CN103367004A - 按键和键盘 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种按键以及包括多个所述按键的键盘，所述按键包括按键外壳、设置在按键外壳的下方利用接触起电效应产生电能的静电发电机元件和按键感应元件，所述按键外壳与按键感应元件的位置对应，所述按键外壳被敲击时，所述感应元件产生按键信号的同时，所述静电发电机元件产生电信号。本发明提供的按键和键盘，在不影响按键正常工作的前提下，将敲击按键外壳的机械能转变为电能。

Description

按键和键盘

技术领域

本发明涉及一种电子器件，特别涉及一种将敲击按键的机械能加以回收和利用的按键和键盘。

背景技术

键盘是经过系统安排操作一台机器或设备的一组功能键（如打字机、电脑键盘），也是组成键盘乐器的一部分，如钢琴、数位钢琴或电子琴等的键盘。键盘中按键的结构通常包括按键外壳和对应设置在按键外壳下方、包括按键电路及其感应元件的基板，所述按键外壳与所述基板之间通过弹性元件连接，当敲击按键外壳时，按键外壳下方的感应元件感应该敲击的作用产生一个按键信号，并通过键盘电路将按键信号传输给处理器等接收装置；按键外壳弹起时，按键外壳下方的感应元件停止工作。电脑键盘、钢琴键盘等在使用时，通常按键的敲击频率比较高，在敲击键盘时，产生机械能。但是，现有的键盘中，不能将敲击键盘时的机械进行回收和利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够将敲击按键的机械能加以回收和利用的按键。

为了实现上述目的，本发明提供一种按键，包括：

基板，所述基板上包括按键电路和按键感应元件；

所述基板上的静电发电机元件；

所述静电发电机元件上的按键外壳，所述按键外壳与所述按键感应元件的位置对应；

其中，所述按键外壳被敲击时，所述静电发电机元件产生电信号，所述按键感应元件产生按键信号，所述按键电路将所述按键信号输出。

优选地，所述按键还包括弹性元件，所述弹性元件位于所述静电发电机元件和所述按键外壳之间。

优选地，所述按键还包括弹性元件，所述弹性元件位于所述基板与所述静电发电机元件之间。

优选地，所述静电发电机元件包括：

金属薄膜层；

所述金属薄膜层上的弹性分离层；

所述弹性分离层上的绝缘薄膜层；

所述绝缘薄膜层上的电极层；

其中，未敲击按键外壳时，所述绝缘薄膜层与所述金属薄膜层被所述弹性分离层分隔开；敲击按键外壳时，所述弹性分离层被压缩使所述绝缘薄膜层与所述金属薄膜层接触，并且在所述绝缘薄膜层与所述金属薄膜层之间发生表面电荷转移，使所述静电发电机元件产生电信号。

优选地，所述金属薄膜层为铜或铝薄膜层。

优选地，所述绝缘薄膜层为聚四氟乙烯或聚对二甲基硅氧烷薄膜。

优选地，所述弹性分离层为绝缘弹性有机物或弹簧。

优选地，所述电极层为铜、银、金或铝薄膜。

相应的，本发明还提供一种键盘，包括多个所述的按键，多个所述按键的按键电路和按键感应元件制备在同一基板上。

优选地，多个所述按键的静电发电机元件之间并联连接。

优选地，所述键盘还包括桥式整流器和可充电电池，其中，

每个所述静电发电机元件的输出端并联连接在所述桥式整流器的输入端；

所述桥式整流器的输出端连接在所述可充电电池的两端。

优选地，所述键盘为计算机、打字机或钢琴键盘。

与现有技术相比，本发明提供的按键和键盘具有下列优点：

本发明提供的按键以及包括多个所述按键的键盘，在按键外壳的下方设置利用接触起电效应产生电能的静电发电机元件，所述按键外壳与按键感应元件的位置对应，所述按键外壳被敲击时，所述感应元件产生按键信号的同时，所述静电发电机元件产生电信号。这样的按键和键盘，在不影响按键正常工作的前提下，将敲击按键外壳的机械能转变为电能。

