CN101008878A - 个人移动信息设备超声指书手写输入装置 - Google Patents

Abstract

一种用于个人移动信息设备的超声指书手写输入装置，主要用于在手机等个人移动信息设备键盘的表面实现指书方式的手写输入，同时保留键盘。该装置包含有两只声波接收器和一只超声波发射器以及与其配合的信号处理和发射驱动电路，以及以微处理器为核心的数据处理系统，还包含有一套用于检测手指是否接触到作为支撑底板的键盘表面的触摸检测系统。这里的触摸检测系统或是利用人体电阻、分布电容等参数，通过布设在键盘表面的导电层，或者利用手指反射红外线的方式，来实现触摸检测。本发明还可以与号码为ZL00133388.7的中国专利所公开的技术方案相结合，实现在键盘表面和机身外部空间双重的指书/手写笔等多重方式的手写输入。

Description

个人移动信息设备超声指书手写输入装置

技术领域

本发明属于计算机手写输入技术领域，尤其是应用于无线电话等个人移动信息设备等产品上的手写输入技术领域。

技术背景

现有的个人移动信息设备的手写输入输入技术主要使用电阻触摸屏技术，目前市场上已经有多种使用电阻触摸屏技术实现手写输入功能的个人移动信息产品，如部分手机和PDA。电阻触摸屏技术是上世纪后半期的技术，如美国专利US5283558号所公布的技术方案，以及该专利所参考的其他专利文件所公布的技术方案。虽然电阻触摸屏技术比较成熟且被广泛应用，但是其本身的特点决定了这种技术应用也有一些本身难以克服的缺点，尤其是应用在无线电话(手机)等一些体积较小的个人移动信息设备上，主要表现在以下两个方面：第一，由于手机等设备的体积很小，所以没有足够大的面积安装触摸屏，只能通过取消键盘的方式来安装。但是对于使用者来说，在进行一些简单的操作，如打电话的时候，使用键盘拨号远比使用触摸屏更方便，尤其是键盘的触感是触摸屏所无法模拟的，这样就给使用者带来了不少不便之处。第二，触摸屏的表面比较脆弱，抗暴力很差，容易因划伤、磨擦而损坏，缩短设备的使用寿命。第三，触摸屏必须要有承载额底板，所以尺寸不能超出设备本身的尺寸，因此一般手写的面积都很小。

号码为..ZL00133888.7的中国专利公布了一种利用超声波手写输入技术实现手机等个人移动信息设备手写输入的技术方案，包括了使用主动发射超声波和反射超声波两大类技术方案。虽然超声波手写输入技术解决了上述问题，但是这些技术方案都需要一只专用的手写笔来实现手写输入功能，这就给携带和保管带来了一定的麻烦：而且无论是主动发射超声波还是反射超声波的手写笔，如果要实现完整的功能，手写笔内都需要安装电池，所以又给使用带来了很多不便，因此也不是很完美的技术方案。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，公开了一种不需要手写笔而只依靠使用者的手指，来实现在手机等个人移动信息设备上实现手写输入的技术方案。因为正常的手指都有指甲，而指甲又是超声波良好的反射体，因此本发明就是利用指甲反射超声波的原理，在现有超声波手写输入技术的基础上实现了本发明的目的。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

本装置包含有两只安装在设备壳体表面内部的超声波接收器和一只超声波发射器，以及与所述接收器相配合的信号处理电路和与发射器相配合的发射驱动电路、一套以微处理器系统为核心的用于计算反射点坐标的数据处理系统；本发明的关键点在于：在所述电路中还包含有一套触摸传感系统，在该系统中包含有触摸传感器和与其相配合的触摸信号处理电路；所述触摸传感系统的输入端，与所述触摸传感器相连接，输出端是触摸信号处理电路的输出端，该输出端通过I/O端口与所述微处理器系统相连接；所述触摸信号处理电路中包含有相连接的滤波、放大单元。

如果对于手机等设备键盘表面的应用，则超声波发射器和接收器的发射和接收面均面向所述设备的操作键盘所在的方位；所述发射器所发射超声波的出口和接收器的和接收的超声波的入口，均位于所述操作键盘所在表面边缘的凸起处、在操作键盘时面向键盘所在方向的表面上；所述的触摸传感系统的传感单元，是附着在选定的按键及其所在区域的壳体的外表面的导电层，并且所述按键表面的导电层与所述壳体表面的导电层互相连通成为一个导电面。在这种使用方法和安装结构下，所述触摸触感系统可以是一个由微处理器系统通过其I/O端口控制的电源，经由人的双手通过人体在电源的输出端与设备壳体的导电层之间构成回路；也可以是振荡电路，将振荡器的谐振回路的部分元件的引线端口连接到导电层，利用人体的分布电容来改变振动状态或频率：或者将振荡器的输出端与一个高输入阻抗的放大单元的输入端通过分压网络相连接，导电层与所述放大单元的输入端相连接，触摸时利用人体电容参与分压；或者仅仅是一个高输入阻抗放大单元，利用周围空间内无处不在的无线电波在人体上的感应，来实现手指对键盘表面触摸的检测，达到区分书写时抬笔与落笔的目的。

