TWI618105B - 光電一體式機械軸鍵盤開關模組 - Google Patents
光電一體式機械軸鍵盤開關模組 Download PDFInfo
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Abstract
一種光電一體式機械軸鍵盤開關模組，包括殼體，裝設在殼體上部的按鍵帽，還包括裝設在殼體內的驅動裝置、光電開關、移動光學元件和固定光學元件，該移動光學元件裝設在驅動裝置上，該光電開關包括PCB板，集成在PCB板上的SMD IR管和SMD PT管，藉由按壓按鍵帽使驅動裝置驅動移動光學元件上下移動來控制移動光學元件與固定光學元件的相對位置，當從SMD IR管發出的光線耦合到SMD PT管中時，光路導通，從而實現光電開關導通，當從SMD IR管發出的光線不能耦合到SMD PT管中時，光路斷開，從而實現光電開關斷開。具有能大幅降低人工及焊接成本，焊接定位精確，生產效率高，且產品的品質穩定性高的優點。
Description
本發明有關於字元輸入系統(如電腦輸入系統)的鍵盤上的開關元件，特別有關於一種用於字元輸入的光電一體式機械軸鍵盤開關模組。
鍵盤按照Switch(俗稱：開關控制原理或軸)來劃分，大概可以歸為5類，分別是薄膜式鍵盤、導電橡膠式鍵盤、無接點靜電容量式鍵盤、機械式鍵盤，以及光電鍵盤。所述的薄膜式鍵盤，一般其內部有三片薄膜，最上面一片為正極電路，中間為間隔層，下面為負極電路。工作原理是藉由敲擊按鍵帽下壓機械模組，上方與下方的薄膜就能接觸通電，完成導通，故稱為薄膜鍵盤。薄膜鍵盤的主要缺點為：鍵盤壽命較短，薄膜容易磨損；反應有延時；而且由於鍵盤尺寸小，按鍵間距較短，人機功能方面相對較差，操作起來手感不是很好，時間長了手部會比較疲勞。至於另外兩種類型，即導電橡膠式鍵盤和無接點靜電容量式鍵盤，由於成本和技術方面的原因，市面上很少有售，幾乎都侷限在電視遙控器以及遊戲手柄上。
機械式鍵盤是目前電腦鍵盤市場的主流，其工作原理是鍵盤底部擁有一張電路板，板上固定100多個機械軸，每個軸都是獨立的開關，藉由下壓機械軸就會使訊號由電路板傳導至電腦。
機械鍵盤的性能出眾、反應靈敏、而且手感較好，同時適合辦公人士及遊戲玩家的需要。但純機械軸鍵盤開關的缺點歸納幾點為：其一，純機械軸開關以金屬觸點式彈片作接觸與非接觸動作實現電路的導通與斷開，這種機械接觸式結構容易產生疲勞性損害，彈片接觸點容易磨損，從而出現開關控制失效或誤動作控制，產品壽命不夠長；其二，金屬彈片及觸點容易受使用環境影響造成氧化及老化，造成導通接觸不良，造成開關控制失效或誤動作控制；其三，純機械軸開關結構的焊接腳為直插式結構，需要手工外掛程式到PCB(印刷電路板)上，然後再焊接及切腳，在焊接生產過程中容易出現外掛程式不到位，造成再處理維修等程序，生產操作程序繁瑣，不適合自動化外掛程式生產，佔用人工高，生產效率低及製造成本高；其四，這純機械軸開關結構的按鍵帽字元照明系統採用直插式LED，同樣也需要大量人工進行手工外掛程式到PCB，然後再焊接及切腳，生產操作程序繁瑣，不適合自動化外掛程式生產，材料成本高，生產效率低及製造成本高。
光電式鍵盤是近年來的新興鍵盤，它是在傳統機械鍵軸的技術基礎之上，加入全新光電感應識別技術，藉由替換傳統的接觸撥片為光學感應元件，改良傳統接觸式機械開關的一些問題。其利用光學原理和光電耦合技術，由發光元件與受光元件形成光的通路，阻光件在進行光程的切斷與閉合過程中致動光耦合器，改變電路阻抗值完成電路的導通或斷開，從而實現電--光--電的轉換，進而控制開關的斷開和導通，而且光電在輸入輸出間互相隔離。相較於其他鍵盤，光電鍵盤有以下幾個優點：1.光軸鍵盤採用最新型的軸，光軸鍵盤比普通薄膜鍵盤壽命長，理論上使用壽命是
無限，連續通電狀態下可以使用50000小時；2.光軸鍵盤使用長時間之後，按鍵手感變化很小，而薄膜與普通機械鍵盤則無法達到；3.光軸鍵盤可以做到104鍵以上無衝突，(因此非常適合遊戲玩家使用，大多數職業電競選手都會使用無衝突按鍵鍵盤來提高水準)；4.可以自己更換按鍵帽，方便個性DIY(自己動手做)；5.光軸下蓋導槽與按柄導柱的接觸部位加寬，且使用模具鏡面製作工藝產品的摩擦力更小、更耐磨、壽命更長久；6.使用優質的琴鋼線彈簧，抗疲勞性能更好、回彈力大的開關切換動作更快、更靈敏、手感更好；7.光學式不存在機械接觸抖動問題，零雜訊、開關的動作時間零延遲，操作更靈敏、精準。
