CN113631890A - 补偿电容传感控制元件中的机械公差 - Google Patents

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Abstract

一种设备包括第一电极(310)、第二电极(320)和第三电极(120)，该第三电极具有第一相对表面(350)和第二相对表面(360)。第一相对表面(350)邻近第一电极(310)并与第一电极(310)相隔第一距离，第二相对表面(360)邻近第二电极(320)并与第二电极(320)相隔第二距离。第三电极(120)被配置为相对于第一电极(310)和第二电极(320)移动。电容传感电路耦合到第一电极(310)和第二电极(320)。电容传感电路被配置为使用第一电极(310)和第二电极(320)确定电容。

Description

补偿电容传感控制元件中的机械公差
背景技术
许多类型的机器和装置是由用户拉动或按压机械致动器(例如，扳机、按钮等)操作的。对于一些装备，用户操作致动器的力会影响装置的操作。例如，用户越用力拉动电钻的扳机，电钻的马达就越快旋转以提高钻头的速度。许多类型的此类力敏的用户致动装备使用电阻式致动器来控制装备的操作。
发明内容
在一个示例中，设备包括第一电极、第二电极与具有第一相对表面和第二相对表面的第三电极。第一相对表面邻近第一电极并与第一电极相隔第一距离，并且第二相对表面邻近第二电极并与第二电极相隔第二距离。第三电极被配置为可相对于第一电极和第二电极移动。电容传感电路耦合到第一电极和第二电极。电容传感电路被配置为使用第一电极和第二电极来确定电容。
附图说明
对于各种示例的详细描述，现在将参考附图，其中：
图1示出了包括电容传感控制致动器的装置。
图2示出了包括相对于固定电极移动的可移动电极的电容传感控制致动器。
图3和图4示出了相对于固定电极的两个不同位置的可移动电极。
图5示出了图3和图4的电极的电气模型。
图6示出了可用于测量可移动电极和固定电极的有效电容的电容传感电路的示例。
图7示出了包括在可移动电极的相对表面上的电极板的示例，其与可移动电极有电连接。
图8示出了包括在可移动电极的相对表面上的电极板的示例，其中可移动电极浮动。
图9示出了围绕可移动电极设置的两对电极板的示例。
图10示出了可用于图9的电极配置的电容传感电路。
具体实施方式
所公开的示例针对用于操作装置的基于电容的传感技术。在一个示例中，该装置的用户向致动器施加力，从而移动致动器以操作该装置。致动器包括被配置作为一个或多个电容器的多个导电电极。电极中的一些被固定在装置内适当位置，并且当用户向致动器施加力时，电极中的一个相对于固定电极移动。可移动电极相对于固定电极的移动改变了固定电极和可移动电极之间的电容。改变的电容由电容传感电路确定，并且检测到的电容变化控制装置的操作。该装置可以是任何类型的用户致动装置，诸如电钻、角磨机、电动螺丝刀、其他类型的电动工具、电器、玩具、操纵杆等。
一般来说，两个平行板之间的电容是板面积与板之间距离的比率(以及板之间材料的介电常数)的函数。当可移动电极相对于固定电极移动时，固定电极和可移动电极之间重叠的电极表面积的量会发生改变，从而改变电容。可移动电极和固定电极之间的距离在名义上是预设距离并且不改变。然而，由于装置及其环境的振动以及机械公差，当可移动电极相对于固定电极平移时，距离确实可能发生变化。在此类情况下，不仅电极的重叠面积在改变，而且固定电极和可移动电极之间的距离也在改变。仅仅是该改变的距离就会改变所传感的电容和装置的操作。本文中描述的示例解决了该问题。
图1示出了具有致动器110的装置100。致动器110通过施加力而被移动。例如，人可以推或拉致动器110，由于弹簧或其他抗力机制，致动器110可以抵制运动。可移动电极120耦合到致动器110。因此，当致动器110移动时，可移动电极120也会移动。可移动电极120相对于固定电极移动，该固定电极在图1中没有示出，但在其他图中示出。致动器110的移动引起装置100执行功能(例如，钻孔)。该示例中的装置100包括马达125，其速度通过施加力(例如，人的手指)来控制——例如，马达的速度与施加到致动器110的力的量成比例。可移动电极120形成电容器的一部分，其电容随着移动电极的移动而改变。电容的改变由电容传感电路(下文讨论)检测，并且电容的改变引起装置100执行的功能发生改变(例如，启动、停止、提高马达的速度、降低马达的速度等)。
