DE2036453B2 - Membranschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Membranschalter mit wenigstens einer durch Druckeinwirkung betätigbaren Schaltstelle, gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1. Ein Membranschalter, der dem durch die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruches 1 definierten Bereich zuzuordnen ist, wurde durch die US-PS 33 08 253 bekannt.

Dieser bekannte Membranschalter, der folgend noch kurz ausführlicher beschrieben wird, hat die Vorzüge einer großen Packungsdichte der Schaltungsstellen, eine geringe Bauhöhe und er benötigt nur eine kleine Betätigungskraft und einen sehr kleinen Kontakthub, wodurch er sehr empfindlich ist. Zur Verringerung seiner in manchen Anwendungsfällen großen Empfindlichkeit ist ein größerer Kontakthub zweckmäßig; jedoch bewirkt diese Maßnahme einen vorzeitigen Verschleiß der auf der auslenkbaren Membran angeordneten elektrischen Leiterstreifen infolge größerer mechanischer Beanspruchung derselben.

Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der Membranschalter derart, daß sie auch in solchen Betriebsfällen anwendbar sind, wo die bekannten Membranschalter zu empfindlich sind und durch vorzeitigen Verschleiß ausfallen.

Elektrische Membranschalter oder, auch druckempfindliche Schalter genannt, haben gegenüber den bekannten elektromechanischen »Ein/Aus«-Schaltern (wozu auch die Mikroschalter gezählt werden) den Vorzug, daß sie nur einen sehr kleinen Betätigungshub und eine relativ kleine Betätigungskraft benötigen. Ihr Hauptvorzug besteht jedoch darin, daß mehrere voneinander unabhängige Schaltstellen, also eine Vielzahl von einzelnen Schaltern in einer sehr großen Packungsdichte riahe nebeneinanderüegend in eine Membran-Schaltereinheit untergebracht werden können, und daß die Herstellung preislich günstig ist, da meistens nur wenige billige Bauteile erforderlich sind und eine Massenfertigung gut möglich ist. Außer der bereits erwähnten großen Empfindlichkeit ist nachteilig, daß nur Spannungen oder nur sehr kleine elektrische Leistungen mit diesen Membranschaltern an- oder abgeschaltet werden können, um nicht einen vorzeitigen Ausfall durch Verschleiß der schwachen, insbesondere auf der Membran befestigten, auslenkbaren Kontaktstücke zu bekommen.

Die bekannten Membranschalter finden insbesondere Anwendung, wenn sie mehrere Schaltstellen aufweisen, in Tastaturen, beispielsweise als schnelle Eingabestationen von Informationen für Rechenanlagen oder Datenübertragungsgeräten. Hierbei wird durch das Aufsetzen und durch ein schwaches Aufdrücken der Spitze eines Taststiftes, oder durch die Einwirkung einer t>> anderen mechanischen oder pneumatischen druckerzeugenden Einrichtung an einer der dem jeweiligen einzugebenden Zeichen zugeordneten Schaltstelle der in dieser Schaltstelle angeordnete Schaltkontakt geschlossen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten für Membranschalter bestehen in der Digitaltechnik, in der Meßtechnik und in Steuerungs- bzw. Regelungsanlagen.

Bei einem durch die US-PS 33 08 253 offenbarten Prinzip eines Membranschalters ist auf einer stabilen Unterlagsschicht aus Isoliermaterial wenigstens eine stveifenförmige Leiterbahn als stationäres Kontaktstück angeordnet, über dem mit sehr geringem Abstand von demselben eine zweite dünne streifenförmige Leiterbahn als auslenkbares Kontaktstück an der Unterseite einer Membran befestigt ist, die auf einer, auf der Unterlage befindlichen, im Bereich der Kontaktstelle ein Loch aufweisenden Zwischenschicht aufliegt. Über der Membran liegt zu deren Schutz gegen zu starke Druckeinwirkung eine elastomere Deckschicht. Die vorstehend kurz beschriebene Prinzipanordnung betrifft den Aufbau einer Schaltstelle.

In den Membranschaltern, welche viele derartige Schaltstellen enthalten können, sind diese reihenförmig oder, wie es meistens der Fall ist, flächenhaft in Form einer Matrix angeordnet, dabei werden die Schaltkontakte, d. h. die stationär und die auslenkbaren Kontaktstücke und deren Anschlußleiter in jeder der zwei Ebenen aus parallelen in geringerem Abstand nebeneinanderliegenden schmalen Leiterbahnen gebildet, wobei sich die auf der Unterlagsschicht liegenden stationären Leiterbahnen und die auf der Membran haftenden auslenkbaren Leiterbahnen vorzugsweise rechtwinklig kreuzen. Jede Kreuzungsstelle bildet eine Schalt- bzw. Kontaktstelle. Die einzelnen Leiterbahnen dienen außer als Leiter für eine elektrische Spannung oder einen kleinen Strom gleichzeitig auch als Kontaktstücke.

