Mehrstufenschalter

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Mehrstufenschalter mit einem gemein¬ samen Betätigungselement und mindestens zwei Schaltelementen zur Kontaktherstellung, deren Beaufschlagung mit zunehmender Kraft zu einer sukzessiven Betätigung der Schaltelemente führt, wobei die Schaltelemente über höhengleichen Kontaktelementen auf einer Schaltplatte angeordnet sind, die sie in ihrem geschalteten Zustand überbrücken, mit senkrecht zu dieser Schaltplatte liegenden Betätigungsrichtungen und wobei das Betätigungselement oberhalb der Schaltelemente derart beweglich angeordnet ist, daß sein Betäti¬ gungsbereich zwischen den Schaltelementen liegt.

Stand der Technik.

Ein gattungsgemäßer Mehrstufenschalter ist aus der CH 658 544 A5 bekannt (Figur 4). Bei dem dort dargestellten Mehrstufenschalter sind die Schaltelemente Kontaktpillen, die über ihren zugehörigen Kontaktelementen an einer Schaltmatte gehalten sind, die über den Kontaktelementen jeweils kuppeiförmig ausgebildet ist und an nach innen zeigenden Vorsprüngen die Kontaktpillen in unterschiedlicher Höhe trägt. Die Betätigung dieser "Schaltmatte" und der an dieser befestigten Kontaktpillen erfolgt über eine Druckplatte 45, die die kuppel- oder domartigen Oberseiten der membranartigen Abschnitte der Schaltmatte beaufschlagt.

Bei dieser vorbekannten Lösung hängt die Funktion des Mehrfach¬ schalters entscheidend von der aufwendigen Konzeption der Schalt-

matte ab, wozu offensichtlich auch sehr lange Schaltwege und ein relativ hoch bauendes Gehäuse vorgesehen sind. Dies mag bei dem bevorzugten Anwendungsbereich der Lösung nach der vorbekannten Druckschrift (Tastenwahlblocke für Telefonteilnehmerstationen) unproblematisch sein, bei zunehmender Miniaturisierung und anderen Anwendungsbereichen solcher Mehrstufenschalter dürfte eine zuver¬ lässige Funktion nicht mehr gewährleistet sein, insbesondere wegen der oben beschriebenen aufwendigen Konstruktion der sogenannten Schaltmatte. Die genannten Schwierigkeiten dürften die Herstellung von Mehrstufenschaltern mit mehr als zwei Schaltelementen zumindest erheblich komplizieren.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen solchen Mehrstufenschalter mit einem minimalen konstruktiven Aufwand und damit kostengünstig und -einfach herzustellen, mit dem auch drei oder mehr Schaltelemente bei elektrischen oder elektronischen Geräten geschaltet werden können, und der universell einsetzbar, leicht bedienbar, weitest- gehend wartungsfrei und betriebssicher ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Grundidee der Erfindung besteht also darin, die auf den Mehr¬ stufenschalter einwirkende Schaltkraft außerhalb der Betätigungs¬ richtung der Schaltelemente zu deren Durchschaltung bzw. Kontakt¬ herstellung zu legen, so daß durch Wahl des Abstandes zwischen Schaltkraft einerseits und Betätigungsrichtung der einzelnen Schaltelemente die Aufteilung der Schaltkraft auf die auf der Schaltplatte angebrachten einzelnen Schaltelemente wählbar ist. Hierbei ist die Schaltcharakteristik der einzelnen Schaltelemente, unabhängig von dem Bewegungsverhalten des Betätigungselementes (im Unterschied zum Gegenstand der gattungsgemäßen Vorrichtung) und kann somit äußerst einfach und zuverlässig durch eine entsprechende Wahl ("hart" oder "weich") eingestellt werden, wodurch eine zuverlässige

