Ръководство за проектиране на клавиатура с метален купол: Интегриране на Snap Dome с PCB, силиконови наслагвания и корпуси на корпуса

Интегрирането на метални куполи във функционална клавиатура изисква внимателна координация между оформлението на печатни платки, геометрията на клавишната капачка, дизайна на силиконовото покритие и корпуса на корпуса. Това ръководство за проектиране преминава през целия процес на разработване на клавиатурата, от първоначалното бюджетиране на силите до окончателното валидиране на дизайна, като помага на инженерите по електроника да избегнат често срещани клопки, които водят до непоследователно усещане, лош контакт или проблеми при сглобяването.

Фигура 1: Метални куполи от неръждаема стомана - всеки купол трябва да бъде механично съгласуван с капачката на клавиша, наслагването и корпуса, за да осигури постоянно тактилно представяне.

1. Преглед на дизайна на клавиатурата: Общият бюджет на Force

Метална куполна клавиатура не съществува изолирана. Силата, която потребителят усеща върху пръста си, е сумата от няколко сили, действащи последователно: самият метален купол, всяко силиконово гумено покритие или капачка на клавиша и триене върху корпуса. Следователно проектирането на клавиатура изисква aобщ бюджет на силите- разпределяне на желаното потребителско усещане между тези компоненти.

Стандартният бюджет за сила за добре-проектирана клавиатура е:

Най-честата грешка при проектирането е избирането на купол, чиято сила вече съответства на желаното цялостно усещане, след което се открива, че силиконовото покритие и триенето на корпуса добавят още 50–100 g, което води до твърд, труден-за-натискане бутон. Винаги отчитайте наслагването и силите на корпуса, когато определятесила на задействане на металния купол.

2. Оформление на печатни платки за дизайни на клавиатури

Дизайн на куполна контактна подложка

Контактните площадки на PCB са в основата на надеждната работа на купола. Обърнете се къмръководство за сглобяване на куполен масивза подробни спецификации на подложките; основните съображения за дизайна на клавиатурата са:

• Диаметър на централната подложка: 1,0–2,0 mm в зависимост от размера на купола. Трябва да се подравнява точно под върха на купола - всяко странично изместване, по-голямо от 0,2 mm, намалява контактната площ и увеличава устойчивостта.
• Подложка за външен пръстен: Пръстеновиден пръстен или сегментирани подложки, върху които лежи ръбът на купола. Външната подложка трябва да се простира с 0,5–1,0 мм отвъд диаметъра на купола, за да поеме толеранса при сглобяване.
• Просвет на маска за спойка: Поддържайте 0,1–0,15 mm разстояние между маската за запояване и контактните площадки. Надвисналата маска за запояване върху подложките причинява неравномерно поставяне и накланяне на купола.
• Подложка: ENIG (безелектрическо никелово потапяне в злато) се препоръчва за всички куполни клавиатури. Осигурява плоски, устойчиви на корозия-контактни повърхности и стабилна контактна устойчивост през целия живот на продукта.

Подравняване на ръба на печатната платка и корпуса

Печатната платка трябва да бъде точно разположена в корпуса, така че позициите на купола да са подравнени със задвижващите механизми на клавишната капачка. Характеристики за подравняване на дизайна в PCB и корпуса:

• Референтни знаци: Добавете поне 3 медни референтни маркировки върху печатната платка за автоматизирано оптично подравняване по време на сглобяване и за ръчно подравняване по време на изграждане на прототип.
• PCB противостояния: Използвайте опори на корпуса или лепилни дистанционни елементи, за да държите печатната платка на точна височина спрямо капачката на клавиша. Разстоянието от повърхността на PCB до долната страна на капачката на клавиша определя празнината на задвижващия механизъм.
• Натрупване на толерантност-: Извършете анализ на толерантността на пролуката между печатни платки-към-клавишна капачка. Твърде голяма празнина изисква прекомерно движение на капачката на клавиша; празнина, която е твърде малка, причинява предварително натоварване (куполи, частично задействани в покой, което води до ранен отказ).

