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Tastenmechanismus Die Erfindung betrifft einen Tastenmechanismus für
eine Tastatur zur Erzeugung elektrischer Signale durch Tastendruck.
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Es sind bereits verschiedene Tastaturen bekannt, mit denen elektrische
Signale durch Betätigung einer einzelnen Taste erzeugt werden können. Die elektrischen
Signale können beispielsweise durch direkte mechanische Betätigung von Kontakten
in einem elektrischen Stromkreis oder durch Änderung der Induktivität oder Kapazität
in einer elektrischen Schaltung oder durch Anwendung magnetisch betätigbarer Anordnungen
erzeugt werden. Solche Anordnungen sind beispielsweise Reed-Kontakte oder Hall-Generatoren.
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Es ist in jedem Falle ein mechanisch bewegbares Tastenelement erforderlich,
das eine geeignete Anschlagscharakteristik aufweist, d.h. einen vorgegebenen Widerstand
der Niederdrückbewegung entgegengesetzt, so daß die Bedienungsperson die Tasten
bewegen kann und aus dem Anschlagsgefühl heraus weiß, daß die jeweilige Taste richtig
betätigt wurde. Bei Tasten, die ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen, ist allgemein
ein Betätigungselement, beispielsweise
ein Kontaktelement erforderlich,
das an einen Anschlag bewegt wird. Dieser kann wiederum als Kontakt ausgebildet
sein. Dabei kann jedoch beim weiteren Niederdrücken einer Taste eine Ubersteuerung
eintreten.
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Die Übersteuerung wird üblicherweise durch eine relativ schwache Feder
ermöglicht, die eine Fortsetzung der Tastenbewegung gestattet, nachdem ein Betätigungselement
oder Kolben am unteren Ende der Tasten Kontakt mit einem zugeordneten Anschlagselement
gekommen ist, mit dem die gewünscht Schaltwirkung erzeugt wird. Eine solche Ubersteuerung
kann durch eine schwache Feder oder ein elastisches Element ermöglicht werden, das
zwischen dem Tastenoberteil und einem Kolben angeordnet ist, der den Stößel trägt.
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Ferner kann es zwischen dem Kolben und dem Betätigungselement vorgesehen
sein.
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In einigen Fällen kann es erforderlich sein, beim Niederdrücken der
Taste einen allmählich ansteigenden Widerstand dieser Bewegung entgegenzusetzen,
der bei einem gewissen Bewegungsgrad plötzlich abfällt und danach wieder allmählich
ansteigt, wenn die Taste weiter niedergedrückt wird.
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Es sei darauf hingewiesen, daß diese Anschlagscharakteristik, die
als negatives Tastgefühl bezeichnet wird, eine sehr definierte und klare Anzeige
darüber liefert, daß die Taste richtig bewegt wurde. Die tatsächliche Schaltwirkung
tritt an einem Punkt beim Niederdrücken auf, der an oder vor der Stelle des minimalen
Widerstandes liegen muß. Vorzugsweise liegt er vor der Stelle, an der der Widerstand
gegenüber der Bewegung abnimmt.
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Andererseits wird in einigen Fällen gefordert, daß der einer Tastenbewegung
entgegengesetzte Widerstand allmöglich ansteigt und an einem bestimmten Punkt im
Bewegungsbereich einen scharfen Anstieg der Tastendruckkraft erforderlich macht,
wonach ein allmählicher Anstieg beim
weiteren Niederdrücken der
Taste auftritt. Diese Charakteristik, die als positives Tastgefühl bezeichnet wird,
ergibt gleichfalls eine sehr definierte und klare Anzeige darüber, daß die Taste
richtig bewegt wurde. Die tatsächliche Schaltwirkung tritt dann bei oder kurz vor
der Stelle auf, an der der Widerstand scharf ansteigt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Tastenkonstruktion
anzugeben, die die beschriebenen Charakteristiken der Tastenbewegung leicht verwirklichen
läßt.
