EP1355332A2 - Elektrische Kontaktierungseinrichtung und zugehörige Tastatur - Google Patents

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EP1355332A2
EP1355332A2 EP03006495A EP03006495A EP1355332A2 EP 1355332 A2 EP1355332 A2 EP 1355332A2 EP 03006495 A EP03006495 A EP 03006495A EP 03006495 A EP03006495 A EP 03006495A EP 1355332 A2 EP1355332 A2 EP 1355332A2
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EP
European Patent Office
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carrier
contacting device
electrical contacting
contact
contact points
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EP03006495A
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English (en)
French (fr)
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EP1355332B1 (de
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Andre Kling
Hartmut Schumacher
Eduard Schönberg
Rudolf Zimmermann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication of EP1355332A3 publication Critical patent/EP1355332A3/de
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H13/70—Switches having rectilinearly-movable operating part or parts adapted for pushing or pulling in one direction only, e.g. push-button switch having a plurality of operating members associated with different sets of contacts, e.g. keyboard
    • H01H13/7006—Switches having rectilinearly-movable operating part or parts adapted for pushing or pulling in one direction only, e.g. push-button switch having a plurality of operating members associated with different sets of contacts, e.g. keyboard comprising a separate movable contact element for each switch site, all other elements being integrated in layers
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H2239/00—Miscellaneous
    • H01H2239/01—Miscellaneous combined with other elements on the same substrate

Definitions

  • the invention relates to an electrical contacting device with electrical contact points on one movable, essentially plate-shaped carrier and with these opposite fixed contacts, which after a Switching movement of the carrier contact the contact points.
  • the invention further relates to a keyboard such a contacting device.
  • Such a contacting device is usually used for electronic devices, for switching devices and in particular Command devices used.
  • electronic Devices such as programmable logic controllers in the Automation industry are next to well-known voluminous mechanical control devices with large actuation paths
  • voluminous mechanical control devices with large actuation paths
  • Variety of compact flat short-stroke keys and keypads has been developed. The latter belong to the family of Short-stroke keys and membrane keyboards are very compact.
  • the known contacting devices usually have a jump switching behavior and electronic contact.
  • the jump switching behavior is often determined by a e.g. Metallic, snap element realized that under pressure abruptly changes its shape, and thereby the switch contact closes. When the pressure drops, it jumps Snap element back to its rest position, causing the switch contact is opened again.
  • This mechanical effect is known from a "crack frog".
  • the strict requirements for safe operation in harsh industrial applications cannot fulfill these keys. Such may safe switches do not wear out during operation fail, or a failure must by the secure electronic Control can be recognized. Also the electrical path be sure to control. Depending on the security category this can be achieved through sufficient wear and failure-free Push button in connection with at least two-pole simultaneous galvanically isolated switching.
  • the published here 1 includes a substrate 2 with a Pair of spaced fixed switch contacts 3, the can be bridged by an electrically conductive armature 4 should.
  • the armature 4 has a central axis with the first and second raised contact areas on both sides the axis.
  • the anchor 4 is in the non-actuated state held by the attraction of a magnetic layer 5 and spaced from the switching contacts 3.
  • Between the magnetic layer 5 and the substrate 2 is an insulating spacer layer 6 with an opening 7, in the area of which the armature 4 is included.
  • the one as an electrically conductive metal disc trained armature 4 is by an actuating force for contacting movable with the switch contacts 3.
  • the positioning of the necessary electronic components usually takes place in addition to the short-stroke key on the existing one PCB, but this takes up extra space and in the case of Internal lighting of such an element awkward Light guides required. Here is the illumination can only be reached selectively or very unevenly.
  • a membrane keyboard is known from DE 100 40 151 C1, at the frequently used button in a "click frog technology” are executed, i.e. a mediated by a snap element Show snap switching behavior.
  • the front film is the Keyboard in the area of the keypad to form a “Switching bubble” bulged outwards.
  • the inner surface of the Front foil is in the area of the switching bladder, mostly printed, provided contact surface, which in the rest position with Distance faces one or more fixed contacts. to The front film is actuated in the area of the switching bladder pressed.
  • the switching bubble is "dented", so to speak, the contact surface against the one or more fixed contacts pressed, and the switch contact is thus closed.
  • the actuation pressure is reduced, the front film returns their bubble-like starting position back, the switch contact is opened again.
  • the well-known keyboard is through the use of the simple but wear-resistant manufacture bubble-like buttons inexpensively, wherein premature wear of the frequently used buttons the use there of the more complex but more durable Snap element button is avoided. For safety-related Switching is not the known keyboard suitable.
  • the invention has for its object an electrical Contacting device of the type mentioned above create that with simple structure and cost-effective execution avoids the disadvantages mentioned above. Furthermore should a particularly suitable keyboard with such a contacting device can be specified.
  • the object is achieved according to the invention solved by the features of claim 1. Thereafter the contact points are so isolated from each other are different from each other and / or from the wearer Enable potential.
  • the keyboard the Object achieved by the features of the claim 12.
  • a first keypad an inventive contacting device assigned.
  • at least one second keypad a button in the form of a short-stroke switching element assigned, which is designed like a switching bubble or a snap switching behavior mediated by a snap element having.
  • the first keypad or the first keypads for safety-related Switching operations provided while the second keypad or the second keypad for non-safety-related ones Switching operations are determined.
  • keypad is a on the user interface understood the tactile area marked on the keyboard, each of which has an underlying button or a contacting device assigned. A pressurization the user interface in the area of a keypad to actuate the corresponding button or corresponding contacting device.
  • the present electrical contacting device according to the invention e.g. from a basic structure, as in 1 is shown.
