专利名称：具有力感测键的电子设备的制作方法
技术领域：
本公开内容通常涉及用于设备，诸如固定电话、移动电话、个人数字助理(PDAs)以及遥控器的小型键盘。
背景技术：
用于电话、PDA、遥控器或类似设备的小型键盘通常具有12和20之间的键，用于控制设备的操作。键通常包括数字键“0”-“9”、电话键“*”和“#”以及用于另外功能的键，诸如“菜单”、“取消”、“光标向上”、“光标向下”、“光标向右”、“光标向左”以及“选择”。在至少一些情况下，设备大小影响能方便地存取的键的大小。
为增加通过设备可用的功能的数量(或鉴于减小设备大小，维持恒定多个功能)，通常小型键盘中的几个键与多个功能和/或含义关联以便允许设备的增加的多个特征和功能。通常，小型键盘充当用于诸如消息传递和电话薄的特征的数字字母键盘，其中，从键盘输入字母和数字。
已经使用各种方法来将单一键与多个字母数字字符关联。在一种方法中，单一键与单一开关关联，以及用户需要至少一次按键(但通常不止一次按键)来获得所需字符。例如，用户多次按压单一键来循环字母数字选择直到由用户暂停(或按压另一键)表示选择当前显示的字符为止。
在第二种方法中，不止一个开关与单个键关联。有时，这些多开关键称为“组”键或“组合”键。几乎同时启动与多开关键有关的一个或多个开关表示需要哪一字母数字键。第二种方法对字母数字输入来说不太麻烦，因为用户能操作单一键来直接存取多个字符。然而，用户更易于输入错误，因为键压下必须足够精确以便仅访问所需开关，以及还因为多开关键的触觉反馈不熟悉。例如，大多数用户在压下开关的单个翻滚圆顶(popple dome)后释放键，有时在已经启动翻滚圆顶开关的正确组合来获得多开关键中的所需结果前。该用户习惯导致改变所输入的不正确字符的需要，以及可能最终导致用户受挫。
因此，需要一种协助直接字母数字字符输入以及其他功能输入的小型键盘。期望小型键盘不具有不寻常的触感。本公开内容的各个方面、特征和优点在仔细考虑下述附图和附加详细说明后，对本领域的普通技术来说将变得更显而易见。
图1表示根据实施例，具有键盘的电子设备。
图2表示根据第一实施例，图1的电子设备中的力感测键(forcesensing key)的横截面。
图3表示图2中的力感测键的局部截面图。
图4表示根据第二实施例，图1的电子设备中的力感测键的横截面。
图5表示图4中的力感测键的局部截面图。
图6表示图2和图4中所示的力感测键的操作的流程图。
图7表示具有根据另一实施例的键盘的电子设备。
具体实施例方式
具有力感测键的电子设备具有开关、第一力感测区，用于获得第一力值、第二力感测区，用于获得第二力值，以及处理器，用于当启动开关时，基于第一力值和第二力值，确定用于该键的选定功能。第一力感测区和第二力感测区使用显示出力对电压响应值的局部电阻材料。另外的力感测区，以及另外的功能可以包括在电子设备中。处理器用于按键校正以确定用户期望的功能选择。通过将开关形成为圆顶开关，力感测键向用户提供明确的触觉反馈。力感测键能根据用于力感测键的致动器拓扑结构以及用来形成致动器的材料，构造用于各种应用以及用户喜好。
图1表示具有根据实施例的键盘110的电子设备100。在所示的具体实施例中，电子设备100是无线通信设备，诸如移动电话，但键盘110能易于应用于固定电话、个人数字助理(PDAs)、遥控器、膝上型电脑以及其他按键电子设备。键盘110具有多个键120，130。键120中的六个为常规键。十二个键是力感测键130，将结合图2-5详细地描述。
在该实施例中，每个力感测键130通常是为三角形，具有大的中心区和三个附属区。标准的电话键盘将多至三个字母与单个电话号码0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，*和#关联。因此，特定键，诸如键132具有输入数字2的主要功能以及输入字母A，B和C的三个次要功能。三个附属(satellite)区的每一个与输入特定字符的三个次要功能的每一个关联。使用一个数字对一个主要功能以及一个字母对三个次要功能的每一个的这种分布，标准字母数字字符组能分布在标准电话键盘的十二个键上。
