CN101009158B - 一种改变电容的装置 - Google Patents

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Abstract

一种改变电容的装置属于电学元器件应用领域。本发明主要技术要点在于:在弹性导电垫片的一侧分别连接第一电介质与第二电介质,其中,所述两个电介质并列排列,且两个电介质之间带有隔离层,在与弹性导电垫片相对的两个电介质的同侧端面分别连接第一电极与第二电极。弹性导电垫片与电介质之间的相对位置以及接触面积随着外力作用的大小而发生变化,使电介质上的电极之间的电容值在一定范围内随之变化,测量电极之间的电容量是否为零初始值以及大小的变化,即可得到使电容量发生变化的外力的情况及其大小。本发明结构简单,灵敏度高,有明确的电容初始零值、最小值与最大值,易于控制与测量。

Description

一种改变电容的装置 
技术领域
本发明是一种通过改变电容的容量,并利用该电容的变化量来反映所受压力变化的装置,属于电学元器件应用领域。 
背景技术
随着消费电子产品的设计制造水平和用户需求的不断提高,越来越多的场合需要对外界变化的物理量做出测量与控制,并做出相应的响应。其中对于压力的感测就是其中的一种,它在很多技术领域都有应用,如计算机录入设备中使用的手写笔,当书写者使用手写笔时就有一种对压力实时反馈的要求,需要将书写时的用力变化迅速及时地反映到与之相关的设备或者应用软件中,并实时地在电脑屏幕上显示出来,以反映书写者书写时的轻重缓急等不同状态的用力情况。 
为达到上述目的与效果,目前已经有多种技术解决方案,特别是专利号为JP2001319831的日本专利中所提到的技术方案,该专利涉及一种压力测量装置,其主要特点是:一块电介质有两个端面,一端有两个电极,另一端有一个柔性电极,柔性电极与电介质无电极的一端有一定间隙,并且在受到外力的情况下柔性电极可以与电介质无电极的端面产生一个相对变化,当这个相对变化产生时,便获得受到外力的变化参数。 
上述的技术方案有其独特的优点,如结构简单、灵敏度高,但是也有其明显的不足,主要表现在:由于是在一个电介质上连接两个电极,这就相当于一个瓷介电容,因而存在一个初始值,当柔性电极与电介质接触且接触面积发生变化时,电容的变化量是以这个初始的电容值为起始点和最小值的,实际上这个初始的电容值与柔性电极和电介质刚刚接触时的电容值是相同的,这样就无法区分初始值与变化量,这给感测和控制都会带来很大的不便,导致必须提高生产制造的水平,特别是对器件的生产要求就会更加严格,因而,这种技术方案还有待于提高与突破。另外,对于优先权号为JP 19900206774的相类似的专利技术,与前一个方案略有不同,虽然有一个初始值,但结构较为复杂,在制造与生产时会比较麻烦,并且降低了产品的可靠性。
发明内容
本发明的目的就是提供一种可以根据外力作用的大小,方便灵敏地感测到电容的变化量,并且有明确的初始零值和允许在一定变化范围内改变电容量的装置。 
本发明的技术结构特征为:如图3所示,弹性导电垫片(52)的一侧连接触头(51),与触头(51)相对的弹性导电垫片(52)的另一侧分别连接第一电介质(54)与第二电介质(55);其中,第一电介质54与第二电介质55并列排列,在第一电介质54与第二电介质55之间具有低介电常数材料的隔离层58,在与弹性导电垫片(52)相对的两个电介质的同侧端面分别连接第一电极(56)与第二电极(57);其中,所述第一电介质(54)与第二电介质(55)均为类似半圆形状,并以圆心相对放置,与所述隔离层(58)构成一个完整的正圆形状。 
本发明的优点和效果是:结构简单,测量的灵敏度高,可以感测微小变化,感测的范围大,有明确的初始值,易于感测与控制。 
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。 
图1是本发明所涉及装置的实施例的示意图。 
1-笔体,2-电路板,3-笔尖,4-感应线圈,5-电介质结构组件。 
图2是本发明所涉及装置的电介质结构组件示意图。 
54-第一电介质,55-第二电介质,56-第一电极,57-第二电极, 
58-隔离层,59-壳体。 
图3是本发明所涉及装置的电介质结构组件初始状态示意图。 
51-触头,52-弹性导电垫片,53-垫片,54-第一电介质,55-第二电介质,56-第一电极,57-第二电极,58-隔离层,59-壳体。 
图4是本发明所涉及装置的电介质结构组件受力状态示意图。 
51-触头,52-弹性导电垫片,53-垫片,54-第一电介质, 
55-第一电介质,56-第一电极,57-第二电极,58-隔离层,59-壳体。 
图5是本发明所涉及装置的电介质端面与弹性导电垫片接触变化的截面示意图。 
a-电介质端面未与弹性导电垫片接触时状态截面示意图, 
b-电介质端面与弹性导电垫片接触时状态截面示意图, 
54-第一电介质,55-第二电介质,58-隔离层,59-壳体。 
[0021] 具体实施例
将一个电介质引出两个电极,则形成一个电容值,这个数值的大小与两个电极之间的电介质的介电常数、间隙距离以及接触面积有直接关系,在实际应用中也都是通过改变以上参数来进行设计、试验与生产,以满足相应的要求,在本发明提出的解决方案以及实施例中也是依据这个原理与基础来实现的。 
