КЛАВИАТУРА Российский патент 2005 года по МПК G06F3/02 H01H13/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к элементам управления и коммутации электрических цепей, и может быть использовано в пультах управления электротехническими устройствами, в виде отдельных выключателей, в клавишных устройствах ввода дискретной информации в виде клавиатур.

Известна клавиатура [патент Германии №4008806. Datengabegerat. Rafi GmbH & Co Elektronische Specialfabrik, авторы: Engelhardt G, Borst Joachim, 26.09.91], содержащая корпус, первую и вторую пластины, два пленочных слоя столбцов и строк клавиш, расположенный между ними перфорированный разделительный пленочный слой, нажимные механизмы, закрепленные на первой пластине. Недостаток клавиатуры состоит в том, что места соединения пленочного слоя столбцов клавиш с перфорированным разделительным пленочным слоем, а последнего - с пленочным слоем строк клавиш, и места соединений выходных ламелей этих пленочных слоев с входными контактами второй пластины не герметизированы, что снижает надежность клавиатуры из-за климатических воздействий и наличия контактов замыкания-размыкания, которые изнашиваются, окисляются и т.п.

Известна клавиатура [патент РФ №2134443, G 06 F 3/023, H 01 H 13/70, заявл. 08.07.97, опубл. формула изобретения 10.08.99], в которой исключено влияние климатических воздействий на элементы клавиатуры путем герметизации мест соединения ламелей пленочных слоев столбцов и строк клавиш в местах их контакта с ламелями второй пластины за счет прижатия их друг к другу пластинами с резиновыми прокладками и с помощью лакировки внешней границы мест соединения. Недостаток клавиатуры - низкая надежность, обусловленная необходимостью продавливания клавишей пленочного слоя столбцов клавиш внутрь круглого отверстия и механическим соединением контакта клавиши столбца с контактом клавиши строки, что сопровождается интенсивным износом пленочного слоя и самих контактов.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является плоская клавиатура [патент РФ №2025771, G 06 F 3/023, Н 03 К 17/96, заявл. 28.08.91, опубл. 10.07.99, Бюл. №19], в которой обеспечена герметичность и исключен износ контактов. Эта клавиатура выбрана в качестве прототипа. Она содержит основание, несущую пленку с контактными опорами, на которых установлены пьезоэлектрические элементы с контактными площадками, и покровную пленку, расположенную на контактных площадках пьезоэлектрических элементов, вокруг которых участки покровной и несущей пленок соединены с помощью клеевого слоя и образуют замкнутые полости. На покровную пленку может быть установлена лицевая панель, на внутренней поверхности которой выполнены выемки в местах расположения пьезоэлектрических элементов.

Недостаток устройства-прототипа - низкая надежность, обусловленная возможностью ложных срабатываний клавиатуры. Этот недостаток обусловлен тем, что при приложении нажимного усилия покровная пленка прогибается и натягивается, воздействуя на пьезоэлектрические элементы под соседними клавишами (особенно, если точка приложения усилия смещена относительно центра клавиши), и все они вырабатывают сигналы разной интенсивности, а, кроме того, жесткое основание препятствует изгибу (при кольцевидной опоре возможен только прогиб) пьезоэлектрических элементов, и сигналы, снимаемые с них, оказываются слабыми, что приводит к одновременной подаче сигналов, основная часть из которых являются ложными, на печатные проводники под несколькими клавишами. Указанный недостаток усугубляется наличием допускового разброса высоты пьезоэлектрических элементов с контактными площадками и существенно усиливается в случае применения жесткой лицевой панели клавиатуры.

Цель изобретения - повышение надежности клавиатуры за счет исключения ложных срабатываний.

Указанная цель обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее тензочувствительные элементы по числу клавиш, имеющие контакты для съема сигналов, и основание, предлагается дополнительно ввести электронный блок обработки сигналов и элемент жесткости, объединенный с селектором из эластичного материала, в котором размещены тензочувствительные элементы, имеющие возможность изгиба под действием прикладываемого к клавише давления, а их контакты для съема сигнала соединены с соответствующими входами электронного блока обработки сигналов. При этом элемент жесткости включает пластину с фиксаторами, расположенную на поверхности селектора и разделенную на участки, выполняющие функции клавиш с возможностью прогиба, а в другом варианте элемент жесткости включает основание клавиатуры с фиксаторами, снабженное разделителями, образующими полости под каждым тензочувствительным элементом, заполненные эластичным материалом селектора, поверхность которого разделена на участки, выполняющие функции клавиш.

Указанная совокупность существенных признаков - введение электронного блока обработки сигналов и элемента жесткости, объединенного с селектором из эластичного материала, в котором размещены тензочувствительные элементы, имеющие возможность изгиба под действием прикладываемого к клавише давления, а их контакты для съема сигнала соединены с соответствующими входами электронного блока обработки сигналов, - является новой и в полном объеме неиспользовавшейся, что позволяет считать предлагаемое устройство соответствующим критерию охраноспособности "мировая новизна".

