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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektronische Drehschalter. Solche
Schalter werden in großer Anwendungsvielfalt
verwendet, um Ein- oder Ausgaben zu steuern oder abzustimmen. Zwei
geläufige Beispiele
sind die Temperatursteuerung und die Motorkühlgebläsesteuerung in einem Kraftfahrzeug.
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Elektronische
Drehschalter sind in zahlreichen Bauformen bekannt. Ein Potentiometer
ist ein allgemein bekanntes Gerät
zum Steuern des Spannungspotentials in einer Schaltung. Mit dem
Aufkommen von Mikroprozessoren und der digitalen Steuerung vieler
Komponenten sind Codierer weitgehend als Mittel zur Steuerung verschiedener
Systeme, einschließlich
von Elektronik, geworden. Als Potentiometer und Codierer konfigurierte
Schalter werden in einer enormen Vielfalt von Anwendungen verwendet. Jede
Anwendung mit einer elektrischen Schalttafel wird gewöhnlich ein
Potentiometer oder einen Codierer oder manchmal beides aufweisen,
um solche Parameter wie Temperatur, Motordrehzahl, Frequenz, Zeitgebungen,
Druck oder Betriebsmodus zu steuern. Die vom Potentiometer oder
Codierer erzeugten Signale werden gewöhnlich von einem integrierten Schaltkreis
erkannt, der an einer Leiterplatte (PCB-Printed Circuit Board) angebracht
ist, auch bekannt als PWB (Printed Wiring Board). Je nach Anwendung
kann der integrierte Schaltkreis ein Mikroprozessor sein, der in
der Lage ist, eine beträchtliche Anzahl
von Eingaben zu verarbeiten und eine Vielzahl von Parametern zu
steuern.
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Die
Kosten eines Codierers oder Potentiometers, der/das für die Verwendung
in einem Kraftfahrzeug eingerichtet ist, etwa als Klimasteuerungsschalter,
liegen üblicherweise
im Bereich von 3–4
$, exklusive der Leiterplatte oder des Mikroprozessors. Ein kostengünstigerer
Drehschalter, der die Funktionen eines Potentiometers oder eines
Codieres oder Modusselektors zuverlässig bereitstellt, ist wünschenswert.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist ein elektronischer Drehschalter, der aus
einem drehbaren Knopf besteht, welcher an einer Leiterplatte mit
mindestens einem Kontaktschalterfeld angebracht ist. Eine an die Leiterplatte
angrenzende elastomere Schaltmatte weist mindestens eine darin geformte
Haube auf, die eine Kontaktpille beherbergt. Dreht ein Bediener
den Knopf, erfasst ein Haubenniederdrücker, der am drehbaren Knopf
angebracht ist, die Haube und drückt
sie nieder, presst die Kontaktpille gegen das Kontaktschalterfeld
auf der Leiterplatte. Die offenbarte Vorrichtung bietet Flexibilität und Strapazierfähigkeit
und kann aus leicht verfügbaren
Komponenten mit relativ geringen Kosten hergestellt werden. Weitere
Vorteile und Nutzen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann
auf dem Gebiet, das die Erfindung betrifft, aus der folgenden Beschreibung der
Ausführungsformen
und den beigefügten
Ansprüchen
ersichtlich, die in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen zu lesen
sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine auseinander gezogene Perspektivansicht eines Drehschalters,
der eine elastomere Schaltmatte und einen Drehknopf mit einem Nocken
gemäß der vorliegenden
Erfindung einschließt,
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2 ist
eine Seitenschnittansicht der Drehschalter, die einen Nocken zeigt,
der eine Haube und ein Kontaktschalterfeld betätigt, und
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3 ist
eine Perspektivansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die
eine feste elektrische Schaltung umfasst, die innerhalb des sich
nicht drehenden Abschnittes der Schaltung installiert ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ist lediglich
beispielhafter Art und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihre
Anwendung oder ihren Gebrauch beschränken.
