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Die Erfindung betrifft einen beleuchteten kapazitiven Taster nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solcher kapazitiver Taster ist mit dem Gegenstand der
EP 1 704 642 B1 bekannt. Bei diesem Taster, der ein Bedienfeld an einem Elektrogerät bildet, ist die oberste Schicht oder Platte, die von dem Finger der Bedienungsperson betätigt wird, durchgängig elektrisch leitfähig ausgebildet ist und besteht aus einer einzigen metallischen Materialschicht.
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Demnach ist die oberste, vom Finger einer menschlichen Hand betätigte Bedienplatte unmittelbar als die eine Platte eines Kondensatoraufbaus ausgebildet. Die feststehende, gegenüberliegende Platte des Kondensatoraufbaus ist im Innenraum des Tasters angeordnet. Die obere Kondensatorplatte ist demnach ungeschützt den Umgebungseinflüssen, wie zum Beispiel Schmutzablagerungen, EMV, ESD und Feuchtigkeitsansammlungen, ausgesetzt. Ferner besteht der weitere Nachteil, dass wegen der Anordnung einer durchgängigen, metallischen Platte als obere Bedienplatte nicht die Möglichkeit besteht, in der Platte Durchbrechungen anzubringen, die als hinterleuchtete Bediensymbole ausgebildet sein könnten.
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Durch die Tatsache bedingt, dass die oberste Kondensatorplatte des Kondensatoraufbaus gleichzeitig als Bedienfeld ausgebildet ist, darf die Dicke dieser Kondensatorplatte nicht eine bestimmte Mindestdicke unterschreiten, um das Bedienfeld noch ausreichend biegesteif zu gestalten.
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Bei der bekannten Tastatur kann ein Abgleich der Kondensatoranordnung nur im elektrischen Gerät im eingebauten Zustand erfolgen, weil die Bedienoberfläche die oberste Schicht der Kondensatoranordnung ausbildet.
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Ein getrennter Abgleich und ein danach folgender Einbau in ein Gerät sind deshalb nicht möglich.
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Mit der auf den gleichen Anmelder zurückgehenden
DE 10 2008 014 443 A1 ist ein beleuchteter Taster bekannt geworden, der in einer Vergussmasse eingebettet ist. Die Beleuchtung des Tasters erfolgt dergestalt, dass die Vergussmasse selbst den Lichtleiter bildet und zugeordnete LEDs in der Vergussmasse eingebettet sind, um ein Relief-Symbol in einer Taste zu beleuchten. Nachteil dieser Anordnung ist jedoch, dass lediglich die Vergussmasse selbst als Lichtleiter dient und bei diesem Aufbau zwingend die Vergussmasse als Lichtleiter benötigt wird. Die Lichtleitung ist von der Art und Zusammensetzung sowie der Dichte der Vergussmasse abhängig.
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Die Ausbildung eines kapazitiven Tasters in dieser Technik ist zwar in der genannten Druckschrift erwähnt, nicht aber weiter ausgeführt.
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Die Verwendung eines kapazitiven Tasters lässt sich aus der
US 2012 / 0 279 843 A1 entnehmen, die die Anordnung eines solchen Tasters zwischen einer Betätigungstaste und einem Lichtleiter vorsieht. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist jedoch, dass der Taster die Ausstrahlung des Lichts an dieser Stelle hindert, so dass auf der Sichtseite der Betätigungstaste stets dunkle Flecken, bedingt durch die Kondensatorplatten, zu sehen sind.
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Die Verwendung eines kapazitiven Tasters lässt sich auch aus der
DE 10 2010 026 181 A1 entnehmen, wobei dieser von einem einseitig schwenkbar gelagerten Lichtleiterhebel betätigbar ist. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist jedoch, dass durch die Schwenkbewegung des Lichtleiters die obere Kondensatorplatte seitlich verschoben wird und der kapazitive Sensor daher nicht genau messen kann.
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Demgegenüber weist die
US 2012 / 0 217 147 A1 einen Lichtleiter auf, der senkrecht auf eine obere Kondensatorplatte wirkt. Auch hier besteht die Gefahr, dass es zu einem Versatz zwischen der oberen und einer unteren Kondensatorplatte kommt, da die obere Kondensatorplatte an dem Lichtleiter hängt, der sich bei Druckbetätigung verkanten kann.
