Schaltanordnung mit einem elastischen Schaltelement

Abstract

 Eine Schaltanordnung zum Schließen elektrischer Kontakte besitzt als Schaltelement ein elektrisch leitendes, elastisch verformbares Kugelelement (3) aus Silikonkautschuk. Das Kugelelement kann beispielsweise zwischen zwei beabstandeten, zu überbrückenden Kontakten (4', 4") angeordnet sein, es wird von einer Taste (5) zusammengedrückt, so daß es sich seitlich ausbreitet und dadurch die zu überbrückenden Kontakte (4', 4") elektrisch miteinander verbindet. Verwendungsmöglichkeiten sind Einzeltaster sowie Tastenfelder. Bei der Verwendung der Kugelelemente in Tastenfeldern ist eine äußerst einfache Anbringung der als Kugelelemente ausgebildeten Schaltelemente möglich. Die Kugelelemente werden beispielsweise in Aufnahmekammern aufgenommen, welche in einer elastisch verformbaren Zwischenschicht zwischen Kontaktelementfolien ausgebildet sind.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung zum Schließen elektrischer Kontakte, mit einem elastischen, wenigstens teilweise elektrisch leitenden Schaltelement.

[0002] 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 beträchtlichem 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 od. dgl. 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 miteinander verbinden. Speziell bei Tastenanordnungen ergibt sich jedoch das Problem, 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.

[0003] 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.

[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schaltelement als elastisch verformbares Kugel- oder Zylinderelement, insbesondere Kugelelement ausgebildet ist.

[0005] Im Gegensatz zu den früher üblichen metallischen Kontaktfedern lassen seh 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.

[0006] In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schaltanordnung zwischen zwei Kontakten und beabstandet von diesen eine Schaltelementaufnahme 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 Schaltanordnung möglich ist: Die als Schaltelement dienende, elastisch verformbare Kugel, beziehungsweise der elastisch verformbare Zylinder brauchen lediglich in die Schaltelementaufnahme eingelegt zu werden.

[0007] Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Kugel- oder Zylinderelement elektrisch leitend ausgebildet.

[0008] Der genannte 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 das 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 äußerst rasche Fertigungsmöglichkeit zeichnet sich eine erfindungsgemäße Schaltanordnung dann aus, wenn das Kugel- oder Zylinderelement 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,so wird die erhebliche Zeitersparnis bei der Fertigung derartiger Tastenfelder deutlich.

[0009] Gegenüber den bisher bekannten Folienschaltern werden 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 Schaltweg einfach über das Verhältnis Kugel - Durchmesser zu Abstand der Kontaktfläche variabel gestaltet werden.

[0010] Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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

Fig. 2a und b eine Querschnittansicht einer Tastenstelle eines Tastenfeldes in Ruhestellung beziehungsweise in betätigter Stellung, und

Fig. 3 eine Querschnittansicht eines Tastenfeldes mit-mehreren in einer Zwischenschicht ausgebildeten Fenstern.

[0011] Fig. 1 zeigt einen einfachen Taster. Er besteht aus einem Isolierblock t, 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 4" begrenzt, vorne und hinten bezüglich der Kugel 3 kann der Isolierblock 1 mit Ansätzen versehen sein, damit die Kugel an Ort und Stelle bleibt. Alternativ hierzu ist es lediglich notwendig, daß der Abstand der Seidenkontakte 4' und 4" größer als der Kugeldurchmesser ist.

[0012] Oberhalb der Spitzen der Lötfahnen 4' und 4" 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 4' und 4" elektrisch miteinander zu verbinden.

[0013] Fig. 1 b zeigt den Zustand, in dem auf die Taste 5 beispielsweise durch Fingerdruck eine Kraft F ausgeübt wird. Die elastisch verformare Kugel 3 wird durch den Tastendruck elastisch verformt, so daß sie sich seitlich ausweitet und mit Teilen ihres Außenumfangs die Lötfahnen an zwei Kontaktstellen k₁ und k₂ berührt.

[0014] Durch die Elastizitätseigenschaften der Kugel 3 ist gewährleistet, daß die Taste 5 wieder in ihre Ausgangsstellung (vgl. Fig. 1a) zurückkehrt, ohne daß hierzu eine spezielle Feder erforderlich ist.

[0015] Anhand des oben geschilderten Ausführungsbeispieles ersieht man, daß der Kontaktdruck an den Kontaktstellen k₁ und k₂ 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.

[0016] Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar ist hier eine Kontaktstelle, d.h. eine Schaltanordnung von mehreren Schaltanordnungen eines Tastenfeldes dargestellt.

