使用磁力的按鍵開關的製作方法

2023-04-29 16:00:31 1

本發明的實施例涉及用戶輸入按鈕以及由其所組成的鍵盤。更具體而言，本發明的實施例涉及偏磁按鍵，包括高度平行運動的偏磁按鍵。

背景技術：

在當今的科技領域，普遍存在多種類型的鍵盤。決定鍵盤使用性的重要因素是其尺寸大小和用戶手感。高端計算機鍵盤採用垂直軸承軸，以確保按壓按鍵時保持平行性。然而，對於筆記本電腦通常採用的或與其他行動裝置一起使用的低剖面鍵盤而言，採用這種結構是不實際的。低剖面鍵盤採用的現有技術的當前商業狀態是採用塑料剪叉機構控制致動過程中按鍵的運動，並由橡膠圓頂提供彈力。對於小號按鍵，剪叉機構一般能提供足夠的平行性，使得在致動按鍵時，按鍵從一邊向另一邊傾斜的現象相對較少，不會顯著影響使用性。然而，對於較大號的按鍵，例如換擋鍵、回車鍵和空格鍵，塑料剪叉機構會彎曲，造成致動不均勻或卡塞。為了解決這一問題，當前的設計增加金屬支撐條，以提高平行性。這些條將致動力從按鍵被按壓處轉移到按鍵的遠端。其作用是將按鍵的遠端向下拉，並限制致動過程中按鍵的傾斜，從而提高平行性。遺憾的是，這些金屬條(通常沿按鍵的兩邊布置)也增加了零件數、機械斜率、重量和噪音，這些都降低了運動的精確性以及用戶的手感質量。取決於這些條的尺寸大小、硬度和精確度，當致動按鍵偏離中心時，按鍵可能仍會表現出殘留的傾斜。此外，當按鍵尺寸增加時，平行性損失加重。

甚至對於小號按鍵而言，當手指感受到機械結構瑕疵時，致動按鍵的「指尖感受」或觸感會變差。進一步，當前剪叉加橡膠圓頂機構的應用使得其在運動末段產生綿軟的手感。這是由位於橡膠圓頂中心的小的圓柱形橡膠尖頭所導致。所述尖頭被設計用於將壓力施加到圓頂下的薄膜開關。當尖頭壓縮時，其形成像海綿似的、不爽利的手感。希望開發一種按鍵，以消除這些不足之處並改善低剖面鍵盤的使用手感。

附圖說明

本發明的實施例通過附圖以示例而不是限制性的方式予以說明，附圖中相似的附圖標記表示類似的部件。應當指出的是，在不同場合提及本公開中「一」或「一個」實施例時，並不必然指同一個實施例，此類引用意味著至少一個實施例。

圖1是本發明一個實施例的有按鍵的鍵盤透視圖。

圖2是根據本發明一個實施例的移除按鍵帽的按鍵示圖。

圖3A是本發明一個實施例的處於按壓(致動)位態的按鍵剖面圖。

圖3B是圖3A中的按鍵處於穩定狀態(未致動)趨勢的剖面圖。

圖4A是顯示本發明一個實施例的單連接的剖視圖。

圖4B是移除兩個連接件以顯露傳感器的按鍵座的剖視圖。

圖5是本發明一個實施例的移除按鍵座的按鍵仰視圖。

圖6是圖5的剖視圖。

圖7是本發明一個實施例的移除按鍵帽的按鍵示圖。

圖8A和8B是本發明一個替代實施例的按鈕示意圖。

圖9A-D是本發明一個替代實施例的按鍵示意圖。

具體實施方式

圖1是本發明一個實施例的有按鍵的鍵盤透視圖。鍵盤100包括八個按鍵110和一個空格鍵106，其各自代表如下進一步描述的本發明的某個實施例。每個按鍵110包括按鍵帽102和按鍵座104。按鍵帽102可提供觸覺指示，例如凹陷108，使得用戶可將手指放在按鍵上。在一個實施例中，按鍵帽102和按鍵座104以熱塑性塑料(例如聚碳酸酯)注塑成型。按鍵座通常也可由衝壓金屬製成。儘管該實施例具有八個按鍵，以下描述的按鍵構造也可用於具有任何數量和尺寸大小的按鍵的鍵盤。舉例說明，所述技術和結構可用於筆記本電腦或桌上型電腦的標準QWERTY樣式的鍵盤。