Definition des Schaltzeitpunktes auch bei mehreren Schaltelementen möglich ist, nämlich genau dann, wenn die Auslösekraft des jeweiligen Schaltelementes von der auf dieses Schaltelement wirken¬ den Komponente der Schaltkraft erreicht bzw. überschritten wird. Mit diesem vereinfachten Prinzip und dem Verzicht auf aufwendige Betätigungskonstruktionen wie der vorbekannten Schaltmatte lassen sich auch ohne Schwierigkeiten Lösungen realisieren, bei denen drei oder mehr Schaltelemente zuverlässig sukzessiv geschaltet werden sollen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Mehrstufenschalters werden nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Figur 1: eine Prinzipskizze zur Darstellung des Erfindungs¬ prinzips,

Figur 2: einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels,

Figur 3: . einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Figur 4: einen Schnitt in der Ebene IV-IV der Figur 3,

Figur 5: einen Längsschnitt des erweiterten zweiten Ausführ- rungsbeispiels, und

Figur 6: einen Schnitt in der Ebene VI-VI der Figur 5.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt die drei Schaltzustände eines aus zwei Schaltelementen 20 und 30 gebildeten Mehrstufenschalters bei Anwendung der erfin-

dungsgemäßen Prinzipien. Die beiden Schaltelemene 20, 30 befinden sich auf einer Schaltplatte 70, beispielsweise der Leiterplatte, mit Leiterbahnen, die an den vorgesehenen Schaltpunkten miteinander ver¬ bunden werden sollen. Vorzugsweise sind die Schaltelemente 20, 30 als Tellerfedern ("Knackfrösche") ausgebildet. Die beiden Schaltele¬ mente 20, 30 werden durch senkrecht zur Schaltplatte 70 ausgeübte Auslösekräfte geschaltet, die Betätigungsrichtungen A bzw. B der beiden Schaltelemente 20 bzw. 30 verlaufen folglich durch diese Schaltelemente und senkrecht zur Schaltplatte 70.

Beide Schaltelemente 20,30 werden von einem Betätigungselement 10 überbrückt, auf das von außen die Betätigungskraft F einwirkt. Man kann dieses Betätigungselement 10 insofern als "Schaltwippe" bezeichnen.

Der Schaltweg S, verursacht durch die Einwirkung der Schaltkraft F, verläuft ebenfalls senkrecht zur Schaltplatte 70.

Entscheidend ist, daß der Schaltweg S zwischen den Betätigungsrich¬ tungen A bzw. B der beiden Schaltelemente 20,30 liegt. Beim dar¬ gestellten Prinzipbeispiel sind die äußeren Bedingungen so vorgegeben, daß der Schaltweg S in der Mitte zwischen den Betäti¬ gungsrichtungen A,B liegt, so daß folglich die Schaltkraft F auf¬ geteilt wird in zwei gleiche Komponenten F/2, die jeweils auf die beiden Schaltelemente 20,30 einwirkt.

Bei dem in Figur 1A dargestellten Anfangszustand ist die Schaltkraft F noch relativ gering, so daß die beiden Komponenten F/2, die auf die Schaltelemente 20,30 wirken, sowohl unterhalb der Auslösekraft FA1 des Schaltelements 20, als auch unterhalb der Auslösekraft FA2 des Schalters 30 liegen. Die Schaltkraft F reicht folglich nicht aus, um den ersten Schaltvorgang durchzuführen.

Wird die Schaltkraft F erhöht (Figur 1B), so wird schließlich der Zustand erreicht, wo die auf das Schaltelement 20 wirkende Komponen¬ te F/2 gleich oder größer ist als die Auslösekraft FA1 des Schalters

20. Dies hat zur Folge, daß das Schaltelement 20 durchgedrückt wird, der Schalter also betätigt wird, und die Kontaktherstellung zwischen den Kontaktelementen auf der Schaltplatte 70 erfolgt. Da die Komponente F/2 der Schaltkraft F, die auf das andere Schaltelement 30 wirkt, noch unterhalb der dort definierten Auslösekraft FA2 liegt, reicht dies noch nicht, um diesen Schalter zu betätigen. Figur 1B kennzeichnet also die erste Schaltstufe.

Wird die Schaltkraft F weiter erhöht (Figur IC), so erreicht ihre Komponente F/2, die auf den Schalter 30 wirkt, schließlich ebenfalls die Auslösekraft FA2 dieses Schaltelementes 30, so daß nun auch die Kontaktherstellung mittels dieses Schaltelementes erfolgt, Figur IC zeigt also die zweite Stufe des SchaKvorganges.