公告號為CN 2301752 Y公開一種光電式鍵盤，如圖1所示，其由設置於基座上的鍵體，設置於基座與鍵體上的復位彈簧，連接於鍵體及復位彈簧之間的遮光板，設置於遮光板上部的透光孔，以及設置於透光孔兩側的發射管及接收管來組成。其解決機械式鍵盤因頻繁使用而使機械觸點產生故障之不足，具有零件選配合理，故障率低，鍵盤使用壽命長等優點。
另外公告號為CN 2750570 Y所公開的工作原理與公告號為CN 2301752 Y基本一致的光電式鍵盤，如圖2所示，其特徵是：有其中間為透明體1且其非透明的外側壁2可沿形腔12的直立壁4上下滑動的按鍵11，有位於直立壁4上的貫穿孔6的外側的光敏感測器9，貫穿孔6與光敏感測器9相對應；在按鍵11下方有字元顯示載體10；在按鍵11的底部有彈性元件。其與普通鍵盤的設置方式一致，藉由按鍵11的按下、彈起實現對光敏感測器9的遮光、透光，在光電輸入電路中產生高、低電位，其解決傳統機
械式鍵盤的導電觸點因受灰塵、導電橡膠老化、觸點氧化等致使鍵盤失靈、失效等現象。但目前現有技術的光電鍵盤均存在如下缺點：1.發射管和接收管之間均沒有準直及聚光系統的光學設計，由於發射管的發光角度比較大，採用遮光板(或者非透明外側壁)和透光孔(或者為貫穿孔)的方式會擋住大部分的光線，只有一小部分光可以藉由透光孔被接收管接收，因此光電耦合效率較低。當透光孔由於靜電而堆積灰塵時，會使接收管(或光敏元件)的探測敏感度急劇下降。另外由於發射管的發光角度比較大，而且沒用採用準直透鏡收窄其光束角，當按鍵內壁的顏色為白色時，或者遮光板尺寸比較小導致遮光不嚴謹時，其產生的雜散光比較大，從而導致接收管產生噪訊比較明顯。2.光軸機械鍵盤開關模組結構之IR管(發射管)及PT管(接收管)的零件焊接腳為直插式結構，需要手工外掛程式到PCB(印刷電路板)上，然後再焊接及切腳，在焊接生產過程中容易出現外掛程式偏位現象，造成再處理維修等程序，生產操作程序繁瑣，不適合自動化外掛程式生產，佔用人工高，零件成本高，生產效率低及製造成本高。3.這純機械軸開關結構的按鍵帽字元照明系統採用直插式LED，同樣需要大量人工進行手工外掛程式到PCB，然後再焊接及切腳，生產操作程序繁瑣，不適合自動化外掛程式生產，材料成本高，生產效率低及製造成本高。4.雖然鍵盤有很長壽命，但是防水能力差，使用時需要多加小心。5.光軸鍵盤的按鍵手感單一。
本發明的目的在於克服現有技術中的上述缺陷，提供能大幅降低人工及焊接成本，焊接定位精確，生產效率高，且產品
的品質穩定性高的光電一體式機械軸鍵盤開關模組。
為實現上述目的，本發明提供的技術方案如下：一種光電一體式機械軸鍵盤開關模組，包括殼體，裝設在殼體上部的按鍵帽，還包括裝設在殼體內的驅動裝置、光電開關、移動光學元件和固定光學元件，該移動光學元件裝設在驅動裝置上，該光電開關包括PCB板，集成在PCB板上的SMD IR管，SMD IR管即為表面安裝裝置的紅外線二極體，以及SMD PT管，SMD PT管即為表面安裝裝置的光電感測器，藉由按壓按鍵帽使驅動裝置驅動移動光學元件上下移動來控制移動光學元件與固定光學元件的相對位置，當從SMD IR管發出的光線耦合到SMD PT管中時，光路導通，從而實現光電開關導通，當從SMD IR管發出的光線不能耦合到SMD PT管中時，光路斷開，從而實現光電開關斷開。
與現有技術相比，本發明的有益效果在於：採用SMD IR管(表面安裝裝置的紅外線二極體)及SMD PT管(表面安裝裝置的光電感測器)一體式結構，藉由按壓按鍵帽使驅動裝置驅動移動光學元件上下移動來控制移動光學元件與固定光學元件的相對位置，實現光電開關的斷開及導通。本發明所涉及的光電一體式機械軸鍵盤開關模組結構還包括按鍵帽字元照明導光系統，該按鍵帽字元照明導光系統是由集成在PCB板上的SMD LED(SMD LED即為表面安裝裝置的發光二極體)、依次設置在該SMD LED上方的聚光透鏡、導光柱和照明透鏡組成，藉由該按鍵帽字元照明導光系統對按鍵帽進行照明。並具有以下優點：
1、採用SMD IR管(表面安裝裝置的紅外線二極體)及SMD PT管(表面安裝裝置的光電感測器)一體式結構，結合移動光學元件
與固定光學元件的相對位置，實現光電開關的斷開及導通的控制。由於本發明產品結構的光電零件採用SMD封裝方式，可以採用全自動化安裝及焊接，大幅降低人工及焊接成本，焊接定位精確，提高生產效率及品質穩定性。
2、採用純光電裝置以控制開關的斷開及導通，無需機械式金屬觸點，不會受觸點的磨損及氧化老化的影響，使用壽命長，可滿足高頻率及長時間的應用。
3、採用SMD LED(表面安裝裝置的發光二極體)實現按鍵帽字元照明發光。由於SMD LED可以採用全自動化安裝及焊接，其可以大幅降低人工成本、零件成本及焊接成本，焊接定位精準，提高生產效率及品質穩定性，無需使用現有技術的直插式LED。
