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Druckschalter: Eine verlässliche Konstruktion

Ein Produkt ist nur so gut wie die Summe seiner Teile. Das gilt insbesondere für die Konstruktion von Medizingeräten. Kompakt, robust und benutzerfreundlich sollen sie sein – von den Sensoren bis hin zu den Schaltern.

Panasonic Bildquelle: © Panasonic

Nicht nur kleinere Größen und Profile, sondern auch einfache Bedienbarkeit, taktile Rückmeldung sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber Wasser und Staub sind für Druckschalter immer wichtiger.

Bei Medizingeräten kommt es nicht nur auf die Produktzuverlässigkeit an, sondern auch auf die Patientensicherheit. Damit beides gewährleistet ist, werden sie nach strengen Standards konstruiert. Dabei steigt zunehmend die Nachfrage nach multifunktionaler, kompakter und kostengünstiger Elektronik für Geräte in Diagnoselabors, Krankenhäusern und Kliniken sowie die Eigenbehandlung durch den Patienten. Entwickler stehen ständig vor der Herausforderung, sich von anderen Produkten abzugrenzen, ohne dabei die medizinische Versorgung teurer zu machen – sowohl bei der Pflege zu Hause als auch bei tragbaren Überwachungsgeräten und therapeutischen Geräten.

Damit die Produkte robust genug sind, um den schwierigen Bedingungen in der Medizin standzuhalten, müssen die Kon­strukteure berücksichtigen, wie jede Komponente im jeweiligen medizinischen Gerät arbeitet – vom winzigen Sensor bis hin zu komplexen Messsystemen. Das gilt jedoch nicht nur für die Elektronik im Inneren. Denn wie lange ein Gerät in Gebrauch ist, darüber entscheidet am Ende der Benutzer. Er muss sich auch auf die Bauteile verlassen können, insbesondere auf die Schalter, mit denen er das Gerät bedient. 

Panasonic Bildquelle: © Panasonic

Bild 1. Sicher verpackt: Mithilfe eines Lasers wird über den Aktor eine dünne Nylonfolie geschweißt.

Korrosionsbeständig gegenüber Körperflüssigkeiten

In Medizingeräten sind Schalter vielen Gefahrenquellen ausgesetzt, beispielsweise Reinigungslösungen, durch den Menschen oder die Umgebung eingebrachte Verunreinigungen, Wasserdampf, elektrostatische Entladung oder auch Druckunterschiede. Um zu verhindern, dass Verunreinigungen eindringen und die Schalter beschädigen, müssen Light-Touch-Schalter (LTSW) in medizinischen Anwendungen immer häufiger den Anforderungen der Schutzart IP67 genügen. Der internationale Schutzstandard gibt an, wie widerstandsfähig ein Produkt gegenüber Fremdkörpern und Flüssigkeiten ist. Die beiden Ziffern besagen, um welchen Schutz es sich handelt: gegen das Eindringen von Staub (6) und Wasser (7).

Druckschalter für Hörgeräte und andere tragbare Medizinprodukte müssen beständig gegenüber Sonnenschutzmitteln, Lotionen und Wasser sein. Häufig werden die Schalter dafür mit einer Silikonmem­bran überzogen. Der Kunststoff bewirkt jedoch, dass die Betätigung des Schalters sich weniger präzise, zum Teil etwas schwammig angefühlt. Diese Nachteile in der Haptik werden in der Regel durch die erhöhte Produktlebensdauer ausgeglichen. Und doch müssen sich Hersteller dieser Eigenschaft bewusst sein, wenn sie sich für Druckschalter mit Silikonmembran entscheiden.

Die IP67-Druckschalter von Panasonic sind anders konstruiert. Mit knapp 0,5 mm gehört der SMD-Druckschalter zu den dünnsten seiner Art. Aufgrund der geringen Grundfläche (2,6 mm × 1,6 mm) eignet er sich gut für tragbare Geräten wie Smart Watches, Fitness-Armbänder sowie Kopfhörer und Hörgeräte. Das Besondere: Statt eine Silikonmembran unter den Aktor zu kleben, verwendet Panasonic eine neue patentierte Lasermethode, bei der eine dünne Kunststofffolie auf Basis von Nylon (Polyamid) über den Aktor geschweißt wird (Bild 1). Die Nylonfolie hat kaum Einfluss auf die Betätigungskraft und das Klickverhältnis.