Das vorstehend erwähnte Prinzip eines Membranschalters kann durch einen Fachmann so geändert werden, daß die elastisch biegbaren Leiterbahnen bzw. Leitungsstücke auf der auslenkbaren Membran in den einzelnen Schaltsteilen lediglich als Kontaktbrücken dienen, welche im Ruhe-Schaltzustand spannungslos sind. Bei einer derartigen Ausführung eines Membranschalters sind auf der Isolierplatte eng benachbart wenigstens zwei stationäre Kontaktstücke angeordnet, entweder als zwei parallele Leiterbahnen, als zwei hintereinander angeordnete Leiterbahnen oder in einem beliebigen Muster. Bei einer während der Druckeinwirkung ausgelenkte Membran im begrenzten Bereich der Schaltstelle überbrückt bzw. verbindet das an der Membran haftende Leiterstück als bewegliches Kontaktstück die stationären benachbarten Leiterbahnen bzw. Kontaktstücke der betätigten Schaltstelle und schließt dadurch den Stromkreis.

Bei der Betätigung einer Schaltstelle in einem Membranschalter der vorstehend erwähnten zwei Ausführungsarten wird infolge der Druckeinwirkung die Membran mit der zu der Unterseite befestigten Leiterbahn durch das Loch der Zwischenschicht, also in einem flächenhaft kleinen Auslenkungsbereich nach unten ausgewölbt. Diese Auswölbung bewirkt eine ziemlich starke Dehnung und Materialbeanspruchung der Membran-Leiterbahn. Diese Beanspruchung kann bei häufiger Schalterbetätigung zu einer vorzeitigen Mateilalermüdung führen, wodurch die Funktionssicherheit der Membranschaltstelle beeinträchtigt wird. Um diese übermäßige Materialdehnung zu verringern, werden zur Schonung in den bekannten Membranschaltern nur sehr kleine Abstände bzw. Luftspalten etwa 0,05 mm zwischen den offenen Kontaktstücken gewählt. Durch diese geringen Abstände bei offener Schaitsteiie

sind die Membranschalter beider Ausführungsarten sehr empfindlich. Durch Erschütterungen oder andere Druckeinwirkungen können ungewollte Schaltvorgänge ausgelöst werden. Um die bekannten sensiblen Membranschalter gegen diese Störeinwirkungen unempfindlicher zu machen und die Materialermüdung der flexiblen Leiterbahnen durch eine zu starke Dehnung zu vermeiden, wurden auch bereits stärkere Leiterbahnen und zusätzliche, über der Membran liegende Deckschichten verwendet. Diese kräftigeren Membranschalter weisen dann den Nachteil auf, daß ihre Flexibilität beeinträchtigt ist, daß sie eine wesentlich stärkere Betätigungskraft erfordern, daß sie größere Abmessungen aufweisen und daß die Dichte der Schaltstellen pro Flächeneinheit sich stark vermindert; außerdem ist der Zeitpunkt der Materialermüdung nur hinausgeschoben.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, für die verschiedenen Arten von Membranschaltern ein verbessertes Membranschaltsystem anzugeben, bei dem in den Schaltstellen die Membran und die an ihr befestigte als Kontaktstück oder Kontaktbrücke dienende auslenkbare Leiterbahn eine größere Flexibilität aufweist, so daß keine Materialüberbeanspruchung und keine Materialermüdung auch bei häufiger Schalterbetätigung auftritt. Außerdem soll das Membranschaltsystem bei offener Schaltstelle einen größeren lichten Kontaktabstand aufweisen, d. h. zum Schließen der Schaltstelle einen größeren Auslenkhub der Membran erfordern als die bekannten Membranschalter, um die Störeinflüsse weitestgehend zu eliminieren. Durch die geforderte größere Flexibilität und den größeren Auslenkhub soll die erforderliche Kraft bei der Schalterbetätigung zum Schließen einer Schaltstelle etwa der der bekannten Membranschalter entsprechen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der Merkmale vom Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 gelöst. Zwechmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Membranschalters sind durch die Merkmale in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei einem Membranschalter gemäß der Erfindung in einer der vorstehend erwähnten Ausführungsarten, bei dem zum Schließen eines Stromkreises in einer Schaltstelle die Membran und der daran haftende Leiter durch ein Loch in der den Kontaktabstand bestimmenden Zwischenplatte zum stationären Kontaktstück hin ausgewölbt wird, ergibt sich die größere Flexibilität und geringere mechanische Leiterbeanspruchung dadurch, daß die als Kontaktstück oder als Kontaktbrücke biegbare Leiterbahn vorzugsweise als Spirale im Bereich der Schaltstelle ausgeführt ist. Bei geringen Ansprüchen kann die Leiterbahn auch wellenförmig gestaltet sein.

Bei einer offenen Schaltstelle kann bei dem erfindungsgemäßen Membranschalter der Abstand /wischen den beweglichen und den stationären Kontaktstücken 0,3 mm betragen und somit etwa sechsmal größer sein als bei den bekannten Membranschalterausführungen. Dieser Vorzug der wesentlich größeren Membranauswölbung, ohne daß die auf ihr befestigten Leiterbahnen als Kontaktstücke oder Kontaktbrücken durch eine zu starke Dehnung überbeansprucht werden, wobei nicht nur eine Materialermüdung oder eine Ablösung der Leiterbahnen bzw. Kontaktstücke von der Membran auftritt, ist insbesondere durch die gewundene Form der zum Kontaktstück führenden Leitungsbahn begründet. Die auslenkbare Leiterbahn, welche vorzugsweise· als eine Spirale ausgeführt ist, enthält im Zentrum der Spirale ein kleines scheibenförmiges Kontaktstück. Diese spiralförmig gewundene Leiterbahn ist eine Feder, die zur Strom- bzw. Spannungsführung dient, und welche von einer nicht auslenkbaren Stammleiterbahn abzweigt. Diese gewundene Leiterbahn ist auf Grund ihrer großen Menge bei der Membranauslenkung pro Längeneinheit nur wenig mechanisch beansprucht. Ein weiterer Vorzug der gewundenen, insbesondere der spiralförmigen Leiterbahn ist der, daß die Flexibilität der komplettierten Membran trotz der größeren Menge von Leitermaterial im begrenzten Auslenkungsbereich nicht beeinträchtigt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemä-Ben Membranschalters, die eine noch bessere Schonung der gewundenen Leiterbahnen auf der Unterseite der Membran sowie der Membran selbst bezweckt, ergibt sich dadurch, daß die Membranbaugruppe nicht mehr wie bei den bekannten Membranschaltern auf der an den Schaltstellen gelochten Zwischenplatte aufliegt, sondern auf der Unterseite der Zwischenplatte luftdicht angeklebt ist. Dadurch braucht die Membranbaugruppe bei der Schalterbetätigung nicht mehr durch das relativ kleine Loch in der Zwischenschicht gepreßt werden.

