DE3029515A1

DE3029515A1 - Drucktastenschalter

Info

Publication number: DE3029515A1
Application number: DE19803029515
Authority: DE
Inventors: Ryoichi Sado
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1979-08-06
Filing date: 1980-08-04
Publication date: 1981-02-26
Also published as: US4289943A; GB2055510A; JPS5624718A; GB2055510B

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Drucktastenschalter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen Drucktastenschalter, bei dem aufeinanderfolgende EIN/AUS-Schaltsignale bei einer einzigen Betätigung dr Drucktaste spontan erhalten werden.

Viele elektrische und elektronische Geräte, auch Haushaltsgeräte, sind mit Drucktastenschaltern ausgerüstet, und zwar sowohl mit einzelnen Drucktastenschaltern als auch mit Drucktastenschaltern, die zu einem Tastenfeld zusammengefaßt sind. Die Drucktastenschalter selbst weisen die unterschiedlichsten Konstruktionsmerkmale auf. So ist beispielsweise ein Drucktastenschalter bekannt, der eine Grundplatte aufweist, auf der zwei Kontakte befestigt sind, über der Grundplatte und den Kontakten wölbt sich eine Kappe oder ein Dom, der aus einem flexiblen und elastischen Werkstoff besteht. An ihrer Innenseite trägt die elastische Schalterkappe ein Schaltstück, das so angeordnet ist, daß beim Niederdrücken der Schalterkappe das Schaltstück die beiden ortsfest auf der . Bodenplatte angebrachten Kontakte elektrisch leitend miteinander verbindet. Das Niederdrücken der Schalterkappe und des an dieser befestigten Schaltstücks kann entweder direkt mit der Spitze eines Fingers oder indirekt unter Zwischenschaltung eines Betätigungsorgans, beispielsweise eines Druckknopfes, eines Hebels oder einer Wippe, erfolgen. Wird die auf die Schalterkappe einwirkende Kraft aufgehoben, so wird das Schaltstück durch die elastischen Rückstellkräfte des Kappenwerkstoffs von den Kontakten auf der Bodenplatte abgehoben, so daß der elektrische Stromkreis zwischen den beiden Kontakten geöffnet wird.

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Auf Grund ihres einfachen Aufbaues werden solche Drucktastenschalter auf den verschiedensten Gebieten angewendet. Für viele Anwendungszwecke weisen Drucktastenschalter dieser Art jedoch durchaus ungünstige Schaltcharakteristiken auf. Dabei ist die am häufigsten auftretende Schaltstörung das sog. Schalterprellen oder Kontaktprellen. Zur Unterdrückung des Prellens bei Drucktastenschaltern der genannten Art sind zahlreiche Versuche unternommen worden. So kann das Prellen beispielsweise vermindert werden, wenn das Schaltstück aus einem elektrisch leitfähigen Kautschuk besteht. Keiner der bislang vorgeschlagenen Drucktastenschalter ist jedoch vollkommen prellfrei. Insbesondere bei Verwendung solcher Drucktastenschalter in elektronischen oder elektronisch gesteuerten Geräten, beispielsweise in Rechnern, Taschenrechnern, elektrischen Schreibmaschinen oder Registrierkassen, bei denen den Drucktastenschaltern schnellschaltende elektronische Schaltelemente nachgeschaltet sind, und bei denen eine hohe Schaltzuverlässigkeit unabdingbare Voraussetzung ist, kann ein solches Kontaktprellen zu Fehloperationen führen. Die Gefahr des Prellens ist dabei für Drucktastenschalter der genannten Art beim Öffnen des Schalters besonders groß. Während beim Niederdrücken des Betätigungselementes oder der Kappe eines Drucktastenschalters der genannten Art die Fingerspitze in der Regel relativ gleichmäßig und genau geführt wird, ist dies bei der Freigabe des Betätigungselementes des Drucktastenschalters kaum jemals der Fall. Dies führt zu einem häufigen Prellen beim Öffnen eines über einen Drucktastenschalter der genannten Art geschlossenen Stromkreises.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucktastenschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, der keine Schaltstörungen, insbesondere kein Prellen, zeigt.

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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung einen Drucktastenschalter der eingangs genannten Art/ der die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale aufweist.

Das Prinzip des Drucktastenschalters beruht also darauf, daß der Stromkreis zwischen den Kontakten zwar durch Niederdrükken der Taste mit dem Finger und damit durch Niederdrücken des Schaltstücks geschlossen, das Öffnen des so zwischen den beiden Kontakten über das Schaltstück geschlossenen Stromkreises jedoch vor Aufheben der Krafteinwirkung auf die Taste durch spontanen Rückstellmechanismus bewirkt wird. Das Öffnen der Kontakte erfolgt also unabhängig vom stets ungenauen Aufheben der den Kontakt schließenden Betätigungskraft. Dieses spontane Öffnen des Kontaktes, also das spontane Abheben des Schaltstückes von den beiden auf der Bodenplatte des Schalters angeordneten Kontakten, erfolgt durch eine Umkehr der beim Niederdrücken der elastischen Schalterkappe im Kappenwerkstoff auftretenden mechanischen Verformungsspannung in Richtung eines Abhebens des Schaltstücks. Diese spontane Umkehr der Richtung der Verformungsspannung im elastischen Kappenmaterial ist im folgenden kurz als Umschnappmechanismus bezeichnet.