  • This basic structure is extremely compact and guarantees a high level of wear and reliability.
  • the movable plate-shaped designated as an anchor in FIG According to the invention, there are carriers according to FIGS 22 very different configurations.
  • the carrier 10 is provided with mutually insulated contact points 11, 21, that these differ from one another and / or from the carrier 10 Enable potential.
  • the carrier 10 is e.g. as soft magnetic and electrical conductive metal plate on which a partial or full-surface electrical insulation layer 12 applied is.
  • the insulating layer 12 can be applied by varnish, Foil application, insulating surface treatment or The corresponding can be realized.
  • the insulating layer 12 is as required on the top, bottom or both sides applied.
  • the conductive layers are on this insulating layer 12 Contact points 11, 21 and / or conductor tracks 20 applied, the different from each other and / or to the carrier 10 enable electrical potential.
  • the carrier 10 shown in Figures 2, 3, 4 has soft magnetic Properties, is electrically conductive and on its top with two contact points 11 executed serve as contact bridges for break contacts.
  • the two contact points 11 are shown in FIG 2 by an intermediate Decoupling slot 13 for tolerance compensation against each other mechanically decoupled so that despite inevitable Manufacturing tolerances when operating a good contact pad is guaranteed on the opposite fixed contacts.
  • the one contact point 11 on one side of the Decoupling slot 13 is through the electrically conductive Carrier 10 itself formed.
  • the contact point 11 on the other side of the decoupling slot 13 is on the Insulating layer 12 applied to the carrier 10. this will by the corresponding sectional diagrams in FIGS. 3 and 4 clarified.
  • the carrier 10 has a raised pressure area 14 on.
  • the carrier 10 is on its one Magnetic layer 16 (see FIG. 5) is the first area to break away provided with a counter bearing 15 around which the carrier 10 is pivoted on further actuation.
  • the print area 14 for mechanical actuation is in the vicinity of the counter bearing 15 inside the triangle.
  • an embodiment of the carrier 10 is with two contact points designed as make contacts 11 shown, which in contrast to the embodiment according to FIG 2, 3, 4 arranged on the same side as the counter bearing are. Otherwise, the structure corresponds in detail to that of the previous one described carrier 10 with the opener contacts 11th 2, 3, 4.
  • the switching phases in one with the carrier 10 with normally open contacts 11 switches are in the FIG 11, 12, 13 shown.
  • the carrier is at rest here 10 held on a magnetic layer 16 via its upper side. This is spaced apart by the spacer layer 18 opposite the floor support 17, which with a substrate Fixed contacts is provided.
  • 16, 17, 18 are the switching phases for a switch shown with such a carrier 10, the principle correspond to those of the previously described embodiments and therefore need no further explanation at this point.
  • a circuit carrier of the electronic components in SMD design, chip design or Can hold a keystroke.
  • the power supply or electrical coupling of the electronic circuit is over raised contact points realized.
  • a sensible expression such a circuit is shown in FIG 19, 20, where the operating surface of the contact module with a light-emitting diode circuit is illuminated. Integration can also make sense of an electronic touch sensor, which the Touching the button regardless of the electrical contacts detected.
  • a carrier 10 which is a circuit, e.g. in multi-layer design (multi-layer technology) wearing.
  • the carrier 10 has on its top and Underside of an insulating layer 12.
  • an electrical circuit applied On the top 19 is an electrical circuit applied.
  • this comprises a as Contact bridge 11 made contact point, electrical components 19, e.g. a bonded chip and resistance pressure, Contact points 21 for the electrical supply of the components 19 and interconnects 20 connecting them.
  • FIG 21 shows a cross-sectional illustration of the carrier 10 according to FIG 19, 20 with its top and bottom insulation layers and components 19 and / or applied thereon Contact points 11, 21.
  • the button described in connection with FIGS 2 to 22 is alternatively as a single commander or as part of an in 23 uses a membrane keyboard 30 shown in plan view.
  • the membrane keyboard 30 comprises several key fields 31, provided for non-safety-related switching processes are. These keypads 31 are, for example around number or letter keypads 31a and an associated confirmation keypad 31b. Also includes the membrane keyboard 30 two for safety-related Switching processes provided keypads 32. These keypads 32 are used, for example, to control an electronic one Equipment, e.g. as a start or stop button.
  • the one shown in FIG. 24 in a diagram, and in particular membrane keyboard not shown to scale 30 is common to all key fields 31, 32 Floor support 17 built. To the assembled state the outside visible to a user Membrane keyboard 30 from a user interface Front film 33 covered.
  • the shelf support 17 and the Front foil 33 are essentially flat and to one another arranged approximately in parallel.
  • the with openings 7 in the area of the keypads 31, 32 provided spacer layer 18 fills in the area of the keypads 31 between the floor support 17 and the front film 33 distance formed completely out.
  • the spacer layer 18 and the front film 33 the magnetic layer 16 temporarily stored.
  • the floor support 17 is preferably by a conventional one PCB realizes and carries in the area of the keypads 31 arranged fixed contacts 34. No further details Fixed contacts shown are in the area of the keypads 32 provided on the shelf support 17.
  • Switching processes is related with the electrical contacting device described in detail in FIGS. 2 to 22 used.
  • One carrier is 10 each for this purpose arranged in the respective in the area of each keypad 32 Opening 7 of the spacer layer 18 in the previously described Wisely placed and lying with its print area 14 against the inner surface 35 of the front film 33.
  • the front film 33 is convexly curved in the area of the keypad 32.
  • the button assigned to the keypad 31a 36a is designed as a switching bubble.
