FI97577B - Näppäimistö - Google Patents

Description

97577 Näppäimistö - Tangentbord

Keksintö liittyy näppäimistöön, joka käsittää yhden tai useampia näppäimiä ja niitä vastaavat sähkömekaaniset 5 muunninelimet, ja lähemmin keksintö liittyy näppäimistöön, jossa sähkömekaaniset muunninelimet on toteutettu polymeerikalvoa käyttämällä.

Eräistä polymeerimateriaaleista voidaan valmistaa pietso-10 sähköisiä kalvoja valmistusprosessilla, jossa materiaali polarisoidaan muuttamalla materiaalin sisältämien kiteiden orientaatiota sekä mekaanisella käsittelyllä että voimakkaan sähkökentän avulla. Näppäimistökäytössä tunnetuin on polyvinylidiinifluoridi- eli PVDF-kalvo (engl.

15 polyvinylidene film), jota on kaupallisesti saatavana erilaisilla tavaramerkkinimillä. PVDF-kytkinelementti voidaan valmistaa esimerkiksi silkkipainamalla kalvon molempiin, varauksen sisältäviin pintoihin elektrodit, joi-' hin kytkettyjen johdotusten avulla näppäinpainalluksen 20 kalvossa synnyttämä virta voidaan johtaa edelleen ohjausyksikköön, joka tunnistaa näppäimen. PVDF-kalvon käyttöön perustuvia näppäimistöratkaisuja on esitetty esimerkiksi julkaisuissa EP-A2 203 261 ja GB-B 2 222 014, joista ensimmäinen koskee erityisesti häiriösietoisuutta 25 parantavia johdotustapoja ja jälkimmäinen muunninelement-tien toteutusta.

Eräs sähkömekaanisena muuntimena toimiva kalvo on kupla-rakenteinen elektreettikalvo, joka tunnetaan niin kutsut-30 tuna elektromekaanisena kalvona eli EMF-kalvona (EMF, Electromechanical Film). Tämä suomalainen keksintö eri muunnelmineen sekä valmistusmenetelmineen on esitetty suomalaisissa patenttijulkaisuissa FI 71267 ja FI 76225 sekä patenttihakemuksessa FI 913741. Kalvomateriaali on 35 eriste, esimerkiksi polypropeeni, johon on erityisellä valmistusmenetelmällä muodostettu kaasutäytteisiä ken- 2 97577 noja, ja kennojen pintaan on injektoitu pysyvä sähkövaraus. Kalvon paksuuden muutos esimerkiksi painalluksen voimasta aiheuttaa virtapulssin, joka voidaan havaita kalvon pintaan kiinnitetyistä elektrodeista.

5

Ajatus soveltaa EMF-kalvoa näppäimistöihin on alan ammattilaiselle melko ilmeinen, ja siihen viitataan esimerkiksi edellä mainitussa patenttijulkaisussa FI 71267. EMF-kalvo on valmistuskustannuksiltaan PVDF-kalvoa edul-10 lisempi, ja kalvolla voidaan periaatteessa toteuttaa vastaavanlainen häiriösietoinen muunninelementti kuin PVDF-kalvollakin. Esimerkiksi polypropeenipohjaiselle EMF-kal-volle on tunnusomaista, että se on erittäin joustavaa ja kuplarakenteisena luonnollisesti kevyttä. EMF-kalvon 15 herkkyys sähkömekaanisena muuntimena on myös hyvä. EMF-kalvolla voidaan myös toteuttaa hyvin ohuita rakenteita. Kalvon paksuus voi olla esimerkiksi noin 40 μπκ Sanotunlaisen polypropeenipohjäisen EMF-kalvon haittapuolena taas on sen huono mekaaninen kestävyys. Ilmeisesti tästä 20 syystä joustavaa EMF-kalvoa ei tietojemme mukaan ole käytännössä sovellettu näppäimistöjen toteutuksessa.