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Der Erfindung liegt deshalb ausgehend von der
EP 1 704 642 B1 die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Taster in der Art eines kapazitiven Sensorelementes so weiterzubilden, dass die Bedienfläche hinterleuchtet werden kann und der gesamte Kondensatoraufbau in einer geschützten Umgebung angeordnet werden kann, um das Messergebnis stets gleichbleibend unabhängig von Umgebungseinflüssen zu halten.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
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Merkmal der Erfindung ist, dass eine (wahlweise metallische oder nichtmetallische) Bedienplatte auf einem Führungsrahmen durchbiegbar gehalten ist und im Körperkontakt mit einem nicht biegbaren Lichtleiter gehalten ist, wobei der Lichtleiter als Stößelelement gegen die Oberseite der oberen Kondensatorplatte des Kondensatoraufbaus wirkt, wobei die untere Kondensatorplatte im Abstand von der oberen Kondensatorplatte versenkt im Gehäuse angeordnet ist.
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Mit der gegebenen technischen Lehre wird der Vorteil erreicht, dass die eigentliche, der Durchbiegung unterworfenen Kondensatormesskammer in einem geschützten Bereich des Tasters verlegt ist und von der - nach dem Stand der Technik oberen - Bedienoberfläche in den Innenraum des kapazitiven Tasters hinein verlegt ist. Damit besteht der Vorteil, dass die obere, der Durchbiegung ausgesetzte Kondensatorplatte indirekt (und nicht mehr direkt) durch einen (bevorzugt nicht verformbaren) Lichtleiter verformt wird und der Lichtleiter als Stößelelement von der Seite der durchbiegbaren Bedienplatte her die im Innenraum versenkt angeordnete obere Kondensatorplatte betätigt.
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Damit ist man in der Wahl des Materials der Bedienplatte vollkommen frei. Sie kann aus einem beliebigen Kunststoffmaterial, Metallmaterial oder KunststoffMaterial-Verbundstoffen bestehen. Sie kann auch aus Holz oder Glas bestehen. Wichtig ist, dass diese obere Bedienplatte nicht mehr die Kondensatorplatte selbst bildet, sondern lediglich als Betätigungselement einen direkt darunter liegenden und in Körperkontakt mit der Bedienplatte befindlichen, selbst aber nicht verformbaren Lichtleiter betätigt, der in der Art eines Stößelelementes auf die durchbiegbare obere Kondensatorplatte einwirkt, die in einer geschützten Umgebung im Innenraum des Tasters angeordnet ist und die um einen definierten Durchbiegungsweg in Richtung auf die zweite, feststehende Kondensatorplatte bewegt wird.
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Damit besteht der Vorteil, dass es wegen der direkten Anordnung eines nicht verformbaren Lichtleiters an der Rückseite der Bedienplatte nunmehr erstmals möglich ist, Licht in den Lichtleiter einzubringen, um die gesamte Bedienplatte von hinten zu hinterleuchten. Dies war beim Stand der Technik nicht möglich, weil eine nicht durchbrochene Bedienplatte voraus gesetzt ist.
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Hierbei wird es bevorzugt, wenn in der Bedienplatte Relief-Symbole angeordnet sind, die zum Beispiel mit einem lichtdurchlässigen Befüllstoff befüllt sind. Bei der Hinterleuchtung leuchtet dann der lichtdurchlässige Befüllstoff im Relief-Symbol, womit ein besonders gleichmäßiger und wirkungsvoller Lichteindruck erzeugt wird.
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In einer anderen Ausgestaltung - die in den Ausführungsbeispielen jedoch nicht zeichnerisch dargestellt ist - ist vorgesehen, dass die nächst der Bedienplatte zugewandte Oberfläche des Lichtleiters (Lichtleiterplatte) den Formgebungen der Relief-Symbole angepasst ist, sodass die Oberfläche der Lichtleiterplatte den Relief-Symbolen entspricht und mit zugeordneten Vorsprüngen in die Relief-Symbole eindringt und diese ausfüllt.
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Bei dieser Ausführungsform wird das Licht, welches durch den Lichtleiter nach oben strahlt, direkt über den Lichtleiter in die Relief-Symbole eingetragen, weil die Ausnehmungen in den Relief-Symbolen selbst durch die reliefartig verformte Oberfläche des Lichtleiters gebildet sind.
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In diesem Fall kann eine Betätigung des Tasters direkt durch Druck auf den Lichtleiter erfolgen; der Lichtleiter bildet demnach die Bedienplatte aus, weil in dieser Ausgestaltung die Lichtleiteroberfläche durch die Relief-Symbole hindurch greift. Die Betätigung erfolgt dann durch direkten Druck auf den Lichtleiter.
