CN105549755A - 包括电容传感器的按键 - Google Patents

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Abstract

一种包括多个按键组件的键盘输入设备，所述按键组件的至少之一包括：键帽，其具有构造为被用户按压的顶面；刚性导电基板(例如，金属)，其耦接至所述键帽的底面；平移机构，其构造为允许所述按键响应于用户输入而平移；以及电容传感器基板，其设置在所述键帽与所述刚性导电基板之间，所述电容传感器基板包括构造为在所述按键组件的感测区域中检测输入对象的多个传感器电极。

Description

包括电容传感器的按键
技术领域
本发明大体涉及一种电子器件，更具体地涉及一种键盘按键，其具有用于感测手指在键帽表面上的位置的集成电容传感器。
背景技术
可按压触摸表面(可以被按压的触摸表面)广泛应用于各种输入设备，包括作为小型键盘或键盘的按键或按钮的表面以及作为触摸板或触摸屏的表面。期望提高这些输入系统的可用性。
图2显示了与以金属弹簧圆顶或橡胶圆顶启用的许多按键中所发现的“弹锁(snapover)”触觉响应相关联的示例性触觉响应曲线的曲线图200。具体来说，曲线图200描述了由按键的触摸表面对用户施加的力和按键位移(相对于未按下位置的移动)的量。对用户施加的力可以是沿特定方向(诸如正或负按压方向)的合力或合力的一部分。同样，按键位移量可以是沿特定方向(诸如正或负按压方向)的按键行程的总量或一部分。
力曲线210显示了四个按键按压状态212、214、216、218，其用四个橡胶圆顶在不同的按键位移量的刻画来描绘。当对按键未施加按压力并且按键处于未按压的位置(即，“准备”位置)时，按键处于“未按压”状态212。响应于按压输入，按键初始对某些按键位移和对用户施加的增加的反作用力做出响应。该反作用力随着按键位移量的增加而增大，直至达到“峰值”状态214的局部最大“峰值力”F1为止。在峰值状态214，金属弹簧圆顶即将弹起或橡胶圆顶即将缩回。当键帽、弹簧圆顶或橡胶圆顶、或随着键帽一起移动的其他按键组件以局部最小“接触力”F2与按键的基部(或附接于基部的组件)形成初始物理接触时，按键处在“接触”状态216。当按键经过“接触”状态并且诸如通过压缩橡胶圆顶启用的按键中的橡胶圆顶而发生机械触底反弹时，按键处在“底部”状态218。
弹锁响应由反作用力曲线的形状定义，反作用力曲线受诸如波峰和波谷的变化率和相关的幅值等变量的影响。峰值力F1和接触力F2之差可以称之为“弹簧”。“弹簧比率”可以被确定为(F1-F2)/F1(或者如果需要百分比型的测量值，则可被确定为100×(F1-F2)/F1)。
目前已知的键盘按键典型地包括附件特征，诸如挂钩，其形成在按键的底面用于附接到平面平移机构，诸如坡道、四杆机构、剪式机构。当电容传感器基板附接于键帽的底面时，传感器基板典型地包括附件特征延伸穿过的空隙，造成传感器的电容响应存在局部的不均匀性。
因此需要克服这些不足的方法和装置。
发明内容
提供了一种电容式触摸传感器，其允许在单个按键上，例如在诸如空格键(spacebar)、回车(Enter)键、换挡(Shift)键等扩展的(宽的)按键上实现多个输入功能。这可以通过确定在击键过程中手指(或其他输入方式)在按键表面上的位置来实现。相应的图标可以用来区分扩展按键表面上的一个或多个位置(区域)。这消除了将诸如空格键等扩展按键在物理上拆分为多个按键以便提供多种输入功能的需要。
按键组件包括夹在键帽的底面与薄膜金属基板之间的连续(基本上不间断的)电容触摸传感器基板。通过从键帽的底面消除刚性元件和附件特征，传感器基板可以紧贴键帽下面。以前与键帽下面相关联的附件特征和刚性元件被集成到薄膜金属上。此外，该薄膜金属可以接地或保持为恒定的电压电位，有效地将传感器基板与对其他电气部件的不想要的电气干扰隔离。
附图说明
下面将结合附图描述本发明的示例性实施例，除非另有说明，否则附图未按比例绘制，在图中相同的附图标记表示相同的元件，并且：
图1示出了并入根据文中所述技术构造的基于按键的触摸表面的一个或多个实施方式的示例性键盘；
图2是作为以金属弹簧圆顶或橡胶圆顶启用的许多按键的特性的示例性触觉响应的曲线图；
图3A-3B是根据文中所述技术构造的第一示例性触摸表面组件的简化侧视图；
图4示出了根据文中所述技术的示例性键盘的分解图；
图5是根据文中所述技术的包括可动键帽和两个电容传感器的示例性扩展按键组件的示意性布局图；
图6是根据文中所述技术的具有卡扣式(snapin)刚性元件的传统剪式键帽的底部(底面)的平面图；
图7是根据文中所述技术的具有卡扣式刚性元件并且进一步包括从其上伸出用于附接按键移动机构的挂钩的传统剪式键帽的底部(底面)的平面图；
图8是根据文中所述技术的包括用于容纳：i)卡扣式刚性元件和ii)用于附接至按键移动连杆的挂钩的孔的电容传感器基板的平面图；
图9是根据文中所述技术的包括键帽、连续电容传感器以及夹在一起的薄膜金属层的按键组件层叠的分解图；
图10是显示了根据文中所述技术的用于按键移动连杆的挂钩和突出的刚性元件的图8的薄膜金属层的透视布局图；
图11是完全根据文中所述技术的组装而示出的图8的按键组件层叠的透视图；以及
