ПЬЕЗОМОДУЛЬ

Область техники
Данная полезная модель относится к пьезомодулю для пьезоэлектрических клавиатур или отдельных кнопок, используемых в качестве пользовательского интерфейса для управления электронными приборами как общепромышленного, так и специального назначения. В частности, полезная модель относится к пьезомодулю, конструктивное исполнение которого позволяет существенно уменьшить его толщину за счет использования клеевого соединения между входящими в его состав пьезоэлементом и печатной платой.
Уровень техники
Пьезоэлектрическая клавиатура представляет собой набор 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 электронными ключами, генерирующими выходной сигнал, соответствующий нажатой пьезокнопке.
По сравнению с кнопочными и пленочными клавиатурами пьезоклавиатуры обладают рядом преимуществ, позволяющих использовать их при высокой внешней загрязненности и в особо жестких условиях эксплуатации. Отсутствие движущихся частей позволяет полностью заливать внутренний объем клавиатуры герметиком, обеспечивая тем самым высокую степень IР68 защиты от влаги и пыли в соответствии со стандартом IЕС 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96). Внешняя металлическая поверхность обеспечивает высокую устойчивость к агрессивным средам и механическим воздействиям (вандалоустойчивость).
В патенте RU 73120, принятом за ближайший аналог заявляемой полезной модели, узел "пьезоэлемент - электронный ключ", входящий в состав пьезоклавиатуры или отдельной пьезокнопки, предложено выполнять в виде единого пьезомодуля. Этот пьезомодуль включает в себя корпус 1, пьезоэлемент 7, токосъемник 8 и печатную плату 9 с установленным электронным ключом и выводами 10 (см. фиг.1). 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 выполнен в форме стакана и снабжен четырьмя защелками 3, расположенными по его периферии. Указанные защелки 3 вставляются в соответствующие отверстия в печатной плате 9 и защелкиваются при приложении давления к основанию корпуса 1. Таким образом корпус 1 фиксирует относительно друг друга входящие в состав пьезомодуля компоненты, прижимая при этом токосъемник 8 к пьезоэлементу 7 и печатной плате 9, за счет чего обеспечивается передача с пьезоэлемента на печатную плату и электронный ключ разности потенциалов, возникающей при нажатии на пьезоэлемент.
Пьезомодуль, известный из патента RU 73120 надежен в срабатывании. Кроме того, по своей конструкции он является унифицированным элементом, который можно выпускать на отдельном производстве и поставлять на предприятие, занимающееся изготовлением пьезоклавиатур, уже в готовом виде. Наконец, конструкция такого пьезомодуля позволяет изготавливать его номенклатурной линейкой, характеризующейся разными эксплуатационными параметрами, например, разной величиной усилия нажатия. Все это относится к явным преимуществам пьезомодуля по патенту RU 73120.
Однако, к сожалению, данному пьезомодулю присущ и ряд недостатков, к которым прежде всего относится значительная толщина и, соответственно, масса изделия. Данный недостаток существенно ограничивает применение пьезоклавиатур в современной технике, особенно в малогабаритной и переносной аппаратуре. Он обусловлен тем, что в пьезомодуле по патенту RU 73120 токосъемник 8 и защелки 3 имеют большую высоту, приводящую к увеличению общей толщины клавиатуры, собранной на основе таких пьезомодулей. Поясним данное обстоятельство таблицей 1, в которую сведены минимально возможные толщины всех элементов, входящих в известную пьезоклавиатуру, содержащую пьезомодуль по патенту RU 73120. Как следует из таблицы 1, большая часть высоты известной пьезоклавиатуры приходится на пьезомодуль (строки 3-8), при этом суммарная высота токосъемника (строка 6) и защелок (строка 8) составляет более половины общей высоты пьезомодуля.
Таблица 1
№ поз.
