Flacher Tastschalter

Die Erfindung betrifft einen Tastschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Industrie ist immer mehr bestrebt, elektronische Geräte zum allgemeinen Gebrauch zu miniaturisieren. Dabei sind besonders elektronische Notizbücher, sogenannte Notebooks, und Computer in Aktentaschenformat, sogenannte Laptops, hervorzuheben. Bei derartigen Geräten ist besonders eine geringe Bauhöhe erwünscht. Deshalb müssen die Schaltelemente, insbesondere bei den beiden genannten Anwendungen die Tasten, besonders flach ausgeführt wer¬ den. Die Industrie fordert dafür Tasten mit geringer Bauhöhe.

Zur technischen Verwirklichung dieser Forderung gibt es mehrere Möglichkei¬ ten. Die sogenannten Folientastaturen lassen sich z.B. besonders flach ausfuh¬ ren, da der zur Kontaktgabe nötige Hub selbst nur Bruchteile von Millimetern beträgt.

Der kleine Hub ist aber nachteilig für die Zuverlässigkeit. Ein weiterer Nachteil von Folientastaturen ist die geringe Flexibilität. Für jedes Produkt muß die Tastanordnung festgelegt werden, wobei diese nicht für andere Produkte verwendbar ist. Es entstehen also erhöhte Kosten .

Deshalb wird von der Industrie ein Taster gefordert, der sich als Einzelelement in verschiedenste Tastaturen einsetzen läßt und der besonders flach ist.

Dieser Anforderung genügt ein Taster gemäß der DE-OS 3 921 632. Bei diesem wird ein beweglicher Kontakt gegen feste Kontakte gedrückt und stellt so eine leitfähige Verbindimg her. Der bewegliche Kontakt ist dabei als federnde Membran ausgeführt.

Ein derartiger Taster ist also sehr ähnlich aufgebaut wie die bekannten Folien¬ tastaturen. Beide Arten von Kurzhubmodulen gestatten nur einen geringen Hub. Das ist vor allem nachteilig im Hinblick auf die Ergonomie.

In der Schrift "Ergonomics: Signals and controls", ISO/TC 159/SC4, Herausgeber BSI United Kingdom, wird u. a. herausgestellt, daß der ideale Hub 2 - 4 mm betragen sollte. Außerdem sollten ergonomische Tastaturen ein besonderes Kraftverhalten haben und zwar mit einer größeren Kraft am Anfang der Betätigung und einem definierten Umschaltpunkt, in de dann die Kontakt¬ betätigung erfolgt.

Die Forderung eines großen Hubs mit definiertem Verlauf der Betätigungskraft steht der Forderung einer sehr flachen Taste entgegen, wenn man nicht die Bewegungsrichtung für die Tastenbetätigung von der Kontaktbetätigung mechanisch entkoppelt. Ein solches Beispiel ist der EP 0 100 936 zu entnehmen. Die Tastenbewegung wird in eine Stößelbewegung und in eine Betätigungs¬ richtung senkrecht dazu umgesetzt. Für die Umlenkung der Bewegung sind an dem Stößel Schaltnocken befestigt, die einen Kontakt senkrecht zur Stößelbewegung betätigen.

Naheliegend ist es, beim Bau einer flachen Taste die Taste gemäß der EP 0 100 936 zu miniaturisieren, d.h. die Teile im gleichen Maßstab zu verklei¬ nern. Dies ist aber nicht ohne weiteres möglich. Der Kontaktgeber bei dieser Bauform wirkt nämlich selbst als federndes Element. Die Federkraft ändert sich deswegen bei Miniaturisierung. Das bedeutet, man muß bei einer maßstäblichen Miniaturisierung, wenn man auf Stabilität und Schaltverhalten nicht verzichten möchte, zu hochwertigeren Materialien übergehen. Das verteuert das Schaltelement wesentlich.

