CN2802573Y - 一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘及其便携式终端 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及便携式终端的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘，为了解决按键弹性帽的经常变形及移动会造成触摸板的磨损问题，提供了一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘及其便携式终端，包括复数个按键，至少一个与按键相耦合的感应装置，按键下对应至少一个具有触觉反馈功能的机械构件；感应装置与一感应耦合电路相连；当一感应物在感应装置的感应空间内滑动时，感应耦合电路输出所述感应物的位置轨迹信息；当一感应物按动按键，机械构件提供触觉反馈功能，所述感应耦合电路输出被按按键的位置信息及状态。本实用新型的有益效果在于，保持手机原有的外形结构和手机数字键盘原有的功能，并且省掉机电开关及电路，节约了成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子技术领域，特别涉及用于便携式终端的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘；具体的讲是一种用户界面装置及其便携式终端。
背景技术
随着通信技术的发展，手机作为便携式终端的一种，已经成为深受大众欢迎的通信工具。手机随着用户的需要正向着小型化，人性化，多样化和数据化发展。传统的手机主要以通话为主。这对用户界面装置的要求相对简单。基于机电开关原理的手机按键键盘已能很好的满足要求。这种键盘通常包括0-9十个数字/字母按键，及若干个功能键。按键下方设置有弹性帽，当按键被按下后，弹性帽的导电层接触并接通电开关。按键按压动作收起来后弹性帽自动弹会原位，形成触觉反馈，提示使用者按键动作已完成。键盘使用的机电开关技术已臻完善，易于实现，性能可靠。然而随着越来越多的手机用户开始使用像电子邮件(Email)，彩信(MMS)，即时信息(IM)和短信息(SMS)等手机文字信息通信方式，文字输入对用户界面装置提出了新的要求。而在传统手机按键键盘上输入文字尤其是输入像中文这样的非字母的文字是件非常困难的事。随着通信业务的飞速发展，特别是伴随着GPRS等宽带技术的应用，此类业务会要求用户输入更多的信息，而现有的用户界面装置不能再满足以上的要求，这就使信息服务的广泛应用受到限制。
各种新型的用户界面装置被应用到手机上。例如具有手写识别功能的触摸屏也被应用在手机上来输入文字。目前比较流行的两种触摸屏分别为电阻式触摸屏和电容式触摸屏，电阻式触摸屏是由一层可变形的电阻薄膜和一层固定的电阻薄膜构成，中间由空气相隔离。其工作原理是：当用笔或用户手指接触触摸屏时，上层电阻受压变形并与下层电阻接触，下层电阻薄膜就能感应出笔或用户手指的位置。第二种是电容式触摸屏技术，电容式触摸屏的工作原理与电阻式触摸屏基本一样，它主要是通过手写笔向基板施加压力时，电容值的改变来定位手写笔的位置。触摸屏这种新型的用户界面装置很好的解决了文字输入的问题。然而，为了保持手机外形的小巧，大多数这类手机设计中只有一个触摸屏而省略了数字按键键盘。触摸屏上也可以用来显示一个虚拟键盘，这样的设计，用户就需要点击在触摸屏上显示的虚拟按键来拨号。虚拟键盘没有提供触觉反馈，用户通常会觉得使用起来不方便，并容易产生错误操作。也有一些手机既有触摸屏又有数字键盘，这样的手机难免体积大，携带不方便。总之，触摸屏难以同时很好的满足拨号通话，文字输入，及小型化的要求。
最近像用在笔记本电脑上的触摸板也被应用在手机上，例如，US2003048257公开的装置，诺基亚(Nokia)6108手机翻盖上装有数字按键键盘，用户在按键上拨号，打开数字按键键盘的翻盖，下面就是一个触摸板。用户可以用输入笔在触摸板上输入文字。当用户用输入笔在触摸板上写入文字的笔划时，手机中的特殊IC控制器感应到输入笔在触摸板上划过时产生的压力变化。进而笔划在XY坐标上的位置就被记录下来，并送到手写识别处理器上。然后与输入笔划相符合的几个候选的字符就会被输出并显示在显示器上。接下来，用户用输入笔在触摸板上点击菜单及图标进行查找并选择确认或删除所显示出的字符。但是同时具有触摸板及数字按键，增加了手机成本及手机外形体积。