4、移動光學元件與固定光學元件採用精密光學稜鏡結構，可以實現較為精密的開關觸發位置控制，現有技術為+/-0.20~0.60mm，本發明技術可以有效實現+/-0.10mm的開關觸發位置控制，比現有技術的觸發位置精度高2~6倍，實現鍵盤觸感品質穩定性。
5、開關模組採用電子零件及機械結構分離的設計，在生產過程中可以獨立組裝，便於產品售後服務維修及維護。
下面結合附圖和實施例對本發明所述的光電一體式機械軸鍵盤開關模組作進一步說明。
1‧‧‧透明體、殼體
2‧‧‧外側壁、按鍵帽
3‧‧‧驅動裝置
4‧‧‧直立壁、光電開關
6‧‧‧貫穿孔、按鍵帽字元照明導光系統
9‧‧‧光敏感測器
10‧‧‧載體
11‧‧‧上殼體、按鍵
12‧‧‧下殼體
14a‧‧‧移動光學元件
14a1‧‧‧垂直平面
14a2‧‧‧全反射斜面
14a3‧‧‧底面
14b‧‧‧機械快門
15‧‧‧固定光學元件
19‧‧‧SMD LED
25‧‧‧稜鏡、固定光學元件
31‧‧‧彈簧
32‧‧‧鍵軸
35‧‧‧稜鏡、固定光學元件
41‧‧‧PCB板
42‧‧‧SMD IR管
43‧‧‧SMD PT管
45‧‧‧稜鏡、固定光學元件
55‧‧‧稜鏡、固定光學元件
65‧‧‧稜鏡
66‧‧‧稜鏡
75‧‧‧稜鏡
76‧‧‧稜鏡
85‧‧‧自由曲面稜鏡
95‧‧‧自由曲面稜鏡
151‧‧‧準直菲涅爾透鏡
152‧‧‧全反射斜面
153‧‧‧第一平面鏡
154‧‧‧聚光透鏡
155‧‧‧光學平面
156‧‧‧聚光透鏡
157‧‧‧導光柱
158‧‧‧照明透鏡
251‧‧‧平面
252‧‧‧全反射斜面
253‧‧‧非球面透鏡
351‧‧‧平面入光面
352‧‧‧全反射自由曲面
353‧‧‧第二平面鏡
354‧‧‧聚光透鏡
355‧‧‧平面
451‧‧‧菲涅爾準直透鏡
452‧‧‧全反射斜面
453‧‧‧垂直平面
454‧‧‧射入面
455‧‧‧菲涅爾透鏡
551‧‧‧射入面
552‧‧‧全反射斜面
553‧‧‧垂直平面
554‧‧‧聚光非球面透鏡
555‧‧‧平面
651‧‧‧菲涅爾透鏡
652‧‧‧全反射斜面
653‧‧‧垂直平面
662‧‧‧全反射曲面
753‧‧‧垂直平面
762‧‧‧自由曲面
852‧‧‧自由曲面反射面
951‧‧‧菲涅爾準直透鏡
952‧‧‧自由曲面全反射面
圖1是公告號為CN 2301752 Y所公開的光電式鍵盤的結構示意；
圖2是公告號為CN 2750570 Y所公開的光電防窺視鍵盤的結構示意；圖3是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的實施例一的等軸側分解結構圖；圖4是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的實施例一的正視分解結構圖；圖5是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的實施例一的未裝設按鍵帽、上殼體和彈簧的剖視圖；圖6是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的實施例一的設計結構原理圖；圖7是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的實施例一的移動光學元件移動位置的示意圖；圖8是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的實施例二的設計結構原理圖；圖9是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的實施例三的設計結構原理圖；圖10是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的實施例四的設計結構原理圖；圖11是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的實施例五的設計結構原理圖；圖12是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的實施例六的設計結構原理圖；圖13是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的實施例七的設計結構原理圖；
圖14是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的實施例八的設計結構原理圖；圖15是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的實施例九的設計結構原理圖；圖16是本發明所述光電一體式機械軸鍵盤開關模組的另一種按鍵帽字元照明導光系統的結構示意圖。
