Технологии клавиатур

Обычно мембранная клавиатура состоит из трёх слоёв. На верхнем нанесены надписи и токопроводящие дорожки. На среднем слое отверстия в местах клавиш. На нижнем слое — токопроводящие дорожки. Когда пользователь нажимает на клавишу, он продавливает мембрану, и дорожки замыкаются.

Мембранные клавиатуры обычно имеют плохой отклик, поэтому нажатия подтверждаются миганием или звонком. Они часто используются на кухне, в медицинском оборудовании и в прочих местах, где требуется полная герметичность. Хотя плёночные клавиатуры использовались в первых компьютерах (Sinclair ZX80, БК-0010), в современных компьютерах используются более удобные резиномембранные клавиатуры.

• Цена: крайне низкая
• Тактильная отдача: крайне слабая
• Ход: не более 1 мм
• Жёсткость: мягкая
• Быстрая печать: затруднительно
• Герметичность: да
• Ресурс: средний
• Шум: бесшумная
• Толщина: 1−2 мм

На листе тонкой жести или прочной пластмассы выдавливают клавиши. Клавиши продавливаются с характерным «щелчком», обеспечивая полную герметичность и неплохую тактильную отдачу. Применяются повсеместно в бытовой технике и медицинском оборудовании.

• Цена: низкая
• Тактильная отдача: хорошая
• Ход: порядка 0,5 мм
• Жёсткость: жёсткая
• Быстрая печать: невозможна
• Герметичность: возможна
• Ресурс: средний
• Шум: шумна
• Толщина: от 2 мм

Также существуют купольные клавиатуры с пластмассовыми или резинопластмассовыми толкателями; они улучшают тактильные характеристики купольных кнопок и применяются, например, в мобильных телефонах. Ручные мини-клавиатуры типа Rii i8 также обычно металлокупольные.

Такую клавиатуру можно свернуть в рулон.

Клавиши резиновой клавиатуры отливаются из резины (иногда приклеивается пластмассовый колпачок). Внизу к клавишам приделан пятачок из проводящей резины, который замыкает контакты. Очень тихие и применяются, например, в телефонах, телевизионных пультах и игровых контроллерах. Сворачивающиеся в рулон компьютерные клавиатуры являются именно резиновыми.

Если нужно, чтобы клавиши двигались без перекосов даже при нажатии на край, используют пластмассовые толкатели в глубокой шахте. Так действуют многие современные игровые контроллеры.

• Цена: крайне низкая
• Тактильная отдача: посредственная
• Ход: 1…2 мм
• Жёсткость: средняя
• Быстрая печать: затруднена
• Герметичность: возможна
• Ресурс: низкий
• Шум: малошумная
• Толщина: от 3 мм

Резиномембранная клавиатура: резинки и плёнки

Устройство ножничного механизма. Такой есть во всех ноутбучных клавиатурах.

Главный недостаток резиновой клавиатуры — для чёткого замыкания требуется сильный прижим, причём на изношенной клавиатуре этот прижим сильнее. Эта проблема по большей части решается в клавиатурах, в которых совмещаются принципы работы мембранной и резино-купольной клавиатуры. Впервые патент на подобную клавиатуру был получен в 1982-м году фирмой Texas Instruments[1].

Большинство компьютерных клавиатур, кроме самых дорогих настольных и миниатюрных ручных, являются резиномембранными. Клавиша современной клавиатуры состоит из толкателя (на манер механической клавиатуры), резинки (на манер резиновой) и трёх плёнок (на манер мембранной). В настольных клавиатурах толкатель расположен в особого рода шахте и этим защищён от перекоса. В ноутбуках, где требуемая толщина клавиатуры — единицы миллиметров, клавиша двигается без перекосов с помощью ножничного механизма. Отдельные производители предлагают ножничные клавиатуры и для настольных компьютеров[2].