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Damit ergibt sich eine feinfühlige Betätigung der gesamten Bedienplatte, weil man direkt auf die Relief-Symbole drücken kann und damit eine definierte, lokale Durchbiegung eines darunter angeordneten, plattenförmigen Lichtleiters erreichen kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung eines solchen kapazitiven Tasters ist deshalb eine relativ große Bedienplatte mit zum Beispiel einer Abmessung von 50 x 50 mm vorgesehen. In der Bedienplatte sind zum Beispiel vier hinterleuchtete Relief-Symbole angeordnet. Jedem Relief-Symbol ist ein kapazitiver Taster zugeordnet, der in der folgenden Beschreibung näher erläutert wird. Damit kann in einer Bedienplatte eine Vielzahl von Relief-Symbolen zugeordnet werden, und jedem Relief-Symbol ist dann ein kapazitiver Taster zugeordnet.
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Vorteil der Erfindung ist, dass wegen des geschützten Einbaus der Kondensatoranordnung im Innenraum eines Tasters nun die Möglichkeit besteht, den Innenraum vollständig mit einer Vergussmasse auszugießen. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. In einer anderen Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass dieser Hohlraum frei von Vergussmasse bleibt.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass wenn die Bedienplatte von der oberen Kondensatorplatte isoliert und elektrisch getrennt ist, weil die Bedienplatte über die Betätigung des Lichtleiters die obere Kondensatorplatte in der Art einer Durchbiegung betätigt. Damit wird die Bedienplatte elektrisch von dem Kondensatoraufbau getrennt.
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Der nach der Erfindung bevorzugt verwendete Lichtleiter besteht aus einem relativ harten Kunststoff, wie zum Beispiel einem Polykarbonat, der nicht verformbar ist. Seine Dicke beträgt etwa 2 bis 5 mm und seine Abmessungen etwa entsprechend der Größe eines Relief-Symbols, zum Beispiel mit einer Länge und Breite von etwa 10 mm.
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Mit dem vorgeschlagenen, geschützten Einbau der Kondensatoranordnung im Innenraum eines kapazitiven Tasters besteht der Vorteil, dass keine Probleme mit der Betätigung der Tastatur mit Handschuhen bestehen, und außerdem eine Befeuchtung, eine Betauung und dergleichen Störeinflüsse keine Rolle mehr spielen.
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Die eigentliche Messkammer mit den beiden Kondensatorplatten ist vom eigentlichen Bedienfeld soweit entfernt, dass überlegende Isolationseigenschaften erreicht werden und der erfindungsgemäße kapazitive Taster eine hohe Isolationsschutzklasse erfüllt.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
- 1: schematisierter Schnitt durch einen kapazitiven Taster nach der Erfindung in übertriebener auseinandergezogener Darstellung
- 2: der gleiche Schnitt wie in 1 mit einer den wirklichen Einbauverhältnissen entsprechenden Darstellung
- 3: die Darstellung nach 1 schematisiert bei der Betätigung der Bedienplatte
- 4: Schnitt gemäß der Linie IV-IV in 3
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Das Gehäuse des Tasters besteht aus einem Führungsrahmen 3, der aus Kunststoff oder Metall gebildet sein kann.
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An der Oberseite des Führungsrahmens 3 ist eine Klebeschicht 15 auf die Bedienplatte 2 aufgeklebt, die zum Beispiel eine Dicke von 0,3 bis 1 mm aufweist und aus einem beliebigen Material bestehen kann. Diese Bedienplatte 2 kann auch aus Schutzgründen mit einer Erdung 28 versehen sein, sofern sie elektrisch leitfähig ausgebildet ist.
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Die Bedienplatte 2 ist von einem Relief-Symbol 2a durchbrochen, das eine unterschiedliche Anzahl von Ausnehmungen in der Oberfläche der Bedienplatte 2 bildet, wobei diese Ausnehmungen des Relief-Symbols 2a mit einem lichtdurchlässigen Befüllstoff 1 befüllt sein können. Sie können auch unbefüllt sein.
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An der Unterseite der Bedienplatte 2 ist in einer ersten Ausführungsform ein Stößel 9 angeordnet, der aus einer Kunststoffscheibe besteht, die sich in Körperkontakt mit der Unterseite der Bedienplatte 2 und mit der Oberseite eines daran anschließenden Lichtleiters 4 befindet.