  • This is the front film 33 in the area of the keypad 31a with an embossed with respect to the base support 17 convexly domed and carries on its inner surface 35 the corresponding one Fixed contacts 34 at a distance from each other electrically conductive contact surface 37.
  • confirmation keypad 31b is preferred one provided with a disc-like snap element 38 Push button 36b used.
  • the snap element 38 is there at a distance from the base support 17 approximately parallel to this arranged and preferably lies directly on the inner surface 35 the front film 33.
  • the snap element 38 is in its Rest position with respect to the floor support 17 convex, see above that the keypad 31b is raised similarly to the keypad 31a is arched out of the level of the user interface.
  • the Snap element 38 carries one of the floor supports 17 and thus the corresponding fixed contacts 34 facing contact surface 37.
  • Pressing the button surface 31b changes the snap element 38 leaps its shape from the convex rest position in a plane or concave actuation position with respect to the base support 17.
  • the contact surface 37 is again against the Fixed contacts 34 pressed and the associated with the keypad 31b Switch contact closed. With decreasing actuation pressure the snap element 38 jumps to the starting position back, whereupon the electrical contact is interrupted.
  • the Membrane keyboard 30 by using the comparatively simple built buttons 36 is inexpensive to manufacture.
  • the membrane keyboard 30 can also be used for such purposes for which the use of conventional membrane keyboards due to high security requirements so far was not possible or only possible to a limited extent. This is particularly from Advantage because the membrane keyboard 30 compared to conventional safety-related commanders extremely flat and is compact.
  • all keypads 31, 32 over the as a circuit board executed floor support 17 are contacted and thus wiring of the buttons, which is difficult to automate, is eliminated.

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Abstract

Erfindungsgemäß wird eine elektrische Kontaktierungseinrichtung mit elektrischen Kontaktstellen (11) auf einem beweglichen Träger (10) und mit diesen gegenüberliegenden Festkontakten geschaffen, die nach einer Schaltbewegung des Träges (10) die Kontaktstellen (11) kontaktieren. Um mehrere galvanisch getrennte Kontakte zu schaffen, werden die Kontaktstellen (11) gegenseitig derart isoliert, dass sie zueinander und/oder zum Träger (10) unterschiedliche Potenziale ermöglichen. Des Weiteren wird eine besonders geeignete Tastatur (30) angegeben, mit mindestens einem ersten Tastenfeld (32), welchem eine derartige elektrische Kontaktierungseinrichtung zugeordnet ist, und mindestens einem zweiten Tastenfeld (31), dessen zugeordneter Taster (36) schaltblasenartig ausgeführt ist oder ein durch ein Schnappelement (38) vermitteltes Sprungschaltverhalten aufweist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Kontaktierungseinrichtung mit elektrischen Kontaktstellen auf einem beweglichen, im Wesentlichen plattenförmigen Träger und mit diesen gegenüberliegenden Festkontakten, die nach einer Schaltbewegung des Trägers die Kontaktstellen kontaktieren. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Tastatur mit einer solchen Kontaktierungseinrichtung.
Eine derartige Kontaktierungseinrichtung wird üblicherweise bei elektronischen Geräten, bei Schaltgeräten und insbesondere Befehlsgeräten verwendet. Zum Bedienen elektronischer Geräte, wie z.B. speicherprogrammierbarer Steuerungen in der Automatisierungsindustrie sind neben bekannten voluminösen mechanischen Befehlsgeräten mit großen Betätigungswegen eine Vielzahl von kompakten flachen Kurzhubtasten und Tastaturfeldern entwickelt worden. Letztere gehören zur Familie der Kurzhubtaster und Folientastaturen und sind sehr kompakt.
Die bekannten Kontaktierungseinrichtungen haben üblicherweise ein Sprungschaltverhalten und eine elektroniktaugliche Kontaktgabe. Das Sprungschaltverhalten wird häufig durch ein, z.B. metallisches, Schnappelement realisiert, das bei Druckbelastung sprunghaft seine Form ändert, und dabei den Schaltkontakt schließt. Bei Nachlassen des Drucks springt das Schnappelement in seine Ruhelage zurück, wodurch der Schaltkontakt wieder geöffnet wird. Dieser mechanische Effekt ist von einem "Knackfrosch" her bekannt. Die strengen Anforderungen für das sichere Bedienen im rauen industriellen Einsatz können diese Tasten allerdings nicht erfüllen. So dürfen derartige sichere Schalter im Betrieb weder verschleißen noch ausfallen, bzw. ein Ausfall muss von der sicheren elektronischen Steuerung erkannt werden. Auch muss der elektrische Weg zur Steuerung sicher sein. Je nach Sicherheitskategorie ist dies erreichbar durch ausreichend verschleiß- und ausfallfreie Taster in Verbindung mit mindestens zweipoligem gleichzeitigen galvanisch getrennten Schalten. Ein Taster mit hoher Robustheit und Verschleißfreiheit bietet das im US-Patent 5,990,772 beschriebene Kontaktelement. Der hier veröffentlichte Taster 1 umfasst gemäß FIG 1 ein Substrat 2 mit einem Paar von beabstandeten feststehenden Schaltkontakten 3, die durch einen elektrisch leitfähigen Anker 4 überbrückt werden sollen. Der Anker 4 weist eine zentrale Achse mit ersten und zweiten erhabenen Kontaktierungsbereichen zu beiden Seiten der Achse auf. Im nichtbetätigten Zustand ist der Anker 4 durch die Anziehungskraft einer Magnetschicht 5 gehalten und zu den Schaltkontakten 3 beabstandet. Zwischen der Magnetschicht 5 und dem Substrat 2 liegt eine isolierende Abstandsschicht 6 mit einer Öffnung 7, in deren Bereich der Anker 4 aufgenommen ist. Der als elektrisch leitende Metallscheibe ausgebildete Anker 4 ist durch eine Betätigungskraft zur Kontaktierung mit den Schaltkontakten 3 bewegbar. Infolge der Betätigung des Ankers 4 bricht zunächst seine eine Seite von der Magnetschicht 5 weg und kontaktiert den einen der beiden Schaltkontakte 3. Anschließend dreht sich der Anker 4 um die der Seite, die noch mit der Magnetschicht 5 in Verbindung steht, gegenüberliegende Seite, bis diese Seite durch die Betätigungskraft ebenfalls von der Magnetschicht 5 wegbricht, um den zweiten Schaltkontakt 3 zu kontaktieren. Auf diese Weise werden die beiden Schaltkontakte 3 elektrisch leitend überbrückt. Der hier als Kontaktelement beschriebene Anker 4 sowie alle anderen bisher bekannten Elemente sind jedoch nicht geeignet, mehrere galvanisch getrennte Stromkreise unmanipulierbar gleichzeitig zu betätigen.
