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Title:
MINIATURE TOGGLE SWITCH WITH PULSE CONDITIONER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1985/005219
Kind Code:
A1
Abstract:
This new micro-mechanical switch is characterized by its very simple design, the very simple operating links between its component parts, the extremely small movement and play of the switching element(s), a material composition specific to its use and a micro-mechanical shape with a modern high-quality surface finish. The switch can be used as follows: as an ON/OFF switch, a single-pole commutator, and a one-, two- or three-dimensional position sensor. In the latter case it is an individual element and/or is used for the switching in parallel or in series of several standard switches. Other applications are: magnetic switches and/or relay components, as well as switching and/or display elements for electric fields in a suitable electronic arrangement.

Inventors:
Weiss, Matthias
Application Number:
PCT/CH1985/000075
Publication Date:
November 21, 1985
Filing Date:
May 07, 1985
Export Citation:
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Assignee:
Weiss, Matthias
International Classes:
H01H35/14; H01H9/54; (IPC1-7): H01H35/14
Foreign References:
US4082927A
US2997557A
DE3111099A1
US3103562A
FR667230A
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Claims:
Patentansprüche:
1. Miniatui— ippschalter mit Impulsaufbereiter , nach neuen mi romechanisehen AufbauRelationen und Verfahren, sowie nach neuem AnordπungsKoπzept für Mehrfach SchaltAnwendung und/oder Schaltverfahren gebaut, weiters nach neuen KomponentenRelationen und mit PräzisionsOberflächenbehandlung hergestellt, betrifft die Erfindung einen ikro mechanischen Schalter C ], welcher als AnsteuerSchalter und/oder als Positions¬ geber, weiters als EIN/AUSSchalter und/oder als 1poliger UmSchalter eingesetzt werden kann, welcher zugleich weiters als Wipp und/oder als MagnetSchalter und/oder als RelaisKomponente geeignet ist, indem zugleich und/oder aufeinander folgend, die Wirkungen der Gravitation, sowie eines oder mehrere Magnet Felder, deren Stärke gemäss schalten, umschalten und/oder arretieren vermögen, infolgedessen vermag der genannte Schalter sowohl den QuecksilberWippshal ter, den Reedschalter, sowie die Reedkomponente beim Reedrelais zu ersetzen, welche alle bedeutend volumi¬ nöser sind und deren Konzeption keine Miniaturisierung gestattet im Sinn de: hier genannten Mikroschalters welcheπi Mass und in der Anforderung variiert , im Standard jedoch die Länge von 3 mm und den Querschnitt von 1 mm aufweist , jedoch an SchaltfunktionsVielfalt alle bisherigen Schalter übertrt fc , jedoch an Volumen und/oder Dimension alle bisherigen Wippschalter/Reed¬ schalter bedeutend unterbietet , weicheraufbaumässigentweder über ein eigenes Gehäuse verfügt , worin auf eng begrenztem Raum und mit eng begrenztem Spielraum mindestens ein Schaltkörper wie SchaltKugel und/oder SchaltBolzen beweglich angeordnet ist und zum Gehäuse und/oder zur Gehäuse Innenwand galvanischen Kontakt besitzt, wobei die Innenwandung und/oder das Gehäuse normal die Zuleitung darstellt und an beiden Endungen des Gehäuses die beiden KontaktElektroden für die Ableitungen angebracht sind, im Mindesten jedoch eine KontaktElektrode, C4] — oder aber der/die Schaltkörper und der/die Kontakt Elektroden an einem und/oder mehreren Orten rund um eine geeignete Aussparung in einem Fremdkörper wie Chassis, ChassisGehäuse, Komponente und dergleichen Material, ob Leiter, Halbleiter und/oder Nichtleiter, angebracht und/oder integriert sind, wobei die KontaktElektroden C4] bei Einordnung in ein Schaltereigenes Gehäuse wie Röhrchen über eigene Isolatoren verfügen C2], was auch bei FremdGehäuse Cn] gilt, soferne dieselbe Cn] aus leitendem Material beste¬ hen, anders liegt άer Fall, wenn FremdGehäuse—Ausspan ungen und/oder Aussparungen aus Nichtleitendem Material bestehen, werden die KontaktElektroden an geeignetem Platz am Rande der Aussparung integriert, welche aus Draht bestehen ond/oder aus Leiterbahnen, bei gedruck¬ ten Schaltungen üblich oder in ICBausteinen, durch AetzVerfahren erreicht, wobei weitars dies neue Konzept eines Mikroschal ers gemäss dessen einfachstem Aufbau einen grosseπ Spiel¬ raum der MaterialWahl aufweist, der/die Schaltkörper Kj beim Konzept des VielfachEinsatzes jedoch Eisen, Nickel und/oder EisenNickelhaltig sein müssen, wobei das Wippschalterkoπzept Eisen, Metall, EisenMetallLegierungen, MetallLegeriungen, sowie Kunststoff, Glas und/oder KeramikKomponenten zulässt, wbbei Nichtleiter mit einer leitenden Schicht überzogen werden müssen, wobei der Mikroschalter als EinzelElement auftritt, jedoch in der Mehrzahl und im Zusammenhang mit elektronischen Logischen Verknüp¬ fungen eine hochleistungsfähige mikrαmechanische mikroelektronische Einheit ergibt als eines der Ziele dieser Arbeit, welche zusätzliche An und/oder Einbau Erleichterung erreicht, dass bei Fremdgehäuse die SchaltKanäle nicht Tunπelförmig geschlossen sein müssen, sondern Aussparungen im Sinn von Graben, Kanälen, Profilen im Sinn von Teil, Halb und/oder CProfilen und/oder UProfilen sein können, worin der/die Schaltkörper für Schaltprozesse umgelenkt werden können, und der/die Mikroschalter im Einsatz für die KontaktAufbereitung und für die Optimierung der Logik Steuerung geeignete Impulsaufbereitungsstufen und/oder TriggerICSchaltkreise zugeordnet erhalten und sich die Arbeit mit einer auf andere Wege nicht erreichbaren SchaltVielfalt erreichen lässt, auf engs em Raum präzis mechanisch direkt und/oder durch Wandung/Oberfläche EIN/AUS und/oder umzuschalteπ.
