TWI413141B - A device that changes capacitance - Google Patents

Description

一種改變電容的裝置

本發明是一種通過改變電容的容量，並利用該電容的變化量來反映所受壓力變化的裝置，屬於電學元器件應用領域。

隨著消費電子產品的設計製造水準和用戶需求的不斷提高，越來越多的場合需要對外界變化的物理量做出測量與控制，並做出相應的回應。對於壓力的感測就是其中的一種，它在很多技術領域都有應用，如電腦錄入設備中使用的手寫筆，當書寫者使用手寫筆時就有一種對壓力即時回饋的要求，需要將書寫時的用力變化迅速及時地反映到與之相關的設備或者應用軟體中，並即時地在電腦螢幕上顯示出來，以反映書寫者書寫時的輕重緩急等不同狀態的用力情況。

為達到上述目的與效果，目前已經有多種技術解決方案，特別是專利號為JP2001319831的日本專利中所提到的技術方案，該專利涉及一種壓力測量裝置，其主要特點是：一塊電介質有兩個端面，一端有兩個電極，另一端有一個柔性電極，柔性電極與該端有一定間隙，並且在受到外力的情況下柔性電極可以與該端面產生一個相對變化，當這個相對變化產生時，便獲得受到外力的變化參數。

上述的技術方案有其獨特的優點，如結構簡單、靈敏度高，但是也有其明顯的不足，主要表現在：由於是在一 個電介質上連接兩個電極，這就相當於一個瓷介電容，因而存在一個初始值，當柔性電極與電介質接觸且接觸面積發生變化時，電容的變化量是以這個初始的電容值為起始點和最小值的，實際上柔性電極和電介質剛剛接觸時的電容值與這個初始的電容值是相同的，這樣就無法區分變化量與初始值，這給感測和控制都會帶來很大的不便，導致必須提高生產製造的水準，特別是對器件的生產要求就會更加嚴格，因而，這種技術方案還有待於提高與突破。另外，對於優先權號為JP19900206774的相類似的專利技術，與前一個方案略有不同，雖然有一個零初始值，但結構較為複雜，在製造與生產時會比較麻煩，並且降低了產品的可靠性。

本發明的目的就是提供一種可以根據外力作用的大小，方便靈敏地感測到電容的變化量，並且有明確的零初始值和允許在一定變化範圍內改變電容量的裝置。

本發明的技術方案為第一電介質(54)與第二電介質(55)並列排放，在第一電介質(54)與第二電介質(55)之間帶有隔離層(58)，第一電介質(54)與第二電介質(55)的一個端面分別連接第一電極(56)與第二電極(57)，第一電介質(54)與第二電介質(55)的另一個端面裝有彈性導電墊片(52)。

本發明的優點和效果是：結構簡單，測量的靈敏度高，可以感測微小變化，感測的範圍大，有明確的零初始值， 易於感測和控制。

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

本發明所涉及的裝置可應用於電腦錄入的手寫筆設備中，為了達到上述的目的與效果，本實施例採用了如第一圖所示的裝置，由筆體1、筆體1內的電路板2、筆體1前端的筆尖3以及感應線圈4和電介質結構5組成。第三圖中的觸頭51與筆尖3構成一個整體，在觸頭51與筆尖3之間有感應線圈4。

第二圖是沿第一圖所示裝置的A-A剖視圖。第三圖是沿第一圖所示裝置的本發明電介質結構初始狀態的縱剖視圖。電介質結構5由觸頭51、彈性導電墊片52、墊片53、第一電介質54、第二電介質55、第一電極56、第二電極57、隔離層58和殼體59組成。

