КОНСТРУКЦИЯ ЕМКОСТНОЙ КНОПКИ
DESIGN OF CAPACITANCE BUTTON

Изобретение относится к близостным переключателям (срабатывающим при приближении), выполненным с использованием емкостных детекторов, и может использоваться в измерительной технике, например в датчиках давления, расхода и т.п.
Известна конструкция емкостной кнопки, описанная в п.РФ №238071 по кл. Н03К 17/955, з.22.08.07, оп. 20.09.09.
Известная кнопка емкостного сенсорного устройства включает в себя 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 и отличается тем, что она дополнительно содержит по меньшей мере один, например, лазерный 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.
Конструкция обеспечивает визуализацию состояния кнопки, что приводит к усложнению электронной части устройства.
Известна конструкция емкостной кнопки, представленная в статье «Решениях Microchip Technology для реализации сенсорного управления на емкостных датчиках» на сайте  (см. приложение к заявке) и выбранная в качестве прототипа.
Известная кнопка содержит печатную плату с нанесенным на нее сверху чувствительным токопроводящим покрытием - электродом, который заземлен, и расположенную сверху защитную пластину (шильд) из диэлектрика.
Основным элементом, необходимым для реализации такой кнопки, является конденсатор переменной емкости. Он имеет простую конструкцию и чувствительность к прикосновениям. Так как чувствительный элемент построен как «открытый» конденсатор, электрическое поле может взаимодействовать с внешним емкостным объектом, в данном случае - пальцем.
Значение вносимой емкости С пропорционально:
0;
- диэлектрической проницаемости вакуума ε
- относительной диэлектрической проницаемости ε материала между токопроводящим покрытием и, например, пальцем:
- площади перекрытия S;
- обратно пропорционально расстоянию d между токопроводящим покрытием и чувствительным электродом:
С= ε × ε0 × S/d
Чувствительность кнопки зависит от расстояния между проводящим и заземляющим слоем. Рекомендованное расстояние = 0,5 мм. Кроме этого, общая чувствительность кнопки зависит от толщины защитной диэлектрической пластины: при уменьшении толщины повышается чувствительность. Рекомендованная толщина пластины 1…1.5 мм.
Емкость датчика без емкости пальца составляет около 5…10 пФ.
Заземляющий слой под кнопкой экранирует ее от других электронных компонентов системы. Он также способствует поддержанию постоянной базовой емкости, которая требуется как опорная при каждом измерении.
Недостатком известной конструкции является ее невысокая чувствительность, обусловленная использованием толстой защитной пластины, что часто требуется условиями эксплуатации, наличием воздушных зазоров между элементами кнопки, малой площадью контакта пальца с кнопкой.
В частности, при использовании такой кнопки в измерительном приборе, например датчике давления, используется защитная пластина из стекла толщиной 10 мм, что критически снижает чувствительность кнопки. Кроме того, чувствительность ухудшают воздушные зазоры между различными слоями, т.к. воздух имеет низкую диэлектрическую проницаемость ε≈1.
2
При этом площадь контакта при нажатии пальцем невелика, что снижает площадь перекрытия для вносимой емкости (S≈1cм)
Наличие дисплея в датчике ограничивает площадь емкостных кнопок в варианте с размещением кнопок на плате.
Задачей является повышение чувствительности кнопки.
Поставленная задача решается тем, что в конструкции емкостной кнопки, содержащей последовательно расположенные по высоте и соприкасающиеся между собой защитное стекло и чувствительный электрод, расположенный сверху на электронной плате, согласно изобретению на защитное стекло сверху и снизу нанесены прозрачные проводящие металлические покрытия, под покрытием на нижней стороне стекла размещено соприкасающееся с ним кольцо из проводящей резины, выполненное с вертикальными прорезями и опирающееся на пластмассовое кольцо, под которым расположена электронная плата с чувствительным электродом, при этом покрытия выполнены в виде секторов, разделенных между собой зазором, а нижнее покрытие прижато снизу без зазора по периметру стекла кольцом из проводящей резины для обеспечения контакта с чувствительным электродом электронной платы.
Наличие прозрачных металлических покрытий на верхней и нижней поверхностях защитного стекла обеспечивает увеличение площади контакта, что в совокупности с размещением под нижним прозрачным металлическим покрытием поджимающего его по периметру кольца из проводящей резины, убирающего воздушную прослойку между защитным стеклом и чувствительным электродом на электронной плате, увеличивает чувствительность кнопки при касании ее поверхности.
Технический результат - увеличение емкости при касании поверхности над токопроводящим электродом.
Заявляемая конструкция емкостной кнопки обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как наличие на защитном стекле сверху и снизу прозрачных проводящих металлических покрытий, размещение под покрытием на нижней стороне стекла соприкасающегося с ним кольца из проводящей резины, выполненного с вертикальными прорезями и опирающегося на пластмассовое кольцо, под которым расположена электронная плата с чувствительным электродом, выполнение покрытий в виде секторов, разделенных между собой зазором, плотное поджатие нижнего покрытия снизу без зазора по периметру стекла кольцом из проводящей резины для обеспечения контакта с чувствительным электродом электронной платы, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающие в совокупности заданный результат, поэтому он считает, что заявляемая конструкции емкостной кнопки соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемая конструкция емкостной кнопки может найти широкое применение в измерительной технике, а потому соответствует критерию «промышленная применимость». Изобретение иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг.1 - вид сбоку в разрезе конструкции емкостной кнопки;
- фиг.2 - вид конструкции емкостной кнопки при сборке;
- фиг.3 - вид прозрачного металлического покрытия на поверхностях защитного стекла.
Заявляемая конструкция емкостной кнопки (фиг.1, 2) содержит последовательно расположенные по высоте и соприкасающиеся между собой верхнее прозрачное проводящее металлическое покрытие 1 на защитном стекле 2, нижнее прозрачное проводящее металлическое покрытие 3 на стекле 2, кольцо 4 с вертикальными прорезями из проводящей резины, опирающееся на пластмассовое кольцо 5, под которым расположена электронная плата 6 с чувствительным электродом 7 на ее верхней стороне. При этом покрытия 1 и 3 (фиг.3) выполнены в виде секторов 8, разделенных между собой зазорами 9, а нижнее покрытие 3 прижато снизу без зазора по периметру защитного стекла 2 кольцом 4 из проводящей резины для обеспечения контакта с чувствительным электродом 7 электронной платы 6.
Конструктивно покрытия 1 и 3 могут быть выполнены напылением или наклеиванием пленки с ITO. Кольцо из проводящей резины представляет собой, в частности, Zebra strip.
При касании оператора пальцем покрытия 1 на защитном стекле 2 за счет описанной выше конструкции кнопки емкость значительно увеличивается, что повышает чувствительность кнопки, и она надежно срабатывает.
В сравнении с прототипом заявляемая конструкция емкостной пленки имеет более высокую чувствительность.