Zu kleine Teile erschweren außerdem die Montage, so daß vorhandene Fertigungseinrichtungen nicht ohne weiteres verwendet werden können. Es sind somit Investitionen im größeren Umfang nötig. Der größte Nachteil für den Kunden ergibt sich aber dadurch, daß durch die genannte Miniaturisierung die Qualität der Schalter nicht aufrechterhalten werden kann, wenn der Schalter weiterhin preisgünstig gestaltet sein soll. Das macht sich vor allen Dingen in der Anzahl der Schaltspiele bemerkbar, da die Federn zu schnell brechen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen flachen Tastschalter zu schaffen, der möglichst viele Schaltspiele bei gleichzeitig flacher Bauweise und ergonomisch

günstigem Hub ermöglicht. Das Prinzip des Schalteraufbaus soll jedoch auch allgemein für andere Schalter verwendbar sein.

Die Aufgabe wird durch einen Tastschalter gemäß dem Anspruch 1 gelöst.Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein erfindungsgemäßer Tastschalter wird durch die Bewegung eines Stößels be¬ tätigt. Am Stößel sind zu diesem Zweck Nocken angebracht, durch die ein beweglicher Kontaktgeber gegenüber einem feststehenden Kontaktstück bewegt wird. Die Bewegung des Kontaktgebers erfolgt senkrecht zur Bewegungsrich¬ tung des Stößels. Erfindungsgemäß ist der Kontaktgeber ein etwa ringförmig gebogenes Blech. Das Blech ist entsprechend lang, so daß die mechanische Belastung pro Längeneinheit gering gehalten werden kann. Ein solcher Ring kann erfindungsgemäß flachliegend innerhalb des Schaltelements angebracht werden, so daß die zur günstigen Gestaltung der Federkräfte benötigte Fläche weitgehend unabhängig vom gewählten Hub zu verwirklichen ist. Bei einer günstigen Ausgestaltung des Kontaktgebers kann das Blech auch unterschied¬ lich breit sein, damit die Kräfte pro Länge ungleichmäßig aufgenommen werden. Das erlaubt, den Kraftverlauf entlang dem gebogenen Ring zu optimieren.

Das ringförmige Blech kann man weiter verlängern, indem man zusätzlich zum Biegungsverlauf für die Ringform weitere Biegungen vorsieht. Neben der größeren Länge des ringgeformten Blechs, was sich besonders vorteilhaft auf die Haltbarkeit auswirkt, wird dadurch auch die Steifigkeit herabgesetzt und ein besseres Federverhalten erreicht.

Zweckmäßig ist es, wenn ein möglichst großer Teil des ringförmigen Bleches Verformung aufnehmen kann. Deshalb ist es zweckmäßig, die Halterung des Bleches nur an einem kleinen Flächenbereich zu befestigen. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind zur Befestigung entsprechend abgewinkelte Teilstücke an dem Blech angebracht.

Bei dem erfindungsgemäßen Tastschalter lassen sich Druckpunkte und Schaltpunkte ergonomisch günstig einführen. Dabei wird der Druckpunkt durch die Federkraft des ringförmigen Bleches und durch die Form der Schaltnocken bestimmt. Zur Erzielung eines plötzlich ablaufenden Schaltvorgangs im Schaltpunkt werden zweckmäßigerweise Sicken in dem ringförmigen Blech

angebracht, durch die bei Überschreiten eines bestimmten Schaltweges eine plötzliche Auslösung des Tastschalters erfolgt.

Eine weitere Verbesserung läßt sich dadurch erreichen, daß die freien Enden des ringförmigen Blechs überlappend zusammengebogen werden, so daß Anschlußfahnen, die an jedem der beiden Schenkeln angebracht sind, überein- anderliegen. Damit ergeben sich Anschlußfahnen doppelter Blechbreite. Die Steifigkeit des Anschlusses ist dadurch erhöht.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der nicht maßstäblichen Zeichnung; es zeigen.:

Fig. 1 eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Taste in Explosions¬ darstellung;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Taste gemäß Fig. 1 in Ruhestellung;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Taste gemäß Fig. 1 in einer Schaltstellung kurz vor dem Schaltpunkt;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Taste gemäß Fig. 1 nach Überschreiten des Schaltpunktes;

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Taste gemäß Fig. 1 im Schnitt nach Errei¬ chen der Endstellung;

