Druckempfindliche, mattenförmige elektrische Schalteinrichtung

Abstract

 Die bewegliche Elektrode der Schalteinrichtung besteht aus einem flexiblen, zusammendrückbaren Kontaktgewebe (1) mit leitenden und nichtleitenden Drähten (2, 3). Die leitenden Drähte (2) erstrecken sich in der einen Webrichtung und verlaufen wenigstens annähernd in einer Ebene. Demgegenüber sind die in der anderen Webrichtung sich erstreckenden nichtleitenden Drähte (3) um die leitenden Drähte (2) gebogen, so dass sie die leitenden Drähte (2) im Abstand zu einer am Kontaktgewebe (1) anliegenden Flachelektrode (4) halten. Durch Zusammendrücken des Kontaktgewebes (1) werden die leitenden Drähte (2) biegeelastisch verformt, wobei die an diesen entstehenden Wellenrücken an die Gewebeoberfläche gelangen und dadurch mit der Flachelektrode (4) in Kontakt kommen.
Eine derartige Schalteinrichtung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und eine geringe Bauhöhe aus.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine druckempfindliche, mattenförmige elektrische Schalteinrichtung mit wenigstens einer Flachelek­trode und einer flexiblen, aus einem Gitter leitender Drähte gebildeten beweglichen Elektrode, die durch Druckeinwirkung entgegen elastisch wirkender Rückstellkräfte mit der Flachelek­trode in Kontakt bringbar ist.

[0002] Eine bekannte Schalteinrichtung dieser Art ist in der US-Pa­tentschrift Nr. 4,524,256 offenbart, Sie weist als bewegliche Elektrode ein Kontaktgewebe auf, das ausschliesslich aus Me­talldrähten besteht, die in beiden Webrichtungen wellenförmig verlaufen. Dieses Kontaktgewebe ist in eine elastische Isolier­stoffschicht eingebettet, welche die freiliegenden Wellenrücken der Drähte überragt und damit von einer anliegenden Flachelek­trode distanziert. Beim Zusammendrücken der Isolierstoffschicht gelangen die Wellenrücken der Drähte an die Oberfläche der Isolierstoffschicht und kommen dadurch mit der Flachelektrode in Kontakt. Sobald die Druckeinwirkung aufhört, bewirken die Rückstellkräfte des elastischen Isolierstoffs, dass das Kon­taktgewebe wieder seine ursprüngliche, von der Flachelektrode distanzierte Lage einnimmt.

[0003] Die Herstellung der beschriebenen Schalteinrichtung ist ver­hältnismässig aufwendig. Als Isolierstoff wird ein Schaumstoff verwendet. Nach dem Einbetten des Kontaktgewebes ist der Iso­lierstoff bis auf die Gewebeoberfläche mechanisch abzutragen. In einer anschliessenden Wärmebehandlung wird der Isolierstoff aufgeschäumt, um die Wellenrücken der Metallstücke freizulegen und die wirksame Dicke der Isolierstoffschicht gegenüber der Gewebedicke zu erhöhen. Ein weiterer Nachteil der Isolierstoff­schicht besteht darin, dass Ihre Elastizität durch Alterung nachlassen kann, wodurch die Druckempfindlichkeit sich verän­dert und die Funktion der Schalteinrichtung beeinträchtigt wird.

[0004] In der DE-OS 34 24 060 ist eine ähnlich aufgebaute Schaltein­richtung beschrieben, bei der die Drähte des Kontaktgewebes eine Isolierschicht aufweisen, die an den Wellenrücken der Drähte entfernt werden muss. Dazu wird ein chemisches Verfahren vorgeschlagen, das nach dem mechanischen Abtragen des elasti­schen Isolierstoffs anzuwenden ist. Durch diesen zusätzlichen Verfahrensschritt wird der Herstellungsaufwand derartiger Schalteinrichtungen weiter erhöht.

