力學量檢測構件和力學量檢測裝置的制作方法

專利名稱：力學量檢測構件和力學量檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及以電容方式檢測諸如位移、力及加速度的力學量的力學量檢測構件及 適用于電子設備等的輸入裝置的力學量檢測裝置。
背景技術：
過去，鍵盤及諸如按鈕開關的開關被廣泛用作電子設備等的一般輸入裝置，S卩，輸 入用戶界面(UI)。通常，包括遙控器和鼠標的開關的操作為通過物理接觸選擇開或關的二 選一操作。由于隨著輸入信息及選項的增多，按鈕或按鍵的數目增多，所以UI會顯著破壞 可操作性，而且也限制了電子設備的設計。近年來，通過允許諸如鼠標、觸摸板或觸摸屏的指點器件與輸出UI兼容，能夠進 行直觀操作的圖形UI (GUI)已經被廣泛使用。通過按鈕開關的點擊，鼠標具有操作舒適的區別特征。但是，由于鼠標必須在操作 表面上移動，所以在未提供操作表面的環境中，無法使用鼠標。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 經投入實際使用。此外，觸摸傳感器件已經被安裝在自動柜員機(ATM)、各種便攜式信息終 端、汽車導航系統等中。但是，在一般的觸摸傳感器件中，在一個操作點處，僅使選擇開或關 的選擇有效，因此，難以執行復雜的信息處理。因此，當存在大量待處理的信息時，必須二維 地擴張觸摸表面。由于該原因，可操作性會劣化，并且由于具有開關，電子設備的設計也受 到限制。此外，與按鈕開關不同，由于在觸摸傳感器件中不存在點擊傳感，所以無法執行直 觀操作，并且容易感到操作很難用。此外，視覺障礙者難以執行操作，或者不摸索的話難以 在暗處執行操作。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作為感測壓力的裝置投入 實際使用。已經出現了通過在切換器件中設置壓力傳感器而實現在輸入期間通過反映筆壓 力進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，而將輸入轉換成電信號。這時，傳感器件被設計為使得隔膜 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 如正比例關系的簡單關系。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制、振幅調制及相位調制的方法，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力的檢測器。圖7A 圖7C是示出了面板傳感器的實例的部分截面圖。面板傳感器100通常包 括正方形面板110、設置在正方形面板110的四個角上的面板支持體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的一個角(角部)的附近。力傳感器130包括隔膜131、電極132、基板133、內部框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 置在薄膜131a中。位移電極和電極132形成第一電容器。基板133經由內部框134、梁部 135及固定框136設置在保持部138上。梁部135由具有預定彈性的材料構成。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，當在按壓面板110的方向上施加小力時，薄膜131a擴張并變形，因 此，薄膜131a上的位移電極發生位移。該位移作為第一電容器的電容的變化被檢測到。當 施加至面板110的力變強時，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，當施加至面板110的力進一步變強時，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。

發明內容
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。由于必須在輸入強度與隔膜的變形程度之間建 立諸如線性的簡單關系，所以根據相關實例的位移傳感器被設計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 性構件(日本未審查專利申請公開第2005-3494號中的梁部135 (權利要求2，第7 12 頁，圖1 圖6))必須變形。由于該原因，輸入裝置的構造變得復雜，尺寸變大。因此，可操 作性可能劣化。期望提供一種力學量檢測構件，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成、在操作中幾 乎不受使用環境制約、并且適于作為電子設備的輸入裝置。此外，期望提供力學量檢測裝置 中所包括的力學量檢測構件。根據本發明的實施方式，提供了一種力學量檢測構件，包括基體，其包括接觸部 的一部分或全部根據接觸物體的按壓而變形，并且當接觸物體的壓力消失時，其恢復至初 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部，并且至少一個電極設置在 基體的變形部(其為在變形期間可變形或可移位的區域)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。根據本發明的實施方式，提供了一種力學量檢測裝置，包括該力學量檢測構件； 以及檢測電路單元，經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。在根據本發明實施方式的力學量檢測構件中，當變形部的形狀根據接觸物體的按 壓而變化時，固定至變形部的位移電極隨著變形部的變形和移位而發生變形和移位，而不 會與基體分離。