Fig.6 ein Tastenunterteil mit einer anderen Ausführungsform des erfin¬ dungsgemäßen ringförmiges Blechs;

Fig. 7 eine weitere Ausfuhrungsform des ringförmigen Blechs mit unterschiedlichen Breiten des Blechs;

Fig. 8 eine Aufsicht auf ein ringförmig gebogenes Blech zur Veranschaulichung weiterer möglicher Ausfuhrungsformen;

Fig. 9 eine Aufsicht auf ein ringförmiges Blech mit überlappenden Schen¬ keln zur Veranschaulichung weiter verbesserter Ausfuhrungsformen;

Fig. 10 einen Teil eines Tastenunterteils mit einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung.

Ein erfindungsgemäßer Taster gemäß Fig. 1 ist in einem Gehäuse gelagert, welches im wesentlichen aus einem Unterteil 10 besteht, auf das ein Deckelteil 20 aufgesetzt wird. Rasten 12, die am Deckelteil während des Spritz-Gießvorgan- ges mit angegossen werden, greifen in entsprechende Aussparungen oder Löcher 14 im Unterteil 10 ein und halten so durch die gegenseitige Befestigung von Un¬ terteil und Deckelteil den Taster zusammen. Im Taster befindet sich ein beweg¬ lich gelagerter Stößel 30, wobei die Bewegung durch einen Hohlzylinder 32, der im Unterteil 10 angebracht ist, geführt wird. Zusätzlich stehen seitliche Stößel- fuhrungen 34 im Unterteil 10 zur Verfügung, die in einen Hohlraum an der Unterseite des Stößels 30 eingreifen und den Stößel sowohl führen als auch gegen Verdrehung sichern. Die Führung des Stößels durch den Hohlzylinder 32 im Unterteil 10 erfolgt durch ein rundes Stößelelement 36, welches im Inneren des Hohlraums an der Unterseite des Stößels 30 angebracht ist. In dem Hohlraum an der Unterseite des Stößels wird eine Feder 38 aufgenommen, die von dem Hohlzylinder 32 geführt wird. Die Feder 38 drückt den Stößel 30 gegen das Oberteil 20. Am Stößel 30 befinden sich zwei einstückig eingegossene Schaltnocken 40. Die Schaltnocken dienen zur Übertragung der Bewegung auf die zum Schalten nötigen Kontaktelemente. Die Schaltnocken 40 sind deshalb an der Seite zur Betätigung abgerundet und abgeschrägt, wodurch das Schaltverhal¬ ten zu einem großen Teil festgelegt ist, wie später genauer beschrieben wird.

Im Unterteil sind die zur Kontaktgabe benötigten Kontaktelemente befestigt. Sie bestehen aus einem feststehendem Kontaktstück 44 und einem Kontaktgeber 46. Der Kontaktgeber 46 ist erfindungsgemäß aus einem Blech ringförmig gebogen. An dem ringförmigen Blech 50 befinden sich Kontaktteile 51, die mit anderen Kontaktteilen auf dem feststehenden Kontaktstück 44 zusammen den Kontakt herstellen. Das Kontaktteil am feststehenden Kontaktstück kann ballig ausgeführt sein und so einen guten Kontakt mit dem Kontaktteil 51 auf dem Kontaktgeber 46 herstellen.

Eine andere Möglichkeit zur Verwirklichung eines guten Kontakts ist durch zwei senkrecht aufeinanderstoßende, als Schneiden ausgeführte Kon¬ taktteile gegeben, wie es dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Das ringförmige Blech 50 besteht aus elastischem Material. Der federnde Kontaktgeber ist an dem Unterteil 10 befestigt und gegenüber dem feststehenden Kontaktstück 44 vorgespannt. Die Schaltnocken 40 des Stö¬ ßels greifen an dem Kontaktgeber 46 an und steuern seine Bewegung. Am ringförmigen Blech befinden sich Sicken 54, die durch einen Prägeschritt hergestellt werden können. Diese Sicken 54 dienen im Zusammenhang mit den Schaltnocken 40 dazu, einen Schaltpunkt zu definieren, wie es später noch ausfuhrlicher dargestellt wird. Der Kontaktgeber 46 ist über das ringförmige Blech 50 am Unterteil 10 durch zwei im Unterteil 10 be¬ findliche Klemmteile 60 und 62 befestigt. Sowohl vom ringförmigen Blech 50 als auch vom feststehendem Kontaktstück 44 aus sind Verlängerungen aus dem Unterteil 10 herausgeführt, die als Lötfahnen 56 und 58 zum Anschluß an elektrische Leitungen oder zum Einbau in gedruckten Schaltungen zur Verfügung stehen.

