CN108572737B - 一种防水感应键盘 - Google Patents

Abstract

一种防水感应键盘，该键盘包括基板，该基板正面挖有多个凹槽，凹槽用于安装于键帽连接的回弹机构，凹槽处在基板上形成有厚度较薄的区域，该区域由于键帽被按压后，压力通过回弹机构传导至该区域而形成基板形变区域，在基板背面紧贴基板形变区域处设有应变传感器，该应变传感器用以检测基板形变区域的形变。基板背面每个基板形变区域处设置有横轴方向应变传感器和纵轴方向应变传感器，每个横轴方向应变传感器串联成行，每个纵轴方向应变传感器串联成列，在基板背面形成应变传感器阵列，该阵列具有横轴方向通道和纵轴方向通道，通过同时采集横轴方向通道和纵轴方向通道的应变信号，得到被按动的按键坐标按键压力。

Description

一种防水感应键盘

技术领域

本发明属于计算机设备技术领域，特别涉及一种防水感应键盘。

背景技术

现有的键盘种类中，一种键盘结构都为按键弹键和导通电路结构，此类型的键盘，做不到防水功能。而另外一类键盘，如电容式感应按键键盘或者薄膜开关按键键盘，虽然可以做到防水，但是电容屏按键没有触感，没有手感，或者按键的按压体验很差，而且在按键表面有水或导电物质时功能会出错，而且只能是导电物体才可以按动电容按键，戴上比较厚的手套工作就容易失效。另外，现有的键盘也无法检测到按键压力。

发明内容

本发明提供了一种防水感应键盘，不同于现有键盘结构设计。

一种防水感应键盘，该键盘包括基板，该基板正面挖有多个凹槽，凹槽用于安装于键帽连接的回弹机构，凹槽处在基板上形成有厚度较薄的区域，该区域由于键帽被按压后，压力通过回弹机构传导至该区域而形成基板形变区域，在基板背面紧贴基板形变区域处设有应变传感器，该应变传感器用以检测基板形变区域的形变。

基板背面每个基板形变区域处设置有横轴方向应变传感器和纵轴方向应变传感器，每个横轴方向应变传感器串联成行，每个纵轴方向应变传感器串联成列，在基板背面形成应变传感器阵列，该阵列具有横轴方向通道和纵轴方向通道，通过同时采集横轴方向通道和纵轴方向通道的应变信号，得到被按动的按键坐标和按键压力。利用传感器形状是长方形，且边长长的方向和边长短的方向的感应信号衰减速度不一样的设计特性，来增加行间和列间的信号区分度，防止误操作。

横轴方向应变传感器和纵轴方向应变传感器连接模拟信号采集模块，再经过信号放大模块和ADC模数转换模块连接微处理器，微处理器通过对应变传感器输出数据进行误差处理和温度补充后，给出压力等级和按键坐标的数字信号输出。

键帽的回弹机构是剪刀形支撑结构、弹簧结构、泡棉结构、橡胶结构中的一种，回弹结构的作用是安装固定键帽到基板凹槽，以及在键帽被按下后回弹到初始位置。

基板材料是金属、塑料、陶瓷或玻璃中的一种。

应变传感器阵列通过印刷，打印，喷涂，压印，蒸镀，磁控溅射，化学气相沉积或物理真空气相沉积方法制作到基板背面。

应变传感器的材料选自电阻型的金属应变材料、碳浆应变材料、金属复合材料应变材料、导电颗粒混合印刷材料或所述各材料的混合材料。

微处理器还包括误触操作排除模块，

根据统计不同力量激发按键得出的压力波形，总结不同压力下出发得到的波形上升沿，下降沿的特性，给出比较范围区间，

通过比较实际信号波形是否落入预设范围，判定是否是通过触发按键的行为，排除敲击按压键盘边缘，键盘基底层材料扭曲等等异常行为出现的信号。

横轴方向通道的长宽比>1，使得横轴方向信号更大，行间衰减大，使得行间坐标容易区分，

纵轴方向通道通道的长宽比<1，使得纵轴方向信号更大，列间衰减大，使得列间坐标容易区分。

本发明的键盘由贴在基底层(基板)背面的压力应变传感器阵列和整块基底材料，安装在基底上的键帽组成。基底材料正面通过CNC雕刻或者压铸或者注塑等工艺方法形成和键帽配合安装的凹槽点，凹槽点既可以安装键帽，又可以将基材减薄作为背面压力应变传感器的应力中心，提高传感器的感应灵敏度和按键位置区分度。压力应变传感器阵列由薄膜基材，双面胶，附着在薄膜基材上的传感器，也可以是直接制造在基底层表面的传感器阵列和传感器导线组成。传感器和正面的键帽下的凹槽位置一一对应。按键键帽通过弹力结构安装到基底正面的凹槽位置。当手指按压一定行程，按键中心柱击打到凹槽中心点，即造成凹槽位置的材料形变，背面的传感器随之形变，产生压力信号。压力信号传输给处理模块，包含信号放大处理，信号滤波处理，信号AD转换，压力等级换算算法运算，温度补偿，误触排除算法运算。