键盘110还具有带有多个孔150的盖140，通过这些孔，露出键120，130的至少一些致动器121，170。采用所暴露的接触面来接收外部施加力以及将这些力传送到中央开关以及致动器121，170下的多个附属力感测垫(sensing pad)。
电子设备100包括处理器，用于解释用户输入，诸如按键，以及提供用户输出，诸如可视显示、可听提醒或控制信号。处理器还解释按键以便确定通过特定按键启动何种功能。根据由键的附属力感测垫感测的力，处理器确定通过按键，意图主要功能还是几种可能的次数功能的一个。
能使用不同的键和键结构来允许不同主要和次要功能，由电子设备的具体应用而定。例如，键可以是椭圆形以及具有两个附属区，或键可以是矩形或菱形以及具有四个附属区。通过稍微不同的结构，能在与图1所示的类似的键盘上实现不同的字符组，诸如来自非罗马语言的那些。
图2表示在根据第一实施例的图1的电子设备100中的力感测键200的横截面。力感测键，诸如图1中的键130，使用力感测材料来测量将多少压力施加到键200的多个力感测垫290上。当中央开关280由于致动器270上的外部压力闭合时，估计力量度。
在共用衬底210，诸如印刷电路板材料上支撑力感测键200的各个部件。另外的结构包括由金属、塑料或其他刚性基座支撑的柔性衬底上的印刷电路。在至少一个实施例中，共用衬底210通常是平面的。
使用共用衬底210的表面上的开关触点220，形成中央开关280。交替导电迹线(conductive trace)通常形成中央开关触点220外形，以便压向导电迹线的导电翻滚圆顶225闭合该开关。圆顶225有助于防止无意按键，以及当按键启动中央开关280时提供触觉反馈。
在中央开关280周围的附属力感测垫290包括由交替导电迹线形成的附属力触点230。使用隔板粘合剂，能将局部电阻材料层250加在附属力触点230上。当力施加到局部电阻材料250来将其压向触点230时，在附属力触点230的交替导电迹线间产生更好的电通路。这产生当力施加到电阻材料250时增加的电压值，当中央开关280闭合时估计它。其他材料能用来形成附属力感测垫290，诸如加在交替导电迹线上的局部电容材料、压力或运动传感器、光传感器或应变仪。力感测垫290也能以易于获得的力感测聚合物厚膜设备的形式实现。
在至少一个实施例中，键200具有硬塑料致动器270，向用户提供具有实心感觉的上接触面，以及该硬塑料有助于将按键力分布到底接触面上的中央开关280和附属力感测垫290。硬塑料致动器270还提供翻滚圆顶的规则钮(clean snap)，以便向用户提供触觉反馈。在对准和支撑图1所示的键盘110中的多个致动器的衬底255上支撑致动器270。衬垫255由软的弹性材料，诸如硅制成。形成致动器270以便产生位于圆顶225和中央开关触点220上的中央柱塞275。因此，致动器270的上接触面上的向下压力导致底接触面上的中央柱塞275使圆顶225压向中央开关触点220以及闭合中央开关280。
致动器270的底接触面包括位于附属力感测垫290上的附属柱塞265。因此，致动器270的顶接触面上的倾斜压力产生能测量的、相对于附属力触点230的力。
致动器270包括在周边上形成的凸缘272，以便使致动器270位于盖240中的孔245中，并且在翻滚圆顶225和附属力触点230上。凸缘272构造成至少部分延伸到盖240中的孔的大小和形状外。当致动器270适当地放置在图1所示的电子设备100中时，通过盖240中的孔，暴露部分致动器270，以及凸缘272位于盖240之后。因此，致动器270上的离心力在最近附属柱塞265上产生力。因此，当中央开关280闭合时，在被选附属力感测衬垫290上具有相当大的力值。
作为提供灵敏附属力感测衬垫290的一种方法，附属柱塞265位于盖240下以及设计成在大部分附属力触点230上产生压力。与附属力触点230接触的附属柱塞265的开关触点外形和面积能设计成最大化附属力感测衬垫290的灵敏度。增加中央柱塞和附属柱塞间的距离也增加附属力感测衬垫的灵敏度。