Die Funktionsweise der Taste wird besser aus dem in Fig. 2 bis Fig. 5 dargestellten Schaltverhalten deutlich. Diese Figuren stellen Schnitte mit Stößeln in unterschiedlichen Schalttiefen dar.

Fig. 2 zeigt die Ruhestellung. Das Deckelteil 20 ist auf dem Unterteil 10 aufgesetzt und fixiert den Stößel 30 durch die Druckfeder an einem An¬ schlag (nicht dargestellt). Die Schaltnocke 40 liegt an dem ringförmigen Blech 50 an, so daß die beiden Kontaktteile auf Abstand gehalten werden.

In Fig. 3 ist der Stößel 30 etwas hinuntergedrückt. Im Vergleich von Fig. 2 zu Fig. 3 wird deutlich, daß die beiden Kontaktteile 51 und 52 durch die Form des Schaltnockens 40 in Fig. 3 weiter voneinander entfernt sind als in Fig. 2. Durch das Zurückbiegen des ringförmigen Blechs 50 muß eine höhe-

re Kraft aufgewandt werden als am Anfang der Bewegung, so daß ein anstei¬ gender Kraftgradient mit dem Stößel weg gegeben ist.

Aus Fig. 3 ist schon erkennbar, daß die vorgesehene Sicke 54 einen plötzlichen Abfall der Kraft zur Folge hat.

Das ist besonders im Vergleich mit Fig. 4 zu sehen, wo die Schaltnocke 40 voll in den Bereich der Sicke 54 eingedrückt ist, so daß die Federkraft des ringförmi¬ gen Bleches 50 das Kontaktteil 51 auf das Kontaktteil 52 zuschiebt und an¬ preßt. Dann ist ein elektrischer Kontakt zwischen den Lötfahnen 56 und 58 her¬ gestellt und es ist ein Schalter geschlossen. Es ist also bei dieser Ausfuhrungs¬ form ein fester Schaltpunkt gegeben, bei dem auch ergonomisch günstig ein plötzlicher Tastendruckabfall verwirklicht ist.

Fig. 5 zeigt die Endstellung der Tastenbetätigung. Da jetzt der Kontakt 51 vom Kontakt 52 zurückgehalten wird, wirkt sich die Federkraft des ringförmigen Blechs nicht auf den Schaltnocken 40 aus und zum Anfahren der Endstellung ist nur noch die Federkraft der Feder 38 zu berücksichtigen. Nach Loslassen der Taste treibt die Feder 38 den Stößel 30 wieder in die Endstellung gemäß der Fig. 2 zurück, wobei die Nocken 40 über die Schräge 41 und den Sickenrand das ringförmige Blech zurückdrücken.

Die in Fig. 2 bis 5 gezeigten Schaltvorgänge zeigen, daß sich mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Tasters ein ergonomisch günstiges Schaltverhalten herstel¬ len läßt. Am Anfang der Stößelbewegung ist die Kraft erhöht. Bei Überwindung des Schaltpunktes wird der Kraftverlauf erniedrigt und der Schaltvorgang fin¬ det plötzlich und definiert an einem durch die Konstruktion bedingten Schalt¬ punkt statt. Dieses Schaltverhalten wird im wesentlichen durch die Form der Schaltnocke 40 und der Sicken 54 erreicht. Die Figuren 2 bis 5 machen auch deutlich, daß zur Verwirklichung eines derartigen Schaltverhaltens ein gewis¬ ser Mindesthub erforderlich ist. Nur dadurch, daß die Tastwirkung mit Hilfe des Nockens 40 in eine Kontaktbewegung senkrecht zur Tastbewegung umge¬ wandelt wird, ist ein solches Verhalten möglich, ohne daß viel Raum für den Hub benötigt wird. Durch die erfindungsgemäße Form des Kontaktgebers 46,

