DE2516171A1 - Optisch-elektronischer tastschalter - Google Patents

Description

• Optisch-elektronischer Tastschalter Die Erfindung betrifft einen Tastschalter zur Auslösung optisch-elektronischer Kopplungen nach mechanischer Kraftaufnahme, welcher in Schwachstromkreisen elektrotechnischer und elektronischer Systeme zu schaltverwertbaren Impulsen führt, insbesondere für Geräte der kommerziellen Unterhaltungselektronik, als Signalgeber für elektromechanische und elektronische Systeme und als Eingabeeinheit für informationsverarbeitende Maschinen.
• Es ist bekannt, daß zur Erfüllung dieser verschiedenen Schaltaufgaben eine Vielzahl unterschiedlicher Schalter mit mechanischen Kontakten eingesetzt wird. Bei dem Prinzip desvmechanischen Leiterkontaktes kann es jedoch zu spezifischen, unerwünschten Effekten wie Prellung und Funkenbildung, welche zu Störimpulsen führen, sowie zu mechanisch und thermisch bedingten Abnutzungen der Kontakte kommen. Die Kontaktflächen dieser Schalter müssen zudem in der Regel aus besonders hochwertigem Material bestehen. Die außer diesen Schaltern noch vor allem in der Unterhaltungselektronik verwandten tastaktivierten Schalter oder Sensoren, führen andererseits nur dann zu Schaltvorgängen, wenn der, in diesem Fall in den Stromkreis miteinbezogene, Auslöser selbst eine Mindestleitfähigkeit besitzt, und sind demnach in ihrer Anwendungsbreite beschränkt. Hinzu kommt, daß bei derartigen Schaltern die Kontakte offen liegen und diese zueinander eine bestimmte Geometrie besitzen müssen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, druckmechanische Einflüsse auf Tastschalter zu elektrischen Schaltvorgangen umzuwandeln ohne daß es zu einem direkten mechanischen Kontakt zwischen den Stromleitern kommt, somit die Nachteile mechanischer Kontaktschalter zu vermeiden und eine direkte Verbindung mit empfindlichen elektronischen Schaltkreisen zu ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß die mechanischen Kontakte der Tastschalter durch eine optisch-elektronische Kopplung, bestehend aus einer Lichtquelle als Sender und einem Photoempfindlichen Element als Empfänger, ersetzt werden, und die Auslösung der Schaltimpulse durch Zwischenschaltung eines mit der Druckaufnahmefläche des Tasters statisch fest verbundenen, und damit gleichermaßen mechanisch verschieblichen, Reflektors erfolgt, welcher die Lichtverbindung zwischen Sender und Empfänger herstellt oder unterbricht.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile ergeben sich insbesondere aus dem optisch induzierten Schaltvorgang, welcher im Gegensatz zur mechanischen Kontaktierung keine unerwünschten Effekte wie Prellung und Abnutzung zeigt. Da die Schaltvorgänge zudem als weitgehend trägheitslos betrachtet werden können, ist eine besonders hohe Schaltfrequenz möglich. Für die Ausführung der Erfindung kann ein Großteil der bereits gebräuchlichen Tastergehäuse und die Mechanik der mit Kontakten arbeitenden Tastschalter verwandt werden, da für die Auslösung des Schaltvorganges die konventionelle Schaltermechanik eingesetzt wird. Durch die mechanische Auslösung des Schaltvorganges ist, im Gegensatz zu den rein elektronischen Berührungsschaltern, die Leitfähigkeit des Auslösers belanglos. Wird als Druckaufnahmefläche eine elastische Membran gewählt, so ist der Schalter zusätzlich voll kapselbar und von besonders hoher Ansprechempfindlichkeit. Durch Nachschaltung integrierter Schaltkreise, welche im Gegensatz zu mechanischen Schaltern voll kompatibel mit optisch-elektronischen Kopplungen sind, lassen sich die Schalter in ihrem Funktionsbereich entsprechend erweitern, beispielsweise zu Umschaltern, wahlschaltern, Zählschaltern oder Schaltern mit Analogsignalen. Der gesamte Schalteraufbau läßt sich hierbei in einem gemeinsamen Schaltermodul, beispielsweise als Dualin-line Baustein, herstellen. Das für den Schaltvorgang benötigt Funktionslicht kann, bei Benutzung sichtbaren Lichtes, durch Ausbildung eines LichtabZweiges gleichzeitig als Schalterbeleuchtung genutzt werden und ermöglicht somit, ohne Zusatzmaßnahmen, eine Bedienung im Dunkeln. Der Funktionszustand des Schalters läßt sich durch eine hinter den Empfänger geschaltete Lichtquelle, insbesondere lichtemittierende Diode darstellen. Für den Schaltvorganq können je nach Wahl von Lichtquelle und Empfänger ultraviolettes, sichtbares oder infrarotes Licht verwandt werden.