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Ein Tastenmechanismus der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser
Aufgabe erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen an einem eine Schraubenfeder
enthaltenden Körper gegen die Federkraft verschiebbaren Kolben, der innerhalb der
Schraubenfeder durch ein elastisches Element mit einem zumindest teilweise in der
Schraubenfeder angeordneten Stößel verbunden ist, welcher ein Betätigungselement
zur Signalerzeugung trägt.
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Das elastische Element ist vorteilhaft eine elastische Membran, die
aus Kunststoffmaterial oder Metall besteht und in dem ringförmigen Bereich zwischen
dem Stößel und einem nach unten ragenden Flansch des Kolbens innerhalb der Schraubenfeder
angeordnet ist. Die Membran kann innere und äußere ringförmige oder teilringförmige
Teile haben, die an dem Stößel und dem Kolben anliegen und durch zwei oder mehr
elastische Gelenke verbunden sind. Eine solche Membran kann flach sein, wenn sie
im nicht gespannten Zustand ist, sie ermöglicht jedoch eine Relativbewegung zwischen
dem Kolben und dem Stößel und bildet somit ein elastisches Element, das eine Ubersteuerung
ermöglicht, jedoch dabei keine sehr große Tiefe für die gesamte Konstruktion erfordert.
Es ist lediglich erforderlich, zwischen dem Kolben und der Oberseite des Stößels
einen
Spalt zu lassen, der so groß ist, daß die gewünschte Ubersteuerung
möglich ist. Es ist jedoch zu erkennen, daß verschiedene andere Formen einer elastischen
Kopplung zwischen dem Stößel und dem Kolben möglich sind und leicht eingesetzt werden
können, wobei sie innerhalb der Schraubenfeder angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist der nach unten ragende Flansch des Kolbens so vorgesehen,
daß er mit dem Tastenkörper eine Einstellvorrichtung bildet, die das obere Ende
der Schraubenfeder lokalisiert und in seiner Stellung hält. Das untere Ende der
Schraubenfeder ist vorteilhaft so angeordnet, daß es an einem Rahmen anliegt, in
dem die Taste montiert ist.
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Der zuvor beschriebene Körper der Taste bildet vorteilhaft ein Gehäuse,
das die Schraubenfeder und den Kolben umgibt und an seinem unteren Ende teilweise
verschlossen ist, so daß eine Grundplatte gebildet wird, auf der die Feder aufsitzt.
Das Gehäuse hat einen Flansch oder einen anderen Halteteil, mit dem es auf einem
Rahmen aufsitzt, wobei elastische Vorsprünge nach unten ragen und in eine offnung
des Rahmens eingesetzt sind. Sie sind so geformt, daß sie an der Unterseite des
Rahmens festsitzen, wenn die Taste mit ihnen in die Öffnung des Rahmens eingesetzt
ist.
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Um eine Tastencharakteristik mit positivem Tastgefühl zu verwirklichen,
kann das elastische Element mit einer Vorspannung versehen sein. Bei Anwendung einer
Membran wird die Vorspannung durch Verbiegen der Membran erzeugt. Bevor eine Ubersteuerung
nach Anschlagen des Betätigungselements an seinem Anschlag auftritt, muß also die
Membran in den flachen Zustand gebracht werden, d.h. ihre Vorspannung muß überwunden
werden. Der Effekt ist analog dem Drücken des Betätigungselements über eine unter
Vorspannung
stehende Feder (beispielsweise Schraubenfeder) so weit,
bis die Betätigungskraft die Vorspannung übersteigt.
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Dabei kann zwar keine weitere Bewegung des Betätigungselements hervorgerufen
werden, jedoch hängt die Tastencharakteristik von der Federkraft ab. Vorzugsweise
ist die Schraubenfeder in einer solchen Anordnung mit einer Vorbelastung versehen.