以下是本發明所述的光電一體式機械軸鍵盤開關模組的最佳實例，並不因此限定本發明的保護範圍。
請參考圖3-7，圖中示出一種光電一體式機械軸鍵盤開關模組，包括殼體1，該殼體1由上殼體11和下殼體12構成，裝設在殼體1上部的按鍵帽2，按鍵帽2的上表面上刻有字元，還包括裝設在殼體1內的驅動裝置3、光電開關4、移動光學元件14a和固定光學元件15，該移動光學元件14a裝設在驅動裝置3上，該光電開關4包括PCB板41，集成在PCB板41上的SMD IR管42，SMD IR管即為表面安裝裝置的紅外線二極體，以及SMD PT管43，SMD PT管即為表面安裝裝置的光電感測器，藉由按壓按鍵帽2使驅動裝置3驅動移動光學元件14a上下移動來控制移動光學元件14a與固定光學元件15的相對位置，當從SMD IR管42發出的光線耦合到SMD PT管43中時，光路導通，從而實現光電開關4導通，當從SMD IR管42發出的光線不能耦合到SMD PT管43中時，光路斷開，從而實現光電開關4斷開，所述的SMD IR管42與SMD PT
管43兩者為一體式封裝或者兩個單獨分體封裝。
優先地，該驅動裝置3包括裝設在殼體1內的彈簧31、鍵軸32，該彈簧31的一端與殼體1相接觸，彈簧31的另一端與鍵軸32的一端相連接，該移動光學元件14a固定在鍵軸32的下部，當手指將按壓按鍵帽2往下壓時，彈簧31向下壓縮，鍵軸32以及其上附著的移動光學元件14a隨著彈簧向下移動，當移動光學元件14a對準下方的固定光學元件15時，光路導通，從SMD IR管42發出的光線耦合到SMD PT管43中，從而實現導通。當手指鬆開按壓按鍵帽時，彈簧31帶動鍵軸32向上彈起，移動光學元件14a與固定光學元件15分開，從SMD IR管42發出的光線耦合不到SMD PT管43中，從而實現斷開。
在本實施中，該移動光學元件14a為用於控制光電開關4斷開及導通的光學稜鏡。
進一步而言，如圖5、圖6所示，該移動光學元件14a為轉折稜鏡結構，其是由垂直平面14a1、全反射斜面14a2以及底面14a3組成，該垂直平面14a1為平面鏡，也可以為球面或非球面，該全反射斜面14a2為斜平面，也可以為混合曲面，該底面14a3為平面鏡，也可以為球面或非球面，該固定光學元件15為轉折稜鏡結構，其是由準直菲涅爾透鏡151、全反射斜面152、第一平面鏡153、聚光透鏡154和平面155組成，所述的準直鏡151為各種不同齒間距的菲涅爾曲面、或者是非球面、或是多種混合曲面，所述的聚光透鏡154為球面或非球面，或者為光學平面，所述的光學平面155為球面或非球面，或者為菲涅爾面，或者是多種混合曲面，從SMD IR 42管射出的光線，經過固定光學元件15的菲涅爾透鏡
151準直，準直後的光線射入到全反射斜面152上，經反射後從第一平面鏡153射出，當移動光學元件14a與固定光學元件15對齊時，從第一平面鏡153射出的光線完全射入到移動光學元件14a的垂直平面14a1中，再經過全反射斜面14a2反射，反射後的準直光線向下方轉折，從平面14a3射出，再次射入到固定光學元件15中，經過其聚光透鏡154匯聚，再從平面155射出後匯聚到SMD PT管43的感測面上，從而產生電流信號。
優先地，如圖7所示，該移動光學元件14a的移動範圍為：上方的位置為當彈簧31處於放鬆狀態且鍵軸32靜止的上升位置，光路為非導通狀態；當鍵軸32下壓到觸發光路開始導通的臨界位置點時，即為光路導通狀態，鍵軸32下壓的移動行程範圍為0.15-10mm，其光路導通的公差為+/-0.10mm；圖7中間的虛線位置為鍵軸32的中間位置為當鍵軸32下壓2.00-2.20mm行程觸發光路開始導通的臨界位置點，鍵軸32下方的位置為在鍵軸32下壓4.00mm的極限位置，即為光路導通狀態。
還包括裝設在殼體1內用於對按鍵帽2的表面上的字元進行照明的按鍵帽字元照明導光系統6，該按鍵帽字元照明導光系統6是由集成在PCB板41上的SMD LED 19(即表面安裝裝置的發光二極體)、依次設置在該SMD LED 19上方的聚光透鏡156、導光柱157和照明透鏡158組成，從SMD LED 19發出的光線，經過聚光透鏡156匯聚到導光柱157中，再從導光柱157上方的照明透鏡158折射輸出，形成光束角為2θ的射出光。根據鍵帽的高低以及字元的大小，可以藉由適當調節照明透鏡158的弧度來調節2θ的大小，一般情況下，2θ在60度-160度之間。這裡優選聚光透鏡156
