DD233011A1 - Drucktaste mit nichtlinearer weg-kraft-charakteristik - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drucktaste mit nichtlinearer Weg-Kraft-Charakteristik, die mit einem unbeweglichen Teil (4), einem durch Druecken der Drucktaste relativ zum unbeweglichen Teil (4) beweglichen Teil und einem die relative Bewegung nutzenden Fuehlerelement versehen ist. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass der bewegliche Teil mit einem, auf einer begrenzten Bahn bewegbaren Oberteil (2) und einem davon getrennten, in einem durch die Wandungen eines in dem unbeweglichen Teil (4) ausgebildeten Nestes begrenzten Raum frei bewegbaren Grundteil (3) derart ausgebildet ist, dass die Bewegungsbahn des Oberteiles (2) an den Grundteil (3) anstoesst und der Grundteil (3) waehrend seiner Bewegung um die Anschlagstelle vom Oberteil (2) auf den Grundteil (3) kippbar angeordnet ist, wobei die Kippbewegung durch eine im Nest des unbeweglichen Teiles (4) ausgebildete, obere und untere Anschlagsflaeche (6, 5) begrenzt ist. Zwischen dem unbeweglichen Teil (4) und dem Grundteil (3) ist ein die zur Rueckfuehrung und Haltung des beweglichen Teiles in der Ausgangslage erforderliche Kraft erzeugender Magnetkreis derart ausgebildet, dass der unbewegliche Teil (4) mit einem ferromagnetischen Element (1) versehen ist, waehrend der Grundteil (3) aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist oder ein derartiges Element beinhaltet.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Drucktaste mit nichtlinearer Weg-Kraft-Charakteristik, bei der also ein in ergonomischer Hinsicht günstiger Abschnitt der Weg-Kraft-Charakteristik mit negativem Neigungswinkel verwirklicht ist. Diese Drucktaste ist sehr gut mit verschiedenen Fühlerelementen kombinierbar, insbesondere in Hinsicht auf die die elektrische Kapazitätsänderung nutzenden Elemente. Die erfindungsgemäße Lösung ist vorteilhaft in der Rechentechnik bzw. bei der Ausbildung von Tastaturen für die Handsteuerung und Betätigung von verschiedenen Vorrichtungen benutzbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die verschiedenen Tastaturen stellen in der Beziehung zwischen Mensch und Maschine besonders wichtige Elemente dar, deren auch in ergonomischer Hinsicht vorteilhafte Ausbildung mit großer Sorgfalt durchzuführen ist, da diese die Effektivität der Arbeit des Bedienpersonals beeinflussen kann. Die hierbei auftretenden Probleme machen sich vor allem in der Praxis der Rechentechnik bemerkbar. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß eine der besten Zusammenfassungen der verschiedenen Gesichtspunkte in dem Fachbuch von A. Chakir "Visual Display Terminals" (John Wiley and Sons, Chichester, New York — Brisbane, Toronto, 1980) enthalten ist. Die in ergonomischer Hinsicht vorteilhafte Weg-Kraft-Charakteristik enthält einen Abschnitt, in dem einem Anstieg des Weges ein eindeutiger Abfall der Druckkraft zugeordnet ist, wodurch bei dem Bediener das Gefühl des "Umkippens" (snap action) der Drucktaste hervorgerufen wird. Dieses Gefühl dient der auf Berührung beruhenden Rückkopplung (tactile feedback) der Betätigung der Drucktaste.

Bei den verschiedenen Drucktastenkonstruktionen besteht häufig die Anforderung, daß der bewegliche Teil mit einem solchen selbsteinstellenden Element zu versehen ist, das beim Drücken der Drucktaste auf ein bestimmtes Element des unbeweglichen

Teils aufschlägt. Dieses Problem wird allgemein derart gelöst, daß das selbsteinstellende Element durch ein eine Zug- und Druckkraft auch übertragendes Federelement (elastischer Kunststoffschaum, Plattenfedern usw.) mit den sonstigen Teilen des beweglichen Teiles in Verbindung steht.