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Der Stößel 9 kann auch Teil des Lichtleiters selbst sein und - wie im allgemeinen Beschreibungsteil angegeben - kann der Lichtleiter an seiner oberen Oberseite auch eine Relief-Struktur aufweisen, die in die Ausnehmungen des Relief-Symbols 2a eingreift, sodass der Lichtleiter 4 direkt in die Ausnehmungen des Relief-Symbols 2a eingreift und dort das Relief-Symbol 2a erleuchtet.
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In einer dritten Ausgestaltung ist es möglich, dass der Stößel 9 vollkommen entfällt und die Oberfläche des Lichtleiters 4 direkt an der Unterseite der Bedienplatte 2 anliegt.
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Der Lichtleiter 4 ist in 4 näher dargestellt. Er ist ein etwa scheibenförmiges Element, welches seitliche Ohren 20 aufweist, die zu einer Verbesserung der Lichtleitfähigkeit des Lichtleiters 4 führen.
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Der Lichtleiter 4 hat eine Dicke von etwa 2 bis 5 mm und ist in der Lage, eine Lichtstrahlung 26 durch das Material hindurchzuleiten.
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Er ist im Zwischenraum im Bereich eines Bewegungsspaltes 19 eines umlaufenden Lichtleiter-Führungsrahmens 10 angeordnet. Dies ist in 4 dargestellt. Der Bewegungsspalt 19 kann mit einer Vergussmasse ausgefüllt sein oder auch nicht.
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Gemäß 2 kann an der Unterseite des Lichtleiters 4 eine Klebeschicht 13 angeordnet sein, die lichtdurchlässig ist, und die den Lichtleiter 4 in seiner Position im Innenraum 29 des Tasters fixiert.
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Obwohl dies in 2 - lediglich aus zeichnerischen Gründen dargestellt ist- , entfällt der Zwischenraum zwischen der Unterseite des Lichtleiters 4 und der Oberseite der Klebeschicht 13, weil diese unmittelbar an der Unterseite des Lichtleiters 4 anliegt.
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In einer anderen Ausgestaltung kann die Klebeschicht 13 jedoch auch vollständig entfallen, und der Lichtleichter wirkt mit seiner Unterseite direkt auf die Oberseite der elektrisch leitenden Kondensatorplatte 11, die als obere Kondensatorplatte eines Kondensatorverbundes ausgebildet ist. Die andere (zweite) Kondensatorplatte ist durch eine geätzte Kondensatorplatte 7 auf einer Leiterplatte 6 gebildet. Die Leiterplatte 6 kann noch weitere Schaltelemente tragen, wie zum Beispiel einen Mikroprozessor und andere Signalverarbeitungselemente.
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Wichtig ist, dass die Durchbiegung der Bedienplatte 2 indirekt über den Stößel 9 oder - bei Wegfall des Stößels 9 - direkt auf den Lichtleiter 4 wirkt, der damit in Pfeilrichtung nach unten bewegt wird und ein damit erzeugtes Bewegungsspiel 23 erhält und somit gleichzeitig die elektrisch leitende Kondensatorplatte 11 der oberen Kondensatorfläche in der Art einer Durchbiegung verformt. Dies ist in 3 dargestellt.
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Die Oberseite der elektrischen Kondensatorplatte liegt an der transluzenten Klebeschicht 13 an, und an der Unterseite der elektrisch leitenden Kondensatorplatte 11 ist eine Klebeschicht 13 angeordnet, die auf der Oberseite eines Abstandshalters 12 aufliegt.
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Der Abstandshalter 12 bildet die eigentliche (Kondensator-)Messkammer 22 aus, weil die Oberseite der Messkammer 22 durch die obere elektrische Kondensatorplatte 11 und der Boden durch die untere Kondensatorplatte 7 gebildet wird.
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An der Innenseite des Abstandshalters sind Lichtkanäle 14 angeordnet, die durch Löcher des Abstandshalters 12 gebildet sind, und die bevorzugt mit der lichtleitenden Vergussmasse 16 gefüllt sind.
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Auf diese Weise kann ein von LEDs erzeugtes Licht über zwei verschiedene Möglichkeiten auf den Lichtleiter 4 eingestrahlt werden.
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Auf der rechten Seite in den 1 bis 3 ist dargestellt, dass eine außen liegende LED 8 Licht durch die Leiterplatte 6 hindurch erzeugt, und auf die Vergussmasse im Lichtkanal 14 einstrahlt, der in lichtleitender Verbindung zum Lichtleiter 4 steht, und das in Pfeilrichtung 24 erzeugte Licht als Lichtstrahlung 26 in den Lichtleiter 4 einstrahlt.
