Область техники

Группа изобретений относится к электрическим переключателям, к способам и устройствам бесконтактной электронной коммутации, а также к способам и устройствам управления объектами, в частности, к устройствам управления бытовыми и технологическими устройствами, игрушками и виртуальными объектами.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известны различные многофункциональные переключатели электрических цепей, например, раскрытые в патентах ES 2189646 А1 , 01.07.2003; ES 1041441 А1 , 01.07.1999; ES 2204280 А1 , 16.04.2004; SU 892499 А1 , 23.12.1981 ; SU 1806415 А1, 30.03.1993; WO 03030196 А2, 10.04.2003 и т.д.

Известны многофункциональные электрические переключатели, которые можно использовать в разных конфигурациях - как переключатель, переключатель на два направления, двойной переключатель, двухконтурный переключатель на два направления, кроссоверный переключатель и кнопочный переключатель. Одно из таких устройств описано в патенте RU 2407092, опубликованном 20.12.2010. Однако эти переключатели имеют металлические контактные группы, которые не могут управляться программным путем, сложны и относительно дороги.

К многофункциональным переключателям, в которых конфигурации или функциональные возможности задаются и изменяются программным путем, в последнее время применяют определение «полиморфные переключатели» (см., например, «Электроника НТБ» N°2/2012 г., В.Никитин, Р.Белов, Э.Семенов, Е.Данилов «Полиморфные переключатели - новый тип коммутационных элементов для космических и авиационных аппаратов»). Типичными полиморфными переключателями являются компьютерные клавиатуры, в которых программным путем изменяются раскладки, а также сенсорные экраны.

В качестве полиморфных переключателей могут использоваться известные устройства ввода информации, широко представленные в патентных источниках информации (US 4,546,347, 08.10.1985; US 4,751,380, 14.06.1988; JP 54-126426, 01.10.1979; ЕР 0081348 А2, 15.06.1983; ЕР 0146843 А2, 03.07.1985 и пр.), принцип работы которых основан на том, что курсор устройства, отображаемый на дисплее, связывают электронным способом с механическим сенсором, а затем перемещают рукой устройство, действующее на сенсор. По этому принципу работают трекболы, трекпойнты, тачпады и джойстики.

Джойстики позволяют управлять курсором, отображаемым на дисплее, и с помощью специальных программ позволяют осуществлять коммутацию электрических цепей. Однако специально для коммутации электрических цепей джойстики традиционных конструкций не используются вследствие сложности, дороговизны и больших габаритов.

Кроме того, из патента RU 2275674, опубликованного 27.04.2006, известен способ управления курсором, отображаемым на дисплее устройства, содержащего, по меньшей мере, корпус, манипулятор, микропроцессор для управления курсором и, по меньшей мере, один датчик манипулятора, заключающийся в том, что отображаемый на дисплее курсор, управляемый с помощью манипулятора рукой пользователя, связывают с датчиком манипулятора путем преобразования сигналов датчика манипулятора в цифровой код, передачи этого кода в микропроцессор и преобразования в нем этого кода в движение курсора, отображаемого на дисплее, а для управления движением курсора, прикладывают силовое воздействие к манипулятору в направлении желаемого перемещения курсора и прекращают силовое воздействие при необходимости остановки курсора, причем силовое воздействие, приложенное к манипулятору, передают на упруго деформируемый элемент и вырабатывают сигналы для микропроцессора, управляющего курсором, посредством датчика манипулятора соединенного с упруго деформируемым элементом. При этом для осуществления возможности не только перемещения, но и вращения курсора, отображаемого на дисплее, на упруго деформируемом элементе датчика размещают тензорезисторы, так чтобы их длинные базовые оси симметрии располагались радиально от центра датчика в разных направлениях, и были наклонены относительно радиального направления, проведенного от центра датчика к центру тензорезистора, на угол тангенциального наклона ci, а для осуществления вращения курсора прикладывают вращающий момент в нужном направлении к манипулятору и прекращают приложение вращающего момента при необходимости остановки курсора.

