CN101751191B

CN101751191B - 具有电磁感应功能的电容触摸式键盘

Info

Publication number: CN101751191B
Application number: CN2009102443446A
Authority: CN
Inventors: 侯涛; 李兵; 王杰; 王红岗
Original assignee: Hanwang Technology Co Ltd
Current assignee: Hanwang Technology Co Ltd
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2029-12-29
Also published as: CN101751191A

Abstract

本发明提供了一种带有电磁感应功能的电容触摸式键盘，该键盘包括：用于建立键盘与计算机通信的连接装置，按键，印刷电路板，设置在印刷电路板上用于形成电容触摸感应区的焊接盘、用于形成电磁感应区的电磁感应天线板以及电磁感应控制电路和电容触摸控制电路；所述电磁感应控制电路与电容触摸控制电路相连；所述按键丝印在印刷电路板的表面上。本发明将电磁感应技术和电容触摸技术融合在一起，实现了既能进行触摸输入又可以使用电磁笔书写输入的计算机键盘。本发明的键盘可以完全密封起来，防尘、防水，并且易于清洁。

Description

具有电磁感应功能的电容触摸式键盘

技术领域

本发明属于计算机外部输入设备领域，涉及一种带有电磁感应功能的电容触摸式键盘。

背景技术

计算机是人类科技发展史上最重要的科技成果之一，现在已经应用的非常广泛。键盘是计算机的标准外设。目前市面上的键盘多为机械按键式键盘，更高级的还有红外式、微波感应式、光线投射式键盘等等，但是这些键盘的功能比较单一，多是方便用户输入字母。而坐标定位装置(如手写板、绘图板等)作为另一个重要的计算机外设，具有输入快捷、方便的特点，解决了不同层次人群的输入汉字、字母的难题，具有广泛的使用价值，已经成为非键盘输入的典型代表，越来越多的人接受并使用手写输入作为使用计算机的方式。

为了兼顾使用键盘的用户和使用坐标定位装置的用户，出现了集成键盘和坐标定位功能的产品。但是，这些产品仅仅是将键盘和坐标定位装置(如手写板等)简单的拼接在一起，只不过拼接的方式不同、拼接的位置不同而已，有些是将坐标定位装置放置在键盘区下方，坐标定位装置可以抽拉；有些键盘取消了数字小键盘，替而代之的是一个小的坐标定位装置等等。虽然从功能上实现了键盘和坐标定位装置的整合，但是从技术角度，这些产品都不是真正意义实现键盘和手写的技术融合。

另外，最常用的机械键盘防水、防尘以及防油污性能不高，并且难以清理附着在键盘上的污物。

目前坐标定位装置应用最广的技术是电磁式触摸技术，电磁式触摸技术由于定位精度高、可获取用于计算机录入的手写笔倾斜角度及压力信息，倍受市场青睐，被广泛应用于手写电脑、绘图屏、绘图板、手写板、手机、电子书等设备。电磁式坐标定位装置由电磁感应天线板、电磁感应控制板和电磁笔实现。电磁感应天线板上规律性的密布线圈，通过电磁感应控制板的控制处理，高速切换电磁场的发射及接收来感应电磁笔信息。具体工作原理是：电磁感应控制板通过电磁感应天线板发射电磁场，在产生的磁场范围内，内置谐振电子回路的电磁笔会积蓄到微弱的能量，通过这个能量，电磁笔向电磁感应屏发射电磁信号，电磁感应天线板接收到信号后，将其传导给电磁感应控制板，由控制板处理该信号，计算出电磁笔的坐标、倾斜角度、操作状态如速度、压感等。

近年来，电容触摸技术得到了广大厂商和用户的关注。目前电容触摸技术有两种：一是以印刷电路板PCB的焊盘PAD为触点，PAD和覆地之间存在自感应电容C_x，PCB上覆盖有一定厚度的非导电覆盖物(如塑料、玻璃等)；当用户的手指触摸到覆盖物上时，由于人体是导体，因此在手指和PAD之间将会产生感应电容C_g，这样PAD和覆地之间的电容将有所改变，从C_x变为C_x+C_g，通过检测PAD和覆地之间的电容变化，可以计算出手指的位置。另外一种电容触摸技术是：以印刷电路板的PAD为触点，PAD和PAD之间存在互感C_y，PCB上同样覆盖一定厚度的非导电覆盖物(如塑料、玻璃等)。当用户的手指触摸到覆盖物上时，PAD和手指之间将会产生感应电容C_h，影响了PAD和PAD之间的互感C_y。通过C_y的变化就可以检测出手指的位置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种既能用触摸输入进行计算机操作，也可以用电磁笔进行输入和计算机操作的计算机外围设备，并且该设备防水、防尘，易于擦拭。

