CN1550749A - 检测厚度的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种检测厚度的传感器，其能够将检测介质厚度的动态范围设定得很大，而且即使按照这种方式将动态范围设定得很大，也能够准确地检测介质的厚度。本发明的检测厚度的传感器包括彼此相对设置的固定电极和可动电极、通过与介质接触来改变电极间隙的柱塞和将存储在电极间的静电电容转换成电信号来检测介质厚度的CR振荡电路和FV转换电路。柱塞的后端部与可动电极的间隙一侧的电极表面接触，可动电极相应于介质厚度的增加沿着离开固定电极的方向位移。

Description

检测厚度的传感器

技术领域

本发明涉及一种检测厚度的传感器，用来检测一张复印纸、OHP膜、钞票等薄张片状的介质的厚度，更具体地说，本发明设计一种检测厚度的传感器，这种传感器通过改变对应于介质厚度的电极间隙而能够相应地检测出对应于存储在电极间的静电电容的介质厚度。

背景技术

近年来，在复印纸等中装有用来检测介质厚度的检测厚度的传感器。这种检测厚度的传感器一般能够检测到从纸盒等连续送出的纸张是否发生了重叠。当检测厚度的传感器检测到预定的或比预定的还要大的厚度时，就判定是重叠送纸，并停止传送，等等。对于通过与介质进行接触而检测介质接触状态的传感器，专利文献1公开了一种已知的传感器。

[专利文献1：JP-A-288619]

这种传感器是通过将一个固定电极设置在一个基底膜上并将一个可动电极设置成与该固定电极相对而构成的。通过使介质与设置在可动电极一侧的元件相接触，可动电极位移到固定电极一侧。这些电极的间隙的变化引起了静电电容的变化，根据静电电容的变化，就能够检测出与介质的接触状态。

当检测存储在电极间的静电电容时，通过CR振荡电路等将静电电容转换成频率信号，然后对这个频率进行检测。但是，对于这个频率和电极间隙之间的关系，大家知道形成了图10所示的关系。即，只在电极间隙的一小块区域内，频率才随着间隙的增加呈线性变化。在电极间隙的大部分区域内，即使当间隙增加时，频率也仅仅是逐渐地改变。因此，如果间隙事先设定得大，那么，就可能在间隙改变时得不到线性变化的频率。于是，难以准确地检测频率的变化。另一方面，如果间隙事先设定得窄，那么，频率会随着间隙的变化线性变化。于是，就可能准确地检测频率变化。然而，当按照这种方式将间隙设定得窄时，可动电极只可以在这个间隙范围内位移到固定电极一侧。所以，当厚度超过了间隙范围的介质与传感器接触时，该传感器就会损坏。而且，传感器的动态范围也被限制在电极间隙的范围，减小了动态范围。

发明内容

于是，由于注意到了上述问题，特此提出了本发明。本发明的目的是提供一种检测厚度的传感器，能够将动态范围设定得很大，而且即使按照这种方式将动态范围设定得很大，也能够准确地检测介质的厚度。

即，为了解决上述的问题，本发明的检测厚度的传感器包括一对彼此相对设置的电极、通过与介质接触来改变电极间隙的柱塞(plunger)以及将存储在电极间的静电电容转换成一种电信号的转换电路。其中，检测厚度的传感器的结构是，柱塞对应于介质厚度的增加而发生的位移，扩大了电极间隙。

根据这样的一种结构，开始状态(没有介质与柱塞相接触的状态)时相对设置的电极几乎能够彼此紧密接触。相应地，即便电极间隙由于与介质的接触而被扩大，也能够在频率线性变化的区域内检测频率。而且，由于电极沿着间隙变宽的方向位移，因此，不会发生现有技术中那样的动态范围由开始状态设定的间隙来确定。于是，保证了尽可能宽的动态范围。

进一步，在另一种实施模式中，电极中的一个被设定为固定电极；通过与介质接触来改变间隙的一个可动电极和保持间隙的一个固定电极设置在该设定的固定电极的相对一侧。

外界大气温度、湿气含有量等一般会使存储在电极间的静电电容发生改变。所以，静电电容受到外界大气温度、湿气含有量等的影响而改变。因此，存在着输出结果不正确的可能性。于是，设置了一个固定电极，并在相对该固定的一侧设置了可动电极和另一个固定电极。根据存储在可动电极一侧的静电电容和存储在两个固定电极之间的静电电容，算出频率。通过计算这些频率之间的差值，能够抵消掉温度等的影响。

