DE3915989C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine druckempfindliche, mattenförmige
elektrische Schalteinrichtung mit wenigstens einer Flachelek
trode und einer flexiblen, aus einem Gitter leitender Drähte
gebildeten beweglichen Elektrode, die durch Druckeinwirkung
entgegen elastisch wirkender Rückstellkräfte mit der Flachelek
trode in Kontakt bringbar ist.
Eine bekannte Schalteinrichtung dieser Art ist in der US-Pa
tentschrift 45 24 256 offenbart. Sie weist als bewegliche
Elektrode ein Kontaktgewebe auf, das ausschließlich aus Me
talldrähten besteht, die in beiden Webrichtungen wellenförmig
verlaufen. Dieses Kontaktgewebe ist in eine elastische Isolier
stoffschicht eingebettet, welche die freiliegenden Wellenrücken
der Drähte überragt und damit von einer anliegenden Flachelek
trode distanziert. Beim Zusammendrücken der Isolierstoffschicht
gelangen die Wellenrücken der Drähte an die Oberfläche der
Isolierstoffschicht und kommen dadurch mit der Flachelektrode
in Kontakt. Sobald die Druckeinwirkung aufhört, bewirken die
Rückstellkräfte des elastischen Isolierstoffs, daß das Kon
taktgewebe wieder seine ursprüngliche, von der Flachelektrode
distanzierte Lage einnimmt.
Die Herstellung der beschriebenen Schalteinrichtung ist ver
hältnismäßig aufwendig. Als Isolierstoff wird ein Schaumstoff
verwendet. Nach dem Einbetten des Kontaktgewebes ist der Iso
lierstoff bis auf die Gewebeoberfläche mechanisch abzutragen.
In einer anschließenden Wärmebehandlung wird der Isolierstoff
aufgeschäumt, um die Wellenrücken der Metallstücke freizulegen
und die wirksame Dicke der Isolierstoffschicht gegenüber der
Gewebedicke zu erhöhen. Ein weiterer Nachteil der Isolierstoff
schicht besteht darin, daß ihre Elastizität durch Alterung
nachlassen kann, wodurch die Druckempfindlichkeit sich verän
dert und die Funktion der Schalteinrichtung beeinträchtigt wird.
In der DE-OS 34 24 060 ist eine ähnlich aufgebaute Schaltein
richtung beschrieben, bei der die Drähte des Kontaktgewebes
eine Isolierschicht aufweisen, die an den Wellenrücken der
Drähte entfernt werden muß. Dazu wird ein chemisches Verfahren
vorgeschlagen, das nach dem mechanischen Abtragen des elasti
schen Isolierstoffs anzuwenden ist. Durch diesen zusätzlichen
Verfahrensschritt wird der Herstellungsaufwand derartiger
Schalteinrichtungen weiter erhöht.
Die US-Patentschrift 30 56 005 beschreibt eine flexible
Schaltmatte mit zwei Metallgewebestücken, die durch eine ge
lochte elastische Isolierplatte voneinander getrennt sind und
an ihrer Außenseite je einen Kunststoffbelag aufweisen. Unter
Druckeinwirkung wird die Isolierplatte zusammengedrückt, so
daß im Bereich der darin befindlichen Löcher die Metallgewebe
miteinander in Kontakt kommen.
Aus der DE-AS 17 65 831 ist ferner ein Kontaktkabel bekannt,
das innerhalb einer elektrisch leitenden Umhüllung zwei teil
weise abisolierte elektrisch leitende Drähte aufweist, die ge
geneinander verdrillt sind, wobei ein elastisches, elektrisch
isolierendes Band spiralförmig um die beiden Drähte gewickelt
ist und diese im Abstand zum Umhüllung hält. Beim Auftreten
eines auf eine bestimmte Mindestlänge der Drähte gleichzeitig
wirkenden Druckes wird das elastische Band so zusammengedrückt,
daß die Drähte an den abisolierten Stellen mit der Umhüllung
in Kontakt kommen und so eine elektrische Verbindung herstellen.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Schalteinrichtung
der eingangs genannten Art, welche so aufgebaut ist, daß auf
die genannte Isolierstoffschicht gänzlich verzichtet werden
kann, womit auch deren Nachteile vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß die
bewegliche Elektrode aus einem an der Flachelektrode anliegen
den, zusammendrückbaren Kontaktgewebe mit leitenden und nicht
leitenden Drähten besteht, wobei die in der einen Webrichtung
sich erstreckenden leitenden Drähte wenigstens annähernd in
einer Ebene verlaufen, während die in der anderen Webrichtung
sich erstreckenden nichtleitenden Drähte um die leitenden
Drähte gebogen sind und letztere im Abstand zur Flachelektrode
halten, und daß durch Zusammendrücken des Kontaktgewebes die
leitenden Drähte biegeelastisch verformt werden, wobei die an
diesen entstehenden Wellenrücken an die Gewebeober
fläche gelangen und dadurch mit der Flachelektrode in Kontakt
kommen.