Надлежащая кривая отклика моделируется с помощью сложной формы резинки. На кривой есть три участка: 1) резинка сопротивляется, усилие среднее; 2) резинка продавлена, усилие низкое; 3) палец резинки упёрся в плёнку, клавиша нажата, усилие высокое.

Ножничные клавиатуры дороже и сложнее в разборке, чем шахтные, но и меньше загрязняются из-за узких щелей[3]. В маркетинговых материалах принята такая классификация: резиномембранная традиционной конструкции (шахтная) — «мембранная», резиномембранная ножничная — «ножничная».

• Цена: средняя
• Тактильная отдача: хорошая
• Ход: 0,5…4 мм
• Жёсткость: средняя
• Быстрая печать: возможна
• Герметичность: нет
• Ресурс: средний
• Шум: средний
• Толщина: около 6 мм[4] для ножничной, от 15 мм для шахтной[5]

На плате нанесены два проводника, на толкателе расположен третий. Эти три проводника являются, по сути, двумя последовательно соединёнными конденсаторами. Клавиатура реагирует не на замыкание, а на изменение ёмкости и потому срабатывает при неполном нажатии.

• Цена: высокая
• Тактильная отдача: зависит от типа возвратной пружины
• Ход: любой удобный, распространённые модели дают точку срабатывания 1,5-3 мм
• Жёсткость: зависит от типа возвратной пружины
• Быстрая печать: отлично
• Герметичность: нет
• Ресурс: высокий
• Шум: зависит от типа возвратной пружины

«Синие» выключатели производства Cherry

В механических клавиатурах под каждой клавишей располагается настоящий выключатель с металлической пружиной и металлическими контактами. Отклик зависит от типа выключателя — бывает как «линейный» геймерский, так и «проваливающийся» для машинисток. Современные клавиатурные выключатели далеко ушли от традиционных микропереключателей, и момент срабатывания обычно где-то в середине хода. Наиболее известная из механических клавиатур — «IBM Model M».

IBM Model M является клавиатурой с т. н. «изгибающейся пружиной» (buckling spring)[6] (U.S. Patent 4 118 611). Механизм состоит из пружины и молоточка, который замыкает ёмкостный или плёночный выключатель[7]. Такая клавиатура, несмотря на громкий щелчок, любима многими профессиональными машинистками: это единственный тип клавиатуры, где щелчок привязан к моменту срабатывания. В 1993, после того, как Lexmark откололся от IBM, «голубой гигант» передал производство клавиатур дочерней компании. В 1996 году компания Unicomp приобрела патент и продолжает заниматься продажей и ремонтом клавиатур «Model M».

• Цена: высокая
• Тактильная отдача: хорошая
• Ход: обычно 3…4 мм
• Жёсткость: зависит от типа возвратной пружины
• Быстрая печать: отлично
• Герметичность: нет
• Ресурс: высокий
• Шум: зависит от выключателей, от среднего до очень громкого. Выключатели менее шумные, чем обычная мембранная клавиатура, редки, но есть.
• Толщина: от 20 мм[8]

Используется геркон или эффект Холла.

• Цена: очень высокая
• Тактильная отдача: очень хорошая
• Ход: любой удобный, от 1 мм и более
• Жёсткость: мягкая
• Быстрая печать: возможна
• Герметичность: да
• Ресурс: высокий
• Шум: высокий

Лазер проецирует на стол изображение клавиатуры. Такую клавиатуру можно носить вместе с карманным компьютером или смартфоном, у многих моделей есть сматывающийся шнур или радиомодуль. Проекционные клавиатуры крайне неудобны и используются только ради компактности.

