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Taste zur Erzeugung elektrischer Signale mit einer 1)ruckpunktauslösung
I3ie Erfindung betrifft eine Taste zur Erzeugung elektrischer Signale mit einer
Druckpunktauslösung, bestehend.aus einem Taste körper, einem Tastenknopf, einem
unter Federkraft stehenden Wastenstößel, einem magnetisch erregbaren, elektrischen
SchalteNlament und einem magnetischen Sprungschaltwerk, welches einen von dem Tastenknopf
entkoppelten schaltmagneten aufweist, der in Ruhestellung an einer magnetisch leitfähigen
Platte haftet und bei Tastenbetätigung von ihr lösbar ist0 Bei der Entwicklung und
Verbesserung von Datenverarbeitungsanlagen wird insbesondere auch der Schnittstelle
Mensch-Maschine, und damit der Tastatur für die Eingabe von Daten, große AuSmerksamkeit
gewidmet. So sind bereits eine Unmenge von Tasten in den verschiedensten Ausführungen
entwickelt worden, die zur Lösung unterschiedlichster Aufgaben mit mehr oder weniger
Erfolg zum Einsatz kommen. Aufgrund der Tatsache, daß das Bedieungspersonal für
Datenverarbeitungsanlgen durch Schulung mit den Anlagen wohl vertraut gemacht werden
kann, die Bedienweise Jedoch in Jedem Falle auch von der körperlichen bzwO Charakterlichen
Eigenschaft des einzelnen abhängt, besteht die Tendenz in der Weiterentwicklung,
diese Anlagen in bezug auf die unterschiedliche Bedienweise der Tastatur möglichst
weitgehend unempfindlich zu machen.
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So sind beispielsweise Tasten zur Eingabe von Daten entwickelt worden,
die Fehlfunktionen, wie z.B. Doppelauslösungen aufgrund des Prellens der Kontakte
infolge unsicherer Betätigung den Tasten vermeiden sollen Das wird dadurch erreicht,
daß der Schaltvorgang von der 3edienweie der Taste entkoppelt wird.
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Bekannt ist eine Taste dieser Art, die mit einem magnetischen Sprungschaltwerk
ausgerüstet ist. An einer ersten Haftplatte haftet ein mit einem äagnetstößel verbundener
Permanentmagnet Dieser Magnetstößel steht über eine energiespeichernde Druckfeder
mit einem federnd angeordneten Tastenknopf in Wirkverbindung. Bei Betätigung des
Tastenknopfes nimmt die kinetische Energie der Energiespeicher-Feder zwischen fastenknopf
und Magnetstößel so lange zu, bis ein am Tastenknonf angearbeitetcr Rand auf einem
Ansatz des Magnetstößels aufliegt und durch weiteren Druck der Permanentmagnet von
der ersten Haftplatte abreißt und gegen eine zweite Haftplatte springt0 Aufgrund
dieser Bewegung wird durch den Magnetstößel ein Schaltstößel bewegt, der auf diesem
Wege ein mechanisches Schaltelement betätigt. Das Abreißen des Magneten von der
Haftplatte nach einem bestimmten Weg des Tastenknopfes stellt eine Druckpunktauslösung
dar, die dem Bedienenden eine taktile Rückwirkung vermittelt. Eine weitere Druckfeder
steht mit dem Schaltstößel derart in Wirkverbindung, daß nach dem Verschwinden der
Betätigungskraft die Schalt- und Sprungwerkteile selbsttätig in die Ausgangsstellung
zurückkehren.
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Nachteilig ist bei dieser als Endschalter verwendeten Anordnung, daß
eine mechanische Betätigung eines Schalt elementes durch den Magnetstößel über den
Schaltstößel vorliegt und der Permanentmagnet nur die Aufgabe hat, eine Druckpunktauslösung
zu bewirken. Da er in seiner Schaltstellung wiederum an einer Haftplatte haftet,
wird ein zusätzliches Riltsmittel in Form einer Druckfeder benötigt, um ihn in seine
Ausgangsstellung zurückzuführen. Dieses Schaltwerk bietet nicht die Sicherheit,
daß nach erfolgter Druckpunktauslösung auch wirklich ein Schaltvorgang zusgeführt
wird. Ein unvollständie ausgeführter Tastwenhub, bei dem im Moment der Druckpunktauslößsung
plötzlich ein Nach-'lassen der Betätigungskraft eintritt, könnte ein Zurückschnellen
des Schaltmagneten zur Folge haben, bohne daß eine Betätigung des Schaltelementes
erfolgt ist, denn der Schaltmagnet muß stich je
gegen die Kraft
einer Druckfeder bewegen. Zwischen Druckpunkt und Schaltpunkt liegt also eine indiferente
WEgspanne, deren Größe von den Toleranzen der Druckfedern und der Feldstärke des
Magneten abhängt. Schließlich ist die harte Druckpunktauslösung ein weiterer Nachteil.
