Технология компьютерных клавиатур включает в себя множество элементов. Было разработано множество различных технологий клавиатур для потребительских нужд и оптимизировано для промышленного применения. Стандартная полноразмерная (100%) компьютерная алфавитно-цифровая клавиатура обычно использует от 101 до 105 клавиш; клавиатуры, встроенные в ноутбуки, обычно менее полны.
Виртуальные клавиатуры , доступ к которым осуществляется в основном через интерфейс сенсорного экрана , не имеют физических переключателей и вместо этого обеспечивают искусственную звуковую и тактильную обратную связь . Эта разновидность клавиатуры может оказаться полезной, поскольку она не ограничена жесткой природой физических компьютерных клавиатур.
Большинство современных клавиатур включают в себя процессор управления и индикаторные лампы для предоставления пользователю (и центральному процессору ) обратной связи о том, в каком состоянии находится клавиатура. Технология Plug-and-play означает, что ее "из коробки" раскладка может быть уведомлена в системе, делая клавиатуру немедленно готовой к использованию без необходимости дальнейшей настройки, если только пользователь этого не пожелает. Это также позволяет производить универсальные клавиатуры для различных языковых рынков, которые отличаются только символами, выгравированными на клавишах.
_--_membrane_assembly_4.jpg/1280px-AppleDesign_Keyboard_(NMB,B)_--_membrane_assembly_4.jpg)
Обычная конструкция мембраны состоит из трех слоев. Верхний и нижний слои имеют открытые электрические матричные следы, а средний слой представляет собой прокладку, которая препятствует пассивному прохождению тока через верхние и нижние проводящие следы. Когда к верхней мембране прикладывается давление, она перекрывает верхние и нижние проводящие контактные площадки, позволяя току передаваться.
Два наиболее распространенных типа мембранных клавиатур включают полноходовые резиновые купольные мембранные клавиатуры и плоские мембранные клавиатуры. Плоские мембранные клавиатуры чаще всего встречаются на таких устройствах, как микроволновые печи или копировальные аппараты .
Клавиатуры с мембранным резиновым куполом полного хода являются наиболее распространенной конструкцией клавиатур, производимых сегодня. В этих клавиатурах резиновый купольный лист размещается над мембранами, обеспечивая выравнивание куполов с контактными площадками. Резиновый купол выполняет двойную функцию: он действует как тактильная возвратная пружина и обеспечивает мягкую поверхность для передачи силы на верхнюю мембрану. Чтобы соединить две контактные площадки, резиновый купол должен быть полностью вдавлен.
Резиновый купол над мембранной клавиатурой стал очень популярен среди производителей компьютеров, поскольку они стремились сократить расходы в то время, как цены на ПК падали.
Распространенным компактным вариантом резинового купола поверх мембраны является ножничный переключатель, основанный на ножничном механизме . Из-за требования, чтобы многие ноутбуки были тонкими, им требуются клавиатуры с низким профилем. Поэтому эта технология чаще всего используется на ноутбуках. Клавиши крепятся к клавиатуре с помощью двух пластиковых деталей, которые сцепляются в «ножничном» стиле и защелкиваются на клавиатуре и колпачке клавиш. Такие клавиатуры, как правило, бесшумны, и для нажатия клавиш требуется небольшое усилие.
Клавиатуры с ножничным механизмом обычно немного дороже. Их сложнее чистить (из-за ограниченного движения клавиш и множества точек крепления), но и в них меньше вероятность попадания мусора, поскольку зазоры между клавишами часто меньше (поскольку нет необходимости в дополнительном пространстве для «покачивания» клавиши, как это обычно бывает на мембранной клавиатуре). [1]
Клавиатуры с плоскими мембранами часто используются в суровых условиях, где желательна защита от воды или протечек. Они могут иметь нетактильные, поликупольные тактильные и металлические купольные тактильные клавиши. Переключатели с поликупольными мембранами используют полиэстер или ПЭТ и формируются для создания жесткого пластикового купола. При нажатии на жесткий поликупол проводящие чернила на задней стороне поликупола соединяются с нижним слоем схемы. Переключатели с металлическими купольными мембранами изготовлены из нержавеющей стали и обеспечивают повышенную прочность и надежность и могут иметь индивидуальный дизайн купола. [2] Нетактильные клавиатуры с плоскими мембранами практически не ощущают нажатия клавиш и часто издают звуковой сигнал или вспышку света при срабатывании.
Хотя такая конструкция клавиатуры широко использовалась на заре развития персональных компьютеров (на Sinclair ZX80 , ZX81 и Atari 400 ), сейчас ее вытеснили более отзывчивые и современные конструкции.
