DE2517030A1 - Optisch-elektronischer streulichtschalter - Google Patents

Description

• Optisch-elektronischer Streulichtschalter Die Erfindung betrifft einen Schalter zur Auslösung optischelektronischer Kopplungen nach mechanisch bewirkten optischen iignlen, welcher in Schwachstromkreisen elektrotechnischer und elektronischer Systeme zu scholtverwertboren Impulsen rührt, insbesondere gur Geräte in der kommerziellen Unterhaltungselektronik, als Signalgeber für elektromechanische und elektronische systeme und als Eingabeeinheit für informationsverarbeitende Maschinen.
• Es ist bekannt, daß zur Erfüllung dieser verschiedenen Schaltaufgaben eine Vielzahl unterschiedlicher Schalter mit mechanischen Kontakten eingesetzt wird. 3ei dem Prinzip des mechanischen Leiterkontaktes kann es jedoch zu spezifischen, unerwünschten Effekten wie Prellunq und Funkenhildung, welche zu Störimpulsen führen, sowie mechanisch und thermisch bedingten Abnutzungen der Kontakte kommen. Die Kontaktflächen dieser Schalter müssen zudem in der Regel aus besonders hochwertigem Material bestehen. Durch die VerwEndung mechanischer Rückstellsysteme sind derartige schalter weiterhin von der Aufnahme mittlerer und stärkerer Krafteinwirkungen abhängig, wobei die Schaltermechanik selbst einen produktionstechnischen Aufwand bedeutet. Die außer diesen Schaltern noc vor allem in der Unterhaltungselektronik verwandten, rein elektronisch arbeitenden, tastoktivierten Schalter oder Sentoren, fEihren andererseits nur dann zu Schaltvorgängen, wenn der1 in diesem Fall in den Stromkreis miteinbezogene Auslöser, selbst eine Mindestleitfähigkeit besitzt, und sind demnach in ihrer Anwendunqsbreite beschränkt. Hinzu kommt, daß bei derartigen Schaltern die Kontakte offen liegen Die bisher eingesetzten, rein optisch und ohne bewegliche Teile arbeitenden Systeme, wie Reflektions- und Unterbrecherschranken sind entweder von einem speziellen Reflektor abhängig oder die räumliche Trennung von Lichtsender und Li.ch-tempfcnger ermöglicht nicht solch eine gemeinsame Unterbringung dieser Elemente in einem Gehäuse, daß eine oberflächlich erfolgende Berührung zu einem Schaltvorgang Führt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalter herzustellen, bei welchem die Annäherung und insbesondere OberFlc.chenberührung durch einen Gegenstand, unabhängig von dessen Druckeinwirkung und elektrischer Eigenschaft, ein optisches Signal bewirkt, welches zur Auslösung elektrischer Schaltimpulse führt, wobei der elektrische Schaltvorgang selbst ohne einen direkten, mechanischen Kontakt zwischen den Stromleitern zustande kommt, somit die Nachteile mechanischer Tastschalter und elektronischer Sensoren zu vermeiden und den Anwendungsbereich optischer Schalter zu erweitern.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schalter, in einem gemeinsamen Gehause, eine Lichtquelle oder mehrere Lichtquellen unterschiedlicher Oberflächengeometrie, als Sender, und ein photoempfindliches Element oder mehrere photoempfindliche Elemente unterschiedlicher Oberflächengeometrie, als Empfänger, besitzt, wobei Sender und Empfänger, unter Einbeziehung der Schalteroberflächenform lagemäßig derart zueinander angeordnet sind, daß von den Lichtquellen emittiertes Licht von den, selbst als Reflektoren dienenden, mechanischen Auslösen in Form von Streulicht auf die Empfänger umgelenkt wird, wodurch die Schalt impulse ausgelöst werden.
• Um aus einer gemeinsamen Lichtquelle mehrere Lichtsender mit Funktionslicht zu versorgen wird, in einer weiteren Ausbildung der Erfindung, der Primärlichtquelle ein Lichtleiterbündel nachgeschaltet, @essen einzelne Fasern als lichtemittierende Sender aus der @herfläche des Schelters herausstrahlen, oder als Lichtlei-ter zur Versorgung weiterer Einzelschalter, beispielsweise einer Tastatur, dienen.
