КОРПУС ПЬЕЗОМОДУЛЯ И ПЬЕЗОМОДУЛЬ ДЛЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ КЛАВИАТУРЫ

Область техники
Данная полезная модель относится к корпусу пьезомодуля для пьезоэлектрической клавиатуры, используемой в качестве пользовательского интерфейса для управления электронными приборами как общепромышленного, так и специального назначения. В частности, полезная модель относится к корпусу пьезомодуля, который обеспечивает жесткую фиксацию относительно друг друга входящих в состав пьезомодуля компонентов и, тем самым, гарантирует стабильность рабочих параметров пьезомодуля, таких как усилие нажатия для срабатывания, устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам, а также устойчивость к перепадам температур. Кроме того, данная полезная модель относится к пьезомодулю, содержащему указанный корпус.
Уровень техники
Пьезоэлектрическая клавиатура представляет собой набор пьезоэлектрических выключателей (пьезокнопок), объединенных в единую панель и соединенных в общую электрическую схему. Принцип работы пьезоэлектрической клавиатуры основан на прямом пьезоэффекте. Говоря более конкретно, при нажатии на пьезокнопку, происходит деформация пьезоэлемента, входящего в состав пьезокнопки, и на его электродах возникает напряжение, достаточное для управления бесконтактными транзисторными ключами, генерирующими выходной сигнал, соответствующий нажатой кнопке.
В отличие от пьезоэлектрических клавиатур, в обычных кнопочных или пленочных клавиатурах контактная группа представляет собой два проводящих элемента, замыкание которых происходит в результате механического перемещения одного из проводящих элементов до соприкосновения с другим. Внутри кнопок обычных кнопочных клавиатур имеется достаточно большое свободное пространство, при этом в таких кнопках предусмотрен металлический упругий элемент, подвергающийся значительной деформации при замыкании контакта. Указанные конструктивные особенности не обеспечивают герметичность кнопки и, соответственно, не позволяют добиться достаточной защиты контактной группы от воздействия внешней среды. В результате, обычные кнопочные клавиатуры имеют недостаточно высокую степень защиты IР34 в соответствии со стандартом IЕС 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96), а ресурс работы кнопок таких клавиатур составляет всего 400 тысяч нажатий.
Пленочные клавиатуры по сравнению с обычными кнопочными клавиатурами обладают большей устойчивостью к внешним воздействиям. Пленочные клавиатуры представляют собой многослойные соединения полимерных пленок. Данные клавиатуры широко используются в технике благодаря ряду преимуществ, к которым можно отнести компактность, невысокую цену, возможность изготовления клавиатур разнообразных форм, защищенность кнопок от истирания, герметичность и прочее. Как правило, пленочные клавиатуры соответствуют степени защиты IP64 и ресурс работы кнопок пленочных клавиатур равен примерно одному миллиону нажатий, что значительно превышает ресурс работы кнопок обычных кнопочных клавиатур. Однако, поскольку основным конструкционным материалом для пленочной клавиатуры являются полимерные пленки, данные клавиатуры имеют низкую защищенность от грубых механических воздействий, например, от удара острым предметом, от разрезания ножом. Во время подобного грубого воздействия происходит разрушение контактных групп клавиатуры, что приводит к ее выходу из строя. Кроме того, существуют ограничения по применению пленочных клавиатур в сложных условиях эксплуатации, когда внешняя поверхность подвергается активным истирающим нагрузкам (при попадании на клавиатуру песка, грязи или стружки) и в условиях агрессивной внешней среды (нефтепродукты, растворители и прочее).
Пьезоэлектрические клавиатуры, относящиеся к предмету настоящей полезной модели, напротив, характеризуются высокой устойчивостью к воздействию внешних факторов, в том числе они обладают повышенной вандалоустойчивостью. В качестве примера пьезоэлектрической клавиатуры можно привести клавиатуру, раскрытую в патенте RU 89310 (показана на фиг.1). Указанная пьезоэлектрическая клавиатура содержит лицевую панель 11 с графическими изображениями кнопок 12, разделительный элемент 13 с отверстиями 14 и коммутационные элементы, изготовленные на основе пьезоэлементов 7, установленных в корпусах 1 на печатной плате 9.
