DE2138172A1 - Auf beruehrung ansprechender elektrischer schalter - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR. W. SCHALK · DIPL.-ING. P. WlRTH - DIPL.-ING. G. DANNENBERG DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WEiN HOLD · DR. D. GUDEL

6 FRANKFURT AM MAIN CK. ESCHENHEIMER STRAfSE 39

29. Juli 1971 Case 3076-1

^Da/^ls MAGIC DOT, INC.,

40 Washington Avenue, South, Minneapolis, Hennepin, Minnesota, USA

Auf Berührung ansprechender elektrischer Schalter

Die Erfindung bezieht sich auf elektronisches Schalten und betrifft insbesondere eine Vorrichtung, bei welcher der Hautwiderstand oder ein vergleichbarer Widerstand, von Hand betätigt, dazu dient, ein bestimmtes Schaltphänomen an den Ausgangsklemmen eines elektronischen Kreises zu erzeugen.

Die bisher bekannten, von Hand betätigbaren Schalter, beruhen im allgemeinen auf dem mechanischen Prinzip, zwei elektrische Leiter in physischen Kontakt zu bringen, um dadurch einen Stromkreis zu schließen, durch den elektrischer Strom fließen kann. Wegen der mechanischen Natur dieser bekannten Schalter sind diese dem Verschleiß und eventuellem Versagen ausgesetzt, als Folge wiederholter Betätigung der beweglichen Teile, Materialübertragung vom einen Kontakt auf den anderen in Folge vom Stromfluß in einer Richtung, Lochfraß, Korrosion sowie Verschmutzung in Form von angesammeltem Staub, Schmutz und chemischen Oxyden, die durch die Wechselwirkung zwischen dem Kontaktmaterial und der umgebenden Atmosphäre entstehen.

In einem Versuch, diese bei mechanischen Schaltern auftretenden Schwierigkeiten zu vermeiden, sind auf Berührung

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ansprechende Schalter vorgeschlagen worden, welche die Körperkapazität bzw. den Hautwiderstand verwenden. Bekannte Schalter von dieser Art sind jedoch entweder sehr kompliziert und kostspielig in der Herstellung oder aber gefährlich, weil die zu ihrer Betätigung erforderlichen Spannungen unerwünscht hoch liegen, weshalb diese. Schalter entweder als unpraktisch oder aber als nur in solchen Fällen gerechtfertigt angesehen werden, wo hohe Kosten nicht ausschlaggebend sind. Es besteht daher'ein Bedürfnis an einem auf Berührung ansprechenden Schalter, der hohe Empfindlichkeit mit Sicherheit vereint und dabei für wirtschaftliche Massenherstellung geeignet ist. Ein solcher Schalter würde einen weiten Anwendungsbereich finden zur Verwendung bei Komputerausgängen, Schreibmaschinentastaturen, Rechentastaturen, Schalttafeln und solchen anderen Verwendungsarten, welche die Einspeisung von Daten über eine primäre Grenzflächen-Schaltereinheit erfordern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, auf Berührung ansprechenden Schalter zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, für einen solchen Schalter ein* iia besonderer Weise geformtes,Elektrodenpaar zu | verwenden, das mit einem Verstärker von hohem Verstärkungsgrad gekoppelt ist.

Diese und andere Ziele der Erfindung werden gemäß einer ersten Ausführungsform dadurch erreicht, daß als zu betätigendes Schaltereleraent ein Elektrodenpaar verwendet wird, das eine erste zentral angeordnete Elektrode aufweist, die von einer vorzugsweise konzentrischen und im wesentlichen kreisförmigen zweiten Elektrode umgeben ist, die in Längsrichtung gegenüber der ersten Elektrode versetzt ist, so daß das Elektrodenpaar im wesentlichen der Kontur des Pingers eines Benutzers entspricht. Venn der Benutzer die beiden Elektroden berührt, entsteht ein endlicher Widerstandsweg zwischen den • beiden Elektroden und dieser Zustand wird durch die Verwendung

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eines Stromverstärkers hoher Verstärkung festgestellt, dessen Endstufe -Sättigung oder annähernd Sättigung selbst dann erreicht, wenn ein relativ hoher Widerstand die beiden Elektroden überbrückt und der Eingangsstufe des Verstärkers einen Strom geringer Stärke zur Verfügung stellt. Ist dagegen der Widerstand zwischen den Elektroden im wesentlichen bzw. praktisch unendlich, so daß kein Strom der Eingangsstufe des Verstärkers zugeführt wird, So ist dessen Endstufe abgeschaltet. Es kann somit ein Belastungswiderstand durch die Endstufe des Verstärkers in Abhängigkeit von den Unterschieden des Wideretands zwischen den beiden Elektroden angetrieben werden _t wenn diese durch ,galvanischen Hautwiderstand überbrückt oder nicht Überbrückt sind.

