DE3018010C2 - Kapazitiver Taster als elektrischer Signalgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Taster als elektrischen Signalgeber mit einer beweglichen Belagelektrode, die mittels eines axial verschiebbaren und selbsttätig in die Ruhestellung zurückkehrenden VersteUgüeds betätigbar und zusammen mii einem Dielektrikum sowie mindestens einer stationär angeordneten Belagelektrode einen veränderbaren Kondensator bildet bei dem in Ruhestellung die beiden Belagelektroden mit Abstand übereinanderiiegen und eine kleine Kapazität aufweisen und in Schalistellwng isoliert aufeinanderliegen und iine größere Kapazität bilden und wobei die stationäre Belagclektrode und die bewegliche Belagelcktrode seitlich neben dem Verstellglied sich in dessen Verstellrichtung erstreckend angeordnet sind.

Eine Schalttaste, bei der bei einer Betätigung beispielsweise durch einen Tastenanschlag die Kapazität des Kondensators geändert wird, so daß keine Kontaktstücke erforderlich sind, die einem Verschleiß durch Schaltfunken unterliegen, ist durch die DE-PS 22 29 406 bekannt. Das axial verschiebbare Bctätigungsglied ist bei dieser Ausgestaltung an seiner Unterseite mit einer isolierenden Trägerscheibe bestückt, an der die Schenkclenden einer gebogenen Bl?.ttfedt:^r befestigt sind, die die bewegliche Belagelektrode bildet und mit der auf einer Grundplatte angeordneten stationären Belagelektrode zusammenwirkt. Das Betätigungsglied, die Trägerscheibe sowie die Belagclektrode sind hierbei somit axial hintereinander angeordnet. In Ruhestellung liegt unter der Einwirkung einer Vorspannung nur der etwas ausgewölbte Teil der Blattfeder auf der isolierenden stationären Belagelektrode auf, in Schaltstellung dagegen werden durch den Hub und die Druckeinwirkung des Betätigungsgliedes die Schenkel der Blattfeder derart verformt, daß diese satt auf der isolierenden Belagelek trode aufliegt. Auf diese Weise soll eine große Schalthy- sf°rese geschaffen werden und die Taste soll einen großen Überhub nach Überwindung des Schaltpunktes aufweisen.

Diese kapazitive Schalttaste besteht zwar nur aus we-

nigen Einzelteilen, dennoch ist eine einwandfreie Funktion, insbesondere nicht für eine längere Betriebszeit nicht sichergestellt. Die beiden Belagelektroden sind nämlich nicht vor Verschmutzung durch Staub geschützt, auch ist dies nicht ohne weiteres zu bewerkstel-

bo ligen, da das bewegliche Bctätigungsglied in den Raum, in dem die Bclagelektroden angeordnet sind, hineinragt und somit bei jedem Betätigungsvorgang Schmutz zu den Belagelektroden gelangen kann. Und selbst durch sehr feine Staubkörner wird der Abstand /wischen den

t>5 beiden Belagclektroden vergrößcri, so daß dadurch bedingte Fehlschaltungcn unvermeidbar sind. Des weiteren kann, da ohne weiteres auch Luftfeuchtigkeit an die Belagclektroden gelangt und es somit zu einer Kon-

denzwasserbildung an diesen kommen kann, die Funklionsfähigkeit dadurch beeinträchtig», werden.

Da aber die als Feder ausgebildete bewegliche Belagelektrode bei jedem Schaltvorgang mechanisch beansprucht wird, verändert sich ferner auch die Betätigungscharakteristik der Taste. Der Schaltpunkt bleibt daher nicht gleich, dieser verschiebt sich vielmehr, da die Vorspannung der Feder mit der Zeit nachläßt. Auch ist von Nachteil, daß eine Schalthysterese nur bedingt gegeben ist und daß der Öffnungsvorgang sehr rasch erfolgt. Die als Feder ausgebildete Belagelektrode wird nämlich bei einer Betätigung gespannt, so daß, sofern eine bestimmte, den Schaltvorgang auslösende Kapazität gegeben ist, das Betätigungsglied zwar noch einen Oberhub ausführen kann, die Spannung der Feder wird dadurch aber weiter erhöht, so daß der Rückhub und damit die Abnahme der Kapazität selbsttätig somit schnell erfolgt. Und wird die den Schaltvorgang auslösende Kapazität, der eine bestimmte Anlagefläche der beweglichen Belagelektrode an der stationären Belagelektrode entspricht, unterschritten, ist die Taste außer Funktion. Die beiden Schaltpunkte sind demnach nahezu gleich. Außerdem liegt bei dieser Ausgestaltang die zum Wellen neigende Feder meist nicht plan an der stationären Belagelektrode an, so daß bei Verwendung derartiger Tasten in Tastaturen eine große Exemplarstreuung unvermeidbar ist. Eine hohe Betriebssicherheil und eine lange Lebensdauer dieser bekannten kapazitiven Taste ist demnach nicht gegeben.

