CN103713742A

CN103713742A - 电容式触控键盘

Info

Publication number: CN103713742A
Application number: CN201310464868.2A
Authority: CN
Inventors: 胡师贤
Original assignee: Touchplus Information Corp
Current assignee: Touchplus Information Corp
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-10-08
Also published as: TW201415334A; TWI474243B; US9148142B2; CN103713742B; US20140097885A1

Abstract

本发明公开了一种电容式触控键盘，包括软性屏蔽层、软性中间层、及一维感测层，其中软性中间层置于其它两者之间以形成电容结构。软性屏蔽层包括第一接地平面、覆盖于第一接地平面上的介电材料、及在其外表面的至少两个键区。一维感测层包括对应键区的至少两个感测单元，各个单元电性连接至电容感测电路。因此，更小型、更简化的结构设计特征系提供于电容键盘。

Description

电容式触控键盘

技术领域

本发明涉及一种键盘装置，特别涉及一种具有压力感测及数个响应功能的电容式触控键盘。

背景技术

目前，最为广知的键盘装置可分为接触型和非接触型两种类型。第一种最常称为机械键盘和薄膜键盘，其中响应于手指在键盘上的按压，电流流过接触点以提供按压讯号给控制电路作为输入。这种传统键盘的电路模型示于图1的5×8键盘矩阵。使用者的手指按压于键上时形成短路，使得可以感测到被按压的键。

至于第二种非接触式键盘，一个有代表性的产品是电容式键盘，包括机械式、触控按钮式、和虚拟键盘。机械电容式键盘如图2所示，其中当用户按下按键911时，顶板912推向置于底部的印刷电路板913，使得两个板912和913之间的电容发生变化并被感测出以用于实现输入目的。

参看图3，绘示传统触控按键型电容式键盘；在键盘中，交流电通常流过电路。当使用者用他的手指按压键921时，键盘的电容发生变化，并由感测控制器922感测作为击键。

如今，投射电容式触控技术已被广泛地使用于各种消费产品，如移动电话、平板计算机等，其中使用虚拟类型的键盘。虚拟键盘能够识别手指在屏幕上的位置以作为击键，当手指触控于键上时，利用识别电容变化的相同概念作为上述的电容键盘。图4A和图4B绘示两种类型的电容感测结构作为虚拟键盘的一组件，一个用于双侧栏类型，另一个用于具有桥梁的单侧钻石类型，这两者都称为二维矩阵电极设置。

综上所述，由于接触点和污染的易感性，传统的触控键盘具有可靠性差的缺点，而非触控键盘太贵或缺乏按压的触感。

发明内容

本发明的目的之一是改善传统电容式键盘的高成本及缺乏按压触感的缺点。

本发明的另一个目的是提供一种电容式触控键盘，由于采用一维单层电容感测结构，不仅提供触感和手势操作，也降低了装置的大小和成本。

为了实现上述以及其它的目的，本发明的电容式触控键盘包括软性屏蔽层、软性中间层、和一维感测层，从底部向上的顺序排列，其中一维感测层是透过诸如柔性印刷电路板(FPC)而电性连接到电容感测电路。

软性屏蔽层包括接地平面及覆盖在接地平面上的介电材料。软性屏蔽层还包括在外表面处的多个键区。软性中间层是置于软性屏蔽层的接地平面与一维感测层之间，藉此形成电容的结构。

一维感测层包括对应键区的多个感测单元，其中各自单元是电性连接到电容感测电路。

透过本发明的键盘设计，涉及了简化的结构，当用户用他的手指按压屏蔽层时，为使用者提供向下偏转的清晰触觉感受，并且在同一时间屏蔽层的接地平面与一维感测层的感测单元之间的间隙也被缩短，致使键盘的电容产生变化，允许感测电路识别被按压的键。

较佳地，介电材料是称为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜、或橡胶。介电材料可提供对应（或符合）键区的多个经印记的外部可见键标签，以用于个别键的识别。

软性中间层可形成为传统的电阻式触控屏幕所熟知而使用的单板形式或多个间隔件，可以由光学透明树脂（OCR）或光学透明胶粘剂（OCA）所制成。

软性屏蔽层可以设置有对应键区和设置在相邻键区（如果有）的可选性非键区的至少两个开口，各开口露出软性中间层，致使当手指置于任何开口时，由于在该位置没有任何接地平面而产生手指电容，因此手势操作可由这些开口达成。

