TWI393866B - 物體運動狀態感測器 - Google Patents

Description

物體運動狀態感測器

本發明係關於一種可感測受力或運動狀態之感測器，並且特別地，本發明係關於一種利用氣泡達成感測受力或運動狀態之感測器。

運動感測器可應用的領域非常廣泛，小至一般民眾的食、衣、住、行、娛樂方面，大至國防、航空、航太等，均需運用不同精確度之運動感測器以達到不同的應用。

現今常見的運動感測器，係以微機電技術所製造。微機電技術為一種結合電子與機械的微小化工程技術，其利用半導體製程技術製作微小的機械或電子元件。以運動感測器而言，微機電技術係以半導體製成於矽基材上製作出可動微結構，而能感測不同方向的速度或加速度等運動狀態，此外，若與光、電、磁或聲音領域之系統結合，可更進一步做精密的量測並且進行控制。

然而，上述以微機電技術所製作之運動感測器，由於其係以機械式的可動件進行運動感測，因此，可動件與基材或其他部位無可避免地會產生摩擦，而損耗可動件以及基材本身，導致運動感測器之使用壽命縮短。故為了提升運動感測器之使用壽命，如何降低內部零件因摩擦所造成的損耗係各界研究的重點。

於先前技術中，上述機械式可動件可被熱氣泡取代，此種技術係以加熱器對一容器內之氣體加熱形成熱梯度。當此種熱氣泡運動感測器隨物體進行運動時，容器內之氣體與運 動感測器之相對關係將會改變原有容器中之熱梯度分佈，而容器中之感測單元可感測熱梯度及其變化並據以計算出熱氣泡運動感測器之運動狀態。

熱氣泡運動感測器以加熱氣體之方式取代機械可動件，可避免零件損耗所導致之使用壽命的縮短。然而，加熱氣體所需要的驅動能量，將遠超過微機電製程所製作出之機械式運動感測器。另一方面，熱梯度感測需經由複雜的計算方式才能準確地獲得。綜上所述，熱氣泡運動感測器雖然解決了零件因摩擦而損耗的問題，取而代之的則是高耗能以及感測方法難度高之缺點。

因此，本發明之一範疇在於提供一種用以感測物體運動狀態之感測器，其係以氣泡作為運動感測之可動件並且不需高驅動能量，而能解決上述問題。

根據一具體實施例，本發明之感測元件包含容置單元、感測單元以及處理單元。容置單元可用以容納流體，流體中則包含氣泡。感測單元可設置於容置單元內壁中之預設位置，處理單元則可耦接感測單元並接收感測單元之輸出訊號。

於本具體實施例中，感測單元可以感測其周圍之電氣特性並據以輸出感測訊號，處理單元則可根據感測訊號判斷其運動狀態。當感測器隨物體一起運動時，氣泡會與感測器做相對運動，並且當氣泡接近感測單元而影響感測器周圍電氣特性時，感測單元所輸出之感測訊號將根據周圍電氣特性變化而調整，因此，處理單元可根據感測訊號變化而判斷感測器及物體之運動狀態。

本發明之另一範疇在於提供一種以氣泡作為可動件以感測物體運動狀態之感測器。

根據一具體實施例，本發明之感測器包含容置單元、發光單元以及感測單元。容置單元可用以容納流體，流體中則包含氣泡，此外，容置單元上具有一透光面。發光單元可發出光線穿透容置單元之透光面。感測單元設置於容置單元內壁中之預設位置，可用以接收光線並據以產生感測訊號。

於本具體實施例中，當感測器隨物體一起運動時，氣泡會與感測器做相對運動，並且當氣泡靠近感測單元時，氣泡與流體的交界面可反射發光單元所發出之光線至感測單元，感測單元則根據接收之光線產生感測訊號。於另一具體實施例中，感測單元可耦接處理單元，處理單元可接收感測訊號並藉由感測訊號判斷感測器以及物體之運動狀態。

本發明之另一範疇在於提供一種以氣泡改變觸控裝置之視覺效果之感測器。

根據一具體實施例，本發明之感測器包含容置單元、接觸感測單元以及氣泡產生單元。容置單元可用以容納流體，並且容置單元具有透光表面可供使用者接觸。接觸控制單元可設置於容置單元中以感測使用者或物體靠近或接觸透光表面，並且選擇性地發送感測訊號。

於本具體實施例中，氣泡產生單元可設置於容置單元中並與接觸感測單元耦接。氣泡產生單元可接收感測訊號並根據感測訊號產生氣泡靠近透光表面，氣泡靠近透光表面後會改變原本透光表面附近之光線折射率，致使使用者可自感測器外觀察到透光表面呈一視覺效果。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所 附圖式得到進一步的瞭解。

