DE2709605C2 - Kapazitiver Schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Schalter mit einem isolierenden Träger, auf dem zwei Anschlußflächen aus leitfähigem Material mit gegenseitigem Abstand zueinander aufgebracht sind, sowie mit einer relativ zu den beiden Anschlußflächen zwischen zwei Schaltstellungen verschiebbaren und aus einem Schalterstift sowie einem kapazitiven Kopplungsteil bestehenden Schalttaste, wobei das kapazitive Kopplungsteil aus einem elastischen, elektrisch leitfähigen und U-, V- oder O-förmig gebogenen Band besteht, dessen Enden an einem sich quer zur Bewegungsrichtung der Schalttaste erstreckenden Abschnitt, welcher den Abstand zwischen den Anschlußflächen überdeckt, befestigt sind, und wobei die beiden Anschlußflächen und/ oder das Band mit einem elektrischen Isoliermaterial bedeckt sind.

Aus der DE-OS 22 29 406 ist ein kapazitiver Schalter als elektrischer Signalgeber bekannt, der aus einer beweglichen Belagelektrode sowie mindestens einer auf einer Grundplatte befestigten stationären Belagelektrode besteht, die zusammen einen veränderlichen Kondensator bilden. In Ruhestellung weisen die beiden Belagelektroden einen bestimmten Abstand zueinander und damit eine kleine Kapazität auf, während sie in der Schaltstellung einen geringen Abstand und damit eine größere Kapazität aufweisen, so daß aufgrund der jeweiligen Entfernung der beweglichen Belagelektrode von der stationären Belagelektrode eine Änderung des kapazitiven Widerstandes gegeben ist.

Die bewegliche Belagelektrode des bekannten kapazitiven Schalters besteht aus einem in axialer Richtung verschiebbaren Betätigungsglied, das an seiner Unterseite mit einer isolierenden Trägerscheibe versehen ist und eine U-, V- oder O-förmig gebogene Blattfeder aufweist, deren Schenkel mit einer mit dem Betätigungsglied verbundenen Trägerscheibe verbunden sind, in der Ruhestellung liegt aufgrund der Vorspannung der gewölbte Teil der Blattfeder auf der stationären Beiagelektrode auf, während in der Schaltstellung und unter Druckeinwirkung die entsprechend verformte Blattfeder an der Trägerscheibe fest anliegt

Aufgrund der geometrischen Form des bekannten kapazitiven Schalters wird bei einer Schalthysterese von 0,5 mm eine Kapazitätsänderung von 6,0 Picofarad auf 8,5 Picofarad erzielt Die Veränderung der geometrischen Form der beweglichen oder stationären Belagelektrode kann durch linear oder progressiv ansteigende Kapazitätsänderungen erzielt werden, was jedoch auf eine einzelne, der beweglichen Belagelektrode gegenüberstehende Flächenelektrode bezogen ist Bei einer Anordnung von zwei Stationen von Belagelektroden gegenüber einer beweglichen Elektrode sind die Kapazitätsunterschiede bei einer Schalthysterese von 0,5 mm unzureichend. Bei einer derartigen Anordnung ist zunächst die Kapazität zwischen den beiden stationären Belagelektroden bestimmend, während die durch die bewegliche Belagelektrode hervorgerufene Kapazitätsänderung geringer ist als bei einer stationären und einer beweglichen Belagelektrode. Um ausreichende Änderungen des Widerstandes und damit ausreichende Pegelunterschiede zur Auswertung der Schaltstellung zu erzielen, muß daher bei dem bekannten kapazitiven Schalter der Schalthub entsprechend vergrößert werden. Bei einem vergrößerten Schalthub wächst jedoch die Streukapazität überproportional an, so daß bei ausreichenden kapazitiven Veränderungen erhebliche Streukapazitäten in Kauf genommen werden müssen. Verringert man jedoch den Schalthub, so verringert sich zwar ebenfalls die Streukapazität, jedoch entfällt ein nur kleiner Prozentsatz des gesamten Schaltweges auf die Änderung der Kapazität.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kapazitiven Schalter zu schaffen, der ausreichend große Kapazitätsänderungen und damit eine ausreichende Schalthysterese zur Unterscheidung der Schaltstellungen bei geringstmöglicher Streukapazität sicherstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Längsachse des Bandes der Schalttaste und die Achse des Zwischenraums zwischen den Anschlußflächen einen spitzen bzw. stumpfen Winkel einschließen.

Die erfindungsgemäße Lösung gewährt bei geringstmöglicher Streukapazität einen ausreichend langen Schaltweg zur Erzielung einer ausreichenden Schalthysterese.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines kapazitiven Schalters;

Fig. IA eine Draufsicht auf die Anschlußflächen des kapazitiven Schalters;

Fig. 2 einen Querschnitt durch das in dem kapazitiven Schalter gernäß F i g. 1 verwendete Band;

Fig. 3A bis 3C Querschnitte durch den kapazitiven Schalter gemäß Fig. 1, während drei verschiedener Stellungen des Schalterstiftes längs seines Schaltweges; F i g. 4 eine schematische Darstellung der Kapazitä-

ten, die bei dem Schalter gemäß F i g. 1 auftreten und

Fig.5 eine idealisierte graphische Darstellung für den Zusammenhang zwischen Kapazität und Schaltweg des kapazitiven Schalters gemäß F i g. 1.