Durch die DE-AS 21 62 044 ist des weiteren ein kapazitiver Schalter der eingangs genannten Art bekannt, der aus einem Kondensator mit einer feststehenden und einer beweglichen Platte besteht. Der bei diesem Schalter des weiteren vorgesehene Permanentmagnet ist ortsfest angeordnet und durch diesen werden die bewegbaren Elektroden mit einer vorgegebenen Kraft festgehalten. Durch Niederdrücken der Taste werden hierbei Auslösfedern zusammengedrückt, die derart ausgelegt sind, daß die magnetische Anziehung des Dauermagneten überwunden wird und die als Schwenkplatien ausgebildeten Elektroden von den feststehenden Elektroden abgehoben werden. Der stationäre Permanentmagnet dient somit nicht zur Änderung der Kapazität, sondern ist lediglich ein Haltemittel. Außerdem sind bei d'escr Ausgestaltung die Elektroder unmittelbar mit dem Betäligungsglied verbunden und können nicht in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet werden. Kapazitätsänderungen sind daher unvermeidbar. Auch verschiebt sich, zumal die Betätigung der beweglichen Bclagclekiroden des Kondensators über Federn erfolgt, unweigerlich der Schaltpunkt. Die Störanfälligkeit ist somit erheblich.

Aufgabe der Erfindung ist es demnach, einen kapazitiven Taster als elektrischer Signalgeber zu schaffen, der diese Nachteile nicht aufweist. Es soll vielmehr erreicht werden, daß der Taster weder staub- noch feuchtigkeitsempfindlich ist und daß somit keine dadurch bedingten Kapazitätsveränderungen auftreten, daß eine hohe Lebensdauer gegeben ist und daß der vorgegebene Schaltpunkt auch bei mehr intensiver Benutzung stets beibe= halten wird. Des weiteren sollen die beiden Schaltpunkte unterschiedlich sein, damit eine echte Schalthysterese vorhanden ist. und die maximale Kapazität soll stets gleich sein, damit keine Streuung auftritt und somit eine Verwendung in Tastaiuren auch unter verschiedenen Umwcltbedingungcn ohne weiteres möglich ist.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dnß zur Beeinflussung der beweglichen Bebgelektroden das Verstellglied mit einem Permanentmagneten bestückt ist, der durch die stationäre Belagelektrode von der beweglichen Belagelektrode getrennt und mittels des Versteligliedes in deren Verstellbereich einführbar isL

Zweckmäßig ist es hierbei, die beiden Belagelektroden als ebene oder konzentrisch zu dem Verstellglied gekrümmte dünnwandige Platten oder Bänder auszubilden, die in Ruhelage parallel zueinander angeordnet sind, wobei die bewegliche Elektrode auch aus einer

lü vorzugsweise vorgespannten Blattfeder bestehen kann. Sehr vorteilhaft ist es ferner, die bewegliche Belagelektrode einseitig im äußeren Randbereich einer senkrecht zur Vcrstellrichtung des Vcrstcllgliedes verlaufenden Längsseile, vorzugsweise in dem dem Permanentmagneten in dessen Ruhestellung unmittelbar zugekehrten Randbereich, mit Hilfe eines Distanzstückes mit Abstand an der stationären Belagelektrode zu befestigen.

Angebrach', ist es des weiteren, die bewegliche Belagelektrode zur Reduzierung des verf.^Tibaren Querschnittes mit einem oder mehreren Einschnitten, vorzugsweise im Bereich der Befestigung an der stationären Belagelektrode mit einer U-förmig ausgebildeten Freisparung zu versehen.

