CN102931966B - 力反馈式电容触摸按键结构及采用该结构的键盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种键盘及其所采用的力反馈式电容触摸按键结构，该按键结构包括底板、铺设在底板上且布设有电容感应板，以及设置在电容感应板上方的键帽，所述电容感应板对应于所述键帽位置处设有用于检测用户触摸操作该键帽的电容单元，所述键帽与所述电容感应板之间形成夹层空间，该夹层空间内置有至少一个块状弹性元件，所述弹性元件偏离所述键帽的周边设置，用于向因触摸操作该键帽而产生的朝向所述电容单元的外部作用力提供反作用力。本发明的按键结构适用于整个键盘中，键盘中的部分或每一个按键均可采用这种按键结构，采用这种按键结构的键盘，按键时具有明显的力反馈效果，有助于用户准确快速地进行按键操作。

Description

力反馈式电容触摸按键结构及采用该结构的键盘

【技术领域】

本发明涉及一种力反馈式电容触摸按键结构，且涉及采用该结构的一种键盘。

【背景技术】

传统的计算机键盘中，多采用带键升降结构及导电触点的方式实现按键操作，导电触点内部的弹性结构能为键帽提供一个反作用力，从而给压按在键帽上的手指提供一种段落式的力反馈，增强使用者对按键触摸的感知效果。这种由键升降结构实现的按键多见于现有技术，最早的键升降结构被本领域技术人员概括为剪刀式结构，后期本申请人曾另辟蹊径提供一种双开式结构，具体请参阅CN101783257A号专利公告。这种传统键盘所采用的键升降结构构件较多，体积相对较大，使得由此组成的整个按键都无法真正小型化。

随着技术的不断演进，电容式触摸感应技术被应用到键盘中，是一种通过检测人体的对触摸传感器电容值的变化，从而确定靠近于传感器的人体（如手指）位置的一种技术，这种技术使得键盘的按键结构变得越来越薄，符合小型化要求。目前这种技术广泛应用于手持式设备，例如微软公司最近推出的surface平板电脑所配置的键盘即运用了此一技术。此外，本申请人于2012年6月21日提交的CN201210208987.7号专利申请所提供的力反馈按键装置及采用该装置的点选设备，也运用了电容式触摸技术。

已公开的采用电容式触摸技术的点选设备的现有技术中，按键结构一般包括底板、电容感应板以及键帽，电容感应板按照公知的各种矩阵排列方式设计好对应于既定的按键布局的电容布局之后，可以以粘固或其它公知方式平铺在底板上，然后，对应按键布局上的各个键位，在电容感应板上方设置键帽。对于每一个按键而言，手指靠近但未触摸其键帽时，人体对键帽与电容感应板之间的空气的存在影响极小，从而对相应的电容的影响也较小，据此可视为按键未触摸或压按；手指触摸并且触摸其键帽时，键帽与电容感应板之间的空气被排出，介质改变，电容也随之变化，显然，据此可以确认按键被触摸或压按。也就是说，只有手指与键帽接触时，才会形成足够的电容变化从而激励该按键产生输入信号。这种结构带来了如何令用户感知触摸或压按的问题，现有技术中多利用震动功能实现触控反馈，即在用户触摸时，导通该按键，由主机软件驱动电机产生震动效果通知使用者，但这种方式耗电且效果不自然；也可以利用键帽自身的弹性特性自行回释，但显然其回释力远远不足以产生可供人体清楚感知的力反馈效果。

无合适的力反馈效果的按键，手感不佳，用户便不能实现真正快速的输入，由于快速打字时手指会无意间触碰到按键，所以极易产生误操作。

【发明内容】

本发明的目的在于完善上述不足，提供一种力反馈式电容触摸按键结构，使其实现在被外力进行触摸或压按时能够反馈合适的作用力以供用户感知该触摸或压按操作，并且，以不影响按键结构的外部尺寸为前提。