Der Drucktastenschalter der Erfindung weist prinzipiell also die folgenden Bauteile auf:

(a) eine Bodenplatte;

(b) zumindest ein Paar Kontakte, das ortsfest an der Bodenplatte angebracht ist;

(c) eine gewölbte membranartige Kappe aus einem elastischen, vorzugsweise gummielastischen Werkstoff, die die Kontakte auf der Bodenplatte überwölbt, wobei ein Teilbereich der Kappe in Form eines Schnappringes oder einer Um-

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schnappfeder so ausgebildet ist, daß sich dieser Bereich der Kappe den Kontakten auf der Bodenplatte nähert, wenn auf die Schalterkappe eine Betätigungskraft einwirkt, daß dieser Bereich aber spontan und sehr schnell umschnappt und in die entgegengesetzte Richtung zurückspringt, sobald die Bewegung auf die Kontakte zu einen bestimmten Grenzwert überschreitet; und

(d) zumindest ein bewegliches Schaltstück, das in, auf oder unterhalb der Innenwandfläche der Schalterkappe im Bereich der Schnappfeder so angeordnet ist, daß es beim Niederdrücken der Schalterkappe in Richtung auf die Kontakte der Bodenplatte zu mit diesen Kontakten der Bodenplatte so in Berührung tritt, daß die Kontakte elektrisch leitend miteinander verbunden werden.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt verschiedene Betätigungsstadien eines ersten Ausführungsbeispiels des Drucktastenschalters ;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des Drucktastenschalters in verschiedenen Betätigungsstadien;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des Drucktastenschalters in verschiedenen Betätigungsstadien;

Fig. 4 im Schnitt eine Ausgestaltung des in der Fig. gezeigten Ausführungsbeispiels;

Fig. 5 in graphischer Darstellung die von der Schalterkappe auf die Bodenplatte ausgeübte Kraft als

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Funktion des Tastenhubs beim Niederdrücken und Freigeben der Taste;

Fig. 6 ein Diagramm der in Fig. 5 gezeigten Art für einen Drucktastenschalter nach dem Stand der Technik;

Fig. 7 im Querschnitt ein konkretes Ausführungsbeispiel des Drucktastenschalters; und

Fig. 8 ein Diagramm der in Fig. 5 gezeigten Art für

den in der Fig.7 gezeigten Drucktastenschalter.

Der Drucktastenschalter der Erfindung nutzt das Umschnappverhalten einer gewölbten Membran aus einem gummielastischen Werkstoff als Mittel zur spontanen Umkehr der Bewegungsrichtung des Schaltstücks in der Weise aus, daß das Schaltstück von den elektrisch miteinander zu verbindenden Kontakten bereits abgehoben wird, wenn die Betätigungskraft noch auf die Taste einwirkt. Beim Niederdrücken der membranartigen elastischen Schalterkappe/ beispielsweise in ihrem Polbereich, und beispielsweise mit der Kuppe eines Fingers in Richtung auf die Bodenplatte, wird die Schalterkappe insgesamt in Richtung auf die Bodenplatte zu gedrückt. Das auf der Innenseite der Schalterkappe im Umschnappbereich angebrachte Schaltstück wird dadurch ebenfalls auf die Bodenplatte zu geführt und in elektrisch überbrückende Berührung mit den Kontakten auf der Bodenplatte gebracht. Beim weiteren Niederdrücken des Druckbereichs der Schalterkappe in Richtung auf die Bodenplatte zu wird, während das Kontaktstück noch immer die Kontakte schließend mit diesen in Berührung steht, eine zunehmende Verformungsspannung im gummielastischen Werkstoff der Schalterkappe aufgebaut. Sobald diese zusätzliche Verformungsspannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, klappt oder schnappt die Richtung der mechanischen Verformungsspannung in der Schalterkappe

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plötzlich um, und zwar in der Weise, daß das Schaltstück spontan von den Kontakten abgehoben wird, wodurch der zwischen den Kontakten über das Schaltstück geschlossene Stromkreis geöffnet wird.

Das vorstehend beschriebene Schließen und spontane Öffnen des elektrischen Stromkreises erfolgt dabei ausschließlich während des Niederdrückens der Taste des Drucktastenschalters in Richtung auf die Bodenplatte des Schalters zu. Das Öffnen des Schalters erfolgt dabei noch während der Einwirkung der Betätigungskraft bzw. der Zunahme der einwirkenden Betätigungskraft, die in Richtung auf die Bodenplatte des Schalters zu erfolgt. Bereits zu Beginn der Aufhebung der einwirkenden Drucktastenbetätigungskraft ist der Schalter schon vollkommen geöffnet. Das Öffnen des Schalters ist also von der Charakteristik des Aufhebens der Betätigungskraft, beispielsweise also von der Art und Weise, in der eine Fingerkuppe von der Drucktaste gehoben wird, unabhängig. Dies wiederum bewirkt, daß das Ausschaltprellen des Schalters vollständig beseitigt ist.

Der Drucktastenschalter der Erfindung ist darüber hinaus frei von jeder Art von Schaltstörungen und weist insbesondere keir nen Einschaltstoß auf. Während das Schließen der Kontakte über den Umschnappbereich gegen die Betätigungscharakteristik, mit der die Drucktaste niedergedrückt wird, gepuffert ist, erfolgt das Öffnen der Schalters völlig unabhängig von der Betätigungscharakteristik der Drucktaste. Das Aufheben der auf die Drucktaste einwirkenden Betätigungskraft erfolgt stets vom ersten Augenblick an und bis zum völligen Aufheben der einwirkenden Betätigungskraft bei bereits vollständig geöffneten Kontakten.

Die Bodenplatte des Schalters besteht aus üblichem, elektrisch isolierenden Werkstoff und sollte eine gewisse Mindestfestigkeit aufweisen. Die Bodenplatte besteht vorzugsweise aus einem

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duroplastischen oder thermoplastischen Polymer. Die Stärke der Bodenplatte ist unkritisch, solange eine gewisse Mindestformstabilität gegeben ist.