图12是根据文中所述技术的多功能空格键的示意性布局图。
具体实施方式
以下具体描述实际上仅仅是示例性的，并且无意于限制本发明或本发明的应用和使用。
键盘按键通常包括附件特征(例如，挂钩、配合特征等)，其从按键的底面伸出用于附接便于击键运动的各种机构。这些机构在薄触摸应用中可包括坡道和四杆机构，并且在更传统的键盘应用中可包括剪式机构。诸如空格键(spacebar)和换挡键(shiftkey)等较宽的按键还可包括用于卡扣式线材来增强按键组件的整体刚度的挂钩。
在某些应用中，期望将共形电容触摸传感器基板附着到键帽的底面以感测手指在键帽表面的一个或多个区域上的位置，特别是对于诸如空格键或移位键等宽按键而言。这就要求传感器基板包括孔，上述挂钩延伸穿过该孔以方便附接按键运动连杆和刚性元件。传感器基板的这些不连续性会在触摸传感器的电容响应中产生局部不均匀性。
为了缓解传感器基板的非均匀性，各种实施例提供一种连续的(即，无间断的)传感器基板和具有顺滑的连续底部表面的键帽，该底部表面没有与目前已知键帽相关联的挂钩。这样的布置允许传感器基板紧贴键帽的底面，导致对手指在按键顶面是否存在做出均匀的电容响应。将薄膜金属基板放置在传感器基板上，使得传感器基板夹在键帽的底面和薄膜金属之间。为了容许附接按键运动连杆，该薄膜金属基板包括先前与键帽底面相关联的附件特征、延伸件和刚性元件。
本发明的各种实施例提供了一种输入设备和方法，其便于实现改进的可用性、更薄的设备、更容易组装、更低成本、更灵活的工业设计或其组合。这些输入设备和方法包括可按压的触摸表面，其可被结合在任何数量的设备中。作为某些实例，可按压的触摸表面可以被实施为触摸板、触摸屏、按键、按钮的表面以及任何其他适当的输入设备的表面。这样，可结合可按压的触摸表面的设备的一些非限制性实例包括所有尺寸和形状的个人计算机，诸如台式电脑、笔记本电脑、上网本、超级本、平板电脑、电子阅读器、个人数字助理(PDA)以及包括智能手机的移动电话。附加示例性设备包括数据输入设备(包括远程控制、集成键盘或诸如在便携式计算机内的键盘、或外设键盘或诸如在平板电脑盖中配置的键盘、或独立的键盘、控制面板以及计算机鼠标)以及数据输出设备(包括显示屏和打印机)。其他实例包括远程终端、自助服务终端、零售点设备、视频游戏机(例如，视频游戏控制台、便携式游戏设备等)和媒体设备(包括录音机、编辑器和播放器，诸如电视机、机顶盒、音乐播放器、数码相框和数码相机)。
本文的论述主要集中在矩形触摸表面。然而，许多实施例中的触摸表面可以包括其他形状。示例性形状包括三角形、四边形、五边形、具有其他边数的多边形、类似于具有圆角或非线性边的多边形的形状、具有曲线的形状、细长的圆形或椭圆圈、具有上述任何形状的一部分的组合现状、具有凹或凸特征的非平面形状以及任何其他适当的形状。
此外，虽然此处的讨论主要集中在触摸表面位于进行刚体运动的刚体的顶上，一些实施例可包括位于变形的柔性体顶上的触摸表面。“刚体运动”在文中用来表示以整个主体的平移或旋转为主的运动，其中主体的变形可以忽略不计。因此，触摸表面的任意两个给定点之间的距离的变化比主体的平移或旋转的关联量要小得多。
此外，在各种实施方式中，可按压的触摸表面可包括阻挡光通过的不透明部分和允许光通过的半透明或透明部分，或这两者。
图1示出了并入根据文中所述技术构造的多个(两个或更多个)基于可按压按键的触摸表面的示例性键盘100。示例性键盘100包括不同大小的被键盘面板(bezel)130包围的数行按键120。键盘100具有QWERTY布局，即使按键120不按图1中这样标记。其他键盘实施例可包括不同的物理按键形状、按键大小、按键位置或定向或者不同的按键布局，诸如DVORAK布局或用于特殊应用或非英语语言而设计的布局。在一些实施例中，按键120包括是刚体的键帽，诸如具有比深度(如下文所解释的沿Z方向的深度)更大的宽度和广度的刚性矩形体。此外，其他键盘实施例可包括根据文中所述技术构造的单个基于可按压按键的触摸表面，使得这些其他键盘实施例的其他按键用其他技术构造。
在这里结合图1介绍定向术语，但除非另有说明，否则也一般适用于文中的其他讨论以及其他附图。此术语介绍还包括与任意笛卡尔坐标系相关联的方向。箭头110指示笛卡尔坐标系的正方向，但未指示坐标系的原点。理解文中所讨论的技术将不需要原点的定义。
包括构造为被用户按压的暴露触摸表面的键盘100的面在文中称为键盘100的“顶部”102。采用由箭头110指示的笛卡尔坐标方向，键盘100的顶部102相对于键盘100的底部103处于正Z方向。当键盘100在桌面顶部的顶上使用时键盘100通常更靠近用户身体的一部分称为键盘100的“前部”104。在QWERTY布局中，键盘100的前部104较靠近空格键且较远离字母数字键。采用由箭头110指示的笛卡尔坐标方向，键盘100的前部104相对于键盘100的后部105处于正X方向。在典型的使用定向中，其中键盘100的顶部102面朝上而键盘100的前部104面向用户，键盘100的“右侧”106在用户的右方。采用由箭头110指示的笛卡尔坐标方向，键盘100的右侧106相对于键盘100的“左侧”107处于正Y方向。根据如此定义的顶部102、前部104以及右侧106，也可定义键盘100的“底部”103、“后部”105以及“左侧”107。
