DE4112754C2

DE4112754C2 - Drucktastenschalter

Info

Publication number: DE4112754C2
Application number: DE4112754A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Sachs
Original assignee: Marquardt GmbH
Current assignee: Marquardt GmbH
Priority date: 1991-04-19
Filing date: 1991-04-19
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2011-04-20
Also published as: DE4112754A1; EP0509368A2; EP0509368B1; DE59200040D1; EP0509368A3; US5298705A

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucktastenschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik:

Aus der DE 34 47 085 A1 ist ein Tastenschalter der gattungsgemäßen Art bekannt geworden, der aus einer kegelstumpfförmigen Schalterkappe aus synthetischem Gummi oder einer Kunststoffspritzmasse o. dgl. besteht. Eine solche flexible Schalterkappe wird in der Literatur auch als Membran, Federbalg oder Federelement bezeichnet. Ähnliche Drucktastenschalter sind aus der DE 31 22 456 A1 oder der DE 33 07 659 A1 bekannt.

Wie aus dem Kraft-Weg-Diagramm der DE 34 47 085 A1 (Fig. 3) erkennbar ist, verhalten sich derartige gummielastische Schalterkappen bei Kraftbeaufschlagung zunächst derart, daß bis zu einer maximalen Kraft von ca. 1,5 N ein nahezu linearer Kurvenverlauf (F = f(s)) vorliegt. Danach gibt die elastische Kegelflächenmembran schlagartig nach, so daß die erforderliche Druckkraft abfällt. Die Kraft-Weg-Kurve steigt dann parabelförmig bis zur Festkontaktüberbrückung an. Danach stellt sich ein sogenannter Nachlaufweg ein, den die Taste nach dem Schließen noch zurücklegt um sicherzustellen, daß die Kontakte auf jeden Fall geschlossen und mit ausreichender Kontaktkraft zusammengepreßt sind.

Bekannt sind auch Tastenschalter, die aus einer gewölbten Metallscheibe bestehen, die sowohl die Funktion des Überbrückungskontakts als auch des Rückstellelements übernehmen. Derartige Metallscheiben weisen einen geringeren Vorlaufweg auf, vermitteln jedoch einen deutlich merkbaren Schaltkontakt. Demgegenüber verhalten sich Schaltkappen aus elastischem Material undefinierter und vermitteln einen nicht so präzisen Schaltvorgang.

Ein weiterer Tastschalter mit einer Schalterkappe ist in der DE 35 43 751 C2 gezeigt. Die Schalterkappe dieses Schalters besteht aus Kunststoff, bei dem es sich um ein Blockcopolymer mit einer Shore-Härte D von ungefähr 35 bis 40 handeln kann.

Vorteile der Erfindung:

Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Schalterkappe die Kontaktbahn bzw. die Kontaktfläche zur Festkontaktüberbrückung an einer zur Kegelspitze hinweisenden Ringfläche des zylinderringförmigen Oberteils angebracht. Damit ist die Kontaktfläche als Ringfläche um die basisteilförmige Kegelstumpfspitze herum außerhalb des Kegelstumpfs angeordnet. Dies ergibt eine wesentlich größere Kontaktfläche und damit einen sicheren Schaltkontakt.

Der erfindungsgemäße Drucktastenschalter mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber den bekannten Tastenschaltern den Vorteil, daß ein Schaltelement geschaffen wird, welches in seiner Schaltcharakteristik den bekannten Metallscheiben nahekommt. Insbesondere werden hohe Lebensdauer und Reproduzierbarkeit der Tasteneigenschaften gewährleistet. In Verbindung mit einem sehr exakten Schaltvorgang wird ein für gummielastische Schalterkappen kleiner Schaltweg mit einem genügend großen Nachlauf, wie er für derartige Schalterkappen aus gummielastischem Material charakteristisch ist, erzielt.

