申请/专利权人：斯沃奇集团研究和开发有限公司

申请日：2017-01-25

公开（公告）日：2022-09-09

公开（公告）号：CN109075786B

主分类号：H03K17/97

分类号：H03K17/97;A63B71/06;G01L1/14;G04F8/08;G07C1/22;H03K17/972;H01L41/12;A63B69/12

优先权：["20160324 EP 16162292.3"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2022.09.09#授权;2019.01.15#实质审查的生效;2018.12.21#公开

摘要：本发明涉及一种力传感器CP，它包括：‑第一部件PA1，所述第一部件包括检测线圈BN；‑第二部件PA2，所述第二部件与所述第一部件PA1相对地定位，并且包括：o铁磁板FM，所述铁磁板能够相对于第一部件PA1平移地移动，以便在力F传递到传感器CP时朝向所述第一部件移动并减小由所述两个部件PA1，PA2与可变空气间隙串联所形成的磁路的磁阻；o电子检测电路，所述电子检测电路被配置为产生取决于所述磁路的磁阻的信号，其特征在于，所述铁磁板FM由非晶金属合金形成。

主权项：1.力传感器CP，所述力传感器包括：-第一部件PA1，所述第一部件包括检测线圈BN；-第二部件PA2，所述第二部件与所述第一部件PA1相对地定位，所述第二部件包括：o铁磁板FM，所述铁磁板能相对于第一部件PA1平移地移动，以在力F被传递到该力传感器CP时朝向所述第一部件移动并减小由所述两个部件PA1，PA2与可变间隙串联所形成的磁路的磁阻；o电子检测电路，所述电子检测电路被配置为产生取决于所述磁路的磁阻的信号，其特征在于，所述铁磁板FM由非晶金属合金形成，该非晶金属合金是基于钴-铁-镍-硼-硅的2714A型非晶金属合金Co69Fe4Ni1B4Si15。

