CN106206129A - 按键开关及包含其的仿真压力侦测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了按键开关及包含其的仿真压力侦测系统。其中，按键开关包括轴支撑、压力传感器层、轴组件及键帽；轴支撑包括第一开口，压力传感器层由压敏电子材料制成、且设置在轴支撑的上部表面上，轴组件设置在第一开口内、且垂直地相对于轴支撑和压力传感器层移动，键帽安装在轴组件上且包括面对轴支撑的上部表面的下部表面。当键帽被压下，键帽的下部表面下压压力传感器层并改变压力传感器层的电子特性。本发明实现了按键压力的检测功能，而且生产成本低。

Description

按键开关及包含其的仿真压力侦测系统

技术领域

本发明涉及按键开关技术领域，特别涉及按键开关及包含其的仿真压力侦测系统。

背景技术

近来，在市场上用于键盘的大部分按键开关仅提供数字输出。即，这样的按键开关仅可侦测使用者是否有按压按键开关，但无法侦测按压力的强度。在一些情况下，侦测按压强度且接着输出一仿真信号的功能是有需求的。举例来说，反映按压力的仿真信号可被用于作为针对视频游戏的控制信号，这样游戏设计者可具有更多灵活性以制造视频游戏。

虽然有些传统的按键开关已经提供侦测按压力的功能，这些按键开关通常有一些缺点：1、某些按键开关需要额外的电子装置用来检测按压力，造成生产成本增加；2、在某些按键开关的设计中，传感组件被设置在整体结构的底部，其可能不适用于某些键盘结构；举例来说，按键开关的底部可能没有额外的空间容纳感测组件，或已经有其它结构（如电路板）已经存在于按键开关的底部，其不应被感测组件阻挡。

有鉴于此，本发明提供一种按键开关及包含其的仿真压力侦测系统。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种按键开关，其能够通过设置按键开关中间的压力传感器层侦测按压力的强度。

本发明的一个目的，提供一种按键开关。所述按键开关包括轴支撑、压力传感器层、轴组件以及键帽。轴支撑包括第一开口。所述压力传感器层包括薄膜和压敏电子材料且设置在所述轴支撑的上部表面上。轴组件设置在第一开口内、且垂直地相对于轴支撑和压力传感器层移动。键帽安装在轴组件上、且包括面对轴支撑的上部表面的下部表面。当键帽被压下，键帽的下部表面下压压力传感器层并改变压力传感器层的电性。

优选地，压力传感器层设置有与所述第一开口相应的第二开口，且轴组件设置于第一开口和第二开口内。

优选地，键帽可进一步包括在其下部表面上的凹槽。

优选地，轴支撑的上部表面的面积小于或等于键帽的凹槽和轴组件的面积之差。

优选地，在第二开口的一侧的压力传感器层的宽度大于在第二开口的另一侧的压力传感器层的宽度。

优选地，压力传感器层设置在第一开口的一侧、且压力传感器层为矩形。

优选地，压力传感器层可设置在第一开口的三侧、且压力传感器层为U形。

优选地，压力传感器层的电导正相关于施加在压力传感器层上的压力。

优选地，面对键帽的下部表面的压力传感器层的表面的最小宽度可大于1 mm。

优选地，键帽还可包括设置在下部表面上且相应于压力传感器层的凸出部。

本发明的另一个目的，还提供一种仿真压力侦测系统。仿真压力侦测系统包括上述的按键开关和检压器。检压器连接按键开关的压力传感器层。

优选地，仿真压力侦测系统，还包括电压源通过参考电阻连接按键开关的压力传感器层，且检压器为检测电路。

如上所提及，本发明的按键开关可具有一个或多个如下所述的优点：

1. 本发明的按键开关能够被用于通过以压敏电子材料制成的压力传感器层来侦测按压力的强度。

2. 由于压力传感器层的层结构，本发明提供的按键开关能够通过简易程序来生产，其生产成本低。

3. 因为在按键开关的底部的空间不被感测组件占据，本发明所提供的按键开关能够提供键盘设计上的灵活性。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的按键开关的示意图。

