DE4230950C1 - Electromagnetic pushbutton switch with variable restoring force - has coil with permanent-magnet core which doubles as sensor of movement or position of button and as actuator for additional movement dependent on switching function - Google Patents
Electromagnetic pushbutton switch with variable restoring force - has coil with permanent-magnet core which doubles as sensor of movement or position of button and as actuator for additional movement dependent on switching functionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Drucktastenschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an electrical push button switch according to the preamble of claim 1.
Bei bekannten aktiven Drucktastenschaltern wird zum Zwecke einer Druckpunktsimulation ein Stellglied in die Drucktaste mit eingebaut, welches nach Änderung der Schalterstellung eines Schaltkontakts eine zusätzliche Bewegung der Drucktaste herbeiführt (DE 41 28 589 C1).In known active push button switches is used for the purpose Pressure point simulation an actuator is built into the push button, which after changing the switch position of a switch contact brings about additional movement of the pushbutton (DE 41 28 589 C1).
Auch ist ein elektrischer Drucktastenschalter mit einer Drucktaste bekannt, welche entgegen einer Rückstellkraft betätigt wird, wobei zwischen Taste und Tastenträger mit beiden verbunden ein elektromagnetisches Bauteil befindlich ist, welches als Sensor zur Auswertung der Position der Taste verwendet wird (DE 87 07 707 U1).Also known is an electrical push button switch with a push button, which counter a restoring force is actuated, between the key and key carrier with both an electromagnetic component is connected, which is used as a sensor for evaluation the position of the button is used (DE 87 07 707 U1).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine im Patent DE 41 28 589 C1 beschriebene Drucktaste so zu verbessern, daß der Schaltkontakt entfallen kann, und die Bestimmung der Tastenbewegung beziehungsweise Tastenposition sowie die zur Druckpunktsimulation notwendige Zusatzbewegung der Taste mit ein und demselben elektromagnetischen Bauteil ausgeführt werden kann.The invention is based on the object in patent DE 41 28 589 C1 to improve the push button described so that the switching contact can be omitted, and the determination of the key movement or key position and that for pressure point simulation necessary additional movement of the key with one and the same electromagnetic component can be executed.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved by the features of claim 1 solved.
Der Schalter nach der Erfindung bei dem die Tastenbewegung mit Hilfe des elektromagnetischen Stellgliedes bestimmt wird, zeichnet sich dadurch aus, daß durch die Tastenbewegung eine Spule relativ zum Feld eines Magneten bewegt wird, wobei das magnetische Feld den Mantel der Spule durchsetzt und so in der Spule beim Niederdrücken der Taste eine der Betätigungsgeschwindigkeit proportionale Spannung induziert wird.The switch according to the invention in the the button movement using the electromagnetic Actuator is determined, characterized in that by Key movement a coil is moved relative to the field of a magnet the magnetic field penetrating the jacket of the coil and so in the When the button is pressed, one of the actuation speeds proportional voltage is induced.
Diese Spannung kann als Eingangssignal für eine elektrische Schaltung benutzt werden, welche auf den Tastendruck reagiert.This voltage can be used as an input signal for an electrical circuit be used, which reacts to the keystroke.
Danach kann ein kurzer von außen durch die Spule getriebener Strom die gewünschte zusätzliche Bewegung der Taste zur Bestätigung der Schaltfunktion hervorrufen.Then a short current driven from the outside through the coil can desired additional movement of the key to confirm the Cause switching function.
Für den mechanischen Aufbau ist es sowohl möglich die Spule mit der Taste und den Dauermagneten mit dem Tastenträger zu verbinden oder den Magneten an der Taste und die Spule am Tastenträger zu fixieren.For the mechanical structure, it is both possible to use the coil with the To connect the button and the permanent magnet to the button holder or to fix the magnet on the button and the coil on the button holder.
Die Bestimmung des Betätigungszustandes einer Taste wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer von der Tastenposition abhängigen Induktivität und deren Messung oder durch die Bestimmung veränderter mechanischer, insbesondere schwingungsmechanischer Eigenschaften der Drucktaste bei deren Betätigung vorgenommen.The determination of the operating state of a button is according to the invention by using one of the key position dependent inductance and its measurement or by determination modified mechanical, especially vibration mechanical Properties of the pushbutton made when you press it.
Eine von der Tastenposition abhängige Induktivität kann dadurch erreicht werden, daß bei der Bewegung der Taste in ferro-, para- oder diamagnetisches Material in das Innere der Spule geschoben wird, wobei sich deren Induktivität im ferro- oder paramagnetischen Fall vergrößert und bei diamagnetischem Material verkleinert. An inductance dependent on the key position can be achieved be that when moving the key in ferro, para- or diamagnetic material is pushed inside the coil, whereby their inductance increases in the ferro- or paramagnetic case and reduced in diamagnetic material.