US2003025679，EP1197835公开了类似的用户界面装置，对同时具有触摸板及按键键盘的设计加以改进。触摸板被直接装在按键键盘下面。按键下方设置有弹性帽。为了按键键盘的机电开关得以工作，针对每一个按键，在触摸板上都要相应的打一个孔。这样按压按键时，按键的机械拄才可以顺利穿过触摸板从而压动弹性帽。弹性帽的导电层接触并接通电开关。按键按压动作收起来后弹性帽自动弹会原位，形成触觉反馈，提示使用者按键动作已完成。按键键盘的功能得以保留，拨号通话很方便。当用户手指在键盘表面滑动时，非接触式触摸板及其与其相连的特殊IC控制器通过电容感应的原理，测量并输出用户手指的移动轨迹，进而实现手写识别功能在手机上来输入文字，或移动光标控制用户界面。这里按键的机电开关与非接触式触摸板分别由两套不同的独立电路控制。其中各自的扫描分电路都同时独立工作，进而监测并判断用户手指是否按压按键，或用户手指是否在键盘表面滑动，增大了耗电。
US5917906公开了用户界面装置，对同时具有触摸板及键盘的设计加以改进。在触摸板上加上一组弹性帽及隔离层。隔离层包括一组小孔与弹性帽相匹配，这样弹性帽及隔离层结构的上表面相对平整。它们的上面再加一很平整的标有按键标志的输入面。当用笔或用户手指按压按键标志时，弹性帽提供了触觉反馈，同时弹性帽与触摸板的接触部分产生压力，从而通过触摸板被压部分的位置判定实现按键的功能。当用笔或用户手指在输入面上带力滑动时，通过触摸板被压部分的轨迹判定实现手写输入功能。这一方案提供了手写输入功能及带有触觉反馈的按键的功能。然而它存在以下缺陷。第一，当用笔或用户手指按压按键标志时，弹性帽具有一定的面积，与触摸板的接触并不均匀。通过接触受力，如何判定按键是否按下并不准确。很容易产生误判。接触受力的判定临界值与弹性帽的反弹点并不对应，从而使用户对触觉反馈产生困惑，对是否已按下按键很容易产生误判。第二，虽然输入面可以很平以方便手写输入，但因为弹性帽的存在造成触摸板的受力在有无弹性帽的地方并不平滑，使手写输入的手感差。受力的不均匀会使笔迹的识别产生不连续性，降低手写输入的识别率。第三，弹性帽与触摸板直接接触，弹性帽的经常变形及移动会造成触摸板的磨损。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，提供一种用户界面装置、方法及其移动终端，并且在提供手写文字输入及光标控制功能的同时，保持手机原有的外形结构，也不失掉手机数字键盘原有的功能，并且省掉机电开关及电路，节约了成本。
本实用新型的技术方案为：
一种用户界面装置，包括复数个按键，至少一个与所述按键相耦合的感应装置，所述按键下对应至少一个具有触觉反馈功能的机械构件；所述感应装置与一感应耦合电路相连；当一感应物在所述感应装置的感应空间内滑动时，所述感应耦合电路输出所述感应物的位置轨迹信息；当一感应物按动按键，所述机械构件提供触觉反馈功能，所述感应耦合电路输出被按按键的位置信息及状态。
所述的按键包括，直接在所述感应装置表面上标定的多个区域，印上数字，字母符号或者控制符号从而代表各种按键。
所述的感应装置是电容式的，即所述的感应装置是通过测量电容的变化产生位置信息。
所述的感应装置是阻抗式的，即所述的感应装置是通过测量阻抗的变化产生位置信息。
所述的感应装置由透明或近似透明的材料构成。
所述的感应装置包括至少一层由感应电极构成的感应层；所述的感应电极是互相隔离的导线条的导线条；所述的感应电极分布在不同的感应层，不同的感应层的感应电极之间形成耦合互电容；所述的耦合互电容随一感应物在所述感应装置上的感应空间内移动而改变。
所述的感应装置包括由感应电极构成的感应层；所述的感应电极是互相交叉，不相连的导线条；所述的感应电极分布在同一的感应层，同一的感应层的感应电极之间形成耦合互电容；所述的耦合互电容随一感应物在所述感应装置上的感应空间内移动而改变。
所述的感应装置包括至少一层由感应电极构成的感应层；所述的感应电极是互不交叉的导线条连接至少一个具有一定面积的导电片；所述的导电片被印制成矩形、圆形、椭圆形、三角形、菱形、多边形、或其他有比较好的导通特性及耦合电容的形状；所述的感应电极与在所述感应装置的感应空间内的感应物之间形成耦合互电容；所述的耦合互电容随一感应物在所述感应装置上的感应空间内移动而改变。
所述机械构件包括弹性帽。
所述的用户界面装置还包括光源，用于使所述按键具有背光。
本实用新型还提供了一种具有用户界面装置的便携式终端，包括便携式终端本体，其特征在于包括，与所述便携式终端的中央处理器相耦合的一用户界面装置；所述的用户界面装置由复数个按键、至少一个与所述按键相耦合的感应装置、至少一个与所述按键对应的具有触觉反馈功能的机械构件、以及一个与所述感应装置相连的感应耦合电路构成；当一感应物在所述感应装置的感应空间内滑动时，所述感应耦合电路输出所述感应物的位置轨迹信息。当一感应物按动按键，所述机械构件提供触觉反馈功能，所述感应耦合电路输出被按按键的位置信息及状态。