进一步，在本发明的一个优选实施模式中，检测厚度的传感器包括：固定电极，其设置成与介质传送路径的相对位置是固定的；可动电极，与该固定电极相对设置；弹性部分，能够使可动电极位移而改变固定电极和可动电极之间的间隙；转换电路，将存储在固定电极和可动电极之间的静电电容转换成电信号；柱塞，通过与介质的接触而能够沿着轴向伸缩。其中，检测厚度的传感器的结构是，在固定电极上形成一个柱塞插孔，使装上的柱塞能够伸缩，通过用该柱塞压可动电极上间隙一侧的电极表面，间隙被扩大。

根据这样的一种结构，因为从间隙的内部来压可动电极，所以，利用简单的结构就能够可靠地扩大间隙。

进一步，根据另一个实施模式，构成该对电极中的一个固定电极是用印制电路板构成的。

根据这样的一种结构，能够同时地印制固定电极、线路、端子等，因此，固定电极等制造起来很简单。

此外，在由这种印制电路板制成的固定电极上设置有一个保护层(resist)，相对电极间的间隙由该保护层来形成。

根据这样的一种结构，不必在电极间单独地重新设置电介质。这样，除了原有的保护层功能外，这个保护层还用作电介质。

进一步，在柱塞后端部设有一个头部，其直径大于柱塞的尖端部分。

根据这样的一种结构，当在外壳等中形成通孔并保持住该柱塞时，柱塞的头部就能够挡住该通孔，防止灰尘从外面进入。

另外，柱塞的尖端部分和后端部的结构是球面形状。

根据这样的一种结构，即便柱塞由于与介质接触等原因而变斜了，由于柱塞的两个端部都做成球面形状，所以，柱塞的尖端部分和后端部之间沿其长度方向上的距离不会发生变化。因此，即使柱塞的后端部与可动电极中间隙一侧的电极表面接触并使可动电极位移，也不会由于柱塞的倾斜影响到可动电极的位移量。

附图说明

图1是本发明一个实施模式中检测厚度的传感器的分解透视图；

图2是该实施模式中的检测厚度的传感器在装配好的状态下沿A-A的剖视图；

图3是该实施模式中柱塞附近的放大示意图；

图4是该实施模式中固定电极板的外观透视图；

图5是该实施模式中可动电极板和电极压板的外观透视图；

图6是该实施模式中设置在电路基板上的转换电路的示意图；

图7是本发明第二实施模式中固定电极和可动电极工作原理示意图；

图8是本发明第二实施模式中电路结构示意图；

图9是本发明第三实施模式中外壳和柱塞的结构示意图；

图10是频率与电极间隙的关系示意图；

图11是本发明检测厚度的传感器的使用状态示意图。

具体实施方式

下面参照附图解释本发明第一实施模式中的检测厚度的传感器100的构造。在该实施模式中，图1所示为检测厚度的传感器100的分解透视图。图2所示为检测厚度的传感器100在组装好的状态下沿A-A的剖视图。图3所示为装到外壳1上的柱塞附近的放大示意图。图4所示为固定电极板3的放大透视图。图5所示为可动电极板4和电极压板5的放大透视图。图6所示为设置在电路基板6中的转换电路的构造。

如图11所示，本实施模式中的检测厚度的传感器100设置在复印机等纸张类处理器9的介质传送路径90的附近，并与导板91等相对设置。如图1所示，在这个检测厚度的传感器100中，固定电极30、可动电极40和电路基板6设置在由外壳1和屏蔽板8构成的外壳主体内。固定电极30设置成与介质传送路径90的相对位置关系固定。可动电极40设置成能够改变可动电极40和该固定电极30之间的间隙。电路基板6上具有能够将固定电极30和可动电极40间存储的静电电容转换成电信号的转换电路。在检测厚度的传感器100中还设有柱塞2，能够通过与介质的接触而沿轴向伸缩。在固定电极的中心设有柱塞插孔31，柱塞2装上后能够伸缩。柱塞2的后端部21与可动电极中间隙一侧的电极表面接触。于是，当介质与柱塞2接触时，可动电极40和固定电极30之间的间隙被扩大。下面详细地描述检测厚度的传感器100的构造。

在外壳1中设置有半球形突起部分12(见图2、3)，用来使柱塞2的尖端部分20突出去。在该突起部分12的中心设置有从外壳1内部延伸来的通孔12a，柱塞2保持在该通孔中并能够伸缩。