另外的触摸传感方案是使用红外技术。如果在键盘表面使用，则红外发射和接收管与所述超声发生器和接收器安装在所述壳体的同一表面，并且与前面叙述使用导电层检测触摸的方式时的安装位置相同；但是使用红外技术来检测触摸状态，则还可以将全部的超声和红外换能器安装在设备壳体的侧面，脱离键盘表面也能实现指书书写输入的目的。

从上面的叙述可以看到，本发明不仅解决了现有技术所存在的问题和不足，在保留了键盘、省略了手写笔的情况下实现了手写输入，还能与ZL00133388.7所公开的技术相结合，仅仅增加一套安装在设备壳体侧面的换能器通过软硬件的切换，就能实现在键盘表面和设备外测双重的手写输入模式，为方便使用者在不同场合选择最方便的手写输入方式提供了可能。

附图说明

图1：超声波换能器在折叠式手机上的安装结构和使用方式示意图

图2：本发明的电路结构的示意方框图

图3：使用受控直流电源的触摸检测原理示意图

图4：使用受控直流电源的触摸检测原理示意图

图5：使用受控电源的触摸检测操作示意图

图6：使用振荡器实现触摸检测的原理示意图

图7：一种用于接收人体感应信号实现触摸的场效应放大器的示例电路原理图

图8：一种用于接收人体感应信号实现触摸的双极型放大器的示例电路原理图

图9：一种用于触摸检测的振荡器的原理图

图10：另外一种用于触摸检测的振荡器的原理图

图11：一种使用门电路构建振荡器用于触摸检测的电路的原理图

图12：使用红外发射接收管构成触摸检测系统的结构示意图

图13：红外发射和接收管在折叠式手机键盘前方表面的安装结构示意图

图14：图13所示安装结构的侧面透视示意图

图15：超声波换能器和红外发射接收管在侧面的安装结构示意图

图16：一种换能器在平板结构的设备的键盘前方的安装方式示意图

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的一些实施示例，尤其是关于触摸检测系统的一些可使用的实施方案。

图1是本发明在类似于可折叠的翻盖式手机的结构的设备上的安装结构示意图，并且该示意图所表现的是使用导电层作为触摸检测传感器的技术方案。图中，超声波发射器所发射超声波的出口105和两个接收器接收的超声波的入口106、107，均位于所述操作键盘前方的边缘的凸起处、在操作键盘时面向键盘所在方向的表面上，使得手指108的指甲能够有效地反射超声波。这样，超声波发射器和两个接收器也应当安装在手机上盖102和机身101之间的结合处。用作触摸传感器的导电层，位于选定的按键104及其所在区域的壳体的外表面上，如图中虚线109所包围的区域，并且按键表面的导电层与所述壳体表面的导电层互相连通成为一个导电面。实现这个目的的方法，可以使用金属材料制作选定的按键部分面板和按键的键帽，或者在键帽上和这部分面板的内外表面涂覆导电材料。在这种应用模式下，因为设备的显示屏103位于上盖102上，因此可以使用全部按键所在的区域作为指书输入的区域，以得到最大的输入面积；也可以根据实际使用的方便性选择部分按键所在的区域作为指书输入的区域，如图中虚线109所包围的区域就不是全部键盘的表面。

图2是本发明的电路原理结构图。图中的微处理器系统(MPS)210是包含在所述设备中的微处理器系统，该系统通过I/O端口控制超声波发射电路单元204驱动超声波发射器201发射超声波；一路超声波接收器203经过放大单元205、滤波单元206、整形、电平适配单元207，连接到微处理器系统额一个I/O端口上，另一路接收器202所配合的电路与之相同。在微处理器系统内，还包含有两个计数器单元211、212；微处理器系统通过端口213与设备的其他部分相连接。这部分的详细工作原理可以参见前述的中国专利ZL00133388.7的及其参考专利文件所包含内容。与现有技术不同的地方在于：本发明使用传感器208和与其配合的触摸检测系统209来实现书写时抬笔和落笔的检测，或者说是抬指和落指的检测，因此这部分内容是本发明的主要技术内容，有多种技术方案可供选择。