Die sta»-onäre Bclagelektrode kann, um diese auf einfache Weise zu befestigen, in schlitzartigen Ausnehmungen eines das Verstellglied haltenden Tasterunterteils eingesetzt sein.
Um die Belagclektroden zuverlässig vor Staub oder

jo Feuchtigkeit zu schützen, ist es ferner vorteilhaft, wenn die stationäre Belagelektrode zusammen mit einer an dem Unterteil angeformten Zwischenwand ein geschlossenes Gehäuse für die bewegliche Bclagelektrode und das Dielektrikum bildet.

jo Die beiden Belagelektroden sowie das Dielektrikum können zu dem gleichen Zweck aber auch in einem gesonderten geschlossenen Gehäuse angeordnet sein, das in einem das Vcrsiellglied hallenden Tasierunte. teil eingesetzt ist.

Angebracht ist es des weiteren, das Verstellglied zur Aufnunmc des Permanentmagneten mit einer angeformten Tasche zu versehen, in der dieser mittels Rastvorsprüngen od. dgl. unverrückbar gehalten ist.
Außerdem sollte das Verstellglied entgegen der Kraft einer Feder zwischen zwei durch Anschläge begrenzte Endstellungcn verstellbar sein.

Ein gemäß der Erfindung ausgebildeter kapazitiver Taster besieht nicht nur aus wenigen Bauteilen und ist damit auf wirtschaftliche Weise herzustellen, sondern

w dieser ist vor allem srhr zuverlässig in der Funktion, slöruncmpfindlich und vielseitig, auch unter unterschiedlichen Umwdtbedingungen einsetzbar. Wird zur ßccinflb-tsung der beweglichen Beiagelektrode ein verschiebbarer Permanentmagnet vorgesehen, so ist es oh-

Y> ne Schwierigkeiten möglich, die einen Kondensator bildenden Bauteile völlig von dem Verstellglied zu trennen und abzukapseln, so daß kein Schmutz und keine Luftfeuchtigkeit an diese gelangen kann. Dadurch bedingte Fehlfunktionen aufgrund evtl. Kapazitatsänderungen

bo sind demnach ausgeschlossen.

Des weiteren wird die bewegliche Beiasebkirode durch das Verstellglied nicht mechanisch beansprucht. Die Anlüge ;in der stationären Belagelektrode erfolgt vielmehr ausschließlich durch die Magnetkraft des PerhS niuncntmagnetcn, so daß der erste Schaltpunkt stets bei einer bestimmten Magnetkraft erreicht ist und somit mich keine Schiiltpunktverschiebungen auftreten. Und bei einer dem ersten .Schaltpunkt entsprechenden AnIa-

ge der beweglichen Belagelektrode an der stationären Belagelektrode ist sofort, bedingt durch die magnetische Anziehung, auch die maximale Kapazität, die außerdem immer gleich hoch ist, gegeben. Streuungen sind somit ausgeschlossen, ein Einsatz der vorschlagsgcmäß ausgebildeten Taste ist demnach ohne Schwierigkeiten in sehr vorteilhafter Weise möglich.

Durch die magnetische Anziehung der beweglichen Belagelektrode ist ferner auch eine echte Schalthystere-

Wird das Verstellglied 3 durch eine auf die Tastenkappe 4 ausgeübten Kraft in Richtung A bis zur Anlage der Nase 8 an der Anschlagfläche 10 verstellt, so wird durch das von dem Permanentmagneten 21 ausgehende Magnetfeld die bewegliche Belagelektrode 13 zu der stationären Belagelektrode 11 hingezogen und legt sich, wie es in Fig.3 dargestellt ist, an dieser durch das Dielektrikum 15 elektrisch getrennt an. Dadurch wird die Kapazität zwischen den einen veränderbaren Kondcn-

se gegeben. Beim Rückhub des Vcrstellgliedes liegt io sator bildenden Belagelektroden 11 und 13. die in Ruhcnämlich, bedingt durch das magnetische Kraftfeld, die lage gemäß Fig. I mit Abstand übereinanderliegcn und bewegliche Belagelektrode über den ersten Schaltpunkt eine geringe Kapazität aufweisen, vergrößert, so daß hinaus an der stationären Belagelektrode an. auch auf ein Schaltvorgang ausgeführt wird. Um den zu verfordiese Weise werden Fehlfunktionen vermieden. menden Querschnitt der beweglichen Belagelektrode 13

