Klawiatura jako element konstrukcji urządzenia
W urządzeniach elektronicznych klawiatura membranowa pełni jednocześnie funkcję interfejsu użytkownika, elementu obudowy i części obwodu elektrycznego. Jej dobór nie powinien więc ograniczać się do wyglądu frontu i rozmieszczenia przycisków.
Już na etapie projektowania należy określić oczekiwaną trwałość, sposób potwierdzania naciśnięcia klawisza, dostępną przestrzeń montażową oraz wymagania dotyczące połączenia z elektroniką urządzenia. Znaczenie mają również warunki środowiskowe i sposób zamocowania klawiatury na obudowie. Poszczególne rozwiązania konstrukcyjne różnią się pod względem tych parametrów, dlatego ich wybór wymaga uwzględnienia kilku kryteriów jednocześnie.
Konstrukcja warstwowa klawiatur membranowych
Typowa klawiatura membranowa, nazywana również foliową, składa się z kilku warstw: folii wierzchniej, określanej jako elewacja, warstwy dystansowej, warstw mocujących oraz obwodu elektrycznego. Ścieżki przewodzące tworzą zestyk foliowy, którego zamknięcie następuje po naciśnięciu klawisza.
Folię wierzchnią wykonuje się z poliestru (PET) lub poliwęglanu (PC), zależnie od wymagań konkretnego projektu. Nadruk znajduje się po wewnętrznej stronie folii, dzięki czemu oznaczenia klawiszy są chronione przed ścieraniem podczas użytkowania. Obwód elektryczny kończy się elastyczną taśmą wyprowadzeniową służącą do połączenia klawiatury z elektroniką urządzenia.
Konstrukcję można uzupełnić o blaszki stykowe, diody SMD, maty silikonowe czy wymienne wsuwki opisowe. Zastosowanie dodatkowych elementów wpływa na budowę klawiatury, jej grubość oraz sposób obsługi.
Klawiatury płaskie, tłoczone i z blaszkami stykowymi
Jednym z podstawowych kryteriów doboru jest sposób działania klawisza, a zwłaszcza to, czy użytkownik powinien wyczuwać moment jego zadziałania.
Klawiatury płaskie nie mają przetłoczeń ani dodatkowych blaszek stykowych. Zgodnie z danymi Horizon Technologies charakteryzują się najwyższą gwarantowaną liczbą zadziałań spośród trzech porównywanych konstrukcji. Nie zapewniają jednak mechanicznie wyczuwalnego kliknięcia.
Klawiatury tłoczone mają odpowiednio ukształtowaną folię wierzchnią. Producent wyróżnia przetłoczenia w kształcie czaszy, płaskie oraz ramkowe. Przetłoczenie w kształcie czaszy pozwala uzyskać wyczuwalny efekt kliknięcia bez stosowania blaszki stykowej. W przypadku tłoczenia płaskiego podobny efekt wymaga zastosowania blaszki lub dodatkowej tłoczonej warstwy wewnętrznej. Przy przetłoczeniu ramkowym konieczne jest wykorzystanie blaszki stykowej.
Klawiatury z blaszkami stykowymi wykorzystują metalowe elementy sprężyste umieszczone pod klawiszami. Ich zadaniem jest zapewnienie wyczuwalnego kliknięcia. Zastosowanie blaszek zwiększa minimalną grubość konstrukcji, a producent podaje dla tego wariantu niższą gwarantowaną liczbę zadziałań.
Wybór odpowiedniego rozwiązania zależy zatem od wymaganej wyczuwalności działania, oczekiwanej trwałości oraz przestrzeni dostępnej w obudowie urządzenia.
Parametry elektryczne i mechaniczne – na co zwrócić uwagę?
Różnice między poszczególnymi konstrukcjami przedstawiają dane techniczne Horizon Technologies. Producent określa gwarantowaną liczbę zadziałań oraz minimalną grubość klawiatury dla trzech wariantów wykonania.
Podane wartości trwałości określają deklarowane przez producenta progi liczby zadziałań. Nie stanowią natomiast bezpośredniego porównania rzeczywistej żywotności poszczególnych konstrukcji.
Minimalna grubość wynosi 0,6 mm dla wersji płaskiej i tłoczonej oraz 0,8 mm dla konstrukcji z blaszką stykową. Ostateczna grubość klawiatury zależy od przyjętego rozwiązania i zastosowanych elementów dodatkowych.
Poza parametrami mechanicznymi istotne są właściwości elektryczne zestyków, które należy uwzględnić podczas projektowania układów wejściowych urządzenia.
Producent podaje parametry elektryczne zbiorczo, bez rozróżnienia na poszczególne warianty konstrukcyjne.
Maksymalne napięcie na zestyku wynosi 30 V, a jego maksymalne obciążenie 25 mA. Wartości te należy uwzględnić podczas projektowania połączenia klawiatury z układem elektronicznym.
W dokumentacji rezystancję zestyku określono jako „od 50 Ω”. Ponieważ nie podano górnej granicy ani warunków pomiaru, rzeczywistą wartość tego parametru dla wybranego rozwiązania warto potwierdzić u producenta.
Istotny jest również czas drgań styku, wynoszący około 15 ms. Parametr ten należy uwzględnić podczas projektowania układu odczytu klawiszy i eliminacji skutków drgań zestyków.
Przy określaniu wymaganej trwałości znaczenie ma nie tylko całkowita liczba operacji wykonywanych za pomocą klawiatury, ale także częstotliwość używania poszczególnych klawiszy. W urządzeniach wyposażonych w przyciski uruchamiania lub potwierdzania operacji niektóre klawisze mogą być wykorzystywane znacznie częściej niż pozostałe.