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, wobei die Beispiele die Erfindung erläutern ohne sie zu beschränken. Abbildung 1 zeigt einen generellen Aufbau: Lichtquelle (1) und Empfänger (2) befinden sich, in optisch geeignetem Winkel zueinander, in getrennten Lichtleitkanälen (3) des Schaltergehäuses (4). Die Mittelachsen von Lichtquelle und Empfänger, in den Abbildungen gestrichelt dargestellt, führen hierbei durch einen, mit beiden Lichtleitkanälen in offener Verbindung stehenden, gemeinsamen Raum (5). Die Druckaufnahmefläche(ß), an deren Unterseite, genau in der Vertikalen über dem gemeinsamen Raum ein planer Reflektor (7) fest angebracht ist, besitzt an den Seitenführungsachsen (8) welche in komplementäre Bohrungen (9) des Gehäuses ragen. Oberhalb des Gehäuses befinden sich, über die Führungsachsen gezogen, Distanzfedern (10). Am unteren Ende der Führungsachsen sind Halteringe (11) befestigt. Über dem vorderen Ende der Lichtquelle kann eine vertikale, durch die Druckaufnahmefläche führende,Bohrung t12) als Lichtabzweig angebracht werden, welche als Funktionsindikator der Lichtquelle und gleichzeitige Beleuchtung bei Dunkelheit fungiert.
• Während die Mittelachsen von Lichtquelle und Empfänger im Ruhestand (Abbildung 1) seitlich an dem Reflektor vorbeiführen, wird bei mechanischer Druckeinwirkung auf die Druckaufnahmefläche die Reflektionsebene gesenkt und der Reflektor verschließt von oben den gemeinsamen Raum der Lichtkanäle.
• Wie in Abbildung 2, schematisch und im Ausschnitt, dargestellt, wird in dieser Stellung der Mittelstrahl der Lichtquelle auf die Mittelachse des Empfängerkanals umgelenkt, so daß über den Empfänger der Schaltimpuls ausgelöst wird. Bei Beendigung der Druckeinwirkung wird der Reflektor durch die Distanzfedern wieder aus der Reflektionsebene herausgehoben. Abbildung 3 zeigt den Schalter in einer Ausbildung mit zentral angeordneter Führungsachse. Hierbei ist der Reflektor nicht direkt an der Druckaufnahmefläche sondern an der Unterseite der Führungsachse befestigt. Durch Variation der Lage und/oder Form des Reflektors werden, bei Wahrung des generellen Konstruktionsprinzips, entsprechende änderungen in der Lage von Lichtquelle und Empfänger bewirkt. Beispielhaft ist dies in den Abbildungen 4 und 5 für einen in seiner Reflektionsebene gedrehten, planen Reflektor dargestellt. Abbildung 4 zeigt dabei den Tastschalter in geöfF-neter,Abbildung 5 in geschlossener Form. Die Anwendung konkaver oder konvexer Reflektoren führt zu, den Reflektionsgesetzen der Optik entsprechend, Lageänderungen von Sender und Empfänger. In einer weiteren Ausbildung der Konstruktion können mit einem Lichtstrahl mehrere Stromkreise gleichzeitig geschaltet werden, wenn der Lichtstrahl erst auf ein Lichtleitfaserbündel (13) gelenkt wird, von welchem die Lichtstrahlen durch einzelne Fasern (14), wie in Abbildung fi schematisch dargestellt, die entsprechenden Empfänger innerhalb des Tastschalters erreichen. In gleicher Weise können mehrere Einzeltaster, beispielsweise einer Tastatur, aus einer gemeinsamen Lichtquelle mit Funktionslicht versehen werden. Wird in einer weiteren Ausbildung die Druckaufnahmefläche statt nichtelastisch, aus elastischem Material hergestellt, fallen konstruktionsmäsig die für Fixierung und Distanzaufrechterhaltung notwendigen Federn und Halteringe fort, Dieser Art Ausbildungen lassen sich technisch einfach, besonders flach und luft- sowie wasserdicht herstellen. Abbildung 7 zeigt einen Schalter mit Ausbildung der druckaufnehmenden Fläche als elastischer Membran (15).
• In einer weiteren Ausbildung der Konstruktion lassen sich, wie in Abbildung 8 schematisch dargestellt, die Zuleitungen von Lichtquelle und Empfänger C1) in der Weise verstärkt aus dem Gehäuse führen, daß sie gleichzeitig als steckbare oder auf Leiterplatinen lötbare Verbindungen benutzt werden können.
• In einer weiteren Ausbildung kann das photoempfindliche Element direkt, oder nach Zwischenschaltung eines integrierten Stromkreises, mit einer oder mehreren lichterzeugenden Elementen, insbesondere lichtemittierende Dioden verbunden werden, welche als Pilotlicht oder Funkionsindikator den Schaltzustand anzeigen. In Abbildung 9 ist schematisch ein solcher Aufbau mit einer lichtemittierenden Diode (17) und einem integrierten Schaltkreis (18) dargestellt.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Tastschalter zur Auslösung optisch-elektronischer Kopplungen nach mechanischer Kraftaufnahme zur Erzeugung von Schalt impulsen in Schwachstromkreisen elektrotechnischer und elektronischer Systeme, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Kontakte der Tastschalter durch eine optischelektronische Kopplung, bestehend aus einer Lichtquelle als Sender und einem photoempfindlichen Element als Empfänger, ersetzt werden, und die Auslösung der Schaltimpulse durch Zwischenschaltung eines mit der Druckaufnahmefläche des Tasters statisch fest verbundenen und damit gleichermaßen mechanisch verschieblichen, Reflektors erfolgt, welcher die Lichtverbindung zwischen Sender und Empfänger herstellt oder unterbricht (1-3).

