CN106415765A - 使用磁力的按键开关 - Google Patents

Abstract

用于用户输入的具有更好触觉质量的按键。所述按键被磁场力所悬吊以提高运行的顺滑度。两个紧凑的交错件将按键帽连接到按键座，以提供倾斜和弯曲减小、耐久性增强的高精度平行运行。

Description

使用磁力的按键开关

技术领域

本发明的实施例涉及用户输入按钮以及由其所组成的键盘。更具体而言，本发明的实施例涉及偏磁按键，包括高度平行运动的偏磁按键。

背景技术

在当今的科技领域，普遍存在多种类型的键盘。决定键盘使用性的重要因素是其尺寸大小和用户手感。高端计算机键盘采用垂直轴承轴，以确保按压按键时保持平行性。然而，对于笔记本电脑通常采用的或与其他移动设备一起使用的低剖面键盘而言，采用这种结构是不实际的。低剖面键盘采用的现有技术的当前商业状态是采用塑料剪叉机构控制致动过程中按键的运动，并由橡胶圆顶提供弹力。对于小号按键，剪叉机构一般能提供足够的平行性，使得在致动按键时，按键从一边向另一边倾斜的现象相对较少，不会显著影响使用性。然而，对于较大号的按键，例如换挡键、回车键和空格键，塑料剪叉机构会弯曲，造成致动不均匀或卡塞。为了解决这一问题，当前的设计增加金属支撑条，以提高平行性。这些条将致动力从按键被按压处转移到按键的远端。其作用是将按键的远端向下拉，并限制致动过程中按键的倾斜，从而提高平行性。遗憾的是，这些金属条(通常沿按键的两边布置)也增加了零件数、机械斜率、重量和噪音，这些都降低了运动的精确性以及用户的手感质量。取决于这些条的尺寸大小、硬度和精确度，当致动按键偏离中心时，按键可能仍会表现出残留的倾斜。此外，当按键尺寸增加时，平行性损失加重。

甚至对于小号按键而言，当手指感受到机械结构瑕疵时，致动按键的“指尖感受”或触感会变差。进一步，当前剪叉加橡胶圆顶机构的应用使得其在运动末段产生绵软的手感。这是由位于橡胶圆顶中心的小的圆柱形橡胶尖头所导致。所述尖头被设计用于将压力施加到圆顶下的薄膜开关。当尖头压缩时，其形成像海绵似的、不爽利的手感。希望开发一种按键，以消除这些不足之处并改善低剖面键盘的使用手感。

附图说明

本发明的实施例通过附图以示例而不是限制性的方式予以说明，附图中相似的附图标记表示类似的部件。应当指出的是，在不同场合提及本公开中“一”或“一个”实施例时，并不必然指同一个实施例，此类引用意味着至少一个实施例。

图1是本发明一个实施例的有按键的键盘透视图。

图2是根据本发明一个实施例的移除按键帽的按键示图。

图3A是本发明一个实施例的处于按压(致动)位态的按键剖面图。

图3B是图3A中的按键处于稳定状态(未致动)趋势的剖面图。

图4A是显示本发明一个实施例的单连接的剖视图。

图4B是移除两个连接件以显露传感器的按键座的剖视图。

图5是本发明一个实施例的移除按键座的按键仰视图。

图6是图5的剖视图。

图7是本发明一个实施例的移除按键帽的按键示图。

图8A和8B是本发明一个替代实施例的按钮示意图。

图9A-D是本发明一个替代实施例的按键示意图。

具体实施方式

图1是本发明一个实施例的有按键的键盘透视图。键盘100包括八个按键110和一个空格键106，其各自代表如下进一步描述的本发明的某个实施例。每个按键110包括按键帽102和按键座104。按键帽102可提供触觉指示，例如凹陷108，使得用户可将手指放在按键上。在一个实施例中，按键帽102和按键座104以热塑性塑料(例如聚碳酸酯)注塑成型。按键座通常也可由冲压金属制成。尽管该实施例具有八个按键，以下描述的按键构造也可用于具有任何数量和尺寸大小的按键的键盘。举例说明，所述技术和结构可用于笔记本电脑或台式电脑的标准QWERTY样式的键盘。