每个感测单元可能被6个其它单元包围，例如，每个单元形成六边形，致使整体形成蜂窝图案，在相邻感测单元之间有电性连接，造成更佳的手势操作分辨率。

一维感测层可透过柔性印刷电路板连接到电容感测电路。在非键区中，如相邻键区之间的键与键之间的空间，一维感测层可进一步包括对应于非键区的用于近似感测的另一个感测单元。一维感测层可进一步包括另一接地平面，置于所有感测单元的对侧并对应键与键之间的空间以有更好的讯号稳定性。此外，所有的接地平面（包括屏蔽层、键区和非键区）可配置以自电容感测电路产生刺激电压，提供了极其敏感的接近感测。

因此，本发明提供了一种电容式触控键盘，其包括：软性屏蔽层，包括接地平面和覆盖在接地平面上的介电材料，其中软性屏蔽层还包括外表面上的多个键区；一维感测层，包括对应于多个键区的多个感测单元，其中每个感测单元的形状为六边形，以整体形成蜂窝图案，蜂窝图案的单元包括六个相邻六边形（单元）所围绕的中心六边形（小区）；软性中间层，置于软性屏蔽层的接地平面与一维感测层之间，以形成电容结构；以及电容感测电路，电性连接至多个感测单元以探测电容变化。

在另一个实施例中，电容式触控键盘包括软性屏蔽层，包括接地平面和覆盖在接地平面上的介电材料，软性屏蔽层还包括外表面的至少两个键区，软性屏蔽层具有对应键区并选择性地对应键区以外区域的至少两个开口，每个开口露出柔性中间层；一维感测层包括至少两个感测层，对应键区并选择性地对应亦用于触控感测目的的键区以外区域，每个感测单元的形状为六边形，以整体形成蜂窝图案，蜂窝图案的单元包括中心六边形（小区），由六个相邻的六边形（单元）包围之；软性屏蔽层，置于软性屏蔽层的接地平面与一维感测层之间，以形成电容结构；及电容感测电路，电性连接至至少两个感测单元以探测电容变化。

