CN102193699B - 传感设备和显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明披露了传感设备和显示设备。一种传感设备，包括：第一部件、第二部件和检测机构。第二部件能相对于第一部件在第一方向上相对地移动。检测机构包括：设置在第一部件和第二部件之间的弹性部件，设置在第一部件和弹性部件之间并在第一部件和弹性部件之间形成空气层的支撑体以及形成包括根据空气层的厚度变化而改变的电容分量的多个电容的电极对，该空气层具有由弹性部件的弹性形变而改变的厚度。该检测机构基于电极对的组合电容的变化来输出与第二部件在第一方向上的运动量相关的检测信号。

Description

传感设备和显示设备

技术领域

本发明涉及检测(例如)由用户进行的按压操作的传感设备，并涉及包括该传感设备的显示设备。

背景技术

近年来，以移动电话为代表的便携式信息处理设备越来越具有多功能性，并提出了设置至外壳的显示单元用作用户界面的结构。例如，日本专利申请公开第2009-134473号披露了一种电子设备，该电子设备包括用于检测显示单元上输入操作位置的触摸面板，以及用于检测作为电极间电阻变化的输入操作力的按压检测传感器。此外，日本专利申请公开No.Hei10-198503公开了用于检测作为电极间电阻变化的对触摸表面的按压的压力检测触摸垫(force detecting touch pad)。

通常，用来检测由于按压导致的电容变化的传感器采用这样的技术，即，改变电极之间的电容而同时利用电极之间的距离根据按压而变化的结构。因为电容与电极之间的距离成反比地变化，在电极之间的距离通过按压而减小2％的情况下，例如，电极之间的电容约增加2％。另一方面，在电容传感器(capacitive sensor)自身的电容值由于驱动器电路、检测速度等的限制而很难增加的情况下，尽管取决于检测电路的系统，但传感器电容在很多情况下被限制为约几个pF到几十pF。因此，在电极之间的距离的变化极其小(例如，约2％)的情况下，电极之间的电容变化也极其小，因此确保检测灵敏性是极其困难的。

发明内容

如上所述，在用来检测由于按压导致的电容变化的传感器中，在过去的检测系统中对电容(其很大程度上依赖于电极间的距离)的限制下，很难获得良好的由于按压而导致的电容变化。

考虑到上述情形，期望提供一种即使电极之间的距离变化极小也能够获得良好的电容变化的传感设备，以及包括该传感设备的显示设备。

根据本发明实施方式，提供了包括第一部件、第二部件和检测机构的传感设备。

第二部件能相对第一部件在第一方向上相对地移动。

检测机构包括弹性部件、支撑体和电极对。弹性部件设置在第一部件和第二部件之间。支撑体设置在第一部件和弹性部件之间并在第一部件和弹性部件之间形成空气层，该空气层具有由弹性部件的弹性形变而改变的厚度。电极对形成包括根据空气层厚度变化而改变的电容分量的多个电容。检测机构基于电极对的组合电容的变化来输出与第一方向上第二部件的运动量相关的检测信号。

在传感设备中，随着第二部件相对于第一部件的相对运动，弹性部件发生弹性形变，从而形成在第一部件和弹性部件之间的空气层的厚度改变。另一方面，电极对形成包括根据空气层的厚度变化而改变的电容分量的多个电容。空气层厚度的变化对应于电极对之间的电介质(空气层、弹性部件或空气层和弹性部件组合)的介电常数的变化(比介电常数)，且电容分量包括电介质的介电常数的变化。因此，检测机构将电极对间形成的电介质的介电常数的变化输出作为与第二部件相对第一部件运动量相关的检测信号。根据上述传感设备，即使在第一和第二部件的位置变化极小的情况下，也可产生大的电容变化，结果，能够确保良好的检测灵敏度。

第一部件可以包括形成为面向空气层的介电层，且电极对可包括第一电极部和第二电极部。第一电极部和第二电极部设置在介电层上以面向空气层并在与第一方向正交的方向上彼此相对。

在这种情况下，电极对形成在插入有空气层的第一电极部和第二电极部之间的第一电容和在插入有介电层的第一电极部和第二电极部之间的第二电容。检测机构基于第一电容和第二电容的组合电容的变化来输出检测信号。

传感设备可进一步包括连接到接地电位的第三电极部。第三电极部设置在第二部件上以在第一方向上与电极对相对。

在上述结构中，第三电极部用作防护电极。因此，可以抑制由导体接近检测机构而导致的电极对的电容变化，且可以提高通过检测机构输出检测信号的精度。

除了上述实例，可以以如下方式构造电极对。具体地，第一电极部设置在第一部件上以面向空气层。第二电极部设置在第二部件上以在第一方向上与第一电极部相对。

在这种情况下，电极对形成空气层和弹性部件的界面与第一电极部之间的第一电容以及所述界面和第二电极部之间的第二电容。检测机构基于第一电容和第二电容的组合电容的变化来输出检测信号。

根据本发明另一个实施方式，提供了传感设备，其包括第一部件、第二部件和检测机构。

第二部件能相对于第一部件在第一方向上相对地移动。

检测机构包括弹性部件，介电部件和电极对。弹性部件设置在第一部件和第二部件之间。介电部件邻近弹性部件设置。介电部件通过弹性部件的弹性形变来改变空气层的厚度，所述空气层由第一部件在第一方向上与介电部件相对而形成。电极对形成包括根据空气层厚度变化而改变的电容分量的多个电容。检测机构基于电极对的组合电容的变化来输出与第二部件在第一方向上运动量相关的检测信号。

