CN105450208B - 一种光电一体式机械轴键盘开关模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电一体式机械轴键盘开关模组，包括壳体，装设在壳体上部的按键帽，还包括装设在壳体内的驱动装置、光电开关、移动光学组件和固定光学组件，所述移动光学组件装设在驱动装置上，所述光电开关包括PCB板，集成在PCB板上的SMD IR管和SMD PT管，通过按压按键帽使驱动装置驱动移动光学组件上下移动来控制移动光学组件与固定光学组件的相对位置，当从SMD IR管发出的光线耦合到SMD PT管中时，光路导通，从而实现光电开关通路，当从SMD IR管发出的光线不能耦合到SMD PT管中时，光路断开，从而实现光电开关断开。具有能大幅降低人工及焊接成本，焊接定位精确，生产效率高，且产品的品质稳定性高的优点。

Description

一种光电一体式机械轴键盘开关模组

技术领域

本发明涉及用于字符输入系统(如电脑输入系统)的键盘上的开关组件，更具体地说，是涉及一种用于字符输入的光电一体式机械轴键盘开关模组。

背景技术

键盘按照Switch(俗称：开关控制原理或轴)来划分，大概可以归为5类，分别是薄膜式键盘、导电橡胶式键盘、无接点静电容量式键盘、机械式键盘，以及光电键盘。所述的薄膜式键盘，一般其内部有三片薄膜，最上面一片为正极电路，中间为间隔层，下面为负极电路。工作原理是通过敲击按键帽下压机械模组，上方与下方的薄膜就能接触通电，完成导通，故称为薄膜键盘。薄膜键盘的主要缺点为：键盘寿命较短，薄膜容易磨损；反应有延时；而且由于键盘尺寸小，按键间距较短，人机功能方面相对较差，操作起来手感不是很好，时间长了手部会比较疲劳。至于另外两种类型，即导电橡胶式键盘和无接点静电容量式键盘，由于成本和技术方面的原因，市面上很少有售，几乎都局限在电视遥控器以及游戏手柄上。

机械式键盘是目前电脑键盘市场的主流，其工作原理是键盘底部拥有一张电路板，板上固定100多个机械轴，每个轴都是独立的开关，通过下压机械轴就会使讯号由电路板传导至电脑。机械键盘的性能出众、反应灵敏、而且手感较好，同时适合办公人士及游戏玩家的需要。但纯机械轴键盘开关的缺点，归纳几点为：其一，纯机械轴开关以金属触点式弹片作接触与非接触动作实现电路的导通与断开，这种机械接触式结构容易产生疲劳性损害，弹片接触点容易磨损，从而出现开关控制失效或误动作控制，产品寿命不够长；其二，金属弹片及触点容易受使用环境影响造成氧化及老化，造成导通接触不良，造成开关控制失效或误动作控制；其三，纯机械轴开关结构的焊接脚为直插式结构，需要手工插件到PCB(印刷电路板)上，然后再焊接及切脚，在焊接生产过程中容易出现插件不到位，造成返工维修等工序，生产操作工序繁琐，不适合自动化插件生产，占用人工高，生产效率低及制造成本高；其四，这纯机械轴开关结构的按键帽字符照明系统采用直插式LED，同样也需要大量人工进行手工插件到PCB，然后再焊接及切脚，生产操作工序繁琐，不适合自动化插件生产，材料成本高，生产效率低及制造成本高。

光电式键盘是近年来的新兴键盘，它是在传统机械键轴技术基础之上，加入全新光电感应识别技术，通过替换传统的接触拨片为光学感应组件，改良传统接触式机械开关的一些问题。其利用光学原理和光电耦合技术，由发光元件与受光元件形成光的通路，阻光件在进行光程的切断与闭合过程中引动光耦合器，改变电路阻抗值完成电路的通断，从而实现电——光——电的转换，进而控制开关的断开和通路，而且光电在输入输出间互相隔离。相比于其他键盘，光电键盘有以下几个优点：1.光轴键盘采用最新型的轴，光轴键盘比普通薄膜键盘寿命长，理论使用寿命是无限，连续通电状态下可以使用50000小时；2.光轴键盘使用长时间之后，按键手感变化很小，而薄膜与普通机械键盘则无法达到；3.光轴键盘可以做到104键以上无冲，(因此非常适合游戏玩家使用，大多数职业电竞选手都会使用无冲按键键盘来提高水平)；4.可以自己更换按键帽，方便个性DIY(自己动手做)；5.光轴下盖导槽与按柄导柱接触部位加宽，且使用模具镜面制作工艺产品摩擦力更小、更耐磨、寿命更长久；6.使用优质琴钢线弹簧，抗疲劳性能更好、回弹力大开关切换动作更快、更灵敏、手感更好；7.光学式不存在机械接触抖动问题，零杂讯、开关动作时间零延迟，操作更灵敏、精准。

