专利名称：一种信号传感器、传感方法和便携式电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感技术领域，更具体地，涉及一种信号传感器、传感方法和便携式电 子设备。
背景技术：
在消费电子市场，对产品的一个清楚且强烈的需求就是能够被用户简单的交互控 制。为了实现这一目标，正在开发着越来越多的输入设备，这些设备提供着不同功能的控制 信号，其中一个尚不完善的输入设备领域是滑擦传感器。此种传感器感应在设备(比如移 动电话、MP3播放器等)表面上的刮擦或滑动操作，以执行各种具体应用(比如控制扬声器 音量等)。对于这种应用，触摸屏可以使用电容式触摸传感器的工作原理实现。现有的用于非屏幕领域的滑擦传感器技术主要使用振动与声音探测方法。通过在 两个定义方向上设计两种不同图案，当用户手指刮滑设备表面时，两种不同振动或声音会 被一个麦克风或加速度计探测到，然后这些信号会被设备的处理器分析，以确定此信号的 用途，比如是调高音量的信号还是调低音量的信号等。然而，目前现有的滑擦传感器仅提供携带不同内容的不同信号，还需要信号处理 装置以分析处理类似控制音量大小等操作，而并不能直接向外提供可以作为电控制信号的 传感信号。
发明内容
有鉴于此，本发明实施方式提出一种信号传感器，无需信号处理装置便可以直接 提供电传感信号。本发明实施方式提出一种信号传感方法，无需信号处理装置便可以直接提供电传 感信号。本发明实施方式还提出一种便携式电子设备，无需信号处理装置便可以直接提供 电传感信号。为达到上述目的，本发明的技术方案如下一种信号传感器，包括用户输入端、力转化单元、第一压电体和信号导出单元，其 中所述用户输入端，用于供用户在其上滑动；所述力转化单元，用于将所述用户在所述用户输入端上滑动的推力转化为作用到 所述第一压电体的压力；所述第一压电体，用于响应于所述作用到第一压电体的压力产生受力形变，并引 起所述第一压电体表面带电荷；所述信号输出单元，用于将所述第一压电体表面的电荷作为传感信号输出。所述第一压电体为压电陶瓷或压电晶体。所述用户输入端为按键或触摸屏。
所述力转化单元为具有固定端的弹簧；其中所述第 一压电体位于所述弹簧之上，且所述用户输入端位于所述第一压电体之 上；所述弹簧受到所述用户输入端上滑动的推力以及所述固定端的拉力的共同作用， 产生作用于所述第一压电体的压力。该信号传感器进一步包括框架，用于容纳所述用户输入端、力转化单元、第一压电 体和信号导出单元。所述第一压电体的预极化方向为纵向轴向极化。该信号传感器进一步包括与所述力转化单元连接的第二压电体，所述第二压电体 的预极化方向与所述第一压电体的预极化方向相反，用于过滤用户在所述用户输入端上的 误操作滑动。该信号传感器进一步包括位于所述第一压电体表面的重力块，用于在所述信号传 感器具有瞬间加速度时向第一压电体施加与加速度相关的压力；第一压电体，进一步用于响应于所述与加速度相关的压力产生受力形变，并引起 所述第一压电体表面带电荷；所述信号输出单元，用于将所述第一压电体表面的电荷作为加速度传感信号输
出ο一种便携式电子设备，该便携式电子设备包括如上所述的信号传感器。所述便携式电子设备包括笔记本电脑、移动电话、MP3播放器、MP4播放器或数码 相机。—种信号传感方法，该方法包括感应用户在用户输入端上的滑动；将所述用户在所述用户输入端上滑动的推力转化为作用到所述第一压电体的压 力；第一压电体响应于所述作用到第一压电体的压力产生受力形变，并引起所述第一 压电体表面带电荷；将所述第一压电体表面的电荷作为传感信号输出。该方法进一步包括利用重力块在所述信号传感器具有瞬间加速度时向第一压电体施加与加速度相 关的压力；第一压电体响应于所述与加速度相关的压力产生受力形变，并引起所述第一压电 体表面带电荷；将所述第一压电体表面的电荷作为加速度传感信号输出。