Клавиатура с подсветкой клавиш
KEYBOARD WITH KEYS ILLUMINATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к клавишным устройствам ввода данных (клавиатурам), которые можно использовать в качестве пользовательского интерфейса для управления электронными приборами как общепромышленного, так и специального назначения. Более конкретно, изобретение относится к пленочным клавиатурам (ПЛК) или комбинированным клавиатурам, кнопочно-пленочным или пьезопленочным, на лицевую поверхность которых установлена декоративная пленка с обозначением клавиш и предназначенных для работы в условиях недостаточной видимости и/или при необходимости включения исполнительной подсветки отдельной клавиши.
Уровень техники
В общем клавиатура представляет собой набор клавиш того или иного типа, объединенных в единую конструкцию. При нажатии на клавишу происходит замыкание электрического контакта и передача той или иной информации. Замыкание электрического контакта может происходить путем продавливания замыкающей мембраны, установленной над контактными площадками, срабатывания микропереключателя или электронного замыкания в результате обработки электрической схемой сигнала, например пьезоимпульса, возникающего при нажатии в зону клавиши. Для обозначения назначения клавиш на них наносится буквенно-цифровая (БЦ) маркировка. В процессе эксплуатации в ряде случаев требуется подсветка клавиш клавиатуры. Например, 1) клавиатура установлена в приборе, предназначенном для эксплуатации в условиях недостатка внешнего освещения (ночью), или 2) требуется обеспечить исполнительную подсветку, т.е. обеспечить обратную связь с управляемой системой путем зажигания или изменения цвета клавиши после исполнения команды, подаваемой нажатием на данную клавишу, или требуется обеспечить обратную связь в системе, эксплуатируемой в условиях недостаточного внешнего освещения.
В первом случае задача решается путем установки электролюминофорных панелей подсвета или применением специальных световодов, устанавливаемых по всей плоскости клавиатуры.
Известна клавиатура с двухрежимной подсветкой, содержащая заключенные в рамку из светонепроницаемого материала печатную плату с оптическим излучателем, тактильные элементы, световодную пластину из светопроводящего материала, при этом в качестве оптического излучателя используют размещаемые на печатной плате светодиоды белого и зеленого цвета, установленные по периметру световодной пластины в специальных углублениях (патент RU 126505 U1, опубл. 27.03.2013).
Недостаток клавиатуры заключается в отсутствие возможности независимой подсветки клавиш.
Известна клавиатура, включающая печатную плату, замыкатель контактов, клавиши, выполненные из прозрачного материала и между которыми размещены светопроводящие элементы в виде призм. Под призмами установлены светодиоды, направляющие лучи в вертикальном направлении на призмы, которые перенаправляют их в горизонтальную плоскость, освещая прозрачные клавиши (патент US 4670633, опубл. 02.06.1987).
Недостаток клавиатуры заключается в отсутствие возможности независимой подсветки клавиш.
Известна пленочная клавиатура, включающая наружную пленку с прозрачными полями выпуклой формы с нанесенными символами, образующие клавиши, печатную плату с контактными площадками, на нижнюю поверхность которой нанесен клеевой слой для крепления клавиатуры. На печатной плате размещен разделительный слой с выемками для замыкающих мембран, светодиодный слой, размещенный поверх разделительного слоя (патент ЕР 1990817 А1, опубл. 12.11.2008).
Во всех вышеперечисленных случаях применяется общий световод, что решает задачу обеспечения возможности работы в условиях недостатка освещенности, но не обеспечивает решение задачи исполнительной подсветки. Во втором случае задача решается путем установки в зоне клавиш светодиода (одного или нескольких), зажигаемого при исполнении подаваемой команды.
Известна пленочная клавиатура, включающая печатную плату с контактными площадками, замыкающий элемент в виде мембраны, в которой выполнено сквозное отверстие, разделительную пластину с нишей, в которой установлен эластичный диффузный распределитель света, светодиод, установленный на печатной плате и освещающий нижнюю поверхность световода через центральное отверстие мембраны, лицевую пленку, наклеенную на разделительную пластину (DE 20 2004 016739 U1, опубл. 10.02.2005).
