Kurzhub- Reedschaltertaster

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Taster, umfassend eine Trägereinheit und eine mit der Trägereinheit beweglich verbundene Taste, wobei an der Trägereinheit mindestens ein Kontaktelement und an der Taste mindestens ein Bedienelement befestigt sind, wobei das Kontaktelement und das Bedienelement berührungslos unmittelbar miteinander wechselwirkend ausgebildet sind, und ein Gehäuse, wobei das Gehäuse mindestens das Kontaktelement und das Bedienelement vollständig in sich aufnehmend ausgebildet ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verwendung von mindestens einem erfindungsgemäßen Taster zum Aufbauen von Folientastaturen oder gedichteten Kurzhubtastaturen.

Ein Taster der oben genannten Art ist beispielsweise aus der EP 1 916 686 A1 bekannt. Bei diesem Taster sind das Kontaktelement und das Bedienelement ein Reedschalter beziehungsweise ein Permanentmagnet, die mittels einer Membran gegen Staub, Schmutz und Feuchtigkeit geschützt sind. Die Herstellung dieses abgedichteten Tasters ist prozesstechnisch aufwendig und kostenintensiv. Um mit dem Taster sicher zu schalten, ist ein Tastenhub von mehreren Millimetern erforderlich. Ein Tastenhub dieser Größenordnung verhindert eine Verwendung des Tasters zum Aufbauen von Folientastaturen, da bei einem Betätigen des Tasters der elastische Bereich von Folientastaturen abdeckenden Folien bei Weitem überschritten und die Folie zerstört werden würde.

In der FR 2 623 011 A1 ist ein Taster mit einem Permanentmagnet und einem oder mehreren Reedschaltern offenbart. Um sicher zu schalten, ist auch bei diesem Taster ein Tastenhub von mehreren Millimetern erforderlich. Dieser nicht abgedichtete Taster ist für einen Einsatz in staubigen, schmutzigen oder feuchten Umgebungen nicht geeignet.

Aus der DE 10 2004 040 395 A1 ist ein mit konventionellen elektrischen Kontakten bestückter Taster bekannt, welcher zum sicheren Schalten einen Tastenhub von lediglich einigen Zehntelmillimetern erfordert. Ein elektrischer Kontakt ist als eine Schnappscheibe ausgebildet. Auf Grund der starken mechanischen Belastung der Schnappscheibe beim Schalten ist der Taster hinsichtlich der Anzahl der ausführbaren Schaltzyklen begrenzt. Des Weiteren sind die konventionellen Kontakte anfällig für Oxidation, was in einem variablen elektrischen Übergangswiderstand der Kontakte resultiert. Der ungenau definierte elektrische Übergangswiderstand verhindert, dass mit dem Taster geringe elektrische Ströme zuverlässig geschaltet werden können. Insofern ist der Taster in oxidativen, insbesondere feuchten oder nassen, Umgebungen über einen längeren Zeitraum hinweg nicht einsetzbar.

Die EP 0 135 835 A2 offenbart eine auf konventionellen elektrischen Kontakten basierende Folientastatur, wobei korrespondierende Kontakte als in Folien eingebettete und gegeneinander elektrisch nicht isolierte Leitbeläge ausgebildet sind. Ein Tastenhub dieser Folientastatur liegt gattungsgemäß im Bereich von wenigen Zehntelmillimetern. Auf Grund der stark begrenzten Lebensdauer der sehr filigranen Leitbeläge ist die Folientastatur in der Anzahl der ausführbaren Schaltzyklen begrenzt.