从上述技术方案可以看出，在本发明的技术方案中，用户输入端供用户在其上滑 动；力转化单元将用户滑动的推力转化为作用到第一压电体的压力；第一压电体产生受力 形变并引起表面带电荷；信号输出单元，用于将第一压电体表面的电荷作为传感信号输出。 由此可见，应用本发明以后，能够直接由用户的滑动而产生电传感信号，无需其它设备处理 器的干预即可以直接利用该信号传感器控制设备的各种具体应用，非常适合于各种便携式 电子设备，而且极大节约了成本。
另外，由于压电体具有体积小，无磁场干扰和低功耗的优点，本发明尤其适用于移 动电话或其它便携式电子设备。而且，本发明实施方式通过过滤用户在用户输入端上的误操作滑动，避免了由于 使用者无交互意图的随机运动而产生错误输出的不足。不仅于此，本发明实施方式还提供 了一种结合基于加速度计的刮擦/滑动与敲击/摇动传感器的多功能输入传感器，应用范 围更加广泛。
图1为根据本发明的信号传感器的结构示意图。图2为根据本发明实施方式的信号传感器的结构示意图。图3为根据本发明实施方式的信号传感器的滑动示意图。图4为根据本发明另一实施方式的信号传感器的结构示意图。图5为根据本发明再一实施方式的信号传感器的结构示意图。图6为根据本发明的信号传感方法的流程示意图。
具体实施例方式为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附 图及具体实施例对本发明实施方式再作进一步详细的说明。在本发明实施方式中，通过对使用压电感应材料的设计，使其能转化机械的刮擦/ 滑动和/或摇动/敲击等动作为电信号。图1为根据本发明的信号传感器的结构示意图。如图1所示，该信号传感器包括用户输入端101、力转化单元102、第一压电体103 和信号导出单元104，其中用户输入端101，用于供用户在其上滑动；力转化单元102，用于将用户在用户输入端101上滑动的推力转化为作用到第一 压电体103的压力；第一压电体103，用于响应于作用到第一压电体103的压力产生受力形变，并引起 第一压电体103表面带电荷；信号输出单元104，用于将第一压电体103表面的电荷作为传感信号输出。优选的，用户输入端101可以为按键或者触摸屏，供用户在其上滑动。当用户的手 指或其它部位在用户输入端101上滑动时，在所述用户输入端101上将产生关于滑动的推 力。而且，用户在用户输入端101上的滑动方向既可以是水平方向，也可以是垂直方向。用 户在用户输入端101上的滑动路径既可以是直线，也可以是折线或者弧线等，本发明实施 方式对此并无限定。用户输入端101的放置既可以是水平的，也可以是竖直的，或者是倾斜 的，无论用户输入端101如何放置，用户都可以在其上滑动，并产生关于滑动的推力。在一个实施方式中，力转化单元102可以为具有固定端的弹簧，第一压电体103位 于弹簧之上，且用户输入端101位于第一压电体103之上。当弹簧受到用户输入端101上 滑动的推力以及固定端的拉力的共同作用时，产生作用于第一压电体103的压力。第一压电体103由具有压电现象的介质构成，具有这种特性的材料通常是某些多晶体和非对称单晶体材料，可以包括压电陶瓷和压电晶体等。当第一压电体103的预极化 方向为纵向轴向极化时，当第一压电体103在垂直方向上受到外力的作用而变形时，其内 部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。此时，信号输出单元 104，可以将第一压电体103上产生的电荷导出，并且直接作为控制信号而使用，从而无需 引入任何的信号分析装置。