在按键的基板与静电发电机元件之间增加弹性元件，或者在静电发电机元件之间增加弹性元件，可以缓冲敲击按键外壳产生的外力，保护静电发电机元件和基板中的按键感应元件，延长按键的寿命。

本发明的键盘中包括多个按键，通过接入桥式整流器和可充电电池，将按键的静电发电机元件并连连接在桥式处理器的两端，可以将敲击按键产生的交流信号转变为直流信号，储存至连接在桥式整流器的输出端的可充电电池中，储存在可充电电池中的电能可以为无线键盘提供电源，也可以为便携式设备的显示器提供供电设备或者直接为便携式设备的电池充电，使敲击键盘过程中产生的能量得到了有效的回收利用。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明的按键实施例一的结构示意图；

图2为按键中静电发电机元件的弹性分离层实施例的结构示意图；

图3和图4为本发明的按键实施例二的结构示意图；

图5为本发明的键盘实施例的结构示意图；

图6为本发明的键盘中桥式整流器的连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

现有的键盘例如电脑键盘、钢琴键盘等在使用时，通常按键的敲击频率比较高，在敲击键盘时，产生的机械能不能被回收和利用。本发明的技术方案是在按键的按键外壳下方设置能够将机械能转变为电能的静电发电机元件，当敲击按键外壳时，静电发电机元件受到敲击产生的机械能的作用而产生电信号。输出的电信号可以为无线键盘等电子器件的驱动电池充电，在不影响键盘正常工作的情况下，使敲击过程产生的能量得到有效的回收利用，实现器件的自驱动。

为使本发明的技术方案更清楚，下面结合附图详细介绍本发明的实施例。

实施例一：

本发明提供一种按键，包括：基板，所述基板上包括按键电路和按键感应元件；所述基板上的静电发电机元件；所述静电发电机元件上的按键外壳，所述按键外壳与所述按键感应元件的位置对应；其中，所述按键外壳被敲击时，所述静电发电机元件产生电信号，所述感应元件产生按键信号，所述按键电路将所述按键信号输出。

本发明中的静电发电机元件的结构有多种，本实施例中优选为采用金属与绝缘材料接触起电的静电发电机。本实施例中的按键结构参见图1，包括基板1、基板1上的静电发电机元件以及静电发电机元件上的按键外壳7，其中，基板1上包括按键电路和按键感应元件，按键外壳7与基板1上的按键感应元件的位置对应。为了基板上的按键感应元件与静电发电机元件之间绝缘，在基板上包括绝缘封装层2。本实施例中的静电发电机元件包括绝缘封装层2上的金属薄膜层3、金属薄膜层3上的弹性分离层4、弹性分离层4上的绝缘薄膜层5、绝缘薄膜层5上的电极层6，其中，未敲击按键外壳7时，绝缘薄膜层5与金属薄膜层3被弹性分离层4分隔开；敲击按键外壳7时，弹性分离层4被压缩使绝缘薄膜层5与金属薄膜层3接触，并且在绝缘薄膜层5与金属薄膜层3之间发生表面电荷转移，使静电发电机元件产生电信号。当按键外壳7被敲击时，静电发电机元件产生电信号的同时，基板1上的感应元件产生按键信号，按键电路将所述按键信号输出至接收装置，如处理器等。按键外壳通过绝缘的粘性材料与静电发电机元件的电极层贴合在一起，使其更有利于传导手指敲击键盘的力的作用，这样静电发电机元件和键盘感应元件可以同时工作，而不会互相干扰。

具体的，当绝缘薄膜与金属薄膜接触的时候，由于表面电荷转移，金属薄膜有表观剩余正电荷，而高分子薄膜有表观剩余负电荷。此时，由于两种异号的表面电荷直接紧密接触，没有形成偶极矩，因此两个金属电极之间没有电势差；而当两种薄膜发生分离（即敲击作用撤销）的时候，由于薄膜内表面的正负电荷发生分离，由偶极矩产生的诱导电势差会驱动外电路的电子从一侧电极流向另一侧电极，直到电极表面聚集的电子产生的电势差与薄膜的内表面电荷产生的电势差平衡；当两种薄膜再次接触的时候，内表面电荷由于偶极矩产生的电势差几乎消失，因此电极表面聚集的电子会发生逆向流动，这样就形成了一个周期性的交流电流。