使用此术语，对键盘100的按压方向处在负Z方向或朝向键盘100的底部竖直向下。X方向和Y方向彼此正交并且与按压方向正交。X方向和Y方向的组合可以定义正交于按压方向的无限数量的附加横向方向。因此，示例性横向方向包括X方向(正、负)、Y方向(正、负)以及分量沿X方向和Y方向但不沿Z方向的组合横向方向。任何这些横向方向的运动分量有时在文中被称为“平面”，因为这样的横向运动分量可以被认为处在正交于按压方向的平面内。
键盘100的一些或所有按键构造为在各自的未按压位置与按压位置之间移动，未按压位置与按压位置沿按压方向和正交于按压方向的横向方向间隔开。也就是说，这些按键的触摸表面表现出具有沿负Z方向和横向方向的分量的运动。在文中所述的实例中，横向分量通常沿正X方向或负X方向以便于理解。然而，在不同的实施例中，并且视情况重新定向选择按键元素，未按压位置与按压位置之间的横向分离可单独沿正X方向或负X方向、单独沿正Y方向或负Y方向或沿具有沿X方向和Y方向分量的组合方向。
因此，键盘100的这些按键可以被描述为表现从未按压位置到按压位置的“对角线”运动。此对角线运动包括“Z”(或竖直)平移分量和横向(或平面)平移分量的运动。由于此平面平移的发生伴随着触摸表面的竖直行程，因此它可以被称为触摸表面的“对竖直行程的平面平移响应性”或“竖直-横向行程。”
键盘100的一些实施例包括具有水平按键的键盘，这种水平按键当在正常使用期间被按压时通过其各个竖直-横向行程时保持大致水平的定向。也就是说，这些水平按键的键帽(进而是这些按键的触摸表面)响应于在正常使用期间发生的按压表现出沿任何轴线很小的旋转或没有旋转。因此，键帽存在很小或没有滚动、倾斜、偏转并且相关联的触摸表面在从未按压位置到按压位置的运动期间保持相对水平和基本相同的定向。
在各种实施例中，与竖直-横向行程相关联的横向运动可以通过增加沿按压方向给定量的竖直行程的总按键行程来改善按键的触觉感受。在不同的实施例中，竖直-横向行程也通过对用户赋予触摸表面比实际行进了更大的竖直距离的感知来增强触觉感受。例如，竖直-横向行程的横向分量可对与触摸表面接触的手指垫皮肤施加切向摩擦力，并且引起皮肤和手指垫的变形，这被用户感知为额外的竖直行程。然后这产生了更大竖直行程的触觉错觉。在一些实施例中，在回程上将按键从按压位置返回到未按压位置也涉及使用横向运动模拟更大的竖直行程。
为了使键盘100的按键120启用竖直-横向行程，按键120是按键组件的一部分，每个部分包括实现平面平移、通过将相关联的键帽保持在未按压位置来准备按键120并且将按键120返回到未按压位置的机构。一些实施例还包括使键帽保持水平的机构。一些实施例利用针对每个功能的单独机构来实现这些功能，而一些实施例利用同一机构来实现这些功能中的两个或更多个功能。例如，“偏压”机构可提供准备功能、返回功能或准备和返回功能两者。提供准备和返回功能两者的机构在文中称为“准备/返回”机构。作为另一实例，水平化/平面平移产生机构可水平化且产生平面平移。作为另外的实例，可由同一机构提供功能的其他组合。
键盘100可使用任何适当的技术用于检测键盘100的按键的按压。例如，键盘100可采用基于传统电阻薄膜开关技术的按键开关矩阵。按键开关矩阵可位于按键120的下方并且构造为当按压按键120时产生指示按键按压的信号。选择性地，示例性键盘100可采用其他的按键按压检测技术来检测与按键120的位置或运动的细小或粗略变化相关联的任何变化。示例性按键按压检测技术包括各种电容、电阻、电感、磁性、力或压力、线性或角应变或位移、温度、听觉、超声波、光学及其他适当技术。根据许多这些技术，一个或多个预先设定的或可变的阈值可以被定义来识别按压和释放。
作为具体实例，电容传感器电极可以设置在触摸表面的下方，并且检测由于触摸表面的按压状态的变化而导致的电容变化。电容传感器电极可采用基于传感器电极与触摸表面之间的电容耦合的变化的“自电容”(或“绝对电容”)感测方法。在一些实施例中，该触摸表面部分或全部是导电的，或者导电元件附接在触摸表面上并且保持为恒定电压，诸如系统地极。触摸表面的位置变化改变触摸表面下方的传感器电极附近的电场，从而改变所测量的电容耦合。在一个实施方式中，绝对电容感测方法在电容传感器电极位于具有触摸表面的组件的底下的情况下进行操作，相对于参考电压(例如，系统地极)调制传感器电极，并且检测该传感器电极与具有触摸表面的组件之间的电容耦合用于测定触摸表面的按压状态。
一些电容实施方式采用基于传感器电极之间的电容耦合的变化的“互电容”(或“跨越电容”)感测方法。在不同的实施例中，触摸表面靠近传感器电极的近端改变传感器电极之间的电场，从而改变所测量的电容耦合。触摸表面可以是导电的或非导电的、电驱动的或浮动的，只要其运动能够引起传感器电极之间的电容耦合产生可测量的变化即可。在一些实施方式中，跨越电容感测方法通过检测一个或多个发射器传感器电极(也称为“发射器”)与一个或多个接收器传感器电极(也称为“接收器”)之间的电容耦合来进行操作。发射器传感器电极可相对于参考电压(例如，系统地极)被调制为发射信号。接收器传感器电极可相对于参考电压保持基本恒定以便于接收所产生的信号。产生的信号可包括对应于一个或多个发射器信号和/或对应于环境干扰的一个或多个源(例如，其他电磁信号)的效果(数个效果)。传感器电极可以是专门的发射器或接收器，或者可以构造为既发射又接收。