Weitere Einzelheiten eines gemäß der Erfindung aus- 15 und damit die erforderliche Schaltkraft zu verringern, ist gebildeten kapazitiven Tasters als elektrischer Signal- in diese eine U-förmige Freisparung 25 eingearbeitet, geber sind dem in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- Wird auf die Tastenkappe 4 keine Kraft mehr ausge-

rungsbeispie!, das nachfolgend im einzelner, criäuier; isi. übt, so wird durch die Kraft der Vcdcr 7 das Verstellzu entnehmen. Hierbei zeigt glied 3 und damit der Permanentmagnet 21 in die in

Fig. I den kapazitiven Taster in einem Axialschnitt, 20 Fig. I dargestellte Ruhestellung zurückgedrückt. Die in Ruhestellung. Nase 8 liegt hierbei an der Anschlagflächc 9 an. Sobald

die Federkraft der beweglichen Belagelektrode 13 größer ist als die von dem Permanentmagneten 21 ausgeübte Magnetkraft, löst sich die bewegliche Belagclektrode 25 13 von der stationären Belagelektrode 11, der Schaltvorgang wird dadurch beendet. Der zweite Schaltpunkt ist jedc;.J>, bedingt durch die Hysterese des Permanentmagneten 21, von dem ersten Schaltpunkt verschieden, so daß der kapazitive Taster eine große Schalthysterese den in einem gesonderten Gehäuse eingesetzten Belag- 30 aufweist, elektroden. Und da die den veränderbaren Kondensator bilden-

Der in der Zeichnung mit 1 bezeichnete als elektri- den Bauteile, nämlich die stationäre Belagelektrode 11. scher Signalgeber ausgebildete kapazitive Taster be- die bewegliche Belagelektrode 13 sowie das Dielektristeht hierbei im wesentlichen aus einem ortsfest ange- kum 15 völlig von dem Betätigungsglied 3 getrennt sind ordneten Unterteil 2, einem mit einer Tastenkappe 4 35 - gemäß Fig.5 können diese Bauteile auch in einem abgedeckten axial verschiebbaren Verstellglied 3 sowie gesonderten Gehäuse 26. das in einer Ausnehmung 27 einer Mationären Belagelektrode 11 und einer bewegli- des Unterteils eingesetzt ist, angeordnet werden -°und chen Beiagelekirode 13. die zusammen mit einem zwi- nur durch die Magnetkraft betätigt werden, sind Beeinschen diesen eingesetzten Dielektrikum 15 einen verän- trächtigungen durch Schmutz, Feuchtigkeit und mechaderbaren Kondensator bilden. Das Verstellglied 3 ist 40 nische Beanspruchungen ausgeschlossen. Eine lange Lemitfels eines zapfcnförmigen Ansatzes 6 in einer Füh- bensdaucr und ein Einsatz auch bei unterschiedlichen rungsbohrung 5 des Unterteils 2 verschiebbar entgegen Umweltbedingungen und ohne daß Schaltpunktverder Kraft einer Feder 7 geführt und zwischen zwei Schiebungen und Excmplarstreuungen in Kauf zu nehdurch Anschläge 9 und 10, mit denen eine angeformte men sind, sind somit bei dem kapazitiven Taster 1 geNase 8 zusammenwirkt, begrenzte Endstcllungen ver- 45 währleistet, schiebbar.

F i g. 2 den Taster nach F i g. I in einem Schnitt nach der Linie ll-llder Fig. I.

Fig. 3 den Taster nach Fig. ! ohne Tasterkappe in Schaltstellung,

F i g. 4 die den veränderbaren Kondensator bildenden Bauteile des Tasters nach Fig. I in einer perspektivischen Darstellung und

Fig.5 den Taver nach Fig. 1 in Schaltstellung mit

Die stationäre Belagelektrode 11 ist mittels der Randteile 11' (Fig.4) in schlitzförmigen Ausnehmungen 19 des Unterteils 2 gehalten und in einem durch eine an dem Unterteil 2 a.igeformte Zwischenwand 20 gebildeten Gehäuse eingesetzt. Es ist aber auch möglich, daß die stationäre Belagelektrode 11 den dem Verstellglied 3 zugekehrten Teil der Wand 20 übernimmt. An der stationären Belagelektrode 11 sind das Dielektrikum 15 und mittels eines Distanzstückes 16 und Nieten 17, die die in diese Teile eingearbeiteten Schlitze 18, 18', 18" und 18'" durchgreifen, mit Abstand auch die bewegliche magnetisch empfindliche Belagelektrode 13 an diesem befestigt

