Миниатюрная клавиша

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Миниатюрная клавиша, содержащая диамагнитный корпус с размещенным в нижней его части постоянным первым магнитом, подвижную клавишную головку с установленным в ней вторым постоянным магнитом, выполненным с возможностью перемещения вдоль оси устройства, ограничитель перемещения, неподвижную ферромагнитную шайбу в верхней части корпуса, магниточувствительный преобразователь, размещенный между магнитами, ориентированными одноименными полюсами противоположно друг другу,отличающаяся тем, что магниточувствительный преобразователь выполнен в виде пьезомагнитного преобразователя, состоящего из ассиметричного биморфного пьезоэлектрического элемента прямоугольной формы, включающего упругую немагнитную металлическую пластину с приклеенным к ней поляризованным по толщине плоским пьезоэлектриком с одной стороны и приклеенным с другой стороны первым постоянным миниатюрным магнитом, причем металлическая пластина с двух противоположных сторон жестко скреплена с корпусом клавиши и выполнена тонкой с возможностью прогиба в микрометровом диапазоне. Заявляемая полезная модель относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использована для ручного ввода информации с клавиатуры в компьютеры, системы автоматического управления, каналы связи. Известно техническое решение 1 (клавиша клавиатуры), функционирующая на пьезоэлектрическом эффекте. Она содержит корпус, нажимную клавишную головку с цилиндрическим основанием, содержащим выступ, механизм возврата клавишной головки,жестко защемленную с одной стороны в корпусе упругую пластинку, на которой закреплен пьезоэлектрик с металлизированными электрическими контактами (пьезоэлектрический элемент). При нажатии клавишная головка перемещается вдоль оси цилиндра и своим выступом задевает упругую пластинку, возбуждая в ней затухающие механические колебания изгибного типа. Закрепленный на упругой пластине пьезоэлектрический элемент функционирует на изгиб и преобразует затухающие механические колебания в затухающий электрический сигнал, далее преобразуемый в код. Основным недостатком этого устройства является низкая надежность и недолговечность в работе, поскольку упругая пластинка и размещенный на ней пьезоэлектрический элемент подвержены большим уровням изгибных деформаций, кроме того пьезоэлектрический элемент может воспроизводить ложные срабатывания клавиши при случайных толчках и ускорениях. Также известна клавиша 2, в которой пьезоэлектрический элемент установлен на упругой пластинке под нажимным наконечником клавишной головки, который непосредственно надавливает на пьезоэлектрический элемент, заставляя его изгибаться вместе с упругой пластинкой. При этом генерируется электрический заряд, передаваемый в информационное оборудование без использования дополнительного источника электроэнергии, типа электрической батареи, что очень важно, например, для использования в ноутбуках. Недостатком этого устройства также является низкая надежность и долговечность в работе, поскольку пьезоэлектрический элемент подвержен неконтролируемым большим уровням изгибной деформации. Наиболее близкой по технической реализации к предлагаемому решению является бесконтактная клавиша, приведенная в 3 (прототип). Она содержит диамагнитный корпус с закрепленным в нижней его части постоянным магнитом, подвижную клавишную головку с установленным в ней вторым постоянным магнитом, выполненным с возможностью перемещения вдоль оси устройства, ограничитель перемещения, неподвижную ферромагнитную шайбу в верхней части корпуса, магниточувствительный преобразователь(датчик Холла, магнитодиод или магниторезистор), размещенный с электронной платой между магнитами, ориентированными одноименными полюсами противоположно друг другу. При нажатии на клавишную головку магниты приближаются, что вызывает изме 2 85122012.08.30 нение магнитного потока через магниточувствительный преобразователь, который преобразуется им в дальнейшем в выходной электрический сигнал. Поскольку постоянные магниты отталкиваются, то нет узла возврата клавишной головки в исходное (ненажатое) состояние, а ферромагнитная шайба придает устойчивость функционирования клавиши при тряске и толчках. Тем не менее клавиша обладает низкой надежностью в связи с низким уровнем выходного (полезного) сигнала, величина которого составляет несколько милливольт для датчиков Холла, или необходимость применения мостовых схем выделения сигнала для магнитодиода и магниторезистора. Обязательно требуется использование усилителей сигнала, а также источников питания для датчиков Холла. При большом числе клавиш, например в клавиатуре, также растет энергопотребление, увеличиваются габариты устройств в целом за счет электронных компонентов и снижается надежность из-за роста числа активных элементов. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение надежности и долговечности клавиши с уменьшением ее габаритов (миниатюризацией). Миниатюрная клавиша содержит диамагнитный корпус с размещенным в нижней его части постоянным первым магнитом, подвижную клавишную головку с установленным в ней вторым постоянным магнитом, выполненным с возможностью перемещения вдоль оси устройства, ограничитель перемещения, неподвижную ферромагнитную шайбу в верхней части корпуса, магниточувствительный преобразователь, размещенный между магнитами, ориентированными одноименными полюсами противоположно друг другу. Она отличается тем, что магниточувствительный преобразователь выполнен в виде пьезомагнитного преобразователя, состоящего из ассиметричного биморфного пьезоэлектрического элемента прямоугольной формы 4, включающего упругую немагнитную металлическую пластину с приклеенным к ней поляризованным по толщине плоским пьезоэлектриком с одной стороны и приклеенным с другой стороны первым постоянным миниатюрным магнитом, причем металлическая пластина с двух противоположных сторон жестко скреплена с корпусом клавиши и выполнена тонкой с возможностью прогиба в микрометровом диапазоне. По мнению авторов, клавиша содержит ряд новых элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению надежности и ее долговечности. Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве магниточувтвительный преобразователь имеет значительно более высокий уровень выходного сигнала (вольты) без применения схем усиления, что позволяет изготавливать устройство более надежным и в миниатюрном исполнении. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует условию новизна. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции клавиши показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемой полезной модели. На фигуре изображена предложенная миниатюрная клавиша. Клавиша содержит диамагнитный корпус 1 с размещенным в нижней его части постоянным первым магнитом 2, подвижную клавишную головку 3 с установленным в ней вторым постоянным магнитом 4, выполненным с возможностью перемещения вдоль оси 3 85122012.08.30 устройства на величину , ограничитель перемещения 5, неподвижную ферромагнитную шайбу 6, закрепленную неподвижно в верхней части корпуса 1, магниточувствительный преобразователь, размещенный между магнитами 2 и 4, ориентированными одноименными полюсами противоположно друг другу. Магниточувствительный преобразователь выполнен в виде пьезомагнитного преобразователя, состоящего из ассиметричного биморфного пьезоэлектрического элемента, включающего тонкую упругую немагнитную металлическую пластину 7, выполненную из бериллиевой бронзы с приклеенным к ней(обычно тонким слоем 10-15 мкм эпоксидной смолы) поляризованным по толщине тонким плоским пьезоэлектриком 8 с одной стороны и приклеенным с другой стороны первым постоянным миниатюрным магнитом 2 (слои клея на фигуре не показаны), причем металлическая пластина 7 с двух противоположных сторон жестко скреплена с корпусом клавиши 1 и выполнена тонкой с возможностью упругого прогиба в микрометровом диапазоне вследствие изменения силы отталкивания магнитов 2 и 4 при их сближении. На торцы пьезоэлектрика 8 нанесены посеребренные тонкопленочные металлические контакты 9, к которым обычно способом микросварки или микропайки прикрепляются электрические выводы (не показаны). Вектор поляризации пьезоэлектрика 8 совпадает с аксиальной осью, т.е. он поляризован по толщине. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии клавишная головка 3 находится в крайнем верхнем положении за счет сил отталкивания постоянных магнитов 2 и 4, ориентированных одноименными полюсами противоположно. Ферромагнитная шайба 6 надежно фиксирует магнит 4 за счет силы притяжения и дополнительно придает устойчивость функционирования клавиши при тряске и толчках, а также для оператора - чувство исходного состояния. При нажатии на клавишную головку 3 происходит принудительное перемещение магнита 4 на величинувдоль оси устройства до ограничителя перемещения 5. Вследствие сближения магнитов 2 и 4 сила их взаимного отталкивания возрастает пропорционально квадрату индукции магнитного поля в их зазоре. Эта сила заставляет упруго прогибаться пластину 7, а значит и пьезоэлектрик 8 на величины в несколько микрон в зависимости от жесткости биморфного пьезоэлектрического элемента. На торцах 9 пъезоэлектрика 8, подверженного воздействию сил растяжения генерируется заряд, далее преобразуемый в код клавиши. При прекращении принудительного воздействия на клавишную головку 3 она под действием сил отталкивания магнитов 2 и 4 возвращается в исходное верхнее положение и фиксируется притяжением ферромагнитной шайбы 6. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемая миниатюрная клавиша соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4