Metallschnappscheiben für Folientastaturen

Funktion, Betätigungskraft und taktiles Feedback

Metallschnappscheiben, auch als Snap Domes oder Knackfrösche bezeichnet, sind ein bewährtes Schaltelement für Folientastaturen. Sie sorgen beim Betätigen einer Taste für einen definierten Schaltpunkt und eine deutlich spürbare taktile Rückmeldung. Gleichzeitig stellen sie den elektrischen Kontakt zwischen den Leiterbahnen der Schaltfolie her.

Durch die Auswahl von Form, Durchmesser und Betätigungskraft lässt sich das Bediengefühl einer Folientastatur gezielt an die jeweilige Anwendung anpassen. Damit haben Metallschnappscheiben einen wesentlichen Einfluss auf die Haptik, Bedienbarkeit und zuverlässige Funktion einer Folientastatur.

In diesem Beitrag zeigen wir, wie Metallschnappscheiben funktionieren, welche Varianten zur Verfügung stehen und welche Faktoren bei der Auswahl und Integration berücksichtigt werden sollten.

Funktionsweise und Aufbau von Metallschnappscheiben

Aufbau und Funktionsweise von Metallschnappscheiben in Folientastaturen mit Kontaktpunkten und Leiterbahnen

Metallschnappscheiben sind als momentane Schalter konzipiert, die bei Betätigung einen gezielten Schaltvorgang auslösen. Sie bestehen in der Regel aus leitfähigem Material, häufig Edelstahl, und werden auf Leiterplatten oder Schaltfolien angebracht. Weitere gängige Materialien sind goldbeschichtetes oder nickelbeschichtetes Metall, die je nach Anforderung spezifische elektrische Eigenschaften bieten.

Beim Drücken der Schnappscheibe wird eine elektrische Verbindung hergestellt, die einen präzisen Schaltimpuls auslöst. Neben der taktilen Rückmeldung bieten Metallschnappscheiben auch ein deutliches akustisches Feedback, das durch das typische „Klicken“ beim Drücken entsteht.

Artikel: Der Sound von Folientastaturen – Akustisches Feedback als Qualitätsmerkmal

Größen und Formen von Metallschnappscheiben

Metallschnappscheiben sind in verschiedenen Größen und Formen erhältlich, um den vielfältigen Anforderungen in verschiedenen Anwendungen gerecht zu werden. Kleinere Schnappscheiben, etwa mit einem Durchmesser von 3mm oder 4mm, eignen sich besonders für kompakte Tastenfelder.

Größere Modelle, wie die 12,2-mm-Schnappscheiben, bieten eine benutzerfreundliche Bedienung, da sie gut zur Größe eines menschlichen Fingers passen und eine komfortable Betätigung ermöglichen.

Standardformate von Metallschnappscheiben

Ø(mm)Kraft (g)Hub min. / max.
8.42800.35 – 0.45
8.43400.39 – 0.49
10.02800.44 – 0.54
10.03400.46 – 0.56
12.23400.52 – 0.62
12.24500.61 – 0.71
Verschiedene Formen von Metallschnappscheiben für Folientastaturen – Metal Domes Geometrien im Vergleich

Materialien und Beschichtungen von Metallschnappscheiben

Metallschnappscheiben werden in der Regel aus Federstahl bzw. Edelstahl gefertigt. Das Material muss sich bei jeder Betätigung elastisch verformen und anschließend zuverlässig in seine Ausgangsposition zurückkehren. Dadurch entstehen der charakteristische Druckpunkt und die taktile Rückmeldung der Taste.

Neben dem Grundmaterial kann auch die Oberfläche der Metallschnappscheibe an die elektrischen und umgebungsbedingten Anforderungen angepasst werden. Je nach Ausführung kommen beispielsweise unbeschichtete sowie nickel- oder goldbeschichtete Schnappscheiben zum Einsatz. Die Beschichtung kann insbesondere für die elektrische Kontaktierung und die Beständigkeit der Kontaktoberfläche relevant sein.

Welche Ausführung geeignet ist, hängt unter anderem von Kontaktanforderungen, Umgebungsbedingungen, Schalthäufigkeit und dem Aufbau der Kontaktflächen ab. Material und Beschichtung sollten deshalb gemeinsam mit der elektrischen und mechanischen Auslegung der Folientastatur betrachtet werden.