在一个实施方式中，跨越电容感测方法在两个电容传感器电极位于触摸表面底下，即，一个发射器和一个接收器的情况下进行操作。接收器所接收到的产生的信号受到发射器信号和触摸表面的位置的影响。
在一些实施例中，用于检测触摸表面按压的传感器系统还可以检测预按压。例如，电容传感器系统还可以检测用户悬停在触摸表面上但不接触触摸表面。作为另一实例，电容传感器系统也能够检测用户轻轻触摸触摸表面，使得用户对触摸表面进行非按压接触并且不会充分按下触摸表面以致被视为按压。
一些实施例构造为从力对传感器信号的效果来测定对触摸表面施加的力的量。也就是说，触摸表面的凹陷量与一个或多个特定传感器读数相关，这样可以从传感器读数(或数个读数)确定按压力的量。这些类型的系统可以通过区分下述中的两个或更多并对其做出不同的响应来支持多级触摸表面输入：非接触悬停、非按压接触以及一个、两个或更多等级的按压。
在一些实施例中，用于感测的基板也用来提供与触摸表面相关联的背光。作为具体的实例，在一些实施例中，利用在触摸表面底下的电容传感器，电容传感器电极设置在透明或半透明的电路基板上，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、另外的聚合物或玻璃。那些实施例中的某些实施例使用电路基板作为导光系统的一部分，用于从背后照亮可通过触摸表面看到的符号。
图1还显示了相对于键盘100的按键122的剖面线A-A'，将在下面进行讨论。
键盘100可以通过通信信道192以可通信的方式与处理系统190耦接。连接192可以是有线的或无线的。处理系统190可包括一个或多个IC(集成电路)，其具有用于操作键盘100的适当的处理器可执行的指令，诸如用于操作按键按压传感器、用于处理传感器信号、用于对按键按压做出响应等的指令。在一些实施例中，键盘100被集成在膝上型电脑或平板电脑盖中，并且处理系统190包括含有下述指令的IC，所述指令操作键盘传感器，以确定按键被触摸或按压的程度，并对膝上型电脑或平板电脑的主CPU提供触摸或按压状态的指示或对膝上型电脑或平板电脑的用户提供触摸或按压状态的指示。
尽管这里讨论的定向术语、竖直-横向行程、感测技术和实施方式选择集中在键盘100，但这些讨论很容易类推到文中所述的其他触摸表面和设备。
根据文中所述技术的各种实施例，包括无金属弹簧圆顶或橡胶圆顶的实施例，提供了类似于图2中的曲线210的力响应曲线。许多触觉键盘按键采用不小于0.4且不大于0.6的弹簧比率。其他触觉键盘按键可使用在这些范围以外的弹簧比率，诸如不小于0.3且不大于0.5、不小于0.5且不大于0.7。
其他实施例提供了具有其他形状的其他响应曲线，包括具有呈线性或非线性的力和按键行程关系的响应曲线。示例性非线性关系包括分段呈线性的、包含线性和非线性部分、或具有不断变化的斜率的关系。力响应曲线也可以是非单调的、单调的、或严格单调的。
例如，根据文中所述技术制成的按键120可以构造为提供曲线210所示的响应、或任何适当的响应曲线。对用户施加的反作用力可相对于总按键行程量、沿按压方向的按键行程量或沿横向方向的按键行程量呈线性或非线性增加。作为具体实例，所施加的力可相对于按键行程量以恒定斜率增加直至相对于其未按压位置的力或按键移动的第一量，然后达到平衡(以恒定力)或减少到力或按键移动的第二量。
图3A-3B是第一示例性触摸表面组件的简化横截面视图。按键组件300可用于实现各种按键，包括键盘100的按键122。在本实施例中，其中图3A-3B描绘了按键122，这些图示出了按键122的A-A'截面图。图3A显示了示例性按键组件300处于未按压位置并且图3B显示了同一按键组件300处于按压位置。按键组件300也可用于使用按键的其他设备，包括除了键盘100以外的其他键盘和任何其他适当的使用按键的设备。此外，类似于按键组件300的组件可用于启用非按键触摸表面组件，诸如按钮、不透明的触摸板、触摸屏、或任何的文中所述的触摸表面组件。
按键组件300包括对用户可见并且构造为被用户按压的键帽310、准备/返回机构320以及基座340。键帽310的未按压位置与按压位置沿按压方向和正交于按压方向的第一横向方向间隔开。按压方向类似于在没有横向按键运动的传统键盘中发现的按键运动、沿负Z方向并且是按压和按键运动的主要方向。在许多键盘中，按压方向正交于键帽的触摸表面或按键的基座，使得用户会认为按压方向将朝向基座向下。
按键组件300的部件可由任何合适的材料制成，包括诸如聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、尼龙和缩醛等塑料，诸如钢和铝等金属，诸如橡胶等弹性体，和其他各种材料。在不同的实施例中，键帽310构造为基本上是刚性的，使得键帽310的触摸表面似乎肉眼感官上在正常操作期间随着其在未按压位置与按压位置之间的刚体运动一起移动。
