CN101471183B - 电容调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容调节装置，包括：电介质，在所述电介质的一个面上设置有至少一个电极；弹性片，所述弹性片与所述电介质的另一个面相邻设置，并且所述电介质的另一个面和所述弹性片靠近所述另一个面的那个表面上具有至少一个突起。突起为类球冠状、方格状、类螺旋圆环状、类三角状等，弹性片具有延伸部分，其上设置有凹槽或孔位，在壳体内具有对应延伸部分的凹槽或孔位的定位结构或孔销，可以对弹性片进行限制。本发明的装置结构简单，具有更大的动态范围、使用寿命长。

Description

电容调节装置

技术领域

本发明涉及一种通过改变电容的变化量来反映所受压力变化的装置，主要应用在计算机手写输入领域。

背景技术

随着计算机外部设备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参数做出测量与控制。如计算机输入设备使用的手写笔，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。特别是在现在的绘画领域，这是一个最基本的要求。

为解决上述问题，已经提出多种技术解决方案。专利文献1(JP2001319831)提出了一种压力测量装置，主要应用于手写输入的位置指示及压力感测。在根据专利文献1的装置中，一块电介质有两个端面，一端面上设置有两个电极。该装置还包括一个柔性电极，它与电介质无电极的一端面之间被一个薄的圆环状的垫片隔开。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之间的接触面积产生一个变化，即引起电极间电容的变化，也就获得受到外力的变化参数。

但是，上述专利文献1中的装置有其明显的缺点。由于柔性电极与电介质之间的间隙是靠夹在它们之间的一个垫片来产生的，自然就会减少柔性电极与电介质之间的接触面积，也就意味着电容值动态变化范围的减小。同时，由于环状垫片有一定的厚度，环状垫片的内边缘是直角的，会直接导致柔性电极与垫片接触的局部容易损坏，使得整个装置的性能下降、命降低。

另外，专利文献2(JP4-96212)提出了类似的方案，它与上述专利文献1的不同之处在于电容器的两个电极分别设置在电介质的两端，其中一个电极直接与柔性电极相连接，其它部分与专利文献1的结构基本类似。特别是在电介质与柔性电极之间也有一个将它们隔开的垫片。换言之，专利文献2也存在同样会直接导致柔性电极与垫片接触的面积变小及易使局部损坏的问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种既结构简单，又有动态变化范围大、使用寿命长的装置。

在本发明的一个方面，提出了一种电容调节装置，包括：电介质，在所述电介质的一个面上设置有至少一个电极；弹性片，所述弹性片与所述电介质的另一个面相邻设置，并且所述电介质的另一个面或所述弹性片靠近所述另一个面的那个表面上具有至少一个突起。

优选地，该电容调节装置还包括：可动件，所述可动件设置在所述弹性片远离所述电介质的另一个表面一侧。

优选地，所述电介质包括隔开的第一部分和第二部分，所述至少一个电极包括分别设置在第一部分上的第一电极和设置在第二部分上的第二电极。

优选地，所述至少一个电极包括第一电极，而所述弹性片用作第二电极。

优选地，所述至少一个突起形成为球冠状或者锥形。

优选地，所述至少一个突起形成为井字格状。

优选地，所述至少一个突起形成为类螺旋圆环状。

优选地，所述至少一个突起形成为类三角状。

优选地，所述弹性片靠近所述电介质的那个表面是凹形的。

优选地，所述弹性片由导电弹性材料制成。

优选地，所述弹性片在周围具有多个延伸部分。

优选地，所述多个延伸部分的每个上形成有凹槽或者孔，布置成与定位结构或者孔销耦合。

利用上述装置，可以使得结构更简单，成本低，具有更大的动态范围、使用寿命长。

附图说明

从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述特征和优点将更明显，其中：

图1是根据本发明第一实施例的电容调节装置的整体结构示意图；

图2是根据本发明第一实施例的电容调节装置的电容部分的结构示意图；

图3是根据本发明第一实施例的电容调节装置的电容部分在受力状态下的示意图；

图4A和4B是根据本发明第一实施例的弹性片的第一示例结构图；

图5A和5B是根据本发明第一实施例的弹性片的第二示例结构图；

图6A和6B是根据本发明第一实施例的弹性片的第三示例结构图；

图7A和7B是根据本发明第一实施例的弹性片的第四示例结构图；

图8示出了根据本发明第一实施例的电容调节装置中导电弹性片的直径和最大接触面积之间的对应关系；

图9示出了导电弹性片的直径和接触面积之间的关系示意图；

图10示出了根据本发明第二实施例的电容调节装置中的电容部分的结构示意图；

图11示出了根据本发明第三实施例的电容调节装置中的电容部分的结构示意图；

图12示出了根据本发明第三实施例的电容调节装置中的电容部分在受力的情况下的示意图；以及

图13是如图1所示的电容调节装置中的电路示意图。

附图标记列表：

1 本体

2 可调节电容

3 线圈

4 笔尖

5 外壳

6 顶帽

7 弹性片

8 电介质

9 弹性片固定件

10A 第一电极

10B、10B’第二电极

71、74、77、80 突起

72、75、78、81 延伸部分

73、76、79、82 限位

具体实施方式

下面，参考附图详细说明本发明的优选实施方式。在附图中，虽然示于不同的附图中，但相同的附图标记用于表示相同的或相似的组件。为了清楚和简明，包含在这里的已知的功能和结构的详细描述将被省略，以避免使本发明的主题不清楚。

