КНОПКА С ИНДИКАЦИЕЙ ЕМКОСТНОГО СЕНСОРНОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2009 года по МПК H03K17/955 

Изобретение относится к области электротехники и электроники и может быть использовано в электрических аппаратах для включения/отключения электрических цепей управления, сигнализации, электроблокировки, а также для ручного дистанционного включения электромагнитных приборов. А также может быть использовано в качестве элементов устройств ввода информации в сотовые телефоны, ЭВМ (как элемент клавиатуры).

Известны сенсоры (кнопки), выполненные на печатных платах с использованием преобразователя: емкость - цифровой код, основой которого являются два чувствительных электрода, расположенных, например, в двух разных плоскостях. См., например, сенсоры, выполненные на основе микросхемы AD 7142 фирмы ANALOG DEVICES, см. адрес в Интернете: www.analog.com, копии трех страниц прилагаются к материалам заявки (1).

Как правило, один чувствительный электрод этого сенсора подсоединяют к источнику переменного напряжения, а другой чувствительный электрод - к устройству, позволяющему измерять напряженность электрического поля, "наводимого" источником переменного напряжения. Человеческое тело, например палец, имеет различные комплексные сопротивления в различных своих сечениях.

При поднесении (соприкасании) к одному из чувствительных электродов пальца человека для воздействия на кнопку управления электрическое поле этой системы (чувствительный электрод - палец человека) будет изменяться. И в зависимости от конструкции сенсора будет увеличиваться или уменьшаться напряженность на потенциале чувствительного электрода, который подключен к измерительному устройству (схеме). Далее измерительное устройство обрабатывает результаты изменений этого поля и преобразует значения емкостей в цифровой код.

Далее этот цифровой код анализируется и обрабатывается внешними схемами (внешними управляющими устройствами).

Однако данное сенсорное устройство имеет ряд недостатков.

1. Так как известный сенсор не имеет тактильной реакции (индикации) на воздействия пальца пользователя - человека, то сознание человека не может определить - сработал сенсор или нет в результате нажатия на кнопку сенсора.

2. На известных сенсорах невозможно выполнить кнопку с фиксацией, так как невозможно определить их фиксацию после нажатия на нее (кнопка никогда не будет "утоплена", например, кнопка с "залипанием").

Целью при создании предлагаемого изобретения являются разработка конструкции кнопки с индикацией емкостного сенсорного устройства с визуализацией нажатия на кнопку и/или ее состояния.

Указанная цель и технический результат реализуются следующим образом.

Предлагаемое сенсорное устройство, как и аналог, содержит два чувствительных электрода, схему, обрабатывающую изменения емкости чувствительных электродов сенсора и преобразующую результат изменений емкостей в цифровой код.

Но в отличие от аналога дополнительно содержит установленный в сенсор светодиод(ы), подсоединенный(е) к схеме управления светодиодом(ами), которая, в свою очередь, подсоединена(ы) к внешнему управляющему устройству.

Предлагаемая кнопка может содержать дополнительно в шильде напечатанный образ кнопки голографическим методом. В дополнение к вышеизложенному в предлагаемой кнопке вместо обычного светодиода может быть использован лазерный светодиод.

В качестве аналога предлагаемой кнопке с индикацией емкостного сенсорного устройства можно принять конструкцию сенсоров фирмы ANALOG DEVICES по инструкции применения AN-854 (1).

Перечень фигур на чертежах.

На фиг.1 изображена конструктивная схема предлагаемой кнопки с индикацией емкостного сенсорного устройства.

На фиг.2 изображена эскизно конструкция аналога емкостного сенсора, где чувствительные электроды 1 и 2 расположены на одной плате с двух ее сторон.

На фиг.3 изображена эскизно конструкция предлагаемой кнопки с индикацией емкостного сенсорного устройства, на которой виды вырезы в чувствительных электродах 1 и 2, через которые проникает свет от светодиода 5.