准备/返回机构320是一种提供准备和返回功能的“偏压机构”。准备/返回机构320在按键按压操作的至少一部分操作期间物理偏压键帽310。应该指出的是，仅提供准备功能或返回功能的机构也可被称为“偏压机构”，如果其在按键按压操作的至少一部分操作期间偏压键帽310的话。准备/返回机构320构造为将键帽310保持在未按压位置使得键帽310准备被用户按压。此外，准备/返回机构320还构造为响应于对键帽310的按压力的释放将键帽310部分或全部返回至未按压位置。按压力的释放可以是按压力的去除，或按压力的足够减小使得按键组件按照正常操作能够将键帽310返回至未按压位置。在图3的示例性实施例中，该按键组件300利用磁耦合部件322、324形成准备/返回机构320。磁耦合部件322、324可以均包括磁体，或者其中一个可以包括磁体而另一个包括诸如铁质材料等的磁性耦合材料。虽然磁耦合部件322、324都显示为单个矩形形状，但任一个或两个磁耦合部件322、324可包括非矩形横截面(或数个横截面)或包括具有相同或不同横截面的多个磁耦合子部件。例如，磁耦合部件322或324可包括抵靠铁质U形子部件的中央部分设置的磁性箱形子部件。
在一些实施方案中，磁耦合部件324在物理上附接到靠近键帽310的面板或基座。磁耦合部件322在物理上附接到键帽并且与磁耦合部件324发生磁相互作用。磁耦合部件322、324的物理附接可以是直接的或间接的(间接地通过一个或多个中间部件)，并且可以通过压配合、粘合剂或任何其他技术或技术组合来完成。键帽上克服磁耦合(例如，克服磁引力或斥力)所需的按压力的量可以基于所涉及的磁耦合部件322、324的尺寸、类型、形状以及位置来定制。
按键组件300包括平面平移作用(PTE)机构330，其构造为当键帽310在未按压位置与按压位置之间移动时对键帽310施加平面平移，使得横向运动的非零分量发生。PTE机构330由键帽310和基座340的一部分形成，并且包括设置在基座340上的四个坡道(两个坡道331、332在图3A-B中可见)。这四个坡道定位成当装配按键组件300时使得四个坡道靠近键帽310的角部。在图3A-B所示的实施例中，这四个坡道(包括坡道331、332)是与基座340成角度定位的简单的、倾斜的平面坡道。这四个坡道(包括坡道331、332)构造为物理接触设置于键帽310底侧的相应的坡道接触特征(两个坡道接触特征311、312在图3A-B中可见)。键帽310的坡道接触特征可以是任何合适的形状，包括与基座340上的坡道形状相匹配的坡道。
响应于沿着按压方向对键帽310的触摸表面向下施加的按压力，基座340上的坡道(包括坡道331、332)提供反作用力。这些反作用力垂直于坡道并且包括横向分量，其引起键帽310表现出横向运动。坡道和与面板或其他适当部件(未示出)中的其他特征相配合的一些固位或对齐特征有助于使键帽310保持水平。也就是说，当键帽310从未按压位置向按压位置行进时它们使键帽310保持脱离坡道并且基本处于相同定向。
如图3A-B所示，键帽310响应于对键帽310的顶部施加的足够大的按压力沿按压方向(负Z方向)移动。结果，键帽310由于与坡道相关联的反作用力沿横向方向(正X方向)和按压方向(负Z方向)移动。随着键帽310从未按压位置向按压位置移动，键帽310的坡道接触特征(例如，311、312)骑在基座340的坡道(例如，331、332)上。键帽310的此运动使磁耦合部件322、324相对于彼此移动，并且改变其磁相互作用。
图3B显示了处于按压位置的键帽310。对于按键组件300，当键帽310直接或间接地接触基座340或已移动足够远以致于被感测为按键按压时，键帽310已移动到按压位置。图3A-B未示出用于检测键帽310的按压状态的传感器(或数个传感器)，这种传感器(或数个传感器)可以基于任何适当的技术，如上面所讨论的。
当按压力被释放时，准备/返回机构320将键帽310返回至其未按压位置。磁耦合部件322、324之间的吸引力朝向未按压位置拉回键帽310使其从坡道(包括坡道331、322)退回。
使用磁力的许多实施例采用了永磁体。示例性永磁体包括(按照最强到最弱磁场强度的顺序)：钕铁硼、钐钴、铝镍钴合金和陶瓷。钕系磁体是稀土磁体，并且是由稀土元素的合金制成的非常强的磁体。选择性的实施方式包括其他稀土磁体、非稀土永磁体和电磁体。
尽管按键组件300利用磁耦合部件来形成准备/返回机构320，但在其他实施例中除了这种磁力技术之外也可替代或附加使用各种其他技术。此外，单独的机构可以分别用来实现准备和返回功能。例如，一个或多个机构可以保持键帽处在准备位置并且一个或多个其他机构可以将键帽返回到其准备位置。其他准备、返回、或准备/返回机构的实例包括屈曲弹性结构、弹簧金属圆顶、偏转塑性或金属弹簧、拉伸的松紧带、弯曲悬臂梁等。此外，在一些实施例中，准备/返回机构推动(而不是拉动)键帽310以抵抗键帽运动到按压位置或将键帽返回到未按压位置。这样的实施例可使用磁推斥或施加推力的任何其他合适的技术。
按键组件300的部件的许多变型或附加物是可能的。例如，其他实施例可包括更少或更多的部件。作为具体实例，另一个按键组件可并入任意数量的额外的美学或功能性的部件。某些实施例包括提供下述功能的面板，诸如隐藏某些按键组件不被看到、保护按键组件的其他部件、帮助保持或引导按键组件的触摸表面或某些其他功能。
