CN104934250B - 键盘装置、按钮装置以及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及键盘装置、按钮装置、以及电子设备，能够通过廉价且简单的构成，使键盘装置薄型化，并且在按下键顶的情况下获得对用户来说适当的反作用力。键盘装置具备：基座；键顶，其以能够上下移动的方式被配设在上述基座的上面侧；薄膜致动器，其被配置在上述基座与上述键顶间，根据施加电压而弯曲；位置传感器，其被配置在上述基座与上述键顶间，用于检测上述键顶的位置；以及控制单元，其向上述薄膜致动器施加电压，产生与由上述位置传感器检测出的键顶的位置对应的反作用力。

Description

键盘装置、按钮装置以及电子设备

技术领域

本发明涉及键盘装置、按钮装置以及电子设备。

背景技术

笔记本型PC等电子设备所使用的键盘装置通常具备：底板、设置在底板的上面或者下面的膜片(membrane sheet)、和在底板的上面侧通过集电弓结构(pantograph)被配设成能够上下移动的键顶(key top)。在这样的键盘装置中，通过在键顶被按下的情况下膜片的接点接触分离，输出与被按下的键相符的信号，若键顶的按下被解除，则键顶因设置在内部的橡胶圆顶(弹性部件)的弹力而恢复到原来的位置。

上述键盘装置通过由集电弓结构和橡胶圆顶实现的构成，在用户按下键顶时存在适当的反作用力(施加力)，实现了较高的可用性(usability)。然而，由于使用橡胶圆顶等，所以薄型化较困难。另一方面，在当前的薄型键盘装置中，有时在内部置入致动器，当键被按下时，赋予触觉反馈(振动)。然而，振动与键的点击感触不同，存在没有适当的反作用力而可用性不太好这一问题。

专利文献1：美国申请公开2013/0335354

专利文献2：美国申请公开2011/0038625

非专利文献1：Towards multi-finger haptic devices:A computer keyboardwith adjustable force feedback(http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp？tp＝&arnumber＝6073855&url＝http％3A％2F％2Fieeexplore.ieee.org％2Fiel5％2F6059525％2F6073288％2F06073855.pdf％3Farnumber％3D6073855)

发明内容

本发明是鉴于上述而完成的，其目的在于，提供一种通过廉价且简单的构成，能够使键盘装置薄型化并且在按下键顶的情况下获得对用户而言适当的反作用力的键盘装置、按钮装置以及电子设备。

为了解决上述的课题、实现目的，本发明的特征在于，具备基座；键顶，其以能够上下移动的方式被配设在上述基座的上面侧；薄膜致动器，其被配置在上述基座与上述键顶间，根据施加电压而弯曲；位置传感器，其被配置在上述基座与上述键顶间，用于检测上述键顶的位置；以及控制单元，其向上述薄膜致动器施加电压，产生与由上述位置传感器检测出的键顶的位置对应的反作用力。

另外，根据本发明的优选方式，希望上述薄膜致动器具有层叠压电薄膜和非压电薄膜而成的构造。

另外，根据本发明的优选方式，希望上述位置传感器由与上述薄膜致动器相同的材料构成。

另外，根据本发明的优选方式，希望上述位置传感器是距离传感器或者静电传感器。

另外，根据本发明的优选方式，希望上述控制单元具备对上述键顶的位置与上述薄膜致动器的反作用力的关系进行规定的力曲线，参照该力曲线，来计算与由上述位置传感器检测出的位置对应的上述薄膜致动器的反作用力，并将用于产生计算出的反作用力的电压施加给上述薄膜致动器。

另外，根据本发明的优选方式，希望上述力曲线能够任意设定。

另外，根据本发明的优选方式，在上述键盘装置为有源的情况下，上述控制单元向上述薄膜致动器施加初始施加电压，在上述键盘装置为无源的情况下，上述控制单元对上述薄膜致动器切断施加电压，由此在上述有源的情况下，与上述无源的情况相比，增大上述键顶相对于上述基座的高度。