Eine weitere Verringerung der Materialbeanspruchung durch eine größere Flexibilität und eine größere Auslenkung der Membranbaugruppe einer Schaltstelle wird durch eine Vergrößerung der auslenkbaren Grundbzw. Bereichsfläche der auswölbbaren Membranbaugruppe an der Schaltstelle dadurch erreicht, daß die Umgebung des Loches in der Zwischenplatte vorzugsweise kreisringförmig mit einem Anti-Haftmittel versehen bzw. behandelt ist, so daß die Membran an dieser Fläche nicht anhaftet. Bei einem, bei der Schallerbetätigung durch das Loch in der Zwischenschicht einwirkenden Mittel, z. B. Druckluft, oder einem anderen Fluid, wird somit eine größere Membran-Auslenkkammer gebildet, und der auswölbbare Leiter wird nicht überbeansprucht.

Membranschalter in der erfindungsgemäßen Ausführung sind deshalb im Betrieb sehr zuverlässig; sie haben eine längere Lebensdauer und sie sind besonders für sehr schnell aufeinanderfolgende Schaltvorgänge geeignet. Bei Verwendung eines Polyesterfilmes als Membran und eines Luftspaltes von 0,127 mm zwischen den stationären und den auslenkbaren Kontaktstücken sind etwa bis zu 2000 Schaltungen pro Sekunde möglich. Desgleichen ist es möglich, Membranschalter mit mehreren Schaltstellen in der erfindungsgemäßen Ausführung auch in einer großen Packungsdichte, welche etwa 2,5 Schaltstellen/cm² betragen kann, herzustellen. Die Herstellung ist relativ einfach und preislich günstig, da sie für die Massenfabrikation geeignet ist. Infolge der geringen Masse der Membranstruktur ist der erfindungsgemäße Membranschalter auch sloßfest und vibrationssicher.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Membranschalters und dessen Anwendung wird im folgenden anhand von Zeichnungen ausführlicher

hii beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen stark vergrößerten Aufriß einer Stanz- und Prüfeinrichtung für Belege, in welcher ein erfindungsgemäßer Membranschalter, der mehrere Schaltstellen enthält, in der Prüfeinrichtung verwendet

ii; wird,

Fig. 2 die Ansicht eines Schnittes durch die Prüfeinrichtung und den Membriinschaltcr, entlang der Linie 2-2 in der Fig. 1,

F i g. 3 eine isometrische Ansicht des formgepreßten Membranschaltergehäuses, in das eine Schaltungskarte eingesetzt ist, auf deren einen Oberflächenscitc die Kontaktflächen der stationären Kontaktstücke der einzelnen Schaltstellen sich befinden,

Fig.4 eine isometrische Ansicht der vorstehend erwähnten Schaltungskarte mit Blick auf die andere Oberflächenscite, der Verdrahlungsseite, die der in F i g. 3 dagestellten Kontaktseite gegenüberliegt,

Fig.5 eine auseinandergezogene Abbildung einer Membranbaugruppe,

Fig. 6 in stark vergrößerter Abbildung einen Ausschnitt des Leitungsmusters auf der Membran im Auslenkungsbereich der Membran, wobei eine gewundene Leiterbahn von einem Stammleiter abzweigt und eine Verbindung zu dem auslenkbaren Kontaktstück im Auslenkbereich herstellt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in vergrößerter Abbildung einen erfindungsgemäßen Membranschalter 10, angeordnet in einer Prüfstation als Teil einer Kontrolleinrichtung für gestanzte bzw. gelochte Aufzeichnungsmuster (z. B. Karten, Dokumente, Belege oder Lochstreifen), die in einer Führungsbahn 12 die Prüfstation durchlaufen. Die Lochungen in diesen Aufzeichnungsträger können beim Durchgang durch die Prüfstation von der Kontrolleinrichtung gleichzeitig bzw. spalten- oder reihenweise ausgelesen werden.

Jeder Informationsposition in einer Spalte bzw. Reihe eines Aufzeichnungsträgers ist eine Abfühlstelle und

J eine Schaltstelle de.3 Membranschalters 10 zugeordnet.