为此，本发明提供了一种带有电磁感应功能的电容触摸式键盘，该键盘包括：用于建立键盘与计算机通信的连接装置，按键，印刷电路板，设置在印刷电路板上用于形成电容触摸感应区的焊接盘、用于形成电磁感应区的电磁感应天线板以及电磁感应控制电路和电容触摸控制电路；所述电磁感应控制电路与电容触摸控制电路相连；所述按键丝印在印刷电路板的表面上。

其中，所述印刷电路板的表面为绝缘覆盖层，所述按键丝印在绝缘覆盖层上。

其中，所述电磁感应天线板形成的电磁感应区的有效范围在键盘表面上的任意位置。

其中，所述印刷电路板为一个，且至少为四层；所述印刷电路板的第一层和第二层用于布设焊接盘，印刷电路板的第三层和第四层用于布设电磁感应天线板；所述印刷电路板的其它区域用于布设电磁感应控制电路和电容触摸控制电路。

其中，所述印刷电路板为两个，且每个印刷电路板为单层、双层或多层。

其中，所述两个印刷电路板之间留存缝隙或使用绝缘覆盖物填充，紧贴绝缘覆盖物上层的印刷电路板用于布设焊接盘和电容触摸控制电路，紧贴绝缘覆盖物下层的印刷电路板用于布设电磁感应天线板和电磁感应控制电路。

其中，所述印刷电路板上的焊接盘分成相互独立的焊接盘组，电容触摸控制电路的微处理器一端分别连接一个焊接盘组，另一端与电磁感应控制电路的微处理器相连；所述电磁感应控制电路连接电磁感应天线板；由所述电磁感应控制电路通过连接装置向计算机发送数据。

其中，所述电容触摸控制电路的微处理器为一个或多个。

其中，所述键盘具有一个主微处理器用于接收电容触摸控制电路和电磁感应控制电路发送的信号，并通过连接装置发送给计算机。

其中，部分焊接盘放置在印刷电路板的第一层，该部分焊接盘之间通过导线相连，最终连接到电容触摸控制电路，另一部分焊接盘放置到印刷电路板的第二层，该部分焊接盘之间通过导线相连，最终连接到电容触摸装置的电容触摸控制板，其中，连接第一层焊接盘的导线和连接第二层焊接盘的导线之间交叉但不短接。

其中，所述电容触摸控制电路、电磁感应天线板分别和电磁感应控制电路相连，所述电磁感应控制电路将获得的电容触摸信息和电磁感应信息传送给计算机。

其中，所述键盘还具有一个主微处理器，所述电磁感应控制电路将获得的电容触摸信息和电磁感应信息发送给主微处理器，由主微处理器发送给计算机。

其中，所述连接装置为USB接口。

本发明将电磁感应技术和电容触摸技术融合在一起，实现了既能进行触摸输入又可以使用电磁笔书写输入的计算机键盘。本发明的键盘可以完全密封起来，防尘、防水，并且易于清洁。

附图说明

图1为本发明的外观局部示意图；

图2为本发明键盘布设印刷电路板的第一实施例剖面图；

图3为本发明键盘布设印刷电路板的第二实施例剖面图；

图4为本发明感应区和控制区布设的第一实施例的电路结构示意图。

图5为图4中控制区电路结构发生变化示意图。

图6为本发明感应区和控制区布设的第二实施例的电路结构示意图。

图7为图6中增加电磁感应区和电磁感应控制电路的示意图。

图8为图7中控制区电路结构发生变化的示意图。

图9为本发明电容触摸感应区和按键设置的局部示意图。

标记说明：

11：键盘，12：电磁感应区域；

21：印刷电路板，23：非导电覆盖层；

31：用于电容触摸的印刷电路板，32：用于电磁感应触摸的印刷电路板，33：非金属导电层；

41：焊接盘，42：电容触摸控制电路，43：电磁感应控制电路，44：电磁感应天线板，441：第一微处理器MCU1，442：第二微处理器MCU2，443：第三微处理器MCU3，444：第四微处理器MCU4；

