TWI612456B - 感測元件與具有感測元件的電子裝置 - Google Patents

Abstract

一種感測元件，包括第一支撐層、第二支撐層以及應變規。第一支撐層具有第一支撐面。第二支撐層具有第二支撐面。第二支撐層連接第一支撐層。第一支撐層的楊氏係數大於第二支撐層的楊氏係數。應變規具有感測區。感測區覆蓋至少部分第一支撐面與至少部分第二支撐面。此外，一種包含此感測元件的電子裝置亦被提出。

Description

感測元件與具有感測元件的電子裝置

本發明是有關於一種感測元件與具有此感測元件的電子裝置，且特別是有關於一種不需外加鍵帽的感測元件與具有此感測元件的電子裝置。

近年來，科技產品多以行動性以及功能性為主要訴求，因此電子裝置例如智慧型手機(smart mobile phone)、個人數位助理(Personal Digital Assistant；PDA)、平板電腦(tablet PC)或虛擬實境(Virtual Reality；VR)裝置等產品已成為現今的電子消費市場的主流。

一般來說，電子裝置通常配有按鍵於蓋板上，而蓋板內具有對應於此按鍵的感應元件。按鍵與感應元件相互耦接，使用者可藉由按壓按鍵來控制感應元件，進而達到控制電源、藍芽或無線網路的開關，又或者是調節音量、攝錄影像或滾動顯示頁面等功能。通常而言，電子裝置的蓋板必需設置有相應的對外開孔來裝設按鍵，以便於使用者操作。

然而，前述配置方式會造成電子裝置的內部配置空間的浪費，且其組裝過程亦較為複雜，因而存在著製造難度高、製造工時長以及組裝良率低等問題。另一方面，灰塵、水氣容易經由按鍵與對外開孔之間的縫隙進入到電子裝置的內部，使得電子元件的功能受到影響，且縮減其使用壽命。除此之外，習知的虛擬按鍵，若需隔著手套操作，則需使用如具有導電功能的特殊手套。並且，若在開車或其他無法看到電子裝置的盲觸狀況下進行按壓動作，可能會因為虛擬按鍵的回饋方式並不理想，而造成使用上的不方便。

本發明提供一種感測元件與使用此感測元件的電子裝置，能簡化製程步驟、縮減組裝時程與降低製造成本，不需外加鍵帽並達到無縫(seamless)按鍵之設計，以保持電子裝置外觀之完整性，且可避免灰塵或水氣侵入電子裝置內部，確保電子裝置的使用壽命及可靠度。

本發明的感測元件包括第一支撐層、第二支撐層以及應變規。第一支撐層具有第一支撐面。第二支撐層具有第二支撐面。第二支撐層連接第一支撐層。第一支撐層的楊氏係數大於第二支撐層的楊氏係數。應變規具有感測區。感測區覆蓋至少部分第一支撐面與至少部分第二支撐面。

本發明的電子裝置包括機體、蓋板以及感測元件。蓋板 具有按壓部，且蓋板覆蓋機體。機體包含感測元件，且感測元件對應於蓋板的按壓部設置。感測元件包括第一支撐層、第二支撐層以及應變規。第一支撐層具有第一支撐面。第二支撐層具有第二支撐面。第二支撐層連接第一支撐層。第一支撐層的楊氏係數大於第二支撐層的楊氏係數。應變規具有感測區。感測區覆蓋至少部分第一支撐面與至少部分第二支撐面。蓋板覆蓋第一支撐層、第二支撐層以及應變規。

基於上述，本發明藉由在蓋板的按壓部的內側製作感測元件，以讓使用者藉由按壓蓋板的按壓部來實現按鍵的功能。換言之，本發明無需在電子裝置的蓋板額外設置開孔以容置實體按鍵或於蓋板上額外設置其他獨立的感應元件，便可實現按鍵功能，因此可大幅簡化製程步驟、縮減組裝時程、降低製造成本以及提高組裝良率。另一方面，由於本發明的電子裝置採用無縫按鍵設計，因此其蓋板與實現按鍵功能的區域之間並不具有間隙，不僅可保持整體外觀的完整性，更可避免灰塵或水氣侵入電子裝置內部，確保電子裝置的使用壽命及可靠度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、400、500‧‧‧電子裝置