本发明相比现有键盘具有如下优点：

1、基底材料整体，不用开孔，可以保证防水特性；

2、按键时不仅可以识别按键，还可以得到按键的力量大小级别

3、键帽设计可以非常薄，保留键盘的操作手感同时结构简单，美观。

4、键盘结构传感器面后部悬空，整个粘结成一个整体，结构简单耐用。

5、本发明的键盘兼顾到防水操作，正面的密封性，而且按压手感良好，并且通过感知到按键压力后可以增加用户操作的功能和便利性。

附图说明

图1是本发明键盘的结构示意图。

图2是图1的局部放大示意图。

图3是本发明实施例中应变传感器阵列示意图。

图4是本发明应变信号处理示意图。

图5是本发明应变传感器压力信号衰减示意图。

1——用户手指；2——键帽；3——回弹机构；4——基板形变区域；5——基板；6——传感器；7——横轴方向通道；8——横轴方向应变传感器；9——纵轴方向应变传感器；10——纵轴方向通道。

具体实施方式

如图1和2所示，本发明键盘结构包含基板5，基板上开应力集中槽，槽内安装键帽2和回弹机构3，基板5下面安装应变感应传感器6。

当手指1按压到按键键帽2时，回弹机构3压缩，键帽2的中心柱向下碰到基板5的形变区域4，下压力使形变区域4变形，对应基板5下面安装的传感器6整体复制基板形变区域4的形变，传感器6形变后电阻发生变化。传感器6由横轴方向应变传感器8和纵轴方向应变传感器9组成，通过同时采集横轴通道7和纵轴通道10的信号，可以得出信号量最大的横轴通道和纵轴通道，既可以得到按键坐标。另外，采集横轴通道7和纵轴通道10的信号总和又可以得到按键下压的压力值，如图3所示。

所有横、纵方向的形变信号可以是以电压变化量的模拟量输入信号采集模块，经过信号放大模块，ADC模数转换模块，再通过温度补偿算法，误触排除算法，压力等级换算，给出压力等级和按键坐标的数字信号输出。

温度补偿的方法可以是电桥温度补偿电路，标准热敏电阻补偿电路，NTC和PTC两种应变感应材料混合补偿电路；误触排除算法可以是，特征波形比较排除法，(下图是标准压力波形)，压力阈值排除法(比如：只识别50g力以上，500g力以下的信号，其他力量信号忽略不计)。

键盘包含一层基底层(基板)，基底层材料可以为金属(铝，镁铝合金，不锈钢，铜，铜合金，及其他金属，或合金材料)，塑料(ABS，PC，PMMA，尼龙，碳纤维等)，陶瓷，玻璃。安装在基底层下的一层传感器阵列，基底层表面制作应力集中凹槽，每一个应力集中槽下对应一个传感器阵列中的传感器感应点。应力集中凹槽中安装按键键帽，键帽包含一个中心柱和弹力回弹机构，并且包含感应衰减算法，温度补偿，误触排除算法等信号处理模块。

传感器阵列数据采集方法为：行判断+列判断方式，使用比较少的数据通道数既可以判断很多个按键点的触发状况及触发压力，相比较原有的应变传感器是单个按键作为判断信号通道，大大降低了成本，减少了数据处理难度。可以处理1～100行，1～100列按键，共可以处理1～10000个按键的按压数据。信号通道数1～200个。

传感器外形长宽比设置方向按照每个传感器不同长宽方向尺寸的应力感应衰减率不同，行方向安装的传感器为长度方向尺寸大于宽度方向尺寸，列方向安装的传感器为长度方向尺寸，这样就提高了行方向和列方向的信号判别能力，减小了行间距和列间距。间距可以设置为2mm～500mm。按键可以识别0.1g～5000g的击发压力范围；

传感器阵列可以直接通过印刷，打印，喷涂，压印，蒸镀，磁控溅射，化学气相沉积，物理真空气相沉积等方法制作到基底层背面，电极图案可以使用印刷，化学蚀刻，等离子蚀刻，激光蚀刻等方法制作。也可以将传感器阵列先制作到塑料(玻璃，陶瓷，金属)基板上，然后通过双面胶或水性胶水黏贴到基底层背面；

