Клавиша устройства ввода информации
Текст
(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 первый постоянный магнит, подпружиненный снизу к ферромагнитной прокладке и выполненный с возможностью вертикального перемещения вдоль неподвижного диамагнитного штока, введенного в отверстие магнита, при нажатии на клавишную головку, и магниточувствительный преобразователь,срабатывающий при перемещении указанного магнита в нижнюю часть корпуса, отличающаяся тем, что содержит установленный в нижней части корпуса ограничитель перемещения первого постоянного магнита, магниточувствительный преобразователь выполнен 18198 1 2014.04.30 в виде датчика Виганда, содержащего катушку из медной проволоки и размещенный внутри указанной катушки сердечник из ферромагнитной проволоки Виганда с магнитомягкой сердцевиной и магнитожесткой оболочкой, а параллельно оси указанной катушки в непосредственной близости от ее витков установлен второй постоянный магнит, ориентированный противоположно первому и выполненный с магнитной энергией в 2,5-3 раза меньшей, чем у него. 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 (ее варианты), содержащая подвижную клавишную головку с магнитной системой на основе постоянных магнитов (или одного магнита), шток, пружину, магниточувствительный преобразователь, выполненный в виде полупроводникового датчика Холла. При нажатии на клавишную головку происходит перемещение магнитной системы или магнита относительно магниточувствительного преобразователя, при этом генерируется ЭДС Холла, которая является выходным сигналом устройства. Варианты исполнения клавиши, функционирующей на эффекте Холла, в основном отличаются конструкцией магнитной системы и некоторыми другими деталями, но все они имеют два главных недостатка. Описанные в 1 варианты клавиши обладают низкой надежностью, в связи с недостаточно высоким уровнем выходного сигнала, величина которого составляет несколько десятков милливольт для среднестатистических датчиков Холла, и, соответственно, требуют использования усилителя сигнала. Вторым недостатком является повышенное энергопотребление, обусловленное тем, что датчик Холла запитывается током 530 мА и требуется питание для усилителя сигнала. С учетом того что клавиша обычно функционирует не одна, а в составе клавишного модуля или клавиатуры, энергопотребление является значительным. Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому решению является бесконтактная клавиша, приведенная в 2 (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 2 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 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 низкой надежностью, в связи с недостаточно высоким уровнем выходного сигнала, величина которого составляет несколько десятков 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 ра 2 18198 1 2014.04.30 зумных 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 возможен дребезг и, следовательно, разрывы в цепи питания датчиков Холла, приводит к снижению надежности устройства в целом. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение надежности клавиши устройства ввода информации одновременно с исключением энергопотребления. Клавиша устройства ввода информации содержит клавишную головку, диамагнитный корпус с неподвижно закрепленной в его верхней части ферромагнитной прокладкой, а также установленные внутри указанного корпуса первый постоянный магнит, подпружиненный снизу к ферромагнитной прокладке и выполненный с возможностью вертикального перемещения вдоль неподвижного диамагнитного штока, введенного в отверстие магнита, при нажатии на клавишную головку, и магниточувствительный преобразователь,срабатывающий при перемещении указанного магнита в нижнюю часть корпуса. Она отличается тем, что содержит установленный в нижней части корпуса ограничитель перемещения первого постоянного магнита, содержащего катушку из медной проволоки и размещенный внутри указанной катушки сердечник из ферромагнитной проволоки Виганда с магнитомягкой сердцевиной и магнитожесткой оболочкой, а параллельно оси указанной катушки в непосредственной близости от ее витков установлен второй постоянный магнит, ориентированный противоположно первому и выполненный с магнитной энергией в 2,5-3 раза меньшей, чем у него. По мнению авторов, клавиша содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению надежности и исключению энергопотребления. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию новизна. Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве магниточувтвительный преобразователь выполнен в виде датчика Виганда 3, и имеет значительно более высокий уровень выходного сигнала по сравнению с прототипом (вольты без усиления), и не требует энергопотребления (сам генерирует выходной сигнал), что позволяет изготавливать устройство более надежным, а исключение из конструкции ферромагнитных деталей вдоль оси клавиши позволяет выполнить конструкцию малогабаритной. 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 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. 1-3. На фиг. 1 изображена предложенная клавиша устройства ввода информации. На фиг. 2 приведена конструкция датчика Виганда (проволоки Виганда с источником магнитного поля - постоянным магнитом). На фиг. 3 представлена схема перемагничивания проволоки Виганда как функция временипри изменении индукции внешнего магнитного поля . Началу движения кла 3 18198 1 2014.04.30 вишной головки соответствует время н, а окончанию - к.