[0005] Die US-Patentschrift Nr. 3,056,005 beschreibt eine flexible Schaltmatte mit zwei Metallgewebestücken, die durch eine ge­lochte elastische Isolierplatte voneinander getrennt sind und an ihrer Aussenseite je einen Kunststoffbelag aufweisen. Unter Druckeinwirkung wird die Isolierplatte zusammengedrückt, so dass im Bereich der darin befindlichen Löcher die Metallgewebe miteinander in Kontakt kommen.

[0006] Aus der DE-AS 17 65 831 ist ferner ein Kontaktkabel bekannt, das innerhalb einer elektrisch leitenden Umhüllung zwei teil­weise abisolierte elektrisch leitende Drähte aufweist, die ge­geneinander verdrillt sind, wobei ein elastisches, elektrisch isolierendes Band spiralförmig um die beiden Drähte gewickelt ist und diese im Abstand zur Umhüllung hält. Beim Auftreten eines auf eine bestimmte Mindestlänge der Drähte gleichzeitig wirkenden Druckes wird das elastische Band so zusammengedrückt, dass die Drähte an den abisolierten Stellen mit der Umhüllung in Kontakt kommen und so eine elektrische Verbindung herstellen.

[0007] Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Schalteinrichtung der eingangs genannten Art, welche so aufgebaut ist, dass auf die genannte Isolierstoffschicht gänzlich verzichtet werden kann, womit auch deren Nachteile vermieden werden.

[0008] Erfindungsgemäss wird dieses Ziel dadurch erreicht, dass die bewegliche Elektrode aus einem an der Flachelektrode anliegen­den, zusammendrückbaren Kontaktgewebe mit leitenden und nicht­leitenden Drähten besteht, wobei die in der einen Webrichtung sich erstreckenden leitenden Drähte wenigstens annähernd in einer Ebene verlaufen, während die in der anderen Webrichtung sich erstreckenden nichtleitenden Drähte um die leitenden Drähte gebogen sind und letztere im Abstand zur Flachelektrode halten, und dass durch Zusammendrücken des Kontaktgewebes die leitenden Drähte biegeelastisch verformt werden, wobei die an diesem entstehenden Wellenrücken an die Gewebeoberoberfläche ge­ langen und dadurch mit der Flachelektrode in Kontakt kommen.

[0009] Bei dieser Lösung übernehmen also die leitenden Drähte des Kon­taktgewebes selbst im wesentlichen die Funktion der Rück­stellung durch die Wirkung ihrer Biegeelastizität. Durch ge­eignete Wahl des Drahtmaterials und allenfalls eine künstliche Alterung des Kontaktgewebes lässt sich auf diese Weise eine Schalteinrichtung mit hoher Stabilität des Schaltverhaltens er­zielen.

[0010] Durch das Fehlen zusätzlicher Abstandhalter ergibt sich ein einfacher Aufbau der Schalteinrichtung und eine geringe Bauhöhe derselben.

[0011] Die Drahtstärke, welche die Dicke des Kontaktgewebes bestimmt, richtet sich in erster Linie nach dem Druck, auf den die Schalteinrichtung ansprechen soll. Kontaktgewebe in der erfin­dungsgemässen Ausführung sind mit in einem weiten Bereich wähl­baren Drahtstärken webbar, so dass sowohl Schalteinrichtungen für hohe Drücke, z.B. begehbare oder befahrbare Kontaktmatten bzw._-schwellen, als auch solche für extrem niedrige Drücke, z.B. Berührungstasten bzw._-tastenfelder, auf dieser Basis her­stellbar sind. Insbesondere lassen sich folienartige Schaltein­richtungen realisieren, die nur wenige Zehntelmillimeter dick sind.

[0012] Die Schalterpole können durch zwei Flachelektroden gebildet sein, die durch ein zwischen diesen angeordnetes Kontaktgewebe bei Druckeinwirkung überbrückt werden. In einer anderen Aus­führung kann das Kontaktgewebe selbst den einen Schalterpol darstellen und mit nur einer Flachelektrode zusammenwirken, wo­bei sich diese eine Flachelektrode sowohl auf der vom Druck be­aufschlagten Seite des Kontaktgewebes als auch auf der Gegen­seite befinden kann. Dem Kontaktgewebe können auch mehrere Flachelektroden zugeordnet sein, die auf der gleichen Seite desselben angeordnet sind, womit sich eine Schalteinrichtung mit mehreren Schaltfunktionen ergibt, die sich beispielsweise für elektrische Tastaturen eignet.

