Ёмкостная клавиатура

Область техники
Полезная модель относится к области приборостроения, в частности к устройствам ввода данных через емкостную клавиатуру, и может быть использована при изготовлении телефонов, калькуляторов, весов и т.п.
Уровень техники
Емкостные клавиатуры обладают высокой надежностью и защищенностью от внешних климатических воздействий, так как они не имеют механических контактов. Кроме этого, они имеют незначительную толщину.
Известны емкостные клавиатуры (например, US 8049647, опубликовано 01.11.2011), действие которых основано на изменении емкости конденсатора, сформированного в зоне клавиши при касании этой области пальцем, за счет того, что человеческое тело обладает электропроводящими свойствами. Недостаток таких емкостных клавиатур состоит в том, что емкостная структура по своей топологии является антенной и, следовательно, она подвержена воздействию внешнего электромагнитного излучения, что создает предпосылки к ложным срабатываниям при наведенном электромагнитном излучении. Ложные срабатывания могут быть и при случайном нахождении руки пользователя в зоне размещения клавиши. Вышеперечисленный недостаток ограничивает область применения емкостных клавиатур только в аппаратуре и в системах с низкими требованиями по электромагнитной совместимости.
Известны емкостные клавиатуры (например, US 9178509, опубликовано 03.11.2015), действие которых основано на изменении емкости путем механического давления на поверхность клавиатуры в зоне клавиши, приводящему к изменению расстояния между обкладками соответствующего конденсатора. Одним из недостатков таких клавиатур является то, что при нажатии на поверхность в зоне одной клавиши возможно искривление лицевой поверхности клавиатуры в зоне размещения других клавиш, способного привести к появлению ложных сигналов. К этому же может привести и коробление основания клавиатуры, в качестве которого обычно используют жесткую печатную плату.
В качестве прототипа использован патент US 9178509, один из вариантов которого предусматривает выполнение клавиатуры вычислительного устройства, содержащей первую проводящую пластину, вторую проводящую пластину, размещенную на основании клавиатуры таким образом, чтобы при приложении силы к первой проводящей пластине, она приближалась ко второй проводящей пластине; и выход, сконфигурированный так, чтобы реагировать на изменении емкости, зависящей от расстояния между первой проводящей пластиной и второй проводящей пластиной.
Раскрытие полезной модели
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, состоит в создании простой и надежной конструкции емкостной клавиатуры, обеспечивающей ее надежную работу при разнообразных внешних воздействиях: климатических и электромагнитных.
Данная задача решается за счет того, что емкостная клавиатура выполняется в виде многослойной печатной платы, состоящей из гибкой печатной платы, внутренний проводящий рисунок которой является общей обкладкой конденсаторов считывания и имеет площадки для пайки в зонах размещения переходных отверстий на жесткой печатной плате, разделительной прокладки, имеющей отверстия, соответствующие зонам размещения площадок считывания и переходных отверстий, и жесткой печатной платы, имеющей переходные отверстия, размещенные возле каждой площадки считывания.
Технический результат заключается в предотвращении ложных срабатываний клавиш емкостной клавиатуры, повышении помехоустойчивости и устойчивости к климатическим воздействиям, в оптимизации технологического процесса ее изготовления.
Технический результат достигается тем, что емкостную клавиатуру, содержащую, гибкий слой, разделительную прокладку, жесткую печатную плату и электронные компоненты, реагирующие на изменение емкости конденсаторов считывания, одной из обкладок которых являются площадки считывания, размещенные на внутренней стороне жесткой печатной платы, выполняют в виде многослойной печатной платы, состоящей из гибкой печатной платы, внутренний проводящий рисунок которой является общей обкладкой конденсаторов считывания и имеет площадки для пайки в зонах размещения переходных отверстий на жесткой печатной плате; разделительной прокладки, имеющей отверстия, соответствующие зонам размещения площадок считывания и переходных отверстий; жесткой печатной платы, имеющей переходные отверстия, размещенные возле каждой площадки считывания.
Через переходные отверстия вокруг зон размещения площадок считывания на жесткой плате осуществляется пайка, благодаря чему происходит одновременно электрический контакт внутреннего слоя гибкой печатной платы с общей шиной электрической схемы, и механическое защемление участков гибкой платы над площадками считывания жесткой печатной платы. Благодаря этому предотвращается повреждение разделительной прокладки при использовании клавиатуры, что увеличивает ее долговечность и надежность, а также исключаются ложные срабатывания соседних клавиш при нажатии. Переходные отверстия жесткой печатной платы соединены проводящим рисунком и экранируют площадки считывания как от внешних электромагнитных воздействий, так и от взаимодействия между собой, что приводит к повышению помехоустойчивости емкостной клавиатуры.
Кроме этого, повышению помехоустойчивости приводит гальваническое соединение гибкой печатной платы с общим проводом, что позволяет экранировать жесткую плату от внешних излучений и электростатических наводок. При этом поверхность клавиатуры (нескольких или многих клавиш) в любой комбинации может подвергаться воздействию любых, в том числе электропроводных жидкостей. Ложные срабатывания при этом также исключены.
При производстве емкостной клавиатуры по предлагаемому техническому решению сокращается количество технологических операций и отходов, что позволяет снизить себестоимость и затраты.
Признаки полезной модели, совпадающие с признаками прототипа, следующие: емкостная клавиатура содержит гибкий слой, разделительную прокладку, жесткую печатную плату и электронные компоненты, реагирующие на изменение емкости конденсаторов считывания, одной из обкладок которых являются площадки считывания, размещенные на внутренней стороне жесткой печатной платы.
