專利名稱：輸入設備及其應用的制作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及用于向電子設備輸入數據的裝置，例如觸摸墊板、小鍵盤和語音識別系統，尤其是涉及輸出由單個開關激活以及相鄰的開關組合激活決定的按鍵的小鍵盤。
背景技術：
電子產品的小型化是工藝發展的一個主要原則。一條具有競爭優勢的成功的生產線，在很大程度上取決于公司能夠成功地提供功能不斷增強、更加便攜的產品的能力。隨著技術的進步，電路尺寸在人工尺度之下可以做得更小，結果導致界面(例如，屏幕、小鍵盤、光標控制裝置)成為限制便攜式產品的因素。因此，當便攜式產品進入了該領域時，人體工程學的品質和它們的輸入裝置(例如小鍵盤)的尺寸對于產品的認可和成功具有日益重要的影響。其中尤為顯著的是電話小鍵盤，因為它作為世界范圍內基本的、經濟的通信工具所具有的重要性。例如，為了與一般人的指尖適應，已經為相鄰按鍵開關間的最小尺度建立了國際標準。“按鍵”是指在表面上的一個元件陣列中的一個元件，被敲擊時產生與元件的位置相對應的識別輸出信號。作為例子，術語“鍵區”包括觸摸屏上具有類似于按鍵的行為的局部區域，以及小鍵盤上的一個局部區域，小鍵盤是通過在一個觸摸開關陣列上放置一層膜而形成的。“小鍵盤”是指一個按鍵陣列或鍵區陣列，其中包括常規小鍵盤(例如，可見于多數電話、計算器等等)、鍵盤、以及類似的觸摸敏感裝置，所述觸摸每感裝置是用觸摸屏或在膜的表面上劃分區域邊界來實現的。這樣的表面一般都是平面的，但也可以是曲面的。
筆者的一些早期工作的目標是通過開發小鍵盤來減小小鍵盤的尺寸，其中輸出按鍵由單個開關激活以及相鄰的開關組合激活決定。一些早期工作在我的美國專利No.5,612,690和5,973,621中公開，在此通過引用將全部內容。在此稱這樣的小鍵盤為“IACK”小鍵盤，或獨立-組合按鍵小鍵盤。
在本文的上下文中，“獨立按鍵”或“獨立鍵區”為具有單獨圖形元素(graphical elements)的小鍵盤的表面上凸起的區域，當被單獨按下時，產生相應的輸出。另一方面，“組合按鍵”或“組合鍵區”是“IACK”小鍵盤表面上局部下陷的區域，作為對一組兩個或多個相鄰(例如，對角相鄰或“kitty corner”)的獨立鍵區同時或幾乎同時進行操作的結果，產生唯一的輸出，典型情況下對應于一個中心圖形元素。術語“已定義組合”指的是與一個組合鍵對應的任何單獨按鍵的組合，通過相關的設備進行解釋。相反，“未定義組合”是指當一組獨立按鍵被同時按下時，沒有一個相應的已定義組合按鍵。
因此，IACK小鍵盤是一種包括單獨以及組合按鍵或鍵區的小鍵盤。這樣的小鍵盤的特點是，例如具有用相對于相鄰的表面稍微凸起一些的表面上的圖形元素標識的獨立鍵區，所述相鄰的表面上有其它的圖形元素，用于識別組合鍵區。可能設計出具有相鄰的獨立鍵區間的間距非常小的優點的小鍵盤。
希望能夠提高IACK小鍵盤及其它輸入裝置在解釋用戶意圖時的精確性，而不管使用何種開關技術。在需要強烈的觸覺反饋的執行過程中，例如用金屬釘帽提供，存在特別的需求來決定用戶的意圖是IACK小鍵盤上單獨的還是組合的按鍵輸出。還需要對這樣的鍵盤在人體工程學上進行改進，以及能夠簡單地解釋輸入的更好的算法，例如在電話等場合中的應用。
期望對小鍵盤或其它輸入裝置在設計上和實現上做出其它改進。
發明內容
本發明的特點是，改進IACK小鍵盤和其它數據輸入設備的設備，以及它們與電子裝置的集成。
根據本發明的一個方面，具有IACK小鍵盤的電話中，用交替排列的列定義了組合鍵區和獨立鍵區，小鍵盤具有的組合鍵區列包括多個數字列，包含與數字0到9對應的數字區域，每個數字列包含多個數字區域，至少在一個其它列中包含與標點符號對應的鍵區。
優選地，電話有三個數字列，使得數字列共同形成標準的電話按鍵布局，左側的數字列包括1、4、7，中間的數字列包括2、5、8、0，右側的數字列包括3、6、9。
在某些實施例中，鍵區用由柔韌的膜形成的裸露表面上對應的可感知部件定義。用“可感知”表示人的感官能夠感覺的能力。例如，可感知部件可能包括穿越膜的表面的突起變化(例如用觸覺感知)。其它情況下，可感知部件可能是簡單的視覺區分。優選地，數字鍵區明顯地比對應于標點符號的鍵區更大。
在某些實施例中，獨立鍵區和組合鍵區的尺寸不同。
在某些應用中，獨立鍵區共同包括與字母表(例如英語字母表中的字母A到Z)中的字母對應的鍵區。
在特殊的緊湊小鍵盤布局中，獨立鍵區最好分開放置，具有不超過人指尖寬度一半的間距，在某些情況下，每個鍵區上帶有一個相關的、可見的圖形標志。組合鍵區也可以被排列成不同寬度的列。
在某些布局中，數字列在著色上與包含主要標點符號的一個或多個列明顯不同，各列的著色可能交替變化，例如深-淺-深。
在優選實施例中，獨立鍵區排列在六個垂直的列中，用按鍵圖標的定位來定義，獨立鍵區排列在第一、第三、第五、第七、第九和第十一垂直列中，包括與字母對應的區域，形成數字組合鍵區的列數是第二、第六和第十垂直列，第四和第八垂直列包括與標點符號對應的鍵區。列數可以從小鍵盤的任何一側算起。
在電話的結構中，當一個對應于標點符號的鍵區被連續操作兩次時，可以表示不同的標點符號，最好是兩個或多個相關的符號。例如，將冒號鍵按下兩次表示一個雙引號(semi-colon)，將句號鍵按下兩次表示一個逗號，等等。
根據本發明的另一個方面，IACK小鍵盤上覆蓋有一個裸露表面，其上在交替排列的列中定義了組合鍵區和獨立鍵區，獨立鍵區由高于組合鍵區的凸點構成。在相鄰的獨立鍵區間，裸露表面形成了一個連續、光滑的輪廓，在下面的按鍵空格中相鄰的獨立按鍵空格之間的共用邊界上，沒有標記記號。“連續、光滑的輪廓”表示，在凸點之間的表面上，沒有可以用觸覺感知的獨立按鍵的共用邊界標記，例如在獨立的活動按鍵的邊緣。這樣的連續、光滑的輪廓上可以(在某些情況下是優選)帶有可見的圖標，對應于與該平滑表面相關的組合鍵區。
在某些優選實施例中，凸點為菱形，末端或端點指向相鄰的組合鍵區。
根據本發明的另一個方面，IACK小鍵盤在交替排列的列中定義了組合鍵區和獨立鍵區，通過于獨立和組合鍵區關聯的圖標定義了標準的定向，根據小鍵盤的標準定向，交替的列沿著一條傾斜一個角度(例如45度傾角)的直線排布。
根據本發明的另一個方面，電話的小鍵盤包括按列排列的鍵區，包括兩個數字列，數字列中的多數鍵區對應于從由0到9組成的列表中選擇數字，還包括至少一個標點列，標點列中的多數鍵區對應于標點符號。
根據本發明的另一個方面，IACK小鍵盤上覆蓋有一個裸露表面，其上用交替排列的列以及交替排列的行定義了組合鍵區和獨立鍵區。在相鄰的獨立鍵區間，裸露表面形成了一個連續、光滑的輪廓，在相鄰的鍵區間，與列或行平行的方向上，沒有標記邊界的可見特征。
根據本發明的另一個方面，小鍵盤上排列有第一和第二按鍵集合。第一按鍵集合排列在第一組行中，每一行中有第二組成員，每個成員都是具有第一形狀和第一面積的接觸區域，第一形狀和第一面積至少要與人手指尖的尺寸差不多。第一按鍵集合中還定義了一些沒有被第一集合中的成員占用的空隙區域，第二按鍵集合中的元素為于空隙區域內，具有第二形狀和第二面積(例如菱形)，第二面積與第一面積相比小得多。
在某些優選實施例中，第一集合中的每個按鍵的接觸區域位于第一水平面上，第二集合中的每個按鍵的接觸區域位于第二水平面上，第二水平面放置在第一水平面之上。
在某些應用中，小鍵盤為IACK小鍵盤，其中第一按鍵集合中的每個成員都為組合按鍵，第二按鍵集合中的每個成員都是獨立按鍵。