110‧‧‧機體

110a‧‧‧主顯示面

110b‧‧‧副顯示面

110c‧‧‧背面

120、520‧‧‧蓋板

120a‧‧‧第一部分

120b‧‧‧第二部分

422‧‧‧第一蓋板

424‧‧‧第二蓋板

P‧‧‧按壓部

P1‧‧‧第一按壓部

P2‧‧‧第二按壓部

130、230、330‧‧‧感測元件

140、240‧‧‧第一支撐層

142‧‧‧第一支撐面

150、250‧‧‧第二支撐層

152‧‧‧第二支撐面

154、254‧‧‧交界面

156‧‧‧底面

158‧‧‧交界線

θ‧‧‧夾角

160‧‧‧應變規

161‧‧‧感測區

162a‧‧‧第一端

162b‧‧‧第二端

L1‧‧‧第一距離

L2‧‧‧第二距離

163‧‧‧連線區

164‧‧‧連接墊

165‧‧‧柵線

166‧‧‧連接線

170‧‧‧導線

F‧‧‧手指

360A‧‧‧第一應變規

360B‧‧‧第二應變規

361A‧‧‧第一感測區

361B‧‧‧第二感測區

363A‧‧‧第一連線區

363B‧‧‧第二連線區

圖1是依照本發明一實施例的電子裝置的立體圖。

圖2為圖1之電子裝置的立體爆炸圖。

圖3是圖1的電子裝置的俯視示意圖。

圖4是感測元件的俯視示意圖。

圖5是圖4的感測元件沿A-A’剖線的剖面示意圖。

圖6是圖5的感測元件的作動的剖面示意圖。

圖7是依照本發明另一實施例的感測元件的剖面示意圖。

圖8是依照本發明又一實施例的感測元件的剖面示意圖。

圖9是依照本發明再一實施例的電子裝置的立體圖。

圖10為圖9之電子裝置的立體爆炸圖。

圖11是依照本發明又再一實施例的電子裝置的立體圖。

圖1為本發明一實施例的電子裝置的立體圖。圖2為圖1之電子裝置的立體爆炸圖。圖3為圖1的電子裝置的俯視圖。值得注意的是，為了方便觀察及說明，在圖2中，仍以虛線繪示出機體110在視角另一方向的輪廓，以便清楚表示機體110的背面110c之位置或其與主顯示面110a及副顯示面110b之間的相對應關係。請參考圖1至圖3，在本實施例中，電子裝置100包括機體110以及蓋板120。電子裝置100例如是包括機體110的智慧型手機、個人數位助理、平板電腦或虛擬實境裝置。機體110包含感測元件130，並可包括感測器(未繪示)、顯示器(未繪示)、處理器(未繪示)、電源供應器(未繪示)、震動器(未繪示)、控制器 (未繪示)或其他的電子單元。蓋板120例如是塑膠板、碳纖維板、玻璃板或上述之組合，於本發明不加以限制。在一些實施例中，蓋板120的材質可包括可撓性材料，以使電子裝置100具有較佳的觸感。

機體110包含主顯示面110a、連接主顯示面110a之副顯示面110b以及與主顯示面110a相對之背面110c。副顯示面110b與主顯示面100a不平行。蓋板120設置於機體110外側，以覆蓋機體110。蓋板120包括第一部分120a以及第二部分120b。第一部分120a位於機體110的主顯示面110a上，第二部分120b位於機體110的副顯示面110b上。在本實施例中，蓋板120的第一部分120a以及第二部分120b可以彼此連接或一體成型，但本發明不限於此。在一些實施例中，蓋板120的第一部分120a以及第二部分120b也可以彼此分離。