Известна пленочная клавиатура, включающая печатную плату с контактными площадками, замыкающий элемент в виде мембраны, в которой выполнено сквозное отверстие, разделительную пластину с нишей, в которой установлена эластичная вставка, выполняющая функцию световода, светодиод, установленный на печатной плате и освещающий нижнюю поверхность световода через центральное отверстие мембраны, лицевую пленку с декоративным покрытием, наклеенную на разделительную пластину. Эластичная вставка установлена таким образом, что ее нижняя поверхность находится на одном уровне с нижней поверхностью лицевой пленки (DE 202004016741 U1, опубл. 10.02.2005).
Недостаток вышеприведенных клавиатур заключается в том, что обеспечивается подсветка только небольшой области световода, находящейся непосредственно над отверстием мембраны.
Известна пленочная клавиатура, включающая печатную плату с мембранным замыкателем, светопроводящую распределительную пластину с выемками, в которые установлены светодиоды, излучающие лучи в торцы выемок. Поверх светопроводящей пластины при помощи клеевого слоя нанесена декоративная пленка (DE 202005001840 U1, опубл. 25.05.2005).
Недостаток клавиатуры заключается в том, что светодиоды установлены на дополнительной плате, что существенно усложняет конструкцию клавиатуры.
Также из уровня техники известна пленочная клавиатура, включающая печатную плату с контактными площадками, замыкающий элемент в виде мембраны, верхнюю крышку с отверстием, в которое над замыкающим элементом установлена вставка из твердого прозрачного материала, выполняющая функцию световода. Верхняя крышка размещена на расстоянии от печатной платы и соединена с ней через опорные элементы. На поверхности крышки наклеена эластичная пленка с цифровыми и/или буквенными обозначениями, образующими поля клавиш. На печатной плате установлены один или несколько светодиодов различного цвета, размещенных по периметру световода и обеспечивающих его торцевое освещение. При включении светодиодов свет проходит через край световода и распространяется по всему объему световода. Для улучшения однородности освещения поверхности световода могут быть обработаны, например, пескоструйной обработкой (патент ЕР 1515350 A1, опубл. 16.03.2005). Вышеуказанная клавиатура по совокупности существенных признаков может быть принята в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения.
Недостаток клавиатуры заключается в том, что при использовании световода прямоугольной формы при близком расположении светодиода в углах световода остаются затемненные области со стороны светодиода. Для обеспечения равномерной подсветки поля клавиши требуется установка второго светодиода с противоположной стороны световода. Такая конструкция приводит к повышению энергопотребления подсветки и к увеличению минимально возможного шага между кнопками.
Кроме того, при нажатии на поле клавиши нажимное усилие на замыкатель передается за счет упругих свойств верхней пленки, прилегающей к световоду, который при нажатии перемещается вниз до замыкания контактов. После снятия нажимного усилия световод возвращается в исходное положение также за счет пружинных свойств замыкателя. Таким образом, световод является подвижным элементом, имеющим возможность вертикального перемещения при нажатии на поле клавиши и возврате в исходное положения при снятии нажимного усилия, что снижает надежность работы клавиши, поскольку в момент нажатия или возврата клавиши возможен перекос подвижного световода. Перекос световода может приводить к недостаточному нажимному усилию на замыкатель и/или возвратному усилию и, как следствие, к некорректному срабатыванию клавиши, например увеличению времени срабатывания.
Осуществление изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании простой и надежной конструкции клавиатуры с независимой подсветкой клавиш, обеспечивающей как ночную, так и исполнительную подсветку.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, состоит в повышении эффективности, надежности и улучшении качества работы клавиатуры за счет равномерной подсветки всего поля клавиши клавиатуры с повышенной светоотдачей, что приводит к лучшему визуальному контролю состояния клавиш, а также за счет исключения подвижных элементов клавиш клавиатуры, что обеспечивает обязательное стабильное срабатывание клавиши при ее нажатии или возврате в исходное положение.
