專利名稱：力學(xué)量檢測構(gòu)件和力學(xué)量檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以電容方式檢測諸如位移、力及加速度的力學(xué)量的力學(xué)量檢測構(gòu)件及 適用于電子設(shè)備等的輸入裝置的力學(xué)量檢測裝置。
背景技術(shù)：
過去，鍵盤及諸如按鈕開關(guān)的開關(guān)被廣泛用作電子設(shè)備等的一般輸入裝置，S卩，輸 入用戶界面(UI)。通常，包括遙控器和鼠標(biāo)的開關(guān)的操作為通過物理接觸選擇開或關(guān)的二 選一操作。由于隨著輸入信息及選項(xiàng)的增多，按鈕或按鍵的數(shù)目增多，所以UI會顯著破壞 可操作性，而且也限制了電子設(shè)備的設(shè)計(jì)。近年來，通過允許諸如鼠標(biāo)、觸摸板或觸摸屏的指點(diǎn)器件與輸出UI兼容，能夠進(jìn) 行直觀操作的圖形UI (GUI)已經(jīng)被廣泛使用。通過按鈕開關(guān)的點(diǎn)擊，鼠標(biāo)具有操作舒適的區(qū)別特征。但是，由于鼠標(biāo)必須在操作 表面上移動，所以在未提供操作表面的環(huán)境中，無法使用鼠標(biāo)。電阻膜型、電容型及表面彈性波型的諸如觸摸板或手寫板的眾多觸摸傳感器件已 經(jīng)投入實(shí)際使用。此外，觸摸傳感器件已經(jīng)被安裝在自動柜員機(jī)(ATM)、各種便攜式信息終 端、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)等中。但是，在一般的觸摸傳感器件中，在一個(gè)操作點(diǎn)處，僅使選擇開或關(guān) 的選擇有效，因此，難以執(zhí)行復(fù)雜的信息處理。因此，當(dāng)存在大量待處理的信息時(shí)，必須二維 地?cái)U(kuò)張觸摸表面。由于該原因，可操作性會劣化，并且由于具有開關(guān)，電子設(shè)備的設(shè)計(jì)也受 到限制。此外，與按鈕開關(guān)不同，由于在觸摸傳感器件中不存在點(diǎn)擊傳感，所以無法執(zhí)行直 觀操作，并且容易感到操作很難用。此外，視覺障礙者難以執(zhí)行操作，或者不摸索的話難以 在暗處執(zhí)行操作。與二選一的操作相比，為了輸入更多不同類型的信息，可以考慮檢測輸入或輸入 期間的位移的方法。電阻配線型、壓電型等各種輸入傳感器已經(jīng)作為感測壓力的裝置投入 實(shí)際使用。已經(jīng)出現(xiàn)了通過在切換器件中設(shè)置壓力傳感器而實(shí)現(xiàn)在輸入期間通過反映筆壓 力進(jìn)行輸入信息控制的筆輸入裝置。但是，在通常使用的壓力傳感器中，通過經(jīng)由金屬薄板 或塑料薄膜形成的隔膜(diaphragm)接收壓力源的壓力并通過轉(zhuǎn)換器件檢測對隔膜施加 的壓力或者隔膜的位移或變形，而將輸入轉(zhuǎn)換成電信號。這時(shí)，傳感器件被設(shè)計(jì)為使得隔膜 的變形最小化，因此，壓力不會隨著壓力源的影響而變化，并且在輸入和電信號之間建立諸 如正比例關(guān)系的簡單關(guān)系。因此，壓力傳感器能廣泛地檢測輸入，但具有能夠讀取Imm的最 大變形的限制。為了感測筆壓力，接收筆壓力的寫入表面必須足夠硬。由于該原因，在感測 筆壓力的輸入裝置中，操作者使用硬筆在硬寫入表面上寫入，因此，操作者很難有愉快自然 的感觸或舒適的操作感。
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另一方面，在多個(gè)日本未審查專利申請公開中，公開了電容型位移傳感器作為位 移傳感裝置。電容型位移傳感器為一種采用電容器原理的非接觸型微小位移傳感器，并且 能夠通過利用與電極之間的距離成反比的電容的變化來高精度測量微小位移。為了以高精 度檢測電容的微小變化，可以使用諸如頻率調(diào)制、振幅調(diào)制及相位調(diào)制的方法，并且電容位 移傳感器能夠以1 μ m 10 μ m的高精度檢測0. 2mm IOmm的位移。作為應(yīng)用位移傳感器的輸入裝置，下述的日本未審查專利申請公開第2005-3494 號(權(quán)利要求2，第7 12頁，圖1 圖6)披露了一種面板傳感器，包括檢測施加至面板的 力的力檢測單元，其中，力檢測單元包括檢測弱力的檢測器和檢測強(qiáng)力的檢測器。圖7A 圖7C是示出了面板傳感器的實(shí)例的部分截面圖。面板傳感器100通常包 括正方形面板110、設(shè)置在正方形面板110的四個(gè)角上的面板支持體120及力檢測單元(力 傳感器)130。將施加至面板110的力經(jīng)由面板支持體120傳遞至力傳感器130。圖7示出 了面板傳感器110的一個(gè)角(角部)的附近。力傳感器130包括隔膜131、電極132、基板133、內(nèi)部框134、梁部135、固定框136、 電極137及保持部138。隔膜131包括具有彈性的薄膜131a和在維持張力的狀態(tài)下支持薄 膜131a的保持部131b。隔膜131與電極132 —起固定至基板133。位移電極(未示出)設(shè) 置在薄膜131a中。位移電極和電極132形成第一電容器。基板133經(jīng)由內(nèi)部框134、梁部 135及固定框136設(shè)置在保持部138上。梁部135由具有預(yù)定彈性的材料構(gòu)成。電極132 和保持部138上的電極137形成第二電容器。如圖7B所示，當(dāng)在按壓面板110的方向上施加小力時(shí)，薄膜131a擴(kuò)張并變形，因 此，薄膜131a上的位移電極發(fā)生位移。該位移作為第一電容器的電容的變化被檢測到。當(dāng) 施加至面板110的力變強(qiáng)時(shí)，薄膜131a與電極132之間的距離變窄，因此，第一電容器的電