在传感设备中，随着第二部件相对第一部件的相对运动，弹性部件发生弹性形变，从而形成在第一部件和介电部件之间的空气层的厚度改变。另一方面，电极对形成包括根据空气层厚度的变化而改变的电容分量的多个电容。空气层厚度的变化对应于电极对插入的电介质(空气层、介电部件、或空气层和介电部件组合)的介电常数(比介电常数)的变化，且电容分量包括电介质的介电常数的变化。因此，检测机构将形成在电极对之间的电介质的介电常数的变化输出作为与第二部件相对第一部件的运动量相关的检测信号。因此，根据传感设备，即使在第一和第二部件的位置变化极小的情况下，仍可以产生大的电容变化，结果，可以确保良好的检测灵敏度。

根据本发明的另一个实施方式，提供了一种显示设备，其包括第一部件、第二部件、检测机构和显示装置。

第一部件具有透光特性。

第二部件能相对于第一部件在第一方向上相对地移动。

检测机构包括弹性部件、支撑体和电极对。弹性部件设置在第一部件和第二部件之间。支撑体设置在第一部件和弹性部件之间，并在第一部件和弹性部件之间形成空气层，该空气层具有由弹性部件的弹性形变而改变的厚度。电极对形成包括根据空气层厚度的变化而改变的电容分量的多个电容。检测机构基于电极对的组合电容变化来输出与第二部件在第一方向上的运动量相关的检测信号。

显示设备容纳在第二部件中并具有与第一部件相对的显示表面。

根据本发明另一个实施方式，提供了显示设备，其包括第一部件、第二部件、检测机构和显示设备。

第一部件具有透光性。

第二部件能相对于第一部件在第一方向上相对地移动。

检测机构包括弹性部件、介电部件和电极对。弹性部件设置在第一部件和第二部件之间。介电部件邻近弹性部件设置。介电部件通过弹性部件的弹性形变来改变空气层的厚度，空气层由介电部件在第一方向上与第一部件相对而形成。电极对形成包括根据空气层的厚度变化而改变的电容分量的多个电容。检测机构根据电极对的组合电容变化来输出与第二部件在第一方向上的运动量相关的检测信号。

显示设备容纳在第二部件中并具有与第一部件相对的显示表面。

根据本发明实施方式，即使在电极间距离变化极小的情况下，仍可以产生大的电容变化。因此，可确保良好的检测灵敏度。

考虑如附图所示的最佳实施方式的如下的详细说明，本发明的这些和其他目的、特征和优点是显而易见的。

附图说明

图1是示出根据本发明第一实施方式的传感设备的示意性截面图；

图2是示出图1所示的传感设备的主要部件的基本结构的截面图；

图3A是用来说明图1中传感设备的动作(action)的主要部件的截面图，而图3B是构成传感设备的电极对的等效电路图；

图4A是用来说明图1中传感设备的动作的主要部件的截面图，而图4B是构成传感设备的电极对的等效电路图；

图5是说明用于典型的互电容系统的电容检测方法的示图；

图6是示出图1的传感设备的操作状态的示意截面图；

图7A和图7B是根据本发明第二实施方式的传感设备的主要部件的示意性截面；

图8A是用来说明根据本发明第三实施方式的传感设备的动作的主要部件的截面图，而图8B是构成传感设备的电极对的等效电路图；

图9A是用来说明根据本发明第三实施方式的传感设备的动作的主要部件的截面图，而图9B是构成传感设备的电极对的等效电路图；

图10是说明用于典型自电容系统的电容检测方法的示图；

图11A～图11C是示出根据本发明第四实施方式的传感设备的示意性截面图；

图12A和图12B是示出根据本发明第五实施方式的传感设备的示意性截面图；

图13是示出根据本发明第六实施方式的显示设备的示意性截面图；

图14是示出图13中所示的显示设备的内部结构的示意性平面图；

图15A是示出图1中所示传感设备结构的变形实例的示意性平面图，而图15B是其截面图；

图16A是示出显示设备的结构的变形实例的示意性平面图，而图16B是其截面图；

图17是示出显示设备的结构的另一个变形实例的示意性平面图；以及

图18是示出显示设备的结构的另一个变形实例的示意性平面图。

具体实施方式

以下将参考附图描述本发明的实施方式。

<第一实施方式>

[传感设备的总体结构]

图1是示出根据本发明实施方式的传感设备的示意性截面图。该实施方式的传感设备1被构造为检测由用户进行的按压输入操作的压力检测传感器(press detection sensor)。这里，在图1中，Z-轴方向表示相对传感设备1的按压输入方向，X-轴和Y-轴方向表示垂直于Z-轴方向且彼此正交的双轴方向。

传感设备1包括壳体10(第一部件)、输入部件11(第二部件)、检测对输入部件11的按压操作的检测机构12以及驱动检测机构12的控制单元13。

输入部件11具有用于接收由用户进行的按压操作的输入操作表面11a，并被安装至壳体10，其输入操作表面11a面向外部(图11中向上)。在输入操作表面11a上可形成用于提示用户进行按压操作的合适的字符、数字等。用于按压输入部件11的操作者的实例包括人体的一部分和辅助工具，如用户的手指和记录笔(stylus pen)。

输入部件11由圆形或多边形板状部件形成。板状部件可以是单层板部件或板状部件的层压体。输入部件11可由具有透光性的材料或无透光性的材料形成。此外，上述板状部件可以是诸如触摸板的传感器面板。输入部件11可由触摸面板形成，结果，除了Z-轴方向的按压检测之外，还可以检测在XY平面中的按压位置的坐标。

壳体10例如由具有电绝缘特性的塑性材料形成。壳体10包括环形第一壁体部分101和第二壁体部分102。第一壁体部分101在Z-轴方向上突出，以包围输入部件11的周围。第二壁体部分102垂直于Z轴方向从第一壁体部分101向壳体10的内部突出。