Die bisher bekannten, eine negative Weg-Druckkraft-Charakteristik oder Charakteristikabschnitt realisierenden Drucktastenkonstruktionen können grundsätzlich in drei Gruppen aufgeteilt werden:

— mechanische, Federkonstruktionen

— Membrankonstruktionen

— Magnetkqnstruktionen.

Die erfindungsgemäße Lösung ist in die zuletzt erwähnte Gruppe einzureihen, die den gemeinsamen Vorteil hat, daß die ausschließlich auf der magnetischen Kraftwirkung beruhenden Konstruktionen auch ohne Konstruktionsteile, die einer Abnutzung besonders ausgesetzt sind und eine elastische Deformation erfahren, die gewünschte negative Weg-Druckkraft-Charakteristik realisieren können.

In den bisher bekannten Konstruktionen ist jedoch der ein ferromagnetisches Element beinhaltende Teil des beweglichen Teils im Verhältnis zum unbeweglichen Teil der Konstruktion gesondert gelagert bzw. geführt oder an dem im Verhältnis zum unbeweglichen Teil ebenfalls gelagerten oder geführten Teil fest befestigt.

Dieser Umstand kompliziert einerseits die Konstruktion, was sich in der großen Anzahl der Konstruktionsteile sowie in deren komplizierter Form bemerkbar macht und andererseits nicht die selbsteinstellende Anpassung der verwendeten beweglichen Teile an die Fühlerelemente ermöglicht. Dieses Problem wird durch Einfügen weiterer elastischer oder federnder Elemente oder durch Anwendung von eine genaue Anpassung nicht beanspruchenden HALL-Generator-Fühlerelementen beseitigt. Als Folge dieser Probleme sind die großen Abmessungen und/oder relativ hohen Kosten der bekannten Lösungen zu verzeichnen, die deren massenweise Verwendung in den modernen, kostengünstigen, jedoch in ergonomischer und ästhetischer Hinsicht anspruchsvollen Tastaturen erschweren.

Ziel der Erfindung

Mit der Erfindung sollen die Mängel des Standes der Technik beseitigt werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die magnetische Kraftwirkung zur Realisierung der Drucktastenkonstruktion mit negativer Weg-Druckkraft-Charakteristik auch derart genutzt werden kann, daß es ausreichend ist, das ferromagnetische Element des beweglichen Teils oder das dieses beinhaltende Teil nur mit dem zur Betätigung der Drucktaste dienenden und im Verhältnis zu dem unbeweglichen Teil gelagerten oder geführten Oberteil zusammenstoßen zu lassen und in einem geeignet ausgebildeten Nest des unbeweglichen Teiles derart anzuordnen, daß nur die Wandungen des Nestes dessen Bewegung mit mehreren Freiheitsgraden begrenzen. Der zwischen dem im unbeweglichen Teil angeordneten ferromagnetischen Element und dem ferromagnetischen Element des beweglichen Teiles bestehende magnetische Kreis kann eine ausreichende Magnetkraft zur Rückführung des gesamten beweglichen Teiles liefern. Bei dieser Lösung sind auch solche Ausführungsformen möglich, bei denen die Bewegungsbahn des ferromagnetischen Elementes des beweglichen Teiles derart ausgebildet ist, daß deren Anstoß an den zum Drücken der Drucktaste gehörenden Begrenzungselementen oder Anschlagsflächen des unbeweglichen Teiles absichtlich in mehreren Phasen erfolgt.

Durch geeignete Wahl des magnetischen Kreises, des Anschlagspunktes der erwähnten Anschlagsflächen des unbeweglichen Teiles, sowie des ferromagnetischen Elementes und sonstiger Teile des beweglichen Teiles, kommt das durch die Magnetkraft erzeugte Moment an verschieden langen Armen zur Geltung. In der an der Drucktaste fühlbaren Kraft-Charakteristik ist auch ein einfach realisierbarer, ergonomisch nutzbarer Sprung erzeugbar.