图3所示是柱塞2附近的柱塞2和外壳1的放大剖视图。该柱塞2由树脂做成柱形。如果将柱塞2与介质相接触的部分设定在尖端部分20，而将柱塞2与可动电极40相接触的部分设定在后端部21，那么，头部22的直径大于尖端部分20一侧的直径，而通孔12a设置在后端部21一侧。该头部22顶靠在外壳1内部的底面部分11上。这样，能够防止柱塞2被拉出而从通孔12a中掉落。另外，通孔12a中的空隙被头部22盖住，因此能够防止灰尘等从外部侵入。所形成柱塞2的尖端部分20和后端部分21构成了同一个圆的球面，柱塞2沿其长度方向的中心为圆心O。当这种柱塞2与介质接触时，由于通孔12a和柱塞2间的空隙，如图3虚线所示，柱塞2一般会发生倾斜。然而，如果尖端部分20和后端部21按照上述方式形成在同一个圆的球面上，那么，即使是柱塞2发生了倾斜，柱塞2的尖端部分20和后端部21之间的垂直距离B也不会变化。因此，最大可能地防止了由于柱塞2的倾斜引起的可动电极40的位移。

另一方面，如图1和2所示，在外壳1的里面设置有引导固定电极板3和电路基板6的安装的引导件13、具有固定电极30的固定电极板3、具有可动电极40的可动电极板4和固定电极压板5的销14。

引导件13是通过使外壳1的内壁表面向着里面以一种纵长形状伸出而构成的。第一引导件13d的厚度尺寸大，设置在外壳1底面部分11一侧。在第一引导件13d的上部形成有一个台阶部分13m。第二引导件13u的厚度尺寸比第一引导件13d的小，从这个台阶部分13m开始设置在开口部分10的一侧上。在固定电极板3中设有对应于第一引导件13d的凹部32。固定电极板3沿着第一引导件13d进行安装。在电路基板6上也设有对应于第二引导件13u的凹部60。沿着第二引导件13u将电路基板6放置并安装在台阶部分13m上。另外，销14设置成从外壳1的底面部分11升起来。与此相对应地，在固定电极板3、可动电极板4和电极压板5上设有与销14对应的孔部33、43、53。销14插进固定电极板3、可动电极板4和电极压板5，然后，通过加热等方法使销14的上端部变形而固定。

下面，固定电极板3的构造表示在图4等中。该固定电极板3是由印制电路板构成的。在该固定电极板3中，设置有位于中心的圆形固定电极30、作为绝缘器的保护层34和用于将导体暴露到表面上的连接部分35。保护层34覆盖在固定电极30上，起固定电极30和可动电极40间电介质的作用。另一方面，连接部分35是固定电极30的外周部分，设置在保护层34的上表面。于是，连接部分35与紧密结合到固定电极板3上的可动电极板4电连接。固定电极30和连接部分35通过线路36连接到端子37a、37b、37c，并通过没有表示出来的引线等连接到电路基板6的端子67a、67b、67c(图1)。图4中虚线所示的元件位于保护层34的下侧，只有连接部分35、端子37a、37b、37c暴露给保护层34的上表面。用来插入柱塞2的柱塞插孔31设置在固定电极板3的中心部分。该柱塞插孔31的直径稍大于柱塞2的头部22的直径。柱塞2由设置在外壳1中的通孔12a和该柱塞插孔31保持，使柱塞2能够伸缩。

图5所示的是可动电极板4的构造。可动电极板4是由方形的薄金属板构成的，圆形的可动电极40设置在线形弹性部分41的中心一侧。该弹性部分41是由留在设置于可动电极板4中的多个狭缝42之间的元件构成的。在本实施模式中，曲柄形状的多个狭缝42设置在同心的圆上，弹性部分41由留在这些狭缝42之间的元件构成。通过弯曲弹性部分41并保持平面状态，使可动电极40扭曲和位移。在可动电极板4的安装状态，可动电极40设置在与固定电极30相对的位置。外周部分44由电极压板5压住，位于可动电极40的外部。

该电极压板5由方形的金属板构成，与可动电极板4具有相同的外部尺寸，并具有一个窗口部分50，使可动电极40能够位移。电极压板5类似地装到从外壳1的底面部分11升起来的销14上。虽然电极压板5允许可动电极40在窗口部分50内位移，但是电极压板5压住可动电极板4的外周部分44，从而使固定电极板3的连接部分35和可动电极板4的外周部分44与导体接触。

如图1所示，在电路基板6中设有通过没有表示出来的引线连接到固定电极板3的端子37a、37b、37c的端子67a、67b、67c、将存储在固定电极30和可动电极40间的静电电容转换成电信号的转换电路。图6中示出了这种转换电路的构造。