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Die
vorliegende Erfindung ist ein elektronischer Drehschalter, der auf
eine Leiterplatte (PCB) montiert ist. Der Schalter verwendet leicht
verfügbare Komponenten
und kann aufgrund seiner neuartigen Konstruktion mit geringeren
Kosten als existierende Drehschalter montiert werden.
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1 zeigt
in einer auseinander gezogenen Perspektivansicht eine Ausführungsform
eines elektronischen Drehschalters 10 gemäß den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung. Der gezeigte Drehschalter 10 umfasst
hauptsächlich
eine PCB 12, eine elastomere Schaltmatte 14 und
einen Knopf 16. Die PCB 12 ist vorzugsweise ein
starres Substrat mit darin oder darauf gebildeten Leiterspuren,
das Substrat kann jedoch auch halbstarr oder flexibel sein. Die
leitenden Schaltkreise können
mit Hilfe einer Vielzahl von auf dem Fachgebiet bekannten Techniken
aufgedruckt oder angeordnet sein, u. a. an geeignete Anschlüsse gelötete Drähte, auf
Mylar gedruckte Kupferspuren oder auf Hybridkeramik aufgebrachte
leitfähige
Tinte. Die Schaltmatte 14 ist gewöhnlich aus geformtem Silikonkautschuk
gebildet und enthält eine
Reihe geformter Hauben 18. Die Schaltmatte 14 ist
derart an der PCB 12 befestigt, dass die Hauben 18 neben
einem auf der PCB 12 gebildeten Kontaktschalterfeld 20 angeordnet
sind.
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Innerhalb
einer jeden Haube 18 ist eine Kontaktpille 22 befestigt.
Wie nachfolgend erläutert, kommt
die Kontaktpille 22, wenn die Haube 18 niedergedrückt wird,
in Berührung
mit dem Kontaktschalterfeld 20, wodurch ein auf die PCB 12 gedruckter
Schaltkreis (nicht dargestellt) geschlossen wird. Die Kontaktpille 22 kann
aus mit Kohlenstoff imprägniertem
Silikonkautschuk oder aus einem anderen leitfähigen Material bestehen. Alternativ
kann die Pille 22 aus leitfähiger Tinte bestehen, die auf
die Innenfläche
der Haube 18 aufgebracht ist. Im Rahmen dieser Beschreibung
und der Ansprüche
umfasst der Begriff „Kontaktschalterfeld" Schalterfelder mit
Direktkontakten sowie Direktmembranschalter und Kapazitivschalter.
(Bei Kapazitivschaltern kann die Kontaktpille einen elektrischen
Schaltkreis schließen, ohne
das Kontaktschalterfeld physisch zu berühren.) In der dargestellten
Ausführungsform
sind die Hauben 18 umlaufend abstandsgleich mit einem festen Radius
vom Mittelpunkt der Schaltmatte 14 angeordnet. Die Hauben 18 können in
jeder Anzahl vorhanden sein und in jeder Art und Weise umlaufend
beabstandet sein, die für
die gewünschte
Anwendung passend ist, wobei der Abstand nicht gleich sein muss. Der
Knopf 16 ist um eine Achse x drehbar, die den Mittelpunkt
der Schaltmatte 14 schneidet. Ein Haubenniederdrücker 24,
der an der Unterseite des Knopfes 16 angebracht oder gebildet
ist, kann mindestens eine der Hauben 18 erfassen. In einer
Ausführungsform
ist der Haubenniederdrücker 24 eine erhöhte Nocke
mit einer konkaven Eingriffsoberfläche oder Rastung, die bei Betätigung die
Haube fest erfasst oder zentriert.
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„Betätigung” bezeichnet
einen Zustand, in dem eine Haube 18 weit genug niedergedrückt ist, um
die Kontaktpille 22 nahe genug an das Kontaktschalterfeld 20 zu
bringen, um über
dieses den elektrischen Schaltkreis zu schließen.
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Der
Knopf 16 kann auf vielerlei Art und Weise drehbar auf der
PCB 12 angebracht sein. Wie dargestellt, weist eine Knopfanordnungsarretierung 26 Arretierungsabschnitte 28 auf,
die durch die Schlitze 30 in der PCB 12 verlaufen.