In diesem Konstruktionsaufbau besitzt das derart abgesonderte ferromagnetische Element des beweglichen Teiles selbsteinstellende Eigenschaften. Es kann weiterhin aus elektrisch leitendem Material bestehen, und somit können als abschließendes Element des Nestes des unbeweglichen Teiles solche steifen Flächen verwendet werden, die gleichzeitig die die Bewegung des ferromagnetischen Elementes des beweglichen Teiles erfassenden Fühlerelemente bilden bzw. tragen, wobei das elektrisch leitende, selbsteinstellende ferromagnetische Element des beweglichen Teiles gleichzeitig den beweglichen Teil des elektischen Fühlerkontaktes oder der Kapazitätsbeläge bildet.

Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß die auf der beschriebenen Erkenntnis beruhende Konstruktion die Herstellung der erfindungsgemäßen Drucktaste derart vereinfacht, daß dabei einerseits die oben erläuterten Probleme der bisher bekannten Ausführungen gelöst sind und andererseits die Anzahl der erforderlichen Konstruktionsteile verringert, sowie deren Form und Zusammenbau vereinfacht werden.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet eine gegenüber den bereits bekannten Ausführungen einfachere Konstruktion mit geringerem Platzbedarf.

Ausführungsbeispiel

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausiührungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Dies zeigt ein die Funktion der verschiedenen Ausführungsformen veranschaulichendes Konstruktionsschema.

Die erfindungsgemäß Drucktaste besteht aus einem unbeweglichen Teil 4, einer, das in dem unbeweglichen Teil 4 ausgebildete Nest, von unten abschließenden Anschlagsfläche 5 und einem beweglichen Teil. Der bewegliche Teil ist mit einem auf einer begrenzten Bahn bewegbaren Oberteil 2 und einem davon getrennten, in einem durch die Wandungen des in dem unbeweglichen Teil 4 ausgebildeten Nestes begrenzten Raum frei bewegbaren Grundteil 3 versehen.

Zwischen dem unbeweglichen Teil 4 und dem Grundteil 3 ist ein Magnetkreis derart ausgebildet, daß der unbewegliche Teil 4 ein ferromagnetisches Element 1 beinhaltet, während der Grundteil 3 aus ferromagnetischem Material gefertigt ist oder ebenfalls ein ferromagnetisches Element beinhaltet, wobei mindestens eins der ferromagnetischen Elemente durch einen Permanentmagneten gebildet wird und der Magnetkreis die zur Rückführung des beweglichen Teiles und zu dessen Haltung in der Ausgangslage erforderliche Kraft liefert.

Der Grundteil 3 der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform kann durch Anschlag mit der Druckstange des Oberteiles 2 aus seiner Ausgangslage herausbewegt werden und um den Anschlagspunkt kippen. Der Grundteil 3 preßt sich in seiner Ausgangslage gegen eine obere Anschlagsfläche 6 des unbeweglichen Teiles 4 und hält auch das Oberteil 2 in einer der Ausgangslage

Abstand zwischen den ferromagnetischen Elementen, und die magnetische Kraftwirkung verringert sich sehr schnell, was in dem Bediener ein in ergonomischer Hinsicht günstiges, dem Kippen ähnliches Gefühl hervorruft. Beim Drücken der Drucktaste nimmt der anschlagende Grundteil 3 in der Endlage eine solche Position ein, die durch die untere Anschlagsfläche 5 bestimmt wird. Wenn in den dazwischenliegenden Positionen ein Kippen des Grundteiles 3 erfolgt, wird dieses in Abhängigkeit von den Abmessungen durch den teilweisen Anschlag an der unteren oder oberen Anschlagsfläche 5,6 bestimmt. Beim Loslassen der Drucktaste bewegt die in der Endlage des beweglichen Teiles noch ausreichend große Magnetkraft das Grundteil 3 und das daran angeschlagene Oberteil 2 in Richtung zur Ausgangslage und führt diese mit bei Verringerung des Abstandes mit schnell ansteigender Kraft in die Ausgangslage zurück.