图2是本发明的第二实施例的按键开关的爆炸图。

图3是本发明的第三实施例的按键开关的爆炸图。

图4是本发明的第四实施例的按键开关的爆炸图。

图5是本发明的第二实施例的按键开关的操作示意图。

图6是本发明的第二实施例的按键开关的每一个组件的面积的示意图。

图7是本发明的第二实施例的按键开关的操作示意图。

图8是本发明的第五实施例的压力传感器层的电导和施力之间的关系的图。

图9是本发明的第六实施例的按键开关的示意图。

图10是本发明的第七实施例的仿真压力侦测系统的示意电路图。

图11A是本发明的第八实施例的仿真压力侦测系统的示意电路图。

图11B是本发明的第八实施例的压力传感器层的电容之间的关系的图。

图12是本发明的第九实施例的仿真压力侦测系统的示意电路图。

具体实施方式

以下，本发明的实施例将参考附图详细地描述，以使得本领域技术人员可以理解本发明。如本领域技术人员可以理解，本发明所描述的实施例在不悖离本发明的精神或范畴之前提下可以多种不同方式修改和替换。

请参阅图1，其是本发明的第一实施例的按键开关的示意图。如图1所示，本发明提供的按键开关1包括轴支撑130、压力传感器层140、轴组件120和键帽110。轴支撑130包括如图2所示的第一开口131，。压力传感器层140包括薄膜和压敏电子材料，且设置在轴支撑130的上部表面上。轴组件120设置在第一开口131中，且可相对于轴支撑130和压力传感器层140垂直地移动。键帽110安装在轴组件120上，且包括面对轴支撑130的上部表面的下部表面。当键帽110被压下，键帽110的下部表面下压压力传感器层140并改变压力传感器层140的电性。

本发明的实施例的按键开关1不仅可侦测键帽110有被压下与否，还可侦测被按压时的按压力的强度。特定地，键帽110被安装在轴组件120上，且轴组件120是设置在轴支撑130的第一开口131中，且可相对于轴支撑130和压力传感器层140垂直地移动。因此，键帽110被压下，键帽110连同轴组件120相对于轴支撑130向下移动。

请参阅图2，其为本发明的第二实施例的按键开关2的爆炸图。在图2中，按键开关2的压力传感器层140可进一步包括与第一开口131相应的第二开口141，且轴组件2可被设置在第一开口131及第二开口141中。

为了进一步简化程序，压力传感器层140可成型为相似于轴支撑130的上部表面的形状。即，压力传感器层140可包括与轴支撑130的第一开口131相应的的第二开口，且轴组件120也可被设置在其中。然而，本发明还不限于此，在本发明的一些实施例中，在单一按键开关中，压力传感器层140可包括设置于轴支撑130的上部表面上的两个或多个分开的条带或线。具体地，第二开口141的尺寸可小于或等于第一开口131。

按键开关2的组件可以如图2所示之顺序组合，或以连续制程以一体成形的方式制造。在优选的实施例中，压力传感器层140可通过印刷制程被设置在轴支撑130的上部表面上。因此，压力传感器层140可被形成为有着实质上均匀厚度的层。由于印刷制程可简易地纳入原有的按键开关生产制程中，本发明的按键开关仍可维持低的生产成本。换句话说，本发明的按键开关2可在不造成明显成本增加的情况下生产。

请参阅图3，其为本发明的第三实施例的按键开关的爆炸图。在图3中，压力传感器层240可被设置在第一开口131的一侧且可为矩形。如上述，本发明的按键开关的压力传感器层不限于有着开口的结构。在此实施例中，除了压力传感器层240的形状，其具有矩形形状而非中空形状之外，按键开关3的结构相似于第二实施例的按键开关2。由于压力传感器层240的结构相对地简单，可简化制造程序，也可节省用来制作压力传感器层240的材料，因此其成本相较于第二实施例更低。

请参阅图4，其为本发明的第四实施例的按键开关的爆炸图。在图4中，压力传感器层340可被设置在第一开口131的三侧且可为U型。在此实施例中，按键开关4的压力传感器层340具有「U」形状而非中空形状或矩形。因此，在此实施例中，压力传感器层340的感测面积大于第三实施例的压力传感器层240的感测面积，且压力传感器层340所使用的材料少于第二实施例所述压力传感器层140所使用的材料。因此，此实施例可折衷的精确度和成本，根据精确度和成本来选择相应形状的压力传感器层140。