При нажатии на лицевую панель 11 пальцем или другим предметом в зоне графических изображений кнопок 12 происходит незначительный прогиб лицевой панели. Это усилие нажатия передается через корпус 1 на пьезоэлемент 7, что приводит к его деформации. Деформируясь, пьезоэлемент создает разность потенциалов, которая открывает электронный ключ, установленный на печатной плате. При этом происходит замыкание выходных контактов, и генерируется выходной сигнал, соответствующий нажатой кнопке. При отжатии кнопки 12 разность потенциалов на пьезоэлементе 7 исчезает, и ключ запирается, т.е. контакты размыкаются и выходной сигнал, соответствующий нажатой кнопке, перестает генерироваться.
Как правило, лицевая панель 11 и разделительный элемент 13 пьезоэлектрической клавиатуры изготавливаются из металла, а зазор между разделительным элементом 13 и корпусами 1 заполняется герметиком. Такая конструкция позволяет полностью герметизировать клавиатуру, обеспечивая ей степень защиты IP68, более высокую, чем в случае обычных кнопочных или пленочных клавиатур, а отсутствие отдельных механических частей приводит к существенному повышению ресурса работы кнопок пьезоэлектрической клавиатуры до пяти миллионов нажатий. Изготовление лицевой панели из металла значительно повышает устойчивость пьезоэлектрической клавиатуры к механическим повреждениям, то есть вандалоустойчивость.
Как следует из описанного выше, основным элементом пьезоэлектрической клавиатуры является пьезоэлемент. Величина усилия нажатия, обеспечивающая возникновение разности потенциалов, необходимой для открытия электронного ключа, зависит от конструкции узла пьезоэлемент - электронный ключ. В патенте RU 73120 узел пьезоэлемент - электронный ключ предложено выполнять в виде единого пьезомодуля. Причем в целях стандартизации таких пьезомодулей по параметру "усилие нажатия", их было предложено выпускать номенклатурной линейкой, имеющей одинаковую конструкцию, но характеризующейся разной величиной усилия нажатия. Пьезомодуль, известный из патента RU 73120, (показан на фиг.2) содержит корпус 1, пьезоэлемент 7, токосъемник 8 и печатную плату 9 с установленным электронным ключом и выводами 10. Пьезоэлемент 7 содержит положительный электрод и металлическую подложку, выполняющую функцию отрицательного электрода. Токосъемник 8 представляет собой соединитель с чередующимися проводящими и изолирующими слоями, который одной своей поверхностью соприкасается с положительным и отрицательным электродами пьезоэлемента 7, а противоположной поверхностью соприкасается с контактными площадками печатной платы 9.
Корпус 1 пьезомодуля жестко фиксирует относительно друг друга входящие в состав пьезомодуля компоненты, обеспечивая при этом постоянное усилие прижатия токосъемника 8 к пьезоэлементу 7 и печатной плате 9, за счет чего обеспечивается стандартизованная величина усилия нажатия на пьезокнопку. Таким образом, указанный корпус 1 обеспечивает стабильность рабочих параметров пьезомодуля, таких как усилие нажатия для срабатывания, устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам, а также устойчивость к перепадам температур.
Известный корпус 1, изображенный на фиг.2, выполнен в форме стакана с четырьмя фиксаторами 3, расположенными по его периферии. Указанные фиксаторы 3 содержат защелки, которые вставляются в отверстия печатной платы 9 и защелкиваются при приложении давления к основанию корпуса 1, обеспечивая, тем самым, жесткую постоянную фиксацию всех компонентов пьезомодуля относительно друг друга.
Указанный корпус пьезомодуля, принятый за ближайший аналог заявляемого корпуса, обладает следующими существенными недостатками, обусловленными его конструктивными особенностями:
- наличие четырех фиксаторов обеспечивает чрезмерную степень сцепления корпуса с печатной платой, что не позволяет без повреждения компонентов пьезомодуля производить его разборку в случае необходимости;
- поскольку защелки, расположенные по периферии корпуса, вставляются в отверстия, выполненные в печатной плате, внешние размеры печатной платы должны превышать внешний диаметр корпуса. В результате, минимальный шаг установки таких пьезомодулей на клавиатуре превышает рекомендуемое значение, составляющее обычно 21 мм;
- изготовление корпуса в виде стакана со сплошной периферической стенкой приводит к необходимости выполнения в печатной плате дополнительных отверстий для заливки в пьезомодуль герметика, что увеличивает размеры и стоимость печатной платы;
- кроме того, поскольку периферическая стенка корпуса является сплошной, в корпусе пьезомодуля создаются неблагоприятные условия для вытеснения воздуха из внутреннего объема пьезомодуля при его заливке герметиком, в результате чего во внутреннем объеме пьезомодуля образуются остаточные воздушные пустоты и пузыри, что, в свою очередь, приводит к нестабильной работе пьезомодуля при резких температурных колебаниях.