本发明所涉及的装置适合应用于计算机录入的手写笔设备中,为了达到上述的目的与效果,采用了如图1所示的装置,由笔体1、笔体1内的电路板2、笔体1前端的笔尖3以及感应线圈4和电介质结构组件5组成,而电介质结构组件5由触头51、弹性导电垫片52、垫片53、第一电介质54、第二电介质55、第一电极56、第二电极57、隔离层58和壳体59组成。其中,触头51与笔尖3为一个整体,在触头51与笔尖3之间有感应线圈4,触头51可直接作用于弹性导电垫片52,弹性导电垫片52可以导电并且具有良好的弹性,弹性导电垫片52可由塑性导电材料制成,受到外力作用可产生形变,在外力消失时可以恢复其原有的形状。 
如图3所示,在弹性导电垫片52的另一侧分别并列排列第一电介质54与第二电介质55,第一电介质54与第二电介质55是由具有较高介电常数的材料制成,在两个电介质与弹性导电垫片52之间装有垫片53,垫片53为绝缘体材料制成,在第一电介质54与第二电 介质55之间带有隔离层58,第一电介质54与第二电介质55分别呈类似半圆状并以圆心相对,与隔离层58组成一个完整的正圆形状。隔离层58具有非常低的介电常数,这里的隔离层58可以是空气自然隔离层,即隔离层内除空气以外没有任何物质,也可以填充低介电常数的物质,如果填充低介电常数物质,不但可以将第一电介质54与第二电介质55隔开,而且使两者成为完全独立的两个部分。另外,在第一电介质54与第二电介质55的另一个端面,即与弹性导电垫片52相对端面的另一面,分别连接第一电极56和第二电极57,电极的形状与大小可以根据需要来调整,在本实施例中第一电介质54与第二电介质55为类似的半圆状。在第一电极56与第二电极57上面可以连接出导线或导体,可以感测出相应的电信号,特别是电容的变化信号,如果连接到一个容感电路,便可以得到一个频率值以及相应特征,根据这个频率参数的变化,可以得到笔尖3受力情况的反馈。这样的结构十分便于制造与生产,可以减小产品的尺寸。同时,为了保证第一电介质54、第二电介质55与隔离层58能够很好的结合成为一个完整的正圆状,在其外侧设置了用于加固与稳定的壳体59,保证它们之间能够紧密的组合。 
本实施例应用的过程为:假设初始状态为笔尖3没有受到外力作用,弹性导电垫片52未与电介质端面相接触,如图5a所示。由于触头51与笔尖3是一个整体,所以在笔尖3受到按压等外力时,触头51也会处于同一状态。如图3所示,初始状态时触头51由于没有受到外力的影响,弹性导电垫片52与其同处于初始状态,由于两个电 介质之间有隔离层58,而隔离层58为低介电常数的空气间隙或者物质,即实际上第一电介质54和第二电介质55处于相互孤立的状态,每一个电介质都与另一块电介质以及弹性导电垫片52没有联系,这时候在第一电极56与第二电极57之间的电容可以忽略不计,即为零初始值。当笔尖3受到按压等外力时,即当在桌面或是其它表面用笔进行书写时,会产生一个变化的力的作用,可以通过笔尖3将这个力及其变化传递给触头51,并作用到弹性导电垫片52,此时弹性导电垫片52会产生一个形变,如图4所示,并直接接触到第一电介质54与第二电介质55的端面,由于弹性导电垫片52为良好导电材料,因此将第一电介质54与第二电介质55联系在一起,使原来的孤立状态变成一个相互关联的整体,即两块电介质连通,这样就会在第一电极56与第二电极57之间有一个电容值,在弹性导电垫片52与第一电介质54、第二电介质55刚刚接触的时候,在第一电极56和第二电极57之间产生一个最小电容值,当触头51所受作用力变大时,弹性导电垫片52产生形变越大,接触到第一电介质54与第二电介质55的端面的面积也就越大,即弹性导电垫片52与电介质54、电介质55会有更多的接触面积,如图5b所示,在第一电极56、第二电极57之间的电容值也随之变化,直至有一个最大值,并且这个电容值随时随着压力的大小变化而变化。上述过程是可逆的,即当外力减小时,弹性导电垫片52产生的形变变小,与第一电介质54和第二电介质55端面的接触面积相应减少,在第一电极56和第二电极57之间的电容值也随之减小,直到减小到最小值。当外力消失时,在弹性导电 垫片52的弹力的作用下恢复到初始状态,此时由于弹性导电垫片52与第一电介质54、第二电介质55之间恢复原有的间隙,因而,第一电极56与第二电极57之间的电容量恢复为零初始值。为了加强和保证弹性导电垫片52的回弹效果,在弹性导电垫片52与电介质之间还可以增加弹性垫片或是弹簧。 
上述过程可反复进行,测量出第一电极56与第二电极57之间的电容量是否为初始零值以及大小的变化,即可以方便得到由外力因素所引起改变的相互关系。 
同时,为了更加方便感测外力的变化,并使触头51作用于弹性导电垫片52的形变更趋于线性,在实施时可以将触头51的端面设为中间高、四周低的形状,可为类圆锥状或球冠状。 
该装置接入到一个容感振荡电路中就可以得到相应的频率参数,比较频率参数的变化,如相位变化,就可以得到相应受到的外力与电容变化的关系,这样,就可以建立起一个完整的感测电路与系统,应用到上述的手写笔中。本发明结构简单,灵敏度高,因而具有非常好的应用价值。 
虽然这里只说明了本发明的一个优选实施例,但其意并非限制本发明的范围、适用性和配置。相反,对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解,在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下,可对一些细节做适当变更和修改。 