另外，为了解决上述的课题、实现目的，本发明的特征在于，具备：基座；操作部件，其以能够上下移动的方式被配设在上述基座的上面侧；薄膜致动器，其被配置在上述基座与上述操作部件间，根据施加电压而弯曲；位置传感器，其被配置在上述基座与上述操作部件间，用于检测上述操作部件的位置；以及控制单元，其向上述薄膜致动器施加电压，产生与由上述位置传感器检测出的操作部件的位置对应的反作用力。

根据本发明，起到提供一种能够通过廉价且简单的构成，使键盘装置薄型化，并且在按下键顶的情况下获得对用户来说适当的反作用力的键盘装置这一效果。

附图说明

图1是作为应用了本实施方式所涉及的键盘装置的电子设备的笔记本型PC10的示意外观图。

图2是用于说明键盘装置的键的反作用力的原理图。

图3-1是用于说明薄膜致动器的原理的说明图。

图3-2是用于说明键的顶位置和底位置的说明图。

图4是表示薄膜致动器控制电路的构成例的图。

图5是用于说明力曲线(Force Curve)表与键顶的位置的关系的说明图。

图6是用于说明由键盘控制器进行的与薄膜致动器的反作用力的控制有关的处理的概略的流程图。

图7-1是从上方观察设置于键盘装置的键的分解立体图。

图7-2是键顶处于顶位置的情况下的键的立体图，是表示其A－A剖面以及B－B剖面的图。

图7-3是键顶处于底位置的情况下的键的立体图，是表示其A－A剖面以及B－B剖面的图。

符号说明

10…笔记本型PC；12…显示器侧框体；14…主体侧框体；16…键盘装置；18…显示器；20…转轴(hinge)；22…键；24…键顶；26…框；31…薄膜致动器；32…薄膜传感器(位置传感器)；34…底板；40…键盘控制器；40a…键顶位置计算用表；40b…力曲线表；40c…薄膜致动器特性表；41…驱动器；42…放大器。

具体实施方式

以下，基于附图详细地对该发明所涉及的键盘装置、按钮装置、以及电子设备进行说明。本发明的构成要素一般在本说明书的附图中示出，但能够容易理解为也可以利用各种构成来广泛、多样地配置、设计。因此，针对本发明的装置、系统以及方法的实施方式的以下更详细的说明并不限定权利要求书所示的本发明的范围，只表示本发明所选择的实施方式的一个例子，与本说明书的权利要求所示的本发明没有矛盾地简单表示关于装置、系统以及方法选择的实施方式。本领域技术人员可知也可以没有一个以上特定的细节，或者利用其它方法、部件、材料也能够实现本发明。此外，该发明并没有被该实施方式限定。另外，下述实施方式中的构成要素包括本领域技术人员能够容易想到的构成要素或者实际相同的构成要素。下述的实施方式和变形例可以分别单独实施，另外，也可以组合其一部分或者全部来实施。

图1是作为应用了本实施方式所涉及的键盘装置的电子设备的笔记本型PC10的示意外观图。笔记本型PC10如该图所示，具备都为近似长方体的主体侧框体14以及显示器侧框体12。主体侧框体14以及显示器侧框体12在各自的端部通过左右一对转轴20连结，转轴20以开闭自如的方式支承这些框体。

显示器侧框体12具备显示器18。显示器18例如由触摸面板式的液晶显示装置构成。主体侧框体14在内部收纳有搭载了对键盘装置16的动作进行控制的键盘控制器(参照图4)、控制装置整体的主控制器、控制显示器18的显示器控制器等各种电子部件的基板(未图示)，并且在上面露出键盘装置16。

键盘装置16是具备多个键(键开关)22、和将构成各键22的操作面的键顶24的周围的缝隙填补的框(绝缘框)26的绝缘型键盘装置。即，在键盘装置16中，各键顶24与邻接的其它键顶24之间被框26划分，成为分别独立的配置。

框26是在由树脂等形成的1张板状部件形成有供各键22的键顶24插入的多个孔部的框体。

键盘装置16与键盘控制器连接，操作者若按下键顶24，则膜片(未图示)的接点接触分离(键开关接通的状态)，从而与被按下的键22对应的信号输出给键盘控制器。

在本实施方式中，为了使键盘装置16薄型化并且在按下键顶24的情况下生成对用户来说适当的反作用力，在键盘装置16中使用薄膜致动器。

图2是用于说明键盘装置16的键22的反作用力的原理图。键22如图2所示，具备键顶24、薄膜致动器31、检测键顶24的位置的位置传感器32、缓冲板33、和底板34。在该图中，为了使说明简单，省略了开关机构(膜片等)的图示。