nämlich dadurch, daß das Kontaktteil an einem langen ringförmigen Blech an¬ gebracht ist, lassen sich die beim Schaltvorgang auftretenden Kräfte auf eine entsprechende Länge verteilen, so daß eine verringerte Biegekraft auf jedes Flächenelement einwirkt. Dadurch wird erfindungsgemäß sichergestellt, daß auftretende Materialermüdungen nur gering sind und trotz der kleinen und fla¬ chen Bauweise mehrere Millionen Schaltvorgänge sicher durchführbar sind.

In Fig. 6 ist noch einmal ein Unterteil 10 gezeigt, aber mit einer etwas anderen Ausführung des Kontaktgebers 46. Um die gesamte Länge des ringförmigen Bleches 50 zum Auffangen der Biegekräfte zu benutzen, ist es zweckmäßig, nur einen geringen Teil der gesamten Blechlänge innerhalb des Unterteils 10 zur Befestigung des Kontaktgebers 46 zu benutzen. Im Beispiel von Fig. 6 ist das dadurch gelöst, daß zusätzliche rechteckige Teilstücke am ringförmigen Blech abgebogen sind, die durch Klemmteile 68 und 69 im Unterteil 10 festgehalten werden.

Bei den Kontaktgebern, wie sie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und Fig. 6 beschrieben wurden, wird sich eine Biegung durch die Bewegung des Kontaktes im wesentlichen in den Krümmungen bemerkbar machen. Die geraden Strecken der gezeigten Ringe sind entsprechend starr. Um die Kraftverteilung auf der gesamten Länge besser zu verteilen und um die Materialbelastung pro Fläche entsprechend klein zu halten, ist es angebracht, die starren geraden Verbindungsstücke der vorangehenden Beispiele zu modifizieren. Eine derartige Abänderung ist in Fig. 7 gezeigt. Der Kontaktgeber 71 hat, wie der vorher besprochene Kontaktgeber 46, wieder ein Kontaktteil 51 und arbeitet in der gleichen Weise wie vorangegangen erläutert. Das zur Herstellung des Kontakt¬ gebers 71 benutzte Blechstück ist aber breiter an den Rundungen 73 und ver¬ läuft verjüngend zu den Enden und zum Kontaktteil 51. Diese verjüngten Berei¬ che lassen sich dadurch leichter deformieren , so daß ein Teil der Verbiegung und somit ein Teil der Kräfte auch von diesen verjüngten Bereichen aufgenom¬ men wird und die Rundungen 73 weniger belastet werden.

In Fig. 8 ist eine andere Maßnahme gezeigt, die die starren geraden Strecken zur besseren Aufnahme größerer Kräfte modifiziert. Der Kontaktgeber 80 in Fig. 8 ist in Draufsicht gezeigt. Dabei ist erkennbar, daß dieser Kontaktgeber

nicht nur die zur Biegung nötigen Rundungen 82 hat, sondern auch Strecken mit zusätzlichen Rundungen 84, die zweierlei Aufgaben erfüllen. Erstens wird dadurch die Gesamtlänge des Bleches vergrößert, so daß weniger Kraft pro Flä¬ che aufgenommen wird. Zweitens wird durch diese zusätzliche Rundung 84 auch die gesamte Starrheit verringert.

In Fig. 9 ist eine weitere Verbesserung für einen erfindungsgemäßen Kontakt¬ geber dargestellt. Der in Fig. 9 gezeigte Kontaktgeber 90 hat freie Schenkel 92 und 93. Der ringförmige Kontaktgeber 90 ist so zusammengebogen, daß das Blech an den Schenkeln 92 und 93 überlappt. Dadurch wird wieder eine größere Länge des ringförmig gebogenen Blechs erzielt. Die überlappende Ausformung bietet aber noch einen weiteren Vorteil. Sind nämlich an jeden Schenkel Fah¬ nen zum Anschluß vorgesehen, die bei Überlappung übereinander zu liegen kommen, ergibt sich für die Lötfahne 56 in Fig. 1 die doppelte Dicke des Blechs 50. Damit ist die Steifigkeit der Lötfahne gegenüber den vorgehend beschriebe¬ nen Ausführungsformen erhöht.

