CN100381993C - 一种带有触压板的信息输入装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种带有触压板的信息输入装置和方法，包括触压板、力敏传感器、壳体等部分，触压板获得的全部支撑都经由某一传感器弹性体，在该弹性体上或连结而成的弹性体组上，同时既带有测量其所受力或所受剪切力的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂，又带有测量其所受两种或更多不同轴向力矩或扭矩的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂；带有内置的或外接的处理或校正或显示信息的线路或装置，用以根据相关弹性体所受力和力矩的测量信号数据，计算出触压板上触压力的位置和大小，输入相应信息。本发明可明显缩小键盘等装置的体积，提高输入效率。

Description

一种带有触压板的信息输入装置和方法

(一)技术领域：

本发明属于用于键盘、手写输入板、微型计算机、手持电话机等设备的信息输入技术。

(二)背景技术：

现在的信息输入装置主要是键盘、触摸屏等，对于便携式或手持式或袖珍式设备来说，这些装置体积太大，为避免误操作，其每个按键或触摸位占用的宽度不宜小于手指端部的宽度，因此，具有较多按键或触摸位的输入装置难于缩小，若明显减少按键或触摸位的数目，又会增加操作的复杂性并降低输入速度；也有利用输入笔的袖珍输入装置，但输入较慢，还增加了携带笔的麻烦。

为了解决这个困难，本申请人曾提出一种方案(中国专利03121386.3、03153792.8)，利用在多个部位的传感器测量带键位的触摸板受力状况从而计算触摸位置及输入相应信息的方法或装置，实现多按键或多触摸位输入装置袖珍化。但是，在生产和使用过程中，由于环境的变化、温度和外力的影响、元件的老化和变形、各个支撑部位受力分配的变化，会对该装置输入的精度和可靠性产生影响。该方案曾给出利用程序降低其影响的方法，但面对重复性不太明显的干扰或误差，其效能仍然不能令人十分满意，迫切需要更根本的解决办法。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提出一种新的技术方案，使得利用触压板的微型输入装置的构造更为简单、工作更为可靠、输入精度和准确性明显提高。下面进行具体说明。

本发明包括一种带有触压板的信息输入装置和方法。

本发明的带有触压板的信息输入装置，至少包括在其表面不同位置接受触压的一个或多个触压板1、直接或间接与触压板连接的包含弹性体和应变仪7的力敏传感器、支持结构3和壳体2，所述装置通过测量和判断所述触压板所受触压的位置或者位置和力度输入信息，其中所述的弹性体为弹性材料构成的可以含有或在表面设置有应变仪的具有适于应变测量的形状的弹性整体，所述的应变仪提供与形变相应的测量信号，所述的触压板通过连接元件或所述的弹性体得到所述支持结构的支撑；

其特征在于，至少有一个所述的触压板获得的所述支持结构的全部支撑都经由某一所述弹性体4，该弹性体的部分部位直接或间接与所述触压板连接并支撑该触压板，该弹性体的另外部位直接或间接与所述支持结构3连接并获得支撑，在该弹性体上或者在该弹性体连结而成的传递支撑力的弹性体组上，同时既带有测量其所受力或所受剪切力的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂，又带有测量其所受两种或更多不同轴向力矩或扭矩的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂。

在一般情况下，可以在单独一块弹性体上同时既带有测量其所受力或所受剪切力的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂，又带有测量其所受不同轴向力矩或所受扭矩的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂。

所述的应变仪可以是通常的应变片，也可以是其他应变敏感元件或材料；所述的弹性体也可以是带有应力敏感p-n结的半导体材料；所述的弹性体可以是由单块材料构成的，也可以是由多块同质材料紧密结合而成的。所述触压板可以与所述弹性体通过焊接或铆接或粘合或其他方式连接在一起，甚至可以由一块原材料直接成形为彼此结合的构型。

通过以上安排，所述触压板受到的触压力都会传递到并经由某一弹性体，体现为该弹性体所受应力，单个弹性体应力便于测量，其所受各种干扰十分集中，便于用应变仪桥式电路排除或降低，非常有利于提高测量效果。

