CN101331570B - 键盘 - Google Patents

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Abstract

一种键盘，其中，在按压键钮之后，利用两个磁体相同极性的表面之间产生的相斥力使每一键钮返回其初始位置。因此，该键盘可制作为能够承受恶劣的环境，同时能够为使用者提供良好的触觉响应。

Description

键盘
技术领域
本发明大体涉及一种计算机键盘，并且更具体地涉及一种具有非物理性按钮致动作用(non-physical button actuation)的键盘，使该键盘的键和内部电路之间形成有效的屏障。
背景技术
键盘包括多个连接到微处理器的“开关”，该微处理器监控着每个开关的状态，并根据这种状态下的变化而触发特定的响应。将这些开关布置为形成键矩阵，并使每一个开关对应于键盘的用户界面上的一个键钮。键矩阵本身通常为印刷电路板(PCB)或薄膜，其位于键钮阵列的下面，并每一键钮正下方的电路上具有一个断口(break)。因而，键矩阵是多个开路，等待通过引入桥接导通元件(bridging conductive element)以使其“闭合”，从而允许小量的电流流过。该微处理器监控该键矩阵在该阵列上的任何位置处的连通信号，并在发现这种闭合电路时，将该电路在该键矩阵上的位置与其只读存储器上的字符映射表相比较，随后输出恰当的字符。
开关能够以多种不同方式闭合，包括使用橡胶圆点(rubber dome)(其上部内表面带有碳元件)、金属触点、膜或泡沫元件，现在简要地说明其中的一些方式。
目前应用的较普遍的开关技术之一是使用橡胶圆点，即每一键钮定位在小的、柔性的橡胶圆点上，该橡胶圆点中心具有硬质的碳元件。当按压键钮时，该键钮下侧的柱塞抵靠着该橡胶圆点的上表面按下，使该碳元件相应地移动并由此被按压到直接位于其下方的、该PCB的电路中的断口上，并从而将该电路桥接。当释放该键时，该橡胶圆点弹性回复其初始的形状，并驱使该键返回其初始位置。公知地，还提出一种三层的膜，其中两层具有呈键矩阵的元件，该两层之间具有一隔离层。在这种情况下，在橡胶圆点上无需设置碳触点。作为替代，当按压键并压缩橡胶圆点时，从该橡胶圆点的中心凸起的、小的橡胶“指部”将该膜的三层挤压在一起，并在该位置使该电路桥接。
膜开关尽管并不都具有分隔开的键，但操作非常类似。作为替代，其利用整体的橡胶片，该橡胶片具有用于键钮的突起区域。这提供了一种能够承受极端环境的键盘，但该键盘也是一种几乎没有触觉响应的键盘。
从这些例子中可清楚地看到，显然需要在键盘的触觉响应及其承受诸如与细粉尘或液体接触等恶劣环境的能力之间作出权衡。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种键盘，其能够承受诸如细粉尘或浸入液体等恶劣的环境，同时依然能够提供良好的触觉响应。
根据本发明，提供一种开关，该开关包括键构件，该键构件相对于键矩阵设置在初始位置，以使施加在所述键构件上的压力在所述键矩阵上产生电接触，其中在所述键构件内或其上设置第一磁体，或者将该第一磁体设置成为所述键构件，并设置第二磁体，使所述第一磁体和所述第二磁体的相同的磁极相互分隔地彼此面对，所述第三磁体和第二磁体设置和构造为在两者之间产生相斥力，当所述施加的压力移除时该相斥力使所述第二磁体朝向其初始位置返回。