3. Дизайн на ключалка и задвижващ механизъм

Задействащият механизъм на капачката на клавиша - функцията, която физически контактува и натиска купола - е от решаващо значение за правилната работа на купола. Лошият дизайн на задвижващия механизъм е причина за много проблеми с клавиатурата, включително-задействане извън центъра, намален живот и непоследователно усещане.

Геометрия на задвижващия механизъм

• Диаметър на задвижващия механизъм: 30–50% от диаметъра на купола. За 6 мм купол използвайте 2,0–2,5 мм накрайник на задвижващия механизъм. Твърде голям задвижващ механизъм разпространява сила по ръба на купола, намалявайки тактилното съотношение; твърде малък концентрира сила върху точка и може да пробие купола.
• Форма на върха на задвижващия механизъм: Плоският връх (квадратен ръб) осигурява равномерно разпределение на натиска. Сферичният връх (R0,5–R1,0 mm) е по-толерантен към вариации в подравняването, но може леко да намали тактилното съотношение. Избягвайте остри ъгли, които биха могли да пробият купола.
• Височина на задвижващия механизъм: Задвижващият механизъм трябва да се простира от долната страна на капачката на клавиша до 0,1–0,3 mm от върха на купола в покой. Твърде дълъг и куполът е предварително зареден; твърде къс и капачката на клавиша "изпада" преди пълното задействане на купола.
• Центриране: Задвижващият механизъм трябва да е концентричен с центъра на купола в рамките на ±0,2 mm. -Задействането извън центъра с повече от 0,5 mm може да намали живота на купола с 30–50% поради неравномерно напрежение.

Keycap Travel и Over-Travel

Ходът на капачката на клавиша е общото разстояние, което капачката на клавиша може да измине от покой до напълно натиснат. То трябва да е по-голямо от хода на купола (обикновено 0,15–0,25 mm), но по-малко от разстоянието, необходимо за механично изваждане на дъното на купола (което причинява постоянна деформация).

• Препоръчително пътуване: 0,3–0,6 mm за повечето дизайни на клавиатури. Това позволява пълно щракване на купола (0,15–0,25 mm) плюс 0,1–0,3 mm над-ход, преди капачката на клавиша да достигне дъното на корпуса или печатната платка.
• Защита при-пътуване: Проектирайте твърд ограничител (фланец на ключалката, контактуващ с корпуса, или задвижващ механизъм, контактуващ с печатна платка) на 0,1–0,2 mm след пълното задействане на купола. Това не позволява на потребителите да натискат толкова силно, че трайно да деформират купола.
• Keycap връщане: Капачката на клавиша трябва да се върне напълно след освобождаване. Ако използвате отделна капачка на клавиша (която не е интегрирана със -силикон), може да е необходима малка възвратна пружина или гумена броня. Силиконовите клавиатури осигуряват връщаща сила през мрежата.

4. Дизайн на клавиатурата със силиконова гума

Клавиатурите със силиконов каучук са най-разпространената система с клавишни капачки за приложения с метален купол, осигуряващи екологично запечатване, интегриране на легендата на клавишите и тактилно връщане в един формован компонент. Проектирането на силиконова клавиатура изисква балансиране на няколко конкуриращи се изисквания.

Фигура 2: Компоненти на силиконова клавиатура за контролери за игри - черните въглеродни хапчета върху белите силиконови задвижващи механизми прехвърлят сила към метални куполи под печатната платка.

Дизайн на въглеродно хапче (задвижващ механизъм).

• Диаметър на хапчето: 2,0–3,0 мм за 5–8 мм куполи. Хапчето трябва да е по-малко от купола, но достатъчно голямо, за да пренася силата равномерно.
• Височина на хапчето: 0,3–0,8 mm под повърхността на силиконовия ключ. Трябва да достигне върха на купола с правилната междина (вижте конструкцията на задвижващия механизъм по-горе).
• Въглероден материал: Проводимите въглеродни хапчета са стандартни, но за метални куполни клавиатури хапчето предава само механична сила - електрическият контакт се осъществява от самия метален купол. Не{2}}проводимите силиконови таблетки са приемливи и имат по-ниска цена, когато се използват с метални куполи.

