DE10158416C1 - Multi-Kugelschalter-Anordnung in Schicht-/Plattenbauweise - Google Patents
Multi-Kugelschalter-Anordnung in Schicht-/PlattenbauweiseInfo
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Abstract
Der bekannte Kugelschalter ist in einer schichtartigen Anordnung reihenweise vielfach angeordnet. Durch diese Bauweise und insbesondere die Verwendung der Lötplattentechnik lässt sich eine solche Vielfachanordnung einerseits leicht herstellen, aber auch einfach prüfen. Es muss nicht mehr ein Schalter nach dem anderen getestet werden, sondern es kann eine Reihe solcher zumindest gleichzeitig der Prüfung unterzogen werden. Hat die einzelne Kugelschalterabdeckung auch noch eine Kontaktfläche wie der Boden, kann ein solcher in Wechselschalterfunktion eingesetzt werden, d. h. man kann mit ihm räumliche Bewegungen feststellen.
Description
Die Erfindung betrifft eine Multi-Kugelschalter-Anordnung.
Kugelschalter sind bereits seit 1976 beschrieben und patentiert.
Sie dienen vornehmlich dem Zweck, einfache Bewegungen zu
erfassen. Es gibt sie in unterschiedlichen Varianten, wobei den
Schaltern gemeinsam ist, dass eine leitfähige Kugel oder ein
Quecksilbertropfen mindestens zwei Kontaktflächen überbrückt und
somit einen elektrischen Kontakt zwischen den beiden
Kontaktflächen schließt (siehe z. B. US 3,927,286 und US 4,434,337
(Quecksilberschalter)).
Der Aufbau der Schalter besteht im allgemeinen aus einem Becher,
in dem die Kugel aufgenommen wird, eine Bodenplatte bzw. Kappe,
mit dem der Becher verschlossen wird und zwei Anschlussstiften,
welche die elektrischen Kontakte formen. Der Aufbau eines
Kugelschalters sowie der elektrische Test ist bisher aufwendig,
weil die Schalter nur einzeln aufgebaut werden. Es sind mehrere
Schritte notwendig, um den Schalter aufzubauen. Die Schalter
müssen entweder einzeln getestet werden oder zu einer Matrix
zusammengestellt werden, in der sie dann gleichzeitig getestet
werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, viele Kugelschalter
einfach herzustellen und sie auch in ihrer Vielheit einfach auf
Funktion testen zu können.
Die Aufgabe wird durch einen Aufbau eines Kugelschalters und die
Anordnung vieler solcher gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.
Ein einzelne Kugelschalter besteht vom Prinzip her aus mindes
tens zwei elektrisch leitenden Flächen, die nicht unmittelbar
miteinander in Kontakt stehen aber Teil der Innenwand eines
Volumens sind, in dem eine Kugel aus elektrisch leitendem Ma
terial beweglich ist und die beiden Flächen gleichzeitig be
rühren kann. Davon ausgehend, besteht der Aufbau der Multi-Ku
gelschalteranordnung prinzipiell aus zwei Platten, einer
Außenplatte, der ersten Platte, und einer darauf sitzenden
Lochplatte, der zweiten Platte, und einer elektrisch leitenden
Kugel pro Bohrung. Auf der ersten Platte, der Außenplatte, sind
gleichartige Kreis-/Ringscheiben aus elektrisch leitendem
Material regelmäßig angeordnet. Von jeder Kreis-/Ringscheibe
geht mindestens eine elektrische Kontaktfahne radial nach außen
zum Rand ihres Gebiets. Eine Reihe solcher Kreis-/Ringscheiben
mit ihren Kontaktfahnen ist gleich ausgerichtet.
Die zweite, auf der ersteren liegende Platte hat, entsprechend
der Anordnung der Kreis-/Ringscheiben auf der ersten Platte
Bohrungen mit elektrisch leitender Innenwand, deren jeweilige
Achse durch den Mittelpunkt der zugeordneten Kreis-/Ringscheibe
geht. Von der elektrisch leitenden Innenwand einer jeden Bohrung
geht mindestens eine elektrisch leitende Kontaktfahne radial
nach außen zum Rand des Gebietes der Bohrung. Auch hier sind
eine Reihe Bohrungen mit Ihren Kontaktfahnen gleich ausgerichtet
sind.
Keine der elektrisch leitenden Flächen auf der ersten Platte
haben mit irgend einer der zweiten Platte einen unmittelbaren
elektrisch leitenden Kontakt.