本发明的另一目的在于提供一适采用前述的按键结构的键盘，从而为由电容触摸式技术实现的键盘提供一种可实现快速输入的设备。

为实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的力反馈式电容触摸按键结构，包括底板、铺设在底板上且布设有电容感应板，以及设置在电容感应板上方的键帽，所述电容感应板对应于所述键帽位置处设有用于检测用户触摸操作该键帽的电容单元，所述键帽与所述电容感应板之间形成夹层空间，该夹层空间内置有至少一个块状弹性元件，所述弹性元件偏离所述键帽的周边设置，用于向因触摸操作该键帽而产生的朝向所述电容单元的外部作用力提供反作用力。

所述弹性元件其一端固定于键帽底面以使弹性元件与该键帽底面相垂直，与该端相对的另一端面向所述电容感应板。较佳的，所述弹性元件具有多个，散列或矩阵式地置于该夹层空间中。所述各弹性元件在键帽与电容感应板的相对方向上的长度相等。进一步，所述弹性元件与所述键帽均为软性材质且一体成型。所述弹性元件具有空心结构，该空心结构连通至该夹层空间。所述弹性元件为截面呈圆柱形或多边柱形的块状，或为半球形的块状。

较佳的，所述弹性元件在键帽与电容感应板的相对方向上的长度小于所述键帽与所述电容感应板之间的垂直距离，可用于模拟出段落式力反馈效果。

具体的，所述键帽形成于按键套上，该按键套具有与所述电容感应板相贴合固定的基部、相对该基部台阶状高起的按压部，以及用于连接所述基部与按压部的伸缩部，所述按压部和伸缩部构成所述键帽，所述基部、按压部以及伸缩部均一体成型，且伸缩部的厚度小于所述按压部的厚度。所述电容感应板、按键套的按压部和伸缩部共同定义所述夹层空间。

本发明的键盘，其按照预设的键盘布局形成多个按键，其中至少一个按键采用如前所述的力反馈式电容触摸按键结构。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

首先，通过在键帽与电容感应板之间的夹层空间增设弹性元件，当用户触摸操作该键帽时，给键帽施加朝向电容感应板的作用力，使弹性元件被压迫而积蓄弹性势能，从而提供一个反作用力给键帽并传导到用户手指，由此使得用户获得触摸压按的神经感知，有助于用户的快速输入的实现以及有助于用户确认是否已经正确触摸按键。弹性元件的设置，另一方面的作用是当键帽自身因机械疲劳而塌陷时，可以藉由弹性元件与电容感应板的抵触而使键帽依然与电容感应板维持适当的距离。

其次，通过使弹性元件的轴向尺寸小于键帽与电容感应板之间的距离这一特征，用户触摸压按键帽时，前期由于无阻力，可以迅速下按键帽，直至弹性元件抵触电容感应板，此时阻力（由弹性元件释放弹性势能而产生反作用力所致）骤增，其下按键帽的速度会有微小却足以被感知的变化，直至键帽完全被下按到与电容感应板相抵触，这种阻力变化的过程，即可模拟出段落感式力反馈效果，增加用户操作手感，同理有利于优化用户输入速度和按键准确率。

再者，通过将弹性元件与键帽一体成型，而键帽又属于键盘按键套的一部分，因而，制造键盘时，可以采用注塑之类的手段一次性形成按键套，非常便于实现，且结构稳定性也较佳。

【附图说明】

图1为本发明的键盘的组装结构分解示意图；

图2为本发明的键盘的组装后一个其所采用的本发明的力反馈式电容触摸按键结构的结构示意图；

图3为图2所示的力反馈式电容触摸按键结构被触摸下压时的形变效果示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

请参阅图1所揭示的本发明的键盘的组装结构示意图，该键盘采用电容式触摸感应技术实现按键操作信号的采集，关于电容式触摸感应技术的原理及具体实现方案，多见于现有技术，且因本发明主要涉及按键结构的改进，故恕不就电容式触摸感应技术的具体实现进行详述。

