專利名稱：基于可變電容的坐標獲取裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于計算機的外圍設備輸入領域，涉及一種坐標獲取裝置，特別涉及
一種基于可變電容的坐標獲取裝置。
背景技術：
隨著消費電子產(chǎn)品的設計制造水平和用戶需求的不斷提高，在越來越多的場合需 要對各種外界變化的物理量做出測量、控制及響應，其中對于壓力的感測就是其中的一種。 壓感測量有多種技術方案，如壓力式觸控屏、電阻觸控屏、紅外式觸控屏、電容式觸摸屏以 及電磁式手寫屏等，可以應用在計算機輸入設備、電子白板以及手機、PDA、醫(yī)療設備等領 域，能夠?qū)崟r把壓力的變化在顯示屏幕上顯示出來，以反應使用者操作時的用力情況。 專利US4121049公開了一種測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用電阻應變的原理，把應變片安 置在承壓面板四個均勻位置，當承壓面板在受力時會產(chǎn)生變形。因為力的作用點不同而產(chǎn) 生的變形也是不一樣，從而使應變片產(chǎn)生的信號不同，經(jīng)過與應變片連接的電路進行處理， 計算得到力的作用點的位置。該系統(tǒng)雖然已經(jīng)獲取了坐標的位置，但由于測量器件較少，如 果用來觸控的面板面積較大，則測量存在較大的偏差，精確度較小。 中國專利CN95195866. 6公開了一種電容性傳感器，該傳感器含有一個具有閉合、
連續(xù)幾何形狀的第一導電電極墊和一個第二導電電極的技術方案。這一種方案也可以通過
可變電容來實現(xiàn)坐標的獲取，但由于只能測量在限定范圍內(nèi)的面積，對于面積較大的觸控
板的精確測量比較困難，同時，無法實現(xiàn)受力方向上的更精確的量化測量。 專利號為CN87103587的專利中公開了一種壓敏技術和器械，是在一個固定電極
上分布一個二維陣列的彈性導電電極，在對該裝置施加壓力時，該電極產(chǎn)生形變從而生成
了一系列的動態(tài)信號，即得到關于壓力變化的情況，這種方法雖然可以采集到較為準確的
壓力變化情況的信號，但只是對于受力面的局部點進行測量，而無法對受力面的多個點測
量，因而無法確定壓力點的位置，也不能應用于位移的測量。 還有在專利號為CN02132054. 3的專利中也公開了一種涉及與電容有關的壓力測
量技術，它包括一基板，在基板上方設置一第一階懸浮結構及凸塊結構，還有一二階懸浮結
構，與基板形成一封閉腔體。外界壓力改變時，引起位移量的變化來感測電容變量。這種方
法敏感性較差，特別是電容差的變化量較小，測量的范圍受到一定的限制。 因而，目前現(xiàn)有的基于電容的精確壓力的技術還不完善，特別是在面積較大和非
剛性的表面材料的測量應用方面。
實用新型內(nèi)容本實用新型提供了 一種基于可變電容的坐標獲取裝置，通過使觸控板產(chǎn)生形變來
改變可變電容的電容值，經(jīng)過信號放大后進而計算出產(chǎn)生形變的位置，實現(xiàn)精確的觸摸軌
跡測量，結構簡單，便于感測微力，可快速檢測壓力的變化以及受力點的位置。 基于可變電容的坐標獲取裝置，包含放大整形單元、頻率計數(shù)單元、計算單元、輸出數(shù)據(jù)單元和壓力傳感器單元，壓力傳感器單元將壓力信號傳遞到放大整形單元進行信號 放大，放大后的壓力信號在頻率計數(shù)單元中進行頻率計數(shù)后將計數(shù)信息發(fā)送到計算單元中 進行位置計算，位置信息再通過輸出數(shù)據(jù)單元進行輸出。 所述壓力傳感器單元由至少兩個壓力傳感器組成，每個壓力傳感器由電感、固定
電容和可變電容組成；可變電容由至少一個可變電容單元、觸控板和基板組成；可變電容