Die entstehende Weg-Kraft-Charakteristik hängt davon ab, ob die auf das Grundteil 3 wirkenden Magnetkräfte auf dem sich auf der Ausschlagsfläche des Oberteiles 2 auf dem Grundteil 3 aufstützenden Grundteil 3 ein Drehmoment erzeugen. In dem Fall, wenn die Aufschlagsfläche des Oberteiles 2 auf dem Grundteil 3 derart ausgebildet ist, daß die Resultierende aus den auf das Grundteil 3 einwirkenden Magnetkräfte und den mittels des Oberteiles 2 auf das Grundteil 3 ausgeübten Kräfte auf letzteren kein Drehmoment ausübt, bewegt sich das Grundteil 3 beim Drücken der Drucktaste parallel zu seiner Grundlage, d. h. kippungsfrei. In dem Fall, wenn die Bahn der erwähnten Aufschlagsfläche eindeutig nicht mit der Resultierenden der Magnetkräfte zusammenfällt (z. B bei asymmetrischer mechanischer Ausbildung oder Magnetfeld), wirkt auf das Grundteil 3 beim Drücken der Drucktaste ein Moment ein, das diesen kippt. Die Kippbewegung wird durch die obere Anschlagsfläche 6 bzw. das ferromagnetische Element 1 des unbeweglichen Teiles 4 begrenzt. Solange wie irgendein Punkt des Grundteiles 3 an der unteren Anschlagsfläche 5 des unbeweglichen Teiles 4 anschlägt, steht die an der Drucktaste fühlbare Kraft mit auf dem auf den oberen Anschlagspunkt bezogenen Arm mit dem auf den gleichen oberen Anschlagspunkt berechneten Drehmoment im Gleichgewicht, wobei der obere Anschlagspunkt der Punkt des unbeweglichen Teiles 4 oder des ferromagnetischen Elementes ist, der noch mit dem gekippten Grundteil 3 in Berührung steht.

Nachdem irgendein Punkt des Grundteiles 3 auf der unteren Anschlagsfläche 5 aufschlägt, erfolgt solange eine Kippbewegung des Grundteils 3 iri entgegengesetzter Richtung, bis durch Aufschlagen des Grundteiles 3 auf weitere Punkte dieser in eine vollkommen bestimmte Lage gerät. In dieser Phase hat die an der Drucktaste fühlbare Kraft einen durch die auf den Aufschlagspunkt auf der unteren Anschlagsfläche 5 berechneten Momente gekennzeichneten, sprunghaft steigenden, danach infolge der gleichzeitigen Verringerung der Magnetkräfte schnell abfallenden Wert.

Bei der oben erläuterten Ausführungsform sind auch solche Varianten möglich, bei denen die Kippbewegung, d. h. die Winkelverdrehung des Grundteiles 3 in beiden Richtungen eindeutig verschieden ist, z. B. in extremen Fällen - innerhalb der Grenzen der Ungenauigkeit der Herstellungstoleranzen - in einer Richtung gleich Null ist. In diesen Fällen verlaufen die die Endpositionen der unteren und oberen Anschläge kennzeichnenden Ebenen nicht parallel zueinander. Die Tastaturen, die die ein elektrisches Ausgangssignal erzeugenden Drucktasten verwenden, sind im allgemeinen derart aufgebaut, daß die einzelnen Drucktasten auf einer gemeinsamen Trägerplatte, insbesondere auf einer gedruckten Schaltungsplatte zusammengebaut werden. Diese Trägerplatte ist jedoch zur Gewährleistung einer entsprechenden Festigkeit mit weiteren Versteifungselementen zu versehen. Die bei der erfindungsgemäßen Lösung verwendeten Drucktasten können auch solche Ausführungsformen aufweisen, bei denen das weiche ferromagnetische Element 1 des unbeweglichen Teiles 4 als gemeinsames Element für die gesamte Tastatur ausgebildet ist und gleichzeitig als Träger- bzw. Versteifungselement dient. Es ist weiterhin eine Lösung möglich, bei der das ferromagnetische Element 1 des unbeweglichen Teiles 4 ein Permanentmagnet ist, der als gemeinsames Bauelement für mehrere Drucktasten ausgebildet ist.