公告号为CN2301752Y公开了一种光电式键盘，如图1所示，其由设置于基座上的键体，设置于基座与键体上的复位弹簧，连接于键体及复位弹簧之间的遮光板，开设于遮光板上部的透光孔，以及设置于透光孔两侧的发射管及接收管组成。其解决了机械式键盘因频繁使用使机械触点产生故障之不足，具有零件选配合理，故障率低，键盘使用寿命长等优点。

另外公告号为CN2750570Y所公布的工作原理与公告号为CN2301752Y基本一致的光电式键盘，如图2所示，其特征是：有其中间为透明体1且其非透明的外侧壁2可沿形腔12的竖立壁4上下滑动的按键11，有位于竖立壁4上的贯穿孔6的外侧的光敏传感器9，贯穿孔6与光敏传感器9相对应；在按键11下方有字符显示载体10；在11底部有弹性元件。其与普通键盘的设置方式一致，通过按键11的按下、弹起实现对光敏传感器9的遮光、透光，在光电输入电路中产生式高、低电平，其解决了传统机械式键盘的导电触点因受灰尘、导电橡胶老化、触点氧化等致使键盘失灵、失效等现象。但目前现有技术的光电键盘均存在如下缺点：1.发射管和接收管之间均没有准直及聚光系统的光学设计，由于发射管的发光角度比较大，采用遮光板(或者非透明外侧壁)和透光孔(或者为贯穿孔)的方式会挡住大部分的光线，只有一小部分光可以通过透光孔被接收管接收，因此光电耦合效率较低。当透光孔由于静电而存积灰尘时，会使接收管(或光敏元件)的探测敏感度急剧下降。另外由于发射管的发光角度比较大，而且没用采用准直透镜收窄其光束角，当按键内壁的颜色为白色时，或者遮光板尺寸比较小导致遮光不严时，其产生的杂散光比较大，从而导致接收管产生的噪音比较明显。2.光轴机械键盘开关模组结构之IR管(发射管)及PT管(接收管)的零件焊接脚为直插式结构，需要手工插件到PCB(印刷电路板)上，然后再焊接及切脚，在焊接生产过程中容易出现插件偏位现象，造成返工维修等工序，生产操作工序繁琐，不适合自动化插件生产，占用人工高，零件成本高，生产效率低及制造成本高。3.这纯机械轴开关结构的按键帽字符照明系统采用直插式LED，同样需要大量人工进行手工插件到PCB，然后再焊接及切脚，生产操作工序繁琐，不适合自动化插件生产，材料成本高，生产效率低及制造成本高。4.虽然键盘有很长寿命，但是防水能力差，使用时需要多加小心。5.光轴键盘的按键手感单

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供能大幅降低人工及焊接成本，焊接定位精确，生产效率高，且产品的品质稳定性高的光电一体式机械轴键盘开关模组。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种光电一体式机械轴键盘开关模组，包括壳体，装设在壳体上部的按键帽，还包括装设在壳体内的驱动装置、光电开关、移动光学组件和固定光学组件，所述移动光学组件装设在驱动装置上，所述光电开关包括PCB板，集成在PCB板上的SMD IR管，SMD IR管即为表面贴装的红外二极管，以及SMD PT管，SMD PT管即为表面贴装的光电传感器，通过按压按键帽使驱动装置驱动移动光学组件上下移动来控制移动光学组件与固定光学组件的相对位置，当从SMD IR管发出的光线耦合到SMD PT管中时，光路导通，从而实现光电开关通路，当从SMD IR管发出的光线不能耦合到SMD PT管中时，光路断开，从而实现光电开关断开。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用SMD IR管(表面贴装的红外二极管)及SMD PT管(表面贴装的光电传感器)一体式结构，通过按压按键帽使驱动装置驱动移动光学组件上下移动来控制移动光学组件与固定光学组件的相对位置实现光电开关的断开及通路。本发明所涉及的光电一体式机械轴键盘开关模组结构其还包括按键帽字符照明导光系统，该按键帽字符照明导光系统是由集成在PCB板上的SMD LED，SMD LED即为表面贴装的发光二极管，依次设置在所述SMD LED上方的聚光透镜、导光柱和照明透镜，通过该按键帽字符照明导光系统对按键帽进行照明。并具有以下优点：