Durch diese kurz beschriebene Kontrolleinrichtung ist eine Parallel-Auslesung möglich, d. h. die in einer Spalte bzw. Reihe des Aufzeichnungsträgers enthaltenen Löcher werden gleichzeitig ausgelesen. Aus der F i g. 2 ist zu ersehen, daß sich vor der Prüfstation eine Stanzstation befindet, von der lediglich eine Stanzstelle abgebildet ist, die den Stanzstempel 13 enthält. Die Aufzeichnungsträger werden von der Stanzstation, in der die Information in Löchern eingestanzt wird, der Prüfstation zugeführt, in der die Kontrolle einer richtigen Informationsübertragung erfolgt. Jeder Stanzstelle in der Stanzstation ist in der Prüistation eine entsprechende Lese- oder Abfühlstelle zugeordnet, in der ein dünner kräftiger Luftstrom durch den Aufzeichnungsträger gesteuert wird, d. h. entweder wird er unterbrochen oder durchgelassen. An jeder Abfühlstelle in der Prüfstation befindet sich im Bett der Führungsbahn 12 eine düsenförmige öffnung 14, die mit einer Druckluftleitung verbunden ist. Diesen öffnungen 14 gegenüberliegend und auf diese ausgerichtet ist die Kontrolleinrichtung mit Luftführungskanälen 15 versehen, die zu den einzelnen Schaltstellen des Membranschalters 10 führen. Befindet sich ein Aufzeichnungsträger in der Abfühlposition, dann gelangt an den Stellen, wo sich ein Loch im Aufzeichnungsträger befindet, die Druckluft in den dieser Abfühlstelle zugeordneten Luftführungskanal 15. An den Abfühlstellen, wo keine Lochung im Aufzeichnungsträger vorhanden ist, wird der Luftstrom unterbrochen. Der Aufzeichnungsträger wirkt mit den Abfühlstellen somit als ein Steuerventil. Gelangt ein Luftstrom von einer Öffnung 14 über ein Loch im Aufzeichnungsträger in einen Führungskanal 15, dessen Ende durch die Membran 18, 23, 38 luftdicht abgeschlossen ist, dann ergibt sich in diesem kammartigen Hohlraum gegenüber der Umgebungsluft des Membranschalters 10 ein erhöhter Druck, der bewirkt, daß die Membran 18,38 an dieser Endstelle ausgewölbt wird und sich dabei von der Zwischenplatte 37 etwas abhebt, an deren einen Seite sie im Ruhezustand anliegt. Beim Membranschalter 10 ist an den Stellen, wo die Luftführungskanäle 15 der einzelnen Abfühlstellen enden, jeweils auf der gegenüberliegenden Oberflü chenseite der Membran Ί8 ein auslenkbares Kontaktstück 42 als zentrales Endteil einer spiralförmig gewundenen Leitungsbahn 40 befestigt, das dem stationären Kontaktstück 29 auf der Schaltungskarte 20 gegenüberliegt und im Ruhezustand von diesem einen geringen Abstand aufweist. Durch die Einwirkung des Luftstromes und durch die dadurch bewirkte Auswölbung der Membran 18 wird das auslenkbare Kontaktstück 42 auf die Kontaktfläche 31 vom stationären Kontaktstück 29 gedrückt und somit die elektrische Schaltverbindung hergestellt.

Die dieser geschlossenen Kontaktstelle benachbarten anderen Schaltstellen des Membranschalters 10 werden von diesem Schaltvorgang nicht beeinflußt und weisen deshalb einen offenen Schaltzustand auf. Diese Schaltstellen schließen ebenfalls, sobald in ihre Luftführungskanäle 15 von den zugeordneten Öffnungen 14 Druckluft gelangt. Ein durch die Prüfstation und deren Führungsbahn 12 sich bewegender und mit Lochungen versehener Aufzeichnungsträger dient somit als Steuerelement und Verteiler für die Luftströme und damit als Betätigungseinrichtung für die einzelnen Schaltstellen des Membranschalters 10 in der Kontrolleinrichtung. Die jeder Abfühl- oder Lesestelle zugeordneten Schaltstellen des Membranschalters 10 sind Bestandteile von logischen Schaltkreisen der Kontrolleinrichtung. Je nachdem, welche Schaltstellen bei der Abfühlung einer Spalte oder Reihe im Aufzeichnungsträger zu einem bestimmten Zeitpunkt geschlossen oder geöffnet sind, wird in einer elektrischen Matrix ermittelt, welche Information in der ausgelesenen Spalte oder Reihe des Aufzeichnungsträgers enthalten ist.

Der erfindungsgemäße Membranschalter 10 ist in einem im Spritz- oder Preßverfahren hergestellten isolierten Schaltergehäuse 21 angeordnet, das auf einer Seite einen Schlitz aufweist, durch den eine Schaltungskarte 20 in das Schaltergehäuse 21 eingeschoben ist. Diese Schaltungskarte 20 ist auf der einen Oberflächenseite mit den Kontaktflächen 31 der stationären Kontaktstücke 29 versehen. Auf der anderen Oberflächenseite der Schaltungkarte 20 befinden sich Leitungsbahnen, welche die stationären Kontaktstücke 29 mit am Kartenrand angeordneten Anschlußpunkten 28 verbinden.

In geringem Abstand, parallel und benachbart zur Schaltungskarte 20, ist in das Schaltergehäuse 21 die Membran-Baugruppe 23 eingesetzt. Zur Erzielung einer genauen Ausrichtung der Schaltungskarte 20 mit der Membranbaugruppe 23 ist das Schaltergehäuse 21 inner mit Führungseinrichtungen 25 versehen, die an den Seitenwänden 26 des Schaltergehäuses 21 angeordnel sind.