全文数据：尤其用于触摸垫的力传感器技术领域本发明涉及一种适于检测施加在游泳者计时系统的垫—称为触摸垫—上的力的传感器。这种传感器也可以被认为是对由所述力的施加引起的垫的运动的检测器。当然，即使上述力传感器运动传感器特别适合于上述用途，它也适用于需要检测力或运动的所有类型的应用。背景技术传统地，触摸垫固定到游泳池的泳道的终点壁。当游泳者在触摸垫上施加由力传感器检测到的压力时，测量游泳者的时间的计时器停止或记录中间时间。从申请US3,584,169中已知适用于这种用途的力传感器。该申请公开了形式为在垫和终点壁之间沿着所述垫延伸的线的力传感器。每根线包括两个相对的金属条，其中一个金属条是弯曲的，以避免两个金属条之间的任何接触。当游泳者朝向终点壁施加力到所述垫上时，所述线中的一根的至少一部分被压缩，所述线的金属条然后彼此接触。然后，包括该线的电检测电路闭合。这种类型的传感器的缺点在于它不能定位游泳者施加压力到所述垫上的点。另一个缺点是必须在垫上施加很大的力以使得金属条相接触。因此需要一种力传感器，该力传感器更灵敏并且可以以矩阵形式定位在所述垫上或面向所述垫定位，以允许定位游泳者的撞击。当然，这种传感器还必须具有低的反应时间，以便允许对游泳者的精确计时。此外，这种力传感器必须紧凑、薄、能潜入水中并且能够抵抗冲击以及抵抗在游泳池的水中存在的潜在腐蚀剂，例如氯。发明内容本发明的目的是解决上述需求的全部或部分。为此，本发明涉及一种力传感器，所述力传感器包括：-第一部件，该第一部件包括检测线圈；-第二部件，所述第二部件与第一部件相对地定位，所述第二部件包括：o铁磁板，所述铁磁板能相对于第一部件平移地移动，以在力被传递到该传感器时朝向所述第一部件移动并且减小由所述两个部件与可变间隙气隙串联所形成的磁路的磁阻；o电子检测电路，所述电子检测电路被配置为产生取决于所述磁路的磁阻的信号。术语“板能相对于第一部件平移地移动”应理解为意味着该板能在参考坐标系中平移地移动，其中第一部件固定在该参考坐标系中。因此，所指的是板和第一部件之间的相对运动。这样的参考坐标系不一定是地球参考坐标系。实际上，显然该板可以固定在地球参考坐标系中并且第一部件可移动。当根据本发明的传感器被放置在游泳池的终点壁和触摸垫之间时，施加在传感器附近的垫上的力被反馈回所述传感器。该力使板相对于包括检测线圈的第一部件移动，接着磁路间隙的长度改变，这是所述磁路的磁阻变化的来源。因此，借助于连接到线圈的端子并允许产生取决于磁路的磁阻取决于所述间隙的输出信号的电子检测电路，可以确定垫是否已经经历了力即所述垫是否已经移动或是否已经充分移动以使得该移动被检测到。有利地，根据本发明的若干传感器分布在终点壁和垫之间的空间内，例如，以矩阵的形式分布，以便确定游泳者在哪个点接触垫。传感器数量越多，定位精度越高。此外，根据本发明的力传感器在于铁磁板由非晶金属非晶态金属，无定形金属合金形成。将非晶金属用于板具有许多优点。特别地，非晶金属具有非常高的相对磁导率导磁率，约为1,000,000。特别地，钴-铁-镍-硼-硅非晶合金族具有非常高的相对磁导率，约为1,000,000。然而，磁路的磁阻等于由第一部件f，所述板m和所述间隙e形成的部段的磁阻之和，即Lfμ0μfSf+Lmμ0μmSm+Leμ0Se，其中L表示磁路部段的长度，μ表示其相对磁导率，S表示其截面，μ0表示真空的磁导率。为了增加磁路的磁阻对间隙的依赖性，从而增加传感器的灵敏度，因此有必要相对于间隙的磁阻Leμ0Se而使得实体部件的磁阻的和Lfμ0μfSf+Lmμ0μmSm最小化。使用具有约1,000,000的非常高的相对磁导率的非晶金属板允许减小板的磁阻的贡献量。此外，通过为第一部件不包括检测线圈选择具有高的相对磁导率的材料、例如具有大约10,000的高相对磁导率的铁氧体铁素体，可以使得间隙的磁阻Leμ0Se接近磁路的总磁阻。非晶金属还表现出低的磁蠕变。因此，在板内部，在检测线圈的激励之后快速建立感应磁场。在优选实施例中，使用周期性地施加到置于可变磁阻磁路中的线圈的短脉冲来测量磁路的磁阻的变化。可以在每个新脉冲时检测磁阻变化。由于非晶金属的低磁蠕变，可以实施频率大于10,000赫兹、持续时间低于几百纳秒的一系列脉冲。这对应于低于100微秒的传感器延迟时间，从而允许执行游泳者的精确计时。此外，每个脉冲代表小于1纳焦的能量消耗，即低于10微瓦的消耗。因此，触摸垫上的一组传感器的消耗是有限的。应注意，短脉冲序列的使用主要允许减少电流消耗。此外，根据所有技术上可能的组合，根据本发明的力传感器可包括以下特征中的一个或更多个。根据一个非限制性实施方案，该板由基于钴-铁-镍-硼-硅Co69Fe4Ni1B4Si15的2714A型非晶金属合金形成。根据一个非限制性实施方案，非晶金属板的厚度为20至200微米，特别是50至75微米。实际上，非晶金属板可选地由多个薄的叠加层形成，以便达到所需的厚度。厚度越大，板上的磁漏越低，并且板内的磁场越大。然而，高厚度导致庞大的传感器，这在使用传感器用于游泳者的计时的情境中是限制性的。已经通过实验观察到，厚度在20和200微米之间，更具体地在50和75微米之间，是对于具有低磁漏的紧凑型传感器的很好的折衷方案。根据一个非限制性实施例，第一部件包括铁氧体芯，线圈放置在所述芯中。如前所述，铁氧体具有大约10,000的高相对磁导率，这允许减小第一部件的磁阻的贡献量。应注意，该芯可替代地可由铁磁非晶金属制成。根据一个非限制性实施例，线圈和芯基本上是平的。在这种情况下，所指的是与长线圈或螺线管相对的扁平线圈或盘形线圈。这种类型的线圈允许限制传感器的整体尺寸。根据一个非限制性实施例，第二部件包括基部，该基部固定到第一部件上并且包括刚性地连接到非晶金属板的悬置装置，非晶金属板通过所述悬置装置相对于第一部件可移动。然后传感器形成块状物，块状物的一部分是可移动的。在一个实施例中，第一部件固定到计时系统的垫上，与游泳池的壁相对。