AusführungAufbauCharakteristikAuswahlkriterium
Edelstahl, unbeschichtetGrundmaterial ohne zusätzliche KontaktbeschichtungStandardausführungElektrische und mechanische Anforderungen der Anwendung
NickelbeschichtetMetallschnappscheibe mit NickeloberflächeZusätzliche metallische KontaktoberflächeAnforderungen an Kontaktierung und Umgebungsbedingungen
GoldbeschichtetMetallschnappscheibe mit GoldoberflächeOxidationsbeständige KontaktoberflächeErhöhte Anforderungen an Kontaktqualität und Umgebungsbeständigkeit

Integration von Metallschnappscheiben in die Folientastatur

Metallschnappscheiben werden innerhalb des mehrschichtigen Aufbaus einer Folientastatur direkt über den vorgesehenen Kontaktflächen der Schaltfolie positioniert. Eine Haltefolie (Retainer) fixiert die Schnappscheiben, während die Distanzfolie (Spacer) den erforderlichen Freiraum für die Betätigung sicherstellt.

Beim Drücken einer Taste verformt sich die Metallschnappscheibe und stellt den elektrischen Kontakt zwischen den vorgesehenen Kontaktflächen her. Nach dem Loslassen kehrt sie in ihre Ausgangsposition zurück. Dadurch übernimmt die Metallschnappscheibe gleichzeitig zwei wichtige Funktionen: die elektrische Schaltfunktion und die taktile Rückmeldung.

Die genaue Ausführung der einzelnen Folien-, Klebe- und Schaltungsebenen hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab

Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Schichten finden Sie in unserem Beitrag zum Aufbau einer Folientastatur.

In unserer Fertigung erfolgt die Bestückung mit Metallschnappscheiben je nach Bauteil, Stückzahl und Projektanforderung manuell oder automatisiert. Für die automatisierte Bestückung stehen spezialisierte Anlagen zur Verfügung, die eine präzise und wiederholgenaue Platzierung auf den definierten Kontaktpositionen unterstützen.

Gedruckte Leiterbahnfolie mit platzierter Metallschnappscheibe für taktiles Feedback
Gedruckte Leiterbahnfolie ohne Metallschnappscheibe für flache Folientastatur

Elektrische Kontaktqualität von Metallschnappscheiben

Neben Betätigungskraft und taktilem Feedback ist die elektrische Kontaktqualität ein wichtiger Faktor bei der Auslegung von Folientastaturen mit Metallschnappscheiben. Beim Betätigen der Taste verbindet die Schnappscheibe die vorgesehenen Kontaktflächen der Schaltung. Für eine zuverlässige Signalübertragung müssen daher Schnappscheibe, Kontaktgeometrie und Leiterbahnlayout aufeinander abgestimmt werden.

Ein wichtiger Kennwert ist der Kontaktwiderstand im geschlossenen Zustand. Dieser wird unter anderem durch das Material und die Oberflächenbeschaffenheit der Schnappscheibe sowie durch die Gestaltung der Kontaktflächen beeinflusst. Je nach elektrischen und umgebungsbedingten Anforderungen können beispielsweise Schnappscheiben aus Edelstahl sowie Ausführungen mit Nickel- oder Goldbeschichtung eingesetzt werden.

Auch das Kontaktprellen (Bouncing) ist bei der Auslegung der nachgeschalteten Elektronik zu berücksichtigen. Beim Umschalten kann der elektrische Kontakt innerhalb eines kurzen Zeitraums mehrfach öffnen und schließen, bevor ein stabiler Schaltzustand erreicht wird. Je nach Anwendung kann deshalb eine entsprechende Entprellung in Hard- oder Software erforderlich sein.

Für eine dauerhaft zuverlässige Kontaktierung müssen außerdem Kontaktflächen, Leiterbahngeometrie und Positionierung der Metallschnappscheibe konstruktiv aufeinander abgestimmt werden. Dies gilt sowohl für Schnappscheiben auf flexiblen Schaltfolien als auch für Folientastaturen auf Leiterplatten.

Betätigungskraft und taktiles Feedback

Metallschnappscheiben lassen sich hinsichtlich Form, Abmessungen, Betätigungskraft und Hubweg an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung anpassen. Darüber hinaus stehen spezielle Ausführungen für beleuchtete Tasten oder mehrstufige Schaltfunktionen zur Verfügung.

Die Betätigungskraft hat wesentlichen Einfluss auf das Bediengefühl und die taktile Rückmeldung einer Taste. Je nach Ausführung sind unterschiedliche Schaltkräfte und Hubwege realisierbar.

Standard-Schnappscheiben sind beispielsweise mit Betätigungskräften von 40 gf bis 450 gf erhältlich, während Sonderausführungen auch höhere Kräfte ermöglichen.

