Klawiatura piezoelektryczna - interesująca alternatywa

Rys. 1. Przekrój klawiatury piezoelektrycznej

Zasada działania klawiatury oparta jest na zjawisku piezolektrycznym, w którym element piezo pod wpływem deformacji (nacisku) generuje ładunek elektryczny na swojej powierzchni. Pomimo, że klawiatury piezoelektryczne nie są często spotykanym rozwiązaniem, mają one unikatowe cechy, które mogą okazać się kluczowe w zastosowaniach, gdzie wymagana jest wysoka trwałość.

Zastosowanie elementów piezoelektrycznych jako bazowych odczytujących naciśnięcie klawisza pozwala na zastosowanie przeróżnych rodzajów materiałów do wykonania frontów klawiatury: poliwęglanu, aluminium jak również szkła.

Niewątpliwie największą zaletą klawiatur zbudowanych na elementach piezoelektrycznych jest możliwość zastosowania frontu aluminiowego, który jest wytrzymały, szczelny oraz może w pełni zabezpieczyć klawiaturę przed niepożądanymi zakłóceniami zewnętrznego pola elektromagnetycznego oraz zniwelować pole elektromagnetyczne generowane przez urządzenie, podnosząc jego kompatybilność EMC.

Klawiatury o takiej budowie są w pełni odporne na wszelkie warunki atmosferyczne (np. deszcz czy śnieg), a więc można zbudować urządzenie hermetyczne (odporne na najdrobniejszy pył oraz wilgoć), dzięki czemu możemy uzyskać bardzo wysoką klasę szczelności urządzenia IP. Kolejnym atutem jest wysoka niezawodność oraz trwałość, która wynika z braku ruchomych części mechanicznych w budowie klawiatury. Co więcej, fronty aluminiowe są bardzo eleganckie i estetyczne pod względem wizualnym.

Budowa

Rys. 2. Schemat blokowy

Jak widać na rysunku 1, klawiatura tego typu składa się z płytki PCB dolnej, na której umieszczono serce klawiatury, czyli cała elektronika. Na niej znajdują się warstwy dystansujące wraz z ukrytymi w nich elementami piezoelektrycznymi oraz płytka elastyczna, która stanowi elektrodę będącą drugim biegunem przyłożonym do elementów piezoelektrycznych. Na samym końcu znajduje się wierzchnia warstwa graficzna stanowiącą wizualizacje klawiszy (poliwęglan, aluminium, szkło).

Budowa elektroniczna klawiatury została zilustrowana na schemacie blokowym na rysunku 2. Odkształcenie elementu piezoelektrycznego powoduje wytworzenie przez niego bardzo małego ładunku elektrycznego. Następnie poprzez układ dopasowujący sygnał ten jest odpowiednio formowany, aby mógł zostać jednoznacznie odczytany poprzez mikrokontroler jako przyciśnięcie odpowiedniego klawisza.

Rys. 3. Sygnały z oscyloskopu (we/wy układu formującego)

Działanie układu formującego obrazuje rysunek 3. Na kanale 1 oscylogramu widać impuls napięciowy (wytworzenie nacisku na element piezoelektryczny). Kanał 2 wpięty jest tuż za układem formującym, dzięki czemu zaobserwować możemy uformowany impuls gotowy do odczytania przez mikrokontroler. Pomimo różnej siły nacisku na blaszkę (3 różne siły nacisku) za każdym razem otrzymuje się taki sam impuls na wyjściu układu formującego. Układ ten odgrywa istotną funkcję, ponieważ impuls wygenerowany przez element piezoelektryczny może osiągać nawet 30 Vpp, który podany bezpośrednio na linie I/O szybko uszkodziłby mikrokontroler. Końcowym etapem jest przetworzenie sygnału przez mikrokontroler.

Wbudowanie w klawiaturę mikroprocesora pozwala na wyprowadzenie sygnału w dowolnej postaci zależnie od życzenia klienta, np. poprzez standardowe protokoły komunikacyjne (np. RS232, I²C,SPI, 1-WIRE... itp.) lub można również stworzyć całkiem nowy protokół komunikacyjny stosowany tylko w danym urządzeniu (z dowolnym rodzajem kodowania, a nawet szyfrowania sygnału, jeżeli zajdzie taka konieczność). Istnieje również możliwość dostosowania się do dowolnej istniejącej już klawiatury i zastosować jako zamiennik (np. symulując matrycowe wyprowadzenie połączeń)

Opracowane przez firmę IRGA rozwiązanie nie jest pierwszym pojawiającym się na rynku, aczkolwiek znacząco obniżono koszty jego implementacji w porównaniu do istniejących obecnie rozwiązań. Dodatkowo znaczącym atutem jest też oferowana możliwość dopasowania się do dowolnego protokołu, jak również możliwość stworzenia komunikacji ze współpracującymi urządzeniami.

mgr inż. Mariusz Sławiński
P.P. IRGA
www.irga.pl