DE3123438A1

DE3123438A1 - Schaltanordnung

Info

Publication number: DE3123438A1
Application number: DE19813123438
Authority: DE
Inventors: Horst 8011 Höhenkirchen Hoffmann
Original assignee: Wilhelm Ruf KG
Current assignee: Wilhelm Ruf KG
Priority date: 1981-06-12
Filing date: 1981-06-12
Publication date: 1983-01-05
Also published as: DE3123438C2; EP0068133A2; EP0068133B1; EP0068133A3

Description

Wilhelm Ruf KG, Schwanthaler Str. 18, 8000 München 2

¹I

11. Juni 1981 Dre/ER

Schaltanordnung

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung zum Schließen elektrischer Kontakte, mit einem elastischen, wenigstens teilweise elektrisch leitenden Schaltelement.

Bei der Herstellung von Schaltanordnungen der genannten Art ist es wichtig, möglichst viele Verarbeitungsschritte automatisieren zu können, damit die Stückpreise pro Schaltanordnung niedrig gehalten werden können. Bisher wurden als Schaltelemente in Schaltanordnungen metallische Kontaktfedern verwendet; diese lassen sich jedoch nur mit beträchtlichen Zeitaufwand montieren. Hinzu kommt, daß diese metallischen Kontaktfedern nur eine begrenzte Lebensdauer haben; von einer Schaltanordnung wird jedoch erwartet, daß sie über lange Zeit hinweg zuverlässig arbeitet. Fällt beispielsweise in einem Tastenfeld eines Rechners oder dergleichen nur ein einziges Schaltelement aus, so ist das gesamte Gerät unbrauchbar. Es ist weiterhin bekannt, beispielsweise für Tastenfelder sogenannte Silikonkautschukmatten zu verwenden, die an bestimmten Stellen Schaltelemente aufweisen, welche bei Durchbiegung der Matte an einer bestimmten Stelle bestimmte Kontakte elektrisch mitein-

ander verbinden. Speziell bei Tastenanordnungen ergibt sich jedoch das Probiem, daß für die Herstellung derartiger Schaltanordnungen jeweils ein spezielles Werkzeug für eine entsprechende Tastenanordnung notwendig ist. Nachteilig ist also nicht nur, daß relativ hohe Werkzeugkosten in den Stückpreis einer Schaltanordnung eingehen, sondern daß die Herstellungsdauer der Schaltanordnungen häufig relativ lange Zeit in Anspruch nimmt., weil die Werkzeuge erst speziell gefertigt werden müssen, wodurch relativ lange Lieferzeiten bedingt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung der eingangs angegebenen Art anzugeben, die sich durch lange Lebensdauer auszeichnet und die rasch und billig ohne Spezialwerkzeuge herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schaltelement als elastisch verformbares Kugel- oder Zylinderelement, insbesondere Kugelelement ausgebildet ist.

Im Gegensatz zu den früher üblichen metallischen Kontaktfedern lassen sich die Kugeln rationell in großen Stückzahlen herstellen. Vergleicht man die erfindungsgemäße Schaltanordnung mit den früher üblichen Silikonkautschukmatten, so ist ersichtlich, daß nunmehr keine speziellen Werkzeuge für Tastenfelder verschiedener Tastenanordnungen notwendig sind.

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schaltanordnung zwischen zwei Kontakten und beabstandet

von diesen eine Schaltelementau.fnahme besitzt, und daß auf oder über dem Kugel- oder Zylinderelement eine Taste oder ein Betätigungselement angeordnet ist. Man erkennt, daß durch eine derartige Anordnung eine äußerst rasche Fertigung einer Sehaltanordnung, möglich ist: die als Schaltelement dienende,elastisch verförmbare Kugel, beziehungsweise der elastisch verformbare Zylinder brauchen lediglich in die Schaltelementaufnahme eingelegt zu werden.