單元以陣列的形式位于基板上，觸控板設置在可變電容單元的陣列之上。 所述可變電容單元的彈性電極上部具有一個傳力桿，觸控板接觸傳力桿，傳力桿
與彈性電極相對，彈性電極、固定電極兩端面設置彈性電極引出端子和固定電極引出端子。 所述彈性電極和電介質(zhì)之間設置墊片。 所述彈性電極與電介質(zhì)接觸的一側具有多個突起。 所述觸控板由柔性材料制成。 所述可變電容單元的數(shù)量至少為9個。 本實用新型基于可變電容的坐標獲取裝置，其有益效果為 1、通過設置多個可變電容單元的陣列和應用低成本高精度的傳感器單元，實現(xiàn)精 確的觸摸軌跡測量，結構簡單，便于感測微力，可快速地檢測到壓力的變化以及計算出受力 點的位置。 2、當用戶在一個屏幕或面板上進行書寫繪畫時，將壓力變化測量出來，得到作用 點的具體坐標與作用點力。 本實用新型適合應用于計算機輸入設備、電子白板、手機、PDA、多媒體交互設備等 多種應用領域。
圖1是本實用新型的基于可變電容的坐標獲取裝置的結構框圖； 圖2是本實用新型的基于可變電容的坐標獲取裝置中壓力傳感器原理示意圖； 圖3是本實用新型的基于可變電容的坐標獲取裝置的受力示意圖； 圖4是本實用新型的基于可變電容的坐標獲取裝置的俯視示意圖； 圖5是本實用新型的基于可變電容的坐標獲取裝置的可變電容單元實施例1的結
構示意圖； 圖6是本實用新型的基于可變電容的坐標獲取裝置的可變電容單元實施例2的結 構示意圖； 圖7是本實用新型的基于可變電容的坐標獲取裝置的可變電容單元實施例2的彈 性電極的仰視結構示意圖； 圖8是本實用新型的基于可變電容的坐標獲取裝置的計算作用力的示意圖。
圖中1.壓力傳感器單元11.壓力傳感111.可變電容1110.觸控板1111.可變 電容單元1112.基板1113.彈性電極1114.電介質(zhì)1115.固定電極1116.彈性電極引出端 子1117.固定電極引出端子1118.墊片1119.傳力桿1118'.突起112.固定電容113.電 感2.放大整形單元3.頻率計數(shù)單元4.計算單元5.輸出數(shù)據(jù)單元
具體實施方式
以下結合附圖對本申請的實施方式進行說明。 —種基于可變電容的坐標獲取的裝置，如圖l所示，包含放大整形單元2、頻率計 數(shù)單元3、計算單元4、輸出數(shù)據(jù)單元5和壓力傳感器單元1 。壓力傳感器單元1將壓力信號 傳遞到放大整形單元2進行信號放大，放大后的壓力信號在頻率計數(shù)單元3中進行頻率計 數(shù)，并將計數(shù)信息發(fā)送到計算單元4中進行位置計算，位置信息再通過輸出數(shù)據(jù)單元5進行 輸出。各個單元可以由獨立的電路元件組成，也可將所有單元集成在集成電路中。本實施 例中采用集成電路實現(xiàn)，所選單片機為STM32F103，則頻率計數(shù)單元3、計算單元4、輸出數(shù) 據(jù)單元5都是集成在單片機上，采集信號與處理數(shù)據(jù)是通過單片機MCU的10接口輸入和輸 出的。在實際應用中，頻率計數(shù)單元3往往就是利用單片機中自帶的計數(shù)器，也可以單獨設 置計數(shù)器。計算單元4為處理器，對由多個壓力傳感器獲得的信號進行處理。具體地，計算 單元4為由單片機組成的處理單元，如以STM32F103處理器為核心的計算單元。輸出數(shù)據(jù) 單元5為單片機的輸出接口。 如圖2所示，所述壓力傳感器單元1由多個壓力傳感器組成，本實施例中，以一個 壓力傳感器11為例，由電感113、固定電容112和可變電容111組成。壓力傳感器11實質(zhì) 上是一個振蕩電路，或是類似的可振蕩信號的電路。本實施例中，電感113、固定電容112和 可變電容111并聯(lián)構成一個振蕩電路。 可變電容111由可變電容單元1111、基板1112和觸控板1110組成。如圖3所示， 多個可變電容單元位于基板1112上，觸控板1110設置在可變電容單元的陣列之上。