KUGELSCHALTER IN EINER MULTI-KUGELSCHALTER-ANORDNUNG

Die Erfindung betrifft den Aufbau eines Kugelschalters in einer Multi-Kugelschalter-Anordnung.

Ein solcher Kugelschalter in einer Multi-Kugelschalter-Anordnung in Schicht-/Plattenbauweise, besteht aus einer ersten Platte aus Kunststoff, der Bodenplatte, auf der zentral eine Kreisscheibe aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist. Von der Kreisscheibe führt eine elektrische Kontaktbahn weg und endet am Rand des Gebiets des Kugelschalters auf der der Kreisscheibe gegenüber liegenden Seite der Bodenplatte. Eine zweite, auf der Bodenplatte liegende Platte aus Kunststoff, die Kammerplatte, hat entsprechend der Anordnung der Kreisscheiben auf der ersten Platte eine durchgehende Bohrung, die Kammer, mit elektrisch leitender, metallischer Innenwand, deren Kammerlängsachse durch den Mittelpunkt der zugeordneten Kreisscheibe geht. Von der metallischen Innenwand auf mindestens einer Kammerplattenseite geht eine Kontaktbahn nach außen weg. Auf der Seite der Kontaktfahne zur Kreisscheibe, gegenüber liegend zu derselben, endet diese Kontaktbahn. In der Kammer befindet sich eine elektrisch leitende Kugel, deren Durchmesser kleiner als der der Kammer und deren Höhe ist, jedoch so groß ist, das keine zweite solche Kugel in der Kammer vollständig einliegen kann.

In der deutschen Patentschrift Nr. 6713 28 wird ein Fliehkraftkugelschalter beschrieben, bei dem die Kugel unter dem Einfluss ihrer eigenen Fliehkraft ungehindert rollt und den notwendigen Kontaktdruck herbeiführt, indem die die Kugel haltenden beweglichen Teile beim Schließen des Schalters, z. B. durch Nasen, aufgehalten werden.

In der DE 39 21 926 C1 wird ein elektrischer Schalter für bewegliche Geräte oder Geräteteile vorgestellt, der lage- und/oder bewegungsabhängig selbsttätig schaltet. Der Schalter besteht aus einem Gehäuse aus isolierendem Material, in dem nach außen ragende elektrische Kontakte fest angeordnet sind. Im Innern ist ein darin frei beweglicher Kontaktkörper aus elektrisch leitendem Material angeordnet, der mit den festen Kontakten schließend bzw. öffnend kooperiert. Der bewegliche Kontaktkörper ist eine Kugel; die festen Kontakte sind parallel oder im Wesentlichen parallel angeordnete metallische Kontaktstifte. Es können jeweils zwei Kontaktstifte durch die entsprechende Lage der Kugel elektrisch überbrückt werden.

Eine Kontaktanordnung für Dreh- und Schiebeschalter wird in der DE 103 53 438 A1 beschrieben. Ein federndes Kontaktteil übernimmt sowohl die Rast- als auch Kontaktfunktion. Das Kontaktteil ist z. B. eine abgefederte Kugel, die in Bohrungen einer Leiterplatte rastet, deren Bohrungsränder mit sektionierten Leiterbahnen versehen sind, wobei die leitfähige Kugel die Sektionen miteinander verbindet.

Ein Kugelschalter zur signalmäßigen Kennzeichnung von auswählbaren Neigungsrichtungen einer Basisebene wird in der DE 91 06 217 U beschrieben. Die Endlagerstellen der Schaltkugel sind kreisförmige Lagerstellen, die aus sich verjüngenden Vertiefungen in einer auf der Basiswand stehenden Seitenwand des Innenraums bestehen. Sie sind so bemessen, dass deren Symmetrieachse die auf der zugehörigen Ecke des Basispolygons auflaufende Schaltkugel unmittelbar oberhalb deren Mittelpunkt durchläuft. Jede Vertiefung ist über eine in den Grund der Vertiefung mündende Bohrung mit einer nur dieser Vertiefung zugeordneten lichtdichten Kammer verbunden, in der eines der Lichtsendeelemente oder der Lichtempfängerelemente angeordnet ist.