第一压电体103受力所产生的电荷量与所受外力的大小成正比。第一压电体103 受到的压力越大，在第一压电体103上产生的电荷量越多，而且当作用在第一压电体103上 的外力去掉后，第一压电 体103又会恢复到不带电的状态。因此，可以建立第一压电体103 所受的压力大小与产生电荷量的线性关系，然后通过确定电荷量的大小，对用户在用户输 入端上的滑擦力度大小进行准确感应。在一个实施方式中，信号输出单元104可以是位于第一压电体103表面上下的两 个电极，用于引出由第一压电体103产生的电荷。在一个实施方式中，信号传感器可以进一步包括框架，用于容纳用户输入端101、 力转化单元102、第一压电体103和信号导出单元104。框架还可以起到保护与限定信号传 感器的作用。在一个实施方式中，该信号可以传感器进一步包括与力转化单元102连接的第二 压电体，第二压电体的预极化方向与第一压电体103的预极化方向相反，用于过滤用户在 用户输入端101上的误操作滑动。根据上述分析，图2为根据本发明实施方式的信号传感器的结构示意图。如图2所示，该信号传感器包括弹簧片4、压电陶瓷片5、电极3、按键1和框架2。 其中按键1为用户输入端，按键1下方的压电陶瓷片5是本信号传感器的核心感应装置。电 极3有两个，一个位于压电陶瓷片5上部，一个位于弹簧片4的上面，用于导出在压电陶瓷 片5上产生的电荷。框架2容纳弹簧片4、压电陶瓷片5、电极3和按键1，并起到保护与限 定作用。弹簧片4有两个分别与框架连接的固定端S。如图2所示，通过弹簧片4的作用，可以巧妙的将用户水平推力部分转化为垂直方 向压力。在图2中，压电陶瓷片5预极化方向为纵向轴向极化，即极化方向与电极3方向平 行。基于图2所示实例，图3为根据本发明实施方式的信号传感器滑动的示意图。如图3所示，在工作中，当用户手指在按键表面由图2中A点滑动到B点过程中， 带动弹簧片4产生形变，弹簧片4由于受到水平推力及固定端S处拉力的共同作用，产生较 大垂直压力作用于陶瓷片5表面。固定于B点下方的压电陶瓷片5受力形变从而产生电信号。由此可见，在本发明实施方式的传感器巧妙利用压电陶瓷本身的特性使之对用户 刮滑及按压的力量和速度(由于速度通常与力量成正比)有准确的感应，并直接转化为有 效的线性电信号。基于本发明，可以提出各种具体应用的信号传感器。图4为根据本发明另一实施 方式的信号传感器的结构示意图。如图4所示，该信号传感器包括弹簧片4、极化方向相反的两片压电陶瓷片5和6、 电极3、按键1和框架2。其中按键1为用户输入端，按键1下方的两个压电陶瓷片5和6是本信号传感器的核心感应装置。电极3有三个，一个位于压电陶瓷片5上部，一个位于弹簧 片4的上面，一个位于压电陶瓷片6的下部，用于导出在压电陶瓷片5和6上产生的电荷。 框架2容纳弹簧片4、压电陶瓷片5和6、电极3和按键1，并起到保护与限定作用。弹簧片 4有两个分别与框架连接的固定端S。在图4中，由极化方向相反的两片陶瓷片5和6共同构成感应系统。当手指带动 按键滑动时，上下两片陶瓷片5和6由于本身极化方向相反而产生不同方向的同步电荷信 号，从而增强了系统的纠错能力，过滤由于用户静电等原因而产生的错误输入。更详细地， 当手指带动按键滑动时，上下两片陶瓷片由于本身极化方向相反而产生相位相反的同步电 荷信号。而由于人体电场感应出的静电信号在陶瓷片的表面为同相位的；有效信号为两片 陶瓷信号的差分信号，可以抵消人体电场感应静电信号，提高系统的抗干扰能力。此类似与 微弱信号检测与放大电路常用的差分输入。图5为根据本发明再一实施方式的信号传感器的结构示意图。