在變形期間，由于位移電極的導電性未被破壞，所以位移電極與另一個電極 之間的電容根據位移的程度而變化。例如，通過經由配線連接的電容檢測電路將電容的變 化轉換成電信號。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 度被轉換成用于檢測的電信號。當接觸物體的壓力消失時，基體恢復初始形狀，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，接觸物體的按壓的差異(為模擬量)可作為信息來區分。由于作為接觸物 體的手指在感受到根據按壓量而逐漸增加的基體的排斥力的同時施加壓力，所以手指能夠 具有愉快自然的感觸或舒適的操作感。此外，力學量檢測構件很小并且很簡單，并且能夠獲 得很大形狀的自由度。由于不需要單獨的操作表面，所以操作幾乎不受使用環境的制約。由于力學量檢測裝置包括根據本發明實施方式的力學量檢測部，所以根據本發明 實施方式的力學量檢測裝置能夠獲得上述優點。因此，能夠實現這樣的電子設備的輸入裝 置，與二選一的操作相比，其能夠根據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、具有小而簡單的構成、在操作中 幾乎不受使用環境制約。


圖IA和圖IB是示出了根據本發明的實施方式1的作為平板形輸入構件的力學量 檢測構件的構造的截面圖。圖2是示出了電容檢測電路的實例的說明圖(框圖)。圖3A和圖3B是示出了根據本發明的實施方式2的作為平板形輸入構件的力學量 檢測構件的構造的截面圖。圖4是示出了根據本發明的實施方式3的作為圓筒形輸入構件的力學量檢測構件 的構造的透視圖。圖5A和圖5B是示出了根據本發明的實施方式4的作為球形輸入構件的力學量檢 測構件的構造的說明圖。
圖6A是示出了根據本發明的實施例1的在平板形輸入構件中靜電電容與電極間 距離之間的關系的曲線圖，并且圖6B是示出了在位移電極被反復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(權利要求2， 第7 12頁，圖1 圖6)中所披露的面板傳感器的實例的部分截面圖。
具體實施例方式在根據本發明實施方式的力學量檢測構件中，為了將基體的位置分區而分開的多 個電極均可以與獨立于電極的配線一起設置。通過使用分區(division)作為單位來區分 接觸物體按壓基體的位置的差異。可以在面向位移電極的位置處設置至少一個電極。2至10對位移電極及面向位移電極的電極可以彼此串聯地連接。位移電極的材料可以為碳納米管或導電聚合物。由接觸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為0.1N/mm以下的材料。可以將 碳納米管以0. 05以下的質量比而添加至基體。力學量檢測構件可以具有能握在一只手中進行操作的形狀。基體具有由柔性材料構成的密封容器填充著氣體、液體或凝膠狀固體的結構。占據電極間空間的基體的相對介電常數可以為1. 1以上。根據本發明的實施方式，當力學量檢測裝置與另一電子設備一起使用時，力學量 檢測裝置被配置為將對應于接觸物體的按壓強度的電信號輸出至另一電子設備的輸入裝 置。接下來，將參照附圖詳細描述本發明的優選實施方式。實施方式1在實施方式1中，將主要描述根據權利要求1、3 11及14的力學量檢測構件以 及根據權利要求15和16的力學量檢測裝置。圖IA和圖IB是示出了根據實施方式1的作為平板形輸入構件形成的力學量檢測 構件10的構成的截面圖。力學量檢測構件10包括基體1、位移電極2、面向位移電極2的 電極3以及分別保護位移電極2和電極3的電極支持體4和5。基體1由彈性體(具有彈性的聚合物材料)構成。包括接觸部的基體1的一部分 或全部根據接觸物體的按壓強度而變形。但是，當接觸物體的按壓消失時，基體1恢復初始 形狀。例如，位移電極2由碳納米管層構成。位移電極2固定至基體1的變形部(當基體 1變形時發生變形和移位的區域)。碳納米管層很堅固并且很薄，因此，當基體1變形時， 碳納米管層隨著變形部的變形和位移而發生變形和移位，且不會與基體1分離并破壞導電 性。設置電極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 一個電極3，但是也可以設置多個面向位移電極2的電極。
設置電極支持體4和5，從而分別形成或保護位移電極2和電極3。但是，從功能 上講，認為電極支持體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的部分或全部根據接觸物體的按壓的強 度而變形，但是，當接觸物體的按壓消失時，支持體4和5恢復初始形狀。如圖IA和圖IB所示，當基體1的形狀根據接觸物體的按壓而變形時，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之間的電容根據位移的程度從Qa變化 到Qb。通過經由配線連接的電容檢測電路(未示出)，將電容的變化轉換成電信號。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度轉換成用于檢測 的電信號。當接觸物體的按壓消失時，基體1恢復初始形狀，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分，所以與二選一的操作 相比，使用力學量檢測構件10作為輸入單元的力學量檢測裝置能夠實現能夠輸入各種信 息的輸入裝置。由于手指施加壓力的同時感到基體1的排斥力根據按壓量而逐漸增大，所 以手指能夠感到愉快自然的感觸或舒適的操作感。因此，可以實現能夠具有直觀舒適的感 覺的輸入裝置。當將力學量檢測構件10應用于電子設備等的輸入裝置時，即使在接觸物體的按 壓量為連續的模擬量的情況下，也幾乎不使用沒有變化的按壓量作為輸入信息。