圖2是根據本發明一個實施例的移除按鍵帽的按鍵示圖。按鍵座104可由熱塑性塑料成型。電容式感應墊216可覆蓋按鍵座104。在一個實施例中，當用戶的手指更接近感應墊時，電容式感應墊216探測到按壓按鍵。電容中出現可探測的變化，使得能夠對按壓按鍵事件做出判斷。進一步，與按鍵另一邊的相應電容進行比較，通過測量感應墊216中電容的相關變化，可判斷按壓按鍵事件過程中手指的位置。按鍵座104還可限定多個軸殼體212以與連接件202和204的軸(未示出)旋轉接合。連接件202和204通過偶聯件206和208以相交錯的方式相接合。在一個實施例中，偶聯件206和208為磁性物質，例如鋼，其可被布置於按鍵座104內的底層磁體(未示出)所吸引。在一個實施例中，按鍵中還配備有附加的電容式傳感器，用以探測磁性物質從底層磁體的層離，從而信號通知按壓按鍵事件。在一個實施例中，將電容式感應墊216形成柔性電路的一部分，其也可包括附加的電容式傳感器(參考圖4，以下討論)。

連接件可採用嵌入成型工藝由鋼和塑料結合而成。一般選用高硬度塑料。一種適合的塑料為杜邦公司(Dupont Corporation)DELRIN商標的乙醯樹脂。在一些實施例中，一個連接件可比另一個稍長。然而，優選保持連接件相對短的長度，使得每一個連接件的長度均不超過按鍵帽最大橫截面長度的70％。使連接件202和204的長度最小化可增加其硬度，提高按鍵下壓過程中的平行性。在一個實施例中，連接件202和204的長度均不超過按鍵帽最大橫截面長度的50％。在一個實施例中，連接件202和204相同，使得它們可由單一模具製造並可為了組裝的目的而簡單地相互調換。每個連接件202和204限定一對栓釘214，以與按鍵帽中的插槽(未示出)接合。

圖3A是本發明一個實施例的處於按壓按鍵向下位態的按鍵剖面圖。當將足夠的壓力施加於按鍵帽102時，磁性物質(在此為偶聯件206和208)從置於按鍵座104內的磁體302層離。在一個實施例中，偶聯件206、208由鐵磁性金屬形成，如SUS430不鏽鋼。鋼具有高硬度和耐久性，並正好適合這一應用。其他實施例可使偶聯件部分地或全部地由非磁性材料製成，但使用布置於其中的磁性物質。

磁體302可為稀土磁體，其產生適合的磁場，甚至在磁性物質206、208從磁體302層離後，仍能夠持續施加吸引力。甚至當磁體與磁性物質之間不再接觸時，該磁場仍提供在用戶釋放手指壓力後使按鍵向上復位的力。用戶的觸感由力相對於位移曲線進行控制，其可由磁體的尺寸大小和幾何形狀、磁性物質以及相關軸的位置的改變進行調整。在一個實施例中，適合的磁體提供足以在完整的組件中產生大約50克按鈕力的磁場。在一個實施例中，由釹鐵硼(NdFeB)材料製成的N52磁體足以提供至少50克的力，N52磁體的尺寸為10:1:1.4毫米。

在該剖視圖中，可看出連接軸304置於軸殼體212內。軸平移地固定在軸殼體212內，然而軸可以旋轉，使得能夠允許按下/致動按鍵帽102。為了容納連接件相對端的移動，栓釘件214置於按鍵帽102中的插槽310內，使得栓釘遠離按鍵的中心平移足夠的距離，以使得按鍵能夠被充分地按下。在一個實施例中，可將夾持墊306應用於按鍵座104的下表面，以最小化鍵盤在支撐面上的運動。例如，在一個實施例中，夾持墊306可為普通表面(如木材、金屬和塑料)上的具有良好摩擦特性的彈性材料。在一個實施例中，夾持墊由矽橡膠製成。

圖3B是圖3A中的按鍵處於穩定狀態趨勢的剖面圖。通過提及該趨勢為穩定狀態趨勢，申請人意圖說明這一狀態是在未施加外力時按鍵將採用的狀態。這一狀態也可被認為是按鍵的「向上」狀態。在這一位態下，磁體302與磁性物質206、208足夠接近，以在功能上與其層疊。按鍵帽102中的插槽310的後端和磁體與磁性物質的磁性疊層相連接，兩者共同提供硬止動體，以阻止按鍵在穩定狀態上升超過規定的高度。止動體(在本圖中不可見)被塑型在按鍵帽102中，使得連接件和栓釘的橫向平移受到硬止動體的限制。硬止動體還可最小化正常使用中按鍵帽與連接件相脫離的風險。

