DE3511342A1 - Membranschalter fuer tasten und tastaturen - Google Patents

Description

MEKTRON FRANCE S. A., Zone Industrielle de Bellitourne, F - 532OO Chateau Gontier

Membranschalter für Tasten und Tastaturen

Die Erfindung betrifft einen Membranschalter für Tasten und Tastaturen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und insbesondere solche, die einen sehr ausgeprägten Schnappeffekt und eine extrem lange Lebensdauer aufweisen.

Taktile Membrantastaturen haben in zunehmendem Maße Verwendung und Zuspruch in vielen gewerblichen und privaten Anwendungen gefunden. Derartige Tastaturen werden beispielsweise in Warenhäusern, Flughafenterminals, Terminals von Schnellimbissrestaurants, Datenterminals und Rechnern, sowie vielen anderen Geräten verwendet, bei denen eine Eingabe von Zahlen notwendig ist.

Eine herkömmliche Tastatur besteht aus einer Reihe von Tasten, die einzeln betätigt werden können und dadurch

ein Kontaktpaar eines elektrischen Schaltkreises schließen, das jeder Taste zugeordnet ist. Oftmals ist es dabei erwünscht, eine taktile Rückkopplung zu erzeugen, so daß, wenn die Tasten durch den Finger einer die Tastatur betä-25

tigenden Person niedergedrückt werden, die Tasten "schnappen" und der damit verbundene Kraftwechsel auf den Finger des Benutzers übertragen wird, um anzuzeigen, daß die Taste betätigt und somit ein elektrisches Signal in dem der Taste zugeordneten Schaltkreis ausgelöst worden ist.

Eine Membrantastatur mit der vorangehend erwähnten taktilen Rückwirkung besteht in der Regel aus einer Membranschalteranordnung, die eine Bodenverstärkungsschicht, auf dieser eine Membranschalter-Schaltkreisschicht, eine isolierende Abstandshalter- oder Trennschicht auf der feststehenden Membranschicht und eine bewegliche Membranschalter-Schaltkreisschicht auf der anderen Seite der Trennschicht aufweist. Die aktive Membranschicht enthält vielfach eine Mehrzahl von taktilen Schnappelementen, wie z.B. Auswölbungen, die sich nach außen und weg von der unteren feststehenden Membranschicht von der beweglichen Membranschicht aus erheben. Sowohl die feststehende als auch die bewegliche Membranschicht tragen auf den einander zugewandten Seiten elektrische Leiter, die mit herkömmlichen Verfahren der Leiterplattenherstellung, beispielsweise durch leitende Tusche, gebildet und in dem jeweils gewünschten Muster angeordnet sind, wobei sie mit Löchern oder Öffnungen in der Trennschicht zusammenwirken, um eine Anordnung von eindeutigen Schalter- und Schaltkreisflächen zu bilden. Eine auf die Schalterseite, d.h. die taktile Auswölbung, auf der äußeren Oberfläche der beweglichen Membranschicht ausgeübte ausreichende Kraft bewirkt, daß die bewegliche Membranschicht mit ihrem zugehörigen Schalterelement durch die Öffnung in der Trennschicht hindurch mit dem Schaltkreismuster auf der feststehenden Membranschicht mechanisch und elektrisch in Berührung kommt.

Herkömmliche bekannte taktile Membrantastaturen bedingen ein Problem, das im Mangel an Zuverlässigkeit und an Gleichmäßigkeit bezüglich der betrieblichen und funktioneilen Lebensdauer - d.h. Anzahl der Betätigungen bis zum Versagen - der taktilen Auswölbungen besteht. Dieses Problem scheint in weitem Maße von einem Abtragen oder Niederbrechen der leitenden Tusche auf der beweglichen Membranschicht herzurühren. Man nimmt an, daß Beanspruchung und Ermüdung durch fortgesetztes Durchbiegen oder Betätigen der taktilen Auswölbungen eventuell das Abtragen des leitenden Materials, beispielsweise der Tusche, die auf der Innenfläche der Auswölbungen angebracht ist, bewirkt. Nach einem solchen Abtragen kann die taktile Auswölbung, die als Kontaktmittel für herkömmliche Tastaturen dient, nicht langer als ausreichender elektrischer Kontakt wirken. Das Abtragen des leitenden Materials auf der Kontaktfläche der beweglichen Membranschicht erfordert daher entweder ein Außergebrauchsetzen der Tastatur oder es schafft in unerwünscht zunehmendem Maße Aufwand durch Instandhalten, Ersatz und Reparaturarbeitskosten. Taktile Membrantastaturen, die nicht nur eine ausreichende taktile Rückkopplung beibehalten, sondern ebenfalls auch eine verbesserte und ausgedehntere Betriebslebensdauer aufweisen, sind demzufolge äußerst erwünscht und vorteilhaft.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, Membranschalter für derartige Tastaturen zu schaffen, die eine größere Zuverlässigkeit und eine größere Lebensdauer aufweisen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird also die angestrebte Verbesserung durch die Lage und die Gestaltung der Kontaktfläche auf der beweglichen Membranschicht bewirkt. Diese neuartige Kontaktfläche, die aus leitender Tusche oder anderem lei-