В описании способа приводятся подробные алгоритмы и формулы для вычисления углов направления нажатия и приращения координат по сигналам тензорезисторов, размещенных в устройстве для осуществления способа.

Устройство управления курсором для осуществления способа по патенту RU 2275674, содержит размещенные в корпусе манипулятор, по меньшей мере, один датчик манипулятора, соединенный с микропроцессором с помощью шин и средств передачи данных, дисплей с отображаемым на нем курсором, при этом датчик манипулятора содержит, по меньшей мере, один тензорезистор, расположенный на упруго деформируемом элементе, который механически связан с манипулятором, причем манипулятор выполнен в виде стержня, один конец которого закреплен на упруго деформируемом элементе датчика, а длинная базовая ось симметрии тензорезистора направлена радиально от места закрепления стержня. Свободный конец манипулятора снабжен головкой, выполненной в виде выпуклой или вогнутой полусферы или полуовала или вогнутости по форме пальца руки. Упруго деформируемый элемент выполнен в виде плоской, конической, выпуклой, вогнутой или цилиндрической сплошной или полой детали.

Наиболее близким к заявленному изобретению (прототипом) является «Трехмерный микроджойстик» по патенту RU 2301439, опубликованный 20.06.2007

В соответствие с формулой трехмерный микроджойстик, содержит корпус с управляющей рукояткой, которая соединена с упругодеформируемым элементом, на поверхности которого расположены тензорезисторы, соединенные с микропроцессором с помощью шин и средств передачи данных. Упругий элемент трехмерного микроджойстика выполнен в виде осесимметричного полого предмета сужающегося к верху, с вырезами на его боковой поверхности или без них, на вершине которого закреплена управляющая рукоятка, например, в виде полого конуса с вырезами на его боковой поверхности, на вершине которого закреплена управляющая рукоятка. Тензорезисторы на упругом элементе расположены радиально от центра.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, является создание многофункционального, перепрограммируемого и высокотехнологичного полиморфного переключателя.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленной группы изобретений, является расширение функциональных возможностей полиморфного переключателя при повышении удобства его эксплуатации и снижении себестоимости.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе коммутации электрических цепей с помощью манипулятора, заключающемся в том, что на манипулятор, вокруг которого или на котором условно обозначены доступные варианты коммутации цепей, осуществляют нажатие в направлении выбранного варианта коммутации цепей, а затем прекращают нажатие после осуществления коммутации, причем силовое воздействие от нажатия, приложенное к манипулятору, передают на упругодеформируемый элемент, содержащий тензорезисторы, вырабатывающие сигналы для микропроцессора, осуществляющего действия по коммутации электрических цепей с помощью коммутирующих устройств, с помощью микропроцессора анализируют значения сопротивлений тензорезисторов манипулятора и по их значениям вычисляют угол направления нажатия манипулятора, и если вычисленный угол направления нажатия попадает в диапазоны углов направлений, соответствующие одному из доступных вариантов коммутации цепей, то микропроцессор осуществляет выбранный вариант коммутации цепи с помощью коммутирующих устройств. Для реализации программным путем однопозиционного включателя- выключателя или конечного выключателя, требуемую коммутацию электрической цепи осуществляют в случае попадания вычисленного угла направления нажатия в единственный диапазон углов направления нажатия, соответствующий единственному доступному варианту коммутации цепей, а для реализации программным путем двухпозиционного переключателя-тумблера, а также трех- и многопозиционного переключателя требуемую коммутацию электрических цепей осуществляют в случае попадания вычисленного угла направления нажатия соответственно в два, три или более диапазона углов направления нажатия манипулятора, соответствующих доступным вариантам коммутации цепей. При этом программным путем могут изменять доступные варианты коммутации электрических цепей и их количество в процессе коммутации электрических цепей и в зависимости от ранее выбранного варианта коммутации электрических цепей. Кроме того, выбранный вариант коммутации электрических цепей может отображаться с помощью дисплеев или светодиодов, расположенных возле манипулятора или непосредственно на нем, а отображаемые с помощью дисплеев или светодиодов доступные варианты коммутации электрических цепей и их вид в процессе коммутации и в зависимости от ранее выбранного варианта коммутации электрических цепей могут изменять программным путем.