Tutkiessamme mahdollisuuksia käyttää joustavaa, kevyttä ja ohutta EMF-kalvoa näppäimistöjen toteuttamiseen pää-25 dyimme yllättävään tulokseen, että saavutetaan eräitä sovellutuksia ajatellen erittäin edullinen ratkaisu yhdistämällä joustava, kevyt ja ohut EMF-kalvorakenne siihen nähden erittäin jäykkään ja massiiviseen peitelevyyn. Näppäimiä vastaavat sähkömekaaniset muunninelementit to-30 teutetaan EMF-kalvorakenteen avulla, ja niiden kohdalla peitelevyssä olevat alueet muodostavat näppäimet. Keksinnön mukaiselle näppäimistölle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1.

35 Eräässä toteutuksessa EMF-kalvorakenne on kiinnitetty alustaan, joka on paksuudeltaan 4 mm:n teräslevyä, ja li 3 97577 peitelevy on samoin terästä ja paksuudeltaan 2 mm. On selvää, että tällä ratkaisulla voidaan saada aikaan sekä mekaanisesti että kemiallisesti erittäin hyvin suojattu näppäimistö. Myös suojaus sähkömagneettisia häiriöitä 5 vastaan on erinomainen. Lisäksi tällainen näppäimistö sietää hyvin suuria ja nopeita lämpötilanvaihtelulta. EMF-kalvoa käyttäen muunninelementit voidaan valmistaa hyvin edullisesti. Ratkaisu mahdollistaa erittäin ankariin olosuhteisiin tarkoitettujen ja vandalismin kestä-10 vien näppäimistöjen tuomisen markkinoille hinnaltaan edullisina tuotteina. Keksinnön mukaista näppäimistöä voidaan soveltaa hyvin moniin tarkoituksiin. Peitelevy- ja runkomateriaali voidaan valita kuhunkin tarkoitukseen sopivasti lukuisista mahdollisista vaihtoehdoista. Koska 15 EMF-kalvorakenne on hyvin ohut, keksinnön mukainen näppäimistö voidaan jäykästä ja massiivisesta peitelevyrat-kaisusta huolimatta toteuttaa myös suhteellisen ohuena näppäimistöyksikkönä.

20 Keksintöä ja sen eri suoritusmuotoja kuvataan seuraavassa viitaten piirustuksiin, joista: kuva 1 esittää kaavamaisesti erästä EMF-kalvon avulla toteutettua sähkömekaanista muunninelementtiä ja sen toi-25 mintaa, kuva 2 esittää kaavamaisesti poikkileikkauksen keksinnön mukaisen näppäimistön eräästä mahdollisesta rakenteesta, 30 kuva 3 esittää kaavamaisesti poikkileikkauksen keksinnön mukaisen näppäimistön eräästä toisesta mahdollisesta rakenteesta, kuva 4 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaisen näp-35 päimistön erästä sovellutusta, 4 97577 kuvat 5 ja 6 esittävät keksinnön mukaisen näppäimistön erästä sovellusta vastaavasti päältä katsottuna ja perspektiivikuvana, 5 kuva 7 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaisen näppäimistön erästä suoritusmuotoa ja kuva 8 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaisen näppäimistön erästä toista suoritusmuotoa, 10

Kuvissa 1(a) ja 1(b) esitetään kaavamaisesti EMF-kalvon avulla toteutettua sähkömekaanista muunninelementtiä ja sen toimintaa. Kuplarakenteiseen EMF-kalvoon 1 on injektoitu varaukset, niin että sen toinen pinta on positiivi-15 sesti ja toinen pinta negatiivisesti varattu, ja pinnat on varustettu elektrodeilla 2 ja 3. Elektrodit on edullista valmistaa silkkipainamalla, ja yleensä käytetyssä toteutuksessa elektrodin 3 muodostaa kaikille muunninele-menteille yhteinen maataso. Kun muunninelementtiin koh-20 distuu kuvan 1(b) mukaisesti painallus P, saadaan elektrodilta 2 vahvistimen 4 avulla virtapulssi 5, joka ilmaistaan. EMF-kalvon paksuuden muutos, joka riittää ilmaistavan signaalin aikaansaamiseen, voi olla vain muutamien mikrometrien luokkaa. Alan ammattilainen ymmärtää, 25 että käytännön sovellutuksissa muunninelementtien elektrodien ja niiden johdotuksen valmistamiseen voidaan tarvita useita eristeellä erotettuja johdinkerroksia ja että rakenne voi eri syistä sisältää myös muita kuin elektro-deihin ja niiden johdotukseen liittyviä materiaalikerrok-30 siä. Kalvon toisella puolella olevan elektrodin tai maa-tason voi muodostaa myös esimerkiksi näppäimistön johtava runko, jota vasten EMF-kalvo on tai johon se on liimattu.