在某些實施例中，小鍵盤還包括一個與按鍵排列耦合的非線性觸覺反饋系統，為每個按鍵提供與該按鍵的接觸面積近似成正比的觸覺反饋。
根據本發明的另一個方面，IACK小鍵盤上覆蓋有一個裸露表面，其上用交替排列的列以及交替排列的行構成的按鍵矩陣定義了組合鍵區和獨立鍵區。在組合鍵區的第四行和第五行之間，在按鍵矩陣外側放置了可被觸覺感知的凸點，來區分電話小鍵盤的邊界，小鍵盤包括了矩陣中從第一行到第四行的組合鍵區。
根據本發明的一個方面，通過消除現有技術的IACK小鍵盤中的與獨立按鍵連接的可見方格，組合按鍵的“空隙”性質由用戶保留。在現有技術的IACK小鍵盤中，組合按鍵用放置在獨立按鍵邊緣的交叉部分的元件實現，與之不同，本發明用(更大的)組合按鍵的空隙面積實現獨立按鍵。根據本發明的另一個方面，通過在符號類別之間進行列的交替，例如數字、標點、數字、標點、數字，電話的IACK小鍵盤布局提供了較高程度的第三功能(例如標點)。這個方面可以通過改變相鄰行的寬度與/或顏色而得到進一步改進。根據本發明的一個方面，IACK小鍵盤的結構旋轉45度，從而產生減小寬度的IACK小鍵盤。這種結構可以使得標準的“QWERTY”布局能在很窄的寬度內(例如，在小達58毫米之內)達到較高的人體工學舒適標準。
根據本發明的另一個方面，觸覺敏感輸入裝置(例如小按盤或接觸墊)上有一個裸露的、連續的定義了一個平坦的區域的表面，以及一個敏感元件網格，這些元件與裸露表面的面積共同擴張，并通過操作者對與裸露表面的接觸做出響應，操作者能夠確定裸露表面中上述杰出的位置。裸露表面在越過平坦區域時會產生高度的變化，以形成一系列觸覺部件。
在某些實施例中，觸覺部件由凸起的點組成。優選地，凸點相對于裸露表面的臨近區域擴張至少約0.75毫米。在某些實例中，裝置的裸露表面上帶有與上述觸覺部件關聯的圖標。對于某些應用，觸覺部件可能各自定義表面上對應于相關的字母數字符號的區域。
在某些情況下，輸入裝置被配置為，當表面上相應的接觸部件被連續觸發時，例如用小鍵盤，輸出一個字母數字字符序列。在某些優選實施例中，裝置為IACK小鍵盤，觸覺部件由定義IACK小鍵盤上獨立鍵區的凸點組成。優選實施例中還包括適用于當操作者穿過裸露表面時在屏幕上臨時顯示字母數字字符的電路，通過操作者選擇顯示的字母數字字符與裸露表面上接觸的位置對應。
根據本發明的另一個方面，包括IACK小鍵盤的電子裝置上有一個裸露的、連續的表面，定義了獨立鍵區與組合鍵區；還有一個在小鍵盤表面之下的敏感元件網格，對人手指在小鍵盤表面上的位置做出響應；還有一個電路，適用于從IACK小鍵盤接收表示小鍵盤狀態的信號，以及響應操作者的小鍵盤活動而產生輸出。電路被配置為，至少部分根據所敏感到的手指在相鄰的獨立鍵區中心之間的位置來確定預期的組合按鍵。
在某些實施例中，裝置上還包括一個對按壓獨立鍵區做出響應的按鍵開關矩陣，電路被配置為，根據敏感到的手指位置以及按鍵開關矩陣的狀態來確定預期的組合按鍵。在某些情況下，敏感元件網格與按鍵開關矩陣共享印刷電路板上的一些導電跡線。
敏感元件網格的網格間距可能比相鄰獨立鍵區中心的間距大，這仍能提供可接受的分辨度。
根據本發明的另一個方面，電子裝置中有一個底層，上面帶有第一個空間分離的、導電跡線元件陣列；還有一個放置在底層之上的柔韌的覆蓋層，上面帶有第二個空間分離的、導電跡線元件陣列。第一和第二陣列共同構成一個協調的系統，覆蓋層通過一個有彈性的、活動的(collapsible)元件陣列與底層分開，并有一個裸露的、連續的表面。第一和第二跡線元件陣列還構成了一個電容性的網格，對覆蓋層表面上的操作者的操作(digit)做出響應。有一個電路適用于敏感網格的電容性狀態，并且根據敏感到的電容性狀態判斷上述手指的位置。
在某些優選實施例中，連續的表面定義了小鍵盤的鍵區，電路至少部分根據敏感到的網格電容性狀態來解釋所期望的小鍵盤輸入。
在某些情況下，電容性網格對覆蓋層朝向底層的局部偏移做出響應，活動元件用整體壓模的方式、從覆蓋層上與底層相對的表面延伸而成。
在一個實施示例中，裝置采用IACK小鍵盤的形式，有一個裸露表面，定義了獨立鍵區和組合鍵區。
根據本發明的另一個方面，小鍵盤包括一個外覆蓋層，其上有一個定義了鍵區的裸露的、連續的表面；一個在覆蓋層表面之下的敏感元件網格，對人手指在小鍵盤表面上的位置做出響應；以及一個單獨的開關，適用于在鍵區的多重功能中的任何一種被按下時改變狀態(優選地，小鍵盤的任意鍵區被壓下)在某些實施例中，小鍵盤是IACK小鍵盤，有一個裸露的、連續的外層表面，定義了獨立鍵區與組合鍵區；以及一個單獨的開關，適用于在任意獨立鍵區被按下時改變狀態。獨立鍵區可能突出在組合鍵區之上。
根據本發明的一個方面，輸入設備上有一個覆蓋層，其上有一個裸露的表面，定義了與對應的離散輸入關聯的區域；以及在表面之下的一個底層。覆蓋層上帶有一個可變的電容性網格，底層上帶有另一個、最好是垂直的網格陣列。設備上還有一個電路，適用于當覆蓋層朝向底層在由電容變化識別的位置有一個局部偏移時，解釋網格的大的電容變化；以及在產生手指沿著表面的運動的方向和延伸時，解釋網格的小的電容變化。
根據本發明的一個方面，在IACK小鍵盤內集成了一個相距一定距離的測量裝置。在它的一個實施例中，測量裝置用于提高IACK小鍵盤的可靠性和精確性。通過除了或獨立地用關聯的開關矩陣識別手指的位置時，由組合鍵內的開關子集的模糊性產生的誤差可以被消除。在另一個實施例中，測量裝置放置在IACK小鍵盤之下，提供了“鼠標”功能。在某些優選實施例中，集成系統的電線數目與單獨的IACK裝置相同。在一個實施例中，在不同的元件上放置了兩個垂直方向的陣列一個放在PCB上，另一個放在IACK元件的下面。在這個實施例中，利用寄生電容的變化(在陣列交叉點之間)對手指進行定位，實現鼠標及小鍵盤功能，然而，IACK小鍵盤的物理位移產生的電容變化與寄生電容比較相對要大。因此，盡管會產生信號的重疊，用按鍵的激活能夠容易地辨別手指的運動。在另一個實施例中，將相距一定距離的測量裝置與小鍵盤矩陣進行集成。在另一個實施例中，用壓電陶瓷元件(放置在穿越表面的層上，或者離散放置)產生觸覺響應。觸覺響應也可以由用于使裝置振動的相同元件提供，因為人手指的定位難以達到這個范圍內的頻率。
將位置測量系統與IACK小鍵盤進行集成，可以提供幾個優點。例如，在鼠標模式下，IACK小鍵盤的表面可以為運動狀態下的手指提供穩定性。這是一個嚴重的問題，因為在運動中產生固有的恒定斷續的不穩定移動。如果用戶在乘坐公共汽車、火車、轎車或者步行，在很小的手持設備(例如電話)上精確控制光標是一個令人灰心的任務。通過為手指的位置提供參考點，在沿觸摸墊或者其它光標控制位置測量系統的表面上放置突出的參考凸點可以解決這個問題。某些實施里中突出的參考凸點可以為用戶提供觸覺參考，通過提供一個小突出，用機械穩定手指來使用戶能夠更好地保持手的位置。當手指在凸點之間時，由圍繞凸點的部分產生支撐，當手指在凸點之上的中心位置時，用手指的柔性捕獲包在手指肚內的凸點。通過這樣使手指穩定，可以在運動環境中提供高度的精確性，否則可能令人沮喪。裝置可以被配置為，在用戶在裝置的表面移動手指時，產生聲音提示(例如發出字母和數字的數字化的聲音)或視覺提示(例如，改變顯示的字符，特別是可能填充屏幕大部分的大號字體)。聲音的實現方式對盲人用戶特別有用，視覺的形式對視力弱的人特別有用。本發明為用戶提供了所需的一致性和效率，無需移動手掌即可獲得鼠標和IACK小鍵盤功能。