Указанный технический результат достигается также за счет того, что в полиморфном переключателе, содержащем корпус с управляющей рукояткой, которая соединена с упругодеформируемым элементом, на поверхности которого расположены тензорезисторы, соединенные с микропроцессором с помощью шин и средств передачи данных, упругодеформируемый элемент полиморфного переключателя выполнен в виде закрепленного на печатной плате усеченного полого конуса или иной осесимметричной полой фигуры из эластичного материала сужающейся к низу с вырезами на боковой поверхности или без них, в центре полости которой расположена управляющая рукоятка, которая через отверстие в печатной плате выходит на внешнюю сторону переключателя, а тензорезисторы представляют собой слой электропроводного эластичного материала на поверхности упругодеформируемого элемента, расположенный с его внешней и/или внутренней стороны и разделенный вырезами или промежутками так, что стороны тензорезисторов, обращенные к центру упругодеформируемого элемента, электрически соединены, а их внешние радиально расходящиеся стороны разделены, при этом упругодеформируемый элемент закреплен на печатной плате путем приклеивания и/или с помощью механических крепежных элементов, так, чтобы радиально расходящиеся стороны тензорезисторов были электрически соединены с токопроводящими дорожками на плате, образующими шины и средства передачи данных соединенные с микропроцессором. При этом для отображения выбранного варианта коммутации и состояния переключателя могут быть использованы дисплеи или светодиоды, расположенные возле манипулятора или непосредственно на нем. Свободный конец манипулятора может быть снабжен головкой, выполненной в виде съемной или постоянно закрепленной сферы, выпуклой или вогнутой полусферы или иной формы насадкой, а упругодеформируемый элемент может быть закреплен на печатной плате или механическими крепежными элементами в виде заклепок или штырей, или в виде скобок или хомутов, а также может быть приклеен или приварен к печатной плате с использованием бобышек или приливов, расположенных на упругодеформируемом элементе.

Краткое описание чертежей

Сущность группы изобретений поясняется чертежами, где: на фиг. 1 показан вариант конструкции полиморфного переключателя с креплением упругодеформируемого элемента к плате с помощью стрежневых крепежных элементов типа заклепок, винтов, штырей; на фиг. 2 показан вариант конструкции полиморфного переключателя с креплением упругодеформируемого элемента к плате с помощью приклеивания или приваривания к печатной плате с использованием бобышек или приливов, расположенных на упругодеформируемом элементе; на фиг. 3 показан вариант конструкции полиморфного переключателя с креплением упругодеформируемого элемента к плате с помощью скоб для крепления; на фиг. 4 показан принцип действия полиморфного переключателя (действие пальцем руки на манипулятор); на фиг. 5 показан способ отсчета угла направления нажатия манипулятора; на фиг. 6 показана схема подключения тензорезисторов полиморфного переключателя к плате «звездой»; на фиг. 7 показана схема подключения полиморфных переключателей к микропроцессору и коммутирующему устройству; на фиг. 8 - 1 1 показано функционирование дисплеев или светодиодов при отображении состояния полиморфного переключателя;

- на фиг. 12 показано работа однопозиционного включателя- выключателя или конечного выключателя; на фиг. 13 показана работа полиморфного переключателя в режиме двухпозиционного переключателя-тумблера; на фиг. 14 показана работа полиморфного переключателя в режиме трехпозиционного переключателя; на фиг. 15 показана работа полиморфного переключателя в режиме четырехпозиционного переключателя.

На фиг. 8-15 положение манипулятора показано в момент нажатия. После отпускания манипулятора он самостоятельно возвращается в исходное среднее положение, а соответствующий светодиод или дисплей отображает текущее состояние выключателя.