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Um ein negatives Tastgefühl zu erreichen, bei dem der einer Bewegung
der Taste entgegengestellte Widerstand an einer vorbestimmten Stelle plötzlich abfällt,
kann eine ringförmige Aussparung in dem Kolben vorgesehen sein, die vorteilhaft
in einem Stößelteil des Kolbens oberhalb des oberen Endes der Feder angeordnet ist.
Ein mit einem oder mehr elastischen radialen Armen versehenes Element kann dann
mit seinen Armen in diese Aussparung eingesetzt sein. Die Arme undloder die Aussparung
sind abgerundet, so daß beim Niederdrücken des Kolbens die Arme ausgelenkt werden,
wenn die Aussparung nach unten bewegt wird. Sie werden sich gegebenenfalls aus der
Aussparung herausbewegen, wodurch der einer Kolbenbewegung gegenübergestellte Widerstand
verringert wird.
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Zur Verriegelung der Taste im niedergedrückten Zustand kann eine Rastvorrichtung
vorgesehen sein, die durch eine Nockenplatte betätigbar ist. Die Nockenplatte ist
dann so angeordnet, daß beim nächsten Niederdrücken die Taste wieder freigegeben
wird. Die Nockenplatte und ein Nockenmitnehmer können ähnlich den Anordnungen ausgebildet
sein, die in Kugelschreibern zur Verriegelung und Freigabe der Schreibspitze verwendet
werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der
Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 den Vertikalschnitt einer
Tastenkonstruktion nach der' Erfindung, Fig. 2 den Schnitt 2-2 aus Fig. 1, Fig.
3 eine Draufsicht auf das elastische Element in vergrößertem Maßstab, Fig. 4 einen
Nockenmitnehmer, Fig. 5 und 6 eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer elastischen
Membran und Fig. 7 eine grafische Darstellung zweier unterschiedlicher Tastencharakteristiken.
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In Fig. 1 ist eine Taste mit einem Tastenkörper 10 dargestellt, der
aus Spritzgußkunststoff besteht und, wie Fig. 2 zeigt, rechteckförmiges Horizontalprofil
aufweist. Dieser Körper besteht aus zwei Hälften, die in einer vertikalen Ebene
geteilt sind. Die beiden Hälften sind mit Uberlappenden Rändern 11 versehen, so
daß der Rand der einen Hälfte in den Rand der anderen Hälfte elastisch einschnappt.
Am unteren Ende ist ein leicht nach außen abgeschrägter Flansch 12 vorgesehen, an
dessen Ecken vier nach unten ragende Vorsprünge 13 vorgesehen sind. An jeder Hälfte
des Tastenkörpers ist zwischen den beiden Vorsprung gen 13 eine Fahne 14 vorgesehen,
die wie die Vorsprünge mit der Tastenkörperhälfte integral ausgeführt ist. Die Fahne
ist an ihren beiden unteren Ecken mit den Vorsprüngen verbunden, so daß sie elastisch
verschwenkt werden kann. Dieser Körperteil 10 ist in eine Öffnung eines Rahmens
eingesetzt, der beispielsweise als Metallblechrahmen ausgeführt ist (ein Teil des
Rahmens ist in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt). Das Einsetzen erfolgt derart,
daß die Fahnen 14 und die Vorsprünge 13 in die Öffnung des Rahmens eingesetzt werden,
so daß die Fahnen 14 nach innen gebogen werden und unterhalb des Rahmens über den
Umfang seiner Öffnung hinweg nach außen springen. Die leichte Schrägung des Flansches
ermöglicht eine sehr dichte Verbindung
zwischen dem Tastenkörper
10 und der oberen Fläche des Rahmens, wodurch der Eintritt beispielsweise von auf
die Tastatur gegossener Flüssigkeit durch die Rahmenöffnung hindurch verhindert
wird.