請參閱圖一，圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之感測器1的示意圖。如圖一所示，感測器1包含容置單元10以及第一感測單元12。其中，容置單元10內可容納流體100以及位於流體100中之氣泡102。請注意，於本具體實施例中僅繪示一個氣泡102，然而於實務中，氣泡102之數量或體積可根據使用者或設計者需求而定，並不受限於本說明書所列舉之具體實施例。

第一感測單元12可以設置於容置單元10內壁上的預設位置。於本具體實施例中，第一感測單元12可以包含兩個第一感測點120，此兩第一感測點120可用來感測其間之電氣特性(例如，導電性)，並根據電氣特性輸出感測訊號。請參閱圖二，圖二係繪示圖一之感測器1做直線運動之示意圖。如圖二所示，感測器1沿著方向D進行運動，於實務中此運動可為物體對感測器1施力所造成。氣泡102會相對於感測器1而沿相反於方向D之方向運動，進而靠近第一感測單元12，並且由於氣泡102中之介質與流體100之成分並不相同，因此兩第一感測點120間之電氣特性將會被氣泡102改變而導致第一感測單元12據以調整其感測訊號。

根據另一具體實施例，第一感測單元12可耦接處理單元14(如圖一以及圖二所示)。處理單元14可接收第一感測單元12所產生的感測訊號，並且根據所接收之感測訊號及其變化判斷感測器1之運動狀態。於實務中，若感測器1隨著物體而移動，則處理單元14所判斷出之感測器1的運動狀態即為物體的運動狀態。

於實務中，處理單元14可直接設置於感測器1之上，並以導線或其他實體連接方式連接第一感測單元12而藉由傳導方式接收感測訊號。另一方面，處理單元14也可以設置於感測器1之外，而藉由無線傳輸方式與第一感測單元12溝通以接收感測訊號。因此，實務中處理單元的設置位置以及接收感測訊號之方式可根據使用者或設計者需求而定，並不限於本發明所列舉之具體實施例。

綜上所述，本發明之感測器可以氣泡作為運動感測之可動件。由於氣泡並非實體零件，因此沒有因摩擦而損耗的問題。此外，氣泡雖然也有可能因其中之氣體成分於流體的溶解度而逐漸變小或消失，然而根據流體以及氣泡中氣體成分的差異，其消失之速率遠小於先前技術之熱氣泡的熱逸散速率，因此補充可動件之頻率以及所需之驅動能量均可小於熱氣泡運動感測器。此外，由於電氣特性之測量容易，因此不需繁雜的計算過程即可獲得感測器或物體之運動狀態。

此外，根據另一具體實施例，感測器1可進一步具有第二感測單元以及第三感測單元。於本具體實施例中，第二感測單元包含兩第二感測點並且第三感測單元包含兩第二感測點，配合第一感測器12之兩第一感測點120可以分別產生三種代表不同方向之感測訊號，而處理單元14則可根據這些感測訊號判斷物體以及感測器1之三維運動狀態。

請注意，於實務中上述各感測單元可包含不同數量之感測點，並且其數量可視使用者或設計者所需(例如，感測靈敏度或是成本考量)而定，並不受限於本說明書所列舉之具體實施例。

由於氣泡於流體中可能因內部氣體於流體之溶解度或是水合作用而減少其體積，因此實務上需要設置補充氣泡之機 制以保持感測功能。補充氣泡之機制可包含直接加入氣體於流體中或是將流體轉換成氣體而形成氣泡。

請參閱圖三，圖三係繪示根據本發明之一具體實施例之感測器2的示意圖。如圖三所示，感測器2包含容置單元20、第一電極220以及第二電極222。容置單元20可以容納流體200，第一電極220以及第二電極222則可設置於容置單元20中。請注意，本具體實施例之用以感測運動之感測單元以及處理單元可與上述具體實施例相同，故於此不再贅述。

於本具體實施例中，可選擇電解液作為流體200，第一電極220以及第二電極222可以電連接電源24，並自電源24接收不同極性之電力。第一電極220以及第二電極222可電解流體200而產生不同成分之第一氣泡2020以及第二氣泡2022。舉例而言，於實務中流體可為水，第一電極以及第二電極則可電解水而產生內含氫氣之第一氣泡以及內含氧氣之第二氣泡。

