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Kapazitiver Taster als elektrischer Signalgeber
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Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Taster als elektrischen
5ignalgeber mit einer beweglichen Belagelektrode' die mittels eines axial verschiebbaren
und selbsttätig in die Ruhestellung zurückk,ehrenden Verstellgieds betätigbar und
zusammen mit einen Dielektrikum sowie mindestens einer stationär angeordneten Belagelektrode
einen veränderbaren Kondensator bildet, bei dem in Ruhestellung die beiden Belagelektroden
mit Abstand übereinanderliegen und eine klone Kapazität aufweisen und in Schaltstellung
isoliert aufeinanderliegen und eine größere Kapazität bilden.
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Eine derartige Schalttaste, bei der bei einer Betätigung beispielsweise
durch einen Tastenanschlag die Kapazität des Kondenb sators geändert wird, so daß
keine Kontaktstücke erforderlich sind, die einem Verschleiß durch Schaltfunken unterliegen,
ist durch die DE-PS 22 29 406 bekannt. Das axial verschiebbare
Betätigungsglied
ist bei dieser Ausgestaltung an seiner Unterseite mit einer isolierenden Trägerscheibe
bestückt, an der die Schenkelenden einer gebogenen Blatt feder befestigt sind, die
die bewegliche Belagelektrode bildet-und mit der auf einer Grundplatte angeordneten
stationären Belagelektrode zusammenwirkt. Das Betätigungsglied, die Trägerscheibe
sowie die Belagelektroden sind hierbei somit axial hintereinander angeordnet. In
Ruhestellung liegt unter der Einwirkung einer Vorspannung nur der etwas ausgewölbte
Teil der Blattfeder auf der isolierenden stationären Belagelektrode auf, in Schaltstellung
dagegen werden durch den Hub und die Druckeinwirkung des Betätigungsgliedes die
Schenkel der Blattfeder derart verformt, daß diese satt auf der isolierenden Belagelektrode
aufliegt. Auf diese Weise soll eine große Schalthysterese geschaffen werden und-die
Taste soll einen großen Uberhub nach Uberwindung des Schaltpunktes aufweisen.
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Diese kapazitive Schalttaste besteht zwar nur aus wenigen Einzelteilen,
dennoch ist eine einwandfreie Funktion, insbesondere nicht für eine längere Betriebszeit
nicht sichergestellt. Die beiden Belagelektroden sind nämlich nicht vor Verschmutzung
durch Staub geschützt, auch ist, dies nicht ohne weiteres zu bewerkstelligen, da
das bewegliche Betätigungsglied in den Raum, in dem die Belagelektroden angeordnet
sind, hineinragt und somit bei jedem Betätigungsvorgang Schmutz zu den Belagelektroden
gelangen kann. Und selbst durch sehr feine Staubkörner wird der Abstand zwischen
den beiden Belagelektroden vergrößert, so daß dadurch bedingte Fehlschaltungen unvermeidbar
sind. Des weiteren kann, da ohne weiteres auch Luftfeuchtigkeit an die Belagelektroden
gelangt und es somit zu einer Kondenzwasserbildung an diesen kommen kann, die Funktionsfähigkeit
dadurch beei-nträchtigt werden.
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Da aber die als Feder ausgebildete bewegliche Belagelektrode bei jedem
Schaltvorgang mechanisch beansprucht wird, verändert sich ferner auch die Betätigungscharakteristik
der Taste. Der Schaltpunkt bleibt daher nicht gleich, dieser verschiebt sich vielmehr,
da die Vorspannung der Feder mit der Zeit nachläßt. Auch ist von Nachteil, daß eine
Schalthysterese nur bedingt gegeben ist und daß der Offnungsvorgang sehr rasch erfolgt.
Die als Feder ausgebildete Belagelektrode wird nämlich bei einer BetAtigung,gespannt,
so daß, sofern eine bestimmte, den Schaltvorgang auslösende Kapazität gegeben ist,
das Betätigungsglied zwar noch einen Überhub ausführen kann, die Spannung der Feder
wird dadurch aber weiter erhöht, so daß der Rückhub und damit die Abnahme der Kapazität
selbsttätig somit schnell erfolgt. Und wird die den Schaltvorgang auslösende Kapazität,
der eine bestimmte Anlagefläche der beweglichen Belagelektrode an der stationären
Belagelektrode entspricht, unterschritten, ist die Taste außer Funktion.