Die ortsfest auf der Oberseite der Bodenplatte angeordneten Kontakte oder Kontaktelektroden bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff prinzipiell beliebiger Art. So können die Kontakte beispielsweise aus Metall oder aus einem elektrisch leitfähigen Kautschuk oder einem elektrisch leitfähigen Kunststoff gefertigt sein. Auch können die Kontakte mit elektrisch leitfähigen Pasten aufgedruckt oder mit elektrisch leitfähigen Beschxchtungsmassen aufgetragen sein. Die Bodenplatte muß selbstverständlich zumindest zwei Kontakte aufweisen, die durch ein Schaltstück miteinander zu verbinden sind. Darüber hinaus kann die Bodenplatte jedoch mit mehr als zwei Kontakten versehen sein, beispielsweise mit zwei Kontaktpaaren, um die Zuverlässigkeit der elektrischen Schaltverbindung zu erhöhen, oder mit drei Kontakten, um beim Schließen des Drucktastenschalters zwei Schaltvorgänge gleichzeitig auszulösen.

Der für die Schalterkappe verwendete Werkstoff muß eine gute Elastizität, vorzugsweise Gummielastizität, aufweisen, um den Umschnappvorgang verläßlich und ermüdungsfrei herbeizuführen. Der Werkstoff der Schalterkappe kann dabei sowohl elektrisch leitfähig als auch elektrisch isolierend sein. Beispiele für elektrisch leitfähige Werkstoffe für die Schalterkappe oder den Schalterdom sind beispielsweise Metalle und Legierungen wie insbesondere die Phosphorbronzen, Nickel, Silber, Kupferlegierungen wie insbesondere Beryllium-Kupfer-Legierungen, Stahl, insbesondere Edelstahl und Federstahl, oder Titan enthaltende Legierungen. Beispiele für elektrisch isolierende Werkstoffe für die Schalterkappe sind insbesondere thermoplastische Kunstharze wie beispielsweise Polyester, Polycarbonate, Polyacetate, Polyamide, Polyurethane, Poly-(p-phenylenoxid), Polyvinylchloride oder Polyvinylidenchloride, und Elastomere,

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insbesondere Siliconkautschuk, Nitrilkautschuk, Butylkautschuk, Isoprenkautschuk, Urethankautschuk oder Ethylen-Propylen-Copolymere.

Das bewegliche Schaltstück, das in, auf oder unter der Innenwandfläche der Schalterkappe angeordnet und befestigt ist, und zwar im Umschnappbereich der Kappe, kann ebenfalls in vielfältiger Weise hergestellt werden. So kann beispielsweise ein elektrisch leitfähiger Kunststoff oder ein elektrisch leitfähiges Elastomer, die durch Füllen mit elektrisch leitfähigen Füllstoffen erhältlich sind, entweder zur Herstellung der Schalterkappe verwendet oder als Schaltstück ausgeformt und mit einer aus elektrisch isolierendem Werkstoff bestehenden Schalterkappe verbunden werden, oder kann es durch Aufdrucken, Übertragen oder Beschichten mit einer elektrisch leitfähigen Druckfarbe oder Beschichtungsmasse hergestellt werden. Auch können die Schaltstücke durch Metallplattierung, insbesondere Edelmetallplattierung, auf dem Kappenwerkstoff hergestellt werden.

Das in der Fig. 1 im Querschnitt dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines Drucktastenschalters der Erfindung besteht aus einer formstabilen, starren, elektrisch isolierenden Bodenplatte 8, auf der ortsfest Kontakte 9,9 angeordnet sind. Die Bodenplatte und die auf ihr befestigten Kontakte werden domartig von einer membranartigen Schalterkappe 1 überwölbt, die aus einem federelastischen oder gummielastischen Werkstoff besteht. An der Innenwandfläche der Schalterkappe 1 ist ein ringförmiges Schaltstück 5 angeordnet. Das Schaltstück 5 liegt den Kontakten 9,9 auf der Bodenplatte gegenüber (Fig. 1a).

In der Darstellung der Fig. 1a ist die Konfiguration der Schalterkappe im entspannte· Zustand gezeigt. Im Pol- oder Kronenbereich 3 ist die Schalterkappe 1 verstärkt ausgebildet.

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Die Verstärkung der Krone 3 der Schalterkappe 1 springt einwärts in Richtung auf die Bodenplatte 8 vor. Der untere Rand 2 der Schalterkappe 1 ist flach und liegt auf der Oberfläche der Bodenplatte 8 auf. Der untere Rand 2 der Schalterkappe 1 und die Bodenplatte 8 sind fest miteinander verbunden. Im Bereich zwischen der Krone 3 und dem unteren Rand 2 ist die Membran der Schalterkappe 1 ungleichmäßig stark ausgebildet. Sie weist zwischen der Krone 3 und dem unteren Rand 2 einen ringförmig verstärkten Wulstbereich auf. Die Wulst 4 ist durch einen dünnerwandigen Ring 6 an die Krone 3 angebunden und durch einen ebenfalls dünnerwandigen Ringbereich 7 an den verstärkten unteren Rand 2 der Schalterkappe 1 angebunden. Wesentlich ist, daß der untere dünnwandige Ringbereich 7 der Schalterkappe 1 unter Spannungseinwirkung leichter verformbar ist als der obere dünnwandige Ringabschnitt 6. Auf der inneren Wandfläche der Schalterkappe 1 ist im Bereich der Wulst 4 ein ringförmiges Kontaktstück 5 befestigt, das den Kontakten 9 auf der Bodenplatte 8 gegenüberliegt.