图2示出了可用于基于电容的传感技术的电极的一个示例。可移动电极120相对于固定电极210在箭头205的方向上移动。电极120、210由导电材料(例如金属)制成，或以其他方式涂覆有导电材料。固定电极210不会相对于使用它的装置(例如装置100)移动。在该示例中，固定电极210具有近似矩形的横截面形状(例如，矩形或有圆角的矩形)。在一些示例中，矩形横截面形状是近似正方形。固定电极210具有内腔212，并且可移动电极120设置在内腔212内。该示例中可移动电极120的横截面形状也是近似矩形。用于可移动电极120和固定电极210的其他横截面形状也是可能的(例如，三角形、椭圆形、圆形等)。
图3和图4示出了可移动电极120相对于固定电极210的定位。在这些示例中，为了方便起见，仅示出了固定电极210的邻近可移动电极120的一对相对表面350和360的那些表面310和320。在图3的布置中，可移动电极120完全在固定电极210限定的内腔212内，使得固定电极210的整个表面310大约与可移动电极120的整个对应表面350重叠。表面310的面积是其长度L1乘以其宽度W1(面积＝L1×W1)。表面310和350之间的距离是D1。相对表面320的面积与表面310相同(并且表面310、320的面积可以与相对表面350、360的面积相同或不同)，并且表面320与可移动电极的相邻表面360之间的距离D2名义上也相同(例如，D2＝D1)。对应表面310、350之间的空间和对应表面320、360之间的空间可以是气隙。
面对表面310和350代表一对平行板，从而形成电容器。一对平行板的电容至少部分是其面积与板间距离的比率的函数。在可移动电极120处于图3所示的位置(完全在固定电极的表面310、320之间)的情况下，由表面310、350提供的电容因此是(L1×W1)/D1的函数。
在图4中，可移动电极120已在箭头205的方向上移动，并因此只有表面350、360的一部分在固定电极210的表面310和320之间。具体来说，可移动电极120的表面350的部分450被固定电极210的表面310的对应部分440覆盖。该部分440和450的长度为L2，并且宽度为W1，对于每个部分440、450的面积为L2×W1。由于L2小于L1，因此图4中由310/350和由320/360限定的电容器的面积比图3中的更小。另一对电容器在另一对表面460、470(与可移动电极120的表面350、360正交)和固定电极210的对应表面(图3和图4中未示出)之间实施。
当可移动电极120相对于固定电极210移动时，固定电极和可移动电极的表面之间的重叠面积发生改变。在理论上，表面之间的距离D1不会改变。然而，由于电极表面的尺寸和形状的制造公差、移动电极相对于(多个)固定电极的倾斜，和/或包含电极的装置100所经历的振动，距离D1确实可能变化。例如，当可移动电极120在箭头205的方向上移动时，可移动电极120的表面350可能变得更接近固定电极210的表面310(即D1变小)。电容器的平行板之间的距离越小，趋向于导致电容增加。当然，板的重叠部分的面积也随着可移动电极120的移动而改变。理想情况下，平行板的电容将仅由于重叠板面积的改变而改变，但在实践中，电容不幸也受到D1的任何改变的影响。随着表面310和350之间的D1减小，表面320和360之间的距离D2增大。因此，并如下面参考图5进一步解释，仅仅由于D1的减小(例如，电极120变得更接近或远离表面370)和/或由于在电极120相对于表面320、350移动时电极120相对于表面320、350的不慎倾斜而导致的表面310和350之间的电容的任何增大被表面320和360之间的电容的对应减小抵消。
图5示出了固定电极210和可移动电极120的横截面视图。电容器C1代表由面对导电表面310和350形成的电容，并且电容器C2代表由面对导电表面320和360形成的电容。电容器C3和C4代表由相邻表面510和370(C4)与表面520和380(C3)形成的电容。电触点501连接到固定电极210，并且电触点502连接到可移动电极120。图5还示出了对应的电气模型。电容器C1-C4是并联连接的。并联的电容器的有效电容(Ceff)是电容之和。如果可移动电极的表面350以特定的量变得更接近表面310，则表面360将以相同的量变得更远离表面320。因此，仅仅由于改变导电表面之间的距离，因此C2的电容将以与C1的电容的增大量相同的量减小，并且C1-C4的并联组合的有效电容将保持相同。因此，该电极布置自动补偿表面之间的距离改变，以及移动电极相对于(多个)固定电极的任何倾斜。