Разработана Харли Келхнером в 1962 году в попытке уменьшить шум от пишущей машинки. Под клавишами располагается сетка световых лучей; нажатая клавиша пересекает два луча (вертикальный и горизонтальный). На первых клавиатурах требовался специальный светозащитный корпус, а нажатие нескольких клавиш не поддерживалось (позже эти недостатки обошли). Это даёт по-настоящему герметичную клавиатуру, к тому же уменьшается объём электронной части, упрощая утилизацию. Оптическая клавиатура дешевле магнитной, и механизмы клавиш могут быть любыми, к каким привыкли машинистки — поэтому удавалось в западных компьютерах отдачу от клавиш делать такой же, как на пишущих машинках.

В необычной клавиатуре Datahand используется оптическая технология, а клавиши держатся в исходном положении магнитами. Когда пользователь преодолевает силу магнита, открывается путь лучу и нажатие регистрируется.

Фотоэлектрическая клавиатура без толкателей (палец перекрывает путь лучу) нередко используется в домофонах. «Клавиши» выгравированы на пластине, а фотоэлементы, хоть и уязвимы для вандализма, расположены в рамке вокруг, заподлицо с поверхностью, и особо не привлекают внимание хулиганов.

Снова оптические клавиатуры вошли в моду в конце 2010-х. Механизмы в таких клавиатурах зачастую сменные — например, WASD могут быть «геймерские» линейные, а всё остальное — со щелчком, как удобно машинисткам.

• Цена: высокая
• Тактильная отдача: зависит от типа возвратной пружины
• Ход: любой удобный, примерно от 1 мм
• Жёсткость: зависит от типа возвратной пружины
• Быстрая печать: отличная
• Герметичность: возможна
• Ресурс: высокий
• Шум: зависит от типа возвратной пружины

Самый простой способ подписать клавишу — нанести изображение краской.

• Цена: от низкой до высокой
• Долговечность: от низкой до средней
• Надпись ощущается: слабо
• Цветовая гамма: произвольная
• Разрешающая способность: высокая (красками, не требующими покрытия, обычно ниже)
• Печать любых надписей под заказ: реализуется отдельными производителями клавиатур

Подсвечиваемые клавиши, как правило, выполняются целиком прозрачными и оформляются вывороткой (чистый текст на закрашенном фоне).

В некоторых мобильных телефонах (Sony Ericsson Z550i) печатают краской на обратной стороне прозрачного колпачка, такая надпись не чувствуется и не изнашивается.

В современных компьютерных клавиатурах бывает два варианта:

• сделать надпись качественной краской ультрафиолетового отверждения (чаще всего используется в дорогих ноутбуках — IBM Thinkpad, Dell Latitude)[14].
• сделать надпись менее качественной краской, но затем покрыть прозрачным лаком. Эта технология чаще всего используется в дешёвых клавиатурах и наименее долговечна. Внешне напоминает печать на плёнке, но это не плёнка.

Для нанесения рисунков краской используется тампонная печать, крайне редко — шелкография.

Иногда краску заливают в углубления на клавише, такая надпись ощущается пальцами, но и долго служит — а после стирания краски рельефная надпись всё ещё продолжает читаться.

В большинстве случаев маркировка краской отличается недолговечностью, особенно при интенсивной эксплуатации в тяжёлых условиях: например, износ крашеных клавиш с подсветкой часто можно наблюдать в автомобильном оборудовании.

Надпись на клавише выжигается лазером.

• Цена: высокая
• Долговечность: долговечно
• Надпись ощущается: зависит от типа лазера и материала; часто неощутима или едва ощутима
• Цветовая гамма: один цвет, зависящий от материала клавиши, как правило, серый
• Разрешающая способность: на 2020 очень высока, 125 и более dpi[15].
• Печать любых надписей под заказ: возможна даже постфактум; в крупных городах существуют службы, способные русифицировать любой телефон или ноутбук.

Многие подсвечиваемые клавиатуры делают из полупрозрачной пластмассы с непрозрачным покрытием, на них новые надписи тоже будут подсвечиваться. Правда, возможна ситуация, когда светодиод подсветки находится, к примеру, сверху от штока, а новая надпись снизу — тогда подсветка будет слабая или вообще никакой. Клавиатурные выключатели производства Omron, применяемые в клавиатурах Logitech, встраивают светодиод прямо в шток.

