【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压敏方法和设备，更具体地说，它涉及新颖的两维电容性传感器和技术，特别是，但不仅限于可用于音乐和节奏性乐器以及响应触摸和施加在一个二维表面上的可变力的其他装置的电容性传感器和技术。申请人:杰夫特里普在美国专利证书第4，498，365号所公开的新颖电容性压力传感器具有一个形状弯曲或锥状的弹性导电电极，该弹性导电电极受到乐器的按键激发或其它压力时产生形变，而与在电性上和该弹性电极隔离的固定电极接合成可变的电容性关系，这种电容性压力传感器对于压力触点的单一受限区的操作是很有用的。在说明一乐器键盘的使用中，这种传感器提供连续的传感，以用作一乐器中电子音的产生，并在按键激发或其它压力接触后，甚至可进一步使压力发生变化，以用作使第二律音产生或音调或音变化的目的。显然，在需要相似响应的其它应用中也是有用的。然而，在那些希望能使压力施加在一个二维表面上，并对二维表面上的敲打或敲击和/或响应压力的特殊模型或动态形状变化的变化灵敏的场合是存在的。作为具体的说明，由鼓棒的敲击、或鼓刷的扫掠、和/或以不同动态压力模型和变化在鼓膜上用手指或手扫掠来激发鼓膜，为了产生表征这些压力和压力模型的声音需要有这样的二维独立细小点或区域的压力传感，并转换成电信号。同理，以后要介绍，作为另一个具体说明，为了重放可见模型，以用作测量掌纹、指纹或脚印及它们的运动变化，可以设计具有多个电极并结合一公用弹性体电极的结构，也同样要用二维连续的动态传感。对于使用在触觉传感器中以产生传感反馈，为此曾用响应压力的电阻变化的电压激发和运作的一阵列触觉传感器来发展报告毛病的导电弹性体垫片complaint...
【技术保护点】
一种电容性压敏传感器，其特征在于在它的组合形式中具有：第一电极装置和一个第二电极装置，该第一电极装置包括一个薄的弹性导电塑料片，片上有多个紧密间隔的弹性导电凸块，凸块从该导电塑料片的一个表面凸出，及有可压力一变形的相邻区域，通过在该片的相对表面施加压力可使其相邻区域受压变形，而该第二电极装置面向凸块并与凸块同共铺开，且在第一和第二电极装置间用一层薄的电介质将第二电极装置与凸块隔开。
【技术特征摘要】
中更具体地描述出来。总之，从本发明的各方面之一看，本发明利用一个具有组合形式的一个第一电极和一个第二电极的电容性压敏传感器。该第一电极包括一个薄的弹性导电塑料片，片上有多个紧密间隔的弹性导电凸块及相邻区域，凸块从该导电塑料片的一个表面凸出，通过从该片的相对表面在该相邻区域施加压力可使该相邻区域受压变形。而该第二电极面向凸块并与凸块共同铺开，且用一薄的电介质层将第二电极与凸块隔开。包括鼓击乐器之类的优选和最好模式的实施例和部件将在下文详细叙述。现参看附图来叙述本发明，图1是可用于本发明实际的优选二维电容性压力传感器的横截面;图2A-2C是用实验方法导出的以鼓棒敲击图1传感器所得到的变化，而图2D和2E是施加到传感器表面压力模型的输出;图3A-3D是作图1传感器电极的有用的凸块构型的放大的横截面视图;图4A是有效地使用多个传感器垫片或传感区域作选择性的和相对独立的效应的多区段鼓的部分切开的等角视图;图4B与图4A相似，但使用单一的弹性体垫片的传感器电极;图4C为对图4A和图4B的实施例皆为有用的该鼓的底部的一相似图;图5是优选的响应图4A和4B的乐器的传感器的电容性变化的信号处理设备的电路图，这以产生所例如可用以控制产生需音调和声音的声音发生器的信号。参看图1，该最佳形式的压力传感器包括一块薄的塑料导电橡胶或其他弹性的弹性体垫片电极1，电极1的一表面上最好配置以如由聚酯树脂之类制成的一层保护性的平坦表面的覆盖层C，这点稍后要全面地讨论，覆盖层C的另一面(图示为底部表面)是由相同导电弹性材料突出而做成的弯曲的或厚度可变的或锥形的凸块1′，这些凸块1′被紧密地隔开的、最好成均匀的二维阵列，该二维阵列以精密的电容性关系被一层最好可稍稍弹性地变形的薄电介质2所隔开，伸展成与共同铺开的二维导电体电极表面3有紧密的电容器性关系。图中所示的电极3牢固地被安置在不可移动的板B上，并用电极3限制上层弹性体垫片电极的向下揿压。