附图说明

本发明的原始目的和优点在阅读下面的描述和参考附图后将变得显而易见：

图1绘示传统的接触式键盘的电路图；

图2绘示传统的机械电容式键盘；

图3绘示传统的触控按键式电容式键盘；

图4A和图4B绘示两个传统的二维电容感测结构；

图5绘示根据本发明第一实施例的电容式触控键盘；

图6A绘示当键盘未有操作时伴随图5中键盘的相关简化电容电路的剖视图；

图6B绘示当按压动作未操作时伴随图5中键盘的相关简化电容电路的剖视图；

图7绘示图5的一维感测层得感测单元的一部分；

图8绘示根据本发明第二实施例的电容式触控键盘；

图9绘示图8中用于感测单元和开口的配置；

图10绘示当手指停留在其中一个开口时伴随图8中键盘的相关简化电容电路的剖视图；

图11绘示相对于键盘的各个手指事件的电容结果的图表；

图12绘示根据本发明的第三实施例的电容式触控键盘；

图13绘示根据本发明的第四实施例的电容式触控键盘。

主要组件符号说明

软性中间层 12 一维感测层 13 电容式感测电路 14 柔性印刷电路板 15

软性屏蔽层 21 中间层 22 感测层 23 感测电路 24

间隔件 30 软性屏蔽层 31 软性中间层 32 一维感测层 33

前侧 33a 背侧 33b 电容感测电路 34 导电接地平面 111

介电材料 112 键区 113 键标签 114 开口 214

接地平面 211 介电材料 212 开口 214 感测单元 231

第一接地平面 311 介电材料 312 开口 313 开口 314

键之间的空间 315 第一感测单元 331 第二感测单元 332 第一感测单元 333

第二接地平面 334 按键 911 顶板 912 印刷电路板 913

键 921 感测控制器 922

具体实施方式

本发明提供电容式触控键盘，特征为全部的结构是相当简化的、在按压动作时提供触感、及减少键盘的大小。

为了充分理解根据本发明上述细节及其它优点和目的的取得方式，本发明的更详细描述将参考其最佳模式和特定实施例而呈现。本发明的以下描述是为了说明本发明的一般原则，不应被视为具有限制意义；它是为了说明本发明的各种实施例。因此，所讨论的具体修改不被解释为对本发明范围的限制。在不脱离本发明范围的情况下，作出不同的等效实施例、更改和修改对于本领域的技术人员而言是显而易见的，应当理解，这种等效实施例是包括在此的。在下面的描述中所使用的术语目的是以其最广泛的合理方式来解释，即使它被用在本发明的某些特定实施例的详细描述。某些术语甚至可能在下文强调；但是，欲以任何受限制的方式来解释任何术语时，将在实施方式部分揭示和具体定义。在允许的情况下，单数或复数可能还分别包括复数或单数。此外，除非明确限制「或」字是指两个或多个项目列表中其它项目的单一项目，则在此列表中「或」的用法是被解释为包括（a）清单中的任何单一项目、（b）列表中的所有项目、或（c）列表中任何项目的组合。将描述本发明的优选实施例和态样以解释本发明的范围、结构和程序。除了本说明书中的优选实施例，本发明可以广泛地应用在其它实施例中。

参照图5，其系根据本发明第一实施例的电容式触控键盘的示意图；本范例绘示触控键盘主要包括软性屏蔽层11、软性中间层12、和一维感测层13，以由上往下的顺序堆栈。

软性屏蔽层11包括导电接地平面111和覆盖于接地平面111上的介电材料112。软性屏蔽层11在其外表面上具有至少两个键区113，代表键盘装置的输入键的预先设定位置，如图5中的21个区域（3行7列的矩阵）所示。当使用者施加按压力于其上时，屏蔽层11会暂时变形，当按压力被释放时，恢复到自然状态。选择用于接地平面111的材料可以是金属，例如铜，和介电材料112可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜、或橡胶。多个键标签114是印记于介电材料112上，对应不同的键区113，如在图中所示的英文字母，它们提供与传统键盘的字母相同的识别作用。这些键标签114肯定是外部可见的，为用户提供视觉识别。

一维感测层13是印刷电路板组件(PCBA)制造的单层印刷电路板。在包括组件路由的情况下，印刷电路板(PCB)通常是2层。以下使用词组「单层」，以特别用于区分传统感测层中使用的两个铟锡氧化物(ITO)板（各自作为行电极和列电极）。在本实施例中，一维感测层13包括至少两个六方感测单元，其中一些示于图7中，编号为131a至131g，所有的单元表现出蜂巢图案。每个感测单元与软性屏蔽层11的相应键区113对准，并且透过导线电性连接到电容式感测电路14，其中所有导线可整合于柔性印刷电路板(FPC)15。

屏蔽层的接地平面可以由诸如铜、银膏、铟锡氧化物(ITO)、锑锡氧化物(ATO)、铟锌氧化物(IZO)、氧化锌(ZnO)等以及上面提到的那些的组合制成。

软性中间层12置于软性屏蔽层11的接地平面111和一维感测层13之间，作为两者的分隔材料，构成接地平面/中间层/感测单元的电容结构。在该范例中，选择用于软性中间层12的材料是OCR或OCA，这是因为电容结构的两个极板之间的均匀距离所提供的优点，允许键盘的相似特征在装置上。此外，当使用者按下键时，软性中间层12也可作为增加触感的海绵缓冲。

参照图6A和6B，绘示当键盘未进行操作时及当按压动作未于键盘上操作时伴随图5中键盘的相关简化电容电路的剖视图；当键盘装置未进行操作时，接地平面111和一维感测层13定义D1的间隙，感测电路14中探测到的电容讯号是以C_Plates_D1表示，如图6A所示。如图6B所示，因发生在两个层11和12之间的变形，当使用者用手指按下软性屏蔽层11上的键区113时，接地平面111与一维感测层13之间的间隙发从D1变成D2（D2小于D1），感测电路14探测电容C_Plates_D2。

因此，透过上述的新颖结构，电容式键盘装置提供按压触感和更好的操作确认给使用者，也避免了接触式键盘的缺点。

参照图8，绘示根据本发明第二实施例的电容式触控键盘；参照图9，绘示图8中用于感测单元和开口的配置；本实施例中分享与第一实施例中相同的组件，如软性屏蔽层21、软性中间层22和一维感测层23，因简明目的在此省略相关的功能。与第一实施例的区别是软性屏蔽层21提供至少两个开口214，每个开口214透过接地平面211和介电材料212延伸，致使中间层22露出。开口214对应于感测层23的感测单元231，每一个开口214位于相应感测单元231的档案内，如图9的透明顶视图所清楚绘示。

