ЕМКОСТНЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ И/ИЛИ СЕНСОРНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
CAPACITANCE PROXIMITY AND/OR SENSOR SWITCH

Область техники
Изобретение относится к емкостному выключателю, срабатывающему при приближении и/или касании с проводником, расположенным между электрически изолирующей покрывающей пластиной и находящейся на расстоянии от нее несущей пластиной и упруго деформируемым в направлении этого расстояния, причем проводник своим верхним концом прилегает к нижней стороне покрывающей пластины и образует там сенсорную площадку, а своим нижним концом связан с электрическим контактом несущей пластины.
Уровень техники
Такой емкостный бесконтактный и/или сенсорный выключатель уже известен из US 5892652 А. Там в качестве проводника предусмотрена пластинчатая пружина, которая согнута в форме буквы Z. Эта пластинчатая пружина состоит из пластины-основания, которая укреплена на несущей пластине, и верхней пластины, которая может прижиматься к нижней стороне покрывающей пластины, расположенной параллельно несущей пластине, и образует там сенсорную площадку. Пластина-основание и верхняя пластина образуют две крайних части буквы Z, которые связаны друг с другом средней, косой частью. Эта косая часть придает пластинчатой пружине гибкость таким образом, что пластинчатая пружина может выравнивать отклонения в параллельности между несущей пластиной и покрывающей пластиной. Однако такая пластинчатая пружина имеет тот недостаток, что при непараллельном расположении плоскостей покрывающей пластины и верхней пластины пластинчатой пружины между ними существуют воздушные промежутки, что уменьшает чувствительность реакции сенсорного выключателя при касаниях верхней стороны покрывающей пластины.
Еще один недостаток состоит в том, что при изменении расстояния между покрывающей пластиной и несущей пластиной наряду с расстоянием от верхней пластины до пластины-основания пластинчатой пружины изменяется также их позиция относительно друг друга в боковом направлении, так что при фиксированном положении пластины-основания на несущей пластине позиция сенсорной площадки на нижней стороне покрывающей пластины различна в зависимости от расстояния между покрывающей и несущей пластинами.
Раскрытие изобретения
Поэтому в основе данного изобретения лежит задача представить улучшенный емкостный бесконтактный и/или сенсорный выключатель.
Согласно изобретению указанная выше задача решена в емкостном бесконтактном и/или сенсорном выключателе названного выше типа благодаря тому, что проводником является спиральная пружина сжатия, свитая из удлиненного тела.
Изобретение имеет то преимущество, что спиральная пружина сжатия может перекрывать различные расстояния между покрывающей и несущей пластинами без бокового сдвига позиции сенсорной площадки на нижней стороне покрывающей пластины. Кроме того, наряду с компенсацией отклонений в параллельности между несущей пластиной и покрывающей пластиной, спиральная пружина сжатия может легко компенсировать также неровности нижней стороны покрывающей пластины и искривления покрывающей пластины. В качестве удлиненного тела служит предпочтительно пружинная проволока круглого или прямоугольного сечения, из которой нетрудно свить пружину.
Пружина сжатия имеет верхний конец и противоположный верхнему концу нижний конец, причем верхний конец расположен у покрывающей пластины, а нижний конец - у несущей пластины. Целесообразно выполнить пружину сжатия с по меньшей мере одним верхним витком, прилегающим к нижней стороне покрывающей пластины, который образует сенсорную площадку. В частности, верхний виток по меньшей мере в трех местах имеет непосредственный механический контакт с нижней стороной покрывающей пластины. Таким образом, формируя верхний виток, легко придавать сенсорной площадке самые различные формы.
По меньшей мере на одном из своих концов пружина сжатия предпочтительно имеет по меньшей мере два витка, расположенных в одной плоскости в виде спирали. При этом не имеет значения, намотаны ли витки изнутри наружу, или снаружи внутрь. Этими витками, расположенными спиралеобразно один в другом, на верхнем конце пружины сжатия образован диск, который прилегает к нижней стороне покрывающей пластины. Этот диск из витков так эластичен сам по себе, что в пределах площади диска из витков без труда выравниваются неровности нижней стороны покрывающей пластины. На нижнем конце пружины сжатия витки, расположенные спиралеобразно один в другом, обеспечивают стабильное положение пружины сжатия на несущей пластине, вследствие чего легко достигается вертикальное выравнивание пружины в процессе монтажа несущей пластины.