為菲涅爾透鏡，由於2θ的角度比較大，聚光透鏡156以及上方的照明透鏡158可以有其他選擇，它們也可以為平面，甚至是凹面，如圖7所示。另外固定光學元件15的準直菲涅爾透鏡151的齒也可以根據加工精度的狀況設計為粗齒，如圖5和圖6所示，或者為細齒，如圖7所示。
所述的SMD IR管42、SMD PT管43以及SMD LED 19的上面均有封裝矽膠。
如圖8所示，所述固定光學元件15為準直及轉折稜鏡結構的一稜鏡25，是由平面251、非球面透鏡253以及全反射斜面252組成。在本實施例中，移動光學元件14a以及用於對按鍵帽2的表面上的字元進行照明的按鍵帽字元照明導光系統6與實施例一相同。固定光學元件15則有不同的設計，原先用於準直的菲涅爾透鏡151改為平面251，第一平面鏡153改為準直作用的非球面透鏡253，全反射斜面252與實施例一相同，保持不變。由於非球面的加工比菲涅爾透鏡的加工更加容易，而且對加工刀具的精度要求較低，實施例二可以降低對加工技藝的要求，從而降低加工成本，但由於非球面透鏡的焦距比較長，數值孔徑角較小，因而耦合效率比實施例一的要低。
如圖9所示，所述固定光學元件15為準直及轉折稜鏡結構的一稜鏡35，在本實施例中，移動光學元件14a以及用於對按鍵帽2
的表面上的字元進行照明的按鍵帽字元照明導光系統6與實施例一相同。固定光學元件15則有不同的設計，稜鏡35的入光面351為平面，其對從SMD IR管射入的光線沒有起到準直作用，全反射曲面352為傾斜的X和Y方向非對稱的自由曲面，其為偏軸的二次曲面或者為雙錐度係數曲面，同時有轉折光路和準直的作用，經過自由曲面352全反射的所有光線，沿著垂直於垂直平面353的方向，平行射出。當移動元件14a從按鍵靜止的位置下壓2.00-2.20mm行程時，觸發光路開始導通。按鍵下壓在行程2.00mm-4mm之間的範圍，光路都處於導通的狀態。當移動光學元件14a與固定光學元件35完全對齊時，從第二平面鏡353射出的平行光線完全射入到移動光學元件的垂直平面14a1中，再經過全反射斜面14a2反射，反射後的準直光線向下方轉折，從平面14a3射出，再次射入到固定光學元件35中，經過其聚光透鏡354匯聚，再從平面355射出後匯聚到SMDPT管的感測面上，產生最強的電流信號。
如圖10所示，所述固定光學元件15為準直及轉折稜鏡結構的一稜鏡45，在本實施例中，移動光學元件14a以及用於對按鍵帽2的表面上的字元進行照明的按鍵帽字元照明導光系統6與實施例一相同。固定光學元件15則有不同的設計，稜鏡45的入光面451為菲涅爾準直透鏡，對從SMD IR管射入的光線產生準直作用，全反射斜面452為傾斜平面，產生轉折光路的作用，經過全反射斜面452反射的所有光線，沿著垂直於垂直平面453的方向平行射出。當移動元件14a從按鍵靜止的位置下壓至2.00-2.20mm行程時，觸發光
路開始導通。按鍵下壓在行程2.00mm-5mm之間的範圍，光路都處於導通的狀態。當移動光學元件14a與固定光學元件45完全對齊時，從垂直平面453射出的光線完全入射到移動光學元件的垂直平面14a1中，再經過全反射斜面14a2反射，反射後的準直光線向下方轉折，從平面14a3射出，再次射入到固定光學元件45中，本實施方案中，射入面454改為平面，455改為聚光用的菲涅爾透鏡，其將光線匯聚到SMDPT管18的感測面上，產生最強的電流信號。
上述實施例1-4中，當按鍵完全放鬆，彈簧31無壓縮，移動光學元件14a處在最上方位置時，光路都處於斷開狀態，而當鍵軸32下壓至2.00-2.20mm行程時，觸發光路開始導通。鍵軸32下壓在行程2.00mm-4mm之間的範圍，光路都處於導通的狀態。本實施例則將導通和斷開狀態反過來，按鍵完全放鬆，移動光學元件14a處在最上方位置時，光路處於導通狀態。而當鍵軸32下壓至2.00-2.20mm行程時，觸發光路開始斷開。鍵軸32下壓在行程2.00mm-4mm之間的範圍，光路都處於斷開的狀態。圖11為本實施例的開關設計原理，其所有的準直、轉折、和匯聚系統與具體實施例一基本相同，如圖11所示，所述固定光學元件15為準直及轉折稜鏡結構的一稜鏡55，其射入面551為準直菲涅爾透鏡、552為全反射斜面、553為垂直平面、554為聚光非球面透鏡，555為平面，唯一區別的是右側稜鏡的反射斜面552比具體實施方案1的高出2mm，當按鍵完全放鬆時，從垂直平面553射出的平行光剛好射入到移動光學元件14a中，經全反射轉折及聚光後可以匯聚到SMD
PT管43中，從而產生電流信號，光路處於導通狀態。而當按鍵下壓至2.00-2.20mm行程時，從垂直平面553射出的平行光不能射入到移動光學元件14a中，SMD PT管43裡就沒有聚焦光斑產生的電流信號，光路處於斷開狀態。