51：焊接盘，52：电容触摸控制电路，53：电磁式控制电路，54：电磁感应天线板，55：微处理器MCU，551：第一微处理器MCU1，552：第二微处理器MCU2，553：第三微处理器MCU3，554：第四微处理器MCU4；

61：焊接盘，62：电容触摸控制电路；

71：焊接盘，72：电容触摸控制电路，73：电磁感应控制电路；74：电磁感应天线板；

81：焊接盘，82：电容触摸控制电路，83：电磁式控制电路，84，电磁感应天线板，85：微处理器MCU；

90：覆地层，91：焊接盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的外观局部示意图。本图为丝印在键盘表面的按键图。本发明键盘从作用效果的角度分为感应区和控制区。感应区指电容触摸和电磁感应的有效区域。阴影处12为电磁感应区域。按键11为电容触摸区域，由于按键是丝印在键盘的表面，也就是说键盘表面仍然是平整的，不存在机械按键键盘中键盘表面凹凸不平的现象。电容触摸感应区指的是电容触摸焊盘PAD的分布区域，在该区域触控操作时有效。电磁感应区指的是电磁式坐标定位装置的天线区。控制区用于设置电容触摸控制电路和电磁感应控制电路，用于控制电容触摸以及电磁感应功能。

本发明可以通过检测PAD和覆地之间的电容值变化监测触摸位置，也可以采用PAD和PAD之间互感的变化来检测触摸位置，从而实现电容触摸功能。

需要注意的是，本图仅为一个示例图，仅表示按键布局和坐标定位装置有效范围的关系。实际上，在本发明所述装置尺寸的允许范围内，电磁式坐标定位装置的有效范围可以在本发明所述装置的任意位置，也可以为任意大小，按键也可以根据需要自由设定而不仅仅拘泥于本示意图的按键布置。本发明提供两个关于键盘结构的实施例，详细说明本发明键盘的PAD和控制电路的具体布置方式。

图2为本发明键盘布设印刷电路板的第一实施例的剖面图。本实施例中，使用一块多层印刷电路板PCB布设电容触摸、电磁感应的感应区和控制电路。一般多层PCB不小于4层。其中第一层和第二层用来布设电容触摸PAD，第三层和第四层用来布设电磁感应天线。多层PCB的其他区域用来布设电容触摸和电磁感应的控制板电路。第一层、第二层与第三层、第四层之间可以适当设定距离，以确保电磁触摸对电容触摸不会造成使用上的障碍。在PCB表面覆盖一层有一定厚度的非金属覆盖物，通过非金属覆盖物形成的非导电覆盖层，将整个PCB完整、密封的包裹起来，可以实现防水、防尘，并便于清洗。非金属覆盖物为玻璃或者亚克力等塑料材料。

图3为本发明键盘布设印刷电路板的第二实施例剖面图。本实施例中，采用两块独立的PCB布设感应区和控制区。PCB可以为单层、双层或多层。两块PCB板之间留存缝隙或者是使用绝缘覆盖物填充。在使用绝缘覆盖物填充时，用于布设电容触摸的PCB紧贴在绝缘覆盖物的上层，用于布设电磁感应的PCB紧贴在绝缘覆盖物的下层。此时，可以是电容触摸的控制电路与电容触摸的PAD区为同一PCB，电磁手写的控制电路与天线区为同一PCB，两PCB互相独立，通过连接器相连，进行数据通讯。

本发明感应区和控制区的线路布设可以有多种方式，如：电容触摸PCB控制电路和电磁感应控制电路设计在一块PCB上，通过导线与电容触摸的PAD区以及电磁手写的天线区连接。其中，电容触摸的控制电路、电磁感应的控制电路和电容触摸的PAD区可以为同一PCB，通过连接器与电磁感应的天线区相连。