[检测机构]

检测机构12设置在壳体10和输入部件11之间，并检测输入部件11相对壳体10的相对运动量。检测机构12以静电方式检测输入部件11相对壳体10的相对运动，并将与输入部件11在Z-轴方向的运动量相关的检测信号输出到控制单元13。控制单元13包括驱动检测机构12的驱动器电路和基于从检测机构12输出的检测信号计算输入部件11的运动量的计算电路。

检测机构12包括弹性部件120。弹性部件120以环状沿输入部件11的周围形成，并设置在输入部件11的外围部分和壳体10的第二壁体部分102之间。输入部件11由弹性部件120弹性支撑。

图2是示意性地示出检测机构12的基本结构的主要部分的截面图。第一粘结层(adhesion layer)121、弹性部件120、第二粘结层122、介电层124以及第三粘结层123层设在输入部件11的外围部分和壳体10的第二壁体部分102之间。粘结层121～123均由压敏带、粘合剂涂层等形成。第一粘结层121将输入部件11和弹性部件120彼此粘接，而第二粘结层122将弹性部件120和介电层124彼此粘接。此外，第三粘结层123将介电层124和壳体10的第二壁体部分102彼此粘接。

如图2所示，第一粘结层121、介电层124和第三粘结层123被形成为宽度等于或大于弹性部件120的宽度(W1)，而第二粘结层122被形成为宽度(W2)小于宽度W1。因此，宽度为A(W1-W2)的间隙G在弹性部件120和介电层124之间的弹性部件120的内周侧(inner circumferenceside)上形成。间隙G是空气层，且其厚度(Z-轴方向尺寸)由第二粘结层122的厚度(D2＝D-D1)确定。这里，“D”表示第一粘结层121、第二粘结层122以及弹性部件120的叠层厚度，而“D1”表示第一粘结层121和弹性部件120的叠层厚度。

在上面的结构中，当在Z-轴方向上向壳体10按压输入部件11时，弹性部件120在Z-轴方向上被压缩而变形。此时，面向间隙G的弹性部件120的下部表面区域发生弹性形变从而填充间隙G，因此根据压力大小，间隙G(D2)的厚度减小或消失。检测机构12包括以静电方式检测间隙G厚度变化的电极对125(图1)。

图3A是示意性示出电极对125的结构实例的主要部件的截面图。为便于理解描述，图3A中没有考虑构成检测机构12的各部件之间的厚度关系，且省略了第一粘结层121和第三粘结层123的示图(对于图4A、图7A～图7B、图8A、图9A以及图11A～图11C同样如此)。

在该实施方式中，电极对125包括第一电极部125a和第二电极部125b，它们设置在介电层124上以面向间隙G中的空气层。第一电极部125a和第二电极部12b以预定间隔彼此相对，且第一电极部125a比第二电极部125b更靠内地设置在弹性部件120的内周侧上。通过该结构，电极对125形成以间隙G间隔的第一电极部125a和第二电极部125b之间的第一电容C1，并形成以介电层124间隔的第一电极部125a和第二电极部124b之间的电容C2。

图3B是图3A中所示的电极对125的等效电路。电极对125的电容对应于形成第一电容C1的电容器和形成第二电容C2的电容器的组合电容。第一电容C1和第二电容C2由下面的表达式所定义。

C1＝εr1·ε0·S/d····(1)

C2＝εr2·ε0·S/d····(2)

这里εr1和εr2均表示电介质的比介电常数(specific dielectricconstant)，ε0表示真空介电常数，S表示电极之间的对向面积，而d表示电极之间的对向距离。

在图3A所示的结构实例中，形成第一电容C1的电介质是间隙G中的空气(εr1≈1)，形成第二电容C2的电介质是构成介电层124的介电材料(εr2＞1)。在第一电极部125a和第二电极部125b之间，第一电容C1和第二电容C2具有相同的对向面积(S)和对向距离(d)。形成第一电容C1的电容器和形成第二电容C2的电容器以并联关系彼此连接，因此通过下面的表达式计算电极对125的组合电容。

C＝C1+C2····(3)

图4A是检测机构12的截面图，其示意性地示出了压力F在Z-轴方向上施加到输入部件11的状态。图4B是图4A中所示的电极对125的等效电路。当将输入部件11按压到壳体10中时，弹性部件120被压缩而变形，从而部分弹性部件120进入间隙G。弹性部件120进入间隙G的进入量基本与弹性部件120的形变量，即，输入部件11的运动量成比例。图4A示出了由于弹性部件120的进入导致间隙G消失从而空气层厚度为0的状态。在这种情况下，因为弹性部件120的比介电常数(＞1)比介于第一电极部125a和第二电极部125b之间的空气的比介电常数(≈1)大，所以第一电容C1增加到电容C1’。另一方面，由于第一电极部125a和第二电极部125b之间的比介电常数没有波动，所以第二电容C2没有变化。如上所述，当按压输入部件11时，电极对125的组合电容C增加了对应于(C1’-C1)的量。

可通过弹性部件120的弹性模量、间隙G的面积和高度(厚度)、电极对125的结构等调节伴随输入部件11的运动的电极对125的组合电容C的改变量。例如，考虑到形成电极对125必须的面积，可以适当地确定间隙G的宽度(A)。考虑到间隙G的宽度(A)和用作弹性部件120的支撑体的第二粘结层122的宽度(W2)来确定弹性部件120的宽度(W1)。宽度W2是确定支撑输入部件11必须的强度和由于按压导致的弹性部件120的形变量的设计参数。

并不特别限制弹性部件120的构成材料。例如，可以使用橡胶弹性体、有机树脂泡沫(如聚亚氨酯泡沫)等。弹性部件120的弹性模量必须低于第二粘结层122的弹性模量，但并不限制其上限和下限。