根據本發明的另一個方面，IACK小鍵盤中有一個底層，上面帶有一個敏感元件陣列，排列為對小鍵盤操作做出響應而改變狀態；一個放置在底層之上的柔韌(即有彈性)的覆蓋層有一個裸露表面，定義了獨立鍵區陣列，以及在相鄰的獨立鍵區之間的空隙內定義的組合鍵區；以及一個離散觸點元件陣列，在覆蓋層與底層之間擴展并將覆蓋層從底層分開。每個觸點元件位于兩個相鄰的獨立鍵區之間，適用于產生彈性壓迫，作為對裸露覆蓋層表面的局部壓力產生非線性響應，產生小鍵盤操作的觸覺反饋。
在某些情況下，觸點元件被放置在組合鍵區之下。在某些情況下，觸點元件被放置在直接相鄰的獨立鍵區之間。“直接相鄰”的意思是在獨立鍵區之間沒有直接定義組合鍵區，例如，在一個交替矩陣中相鄰列中的相鄰獨立按鍵。在某些情況下，觸點元件包括被放置在組合鍵區之下的觸點元件，以及被直接放置在之間相鄰的獨立鍵區之間的觸點元件。
在某些實施例中，在每個獨立鍵區和每個組合鍵區的外圍，都放置有四個對應的、分開放置的觸點元件，四個相鄰的觸點元件之間的間隙，對應著一個鍵區。每個觸點元件最好被放置在相鄰的獨立鍵區中心之間等距，以及相鄰的組合鍵區中心之間等距的位置。
在某些實例中，每個獨立鍵區定義了一塊裸露的壓力接觸區域，小鍵盤進一步在底層和覆蓋層間包括一個導電小球(conductive pill)陣列。每個導電小球都在對應的獨立鍵區的中心之下，并向旁邊延伸(例如，朝向一個相鄰的組合鍵區)，超出與之關聯的獨立鍵區的壓力接觸區域的范圍。“接觸區域”意味著在工作期間擔當按鈕作用的獨立鍵區的面積，傳送操作者手指的壓力，使小鍵盤覆蓋層彎曲。這樣的區域不包括那些與操作者手指發生偶然的、無負荷的接觸的區域。因此，在一個單獨的獨立鍵區工作期間，操作者所施加的幾乎全部(例如，百分之九十)負荷都被施加到壓力接觸區域上。
某些實施例中包括一個離散的觸點元件陣列，在覆蓋層與底層之間擴展，并將覆蓋層從底層分開。每個觸點元件被放置在兩個相鄰的獨立鍵區之間，作為對裸露的覆蓋層的外表面的局部壓力的非線性響應，彈性的壓迫產生對鍵盤操作的彈性反饋。
在某些情況下，獨立鍵區包括抬高的凸點，其上表面的末端邊界限制了它們的壓力接觸區域，或者是菱形的凸點，此時有在相鄰的組合鍵區之間導向的支架。
在某些結構中，每對相鄰的獨立鍵區間都有三個觸點元件，沿著獨立鍵區對的中間的線段上(例如，沿著將兩個獨立鍵區分開的邊界)分布。優選地，三個觸點元件沿著線段均勻分布，一個直接放在一對獨立鍵區中心之間，一個放在線段的一端處的四個相鄰的獨立鍵區之間的空隙中。
在某些特定的優選實施例中，觸點元件通過用彈性材料(例如硅酮)與覆蓋層的后表面整體鑄模、并在其上延伸而成。
在某些示例中，觸點元件為細胞(frustoconical)形。
優選地，觸點元件被優化排列為作為對壓按獨立鍵區與組合鍵區的反應，產生幾乎相等的觸覺反饋。還有優選地，觸點元件被構造并被排列為對獨立鍵區與組合鍵區，要求幾乎相同的垂直激活壓力。
根據本發明的另一個方面，IACK小鍵盤中有一個底層，上面帶有一個敏感元件陣列，排列為對小鍵盤操作做出響應而改變狀態；一個放置在底層之上的柔韌(例如彈性材料)的覆蓋層有一個裸露表面，定義了獨立鍵區陣列，以及在相鄰的獨立鍵區之間的空隙內定義的組合鍵區；以及一個離散觸點元件陣列，在覆蓋層與底層之間擴展并將覆蓋層從底層分開。每個觸點元件位于兩個相鄰的獨立鍵區之間，適用于產生朝向底層的彈性壓迫，作為對裸露覆蓋層表面的局部壓力產生的非線性響應，產生小鍵盤操作的觸覺反饋。每個觸點元件都具有相對于一個相關的軸線對稱的外形，這個軸線與底層垂直，并與相鄰的獨立鍵區之間的覆蓋層相交。
優選地，觸點元件具有細胞狀外形，或者能像空心的、火山形狀的那樣，能夠提供相同功能的外形，產生幾乎相同的非線性彎曲響應。
在某些情況下，觸點元件用彈性材料與覆蓋層整體鑄模，并從覆蓋層的后表面延伸而成。
在某些實施例中，每個獨立鍵區網格空間中至少有四個相應的觸點元件，它們在獨立鍵區周圍分開放置，四個相鄰的觸點元件之間的每一空隙，對應于一個鍵區。優選地，觸點元件被排列為作為對壓按獨立鍵區與組合鍵區的反應，產生幾乎相等的觸覺反饋。
根據本發明的另一個方面，IACK小鍵盤中有一個充分平坦的底層，上面帶有一個敏感元件陣列，排列為對小鍵盤操作做出響應而改變狀態；一個放置在底層之上的柔韌的覆蓋層有一個裸露表面，定義了一個按行排列的獨立鍵區陣列，在鍵區的一個行中、在相鄰的至少三個鍵區上延伸出至少一個連續的、伸長的觸點元件，在覆蓋層與底層之間擴展并將覆蓋層從底層分開。觸點元件適用于產生彈性壓迫，作為對裸露覆蓋層表面的局部壓力產生的非線性響應，產生小鍵盤操作的觸覺反饋。
在某些結構中，小鍵盤上有多個這樣的觸點元件，形成了在相鄰的鍵區行之間延伸的導軌。
例如，觸點元件可能包括一個肋條，相對于底層平面支撐起一個角度(例如60度)，被配置為作為對裸露覆蓋層表面的局部壓力的響應而產生彎曲。
根據本發明的另一個方面，IACK小鍵盤中有一個充分平坦的底層，上面帶有一個敏感元件陣列，排列為對小鍵盤操作做出響應而改變狀態；一個放置在底層之上的柔韌的覆蓋層有一個裸露表面，定義了一個按行與列排列的獨立鍵區陣列，在相鄰的獨立鍵區之間的空隙內定義的組合鍵區。覆蓋層還包括一個朝向底層的后表面，通過在覆蓋層與底層之間的可彎折的觸點元件與底層分開，后表面上帶有一個導電小球陣列，分布于對應于獨立鍵區的位置的下方。每個導電小球穿過底層的后表面，向一個相鄰的組合鍵區的中心的一側延伸，距離為相鄰的組合鍵區的中心到對應于小球的獨立鍵區的中心之間的距離的百分之50到70(最好是大約百分之50)。
在某些結構中，導電小球具有十字形狀，并有朝向多個相鄰的組合鍵區延伸的支架。
優選地，每個導電小球最靠近相鄰的組合鍵區的末端的邊緣，與連接相鄰的組合鍵區的中心和對應于小球的獨立鍵區的中心的直線垂直。
在某些情況下，底層包括從底層擴展出的傾斜的外部區域，此時小球包括朝向底層的接觸表面。
根據本發明的另一個方面，IACK小鍵盤中有一個充分平坦的底層，上面帶有一個敏感元件陣列，排列為對小鍵盤操作做出響應而改變狀態；一個放置在底層之上的柔韌的覆蓋層。覆蓋層有一個裸露表面，定義了一個按行與列排列的獨立鍵區陣列，在相鄰的獨立鍵區之間的空隙內定義的組合鍵區；還包括一個朝向底層的后表面，通過在覆蓋層與底層之間的可彎折的觸點元件與底層分開。后表面上帶有一個導電小球陣列，分布于對應于獨立鍵區的位置的下方，每個小球包括朝向底層的接觸表面，底層包括從底層擴展出的傾斜的外部區域。
在某些優選實施例中，導電小球具有十字形狀，并有朝向多個相鄰的組合鍵區延伸的支架，導電小球的支架包括傾斜的外部區域。
優選地，每個導電小球穿過底層的后表面，向一個相鄰的組合鍵區的中心的一側延伸，側向距離為相鄰的組合鍵區的中心到對應于小球的獨立鍵區的中心之間的距離的百分之40到99(優選地為從百分之50到百分之99，最好是從百分之70到百分之80)。
根據本發明的另一個方面，IACK小鍵盤中有一個底層，上面帶有一個敏感元件陣列，排列為對小鍵盤操作做出響應而改變狀態；一個放置在底層之上的柔韌(例如彈性材料)的覆蓋層，有一個裸露表面，定義了獨立鍵區陣列，以及在相鄰的獨立鍵區之間的空隙內定義的組合鍵區；以及一個離散觸點元件陣列，在覆蓋層與底層之間擴展并將覆蓋層從底層分開。每個觸點元件位于兩個相鄰的獨立鍵區之間，適用于產生朝向底層的彈性壓迫，作為對裸露覆蓋層表面的局部壓力產生的非線性響應，產生小鍵盤操作的觸覺反饋，且觸點元件被排列為作為對壓按獨立鍵區與組合鍵區的反應，產生幾乎相等的觸覺反饋。