容變大。如圖7C所示，當(dāng)施加至面板110的力進(jìn)一步變強(qiáng)時(shí)，薄膜131a與電極132彼此接 觸。因此，第一電容器的電容幾乎不變。在這種情況下，由于梁部135彎曲，所以固定了電 極132的基板133在圖中向下位移。該位移作為第二電容器的電容的變化而被檢測。

發(fā)明內(nèi)容
在壓力傳感器感測輸入期間的筆壓力的輸入裝置中，如上所述，使用硬筆在硬寫 入表面上執(zhí)行輸入。因此，操作者很難有愉快自然的感觸或舒適的操作感。在位移傳感器感測輸入期間引起的位移的輸入裝置中，輸入通常由隔膜接收，并 且隔膜的位移通常以電容的方式被檢測到。由于必須在輸入強(qiáng)度與隔膜的變形程度之間建 立諸如線性的簡單關(guān)系，所以根據(jù)相關(guān)實(shí)例的位移傳感器被設(shè)計(jì)為使得相對較硬的材料用 作隔膜的材料，從而降低隔膜的變形程度。在使用這種位移傳感器的輸入裝置中，如在感測 筆壓力的輸入裝置中一樣，操作者很難具有愉快自然的感觸或舒適的操作感。為了接收大范圍的輸入，由于隔膜的變形程度被限制為很小，所以支持隔膜的彈 性構(gòu)件(日本未審查專利申請公開第2005-3494號中的梁部135 (權(quán)利要求2，第7 12 頁，圖1 圖6))必須變形。由于該原因，輸入裝置的構(gòu)造變得復(fù)雜，尺寸變大。因此，可操 作性可能劣化。期望提供一種力學(xué)量檢測構(gòu)件，其與二選一的操作相比能夠輸入更多不同類型信
5息的并且能夠提供愉快自然的感觸或舒適的操作感、具有很小且簡單的構(gòu)成、在操作中幾 乎不受使用環(huán)境制約、并且適于作為電子設(shè)備的輸入裝置。此外，期望提供力學(xué)量檢測裝置 中所包括的力學(xué)量檢測構(gòu)件。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，提供了一種力學(xué)量檢測構(gòu)件，包括基體，其包括接觸部 的一部分或全部根據(jù)接觸物體的按壓而變形，并且當(dāng)接觸物體的壓力消失時(shí)，其恢復(fù)至初 始形狀；用作位移電極的電極，它們被固定至基體的表面或內(nèi)部，并且至少一個(gè)電極設(shè)置在 基體的變形部(其為在變形期間可變形或可移位的區(qū)域)中；以及配線，被連接至電極。在 變形期間，位移電極隨著變形部的變形和位移而變形和移位，而不會與基體分離并且不會 破壞導(dǎo)電性。變形部的變形和位移作為電極間的電容變化而被檢測。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，提供了一種力學(xué)量檢測裝置，包括該力學(xué)量檢測構(gòu)件； 以及檢測電路單元，經(jīng)由配線與電極電連接，并且檢測作為電信號的由接觸物體的按壓引 起的電極之間的電容變化。在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的力學(xué)量檢測構(gòu)件中，當(dāng)變形部的形狀根據(jù)接觸物體的按 壓而變化時(shí)，固定至變形部的位移電極隨著變形部的變形和移位而發(fā)生變形和移位，而不 會與基體分離。在變形期間，由于位移電極的導(dǎo)電性未被破壞，所以位移電極與另一個(gè)電極 之間的電容根據(jù)位移的程度而變化。例如，通過經(jīng)由配線連接的電容檢測電路將電容的變 化轉(zhuǎn)換成電信號。因此，基體的變形部的變形和位移的程度或引起變形和位移的按壓的強(qiáng) 度被轉(zhuǎn)換成用于檢測的電信號。當(dāng)接觸物體的壓力消失時(shí)，基體恢復(fù)初始形狀，并且位移電 極返回初始位置。因此，位移電極之間的電容返回至初始量。此時(shí)，接觸物體的按壓的差異(為模擬量)可作為信息來區(qū)分。由于作為接觸物 體的手指在感受到根據(jù)按壓量而逐漸增加的基體的排斥力的同時(shí)施加壓力，所以手指能夠 具有愉快自然的感觸或舒適的操作感。此外，力學(xué)量檢測構(gòu)件很小并且很簡單，并且能夠獲 得很大形狀的自由度。由于不需要單獨(dú)的操作表面，所以操作幾乎不受使用環(huán)境的制約。由于力學(xué)量檢測裝置包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的力學(xué)量檢測部，所以根據(jù)本發(fā)明 實(shí)施方式的力學(xué)量檢測裝置能夠獲得上述優(yōu)點(diǎn)。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的電子設(shè)備的輸入裝 置，與二選一的操作相比，其能夠根據(jù)接觸物體的按壓的差異(為模擬量)輸入更多不同類 型的信息，并且能夠提供愉快自然的感觸或舒適的操作感、具有小而簡單的構(gòu)成、在操作中 幾乎不受使用環(huán)境制約。


