CH547007A

CH547007A - Druckempfindlicher elektrischer schalter, insbesondere fuer schwach- oder signalstrom.

Info

Publication number: CH547007A
Authority: CH
Original assignee: Wifo Forschungsinst Ag
Priority date: 1972-04-06
Filing date: 1972-04-06
Publication date: 1974-03-15

Description

Zum Unterbrechen oder Schliessen elektrischer Ströme, insbesondere Schwachströme oder Signalströme, sind zahlreiche Schaltertypen bekannt, z.B. mechanische, pneumatische, akustische oder auf Lichtstrahlung ansprechende Schalter bzw. Regler, wie sie zum Ein- und Ausschalten von Beleuchtungs- oder Betätigungsanlagen mit oder ohne Verstärkung durch Relais, verwendet werden.

Die Erfindung betrifft einen druckempfindlichen elektrischen Schalter, der für solche Verwendungszwecke geeignet ist, und mindestens eine Zuleitung und Ableitung sowie mindestens ein zwischen Zuleitung und Ableitung für den zu schaltenden Strom angeordnetes Schaltelement besitzt, dessen elektrischer Durchgang sich bei Druckeinwirkung verändert.

Der erfindungsgemässe Schalter ist dadurch gekennzeichnet, dass das Element aus einem zwischen zwei elektrischen Leitern angeordneten, elastisch verformbaren Körper besteht, der eine elektrisch nichtleitende, elastisch verformbare Masse und darin verteilte Einschlüsse aus elektrisch leitendem Material enthält, wobei die Einschlüsse in der nicht verformten Masse zum überwiegenden Teil voneinander beabstandet angeordnet sind.

Die elektrisch nichtleitende, elastisch und insbesondere gummielastisch verformbare Masse besteht meist aus organischem Polymer, insbesondere Elastomer oder elastischem Thermoplast, gegebenenfalls mit an sich bekannten inerten Füllstoffen, Pigmenten, Weichmachern, Stabilisatoren u. dgl.

aus der Kunststofftechnologie bekannten Zusätzen. Natürliche Polymere, wie vulkanisierter Naturkautschuk, oder synthetische Polymere, wie Synthesekautschuk, Siliconkautschuk u. dgl.. mit den für diese Stoffe üblichen Zusätzen sind geeignet. Elastomere bzw. Vulkanisate werden meist bevorzugt.

Die in der Masse vorzugsweise gleichmässig verteilten Einschlüsse aus elektrisch leitendem Material sind für die meisten Verwendungszwecke Feststoffe, insbesondere Metallteilchen z.B. aus Nickel, doch sind für Spezialzwecke auch Einschlüsse aus flüssigem oder halbflüssigem Material geeignet. Die mittlere Querschnittsgrösse der Einschlüsse bzw. Teilchen liegt meist unter 1000 Mikron, vorzugsweise zwischen 250 und 50 Mikron, insbesondere im Bereich um etwa 100 Mikron. Vorzugsweise werden regelmässig geformte, z.B. sphärische bzw.

sphäroide Feststoffteilchen verwendet. Allgemein hängen die Grössen der Einschlüsse bzw. Teilchen, der Volumanteil der Einschlüsse, d.h. das Verhältnis ihres Gesamtvolumens zum Volumen der elastisch verformbaren Masse oder Matrix und die Elastizität der Masse vom Verwendungszweck ab, d.h.

speziell der Druckeinwirkung (Last pro Flächeneinheit), die eine Betätigung des erfindungsgemässen Schalters bewirken soll. Für die meisten Zwecke liegt dieser Betätigungsdruck über 10 g/cm2. Dies wird weiter unten anhand einiger Beispiele erläutert, doch kann der Fachmann die für spezielle Verwendungszwecke geeigneten Parameter ohne Schwierigkeiten durch einfache Versuche ermitteln.

Erfindungsgemäss sind die elektrisch leitenden Einschlüsse in der nicht verformten, d.h. keinem oder einem ungenügenden Betätigungsdruck ausgesetzten Masse voneinander beabstandet angeordnet. In diesem Zustand besteht keine elektrisch leitende Verbindung zwischen Zuleitung und Ableitung des erfindungsgemässen Schalters. Unter der Einwirkung des Betätigungsdruckes werden die Einschlüsse an einer Mehrzahl von Stellen miteinander in Berührung gebracht und es entstehen elektrisch leitende Pfade im Element, welche Zuleitung und Ableitung miteinander verbinden.

Bei der praktisch bevorzugten Ausbildung des Schalters als Ein- und Ausschalter für wiederholten Betrieb wird diese elektrische Verbindung aufgehoben, wenn der Betätigungsdruck nicht mehr einwirkt, weil die elastisch verformbare Masse wieder in ihren Ruhezustand zurückkehrt, in welchem die Einschlüsse voneinander beabstandet sind.