图4是本发明感应区和控制区布设的第一实施例的电路示意图。本实施例中，用于布设电容触摸的各个PAD组相互独立。图中，电容触摸控制电路中的MCU1、MCU2、MCU3分别连接各个PAD组。电磁感应控制电路连接电磁感应天线板，以实现坐标定位功能。本图中虽然每个MCU对应一个PAD组，每个PAD组有6个PAD，这只是为了方便说明而做出的简化。实际上，每个MCU对应的PAD组中的PAD不止六个，可能是1个、10个、30个、60个或者更多，根据MCU的负载能力来确定PAD组中PAD的数目。另外，MCU1、MCU2、MCU3也只是一个概数，可更多，也可更少，如果一个MCU的负载能力能满足计算机键盘上按键所需PAD的数目，那么只需要一个MCU就够了。在本实施例中，电容触摸控制电路的各个MCU分别与电磁感应控制电路的MCU4相连，可以通过串口、SPI、I2C或者IO口等各种接口(但不仅仅限于这些接口)相连。也就是电容触摸控制电路将采集到的触摸信息发送给电磁感应控制电路后，再由电磁感应控制电路发送给计算机。电磁感应控制电路通过USB接口(但是不限于USB接口)将数据发送给计算机。另外，为了简化电路结构，电磁感应控制电路的MCU4也可以直接控制PAD实现电容触摸功能，这样，电容触摸控制电路的控制MCU(MCU1、MCU2、MCU3...)可以去掉或者减少数量。

图5是图4中控制电路发生变化的示意图。和图4的电路图相比，本实施例增加一主MCU，电容触摸的MCU1、MCU2、MCU3以及电磁触摸控制电路的MCU4通过接口(如SPI、I2C等接口或者I/O口)和主MCU相连，由主MCU将数据发送给计算机。如图4中所述，为了简化电路结构，电磁感应控制电路的MCU4也可以直接控制PAD实现电容触摸功能，这样，电容触摸控制电路的控制MCU(MCU1、MCU2、MCU3...)可以去掉或者减少数量。也可以将图中的各个MCU进行整合，集成为一个MCU，用主MCU实现电容触摸和电磁感应功能。

图6是本发明感应区和控制区布设的第二实施例的电路示意图。本实施例中，是在一块整体的PCB上布设电容触摸的感应区和控制区，以Shift、Z、X、C四键为例。图中，无阴影的菱形PAD放置在PCB的第一层，菱形间通过导线相连，最终连接到电容触摸控制电路上。带阴影的菱形PAD放置到PCB的第二层，同样也是通过导线连接各个菱形，最终连接到电容触摸控制电路上。连接第一层菱形PAD的导线和连接第二层菱形PAD的导线虽然交叉，但是并不短接。Shift、Z、X、C为丝印层，丝印到PCB的非导电覆盖层上。当手指触碰到Shift范围任意点后，电容触摸控制电路计算出该点的位置，并将该位置信息通过本发明所述装置的接口传送到计算机上，从而触发shift键。或者当手指触碰到Shift范围任意点后，电容触摸控制电路将该点的位置信息通过本发明所述装置的接口发送到计算机，由计算机端的驱动通过坐标对应计算出Shift键，从而触发Shift键。对于本发明所述装置的其他按键均可由本实施例的方法得出。另外，需要说明的是，本图中菱形PAD是为了方便说明所做的简化处理，实际上，PAD不一定是菱形。对于电容触摸的原理，不在本发明的保护范围内。对于作为坐标指示装置的电磁感应天线板，可以布设在电容触摸电路的下方任意位置，但是不得在第一层或者第二层。

图7为图6增加电磁感应区和电磁感应控制电路的示意图。图中的网格状矩形为电磁感应天线板。图中电容触摸控制电路和电磁感应控制电路相连，并将得到的电容触摸值通过接口(如SPI等接口，但是不限于SPI接口)发送给电磁感应控制电路，进而由电磁感应控制电路将数据发送给计算机。电磁感应天线板也将电磁笔的信息发送给计算机。本图中虽然电磁感应天线板比PAD区小，但是只作为示意图，不代表电磁感应天线板一定比PAD区小。需要注意的是，虽然本图指示有电磁感应控制板将信息发送给计算机，实际上也可以由电容触摸电路与计算机相连，发送电容触摸信息以及电磁触摸信息。

图8为图7中控制电路结构发生变化的示意图。图中，电容控制电路将得到的电容触摸信息，电磁感应控制电路将得到的电磁笔的信息通过接口(如SPI接口，但是不限于SPI接口)发送给主MCU，并由主MCU发送给计算机。

