CN110199246A - 复合一体式键盘 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的技术包括复合一体式键盘，该复合一体式键盘在传统键盘设计中既用作底壳又用作顶部边框。一体式键盘由具有变化的厚度的高刚度复合材料制成，以实现键盘的预定设计规格。在最终组装之前，一体式键盘框架的一些区域被移除以容适键盘的各种电子或其他组件。

Description

复合一体式键盘
背景
计算机键盘是一种打字机式样的设备，其使用表示符号或功能的键的布置作为机械杠杆和电子开关，以将各个个体键的物理操作转换成可以由计算设备解释以表征用户对符号或功能的选择的电子信号。随着计算设备在物理尺寸上缩小并变得更加便携，与计算设备相关联的键盘也相应地缩小。此外，当与平板计算设备结合使用时，许多键盘还用作相关联的平板计算设备的盖或支架。因而，键盘的厚度可对平板计算设备的总体厚度有影响并且被期望保持为最小值。
概述
本文中所描述和要求保护的各实现提供了一种包括复合一体式框架的键盘，该复合一体式框架具有带有第一框架厚度的掌托区域和带有第二框架厚度的按键区域。第一框架厚度显著地不同于第二框架厚度，并且复合一体式框架形成键盘的基本整个支撑结构。
本文中所描述和要求保护的各实现进一步提供了一种制造键盘的方法。该方法包括形成复合框架叠层(layup)，该复合框架叠层具有带有第一框架厚度的掌托区域和带有第二框架厚度的按键区域。第一框架厚度显著地不同于第二框架厚度。该方法进一步包括固化复合框架叠层以创建复合一体式框架，该复合一体式框架形成键盘的基本整个支撑结构。
本文中所描述和要求保护的各实现更进一步地提供了一种包括复合一体式框架的键盘，该复合一体式框架具有带有第一框架厚度的掌托区域和带有第二框架厚度的按键区域。第一框架厚度显著地不同于第二框架厚度，并且复合一体式框架形成键盘的基本整个支撑结构。该键盘进一步包括附连到复合一体式框架的按键区域的按键，附连到复合一体式框架的掌托区域的触摸板，以及安装在复合一体式框架中的一个或多个空腔之上的背垫片(back shim)。这些空腔包含键盘的一个或多个电子组件。
本文中还描述和记载了其他实现。
附图简述
图1解说了示例复合一体式键盘的透视剖视图和细节正视剖视图。
图2解说了用于键盘的示例复合一体式框架的局部正视剖视图。
图3解说了用于键盘的另一示例复合一体式框架的局部正视剖视图。
图4解说了用于键盘的又一示例复合一体式框架的局部正视剖视图。
图5解说了用于制造复合一体式键盘的示例操作。
详细描述
为了在可能不是完全平坦或刚性的表面上有效地操作并且减少物理偏转和损坏键盘的可能性，许多键盘包含最小刚度规格来抵抗各种弯曲和扭转载荷。维持最小刚度规格随着键盘厚度的减小而变得越来越困难。因此，消费者偏好和行业诉求寻求在减少总体键盘厚度时维持可接受的最小刚度规格的键盘设计。以下复合一体式键盘旨在解决前述问题中的一些或全部问题以及本文中未具体标识出的附加问题。
图1解说了示例复合一体式键盘100的透视剖视图和细节正视剖视图。键盘100包括复合一体式框架104，其形成键盘100的结构并且用作用于附连下面详细讨论的键盘100的各种组件的平台。与各种现有技术解决方案相比，一体式框架104用作键盘100的底壳和顶部边框两者并且利用满足预定刚度要求(例如，具有高弹性模量)的(多种)复合材料以响应于各种预计载荷(例如，各种弯曲和扭转载荷)来将键盘100的偏转保持在可接受范围内。在一示例实现中，键盘100的高弹性模量超过20千兆帕斯卡。框架104可以由满足预定刚度要求的各种复合可模制材料制成，如下面详细描述的。
键盘100进一步包括铰链108，铰链108用于将键盘100物理地和通信地附连到相关联的计算设备(未示出)。在各种实现中，计算设备是平板计算机、膝上型计算机、个人计算机、游戏设备、智能电话、或执行一组或多组特定算术和/或逻辑操作的任何其他分立设备。铰链108可采取各种物理形式，包括各种大小和形状。在其他实现中，铰链108被省略，并且键盘100被以其他方式物理地附连到计算设备或者根本不被物理地附连到计算设备。