Diese Druckpunktauslösung geschieht nach Anlage des Tastenknopf-Randes am Magnetstößel-Ansatz,
wobei die Haftkraft des Schaltmagneten unmittelbar überwunden werden muß.
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Bekannt ist eine weitere Taste zur Eingabe von Daten die ebenfalls
mit einem magnetischen Sprungschaltwerk ausgerüstet ist und aus einem Tastengehäuse,
einem Tastenknopf und einem rohrartigen Tastenstößel besteht Das magnetische Sprungschaltwerk
wird gebildet durch einen an einer Eaftplatte anliegenden ringförminen Permanentmagneten.
der von dem Tastenstößel völlig entkoppelt ist, und einer unter Federdruck stehenden
ringförmigen Druckplatte, die der Rastplatte gegenüber beweglich angeordnet ist
und in deren Mitte ein Schaltstift von unten hineinragt0 Das Schaltelement wird
durch einen Schutzgaskontakt dargestellt, welcher an der Unterseite des Tastengehäuses
angebracht ist.
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Der Tastenstößel reicht durch den Permanentmagneten'bindurch bis auf
die Druckplatte, so daß bei Tastenbetätigung die Druckplatte in Richtung gegen die
Druckfeder bewegt wird. Dabei schieben sich Druckplatte und Tastenstößel über den
Schaltstift, bis eine am Tastenstößel angeordnete Hülse auf den Permanentmagneten
aufliegt, Wird der Druck auf dem Tastenknopf noch weiter gesteigert, dann erfolgt
der. Abriß des Permanentmagneten von seiner Haftplatte. Dabei springt er gegen die
Druckplatte und schiebt sich über den freigewordenen Schaltstift0 Dieser leitet
den magnetischen Kraftfluß auf den Schutzgaskontakt, welcher dadurch einen Schaltvorgang
ausführt. Wenn der Betätigungsdruck auf den Tastenknopf nac-hläßt, dann wird der
Schaltmagnet
durch die Druckfeder mit Hilfe der Druckscheibe wieder
in seine Ausgangsstellung zurückgeführt.
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Auch bei dieser Taste kann als Nachteil die harte Druckpunktauslösung
angesehen werden. Ein weiterer Nachteil ist, daß auch bei dieser Taste zwischen
Druckpunkt und Schaltpunkt eine indifferente Wegspanne liegt, deren Größe von den
Toleranzen der Ansprecherregung des Schaltelementes und der Feldstärke des Magneten
abhängt. Wenn im Augenblick der Druckpunktauslösung der Tastenbetätigungsdruck weggenommen
wird und nunmehr die unter Federdruck stehende Druckplatte sofort in ihre Ausgangsstellung
zurückkehrt, dann drückt sie dabei den Permanentmagneten wieder gegen die Eaftplatte,
so daß kein 3chaltvorgang ausgelöst wird Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Taste zu schafen.
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die eine weiche und dennoch gut gpurbars Druckpunktauslösung als taktile
oder kinästhetische Rückwirking auf den Bedienenden aufweist Dabei soll zusätzlich
durch eine völlige Entkopplung des Schaltvorganges von der Betätigung die Beseitigung
der indifferenten Wegspanne des Sprungschaltwerkes erreicht werden.
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so daß nach Überwindung des Druckpunktes absolut kein Einfluß mehr
auf den Schaltvorgang ausgeübt werden kann und dieser in Jedem Falle mit der höchsten
Sicherheit abläuft.
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Gelöst wird die gestellt Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß zwischen
dem Tastensto-ßel und einem mit dem Schaltmagneten in Wirkverbindung stehenden Magnetstößel
eine Druckfeder als Energiespeicher angeordnet ist, die bei Tastenbetätigung den
Abriß des Schaltmagneten von der magnetisch leitfähigen Platzte bewirkt, und daß
der Hub des Schaitmagneten derart begrenzt ist, daß er durch seine eigene Magnetkraft
aus der Schaltstellung in die Ruhestellung zurückkehrt.