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Innerhalb des Tastenkörpers 10 ist ein Kolben 20 mit Rechteckform
angeordnet. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, hat der Tastenkörper 10 gebogene Aussparungen
21 an seinen vier Ecken, diese bilden Lagerungen für den Kolben, der an seinen Ecken
mit entsprechenden Kanten versehen ist. Längs der Seitenflächen des Kolbens 20 ist
ein Zwischenraum zum Tastenkörper- 10 gelassen, um den freien Durchgang von Luft
während der Kolbenbewegung zu gestatten, so daß keine Pumpwirkung beim Niederdrücken
einer Taste auftritt. Der quadratische Querschnitt des Kolbens verhindert seine
Drehung im Tastenkörper. Der Kolben hat einen nach unten ragenden kreisrunden Teil
22, der mit dem Kolbenoberteil und der Innenwandung des Tastenkörpers 10 den oberen
Teil einer Schraubenfeder 23 lokalisiert, deren unteres Ende auf einem Grundplattenteil
29 aufsitzt, der mit dem Tastenkörper 10 einstückig ausgeführt und mit den Vorsprüngen
13 verbunden ist. Die Feder liefert somit die Spannung für die Fahnen 14, die an
der Unterseite des Rahmens sitzen.
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Das obere Ende des Kolbens verläuft vollständig durch die Innenseite
des Tastenkörpers 10 und hat einen nach oben ragenden zylindrischen Stößel 24, der
ein Tastenoberteil 25 trägt, auf dem ein alphanumerisches oder andersartiges Schriftzeichen
vorgesehen sein kann. Der Tastenoberteil kann als ein zweiteiliges Formstück ausgebildet
sein oder mit einer transparenten Abdeckung über einem das Schriftzeichen tragenden
Element versehen sein. Vorzugsweise hat das obere Ende des Stößels einen Vorsprung,
der unter einem geringen Winkel von beispielsweise 60 zur Stößelachse abgeschrägt
ist, und der Tastenoberteil hat eine
entsprechend abgeschrägte Aussparung,
so daß er elastisch auf den Vorsprung aufgesetzt werden kann. Durch diese Konstruktion
kann der Tastenoberteil durch Drehung um 1800 an dem Kolbenstößel befestigt werden,
wobei die normale zur oberen Fläche des Tastenoberteils unter dem doppelten Schrägungswinkel,
also unter einem Winkel von 120, zur Kolbenachse schräg verläuft. Diese Anordnung
wird dann so eingesetzt, daß die Tasten auch auf einem schräg liegenden Tastenfeld
verwendet werden können. Solche Tastenfelder haben allgemein einen Schrägungswinkel
von 120 bis 130 Die Tasten sind mit ihren Kolbenachsen unter diesem Winkel zur Vertikalen
angeordnet, wobei ihre Oberteile jedoch horizontal liegen. Jede Tastenreihe liegt
dabei mit ihren Oberseiten in einer anderen Höhe gegenüber der Horizontalen. Eine
solche Tastenkonstruktion kann dann auch für solche Tastaturen eingesetzt werden,
bei denen alle Tasten in einer gemeinsamen Ebene liegen, die horizontal oder schräg
liegend angeordnet ist.
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In dem nach unten ragenden kreisrunden Teil 22 ist ein äußerer Ringteil
26 einer elastischen Membran 30 angeordnet, die in Fig. 5 und 6 dargestellt ist
und zwei oder mehr radiale Arme 27 aufweist, die mit einem inneren Ringteil 28 verbunden
sind. Dieser sitzt in einer Umfangsnut 31 am oberen Ende eines Stößels 92 für ein
Betätigungselement. Die Arme 26 der Membran 30 müssen nicht radial verlaufen, solange
sie den inneren und den äußeren Ringteil der Membran verbinden. Um die erforderliche
"Federschwäche" zu verwirklichen, kann jeder Arm vorzugsweise auch spiralig ausgebildet
sein. Zu einem noch zu beschreibenden Zweck kann die Membran in einigen Fällen auch
gebogen sein, wie es in Fig. 6 dargestellt ist.