Кроме того, совокупность указанных признаков позволяет получить новый результат, заключающийся в повышении ее надежности за счет исключения, ложных срабатываний, особенно при смещении нажимного усилия от центра клавиши, и достигаемый путем размещения тензочувствительных элементов в эластичном материале селектора, концентрированно передающем указанное усилие с уменьшенным вредным воздействием на соседние тензочувствительные элементы, а также путем выделения с помощью электронного блока обработки сигналов из всех сигналов, поступивших на контакты для съема сигналов, полезного сигнала, имеющего наибольшую амплитуду, превышающую уровень заданного порога, что, в конечном итоге, дает возможность считать данное устройство соответствующим критерию охраноспособности - "изобретательский уровень".

Предлагаемая клавиатура может быть изготовлена из известных материалов и компонентов на стандартном оборудовании, применяемом в современном производстве. Такая клавиатура может широко использоваться в электротехнической промышленности, приборостроении, телефонии, вычислительной технике, т.е. она является "промышленно применимой".

На фиг.1 и 2 приводятся чертежи части конструкции клавиатуры в двух вариантах исполнения, где приняты следующие обозначения: тензочувствительные, преимущественно пьезоэлектрические, элементы 1, контакты 2 съема сигналов, основание 3, электронный блок 4 обработки сигналов, элемент жесткости 5, селектор 6 из эластичного материала, пластина 7 лицевой панели, фиксатор 8, разделители 9.

Клавиатура (фиг.1 и 2) содержит тензочувствительные, преимущественно пьезоэлектрические, элементы 1 по числу клавиш, имеющие контакты 2 для съема сигналов, и основание 3. В нее введены электронный блок 4 обработки сигналов и элемент жесткости 5, объединенный с селектором 6 из эластичного материала, в котором размещены тензочувствительные элементы 1, имеющие возможность изгиба под действием прикладываемого к клавише давления, а их контакты 2 для съема сигнала соединены с соответствующими входами электронного блока 4 обработки сигналов. При этом элемент жесткости 5 включает пластину 7 с фиксаторами 8, расположенную на поверхности селектора 6 и разделенную на участки, выполняющие функции клавиш с возможностью прогиба (фиг.1). В другом варианте элемент жесткости 5 включает основание 3 с фиксаторами 8, снабженное разделителями 9, образующими полости под каждым тензочувствительным элементом 1, заполненные эластичным материалом селектора 6, поверхность которого разделена на участки, выполняющие функции клавиш (фиг.2).

Работа клавиатуры происходит следующим образом. Тензочувствительные, преимущественно пьезоэлектрические, элементы 1 размещены в толще эластичного материала селектора 6 параллельно его поверхности. Селектор 6 выполнен либо из резины, либо из кремнийорганического компаунда или из другого подобного эластичного материала. При приложении к селектору 6 нажимного усилия Р его поверхность прогибается, эластичный материал упруго деформируется и концентрированно, то есть в небольшой области вдоль линии приложения вектора Р, перемещается вниз, передавая воздействие на соответствующий тензочувствительный элемент 1. Этот элемент либо прогибается (изгибается в центре), если нажимное усилие Р приложено к центру клавиши вертикально (фиг.1), либо изгибается по краю, если точка приложения нажимного усилия Р смещена относительно центра клавиши (фиг.2). Концентрированность перемещения определяется эластичностью материала селектора 6 и жесткостью основания 3 и позволяет решить задачу механической селекции воздействия, а именно изгибаться должен только тот тензочувствительный элемент, который находится ближе всего к вертикальной линии продолжения вектора нажимного усилия Р. Элемент жесткости 5 содержит фиксаторы 8, основание 3 (фиг.2) и (или) пластину 7 лицевой панели (фиг.1). Фиксаторы 8 представляют собой либо рамку, либо стенки в виде пластин по периметру. Они предотвращают перемещение селектора 6 по основанию 3, вместе с которым и пластиной 7 обеспечивают жесткость всей конструкции клавиатуры. Пластина 7 защищает селектор 6 от внешних механических и климатических воздействий. Она разделена на участки, выполняющие функции клавиш с возможностью прогиба в точке приложения нажимного усилия Р (фиг.1). Эластичный материал селектора 6 способствует селективному выделению воздействия тензочувствительным элементом 1, в том числе и при использовании пластины 7. Разделители 9 выполнены в виде либо приливов на основании 3 (фиг.2), либо пластины с отверстиями, либо решетки. При любом исполнении под каждым тензочувствительным элементом 1 образуется полость, заполненная эластичным материалом селектора 6, а сами разделители 9 дополнительно концентрируют перемещение эластичного материала селектора 6 при наличии нажимного усилия Р. Таким образом за счет эластичного материала селектора 6 и дополнительно разделителей 9 решается задача механической селекции воздействий с обеспечением наибольшего изгиба тензочувствительного элемента, соответствующего нажатой клавише.