圖IA和圖IB是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式1的作為平板形輸入構(gòu)件的力學(xué)量 檢測構(gòu)件的構(gòu)造的截面圖。圖2是示出了電容檢測電路的實(shí)例的說明圖(框圖)。圖3A和圖3B是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式2的作為平板形輸入構(gòu)件的力學(xué)量 檢測構(gòu)件的構(gòu)造的截面圖。圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式3的作為圓筒形輸入構(gòu)件的力學(xué)量檢測構(gòu)件 的構(gòu)造的透視圖。圖5A和圖5B是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式4的作為球形輸入構(gòu)件的力學(xué)量檢 測構(gòu)件的構(gòu)造的說明圖。
圖6A是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例1的在平板形輸入構(gòu)件中靜電電容與電極間 距離之間的關(guān)系的曲線圖，并且圖6B是示出了在位移電極被反復(fù)移動后通過透射電子顯 微鏡(TEM)觀察到的位移電極的截面圖像的示圖。圖7A 圖7C是示出了在日本未審查專利申請公開第2005-3494號(權(quán)利要求2， 第7 12頁，圖1 圖6)中所披露的面板傳感器的實(shí)例的部分截面圖。
具體實(shí)施例方式在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的力學(xué)量檢測構(gòu)件中，為了將基體的位置分區(qū)而分開的多 個(gè)電極均可以與獨(dú)立于電極的配線一起設(shè)置。通過使用分區(qū)(division)作為單位來區(qū)分 接觸物體按壓基體的位置的差異?？梢栽诿嫦蛭灰齐姌O的位置處設(shè)置至少一個(gè)電極。2至10對位移電極及面向位移電極的電極可以彼此串聯(lián)地連接。位移電極的材料可以為碳納米管或?qū)щ娋酆衔铩Ｓ山佑|物體的按壓所引起的位移電極的伸縮率可以為200%以上。由接觸物體的按壓所引起的電極之間的距離的變化程度可以為Imm以上。基體的材料可以為彈性體(具有彈性的聚合物材料)。具體地，基體的材料可以為 多孔彈性體。在這種情況下，基體的材料可以為彈簧常數(shù)為0.1N/mm以下的材料。可以將 碳納米管以0. 05以下的質(zhì)量比而添加至基體。力學(xué)量檢測構(gòu)件可以具有能握在一只手中進(jìn)行操作的形狀?；w具有由柔性材料構(gòu)成的密封容器填充著氣體、液體或凝膠狀固體的結(jié)構(gòu)。占據(jù)電極間空間的基體的相對介電常數(shù)可以為1. 1以上。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，當(dāng)力學(xué)量檢測裝置與另一電子設(shè)備一起使用時(shí)，力學(xué)量 檢測裝置被配置為將對應(yīng)于接觸物體的按壓強(qiáng)度的電信號輸出至另一電子設(shè)備的輸入裝 置。接下來，將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。實(shí)施方式1在實(shí)施方式1中，將主要描述根據(jù)權(quán)利要求1、3 11及14的力學(xué)量檢測構(gòu)件以 及根據(jù)權(quán)利要求15和16的力學(xué)量檢測裝置。圖IA和圖IB是示出了根據(jù)實(shí)施方式1的作為平板形輸入構(gòu)件形成的力學(xué)量檢測 構(gòu)件10的構(gòu)成的截面圖。力學(xué)量檢測構(gòu)件10包括基體1、位移電極2、面向位移電極2的 電極3以及分別保護(hù)位移電極2和電極3的電極支持體4和5?；w1由彈性體(具有彈性的聚合物材料)構(gòu)成。包括接觸部的基體1的一部分 或全部根據(jù)接觸物體的按壓強(qiáng)度而變形。但是，當(dāng)接觸物體的按壓消失時(shí)，基體1恢復(fù)初始 形狀。例如，位移電極2由碳納米管層構(gòu)成。位移電極2固定至基體1的變形部(當(dāng)基體 1變形時(shí)發(fā)生變形和移位的區(qū)域)。碳納米管層很堅(jiān)固并且很薄，因此，當(dāng)基體1變形時(shí)， 碳納米管層隨著變形部的變形和位移而發(fā)生變形和移位，且不會與基體1分離并破壞導(dǎo)電 性。設(shè)置電極3的位置沒有特別限制。由于在位移電極2與電極3之間有效地形成電容， 所以優(yōu)選地，電極3形成為面向位移電極2。在圖IA和圖IB中，示出了面向位移電極2的 一個(gè)電極3，但是也可以設(shè)置多個(gè)面向位移電極2的電極。