Согласно предпочтительному варианту исполнения пружина сжатия установлена между покрывающей и несущей пластинами в сжатом состоянии, и на своем верхнем конце пружина сжатия принимает форму, геометрически согласованную с нижней стороной покрывающей пластины. Напряжение, возникающее при сжатии, прижимает верхний виток пружины сжатия к нижней стороне покрывающей пластины, в частности, таким образом, что возникает контакт с геометрическим замыканием. Если на верхнем конце пружины сжатия несколько витков, спиралеобразно расположенных в одной плоскости, образуют диск, то, когда пружина сжатия находится в напряженном состоянии, форма этого диска из витков совмещается с формой нижней стороны покрывающей пластины, так что верхние витки прилегают к нижней стороне покрывающей пластины с геометрическим замыканием. Таким образом и при изогнутых покрывающих пластинах может достигаться оптимальный контакт между сенсорной площадкой, образованной диском из витков, и нижней стороной покрывающей пластины.
Целесообразно придать пружине сжатия по меньшей мере в одной верхней и/или нижней части конусообразную форму таким образом, чтобы она имела витки различного диаметра. Это дает то преимущество, что при напряжении сжатия несколько витков собираются в виде спирали на плоскости, и таким образом диск из витков образуется только уже при сжатом состоянии пружины. Таким образом, нет необходимости уже заранее формировать пружину сжатия, в частности, в ее верхнем конце, с готовым диском из витков, но диск из витков автоматически образуется сам, как только пружина сжатия смонтирована, в напряженном сжатом состоянии, между покрывающей пластиной и несущей пластиной.
Согласно предпочтительному варианту исполнения в верхней части и/или нижней части пружины между по меньшей мере двумя смежными витками существует осевое расстояние (зазор) в направлении продольной оси пружины, которое имеет величину от нуля до одного размерного параметра (габаритного размера) поперечного сечения удлиненного тела в направлении продольной оси пружины, и радиальное расстояние (зазор) в радиальном направлении пружины со значением от одного до полутора размерных параметров (габаритных размеров) поперечного сечения удлиненного тела в радиальном направлении пружины. При этом зазор определяется между сердцевинами соответствующих витков, например между продольными осями удлиненного тела. Благодаря такому тесному расположению витков рядом друг с другом, особенно в верхнем или нижнем конце пружины сжатия, предотвращается или сводится к минимуму сцепление нескольких одинаковых пружин друг с другом в процессе автоматизированного монтажа несущих пластин, так как зазор между двумя витками меньше, чем соответствующий габарит удлиненного тела.
Целесообразно по меньшей мере в одной части придать пружине сжатия цилиндрическую форму, чтобы избежать «складывания» (потери продольной устойчивости) пружины сжатия, когда она подвергается давлению при монтаже пружины сжатия между несущей и покрывающей пластинами.
Цилиндрическая часть предпочтительно имеет на по меньшей мере одном из своих концов участок, на котором между по меньшей мере двумя смежными витками существует осевое расстояние (зазор) в направлении продольной оси пружины, причем этот зазор имеет величину менее двух размерных параметров (габаритных размеров) поперечного сечения удлиненного тела в направлении продольной оси пружины. Расстояние и в этом случае определяется между сердцевинами двух смежных витков. Благодаря такому тесному расположению витков рядом друг с другом образуется направляющий цилиндр для монтажного инструмента, что позволяет оснащать несущую пластину одной или несколькими пружинами сжатия автоматически.
В частности, участок расположен в том конце цилиндрического раздела, к которому примыкает область с меньшим диаметром витка или который представляет собой концевой участок пружины сжатия. Благодаря такому тесному расположению витков рядом друг с другом предотвращается или сводится к минимуму сцепление нескольких одинаковых пружин друг с другом при процессе автоматизированного монтажа несущих пластин, так как расстояние между двумя витками меньше, чем соответствующий габарит удлиненного тела.
Согласно предпочтительному варианту исполнения пружина сжатия сформирована на одном цилиндрическом участке и на другом цилиндрическом участке таким образом, что диаметр витка на первом участке отличается от диаметра витка на втором участке и что между первым и вторым участками расположена конусообразная переходная часть. Тогда при максимальной сжимающей нагрузке пружины сжатия эти участки вдвигаются один в другой так, что участок с меньшим диаметром витка по меньшей мере частью своего аксиального размера находится внутри участка с большим диаметром витка. Достигаемый таким образом рабочий ход пружины сжатия удлиняется по сравнению с рабочим ходом, имеющим место при равномерном прилегании витков друг к другу, так что диапазон возможных расстояний между несущей пластиной и покрывающей пластиной, при которых может применяться пружина сжатия, соответственно увеличивается.