1、采用SMD IR管(表面贴装的红外二极管)及SMD PT管(表面贴装的光电传感器)一体式结构，结合移动光学组件与固定光学组件的相对位置实现光电开关的断开及通路的控制。由于本发明产品结构的光电零件采用SMD封装方式，可以采用全自动化贴装及焊接，大幅降低人工及焊接成本，焊接定位精确，提高了生产效率及品质稳定性。

2、采用纯光电器件控制开关的断开及通路，无需机械式金属触点，不会受触点磨损及氧化老化的影响，使用寿命长，可满足高频率及长时间的应用。

3、采用SMD LED(表面贴装的发光二极管)实现按键帽字符照明发光。由于SMD LED可以采用全自动化贴装及焊接，其可以大幅降低人工成本、零件成本及焊接成本，焊接定位精准，提高了生产效率及品质稳定性，无需使用现有技术的直插式LED。

4、移动光学组件与固定光学组件采用精密光学棱镜结构，可以实现较为精密的开关触发位置控制，现有技术为+/-0.20～0.60mm，本发明技术可以有效实现+/-0.10mm的开关触发位置控制，比现有技术的触发位置精度高2～6倍，实现键盘触感品质稳定性。

5、开关模组采用电子零件及机械结构分离的设计，在生产过程中可以独立组装，便于产品售后服务维修及维护。

下面结合附图和实施例对本发明所述的光电一体式机械轴键盘开关模组作进一步说明。

附图说明

图1是公告号为CN2301752Y所公开的光电式键盘的结构示意；

图2是公告号为CN2750570Y所公开的光电防窥视键盘的结构示意；

图3是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组实施例一的等轴侧分解结构图；

图4是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组实施例一的正视分解结构图；

图5是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组实施例一的未装设按键帽、上壳体和弹簧的剖视图；

图6是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组实施例一的设计结构原理图；

图7是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组实施例一的移动光学组件移动位置的示意图；

图8是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组实施例二的设计结构原理图；

图9是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组实施例三的设计结构原理图；

图10是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组实施例四的设计结构原理图；

图11是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组实施例五的设计结构原理图；

图12是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组实施例六的设计结构原理图；

图13是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组实施例七的设计结构原理图；

图14是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组实施例八的设计结构原理图；

图15是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组实施例九的设计结构原理图；

图16是本发明所述光电一体式机械轴键盘开关模组的另一种字符照明导光系统的结构示意图。

具体实施方式

以下是本发明所述的光电一体式机械轴键盘开关模组的最佳实例，并不因此限定本发明的保护范围。

实施例一：

请参考图3-7，图中示出了一种光电一体式机械轴键盘开关模组，包括壳体1，所述壳体1由上壳体11和下壳体12构成，装设在壳体1上部的按键帽2，按键帽2上表面上刻有字符，还包括装设在壳体1内的驱动装置3、光电开关4、移动光学组件14a和固定光学组件15，所述移动光学组件14a装设在驱动装置3上，所述光电开关4包括PCB板41，集成在PCB板41上的SMD IR管42，SMD IR管即为表面贴装的红外二极管，以及SMD PT管43，SMD PT管即为表面贴装的光电传感器，通过按压按键帽2使驱动装置3驱动移动光学组件14a上下移动来控制移动光学组件14a与固定光学组件15的相对位置，当从SMD IR管42发出的光线耦合到SMDPT管43中时，光路导通，从而实现光电开关4通路，当从SMD IR管42发出的光线不能耦合到SMD PT管43中时，光路断开，从而实现光电开关4断开，所述的SMD IR管42与SMD PT管43两者为一体式封装或者两个单独分体封装。