圖4是感測元件的俯視示意圖。圖5是圖4的感測元件沿A-A’剖線的剖面示意圖。請參考圖1至圖5，在本實施例中，蓋板120具有按壓部P，按壓部P的數量與位置可依需求調整設置。例如本實施例中按壓部P可有兩個，包括第一按壓部P1以及第二按壓部P2，其中，第一按壓部P1位於蓋板120的第一部分120a，第二按壓部P2位於蓋板120的第二部分120b。也就是說，第一按壓部P1位於機體110的主顯示面110a上，第二按壓部P2位於機體110的副顯示面110b上。感測元件130對應於蓋板120的按壓部P設置。但本發明不限於此。在其他實施例中，蓋板120 的按壓部P及/或感測元件130的數量也可以是單個。舉例而言，電子裝置100可以包括多個感測元件130，且多個感測元件130可以對應於同一個按壓部P。

感測元件130包括第一支撐層140、第二支撐層150以及應變規(strain gauge)160。在本實施例中，第一支撐層140可為機體110的一部份。舉例而言，第一支撐層140可為機體110的框架，但本發明不限於此。在其他實施例中，第一支撐層140可以是嵌在機體110的框架上之凹口或缺口內。在本實施例中，第二支撐層150可以是嵌在第一支撐層140的凹口或缺口內，但本發明不限於此。在其他實施例中，第二支撐層150也可以是嵌在機體110的框架之凹口或缺口內。值得注意的是，為求清楚表示與便於說明，於圖3中僅繪示了第二按壓部P2所對應的感測元件130，而第一按壓部P1所對應的感測元件(未繪示)可以是類似於感測元件130。

第一支撐層140具有第一支撐面142。第二支撐層150具有第二支撐面152。第一支撐層140的楊氏係數(Young's modulus)大於第二支撐層150的楊氏係數。也就是說，相較於第一支撐層140來說，第二支撐層150受力後的可塑性變形程度較大。在本實施例中，第一支撐層140之材質可為玻璃、塑膠、橡膠、矽膠或其他適宜的絕緣材料。第二支撐層150具有可被壓縮的性質，其材質例如包括橡膠、矽膠或其他絕緣的彈性材料。具體而言，具有彈性的第二支撐層150可以在受到外力時對應地被 壓縮(如圖6所示)，且在上述的外力消失之後，第二支撐層150可以回復到未受到外力時的初始狀態(如圖5所示)。

就製程上而言，可先以雷射鑽孔(laser drilling)、機械鑽孔(mechanical drilling)或是蝕刻等方式於第一支撐層140上形成凹陷，其中凹陷自第一支撐層140的第一支撐面142向內延伸。在本實施例中，凹陷的側壁為頃斜的且凹陷的底部為平面。接著，例如是以塗佈法、黏合法、溶膠凝膠法(Sol-Gel method)或壓合法將彈性材料的原料填充於第一支撐層140的凹陷內後，再依據上述原料的性質進行光聚合(photopolymerization)或烘烤(baking)製程，以使上述原料固化而形成第二支撐層150。如此一來，可使第二支撐層150覆蓋於凹陷的側壁，以形成第一支撐層140與第二支撐層150彼此相接觸的交界面154。除此之外，第二支撐層150的底面156可以對應於凹陷的底部而為一平面，且第二支撐層150具有相對於底面156的第二支撐面152。

在一些實施例中，第一支撐層140的第一支撐面142與第二支撐層150的第二支撐面152共同形成為連續面，也就是第一支撐面142與第二支撐面152的交界處無顯著斷差。如圖5所示，第二支撐層150可於剖面示意圖中呈現梯形的形狀。如此一來，可使感測元件130的應變規160可以被設置於第一支撐面142與第二支撐面152所形成的平面上。

在一些實施例中，第二支撐層150也可以是以隔絕材料包覆可被壓縮的氣體或液體所形成的氣囊或液囊。

如圖4所示，應變規160具有感測區161以及與輸出訊號的連線區163。應變規160的連線區163覆蓋部分的第一支撐面142，且應變規160的感測區161覆蓋部分的第一支撐面142與部分的第二支撐面152。應變規160包括連接墊164、多條柵線165以及多條連接線166。連接墊164位於連線區163，柵線165以及連接線166線位於感測區161。應變規160可以藉由位於連接墊164上的導線170、導通孔或其他電連接件以與其他元件電性連接。多條柵線165彼此相互平行，藉由連接線166與對應地相鄰柵線165彼此串接為蛇型線路，且兩條外側柵線165位於第一支撐面142上的一端與連接墊164連接。在本實施例中，應變規160的感測區161與第二支撐面152的底面156重疊，但本發明不限於此。