根据本发明的一种方案，提供了一种开关，该开关包括键构件，所述键构件相对于键矩阵设置在初始位置，以使施加在所述键构件上的压力在所述键矩阵上产生电接触，其中在所述键构件内或其上设置第一磁体，第二磁体设置成使所述第一磁体和所述第二磁体的相同磁极以相互间隔的关系彼此面对，在所述键矩阵的与所述第二磁体相对的侧设置第三磁体，以使所述第二磁体和所述第三磁体的相同磁极以相互间隔的关系彼此面对，所述第二磁体和第三磁体设置和构造为在所述第二磁体和所述第三磁体之间产生相斥力，当移除所述施加的压力时所述相斥力使所述第二磁体朝向其初始位置返回，所述第一磁体和第二磁体设置和构造为在所述第一磁体和第二磁体之间产生相斥力，当所述施加的力移除时所述相斥力使所述键构件朝向所述初始位置返回。
因此，通过利用两个磁体的相同极性的表面之间产生的相斥力使键钮在被按压后返回其初始位置来实现上述目的。
优选地，键构件包括：键帽，其中心具有向下凸出的柱塞；以及多个向下凸出的腿部，其中所述向下凸出的腿部与多个邻接的导柱配合，从而所述键构件可沿一个轴线在两个方向上可滑动地移动。
有利地，该导柱安装在基板上，而所述键矩阵和所述键构件设置在所述基板的相对两侧上。
可选地，所述键构件可包括：键帽，其中心具有向下凸出的柱塞，所述柱塞可滑动地安装在向上凸出的凸缘内，该凸缘从所述基板凸出，从而该键构件可沿一个轴线在两个方向上滑动地移动。
优选地，该第一磁体设置在该柱塞的相对于该键帽的远端。
有利地，该基板设有孔，以允许所述第一磁体在所述施加的压力作用下穿过所述基板，从而在所述键矩阵上产生电接触。该第二磁体优选地设置在与所述键矩阵的与所述第一磁体相对的一侧上。
优选地，在所述基板和所述键矩阵之间设置非渗透性的隔离层，以阻止液体或类似物从所述键构件一侧进入到所述键矩阵一侧。
有利地，所述键矩阵可包括可弹性变形的膜，并且所述键矩阵设置在所述第二磁体相对于所述第一磁体的后面。优选地将该第二磁体可滑动地安装在由凸缘限定的通道内。有利地，所述第二磁体和所述键矩阵设置及构造为：施加在所述键构件上并使所述第一磁体朝向所述第二磁体移动的压力在两个磁体间产生相斥力，该相斥力足以导致所述第二磁体在所述通道内移动，以便向所述键矩阵施加压力并使该键矩阵弹性变形并产生电接触。优选地，当移除所述施加的力时变形的所述键矩阵使所述第二磁体朝向其初始位置返回。
优选地，在所述键矩阵的与该第二磁体相对侧设置第三磁体，以使所述第三磁体和第二磁体的相同磁极以相互间隔的关系彼此面对，所述第三磁体和第二磁体设置和构造为在该两个磁体之间产生相斥力，当移除所述施加的力时该相斥力使所述第二磁体朝向其初始位置返回。
从这里所描述的多个实施例中、以及参照这些实施例所做的说明，将使得本发明的上述的和其他方案显而易见。
附图说明
现在将参照附图并仅通过示例的方式描述本发明的各实施例，在附图中：
图1是根据本发明的示意性实施例的开关的俯视示意图；
图2是根据本发明第一示意性实施例的开关的剖视示意图；
图3是根据本发明第二示意性实施例的开关的剖视示意图；
图4是根据本发明第三示意性实施例的开关的剖视示意图；
图5a是图4的中间磁体在其初始位置时的剖视示意图；
图5b是当开关按下时的图4的中间磁体的剖视示意图；
图6是根据本发明第四示意性实施例的开关的剖视示意图；
图7a是图6的中间磁体在其初始位置的剖视示意图；
图7b是当开关按下时图6的中间磁体和基板磁体的剖视示意图；
图8a是根据本发明第五示意性实施例的开关的俯视示意图；
图8b是根据本发明第五示意性实施例的开关的立体示意图；
图8c是根据本发明第五示意性实施例的开关的剖视示意图；
图9a是根据本发明第六示意性实施例的开关的俯视示意图；
图9b是根据本发明第六示意性实施例的开关的立体示意图；