本发明的信息输入装置，可以带有内置的或外接的与所述传感器或应变仪相连的信号或数据检测或传输或计算或处理或校正或显示信息的线路或装置。

根据相关弹性体所受力和力矩的测量信号数据，处理装置可以计算出触压板上触压力的位置和大小，输入相应信息。

本发明的信息输入装置所述的弹性体或弹性体组可以为梁形或筒形或杆形或柱形或X形或S形或L形或N形或H形或U形或板环式或截面为工字形或开有槽孔。

本发明的信息输入装置所述的弹性体可以为带或不带折弯的横梁，带有沿上下对应表面或两侧对应表面轴向方向直着敷设的或斜向方向斜着敷设的测量其所受力矩或所受扭矩的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂，或者带有沿轴向上表面或下表面轴向敷设的或在两侧对应表面斜向敷设的测量其所受力或所受剪切力的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂。

本发明的信息输入装置在所述的支持结构或壳体上可以带有阻挡或限制所述触压板或所述弹性体在外力过大时过度移动或形变的构型或元件8。

这样可以防止弹性体或其他元件发生范性变形而降低测量精度。

在所述的支持结构或壳体上也可以带有阻挡或限制所述触压板或其他连接元件向平行于触压板表面的水平方向偏移的边框或构型或元件。

本发明的输入装置所述的触压板的表面或部分表面可以带有提示不同字符或区域的平面的或带凸凹的图形。

本发明的输入装置可以带有声音信号或光学信号发生或显示装置，以提示触压力的不同或触压位置的不同或输入信息的不同或输入方式的不同。

本发明的信息输入装置在所述的壳体上可以带有进行零触压力校正或者标准触压位置或键位校正操作的按键或开关或旋钮。所述的处理装置可以具有“调零”或“对位”的程序，方便该装置的调试或使用。

本发明还包括一种信息输入方法，包括：

设置可以在其表面不同位置接受触压的触压板、直接或间接与触压板连接的包含弹性体和应变仪的力敏传感器、以及对其支撑的支持结构和壳体，令所述的触压板获得的所述支持结构或壳体的全支持结构和壳体，令所述的触压板获得的所述支持结构或壳体的全部支撑都经由某一所述弹性体，该弹性体的部分部位直接或间接与所述触压板连接并支撑该触压板，该弹性体的另外部位直接或间接与所述支持结构或壳体连接并获得支撑；

在该弹性体上或者在该弹性体连结而成的弹性体组上，同时设置测量其所受力或所受剪切力的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂，以及测量其所受不同轴向力矩或所受扭矩的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂；并安排与所述应变仪相连的信号或数据检测或传输或处理的线路或装置；

在触压板受到触压时，根据各应变仪的测量数据，计算或判断弹性体所受力的数值以及所受不同轴向力矩或扭矩的数值或者它们的比值或触压力的位置，并按照预先安排或调试实测的数据，判断输入信息。

本发明的信息输入方法，还可以包括：

在所述的数据处理线路中设置模拟除法器或乘法器或除法器线路，其输入为弹性体所受力矩或扭矩以及所受力，其直接输出为力矩或扭矩与力之比，根据弹性体所受力的数值以及所受力矩或扭矩与所受力的比值或触压力的位置，并按照预先安排或调试实测的数据，判断输入信息。

在点击输入时，可以按照预定标准，由处理器根据触压点的坐标位置以及触压力的力度或变化(包括力度的峰值、相邻峰值的时间间隔、峰值与峰谷之差、触压点位置的变化)，判断点击是否有效，点击为单次还是多次，以及代表的输入信息，并送入接口电路；

可以对点击的力度划分不同标准的范围，同一位置的点击，力度处于不同范围时，可以代表不同的输入信息或指令。

本发明还可以包括：以上任何一种所述的信息输入装置或所述的信息输入方法可以应用于键盘或手写板或鼠标或控制器或电脑或PDA或笔记本电脑或电子词典或电子图书或手机或手腕手机或数码相机或其他装置。

本发明的信息输入装置可以为手写板，此时所述触压板表面应该光滑，适于书写物或手指滑动触压，书写物或手指滑动触压的轨迹将被检测计算并输入。

本发明的信息输入装置可以为鼠标或光标控制器，此时光标将随着手指在触压板上的移动而在屏幕上移动，当手指的触压力超过一定范围时，被视为左键点击光标，当手指的触压力超过更高范围时，被视为右键点击光标。