Дебелина на мрежата и твърдост по Шор

• Дебелина на мрежата: 0,2–0,4 mm е стандарт. По-дебелите мрежи увеличават силата на задействане и намаляват хода на ключа; по-тънките платна могат да се разкъсат с времето. За много-клавишни панели използвайте еднаква дебелина на мрежата за всички клавиши за еднородно усещане.
• Твърдост по Шор: 40–50 Shore A е типично за битовата електроника. По-мек (30–40A) дава по-премиум, омекотено усещане; по-твърд (50–60A) дава по-твърдо, по-директно усещане. Медицинските и промишлени клавиатури често използват 50–60A за издръжливост.
• Дизайн на ребрата: Добавете подсилващи ребра около гнездото на ключа, за да предотвратите разтягането на мембраната и да контролирате страничната стабилност на ключа. Разположението на ребрата влияе както върху усещането за сила, така и върху ефективността на уплътняването.

Отпечатване на легенди и покритие на повърхността

• Тампонен печат: Стандартно за надписи на силиконова клавиатура. Използвайте UV{1}}стабилни мастила за приложения на открито. Помислете за втори-повърхностен печат (под-слой с мастило и след това над-слой) за устойчивост на износване на често използвани клавиши.
• Уплътнителна устна: Силиконовата клавиатура трябва да има уплътнителен ръб по периметъра, който се притиска към корпуса, за да постигне IP65 или по-добър. Притискането на устните трябва да бъде 20–30% от напречното-сечение за надеждно запечатване без прекомерна сила.
• Антимикробно лечение: За медицински клавиатури помислете за антимикробни добавки в силиконовия материал или повърхностни покрития (на базата на сребърни-йони) съгласно ISO 22196.

5. Проектиране на корпуса

Корпусът осигурява структурната рамка, шпонковите отвори, монтажа на печатни платки и уплътняващата повърхност. Лошият дизайн на корпуса може да съсипе иначе отличен купол и клавиатура.

Ключови изрези и луфт

• Ключово разрешение: Оставете 0,1–0,25 мм свободно пространство около всеки клавиш, за да предотвратите триене. Твърде малкото разстояние причинява залепване; твърде много позволява странично колебание и изтичане на светлина.
• Дълбочина на ключовия кладенец: Гнездото за ключа трябва да е достатъчно дълбоко, за да вдлъбне повърхността на ключа наравно с или малко над лицевата страна на корпуса. Ключ, който седи твърде горд от корпуса, се захваща за дрехите; твърде вдлъбнатият ключ е труден за натискане и трудно се намира с допир.
• Фланец на капачката на ключа: Проектирайте фланец от долната страна на ключа, който излиза от дъното на корпуса, когато е натиснат докрай, осигурявайки защита при -пътуване. Фланецът също така предотвратява изскачането на ключа от изреза.

Задържане на печатни платки и заземяване

• PCB противостояния: Интегрирайте PCB стойки в корпуса с толеранс на височината от ±0,1 mm. Височината на изпъкналост директно определя междината-с-задвижващия механизъм.
• Задържане на печатни платки: Използвайте -закопчаващи се издатини, винтове или лепяща лента, за да закрепите печатната платка здраво. При приложения с висока-вибрация (автомобили, електроинструменти), използвайте винтове или метални скоби, вместо само лепило.
• Заземяване: Ако куполната матрица или печатната платка има изисквания за заземяване, проектирайте заземяващ контакт (пружинен пръст, проводящо уплътнение) между печатната платка и корпуса.

6. Натрупване-на толерантност и проверка на дизайна

Най-критичното проектно изчисление за метална куполна клавиатура е наборът от толеранси-между купола и задвижващия механизъм на клавишната капачка. Този анализ определя дали ключът ще функционира правилно в пълния диапазон от производствени допуски.

Критични измерения на толерантността

Най-лош{0}}случай-Анализ на наслагване

Изчислете максималната и минималната възможна междина-към-задвижващия механизъм, като добавите всички допустими отклонения в посоката на най-лошия-случай. За типичен дизайн:

• Максимална празнина(най-къс купол, най-ниска печатна платка, най-къс задвижващ механизъм): Може да доведе до непълно задействане, ако разстоянието надвиши хода на купола. Актуаторът трябва да докосне и щракне купола дори в най-лошия случай.
• Минимална празнина(куполът е най-висок, PCB най-висок, задвижващият механизъм е най-дълъг): Може да доведе до предварително натоварване (куполът е частично компресиран в покой), причинявайки ранна умора и фалшиви контакти.
• Цел: Проектирайте номиналната междина на 0,15–0,25 mm с общ набор от допуски-до ±0,10 mm или по-добър. Това гарантира, че куполът не е нито предварително зареден, нито гладен за пътуване.