Перечень позиций, используемых на фигурах чертежей:

1 - манипулятор; 2 - управляющая рукоятка; 3 упругодеформируемый элемент; 4 - головка манипулятора; 5 - вырезы на боковой поверхности упругодеформируемого элемента; 6 - тензорезистор; 7 - печатная плата; 8 - отверстие в печатной плате; 9 - токопроводящая дорожка на плате; 10 - внешняя сторона переключателя; 1 1 - слой электропроводного эластичного материала; 12

- стрежневой крепежный элемент (заклепка); 13 - прилив или бобышка для крепления приклеиванием или сваркой; 14 - скобка для крепления; 15 - полиморфный переключатель; 16 - микропроцессор; 17 - коммутирующее устройство; 18 - шины и средства передачи данных; 19

- дисплеи или светодиоды; 20 - угол направления нажатия манипулятора; 21 - доступные варианты коммутации цепей; 22 - выбранный вариант коммутации цепи.

На фигурах 1-3 показано, что слой электропроводного эластичного материала 1 1, образующий тензорезисторы 6, обходит внешнюю сторону упругодеформируемого элемента 3 и заходит на его внутреннюю сторону. Это обеспечивает электрическое соединение радиально расходящихся сторон тензорезисторов 6 с токопроводящими дорожками 9 на плате 7 при креплении с помощью механических крепежных элементов, при приклеивании или сварке (фиг.6).

Токопроводящие дорожки 9 на плате 7 образуют шины и средства передачи данных 18 и соединяют тензорезисторы 6 каждого полиморфного переключателя с микропроцессором 16 (Фиг. 7), который в свою очередь соединен с коммутирующим устройством 17.

Для отображения выбранного варианта коммутации и состояния переключателя используются дисплеи или свето диоды 19, расположенные возле манипулятора или непосредственно на нем (фиг.8- 15).

Свободный конец манипулятора 1 снабжен головкой 4, выполненной в виде съемной или постоянно закрепленной сферы. Головка может быть выполнена в виде выпуклой или вогнутой полусферы или иной формы насадкой. Это необходимо в ряде случаев для удобства управления и эргономичности.

На фигуре 6 показан 7.

На фигурах 8-1 1 показано функционирование дисплеев или светодиодов 19 при отображении состояния полиморфного переключателя 15.

На фигурах 8-1 1 показаны доступные варианты коммутации цепей 21 и выбранные варианты коммутации цепи 22, подсвеченные светодиодами 19.

Лучший вариант осуществления группы изобретений

Манипулятор 1 состоит из управляющей рукоятки 2, выполненной за одно целое с упру го деформируемым элементом 3. На управляющей рукоятке 2 для удобства управления установлена головка манипулятора 4 в виде шарика. Упруго деформируемый элемент выполнен из эластичного материала в виде усеченного полого конуса, сужающегося к низу.

В качестве эластичного материала могут использоваться различные сорта резин, силиконов, полиуретанов или иных эластичных полимеров.

На боковой поверхности конуса имеются вырезы 5, разделяющие радиально расходящиеся тензорезисторы 6.

Упругодеформируемый элемент полиморфного переключателя закреплен на печатной плате 7.

Управляющая рукоятка 2 расположена в центре внутренней полости упругодеформируемого элемента 3 и через отверстие 8 в печатной плате 7 выходит на внешнюю сторону переключателя 10.

Тензорезисторы 6 представляют собой слой электропроводного эластичного материала 1 1 на поверхности упругодеформируемого элемента расположенный с его внешней и/или внутренней стороны.

В качестве электропроводного эластичного материала могут использоваться электропроводящие полимеры на основе резин, силиконов или иных полимеров, наполненных металлическими пудрами, проводящими допированными полимерами, таких как полианилин, полипиррол, полиацетилен или углеродными наночастицами, а также их смесями.

Тензорезисторы 6 разделяются вырезами 5 или промежутками в упру го деформируемом элементе 3.