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Die weitere vorteilhafte Ausgestaltung dieser erfindungsgemäßen Taste
ist den Unteransprüchen zu entnehmen. Durch diese Taste ist eine Umsetzung der mechanischen
Tastenbetätigung in ein elektrisches Signal sicher und unabhängig von der Art und
Weise der Betätigung möglich. Die elektrische Schaltfnnktion ist von der Tastenbetätigung
vollkommen entkoppelt und wird bei Erreichen des Punktes, wo den Bedienenden eine
takt Rückwirkung vermittelt wird, selbsttätig und unbeeinflußbar ausgeführt.
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Nach Lösung des Schaltmagneten von der magnetisch leitfähigen Platte
verschiebt sich das magnetische Kraftpotentiel zum größten Teil in Richtung auf
das Schaltelement. Nur ein kleiner Streufluß erhält eine ausreichende Wirkverbindung
mit der Platte aufrecht, so daß der Schaltmagnet durch eigene Kraft seine Ausgangsstellung
wieder erreicht und somit zusätzliche Mittel zur Rückführung nicht nötig sind. Es
liegt hiermit eine Taste vor, deren Vorzüge auch in der Unkompliziertheit des Aufbaues,
der aus wenigen und einfachen Einzelteilen besteht, zu suchen sind Nachstehend soll
die Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiel mit bezug auf die
zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden.
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Es zeigen: Fige 1 ein Ausführungsbeispiel einer erf indungsgemäßen
Taste, Fig. 2 eine Einzelheit der Taste nach Fige 1 in anderer Ansicht, Fig. 3 ein
Schaltdiagramm, Fig. 4 ein erstes Kraft-Weg-Diagramm und
Fig. 5
ein zweites Kraft-Weg-Diagramm In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Taste dargestellt. In einem Tastenkörper 4 ist ein Tastenstößel 1 axial beweglich
angeordnet, in dessen Hohlrau 11 ein magnetisch nicht leitfähiger Magnetatoßel 3
ebenfalls axial beweglich eingesetzt ist, der sich durch eine Speicherfeder 2 in
Form einer Druckfeder gegen die Oberkante des Hohlraums 11 des Tastenstößels 1 abstößt.
Nach unten ist ein Innenraum 12 der Taste durch eine Grundplatte 8 aus unmagnetischem
Material abgedeckt. Auf dieser Grundplatte 8 ist eine Druckfeder als Rückstellfeder
5 angeordnet, die den Tastenstößel 1 in seiner oberen Ausgangsstellung halt. In
diese Grundplatte 8 ist zum Innenraum 12 hin eine rechteckige Haftplatte 6 aus weichmagnetischem
Material eingelassen, in die eine rechteckige Ausnehmung 13 eingearbeitet ist (siehe
auch Fig. 2), Unterhalb dieser Haftplatte 6 befindet sich in der Grundplatte 8 eine
Ausarbeitung, die für einen stabförmigen Schaltmagneten 7 als Schaltraum 14 dient
und nach unten eine Trennwand 15 aufweist.
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An der Grundplatte 8 sehließt sich eine Leiterplatte 9 an, die außer
einer bedruckten Schaltung direkt unterhalb des Schaltraumes 14 der Grundplatte
8 ein Langloch 16 lt, in welches ein magnetisch erregbares Schaltelement 10 in Form
eines Reed-Kontaktes angeordnet ist.
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In der Ruhestellung wird der Tastenstößel 1 durch die Vorspannung
der Rückstellfeder 5 gegen den oberen Anschlag der Tastenstößelführung am Tastenkörper
4 gedrückt.In dieser Position haftet der Schaltmagnet 7 an der Eaftplatte 6 aus
weichmagnetischem Material, so daß der flagnetrluß über die Haftplatte 6 praktisch
kurzgeschlossen i3ta Der verbleibende Streufluß dea haft enden Schaltmagneten 7
winter Berücksichtigung des Abstandes zwischen Schaltmagnet 7 und Schaltelement
10 bleibt erheblich
kleiner als für die Abfallerregung und zur Ansprecherregung
des Schaltelementes 10 erforderlich ute Anhand der in Fig. 3, 4 und 5 dargestellten
Diagramme soll nun die Funktion der Taste nach Fig. 1 erklärt werden. Bei Druck
auf den Tastenstößel 1 bewegt sich dieser gegen die Federkraft der Rückstellfeder
5 und gegen die Federkraft der Speicherfeder 2, die sich auf dem Magnetstößel 3
und dieser wiederum auf dem an der Haftplatte 6 haftenden Schaltmagneten 7 abstützt.