Die Schaltungskarte 20, deren Körper aus einem Epoxydharz besteht, ist auch in den Fig.3 und A abgebildet. Aus der Fig.4 ist zu ersehen, daß die Schaltungskarte 20 auf ihrer oberen Seite einer Abschnitt mit einer größeren Breite aufweist, in derr sich gut zugänglich die Anschlußpunkte 28 befinden Von jedem dieser Anschlußpunkte 28 führt auf dei sogenannten Verdrahtungsseitc der Schaltungskarte 2C eine Leiterbahn zu den mit der Schaltungskarte 20 fcs' verbundenen, stationären Kontaktstücken 29. Dk Schaltungskarte 20 ist an den Stellen, wo die stationärer Kontaktstücke 29 anzuordnen sind, jeweils mit einen

Loch versehen, das mit dem Material der Kontaktstiicke 29 ausgefüllt ist. Die stationären Kontaktstücke 29 sind so gestaltet, daß sie auf der Kontaktseite der Schaltungskarte 20 eine größere plane Kontaktfläche 31 bilden als auf der Verdrahtungsseite, siehe F i g. 3. Diese relativ große Kontaktfläche 31 der stationären Kontaktstücke 29 einer Schaltstelle dient als fester Gegenkontakt für die auslenkbaren Kontaktstücke 42 der Membranbaugruppe 23.

Diese Membranbaugruppc 23 ist in der Fig.5 in auseinandergezogener Darstellung abgebildet. Sie besteht aus einer rechteckförmigen Zwischenplatte 37, welche als Träger der mit einem Leitungsmuster 40, 41, 42 versehenen Membran 18,38 dient. Die Zwischenplatte 37, welche vorzugsweise aus einem Epoxydharz besteht, ist an den Schaltstellen jeweils mit einem Loch

35 versehen. Die Umgebung jedes Loches 35 der Zwischenplatte 37 ist auf der zur Membran 18, 38 gerichteten Seite mit einem Anti-Haftmittel 36 behandelt oder beschichtet. Dieses Anti-Haftmittel 36 verhindert, daß die Membran 18, 38 an der Zwischenplatte 37 im auslenkbaren Flächenbereich 43 einer Schaltstelle anhaftet. Das die Haftung verhindernde Mittel 36 kann beispielsweise ein Harz aus Fluor-Kohienwasserstoff als Bestandteil enthalten. Dieses Anti-H.aftmittel 36 wurde gewählt, um ein Kleben der komplettierten Membran 38 jeweils im flächenhaften Auslenkungsbereich 43 der Membran 18, 38 zu verhüten. Die restliche, nicht mit dem Anti-Haftüberzug

36 versehene Oberflächenseite der Zwischenplatte 37 wird mit einem Klebstoff überzogen und die Membran !8,38 auf der Zwischenplatte 37 luftdicht festgeklebt.

Diese eine Oberflächenseite der Zwischenplatte 37, welche wie vorstehend erwähnt wurde, teilweise mit einem eine Haftung verhindernden Überzugsmittel 36 und mit einer Klebeschicht versehen ist, wird mit der der flexiblen filmdicken Membran 18, 38 belegt und fest verbunden. Dieser Membranfilm 38 besteht aus einer isolierenden Basisschicht 18 und einer dünnen Schicht aus elektrisch leitendem Material. Durch eines der bekannten photolithographischen Verfahren wird durch Ätzung aus der elektrisch leitenden Materialschicht, welche auf der Membranfilmschicht 18 haftet, ein Leitungsmuster 40, 41, 42 erstellt, das im Bereich der vorgesehenen Schaltstellen aus langen, vorzugsweise spiralförmig verlaufenden, Leiterbahnen 40 besteht. Das Leitungsmuster in einer Schaltstelle hat die folgend beschriebene und in der Fig. 5 vergrößert dargestellte Form. In der Mitte der äußeren Oberfläche der komplettierten Membran 38 erstreckt sich eine nicht auslenkbare StamnvLeiterbahn 41, die auf dem festgeklebten Teil der Membran 18 angeordnet ist. Von der Stammleiterbahn 41 zweigen als Äste schmale gewundene Leiterbahnen 40 ab, die zu den einzelnen Kontakt- bzw. Schaltstellen führen. Die Stamm-Leiterbahn 41 befindet sich auf dem Teil der Membran 18, der mit der Zwischenplatte 37 durch Klebung luftdicht fest verbunden ist. Die Zweig-Leiterbahnen 40 erstrecken sich in die Auslenkbereiche 43 der Membran 18, 38, welche über den Schaltstcllcn liegen und die den eine Anhaftung verhindernden Überzug 36 aufweisen. Die Durchmesser der Spiralen von den Zwcig-Leiterbahncn 40 sind kleiner als die Auslenkflächen 43, welche durch die die Haftung verhindernden ringförmigen Überzüge 36 begrenzt werden. Die schmalen Zweig-Leiterbahnen 40 sind im Zentrum des spiralförmigen Teiles zu einem zentralen Kontaktstück 42 erweitert, das als auslenkbares Kontaktstück 42 dient. Diese zentralen auslenkbarcn Kontaktstücke 42 der einzelnen Schaltstellen liegen auf der Außenseite der Membran 18, 23, 38 über den Löchern 35 in der Zwischenplatte 37. Der spiralförmige Verlauf der Zweig-Leiterbahnen 40 hat den Zweck, einen langen Leitungsweg im Auslenkungsbereich 43 der Membran 38 zu schaffen, um die Dehnung und die Materialbeanspruchung der Leiterbahn 40 zu vermindern, um dadurch einer vorzeitigen Materialermüdung vorzubeugen und eine längere Lebensdauer zu erhalten.