Übliche gummielastische Schalterkappen werden aus Naturgummi oder auch aus Kunststoff, z. B. aus Silikon, im Preßgießverfahren mit anschließendem Vulkanisieren hergestellt. Dabei erfolgt eine Vernetzung des Kunststoffs durch Wärme und Druckeinwirkung beim Vulkanisieren. Ein vernetzter Kunststoff weist dabei ein bestimmtes Maß an Formrückerinnerungsvermögen bei seiner Verformung auf, welches das Maß der Elastizität des Werkstoffs bestimmt.

Demgegenüber kann beim erfindungsgemäßen Drucktastenschalter ein völlig anderes Ausgangsmaterial, nämlich ein thermoplastisches Elastomer verwendet werden, welches im Spritzgießverfahren verarbeitet wird. Hierdurch erübrigt sich das aufwendige Vulkanisieren der bekannten Einrichtungen zur Herstellung der Vernetzung. Die Elastizität wird bei dem erfindungsgemäßen Tastenschalter durch die Materialeigenschaft des neuen elastischen Kunststoffwerkstoffs erzielt, der für andere Anwendungszwecke unter der Bezeichnung "HYTREL" der Firma Du Pont bekannt ist. Hier handelt es sich um ein sogenanntes Blockcopolymer, d. h. um eine lange Molekülkette, die in einem bestimmten Verhältnis aus harten und weichen Segmenten aufgebaut ist. Die harten Segmente werden aus einem kristallinen Polybutylen- Terephtalat und die weichen amorphen Segmente auf der Basis langkettiger Polyetherglykole gebildet. Die elastischen Eigenschaften des Materials werden vom Verhältnis der harten zu den weichen Segmenten bestimmt. Im vorliegenden Fall wird das Verhältnis der beiden Bestandteile so gewählt, daß sich eine Shore-Härte D = 35 -40 ergibt.

Die gesamte Schalterkappe besteht demnach aus einem einheitlichen Werkstoff, dessen Elastizität durch dessen besonderen Eigenschaften gebildet wird, wobei die Wandstärke der dünnwandigen Kegelflächenmembran im Verhältnis zur Kegelhöhe die besonderen elastischen Eigenschaften dieses Teils mitbestimmt.

Das Schaltverhalten des erfindungsgemäßen Drucktastenschalters wird auch maßgeblich durch das Verhältnis der Kegelstumpfhöhe der elastischen dünnwandigen Kegelflächenmembran zum Drückergesamtweg bestimmt. Um einen möglichst präzisen Schaltverlauf zu erzielen, wird der Drückergesamtweg etwas weniger als doppelt so groß als die Kegelstumpfhöhe gewählt, wobei der Drückergesamtweg etwa das 1,3- bis 2fache der flexiblen Kegelstumpfhöhe entspricht.

In den Unteransprüchen sind weitere erfindungsgemäße Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Drucktastenschalters angegeben.

Die erfindungsgemäße Schalterkappe im Drucktastenschalter kann vorzugsweise in verschiedenen Geräten und Tastenschalter zum Einsatz kommen. Die erfindungsgemäße Schalterkappe kann auch auf einer Platine angeordnet sein und über ein separates Betätigungsglied betätigt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Schalterkappe mit Schaltkontaktflächen am längsverschiebbaren Oberteil,

Fig. 2 die zugehörigen Kontaktflächen auf der Leiterbahn in verkleinerter Darstellung,

Fig. 3 ein Kraft-Weg-Diagramm der Schalterkappe nach Fig. 1 und

Fig. 4, 5 eine Anwendung der Schalterkappe nach Fig. 1 in einem Druckschalter.

Beschreibung der Erfindung:

Der beispielhaft in den Fig. 4 und 5 zum Einsatz kommende erfindungsgemäße Drucktastenschalter 1 besteht nach Fig. 1 aus einer Schalterkappe 15. Die Schalterkappe 15 weist in Fig. 1 ein zylinderstumpfförmiges Basisteil 7' und ein breiteres zylinderringförmiges Oberteil 4' auf. Das Oberteil 4' und das Basisteil 7' sind über die dünnwandige Kegelflächenmembran 10' mit der Wandstärke "s" miteinander verbunden.

