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開關(guān)參數(shù)測量儀的設(shè)計(按鍵開關(guān)荷重位移曲線儀的研究)

發(fā)布時間:2012-10-19 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng) 責(zé)任編輯:Hedyxing

導(dǎo)讀:批量生產(chǎn)按鍵開關(guān)的過程中,質(zhì)量檢測這個環(huán)節(jié)是相當(dāng)重要的,這里要用到一種儀器,叫“按鍵開關(guān)荷重位移曲線儀”,就是二緯坐標(biāo)以X軸為行程,以Y軸為感應(yīng)力的大小變化形成的曲線測試儀器,專門來測量各種開關(guān),按鍵,彈片及一些帶有彈性的東西。而為什么叫荷重曲線儀呢?因為儀器不單單是測試出各種需要測量的工件的力量,最主要的是可以看出開關(guān)的受力過程,整個受力過程是通過曲線來表顯出來,非常直觀。但是,有關(guān)荷重曲線儀的資料非常少,所以在此我選擇了這個作為研究方向,為以后大家對“按鍵開關(guān)荷重位移曲線儀”的相關(guān)信息有參考作用。

1引言


1.1 課題背景及研究意義


按鍵開關(guān)在如今的應(yīng)用是相當(dāng)?shù)膹V泛,不只在產(chǎn)品生產(chǎn)中,在生活中也是無所不在。例如:手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)電話、各類遙控器、MP3/MP4、收音機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、學(xué)習(xí)機(jī)、游戲控制鍵盤、微波爐、汽車儀表板、望遠(yuǎn)鏡、玩具等。所以按鍵開關(guān)的需求量也是非常的大,而批量生產(chǎn)按鍵開關(guān)的過程中,質(zhì)量檢測這個環(huán)節(jié)是相當(dāng)重要的,這里要用到一種儀器,叫“按鍵開關(guān)荷重位移曲線儀”,就是二緯坐標(biāo)以X軸為行程,以Y軸為感應(yīng)力的大小變化形成的曲線測試儀器,專門來測量各種開關(guān),按鍵,彈片及一些帶有彈性的東西。而為什么叫荷重曲線儀呢?因為儀器不單單是測試出各種需要測量的工件的力量,最主要的是可以看出開關(guān)的受力過程,整個受力過程是通過曲線來表顯出來,非常直觀。但是,有關(guān)荷重曲線儀的資料非常少,所以在此我選擇了這個作為研究方向,為以后大家對“按鍵開關(guān)荷重位移曲線儀”的相關(guān)信息有參考作用。

1.2按鍵開關(guān)荷重位移曲線儀的發(fā)展現(xiàn)狀


隨著電子技術(shù)與控制技術(shù)的快速發(fā)展,按鍵開關(guān)荷重位移曲線儀也要跟上時代的步伐,從一開始只能測出OF、OD和CK值發(fā)展到現(xiàn)在能同時測出23個參數(shù),有PK,CK,RPK,RLK,LK等值,可以通過設(shè)定上下限來保護(hù)儀器被壓壞荷重感應(yīng)器。最小顯示行程也從1mm發(fā)展到現(xiàn)在的0.001mm,最小顯示荷重也從10克精度到現(xiàn)在的0.01克精度,界面設(shè)定也從嵌入式發(fā)展到現(xiàn)在利用WINDOWS中文視窗畫面設(shè)定,操作簡單方便,且所有資料皆可儲存(試驗條件、荷重曲線圖、測試結(jié)果、檢查報表…等等)。

現(xiàn)在按鍵開關(guān)荷重位移曲線儀的特點:Peak Force、ReturnForce、Distance及Click率等皆可直接在圖上顯示數(shù)值,不須人工計算;測量曲線圖由電腦記憶,可隨時放大、縮小,一張A4紙可任意指定放置N個曲線圖;測定項目可輸入上、下限規(guī)格值,測定結(jié)果可自動判定OK或NO;可輸入最大測定行程及荷重,電腦自動控制;荷重單位顯示N、Ib、gf、kgf可自由切換;電腦直接列印及儲存荷重-行程曲線圖、檢查報表(不需要方格紙,一般A4紙即可);測試資料儲存于硬盤(每一筆資料皆可儲存,不限次數(shù));測試條件皆由電腦畫面設(shè)定(含測試行程、速度、次數(shù)、空壓、暫停時間等等);檢驗報表抬頭內(nèi)容可隨時修改(中英文皆可);檢驗報表可自動產(chǎn)生,不須再作輸入;檢驗報表可轉(zhuǎn)換為Excel等文書報表格式。