Принимая во внимание указанные выше недостатки известного корпуса пьезомодуля, заявитель формулирует задачу данной полезной модели как создание корпуса пьезомодуля для пьезоэлектрической клавиатуры, конструкция которого позволяет производить разборку и повторную сборку пьезомодуля без повреждения установленных внутри корпуса компонентов, изготавливать пьезоэлектрические клавиатуры с меньшим шагом установки пьезомодулей, а также позволяет избежать образования воздушных пузырей во внутреннем объеме пьезомодуля при его заливке герметиком, обеспечивая тем самым стабильную работу пьезомодуля при резких колебаниях температуры.
Дополнительной задачей полезной модели является создание корпуса пьезомодуля для пьезоэлектрической клавиатуры, конструкция которого позволяет использовать печатные платы с уменьшенными внешними размерами, более простой конструкции, и, соответственно, более дешевые, что, в свою очередь, позволяет снизить стоимость пьезомодуля в целом.
Кроме того, задача настоящей полезной модели заключается в том, чтобы предложить компактные и более дешевые пьезомодули, которые можно объединять в клавиатуры или использовать в отдельных, самостоятельных пьезокнопках.
Раскрытие полезной модели
Поставленная задача решена путем создания корпуса пьезомодуля для пьезоэлектрической клавиатуры, содержащего крышку, снабженную отходящими от ее нижней стороны фиксаторами, на концах которых предусмотрены защелки. Заявленный корпус характеризуется тем, что количество фиксаторов равно двум, а их защелки направлены внутрь корпуса, при этом на нижней стороне крышки расположены также два противолежащих выступа, отделенные от фиксаторов проемами, причем указанные выступы содержат боковые ограничители, ограничивающие между собой пространство для размещения токосъемника.
Согласно одному из вариантов полезной модели, указанные фиксаторы выполнены в виде упругих лапок.
Согласно одному из вариантов полезной модели, корпус пьезомодуля изготовлен из полимерного материала, в частности поликарбоната, полиимида, поливинилхлорида или АБС-сополимера.
Также для решения поставленной выше задачи предложен пьезомодуль, содержащий корпус, пьезоэлемент, токосъемник и печатную плату, характеризующийся тем, что в качестве корпуса в нем используется заявленный корпус.
Краткое описание чертежей
Далее полезная модель описана на примере предпочтительного варианта ее осуществления, раскрытого со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.
На фиг.1 изображена известная пьезоэлектрическая клавиатура.
На фиг.2 изображен известный пьезомодуль.
Фиг.3 с пространственным разделением элементов изображает пьезомодуль, содержащий предложенный корпус.
На фиг.4 изображен пьезомодуль в сборе, содержащий предложенный корпус.
Осуществление полезной модели
На фиг.3 показан пьезомодуль с заявленным корпусом 1. Корпус 1 пьезомодуля содержит крышку 6. В отличие от описанного выше известного корпуса пьезомодуля, в заявленном корпусе 1 вместо сплошной периферической стенки используются два противолежащих вертикальных выступа 4, расположенные на нижней стороне крышки 6. Каждый из выступов 4 содержит два боковых ограничителя 5, ограничивающих между собой пространство для размещения токосъемника.
Корпус 1 пьезомодуля также содержит фиксаторы 2, отходящие от нижней стороны крышки 6 и выполненные в предпочтительном варианте в виде упругих лапок, длина которых соответствует толщине собранного пьезомодуля. Количество указанных фиксаторов равно двум. На концах фиксаторов 2 предусмотрены защелки 3, выполненные в виде элементов со скошенной поверхностью, причем защелки 3 указанной скошенной поверхностью направлены внутрь корпуса 1. Между фиксаторами 2 и выступами 4 имеются проемы.