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Die beiden Schaltpunkte sind demnach nahezu gleich. Außerdem liegt
bei dieser Ausgestaltung die zum Wellen neigende Feder meist nicht plan an der stationären
Belagelektrode an, so daß bei Verwendung derartiger Tasten in Tastaturen eine große
Exemplarstreuung unvermeidbar ist. Eine hohe Betriebssicherheit und eine lange hebensdauer
dieser bekannten kapazitiven Taste ist demnach nicht gegeben.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen kapazitiven Taster als elektrischer
Signalgeber zu schaffen, der diese Nachteile nicht aufweist. Es soll vielmehr erreicht
werden, daß der Taster weder staub noch feuchtigkeitsempfindlich ist und daß somit
keine dadurch bedingten Kapazitätsveränderungen auftreten, daß eine hohe Lebensdauer
gegeben ist und daß der vorgegebene Schaltpunkt auch bei sehr intensiver Benutzung
stets beibehalten wird. Des weiteren sollen die beiden Schaltpunkte unterschiedlich
sein, damit eine echte Schalthysterese vorhanden ist,
und die maximale
Kapazität soll stets gleich sein, damit keine Streuung auftritt und somit eine Verwendung
in Tastaturen auch unter verschiedenen Umweltbedingungen ohne weiteres möglich ist.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die stationäre
Belagelekt.rode und die bewegliche Belagelektrode seitlich neben dem Verstellgied.
sich in dessen Verstellrichtung erstreckend, angeordnet sind und daß zur Beeinflussung
der beweglichen Belagelektroden das Verstellglied mit einem Per -manentmagneten
bestückt ist, der durch die stationäre Belagelektrode von der beweglichen Belagelektrode
getrennt und mittels des Verstellgliedes in deren Verstellbereich einführbar ist.
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Zweckmäßig ist es hierbei, die beiden Belagelektroden als ebene oder
konzentrisch zu dem Betätigungsglied gekrümmte dünnwandige Platten oder Bänder auszubilden,
die in Ruhelage parallel zueinander angeordnet sind, wobei die beweglichte Elektrode
auch aus einer vorzugsweise vorgespannten Blattfeder bestehen kann.
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Sehr vorteilhaft ist.es ferner, die bewegliche Belagelektrode einseitig
im äußeren Randbereich einer senkrecht zur Verstellric"htung' des Verstellgliedes
verlaufenden Längsseite, vorzugsweise in dem dem Permanentmagneten in dessen Ruhestellung
unmittelbar zugekehrten Randbereich, mit Hilfe eines Distanzstückes mit Abstand
an der stationären Belagelektrode zu befestig..
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Angebracht ist es des weiteren, die bewegliche Belagelektrode zur
Reduzierung des verformbaren Querschnittes mit einem oder mehreren Einschnitten,
vorzugsweise im Bereich der'Befestigung an der stationären Belagelektrode mit einer,
U-förmig-ausgegebildeten Freisparung- zu versehen.
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Die stationäre Belagelektrode kann, um diese auf einfache Weise zu
befestigen, in schlitzartigen Ausnehrnungen eines das Betätigungsglied haltenden
Tasterunterteils eingesetzt sein.
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Um die Belagelektroden zuverlässig vor Staub oder Feuchtigkeit zu
schützen, ist es ferner vorteilhaft, wenn die stationäre Belagelektrode zusammen
mit einer an dem Unterteil angeformten Zwischenwand ein geschlossenes Gehäuse für
die bewegliche Belagelektrode und das Dielektrikum bildet. Die beiden Belagelektroden
sowie das Dielektrikum können zu dem gleichen Zweck aber auch in einem gesonderten
geschlossenen Gehäuse angeordnet sein, das in einem das Betätigungsglied haltenden
Tasterunterteil eingesetzt ist.
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Angebracht ist es des weiteren, das Betätigungsglied zur Aufnahme
des Permanentmagneten mit einer angeformten Tasche zu versehen, in der dieser mittels
Rastvorsprüngen oder dgl. unverrückbar gehalten ist.
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Außerdem sollte das Betätigungsglied entgegen der kraft einer Feder
zwischen zwei durch Anschläge begrenzte Endstellungen verstellbar sein.