图3表示图2所示的力感测键200的局部透视截面。硬塑料致动器270具有中央柱塞275和至少一个附属柱塞265。致动器270包括如参考图2所述的凸缘272。
中央开关包括位于中央开关触点(图2所示)上的导电翻滚圆顶225。翻滚圆顶225具有升离衬底210的三角形，在致动期间，由于大的圆顶行进距离，提供触觉反馈。这种翻滚圆顶还为中央柱塞275提供大的目标面积(“最佳点”)。因为在致动器270上预期倾斜压力，大的目标面积有利于适应不同按键方式。另外的圆顶形状包括圆形，具有内凹的圆形、四支脚和长方形。
附属柱塞265位于附属力触点230上。局部电阻材料层250位于附属柱塞265和附属力触点230间。如上所述，致动器270上的倾斜压力使至少一个附属柱塞265将压力施加在局部电阻材料250的相关部分和附属力触点230上。向下压力使翻滚圆顶225下陷并闭合中央开关280。当中央开关闭合时，测量每个附属力触点230上的力量度以便确定所需字符。
力感测键能具有不同的体系结构，由它们的指定应用而定。不同的致动器材料影响力感测键的触觉反馈。不同柱塞布局影响中央开关和附属力感测衬垫的灵敏度。
图4表示在根据第二实施例的图1的电子设备100中的力感测键400的横截面。力感测键，诸如图1中的键130，使用力感测材料来测量多大压力施加到键400的多个力感测衬垫490上。当由于致动器470上的外部压力，中央开关480闭合时，估计力度量。
致动器470具有由硬塑料材料形成的键帽471以及包括凸缘472和中央柱塞475。硬塑料键帽471具有向用户提供实心感觉的顶接触面，以及硬塑料有助于将按键的力分布到中央开关480和附属力感测衬垫490上。键帽471连接到形成复合致动器470的下侧的衬垫。衬垫455由软材料，诸如硅形成。衬垫455对准并支撑键帽471，以及还向具有软且可变形的附属柱塞465的致动器470提供底接触面。键帽471的一部分通过盖440中的孔445显露，而凸缘472和中央柱塞475在盖440下。
如前所述，致动器470的顶接触面上的向下压力使致动器470的底接触面上的中央柱塞475下压翻滚圆顶425以及闭合中央开关触点420。致动器470的顶接触面上的倾斜压力使致动器470的底接触面上的至少一个附属柱塞465与附属力触点430更多地接触。当更多压力施加到附属柱塞465时，附属柱塞465弯曲以便相对于局部电阻材料450和附属力触点430，提供更大的压力面积。这有助于从随所施加的力改变的附属力感测衬垫490提供电压读数。
在键帽471的周边上形成的凸缘472使致动器470位于盖440中以及在翻滚圆顶425和附属力触点430上。凸缘472构造成至少部分延伸到盖440的孔的大小和形状外。当致动器470适当地位于电子设备中时，通过盖440中的孔，暴露键帽471的一部分，以及凸缘472位于盖440后。因此，致动器470上的离心力在最近附属柱塞465上产生力。因此，当中央开关480闭合时，在选定附属力衬垫490上存在相当大的力值。
根据该第二实施例，来自力感测键的触觉反馈更软。在致动器470的下面的软垫455产生更软的响应，通过键帽471的中央柱塞475，甚至影响翻滚圆顶425的触觉反馈。
在共用衬底410，诸如印刷电路板材料上支撑力感测键400的各个部件。另外的结构包括在由金属、塑料或其他刚性基座支撑的柔性衬底上的印刷电路。在至少一个实施例中，共用衬底410通常是平面的。
使用共用衬底410的表面上的导电翻滚圆顶425和开关触点420，形成中央开关480，以便施加到翻滚圆顶425上的预定量外力使圆顶压在中央开关触点420上以及闭合开关。交替导电迹线通常形成中央开关触点420外形。圆顶425有助于防止无意按键，以及当按键启动中央开关480时，还提供触觉反馈。