Beim Ausführungsbeispiel des Drucktastenschalters nach Fig. 1 befindet sich die Schalterkappe 15 gegenüber einer herkömmlichen Schalterkappe quasi auf den Kopf gestellt. Demzufolge ist das zylinderstumpfförmige Basisteil 7' mit seiner unteren Stirnseite 16 auf einer Platine 6 befestigt. Die kegelstumpfförmige Kegelflächenmembran 10' öffnet sich unter einem Winkel α₂ ≈ 60° nach oben hin und geht in das entsprechende Oberteil 4' über. Die Kraftbeaufschlagung durch die Kraft F auf die in Fig. 1 dargestellte Schalterkappe 15 erfolgt von oben auf das Oberteil 4', so daß sich dieses gegen die Platine 6 bewegt.

Zur Herstellung des Schaltkontakts weist das Oberteil 4' eine im Querschnitt kreisringförmige Zusatzschulter 12' auf, die an ihrer nach unten gerichteten Stirnseite die im Querschnitt kreisringförmige Kontaktbahn 9' aufweist. Die aufgetragene Kontaktbahn 9' kann aus einer leitfähigen Paste aus Kohlelack, Silberleitlack oder auch Goldleitlack bestehen. Die Kontaktbahn 9' wirkt dann mit einem auf der Platine 6 vorgesehenen Festkontakt 11', 11" zusammen. Diese Kontaktflächen auf der Platine 6 sind in Fig. 2 nochmals verkleinert dargestellt, wobei jeweils gegenüberliegende Kontaktsegmente 11', 11" durch die Kontaktbahn 9' kurzgeschlossen werden. Damit wird eine elektrische Kontaktüberbrückung der Festkontakte 11; 11' ausgelöst.

Die Gesamthöhe der Schalterkappe 15 beträgt h₁, die Höhe des Oberteils 4' ist mit h₂ angegeben. Die Höhe der Kegelflächenmembran 10' beträgt h₃, die Höhe des Drückergesamtweges h₄. Mit h₇ ist die Einbauhöhe des Oberteils 4' bis zur Einrastkante 27 bezeichnet.

In Fig. 1 ist der Außendurchmesser der Schalterkappe 15 mit d₁, der Außendurchmesser der Kegelflächenmembran 10' mit d₂ und der Innendurchmesser der Kegelflächenmembran 10' mit d₃ bezeichnet. Der Außendurchmesser der Kontaktbahn 9' hat den Durchmesser d₄, der Innendurchmesser der Kontaktbahn 9' den Durchmesser d₅. Der Innendurchmesser d₃ der Kegelflächenmembran entspricht dem Außendurchmesser des zylinderstumpfförmigen Basisteils 7'.

Die Außenmantelfläche des Oberteils 4' ist leicht konisch ausgebildet und bildet einen Winkel von α₃.

In Fig. 2 ist der Außendurchmesser der Festkontakte 11', 11" mit d₆, der Innendurchmesser mit d₇ angegeben. Der Abstand zwischen den einzelnen Kontaktbahnsegmenten 11', 11" beträgt a.

Folgende Werte können in einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, 2 eingenommen werden:

h₁ = 2,8 mm
h₂ = 1,8 mm
h₃ = 0,6 mm
h₄ = 1 mm
h₇ = 1,2 mm

d₁ = 6 mm
d₂ = 3 mm
d₃ = 2 mm
d₄ = 5,5 mm
d₅ = 3,4 mm
d₆ = 6,5 mm
d₇= 2,5 mm

a = 0,5 mm
α₃ ≈ 12°.