Weiterhin wird von elektronischen Geräten immer häufiger eine elektronische Vorverarbeitung der Signale erwartet. Hierzu sind vorzugsweise im oder am Befehlsgerät entsprechende Bauelemente inklusive ihrer elektrischen Verschaltung erforderlich. Die Kurzhubtasten bieten in ihrem Inneren bislang hierzu nur bedingt Möglichkeiten, wie z.B. die Integration einer Leuchtdiode. Ebenfalls werden für eine geeignete Beleuchtung der Betätigungsfläche des Schaltelements elektronische Komponenten vorzugsweise im Inneren des Elements benötigt.
Um mehrere galvanisch getrennte Kontakte zu schaffen, musste man bisher auf große mechanische Befehlsgeräte zurückgreifen oder mehrere separate Kurzhubtasten parallel betätigen. Das für die Sicherheitsfunktionen geforderte gleichzeitige Schalten innerhalb eines sehr kurzen Zeitfensters kann nur mit großem Zusatzaufwand mit einer gleichzeitigen Sprungschaltfunktion nach dem technischen Konzept von NOT-AUS-Tastern erreicht werden. Allerdings widerspricht diese Lösung der geforderten Robustheit und Ausfallsicherheit und ist sehr voluminös. Für den Einrichtbetrieb kommen z.B. auch Kombinationen von sogenannten Freigabetastern mit einem oder mehreren weiteren Befehlsgebern für das Einrichten von Maschinen vor.
Die Positionierung der notwendigen elektronischen Bauteile erfolgt neben der Kurzhubtaste meist auf der dort vorhandenen Leiterplatte, was aber extra Platz benötigt und im Falle der internen Beleuchtung eines solchen Elementes umständliche Lichtführungen erforderlich macht. Dabei ist die Ausleuchtung nur punktuell oder sehr ungleichmäßig erreichbar.
Aus der DE 100 40 151 C1 ist eine Folientastatur bekannt, bei der häufig benutzte Taster in einer "Knackfrosch-Technologie" ausgeführt sind, d.h. ein durch ein Schnappelement vermitteltes Sprungschaltverhalten zeigen. Dagegen sind weniger häufig benutzte Taster in einer preisgünstigen "Schaltblasen-Technologie" ausgeführt. Bei letzteren ist die Frontfolie der Tastatur im Bereich des Tastenfeldes zur Bildung einer "Schaltblase" nach außen hin aufgewölbt. Die Innenfläche der Frontfolie ist im Bereich der Schaltblase mit einer, meist aufgedruckten, Kontaktfläche versehen, die in Ruhelage mit Abstand einem oder mehreren Festkontakten gegenübersteht. Zur Betätigung wird die Frontfolie im Bereich der Schaltblase eingedrückt. Die Schaltblase wird dabei sozusagen "eingedellt", wobei die Kontaktfläche gegen den oder die Festkontakte gedrückt, und der Schaltkontakt somit geschlossen wird. Bei Rücknahme des Betätigungsdrucks kehrt die Frontfolie in ihre blasenartige Ausgangslage zurück, wobei der Schaltkontakt wieder geöffnet wird. Die bekannte Tastatur ist durch die Verwendung der einfachen, aber verschleißfreudigen schaltblasenartigen Taster preisgünstig herzustellen, wobei ein vorzeitiger Verschleiß der häufig benutzten Taster durch die dortige Verwendung der aufwändigeren, aber haltbareren Schnappelement-Taster vermieden ist. Für sicherheitsgerichtete Schaltvorgänge ist die bekannte Tastatur jedoch nicht geeignet.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Kontaktierungseinrichtung der oben genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und kostengünstiger Ausführung die oben genannte Nachteile vermeidet. Weiterhin soll eine besonders geeignete Tastatur mit einer solchen Kontaktierungseinrichtung angegeben werden.
Bezüglich der Kontaktierungseinrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach sind die Kontaktstellen gegenseitig derart isoliert sind, dass sie zueinander und/oder zum Träger unterschiedliche Potenziale ermöglichen. Bezüglich der Tastatur wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 12. Danach ist innerhalb einer Tastatur mindestens einem ersten Tastenfeld eine erfinderische Kontaktierungseinrichtung zugeordnet. Weiterhin ist mindestens einem zweiten Tastenfeld ein Taster in Form eines Kurzhubschaltelements zugeordnet, welches schaltblasenartig ausgeführt ist oder ein durch ein Schnappelement vermitteltes Sprungschaltverhalten aufweist. Dabei sind das erste Tastenfeld oder die ersten Tastenfelder für sicherheitsgerichtete Schaltvorgänge vorgesehen, während das zweite Tastenfeld oder die zweiten Tastenfelder für nicht sicherheitsgerichtete Schaltvorgänge bestimmt sind.
