ПЛЕНОЧНАЯ КЛАВИАТУРА С ПОВЫШЕННОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ К ВНЕШНИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ
MEMBRANE KEYBOARD WITH HIGH RESISTANCE TO EXTERNAL EFFECTS

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 жестких условиях эксплуатации, при которых возможно активное механическое воздействие на клавиатуру и/или воздействие внешних агрессивных сред, например воды, грунта, пыли, атмосферных осадков и т.п. Заявляемая клавиатура может быть использована, например, в шахтном оборудовании или оборудовании, установленном на улице, в частности в необслуживаемых торговых киосках, банкоматах, терминалах самообслуживания.
Уровень техники
В общем случае пленочная клавиатура представляют собой пленку или печатную плату с контактными площадками, над которыми через разделитель установлена еще одна пленка с замыкателем или металлическая упругая замыкающая мембрана. Сверху через клеевую прокладку устанавливается еще одна кнопка, на которую для обозначения назначения клавиш наносится буквенно-цифровая (БЦ) маркировка. В ряде случаев пленочные клавиатуры устанавливаются на оборудовании, работающим в жестких условиях эксплуатации. Это могут быть, например, горнопроходческие комплексы, органы управления, которые могут подвергаться активным механическим воздействиям и/или воздействию агрессивных газов.
При повреждении верхней (лицевой) пленки ножом или другим острым предметом, при ударе, сдвигающем усилии клавиатура перестает работать, т.к. внутрь клавиатуры попадает грязь, вода, что приводит к нарушению контакта. Таким образом, для надежной работы клавиатуры при эксплуатации в жестких условиях требуется обеспечение надежной защиты от воздействия агрессивных сред и/или механического воздействия.
Задача по повышению устойчивости клавиатуры к механическим воздействиям в общем решается путем наложения поверх клавиатуры металлического листа.
Известна пленочная клавиатура, включающая нижнюю подложку с контактными элементами, лицевую пленку, под которой расположена защитная металлическая пластина с упругими функциями, под которой размещены верхний и нижний контактные слои с контактыми площадками, при этом между контактыми слоями размещен разделительный слой с отверстиями под контактые площадки. Металлическая пластина обеспечивает эффективную защиту от механических повреждений, что повышет вандалоустойчивость клавиатуры (патент DE 3513360 A1, опубл. 16.10.1986).
При нажатии на упругую пластину происходит перемещение всей клавиатуры, вдавливание выступов в контактные площадки и их замыкание. Недостатком такой конструкции является отсутствие тактильного эффекта, т.е. ощущения нажатия клавиши. Кроме того, такая клавиатура обладает низкой устойчивостью к тряске, поскольку вертикальные колебания верхней части клавиатуры относительно подложки будут приводить к самопроизвольному срабатыванию клавиш.
Известна пленочная клавиатура, содержащая печатную плату с множеством контактов, над которыми расположены упругие металлические пластины, поверх которых последовательно расположены водонепроницаемый слой и лицевая пленка. Каждая металлическая пластина включает упругое тело и множество опорных элементов, расположенных на периферии пластины, и упругий металлический корпус, который крепится к печатной плате с помощью опорных элементов с образованием свободного пространства над печатной платой (CN 203941843 U, опубл. 12.11.2014).
Недостаток клавиатуры заключается в том, что упругая металлическая пластина повышает устойчивость к повреждению отдельной контактной группы, а не клавиатуры в целом. Кроме того, применяемая металлическая пластина служит несущим основанием и не несет никаких защитных функций.
Задача по повышению устойчивости клавиатуры к воздействию влаги, пыли и иных агрессивных сред достигается за счет использования защитного водонепроницаемого слоя, выполненного из селикогеля.
Из уровня техники известны пленочные клавиатуры, включающие печатную плату, поверх которой размещен защитный слой из формованного силикона, обеспечивающий водонепроницаемость и пыленепроницаемость (CN 103677284 A, опубл. 26.03.2014, CN 103777764 A, опубл. 07.05.2014, CN 103425253, опубл. 04.12.2013).