Стороны тензорезисторов 6, обращенные к центру упругодеформируемого элемента, электрически соединены за счет непрерывности слоя электропроводного эластичного материала в центре.

Внешние радиально расходящиеся стороны тензорезисторов разделены вырезами 5 или специально сформированными промежутками на упругодеформируемом элементе 3 без электропроводного эластичного материала 1 1.

Упругодеформируемый элемент 3 закреплен на печатной плате 7 путем приклеивания (Фиг.2) или с помощью механических крепежных элементов (Фиг.1 и 3). В частности, на фиг.1 показано крепление упругодеформируемого элемента 3 к плате 7 с помощью стрежневых крепежных элементов 12, типа заклепок, винтов, штырей; на фиг.2 показано крепление упругодеформируемого элемента 3 к плате 7 с помощью приклеивания или приваривания к печатной плате с использованием бобышек или приливов 13, расположенных на упругодеформируемом элементе 3; на фиг.З показано крепление упругодеформируемого элемента 3 к плате 7 с помощью скоб для крепления 14.

Слой электропроводного эластичного материала 1 1 , образующий тензорезисторы 6, обходит внешнюю сторону упругодеформируемого элемента 3 и заходит на его внутреннюю сторону. Это обеспечивает электрическое соединение радиально расходящихся сторон тензорезисторов 6 с токопроводящими дорожками 9 на плате 7 при креплении с помощью механических крепежных элементов, при приклеивании или сварке (фиг.6).

Токопроводящие дорожки 9 на плате 7 образуют шины и средства передачи данных 18 и соединяют тензорезисторы 6 каждого полиморфного переключателя с микропроцессором 16 (Фиг. 7), который в свою очередь соединен с коммутирующим устройством 17.

Для отображения выбранного варианта коммутации и состояния переключателя используются дисплеи или свето диоды 19, расположенные возле манипулятора или непосредственно на нем (фиг.8- 15).

Свободный конец манипулятора 1 снабжен головкой 4, выполненной в виде съемной или постоянно закрепленной сферы. Головка может быть выполнена в виде выпуклой или вогнутой полусферы или иной формы насадкой. Это необходимо в ряде случаев для удобства управления и эргономичности.

На фигуре 4 показано действие пальцем руки на манипулятор 1, а на фигуре 5 - способ отсчета угла направления нажатия 20 манипулятора 1.

На фигурах 8 - 11 показано функционирование дисплеев или светодиодов 19 при отображении состояния полиморфного переключателя 15.

На фигурах 8 - 1 1 показаны доступные варианты коммутации цепей 21 и выбранные варианты коммутации цепи 22, подсвеченные свето диодами 19.

Описание способа коммутации электрических цепей и принципа действия полиморфного переключателя будет описано совместно.

Полиморфный переключатель работает следующим образом. Для того чтобы произвести коммутацию электрических цепей одним из нескольких доступных вариантов, которые условно обозначены на манипуляторе 1 , оператор нажимает пальцем руки управляющую рукоятку 2 манипулятора 1 в направлении выбранного варианта коммутации цепей, а затем прекращает нажатие после осуществления коммутации (фиг. 2, 4). Силовое воздействие от нажатия, приложенное к манипулятору 1, рукояткой 2 передается на упруго деформируемый элемент 3, содержащий тензорезисторы 6, вырабатывающие сигналы для микропроцессора 16, осуществляющего действия по коммутации электрических цепей с помощью коммутирующего устройства 17. Усилие нажатия на управляющую рукоятку 2 передается на упруго деформируемый элемент 3, что вызывает его деформацию. Деформация упругодеформируемого элемента 3 фиксируется тензорезисторами 6. С помощью шин и средств передачи данных 18 сигналы от тензорезисторов 6 передаются в микропроцессор 16 (фиг.7) .