Die Erfindung sowohl hinsichtlich ihres Aufbaus als ihrer Arbeitsweise ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigen:

Fig. 1 perspektivisch eine Ansicht einer Schalteranordnung nach der Erfindung, welche die Anordnung der inneren und äußeren Elektrode und des Gehäuses in spezieller Anpassung an eine gedruckte Schaltungstafel zeigt;

Fi£. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1ί

Fin· 3 eine etwas abgewandelte physikalische Ausgestaltung des Gehäuses, die dieses insbesondere für Panelmontage geeignet macht;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 3, welche außerdem die Art zeigt, in der die dem Elektrodenpaar zugeordnete elektronische Schaltung innerhalb des Gehäuses untergebracht werden kann;

Fi/{. 5 eine schematische Schaltung eines im wesentlichen richtunrbetr-ie'borien Darlington-Verstärkers, der

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eine geeignete Verstärkung ergibt, um den durch Überbrücken der Elektroden mit galvanischem Hautwiderstand ausgelösten Schaltvorgang durchzuführen; und

Fig.6 eine schematische Schaltung für einen etwas abgewandelten Darlington-Stromkreis , der höhere Spannung an das Elektrodenpaar legt, um Sättigung der Endstufe des Verstärkers zu gewährleisten.

In der Zeichnung Fig. 1 und 2 ist ein aus beliebigem, geeignetem und dauerhaftem Isoliermaterial hergestelltes Gehäuse 1 gezeigt, wie es zweckmäßig in Verbindung mit einer gedruckten Schalttafel 2 Verwendung finden kann. Eine Staubdichtung 3 aus Schaumgummi od. dgl. ist zwischen einem Flansch 4 des Gehäuses 1 und einer Platte 5 angebracht, durch die hindurch das Gehäuse 1 sich erstreckt, um für eine Betätigung von Hand zugänglich zu sein.

Wie insbesondere Fig. 1 zeigt, weist das Elektrodenpaar hier eine zentrale Elektrode 6 und eine ringförmige Elektrode 7 auf, die konzentrisch zur"Elektrode 6 angeordnet ist, aber sich in Längsrichtung aufwärts Über das oberste Ende der Elektrode ' hinaus erstreckt. Die Elektroden 6 und 7 sind voneinander getrennt und in ihren relativen Stellungen durch einen Isolierring 8 gehalten. Aus Flg. 2 ist ersichtlich, daß der Isolierring 8 die Gestalt eines hohlen Zylinders hat, der eine Kammer 9 enthält, in welcher die elektronischen Komponenten des Verstärkers hoher Verstärkung untergebracht werden können, wie weiter unten noch näher beschrieben ist. Ein Paar von Hohlleitern 10 ist im unteren Teil des Gehäuses 1 eingebettet und bildet eine Verbindung zu der Kammer 9· Diese Hohlleiter 10 gestatten es, ein Paar von elektrischen Leitungen aus der Kammer 9 zur unteren Seite der gedruckten Schalttafel 2 zu führen, wo sie in der üblichen Weise angelötet werden können. Das Lötmittel haftet auch an den Hohlleitern 10, um durch

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Befestigung des Schaltsystems an der Tafel 2 einen gewissen Grad mechanischer Festigkeit zu schaffen.

Fig. 3 und 4 zeigen eine etwas abgewandelte Ausführungsform des Gehäuses, das für Panelmontage besonders geeignet ist. Ein Halteklip 11 dient dazu, das Gehäuse 12 fest gegen das Panel 13 zu drücken. Natürlich kann statt des Klips 11 auch eine Schraubennutter verwendet werden, falls_der untere Teil des Gehäuses entsprechend mit Außengewinde versehen ist oder auch eine geeignete andere Art der Lagerung des Gehäuses 12 an dem Panel 13.

Der Querschnitt der Fig. 4 zeigt einen gekapselten Gleichstromverstärker 14 hoher Verstärkung innerhalb der Kammer 15 des Gehäuses 12. Die Kammer 15 ist mit Vergußmasse gefüllt, um der Anordnung Festigkeit zu verleihen und gleichzeitig Schutz gegen Verunreinigungen oder andere Zerstörungen, die sich bei längerem Einwirken der Atmosphäre ergeben könnten. E;Ln Strombegrenzungswiderstand 16 ist zwischen die mittlere Elektrode und eine der Eingangsklemmen des Verstärkers 14 eingeschaltet.