觸控板 1110 —般是具有一定形變的平面板，可以是剛性也可以是柔性的。剛性的觸控板受外力作 用時變形較小，承受力較大，對于坐標的測量誤差較大。柔性觸控板局部受力時變形較大， 可變電容單元陣列的變化量相對明顯，有助于精確測量受力點的位置。 可變電容單元1111固定在觸控板1110的特定位置，本實用新型實施方式是固定 在觸控板1110的主要承力面，以等距離陣列分布，陣列的分布數(shù)量最少為9個或以上，用以 測量觸控板1110所承受的壓力信息并輸出相應的信號，基板1112直到承載和固定的作用。 如圖4所示，當裝置處于工作狀態(tài)時，觸控板1110受到不同的壓力時，至少一個可 變電容單元的電容量發(fā)生了變化，引起對應的壓力傳感器發(fā)生變化，使多個壓力傳感器構 成的壓力傳感器單元1把變化的電路頻率信號轉(zhuǎn)化為壓力信號傳遞到放大整形單元2。如 圖1所示，放大整形單元2對壓力信號進行一個初步放大，過濾掉信號中的噪聲后再頻率計 數(shù)單元3中進行頻率計數(shù)，對頻率信號進行計數(shù)和統(tǒng)計。把每一個壓力傳感器計數(shù)所得到 的結果先暫存到寄存器，再將計數(shù)信息發(fā)送到計算單元4中進行位置計算，經(jīng)過計算單元4 的計算和比較，得到每個壓力傳感器的變化值。其中，由計算單元4進行計算獲得的具有變 化最大值的壓力傳感器的位置就是受力位置，或是由計算單元4根據(jù)幾個不同的壓力傳感 器的輸出值進行計算得出受力位置，由輸出數(shù)據(jù)單元5進行輸出。 所述可變電容單元1111的彈性電極1113上部具有一個傳力桿1119，觸控板1110 接觸傳力桿1119，傳力桿1119與彈性電極1113相對，在彈性電極1113和電介質(zhì)1114之間 設置墊片1118，彈性電極1113、固定電極1115兩端面設置彈性電極弓I出端子1116和固定 電極引出端子1117。 可變電容單元llll的基本構件是由彈性電極1113、墊片1118、電介質(zhì)1114和固定電極1115構成，下面在實施例中詳細說明。 在實例一中，如圖5所示，傳力桿1119是設置在可變電容單元1111、彈性電極 1113與觸控板1110之間的一個結構件，它可以將觸控板1110的受力狀態(tài)傳遞到可變電容 單元1111的彈性電極1113上。彈性電極1113由彈性材料制成，如導電橡膠，具有良好的彈 性。為進一步保證精度和減小誤差，在彈性電極1113與電介質(zhì)1114之間設置有墊片1118， 由于有墊片1118的存在，彈性電極1113與電介質(zhì)1114之間，可以產(chǎn)生一些微小的間隙。彈 性電極1113產(chǎn)生形變時，可以與電介質(zhì)1114接觸。墊片1118由絕緣材料制成。 當觸控板1110上的某點受到壓力時，壓力通過觸控板1110的形變傳遞到可變電 容單元1111的傳力桿1119上，在傳力桿1119的直接作用下，彈性電極1113發(fā)生形變，與 電介質(zhì)1114之間的接觸面積也在變化，并且觸控板1110所受壓力越大，彈性電極1113與 電介質(zhì)1114之間的接觸面積也就越大。 根據(jù)電容的基本原理C二 e (s/d)可知，電容值C分別與介電常數(shù)e 、面積s成正 比，與電介質(zhì)間的距離d成反比。通常認為空氣的介電常數(shù)為l或稍大一點。在本實施例 中，介電常數(shù)e是由電介質(zhì)22決定的，一般為幾百到數(shù)千，是一個固定數(shù)，在本實施例中假 定為1000， d對應的是彈性電極1113和固定電極1115之間的距離，為一個固定值，而變化 最大的就是面積s。 當彈性電極1113與電介質(zhì)1114沒有接觸時，兩者之間為空氣，電容值為C。