Seuraavassa esitetään kuviin 2 ja 3 viitaten keksinnön 35 mukaisen näppäimistön mahdollisia rakenteita, ja kuvien suhteen on huomattava, että ne ovat vain havainnollista- 5 97577 via ja että esimerkiksi kalvojen ja muiden rakenteiden paksuussuhteet ovat käytännön toteutuksissa aivan toiset.

Sama huomautus koskee myös muita kuvia, joissa vastaavia rakenteita esitetään kaavamaisesti.

5

Kuvassa 2 näppäinrakenteen alimman kerroksen muodostaa EMF-kalvo 11, jonka yläpintaan on painettu johdinkuvio 12 kalvokytkimen elektrodien muodostamiseksi. Kalvon päällä on eristekerros 13 ja eristekerroksen päällä peitelevy 10 14. Keksinnön mukaisesti peitelevy 14 voi olla jäykkä yh tenäinen levy, joka kattaa koko näppäimistöalueen. Painettaessa peitelevyä näppäimen kohdalla, aiheutetaan pei-televyyn paine, jonka synnyttämä kalvon paksuuden muutos riittää signaalin aikaansaamiseen. Eristekerros 13 voi 15 muodostua esimerkiksi polyesterikalvosta tai lasista.

Eristekerros 13 voi myös puuttua kokonaan, jos peitelevy 14 on eristemateriaalia, esimerkiksi kovaa muovia.

Eräässä suoritusmuodossa peitelevymateriaalina käytetään 20 terästä ja eristekerroksena 13 toimii ilmaväli, jolloin rakenteesta saadaan erityisen kestävä ja valmistuskustannuksiltaan edullinen. Kokeellisesti on osoitettu, että noin 1 mm ilmavälillä rakenne on vielä toimiva edellyttäen, että kalvo on suljetussa kotelossa.

25

Kuvassa 3 on esitetty sandwich-tyyppisen näppäinrakenteen poikkileikkaus, jossa EMF-kalvorakenne 21 on sijoitettu kahden jäykän levyn 22 ja 23 väliin, joista toinen toimii peitelevynä ja toinen alustana. Jos jäykät levyt 22, 23 30 ovat johtavia voi kaivorakenteen 21 molemmin puolin olla vastaavasti eristekerrokset 24 ja 25. Eristeenä voivat olla esimerkiksi edellä mainitut lasi, polyesterikalvo, sopiva liimakerros tai ilma.

35 Kuvassa 4 on esitetty sandwich-rakenteen eräs käytännön toteutus. Peitelevy 31 ja taustalevy 32 ovat 2 mm teräs- 6 97577 levyä. Näppäimet 33 on merkitty peitelevyyn 31. Ohjau-selektroniikka on sijoitettuna erilliseen ohjausyksikköön 34. Kaivorakennetta ja ohjausyksikköä yhdistää kaapeli 35. Tällaisessa toteutuksessa näppäimistö voidaan tehdä 5 helposti vesi- ja pölytiiviiksi sekä kestämään kovaa käsittelyä. Kun ohjauselektroniikka on sijoitettu erilleen, voidaan mekaanisesti ja kemiallisesti kestävä näppäimistö valmistaa suhteellisen ohuena, tässä tapauksessa noin 5 mm:n paksuisena yksikkönä.