优先地，所述驱动装置3包括装设在壳体1内的弹簧31、键轴32，所述弹簧31的一端与壳体1相接触，弹簧31的另一端与键轴32的一端相连接，所述移动光学组件14a固定在键轴32的下部，当手指将按按键帽2往下压时，弹簧31向下压缩，键轴32以及其上附着的移动光学组件14a随着弹簧向下移动，当移动光学组件14a对准下方的固定光学组件15时，光路导通，从SMD IR管42发出的光线耦合到SMD PT管43中，从而实现通路。当手指松开按按键帽时，弹簧31带动键轴32向上弹起，移动光学组件14a与固定光学组件15分开，从SMD IR管42发出的光线耦合不到SMD PT管43中，从而实现断开。

在本实施中，所述移动光学组件14a为用于控制光电开关4断开及通路的光学棱镜。

进一步而言，如图5、图6所示，所述移动光学组件14a为转折棱镜结构，其是由竖直平面14a1、全反射斜面14a2以及底面14a3组成，所述竖直平面14a1为平面镜，也可以为球面或非球面，该全反射斜面14a2为斜平面，也可以为混合曲面，该底面14a3为平面镜，也可以为球面或非球面，所述固定光学组件15为转折棱镜结构，其是由准直菲涅尔透镜151、全反射斜面152、第一平面镜153、聚光透镜154和平面155组成，所述的准直镜151为各种不同齿间距的菲涅而曲面、或者是非球面、或是多种混合曲面，所述的聚光透镜154为球面或非球面，或者为光学平面，所述的光学平面155为球面或非球面，或者为菲涅尔面，或者是多种混合曲面，从SMD IR 42管射出的光线，经过固定光学组件15的菲涅尔透镜151准直，准直后的光线入射到全反射斜面152上，经反射后从第一平面镜153射出，当移动光学组件14a与固定光学组件15对齐时，从第一平面镜153射出的光线完全入射到移动光学组件14a的竖直平面14a1中，再经过全反射斜面14a2反射，反射后的准直光线向下方转折，从平面14a3射出，再次入射到固定光学组件15中，经过其聚光透镜154会聚，再从平面155出射后，会聚到SMD PT管43的传感面上，从而产生电流信号。

优先地，如图7所示，所述移动光学组件14a的移动范围为：上方的位置为当弹簧31处于放松状态且键轴32静止的上升位置，光路为非导通状态；当键轴32下压到触发光路开始导通的临界位置点时，即为光路导通状态，键轴32下压的移动行程范围为0.15-10mm，其光路导通的公差为+/-0.10mm；图7中间的虚线位置为键轴32的中间位置为当键轴32下压2.00-2.20mm行程触发光路开始导通的临界位置点，键轴32下方的位置为在键轴32下压4.00mm的极限位置，即为光路导通状态。

还包括装设在壳体1内用于对按键帽2表面上的字符进行照明的字符照明导光系统6，该字符照明导光系统6是由集成在PCB板41上的SMD LED19，即表面贴装的发光二极管，依次设置在所述SMD LED 19上方的聚光透镜156、导光柱157和照明透镜158组成，从SMDLED 19发出的光线，经过聚光透镜156会聚到导光柱157中，再从导光柱上方的照明透镜158折射输出，形成光束角为2θ的出射光。根据键帽的高低以及字符的大小，可以通过适当调节照明透镜158的弧度来调节2θ的大小，一般情况下，2θ在60度-160度之间。这里优选聚光透镜156为菲涅尔透镜，由于2θ的角度比较大，聚光透镜156以及上方的照明透镜158可以有其他选择，它们也可以为平面，甚至是凹面，如图7所示。另外固定光学组件15的准直菲涅尔透镜151的齿也可以根据加工精度的状况设计为粗齿，如图5和图6所示，或者为细齿，如图7所示。

所述的SMD IR管42、SMD PT管43以及SMD LED 19的上面均有封装硅胶。

实施例二：

如图8所示，所述固定光学组件15为准直及转折棱镜结构的一棱镜25，是由平面251，非球面透镜253以及全反射斜面252组成。在本实施例中，移动光学组件14a，以及用于对按键帽2表面上的字符进行照明的按键帽字符照明导光系统6与实施例一相同。固定光学组件15则有不同的设计，原先用于准直的菲涅尔透镜151改为了平面251，第一平面镜153改为了准直作用的非球面透镜253，全反射斜面252与实施例一相同，保持不变。由于非球面的加工比菲涅尔透镜的加工更加容易，而且对加工刀具的精度要求较低，实施例二可以降低对加工工艺的要求，从而降低加工成本，但由于非球面透镜的焦距比较长，数值孔径角较小，因而耦合效率比实施例一的要低。