当垫由于来自游泳者的压力朝向墙壁移动时，传感器被压缩并且非晶金属板朝向第一部件移动。或者，第一部件固定到游泳池，第二部件固定到所述垫，或者甚至第二部件固定到游泳池。根据一个非限制性实施例，悬置装置是通过在基部中切割形成的臂，每个臂包括具有接触垫的端部，所述接触垫固定到第一部件。这是形成悬置装置的简单方法。接触垫用作抵靠第一部件的抵接点，第二部件的其余部分是悬置的。或者，悬置装置可以是既连接到所述基部又连接到第一部件的弹簧。根据一个非限制性实施例，第一部件包括密封装置和具有腔室的结构，所述线圈和检测电路通过所述密封装置被封闭在所述腔室内，因此保护线圈和检测电路免受冲击和水的影响。根据一个非限制性实施例，所述密封装置是由玻璃或陶瓷制成的板，该板固定例如焊接或粘附到所述具有腔室的结构。利用这些材料，传感器的第一部件和第二部件之间的磁通量不会被中断。此外，与会随着时间而劣化的有机材料例如橡胶相反，玻璃和陶瓷或其它结晶无机材料无机晶体材料是耐水和耐腐蚀剂例如氯的材料。本发明还涉及一种游泳者计时系统，它包括位于游泳池的终点壁上的垫和位于该终点壁和该垫之间的至少一个根据本发明的传感器，使得施加在垫上的力被传递到包括非晶金属板的传感器。在一个非限制性实施例中，计时系统包括多个传感器，这些传感器以矩阵形式布置在终点壁和垫之间。因此，基于做出反应的传感器，可以对游泳者对垫的冲击进行定位。附图说明通过参考附图以非限制性示例的方式提供的以下描述，其他特征和优点将变得明显，其中：-图1是根据本发明的一个实施例的力传感器的第一部件和第二部件的组件的剖视图；-图2仅显示第一部件；-图3仅显示第二部件。具体实施方式如参考图1所示，根据本发明的力传感器CP包括：-第一部件PA1，它特别包括线圈BN和与线圈BN的端子相连的检测电路未示出；-第二部件PA2，它与第一部件PA1相对，并且特别地包括由非晶金属合金制成的铁磁板FM，该非晶金属合金特别是基于钴-铁-镍-硼-硅Co69Fe4Ni1B4Si15的2714A型非晶金属合金。术语“相对”应理解为意味着非晶金属板FM沿其延伸的平面R基本上垂直正交于线圈BN的轴线Z。在图1所示的实施例中，第一部件PA1和第二部件PA2固定到彼此。更具体地，并且如下文进一步详细描述的，第二部件PA2包括固定到第一部件PA1上的悬置装置BR、PT。借助于这些悬置装置BR、PT，非晶金属板FM相对于线圈BN保持悬置。从而非晶金属板FM能够沿线圈BN的轴线Z相对于第一部件PA1平移地移动，这允许非晶金属板FM朝向线圈BN移动或远离线圈BN移动。应注意，“板相对于第一部件可平移地移动”应理解为意味着该板能在第一部件在其中固定的参考系中平移地移动，该参考系不一定是地球参考系在地球参考系中，第一部件显然可以移动。在用于为游泳者计时的情境中，传感器CP放置在游泳池的泳道的终点壁和计时系统的垫PL之间。传感器CP在第一部件PA1上或第二部件PA2上连接到壁或垫。在示出非限制性实施例的图1中，传感器CP被示出为在其第一部件PA1上附接到垫PL。当将如图1所示的力F施加到垫PL时，该垫PL朝向壁移动，从而压缩传感器CP。从而非晶金属板FM和线圈BN通过悬置装置BR、PT朝向彼此移动。在替代实施例中，第一部件PA1和第二部件PA2不固定到彼此。因此，第一部件PA1可相对于第二部件PA2完全地移动。在用于为游泳者计时的情境下，第一部件PA1固定到垫并且第二部件PA2固定到壁，反之亦可。当力施加到垫PL时，垫PL朝向壁移动，使第一部件PA1朝向第二部件PA2移动。应注意，在该实施例中，第二部件PA2可以不包括悬置装置BR、PT，并且如果第二部件PA2包括悬置装置，则这些悬置装置不固定到第一部件PA1。图2和3分别示出了第一部件PA1和第二部件PA2。如图1和2所示，第一部件PA1包括具有基本上正方形横截面但可以是不同形状的结构ST，在该结构ST的中心处挖空出腔室CV。线圈BN以及用于线圈BN的铁磁芯NY位于腔室CV中。芯NY例如由金属片的组件或铁氧体形成。或者，芯NY由非晶金属形成，其比上述材料在机械上更耐弹性变形。如图1所示，第一部件PA1包括用于密封腔室CV的装置MS。在电子检测电路和线圈BN被放置在腔室CV中的情况下，重要的是保证其密封。但是，密封装置MS必须不能中断磁场。此外，密封装置MS必须耐磨。由玻璃或陶瓷板形成的密封装置MS解决了这些限制。板MS例如被焊接到、钎焊到、带有或不带密封件地装配到、或粘附到腔室CV的相邻壁上，以封闭所述腔室。如图1和3所示，第二部件PA2包括正方形横截面的基部BS，在该基部BS的中心放置非晶金属板FM。应注意，基部BS必须足够厚以承受施加在传感器上的最大压力。例如，厚度为1.4毫米并且其它两个尺寸为25毫米。此外，非晶金属板FM也基本上是正方形的并且固定到基部BS的中心。当然，基部BS和金属板FM可以呈现任何其他形状。如前所述，基部BS包括悬置装置BR、PT，当力F垂直于非晶金属板FM地施加到基部BS时该悬置装置BR、PT能够变形。该变形允许非晶金属板FM沿线圈BN的轴线Z平移地移动。在所示的示例中，悬置装置BR、PT由在基部BS中机械加工例如通过激光形成的四个臂BR形成，每个臂BR沿着基部BS的边缘中的一个延伸并且在该臂的端部中的一个处包括接触垫PT。当然，也可以使用其他类型的悬置装置，例如弹簧。在一个实施例中，基部BS还包括加强板RD，其设置在与接触垫PT相反的一侧上，并且允许非晶金属板FM所在的区域被加强。由于密封装置MS自然地易碎且脆弱，因此需要限制或完全避免非晶金属板FM和基部BS对所述密封装置的压力。为此，密封装置MS被容纳在止挡件BT内侧，止挡件BT形成在结构ST中，并且止挡件BT的高度略大于密封装置MS的厚度，从而不需要过高的最小间隙。止挡件BT的位置和宽度设置成使得允许密封装置MS超出腔室CV的最小的重叠并且避免止挡件BT和弯曲臂BR之间的接触。当然，本发明不限于所示的实施例，而是可应用于本领域技术人员显而易见的各种变化和修改。