tenden Material bestehen kann, wird auf die bewegliche Membranschicht am Umfangsrand rund um die Basis der Auswölbungen auf die ebene Innenfläche der beweglichen Membranschicht vorzugsweise ringförmig aufgebracht. Auf diese Weise ist kein Teil der oberen Kontaktringoberfläche mit der biegsamen Oberfläche der Auswölbung wie beim Stand der Technik verbunden. Das die Kontaktfläche bildende leitende Material ist daher nicht der vorangehend erwähnten Beanspruchung oder Ermüdung oder dem sich daraus ergebenden Abtragen ausgesetzt, wenn die Auswölbung wiederholt über einen längeren Zeitraum betätigt wird. Eine gemäß der Erfindung ausgebildete taktile Membrantastatur weist daher eine merklich verbesserte und ausgedehntere Lebensdauer auf, was wiederum einen verbesserten Nutzeffekt, größere Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit für die Tastaturkäufer und -hersteiler mit sich bringt. Hinzu kommen ein geringerer Verbrauch an leitender Tusche oder anderen Kontaktmaterialien und damit verringerte Herstellkosten.

Um eine derartig geänderte ringförmige Kontaktanordnung am Umfangsrand der Auswölbungen verwenden zu können, ist der Durchmesser der Öffnungen in der Abstandshalter- oder Trennschicht gegenüber dem herkömmlicher Tastaturen etwas vergrößert. In gleicher Weise ist auch die Kontaktfläche der unteren feststehenden Membranschicht entsprechend vergrößert und denen der Öffnungen angepaßt. Auf diese Weise wird für die Kontaktringe auf der beweglichen Membranschicht ausreichend Raum geschaffen, damit bei einer Betätigung der Auswölbung ein freier Weg für die Kontaktnahme mit den elektrischen Leitern auf der feststehenden Membranschicht besteht. Die neuartige Membranschalteranordnung gemäß der Erfindung führt zu einer Kontaktgabe, bevor die Auswölbung ihren vollen Arbeitsweg zurückgelegt hat, mit Vollendung des Arbeitsweges und damit verbünde-

ner Schnappreaktion oder taktiler Rückkopplung, die dem Benutzer die erfolgte Tastenbetätigung anzeigt.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Diese betreffen unter anderem die Unterteilung einer oder beider Schalterkontaktflächen, um mehrere Parallelkontakte auf beiden Schaltkreisschichten zu bilden. Auch ist die Erfindung in Verbindung mit einer Vielzahl von unterschiedlich gestalteten Auswölbungen, wie ovalen oder rampenförmigen Auswölbungen, verwendbar. Schließlich läßt das Freisein der Innenflächen der die Schnappfunktion ausführenden Auswölbungen von leitendem Material die Eingliederung einer Hintergrundbeleuchtung, d.h. eine Beleuchtung der Tasten von unten, zu. Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung seien nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Im einzelnen zeigen

FIG 1 eine geschnittene Teilseitenansicht des oberen Teiles eines einzelnen taktilen Membranelementes gemäß der Erfindung,

FIG 2 eine Draufsicht auf die taktile Auswölbung der Anordnung von FIG 1,

FIG 2A eine FIG 2 entsprechende Draufsicht auf eine geänderte Anordnung und

FIG 3 eine quergeschnittene Seitenansicht einer taktilen Membrantastaturanordnung gemäß der Erfindung.

In allen Figuren sind gleichbezeichnete Elemente mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Die in den Figuren gezeigten Teile einer Tastatur gemäß der Erfindung weisen lediglich einen oder zwei Tastenplätze auf. Doch kann eine ganze Tastatur in Form einer einteiligen Membranschaltkreisstruktur mit einer beliebigen Anzahl von einzelnen taktilen Auswölbungen oder Tasten hergestellt werden, wo-

bei sich die jeweilige Anzahl der Tasten nach den jeweiligen Anforderungen an die einzelne Tastatur und deren Anwendung richtet.