Unter den Begriff Tastenfeld wird ein auf der Bedienoberfläche der Tastatur gekennzeichneter taktiler Bereich verstanden, der jeweils ein darunterliegender Taster oder eine Kontaktierungseinrichtung zugeordnet ist. Eine Druckbeaufschlagung der Bedienoberfläche im Bereich eines Tastenfeldes führt dabei zur Betätigung des korrespondierendes Tasters bzw. der korrespondierenden Kontaktierungseinrichtung.
Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Nähere Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand folgender Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
FIG 2,3,4
mehrere.Ansichten eines Trägers mit Öffnerkontakten einer erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierungseinrichtung,
FIG 5,6,7
die Schaltpositionen des Trägers gemäß FIG 2, 3, 4,
FIG 8,9,10
mehrere Ansichten eines Trägers mit Schließerkontakten einer erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierungseinrichtung,
FIG 11,12,13
die Schaltpositionen des Trägers gemäß FIG 8, 9, 10,
FIG 14,15
mehrere Ansichten eines Trägers mit einem Öffner- und einem Schließerkontakt einer erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierungseinrichtung,
FIG 16,17,18
die Schaltpositionen des Trägers gemäß FIG 14, 15,
FIG 19,20,21,22
mehrere Ansichten eines Trägers mit einer Schaltung einer erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierungseinrichtung,
FIG 23
in Draufsicht eine Kontaktierungseinrichtung gemäß FIG 5 umfassende Folientastatur und
FIG 24
in einem schematischen Querschnitt XXIV-XXIV die Tastatur gemäß FIG 23.
Die vorliegende erfindungsgemäße elektrische Kontaktierungseinrichtung geht z.B. von einem Grundaufbau aus, wie er in FIG 1 dargestellt ist. Dieser Grundaufbau ist äußerst kompakt und gewährt hohe Verschleißfreiheit und Ausfallsicherheit. Für den in FIG 1 als Anker bezeichneten beweglichen plattenförmigen Träger gibt es erfindungsgemäß gemäß den FIG 2 bis 22 sehr unterschiedliche Ausgestaltungen. Der Träger 10 ist mit gegenseitig derart isolierten Kontaktstellen 11, 21 versehen, dass diese zueinander und/oder zum Träger 10 unterschiedliche Potenziale ermöglichen.
Dabei ist der Träger 10 z.B. als weichmagnetische und elektrisch leitfähige Metallplatte ausgeführt, auf die eine partielle oder vollflächige elektrische Isolierschicht 12 aufgebracht ist. Die Isolierschicht 12 kann durch einen Lackauftrag, Folienauftrag, isolierende Oberflächenbehandlung oder Entsprechendes realisiert werden. Die Isolierschicht 12 wird je nach Bedarf an der Oberseite, der Unterseite oder beidseitig aufgebracht. Auf diese Isolierschicht 12 sind die leitfähigen Kontaktstellen 11, 21 und/oder Leiterbahnen 20 aufgebracht, die zueinander und/oder zum Träger 10 unterschiedliche elektrische Potenziale ermöglichen.
Der in den FIG 2, 3, 4 dargestellte Träger 10 besitzt weichmagnetische Eigenschaften, ist elektrisch leitfähig und an seiner Oberseite mit zwei Kontaktstellen 11 ausgeführt, die als Kontaktbrücken für Öffnerkontakte dienen. Die beiden Kontaktstellen 11 sind gemäß FIG 2 durch einen dazwischenliegenden Entkopplungsschlitz 13 zum Toleranzausgleich gegeneinander mechanisch entkoppelt, so dass trotz unvermeidlicher Fertigungstoleranzen bei Betätigung eine gute Kontaktauflage auf den gegenüberliegenden Festkontakten gewährleistet ist. Die eine Kontaktstelle 11 auf der einen Seite des Entkopplungsschlitzes 13 ist durch den elektrisch leitfähigen Träger 10 selbst gebildet. Die Kontaktstelle 11 auf der anderen Seite des Entkopplungsschlitzes 13 ist auf die Isolierschicht 12 auf dem Träger 10 aufgebracht. Dies wird durch die entsprechenden Schnittbilder in FIG 3 und 4 verdeutlicht.
Zur Betätigung weist der Träger 10 einen erhabenen Druckbereich 14 auf. Außerdem ist der Träger 10 an seinem von einer Magnetschicht 16 (siehe FIG 5) zuerst wegbrechenden Bereich mit einem Gegenlager 15 versehen, um den dann der Träger 10 bei weiterer Betätigung geschwenkt wird. Für eine gleichmäßige Aufteilung der Kontaktkräfte werden die beiden Kontaktstellen 11 derart platziert, dass sie mit dem Gegenlager 15 ein gleichseitiges Dreieck bilden. Der Druckbereich 14 zur mechanischen Betätigung liegt in der Nähe des Gegenlagers 15 im Inneren des Dreiecks. Durch die Anordnung der beiden Kontaktstellen 11 am äußeren Ende des Trägers 10 und dadurch, dass alle vier Kontaktpunkte der Kontaktstellen 11 in einer Flucht liegen, wird ein nahezu gleichzeitiges Sprungverhalten der Kontaktstellen 11 realisiert. Vorzugsweise sind die beiden Kontaktpunkte jeder Kontaktstelle 11 möglichst dicht beisammen.