Ein Bewegungssensor besteht nach der US 5,410,113 aus zwei Substraten, Kontaktmittel und wenigstens einem elektrisch leitfähigen Element. Das erste Substrat hat eine auf seiner Hauptseite exponierte, elektrisch leitfähige Schicht. Das zweite Substrat hat ein Durchgangsloch von einer Hauptseite zur andern. Das erste und zweite Substrat liegen hauptseitig derart aneinander, dass die Kontaktfläche auf dem ersten Substrat innerhalb der Stirn der Durchgangsbohrung zum Erscheinen kommt. Das in dem Durchgangsloch gefasste, frei bewegliche Element kann die leitfähige Schicht auf dem ersten Substrat mit Kontaktmitteln an der Innenwand der Bohrung elektrisch überbrücken.

In der US 5,987,988 wird ein Beschleunigungssensor beschrieben, der aus einer Hohlzylinderkammer mit inwändig rohrförmiger Kontaktfläche besteht. Diese Hohlzylinderkammer hat eine Boden und Deckplatte. In dieser Anordnung ist eine elektrisch leitende Kugel eingeschlossen, die bei ruhender Lage oder gleichförmiger Bewegung der Kammer eine stabile Lage durch eine zentrale Vertiefung in der Bodenfläche einnimmt. Die zentrale Vertiefung und eine anschließende Ringfläche, die die rohrförmige Kontaktfläche nicht berührt, werden bei hinreichender Beschleunigung durch die eingeschlossene Kugel während anhaltend starker Beschleunigung überbrückt, weil die Kugel während einer solchen Phase aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird.

In der DE 101 58 416 C1 und EP 1 316 981 A1 ist eine Kugelschalteranordnung beschrieben, die aus mehreren Platten in Schicht- oder Stapelbauweise aufgebaut ist. Auf einer ersten Platte, der Außenplatte, befinden sich gleichartige Kreisscheiben aus elektrisch leitendem Material. Von diesen Kreisscheiben geht jeweils eine Kontaktfahne radial nach außen zum Rand des damit gebildeten Kugelschalters. Über diese Kontaktfahne und mittels einer galvanisch durchkontaktierten Bohrung wird die Kreisscheibe elektrisch mit Lötpads verbunden, die sich auf der Unterseite der Leiterplatte befinden. (Siehe hierzu die Zeichnung mit den Figuren 1 bis 10 darin.) Die Kreisscheibe ist über eine galvanisierte Bohrung elektrisch an die Kontaktbahn angebunden. Die Kontaktbahn befindet sich in einer anderen Ebene wie die Kreisscheibe, um die elektrische Isolierung zwischen Kammer und Kontaktbahn herzustellen.

Aus den Ansprüche 2 bis 4 und zugehöriger Beschreibung darin ist eine dritte Platte, eine weitere Außenplatte in weiter spezifizierter Bauweise beschrieben, die die Multi-Kugelschalter-Anordnung abdeckt. Dieser Aufbau ist aufwendig, da die Platte, die die Kreisscheibe trägt, aus zwei Platten aufgebaut ist. Die beiden Platten werden nach der nasschemischen Strukturierung der Kontaktbahn und der Kreisscheibe zusammen laminiert und über eine galvanisch beschichtete Bohrung miteinander elektrisch verbunden. Ein solcher Aufbau ist verfahrenstechnisch aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kugelschalter einer Multi-Kugelschalter-Anordnung derart zu gestalten, dass mit wenigen verfahrenstechnischen Schritten eine Multi-Kugelschalter-Anordnung aus mindestens zwei Kunststoffplatinen, einer Bodenplatine und einer Kammerplatine, hergestellt werden können, bei denen die Kugelschalter aus Kreisfläche mit wegführender Kontaktbahn und davon elektrisch isolierter Kammerwand in ihrer bekannten Struktur vorliegen. Eine dritte Platine, die Deckplatine, kann die Multi-Kugelschalter-Anordnung bei Bedarf abdecken.