Die gesamte Schalterkappe 15 ist aus einem elastischen Kunststoff hergestellt, der unter der Bezeichnung "HYTREL" der Firma Du Pont bekannt geworden ist. Hier handelt es sich um ein sogenanntes Blockcopolymer, welches aus einem harten, kristallinen Segment aus Polybutylen-Terephtalat und einem weichen, amorphen Segment auf der Basis langkettiger Polyetherglykole besteht. Es werden demnach lange Molekülketten gebildet, die abwechslungsweise jeweils ein festes und ein elastisches Element bilden, wobei die Flexibilität durch die Einbindung der elastischen Teile bewirkt wird. Je nach Verhältnis der harten zu den weichen Segmenten sowie der Aufbereitung der Segmente werden die Eigenschaften des elastischen Kunststoffs in bestimmtem Maße verändert. Dabei wird die Elastizität des Materials nicht durch eine Vernetzung des Kunststoffs, wie beim bekannten Silikon durch einen Vulkanisierungsvorgang, sondern durch den Aufbau des Blockcopolymers als solches gebildet. Dieses Verhältnis wird bei der erfindungsgemäßen Schalterkappe derart gewählt, daß sich eine Shore-Härte von D ≈ 35-40 einstellt.

Bei der erfindungsgemäßen Schalterkappe 15 sind das Oberteil 4' sowie das Basisteil 7' aufgrund der massiven Formgebung relativ starr und steif ausgebildet, während die flexible Membran 10' aufgrund der Dünnwandigkeit sehr elastisch ausgebildet ist. Die Herstellung erfolgt im Spritzgießverfahren, ohne daß eine nachfolgende aufwendige Vulkanisierung erforderlich ist.

In Fig. 3 ist schematisch das Kraft-Weg-Diagramm für die Schalterkappe 15 dargestellt. Nach einem Weg von ca. s ≈ 0,5 mm wird bei einer maximalen Druckkraft von F ≈ 2 N ein spürbarer Schaltpunkt erreicht. Bei einem zurückgelegten Weg s = h₄ = 1 mm ist der maximale Drückergesamtweg bei einer Restkraft von F ≈ 1 N durchlaufen. Die Kraft steigt dann ohne Zurücklegen eines weiteren Weges auf den vom Betätiger aufgebrachten Wert an.

Ein Drucktastenschalter 1 mit einer Schalterkappe 15 gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. Hier ist die Schalterkappe 15 mit ihrem nach unten gerichteten, zylinderstumpfförmigen Basisteil 7' auf einer Platine 6 befestigt. Das Oberteil 4' der Schalterkappe 15 ist in einem Schaltergehäuse 24 mit einer entsprechend angepaßten, zylindrischen Ausformung 25 eingebettet und über Rastnasen 26 verankert. Die Rastnasen 26 des Gehäuses 24 greifen in entsprechende Aussparungen 27 (siehe Fig. 1) des Oberteils 4' ein. Das Schaltergehäuse 24 ist an einem Auslegerarm oder Schwenkarm 28 befestigt, der über den Hebelarm 13 schwenkbar gelagert ist. Die Schwenkrichtung ist mit Pfeil 29 angedeutet. Die Aufwärtsbewegung des Schaltergehäuses 24 bei der Rückstellung wird durch einen Haken 30 begrenzt, welcher durch eine Bohrung 31 durch die Platine 6 hindurchragt und sich an der Unterseite 32 der Platine 6 abstützt. In Fig. 4 ist weiterhin die an der Zusatzschulter 12' des Oberteils 4' aufgebrachte Kontaktbahn 9' dargestellt, die beim Zusammendrücken der Schalterkappe 15 gegen die Festkontakte 11', 11" auf der Leiterbahn 6 läuft. Dabei ist das Oberteil 4' im geöffneten Schalterzustand um einen Winkel α₅ gegenüber der Horizontalen geneigt angeordnet, so daß bei der nach unten gerichteten Schwenkbewegung, beim Kontakt der Kontaktbahn 9' mit dem Festkontakt 11', 11", eine parallele Anordnung zur Horizontalen gewährleistet ist. Dieser Winkel α₅ beträgt ca. 4°.

Das Schaltergehäuse 24 wird mit einer zusätzlichen Schutzkappe 33 versehen, die eine Länge l₄ ≈ 10,5 mm aufweist und unter der eine Kennzeichnung der auszulösenden Funktion angeordnet werden kann, welche auch auswechselbar sein kann. Der Hebelarm l₃ zur Durchführung der Schwenkbewegung beträgt l₃ ≈ 14,5 mm.