設(shè)置電極支持體4和5，從而分別形成或保護(hù)位移電極2和電極3。但是，從功能 上講，認(rèn)為電極支持體4和5是基體的一部分。因此，電極支持體4和5可以由與基體1相 同的彈性體形成。包括接觸部的電極支持體4和5的部分或全部根據(jù)接觸物體的按壓的強(qiáng) 度而變形，但是，當(dāng)接觸物體的按壓消失時(shí)，支持體4和5恢復(fù)初始形狀。如圖IA和圖IB所示，當(dāng)基體1的形狀根據(jù)接觸物體的按壓而變形時(shí)，固定至變形 部的位移電極2被移位。因此，位移電極2與電極3之間的電容根據(jù)位移的程度從Qa變化 到Qb。通過經(jīng)由配線連接的電容檢測電路(未示出)，將電容的變化轉(zhuǎn)換成電信號。因此， 將基體1的變形部的變形和位移的程度或引起變形和位移的按壓的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成用于檢測 的電信號。當(dāng)接觸物體的按壓消失時(shí)，基體1恢復(fù)初始形狀，并且位移電極2返回至初始位 置。因此，位移電極2與電極3之間的電容恢復(fù)為初始量。由于接觸物體的按壓量(模擬量)的差異作為信息來區(qū)分，所以與二選一的操作 相比，使用力學(xué)量檢測構(gòu)件10作為輸入單元的力學(xué)量檢測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)能夠輸入各種信 息的輸入裝置。由于手指施加壓力的同時(shí)感到基體1的排斥力根據(jù)按壓量而逐漸增大，所 以手指能夠感到愉快自然的感觸或舒適的操作感。因此，可以實(shí)現(xiàn)能夠具有直觀舒適的感 覺的輸入裝置。當(dāng)將力學(xué)量檢測構(gòu)件10應(yīng)用于電子設(shè)備等的輸入裝置時(shí)，即使在接觸物體的按 壓量為連續(xù)的模擬量的情況下，也幾乎不使用沒有變化的按壓量作為輸入信息。例如，當(dāng)用 手指作為接觸物體時(shí)，通過根據(jù)對應(yīng)于從基體的支持體4和基體1所接收的排斥力的強(qiáng)度， 能夠容易地用2 5個(gè)階段區(qū)分并檢測按壓量的差異。在這種情況下，清楚地區(qū)分的按壓 量的2 5個(gè)階段中的每一個(gè)均被用作一種輸入信息。當(dāng)按壓量作為連續(xù)模擬量而被檢測 時(shí)，按壓量不需要具有諸如滾動速度設(shè)定時(shí)的精確的精度。本發(fā)明實(shí)施方式的特征為優(yōu)選使用基體(力學(xué)量檢測構(gòu)件10中的基體1和電極 支持體4)的大變形。在用于一般的物理測量的位移傳感器中，如上所述，由于在輸入強(qiáng)度 與隔膜的變形程度之間必須建立諸如線性的簡單關(guān)系，并且必須獲得精確的再現(xiàn)性，所以 使用相對硬的材料作為隔膜的材料，以減小隔膜的變形程度。當(dāng)將這種位移傳感器應(yīng)用于 輸入裝置時(shí)，難以感受到更愉快自然的感觸或舒適的操作感。如上所述，在應(yīng)用于輸入裝置 的位移傳感器中，不需要以模擬方式在輸入和輸出操作之間實(shí)現(xiàn)精確的線性和再現(xiàn)性。因 此，允許基體在實(shí)現(xiàn)精確的線性或再現(xiàn)性的范圍內(nèi)變形。此外，通過優(yōu)選利用基體的大變 形，能夠獲得曾被犧牲的愉快自然的感觸或舒適的操作感。力學(xué)量檢測構(gòu)件10小并且簡單，并且能夠獲得大形狀的自由度。由于不需要單獨(dú) 的操作表面，所以與鼠標(biāo)不同，操作幾乎不受使用環(huán)境的制約。以這種方式，通過利用力學(xué)量檢測構(gòu)件10，與現(xiàn)有實(shí)例相比，能夠?qū)崿F(xiàn)各種信息的 輸入，并且獲得更愉快自然的感觸或舒適的操作感。此外，能夠?qū)崿F(xiàn)電子設(shè)備等的輸入裝 置，其中輸入裝置小并且簡單，并且操作幾乎不受使用環(huán)境的制約。在力學(xué)量檢測構(gòu)件10中，直接檢測的力學(xué)量為位移電極2的位移程度，但是間接 檢測引起位移的接觸物體的按壓強(qiáng)度。當(dāng)設(shè)置具有一定質(zhì)量的重物作為接觸物體時(shí)，能夠 將施加至重物的任何加速度轉(zhuǎn)換成壓力。因此，加速度能夠作為力學(xué)量被檢測。例如，當(dāng)基體1為層壓構(gòu)件時(shí)，優(yōu)選2 10對位移電極2及面向位移電極2的電 極3串聯(lián)地設(shè)置，從而埋入基體1中。因此，由于每個(gè)電容器的電極間的距離減小從而電容增加，所以很容易檢測電容的變化。位移電極2的材料可以為碳納米管或?qū)щ娋酆衔铩＞瓦@些材料而言，有彈性是優(yōu) 異的，并且當(dāng)伸縮時(shí)維持導(dǎo)電特性。用作根據(jù)現(xiàn)有實(shí)例的位移傳感器的電極材料的諸如金 屬的硬材料可能無法滿足力學(xué)量檢測構(gòu)件10的位移電極2所需的特性。用于實(shí)現(xiàn)力學(xué)量 檢測構(gòu)件10的一個(gè)理由為碳納米管等能夠用作能夠在電極材料即使被拉伸至120%以上 的伸縮率的狀態(tài)下也能保持導(dǎo)電性的新的電極材料。優(yōu)選地，由接觸物體的壓力引起的位移電極2的伸縮率為200%以上。