Die FIG 5, 6, 7 zeigen die verschiedenen Schaltphasen des Trägers 10 mit den als Öffnerkontakten 11 ausgebildeten Kontaktstellen in dem eingangs beschriebenen Grundaufbau der erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierungseinrichtung mit einer Magnetschicht 16, einem Bodenträger 17 und einer dazwischenliegenden Abstandsschicht 18. In FIG 5 ist der Träger 10 in seiner Ruheposition dargestellt, in der er durch die Magnetschicht 16 angezogen ist und seine Kontaktstellen 11 hier nicht dargestellte Festkontakte kontaktieren. In der ersten Phase des Schaltvorgangs wird die Seite des Trägers 10 mit dem Gegenlager 15 auf einen Bodenträger 17 gedrückt. In der anschließenden zweiten Phase werden die Kontaktstellen 11 auf der anderen Seite von den Festkontakten abgehoben und springen in Richtung des gegenüberliegenden Bodenträgers 17.
In FIG 8, 9, 10 ist eine Ausführungsform des Trägers 10 mit zwei als Schließerkontakte 11 ausgebildeten Kontaktstellen dargestellt, die im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß FIG 2, 3, 4 auf der selben Seite wie das Gegenlager angeordnet sind. Im übrigen entspricht der Aufbau dem des zuvor ausführlich beschriebenen Trägers 10 mit den Öffnerkontäkten 11 gemäß FIG 2, 3, 4. Die Schaltphasen bei einem mit dem Träger 10 mit Schließerkontakten 11 versehenen Schalter sind in den FIG 11, 12, 13 dargestellt. In Ruheposition ist hier der Träger 10 über seine Oberseite an einer Magnetschicht 16 gehalten. Dieser liegt durch die Abstandsschicht 18 beabstandet dem Bodenträger 17 gegenüber, der mit einem Substrat mit Festkontakten versehen ist. Nachdem der Träger 10 nach Betätigung auf der Seite des Gegenlagers 15 in der ersten Schaltphase nach FIG 12 von der Magnetschicht 16 weggebrochen ist, schwenkt der Träger 10 in der zweiten Schaltphase gemäß FIG 13 sprunghaft um das Gegenlager 15 bis die Kontaktstellen 11 an der Unterseite des Trägers 10 die Festkontakte kontaktieren. Die Anordnung der Kontaktstellen 11 ist hier grundsätzlich wie bei den Öffnerkontakten. Allerdings sind die Schließerkontaktstellen 11 vorzugsweise nicht am äußersten Ende des Trägers 10, sondern etwas weiter innen angeordnet. Dies bewirkt günstigere Kontaktkräfte und ein besseres Kontaktöffnungsverhalten.
FIG 14, 15 zeigen eine Ausführungsform des Trägers 10 mit einem Öffnerkontakt an der Oberseite und einem Schließerkontakt 11 an der Unterseite, wobei hier wiederum der Öffnerkontakt 11 durch eine Isolationsschicht 12 gegenüber dem Träger 10 und den durch diesen gebildeten Schließerkontakt 11 isoliert ist. Grundsätzlich kann diese Funktion auch in umgekehrter Weise erreicht werden, d.h., indem der Öffnerkontakt 11 durch den Träger 10 selbst realisiert wird und der Schließerkontakt 11 auf der Isolierschicht 12 aufgebracht wird. Wird nur ein Öffnerkontakt 11 plus ein Schließerkontakt 11 realisiert, bilden die beiden Kontaktpunkte des Öffners das oben beschriebene Dreieck, ebenso wie die Kontaktpunkte des Schließers mit dem Gegenlager 15 ein etwas kleineres gleichschenkliges Dreieck bilden. In diesem Fall sind also die jeweils zu einem Kontakt gehörenden Kontaktpunkte die Eckpunkte des oben beschriebenen gleichschenkligen Dreiecks.
Bei zwei Schließern oder zwei Öffnern wird für einen Höhen-Toleranzausgleich der dicht benachbarten Kontaktpunkte jeder Kontaktstelle der Kontaktbrückenträger durch geeignete Schlitzung in unabhängig federnde Elemente aufgeteilt.
In den FIG 16, 17, 18 sind die Schaltphasen bei einem Schalter mit einem solchen Träger 10 dargestellt, die prinzipiell denen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen entsprechen und daher an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung bedürfen.
Mit der oben beschriebenen Bearbeitung des Träges 10 erhält man neben den Kontaktfunktionen auch einen Schaltungsträger, der elektronische Bauteile in SMD-Bauform, Chip-Bauform oder Tastendruck aufnehmen kann. Die Spannungsversorgung bzw. elektrische Ankopplung der elektronischen Schaltung wird über erhabene Kontaktstellen realisiert. Eine sinnvolle Ausprägung so einer Schaltung ist in FIG 19, 20 dargestellt, wo die Betätigungsfläche des Kontaktmoduls mit einer Leuchtdiodenbeschaltung ausgeleuchtet wird. Ebenso sinnvoll kann die Integration eines elektronischen Berührsensors sein, welcher die Berührung der Taste unabhängig von den elektrischen Kontakten erfasst.
Die FIG 19, 20 zeigen eine Ausführungsform eines Trägers 10, der eine Schaltung, z.B. in Mehrschicht-Ausführung (Multi-Layer-Technik) trägt. Der Träger 10 weist an seiner Ober- und Unterseite eine Isolierschicht 12 auf. Auf der oberseitigen Isolierschicht 12 ist gemäß FIG 19 eine elektrische Schaltung aufgebracht. Diese umfasst im vorliegenden Beispiel eine als Kontaktbrücke 11 ausgeführte Kontaktstelle, elektrische Bauteile 19, z.B. ein gebondeter Chip und einen Widerstandsdruck, Kontaktstellen 21 zur elektrischen Versorgung der Bauteile 19 und diese verbindende Leiterbahnen 20.