键盘100可以经由铰链108中的触点(例如，触点110)由计算设备供电和/或与计算设备通信，或者通过各种可用的通信标准(例如，Bluetooth(蓝牙)、红外、近场通信、ultraband(超宽带)和ZigBee)无线地通信。在各种实现中，键盘100可以具有其自己的电源(例如，一个或多个电池(未示出))，经由铰链108自计算设备供电，或者自计算设备或另一电源无线地供电。
键盘100进一步包括按键101，按键101包含被以预定模式(例如，QWERTY)布置并且被附连到框架104的顶侧的各键(例如，键102)的阵列。按键101内的每个键均被通信地连接到柔性扁平电缆112，柔性扁平电缆112位于一体式框架104中的空腔116内。
键盘100更进一步地包括也被附连到框架104的顶侧并且被安装到印刷电路板114的触摸板106(替代地，轨迹板或鼠标垫)，印刷电路板114将触摸板106上的用户输入转换成可以由计算设备解释的对应电信号。印刷电路板114还被通信地连接到电缆112，电缆112被通信地耦合到铰链108中的触点。在其他实现中，电缆112被通信地耦合到另一印刷电路板(未示出)，该印刷电路板将经由电缆112从按键101和触摸板106发送的电信号转换成可由计算设备接收的无线信号。在还有些其他实现中，键盘100可包括可以或可以不被连接到电缆112的附加用户接口组件(例如，拨盘、旋钮、灯、显示器和传感器)。当达到附加用户接口组件被连接到电缆112的程度，通过电缆的信号可以将数据从附加用户接口组件传达到计算设备和/或从计算设备传达到附加用户接口组件。
键盘100更进一步地包括附连到框架104的背侧的背垫片118，背垫片118用于覆盖空腔116并密封电缆112、印刷电路板114、按键101和触摸板106的背侧，以及键盘100内的任何相关联的电连接。键盘100可以由织物覆盖层120覆盖，织物覆盖层120用于进一步密封键盘100的内部以免受污染并且隐藏在键盘100的各种组件之间的接缝。在一些实现中，两片织物被定向在键盘100的每一侧上并且被层压在一起以形成织物覆盖层120。织物覆盖层120可以进一步为用户提供期望的触觉体验。在其他实现中，织物覆盖层120被省略。
总体最大键盘100厚度t3根据产品开发规格来被预定义。作为结果，一体式框架104可以具有变化的厚度以容适用户接口组件(例如，按键101和触摸板106)。一体式框架104具有至少两个不同的总厚度t1、t2。一体式框架104的厚度t1被定向在由按键101占据的区域(在本文中被称为按键区域109)中，使得按键区域109中的总体键盘100厚度被维持在厚度t3处或以下。类似地，一体式框架104的厚度t2被定向在由触摸板106占据的区域(在本文中被称为掌托区域107)中，使得掌托区域107中的总体键盘100厚度被维持在厚度t3处或以下。因而，键盘100的总厚度t3基本上跨整个键盘100被维持。
图2解说了用于键盘(未示出，参见例如图1的键盘100)的示例复合一体式框架204的局部正视剖视图。框架204包括两个刚性壳层222、224，其中低密度芯226被定向在其间。这两个刚性壳层222、224和低密度芯226形成夹层结构的复合材料，其中低密度芯226利用黏合剂或通过将各层钎焊(在金属的情形中)在一起来被粘结到刚性壳层222、224。在固化(例如，利用热和/或压力施加黏合剂)之前，复合一体式框架204在本文中可被称为复合框架叠层。
在各种实现中，刚性壳层222、224可各自由纤维复合材料制成。纤维复合材料可包括浸渍有树脂或聚合物基体的织造的、单向的(具有至少两个单向层(例如具有彼此定向成90度的股线)的组合)、或短切纤维。例如，玻璃纤维、碳纤维或凯夫拉(Kevlar)纤维可以用热固性或热塑性树脂(例如聚酯或环氧树脂)浸渍。各种示例纤维复合材料包括聚合物基复合材料、纤维增强塑料、碳纤维增强聚合物、以及金属复合材料。在一个示例实现中，刚性壳层222、224各自由FR-4印刷电路板制成。在其他实现中，刚性壳层222、224可各自由实心片材金属或塑料制成。低密度芯226可包括各种类型的开孔或闭孔泡沫塑料(foam)(例如，聚氯乙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚苯乙烯、复合泡沫塑料或金属泡沫塑料)、纸、木材、或蜂窝结构。