中央开关480周围的力感测区中的附属力感测衬垫490包括从交替导电迹线形成的附属力触点430。使用隔板粘合剂，使局部电阻材料层450加在附属力触点430上。当力施加到局部电阻材料450上以便使其压向触点430时，在附属力触点430的交替导电迹线间形成电通路。更大力产生更好电通路。这产生当力施加到电阻材料450上时增加的电压值，当中央开关480闭合时估计它。其他材料能用来形成附属力感测垫490，诸如加在交替导电迹线上的局部电容材料、压力或运动传感器、光传感器或应变仪。能以易于获得的力感测聚合体厚膜设备的形式实现力感测垫490。
图5表示图4中所示的力感测键400的局部截面。由硬塑料键帽471和部分软垫455形成致动器470。键帽471包括凸缘472和中央柱塞475。软垫455形成致动器470的下面以及包括附属柱塞465。注意在该第二实施例中的附属柱塞465比第一实施例中更接近中央柱塞475。这证明了附属柱塞和中央柱塞的相对位置在具体实施例中可改变。
翻滚圆顶425具有升离衬底410的三角形，在致动期间，由于大的圆顶行进距离，提供触觉反馈。这种翻滚圆顶还为中央柱塞475提供大的目标面积(“最佳点”)。因为在致动器470上期望倾斜压力，大的目标面积有利于适应不同按键类型。另外的圆顶形状包括圆形、具有内凹的圆顶、四支脚和长方形。
当将斜力施加到致动器470时，在斜力下，形成附属柱塞465的软垫455部分将局部电阻材料450压向附属力触点430。键帽471包括构造成至少部分延伸到图4中所示的盖440中的孔的大小和形状外的凸缘472。
当致动器470适当地位于电子设备中时，通过图4中所示的盖440中的孔，暴露部分键帽471，以及凸缘472位于盖后。随后，在至少一个附属力感测垫490上的离心力将力施加在软垫附属柱塞465上。因此，当中央开关闭合时，在被选附属力垫上存在相当大的力值。
作为提供灵敏附属力感测垫490的一种方法，垫455由在更硬键帽471下的软弹性材料形成。垫455包括与附属力触点430对齐的附属柱塞465。因此，当更大压力施加到垫455的附属柱塞465上时，附属柱塞465弯曲以便相对于局部电阻材料450和附属力触点430提供更大压力面积。这有助于由随所施加的力改变的附属力感测垫590产生电压读数。
由键帽471和部分垫455形成的致动器470允许对用户的软的触觉反馈以及附属力感测垫490的可变力覆盖区。
在这些实施例中，仅需要三个模数转换器来获得图1所示的力感测键130的力值。与每三组附属力触点并联，耦合三个模数转换器。然后，将模数转换器耦合到处理器，处理器还耦合到中央开关触点矩阵。
图6表示用于图2-5所示的力感测键200，400的操作的流程图600。当闭合中央开关280，480以便确定键200，400的被选功能时，耦合到力感测键200，400的中央开关触点220，420和附属力感测触点230，430的处理器估计相关附属力感测垫290，490的每一个的力值。
在步骤601，用户用足够的力按压键以便使圆顶225，425下陷以及闭合中央开关280，480，如图2-5所示。在步骤610，处理器从附属力感测垫获得力值以及使用力值来确定用户意图。可以使用在存储设备615中存储的各种算法来确定用户意图。例如，处理器可以使用相对力算法或绝对力算法。
在样本基本相对力算法中，如果来自三个附属力感测垫的每一个的力值粗略相等(例如，在彼此的20％内)，处理器确定用户意指主要功能。如果一个力值远大于其他力值(例如大于20％)，那么，处理器确定用户意指与更大值附属力感测垫有关的次要功能。
在样本基本绝对力算法中，如果来自三个附属力感测垫的每一个的力值不超出预定阈值，处理器确定用户意指主要功能。如果力值超出预定阈值，那么处理器确定用户意指与最佳值附属力感测垫有关的次要功能。
步骤620将与每个附属力感测垫有关的力值和用于启动键的键标识符存储在临时存储寄存器625中，用于以后使用。
步骤630显示在步骤610中，由处理器确定的功能。例如，如果处理器确定所需功能是与图1中的力感测键132有关的主要功能，将显示数字2。