请参阅图5，其为本发明的第二实施例的按键开关2的操作示意图。图5中，当键帽110被压下时，键帽110的下部表面下压压力传感器层140，此时压力传感器层140的电子特性根据施加在键帽上的压力而变化。

如图5所示，当按压力够大，键帽110的下部表面可与压力传感器层140接触。由于压力传感器层140包括薄膜和压敏电子材料，压力传感器层140的电子特性可在此时改变。此改变可简单地通过常用的扫瞄方法来侦测，诸如当施加电压或电流在其上且接着测量值的改变。因此，基于压力传感器层140的电子特性的改变的发生，使键帽110被下压的时间可被知悉。此外，基于压力传感器层140的电子特性的改变值，按压力的强度可被量化。

请再次参阅图5。在图5中，键帽110可进一步包括在其下部表面上的凹槽111。请一并参阅图6，其是本发明的第二实施例的按键开关2的每一个组件的面积的示意图。在图6所示的解剖图中，轴支撑130的上部表面的面积可小于或等于键帽110的凹槽111和轴组件120的面积之差。

为了保护压力传感器层140，凹槽111可设置于键帽110的下部表面上，其面对压力传感器层140。在图6的左侧，在凹槽111的区域中的虚线的矩形代表轴组件120的区域。如在图6的右侧可更清楚的看到，在剖面图中，轴支撑130的上部表面的面积小于或等于键帽110的凹槽111和轴组件的面积之差。如图7中所看到的此设计的效应，图7是本发明的第二实施例的按键开关2a[如图7中的（a）]和2b[如图7中的（b）]的操作示意图。当键帽110a被弹回，键帽110b的外侧壁被暴露。键帽110b的外侧壁可防止物体诸如灰尘颗粒进到键帽110b和压力传感器层140b之间的空隙。因此，物体更难以从外侧进入并附着在至压力传感器层140b的表面上，且可维持压力传感器层140b的表面的均匀性。因此，也亦可维持压力传感器层140b的侦测功能的精确性，且可增进按键开关的可靠性。

优选地，以剖面图来说，轴支撑130的上部表面的面积可稍小于键帽110的凹槽111和轴组件120的面积之差，且压力传感器层140的面积可稍小于轴支撑130的上部表面。此处可理解为：压力传感器层140距轴组件120有预设的间隙，这样，当键帽110被压下时，可顺利地将原本存在于键帽110和压力传感器层140之间的空气从键帽110的侧壁和轴支撑130之间的空隙挤出。相应地，当键帽110被松开，可顺利的将空气经过键帽110的侧壁和轴支撑130之间的空隙流回。因此，当用户使用此实施例的按键开关2a和2b的键盘打字时不会感受到额外的阻力。

请参阅图8，其为显示本发明的第二实施例的压力传感器层的电导及施力之间的关系的图。在图8中，压力传感器层140的电导正相关于施加在压力传感器层140上的压力。即，压力传感器层140的电阻是负相关于施加在压力传感器层140上的按压力的强度。总之，压力传感器层140的电性诸如电导可线性相关于在操作范围内的压力。

由于压力传感器层140的电阻或电导与施力之间的关系可被简化，若压力传感器层140的电阻或电导的变化为已知，可轻易计算出施力的强度。因此，当本发明的此实施例的按键开关被设置在压力侦测系统或电路上时，处理器不需要复杂的算法来导出施力的强度。即可进一步增进信号处理效能。

请参阅图9，其是本发明的第六实施例的按键开关4的示意图。图9，在剖视图中，压力传感器层140具有在中间的开口且在第二开口131及轴组件120的一侧[(如图9中的(a)])的压力传感器层140的宽度L2大于在第二开口131和轴组件120的另一侧[如图9中的(b)])的压力传感器层的宽度。