在结构上，如图1所示，本发明的键盘包括底板1、双面胶2、电容感应板3以及按键套4。其中底板1作为整个键盘的支撑元件，主要起结构上的支承和封装作用，将其余键盘构件容纳在底板1所提供的凹槽（未图示）空间内。所述双面胶2则供电容感应板3与底板1各以一面相固定，本质上是一种常用的连接方式，因而也可被其它方式所替换，例如弃用该双面胶2而采用螺锁、卡扣的方式。所述电容感应板3按照所需要的预设的键盘布局，运用公知技术，以矩阵的方式设置有与按键在位置上相对应的多个电容单元31，当这些电容单元31上方的空气介质被改变时，其电容值将产生变化，即意味着该处存在触摸或按压操作，至于电容单元31如何以矩阵排列以及每个电容单元31的具体由几处电容形成，则存在多种公知实现方式，由此，检测其电容值即可确定该处是否存在按键操作，从而可以实现键盘按键输入的基本功能。当然，在电气上，还有一系列用于实现对电容感应板3上的电容单元31的电容变化进行检测的控制电路也被集成到底板1上，但是这些必要的电气构件如前所述均是公知技术范畴，故也恕不行赘述。

所述的按键套4，为一体成型件，其具有基部43和与该基部43相连接的按照所述预设的键盘布局设置的与各个电容单元31在位置上相对应的键帽（41，42），每个键帽（41，42）以一矩形按压部41为主体，而以一围绕该按压部41周围设置的伸缩部42与所述基部43实现连接。具体而言，每个键帽（41，42）的按压部41相对于所述基部43呈台阶式高出，按压部41大致呈矩形，在其四周，通过所述伸缩部42与所述基部43相连接，由此便使基部43、多个按压部41以及多个伸缩部42连成一体。整个按键套4采用软质材料实现，例如硅胶或软塑料，从而呈现一定的弹性，可以增强操作手感。为了便于所述键帽（41，42），主要是其按压部41相对于所述基部43进行伸缩，将所述伸缩部42的厚度减小，使该厚度小于所述按压部41的厚度，这样，在未增加其它设计手段的情况下，伸缩部42相对于基部43和按压部41而言较为脆弱也便较为柔软，将获得更好的弹性，更容易优先发生形变。当用户手指9向键帽（41，42）的按压部41施加向下的压力时，与按压部41相连接的伸缩部42先行变形，按压部41便可下行，当用户施加的外力撤除时，伸缩部42由于之前积蓄的弹性势能的存在而产生反向回释力，从而使整个键帽（41，42）得以复位。当然，由于手指9的作用面积一般集中在按压部41的中部，实际操作中，往往按压部41的中部先行凹陷，不管何种方式，伸缩部42的厚度并不影响本发明的实现。

可见，本发明的键盘中，实质上设有多个电容触摸按键，这些按键均采用本发明的力反馈式电容触摸按键结构40。

请结合图2，本发明的力反馈式电容触摸按键结构40独立而言，其主要由所述底板1、电容感应板3、键帽（41，42）共同构成，按照前述的层次关系，电容感应板3以双面胶2或其它方面固定并层叠在所述底板1上，键帽（41，42）居于电容感应板3的上方，电容感应板3上为各个键帽（41，42）提供相应的用于检测用户触摸操作的电容单元31，同理，键帽（41，42）以上述的方式形成于按键套4上，因该键帽（41，42）相对高出按键套4的基板并呈现台阶状，故而，键帽（41，42）与其下方的电容感应板3之间形成一夹层空间50，该夹层空间50充满空气，空气作为电容介质，其多寡足以影响相应位置的设置于所述电容感应板3上的电容单元31的介电常数，从而影响该电容单元31的电容变化。