2. Miniatui—Wippschalter nach Patentanspruch 1., wonach mindestens ein Schalterelement infolge der mikromechanischen Konzeption und vielfältigen Schalt und/oder Umschalt higkeiteπ als selbstän¬ diges Element und/oder inform von Einzelkomponenten aus dem selbständigen Element in Klein— und/oder KleinstObjekte wie Uhren und/oder Halbleiter und/ oder Schmuck eingebaut und/oder integriert wird, um als SchalterEinheit von mindestens einem Schalter entweder ohne oder mit mindestens einem Halbleitei—IC Baustein zusammen zu wirken.
3. MiniaturWippschalter nach Patentanspruch 1., wonach durch gleichzeitiges und/oder nacheinaπder folgendes Anwenden der Gravitation, der Permanent Magnetkraft, sowie der Elektromagπetkraft bereits mit einem Schalterele eπt bis zu S Cneun] Logische Schaltfunktiαneπ erreicht werden und hiernach er iπdungsgemäss mindestens ein Schalter, in der Regel jedoch eine Mehrzahl von Schaltern sich auf einem Raum von einzelnen QuadratMillimetern unterbringen und von aussen einaus und/oder umschalten lassen, was ohne oder mit Beizug von elektronischer Schalt¬ logik neue Möglichkeiten in der MikroschaltTechnik mit sich bringt, wie NiveauMessung mit Arretierung, oder weiterer SchaltMöglichkeiten.
4. Wippschalter nach Patentanspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass derselbe, in Halbleiterbausteine o integriert und/oder daran angebaut, neuartige Steuer Elemente formt wie Sensorenintegrierte Leistungs Halbleiter, IC, PowerArray, TRIAC, Thyristoren und dergleichen.
5. Wippschalter nach Patentanspruch 1., dadurch 5 gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden an den beiden SchalterEnden entweder mit eigenen Isolatoren versehen sind und/oder die Elektroden als Drähte an den Enden der Ausspanung und/oder Aussparung eingesetzt ond/αder eingepresst werden. o S. Wippschalter nach Patentanspruch 1.
6. , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltgeπauigkeit durch Oberfl chenBehandlung des Schaltkörpers und des Laufkanals erhöht wird und wahlweise der Laufkaπal und/oder eine KontaktElektrode zu und/oder Abieiter 5 sein kann.
7. Wippschalter nach Patentanspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass derselbe als Anbau und/oder EinbauElement in Teile und/oder Module der Halbleiter, Foto, Uhren und/oder Werkzeugmaschinen— α Industrie und weiterer AnwendungsGebiete zur Anwendung gelangt. θ. Wippschalter nach Patentanspruch 1., nach Nr. 3, 4. , und 7. , dadurch gekennzeichnet, dass derselbe neben der einen Variante von 'Mikroschalter als unabhängiges Schaltelement' , mit eigenem Röhrchen für den Schalt¬ körper versehen, hiernach insbesondere über ein eigenes Kügelchen/Bolzen als Schaltkörper verfügt, weiters auch über zwei eigene AnschlussElektrodeπ an den KanalEndungen inform von Drähten und/oder Leiterbahnen im selben Sinn wie auf Leiterplatten und/ oder in IC's, anwenduπgsspezifisch hiernach jedoch 5 nur teilweise und/oder gar nicht über einen unabhängigen Schaltkanal verfügt und dies in dem Sinn, dass mindestens eirv) *Schaltkanal in die zur Anwendung gelangende Struktur und/oder Architektur eingeäzt, eingefräst, eingegraben, eingestanzt, eingedrückt und/oder auf weitere Art o vorgesehen wird. S. Wippschalter nach Patentanspruch 1., nach Nr. 2., 3. , 4. , 7. und 8, hiernach anwendungsspezifisch als Wippschalter für Schmuck— und/oder SpielzeugIndustrie Komponente, Für LeuchtE fekt nach Wunsch im Zusammenhang 5 mit Miniatui—BatterieZelle Cn] und/oder Integrierte Schaltkreise, oder aber einer DirektAnsteueruπg von Lämpchen und/oder Kristallen und/oder Halbkristallen, wobei eine wahlweise Zuschaltung von Magnet und/oder ElektromagnetKomponenten möglich ist für den Zweck o Logischer EIN/AUS und/oder UmSchaltung. lo. Wippschalter nach Patentanspruch 1., nach Nr. 2., 3. , 4. , 7. , B. , 9. , gekennzeichnet durch Ungiftigkeit und Schutzvorschriften und SUVAGesetzeskonformheit, für Humanmedizinische Einsätze geeignet und in fort¬ gesetzter Miniaturisierung mindestens einen Schalt¬ körper, hiernach jedoch eine Anzahl von mikromechani¬ schen Kügelchen und/oder Schrotkörper in einem Haufen, durch Aussenmagnetfeld umgelenkt und durch mindestens eine Impulsau bereitungsstufe verarbeitet, die Kontaktierung und/oder die KontaktWiderstaπds Aenderung beim Schalten und/oder Umschalten messend und verwertend.
8. 11 Wippschalter nach Patentanspruch 1., wonach derselbe mindestens eine KontaktElektrode an mindestens einem KanalEnde und/oder RöhrchenEnde besitzt, in der Regel jedoch deren zwei oder drei zum Zweck άer 3dimensionalen RaumErfassung, wodurch der/die Schaltkörper im Röhrchen/Kanal ein, zwei und/oder dreidimensionale Positionierungs¬ und/oder SchaltKαntaktieruπgen und/oder Abl ufe ausführen können.
Description:
Miniatui—Wippschalter mit ImpulsauFbereiter.