Компьютерные клавиатуры, изготовленные из гибких силиконовых или полиуретановых материалов, можно сворачивать в рулон. Этот тип клавиатуры может использовать преимущества тонких гибких пластиковых мембран, но все равно представляет риск повреждения. Когда они полностью запечатаны в резину, они водонепроницаемы. Сворачивающиеся клавиатуры обеспечивают относительно слабую тактильную обратную связь. Поскольку эти клавиатуры обычно изготавливаются из силикона, они неблагоприятно склонны притягивать грязь, пыль и волосы. [3]
Клавиатуры с металлическими контактными переключателями обычно используют дискретные модули для каждой клавиши. Такие переключатели обычно состоят из корпуса, пружины и слайдера, а иногда и других частей, таких как отдельный тактильный лист или кликбар.
В состоянии покоя металлические контакты внутри переключателя удерживаются раздвинутыми. Когда переключатель нажат, контакты удерживаются вместе, чтобы проводить ток для срабатывания. Во многих конструкциях переключателей в качестве контактного материала используется золото, чтобы продлить срок службы переключателя, предотвращая отказ переключателя из-за окисления. В большинстве конструкций используется металлический лист, где подвижным контактом является пластинчатая пружина.
Основным производителем дискретных металлических контактных переключателей является Cherry , которая выпускает семейство переключателей Cherry MX с 1980-х годов. Система цветового кодирования Cherry для категоризации переключателей была скопирована другими производителями переключателей, такими как Gateron и Kailh среди многих других. [4] [5]
Клавиатуры, использующие эту технологию, обычно называют «механическими клавиатурами», но для этого термина не существует общепринятого четкого определения. [6]
Клавиатуры с возможностью горячей замены — это клавиатуры, в которых переключатели можно вытаскивать и заменять без необходимости типичного паяного соединения. [7] [8] Вместо того, чтобы напрямую припаивать штырьки переключателей к печатной плате клавиатуры , на них припаиваются гнезда с возможностью горячей замены . Гнезда с возможностью горячей замены позволяют пользователям менять различные переключатели клавиатуры без инструментов или знаний, необходимых для пайки.
Модуль геркона в герконе состоит из двух металлических контактов внутри стеклянного пузыря, обычно запечатанного некоторым инертным газом, например азотом, чтобы предотвратить накопление частиц. Ползунок в корпусе толкает магнит вниз перед капсулой геркона, и магнитное поле заставляет контакты геркона притягиваться друг к другу и замыкаться. Механизм геркона был первоначально изобретен в 1936 году У. Б. Эллвудом в Bell Telephone Laboratories .
Хотя в герконовых переключателях используются металлические пластинчатые контакты, они считаются отдельными от всех других форм металлических контактных переключателей, поскольку контакты приводятся в действие магнитным способом, а не с помощью физической силы, создаваемой ползунком для прижатия друг к другу.
В емкостном механизме нажатие клавиши изменяет емкость шаблона конденсаторных площадок. Шаблон состоит из двух D-образных конденсаторных площадок для каждого переключателя, напечатанных на печатной плате (ПП) и покрытых тонкой изолирующей пленкой паяльной маски , которая действует как диэлектрик .
Для наиболее распространенной реализации этой технологии из пены и фольги подвижная часть заканчивается плоским элементом из пены размером с таблетку аспирина , отделанным алюминиевой фольгой. Напротив переключателя находится печатная плата с контактными площадками конденсаторов. При нажатии клавиши фольга плотно прилегает к поверхности печатной платы, образуя цепочку из двух конденсаторов между контактными площадками и сама разделяясь тонкой паяльной маской, и таким образом «замыкая» контактные площадки с легко обнаруживаемым падением емкостного сопротивления между ними. Обычно это позволяет обнаружить импульс или последовательность импульсов.
Преимущество емкостной технологии заключается в том, что для срабатывания переключателя не требуется протекание тока через металлические контакты. Нет необходимости в устранении дребезга .
Датчик сообщает достаточно о расстоянии нажатия клавиши, чтобы позволить пользователю настроить точку срабатывания (чувствительность клавиши). Эту настройку можно выполнить с помощью прилагаемого программного обеспечения и индивидуально для каждой клавиши, если это реализовано. [9] Клавиатура, которая использует эти возможности, включает Realforce RGB.
Клавиатура модели F от IBM представляет собой конструкцию, состоящую из упругой пружины над емкостной печатной платой, аналогичную более поздней клавиатуре модели M, но вместо печатной платы в ней используется мембранный датчик.