在本實施例中，第一支撐面142與第二支撐面152之間夾有一交界線158，柵線165的延伸方向與交界線158具有一夾角θ，且夾角θ的角度大於0。換言之，感測區161同時覆蓋第二支撐層150的第二支撐面152與第一支撐層140的第一支撐面142。除此之外，應變規160的感測區161具有相對的第一端162a與第二端162b，其中第一端162a位於第一支撐面142上，第二端162b位於第二支撐面152上。第二端162b與交界線158之間具有一第一距離L1，第一端162a與第二端162b之間具有一第二距離為L2，第一距離L1與第二距離為L2的比值大於等於0.05且小於等於0.95(即，0.05

(L1/L2)

0.95)。換言之，感測區161覆蓋部 分的第一支撐面142以及部分的第二支撐面152。如此一來，蓋板120的按壓部P所受到的外力(如圖6所示)能使對應於按壓部P設置的應變規160於第二支撐面152上產生對應的局部形變。

在本實施例中，第一支撐層140與第二支撐層150具有交界面154，且交界面154與第一支撐面142及/或第二支撐面152不垂直。如此一來，可以使位於交界面154上的第二支撐層150具有不同的厚度，且交界面154上的第二支撐層150的厚度朝遠離交界線158的方向逐漸增加。如此一來，可以使位於交界面上154的應變規160於受到外力後所產生的對應形變量，可以自交界線158朝向遠離交界線158之處逐漸增加，以降低應變規160於交界線158處因多次的局部劇烈形變造成金屬疲勞而導致斷裂的可能。除此之外，由於交界面154與第一支撐面142及/或第二支撐面152不垂直，以使交界面154上第二支撐層150的厚度朝遠離交界線158的方向逐漸增加。因此，縱使蓋板120的按壓部P受到均勻的外力，也會使對應於按壓部P設置的應變規160，於第二端162b所產生的形變量大於於第一端162a所產生的形變量。

圖6是圖5的感測元件130的作動的剖面示意圖。請同時參考圖1至圖6，當使用者或其他裝置施加外力於蓋板120的按壓部P時會透過蓋板120使感測元件130變形。舉例而言，當使用者以手指F或其他方式施加外力於按壓部P時，蓋板120會朝向感測元件130產生局部的形變，以使與蓋板120相抵接的感測元件130產生對應的形變。在感測元件130受力而產生形變的情 況下，由於第二支撐層150的楊氏係數小於該第一支撐層140的楊氏係數，因此第二支撐層150會對應地被壓縮，以使設置於第二支撐層150與蓋板120之間的應變規160亦會隨之變形而呈現拉伸狀態，因此應變規160上的線路會變長且變窄，以致應變規160會產生電性的變化。在本實施例中，應變規160可以電性連接至一感測器，感測器可藉由應變規160所對應的一電阻訊號值，判定應變規160所對應的形變量或形變時間。

在一些實施例中，可以將感測元件130的應變規160、其他的多個電阻元件(未繪示)以及電源供應器(未繪示)串聯以及並聯，以形成惠斯通電橋(Wheatstone bridge)電路。其他的多個電阻元件可以為固定電阻或可變電阻，於本發明不限於此。經由電路之設計，可以使感測元件130於不同的受力情況下，上述的惠斯通電橋電路可以具有不同的輸出訊號。如此一來，依據演算法可以推導出不同的訊號型態，以使具有感測元件130的電子裝置100可以有不同的功能屬性。

在此必須說明的是，以下圖7至圖11的實施例沿用圖1至圖6的實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖7是本發明另一實施例的感測元件的剖面示意圖。請參考圖7，本實施例的感測元件230與上述實施例的感測元件130 相似，兩者的差異在於：第一支撐層240與第二支撐層250的交界面254為一弧面，且交界面254的任意切面與第一支撐面242及/或第二支撐面252不垂直。如此一來，在應變規160於受到外力後，可以降低因應力集中而導致應變規160斷裂。

