PL243915B1 - Układ elektryczny samodezynfekującej klawiatury dotykowej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest układ elektryczny samodezynfekującej klawiatury dotykowej urządzeń. Klawiatura dotykowa z funkcją samodezynfekcji przeznaczona jest do stosowania we wszelkiego rodzaju urządzeniach terminalowych zawierających przynajmniej jeden klawisz dotykowy. Układ klawiatury posiada co najmniej jeden przycisk dotykowy (2) wyposażony w zespół elektrod odczytowych (4), połączonych z układem odczytu (6) oraz dodatkowo w zespół elektrod aktywnych (8). Każda z elektrod (8) zasilana jest przez indywidualny rezystor zabezpieczający (16), a zespół elektrod (8) połączony jest z wyjściem wysokiego napięcia (14) generatora wysokiego napięcia (12) za pomocą ograniczającego prąd rezystora (15), zaś wyjście (14) generatora połączone jest również z masą układu (9) przez rezystor (20) lub poprzez dzielnik rezystancyjny (20, 21). Natomiast elektrody odczytowe (4) przycisków połączone są z uziemieniem układu (9) przez tranzystor polowy (10).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ elektryczny samodezynfekującej klawiatury dotykowej. Klawiatura dotykowa z funkcją samodezynfekcji przeznaczona jest do stosowania we wszelkiego rodzaju urządzeniach terminalowych zawierających przynajmniej jeden klawisz dotykowy. Zwłaszcza w takich urządzeniach jak kasy sklepowe, domofony, bankomaty, terminale informacyjne, terminale płatnicze itd. Wobec zagrożenia epidemiologicznego jakie obserwujemy istnieje konieczność wzmożonej dezynfekcji tych urządzeń co jest dużym wyzwaniem. Najwłaściwsza byłaby szybka dezynfekcja klawiatury po każdorazowym dotknięciu jej przez użytkownika, co praktycznie nie jest wykonalne.

Stosowane są różne sposoby dezynfekcji klawiatur dotykowych, takie jak, dezynfekcja chemiczna, promieniami UV - C czy ozonowanie.

Obiecującą metodą dezynfekcji powierzchni jest zastosowanie generatora zimnej plazmy, działającego na zasadzie wyładowania barierowego.

Z patentu US 8557187 znana jest metoda sterylizacji powierzchni za pomocą plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym generowanej przy użyciu wyładowania barierowego powierzchni. Opisany układ składa się z elektrody wysokonapięciowej pokrytej materiałem dielektrycznym, z elektrycznie przewodzącej uziemionej elektrody stykowej, źródła wysokiego napięcia, źródła gazu i dyszy gazowej, która umieszczona jest w bezpośrednim sąsiedztwie uziemionej elektrody stykowej.

Z patentu US 9414478 znany jest system generujący plazmę w którym obwód generujący energię jest połączony z elektrodami, generując pole pomiędzy elektrodami, tak aby zainicjować wyładowania plazmy w szczelinie między elektrodami.

Z patentu US 9572241 znany jest układ wielu emiterów plazmy umieszczonych na dielektrycznym podłożu. Każdy z emiterów plazmy ma elektrodę sterującą po jednej stronie podłoża i elektrodę uziemiającą po przeciwnej stronie podłoża.

Przewodzący tor zasilający jest połączony z każdą elektrodą sterującą a przewodzący tor uziemiający jest podłączony do każdej elektrody uziemiającej, przy czym przepływ gazu pomiędzy stroną sterującą a uziemieniem następuje przez otwory w podłożu.

Z patentu US 9737091 znana jest folia sterylizacyjna skonfigurowana do wytwarzania plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym. Folia ta zawiera elastyczną dielektryczną folię barierową, górną i dolną warstwę elektrody, które są odpowiednio umieszczone na górnej i dolnej powierzchni dielektrycznej folii barierowej oraz dolną warstwę ochronną, która otacza odsłoniętą powierzchnię dolnej warstwy elektrody i jest uformowana z materiału dielektrycznego. Elektrody, poprzez odpowiednie podkładki są elektrycznie połączone z zewnętrznym źródłem zasilania.

W patencie US 9757487 opisano sposób i układ do samosterylizacji powierzchni, w którym elektrody aktywna i uziemienia wykonane są w postaci dwóch krzyżujących się siatek przedzielonych warstwą dielektryka.