Die ringförmige Elektrode 7 ist unmittelbar an die zweite Eingangsklemme des Verstärkers 14 angeschlossen. Ein Paar von Leitungen 17 dient als Ausgangsklemmen zum Anschluß einer äußeren Belastung und einer äußeren Energiequelle, wie weiter unten anhand der Schaltungen der Fig. 5 und 6 näher erläutert ist.

In Fig. 5 ist ein Darlington-Verstärkerkreis gezeigt, der an das Elektrodenpaar 6 und 7 sowie an eine äußere, durch die Batterie 20 dargestellte Gleichstromquelle niedriger Spannung und eine auf Strom ansprechende, durch die Impedanz bzw. den Widerstand 21 dargestellte,Belastung angeschlossen ist. Die von der gestrichelten Linie 22 umschlossenen Elemente befinden sich in der Kammer 9 der Fig. 2 oder der Kammer 15 der

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Fig. 4. Aus Fig. 5 ergibt sich, daß nur zwei Leitungen aus der Kammer nach außen zu führen brauchen, nämlich die negative Leitung von der Energiequelle 20 zur Emitterelektrode des Transistors Q2 und eine weitere Leitung, die dem einen Ende der Belastung 21, den Kollektorelektroden beider Transistoren Q1 und Q2 sowie der Ringelektrode 7 gemeinsam ist.JBei Betrieb ergibt sich, daß bei im wesentlichen unendlichem ' Widerstand an den Elektroden 6 und 7 kein Strom zwischen den Elektroden fließt und beidenTransistoren Q1 und Q2 abgeschaltet sind, so daß praktisch kein Strom durch die Belastung 21 fließt. Angenommen, die Energiequelle 20 liefert nominell 5 Volt und die auf Strom ansprechende Belastung 21 hat einen nominellen Wert von 500 Ohm, so würde gefunden, daß eine leitende Verbindung in der Größe von 10 Megohm zwischen den Elektroden 6 und 7 einen ausreichenden Stromfluß zur Basiselektrode des Verstärker-Eingangstransistorg Q1 gestattet, um den Ausgangstransistor Q2 auf Sattigungsstrom oder sehr nahe an diesen heranzubringen. Da sich gezeigt hat, daß der galvanische Hautwiderstand zwischen 20 Kilohnj und 10 Megohm variieren kann, ist einzusehen, daß der durch die Belastung 21 fließende Strom von praktisch Null auf den vollen nominellen Wert geschaltet werden kann, indem man eine Pingerspitze so auf düe Elektroden 6 und 7 setzt, daß diese überbrückt werden. Die grundlegende Arbeitsweise des in Fig. 5 gezeigten Darlington-Verstärkers hoher Verstärkung 1st allgemein bekannt und braucht hier nicht näher erläutert zu werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß eine typische Stromverstärkung für solch· eine Anordnung im Bertich zwischen 20 000 und 100 000 liegen würde. Wie oben kurse erwähnt wurde, dient der Widerstand 16 im Stromkreis zum Begrenzen des Grundstroms zum Transistor Q1 auf einen Sicherheitawert für den Fall, daß die Elektroden 6 und 7 durch einen metallischen Leiter od. dgl. unmittelbar kurzgeschlossen werden sollten. Mit Transistoren hoher Ausbeute, beispielsweise den unter der ' Bezeichnung 2N3904 erhältlichen, in Verbindung mit einer. Energiequelle von 5 Volt und einer Belastung ¥on 500 Ohm

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kann der Widerstand 16 einen Wert von 1000 Ohm haben, um den Transistor Q1 angemessen zu schützen.

Während die Schaltung nach Fig. 5 für die meisten Anwendungs gebiete vollkommen zufriedenstellend ist, zeigt Fig. 6 eine etwas abgewandelte Schaltung für erhöhte Empfindlichkeit. Das Ergebnis der in Fig» 6 gezeigten direkten Reihenschaltung der auf Strom ansprechenden Belastung 21 mit dem Transistor Q2 ist ein höherer Spannungsabfall zwischen den Elektroden 6 und 7. Daher ergibt der gleiche Widerstand bei überbrückung der Elektroden 6 und 7 in Fig. 6 einen etwas höheren Basisstrom für den Transistor Q1 als bei der Schaltung der Fig. 5. Ein zusätzlicher Widentand 25 kann wahlweise vorgesehen werden, um die Spannung 2u begrenzen, welche der Benutzer im Fall eines Versagens der Energiequelle ausgesetzt wäre, wodurch sich sonst eine hohe Spannung an den Elektroden 6 und 7 ergäbe. Solch ein Versagen könnte in Form eines Kurzschlusses in der Primär- oder Sekundärwicklung eines (nicht gezeigten) Transformators für die Energiezufuhr auftreten, wodurch der Benutzer ohne den Widerstand 23 der vollen Leitungsspannung ausgesetzt wäre.