上述實施例1-5中的移動光學元件都是採用轉折稜鏡14a的方式，就是控制一塊轉折稜鏡的上下移動，從而實現導通和斷開。以下的具體實施方案，移動光學元件採用機械快門(遮光片)的方式，藉由上下移動遮光片來實現光路的導通和斷開。本發明所涉及的光電一體式機械軸鍵盤開關模組結構的本實施例的開關設計原理如圖12所示，其固定光學元件15為左右兩邊各有一個稜鏡，分別為稜鏡65及稜鏡66。稜鏡65為準直及轉折稜鏡系統，其菲涅爾透鏡651先將SMD IR管42的光線準直，然後再藉由全反射斜面652反射轉折，再藉由垂直平面653射出。機械快門14b與鍵軸32連接在一起，其隨著彈簧31下壓或放鬆時往下或往上移動，從而實現對稜鏡65射出平行光的遮擋或放行。當按鍵放鬆，機械快門14b處於上方時，快門對稜鏡65的射出平行光並無遮擋，這時候從垂直平面653射出的平行光可以進入到左邊的稜鏡66中。稜鏡66為轉折及聚光稜鏡系統，其全反射曲面662為X及Y方向非對稱的自由曲面，其同時產生轉折及匯聚作用，具體形式可以為偏軸二次曲面或為雙錐度係數曲面，其將射入光線進行全反射折轉，並匯聚到稜鏡下方的SMD PT管43中，從而產生電流信號，使光路處於導通狀態。當按鍵下壓，機械快門14b處於下方時，快門對稜鏡65
射出平行光進行遮擋，這時候SMD PT管43中沒有聚焦光斑，因此沒有電流信號，光路處於斷開狀態。
在具體實施例六中，當按鍵(即驅動裝置3)放鬆，機械快門處於最上方時，光路處於導通狀態。本發明所涉及的光電一體式機械軸鍵盤開關模組結構的具體實施方案七將導通和斷開狀態反過來，如圖13所示。與實施例六相比，具體實施方案七也採用機械快門的方式，其稜鏡轉折和聚光系統的結構與實施例六基本相同，其固定光學元件15為左右兩邊各有一個稜鏡，分別為稜鏡75和稜鏡76，只是稜鏡75和稜鏡76都比具體實施方案六中的稜鏡65及稜鏡66高了2mm。當按鍵完全放鬆，移動光學元件14b在最上方位置時，機械快門14b遮擋從垂直平面753射出的平行光，光路處於斷開狀態。而當按鍵下壓時，機械快門14b對垂直平面753射出的平行光並無遮擋，平行光進入左側的稜鏡76中，經過自由曲面762的匯聚及轉折，光線匯聚於稜鏡下方的SMD PT管43中，從而產生電流信號，觸發光路處於導通狀態。
上述的所有實施方案中，SMD IR管42及SMD PT管43都水平排列在同一個PCB板上，實際應用中也可以將其中的一個採用垂直放置。如圖14所示，其將SMD IR管42豎過來放置於右側，緊挨著SMD IR管43為一個機械快門14b，機械快門左側為一個自由曲面稜鏡85，其自由曲面反射面852將從SMD IR管射入的光線
進行轉折並匯聚到稜鏡下方的SMD PT管中。藉由彈簧控制機械快門14b的上下移動，就可以實現光路的斷開及導通。所述的自由曲面反射面852為X及Y方向非對稱的偏軸二次曲面，或者為雙錐度係數曲面，其滿足條件：SMD IR管的發射面，以及SMD PT管的接受面，相對於該曲面為共軛的物象對應關係。
本實施例中，如圖15所示，將SMD PT管43豎過來放置於左側，緊挨著SMD PT管43為一個機械快門14b，機械快門右側為一個自由曲面稜鏡95，該稜鏡下方靠近SMT IR管42的位置為一菲涅爾準直透鏡951，其將從SMD IR管42射入的光線進行準直並平行射入到自由曲面全反射面952上，自由曲面全反射面952兼有轉折及匯聚的作用，其將平行入射的光線轉折並匯聚到左側的SMD PT管43的接受面上。藉由彈簧控制機械快門14b的上下移動，可以實現光路的斷開及導通。所述的自由曲面反射面952為X及Y方向非對稱的偏軸二次曲面，或者為雙錐度係數曲面。
上述所有的具體實施方案，該按鍵帽字元照明導光系統6的SMD LED 19(單色或者紅綠藍3色)的光源都位於PCB板41上，其發出的光線經過聚光透鏡匯聚到導光柱中，再從導光柱上方的照明透鏡折射輸出，形成光束角為2θ的射出光，照亮按鍵帽2上的字元。本實施給予另一種按鍵帽字元照明導光系統，如圖16所示，將SMD LED 19(單色或者紅綠藍3色)的光源設置在PCB板41
上，位於鍵軸32的下方中心位置，鍵軸32的中心軸採用透明或者半透明的材料製作，使其本身成為一個導光管，SMD LED 19發出的光直接耦合到鍵軸32中，鍵軸32、導光管對射入光線進行混光和向上傳導，從其上方輸出，從而照明上方的按鍵帽2。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
Claims (16)