Ein äußerer Stromfluß durch die Spule kann nun eine Relativbewegung der Spule in Richtung wachsender Induktivität verursachen. Eine Verstärkung der diese Bewegung verursachenden Kraft ist durch ein permanentmagnetisches Material erreichbar, welches mit dem für die Änderung der Induktivität verantwortlichen ferro-, para- oder diamagnetischen Material fest verbunden oder dieses selbst ist und ein zusätzliches magnetisches die Spule durchsetzendes Feld erzeugt. Wiederum kann die Spule mit der Taste oder dem Tastenträger verbunden sein.An external current flow through the coil can now make a relative movement cause the coil towards increasing inductance. A The strength of this movement is increased by a permanent magnetic material that can be used with the for the Change the inductance responsible ferro, para or diamagnetic material firmly connected or this is itself and a generates an additional magnetic field passing through the coil. Again, the coil can be connected to the key or the key carrier be.
Die Induktivität wird als elektrische Signalgröße für die Positionbestimmung der Taste verwendet, da sie von einer elektrischen Schaltung ausgewertet werden kann.The inductance is used as an electrical signal variable for the Positioning of the button used because it is from an electrical Circuit can be evaluated.
Eine weitere vorteilhafte Methode für die Bestimmung des Betätigungszustandes einer Taste ist die Anordnung des Tastschalters als schwingungsfähiges System.Another advantageous method for determining the actuation state a key is the arrangement of the key switch as vibratory system.
Die Taste wird durch eine Rückstellkraft in eine Ruhelage bewegt.The button is moved into a rest position by a restoring force.
Durch ein elektromagnetisches Bauteil kann die Taste selbst aus dieser Ruhelage ausgelenkt und in Schwingung versetzt werden.The button itself can be removed from it by means of an electromagnetic component Rest position deflected and vibrated.
Bei kleinen Auslenkungen der Taste wird eine gedämpfte sinusoidale Schwingung ausgeführt.With small deflections of the button, a damped sinusoidal Vibration executed.
Bei Betätigung der Taste ändert sich das Schwingungsverhalten bezüglich Eigenfrequenz und Dämpfung signifikant, da das Betätigungsorgan, im allgemeinen der Betätigungsfinger, die von der Tastenrückstellkraft zu bewegende Masse vergrößert und durch Reibung die Schwingung zusätzlich dämpft.When the button is pressed, the vibration behavior changes Natural frequency and damping significant because the actuator, in general of the actuating fingers, which by the key restoring force moving mass increases and due to friction the vibration additionally dampens.
Das Schwingungsverhalten wird anhand der zur momentanen Tastengeschwindigkeit proportionalen Induktionsspannung über der in der Drucktaste befindlichen Spule von einer elektrischen Schaltung zur Bestimmung des Betätigungszustandes ermittelt werden.The vibration behavior is based on the current Key speed proportional induction voltage above that in the Pushbutton located coil from an electrical circuit to Determination of the operating state can be determined.
Eine vorteilhafte und einfache Ausführung des beschriebenen Druckschalters wird erreicht, wenn die Taste als Folie ausgebildet wird, an welcher entweder der Magnet oder die Spule befestigt ist. Bei Auslenkungen der Folie durch Fingerdruck entsteht ein die Tastenbetätigung anzeigendes elektrisches Signal einerseits und andererseits ist es möglich einen Strom durch die Spule fließen zu lassen, welcher durch Auslenkung der Folie unter Kraftwirkung auf den Finger diese Tastenbetätigung mechanisch bestätigt.An advantageous and simple embodiment of the described Pressure switch is reached if the button is designed as a film, to which either the magnet or the coil is attached. When the film is deflected by finger pressure, a Electrical signal indicating button actuation on the one hand and on the other hand it is possible to let a current flow through the coil which by deflecting the film with force on the finger this button actuation is mechanically confirmed.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, auf die bezüglich einer erfindungswesentlichen Offenbarung aller im Text nicht erwähnten Einzelheiten ausdrücklich hingewiesen wird. Es zeigtFurther details, advantages and features of the invention emerge from the following description with reference to the accompanying drawings the regarding a disclosure essential to the invention of all in the text details not mentioned are expressly pointed out. It shows
Fig. 1 und 2 eine Ausführungsform des Druckschalters zur Erzeugung einer Induktionsspannung bei Tastenbewegung, Fig. 1 and 2, an embodiment of the pressure switch for generating an induction voltage in key motion,
Fig. 3 den Feldlinienverlauf des in Fig. 1, 2, 4 und 5 verwendeten Permanentmagneten, Fig. 3 shows the field lines of the permanent magnet used in Fig. 1, 2, 4 and 5,
Fig. 4 eine Ausführungsform des Druckschalters zur Erzeugung einer Induktivitätsänderung während des gedrückten Zustandes, Fig. 4 shows an embodiment of the pressure switch for generating an inductance during the compressed state,
Fig. 5 eine Ausführungsform des Druckschalters zur Erzeugung einer Induktionsspannung bei Tastenbewegung und einer Induktivitätsänderung während des gedrückten Zustandes, Fig. 5 shows an embodiment of the pressure switch for generating an induction voltage in key motion and a change in inductance during the compressed state,
Fig. 6 eine Ausführungsform des Druckschalters mit Folientaste. Fig. 6 shows an embodiment of the pressure switch with membrane key.