[0013] Eine bevorzugte Ausführungsform der Schalteinrichtung besteht darin, dass das Kontaktgewebe auf einer stabilen Unterlage ruht und dass auf dem Kontaktgewebe ein flexibler Deckbelag angeord­net ist, der den zur Kontaktgabe angewandten äusseren Druck auf das Kontaktgewebe überträgt und letzteres gegen störende äussere Einflüsse schützt. Der flexible Deckbelag kann z.B. eine Folie aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff sein, die im Bedarfsfall an der dem Kontaktgewebe zugewandten Seite mit einem Kontaktmetall, z.B. Kupfer, kaschiert ist. Zusätzlich kann in die Kunststoffolie ein feinmaschiges, elektrisch lei­tendes Schutzgewebe einlaminiert sein, das, auf einem festen Potential liegend, unter dem Deckbelag gegebenenfalls befind­liche Schaltungselemente und_-anordnungen gegen den Einfluss elektrischer oder elektromagnetischer Störfelder schützt. Die stabile Unterlage kann ebenfalls wenigstens eine Flachelektrode bilden bzw. aufweisen.

[0014] Vorzugsweise bestehen die leitenden Drähte des Kontaktgewebes aus Metall, z.B. Kupfer, und die nichtleitenden Drähte aus Kunststoff, z.B. Polyester. Die metallenen Drähte können aber auch aus einem Kernmaterial mit besonders hoher Biegeelastizi­tät bestehen, das mit einem Kontaktmaterial beschichtet ist. Damit die Biegebeanspruchung der leitenden Drähte im elasti­schen Bereich bleibt, ist in Abhängigkeit vom gewählten Draht­material ein Verhältnis der Maschenweite des Kontaktgewebes zu den im Mittel etwa gleichen Durchmessern der leitenden und nichtleitenden Drähte im Bereich von etwa 3:1 bis 8:1 anzustre­ben.

[0015] Der Ansprechdruck der Schalteinrichtung lässt sich durch Walzen des Kontaktgewebes beeinflussen, und zwar lässt sich mit dieser Nachbehandlung je nach der vorliegenden Drahtstärke und Ma­schenweite, sowohl eine Erhöhung als auch eine Herabsetzung des Ansprechdrucks erreichen. Der Walzprozess bewirkt zudem eine künstliche Alterung des Kontaktgewebes, indem dabei die Aufla­geflächen an den Kreuzungsstellen der leitenden und nichtlei­tenden Drähte vergrössert werden. Dies führt zu einem stabile­ren Schaltverhalten der Schalteinrichtung. Zur künstlichen Al­terung kann das Kontaktgewebe auch einem Wärmeprozess unterzo­gen werden. Unter Umständen kann es sogar zweckmässig sein, das Walz-_und Wärmeverfahren gleichzeitig anzuwenden.

[0016] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung darge­stellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau des Kontaktgewebes in Verbindung mit einer Flachelektrode, im Schnitt;

Fig. 2 Draufsicht des Kontaktgewebes;

Fig. 3 Funktion der Anordnung nach Fig. 1 bei Druckeinwir­kung;

Fig. 4 Schnitt durch eine erste Ausführungsform der erfin­dungsgemässen Schalteinrichtung; und

Fig. 5 Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der er­findungsgemässen Schalteinrichtung.