Это ведет к тому, что при изготовлении бесконтактного и/или сенсорного выключателя согласно изобретению требуется производить или держать на складе меньше различных типов пружин сжатия, что сокращает производственные расходы.
На нижнем конце пружины сжатия предпочтительно имеется приспособление, предохраняющее от смещения и/или поворота, в частности, в форме проушины для припайки и/или штифта для припайки. Таким образом, пружина сжатия нижним концом легко припаивается к электрическому контакту несущей пластины.
В предпочтительном случае на нижнем конце пружины сжатия имеется по меньшей мере один нижний виток, прилегающий к несущей пластине. Пружина сжатия гальванически связана с электрическим контактом, в частности, своим нижним витком, по меньшей мере в трех местах. Это дает то преимущество, что для процесса пайки пружина сжатия принимает стабильное положение на несущей пластине. За счет этого, во-первых, достигается паяное соединение без механического напряжения, а во-вторых, нижний виток припаивается к несущей пластине в форме паяного соединения для поверхностного монтажа. Таким образом, легко автоматизировать оснащение несущей пластины одной или несколькими пружинами сжатия. В частности, пружина сжатия на нижнем конце имеет по меньшей мере два витка, расположенные в одной плоскости в виде спирали. При большем количестве таких витков площадь смачивания пружины сжатия, которая в процессе пайки смачивается паяльной пастой, увеличивается, так что устойчивость пружины сжатия на несущей пластине повышается в процессе пайки.
В предпочтительном варианте исполнения на несущей пластине в пределах области, определенной сенсорной площадкой, в частности внутри пружины сжатия, расположен светящийся элемент - например светодиод, лампа накаливания или световод. Этот светящийся элемент служит для обозначения сенсорной площадки или для сигнализации о различных состояниях бесконтактного и/или сенсорного выключателя.
Краткий перечень чертежей
Ниже изобретение разъясняется более подробно при помощи чертежей.
Фиг.1 схематично показывает в разрезе емкостный бесконтактный и/или сенсорный выключатель согласно изобретению,
Фиг.2 схематично показывает вид сбоку на пружину сжатия согласно изобретению, в первом варианте исполнения,
Фиг.3 схематично показывает вид сбоку на пружину сжатия согласно изобретению, во втором варианте исполнения,
Фиг.4 схематично показывает вид сбоку на пружину сжатия согласно изобретению, в третьем варианте исполнения.
Осуществление изобретения
Прежде чем рассматривать чертежи более детально, следует отметить, что на всех чертежах соответствующие друг другу или одинаковые элементы, или отдельные детали в различных вариантах исполнения емкостного бесконтактного и/или сенсорного выключателя согласно изобретению обозначены одинаковыми номерами.
В Фиг.1 схематично показан в разрезе емкостный бесконтактный и/или сенсорный выключатель согласно изобретению. Выключатель 1 содержит в качестве проводника спиральную пружину 2 сжатия, выполненную предпочтительно из пружинной проволоки. Эта пружинная проволока имеет предпочтительно круглое поперечное сечение 3, при этом, однако, возможны также и другие формы поперечного сечения, как, например, овал или многоугольник. Пружина 2 сжатия имеет на своем верхнем конце несколько витков 4, которые при ее сжатом состоянии прилегают к нижней стороне 5 изогнутой, электрически изолирующей покрывающей пластины 6 с геометрическим замыканием. Эти витки расположены спиралеобразно внутри друг друга и образуют таким образом плоский диск 7 из витков, который при сжатии пружины эластично вписывается в изогнутый свод покрывающей пластины 6. Покрывающая пластина 6 выполнена из диэлектрика, как, например, стекла, стеклокерамики или пластмассы. На расстоянии от покрывающей пластины 6 расположена несущая пластина 8 с электропроводной контактной поверхностью 9, обращенной к нижней стороне 5 покрывающей пластины 6. Несущая пластина 8 может быть выполнена в виде пластмассового диска, имеющего на по меньшей мере одной из своих сторон упомянутую контактную поверхность 9 и в случае надобности также проводящие дорожки, посредством которых контактная поверхность 9 электрически связана со схемой обработки сигнала (не показана). Пружина 2 сжатия на своем нижнем конце имеет нижний виток 10, которым она плоско прилегает к контактной поверхности 9 несущей пластины 8. На нижнем конце пружины 2 сжатия в качестве приспособления, предохраняющего от смещения и/или поворота, выполнена проушина 11 для припайки, которая проходит насквозь через отверстие 12 в несущей пластине 8. Проушина 11 для припайки связана с несущей пластиной 8 при помощи паяного соединения 13, выполненного методом пайки в проточном припое, а нижний виток 10 - при помощи паяного соединения 14 для поверхностного монтажа. Между нижним витком 10 и диском 7 из витков пружина 2 сжатия выполнена конусообразной, в форме усеченного конуса, причем диаметр витков уменьшается в направлении от нижнего витка 10 к диску 7 из витков.