Bei dieser Lösung übernehmen also die leitenden Drähte des Kon
taktgewebes selbst im wesentlichen die Funktion der Rück
stellung durch die Wirkung ihrer Biegeelastizität. Durch ge
eigenete Wahl des Drahtmaterials und allenfalls eine künstliche
Alterung des Kontaktgewebes läßt sich auf diese Weise eine
Schalteinrichtung mit hoher Stabilität des Schaltverhaltens er
zielen.
Durch das Fehlen zusätzlicher Abstandhalter ergibt sich ein
einfacher Aufbau der Schalteinrichtung und eine geringe Bauhöhe
derselben.
Die Drahtstärke, welche die Dicke des Kontaktgewebes bestimmt,
richtet sich in erster Linie nach dem Druck, auf den die
Schalteinrichtung ansprechen soll. Kontaktgewebe in der erfin
dungsgemäßen Ausführung sind mit in einem weiten Bereich wähl
baren Drahtstärken webbar, so daß sowohl Schalteinrichtungen
für hohe Drücke, z. B. begehbare oder befahrbare Kontaktmatten
bzw. -schwellen, als auch solche für extrem niedrige Drücke,
z. B. Berührungstasten bzw. -tastenfelder, auf dieser Basis her
stellbar sind. Insbesondere lassen sich folienartige Schaltein
richtungen realisieren, die nur wenige Zehntelmillimeter dick
sind.
Die Schalterpole können durch zwei Flachelektroden gebildet
sein, die durch ein zwischen diesen angeordnetes Kontaktgewebe
bei Druckeinwirkung überbrückt werden. In einer anderen Aus
führung kann das Kontaktgewebe selbst den einen Schalterpol
darstellen und mit nur einer Flachelektrode zusammenwirken, wo
bei sich diese eine Flachelektrode sowohl auf der vom Druck be
aufschlagten Seite des Kontaktgewebes als auch auf der Gegen
seite befinden kann. Dem Kontaktgewebe können auch mehrere
Flachelektroden zugeordnet sein, die auf der gleichen Seite
desselben angeordnet sind, womit sich eine Schalteinrichtung
mit mehreren Schaltfunktionen ergibt, die sich beispielsweise
für elektrische Tastaturen eignet.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Schalteinrichtung besteht
darin, daß das Kontaktgewebe auf einer stabilen Unterlage ruht
und daß auf dem Kontaktgewebe ein flexibler Deckbelag angeord
net ist, der den zur Kontaktgabe angewandten äußeren Druck auf
das Kontaktgewebe überträgt und letzteres gegen störende
äußere Einflüsse schützt,
wobei die stabile Unterlage und/oder der Deckbelag
wenigstens eine Flachelektrode bilden bzw. aufweisen.
Der flexible Deckbelag kann z. B.
eine Folie aus einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff sein,
die im Bedarfsfall an der dem Kontaktgewebe zugewandten Seite
mit einem Kontaktmetall, z. B. Kupfer, kaschiert ist. Zusätzlich
kann in die Kunststoffolie ein feinmaschiges, elektrisch lei
tendes Schutzgewebe einlaminiert sein, das, auf einem festen
Potential liegend, unter dem Deckbelag gegebenenfalls befind
liche Schaltungselemente und -anordnungen gegen den Einfluß
elektrischer oder elektromagnetischer Störfelder schützt.
Vorzugsweise bestehen die leitenden Drähte des Kontaktgewebes
aus Metall, z. B. Kupfer, und die nichtleitenden Drähte aus
Kunststoff, z. B. Polyester. Die metallenen Drähte können aber
auch aus einem Kernmaterial mit besondes hoher Biegeelastizi
tät bestehen, das mit einem Kontaktmaterial beschichtet ist.
Damit die Biegebeanspruchung der leitenden Drähte im elasti
schen Bereich bleibt, ist in Abhängigkeit vom gewählten Draht
material ein Verhältnis der Maschenweite des Kontaktgewebes zu
den im Mittel etwa gleichen Durchmessern der leitenden und
nichtleitenden Drähte im Bereich von etwa 3 : 1 bis 8 : 1 anzustre
ben.