Podłączenie klawiatury do elektroniki urządzenia
Obwód elektryczny klawiatury membranowej jest zakończony elastyczną taśmą wyprowadzeniową. Sposób jej połączenia z płytką PCB należy dobrać do konstrukcji urządzenia, dostępnej przestrzeni oraz przyjętej metody montażu.
Horizon Technologies oferuje kilka wariantów zakończenia taśmy, obejmujących połączenia ZIF i CRIMPFLEX.
Wariant z zakończeniem ZIF umożliwia zastosowanie złączy wsuwanych o różnych rozstawach styków. W przypadku CRIMPFLEX dostępne są rozwiązania żeńskie, proste i kątowe, oraz męskie przeznaczone do bezpośredniego wlutowania w obwód drukowany.
Przy projektowaniu urządzenia trzeba również uwzględnić długość taśmy, jej przebieg wewnątrz obudowy i miejsce przeprowadzenia przez otwór montażowy. Szczególnej uwagi wymaga odcinek przy wyprowadzeniu z klawiatury, którego nie należy zaginać.
Podświetlenie i dodatkowe funkcje klawiatur
W klawiaturach membranowych można zastosować podświetlenie całej powierzchni lub wybranych elementów, takich jak klawisze, piktogramy i oznaczenia. Możliwe jest również wykonanie transparentnych pól w folii wierzchniej, przez które przechodzi światło pochodzące z wnętrza urządzenia.
Jednym z rozwiązań są diody LED montowane bezpośrednio w strukturze klawiatury. Horizon Technologies stosuje m.in. diody SMD w obudowie 0402 o wysokości 0,5 mm. W zależności od konstrukcji okna diody można zastosować przetłoczenie zwiększające kąt widoczności lub filtr barwny bądź szary, ograniczający widoczność samego elementu przez folię wierzchnią.
Inną możliwością jest technologia LGF (Light Guide Film), w której folia światłowodowa umożliwia rozprowadzanie światła po powierzchni klawiatury z wykorzystaniem kilku bocznie świecących diod SMD.
Dodatkowym rozwiązaniem są wymienne wsuwki opisowe. Pozwalają one stosować tę samą konstrukcję klawiatury w różnych wersjach urządzenia, zmieniając oznaczenia klawiszy lub informacje widoczne na froncie. Według deklaracji Horizon Technologies zastosowanie wsuwek nie powoduje utraty hermetyczności frontu foliowego.
Warunki eksploatacji i montaż na obudowie
Podczas doboru klawiatury należy uwzględnić warunki, w jakich urządzenie będzie użytkowane. Horizon Technologies podaje zakres temperatury pracy od −40°C do +70°C oraz maksymalną wilgotność otoczenia 95%, bez kondensacji pary wodnej.
Producent deklaruje również odporność klawiatur na wybrane substancje, w tym detergenty, etanol, benzynę, ropę, kawę, herbatę i ocet. W udostępnionej specyfikacji nie przedstawiono jednak szczegółowych warunków ani wyników badań tej odporności. W przypadku zastosowań wymagających kontaktu z określonymi środkami chemicznymi zakres odporności należy potwierdzić dla konkretnego wykonania.
Istotnym etapem integracji klawiatury z urządzeniem jest jej prawidłowe przyklejenie do obudowy. Producent zaleca dokładne odtłuszczenie powierzchni montażowej, co ma zapewnić odpowiednią przyczepność warstwy klejącej.
Montaż rozpoczyna się od usunięcia niewielkiego fragmentu papieru zabezpieczającego i ustalenia właściwego położenia klawiatury. Następnie usuwa się pozostałą część zabezpieczenia, przeprowadza taśmę przez otwór w obudowie i stopniowo dociska klawiaturę, unikając pozostawiania powietrza między nią a podłożem.
Podczas tych czynności należy uważać, aby nie przykleić taśmy wyprowadzeniowej do odsłoniętej warstwy klejącej ani nie zagiąć jej przy wyjściu z klawiatury. Horizon Technologies wskazuje, że oderwanie przyklejonej klawiatury prowadzi do nieodwracalnych uszkodzeń mechanicznych, które uniemożliwiają jej dalsze użytkowanie.
Jak dobrać odpowiednią konstrukcję?
Dobór klawiatury membranowej powinien rozpoczynać się od określenia oczekiwanej trwałości i wymagań dotyczących sposobu działania klawiszy. Konstrukcje płaskie, tłoczone i z blaszkami stykowymi różnią się gwarantowaną liczbą zadziałań, minimalną grubością oraz możliwością uzyskania wyczuwalnego kliknięcia.
Kolejnym etapem jest sprawdzenie zgodności parametrów elektrycznych z projektowanym układem, wybór sposobu podłączenia do PCB oraz uwzględnienie warunków środowiskowych i montażowych. W przypadku konstrukcji z podświetleniem lub dodatkowymi elementami należy również zweryfikować ich wpływ na budowę całego zespołu.
Parametry nieokreślone w dostępnej dokumentacji, takie jak siła aktywacji klawiszy, stopień ochrony IP, szczegółowe właściwości ekranowania EMI/RFI czy odporność na konkretne substancje chemiczne, powinny zostać uzgodnione z producentem przed zatwierdzeniem projektu urządzenia.
Źródło: Horizon Technologies
Więcej na www.horizontech.pl