Bei einer⁷SISSSzSgSe_n Ausführungsform ist das'Kugel- oder Zylinderelement elektrisch leitend ausgebildet. Der genan'nte Vorteil macht sich besonders stark bemerkbar bei der Herstellung von Tastenfeldern. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auf einem ebenen Substrat beabstandet voneinander Kontaktflächen angeordnet sind, zwischen denen das Kugel- oder Zylinderelement angeordnet ist. Das· Substrat mit den Kontaktflächen läßt sich auf einfache Weise in großen Stückzahlen herstellen. Wird dao Kugel- oder Zylinderelement in zur Substratebene senkrechter Richtung einer Kraft ausgesetzt, so verformt sich die Kugel beziehungsweise der Zylinder derart, daß das Schaltelement die beiden zu überbrückenden Kontakte elektrisch verbindet. Durch äußern t ran ohr¹ Kertigungsmöglichkeit. zeichnet sich eine erfindungsgemäße Schaltanordnung dann aurs, wenn da« Kugel- oder Zylindern Lament in einem Fenster einer zwischen Kontaktflächen aufgenommenen, verformbaren Zwischenschicht angeordnet ist. Bei derart' ausgestalteten Tastenfeldern brauchen die als Schaltelemente dienenden Kugel- oder Zylinderelemente beispielsweise lediglich durch eine Rütteleinrichtung in die einzelnen Fenster eingebracht zu werden. Vergleicht man dies mit der zeitaufwendigen Montage von metallischen Kontaktfedern^?wird dip erhebliche Zeitersparnis bei. der Fertigung derartige*· Tastenfelder deutlich.

Gegenüber den bisher bekannten Folien'wlrneTi insbesondere folgende Vorteile erreicht: Die Betätigungskraft kann durch entsprechende Auswahl der oberen Deckfolie bzw. unterschiedlicher Elastizitätseigenschaften der Zwischenschicht oder Härten der Kugeln variiert werden. Ferner kann der Schalfcweg einfach über das Verhältnis Kugel-Durchmesser zu Abstand der Kontaktfläche variiabel gestaltet werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung' anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. la und b einen Einzeltaster in Ruhestellung beziehungsweise in betätigter Stellung,

Fig. 2a und b eine Querschnittansxcht einer Tastenstelle eines

Tastenfeldes in Ruhestellung beziehungsweise in be-

tätigter Stellung, "und"

3 eine Querschnittansicht eines Tastenfeldes mit mehreren in einer Zwischenschicht ausgebildeten

Penstern.
Pig» 1 zeigt einen einfachen Taster. Er besteht aus einem Isolierblock 1, der auf seiner Oberseite eine Schaltelementaufnahme 2 bildet. Die Schaltelementaufnahme wird im einfachsten Fall dadurch gebildet, daß die Oberseite des Isolierblocks 1 eben ist. Auf der Schaltelementaufnahme 2 ruht eine elektrisch leitende Kugel 3 aus Silikonkautschuk. Der zur Aufnahme der Kugel 3 dienende Raum wird seitlich von zwei verlängerten Lötfahnen 4· und V* begrenzt, vorne und hinten bezüglich der Kugel 3 kann (fer^Jsolierblock 1 mit Ansätzen versehen sein, damit die Kugel an Ort u

messer ist.

Oberhalb der Spitzen der Lötfahnen ¹J' und V ist eine Führung 6 vorgesehen, die einstückiger Bestandteil des Gehäuses des Einzeltasters sein kann. Führung 6 nimmt eine Taste 5 auf, die auf der Kugel 3 ruht. Die Taste 5 wird von der Führung 6 unverlierbar gehalten. Die Kugel 3 dient als Schaltelement und hat die Aufgabe, bei Betätigung der Taste 5 die Lötfahnen V und V elektrisch miteinander zu verbinden.

Fig. 1 (b) zeigt den Zustand, in dem auf die Taste 5 beispielsweise durch Fingerdruck eine Kraft F ausgeübt wird. Die elastisch verformbare Kugel 3 wird durch den Tastendruck elastisch verformt, so daß sie sich seitlich ausweitet und mit Teilen ihres Außenumfangs die Lötfahnen an zwei Kontaktstellen k ■ und k~ berührt.

Durch die Elastizitätseigenschaften der Kugel 3' ist gewährleistet, daß die Taste 5 wieder in ihre Ausgangsstellung (Vgl. Fig. la) zurückkehrt, ohne daß hierzu eine spezielle Feder erforderlich ist.

Anhand des oben geschilderten Ausführungsbeispiels ersieht man, daß 'der Kontaktdruck an den Kontaktstellen k «j und kp umso größer ist, desto stärker die Kraft F ist, mit der die Taste nach unten bewegt wird. Mit großem Tastendruck F wird also auch der an den Kontaktstellen herrschende elektrische Widerstand gering.

Pig. 2 ze^gt ein weiteres AusfUhrungsbeispiel der Erfindung, und zwar ist hier eine Kontaktstelle, d. h. eine Schaltanordnung von mehreren Schaltanordnungen eines Tastenfeldes dargestellt.

