DE2709605A1 - Kapazitiver schalter - Google Patents

Description

EISENFÜHR & SPEISER ^{p A T b N} ' ^{A N w A} ' ^{7 L}

DiHi In., GUNlHLH blbENF UHH *K DiPL Ing DIETtH K SPEIbLR

BREMEN 07 OQRfI ζ cm «η ναι hörst zinnghlue

07 OQRfI ζ

UNS ZEICHEN: AKTENZEICHEN:

BURROUGHS CORPORATION
Neuanmeldung

1. März 1977

DATUM:

BURROUGHS CORPORATION, eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Michigan, Burroughs Place, Detroit, Michigan 48 232, V. St. A.

Kapazitiver Schalter

Die Erfindung beschäftigt sich mit elektrischen Schaltern, die insbesondere mit einer kapazitiven Kopplung arbeiten.

Elektrische Schalter können für zahlreiche Steuer- und Wahlfunktionen verwendet werden. Als Beispiel für die Verwendung der Schalter sind Drucktasten- Aggregate, etwa bei Schreibmaschinen, Telefonapparaten und Rechnern zu nennen. Die Drucktasten-Aggregate vermeiden wegen ihrer Beeinflussung elektrischer Signale die Verwendung mechanischer Kontaktschalter, weil diese zu kompliziert und zu unzuverlässig im Schaltvorgang und zu teuer sind. Daher werden bei diesen Schaltaggregaten eine Vielzahl von Wandlern bevorzugt, die die Schaltoperation ausführen. Man hat so magnetisch betätigte Reed-Schalter, den Halleffekt ausnutzende Schalter, lichtelektrische Schalter und kapazitive Schalter eingesetzt. Um die Betriebszuverlässigkeit des Schaltpultes zu verbessern, weist jeder Schalter eine

Hz/_gs ^09842/0655

O 2800 BREMEN 1 - EOUARO-QRUNOW-STR ASSE 27 TELEFON ( 0421 ) ■ 7 20 48

TELEGRAMME FERROPAT TELEX 02 44 020 FEPAT - BREMER BANK 100 9072 HOSTSCIIf i> HAMBUHU 25 b7 6 T

einfache Druckfeder auf, die die notwendige Rückstellkraft für den Schalter aufbringt. Neuere Entwicklungen von Schaltern vermeiden die Verwendung von Druckfedern und nutzen die magnetischen Rückstellkräfte aus, die durch Wechselwirkung zwischen festen und beweglichen Magneten auftreten. Einige dieser Magnetschalter simulieren sehr einfach und zuverlässig das Gefühl des speziellen und eigentümlichen Druckpunkt-Übergangs oder anderer spezieller Schaltmechanismen innerhalb der Schalter.

Alle diese elektronischen Schalttafeln besitzen jedoch eine geringere mechanische Hysterese als konventionelle Druckpunktschalter.

Die mechanische Hysterese ist die Erscheinung, die auftritt, wenn ein Schalter niedergedrückt und an einem ersten Punkt der Abwärtsbewegung des Schaltorgans ein elektrisches Signal erzeugt wird. Dieses Signal kann erst dann ein weiteres Mal erzeugt werden, wenn das Schaltorgan freigegeben wurde und wieder eine bestimmte Strecke bis zu einem zweiten Punkt über dem ersten Punkt zurückbewegt ist und dann wieder an der ersten Stelle vorbei abwärts bewegt wird. Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt wird mechanische Hystrese genannt. Sie wird jedoch gewöhnlich als Prozentsatz des gesamten Weges des Schaltorgans angegeben. Wenn beispielsweise der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt 0,010 Zoll beträgt und der gesamte mögliche Weg des Schaltorgans 0,20 Zoll beträgt, dann besitzt das Schaltorgan 5% mechanische Hysterese.

Kapazitive Schalter, bei denen das Schaltorgan als Koppelelement zwischen zwei koplanaren Anschlußstücken arbeitet, haben bekanntlich eine der kleinsten mechanischen Hysteresen.

909842/0655

Der Grund dafür liegt darin, daß praktisch sämtliche nutzbare Signalkopplung während der letzten bis 15% des Schaltweges des Schaltorgans passiert, und in diesem Bereich ändert sich der Kopplungsgrad sprunghaft. Was jedoch erwünscht ist, ist dies, daß nämlich die nutzbare Signalkopplung über einen viel breiteren Bereich stattfindet, und die Änderung des Kopplungsgrades weniger sprunghaft ist. Auf diese Weise kann man die elektrischen Leseschaltungen so empfindlich machen, daß sie zwischen den beiden Signalkopplungsgraden an zwei weiter auseinanderliegenden Stellen im Schaltweg des Schaltorgans diskriminieren können.