上述由電解流體產生之第一氣泡以及第二氣泡，兩者接觸時會還原成原流體而減少氣泡之體積，因此若要應用第一氣泡或第二氣泡作為運動感測之可動件時，容置單元內部可進行設計而分隔第一氣泡以及第二氣泡。舉例而言，第一電極以及第二電極之間可設計阻擋物阻隔第一氣泡以及第二氣泡，使其無法接觸而還原為原流體。

另一方面，若產生之第一氣泡以及第二氣泡超過所需數量而影響到感測器靈敏度時，第一電極以及第二電極也可反向操作而接收極性相反之電力而產生不同的氣泡而與原氣泡融合還原為原流體。舉例而言，第一電極若接收第一極性之電力而產生過量之第一氣泡，則可反加第二極性之電力於第 一電極以產生第二氣泡與部分第一氣泡融合，並且融合氣泡還原成原流體藉以控制第一氣泡之數量或體積，並且同樣地，第二電極亦可進行類似流程以控制第二氣泡之數量或體積。請注意，於實務中為了加速上述校正過程或是氣泡清除之動作，可於容置單元中設置觸媒幫助融合氣泡還原成原流體，觸媒之數量以及設置位置也根據使用者或設計者需求而定。

本發明之感測器也可作為接觸力之感測，而不限於運動感測。請參閱圖四，圖四係繪示根據本發明之另一具體實施例之感測器3的示意圖。如圖四所示，本具體實施例與上述具體實施例不同處，在於本具體實施例之容置單元30具有一觸控面306可供使用者接觸。當物體P接觸觸控面306並造成其發生形變時，觸控面306會壓迫流體300中之氣泡302使之移動或變形而靠近感測單元32，導致感測單元32所感測之電氣特性產生變化進而調整所產生之感測訊號。藉由感測訊號，感測器3可判斷施加於觸控面306上之力的大小而達到接觸力之感測。請注意，感測單元32所設置之位置並不限於本具體實施例，其設計位置僅需感測氣泡所造成之電氣特性變化即可。舉例而言，感測單元32上所有感測點均可設置於容置單元30中相對觸控面306之底部，並依照一定規則向外排列，藉由感測點導通的個數可判斷受力之大小。

上述具體實施例之感測單元係感測其周邊之電氣特性以作為判斷運動狀態之方法，然而，於實務中也可以其他方法，例如，光學感測，判斷感測器或物體之運動狀態，而不限於本說明書所列舉之具體實施例。

請參閱圖五以及圖六，圖五係繪示根據本發明之另一具體實施例之感測器4的示意圖；圖六係繪示根據本發明之另 一具體實施例之感測器4的示意圖。如圖五所示，本具體實施例與上述具體實施例不同處，在於本具體實施例之感測機制係以發光單元42以及光線感測單元44所構成。於本具體實施例中，感測器4同樣包含容置單元40以容納流體400以及氣泡402，其中，容置單元40之一面可為透光面404。

於本具體實施例中，發光單元42可發射光線穿透透光面404而進入容置單元40中。當氣泡402靠近光線感測單元44時，發光單元42所發出之光線會被氣泡402以及流體400間之介面反射而傳遞至光線感測單元44，光線感測單元44根據所接收的光線產生感測訊號至處理單元(未繪示於圖五以及圖六)，處理單元則可根據感測訊號判斷感測器4的受力或運動狀態。

圖五與圖六所分別代表之具體實施例不同處，在於圖六之容置單元40進一步包含觸控面406可供使用者接觸。當物體P接觸觸控面306並造成其發生形變時，觸控面406會壓迫氣泡402使之移動或變形而靠近光線感測單元44，導致光線被反射至光線感測單元44而產生感測訊號。藉由感測訊號，感測器4可判斷其受力狀態。

前述之氣泡產生機制也可用於手寫板等觸控元件，其實際方式可為當感測器感測物體靠近或接觸觸控面時，氣泡產生氣產生氣泡至觸控面上被接觸之位置而改變光線於此處之折射率，進而令使用者觀察到不同的視覺效果。

舉例而言，請參閱圖七以及圖八，圖七以及圖八係繪示根據本發明之另一具體實施例之感測器5的示意圖。如圖七所示，當物體P靠近或接觸感測器5之容置單元50之透光的觸控面506時，光線發射元件52所發出之光線被物體P反射至光線感測元件54。如圖八所示，當光線感測元件54接收 到光線時可發送感測訊號(感測訊號之傳輸之路徑並未繪示於本具體實施例中，然而其輸出路徑可根據使用者或設計者需求而設計)至氣泡產生單元56以控制氣泡產生單元56產生氣泡502至觸控面506上。使用者可明顯觀察到氣泡502以及流體500間因折射率差別而產生的視覺效果。