W artykule Li et. al., Cold Atmospheric Plasma for Surface Disinfection, Plasma Process. Polym. 2012, 9, 585-589 opisano sposób realizacji powierzchni samodezynfekcyjnej w postaci dwóch planarnych elektrod grzebieniowych pokrytych warstwą dielektryka. Zapłon zimnej plazmy następuje nad powierzchnią dielektryka na skutek przyłożenia wysokiego napięcia do elektrod. Według artykułu, włączenie urządzenia na czas 15 sekund wystarcza do redukcji liczby mikroorganizmów na powierzchni 100 tys. razy.

Celem wynalazku jest opracowanie układu elektrycznego klawiatury dotykowej, który oprócz typowej funkcji klawiatury umożliwiałby jej samo dezynfekcję.

Układ klawiatury dotykowej z funkcją generacji zimnej plazmy według wynalazku ma co najmniej jeden przycisk dotykowy wyposażony w zespół elektrod odczytowych, pokrytych warstwą izolatora i połączonych z układem odczytu. W układzie tym, pod każdym z przycisków dotykowych umieszczony jest dodatkowy zespół elektrod aktywnych, z których każda zasilana jest przez indywidualny rezystor zabezpieczający, najlepiej w postaci elementu grubowarstwowego, korzystnie elementu dyskretnego czy bezpiecznika. Cały zespół elektrod aktywnych połączony jest z wyjściem wysokiego napięcia generatora wysokiego napięcia za pomocą ograniczającego prąd rezystora, korzystnie w postaci elementu grubowarstwowego. Przy czym wyjście generatora połączone jest również z masą układu przez rezystor lub poprzez dzielnik rezystancyjny, korzystnie w postaci elementu grubowarstwowego. Natomiast elektrody odczytowe przycisków oddzielone kanałem od elektrod aktywnych połączone są bezpośrednio z układem odczytowym oraz przez tranzystor polowy z uziemieniem układu, zaś wyjście masy generatora wysokiego napięcia podłączone jest do uziemienia układu. Przy czym bramka tranzystora polowego połączona jest z dzielnikiem rezystancyjnym oraz poprzez element prostujący, korzystnie przez prostownik jednopołówkowy lub mostek Graetza. Tranzystorem polowym może być tranzystor MOSFET lub tranzystor bipolarny z izolowaną bramką IGBT albo tranzystor bipolarny lub przekaźnik.

W układzie klawiatury według wynalazku, powietrze poddawane jest działaniu pola elektrycznego przekraczającego napięcie przebicia (3kV/mm), ale na elektrodzie wysokiego napięcia znajduje się warstwa dielektryka, która uniemożliwia zapalenie łuku. Pole elektryczne powoduje jednak jonizację powietrza i wytworzenie reaktywnych form tlenu, w szczególności tlenu atomowego i ozonu, posiadających zdolność dezaktywacji mikroorganizmów.

W proponowanym rozwiązaniu wykorzystano fakt, że przekrój konstrukcji powierzchni samodezynfekcyjnej wykorzystuje standardową realizację dotykowej klawiatury pojemnościowej. W obydwu przypadkach mamy do czynienia z układem elektrod wykonanych na podłożu, pokrytych warstwą dielektryka. Jedyną różnicą jest fakt, że w przypadku generacji plazmy konieczne jest użycie dwóch zestawów elektrod o naprzemiennej polaryzacji lub elektrod gorących i uziemionych naprzemiennie, natomiast w przypadku przycisku klawiatury dotykowej - typowej mamy do czynienia tylko z jednym zestawem elektrod dla danego obszaru klawiatury (przycisku).

Zaproponowane w rozwiązaniu według wynalazku zastosowanie tego samego układu elektrod do detekcji dotyku (odczytu klawiatury) oraz dezynfekcji (generacji zimnej plazmy) istotnie upraszcza zarówno konstrukcję jak i eksploatację urządzenia. Przełączenie pomiędzy trybem klawiatury a trybem dezynfekcji następuje elektrycznie, bez potrzeby wykorzystywania elementów ruchomych. Dezynfekcja może być uruchomiona automatycznie, natychmiast po zakończeniu obsługi danego użytkownika (np. w bankomacie lub terminalu płatniczym). System nie wymaga stosowania chemikaliów oraz innych materiałów eksploatacyjnych. Powiadomienie użytkownika o tym, że trwa dezynfekcja i nie należy dotykać powierzchni może nastąpić w drodze sygnalizacji wizualnej i dźwiękowej. Z uwagi na fakt że elektroda wysokiego napięcia pokryta jest warstwą izolatora, dotknięcie powierzchni w czasie generacji plazmy nie niesie ryzyka porażenia użytkownika o ile warstwa dielektryka nie jest uszkodzona.