Краска превращается в пар и оседает на клавише, внедряясь глубоко в пластмассу.

• Цена: высокая
• Долговечность: долговечно
• Надпись ощущается: неощутима
• Цветовая гамма: возможно цветное изображение, но только тёмный на светлом
• Разрешающая способность: невысока, возможны ореолы вокруг надписей
• Печать любых надписей под заказ: постфактум невозможна (нужно специальное покрытие); производители клавиатур, делающие это, неизвестны.

Двухкомпонентные клавиши. Особенности мелкого шрифта; две пластмассы; качественная (но неконтрастная из-за особенностей материала) лазерная гравировка.

Клавиша составляется из двух пластмассовых компонентов. Сначала отливается надпись, потом она помещается в другую пресс-форму, и отливается остальная клавиша.

• Цена: очень высокая
• Долговечность: не ограничена
• Надпись ощущается: на новой клавише едва ощутима, если надпись сложная; на старой может ощущаться граница пластмасс
• Цветовая гамма: один (произвольный) цвет
• Разрешающая способность: низкая; нужны широкие штрихи и округлые шрифты
• Печать любых надписей под заказ: невозможна; каждому языку нужна своя пресс-форма. Однако моддерские фирмы зачастую отливают клавиши с необычными рисунками.

Технология двухкомпонентной отливки доминировала в пишущих машинках и на раннем этапе развития компьютерных клавиатур в 70—80х годах. Многие из недорогих компьютеров 1980-х годов (BBC Micro, Amstrad CPC) использовали именно дорогие двухкомпонентные клавиши[16].

Кроме дорогостоящих компьютерных клавиатур, двухкомпонентная отливка применяется в клавиатурах, подвергаемых интенсивной эксплуатации или используемых в тяжёлых условиях, например, кассовые аппараты или автомобильное оборудование.

Иногда делают и трёхкомпонентную отливку — обычно на клавишах наподобие Num Lock, совмещённых с окошком.

Двухкомпонентные клавиши чаще делают из АБС, чем из ПБТ — последний при застывании сжимается. Но АБС склонен к износу; нанесённая на клавиши шероховатая текстура быстро стирается.

Кроме собственно двухкомпонентной отливки, иногда встречается технология составных клавиш по типу инкрустации, где в клавишу с вырезанным символом изнутри устанавливается вставка с выступающим символом, точно соответствующим вырезанному. Клавиши, выполненные по такой технологии, обычно снабжаются подсветкой, в случае белой полупрозрачной вставки может применяться цветной светофильтр. Внешне и в эксплуатации составные клавиши практически неотличимы от двухкомпонентного литья. Пример современного применения этой технологии — клавиши автомобильных кнопочных переключателей серий 375, 376, выпускающихся с 80-х годов.

В заводских устройствах наклейки используют нечасто, обычно в детских игрушках. Зато существует немало комплектов для самостоятельной русификации компьютеров. Наклейки бывают как прозрачные, оставляющие заводские знаки, так и непрозрачные.

• Цена: невысокая
• Долговечность: низкая. Большинство сортов наклеек стирается и отклеивается.
• Надпись ощущается: да. Хорошая шероховатая текстура у наклейки бывает нечасто.
• Цветовая гамма: произвольная
• Разрешающая способность: высокая
• Печать любых надписей под заказ: возможна даже постфактум, но затруднена из-за ограничений типографий.

Клавиши изготавливаются из прозрачного пластика и имеют полости, в которые помещаются бумажный вкладыш с необходимыми обозначениями. В бытовых компьютерах применяется редко, например — на советском клоне ZX Spectrum — Квант-БК. Зато повсеместно встречается на POS-клавиатурах.

