Клавиша устройства ввода информации

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ КЛАВИША УСТРОЙСТВА ВВОДА ИНФОРМАЦИИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Клавиша устройства ввода информации, содержащая клавишную головку, диамагнитный корпус с неподвижно закрепленной в его верхней части ферромагнитной прокладкой,а также установленные внутри указанного корпуса постоянный магнит, выполненный с возможностью вертикального перемещения вдоль диамагнитного штока при нажатии на клавишную головку и прижатый к ферромагнитной прокладке, охватывающей указанный 18196 1 2014.04.30 шток пружиной, и магниточувствительный преобразователь, срабатывающий при перемещении указанного магнита в нижнюю часть корпуса, отличающаяся тем, что содержит установленный в нижней части корпуса ограничитель перемещения магнита, а магниточувствительный преобразователь выполнен в виде прямоугольного компланарного триморфного пьезомагнитного преобразователя, содержащего тонкую упругую магнитомягкую металлическую пластину с приклеенными к ее противоположным сторонам поляризованными по толщине плоскими пьезоэлектриками равных длины и толщины и различной ширины, на торцы которых нанесены пленочные электроды, жестко прикрепленную двумя противоположными торцами к указанному корпусу и выполненную с возможностью прогиба в микрометровом диапазоне. Заявляемое изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для ручного ввода информации с клавиатуры в компьютеры, системы автоматического управления, каналы связи. Известна клавиша 1, 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 является низкая надежность и долговечность в работе,поскольку пьезоэлектрический элемент подвержен неконтролируемым большим уровням изгибной деформации. Известна также клавиша клавиатуры 2, 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 долговечность в работе, поскольку упругая пластинка и размещенный на ней пьезоэлектрический элемент подвержены большим уровням изгибных деформации, кроме того, пьезоэлектрический элемент может воспроизводить ложные срабатывания клавиши при случайных толчках и ускорениях. Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому решению является бесконтактная клавиша, приведенная в 3 (прототип). Устройство содержит клавишную головку, ферромагнитную прокладку, неподвижно закрепленную в верхней части диамагнитного корпуса, две ферромагнитные пластины, выполненные из магнитомягкого материала с зазором в котором размещен магниточувствительный преобразователь (датчик Холла), постоянный магнит с возможностью перемещений при нажатии на клавишную головку, миниатюрный замыкающий геркон с магнитными шторками, пружину, охватывающую шток из диамагнитного материала, вдоль которого может перемещаться магнит. Устройство 3 функционирует следующим образом. При нажатии на клавишную головку происходит перемещение постоянного магнита вдоль клавиши. Усилие нажатия на клавишную головку в начальный момент максимально благодаря силе притяжения магнита и ферромагнитной прокладки, которое затем снижается и снова возрастает. Постоянный 2 18196 1 2014.04.30 магнит шунтируется с одной стороны магнитными шторками, а со второй ферромагнитными пластинами. При перемещении магнита срабатывает геркон и замыкает цепь питания датчика Холла. Часть магнитного потока, проходящая через датчик Холла, усиливается ферромагнитными пластинами. Генерируемая ЭДС Холла является выходным сигналом устройства. Возвращение магнита в исходное состояние осуществляется с помощью пружины. Таким образом, ток проходит через датчик Холла только при движении клавишной головки с магнитом, чем и достигается только эффект снижения энергопотребления. Тем не менее описанное устройство (прототип) обладает повышенными габаритами и низкой надежностью в связи с недостаточно высоким уровнем выходного сигнала, величина которого составляет несколько милливольт для среднестатистических датчиков Холла. Использование ферромагнитных пластин в качестве концентратора магнитного потока позволяет увеличить выходной сигнал магниточувствительного элемента не более чем в 35 раз при разумных габаритах клавиши, что явно недостаточно (в противном случае требуется многократное увеличение габаритов клавиши по ее оси). Поэтому также требуются использование усилителей сигнала, а также естественно источников питания для датчиков Холла. Известно, что рост числа электронных компонентов, в том числе из-за использования герконов, в которых возможны дребезг и, следовательно, разрывы в цепи питания датчиков Холла, приводит к снижению надежности устройства в целом. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение надежности и долговечности клавиши устройства ввода информации одновременно с уменьшением ее габаритов. Клавиша устройства ввода информации содержит клавишную головку, диамагнитный корпус с неподвижно закрепленной в его верхней части ферромагнитной прокладкой, а также установленные внутри указанного корпуса постоянный магнит, выполненный с возможностью вертикального перемещения вдоль диамагнитного штока при нажатии на клавишную головку и прижатый к ферромагнитной прокладке, охватывающей указанный шток пружиной, и магниточувствительный преобразователь, срабатывающий при перемещении указанного магнита в нижнюю часть корпуса. Она отличается тем, что содержит установленный в нижней части корпуса ограничитель перемещения магнита, а магниточувствительный преобразователь выполнен в виде прямоугольного компланарного триморфного пьезомагнитного преобразователя, содержащего тонкую упругую магнитомягкую металлическую пластину с приклеенными к ее противоположным сторонам поляризованными по толщине плоскими пьезоэлектриками равных длины и толщины и различной ширины, на торцы которых нанесены пленочные электроды, жестко прикрепленную двумя противоположными торцами к указанному корпусу и выполненную с возможностью прогиба в микрометровом диапазоне. По мнению авторов, клавиша содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению надежности и ее долговечности, а также значительно снизить ее габариты. Следовательно,заявляемое изобретение соответствует критерию новизна. Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве магниточувствительный преобразователь имеет значительно более высокий уровень выходного сигнала по сравнению с прототипом (вольты без усиления), что позволяет изготавливать устройство более надежными, а исключение из конструкции феромагнитных деталей вдоль оси клавиши позволяет выполнить конструкцию миниатюрной. По сравнению с аналогами надежность предложенной конструкции повышается за счет снижения величины изгибной деформации и бесконтактного способа ее создания. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемого изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому 3 18196 1 2014.04.30 результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. 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 заявляемом изобретении, следовательно,можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 изображена предложенная клавиша устройства ввода информации. На фиг. 2 представлен вариант электрической схемы подключения компланарного триморфного пьезомагнитного преобразователя и получения его выходного сигнала вых(где- резистор, УН - операционный усилитель напряжения,- вектор поляризации,длина,- толщина пьезоэлектрика). Устройство содержит диамагнитный корпус 1, клавишную головку 2, ферромагнитную прокладку 3, неподвижно закрепленную в верхней части диамагнитного корпуса 1,постоянный магнит 4 с возможностью перемещений при нажатии на клавишную головку 2, пружину 5, охватывающую шток 6 из диамагнитного материала, вдоль которого может перемещаться магнит 4, ограничитель 7 перемещения магнита 4 выполняет также роль упора для штока 6, и магниточувствительный преобразователь, выполненный в виде пьезомагнитного преобразователя, состоящего из компланарного триморфного пьезомагнитного преобразователя прямоугольной формы, включающего упругую магнитомягкую металлическую пластину 8 с приклеенными к ней (обычно эпоксидной смолой) на разные стороны поляризованными по толщине плоскими пьезоэлектриками 9 и 10 с нанесенными на их торцы пленочными электродами 11, причем металлическая пластина с двух противоположных сторон жестко скреплена с корпусом клавиши и выполнена тонкой с возможностью прогиба в микрометровом диапазоне, а пьезоэлектрики имеют одинаковые длинуи толщину , но разную ширину (не обозначена). Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии клавишная головка 2 находится в крайнем верхнем положении за счет силы отталкивания пружины 5. Ферромагнитная прокладка, выполненная в виде шайбы 3, 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 2 происходит принудительное перемещение магнита 4 на величинувдоль оси клавиши. Усилие нажатия на клавишную головку в начальный момент максимально благодаря силе притяжения магнита и ферромагнитной прокладки, которое затем снижается и снова возрастает. Уменьшение силы сопротивления клавишной головки 2 дает оператору ощущение, что клавиша сработала. После преодоления начального усилия сжатия инерция движения пальца оператора предотвращает возможность остановки подвижной части в недожатом состоянии и обеспечивает перемещение магнита 4 на всю величину . Вследствие приближения магнита 4 к магнитомягкой пластине 8 их сила взаимного притяжения возрастает пропорционально квадрату индукции магнитного поля в их зазоре. Эта сила заставляет упруго прогибаться пластину 8 вверх, а значит, и симметрично расположенные относительно нейтральной плоскости пластины 8 пьезоэлектрики 9 и 10 на величины в несколько микрон в зависимости от жесткости компланарного триморфного пьезомагнитного преобразователя. Причем пъезоэлектрик 9 растягивается, а 10 сжимается со средней силой , что приводит к генерации электрического заряда. Под действиемв пьезоэлектрике возбуждаются продольные электрические колебания заряда, электрическое напряжение которого 1, причем 1/31/1, где- заряд, 31 - пьезомодуль, 1 - электрическая емкость 4 18196 1 2014.04.30 этого пьезоэлектрика. Так как ширина пьзоэлектриков 9 и 10 разная, а длина и толщина одинаковые, то их электрические емкости разные, значит, и результирующее напряжение будет отлично от нуля (выходной сигнал будет разностным вых(1 - 2)(31/1 31/2, где С 2 и 2 - электрическая емкость и напряжение другого пьезоэлектрика), а вибрационные помехи будут подавляться, в соответствие с 4. Нижний торец пьезоэлектрика 9 и верхний торец пьезоэлектрика 10 электрически соединены с упругой металлической пластиной 8, которая соединена с входом усилителя напряжения (УН). На фиг. 2 представлен вариант электрической схемы подключения компланарного триморфного пьезомагнитного преобразователя и получения его выходного сигнала вых, далее преобразуемого в код (возможны и другие схемы подключения 4). При таком подключении усилитель и компланарный триморфный пьезомагнитный преобразователь представляют собой замкнутую статическую следящую систему с отрицательной обратной связью 4,причем выбирается условие, при котором произведение коэффициента преобразования цепи прямого преобразования, охваченной обратной связью (ОС), на коэффициент преобразования в цепи ОС равно единице, что позволяет повысить точность выходного сигнала,а значит, и надежность устройства в целом. При прекращении принудительного воздействия на клавишную головку 2, она под действием силы отталкивания пружины 5 возвращается в исходное верхнее положение и фиксируется притяжением ферромагнитной прокладки 3 к магниту 4. 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. Источники информации 1.2001154783, МПК 06 1/2606 3/02, 2001. 2.2001249758, МПК 06 3/0201 13/0001 13/70, 2001. 3. А. с. СССР 1791810, МПК 06 3/023, 1993. 4. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В.М.Шарапова. - М. Техносфера, 2006. - С. 327-328, 394-395. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5