RU2282304C1

RU2282304C1 - Electric switch and keyboard for information input device

Info

Publication number: RU2282304C1
Application number: RU2005102428/28A
Authority: RU
Inventors: Виталий Эммануилович Вершков (RU); Виталий Эммануилович Вершков; Юрий Павлович Куракин (RU); Юрий Павлович Куракин; Генрих Иванович Курахтанов (RU); Генрих Иванович Курахтанов; Владимир Сергеевич Руд (RU); Владимир Сергеевич Руд
Original assignee: Открытое акционерное общество "Концерн "Моринформсистема - Агат "
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2006-08-20

Abstract

FIELD: tool-making industry, possible use in information input device, in particular, for special purpose personal computers.

SUBSTANCE: in accordance to invention, current impulse is fed into current-conductive tracks of keyboard. During passage of front and cut of impulse, mutual induction EMF is induced. Simultaneously in current-conductive washer whirling currents are formed, which generate magnetic field, directed oppositely relatively to magnetic field in current-conductive tracks. Value of strength of magnetic field of whirling currents depends on distance from current-conducive washer to isolating substrate. Therefore, selected key press signals are transferred to device for inputting information from combined outputs of comparators, which provide for stable information input mode.

EFFECT: increased reliability.

2 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к элементам электронного оборудования, и может быть использовано в устройствах ввода информации повышенной надежности, в частности для персональных компьютеров специального назначения.The present invention relates to electrical engineering, in particular to elements of electronic equipment, and can be used in input devices of high reliability information, in particular for personal computers for special purposes.

Известны клавишные переключатели и клавиатуры на их основе, содержащие печатную плату с токопроводящими дорожками и клавишу с замыкающим контактом (например, патент РФ №993349, МПК Н 01 Н 13/70, БИ №4, 1983 г., патент Японии №3161964, МПК Н 01 Н 13/52, БИ №4, 2002 г.).Known key switches and keyboards based on them, containing a printed circuit board with conductive tracks and a key with a make contact (for example, RF patent No. 993349, IPC N 01 N 13/70, BI No. 4, 1983, Japan patent No. 3161964, IPC H 01 H 13/52, BI No. 4, 2002).

Основной недостаток указанных переключателей - износ контактирующих поверхностей в процессе эксплуатации, что снижает надежность работы и устойчивость к неблагоприятным воздействиям окружающей среды.The main disadvantage of these switches is the wear of the contacting surfaces during operation, which reduces the reliability and resistance to adverse environmental influences.

Известны различные бесконтактные переключатели:Various proximity switches are known:

- бесконтактные переключатели с использованием сенсорных чувствительных элементов (см., например, патент РФ №1765888, МПК Н 03 К 17/945);- proximity switches using touch sensitive elements (see, for example, RF patent No. 1765888, IPC N 03 K 17/945);

- бесконтактные переключатели с использованием пьезоэлектрических датчиков (см., например, а.с. №1706036, МПК Н 03 К 17/945, ЕР №0933873, МПК Н 03 К 17/96);- proximity switches using piezoelectric sensors (see, for example, AS No. 1706036, IPC N 03 K 17/945, EP No. 0933873, IPC N 03 K 17/96);

- бесконтактные переключатели с использованием емкостных датчиков (патент США №4845652, НКИ 364-709.13).- proximity switches using capacitive sensors (US patent No. 4845652, NKI 364-709.13).

Общим недостатком таких переключателей, срабатывающих от прикосновения пальца оператора непосредственно к чувствительному элементу, являются неконтролируемые ошибки ввода данных, что ограничивает их область применения.A common drawback of such switches that are triggered by touching the operator’s finger directly on the sensitive element is uncontrolled data entry errors, which limits their scope.