在图6中，附图标记61表示由固定电极30和可动电极40构成的可变电容器。附图标记62、63分别表示电阻元件和CR振荡电路。另外，附图标记64表示将静电电容转换成电信号的FV转换电路。图6中虚线所示的电路设置在电路基板6上。由这个电路存储在固定电极30和可动电极40间的静电电容被CR振荡电路63转换成频率信号，或者被FV转换电路64转换成电压信号。根据应用场合来适当地选择频率信号和电压并进行输出。

输出频率信号和电压等电信号的连接器7(图1)固定并结合到电路基板6上。这样，复印机等纸张类处理器9就能够根据该电信号来完成介质等的传送控制。

下面将解释按上述方式构成的检测厚度的传感器100的工作原理。

首先，在没有介质的情况下，在设置于可动电极40外周部分的弹性部分41的弹性力作用下，可动电极40与固定电极板3的保护层34紧密接触。由于保护层34的厚度很薄，大约数微米(大约20微米)，所以，CR振荡电路63输出的频率在这种情况下表现出最小值，如图10的P1点所示。当传送来的介质与柱塞2接触并将柱塞2向上推动一个介质厚度的增加量时，可动电极40的中心部分被该柱塞2的后端部21向上推，于是，可动电极40和固定电极30之间的间隙变大了。这时，如图10箭头P2所示，CR振荡电路63输出的频率逐渐增加。但是，在本实施模式中，因为在初始状态时固定电极30和可动电极40经保护层34相互紧密接触，所以，从这种紧密接触出发，即便间隙被扩大，频率也是线性变化的。因此，通过检测这样的频率，就能够准确地检测到介质的厚度。

于是，在上述实施模式中，检测厚度的传感器具有彼此相对设置的固定电极30和可动电极40、通过与介质接触来改变电极间隙的柱塞2、将存储在电极间的静电电容转换成电信号来检测介质厚度的CR振荡电路63和FV转换电路64。该检测厚度的传感器的结构是，柱塞2的后端部21与可动电极40的间隙一侧的电极表面接触，可动电极40相应于介质厚度的增加沿着离开固定电极30的方向位移。相应地，能够在频率线性变化的区域内对频率进行检测。因此，能够准确地检测介质厚度。而且，由于可动电极40沿着离开固定电极30的方向位移，所以，动态范围不会受到初始状态设定的间隙的限制，保证了宽的动态范围。

而且，在本实施模式中，由于固定电极30由印制电路板构成，所以，端子37a、37b、37c和线路36能够与固定电极30同时地形成，这样，固定电极等制造起来很简单。

进一步，在固定电极30上设有保护层34，可动电极40与该保护层34的上表面接触。相应地，该保护层34能够用作原始的绝缘保护材料，也能够用作电介质。因此，不必在电极间单独地新设电介质。

另外，柱塞2的尖端部分20和后端部21的形状被构造成球面形状。即使柱塞2由于与介质接触而倾斜，柱塞2的尖端部分20和后端部21间垂直距离也不会变化那么大。因此，这种检测厚度的传感器减小了可动电极40由于上述的倾斜而产生的位移误差。

本发明并不限于上述的实施模式，而是可以用多种模式来实施。

例如，当要消除温度特性等引起的静电电容误差时，除了上述的实施模式外，还可以设置一对电极来可变地设定电极间隙。

图7示出了该第二实施模式中的检测厚度的传感器。图7中示意性地示出了固定电极板3a和可动电极板4a等。附图标记30a、30b表示各自独立地设置印制电路板上的两个固定电极。附图标记34表示设置在这些固定电极30a、30b上的保护层。附图标记40a表示可动电极板4a的可动电极。附图标记40b表示可动电极板4a的固定电极。附图标记41a表示设置在可动电极40a外周部分的弹性部分。固定电极板3a一侧的固定电极30a和可动电极板4a一侧的可动电极40a相对设置，通过压柱塞2能够扩大间隙。与这个结构相独立，固定电极板3a一侧的固定电极30b和可动电极板4a一侧的可动电极40b相对设置，并通过没有表示出来的各自端子连接到图8中虚线所示的转换电路上。

在图8中，附图标记61a表示由固定电极板3a一侧的固定电极30a和可动电极板4a一侧的可动电极40a构成的可变电容器。附图标记61b表示由固定电极板3a一侧的固定电极30b和可动电极板4a一侧的可动电极40b构成的可变电容器。在柱塞2根据介质厚度而施加的压力以及环境变化的作用下，存储在电容器61a上的静电电容发生改变。而存储在电容器61b上的静电电容仅在环境变化的作用下发生改变。这些静电电容被CR振荡电路63a、63b转换成频率信号并输出到计数器65a、65b，然后，相应的输出值由CPU进行微分。