Qualitätsbewertung durch den Benutzer

Ein weiterer Faktor, der die Lebensdauer eines Medizinprodukts bestimmt, ist die Qualität, wie der Endbenutzer sie wahrnimmt. Bei der laparoskopischen Chirurgie werden mithilfe eines optischen Instruments Eingriffe innerhalb der Bauchhöhle unternommen. Die Chirurgen müssen sich dabei auf das taktile Feedback ihrer elektrochirurgischen Hilfsmittel verlassen können, wenn sie Gewebe schneiden oder vernähen.

Panasonic Bildquelle: © Panasonic

Bild 2. Druckschalter-Charakteristiken: Verlauf der Betätigungskraft (Push Force) über den Betätigungsweg (Switch Travel).

Eine haptische Rückmeldung ist auch Diabetikern wichtig. Im Laufe der Zeit ist bei vielen Patienten der Tastsinn durch voranschreitende Nervenschädigung beeinträchtigt. Um Fehlverwendung und Falschdosierungen zu verhindern, ist eine gleichbleibende und zuverlässige taktile Rückmeldung unerlässlich.

Taktile Metallschnappscheiben geben – wie es ihr Name verrät – ein »schnappendes« Feedback sowie eine akustische Rückmeldung bei Betätigung des Schalters. Sie sind Teil des Schalterkontaktsystems, das im Gehäuse der Schalterbaugruppe untergebracht ist. Das stellt sicher, dass der Moment der taktilen Rückmeldung nahezu exakt dem Moment der Betätigung entspricht.

Wie Bild 2 zeigt, sind alle Druckschalter auf eine charakteristische Betätigungskraft ausgelegt, die sich als Klickverhältnis ausdrücken lässt, das wiederum für das Verhältnis zwischen Schalterbetätigung und Kontaktkräften steht. Ein höheres Verhältnis bedeutet ein präziser schnappendes Schaltgefühl. Der Betätigungsweg beziehungsweise die Ablenkung eines gedrückten Schalters kann ebenfalls beeinflussen, wie sich ein Schalter insgesamt anfühlt. Metallschnappscheiben oder entsprechend geprägte Schichten stellen leicht integrierbare, kostengünstige Kontaktsysteme dar, die gleichzeitig ausreichend Möglichkeiten für kundenindividuelle Konfigurationen bieten.

Panasonic Bildquelle: © Panasonic

Bild 3. Seitlich angeordneter Druckschalter: Der Schalter kann direkt auf der Leiterplatte montiert werden.

Seitlich angeordnete Druckschalter

Neue Funktionen und Weiterentwicklungen dürfen sich nicht auf die Größe der Geräte auswirken, denn der Trend geht seit Jahren zu immer kompakteren Produkten. Betrachten wir als Beispiel Hörgeräte: Diese sind bequemer und kompatibler als je zuvor, können mittlerweile kabellos mit dem Smartphone verbunden werden und sind mit Lithium-Ionen-Akkus ausgestattet. Dennoch ist zu berücksichtigen, dass das Gerät so diskret wie möglich zu tragen sein muss, was hauptsächlich eine Frage der Abmessungen ist, und dass es mit nur einer Hand zu betätigen sein muss.

Die Anforderungen können zum Beispiel durch seitlich angeordnete Druckschalter erfüllt werden. Da der Schalter nicht höher als die Leiterplatte liegt, können Konstrukteure das Produkt entweder schrumpfen oder aber ihnen steht mehr Bauraum zur Verfügung. Die mittige Anordnung bedeutet auch, dass die Leiterplatte eine Abstützung für den Schalter bereitstellt und dadurch die Festigkeit des Aufbaus mit Bezug zur Richtung, in der der Schalter betätigt wird, verbessert wird (Bild 3). Wird der Schalter direkt auf eine Leiterplatte montiert, bedarf es nicht mehr einer flexiblen oder zusätzlichen Leiterplatte zum Anschließen von Schalter und Leiterplatte, was wiederum die Kosten reduziert.