在此先对电容的基本原理做一简单说明。电容值与两个极板之间的面积成正比，和两个极板之间的距离成反比，并且与两个电极之间的电介质常数成正比，即：

                  C＝ε(s/d)………(1)

其中，C表示电容量，ε表述电介质常数，s表示电极板的面积，d表示电极板之间的距离。

通过上面的公式(1)可以看出，电容量只与电容器的几何尺寸和电介质的性质有关，当电介质的性质确定或是不考虑电介质的特性，就只与几何尺寸有关。

【第一实施例】

图1是根据本发明第一实施例的电容调节装置的整体结构示意图。如图1所示，根据本发明第一实施例的电容调节装置是一种应用于手写输入领域的手写笔，如图1所示。该手写笔包括：本体1、可调节电容2、线圈3、笔尖4、外壳5。

图2是根据本发明第一实施例的电容调节装置的电容部分的结构示意图。如图2所示，可调节电容2包括：可移动的顶帽6、弹性片7、电介质8、弹性片固定件9、第一和第二电极10A和10B，并且以上部件安置在外壳5内。

另外，在本体1上布置有电路板及其它元器件(未示出)。

由图2可以看出，在可调节电容2中，顶帽6、弹性片7、电介质8是依次排列的，在各个部件之间没有其它的部件。弹性片固定件9将弹性片固定在电介质8的没有电极的一侧。作为另一实施方式，也可以不对弹性片7进行固定。

电介质8由被隔开的两个对称的部分组成，并在一个端面上设置有第一电极10A和第二电极10B，分别对应于电容器的两个电极。通过第一电极10A和第二电极10B可以感测到电容值。

笔尖4可以直接将书写时的作用力传递到顶帽6。当在一个书写表面进行书写时，顶帽6在笔尖4的作用下，受力后即可向笔尖4的另一端移动，并直接作用在弹性片7上。因此，顶帽6可以由其他可移动的部件来替换。弹性片7是以弹性材料制成，在受力后可以向电介质一侧产生形变。

同时，由于弹性片7的表面有与弹性片同样材质的球冠状的突起71，在不同的受力状态时会有不同的情况。在不受力的状态时，如图2所示，弹性片7会保持初始状态，球冠状的突起71与电介质8贴近仅在突起的最端部有点状的接触或是不接触。因此，此时弹性片7没有变形，在电介质8的第一电极10A和第二电极10B之间还是初始电容值参数。

图3是根据本发明第一实施例的电容调节装置的电容部分在受力状态下的示意图。如图3所示，在受力的状态时，弹性片7在顶帽6作用下产生移动，对弹性片7进行压迫。由于弹性片7其上的突起是由弹性材料制成的，在本实施例中是以导电橡胶材料制成，因而在受力状态时，弹性片7产生变形。弹性片7上的球冠状的突起71与电介质8之间的接触成了面接触。并且，作用力越大，两者之间接触的面积也越大，如图3所示。

由于弹性片7具有导电性，因而在电介质8的第一电极10A和第二电极10B之间的电容值会随着两者之间的接触面积的改变而改变，作用力越大，两者之间的接触面积也就越大，电容值同时增大。

图4A和4B是根据本发明第一实施例的导电弹性片的第一示例结构图。如图4所示，在第一示例中，弹性片7在靠近电解质8的那个表面上具有明显的突起71，例如是锥形或者球冠状，并且有一从弹性片7的边缘延伸出去的延伸部分72，并且在延伸部分72上形成限位73。

同时，在延伸部分72上的限位73是一种凹状结构，在外壳5的内部具有弹性片固定件9，具有与限位73形状相吻合的外形，紧密装配时可以对弹性片7进行固定，使其在受力前和受力后保持一致的位置，不会因为多次受力而改变其位置。

图5A和5B是根据本发明第一实施例的弹性片的第二示例结构图。如图5所示，在第二示例中，弹性片7有突起74、延伸部分75、限位76。在实施例二中弹性片7表面的突起74形成为井字方格状，在延伸部分75上的限位76形成为圆孔。

图6A和6B是根据本发明第一实施例的弹性片的第三示例结构图。在第三示例中，弹性片7有一突起77、延伸部分78、限位79。弹性片7表面的突起77为类螺旋圆环状或圆环状，在延伸部分78上的限位79形成为凹槽。

图7A和7B是根据本发明第一实施例的弹性片的第四示例结构图。在第四示例中，弹性片7有一突起80、延伸部分81、限位82。弹性片7表面的突起80的截面为类三角状，并且在延伸部分81中设置的限位82形成为凹槽。