• Цена: невысокая
• Долговечность: средняя. Вкладышу под колпачком ничего не грозит, слабое место — сами механизмы колпачков.
• Надпись ощущается: нет
• Цветовая гамма: произвольная
• Разрешающая способность: высокая (вкладыш можно распечатать на качественном принтере)
• Печать любых надписей под заказ: рассчитана на самостоятельную настройку пользователем.

Каждая кнопка содержит в себе небольшой OLED-дисплей, позволяющий динамически изменять обозначения на клавишах. Пример — клавиатура «Оптимус».

• Цена: высочайшая
• Долговечность: средняя (зависит от долговечности дисплея)
• Надпись ощущается: нет, но приходится делать специальные механизмы клавиш
• Цветовая гамма: произвольная (зависит от возможностей дисплея)
• Разрешающая способность: низкая (зависит от возможностей дисплея)
• Печать любых надписей под заказ: надписи изменяются динамически

Существует также RGB-подсветка, которая несколько дешевле (до 200 долларов) и позволяет пометить разными цветами клавиши, например, движения, управления оружием, чата.

Клавиатурные плёнки. Дорожки на них образуют матричную схему.

Клавиши обычно считываются с помощью схемы, которая называется «матрица кнопок». Есть сетка проводов; на пересечениях находятся кнопки. В настоящей матрице кнопок (например, в джойстиках) последовательно с каждой кнопкой включён быстродействующий диод[17]. В клавиатурах для удешевления диодов не ставят, поэтому одновременное нажатие трёх клавиш A1, A2 и Б1 зарегистрирует замыкание проводов Б и 2. Первые клавиатуры в таких случаях действительно регистрировали фантомное нажатие, во всех без исключения современных контроллерах есть логика защиты от подобного (однако, разумеется, перестают работать все клавиши, для которых нажатие определяется неоднозначно — в данном примере Б1). Современная клавиатура без диодов гарантирует регистрацию одновременного нажатия любых двух клавиш с любой комбинацией кнопок-модификаторов наподобие ⇧ Shift. В играх для двоих этого, разумеется, мало,[18] в Star Control была даже утилита для экспериментирования с одновременными нажатиями. Хорошие производители клавиатур стараются делать, чтобы распространённые игровые комбинации нажимались без проблем.

В дорогих геймерских клавиатурах диоды есть, однако особенности протокола USB HID ограничивают количество одновременных нажатий шестью (плюс произвольное количество клавиш-модификаторов). Использование специализированного драйвера и подключение через PS/2 такого недостатка не имеют. При подключении через USB без специального драйвера такая клавиатура ведёт себя как обычная HID- и потому с лёгкостью «подхватывается» всеми BIOS и ОС.

Некоторые клавиатуры выдают себя за три-четыре клавиатуры. Соответственно, количество нажатых клавиш увеличивается до 18 или 24[19]. Точно так же игровые мыши часто выдают себя за комплект «мышь+клавиатура», чтобы «нажимать» на клавиши[19].

В высококлассных клавиатурах применяются термины:

• 6-key rollover (6KRO) — не конфликтуют любые шесть клавиш (максимум для USB HID).
• N-key rollover (NKRO) — не конфликтует любая комбинация клавиш (если клавиатура для USB, она также должна выдавать себя за две и более клавиатуры).
• Игровая матрица (gaming matrix) — не конфликтуют традиционные для игр клавиши (WASD и подобные).

При нажатии-отпускании клавиши выключатель некоторое время замыкается-размыкается. Хотя дребезг длится сотые доли секунды, этого достаточно, чтобы компьютер зарегистрировал несколько нажатий.

Технологии антидребезга обычно встраиваются в клавиатурный контроллер — после того, как клавиша нажата, она не опрашивается некоторое время, заведомо превышающее длительность переходных процессов. На первых мембранных клавиатурах (ZX81) время антидребезга было настолько большим, что мешало быстро печатать[20].