Trotz der sehr schlechten mechanischen Hysterese sind die konventionellen kapazitiven Schalttafeln am wirtschaftlichsten herzustellen, weil sie mit an festen Stellen angebrachten leitfähigen Elementen arbeiten, die sehr leicht auf einen Träger aufgedruckt werden können. Daher ist die Verwendung kapazitiver Schalttafeln außerordentlich erwünscht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, preiswerten und zuverlässiger arbeitenden kapazitiven Schalter zu schaffen, der wenigstens die doppelte mechanische Hysterese konventioneller kapazitiver Schalter hat.

Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, daß Wechselstrumsignale dadurch amplitudenmoduliert werden, daß ein Wechselstromsignal einem von zwei ebenen, Abstand aufweisenden Leiterstücken zugeführt wird, daß die mechanische Kontaktfläche zwischen einem weiteren Leiter und den beiden ebenen Leiterstücken dadurch steuerbar verändert wird, daß der

»09842/0655

weitere Leiter elastisch deformiert wird, und daß das amplitudenmodulierte Wechselstromsignal vom anderen ebenen Leiterstück der beiden Leiterstücke her übertragen wird.

Besonders zweckmäßig ist nach der Erfindung ein kapazitiver Schalter, der einen ersten und einen zweiten, auf einen isolierenden Träger aufgebrachten Leiter sowie ein kapazitives Schaltorgan besitzt, das den Kopplungsgrad zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter kapazitiv steuert. Das kapazitive Schaltorgan weist einen Schaltstift auf, der gegenüber den Leiterstücken angeordnet ist und einen sich quer über die Leiterstücke erstreckenden Abschnitt aufweist, der in der entfernten Stellung Abstand von den Leiterstücken aufweist. Die Enden eines Bandes aus elastischem, leitfähigem Material sind an gegenüberliegenden Enden des quer liegenden Abschnittes befestigt. Das Band hat eine solche Länge, daß das Band auf die Leiterstücken zu gebogen ist, jedoch Abstand zu ihnen hält, wenn der Schaltstift in der entfernten Stellung sich befindet. Wenn daher der Schaltstift nach vorne bewegt wird, kontaktiert das Band mechanisch die Kombination aus Leiterstück und Träger, und die mechanische Kontaktfläche nimmt mit fortschreitender Bewegung zu. Wenn die Kontaktfläche des Bandes isoliert ist, nimmt die kapazitive Kopplung mit zunehmender Kontaktfläche zu.

Die Erfindung wird im einzelnen an einem in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel nachfolgend beschrieben, wobei die weiteren Merkmale und besonderen Vorteile der Erfindung besonders auffällig werden. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines kapazitiven Schalter, der mit den Merkmalen der Erfindung ausgestattet ist;

909842/0655

Fig. 1a eine Draufsicht auf die Anschlußleiterstücke des kapazitiven Schalters;

Fig. 2 einen Querschnitt durch das in dem Schalter gemäß Fig. 1 verwendete Band;

Fig. 3A-C Querschnitte durch den Schalter nach Fig. 1 während drei verschiedener Stellungen des Schalterstiftes längs seines Schaltweges;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Kapazitäten, die bei dem Schalter gemäß Fig. 1 auftreten; und

Fig. 5 eine idealisierte graphische Darstellung für den Zusammenhang mit zwischen Kapazität und Echaltv/eg des Schalters aus Fig. 1

Der in Fig. 1 dargestellte kapazitive Schalter umfaßt einen Träger 10 aus Isoliermaterial, auf welchen Anschluß-"Stücke" 12 und 14 aus leitfähigem Material aufgedruckt sind. Die freiliegende Oberseite jedes Anschlußstückes ist leitfähig. Die Anschlußstücke sind durch einen Zwischenbereich 16 getrennt. Außerdem ist das Anschlußstück 12 über einen Anschluß 18 an eine Wechselspannungsquelle SS und das Anschlußstück 14 über einen Anschluß 20 an eine Signalauswerteschaltung SU angeschlossen.

Normalerweise wird ein Wechselstromsignal dem Anschluß 18 aus der Quelle SS zugeführt und von der Auswerteeinrichtung SU am Anschluß 20 abgekürzt. Das Wechselstromsignal ist zweckmäßig impulsförmig. Die Weiterleitung des Signals vom Anschluß 18 über Anschlußstück 12 zum Anschlußstück und Anschluß 20 wird durch ein kapazitives Schaltorgan gesteuert.