第二粘结层122的厚度限定了传感设备1的初始状态下的间隙G的厚度(D2)，因此在考虑电极对125的组合电容(C)的改变状态(由对输入部件11的按压操作导致)的同时，确定了第二粘结层122的厚度。

考虑到形成电极对125的容易性、与第二粘结层122的粘接性等，来适当地选择介电层124的组成材料。介电层124例如由树脂膜(如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜)形成。介电层124的厚度不受特别限制，是考虑到传感设备1或检测机构12的总厚度等来确定的。并不限制介电层124的介电常数，但期望介电层124的介电常数较小。因此，能够增加电极对125的组合电容的变化率。

构成电极对125的第一电极部125a和第二电极部125b由形成在介电层124上的导电层形成。第一和第二电极部125a和125b可以是铝或铜的金属箔，或导电浆料。第一和第二电极部125a和125b电连接到控制单元13，且确定其间的配置间隔或输入电压，从而实现其间的容性耦合。为了将第一和第二电极部125a和125b和控制单元13电连接，可以使用形成在介电层124上的布线层，或可使用独立于介电层124而提供的布线板。

[控制单元]

控制单元13包括生成输入到电极对125的驱动信号的驱动器电路以及处理从电极对125输出的检测信号的计算电路。在该实施方式中，第一和第二电极部125a和125b之间的电容由被称为互电容系统(mutualcapacitance system)的检测系统来检测。

如图5所示，互电容系统(也称为双极电极系统)包括两个容性耦合的电极E11和E12，且其耦合电容的变化被检测。通常，当接地物体接近容性耦合区时，电容减小。其中检测电容减小量以计算手指等的坐标位置的系统的触摸面板被投入实际应用。

在该实施方式中，作为一对的第一和第二电极部125a和125b之一连接到驱动器电路，而另一个连接到计算电路。对于驱动信号，使用预定频率的脉冲信号，但不限于此。可以使用包括高频的AC信号或DC信号。通过输入驱动信号，第一和第二电极部125a和125b静电耦合并形成第一和第二电容C1和C2。采用互电容系统作为检测方式的该实施方式的控制单元13检测电极对125的电容(其根据当对输入部件11进行按压操作时弹性部件120的形变量而变化)变化。随着弹性部件120变得更靠近电极对125，间隙G的厚度减少的更多，电极间的耦合区域的介电常数变得更接近于弹性部件120的介电常数。因此，第一电容C1增加，计算电路根据第一电容C1的改变量计算输入部件11的运动量。控制单元13根据输入部件11的计算的运动量生成控制信号。将控制信号提供给通过接收传感设备1的输出而进行操作的器件。

[传感设备的操作]

在上面结构的传感设备1中，当如图6所示按压输入部件11的中心时，弹性部件120在其整个圆周上受到基本一致的压缩形变，因此间隙G的厚度改变。检测机构12的电极对125输出基于间隙G的厚度变化的电容变化作为检测信号。控制单元13基于检测信号判断输入部件11的按压操作并生成预定的控制信号。

在该实施方式的传感设备1中，检测机构12输出形成在电极对125之间的电介质的介电常数的变化，来作为与输入部件11相对壳体10的运动量相关的检测信号。因此，与基于电极间的距离检测电容变化的系统相比，可增加电容变化率。因此，根据该实施方式的传感设备1，即使在输入部件11的运动量极小的情况下，仍可产生大的电容变化，结果，可以确保良好的检测灵敏度。

例如，假定弹性部件120的厚度为0.5mm，弹性部件120的比介电常数为3，第二粘结层122的厚度为0.05mm，且介电层124的比介电常数为3，来估计进行按压操作之前和之后电极对125的电容变化率。

如表达式(3)表示，电极对125的组合电容是间隙G侧上的第一电容C1和介电层124层侧上的第二电容C2的和。基本上，因为电容C1和C2之间的差异在于介电常数的差异，电容C2是电容C1的3倍。具体地，可得到下面的表达式。

C＝C1+C2＝C1+3×C1＝4C1····(4)

由于输入部件11的按压，弹性部件120向间隙G中突出。当空气层消失时，间隙G侧上的介电层的介电常数从1变到3，且因此电容C1的值变为3倍大。由于介电层124侧上的电容C2不变，按压操作后的电极对125的组合电容如下。

C’＝3×C1+C2＝3×C1+3×C1＝6C1····(5)

换句话说，根据该实施方式，由于对输入部件11进行的按压操作，电极对125的组合电容从4C1变到6C1，电容变化率变为50％(1.5倍大)。因为第二粘结层122的厚度对应于弹性部件120厚度的10％，在基于电极间的距离来检测电容变化的系统中电容变化率保持为10％。另一方面，根据该实施方式，可获得基本5倍的电容变化。自然，根据弹性部件120和介电层124的比介电常数以及间隙G的厚度，按压操作前后电极对125的电容变化率的估计结果会不同。

如上所述，根据该实施方式，即使在由于按压而导致的输入部件11的运动量极小的情况下，仍可以根据电极对125的大的电容变化来可靠地检测按压操作。进一步，因为电极对125的电容根据输入部件11的运动量连续地改变，所以可精确地检测输入部件11相对壳体10的相对运动量。

<第二实施方式>

图7A和7B是示意性地示出根据本发明第二实施方式的传感设备的主要部件的截面图。应该注意的是，在图中，与上述第一实施方式中对应的部件由同样的参考标号表示，并省略其详细描述。

图7A中所示的传感设备2A包括设置在输入部件11的外围部分和弹性部件120之间的第一防护电极(shield electrode)131(第三电极部)。第一防护电极131连接到接地电位并在Z-轴方向上与电极对125相对，电极对125面向间隙G且形成在介电层124上。第一防护电极131由铝或铜的金属箔形成，其连接到输入部件11的外围部分或弹性部件120的上表面。

在具有上述结构的传感设备2A中，第一防护电极131具有抑制由于用户手指或手接近输入部件11而导致的电极对125的电容变化的功能。因此，可以高精度检测在输入部件11上进行的按压操作，并可确保具有高可靠性的按压检测功能。

此外，在传感设备2A中，任何电极部可连接到控制单元13的计算电路。然而，在计算电路连接到位于内圆周侧上的第一电极部125a的情况下，可防止手指或手接近壳体10时产生的噪声进入计算电路。

另一方面，除了第一防护电极131之外，图7B中所示的传感设备2B还包括第二防护电极132。第二防护电极132连接到接地电位并设置在粘结层122(支撑体)和介电层124之间。第二防护电极132由铝或铜的金属箔形成，其连接到粘结层122的下表面或介电层124的上表面。

在具有上述结构的传感设备2B中，第二防护电极132设置在介电层124上，从而第二防护电极132和电极对125位于同一平面上，因此具有抑制由于手指或手接近壳体10而导致的电极对125的电容变化的功能。通过这种结构，可以高精度检测在输入部件11上进行的按压操作，并可确保高可靠性的按压检测功能。

应该注意的是，在图7B所示的传感设备2B中形成了第一防护电极131和第二防护电极132，但根据需要可省略第一防护电极131。此外，在传感设备2B中，第一电极部125a和第二电极部125b的任何一个可连接到控制单元13的计算电路。

<第三实施方式>

图8A是示意性地示出根据本发明第三实施方式的传感设备的主要部分的截面图。应该注意的是，在图中，与上述第一实施方式对应的部件由同样的参考标号表示并省略其详细的描述。

该实施方式的传感设备3包括具有电极对225的检测机构22，该电极对在输入部件11和壳体10之间形成多个电容。电极对225包括第一电极部225a和第二电极部225b。第一电极部225a设置在介电层124上，从而面向间隙G中的空气层。第二电极部225b设置在输入部件11和弹性部件120之间。第一电极部225a和第二电极部225b在Z-轴方向上彼此相对。通过这种结构，电极对225在间隙G(空气层)和弹性部件120的界面P和第一电极部225a之间形成第一电容C1，在界面P和第二电极部225b之间形成第二电容C2。

图8B是图8A中所示的电极对225的等效电路图。电极对225的电容对应于形成第一电容C1的电容器和形成第二电容C2的电容器的组合电容。形成第一电容C1的电容器和形成第二电容C2的电容器彼此串联，因此电极对225的组合电容由下式计算。

(1/C)＝(1/C1)+(1/C2)

具体地，C＝(C1×C2)/(C1+C2)····(6)

图9A是示意性地示出在Z-轴方向上将压力F施加到输入部件11的状态的检测机构22的截面图。图9B是图9A中所示的电极对225的等效电路图。当将输入部件11按压到壳体10中时，弹性部件120被压缩而变形，部分弹性部件120进入间隙G。弹性部件120进入间隙G的进入量基本与弹性部件120的形变量，即，输入部件11的运动量成比例。图9A示出间隙G由于弹性部件120进入而消失且空气层的厚度为0的状态。在这种情况下，因为比介电常数(＞1)比空气的比介电常数(≈1)大的弹性部件120介于第一电极部225a和第二电极部225b之间，所以第一电容C1增加到电容C1’。另一方面，通过减小弹性部件120的厚度使第二电容C2增加到电容C2’。如上所述，当按压输入部件11时，电极对225的组合电容通过电容C1和C2的增加而增加。

构成电极对225的第一和第二电极部225a和225b可以是铝或铜的金属箔，或导电浆料。第一和第二电极部225a和225b电连接到控制单元23，确定其间的配置间隔或输入电压，从而实现其间的容性耦合。

控制单元23包括生成输入到电极对225的驱动信号的驱动器电路，以及处理从电极对225输出的检测信号的计算电路。在该实施方式中，第一和第二电极部225a和225b之间的电容通过被称为自电容系统(selfcapacitance system)的检测系统检测。

自电容系统(也称为单极电极系统)使用一个用于感测的电极。如图10所示，用于感测的电极E21相对接地电位具有寄生电容。当接地物体接近电极E21时，电极E21的寄生电容增加。其中电容增加被检测以计算手指等的坐标位置的系统的触摸面板被投入实际应用。

在该实施方式中，第一和第二电极部225a和225b电极对的第一电极部225a连接到控制单元23作为感测电极(sensing electrode)。对于驱动信号，使用预定频率的脉冲信号，但不限于此。可以使用具有高频率的AC信号或DC信号。通过输入驱动信号，第一和第二电极部225a和225b静电耦合并形成上述第一和第二电容C1和C2。采用自电容系统作为检测方式的该实施方式的控制单元23检测电极对225的电容(其在对输入部件11进行按压操作时根据弹性部件120的形变量而变化)变化。随着弹性部件120更靠近第一电极部225a，间隙G的厚度减小更多，第一电极部225a和界面P之间的距离缩短。然后，通过进一步的按压操作，已经进入间隙G的弹性部件120在输入部件11和介电层124之间经受压缩变形，结果，第二电极部225b和界面P之间的距离缩短。因此，第一电容C1和第二电容C2分别增加，计算电路基于第一电容C1和第二电容C2的变化量来计算输入部件11的运动量。控制单元13基于计算的输入部件11的运动量生成控制信号。控制信号被施加到通过接收传感设备3的输出而操作的器件。

在该实施方式的传感设备3中，检测机构22输出电极对225之间形成的电介质的介电常数的变化，作为与输入部件11相对壳体10的运动量相关的检测信号。因此，与基于电极之间的距离来检测电容变化的系统相比，电容变化率可增加。因此，根据该实施方式的传感设备3，即使在输入部件11的运动量极小的情况下，也可产生大的电容变化，结果，可确保良好的检测灵敏度。

例如，假定电极之间的对向面积是10mm²，介于电极之间的弹性体的厚度是0.5mm，且其介电常数为3，当真空介电常数设定为8.85×10^-12[F/m]时，电极之间的电容C0计算为C0＝0.53124pF。在这种情况下，当弹性体被压缩且厚度变形10％时，此时电极之间的电容C0’计算为C0’＝0.59027pF，获得的电容变化量(C0’-C0)为0.05903pF。换句话说，在基于电极之间的距离变化的已知电容检测系统中，上面的实例中的电容变化率增加约10％。

另一方面，在该实施方式的传感设备3中，假定第一和第二电极部225a和225b之间的对向面积是10mm²，弹性部件120的厚度为0.5mm，介电常数为3，且间隙G的厚度是0.05mm，则当没有进行按压操作时，电极对225的组合电容计算为C＝0.408646pF。则假定通过按压操作弹性部件120向间隙G中突出，此时电容计算为C’＝0.482945pF。此时获得的电容变化量(C’-C)为0.0743pF，其超过初始电容约18％。

比较上述实例，在两种情况下，按压方向上弹性体的形变量都为0.5mm。然而，根据该实施方式可以获得两倍于已知系统的电容变化率。

如上所述，根据该实施方式，即使在由于按压而导致的输入部件11的运动量极小的情况下，仍可以基于电极对225的大的电容变化来可靠地检测按压操作。此外，因为电极对225的电容根据输入部件11的运动量连续地改变，所以可精确地检测输入部件11相对壳体10的相对运动量。

<第四实施方式>

图11A～图11C是示出根据本发明第四实施方式的传感设备的主要部件的截面图。应该注意的是，在图中，与上述第三实施方式中对应的构件由同样的参考标号表示，并省略其详细描述。

图11A中所示的传感设备4A包括构成电极对225的第一和第二电极部225a和225b，且第二电极部225b连接到接地电位。通过该结构，第二电极部225b具有抑制由于用户手指或手接近输入部件11而导致的电极对225的电容变化的功能。因此，可以高度精确检测对输入部件11进行的按压操作，并可以确保具有高可靠性的按压检测功能。

图11B中所示的传感设备4B进一步包括第一防护电极231。第一防护电极231连接到接地电位并设置在粘结层122(支撑体)和介电层124之间。第一防护电极231由铝或铜的金属箔形成，其附接到粘结层122的下表面或介电层124的上表面。

在具有上述结构的传感设备4B中，第一防护电极231设置在介电层124上，从而第一防护电极231和第一电极部225a位于在同一平面上，因此具有抑制由于手指或手接近壳体10而导致的电极对225电容变化的功能。通过该结构，可以以高精确度来检测对输入部件11进行的按压操作，并可以确保具有高可靠性的按压检测功能。

图11C中所示的传感设备4C进一步包括第二防护电极232。第二防护电极232连接到接地电位，并邻近第一电极部225a形成在介电层124上。第二防护电极232形成在比第一电极部225a更靠内的内圆周侧上，且因此具有抑制从壳体10内部进入第一电极部225a的电磁噪声的功能。通过该结构，可更精确地检测对输入部件11进行的按压操作。

<第五实施方式>

图12A和12B是示意性地示出根据本发明第五实施方式的传感设备的主要部分的截面图。应该注意的是，在图中，与上述第一和第二实施方式对应的构件由同样的参考标号表示，并省略其详细的描述。

图12A中所示的传感设备5A包括检测机构32A，该检测机构包括弹性部件320和介电部件326。弹性部件320弹性支撑输入部件11。介电部件326邻近弹性部件320设置。

弹性部件320设置在输入部件11和壳体10上的介电层124之间。弹性部件320经粘结层121粘接到输入部件11的外围部分，该粘结层121的宽度大于弹性部件320的宽度。此外，弹性部件320经粘结层122粘接到介电层124，该粘结层122具有与弹性部件320相同的宽度。

介电部件326具有与弹性部件320相同的厚度。介电部件326经粘结层121粘接到输入部件11。此外，介电部件326的下表面经厚度等于粘结层122的间隙G与介电层124相对。介电部件326通过弹性部件320的弹性形变改变间隙G的厚度。并不特别限制介电部件326的构成成分，可使用树脂、橡胶、陶瓷材料等。

在介电层124上，形成由第一和第二电极部125a和125b构成的电极对125，以经由间隙G与介电部件326的下表面相对。电极对125形成包括根据间隙G厚度而变化的电容分量的多个电容(该多个电容对应于图3A和3B中所示的电容C1和C2)，并基于电容的组合电容变化而输出与输入部件11在Z-轴方向的运动量相关的检测信号。

图12B所示的传感设备5B在检测机构的结构上不同于传感设备5A。换句话说，传感设备5B的检测机构32B包括由第一电极部225a和第二电极部225b构成的电极对225。第一电极部225a设置在介电层124上以面向间隙G。第二电极部225b设置在输入部件11和介电部件326之间。电极对225形成包括根据间隙G厚度而改变的电容分量的多个电容(该多个电容对应于图8中所示的电容C1和C2)，并基于电容的组合电容变化而输出与输入部件11在Z-轴方向上的运动量相关的检测信号。