图3和图4是实现触摸检测的两种具体电路原理。在这两幅图中，都有一个通过I/O端口被微处理器系统控制的电源304和401，只不过一个是直流电源304，另一个是交流电源401。如果是直流电源，它的输出端与所述设备壳体的外表面上、位于导电层范围之外的电极303相连接，当人体的不同部位接触到这个电极和作为触摸传感器的导电层302时，人体的电阻301就在电源与信号处理电路305之间构成了一个回路；这样，在信号处理电路305内部包含的放大单元应该是直流放大器，而滤波单元则应是低通滤波器，以滤除直流分量以外的其它干扰信号。如果是图4所示的交流电源，则上述的电极303还可以安装在所述外壳的内表面额所述部位上，利用人体与电极303之间的电容402来传递信号，这样就可以方便使用者握持设备的手带着手套等情况下实现书写功能。这时与其配合的放大器应该是交流放大器，并且使用与所述交流电源的频率相配合的带通滤波器滤除干扰。图5给出的是所述电极501在壳体101上的一种安装位置示意图以及双手操作时握持设备的示意图，图中502表示人体的另外一只手。当然可以选择外壳上任何方便操作的位置安装该电极，或者安装多个电极。如果使用交流电源，可以只在外壳的内表面安装(图中未画出)，或者内外表面都安装。这里如果在外壳的外表面安装电极，则电源的电压应该是安全电压，最高不要超过36V，尤其是使用交流电源的情况下，人体对交流电比直流电更敏感。如果使用交流电源且只有壳内电极，则可以是当提高电压以确保触摸检测的可靠性。一般来说，只要通过人体回路的电流达到1μA左右，就足够保证检测的可靠性，因此电源的输出电压可以以此为标准来设定。

图6是使用受控的振荡器作为核心单元的触摸检测系统的原理示意图。与图6相适应的几种振荡器或者检测电路的电路图见图9、图10和图11。在图9中，晶体管T91与电容器C91、C92、C94和电感L91构成了一个振荡器，导电层302与谐振元件C91和L91端口的连接点相连接，适当调整电路参数，当人体触摸到传感器302时，振荡器停振，振荡器的一个输出端与后面触摸信号处理电路901的输入端相连接，信号检测处理回路901在检测到停振后，输出相应的信号到微处理器的I/O端口，实现触摸检测的功能。这里。图中C93是高频信号旁路电容，电阻R91和R92为晶体管T91提供偏置，R93和R94分别是是T91的负载电阻和负反馈电阻。

图10给出的也是一个受外界环境影响的振荡电路的电路原理图。图中晶体管T101和电容器C101、C102和C103、电感器LI01以及电阻R101共同构成了一个振荡器；导电层302与该振荡器的输出端，即晶体管T101与谐振电容的连接端相连接，当有手指触摸到传感板302表面时，振荡频率将发生变化甚至停振，超出后面连接的带通滤波器1001的带宽，这样后面的信号处理电路1002检测到这个变化后，输出相应的信号到微处理器的I/O端口。图中的电阻R102同样是T101的负反馈电阻，也是振荡信号的输出端。

图11是利用人体分布电容分压的原理来实现触摸检测目的的电路原理图。图中由反向器U111、电阻R111和电容器C111构成了一个方波振荡器，振荡信号通过电容C112输出到由电位器R112和电阻R113、R114构成的分压网络，后面放大单元中场效应晶体管T111的输入端，即触摸检测系统的输入端通过电阻R115连接在这个分压网络上，并且与传感板302相连接。当有手指触摸到传感器302表面时，人体的分布电容参与分压，导致T111输出脉冲幅度减小，后面由二极管D111、电阻R117、电容C113构成的检波电路输出的平均值降低。后面信号处理电路的其他部分1101检测到这个变化后，输出相应的信号到微处理器的I/O端口。图中R116是场效应管T111的负载电阻。

图9一图11给出的电路都是被微处理器系统通过其I/O端口所控制的，使其在需要手写输入功能时才开启。但是图中没有给出。因为能够实现这种控制的电路连接结构非常多，比如控制电源供给、控制晶体管的偏置、控制振荡回路元件的通断等等，都可以实现既控制工作状态又节约电能的目的。另外，图9-图11给出的是三种不同检测原理的概念，即：利用人体的分布电容，或者将其作用在与振荡回路的关键元件相连接的触摸传感器上，使其停振或者产生频率偏移，或者将其通过传感器作用在高阻抗放大器的输入端，利用其分压(分流)作用，改变输入到放大单元的交流电压的幅值，然后通过后续的信号处理电路检测出这些变化，传送到微处理器系统中，实现触摸事件的检测。但是在实际应用，能完成这类功能的电路干差万别，数不胜数，无法在此一一列举，因此只能用几个示例来说明其基本原理。