图6示出了连接到示例电容传感电路610的电极120和210。在该示例中，电极210接地，并且电极120是连接到电容传感电路610的有源电路***的传感电极。在另一个示例中，电极120接地，并且电极210连接到电容传感电路610的有源电路***。在该示例中，电容传感电路610包括控制电路620、电荷转移电容器Ctrans，以及开关S1和S2。电容传感电路620实施电荷转移技术，以确定由电极120和210限定的两对电容器C1、C2和C3、C4的有效电容。在一些示例中，控制电路620是有限状态机。控制电路620断言控制信号621和622，以分别控制开关S1和S2的打开/关闭(开/关)状态。当开关S1关闭并且开关S2打开时，并联电容器组C1-C4使用参考电压(REF)充电。在放电阶段期间，开关S1打开并且开关S2关闭，从而使并联电容器组C1-C4通过控制电路620放电。来自并联电容器组C1-C4的电荷被用来对电荷转移电容器Ctrans充电。控制电路620计算并联电容器组C1-C4之间转移到电荷转移电容器Ctrans的电荷量。在一个示例中，电容器Ctrans上的电压达到预定的电压阈值所需的电荷转移周期数(例如，使用计数器测量)确定了电容。在另一个示例中，执行预定/固定的电荷转移周期数，并且测量电容器Ctrans上的结果电压(例如，经由模数转换器)并映射到电容值。除了电荷转移之外，也可以实施其他技术来确定电容。
然后控制电路620关闭开关S1并打开开关S2以再次对并联电容器组C1-C4充电。控制电路620操作开关S1和S2以重复对并联电容器组C1-C4充电，并然后将电荷从并联电容器组C1-C4转移到电荷转移电容器Ctrans上，同时确定每个周期中转移的电荷量。从并联电容器组C1-C4转移的电荷量是电容器组的有效电容Ceff的函数，其继而是电极120和210的面对表面的重叠面积量的函数，并且重叠面积量是由可移动电极120相对于固定电极的相对位置决定的。每个改变/放电周期花费几分之一秒(例如，每秒数百或数千个充电/放电周期)。可以由控制电路620实施预定数量的充电/放电周期(例如，100个)，以确定并联电容器组C1-C4的有效电容。
图7示出了示例，其中可移动电极710在两个单独的面对导电板电极720和730之间。板电极720和730在连接点740处电连接在一起，并且连接点742连接到可移动电极710。图7还示出了对应的电气模型为电容器C710/720(在电极710和720之间形成的电容器)与电容器C710/730(在电极710和730之间形成的电容器)并联。如图6中的电容传感电路可以连接到连接点740和742以确定C710/720和C710/730的有效电容。
在上述实施例中，可移动电极具有到电容传感电路620的电连接。在一个示例中，柔性导线以足够的松弛度焊接到可移动电极，以允许电极移动而不破坏导线或焊点。然而，焊点有可能在长期使用中失效。因此，在一些示例中，可移动电极被允许“浮动”，也就是说，可移动电极不直接电连接到任何事物，诸如电容传感电路。
图8示出了示例，其类似于图7的示例，但没有对可移动电极810进行电连接。相反，每个固定板电极820和830具有其自己的连接点(用于电极810的连接点840和用于电极830的连接点842)。由平行板形成的电容器的结果是，图8所示的模型为电容器C810/820(在电极810和820之间形成的电容器)与电容器810/830(在电极810和830之间形成的电容器)串联连接。串联连接的电容器的有效电容是其电容的乘积与其电容之和的比率。电容传感电路620可用于确定有效电容。
图9示出了示例，其中四个单独的固定电极950、960、970和980围绕可移动电极910的外表面设置。在该示例中的横截面中，可移动电极910是正方形或矩形，并具有四个表面910、911、912和913。固定电极950与表面911相邻。固定电极960与表面913相邻。固定电极970与表面914相邻。固定电极980与表面912相邻。每个固定电极和其各自的可移动电极表面之间存在足够的间隙940，以便形成电容器。因此，可移动电极910的表面和四个固定电极950、960、970和980的组合形成四个电容器。图9还示出，固定电极970和980电连接在一起并提供连接点982。类似地，固定电极950和960电连接在一起并提供连接点984。
图10示出了图9的四个电容器的电气模型985和耦合到连接点982和984的电容传感电路1000的示例，以确定连接点982和984之间的有效电容。电容器C5代表由固定电极950和可移动电极910的表面911形成的电容。电容器C6代表由固定电极960和可移动电极910的表面913形成的电容。电容器C7代表由固定电极970和可移动电极910的表面914形成的电容。电容器C8代表由固定电极980和可移动电极910的表面912形成的电容。电容器C5和C6是并联连接的。电容器C7和C8是并联连接的。电容器C5和C6的并联组合经由可移动电极910与电容器C7和C8的并联组合串联。在该示例中，电极910是浮动的，也就是说，电极910没有与电容传感电路1000电连接。