Die Darlington-Schaltungen nach Fig. 5 und 6 stellen nur beispielsweise Ausführungsformen von im Rahmen der Erfindung verwendbaren Stromkreisen hoher Verstärkung dar. Auch ist für den Fachmann ersichtlich, daß für Anwendungsgebiete sehr hoher Empfindlichkeit drei Verstärkerstufen statt der hier gezeigten zwei Stufen erforderlich sein können. Die stromabhängige Belastung 21 kann jede für die gewünschte Schaltfunktion erforderliche Form annehmen. So kann die Belastung 21 eine Relaisspule oder anschließende elektronische Schaltkreise von hohem Niveau enthalten, sowie auch Lese- oder Ausgabeeinrichtungen wie eine Glühlampe, die vorzugsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet wird, welches der Lagerung der Elektroden Ci und 7-dient, die mit einer elektronischen Baugruppe verwendet.werden sollen, die eine Einschalt-Ausschalt on (pushon - pushoff response), Verriegelung durch

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Haitestrom usw. zusätzlich zur normalen momentanen Betätigung gestatten die mit einer einfachen, auf Strom ansprechenden, Belastung 21 erzielt wird. Auch ist es für den Fachmann auf dem Digitalgebiet ohne weiteres möglich, einen ffiultibitalphanumeriechen Code als Reaktion auf eine Änderung des Zustande« der Endstufe des Verstärkers hoher Verstärkung zu achaffen.

Zurückkommend auf Fig.' 1 -* 4 ist es wichtig, die Bedeutung der Formgebung und Anordnung der mittleren Elektrode 6 und der Ringelektrode 7 relativ zueinander zu erkennen. Wenn es möglich wäre, die mittlere Elektrode 6 zu berühren, ohne vorher die äußere Elektrode 7 zu berühren, würde die normale, im Körper des Benutzers induzierte Wechselspannung bewirken, daß der Schalter mit der Wechselfrequenz,für die 60 Hertz typisch sind, ein- und ausgeschaltet würde. Deshalb ist die mittlere Elektrode 6 gegenüber dem Niveau der ringförmigen Elektrode 7 nach unten versetzt, um deren zuverlässigen Kontakt mit dem Finger des Benutzers zu gewährleisten, bevor die mittlere Elektrode 6 berührt wird. Durch die erste Berührung mit der äußeren Elektrode 7 wird die induzierte Wechselspannung harmlos geerdet und sobald der Finger die mittlere Elektrode 6 berührt, ein Gleichstromweg hergestellt. Bei der Verwendung für Tastaturen und allgemeine Schaltvorgänge kann es wichtig sein, einen bestimmten Schwellenwert für die Berührung zu schaffen» Ein solcher Schwellenwert kann dadurch eingestellt werden, daß die Tiefe der mittleren Elektrode 6 gegenüber der Außenfläche der ringförmigen Elektrode 7 geändert wird; denn je tiefer die Elektrode 6 gegenüber der Elektrode 7 liegt, umso stärker muß die Kraft sein, um beide Elektroden in Berührung mit der Fingerspitze zu bringen. Außerdem kann durch eine halbkugelförmige Form an der mittleren Elektrode 6, wie in Fig. 4 gezeigt, und durch einen unzugänglichen vertikalen Teil der ringförmigen Elektrode 7 verhindert werden, daß Salze und · andere bei wiederholter Berührung der Schalter mit den Fingern abgelagerte Verunreinigungen eine leitende Verbindung

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herstellen, durch die eine ungewünschte Betätigung des Schaltersystems hervorgerufen werden könnte,

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Elektrische Schalteranordnung mit zwei leitenden Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (6) von der zweiten Elektrode (7) umgeben ist; daß ein Gleichstromverstärker (14) hoher Verstärkung mit Eingangsklemmen und einer Ausgangsstufe vorgesehen ist, welche mit einer auf Gleichstrom ansprechenden Belastung (21) gekoppelt ist; und daß die beiden Elektroden (6, 7) mit den Eingangskiemmen des Verstärkers (14) leitend verbunden sind, so daß ein geringer, zwischen der ersten und der zweiten Elektrode fließender Gleichstrom einen entsprechend starken Strom durch die auf Gleichstrom ansprechende Belastung hervorruft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche, der ersten leitenden Elektrode (6) in Längsrichtung bzw. axial gegenüber der Oberfläche der zweiten leitenden Elektrode (7) zurückversetzt ist,

Patentanwi

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