圖4A是移除按鍵帽狀態下顯示本發明一個實施例的單連接的剖視圖。偶聯件202包括上交錯件406和下交錯件404。顯示磁體302在偶聯件下方。連接件204(在本圖中未示出)可具有下交錯件404和上交錯件406的鏡像體，從而連接件204的下交錯件覆蓋與下交錯件404相鄰並位於上交錯件406的下方的磁體302。同理，連接件204的上交錯件在安裝時布置於下交錯件404之上並與之相接合。

圖4B是移除兩個連接件以顯露傳感器的按鍵座剖視圖。傳感器216(在之前的圖2中標示)為電容式感應墊，由附著於按鍵座104的柔性電路的銅墊區域形成。附加的電容式傳感器408和410由相同的柔性電路上的附加的銅墊區域形成。傳感器408和410分別電容性地與連接件202和204偶聯。當連接件與磁體302相接觸時，磁性物質206和208的金屬表面與附加的傳感器408和410相接近，導致電容式偶聯增加。在按壓按鍵事件過程中，當磁性物質206和208從磁體302層離，電容式偶聯減小。通過監測所述電容式偶聯，可以判斷按鍵的向上或向下狀態。

圖5是本發明一個實施例的移除按鍵座的按鍵仰視圖。在本視圖中可見連接件202和204以及其各自的下交錯件402和502。連接件204的上交錯件504與下交錯件402相接合。也可見連接軸304。硬止動體506和508可被塑型為按鍵帽102的一部分。硬止動體506和508的面對連接的面(link-facing surface)是傾斜的，以在按鍵按壓過程中當所述面接近運行的末段時引導接合。插槽殼體510也可被塑型為按鍵帽102的一部分。如以上所討論的，插槽殼體510限定插槽，在致動按鍵過程中，栓釘(圖3A中的部件214)在插槽中平移的。

圖6是圖5的剖視圖。在本視圖中，硬止動體508的斜面602清晰可見。在按鍵的「向上」狀態，如果向按鍵帽和插槽施加橫向載荷，表面602限制組件的失真量。在按鍵的「向下」狀態，表面602阻抗插槽310內栓釘214的橫向運動，以阻止按鍵帽102意外脫離按鍵座104。

圖7是本發明一個實施例的移除按鍵帽的按鍵示圖，顯示穩定狀態向上趨勢的另一透視圖。磁體產生的磁場將連接件維持在穩定狀態位置，磁體位於交錯偶聯件404、406、504和502的下方，交錯偶聯件以之前所描述的交錯的方式相互接合。電容式感應墊216大體上佔據磁性區域外側的按鍵的整個基座的表面積的一半。栓釘214整體塑型作為相應連接件的一部分，並且在安裝按鍵帽時與按鍵帽中的插槽接合。無論在按鍵帽的任何位置施加按壓力，所描述的結構都使得按鍵高度平行，傾斜最小。穩固的電容式墊和磁體消除了運行末段的綿軟觸感，這種觸感通常與橡膠圓頂按鍵機構的圓柱形致動器尖端有關。電容式墊216及其在按鍵座另一半上的相應電容式墊使得能夠對按壓按鍵做出判斷，其也可被用於判斷指尖在按鍵表面的哪個位置按壓按鍵。這有效地允許按鍵能夠提供多功能。然而，如之前所指出的，即便是在需要小號的單一功能按鍵的情況下，也可應用所述結構，以產生更好的觸感。

以連接件替換標準按鍵開關的剪叉部件，可在致動過程中提高平行性並消除對較大號按鍵上金屬加固條的需求。所述公開的結構使得按鍵構造的零件數減少且手感更佳。此外，連接件的簡單嵌套可允許較大尺寸的部件，例如軸、栓釘等，其比現有的典型的按鍵結構更堅固，使得耐久性更強。特別是，磁體不會遭受此類限制點擊圓頂和其他現有技術裝置的使用壽命的材料應力或材料疲勞。在一個實施例中，按鍵帽和按鍵座均為注塑成型。磁體可具有凸緣，其將磁體限制在按鍵座的凹處的適當位置，並進一步被附著於按鍵座背面的背面帶有粘合劑的聚合物片所粘住。粘著劑也可用於固定磁體。電容式柔性電路墊附著於背面具有壓敏粘性膠帶的按鍵座上。連接件被交錯且咬合到軸殼體中，且栓釘被咬合到限定於按鍵帽的插槽中。

在一個替代實施例中，用於多個按鍵的基座被注塑成型為單一的單元，其限定用於多個磁體的凹陷，至少一個與每個按鍵相關，並限定每個按鍵的對應數量的軸殼體。作為示例，電容式傳感器可為單獨的傳感器部件，或者具有感應墊的單一的集成柔性電路板，用於置於多個按鍵基底的按鍵陣列中的每個按鍵。每個傳感器可電性不同，以探測特定按鍵的區域。進一步，一個按鍵可具有一個傳感器墊或者空間離散區內的多個傳感器墊，以便於對按鍵帽上手指的位置進行測量。