圖8是依照本發明又一實施例的感測元件的剖面示意圖。請參考圖8，本實施例的感測元件330與上述實施例的感測元件130相似，兩者的差異在於：感測元件330包括多個應變規360A、360B。在本實施例中，應變規360A、360B的數量以兩個為例，但本發明不限於此。具體而言，在本實施例中，感測元件330包括第一應變規360A以及第二應變規360B。第一應變規360A具有第一感測區361A以及與第一感測區361A相連的第一連線區363A。第一應變規360A的第一連線區363A覆蓋部分的第一支撐面142，且第一應變規360A的第一感測區361A覆蓋部分的第一支撐面142與部分的第二支撐面152。第二應變規360B具有第二感測區361B以及與第二感測區361B相連的第二連線區363B。第二應變規360B的第二連線區363B覆蓋部分的第一支撐面142，且第二應變規360B的第二感測區361B覆蓋部分的第一支撐面142與部分的第二支撐面152。蓋板120覆蓋第一支撐層140、第二支撐層150、第一應變規360A以及第二應變規360B。第一應變規360A及/或第二應變規360B可以類似於上述實施例中的應變規160，故於此不加以贅述。

在一些實施例中，第一應變規360A以及第二應變規360B 彼此電性分離，且第一應變規360A以及第二應變規360B可以分別電性連接至不同的電子元件及/或感測器，以使第一應變規360A以及第二應變規360B具有不同的功能，而使具有第一應變規360A以及第二應變規360B的感測元件330為一多功能的感測元件330。

在一些實施例中，第一應變規360A以及第二應變規360B彼此電性連接，且可以將第一應變規360A、第二應變規360B、其他的多個電阻元件(未繪示)以及電壓源(未繪示)串聯以及並聯，以形成惠斯通電橋電路，以使具有感測元件330的電子裝置可以有不同的功能屬性。

圖9是依照本發明再一實施例的電子裝置的立體圖。圖10為圖9之電子裝置的立體爆炸圖。值得注意的是，為了方便觀察及說明，在圖10中，仍以虛線繪示出機體110在視角另一方向的輪廓，以便清楚表示機體110的背面110c之位置的或與主顯示面110a及副顯示面110b之間的相對應關係。請參考圖9及圖10，本實施例的電子裝置400與圖1至圖3實施例的電子裝置100相似，兩者的差異在於：電子裝置400包括機體110、第一蓋版422以及第二蓋板424。第一蓋板422覆蓋機體110的主顯示面110a及副顯示面110b，第二蓋板424覆蓋機體110的背面110c，且第二蓋板424具有按壓部P。機體110包含感測元件130。感測元件130對應於第二蓋板424的按壓部P設置，且感測元件130的第一支撐面142與機體110的背面110c共平面。

在本實施例中，第一蓋版422以及第二蓋板424可以彼 此分離，但本發明不限於此。在一些實施例中，第一蓋版422以及第二蓋板424也可以彼此連接或一體成型。

圖11是依照本發明又再一實施例的電子裝置的立體圖。請參考圖11，本實施例的電子裝置500與圖1至圖3實施例的電子裝置100相似，兩者的差異在於：電子裝置500的蓋板520具有弧面。

綜上所述，本發明藉由在蓋板的按壓部的內側製作感測元件，以讓使用者藉由按壓蓋板的按壓部來實現按鍵的功能。換言之，本發明無需在電子裝置的蓋板額外設置開孔以容置實體按鍵或於蓋板上額外設置其他獨立的感應元件，便可實現按鍵功能，因此可大幅簡化製程步驟、縮減組裝時程、降低製造成本以及提高組裝良率。另一方面，由於本發明的電子裝置採用無縫按鍵設計，因此其蓋板與實現按鍵功能的區域之間並不具有間隙，不僅可保持整體外觀的完整性，也可提升在盲觸狀況下進行按壓動作的觸感，更可避免灰塵或水氣侵入電子裝置內部，確保電子裝置的使用壽命及可靠度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