图7、图8给出的是两种利用人体的静电以及空间中无处不在的无线电波在人体的感应，实现触摸检测的电路的输入单元，其中图7使用场效应管T71作为输入极，既适用于检测人体感应的杂散无线电信号，也能检测人体所戴的静电；图8使用双极型晶体管T81作为输入极，更适合检测人体感应的杂散无线电信号。这时触摸检测系统的输入端是所述放大单元的输入端，也是所述触摸信号处理电路的输入端。这个电路要求放大单元的输入阻抗很高，一般要达到较好的见检测效果，输入极的输入阻抗不要低于50kΩ，因此电阻R71、R81的取值应该不小于100kΩ。R72是T71的负载电阻也是T72的偏流电阻；R73是T72的负载电阻，同时与C71构成了输出滤波电路，将杂散的高频信号转变为较为平滑的直流信号，送到后面的放大和电半适配单元701的输入端，经该电路处理后送到微处理器的I/O端口。图8中电阻R82和R83分别是晶体管T81和T82的负载电阻，电容器C81的作用与C71相同。这种电路具有结构最简单的特点，但受环境影响较大，比较适合如笔记本电脑、手机等自身有一定电磁辐射额设备使用。事实上，这种电路是前述内置交流电源结构的一种变形。与图9-图11相类似，图7——图8所示的这类电路的具体连接结构也是千变万化的，在此也只能通过示例给出其基本原理。

图12是使用红外发射接收元件构建触摸传感系统的原理示意图。图中红外发射管1201在被微处理器系统通过I/O端口控制的驱动电路1202驱动下发射红外脉冲，被使用者手指甲的尖端反射以后，被红外接收管1203、1204接收后，送到信号处理电路1205中处理后送回到微处理器系统的I/O端口。红外发射和接收电路已经是很成熟的技术，有很多种具体电路结构，还要有如CX20106A、TDA3048等专用红外接收芯片的电路原理可供参考选用。使用红外技术构成检测触摸系统，这种结构要求红外发射和接收管与所述超声发生器和接收器安装在所述壳体的某个同一表面。图13给出了键盘前方的表面使用红外方式实现触摸检测任务时，红外发射和接收元件的安装结构和位置，以及和超声传感器之间的位置关系的示意图。图中超声发射器所发射超声波的出口和接收器接收的超声波的入口，以及所述的红外发射和接收管，均位于所述操作键盘前方的边缘的凸起处，在操作键盘时面向键盘所在方向的表面上。红外发射管的发射窗口1301的位置靠近键盘边缘的中部，即手机的上盖和外壳之间相连接的铰链处，以获得最宽广的发射覆盖范围。在一般情况下，只需要一只红外接收管就可以实现触摸检测的目的，但是为了获得较好的接收效果，在图13中在发射窗口1301的两边设置了两个红外接收窗口，分别与图12中的两只并联的接收管1203和1204相对应。如果使用红外方式来检测用手指写字时与底板的触摸状态，那么可用的书写范围就不仅仅限制在键盘前方的表面了，图15给出了一种安装在所述设备的一个侧面超声指书手写输入传感器的安装结构，其中红外发射和接收管被安装在覆盖有红外滤色材料的窗口1501之内。

如果在一部个人移动信息设备上同时在图13所示的位置和图15所示的位置安装有两套超声和红外换能器，那么就能够实现在键盘表面和机身外部空间双重的指书式手写输入：或者与ZL00133388.7专利所公开技术方案相结合，实现指书/手写笔等多种方式的手写输入。

图14是对图13所示的红外发射和接收管的安装结构更详细的说明。由于人在用手指书写的时候，断笔时虽然手指离开了键盘表面等等效于底板的平面，但是抬起的高度并不高，因此要求用于检测手指触摸底板的红外线的有效检测高度尽可能小，或者说通过红外发射或者接收管1401的光轴1403和检测窗口1402的红外线，在键盘表面的高度H应该尽可能小，以防止出现提笔不干净的现象而影响使用效果。同样，这个要求也适用于图15所示的安装结构，尽量使红外线贴近于用作支撑手指的底板。