Die Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 kennzeichnend beschriebenen Aufbau eines solchen Kugelschalters gelöst, wobei die Kugelschalter strukturiert und ausgerichtet auf den beteiligten Platinen angeordnet sind. Die Kreisscheibe und die davon weg zur Außenseite des Kugelschalters führende Kontaktbahn liegen in einer Ebene auf einer Seite einer Kunststoffplatine, der Bodenplatine, in die über phototechnische Strukturierung und nasschemisches Ätzen die Leiterbereiche aufgebracht sind. Darauf ist jeder Kugelschalter mit seiner Bodenplatte angeordnet. Die Kugelschalter reihen sich, wie in der DE 101 58 416 C1 beschrieben, aneinander.

Die metallische Innenwand der Kammer in der zweiten Platte, der Kammerplatte, endet auf beiden Seiten der Kammerplatte als Kreisringstreifen. Die Kammern sind durchgehende Bohrungen in der Kammerplatine. Bei vorgesehen zusammengelegter Boden- und Kammerplatine sitzen jeweils eine Kreisscheibe und eine Kammer konzentrisch und elektrisch voneinander isoliert zueinander.

Die Kreisscheibe auf der Bodenplatte des Kugelschalters umgibt ein konzentrischer Ring aus dielektrischem Material, der Dichtring, auf dem der auf der Kammerplatte gegenüberliegende metallische Kreisringstreifen konzentrisch vollständig aufliegt.

Die Bodenplatte und die Kammerplatte sind über eine die Kreisscheibe umgebende, bis zum Bodenplattenrand reichende Klebeschicht miteinander verbunden/verpresst. Die Kammerwand ist von der Kreisscheibe und der wegführenden Leiterbahn dadurch elektrisch isoliert. Zwischen dem Kreisringstreifen der Kammer und der Bodenplatte besteht über den dazwischen liegenden Dichtring eine Dichtungsfunktion. Die Kammerplatte und die Bodenplatte bilden so einen Becher, in dem die Kugel unter stetem Kontakt mit der Kreisscheibe gefasst ist und sich darin bewegen kann, sofern sich der Becher nur senkrecht zur Kammerachse bewegt.

Weitere nützliche und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Wäre sicher, dass sich der Kugelschalter mit seiner Kammerachse stets senkrecht zur Erdanziehung steht, die Becheröffnung nur nach oben weist und die Bewegung des Kugelschalters nur senkrecht zur Kammerachse ist, wäre eine Deckplatte bzw. eine Deckplatine auf die freie Seite der Kammerplatte bzw. Kammerplatine nicht notwendig.

Damit die Kugel in ihrem Becher sicher gefangen ist, ist die Kammerplatte bzw. Kammerplatine mit einer dritten Platte, der Deckplatte, bzw. Deckplatine aus Kunststoff abgedeckt. Die Deckplatte weist eventuell keine Struktur auf, ist also eben oder nur einen zum gegenüberliegenden Kreisringstreifen der Kammer konzentrischen Dichtring, wenn von ihr keine elektrische sondern nur eine Verschlussfunktion verlangt wird. Sie kann aber bei einer verlangten elektrischen Funktion wie die Bodenplatte strukturiert sein, ist also spiegelbildlich z. B. zur Bodenplatte aufgebaut (Anspruch 2). Eine weitere, elektrisch funktionslose Abdeckung ist, dass einfach die Kammer über einen Deckel mit mindestens Kammerdurchmesser mit dazwischen liegendem Dichtring zugedeckt ist. Die Kugel liegt dann hermetisch verschlossen ein und der Kugelschalter bzw. die daraus aufgebaute Multi-Kugelschalter-Anordnung kann willkürlich bewegt werden, ist aber auch gegen verschmutzte Atmosphären geschützt und behält dadurch ein langzeitliche konstantes Schaltverhalten.