ίο Bei diesem Membranschalter 10 bildet der Membranfilm 18, 38, wenn er mit dem Leitungsmuster 40, 41, 42 bestückt ist, eine komplettierte Membran 38, die zusammen mit der gelochten Zwischenplatte 37 nach der Zusammenklebung eine Baueinheit 23 ergeben, welche im Membranschalter 10 gut austauschbar ist. Im zusammengebauten Zustand des Membranschalters 10 ist die Membran-Baueinheit 23 in das Schaltergehäuse 21 eingelegt. Die Rückseite der Baueinheit 23, welche die unbehandelte Zwischenplatte 37 darstellt, ist dabei luftdicht mit einer als Verstärkungs- und Führungseinrichtung dienenden Deckscheibe 19 verbunden, die ebenfalls entsprechende zu den Schaltstellen der Zwischenplatte 37 ausgerichtete Löcher 49 aufweist. Aus der F i g. 2 ist ersichtlich, daß auf der Deckscheibe 19 eine gelochte Dichtungsplatte 48 angeordnet ist, in welche die Luftführungskanäle 15 münden. Der Membranschalter 10 ist auf der Seite der Schaltungskarte 20 durch eine Schutzplatte 57 vervollständigt.

Im komplettierten Zustand des Membranschalters 10 sind die auf der Membran 18, 38 angeordneten auslenkbaren Leiterbahnen 40, 42 über die gemeinsame nicht auslenkbare Stamm-Leiterbahn 41, die sich bis in die Randbereiche der Membran 38 erstreckt, mit einem Anschlußpunkt 28 auf der Schaltungskarte 20 elektrisch

J5 leitend verbunden. Diese gemeinsame Verbindung besteht aus einem Leiter 39, der sich von einer Anschlußstelle der Membran 23,38 über die Deckscheibe 19 und die Dichtungsplatte 48 zum Anschlußpunkt 28 am Ende der Schaltkarte 20 erstreckt.

Aus den Fig. 5 und 6 ist zu ersehen, daß in der Membranbaugruppe 23 zwischen der Zwischenplatte 37 und der Membran 38 an jeder Schaltsteüe ein auslenkbarer Kammerbereich besteht, dessen Grundfläche der Auslenkfläche 43 entspricht, welche durch den Querschnitt des Loches 35 und der Umgebungsfläche gebildet wird, die durch das Anti-Haftmittel 36 behandelt wurde. Dieser auslenkbare Bereich 43 der Membran 38 bildet eine luftdichte Kammer, in der die Wand der an der Zwischenplatte 37 aufliegenden Membran 18, 38 sich durch die Einwirkung von Druckluft etwas ausdehnen kann. Entsteht in einer der Kammern der einzelnen Schaltstellen ein Überdruck durch die von einem Luftführungskanal 15 und das Loch 35 einströmenden Druckluft, oder ein anderes Fluid (Gas, Wasser, öl oder ähnliches), dann wird die Membran 18, 38 an dieser Stelle gedehnt und nach außen gewölbt und damit gleichzeitig auch die auf der äußeren Oberflächenseite der Membran 18, 38 haftenden spiralförmig angeordneten Leiterbahn 40 mit ihrem zentralen Kontaktstück 42. Weil die Kontaktfläche 31 des stationären, auf der Schaltungskarte 20 angeordneten Kontaktslückes 29 dem auf der Membranoberflache angeordneten auslenkbaren Kontaktstück 42 mit nur geringem Abstand gegenüberliegt, wird durch die Auslösung der Membran 38 das auslenkbare Kontaktstück 42 fest gegen die Kontaktfläche 31 des Kontaktstückes 29 gedrückt, wobei sich mehrere Kontaktstellen durch die Anschmiegsamkeit des flcxib-

len Materials ergeben. Dadurch wird eine sichere, prellfreie Kontaktverbindung hergestellt, solange der Druck des Fluids oder eine andere Druckeinwirkung auf die Membran 18, 38 an der Schaltstelle einwirkt. Es ist ein wesentlicher Vorzug, daß während der Membran-Auswölbung die auf der Membran-Oberfläche haftenden Leiterbahnen 40 aufgrund ihrer langen Leitungswege und der spiralförmigen Anordnung nur gering auf Dehnung beansprucht werden und daß deshalb keine Materialermüdung auftritt und eine lange Lebensdauer zu erwarten ist. Für die Betätigung eines derartigen Membranschalters 10 ist nur ein sehr kleiner Druck des Fluids erforderlich, aufgrund der großen Flexibilität der Membran 38, bedingt durch die spiralförmige gewundene Anordnung der Leiterbahnen 40, da deren Windungen einer Auslenkung nur einen sehr geringen Widerstand entgegensetzen.