Wenn unter Einwirkung einer Betätigungskraft, die in der Fig. durch Pfeile angedeutet ist, und die beispielsweise durch die Kuppe eines Fingers aufgebracht wird, die Krone 3 der Schalterkappe 1 niedergedrückt wird, so verformt sich die Membran der Schalterkappe 1 zunächst in ihrem schwächsten Bereich, also im Bereich des unteren dünnwandigen Ringabschnitts 7 (Fig. 1b). Dabei wird durch die Verformung des unteren schwachen Ringabschnitts 7 der Schalterkappe 1 das ringförmige Schaltstück 5 auf die Kontakte 9 zu bewegt, bis das Schaltstück 5 die Kontakte 9,9 berührt und auf diese niedergedrückt wird. Dabei werden die beiden Kontakte 9,9 durch das Schaltstück 5 elektrisch überbrückt, wird also der Stromkreis geschlossen, in dem die Kontakte 9,9 liegen.

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Wenn das Schaltstück 5 aui den Kontakten 9,9 auf der Oberseite der Bodenplatte 8 aufliegt, kann der ringmanschettenartige dünne Wandbereich 7 der Schalterkappe nicht weiter verformt werden, da seine Verformbarkeit durch das Aufliegen der Wulst 4 bzw. des Schaltstücks 5 auf der Bodenplatte 8 bzw. auf den Kontakten 9 anschlagartig aufgefangen ist. Bei weiterem Niederdrücken der Krone 3 in Richtung auf die Bodenplatte 8 zu wird daher der nächstschwächere Abschnitt der Kappe verformt, nämlich der obere dünnwandige ringmanschettenartige Bereich 6. Dabei nimmt die mechanische Verformungsspannung in diesem dünnwandigen Ringbereich 6 ständig zu. Sobald der Wert dieser Verformungsspannung einen kritischen Grenzwert überschreitet, wird das Gleichgewicht zwischen den Verformungsspannungen im dünnwandigen Ringbereich 7 und im dünnwandigen Ringbereich 6 labil. Dies führt dazu, daß zum Zwecke des Ausgleichs der in der Kappe herrschenden Verformungsspannungen die Wulst 4 abrupt axial aufwärts springt, also in eine Richtung ausweicht, die der einwirkenden Schalterbetätigungskraft entgegengesetzt und von der Bodenplatte 8 fort gerichtet ist. Dieser Vorgang wird im Rahmen dieser Beschreibung als Umschnappen oder Umschnappmechanismus bezeichnet. Durch dieses Umschnappen wird aber auch das am Wulstring 4 befestigte Schaltstück 5 abrupt von den Kontakten 9,9 abgehoben. Dadurch wird der Stromkreis, in dem die Kontakte 9,9 liegen, abrupt geöffnet (Fig. 1c).

Beim weiteren Niederdrücken des zentralen Kronenbereichs 3 der Schalterkappe 1 wird schließlich die Unterseite des verstärkten Bereichs der Krone 3 auf die Oberfläche der Bodenplatte 8 gedruckt (Fig. 1d). Dieser Abschluß des Niederdrükkens der Krone der Schalterkappe 1 hat jedoch keine Einwirkung mehr auf den Zustand in dem elektrischen Stromkreis, in dem die Kontakte 9,9 liegen, da dieser Stromkreis durch das Umschnappen bereits wieder geöffnet worden ist, bevor die Krone auf der Bodenplatte 8 des Schalters aufliegt.

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Beim weiteren Niederdrücken der Krone 3 in Richtung der in Fig. 1 gezeigten Pfeile wird zwar die Krone 3 selbst geringfügig verformt (Fig. 1d'), nicht aber die Verformungskontur der dünnwandigen ringartigen Membranabschnitte 6 und 7 wesentlich verändert. Dieser Verformungszustand der ringförmigen Membranabschnitte 6 und 7 wird als "Überhub" bezeichnet. Auch im Zustand d:js Überhubs bleibt der elektrische Schaltkontakt zwischen den Kontakten 9,9 zuverlässig geöffnet.

Wird anschließend die einwirkende Betätigungskraft aufgehoben (wird also beispielsweise die niederdrückende Fingerkuppe abgehoben), so führen die elastischen Rückstellkräfte, die in der Schalterkappe 1 wirksam sind, die Krone 3 über den in der Fig. 1e gezeigten Zwischenzustand wieder in den in E'ig. 1a gezeigten entspannten Zustand zurück. Dieser Vorgang ist jedoch ein rein mechanischer Rückstellvorgang in der elastischen Membran der Schalterkappe, ohne daß dabei der elektrische Zustand zwischen den Kontakten 9,9 in irgendeiner Weise beeinflußt wird. Vielmehr erfolgt das Öffnen des Schalters in der oben dargestellten Weise nicht erst beim Abheben der Fingerkuppe, sondern wird bereits beim Niederdrücken der Krone der Schalterkappe durch das Umschnappen herbeigeführt. Die Art und Weise des Abhebens der Fingerkuppe von der Taste hat also keinerlei Einfluß mehr auf den elektrischen Schaltvorgang.

Ein zweites Ausführungsbeispiel des Drucktastenschalters der Erfindung ist in der Fig. 2 gezeigt. Die einzelnen Verformungsstadien während eines Kontaktgabezyklus sind in den Figuren 2a bis 2e dargestellt. Die Schalterkappe 11, die in der Fig. 2a im entspannten Zustand dargestellt ist, weist die dort ohne weiteres erkennbare gebuckelte Form auf. Solche Kappenformen lassen sich ohne jede Schwierigkeit durch Vakuumformen, Formpressen, Spritzgießen oder andere an sich

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bekannte und überaus gebräuchliche formgebende Verfahren herstellen. Die in der Fig. 2 gezeigte Membranform wird insbesondere vorzugsweise für federelastische Werkstoffe eingesetzt, beispielsweise also für relativ dünne und steife Kunststoffolien, Metallbleche oder Legierungsbleche.