如图5所示，该信号传感器包括弹簧片5、压电陶瓷片4、电极3、按键1和框架2。 其中按键1为用户输入端，按键1下方的压电陶瓷片5是本信号传感器的核心感应装置。电 极3有两个，一个位于压电陶瓷片5上部，一个位于弹簧片4的上面，用于导出在压电陶瓷 片5上产生的电荷。框架2容纳弹簧片4、压电陶瓷片5、电极3和按键1，并起到保护与限 定作用。弹簧片4有两个分别与框架连接的固定端S。在图5中，在压电陶瓷片4表面附加有两个环形的金属块6。金属块6起加速度传 感器中的质量块。当信号传感器被施加敲击或摇晃时，整个信号传感器会发生运动，而同时 金属块6会相对静止，从而可以施加压力到在压电陶瓷片4的表面，使压电陶瓷片4产生出 电荷，感应出加速度信号。压电陶瓷片4产生的电荷与其受到的压力具有正比关系，而压电 陶瓷片4受到的压力与信号传感器被施加敲击或摇晃的力量(与信号传感器被施加敲击或 摇晃的瞬间加速度)相关，因此可以通过确定压电陶瓷片4产生的电荷量而感应出信号传 感器被施加敲击或摇晃的瞬间加速度，由此电极3导出的电荷量与信号传感器被施加敲击 或摇晃的瞬间加速度相关，从而可以感应信号传感器被施加敲击或摇晃的瞬间加速度。基于上述分析，本发明实施方式还提出了一种信号传感方法。图6为根据本发明的信号传感方法的流程示意图。如图6所示，该方法包括步骤601 感应用户在用户输入端上的滑动。步骤602 将所述用户在所述用户输入端上滑动的推力转化为作用到所述第一压 电体的压力。步骤603 第一压电体响应于所述作用到第一压电体的压力产生受力形变，并引 起所述第一压电体表面带电荷。步骤604 将所述第一压电体表面的电荷作为传感信号输出。在上述流程中，优选的，该方法进一步包括利用重力块在所述信号传感器具有瞬 间加速度时向第一压电体施加与加速度相关的压力；第一压电体响应于所述与加速度相关的压力产生受力形变，并引起所述第一压电 体表面带电荷；将所述第一压电体表面的电荷作为加速度传感信号输出。
综上所述，在本发明的技术方案中，用户输入端供用户在其上滑动；力转化单元将 用户滑动的推力转化为作用到第一压电体的压力；第一压电体产生受力形变并引起表面带 电荷；信号输出单元，用于将第一压电体表面的电荷作为传感信号输出。由此可见，应用本 发明以后，能够直接产生电传感信号，从而无需其它设备处理器的干预即可以直接利用该 信号传感器控制设备的各种具体应用，非常适合于各种便携式电子设备，而且极大的节约 了成本。另外，由于压电体具有体积小，无磁场干扰和低功耗的优点，本发明还非常适用于 笔记本电脑、移动电话、MP3播放器、MP4播放器或数码相机等任意的电子设备中。
而且，本发明实施方式通过过滤用户在用户输入端上的误操作滑动，避免了由于 使用者无交互意图的随机运动而产生错误输出的不足。不仅于此，本发明实施方式还提供 了一种结合基于加速度计的刮擦/滑动与敲击/摇动传感器的多功能输入传感器，应用范 围更加广泛。本发明实施方式的传感器在结构上相对简单、尺寸小、重量轻，而且能够直接提供 电控制信号，适用于大多数便携式电子设备，比如笔记本电脑、移动电话、MP3播放器、MP4 播放器或数码相机等。以上虽然具体罗列出一些便携式电子设备，本领域技术人员可以意识到，此处的 罗列仅为示范性的，并不用于限制本发明实施方式的适用范围。以上所述，仅为本发明实施方式的较佳实施例而已，并非用于限定本发明实施方 式的保护范围。凡在本发明实施方式的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进 等，均应包含在本发明实施方式的保护范围之内。
权利要求
1.一种信号传感器，其特征在于，包括用户输入端、力转化单元、第一压电体和信号导 出单元，其中所述用户输入端，用于供用户在其上滑动；所述力转化单元，用于将所述用户在所述用户输入端上滑动的推力转化为作用到所述 第一压电体的压力；所述第一压电体，用于响应于所述作用到第一压电体的压力产生受力形变，并引起所 述第一压电体表面带电荷；所述信号输出单元，用于将所述第一压电体表面的电荷作为传感信号输出。