由于接地平面消失在开口处，当使用者以手指轻轻地接触（没有「按压」）该位置时，因而产生手指电容并以C_Finger表示，如图10所示，感测电路24探侧包括C_Plates_D1和C_Finger的电容讯号。因此，感侧电路能够识别手指的位置并追踪其运动，也就是说，开口214提供手势操作功能，前提是定义预先设定于相关的控制电路中。

感测单元所形成的蜂窝图案在具有手势操作功能的键盘装置中是特别有用的，不仅感测单元可以更紧凑的形式安排，而不会浪费所占区域，而且提供最大数目的刺激和感测组合（63是用于单一单元，更大的数目用于单元群组）（以及因此更好的讯号分辨率）。感测层具体包括基板，可以是印刷电路板、薄膜或玻璃板；感测单元，可以是透明的，在基板上制作。感测单元是以六边形的形状形成，整个感测单元的图案被设置为具有蜂窝结构。正如图中所示，多个单个六边形设置有七个六角形，以形成一个单元。一个六边形由六个相邻的六边形包围。在被触摸时，中心的感测单元可能表示一个输出讯号，当两个感测单元被触摸时，具有相邻感测单元之一者的中心感测单元可能表示另一种输出讯号。相同的理由，三、四、及更多个感测单元的组合可用于指示特定的输出讯号。因此，感测单元的配置可提供多个输出讯号，以指示不同的指令。该感测单元是电性连接到控制电路。因此，本发明的触控面板可以更精确地进一步定位手指的位置。因此，虽然本发明的感测单元可以是远远大于传统触控面板的感测单元，然而，本发明的触控屏幕可以精确定位手指的位置，本发明的单元可以输出多个讯号。

图11绘示响应于键盘上各个手指事件的电容变化。例如，当手指远离键盘时，电路中探测的电容为C0，当手指轻轻触及键区时（在其上而不施加按压力），或是停止按压后仍然停留在键区时，电路中探测到的电容为C1，当手指施力按压键盘键时，电路中探测到的电容为C2。以上的电容有关系如下：C2>C1>C0。鉴于上述情况，开口允许本发明的键盘不仅如普通开口般执行其预期的输入功能，亦加入手势操作功能。

参照图12，绘示本发明的第三实施例；除了作为中间层的OCR或OCA板是以多个间隔件30取代之外，本范例类似于第一实施例。这种配置亦提供电容结构。

参照图13，绘示根据本发明的第四实施例；在实施上，为了增加讯号的稳定性，接地平面较佳是设置在印刷电路板的背侧，这将在本范例中说明。电容式触控键盘包括软性屏蔽层31，一维感测层33和位于两者之间的软性中间层32，软性屏蔽层31包括第一接地平面311和覆盖第一接地平面311的介电材料312。软性屏蔽层31还包括多个键区和对应键区K1和K2的开口313和314，多个键区如外表面处的K1和K2。K1和K2之间的键区存在非键区N1，并以软性屏蔽层31所提供的键之间的空间315（作为开口）实施。

一维感测层33包括多个感测单元331到333，其中第一感测单元331和333对应于键区K1和K2，而第二感测单元332对应于非键区N1。各个单元是电性连接到电容感测电路34。键区K1和K2的操作与第二实施例相同，因此在此省略。当手指接近区域N1时，基于与开口313和314相同的原理，产生手指电容。透过提供复数个键之间的空间，允许使用者执行手势操作，因此触控键盘有附加价值。在这种情况下，为了提供与传统键盘的按键操作相同的感觉，较佳作法是安装按键帽于每个键区，而相邻的按键帽是以间隙分开。

为了提高讯号的稳定性，非键区N1，两层的印刷电路板（作为一维感测层33）具有第二接地平面334在相对于前侧33a的背侧33b上，单元331到333是设置于前侧33a上，在本例中，第二接地平面334仅对应于单元332。另外，透过提供刺激电压给第一或第二接地平面334（例如从感测电路34）和所述第一或第二接地平面334进一步发出刺激用于与诸如手指的任何接近的物体耦合，藉此可达成极为敏感的接近感测。值得注意的是，在本实施例中，虽然图中显示每者只有一个（一部分是重迭），但涉及数个非键区（和键之间的空间）与第二接地平面。