Die Entwicklung betrifft einen Mikroschalter, welcher als einpoliger EIN/AUS-Schalter und/oder als einpoliger

Umschalter funktioniert. Derselbe ist onzβptgβmäss entweder als unabhängiger Mikroschalter und/odar als

Gehäuse- und/oder Werkstof -abhängiger Mikroschalter gekennzeichnet. Im letzteren Fall sind Schaltkörper und Elektroden wie Drähte, au /eiπ-galvaπisierte

Leitungen und/oder Verbindungen,in ein Bett eingelegt, welches sich in einer Gehäuse-, Chassis— und/oder Bauteile-Struktur, und/oder einfach in einem Werkstoff hiervon befindet.

Zusammentreffen von äusserster Präzision, engsten Lauf- und Raum-Bedingungen, engsten Toleranzen und strengster Beweguπgs-Dimβnsion gestatten erst eine Funktion des genannten Mikroschalters als Wippschalter und/oder als Magnetschalter und/oder als Relais- Komponente zugleich.

HerkömmlichesJ

Wippschalterϊ Quecksilber-Wippschalterϊ Dies Konzept ist giftiger Natur und ist nicht weiter zu miniaturi¬ sieren, als auf etwa 5 x 14 mm Dimensioπieruπg.

MagπetschalterΪ Reedschalter mit kleinstem Aus ass von etwa 9 x 2,5 mm Oimensionieruπg.