根据这样的一种结构，能够抵消温度等变化引起的静电电容变化，从而与温度变化等无关地检测出准确的厚度。

还有，可以如下所述地构造一种结构，能够抵消元件根据温度变化而发生的膨胀。

图9示出了第三实施模式中检测厚度的传感器的结构。图9所示的示意图是该检测厚度的传感器，其构造成即使元件由于温度变化而膨胀，也不会对间隙产生影响。在图9中，附图标记1a和2a分别表示外壳和柱塞。其他的结构与第一、二实施模式相似。在本第三实施模式中，柱塞2a和外壳1a由线膨胀系数相同的元件构成。如果将柱塞2a头部22a的下表面22d到外壳1a的下端面15的距离设为A，将柱塞2a的后端部21a到尖端部分20a的距离设为B，那么，该检测厚度的传感器构造成使A＝B。根据这样的一种结构，这两个距离长度相等，并且柱塞2a和外壳1a具有相同的线膨胀系数，所以，即使温度改变，外壳1a的下端面15到柱塞2a的尖端部分20a的距离不会发生改变。因此，抵消了温度变化引起的元件膨胀。

进一步，在第一实施模式中，柱塞插孔31设置在固定电极30的中心部分，可动电极40在间隙一侧的电极表面受到柱塞2的后端部22的压力。但是，这种检测厚度的传感器也可以构造成，柱塞穿过固定电极板的外部而连接到可动电极的外周部分，而可动电极从上侧升起来，不需要按上述方式布置柱塞插孔31。

进一步，在上述实施模式中，一个电极设定为固定电极，另一个电极设定为可动电极。但是，如果检测厚度的传感器构造成通过电极与介质接触来扩大间隙，那么，每个电极都可以构造成可动的。

本发明的检测厚度的传感器具有一对彼此相对设置的电极、能够通过与介质接触来改变间隙的柱塞和将存储在电极间的静电电容转换成电信号的转换电路。在这种检测厚度的传感器中，柱塞相应于介质厚度的增加而发生的位移，扩大了电极间隙。相应地，初始状态下相对的电极可以设置成相互紧密接触。因此，即使电极间隙随着介质厚度的增加而被扩大，也能够在频率线性变化的区域内对频率进行准确地检测。而且，动态范围不是有初始状态下的间隙确定的，因此保证了宽的动态范围。

Claims (8)

1.一种检测厚度的传感器，包括一对彼此相对设置的电极、通过与介质接触来改变电极间隙的柱塞以及将存储在电极间的静电电容转换成电信号的转换电路，

其中，检测厚度的传感器的结构是，柱塞对应于介质厚度的增加而发生位移，从而扩大电极间隙。

2.根据权利要求1的检测厚度的传感器，其中，所述电极中的一个被设定为固定电极，通过与介质接触来改变间隙的一个可动电极和保持间隙的一个固定电极设置在该设定的固定电极的相对一侧。

3.根据权利要求1的检测厚度的传感器，包括：固定电极，其设置成与介质传送路径的相对位置是固定的；可动电极，与该固定电极相对设置；弹性部分，能够使可动电极位移而改变固定电极和可动电极之间的间隙；转换电路，将存储在所述固定电极和所述可动电极之间的静电电容转换成电信号；柱塞，通过与介质接触而能够沿着轴向伸缩，其中，检测厚度的传感器的结构是，在所述固定电极上形成一个柱塞插孔，使装上的柱塞能够伸缩，通过用该柱塞压可动电极间隙一侧的电极表面，间隙被扩大。

4.根据权利要求1或3的检测厚度的传感器，其中，构成该对电极中的一个固定电极是用印制电路板构成的。

5.根据权利要求4的检测厚度的传感器，其中，在由所述印制电路板制成的固定电极上设置有一个保护层，相对电极间的间隙由该保护层形成。

6.根据权利要求1的检测厚度的传感器，其中，在所述柱塞后端部设有一个头部，其直径大于所述柱塞的尖端部分。

7.根据权利要求1或3的检测厚度的传感器，其中，所述柱塞的尖端部分和后端部的结构是球面形状。

8.根据权利要求1或3的检测厚度的传感器，其中，还设有保持所述柱塞使其能够伸缩的外壳，所述外壳和所述柱塞是用相同材料制成的，柱塞放置表面到外壳下端面的距离和柱塞的长度是相等的。

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