实施例三：

如图9所示，所述固定光学组件15为准直及转折棱镜结构的一棱镜35，在本实施例中，移动光学组件14a，以及用于对按键帽2表面上的字符进行照明的按键帽字符照明导光系统6与实施例一相同。固定光学组件15则有不同的设计，棱镜35的入光面351为平面，其对从SMD IR管入射的光线没有起到准直作用，全反射曲面352为倾斜的X和Y方向非对称的自由曲面，其为离轴的二次曲面或者为双锥度系数曲面，同时起到转折光路和准直的作用，经过自由曲面352全反射的所有光线，沿着垂直于竖直平面353的方向，平行射出。当移动组件14a从按键静止的位置下压2.00-2.20mm行程时，触发光路开始导通。按键下压在行程2.00mm-4mm之间的范围，光路都处于导通的状态。当移动光学组件14a与固定组件35完全对齐时，从第二平面镜353射出的平行光线完全入射到移动光学组件的竖直平面14a1中，再经过全反射斜面14a2反射，反射后的准直光线向下方转折，从平面14a3射出，再次入射到固定组件35中，经过其聚光透镜354会聚，再从平面355出射后，会聚到SMDPT管的传感面上，产生最强的电流信号。

实施例四：

如图10所示，所述固定光学组件15为准直及转折棱镜结构的一棱镜45，在本实施例中，移动光学组件14a，以及用于对按键帽2表面上的字符进行照明的按键帽字符照明导光系统6与实施例一相同。固定光学组件15则有不同的设计，棱镜45的入光面451为菲涅尔准直透镜，对从SMD IR管入射的光线起到准直作用，全反射斜面452为倾斜平面，起到转折光路的作用，经过全反射斜面452反射的所有光线，沿着垂直于竖直平面453的方向平行射出。当移动组件14a从按键静止的位置下压至2.00-2.20mm行程时，触发光路开始导通。按键下压在行程2.00mm-5mm之间的范围，光路都处于导通的状态。当移动光学组件14a与固定组件45完全对齐时，从竖直平面453射出的光线完全入射到移动光学组件的竖直平面14a1中，再经过全反射斜面14a2反射，反射后的准直光线向下方转折，从平面14a3射出，再次入射到固定组件45中，本实施方案中，入射面454改为平面，455改为聚光用的菲涅尔透镜，其将光线会聚到SMDPT管18的传感面上，产生最强的电流信号。

实施例五：

上述实施例1-4中，当按键完全放松，弹簧31无压缩，移动光学组件14a处在最上方位置时，光路都处于断开状态，而当键轴32下压至2.00-2.20mm行程时，触发光路开始导通。键轴32下压在行程2.00mm-4mm之间的范围，光路都处于导通的状态。本实施例则将导通和断开状态反过来，按键完全放松，移动光学组件14a处在最上方位置时，光路处于导通状态。而当键轴32下压至2.00-2.20mm行程时，触发光路开始断开。键轴32下压在行程2.00mm-4mm之间的范围，光路都处于断开的状态。图11为本实施例的开关设计原理，其所有的准直、转折、和会聚系统与具体实施例一基本相同，如图11所示，所述固定光学组件15为准直及转折棱镜结构的一棱镜55，其入射面551为准直菲涅尔透镜、552为全反射斜面、553为竖直平面、554为聚光非球面透镜，555为平面，唯一区别的是右侧棱镜的反射斜面552比具体实施方案1的高出了2mm，当按键完全放松时，从竖直平面553射出的平行光刚好入射到移动光学组件14a中，经全反射转折及聚光后可以会聚到SMD PT管43中，从而产生电流信号，光路处于导通状态。而当按键下压至2.00-2.20mm行程时，从竖直平面553射出的平行光不能入射到移动光学组件14a中，SMD PT管43里就没有聚焦光斑产生的电流信号，光路处于断开状态。