Beim dargestellten Prinzipbeispiel wird die sukzessive Durch¬ schaltung der Schaltelemente 20,30 demnach durch eine unterschied¬ liche Schalt- oder Ansprechcharakteristik dieser beiden Schalt¬ elemente erreicht, bei gleicher Schaltkraftkomponente von F/2. Es ist unmittelbar einsichtig, daß der gleiche Effekt auch erreicht werden kann, beispielsweise durch eine Verlagerung der Schaltrich¬ tung S der Betätigungskraft F zu einem der Schaltelemente 20,30 hin; in einem solchen Fall könnten dann auch Schaltelemente mit gleicher Schaltcharakteristik verwendet werden, da der unterschiedliche Schaltzeitpunkt dann durch die unterschiedlichen Werte der auf die einzelnen Schaltelemente wirkenden Kraftkomponenten definiert würde.

Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Mehrstufenschalters, der nach dem in den Figuren 1 dargestellten Prinzip funktioniert, bei dem also die sukzessive Durchschaltung der Schaltelemente durch deren unterschiedliche Ansprechcharakteristik realisiert ist, so daß im folgenden lediglich noch der konstruktive Aufbau dieses Ausführungsbeispiels erläutert werden soll:

Das Betätigungselement 10 wird von einer Druckplatte 11 gebildet, auf deren Mittelbereich (in der Umgebung der Schaltrichtung S) ein Aufsatz 12 aufgebracht ist, der durch eine Öffnung 13A einer

stationären Abdeckung 13 nach außen ragt und die Bedienerfläche für den Benutzer für den Mehrstufenschalter darstellt. Hierbei muß gewährleistet sein, daß die Breite des Aufsatzes 12 derart auf die Schaltcharakteristik der konkret eingesetzten Schaltelemente 20,30 (z.B. Tellerfedern) abgestimmt ist, daß auch bei einer Kräftebeauf¬ schlagung am Rande des Aufsatzes 12 mit der daraus folgenden Ände¬ rung der Kraftkomponenten, die auf die beiden Schaltelemente wirken, noch die zeitliche Aufeinanderfolge der beiden Schaltvorgänge gewährleistet bleibt.

Die stationäre Abdeckung 13 ist in der Regel die Gehäuseabdeckung des betreffenden elektrischen Gerätes, in dem der zweistufige Schaltvorgang durchgeführt werden soll.

Auf der Unterseite der Druckplatte 11 ist eine Kunststoffmembran 50 aufgebracht, die sowohl zur Führung der Druckplatte 11 dient, als auch als Rückstellelement und die zu diesem Zweck in Seitenwänden des Gehäuses 60 des elektrischen Gerätes randseitig gehalten ist (insofern ist die Darstellung der Figur 2 nicht maßstabsgerecht).

An der Unterseite der Kunststoffmembran 50 sind halbkugelähnliche Ausformungen ^* 50A,50B ausgebildet, deren Unterseite dann zur Beauf¬ schlagung der Schaltelemente 20,30 dient. Zwischen der Kunststoff¬ membran 50 und der Schaltplatte 70 befinden sich mehrere Abstands¬ elemente ("Spacer") 80,81,82, die einerseits den Schaltweg der Druckplatte 11 nach unten begrenzen, andererseits Schaltkanäle K1,K2 definieren, die zur sicheren Führung der Ausformungen 50A,50B der Kunststoffmembran von der Ruheposition zur Schaltposition dienen. Insbesondere sind diese Schaltkanäle nach unten verjüngend (kegel- stumpfförmig) ausgebildet, so daß eine sichere Zentrierung und präzise Festlegung des Schaltzeitpunktes erleichtert wird.

Im durchgeschalteten Zustand werden somit die beiden Kontaktelemente 71,72, beispielsweise Leiterbahnen auf der als Leiterplatte aus¬ gebildeten Schaltplatte 70 überbrückt, danach die Kontaktelemente 73,74 ^' durch das andere Schaltelement 30.