例如，為了 可靠地實(shí)現(xiàn)變形部的寬度的相同或更大程度的按壓程度(位移電極2的變形程度)，而不考 慮變形形狀，伸縮率必須為約200%以上。優(yōu)選地，由接觸物體的按壓引起的電極之間的距離變化的程度為Imm以上。具體 地，通過使用碳納米管層作為位移電極2的材料，能夠?qū)崿F(xiàn)隔膜法或隔板(spacer)法無法 實(shí)現(xiàn)的Icm以上的變形。因此，優(yōu)選使用碳納米管層作為位移電極2的材料。優(yōu)選地，基體1和電極支持體4和5的材料為彈性體(具有彈性的聚合物材料)。 這種材料的實(shí)例包括丙烯酸類橡膠、丁腈橡膠、異戊二烯橡膠、尿烷橡膠、乙丙橡膠、表氯醇 橡膠、丁苯橡膠、硅橡膠及聚氨酯橡膠。具體地，優(yōu)選該材料為諸如生物海綿、多孔聚合物、 模制成型橡膠或聚氨酯海綿等的多孔彈性體。由于其張力伸張率為非常大的200%以上，并 且其張力強(qiáng)度和收縮率非常優(yōu)異，所以優(yōu)選彈性體作為彈性構(gòu)件。多孔彈性體為在形成有 多個(gè)空氣空隙的狀態(tài)下具有穩(wěn)定形狀并且當(dāng)施加外部壓力時(shí)通過減小空氣空隙的體積能 夠顯著減小體積的材料。因此，多孔彈性體為力學(xué)量檢測構(gòu)件10的基體1和電極支持體4 和5的最佳材料。優(yōu)選基體1和電極支持體4和5的材料為彈簧常數(shù)為0. lN/mm以下的材料。隨著 材料的彈簧常數(shù)的變小，操作力學(xué)量檢測構(gòu)件10時(shí)所施加的力變小。例如，當(dāng)通過人手指 尖來操作力學(xué)量檢測構(gòu)件時(shí)，手指尖的最大力約為1N，并且按壓部的彈簧常數(shù)為0. lN/mm 以下，使用手指尖的弱力能夠獲得Imm以上的大位移。最好將碳納米管以0. 05以下的質(zhì)量比而添加至基體1和電極支持體4和5。近似 地，當(dāng)碳納米管的添加量為0. 05以下的質(zhì)量比時(shí)，由于碳納米管之間的接觸，不會產(chǎn)生導(dǎo) 電通路。通過在該范圍內(nèi)添加碳納米管，由于碳納米管的局部極化效果的累積，能夠提高基 體1和電極支持體4和5的介電常數(shù)。基體1的相對介電常數(shù)沒有特別限定。如下述的實(shí)施方式4，當(dāng)占據(jù)位移電極42 與面向位移電極42的電極43之間的空間的基體41為氣體時(shí)，基體41的相對介電常數(shù)接 近1。但是，為了增大力學(xué)量檢測構(gòu)件10的檢測靈敏度，優(yōu)選地，位移電極2與電極3之間 的電容很大。因此，優(yōu)選地，基體1的相對介電常數(shù)很大。優(yōu)選地，基體1的相對介電常數(shù) 為1. 1以上，并且確保容易檢測電容。例如，當(dāng)位移電極2與電極3具有直徑為12mm的圓 形形狀時(shí)，電極間的距離為10mm，并且基體1的相對介電常數(shù)為1. 1，電容為0. IlpF0該值 基本上與電容檢測電路容易讀取的電容相同。根據(jù)該實(shí)施方式的力學(xué)量檢測裝置包括力學(xué)量檢測構(gòu)件10及通過配線(未示出) 電連接至位移電極2和電極3的檢測電路單元，其檢測作為電信號的由接觸物體的按壓引 起的電極之間的電容的變化。力學(xué)量檢測裝置優(yōu)選配置為與另一電子設(shè)備一起使用的輸入 裝置，其將根據(jù)接觸物體的按壓強(qiáng)度產(chǎn)生的電信號輸出至另一電子設(shè)備。
可以使用現(xiàn)有的一般電容測量器件作為檢測電容變化的檢測電路單元。圖2是示 出了電容檢測裝置的實(shí)例的說明圖(框圖)。在電容檢測裝置中，基于基準(zhǔn)電容Cm來確定 未知電容Cx的大小。即，在將Vdd維持在某一電壓的狀態(tài)下，通過振蕩器電路和16位PRS (偽 隨機(jī)序列)電路交替關(guān)閉和打開SWl和SW2。當(dāng)在SWl的導(dǎo)通狀態(tài)期間內(nèi)以電壓Vdd為未 知電容Cx充電并且接通SW2時(shí)，未知電容Cx中充電的一些電荷轉(zhuǎn)移至基準(zhǔn)電容CMOT，因此未 知電容Cx和基準(zhǔn)電容Cmqd變?yōu)橄嗤碾妷?。每?dāng)SWl和SW2打開和關(guān)閉時(shí)，重復(fù)該操作，因 此，基準(zhǔn)電容Cm的電壓逐漸升高。當(dāng)基準(zhǔn)電容Cm的電壓高于基準(zhǔn)電壓Vkef時(shí)，比較器檢 測該狀態(tài)。因此，直至此時(shí)所重復(fù)的打開和關(guān)閉操作的數(shù)目被發(fā)送至數(shù)據(jù)處理電路。在數(shù) 據(jù)處理電路中，基于打開和關(guān)閉操作的數(shù)目確定未知電容(^的大小。通過比較器的輸出短 時(shí)間接通SW3，因此，基準(zhǔn)電容Cmqd中所累積的電荷被放電。隨后，刷新基準(zhǔn)電容CMQD。通過 重復(fù)上面的操作，間歇地測量未知電容Cx的大小。實(shí)施方式2將主要描述根據(jù)權(quán)利要求2的實(shí)施方式2的力學(xué)量檢測構(gòu)件的實(shí)例。