Das kapazitive Schaltorgan weist einen Schaltstift 22 mit sich quer erstreckendem Abschnitt 24 an dem den Anschluß-Stücken 12 und 14 gegenüberliegenden Ende auf. An den Enden des Abschnittes 24 ist ein Band 26 befestigt. Das Band besteht gemäß Fig. 2 aus einem Träger 26A aus elastischem Kunststoff (z.B. MYLAR, od. gelb),auf welchem eine Metallschicht 26b (z.B. Aluminium oder Silber) auf-

109842/0656

getragen ist. Die Metallschicht ist dann iiii t einer itio schicht 26C beschichtet. Das Schaltoryan kann gegenüber den Anschlußstücken mittels eines Lagers 28 positioniert werden, durch welches der Schalterstift 22 hindurchrayt. Wenn der Schalter manuell betätigt wird, beispielsweise nach seinem Einbau auf einem Schaltpult, dann wird das obere Ende des Schalterstiftes mit einer Kappe 30 versehen. Normalerweise wird wie dargestellt der Schalterstift in einer entfernten Stellung gehalten. Dazu kann man etwa dir Druckfeder 32 oder die bereits eingangs erwähnten kooperierenden Magnete verwenden.

Weiter kann ein Stoßdämpfer 31 aus elastischem Material vorgesehen sein, der als Stop für die Abwärtsbewegung des Schalterstiftes 22 wirkt.

Wie man aus Fig. 1a erkennt, schließt die Haupt- oder Längsachse KA des Bandes 26 einen spitzen Winkel mit der Achse PA des Zwischenbereichs 16 ein. Wenn diese Achsen parallel wären, würde man kapazitive Veränderungen für den längsten Wey des Schalterstiftes 22 erhalten. Jedoch ist eine derartige Ausrichtung auch mit maximaler Streukapazität verbunden. Wenn die Achsen orthogonal zueinander wären, würde eine minimale Streukapazität, jedoch ein kleinerer Prozentsatz des gesamten Stiftweges vorhanden sein, der auf die Änderung der Kapazität entfiele» Daher wird eine Orientierung zwischen Parallelität und Orthogonalität bevorzugt.

Die Signalübertragung vom Anschlußstück 12 zum Anschlußstück 14 hängt von der Kapazität CK-Kopplung der Anschlußstücke ab. Gemäß Fig. 4 besitzt die Kapazität drei Hauptkonsumenten, nämlich die Kapazität Cs, die die unvermeidliche Stieukapazität ist, die die Anschlußstücke ständig koppelt und der

909842/0655

speziellen Ausbildung des Trägers entspricht, die variable Kapazität Cx, die das Anschlußstück 12 mit dem Band 26 koppelt und die variable Kapazität Cy, die das Anschlußstück 14 mit dem Band 26 koppelt (die variablen Kapazitäten sind natürlich Funktionen der S teilung des Bandes 26 bezüglich der Anschlußstücke). Man kann zeigen, daß die Kapazität zwischen den Anschlußstücken sich aus folgender Relation ergibt:

_ck JjTL^JgL _{+ Cs}

Cx + Cy

Die Arbeitsweise des Schalters wird jetzt unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 3 und 5 beschrieben. Zunächst stehe der Schalter in der in Fig. JA gezeigten entfernten Stellung. Jetzt besteht nur die Streukapazität Cs als koppelnde Kapazität zwischen den Anschlußstücken. Diese Stelle ist als Punkt r in dem Graphen der Fig. 5 dargestellt, woraus sich ergibt, daß die Streukapazität etwa 10% der maximalen Kapazität beträgt. Bei dieser Schalterstellung sind Kapazität Cx und Cy vernachlässigbar. Wenn der Schalterstift niedergedrückt wird, wird Punkt a erreicht, der etwa 1/3 des gesamten möglichen Schaltweges liegt, an dem das Band 26 gerade die Schaltstücke kontaktiert. Bei weiterem Niederdrücken wird das Band elastisch deformiert, was mit einer Erhöhung der Kopplung zwischen den Anschlußstücken und dem Band verbunden ist. So zeigt beispielsweise Fig. 3B den Punkt b, bei dem etwa 50% des gesamten Schaltweges von dem Schalterstift zurückgelegt worden sind. Schließlich führt das weitere Niederdrücken des Schalters zu einem weiteren Ansteigen der Koppelkapazität, bis eine maximale Kapazität am Punkt c erreicht wird, wenn das Band 26 die Anschlußstücke vollständig überdeckt, wie Fig. 3C zeigt. Ein weiteres Vorschieben ist im Umfang des Komprimierens des Puffers 30 möglich, jedoch ist damit nur ein unbedeutender Zuwachs an Kapazität zu erreichen.

709842/0655

-•β·-

Wenn man jetzt annimmt, daß eine lineare Beziehung zwischen der Signalübertragung und der Koppelkapazität besteht und wenn man ferner annimmt, daß die Auswerteschaltung bei Hysteresewerten von 80% des Maximalsignals Einschalten und bei 20% des Maximalsignals Unterbrechen feststellt, dann sieht man, daß das Einschalten beim Punkt h₁ gleich 70% des Schaltweges und das Ausschalten bei Punkt h_ oder 40% des Schaltweges auftreten. Damit beträgt die mechanische Hysterese 30% des Gesamtschaltweges.