键顶24的表面在按下键22时成为操作者按压的操作面。在键顶21被按下时，薄膜致动器31在使键顶24恢复到原来的场所的方向赋予反作用力(施加力)。薄膜致动器31的两端侧被固定于底板34。

图3－1是用于说明薄膜致动器31的原理的说明图。图3－2是用于说明键顶26的顶位置和底位置的说明图。在图3－1中，薄膜致动器31例如是将2张压电聚合物31a和PET薄膜等非压电薄膜31b贴合而成的构造(例如，EMP(Electrical-Mechanical Polymers)致动器)，利用了压电聚合物31a基于电压的施加而伸长，由此PET薄膜31b弯曲。该图的a示出压电聚合物31a未被施加电压的状态，b示出压电聚合物31a被施加了电压的状态。

在图3－2中，薄膜致动器31如(a)所示，由于在未被施加电压的状态下薄膜致动器31不伸长，所以不将键顶24推上去，键顶24成为底位置。薄膜致动器31如(b)所示，若被施加初始电压，则因伸长而弯曲，将键顶24推向上方，键顶24成为顶位置。将该顶位置称为基准位置(开始位置)。对于键顶24的位置，将X1方向规定为正方向(参照图5)。

位置传感器32用于检测键顶24的位置，例如能够使用与薄膜致动器31相同的材料。若使薄膜致动器弯曲，则由于压电聚合物31a的极化一致而产生极化电位，所以通过测定该电位，能够检测键顶24的位置。在使用薄膜致动器作为位置传感器32的情况下(以下，称为“薄膜传感器32”)，构成为薄膜传感器32的两端侧固定于底板34，键顶24的位置(高度)与薄膜传感器32的弯曲一一对应。此外，作为位置传感器32，说明了使用薄膜传感器的例子，但也可以使用静电传感器、距离传感器。

图4是表示与薄膜致动器31的反作用力的控制有关的薄膜致动器控制电路的构成例的图。薄膜致动器控制电路如图4所示，具备键盘控制器40、驱动器41、和放大器42。键盘控制器40基于薄膜传感器32的检测电压来检测键顶24的位置，并向薄膜致动器31施加用于产生与键顶24的位置对应的反作用力的电压。

键盘控制器40具备键顶位置计算用表40a、力曲线表40b、和薄膜致动器特性表40c。键顶位置计算用表40a是规定了薄膜传感器32的检测电压与键顶42的位置(高度)的关系的表。力曲线表40b是规定了键顶24的位置与由薄膜致动器31产生的反作用力的关系的表。薄膜致动器特性表40c是规定了由薄膜致动器31产生的反作用力与向薄膜致动器31施加的驱动电压的关系的表。这些表通过实验、模拟等而计算出。

驱动器41对从键盘控制器40输出的电压进行放大，并施加给薄膜致动器31。放大器42将薄膜传感器32的检测电压放大并输出给键盘控制器40。

图5是用于说明力曲线表40b与键顶24的位置的关系的一个例子的说明图。图5所示的力曲线的例子是与橡胶圆顶相同那样的会聚曲线，会聚曲线的形状能够任意设定(编程)。力曲线表40b可以在按压键顶24的方向(去路)和使键顶24返回的方向(回路)变更力曲线，也可以在使键顶24返回的方向，与按压键顶24的方向相比减小反作用力。

在图5中，开始位置是薄膜致动器31被施加初始电压、键顶24被推上来而处于顶位置(基准位置)的状态(a)。若按下键顶24，则薄膜致动器31的反作用力缓缓上升(b)，例如在键开关接通的状态的位置使反作用力为峰值(c)，然后，在使反作用力降低之后(d)，再次使反作用力逐渐增加(e)，上升至结束位置。