依靠键帽（41，42）自身的按压部41和/或伸缩部42的回释力来让用户手指9感知触摸和下按操作的效果是薄弱的，因而，在所述键帽（41，42）的下方，在所述夹层空间50中，偏离所述键帽（41、42）的按压部41的周边位置处，亦非所述伸缩部42下方位置处，设置有若干截面呈圆柱形、方柱形等多边柱形的块状的弹性元件5，或者弹性元件5的形状可采用半球形的块状，本实施例优选设定弹性元件5的形状为截面呈圆柱形的块状，理论上可以仅设置一个这样的弹性元件5，但为了平衡受力，本实施例优选设置多个。多个弹性元件5均以散列的方式或以矩阵的方式固定在键帽（41，42）的按压部41的底面，且均以自身轴向垂直于按压部41底面设置。弹性元件5的设置，当用户手指9触摸操作该键帽（41，42）时，给键帽（41，42）施加朝向电容感应板3的作用力，使弹性元件5被压迫而积蓄弹性势能，从而提供一个反作用力给键帽（41，42）并传导到用户手指9，由此使得用户获得触摸压按的神经感知，有助于用户的快速输入的实现以及有助于用户确认是否已经正确触摸按键。弹性元件5的设置，另一方面的作用是当键帽（41，42）自身因机械疲劳而塌陷时，可以藉由弹性元件5与电容感应板3的抵触而使键帽（41，42）依然与电容感应板3维持适当的距离。

该些弹性元件5，在其轴向尺寸上的长度，也即键帽（主要是指按压部41）与所述电容感应板3的相对方向上的长度，这一长度适宜相等。弹性元件5其轴向上也即键帽（主要是指按压部41）与所述电容感应板3的相对方向上的的一端固定在键帽（41，42）的底面，也即固定在键帽（41，42）的按压部41底面，其与该端相对的另一端既可固定于电容感应板3顶面，这样能更好地在非触摸或非压按状态时将键帽（41，42）与电容感应板3维持在既定的距离上，也可仅仅抵触于电容感应板3顶面，这样允许键帽（41，42）获得更灵活的伸缩能力，甚至，出于模拟段落式力反馈效果的考虑，可以维持弹性元件5的轴向即在键帽与电容感应板相对的方向上的长度小于键帽（41，42）（按压部41）到电容感应板3之间的垂直距离，使弹性元件5的轴向上的面对电容感应板3的另一端在非触摸或非压按状态时并不与所述电容感应板3接触，这种情况下，用户触摸压按键帽（41，42）时，前期由于无阻力，可以迅速下按键帽（41，42），直至弹性元件5抵触电容感应板3，此时阻力（由弹性元件5释放弹性势能而产生反作用力所致）骤增，其下按键帽（41，42）的速度会有微小却足以被感知的变化，直至键帽（41，42）完全被下按到与电容感应板3相抵触，这种阻力变化的过程，即可模拟出段落感式力反馈效果，增加用户操作手感，同理有利于优化用户输入速度和按键准确率。

考虑到结构上的优化，所述弹性元件5优选硅胶之类的软性材质，并将其与键帽（41，42）一体成型，而键帽（41，42）又属于键盘按键套4的一部分，因而，制造键盘时，可以采用注塑之类的手段一次性形成按键套4，非常便于实现，且结构稳定性也较佳。

另一方面，所述弹性元件5可以被制作成空心结构，并使该空心结构与所述夹层空间50互连互通，由此可以既实现力反馈的功能，又尽量减少对空气介质的存量的影响，从而最大程度地确保电容单元31正常工作。

进一步请结合图3，图3示出的操作用户进行触摸下压键帽（41，42）所得的效果图。如前所述可知，按键套4中的键帽（41，42）的按压部41、伸缩部42以及基部43共同定义了一个供容纳空气的夹层空间50，该夹层空间50被空气充满，当用户手指9触摸键帽（41，42）的按压部41时，键帽（41，42）按压部41的中间部位因为与之相邻的外围部位处设有弹性元件5进行支撑而且中间部位的受力最大而优先下沉，弹性元件5在此下按过程中积蓄弹性势能，从而向手指9提供一个反作用力，同时，这一过程使得该夹层空间50的空气存量及分布发生变化，位置上相对应的电容单元31因为空气介质的变化而导致介电常数改变，从而其容值也改变例如增大，由此，集成在键盘上的公知的电容检测相关电路便可以检测到此一变化，从而视为该按键已经被触摸或按压，继而产生电信号输出，提供给外部设备作为输入信号进行下一步处理。当手指9移去，外力撤除，依据弹性元件5和键帽（41，42）自身的回释力，键帽（41，42）的按压部41回复原位，该夹层空间50回复原状，空气布局随之也恢复，显然电容单元31的容值也已经还原，故此时相关检测电路视为该处按键未被触摸或下按，故不会生成与该按键相对应的信号。