Die Figuren 3 und 4 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Mehrstufenschalters, der ebenfalls nach dem in der Figur 1 dar¬ gestellten Prinzip funktioniert, wobei jedoch die sukzessive Durch¬ schaltung der Schaltelemente durch eine entsprechende Formgebung der Unterseite der Druckplatte erzeugt wird, derart, daß verschieden "tiefreichende" Ausformungen vorgesehen sind, die die Schaltelemente nacheinander beaufschlagen.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind drei Schaltelemente neben¬ einander angeordnet (Figur 4), die von der gemeinsamen Druckplatte IV überdeckt werden. Die Schaltelemente 20',30',40' befinden sich ebenfalls auf einer gemeinsamen Schaltplatte 70', wie beim oben geschilderten ersten Ausführungsbeispiel. Die Druckplatte 11 wird ebenfalls betätigt über einen Aufsatz 12', der über ein Membran 50', die auch als Rückstellelement dient, die Druckplatte 11' in ihrem Zentrum (Achse S) beaufschlagt. Beim dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind also Druckplatte 11' und Membran 50' gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel in ihrer Höhenreihenfolge vertauscht. Zwischen Membran 50' und Schaltplatte 70' befindet sich ein Abstandselement 80', in das sowohl eine zylindrische Führung für die Druckplatte 11', als auch eine konusähnliche Führung für die Membran 50' koaxial zueinander eingelassen sind. Die Schaltplatte 11' weist an ihrer Unterseite drei kegelstumpfähnliche Ausformungen ll'a,ll'b,ll'c auf, die zentral über den Schaltelementen 20',30',40' liegen. Bei den verwendeten Schaltelementen 20',30' und 40' handelt es sich bei dem dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel um Metall- schnappscheiben mit einem Hysterese-Schaltverhalten (auch als 'Knackfrösche' bezeichnet). Bei Betätigung dieser Schaltelemente werden die darunter liegenden (nicht dargestellten) Kontaktelemente wie beim ersten Ausführungsbeispiel überbrückt und somit eine elektrische Verbindung hergestellt. Durch gegenseitige Abstimmung der "Tiefe" der Fortsätze ll'a...H'c und/oder der Ansprech¬ empfindlichkeit der Schaltelemente 20'...40' kann bei einer Betätigung des Mehrfachschalters erreicht werden, daß die in der zylindrischen Ausnehmung des Abstandselements 80' geführte Druckplatte 11' die drei Schaltelemente nacheinander betätigt, wobei auch hier die

Druckplatte 11' insofern als "Schaltwippe" wirkt, als daß dann sukzessiv eine Verschwenkung um zwei zueinander geneigte Schwenk¬ achsen erfolgt.

In seinem zentralen Bereich (in der Achse S) weist die Druckplatte 11' einen nach unten zeigenden, zylindrischen Zapfen ll'd auf, der die maximale Auslenkung der Druckplatte 11' nach unten definiert, insofern dient die Schaltplatte 70' hier als "Anschlag" für diesen Zapfen ll'd. Es versteht sich von selbst, daß die Wirkung dieses Anschlags erst eintreten kann, wenn die beiden Kippbewegungen um die beiden Schwenkachsen und die sukzessive Betätigung der Kontakt¬ elemente stattgefunden hat.

Bei dem in den Figuren 5 und 6 dargestellten erweiterten zweiten Ausführungsbeispiel sind zwei Mehrstufenschalter gemäß Figuren 3 und 4 nebeneinander angeordnet und werden über einen gemeinsamen Aufsatz 12 und eine gemeinsame Kunststoffmembran 50' ' betätigt. Hierbei sind sechs Schaltelemente 20...40'' vorgesehen, die über zwei Druckplatten 11',11'' betätigt werden und die darunter liegenden. Kontaktelemente durchschalten bzw. überbrücken. Es existieren demzufolge zwei Betätigungsbereiche S1,S2, die alternativ (beispielsweise durch entsprechende graphische Kennzeichnung auf der Oberseite des Aufsatzes 12) ausgewählt werden können.