Der in Fig. 1 dargestellte Schalter enthält eine mit der Taste 1 verbundene Tauchspule 2, welche bei Tastenbetätigung gegen die Rückstellkraft der Feder 5 in einen mit dem Tastenträger 3 verbundenen Ringmagneten 4 eintaucht.The switch shown in FIG. 1 contains a plunger coil 2 connected to the key 1 , which plunges into a ring magnet 4 connected to the key carrier 3 against the restoring force of the spring 5 when the key is pressed.
Dabei entsteht während der Bewegung an der Spule eine Induktionsspannung, welche eine der Bewegungsrichtung entsprechende Polung und der Bewegungsgeschwindigkeit entsprechende Höhe aufweist. Ferner entspricht das Zeitintegral über der Spannung, welches in guter Näherung mit einem elektrischen Tiefpaß kleiner Bandbreite gebildet werden kann, der Drucktiefe der Taste. Die Auswertung der über einen Tiefpaß gefilterten Induktionsspannung ermöglicht die Entscheidung des Schaltzustandes zum einen Teil abhängig von der Betätigungsgeschwindigkeit und zum anderen Teil von der Drucktiefe, wobei der Einfluß beider Teile durch die Zeitkonstante bzw. Bandbreite des Tiefpasses variiert werden kann.This creates a during the movement on the coil Induction voltage, which corresponds to the direction of movement Polarity and height corresponding to the speed of movement. Furthermore, the time integral corresponds to the voltage, which is in good Approximation formed with an electrical low-pass filter of small bandwidth can be the pressure depth of the button. The evaluation of one Low pass filtered induction voltage allows the decision of the Switching state partly dependent on the Actuation speed and the other part of the printing depth, where the influence of both parts by the time constant or bandwidth of the Low pass can be varied.
Eine Zusatzbewegung der Taste 1 zur Bestätigung der Schaltfunktion wird mit einem die Spule 2 durchfließenden Strom herbeigeführt. Dabei ist je nach Stromrichtung eine Verringerung bzw. Verstärkung der von der Feder 5 ausgehenden, den Finger beaufschlagenden Rückstellkraft möglich.An additional movement of the key 1 to confirm the switching function is brought about with a current flowing through the coil 2 . Depending on the direction of the current, it is possible to reduce or increase the restoring force exerted by the spring 5 and act on the finger.
Fig. 2 stellt eine Variante des Druckschalters mit am Tastenträger 3 befestigter Spule 2 und mit der Taste 1 verbundenem Magnetkern 4 dar. FIG. 2 shows a variant of the pressure switch with the coil 2 attached to the key carrier 3 and the magnetic core 4 connected to the key 1 .
Die elektrischen Eigenschaften dieses Druckschalters entsprechen denen des in Fig. 1 gezeigten. Vorteilhaft gegenüber dem oben beschriebenen ist, daß die Zuleitungen 6 der Spule bei Tastenbetätigung nicht bewegt werden und deshalb für diese starres Leitungsmaterial verwendet werden kann. The electrical properties of this pressure switch correspond to those of the one shown in FIG. 1. It is advantageous compared to that described above that the leads 6 of the coil are not moved when a key is pressed and therefore rigid line material can be used for them.
In Fig. 3 ist der Feldverlauf 7 des in Fig. 1, 2, 5 und 6 verwendeten Magneten dargestellt. Dabei kann der Richtungssinn beliebig gewählt werden, da eine Umpolung des Magnetfeldes 7 nur einer Vertauschung der beiden Schalteranschlüsse 6 entspricht.In Fig. 3, the field distribution is shown 7 of the magnet used in Fig. 1, 2, 5 and 6. The sense of direction can be chosen as desired, since reversing the polarity of the magnetic field 7 only corresponds to swapping the two switch connections 6 .