所述的便携式终端包括手机，遥控器，游戏机，音视播放器，学习机及任何便携式电子设备。所述按键为：手机标准键盘按键，及控制键。
当一感应物在所述感应装置的感应空间内滑动时，所述感应耦合电路向所述便携式终端的中央处理器输出所述感应物的位置轨迹信息，所述的中央处理器经过对所述轨迹信息的处理，实现文字输入功能。
当一感应物按动按键，所述感应耦合电路向所述便携式终端的中央处理器输出被按按键的位置信息及状态，所述的中央处理器经过对所述位置信息及状态的处理，实现手机标准键盘按键，及控制键的功能。
当一感应物在所述感应装置的感应空间内滑动时，所述感应耦合电路向所述便携式终端的中央处理器输出所述感应物的位置轨迹信息，所述的中央处理器经过对所述位置轨迹信息的处理，控制所述便携式终端的显示器的光标。
本实用新型的有益效果在于，在提供手写文字输入及光标控制功能的同时，保持手机原有的外形结构，也不失掉手机数字键盘原有的功能，并且省掉机电开关及电路，节约了成本。
附图说明
图1为本实用新型的便携式终端结构的块图；
图2为本实用新型应用于便携式终端的平面示意图；
图3为本实用新型应用于便携式终端的解剖面示意图；
图4为本实用新型感应装置示意图；
图5为本实用新型与感应装置相连接的感应耦合电路设计示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式。本实用新型提供了一种用户界面装置及其便携式终端，也提供了所述用户界面的制作方法。
图1为本实用新型所述便携式终端10的结构块图。此便携式终端10包含微处理器100，存储器110，复数个按键120，感应耦合电路130，感应装置140。此便携式终端10还可包括显示器150及通信接口160。显示器150用来显示字符及各种信息。通信接口160可以是任何包括有收发器结构的装置，用户可以通过该通信接口160与其它便携式终端10或网络设备进行通信。例如具有收发器的通信接口160可以与无线通信网络进行通信。此便携式终端10可以是手机，遥控器，游戏机，音视播放器，学习机及任何便携式电子设备。对于本行业的专业人员而言具体实施方式类同，恕不赘述。在本专利中，感应物是指用户手指及其等价物，感应物和用户手指可互换使用。
图2为本实用新型应用于便携式终端10的平面示意图。便携式终端10包括数字字母按键区和控制按键区。位于数字字母按键区的第一感应装置140形成第一感应空间。位于控制按键区的第二感应装置140形成第二感应空间。当然也可以将同一感应装置140置于数字字母按键区及控制按键区形成统一的感应空间。也可将按键区划分成更多个功能区域，每个对应其相应的感应装置140。感应装置140可根据需要放置于不同的按键区形成所需感应空间。对于本行业的专业人员而言具体实施方式类同，恕不赘述。
此便携式终端10的关键特征之一是按键区与感应装置140对应。此关键特征之有益效果在于用户可以在按键区既可输入按键位置及状态信息，也可输入用户手指的位置坐标及轨迹信息，从而使用户更方便有效地使用控制此便携式终端10的各种功能并能用书写的方式输入文字信息。
图3为本实用新型应用于便携式终端10的解剖面示意图。上述感应空间包括按键表面330，感应装置320，多个弹性帽340，机电开关网310，和印刷电路板PCB300。机电开关网310由导电材料印制在印刷电路板PCB300上形成。按键表面330的多个区域被指定为相应的按键。按键对应弹性帽340。按键表面330和感应装置320可以是机械上独立的两个部件，也可以合二为一构成一个部件。也可直接在感应装置320表面上标定多个区域，印上数字，字母符号或者控制符号从而代表各种按键。
此便携式终端10的特征之一是感应装置320与印刷电路板PCB300之间有弹性帽340。此关键特征之有益效果在于感应装置320可以有最大的设计灵活性，从而使此便携式终端10更易于设计和制造。
图4为本实用新型感应装置140示意图。感应装置140由多层材料组成。最底层是一绝缘基底。此绝缘基底最好透明或近似透明。绝缘基底上布有多个菱形或其它形状的导电片，由Y方向的导线连接形成Y电极层。Y电极层上有一薄绝缘层。此薄绝缘层上有多个菱形或其它形状的导电片，由X方向的导线连接形成X电极层。图4中X方向有3条导线，Y方向有4条导线，从而构成(1，1)...(3，4)的3X4坐标系。本实用新型的具体实施方式也可是6X8或其它数目形成的坐标系。此感应装置140的导电片与用户手指形成接地感应电容。即所述的感应装置是接地电容式的。
该感应装置140的工作原理也可基于X导线与Y导线间形成的互电容，即所述的感应装置是互电容式的。对于本行业的专业人员而言具体实施方式类同，恕不赘述。