低密度芯226材料通常是低强度和低重量材料，但其相对较高的厚度使刚性壳层222、224远离框架204的中心(或中性轴)移动，这允许刚性壳层222、224为框架204提供高弯曲和扭转刚度，同时维持框架204的总体低密度。此外，低密度芯226材料可以挤压以容适一体式框架204内的特定形状。低密度芯226还可以向一体式框架204提供尺寸稳定性并且帮助阻止一体式框架204的不希望的翘曲。
总体最大键盘厚度根据产品开发规格来被预定义。作为结果，一体式框架204可以具有变化的厚度以容适各种用户接口组件(例如，键盘和触摸板(未示出))。一体式框架204具有两个不同的总厚度t1、t2。一体式框架204的厚度t1被定向在要由按键占据的区域中，使得按键区域中的总体键盘厚度被维持在预定义总体最大键盘厚度或以下。类似地，一体式框架204的厚度t2被定向在要由触摸板占据的区域(或腕垫区域)中，使得按键区域中的总体键盘厚度被维持在预定义总体最大键盘厚度或以下。因而，键盘的总厚度被维持在预定义总体最大键盘厚度或以下。
低密度芯226和刚性壳层222、224以及它们各自的厚度的组合在复合一体式框架204的每个特征区域中产生平均或有效密度。例如，在旨在由按键占据的区域中的复合一体式框架204的有效密度(在图2中由厚度t1来表征)具有比旨在由触摸板占据的区域(在图2中由厚度t2来表征)更高的密度。这是由于与由图2中的厚度t2表征的区域相比，相比于由厚度t1表征的区域中的较不致密的芯226的较致密的刚性壳层222、224的相对较高的比例所致。
在一示例实现中，预定义总体最大键盘厚度约为5mm。总厚度t1和t2分别为约1.1mm和约4.65mm。刚性壳层222、224约为0.1mm厚，并且低密度芯226具有变化的厚度以实现总厚度t1、t2。此处，在总厚度t1的区域中的低密度芯226约为0.8mm，而在总厚度t2的区域中的低密度芯226约为4.45mm。在各种实现中，如本文中所定义的近似尺寸为±10％。本文中构想了其他总体最大键盘厚度(厚度t1、t2)、刚性壳层222、224和低密度芯226的厚度，以及键盘的其他尺寸。
在另一实现中，复合一体式框架204由短切纤维叠层(例如，短切玻璃纤维或碳纤维浆料与短切聚碳酸酯或塑料组合)形成。短切纤维叠层在所需位置(例如，按键区域和掌托区域)被压缩至所需厚度(例如，厚度t1、t2)并且被固化以保持所需形状和厚度。作为结果，复合一体式框架204的最终密度取决于复合一体式框架204的特定区域中的厚度而变化。复合一体式框架204的较不致密区域的刚度中的任何减小可以被复合一体式框架204的该较不致密区域的较大厚度抵消。
图3解说了用于键盘(未示出，参见例如图1的键盘100)的另一示例复合一体式框架304的局部正视剖视图。框架304包括两个刚性壳层322、324，其中低密度芯326被定向在其间。这两个刚性壳层322、324和低密度芯326形成夹层结构的复合材料，其中低密度芯326被粘结到刚性壳层322、324，如参考图2的框架204详细描述的。此外，一体式框架304可具有与参考图2的框架204详细描述的材料结构和尺寸类似的材料结构和尺寸。
当被组装时，区域(或空腔)328被从一体式框架304移除，使得一体式框架304可以容适键盘的各种其他组件(例如，图1的触摸板106、柔性扁平电缆112、印刷电路板114、和背垫片118)。在各种实现中，使用铣削、镂铣、钻孔、光化学蚀刻、多轴加工及其各种组合来将区域328从一体式框架304移除。本文中构想了用于从一体式框架304移除区域328的附加机构。