权利要求：1.力传感器CP，所述力传感器包括：-第一部件PA1，所述第一部件包括检测线圈BN；-第二部件PA2，所述第二部件与所述第一部件PA1相对地定位，所述第二部件包括：o铁磁板FM，所述铁磁板能相对于第一部件PA1平移地移动，以在力F被传递到该传感器CP时朝向所述第一部件移动并减小由所述两个部件PA1，PA2与可变间隙串联所形成的磁路的磁阻；o电子检测电路，所述电子检测电路被配置为产生取决于所述磁路的磁阻的信号，其特征在于，所述铁磁板FM由非晶金属合金形成。2.根据权利要求1所述的力传感器CP，其中，所述铁磁板FM的厚度在20微米到200微米之间，特别地在50微米到75微米之间。3.根据前述权利要求中任一项所述的力传感器CP，其中，所述第一部件PA1包括铁氧体芯，所述线圈BN放置在所述芯NY内。4.根据权利要求3所述的力传感器CP，其中，所述线圈BN和芯NY是基本上平坦的。5.根据前述权利要求中任一项所述的力传感器CP，其中，所述第二部件PA2包括基部BS，所述基部包括刚性地连接到铁磁板FM的悬置装置BR，PT。6.根据权利要求5所述的力传感器CP，其中，所述悬置装置BR，PT固定到第一部件PA1上，所述铁磁板FM通过所述悬置装置BR，PT而能够相对于第一部件PA1平移地移动。7.根据权利要求5或6所述的力传感器CP，其中，所述悬置装置BR，PT包括：-通过切割该基部BS而形成的臂BR，每个臂BR包括端部；-接触垫PT，使得接触垫PT固定到臂BR的每个端部。8.根据前述权利要求中任一项所述的力传感器CP，其中，第一部件PA1包括密封装置MS和具有腔室CV的结构ST，所述线圈BN和检测电路通过该密封装置MS被封闭在该腔室CV内。9.根据权利要求8所述的力传感器CP，其中，所述密封装置MS是由玻璃、陶瓷或其他结晶无机材料制成的板，并且所述板固定到所述结构ST。10.根据权利要求9所述的力传感器CP，其中，所述结构ST具有为所述腔室CV形成框架的止挡件BT，所述止挡件BT的高度大于所述密封装置MS的板的厚度，优选地最多大于10％。11.一种游泳者计时系统，包括位于游泳池的终点壁上的触摸垫PL和至少一个根据前述权利要求中任一项所述的传感器CP，所述传感器CP位于该终点壁和该触摸垫PL之间，以使得施加在触摸垫PL上的力F被传递到铁磁板FM。12.根据权利要求11所述的计时系统，它包括多个根据前述权利要求中任一项所述的传感器CP，这些传感器以矩阵形式布置在终点壁和触摸垫PL之间。

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