觸頭51受力後直接作用於彈性導電墊片52的一個端面；彈性導電墊片52由彈性導電材料製成，受到外力作用可產生形變，在外力消失時即恢復其原有的形狀；在彈性導電墊片52的另一個端面並列排放第一電介質54與第二電介質55，第一電介質54與第二電介質55由具有較高電介常數的材料製成；在兩個電介質與彈性導電墊片52之間裝有墊片53，墊片53由低介電常數材料製成；第一電介質54與第二電介質55之間帶有隔離層58，隔離層58具有非常低的電介常數，可以是空氣自然隔離，也可以填充低介 電常數的材料；第一電介質54與第二電介質55形狀對稱，並以鏡像對稱放置如以半圓狀並以圓心相對放置，即與隔離層58組成一個完整的正圓形狀，本實施例中第一電介質54與第二電介質55為半圓狀或者類似的半圓狀；第一電介質54與第二電介質55的另一個端面，分別連接第一電極56和第二電極57，第一電極56與第二電極57的形狀分別與第一電介質54和第二電介質55的形狀類似，且第一電極56與第二電極57分別緊貼第一電介質54和第二電介質55的端面；在第一電極56與第二電極57上接出導線或導體，用以感測相應的電信號，如果連接到一個容感、阻容振盪電路或是其他類似振盪電路，便可以以電容的變化來改變振盪頻率的變化，即可得到一個頻率值以及相應特徵，根據這個頻率參數的變化，可以得到電介質上電極電容的變化量，即筆尖3受力情況的回饋。同時，為了保證第一電介質54、第二電介質55與隔離層58能夠很好的結合，在其外側設置了用於加固與穩定的殼體59，保證它們之間能夠緊密的組合。

本實施例具體的應用過程如下：由於觸頭51與筆尖3是一個整體，觸頭51與筆尖3始終處於同一狀態。假設在筆尖3沒有受到外力作用時為初始狀態，則如第一圖、第三圖所示，筆尖3、觸頭51和彈性導電墊片52均處於初始狀態即沒有受到外力作用。此時，隔離層58使第一電介質54和第二電介質55處於相互獨立的狀態，即每一塊電介質都與另一塊電介質以及彈性導電墊片52沒有聯繫，此時第 一電極56與第二電極57之間的電容可以忽略不計，即為零初始值。零初始值時，彈性導電墊片與電介質端面的擠壓情況如第五圖a所示。

第四圖是本發明沿第一圖所示裝置的電介質結構受力狀態的縱剖視圖。筆尖3受到按壓等外力時，即在桌面或是其他平面用筆進行書寫時，會產生一個變化的力的作用，通過筆尖3將這個力及其變化傳遞給觸頭51，並作用到彈性導電墊片52，此時彈性導電墊片52會產生一個形變，並作用到第一電介質54與第二電介質55的端面，由於彈性導電墊片52為良好導電體，因此將第一電介質54與第二電介質55聯繫在一起，使原來的獨立狀態變成一個相互關聯的整體，即兩塊電介質連通，這樣就會在第一電極56與第二電極57之間有一個電容值。

第五圖b為電介質端面與彈性導電墊片受外力作用的剖視圖。當彈性導電墊片52開始擠壓第一電介質54、第二電介質55端面時，在第一電極56和第二電極57之間產生一個最小電容值；觸頭51所受作用力越大，彈性導電墊片52產生形變越大，彈性導電墊片52擠壓第一電介質54與第二電介質55端面的擠壓面積也就越大，第五圖b所示的陰影部分面積的大小表明該擠壓面積的大小，在第一電極56、第二電極57之間的電容值也隨之變大，直至有一個最大值，並且這個電容值隨時隨著外力作用的變化而變化。

上述過程是可逆的，即當外力作用減小時，彈性導電墊片52產生的形變變小，與第一電介質54和第二電介質 55端面的擠壓面積相應減少，在第一電極56和第二電極57之間的電容值也隨之減小，直至減小到最小值。當外力作用消失時，在彈性導電墊片52的彈力的作用下恢復到初始狀態，此時由於彈性導電墊片52與第一電介質54、第二電介質55之間恢復到初始狀態，則第一電極56與第二電極57之間的電容量恢復為零初始值。

第六圖是本發明電介質結構5進一步實施例的主視圖。為加強和保證彈性導電墊片52的回彈效果，觸頭51和彈性導電墊片52之間增加彈性導電體522，彈性導電墊片52與墊片53之間增加彈性導電體533。

上述過程可反復進行，測量出第一電極56與第二電極57之間電容量的大小及其變化，即可以方便得到由外力因素所引起改變的相互關係。

同時，為了更加方便感測外力的變化，使觸頭51作用於彈性導電墊片52的形變更趨於線性，可以將觸頭51的端面設為中間高、四周低的凸起形狀，可為類圓錐狀或球冠狀。

將該裝置接入到一個容感振盪、或是阻容振盪電路以及類似電路中，就可以得到相應的頻率變化參數，比較頻率參數的變化，如相位變化，即可得到相應外力與電容變化的關係，這樣，就可以建立起一個完整的感測受力情況的電路與系統，應用到電腦手寫錄入的手寫筆中。本發明結構簡單，靈敏度高，因而具有非常好的應用價值。