Недостаток вышеприведенных пленочных клавиатур заключается в том, что они обладают устойчивостью только к воздействию влаги и/или пыли, но при этом не обеспечивается защита клавиатур от внешних механических воздействий, что существенно сужает область применения таких клавиатур.
Также из уровня техники известна пленочная клавиатура, включающая печатную плату с контактами площадками, замыкающие элементы, металлическую пластину, защищающую печатную плату. Между печатной платой и защитной металлической пластиной установлена силиконовая подложка, содержащая множество нажимных центральных силиконовых вставок, размещенных в отверстиях, выполненных в защитной пластине. Нажимная силиконовая вставка по периметру соединена с подложкой при помощи эластичной мембраны толщиной 1-1,5 мм. На центральные нажимные вставки установлены формованные колпачки из нержавеющей стали, на которых травлением или гравировкой нанесены знаки. Колпачки снабжены буртиками, которые заходят за края ответстий металлической пластины и предотвращают выпадение клавиш. Для повышения влагозащитных свойств клавиатуры между печатной платой с металлическими мембранами и силиконовой подложкой установлена лавсановая пленка, отформованная в области контактных площадок (ЕР 1385186 А2, опубл. 28.01.2004). Данная конструкция по совокупности существенных признаков может быть принята в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения.
Недостатком клавиатуры является то, что нажимное усилие на замыкатель передается за счет упругих свойств тонкой эластичной мембраны, расположенной по периферии более толстой центральной нажимной части (ЦЧ). После снятия нажимного усилия ЦЧ возвращается в исходное положение за счет упругих пружинных свойств металлического замыкателя. Таким образом, тонкая эластичная мембрана вокруг ЦЧ при нажатии на клавишу проходит постоянные циклы растяжения-сжатия, что при длительном и постоянном использовании клавиши приводит к ее надрыву в результате естественной усталости материала. Еще одним недостатком данной конструкции клавиатуры является образование при нажатии на клавишу зазора между буртиком металлического колпачка клавиши и краем защитной металлической пластины. При работе в запыленной атмосфере, попадании песка или других мелкодисперсных загрязнений, жидкой грязи на поверхность клавиатуры грязь будет забиваться в этот зазор и блокировать работу клавиатуры. При попадании грязи в полость над эластичной мембраной ее практически невозможно удалить без демонтажа и полной разборки клавиатуры. Кроме того, центральные нажимные вставки выполнены за одно целое с силиконовой подложкой, что образует сложную литьевую форму, дорогостоящую в изготовлении.
Осуществление изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании простой и надежной конструкции пленочной клавиатуры, обеспечивающей ее устойчивость как к активным механическим воздействиям, так и к воздействию внешних агрессивных сред.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, состоит в повышении надежности пленочной клавиатуры за счет использования цельных упругих защитных вставок над контактными группами, что обеспечивает сохранение целостности контактной группы при механическом повреждении лицевой пленки и сохранение герметичности, что исключает возможность попадания пыли, влаги, агрессивных газов на контактные элементы и сохраняет их работоспособность. Также повышение надежности достигается за счет исключения подвижных и трущихся элементов клавиш клавиатуры, что обеспечивает обязательное стабильное срабатывание клавиш при их нажатии или возврате в исходное положение. Также технический результат состоит в расширении функциональных возможностей пленочных клавиатур за счет возможности использования в оборудовании, работающего в тяжелых условиях эксплуатации. Также технический результат состоит в упрощении конструкции клавиатуры.
Указанный технический результат достигается за счет того, что пленочная клавиатура с повышенной устойчивостью к внешним воздействиям включает печатную плату с контактными площадками, замыкающий элемент, размещенный над контактными площадками, защитную пластину с посадочными гнездами, размещенную над печатной платой, причем в посадочные гнезда установлены защитные 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 защитная пластина выполнена таким образом, что ее нижние края охватывают торцы печатной платы, лицевую пленку с нанесенными символами, размещенную на верхней поверхности защитной пластины.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения защитная вставка выполнена из силиконового каучука или полиуретана.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения защитная пластина выполнена из металла толщиной 2-3 мм.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения толщина защитной вставки составляет 3-4 мм.