接着，在步骤640，用户使用足够的力按压下一键以便使圆顶下陷以及闭合中央开关。步骤650确定按键是退格还是其他错误校正键。退格键是标准键，而不是力感测键。然而，可以将退格键实现为力感测键。如果按键不是退格，流程返回到步骤610以便确定指定按键。如果按键是退格，在步骤660，流程等待进一步按键。如果步骤670确定所按压的另一键不是与在步骤601中所按压的键相同的力感测键，在临时存储寄存器625中存储其力值和键标识符，处理器确定用户最初按压了错误的键以及返回到步骤610。
如果步骤670确定所按压的另一键是与在步骤601中，如使用临时存储寄存器625所确定的所按压的键相同的力感测键，在步骤680，处理器更新存储设备615中的算法来反映所校正的功能。例如，用户可能打算输入字母，但仅偏心按压键。在步骤630中显示的功能将是与所按压的力感测键有关的主要功能，数字。在将主要功能校正到预定次要功能后，更新存储设备615中的算法以便减小用于那个具体力感测键的次要功能输入的阈值。相反地，如果用户打算输入数字，但稍微偏心地按压键，用于校正初始按键的过程也增加用于那个力感测键的主要功能输入的存储的阈值。同样，如果用户用相同力感测键的另一次要功能替换次要功能，算法单独地调整用于附属力感测垫的阈值。
对样本基本相对力算法，更新算法以便调整确定意图主要功能还是次要功能的附属力感测垫间的存储阈值差。对样本基本绝对力算法，更新算法以便调整区分主要功能还是次要功能的预定阈值。更高级算法更新能在单个力感测键的附属力感测垫上提供不同倾斜压力级，优化左手或右手按键，以及考虑键部件老化可能具有的任何影响。
步骤699显示校正功能并返回到步骤640。如果在步骤640中的进一步按键是如在步骤650中确定的退格，出现另外的错误校正。因此，键垫调整处理器算法以便考虑用户按键习惯。流程的操作能是连续的或限制到某些学习周期，诸如在初始用户训练期间或当电子设备的主要操作者正操作该设备时的时间。
图7表示具有根据另外的实施例的键盘710的电子设备700。图1所示的电子设备100基于标准电话键盘结构，具有十二个力感测键，其中，2键还与字母A、B和C关联。电子设备700基于在数字键盘上的QWERTY键盘，具有十五个力感测键730。在该另一实施例中，单一力感测键具有达一个主要功能(发送，结束，1，2，3，4，，5，6，7，8，9，*，#)以及四个次要功能。
例如，力感测键732具有输入数字5的主要功能以及输入字母G、H、B或N的四个次要功能。在该另一实施例中，几个力感测键733，734具有为无线通信功能和非字符输入功能的主要功能。
为减小键间的间隔以及对次要功能选择具有适当的灵敏度，能将单个附属力感测垫791，792，793，794与不止一个键关联。例如，当启动用于键732的中央开关时，附属力感测垫791与键732的中央开关和输入字母G的次要功能关联。当启动用于键739的中央开关时，同样的附属力感测垫791与输入字母T的次要功能关联。类似地，附属力感测垫792，793，794分别具有四个关联键。仅两个键与附属力感测垫795关联。
因此，用于电子设备的键盘具有允许直接字母数字字符输入和其他功能的直接输入的键，它具有在单个键下的单个翻滚圆顶的常见触感，以及提供用于将功能确定算法调整到用户的按键习惯的学习特征。
尽管本公开内容包括对优选实施例来说，目前所考虑的内容以及以由发明人确定其拥有以及允许本领域的普通技术人员制造和使用本发明的的方式描述本发明的最佳方式，将理解和意识到存在与在此所公开的实施例的许多等效以及在不背离本发明的范围的情况下，可以做出改进和改变，本发明的范围不是由所示的实施例来限制，而不是附图权利要求书，包括在本申请未决期间所做的修正以及如公布的权利要求的所有等效。
应进一步理解到使用相关术语，诸如第一和第二、顶和底等等，若有的话，仅用来区分实体、项、或动作，而不一定要求或暗示这些实体、项或动作间的任何实际的这些关系或顺序。大多数发明功能性和许多发明原理最好通过或用软件程序或指令来实现。期望尽管由于例如可用时间、当前技术以及经济考虑所激发的可能相当大的努力和许多设计选择，当由在此所公开的概念和原理指导时，普通技术人员将易于能通过最小实验生成这些软件指令和程序。因此，为了简洁和最小化使根据本发明的原理和概念混淆的任何风险，如果有的话，将限制这些软件的进一步论述。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.一种具有键的电子设备，包括具有翻滚圆顶的开关；第一力感测区，用于获得第一力值；第二力感测区，用于获得第二力值；以及处理器，耦合到开关、第一力感测区和第二力感测区，用于当启动开关时，基于第一力值和第二力值，确定用于该键的被选功能。