於實務中，感測觸控之方式亦不限於上一具體實施例所述之光學感測。舉例而言，觸控面可以軟性材質製成，當物體接觸觸控面時造成觸控面形變而觸發容置單元中的開關，並且當開關被觸發時，氣泡產生單元產生氣泡至觸控面。另一方面，上述感測器之氣泡產生單元也可以電解方式產生，因此其可反向操作而使產生的氣泡還原成原流體，同時也可設置觸媒幫助氣泡還原。藉由電解流體產生氣泡並使氣泡還原成流體的方法，可避免感測器使用一段時間後還需補充流體之問題。

相較於先前技術，本發明之感測器係以氣泡作為力感測或運動感測之可動件。由於氣泡並非實體零件，因此可解決先前技術中因零件消耗造成感測器失效的問題。另一方面，由於氣泡於流體的溶解度，其體積減少或消失的速度相較於先前技術之熱氣泡之熱逸散速度為慢，因此可以低耗能之方法維持可動件之存在。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

1、2、3、4、5‧‧‧感測器

10、20、30、40、50‧‧‧容置單元

100、200、300、400、500‧‧‧流體

102、302、402、502‧‧‧氣泡

12‧‧‧第一感測單元

120‧‧‧第一感測點

14‧‧‧處理單元

D‧‧‧方向

2020‧‧‧第一氣泡

2022‧‧‧第二氣泡

220‧‧‧第一電極

222‧‧‧第二電極

24‧‧‧電源

306、406、506‧‧‧觸控面

32‧‧‧感測單元

P‧‧‧物體

404‧‧‧透光面

42‧‧‧發光單元

44‧‧‧光線感測單元

52‧‧‧光線發射元件

54‧‧‧光線感測元件

56‧‧‧光線感測元件

圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之感測器的示意圖。

圖二係繪示圖一之感測器做直線運動之示意圖。

圖三係繪示根據本發明之一具體實施例之感測器的示意圖。

圖四係繪示根據本發明之另一具體實施例之感測器的示意圖。

圖五係繪示根據本發明之另一具體實施例之感測器的示意圖。

圖六係繪示根據本發明之另一具體實施例之感測器的示意圖。

圖七以及圖八係繪示根據本發明之另一具體實施例之感測器的示意圖。

1‧‧‧感測器

10‧‧‧容置單元

100‧‧‧流體

102‧‧‧氣泡

12‧‧‧第一感測單元

120‧‧‧第一感測點

14‧‧‧處理單元

D‧‧‧方向

Claims (20)

