SWITCH DISPOSITION WITH AN ELASTIC SWITCH ELEMENT

Abstract: 1. A switching arrangement wherein adjacent electrical contacts (4', 4"; 14', 14"; 24', 24") are bridged over by means of an electrically conductive solid body (3, 13, 23) which is placed between said contacts and via squeezing is elastically deformable, characterized in that said electrically conductive solid body (3, 13, 23) is a ball.

Description: Schal tanordnung BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung zum Schliessen elektrischer Kontakte, mit einem elastischen, wenigstens teilweise elektrisch leitenden Schaltelement. Bei der Herstellung von Schaltanordnungen der genannten Art ist es wichtig, möglichst viele Verarbeitungsschritte automatisieren zu können, damit die Stückpreise pro Schaltanordnung niedrig gehalten werden können. Bisher wurden als Schaltelemente in Schaltanordnungen metallische Kontaktfedern verwendet; diese lassen sich jedoch nur mit beträchtlichem Zeitaufwand montieren. Hinzu kommt, dass diese metallischen Kontaktfedern nur eine begrenzte Lebensdauer haben; von einer Schaltanordnung wird jedoch erwartet, dass sie über lange Zeit hinweg zuverlässig arbeitet. Fällt beispielsweise in einem Tastenfeld eines Rechners od. dgl. nur ein einziges Schaltelement aus, so ist das gesamte Gerät unbrauchbar. Es ist weiterhin bekannt, beispielsweise für Tastenfelder sogenannte Silikonkautschukmatten zu verwenden, die an bestimmten Stellen Schaltelemente aufweisen, welche bei Durchbiegung der Matte an einer bestimmten Stelle bestimmte Kontakte elektrisch miteinander verbinden. Speziell bei Tastenanordnungen ergibt sich jedoch das Problem, dass für die Herstellung derartiger Schaltanordnungen jeweils ein spezielles Werkzeug für eine entsprechende Tastenanordnung notwendig ist. Nachteilig ist also nicht nur, dass relativ hohe Werkzeugkosten in den Stückpreis einer Schaltanordnung eingehen, sondern dass die Herstellungsdauer der Schaltanordnungen häufig relativ lange Zeit in Anspruch nimmt, weil die Werkzeuge erst speziell gefertigt werden müssen, wodurch relativ lange Lieferzeiten bedingt sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung der eingangs angegebenen Art anzugeben, die sich durch lange Lebensdauer auszeichnet und die rasch und billig ohne Spezialwerkzeuge herstellbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Schaltelement als elastisch verformbares Kugel- oder Zylinderelement, insbesondere Kugelelement ausgebildet ist. Im Gegensatz zu den früher üblichen metallischen Kontaktfedern lassen sch die Kugeln rationell in grossen Stückzahlen herstellen. Vergleicht man die erfindungsgemässe Schaltanordnung mit den früher üblichen Silikonkautschukmatten, so ist ersichtlich, dass nunmehr keine speziellen Werkzeuge für Tastenfelder verschiedener Tastenanordnungen notwendig sind. In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltanordnung zwischen zwei Kontakten und beabstandet von diesen eine Schaltelementaufnahme besitzt, und dass auf oder über dem Kugel- oder Zylinderelement eine Taste oder ein Betätigungselement angeordnet ist. Man erkennt, dass durch eine derartige Anordnung eine äusserst rasche Fertigung einer Schaltanordnung möglich ist: Die als Schaltelement dienende, elastisch verformbare Kugel, beziehungsweise der elastisch verformbare Zylinder brauchen lediglich in die Schaltelementaufnahme eingelegt zu werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Kugel- oder Zylinderelement elektrisch leitend ausgebildet. Der genannte Vorteil macht sich besonders stark bemerkbar bei der Herstellung von Tastenfeldern. Gemass einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf einem ebenen Substrat