从以上说明可以看出，本发明的方案允许输入信息的触压板仅仅由一个传感器弹性体(或弹性体组)来支撑，利用相应的应变仪同时测量该弹性体所受应力和力矩或扭矩，判断触压点及输入信息，不仅构造更为简单坚固，而且对单一传感器弹性体(或弹性体组)进行测量，更容易保证其几种测量的同步性，动态性能、温度和其他干扰的一致性，因而可以利用桥式电路排除或大大降低环境影响，将测量的精度和稳定性提高大约一个数量级，使微型触压板输入装置的键位的密度和分辨精度以及可重复性明显提高，体积进一步缩小，更适于单手操作，使用更为方便准确可靠，效果十分显著。

(四)附图说明：

图1为本装置的实施例1的局部剖视示意图。

图2为本装置的实施例1的传感器放大的外观示意图。

图3为本装置的实施例2中的L梁形传感器放大的外观示意图。

图4为桥式电路A的电路示意图。

图5为桥式电路B的电路示意图。

图6为桥式电路C的电路示意图。

图7为桥式电路D的电路示意图。

图8为本装置的实施例1的电路原理示意图。

其中1为触压板，2为壳体，3为支撑结构，4为弹性体，5为连接元件，6为托板，7为应变仪，8为限位元件，9为槽孔，10为连接螺孔，11、12、13、14为测力的各应变仪，15、16、17、18为测量以Y轴为旋转轴的力矩的各应变仪，19、20、21、22以及23、24、25、26分别为测量以X轴为旋转轴的力矩的不同组的应变仪，U为桥式电路的电源电压，U。为桥式电路的信号输出电压。

(五)具体实施方式：

本发明的装置，由可以在其表面不同位置接受触压的一个或多个触压板1、直接或间接与触压板连接的包含弹性体和应变仪7的力敏传感器、支持结构3和壳体2等部分组成，所述装置通过测量和判断所述触压板所受触压的位置或者位置和力度输入信息，其中所述的弹性体为弹性材料构成的可以含有或在表面设置有应变仪的具有适于应变测量的形状的弹性整体，所述的应变仪提供与形变相应的测量信号，所述的触压板通过连接元件或所述的弹性体或其他元件得到所述支持结构或壳体的支撑。

在正常测量工作状态下，至少有一个所述的触压板获得的所述支持结构或壳体的全部支撑都经由某一所述弹性体4，该弹性体的部分部位直接或间接与所述触压板连接并支撑该触压板，该弹性体的另外部位直接或间接与所述支持结构3或壳体连接并获得支撑，在该弹性体上或者在该弹性体连结而成的传递支撑力的弹性体组上，同时既带有测量其所受力或所受剪切力的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂，又带有测量其所受两种或更多不同轴向力矩或扭矩的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂。

在一般情况下，可以在单独一块弹性体上同时既带有测量其所受力或所受剪切力的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂，又带有测量其所受不同轴向力矩或所受扭矩的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂。

所述的应变仪可以是通常的应变片，也可以是其他应变敏感元件或材料；所述的弹性体也可以是带有应力敏感p-n结的半导体材料；所述的弹性体可以是由单块材料构成的，也可以是由多块同质材料紧密结合而成的。所述触压板可以与所述弹性体通过焊接或铆接或粘合或其他方式连接在一起，甚至可以由一块原材料直接成形为彼此结合的构型。这样，所述触压板受到的触压力都会传递到并经由某一弹性体，体现为该弹性体所受应力，单个弹性体应力便于测量，其所受各种干扰十分集中，便于用应变仪桥式电路排除或降低，非常有利于提高测量效果。

本发明的信息输入装置，带有内置的或外接的与所述传感器或应变仪相连的信号或数据检测或传输或计算或处理或校正或显示信息的线路或装置，这样根据相关弹性体所受力和力矩的测量信号数据，处理装置可以计算出触压板上触压力的位置和大小，输入相应信息。