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Der Stößel für das Betätigungselement hat einen Keil, der in einer
Keilnut der Grundplatte 29 sitzt, um eine Drehung des Betätigungselements zu verhindern.
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Der Stößel 32 trägt ferner an seinem unteren Ende einen Kopf 33, der
durch eine Öffnung in einem elastomeren Element 34 gedrückt ist, welches dann zwischen
dem Kopf und einer Platte 35 des Stößels 32 gehalten ist. Das elastomere Element
34 hat an seiner oberen Fläche eine nach oben ragende Kante 36, die an der Platte
35 anliegt. Das elastomere Element 34 kann elektrisch leitfähig sein oder auch eine
Metallplatte oder eine Schichtanordnung aus Metall und Kunststoff tragen, die mit
Klebstoff an ihm befestigt ist, so daß eine kapazitive oder eine elektrisch leitfähige
Kopplung zwischen Kontaktflächen auf einer Schaltungskarte (nicht dargestellt) unterhalb
des Rahmens hergestellt werden kann. Die Kante 36 ist innerhalb des UmSangs des
Elements 34 angeordnet, so daß dieses leicht an seiner Befestigung verkantet werden
kann. Dadurch ist sichergestellt, daß das elastomere Element und die von ihm getragene
leitfähige Anordnung in sichere Berührung mit einer gedruckten Schaltung oder mit
einer dielektrischen Schicht auf einer solchen Schaltungskarte gelangt.
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Bei einer Konstruktion der beschriebenen Art bewegt sich der Kolben
bei Tastenbetätigung gegen die Kraft der Feder 23, die dieser Bewegung einen allmählich
ansteigenden Widerstand entgegensetzt. Das Betätigungselement bewegt sich dabei
gemeinsam mit dem Kolben. Wenn das Betätigungsele ment in Kontakt mit der gedruckten
Schaltung kommt, so ist keine Weiterbewegung des Kolbenstößels möglich, mit Ausnahme
einer solchen Bewegung, die durch die Elastizität des Elements 34 gegeben ist. Eine
Ubersteuerung, also eine Weiterbewegung des Tastenoberteils und des Kolbens ist
also durch elastische Auslenkung der Membran 30 möglich. Es muß ein Abstand zwischen
dem oberen Ende des Stößels 32 und dem Kolbenende vorhanden sein, um diese Steuerung
zu ermöglichen. Eine andere Möglichkeit hierzu
besteht darin, daß
an Stelle der Membran 30 eine Schraubenfeder zwischen dem oberen Ende des Stößels
32 und dem Kolben vorgesehen wird. Ein weiterer, nach unten ragender zylindrischer
Flansch kann an dem Kolben angeordnet sein, um eine solche Feder zu lokalisieren.
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Fig. 7 zeigt eine grafische Darstellung für zwei mögliche Tastencharakteristiken.
Die Kurve A zeigt ein negatives Tastgefühl, bei dem der Widerstand gegenüber der
Tastenbewegung zunächst linear ansteigt, jedoch nach einer begrenzten Bewegung abfällt
und dann wieder ansteigt. Der einen Schaltkontakt betätigende Punkt liegt vor dem
Punkt, an dem der Widerstand abfällt, oder zumindest nicht hinter dem Punkt des
bei C gezeigten minimalen Widerstandswertes.
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Die Bedienungsperson erhält somit eine bestimmte Anzeige der richtigen
Tastenbewegung, jedoch ist eine Ubersteuerung über diesen Punkt hinaus gegen einen
allmählich ansteigenden Widerstand möglich. Die Kurve B zeigt ein positives Tastgefühl,
bei dem an einer Stelle innerhalb des Bewegungsbereiches ein plötzlicher Anstieg
des Widerstandes bei vernachlässigbarem Bewegungsbetrag auftritt. Eine Ubersteuerung
über diese Stelle hinaus ist gegen einen allmählich ansteigenden Widerstand möglich.