Quecksilber-Magnetschalter LOGCELL USA, Günther BRD: Hσchtechnisches, hochentwickel es Bauteil, infolge von übermässig heikler Struktur nicht zur rriassgebliehen Anwendung gelangt., Mass wie Miniatui—Reedschalter,

Uhren-Kugelschalter von Brieπ Kanada:

In einem kreisförmigen Tunnel rund um ein Armband- Uhrengehäuse ist ein Einsatz gedacht, worin sich mindestens ein kugelförmiges Element bewegt und durch Schütteln des Armes den Weg zu einem Kontakt findet.

Neues:

Diese Erfindung hier ist folgend konzipiert:

- Einfachster Aufbau,

- kürzeste Wegstrecken,

- kleinstmöglicher Spielraum,

- Struktur und Architektur für Wipp-Funktion und/oder für Magnetschalt-Fuπktioπ.

Diese vier genannten Grundlagen—Anfordernisse sind hiermit erfüllt, wobei gif igeβ Quecksilber umgangen wurde, womit sich die Einsätze von Wippschaltern erweitern und zugleich Quecksilber-Wippschalter ([teilweise} ersetzt werden können.

Zum Letztgenannten: Die Gi belastαπg von Quecksilber- Wippschaltern fällt im Gesamt-Ausmass von Umwelt¬ belastung nach wissenschaftlichen Mass-StäbenCnicht oderDkaum ins Gewicht. Hierbei spielt viel eher die

Miniaturisierung und/oder zugleich die Möglichkeit eine Rolle, dass auf engstem Raum eine mikromechanisäch

Logische Schalter-Anordnung erfolgen kann, hieraus resultiert die Ablösung alter durch neue Konzepte.

Vergleiche Herkömmliches/Neuesϊ

Wenn beim miniaturisierten Quecksilberschalter LOGCELL die überemp indliche Struktur negativ für die Verbreit¬ ung war, so war die Klebe-Neigung miniaturisierter Kanäle, durch Wärme- und Material-Potβntial-Differenzen Kugeli zu steppen und/oder einzelne Kügeli aneinander haften zu lassen, wie beim Schlauchschalter für Uhren, von Nachteil für die Verbreitung.

Die optimierte Grundlage der hier vorliegenden Schalter:

- Verhältnis Schaltkörper zu Umschalt-Strecke apprαx. 1 : 1, oder ähnlich,

- Verhältnis Schaltkörper-Diameter zu Rohi—Diameter approx. 1 : l,o8 oder ähnlich.

Wird der Schaltkörper im Verhältnis zum Röhrchen weiter verkleinert, so vergrössert sich die U schalt- Frequenz, der Winkel verkleinert sich und nähert sich mit ca. 1,25 Grad ab der Horizontalen den Dptimum von ca. o,5 Grad;

Wird der Schaltweg bzw. wird das R hrcheπ verlängert, so erhöht sich je nach Temperatur die Material—Spannung und die Klebe-Neigung.

Es sei jedoch grundsätzlich hierzu erklärt, dass die vorgenannten Daten kein Anlass zu starren Konzepten sind, sondern vorrangig die bereits erwähnte Material- Behandlung Schweizer Präzision.

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Generelle Einsatz-Applikationen: ,

Ue b erall dort, wo es gilt, von aussen her durch i mehr oder weniger hermetisch verschlossene Wände,

Oberflächen, sowie Bel ge hindurch Eiπfluss auf implantierte Schalter zu nehmen, d.h. Schaltvorgäπge auszulösen und/oder ein-, zwei bzw. drei-dimensionale

Positionierungs-Infαrmation zu erhalten, sind die hier genannten mikromechanischen Schalter vorgesehen;

-Schmuck- und Uhren-Industrie, als Spielzeug- und/oder als Logischer Magnet-Schalter,

-Foto-Industrie,

-Raum- und Unterwasser-Industrie,

-Halbleiter-Industrie, Sensor—Integrierte Halbleiter- Elemente, Leistungs-Bausteiπe mit Sensoren,

-Dreidimensionale Raumerfassung mit relativ preiswerten Einheiten, allgemeine Applikationen bei Werkzeugmaschinen inform von Sensoren in Relation mit Magnet-Feldern.

Für das vorgenannte Feld und Anderes ist die neue Generation von Mikroschalterπ vorgesehen.

Exakt wiederholbare Schalt- und/dder Umschalt-Vorgänge mit einem Mikroschalter ohne angegliederten Impuls— Aufbereiter können bis über eine Million Schalt- vσrgäπge vorgenommen werden, wo es n i c h darauf ankommt, exakte Uebergangs-Widerstäπde von unter ein Ohm zu gewährleisten.