图2是根据本发明一个实施例的移除按键帽的按键示图。按键座104可由热塑性塑料成型。电容式感应垫216可覆盖按键座104。在一个实施例中，当用户的手指更接近感应垫时，电容式感应垫216探测到按压按键。电容中出现可探测的变化，使得能够对按压按键事件做出判断。进一步，与按键另一边的相应电容进行比较，通过测量感应垫216中电容的相关变化，可判断按压按键事件过程中手指的位置。按键座104还可限定多个轴壳体212以与连接件202和204的轴(未示出)旋转接合。连接件202和204通过偶联件206和208以相交错的方式相接合。在一个实施例中，偶联件206和208为磁性物质，例如钢，其可被布置于按键座104内的底层磁体(未示出)所吸引。在一个实施例中，按键中还配备有附加的电容式传感器，用以探测磁性物质从底层磁体的层离，从而信号通知按压按键事件。在一个实施例中，将电容式感应垫216形成柔性电路的一部分，其也可包括附加的电容式传感器(参考图4，以下讨论)。

连接件可采用嵌入成型工艺由钢和塑料结合而成。一般选用高硬度塑料。一种适合的塑料为杜邦公司(Dupont Corporation)DELRIN商标的乙酰树脂。在一些实施例中，一个连接件可比另一个稍长。然而，优选保持连接件相对短的长度，使得每一个连接件的长度均不超过按键帽最大横截面长度的70％。使连接件202和204的长度最小化可增加其硬度，提高按键下压过程中的平行性。在一个实施例中，连接件202和204的长度均不超过按键帽最大横截面长度的50％。在一个实施例中，连接件202和204相同，使得它们可由单一模具制造并可为了组装的目的而简单地相互调换。每个连接件202和204限定一对栓钉214，以与按键帽中的插槽(未示出)接合。

图3A是本发明一个实施例的处于按压按键向下位态的按键剖面图。当将足够的压力施加于按键帽102时，磁性物质(在此为偶联件206和208)从置于按键座104内的磁体302层离。在一个实施例中，偶联件206、208由铁磁性金属形成，如SUS430不锈钢。钢具有高硬度和耐久性，并正好适合这一应用。其他实施例可使偶联件部分地或全部地由非磁性材料制成，但使用布置于其中的磁性物质。

磁体302可为稀土磁体，其产生适合的磁场，甚至在磁性物质206、208从磁体302层离后，仍能够持续施加吸引力。甚至当磁体与磁性物质之间不再接触时，该磁场仍提供在用户释放手指压力后使按键向上复位的力。用户的触感由力相对于位移曲线进行控制，其可由磁体的尺寸大小和几何形状、磁性物质以及相关轴的位置的改变进行调整。在一个实施例中，适合的磁体提供足以在完整的组件中产生大约50克按钮力的磁场。在一个实施例中，由钕铁硼(NdFeB)材料制成的N52磁体足以提供至少50克的力，N52磁体的尺寸为10:1:1.4毫米。

在该剖视图中，可看出连接轴304置于轴壳体212内。轴平移地固定在轴壳体212内，然而轴可以旋转，使得能够允许按下/致动按键帽102。为了容纳连接件相对端的移动，栓钉件214置于按键帽102中的插槽310内，使得栓钉远离按键的中心平移足够的距离，以使得按键能够被充分地按下。在一个实施例中，可将夹持垫306应用于按键座104的下表面，以最小化键盘在支撑面上的运动。例如，在一个实施例中，夹持垫306可为普通表面(如木材、金属和塑料)上的具有良好摩擦特性的弹性材料。在一个实施例中，夹持垫由硅橡胶制成。

图3B是图3A中的按键处于稳定状态趋势的剖面图。通过提及该趋势为稳定状态趋势，申请人意图说明这一状态是在未施加外力时按键将采用的状态。这一状态也可被认为是按键的“向上”状态。在这一位态下，磁体302与磁性物质206、208足够接近，以在功能上与其层叠。按键帽102中的插槽310的后端和磁体与磁性物质的磁性叠层相连接，两者共同提供硬止动体，以阻止按键在稳定状态上升超过规定的高度。止动体(在本图中不可见)被塑型在按键帽102中，使得连接件和栓钉的横向平移受到硬止动体的限制。硬止动体还可最小化正常使用中按键帽与连接件相脱离的风险。

图4A是移除按键帽状态下显示本发明一个实施例的单连接的剖视图。偶联件202包括上交错件406和下交错件404。显示磁体302在偶联件下方。连接件204(在本图中未示出)可具有下交错件404和上交错件406的镜像体，从而连接件204的下交错件覆盖与下交错件404相邻并位于上交错件406的下方的磁体302。同理，连接件204的上交错件在安装时布置于下交错件404之上并与之相接合。