Ähnlich wie in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der in der Fig. 2 gezeigte Drucktastenschalter aus einer Bodenplatte 18 mit Kontakten 19,19, die freiliegend ortsfest auf der Bodenplatte 18 befestigt sind, und der Schalterkappe 11, an deren Unterseite ein ringförmiges Schaltstück 15 den Kontakten 19,19 auf der Bodenplatte gegenüberliegend angebracht ist. Die Schalterkappe 11 weist eine Krone 13 mit einer von außen gesehen napfartigen, in Richtung der Bodenplatte 18 zurückspringenden Vertiefung auf. Im radial mittleren Bereich weist die Schalterkappe einen ringförmigen Kontaktgabebereich 14 auf, an dessen £ixial innenliegenden Unterseite ein ringförmiges Schaltstück 15 befestigt oder ausgebildet ist. Zwischen der Krone 1 3 und dem Kontaktgabebereich 14 ist ein erster radial innerer, axial oberer, elastischer Kappenbereich 16 ausgebildet. Zwischen dem Kontaktgabebereich 14 und einem axial unteren, flanschartig ausgebildeten, flachen Rand 12 erstreckt sich ein zweiter federelastischer Bereich 17 der Schalterkappe 11. Die Schalterkappe 11 ist über den flanschartigen, flachen Außenrand 12 die Kontakte 19 überwölbend auf der Bodenplatte 18 befestigt.

Der beim Niederdrücken der Schalterkappe 11 im Bereich der Krone 13 und beim Aufheben der niederdrückenden Kraft erfolgende Bewegungsablauf der einzelnen Bereiche der Schalterkappe 11 ist in den Figuren 2a bis 2e gezeigt. Dieser Bewegungsablauf und die einzelnen Schaltfunktionen sind aus der Fig. 2 ohne weiteres ersichtlich und in Analogie zur ausführlichen Beschreibung der Fig. 1 ohne weiteres ver-

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ständlich. So ist die Biegefestigkeit des radial inneren Verformungsbereichs 16 ebenso wie im Beispiel 1 größer als die Biegefestigkeit des radial äußeren Verformungsbereichs 17. Beim Niederdrücken der Krone 13 erfolgt daher zunächst eine Verformung des Verformungsbereichs 17/ wobei das Kontaktstück 15 auf die Kontake 19 zu bewegt wird, bis das ringförmige Kontaktstück 15 auf den Kontakten 19 aufliegt und zwischen diesen einen elektrischen Stromkreis schließt (Fig. 2b). Bei weiterem Niederdrücken des Krone 13 erfolgt zum Zwecke des Ausgleichs der inneren Verformungsspannungen in der Schalterkappe 11 ein spontanes Umschnappen und Hochspringen des Kontaktgabebereichs (Fig. 2c). Durch das Hochspringen oder Hochschnappen des Kontaktgabebereichs 14 werden die nicht mehr im Gleichgewicht befindlichen Verformungsspannungen in den Ringbereichen 16 und 17 wieder ausgeglichen. Das Federsystem der Schalterkappe 11 springt also von einem metastabilen in den stabilen Gleichgewichtszustand der Verformungsspannungen zurück. Ein weiteres Niederdrücken der Krone 13 erfolgt ohne jede elektrische Beeinflußung der geöffneten Kontakte (Fig. 2d). Beim anschließenden Aufheben wirken dann in der Schalterkappe 11 die federelastischen Rückstellkräfte in gleicher Weise wie die gummielastischen Rückstellkräfte im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 in der Weise, daß die Schalterkappe 11 ihren entspannten Zustand wieder erreicht, ohne daß zwischen den Kontakten 19 eine elektrische Verbindung entsteht. Die Rückführung aus dem in der Fig. 2d gezeigten Zustand über den in der Fig. 1e gezeigten Zustand in den in der Fig. 2a gezeigten entspannten Zustand entspricht der oben im Zusammenhang mit den Figuren 1d, 1e und 1a im einzelnen erläuterten Rückführung.

Ein weiteres drittes Ausführungsbeispiel des Drucktastenschalters der Erfindung ist in der Fig. 3, ebenfalls im Querschnitt, gezeigt. Die auf einer Bodenplatte 28 freiliegend

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befestigten Kontakte 29,29 liegen zentral, und zwar sowohl bezogen auf die Bodenplatte 28 als auch bezogen auf die Krone 23 der Schalterkappe 21. Die Schalterkappe 21 ist über einen flachen, flanschartigen Außenrand 22 fest mit der Bodenplatte 28 verbunden. Die Krone 2 3 bildet in dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel den Kontaktgabebereich der Schalterkappe und trägt zu diesem Zweck auf ihrer Unterseite ein Schaltstück 25. Die von außen gesehen napfartig konkave, kontaktgebende Zone 23 ist radial außen von einer von axial außen oben gesehen konvexen Ringwulst 24 umgeben. Auf diese Ringwulst wirkt die abwärts auf die Bodenplatte 28 zu gerichtete Betätigungskraft ein. Die auf den Ringbereich 24 der Schalterkappe 21 einwirkende Betätigungskraft kann beispielsweise über einen Zylinderring aufgebracht werden. Dabei treten in aufeinanderfolgenden Stufen die in den Figuren 3b bis 3d gezeigten Verformungstadien ein. Die innere Ringflanke 26 und die äußere Ringflanke 27 des Ringbereichs 24 der Schalterkappe 21 bewirken beim Niederdrücken des Wulstbereichs 24 zunächst das Niederdrükken der kontaktgebenden Krone 2 3 und schließlich nach Überschreiten des stabilen Gleichgewichtszustandes der Verformungsspannungen ihr aufwärts auswärts gerichtetes Zurückspringen unter Rückkehr der gesamten Schalterkappe 21 in den Zustand einer stabilen Gleichgewichtsverteilung der Verformungsspannungen. Der zu Beginn des Niederdrückens über das Schaltstück 25 hergestellte, elektrisch leitende Kontakt zwischen den Kontakten 29,29 (Fig. 3b) wird dadurch beim Zurückspringen und Abheben des Schaltstücks 25 (Fig. 3c) wieder geöffnet. Dieser Vorgang des öffnens des Schalters erfolgt dabei völlig unabhängig von der Art und Weise und den Bedingungen der auf die Schalterkappe 21 einwirkenden Betätigungskraft. Beim Aufheben der Betätigungskraft erfolgt unter Wirkung der federelastischen Rückstellkräfte die Rückverformung in den stabilen entspannten Zustand spontan über eine in der Fig. 3e gezeigte Zwischenstufe. Dabei springt bei einer über