为了解释的目的，前面的描述是呈现于优选实施例的具体细节中，以提供对本发明的透彻理解。但是，不需要具体的细节便能够实施本发明，这对本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，上述本发明具体实施例的描述仅用于说明和描述的目的，并不应该被解释为以任何方式限制本发明的范围。它们并非旨在穷举或将本发明限制为所揭示的精确形式；显然，根据上述教示，许多改进和变化都是可能的。选择和描述这些实施例是为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，因此使本领域技术人员能够以适合于预期的特定用途的各种变更最好地利用本发明和各种实施方式。以下的申请专利范围及其均等物定义本发明的范围。

Claims

1.一种电容式触控键盘，其特征在于包括：

一软性屏蔽层，包括一第一接地平面及覆盖于该第一接地平面上的一介电材料，其中该软性屏蔽层亦包括至少两个键区于一外表面；

一一维感测层，包括对应该键区的至少两个第一感测单元；

一软性中间层，置于该软性屏蔽层的该第一接地平面与该一维感测层之间，以形成一电容结构；及

一电容感测电路，与该第一感测单元电性连接，以感测一电容改变。

2.如权利要求1的电容式触控键盘，其特征在于该介电材料是聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、或橡胶。

3.如权利要求1的电容式触控键盘，其特征在于该介电材料具有对应于键区的至少两个经印记的外部可见键标签。

4.如权利要求1的电容式触控键盘，其特征在于该软性中间层由至少两个间隔件制成。

5.如权利要求1的电容式触控键盘，其特征在于该软性屏蔽层具有对应于键区的至少两个开口，每一开口曝露该软性中间层。

6.如权利要求1的电容式触控键盘，其特征在于每个第一感测单元的由六个其它单元所环绕，以整体形成一蜂巢图案。

7.如权利要求1的电容式触控键盘，其特征在于该屏蔽层的第一接地平面由金属、导电高分子、透明导电材料或其组合所制成。

8.如权利要求1的电容式触控键盘，其特征在于该一维感测层透过一柔性印刷电路板连接至电容感测电路。

9.如权利要求1的电容式触控键盘，其特征在于该软性屏蔽层更包括在相邻键区之间形成为一键间空间的一非键区。

10.如权利要求9的电容式触控键盘，其特征在于该一维感测层更包括一第二接地平面，置于所有感测单元对面及对应于该键间空间的一侧。

11.如权利要求10的电容式触控键盘，其特征在于该电容感测电路提供一刺激电压给该第二接地平面。

12.一种电容式触控键盘，其特征在于包括：

一软性屏蔽层，包括一接地平面及覆盖于该接地平面上的一介电材料，其中该软性屏蔽层亦包括至少两个键区于一外表面；

一一维感测层，包括对应该键区的至少两个感测单元，其中每个感测单元的形状是六边形，以整体形成一蜂巢图案，其中该蜂巢图案的一单位包括由六相邻六边形所环绕的一中间六边形；

一软性中间层，置于该软性屏蔽层的该接地平面与该一维感测层之间，以形成一电容结构；及

一电容感测电路，与该感测单元电性连接，以感测一电容改变。

13.如权利要求12的电容式触控键盘，其特征在于该介电材料具有对应于该键区的至少两个经印记的外部可见键标签。

14.如权利要求12的电容式触控键盘，其特征在于该软性中间层是由至少两个间隔件制成。

15.如权利要求12的电容式触控键盘，其特征在于该软性屏蔽层具有对应于该键区的至少两个开口，每一开口曝露该软性中间层。

16.如权利要求12的电容式触控键盘，其特征在于该软性屏蔽层的该接地平面由金属、导电高分子、透明导电材料或其组合所制成。

17.一种电容式触控键盘，其特征在于包括：

一电容感测电路，与该等感测单元电性连接，以感测一电容改变；

其中该软性屏蔽层具有对应于该键区的至少两个开口，每一开口曝露该软性中间层。

18.如权利要求17的电容式触控键盘，其特征在于该软性中间层是由至少两个间隔件制成。

19.如权利要求17的电容式触控键盘，其特征在于该软性屏蔽层的该接地平面是由金属、导电高分子、透明导电材料或其组合所制成。

20.如权利要求17的电容式触控键盘，其特征在于该介电材料具有对应于该键区的至少两个经印记的外部可见键标签。