В конструкции переключателей Topre Corporation используется коническая пружина под резиновым куполом. Купол обеспечивает сопротивление, а пружина выполняет емкостное действие. [10]
Клавиатуры с эффектом Холла используют датчики Холла для обнаружения движения магнита по разнице потенциалов в напряжении. Когда нажимается клавиша, она перемещает магнит, который обнаруживается твердотельным датчиком. Поскольку для приведения в действие им не требуется физического контакта, клавиатуры с эффектом Холла чрезвычайно надежны и могут принимать миллионы нажатий клавиш, прежде чем выйти из строя. Они используются для приложений сверхвысокой надежности, таких как атомные электростанции, кабины самолетов и критически важные промышленные среды. Их можно легко сделать полностью водонепроницаемыми, и они могут противостоять большому количеству пыли и загрязнений. Поскольку для каждой клавиши требуются магнит и датчик, а также настраиваемая электроника управления, их производство обходится дорого.
Переключатель Холла работает через магнитные поля. Внутри каждого переключателя закреплен небольшой магнит. Когда электричество проходит через главную цепь, оно создает магнитный поток. Каждый раз, когда нажимается клавиша, магнитная напряженность изменяется. Это изменение замечается цепью, и датчики отправляют информацию на материнскую плату. [11]
Технология оптического переключателя была представлена в 1962 году Харли Э. Келхнером для использования в пишущей машинке с целью снижения шума, создаваемого клавишами пишущей машинки.
Технология оптической клавиатуры использует светоизлучающие устройства и фотодатчики для оптического обнаружения задействованных клавиш. Чаще всего излучатели и датчики располагаются по периметру, монтируются на небольшой печатной плате . Свет направлен из стороны в сторону внутренней части клавиатуры, и его можно заблокировать только задействованными клавишами. Большинству оптических клавиатур требуется не менее двух лучей (чаще всего вертикальный луч и горизонтальный луч) для определения задействованной клавиши. Некоторые оптические клавиатуры используют специальную структуру клавиш, которая блокирует свет в определенном порядке, пропуская только один луч на ряд клавиш (чаще всего горизонтальный луч).
Механизм оптической клавиатуры очень прост — световой луч посылается от излучателя к принимающему датчику, а задействованная клавиша блокирует, отражает , преломляет или иным образом взаимодействует с лучом, в результате чего происходит идентификация клавиши.
Главным преимуществом технологии оптического переключения является ее высокая устойчивость к влаге, пыли и мусору, поскольку в ней отсутствуют металлические контакты, которые могут подвергаться коррозии.
Специальная клавиатура DataHand использует оптическую технологию для распознавания нажатий клавиш с помощью одного светового луча и датчика на клавишу. Клавиши удерживаются в исходном положении магнитами ; когда магнитная сила преодолевается для нажатия клавиши, оптический путь разблокируется и нажатие клавиши регистрируется.
Лазерное проекционное устройство размером примерно с компьютерную мышь проецирует контур клавиш клавиатуры на плоскую поверхность, например, стол или парту. Этот тип клавиатуры достаточно портативен, чтобы его можно было легко использовать с КПК и мобильными телефонами, и многие модели имеют втягивающиеся шнуры и беспроводные возможности. Однако эта конструкция подвержена ошибкам, так как случайное прерывание лазера приведет к нежелательным нажатиям клавиш. Отсутствие тактильной обратной связи, присущее этому типу клавиатуры, часто делает ее нежелательной.
Механизм пружины изгиба (истекший патент США 4,118,611 ) наверху переключателя отвечает за щелчок клавиатуры. Этот механизм управляет небольшим молоточком, который ударяет по емкостному или мембранному переключателю. [12]
Серия клавиатур IBM Model F была первой, в которой использовались клавишные переключатели с изгибающейся пружиной, которые использовали емкостное считывание для приведения в действие. Оригинальный патент никогда не использовался в реальной серийной клавиатуре, но он устанавливает основную предпосылку изгибающейся пружины.
IBM Model M — это большое семейство компьютерных клавиатур, созданных IBM, которое началось в конце 1983 года, когда IBM запатентовала конструкцию мембранного пружинного переключателя. Основной целью этой конструкции было снижение себестоимости производства Model F вдвое. [13] Самая известная полноразмерная Model M официально известна как IBM Enhanced Keyboard.
В 1993 году, через два года после появления Lexmark , IBM передала свои операции по производству клавиатур дочерней компании. Новые клавиатуры Model M продолжали производиться для IBM компанией Lexmark до 1996 года, когда была основана компания Unicomp , которая приобрела патенты на клавиатуры и инструментальное оборудование для продолжения их производства.