[0017] Die bewegliche Elektrode der elektrischen Schalteinrichtung be­steht aus einem flexiblen Kontaktgewebe 1, das elektrisch lei­tende Drähte 2, die sich in der einen Webrichtung erstrecken, und elektrisch nichtleitende Drähte 3, die sich in der anderen Webrichtung erstrecken, aufweist. Dabei verlaufen die leitenden Drähte 2 mit dem Durchmesser d wenigstens annähernd in einer Ebene, während die nichtleitenden Drähte 3 mit dem Durchmesser D um die leitenden Drähte 2 gebogen sind und letztere im Ab­stand zur Flachelektrode 4 halten. Die Dicke des Kontaktgewebes 1 beträgt bei dieser Webart 2D + d (Fig. 3). Die Maschenweite m (Fig. 2) ist so gewählt, dass sich ein Verhältnis m/d bzw. m/D von etwa 3:1 ergibt. Für die Herstellung dieses Kontaktgewebes erweist es sich als günstig, wenn die geradlinigen Drähte 2 den Schuss und die stark gebogenen Drähte 3 die Kette des Gewebes bilden.

[0018] Durch die Einwirkung eines von der Kraft P erzeugten Druckes werden die leitenden Drähte 2 gemäss Fig. 3 mittels der nicht­leitenden Drähte 3 wellenförmig durchgebogen, so dass die an den leitenden Drähten 2 entstehenden Wellenrücken an die Gewe­beoberfläche gelangen und dadurch mit der Flachelektrode 4 in Kontakt kommen. Die Dicke des Kontaktgewebes 1 reduziert sich dabei im Druckbereich von 2D + d auf D + d. Ein flexibler Deck­belag 5 überträgt den angewandten äusseren Druck auf das Kon­taktgewebe 1 und schützt das letztere gegen störende äussere Einflüsse, wie Staub und Feuchtigkeit. Die Dicke des flexiblen Deckbelages 5 wird vorzugsweise so gewählt, dass der Druck auf eine Vielzahl von Gewebemaschen verteilt wird, der Druckbereich also jedenfalls grösser ist als in der mehr schematischen Dar­stellung nach Fig. 3.

[0019] Die Auslenkung der leitenden Drähte 2 zur Ausübung ihrer Schaltfunktion verbleibt aufgrund geeigneter Wahl der Draht­durchmesser d, D und Maschenweite m im biegeelastischen Be­reich, so dass beim Aufhören der Druckeinwirkung die leitenden Drähte 2 sich von der Flachelektrode 4 wieder distanzieren und ihre ursprüngliche gestreckte Form annehmen.

[0020] Versuche mit praktischen Ausführungen haben ergeben, dass ein Kontaktgewebe aus Kupferdraht mit einem Durchmesser d = 0,22 mm und Polyesterdraht mit einem Durchmesser D = 0,16 mm bei einer Maschenweite m = 3:1 eine Schalteinrichtung ergibt, deren An­spruchdruck 25 bis 30 kg/cm² beträgt. Durch Verminderung des Kupferdrahtdurchmessers auf 0,112 mm lässt sich unter sonst gleichen Verhältnissen der Ansprechdruck auf 8 kg/cm² herab­setzen.

[0021] Die Schalteinrichtung nach Fig. 4 besitzt ein Kontaktgewebe 1 von der anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Art. Dieses ruht auf einer stabilen Unterlage 6 aus Isoliermaterial, welche eine Flachelektrode in Form eines Metallbelages 7 aufweist. Als Deckbelag dient eine Folie 8 aus Isoliermaterial, die ebenfalls mit einem Metallbelag 9 versehen ist. Die beiden Metallbeläge 7 und 9 sind dem Kontaktgewebe 1 zugewandt und werden durch die leitenden Drähte 2 gegenseitig elektrisch verbunden, wenn das Kontaktgewebe gemäss Fig. 3 zusammengedrückt wird. Die leiten­den Drähte 2 können aber auch z.B. am Geweberand untereinander verbunden sein und gemeinsam einen Schalterpol bilden. In die­sem Fall kann einer der Metallbeläge 7 und 9, also eine der Flachelektroden entfallen.