Auf einem Substrat 11 sind Kontaktlager 12' und 12" mit darauf

kennt man, daß die Kontaktlager und die Kontakte derart an den Durchmesser der Kugel 13 angepaßt sind, daß die Kugel im Ruhezustand zwischen den Kontaktlagern i2^f und 12'/, ohne daß sie die Kontakte 11' und 11" berührt. Alternativ hierzu ist die Dimensionierung ist lediglich so zu wählen, daß H' und IU" nicht gleichzeitig ohne Druckanwendung kontaktiert werden. Wird von oben auf die Kugel 13 eine Kraft P ausgeübt, so verformt sich die Kugel derart, daß sie beide Kontakte 11», H" berührt und die Kontakte somit elektrisch miteinander verbindet. (Vgl. Pig. 2b). Auch hier wird wieder deutlich, daß der Kontaktwiderstand umso geringer.wird, desto größer die von oben auf die Kugel 13 einwirkende Kraft F ist.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel *r Erfindung. Diese Figur zeigt eine Querschnittansicht eines beispielsweise als Matrixtaatatur ausgebildeten Tastenfeldes. Zwischen einer unteren

■o ni v« /weiche vorzugsweise eine starre Platte ist

Folie 21/uncT einer oberen Folie 25 liegen Kontakt flächen2i!, sowie flächen ^¹*'' '^sowie dazwischen eine Zwischenschicht 2? aus

Isolierstoff."Zwischen den sich gegenüber liegenden Kontaktflächen

sind in die Zwischenschicht Kammern bder Fenster 22 eingelassen, die zur Aufnahme der als Schaltelemente dienenden Kugeln 23 dienen.

In der Fig. 3 sind vier Schaltelemente-Kugeln 23 in entsprechenden Kammern dargestellt. Die rechts in Fig. 3 dargestellte Kugel 23 wird gerade dadurch zusammengedrückt, daß eine Bedienungsperson die obere Folie 25 mit dem Finger an der betreffenden Stelle herabdrückt, so daß die darunter liegende Leiterbahn sich auf die Kugel 23 abgesenkt hat und diese gegen die darunter liegende Leiterbahn 21' drückt, wobei die Kugel verformt wird. Gemäß Darstellung verformt sich die obere Leiterbahn 21" etwas, allerdings braucht dies nicht der Fall zu sein, sondern die Leiterbahn kann auch im starr ausgebildet sein. Das Herabdrücken der oberen wesentlichen

Folie 25 sowie der darunterliegenden Leiterbahn 24" wird ermöglicht durch die Elastizi-tät der Zwischenschicht 27.

Wie man der Darstellung in Fig. 3 leicht ersieht, ist der Kugeldurchmesser einer Kugel 23 geringfügig kleiner als der lichte Abstand zwischen den unteren Leiterbahnen 24'und den oberen Leiterbahnen 2¹I''. ^

Die Kugeln in. sämtlichen Ausführungsbeispielen bestehen aus elektrisch leitendem
Silikonkautschuk. Dieses Material weist gute Elastizitätse'igenschaften auf, ist relativ billig und einfach zu verarbeiten.

Wenngleich bei den obigen Ausführungsbeispielen stets Kugelelemente als Schaltelemente verwendet'wurden, so können doch auch Zylinderelemente oder zylinderähnliche Elemente verwendet werden, wichtig ist, daß die einzelnen Schaltelemente elastisch verformbar sind und elektrisch leiten.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird die Schaltelementaufnähme durch die ebene Oberfläche 2 des Isolierblooks I gebildet. Es kann allerdings auch eine kleine Mulde in dem Isoiierblock 1 vorgesehen sein, und zwar in der Mitte des Isolierblocks 1, um ein möglichst gleichzeitiges Berühren der Kugel 3 mit den Lötfahnen 4' und 4" zu gewährleisten.

Entsprechend der oben angegebenen Modifikation kann bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Efe. 2 eine Mulde zwischen den Kontakten 14 · und 14" vorgesehen sein, so daß die Kontakthalter 12' und 12" überflüssig sind. Wichtig ist, daß die Kugel 13 im Ruhezustand keinen, oder allenfalls nur einen Kontakt 14' oder 14" berührt.

