Meta专利介绍机电式位移传感器，测量导电物体间的电容变化

　　位移传感器用于测量两个导电物体之间的电容或电容变化，并根据测量的电容值计算出两个物体的位移测量值。位移测量可包括平移测量和/或旋转测量。在名为“Electromechanical displacement sensor”的专利申请中，Meta介绍了一种相关的机电式位移传感器。

　　在一种实施例中，位移传感器可包括具有耦合到第一对象的多个转子的转子组件和具有耦合到第二对象的多个定子的定子组件。在一个实施例中，多个转子可直接连接到第一对象和/或多个定子可直接连接到第二对象。所述多个转子耦合到所述第一对象，使得所述多个转子沿与所述第一对象相同的方向移动。所述多个定子耦合到所述第二对象，使得所述多个定子沿与所述第二对象相同的方向移动。转子组件的多个转子和定子组件的多个定子可以由一种或多种导电材料制成。在位移传感器工作期间，其向多个转子和多个定子提供电压。

　　在一个实施例中，每个转子和每个定子的形状可以是矩形。在一个实施例中，所有转子和所有定子的长边和每个定子的长边平行于第一个平面布置。通过利用所述组件，可以确定对象的平移运动(即第一对象和/或第二对象在z方向的移动)和/或对象的旋转运动(即第一对象和/或第二对象围绕y轴的移动)。

　　在另一个实施例中，转子的第一子集和定子的第一子集的长边平行于第一平面排列，转子的第二子集和定子的第二子集的长边平行于第二平面排列。通过利用所述组件，可以确定对象的平移运动(即第一对象和/或第二对象在z方向、y方向和/或x方向的运动)和/或对象的旋转运动(即第一对象和/或第二对象围绕y轴的运动)和/或对象的旋转运动(即第一对象和/或第二对象绕x轴的运动)。所以，具有这种转子和定子配置的位移传感器可以感知多达五个自由度的位移。

　　无论转子和定子是否对齐，多个转子中的每个转子都配置为接收多个定子中的相应定子，以创建各自的转子-定子对。当电压施加到多个转子和多个定子时，位移传感器测量的电容值在转子-定子对内的区域内进行测量。

　　在另一实施例中，位移传感器可包括耦合到第一对象的多个电极。在一个实施例中，多个电极可直接连接到第一对象。所述多个电极耦合到所述第一对象，使得所述多个电极沿着与所述第一对象相同的方向移动。在位移传感器工作期间，向电极提供电压，并在第一对象(和电极)和第二对象之间的空间(或区域)内产生fringe field。位移传感器测量fringe field中的电容值。

　　位移传感器向位移控制器提供电容测量值，以确定对象相对于彼此的位移量。位移传感器和位移控制器可以是位移系统的组成。由于电容值直接受导电表面积影响，间接受距离影响，位移控制器可以比较测量的电容值随时间的变化，以确定位移量，例如第一对象相对于第二对象移动的量。位移控制器可确定第一对象相对于第二对象经历的平移运动量和/或一个或两个旋转运动，第二对象相对于第一对象经历的平移运动量，或两个对象相对于彼此经历的旋转运动量。位移控制器可确定将一个或多个对象移回标称位置所需的位移校正量。

　　图1A示出了两个对象之间的平移运动130。对象110和对象120之间的平移运动130是对象110、120相对于彼此的上下运动。例如，平移运动130可以包括向上或向下移动的对象110和保持静止的对象120，向上或向下移动的对象120和保持静止的对象110，或者对象110和对象120都向上或向下移动。

　　平移运动130平行于运动轴，例如z轴。位移传感器105可以耦合到对象110和对象120。在另一个实施例中，位移传感器可以耦合到对象110或对象120中的一个。在一个实施例中，位移传感器105直接连接到对象110和对象120。位移传感器105随时间进行电容测量，并将测量结果提供给位移控制器160。在一个实施例中，位移传感器105和位移控制器160是位移系统的组件。

　　位移控制器160基于位移传感器105提供的电容测量值确定两个对象110、120之间的位移量。例如，对象110和对象120可以在开始位置(即标称位置)开始，并且位移传感器105测量两个对象110、120之间的特定电容值。在所述示例中，当对象110经历平移运动130(例如向下靠近对象120移动)时，由位移传感器105测量的电容值增加。基于电容值的增加量，位移量(即对象110相对于对象120的位置变化量)可由位移控制器160确定。

　　位移控制器160可以连接到对象110的结构或对象120的结构上，或包括在对象110或对象120的结构内。

　　图1B示出了图1A的两个对象110、120之间的两个旋转运动，即旋转运动140和旋转运动150。旋转运动140可与对象110和/或对象120的倾斜运动相关联。旋转运动150可与对象110和/或对象120的倾斜运动相关联。在一个实施例中，旋转运动140是围绕基本上平行于x轴的轴旋转，旋转运动150是围绕基本上平行于垂直于旋转运动140的旋转轴的y轴旋转。位移控制器160可以基于位移传感器提供的电容测量来确定两个对象110、120之间的位移量(即，可以确定一个或多个旋转测量)。