10

Kuvat 5 ja 6 esittävät keksinnön mukaisen näppäimistön erästä toista sovellusta vastaavasti päältä katsottuna ja perspektiivikuvana. Näppäimistöyksikkö 30 sisältää tässä tapauksessa myös sen sisään koteloidun ohjauselektronii-15 kan. Näppäimistöyksikkö voi olla valmistettu esimerkiksi alumiinista, jonka rakennepaksuus on 4 mm. Peitelevyosan paksuus puolestaan on noin 2 mm. Käytännössä toteutettuna koko näppäimistöyksikön sivun mitta voi olla esimerkiksi noin 100 mm. Päällepäin näppäimistöyksikkö näkyy yhtenäi-20 senä massiivisena yksikkönä, jonka peitelevyssä 31 on näppäinalueet 33. Peitelevynä voidaan käyttää näppäimistöyksikön runkoa, jolloin näppäimistöyksikkö on päältä katsottuna täysin yhtenäinen metallikappale, kuten on esitetty kuvassa 6.

25

Kuvissa 7 ja 8 esitetään kaavamaisina poikkileikkauskuvi-na keksinnön mukaisen näppäimistön suoritusmuotoja, joilla kuvissa 5 ja 6 esitetyn kaltaiset näppäimistöyksiköt voidaan toteuttaa. Kuvan 7 esittämässä suoritusmuodossa 30 runko 41 toimii alustana, ja EMF-kalvorakenne 42 ja pei-televy 43 on sijoitettu siinä olevaan syvennykseen niin, että muodostuvan näppäimistöyksikön pinta on tasainen. Peitelevyssä 43 on näppäinalueet A, B, C, D. EMF-kalvorakenne voi olla kiinnitetty peitelevyyn liimakerroksella 35 44 ja vastaavasti alustaan 41 liimakerroksella 45. Peri aatteessa kerrokset 44 ja 45 voivat olla myös ilmakerrok- 7 97577 siä tai muita eristekerroksia peitelevyn ja EMF-kalvora-kenteen välissä. Rungon 41 muodostamassa alustassa on läpiviennit, joiden kautta johdotukset 46 ja 47 viedään elektroniikkayksikölle 50.

5

Kuvan 8 suoritusmuodossa runkoa 41 on hiukan ohennettu EMF-kalvorakenteen 42 kohdalta, ja runko, jossa on näp-päinalueet A, B, C, D, toimii peitelevynä. EMF-kalvora-kenne voi olla kiinnitetty runkoon 41 liimakerroksella 10 44. Alustana toimii nyt suhteellisen paksu ja tukeva muo vikerros 48, esimerkiksi epoksi tai vastaava, joka on valettu peittämään EMF-kalvorakenne 42 ja ympäröimään se tiiviisti yhdessä rungon 41 kanssa. Muovikerros 48, joka voi olla paksuudeltaan muutamia millimetrejä ja jonka tu-15 lee olla riittävän jäykkä, vastustaa riittävästi muunni-nelementin kohdalta EMF-kalvorakenteeseen sen toiselta puolelta kohdistuvaa voimaa, niin että EMF-kalvo puristuu hiukan kokoon ja saadaan ilmaistavissa oleva signaali. Johdotukset 46 ja 47 elektroniikkayksikölle 50 tulevat 20 valetun muovikerroksen läpi. Muovikerros voidaan myös valaa katkoviivan 49 osoittamalla tavalla niin paksuksi, että se peittää ja sulkee sisäänsä myös elektroniikkayk-sikön 45. Tällä tavalla saadaan yksinkertaisesti aikaan tukeva ja kestävä, ympäristön vaikutuksilta hyvin suojat-25 tu ja suljettu näppäimistöyksikkö. Näppäimistö voidaan toteuttaa tällä tavoin yhtä hyvin myös esimerkiksi lasi-tai muovirungolle.