圖3A和圖3B是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式2配置為平板形輸入構(gòu)件的力學(xué)量 檢測構(gòu)件20的構(gòu)造的截面圖。力學(xué)量檢測構(gòu)件20包括基體1、位移電極22k 22C、分別 面向位移電極22A 22C的電極23A 23C、以及分別用于形成位移電極22和電極23的電 極支持體4和5。力學(xué)量檢測構(gòu)件20與根據(jù)實(shí)施方式1的力學(xué)量檢測構(gòu)件10不同之處在于，接觸 物體在基體1上的按壓位置有差異。S卩，為了將基體1的位置分區(qū)而分開的多個(gè)位移電極 22A 22C與配線(與面向位移電極22A 22C的電極23A 23C相獨(dú)立，未示出)一起設(shè) 置。因此，通過使用分區(qū)作為單位，能夠區(qū)分按壓位置的差異。通過電極改變電路以時(shí)分的方式重復(fù)選擇位移電極22A 22C和電極23A 23C。 即，一對位移電極22A和電極23A、一對位移電極22B和電極23B以及一對位移電極22C和 電極23C在一個(gè)周期內(nèi)順序切換、連接至電容檢測電路、并且以高速在所述周期的短期間
內(nèi)被重復(fù)。例如，如圖3B所示，當(dāng)接觸物體按壓設(shè)置位移電極22B的位置處的基體1的表面 時(shí)，位移電極22B變形并移位。隨后，在位移電極22B與面向位移電極22B的電極23B之間 的電容改變。由于能夠經(jīng)由配線24和25將電容變化傳送至電容變化檢測電路26，所以電 容變化被轉(zhuǎn)換成用于檢測的電信號。如實(shí)施例2中所描述的一樣，在形成碳納米管層之后通過蝕刻去除任何不需要的 部分或在形成碳納米管層之前掩蔽電極支持體4的表面的一部分，可以將形成力學(xué)量檢測 構(gòu)件20的位移電極22A 22C的碳納米管層圖案化?？蛇x地，可以使用印刷法。例如，通 過機(jī)械切割或激光蝕刻來執(zhí)行蝕刻。包括力學(xué)量檢測構(gòu)件20的力學(xué)量檢測裝置被配置為根據(jù)按壓位置的差異而將不 同的指令輸出至電子設(shè)備。例如，通過按壓位移電極22A來表達(dá)決定或感覺、通過從前向后 及從右向左按壓位移電極22B來指示拖曳、以及通過按壓位移電極22C來選擇多個(gè)選項(xiàng)。實(shí)施方式3將主要描述根據(jù)權(quán)利要求12的實(shí)施方式3的力學(xué)量檢測構(gòu)件的實(shí)例。圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式3的作為圓筒形輸入構(gòu)件的力學(xué)量檢測構(gòu)件30
10的構(gòu)成的透視圖。力學(xué)量檢測構(gòu)件30可以用作能握在一只手中進(jìn)行操作的手持輸入構(gòu)件。在力學(xué)量檢測構(gòu)件30中，由于將單個(gè)電極或多個(gè)位移電極(未示出)設(shè)置在圓筒 形基體31的外部圓筒形的圓周表面上，所以將電極33設(shè)置在圓筒形基體31的內(nèi)部，從而 面向位移電極。包括力學(xué)量檢測構(gòu)件30的力學(xué)量檢測裝置被配置為，根據(jù)手持位置的差異將不 同的指令輸出至電子設(shè)備。例如，通過按壓拇指表達(dá)決定或感覺，通過從前向后和從右向左 按壓食指指示拖曳，并且通過按壓中指來選擇多個(gè)選項(xiàng)。例如，滾動速度可以根據(jù)手指抓握 的強(qiáng)弱而變化。在力學(xué)量檢測構(gòu)件30中，通過圓筒形基體31的觸感，能夠獲得愉快自然的感觸。 因此，與二選一的操作相比，能夠輸入更多種類的信息。另外，能夠獲得與鼠標(biāo)相同的功能 及舒適的操作感。由于能夠用一只手握住力學(xué)量檢測裝置來操作，所以與能夠在操作表面 上移動的鼠標(biāo)不同，操作幾乎不受使用環(huán)境的制約。實(shí)施方式4將主要描述根據(jù)權(quán)利要求13的實(shí)施方式4的力學(xué)量檢測構(gòu)件的實(shí)例。圖5A和圖5B是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式4的作為球形輸入構(gòu)件的力學(xué)量檢測 構(gòu)件40的構(gòu)成的說明圖。在力學(xué)量檢測構(gòu)件40中，基體41具有由柔性材料形成的密封容 器中填充了氣體、液體或凝膠狀固體的構(gòu)成。位移電極42設(shè)置在基體41的表面上，并且電 極43設(shè)置在基體41內(nèi)部的表面上，從而面向位移電極42。由于位移電極42隨著由接觸物體的按壓引起基體41的形狀的變化而移位，所以 檢測到位移電極42與電極43之間的電容的變化。實(shí)施例根據(jù)實(shí)施例，將描述制造分別在實(shí)施方式1和2中所描述的力學(xué)量檢測構(gòu)件10和 20的情況。實(shí)施例1在實(shí)施例1中，將描述制造被配置為實(shí)施方式1中所描述的平板形輸入構(gòu)件的力 學(xué)量檢測構(gòu)件10的情況。1.制造電極支持體4和5首先，以15 1的質(zhì)量比混合彈性體的基本劑(產(chǎn)品名由DOW CORNING corporation制造的sylgardl84)和固化劑。