所述磁场传感器被设置为测量由于所述磁场发生器和磁场传感器之间彼此相向和远离的相对移动以及彼此横向移动而产生的、来自所述磁场发生器的所述磁场的变化，从而所述装置可以测量施加到所述装置的剪切力。5.根据权利要求4所述的装置，其中与所述多个磁场传感器中的每一个相邻设置磁聚焦元件。6.根据权利要求4或5所述的装置，其中有两个、三个或四个磁场传感器。7.根据权利要求4、5或6所述的装置，其中所述磁场传感器相对于所述磁场发生器对称设置。8.根据权利要求4、5、6或7所述的装置，其中所述磁场传感器被布置为一个磁场传感器位于结构的中心，并且其余的设置在其周围。9.根据权利要求8所述的装置，其中所述结构中心的所述磁场传感器位于来自所述磁场发生器的所述磁场的中心轴上。10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中又一磁场发生器位于来自所述磁场发生器的所述磁场的所述中心轴上。11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中又一磁聚焦元件位于来自所述磁场发生器的所述磁场的所述中心轴上。12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括用于测量所述装置运动的运动传感器。13.根据权利要求12所述的装置，其中所述运动传感器包括压电传感器、陀螺仪传感器、2-轴加速度计和3-轴加速度计中的至少一个。14.根据权利要求11或12所述的装置，还包括方向传感器，用于感测所述装置的方向，所述方向传感器包括压电传感器、陀螺仪传感器、2-轴加速度计和3-轴加速度计中的至少一个。15.根据权利要求14所述的装置，其中所述运动传感器和方向传感器彼此成为一体。16.根据权利要求12至15中任一项所述的装置，其中所述运动传感器与所述磁场传感器合为一体。17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述弹性支撑件包括第一层，所述第一层为弹性，并且支撑所述至少一个磁场发生器，以及所述磁场发生器和所述磁场传感器之间的第二弹性层。18.根据权利要求17所述的装置，其中所述至少一个磁场传感器和磁聚焦元件安装在所述第二弹性层中。19.根据权利要求17或18所述的装置，还包括第三层，在所述第二层上与所述第一层相反的一侧。20.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括第二磁性聚焦元件，被设置为邻近所述磁场发生器。21.一种鞋垫，合并有至少一个根据前述权利要求中任一项所述的力感测装置。22.根据权利要求21所述的鞋垫，其中所述装置的所述磁场发生器设置在所述鞋垫的上层中，并且所述至少一个磁场传感器和至少一个聚焦元件设置在所述鞋垫的下层中。23.根据权利要求22所述的鞋垫，还包括在所述上层和下层之间的弹性中间层。24.一种鞋，合并有至少一个根据权利要求1至20中任一项所述的力感测装置。25.根据权利要求24所述的鞋，其中所述装置的所述磁场发生器设置在所述鞋的鞋垫内，并且所述至少一个磁场传感器和至少一个聚焦元件设置在所述鞋的鞋底中，在使用中，其上方设置所述鞋垫。26.根据权利要求25所述的鞋，其中所述鞋垫没有固定到所述鞋的所述鞋底，从而该鞋垫是可拆卸的。27.根据权利要求25或26所述的鞋，其中所述鞋垫的底面和所述鞋的所述鞋底的上表面包括凸纹和凹纹表面特征，其相互接合，以防止使用中所述鞋垫在...

【专利技术属性】
技术研发人员：哈里普拉尚斯·依兰戈万，克里斯托斯·卡帕托斯，
申请(专利权)人：HCI维奥卡尔技术公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB