CN201465057U

CN201465057U - 基于可变电容的坐标获取装置

Info

Publication number: CN201465057U
Application number: CN2009201070858U
Authority: CN
Inventors: 刘迎建; 王红岗; 向国威; 宋柏君
Original assignee: Hanwang Technology Co Ltd
Current assignee: Hanwang Technology Co Ltd
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2019-05-25

Abstract

本实用新型基于可变电容的坐标获取的装置，属于计算机的外围设备输入领域，基于可变电容的坐标获取装置，包含放大整形单元、频率计数单元、计算单元、输出数据单元和压力传感器单元，压力传感器单元将压力信号传递到放大整形单元进行信号放大，放大过后的压力信号在频率计数单元中进行频率计数后将计数信息发送到计算单元中进行位置计算，位置信息再通过输出数据单元进行输出。所述压力传感器单元由至少两个压力传感器组成，每个压力传感器由电感、固定电容和可变电容组成。本实用新型通过设置多个压力传感器的阵列，实现精确的触摸轨迹测量，结构简单，便于感测微力，可以快速地检测到压力的变化并计算出受力点的位置。

Description

基于可变电容的坐标获取装置

技术领域

本实用新型属于计算机的外围设备输入领域，涉及一种坐标获取装置，特别涉及一种基于可变电容的坐标获取装置。

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，在越来越多的场合需要对各种外界变化的物理量做出测量、控制及响应，其中对于压力的感测就是其中的一种。压感测量有多种技术方案，如压力式触控屏、电阻触控屏、红外式触控屏、电容式触摸屏以及电磁式手写屏等，可以应用在计算机输入设备、电子白板以及手机、PDA、医疗设备等领域，能够实时把压力的变化在显示屏幕上显示出来，以反应使用者操作时的用力情况。

专利US4121049公开了一种测量系统，该系统应用电阻应变的原理，把应变片安置在承压面板四个均匀位置，当承压面板在受力时会产生变形。因为力的作用点不同而产生的变形也是不一样，从而使应变片产生的信号不同，经过与应变片连接的电路进行处理，计算得到力的作用点的位置。该系统虽然已经获取了坐标的位置，但由于测量器件较少，如果用来触控的面板面积较大，则测量存在较大的偏差，精确度较小。

中国专利CN95195866.6公开了一种电容性传感器，该传感器含有一个具有闭合、连续几何形状的第一导电电极垫和一个第二导电电极的技术方案。这一种方案也可以通过可变电容来实现坐标的获取，但由于只能测量在限定范围内的面积，对于面积较大的触控板的精确测量比较困难，同时，无法实现受力方向上的更精确的量化测量。

专利号为CN87103587的专利中公开了一种压敏技术和器械，是在一个固定电极上分布一个二维阵列的弹性导电电极，在对该装置施加压力时，该电极产生形变从而生成了一系列的动态信号，即得到关于压力变化的情况，这种方法虽然可以采集到较为准确的压力变化情况的信号，但只是对于受力面的局部点进行测量，而无法对受力面的多个点测量，因而无法确定压力点的位置，也不能应用于位移的测量。

还有在专利号为CN02132054.3的专利中也公开了一种涉及与电容有关的压力测量技术，它包括一基板，在基板上方设置一第一阶悬浮结构及凸块结构，还有一二阶悬浮结构，与基板形成一封闭腔体。外界压力改变时，引起位移量的变化来感测电容变量。这种方法敏感性较差，特别是电容差的变化量较小，测量的范围受到一定的限制。

因而，目前现有的基于电容的精确压力的技术还不完善，特别是在面积较大和非刚性的表面材料的测量应用方面。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于可变电容的坐标获取装置，通过使触控板产生形变来改变可变电容的电容值，经过信号放大后进而计算出产生形变的位置，实现精确的触摸轨迹测量，结构简单，便于感测微力，可快速检测压力的变化以及受力点的位置。

基于可变电容的坐标获取装置，包含放大整形单元、频率计数单元、计算单元、输出数据单元和压力传感器单元，压力传感器单元将压力信号传递到放大整形单元进行信号放大，放大后的压力信号在频率计数单元中进行频率计数后将计数信息发送到计算单元中进行位置计算，位置信息再通过输出数据单元进行输出.

所述压力传感器单元由至少两个压力传感器组成，每个压力传感器由电感、固定电容和可变电容组成；可变电容由至少一个可变电容单元、触控板和基板组成；可变电容单元以阵列的形式位于基板上，触控板设置在可变电容单元的阵列之上。

所述可变电容单元的弹性电极上部具有一个传力杆，触控板接触传力杆，传力杆与弹性电极相对，弹性电极、固定电极两端面设置弹性电极引出端子和固定电极引出端子。

所述弹性电极和电介质之间设置垫片。

所述弹性电极与电介质接触的一侧具有多个突起。

所述触控板由柔性材料制成。

所述可变电容单元的数量至少为9个。

本实用新型基于可变电容的坐标获取装置，其有益效果为：

1、通过设置多个可变电容单元的阵列和应用低成本高精度的传感器单元，实现精确的触摸轨迹测量，结构简单，便于感测微力，可快速地检测到压力的变化以及计算出受力点的位置。

2、当用户在一个屏幕或面板上进行书写绘画时，将压力变化测量出来，得到作用点的具体坐标与作用点力。

本实用新型适合应用于计算机输入设备、电子白板、手机、PDA、多媒体交互设备等多种应用领域。

附图说明

图1是本实用新型的基于可变电容的坐标获取装置的结构框图；

图2是本实用新型的基于可变电容的坐标获取装置中压力传感器原理示意图；

图3是本实用新型的基于可变电容的坐标获取装置的受力示意图；

图4是本实用新型的基于可变电容的坐标获取装置的俯视示意图；

图5是本实用新型的基于可变电容的坐标获取装置的可变电容单元实施例1的结构示意图；

图6是本实用新型的基于可变电容的坐标获取装置的可变电容单元实施例2的结构示意图；

图7是本实用新型的基于可变电容的坐标获取装置的可变电容单元实施例2的弹性电极的仰视结构示意图；

图8是本实用新型的基于可变电容的坐标获取装置的计算作用力的示意图。

图中：1.压力传感器单元11.压力传感111.可变电容1110.触控板1111.可变电容单元1112.基板1113.弹性电极1114.电介质1115.固定电极1116.弹性电极引出端子1117.固定电极引出端子1118.垫片1119.传力杆1118’.突起112.固定电容113.电感2.放大整形单元3.频率计数单元4.计算单元5.输出数据单元

具体实施方式

下面结合附图对本申请的实施方式进行说明。

一种基于可变电容的坐标获取的装置，如图1所示，包含放大整形单元2、频率计数单元3、计算单元4、输出数据单元5和压力传感器单元1。压力传感器单元1将压力信号传递到放大整形单元2进行信号放大，放大后的压力信号在频率计数单元3中进行频率计数，并将计数信息发送到计算单元4中进行位置计算，位置信息再通过输出数据单元5进行输出。各个单元可以由独立的电路元件组成，也可将所有单元集成在集成电路中。本实施例中采用集成电路实现，所选单片机为STM32F103，则频率计数单元3、计算单元4、输出数据单元5都是集成在单片机上，采集信号与处理数据是通过单片机MCU的IO接口输入和输出的。在实际应用中，频率计数单元3往往就是利用单片机中自带的计数器，也可以单独设置计数器。计算单元4为处理器，对由多个压力传感器获得的信号进行处理。具体地，计算单元4为由单片机组成的处理单元，如以STM32F103处理器为核心的计算单元。输出数据单元5为单片机的输出接口。

如图2所示，所述压力传感器单元1由多个压力传感器组成，本实施例中，以一个压力传感器11为例，由电感113、固定电容112和可变电容111组成。压力传感器11实质上是一个振荡电路，或是类似的可振荡信号的电路。本实施例中，电感113、固定电容112和可变电容111并联构成一个振荡电路。

可变电容111由可变电容单元1111、基板1112和触控板1110组成。如图3所示，多个可变电容单元位于基板1112上，触控板1110设置在可变电容单元的阵列之上。触控板1110一般是具有一定形变的平面板，可以是刚性也可以是柔性的。刚性的触控板受外力作用时变形较小，承受力较大，对于坐标的测量误差较大。柔性触控板局部受力时变形较大，可变电容单元阵列的变化量相对明显，有助于精确测量受力点的位置。

可变电容单元1111固定在触控板1110的特定位置，本实用新型实施方式是固定在触控板1110的主要承力面，以等距离阵列分布，阵列的分布数量最少为9个或以上，用以测量触控板1110所承受的压力信息并输出相应的信号，基板1112直到承载和固定的作用。

如图4所示，当装置处于工作状态时，触控板1110受到不同的压力时，至少一个可变电容单元的电容量发生了变化，引起对应的压力传感器发生变化，使多个压力传感器构成的压力传感器单元1把变化的电路频率信号转化为压力信号传递到放大整形单元2。如图1所示，放大整形单元2对压力信号进行一个初步放大，过滤掉信号中的噪声后再频率计数单元3中进行频率计数，对频率信号进行计数和统计。把每一个压力传感器计数所得到的结果先暂存到寄存器，再将计数信息发送到计算单元4中进行位置计算，经过计算单元4的计算和比较，得到每个压力传感器的变化值。其中，由计算单元4进行计算获得的具有变化最大值的压力传感器的位置就是受力位置，或是由计算单元4根据几个不同的压力传感器的输出值进行计算得出受力位置，由输出数据单元5进行输出。

所述可变电容单元1111的弹性电极1113上部具有一个传力杆1119，触控板1110接触传力杆1119，传力杆1119与弹性电极1113相对，在弹性电极1113和电介质1114之间设置垫片1118，弹性电极1113、固定电极1115两端面设置弹性电极引出端子1116和固定电极引出端子1117。

可变电容单元1111的基本构件是由弹性电极1113、垫片1118、电介质1114和固定电极1115构成，下面在实施例中详细说明.

在实例一中，如图5所示，传力杆1119是设置在可变电容单元1111、弹性电极1113与触控板1110之间的一个结构件，它可以将触控板1110的受力状态传递到可变电容单元1111的弹性电极1113上。弹性电极1113由弹性材料制成，如导电橡胶，具有良好的弹性。为进一步保证精度和减小误差，在弹性电极1113与电介质1114之间设置有垫片1118，由于有垫片1118的存在，弹性电极1113与电介质1114之间，可以产生一些微小的间隙。弹性电极1113产生形变时，可以与电介质1114接触。垫片1118由绝缘材料制成。

当触控板1110上的某点受到压力时，压力通过触控板1110的形变传递到可变电容单元1111的传力杆1119上，在传力杆1119的直接作用下，弹性电极1113发生形变，与电介质1114之间的接触面积也在变化，并且触控板1110所受压力越大，弹性电极1113与电介质1114之间的接触面积也就越大。

根据电容的基本原理C＝ε(s/d)可知，电容值C分别与介电常数ε、面积s成正比，与电介质间的距离d成反比。通常认为空气的介电常数为1或稍大一点。在本实施例中，介电常数ε是由电介质22决定的，一般为几百到数千，是一个固定数，在本实施例中假定为1000，d对应的是弹性电极1113和固定电极1115之间的距离，为一个固定值，而变化最大的就是面积s。

当弹性电极1113与电介质1114没有接触时，两者之间为空气，电容值为C₀＝(s/d)。

当弹性电极1113受到较小压力与电介质1114接触面积较小时，如只有1/10时，由于s较小，那么C₁＝1000(s/10d)＝100(s/d)＝100C₀。

当弹性电极21受到较大压力与电介质22接触面积较大时，如有全面积的1/2时，那么C₂＝1000(s/2d)＝500(s/d)＝500C₀＝5C₁。

因而，弹性电极1113与电介质1114之间的接触面积越大，电容变化越大。相应的，弹性电极1113与固定电极1115之间的电容也就越大。弹性电极1113与固定电极1115分别具有弹性电极引出端子1116和固定电极引出端子1117，可以将相应的电信号接入到电路中去。本实施例中，为当弹性电极1113与固定电极1115之间的接触面积从最小到最大变化时的电容变化量。

作为本实用新型的第二实施例，如图6所示，可变电容单元1111由弹性电极1113、电介质1114、固定电极1115以及弹性电极引出端子1116和固定电极引出端子1117构成。与第一实施例中不同的是，本实施例中没有垫片1118与传力杆1119。如图6所示，在弹性电极1113表面与电介质1114相对的一侧具有多个形状相同、呈阵列排列的突起1118’。如图7所示，突起1118’与弹性电极1113连为一体，突起1118’与弹性电极1113具有同样的性能，受到触控板1110压力时，能够产生弹性变形。弹性电极1113直接与触控板1110接触，当受外力使触控板1110产生形变时，形变将通过触控板1110传递到弹性电极1113，并且受力越大，形变越大。

在计算单元4中对压力传感器单元1输出的多个振荡频率信号进行计算。计算的过程如下：前述多个振荡频率信号K₁～K_N，分别对应触控板1110中相对的多个阵列排列的可变电容单元，即在触控板1110相对垂直的X轴和Y轴方向上，对应有多个可变电容压力单元。

将X轴方向的多个频率信号先发送到频率计数单元3进行频率计数，再送入到计算单元4进行计算，得出X轴方向的差值。将Y轴方向的多个频率信号采用相同的方法，先发送到频率计数单元3进行频率计数，再送入到计算单元4进行计算，得出Y轴方向的差值。其具体的计算原理如下。

相对垂直的X轴和Y轴构成一个平面直角坐标系，多个可变电容压力传感器所在点即为该平面直角坐标系上的多个固定点x₁、x₂…x_n，y₁、y₂…y_n。其中，x₁、x₂…x_n为x轴横坐标方向的分力，y₁、y₂…y_n为y轴纵坐标方向上的分力。

当有外力F作用于触控板1110上时，即是作用在由X轴和Y轴构成的平面上，外力F在X轴方向的分力为F(x)，在Y轴方向的分力为F(y)，故在x₁、x₂…x_n点上的分力为F(x₁)和F(x₂)，在y₁、y₂…y_n点上的分力为F(y₁)和F(y₂)。

如图8所示，图中只画出了四个示意点，实际上在有效范围内的任一点都可以由至少四个点来进行测量。

根据x₁、x₂…x_n之间的关系可以得到外力F对应x轴上的相对位置，其相对位置的计算公式为：F(x)＝F(x_i)/(F(x₁)+F(x₂)+…)，同样，根据y₁、y₂…y_n之间的关系就可以得到外力F对应在y轴上的相对位置，其相对位置的计算公式为：F(y)＝F(y_i)/(F(y₁)+F(y₂)+…)，据此，就可得出外力F作用在触控板1110上的大小及作用点为(F(x)，F(y))：

F(x)＝F(x_i)/(F(x₁)+F(x₂)+…)

F(y)＝F(y_i)/(F(y₁)+F(y₂)+…)

这样，就根据所得差值得出受力点的信息。由以上获得的X轴与Y轴方向的差值，以及在原始状态时的初始值，就可得到触控板1110上外力作用点的位置及大小，并由输出数据单元5输出。

本实用新型结构简单，灵敏度高，具有非常良好的应用价值，适合应用于计算机输入设备、电子白板以及手机、PDA、多媒体交互设备等多种应用领域。

虽然这里只说明了本实用新型的优选实施例，但其意并非限制本实用新型的范围、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实用新型精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。

Claims

1.一种基于可变电容的坐标获取装置，包含放大整形单元(2)、频率计数单元(3)、计算单元(4)和输出数据单元(5)，其特征在于：还包括压力传感器单元(1)，压力传感器单元(1)将压力信号传递到放大整形单元(2)进行信号放大，放大后的压力信号在频率计数单元(3)中进行频率计数后将计数信息发送到计算单元(4)中进行位置计算，位置信息再通过输出数据单元(5)进行输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述压力传感器单元(1)由至少两个压力传感器组成，每个压力传感器(11)由电感(113)、固定电容(112)和可变电容(111)组成；可变电容(111)由至少一个可变电容单元(1111)、触控板(1110)和基板(1112)组成；可变电容单元(1111)以阵列的形式位于基板(1112)上，触控板(1110)设置在可变电容单元(1111)的阵列之上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述可变电容单元(1111)的弹性电极(1113)上部具有一个传力杆(1119)，触控板(1110)接触传力杆(1119)，传力杆(1119)与弹性电极(1113)相对，弹性电极(1113)、固定电极(1115)两端面设置弹性电极引出端子(1116)和固定电极引出端子(1117)。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述弹性电极(1113)和电介质(1114)之间设置垫片(1118)。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述弹性电极(1113)与电介质(1114)接触的一侧具有多个突起(1118’)。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述触控板(1110)由柔性材料制成。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述可变电容单元(1111)的数量至少为9个。