Bei einer anderen Ausbildung des Schalters für Spezialzwecke mit Einschlüssen aus flüssigem leitfähigem Material bleiben die durch Druckeinwirkung entstandenen elektrisch leitenden Pfade mindestens zeitweilig nach Aufhebung des Betätigungsdruckes erhalten. was praktisch für bestimmte Alarm- bzw. Sicherungsanlagen u. dgl. ausgenützt werden kann.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemässe Schalter als mehrschichtiges Band oder Blatt ausgebildet, dessen oberste und unterste Schicht aus elektrisch leitendem Material, z.B. Metallfolie, Metallblech, besteht, während das als Schaltelement dienende Gebilde zwischen diesen Schichten liegt. Die Berührungsfläche zwischen den Schichten aus elektrisch leitendem Material und dem Element ist meist mindestens etwa dreimal grösser als die grösste senkrecht zur Berührungsfläche liegende Querschnittsfläche des Elementes.

Zur Herstellung eines erfindungsgemässen Schalters wird so verfahren, dass man in einer iliessfähigen, polymerisierbaren oder polymerhaltigen Masse als kontinuierlicher Phase elektrisch leitendes Material in Form feiner Teilchen oder Tropfen als diskontinuierliche Phase verteilt, die Polymermasse zu einem elastisch verformbaren Gerüst für die Teilchen oder Tropfen aus elektrisch leitendem Material verfestigt, und dass man ein Band oder Blatt aus diesem Produkt an einander gegenüberliegenden Seiten mitje einer elektrisch leitenden Schicht versieht.

Allgemein gilt für die Herstellung des druckempfindlichen Elementes, dass eine homogene Verteilung der dispersen Phase vorteilhaft ist und dass eine übermässige Sedimentation vermieden werden soll. Dies kann in an sich bekannter Art durch entsprechende Viskosität der noch nicht verfestigten Masse, etwa durch Zusatz von elektrisch nichtleitenden Füllstoffen, und Verfestigung (Polymerisation, Vernetzung oder Erhärtung) unter entsprechenden Bedingungen erreicht werden.

Allgemein können erfindungsgemässe Schalter sehr billig hergestellt und für die oben angegebenen Zwecke verwendet werden. wobei sie nicht nur kostenmässig, sondern auch technische Vorteile, z.B. völlige Unempfindlichkeit gegen Wasser, bieten.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein Druck/Widerstandsdiagramm zur Darstellung der Veränderung des elektrischen Durchgangs verschieden ausgebildeter druckempfindlicher Schaltelemente und
Fig. 2-4 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise des druckempfindlichen Schaltelementes eines Ein-Aus-Schalters.

Im Diagramm von Fig. list auf der Ordinate der elektrische Widerstand R in Ohm. auf der Abszisse der Druck P in g/cm2 angegeben. Die Kurven 1. 2 und 3 geben die Messergebnisse von drei Proben wieder, die sich jeweils durch das Volumverhältnis von nichtleitender, elastisch verformbarer Masse zu den darin verteilten leitenden Einschlüssen unterscheiden. Die bei allen Kurven stets innerhalb eines sehr engen Druckveränderungsbereiches erfolgende Abnahme des Widerstandes um mehr als 8 Zehnerpotenzen ermöglicht den bevorzugten Ein-Aus-Schalteffekt bei den jeweiligen Schwellenwerten des Betätigungsdruckes, hier z.B. etwa 150 g/cm2 in Kurve 1. etwa 400 gicm2 in Kurve 2 und etwa 700 g/cm2 in Kurve 3.

Bei einer an einer Probe anliegenden Spannung von 24 V wurde der Strom (I) durch einen in Reihe geschalteten Wider stand von 12053 9 auf 200 mA begrenzt. In unbelastetem Zu- stand (P = 0) war der Strom I = 0,1 ,aA, wobei R = 240 MII.

Bei P = 100 g/cm2 war I = 200 ,uA und R = 0, 19. Die Un- tersuchung der Ansprechfunktion U = f(I) zeigt einen sehr raschen und linearen Anstieg, der kein Hysterese-Effekt ist.

Ferner zeigt sich, dass die Systeme R = f (d) oder (P) keine linearen Funktionen sind (d bedeutet die Dicke des Elementes), was anhand der in den Fig. 2-4 schematisch dargestellten Zustände ohne weiteres verständlich ist.

In den Fig. 2-4 werden drei Zustände eines druckempfindlichen Schaltelementes dargestellt, das aus nichtleitender, elastisch verformbarer Masse oder Matrix 21 und darin verteilten leitenden Teilchen 22 sowie Zu- und Ableitungen 23, 24 besteht. In Fig. 2 ist der Druck P = 0, die Dicke der schichtförmigen Matrix 21 entspricht der Ruhedicke. In Fig. 3 wirkt der Druck P1, der aber noch keine signifikante Änderung der Dikke d und keine wesentliche Änderung des elektrischen Durchgangs bewirkt. bei Erreichen des Schwellenwertes P2 (Betätigungsdruck) entstehen unter elastischer Verformung der Matrix 21 zahlreiche mechanische Kontakte zwischen den leitenden Teilchen 22 und damit eine leitende Verbindung zwischen Zu- und Ableitung 23, 24. Bei Aufhebung oder Verminderung des Druckes P2 kehrt das System augenblicklich in den in Fig. 2 bzw. 3 dargestellten Zustand zurück.