例如，當用 手指作為接觸物體時，通過根據對應于從基體的支持體4和基體1所接收的排斥力的強度， 能夠容易地用2 5個階段區分并檢測按壓量的差異。在這種情況下，清楚地區分的按壓 量的2 5個階段中的每一個均被用作一種輸入信息。當按壓量作為連續模擬量而被檢測 時，按壓量不需要具有諸如滾動速度設定時的精確的精度。本發明實施方式的特征為優選使用基體(力學量檢測構件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，由于在輸入強度 與隔膜的變形程度之間必須建立諸如線性的簡單關系，并且必須獲得精確的再現性，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。當將這種位移傳感器應用于 輸入裝置時，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現精確的線性和再現性。因 此，允許基體在實現精確的線性或再現性的范圍內變形。此外，通過優選利用基體的大變 形，能夠獲得曾被犧牲的愉快自然的感觸或舒適的操作感。力學量檢測構件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 的操作表面，所以與鼠標不同，操作幾乎不受使用環境的制約。以這種方式，通過利用力學量檢測構件10，與現有實例相比，能夠實現各種信息的 輸入，并且獲得更愉快自然的感觸或舒適的操作感。此外，能夠實現電子設備等的輸入裝 置，其中輸入裝置小并且簡單，并且操作幾乎不受使用環境的制約。在力學量檢測構件10中，直接檢測的力學量為位移電極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度。當設置具有一定質量的重物作為接觸物體時，能夠 將施加至重物的任何加速度轉換成壓力。因此，加速度能夠作為力學量被檢測。例如，當基體1為層壓構件時，優選2 10對位移電極2及面向位移電極2的電 極3串聯地設置，從而埋入基體1中。因此，由于每個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導電聚合物。就這些材料而言，有彈性是優 異的，并且當伸縮時維持導電特性。用作根據現有實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量檢測構件10的位移電極2所需的特性。用于實現力學量 檢測構件10的一個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 的伸縮率的狀態下也能保持導電性的新的電極材料。優選地，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 可靠地實現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，能夠實現隔膜法或隔板(spacer)法無法 實現的Icm以上的變形。因此，優選使用碳納米管層作為位移電極2的材料。優選地，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 且其張力強度和收縮率非常優異，所以優選彈性體作為彈性構件。多孔彈性體為在形成有 多個空氣空隙的狀態下具有穩定形狀并且當施加外部壓力時通過減小空氣空隙的體積能 夠顯著減小體積的材料。因此，多孔彈性體為力學量檢測構件10的基體1和電極支持體4 和5的最佳材料。優選基體1和電極支持體4和5的材料為彈簧常數為0. lN/mm以下的材料。隨著 材料的彈簧常數的變小，操作力學量檢測構件10時所施加的力變小。例如，當通過人手指 尖來操作力學量檢測構件時，手指尖的最大力約為1N，并且按壓部的彈簧常數為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以下的質量比而添加至基體1和電極支持體4和5。近似 地，當碳納米管的添加量為0. 05以下的質量比時，由于碳納米管之間的接觸，不會產生導 電通路。通過在該范圍內添加碳納米管，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。基體1的相對介電常數沒有特別限定。如下述的實施方式4，當占據位移電極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，基體41的相對介電常數接 近1。但是，為了增大力學量檢測構件10的檢測靈敏度，優選地，位移電極2與電極3之間 的電容很大。因此，優選地，基體1的相對介電常數很大。優選地，基體1的相對介電常數 為1. 1以上，并且確保容易檢測電容。例如，當位移電極2與電極3具有直徑為12mm的圓 形形狀時，電極間的距離為10mm，并且基體1的相對介電常數為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。根據該實施方式的力學量檢測裝置包括力學量檢測構件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。力學量檢測裝置優選配置為與另一電子設備一起使用的輸入 裝置，其將根據接觸物體的按壓強度產生的電信號輸出至另一電子設備。