将电极1揿压成与不可移动的电极3的机械力接触发展所需待测的电容变化。在图3A-3D中所示为各种凸块1′所用的曲面或锥状形体分别以基本上是半球状的、带锥体或锥形尖顶的截短半球、双锥形尖顶和带有一个基顶稍呈圆形的锥体形体。当电极1的相对的(上)表面被如图1中的手指F那样压下而变形时，发现在压缩其锥形厚度以产生较大的电容性效应时，压缩指尖模型下的曲面或锥形凸块1′，将随以基本上是各自无关的选择性变形凸块相应地被压下和变形，以便模仿手指的轮廓和在紧靠指尖下的各个凸块上由指尖的不同部分施加各种形式的力。如下述的在这个可变电容器1-1′-2-3的输出端4和5连接适当的电子装置，指尖的施力和移动将产生容易加工成可以控制产生声频的音或声音的信号的电容性变化。其声频效果正比于施加的压力，而且相应于指尖的敲打和敲击和相应于电极垫片表面1上移动指尖的表面面积的动态压力模型。采用安置在硅橡胶或其它弹性垫片电极1上的鼓的覆盖层或顶盖C，提供了防止弄脏和擦伤垫片以及静电吸引污物。此外，覆盖层还用作电的绝缘体和隔离物以防止人体电容影响系统和防止引入噪音。覆盖层还起“撒布器”盖的作用，当作用在局部的力(例如鼓棒的尖端)可能很大的场合是有用的，以便既限制垫片的压缩永久形变也通过将敲击散布在电容器较大面积上以便机械式地放大信号。现参看图4A的实施例，用鼓棒或钢丝刷敲击鼓顶膜和/或在鼓膜上用鼓棒、刷、手指或手扫动时，发现如此产生的在二维表面上的各个电容性的变化可以被信号加工成声音的模型而与所加的压力模型相对应并基本上成正比的响应关系，并且，最好以所说专利所述的单一传感器件的连续性压力传感方式使该声音的模型基本上正比地响应所加的压力模型。正如所说专利叙述的那样，对于特殊的音或声的效果、包括按压期间第二个敲击效果和音的变化效果来说，可联系图5以建立起按压程度用的各种信号阈值。图2A-2C示出用实验方法得到的输出信号的直观表示，这些输出信号是由于鼓棒对鼓膜的轻的、中等的和重的敲击或敲打使电容随这种二维形状的弹性电容性电极结构的变化而产生的，而且在连接电极的打印输出装置上显示出来。信号的产生将于下文联系图5进行叙述。电极1-1′是由填充碳质的硅橡胶的弹性的塑料片制成的，片厚约十分之一英寸并且具有约60个丢洛硬度计单位的硬度，带有一个二维阵列的紧密隔开的从厚约0.035英寸的腹板1凸出约0.06英寸的成形凸块(每平方英寸100个凸块)。其他的电极3由1密耳厚的铝箔制成并带有厚度大约也是1密耳的“卡普顿”(杜邦公司的聚酰亚胺塑料)制成的介质层2。图2D和2E示出表面压力的图案效应，前者是响应其上施加有力的面积的传感表面输出(单位任意选择)，后者说明输出是施加在传感部分的力的函数。回过来参看图4A的鼓类应用中，边缘夹紧装置9可将组装件同可能结合接地平面的覆盖板7(图4A和4C)固定在一起。如稍后要介绍的，如有需要，可将信号处理用的电子装置装进图4中底板B下侧的B′处。鼓的顶盖C的分离区段或区域可配置在如图4A的6′、6″等处，以作为该区域或区段处的不同的和独立的效应，并在区域之间配置一成形的金属“星形”的隔离器10，星形隔离器用一粘合层8连接到鼓顶盖C以提供一种能防止区域间串话的结构。因此，基本的系统结构是一块印刷电路板，(1)例如(被网印在一块聚酯膜如聚酯薄膜(Mylar)上)含有底部的传感电极3、连接驱动信号至上部的弹性体电极1-1′的装置和连至主要电子设备的装置;(2)一片可能用或可能不用粘合剂粘合到或网印到印刷电路板上的电介质2;(3)如上所述有纹理的导电弹性体制成的上部电极(1);(4)一层上盖或鼓顶盖C;(5)提供激励信号给弹性体电极1的电子设备，它还提供反相的激励信号给传感电容器的其它侧面，监控传感器区域的电容变化以及将这些变化转变为有用的电子信号。图4B中单块弹性体片电极1-1′下面可以有多个电极3也产生若干的独立区域，这一点稍后会更详层地加以介绍。如目前结构的系统中的总垂直变位为1/16英寸。需用以使某一区域变位的力至少要大约与所产生的信号成比例，而且以使它作为一个有效的压力传感器的方式将力“给回”。