在传感设备5A和5B中，随着输入部件11相对壳体10的相对运动，弹性部件320发生弹性形变并因此改变间隙G的厚度。另一方面，每个电极对125和225形成包括根据间隙G的厚度变化而变化的电容分量的多个电容。间隙G的厚度变化对应于介于电极对125或225之间的电介质(空气层、介电部件326、或空气层和介电部件326的组合)的介电常数的变化，该电容分量包括具有该介电常数的电介质的变化。因此，检测机构32A和32B分别输出在电极对125和225之间形成的电介质的介电常数的变化，作为与输入部件11相对壳体10的运动量相关的检测信号。因此，根据该实施方式的传感设备5A和5B，可获得与上述第一实施方式和第三实施方式相同的操作效果。

此外，根据该实施方式，因为进行按压操作时弹性部件进入间隙G并不涉及电容变化，所以可以减小将要形成电极对125或电极部225a的面积。例如，在图12A的结构实例中，假定第一和第二电极部125a和125b的电极宽度是50μm，电极间隔是50μm，电极部125a到介电层124的内周部(inner peripheral portion)的距离为50μm，电极部125b到粘结层122的距离是50μm，间隙G的宽度(对应于图2的尺寸A)可设定为200μm(50μm×2+50μm+50μm)。

<第六实施方式>

随后，示出本发明第六实施方式。图13是根据本发明实施方式的显示设备的示意性截面图，图14是示出其内部结构的平面图。该实施方式的显示设备51包括传感部32、控制部33和显示器34。传感部32具有与第一实施方式中所述的传感设备1相同的结构，用户对其进行按压操作的输入部件31由触摸面板构成。

触摸面板31包括多个在X方向和Y方向上平行的透明电极以及支撑这些透明电极的透明基底部件，并生成对应于用户在XY平面内的按压操作位置的检测信号。触摸面板31由控制部33驱动，并将检测信号输出到控制部33。控制部33基于检测信号确定输入位置坐标。

显示器34容纳在壳体10中。显示器34由诸如液晶显示设备或有机电致发光设备的显示设备构成，并在触摸面板31的内表面侧上(图13中下表面侧)整体粘接到触摸面板31。显示器34在触摸面板31的输入操作表面上显示由预定操作切换的图像或由用户选择的图像(图标)。显示器34的显示图像由控制部33控制。如图14所示，显示器34设置在传感部32的环状弹性部件120内。

传感部32包括检测由用户在触摸面板31上进行的按压操作的检测机构12，并将其检测信号输出到控制部33。控制部33驱动传感部32并基于来自传感部32的检测信号控制显示器34的显示图像或生成预定的控制信号。传感部32的结构和动作与上述第一实施方式的相同，从而省略其描述。

在如上述构造的该实施方式的显示设备51中，可以检测用户操作位置的坐标和在触摸面板31上进行的按压。此外，可以以高灵敏度检测按压操作而无须在检测按压时使接触面板31具有大的运动量。

至此，虽然已经描述了本发明的实施方式，但本发明不限于此，并基于本发明的技术思想可以做出各种变形。

例如，在上面的实施方式中，构成传感设备的检测机构的电极对被形成为沿着环状弹性部件120的环形形状，但本发明不限于此。如图15A和15B所示，可以沿着弹性部件120的圆周划分电极对。

图15A和15B是传感设备的示意性平面图和示意性截面图，该传感设备示出了其中检测机构12被分成多个检测机构部12A、12B、12C、12D、12E、12F、12G和12H的实例。对于检测机构部分12A～12H来说，电极对是独立形成的。根据该传感设备，可基于其他的值或各检测机构部12A～12H的检测信号的平均值来检测按压操作。此外，由于各检测机构部12A～12H根据对输入部件11的按压位置而输出不同检测信号，所以除了按压之外，还可以检测按压位置。

此外，在上面的实施方式中，构成传感设备的检测机构的弹性部件120和介电层124均被形成为环状。但如图16A和16B所示，弹性部件120和介电层124可形成为片状。在这种情况下，形成在弹性部件120和介电层124之间的间隙G形成在环状粘结层122(支撑体)的内圆周侧上，并设置检测电容的电极对以面向间隙G。通过该结构，检测了基于弹性部件120进入间隙G的电容变化，结果，可检测在输入部件11上进行的按压操作。

此外，在图16A和16B所示的传感设备中，检测机构可设置在输入部件11的按压操作区域中，结果，可以提高电极对配置的自由度。此外，在传感设备应用到显示设备的情况下，如图16B所示，显示器34可设置在输入部件(或触摸面板)11和弹性部件120之间。

此外，如图17所示，可以在支撑片状弹性部件120的粘结层122(支撑体)中形成预定形状的图案，并因此任意设置间隙G的形状。在这种情况下，检测电容变化的电极对设置在间隙G形成的区域上，从而形成检测输入部件的按压操作的检测机构12J。间隙G被形成为任意形状，结果，可以提高电极对配置的自由度，且检测机构可以选择性地形成在必须进行按压操作的区域中。

类似地，图18示出了这样的实例，其中，在支撑片状弹性部件120的粘结层122(支撑体)中形成多个间隙G，且检测机构部12K、12L、12M、12N、12P、12Q、12R和12S设置于此。在该实例的情况下，由于检测机构部在输入操作区域中独立地形成，所以除了按压操作，还可以检测按压位置。

此外，在上面的第六实施方式中，已经作为实例描述了其中使用图1中所示的传感设备1作为传感部32的显示设备51，但传感部32的结构并不限于上面的实例。可以使用第二到第五实施方式中所述的传感设备。

此外，在上面的实施方式中，已经作为实例描述了检测由用户在输入部件上进行的按压操作的传感设备，但本发明并不限于此。例如，本发明可以应用到检测外部压力(如大气压或水压)的传感设备。

本申请包含涉及于2010年3月19日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2010-063642的主题，其全部内容结合于此作为参考。