Верхние витки 4 диска 7, прилегающие к нижней стороне 5 покрывающей пластины, определяют сенсорную площадку 15, которая ограничена внешним витком 16 верхних витков 4. В частности, внешний виток 16 полностью прилегает к нижней стороне 5 покрывающей пластины 6. Если теперь какой-либо элемент, например палец, имеющий потенциал, который отличается от потенциала контактной поверхности 9 несущей пластины 8, в частности потенциал земли, приближается к области 17 поверхности покрывающей пластины 6, противоположной сенсорной площадке 15 и/или соприкасается с этой областью, то это вызывает изменение емкости конденсатора, состоящего из соответствующего элемента или пальца, покрывающей пластины и сенсорной площадки 15. Так как сенсорная площадка 15 электрически соединена с контактной поверхностью 9 несущей пластины 8, а она, в свою очередь, связана со схемой обработки сигнала, изменение емкости отмечается и оценивается этой схемой. Далее на несущей пластине 8 в области внутри пружины 2 сжатия предусмотрен источник света (не показан), например светодиод, для обозначения сенсорной площадки 15 или сигнализации о различных состояниях выключателя 1. Кроме того, поверхность покрывающей пластины 6 выполнена с возможностью нанесения на нее проводящего слоя (не показан), чтобы создать при касании или приближении равномерное распределение потенциала в области 17 поверхности покрывающей пластины 6, противоположной сенсорной площадке 15. В частности, этот проводящий слой, форма которого может отличаться от формы сенсорной площадки 15, может простираться и за пределы области 17 поверхности, что позволяет увеличить область, в которой действует бесконтактный и/или сенсорный выключатель. Этот проводящий слой, в свою очередь, может быть покрыт диэлектрическим защитным слоем (не показан), чтобы предотвращать повреждение проводящего слоя и/или чтобы обозначать местонахождение бесконтактного и/или сенсорного выключателя.
На Фиг.2 схематично показан вид сбоку на пружину 2 сжатия согласно изобретению, в первом варианте исполнения. Пружина 2 сжатия, свитая в форме винтообразной спирали, имеет нижнюю часть 18 в форме усеченного конуса, у которого диаметр витков уменьшается от нижнего витка 10 до граничного витка 19. К нему примыкает верхняя часть 20 также в форме усеченного конуса, в котором, однако, диаметр витков снова возрастает, от граничного витка 19 вплоть до верхнего витка 4а. Когда пружина 2 сжатия смонтирована в сжатом состоянии между покрывающей пластиной 6 и несущей пластиной 8 согласно фиг.1, ее верхняя часть 20 сжата таким образом, что верхние витки 4а, 4b и 4с вдвинуты друг в друга в виде спирали. Таким образом, соответственно Фиг.1, образован диск 7 из витков, в котором верхние витки 4а, 4b и 4с прилегают к нижней стороне 5 покрывающей пластины с геометрическим замыканием. Однако в качестве альтернативного варианта можно также непосредственно сформировать диск 7 из витков за граничным витком 19 при еще не сжатой пружине 2 сжатия.
На Фиг.3 схематично показан вид сбоку на пружину 2 сжатия согласно изобретению во втором варианте исполнения. Пружина 2 сжатия, свитая в форме винтообразной спирали, в этом случае имеет нижнюю часть 21 в форме цилиндра, у которого диаметр витков от нижнего витка 10 до граничного витка 19 остается постоянным. К нему примыкает верхняя часть 20 в форме усеченного конуса, в котором диаметр витков возрастает от граничного витка 19 вплоть до верхнего витка 4а, так что при монтаже пружины 2 сжатия между покрывающей пластиной 6 и несущей пластиной 8 в сжатом состоянии снова образуется диск 7 из витков.