beabstandet voneinander Kontaktflächen angeordnet sind, zwischen denen das Kugel- oder Zylinderelement angeordnet ist. Das Substrat mit den Kontaktflächen lässt sich auf einfache Weise in grossen Stückzahlen herstellen. Wird das Kugel- oder Zylinderelement in zur Substratebene senkrechter Richtung einer Kraft ausgesetzt, so verformt sich die Kugel beziehungsweise der Zylinder derart, dass das Schaltelement die beiden zu UberbrUckende#Kontakte elektrisch verbindet. Durch äusserst rasche Fertigungsmöglichkeit zeichnet sich eine erfindungsgemässe Schaltanordnung dann aus, wenn das Kugel- oder Zylinderelement in einem Fenster einer zwischen Kontaktflächen aufgenommenen, verformbaren Zwischenschicht angeordnet ist. Bei derart ausgestalteten Tastenfeldern brauchen die als Schaltelemente dienenden Kugel- oder Zylinderelemente beispielsweise lediglich durch eine Rütteleinrichtung in die einzelnen Fenster eingebracht zu werden. Vergleicht man dies mit der zeitaufwendigen Montage von metallischen Kontaktfedern,so wird die erhebliche Zeitersparnis bei der Fertigung derartiger Tastenfelder deutlich. Gegenüber den bisher bekannten Folienschaltern werden insbesondere folgende Vorteile erreicht: Die Betätigungskraft kann durch entsprechende Auswahl der oberen Deckfolie bzw. unterschiedlicher Elastizitätseigenschaften der Zwischenschicht oder Härten der Kugeln variiert werden. Ferner kann der Schaltweg einfach über das Verhältnis Kugel - Durchmesser zu Abstand der Kontaktfläche variabel gestaltet werden. Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. ta und b einen Einzeltaster in Ruhestellung be ziehungsweise in betätigter Stellung, Fig. 2a und b eine Querschnittansicht einer Tastenstelle eines Tastenfedes in Ruhestellung bezieh ungsweise in betätigter Stellung, und Fig. 3 eine Querschnittansicht eines Tastenfeldes mit-mehreren in einer Zwischenschicht aus gebildeten Fenstern. Fig. t zeigt einen einfachen Taster. Er besteht aus einem Isolierblock l, der auf seiner Oberseite eine Schaltelementaufnahme 2 bildet. Die Schaltelementaufnahme wird im einfachsten Fall dadurch gebildet, dass die Oberseite des Lsoiierbiocks t eben ist. Auf der Schaltelementaufnahme 2 ruht eine elektrisch leitende Kugel 3 aus Silikonkautschuk. Der zur Aufnahme der Kugel 3 dienende Raum wird seitlich von zwei verlängerten Lötfahnen 4' und 4" begrenzt, vorne und hinten bezüglich der Kugel 3 kann der Isolierblock 1 mit Ansätzen versehen sein, damit die Kugel an Ort und Stelle bleibt. Alternativ hierzu ist es lediglich notwendig, dass der Abstand der Seidenkontakte 4' und 4" grösser als der Kugeldurchmesser ist. Oberhalb der Spitzen der Lötfahnen 4' und 4" ist eine Führung 6 vorgesehen, die einstückiger Bestandteil des Gehäuses des Einzeltasters sein kann. Führung 6 nimmt eine Taste 5 auf, die auf der Kugel 3 ruht. Die Taste 5 wird von der Führung 6 unverlierbar gehalten. Die Kugel 3 dient als Schaltelement und hat die Aufgabe, bei Betätigung der Taste 5 die Lötfahnen 4' und 4" elektrisch miteinander zu verbinden. Fig. 1 b zeigt den Zustand, in dem auf die Taste 5 beispielsweise durch Fingerdruck eine Kraft F ausgeübt wird. Die elastisch verformare Kugel 3 wird durch den Tastendruck elastisch verformt, so dass sie sich seitlich ausweitet und mit Teilen ihres Aussenumfangs die Lötfahnen an zwei Kontaktstellen kl und k2 berührt. Durch die Elastizitätseigenschaften der Kugel 3 ist gewährleistet, dass die Taste 5 wieder in ihre Ausgangsstellung (vgl. Fig. la) zurückkehrt, ohne dass hierzu eine spezielle Feder erforderlich ist. Anhand des oben geschilderten Ausführungsbeispieles ersieht man, dass der Kontaktdruck an den Kontaktstellen kl und k2 umso grösser ist, desto stärker die Kraft F ist, mit der die Taste nach unten bewegt wird. Mit grossem Tastendruck F wird also auch der an den Kontaktstellen herrschende elektrische Widerstand gering. Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar ist hier eine Kontaktstelle, d.h. eine Schaltanordnung von mehreren Schaltanordnungen eines Tastenfeldes dargestellt. Auf einem Substrat 11 sind Kontaktlager 12' und 12" mit darauf befindlichen Kontakten 14' bzw. 14" ausgebildet, welche normalerweise integriert als Leiterplattenstruktur ausgebildet sind. In Fig. 2a erkennt man, dass die Kontaktlager und die Kontakte derart an den Durchmesser der Kugel 13 angepasst sind, dass die Kugel im Ruhezustand zwischen den Kontaktlagern 12' und 12" ruht, ohne dass sie die Kontakte 14' und 14" berührt. Alternativ hierzu ist die Dimensionierung lediglich so zu wählen, dass 14' und 14" nicht gleichzeitig ohne Druckanwendung kontaktiert werden. Wird von oben auf die Kugel 13 eine Kraft F ausgeübt, so verformt sich die Kugel derart, dass sie beide Kontakte 14', 14" berührt und die Kontakte somit elektrisch miteinander verbindet. (Vgl. Fig. 2b). Auch hier wird wieder deutlich, dass der Kontaktwiderstand umso geringer wird, desto grösser die von oben auf die Kugel 13 einwirkende Kraft F ist. Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Figur zeigt eine Querschnittansicht eines beispielsweise als Matrixtastatur ausgebildeten Tastenfeldes. Zwischen einer unteren Folie 21, welche vorzugsweise eine starre Platte ist, und einer oberen Folie 25 liegen Kontaktflächen 24', sowie Kontaktflächen 24", sowie dazwischen eine Zwischenschicht 27 aus Isolierstoff. Zwischen deMsich gegenüberliegenden Kontaktflächen sind in die Zwischenschicht Kammern oder Fenster 22 eingelassen, die zur Aufnahme der als Schaltelemente dienenden Kugeln 23 dienen. In der Fig. 3 sind vier Schaltelemente-Kugeln 23 in entsprechenden Kammern dargestellt. Die rechts in Fig. 3 dargestellte Kugel 23 wird gerade dadurch zusammengedrückt, dass eine Bedienungsperson die obere Folie 25 mit dem Finger an der betreffenden Stelle herabdrückt, so so dass die darunter liegende Leiterbahn sich auf die Kugel 23 abgesenkt hat und diese gegen die darunter liegende Leiterbahn 24' drückt, wobei die Kugel verformt wird. Gemäss Darstellung verformt sich die obere Leiterbahn 24" etwas, allerdings braucht dies nicht der Fall zu sein, sondern die Leiterbahn kann auch im wesentlichen starr ausgebildet sein. Das Herabdrücken der oberen Folie 25 sowie der darunterliegenden Leiterbahn 24" wird ermöglicht durch die Elastizität der Zwischenschicht 27. Wie man aus der Darstellung in Fig. 3 leicht ersieht, ist der Kugeldurchmesser einer Kugel 23 geringfügig kleiner als der lichte Abstand zwischen den unteren Leiterbahnen 24' und den oberen Leiterbahnen 24". Die Kugeln in sämtlichen Ausführungsbeispielen bestehen aus elektrisch leitendem Silikonkautschuk. Dieses Material weist gute Elastizitätseigenschaften auf, ist relativ billig und einfach zu verarbeiten. Wenngleich bei den obigen Ausführungsbeispielen stets Kugelelemente als Schaltelemente verwendet wurden, so können doch auch Zylinderelemente oder zyiinderähnliche Elemente verwendet werden, wichtig ist, dass die einzelnen Schaltelemente elastisch verformbar sind und elektrisch leiten. Bei dem Ausfahrungsbeispiel gemäss Fig. 1 wird die Schaltelementaufnahme durch die ebene Oberfläche 2 des Isolierblocks 1 gebildet. Es kann allerdings auch eine kleine Mulde in dem Isolierblock 1 vorgesehen sein, und zwar in der Mitte des isolierblocks 1, um ein möglichst gleichzeitiges Berühren der Kugel 3 mit den Lötfahnen 4' und 4" zu gewährleisten. Entsprechend der