图9c是根据本发明第六示意性实施例的开关的剖视示意图。
具体实施方式
参看附图的图1，其示出了开关的俯视示意图。该开关包括键帽10，该键帽10具有大致位于中心的中空柱塞(plunger)13，在使用时，柱塞13的端部与膜24(或圆顶开关装置的圆顶构件的冠状部)接合。四个向上凸出的刚性导柱12从基板14延伸，所述各导柱12等间隔地围绕柱塞13分布。各导柱12的截面大体为X型，在X型结构的各臂之间限定了大体为V型的导轨或导槽。键帽10在其每个角部还包括多个向下凸出的腿部17，每一腿部17的截面大体为(圆角的)L形，其顶点被设置及构造为与由各导柱12限定的、面向内的导轨相协作。
使用时，当使用者按压键时，柱塞13向下移动，与膜24接触并使期望的电路闭合。当键向下移动时，各腿部17沿着各自的导轨12下滑。当释放键时，回位装置(在以下的实施例中，通过多个磁体之间的相斥力提供回位装置)使键帽10返回其初始位置，并且电路断开。
图1中示出的横向切分键帽10的中心线16限定了图2-图7中的剖视图的观察平面。
现在参看附图的图2，其示出了根据本发明第一示意性实施例的剖视示意图，如上文所述，包括键帽10和导柱12。在本实施例中，基板14具有孔19，该孔直接位于柱塞13下方，并具有足够大的尺寸以允许柱塞13穿过而超出该基板的下表面。如上所述，基板14的下表面的下面是膜24，该膜24包括三个层：桥接级层(bridge level)；断路级层，其在与桥接级层接触时与导通电路相协作；以及隔离层，位于两者之间。膜24的尺寸和形状基本上与基板14相同，并且膜24包含与键的数目相同数目的桥接区域。膜24可以由任何耐用的柔性材料制成，可采用聚酯。膜24内设置有印刷电路，该印刷电路包括往返于开关元件的电气元件(开关元件包括电路的断开区域及其对应的导通桥接区域)，从而当柱塞13穿过基板14中的孔19时，挤压其下的膜24并驱使上部的导通桥接区域与断开电路区域接触，从而在该位置“接通(switching)”。
在支承板20内部设置有多个下部磁体22，所述下部磁体22同心地设置在相同数目的柱塞磁体18的下方。下部磁体22具有N极22a和S极22b，并且其取向设置为与对应的柱塞磁体18的极性相对，以使两者以相同的极性表面彼此面对(本例中为S极-S极面对)。本领域熟练技术人员应理解的是，当将同磁极相面对的两个磁体放在一起时会产生相斥力。该力与磁体的磁场的强度相关，并因此能够通过选择磁体而将该相斥力调节为理想的相斥程度。
在这一示意性实施例中，默认状态下，键帽10保持在所示的位置上。通过产生于柱塞磁体18的S极18b和下部磁体22的S极22b之间产生的相斥力该键帽保持在基板14上方的这一高度上。当使用者按压键帽10时，所施加的力大于相斥的磁力，由此使键垂直向下移动(只要该施加的力存在)直到腿部17的底面到达基板14的上表面(或其间的限定极限位置)。在该极限位置处，柱塞13穿过了基板14上的孔19并接触该基板下面的膜24，从而在该位置使膜24变形并在该膜24中产生导通的桥接区域，以桥接其下面的印刷电路上的相关联的断开点，并产生“接通”。当使用者将手指从键帽10上移开时，移除了所施加的力，并且磁体18、22的相斥力用于使键帽10返回其初始位置。可以设置装置来确保键帽10的腿部17的下部不致上升到高于导柱12的高度。