Указанный технический результат достигается за счет того, что клавиатура с подсветкой клавиш включает печатную плату с контактными площадками, замыкающий элемент, размещенный над контактными площадками, разделительную пластину, установленную на печатной плате, причем в разделительной пластине выполнены посадочные гнезда, в которые неподвижно установлены светопроводящие вставки из эластичного материала, образующие клавиши и выполненные с возможностью передачи при нажатии нажимного усилия на замыкающий элемент за счет упругой деформации по вертикальной оси клавиши, при этом по меньшей мере одна из боковых сторон светопроводящей вставки выполнена с цилиндрической светоотражающей поверхностью, на противоположной стороне от которой установлен светодиод, лицевую пленку с нанесенными символами, размещенную на верхней поверхности разделительной пластины.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения светопроводящая вставка выполнена из силиконового каучука или полиуретана.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения в объем светопроводящей вставки введены мелкодисперсные частицы или пузырьки воздуха.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения светоотражающее покрытие нанесено на все боковые стороны светопроводящей вставки за исключением зоны, освещаемой светодиодом.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения светоотражающее покрытие нанесено на внутреннюю стенку отверстия разделительной пластины, в которой установлена светопроводящая вставка.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения разделительная пластина выполнена из металла толщиной 2-3 мм.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения толщина светопроводящей вставки составляет 3-4 мм.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения светодиод выполнен одноцветным или многоцветным.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения замыкающий элемент выполнен в виде упругой металлической мембраны, или микропереключателя, или пьезоэлемента.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения верхняя поверхность светопроводящей вставки выполнена с неровностями в виде выступов и углублений.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения светопроводящая вставка объединяет несколько клавиш.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения нижняя поверхность светопроводящей вставки выполнена с выемкой под замыкающий элемент.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения эластичная светопроводящая вставка имеет жесткую центральную часть непосредственно над замыкающим элементом.
Сведения, подтверждающие реализацию изобретения
Реализация изобретения подтверждается приведенными ниже примерами предпочтительных вариантов выполнения, и изобретение раскрыто со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует фрагмент пленочной клавиатуры с подсветкой клавиш в поперечном разрезе (вид сбоку);
Фиг. 2 иллюстрирует конструкцию светопроводящей вставки (вид сверху).
Пленочная клавиатура, содержащая множество клавиш, одна из которых показана на фиг. 1, включает печатную плату 1 с нанесенными контактными площадками 2 и установленным замыкающим элементом 3, при нажатии на который происходит замыкание контактов 2. Совместно контактные площадки 2 и замыкающий элемент 3 образуют контактную группу клавиши. Поверх печатной платы 1 установлена разделительная пластина 4, в которой над зоной контактных площадок 2 выполнены посадочные гнезда 5 специальной формы, по существу представляющие собой сквозные отверстия. В посадочные гнезда 5 неподвижно установлены упругие светопроводящие вставки 6 (далее по тексту - светопроводящая вставка), которые своей нижней поверхностью опираются на печатную плату 1. В посадочном гнезде 5 разделительной пластины 4 также установлен по меньшей мере один светодиод 7, который может быть закреплен на печатной плате 1 и обеспечивающий освещение одной из боковых сторон светопроводящей вставки 6 для создания торцевой подсветки. На верхней поверхности разделительной пластины 4 при помощи клеевого слоя 8 закреплена лицевая пленка 9 с образованием над светопроводящей вставкой 6 отформованных выпуклых областей 10, преимущественно сферической или прямоугольной формы, с нанесенными символами (цифрами, и/или буквами, и/или другими символами), образующих информационные поля клавиш.
1
1
1
1
Светопроводящая вставка 6, представленная на фиг. 2, образующая нажимную клавишу клавиатуры, представляет собой вставку специальной объемной геометрической формы толщиной Н, обеспечивающей равномерное распределение лучей от светодиода 7 по всему объему светопроводящей вставки. Светопроводящая вставка 6 представляет собой единую литую деталь, выполненную из прозрачного эластичного материала, например силиконового каучука или полиуретана. Также светопроводящая вставка 6 может быть выполнена из любого другого прозрачного эластичного материала, обеспечивающего возможность упругой деформации за счет сил сжатия. Верхняя поверхность светопроводящей вставки 6, выполненная предпочтительно прямоугольной формы, образует поле клавиши 10. В предпочтительном варианте реализации изобретения одна из