Корпус 1 пьезомодуля изготовлен из полимерного материала.
В корпусе 1 располагаются пьезоэлемент 7, токосъемник 8 и печатная плата 9 с установленным электронным ключом.
Пьезоэлемент 7 представляет собой, как правило, пьезокерамическую пластину, снабженную двумя электродами. Он прикреплен к внутренней стороне крышки 6 корпуса 1.
Под пьезоэлементом 7 установлен токосъемник 8, содержащий чередующиеся проводящие и изолирующие слои. Токосъемник 8 вставляют в пространство между боковыми ограничителями 5 выступов 4.
Печатная плата 9 расположена снизу токосъемника 8. Направленные внутрь корпуса 1 защелки 3 фиксаторов 2 прочно удерживают печатную плату 9 в корпусе 1, обеспечивая постоянное усилие прижатия токосъемника 8 к пьезоэлементу 7 и печатной плате 9. Печатная плата 9 содержит контактные площадки, которые через токосъемник 8 контактируют с положительным и отрицательным электродами пьезоэлемента 7.
На фиг.4 пьезомодуль показан в сборе.
Заявленный пьезомодуль можно использовать как в составе отдельной пьезокнопки, так и в составе клавиатуры. Очевидно, что в первом случае используется только один пьезомодуль, тогда как во втором - группа объединенных пьезомодулей.
Пьезомодуль функционирует следующим образом. При механическом воздействии на внешнюю поверхность крышки 6 корпуса 1 происходит ее деформация, которая передается на пьезоэлемент 7. В процессе деформации пьезоэлемента 7 между его положительными и отрицательными электродами возникает разность потенциалов, которая через токосъемник 8 воспринимается положительной и отрицательной контактными площадками печатной платы 9 и открывает смонтированный на печатной плате электронный ключ, генерирующий соответствующий выходной сигнал. После снятия давления с внешней стороны крышки 6 корпуса 1 пьезоэлемент принимает прежнюю форму, разность потенциалов исчезает и электронный ключ запирается.
В случае если заявленный пьезомодуль требуется разобрать, это можно сделать, не повредив находящиеся внутри корпуса 1 компоненты. Благодаря тому что корпус 1 пьезомодуля содержит только два фиксатора, печатную плату 9 можно легко отсоединить от корпуса 1, отведя защелки 3 фиксаторов 2 в стороны на необходимое расстояние. После снятия печатной платы 9 с корпуса 1, можно извлечь из корпуса остальные компоненты пьезомодуля, а именно токосъемник 8 и пьезоэлемент 7. И впоследствии повторно собрать пьезомодуль.
Таким образом, в данной заявке раскрыт корпус пьезомодуля, лишенный недостатков устройства известного уровня техники, и пьезомодуль, содержащий указанный корпус. Благодаря тому что защелки фиксаторов направлены внутрь корпуса, становится возможным применять печатные платы, внешние размеры которых меньше внешнего диаметра корпуса. Наличие только двух фиксаторов обеспечивает возможность разборки и повторной сборки пьезомодуля без необратимой деформации установленных в корпус компонентов. Наличие проемов в корпусе упрощает процесс заполнения внутреннего объема пьезомодуля герметиком и исключает вероятность образования остаточных воздушных пузырей и пустот. Боковые ограничители позволяют установить токосъемник в требуемом положении. Кроме того, благодаря заявленной конструкции корпуса удается использовать печатные платы с меньшими внешними размерами, более простой конструкции и, соответственно, более дешевые, что, в свою очередь, позволяет сократить затраты на изготовление всего пьезомодуля.
Выше описан предпочтительный вариант осуществление полезной модели, который не следует рассматривать как ограничение патентных притязаний полезной модели. Специалистам данной области техники понятно, что в описанный вариант выполнения могут быть внесены различные изменения и дополнения, не выходящие за пределы правовой охраны настоящей полезной модели, установленной приложенной формулой.
Номера позиций
1 - корпус пьезомодуля
2 - фиксаторы
3 - защелки
4 - выступы
5 - боковые ограничители
6 - крышка корпуса
7 - пьезоэлемент
8 - токосъемник
9 - печатная плата
10 - выводы
11 - лицевая панель
12 - кнопки с графическими изображениями
13 - разделительный элемент
14 - отверстия