考虑到一般用户的打字习惯，键帽的中心鲜少被按压。换句话说，施加至键帽的按压力通常是不对称的。键帽靠近用户的一侧通常接收到较大的分力。在此情况下，压力传感器层140可被设计为相对于轴组件120的不对称形式。具体地，压力传感器层140的面积可在第二开口141离用户的更远的一侧大于第二开口141靠近用户的另一侧的面积，即远离用户一侧的宽度大于靠近用户一侧的宽度。因此，可补偿不对称的按压力造成的效应。从而用于扫瞄和侦测3仿真信号的电路可相应地变化以使得增加精确性。

而且，由于压力传感器层140实质上围绕轴组件120，当键帽110被压下时，在四个相应于轴组件120的方向中的压力传感器层140应当接收按压力、且电子特性会相应地变化。因此，即使按压力不平均地分布在压力传感器层的表面上(举例来说，轴组件120可不确切地符合第一开口131和第二开口141以使得轴组件120相对于轴支撑130以轻微地倾斜的角度移动)，压力传感器层140仍可感测力变化、且压力传感器层140的电子特性也相应地改变。即，压力传感器层140增加了对于输入按压力的适应程度，其有益于后续的信号分析。相比之下，在感测组件仅设置在轴组件120的一侧或两侧的情况下，当按压力不均匀地分布时，按压力可能无法成功地传送至该等感测组件，导致这些感测组件可能产生错误的仿真信号或无法产生仿真信号。

请再次参阅图9。在图9，面对键帽110的下部表面的压力传感器层140的表面的最小宽度可大于1mm。

为了较有效的侦测按压力，压力传感器层140的表面的最小宽度应大于1 mm。如图9所示，在此实施例中，压力传感器层140的最小宽度为宽度L1。如果压力传感器层140的最小宽度L1小于1 mm，侦测按压力的分辨率很可能太低以至于无法被清楚地识别。

优选地，键帽110可进一步包括设置在下部表面上且相应于压力传感器层140的凸出部112。

若侦测按压力的分辨率需要被进一步增强，键帽110的形状可相应地改变。具体地，键帽110的下部表面还设置有可突出以对应于压力传感器层140最小宽度所在的部分凸出部。请再次参阅图9。当键帽110被压下，凸出部112可与压力传感器层140的最小宽度所在的部分接触，且按压力藉此可完全传送至压力传感器层140，以使得分辨率增加。应当说明的是，凸出部112的形状可根据设计选项而改变。举例来说，凸出部112可为凸出、角柱、或锥体。在一些实施例中，凸出部112与键帽110为一体成形的，但本发明不限于此。举例来说，凸出部112的材料可不同于键帽110的材料，且凸出部112在成型之后可附接至键帽110的下部表面上。

请参阅图10，其为本发明的第七实施例的仿真压力侦测系统的示意电路图。在图10中，仿真压力侦测系统包括上述的键帽(例如，按键开关1、2、或4)、电压源20、以及检压器30。电压源20通过参考电阻器Rf连接按键开关的压力传感器层(以可变的电阻Rs表示)。检压器30连接电压源20(经过参考电阻器Rf)及压力传感器层Rs。

在此实施例中，所揭露的是包括本发明的按键开关的仿真压力侦测系统。如图10中所示，当提供有电压源20和参考电阻器Rf时，电压源20可提供输入电压Vi。因此，当检压器30被连接至如图10中所示的其它组件时，检压器可接受输出电压Vo，其为输入电压Vi的分压。特别是，输出电压Vo可简易地以方程式：Vo = Vi*Rs/(Rs+Rf)来表示。如上提及的，当外部压力被施加于此时，压力传感器层Rs的电阻或电导产生变化。因此，所侦测的输出电压Vo随着压力传感器层Rs的电导或电阻改变而产生变化。基于侦测到的输出电压Vo的变异，若压力传感器层Rs的电导或电阻与施力之间的关系是已知的话，可简易地计算按压力的强度。这样的关系可被如在上述第五实施例(参考图8)的所描述电性来测定。在此实施例中，仅显示最简单的电路结构，但本发明不限于此。举例来说，电压源20可经过其它按键开关的压力传感器层而连接至压力传感器层Rs，或是检压器30可进一步连接至仿真于数字转换器(A/D转换器)以针对下列用途界定不同程度的输出电压。因此，这些输出电压的程度可被利用为针对某些程序的输入参数，以增进程序设计的灵活性和便利性。