可以使用現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例的說明圖(框圖)。在電容檢測裝置中，基于基準電容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下，通過振蕩器電路和16位PRS (偽 隨機序列)電路交替關閉和打開SWl和SW2。當在SWl的導通狀態期間內以電壓Vdd為未 知電容Cx充電并且接通SW2時，未知電容Cx中充電的一些電荷轉移至基準電容CMOT，因此未 知電容Cx和基準電容Cmqd變為相同的電壓。每當SWl和SW2打開和關閉時，重復該操作，因 此，基準電容Cm的電壓逐漸升高。當基準電容Cm的電壓高于基準電壓Vkef時，比較器檢 測該狀態。因此，直至此時所重復的打開和關閉操作的數目被發送至數據處理電路。在數 據處理電路中，基于打開和關閉操作的數目確定未知電容(^的大小。通過比較器的輸出短 時間接通SW3，因此，基準電容Cmqd中所累積的電荷被放電。隨后，刷新基準電容CMQD。通過 重復上面的操作，間歇地測量未知電容Cx的大小。實施方式2將主要描述根據權利要求2的實施方式2的力學量檢測構件的實例。圖3A和圖3B是示出了根據本發明的實施方式2配置為平板形輸入構件的力學量 檢測構件20的構造的截面圖。力學量檢測構件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。力學量檢測構件20與根據實施方式1的力學量檢測構件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的位置分區而分開的多個位移電極 22A 22C與配線(與面向位移電極22A 22C的電極23A 23C相獨立，未示出)一起設 置。因此，通過使用分區作為單位，能夠區分按壓位置的差異。通過電極改變電路以時分的方式重復選擇位移電極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在一個周期內順序切換、連接至電容檢測電路、并且以高速在所述周期的短期間
內被重復。例如，如圖3B所示，當接觸物體按壓設置位移電極22B的位置處的基體1的表面 時，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 容變化被轉換成用于檢測的電信號。如實施例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，可以將形成力學量檢測 構件20的位移電極22A 22C的碳納米管層圖案化。可選地，可以使用印刷法。例如，通 過機械切割或激光蝕刻來執行蝕刻。包括力學量檢測構件20的力學量檢測裝置被配置為根據按壓位置的差異而將不 同的指令輸出至電子設備。例如，通過按壓位移電極22A來表達決定或感覺、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來選擇多個選項。實施方式3將主要描述根據權利要求12的實施方式3的力學量檢測構件的實例。圖4是示出了根據本發明實施方式3的作為圓筒形輸入構件的力學量檢測構件30
10的構成的透視圖。力學量檢測構件30可以用作能握在一只手中進行操作的手持輸入構件。在力學量檢測構件30中，由于將單個電極或多個位移電極(未示出)設置在圓筒 形基體31的外部圓筒形的圓周表面上，所以將電極33設置在圓筒形基體31的內部，從而 面向位移電極。包括力學量檢測構件30的力學量檢測裝置被配置為，根據手持位置的差異將不 同的指令輸出至電子設備。例如，通過按壓拇指表達決定或感覺，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選項。例如，滾動速度可以根據手指抓握 的強弱而變化。在力學量檢測構件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，能夠獲得與鼠標相同的功能 及舒適的操作感。由于能夠用一只手握住力學量檢測裝置來操作，所以與能夠在操作表面 上移動的鼠標不同，操作幾乎不受使用環境的制約。實施方式4將主要描述根據權利要求13的實施方式4的力學量檢測構件的實例。圖5A和圖5B是示出了根據本發明實施方式4的作為球形輸入構件的力學量檢測 構件40的構成的說明圖。在力學量檢測構件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成。位移電極42設置在基體41的表面上，并且電 極43設置在基體41內部的表面上，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。實施例根據實施例，將描述制造分別在實施方式1和2中所描述的力學量檢測構件10和 20的情況。實施例1在實施例1中，將描述制造被配置為實施方式1中所描述的平板形輸入構件的力 學量檢測構件10的情況。1.制造電極支持體4和5首先，以15 1的質量比混合彈性體的基本劑(產品名由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的濃度添加至按質量計1 %的十二烷基苯磺酸鈉 (SDBS =C12H25C6H4SO3Na)的水溶液中，使用超聲波均質機以持續5分鐘的50W的輸出來執行 均質化處理，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的整個表面上形成薄的 涂覆膜。此時，兩個電極支持體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的質量比混合彈性體的基本劑(產品名由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.制造力學量檢測構件10接下來，設置電極支持體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進行熱壓，從而形成夾層結構。隨后，通過使 用具有銀作為主要材料的導電漿料在位移電極2與電極3中形成配線，從而形成力學量檢 測構件10。5.擠壓的感測將力學量檢測構件10的配線連接至電容檢測電路。