作为另一实例，其他实施例可包括不同的键帽、准备机构、返回机构、PTE机构、水平机构或基座。作为具体实例，键帽310、基座340或未示出的另外的部件可以包括凸起、凹陷、或有助于引导或保持键帽310的其他特征。作为另一具体实例，某些实施例适当地使用非坡道技术或(或另外的)坡道来影响平面平移。其他PTE机构的实例包括各种连杆系统、凸轮、钩槽、轴承表面以及其他运动对齐特征。
作为另外一个实例，尽管PTE机构330在图3A-B中被显示为使坡道设置在基座340上并使坡道接触特征设置在键帽310上，但其他实施例可以使一个或多个坡道设置在键帽310上并使坡道接触特征设置在基座340上。此外，PTE机构330在图3A-B中被显示为坡道331、332具有简单的斜面坡道外形。然而，在各种实施例中，PTE机构330可以采用其他外形，包括那些具有线性、分段线性或非线性截面的外形，那些具有简单的或复杂的曲线或曲面的外形，或那些包括各种凹凸特征的外形。类似地，键帽310上的坡道接触特征可以是简单的或复杂的，并且可以包括线性的、分段线性的或非线性的截面。作为某些具体实例，坡道接触特征可包括简单坡道、部分球体、圆柱体截面等等。此外，键帽310上的坡道接触特征可以与基座340上的坡道(包括坡道331、332)形成点、线、或面接触。文中“坡道外形”用来表示用于PTE机构的任何坡道的表面的轮廓。在某些实施例中，单个键盘可以采用多个不同的坡道外形以为不同的按键提供不同的触觉响应。
作为进一步的实例，使其触摸表面保持水平的实施例可以使用各种水平化技术，其不使用、部分使用、或全部使用联合的PTE机构。
图4示出了根据文中所述技术的示例性键盘结构400的分解图。类似于键盘构造400的构造可以被用于实施任何数量的不同的键盘，包括键盘100。从键盘的顶部到底部的顺序，面板420包括多个孔，通过这些孔在总装中可触及各种尺寸的键帽410。磁耦合部件422、424分别地附接于键帽410或基座440。基座440包括多个PTE机构(在基座440上示出为简单的矩形)，其构造为引导键帽410的运动。基座440的底下是按键传感器450，其包括设置在一个或多个衬底上的一层或多层电路。
为了便于理解，各种细节已经被简化。例如，可被用于将部件接合在一起的粘合剂没有被显示。此外，各种实施例可以比在键盘构造400中示出的具有更多或更少的部件，或者各部件可以按不同的顺序。例如，基座和按键传感器450可以组合成一个部件，或在层叠顺序上互换。
图5是根据文中所述技术的包括可动键帽的示例性扩展按键组件的示意性布局图，该可动键帽具有设置于键帽底面的下方的两个(或更多个)电容传感器。更具体的，示例性按键组件500包括可动键帽504、定义第一像素510的发射器电极514和接收器电极512，其中第一像素510构造为检测靠近键帽504的第一区域530有无手指，以及定义第二像素520的发射器电极524和接收器电极522，其中第二像素520构造为检测靠近键帽504的第二区域532有无手指。每个像素510、520构造为检测在键帽表面的对应区域上或靠近该区域有无手指。两个或更多个像素一起可用于检测在键帽表面上的滑动手指运动或手势。如下文更详细讨论的，像素510、520可形成为粘附于键帽504的底面(底侧)505的传感器基板507的一部分。
确定手指在按键表面上的位置的能力允许与键盘相关联的处理系统根据在击键期间手指在键帽上的位置确定对于单个按键的多个输入功能。例如，在示例性实施例的第一模式下，当空格键被按压时无论手指在空格键上的位置如何，该按键均充当空格键。在第二模式下，同一空格键可以在空格键的两个(或更多个)对应位置(区域)上以两个(或更多个)不同的图标区分。因此，如果当按压按键时手指位于第一区域，则处理系统确定第一输入功能。另一方面，如果当按压按键时手指位于第二区域，则处理系统确定第二输入功能。进而，这允许空格键或其他宽键(也称为扩展按键)执行多个输入功能，如在下面结合图10更详细说明的那样。
图6是具有卡扣式刚性元件的示例性传统剪式键帽600(例如，空格键)的底部(底侧)的平面图。更具体的，如本领域所公知的那样，多根线材602利用夹子或挂钩604附接于键帽600的底侧表面。挂钩604从键帽的底面伸出并且将线材602紧固于其上，由此提高键帽组件的强度和刚性。
图7是键帽700的底部(底面)的平面图，键帽700经由钩状延伸件704附接有刚性元件702并且具有附加挂钩706，附加挂钩706用于附接诸如坡道、4杆机构、和/或剪式机构(为了清晰未示出)等按键运动机构。尾部708构造为将传感器电极(未示出)附接于处理系统。
诸如空格键等扩展按键可包括构造为检测手指在按键上的位置的电容器电极。电容传感器电极可设置在贴合键帽底侧的PET膜传感器基板上。为了容纳用于附接刚性元件和按键运动机构的各种挂钩，传感基板包括贯通孔、通孔、孔洞或其他挂钩可延伸穿过的间断。然而，这些间断可以通过将局部非均匀性引入传感器响应来平衡传感器性能。
图8是电容传感器基板800的平面图，电容传感器基板800包括用于容纳卡扣式刚性元件的孔804和用于附接至坡道、连杆等的附接特征806。传感器基板800还可包括用于将传感器基板连接至处理器的尾部808。如上所讨论的，由这些孔产生的间断和局部非均匀性趋于平衡电容传感器的性能。