图4解说了用于键盘(未示出，参见例如图1的键盘100)的又一示例复合一体式框架404的局部正视剖视图。框架404包括刚性层422、423、424，其中低密度芯层426、427被定向在其间。刚性层422、423、424和低密度芯层426、427形成夹层结构的复合材料，其中低密度芯层426、427被粘结到刚性层422、423、424，如参考图2的框架204详细描述的。刚性层423可以用作刚性壳层422、424之间的桥接层，以分配载荷并降低使一体式框架404翘曲的势，尤其是在制造过程的固化步骤期间。此外，一体式框架404可具有与参考图2的框架204详细描述的材料结构类似的材料结构。
总体最大键盘厚度根据产品开发规格来被预定义。作为结果，一体式框架404可以具有变化的厚度以容适各种用户接口组件(例如，键盘和触摸板(未示出))。一体式框架404具有两个不同的总厚度t1、t2。一体式框架404的厚度t1被定向在要由按键占据的区域中，使得按键区域中的总体键盘厚度被维持在预定义总体最大键盘厚度处或以下。类似地，一体式框架404的厚度t2被定向在要由触摸板占据的区域中，使得按键区域中的总体键盘厚度被维持在预定义总体最大键盘厚度处或以下。因而，键盘的总厚度被维持在预定义总体最大键盘厚度处或以下。
低密度芯层426、427和刚性层422、423、424以及它们各自的厚度的组合在复合一体式框架404的每个特征区域中产生平均或有效密度。例如，在旨在由按键占据的区域中的复合一体式框架404的有效密度(在图4中由厚度t1来表征)具有比旨在由触摸板占据的区域(在图4中由厚度t2来表征)更高的密度。这是由于与由图4中的厚度t2表征的区域相比，相比于由厚度t1表征的区域中的较不致密的芯层426、427的较致密的刚性层422、423、424的相对较高的比例所致。
在一示例实现中，预定义总体最大键盘厚度约为5mm。总厚度t1和t2分别为约1.1mm和约4.65mm。刚性层422、423各自约为0.1mm厚，而刚性层424约为0.2mm厚。低密度芯层427约为0.7mm厚，并且低密度芯426具有变化的厚度以实现总厚度t1、t2。在总厚度t1的区域中的低密度芯426约为0.0mm，而在总厚度t2的区域中的低密度芯426约为3.55mm。本文中构想了其他总体最大键盘厚度(厚度t1、t2)、刚性层422、423、424和低密度芯层426、427的厚度，以及键盘的其他尺寸。
当被组装时，一个或多个区域被从一体式框架404移除，使得一体式框架404可以容适键盘的各种其他组件(例如，图1的触摸板106、柔性扁平电缆112、印刷电路板114、和背垫片118)，如关于图3的一体式框架304详细描述的。
图5解说了用于制造复合一体式键盘的示例操作500。成形操作505形成复合框架叠层。在一些实现中，复合框架叠层包括浸渍有与一层或多层泡沫塑料相组合的粘合剂的两层或更多层薄织物。在其他实现中，复合框架叠层包括被挤压为所需形状的纤维复合材料。在还有些其他实现中，复合框架叠层是夹层结构的复合叠层。本文中还构想了潜在的复合框架叠层结构的各种组合。
固化操作510固化复合框架叠层以形成复合一体式框架。在各种实现中，固化操作510涉及将热和压力中的一者或两者施加到复合框架叠层达足以完全固化复合框架叠层的时间段。在其中复合框架叠层包括层堆叠(例如，夹层结构的叠层)的各实现中，固化操作510将各层的每一者同彼此相粘结，并且材料不再表现为各个个体层的堆叠并且呈现复合材料的属性。在其中复合框架叠层包括可挤压纤维复合材料的各实现中，固化操作510将纤维复合材料内的短切聚碳酸酯或塑料熔化并熔合在一起以形成刚性复合一体式框架。
在一些实现中，多个复合一体式框架可以通过一次堆叠和固化多个复合框架叠层的堆叠(本文中被称为堆叠模制)来被同时固化。在一示例实现中，四到八个复合框架叠层被堆叠且被固化达三到四分钟。这将有效吞吐量提高到每复合框架叠层不到一分钟的固化时间。针对执行固化操作510的具体温度、压力和时间取决于复合框架叠层中所使用的材料并且可以广泛地变化。例如，热塑性树脂可在2-5分钟内固化，而热固性树脂可能需要6-16分钟才能固化。
