可变电容器及使用可变电容器的位置指示器

摘要

一种可变电容器，包括：电容器壳体；设置在壳体内的绝缘介质，其具有相对的两个侧面；第一极板，其竖向地设置在绝缘介质的一侧；第二极板，其竖向地设置在绝缘介质的另一侧上，并与绝缘介质的侧面相接触；弹性部件，其与第二极板连接；其中，当第二极板未受到压力时，第一极板和第二极板之间的正对面积为零，从而可变电容器的电容值为零；当第二极板受到压力时，其向上运动并压缩弹性部件，以改变第一极板和第二极板之间的正对面积，从而改变可变电容器的电容值。本发明还公开了一种使用可变电容器的位置指示器。本发明的可变电容器及使用该可变电容器的位置指示器，可准确测量压力的大小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可变电容器和利用该可变电容器来测量输入压力的位 置指示器。

背景技术

近年来，坐标输入设备已经作为输入设备应用于个人电脑上。坐标输入 设备包括一个类似于笔的位置指示器和具有输入界面的位置检测设备，在这 个设备中输入操作就是定位操作，手写特征输入操作或者手绘输入操作通过 使用位置指示器来实现，其中压力测量装置是位置指示器的一部分。压力测 量装置一般包括可变电容器和处理电路，其中可变电容器包括一个与绝缘体 表面相贴的电极和另一个带有校正功能的电极。现有公开的大部分实现笔压 测量的可变电容器都是采用给其中用导电橡胶制成的电极(即带有校正功能 的电极)施加一定压力，改变电极对的正对面积，从而改变电容值，引起电 路特性变化，并由此来测量压力大小。

图1是现有技术的位置指示器的压力输入装置的可变电容器的结构图。 如图1所示，现有技术中的压力输入装置的可变电容器包括横向设置的两个 相对的电极3’和4’，其中，上部的电极3’通过导电杆2’与处理器(未示出) 连接，而下部的电极4’通过导电杆1’与处理器连接，电极4’是可变形的，一 般由导电橡胶制成。在两个电极3’和4’之间设置有绝缘介质5’，在电极4’ 和绝缘介质5’之间还设置有金属环6’。图2是现有技术的位置指示器的压力 输入装置受到压力时的结构示意图，在图2中，当笔头8’通过金属片7’对电 极4’施加压力时，电极4’凸入金属环6’中，并与绝缘介质5’相接触。压力的 大小会改变电极对的正对面积，引起电容值的变化，处理器根据电路特性变 化推导出压力大小。

但上述现有技术存在如下问题：首先压力的大小无法直接获得，只能粗 略地估算出压力大小，这是因为导电橡胶材料形变无法与压力形成严格的对 应关系；其次在无压力状态下，笔头会出现“漏水”或者笔“不出水”的现 象。所谓“漏水”，是指由于装配或者生产工艺差异的原因，没有压力的情 况下，导电橡胶电极与和极板间的绝缘体已经接触，与导电杆接触构成了可 变电容充放电电路，从而获得了压力值；笔“不出水”是指如果笔头给予一 定压力，活动电极与绝缘体介质接触而没有与接线柱接触，虽然有正对面积 为S，但是充放电电路没有连通，压力值无法测量。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种可变电容器和使用该可变电容 器来测量输入压力的位置指示器。

本发明的可变电容器，包括：电容器壳体；设置在壳体内的绝缘介质， 其具有相对的两个侧面；第一极板，其竖向地设置在绝缘介质的一侧；第二 极板，其竖向地设置在绝缘介质的另一侧上，并与绝缘介质的侧面相接触； 弹性部件，其与第二极板连接；其中，当第二极板未受到压力时，第一极板 和第二极板之间的正对面积为零，从而可变电容器的电容值为零；当第二极 板受到压力时，其向上运动并压缩弹性部件，以改变第一极板和第二极板之 间的正对面积，从而改变可变电容器的电容值。

在一种实施方式中，可变电容器还包括设置在第二极板上方的第一绝缘 挡板；第二绝缘挡板，其设置在电容器壳体的底部并位于第二极板的下方， 外界施加的压力作用在该第二绝缘挡板上。在该实施方式中，弹性部件为弹 簧，该弹簧的一端固定在第一绝缘挡板上，另一端固定在电容器壳体的顶部 内表面。