根據本發明的另一個方面，在應用一種包括錐形穿孔的矩陣的新型制造方法中，彈性材料錐體被澆鑄在IACK元件的下面。根據本發明的另一個方面，觸覺反饋元件被放置在相鄰的獨立鍵區之間的中點，且可能由澆鑄在IACK元件下面的彈性材料錐體形成。根據本發明的另一個方面，IACK小鍵盤的觸覺反饋元件由金屬元件實現，壓印在放置于相鄰的獨立鍵區之間的中點的弓形元件上。
根據本發明的另一個方面，提出了解釋IACK小鍵盤輸入的方法。該方法包括對與小鍵盤上多個獨立鍵區的組合激勵對應的小鍵盤輸入進行敏感，以及將所敏感到的輸入與預先定義的對應于組合鍵區的獨立按鍵輸入序列進行比較。如果發現所敏感到的輸入同與組合按鍵關聯的多個獨立鍵區相符，則登記一個組合按鍵輸入。如果發現輸入沒有與任何組合按鍵相符，則將所敏感到的輸入與定制的按鍵關聯進行比較。如果發現所敏感到的輸入與一個定制的按鍵關聯相符，則根據相應的按鍵關聯登記一個字符序列。
在某些實現中，如果發現所敏感到的輸入未與任何組合按鍵或任何已記錄的定制按鍵關聯相符，則產生一個由所敏感到的輸入的多個獨立鍵區單獨決定的字符序列。在某些情況下，通過根據一個預先確定的順序排列輸入的獨立鍵區而產生字符序列。
在某些應用中，如果發現所敏感到的輸入未與任何組合按鍵或任何已記錄的定制按鍵關聯相符，則所敏感到的輸入與選定的字符串之間的關聯被存入可讀內存中。作為實例，敏感到輸入的同時顯示在顯示屏上的字符可能定義了選定的字符串。
在某些實施例中，如果發現所敏感到的輸入未與任何組合按鍵相符，方法包括將所敏感到的輸入與在所敏感到的輸入之前的最后一個登記的輸入字符進行比較，來判定最后登記的字符是否在敏感到的輸入的多個獨立鍵區之中，如果發現最后登記的字符在敏感到的輸入的多個獨立鍵區之中，則刪除最后登記的字符。
根據本發明的另一個方面，作為用戶同時輸入指定的數字序列的方法，例如個人識別號碼(PIN)，或者訪問代碼(例如電話號碼，隨后是PIN碼)，IACK小鍵盤的電子元件及附有的算法實現了同時登記多個按鍵的輸入。根據本發明的另一個方面，提供了從字母按鍵到數字輸出的映射的算法，如標準的12按鍵電話鍵盤所顯示的相關關系。
在某些方面，本發明利用了上面公開的IACK小鍵盤同時檢測任何獨立鍵區甚至是不相鄰的鍵區的組合的輸入的能力。這個方法的優點在于，提供了安全而且快速地輸入數字代碼的方法，它的應用例如提供訪問網站及其它用電話進行的服務和內容；在PIN之前輸入自己的電話號碼以訪問語音郵件；等等。
根據本發明的另一個方面，電話有一個小鍵盤，定義了與單獨的字母對應的字母鍵區，與單獨的數字對應的數字鍵區，以及一個與小鍵盤連接的電路，用于接收在用戶激活不同鍵區時產生的輸入。電路被配置為根據標準電話小鍵盤的字母-數字對應關系，用數字2到9的形式，將字母輸入翻譯為數字輸出。“電話”從某種意義上是指一種具有接收操作者的輸入，并產生相應的可識別的代碼的裝置，例如表示與輸入關聯的電話號碼的代碼。例如，包括產生電話號碼但不接入網絡的單機裝置(例如通過語音進行變換)。在范圍更窄的意義上，意味著接入(或者有線或者無線)電話網絡并在網絡上進行通信的裝置。
在某些實施例中，電路被配置為在第一模式下，作為對激活選定的字母按鍵的響應，顯示單獨的字母，在第二模式下，作為對激活選定的字母按鍵的響應，顯示數字2到9中的一個，根據標準電話小鍵盤的字母-數字對應關系選擇顯示的數字。
在某些應用中，電路被配置為當激活相關的字母鍵區時，登記一個字母序列，作為對操作者發出的附加輸入的響應，根據標準電話小鍵盤的字母-數字對應關系，將登記的字母序列變換成電話號碼。在某些實例中，電路被進一步配置為，作為對所述附加輸入的響應，用電話號碼啟動電話通話。
優選地，電路適用于根據與數字鍵區關聯的數字對數字輸出進行登記，使得數字輸入不受變換的影響。
根據本發明的另一個方面，提供了一種電話撥號的方法。該方法包括輸入一個期望的至少包括一個字母字符的字母數字字符序列。根據標準電話小鍵盤的字母-數字對應關系，通過將字母字符變換為數字2到9中的一個，產生對應的數字序列。
在某些情況下，方法還包括在輸入字母序列后，通知電話產生對應的數字序列。
例如，在許多對講英語的國家有用的實施例中，小鍵盤上輸入的期望的字母字符序列包括至少24個獨立的鍵區，每個鍵區對應不同的字母。
在某些實施例中，期望的字母字符序列以可發聲的形式存在，并用發聲的方式輸入。例如，字母數字字符序列可能包括一系列拼寫出可發聲的文字的字母字符，例如“1-800-FLOWERS”。這些實施例最好用語音識別算法實現，將表示數字的可發聲文字(例如“一，八百”)與不發聲的(例如”flowers”)區分開，而且只對非數字文字進行變換，特別是當將識別數字的文字解釋為數字從而產生合理長度及格式的電話號碼的時候。
根據本發明，提供了一種帶有IACK小鍵盤的電話，該小鍵盤包括按照交替的列排列的組合鍵區3與獨立鍵區2，其中所述組合鍵區3的列包括三個數字列70和72，它們包括與數字0到9對應的數字區域，每個數字列包含多個所述數字區域，其中，所述組合鍵區3的列進一步包括至少另外一個列74，該另外一個列包含與標點符號對應的鍵區，和其中，每兩個數字列之間由包含與標點符號對應的鍵區的一個列74彼此隔開，和其中所述獨立鍵區2包括與字母表中的字母對應的區域。
本發明的一個或多個實施例的詳細情況在附圖及下面的詳細說明中介紹。本發明的其它特點、目標及優點將通過說明和附圖以及權利要求中得以明確。
圖1和2為集成有位置測量系統的兩個小鍵盤實施例的截面視圖。
圖3為集成的位置測量網格和按鍵開關矩陣的平面視圖，畫出四種不同類型的按鍵開關網格。
圖4表示具有摻雜質的覆蓋層小鍵盤，而不是裸露的小球。
圖5表示沒有常規的按鍵開關矩陣、但具有位置測量網格的小鍵盤。
圖6表示具有位置測量網格的小鍵盤，在柔韌覆蓋層的下表面上有一組跡線元件，在底層上有一組與之正交的跡線。
圖7A表示具有觸點元件的小鍵盤，觸點元件由一個變高類型的壓電裝置陣列形成。圖7B表示在覆蓋層及底層間有一個單獨的壓電元件的小鍵盤。
圖8表示在覆蓋層與底層間有一個力敏電阻的小鍵盤。
圖9表示用一對單獨的電子跡線為矩陣中所有的開關提供接觸的小鍵盤底層。
圖10表示具有第一導電小球排列的IACK小鍵盤的覆蓋層的下面。圖11表示圖10中沿著線11-11的截面視圖。
圖12表示具有第二導電小球排列的IACK小鍵盤的覆蓋層的下面。圖13表示圖12中沿著線13-13的截面視圖。
圖14為用導電小球被壓入的材料形成的固體層的側視圖。
圖15表示與圖12的覆蓋層一起使用的開關網格墊結構。
圖16表示具有第三導電小球排列的IACK小鍵盤的覆蓋層的下面。圖17表示圖16中沿著線17-17的截面視圖。
圖18表示具有第四導電小球排列的IACK小鍵盤的覆蓋層的下面。圖19表示圖18中沿著線19-19的截面視圖。
圖20A和圖20B分別表示圖17和19的小鍵盤覆蓋層的偏轉。
圖21為IACK小鍵盤覆蓋層下面的局部透視圖。
圖22表示在獨立鍵區之下直接放置小球的小鍵盤。
圖23為代表一個電話電路的示意圖。
圖24為鑄造圖22中小鍵盤的下表面的兩部分模具的截面視圖。
圖25為用在小鍵盤覆蓋層之下的第一觸覺反饋層的透視圖。
圖26表示具有第二觸覺反饋層的小鍵盤。圖27為圖26所示的反饋層的正視圖。
圖28為IACK小鍵盤表面光滑輪廓的透視圖。