现在参看附图中的图3，其示出根据本发明第二示意性实施例的开关。本实施例在很多方面大致与上述的第一示意性实施例相同，并且采用同样的附图标记表示相同的部件。然而，在此例中，在基板14和膜24之间设置隔离层26。该隔离层26将电子元件与外界环境物理地隔绝，使键盘在浸入液体中或进入细粉尘或粗砂的情况下不影响该键盘的操作性能。隔离层26可由任何非渗透性材料制成，优选为橡胶，并可设置一组凸出物以辅助该接触过程。依据橡胶的厚度/密度来优化磁体的强度，以提供所需的相斥力。
现在参看附图的图4，其示出根据本发明第三示意性实施例的开关。在本实施例中，基板14上并不具有与前述实施例相同的孔，而是由单一的非渗透性的板构成。
从基板14的下侧向下凸出的是凸缘150，该凸缘150限定了腔体，该腔体内设置中间磁体28。该中间磁体28的S极28b面朝上并且N极28a的面朝下，从而S极28b面对柱塞磁体18的S极18b。通过膜24将中间磁体28保持在其腔体中，该膜24将变形到一定程度以允许中间磁体28从由凸缘150限定的腔体(依据施加在键帽10上的压力)凸出到执行该中间磁体的功能所必需的程度。
中间磁体28本身具有一个表面平坦的磁极(面对柱塞磁体18的任一磁极)以及一个具有特定轮廓的表面。现在参看图5a，中间磁体28的N极28a具有向下凸出的凸起中部28a′。该凸起部28a′可与磁体28一体形成，但更适合包括一设置在磁体28上的“衬底(sock)”状构件30。位于下面的膜24抵靠设置在中间磁体28上的凸起部28a′，以便在没有其他由使用者间接施加的力的作用时，将中间磁体28保持在其腔体中。现在参看图4和图5b，当使用者按压键帽10时，该键帽10向下移动，直到柱塞磁体18到达其极限位置为止(在本例中为基板14的上表面)。当使柱塞磁体18的S极18b更靠近中间磁体28的S极28b时，中间磁体28将承受上述的相斥磁力的作用并被抵靠着膜24推动，膜24变形以允许磁体28从该腔体凸出。膜24内部具有限制级层(restricting level)24b，该限制级层具有多个孔，每一孔位于每一个中间磁体28的下方，所述孔足够大以允许磁体28的凸起部28a′穿过，但不允许肩部穿过，从而凸起部28a′能够(在一定程度上)穿过该孔并使得桥接级层24a下侧上的导通的桥接区域24a′与断开电路级层24c上的印刷电路的上表面相接触。当使用者从键帽10上移开手指时，磁体18、28之间的相斥力随着两者的相对分开而消失，导致由变形的膜24施加在磁体28上的力大于来自柱塞磁体18上的任何相斥力，并因而使膜24回复其原始形状，将磁体28返回到由裙部150限定的腔体内的原始位置。
必须谨慎地选择磁体18、28和膜24，以确保相斥力和由膜24提供的回复力的大小限定为能够实现其功能。再参看图4，为使键帽10保持如图所示的静止状态，其中磁体18、28之间的间距被限定为X，由膜24提供的回复力必须大于两个磁体18、28、键帽10、腿部17和柱塞13的重量(即，作用于该组合体上的力)。还要考虑腿部17和导柱12之间的摩擦力。间距为X时的相斥力应大于或等于膜提供的回复力，然而，当间距小于1/2X时，相斥力应当远大于该膜提供的回复力，以确保当按压键帽10时充分致动中间磁体28。
现在参看图6，其示出了根据本发明的第四示意性实施例，其中将由膜24提供的回复力(在第三实施例中)替换为(在中间磁体28和下部磁体22之间的)第二相斥力。如同在第三实施例中，键帽10可滑动地安装在固定到未打孔的、非渗透性的基板上14的四个导柱12中。从基板14的下侧的与柱塞磁体18共线的位置向下凸出的是凸缘150，该凸缘150限定了比第三实施例更深的腔体。凸缘150的末端非常接近支承板，膜24位于两者之间。在支承板20上或其内部设置基板磁体22，该基板磁体22取向为，其向上面对中间磁体28的磁极与中间磁体28向下面对该基板磁体的磁极具有相同的极性。