Im Ergebnis wurde als also ein kapazitiver Schalter beschrieben, der eine monoton wachsende Kapazität zwischen auf einen Träger aufgedruckte Anschlußstücke erzeugt, und dabei relativ früh in dem Schaltstift-Schaltweg beginnt und im wesentlichen durch den gesamten Rest des Schaltweges sich fortsetzt. Dies wurde erreicht durch Verwendung eines isolierten Leiters in der Form einer flexiblen Bandschleife, deren Enden gegenüber den Anschlußstücken am Schaltstift befestigt sind. Die zunehmende Kapazität wird durch einen nicht elektrischen, mechanischen Kontakt der Bandschleife mit den Anschlußstücken derart erreicht, daß die Kapazität mit zunehmender Kontaktfläche zwischen der Bandschleife und den Anschlußstücken bei zunehmender Abwärtsbewegung des Schalterstiftes zunimmt.

Die Erfindung ist das beschriebene Ausführungsbeispiel selbstverständlich nicht beschränkt. Im Ganzen wurde ein kapazitiver Schalter beschrieben, dessen elektrischer Schal tungsteil aus zwei Abstand aufweisenden Anschlußstücken aus leitfähigem Material auf einem Isolierträger aufweist. Ein kapazitives Kopplungsorgan am Ende eines Schalterstiftes besitzt eine Bandschleife am Ende des Schalterstiftes, welche aus zwei Isolierstofflagen mit einer Zwischenschicht aus

709842/0655

leitf ähigem Material besteht. Wenn der Scha 1 tür st i 1 L den isolierten Träger gedrückt wird, dann kontaktiert eine monoton zunehmende Fläche des Bandes mechanisch die Anseht umstücke, so daß eine monoton zunehmende kapazitive Kopplung zwischen den beiden Anschlußstücken hergestellt wird. Natürlich liegt es auch im Rahmen der Erfindung, daß eines der Anschlußstücke mit einer Isolierschicht überzogen ist, wobei dann die Kontaktfläche des Bandes leitfähig ausgeführt ist. Alternativ können auch beide Anschlußstücke isolierte Kontaktflächen besitzen.

709842/0655

Claims (7)

1. Ansprüche

   ' \J Kapazitiver Schalter bestehend aus einem isolierenden Träger (10), auf welchem ein erstes (12) und ein zweites Anschlußstück aus leitfähigem Material mit gegenseitigem Abstand (16) aufgebracht sind, sowie mit einem relativ zu den beiden Anschlußstücken zwischen einer entfernten und einer nahen Stellung verschiebbaren Schaltorgan (22,24,2ο), welches einen Schalterstift (22) sowie ein kapazitives Kupplungsteil (26) aufweist, dessen Enden an einem quer zur Bewegungsrichtung des Organs sich erstreckenden Abschnitt (24), welcher den Abstand (16) zwischen den beiden Anschluß-Stücken (12,14) überdeckt, befestigt sind, wobei das kapazitive Kopplungsorgan aus einem elastischen, einen Leiter enthaltenden Band besteht, welches eine solche Länge hat, daß es in Richtung auf die Anschlußstücke (12,14) gebogen ist; und daß wenigstens eine der Koppelflachen, umfassend die beiden Kontaktflächen der beiden Anschlußstücke (12,14) sowie die Kontaktfläche des Bandes (26). mit einem elektrischen Isoliermaterial bedeckt ist.
2. 2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (26) aus einem elastischen Kunststoff (26A) als Träger, einer auf eine Oberfläche des Trägers aufgebrachten Metallschicht (26B) und einer Beschichtung aus Isoliermaterial (26C) über der Metallschicht besteht.

   909842/0655

   ORIGINAL INSPECTED
3. 3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem auf die Anschlußstücke zuweisenden Ende des querliegenden Abschnittes ein elastischer Puffer (30) angebracht ist.
4. 4. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem von den Anschlußstücken (12,14) wegweisenden Ende des Schalterstiftes eine Kappe (30) aufgesetzt ist.
5. 5. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (26B) des Bandes (26) auf der auf die Anschlußstücke (12,14) zuweisenden Seite mit einer weiteren Kunststoffschicht (26C) beschichtet ist.
6. 6. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Bandes und die Achse des Zwischenraums (16) zwischen den Anschlußstücken (12,14) einen spitzen Winkel einschließen.
7. 7. Verwendung des Schalters nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Amplituden-Modulation eines Wechselstromsignals, das von einem Anschlußstück zum anderen Anschlußstück geführt wird mittels Verändern der kapazitiven Kopplung zwischen den beiden Anschlußstücken durch Verändern der Einstellung des Koppelorganes längs des Schaltweges.