在一种实施方式中，可变电容器还包括微调装置，用于调整第一极板的 位置。

在一种实施方式中，当第二极板未受到压力时，弹性部件处于自然状态。

本发明还公开了一种使用上述可变电容器的位置指示器，包括：用于握 持的外壳；用于测量压力的可变电容器，其中，第一极板通过第一导电杆引 出到电容器壳体之外，第二极板通过第二导电杆引出到电容器壳体之外；处 理器，该处理器通过第一导电杆和第二导电杆与可变电容器相连，用于测量 可变电容器的充放电时间。

在一种实施方式中，该位置指示器还包括设置在外壳端部的笔头，其一 端固定在可变电容器的第二绝缘挡板上，另一端延伸到外壳的外部。

本发明的可变电容器和利用该可变电容器的位置指示器，采用压力导致 极板滑动，极板间相对位置改变从而改变极板间的正对面积，弹簧形变与正 对面积成正比，从而准确获得压力的大小；另外，采用微调装置调节极板的 位置，改变无压力状态下极板间的正对面积，克服“漏水”和“不出水”的 问题。

附图说明

图1是现有技术的可变电容器的结构示意图；

图2是对图1中的可变电容施加压力后的结构示意图；

图3是本发明的位置指示器的可变电容器的结构示意图；

图4是图3的位置指示器的可变电容器的右视图；

图5是对图3的可变电容器施加压力后的结构示意图；

图6是图5中的可变电容器的右视图。

附图标记说明：

1第一导电杆；2第二导电杆；3第一电极；4第二电极；5绝缘介 质；6电容器壳体；7导线；8笔头；9微调装置；10弹簧；11第一绝缘 挡板；12第二绝缘挡板。

具体实施方式

下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。

图3是本发明的压力输入装置的可变电容的结构示意图。如图3所示， 本发明的可变电容包括电容器壳体6，电容器壳体6内部容纳可变电容的各 零部件。如图3所示，电容器壳体6内部的底面设置第二绝缘挡板12，第二 绝缘挡板12与笔头8(也可以是其他能够施加力的零部件)固定连接，当笔 头受到压力移动时，第二绝缘挡板12随之移动。

第二绝缘挡板12的上方设置绝缘介质5，绝缘介质5的左右两侧面分别 设置有第一极板3和第二极板4。如图3所示，两个极板均为长条状，第一 极板3竖直设置在绝缘介质5的一侧，在无外力施加时，第一极板3的底边 与第二极板4的顶部刚好持平。第二极板4竖直地设置在绝缘介质5的另外 一侧，并与绝缘介质5的侧面相接触。

第一极板3的顶端连接有第一导电杆1，第一导电杆1的另外一端露出 于电容器壳体6之外，而第二极板4通过第二导电杆2引出到电容器壳体6 之外，下文详细介绍具体结构。

如图3所示，第二极板4的上方设置有第一绝缘挡板11，下方设置有第 二绝缘挡板12，由于第二极板与4与绝缘介质5并列设置，因此绝缘介质5 也位于第一绝缘挡板11和第二绝缘挡板12之间。第一绝缘挡板11的上表 面上设置有弹性部件(在本实施例中，为弹簧10)，弹簧10的另外一端固 定在可变电容器的壳体的顶部内表面，第二极板4可以通过导线直接与第二 导电杆2相连。

在一种实施方式中，为了减少可变电容器中的连接导线，可以使弹簧10 固定在可变电容器壳体的顶部内表面的一端与第二导电杆2相连接，而第二 极板4通过设置在第一绝缘挡板11中的导线7与弹簧10连接，从而第二极 板4通过弹簧10与电容器壳体6外的第二导电杆2连接，形成RC充放电电 路。

在这种实施方式中，外界的压力通过笔头8或者其他部件作用到第二绝 缘挡板12上，并依次传递给第二极板4、第一绝缘挡板11、弹簧10。

当第二绝缘挡板12未受到压力时(即无压力状态)，第一极板3和第 二极板4的正对面积刚好为零，并且弹簧10优选地处于自然状态，此时不 形成电容器；而一旦第二绝缘挡板12受到压力时，第二绝缘挡板12就向上 方推动第二极板4、绝缘介质5和第一绝缘挡板11向上运动，使得第一极板 3和第二极板4产生正对面积，从而形成可变电容器，此时，弹簧10被压缩。

优选地，本发明的可变电容器还包括微调装置9，微调装置9可以是微 调螺母或其他合适的部件，其用于改变第一极板的位置，从而改变第一极板 3与第二极板4的正对面积，通过改变极板之间的正对面积改变电容值大小， 从而调节无压力状态下充放电时间，克服笔“漏水”和“不出水”问题。具 体地，当无压力状态下，将第一极板3调整到刚好与第二极板4之间没有正 对面积，如图4的右视图所示，在这种情况下，第一极板3和第二极板4在 竖向方向上刚好相接，既没有重合部分，也不存在空隙。