Eine Kugel aus elektrisch leitendem Material sitzt beweglich in
jeder Bohrung. Jede Kugel ist einerseits so klein, dass sie bei
gleichzeitiger elektrisch leitender Kontaktierung der Kreis-
/Ringscheibe mit der Wand der Bohrung nicht über die Bohrung
hinausragt. Anderseits ist sie groß, dass keine zweite solche
Kugel in der Bohrung Platz hätte.
In den Unteransprüchen 2 bis 7 sind Merkmale beschrieben, die
die Handhabung erleichtern oder die Funktion des Kugelschalters
einfach erweitern:
Damit die Anordnung: erste Platte-Lochplatte-Kugeln, be liebig gedreht und geschwenkt werden kann, deckt einer weitere Außenplatte, die dritte Platte, die Öffnungen der Bohrungen auf der andern Seite ebenfalls hermetisch ab. Jede Bohrung ist so von der Umgebung abgeschottet. Dadurch wird Verschmutzung der Bohrungen vermieden. Durch eine spezielle Atmosphäre in den Bohrungen, einem Schutzgas beispielsweise, kann eine höhere elektrische Isolationsschwelle und Abbrand verhindert werden. Das Plattenmaterial der dritten Platte kann dielektrisch sein.
Damit die Anordnung: erste Platte-Lochplatte-Kugeln, be liebig gedreht und geschwenkt werden kann, deckt einer weitere Außenplatte, die dritte Platte, die Öffnungen der Bohrungen auf der andern Seite ebenfalls hermetisch ab. Jede Bohrung ist so von der Umgebung abgeschottet. Dadurch wird Verschmutzung der Bohrungen vermieden. Durch eine spezielle Atmosphäre in den Bohrungen, einem Schutzgas beispielsweise, kann eine höhere elektrische Isolationsschwelle und Abbrand verhindert werden. Das Plattenmaterial der dritten Platte kann dielektrisch sein.
Je nach weiterem Verwendungszweck kann es nützlich sein, wenn
die Reihen Kugelschalter gleich ausgerichtet hintereinander
stehen oder wenn zwei unmittelbar benachbarte Reihen spiegel
bildlich zueinander stehen. In beiden Fällen haben die Kon
taktflächen einer Platte zu denen der andern oder der andern
beiden Platten einen unmittelbaren elektrischen Kontakt.
Eine Multi-Kugelschalter-Anordnung einfacher Herstellung und mit
hoher Schalterdichte lässt sich aus handelsüblichen, mit den
notwendigen elektrischen Leiterstrukturen versehene Lei
terplatten herstellen. Hier lässt sich vorteilhaft die Surface
Mounted Device (SMD)-Technik einbinden.
Die Multi-Kugelschalter-Anordnug lässt sich leicht durch zwei
oder drei mit elektrisch leitenden Flächen versehenen Platten
herstellen. Zunächst werden die erste Außenplatte und die
Lochplatte miteinander passgenau verbunden. Dann werden die
Kugeln auf der Seite mit den Bohrungsöffnungen geschüttet und
beispielsweise mit einem Lineal über die Öffnungen verstrichen,
bis alle Löcher eine Kugel haben. Danach wird die kugelbefüllte
Anordnung mit der zweiten Außenplatte verschlossen, die
mindestens Verschlussfunktion hat aber auch eine elektrische
zusätzlich haben kann. Durch Löten beispielsweise können die
rausgeführten Kontaktfahnen einer Platte sind zu Gruppen
elektrisch verbunden, so dass die Schalterfunktion jeden
Schalters rasch und automatisch getestet werden kann, bei
spielsweise durch Federkontaktstifte in entsprechender Matrix
form. Bei rechteckigen Schaltergebieten können anschließend
durch Trennen, wie Sägen oder Schleifen, die einzelnen Kugel
schalter voneinander getrennt werden. Insbesondere bei der
Herstellung aus vorgefertigten Leiterplatinen ist eine Kon
taktfahnenführung leicht und zweckmäßig einzurichten. Der Aufbau
einer solchen Multi-Kugelschalteranordnung erlaubt den
gleichzeitigen Test zumindest einer Reihe Kugelschalter und
bedeutet dadurch ein hohes finanzielles und zeitliches Einspa
rungspotential bei der Fertigung.