Ближайшим по технической сущности и принятым за прототип является бесконтактный переключатель, содержащий управляющий токопроводящий элемент, укрепленный с возможностью вертикального перемещения параллельно изолирующей подложке, на одной стороне которой выполнен токопроводящий элемент. Клавиатура на основе указанного переключателя содержит матрицу токопроводящих элементов на изолирующей подложке, управляющие токопроводящие элементы и схему управления, включающую генератор импульсов, выход которого соединен с фазочувствительным элементом, подключенным к компаратору (см. С. Мюллер, Модернизация и ремонт ПК, изд. 15, пер. с англ., М., С-Пб., изд. дом "Вильяме", 2004 г., стр.919-924).The closest in technical essence and adopted for the prototype is a proximity switch containing a control conductive element, mounted with the possibility of vertical movement parallel to the insulating substrate, on one side of which a conductive element is made. The keyboard on the basis of this switch contains a matrix of conductive elements on an insulating substrate, control conductive elements and a control circuit including a pulse generator, the output of which is connected to a phase-sensitive element connected to the comparator (see S. Muller, Modernization and Repair of PCs, ed. 15, trans. from English, M., St. Petersburg, “William” publishing house, 2004, pp. 919-924).

Управляющий токопроводящий элемент и токопроводящий элемент на подложке являются соответственно подвижной и неподвижной пластинами конденсатора переменной емкости, величина которой изменяется оператором перемещением управляющего элемента, например при нажатии на кнопку.The control conductive element and the conductive element on the substrate are respectively movable and fixed plates of a capacitor of variable capacity, the value of which is changed by the operator by moving the control element, for example, by pressing a button.

Недостатком переключателя с использованием емкостного датчика и клавиатуры на его основе является низкая помехозащищенность от синфазных помех, вызываемых внешними электрическими и магнитными полями, низкая радиационная стойкость, а также зависимость емкости датчика от изменения диэлектрической проницаемости при воздействии неблагоприятных условий окружающей среды.The disadvantage of the switch using a capacitive sensor and a keyboard based on it is low noise immunity from common mode interference caused by external electric and magnetic fields, low radiation resistance, as well as the dependence of the sensor capacitance on changes in dielectric constant under the influence of adverse environmental conditions.

Целью заявляемого технического решения является повышение помехозащищенности и устойчивости к неблагоприятным воздействиям окружающей среды.The purpose of the proposed technical solution is to increase noise immunity and resistance to adverse environmental influences.

Указанная цель достигается тем, что в электрическом переключателе, содержащем управляющий токопроводящий элемент, укрепленный с возможностью вертикального перемещения параллельно изолирующей подложке, на одной стороне которой выполнен токопроводящий элемент, на другой стороне подложки выполнен второй токопроводящий элемент, при этом токопроводящие элементы выполнены в виде идентичных одновитковых токопроводящих дорожек, соосных с токопроводящим элементом, а их размеры меньше или равны аналогичным размерам управляющего элемента.This goal is achieved by the fact that in the electric switch containing the control conductive element, mounted with the possibility of vertical movement parallel to the insulating substrate, on one side of which the conductive element is made, on the other side of the substrate the second conductive element is made, while the conductive elements are made in the form of identical single-turn conductive paths coaxial with the conductive element, and their size is less than or equal to the same dimensions of the control element.

Если размеры управляющего токопроводящего элемента будут меньше размеров токопроводящих дорожек, то его поле вихревых токов будет недостаточно для компенсации поля токопроводящей дорожки.If the size of the control conductive element is smaller than the size of the conductive paths, then its field of eddy currents will not be enough to compensate for the field of the conductive path.

Указанная цель в клавиатуре с управляющими токопроводящими элементами достигается тем, что токопроводящие элементы набора вышеописанных электрических переключателей сформированы в виде двух идентичных матриц на обеих сторонах изолирующей подложки, а в схему управления, содержащую генератор импульсов, выход которого соединен с фазочувствительным элементом, подключенным ко входам компараторов, введены формирователи тока, подключенные к генератору импульсов, при этом в матрице, расположенной на стороне подложки, обращенной к управляющим токопроводящим элементам, соединенные последовательно токопроводящие элементы каждого ряда подключены к выходу соответствующего формирователя тока, а в матрице, расположенной на другой стороне подложки, соединенные последовательно токопроводящие элементы каждого столбца подключены к входу соответствующего компаратора.The specified goal in the keyboard with control conductive elements is achieved by the fact that the conductive elements of the set of the above electrical switches are formed in the form of two identical matrices on both sides of the insulating substrate, and in the control circuit containing a pulse generator, the output of which is connected to a phase-sensitive element connected to the inputs of the comparators introduced current drivers connected to the pulse generator, while in the matrix located on the side of the substrate facing the control conductive elements connected in series to each row of conductive elements are connected to the output of the corresponding current driver, and in a matrix located on the other side of the substrate, conductive elements of each column connected in series are connected to the input of the corresponding comparator.