Eine zwei Tasten umfassende einteilige Membrantastatur oder Schaltkreisanordnung 10 ist in FIG 3 gezeigt. Diese einteilige Membrantastatur oder Schalterstruktur weist eine Verstärkungsgrundplatte oder versteifende Schicht auf, die aus Kunststoff oder Metall mit einer Steifigkeit und Ebenheit besteht, die der Aluminiumlegierung 6061 von annähernd 0,5 mm Stärke entspricht. Der Verstärkungsteil 12 dient als Träger und zum Planhalten einer feststehenden oder passiven Schaltkreisschicht der Tastenschalteranordnung, die aus einer unteren Isolierschicht 14, vorzugsweise aus einem Polyesterfilm aus Mylar, und einem darauf ausgebildeten unteren Schaltkreismuster 16 besteht. Diese feststehende oder passive Tastenschalterschicht ist mit dem Verstärkungsteil 12 fest verbunden. Die Isolierschicht 14 kann dabei von jeder gewünschten Stärke sein, vorzugsweise zwischen 0,0 mm und 0,18 mm, und das darauf ausgebildete Leitungsmuster kann nach irgendeinem bekannten Verfahren zur Herstellung von gedruckten Leiterplatten, beispielsweise durch Bedrucken mit leitender Tusche, durch Bedrucken oder Ätzen einer leitenden Metallfolie usw. hergestellt werden. Das Leitungsmuster 16 sollte verhältnismäßig dünn sein, etwa zwischen 0,01 mm und 0,05 mm stark, vorzugsweise etwa 0,025 mm stark.

Eine bewegliche oder aktive Membranschaltkreisschicht ist oberhalb des unteren Schaltkreismusters 16 angeordnet. Diese bewegliche aktive Schalterschicht besteht aus einer oberen Isolierschicht 20, beispielsweise aus Mylar. Diese obere Isolierschicht 20 ist mit einer Anordnung aus schnappfähigen Vorsprüngen oder taktilen Elementen 22 in

Form einer gewölbten Kuppel 24 von kegelstumpfförmiger Gestalt mit einer ebenen Deckfläche versehen. Wie bereits erwähnt, ist die vorliegende Erfindung in gleicher Weise auf taktile Elemente von anderer Gestalt anwendbar, z.B.

auf halbkugelförmige, oval gestaltete oder rampenförmige Auswölbungen usw. Die Isolierschicht 20 der aktiven Schalterschicht ist außerdem mit einer aufgedruckten Leiterbahn oder Kontaktfläche 26 versehen, die von ringförmiger Gestalt und in an sich bekannter Weise hergestellt ist.

Diese ringförmige Kontaktfläche 26 bedeckt den äußeren Umfangsrand der Basis der Auswölbung 24 und ist mit Kleber oder auf andere Weise mit der inneren ebenen Oberfläche der aktiven Schalterschicht verbunden.

Eine isolierende Abstandshalter- oder Trennschicht 28 mit einer Vielzahl von Öffnungen 30 kann mittels Kleber oder auf andere Weise auf der einen Seite an der feststehenden Schalterschicht, auf welcher sich das untere Schaltkreismuster 16 befindet, und auf der anderen Seite an der oberen Isolationsschicht 20 befestigt sein. Die volle Stärke der Trennschicht 28 kann dazu verwendet werden, den Abstand zwischen dem oberen Leiter 26 und dem unteren Leitungsmuster 16 festzulegen. Die Öffnungen 30 in der Trennschicht 28 müssen einen größeren Durchmesser aufweisen als die Durchmesser oder Außenabmessungen der Leitermuster 26, damit die Auswölbung 24 durch diese Öffnung hindurchschnappen und dadurch das Muster 26 mit dem Leitermuster 16 in Kontakt bringen kann, um den elektrischen Kontakt zwischen den Schalterelementen herzustellen.

Die Anordnung der Auswölbungen 24 mit ebener Deckfläche und die entsprechend angebrachten ringförmigen Schaltkreisleiter 26 befinden sich oberhalb des unteren Leitermusters 16, wobei die Auswölbungen 24 nach oben in vom unteren Leitungsmuster wegführender Richtung vorspringen.