С помощью микропроцессора 16 анализируют значения сопротивлений тензорезисторов 6 манипулятора 1 и по их значениям, используя известные алгоритмы, вычисляют угол направления нажатия 20 манипулятора 1 (фиг. 5). Если вычисленный угол направления нажатия 20 попадает в диапазоны углов направлений, соответствующие одному из доступных вариантов коммутации цепей 21, то микропроцессор осуществляет выбранный вариант коммутации цепи 22 с помощью коммутирующего устройства 17 (фиг.7). Особенность отличия предлагаемого способа заключается в том, что угол направления нажатия вычисляется по сигналам одновременно снимаемых сразу с нескольких тензорезисторов, а вычисление производятся с помощью известных алгоритмов, раскрытых например, в патенте RU 2275674.

Для реализации программным путем однопозиционного включателя-выключателя или конечного выключателя, требуемую коммутацию электрической цепи осуществляют в случае попадания вычисленного угла направления нажатия 20 в единственный доступный диапазон углов направления нажатия (фиг. 12) соответствующий единственно доступному варианту коммутации цепей.

Для реализации программным путем двухпозиционного переключателя-тумблера (фиг. 13), а также трех- и многопозиционного переключателя (фиг. 14,15) требуемую коммутацию электрических цепей осуществляют в случае попадания вычисленного угла направления нажатия соответственно в два, три или более диапазона углов направления нажатия манипулятора, соответствующих доступным вариантам коммутации цепей.

Электронная система, показанная на фиг.7 обладает широкими возможностями. В частности она позволяет расширить функциональные возможности полиморфных переключателей программным путем, за счет изменения доступных вариантов коммутации электрических цепей 21 и их количества в процессе коммутации электрических цепей и в зависимости от ранее выбранного варианта коммутации электрических цепей 22.

Для удобства пользователей выбранный вариант коммутации электрических цепей 22 отображается с помощью дисплеев или светодиодов 19, расположенных возле манипулятора или непосредственно на нем (фиг.8-15) Электронная система, показанная на фиг.7 позволяет программным путем изменять отображаемые с помощью дисплеев или светодиодов 19 доступные варианты коммутации электрических цепей 21 и их вид в процессе коммутации и в зависимости от ранее выбранного варианта коммутации электрических цепей.

Полиморфные переключатели - это многофункциональные, перепрограммируемые, высокотехнологичные и, в то же время, дешевые, простые, практически полностью полимерные переключатели. В них нет контактных групп, поэтому ничего не изнашивается. Ресурс даже лабораторных образцов полиморфных переключателей превышает 2.5 млн. нажатий, что многократно превосходит ресурс лучших представителей контактных переключателей.

При такой высокой надежности в полиморфных переключателях не используются стратегические материалы и ценные цветные металлы (кроме меди в дорожках платы), дорогостоящие пружинные материалы и т.п. Они могут производиться из полимерных материалов на обычном оборудовании для производства деталей из пластмасс.

Как видно из описания, полиморфный переключатель по конструкции чрезвычайно прост. Все его элементы могут изготавливаться на автоматических линиях. Сборка полиморфных переключателей не требует значительных трудозатрат. Это позволяет организовать массовое производство с минимальной себестоимостью.

Разработанные технологии позволяют создавать полиморфные переключатели обладающие размерами от 20 до 7 мм и весом от 0.6 до 0.2 граммов Минимальные массогабаритные характеристики очень важны для космической, авиационной и иной мобильной техники. Полиморфные переключатели обладают уникально широким спектром функциональности - выполняя функции простых выключателей, тумблеров или многопозиционных переключателей, они одновременно могут использоваться и как полноценные микроджойстики для ввода информации и для управления объектами.

Более того, функции полиморфных переключателей могут изменяться программным путем в процессе его работы и в зависимости от предыдущих манипуляций.

Таким широким набором функциональных возможностей не обладает ни один известный коммутирующий микроэлемент.

Обладая уникальным сочетанием простоты, дешевизны, надежности и многофункциональности - полиморфные переключатели найдут самое широкое применение в электронике.