Die Knopfanordnungsarretierung 26 weist auch Stifte 32 auf,
die durch dazugehörige Öffnungen 34 auf
der Schaltmatte 14 und in Stiftöffnungen 36 auf der
PCB 12 hinein verlaufen. Die Arretierungsabschnitte 28 umfassen
Widerhaken oder Ansätze,
die in Kombination mit den Stiften 32 und den dazugehörigen Schaltmattenöffnungen 34 und
mit den Stiftöffnungen 36 die
Knopfanordnungsarretierung 26 und die Schaltmatte 14 sicher
an der PCB 12 befestigen. Diese Konstruktion gewährleistet,
dass jede Haube 18, die eine Kontaktpille 22 enthält, sicher über einem
entsprechenden Kontaktschalterfeld 20 auf der PCB 12 angeordnet
ist.
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Mit
dieser Befestigung der Knopfanordnungsarretierung 26 ist
der Knopf 16 in bekannter, dem Fachmann vertrauter Weise,
drehbar an der Knopfanordnungsarretierung 26 befestigt.
Der Knopf 16 ist als hohler Kunststoffzylinder mit umlaufendem Flansch
oder Ansatz 38 an seiner Innenfläche nahe der unteren Kante
des Knopfes 16 konstruiert. Mehrere Nasen 40 auf
der zylindrischen Außenfläche der Knopfanordnungsarretierung 26 wirken
mit dem Knopfflansch 38 zusammen, um den Knopf 16 drehbar
an der Knopfanordnungsarretierung 26 zu befestigen. Der
Knopf 16 kann alternativ drehbar an der Knopfarretierung 26 mit
Hilfe einer Mittelsäule
angebracht werden, die aufwärts
durch die Knopfarretierung 26 verläuft und an der Oberseite des
Knopfes 16 mit Hilfe von Befestigungsmitteln befestigt
ist, wie etwa mit einer Niete oder Schraube oder einer Gruppe von
Kunststoffnasen, die in mit Vertiefungen versehene Aufnahmen eingeführt sind.
Der Knopf 16 selbst kann aus mehreren ineinander greifenden
Abschnitten mit verschiedener Säulenhöhe bestehen, um
die Montage zu erleichtern und verschiedenen Einbauvorgaben, wie
z. B. die Tiefe einer Instrumententafel, Rechnung zu tragen.
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Die
in 1 gezeigte Ausführungsform umfasst außerdem eine
kranzförmige
Druckfeder 42, die zwischen der Schaltmatte 14 und
der Knopfanordnungsarretierung 26 eingefügt ist.
Die Feder 42 weist eine Reihe von Federnasen 44 auf,
die von einer umlaufenden Bande 45 aus einwärts gerichtet
sind. Auf jeder Federnase 44 ist eine Vertiefung gebildet,
die derart gestaltet ist, dass sie über die Oberseite jeder Haube 18 auf
der elastomeren Schaltmatte 14 passt und diese aufnimmt.
Werden die Feder 42 und die Knopfanordnungsarretierung 26 zusammengebaut, sitzt
die Oberseite jeder Haube 18 in den Vertiefungen der Federnasen 44,
die wiederum in den Haubenöffnungen 46 sitzen,
die in ähnlicher
Weise um einen radialen Flansch 47 der Knopfanordnungsarretierung 26 herum
beabstandet sind.
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Die
Knopfanordnungsarretierung 26 und die PCB 12 wirken
zusammen, um die elastomere Schaltmatte 14 im Wesentlichen
zu verhüllen.
Dies hilft zu gewährleisten,
dass eine Haube 18 nur dann niedergedrückt wird, wenn ein Haubenniederdrücker 24 derart
gedreht wird, dass die Federnase 44 in die Haube 18 gedrückt wird,
um das Kontaktschalterfeld 20 zu betätigen.
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In
der Ausführungsform
von 1 ist der Haubenniederdrücker 24 als Nocke
mit einer Eingriffsoberfläche
geformt. Die Eingriffsoberfläche weist
eine konkave Rastung auf, deren Größe so gewählt ist, dass die Haube 18 fest
erfasst wird, um eine Kraft auszuüben, die ausreicht, um die
Feder 42 und die elastomere Schaltmatte 14 zu überwinden,
um die Haube 18 niederzudrücken und das Kontaktschalterfeld 20 zu
betätigen.