Im folgenden wird eine Ausführung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Die Zeichnung besteht aus 10 Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 den Schnitt durch einen Kugelschalter,
Fig. 2 die Bodenkontaktfläche der Außenplatte,
Fig. 3 die Umkontaktierungsebene in der Außenplatte,
Fig. 4 die vollständige Außenplatte mit leitender Ringfläche,
Fig. 5 der bewegliche Kontakt auf der Ringfläche,
Fig. 6 die zweite Platte mit zylindrischer Innenfläche,
Fig. 7 die Kugel im Becher,
Fig. 8 der abgedeckte Becher,
Fig. 9 viele Kugelschalter mit jeweils einer Durchkontaktierung
für zwei Kugelschalter,
Fig. 10 Vibrationsschalter im Leiterplattenverbund.
Die jetzt beschriebene beispielsweise Ausführung ist aus Lei
terplatten, wie in der SMD-Technik üblich, aufgebaut:
Die eine Kontaktfläche wird durch die zylindrische Innenwand, die andere durch die kreisförmige oder alternativ polygonale Fläche, in der Fachsprache auch Sackloch-PAD genannt, an einem Ende oder beiden Enden des ersten Kontaktzylinders ausgeführt, wobei das PAD auf einer der beiden Außenplatten liegt und den Zylinder verschließt. Beide Kontaktflächen sind elektrisch voneinander getrennt. In dem PAD befindet sich die Bohrung, deren Innenwand elektrisch leitend und mit dem Pad elektrisch verbunden ist. Die Bohrung und der elektrische Anschluss ist auf die andere Seite der Außenplatte geführt.
Die eine Kontaktfläche wird durch die zylindrische Innenwand, die andere durch die kreisförmige oder alternativ polygonale Fläche, in der Fachsprache auch Sackloch-PAD genannt, an einem Ende oder beiden Enden des ersten Kontaktzylinders ausgeführt, wobei das PAD auf einer der beiden Außenplatten liegt und den Zylinder verschließt. Beide Kontaktflächen sind elektrisch voneinander getrennt. In dem PAD befindet sich die Bohrung, deren Innenwand elektrisch leitend und mit dem Pad elektrisch verbunden ist. Die Bohrung und der elektrische Anschluss ist auf die andere Seite der Außenplatte geführt.
Auf der anderen Seite der Außenplatte wird der elektrische An
schluss weitergeführt, direkt an eine erste Sensoranschluss
stelle, im weiteren als SMD-Anschlusspad bezeichnet. Die zweite
Sensoranschlussstelle wird durch den elektrischen Anschluss an
den Zylinder in Form einer Leiterbahn und der elektrisch
leitfähigen Bohrung, der elektrisch leitenden
Durchkontaktierung, hergestellt. (Diese Variante hat den Nach
teil, dass die Kammer, in der sich die Kugel befindet, nicht
hermetisch verschlossen ist. Durch das Sackloch kann Schmutz und
Feuchtigkeit in die Kammer gelangen und die Schaltfunktion
beeinträchtigen.)
Auf der anderen Seite der Außenplatte wird der elektrische An
schluss zu einer zum Sackloch versetzt befindlichen elektrischen
leitfähigen Bohrung, Durchkontaktierung, in einer weiteren
Platte weitergeführt, die unter Druck und Hitze an die Bo
denplatte geklebt wurde und somit das Sackloch verschließt.
Diese zweite Bohrung endet zweckmäßigerweise direkt in der
ersten SMD-Anschlußfläche. Die zweite SMD-Anschlußfläche ist wie
in der Variante 1 ebenfalls durch eine Durchkontaktierung und
eine Leiterbahn ausgeführt. Durch einfache Vervielfältigung ist
es problemlos möglich, über 1000 Schalter auf einem 10 cm2 großen
Substrat unterzubringen. Alternativ zur Leiterplattentechnik
besteht dieser Aufbau aus einem Laminat galvanisierter
Spritzgussteile.
Fig. 1 zeigt den Schnitt durch den einzelnen Kugelschalter,
Fig. 2 bis 8 den sukzessiven schichtartigen Aufbau bis zum
hermetisch verschlossenen Kammer wie in Fig. 8. Die erste
Außenplatte oder von der Bildorientierung her auch Bodenplatte
ist in ihrem schichtartig Aufbau in der Fig. 4 im fertigen
Zustand dargestellt. Dabei wird von der Boden-Kontaktfläche in
der Ausführung für die SMD-Lötung ausgegangen (Fig. 2). Fig. 3
zeigt die Umkontaktierungsebene zum Anschluß des Mittenkontaktes
an die eine, im Bild rechte SMD-Kontaktfläche (Rechteckseite).