Selbstverständlich können auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 Mulden oder dergleichen zur Zentrierung der Kugeln 23 in der Mitte der Kammern 22 vorgesehen sein. Allerdings ist die Lage der Kugeln 23 innerhalb der Kammer 22 nicht kritisch, d.h. die

Kugeln können innerhalb der Kammern an den Seitenwandungen der Zwischenschicht 27 anliegen, und dennoch wird eine gute Kontaktgabe zwischen den oberen und unteren Leitpfahlen gewährleistet.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Au3führungsbeispfel ist besonders gut die einfache Anbringung der als Schaltelemente dienenden Kugeln ersichtlich. Nach Zusammenbau der unteren Folie 21 mit den darauf befindlichen Leiterbahnen 24' und der darauf angeordneten Zwischenschicht 27 können die Kugeln 23 durch ehe Rütteleinrichtung in die einzelnen Aufnahmekammern oder -fenster 22 verteilt werden, bevor die obere Folie 25 mit den Kontaktbahnen 21" aufgebracht wird. Eine einfacherem Montage ist kaum denkbar, trotz dieser einfachen Montage gewährleisten die Silikonkautschukkugeln eine extrem lange Lebensdauer.

Bei allen drei Ausführungsbeispielen ist die wesentliche Bedingung, daß jeweilsjkie Kugel nur einen Kontakt berührt. Dies ist selbst bei Vibration der Anordnung erfüllt, wenn die Dimensionierung von Kohtaktabstand und Kugeldurchmesser so gewählt werden, daß im unäeformierten Zustand der Kugel niemals beide Kontakte berührt werden. Dies ist ßlSonderer Vorteil dieser Anordnung, da Fehlschaltungen durch Vibration ausgeschlossen sind. Vibrätionsfestigkeit von Schaltern wird z. B. bei Waschmaschinen mit Schleuderprogramm gefordert. Es ist nicht gesichert, daß herkömmliche Schalter mit metallischen Kontaktfedern diese Anforderungen erfüllen.

Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und Zeichnungen hervorgehende Merkmale und Vorteile der' Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

W\ I ClN 1/flMI/liWU C BKUDC DKWOC D-8023 Munchen-Pullach, Wiener SIr^. Tel .to«» £93 JCcYh Telex 5*2 14>iros d: Cabtee: -PatenHbus- München

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Wilhelm Ruf KG, Schwanthaler Str. 18, 8000 München 2

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Yourrel Date: 11. Juni 1981

Dre/ER

1) Die mit der Anmeldung und im Laufe des Verfahrens eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsversuche ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes .

2) In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des -Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen,gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.

3) Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher
nur in der Beschreibung offenbarte Merkmale von erfindungswesentlicher Bedeutung zu beanspruchen; insbesondere beabsichtigt die Anmelderin, auf in den Unterlagen etwa offenbarteneue Stoffe Stoffansprüche zu richten.

Claims

B4TENT>INl4^LTE^KaA BROSE ^DKa'BROSE

D-8023 München-Pullach, Wiener Str»2; Tel.-(Ö8Q) < 93367T. Jelex 5-212 147-bros d; Cables: «Patentibus» München

Wilhelm Ruf KG, Schwanthaler Str. 18, 8000 München 2

Diplom Ingenieure

oL·. υ- J™* 19 Dre/ER

PATENTANSPRÜCHE

il. ^Schaltanordnung zum Schließen elektrischer Kontakte, ^— mit einem elastischen, wenigstens teilweise elektrisch leitendem Schaltelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement als eleastisch verformbares Kugel- oder Zylinderelement (3, 13, 23), insbesondere Kugelelement ausgebildet ist.
2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltanordnung zwischen zwei Kontakten (4', 4^!t) und beabstandet von diesen eine Schaltelementaufnahme (1, 2) besitzt, und daß auf oder über dem Kugel- oder Zylinderelement (3) eine Taste (5.) oder ein Betätigungselement angeordnet ist.
3. Schaltanordnung nach Anspruch 1, insbesondere TastenfeH, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem ebenen Substrat (11) beabstandet voneinander Kontaktflächen (14', 14'') angeordnet sind, zwischen denen das Kugel- oder Zylinderelernent (13) angeordnet ist.
ty. Schaltanordnung nach Anspruch 1, insbesondere Tastenfeld, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugel- oder Zylinderelernent (23) in einem Fenster (22) einer zwischen Kontaktflächen aufgenommenen, verformbaren Zwischenschicht (27) angeordnet ist.
5. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugel- oder Zylinderelement aus Silikonkautschuk besteht.
6. Schaltanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugel- oder Zylinderelement (3, 13, 23) elektrisch leitend ausgebildet ist.