Aus der EP 0 210 386 A1 ist eine Folientastatur bekannt, die zum Schließen von Schaltkreisen piezoelektrische Kristallelemente aufweist. Bei einem Betätigen der Folientastatur werden die piezoelektrischen Kristallelemente mit Druck beaufschlagt und bilden daraufhin eine Potenzialdifferenz aus, die als Spannungssignal abgreifbar ist. Ein Tastenhub dieser Folientastatur liegt gattungsgemäß im Bereich von einigen Zehntelmikrometern. Nachteilig an dieser Folientastatur ist, dass das abgreifbare Spannungssignal sehr schwach ist und einer nachgeschalteten Verstärkerschaltung bedarf, was zu erheblichen Mehrkosten bei der Herstellung der Folientastatur führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Taster der eingangs genannten Art anzugeben, der sich durch sicheres Schaltverhalten, geringen Verschleiß, geringen Tastenhub und kostengünstige Herstellung auszeichnet. Insbesondere soll der anzugebenden Taster einen Tastenhub kleiner 1 mm aufweisen und mehrere Millionen Schaltzyklen zulassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Taster der eingangs genannten Art gelöst, bei dem ein Tastenhub der Taste relativ zu der Trägereinheit zu einem Schalthub des Bedienelementes relativ zu dem Kontaktelement verschieden ist, wobei zwischen der Taste und dem Bedienelement ein hubübersetzender Mechanismus angeordnet ist, wobei der hubübersetzende Mechanismus in dem Gehäuse angeordnet ist. Da das Kontaktelement und das Bedienelement berührungslos unmittelbar miteinander wechselwirkend ausgebildet sind, ist ein mechanischer Verschleiß von elektrischen Kontakten ausgeschlossen. Des Weiteren ist eine Oxidation von elektrischen Kontakten unmöglich, sodass auch sehr geringe elektrische Ströme über einen langen Zeitraum und/oder viele Schaltzyklen hinweg sicher schaltbar sind. Mit großem Vorteil wird erfindungsgemäß ein zusätzlicher Freiheitsgrad in dem Taster vorgehalten, der es ermöglicht, vorgesehene oder tatsächliche Tastenhübe von den daraus resultierenden Schalthüben zu entkoppeln. Einerseits kann es wünschenswert sein, dass ein geringer Tastenhub zu einem großen Schalthub führt, beispielsweise bei Folientastaturen, die Bedien- und Kontaktelemente aufweisen, die deutlich gegeneinander versetzbar ausgebildet sein müssen, um eindeutig definierte Schaltzustände zu gewährleisten. Andererseits kann es aber auch wünschenswert sein, dass ein großer Tastenhub zu einem geringen Schalthub führt. Als Beispiel seien Notausschalter kleiner Bauform genannt, die direkt von grobmotorisch arbeitenden Maschinen oder Gegenständen betätigt werden. Taster gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllen diese Anforderung hinsichtlich der Entkoppelung von Tastenhub und Schalthub und sind daher für eine Vielzahl an Anwendungen hervorragend geeignet. In Abhängigkeit von der Anzahl und Anordnung der Kontaktelemente kann der erfindungsgemäße Taster als Einschalter, redundanter Einschalter, Umschalter, Ausschalter oder redundanter Ausschalter ausgebildet werden. Durch einen alternativen oder zusätzlichen Einsatz von mehreren Bedienelementen sind noch komplexere Schaltanordnungen ausführbar, zum Beispiel zwei oder mehrere aufeinander folgende Schaltvorgänge während eines Tastenhubs.

Erfindungsgemäß erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass ein Übersetzungsverhältnis von Schalthub zu Tastenhub größer 1:1, insbesondere gleich 4:1, ist und der Tastenhub kleiner 1 mm, insbesondere gleich 0,5 mm, ist. Somit ist bei geringem Tastenhub ein zum sicheren Schalten ausreichend großer Schalthub realisierbar. Ein ausreichend großer Schalthub ist aber zwingend erforderlich, um bei einer nicht vernachlässigbaren Hysterese oder Temperaturempfindlichkeit des Tasters dessen Schaltzustände hinreichend genau zu definieren, mit anderen Worten ein sicheres Schaltverhalten zu ermöglichen. Der erfindungsgemäße Taster ist auf Grund seines Übersetzungsverhältnisses hervorragend geeignet, um insbesondere unter rauen Betriebsbedingungen, wie sie beispielsweise in Nutzfahrzeugen für den Baustellenbetrieb anzutreffen sind, zuverlässig zu schalten.