实施例六：

上述实施例1-5中的移动光学组件都是采用转折棱镜14a的方式，就是控制一块转折棱镜的上下移动，从而实现导通和断开。以下的具体实施方案，移动光学组件采用机械快门(遮光片)的方式，通过上下移动遮光片实现光路的导通和断开。本发明所涉及的光电一体式机械轴键盘开关模组结构，其本实施例的开关设计原理如图12所示，其固定光学组件15为左右两边各有一个棱镜，分别为棱镜65及棱镜66。棱镜65为准直及转折棱镜系统，其菲涅尔透镜651先将SMD IR管42的光线准直，然后再通过全反射斜面652反射转折，再通过竖直平面653射出。机械快门14b与键轴32连接在一起，其随着弹簧31下压或放松时，往下或往上移动，从而实现对棱镜65出射平行光的遮挡或放行。当按键放松，机械快门14b处于上方时，快门对棱镜65的出射平行光无遮挡，这时候从竖直平面653射出的平行光可以进入到左边的棱镜66中。棱镜66为转折及聚光棱镜系统，其全反射曲面662为X及Y方向非对称的自由曲面，其同时起到转折及会聚作用，具体形式可以为离轴二次曲面或为双锥度系数曲面，其将入射光线进行全反射折转，并会聚到棱镜下方的SMD PT管43中，从而产生电流信号，使光路处于导通状态。当按键下压，机械快门14b处于下方时，快门对棱镜65出射平行光进行遮挡，这时候SMD PT管43中没有聚焦光斑，因此没有电流信号，光路处于断开状态。

实施例七：

在具体实施例六中，当按键(即驱动装置3)放松，机械快门处于最上方时，光路处于导通状态。本发明所涉及的光电一体式机械轴键盘开关模组结构，其具体实施方案七将导通和断开状态反过来，如图13所示。与实施例六相比，具体实施方案七也采用了机械快门的方式，其棱镜转折和聚光系统的结构与实施例六基本相同，其固定光学组件15为左右两边各有一个棱镜，分别为棱镜75和棱镜76，只是棱镜75和棱镜76都比具体实施方案六中的棱镜65及棱镜66高了2mm。当按键完全放松，移动光学组件14b在最上方位置时，机械快门14b遮挡了从竖直平面753射出的平行光，光路处于断开状态。而当按键下压时，机械快门14b对竖直平面753射出的平行光无遮挡，平行光进入左侧的棱镜76中，经过自由曲面762的会聚及转折，光线会聚于棱镜下方的SMD PT管43中，从而产生电流信号，触发光路处于导通状态。

实施例八：

上述的所有实施方案中，SMD IR管42及SMD PT管43都水平排列在同一个PCB板上，实际应用中也可以将其中的一个采用竖直放置。如图14所示，其将SMD IR管42竖过来放置于右侧，紧挨着SMD IR管43为一个机械快门14b，机械快门左侧为一个自由曲面棱镜85，其自由曲面反射面852将从SMD IR管入射的光线进行转折并会聚到棱镜下方的SMD PT管中。通过弹簧控制机械快门14b的上下移动，就可以实现光路的断开及导通。所述的自由曲面反射面852，其为X及Y方向非对称的离轴二次曲面，或者为双锥度系数曲面，其满足条件：SMDIR管的发射面，以及SMD PT管的接受面，相对于该曲面为共轭的物象对应关系。

实施例九：

本实施例中，如图15所示，将SMD PT管43竖过来放置于左侧，紧挨着SMD PT管43为一个机械快门14b，机械快门右侧为一个自由曲面棱镜95，该棱镜下方靠近SMT IR管42的位置为一菲涅尔准直透镜951，其将从SMD IR管42入射的光线进行准直并平行入射到自由曲面全反射面952上，自由曲面全反射面952兼有转折及会聚的作用，其将平行入射的光线转折并会聚到左侧的SMD PT管43的接受面上。通过弹簧控制机械快门14b的上下移动，可以实现光路的断开及导通。所述的自由曲面反射面952，其为X及Y方向非对称的离轴二次曲面，或者为双锥度系数曲面。