將混合物放入3英寸直徑和1. 2mm深度的模 具中，并且在85°C維持100分鐘。2.制造位移電極2和電極3接下來，將碳納米管以0. 4g/l的濃度添加至按質(zhì)量計(jì)1 %的十二烷基苯磺酸鈉 (SDBS =C12H25C6H4SO3Na)的水溶液中，使用超聲波均質(zhì)機(jī)以持續(xù)5分鐘的50W的輸出來執(zhí)行 均質(zhì)化處理，隨后制備分散液。在電極支持體4和5中配置0. 5ml的分散液，并且使用間隙 長度為500 μ m的涂覆條(application bar)在電極支持體4和5的整個(gè)表面上形成薄的 涂覆膜。此時(shí)，兩個(gè)電極支持體4和5都可以維持在30°C至70°C的溫度。通過將上述的膜 形成處理重復(fù)10次以獲得具有500 Ω / □表面電阻的碳納米管層作為位移電極2和電極3。 將分別形成位移電極2和電極3的電極支持體4和5在流水中清洗十分鐘。3.制造基體1
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接下來，首先以15 1的質(zhì)量比混合彈性體的基本劑(產(chǎn)品名由DOW CORNING corporation制造的sylgardl84)和固化劑。將混合物放入具有3英寸直徑和25mm深度的 模具中，并且在85°C維持100分鐘，從而制造基體1。4.制造力學(xué)量檢測構(gòu)件10接下來，設(shè)置電極支持體4和5，使得位移電極2與電極3彼此面對，并且其間插入 基體1。對基體1、位移電極2及電極3在80°C進(jìn)行熱壓，從而形成夾層結(jié)構(gòu)。隨后，通過使 用具有銀作為主要材料的導(dǎo)電漿料在位移電極2與電極3中形成配線，從而形成力學(xué)量檢 測構(gòu)件10。5.擠壓的感測將力學(xué)量檢測構(gòu)件10的配線連接至電容檢測電路?？梢允褂矛F(xiàn)有的各種電路作 為電容檢測電路。通過用手指緊緊按壓力學(xué)量檢測構(gòu)件10的電極支持體4以及在增大壓 力的同時(shí)向基體1按壓手指，測量位移電極2與電極3之間的電容變化。圖6A是示出了在根據(jù)實(shí)施例1的力學(xué)量檢測構(gòu)件10中的靜電電容C與電極間的 距離d之間的關(guān)系的曲線。像一般的電容器一樣，電容C與電極間距離d成反比例地變化。 因此，能夠根據(jù)電極的位移進(jìn)行連續(xù)輸入。圖6B是示出了在使位移電極反復(fù)移位之后通過透射電子顯微鏡(TEM)觀察到的 位移電極2的截面圖像的示圖。即使當(dāng)碳納米管彎曲時(shí)，仍然維持碳納米管的連接。以這 種方式，可以發(fā)現(xiàn)即使當(dāng)由碳納米管層所形成的位移電極2變形為位移電極2會無法恢復(fù) 至圓形的程度時(shí)，導(dǎo)電性也不會被破壞。實(shí)施例2在實(shí)施例2中，將描述制造實(shí)施方式2中的配置為參照圖3A和圖3B所描述的手 持平板形輸入構(gòu)件的力學(xué)量檢測構(gòu)件20的情況。1.制造位移電極12和電極13將碳納米管以0. 5g/l的濃度添加至二甲基甲酰胺，使用超聲波均質(zhì)機(jī)以持續(xù)5分 鐘的50W的輸出來執(zhí)行均質(zhì)化處理，隨后制備分散液。制備的分散液被吸取并通過聚對苯 二甲酸乙二醇酯網(wǎng)(具有50μπι孔徑)過濾，以形成具有500 Ω / □表面電阻的碳納米管薄 膜。通過將碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移至作為基體1的具有5cm長度、3cm寬度及3cm厚度的聚氨酯 海綿的上表面和下表面，形成位移電極22和面向位移電極22的電極23。2.將電極圖案化通過發(fā)射YVO4半導(dǎo)體激光束(具有1064nm)以通過蝕刻選擇性地去除碳納 米管層，制造位移電極22A 22E和電極23A 23E的圖案，以形成具有5個(gè)域的電極 結(jié)構(gòu)(其中，位移電極22D和22E及電極23D和23E未在圖3A和圖3B中示出)。由 KeyenceCorporation制造的激光標(biāo)示器MD-V9900 (13W的平均光輸出)用作YVO4半導(dǎo)體激 光源裝置。在該裝置中，能夠?qū)⒓す馐鴷鄢杉s為10 μ m半徑的光點(diǎn)尺寸。3.擠壓的感測力學(xué)量檢測構(gòu)件20的配線均被連接至對應(yīng)于各個(gè)電極結(jié)構(gòu)的電容檢測電路。通 過用5根手指握住分別對應(yīng)于手指的5個(gè)域，在作為基體1的海綿體中產(chǎn)生位移。通過用 手指緊緊地按壓力學(xué)量檢測構(gòu)件20的位移電極22A 22E以及在增大壓力的同時(shí)向基體 1按壓手指，測量位移電極22與電極23之間的電容的變化。
以上已經(jīng)描述了本發(fā)明的實(shí)施方式和實(shí)施例。但是，本發(fā)明不限于此，而是可以在 不背離本發(fā)明的要旨的前提下，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