Diese Anordnung bestimmt daher eine Reihe von eindeutigen Schaltkreisstellen oder Schalterpositionen. Sobald auf eine Auswölbung 24 eine Kraft von genügender Stärke einwirkt, wird der Vorsprung 22 nach unten bewegt und eine Schnappwirkung durch die Öffnung 30 in der Abstandsschicht 28 bringt die Ringkontaktfläche 26 in elektrischen und mechanischen Kontakt mit dem unteren Leitungsmuster 16. Dieser elektrische Kontakt führt zum Schließen eines Schalters und zum Auslösen eines elektrischen Signals. Dazu sei angemerkt, daß die neuartige Gestaltung gemäß der Erfindung bereits zu einer Kontaktgabe zwischen den einander entsprechenden Kontaktflächen 16 und 26 führt, bevor die Auswölbung ihren vollen Arbeitsweg zurückgelegt hat. Dennoch wird die notwendige aktive Rückkopplung erreicht, wenn die Auswölbung ihren Arbeitsweg fortsetzt, wodurch schließlich die Schnappwirkung herbeigeführt und dem Benutzer der Tastatur angezeigt wird, daß die Kontaktgabe erfolgt ist.

Wie bereits früher erwähnt, besteht bei den herkömmlichen bekannten Membrantastaturen ein wesentliches Problem in einem Mangel an Zuverlässigkeit und Vorausschaubarkeit bezüglich der funktioneilen Lebensdauer der Tastaturen. Dieses Problem wird durch die Membrantastaturen gemäß der Erfindung behoben. Während bei den bekannten Tastaturen die obere leitende Kontaktfläche innerhalb der Auswölbungen angebracht war, sind nun gemäß der Erfindung die oberen Kontaktflächen 26 vorzugsweise als geschlossener Ring auf der ebenen Innenfläche der Isolierschicht 20 ausgebildet, also außerhalb der durch Biegung beanspruchten Fläche innerhalb der Auswölbung. Als Vorteil dieser ringförmigen Leiterfläche 26 ergibt sich eine stark verringerte Beanspruchung und Ermüdung sowie eine geringere Biegung der Fläche 26. Da also mit anderen Worten kein Teil der Kontaktringfläche 26 mit irgendeinem Teil der Auswölbung

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24 verbunden ist, wird die Fläche 26 keiner wiederholten Beanspruchung und Verbiegung durch die innere Fläche der Auswölbung während einer Tastenbetätigung ausgesetzt. Die mit der Erfindung verbundene geringere Ermüdung führt daher zu einer längeren Lebensdauer des aktiven Kontaktelementes.

Ein weiterer Unterschied zwischen der Tastatur gemäß der Erfindung und den bekannten Tastaturen besteht in der vergleichbaren Dimensionierung der Öffnungen 30 in der Trennschicht 28 und der unteren Kontaktfläche 16 auf der feststehenden Schicht 14. Bei der Membrantastatur gemäß der Erfindung muß die Dimensionierung der einzelnen Elemente zueinander so gewählt werden, daß die obere ringförmige Kontaktfläche ohne weiteres den gewünschten elektrischen und mechanischen Kontakt mit der unteren Kontaktfläche 16 herbeiführen kann, während die Mehrzahl der Auswölbungen 24 die gewünschte taktile Schnappfunktion beibehalten. Demzufolge ist der Durchmesser der Öffnungen 30 in der Trennschicht 28 im Vergleich zu denen der bekannten Tastaturen vergrößert. Ähnlich ist auch der Durchmesser der unteren Kontaktfläche 16 auf der unteren Isolierschicht 14 entsprechend vergrößert. Die ringförmige ebene Fläche auf der Innenseite der Isolierschicht 20 als Träger der ringförmigen Kontaktfläche 26 liegt daher gegenüber der unteren Kontaktfläche 16 frei, so daß eine Kontaktgabe zwischen beiden Kontaktflächen herbeigeführt werden kann.

FIG 1 zeigt einen Ausschnitt von FIG 3 bezüglich eines der gezeigten Schnappelemente 22 mit der die Basis der Auswölbung 24 ringförmig umgebenden Kontaktfläche 26. Wie die zugehörige Draufsicht von FIG 2 zeigt, ist die Kontaktfläche 26 ringförmig geschlossen und damit einteilig. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung

kann jedoch sowohl die Kontaktfläche 26 als auch die Gegenkontaktfläche 16 unterteilt sein, so daß mehrere Parallelkontakte sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Membranschicht gebildet werden. Eine unterteilte obere Kontaktfläche ist in FIG 2A gezeigt, wobei das taktile Element 22 von zwei bogenförmigen Kontaktsegmenten 26A und 26B umgeben ist. Die Kontaktfläche 16 wäre in gleicher Weise zu unterteilen. Eine derartig unterteilte Anordnung wäre bei herkömmlichen taktilen Membrantastaturen, bei denen die oberen Kontaktflächen an der Innenfläche der Auswölbungen angebracht sind, nur sehr schwierig zu verwirklichen, wenn nicht gar unmöglich.