圖29和30分別為另一個IACK小鍵盤表面的透視圖和正視圖。
圖31表示一個用于電話上字母數字IACK小鍵盤的優選布局。
圖32和33分別為圖31中沿著線32-32和33-33的截面視圖。
圖34為QWERTY小鍵盤的布局，具有按對角線排列的獨立按鍵列。
圖35表示一種用于儲存及識別組合輸入的算法。
圖36表示一種用于字母數字數據到產生數字輸出的逆映射算法。
圖37表示標準電話小鍵盤字母-數字的對應關系。
圖38為用在小鍵盤覆蓋層之下的第三觸覺反饋層的透視圖。
圖39表示具有用錐形觸點元件陣列鑄模形成的觸覺反饋層的小鍵盤。
圖40表示一種用于IACK小鍵盤的掃描算法。
圖41表示一個印刷電路板，跡線相對于按鍵開關矩陣延伸成45度角。
圖42表示在直線開關網格矩陣上添加的獨立鍵區中心的弓形排列方式。
圖43和44分別表示具有IACK小鍵盤的移動電話的正視圖及透視圖。
不同的圖形中，類似的參考標記表示相同的元件。
具體實施例方式
首先參見圖1，小鍵盤元件的柔韌的膜10在印刷電路板12上延伸，電路板上有普通的按鍵開關矩陣5和相距一定距離的位置測量系統20。按鍵開關矩陣5放置在PCB 12的上表面上，在垂直于導電跡線的方向上，跡線的交點形成開關網格墊片18，通過與膜10的下表面上攜帶的、在對應的墊片18正上方的導電小球的接觸形成短暫的導通。膜10有一個波浪起伏的上表面，形成了被波谷分割的凸起的獨立鍵區2，波谷對應于組合按鍵。導電小球16可能由注入導電材料的固體材料例如碳形成，或者用具有導電油墨或外套的絕緣材料(例如形成膜10的材料)形成。在這個實施例中，測量系統20包括兩個互相交迭的線性元件陣列(在此用互相垂直的平面陣列22和24表示)，每個陣列都作為印刷電路板12的一印刷層。作為實例，這樣的測量裝置用于觸摸墊和其它二維位置響應計算機輸入裝置。如圖示的網格空間，通過幫助將不確定的小鍵盤操作解釋為確定的希望的獨立和組合小鍵盤輸入，測量系統20的應用提高了IACK小鍵盤的精確性。例如，在組合按鍵對應于同時激活的四個獨立按鍵的小鍵盤內，不精確的手指位置通常僅能激活兩個相鄰的按鍵(特別是在使用離散按鍵開關技術的實施例中)，從而導致模糊性。在組合按鍵對應于同時激活的兩個獨立按鍵的小鍵盤內，不精確的手指位置通常僅能激活兩個獨立按鍵之一，從而導致錯誤的獨立按鍵輸出。例如，可能將組合按鍵放置在IACK小鍵盤邊緣或者遠離邊緣的位置，當位于沿著邊緣的按鍵列中兩個相鄰的這類獨立按鍵被一起激活時，可能產生相關聯的輸入，盡管在某些情況下會導致更高的錯誤率。然而，通過用位置測量系統20獨立地判斷手指的位置，可能正確地解決這個精度問題并能正確地解釋期望的輸入。例如，當希望產生4個按鍵形成的輸出時，手指將主要放置在與組合按鍵對應的相關的空隙圖形上方，然而由于人手指的角度，或者用戶手指物理上的不規則，壓力點可能只包括了較低的兩個開關網格墊片18。在這種情況下，可以用位置測量系統20解決模糊性，即使僅具有相對低的分辨率。相對便宜的模數轉換器能夠用于提供相當于1/4手指寬度的分辨率，或者比典型的商用位置測量系統低約10到20倍的分辨率。同樣地，利用這種技術，在IACK小鍵盤內，激活一個單獨的按鍵可以被用于精確地解釋用戶的意圖，用位置測量系統20產生位置信息，任何一個按鍵網格墊片18的激活都將產生“進行/不進行”信息。這包括非常規的按鍵開關矩陣6，其中在穿越小鍵盤的任何位置都會產生一個單獨的接觸，如圖9所示。
通過IACK小鍵盤對單獨的PCB 12的掃描，測量系統20還會提供集成的“鼠標”(圖標控制)功能。在這個實施例中，位置測量系統20工作在兩種模式下。在第一種模式下，它提供關于手指位置相對于IACK小鍵盤表面的位置定位信息，來提高對IACK組合按鍵操作的解釋精度，如前面所討論的一樣。在第二種模式下，它被用于對連接到小鍵盤上的產品的屏幕上的圖標進行定位。作為實例，用戶可以通過觸摸一個按鈕(未畫出)有效地在“鼠標模式”于“小鍵盤模式”鍵進行切換。用戶可以有選擇地關閉IACK小鍵盤的組合按鍵功能或獨立按鍵功能，這具有其它的優點例如在游戲應用中，可以將組合按鍵設定為方向功能；對于肌肉紊亂的癱瘓病人，可以使得選擇功能更容易實現；等等。
在某些結構中，位置測量系統20的輸入和輸出線與常規的按鍵開關矩陣5被優化為綁定在一起，從而使得引腳數目最小，或者作為實例，甚至不會在常規的小鍵盤獨自所需的全部引腳之外增加引腳數目。
參見圖2和3，虛線是包含在PCB之內的跡線，用虛線表示，在PCB表面的跡線用實線表示，連接兩層的通路或者孔用點表示。集成的垂直陣列23被放置在PCB 12的表面(為了減少通路的數目)，形成了按鍵開關矩陣5的一半，以及位置測量系統的垂直陣列。同樣地，集成的水平陣列25形成了按鍵開關矩陣5的另一半，以及位置測量系統的水平陣列。在這種情況下，陣列25被放置在PCB 12之內。開關網格墊片18被放置在陣列23和25的每個交點，每個都由PCB表面上裸露的元件互相交叉排列形成，因此形成了用于位置測量系統20的容性網格元件，其內集成了多個開關網格墊片的一半。圖3中的每一列表示墊片18的不同設計。最左側的列表示了用接觸元件開關形成的網格墊片18，設計為使用圓頂觸點開關技術。左數第二列表示用單獨通路形成的交叉墊片。最右側的列表示了第一元件19(每個網格墊片中畫出三個)，用放置在陣列23最左側的元件的PCB表面上的短垂直元件互相連接，以及放置在陣列23另兩個元件的PCB內部的短垂直元件。第二元件21與第一元件19互相交叉，用集成的水平陣列25通過關聯的孔或通路彼此連接。在每種情況下，開關網格墊片18的元件相對于位置測量系統的元件對稱放置，因此提供了具有自我消除能力的信號，盡管集成了按鍵開關矩陣，但不會損害位置測量系統20的精確性，因此能測量出獨立于手指接近開關的方向的一致輸出。
輸入31包括注入集成的水平陣列25的信號，輸出33包括被集成的垂直陣列23接收的信號。因此，微處理器或模數轉換器所要求的、達到信號輸入微處理器條件的全部引腳數目與常規按鍵開關矩陣單獨需要的相同。
穿越開關網格墊片18的寄生電容的變化也可以被用于檢測手指或導電小球的靠近或接近。作為實例，這可以提供用于解決模糊性的附加信息。
在圖4所示的小鍵盤中，IACK元件10上沒有圖1表示的實施例中的導電小球，但是被替換為涂有一種力敏材料13，例如導電的非接觸顆粒。例如，材料13可以是諸如那些產生量子隧道效應的材料，該效應由英國達拉謨郡的Peratech Limited of Darlington發現。
在圖5所示的實施例中，IACK小鍵盤沒有用常規的按鍵開關矩陣實現。位置測量系統20提供了圖標控制與小鍵盤輸入功能。電容測量的高度非線性以及設備所具有的判定任何給定用戶的最大限度的能力，和通過對最近的交點的測量來判定手指的延伸的能力，允許這個實施例無需任何獨特的小鍵盤開關矩陣就可以工作。如果手指接近，從而增加了測量的電容的幅值，按照一個相對尺度，系統通過比較相鄰的交點來確定手指的近似尺寸。這就是說，由于手指運動的軌跡從一個位置到另一個位置穿過小鍵盤，穿過多個節點，當手指在高度上沒有發生充分的變化時，在這些位置形成了電容值高低變化范圍。然后將這個范圍與參考值比較，例如絕對尺度的查閱表，形成了人手指的尺寸，并因此確定一個適當的電容測量水平，用于測量識別預計的輸入(例如，按下一個鍵區)，這是在達到適當的預期輸入門限時根據手指的位置以及手指的尺寸做出的。