На фиг.4 изображена в разрезе конструкция предлагаемой кнопки с индикацией емкостного сенсорного устройства.

На фиг.5 изображен в разрезе и вид по А предлагаемой кнопки с индикацией емкостного сенсорного устройства, выполненной на одной печатной плате со светодиодом поверхностного монтажа.

Предлагаемая конструкция кнопки с индикацией емкостного сенсорного устройства состоит из следующих комплектующих элементов и деталей (фиг.1).

Чувствительные электроды 1 и 2, один из которых подсоединен к источнику переменного напряжения, а другой - к преобразователю 3 емкости в цифровой код, который, в свою очередь, подсоединен к внешнему устройству 4.

В конструкцию сенсора вмонтирован(ы) светодиод(ы) 5, который подсоединен к схеме управления светодиодом(ами) 6, которая, в свою очередь, управляется внешним управляющим устройством 4.

Предлагаемая конструкция работает (функционирует) следующим образом.

При включении всего сенсорного устройства считается, что к нему, то есть к кнопке устройства, не прикладываются никакие внешние воздействия и на основании этого производят калибровку данного устройства. При этом при включении устройства в работу измеряется емкость между пластинами чувствительными электродами 1 и 2, значение которой принимается за реперную точку, относительно которой будет определяться порог нажатия/отпускания кнопки сенсора. Далее сенсорное устройство переходит в режим нормальной работы.

Пользователь устройства устанавливает палец на шильд 7 (фиг.3, 4, 5), благодаря чему образуется дополнительная емкостная связь между чувствительными электродами 1 и 2 сенсора. При этом преобразователь 3 измеряет изменение значений этой емкости, отсылает ее в управляющее устройство, а последнее сравнивает ее с пороговым значением, и в случае его превышения управляющее устройство 4 принимает решение о том, что кнопка сенсора нажата. В ответ на эту реакцию управляющее устройство 4 дает команду схеме управления светодиодом 6 на включение светодиода 5. В качестве светодиода 5 использован светодиод с интенсивно ярким светом свечения.

При этом пользователь визуально убеждается в том, что кнопка нажата и, соответственно, управляющая команда поступила в сенсорное устройство. При "отпускании" кнопки емкость между чувствительными электродами 1 и 2 уменьшается, преобразователь емкости 3 измеряет значение этой емкости и передает это значение в управляющее устройство 4. При снижении этого значения, равном или меньшем порогового значения емкости, управляющее устройство 4 принимает решение об отключении светодиода 5 и дает соответствующую команду схеме управления светодиодом 6.

Таким образом, пользователь визуально может определить, нажата кнопка или нет. При отпускании кнопки подсветка светодиодом (индикация) кнопки отключается.

В случае реализации тригерных кнопок при первом нажатии на кнопку светодиод 5 включается и тем самым индицирует состояние "включенного" сенсорного устройства. А пользователь наблюдает отображение этого состояния устройства. При повторном нажатии на кнопку она выключается (свечение прекращается).

Конструкция предлагаемой кнопки выполнена таким образом, что поверх чувствительного электрода 1 устанавливается защитный слой, например, из поликарбоната, на котором методом трафаретной печати нанесено изображение образа кнопки; данный защитный слой 7 называется шильдом (элемент внешней приборной панели).

Для улучшения визуализации кнопки, чтобы она казалась объемной - образ кнопки в предлагаемом устройстве может быть выполнен методом голографической печати. А с целью достижения наивысшей иллюзии объемности образа кнопки в предлагаемом устройстве может быть использован в качестве подсветки, например, полупроводниковый лазерный светодиод в качестве источника когерентного излучения.

Данную дифракционную картину можно изменять путем использования нескольких источников когерентного излучения с различной длиной волны, тем самым достигая изменения положения кнопки в пространстве, то есть подсветка нажатой кнопки будет соответствовать одной длине волны, а отжатой кнопки - другой длине волны.