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Ein gemäß der Erfindung ausgebildeter kapazitiver Taster besteht nicht
nur aus wenigen Bauteilen und ist damit auf wirtschaftliche Weise herzustellen,
sondern dieser ist vor allem sehr zuverlässig in der Funktion, störunempfindlich
und vielseitig, auch unter unterschiedlichen Umweltbedingungen einsetzbar. Werden
nämlich die beiden Belagelektroden seitlich neben dem Verstellglied angeordnet und
wird zur Beeinflussung der beweglichen Belagelektrode ein verschiebbarer Permanent
magnet vorgesehen, so ist es ohne Schwierigkeiten möglich, die
einen
Kondensator bildenden Bauteile völlig von dem Betätigungsglied zu trennen und abzukapseln,
so daß kein Schmutz und keine Luftfeuchtigk!eit an diese gelangen kann.
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Dadurch bedingte Fehlfunktionen aufgrund evtl. Kapazitätsänderungen
sind demnach ausgeschlossen.
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Des weiteren wird die bewegliche Belagelektrode durch das Betätigungsglied
nicht mechanisch beansprucht. Die Anlage an der stationären Belagelektrode erfolgt
vielmehr ausschließlich durch die Magnetkraft des Permanentmagneten, so daß der
erste Schaltpunkt stets bei einer bestimmten Magnetkraft erreicht ist und somit-auch
keine Schaltpunktverschiebungen auftreten. Und bei einer dem ersten Schaltpunkt
entsprechenden Anlage der beweglichen Belagelektrode an der stationären Belagelektrode
ist sofort, bedingt durch die magnetische Anziehung auch die maximale Kapazität,,
die außerdem immer gleich hoch ist', gegeben. Streuungen sind somit ausgeschlossen,
ein Einsatz der vorschlagsgemäß ausgebildeten Taste ist-demnach ohne Schwierigkeiten
in sehr vorteilhafter Weise möglich.
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Durch die. magnetische Anziehung der beweglichen Belagelektrode ist
ferner auch eine echte Schalthysterer gegeben.
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Beim Rückhubdes Betätigungsgliedes liegt nämlich, bedingt durch das.magnetische
Kraftfeld, die bewegliche Belage.lektrode über den ersten Schaltpunkt hinaus an
der stationären Belagelektrode an,' auch auf diese Weise werden Fehlfunktionen vermieden.
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Weitere Einzelheiten eines gemäß der Erfindung ausgebildeten kapazitiven
Tas'ters als elektrischer Signalgeber sind dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel,
das nach folgend im einzelnen erläutert ist, zu entnehmen. Hierbei zeigen:
Fig.
1 den kapazitiven Taster in einem Axial schnitt, in Ruhestellung, Fig. 2 den Taster
nach Fig. 1 in einem Schnitt nach der Linie II - II der Fig. 1, Fig. 3 den Taster
nach Fig. 1'ohne Tasterkappe in Schaltstellung, Fig. 4 die den veränderbaren Kondensator
bildenden Bauteile des Tasters nach Fig. 1 in einer perspektivischen.Darstellung
und Fig. 5 den Taster-nach Fig. 1 in Schaltstellung mit den in einem gesonderten
Gehäuse eingesetzten Belagelektroden.
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Der in der Zeichnung mit 1 bezeichnete als'elektrischer Signalgeber
ausgebildete kapazitive Taster besteht hierbei im wesentlichen aus einem ortsfest
angeordneten Unterteil 2, einem mit einer Tastenkappe 4 abgedeckten axial verschiebbaren
Verstellglied 3 sowie einer stationären Belagelektrode 11 und einer beweglichen
Belagelektrode 13, die zusammen mit einem zwischen diesen eingesetzten Dielektrikum
15 einen veränderbaren Kondensator bilden. Das Verstellglied 3 ist mittels eines
zapfenförmigen Ansatzes 6 in einer Führungsbohrung 5 des Unterteils 2 verschiebbar
entgegen der Kraft einer Feder 7 geführt und zwischen zwei durch Anschläge 9 und
10, mit denen eine angeformte Nase 8 zusammenwirkt, begrenzte Endstellungen verschiebbar.