按鍵開關(guān)荷重位移曲線儀的原理:用高精度的伺服馬達(dá)保證顯示行程與儀器實際走的行程一一對應(yīng);用高精度的力量傳感器感應(yīng)力大小的變化;并經(jīng)過電腦處理得到完全準(zhǔn)確的荷重曲線實驗的儀器,由此也稱全自動荷重行程曲線測試儀。

1.3 開關(guān)發(fā)展歷史及發(fā)展歷程

我們接觸過的開關(guān)所發(fā)展的歷史,大致經(jīng)歷了拉線、小按鈕、大翹板、電子式四類。不論拉線開關(guān)、小按鈕開關(guān)還是大翹板開關(guān),都屬于機(jī)械式開關(guān),通過機(jī)械控制導(dǎo)體接觸分?jǐn)喽鴮崿F(xiàn)開關(guān)的功能。而電子式開關(guān),一般是以弱電信號進(jìn)行控制,現(xiàn)在的應(yīng)用也越來越廣。一方面電子式開關(guān)接觸到的電流極微,對用戶安全有保證;另一方面電子式也較能和今后家居網(wǎng)絡(luò)智能化系統(tǒng)兼容。

1.4 開關(guān)的種類與按鍵開關(guān)的結(jié)構(gòu)


開關(guān)分為輕觸開關(guān)、滑動開關(guān)、多向開關(guān)、按鍵開關(guān)、感應(yīng)開關(guān)、撥碼開關(guān)等,種類異常繁多,在各個領(lǐng)域里各施其職。本文主要討論的是針對按鍵開關(guān)的荷重位移曲線儀,所以下面重點說說按鍵開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理。如圖1.1按鍵開關(guān)結(jié)構(gòu)3D立體圖所示,從上到下的構(gòu)件分別為:第一個是金屬固定架,材質(zhì)一般為不銹鋼,作用是固定好按鍵帽與圓形金屬彈片(也叫鍋仔片);第二個是按鍵帽,材質(zhì)一般為塑料,作用是方便按鍵動作的操作,只需在上面一按開關(guān)即可閉合;第三個是按鍵開關(guān)結(jié)構(gòu)里面最重要的構(gòu)件,叫金屬彈片(也叫鍋仔片),一個按鍵使用的壽命的長短和質(zhì)量的好壞都與鍋仔片有直接關(guān)系,目前的金屬彈片根據(jù)其形狀主要分為四大類:圓形、十字形/四角、三角形和腰圓/橢圓,直徑從3mm,4mm,5mm等常規(guī),同時也有各種特殊規(guī)格如十字形7mm、14mm、20mm等,力度從80克到500克。圖1.2所示的是三角形鍋仔片的結(jié)構(gòu)圖。圓形鍋仔片(金屬彈片)是最普遍的彈片開關(guān),按通用材質(zhì)分為兩種:不銹鋼(SUS301/SUS304)和磷青銅(單面附銀)。目前最小可以做到3MM,最大可以做到12MM,其他常用直徑為:3mm-12mm。力度可做到80G-500G。因其結(jié)構(gòu)較為規(guī)則,產(chǎn)品在沖壓過程中受破壞性比較小,因此壽命能夠達(dá)到較為理想狀態(tài)(100萬次)。

 通過對彈片進(jìn)行不同程度的表面處理,能夠達(dá)到不同程度的阻抗效力,依其達(dá)到阻抗力由小到大的表面處理方式依次為:不銹鋼原材料,電鍍鎳,電鍍銀,電鍍金。  

圓形系列鍋仔片/金屬彈片分為兩種:無中米和有中米(中米也叫“點”—Dimple),其特點依次為:

一、無中米結(jié)構(gòu)是早期常見和應(yīng)用的一種,廣泛應(yīng)用于手機(jī)、輕觸開關(guān)等精密電子儀器按鍵開關(guān)之內(nèi)