铣削操作515在复合一体式框架中铣削一个或多个空腔。填充操作520用键盘的一个或多个电子或其他组件填充空腔。这些组件可包括例如触摸板、柔性扁平电缆、(诸)印刷电路板、电池和灯。电子或其他组件中的一些或全部组件也可以被附连到复合一体式框架以将它们保持就位。
安装操作525安装背垫片以将各电子组件密封在键盘内。在各种实现中，背垫片可以滑动配合、压配合、胶合或拧紧到位。覆盖操作530利用织物覆盖层来覆盖键盘。织物覆盖层可以隐藏在背垫片和复合一体式框架之间的接缝，并且为用户提供合需的触觉体验。
构成本文中所描述的本发明的各实施例的操作被不同地称为操作、步骤、对象或模块。此外，除非另有明确声明或者权利要求语言固有地要求了特定顺序，否则可以按任何顺序来执行各操作、根据需要添加或省略各操作。
根据本发明公开的技术的示例键盘包括复合一体式框架，该复合一体式框架具有带有第一框架厚度的掌托区域和带有第二框架厚度的按键区域。第一框架厚度显著地不同于第二框架厚度，并且复合一体式框架形成键盘的基本整个支撑结构。
在根据本发明公开的技术的另一示例键盘中，掌托区域中的复合一体式框架具有第一有效密度，并且按键区域中的复合一体式框架具有第二有效密度。第一有效密度显著地不同于第二有效密度。
在根据本发明公开的技术的另一示例键盘中，复合一体式框架包括至少两个刚性壳层和至少一个低密度芯层。
在根据本发明公开的技术的另一示例键盘中，刚性壳层是纤维复合材料。
在根据本发明公开的技术的另一示例键盘中，纤维复合材料包括织造的、单向的和短切纤维材料中的一种或多种。
在根据本发明公开的技术的另一示例键盘中，低密度芯层是泡沫塑料。
在根据本发明公开的技术的另一示例键盘中，复合一体式框架是夹层结构的复合材料。
在根据本发明公开的技术的另一示例键盘中，复合一体式框架由基本上均匀的经压缩的短切纤维材料制成。此外，掌托区域中的纤维材料具有第一密度，并且按键区域中的纤维材料具有第二密度。第一密度显著地不同于第二密度。
根据本发明公开的技术的制造键盘的示例方法包括形成具有带有第一框架厚度的掌托区域和带有第二框架厚度的按键区域的复合框架叠层。第一框架厚度显著地不同于第二框架厚度。该方法进一步包括固化复合框架叠层以创建复合一体式框架，该复合一体式框架形成键盘的基本整个支撑结构。
在根据本发明公开的技术的制造键盘的另一示例方法中，该方法进一步包括在复合一体式框架中铣削一个或多个空腔。
在根据本发明公开的技术的制造键盘的另一示例方法中，该方法进一步包括用键盘的一个或多个电子组件填充复合一体式框架中的一个或多个空腔。
在根据本发明公开的技术的制造键盘的另一示例方法中，该方法进一步包括在这些空腔之上安装背垫片以将各电子组件密封在键盘内。
在根据本发明公开的技术的制造键盘的另一示例方法中，该方法进一步包括用织物覆盖层来覆盖键盘。
在根据本发明公开的技术的制造键盘的另一示例方法中，掌托区域中的复合一体式框架具有第一有效密度，并且按键区域中的复合一体式框架具有第二有效密度。第一有效密度显著地不同于第二有效密度。
在根据本发明公开的技术的制造键盘的另一示例方法中，复合一体式框架包括至少两个刚性壳层和至少一个低密度芯层。
在根据本发明公开的技术的制造键盘的另一示例方法中，刚性壳层由纤维复合材料制成。
在根据本发明公开的技术的制造键盘的另一示例方法中，低密度芯层由泡沫塑料制成。
在根据本发明公开的技术的制造键盘的另一示例方法中，复合一体式框架由基本上均匀的经压缩的短切纤维材料制成。掌托区域中的纤维材料具有第一密度，并且按键区域中的纤维材料具有第二密度，并且第一密度显著地不同于第二密度。
根据本发明公开的技术的示例键盘包括复合一体式框架，该复合一体式框架具有带有第一框架厚度的掌托区域和带有第二框架厚度的按键区域。第一框架厚度显著地不同于第二框架厚度，并且复合一体式框架形成键盘的基本整个支撑结构。键盘进一步包括被附连到复合一体式框架的按键区域的按键。键盘进一步包括被附连到复合一体式框架的掌托区域的触摸板。键盘进一步包括被安装在复合一体式框架中的一个或多个空腔之上的背垫片。这些空腔包含键盘的一个或多个电子组件。