Der Hubberich des Tastenstößels 1, der möglich st, ohne daß ich der Scha1eet 7 11s
eer e e, stellt den Vorlaufweg 17 der. In Fig. 4 ist eine Kraft-Weg-Kennlinie 20
des Tastenstößels 1 aufgezeichnet, dere erster Teil den Vorlaufweg 17 darstellt,
welcher aus der Addition der beiden Federkannlinein 21 und 22 zu der Speicherfeder
2 und der Rückstellfeder 5 resultiert. Diese proportionale Beziehung bleibt bestehen,
bis auf dem Vorlaufweg 17 die Federkraft der Speicherfeder 2 einen Wert ereicht,
der die Haftkraft des Schaltmagneten 7 überschreitet. Dieser Punkt ist der Durckpunkt
18, wo der Schaltmagnet 7 abreißt und durch die in der Speicherfeder 2 gespeicherte
Energie von der Haftplatte 6 entfernt und dem Schaltslement 10 angenäher wird Da
der Schaltmagnet 7 nicht mit dem X stößeld 3 verbunden ist und auch keiner kraft
eines Rückführmittels unterliegt, sich also völlig frei im Schaltraum 14 bewegt,
kann nach dem losreißen von der Haftplatte 6 kein Einfluß auf diesen ausgeübt werden.
Selbst ein Zuräckgehen des Tastenbetätigungsdruckes auf Null würde einen Schaltvorgang
durch den Schaltmagneten 7 nicht verhindern0 Während nun die Kraft des Schaltmagneten.
7 auf dem Schaltweg annähernd mit dem Qusdrat des Abstandes von der Haftplatte 6
abnimmt, hat die Speicherfeder 2 einen abnehmend linearen Kraftlinienverlauf (siehe
Fig.5).Die Federkennlinie 21 der
Speicherfeder 2 ist 80 gewählt,
daß ihr Schnittpunkt 23 mit der Magnetkraftkennlinie 24 einen Wegbereich einschließt,
innerhalb dem sichergestellt ist, daß das Schaltelement 7 schaltet. Da in diesem
System zwei Prinzipien (Abechiermung und Annäherung) bei Betätigung des Schaltmagneten
7 kombiniert sind, wirken gleichzeitig zwei Faktoren auf das Schaltelement 10 ein:
Größer werdender magnetischer Fluß und kleiner werdender Abstand zum Schaltmagneten
10.
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Diese vorstehend geschilderten Tatsachen bewirken, daß das Schaltmagnet
10 bereits erregt wird, wenn der Schaltmagnet 7 erst einen sehr kleinen Abstand
von der Haftplatte 6 hat. Auf die Kraft-Weg-Kennlinie 20 des Tastenstößels 1 wirken
der Charakter der Federkennlinle 21 und der Nagnetkraftkennlinie 24 wie folgt zurück:
Nach Uberwindung des Druckpunktes 8 wird der Schaltmagnet 7 schlagartig um ein kurzes
Stück von der Haft platte 6 entfernt, wobei sich die Federkraft der Speicher feder
2 auf den Wert reduziert, der der Anziehungskraft des Magneten 7 in diesem Abstand
von der Haftplatte 6 entspricht.
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Die Kraft-WegKennlinie 20 des Tastenstöels 1 fällt deshalb auf den
Betrag zurück, der sich aus der Addition der Kraft der Rückstellfeder 5 in diesem
Hubbereich mit der verbleibenden relativ geringen Kraft des Schaltmagnetens 7 ergibt.
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Dieser plötzliche Kraftabfall bewirkt bei der Betätigung des Tastenstößels
1 die deutlich spürbare Rückmeldung an den Bedienenden, daß die Taste betätigt und
damit das elektrische Signal ageben worden ist. Darüber hinaus wird durch die Trägheit
des betätigenden Fingers der Tastenstößel 1 in diesem Hubbereich beschleunigt, so
daß der Schaltmagnet 7 tatsächlich nicht nur'- wie in der statischen Betrachtung
dargestellt um ein kurzes Stück von der Baftplatte 6 entfernt wird, son dern über
den gesamten Schaltweg bis zu einem Endanschlag 29 befördert wird. Dieser nunmehr
auftretende Stoß am Enden schlag 29 des Schaltmagneten 7 wird durch ein erneutes
Zusammerpressen
der Speicherfeder 2 gekämpft, wobei die Kraft-Weg-kennlinie
20 am Hubende des Tastenstößels 1 entsprechend der Federkennlinie 21 der Speicherfeder
2 steil ansteigt. Nach Uberwindung des.Druckpunktes 18 ist, wie bereits erwähnt,
eine Störung des Schaltvorganges des Schaltelementes 10 ausgeschlossen und damit
unabhängig von der weiteren Bewegung des Tastenstößels 1.