本实施例中，静电发电机元件的金属薄膜层3采用具有导电性、耐磨性好和成本低廉的金属材料，优选为铜或铝薄膜层。所述金属薄膜层同时为静电发电机的底电极。静电发电机元件的绝缘薄膜层4可以采用聚四氟乙烯或聚对二甲基硅氧烷薄膜等弹性高分子材料。静电发电机元件的电极层6可以通过磁控溅射或者蒸镀等方法在绝缘薄膜层5表面沉积一层金属薄膜来制备，电极层6的材料可以是铜、银、金、铝等导电性较好的金属材料。静电发电机元件的弹性分离层4主要用于使得有效发电部分金属薄膜层3和绝缘薄膜层5在自然状态下分离，而在敲击作用下接触并通过接触起电作用形成交流的电流信号。静电发电机元件中的绝缘封装层2可以为二氧化硅的无机材料薄膜，也可以为绝缘性的高分子薄膜（如PDMS、PMMA等），所述绝缘分装层的作用是防止插入的静电发电机元件的发电过程影响按键的正常使用。

静电发电机元件的弹性分离层4优选为中空结构的环状，参见图2所示的俯视图，弹性分离层4包括通孔41，当按键外壳7被敲击时，弹性分离层4被压缩使两端的绝缘薄膜层5与金属薄膜层3在通孔中接触，并且在绝缘薄膜层5与金属薄膜层3之间发生表面电荷转移。弹性分离层的材料优选为绝缘弹性有机物或弹簧。金属薄膜层和电极层分别为静电发电机元件的两个输出端。

以绝缘薄膜层5采用聚四氟乙烯为例，说明静电发电机将敲击按键外壳时将机械能转变为电能的原理。在手指敲击键盘外壳的瞬间，弹性分离层被压缩，两种不同材料的薄膜在外力作用下相互接触并发生接触起电现象，即一部分电子会从易失电子的金属薄膜层中转移到易得电子的聚四氟乙烯的高分子薄膜层中，这样聚四氟乙烯表面带负电，而金属表面带正电；当敲击按键的外力撤销，按键外壳弹起时，弹性分离层回复原形，聚四氟乙烯和金属薄膜两个带电表面发生自然分离，由此产生的偶极矩会使顶电极（电极层6）和底电极（金属薄膜层3）之间形成电势差，这个电势差会驱动外电路的电子发生定向流动形成电流；而当按键外壳被再次敲击时，聚四氟乙烯和金属薄膜两种材料相互接触，顶电极和底电极间的电势差消失，这样就形成了一个反向流动的电流。在周期性的敲击和释放按键外壳的过程中，会形成交流的电流信号。

本实施例中的按键可以应用在计算机、打字机或钢琴等的键盘上。基板可以为在硅中制备有按键电路和按键感应元件的基板，绝缘封装层可以为SiO₂、有机物等常用绝缘材料。

实施例二：

实施例一中的按键中，用静电发电机替代现有按键的弹性元件。本实施例的按键中，还可以包括弹性元件，所述弹性元件位于基板与静电发电机之间，所述弹性元件用于弹性连接所述静电发电机元件与所述基板，具体为：弹性元件位于基板上，静电发电机位于弹性元件上；或者，所述弹性元件位于所述静电发电机与所述按键外壳之间，所述弹性元件用于弹性连接所述按键外壳与所述静电发电机元件，具体为：弹性元件位于静电发电机上，按键外壳位于弹性元件上。本实施例中，除弹性元件外，基板、静电发电机和按键外壳的结构和材料都可以与实施例一中的相同。下面结合附图详细介绍本实施例的按键的结构。弹性元件的加入，可以缓冲敲击键盘时的外力，保护静电发电机元件和基板中的按键感应元件。