本發明提供的實施例，其意並非限制本發明的範圍、 適用性和配置。相反，對實施例的詳細說明可使本領域技術人員得以實施。應能理解，在不偏離所附權利要求書確定的本發明精神和範圍情況下，可對一些細節做適當變更和修改。

1‧‧‧筆體

2‧‧‧電路板

3‧‧‧筆尖

4‧‧‧感應線圈

5‧‧‧電介質結構

51‧‧‧觸頭

52‧‧‧彈性導電墊片

522‧‧‧彈性導電體

53‧‧‧墊片

533‧‧‧彈性導電體

54‧‧‧第一電介質

55‧‧‧第二電介質

56‧‧‧第一電極

57‧‧‧第二電極

58‧‧‧隔離層

59‧‧‧殼體

第一圖是一種改變電容的裝置的實施例的示意圖。

第二圖是沿第一圖所示裝置的A-A剖視圖。

第三圖是沿第一圖所示裝置的本發明電介質結構初始狀態的縱剖視圖。

第四圖是本發明沿第一圖所示裝置的電介質結構受力狀態的縱剖視圖。

第五圖是本發明電介質端面與彈性導電墊片的剖視圖。

第五圖a電介質端面與彈性導電墊片未受外力作用的剖視圖。

第五圖b電介質端面與彈性導電墊片受外力作用的剖視圖。

第六圖是本發明電介質結構進一步實施例的初始狀態的剖視圖。

51‧‧‧觸頭

52‧‧‧彈性導電墊片

53‧‧‧墊片

54‧‧‧第一電介質

55‧‧‧第二電介質

56‧‧‧第一電極

57‧‧‧第二電極

58‧‧‧隔離層

59‧‧‧殼體

Claims (11)

1. 一種改變電容的裝置，由彈性導電墊片、電介質、電極組成，其特徵在於：第一電介質(54)與第二電介質(55)並列排放，在第一電介質(54)與第二電介質(55)之間帶有隔離層(58)，第一電介質(54)與第二電介質(55)的同一側端面分別連接第一電極(56)與第二電極(57)，第一電介質(54)與第二電介質(55)的另一側端面裝有彈性導電墊片(52)。
2. 依據申請專利範圍第1項所述的一種改變電容的裝置，其特徵在於：在第一電介質(54)、第二電介質(55)與彈性導電墊片(52)之間裝有墊片(53)。
3. 依據申請專利範圍第1項所述的一種改變電容的裝置，其特徵在於：第一電介質(54)與第二電介質(55)以鏡像對稱放置。
4. 依據申請專利範圍第1項所述的一種改變電容的裝置，其特徵在於：第一電介質(54)與第二電介質(55)緊貼殼體(59)的內壁置入殼體(59)中。
5. 依據申請專利範圍第1項所述的一種改變電容的裝置，其特徵在於：觸頭(51)的端面為中間高、四周低的凸起形狀，可為圓錐狀或球冠狀。
6. 依據申請專利範圍第1項所述的一種改變電容的裝置，其特徵在於：第一電極(56)與第二電極(57)的形狀分別與第一電介質(54)和第二電介質(55)的形狀類似，第一電極(56)和第二電極(57)分別緊貼第一電介質(54)和第二電介質(55)的端面。
7. 依據申請專利範圍第1項所述的一種改變電容的裝 置，其特徵在於：墊片(53)為低介電常數材料製成。
8. 依據申請專利範圍第1項所述的一種改變電容的裝置，其特徵在於：隔離層(58)內填充低介電常數的物質。
9. 依據申請專利範圍第1項所述的一種改變電容的裝置，其特徵在於：隔離層(58)內是空氣。
10. 依據申請專利範圍第1項所述的一種改變電容的裝置，其特徵在於：彈性導電墊片(52)由彈性導電材料製成。
11. 依據申請專利範圍第1項所述的一種改變電容的裝置，其特徵在於：觸頭(51)和彈性導電墊片(52)之間增加彈性導電體(522)，彈性導電墊片(52)與墊片(53)之間增加彈性導電體(533)。