所述的系统在需要时可以机械方式及电子方式加以改变以变换较大范围的力及具有较深的致动距离，以使对于它的各种运用场合而言是有用的。系统的平坦性质意味着敏化面积对传感区总面积的比率愈小，相对于“基底”或该区静止电容的敏化信号也愈小。由于使用的是大的区域，故这个基底电容也是大的。此外，橡胶凸块1′一旦被完全压下，就不会因为有附加的力或压力而增加信号，由于垂直行程有限，高速小面积的敲击也迅速告终。为机械的放大用的半刚性的聚酯薄膜覆盖层C为小面积实施轻度和猛烈这两种敲击使得电容器的附加面积可被利用，产生了较大范围的可区分的“敲打”。可资利用的邻近电容器的面积对敏化实施面积的比率随敏化实施面积变大而降低，一直到和该区域面积一样大的实施面积不表现出放大效果为止。换句话说，使用机械的放大，可以将较大范围的力与面积的乘积(压力或敲击)压缩为较窄范围的传感器/电子设备组合的有效能量转换。值得注意的是导电橡皮电极1-1′的“腹板”与厚度可调定为适合一专用的系统的腹板所起的作用相似，虽然不是完全一致。这种结构的确降低了表面局部面积的独立程度;然而正是这种结构能够得到来自高速小面积敲击(鼓棒)和大面积低速冲击(手指)的可以比较的信号。半刚性的顶层覆盖层C在鼓中完成另一种动态功能。鼓敲得愈重，就表现得更高的瞬时刚性，受影响(又是指机械放大)的电容面积也就愈大。该覆盖层的变化可以从无到薄而有弹性(只起保护作用)层、到薄而半刚性(薄的聚酯薄膜)层、到较厚的半刚性层、到刚性层。最后一种刚性层可用以使系统的面积在大范围低分布的应用中不灵敏，这些应用例如称量器件或分立的碰撞传感器，或与其他传感器叠式组合以从顶部传感器导出对面积敏感的信息和从底部导出对同步的面积敏感的信号，或许多传感器的堆叠以在较远距离精确测量力。本发明在其优选实用结构(见图4A和4B)中的多区或区段电子鼓乐器应用具体表现为在其顶部表面有五个独立的敲击区6′、6″、6″′等，并有五个CV(模拟控制电压)输出。稍后要说明，该鼓乐器用12伏电池或其它直流电源供电，并通过底部的灯泡加到一根标准定位销钉柱上。该系统响应稳定的和脉冲的这两种力，其响应速率在十分之几微秒的范围而频响刚好落在千赫的范围里。输出是一个模拟电压，它跟踪电容因敲击或揿压垫片引起的变化;将这些变化换算以驱动大多数现存的CV电子鼓的“电脑”。如前面所述，用图1、4A和4B的传感器一起工作的优选电子电路示于图5，该电子电路使用图4C的为图4A和4B的实施例所共有的底部部分。在一种实用的设备中，该器件的传感器身例如是1英寸厚的微粒板圆盘B盘的腔体B′在电子装置的背面刻出的。圆盘上放有一块如模切得到的聚酯薄膜片制成的印刷电路片11，片上网印了导电的图案，以便为五个区域6′、6″、6″′等等提供五个底部电极表面3。激励信号连接到弹性体电极1-1′，导体4和5用以连接这些电极到电子装置E。其踪迹沿一隔膜“尾部”11′进行，“尾部”围绕器身包住电子装置腔体B′。其后在电极区域3上网印一种用作电介质层2的以尿脘为基质的材料。这一层也最好网印在尾部上以提供绝缘。在印刷电路片的上面，放置了五块模切的弹性体电极1-1′和星形隔离器10。该星形隔离器通过印刷电路片用几个如螺丝的紧固件F紧固在器身上。这就同时将电极1-1′安置在适当的位置，然后将模型4电性连接到五个电极以提供驱动信号。隔圈12围绕组装件的外围放置，在星形隔离器上面放置了模切的粘性胶片8，并将顶盖C放在组装件上，接着放置在底部面上尚未型锻的镶面圈9。倒转组装件，安装复盖板7，并将镶面圈型锻成其最终的构型。在检修板13上安装了五个输出插座和功率插座J和两个电位器P，所有这些插座的接线端稍后都在图5加以标明。这些插座连接到装在检修板底部B′上的电子装置E。然后将隔片尾部连到电子装置，并将检修板用紧固在适当位置的定位销钉14紧固到器身上以完成组装件的安装。如果使用图形4B的单一弹性体垫片型，模切合弹性体电极、星形隔离器和粘性胶片不复存在并用一整块的模制垫片来取代，在整块的模制垫片上规定了五个由实心的导电橡胶1″的片段分隔开的电极1-1′的区域。驱动紧固件穿过这些实心部分和印刷电路片而同时进入器身，将组装件销定在适当位置，并将导体4连到电极1-1′。