图16是本发明的装置在平板结构的设备的键盘前方的安装方式示意图，适用于采用导电层作为触摸传感器和使用红外线作为触摸传感器两种情况。这时可以将键盘前方的边缘处的一部分壳体1601，设计成为可以向键盘前方的方向旋转成一定角度的活动部分，当这部分壳体围绕转轴1602向键盘表面方向旋转成一定角度后，即可形成用于安装由红外元件和窗口光学材料构成的光学组件1603，以及超声波换能器1604。

如果在一部个人移动信息设备上同时在图1、图13所示的位置和图15所示的位置安装有两套超声波换能器，以及包括导电层、红外组件在内的用于触摸检测的传感器及其电路，以及，那么本发明还可以与ZL00133388.7号中国专利所公开的技术方案相结合，实现在键盘表面和机身外部空间双重的指书/手写笔等多种方式的手写输入。

Claims (10)

1.一种用于个人移动信息设备的超声指书手写输入装置，包含有两只安装在设备壳体表面内部的超声波接收器和一只超声波发射器，以及与所述接收器相配合的信号处理电路和与发射器相配合的发射驱动电路、一套以微处理器系统为核心的用于计算反射点坐标的数据处理系统；

其特征在于：在所述电路中还包含有一套触摸检测系统，在该系统中包含有触摸传感器和与其相配合的触摸信号处理电路；所述触摸检测系统的输入端，与所述触摸传感器相连接，输出端是触摸信号处理电路的输出端，该输出端通过I/O端口与所述微处理器系统相连接：所述触摸信号处理电路中包含有相连接的滤波、放大单元。

2.根据权利要求1所述的超声指书手写输入装置，其特征在于：所述发射器所发射超声波的出口和接收器接收的超声波的入口，均位于所述操作键盘所在表面边缘的凸起处、在操作键盘时面向键盘所在方向的表面上；所述的触摸检测系统的传感单元，是附着在选定的按键及其所在区域的壳体的外表面的导电层，并且所述按键表面的导电层与所述壳体表面的导电层互相连通成为一个导电面。

3.根据权利要求2所述的超声指书手写输入装置，其特征在于：在所述触摸触感系统中还包含有一个由微处理器系统通过其I/O端口控制的直流电源；该电源的输出端与所述设备壳体的外表面上、位于所述导电层范围之外的电极相连接；所述信号处理电路中的放大单元是直流放大器；所述滤波器是低通滤波器。

4.根据权利要求2所述的超声指书手写输入装置，其特征在于：在所述触摸触感系统中还包含有一个由微处理器系统通过其I/O端口控制的交流电源；该电源的输出端与所述设备壳体的内表面或者外表面上、位于所述导电层范围之外的电极相连接；所述信号处理电路中的放大单元是交流放大器，所述滤波器是与所述交流电源的频率相配合的带通滤波器。

5.根据权利要求2所述的超声指书手写输入装置，其特征在于：所述触摸检测系统的输入端是所述放大单元的输入端，也是所述触摸信号处理电路的输入端；该放大单元的输入阻抗不低于50kΩ。

6.根据权利要求2所述的超声指书手写输入装置，其特征在于：在所述触摸检测系统中还包含有一个由微处理器系统控制的振荡器；所述触摸检测系统的输入端是该振荡器的谐振回路元件的一个端口，该端口与所述导电层相连接；所述振荡器的一个输出端，与所述触摸信号处理电路的输入端相连接。

7.根据权利要求2所述的超声指书手写输入装置，其特征在于：在所述触摸检测系统中还包含有一个振荡器；该振荡器的输出端通过一个分压网络与放大单元的输入端相连接，所述触摸检测系统的输入端是该所述放大单元的输入端，并与所述导电层相连接。

8.根据权利要求1所述的超声指书手写输入装置，其特征在于：所述触摸检测系统是一套红外发射接收系统，至少包含有一只红外发射管和红外接收管及其相配合的红外发射驱动电路和信号接收处理电路；所述红外发射和接收管与所述超声发生器和接收器安装在所述壳体的某个同一表面，所述红外发射和接收管就构成触摸传感器；所述红外信号接收处理电路构成了所述触摸信号处理电路。

9.根据权利要求8所述的超声指书手写输入装置，其特征在于：所述发射器所发射超声波的出口和接收器接收的超声波的入口，以及所述的红外发射和接收管，均位于所述操作键盘所在表面边缘的凸起处、在操作键盘时面向键盘所在方向的表面上。

10.根据权利要求8所述的超声指书手写输入装置，其特征在于：所述键盘前方、键盘边缘处的凸起，是键盘边缘处可以向键盘前方的方向旋转成一定角度的一部分壳体。

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