Die beiden Belagelektroden 11 und 13, deren An- ω Schlußfahnen 12 bzw. 14 aus dem Unterteil 2 herausgeführt sind, sind als dünnwandige Platten ausgebildet und seitlich neben dem Verstellglied 3 angeordnet Zur Beeinflussung der beweglichen Belagelektrode 13 äst das Verstellglied 3 mit einem Permanentmagneten 21 bestückt, der in einer mit einer öffnung 23 versehenen angeformten Tasche 22 eingesetzt und mittels einer Rastnase 24 gehalten ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Taster als elektrischer Signalgeber mit einer beweglichen Belagelektrode, die mittels eines axial verschiebbaren und selbsttätig in die Ruhestellung zurückkehrenden Verstellglieds betäiigbar und zusammen mit einem Dielektrikum sowie mindestens einer stationär angeordneten Belagelektrode einen veränderbaren Kondensator bildet, bei dem in Ruhestellung die beiden Belagelektroden mit Abstand übereinanderiiegen und eine kleine Kapazität aufweisen und in Schaltstellung isoliert aufeinanderliegen und eine größere Kapazität bilden und wobei die stationäre Belagelektrode und die bewegliche Belagelektrode seitlich neben dem Verstellglied sich in dessen Verstellrichtung erstreckend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der beweglichen Belagelektrode (13)*«isVersteHgHed (3) mit einem Permanentmagneten (21) bestückt ist. der durch die stationäre Belagelektrode (U) von der beweglichen Belagelektrode (!3) getrennt und mittels des Verstellgliedes (3) in deren Verstellbereich einführbar ist.

2. Kapazitiver Taster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Belagelektroden (11, 13) als ebene oder konzentrisch zu dem Verstellglied (3) gekrümmte dünnwandige Platten oder Bänder ausgebildet sind, die in Ruhelage parallel zueinander angeordnet -ind.

3. Kapazitiver Taster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß (Ire bewegliche Belagelektrode (13) als vorzugsweise vorgespannte Blattfeder ausgebildet ist.

4. Kapazitiver Taster nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Belagelektrode (13) einseitig im äußeren Randbereich einer senkrecht zur Verstellrichtung (A) des Verstellgliedes (3) verlaufenden Längsseite, vorzugsweise in dem dem Permanentmagneten (21) in dessen Ruhestellung unmittelbar zugekehrten Randbereich mit Hilfe eines Distanzstückes (16) mit Abstand an der stationären Belagelektrodc (U) befestigt ist.

5. Kapazitiver Taster nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Belagelektrode (13) zur Reduzierung des verformbaren Querschnittes mit einem oder mehreren Einschnitten, vorzugsweise im Bereich der Befestigung an der stationären Belagelektrode (11) mit einer U-förmig ausgebildeten Freisparung (25) versehen ist.

6. Kapazitiver Taster nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Belagelektrode (11) in schlitzartigen Ausnehmungen (19) eines das Verstellglied (3) haltenden Tasterunterteils (2) eingesetzt ist.

7. Kapazitiver Taster nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Belagelektrodc (U) zusammen mit einer an dem Unterteil (2) angeformten Zwischenwand (20) ein geschlossenes Gehäuse für die bewegliche Bclagclcktrode (13) und das Dielektrikum (15) bildet.

8. Kapazitiver Taster nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Belagelektroden (11, 13) sowie das Dielektrikum (15) in einem gesonderten geschlossenen Gehäuse (26) angeordnet sind, das in einem das Verstcllgliccl (3) haltenden Tasterunterteil (2) eingesetzt ist.

9. Kapazitiver Taster nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellglied (3) zur Aufnahme des Permanentmagneten (21) mit einer angeformten Tasche (22) versehen ist, in der dieser mittels Rastvorsprüngen (24) unverrückbar gehalten ist

10. Kapazitiver Taster nach einem -der Ansprüche 1 bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellglied (3) entgegen der Kraft einer Feder (7) zwischen zwei durch Anschläge (9, 10) begrenzte Endstellungen verstellbar ist