参见图3，所述按键还包括弹性元件8，弹性元件8位于基板1与静电发电机元件之间，具体的，弹性元件8位于基板1与静电发电机元件的金属薄膜层3之间。当敲击按键外壳7时，静电发电机的弹性分离层4被压缩，金属薄膜层3和绝缘薄膜层5在外力作用下相互接触并发生接触起电现象，即一部分电子会从易失电子的金属薄膜层3中转移到易得电子的绝缘薄膜层5中，同时弹性元件8被压缩，并将施加的外力传递至基板上按键感应元件上，按键电路将按键感应元件感应到的按键信息输出至处理器等接收器件；当敲击按键的外力撤销，按键外壳7弹起时，弹性分离层4回复原形，绝缘薄膜层5和金属薄膜层3两个带电表面发生自然分离，由此产生的偶极矩会使顶电极（电极层6）和底电极（金属薄膜层3）之间形成电势差，这个电势差会驱动外电路的电子发生定向流动形成电流，同时弹性元件8恢复原形；而当按键外壳7被再次敲击时，绝缘薄膜层5和金属薄膜层3两种材料相互接触，顶电极和底电极间的电势差消失，这样就形成了一个反向流动的电流。在周期性的敲击和释放按键外壳的过程中，会形成交流的电流信号。在基板和静电发电机元件之间增加的弹性元件8不会影响按键的正常工作，也不会对按键外壳下方的静电发电机元件的工作产生影响。

参见图4，本实施例的按键中，弹性元件9位于静电发电机元件和按键外壳之间。具体的，弹性元件9位于静电发电机元件的电极层6和按键外壳7之间。当敲击按键外壳7时，静电发电机元件的弹性分离层4被压缩使金属薄膜层3与绝缘薄膜层5接触的同时弹性元件9也被压缩；当敲击按键的外力撤销时，弹性元件9和静电发电机的弹性分离层4都回复原形。在静电发电机元件和按键外壳7之间增加的弹性元件9不会影响按键的正常工作，也不会对按键外壳下的静电发电机元件的工作产生影响。

本实施例的按键中，弹性元件可以为弹性有机物，或者为弹簧，优选绝缘材料的弹性结构元件，例如绝缘弹性双面胶。

实施例二：

与本发明提供的按键相对应，本发明还提供一种键盘，所述键盘包括多个如实施例一或实施例二中提供的按键，其中，多个所述按键的按键电路和按键感应元件制备在同一基板上。下面以采用实施例一中的按键结构为例介绍本发明的键盘，采用实施例二中的按键结构的键盘与此类似。

本发明键盘的一个实施例参见图5，本发明的键盘包括多个如图1中的按键K1、K2……，多个按键的按键电路和按键感应元件制备在同一基板10上，为了基板上的按键感应元件与静电发电机元件之间绝缘，在基板10上包括绝缘封装层20。在基板上为按键的静电发电机元件，静电发电机元件上为按键外壳，每个按键外壳与基板上的相应按键感应元件位置对应。当键盘的一个按键外壳被敲击时，被敲击按键下方的静电发电机元件受到敲击的外力（机械能）的作用在电极层和金属薄膜层之间产生电信号，与被敲击按键外壳位置对应的感应元件产生被敲击按键的按键信号，基板中的按键电路将所述按键信号输出。

本发明的键盘中，多个按键的静电发电机之间可以采用并联的方式连接，参见图5中，按键K1和K2之间的连接方式，具体为：按键K1的金属薄膜层31与按键K2的金属薄膜层32通过导线50连接，按键K1的电极层41与按键K2的电极层42通过导线60连接。以此类推，多个按键中，每个按键的电极层通过导线连接在一起，金属薄膜层通过导线连接在一起。

参见图5，本发明的键盘还可以包括桥式整流器70和可充电电池80，每个按键的静电发电机元件的输出端并联连连接在桥式整流器70的输入端，即多个静电发电机的电极层和金属薄膜层分别连接在全桥整流器的两个输入端，桥式整流器的输出端连接可充电电池80的两端。参见图6的桥式整流器的连接示意图，静电发电机元件的电极层和金属薄膜层分别连接在桥式整流器的两个输入端In1和In2之间，桥式整流器的两个输出端Out1和Out2分别连接在可充电电池等储能元件上。在敲击键盘的按键外壳时，静电发电机元件形成的交流信号S经过桥式整流器转化为直流信号A，可以为可充电电池充电。本发明的键盘中，可充电电池可以为锂离子电池、镍氢电池等任何可充电电池。