现在另外参看图7a和图7b，使用者按压键钮10，从而减小了柱塞13底端上的柱塞磁体18与设置在基板14(相对于柱塞磁体18)的远侧面(farside)的位于腔体内的中间磁体28之间的间距。随着该间距的减小，相斥力则在增加，导致中间磁体28下滑并接触膜24的上表面。这使得桥接级层24a的下侧的导通的桥接区域24a′移动到与断开电路级层24c上的印刷电路的上表面接触，从而连通该电路(如图7b中所示)。当使用者从键钮10上移开手指时，柱塞磁体18和中间磁体28之间的间距增大，直到其到达柱塞磁体18和中间磁体28之间的相斥力小于下部磁体22与中间磁体28之间的相斥力的位置，随后，中间磁体28沿着向上的方向移动，返回到腔体内(如图7a中所示)。应注意的是，虽然本实施例中所示的磁体28不带有“衬底”状构件30(图5a和图5b中存在“衬底”状构件30)，但可在本实施例中或其他示意性实施例中设置该“衬底”状构件。
本实施例优于前述实施例的优点在于：借助第二相斥磁力而不是依靠变形的膜24产生的回复力使中间磁体28返回其在该腔体中的默认位置。随着时间的流逝，以这种方式使用的膜24将可能劣化并失去提供可靠的回复力的能力，并且会损坏其内部电路，导致键盘故障。本实施例中提出的装置不会出现这种情况。如果柱塞磁体18和中间磁体28之间的相斥力大于基板磁体22和中间磁体28之间的相斥力，则在每一次按下键钮10时都将产生接通。如果基板磁体22和中间磁体28之间的相斥力大于中间磁体28、柱塞磁体18和键钮10(以及与其结合的柱塞)组件的重量，则在释放键钮10之后，中间磁体28将始终返回其默认位置。如果柱塞磁体18和中间磁体28之间的相斥力大于(在间距X处)柱塞磁体18和键钮10(以及与其结合的柱塞)组件的重量，则只要释放该按钮，该键钮将始终返回其默认位置。
现在参看图8a、图8b和图8c，其分别示出了根据本发明的第五示意性实施例的开关的示意性俯视图、立体图和剖视图。该开关包括键帽10，该键帽10具有大致位于中心的中空柱塞13a，该柱塞13a在其相对于该键帽10的远端设置有柱塞磁体18。从基板14延伸出刚性的、向上凸起的引导凸缘12a，该引导凸缘12a限定一筒形通道11，该柱塞13a可滑动地安装在该通道内。筒形通道11还包含多个垂向定位的导槽120，所述导槽与设置在柱塞13a上的、数量基本相同但形状相反的多个肋连通，以限制键帽10围绕垂直轴线任意转动。
如上所述，使用者按压键帽10导致柱塞13a在引导凸缘12a内向下移动，也使安装在该柱塞端部的柱塞磁体18向下移动。磁体18接触下方的膜24并使膜24变形，从而产生接通。当移除施加在键帽10上的压力后，柱塞磁体18和下部磁体22之间的相斥力使键帽10朝向其初始位置返回。
现在参看图9a、图9b和图9c，分别示出了根据本发明的第六示意性实施例的开关的示意性俯视图、立体图和剖视图。该开关包括键帽10a，当沿截面方向观看(如图9c)时，该键帽比前述实施例的键帽要短，并具有环绕在其周围的缘部(lip)100(如图9a中所示)。本实施例中的基板14包含多个基本为正方形的孔，这些孔的尺寸允许键帽10a的上表面穿过。当沿截面方向观察时，这些孔在较低的位置被加宽，用以容纳键帽100a的缘部100，从而这些孔允许键帽10a的上表面从其中穿过，但不允许缘部100通过其上部的“颈”部140，由此限制了键帽10a整体地脱离该孔。在键帽10a的下侧设置柱塞磁体18，该柱塞磁体18在键帽10a承受由使用者施加的压力时使膜24变形。正与上述各实施例相同，(当使用者移除施加在键帽顶部的压力时)键帽10a在柱塞磁体18和下部磁体22的两个相同磁极之间的相斥力的作用下朝向其初始位置返回。