Элементы известной пьезоклавиатуры, содержащей пьезомодуль по патенту RU 73120
Толщина, мм
1
Лицевая панель
0,50
2
Клеевой слой между лицевой панелью и пьезомодулем
0,10
3
Верхняя сторона корпуса пьезомодуля
0,50
4
Клеевой слой между верхней стороной корпуса пьезомодуля и пьезоэлементом
0,10
5
Пьезоэлемент
0,20
6
Токосъемник
2,30
7
Печатная плата
1,00
8
Внешняя часть защелки
1,80
9
Коммутационная печатная плата
1,00
10
Герметизирующий слой
1,50
Общая толщина известной пьезоклавиатуры
9,00
Помимо обозначенного недостатка, относящегося к значительной толщине (не менее 9 мм), пьезомодуль по патенту RU 73120 обладает еще двумя недостатками, а именно:
- корпус пьезомодуля, обеспечивающий взаимную фиксацию входящих в него элементов, имеет достаточно сложную конструкцию;
- в виду того, что печатная плата прижимается к токосъемникам с помощью защелок, внешние размеры печатной платы превышают внешний диаметр корпуса пьезомодуля; данная особенность конструкции увеличивает минимально возможный шаг установки таких пьезомодулей на клавиатуре.
Принимая во внимание указанные выше недостатки пьезомодулей существующего уровня техники, в которых коммутация между пьезоэлементом и печатной платой осуществляется с помощью токосьемника, заявитель формулирует задачу данной полезной модели как разработка пьезомодуля простой конструкции, характеризующегося минимально возможной общей толщиной.
Раскрытие полезной модели
Поставленная задача решена путем создания пьезомодуля, включающего в себя корпус, пьезоэлемент и печатную плату с электронным ключом и выводами. Предложенный пьезомодуль характеризуется тем, что контактные площадки печатной платы соединены с положительным и отрицательным электродами пьезоэлемента слоем токопроводящего клея.
Указанный проводящий клей после своего отверждения обеспечивает как механическое, так и электрическое соединение между пьезоэлементом и печатной платой. За счет использования подобной клеевой связи между пьезоэлементом и печатной платой, заявленный пьезомодуль приобретает преимущества над своими известными аналогами, в частности следующие:
- существенно упрощается конструкция пьезомодуля, поскольку из его состава исключаются защелки и токосъемник;
- благодаря сокращению числа конструктивных элементов пьезомодуля значительно уменьшается его толщина.
Согласно одному из вариантов полезной модели, в качестве проводящего клея используется клей с анизотропной проводимостью, т.е. клей, способный проводить ток только в направлении, перпендикулярном плоскости его нанесения.
Применение клея с анизотропной проводимостью позволяет наносить клей на печатную плату сплошным слоем, вместо того, чтобы наносить его только на места контактных площадок. Данное обстоятельство, во-первых, обеспечивает более надежное механическое соединение между пьезоэлементом и печатной платой, а во-вторых, упрощает процесс изготовления пьезомодуля, поскольку в случае использования клея с изотропной проводимостью (т.е. проводимостью, одинаковой во всех направлениях) при изготовлении пьезомодуля приходится использовать специальную оснастку для нанесения токопроводящего клея полосками.
Согласно другому варианту полезной модели, корпус пьезомодуля изготовлен из полимерного материала, в частности поликарбоната, полиамида, поливинилхлорида, АБС-сополимера или подобного материала. Преимущество вышеперечисленных полимеров заключается в том, что они хорошо обрабатываются литьем под давлением. Однако в наиболее предпочтительном случае корпус пьезомодуля изготовлен из поликарбоната, т.е. материала, характеризующегося отличными механическими характеристиками и большим температурным диапазоном эксплуатации.
В соответствии с наиболее типичным вариантом полезной модели, пьезомодуль выполнен с возможностью установки в пьезоклавиатуру в соединении с другими подобными пьезомодулями.
В альтернативном случае пьезомодуль выполнен с возможностью установки в отдельную пьезокнопку.
Краткое описание чертежей
Далее полезная модель описана на примере предпочтительного варианта ее осуществления, раскрытого со ссылкой на прилагаемые чертежи, из которых:
фиг.1 изображает известный пьезомодуль, выбранный в качестве прототипа пьезомодуля, предложенного в настоящей заявке;
фиг.2 изображает поперечное сечение предложенного пьезомодуля в собранном состоянии.
Осуществление полезной модели
Фиг.2 иллюстрирует предложенный пьезомодуль 100, который подобно известному пьезомодулю, показанному на фиг.2, включает в себя корпус 1, пьезоэлемент 7 и печатную плату 9 с установленным электронным ключом и выводами 10 в виде проводов или штырьков. Пьезоэлемент 7 представляет собой, как правило, пьезокерамическую пластину, снабженную положительным и отрицательным электродами. Он приклеен к внутренней поверхности верхней стороны 2 корпуса 1 слоем обычного, непроводящего клея 4.