2.根据权利要求1所述的信号传感器，其特征在于，所述第一压电体为压电陶瓷或压 电晶体。
3.根据权利要求1所述的信号传感器，其特征在于，所述用户输入端为按键或触摸屏。
4.根据权利要求1所述的信号传感器，其特征在于，所述力转化单元为具有固定端的 弹簧；其中所述第一压电体位于所述弹簧之上，且所述用户输入端位于所述第一压电体之上；所述弹簧受到所述用户输入端上滑动的推力以及所述固定端的拉力的共同作用，产生 作用于所述第一压电体的压力。
5.根据权利要求1所述的信号传感器，其特征在于，该信号传感器进一步包括框架，用 于容纳所述用户输入端、力转化单元、第一压电体和信号导出单元。
6.根据权利要求1所述的信号传感器，其特征在于，所述第一压电体的预极化方向为 纵向轴向极化。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的信号传感器，其特征在于，该信号传感器进一步 包括与所述力转化单元连接的第二压电体，所述第二压电体的预极化方向与所述第一压电 体的预极化方向相反，用于过滤用户在所述用户输入端上的误操作滑动。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的信号传感器，其特征在于，该信号传感器进一步 包括位于所述第一压电体表面的重力块，用于在所述信号传感器具有瞬间加速度时向第一 压电体施加与加速度相关的压力；第一压电体，进一步用于响应于所述与加速度相关的压力产生受力形变，并引起所述 第一压电体表面带电荷；所述信号输出单元，用于将所述第一压电体表面的电荷作为加速度传感信号输出。
9.一种便携式电子设备，其特征在于，该便携式电子设备包括如权利要求1所述的信 号传感器。
10.根据权利要求9所述的便携式电子设备，其特征在于，所述便携式电子设备包括笔 记本电脑、移动电话、MP3播放器、MP4播放器或数码相机。
11.一种信号传感方法，其特征在于，该方法包括感应用户在用户输入端上的滑动；将所述用户在所述用户输入端上滑动的推力转化为作用到所述第一压电体的压力；第一压电体响应于所述作用到第一压电体的压力产生受力形变，并引起所述第一压电 体表面带电荷；将所述第一压电体表面的电荷作为传感信号输出。
12.根据权利要求11所述的信号传感方法，其特征在于，该方法进一步包括 利用重力块在所述信号传感器具有瞬间加速度时向第一压电体施加与加速度相关的 压力；第一压电体响应于所述与加速度相关的压力产生受力形变，并引起所述第一压电体表 面带电荷；将所述第一压电体表面的电荷作为加速度传感信号输出。
全文摘要
本发明公开了一种信号传感器。用户输入端，用于供用户在其上滑动；力转化单元，用于将用户在用户输入端上滑动的推力转化为作用到第一压电体的压力；第一压电体，用于响应于作用到第一压电体的压力产生受力形变，并引起第一压电体表面带电荷；信号输出单元，用于将第一压电体表面的电荷作为传感信号输出。本发明还公开了一种信号传感方法和便携式电子设备。应用本发明后，直接产生电传感信号，无需其它设备处理器的干预即可以直接利用该信号传感器控制设备的各种具体应用，非常适合于各种便携式电子设备，节约了成本，避免了由于使用者无交互意图的随机运动而产生错误输出的不足，而且应用范围更加广泛。
文档编号G06F3/041GK102081472SQ20091022405
公开日2011年6月1日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者刘广松 申请人:北京九鹤科技有限公司