此感应装置140的关键特征之一是此感应装置140会在其周围产生一感应空间。当用户手指进入此感应空间，此感应装置140会产生和改变与用户手指空间位置相对应的电信号。此关键特征之有益效果在于用户可以用一种不同于键盘按键的方式与用户界面装置及其便携式终端交互，从而更方便有效地进行文字输入和功能控制。
图5为本实用新型感应耦合电路130设计示意图。此感应耦合电路130与感应装置140，及微处理器100相连接。感应耦合电路130内部的测量电容CX1，CX2，CX3，CY1，CY2，CY3，CY4分别将感应装置140在X方向的3条导线X1，X2，X3和Y方向的4条导线Y1，Y2，Y3，Y4连接到感应耦合电路130内部的驱动电压源VDD上。当用户手指靠近感应装置140时，用户手指分别与感应装置140X方向及Y方向的导电片形成感应电容CSX1，CSX2，CSX3，CSY1，CSY2，CSY3，CSY4。每个所述测量电容和与其相连的感应电容形成一个典型的分压电路，其测量点电压值受感应电容决定。以X1导线电压为例，VX1＝CX1/(CX1+CSX1)。此测量点电压值通过感应耦合电路130内部的模数转换器ADC转换为数字信号。其它X方向及Y方向的导线电压依此类推。所有X方向的测量结果以数字信号输入X数字信号处理器进行计算，得出用户手指的X方向的位置坐标及轨迹信息和按键位置及状态信息。所有Y方向的测量结果以数字信号输入Y数字信号处理器进行计算，得出用户手指的Y方向的位置坐标及轨迹信息和按键位置及状态信息。
此感应耦合电路130可做多种变化。例如，可用模拟多路选一电路及扫描电路使感应装置140的多组X方向及Y方向的导线电压共用模数转换器ADC。又如，可先用模拟信号处理器进行计算，再用模数转换器ADC，从而减少使用模数转换器ADC和简化后续X数字信号处理器和Y数字信号处理器；再如，X数字信号处理器和Y数字信号处理器可合并为一个数字信号处理器。对于本行业的专业人员而言具体实施方式类同，恕不赘述。
当手指向下按压按键，相下挤压弹性帽340，对手指形成阻力。手指分别与每组X方向及Y方向的菱形导电片形成耦合接地电容，感应耦合电路130通过模数转换器ADC，数字信号处理器及相应电路，输出X方向及Y方向的位置坐标及轨迹信息和按键位置及状态信息。进而判定与序列坐标值相对应的按键按下/放开状态，微处理器100可知道哪一按键被按。当手指松开时，弹性帽340的弹性带动按键弹回原位，使之具有触觉反馈。本实用新型省掉机电开关及电路，通过感应耦合电路实现手机数字键盘原有的功能，并保持触觉反馈。
当手指在按键上滑动时，手指分别与每组X方向及Y方向的菱形导电片形成耦合接地电容，感应耦合电路130通过模数转换器ADC，数字信号处理器及相应电路，输出X方向及Y方向的位置坐标及轨迹信息和按键位置及状态信息。即可定出在每一时刻的手指位置。具有手写识别功能的微处理器100对上述用户手指的位置坐标及轨迹信息和按键位置及状态信息进行处理，产生复数个欲输入文字的候选字，并最终将欲输入文字选择显示到便携式终端10的显示器150上。同时微处理器100可利用用户手指的位置坐标及轨迹信息和按键位置及状态信息控制光标在显示器150上的移动，从而操作用户界面。具体实施方式可参考本实用新型作者的PCT/CN2004/00936专利申请。
本实用新型的有益效果在于，在提供手写文字输入及光标控制功能的同时，保持手机原有的外形结构，也不失掉手机数字键盘原有的功能，并且省掉机电开关及电路，节约了成本。
以上具体实施方式仅用于说明本实用新型而非用于限定本实用新型。
Claims (15)
1.一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘，其特征在于，包括复数个按键，至少一个与所述按键相耦合的感应装置，所述按键下对应至少一个具有触觉反馈功能的机械构件；所述感应装置与一感应耦合电路相连；当一感应物在所述感应装置的感应空间内滑动时，所述感应耦合电路输出所述感应物的位置轨迹信息；当一感应物按动按键，所述机械构件提供触觉反馈功能，所述感应耦合电路输出被按按键的位置信息及状态。
2.根据权利要求1所述的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘，其特征在于，所述的按键包括，直接在所述感应装置表面上标定的多个区域，印上数字，字母符号或者控制符号从而代表各种按键。
3.根据权利要求1所述的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘，其特征在于，所述的感应装置是电容式的，即所述的感应装置是通过测量电容的变化产生位置信息。