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 нижняя поверхность защитной вставки выполнена с выемкой под замыкающий элемент.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения клавиатура с обратной стороны залита герметиком.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения защитная вставка зафиксирована в посадочном гнезде при помощи клеевого соединения.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения на верхнюю поверхность защитной вставки нанесены дополнительные символы, дублирующие символы на лицевой пленке.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения между контактными площадками и защитными вставками дополнительно размещена полиэфирная защитная пленка.
Сведения, подтверждающие реализацию изобретения
Реализация изобретения подтверждается приведенными ниже примерами предпочтительных вариантов выполнения, и изобретение раскрыто со ссылкой на Фиг. 1, которая иллюстрирует конструкцию клавиатуры в целом в поперечном разрезе (вид сбоку).
Пленочная клавиатура, представленная на фиг.1, включает печатную плату 1 с нанесенными контактными площадками 2 и установленными замыкающими элементами 3, при нажатии на которые происходит замыкание контактов 2. Совместно контактные площадки 2 и замыкающий элемент 3 образуют контактную группу клавиши. Поверх печатной платы 1 установлена защитная пластина 4, в которой над зоной контактных площадок 2 выполнены посадочные гнезда 5, по существу представляющие собой сквозные отверстия. В посадочные гнезда 5 неподвижно с плотным прилеганием к стенкам гнезда установлены упругие защитные вставки 6 (далее по тексту - защитная вставка), которые своей нижней поверхностью опираются на печатную плату 1. На верхней поверхности разделительной пластины 4 при помощи клеевого слоя 7 размещена полиэфирная лицевая пленка 8 с образованием над защитными вставками 6 отформованных областей 9, преимущественно выпуклой формы, с нанесенными символами (цифрами и/или буквами, и/или другими символами), образующих информационные поля клавиш. Лицевая пленка 8 обеспечивает герметизацию клавиатуры от попадания влаги, паров аргессивных сред во внутреннюю часть клавиатуры.
1
1
1
1
1
1
2
2
1
Защитная вставка 6, образующая нажимную клавишу клавиатуры, представляет собой вставку объемной геометрической формы толщиной Н, выполненную единой литой деталью из эластичного материала, например силиконового каучука или полиуретана. Также защитные вставки 6 могут быть выполнены из любого другого эластичного материала, обеспечивающего возможность упругой деформации за счет сил сжатия. Верхняя поверхность упругой защитной вставки 6, выполненная предпочтительно квадратной или прямоугольной формы, образует поле клавшии 6. Также поле клавиши 6 может иметь форму круга, овала или иной плоской геометрической фигуры. В предпочтительном варианте защитная вставка 6 установлена в посадочном гнезде 5 таким образом, что ее верхняя поверхность (поле клавиши) 6 выступает над верхней поверхностью защитной пластины 4. Нижняя поверхность защитной вставки 6 выполнена с выемкой 10 под замыкающий элемент 3, глубина которой достаточна для обеспечения передачи нажимного усилия за счет упругой деформации защитной вставки 6 по вертикальной оси клавиши при ее нажатии, достаточного для замыкания контакта 2, без перемещения защитной вставки 6 в вертикальном направлении в посадочном гнезде 5. Толщина H защитной вставки 6 составляет 3-4 мм. Защитная вставка 6 зафиксирована в посадочном гнезде 5 посредством клеевого соединения, что обеспечивает также герметичное соединение, защищающее контактные площадки 2 от попадания пыли и влаги при механическом повреждении лицевой пленки 8. Защитная пластина 4 может быть выполнена из ударопрочного материала, например из металла (алюминия, дюралия), и иметь толщину 2-3 мм. Нижняя поверхность защитной пластины 4 выполнена с выемкой, в которой размещается печатная плата 1 таким образом, что нижние края 