Ein kluges Design eines Mikroschalters führt zum Ausgleich traditioneller Kompromisse

Im Kern geht es bei der Technik um die Kunst und das Geschick, Kompromisse zwischen Eigenschaften wie Größe, Gewicht, Leistung, Kosten, Performance und Herstellbarkeit zu finden. Entwickler von sowohl kleinen Komponenten als auch großen Systemen stehen vor dieser Herausforderung. Ein genauer Blick auf die Neugestaltung einer Familie von kleinen Schaltern, die den Anforderungen der Automobilindustrie entsprechen, veranschaulicht den Innovationsschwerpunkt und die Feinheiten von Design und Fertigung.

Das Endschalter-Dilemma in der Automobilindustrie

Tast- und Rastschalter sind einfache Geräte mit einer Funktion, die es scheinbar schon immer gegeben hat und die einfach zu entwerfen und zu bauen sind. Allerdings ist die Entwicklung eines Schalters, der die vielen elektrischen und mechanischen Anforderungen erfüllt, zuverlässig ist und massenproduziert werden kann, erstaunlich knifflig. Diese Schalter müssen eine Reihe von Anforderungen hinsichtlich Größe, Kontaktleistung, Betätigungskraft, Betätigungswinkel und mehr erfüllen.

Vor diesen Herausforderungen standen die Designer der Omron Corp., als es darum ging, einen kleinen Schalter zu entwickeln, der anzeigt, ob eine Autotür offen oder geschlossen ist. Die moderne Autotür ist dünner denn je und mit vielen anderen Funktionen vollgepackt, daher war ein kompakter Formfaktor entscheidend.

Dadurch beträgt die Betätigung des Druckknopfes nur wenige Millimeter, was sicherstellt, dass die Schalterstruktur den Betätiger daran hindert, den Druckknopf zu berühren; andernfalls würde ein normales Zuschlagen der Tür den Schalter beschädigen. Zuverlässigkeitsprobleme und die IP67-Klassifizierung für Wasser- und Staubresistenz in einer rauen Betriebsumgebung erschweren die Sache zusätzlich.

Die hier benötigten Schalter sind so genannte Schnappendschalter. Sie haben einen begrenzten internen Hubbereich, sind empfindlich und werden in vielen Ausführungen angeboten, z. B. als verstellbarer Stößel oder Stab, Kniehebel, Armhebel, Rolle, Kegel, Blatt, Drehantrieb, Feder, Whisker oder Kabel. Die heutigen gekapselten Ultra-Subminiaturschalter, wie die der D2SW-Familie von Omron (Abbildung 1), sind Nachkommen der klassischen Mikroschalter, die in den 1930er Jahren entwickelt wurden und immer noch weit verbreitet sind. Ihr interner Aufbau und ihre Funktionsweise unterscheiden sich von den Ein/Aus-Schaltern, die in einem Haushaltsgerät oder einem Tischgerät verwendet werden.

Abbildung 1: Die D2SW-Familie ist ein Beispiel für den klassischen Schnappendschalter, der sich bei Konstrukteuren seit Jahrzehnten bewährt hat. (Bildquelle: Omron Corp.)

Das Omron-Team untersuchte bestehende Schalterbetätigungssysteme wie horizontale Betätigung mit einem Hebel, ohne Hebel und mit einem abgewinkelten Nocken. Alle hatten Vorteile, aber auch inakzeptable Kompromisse in Bezug auf den Winkelversatz beim Drücken des Schalters, das physische Volumen, langfristige Verschleißpunkte und mehr.

Neues Denken weist den Weg

Um die Herausforderungen bei der Entwicklung eines kleineren, zuverlässigen Endschalters zu meistern, der die Anforderungen an Autotüren (und andere Anwendungen) erfüllt, wählten die Omron-Entwickler einen innovativen Ansatz für ihre D2EW-Familie von Schließern (NO) und Öffnern (NC) (Abbildung 2), wie z. B. den Schließer D2EW-B03H und den ergänzenden Öffner D2EW-B02L. Diese kompakten, abgedichteten Schalter können in mehreren Richtungen und Winkeln betätigt werden.