2. Tastschalter nach Anspruch 1 (1-3), dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle insbesondere lichtemittierende Dioden, Glühlampen, Lichtleiter oder Elemente welche ultraviolettes, sichtbares oder infrarotes Licht aussenden, als Empfänger insbesondere Fototransistoren, Fotodioden, Fotowiderstände, Fotozellen oder für die Kombination mit einer der vorgenannten Lichterzeuger kombinierbare photoempfindliche Elemente, eingesetzt werden.

3. Tastschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Reflektor verbundene Druckaufnahmefläche auf einer (3) oder mehreren Federn (1) gelagert ist.

4. Tastschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckaufnahmefläche statt nichtelastisch aus elastischem Material (7) ausgebildet ist.

5. Tastschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen vorderem Ende der Lichtquelle und Oberfläche des Druckaufnehmers, als Lichtabzweig, eine durchgvhende 80hrung angebracht ist, welche am oberen Ende offen (1) oder durch eine ungefärbte oder gefärbte lichtdurchlässige Abdeckung verschlossen ist, und welche als Dunkelbeleuchtung und Funktionsindikator der Lichtquelle dient.

6. Tastschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Weise mehrere Schaltkreise durch eine Lichtquelle geschaltet werden, daß hinter der Lichtquelle ein Lichtleiterbündel angebracht ist, dessen einzelne Fasern zu den verschiedenen Empfängern führen (ei),

7. Tastschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstromimpuls durch nachgeschaltete integrierte Stromkreise in beliebiger Form verstärkt, umgeformt oder verarbeitet wird und das Schaltergehäuse als eine komplexe Einheit von Tastermechanik, optischer Kopplung und integriertem Schaltkreis ausgebildet ist (9).

8. Tastschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die herausführenden Leitungen von Lichtquelle und Photoelement statisch verstärkt sind und in Dual-in-line Form als Steck-oder Liitverbindung mit der Leiterplatine verbunden werden können (8).

9. Tastschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Sehäuse neben der Druckaufnahmefläche, als Pilotlicht oder Funktionsindikator fr den Schaltzustand, eine aus der Oberfläche herausstrahlende, lichtemittierende Diode angebracht ist (9), welche direkt in Verbindung mit dem Photoelement oder einem dem Photoelement nachgeschalteten integrierten Schaltkreis steht.