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den in der Fig.3e gezeigten Zustand hinausgehenden Entlastung des Ringbereichs 24 der zentrale Kronenbereich 2 3 spontan von der in der Fig. 3e gezeigten konvexen Konfiguration in die in der Fig. 3a gezeigte konkave Konfiguration zurück. Bei diesem spontanen Rückspringen des zentralen Kronenbereichs 23 liegt dieser Kronenbereich 23 bereits wieder so hoch über den Kontakten 29, daß beim Rückspringen eine Kontaktgabe zwischen den Kontakten 29 über das Schalterstück 25 mit Sicherheit ausgeschlossen ist.

In der Fig. 4 schließlich ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Drucktastenschalters der Erfindung gezeigt, das in vieler Hinsicht dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ähnelt. Das Schaltstück 5 ist bei dem in der Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel nicht auf der unteren Wandfläche des Wulstringes 4 befestigt, sondern in herstellungstechnisch einfacher Weise auf der Oberfläche einer ebenen, dünnen, elastischen Menbran 31 angebracht. Eine solche Membran 31 ist ohne weiteres mit den Schaltstücken 5 bedruckbar. Das Bedrucken bereitet im Fall der Anordnung des Schaltstücks 5 auf der Unterseite des Wulstringes 4 durchaus Schwierigkeiten. Ein weiterer Vorteil des in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiels des Drucktastenschalters ist weiterhin seine erhöhte Feuchtigkeitsbeständigkeit. Ein solcher Schalter kann daher problemlos auch in sehr feuchter Umgebung verwendet werden. Die Kontakte 9,9 und das Schaltstück 5 sind innerhalb einer kleinen und geometrisch einfach konfigurierten Kammer 33 angeordnet, die problemlos hermetisch versiegelbar ist.

Wie aus den vorstehend im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis beschriebenen Ausführungsbeispielen des Drucktastenschalters der Erfindung ersichtlich ist, ist für die Funktionstauglichkeit der Drucktastenschalter der Erfindung wesentlich, daß im Verlauf des Niederdrückens der Schalterkappe unter Einwirken der Betätigungskraft ein Umschnappen in der Konfiguration der

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Schalterkappe auftritt und auch im Zustand des Überhubs erhalten bleibt, wobei zu keinem Zeitpunkt beim Aufheben der einwirkenden Betätigungskraft eine Verformungskontur erreicht wird, die im Verlauf des Niederdrückens oder Aufbringens der verformenden Betätigungskraft durchlaufen wird.

Zum besseren Verständnis der mechanischen Eigenart und Voraussetzung des Schalters der Erfindung ist in der Fig. 5 die insgesamt auf die Bodenplatte des Schalters von der Schalterkappe ausgeübte Kraft als Funktion des Schalterhubs oder Tastenhubs, also indirekt als Funktion der Betätigungskraft, dargestellt. Der Tastenhub ist dabei auf der Abszisse, der von der Betätigungskraft auf die Bodenplatte des Schalters übertragene Anteil auf der Ordinate aufgetragen. Im Ursprung der Abszisse, im Punkt Null auf der linken Seite der Fig. 5, liegt der Drucktastenschalter ohne Krafteinwirkung im entspannten Zustand vor. Mit zunehmender, auf die Schalterkappe einwirkender Betätigungskraft, also zunehmendem Tastenhub, nimmt auch die auf die Bodenplatte einwirkende Kraft zu. Dabei wird das Verschlußstück auf die an der Bodenplatte befestigten Kontakte zu geführt und liegt im Punkt M auf diesen auf. Das Verschlußstück bleibt auf den Kontakten liegen und schließt damit den elektrischen Stromkreis, in dem die Kontakte liegen, bis der Tastenhub einen dem Wert L₁ entsprechenden Abstand erreicht hat. Bei weiterem Niederdrücken der Taste, also bei weiterer Vergrößerung des Tastenhubs, also bei weiterer Erhöhung der einwirkenden Betätigungskraft, tritt das Umschnappen der Schalterkappenstruktur abrupt ein, wobei der Schalter geöffnet, der Kontakt zwischen den Kontakten des Schalters unterbrochen wird. Im Tastenhubbereich zwischen den Punkten L₁ und H befindet sich also der Drucktastenschalter im Bereich des Überhubs. Der Überhubpunkt h entspricht dem Verformungszustand der Schalterkappe, wie er in den Ausführungsbeispielen Fig. 1d, Fig. 2d und Fig. 3d dargestellt ist.

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Beim Aufheben der auf den Drucktastenschalter einwirkenden Betätigungskraft, also bei erneuter Verkleinerung des Tastenhubs vom Maximalwert h bis zum Wert Null, welcher Vorgang im rechten Teil des Diagramms der Fig. 5 dargestellt ist, wird ein Kurvenzug durchlaufen, der nicht dem im linken Teil des Diagramms durchlaufenen Kurvenzug entspricht. Die Tastenhub/Last-Kennlinie der Fig. 5 ist also nicht zum Punkt h symmetrisch.