Der Betriebspunkt liegt an oder vor der Stelle dieses plötzlichen Widerstandsanstiegs.
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Wenn ein negatives Tastgefühi gefordert ist, ist die Membran 30 vorzugsweise
flach, und ein elastisches Element 40, das in Fig. 3 in einer Draufsicht gezeigt
ißt, ist in eine Nut 41 am oberen Ende des Tastenkörpers 10 eingesetzt, bevor die
beiden Körperhälften zusammengesetzt werden.
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Dieses Element 40 hat einen ringförmigen Teil 42, der in die Nut 44
eingesetzt ist, ferner hat es zwei Arme 43, die einen kreisrunden Querschnitt haben
und bei fehlender Tastenbetätigung in einer runden Nut 44 sitzen, die
um
den Stößel 24 des Kolbens herum verläuft. Wenn der Tastenoberteil niedergedrückt
wird, werden diese Arme 43 ausgelenkt, wodurch ein allmählicher Anstieg des Bewegungswiderstandes
erfolgt, der zusätzlich zu demjenigen der Feder 23 auftritt. An einer bestimmten
Stelle während des Niederdrückens sind die beiden Arme 43 jedoch so weit ausgelenkt,
daß sie die Nut 44 verlassen und ein plötzlicher Abfall des Bewegungswiderstandes
auftritt. Die Arme 43 werden wieder in die Nut 44 hineingeführt, wenn die Taste
freigegeben ist und in ihren Normalzustand zurückgekehrt ist.
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Um ein positives Tastgefühl zu verwirklichen, wird das Element 40
weggelassen, und die Membran 30 ist durchgebogen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist.
Dadurch entsteht eine Vorspannung. Nachdem das Betätigungselement seinen Anschlagspunkt
erreicht hat, muß diese Vorspannung zur Weiterbewegung der Taste überwunden werden.
Dadurch ist der plötzliche Anstieg der einwirkenden Kraft erforderlich, wie er in
Fig. 7 an der Kurve B dargestellt ist.
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Die Kurve B zeigt, daß die Anfangskraft über dem Wert Null liegt.
Hierzu steht die Schraubenfeder 23 unter einem Anfangsdruck.
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Manchmal ist es erforderlich, eine Taste in ihrem niedergedrückten
Zustand zu verriegeln. Beispielsweise ist dies der Fall bei einer Feststelltaste.
Diese Verriegelung erfolgt, falls erforderlich, durch eine Nockenplatte 50 und einen
Mitnehmer 51, die ähnlich wie die Verriegelungen bei einigen bekannten Kugelschreiberkonstruktionen
arbeiten. Der Mitnehmer ist in Fig. 4 in Draufsicht dargestellt und durch einen
Ring 52 gebildet, der locker in einer Nut 53 in einem nach innen ragenden Teil des
Tastenkdrpers 10 liegt, welcher den Stößel 24 umgibt.
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Der Ring 52 liegt locker um den Stößel 24, hat jedoch einen Mitnehmervorsprung
54, der auf die Nockenplatte 50 einwirkt, welche so geformt ist, daß eine erste
NiederdrUckbewegung der Taste den Mitnehmer in eine Stellung dreht, in der der Nocken
bei Freigabe der Taste unter dem Mitnehmer verriegelt wird. Beim nächsten Niederdrücken
der Taste wird jedoch eine weitere Bewegung des Mitnehmers verursacht, wodurch die
Taste freigegeben wird und beim Aufwärtsbewegen eine Bewegung des Mitnehmers zurück
in seine Anfangsstellung erfolgt. Es sei bemerkt, daß diese Verriegelungsvorrichtung
sehr einfach konstruiert ist und in der gesamten Tastenanordnung einen nur sehr
geringen Raumbedarf verursacht.