Es versteht sich, dass in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen der Haubenniederdrücker 24 eine
Eingriffsoberfläche aufweisen
kann, die die Haube ohne eine dazwischenliegende Federstruktur direkt
niederdrückt, oder
eine Eingriffsoberfläche,
die die Haube indirekt niederdrückt,
indem eine Kraft überwunden
wird, die die Feder 42 zwischen der Eingriffsoberfläche und der
Haube 18 ausübt.
Die konkave Form der Eingriffsoberfläche des Haubenniederdrückers 24 ermöglicht das
feste Erfassen der Haube 18 oder der Federnase 44 durch
den Haubenniederdrücker 24 derart,
dass der Haubenniederdrücker 24 nicht
von der Haube 18 abrutscht.
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2 zeigt
eine Seitenschnittansicht des elektronischen Drehschalters 10 von 1.
Die linke Seite von 2 zeigt eine Haube 18 in
nicht niedergedrücktem
Zustand, in dem sich die Kontaktpille 22 nicht in Kontakt
mit dem Kontaktschalterfeld 20 befindet. Die rechte Seite
von 2 zeigt den Haubenniederdrücker 24 direkt über der
Haube 18, wodurch die Feder ausreichend niedergedrückt wird,
um die Haube 18 und die Kontaktpille 22 in Kontakt
mit dem Kontaktschalterfeld 20 zu pressen, wodurch ein
elektrischer Schaltkreis in Betrieb gesetzt wird.
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Der
elektronische Drehschalter 10 und die auf die PCB 12 gedruckten
Schaltkreise wirken zusammen, um Signale zu einem integrierten Schaltkreis 50 zu
leiten, der vorzugsweise ebenfalls auf die PCB 12 montiert
ist. Der integrierte Schaltkreis 50 kann dafür programmiert
sein, ein oder mehrere Signale zu erkennen, die in Kombination mit
anderen Signalen durch die Kontaktschalterfelder 20 geleitet werden.
Zum Beispiel kann ein einzelner Haubenniederdrücker 24 eine derartige
Länge aufweisen,
dass er gleichzeitig mehrere Hauben 18 erfassen kann, wobei
jedes Kontaktschalterfeld 20, das mit seiner entsprechenden
Haube 18 verbunden ist, ein Signal an den integrierten
Schaltkreis 50 sendet. In einer weiteren Ausführungsform
kann ein Drehschalter aus zwei oder mehr Haubenniederdrückern 24 bestehen, die
so strukturiert sind, dass sie die Hauben 18 entweder einzeln
oder in Kombination erfassen, wodurch die Anzahl der möglichen
Kombinationen aktivierter Schaltkreise, die durch den integrierten Schaltkreis 50 erkannt
werden, vervielfältigt
wird. Die mehreren Haubenniederdrücker 24 können radial den
gleichen Abstand von der Rotationsachse des Knopfs 16 aufweisen
oder in verschiedenen Radien von der Achse x des Knopfes 16 aus
angeordnet sein, wobei mehrere Hauben 18 ebenfalls mit
den entsprechenden Radien auf der elastomeren Schaltmatte 14 angeordnet
sind. Der elektronische Drehschalter 10 kann ferner dafür eingerichtet
sein, mehrere konzentrische Knöpfe
zu umfassen, die sich um die gleiche Achse drehen, wobei jeder Knopf
mindestens einen Haubenniederdrücker 24 aufweist,
der im entsprechenden Abstand von der gemeinsamen Achse x der Knöpfe eine
oder mehrere Hauben 18 erfassen kann.