Отличие предложенного пьезомодуля 100 от прототипа по патенту RU 73120 заключается в том, что из его конструкции исключен токосъемник с проводящими и изолирующими слоями. Вместо этого в пьезомодуле 100 используется проводящий клей 6, соединяющий контактные площадки 5 печатной платы 9 с положительным и отрицательным электродами пьезоэлемента 7. Данная конструкция не требует дополнительных крепежных средств для обеспечения взаимной фиксации входящих в пьезомодуль элементов.
Предложенный пьезомодуль 100 функционирует по сути так же как и пьезомодуль по патенту RU 73120. При механическом воздействии на верхнюю сторону 2 корпуса 1 происходит ее деформация, которая передается на пьезоэлемент 7. В процессе деформации пьезоэлемента 7 между его положительным и отрицательным электродами возникает разность потенциалов, которая через токопроводящий клей 6 воспринимается положительной и отрицательной контактными площадками 5 печатной платы 9 и открывает смонтированный на печатной плате 9 электронный ключ, генерирующий соответствующий выходной сигнал. После снятия давления с верхней стороны 2 корпуса 1 пьезоэлемент 7 принимает прежнюю форму, разность потенциалов исчезает и электронный ключ запирается.
Пьезомодуль, раскрытый в данной заявке, лишен недостатков известного уровня техники. В частности, благодаря тому что коммутация между пьезоэлементом 7 и печатной платой 9 производится посредством токопроводящего клея 6, становится возможным существенно уменьшить толщину предложенного пьезомодуля 100 и тем самым существенно уменьшить толщину пьезоклавиатуры в целом. Данное обстоятельство проиллюстрировано таблицей 2, из которой следует, что толщина заявляемого пьезомодуля (строки 3-7) составляет всего 1,9 мм, в результате чего толщина пьезоклавиатуры, содержащий данный пьезомодуль, уменьшается до 5 мм, т.е. почти в 2 раза по сравнению с пьезоклавиатурой известного уровня техники.
Таблица 2
№ поз.
Элементы пьезоклавиатуры, содержащей заявляемый пьезомодуль
Толщина, мм
1
Лицевая панель
0,50
2
Клеевой слой между лицевой панелью и пьезомодулем
0,10
3
Верхняя сторона корпуса пьезомодуля
0,50
4
Клеевой слой между верхней стороной корпуса пьезомодуля и пьезоэлементом
0,10
5
Пьезоэлемент
0,20
6
Токопроводящий клей
0,1
7
Печатная плата
1,00
8
Коммутационная печатная плата
1,00
9
Герметизирующий слой
1,50
Общая толщина пьезоклавиатуры, содержащей заявляемый пьезомодуль
5,0
Кроме того, благодаря заявленному пьезомодулю становится возможным 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.
Дополнительным преимуществом заявляемой конструкции пьезомодуля является возможность уменьшения толщины печатной платы до 0,5 мм. Дело в том, что в известном пьезомодуле печатная плата, помимо выполнения своей основной функции, выполняет функцию конструктивного элемента, обеспечивающего прижим соединителя к пьезоэлементу. Соответственно, чтобы указанный прижим был плотный и надежный, печатная плата должна иметь высокую жесткость, вследствие чего ее толщина не может быть меньше 1 мм. В случае же пьезомодуля по настоящему изобретению необходимости в обеспечении прижима нет и, следовательно, жесткость печатной платы можно уменьшить за счет уменьшения ее толщины. Одновременно с этим снижается и стоимость печатной платы.
Заявленный пьезомодуль можно использовать как в отдельной пьезокнопке, так в составе пьезоклавиатуры. Очевидно, что в первом случае используется только один пьезомодуль, тогда как во втором - группа объединенных пьезомодулей.
Выше описан предпочтительный вариант выполнения предложенного пьезомодуля, который не следует рассматривать как ограничение патентных притязаний настоящей 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 ПОЗИЦИИ
1 - корпус пьезомодуля
2 - верхняя сторона корпуса
3 - защелки корпуса пьезомодуля
4 - обычный непроводящий клей
5 - контактные площадки печатной платы
6 - токопроводящий клей
7 - пьезоэлемент
8 - токосъемник, используемый в прототипе (патент RU 73120)
9 - печатная плата
10 - выводы
100 - заявленный пьезомодуль