穿过每对电容器C5/C6和C7/C8的箭头表示每个电容器相对于平行对的另一个电容器的变化。例如，由于可移动电极910相对于固定电极850、960、970和980的倾斜，随着电容器C5的电容增加，电容器C6的电容减少，反之亦然。同样地，随着电容器C7的电容增加，电容器C8的电容减少，反之亦然。
电极982和910之间的有效电容是：
Ceff_C5_C6＝C5n+C6n (1)
其中
C5n＝C5+ΔC5+C5err (2)
其中C5是电极在固定位置(例如，可移动电极910相对于固定电极的预设位置)的C5的电容，ΔC5是由于可移动电极910相对于固定电极的移动(假设没有倾斜)而导致的C5的变化，C5err是由于可移动电极910的倾斜而导致的C5的变化。C6n给定如下：
C6n＝C6+ΔC6-C6err (3)
其中C6是电极在固定位置的C6的电容，ΔC6是由于可移动电极910相对于固定电极的移动而导致的C6的变化(假设没有倾斜)，而C6err是由于可移动电极910的倾斜而导致的C5的变化。C6err的大小与C5err相同，对C6n的影响与C5n的影响相反，如在公式(2)中加上C5err，但在公式(3)中减去C6err所示。C7和C8的关系与上述C5和C6的关系相似。即，
Ceff_C7_C8＝C5n+C6n (4)
C7n＝C7+ΔC7+C7err (5)
C8n＝C8+ΔC8-C8err (6)
电容传感电路1000包括控制电路1020、电荷传输电容器Ctrans和开关S3-S8。控制电路1020断言控制信号以控制开关S3-S8中的每个开关的开/关状态。连接点(连接到电容器C5和C6)连接到开关S3、S4和S7。连接点984连接到开关S5、S6和S8。开关S3和S5还连接到参考电压节点1111上的参考电压(例如，具有低噪音的专用参考电压，以避免影响电容测定)，并且开关S4和S6连接到接地节点。控制电路1020导通S3或S4中的一个(但不是两个同时导通)，从而将电容器C5和C6连接到电源电压或接地。同样，控制电路1020导通S5和S6中的一个(但不是两个同时导通)，从而将电容器C7和C8连接到电源电压或接地。在操作中，控制电路1020可以使连接点982接地，连接点984连接到参考电压(节点1111)。控制电路1020可替代地使连接点984接地，连接点982连接到参考电压(节点1111)。因此，串联的并联电容器对可以用连接点982上的电源电压充电，并且连接点984被接地，或者反之亦然。
一旦在连接点984接地(经由开关S6)并将电源电压施加到连接点982(经由开关S3)的情况下对该组电容器C5-C8充电，开关S3和S6由控制电路1020打开，并且控制电路1020关闭开关S7以将该组电容器C6-C8放电到电荷转移电容器Ctrans。根据各种电荷转移技术(例如上述技术)中的任何一种，使用连接点982给电容器充电，然后通过Ctans放电的过程重复多次(例如100次)，以获得连接点982和984之间的有效电容的测量值。然后，控制电路1020可以重复充电/放电循环(例如100次)，这次将连接点982接地并使用连接点984连接到参考电压。
图2至图10的示例示出了相对于可移动电极120、710、810和910的外电极。在其他示例中，任何或所有的“外”电极都在可移动电极的内部。在图9中，任何或所有的电极950、960、970和980可以位于可移动电极910内。例如，电极950和960可以在可移动电极的内部，而电极970和980在外部，或者反之亦然。电极950和970可以在可移动电极910的内部，而电极960和980在外部，或者反之亦然。在某些情况下，四个电极950、960、970或980中只有一个是在可移动电极910的内部，而其他电极在外部，或者只有一个电极在外部，而其他三个在内部。
在本描述中，术语“耦合”意味着间接或直接的有线或无线连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，该连接可以是通过直接连接或通过经由其他装置和连接的间接连接。在权利要求书的范围内，在所描述的实施例中可以进行修改，而且其他实施例也是可能的。

Claims (19)

1.一种设备，其包括：
具有内腔的第一电极；
设置在所述第一电极的所述内腔内的第二电极，所述第二电极被配置为在所述内腔内相对于所述第一电极移动；以及
耦合到所述第一电极和所述第二电极的电容传感电路，所述电容传感电路被配置为确定所述第一电极和所述第二电极的电容。
2.根据权利要求1所述的设备，其中通过所述内腔的所述第一电极的横截面具有近似矩形的形状，并且其中所述第二电极的横截面具有近似矩形的形状。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述电容传感电路被配置为通过从由所述第一电极和所述第二电极限定的电容器的电荷转移来确定所述电容。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述电容随着所述第二电极相对于所述第一电极移动而变化。