请参阅图11A和图11B，其为本发明的第八实施例的仿真压力侦测系统的示意电路图以及本发明的第八实施例的压力传感器层的电容之间的关系的图。在图11中，仿真压力侦测系统包括上述的键帽、电压源20、以及检压器30。电压源20通过参考电阻器Rf连接按键开关的电容式压力传感器层(以电容Cp表示)。检压器30连接电压源20及电容式压力传感器层Cp。

类似于前述实施例，如图11A中所示，当提供有电压源20和参考电阻器Rf时，电压源20可提供输入电压Vi。因此，当检压器30被连接至如图10中所示的其它组件时，检压器可接受输出电压Vo，其为输入电压Vi的分压。外部压力被施加于此时，压力传感器层Cp的电容产生变化。因此，所侦测的输出电压Vo随着压力传感器层Cp的电容改变而产生变化。基于侦测到的输出电压Vo的变异，若压力传感器层Cp的电容与施力之间的关系是已知的话，可简易地计算按压力的强度。这样的关系可参考图11B所描述电性来测定。

请参阅图12，其为本发明的第九实施例的仿真压力侦测系统的示意电路图。在图12中，仿真压力侦测系统包括上述的键帽以及检压器30。检压器30为检测电路、连接压电式压力传感器层Ps。

类似于前述实施例，如图12中所示，当检压器30被连接至如图12中所示的其它组件时，检压器30可接受压电式压力传感器层Ps之输出电压Vo。外部压力被施加于此时，压电式压力传感器层Ps产生出现微弱的电量变化△Q。因此，所侦测的输出电压Vo随着压力传感器层Ps接受外部压力而产生的电量变化△Q而改变。基于侦测到的输出电压Vo的变异，若压力传感器层Ps的输出电压与施力之间的关系是已知的话，可简易地计算按压力的强度。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种按键开关，其特征在于，包括：

轴支撑，包括第一开口；

压力传感器层，包括薄膜与压敏电子材料，且设置在所述轴支撑的上部表面上；

轴组件，设置在所述第一开口内、且垂直地相对于所述轴支撑和所述压力传感器层移动；以及

键帽，安装于所述轴组件上、且包括面对所述轴支撑的所述上部表面的下部表面，

其中，当所述键帽被压下，所述键帽的所述下部表面下压所述压力传感器层、且所述压力传感器层的电性根据施加在所述键帽上的压力而变化。

2.根据权利要求1所述的按键开关，其特征在于，所述压力传感器层设置有与所述第一开口相应的第二开口，且所述轴组件设置于所述第一开口和所述第二开口中。

3.根据权利要求2所述的按键开关，其特征在于，所述键帽还包括在其所述下部表面上的凹槽。

4.根据权利要求3所述的按键开关，其特征在于，所述轴支撑的上部表面的面积小于或等于所述键帽的所述凹槽与所述轴组件的面积之差。

5.根据权利要求2所述的按键开关，其特征在于，在所述第二开口的一侧的压力传感器层的宽度大于在所述第二开口的另一侧的压力传感器的宽度。

6.根据权利要求1所述的按键开关，其特征在于，所述压力传感器层设置在所述第一开口的一侧、且压力传感器层为矩形。

7.根据权利要求1所述的按键开关，其特征在于，所述压力传感器层设置在所述第一开口的三侧、且压力传感器层为U形。

8.根据权利要求1所述的按键开关，其特征在于，所述压力传感器层的电导与施加在所述压力传感器层上的压力正相关。

9.根据权利要求1所述的按键开关，其特征在于，面对所述键帽的所述下部表面的所述压力传感器层的表面的最小宽度大于1 mm。

10.根据权利要求1所述的按键开关，其特征在于，所述键帽还包括设置在所述下部表面上、且相应于所述压力传感器层的凸出部。

11.一种仿真压力侦测系统，其特征在于，包括：

如权利要求1所述的按键开关；以及

检压器，连接所述按键开关的压力传感器层。

12.根据权利要求11所述的仿真压力侦测系统，其特征在于，还包括电压源，通过参考电阻连接所述压力传感器层，且所述检压器为检测电路。