Der in F i g. 1 dargestellte kapazitive Schalter umfaßt einen Träger 10 aus Isoliermaterial, auf den Anschlußflächen 12,14 aus leitfähigem Material aufgedruckt sind. Die freiliegende Oberseite jeder Anschlußfläche ist leitfähig und beide Anschlußflächen sind durch einen Zwischenbereicii 16 voneinander getrennt Die Anschlußfläehe 12 ist über einen elektrischen Anschluß 18 an eine Signalquelle und die Anschlußfläche 14 über einen elektrischen Anschluß 20 an ein Signal-Nutzgerät angeschlossen, wobei dem elektrischen Anschluß 18 von der Signalquelle ein Wechselstromsignal zugeführt wird, das dem an den elektrischen Anschluß angeschlossenen Signal-Nutzgerät abgeführt wird. Dabei ist normalerweise das Wechselstromsignal impulsförmig ausgebildet. Die Weiterleitung des Signals vom elektrischen Anschluß über die Anschlußfläche 12 zur Anschlußfläche 14 und dem elektrischen Anschluß 20 wird durch die Schalttaste gesteuert.

Die Schalttaste weist einen Schalterstift 22 mit sich quer erstreckendem Abschnitt 24 an dem den Anschlußflachen 12, 14 gegenüberliegenden Ende auf. An den Enden des Abschnittes 24 ist ein Band 26 befestigt, das gemäß F i g. 2 aus einem Träger 26Λ aus elastischem Kunststoff, auf welchem eine Metallschicht 266 beispielsweise aus Aluminium oder Silber aufgetragen ist. Die Metallschicht ist dann mit einer Isolierschicht 2SC beschichtet Die Schalttaste kann gegenüber den An schlußflächen 12,14 mittels eines Lagers 28 positioniert werden, durch welches der Schalterstift 22 hindurchragt. Wenn der Schalter manuell betätigt wird, nach seinem Einbau in einem Schaltpult, erweist es sich als vorteilhaft, ihn am oberen Ende mit einer Kappe 31 zu versehen. Mittels einer Druckfeder 32 oder gleichartiger Mittel wird der Schalterstift 22 in einer angehobenen Stellung gehalten.

An dem auf die Anschlußflächen 12, 14 zuweisenden Enden des Abschnittes 24 ist ein elastischer Puffer 30 angebracht, der als Begrenzung für die Abwärtsbewegung des Schalterstiftes 22 dient.

Wie man aus Fig. IA erkennt, schließt die Hauptoder 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 Weg 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 zur Anschlußfläche 14 Hängt von der Kapazität CK-Kopplung der Anschlußstücke ^b. Gemäß Fig.4 besitzt die Kapazität drei Haubtkon'Jjonenten, nämlich die Kapazität Cs, die die unvermeidliche Streukapazität ist, die die Anschlußfläche ständMj koppelt und der speziellen Ausbildung des Trägers entspricht, die variable Kapazität Cx, die die Anschlußfli'che 12 mit dem Band 26 koppelt und die variable Kapazität Cy, die die Anschlußfläehe 14 mit dem Band 26 koppelt (die variablen Kapazitäten sind natürlich Funk'ionen der Stellung des Bandes 26 bezüglich der AnschHißflächen). Man kann zeigen, daß die Kapazität zwischen den Anschlußflächen sich aus folgender Relation ergibt:

Ck

Cx Cy Cx+ Cy

+ Cs.

Die Arbeitsweise des Schalters wird jetzt unter besonderer Bezugnahme auf Fig.3 und 5 beschrieben. Zunächst stehe der Schalter in der in F i g. 3A gezeigten angehobenen Stellung. Jetzt besteht nur die Streukapazität Cs als koppelnde Kapazität zwischen den Anschlußflächen. Diese Stelle ist als Punkt r in dem Kurvenverlauf gemäß F i g. 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 22 niedergedrückt wird, wird Punkt a erreicht, der etwa 1/3 des gesamten möglichen Schaltweges liegt, an dem das Band 26 gerade die Anschlußflächen kontaktiert Bei weiterem Niederdrücken wird das Band elastisch deformiert was mit einer Erhöhung der Kopplung zwischen den Anschlußflächen und dem Band verbunden ist. So zeigt beispielsweise F i g. 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 Anschlußflächen vollständig überdeckt, wie F i g. 3C zeigt. Ein weiteres Vorschieben ist im Umfang des Komprimierens des Puffers 30 möglich, jedoch ist damit nur ein unbedeutender Kapazitätszuwachs zu erreichen.

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 h\ gleich 70% des Schaltweges und das Ausschalten bei Punkt h₂ oder 40% des Schaltweges auftreten. Damit beträgt die mechanische Hysterese 30% des Gesamtschaltweges.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Schalter mit einem isolierenden Träger, auf dem zwei Anschlußflächen aus leitfähigem Material mit gegenseitigem Abstand zueinander aufgebracht sind, sowie mit einer relativ zu den beiden Anschlußflächen zwischen zwei Schaltstellungen verschiebbaren und aus einem Schalterstift sowie einem kapazitiven Kopplungsteil bestehenden Schalttaste, wobei das kapazitive Kopplungsteil aus einem elastischen, elektrisch leitfähigen und U-, V- oder O-förmig gebogenen Band besteht, dessen Enden an einem sich quer zur Bewegungsrichtung der Schalttaste erstreckenden Abschnitt, welcher den Abstand zwischen den Anschlußflächen überdeckt, befestigt sind, und wobei die beiden Anschlußflächen und/oder das Band mit einem elektrischen Isoliermaterial bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsache (KA) des Bandes (26) der Schalttaste und die Achse (PA) des Zwischenraums (16) zwischen den Anschlußflächen (12, 14) einen spitzen bzw. stumpfen Winkel einschließen.

2. Kapazitiver 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 (26θ^ und einer Beschichtung aus Isoliermaterial (26Qüber der Metallschicht besteht.

3. Kapazitiver Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem auf die Anschlußflächen (12, 14) zuweisenden Ende des quer liegenden Abschnittes (24) ein elastischer Puffer (30) angebracht ist.