Die Eigenart des Verhaltens des Drucktastenschalters der Erfindung wird deutlich, wenn die in der Fig. 5 dargestellte Last/Tastenhub-Kennlinie mit der in Fig. 6 dargestellten entsprechenden Kennlinie für einen Drucktastenschalter nach dem Stand der Technik verglichen wird. Die in der Fig. 6 gezeigte Kennlinie ist im wesentlichen symmetrisch zum maximalen Tastenhub h. Der elektrische Stromkreis zwischen den beiden Schalterkontakten wird im Bereich zwischen den Punkten L. und L„ geschlossen und wird im Bereich der Tastenhubpunkte L₁' und L' wieder geöffnet. Der elektrische Stromkreis bleibt also vom Bereich L₁ZL₂ kis ^zum Bereich l' /l' geschlossen und wird bei Rückführung der Taste, also beim Aufheben der Betätigungskraft, erst wieder geöffnet. Dadurch, daß der elektrische Kontakt erst bei der Tastenrückführung geöffnet wird, ist beim Schalter nach dem Stand der Technik das Auftreten des Prellens prinzipiell nicht vermeidbar. Mikrodynamische Einflüsse beim Abheben der Fingerkuppe, bei Beginn des Wirksamwerdens der Rückstellkräfte und beim Abheben des Schaltstücks sowie der elastischen Eigenschaften der allmählichen Zurückstellung der Schalterkappe führen zu solchen Prelleffekten. Das Schalterprellen ist beim Schließen des Schalters nicht so prekär, kann aber bei diesen bekannten Schaltertypen beim Öffnen zu erheblichen Störungen in den nachgeschalteten elektrischen oder elektronischen Baugruppen führen. Insbesondere kann durch das Prellen eine unbeabsichtigte Mehrfachkontaktgabe erfolgen, die von schnellschaltenden nachgeschalteten Baugruppen als beabsichtigte mehrfache Kontaktgabe fehlinterpretiert wird.

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Im Gegensatz dazu wird beim Drucktastenschalter der Erfindung der gesamte Vorgang des Aufhebens der einwirkenden Betätigungskraft bzw. das Abheben der Fingerkuppe von der Schaltertaste zu einem Zeitpunkt durchgeführt, zu dem der elektrische Kontakt zwischen den Kontakten des Schalters bereits vollständig geöffnet ist. Unkontrollierbare mechanische Resonanzen und Schwingungen und Einschaltstöße im elektrischen Schaltkreis sind daher beim Freigeben der Taste des Drucktastenschalters ausgeschlossen.

In den Figuren 1 bis 4 sind nur einige mögliche Ausführungsbeispiele des Drucktastenschalters der Erfindung dargestellt. Dem Fachmann stehen zahlreiche Abänderungen auf Grund seines Fachwissens ausgehend von der Lehre der Erfindung ohne weiteres zur Verfügung. Statt der in den Versuchsbeispielen dargestellten scheibenförmigen oder kreiskappenförmigen Schalter, die in den Figuren im Axialschnitt dargestellt sind, können die gewölbten Schalterkappenmembranen auch die Form eines gewölbten rechteckigen Bandes haben, das bei Schalterbreite im Schnitt senkrecht zur Längsrichtung des Bandes den gleichen Querschnitt aufweist, wie in den Figuren 1 bis 4 dargestellt. Bei solchen Konfigurationen der Drucktastenschalter bzw. ihrer die Kontakte überwölbenden Abdeckungen sind mitunter zuverlässigere Verbindungen der Kappe mit der Bodenplatte möglich.

Weiterhin braucht der Bereich, in dem die niederdrückende, also auf die Bodenplatte zu gerichtete Betätigungskraft auf die Schalterkappe einwirkt, nicht nur der Zentralbereich zu sein, wie dies in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. Vielmehr kann dieser Durckaufnahmebereich der Schalterkappe auch in der in Fig. 3 gezeigten Weise ein Ringbereich sein, der den Zentralbereich umgibt. Auch braucht das Schaltstück nicht, wie in den Ausführungsbeispielen dargestellt, unter allen Umständen ringförmig wie in den Figuren 1 und 2 oder scheibenförmig wie in der Fig. 3 ausgebildet zu sein. Vielmehr kann

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das Schaltstück auch zweiteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, um verschiedene Kontaktpaare in vorgegebener Anordnung miteinander zu verbinden. Weiterhin kann beispielsweise auch die verstärkte Krone 3 des in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel auch an ihrer Unterseite ein zweites Schaltstück tragen und mit einem weiteren Kontaktpaar auf der Bodenplatte 8 so zusammenwirken, daß ein Doppel-Drucktastenschalter erhalten wird, bei dem zwei Einschaltimpulse und zwei Ausschaltimpulse zeitlich versetzt gegeneinander auftreten, von denen der eine Schaltimpuls erfindungsgemäß, der andere, nämlich der durch die niedergedrückte Krone 3 erfolgende Schaltimpuls, in konventioneller Art gegeben wird.

Beispiel 1

Es wird ein Drucktastenschalter der in der Fig. 1 gezeigten Art hergestellt. Die Schalterkappe 1 wird durch Formpressen aus einer Silicongummimischung hergestellt. Die Silicongummimischung besteht aus einem im Handel erhältlichen unvernetzten Siliconkautschuk und 2 Gew.-% eines im Handel erhältlichen Vernetzungsmittels.Die Komponenten werden auf einem Walzenmischer zur Formmasse vermischt. Die Schalterkappe wird aus dieser Formmasse durch Formpressen unter einem Druck von 1 N/mm² bei einer Verweilzeit von 10 min bei 17O⁰C ausgeformt. Die Abmessungen der so hergestellten Schalterkappe sind im einzelnen in der Fig. 7 angegeben.