在圖6所示的實施例中，集成的水平陣列25被放置在PCB 12之內，垂直陣列23被放置在IACK元件10的下表面，陣列最好印上導電油墨。水平陣列25也可以被放置在PCB 12的表面上，用一個薄的非導電層覆蓋，不導電層可用諸如0.01英寸的KAPTON材料(一般的聚酰亞胺)形成，可從DUPONT獲得該材料。該圖表示的實施例相對于圖5表示的實施例的優點是提高了激活的按鍵上測量的電容變化。如果手指穿過IACK元件10的表面移動(而不按壓按鍵)，裝置測量到的寄生電容變化提供了坐標位置信息。在小鍵盤模式下按壓期望的字符時，由于電容陣列的跡線會彼此相對移動，會引起更大的電容變化。這種電容的高度變化與那些測量到的寄生電容的量級(order)不同，因此可以清晰地表示預計的按鍵激活。然后，通過在大的指示性激活的變化之前測量到的寄生電容變化，系統對識別出的字符進行登記。因此，使用的兩種測量系統互相配合，提供了特別健壯的(robust)圖標控制及小鍵盤系統。這種設計的一個附加優點是，盡管提供了附加功能，它可以被配置為比常規的小鍵盤矩陣需要更少的微處理器引腳。例如，陣列跡線的數目、布置和間距無需與某些實施例中的小鍵盤的鍵區相符，象在圖中陣列23中最右側的元件的布置所示意的那樣。作為實例，電容網格的間距可以比相鄰的獨立鍵區的間距大。
圖7A表示了具有觸點元件的小鍵盤，觸點元件由一個變高類型的壓電裝置30陣列形成，如在美國專利第5,781,646、5,849,123、和5,831,371所公開的那樣，包含在此。作為它的應用的推論，本實施例為裝置增加了能量以及高度的觸覺反饋。然而，這個實施例可以展示出與單獨組合按鍵輸出關聯的多個觸覺“點按”。圖7B表示一個裝置30陣列，通過在整個IACK元件之下及位置測量系統20之上放置一個單獨的壓電元件32形成。這個實施例可以提供多個優點，例如對組合按鍵輸入能夠提供單獨的“點按”，以及通過正確地激活現有技術中詳細介紹的位置/電壓變換器元件32，能夠提供“已接收的通話”的顫音信號。
圖8表示帶有例如由加利福尼亞的Interlink of Canmarillo提供的力敏電阻32a的小鍵盤，力敏電阻被放置在IACK元件10與一個機械襯背33之間。觸點元件被設計得非常容易按壓，被一個有在預先確定的壓力作用下打開的閥門的風箱取代，或者如圖所示的那樣整個被去除，由于觸覺反饋由振動元件40提供，它通過控制器42被短暫激活以表示接收到了從小鍵盤發出的輸出。圖示的振動元件40是一個振動電機，例如常被用于電話、尋呼等的，以指示一個接入的通話或尋呼。
圖9表示了一個IACK小鍵盤的PCB 12，用一對電子跡線69a和69b為矩陣中所有的開關提供接觸。
現在參見圖10和11，IACK元件上裝配了導電小球16，帶有十字交叉形的平坦的外部接觸表面16a，十字交叉中支架17的末端52朝向相關的組合鍵區3延伸。作為實例，每個小球16被放置在小鍵盤的獨立鍵區2的正下方，在延伸的方向上延伸出一個距離d1，d1相當于從導電小球16的中心到其延伸到的組合鍵區3的中心的距離d2的約百分之40。在這個實施例中，每個末端邊緣52都大約沿著連接最靠近的觸點元件14的中心的線段放置。其余的導電小球16的邊緣最好從每個相鄰的觸點元件至少移出觸點元件點擊長度“s”的一半，其中“s”定義為觸點元件14在導電小球16之外延伸出的垂直距離。接觸區域67是獨立鍵區的區域，在操作中充當按鈕，在這個意義上，它們將操作者手指的力傳遞為小鍵盤表面的彎曲，而且不包括與那些操作者手指偶然的、無負載的接觸達到的區域。因此，在對單獨的獨立鍵區進行操作過程中，接觸區域67傳遞了用戶提供的幾乎全部(例如，百分之九十)的負載。接觸區域67與優選的小球形狀之間的關系用圖20A和20B解釋。圖11中所示的小鍵盤的裸露的上表面與圖28所示的鍵區輪廓對應。
圖12和13示意了一種不同結構的導電小球16。在這個實施例中，每個小球形成了一個延伸的十字交叉，十字交叉的支架17向組合鍵區3延伸得比圖10和11所示的實施例還遠。在這個實例中，十字交叉的支架17向相鄰的組合鍵區3延伸出一個距離，大約為從導電小球16的中心到組合鍵區3的中心的距離的百分之75，末端支架邊緣52放在相鄰的觸點元件14之外。這可以用來產生重要的優點，可以用圖20對此進行解釋。每個小球的中心區域54大體上是平坦的，并與小鍵盤平面平行，支架17相對于平面成大約10到20度的錐度。其余的導電小球邊緣從觸點元件14至少移出點擊長度的一半，其中點擊長度如對上面的圖11中所討論的進行定義。
圖14表示了一種固體導電材料形成的薄層(sheet)58的側視圖，圖12和18所示的導電小球16可被壓入其中，作為在鑄成的IACK元件10的表面上印刷導電油墨的替換方案。薄層58可以用海綿狀碳涂層或彈性塑料材料或者其它印刷上的導電材料形成，用擠壓或者其它方式進行鑄造，形成圖示的具有波浪形表面的一個或多個交叉點。然后，一個個小球被壓入或從這樣的薄層中沖壓而成。被壓入的小球具有對稱性，使得小球在制造過程中可以朝上或朝下，彈性材料遵從調節的需要，因此使制造過程容易進行。
圖15示意了用于圖12所示的實施例中的導電小球16的開關網格墊片18結構，在網格墊片之間的組合鍵區3中放置了發光二極管56。
現在參見圖16和17，IACK元件10上帶有放置在組合鍵區3之下的觸點元件14。圖示的導電小球16在獨立鍵區2之下。在這個實例中，小鍵盤的上表面如圖29所示。優選地，末端拐角52應呈現為相對組合鍵區3分開的平直邊緣。在這個實施例中，選擇了被斜切的直角形拐角。作為實例，每個小球16被放置在小鍵盤獨立鍵區2的正下方，在連接相鄰的鍵區中心的線上，在延伸的方向上延伸出一個距離d1，d1相當于從導電小球16的中心到其延伸到的組合鍵區3的中心的距離d2的約百分之40。圖17所示的小鍵盤的裸露上表面與圖29所示的鍵區輪廓對應。
與圖12和13類似，圖18和19表示朝向組合鍵區3延伸更遠的小球16，但是小球的外圍區域從PCB 12上傾斜。在這種情況下，如圖示，小球16有一個平坦的、水平的中心區域54，但是在其它實施例中(未畫出)，小球16的整個接觸表面是傾斜或者曲線形，以產生期望的結果。觸點元件14如上面所述。
圖20A和20B示意了小鍵盤覆蓋層的彎曲，引起與被壓下的按鍵2a關聯的小球16a產生與PCB 12的接觸，而相鄰的、與另一個鍵區2b關聯的小球16b相對于PCB有輕微的傾斜，但不會產生接觸。如前面的圖所示，交叉點就在小球的主軸上。圖20A所示的小球與在圖10和16所示的實施例的相同，而圖20B所示的小球按照圖12和18所示的實施例那樣傾斜。如果用戶需要印在鍵區2a的字符，她就要使小球16a與PCB 12接觸；如果她需要印在鍵區2b的字符，她就要使小球16b接觸；如果她需要印在它們之間的組合鍵區3的字符，她就要使小球16a及16b與PCB 12產生有意義的擠壓。在所有實例中，獨立鍵區2b都被輕微地彎曲了，部分原因是形成它們的共用的膜的彎曲引起的必要連帶，部分原因是正常使用時固有的不精確性。因此，如果向組合鍵區延伸的兩個小球的相對邊緣分開得太遠，則很小的指尖都可能引起對應于組合鍵區的小鍵盤表面的彎曲，而不用按下兩個小球，因此不會對期望的組合鍵區進行登記。相反地，如果兩個直接相鄰的獨立鍵區之間的小球的相對邊緣靠得太近，當用戶僅僅按下一個單獨的獨立鍵區時，可能會意外地引起對相鄰獨立鍵區的點擊，從而錯誤地登記了一個組合鍵區輸入。示意的實施例通過有效地制作小球的大小而解決了這個難題。如圖20B所示，通過使小球的接觸表面的末端區域傾斜，它們可以被制作得更大，因此能對小的或大的手指提供可靠的操作。這種改進還有助于使獨立鍵區2能被制作的相對較小，同時允許小球保持為相對較大。