Der Ansprechdruck der Schalteinrichtung läßt sich durch Walzen
des Kontaktgewebes beeinflussen, und zwar läßt sich mit dieser
Nachbehandlung je nach der vorliegenden Drahtstärke und Ma
schenweite, sowohl eine Erhöhung als auch eine Herabsetzung des
Ansprechdrucks erreichen. Der Walzprozeß bewirkt zudem eine
künstliche Alterung des Kontaktgewebes, indem dabei die Aufla
geflächen an den Kreuzungsstellen der leitenden und nichtlei
tenden Drähte vergrößert werden. Dies führt zu einem stabile
ren Schaltverhalten der Schalteinrichtung. Zur künstlichen Al
terung kann das Kontaktgewebe auch einem Wärmeprozeß unterzo
gen werden. Unter Umständen kann es sogar zweckmäßig sein, das
Walz- und Wärmeverfahren gleichzeitig anzuwenden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung darge
stellt, und zwar zeigt
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau des Kontaktgewebes in
Verbindung mit einer Flachelektrode, im Schnitt;
Fig. 2 Draufsicht des Kontaktgewebes;
Fig. 3 Funktion der Anordnung nach Fig. 1 bei Druckeinwir
kung;
Fig. 4 Schnitt durch eine erste Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Schalteinrichtung; und
Fig. 5 Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der er
findungsgemäßen Schalteinrichtung.
Die bewegliche Elektrode der elektrischen Schalteinrichtung be
steht aus einem flexiblen Kontaktgewebe 1, das elektrisch lei
tende Drähte 2, die sich in der einen Webrichtung erstrecken,
und elektrisch nichtleitende Drähte 3, die sich in der anderen
Webrichtung erstrecken, aufweist. Dabei verlaufen die leitenden
Drähte 2 mit dem Durchmesser d wenigstens annähernd in einer
Ebene, während die nichtleitenden Drähte 3 mit dem Durchmesser
D um die leitenden Drähte 2 gebogen sind und letztere im Ab
stand zur Flachelektrode 4 halten. Die Dicke des Kontaktgewebes
1 beträgt bei dieser Webart 2D + d (Fig. 3). Die Maschenweite m
(Fig. 2) ist so gewählt, daß sich ein Verhältnis m/d bzw. m/D
von etwa 3 : 1 ergibt. Für die Herstellung dieses Kontaktgewebes
erweist es sich als günstig, wenn die geradlinigen Drähte 2 den
Schuß und die stark gebogenen Drähte 3 die Kette des Gewebes
bilden.
Durch die Einwirkung eines von der Kraft P erzeugten Druckes
werden die leitenden Drähte 2 gemäß Fig. 3 mittels der nicht
leitenden Drähte 3 wellenförmig durchgebogen, so daß die an
den leitenden Drähten 2 entstehenden Wellenrücken an die Gewe
beoberfläche gelangen und dadurch mit der Flachelektrode 4 in
Kontakt kommen. Die Dicke des Kontaktgewebes 1 reduziert sich
dabei im Druckbereich von 2D + d auf D + d. Ein flexibler Deck
belag 5 überträgt den angewandten äußeren Druck auf das Kon
taktgewebe 1 und schützt das letztere gegen störende äußere
Einflüsse, wie Staub und Feuchtigkeit. Die Dicke des flexiblen
Deckbelages 5 wird vorzugsweise so gewählt, daß der Druck auf
eine Vielzahl von Gewebemaschen verteilt wird, der Druckbereich
also jedenfalls größer ist als in der mehr schematischen Dar
stellung nach Fig. 3.
Die Auslenkung der leitenden Drähte 2 zur Ausübung ihrer
Schaltfunktion verbleibt aufgrund geeigneter Wahl der Draht
durchmesser d, D und Maschenweite m im biegeelastischen Be
reich, so daß beim Aufhören der Druckeinwirkung die leitenden
Drähte 2 sich von der Flachelektrode 4 wieder distanzieren und
ihre ursprüngliche gestreckte Form annehmen.
Versuche mit praktischen Ausführungen haben ergeben, daß ein
Kontaktgewebe aus Kupferdraht mit einem Durchmesser d = 0,22 mm
und Polyesterdraht mit einem Durchmesser D = 0,16 mm bei einer
Maschenweite m = 3 : 1 eine Schalteinrichtung ergibt, deren An
spruchdruck 25 bis 30 kg/cm2 beträgt. Durch Verminderung des
Kupferdrahtdurchmessers auf 0,112 mm läßt sich unter sonst
gleichen Verhältnissen der Ansprechdruck auf 8 kg/cm2 herab
setzen.