实施例十：

上述所有的具体实施方案，所述字符照明导光系统6的SMD LED 19(单色或者红绿蓝3色)光源都位于PCB板41上，其发出的光线，经过聚光透镜会聚到导光柱中，再从导光柱上方的照明透镜折射输出，形成光束角为2θ的出射光，照亮按键帽2上的字符。本实施给出了另一种字符照明导光系统，如图16所示，将SMD LED 19(单色或者红绿蓝3色)光源设置在PCB板41上，位于键轴32的下方中心位置，键轴32的中心轴采用透明或者半透明的材料制作，使其本身成为一个导光管，SMD LED 19发出的光直接耦合到键轴32中，键轴32、导光管对入射光线进行混光和向上传导，从其上方输出，从而照明上方的按键帽2。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种光电一体式机械轴键盘开关模组，包括壳体(1)，装设在壳体(1)上部的按键帽(2)，其特征在于：还包括装设在壳体(1)内的驱动装置(3)、光电开关(4)、移动光学组件(14a)和固定光学组件(15)，所述移动光学组件(14a)装设在驱动装置(3)上，所述光电开关(4)包括PCB板(41)，集成在PCB板(41)上的SMD IR管(42，表面贴装的红外二极管)及SMD PT管(43，表面贴装的光电传感器)，通过按压按键帽(2)使驱动装置(3)驱动移动光学组件(14a)上下移动来控制移动光学组件(14a)与固定光学组件(15)的相对位置，当从SMD IR管(42)发出的光线耦合到SMD PT管(43)中时，光路导通，从而实现光电开关(4)通路，当从SMDIR管(42)发出的光线不能耦合到SMD PT管(43)中时，光路断开，从而实现光电开关(4)断开。

2.根据权利要求1所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：所述驱动装置(3)包括装设在壳体(1)内的弹簧(31)、键轴(32)，所述弹簧(31)的一端与壳体(1)相接触，弹簧(31)的另一端与键轴(32)的一端相连接，所述移动光学组件(14a)固定在键轴(32)的上面。

3.根据权利要求2所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：所述移动光学组件(14a)为用于控制光电开关(4)断开及通路的光学棱镜或者机械快门。

4.根据权利要求1所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：所述移动光学组件(14a)为转折棱镜结构，其是由竖直平面(14a1)、全反射斜面(14a2)以及底面(14a3)组成，所述固定光学组件(15)为转折棱镜结构，其是由准直菲涅尔透镜(151)、全反射斜面(152)、第一平面镜(153)、聚光透镜(154)和光学平面(155)组成。

5.根据权利要求4所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：从SMD IR(42)管射出的光线，经过固定光学组件(15)的菲涅尔透镜(151)准直，准直后的光线入射到全反射斜面(152)上，经反射后从第一平面镜(153)射出，当移动光学组件(14a)与固定光学组件(15)对齐时，从第一平面镜(153)射出的光线完入射到移动光学组件(14a)的竖直平面(14a1)中，再经过全反射斜面(14a2)反射，反射后的准直光线向下方转折，从平面(14a3)射出，再次入射到固定光学组件(15)中，经过其聚光透镜(154)会聚，再从平面(155)出射后，会聚到SMD PT管(43)的传感面上，从而产生电流信号。

6.根据权利要求2所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：所述移动光学组件(14a)的移动范围为：上方的位置为当弹簧(31)处于放松状态且键轴(32)静止的上升位置，光路为非导通状态；当键轴(32)下压到触发光路开始导通的临界位置点时，即为光路导通状态，键轴(32)下压的移动行程范围为0.15-10mm，其光路导通的公差为+/-0.10mm。

7.根据权利要求1所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：所述固定光学组件(15)，是由第一平面镜(153)，准直镜(151)，聚光透镜(154)，光学平面(155)以及全反射斜面(152)组成，所述的准直镜(151)为各种不同齿间距的菲涅而曲面、或者是非球面、或是多种混合曲面，所述的聚光透镜(154)为球面或非球面,或者为光学平面，所述的光学平面(155)为球面或非球面，或者为菲涅尔面，或者是多种混合曲面。

8.根据权利要求4所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：所述竖直平面(14a1)为平面镜、球面或非球面,该全反射斜面(14a2)为斜平面、混合曲面,该底面(14a3)为平面镜、球面或非球面。

9.根据权利要求1所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：所述的SMD IR管(42，表面贴装的红外二极管)与SMD PT管(43，表面贴装的光电传感器)两者为一体式封装或者两个单独分体封装。

10.根据权利要求1所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，

其特征在于：所述固定光学组件(15)为准直及转折棱镜结构，是由平面(251)，非球面透镜(253)以及全反射斜面(252)组成。

11.根据权利要求1所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，

其特征在于：所述固定光学组件(15)为准直及转折棱镜结构，是由平面入光面(351)，全反射自由曲面(352)，第二平面镜(353)组成，所述全反射自由曲面(352)为离轴的二次曲面或者为双锥度系数曲面，全反射自由曲面(352)同时起到转折光路和准直的作用，经过全反射自由曲面(352)反射的所有光线沿着垂直于第二平面镜(353)的方向射出。