图9是本发明电容触摸感应区和按键设置的局部示意图。在本实施例中，每个按键位置对应一个或者多个PAD，根据按键的大小，单个PAD或者多个PAD构成一个完整的按键。PAD四周覆地，利用手指影响PAD和地之间感应电容来测试手指位置。本实施例以键盘中的Shift、Z、X、C四个按键为例。图中，由于Z、X、C按键较小，所以可以是每个按键都可以用一个或者多个PAD对应。而Shift键较大，可以用两个或者多个PAD对应。当然，一个PAD对应Shift键也是可以的。本图中，Z、X、C键各用一个PAD对应，而Shift键用两个PAD对应，每个PAD都连接到MCU上，由MCU检测对应PAD，若手指触摸到PAD，可以由MCU判断手指所触摸的PAD，进而判断键值。本发明所述装置的其他按键也如本实施例所述方式连接。

应该注意的是，上述实施例仅仅为了便于说明而示例。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种具有电磁感应功能的电容触摸式键盘，包括，用于建立键盘与计算机通信的连接装置，其特征在于，还包括按键，印刷电路板，设置在印刷电路板上用于形成电容触摸感应区的焊接盘、用于形成电磁感应区的电磁感应天线板以及电磁感应控制电路和电容触摸控制电路；所述电磁感应控制电路与电容触摸控制电路相连；所述按键丝印在印刷电路板的表面上；所述印刷电路板表面覆盖一层非金属覆盖物，通过所述非金属覆盖物形成的非导电覆盖层，将整个印刷电路板完整、密封的包裹起来。

2.如权利要求1所述的键盘，其特征在于，所述印刷电路板的表面为绝缘覆盖层，所述按键丝印在绝缘覆盖层上。

3.如权利要求1所述的键盘，其特征在于，所述电磁感应天线板形成的电磁感应区的有效范围在键盘表面上的任意位置。

4.如权利要求1所述的键盘，其特征在于，所述印刷电路板为一个，且至少为四层；所述印刷电路板的第一层和第二层用于布设焊接盘，印刷电路板的第三层和第四层用于布设电磁感应天线板；所述印刷电路板的其它区域用于布设电磁感应控制电路和电容触摸控制电路。

5.如权利要求1所述的键盘，其特征在于，所述印刷电路板为两个，且每个印刷电路板为单层、双层或多层。

6.如权利要求5所述的键盘，其特征在于，所述两个印刷电路板之间留存缝隙。

7.如权利要求5所述的键盘，其特征在于，所述两个印刷电路板之间使用绝缘覆盖物填充，紧贴绝缘覆盖物上层的印刷电路板用于布设焊接盘和电容触摸控制电路，紧贴绝缘覆盖物下层的印刷电路板用于布设电磁感应天线板和电磁感应控制电路。

8.如权利要求4或5所述的键盘，其特征在于，所述印刷电路板上的焊接盘分成相互独立的焊接盘组，电容触摸控制电路的微处理器一端分别连接一个焊接盘组，另一端与电磁感应控制电路的微处理器相连；所述电磁感应控制电路连接电磁感应天线板；由所述电磁感应控制电路通过连接装置向计算机发送数据。

9.如权利要求8所述的键盘，其特征在于，所述电容触摸控制电路的微处理器为一个或多个。

10.如权利要求8所述的键盘，其特征在于，所述键盘具有一个主微处理器用于接收电容触摸控制电路和电磁感应控制电路发送的信号，并通过连接装置发送给计算机。

11.如权利要求9所述的键盘，其特征在于，所述键盘具有一个主微处理器用于接收电容触摸控制电路和电磁感应控制电路发送的信号，并通过连接装置发送给计算机。

12.如权利要求4或5所述的键盘，其特征在于，部分焊接盘放置在印刷电路板的第一层，该部分焊接盘之间通过导线相连，最终连接到电容触摸控制电路，另一部分焊接盘放置到印刷电路板的第二层，该部分焊接盘之间通过导线相连，最终连接到电容触摸装置的电容触摸控制板，其中，连接第一层焊接盘的导线和连接第二层焊接盘的导线之间交叉但不短接。

13.如权利要求12所述的键盘，其特征在于，所述电容触摸控制电路、电磁感应天线板分别和电磁感应控制电路相连，所述电磁感应控制电路将获得的电容触摸信息和电磁感应信息传送给计算机。

14.如权利要求13所述的键盘，其特征在于，所述键盘还具有一个主微处理器，所述电磁感应控制电路将获得的电容触摸信息和电磁感应信息发送给主微处理器，由主微处理器发送给计算机。

15.如权利要求1所述的键盘，其特征在于，所述连接装置为USB接口。