可以使用現有的各種電路作 為電容檢測電路。通過用手指緊緊按壓力學量檢測構件10的電極支持體4以及在增大壓 力的同時向基體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是示出了在根據實施例1的力學量檢測構件10中的靜電電容C與電極間的 距離d之間的關系的曲線。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，能夠根據電極的位移進行連續輸入。圖6B是示出了在使位移電極反復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。即使當碳納米管彎曲時，仍然維持碳納米管的連接。以這 種方式，可以發現即使當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 至圓形的程度時，導電性也不會被破壞。實施例2在實施例2中，將描述制造實施方式2中的配置為參照圖3A和圖3B所描述的手 持平板形輸入構件的力學量檢測構件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，使用超聲波均質機以持續5分 鐘的50W的輸出來執行均質化處理，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(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射YVO4半導體激光束(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個域的電極 結構(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制造的激光標示器MD-V9900 (13W的平均光輸出)用作YVO4半導體激 光源裝置。在該裝置中，能夠將激光束會聚成約為10 μ m半徑的光點尺寸。3.擠壓的感測力學量檢測構件20的配線均被連接至對應于各個電極結構的電容檢測電路。通 過用5根手指握住分別對應于手指的5個域，在作為基體1的海綿體中產生位移。通過用 手指緊緊地按壓力學量檢測構件20的位移電極22A 22E以及在增大壓力的同時向基體 1按壓手指，測量位移電極22與電極23之間的電容的變化。
以上已經描述了本發明的實施方式和實施例。但是，本發明不限于此，而是可以在 不背離本發明的要旨的前提下，在所附權利要求的范圍內進行修改。
權利要求
一種力學量檢測構件，包括基體，其包括接觸部的一部分或全部根據接觸物體的按壓而變形，并且當所述接觸物體的按壓消失時，其恢復初始形狀；用作位移電極的多個電極，所述多個電極固定至所述基體的表面或內部，并且至少一個所述電極設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.根據權利要求1所述的力學量檢測構件，其中，為將所述基體的位置分區而分開的所述多個電極均與獨立于所述電極的所述配 線一起設置，以及其中，通過利用所述分區作為單位來區分所述接觸物體按壓所述基體的位置的差異。
3.根據權利要求1所述的力學量檢測構件，其中，至少一個所述電極設置在面向所述 位移電極的位置處。
4.根據權利要求3所述的力學量檢測構件，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連接。
5.根據權利要求1所述的力學量檢測構件，其中，所述位移電極的材料為碳納米管或 導電聚合物。
6.根據權利要求5所述的力學量檢測構件，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.根據權利要求1所述的力學量檢測構件，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.根據權利要求1所述的力學量檢測構件，其中，所述基體的材料為彈性體。
9.根據權利要求8所述的力學量檢測構件，其中，所述基體的材料為多孔彈性體。
10.根據權利要求8或9所述的力學量檢測構件，其中，所述基體的材料為彈簧常數為 0. lN/mm以下的材料。
11.根據權利要求8或9所述的力學量檢測構件，其中，將碳納米管以0.05以下的質量 比而添加至所述基體。
12.根據權利要求1所述的力學量檢測構件，其中，所述力學量檢測構件具有能握在一 只手中進行操作的形狀。
13.根據權利要求1所述的力學量檢測構件，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構。
14.根據權利要求1所述的力學量檢測構件，其中，占據所述電極間的空間的所述基體 的相對介電常數為1.1以上。
15.一種力學量檢測裝置，包括根據權利要求1至14中任一項所述的力學量檢測構件；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.根據權利要求15所述的力學量檢測裝置，其中，當所述力學量檢測裝置與另一電 子設備一起使用時，所述力學量檢測裝置被配置為將對應于所述接觸物體的按壓強度的電 信號輸出至所述另一電子設備的輸入裝置。
全文摘要
本發明公開了一種力學量檢測構件及力學量檢測裝置。其中，該力學量檢測構件包括基體，其包括接觸部的一部分或全部根據接觸物體的按壓而變形，并且當接觸物體的按壓消失時，其恢復初始形狀；用作位移電極的多個電極固定至基體的表面或內部，并且至少一個電極設置在基體的變形部(其為在變形期間內可變形和可移位的區域)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 優先權日2009年7月9日
發明者角野宏治 申請人:索尼公司