Weiterhin wird aus einer elektrisch leitfähigen Siliconkautschukmasse ein Schaltstück 5 mit den in der Fig. 7 gezeigten Abmessungen hergestellt. Die elektrisch leitfähige, im Handel erhältliche Siliconkautschukmasse wird mit 4 Gew.-% eines im Handel erhältlichen Vernetzungsmittels versetzt und auf einem Walzenmischer zur Formmasse homogen verknetet. Die Formmasse wird 10 min bei 165°C zum Schaltstück 5 ausgeformt.

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Sowohl die Schalterkappe als auch das ringförmige Schaltstück werden in der ümgebungsluft in einem Ofen 4 h bei 200⁰C einer abschließenden Wärmebehandlung unterzogen.

Das ringförmige Schaltstück 5 wird unter Verwendung einer im Handel erhältlichen, bei Raumtemperatur vernetzenden Siliconkautschukmischung fest an der Innenwand der Schalterkappe 1 am Bereich des Wulstringes 4 angeklebt, genauer gesagt, anvulkanisiert. Anschließend wird die mit dem Schaltstück 5 versehene Schalterkappe 1 auf der Bodenplatte 8 befestigt, die die Kontakte 9,9 sowie eine Druckausgleichsöffnung enthält. Der Abstand von der unteren Oberfläche des Kontaktstücks 5 zur Oberfläche der Bodenplatte 8 und der Abstand von der unteren Oberfläche der einwärts vorspringenden Verstärkung der Krone 3 zur Oberfläche der Bodenplatte 8 betragen 1 mm bzw. 2 mm.

Die beim Niederdrücken und Freigeben der Taste des Drucktastenschalters auf die Bodenplatte übertragene Kraft wird als Funktion des Tastenhubs gemessen. Dabei wird die Betätigungskraft über einen zwischengeschalteten Zylinderring übertragen, der auf dem Kronenring aufliegt. Dabei wird die in der Fig. 8 dargestellte Kennlinie erhalten. Beim Vermindern der einwirkenden Betätigungskraft ist der elektrische Kontakt zwischen den Kontakten 9,9 und dem Schaltstück 5 zuverlässig geöffnet. Die in der in Fig. 8 gezeigten Kennlinie markierten Hubwegpunkte M, L₁ und h entsprechen den in den Figuren 1b, 1c bzw. 1d gezeigten Verformungskongifurationen der Schalterkappe.

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Claims

JAEGER, GRAMS & PONTANI I1AT10 N ΤΛ N WA UT H DIPL.CHF-.M. DR. KLAUS JAEGER DIPL.-ING. KLAUS D. GRAMS DR.-ING. HANS H. PONTANl F.U-iä CAUTING · BERGSTR. 48Vi H031 STOCKDORF ■ KREUZWEG U4 8752 KLEINOSTHEIM · HIRSCHPFAD Shin-Etsu Polymer Co., Ltd. 11, Nihonbashi-Honcho 4-chome, Chuo-ku, Tokyo (Japan) SHI-72 DrucktastenschaIter Patentansprüche

1.7 Drucktastenschalter, bestehend aus

(a) einer Bodenplatte, auf der

(b) mindestens zwei elektrische Kontakte freiliegend befestigt sind,

(c) einer domartig gewölbten membranartigen Schalterkappe aus elastischem Werkstoff und

(d) mindestens einem beweglichen Schaltstück, das an der Innenwand der Schalterkappe angeordnet ist oder zwischen dieser und den Kontakten angeordnet ist,

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dadurch gekennzeichnet ,

daß die elastische Schalterkappe einen als Umschnappfeder ausgebildeten Bereich aufweist, der beim Einwirken einer auf die Bodenplatte zu gerichteten Betätigungskraft auf den Drucktastenschalter auf die Kontakte zu bewegt wird, dann aber, wenn die Betätigungskraft einen bestimmten Grenzwert überschreitet bzw. der Abstand der Kappenkrone von der Bodenfläche einen bestimmten Grenzwert unterschreitet, spontan umklappt und in die der einwirkenden Kraft entgegengesetzte Richtung zurückspringt und so von den Kontakten abhebt, und

daß das Schaltstück so im ümschnappbereich der Schalterkappe angebracht ist, daß es beim Niederdrücken der Kappe die Kontakte auf der Bodenplatte berührt und elektrisch leitend miteinander verbindet und beim Umschnappen und Zurückspringen des Umschnappbereiches wieder von den Kontakten auf der Bodenplatte abgehoben wird.

2. Drucktastenschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schalterkappe (c) aus einem gummielastischen Werkstoff besteht, (i) einen einwärts vorspringenden verstärkten zentralen Pol- oder Kronenbereich aufweist, (ii) einen unteren flachen Randbereich aufweist, mit dem die Kappe die Kontakte auf der Bodenplatte überspannend auf der Bodenplatte befestigt ist, (iii) zwischen der Krone und dem unteren Rand einen verstärkten ringförmigen Wulstbereich aufweist, (iv) einen inneren oder oberen dünnerwandigen ringförmigen Membranbereich zwischen der Krone und der Wulst der Schalterkappe aufweist und schließlich (v) einen äußeren oder unteren dünnerwandigen ringförmigen Membranbereich zwischen dem Wulst und dem unteren Rand der Schalterkappe aufweist und

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daß zumindest ein SchaJtstück (el) aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer fest mit der inneren Oberfläche des Wulstringes der Kappe in der Weise verbunden ist, daß beide Kontakte auf der Bodenplatte des Schalters mit diesem Schaltstück in Berührung gelangen, wenn die Kappe unter Einwirkung einer auf die Bodenplatte zu gerichteten Betätigungskraft verformend niedergedrückt wird.

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