图4B是移除两个连接件以显露传感器的按键座剖视图。传感器216(在之前的图2中标示)为电容式感应垫，由附着于按键座104的柔性电路的铜垫区域形成。附加的电容式传感器408和410由相同的柔性电路上的附加的铜垫区域形成。传感器408和410分别电容性地与连接件202和204偶联。当连接件与磁体302相接触时，磁性物质206和208的金属表面与附加的传感器408和410相接近，导致电容式偶联增加。在按压按键事件过程中，当磁性物质206和208从磁体302层离，电容式偶联减小。通过监测所述电容式偶联，可以判断按键的向上或向下状态。

图5是本发明一个实施例的移除按键座的按键仰视图。在本视图中可见连接件202和204以及其各自的下交错件402和502。连接件204的上交错件504与下交错件402相接合。也可见连接轴304。硬止动体506和508可被塑型为按键帽102的一部分。硬止动体506和508的面对连接的面(link-facing surface)是倾斜的，以在按键按压过程中当所述面接近运行的末段时引导接合。插槽壳体510也可被塑型为按键帽102的一部分。如以上所讨论的，插槽壳体510限定插槽，在致动按键过程中，栓钉(图3A中的部件214)在插槽中平移的。

图6是图5的剖视图。在本视图中，硬止动体508的斜面602清晰可见。在按键的“向上”状态，如果向按键帽和插槽施加横向载荷，表面602限制组件的失真量。在按键的“向下”状态，表面602阻抗插槽310内栓钉214的横向运动，以阻止按键帽102意外脱离按键座104。

图7是本发明一个实施例的移除按键帽的按键示图，显示稳定状态向上趋势的另一透视图。磁体产生的磁场将连接件维持在稳定状态位置，磁体位于交错偶联件404、406、504和502的下方，交错偶联件以之前所描述的交错的方式相互接合。电容式感应垫216大体上占据磁性区域外侧的按键的整个基座的表面积的一半。栓钉214整体塑型作为相应连接件的一部分，并且在安装按键帽时与按键帽中的插槽接合。无论在按键帽的任何位置施加按压力，所描述的结构都使得按键高度平行，倾斜最小。稳固的电容式垫和磁体消除了运行末段的绵软触感，这种触感通常与橡胶圆顶按键机构的圆柱形致动器尖端有关。电容式垫216及其在按键座另一半上的相应电容式垫使得能够对按压按键做出判断，其也可被用于判断指尖在按键表面的哪个位置按压按键。这有效地允许按键能够提供多功能。然而，如之前所指出的，即便是在需要小号的单一功能按键的情况下，也可应用所述结构，以产生更好的触感。

以连接件替换标准按键开关的剪叉部件，可在致动过程中提高平行性并消除对较大号按键上金属加固条的需求。所述公开的结构使得按键构造的零件数减少且手感更佳。此外，连接件的简单嵌套可允许较大尺寸的部件，例如轴、栓钉等，其比现有的典型的按键结构更坚固，使得耐久性更强。特别是，磁体不会遭受此类限制点击圆顶和其他现有技术装置的使用寿命的材料应力或材料疲劳。在一个实施例中，按键帽和按键座均为注塑成型。磁体可具有凸缘，其将磁体限制在按键座的凹处的适当位置，并进一步被附着于按键座背面的背面带有粘合剂的聚合物片所粘住。粘着剂也可用于固定磁体。电容式柔性电路垫附着于背面具有压敏粘性胶带的按键座上。连接件被交错且咬合到轴壳体中，且栓钉被咬合到限定于按键帽的插槽中。

在一个替代实施例中，用于多个按键的基座被注塑成型为单一的单元，其限定用于多个磁体的凹陷，至少一个与每个按键相关，并限定每个按键的对应数量的轴壳体。作为示例，电容式传感器可为单独的传感器部件，或者具有感应垫的单一的集成柔性电路板，用于置于多个按键基底的按键阵列中的每个按键。每个传感器可电性不同，以探测特定按键的区域。进一步，一个按键可具有一个传感器垫或者空间离散区内的多个传感器垫，以便于对按键帽上手指的位置进行测量。

图8A和8B是本发明一个替代实施例的按钮示意图。该实施例仅仅具有与轴806偶联的单杆802，轴806可旋转地与轴壳体偶联。可具有按钮表面804，其可以是凹面、平面或具有所希望的质感特性的其他形状或纹理。在一个实施例中，磁性物质，在此为磁体808，置于杆802的端部。磁体808在磁性物质812上施加磁场，在安装时磁性物质812可置于磁体808之上，使得吸引力偏压按钮使其处于向上的位置。在此使用的“磁性物质”包括磁体和包含铁磁性材料的物质，磁体可将吸引力或排斥力施加于所述物质。在一个实施例中，电容式传感器感应按压按键，而磁体808从磁性物质812的层离在与按压按键相对应的运行过程中提供良好的触感。注意到，尽管以上实施例被描述为具有置于杆802内的永久磁体，在不脱离本发明范围的情况下，磁体808和磁性物质812可颠倒。在一个实施例中，可使用稀土永磁体，例如N52钕铁硼(NdFeB)磁体。