Auf der unterseitigen Isolierschicht 12 sind ebenfalls Kontaktstellen 21 zur elektrischen Versorgung aufgebracht, die mit den entsprechenden oberseitigen Kontaktstellen 21 über eine Durchkontaktierung gemäß FIG 22 elektrisch leitend verbunden sind. Dabei ist die elektrische Verbindungsleitung zur Durchkontaktierung auf einer Isolierschicht im Durchbruch 22 aufgebracht.
FIG 21 zeigt eine Querschnittsdarstellung des Trägers 10 gemäß FIG 19, 20 mit seinen oberseitigen und unterseitigen Isolierschichten und darauf aufgebrachten Bauteilen 19 und/oder Kontaktstellen 11, 21.
Die im Zusammenhang mit den FIG 2 bis 22 beschriebene Taste ist alternativ als Einzelbefehlsgeber oder im Rahmen einer in FIG 23 in Draufsicht dargestellten Folientastatur 30 eingesetzt. Die Folientastatur 30 umfasst mehrere Tastenfelder 31, die für nicht-sicherheitsgerichtete Schaltprozesse vorgesehen sind. Bei diesen Tastenfeldern 31 handelt es sich beispielsweise um Nummern- oder Buchstaben-Tastenfelder 31a und ein dazu gehöriges Bestätigungs-Tastenfeld 31b. Weiterhin umfasst die Folientastatur 30 zwei für sicherheitsgerichtete Schaltprozesse vorgesehene Tastenfelder 32. Diese Tastenfelder 32 dienen beispielsweise der Steuerung eines elektronischen Geräts, z.B. als Start- oder Stopp-Taste.
Die in FIG 24 in einem als Schema zu verstehenden und insbesondere nicht maßstabsgetreuen Querschnitt dargestellte Folientastatur 30 ist auf den allen Tastenfeldern 31,32 gemeinsamen Bodenträger 17 aufgebaut. Zu der in montiertem Zustand für einen Benutzer sichtbaren Außenseite hin wird die Folientastatur 30 von einer die Bedienoberfläche bildenden Frontfolie 33 abgedeckt. Der Bodenträger 17 und die Frontfolie 33 sind im Wesentlichen eben gestaltet und zueinander etwa parallel angeordnet. Die mit Öffnungen 7 im Bereich der Tastenfelder 31, 32 versehene Abstandsschicht 18 füllt im Bereich der Tastenfelder 31 den zwischen dem Bodenträger 17 und der Frontfolie 33 gebildeten Abstand komplett aus. Im Bereich der Tastenfelder 32 ist der Abstandsschicht 18 und der Frontfolie 33 die Magnetschicht 16 zwischengelagert. Der Bodenträger 17 ist bevorzugt durch eine herkömmliche Leiterplatte realisiert und trägt im Bereich der Tastenfelder 31 angeordnete Festkontakte 34. Weitere nicht näher dargestellte Festkontakte sind im Bereich der Tastenfelder 32 auf dem Bodenträger 17 vorgesehen.
Zur Realisierung der den Tastenfeldern 32 zugeordneten sicherheitsgerichteten Schaltprozesse wird die im Zusammenhang mit den FIG 2 bis 22 im Detail beschriebene elektrische Kontaktierungseinrichtung herangezogen. Je ein Träger 10 ist dazu in der jeweiligen im Bereich jedes Tastenfeldes 32 angeordneten Öffnung 7 der Abstandsschicht 18 in der zuvor beschriebenen Weise platziert und liegt mit seinem Druckbereich 14 gegen die Innenfläche 35 der Frontfolie 33 an. Die Frontfolie 33 ist im Bereich des Tastenfeldes 32 konvex gewölbt. Durch Druck auf die flexible Frontfolie 33 im Bereich des Tastenfeldes 32 wird der Träger 10 in der beschriebenen Art und Weise zur Betätigung der Kontakteinrichtung bewegt.
Für die mit den Tastenfeldern 31 auszulösenden Schaltprozesse sind bestimmungsgemäß keine besonderen Sicherheitsvorkehrungen erforderlich. Die zugehörigen Taster 36 sind daher bevorzugt in einer einfachen und daher preisgünstigen Technologie gestaltet. Der dem Tastenfeld 31a zugeordnete Taster 36a ist schaltblasenartig ausgeführt. Dazu ist die Frontfolie 33 im Bereich des Tastenfeldes 31a mit einer eingeprägten, bezüglich des Bodenträgers 17 konvex gewölbten Kuppe versehen und trägt an ihrer Innenfläche 35 eine den korrespondierenden Festkontakten 34 mit Abstand gegenüberstehende elektrisch leitende Kontaktfläche 37. Durch Druck auf die Frontfolie 33 im Bereich des Tastenfeldes 31a wird diese aus ihrer konvexen Ruhelage in eine plane oder bezüglich des Bodenträgers 17 konkave Betätigungslage verformt. Dadurch wird die Kontaktfläche 37 gegen die Festkontakte 34 gedrückt, und löst durch deren Überbrückung den Schaltprozess aus. Bei Aufhebung des Betätigungsdrucks geht die Frontfolie 33 in ihre konvexe Ruhelage zurück, wodurch der Schaltkontakt wieder geöffnet wird.