二、有中米結(jié)構(gòu)是無中米升級版,這種結(jié)構(gòu)的誕生很好地解決了無米位導(dǎo)通不穩(wěn)定時發(fā)生的各種不良現(xiàn)象。其外形特點表現(xiàn)為以無中米結(jié)構(gòu)為原型的圓形彈片主界面中心位置增加一個垂直向下的凹點(也即是Dimple)。凹點的存在很好地加強了彈片與主體產(chǎn)品界面的接觸性,從而達(dá)到了更穩(wěn)定的導(dǎo)通效果。該產(chǎn)品同樣被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、輕觸開關(guān)、遙控器、MP4、數(shù)碼相機(jī)、薄膜開關(guān)等按鍵開關(guān)之內(nèi);第四個是按鍵開關(guān)的底座,決定該開關(guān)尺寸大小和框定開關(guān)的作用,底座內(nèi)往往裝有FPC(軟性線路板)線路板,當(dāng)受到按壓時,彈片的中心點下凹,接觸到FPC上的線路,從而形成回路,電流通過。


1.6按鍵開關(guān)的工作原理

工作原理:薄膜按鍵上的金屬彈片位于FPC(軟性線路板)板上的導(dǎo)電部位(大部分位于線路板上的金手指上方),當(dāng)受到按壓時,彈片的中心點下凹,接觸到PCB上的線路,從而形成回路,電流通過,整個產(chǎn)品就得以正常工作。按鍵開關(guān)從按下去到復(fù)位,這個過程也叫一個開關(guān)動作,會產(chǎn)生如圖 3所示的曲線,圖1.3是按鍵開關(guān)一個開關(guān)動作的荷重曲線圖,X軸為行程,單位mm;Y軸為感應(yīng)力,單位g。圖中有兩個極值點,一個極大值OF,一個極小值OD,這兩個值作為判斷按鍵開關(guān)質(zhì)量好壞的重要參數(shù)。

 

1.6.1按鍵開關(guān)荷重曲線的形成原理

彈片自由狀態(tài)時,支撐點為P1,當(dāng)外力“F”開始向下施力時,彈片開始變形及位移,此時開始產(chǎn)生曲線。在以P1為支撐點時,外力“F”造成彈片變形,會產(chǎn)生最小的R1,此時的外力“F”即為彈片的OF值。過了彈片OF值位置時,支撐點P1會開始向P2位移,只要P1一位移,則R1又會變大,造成OF值變小,此時曲線即產(chǎn)生向下曲線(CK)。當(dāng)達(dá)到P2時,即為P2支撐之最大R2,此時即達(dá)到彈片的BP點(最小OD點)。若此時外力“F”繼續(xù)施力,則曲線又會向上產(chǎn)生曲線,上述過程如圖1.4所示。

 

圖1.5所示是現(xiàn)有荷重曲線儀所測的數(shù)據(jù),由左至右1底座段差剛好同彈片的BP點,2 底座段差大于彈片的BP點,3底座段差遠(yuǎn)大于彈片的BP點,荷重測試機(jī)所繪的曲線在OF及OD上都會有+記號。尾段急速上升的直線 若是剛好在+記號上,即為立即導(dǎo)通的曲線BP點是針對彈片本身而定,而OD點是針對成品來討論。

 

1.7 按鍵開關(guān)的特點
   
按鍵開關(guān)的鍋仔片(MetaldomeSwitch),它是一塊包含金屬彈片(鍋仔片)的PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯,為高聚合物)薄片、用在PCB或FPC等線路板上作為開關(guān)使用,在使用者與儀器之間起到一個重要的觸感型開關(guān)的作用。與傳統(tǒng)的硅膠按鍵相比,薄膜按鍵具有更好的手感、更長的壽命、也可以間接地提高使用導(dǎo)電膜的各類型開關(guān)的生產(chǎn)效率。

2 本系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1系統(tǒng)功能描述
   
本系統(tǒng)分為機(jī)械按鍵動作裝置和高速A/D采集處理電路兩大部分。機(jī)械按鍵動作裝置主要作用是模擬按鍵開關(guān)的動作過程,使按鍵按下去的速度和受力都均勻,這樣按鍵開關(guān)一個按鍵動作所形成的壓力變化曲線是穩(wěn)定而且準(zhǔn)確的,倘若不用機(jī)械裝置,用手按按鍵開關(guān)的話,每次按按鍵開關(guān)的受力和速度都不均勻也不一樣,可能導(dǎo)致在A/D采樣區(qū)間內(nèi)采集不到極值點,造成誤判。高速A/D采集處理電路主要是設(shè)置相關(guān)參數(shù)、顯示相關(guān)數(shù)據(jù)、控制A/D進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集和判斷按鍵開關(guān)的好壞。

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