5.一种设备，其包括：
第一电极；
第二电极；
具有第一相对表面和第二相对表面的第三电极，所述第一相对表面邻近所述第一电极并与所述第一电极相隔第一距离，并且所述第二相对表面邻近所述第二电极并与所述第二电极相隔第二距离，所述第三电极被配置为相对于所述第一电极和所述第二电极移动；以及
耦合到所述第一电极和所述第二电极的电容传感电路，所述电容传感电路被配置为使用所述第一电极和所述第二电极确定电容。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第三电极具有相对于所述第一相对表面和所述第二相对表面正交布置的第三相对表面和第四相对表面，并且所述设备还包括：
邻近所述第三相对表面的第四电极，所述第四电极与所述第三相对表面相隔第三距离；以及
邻近所述第四相对表面的第五电极，所述第五电极与所述第四相对表面相隔第四距离。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述第四电极和所述第五电极耦合到所述电容传感电路。
8.根据权利要求6所述的设备，其中所述第三电极被配置为相对于所述第三电极和所述第四电极移动。
9.根据权利要求6所述的设备，其中所述第三电极包括浮动电极。
10.根据权利要求6所述的设备，其中所述第一电极和所述第二电极在第一节点处耦合在一起，并且所述第三电极和所述第四电极在第二节点处耦合在一起。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述电容传感电路被配置为：
在第一状态下，将所述第一节点耦合到固定电压基准，使第一电压被提供至所述第二节点，然后使电荷从所述第二节点转移到电容器；以及
在第二状态下，将所述第二节点耦合到所述固定电压基准，使所述第一电压被提供至所述第一节点，然后使电荷从所述第一节点转移到所述电容器。
12.根据权利要求5所述的设备，其中所述电容传感电路被配置为通过从所述第一电极与所述第一相对表面之间的第一电容以及从所述第二电极与所述第二相对表面之间的第二电容的电荷转移来确定所述电容。
13.根据权利要求5所述的设备，其中当所述第三电极相对于所述第一电极和所述第二电极移动时，所述第一相对表面朝向所述第一电极而致使所述第一距离减小的任何移动也导致所述第二相对表面远离所述第二电极而致使所述第二距离增大的移动。
14.根据权利要求5所述的设备，还包括马达，并且基于所述第三电极相对于所述第一电极和所述第二电极的移动，所述马达的速度是可控的。
15.一种设备，其包括：
第一固定电极；
第二固定电极；
第三固定电极；
第四固定电极；
第五可移动电极，其具有第一相对表面和第二相对表面以及第三相对表面和第四相对表面，所述第一相对表面邻近所述第一电极并与所述第一电极相隔第一距离，所述第二相对表面邻近所述第二电极并与所述第二电极相隔第二距离，所述第三相对表面邻近所述第三电极并与所述第三电极相隔第三距离，所述第四相对表面邻近所述第四电极并与所述第四电极相隔第四距离，所述第五可移动电极被配置为相对于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极移动；以及
耦合到所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极的电容传感电路，并且所述电容传感电路被配置为使用所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极确定电容。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述第五可移动电极包括浮动电极。
17.根据权利要求15所述的设备，其中所述第五可移动电极没有电连接到所述电容传感电路。
18.根据权利要求15所述的设备，其中所述第一电极和所述第二电极在第一节点处耦合在一起，并且所述第三电极和所述第四电极在第二节点处耦合在一起。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述电容传感电路被配置为：
在第一状态下，将所述第一节点耦合到固定电压基准，使第一电压被提供至所述第二节点，然后使电荷从所述第二节点转移到电容器；以及
在第二状态下，将所述第二节点耦合到所述固定电压基准，使所述第一电压被提供至所述第一节点，然后使电荷从所述第一节点转移到所述电容器。
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