Claims (10)

1.一种改变电容的装置,由触头(51)、一个弹性导电垫片(52)、垫片(53)、第一电介质(54)与第二电介质(55)、第一电极(56)与第二电极(57)组成,其特征在于:弹性导电垫片(52)的一侧连接触头(51),与触头(51)相对的弹性导电垫片(52)的另一侧分别连接第一电介质(54)与第二电介质(55);其中,第一电介质(54)与第二电介质(55)并列排列,在第一电介质(54)与第二电介质(55)之间具有低介电常数材料的隔离层(58),在与弹性导电垫片(52)相对的两个电介质的同侧端面分别连接第一电极(56)与第二电极(57);
其中,所述第一电介质(54)与第二电介质(55)均为类似半圆形状,并以圆心相对放置,与所述隔离层(58)构成一个完整的正圆形状。
2.根据权利要求1所述的一种改变电容的装置,其特征在于:在第一电介质(54)、第二电介质(55)与弹性导电垫片(52)之间装有垫片(53)。
3.根据权利要求1所述的一种改变电容的装置,其特征在于:第一电介质(54)与第二电介质(55)紧贴壳体(59)的内壁置入壳体(59)中。
4.根据权利要求1所述的一种改变电容的装置,其特征在于:触头(51)的端面为中间高、四周低的形状。
5.根据权利要求4所述的一种改变电容的装置,其特征在于,触头(51)的端面为类圆锥状或球冠状。
6.根据权利要求1所述的一种改变电容的装置,其特征在于:第一电极(56)与第二电极(57)分别是与第一电介质(54)和第二电介质(55)同心圆的类似半圆形状。
7.根据权利要求1所述的一种改变电容的装置,其特征在于:垫片(53)为绝缘体材料制成。
8.根据权利要求1所述的一种改变电容的装置,其特征在于:隔离层(58)内填充低介电常数的物质。
9.根据权利要求1所述的一种改变电容的装置,其特征在于:弹性导电垫片(52)由塑性导电材料制成。
10.根据权利要求1所述的一种改变电容的装置,其特征在于:在弹性导电垫片(52)与两个电介质之间连接弹性垫片或弹簧。
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