- 一種光電一體式機械軸鍵盤開關模組，包括殼體(1)、裝設在該殼體(1)上部的按鍵帽(2)，其特徵在於：還包括裝設在該殼體(1)內的驅動裝置(3)、光電開關(4)、移動光學元件(14a)和固定光學元件(15)，該移動光學元件(14a)裝設在該驅動裝置(3)上，該光電開關(4)包括PCB板(41)、集成在該PCB板(41)上的SMD IR管(42，表面安裝裝置的紅外線二極體)及SMD PT管(43，表面安裝裝置的光電感測器)，藉由按壓該按鍵帽(2)使該驅動裝置(3)驅動該移動光學元件(14a)上下移動來控制該移動光學元件(14a)與該固定光學元件(15)的相對位置，當從該SMD IR管(42)發出的光線耦合到該SMD PT管(43)中時，光路導通，從而實現該光電開關(4)導通，當從該SMD IR管(42)發出的光線不能耦合到該SMD PT管(43)中時，光路斷開，從而實現該光電開關(4)斷開，其中，該移動光學元件(14a)為轉折稜鏡結構，其是由垂直平面(14a1)、全反射斜面(14a2)以及底面(14a3)組成，該固定光學元件(15)為轉折稜鏡結構，其是由準直菲涅爾透鏡(151)、該全反射斜面(152)、第一平面鏡(153)、聚光透鏡(154)和光學平面(155)組成。
- 如請求項1之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中，該驅動裝置(3)包括裝設在該殼體(1)內的彈簧(31)、鍵軸(32)，該彈簧(31)的一端與該殼體(1)相接觸，該彈簧(31)的另一端與該鍵軸(32)的一端相連接，該移動光學元件(14a)固定在該鍵軸(32)的上面。
- 如請求項2之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中，該移動光學元件(14a)為用於控制該光電開關(4)的斷開及導通的光學稜鏡或者機械快門。
- 如請求項1之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中，從該SMD IR(42)管射出的光線經過該固定光學元件(15)的該菲涅爾透鏡(151)準直，準直後的光線射入到該全反射斜面(152)上，經反射後從該第一平面鏡(153)射出，當該移動光學元件(14a)與該固定光學元件(15)對齊時，從該第一平面鏡(153)射出的光線全射入到該移動光學元件(14a)的該垂直平面(14a1)中，再經過該全反射斜面(14a2)反射，反射後的準直光線向下方轉折，從該底面(14a3)射出，再次射入到該固定光學元件(15)中，經過其該聚光透鏡(154)匯聚，再從該光學平面(155)射出後匯聚到該SMD PT管(43)的感測面上，從而產生電流信號。
- 如請求項2之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中，該移動光學元件(14a)的移動範圍為：上方的位置為當該彈簧(31)處於放鬆狀態且該鍵軸(32)靜止的上升位置，光路為非導通狀態；當該鍵軸(32)下壓到觸發光路開始導通的臨界位置點時，即為光路導通狀態，該鍵軸(32)下壓的移動行程範圍為0.15-10mm，其光路導通的公差為+/-0.10mm。
- 如請求項1之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中，該固定光學元件(15)是由第一平面鏡(153)、準直鏡(151)、聚光透鏡(154)、光學平面(155)以及全反射斜面(152)組成，該準直鏡(151)為各種不同齒間距的菲涅爾曲面、或者是非球面、或是多種混合曲面，該聚光透鏡(154)為球面或非球面，或者為光學平 面，該光學平面(155)為球面或非球面，或者為菲涅爾曲面，或者是多種混合曲面。
- 如請求項1之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中，該垂直平面(14a1)為平面鏡，也可以為球面或非球面，該全反射斜面(14a2)為斜平面，也可以為混合曲面，該底面(14a3)為平面鏡，也可以為球面或非球面。
- 如請求項1之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中，該SMD IR管(42)與該SMD PT管(43)兩者為一體式封裝或者兩個單獨分體封裝。
- 如請求項1之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中還包括一按鍵帽字元照明導光系統(6)，其裝設在殼體(1)內用於對該按鍵帽(2)的表面上的字元進行照明，該按鍵帽字元照明導光系統(6)是由集成在該PCB板(41)上的SMD LED(19，表面安裝裝置的一發光二極體)、依次設置在該SMD LED(19)上方的聚光透鏡(156)、導光柱(157)和照明透鏡(158)組成。