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Die stationäre Belagelektrode 11 ist mittels der Randteile 11' in
schlitzförmigen Ausnehmungen 19 des Unterteils 2 gehalten und in einem durch eine
an dem Unterteil 2 angeformte Zwischenwand 20 gebildeten Gehäuse eingesetzt. Es
ist aber auch möglich, daß die stationäre Belagelektrode 11 den dem Verstellglied
3 zugekehrten Teil der Wand 20 übernimmt.
An der stationären Belagelektrode
11 sind das Dielektrikum 15 und mittels eines Distanzstückes 16 und Nieten 17, die
die in diese Teile einqearbeiteten Schlitze 18-, 18', 18" und 1S'''' durchgreifen,.
mit Abstand auch die bewegliche magnetisch empfindliche Belagelektrode 13 an die
sem befestigt.
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Die beiden Belageiektroden 11 und 13, deren Anschlußfahnen 12 bzw.
14 aus dem Unterteil 2' herausgeführt sind, sind als dünnwandige Platten ausgebildet
und seitliche neben dem Verstellglied 3 angeordnet. Zur Beeinflussung der beweglichen
Belagelek.trode ,13 ist das Verstellglied 3 mit einem Permanentmagneten 21 bestückt,
der in einer mit einer Öffnung 23 versehenen angeformten Tasche .22 eingesetzt und
mittels einer Rastnase 24 gehalten ist.
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Wird das Verstellglied 3 durch eine auf die Tastenkappe 4 ausgeübten
Kraft in Richtung A bis zur Anlage der Nase 8 an der Anschlagfläche 10 verstellt,
so wird durch das von dem Permanentmagneten 21 ausgehende Magnetfeld die bewegliche
Belagelektrode. 13 zu der stationären -Belagelektrode 11 hingezogen und legt sich,
wie es in Fig. 3 dargestellt ist, an dieser durch das Dielektrikum 15 elektrisch
getrennt an.
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Dadurch wird die Kapazität zwischen-den einen veränderbaren Kondensator
bildenden Belagelektroden 11 und 13, die in Ruhelage gemäß Fig. 1 mit. Abstand übereinanderliegen
und eine geringe-- Kapazität aufweisen,' vergrößert, so daß ein Schaltvorgang ausgeführt
wird.-Um den zu verformenden Querschnitt der beweglichen Belagelektrode 13 und damit
die erforderliche Schaltkraft iu verringern,. ist in diese eine U-förmige Preisparung
25--eingearbeitet.
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Wird auf die Tastenkappe 4 keine Kraft mehr ausgeübt, so wird durch
die Kraft der Feder 7 das Verstellglied 3 und damit der Permanentmagnet 21 in die
in Fig. 1 dargestellte Ruhestellung- zurückgedrückt. Die Nase 8 liegt hierbei an
der
Anschlagfläche 9 an. Sobald die Federkraft der beweglichen
Belagelektrode 13 größer ist als die von dem Permanentmagneten 21 ausgeübte Magnetkraft,
löst sich die bewegliche Belagelektrode 13 von der stationären Belagelektrode 11,
der Schaltvorgang wird dadurch beendet. Der'zweite Schaltpunkt ist jedoch, bedingt
durch die Hysterese des Permanentmagneten 21, von dem ersten Schaltpunkt verschieden,
so daß der kapazitive Taster eine große Schalthysterese aufweist.
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Und da die den veränderbaren Kondensator bildenden Bauteile, nämlich
die stationäre Belagelektrode 11, die bewegliche Belagelektrode 13 sowie das Dielektrikum
15 völlig von dem Betätigungsglied 3 getrennt sind - gemäß Fig. 5 können diese Bauteile
auch in einem gesonderten Gehäuse 26, das in einer Ausnehmung 27 des Unterteils
eingesetzt ist, angeordnet werden - und nur durch die Magnetkraft betätigt werden,
sind Beeinträchtigungen durch Schmutz, Feuchtigkeit und mechanische Beanspruchungen
ausgeschlossen. Eine lange Lebensdauer und ein Einsatz auch bei unterschiedlichen
Umweltbedingungen und ohne daß Schaltpunktverschiebungen und Exemplarstreuungen
in Kauf zu nehmen sind, sind somit bei dem kapazitiven Taster 1 gewährleistet.
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L e e r s e i t e