Mit großem Vorteil ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen der Taste und dem Bedienelement ein hubübersetzender Mechanismus angeordnet ist. Diese rein mechanische Vorrichtung erlaubt ein Übersetzen des Tastenhubs in einen zu diesem unterschiedlichen, insbesondere größeren, Schalthub. Der Mechanismus ist mittels Spritzgießens kostengünstig herstellbar, gegenüber negativen Umwelteinflüssen widerstandsfähig, hysteresefrei und unabhängig von Energiequellen, wie sie beispielsweise für elektrische Aktoren zum Generieren von Schalthüben erforderlich sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der hubübersetzende Mechanismus ein einziges Gelenk, insbesondere Federgelenk, aufweist. Durch die minimale Anzahl an beweglichen Verbindungen ist der erfindungsgemäße Taster maximal robust gegen gattungsgemäße Ausfallerscheinungen von komplexeren Mechanismen, wie beispielsweise ungewollte Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Bauteilen. Wenn das Gelenk als Federgelenk ausgebildet ist, arbeitet der Mechanismus vollständig spielfrei und annähernd verschleißfrei, da er weder aufeinander gleitende noch rollende Bauteile aufweist. Bei dem eingelenkigen Mechanismus beschreiben der Tastenhub und der Schalthub kreisbogenförmige Trajektorien mit unterschiedlichen Radien bezüglich des einen Gelenks als gemeinsamem Mittelpunkt.

In einer alternativen und besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der hubübersetzende Mechanismus vier Gelenke aufweist, die einen Parallelfedergelenkmechanismus bildend sind. Der viergelenkige Parallelfedergelenkmechanismus ermöglicht einen Tastenhub mit linearer Trajektorie. Hierdurch erfolgt die Einleitung der von der Taste übertragenen Betätigungskraft auf den Mechanismus für alle möglichen Hubzuständen scherkraftfrei, was den Mechanismus vor Kraftspitzen und Verschleiß schützt.

Es erweist sich erfindungsgemäß als besonders vorteilhaft, dass der hubübersetzende Mechanismus mindestens ein Rückstellelement, insbesondere eine Stabfeder, aufweist. Dieses Rückstellelement bewirkt eine Rückstellung der Taste nach deren Betätigen in eine Ausgangsposition, um ein erneutes Betätigen zu ermöglichen. Durch adäquate Wahl der elastischen Eigenschaften des Rückstellelementes ist bei dem erfindungsgemäßen Taster eine gewünschte Haptik des Betätigungsvorganges einstellbar, um beispielsweise einem Betätiger des Tasters eine Rückmeldung hinsichtlich des erfolgten Betätigens zukommen zu lassen. Weist der hubübersetzende Mechanismus ein oder mehrere Federgelenke auf, erfolgt die Rückstellung der Taste auf Grund einer Superposition von Rückstellkräften der elastischen Federgelenke und der Rückstellelemente. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Rückstellelement mit dem hubübersetzenden Mechanismus einteilig oder als separates Bauteil ausgebildet sein. Bei mehreren Rückstellelementen ist auch eine Kombination der beiden beschriebenen Ausführungsformen denkbar.

Mit großem Vorteil ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kontaktelement als Reedschalter und das Bedienelement als Permanentmagnet ausgebildet sind. Reedschalter erfordern zu ihrem Betrieb keine Verstärkerschaltung und sind damit als in sich abgeschlossene Bauteile für berührungslos unmittelbar wechselwirkende Schalter hervorragend geeignet. Sie überdauern mehrere Millionen Schaltzyklen, ohne dabei ihren elektrischen Übergangswiderstand nennenswert zu ändern. Um einen Reedschalter zu betätigen, ist ein Permanentmagnet als Bedienelement bestens geeignet. Auf Grund ihrer magnetischen Eigenschaften, insbesondere ihrer magnetischen Hysterese, sind bei dem Betätigen von Reedschaltern mit Hilfe von Permanentmagneten Relativbewegungen zwischen dem Reedschalter und dem Permanentmagnet von größer 1 mm erforderlich, um wohl definierte Schaltzustände und damit ein sicheres Schalten zu erreichen. Ein Taster gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllt diese Anforderung bei gleichzeitigem Tastenhub kleiner 1 mm vorzüglich. Insbesondere ein Übersetzungsverhältnis von 2:1 bis 4:1 erlaubt eine prozesssichere Fertigung der Taster, da die verwendeten Reedschalter in der Regel eine erhebliche Herstellungstoleranz in Form einer stark streuenden magnetischen Empfindlichkeit aufweisen und eine Positionierungsgenauigkeit der Reedschalter bei der Montage in die Taster im Bereich von mehreren Zehntelmillimetern liegt. Als alternative berührungslos unmittelbar miteinander wechselwirkende Schalter sind erfindungsgemäß beispielsweise Hallschalter beziehungsweise Hallsensoren denkbar.