Die Schalteinrichtung nach Fig. 4 besitzt ein Kontaktgewebe 1
von der anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Art. Dieses ruht
auf einer stabilen Unterlage 6 aus Isoliermaterial, welche eine
Flachelektrode in Form eines Metallbelages 7 aufweist. Als
Deckbelag dient eine Folie 8 aus Isoliermaterial, die ebenfalls
mit einem Metallbelag 9 versehen ist. Die beiden Metallbeläge 7
und 9 sind dem Kontaktgewebe 1 zugewandt und werden durch die
leitenden Drähte 2 gegenseitig elektrisch verbunden, wenn das
Kontaktgewebe gemäß Fig. 3 zusammengedrückt wird. Die leiten
den Drähte 2 können aber auch z. B. am Geweberand untereinander
verbunden sein und gemeinsam einen Schalterpol bilden. In die
sem Fall kann einer der Metallbeläge 7 und 9, also eine der
Flachelektroden entfallen.
Bei der Schalteinrichtung nach Fig. 5 ist unter Verwendung des
selben Kontaktgewebes 1 ebenfalls eine stabile Unterlage 10 aus
Isoliermaterial vorgesehen. Auf dieser sind mehrere Flachelek
troden 11 angeordnet (in der Zeichnung sind zwei davon sicht
bar), die mit separaten Ableitungen 12 verbunden sind. Die be
wegliche Elektrode ist allen Flachelektroden 11 gemeinsam, in
dem sämtliche leitenden Drähte 2 des Kontaktgewebes 1 unterein
ander verbunden sind (nicht dargestellt). Durch örtlich ge
zielte Druckanwendung, wobei sich der Druckbereich jeweils auf
die Flächenausdehnung einer Flachelektrode 11 beschränkt, kann
die bewegliche Elektrode wahlweise mit einer der Flachelektro
den 11 in Kontakt gebracht werden. Als Deckbelag ist ein Kunst
stofflaminat 13 vorgesehen, in das ein feinmaschiges Schutz
gitter 14 aus Metall einlaminiert ist.
Claims (9)
1. Druckempfindliche, mattenförmige elektrische Schalt
einrichtung mit wenigstens einer Flachelektrode und einer
flexiblen, aus einem Gitter leitender Drähte gebildeten beweg
lichen Elektrode, die durch Druckeinwirkung entgegen elastisch
wirkender Rückstellkräfte mit der Flachelektrode in Kontakt
bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Elek
trode aus einem an der Flachelektrode (4) anliegenden, zusam
mendrückbaren Kontaktgewebe (1) mit leitenden und nichtleiten
den Drähten (2, 3) besteht, wobei die in der einen Webrichtung
sich erstreckenden leitenden Drähte (2) wenigstens annähernd in
einer Ebene verlaufen, während die in der anderen Webrichtung
sich erstreckenden nichtleitenden Drähte (3) um die leitenden
Drähte (2) gebogen sind und letztere im Abstand zur Flachelek
trode (4) halten, und daß durch Zusammendrücken des Kontaktge
webes (1) die leitenden Drähte (2) biegeelastisch verformt wer
den, wobei die an diesen entstehenden Wellenrücken an die Gewe
beoberfläche gelangen und dadurch mit der Flachelektrode (4) in
Kontakt kommen.
2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Kontaktgewebe (1) auf einer stabilen Unter
lage (6) ruht und daß auf dem Kontaktgewebe ein flexibler
Deckbelag (5, 8) angeordnet ist, der den zur Kontaktgabe ange
wandten äußeren Druck auf das Kontaktgewebe überträgt und
letzteres gegen störende äußere Einflüsse schützt, und
daß die stabile Unterlage (6) und/oder der Deckbelag
(8) wenigstens eine Flachelektrode (7, 9) bilden bzw. aufweisen.
3. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der flexible Deckbelag durch eine Folie (8) aus
einem elektrisch nichtleitenden Kunststoff gebildet ist.
4. Schalteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß in die Kunststoffolie (8) ein feinmaschiges,
elektrisch leitendes Schutzgewebe (9) einlaminiert ist, das un
ter dem Deckbelag befindliche Schaltungselemente und -anordnun
gen gegen den Einfluß elektrischer und elektromagnetischer
Störfelder schützt.
5. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die leitenden Drähte (2) des Kontaktgewebes (1)
aus Metall, z. B. Kupfer, und die nichtleitenden Drähte (3) aus
Kunststoff, z. B. Polyester, bestehen.
6. Schalteinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verhältnis der Maschenweite (m) des Kontakt
gewebes (1) zu den im Mittel etwa gleichen Durchmessern (d, D)
der leitenden und nichtleitenden Drähte (2, 3) etwa 3 : 1 bis 8 : 1 beträgt.
7. Verfahren zur Herstellung der Schalteinrichtung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktgewebe zur
Erzielung eines stabilen Schaltverhaltens künstlich gealtert
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kontaktgewebe einem Walzprozeß unterzogen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kontaktgewebe einem Wärmeprozeß unterzogen wird.
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