IBM продолжала производить Model M на своем заводе в Шотландии до 1999 года. [14]
При нажатии клавиши она несколько раз колеблется ( отскакивает ) от своих контактов, прежде чем успокоиться. При отпускании клавиши она снова колеблется, пока не остановится. Хотя это происходит в масштабе, слишком малом, чтобы быть видимым невооруженным глазом, этого может быть достаточно для регистрации нескольких нажатий клавиш.
Чтобы решить эту проблему, процессор в клавиатуре устраняет дребезг клавиш, усредняя сигнал с течением времени, чтобы произвести одно «подтвержденное» нажатие клавиши, которое (обычно) соответствует одному нажатию или отпусканию. Ранние мембранные клавиатуры имели ограниченную скорость печати, поскольку им приходилось выполнять значительное устранение дребезга. Это было заметной проблемой на ZX81 . [ необходима цитата ]
Колпачки клавиш используются на полноразмерных клавиатурах. Хотя современные колпачки клавиш обычно печатаются на поверхности, они также могут быть отлиты методом двойного литья , иметь лазерную маркировку , сублимационную печать , гравировку или изготавливаться из прозрачного материала с напечатанными бумажными вставками. Существуют также колпачки клавиш, которые используют тонкие оболочки, помещаемые поверх оснований клавиш, которые использовались на нескольких клавиатурах IBM PC.
Переключатели допускают снятие и замену клавишных колпачков с обычным типом штока.
Почти все клавиатуры, которые используют клавиши длиной в две или более единиц (например, типичная клавиша пробела или ввода), используют стабилизаторы. Различные смазочные материалы и методы прокладок могут использоваться для уменьшения дребезжания компонентов.
Современная клавиатура ПК обычно включает в себя процессор управления и индикаторные лампы для предоставления пользователю обратной связи о том, в каком состоянии находится клавиатура. В зависимости от сложности программирования контроллера клавиатура может также предлагать другие специальные функции. Процессор обычно представляет собой однокристальный вариант микроконтроллера 8048. Матрица переключателей клавиатуры подключена к его входам, обрабатывает входящие нажатия клавиш и отправляет результаты по последовательному кабелю (шнуру клавиатуры) на приемник в главном корпусе компьютера. Он также управляет подсветкой индикаторов « caps lock », « num lock » и « scroll lock ».
Обычный тест на то, сломался ли компьютер, — нажатие клавиши «caps lock». Клавиатура отправляет код клавиши драйверу клавиатуры, работающему на главном компьютере; если главный компьютер работает, он дает команду на включение света. Все остальные индикаторы работают аналогичным образом. Драйвер клавиатуры также отслеживает состояние shift , alt и control клавиатуры.
Матрица переключателей клавиатуры часто рисуется с горизонтальными проводами и вертикальными проводами в сетке, которая называется матричной схемой . Она имеет переключатель на некоторых или всех пересечениях, как мультиплексный дисплей .
Почти все клавиатуры имеют только переключатель (но не диод) на каждом пересечении, что приводит к «призрачным клавишам» и «застреванию клавиш» при нажатии нескольких клавиш ( rollover ). Некоторые, часто более дорогие клавиатуры имеют диод между каждым пересечением, что позволяет микроконтроллеру клавиатуры точно определять любое количество одновременно нажатых клавиш, не генерируя ошибочных призрачных клавиш. [15]
Оптическое распознавание символов (OCR) предпочтительнее повторного набора для преобразования существующего текста, который уже записан, но не в машиночитаемом формате (например, книга, набранная на линотипе 1940-х годов). Другими словами, чтобы преобразовать текст из изображения в редактируемый текст (то есть строку кодов символов), человек может перепечатать его, или компьютер может посмотреть на изображение и определить, что представляет собой каждый символ. Технология OCR уже достигла впечатляющего уровня (например, Google Book Search ) и обещает больше в будущем.
Распознавание речи преобразует речь в машиночитаемый текст (то есть строку кодов символов). Эта технология также достигла продвинутого состояния и реализована в различных программных продуктах . Для определенных целей (например, транскрипция медицинских или юридических диктантов; журналистика; написание эссе или романов) распознавание речи начинает заменять клавиатуру. Однако отсутствие конфиденциальности при подаче голосовых команд и диктовке делает этот тип ввода непригодным для многих сред.
Указывающие устройства могут использоваться для ввода текста или символов в ситуациях, когда использование физической клавиатуры было бы неуместным или невозможным. Эти аксессуары обычно представляют символы на дисплее в макете, который обеспечивает быстрый доступ к наиболее часто используемым символам или комбинациям символов. Популярные примеры такого ввода — Graffiti , Dasher и экранные виртуальные клавиатуры .