Die taktile Membrantastatur gemäß der Erfindung ist sowohl für den Käufer als auch für den Hersteller extrem wirtschaftlich. Die verbesserte betriebliche Lebensdauer und die größere Zuverlässigkeit schlägt sich dabei in weit niedrigeren Kosten für den Ersatz und die Instandhaltung nieder. Aus der Sicht der Hersteller erfordert die Ringkontaktfläche aus leitender Tusche, Farbe oder anderem leitenden Material, weniger Materialaufwand als bei den bekannten Tastaturen. Wenn darüber hinaus die leitende Kontaktfläche 16 auf der unteren feststehenden Membranschicht in gleicher Weise als Ring entsprechend dem Ring 26 auf der aktiven Membranschicht anstelle einer durchgehenden Kontaktfläche ausgebildet wird, dann ergibt sich ein noch geringerer Verbrauch an leitender Tusche oder dergleichen verbunden mit größeren Kosteneinsparungen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit der Beleuchtung der Tastenbeschriftungen von der Rückseite der Tasten. Bei den bekannten Tastaturen hat dagegen das Vorhandensein von leitender Tinte oder dergleichen unterhalb der Auswölbungen verhindert, daß

Lichtstrahlen von einer unterhalb der Auswölbungen angebrachten Lichtquelle diese durchdringen konnten. Da jedoch bei der Tastatur gemäß der Erfindung das Leitermaterial lediglich am Umfangsrand einer jeden Taste angebracht ist, kann es die Lichtdurchdringung durch die Tasten nicht mehr behindern, so daß eine Beleuchtung durch Hintergrundlicht ohne Schwierigkeiten vorgesehen werden kann, wenn dieses gewünscht wird.

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Membranschalter für Tasten und Tastaturen, bestehend aus zwei als Schaltungsträger dienenden Membranschalterschichten (14/20) aus Isolierstoff mit elektrischen Kontaktleiteranordnungen (16/26) darauf und aus einer Trennschicht (28) zwischen den beiden Membranschalterschichten (14/20) mit Öffnungen (30) darin, wobei in einer der beiden Membranschalterschichten (20) als bewegliche Schicht wenigstens ein taktiles Element (22) als Taste ausgebildet ist, das sich von einer ebenen Bezugsfläche der Membranschalterschicht (20) ausgehend nach außen erhebt und unter Krafteinwirkung die damit gekoppelte elektrische Kontaktleiteranordnung (26) durch eine zugehörige Öffnung

(30) in der Trennschicht (28) mit der zugehörigen Gegenkontaktleiteranordnung (16) auf der anderen feststehenden Membranschalterschicht (14) in Berührung bringt, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen taktilen Elementen (22) zugeordneten Kontaktleiteranordnungen (26) jeweils auf der ebenen Bezugsfläche der beweglichen Membranschalterschicht (20) am Umfangsrand der sich nach außen erhebenden taktilen Elemente (22) angeordnet sind.

2. Membranschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das taktile Element (22) aus einer schnappfähigen Auswölbung (24) besteht.

3. Membranschalter nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die schnappfähige Auswölbung (24) eine bogenförmige Gestalt mit ebener Endfläche aufweist.

4. Membranschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die

dem taktilen Element (22) jeweils zugeordnete Kontaktleiteranordnung (26) ringförmig ausgebildet ist.

5. Membranschalter nach Anspruch 4, dadurch

gekennzeichnet, daß die Gegenkontaktleiteranordnungen (16) entsprechend den beweglichen Kontaktleiteranordnungen (26) ringförmig ausgebildet sind.

6. Membranschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktleiteranordnungen (16/26) aus leitender Tusche bestehen.

7. Membranschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktleiteranordnungen (16/26) zur Bildung von mehreren Parallelkontakten jeweils einander entsprechend unterteilt sind.

8. Membranschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende untere Membranschalterschicht (14) auf eine Versteifungsschicht (12) als Träger aufgebracht ist.

9. Membranschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die taktilen Elemente (22) jeweils innerhalb ihres Umfanges frei yon elektrischen Leiteranordnungen sind, so daß sie für eine Hintergrundbeleuchtung geeignet sind.