Istotnym, jest zatem zapewnienie bezpieczeństwa użytkowania i niezawodności w przypadku uszkodzenia lub celowego przebicia warstwy izolatora znajdującej się na elektrodzie wysokiego napięcia. W takiej sytuacji należy przede wszystkim zadbać aby upływ prądu przez użytkownika nie przekroczył dopuszczalnej wartości bezpiecznej (20mA) oraz zapewnić aby w przypadku uszkodzenia izolacji (prowadzącego do zapalenia luku pomiędzy sąsiednimi elektrodami), następowało automatyczne i trwałe odłączenie uszkodzonej sekcji.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie układu elektrycznego dotykowej klawiatury pojemnościowej pokazanej na rysunku. Fig. 1 przedstawia realizację układu dla jednego przycisku pod którym znajdują się dwie zazębiające się elektrody grzebieniowe a Fig. 2 rysunku pokazuje przekrój układu elektrod klawiatury dla tego przycisku.

Układ elektryczny klawiatury dotykowej według wynalazku posiada przycisk dotykowy wyposażony w zespół elektrod aktywnych odczytowych 4, i elektrod aktywnych 8 osadzonych na podłożu 1, oddzielonych kanałem 18 i pokrytych warstwą izolatora 5. Każda z elektrod odczytowych 4 połączona jest z układem odczytu 6. Natomiast każda elektroda 8 zasilana jest przez indywidualny rezystor zabezpieczający 16, w przykładzie w postaci elementu grubowarstwowego. Zespół elektrod aktywnych 8 połączony jest z wyjściem 14 generatora wysokiego napięcia 12 za pomocą ograniczającego prąd rezystora 15, w przykładzie wykonanego w postaci elementu grubowarstwowego. Wyjście 14 generatora wysokiego napięcia połączone jest również z masą układu 9 przez rezystor 20, który pełni rolę rezystora rozładowczego dla kondensatorów wyjściowych zasilacza WN 12. Połączenie to może być realizowane także poprzez dzielnik rezystancyjny 20 i 21, najlepiej wykonany w postaci elementu grubowarstwowego. Natomiast elektrody odczytowe 4 przycisków połączone są z uziemieniem układu 9 przez tranzystor polowy 10, którego bramka połączona jest z wyjściem dzielnika rezystancyjnego 20 i 21 poprzez element prostujący, w przykładzie, poprzez prostownik jednopołówkowy 22 ale może to być także mostek Graetza. Tranzystor polowy 10 jest tranzystorem MOSFET ale może być tranzystorem bipolarnym z izolowaną bramką IGBT lub przekaźnikiem.

W przykładowym układzie elektrody 4 i 8 wykonane są w postaci dwóch zazębiających się elektrod grzebieniowych. Jedna z elektrod, elektroda aktywna 8 wykorzystywana jest wyłącznie do generacji plazmy podczas jej podłączenia do źródła wysokiego napięcia, generatora 12 w trybie dezynfekcji oraz odłączenie w trybie odczytu. Z kolei druga elektroda, elektroda odczytowa 4 wykorzystywana jest w trybie odczytu (podłączona do układu odczytowego 6 lub zwarta do masy 9 (uziemienia) w trybie generacji plazmy przy pomocy tranzystora 10 typu MOSFET. Rozwiązanie takie umożliwia stałe podłączenie elektrody odczytowej 4 do układu odczytowego 6 bez potrzeby odłączania w czasie generacji plazmy i bez ryzyka uszkodzenia układu odczytowego. Z punktu widzenia układu odczytowego w układzie pojawia się w trybie odczytu dodatkowa pojemność pomiędzy elektrodą odczytową 4 a elektrodą aktywną 8 podłączoną do nieaktywnego wyjścia 14 generatora 12, ale pojemność ta jest stała i może być skompensowana w procesie kalibracji układu odczytującego.