Известно, что незашифрованные клавиатуры Bluetooth уязвимы для кражи сигнала для кейлоггеров другими устройствами Bluetooth в радиусе действия. Беспроводные клавиатуры Microsoft 2011 года и более ранние версии имеют эту уязвимость. [16]
Регистрация нажатий клавиш (часто называемая кейлоггерством) — это метод захвата и записи нажатий клавиш пользователем. Хотя он может использоваться законно для измерения активности сотрудников или правоохранительными органами для расследования подозрительной деятельности, он также используется хакерами для незаконных или вредоносных действий. Хакеры используют кейлоггеры для получения паролей или ключей шифрования.
Регистрация нажатий клавиш может осуществляться как аппаратными, так и программными средствами. Аппаратные кейлоггеры подключаются к кабелю клавиатуры или устанавливаются внутри стандартных клавиатур. Программные кейлоггеры работают на операционной системе целевого компьютера и получают несанкционированный доступ к оборудованию, подключаются к клавиатуре с помощью функций, предоставляемых ОС, или используют программное обеспечение удаленного доступа для передачи записанных данных с целевого компьютера в удаленное местоположение. Некоторые хакеры также используют беспроводные кейлоггеры-снифферы для сбора пакетов данных, передаваемых с беспроводной клавиатуры и ее приемника, а затем взламывают ключ шифрования, используемый для защиты беспроводной связи между двумя устройствами.
Антишпионские приложения способны обнаруживать множество кейлоггеров и удалять их. Ответственные поставщики программного обеспечения для мониторинга поддерживают обнаружение антишпионскими программами, тем самым предотвращая злоупотребление программным обеспечением. Включение брандмауэра не останавливает кейлоггеры как таковые, но может предотвратить передачу записанного материала по сети при правильной настройке. Сетевые мониторы (также известные как обратные брандмауэры) могут использоваться для оповещения пользователя всякий раз, когда приложение пытается установить сетевое соединение. Это дает пользователю возможность не дать кейлоггеру « позвонить домой » с его или ее набранной информацией. Программы автоматического заполнения форм могут полностью предотвратить кейлоггерство, вообще не используя клавиатуру. Большинство кейлоггеров можно обмануть, попеременно вводя учетные данные для входа и вводя символы в другом месте в окне фокуса. [17] [ требуется обновление ]
Известно также, что клавиатуры испускают электромагнитные сигнатуры, которые можно обнаружить с помощью специального шпионского оборудования для реконструкции нажатых на клавиатуре клавиш. Нил О'Фаррелл, исполнительный директор Совета по краже личных данных, рассказал InformationWeek, что «Более 25 лет назад пара бывших шпионов показала мне, как они могут перехватить PIN-код банкомата пользователя из фургона, припаркованного через дорогу, просто перехватывая и расшифровывая электромагнитные сигналы, генерируемые каждым нажатием клавиши», — сказал О'Фаррелл. «Они могли даже перехватывать нажатия клавиш с компьютеров в соседних офисах, но технология была недостаточно сложной, чтобы сосредоточиться на каком-то конкретном компьютере». [18]
Использование любой клавиатуры может привести к серьезным травмам (таким как синдром запястного канала или другие травмы от повторяющегося напряжения ) рук, запястий, предплечий, шеи или спины. [19] Риск травм можно снизить, делая частые короткие перерывы, чтобы встать и пройтись пару раз в час. Пользователи также должны менять задачи в течение дня, чтобы избежать чрезмерной нагрузки на руки и запястья. При наборе текста на клавиатуре человек должен держать плечи расслабленными, а локти — по бокам, при этом клавиатура и мышь должны быть расположены так, чтобы не было необходимости тянуться. Высота стула и подставка для клавиатуры должны быть отрегулированы так, чтобы запястья были прямыми, и запястья не должны опираться на острые края стола. [20] Подставки для запястий или ладоней не должны использоваться во время набора текста. [21]
Некоторые адаптивные технологии, начиная от специальных клавиатур, замены мыши и интерфейсов планшета и заканчивая программным обеспечением для распознавания речи, могут снизить риск получения травмы. Программное обеспечение для паузы напоминает пользователю о необходимости часто делать паузу. Переключение на более эргономичную мышь, например, вертикальную мышь или мышь-джойстик, может принести облегчение.
Используя сенсорную панель или стилус с графическим планшетом вместо мыши, можно уменьшить повторяющуюся нагрузку на руки и кисти. [22]
{{citation}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )запястья не должны опираться на острые края стола. ... Переход .. на использование стилуса с графическим планшетом или трекпадом, таким как ...