[0022] Bei der Schalteinrichtung nach Fig. 5 ist unter Verwendung des­selben Kontaktgewebes 1 ebenfalls eine stabile Unterlage 10 aus Isoliermaterial vorgesehen. Auf dieser sind mehrere Flachelek­troden 11 angeordnet (in der Zeichnung sind zwei davon sicht­ bar), die mit separaten Ableitungen 12 verbunden sind. Die be­wegliche Elektrode ist allen Flachelektroden 11 gemeinsam, in­dem sämtliche leitenden Drähte 2 des Kontaktgewebes 1 unterein­ander verbunden sind (nicht dargestellt). Durch örtlich ge­zielte Druckanwendung, wobei sich der Druckbereich jeweils auf die Flächenausdehnung einer Flachelektrode 11 beschränkt, kann die bewegliche Elektrode wahlweise mit einer der Flachelektro­den 11 in Kontakt gebracht werden. Als Deckbelag ist ein Kunst­stofflaminat 13 vorgesehen, in das ein feinmaschiges Schutz­gitter 14 aus Metall einlaminiert ist.

Ansprüche

1. Druckempfindliche, mattenförmige elektrische Schalt­einrichtung mit wenigstens einer Flachelektrode und einer flexiblen, aus einem Gitter leitender Drähte gebildeten beweg­lichen Elektrode, die durch Druckeinwirkung entgegen elastisch wirkender Rückstellkräfte mit der Flachelektrode in Kontakt bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Elek­trode aus einem an der Flachelektrode (4) anliegenden, zusam­mendrückbaren Kontaktgewebe (1) mit leitenden und nichtleiten­den Drähten (2, 3) besteht, wobei die in der einen Webrichtung sich erstreckenden leitenden Drähte (2) wenigstens annähernd in einer Ebene verlaufen, während die in der anderen Webrichtung sich erstreckenden nichtleitenden Drähte (3) um die leitenden Drähte (2) gebogen sind und letztere im Abstand zur Flachelek­trode (4) halten, und dass durch Zusammendrücken des Kontaktge­webes (1) die leitenden Drähte (2) biegeelastisch verformt wer­den, wobei die an diesen entstehenden Wellenrücken an die Gewe­beoberfläche gelangen und dadurch mit der Flachelektrode (4) in Kontakt kommen.

2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, dass das Kontaktgewebe (1) auf einer stabilen Unter­lage (6) ruht und dass auf dem Kontaktgewebe ein flexibler Deckbelag (5, 8) angeordnet ist, der den zur Kontaktgabe ange­wandten äusseren Druck auf das Kontaktgewebe überträgt und letzteres gegen störende äussere Einflüsse schützt.

3. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, dass der flexible Deckbelag durch eine Folie (8) aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff gebildet ist.

4. Schalteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, dass in die Kunststoffolie (8) ein feinmaschiges, elektrisch leitendes Schutzgewebe (9) einlaminiert ist, das un­ter dem Deckbelag befindliche Schaltungselemente und_-anordnun­gen gegen den Einfluss elektrischer und elektromagnetischer Störfelder schützt.

5. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, dass die stabile Unterlage (6) und/oder der Deckbelag (8) wenigstens eine Flachelektrode (7, 9) bilden bzw. aufweisen.

6. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, dass die leitenden Drähte (2) des Kontaktgewebes (1) aus Metall, z.B. Kupfer, und die nichtleitenden Drähte (3) aus Kunststoff, z.B. Polyester, bestehen.

7. Schalteinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­zeichent, dass das Verhältnis der Maschenweite (m) des Kontakt­gewebes (1) zu den im Mittel etwa gleichen Durchmessern (d, D) der leitenden und nichtleitenden Drähte (2, 3) so gewählt ist, dass die Biegebeanspruchung der leitenden Drähte (2) im elasti­schen Bereich bleibt.

8. Schalteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­zeichnet, dass das genannte Verhältnis etwa 3:1 bis 8:1 beträgt.

9. Verfahren zur Herstellung der Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktgewebe zur Erzielung eines stabilen Schaltverhaltens künstlich gealtert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontakgewebe einem Walzprozess unterzogen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktgewebe einem Wärmeprozess unterzogen wird.

Zeichnung