此外，也可以准备多个力曲线(例如，反作用力较小的力曲线、反作用力较大的力曲线等)，根据用户喜好来选择。

图6是用于说明由键盘控制器40进行的与薄膜致动器31的反作用力的控制有关的处理的概略的流程图。键盘控制器40以规定周期反复执行图6的流程图所示的处理。在图6中，键盘控制器40经由放大器42获取薄膜传感器32的检测电压(步骤S1)。如上所述，由于薄膜传感器32的检测电压与键顶24的位置对应，所以通过检测薄膜传感器24的电压，能够检测键顶24的位置。键盘控制器40参照键顶位置计算用表40a，来计算与获取到的检测电压对应的键顶24的位置(步骤S2)。

键盘控制器40参照力曲线表40b来计算与计算出的键顶24的位置对应的薄膜致动器31的反作用力(步骤S3)。接着，键盘控制器40参照薄膜致动器特性表40c来计算与计算出的薄膜致动器31的反作用力对应的对薄膜致动器31施加的电压(步骤S4)。然后，键盘控制器40经由驱动器41将计算出的电压施加给薄膜致动器(步骤S5)。由此，薄膜致动器31产生与键顶24的位置对应的反作用力。

此外，这里使用表来计算出键顶24的位置、薄膜致动器31的反作用力、以及施加给薄膜致动器31的电压，但也可以使用运算式来计算。另外，使用了力曲线表40b和薄膜致动器特性表40c这两个二维表来计算用于产生与键顶24的位置对应的薄膜致动器31的反作用力的电压，但也可以使用对键顶24的位置、薄膜致动器31的反作用力、与施加给薄膜致动器31的电压的关系进行规定的三维表来计算。

接下来，对本实施方式所涉及的键盘装置16的简要构成例进行说明。图7－1是从上方观察设置于键盘装置16的键22的分解立体图。图7－2是键顶26处于顶位置的情况下的键22的立体图，是表示其A－A剖面以及B－B剖面的图。图7－3是键顶26处于底位置的情况下的键22的立体图，是表示其A－A剖面以及B－B剖面的图。在图7－1～图7－3中，为了说明的简化，省略了与键22的开关有关的构成的图示。

在图7－1～图7－3中，键顶21形成为近似矩形板状，其表面成为用户按压的操作面。框26由树脂等形成，是形成有供键顶24插入的孔部的框体。

引导机构(集电弓结构)51用于引导与按下操作相伴的键顶24的上下移动。换言之，引导机构51用于引导键顶24的按下移动以及恢复移动。引导机构51具有第一连杆部件和第二连杆部件。第一连杆部件和第二连杆部件被配设成相互交叉。第一连杆部件和第二连杆部件在交叉的部分的中心部经由轴51a相互连结，以该轴51a为中心转动。第一连杆部件的一端部被轴支承于底板34的卡止部34a，另一端部抵接在键顶24的背面。第二连杆部件的一端部被轴支承于底板34的卡止部34b，另一端部抵接在键顶24的背面。

薄膜致动器31层叠有同一形状的薄膜传感器32。薄膜致动器31是产生与键顶24的位置对应的反作用力的弹性部件，被配设在底板32与键顶24之间，作用于键顶24的部分插入到引导机构51的内周。薄膜致动器31与键顶24的下表面相接，并且作用于键顶24的部分的两端部被固定在底板32的承接部34c。

底板34是能够耐受用户的键触摸的刚性的部件，例如由金属制，形成为近似板状。在底板34上形成有卡止部34a、34b、以及承接部34c。

键顶24如图7－3所示，在薄膜致动器31未被施加电压的状态下，由于薄膜致动器31不伸长，所以为底位置，成为相对于框26较低的位置。另外，键顶24如图7－2所示，在薄膜致动器31被施加初始电压的状态下，薄膜致动器31伸长，将键顶24向上方推而为顶位置，成为相对于框26较高的位置。

此外，在键盘装置16为有源的情况下(例如，主体电源接通时、从睡眠状态恢复的情况等)，键盘控制器40向薄膜致动器31施加初始施加电压，在键盘装置16为无源的情况下(在主体电源断开时、睡眠状态的情况下，在显示器侧框体12相对于主体侧框体14能够360度旋转的构成中成为平板构成(主体侧框体14的键盘装置16露出的构成)的情况下等)，也可以使向薄膜致动器31施加的电压断开。