- выходной сигнал датчика,а- его магнитная чувствительность (выходной сигнал на один виток катушки). Число витков катушки 1000. Устройство содержит диамагнитный корпус 1, клавишную головку 2, ферромагнитную прокладку 3, неподвижно закрепленную в верхней части диамагнитного корпуса 1,первый постоянный магнит 4, имеющий отверстие между полюсами и выполненный с возможностью перемещений при нажатии на клавишную головку 2, пружину 5, неподвижный шток 6 из диамагнитного материала, вдоль которого может перемещаться магнит 4, эластичный ограничитель 7 (например, из резины) перемещения магнита 4,магниточувствительный преобразователь 8, выполненный в виде датчика Виганда. Датчик Виганда содержит миниатюрную катушку 9 из медной проволоки диаметром 0,05-0,1 мм(число витковобычно в диапазоне 1000-3000) и размещенную в ней ферромагнитную проволоку Виганда, состоящую из магнитомягкой сердцевины 10 и магнитожесткой оболочки 11. Выводы миниатюрной катушки 9, в которой генерируется выходной электрический сигнал амплитудой , обозначены 12. Параллельно оси катушки в непосредственной близости от ее витков размещен второй постоянный магнит 13, установленный неподвижно на немагнитной подставке 14, скрепленной с корпусом 1. Магнит 13 выполнен с магнитной энергией, в 2,5-3 раза меньшей магнитной энергии магнита 4. Это может достигаться подбором магнитов, изготовленных из разных материалов и (или) разных размеров. Например, индукция магнитного поля магнита 13 может быть г 30 мТл, а индукция магнитного поля магнита 4 Вм 80 мТл или выше. Полюса магнитов 4 и 13 ориентированы противоположно. 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 . Датчик Виганда функционирует следующим образом. В основе функционирования лежит перемагничивание проволоки Виганда большими скачками намагниченности Баркгаузена. Проволока обладает бистабильными магнитными свойствами и характеризуется двумя скачками намагниченности за один цикл перемагничивания. Проволока Виганда состоит из двух областей магнитожеской оболочки 11 с высокой коэрцитивной силой и магнитомягкой сердцевины 10, при этом поле размагничивания не должно размагничивать оболочку и перемагничивать сердцевину. Характерным для проволоки Виганда является требование асимметричности перемагничивающего внешнего магнитного поля,которое создается магнитами 4 и 13. Схема перемагничивания проволоки в ассиметричном режиме и генерирования выходного сигнала как функция времени представлена на фиг. 3. Если проволока находится в сильном магнитном поле (м-г), когда клавиша нажата, то ее оболочка и сердцевина намагничены в одном направлении, а размагничивающее поле проволоки проходит через внешнее пространство. Когда на проволоку действует магнитное поле противоположного знака (г - клавиша отжата), по величине достаточной для перемагничивания магнитомягкой сердцевины, намагниченность сердцевины меняет направление, а размагничивающее поле замыкается через проволоку. Про 4 18198 1 2014.04.30 цесс отрыва намагниченности сердцевины от намагниченности оболочки достаточно медленный, поэтому импульс ЭДС, возникающий в катушке 9, имеет маленькую отрицательную амплитуду, которую легко отсечь современными пассивными элементами электроники. Процесс притягивания намагниченности сердцевины к оболочке проходит скачком (длительность не превышает 20-50 мкс) при достижении индукции величины зажигания з, при этом размагничивающее поле проволоки замыкается через внешнее пространство и в катушке 9 наводится импульс положительной полярности величиной ,равной (3-3,5) мВ на один виток катушки 9. Величина магнитной чувствительностизависит от магнитных свойств проволоки Виганда и ее геометрических размеров (обычно длина свыше 5 мм, а диаметр 0,25 мм). Амплитуда выходного сигнала датчика Виганда. В соответствии со схемой перемагничивания началу движения клавишной головки 2 (т.е. перемещения магнита 4) соответствует время н, а окончанию - к. 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. Таким образом, решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве магниточувствительный преобразователь выполнен в виде датчика Виганда, и имеет значительно более высокий уровень выходного сигнала по сравнению с прототипом(вольты без усиления), и не требует энергопотребления (сам генерирует выходной сигнал), что позволяет изготавливать устройство более надежным. 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. Хомерики О.К. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля. - М. Энергоатомиздат., 1986. - С. 82-87. 2. А.с. СССР 1791810, МПК 063/023, 1993 (прототип). 3. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. - Т. 1.М. ДМК Пресс, 2001. - 544 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6
МПК / Метки
Метки: ввода, клавиша, информации, устройства
Код ссылки
<a href="https://by.patents.su/6-18198-klavisha-ustrojjstva-vvoda-informacii.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Клавиша устройства ввода информации</a>
Предыдущий патент: Полимерная пресс-композиция
Следующий патент: Люминесцирующее стекло
Случайный патент: Трансмиссия гусеничного трактора