在平行性不是非常必要的情况下，认为可使用所述单杆实施例。例如，所述实施例可适于与小型电话一起使用，例如iPhone的“home”按钮(iPhone是苹果公司的商标)。点击圆顶失灵是iPhone智能电话现存的失灵的一种常见形式。因为在操作过程中，磁性物质和磁体不经历磨损，可以显著减少home按钮的失灵。此外，由于所述机构的部件横向并列排列，不需要太高的高度，使得创造出的产品更薄。

图9A-D是本发明一个实施例中按键的一个替代实施例的示意图。图9A示出按键帽。图9B示出按键座。图9C和D分别示出按键的向上和向下状态。在所述实施例中，通过磁体组件可实现使用磁力而无杆的按键。按键帽902包括四个磁体(例如912)，位于每个角内，另一个磁体914位于中心。这五个磁体成对，其相对的磁体922、924位于按键座904内。外侧的四对磁体912、922包括极性相反的磁体，其将按键帽902吸引到按键座904。中心的一对磁体922、924具有提供排斥力的相匹配的极性，排斥力使得按键帽提升到向上位置。当用户按压按键时克服排斥力。外部的吸引力磁体912、922将按键帽902配准到按键座904，并通过磁场强度有效地使按键帽902和按键座“贴附”。中心磁体914、924有效地提供弹性功能，将按键帽902向上推。通过这种方式，可实现没有附加的活动部件或磨损的键盘开关。由于致动由磁场引导，没有任何摩擦表面，使得运动非常顺滑且手感出众。

通过简单地使按键帽902接近按键座，也可以简便按键帽902的安装。在本实施例中，不需要咬合件或插槽或栓钉或轴。通过附着于按键座904的电容式传感器垫930，可以探测到按压按键事件。这些传感器930可探测人的手指按压按键事件，换言之基于按键帽902磁体和按键座904传感器垫对平板电容或电场的影响，可探测它们之间的接近度。可将附加的金属部件放置在按键帽902中，与传感器垫930相互作用，以探测按压按键。可替代使用霍尔效应传感器，以探测按压按键发生时磁场的变化。还可预期的是，可以使用按键座904中薄膜板上的物理接触开关，尽管与场感应实施例相比，这种金属接触部件的寿命受到限制。

可以理解的是，说明书全文提及“一个实施例”或“一实施例”意味着所描述的与该实施例有关的特定特征、结构或特点至少包含在本发明的一个实施例中。因此，应强调的且可以理解的是，在该说明书的多个部分对“一实施例”或“一个实施例”或“替代实施例”的两个或更多的引用并不必然全部指相同的实施例。此外，在本发明的一个或更多的实施例中，特定的特征、结构或特点可适当地组合。

在以上的说明书中，已经参考了具体的实施例对本发明的实施例进行了描述。然而，显而易见，在不脱离本发明在所附权利要求书中所体现的更宽的含义和范围的情况下，可以对实施例进行修改和改变。相应地，说明书和附图被认为是说明性而非限制性的。

Claims (4)

1.一种用于用户输入的装置，包括：

一个按键座；

一个按键帽；

多个磁性物质，与按键座和按键帽中的至少一个相连接；

其中所述多个磁性物质之间的磁场相互作用提供力，该力是大体上在按键运动的整个范围内将所述按键帽偏压至向上位置的主要的力；以及

其中至少一个磁体将磁力施加于所述多个磁性物质中的至少一个其他磁性物质，当所述按键帽和按键座处于操作空间关系中时，所述力提供所述按键帽到所述按键座的主要的保持器。

2.一种装置，包括：

一个壳体，具有偶联于其上的第一磁性物质；

一个杆，具有布置于其上的按钮表面，所述按钮表面固定在所述杆的一端；和

第二磁性物质，在沿着所述杆的、不同于上述固定的点处偶联至所述杆；

其中所述第一磁性物质和第二磁性物质之间的磁场将所述按钮表面偏压至向上位置。

3.权利要求2所述的装置，其中所述第一磁性物质和第二磁性物质之间的磁性相互作用是有吸引力的。

4.权利要求2所述的装置，其中在向上位置，所述第一磁性物质与所述第二磁性物质层叠。