• Zur Weduzierung der Anzahl der Zuleitungen der einzelnen Empfänger werden, in einer weiteren Ausbildung der Erfindung, die Leitungen der einzelnen Empfänger untereinander elektrisch verkoppelt.
• Um mit einem schalter gleichzeitig mehrere itromkreise zu schalten werden, in einer weiteren Ausbildung der Erfindung, Emp-Fänger unterschiedlicher Stromkreise zwischen den Lichtquellen angehracht.
• Zur Erweiterung des Funktionsbereiches des Schalters werden, in einer weiteren Ausbildung der ErFindung, integrierte Schaltkreise im Gehäuse des Schalters installiert. Um den Schalter direkt in Verbindung mit Leiterplatinen elektronischer Stromkreise zu bringen werden, in einer weiteren Ausbildung der Er-@indung, die Zuleitungen von Lichtquelle und Empfänger in der Weise stich verstärkt, daß der Gesamtschalter als steck- oder lätbares ringförmiges oder Dual- in-line Modul verwandt wird, Um die Anzahl von Einzelelementen im Schalter zu verringern, wird, in einer weiteren Ausbildung der Erfindung, die Flächengeometrie von Empfänger und/oder Sender in der Weise gestaltet, daß der Empfänger eine photoempfindliche ringfürmige Fläche um die zentral gelegene Lichtquelle oder die Lichtquelle eine ringförmige Fläche um den zentral gelegenen Empfänger bildet, wobei Empfänger und ender entweder in einer Ebene oder in einem Winkel zueinander liegen oder die Oberfläche der gesamten Ausbildung konkav ist. Um in geometrisch anderer Weise die Zahl der Einzelelemente zu verringern, werden, in einer weiteren Ausbildung der Erfindung, die Lichtquellen und/oder Empfänger halhkreisförmig, als Kreis-Segmente, Kreisausschnitte oder als beliebige geometrische Teile eines Rechtecks ausgebildet, wobei Empfänger und Sender entweder in einer Ebene oder in einem Winkel zueinander liegen, oder die Gesamtoberfläche der Ausbildung konkav ist. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die Oberfläche über dem Schalter bei Ausbildung in winkeliger oder konkaver Form durch eine zusätzliche lichtdurchlässige, ungefärbte oder gefärbte, Abdeckung verschlossen.
• Soll der Schaltimpuls nicht erst dann erfolgen, wenn der Auslöser den Schalter berührt, sondern noch vor Berührung, so werden in einer weiteren Ausbildung der Erfindung, die Lichtstärke der Lichtquelle und/oder die Empfindlichkeit des Empfängers in der Weise erhöht, daß der Schaltimpuls bereits in einem begrenzten Bereich vor einer Berührung erfolgt.
• Wenn der Schaltzustand des Schalters angezeigt werden soll, werden, in einer weiteren Ausbildung der Erfindung, neben der Aufnahmefläche des Schalters eine, oder mehrere aus der Oberfläche strahlende, lichtemittierende Dioden als Funktionsindikator angebracht, welche direkt mit dem Emp-Fänger oder einem zwischengeschalteten integrierten Stromkreis verbunden sind.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile ergeben sich insbesondere aus dem optisch induzierten Schaltvorgang, welcher, im Gegensatz zur mechanischen Kontaktierung, keine unerwünschten Effekte wie Prellung und Abnutzung zeigt. Da die Schaltvorgänge als weitgehend trägheitslos betrachtet werden können, ist eine besonders hohe Schaltfrequenz möglich.
• Durch das Fehlen jeglicher mechanischer Teile ergeben sich produktionstechnisch erhebliche Vereinfachungen und der Schalter ist staub- und wasserdicht kapselbar sowie vibrationsunabhängig. Für die Auslösung der Schaltimpulse sind druckmechanische- und elektrische Eigenschaften des Auslösers belanglos.
• Durch die Nachschaltung integrierter Schaltkreioe, welche, im Gegensatz zu mechanischen Schaltern, voll kompatibel mit optisch-elektronischen Kopplungen sind, lassen sich die Schalter in ihrem Funktionsbereich entsprechend erweitern, beispielsweise zu Umschaltern, Wahlschaltern, Zahlschaltern oder Schaltern mit Analogsignalen. Der gesamte 5chalteraufbau läßt sich hierbei in einem gemeinsamen ringförmigen Modul oder Dual-in-line Baustein herstellen.