　　当两个对象110、120在x-y平面彼此平行时，放置用于确定任意量的平移运动和/或旋转运动的基准轴。例如，当两个对象处于标称位置时，可以放置参考轴。

　　图2A是示例性位移传感器转子-定子对200的透视图。转子-定子对200包括转子210和定子220。在图2A所示的实施例中，转子210是一个空心矩形盒，具有用于接收定子220的开口底侧211。在一个实施例中，转子210的顶侧213可耦合到第一对象110。在一个实施例中，定子220的底侧221可耦合到第二对象120。转子210的长侧215与定子220的长侧225平行对齐，转子210的短侧217与定子220的短侧227平行对齐。在所示实施例中，转子210和定子220的长边215、225基本平行于x-z平面对齐，转子210和定子220的短边217、227基本平行于y-z平面对齐。转子210和定子220对齐，使得定子220在转子210、定子220或两者的组合的平移运动期间装入空腔，即矩形转子210的空腔。

　　转子210的旋转运动量和定子220的旋转运动量可以通过转子210和定子220的长边215、225之间的间距和/或转子210和定子220的短边217、227之间的间距来控制。例如，转子210可以围绕基本上平行于x轴的轴旋转，直到转子210的长侧215接触定子220的长侧。

　　转子210和定子220由一种或多种导电材料制成。在位移传感器的操作期间，向转子210和定子220提供电压，并测量转子210和定子220之间的电容。

　　图2B是位移传感器的多个转子-定子对205的透视图。图2A中描述的转子-定子对200可以与其他转子-定子对200一起放置在一维阵列或二维阵列中，以形成多个转子-定子对205。在一个实施例中，每个转子-定子对200通过间隙(或开放空间)与另一个转子-定子对200分离。在其他实施例中，每个转子-定子对200直接位于相邻的转子-定子对200旁边，每个转子-定子对200接触相邻的转子-定子对200。转子-定子对205的转子210的顶侧可以耦合到第一对象，转子-定子对205的定子220的底侧可以连接到第二对象。

　　在一个实施例中，多个转子-定子对205的布置可以使转子210和定子220在一个方向上并排放置，如图2B所示。在其他实施例(未示出)中，多个转子-定子对205的布置可以使得转子210和定子220在两个方向上并排放置。与位移传感器中的单个转子-定子对200相比，多个旋转定子对205提供更大的导电表面积。转子-定子对205的阵列提供了一种根据标称位置转子-定子对阵列的电容测量值与第二位置阵列的电容测量值来确定第一对象和第二对象之间更精细移动的方法，如图2C所示。

　　图2C是图2A转子-定子对200的两个位置的横截面。阵列中的每个转子-定子对200可以具有标称位置240。定子220安装在转子210的空腔内，定子220和转子210之间有间隙。与偏离标称位置240相关联的电容值用于测量，例如平移运动。

　　在位移系统的操作期间，当电压施加到转子-定子对200的转子210和定子220时，位移传感器可以在转子210的长边215和定子220的长边225之间的区域219中进行电容测量。在一个实施例中，位移传感器利用位于转子侧和定子侧位移传感器固定部分的电极来测量区域219中的电容。在一个实施例中，当转子-定子对200处于标称位置240时，位移传感器进行第一电容测量，并且可以提供并存储在位移控制器中。随着转子210和/或定子220相对彼此移动，位移传感器可随时间进行后续电容测量。例如，当转子-定子对200处于第二位置250时，位移传感器可以在转子210的长边215和定子220的长边225之间的区域219中进行第二电容测量。位移传感器可向位移控制器提供第二电容测量值。

　　在一个实施例中，位移控制器可将电容测量值(即第一电容测量值和第二电容测量值)与预定查找表或预定位移确定模型进行比较，以估计第一对象相对于第二对象之间的位移量。预定查找表或预定位移确定模型描述了电容值和位移量之间的关系。例如，预定查找表和/或预定位移确定模型可以通过比较由位移传感器测量的电容值与预定查找表来识别第一对象相对于第二对象的位移量。

　　在图2C中，在位移系统运行期间，位移控制器可以将转子-定子对200处于标称位置240时的第一电容测量值和转子-定子对200处于第二位置250时的第二电容测量值与预定查找表和/或预定位移确定模型进行比较，以确定位移转子210相对于定子220的位移量。

　　图3A是示例性位移传感器300的分解图，位移传感器300包括第一对准配置中的转子组件330和定子组件340。

　　转子组件330包括多个转子310、电枢(例如电枢333)和转子架335。多个转子310是上文详细描述的转子210的实施例。多个转子310通过转子组件330的所有四个侧面上的电枢(例如电枢333)连接到转子框架335。转子框架335可以连接到定子框架345。电枢的材料特性使得多个转子310具有一定的自由度。