Keksinnön mukaisen näppäimistön sovelluskohteita ovat 30 erityisesti laitteet, jotka sijoitetaan julkisiin tiloihin tai teollisuushalleihin, joissa ne voivat joutua alttiiksi säänvaihteluille, kolhuille tai vandalismille. Teräksen ohella käyttökelpoisia peitelevymateriaaleja ovat myös muut metallit kuten alumiini, keraamimateriaalit, 35 lasi ja muovit. Edellä esitetyt peitelevypaksuudet ja muut mitat ovat vain esimerkkejä, mutta osoittavat sa- 8 97577 maila, mitä tarkoitetaan keksinnön määrittelyssä ilmaisulla "jäykkä peitelevy". Olennaista keksinnön mukaisessa näppäimistössä on, että siinä käytetään EMF-kalvoraken-netta ja tavanomaisiin näppäimistörakenteisiin ja näytön 5 mittasuhteisiin nähden jäykkää ja massiivista peitelevyä.

Eräs mahdollisuus on sijoittaa EMF-kalvorakenne LCD-näy-tön taustalle siten, että peitelevynä sisältää LCD-näyt-tölaitteen. Näin voidaan toteuttaa yksinkertainen ja toi-10 raiva kosketusnäyttö.

Keksinnön mukaisella rakenteella ja sopivalla eristemateriaalin valinnalla näppäimistö kestää suuriakin äkillisiä lämmönvaihteluita ilman toimintahäiriöitä.

15

Kuten edellä on jo mainittu, keksinnön mukainen näppäimistö voidaan rakentaa myös suhteellisen ohueksi. Esimerkiksi kuvien 3 ja 4 mukaisen rakenteen paksuus voi olla ainoastaan luokkaa 3 mm, kun peite- ja taustalevyt ovat 20 terästä ja eristekerrokset polyesterikalvoa. Näppäimistö voidaan toteuttaa myös halutuilla peitelevyn pinnanmuodoilla käyttämällä kytkinkalvona elastista EMF-kalvoa.

Keksintö ei rajoitu edellä esitettyihin suoritusesimerk-25 keihin vaan voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten sallimassa laajuudessa.

Claims (11)

1. Näppäimistö, joka käsittää yhden tai useampia näppäi-5 miä ja niitä vastaavat sähkömekaaniseet muunninelimet tunnettu siitä, että se sisältää: nimityksellä EMF-kalvo tunnetun kuplarakenteisen elektreettikalvon (11) sisältävän kaivorakenteen (11, 12; 21; 42) jonka avulla näppäimiä vastaavat sähkömekaaniset 10 muunninelementit on muodostettu, ja EMF-kalvorakenteen (11, 12; 21; 42) peittävän yhtenäisen, jäykän peitelevyn (14, 22, 31, 43), jossa kunkin sähkömekaanisen muunninelementin kohdalla oleva alue muodostaa näppäimen. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen näppäimistö, tunnettu siitä, että EMF-kalvorakenne (11, 12; 21; 42) on suoraan tai ohuen välikerroksen (25, 45) avulla vasten alustaa (23, 41, 48). 20

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen näppäimistö, tunnettu siitä, että peitelevy (31, 41) muodostaa samalla näppäimistön rungon.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen näppäimistö, tun nettu siitä, että alusta on peitelevylle (41) valettu muovikerros (48), joka yhdessä peitelevyn kanssa ympäröi tiiviisti EMF-kalvorakenteen (42).

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen näppäimistö, tunnettu siitä, että alusta (41) on samalla näppäimistön runko.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen näppäimistö, tunnettu siitä, että peitelevyn materiaali on jo-35 kin seuraavista: metalli, kuten alumiini tai teräs, muovi, lasi, keraamimateriaali. 10 97577

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen näppäimistö, tunnettu siitä, että peitelevyn paksuus on noin 2 mm. 5

8, Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen näppäimistö, tunnettu siitä, että EMF-kalvorakenteen (42) ja peitelevyyn (41, 43) välissä on liimakerros (44).

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen näppäimistö, tunnettu siitä, että EMF-kalvorakenteen (42) ja peitele-vyyn (41, 43) välissä on ilmakerros.

9 97577

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen näppäi-15 mistö, tunnettu siitä, että peitelevy sisältää nestekide-näyttölaitteen .

11 97577