Des Weiteren erweist es sich erfindungsgemäß als besonders vorteilhaft, dass der Taster ein Gehäuse aufweist, wobei das Gehäuse mindestens das Kontaktelement und das Bedienelement vollständig in sich aufnehmend ausgebildet ist. Somit sind die empfindlichsten Bauteile des insgesamt robusten Tasters vor Umwelteinflüssen geschützt. Das Gehäuse besteht in der Regel aus Kunststoff und dient primär zum Schutz vor mechanischen Einwirkungen. In einer alternativen Ausgestaltung weist das Gehäuse ferromagnetische Elemente auf, um den in dem Gehäuse angeordneten magnetischen Schalter, nämlich den Reedschalter in Verbindung mit dem Permanentmagnet, vor elektrischen und/oder magnetischen Feldern, insbesondere statischen Magnetfeldern, abzuschirmen und hierdurch seine Schaltfunktion sicherzustellen.

Zusätzlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, mindestens einen Taster gemäß der vorliegenden Erfindung zum Aufbauen von Folientastaturen oder gedichteten Kurzhubtastaturen zu verwenden. Auf Grund des geringen erforderlichen Tastenhubs kann aus einem oder mehreren erfindungsgemäßen Tastern mit großem Vorteil eine kostengünstige Folientastatur aufgebaut werden. Die auf einer Leiterplatte angeordneten Taster können mittels einer Kunststofffolie, beispielsweise aus Polyester oder Polycarbonat bestehend, abgedeckt und durch Drücken der Kunststofffolie an Positionen, an denen sich unter der Kunststofffolie Tasten der Taster befinden, betätigt werden. Um eine solche kostengünstig Folientastatur widerstandsfähig gegenüber negativen Umwelteinflüssen auszubilden, kann die Kunststofffolie mit einem Gehäuse einer übergeordneten Baugruppe stoffschlüssig verbunden, insbesondere verklebt, sein. Bei gedichteten Kurzhubtastaturen sind die Taster in einem Gehäuse aus spritzgegossenem Zwei-Komponenten-Kunststoff mit Membranen als Tastenabdeckungen geschützt angeordnet. Die flexible Membran fungiert hierbei als die Taster schützende Tastenabdeckungen und Tastenbälge, wobei Letztere eine höhere Anzahl an Schaltzyklen tolerieren, wenn der Tastenhub, wie erfindungsgemäß mit großem Vorteil vorgeschlagen, klein ist.

Die Erfindung wird in zwei bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnungen zu entnehmen sind.

Die Figuren der Zeichnungen zeigen im Einzelnen:

• Fig. 1 einen perspektivischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Tasters in einer ersten Ausführungsform mit einem hubübersetzenden Parallelfedergelenkmechanismus,
• Fig. 2 einen perspektivischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Tasters in einer zweiten Ausführungsform mit einem eingelenkigen hubübersetzenden Mechanismus, und
• Fig. 3 ein mit erfindungsgemäßen Tastern bestücktes Tastenfeld einer Folientastatur.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Taster gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem hubübersetzenden Parallelfedergelenkmechanismus dargestellt. Der Taster besteht im Wesentlichen aus einer Trägereinheit 1 und einer mit der Trägereinheit 1 beweglich verbundene Taste 2, mit der ein Bedienelement 4 betätigbar ist. Das Bedienelement 4 ist ein Permanentmagnet und wechselwirkt berührungslos und unmittelbar mit zwei mit der Trägereinheit 1 fest verbundenen Kontaktelementen 3, die als Reedschalter ausgebildet sind. Die Trägereinheit 1 weist in Fig. 1 nicht abgebildete Lötpins auf, mittels derer die Reedschalter kontaktiert werden. Zwischen der Taste 2 und dem Bedienelement 4 ist ein hubübersetzender Mechanismus 5 angeordnet, der einen Tastenhub der Taste 2 relativ zu der Trägereinheit 1 zu einem Schalthub des Bedienelementes 4 relativ zu den Kontaktelementen 3 übersetzt. Der Tastenhub ist bevorzugt auf 0,5 mm begrenzt, der Schalthub beträgt jedoch 2 mm, woraus sich ein Übersetzungsverhältnis von Schalthub zu Tastenhub von 4:1 ergibt. Der Permanentmagnet ist in den hubübersetzenden Mechanismus 5 eingespritzt, kann mit ihm aber auch lösbar verbunden sein. Der hubübersetzende Mechanismus 5 weist vier Gelenke 6, hier Federgelenke, auf und bildet einen Parallelfedergelenkmechanismus, der in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform mittig feststehend auf der Trägereinheit 1 angeordnet ist. Zusätzlich zu den inhärenten elastischen Eigenschaften der Federgelenke weist der hubübersetzende Mechanismus 5 ein Rückstellelement 7 auf. Das Rückstellelement 7 ist bevorzugt als Stabfeder ausgebildet und bewirkt eine Rückstellung des hubübersetzenden Mechanismus 5 nach einer Elongation in seine Ruhelage und einen elongationsunabhängigen, stetigen und spielfreien Kontakt zu der Taste 2. Alternativ ist vorgesehen, dass das Rückstellelement 7 als Spiralfeder ausgebildet ist. Um Betätigungskräfte positionsgenau von der Taste 2 auf den hubübersetzenden Mechanismus 5 zu übertragen, weist die Taste 2 an ihrer dem hubübersetzenden Mechanismus 5 zugewandten Seite einen Steg auf. Ein Gehäuse 8 schirmt den hubübersetzenden Mechanismus 5 mit seinen Gelenken 6, das Rückstellelement 7, das Kontaktelement 3 und das Bedienelement 4 gegenüber der Umgebung ab. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind die zwei zueinander parallel orientierten Reedschalter asymmetrisch zu dem Permanentmagnet angeordnet. In Ruhelage der Taste 2 ist ein erster Reedschalter geschlossen und der zweite Reedschalter offen. Im Gegensatz dazu ist bei einem Betätigen der Taste 2 der erste Reedschalter offen und der zweite Reedschalter geschlossen. Hierdurch ist beispielsweise eine tasterinterne Kontrolle hinsichtlich der Funktion eines primären Reedschalters realisierbar.

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Taster gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einem eingelenkigen hubübersetzenden Mechanismus dargestellt. Dieser Taster unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Taster dadurch, dass der hubübersetzende Mechanismus 5 lediglich ein einziges Gelenk 6 aufweist, das als Federgelenk ausgebildet ist.

In Fig. 3 ist ein mit erfindungsgemäßen Tastern bestücktes Tastenfeld einer Folientastatur dargestellt. Die Trägereinheiten 1 der Taster sind als eine gemeinsame einstückige Leiterplatte 9 ausgebildet. In Fig. 3 nicht dargestellt ist die das Tastenfeld abdeckende Folie aus Kunststoff, insbesondere aus Polyester oder Polycarbonat, oder Blende mit ZweiKomponenten-Membrantastenabdeckungen aus Polycarbonat oder thermoplastischen Elastomeren und das Gehäuse, welches erfindungsgemäß sämtliche Taster und die Leiterplatte 9 in sich aufnehmend ausgebildet ist. Um eine gekapselte und damit gegenüber negativen Umwelteinflüssen abgeschlossene Folientastatur zu erreichen, ist die Folie mit dem Gehäuse verklebt, angespritzt oder gedichtet ausgebildet.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Trägereinheit

2

Taste

3

Kontaktelement

4

Bedienelement

5

Hubübersetzender Mechanismus

6

Gelenk

7

Rückstellelement

8

Gehäuse

9

Leiterplatte