圖8A和8B是本發明一個替代實施例的按鈕示意圖。該實施例僅僅具有與軸806偶聯的單杆802，軸806可旋轉地與軸殼體偶聯。可具有按鈕表面804，其可以是凹面、平面或具有所希望的質感特性的其他形狀或紋理。在一個實施例中，磁性物質，在此為磁體808，置於杆802的端部。磁體808在磁性物質812上施加磁場，在安裝時磁性物質812可置於磁體808之上，使得吸引力偏壓按鈕使其處於向上的位置。在此使用的「磁性物質」包括磁體和包含鐵磁性材料的物質，磁體可將吸引力或排斥力施加於所述物質。在一個實施例中，電容式傳感器感應按壓按鍵，而磁體808從磁性物質812的層離在與按壓按鍵相對應的運行過程中提供良好的觸感。注意到，儘管以上實施例被描述為具有置於杆802內的永久磁體，在不脫離本發明範圍的情況下，磁體808和磁性物質812可顛倒。在一個實施例中，可使用稀土永磁體，例如N52釹鐵硼(NdFeB)磁體。

在平行性不是非常必要的情況下，認為可使用所述單杆實施例。例如，所述實施例可適於與小型電話一起使用，例如iPhone的「home」按鈕(iPhone是蘋果公司的商標)。點擊圓頂失靈是iPhone智慧型電話現存的失靈的一種常見形式。因為在操作過程中，磁性物質和磁體不經歷磨損，可以顯著減少home按鈕的失靈。此外，由於所述機構的部件橫向並列排列，不需要太高的高度，使得創造出的產品更薄。

圖9A-D是本發明一個實施例中按鍵的一個替代實施例的示意圖。圖9A示出按鍵帽。圖9B示出按鍵座。圖9C和D分別示出按鍵的向上和向下狀態。在所述實施例中，通過磁體組件可實現使用磁力而無杆的按鍵。按鍵帽902包括四個磁體(例如912)，位於每個角內，另一個磁體914位於中心。這五個磁體成對，其相對的磁體922、924位於按鍵座904內。外側的四對磁體912、922包括極性相反的磁體，其將按鍵帽902吸引到按鍵座904。中心的一對磁體922、924具有提供排斥力的相匹配的極性，排斥力使得按鍵帽提升到向上位置。當用戶按壓按鍵時克服排斥力。外部的吸引力磁體912、922將按鍵帽902配準到按鍵座904，並通過磁場強度有效地使按鍵帽902和按鍵座「貼附」。中心磁體914、924有效地提供彈性功能，將按鍵帽902向上推。通過這種方式，可實現沒有附加的活動部件或磨損的鍵盤開關。由於致動由磁場引導，沒有任何摩擦表面，使得運動非常順滑且手感出眾。

通過簡單地使按鍵帽902接近按鍵座，也可以簡便按鍵帽902的安裝。在本實施例中，不需要咬合件或插槽或栓釘或軸。通過附著於按鍵座904的電容式傳感器墊930，可以探測到按壓按鍵事件。這些傳感器930可探測人的手指按壓按鍵事件，換言之基於按鍵帽902磁體和按鍵座904傳感器墊對平板電容或電場的影響，可探測它們之間的接近度。可將附加的金屬部件放置在按鍵帽902中，與傳感器墊930相互作用，以探測按壓按鍵。可替代使用霍爾效應傳感器，以探測按壓按鍵發生時磁場的變化。還可預期的是，可以使用按鍵座904中薄膜板上的物理接觸開關，儘管與場感應實施例相比，這種金屬接觸部件的壽命受到限制。

可以理解的是，說明書全文提及「一個實施例」或「一實施例」意味著所描述的與該實施例有關的特定特徵、結構或特點至少包含在本發明的一個實施例中。因此，應強調的且可以理解的是，在該說明書的多個部分對「一實施例」或「一個實施例」或「替代實施例」的兩個或更多的引用並不必然全部指相同的實施例。此外，在本發明的一個或更多的實施例中，特定的特徵、結構或特點可適當地組合。

在以上的說明書中，已經參考了具體的實施例對本發明的實施例進行了描述。然而，顯而易見，在不脫離本發明在所附權利要求書中所體現的更寬的含義和範圍的情況下，可以對實施例進行修改和改變。相應地，說明書和附圖被認為是說明性而非限制性的。