本领域技术人员应该理解的是，根据设计要求和其他因素，可以做出不同变形、组合、子组合和修改，只要它们在所附权利要求或其等同替换的范围内。

Claims (9)

1.一种传感设备，包括：

第一部件；

第二部件，能相对于所述第一部件在第一方向上相对地移动；以及

检测机构，包括设置在所述第一部件和第二部件之间的弹性部件、设置在所述第一部件和所述弹性部件之间并在所述第一部件和所述弹性部件之间形成空气层的支撑体以及形成包括根据所述空气层的厚度变化而改变的电容分量的多个电容的电极对，所述空气层具有通过所述弹性部件的弹性形变而改变的厚度，所述检测机构被配置为基于所述电极对的组合电容的变化来输出与所述第二部件在所述第一方向上的运动量相关的检测信号；

其中，所述电极对包括：

第一电极部，设置在所述第一部件上以面向所述空气层，以及

第二电极部，设置在所述第二部件上以在所述第一方向上与所述第一电极部相对，并且

所述检测机构，基于所述空气层和所述弹性部件的界面与所述第一电极部之间的第一电容和所述界面与所述第二电极部之间的第二电容的组合电容的变化来输出所述检测信号。

2.根据权利要求1所述的传感设备，其中

所述第一部件包括面向所述空气层形成的介电层，

所述电极对包括第一电极部和第二电极部，所述第一电极部和所述第二电极部设置在所述介电层上以面向所述空气层，并在与所述第一方向正交的方向上彼此相对，以及

所述检测机构基于插入有所述空气层的所述第一电极部与所述第二电极部之间的第一电容和插入有所述介电层的所述第一电极部与所述第二电极部之间的第二电容的组合电容的变化来输出所述检测信号。

3.根据权利要求2所述的传感设备，进一步包括：第三电极部，连接到接地电位并设置在所述第二部件上，从而在所述第一方向上与所述电极对相对。

4.根据权利要求1所述的传感设备，其中

所述支撑体是将所述弹性部件粘接至所述第一部件的压敏层。

5.根据权利要求1所述的传感设备，进一步包括：计算部件，被配置为电连接到所述检测机构，并基于所述检测信号计算所述第二部件在所述第一方向上的运动量。

6.根据权利要求1所述的传感设备，其中

所述第二部件是检测操作者在与所述第一方向正交的平面上的位置的触摸面板，以及

所述第一部件是容纳所述触摸面板的壳体。

7.一种传感设备，包括：

第一部件；

第二部件，能相对于所述第一部件在第一方向上相对地移动；以及

检测机构，包括设置在所述第一部件和所述第二部件之间的弹性部件、邻近所述弹性部件设置并通过所述弹性部件的弹性形变来改变空气层的厚度的介电部件以及形成包括根据所述空气层的厚度的变化而改变的电容分量的多个电容的电极对，所述空气层由所述介电部件在所述第一方向上与所述第一部件相对而形成，所述检测机构被配置为基于所述电极对的组合电容的变化而输出与所述第二部件在所述第一方向上的运动量相关的检测信号；

其中，所述电极对包括：

第一电极部，设置在所述第一部件上以面向所述空气层，以及

第二电极部，设置在所述第二部件上以在所述第一方向上与所述第一电极部相对，并且

所述检测机构，基于所述空气层和所述弹性部件的界面与所述第一电极部之间的第一电容和所述界面与所述第二电极部之间的第二电容的组合电容的变化来输出所述检测信号。

8.一种显示设备，包括：

第一部件，具有透光特性；

第二部件，能相对于第一部件在第一方向上相对地移动；

检测机构，包括设置在所述第一部件和所述第二部件之间的弹性部件、设置在所述第一部件和所述弹性部件之间并在所述第一部件和所述弹性部件之间形成空气层的支撑体以及形成包括根据所述空气层的厚度变化而改变的电容分量的多个电容的电极对，所述空气层具有由所述弹性部件的弹性形变而改变的厚度，所述检测机构被配置为基于所述电极对的组合电容的变化来输出与所述第二部件在第一方向上的运动量相关的检测信号；以及

显示装置，容纳在所述第一部件中并具有与所述第二部件相对的显示表面；

其中，所述电极对包括：

第一电极部，设置在所述第一部件上以面向所述空气层，以及

第二电极部，设置在所述第二部件上以在所述第一方向上与所述第一电极部相对，并且

所述检测机构，基于所述空气层和所述弹性部件的界面与所述第一电极部之间的第一电容和所述界面与所述第二电极部之间的第二电容的组合电容的变化来输出所述检测信号。

9.一种显示设备，包括：

第一部件，具有透光特性；

第二部件，能相对于所述第一部件在第一方向上相对地移动；

检测机构，包括设置在所述第一部件和所述第二部件之间的弹性部件、邻近所述弹性部件设置并通过所述弹性部件的弹性形变来改变空气层的厚度的介电部件以及形成包括根据所述空气层的厚度的变化而改变的电容分量的多个电容的电极对，所述空气层由所述介电部件在所述第一方向上与所述第一部件相对而形成，所述检测机构被配置为基于所述电极对的组合电容的变化而输出与所述第二部件在第一方向上的运动量相关的检测信号；以及

显示器件，容纳在所述第一部件中并具有与所述第二部件相对的显示表面；

其中，所述电极对包括：

第一电极部，设置在所述第一部件上以面向所述空气层，以及

第二电极部，设置在所述第二部件上以在所述第一方向上与所述第一电极部相对，并且

所述检测机构，基于所述空气层和所述弹性部件的界面与所述第一电极部之间的第一电容和所述界面与所述第二电极部之间的第二电容的组合电容的变化来输出所述检测信号。