Предлагаемое выполнение переключателя и клавиатуры позволяет использовать для осуществления процесса коммутации электрической цепи эффект взаимоиндукции в двух идентичных токопроводящих дорожках; при этом величина их потокосцепления регулируется перемещением управляющего токопроводящего элемента. Так как на характер изменения потокосцепления не влияют внешние электрические и магнитные поля, радиационный фон, а также неблагоприятные климатические условия, заявляемые электрический переключатель и клавиатура защищены от воздействия синфазных помех и обладают климатической устойчивостью.The proposed implementation of the switch and the keyboard allows you to use the process of switching an electric circuit, the effect of mutual induction in two identical conductive paths; while the magnitude of their flux linkage is controlled by the movement of the control conductive element. Since the nature of the change in flux linkage is not affected by external electric and magnetic fields, the radiation background, as well as adverse climatic conditions, the claimed electrical switch and keyboard are protected from common mode interference and are climate resistant.

На фиг.1 приведено заявляемое устройство, на фиг.2 - эпюры сигналов токопроводящих дорожек, на фиг.3 - пример конструктивного выполнения предлагаемого переключателя, на фиг.4 - элемент заявляемой клавиатуры, на фиг.5 - клавиатура.Figure 1 shows the inventive device, figure 2 is a diagram of the signals of the conductive tracks, figure 3 is an example of a structural embodiment of the proposed switch, figure 4 is an element of the inventive keyboard, figure 5 is a keyboard.

Электрический переключатель содержит идентичные токопроводящие дорожки 1 и 2, расположенные на противоположных сторонах изолирующей подложки 3, управляющий токопроводящий элемент 4, укрепленный с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси параллельно подложке 3. В варианте крепления, представленном на фиг.1 и фиг.3, управляющий токопроводящий элемент 4 выполнен в виде шайбы на штоке 5, связанном с подпружиненной кнопкой 6. Возможны и другие варианты крепления, например, с использованием эластичных материалов, мембран и т.п. Форма токопроводящих дорожек и управляющего токопроводящего элемента может быть любой и определяется технологическими и конструктивными особенностями конкретного изделия. Оптимальная форма - кольцевые или многоугольные токопроводящие дорожки и токопроводящий управляющий элемент в виде шайбы, так как в этом случае достигается наибольшая длина контура токопроводящей дорожки, что повышает уровень сигнала.The electric switch contains identical conductive paths 1 and 2 located on opposite sides of the insulating substrate 3, the control conductive element 4, mounted with the ability to move along the vertical axis parallel to the substrate 3. In the mounting option shown in figure 1 and figure 3, the control conductive element 4 is made in the form of a washer on a stem 5 connected with a spring-loaded button 6. Other mounting options are possible, for example, using elastic materials, membranes, etc. The shape of the conductive paths and the control of the conductive element can be any and is determined by the technological and design features of a particular product. The optimal shape is ring or polygonal conductive paths and a conductive control element in the form of a washer, since in this case the greatest length of the path of the conductive path is achieved, which increases the signal level.

Входом переключателя являются контактные площадки токопроводящей дорожки 1 (не показаны) со стороны расположения управляющего токопроводящего элемента 4, а выходом - контактные площадки токопроводящей дорожки 2, более удаленной от управляющего элемента 4. Шток 5 размещен в цилиндрическом корпусе 7, между внутренней и внешней стенками которого расположены пружина 8 и возвратная пружина 9, разделенные упором 10.The input of the switch is the contact pads of the conductive track 1 (not shown) from the location of the control conductive element 4, and the output is the contact pads of the conductive path 2, farther from the control element 4. The rod 5 is placed in a cylindrical housing 7, between the inner and outer walls of which a spring 8 and a return spring 9 are located, separated by a stop 10.