• Durch die Anbringung von Empfängern verschiedener Schaltkreise lassen sich mehrere stromkreise gleichzeitig schalten. Eine Lichtquelle kann zudem, unter Verwendung von Licht leitfasern, bei mehreren Tastschaltern, beispielsweise einer Tastatur, die Versorgung mit Funktionslicht übernehmen. Das Für den Schaltvorgang benötigte Funktionslicht übernimmt, bei Benutzung sichtbaren Lichtes, gleichzeitig die Schalterbeleuchtung und ermöglicht, ohne Zusatzmaßnahmen, eine Bedienung im Dunkeln. Für den Schaltvorgang können, je nach Wahl von Lichtquelle und Empfänger, ultraviolettes, sichtbares oder infrarotes Licht verwandt werden.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, wobei die Beispiele die Erfindung erläutern ohne sie zu beschränken. In Abbildung 1 ist ein genereller Aufbau des Schalters dargestellt. Lichtquelle (1) und Empfänger (2) sind in Bohrungen (3) des Gehäuses (4) in einem Winkel zueinander angebracht, wobei die Oberfläche des Gehäuses, durch eine konkave Aussparung (5), der Lage von Empfänger und Sender angepaßt ist. Die Strich-Punktlinien geben den Verlauf der Mittelstrahlen und seitlichen Begrenzung des Lichtkegels an. Abbildung 2 demonstriert die bei Einflußnahme eines mechanischen Auslösers (6) auftretende Umlenkung und Reflektion der Strahlen als Streulicht auf die Empfänger. Abbildung 3 zeigt den gleichen Schalter wie in Abbildung 1 mit Austausch der Lage von Lichtquelle und Empfänger. In Abbildung 4 ist die Oberfläche plan,und somit formmäßig nicht verändert. Ein derartiger AuFbau ist insbesondere bei manueller auslösung anwendbar, da die menschlichen Finger bei Bestrahlung mit einer Lichtquelle einen diaphanoskopischen Effekt zeigen und somit, neben ihrer Reflektionaeigenschaft, auch eine bogenFormig verlauFende Lichtleiterfunktion besitzen, so daß der Reflektionsraum besonders klein gehalten, im ExtremFall sogar fortfallen kann. abbildung 5 zeigt den Schalter mit zwei Elementen welche sich direkt, in einem Winkel zueinander, gegenüberstehen. In Abbildung 6 ist ein ichalter mit konkaver Aussparung und zentraler Lichtquelle, in welchem drei Empfänger kreisförmig angebracht sind, dargestellt. abbildung 7 zeigt die Ausführung des Schalters mit planer Oberflache unter Verwendung mehrerer, alternierend angebrachter, Empfänger und Sender in der Form, wie sie beispielsweise bei Belichtungsmessern von Fotoapparaten, dort jedoch lediglich Empfänger, verwandt werden.
• In abbildung 8 ist eine besondere Ausführung des Schalters dargestellt, wobei die zentral angeordnete Lichtquelle (1) von einem photoempfindlichen Element welches tegelstumpfform mit Basis nach oben (2) besitzt, umgeben ist. Der gleiche aufbau ist in abbildung 9 im Schnitt dargestellt, wobei hier noch eine zusätzliche lichtdurchlässige abdeckung (7) miteinbezogen ist. abbildung 10 zeigt den gleichen Schalteraufbau mit plan liegendem photoempfindlichen Element. Der in den Abbildungen 8,9 und 10 dargestellte Aufbau kann in der Weise umgeändert werden, daß das photoempfindliche Element zentral, und die Lichtquelle zirkulär angelegt ist.
• abbildung 11 stellt eine Variation der OberFlächengeometrie von Lichtquelle und Empfänger dar. Hierbei besitzen Lichtquelle (1) und photoempfindliches Element (2) halbkreisfürmige Flächen eines gemeinsamen Kreises, wobei sie am Kreisdurchmesser in einer Winkellage zueinander angebracht sind. abbildung 12 stellt den Schalter in einer komplexen Form dar. Hierbei wird das Funktionslicht durch ein der Primärlichtquelle (1) nachgeschaltetes Lichtleiterbündel (8) in einzelnen Fasern (g) zur Schalteroberfläche geführt. Der Empfänger (2) selbst ist mit einem, im Schaltergehäuse befindlichen, integrierten Stromkreis (12) verbunden, von welchem eine Verbindung zu einer, aus der Oberfläche strahlenden und als Funktionsindikator dienenden, lichtemittierenden Diode (11) Führt. Die elektrischen Leitungen (10) von Lichtquelle und photoempfindlichem Element oder nachgeschaltetem integrierten Stromkreis, sind in der Weise statisch verstärkt, daß sie als steck- oder flutbare Verbindungen für eine Leiterplatine verwandt werden können.