Es ist weiterhin eine solche Ausführung möglich, bei der die zum unbeweglichen Teil 4 gehörende Anschlagsfläche 5 als gemeinsames Teil für mehrere Drucktasten ausgebildet ist und gleichzeitig die Fühlerelemente trägt. Vorzugsweise sind die federlosen, z. B. als gedruckte Schaltungsplatte ausgebildeten, feststehenden elektrischen Kontakte oder Kapazitätsbelege verwendbar.

Die erfindungsgemäß Drucktaste kann weiterhin derart ausgebildet sein, daß zwischen dem Oberteil 2 und dem Grundteil 3 ein Federelement angeordnet ist, wobei das Federelement am vorteilhaftesten in einem in dem zum unbeweglichen Teil 4 geführten Halsteil des Oberteils 2 geeignet ausgebildeten Hohlraum angeordnet ist. In diesem Fall wird das Grundteil 3 ähnlich zu Obigem ausschließlich durch die Magnetkräfte in der Ausgangslage gehalten, das Oberteil 2 dagegen schlägt nicht unmittelbar auf dem Grundteil 3 auf, sondern stützt sich nur über das dazwischen eingefügte Federelement auf. Ist die zum Zusammendrücken des Federelementes erforderliche Kraft kleiner als die zum Auseinanderführen der ferromagnetischen Elemente erforderliche Kraft, so drückt sich beim Drücken des Oberteiles 2 zuerst das Federelement zusammen, und das Grundteil 3 bewegt sich nur nach dem Aufschlagen des Oberteiles 2 aus seiner Ausgangslage. Danach arbeitet die Konstruktion in der gleichen Weise wie die ohne Federelement ausgebildeten Konstruktionen. Diese Lösung ermöglicht die Ausbildung solcher Konstruktionen, in denen die Funktionsweglänge des Oberteiles 2 größer als die Bewegung des Grundteiles 3 ist.

Ist jedoch die zum Zusammendrücken des Federelementes erforderliche Kraft größer als die zum Auseinanderführen der ferromagnetischen Elemente erforderliche Kraft, so arbeitet die Konstruktion beim Drücken des Oberteiles 2 in der gleichen Weise wie die Konstruktionen ohne Federe'ement, jedoch wird beim Aufschlagen des Grundteiles 3 die auf das Oberteil 7. einwirkende Aufschlagskraft gedämpft. Wenn das Oberteil 2 in einem zu seiner unteren Endlage nahen Punkt mit dem unbeweglichen Teil 4 zusammenstößt, wird auch die auf das Grundteil 3 einwirkende Kraft begrenzt.

Claims (9)

1. -1- 75517

   Patentansprüche:

   1. Drucktaste mit nichtlinearer Weg-Kraft-Charakteristik, die mit einem unbeweglichen Teil, einem durch Drücken der Drucktaste gegenüber dem unbeweglichen Teil bewegbaren Teil und einem die vorgenannte Relativbewegung ausnutzenden Fühlerelement versehen ist, gekennzeichnet dadurch, daß der bewegliche Teil mit einem auf einer begrenzten Bahn bewegbaren Oberteil (2) und einem davon getrennten, in einem durch die Wandungen eines in dem unbeweglichen Teil (4) ausgebildeten Nestes begrenzten Raum frei bewegbaren Grundteil (3) derart ausgebildet ist, daß die Bewegungsbahn des Oberteiles (2) an den Grundteil (3) anstößt und der Grundteil (3) während seiner Bewegung um die Anschlagstelle des Oberteiles (2) sowie des Grundteiles (3) kippbar angeordnet ist, wobei die Kippbewegung durch eine im Nest des unbeweglichen Teiles ausgebildete obere und untere Anschlagsfläche (6; 5) begrenzt ist, daß weiterhin zwischen dem unbeweglichen Teil (4) und dem Grundteil (3) ein die zur Rückführung und zum Festhalten des aus dem Oberteil (2) und dem Grundteil (3) bestehenden beweglichen Teiles in der Ausgangslage erforderliche Kraft erzeugender Magnetkreis derart ausgebildet ist, daß der unbewegliche Teil (4) mit einem ferromagnetischen Element versehen ist und der Grundteil (3) aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist oder ein derartiges Element beinhaltet, von denen mindestens eines der ferromagnetischen Elemente durch einen Permanentmagneten gebildet ist, wobei das ferromagnetische Element des Grundteiles (3) elektrisch leitend ist und gleichzeitig den beweglichen Teil des die Bewegungen erfassenden Fühlerelementes bildet.
2. 2. Drucktaste nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein für mehrere Drucktasten als gemeinsames Teil ausgebildetes, zum unbeweglichen Teil (4) gehörende ferromagnetisches Element (1) vorgesehen ist.
3. 3. Drucktaste nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die die Bewegung des Grundteiles (3) begrenzende, zum unbeweglichen Teil gehörende untere Anschlagsfläche (5) als gemeinsames Teil für mehrere Drucktasten ausgebildet ist und gleichzeitig die ruhenden Beläge der Fühlerelemente trägt.
4. 4. Drucktaste nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Anschlagsfläche des Oberteiles (2) und des Grundteiles (3) derart ausgebildet ist, daß die Resultierende der auf den Grundteil (3) wirkenden magnetischen Kräfte und der durch den Oberteil (2) auf den Grundteil (3) ausgeübten Kräfte auf dem Oberteil (3) kein Drehmoment erzeugt und dieser beim Drücken der Drucktaste parallel zu seiner Ruhelage bewegbar ist.
5. 5. Drucktaste nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Anschlagsfläche des Oberteiles (2) und des Grundteiles (3) derart ausgebildet ist, daß die auf den Grundteil (3) einwirkenden Kräfte und die durch den Oberteil (2) über die Anschlagsfläche auf den Grundteil (3) ein bestimmtes Drehmoment erzeugen und dieser sich beim Drücken der Drucktaste aus der Ruhelage verdreht, wobei die jeweilige Verdrehung durch die zu den Endlagen des Grundteiles gehörenden Anschlagsflächen (5; 6) des unbeweglichen Teiles (4) begrenzt ist.
6. 6. Drucktaste nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß im Innern eines mit einer äußeren Führung versehenen Halsteiles des Oberteiles (2) ein Hohlraum ausgebildet ist, in dem ein Federelement angeordnet ist, das zwischen dem beim Drücken der Taste nur nach dem Zusammendrücken des Federelementes auf dem Grundteil (3) aufschlagenden und diesen nach dem Anschlag aus der Ruhelage herausbewegenden Oberteil (2) und dem Grundteil (3) zwischengekoppelt ist.
7. 7. Drucktaste nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß im Innern des mit einer äußeren Führung versehenen Halsteiles des Oberteiles (2) ein Hohlraum ausgebildet ist, in dem ein beim Drücken der Drucktaste den Oberteil (2) vor dem Aufschlagen des Oberteiles (2) auf dem Grundteil (3) aus der Ruhelage herausbewegendes Federelement angeordnet ist, das zwischen dem im völlig gedrückten Zustand der Drucktaste auf den unbeweglichen Teil (4) aufschlagenden Oberteil (2) und dem mit durch das Federelement bestimmter Kraft auf dem unteren Begrenzungselement aufschlagenden Grundteil (3) zwischengekoppelt ist.
8. 8. Drucktaste nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß als Fühlerelement eine sich ändernde elektrische Kapazität vorgesehen ist, wobei die das Nest des unbeweglichen Teiles (4) von unten abschließende Anschlagsfläche (5) die ruhenden Beläge der Kapazitäten bildet bzw. trägt und der Grundteil (3) die beweglichen Beläge der Kapazitäten bildet.
9. 9. Drucktaste nach einem der Ansprüche 1 bis I₁ gekennzeichnet dadurch, daß als Fühlerelement elektrische Kontakte vorgesehen sind, wobei die das Nest des unbeweglichen Teiles (4) von unten abschließende Anschlagsfläche (5) die ruhenden Kontaktflächen des Fühlerelementes bildet bzw. trägt und der Grundteil den beweglichen Kontakt bildet.

   Hierzu 1 Seite Zeichnungen