Предлагаемый сенсор может быть выполнен, например, по варианту конструкции, изображенной на фиг.4. В данной конструкции используются две печатные платы: на нижней плате 8 укреплен светодиод 5, и на этой же плате конструктивно может располагаться схема управления 6 светодиодом 5. А на верхней плате 9 располагаются чувствительные электроды 1 и 2, размещенные на двух плоскостях данной печатной платы. На этой же печатной плате 9 размещена схема преобразователя 3 емкостей в цифровой код, а схемы 3 и 6 подсоединены к внешнему управляющему устройству 4.

Сверху на верхнюю печатную плату 9 при сборке изделия устанавливается защитный декоративный шильд 7 из токонепроводящего материала, на поверхности которого методом трафаретной печати выполнен образ кнопки.

Предлагаемый сенсор может быть выполнен также на печатной плате по конструкции, изображенной на фиг.5.

Данная конструкция содержит одну печатную плату 10, на которой расположены сверху чувствительный электрод 1, а снизу - чувствительный электрод 2. В средней части сенсора выполнен прямоугольный вырез для установки в нем поверхностного светодиода 11, излучение которого направлено в сторону шильда 7. Оставшееся незаполненным пространство между шильдом 7 и светодиодом 11 может быть заполнено прозрачным силиконом или эпоксидной смолой для предотвращения "вдавливания" шильда 7 в это пространство.

С нижней стороны печатной платы 10 вокруг светодиода 11 выполнено "защитное" кольцо, предотвращающее утечку заряда со светодиода 11 в чувствительный электрод 2.

Предлагаемая конструкция кнопки с индикацией емкостного сенсорного устройства позволяет пользователю визуально определить (убедиться), была ли кнопка нажата или нет. Это особенно наглядно видно при использовании суперярких светодиодов красного цвета свечения. Пользователь, поднося палец к кнопке сенсора, в случае его срабатывания наблюдает прохождение красного света сквозь мягкие ткани пальца и вокруг пальца на поверхности образа кнопки. При отпускании кнопки свечение светодиода прекращается.

Таким образом включается обратная связь между тактильным нажатием на кнопку и отпусканием кнопки.

В предлагаемой конструкции сенсора возможно использование нескольких светодиодов в одном сенсоре, размещенных, например, по периметру сенсорного электрода (выполненных соответственно на печатной плате 9 или 10). Это будет несколько дороже по стоимости, но будет обеспечивать более лучшую визуализацию процесса нажатия пользователем на образ кнопки.

Источники информации

1. Сенсоры, выполненные на основе микросхемы AD 7142 фирмы ANALOG DEVICES, адрес в Интернете: www.analog.com.

Изобретение относится к области электротехники и электроники и может быть использовано в электрических аппаратах для включения/отключения электрических цепей управления, сигнализации, электроблокировки, а также в качестве элементов устройств ввода информации в сотовые телефоны, ЭВМ. Техническим результатом изобретения является повышение надежности фиксации кнопки за счет визуализации ее состояния. Сенсорное устройство содержит два чувствительных электрода, один из которых подсоединен к источнику переменного напряжения, а другой - к преобразователю емкости в цифровой код, который подключен к внешнему управляющему устройству, выход которого через схему управления светодиодом соединен со светодиодом, установленным в сенсор. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Кнопка емкостного сенсорного устройства, содержащая чувствительные электроды, один из которых расположен под внешней приборной панелью кнопки из токонепроводящего материала и подключен к источнику переменного напряжения, а другой чувствительный электрод, расположенный ниже вышеуказанного чувствительного электрода, подключен к преобразователю емкости в цифровой код, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит по меньшей мере, один светодиод, внешнее управляющее устройство, выход которого подключен к схеме управления светодиодом, выход которой соединен со светодиодом, расположенным в прямоугольном вырезе обоих чувствительных электродов, под внешней приборной панелью кнопки из токонепроводящего материала, причем выход преобразователя емкости в цифровой код соединен со входом внешнего управляющего устройства.

2. Кнопка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве светодиода используется лазерный светодиод.