Układ zrealizowano w postaci struktury grubowarstwowej na podłożu ceramicznym 1. Przykładowa realizacja ograniczona do jednego przycisku 2. Przycisk wykonany jest w postaci elektrody odczytowej 4 i elektrody aktywnej 8 w kształcie grzebienia, pokrytej warstwą dielektryka 5. Elektrody oraz inne połączenia elektryczne w obrębie podłoża 1 wykonane materiałem przewodzącym, w przykładzie pastą srebrną ale może być to także pasta złota lub ITO.

Warstwa dielektryka 5 ma postać szkliwa nadrukowanego i wypalonego ale może mieć także postać folii ceramicznej nalaminowanej na podłoże 1. W innym wariancie realizacji zarówno podłoże 1 jak i na dielektryk 5 zostały zrealizowane jako dwie warstwy w procesie realizacji ceramiki współspiekanej niskotemperaturowej (LTCC).

Elektroda odczytowa 4 połączona jest z układem odczytu pojemności 6, zrealizowanym w oparciu o układ scalony MPR121. Dotknięcie palcem dielektryka 5, w obszarze nad elektrodą odczytową 4 powoduje zmianę pojemności elektrycznej mierzonej przez układ odczytowy 6.

Dezynfekcja klawiatury następuje poprzez zapłon zimnej plazmy 19 nad powierzchnią dielektryka 5 w obszarze aktywnym 7 na skutek pola elektrycznego powstającego poprzez przyłożenie wysokiego napięcia pomiędzy elektrodami aktywnymi 8 a elektrodami odczytowymi 4. W tym trybie pracy, elektroda odczytowa zwierana jest do uziemienia 9 za pomocą tranzystora polowego typu MOSFET 10. Umożliwia to jednocześnie zamknięcie obwodu wysokiego napięcia oraz ochronę układu odczytowego 6, którego wejście zwarte jest do masy, w związku z czym nie ma niebezpieczeństwa uszkodzenia jego układów wejściowych ładunkiem elektrycznym pochodzącym z generacji plazmy. Elektrody aktywne 8 zasilane są z zasilacza wysokiego napięcia 12. Zasilacz WN włączony jest pomiędzy styk masy WN 13 zwarty z uziemieniem 9 oraz styk wejścia WN 14. Elektrody aktywne 8 zasilane są przez rezystor zabezpieczający 15, którego zadaniem jest ograniczenie prądu upływu w przypadku przebicia lub uszkodzenia warstwy dielektryka 5. W przypadku zasilania układu napięciem 10 kV, ograniczenie prądu upływu przez użytkownika do dopuszczalnej wartości 20 mA wymaga zastosowania rezystora o wartości 500 kΩ. Rezystor taki może być wykonany w postaci prostokąta lub meandru wydrukowanego pastą rezystancyjną o rezystywności 10 kΩ/□ i długości 50 kwadratów.

Zasilanie każdej z elektrod aktywnych 8 realizowane jest przez rezystor zabezpieczający 16. W normalnych warunkach generacji plazmy, układ pracuje jako kondensator z wypełnieniem warstwą dielektryka 5 w postaci kanału 18 pomiędzy elektrodami 4 i 8. W przypadku przebicia warstwy dielektryka może nastąpić zapalenie łuku elektrycznego 17 pomiędzy elektrodą aktywną 8 a uziemioną elektrodą odczytową 4.

Ponieważ rezystancja łuku jest niższa niż rezystancja kanału dielektryka 18, praktycznie cały prąd w obszarze aktywnym klawiatury 2 przepływa przez zapalony łuk 17. Wartość tego prądu wynika z napięcia pracy generatora WN 12 oraz wartości rezystora zabezpieczającego 15 i jak wyjaśniono powyżej powinna być ograniczona maks. do 20 mA ze względów bezpieczeństwa użytkowania. Jednocześnie, cały prąd łuku płynie przez bezpiecznik 16 elektrody aktywnej 8 w rejonie której nastąpiło przebicie. Bezpiecznik ten wykonany jest w postaci rezystora grubowarstwowego z przewężeniem, aby po zapaleniu łuku nastąpiło jego przepalenie w obszarze przewężenia, co ma na celu trwałe wyłączenie elektrody aktywnej w rejonie której nastąpiło przebicie. Na przewężeniu, które ma wielkość 0.1 χ 0.1 mm i wykonane jest z pasty rezystywnej 10 kΩ/□, obciążonym prądem łuku 20 mA (wynikającym z ograniczenia rezystorem 15 wydzieli się moc 4 W, co odpowiada gęstości mocy 400 W/mm2, wystarczającej do zniszczenia rezystora zabezpieczającego 16.