На Фиг.4 схематично показан вид сбоку на пружину 2 сжатия согласно изобретению в третьем варианте исполнения. Пружина 2 сжатия, свитая в форме винтообразной спирали, в этом случае имеет на нижнем конце 22 два нижних витка 10, 10', которые лежат в одной плоскости в виде спирали и обеспечивают таким образом стабильное прилегание пружины 2 сжатия к несущей пластине 8. Эти нижние витки 10, 10' при пайке смачиваются паяльной пастой и, например, при помощи паяного соединения для поверхностного монтажа припаяны к несущей пластине, которая может, в частности, быть монтажной платой. Начиная с нижнего витка 10 пружина 2 сжатия имеет, аналогично Фиг.3, первую часть 21 в форме цилиндра, у которого диаметр витков от нижнего витка 10 до первого граничного витка 19′ остается постоянным. К нему примыкает переходная часть 23 в форме усеченного конуса, у которого, однако, диаметр витков уменьшается от граничного витка 19' до второго граничного витка 19”. К граничному витку 19” примыкает вторая часть 24 в форме цилиндра, у которого диаметр витков остается постоянным от второго граничного витка 19' до третьего граничного витка 19”'.
Таким образом, диаметр витков второй части 24 меньше, чем диаметр витков первой части 21'. Ко второй части 24 примыкает, аналогично Фиг.2, верхняя часть 20 в форме усеченного конуса, у которого диаметр витка снова возрастает от граничного витка 19”' вплоть до верхнего витка 4а и который при сжатом состоянии пружине 2 сжатия образует диск 7 из витков.
Витки верхней части от 4a до 4g намотаны так тесно, что осевое расстояние А между каждыми двумя смежными витками в направлении продольной оси пружины составляет половину диаметра D пружинной проволоки, а радиальное расстояние R в направлении радиуса пружины составляет всего один диаметр D пружинной проволоки. При этом расстояние между двумя витками измеряется соответственно между их сердцевинами. Таким образом, при сжатом состоянии пружины 2 сжатия образуется сплошной диск 7 из витков, в котором смежные витки от 4а до 4g соприкасаются друг с другом. Первая цилиндрическая часть 21' имеет на нижнем конце первый участок 25 с тремя витками 26а, 26b и 26с, а на верхнем конце второй участок 25' с тремя витками 26d, 26e и 26f, которые намотаны так тесно, что осевой зазор А между каждыми двумя смежными витками в направлении продольной оси пружины составляет всего один диаметр D пружинной проволоки, т.е. смежные витки 26а и 26b, 26b и 26с, 26d и 26e, 26e и 26f соответственно соприкасаются, так что на участках 25 и 25' пружина 2 сжатия не имеет никакого пружинящего действия. Благодаря такому тесному расположению витков с 4а по 4g, с 26а по 26с, с 26d по 26f рядом друг с другом предотвращается сцепление нескольких одинаковых пружин 2 сжатия друг с другом в процессе автоматизированного монтажа, так как расстояние между любыми двумя смежными витками с 4а по 4g, с 26а по 26 с, с 26d по 26f меньше, чем диаметр пружинной проволоки D.
Вторая цилиндрическая часть 24 имеет на верхнем конце третий участок 25” с тремя витками 26g, 26h и 26i, которые намотаны также настолько тесно, что осевое расстояние А между каждыми двумя смежными витками в направлении продольной оси пружины составляет один диаметр D пружинной проволоки, т.е. смежные витки 26g и 26h или 26h и 26i соответственно соприкасаются, так что на третьем участке 25” пружина 2 сжатия не имеет никакого пружинящего действия. Благодаря такому тесному расположению витков с 26g по 26i рядом друг с другом образуется направляющий цилиндр для монтажного инструмента, что позволяет автоматизировать оснащение несущей пластины одной или несколькими пружинами 2 сжатия.
Пружина 2 сжатия в целом намотана из одного куска металлической пружинной проволоки. Но возможно также изготовление пружины 2 сжатия из других проводящих материалов, как, например, из проводящей пластмассы или пластмассы с металлическим сердечником, в виде изделия из пластмассы, полученного литьем под давлением. Пружина 2 сжатия имеет предпочтительно круглые витки, но возможны также различные другие формы, как, например, овалы, эллипсы или многоугольники.