本实施例的键盘中，按键也可以采用实施例二中的按键结构，多个按键之间的排列与连接与图5中的键盘结构类似，这里不再复述。

本发明中的可充电电池中储存的电能可以用于驱动键盘中的传感器和信号发射器，这种键盘可以作为自驱动的无线键盘使用，相比于普通无线键盘，其电池元件不需要更换，具有方便、经济等优点。

现有的无线键盘需要加载电池或其他无线电源装置来驱动其压力传感器和信号发射装置，这样就增加了这种无线键盘的使用成本，对加载电池的维护和更换也增加了使用的不便之处。在本实施例中，通过在普通无线键盘中引入静电发电机元件，可以利用接触起电效应，将手指敲击键盘产生的机械能转化为电能，敲击键盘过程中产生的能量得到了有效的回收利用。

另外，本发明提供的键盘产生的电能通过可充电电池储存起来，可以为液晶显示器等显示设备供电。

另外，在笔记本电能等便携设备中使用本发明提供的键盘，由于在按键外壳下设置了静电发电机元件，敲击按键外壳时，被敲击按键外壳下方的静电发电机元件受到外力的作用而产生电信号，该电信号经过桥式整流器整流后的电信号可以直接为便携式笔记本电脑的电池充电。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1.一种按键，其特征在于，包括：

基板，所述基板上包括按键电路和按键感应元件；

所述基板上的静电发电机元件；

所述静电发电机元件上的按键外壳，所述按键外壳与所述按键感应元件的位置对应；

其中，所述按键外壳被敲击时，所述静电发电机元件产生电信号，所述按键感应元件产生按键信号，所述按键电路将所述按键信号输出。

2.根据权利要求1所述的按键，其特征在于，所述按键还包括弹性元件，所述弹性元件位于所述静电发电机元件和所述按键外壳之间。

3.根据权利要求1所述的按键，其特征在于，所述按键还包括弹性元件，所述弹性元件位于所述基板与所述静电发电机元件之间。

4.根据权利要求1-3任一项所述的按键，其特征在于，所述静电发电机元件包括：

金属薄膜层；

所述金属薄膜层上的弹性分离层；

所述弹性分离层上的绝缘薄膜层；

所述绝缘薄膜层上的电极层；

其中，未敲击按键外壳时，所述绝缘薄膜层与所述金属薄膜层被所述弹性分离层分隔开；敲击按键外壳时，所述弹性分离层被压缩使所述绝缘薄膜层与所述金属薄膜层接触，并且在所述绝缘薄膜层与所述金属薄膜层之间发生表面电荷转移，使所述静电发电机元件产生电信号。

5.根据权利要求4所述的按键，其特征在于，所述金属薄膜层为铜或铝薄膜层。

6.根据权利要求4所述的按键，其特征在于，所述绝缘薄膜层为聚四氟乙烯或聚对二甲基硅氧烷薄膜。

7.根据权利要求4所述的按键，其特征在于，所述弹性分离层为绝缘弹性有机物或弹簧。

8.根据权利要求4所述的按键，其特征在于，所述电极层为铜、银、金或铝薄膜。

9.一种键盘，其特征在于，包括多个如权利要求1-3任一项所述的按键，多个所述按键的按键电路和按键感应元件制备在同一基板上。

10.根据权利要求9所述的键盘，其特征在于，多个所述按键的静电发电机元件之间并联连接。

11.根据权利要求9所述的键盘，其特征在于，所述键盘还包括桥式整流器和可充电电池，其中，

每个所述静电发电机元件的输出端并联连接在所述桥式整流器的输入端；

所述桥式整流器的输出端连接在所述可充电电池的两端。

12.根据权利要求9所述的键盘，其特征在于，所述键盘为计算机、打字机或钢琴键盘。

Images