Für häufig benutzte Tastenfelder ohne sicherheitsrelevante Funktion, wie z.B. das Bestätigungs-Tastenfeld 31b, wird bevorzugt ein mit einem scheibenartigen Schnappelement 38 versehener Taster 36b verwendet. Das Schnappelement 38 ist dabei mit Abstand zum Bodenträger 17 etwa parallel zu diesem angeordnet und liegt bevorzugt direkt an der Innenfläche 35 der Frontfolie 33 an. Das Schnappelement 38 ist in seiner Ruhelage bezüglich des Bodenträgers 17 konvex gewölbt, so dass das Tastenfeld 31b ähnlich wie das Tastenfeld 31a erhaben aus der Ebene der Bedienoberfläche herausgewölbt ist. Das Schnappelement 38 trägt eine dem Bodenträger 17 und damit den korrespondierenden Festkontakten 34 zugewandte Kontaktfläche 37. Unter Druck auf die Tastenfläche 31b ändert das Schnappelement 38 sprunghaft seine Form von der konvexen Ruhelage in eine bezüglich des Bodenträgers 17 plane oder konkave Betätigungslage. Dabei wird wiederum die Kontaktfläche 37 gegen die Festkontakte 34 gedrückt und der dem Tastenfeld 31b zugehörige Schaltkontakt geschlossen. Bei nachlassendem Betätigungsdruck springt das Schnappelement 38 in die Ausgangslage zurück, worauf der elektrische Kontakt unterbrochen wird.
Die mit der in den FIG 23 und 24 beschriebenen Folientastatur 30 verknüpften Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Folientastatur 30 durch Verwendung der vergleichsweise einfach aufgebauten Tasten 36 preisgünstig herstellbar ist. Da für alle sicherheitsrelevanten Schaltprozesse die in den FIG 2 bis 22 beschriebene Kontaktierungseinrichtung verwendet wird, kann die Folientastatur 30 auch für solche Zwecke verwendet werden, für welche der Einsatz herkömmlicher Folientastaturen aufgrund hoher Sicherheitsanforderungen bisher nicht oder nur bedingt möglich war. Dies ist insbesondere von Vorteil, weil die Folientastatur 30 im Vergleich zu herkömmlichen sicherheitsgerichteten Befehlsgebern äußerst flach und kompakt aufgebaut ist. Ein großer Vorteil besteht auch darin, dass alle Tastenfelder 31, 32 über den als Leiterplatte ausgeführten Bodenträger 17 kontaktiert sind und somit eine schwer automatisierbare Verdrahtung der Taster entfällt. Von großem Vorteil ist weiterhin, dass alle Tastenfelder 31, 32 von einer gemeinsamen, im Wesentlichen ebenen Frontfolie 33 bedeckt sind. Damit wird neben einer einfachen Montierbarkeit und der Möglichkeit einer einheitlichen Designgebung vor allem eine hohe Schmutzunempfindlichkeit der Folientastatur 30 erreicht, was sich wiederum positiv auf deren Betriebssicherheit auswirkt.

Claims (14)

  1. Elektrische Kontaktierungseinrichtung mit elektrischen Kontaktstellen (11, 21) auf einem beweglichen, im Wesentlichen plattenförmigen Träger (10) und mit diesen gegenüberliegenden Festkontakten, die nach einer Schaltbewegung des Trägers (10) mit den Kontaktstellen (11) kontaktieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen (11, 21) gegenseitig derart isoliert sind, dass sie zueinander und/oder zum Träger (10) unterschiedliche Potenziale ermöglichen.
  2. Elektrische Kontaktierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) neben Kontaktstellen (11, 21) auch Leiterbahnen (20) aufweist.
  3. Elektrische Kontaktierungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kontaktstellen (11) als Kontaktbrücke ausgebildet ist.
  4. Elektrische Kontaktierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) mit zumindest einer partiellen Isolierschicht (12) ausgeführt ist.
  5. Elektrische Kontaktierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger als integrierter Schaltkreis (10) ausgeführt ist.
  6. Elektrische Kontaktierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) weichmagnetische Eigenschaften aufweist und im Ruhezustand durch eine Magnetkraft gehalten ist.
  7. Elektrische Kontaktierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch mindestens eine der Isolierschichten (12) voneinander isolierten Kontaktstellen (11, 21) und/oder Leiterbahnen (20) selektiv miteinander elektrisch verbunden sind.
  8. Elektrische Kontaktierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) mindestens einen Durchbruch (21) aufweist, der zur Durchkontaktierung zwischen Kontaktstellen (11, 21) und/oder Leiterbahnen (20) in verschiedenen Ebenen dient.
  9. Elektrische Kontaktierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) elektrisch leitend ist und die Funktion einer Kontaktbrücke übernimmt.
  10. Elektrische Kontaktierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (10) mindestens zwei gegeneinander isolierte Kontaktbrücken (11) aufweist.
  11. Elektrische Kontaktierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kontaktstellen (11) ein Entkopplungsschlitz (13) vorgesehen ist.
  12. Tastatur (30) mit mindestens einem ersten Tastenfeld (32), welchem eine elektrische Kontaktierungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zugeordnet ist, und mindestens einem zweiten Tastenfeld (31), dessen zugeordneter Taster (36) schaltblasenartig ausgeführt ist oder ein durch ein Schnappelement (38) vermitteltes Sprungschaltverhalten aufweist.
  13. Tastatur (30) nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine alle Tastenfelder (31,32) gemeinsam bedeckende, im Wesentlichen ebene Frontfolie (33).
  14. Tastatur nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine gemeinsame Leiterplatte (17), auf der sowohl die dem oder jedem ersten Tastenfeld (32) zugeordnete elektrische Kontaktierungseinrichtung, als auch der dem oder jedem zweiten Tastenfeld (31) zugeordnete Taster (36) kontaktiert sind.
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