实施例1(参见图1)为本发明的一种用于微电脑等设备的微型外接式触压输入键盘，其中，接受触压的触压板1经过托板6、连接元件5以及传感器的带12个片状应变仪的一根横梁式铝质弹性体4、连接该弹性体的支撑结构3和壳体2得到支撑；在壳体上有功能按键；触压板1有60个标示各个键区的字符和方格以及靠滑动触压控制光标或书写输入的光滑区；以该触压板表面为直角坐标系，弹性体4上敷设的应变仪15、16、17、18组成测量以Y轴为旋转轴向的力矩的桥式电路B(图5)，应变仪19、20、21、22测量以X轴为旋转轴向的力矩的桥式电路C(图6)，应变仪11、12、13、14组成测向下力的桥式电路A(图4)；该壳体底部带有限位元件8，以防止弹性体或其他元件发生范性变形而降低测量精度。

与实施例1的传感器的横梁式(梁形)铝质弹性体不同，其他实施例使用的传感器的弹性体或弹性体组也可以分别为筒形或杆形或柱形或X形或S形或L形或N形或H形或U形或板环式或截面为工字形或开有槽孔。

实施例1或其他实施例的装置的触压板的表面或部分表面可以带有提示不同字符或区域的平面的或带凸凹的图形。

这样，该输入装置适于作为键盘使用。触压板表面的凸凹图形，有利于改善手感。必要时，触压板可以带有弹性元件或弹性材料，以提高点击的舒适性。

实施例1装置带有声音信号信号发生或显示装置，以提示触压力的不同或触压位置的不同或输入信息的不同或输入方式的不同。

实施例1的壳体上带有进行零触压力校正或者标准触压位置或键位校正操作的按键。

实施例1的电路(参见图8)除了上述传感器的桥式电路A、桥式电路B、桥式电路C(分别标示为电桥A、电桥B、电桥C)，还包括与其相连的运算放大器、采样保持与模数转换电路、对测量数据进行计算、分析、判断的处理器以及用于与外部计算机相连接的接口电路及电缆等。

实施例1的装置的信息输入的逻辑顺序为：

(i)启动开关，各桥式电路的输出信号经过运算放大器放大后进入采样保持与模数转换电路；

(ii)处理器根据每一时刻力、Y轴力矩、X轴力矩的数据计算出Y轴力臂(Y轴力矩与力之比)、X轴力臂(X轴力矩与力之比)，判断出触压点的坐标及触压力的力度或变化；

(iii)按照预定标准，由处理器根据触压点的坐标位置以及触压力的力度或变化(包括力度的峰值、相邻峰值的时间间隔、峰值与峰谷之差、触压点位置的变化)，判断点击是否有效，点击为单次还是多次，以及代表的输入信息，并送入接口电路；

(iv)输入信息经过接口电路编码，经由外接电缆输入外接计算机；

(v)在无触压状态并按动调零按键时，处理器将此时力的测量数据为基准，其后触压时，以力的测量数据的增量作为触压力进行计算；

按动标准触压位置或键位校正操作的按键时，处理装置可以按照“对位”的程序，记忆标准触压位置或键位坐标的误差，在其后的触压点坐标计算中，自动修正或补偿；

在按动功能键进入书写状态时，(i)、(ii)步骤同上，(iii)为按照预定标准，滑动触压力超过预定最低值时，其触压点的坐标值的连续系列数据将被记录并通过接口电路送往计算机，这样，书写物或手指滑动触压的力的中心点轨迹将被输入；

作为鼠标或光标控制器时，与书写输入类似，光标将随着手指在触压板上光滑区的移动而在屏幕上移动，当手指的触压力超过一定范围时，被视为左键点击光标，当手指的触压力超过更高范围时，被视为右键点击光标。

在实施例1或其他实施例的也可以设置模拟除法器或乘法器或除法器线路，其输入为弹性体所受力矩或扭矩以及所受力，其直接输出为力矩或扭矩与力之比，根据弹性体所受力的数值以及所受力矩或扭矩与所受力的比值或触压力的位置，并按照预先安排或调试实测的数据，判断输入信息。

实施例2也是一种用于微电脑等设备的微型外接式触压输入键盘，基本构造与工作方式与实施例1基本相同，区别在于使用的传感器弹性体为L梁形(参见图3)，两端有用来连接支撑结构3和连接元件2的连接螺孔10，该弹性体上敷设的片状应变仪11、12、13、14组成测力的桥式电路A(图4)，应变仪15、16、17、18组成测量以Y轴为旋转轴向的力矩的桥式电路B(图5)，位于横梁折弯短臂上的应变仪23、24、25、26组成测量以X轴为旋转轴向的力矩的桥式电路D(图7)。