图9是包括键帽902、基本连续的电容传感器基板904以及导电层906(例如，金属膜)的按键组件层叠或夹层结构900的分解图。此布置允许键帽的底侧没有与图7所示的键帽相关联的附接特征，使得传感器基板可贴合键帽的顺滑底面。这种共形布置减少了与以前版本相关联的非均匀性，由此改善设备性能。为了方便附接刚性元件和按键运动机构，薄膜金属层906配备有附接特征，如以下结合图10和图11更详细描述的那样。虽然图9中未示出，绝缘层(例如，薄膜基板)可设置在传感器层904和薄膜金属层906之间，以防止传感器和薄膜金属之间不期望的欧姆接触。
图10是大体类似于图9的薄膜金属层906的薄膜金属层1000的透视布局图，其包括用于按键运动连杆和刚性元件1004来提高所得到的按键组件的整体结构强度的附接挂钩1002。在一个实施例中，薄膜金属层1000包括刚性板并且基本与传感器基板共同扩展。选择性地，薄膜金属可比传感器基板更小或更大。
继续参考图10，薄膜金属层1000可被冲孔或铸造成形成挂钩1002，并且可被突出以形成刚性元件1004。
图11是示出为组装状态的大体类似于图9的层叠900的按键组件层叠1100的透视图。更具体而言，层叠1100包括键帽1102、附接于键帽底侧的传感器基板1104以及覆盖在传感器基板上的薄膜金属层1106。薄膜金属层1106包括挂钩1112和刚性元件1114。
图12是包括多功能按键(例如，空格键1202)、Fn键1204以及换档(Shift)键1206的键盘1200的一部分的示意性布局图。将理解的是，不常使用的各种键盘按键可被合并到空格键或其他扩展按键上。通过在空格键上将一个或多个按键表达为离散的子区域，它们的功能可以通过同时完成下述而被调用：i)触摸空格键的对应子区域；和ii)按压模式键，诸如Fn键1204和换档键1206。
更具体地并且继续参考图12，空格键1202可被分为任意数量的子区域，例如子区域1202A–D。在所例示的实例中，子区域1202A可包括对应于PtrSc键1206的第一部分和对应于SysRq键1210的第二部分；子区域1202B可包括对应于ScrLK键1212的第一部分和对应于NumLK键1214的第二部分；子区域1202C可包括对应于暂停(Pause)键1216的第一部分和对应于Break键1218的第二部分；并且子区域1202A可包括对应于插入(Insert)键1220的第一部分和对应于Alt键1222的第二部分。
因此提供了一种具有多个按键组件的键盘输入设备，按键组件的至少之一包括：键帽，其具有构造为被用户按压的顶面；刚性导电基板(例如，金属)，其耦接至键帽的底面；平移机构，其构造为允许按键响应于用户输入而平移；以及电容传感器基板，其设置在键帽与刚性导电基板之间，所述电容传感器基板包括构造为在按键组件的感测区域中检测输入对象的多个传感器电极。
在一个实施例中，平移机构耦接至键帽的底面。
在一个实施例中，所述至少一个按键选自由下述组成的按键群组：Tab、CapsLock、Shift、Control、Enter以及空格键。
在一个实施例中，刚性导电基板包括覆盖非导电基板(例如，塑料)的导电涂层。
在一个实施例中，刚性导电基板包括至少一个刚度增强特征，诸如刚性导电基板的突出区域。
在一个实施例中，刚性导电基板包括用于机械耦接至平移机构的多个配合特征。
在一个实施例中，多个配合特征构造为耦接至剪式连杆和四杆机构的至少之一。
在一个实施例中，刚性导电基板基本与电容传感器基板共同扩展。
在一个实施例中，其中刚性导电基板包括基本上没有非导电区域的连续导电表面。
在一个实施例中，传感器基板以通信方式耦接到处理系统，处理系统构造为：在绝对电容感测模式或跨越电容感测模式的至少之一中操作传感器电极；确定按键组件的感测区域中的输入对象的位置信息；以及确定按键组件的按下。
在一个实施例中，处理系统构造为基于设置在按键组件下方接触电容传感器基板上的至少一个传感器电极的导电端部止动件(endstop)来确定按键组件的按下。
在一个实施例中，刚性导电基板通过从电容传感器基板伸出并且与刚性导电基板欧姆接触的传感器电极的其中之一而保持为恒定电位。
在一个实施例中，刚性导电基板通过与下述之一的连接而保持为恒定电位：与输入设备相关联的底座；以及系统地极。
在一个实施例中，键帽的顶面包括指示通过下述启用的多个键盘功能的标记：启动改型按键；以及在键帽的覆盖所述标记的区域中从输入对象的按压。
还提供了一种包括至少一个按键组件的键盘输入设备，所述按键组件包括：键帽，其具有构造为被用户按压的顶面；金属质基板，其耦接至键帽的底面，所述金属质基板包括用于连接至平移机构的凸起特征；电容传感器基板，其设置在键帽与金属质基板之间并且构造为在按键组件的感测区域中检测输入对象；以及处理系统，其以通信的方式耦接至电容传感器基板。处理系统构造为：确定按键组件的感测区域中的输入对象的位置信息；以及确定按键组件的按下。
在一个实施例中，至少一个按键组件包括空格键。
还提供了一种用于键盘输入设备的按键组件。按键组件包括：电容传感器基板，其包括构造为检测按键组件的感测区域中的输入对象的多个传感器电极并且具有覆盖键帽的底面的第一表面；以及金属质基板，其覆盖并且基本与电容传感器基板的第二表面共同扩展，所述金属质基板包括用于连接至平移机构的配合特征。