如以上说明那样，根据本实施方式，由于具备底板34；键顶24，其以能够上下移动的方式被配设在底板34的上面侧；薄膜致动器31，其被配置在底板34与键顶24间，并根据施加电压而弯曲；薄膜传感器32，其被配置在底板34与键顶24间，用于检测键顶24的位置；以及键盘控制器40，其向薄膜致动器31施加电压，产生与由位置传感器检测出的键顶31的位置对应的反作用力，所以能够通过廉价且简单的构成使键盘装置薄型化，并且在按下键顶的情况下获得对用户来说适当的反作用力。换言之，与使用了橡胶圆顶的构成相比，能够更薄型化，另外，与使用了基于触觉反馈的振动的情况相比，能够获得按下键顶的情况下的适当的反作用力而能够提高可用性，并且，与利用电磁线圈机构生成反作用力的构造相比，能够成为廉价且简单的构成。

此外，在上述实施方式中，将用于产生由薄膜致动器31引起的反作用力的机构应用于键盘装置16，但本发明并不限于此，也能够应用于搭载在电子设备等中的按钮装置。该情况下，按钮装置能够以下述构成为基本构成，所述构成具备：基座；以能够上下移动的方式被配设在基座的上面侧的操作部件；被配置在基座与操作部件间，根据施加电压而弯曲的薄膜致动器；被配置在基座与操作部件间，用于检测操作部件的位置的位置传感器；以及向薄膜致动器施加电压，来产生与由位置传感器检测出的操作部件的位置对应的反作用力的控制单元。

另外，在上述实施方式中，对将键盘装置应用于笔记本型PC的情况进行了说明，但也能够应用于单体的键盘装置，另外，电子设备并不限于笔记本型PC，也能够应用于移动电话、PDA等具备键盘的其它电子设备。

Claims (8)

1.一种键盘装置，其特征在于，具备：

基座；

键顶，其以能够上下移动的方式被配设在所述基座的上面侧；

薄膜致动器，其被配置在所述基座与所述键顶间，根据施加电压而弯曲；

位置传感器，其被配置在所述基座与所述键顶间，用于检测所述键顶的位置；以及

控制单元，其向所述薄膜致动器施加电压，产生与由所述位置传感器检测出的键顶的位置对应的反作用力；

在所述键盘装置为有源的情况下，所述控制单元向所述薄膜致动器施加初始施加电压，在所述键盘装置为无源的情况下，所述控制单元对所述薄膜致动器切断施加电压，由此在所述有源的情况下，与所述无源的情况相比，提高所述键顶相对于所述基座的高度。

2.根据权利要求1所述的键盘装置，其特征在于，

所述薄膜致动器具有层叠压电薄膜和非压电薄膜而成的构造。

3.根据权利要求1或者2所述的键盘装置，其特征在于，

所述位置传感器由与所述薄膜致动器相同的材料构成。

4.根据权利要求1或者2所述的键盘装置，其特征在于，

所述位置传感器是距离传感器或者静电传感器。

5.根据权利要求1所述的键盘装置，其特征在于，

所述控制单元具备对所述键顶的位置与所述薄膜致动器的反作用力的关系进行规定的力曲线，参照该力曲线，来计算与由所述位置传感器检测出的位置对应的所述薄膜致动器的反作用力，并将用于产生计算出的反作用力的电压施加给所述薄膜致动器。

6.根据权利要求5所述的键盘装置，其特征在于，

所述力曲线能够任意设定。

7.一种按钮装置，其特征在于，具备：

基座；

操作部件，其以能够上下移动的方式被配设在所述基座的上面侧；

薄膜致动器，其被配置在所述基座与所述操作部件间，根据施加电压而弯曲；

位置传感器，其被配置在所述基座与所述操作部件间，用于检测所述操作部件的位置；以及

控制单元，其向所述薄膜致动器施加电压，产生与由所述位置传感器检测出的操作部件的位置对应的反作用力；

在所述按钮装置为有源的情况下，所述控制单元向所述薄膜致动器施加初始施加电压，在所述按钮装置为无源的情况下，所述控制单元对所述薄膜致动器切断施加电压，由此在所述有源的情况下，与所述无源的情况相比，提高所述操作部件相对于所述基座的高度。

8.一种电子设备，其特征在于，

搭载有权利要求1～6中任意一项所述的键盘装置。