圖21示意了一個二維等間距的觸點元件陣列14，每個都被放在與兩個相鄰的獨立鍵區2關聯的小球16之間接近中點的位置。在這個實施例中，觸點元件14為細胞形，但是應該理解的是，不同于這個特殊形狀的形狀能夠提供近似相同的非線性按擊作用。觸點元件形成了一個交替排列的陣列，觸點元件之間的每個空隙內或者容納一個與獨立鍵區2關聯的小球16，或者容納一個與組合鍵區關聯的空格。每個獨立鍵區與組合鍵區(即，每個觸點元件的空隙)相對于相鄰的觸點元件數目和它們的接近程度平等配置，從而使得用戶從獨立與組合鍵區的激活體會到類似的觸覺響應，因為在每一種操作過程中按壓了相等數目的觸點元件14。在這個示例中，導電小球16表示為環形圓盤，但是也可以做成上述的其它形狀。
相反，圖22所示的實施例中，每個組合鍵區3的觸覺反饋由四個平均間隔的相鄰觸點元件提供，而每個獨立鍵區的觸覺反饋主要由一個單獨相關的、位于獨立鍵區2正下方的觸點元件14提供。每個觸點元件14包圍一個關聯的導電小球16。這種排列方式被配置為如果特殊的應用需要，可提供比獨立按鍵的激活力大將近四倍的組合按鍵的激活力。然而，對于許多應用，期望為所有的鍵區提供類似的觸覺反饋響應，例如在圖2和21所示的實施例中提供的，其中每個觸點元件14被放置在兩個相鄰的獨立按鍵開關的接近等距的位置。在這種情況下，觸點元件14可以是十字交叉形。
圖23表示用于執行移動電話功能的移動電話控制電路的示意圖，包括在此公開的那些小鍵盤控制算法。在它的核心是一個電話處理器89，例如可從加利福尼亞的Mobile Link of Santa Clara獲得的芯片ML20xx。閃存90、靜態隨機存取內存91和液晶顯示屏92通過總線連接到芯片89的ARM RISC(精簡指令集計算機)處理器95上，該處理器提供用戶接口和協議程序。導線將系統連接器93、SIM(用戶標識模塊)94和小鍵盤100連接起來。位于芯片89上的一個Oak數字信號處理器(DSP)通過麥克風97和揚聲器98提供處理語音的物理層，其中語音中雙波段RF單元96發送及接收。
現在參見圖24，模具對(mold half)44中包括一個固定板15，規定了孔洞46，用來鑄造每個觸點元件外表面的；以及一個移動板47，帶有大約為圓錐形的凸出48，形成觸點元件的內表面，該模具用來形成IACK小鍵盤的下表面，其上帶有如圖14所示那樣的一體鑄模的觸點元件。當樹脂被注入時，兩個模具盤被扣在一起并冷卻，然后分離，使得鑄成的觸點元件從孔洞46中移出。在板45上也提供孔洞48，在鑄造過程中，作為插入物支撐導電小球。如果孔洞46垂直于樹脂流的交叉點下降到朝向孔洞末端的區域，移動板47和固定板45可能永遠結合在一起，使得無需分離模具對就可以將鑄成的觸點元件從它們的空洞中推出。
圖25表示了一種小鍵盤的觸覺反饋結構，小鍵盤上帶有一個直線導軌62陣列，鑄模在普通基板63上，并相對于基板以接近60度的角伸出。可選地，導軌62可以是帶狀或曲線形，像蛇那樣穿過基板63的表面彎曲。這個實施例在整個IACK小鍵盤表面上提供了非線性的觸覺小鍵盤反饋。用一種膠將基板粘到印刷電路板上，孔65提供了小鍵盤的小球與PCB接觸的空間。或者，導軌可以全部或部分地與彈性小鍵盤覆蓋層的下表面一體鑄模而成。將導軌的末端粘貼到(小鍵盤或PCB上)相反的表面，防止在溫濕度變化下IACK小鍵盤的中心發生變形，同時向反饋元件的末端提供穩定的參考。
圖26表示帶有觸覺反饋元件210的小鍵盤的側視圖，觸覺反饋元件是用放在覆蓋層10和PCB之間的沖壓金屬膜形成的。薄膜210被沖壓形成從平面擴展出得拱形段212，形成了觸點元件。在這個實施例中，薄膜的后表面與IACK元件10的后背面對面接觸，拱形段的末端部分靠近PCB 12。如圖27所示，拱形段212在沖壓出的孔214之間按照行與列排列，提供了導電小球16到PCB 12的通路。
下面參考圖28，符合友好的人體工程學的IACK小鍵盤80上有一個連續的波浪起伏的表面，小鍵盤上明顯地沒有將組合鍵區3表示為獨立鍵區2的可見空隙。取而代之的是，組合鍵區以完全獨立的實體存在(盡管它們在功能上仍為空隙)。沒有可視的部件擴展到可視的組合鍵區3來指示與獨立鍵區布局的任何聯系。在這個實施例中，組合鍵區具有光滑的輪廓，可見的橢圓邊界的區域，每個上面都有放在中心的圖標。獨立鍵區2未被描繪出，因此提供了視覺上清晰且簡明的文字環境，提高了易讀性，通過利用主要的圖形元素可以形成常規的電話按鍵布局。圖形元素可以被輕輕壓入，和/或用“雙鏡頭”成型過程制造，其中定義組合鍵區3的元素(或者單獨的常規的電話布局)首先用一種顏色鑄模，小鍵盤的其它部分用第二種顏色鑄模。
圖29表示一個IACK小鍵盤82，其中組合鍵區3被最大化為圓形或橢圓形區域，獨立鍵區2由放置在它們之間的空隙內的菱形64形成。如圖28，這個實施例中沒有將組合鍵區表示為獨立鍵區的交點。取而代之的是，組合鍵區呈現為獨立的實體。在與組合鍵區3相關的擴張出的圓形或橢圓形區域被壓出一個碗形，在它們中心的深度大約為0.10到0.50毫米，測量是從它們的邊緣處相對尖銳的變化所定義的中性平面進行的。再參見圖示19，上升的部分是菱形凸點64，在中性平面上延伸出大約0.30到1.0毫米。因此，從菱形凸點64的頂端到表示組合鍵區3的圓形或橢圓形區域的底端的整個距離d3大約為0.7到1.5毫米。凸點64的頂部主要是平坦的，由少許的彎曲。組合鍵區218上裝配了一對觸覺定位節點101，例如在許多標準小鍵盤中用于指示數字“5”。另外，剛好在組合鍵區的小鍵盤網格外側，從小鍵盤的遠端數過來的第四和第五行之間(即與第五行獨立鍵區排成一行)，放置了兩個附件的定位節點103。這些定位節點可以用于在黑暗中輔助使用小鍵盤時或者視力受損者進行觸摸定位。
圖30表示了與獨立按鍵關聯的下層網格，用在小鍵盤覆蓋層下方的開關矩陣確定，用虛線表明在裸露表面沒有對這個功能網格進行操作者可見的描繪。取而代之的是，覆蓋層的表面上有一個獨立和組合鍵區形成的矩陣，用為與下層網格排列在一起的圖形或敏感部件定義。每個虛線框定義了一個關聯的獨立按鍵網格空間。相反，組合按鍵網格空間在連接獨立鍵區的網格線之間定義。
圖31到33表示一個IACK小鍵盤10，帶有用組合鍵區3構成的數字列形成的常規電話布局。用一個由不相關的字符形成的列74(在此圖示為標點符號？、@、-、/)將第一數字列70(帶有1、4、7、*)與第二數字列72(帶有2、5、8、0)分開。在第二和第三數字列間，用)、、’和.形成的第二標點列對這種模式進行重復。相鄰的組合按鍵列(例如70和74)的圖標區域的寬度為不同尺寸，從寬(列70)到窄(列74)變化。通過直接相鄰的獨立鍵區2(圖32)的交叉部分表示一個規則的鍵區間距，通過直接相鄰的組合鍵區3(圖33)的交叉部分表示另一個鍵區寬度。優選地，表示直接相鄰的獨立鍵區2之間的間距的寬度“X”大約為人手指寬度的一半或稍小些，圖標區域的顏色用于識別交替的列中的字符，例如從暗到亮對比。
圖34表示一種IACK小鍵盤，帶有的獨立鍵區2形成的列和組合鍵區3形成的列沿著相對于用戶(即相對于由圖標方向定義的標準小鍵盤方位)偏轉45度角布置。相對于某些早期的小鍵盤實現方法，這個實施例將在一條水平線上(如標準的小鍵盤方向定義的)能夠布置的可獨立激活的按鍵個數提高了接近百分之40，因此明顯地減小了小鍵盤產品的寬度，特別是圖示的常規QWERTY布局。