二 (s/ d)。 當彈性電極1113受到較小壓力與電介質(zhì)1114接觸面積較小時，如只有1/10時， 由于s較小，那么Q = 1000(s/10d) = 100(s/d) = 100C。。 當彈性電極21受到較大壓力與電介質(zhì)22接觸面積較大時，如有全面積的l/2時， 那么C2 = 1000(s/2d) = 500(s/d) = 500C。 = 5Q。 因而，彈性電極1113與電介質(zhì)1114之間的接觸面積越大，電容變化越大。相應的， 彈性電極1113與固定電極1115之間的電容也就越大。彈性電極1113與固定電極1115分 別具有彈性電極引出端子1116和固定電極引出端子1117，可以將相應的電信號接入到電 路中去。本實施例中，為當彈性電極1113與固定電極1115之間的接觸面積從最小到最大 變化時的電容變化量。 作為本實用新型的第二實施例，如圖6所示，可變電容單元1111由彈性電極1113、 電介質(zhì)1114、固定電極1115以及彈性電極引出端子1116和固定電極引出端子1117構成。 與第一實施例中不同的是，本實施例中沒有墊片1118與傳力桿1119。如圖6所示，在彈性 電極1113表面與電介質(zhì)1114相對的一側具有多個形狀相同、呈陣列排列的突起1118'。如 圖7所示，突起1118'與彈性電極1113連為一體，突起1118'與彈性電極1113具有同樣的 性能，受到觸控板1110壓力時，能夠產(chǎn)生彈性變形。彈性電極1113直接與觸控板1110接 觸，當受外力使觸控板1110產(chǎn)生形變時，形變將通過觸控板1110傳遞到彈性電極1113，并 且受力越大，形變越大。 在計算單元4中對壓力傳感器單元1輸出的多個振蕩頻率信號進行計算。計算的 過程如下前述多個振蕩頻率信號& KN，分別對應觸控板1110中相對的多個陣列排列的 可變電容單元，即在觸控板1110相對垂直的X軸和Y軸方向上，對應有多個可變電容壓力 單元。[0046] 將X軸方向的多個頻率信號先發(fā)送到頻率計數(shù)單元3進行頻率計數(shù)，再送入到計 算單元4進行計算，得出X軸方向的差值。將Y軸方向的多個頻率信號采用相同的方法，先 發(fā)送到頻率計數(shù)單元3進行頻率計數(shù)，再送入到計算單元4進行計算，得出Y軸方向的差 值。其具體的計算原理如下。 相對垂直的X軸和Y軸構成一個平面直角坐標系，多個可變電容壓力傳感器所在
點即為該平面直角坐標系上的多個固定點A、^…Xn，yi、^…yn。其中，A、^…Xn為X軸橫
坐標方向的分力，yi、 y2 yn為y軸縱坐標方向上的分力。 當有外力F作用于觸控板1110上時，即是作用在由X軸和Y軸構成的平面上，外 力F在X軸方向的分力為F (x)，在Y軸方向的分力為F (y)，故在Xl、 xn點上的分力為 F(Xl)和F(X2)，在y!、y2…yn點上的分力為F(y》和F(y》。 如圖8所示，圖中只畫出了四個示意點，實際上在有效范圍內(nèi)的任一點都可以由 至少四個點來進行測量。根據(jù)Xp X2…Xn之間的關系可以得到外力F對應X軸上的相對位置，其相對位
置的計算公式為F(x) =F(Xi)/(F(Xl)+F(x2)+ )，同樣，根據(jù)y^ yn之間的關系就 可以得到外力F對應在y軸上的相對位置，其相對位置的計算公式為F(y) =F(y》/ (F(y》+F(y》+…)，據(jù)此，就可得出外力F作用在觸控板1110上的大小及作用點為(F(x)， F(y)): F (x) = F (Xi) / (F (Xl) +F (x2) +...) F (y) = F (y》/ (F (y》+F (y2) +...) 這樣，就根據(jù)所得差值得出受力點的信息。由以上獲得的X軸與Y軸方向的差值， 以及在原始狀態(tài)時的初始值，就可得到觸控板1110上外力作用點的位置及大小，并由輸出 數(shù)據(jù)單元5輸出。 本實用新型結構簡單，靈敏度高，具有非常良好的應用價值，適合應用于計算機輸 入設備、電子白板以及手機、PDA、多媒體交互設備等多種應用領域。 雖然這里只說明了本實用新型的優(yōu)選實施例，但其意并非限制本實用新型的范 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實用新型精神和范圍情況下，可對一些細節(jié)做適當變更 和修改。