Claims (12)

1. Patentansprüche

   t. ) Schalter zur Auslösung optisch-elektronischer Kopplungen nach mechanisch bewirkten optischen Signalen (1-12), welcher in Schwachstromkreisen elektrotechnischer und elektronischer Systeme zu schatverwertbaren Impulsen führt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter, in einem gemeinsamen Gehäuse, eine Lichtquelle oder mehrere Lichtquellen unterschiedlicher Oberflächengeometrie, als Sender, und ein photoempfindliches Element oder mehrere photoempfindliche Elemente unterschiedlicher Oberflächengeometrie, als Empfänger, besitzt, wobei Sender und Empfänger, unter Einbeziehung- der Schaltcroherflächenform, derart zueinander angeordnet sind, daß von den Lichtquellen emittiertes Licht von den, selbst als Reflektoren dienenden, mechanischen auslöser, in Form von Streulicht auf die Empfänger umgelenkt wird, wodurch die Schalt impulse ausgelöst werden.
2. 2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, als Lichtquellen, insbesondere lichtemittierende Dioden, Glühlampen, Lichtleiter oder Elemente welche ultraviolettes, sichtbares oder infrarotes Licht aussenden, als Empfänger, insbesondere Fototransistoren, Fotodioden, Fotowiderstände, Fotozellen oder für die Kombination mit einer der vorgenannten Lichterzeuger kombinierbare, photoempfindliche Elemente eingesetzt werden.
3. 3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von einem der Primärlichtquelle nachgeschalteten Lichtleiterbündel einzelne Fasern als Lichtsender an die Oberfläche des Schalters geführt werden (12) oder als Funktionslichtleiter für weitere Schalter verwandt werden.
4. 4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleitungen der Empfänger und/oder Sender untereinander elektrisch verkoppelt werden.
5. 5. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Schalter Empfänger unterschiedlicher Stromkreise angebracht werden.
6. @. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen der Lichtsender und Lichtempfänger in der Weise statisch verstärkt werden, daß der Gesamtschalter als steck-oder lriLbares Dual-in-line Modul verwandt wird (12).
7. 7. @chalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet7 daß zur Funktionserweiterung verwandte integrierte Schaltkreise direkt im Schaltergehäuse installiert werden (12).
8. t. schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächengeometrie von Sender und Empfänger in insbesondere der Weise ausgestaltet ist, daß der Sender eine ringförmige Flache um einen zentral gelegenen Empfänger, oder der Empfänger eine ringFurmige Flache um den zentral gelegenen Sender einnimmt (,9 - 10), wobei Empfänger und Sender entweder in einer Ebene (10) oder in einem Winkel (8,9) zueinander liegen, oder die Gesamtoberfläche der Ausbildung konkav ist.
9. Schalter nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, daß die Flächengeometrie von Sender und Empfänger insbesondere halhkreisförmig (11), als Kreissegment, Kreisausschnitt oder als beliebiger geometrischer Teil eines Rechtecks ausgebildet ist, wobei Empfänger und Sender entweder in einer Ebene oder in einem Winkel zueinander liegen oder die Gesamtausbildung konkav ist.
10. 10. schalter nach einspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteroberfläche mit einer lichtdurchlessigen, gefärbten oder nicht gefärbten abdeckung versehen ist (9).
11. 11. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emp-Findlichkeit von Empfänger und/oder die Lichtstärke des Senders in der Weise erhüht werden, daß der Schaltvorgang schon vor Berührung der Schalteroberfläche erfolgt.
12. 12. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter an seiner Oberfläche mit einer oder mehreren lichtemittierenden Elementen, insbesondere lichtemittierenden Dioden, ausgestattet ist, welche direkt mit dem Empfänger oder einem zwischengeschalteten integrierten Stromkreis verbunden sind, und den Funktionszustand des Schalters anzeigen (12). L e e r s e i t e