如何设计电感式触摸金属按钮面板

人机界面(HMI)正在经历地震变化,现在有一种新方法可用于设计按钮面板。在创建金属触摸(ToM)按钮时,电感式传感技术正成为首选方法。主要原因是它可以降低成本,同时更加可靠,因为它不受水分和污垢的影响,并且在发生轻微的结构损坏时继续工作。通过感应金属面板的微小偏转,电感数字转换器(LDC)能够将薄金属片变成高度可靠的ToM按钮面板,而无需任何移动部件。
 本文介绍了一种多按钮拉丝铝面板的设计实例,该面板常见于家用电器和消费类电子产品。这种方法也可以应用于其他材料,如不锈钢或金属合金。它提供有关机械系统和传感器设计的指导,并包含完整系统示例的测量性能结果。
  
 
用于触摸金属按钮的电感式传感技术  

电感式传感技术能够根据交流(AC)磁场的变化测量与金属的接近程度。在电感器中流动的AC电流产生垂直于电流的AC磁场。LDC测量当导电目标进入传感器的AC磁场附近时产生的感应线圈的电感偏移。测量的电感偏移可用于在目标接近传感器线圈时精确定位目标。
 在感应式ToM系统(图1)中,传感器线圈位于每个按钮下方。金属表面上的轻压会导致微米的暂时偏转。虽然无法看到或感觉到这种变化(除了故意提供的触觉反馈),但高分辨率LDC很容易检测到。然后,该事件被解释为微控制器按下系统中的按钮。
 

 
 
图1:触摸金属实现的系统框图
 

系统要求  

出于本讨论的目的,示例家用电器具有带有两个相邻按钮的ToM控制面板,每个按钮的直径为20mm,间隔26mm(中心到中心)。面板表面是一个0.8毫米厚的扁平铝板,每个按钮下方铣削至0.25毫米厚。音频子系统需要声音反馈,该子系统已经存在于系统中,以便在按下按钮时向用户指示。
 为了在设计电感式传感技术系统时获得最佳结果,需要考虑以下三种设计类别:
 
  1. 机械系统设计

    了解影响系统响应的关键因素,例如按钮的数量,大小和布置,以及传感器间距和安装技术的最佳目标。
     
  2. 传感器设计系统的

    最佳传感器设计实践和适当的线圈几何形状确保LDC可以检测微观金属偏转。
     
  3. 软件算法和用户反馈

    数据处理和检测算法用于确定按下按钮的时间和力度。
 

机械系统设计

2显示了此示例应用程序中的两个相邻按钮。

 


图2:使用相邻按钮
 当轻微力施加到按钮A时,金属片在按钮A处局部地朝向印刷电路板(PCB)传感器偏转。由按钮按压引起的偏转量应足够大,以引起LC传感器中的显着频率偏移,其可由LDC检测并由算法处理。诸如相邻按钮偏转或其他环境噪声之类的潜在误差源可掩盖所需的响应。因此,按钮检测事件的所需偏转量应该产生比系统噪声大10倍的响应,以确保检测算法的余量。例如,如果系统噪声显示为±0.5μm移动,则按钮需要移动至少5μm才能轻松检测到。
有许多因素会影响按钮按压产生的金属偏转量,例如金属材料和厚度。通过良好的系统设计,典型按钮的金属偏转约为20-50μm。
  

1.设计自然按钮力  

提供内置触觉反馈的典型机械按钮,例如消费电子产品或家用电器中的触觉反馈,需要2 N到5 N的力。对于非移动部件的按钮,消费者自然期望0.5N和2N之间的较小力。为了确定在施加期望的力时金属板变形多少,需要考虑金属成分,厚度和按钮结构。
 与使用较厚的板材相比,使用更薄的金属板可在给定的力下产生更大的变形(图3)。例如,需要0.2N的力使0.25mm厚的铝板暂时变形5μm。0.5mm板厚所需的等效力为1.5N。
 

 
图3:Al-6061-T6示例板的力与平均偏差
 材料选择可以显着影响实现适当偏转量所需的力的大小,即使两种材料的金属厚度相同。不同的材料可以通过它们的杨氏模量进行比较,杨氏模量是金属弹性的量度,以帕斯卡(Pa)为单位测量。具有较低杨氏模量的材料通常更灵活。铝(AL6061-T6)的杨氏模量为68.9 GPa,而不锈钢(SS304)的杨氏模量较高,为203 GPa,这使其柔韧性比铝低三倍。铝是电感式传感的理想材料选择,因为它既灵活又可在电感式线圈上产生高电感变化。诸如SS304的材料提供了稳健的结果,但是对于给定的偏转可能需要更大的力。
)具有203 GPa的较高杨氏模量,这使其柔韧性比铝低三倍。铝是电感式传感的理想材料选择,因为它既灵活又可在电感式线圈上产生高电感变化。材料如 提供稳健的结果,但对于给定的偏转可能需要更大的力。两种材料之间给定压力量的偏差差异如下所示图4
 

 
图4:不同材料的力与平均偏差
 通常,需要更大的偏转,因为它为LDC传感器提供了更大的电感偏移。
  
 

2.目标距离
  

传感器和金属之间的标称距离在用户必须按压以产生明显的电感偏移的难度方面起着重要作用。随着金属靶接近传感器,电感偏移量迅速增加。因此,最佳目标距离是传感器灵敏度处于峰值的位置,但仍具有偏转空间。为了考虑制造公差并确保仍有金属偏转的空间,请保持金属与传感器之间的标称间距大于0.2 mm。可以通过在按钮下方的金属中创建凹陷区域来实现这种间距,或者通过在金属和PCB传感器之间使用具有切口的小间隔物来允许金属偏转。此外,灵敏度迅速下降超过线圈直径的20%; 因此,图5)。
 

 
图5:最佳目标距离
  
 
3.机械隔离  

当系统中存在多个按钮时,可能发生不同按钮之间的不期望的交互。例如,当按下按钮A时,邻接的金属表面可能以这样的方式变形,即在相邻的按钮B传感器上发生大量的移动,并且可能表现为按钮B的非预期的按钮按压。在主动按压期间,这些三个原则可以帮助减少相邻按钮之间的机械串扰:
 
  1. 确保预定按钮的物理偏转更大。从电气角度来看,真正的按钮按下与不需要的检测之间的大信噪比(SNR)是检测正确按钮按下事件的最简单方法。使用更薄的金属或选择具有低杨氏模量的材料可确保金属更容易变形并且对相邻按钮的影响更小。例如,铝比许多不锈钢合金更柔韧。
  2. 增加距离或在相邻按钮之间增加凹槽可改善机械隔离。为获得最佳效果,请将按钮到按钮的间距设置为大于一个直径的线圈。
  3. 按钮或结构枢轴点之间的结构支撑可以促使按钮上的金属变形更强(图2)。

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