In Fig. 5 ist das Schaltergehäuse 24 zur Aufnahme der Schalterkappe 15 einschließlich dem Auslegerarm 28 und dem Abstützhaken 30 nochmals in seinen wichtigen Abmessungen dargestellt. Die Aussparung 25 entspricht in ihren Abmessungen denjenigen der Schalterkappe, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. Demzufolge beträgt der Öffnungsdurchmesser d₁ ≈ 6 mm, die Höhe h₇ ≈ 1,2 mm. Der radiale Vorsprung b der Rastnasen beträgt b ≈ 0,2 mm, die axiale Tiefe c ≈ 0,3 mm. Der Keilwinkel des Oberteils 4' ist wie in Fig. 1 mit α₃ ≈ 12°, der Freiwinkel α₅ mit ca. 4° angegeben. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfaßt auch vielmehr alle fachmännischen Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen im Rahmen der Schutzrechtsansprüche ohne eigenen erfinderischen Gehalt.

Claims

1. Drucktastenschalter mit einer als Rückstellelement wirkenden Schalterkappe (15), wobei die Schalterkappe (15) aus einem zylinderstumpfförmigen Basisteil (7') und einem breiteren zylinderringförmigen Oberteil (4') besteht, wobei das Basisteil (7') und das Oberteil (4') durch eine flexible, dünnwandige Kegelflächenmembran (10') verbunden sind, die als auf dem Kopf stehender Kegelstumpf ausgebildet ist, und wobei das Oberteil (4') an seiner die Kegelflächenmembran (10') nach außen überragenden, zur Kegelspitze hinweisenden Kreisringfläche (12') eine Kontaktfläche (9') aufweist, die bei einer Hubbewegung der Schalterkappe (15) in Richtung der Kegelspitze Festkontakte (11', 11") überbrückt.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterkappe (15) im Bereich des Basisteils (7') mit einer Leiterplatte (6) verbunden ist.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterkappe (15) einen Hub h₄ von etwa 1 mm bei einer maximalen Auslösedruckkraft F von etwa 2 N mit einem Nachlauf von etwa 1/3 des Gesamthubes aufweist.

4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterkappe (15) mit ihrem breiteren Oberteil (4') in einem Druckschaltergehäuse (24) gelagert und mit ihrem schmaleren Basisteil (7') auf einer Platine (6) befestigt ist und daß die Betätigung des Druckschaltergehäuses (24) zu einer axialen Verschiebung des Oberteils (4') zur Platine (6) im Sinne einer Festkontaktüberbrückung (11', 11") führt.

5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckschaltergehäuse (24) über einen Hebelarm (28) schwenkbar an der Platine (6) gelagert ist, wobei vorzugsweise ein Haken (30) zur Rückstellbegrenzung vorgesehen ist.

6. Schalter nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterkappe (15) insgesamt aus einem im Spritzgießverfahren hergestellten Blockcopolymer besteht, der zum einen aus einem harten kristallinen Segment aus Polybutylen-Terephtalat und zum anderen aus einem weichen, amorphen Segment auf der Basis langkettiger Polyetherglykole besteht.

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus harten und weichen Segmenten des Blockcopolymers derart gewählt wird, daß sich eine Shore-Härte D von etwa 35-40 ergibt.

8. Schalter nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnwandige Kegelflächenmembran (10') eine Wandstärke s von etwa 0,1 bis 0,3 mm aufweist und daß das Verhältnis h₃ : h₄ der Kegelstumpfhöhe h₃ der Kegelflächenmembran (10') zum Schaltweg h₄ (Schalterhubbewegung) etwa 1 : 1,3 bis 2 beträgt, wobei der Kegelwinkel α₂ etwa 60° beträgt.

9. Schalter nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenmantelfläche des zylinderringförmigen Oberteils (4') konisch mit einem Winkel α₃, der insbesondere in etwa 12° beträgt, ausgebildet ist.