In den Fig. 1, 2, 5 und 6 ist die Membran-Baugruppe 23 vergrößert dargestellt. Die Fig. 5 zeigt eine Membran-Baugruppe 23, welche schematisch 8 Schaltstellen aufweist. Bei dem Membranschalter 10, der diesem Ausführungsbeispiel einer Kontrolleinrichtung in einer Prüfstation zugrunde liegt, betragen bei der Membran-Baugruppe 23 die wirklichen Abmessungen 25,4 χ 12,7 mm. In dieser Membranfläche sind in Wirklichkeit matrixförmig als Packungsdichte etwa 2,5 Schaltstellen/cm² angeordnet. Der Membranschalter 10 ermöglicht somit eine große Packungsdichte der Schaltungsstellen. Die Membran 18, 38, welche aus einem 0,025 mm dicken Polyesterfilm besteht, trägt auf der Außenseite die Leitungsbahnen 40, 41, 42, die aus mit Gold plattiertem Kupfer bestehen. Bei einem fertig montierten Membranschalter 10 beträgt der lichte Abstand zwischen der Membran-Baugruppe 23 und den Kontaktoberflächen 31 des stationären Kontaktstückes 29 in der Schaltungskarte 20 etwa 0,127 mm. Die einzelnen Schaltstellen im Membranschalter 10 werden in diesem Ausführungsbeispiel, wie eingangs bereits erwähnt wurde, durch einen von einem Aufzeichnungsträger gesteuerten Luftstrom betätigt, der durch Luftführungskanäle 15 und durch die Löcher 35 in die Kammern der Membran-Baugruppe 23 gelangt. Zur Auslenkung der Membran 18,38 und zur Erzielung eines guten Kontaktes ist ein Luftdruck von etwa 0,08 atü ausreichend.

In der Fig. 2 ist in einer Schnittansicht der in der Prüfstation verwendete Membranschalter 10 dargestellt, dessen einzelne Schaltelemente mit den zugeord neten Luftführungskanälen 15 verbunden sind. Die Luftführungskanäle 15 sind in eine Montageplatte 45 eingearbeitet und sie sind nach außen durch die Stützplatte 46 luftdicht abgedeckt. Zwischen der Montageplatte 45 und der Membranbaugruppe 23 ist eine Dichtungsscheibe 48 und eine Deckplatte 19 angeordnet, die beide ebenfalls Löcher 49 aufweisen, welche die Luftkanäle 15 mit den Löchern 35 in der Zwischenplatte 37 der Membran-Baugruppe 23 verbinden und somit die Luftführungskanäle 15 vervollständigen. Die in die Prüfstation eingesetzten Membranschalter 10 werden auf der Montageplatte 45 durch anschraubbare Stege 50 gehalten. Anschlußleitungen 52, die von den zugänglichen Anschlußpunkten 28 im Oberteil der Schaltungskarte 20 von dem Membranschalter 10 zu anderen Schaltungskreisen der Kontrolleinrichtung in der Prüfstation führen, sind an einem Flansch 53 und einem Gehäusewinkel 54 zugentlastet eingeklemmt.

Der Hohlraum zwischen der Oberfläche der Membran-Baueinheit 23, 38, die außen die Leitungsbahnen 40,41,42 trägt und der gegenüberliegenden Schaltungskarte 20, welcher am Umfang durch das Schaltergehäuse 21 begrenzt wird, ist relativ klein und er kann durch das gleichzeitige Auslenken von mehreren Membranschaltstellen sich noch weiter verringern. Um in diesem Betriebsfall zu verhindern, daß in diesem Hohlraum zwischen der Schalttafel 20 und der Oberfläche der Membran 38 die Luft komprimiert wird, wenn mehrere Schaltelemente gleichzeitig betätigt werden und daß eventuell durch den dadurch entstehenden Überdruck die Betriebssicherheit beeinträchtigt werden könnte, ist die Schaltungskarte 20 und das Schaltergehäuse 21 mit einer zentralen Öffnung 55 versehen, die einen Druckausgleich zur Umgebungsluft ermöglicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Membranschalter mit wenigstens einer durch Druckeinwirkung betätigbaren einen Stromkreis schließenden Schaltstelle, bestehend aus mindestens einem auf einer elektrisch isolierenden Platte befestigten stationären Kontaktstück und einem mit geringem Abstand darüber angeordneten flexiblen elektrischen vorzugsweise streifenförmigen Leiter, der in der Schaltstelle zum stationären Kontaktstück hin auslenkbar ist, und entweder als ein mit dem Stromkreis verbundenes auslenkbares Kontaktstück oder als Kontaktbrücke zur Verbindung von zwei benachbarten stationären Kontaktstücken eines Stromkreises dient, und der auf der zum stationären Kontaktstück benachbarten Seite einer isolierenden Membran befestigt ist, welche an einer parallelen Zwischenplatte aniiegt, die den lichten Abstand zwischen dem stationären Kontaktstück und dem auslenkbaren Leiter bestimmt und die an jeder Schaltstelle ein Loch enthält, durch das eine druckerzeugende Einrichtung die Membran soweit auswölbt, daß der flexible Leiter am stationären Kontaktstück anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Membran (18, 23, 38) befestigte elektrische Leiter (40, 41, 42) in dem an jeder Schaltstelle auswölbbaren Flächenbereich (43) der Membran (18, 23, 38) einen die spezifische Dehnungsbeanspruchung des elektrischen Leiters (40, 41, 42) senkenden, spiralförmigen, wellenform!- gen oder ähnlich gewundenen Verlauf aufweist.

2. Membranschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (40) in einer Schaltstelle eine flache, streifenförmige Leiterbahn ist, welche im auswölbbaren Flächenbereich J5 (43) der Membran (18, 23, 38) eine vertikal auslenkbare Spirale bildet, die in ihrem Zentrum in ein großflächiges Kontaktstück (42) übergeht, das sich am Scheitelpunkt des kammerartig auswölbbaren Flächenbereiches (43) befindet.

3. Membranschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (40) der äußeren Windung der auslenkbaren Spirale von einer ebenfalls auf der Membran (18, 23, 38) angeordneten, nicht auslenkbaren Stammleiterbahn (41) abzweigt, von der gegebenenfalls noch mehrere Abzweigungen zu den Leiterspiralen anderer Schaltstellen führen, und daß diese feste Stammleiterbahn (41) wenigstens über einen Kontakt-Verbindungspunkt in der Halteeinrichtung (19, 48), für die mit den dem Leitungsmuster (40, 41, 42) komplettierte Membran (23) und die Zwischenplatte (37) an die zu schaltenden Stromkreise angeschlossen ist.

4. Membranschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des begrenzten Flächenbereiches (43) der auslenkbaren Membran (18, 23, 38) und der darauf angeordneten Leiterspirale (40, 42) die Membran (18) mit ihrer unbeschichteten Seite an der starren gelochten bo Zwischenplatte (37) auf der zum stationären Kontaktstück (29,31) zeigenden Oberfläche aufliegt, und außerhalb des begrenzten auslenkbaren Flächenbereiches (43) fest und luftdicht mit der Zwischenplatte (37) verbunden ist, daß innerhalb des μ durch den erforderlichen Auslenkhub bestimmten Flächenbereiches (43) ein die Haftung der Membran (18) auf der Zwischenplatte (37) verhinderndes Mittel eingefügt ist, daß der begrenzte Flächenbereich (43) zur Schaltstelle ausgerichtet ist, und daß in ihm ein Loch (3S) der Zwischenplatte (37) mündet, durch das ein Druck erzeugendes Mittel während der Schalterbetätigung einwirkt und daß die Zwischenplatte (37) und die mit den Leiterbahnen (40, 41, 42) bestückte Membran (18, 23, 38) eine austauschbare Baueinheit (23) bildet.

5. Membranschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Haftung der Membran (18) im begrenzten auslenkbaren Flächenbereich (43) verhindernde Mittel ein Harz aus Fluor-Kohlenwasserstoff ist, daß dieses Anti-Haftmittel als Überzug (36) auf der starren Zwischenplatte (37) angeordnet ist, und eine vorzugsweise kreisringförmige, die Öffnung des Loches (35) umschließende Fläche (43) bildet und daß die Membran (18) aus einem Polyesterfilm und die starre Zwischenplatte (37) aus Epoxydharz besteht.

6. Membranschalter nach einem der Ansprüche I, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Schaltstelle das Loch (35) in der starren Zwischenplatte (37) mit wenigstens einem Luftführungskanal (15) verbunden ist, durch den als druckerzeugende Einrichtungen zur Schalterbetätigung Preßluft strömt, die die Membran (18, 23, 28) im begrenzten Flächenbereich (43) zum stationären Kontaktstück (29,31) hin auslenkt.

7 Membranschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die stationären Kontaktstücke (29, 31) auf einer in ein Gehäuse (21) eingesetzten Schaltungskarte (20) so angeordnet sind, daß ihre Kontaktflächen (31) sich auf der einen Oberfläche der Schaltungskarte (20) befinden und den vorbestimmten lichten Kontaktabstand zu den auslenkbaren Kontaktflächen (42) der Leiterspiralen (40) aufweisen, daß die Verbindungsleitungen von den stationären Kontaktstücken (29) sich auf der anderen Oberfläche der Schaltungskarte (20) befinden und daß diese mit Anschlußstellen (28) am Ende der Schaltungskarte (20) verbunden sind.

8. Membranschalter nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungskarte (20) und die Membranbaugruppe (23) austauschbar in einem bestimmten lichten Abstand zueinander in ein Führungszüge (25, 26) aufweisendes Schaltergehäuse (21) eingesetzt sind, daß die aus der Membran (18), den streifenförmigen Leitern (40,41,42) und der gelochten Zwischenplatte (37) gebildete austauschbare Baueinheit (23) luftdicht mit ihrer Rückseite an einer durch eine Deckscheibe (19) verstärkten und entsprechend gelochten Dichtungsscheibe (48) anliegt, deren Löcher (49) jeweils mit einem Luftführungskanal (15) verbunden sind, und daß die auf der Membran (18) angeordnete, nicht auslenkbare Stammleiterbahn (41) sich bis zum Rand der Baueinheit (23) erstreckt und eine elektrische Verbindung über die Deckscheibe (19) und eine damit verbundene Leitung (39) zu einem Anschlußpunkt (28) auf der Schaltungskarte (20) herstellt.

9. Membranschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere nahe ncbeneinanderliegende rasterförmig angeordnete und voneinander unabhängige Schaltstellen aufweist, daß jede der Schaltstellen mit einem zugeordneten Luftführungskanal (15) verbunden ist, und daß die Schaltungskarte (20) und/oder das

Schaltergehäuse (21) eine Luftdruck-Ausgleichsöffnung (55) aufweisen, die in den Hohlraum zwischen der Schaltungskarte (20) und der Merpbraneinheit (23) mündet.

10. Membranschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Außenseite der Membran (18) angeordneten Leitungsbahnen (40, 41, 42) aus goldplattiertem Kupfer bestehen.

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