在将本发明运用到单区域传感器中，本发明提供的显著的新颖性在于它能(1)从表面上不同点处的相同输入产生相同的信号，(2)同时变换表面上所有点的合成面积和压力，以及(3)提供连续的输出，它与表面上的静态压力模型或动态压力模型成比例。不能加以区分的有(1)压力输入在其表面上的位置，(2)加在其表面上任一特定点的力，或(3)面积-压力模型究竟是大面积/低力度还是小面积/大力度。为了建立起这个信息，正如稍后要叙述的，需要使用多个第二电极。输出是一个模拟电压，它跟踪因敲击或揿压垫片引起的电容的变化;将这些变化换算以驱动大多数现存的CV电子鼓的“电脑”。如前面所述，用以和图1、4A和4B的传感器一起工作的优选电子电路示于图5，该电子电路使用高频交流电压源，并测量交流电流的流动程度。该流动程度由方程式I＝4EFC给出，式中I是以安培为单位的电流流动，E是所加交流(设为正弦波)的电压，F是其频率，C是以法拉为单位的传感器1-1′-2-3的电容。这些变量在本发明的电子鼓应用中的典型数值如下E＝8伏F＝100千赫C＝300微微法拉I＝1.0毫安故电流流动的大小数量代表电容的瞬时量，同时也反映加到传感器上的力和面积的瞬时乘积。有几种方法用以“减去”无受力时存在“基底电容”。一种优选的方法是通过一个数值等于基底电容的固定电容器施加一个数值相等但有180°反相的电压，并连接这种组合到传感器的输出。在静止状态下，两个电容器的电流抵消而给出零值的净电流。当压力增加流过传感器电流时，净电流离开零值增加，给出有用的输出。图5顶部展示一个由两晶体管T1和T2、网络电阻R1-R5、一个中间抽头的扼流线圈CT和一个并联的电容器C′组成的推挽正弦波功率振荡器。线圈CR电感(250毫亨)和电容C′(0.1微法)的组合产生一个共振频率约为100千赫的共振振荡回路。基极至集电极的电阻R3和R5(22千欧姆)提供起动和维持振荡所需的反馈，而基极至发射极R2和R4(4.7千欧姆)限制晶体管的基极过激励。串联电阻R1(470欧姆)模拟一电流源以改进振荡几乎完美(约1%畸变)的正弦波。由于线圈CT的中心抽头是接地的，线圈端部向其他电路提供精确反相振幅相等的正弦波。振荡器将以“激励输出(Drive Out)”的输出送到传感器(例如图4B的导电橡皮垫片1-1′)的公共板，而反向的振荡器的输出送到现要解释的信号处理电路。其余电路由五个供五个传感器垫片或传感器区段用的相同电路组成，供传感器(垫片)＃1(例如是区段6′)用的电路现要加以说明。压力传感器在外部连接在标以“激励输出”和“垫片1输入”(Pad 1 In)之间。于是，正比于传感器的电容的电容性电流流入“Pad 1 In”端。同时，来自振荡器相对侧边的反相电容性电流通过一个串联的阻容网络组合(其中电阻器数值固定，电容器C″的数值可以在整个有限的范围上变化)流进“Pad 1 In”。实际上，如同前面解释过的，调整电容器使其数值等于传感器的基底电容。通过计及导电橡皮垫1-1′的有限电阻，该电阻使两个电流产生更完全的相消。完整的平衡只有在C″和电阻相匹配时才能达到。在实际中，电阻上是总阻抗的一个小部分，故准确的电阻匹配不是太重要的(20%的电阻失配只有小的影响)。由于压力施加到传感器，流入“Pad 1 In”端的净电流离开零值增加。这个电流的流动发展为电阻器R″(4.7K)两端的小交流电压。该交流电压由一二极管D(IN270锗管)整流，而所得的直流电压保持在0.010μF(微法)(标在图中)的电容器上。使用锗二极管D以避免硅二极管由于它们有比较高(0.6伏)的前向电压降所引起的阈值影响。在施加较大压力的时间里，建立在0.01μF电容器两端的正直流电压也较高。在施加较小压力的时间里，电容器的电荷在几毫秒的时间里通过二极管缓慢地泄漏。0.01μF电容器以这种方式能暂时保...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐纳德A邓肯，杰弗里B特里普，
申请(专利权)人：基本概念公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。