4 защитной пластины 4 охватывают торцы 1 печатной платы 1 для создания полностью герметичной и ударопрочной конструкции клавиатуры. В предпочтительном варианте реализации изобретения по периметру поля клавиши 6 выполнены выступы 6 ступенчатой формы, контактирующие с опорными площадками 4 защитной пластины 4 для обеспечения надежной фиксации защитной вставки 6 в посадочном гнезде 5. Согласно одному из вариантов реализации изобретения в центре защитной вставки 6 может быть установлена вставка из жесткого прозрачного материала, что обеспечивает усиление тактильного эффекта (не показано). В предпочтительном варианте реализации изобретения с обратной стороны клавиатура залита герметиком для создания герметичности. В предпочтительном варианте реализации изобретения между упругими вставками 6 и контактными группами может быть размещена полиэфирная пленка (не показано). Замыкающий элемент 3 может быть выполнен в виде упругой металической или пластиковой мембраны или микропереключателя (на чертежах не показано), или пьезоэлемента (см. фиг. 1). Также замыкающий элемент может представлять собой контактные дорожки, нанесенные на поверхность выемки 10 защитной вставки 6, соприкасающиеся при нажатии с контактными площадками 2 (на чертежах не показано). В предпочтительном варианте реализации изобретения на верхнюю поверхность (поле клавиши) 6 защитной вставки 6 нанесены дополнительные символы (буквы и/или цифры и/или иные символы), дублирующие символы на лицевой пленке 8, что дает возможность дальнейшего использования клавиатуры при повреждении лицевой пленки.
Устройство работает следующим образом.
1
1
1
При нажатии на поле клавиши 6 усилие нажатия передается через неподвижную защитную вставку 6 на замыкающий элемент 3 за счет упругой деформации эластичного материала по вертикальной оси клавиши, обеспечивая прогиб замыкающего элемента 3 и замыкание контактов 2. При снятии нажимного усилия с поля клавиши 6 защитная вставка 6 разжимается и принимает исходную форму. Таким образом, отсутствие подвижных и трущихся элементов клавиш клавиатуры обеспечивает обязательное стабильное их срабатывание за счет исключения возможности перекоса/заедания при нажатии на клавишу или возврате в исходное положение, что повышает эффективность и надежность работы клавиатуры. Металлическая защитная пластина 4 толщиной 2-3 мм обеспечивает высокую вандалозащищенность клавиатуры. Такая клавиатура легко выдерживает удары кулаком, ногой и молотком, падения на жесткие поверхности. При попадании под удар зон клавиш защитные вставки 6 за счет упругой деформации сжимаются до уровня верхней поверхности металлической защитной 4 пластины за счет того, что толщина защитной вставки 6 превышает толщину защитной пластины 4, и остаются целыми. Предлагаемая конструкция клавиатуры обеспечивает надежную механическую защиту печатной платы 1 с контактными площадками 2. При механическом повреждении лицевой пленки 8 острым предметом, при ударе, сдвигающем усилии сохраняется работоспособность клавиатуры, т.к. герметичность клавиатуры не нарушается и обеспечивается клеевым соединением между защитными вставками 6 и посадочными гнездами 5 металлической пластины 4. Защита контактных групп от грязи, пыли, влаги и других агрессивных сред сохраняется, что обеспечивает работоспособность клавиатуры и оборудования, в котором она используется. Защита торцов 1 печатной платы 1 защитной пластиной 4 обеспечивает дополнительную защиту клавиатуры от боковых ударов и дает возможность герметизирующей заливки клавиатуры с нижней стороны. При этом реализуется возможность применения клавиатуры как отдельного законченного изделия без установки ее в корпус прибора.
Таким образом, реализация заявляемого изобретения позволяет создать простую конструкцию пленочной клавиатуры, устойчивую к внешним воздействующим факторам, что позволяет использовать данную клавиатуру с оборудованием, работающим в жестких условиях эксплуатации.