- 如請求項9之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中該SMD LED(19)發出的光線經過該聚光透鏡(156)匯聚到該導光柱(157)中，再從該導光柱(157)上部的該照明透鏡(158)折射輸出，從該照明透鏡(158)射出的光線角度在60度-160度之間。
- 如請求項2之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中，當按鍵完全放鬆，該移動光學元件(14a)處在最上方位置時，光路處於導通狀態；而當該鍵軸(32)下壓至2.00-2.20mm行程時，觸發光路開始斷開；該鍵軸(32)下壓在行程2.00mm-5mm之間的範圍，光路都處於斷開的狀態。
- 如請求項3之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中，所述固定光學元件(15)為左右兩邊各有一個稜鏡，即為兩稜鏡(65、66)，該稜鏡(65)為準直及轉折稜鏡系統，其菲涅爾透鏡(651)先將該SMD IR管(42)的光線準直，然後再藉由全反射斜面(652)反射轉折，再藉由垂直平面(653)射出，該機械快門(14b)與該鍵軸(32)連接在一起，其隨著該彈簧(31)下壓或放鬆時，往下或往上移動，從而實現對該稜鏡(65)射出平行光的遮擋或放行。
- 如請求項3之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中，所述固定光學元件(15)為左右兩邊各有一個稜鏡，分別為兩稜鏡(75、76)，當按鍵完全放鬆，該移動光學元件(14b)在最上方位置時，該機械快門(14b)遮擋從垂直平面(753)射出的平行光，光路處於斷開狀態，而當該按鍵下壓時，該機械快門(14b)對該垂直平面(753)射出的平行光無遮擋，平行光進入左側的該稜鏡(76)中，經過自由曲面(762)的匯聚及轉折，光線匯聚於該稜鏡下方的該SMD PT管(43)中，從而產生電流信號，觸發光路處於導通狀態。
- 如請求項3之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中，該SMD IR管(42)豎過來放置於右側，緊靠著該SMD IR管(42)為一個該機械快門(14b)，該機械快門的左側為一個自由曲面稜鏡(85)，其自由曲面反射面(852)將從該SMD IR管(42)射入的光線進行轉折並匯聚到稜鏡下方的該SMD PT管(43)中，藉由該彈簧(31)控制該機械快門(14b)的上下移動，就可以實現光路的斷開及導通，該自由曲面反射面(852)為X及Y方向非對稱的偏軸二次曲面，或者為雙錐度係數曲面，其滿足條件：該SMD IR管的發射面 以及該SMD PT管的接受面相對於該曲面為共軛的物像對應關係。
- 如請求項3之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中，該SMD PT管(43)豎過來放置於左側，緊靠著該SMD PT管(43)為一個該機械快門(14b)，該機械快門的右側為一個自由曲面稜鏡(95)，該稜鏡下方靠近該SMT IR管(42)的位置為一菲涅爾準直透鏡(951)，其將從該SMD IR管(42)射入的光線進行準直並平行射入到自由曲面全反射面(952)上，該自由曲面全反射面(952)兼有轉折及匯聚的作用，其將平行射入的光線轉折並匯聚到左側的該SMD PT管(43)的接受面上，藉由該彈簧(31)控制該機械快門(14b)的上下移動，可以實現光路的斷開及導通，該自由曲面反射面(952)為X及Y方向非對稱的偏軸二次曲面，或者為雙錐度係數曲面。
- 如請求項2之光電一體式機械軸鍵盤開關模組，其中還包括一按鍵帽字元照明導光系統(6)，其裝設在該殼體(1)內用於對該按鍵帽(2)的表面上的字元進行照明，該按鍵帽字元照明導光系統(6)是還可設計為以下結構：SMD LED(19)放置於該鍵軸(32)的下方中心位置，該鍵軸(32)的中心軸採用透明或者半透明的材料製作，使其本身成為一個導光管，該SMD LED(19)發出的光直接耦合到該鍵軸(32)中，該鍵軸(32)、一導光管對射入光線進行混光和向上傳導，從其上方輸出。
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