这样，文中所述技术可用于实施利用不同触摸表面组件的任意数量的设备，包括分别具有根据文中所述技术的一个或多个按键组件的各种键盘。当将多个触摸表面置于同一设备中时可共用一些部件。例如，基座可被两个或更多个触摸表面共用。作为另一实例，可通过共享传感器基板、传感器电极等来共用击键传感器。
文中所述的实施方式仅作为实例，可实现许多变型。作为一个实例，根据一种实施方式所述的任何适当的特征可与另一特征结合。作为第一具体实例，文中所述的任一种实施方式可采用或可不采用完成触觉、美观性或保护层。作为第二具体实例，在各种磁耦合部件配置中，铁质材料可被用于代替磁体。
另外，提供任意功能的结构可包括任意数量的适当部件。例如，同一个部件可对按键按压提供水平、平面平移作用、准备以及返回功能。作为另一实例，不同的部件可提供这些功能，使得第一部件保持水平、第二部件产生平面平移、第三部件准备并且第四部件返回。作为另一个例子，两个或更多个部件可提供相同的功能。例如，在某些实施例中，磁体和弹簧一起提供返回功能，或准备和返回功能。因此，文中在各种实施方式中所述的技术可彼此结合使用，即使该功能可能似乎是多余的。例如，一些实施例使用弹簧来辅助或增强基于磁性的准备/返回机构。

Claims (20)

1.一种具有多个按键组件的键盘输入设备，所述按键组件的至少之一包括：
键帽，其具有构造为被用户按压的顶面；
刚性导电基板，其耦接至所述键帽的底面；
平移机构，其构造为允许按键响应于用户输入而平移；以及
电容传感器基板，其设置在所述键帽与所述刚性导电基板之间，所述电容传感器基板包括构造为在所述按键组件的感测区域中检测输入对象的多个传感器电极。
2.根据权利要求1所述的键盘输入设备，其中，所述刚性导电基板包括金属。
3.根据权利要求1所述的键盘输入设备，其中，所述平移机构耦接至所述键帽的底面。
4.根据权利要求1所述的键盘输入设备，其中，所述至少一个按键选自由下述组成的按键群组：Tab、CapsLock、Shift、Control、Enter以及空格键。
5.根据权利要求1所述的键盘输入设备，其中，所述刚性导电基板包括覆盖非导电基板的导电涂层。
6.根据权利要求5所述的键盘输入设备，其中，所述非导电基板包括塑料。
7.根据权利要求1所述的键盘输入设备，其中，所述刚性导电基板包括至少一个刚度增强特征。
8.根据权利要求7所述的键盘输入设备，其中，所述刚度增强特征包括所述刚性导电基板的突出区域。
9.根据权利要求1所述的键盘输入设备，其中，所述刚性导电基板包括用于机械耦接至所述平移机构的多个附接特征。
10.根据权利要求1所述的键盘输入设备，其中，所述多个附接特征构造为耦接至剪式连杆和四杆机构的至少之一。
11.根据权利要求1所述的键盘输入设备，其中，所述刚性导电基板基本与所述电容传感器基板共同扩展。
12.根据权利要求11所述的键盘输入设备，其中，所述刚性导电基板包括基本上没有非导电区域的连续导电表面。
13.根据权利要求1所述的键盘输入设备，其中，所述传感器基板以通信方式耦接到处理系统，所述处理系统构造为：
在绝对电容感测模式或跨越电容感测模式的至少之一中操作所述传感器电极；
确定所述按键组件的感测区域中的输入对象的位置信息；以及
确定所述按键组件的按下。
14.根据权利要求1所述的键盘输入设备，其中，所述处理系统构造为基于设置在所述按键组件下方接触所述电容传感器基板上的至少一个传感器电极的导电端部止动件来确定所述按键组件的按下。
15.根据权利要求1所述的键盘输入设备，其中，所述刚性导电基板通过从所述电容传感器基板伸出并且与所述刚性导电基板欧姆接触的传感器电极的其中之一而保持为恒定电位。
16.根据权利要求15所述的键盘输入设备，其中，所述刚性导电基板通过与下述之一的连接而保持为恒定电位：与所述输入设备相关联的底座；以及系统地极。
17.根据权利要求1所述的键盘输入设备，其中，所述键帽的顶面包括指示通过下述启用的多个键盘功能的标记：启动改型按键；以及在所述键帽的覆盖所述标记的区域中从输入对象的按压。
18.一种包括至少一个按键组件的键盘输入设备，所述按键组件包括：
键帽，其具有构造为被用户按压的顶面；
金属质基板，其耦接至所述键帽的底面，所述金属质基板包括用于连接至平移机构的凸起特征；
电容传感器基板，其设置在所述键帽与所述金属质基板之间并且构造为在所述按键组件的感测区域中检测输入对象；以及
处理系统，其以通信的方式耦接至所述电容传感器基板并且构造为：
确定所述按键组件的感测区域中的输入对象的位置信息；以及
确定所述按键组件的按下。
19.根据权利要求18所述的键盘输入设备，其中，所述至少一个按键组件包括空格键。
20.一种用于键盘输入设备的按键组件，所述按键组件包括：
电容传感器基板，其包括构造为检测所述按键组件的感测区域中的输入对象的多个传感器电极并且具有覆盖键帽的底面的第一表面；以及
金属质基板，其覆盖并且基本与所述电容传感器基板的第二表面共同扩展，所述金属质基板包括用于连接至平移机构的配合特征。
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