oben angegebenen Modifikation kann bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 eine Mulde zwischen den Kontakten 14' und 14" vorgesehen sein, so dass die Kontakthalter 12' und 12" überflüssig sind. Wichtig ist, dass die Kugel 13 im Ruhezustand keinen, oder allenfalls nur einen Kontakt 14' oder 14" berührt. bei Selbstverständlich können auch/dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 Mulden oder dgl. zur Zentrierung der Kugeln 23 in der Mitte der Kammern 22 vorgesehen sein. Allerdings ist die Lage der Kugeln 23 innerhalb der Kammer 22 nicht kritisch, d.h. die Kugeln können innerhalb der Kammern an den Seitenwandungen der Zwischenschicht 27 anliegen, und dennoch wird eine gute Kontaktgabe zwischen den oberen und unteren Leitpfahlen gewährleistet. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist besonders gut die einfache Anbringung der als Schaltelemente dienenden Kugeln ersichtlich. Nach Zusammenbau der unteren Folie 21 mit den darauf befindlichen Leiterbahnen 24' und der darauf angeordneten Zwischenschicht 27 können die Kugeln 23 durch eine Rüttelein- richtung in die einzelnen Aufnahmekammern oder -fenster 22 verteilt werden, bevor die obere Folie 25 mit den Kontaktbahnen 24" aufgebracht wird. Eine einfacherere Montage ist kaum denkbar, trotz dieser einfachen Montage gewährleisten .die Silikonkautschukkugeln eine extrem lange Lebensdauer. Bei allen drei Ausführungsbeispielen ist die wesentliche Bedingung, dass jeweils die Kugel nur einen Kontakt berührt. Dies ist selbst bei Vibration der Anordnung erfüllt, wenn die Dimensionierung von Kontaktabstand und Kugeldurchmesser so gewählt werden, dass im undeformierten Zustand der Kugel niemals beide Kontakte berührt werden. Dies ist ein besonderer Vorteil dieser Anordnung, da Fehl schaltungen durch Vibration ausgeschlossen sind. Vibrationsfestigkeit von Schaltern wird z.B. bei Waschmaschinen mit Schleuderprogramm gefordert. Es ist nicht gesichert,dass herkömmliche Schalter mit metallischen Kontaktfedern diese Anforderungen erfüllen. Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschliesslich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Claims: PATENTANSPROCHE 1. Schaltanordnung zum Schliessen elektrischer Kontakte, mit einem elastischen, wenigstens teilweise elektrisch leitendem Schaltelement, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Schaltelement als elastisch verformbares Kugel- oder Zylinderelement (3, 13, 23), insbesondere Kugelelement ausgebildet ist. 2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung zwischen zwei Kontakten (4', 4") und beabstandet von diesen eine Schaltelementaufnahme (1, 2) besitzt, und dass auf oder über dem Kugeloder Zylinderelement (3) eine Taste (5) oder ein Betätigungselement angeordnet ist. 3. Schaltanordnung nach Anspruch 1, insbesondere Tastenfeld, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem ebenen Substrat (11) beabstandet voneinander Kontaktflächen (14', 14") angeo-rdnet sind, zwischen denen das Kugeloder Zylinderelement (13) angeordnet ist. 4. Schaltanordnung nach Anspruch 1, insbesondere Tastenfeld, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugel- oder Zylin dereiement (23) in einem Fenster (22) einer zwischen Kontaktflächen aufgenommenen, verformbaren Zwischenschicht (27) angeordnet ist. 5. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugel- oder Zylinderelement aus Silikonkautschuk besteht. 6. Schaltanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugel- oder Zylinderelement (3, 13, 23) elektrisch leitend ausgebildet ist.

Inventors: HOFFMANN, HORST
Applicants: WILHELM RUF KG
Application year: 1982
Main classification: H01H1
IPC codes: H01H1