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Der konstruktiv vorgesehene kleine Abstand des Schaltmagneten 7 von
der Haftplatte 6 gewährleistet eine minimale Rückstellkraft des Schaltmagneten 7,
so daß bei seinem geringen Eingenge wicht auf ein Mittel zur Magnetrückführung verzichtet
werden kann. Dabei muß beachtet werden,' daß die Magnetrückstellkraft annähernd
mit dem quadrat der Annäherung an die Haftplatte zunimmt und damit auch ausreichend
schnell erfolgt.
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Beim Rückgang des Tastenstößels 1 verläuft der Vorgang umgekehrt,
wobei sich zuerst lediglich der Tastenstößel 1 bewegt und die Speicherfeder 2 entspannt
wird. Dabei verbleibt der Schaltmagnet 7 vorerst in seiner Endlage, bis nach weiterem
Rückgang des Tastenstößels 1 auch der flagnetstößel 3 zurückgeht.
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Diesem folgt der Schaltmagnet 7 infolge der Anziehungskraft zwischen
dem Schaltmagneten 7 und der Haftplatte 6. Mit zunehmender Annäherung des Schaltmagneten
7 an die Haftplatte 6 nimmt die Magnetkraft annähernd quadratisch zu, so daß die
Speicherfeder 2 erneut zusammengepreßt wird. Wenn die Kraft des Schaltmagneten 7
die Kraft der Speicherfeder 2 überschreitet, dann springt der Schaltmagnet 7 selbsttätig
an die Haftplatte 6, auch wenn der Tastenstößel 1 keine Rückführbewegung mehr ausführt.
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Durch die konstruktive Festlegung der Federkennlinie 21 ist Jedoch
gewährleistet, daß zu diesem Zeitpunkt der Tastenstößel 1 bereits bis in den Bereich
des Vorlaufweges 17 zurückgeführt ist (siehe Fig. 3 und 4). Durch den Abstand des
Magneten 7 vom
Schaltelement 10 und das Kurzschließen des Magnetflusses
an der Haftplatte 6 schaltet das Schaltelement 10 ab und der Ausgangszustand ist
wieder erreicht.
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Von außen wirkende Beschleunigungen bestimmter Art und Größe dürfen
nicht zu unbeabsichtigter Signalausgabe führen. Gegen derartige Einflüsse zeichnet
sich die'erfindungsgemäße Tastenkonstruktion durch eine hohe Resistenz aus. Aufgrund
der von z. B. bei Reed-Kontakten bekannten hohen Schüttelfestigkeit und durch die
relativ hohe Haftkraft des Schaltmagneten 7 an der Haftplatte 6 gegenüber seinem
geringen Eigengewicht, auf das Beschleunigungen irgendwelcher Art einwirken und
ihn zum Abreißen bringen können, ist eine Beeinflussung von außen nicht möglich.
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Sehr vorteilhaft ist die Verwendung des Werkstoff es Al Ni Co 500
für den Schaltmagneten 7, da er eine hohe Remanenz und wegen seiner hohen Koerzitivfeldstärke
eine große Stabilität gegen Fremdfelder aufweist. Die Temperaturabhängigkeit dieser
Werkstoffe ist bei Temperaturen unter 2000 C relativ klein.
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Der Aufbau der erfindungsgemäßen Taste zeigt zwei Bsugruppen, die
getrennt voneinander gefertigt und auf Funktionen geprüft werden können. Dabei ist
das Magnejtschaltwerk 1, 2, 3, 6, 7 eine rein mechanische Baugruppe, deren Kennlinie
für sich kontrolliert werden kann. Das Schaltelement 10 ist der zugehörigen Tastaturelektronik-Baugruppe
zugeordnet, die in Form einer Leiterplatte 9 mit allen elektrischen Bauelementen
eine funktionsfähige und separat prafbare Baugruppe darstellt. Auf diese Weise wird
erreicht, daß die einwandfreie Funktion bereits in der Unterbaugruppe und nicht
erat in der kompletten Tastatur geprüft werden kann, und daß spezifische Fertigungsverfahren
(Mechanik - Elektronik) nicht kombiniert werden müssen.