圖35表示用于解釋長字符串形式(LSC)的輸入的改進方法，例如電話號碼、密碼、個人識別號碼(PIN；用于識別個人優先獲取系統提供的訪問或服務的代碼)，等等，利用了上面公開的IACK小鍵盤的能力來同時檢測任何獨立鍵區組合的即使是不相鄰的鍵區的輸入。這個方法的優點在于，提供了安全而且快速地輸入數字代碼的方法，它的應用例如提供訪問網站及其它用電話進行的服務和內容；在PIN之前輸入自己的電話號碼以訪問語音郵件；等等。這些算法被稱為LSC功能，適用于同時滿足下述需求1)產生足夠復雜的輸入以提供合理等級的安全性；2)在很多不同的應用中，滿足PIN訪問代碼的最小需求；以及3)允許幾乎同時輸入的LSC，無論是由用戶定義還是由系統定義。
在步驟100中，系統掃描小鍵盤的電子設備，指示在任何特定時間被按下的兩個或多個獨立按鍵。在步驟102中，按照系統識別出與所敏感到的組合對應的已定義組合按鍵的順序，系統顯示字符，例如在本地顯示屏上。優選地，用戶無需分開執行任何獲取LSC功能的任務；為了在一個預先確定的時間內提示系統獲取LSC功能，簡單地按下一個由至少兩個不相關的獨立按鍵形成的未定義組合。如果系統檢測到一個未定義組合，系統繼續進行步驟104。如果在識別出一個為定義組合之前，系統剛剛登記了一個單個或組合按鍵，而且沒有登記“鍵結束”(即用戶沒有停止按小鍵盤)，則系統取消輸入的前一個字符。
在步驟106中，系統判斷未定義的組合是否對應于一個已存儲的LSC。如果此前存儲過，則在步驟108中，系統將關聯的LSC送至顯示屏。如果此前未定義的組合沒有被存儲為對應的LSC，在步驟110中，當敏感到未定義的組合時系統判斷有多少個字符被登記入顯示屏。如果字符被登記，但是對于有效的PIN數目而言太短(例如，一個或三個)，則系統提示用戶PIN必須為至少四個字符長度，并在步驟100中繼續掃描小鍵盤。
如果在顯示屏上沒有字符，則根據提供的輸入系統著手產生一個偽隨機LSC。在步驟111中，系統對獨立的按鍵輸入(在這個實施例中，當建立已定義組合時，組合按鍵不按它們的含義讀出)進行排序為與敏感到的單獨按鍵輸入的順序無關的、預先決定的順序。一種這樣的順序為按字母順序。另一種(包括標點符號)為按照ASCII值排序。這個順序可能改變了由系統獲取的按鍵的順序。在步驟112中，系統產生一個LSC串，最好全都是數字并且至少為8個字符長度。如果ASCII值形成的簡單的串引起過短的LSC，數字可以被加到一起，結果被增長。可以用多種方法從一系列輸入產生一個合適的偽隨機數字序列。如果結果太長，可以被截短。
在可選的步驟114中(例如，若正在進行一次電話通話時使用)，通過檢查呼叫者的ID，或者在存儲的地址簿中簡單地搜尋其它組的身份，系統判斷其它組的身份。在步驟110中，如果判斷出用戶已經在顯示屏上輸入一個有意義的LSC，(在這個實例中為四個或更多)，則系統將這個為定義的組合存入內存，使得將來能在步驟108中提供相關聯的LSC。在步驟118中，LSC被送入顯示屏92，無論是由用戶定義的還是由系統定義的。在系統定義LSC的情況下，將傳遞一個參考識別碼，例如”PIN#3”，或者(如果完成了步驟114)一個特定用戶識別碼，例如”Bank X PIN”。
圖36表示了一個嵌入電話內的算法，按照標準12鍵電話鍵盤指示的對應關系(即標準電話小鍵盤的字母-數字對應關系，如圖37所示)，提供了從字母按鍵的輸入到數字按鍵輸出的逆映射，這使撥用字母形式提供的電話號碼的任務得以簡化，例如”1-800-PATENTS”。由于它們容易被記憶但難于撥出，這樣的號碼一直令人為難。然而，逆映射特別適應IACK小鍵盤，因為盡管它們提供了一個電話小鍵盤，在許多示例中，它們沒有提供在字母和數字字符鍵的對應關系。
在步驟120中，用戶向電話輸入字母數據。這可以用常規小鍵盤、IACK小鍵盤或者語音完成。在步驟122中，通過按下一個按鍵或說出一個預先設定的單詞，用戶發出期望“撥出”一個電話號碼的信號。步驟120和122可以交換順序，特別是在用語音的情況下。在步驟124和126中，可以按照任何順序，電話不作修改地傳遞號碼，通過圖37所示的標準字母電話的對應關系對字母字符進行重新映射。例如，當”A”、”B”或”C”中任何一個字母被按下，輸出為數字”2”。在步驟128中，算法的輸出為純數字，全部由數字的組合形成。
圖38表示一個彈性材料層122，在整個IACK小鍵盤表面用離散元件222提供觸覺反饋，彈性元件與小鍵盤裝配在一起，在覆蓋層與底層之間延伸而成。這些元件222在相對于基板220垂直的方向上延伸(如圖示)，在覆蓋層朝底層壓下或者傾斜時，工作在純粹點擊的模式下。元件222可以是固體圓柱體或者垂直的圓筒。
圖39表示了與從IACK元件分離開的公用層61一起鑄造的觸點元件14。觸點元件14是錐形，它們的窄端230朝向下方，遠離覆蓋層10。在窄端230提供了附加的厚度，形成一塊材料，來提高“點觸性”或者由原定提供的觸覺反饋的清脆的感覺。
圖40表示一種掃描算法，能夠支持時鐘特別慢的掃描速率，從而節約了能量。只要小鍵盤上的一個按鍵被激活，掃描就被限于相鄰的按鍵。如果在等候時間內第二個按鍵開關被激活，則系統近搜索被激活的一對開關的上面和下面(相鄰的)的行(或列)。這個過程一直繼續，直到在等候持續的時間內激活一個單獨按鍵，或者直到檢測到相反的對角線。
圖41表示一個印刷電路板12，在小鍵盤網格區域內有與板的輪廓成45度角的跡線226。虛線代表與圓頂觸點開關228的中心環連接的跡線。實線代表連接到那些開關外環的跡線。由于位于相鄰的反向對角線的單獨的按鍵定義了組合按鍵，這種布局提供了簡化的識別算法。這種硬件改變了對軟件的重新定義，使得相鄰跡線的同時輸出表示組合鍵區的輸出。
在圖42中，獨立鍵區2形成的行依照半徑”R”定義的弓形傾斜分布，從而有助于識別接觸引起的穿越小鍵盤的位置，而它們對應的按鍵開關墊片18仍然沿垂直分布的行與列排列，在特定列上獨立鍵區2的中心與它們的開關墊片18之間引起一個垂直的偏移”L”。在正向視圖中，在最左和最右側的列中，獨立鍵區在它們開關墊片之上稍微一點，而在中間的列中，形成反向的偏移。這使得開關矩陣間距保持恒定，即便如此，對角線上相鄰的獨立鍵區之間的間距為變化的。
現在參見圖43和44，移動電話250中包含了圖29和30所示的小鍵盤覆蓋層82，以及用于顯示字母文字的顯示器92。
盡管介紹了本發明的多個實施例，需要理解的是在不背離本發明的精神和范圍內可以進行各種修改。因此，其它的實施例落在本發明的范圍內。
權利要求
1.一種IACK小鍵盤，在交替排列的列中定義了組合鍵區和獨立鍵區，通過與所述獨立和組合鍵區關聯的圖標定義了標準的定向，其中根據小鍵盤的標準定向，交替的列沿著一條傾斜一個角度的直線排布。
2.根據權利要求1的IACK小鍵盤，其中所述角度約為45度。
全文摘要
一種IACK小鍵盤上帶有一個底層，上面帶有敏感元件陣列，其被排列為對小鍵盤操作做出響應而改變狀態，一個放置在上述底層之上的柔韌的覆蓋層，有一個裸露表面，定義了獨立鍵區陣列，以及在相鄰的獨立鍵區之間的空隙內定義的組合鍵區；和一個離散觸點元件陣列，在覆蓋層與底層之間擴展并將覆蓋層從底層分開。
文檔編號H01H13/702GK1912810SQ20061012563
公開日2007年2月14日 申請日期2001年5月22日 優先權日2000年5月22日
發明者戴維·利維 申請人:數字無線有限責任公司