權利要求一種基于可變電容的坐標獲取裝置，包含放大整形單元(2)、頻率計數(shù)單元(3)、計算單元(4)和輸出數(shù)據(jù)單元(5)，其特征在于還包括壓力傳感器單元(1)，壓力傳感器單元(1)將壓力信號傳遞到放大整形單元(2)進行信號放大，放大后的壓力信號在頻率計數(shù)單元(3)中進行頻率計數(shù)后將計數(shù)信息發(fā)送到計算單元(4)中進行位置計算，位置信息再通過輸出數(shù)據(jù)單元(5)進行輸出。
2. 根據(jù)權利要求l所述的裝置，其特征在于所述壓力傳感器單元(1)由至少兩個壓 力傳感器組成，每個壓力傳感器(11)由電感(113)、固定電容(112)和可變電容(111)組 成；可變電容(111)由至少一個可變電容單元(1111)、觸控板(1110)和基板(1112)組成； 可變電容單元(1111)以陣列的形式位于基板(1112)上，觸控板(1110)設置在可變電容單 元(1111)的陣列之上。
3. 根據(jù)權利要求l所述的裝置，其特征在于所述可變電容單元(1111)的彈性電極 (1113)上部具有一個傳力桿(1119)，觸控板(1110)接觸傳力桿(1119)，傳力桿(1119)與 彈性電極(1113)相對，彈性電極(1113)、固定電極(1115)兩端面設置彈性電極引出端子 (1116)和固定電極引出端子(1117)。
4. 根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于所述彈性電極(1113)和電介質(zhì)(1114)之 間設置墊片(1118)。
5. 根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于所述彈性電極(1113)與電介質(zhì)(1114)接 觸的一側具有多個突起(1118')。
6. 根據(jù)權利要求l所述的裝置，其特征在于所述觸控板(1110)由柔性材料制成。
7. 根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于所述可變電容單元(1111)的數(shù)量至少為 9個。
專利摘要本實用新型基于可變電容的坐標獲取的裝置，屬于計算機的外圍設備輸入領域，基于可變電容的坐標獲取裝置，包含放大整形單元、頻率計數(shù)單元、計算單元、輸出數(shù)據(jù)單元和壓力傳感器單元，壓力傳感器單元將壓力信號傳遞到放大整形單元進行信號放大，放大過后的壓力信號在頻率計數(shù)單元中進行頻率計數(shù)后將計數(shù)信息發(fā)送到計算單元中進行位置計算，位置信息再通過輸出數(shù)據(jù)單元進行輸出。所述壓力傳感器單元由至少兩個壓力傳感器組成，每個壓力傳感器由電感、固定電容和可變電容組成。本實用新型通過設置多個壓力傳感器的陣列，實現(xiàn)精確的觸摸軌跡測量，結構簡單，便于感測微力，可以快速地檢測到壓力的變化并計算出受力點的位置。
文檔編號G01L1/14GK201465057SQ20092010708
公開日2010年5月12日 申請日期2009年5月25日 優(yōu)先權日2009年5月25日
發(fā)明者劉迎建, 向國威, 宋柏君, 王紅崗 申請人:漢王科技股份有限公司