Schließlich wird diese Fläche bis auf die zentrale Ringfläche,
die eine der mindestens zwei Kontaktflächen, dielektrisch
abgedeckt (Fig. 4).
In Fig. 5 ruht die Kugel auf dieser zentralen Ringfläche.
Die zweite Kontaktfläche, die zylindrische Wand oder Becher
kontakt, wird durch die weitere Platte, die Lochplatte, auf die
fertige Außen-/Bodenplatte aufgelegt (Fig. 6). Die An
schlussfahne von der zylindrischen Innenwand führt zur entge
gengesetzten Rechteckseite zu dem linken SMD-Pad. Die Kugel hat
in Fig. 6 eine Lage, bei der sie die Ringfläche am Boden und
die Innenwand gleichzeitig berührt. Im Schnitt von Fig. 1 ist
die Dimension deutlich: die Kugel kann sich bewegen, sie ist
kleiner als die Zylinderhöhe, eine weiter Kugel hätte in dem
Zylindervolumen keinen Platz. Statt der Anschlussfahne von Bild
6 kann dieser herausführende Kontakt aus einer ganzen Schicht
wie in Fig. 7 bestehen. In Fig. 8 schließlich ist die
Kugelschalterkammer hermetisch mit Leiterplattenmaterial
verschlossen.
Nach der Herstellung liegen so beispielsweise 1000 Schalter in
einer Matrix angeordnet vor (Fig. 9 und 10). Die zylin
drischen Kammern werden an die Bodenplatte (Deckel) mit dem
Sackloch mit einem nichtleitenden Kleber verbunden. In die Be
cher werden durch Schüttung oder Rakeln die Kugeln eingebracht.
Die Höhe des Bechers sollte das 1,3-fache des Kugeldurchmessers
nicht überschreiten, da die Becher durch den Schüttprozess
mehrfach mit Kugeln angefüllt sein können. Die Mehrfachbefüllung
wird bei diesen geometrischen Vorgaben durch Abziehen mit einem
Rakelgummi korrigiert, so dass nur eine Kugel in einem Becher
ist. In dieser Multi-Kugelschalteranordnung kann die
Schalterfunktion aller Schalter gleichzeitig getestet werden.
In Fig. 9 teilen sich jeweils zwei Kugelschalter eine Durch
kontaktierung und reduzieren damit die Anzahl der Bohrungen. Das
wird erreicht, wenn bei der Vervielfältigung eine Anordnung der
Kugelschalterreihen so gemacht wird, dass die Bohrung, die an
den Zylinder respektive an das Sackloch angeschlossen sind,
jeweils für zwei Schalter gleichzeitig verwendet werden und die
Kugelschalter mit den SMD-Anschlussflächen dicht nebeneinander
liegen, hier beispielsweise ca. 150 µm. Bei der später
Vereinzelung, etwa durch Sägen, Laser-Schneiden oder Stanzen,
werden so mit nur einem Trennvorgang zwei Kugelschalter
voneinander getrennt.
In Fig. 10 wird der Leiterplattenverbund nicht in einzelne
Kugelschalter aufgetrennt, vielmehr wird diese Multi-Kugel
schalter-Anordnung als Vibrationsschalter verwendet.
Eine alternative Aufbauart vermeidet die Sacklochbohrungen. Die
elektrische Isolation zwischen der Kammer und dem PAD auf der
Bodenplatte wird durch ein Dielektrikum hergestellt.
Diese Aufbauweise lässt die Multiplikation der
Schalter in einem Mehrfachnutzen auf handelsüblichen Leiter
plattenmaterial, einer einfach zu beziehenden
Technologie zu. Durch bloße Vervielfältigung ist es möglich,
über 1000 Schalter auf einem 10 cm2 großen Substrat unterzu
bringen. Alternativ zur Leiterplattentechnik ist dieser Aufbau
aus einem Laminat galvanisierter Spritzgussteile.