在根据本发明公开的技术的另一示例键盘中，掌托区域中的复合一体式框架具有第一有效密度，并且按键区域中的复合一体式框架具有第二有效密度。第一有效密度显著地不同于第二有效密度。
上面的说明、示例和数据提供了对本发明的示例性实施例的结构和使用的完整描述。因为可以在不背离本发明的精神和范围的情况下做出本发明的许多实施例，所以本发明落在所附权利要求的范围内。此外，不同实施例的结构特征可以与另一实施例相组合而不偏离所记载的权利要求书。

Claims (15)

1.一种键盘，包括：
复合一体式框架，所述复合一体式框架具有带有第一框架厚度的按键区域和带有第二框架厚度的掌托区域，所述第一框架厚度显著地不同于所述第二框架厚度，其中所述复合一体式框架基本上形成用于所述键盘的整个支撑结构。
2.根据权利要求1所述的键盘，其特征在于，所述掌托区域中的所述复合一体式框架具有第一有效密度，并且所述按键区域中的所述复合一体式框架具有第二有效密度，其中所述第一有效密度显著地不同于所述第二有效密度。
3.根据权利要求1所述的键盘，其特征在于，所述复合一体式框架包括至少两个刚性壳层和至少一个低密度芯层。
4.根据权利要求3所述的键盘，其特征在于，所述刚性壳层是纤维复合材料。
5.根据权利要求4所述的键盘，其特征在于，所述纤维复合材料包括织造的、单向的和短切纤维材料中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的键盘，其特征在于，所述低密度芯层是泡沫塑料。
7.根据权利要求1所述的键盘，其特征在于，所述复合一体式框架是夹层结构的复合材料。
8.根据权利要求1所述的键盘，其特征在于，其中所述复合一体式框架由基本上均匀的经压缩的短切纤维材料制成，并且其中所述掌托区域中的纤维材料具有第一密度，并且所述按键区域中的纤维材料具有第二密度，其中所述第一密度显著地不同于所述第二密度。
9.一种制造键盘的方法，包括：
形成复合框架叠层，所述复合框架叠层具有带有第一框架厚度的按键区域和带有第二框架厚度的掌托区域，所述第一框架厚度显著地不同于所述第二框架厚度；以及
固化所述复合框架叠层以创建复合一体式框架，所述复合一体式框架形成所述键盘的基本上整个支撑结构。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述复合一体式框架中铣削一个或多个空腔。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括：
用所述键盘的一个或多个电子组件填充所述复合一体式框架中的所述一个或多个空腔。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括：
在所述空腔之上安装背垫片以将所述电子组件密封在所述键盘内。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述掌托区域中的所述复合一体式框架具有第一有效密度，并且所述按键区域中的所述复合一体式框架具有第二有效密度，其中所述第一有效密度显著地不同于所述第二有效密度。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述复合一体式框架包括至少两个刚性壳层和至少一个低密度芯层。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其中所述复合一体式框架由基本上均匀的经压缩的短切纤维材料制成，并且其中所述掌托区域中的纤维材料具有第一密度，并且所述按键区域中的纤维材料具有第二密度，其中所述第一密度显著地不同于所述第二密度。
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