本发明未图示的另一实施例中，所述弹性元件5可以是一个独立元件，该独立元件既可如前一实施例与键帽（41，42）一体成型，也可以是单独给出。其基本上充满整个所述的夹层空间50，但是，同理在其内形成有空心结构，并且使该空心结构与该夹层空间50连通，这种方式中，实质上用弹性元件5的空心结构代替了该夹层空间50，两者的效果是一致的，只要适当设计所述空心结构，使其呈现类似于前一实施例所述的柱状的弹性元件5的效果即可，具体如言，可以是在该弹性元件5上设置若干相互交叉的矩形凹槽，由此形成多个矩形柱，同理可实现前一实施例所要实现的效果。

综上所述，本发明的按键结构适用于整个键盘中，键盘中的部分或每一个按键均可采用这种按键结构，采用这种按键结构的键盘，按键时具有明显的力反馈效果，有助于用户准确快速地进行按键操作。

概而言之，以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种力反馈式电容触摸按键结构，包括底板、铺设在底板上且布设有电容感应板，以及设置在电容感应板上方的键帽，所述电容感应板对应于所述键帽位置处设有用于检测用户触摸操作该键帽的电容单元，其特征在于：所述键帽与所述电容感应板之间形成夹层空间，该夹层空间内置有至少一个块状弹性元件，所述弹性元件偏离所述键帽的周边设置，且在键帽与电容感应板的相对方向上的长度小于所述键帽与所述电容感应板之间的垂直距离，用于向因触摸操作该键帽而产生的朝向所述电容单元的外部作用力提供反作用力。

2.根据权利要求1所述的力反馈式电容触摸按键结构，其特征在于，所述弹性元件其一端固定于键帽底面以使弹性元件与该键帽底面相垂直，与该端相对的另一端面向所述电容感应板。

3.根据权利要求2所述的力反馈式电容触摸按键结构，其特征在于，所述弹性元件具有多个，散列或矩阵式地置于该夹层空间中。

4.根据权利要求2所述的力反馈式电容触摸按键结构，其特征在于，所述各弹性元件在键帽与电容感应板的相对方向上的长度相等。

5.根据权利要求2所述的力反馈式电容触摸按键结构，其特征在于，所述弹性元件与所述键帽均为软性材质且一体成型。

6.根据权利要求1所述的力反馈式电容触摸按键结构，其特征在于，所述弹性元件具有空心结构，该空心结构连通至该夹层空间。

7.根据权利要求1所述的力反馈式电容触摸按键结构，其特征在于，所述弹性元件为截面呈圆柱形或多边柱形的块状，或为半球形的块状。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的力反馈式电容触摸按键结构，其特征在于，所述键帽形成于按键套上，该按键套具有与所述电容感应板相贴合固定的基部、相对该基部台阶状高起的按压部，以及用于连接所述基部与按压部的伸缩部，所述按压部和伸缩部构成所述键帽，所述基部、按压部以及伸缩部均一体成型，且伸缩部的厚度小于所述按压部的厚度。

9.根据权利要求8所述的力反馈式电容触摸按键结构，其特征在于，所述电容感应板、按键套的按压部和伸缩部共同定义所述夹层空间。

10.一种键盘，其特征在于，其按照预设的键盘布局形成多个按键，其中至少一个按键采用如权利要求1至9中任意一项所述的力反馈式电容触摸按键结构。