1. 一種物體運動狀態感測器，用以感測一物體之一運動狀態，該物體運動狀態感測器包含：一容置單元，用以容納一流體，該流體中含有至少一氣泡；一第一感測單元，設置於該容置單元之一內壁上之一第一預設位置，該第一感測單元係用以感測其周圍之一第一電氣特性並根據該第一電氣特性產生一第一感測訊號；以及一氣泡產生單元，用以產生該至少一氣泡；其中，當該感測器隨該物體運動致使該至少一氣泡接近該第一感測單元而影響其周圍之該第一電氣特性時，該第一感測單元根據該第一電氣特性之變化調整該第一感測訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之物體運動狀態感測器，進一步包含一處理單元耦接該第一感測單元，該處理單元能接收該第一感測訊號並根據該第一感測訊號判斷該物體之該運動狀態。
3. 如申請專利範圍第1項所述之物體運動狀態感測器，進一步包含一第二感測單元設置於該容置單元之該內壁上之一第二預設位置，該第二感測單元係用以感測其周圍之一第二電氣特性並根據該第二電氣特性產生一第二感測訊號，並且當該感測器隨該物體運動致使該至少一氣泡接近該第二感測單元而影響其周圍之該第二電氣特性時，該第二感測單元根據該第二電氣特性之變化調整該第二感測訊號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之物體運動狀態感測器，進一步包含一處理單元耦接該第一感測單元以及該第二感測單元，並且該處理單元能接收該第一感測訊號以及該第二感測訊號 並根據該第一感測訊號以及該第二感測訊號判斷該物體之該運動狀態。
5. 如申請專利範圍第1項所述之物體運動狀態感測器，其中該至少一氣泡包含一第一氣泡以及一第二氣泡。
6. 如申請專利範圍第5項所述之物體運動狀態感測器，其中該氣泡產生單元進一步包含分別耦接一電源之一第一電極以及一第二電極，該第一電極以及該第二電極能接收該電源之電力以電解該流體而分別產生一第一氣泡以及一第二氣泡。
7. 如申請專利範圍第6項所述之物體運動狀態感測器，進一步包含一觸媒設置於該容置單元中，該觸媒係用以催化該第一氣泡以及該第二氣泡融合而成之一融合氣泡還原成部分該流體。
8. 如申請專利範圍第6項所述之物體運動狀態感測器，進一步包含一支撐單元，該第一電極係設置於該支撐單元上，並且該第二電極係設置於該容置單元之該內壁上，該支撐單元能用以分隔該第一電極電解該流體所產生之該第一氣泡與該第二電極電解該流體所產生之該第二氣泡。
9. 一種物體運動狀態感測器，包含：一容置單元，用以容納一流體，該流體中含有至少一氣泡，該容置單元具有一透光面；一發光單元，用以提供一光線穿透該透光面；以及一第一感測單元，設置於該容置單元之一內壁上之一第一預設位置；其中，當該至少一氣泡靠近該第一感測單元時，該至少一氣泡與該流體之一交界面反射該光線至該第一感測單元，並且該第一感測單元根據所接收之該光線產生一第一感測訊號； 該容置單元進一步包含一軟性板相對於該透光面，當該軟性板接受一外力時，該軟性板能產生形變並壓迫該氣泡致使該至少一氣泡靠近該第一感測單元。
10. 如申請專利範圍第9項所述之物體運動狀態感測器，其中當該感測器隨一物體運動時，該至少一氣泡靠近該第一感測單元。
11. 如申請專利範圍第10項所述之物體運動狀態感測器，進一步包含一處理單元耦接該第一感測單元，該處理單元能接收該第一感測訊號並根據該第一感測訊號判斷該物體之一運動狀態。
12. 如申請專利範圍第9項所述之物體運動狀態感測器，其中進一步包含一處理單元耦接該第一感測單元，該處理單元能接收該第一感測訊號並根據該第一感測訊號判斷該外力大小。
13. 如申請專利範圍第9項所述之物體運動狀態感測器，進一步包含一第二感測單元設置於該容置單元之該內壁上之一第二預設位置。
14. 如申請專利範圍第13項所述之物體運動狀態感測器，其中當該至少一氣泡靠近該第二感測單元時，該至少一氣泡與該流體之該交界面反射該光線至該第二感測單元，並且該第二感測單元根據所接收之該光線產生一第二感測訊號。
15. 一種物體運動狀態感測器，包含：一容置單元，用以容納一流體，該容置單元具有一透光表面；一接觸感測單元，設置於該容置單元中，用以感測一物體靠近或接觸該透光表面並根據感測結果選擇性地發送一感測訊號；以及 一氣泡產生單元，設置於該容置單元中並耦接該接觸感測單元，用以接收該感測訊號並根據該感測訊號產生至少一氣泡靠近該透光表面，該氣泡能改變自該感測器外觀察該透光表面之一視覺效果。
16. 如申請專利範圍第15項所述之物體運動狀態感測器，其中該接觸感測單元進一步包含：一光線發射元件，設置於該容置單元中，該光線發射元件係用以發射一光線穿透該透光表面；以及一感測元件，設置於該容置單元中，該感測元件係用以接收被該物體反射的該光線並根據該光線發送該感測訊號；其中，當該物體靠近或接觸該透光表面時，該物體能將該光線發射元件發射出之該光線反射至該感測元件。
17. 如申請專利範圍第15項所述之物體運動狀態感測器，其中該透光表面係以軟性材質製成，並且該接觸感測單元進一步包含一開關設置於該容置單元中，當該物體接觸該透光表面並對該透光表面施力造成該透光表面形變以觸發該開關時，該開關發送該感測訊號。
18. 如申請專利範圍第15項所述之物體運動狀態感測器，其中該至少一氣泡包含一第一氣泡以及一第二氣泡，該氣泡產生單元進一步包含：一接收/處理元件，耦接該接觸感測單元，該接收/處理元件係用以接收該接觸感測單元所發送之該感測訊號；一第一電極，設置於該容置單元中並耦接一電源，該第一電極根據該感測訊號接收該電源之電力以電解該流體進而產生該第一氣泡；以及一第二電極，設置於該容置單元中並耦接該電源，該第 二電極根據該感測訊號接收該電源之電力以電解該流體進而產生該第二氣泡。
19. 如申請專利範圍第18項所述之物體運動狀態感測器，其中該第一電極係與該第二電極極性相異，致使該第一氣泡中之氣體與該第二氣泡中之氣體成分相異。
20. 如申請專利範圍第19項所述之物體運動狀態感測器，進一步包含一觸媒設置於該容置單元中，用以催化該第一氣泡與該第二氣泡融合而成之一融合氣泡還原成部分該流體。