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Der
integrierte Schaltkreis 50 kann ein Mikroprozessor sein,
der dafür
eingerichtet ist, mehrere durch den Drehschalter 10 erzeugte
Signale sowie andere Eingaben zu erkennen und zu verarbeiten. In einer
Anwendung kann der integrierte Schaltkreis 50 ein Mikroprozessor
sein, der dafür
programmiert ist, die vom Kontaktschalterfeld 20 empfangenen
Signale auf eine Art und Weise zu verarbeiten, die einen Codierer
nachbildet, wobei verschiedene Positionen des Drehschalters vom
Mikroprozessor verarbeitet werden und als ein oder mehrere Signale
ausgegeben werden, um bestimmte Funktionen zu aktivieren oder auszuführen. Zum
Beispiel kann eine Matrix aus möglichen
Signalkombinationen, die von solch einer Vorrichtung 10 erzeugt
werden, den Betrieb in einem Klimatisierungssystem in einem Kraftfahrzeug
steuern; sie kann zum Beispiel das Klimatisierungssystem anweisen,
von Entfrostung auf Belüftung
und auf Fußheizung umzustellen.
Alternativ kann die gleiche Vorrichtung 10 ein Audiosystem
steuern oder eine Kombination von Motoren oder die Zyklen eines
Geschirrspülers
oder einer Waschmaschine.
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Der
integrierte Schaltkreis 50 kann auch ein Mikroprozessor
sein, der dafür
programmiert ist, vom elektronischen Drehschalter 10 erzeugte
Signale auf eine Art und Weise zu verarbeiten, die ein Potentiometer
nachbildet. So strukturiert kann der elektronische Drehschalter 10 die
Höhe der
Spannung und der Stromstärke
steuern, die an einem Motor anliegen, wie etwa an einem Gebläsemotor
in einem Klimatisierungssystem für
ein Kraftfahrzeug, oder an einem Ventil oder einem Thermostat. Die
gleiche Art von Schalter kann ein Audiosignal (wie Lautstärke, Balance
oder Klang) oder eine Frequenz eines Radioempfängers steuern. Tatsächlich kann
der elektronische Drehschalter 10 in Verbindung mit einem
in geeigneter Weise programmierten Mikroprozessor, der in einem
integrierten Schaltkreis 50 realisiert ist, eine große Anzahl
von elektronischen und elektromechanischen Anwendungen steuern.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, die in 3 gezeigt ist, ist der Knopf 16 zylindrisch
geformt, mit einer offenen Oberseite und einem hohlen Kern. In diesem
hohlen Kern sind ein oder mehrere nicht drehbare Schalter 52 (Drucktaster,
Hebelschalter usw.) angeordnet, die an der PCB 12 und dem
integrierten Schaltkreis 50 angebracht sind und mit diesen
in elektronischer Verbindung stehen. In einem Klimatisierungssystem
eines Kraftfahrzeugs zum Beispiel kann der drehbare Abschnitt eines
elektronischen Drehschalters 10 die Temperatur steuern,
während
der nicht drehbare Innenschalter die Klimaanlage aktiviert, den
Systemstatus anzeigt und/oder zwischen Frischluft und Umluft wählt.
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Zwar
stellt die obige Beschreibung eine oder mehrere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar, doch wird man verstehen, dass die
Erfindung modifiziert, variiert oder verändert werden kann, ohne vom
eigentlichen Schutzumfang und angemessenen Bedeutungsumfang der
beigefügten Ansprüche abzuweichen.
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- 10
- elektonischer
Drehschalter
- 12
- Leiterplatte
(PCB)
- 14
- Schaltmatte
- 16
- Knopf
- 18
- Haube
- 20
- Kontaktschalterfeld
- 22
- Kontaktpille,
leitendes Element
- 24
- Haubenniederdrücker, Betätigungselement
- 26
- Knopfanordnungsarretierung
- 28
- Arretierungsabschnitt
- 30
- Schlitz
- 32
- Stift
- 34
- zum
Stift gehörige Öffnung
- 36
- Stiftöffnungen
- 38
- Flansch
- 40
- Nase
- 42
- Druckfeder,
Vorspannelement
- 44
- Federnase
- 45
- umlaufende
Bande
- 46
- Haubenöffnung, Öffnungen
- 47
- radialer
Flansch
- 50
- integrierter
Schaltkreis
- 52
- nicht
drehbarer Schalter
- X
- Drehachse
des Knopfs