[0017] Auf einem Substrat 11 sind Kontaktlager 12' und 12" mit darauf befindlichen Kontakten 14' bzw. 14" ausgebildet, welche normalerweise integriert als Leiterplattenstruktur ausgebildet sind. In Fig. 2a erkennt man, daß die Kontaktlager und die Kontakte derart an den Durchmesser der Kugel 13 angepaßt sind, daß die Kugel im Ruhezustand zwischen den Kontaktlagern 12' und 12" ruht, ohne daß sie die Kontakte 14' und 14" berührt. Alternativ hierzu ist die Dimensionierung lediglich so zu wählen, daß 14' und 14" nicht gleichzeitig ohne Druckanwendung kontaktiert werden.

[0018] Wird von oben auf die Kugel 13 eine Kraft F ausgeübt, so verformt sich die Kugel derart, daß sie beide Kontakte 14', 14" berührt und die Kontakte somit elektrisch miteinander verbindet. (Vgl. Fig. 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.

[0019] Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Figur zeigt eine Querschnittansicht eines beispielsweise als Matrixtastatur ausgebildeten Tastenfeldes. Zwischen einer unteren Folie 21, welche vorzugsweise eine starre Platte ist, und einer oberen Folie 25 liegen Kontaktflächen 24', sowie Kontaktflächen 24", sowie dazwischen eine Zwischenschicht 27 aus Isolierstoff. Zwischen deifsich gegenüberliegenden Kontaktflächen sind in die Zwischenschicht Kammern oder Fenster 22 eingelassen, die zur Aufnahme der als Schaltelemente dienenden Kugeln 23 dienen.

[0020] 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 so daß die darunter liegende Leiterbahn sich auf die Kugel 23 abgesenkt hat und diese gegen die darunter liegende Leiterbahn 24' drückt, wobei die Kugel verformt wird. Gemäß Darstellung verformt sich die obere Leiterbahn 24" etwas, allerdings braucht dies nicht der Fall zu sein, sondern die Leiterbahn kann auch im wesentlichen starr ausgebildet sein. Das Herabdrücken der oberen Folie 25 sowie der darunterliegenden Leiterbahn 24" wird ermöglicht durch die Elastizität der Zwischenschicht 27.

[0021] Wie man aus 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 24".

[0022] Die Kugeln in sämtlichen Ausführungsbeispielen bestehen aus elektrisch leitendem Silikonkautschuk. Dieses Material weist gute Elastizitätseigenschaften auf, ist relativ billig und einfach zu verarbeiten.

[0023] 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.

[0024] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird die Schaltelementaufnahme durch die ebene Oberfläche 2 des Isolierblocks 1 gebildet. Es kann allerdings auch eine kleine Mulde in dem Isolierblock 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.

[0025] Entsprechend der oben angegebenen Modifikation kann bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 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.

[0026] Selbstverständlich können auch/dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 Mulden oder dgl. 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.

[0027] Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist besonders gut die einfache Anbringung der als Schaltelemente dienenden Kugeln ersichtlich. Nach Zusammenbau der unteren Folie 21 mit den darauf befindlichen Leiterbahnen 2-4' und der darauf angeordneten Zwischenschicht 27 können die Kugeln 23 durch eine RUtteleinrichtung in die einzelnen Aufnahmekammern oder -fenster 22 verteilt werden, bevor die obere Folie 25 mit den Kontaktbahnen 24" aufgebracht wird. Eine einfacherere Montage ist kaum denkbar, trotz dieser einfachen Montage gewährleisten die Silikonkautschukkugeln eine extrem lange Lebensdauer.

[0028] Bei allen drei Ausführungsbeispielen ist die wesentliche Bedingung, daß jeweils die Kugel nur einen Kontakt berührt. Dies ist selbst bei Vibration der Anordnung erfüllt, wenn die Dimensionierung von Kontaktabstand und Kugeldurchmesser so gewählt werden, daß im undeformierten Zustand der Kugel niemals beide Kontakte berührt werden. Dies ist ein besonderer Vorteil dieser Anordnung, da Fehlschaltungen durch Vibration ausgeschlossen sind. Vibrationsfestigkeit von Schaltern wird z.B. bei Waschmaschinen mit Schleuderprogramm gefordert. Es ist nicht gesichert,daß herkömmliche Schalter mit metallischen Kontaktfedern diese Anforderungen erfüllen.

[0029] Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Ansprüche

1. Schaltanordnung zum Schließen elektrischer Kontakte, mit einem elastischen, wenigstens teilweise elektrisch leitendem Schaltelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement als elastisch verformbares Kugel- oder Zylinderelement (3, 13, 23), insbesondere Kugelelement ausgebildet ist.

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltanordnung zwischen zwei Kontakten (4'₉ 4") 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 Tastenfeld, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem ebenen Substrat (11) beabstandet voneinander Kontaktflächen (14', 14") angeordnet sind, zwischen denen das Kugel-oder Zylinderelement (13) angeordnet ist.

4. Schaltanordnung nach Anspruch 1, insbesondere Tastenfeld, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugel- oder Zylinderelement (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.

Zeichnung