Признаки, отличительные от наиболее близкого аналога, следующие: емкостная клавиатура выполнена в виде многослойной печатной платы, состоящей из гибкой печатной платы, внутренний проводящий рисунок которой является общей обкладкой конденсаторов считывания и имеет площадки для пайки в зонах размещения переходных отверстий на жесткой печатной плате; разделительной прокладки, имеющей отверстия, соответствующие зонам размещения площадок считывания и переходных отверстий; жесткой печатной платы, имеющей переходные отверстия, размещенные возле каждой площадки считывания.
Частные случаи выполнения полезной модели следующие: на внутренней стороне жесткой печатной платы вокруг каждой площадки считывания размещены проводники, соединенные с поясками переходных отверстий; возле каждой площадки считывания располагается несколько переходных отверстий; части проводящего рисунка гибкой печатной платы, соответствующие зонам размещения площадок считывания на жесткой печатной плате, выполнены в виде спирали; проводящий рисунок на лицевой стороне гибкой печатной платы является экраном; на лицевой стороне гибкой печатной платы прикреплены клавиши, содержащие упругие элементы.
Краткое описание чертежей
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где фигура 1 - схема устройства емкостной клавиатуры; фигура 2 - схема емкостной клавиатуры в разрезе; фигура 3 - внутренняя сторона жесткой печатной платы; фигура 4 -внутренняя сторона гибкой печатной платы.
Чертежи имеют следующие обозначения: гибкий слой 1, гибкая печатная плата 2, разделительная прокладка 3, жесткая печатная плата 4, электронные компоненты 5, площадки считывания на жесткой плате 6, конденсатор считывания 7, многослойная печатная плата 8, площадки для пайки 9, пояски переходных отверстий 10, общая обкладка конденсатора считывания на гибкой печатной плате 11, отверстия в разделительной прокладке 12, переходные отверстия в жесткой плате 13, основание многослойной платы 14, паяное соединение 15, наружный проводящий рисунок гибкой печатной платы 16, проводники на жесткой плате 17, клавиши на наружной стороне гибкой печатной платы 18.
Осуществление полезной модели
Емкостная клавиатура по заявляемому техническому решению выполнена в виде многослойной печатной платы 8, содержащей гибкую печатную плату 2, разделительную прокладку 3 и жесткую печатную плату 4, служащую основанием многослойной печатной платы. Жесткая печатная плата 4 может быть выполнена из текстолита или других жестких электроизоляционных материалов. На жесткой печатной плате 4 выполнены металлизированные переходные отверстия 13. На внутренней поверхности жесткой платы располагаются площадки считывания 6, вокруг каждой из которых размещены проводники 17, соединенные с поясками 10 переходных металлизированных отверстий 13. К внешней стороне жесткой печатной платы присоединены электронные компоненты 5. Гибкий слой 1 образован гибкой печатной платой 2, на наружной поверхности которой нанесены обозначения клавиш 18. Внутренняя сторона гибкой печатной платы является общей обкладкой конденсаторов считывания 11. На гибкой печатной плате выполнены металлизированные площадки для пайки 9, соответствующие зонам расположения переходных отверстий на жесткой печатной плате. Между гибкой и жесткой платами располагается разделительная прокладка 3, в которой выполнены отверстия 12 для площадок считывания и металлизированных переходных отверстий. Разделительная прокладка может быть выполнена из любого электроизоляционного материала (пленка, маска). Соединение плат осуществляется путем заливки припоя в металлизированные переходные отверстия в жесткой плате - паяное соединение 15 (паяная заклепка). Площадки считывания на жесткой плате 6 и общая обкладка считывания на гибкой плате 11 образуют конденсаторы считывания 7 емкостной клавиатуры.
Производственный процесс изготовления жесткой печатной платы по предлагаемому техническому решению позволяет снизить количество технологических операций (возможно, полностью исключить ручные операции) и отходов, за счет чего снижаются себестоимость и затраты.
Емкостная клавиатура работает следующим образом. Конденсаторы считывания 7 включены в электронную схему сенсоров, реагирующих на изменение емкости. При нажатии клавиш 18 происходит упругая деформация гибкой печатной платы 2 на площади, не покрытой изоляционной прокладкой 3. Эта деформация приводит к изменению взаимного расположения проводящих слоев 7 и 6 в зоне, обозначенной изображением клавиши 18, что вызывает изменение емкости конденсатора считывания 7. Сенсор, соответствующий площадке считывания на жесткой плате 6 детектирует изменение этой емкости и в зависимости от заданного порога чувствительности определяет достоверность нажатия на клавишу. При этом гибкий слой 1 гибкой печатной платы 2 гарантирует изоляцию чувствительных элементов от воздействия факторов внешней среды (влага, пыль), а сплошная в электромагнитном смысле общая обкладка конденсатора считывания 11 изолирует чувствительные элементы от внешних электрических наводок. Изоляции конденсаторов считывания 7 от внешних электрических наводок способствуют также проводники на жесткой плате 17 и пояски переходных отверстий 10, которые электрически соединены с общей обкладкой 11 гибкой печатной платы 2 через паяные соединения (паяные заклепки) 15. Наличие паяных заклепок четко фиксирует положение конденсаторов считывания и исключает ложное срабатывание соседних клавиш при случайном нажатии.