Abbildung 2: Ein innovatives Design ermöglicht es, dass die gekapselten Ultraminiaturschalter der D2EW-Familie aus mehreren Betätigungswinkeln betätigt werden können. (Bildquelle: Omron Corp.)

Das Omron-Team erkannte, dass eine dreieckige Taste eine horizontale Bedienung ohne einen platzraubenden Hebel ermöglichen würde. Anschließend ermittelten sie den optimalen Neigungswinkel des Knopfes, um eine Form zu realisieren, die sicher von oben gedrückt werden kann. Dies ermöglicht das Öffnen und Schließen mit minimaler Hubbewegung und ohne einen schrägen horizontalen Nocken und den damit verbundenen Platzbedarf und die Komplexität.

Dank dieses Knopfdesigns kann der Schalter aus verschiedenen Winkeln ohne Hebel bedient werden. Er kann Kontakte horizontal mit einem Hub von nur wenigen Millimetern öffnen und schließen (Abbildung 3 (oben)), und er kann auch betätigt werden, wenn er aus der vertikalen Richtung gedrückt wird (Abbildung 3 (unten)).

Abbildung 3: Die Taste des D2EW-Schalters ist so konzipiert, dass die Größe und der Hubweg minimiert werden (oben) und kann von oben, in einem Winkel sowie von links oder rechts betätigt werden (unten). (Bildquelle: Omron Corp.)

Erfüllung der IP67-Normen

Es überrascht nicht, dass diese neue Knopfform neue Probleme mit sich brachte. Der ungewöhnliche dreieckige Druckknopf war extrem schwierig hermetisch zu versiegeln. Herkömmliche runde Drucktasten verwenden Hitzeabdichtung, bei der die Harzspitze zum Knopf hin gerippt wird und sich in die Gummikappe beißt, um sie festzuziehen. Der D2EW-Druckknopf hat jedoch etwa das vierfache Volumen des runden Druckknopfes, wodurch die Gummikappe größer wird und kein Platz für eine Harzwand bleibt.

Die Lösung war eine Kombination aus Analyse und Versuch und Irrtum. Die Designer haben sich dafür entschieden, das Gehäuse und die Gummikappe durch eine Schnappverbindung abzudichten, bei der die Gummikappe mit ausreichendem Druck zwischen dem Gehäuse und der Abdeckung eingeklemmt wird, um die IP67-Anforderungen zu erfüllen. Im Gegensatz zu einer runden Kappe, bei dem der Druck gleichmäßig in alle Richtungen ausgeübt werden kann, führte die ovale Basis dieses Verschlusses jedoch zu Schwankungen bei der Dichtigkeit. Um dieses Problem zu lösen, hat das Team eine Form entwickelt, bei der der Schaft des Knopfes einem Kreis so nahe wie möglich kommt. Sie passten auch die Form der Gummikappe und die Dicke des Gummis an, um Lastschwankungen auszugleichen. Nach mehreren Monaten des Ausprobierens haben sie die optimale Form gefunden.

Es gibt auch interne Veränderungen. Die D2EW-Komponenten verfügen über eine Drucktaste mit einem Schieberegler an der Unterseite, der bei Betätigung der Taste zur Seite gleitet. Das ist anders als bei einer herkömmlichen Drucktaste und einem Schieberegler, die sich im Gleichschritt bewegen. Die Integration der Kontaktflächen in eine einzige Fläche führte zu einer leicht zu montierenden Struktur, die mit möglichst wenigen Bauteilen die Kontaktstellen öffnen und schließen kann.

Fazit

Die einzigartige und innovative Tastenkappe und das Innendesign der D2EW-Familie ermöglichen die Aktivierung durch gerades Drücken sowie aus jedem Winkel trotz eines Betätigungsweges von nur wenigen Millimetern. Das Design passt hervorragend zu den dünneren und engeren Kraftfahrzeug-Türen von heute und hält auch dem Zuschlagen der Türen und rauen Bedingungen stand.