4.根据权利要求1所述的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘，其特征在于，所述的感应装置是阻抗式的，即所述的感应装置是通过测量阻抗的变化产生位置信息。
5.根据权利要求1所述的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘，其特征在于，所述的感应装置由透明或近似透明的材料构成。
6.根据权利要求1所述的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘，其特征在于，所述的感应装置包括至少一层由感应电极构成的感应层；所述的感应电极是互相隔离的导线条的导线条；所述的感应电极分布在不同的感应层，不同的感应层的感应电极之间形成耦合互电容；所述的耦合互电容随一感应物在所述感应装置上的感应空间内移动而改变。
7.根据权利要求1所述的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘，其特征在于，所述的感应装置包括由感应电极构成的感应层；所述的感应电极是互相交叉，不相连的导线条；所述的感应电极分布在同一的感应层，同一的感应层的感应电极之间形成耦合互电容；所述的耦合互电容随一感应物在所述感应装置上的感应空间内移动而改变。
8.根据权利要求1所述的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘，其特征在于，所述的感应装置包括至少一层由感应电极构成的感应层；所述的感应电极是互不交叉的导线条连接至少一个具有一定面积的导电片；所述的导电片被印制成矩形、圆形、椭圆形、三角形、菱形、多边形、或其他有比较好的导通特性及耦合电容的形状；所述的感应电极与在所述感应装置的感应空间内的感应物之间形成耦合互电容；所述的耦合互电容随一感应物在所述感应装置上的感应空间内移动而改变。
9.根据权利要求1所述的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘，其特征在于，所述机械构件包括弹性帽。
10.根据权利要求1所述的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘，其特征在于，所述的用户界面装置还包括光源，用于使所述按键具有背光。
11.一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘的便携式终端，包括便携式终端本体，其特征在于包括，与所述便携式终端的中央处理器相耦合的一用户界面装置；所述的用户界面装置由复数个按键、至少一个与所述按键相耦合的感应装置、至少一个与所述按键对应的具有触觉反馈功能的机械构件、以及一个与所述感应装置相连的感应耦合电路构成；当一感应物在所述感应装置的感应空间内滑动时，所述感应耦合电路输出所述感应物的位置轨迹信息。当一感应物按动按键，所述机械构件提供触觉反馈功能，所述感应耦合电路输出被按按键的位置信息及状态。
12.根据权利要求11所述的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘的便携式终端，其特征在于，所述的便携式终端包括手机，遥控器，游戏机，音视播放器，学习机及任何便携式电子设备，所述按键为：手机标准键盘按键，及控制键。
13.根据权利要求11或12所述的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘的便携式终端，其特征在于，当一感应物在所述感应装置的感应空间内滑动时，所述感应耦合电路向所述便携式终端的中央处理器输出所述感应物的位置轨迹信息，所述的中央处理器经过对所述轨迹信息的处理，实现文字输入功能。
14.根据权利要求11或12所述的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘的便携式终端，其特征在于，当一感应物按动按键，所述感应耦合电路向所述便携式终端的中央处理器输出被按按键的位置信息及状态，所述的中央处理器经过对所述位置信息及状态的处理，实现手机标准键盘按键，及控制键的功能。
15.根据权利要求11或12所述的一种具有触觉反馈功能的感应式触摸键盘的便携式终端，其特征在于，当一感应物在所述感应装置的感应空间内滑动时，所述感应耦合电路向所述便携式终端的中央处理器输出所述感应物的位置轨迹信息，所述的中央处理器经过对所述位置轨迹信息的处理，控制所述便携式终端的显示器的光标。
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