12.根据权利要求1所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：所述固定光学组件(15)为准直及转折棱镜结构，是菲涅准直透镜(451)，全反射斜面(452)以及竖直平面(453)组成。

13.根据权利要求1所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：还包括装设在壳体(1)内用于对按键帽(2)表面上的字符进行照明的字符照明导光系统(6)，该字符照明导光系统(6)是由集成在PCB板(41)上的SMD LED(19，表面贴装的发光二极管)，依次设置在所述SMD LED(19)上方的聚光透镜(156)、导光柱(157)和照明透镜(158)组成。

14.根据权利要求13所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：所述SMDLED(19)发出的光线，经过聚光透镜(156)会聚到导光柱(157)中，再从导光柱(157)上部的照明透镜(158)折射输出，从照明透镜(158)射出的光线角度在60度-160度之间。

15.根据权利要求2所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：当按键完全放松，移动光学组件(14a)处在最上方位置时，光路处于导通状态；而当键轴(32)下压至2.00-2.20mm行程时，触发光路开始断开；键轴(32)下压在行程2.00mm-5mm之间的范围，光路都处于断开的状态。

16.根据权利要求3所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：所述固定光学组件(15)为左右两边各有一个棱镜，即为两棱镜(65、66)，棱镜(65)为准直及转折棱镜系统，其菲涅尔透镜(651)先将SMD IR管(42)的光线准直，然后再通过全反射斜面(652)反射转折，再通过竖直平面(653)射出，机械快门(14b)与键轴(32)连接在一起，其随着弹簧(31)下压或放松时，往下或往上移动，从而实现对棱镜(65)出射平行光的遮挡或放行。

17.根据权利要求3所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：所述固定光学组件(15)为左右两边各有一个棱镜，分别为两棱镜(75、76)，当按键完全放松，移动光学组件(14b)在最上方位置时，机械快门(14b)遮挡了从竖直平面(753)射出的平行光，光路处于断开状态，而当按键下压时，机械快门(14b)对竖直平面(753)射出的平行光无遮挡，平行光进入左侧的棱镜(76)中，经过自由曲面(762)的会聚及转折，光线会聚于棱镜下方的SMDPT管(43)中，从而产生电流信号，触发光路处于导通状态。

18.根据权利要求3所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：所述SMD IR管(42)竖过来放置于右侧，紧挨着SMD IR管(43)为一个机械快门(14b)，机械快门左侧为一个自由曲面棱镜(85)，其自由曲面反射面(852)将从SMD IR管(42)入射的光线进行转折并会聚到棱镜下方的SMD PT管(43)中，通过弹簧(31)控制机械快门(14b)的上下移动，就可以实现光路的断开及导通，所述的自由曲面反射面(852)，其为X及Y方向非对称的离轴二次曲面，或者为双锥度系数曲面，其满足条件：SMD IR管的发射面，以及SMD PT管的接受面，相对于该曲面为共轭的物象对应关系。

19.根据权利要求3所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：所述SMD PT管(43)竖过来放置于左侧，紧挨着SMD PT管(43)为一个机械快门(14b)，机械快门右侧为一个自由曲面棱镜(95)，该棱镜下方靠近SMT IR管(42)的位置为一菲涅尔准直透镜(951)，其将从SMD IR管(42)入射的光线进行准直并平行入射到自由曲面全反射面(952)上，自由曲面全反射面(952)兼有转折及会聚的作用，其将平行入射的光线转折并会聚到左侧的SMDPT管(43)的接受面上，通过弹簧(31)控制机械快门(14b)的上下移动，可以实现光路的断开及导通，所述的自由曲面全 反射面(952)，其为X及Y方向非对称的离轴二次曲面，或者为双锥度系数曲面。

20.根据权利要求2所述的光电一体式机械轴键盘开关模组，其特征在于：还包括装设在壳体(1)内用于对按键帽(2)表面上的字符进行照明的字符照明导光系统(6)，该字符照明导光系统(6)是还可设计为以下结构：SMD LED(19)放置于键轴(32)的下方中心位置，键轴(32)的中心轴采用透明或者半透明的材料制作，使其本身成为一个导光管，SMD LED(19)发出的光直接耦合到键轴(32中)，键轴(32)、导光管对入射光线进行混光和向上传导，从其上方输出。