Im folgenden werden Beispiele für die Herstellung dieser Schaltelemente gegeben. Teile sind Gewichtsteile.

Beispiel 1
3,1 Teile Siliconkautschuk ( Wacker SK 1 der Firma Wacker, München) werden mit 0,5 Teilen Titandioxyd (Bayer, Leverkusen) und 2,0 Teilen Nickelpulver (Bandier SA., Feinheit 80/200) zu einer homogenen Paste verarbeitet und diese in einer Dicke von ca. 1 mm auf Aluminiumfolie aufgeschichtet. Die Masse wird zur Polymerisation 24 Std. der Luft ausgesetzt stehen gelassen und dann auf der Oberseite mit einer zweiten Aluminiumfolie verpresst. Das so erhaltene Schichtgebilde ist ohne weiteres als Druckschalter für einen Betätigungsdruck von etwa 1000 g/cm2 zur Ein-Aus-Schaltung von Strömen mit bis etwa 200 mA bei Spannungen bis ca. 25 V geeignet.

Beispiel 2
Es wird wie in Beispiel 1 gearbeitet,jedoch mit einer Masse folgender Zusammensetzung:
2,1 Teile Siliconkautschuk
0,2 Teile TiO2
3,0 Teile Nickelpulver
Der Betätigungsdruck des fertigen Schalters liegt bei etwa 300 g/cm2.

Beispiel 3
Es wird wie in Beispiel 1 gearbeitet, jedoch mit einer Masse folgender Zusammensetzung:
1,2 Teile Siliconkautschuk
0,1 Teil TiO2
2,2 Teile Nickelpulver
Der Betätigungsdruck des fertigen Schalters liegt bei etwa 50 g/cm2.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

I. Druckempfindlicher elektrischer Schalter, insbesondere für Schwachstrom oder Signalstrom, mit mindestens einer Zuleitung und Ableitung sowie mindestens einem zwischen Zuleitung und Ableitung für den zu schaltenden Strom angeordneten Schaltelement, dessen elektrischer Durchgang sich bei Druckeinwirkung verändert, dadurch gekennzeichnet, dass das Element aus einem zwischen zwei elektrischen Leitern angeordneten, elastisch verformbaren Körper besteht, der eine elektrisch nichtleitende, elastisch verformbare Masse und darin verteilte Einschlüsse aus elektrisch leitendem Material enthält, wobei die Einschlüsse in der nicht verformten Masse zum überwiegenden Teil voneinander beabstandet angeordnet sind.

II. Verfahren zur Herstellung des Schalters nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man in einer fliessfähigen, polymerisierbaren oder polymerhaltigen Masse als kontinuierlicher Phase elektrisch leitendes Material in Form feiner Teilchen oder Tropfen als diskontinuierliche Phase verteilt, die Polymermasse zu einem elastisch verformbaren Gerüst für die Teilchen oder Tropfen aus elektrisch leitendem Material verfestigt, und dass man ein Band oder Blatt aus diesem Produkt an einander gegenüberliegenden Seiten je mit einer elektrisch leitenden Schicht versieht.

UNTERANSPRÜCHE 1. Schalter nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Berührungsfläche zwischen den Leitern und dem Körper um ein Mehrfaches, vorzugsweise mindestens etwa dreimaigrösser ist, als die grösste, senkrecht zur Berührungsfläche liegende Querschnittsfläche des Körpers.

2. Schalter nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter Schichten, Folien oder Bleche aus leitfähigem, vorzugsweise metallischem Werkstoff sind, vorzugsweise in praktisch paralleler Anordnung zueinander.

3. Schalter nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch nichtleitende Masse eine Füllstoffe und/oder Weichmacher enthaltende Polymermasse, vorzugsweise aus Elastomer oder aus elastisch verformbarem Thermoplast ist.

4. Schalter nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material der Einschlüsse ein metallisch leitfähiger teilchenförmiger Feststoff, vorzugsweise in regelmässiger, z;B. praktisch sphäroider Form, ist.

5. Schalter nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Teilchengrösse des Feststoffes kleiner als 1000 Mikron ist und vorzugsweise in einem Bereich von 50-250 Mikron liegt.

6. Schalter nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Einschlüsse eine elektrisch leitende Flüssigkeit, z.B. eine Salzlösung ist.

7. Schalter nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung und Form der Einschlüsse und die Elastizität der Masse so aufeinander abgestimmt sind, dass sich die elektrische Leitfähigkeit des Elementes bei Drücken von 100-700 g/cm2 um mindestens sechs Zehnerpotenzen, vorzugsweise mindestens sieben Zehnerpotenzen, erhöht, z.B. von etwa 106 auf etwa 10-1 S1.