上述的可变电容器可用于各种需要测量压力的装置中，例如坐标指示 器、电子秤等等。

本发明还公开了一种利用上述的可变电容器的位置指示器，其包括用于 握持的外壳；用于测量压力大小的可变电容器(上文已经详细描述，在此不 赘述)；用于测量可变电容器的充放电时间的处理器，该处理器通过第一导 电杆1和第二导电杆2与可变电容器相连，测量可变电容器的充放电时间； 设置在外壳端部的笔头8，其一端固定在可变电容器的第二绝缘挡板12上， 另一端延伸到外壳的外部。

其中，当笔头8未受到压力时，第一极板3和第二极板4之间的正对面 积为零，从而使得可变电容器的电容值为零；当笔头8受到压力时，笔头8 推动第二绝缘挡板12、第二极板4和第一绝缘挡板11，并由此压缩弹簧10， 改变第一极板3和第二极板4之间的正对面积，从而改变可变电容器的电容 值，此时，可变电容器作为一电容充放电回路，由处理器检测可变电容器的 充放电时间再根据上文中的测量F值的方法，得出笔头8受到的压力值。处 理器包括比较器和计数器，其中，比较器端与RC充放电电路相连，另一端 与参考电压相连，当可变电容器上的电压上升或者下降到参考电压值大小 时，比较器就生成中断，中止计数器计时。

在本发明的位置指示器的这种结构中，根据受力分析可知，笔头8的压 力等于弹簧的弹力，弹簧的引入，使得能够测量笔头8受到的力的大小。下 文将说明如何测得笔头8受到的力。

测量压力值F的方法，主要包括以下步骤：

笔头受力按下后，压力作用于极板2上，弹簧受力发生形变x，与极板 2的位移相等，根据公式1和公式2得到极板2的位移d。

F＝kx   (公式1)

d＝x(公式2)

其中，k是弹簧10的弹性系数。

第二极板4的位移导致极板间正对面积S发生变化，如公式3所示。

S＝ld(公式3)

其中，l是第一极板3和第二极板4之间重合部分的宽度，一般而言， 为了计算方便，将第一极板3和第二极板4的宽度设置为相等，且在宽度上 完全重合，这样l即为第一极板3或第二极板4的宽度。

极板间正对面积S发生变化后，就影响电容值C的大小，如公式4所示。

$C=\frac{\mathrm{ϵS}}{4\mathrm{\pi KD}}$(公式4)

其中，电容K为静电力常量，ε为介电常数，D为第一极板3与第二极 板4之间的距离。

当电容值C大小变化后，就会影响电容充放电t，以充电时间为例，如公 式5所示。

$t=\mathrm{RC}\ln \frac{U}{U_E}$(公式5)

其中，R为电路阻值，U为充电放电路中电源的电压，U_E为比较器的输 入端上的管脚上的参考电压，可以通过程序来设定参考电压值的大小。如上 所述，当电路放电电压下降到电压U_E时就会产生中断，从而使计数器停止计 数，每次计数时间间隔相等，进而得出计数时间t。

电容充放电时间t发生变化，就影响处理器的计数器的次数N，如公式6 所示。

$N=\frac{t}{\mathrm{\Delta t}}$(公式6)

其中，Δt为计数器每一次计数的时间间隔。

根据公式1-公式6联立得公式7，通过公式7就能获得笔尖压力大小。

$F=N\frac{4\mathrm{\pi KkD\Delta t}}{\mathrm{Rϵ}l\ln \frac{U}{U_E}}={\mathrm{Nk}}^{\prime }$(公式7)

$k^{\prime }=\frac{4\mathrm{\pi KkD\Delta t}}{\mathrm{Rϵ}l\ln \frac{U}{U_E}}$

由公式7可知，k′式中各参数均为常量，因此只需要依据处理器的计数 器的次数N，即可得出受到的力。

本发明的可变电容器及利用该可变电容器的位置指示器，采用压力导致 极板滑动，极板间相对位置改变从而改变极板间的正对面积，弹簧形变与正 对面积成正比，从而准确获得压力的大小；另外，采用微调装置调节极板的 位置，改变无压力状态下极板间的正对面积，克服“漏水”和“不出水”的 问题。

最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施方式，而不是对本 发明技术方案的限定，任何对本发明技术特征所做的等同替换或相应改进， 仍在本发明的保护范围之内。