Przełączenie układu pomiędzy trybem pracy a trybem dezynfekcji następuje automatycznie w momencie podania dodatniego lub zmiennego, wysokiego napięcia pomiędzy stykami ~HV 14 i HV_GND 13. Napięcie robocze jest wprowadzane na dzielnik rezystancyjny 20 i 21, w przykładzie o proporcji około 300 : 1.

Dzielnik ten składa się z rezystora meandrowego 20 oraz rezystora kwadratowego 21.

W przykładzie dzielnik wykonano za pomocą pasty wysokoomowej 1 ΜΩΑί, rezystancja rezystora 20 wynosi 300 ΜΩ, a rezystora 21, 1 ΜΩ. Dla napięcia roboczego 10 kV oznacza to że na dzielniku wydziela się niewielka moc 0,33 W. Napięcie dzielnika (wynoszące około 33 V) jest prostowane przez prostownik połówkowy złożony z diody 22 i kondensatora 3 obciążonego rezystorem rozładowczym 11. Napięcie to jest następnie wprowadzone na bramkę tranzystora polowego 10 powodując automatyczne załączenie w momencie załączenia generatora WN.

W trybie generacji plazmy, przepływ prądu w obwodzie wysokiego napięcia następuje od wyjścia 14 generatora WN 12 poprzez rezystor ograniczający prąd 15 i rezystory zabezpieczające 16 do elektrod aktywnych 8, następnie poprzez plazmę 19 w obszarze aktywnym 7 w powietrzu ponad klawiaturą do elektrody odczytowej 4 połączonej z masą 9 przez załączony tranzystor 10. Pojawienie się wysokiego napięcia na wyjściu 14 powoduje pojawienie się proporcjonalnie zredukowanego napięcia na wyjściu dzielnika 20 21. Napięcie to jest prostowane przez prostownik 22 i kondensator 3 powodując automatyczne załączenie tranzystora 10 w momencie włączenia zasilacza WN i przyłączenie elektrody 4 do masy. Wyłączenie generatora WN powoduje, że kondensator 3 zostaje rozładowany przez rezystor 11 co skutkuje wyłączeniem tranzystora 10 powodując automatyczne przejście do trybu odczytu.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ klawiatury dotykowej z funkcją generacji zimnej plazmy posiadający co najmniej jeden przycisk dotykowy wyposażony w zespół elektrod odczytowych, pokrytych warstwą izolatora i połączonych z układem odczytu, znamienny tym, że pod każdym z przycisków dotykowych umieszczony jest dodatkowy zespół elektrod aktywnych (8), z których każda zasilana jest przez indywidualny rezystor zabezpieczający (16), korzystnie w postaci elementu grubowarstwowego, a cały zespół elektrod aktywnych (8) połączony jest z wyjściem wysokiego napięcia (14) generatora wysokiego napięcia (12) za pomocą ograniczającego prąd rezystora (15), korzystnie w postaci elementu grubowarstwowego, przy czym wyjście (14) generatora połączone jest również z masą układu (9) przez rezystor (20) lub poprzez dzielnik rezystancyjny (20) i (21), korzystnie w postaci elementu grubowarstwowego, natomiast elektrody odczytowe (4) przycisków oddzielone kanałem (18) od elektrod aktywnych (8) połączone są bezpośrednio z układem odczytowym (6) oraz przez tranzystor polowy (10) z uziemieniem układu (9) zaś wyjście masy generatora wysokiego napięcia (12) podłączone jest do uziemienia układu (9).
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że indywidualny rezystor zabezpieczający (16) ma postać elementu dyskretnego.
3. 3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że rezystor zabezpieczający (16) jest bezpiecznikiem.
4. 4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że bramka tranzystora polowego (10) połączona jest z dzielnikiem rezystancyjnym (20) (21) oraz poprzez element prostujący (22), korzystnie przez prostownik jednopołówkowy lub mostek Graetza.
5. 5. Układ według zastrz. 1-4, znamienny tym, że tranzystor polowy (10) jest tranzystorem MOSFET lub tranzystorem bipolarnym z izolowaną bramką IGBT lub tranzystorem bipolarnym lub przekaźnikiem.