　　定子组件340包括多个定子320和定子框架345。多个定子320是上文描述的定子220的实施例。定子框架345包含多个定子320，并且可以连接到对象120。在一个实施例中，位移传感器的长度和宽度可以从几百微米到几毫米，厚度可以从大约500微米到两毫米。例如，转子组件330和定子组件340可以具有相同的尺寸。

　　在图3A中，多个转子310和多个定子320均布置在第一对准配置中。第一对准配置包括多个转子310和多个定子320的四组。一组转子310包括一个或多个转子310。定子320的一组包括一个或多个定子320。如图3A所示，两个分组包括多个转子310的第一子集332和多个定子320的第一子集342。所述定子320与转子310的长边和平行于y-z平面的定子320的长边对齐。其他两组包括多个转子310的第二子集334和多个定子320的第二子集344，它们与转子310的长边和平行于x-z平面的定子320的长边对齐。多个转子310和多个定子320对齐，使得多个定子320中的每个定子在沿运动轴(即沿z轴)平移运动期间安装到多个转子310中相应转子的空腔中，从而形成转子-定子对(例如转子-定子对205)。

　　在位移系统运行期间，向多个转子310和多个定子320提供电压，位移传感器300测量多个转子310的每个转子的长边与每个转子-定子对中多个定子320的每个定子的长边之间的电容。例如，在转子-定子对的标称位置期间，位移传感器300测量每个转子-定子对的第一电容值。当第一对象和/或第二对象相对于另一物体移动时，位移传感器300继续测量电容值。位移传感器300可以测量每个转子-定子对的第二电容值、每个转子-定子对的第三电容值等等。电容值提供并存储在位移控制器中。位移控制器基于电容测量值确定转子组件330和/或定子组件340经历的位移量，例如平移运动量和/或旋转运动量。

　　在一个实施例中，位移控制器可将电容测量值分组。例如，可以平均每个分组中每排转子-定子对中每对转子-定子对的电容测量值。在另一个示例中，可以平均每个分组中转子-定子对的每列中的每个转子-定子对的电容测量值。在一个实施例中，位移控制器可以利用每个转子-定子对的每个单独电容测量。

　　位移控制器可将电容值与预定查找表和/或预定位移确定模块进行比较。在一个实施例中，位移控制器可将平均电容值与预定查找表和/或预定位移确定模型进行比较，以确定转子组件330和/或定子组件340经历的位移量。

　　图3B是定子组件360的俯视图350。定子组件360基本类似于定子组件340。位移控制器从位移传感器接收电容测量值，并可将值分组。位移控制器可以按行和列对每个转子-定子对电容测量进行分组。

　　可在任何给定时间确定平均电容值。在一个实施例中，位移控制器可将每行转子-定子对的平均电容值与预定查找表进行比较，以确定转子组件和/或定子组件360可能经历的绕基本上平行于y轴的轴的旋转运动量。类似地，位移控制器可以将每列转子-定子对的平均电容值与预定查找表进行比较，以确定围绕基本上平行于x轴的轴的旋转运动。

　　图3A和3B中所示的第一对准配置。位移传感器的3A和3B可提供高分辨率位移测量，并可测量多达五个自由度的运动。通过在第一次对准配置中增加转子-定子对的数量，位移传感器的灵敏度增加。第一对准配置允许对平移运动和倾斜运动进行差分传感。

　　图5A是示例性位移传感器510的横截面。位移传感器510对应于是图1A和AB中位移传感器105，和/或图3A的位移传感器300。位移传感器510包括转子组件530和定子组件540。转子组件530基本上类似于前面讨论的转子组件330、430，并且可以包括以前面讨论的任何对准方向布置的多个转子。定子组件540可包括以与转子组件530匹配的对准配置布置的多个定子。在图5A中，多个转子和多个定子的长边平行于平面布置，类似于图4中讨论的第二对准配置。在第一连接配置中，转子组件530通过粘合材料550(例如粘合剂、PDMS等)连接到对象110。在图5A所示的一个实施例中，粘合材料550可应用于转子组件530的一部分。在另一个实施例中，粘合材料530可应用于转子组件530的整个顶侧。在第一连接配置中，定子组件540可以经由定子框架连接到对象120。

　　通过上述方式，位移传感器可以测量和计算一个对象和另一个对象之间的位移量。Meta指出，传统的位移传感器一般仅测量一个平移测量或一个旋转测量，所以厂商会使用多个位移传感器来监测沿不同平移和/或旋转方向的运动。但对于专利描述的位移传感器，其可以感知多达五个自由度的位移。另外，所述位移传感器能够检测两个对象之间可能发生的更精细移动，提供了灵敏度更高的差分传感。

　　名为“Electromechanical displacement sensor”的Meta专利申请最初在2020年9月提交，并在日前由美国专利商标局公布。