2.如权利要求1所述的电子设备，其中，第一力感测区和第二力感测区包括局部电阻材料，显示出力对电压响应值。
3.如权利要求1所述的电子设备，进一步包括第三力感测区，用于在启动开关后，获得第三力值，其中，处理器还耦合到第三力感测区，以及当启动开关时，基于第一力值、第二力值以及第三力值，确定用于该键的被选功能。
4.如权利要求3所述的电子设备，其中，当第一力值、第二力值以及第三力值均在存储的阈值以下时，被选功能是主要功能。
5.如权利要求3所述的电子设备，其中，当第一力值超出存储的阈值时，被选功能是次要功能。
6.如权利要求5所述的电子设备，其中，被选功能是输入来自具有0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，*和#的组的字符的主要功能。
7.如权利要求1所述的电子设备，进一步包括致动器，位于开关上，用于在接收至少预定量的压力时，启动开关。
8.如权利要求7所述的电子设备，其中，致动器包括位于开关上的柱塞。
9.如权利要求8所述的电子设备，其中，该翻滚圆顶位于柱塞下。
10.如权利要求7所述的电子设备，其中，致动器包括第一附属柱塞，位于第一力感测区上；以及第二附属柱塞，位于第二力感测区上。
权利要求
1.一种具有键的电子设备，包括开关；第一力感测区，用于获得第一力值；第二力感测区，用于获得第二力值；以及处理器，耦合到开关、第一力感测区和第二力感测区，用于当启动开关时，基于第一力值和第二力值，确定用于该键的被选功能。
2.如权利要求1所述的电子设备，其中，第一力感测区和第二力感测区包括局部电阻材料，显示出力对电压响应值。
3.如权利要求1所述的电子设备，进一步包括第三力感测区，用于在启动开关后，获得第三力值，其中，处理器还耦合到第三力感测区，以及当启动开关时，基于第一力值、第二力值以及第三力值，确定用于该键的被选功能。
4.如权利要求3所述的电子设备，其中，当第一力值、第二力值以及第三力值均在存储的阈值以下时，被选功能是主要功能。
5.如权利要求3所述的电子设备，其中，当第一力值超出存储的阈值时，被选功能是次要功能。
6.如权利要求5所述的电子设备，其中，被选功能是输入来自具有0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，*和#的组的字符的主要功能。
7.如权利要求1所述的电子设备，进一步包括致动器，位于开关上，用于在接收至少预定量的压力后，启动开关。
8.如权利要求7所述的电子设备，其中，致动器包括位于开关上的柱塞。
9.如权利要求8所述的电子设备，其中，键包括位于柱塞下的翻滚圆顶。
10.如权利要求7所述的电子设备，其中，致动器包括第一附属柱塞，位于第一力感测区上；以及第二附属柱塞，位于第二力感测区上。
全文摘要
具有力感测键(200)的电子设备具有开关(280)；第一力感测区(290)，用于获得第一力值；第二力感测区(290)，用于获得第二力值；以及处理器，用于当启动开关(280)时，基于第一力值和第二力值，确定用于该键(200)的被选功能。第一力感测垫(290)和第二力感测垫(290)使用显示出力对电压响应值的局部电阻材料(250)。通过将开关(280)形成为圆顶(225)开关，力感测键(200)向用户提供明确触觉反馈。能通过改变致动器(270)的结构，构造用于各种应用和用户喜欢的力感测键(200)。
文档编号H03K17/94GK1914808SQ200580003842
公开日2007年2月14日 申请日期2005年2月3日 优先权日2004年2月10日
发明者特奥多雷·R·阿尼森, 迈克尔·L·沙利耶 申请人:摩托罗拉公司