实施例3为一种使用大大缩小的类似实施例1的输入键盘的可选用两种输入方式的手腕手机，其键盘的处理器与手机主机为同一处理器；在其触压板(约一张邮票大小)点击输入时，触压力为40-60克时，输入的是电话号码；为10-25克时，输入的是一部分字母；为25-40克时，输入的是另一部分字母。触压力不同时，内部的音响器会发出不同的音调的提示音。在其触压板上，可以用笔或手指甚至姆指进行书写输入，此时输入的将是姆指触压力中心的轨迹或笔划。

Claims (9)

1.一种带有触压板的信息输入装置，至少包括可以在其表面不同位置接受触压的一个或多个触压板、直接或间接与触压板连接的包含弹性体和应变仪的力敏传感器、支持结构和壳体，所述装置通过测量和判断所述触压板所受触压的位置或者位置和力度输入信息，其中所述的弹性体为弹性材料构成的可以含有或在表面设置有应变仪的具有适于应变测量的形状的弹性整体，所述的应变仪提供与形变相应的测量信号，所述的触压板通过连接元件或所述的弹性体得到所述支持结构的支撑；

其特征在于，至少有一个所述的触压板获得的所述支持结构的全部支撑都经由某一所述弹性体，该弹性体的部分部位直接或间接与所述触压板连接并支撑该触压板，该弹性体的另外部位直接或间接与所述支持结构连接并获得支撑，在该弹性体上或者在该弹性体连结而成的传递支撑力的弹性体组上，同时既带有测量其所受力或所受剪切力的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂，又带有测量其所受两种或更多不同轴向力矩或扭矩的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂；

本装置带有内置的或外接的与所述传感器或应变仪相连的信号或数据检测或传输或计算或处理或校正或显示信息的线路或装置，用以根据相关弹性体所受力和力矩的测量信号数据，计算出触压板上触压力的位置和大小，输入相应信息。

2.按照权利要求1所述的信息输入装置，其特征在于所述的弹性体或弹性体组为梁形或筒形或杆形或柱形或X形或S形或L形或N形或H形或U形或板环式或截面为工字形或开有槽孔。

3.按照权利要求1所述的信息输入装置，其特征在于所述的弹性体为带或不带折弯的横梁，带有沿上下对应表面或两侧对应表面的轴向方向直着敷设的或斜向方向斜着敷设的测量其所受力矩或所受扭矩的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂，或者带有沿轴向上表面或下表面轴向敷设的或在两侧对应表面斜向敷设的测量其所受力或所受剪切力的应变仪或应变仪组或构成桥式电路的应变仪桥臂。

4.按照权利要求1所述的信息输入装置，其特征在于所述的支持结构或壳体上带有阻挡或限制所述触压板或所述弹性体在外力过大时过度移动或形变的构型或元件。

5.按照权利要求1所述的信息输入装置，其特征在于所述的触压板的表面或部分表面带有提示不同字符或区域的平面的或带凸凹的图形。

6.按照权利要求1所述的信息输入装置，其特征在于所述的壳体上带有进行零触压力校正或者标准触压位置或键位校正操作的按键或开关或旋钮。

7.一种利用触压板的信息输入方法，其基于权利要求1所述的装置，包括在触压板受到触压时，根据各应变仪的测量数据，计算或判断弹性体所受力的数值以及所受不同轴向力矩或扭矩的数值或者它们的比值或触压力的位置，并按照预先安排或调试实测的数据，判断输入信息。

8.按照权利要求7所述的信息输入方法，包括在所述的数据处理线路中设置模拟除法器或乘法器或除法器线路，其输入为弹性体所受力矩或扭矩以及所受力，其直接输出为力矩或扭矩与力之比，根据弹性体所受力的数值以及所受力矩或扭矩与所受力的比值或触压力的位置，并按照预先安排或调试实测的数据，判断输入信息。

9.如权利要求1至6所述的任意一个信息输入装置，其特征在于该装置可以应用于键盘或手写板或鼠标或控制器或电脑或PDA或笔记本电脑或电子词典或电子图书或手机或手腕手机或数码相机。

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