7. Често срещани грешки и поправки при дизайна на клавиатурата

8. Валидиране на прототип и подпис-дизайн

Преди да се ангажирате с производствени инструменти, проверете дизайна на клавиатурата чрез прототипиране. Това е най-рентабилният-начин за улавяне на грешки в дизайна, преди те да станат скъпи промени в инструментите.

Стъпки за изграждане на прототип

1. 3D-отпечатан прототип на корпус и капачка на клавиша: Отпечатайте корпуса и капачката на клавишите в смола или SLA пластмаса. Допустимите отклонения са по-свободни от производствените, но достатъчни, за да се провери годността, усещането и сглобяването. Използвайте това, за да потвърдите основните размери и хлабини.
2. CNC{0}}обработен корпус за проверка на усещане: За валидиране на критично усещане CNC{0}}изработете корпуса от алуминий или инженерна пластмаса. Твърдостта на прототипа влияе върху усещането, така че съответствайте на производствения материал на корпуса, когато е възможно.
3. Ръчно поставяне на купола: Поставете действителни производствени куполи (или прототипни куполи от вашиядоставчик на куполна решетка) на прототип на печатна платка с правилното оформление на подложката. Използвайте самозалепваща лента, за да ги закрепите на място.
4. Тестване на чувствата: Накарайте 5–10 потребители да натиснат прототипните клавиши и да оценят усещането (твърдост, яснота на щракване, гладкост), сравнете с референтни клавиатури (съществуващи продукти, които потребителят познава добре). Документирайте обратната връзка с количествени скали.
5. Измерване на сила: Използвайте манометър за измерване на действителната сила на задействане на прототипа. Сравнете с бюджета на проектната сила. Ако действителната сила е извън очаквания диапазон, коригирайте спецификациите на купола, дебелината на лентата или геометрията на корпуса.
6. Пътуване и долна{0}}чекиране: Измерете хода на клавиша с индикатор за циферблат. Уверете се, че ключът задейства напълно купола (усеща се щракване), преди да достигне дъното. Проверете дали няма предварително натоварване в покой.

Контролен списък за отписване-на дизайн

• ✓ Обща сила на задействане в рамките на целевия диапазон (проверено на прототип)
• ✓ Осезаемо щракване, което се усеща ясно от всички тестери
• ✓ Ключово пътуване съответства на намерението на дизайна; няма дъно-навън, преди куполът да се-прокара
• ✓ Без предварително натоварване (куполите не са частично компресирани в покой)
• ✓ Ключовете се връщат чисти; без залепване или бавен отскок
• ✓ Без кръстосано-разговаряне или фалшиви задействания между съседни клавиши
• ✓ Електрически контакт, проверен при всяка позиция на купола (мултиметър / тестер за непрекъснатост)
• ✓ Подбор{0}}на толерантност, документиран и прегледан от механични и електрически инженери
• ✓ Уплътнение за околната среда, проверено (ако е необходимо) с IP тест или тест за пръскане с вода
• ✓ Чертежи на производствени инструменти, прегледани отдоставчик на метални куполиза съвместимост с купол

Добре-проектираната метална куполна клавиатура се чувства лесна за потребителя - те натискат клавиша и получават ясна, последователна обратна връзка, без да мислят за механизма. Постигането на това усещане изисква внимателна координация между механичния дизайн, оформлението на печатни платки, избора на материали и доставката на компоненти. Като следвате това ръководство за проектиране и валидирате чрез създаване на прототипи, можете да избегнете най-често срещаните грешки в дизайна на клавиатурата и да предоставите надежден, първокласен-усещане за потребителски интерфейс.

За инженерна поддръжка на дизайна на вашата клавиатура, включително избор на купол, силово бюджетиране и образци на прототипи,свържете се с техническия екип на Shanyo.