在上述的示例中，为了使弹性片7具有更高的回弹性能，弹性片7贴近电介质8一侧的表面呈凹状。

如上所述，由于弹性片7具有一个延伸部分，在上述示例中是均匀分布在弹性片7的四周并且与之成为一体，但是也可以制成一个没有多个延伸部分的整体，具有相同的效果。

图8示出了根据本发明第一实施例的电容调节装置中导电弹性片的直径和最大接触面积之间的对应关系。图9示出了导电弹性片的直径和接触面积之间的关系示意图。

如果专利文献1和专利文献2中使用的垫片的内径是2.5mm，外径是4.5mm，那么最大可用接触面积为4.91mm²。如果像本发明这样不使用垫片，在同样的条件下，最大可用接触面积为15.9mm²，相差3.24倍。

【第二实施例】

在以上的第一实施例中，电介质8是由隔开的两个部分组成，并且在一侧的端面上设置有两个独立的电极10A和10B。但是也可以采用一个完整电介质的方式。图10示出了根据本发明第二实施例的电容调节装置中的电容部分的结构示意图。

如图10所示，在电介质8的两个端面上都设置有电极，第一电极10A和第二电极10B’。第一电极10A在与弹性片7相对的另一个端面上，第二电极10B’可以设置的电介质8的旁边接近外壳的内侧，并且与弹性片7相接，也同样可以得到手写笔的压力的变化而带来电容值的变化。

【第三实施例】

以上描述的是在弹性片7靠近电介质一侧的侧面上设置突起的情况，但是也可以在电介质8靠近弹性片7的那个侧面上设置突起。图11示出了根据本发明第三实施例的电容调节装置中的电容部分的结构示意图。如图11所示，电介质8靠近弹性片7的那个表面上有多个球冠状突起，而弹性片7的两个表面是平坦的，在未受力的情况下，二者保持为未接触或者点接触。

图12示出了根据本发明第三实施例的电容调节装置中的电容部分在受力的情况下的示意图。如图12所示，在受力的状态时，弹性片7在顶帽6作用下产生移动，对弹性片7进行压迫。由于弹性片7其上的突起是由弹性材料制成的，在本实施例中是以导电橡胶材料制成，因而在受力状态时，弹性片7产生变形。弹性片7与电介质8上的球冠状的突起之间的接触成了面接触。并且，作用力越大，两者之间接触的面积也越大，如图12所示。

上述的电容值的变化，可以通过一个容感振荡电路，如图13所示，便可以得到一个频率值以及相应特征，如相位，根据这个参数的变化，可以得到笔尖4受力情况的反馈。上述过程可反复进行，测量出电极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。这样，也就实现了书写笔迹与压力之间的对应关系。

虽然以上分别描述了各个实施例，但是本领域的普通技术人员应该意识到可以将各个实施例进行组合，以满足具体应用的要求。例如，可以将第二实施例和第三实施例进行组合，使得在电介质的没有电极的那个表面上形成突起。

另外，虽然这里只说明了本发明的优选实施例，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 (9)

1.一种电容调节装置，包括：

电介质，在所述电介质的一个面上设置有至少一个电极；

导电弹性片，所述导电弹性片与所述电介质的另一个面相邻设置，并且所述电介质的所述另一个面或所述导电弹性片靠近所述另一个面的那个表面上具有至少一个突起；

可动件，所述可动件设置在所述导电弹性片远离所述电介质的所述另一个表面一侧；

其工作流程为：

1)作用力传递到所述可动件；

2)所述可动件移动并作用到所述导电弹性片上；

3)所述导电弹性片与所述电介质产生接触，并使所述导电弹性片产生形变；

4)由所述导电弹性片与所述电介质之间的接触面积的改变而改变所述电介质两个电极间的电容值；

其中，所述电介质包括隔开的第一部分和第二部分，所述至少一个电极包括分别设置在第一部分上的第一电极和设置在第二部分上的第二电极；或所述至少一个电极包括第一电极，而所述导电弹性片与第二电极相连，并且所述第二电极设置在所述电介质旁接近外壳的内侧。

2.如权利要求1所述的电容调节装置，其中所述至少一个突起形成为球冠状或者锥形。

3.如权利要求1所述的电容调节装置，其中所述至少一个突起形成为井字格状。

4.如权利要求1所述的电容调节装置，其中所述至少一个突起形成为类螺旋圆环状。

5.如权利要求1所述的电容调节装置，其中所述至少一个突起形成为类三角状。

6.如权利要求1所述的电容调节装置，其中所述导电弹性片靠近所述电介质的那个表面是凹形的。

7.如权利要求1所述的电容调节装置，其中所述导电弹性片由导电弹性材料制成。

8.如权利要求1所述的电容调节装置，其中所述导电弹性片在周围具有多个延伸部分。

9.如权利要求8所述的电容调节装置，其中所述多个延伸部分的每个上形成有凹槽或者孔，布置成与定位结构或者孔销耦合。

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