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Eine andere Ausgestaltung ist in den 1 bis 3 auf der linken Seite dargestellt. Hier ist eine LED 5 auf der Oberseite der Leiterplatte 6 angeordnet (als Licht auf deren Rückseite) und strahlt in einen Lichtkanal 14 ein, der mit Vergussmasse 16 gefüllt ist, sodass auch hier das Licht in Pfeilrichtung 24 als Lichtstrahlung 26 in den Lichtleiter 4 eindringt und diesen erleuchtet.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Vergussmasse 16 entfallen, und alle mit Vergussmasse ausgefüllten Räume können auch ohne Vergussmasse auskommen.
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Dies gilt auch für die Lichtkanäle 14, die auch von Vergussmasse 16 freigehalten werden können.
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Die eigentliche Schaltkammer 17 ist jedoch mit Luft gefüllt, kann jedoch auch mit einem Dielektrikum gefüllt sein.
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Die Schaltkammer 17 wird deckenseitig durch die obere elektrisch leitende Kondensatorplatte 11 der oberen Kondensatorplatte begrenzt und bodenseitig durch die gegenüberliegende, elektrisch leitfähige Kondensatorplatte 7 der unteren Kondensatorplatte.
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Zwischen diesen beiden Kondensatorplatten 7, 11 findet eine Annäherung statt, wenn die Bedienplatte 2 mit einer Kraft F in Pfeilrichtung nach unten gedrückt wird und sich die beiden Kondensatorplatten 7, 11 annähern. Diese Annäherung wird als Veränderung der Kondensatorkapazität von einer zugeordneten, hier nicht näher erläuterten, Elektronik erfasst und ausgewertet.
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Wie bereits schon in der allgemeinen Beschreibung erwähnt, liegt der Stößel 9 - entgegen der zeichnerischen Darstellung - an der Unterseite der Bedienplatte 2 an. Deshalb ist lediglich mit einem Pfeil symbolisch eine mechanische Verbindung 27 dargestellt.
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Die Durchbiegung der oberen Kondensatorplatte 11 erfolgt in Pfeilrichtung 21 gemäß 3.
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Wie bereits erwähnt, kann der Abstandsraum 25 zwischen der Unterseite der Bedienplatte 2 und der Oberseite des Lichtleiters 4 mit einer Vergussmasse gefüllt sein; er kann jedoch auch vollkommen entfallen.
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Die 4 zeigt den Schnitt gemäß der Linie IV-IV in 3, wo erkennbar ist, dass auf der etwa scheibenförmigen Oberfläche des Lichtleiters 4 ein rund ausgebildeter Stößel 9 aufsitzt und zur besseren Lichtleitung der Lichtleiter 4 noch seitliche Ohren 20 aufweist. Der gesamte Lichtleiter 4 sitzt in einer zugeordneten Ausnehmung (Bewegungsspalt 19) im Zwischenraum zwischen dem Lichtleiter-Führungsrahmen 10.
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Die elektrisch leitende Kondensatorplatte 11 besteht bevorzugt aus einer Kunststofffolie, die entweder mit leitfähigem Material bedruckt wird oder vollflächig bedampft ist.
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Damit wird erreicht, dass eine sehr dünne Kondensatorplatte eine hohe Durchbiegung erreicht, weil das Bewegungsspiel 23 in diesem Bereich etwa 3 bis 4 Mykrometer beträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Befüllstoff
- 2
- Bedienplatte
- 2a
- Reliefsymbol
- 3
- Führungsrahmen
- 4
- Lichtleiter
- 5
- LED
- 6
- Leiterplatte mit Mikroprozessor
- 7
- geätzte Kondensatorplatte, Kondensatorplatte
- 8
- reverse LED
- 9
- Stößel
- 10
- Lichtleiter-Führungsrahmen
- 11
- elektrisch leitende Kondensatorplatte, Kondensatorplatte
- 12
- Abstandshalter
- 13
- Klebeschicht (transluzent)
- 14
- Lichtkanal
- 15
- Klebeschicht
- 16
- Vergussmassen (transluzent)
- 17
- Schaltkammer
- 18
-
- 19
- Bewegungsspalt (von 10)
- 20
- Ohr (von 4)
- 21
- Pfeilrichtung
- 22
- Messkammer
- 23
- Bewegungsspiel
- 24
- Pfeilrichtung
- 25
- Abstandsraum
- 26
- Lichtstrahlung
- 27
- mechanische Verbindung
- 28
- Erdung
- 29
- Innenraum