传感器阵列的导线层可以直接通过印刷，打印，喷涂，压印，蒸镀，磁控溅射，化学气相沉积，物理真空气相沉积等方法制作到基底层背面，电极图案可以使用印刷，化学蚀刻，等离子蚀刻，激光蚀刻等方法制作。

基底层应力集中凹槽一方面局部减薄了基底层材料厚度，另一方面用于安装键帽。基底层厚度可以是0.006mm～20mm；应力集中凹槽底部材料厚度可以是0.003mm～3mm。

键帽的中心柱直径可以是0.1mm～10mm，中心柱顶部可以是球顶也可以是平顶或倒C角顶部。键帽的弹力回弹机构可以是剪刀形支撑结构，也可以是弹簧结构，也可以是泡棉结构，也可以是橡胶结构。弹力回弹结构起到安装固定键帽到基底层应力集中槽和试键帽被按下后回弹到初始位置。

压力应变传感器可以为电阻型的金属应变材料，碳浆应变材料，金属复合材料应变材料，导电颗粒混合印刷材料。

如图4所示，键帽激发产生压力信号后传输给处理模块，包含信号放大处理，信号滤波处理，信号AD转换，压力等级换算算法运算，温度补偿，误触排除算法运算，最终得到按键位置信号和按键压力值，通过数字信号形式传递给处理器。

误触排除算法是根据统计不同力量激发按键得出的压力波形，总结不同压力下出发得到的波形上升沿，下降沿的特性，给出比较范围区间，通过比较实际信号波形是否落入预设范围，判定是否是通过触发按键的行为。排除敲击按压键盘边缘，键盘基底层材料扭曲等等异常行为出现的信号。

如图5所示，传感器的长宽比设计对于区分按键的准确性非常关键，如图宽度方向和长度方向的长宽比和压力信号衰减有关。长宽比>1的方向信号衰减速度慢。所以通道设计时，横轴方向的传感器信号通道的长宽比>1，使得横轴方向信号更大，行间衰减大，使得行间坐标更容易区分。通道设计时，纵轴方向的传感器信号通道的长宽比<1，使得纵轴方向信号更大，列间衰减大，使得列间坐标更容易区分。

Claims (6)

1.一种防水感应键盘，其特征在于：包括基板，所述基板的厚度为0.006mm-20mm所述基板的正面设置有若干凹槽，所述凹槽内设置有回弹机构，所述回弹机构的顶端设置有键帽，所述回弹机构的中央设置有中心柱，所述凹槽的底部为基板形变区域，所述中心柱的底部与所述基板形变区域相接触，所述中心柱的直径为0.1mm-10mm，所述基板形变区域的厚度为0.003mm-3mm，所述基板的背面设置有若干应变传感器，所述应变传感器与所述基板形变区域相对设置；

每一个所述应变传感器均包括相互垂直设置的横轴方向应变传感器和纵轴方向应变传感器，所述横轴方向应变传感器和所述纵轴方向应变传感器均为长方形，所述横轴方向应变传感器的长宽比＞1，所述纵轴方向应变传感器的长宽比＜1，位于同一排的若干所述横轴方向应变传感器依次串联并形成若干平行的横轴方向通道X1、X2、X3、X4……，位于同一列的若干所述纵轴方向应变传感器依次串联并形成若干平行的纵轴方向通道Y1、Y2、Y3、Y4……；

所述横轴方向通道和所述纵轴方向通道均与模拟信号采集模块相连接，所述模拟信号采集模块依次通过信号放大模块和ADC数模转换模块并与微处理器相连接，所述微处理器内设置有温度补偿模块、压力等级换算模块、误触排除算法模块，所述微处理器输出数字信号。

2.如权利要求1所述的一种防水感应键盘，其特征在于：所述误触排除算法 模块根据统计不同力量激发按键得出的压力波形，总结不同压力下出发得到的波形上升沿、下降沿的特性，给出比较范围区间，通过比较实际信号波形是否落入预设范围，判定是否是通过触发按键，排除异常行为出现的信号。

3.如权利要求1所述的一种防水感应键盘，其特征在于：所述回弹机构是剪刀形支撑结构、弹簧结构、泡棉结构、橡胶结构中的一种。

4.如权利要求1所述的一种防水感应键盘，其特征在于：所述基板的材质是金属、塑料、陶瓷或玻璃中的一种。

5.如权利要求1所述的一种防水感应键盘，其特征在于：所述应变传感器的阵列通过印刷，打印，喷涂，压印，蒸镀，磁控溅射，化学气相沉积或物理真空气相沉积方法制作到所述基板的背面。

6.如权利要求1所述的一种防水感应键盘，其特征在于：所述应变传感器的材料选自电阻型的金属应变材料、碳浆应变材料、金属复合材料应变材料、导电颗粒混合印刷材料或以上所述材料的混合材料。

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