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des Druckschalters mit ferromagnetischem Kern 8. Bei Tastenbetätigung ändert sich die Induktivität des Systems Spule 2 und Kern 8, welche zur Bestimmung des Schaltzustandes gemessen wird. Fig. 4 shows an embodiment of the pressure switch with ferromagnetic core 8. When the button is pressed, the inductance of the coil 2 and core 8 system changes , which is measured to determine the switching state.
Die Rückmeldung erfolgt hier durch eine Zusatzbewegung der Taste 1 nach innen, welche durch einen von der Polung unabhängigen Gleichstrom oder Wechselstrom durch die Spule 2 hervorgerufen wird.The feedback occurs here by an additional movement of the button 1 inwards, which is caused by a direct current or alternating current through the coil 2 that is independent of the polarity.
Fig. 5 zeigt einen Drucktastenschalter mit zweikomponentigem Kern 9. Durch den permanentmagnetischen Teil 10 des Kerns 9 verhält sich der Schalter wie der in Fig. 1 dargestellte. Die zweite Kernkomponente 11 ist aus para-, ferro- oder diamagnetischen Material und ist in Fig. 5 so angeordnet, daß es bei Tastenbetätigung ins Spuleninnere gelangt und dabei die Induktivität der Spule 2 verändert. Fig. 5 shows a push button switch with a two-component core 9. Due to the permanent magnetic part 10 of the core 9 , the switch behaves like that shown in FIG. 1. The second core component 11 is made of para-, ferro- or diamagnetic material and is arranged in FIG. 5 in such a way that when a key is pressed it enters the inside of the coil and thereby changes the inductance of the coil 2 .
Natürlich kann abweichend von Fig. 1 die Kernkomponente 11 bei Tastenbetätigung gegebenenfalls nach oben aus dem Inneren der Spule 2 bewegt werden, oder nur ein Kernmaterial verwendet werden, welches gleichzeitig dauermagnetisch ist und eine von 1 abweichende relative magnetische Permeabilität aufweist, d. h. para-, ferro- oder diamagnetisch ist und auf diese Weise eine von der Tastenstellung abhängende Induktivität erreicht werden.Of course, deviating from FIG. 1, the core component 11 can optionally be moved upwards out of the inside of the coil 2 when a key is pressed, or only a core material can be used which is simultaneously permanent magnetic and has a relative magnetic permeability which deviates from 1, ie para-, ferro - Or is diamagnetic and an inductance dependent on the key position can be achieved in this way.
Ausführung des Druckschalters nach Fig. 5 hat gegenüber derjenigen nach Fig. 4 den Vorteil, daß die Rückmeldungsbewegung elektrisch gesteuert in beide Richtungen vorgenommen werden kann und mit höherem Wirkungsgrad abläuft, da die hier zu magnetisierende Kernmenge und damit verbundene Verlustarbeit vergleichsweise gering ist.Embodiment of the pressure switch of Fig. 5 has the advantage over that of FIG. 4 has the advantage that the feedback motion can be made electrically controlled in both directions and runs at a higher efficiency since the here-to-magnetize core set and related work loss is comparatively small.
In Fig. 6 ist ein Druckschalter, dessen Taste 1 als Folie ausgebildet ist, dargestellt. Die Folie 1 kann durch bestimmte Formgebung so gestaltet werden, daß seitliche Kippbewegungen der an ihr befestigten Tauchspule 2 bei Tastenbetätigung reduziert werden. Als Spulenkern 4 wird ein dauermagnetischer Kern nach Fig. 3 oder ein Kern wie er in den Ausführungen zu Fig. 4 bzw. 5 beschrieben ist, verwendet. Je nach Kernvariante verhält sich dieser Schalter elektrisch so, wie die entsprechenden oben beschriebenen.In Fig. 6, a pressure switch, the button 1 is designed as a film, is shown. The film 1 can be designed by a certain shape so that lateral tilting movements of the attached plunger 2 can be reduced when a button is pressed. A permanent magnetic core according to FIG. 3 or a core as described in the explanations for FIGS. 4 and 5 is used as the coil core 4 . Depending on the core variant, this switch behaves electrically as the corresponding ones described above.
An dieser Stelle ist zu erwähnen, daß die Zuordnung Tauchspule 2 - Taste 1, Kern 8, 9, 4 - Tastenträger 3 für die in Fig. 4 bis 6 dargestellten Druckschalter getauscht werden kann, so daß wie beim Schalter nach Fig. 2 die Spule 2 stationär mit dem Tastenträger 3 und der Kern 8, 9, 4 mit der Taste 1 verbunden ist.At this point it should be mentioned that the assignment of moving coil 2 - key 1 , core 8, 9, 4 - key holder 3 can be exchanged for the pressure switches shown in FIGS. 4 to 6, so that the coil as in the switch according to FIG. 2 2 stationary with the key holder 3 and the core 8, 9, 4 is connected to the key 1 .
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