Der Durchmesser D_Kr der Kreisscheibe ist aus folgendem Bereich, soll die Kugel im Falle der Berührung in jeder momentanen Kugelposition sicher berühren:

D_Ka - D_Ku < D_Kr < D_Ka,

wobei D_Ka der Kammerdurchmesser und D_Ku der Kugeldurchmesser ist. Für die Massenherstellung des Kugelschalters wird der Kugeldurchmesser D_Ku demnach größer als die Durchmesserdifferenz D_Ka - D_Ku sein.

Entlang zwei einander gegenüberliegender Seiten des Kugelschalters, die parallel zur Kammerlängsachse liegen und an denen die Kontaktbahn von der Kreisscheibe bzw. der Kammerinnenwand endet, verläuft durchgehend je eine halbrohrförmige, elektrisch leitende Kontaktbahn in der die Kontaktbahn von der Kreisscheibe bzw. der Kammerinnnewand endet. In den Platinen, die die Multi-Kugelschalter-Anordnung bilden, sind das dann durchgehende Bohrungen.

Egal welcher Atmosphäre die in der Kammer exponierten Oberflächen und die Kugeloberfläche ausgesetzt sind, die Oberflächen müssen aus gegenüber der Kammeratmosphäre inertem Material sein, ob in elektrisch leitenden Bereichen oder in elektrisch nicht leitenden Bereichen. Dabei kann die eingeschlossene Kugel aus einem beliebigen Material sein, sofern die Kugeloberfläche die Forderung der atmosphäereninerten, elektrisch leitenden Oberfläche erfüllt, sie kann auch massiv aus elektrisch leitendem Material sein, gegebenenfalls mit vergüteter Oberfläche. Für die Kreisscheibe mit abgehender Leiterbahn am Kugelschalterboden und eventuell am Kugelschalterdeckel gilt, dass sie aus metallischem Material ist und mit der in die Kammer exponierten Leiteroberfläche zumindest diese atmosphäreninerte Forderung erfüllt. Dieser Aufbau des Kugelschalters mit den eben von den Kontaktflächen zum Rand abgehenden Kontaktbahnen lässt die Fertigung mit Siebdruck- und Galvanotechnik zu, womit gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik Senkrechtkontaktierungen in den Kugelschalterplatten entfallen. Fertigungstechnisch ein bedeutsamer und damit ein wirtschaftlicher Vorteil.

Im Folgenden wird das Beispiel eines solchen miniaturisierten Kugelschalters mit zwei Figuren vorgestellt. Die Zusammensetzung zur Multi-Kugelschalter-Anordnung ist in der DE 101 58 416 C1 ausführlich beschrieben.

Es zeigt:

• Figur 1 den nicht abgedeckten Kugelschalter,
• Figur 2 eine Kugelschalterabdeckung mit elektrischer Funktion.

In Figur 1 ist der Kugelschalter in seiner einfachsten, der offenen Form durch einen Zentralschnitt dargestellt. Auf der oberen Seite der Bodenplatte 6 sind über phototechnische Strukturierung Und nasschemische Ätzung die zentrale Kontaktfläche der Kreisscheibe 1 und die davon eben zum linken Kugelschalterrand verlaufende Kontaktbahn 2 zu sehen. Konzentrisch zur Kreisscheibe 1 sitzt unter Ringspaltbildung im kontaktfahnenfreien Bereich der Dichtring 7 zur elektrischen Isolierung gegen die elektrisch leitende Kammerwand 11. Die Bodenplatte 6 wird außerhalb des Dichtrings 7 mit einem Kleber 10 bestrichen und die Kammerplatte 9 draufgesetzt, bzw. mit der Bodenplatte 6 verpresst, dass die Kreisscheibenfläche 1 auf der Bodenplatte 6 und die Kammer 3 konzentrisch, zumindest nahezu konzentrisch derart sitzen, dass der Kreisringstreifen 4 umlaufend durchgehend aufliegt. Der Dichtring 7 ist in seiner Breite so dimensioniert, dass der auf die Kammerplattenseite gezogene metallische Kreisringstreifen 4 der Kammerinnenwand auch bei tolerabler Exzentrizität von Kreisscheibe zur Kammer noch durchgehend auf demselben aufsitzt. Von diesem Kreisringstreifen 4 geht in die zur Kontaktbahn 2 von der Kreisscheibe 1 entgegen gesetzten Richtung die Kontaktbahn 8 eben zum entgegen gesetzten Rand der Kammerplatte 9. Beide Kontaktbahnen 2 und 8 gehen jeweils elektrisch leitend über in die durchgehende Halbrohrkontaktbahn 15, einmal für den Kreisscheibenkontakt und zum andern für den Kammerinnenwandkontakt. Beide Halbrohrkontaktbahnen 15 knicken auf die Unterseite der Bodenplatte um und enden jeweils in einem Lötpad 16 für den Kugelschalteranschluss.