在相应地设置磁体的数目和磁体布置的条件下，第五、第六示意性实施例的开关的构造方式可用于任何前述的实施例中。
现在，对阅读本发明的本领域熟练技术人员而言，显而易见的是，应用多个磁体来致动键盘内的回复力开关，能够不丧失功能性地在外侧的键和内部的电路之间产生非常有效的屏障。这使得能够提供一种键盘，该键盘可完全浸没在液体中而不致损害其中的电子器件、又能够在最恶劣和多尘的环境中继续工作。即使在键钮和膜之间并无物理连接，但利用移动的磁体之间的相斥力，仍能够实现良好的触觉响应。
应当注意的是，上述的实施例是用于说明而非限制本发明，而且本领域熟练技术人员能够不脱离本发明范围地设计出多个可选的实施例，其中本发明的范围由如附的权利要求书界定。在该权利要求书中，所有加注在括号内的附图标记不应被解释为对权利要求书的限制。总体上，词语“包括有”、“包括”及类似用语并不排除除了在任何权利要求项中或说明书中列出的元件及步骤之外的其他元件及步骤的存在。以单数形式提及的元件的情况并不排除这种元件的复数引用，反之亦然。本发明可利用包括有若干不同的元件的硬件来实现，在设备权利要求中列举了若干装置，这些装置中的若干个装置可包括同一个硬件。某些方案在不同的从属权利要求中相互重复引用并不表示不能够结合这些方案以实现更优的效果。

Claims (9)

1.一种开关，该开关包括键构件，所述键构件相对于键矩阵设置在初始位置，以使施加在所述键构件上的压力在所述键矩阵上产生电接触，其中在所述键构件内或其上设置第一磁体，第二磁体设置成使所述第一磁体和所述第二磁体的相同磁极以相互间隔的关系彼此面对，在所述键矩阵的与所述第二磁体相对的侧设置第三磁体，以使所述第二磁体和所述第三磁体的相同磁极以通过所述键矩阵相互间隔的关系彼此面对，所述第二磁体和第三磁体设置和构造为在所述第二磁体和所述第三磁体之间产生相斥力，当移除所述施加的压力时所述相斥力使所述第二磁体朝向其初始位置返回，所述第一磁体和第二磁体设置和构造为在所述第一磁体和第二磁体之间产生相斥力，当所述施加的力移除时该相斥力使所述键构件朝向其初始位置返回。
2.根据权利要求1所述的开关，其中，所述键构件包括：键帽，其中心具有向下凸出的柱塞；所述柱塞滑动地安装为使所述键构件能够沿一个轴线在两个方向上可滑动地移动。
3.根据权利要求2所述的开关，其中，将所述键矩阵和所述键构件设置在基板的相对两侧上。
4.根据权利要求3所述的开关，其中，将所述第一磁体设置在所述柱塞的相对于所述键帽的远端。
5.根据权利要求4所述的开关，其中，所述第一磁体和所述第二磁体设置在所述键矩阵的同一侧上。
6.根据权利要求1所述的开关，其中，所述键矩阵包括可弹性变形的膜。
7.根据权利要求1所述的开关，其中，所述键矩阵设置在所述第二磁体的相对于所述第一磁体的后面。
8.根据权利要求1所述的开关，其中，所述第二磁体滑动地安装在由凸缘限定的通道内。
9.根据权利要求8所述的开关，其中，所述第二磁体和所述键矩阵设置和构造为：施加在所述键构件上、并使所述第一磁体朝向所述第二磁体移动的压力在所述第一磁体和所述第二磁体之间产生相斥力，该相斥力足以使所述第二磁体在所述通道内移动，以向所述键矩阵施加压力并使所述键矩阵弹性变形并电接触。
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