120‧‧‧蓋板

130‧‧‧感測元件

140‧‧‧第一支撐層

142‧‧‧第一支撐面

150‧‧‧第二支撐層

152‧‧‧第二支撐面

154‧‧‧交界面

156‧‧‧底面

160‧‧‧應變規

162a‧‧‧第一端

162b‧‧‧第二端

L1‧‧‧第一距離

L2‧‧‧第二距離

Claims (15)

1. 一種感測元件，包括：一第一支撐層，具有一第一支撐面；一第二支撐層，具有一第二支撐面，該第二支撐層連接該第一支撐層，其中該第一支撐層的楊氏係數大於該第二支撐層的楊氏係數；以及一應變規，具有一感測區，該感測區覆蓋至少部分該第一支撐面與至少部分該第二支撐面。
2. 如申請專利範圍第1項所述的感測元件，其中該第一支撐面與該第二支撐面共平面。
3. 如申請專利範圍第1項所述的感測元件，其中該第一支撐面與該第二支撐面的交界共同形成一連續面。
4. 如申請專利範圍第1項所述的感測元件，其中該應變規包括多條柵線以及多條連接線，其中該些柵線以及該些連接線位於該感測區，該些柵線相互平行，且該些柵線藉由該些連接線彼此串接為一蛇型線路。
5. 如申請專利範圍第4項所述的感測元件，其中該第一支撐面與該第二支撐面之間夾有一交界線，且該些柵線的延伸方向與該交界線具有一夾角，且該夾角的角度大於0。
6. 如申請專利範圍第1項所述的感測元件，其中該第一支撐面與該第二支撐面之間夾有一交界線，該應變規的該感測區具有位於該第一支撐面上的一第一端，以及相對該第一端的一第二 端，該第二端與該交界線的距離為L1，該第一端與該第二端的距離為L2，且0.05

   

   (L1/L2)

   

   0.95。
7. 如申請專利範圍第1項所述的感測元件，其中該第一支撐層與該第二支撐層夾有一交界面，且該交界面與該第一支撐面不垂直。
8. 如申請專利範圍第1項所述的感測元件，其中該第一支撐層與該第二支撐層具有一交界面，且該交界面為一弧面。
9. 如申請專利範圍第1項所述的感測元件，其中該應變規具有不同的應變量時產生不同的電阻值。
10. 一種電子裝置，包括：一蓋板，具有一按壓部；以及一機體，該蓋板覆蓋該機體，且該機體包含一感測元件，該感測元件對應於該蓋板的該按壓部設置，其中該感測元件包括：一第一支撐層，具有一第一支撐面；一第二支撐層，具有一第二支撐面，該第二支撐層連接該第一支撐層，其中該第一支撐層的楊氏係數大於該第二支撐層的楊氏係數；以及一第一應變規，具有一第一感測區，該第一感測區覆蓋至少部分該第一支撐面與至少部分該第二支撐面，且該蓋板覆蓋該第一支撐層、該第二支撐層以及該第一應變規。
11. 如申請專利範圍第10項所述的電子裝置，其中該感測元件更包括：一第二應變規，具有一第二感測區，該第二感測區 覆蓋至少部分該第一支撐面與至少部分該第二支撐面，且該蓋板更覆蓋該第二應變規。
12. 如申請專利範圍第11項所述的電子裝置，其中該第一支撐面圍繞該第二支撐面，且該第二應變規設置於該第二支撐面之相對兩端。
13. 如申請專利範圍第10項所述的電子裝置，其中該機體包含一主顯示面，其中該感測元件之該第一支撐面與該主顯示面共平面。
14. 如申請專利範圍第10項所述的電子裝置，其中該機體包含一主顯示面以及連接該主顯示面之一副顯示面，該副顯示面與該主顯示面不平行，該感測元件之該第一支撐面與該副顯示面共平面。
15. 如申請專利範圍第10項所述的電子裝置，其中該機體包含一主顯示面以及與該主顯示面相對之一背面，該感測元件之該第一支撐面與該背面共平面。