Es wurden l'ooo Schaltvorgänge mit einem SCHIER=Relals CKraftrelais 7α Ampere Schaltkontakt, 12 Volt-Spule bei Q ,25o Ampere] mit drei Mikroschalterπ vorgenommen, mit einem Kleinmagnet als SchaLt-Hilfe.

Es gilt aber als ein Beispiel. Ohne Schalthilfe mittels Magnet bedarf es eines abgekühlten Zustands und feuchter ungeladener Umgebung, um auch nur 5α milli- Ampere ohne Klebe-Effekt zu schalten»

Demnach erklärt sich grundsätzlich, dass bei diesem Konzept angestrebt wird, angepasste anwendungs-spezifi- sche Impuls-Aufbereitungsstufen an die Mikroschalter anzugliedern.

Wird bei einem modernen Schmuckstück wie Ring, Bracalet - durch einen Wipp-Schalter ein zeitweises und/oder ständiges Aufleuchten einer beispielsweisen Herzform aktiviert, so gilt dies als Spielzeugschalten, mit einem etwas erhöhten Sicherheitsgrad, als dies beim Brien-Schalter CSchlauchschalter] möglich wird, da hier eine eindeutige Abgrenzung und optimale Relation aller Schalter-Komponenten vorliegt. Doch auch hier ist ohne Magnet-Komponente von ausseπ her und ohne Impuls-Aufbereiter mit Stromspeisung keine eindeutig gleichbleibende Kontaktgebung gewährleistet. Dies ist, wie bereits an anderer Stelle betont, im Eigen- Gewicht der Schaltkörper von unter l/lo Gramm begründet.

0,8 mm ßf des Kügelchens entspricht approx. 2 milli-Gramm Verfahren Füir Oberflächen-Glätte und Anordnung-Relation allein vermag hier die Optimierung zu gewährleisten.

Demgemäss wird ein Impuls-Aufbereiter wie u.a. Schmitt-

/oder Trigger und qndere Elektronische Anordnungen die vom

Schalter gelieferten Kontakt-Werte zwischen Null Ohm und Mega-Oh einwandfrei in Digitale Null oder Eins, in Digitale L oder H umwandeln.

Abb. 1 a] zeigt den Wippschalter WG mit eigenem Gehäuse, worin das Sσhaltelemeπt CK] als Kugel/Bolzen gemäss dem mit Wi bezeichneten Pfeil wippt. Beidseitig sind die Aπ- schluss-Elektrαden C-4] zugeordnet, in Isolatoren C2] ein¬ gelagert. Kommt ein Magnet CM] hinzu, so -wird der Schalt- Körper entweder während und/oder nach einem Schaltvorgang arretiert, oder der Magnet wird sich als Schalt-Ko ponente erweisen und den Schaltkörper Bedarfs-gemäss verschieben. Z bezeichnet beispielsweise die Zu-Leitung, was aber belie¬ big geändert werden kann, je nach Bedarf. Schalter-Dimen¬ sion t 3 Millimeter Länge, 1 Millimeter Querschnitt. Die/der Schaltkörper besitzt den bereits genannten minimalen Schaltweg/Spielraum, u.a. zur Prell-Minderung. Fig. 1 b] veranschaulicht die Implantation von Schalter- Komponenten in eine Schalter-fremde Gehäuse-Struktur. Wobei die üblichen Relationen dieselben sind/bleiben, CGI]. Der Fremdkörper beinhaltet einen Kanal/Graben im Sinn eines beispielsweiseπ C-Profils CFG] im Sinn der Gehäuse- Implantation CGI]. Die Aπschluss-Elektroden C4 f] sind in diesem Fall der Implantation ohne eigenes Gehäuse in den Isolierstoff direkt am Kanal-Rand implantiert. Wäre der Fremdkörper ein leitendes Material, müsste hinzu jedem Anschluss ein Isolator C2] zugeordnet werden, wobei der Körper teils oder gaπzheitlich als Kanal/Zuleitung benutzt werden kann. Fig. 1 c] zeigt eine Variante, als 1-poliger Umschalter und/oder als 3-0imensionen-Schalter. Fig. 2 a] zeigt die Implantation eines Mikroschalters in einem Leistungs-Halbleiter. Fig. 2 b] zeigt die konventio¬ nelle Transistor-Ansteuerung, Fig. 2 c] die Ansteuerung eines Schmitt-Triggers, zu einem Leistuπgs-Halbleiter hin.