一種力學(xué)量檢測構(gòu)件，包括基體，其包括接觸部的一部分或全部根據(jù)接觸物體的按壓而變形，并且當(dāng)所述接觸物體的按壓消失時(shí)，其恢復(fù)初始形狀；用作位移電極的多個(gè)電極，所述多個(gè)電極固定至所述基體的表面或內(nèi)部，并且至少一個(gè)所述電極設(shè)置在所述基體的變形部中，所述變形部為在變形期間可變形和可移位的區(qū)域；以及配線，被連接至所述電極，其中，在所述變形期間，所述位移電極隨著所述變形部的變形和位移而變形和移位，而不會與所述基體分離并且不會破壞導(dǎo)電性，以及其中，所述變形部的所述變形和移位作為所述電極間的電容變化來檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件，其中，為將所述基體的位置分區(qū)而分開的所述多個(gè)電極均與獨(dú)立于所述電極的所述配 線一起設(shè)置，以及其中，通過利用所述分區(qū)作為單位來區(qū)分所述接觸物體按壓所述基體的位置的差異。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件，其中，至少一個(gè)所述電極設(shè)置在面向所述 位移電極的位置處。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件，其中，2至10對所述位移電極和面向所述 位移電極的電極彼此串聯(lián)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件，其中，所述位移電極的材料為碳納米管或 導(dǎo)電聚合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件，其中，由所述接觸物體的按壓引起的所述 位移電極的伸縮率為200%以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件，其中，由所述接觸物體的按壓引起的所述 電極間的距離變化的程度為Imm以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件，其中，所述基體的材料為彈性體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件，其中，所述基體的材料為多孔彈性體。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件，其中，所述基體的材料為彈簧常數(shù)為 0. lN/mm以下的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件，其中，將碳納米管以0.05以下的質(zhì)量 比而添加至所述基體。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件，其中，所述力學(xué)量檢測構(gòu)件具有能握在一 只手中進(jìn)行操作的形狀。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件，其中，所述基體具有由柔性材料形成的密 封容器中填充了氣體、液體或凝膠狀固體的結(jié)構(gòu)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件，其中，占據(jù)所述電極間的空間的所述基體 的相對介電常數(shù)為1.1以上。
15.一種力學(xué)量檢測裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的力學(xué)量檢測構(gòu)件；以及檢測電路單元，通過所述配線電連接至所述電極，并且檢測作為電信號的由所述接觸物體的按壓引起的所述電極間的電容的變化。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的力學(xué)量檢測裝置，其中，當(dāng)所述力學(xué)量檢測裝置與另一電 子設(shè)備一起使用時(shí)，所述力學(xué)量檢測裝置被配置為將對應(yīng)于所述接觸物體的按壓強(qiáng)度的電 信號輸出至所述另一電子設(shè)備的輸入裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種力學(xué)量檢測構(gòu)件及力學(xué)量檢測裝置。其中，該力學(xué)量檢測構(gòu)件包括基體，其包括接觸部的一部分或全部根據(jù)接觸物體的按壓而變形，并且當(dāng)接觸物體的按壓消失時(shí)，其恢復(fù)初始形狀；用作位移電極的多個(gè)電極固定至基體的表面或內(nèi)部，并且至少一個(gè)電極設(shè)置在基體的變形部(其為在變形期間內(nèi)可變形和可移位的區(qū)域)中；以及配線，連接至電極。在變形期間，位移電極隨著變形部的變形和位移而變形和移位，而不會與基體分離并且不會破壞導(dǎo)電性。變形部的變形和移位作為檢測電極間的電容變化來檢測。
文檔編號G06F3/044GK101950224SQ20101022320
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日
發(fā)明者角野宏治 申請人:索尼公司