In Fig. 10 ist eine weitere Ausführungsform des ringförmigen Blechs gezeigt. Der Kontaktgeber 100 ist in der Fig. 10 in einem Teilstück des Unterteils 10 mit einem feststehenden Kontaktstück 44 dargestellt.

Die Federlänge zur Aufnahme der Kräfte wird in diesem Beispiel dadurch wei¬ ter vergrößert, daß das ringförmige Blech 100 an seinen Enden jeweils U-föπnig abgebogen ist. Dadurch ist eine weitere Verformung des ringförmigen Blechs 100 möglich, wenn die Einspannung entsprechen ausgestaltet ist.

In dem Beispiel gemäß Fig. 10 entsteht jede U-Form dadurch, daß an den En¬ den des ringförmigen Blechs jeweils ein Teilstück 102 rechtwinklig abgebogen wird, von dem dann wiederum ein Endabschnitt 104 rechtwinklig abgebogen wird. Die Länge der Feder wird dann am b •-. *;en ausgenutzt, wenn ein derarti¬ ges ringförmiges Blech mit den Endabschnitten möglichst weit außen, innerhalb des Unterteils 10 befestigt bzw. gehalten ist.

Gemäß Fig. 10 wird das ringförmige Blech 100 in das Unterteil 10 in eine Aus¬ sparung 110 von oben eingesetzt. Die Aussparung 110 kann verschiedene For¬ men haben, wobei u.a. eine leichte Montage berücksichtigt werden sollte. Die speziell aus Fig. 10 ersichtliche Ausgestaltung hat den Vorteil, daß zu Auf¬ fangen der Kräfte ein Maximum der möglichen Federlänge ausgenutzt wird. Bei einer Kraftwirkung auf das ringförmige Blech 100 nach links gemäß der Darstel¬ lung von Fig.10, werden auch die Teilstücke 102 mit einer Kraftkomponente nach links beaufschlagt. In diese Richtung kann aber das Blech nicht auswei¬ chen, da sich dort die Anlage 114 befindet. Die Feder weicht aber auch senkrecht zur EJraftwirkung aus, wo die im Gehäuse ausgeformten Fahnen 112 an den Teilstücken 102 anliegen. Die Fahnen 112 sind nachgiebig und federn dadurch einen Teil der Krafteinwirkung ab.

In diesem Ausfuhrungsbeispiel ist also die gesamte Länge der Feder bis auf ein kleines Stück des Endabschnitt zur Kraftaufhahme wirksam. Die Belastung pro Flächeneinheit ist daher weiter verringert. Zusätzlich wird ein Teil der Kraftwir¬ kung durch die Nachgiebigkeit der Fahnen 102 aufgenommen, was die Feder zu¬ sätzlich entlastet.

Die vorstehend erörterten Maßnahmen zeigen, daß mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine bessere Verteilung der angreifenden Kräfte möglich ist, so daß auf diese Weise die Lebensdauer erfindungsgemäßer Schaltelemente optimiert werden kann. Wichtig zur Durchfiihrung solcher Optimierungsmaßnahmen ist aber die Existenz einer möglichst großen Federlänge des Kontaktgebers. Diese ist durch erfindungsgemäße Kontaktgeber, nämlich durch die Ausformung des Kontaktgebers als ringförmiges Blech, möglich. Durch diese erfinderische Ausfuhrung des Kontaktgebers kann also eine ergonomisch vorteilhafte Tastatur mit nur geringer Belastung des Kontaktgebers und daraus folgender geringer Materialermüdung geschaffen werden.

Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil ist, daß ringförmig geschlossene Kontaktgeber einen größeren Widerstandswert gegen Durchbiegung in Richtung der Stößelbewegung zeigen als einseitig eingespannter Kontaktgeber nach dem Stand der Technik. Das wirkt sich besonders positiv auf die Schalthysterese aus.