Figur 2 zeigt die Situation von Figur 1, jedoch erweitert um die Deckplatte 12. Durch diese Deckplatte 12 ist die Kugel 17 hermetisch in der Kammer 3 des Kugelschalters eingeschlossen. Für Figur 2 wurde die Variante aus Anspruch 2 gewählt, die die zur Bodenplatte 6 spiegelbildliche Deckplatte 12. Somit hat die Deckplatte 12 neben der hermetischen Abdeckung noch eine elektrische Funktion. Zur vollständigen Schalterfunktion muß zumindest die Kontaktbahn 2 von der Kreisscheibe 1 an der Deckplatte 12 heraus geführt sein. Die herausgeführte Kontaktbahn von der Kammerwand 11 kann oben bei der Deckplatte entfallen, es genügt die herausgezogene Kontaktbahn 8 bei der Bodenplatte 6. Dieser verschlossene Kammeraufbau ist symmetrisch zur Mittenlinie des Kugelschalters. In dem dargestellten Fall kontaktiert die Kontaktbahn 2 an der Deckplatte 12 die linke Halbrohrkontaktbahn 15, die längs des Kugelschalters durchgehend ist. Der Kugelschalter ist im geschlossenen Zustand, wenn die Kugel 17 oben oder unten überbrückt. Wäre die linke Halbrohrkontaktbahn 15 beispielsweisemittig durchtrennt, könnte durch überbrücken durch die Kugel 17 oben oder unten eine Lage oder eine Beschleunigungsrichtung des Kugelschalters angedeutet werden.

In diesem Ausführungsbeispiel für den Kugelschalter sind die beiden Platten, Boden- und Kammerplatte, bzw. Platinen, Boden- und Kammerplatinen glasfaserverstärktes Leiterplatinenmaterial. Kontaktflächen sind beispielsweise aus Kupfer, wobei exponierte Flächenbereiche eventuell noch atmosphäreninert vergütet sind. Nach dem Aufbringen der Strukturen für die Multi-Kugelschalter-Anordnung auf den jeweiligen 2 bzw. 3 Platinen werden diese zu der Multi-Kugelschalter-Anordnung zusammengesetzt/-gepresst und dann die Durch-und-durch-Bohrungen für die Halbrohrkontaktbahnen 15 unmittelbar benachbarter Kugelschalter eingebracht und die Wand der Bohrungen anschließend mit Verbindung zu den jeweiligen Lötpads 16 galvanisiert werden.

Die Baugröße des Kugelschalters ist im Wesentlichen nur fertigungstechnisch begrenzt, d. h. neben der phototechnischen Strukturierung und dem nasschemischen Ätzen kommen feinmechanische bzw. mechanische Fertigungsschritte, wie Bohren, zur Anwendung.

Bezugszeichenliste

1.

Kreisscheibe

2.

Kontaktbahn

3.

Kammer

4.

Kreisringstreifen

5.

Kreisringstreifen

6.

Bodenplatte

7.

Dichtungsring

8.

Kontaktbahn

9.

Kammerplatte

10.

Klebeschicht

11.

Kammerwand

12.

Deckplatte

13.

Dichtungsring

14.

Kammerachse

15.

Kontaktfläche

16.

Lötpad

17.

Kugel