Токопроводящий элемент 1 (см. фиг.4) подключен к выходу формирователя тока 11, а выход токопроводящего элемента 2 - ко входу компаратора 12, второй вход которого соединен с выходом фазочувствительного элемента 13. Формирователь тока 11 и фазочувствительный элемент 13 подключены также к генератору импульсов 14.The conductive element 1 (see Fig. 4) is connected to the output of the current driver 11, and the output of the conductive element 2 is connected to the input of the comparator 12, the second input of which is connected to the output of the phase-sensitive element 13. The current driver 11 and the phase-sensitive element 13 are also connected to the pulse generator fourteen.

Клавиатура содержит (см. фиг.5) две идентичные матрицы 15 токопроводящих элементов на обеих сторонах подложки 3 и схему управления 16. Каждая матрица 15 состоит из m x n токопроводящих элементов 1 или 2; m токопроводящих элементов 1 каждого ряда матрицы на стороне подложки, обращенной к управляющим токопроводящим элементам 4, соединены последовательно и подключены к выходу соответствующего формирователя тока 11, а n токопроводящих элементов 2 каждого столбца матрицы 15 на другой стороне подложки 3 соединены последовательно и подключены к одному из входов соответствующего компаратора 12. Ко второму входу каждого компаратора 12 подключен фазочувствительный элемент 13. Объединенные выходы компараторов 12 являются выходом клавиатуры.The keyboard contains (see FIG. 5) two identical matrices 15 of conductive elements on both sides of the substrate 3 and a control circuit 16. Each matrix 15 consists of m x n conductive elements 1 or 2; m conductive elements 1 of each row of the matrix on the side of the substrate facing the control conductive elements 4 are connected in series and connected to the output of the corresponding current driver 11, and n conductive elements 2 of each column of the matrix 15 on the other side of the substrate 3 are connected in series and connected to one of inputs of the corresponding comparator 12. A phase-sensitive element 13 is connected to the second input of each comparator 12. The combined outputs of the comparators 12 are the keyboard output.

Работает переключатель следующим образом. При подаче импульса тока в токопроводящую дорожку 1 в токопроводящей дорожке 2 во время прохождения фронта и среза импульса (см. фиг.2) наводится ЭДС взаимоиндукции. Одновременно в токопроводящей шайбе 4 возникают вихревые токи Фуко, которые создают магнитное поле, направленное противоположно по отношению к магнитному полю в токопроводящих дорожках 1 и 2. Величина напряженности магнитного поля вихревых токов Фуко зависит от расстояния токопроводящей шайбы 4 до изолирующей подложки 3. Изменение указанного расстояния посредством перемещения токопроводящей шайбы 4 с помощью штока 5 приводит к изменению ЭДС в токопроводящей дорожке 2. Когда токопроводящая шайба 4 находится на некотором расстоянии от изолирующей подложки 3, магнитное поле вихревых токов Фуко на поверхности изолирующей подложки ничтожно мало, и при подаче импульса тока I1 в токопроводящую дорожку 1 в токопроводящей дорожке 2 наводится ЭДС взаимоиндукции Е2 (см. фиг.2а). При минимальном расстоянии управляющего токопроводящего элемента 4 до подложки 3 (при нажатии кнопки 6) противоположно направленное магнитное поле вихревых токов Фуко нейтрализует магнитное поле тока I1 в токопроводящей дорожке 1 (фиг.2б), ЭДС взаимоиндукции Е2 в токопроводящей дорожке не наводится, и сигнал на выходе переключателя отсутствует. Практически при перемещении управляющего токопроводящего элемента 4 на 1,5 мм (максимальное расстояние управляющего элемента 4 до подложки 3 мм, минимальное расстояние при нажатой кнопке - 1,5 мм) амплитуда выходного сигнала токопроводящей дорожки 2 уменьшается на 90%.The switch works as follows. When a current pulse is applied to the conductive path 1 in the conductive path 2 during the passage of the front and the cutoff of the pulse (see figure 2), the mutual induction EMF is induced. At the same time, Foucault eddy currents occur in the conductive washer 4, which create a magnetic field directed opposite to the magnetic field in the conductive paths 1 and 2. The magnitude of the magnetic field of the Foucault eddy currents depends on the distance of the conductive washer 4 to the insulating substrate 3. Changing the specified distance by moving the conductive washer 4 using the rod 5 leads to a change in the EMF in the conductive path 2. When the conductive washer 4 is at a certain distance from the insulator of the substrate 3, the magnetic field of the Foucault eddy currents on the surface of the insulating substrate is negligible, and when a current pulse I1 is applied to the conductive path 1 in the conductive path 2, the mutual induction EMF E2 is induced (see Fig. 2a). At a minimum distance of the control conductive element 4 to the substrate 3 (by pressing the button 6), the oppositely directed magnetic field of eddy currents Foucault neutralizes the magnetic field of the current I1 in the conductive path 1 (fig.2b), the mutual induction EMF in the conductive path is not induced, and the signal there is no switch output. Practically when moving the control conductive element 4 by 1.5 mm (the maximum distance of the control element 4 to the substrate is 3 mm, the minimum distance when the button is pressed is 1.5 mm), the amplitude of the output signal of the conductive track 2 decreases by 90%.