Claims (7)
1. Multi-Kugelschalter-Anordnung in Schicht-/Plattenbau-Weise,
bestehend aus:
einer ersten Platte, der Außenplatte, auf der gleichartige Kreis-/Ringscheiben aus elektrisch leitendem Material regelmäßig angeordnet sind,
von jeder Kreis-/Ringscheibe mindestens eine elektrische Kontaktfahne radial nach außen zum Rand ihres Gebiets geht und
diese regelmäßig angeordneten Kontaktflächen pro Reihe gleich ausgerichtet sind,
einer zweiten, auf der ersten liegenden Platte, die ent sprechend der Anordnung der Kreis-/Ringscheiben auf der ersten Platte gleichartige Bohrungen mit elektrisch lei tender Innenwand hat, deren jeweilige Achse durch den Mittelpunkt der zugeordneten Kreis-/Ringscheibe geht,
von der elektrisch leitenden Innenwand einer jeden Bohrung mindestens eine elektrisch leitende Kontaktfahne radial nach außen zum Rand des Gebietes der Bohrung geht und die Kontaktfahnen der Bohrungen pro Reihe gleich ausge richtet sind,
die elektrisch leitenden Flächen auf der ersten Platte mit keiner der zweiten Platte einen unmittelbaren elektrisch leitenden Kontakt haben,
einer Kugel aus elektrisch leitendem Material in jeder Bohrung, die so groß ist, dass sie bei elektrisch leitender Kontaktierung der Kreis-/Ringscheibe mit der Wand der Bohrung nicht über die Bohrung hinausragt und andererseits keine zweite solche Kugel in der Bohrung Platz hat.
einer ersten Platte, der Außenplatte, auf der gleichartige Kreis-/Ringscheiben aus elektrisch leitendem Material regelmäßig angeordnet sind,
von jeder Kreis-/Ringscheibe mindestens eine elektrische Kontaktfahne radial nach außen zum Rand ihres Gebiets geht und
diese regelmäßig angeordneten Kontaktflächen pro Reihe gleich ausgerichtet sind,
einer zweiten, auf der ersten liegenden Platte, die ent sprechend der Anordnung der Kreis-/Ringscheiben auf der ersten Platte gleichartige Bohrungen mit elektrisch lei tender Innenwand hat, deren jeweilige Achse durch den Mittelpunkt der zugeordneten Kreis-/Ringscheibe geht,
von der elektrisch leitenden Innenwand einer jeden Bohrung mindestens eine elektrisch leitende Kontaktfahne radial nach außen zum Rand des Gebietes der Bohrung geht und die Kontaktfahnen der Bohrungen pro Reihe gleich ausge richtet sind,
die elektrisch leitenden Flächen auf der ersten Platte mit keiner der zweiten Platte einen unmittelbaren elektrisch leitenden Kontakt haben,
einer Kugel aus elektrisch leitendem Material in jeder Bohrung, die so groß ist, dass sie bei elektrisch leitender Kontaktierung der Kreis-/Ringscheibe mit der Wand der Bohrung nicht über die Bohrung hinausragt und andererseits keine zweite solche Kugel in der Bohrung Platz hat.
2. Multi-Kugelschalter-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass die zweite Platte mit einer weiteren
Außenplatte, der dritten Platte, abgedeckt ist, so dass
alle Bohrungen hermetisch verschlossen sind.
3. Multi-Kugelschalter-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, dass die dritte Platte aus elektrisch nicht
leitendem Material ist.
4. Multi-Kugelschalter-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, dass die dritte Platte eine zur ersten Platte
spiegelsymmetrische Anordnung von Kreis-/Ringscheiben aus
elektrisch leitendem Material hat, von jeder dieser Kreis-
/Ringscheiben eine Kontaktfahne nach außen zu mindestens
einer zum Kugelschalter gehörenden Rechteckseite geht und
keine der Kontaktflächen der dritten Platte einen
unmittelbaren elektrischen Kontakt zu einer der zweiten
und/oder dritten Platte hat.
5. Multi-Kugelschalter-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, dass zwei unmittelbar benachbarte Reihen von
Kugelschaltern hinsichtlich ihrer Kontaktanordnung gleich
ausgerichtet sind.
6. Multi-Kugelschalter-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, dass zwei unmittelbar benachbarte Reihen von
Kugelschaltern hinsichtlich ihrer Kontaktanordnung
spiegelbildlich zueinander angeordnet sind.
7. Multi-Kugelschalter-Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, da
durch gekennzeichnet, dass die Ringgebiete in der oder den
beiden Außenplatten rechteckig sind und die Bohrungsgebiete
deckungsgleich quaderförmig sind und die Außenplatten und
die Lochplatte aus handelsüblichen, mit den notwendigen
elektrischen Leiterstrukturen versehene Leiterplatten sind.
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