При изгибе (прогибе) на тензочувствительном элементе 1 возникает сигнал. Этот сигнал представляет собой импульс напряжения, если элемент пьезоэлектрический, или - перепад сопротивления, если элемент пьезорезистивный или представляет собой тензодатчик. Сигнал поступает на контакты 2 для съема сигнала, подключенные к соответствующим входам электронного блока 4 обработки сигналов. В блоке происходит поочередный (мультиплексорный) опрос всех входов, измерение амплитуды поступившего на каждый вход сигнала, а затем сравнение ее с заранее установленным пороговым значением. Если амплитуда сигнала превышает пороговое значение, то сигнал считается соответствующим критерию достоверности. Так при нажимании клавиши с номером К с помощью селектора 6 выделяется тензочувствительный элемент 1, соответствующий этой клавише и вырабатывающий при изгибе импульс напряжения. На соседних тензочувствительных элементах также могут возникнуть сигналы при недостаточно эффективной механической селекции, но с малой амплитудой из-за меньшего изгиба. Тогда через контакты 2 для съема сигнала на несколько входов электронного блока 4 селекции сигналов поступает ряд сигналов, среди которых только один на входе с номером К имеет наибольшую амплитуду. В этом блоке по очереди производится измерение всех поступивших сигналов и выделяется тот, у которого амплитуда превысила пороговое значение. На выход, то есть на исполнительный канал с номером К электронного блока 4, подается управляющее воздействие, определяемое функцией клавиатуры. За счет регулирования порогового значения задается требуемая чувствительность клавиатуры в соответствии с ее назначением. Так осуществляется электронная селекция сигналов по амплитуде и, как следствие, выбор исполнительного канала, соответствующего нажатой клавише. При нажимании точка приложения усилия может быть смещена от центра клавиши, что на практике бывает достаточно часто особенно при использовании лицевой панели в виде пластины. За счет механической селекции наибольший изгиб обеспечивается у того тензочувствительного элемента, который ближе всего расположен к нажатой клавише, а с помощью электрической селекции выбирается тот вход электронного блока обработки сигналов, на который поступил импульс с амплитудой, превышающей пороговое значение.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что в предлагаемой клавиатуре исключаются ложные срабатывания и, как следствие, повышается ее надежность. Это достигнуто за счет дополнительного введения электронного блока обработки сигналов и элемента жесткости, объединенного с селектором из эластичного материала. Построение селектора из эластичного материала совместно с разделителями позволяет реализовать механическую селекцию воздействий с обеспечением изгиба тензочувствительного элемента, соответствующего нажатой клавише даже при смещении приложенного нажимного усилия от центра клавиши, при наличии допускового разброса по высоте тензочувствительных элементов с контактными площадками и при использовании лицевой панели в виде пластины. С помощью электронного блока обработки сигналов осуществляется электрическая селекция сигналов на его входах и определяется сигнал с амплитудой, превышающей устанавливаемое пороговое значение и являющейся наибольшей среди амплитуд всех поступивших сигналов. Следовательно, механическая и электрическая селекции, реализованные соответственно селектором из эластичного материала и электронным блоком обработки сигналов, являются причиной исключения ложных срабатываний клавиатуры и повышения ее надежности.

Устройство относится к электротехнике, в частности к элементам управления и коммутации электрических цепей, и может быть использовано в пультах управления электротехническими устройствами, в виде отдельных выключателей, в клавишных устройствах ввода дискретной информации в виде клавиатур. Техническим результатом является исключение ложных срабатываний и повышение надежности клавиатуры. Указанный результат достигается за счет того, что в клавиатуру, содержащую тензочувствительные элементы по числу клавиш и имеющие контакты для съема сигналов, соединенные с электронным блоком обработки сигналов, введены объединенные элемент жесткости и селектор из эластичного материала, в котором размещены тензочувствительные элементы, причем в электронном блоке обработки сигналов реализована функция поочередного измерения амплитуды сигнала, снимаемого с каждого тензочувствительного элемента, сравнения ее величины с заданным пороговым значением и формирования на выходе сигнала, соответствующего нажатой клавише. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Клавиатура, содержащая тензочувствительные элементы по числу клавиш, обладающие возможностью изгиба под действием прикладываемого к клавише давления и имеющие контакты для съема сигналов, соединенные с соответствующими входами электронного блока обработки сигналов, и основание, отличающаяся тем, что в нее введены объединенные элемент жесткости и селектор из эластичного материала, в котором размещены тензочувствительные элементы, а в электронном блоке обработки сигналов реализована функция поочередного измерения амплитуды сигнала, снимаемого с каждого тензочувствительного элемента, сравнения ее величины с заданным пороговым значением и формирования на выходе сигнала, соответствующего нажатой клавише.2. Клавиатура по п.1, отличающаяся тем, что элемент жесткости включает пластину с фиксаторами, расположенную на поверхности селектора и разделенную на участки, выполняющие функции клавиш с возможностью прогиба.3. Клавиатура по п.1, отличающаяся тем, что элемент жесткости включает основание клавиатуры с фиксаторами, снабженное разделителями, образующими полости под каждым тензочувствительным элементом, заполненные эластичным материалом селектора, поверхность которого разделена на участки, выполняющие функции клавиш.