боковых сторон светопроводящей ставки 6 выполнена с цилиндрической поверхностью 11 радиусом R со светоотражающим покрытием 12, при этом светодиод 7 установлен на противоположной стороне от цилиндрической поверхности 11 предпочтительно вдоль поперечной оси вставки 6. В предпочтительном варианте реализации изобретения светопроводящая вставка 6 установлена в посадочном гнезде 5 таким образом, что ее верхняя поверхность (поле клавиши) 10 выступает над верхней поверхностью разделительной пластины 4. Нижняя поверхность светопроводящей вставки 6 выполнена с выемкой 13 под замыкающий элемент 3, глубина которой достаточна для обеспечения передачи нажимного усилия за счет упругой деформации светопроводящей вставки 6 по вертикальной оси клавиши при ее нажатии, достаточном для замыкания контакта 2, без перемещения вставки 6 в вертикальном направлении в посадочном гнезде 5. Разделительная пластина 4 может быть выполнена из металла, например алюминиевого сплава, и иметь толщину 2-3 мм. Толщина Н светопроводящей вставки 6 составляет 3-4 мм. Светопроводящая вставка 6 может быть зафиксирована в посадочном гнезде 5 посредством клеевого соединения. В одном из вариантов реализации изобретения боковые стороны светопроводящей вставки 6 выполнены с выступами 6 ступенчатой формы, контактирующими с опорными площадками 4 разделительной пластины 4 для обеспечения надежной фиксации вставки 6 в посадочном гнезде 5. Замыкающий элемент 3 может быть выполнен в виде упругой металлической мембраны, или микропереключателя, или пьезоэлемента. Также замыкающий элемент может представлять собой контактные дорожки, нанесенные на поверхность выемки 10 светопроводящей вставки 6, соприкасающиеся при нажатии с контактными площадками 2 (не показано). Согласно одному из вариантов реализации изобретения в центре светопроводящей вставки 6 непосредственно над замыкающим элементом 3 может быть установлена вставка из жесткого прозрачного материала, обеспечивающая усиление тактильного эффекта при нажатии клавиши (не показано).
Согласно одному из вариантов реализации изобретения в объем светопроводящей вставки 6 могут быть введены мелкодисперсные частицы или газовые пузырьки для улучшения рассеивания светового потока (на чертежах не показано). Согласно одному из вариантов реализации изобретения светоотражающее покрытие может быть нанесено на все боковые стороны светопроводящей вставки 6 за исключением зоны, освещаемой светодиодом 7 (не показано). Согласно одному из вариантов реализации изобретения внутренняя стенка полости 5, к которой прилегает цилиндрическая поверхность 11, имеет выемку сферической формы, радиус которой соответствует радиусу R цилиндрической поверхности 11, и может быть выполнена со светоотражающим покрытием (не показано). Согласно одному из вариантов реализации изобретения верхняя поверхность светопроводящей вставки 6 выполнена с неровностями в виде выступов и углублений для исключения эффекта колец Ньютона при нажатии на клавишу (не показано).
Устройство работает следующим образом.
1
1
1
1
1
1
При включении светодиода 7 лучи 14, расходясь при выходе из линзы светодиода 7 под углом 120°, проходят через тело светопроводящей вставки 6, достигают противоположной цилиндрической поверхности 11, отражаются от нее за счет наличия светоотражающего покрытия 12, образуя однородный разнонаправленный световой поток, обеспечивающий равномерную подсветку всего поля клавиши 10, в том числе затемненных зон (углов) светопроводящей вставки 6, которые образовывались со стороны вставки 6, освещаемой светодиодом 7. Также наличие светоотражающего покрытия 12 обеспечивает прохождение светового потока по объему светопроводящей вставки 6 не менее двух раз, что повышает светоотдачу почти в 2 раза при использовании только одного светодиода, что не требует повышенного энергопотребления для обеспечение подсветки клавиш. Таким образом, достигается лучший визуальный контроль состояния клавиш и улучшается качество работы клавиатуры. При использовании двухцветного светодиода 7 можно обеспечить как ночную подсветку поля клавиши 10, так и ее исполнительную подсветку за счет изменения цвета свечения поля клавиши 10 при переключении питания на кристалл другого цвета. При использовании трехцветного светодиода 7 можно получить подсветку поля клавиши 10 любым цветом. При нажатии на поле клавиши 10 усилие нажатия передается через неподвижную светопроводящую вставку 6 на замыкающий элемент 3 за счет упругой деформации эластичного материала в направлении по вертикальной оси клавиши, обеспечивая необходимый прогиб замыкающего элемента 3 и замыкание контактов 2. При снятии нажимного усилия с поля клавиши 10 светопроводящая вставка 6 разжимается и принимает исходную форму. Таким образом, отсутствие подвижных и трущихся элементов клавиш клавиатуры обеспечивает обязательное стабильное их срабатывание за счет исключения возможного перекоса/заедания клавиши при нажатии или возврате в исходное положение, что повышает эффективность и надежность работы клавиатуры. Заявляемое изобретение раскрывает конструкцию клавиши устройства ввода информации с независимой подсветкой, лишенной недостатков известного уровня техники.