Клавиатура на основе заявляемого переключателя работает следующим образом.A keyboard based on the claimed switch operates as follows.

Генератор импульсов 14 вырабатывает периодически повторяющуюся последовательность импульсов на первых выходах для поочередного запуска каждого из формирователей тока 11. Одновременно с каждым импульсом на первых выходах на втором выходе генератора импульсов 14 вырабатывается сигнал для запуска фазочувствительного элемента 13.The pulse generator 14 generates a periodically repeating sequence of pulses at the first outputs to alternately start each of the current drivers 11. Simultaneously with each pulse at the first outputs at the second output of the pulse generator 14, a signal is generated to start the phase-sensitive element 13.

На выходах фазочувствительного элемента 13 последовательно появляются импульсы строба компараторов 12 для временной селекции сигналов нажатия клавиш от переднего фронта импульса тока (см. фиг.2). Выделенные сигналы нажатия клавиш передаются в устройство ввода информации от объединенных выходов компараторов 12.At the outputs of the phase-sensitive element 13, strobe pulses of comparators 12 sequentially appear for temporal selection of the key press signals from the leading edge of the current pulse (see FIG. 2). The selected keystroke signals are transmitted to the input device information from the combined outputs of the comparators 12.

Таким образом, заявляемый переключатель и клавиатура за счет регулировки потокосцепления двух токопроводящих дорожек 1, 2 при перемещении токопроводящей шайбы 4 обеспечивает устойчивую работу в неблагоприятных климатических условиях при наличии внешних электрических и магнитных полей.Thus, the inventive switch and keyboard by adjusting the flux linkage of the two conductive tracks 1, 2 when moving the conductive washer 4 provides stable operation in adverse climatic conditions in the presence of external electric and magnetic fields.

Claims

1. An electric switch containing a control conductive element, mounted vertically movable parallel to the insulating substrate, on one side of which a conductive element is made, characterized in that the second conductive element is made on the other side of the substrate, wherein the conductive elements are made in the form of identical single-turn conductive tracks coaxial with the control element, and their sizes are less than or equal to the same dimensions of the control element.

2. A keyboard for an information input device containing a matrix of conductive elements on an insulating substrate, control conductive elements and a control circuit including a generator, the output of which is connected to a phase-sensitive element connected to the inputs of the comparators, characterized in that the keyboard contains an identical on the other side of the insulating substrate a matrix of conductive elements made in the form of single-turn conductive tracks coaxial with the control element, the dimensions of the tracks are less than or equal to a the taxable size of the control elements, and current drivers connected to the pulse generator are introduced into the control circuit, while in the matrix located on the substrate side facing the control conductive elements, the conductive elements of each row connected in series are connected to the output of the corresponding current driver, and in the matrix located on the other side of the substrate connected in series to the conductive elements of each column are connected to the input of the corresponding comparator.