Kraft-Weg-Verhalten von Metallschnappscheiben

Die Betätigungskraft einer Metallschnappscheibe sollte nicht ausschließlich als einzelner Kraftwert betrachtet werden. Während der Betätigung steigt die erforderliche Kraft zunächst bis zu einem Kraftmaximum an. Wird dieser Punkt überschritten, springt die Schnappscheibe um und die erforderliche Kraft fällt deutlich ab. Dieser charakteristische Kraftabfall erzeugt das wahrnehmbare taktile Feedback.

Neben der maximalen Betätigungskraft sind deshalb auch die Kraft nach dem Umschnappen, der Tastenhub und das Rückstellverhalten wichtige Kennwerte für die Beurteilung der Schaltcharakteristik. Die genaue Bezeichnung dieser Kräfte kann je nach Hersteller und Datenblatt variieren. Für einen technischen Vergleich sollte daher die vollständige Kraft-Weg-Kennlinie berücksichtigt werden.

Snap Ratio – Maß für die taktile Rückmeldung

Ein wichtiger Kennwert für die Schaltcharakteristik einer Metallschnappscheibe ist die sogenannte Snap Ratio. Sie beschreibt den relativen Kraftabfall beim Umschnappen und gibt damit Aufschluss darüber, wie deutlich der Druckpunkt wahrgenommen wird.

Die Snap Ratio kann aus der maximalen Kraft vor dem Umschnappen (Fmax) und der Kraft nach dem Umschnappen (Fmin) bestimmt werden:

Snap Ratio = (Fmax − Fmin) / Fmax × 100 %

Eine höhere Snap Ratio bedeutet einen stärkeren Kraftabfall und führt in der Regel zu einem deutlicher wahrnehmbaren taktilen Feedback. Bei einer niedrigeren Snap Ratio fällt der Kraftunterschied geringer aus und die Schaltcharakteristik wird entsprechend weicher wahrgenommen.

Die Snap Ratio sollte jedoch nicht isoliert betrachtet werden. Erst das Zusammenspiel von Betätigungskraft, Kraftabfall, Tastenhub und Rückstellverhalten bestimmt die tatsächliche Schaltcharakteristik einer Taste. Auch der darüberliegende Folienaufbau und die konstruktive Integration der Schnappscheibe können das wahrgenommene Bediengefühl beeinflussen.

Diese Parameter lassen sich über eine Kraft-Weg-Messung erfassen. Dadurch können unterschiedliche Metallschnappscheiben und Tastenaufbauten anhand ihrer Kraft-Weg-Kennlinien objektiv miteinander verglichen werden.

Toleranzen der Betätigungskraft

Die in Datenblättern angegebene Betätigungskraft einer Metallschnappscheibe ist ein Nennwert, der einer definierten Fertigungstoleranz unterliegt. Diese Toleranz hängt unter anderem von Bauform, Größe, Nennkraft und Hersteller der Schnappscheibe ab.

Je nach Ausführung können die zulässigen Abweichungen beispielsweise als absoluter Wert in gf oder als prozentuale Toleranz angegeben werden. Eine Schnappscheibe mit einer Nennkraft von beispielsweise 280 gf ±30 gf kann demnach innerhalb eines Bereichs von 250 bis 310 gf liegen. Bei der Auswahl einer Schnappscheibe sollte daher nicht nur die nominelle Betätigungskraft, sondern auch deren zulässige Toleranz berücksichtigt werden.

Die Toleranz ist insbesondere dann relevant, wenn innerhalb einer Folientastatur mehrere Tasten eine möglichst gleichmäßige Schaltcharakteristik aufweisen sollen. Unterschiede in der Betätigungskraft können sich auf das wahrgenommene Bediengefühl auswirken.

Für eine objektive Beurteilung können Betätigungskraft, Kraftabfall, Tastenhub und Rückstellverhalten über eine Kraft-Weg-Messung erfasst werden. Dabei müssen auch die Prüfbedingungen berücksichtigt werden. Betätigergeometrie und -position, Betätigungsgeschwindigkeit sowie der Messaufbau können das Messergebnis beeinflussen und sollten für vergleichbare Messungen definiert sein.

Varianten von Metallschnappscheiben

Metallschnappscheiben für beleuchtete Tasten

Für Folientastaturen mit integrierter Beleuchtung können Metallschnappscheiben mit einer zentralen Öffnung eingesetzt werden. Eine darunter positionierte LED kann das Licht durch diese Öffnung führen, ohne die Schaltfunktion der Schnappscheibe zu beeinträchtigen.
Weitere Möglichkeiten zeigen wir im Beitrag Beleuchtung von Folientastaturen.

Duo-Metallschnappscheiben für zweistufige Schaltfunktionen

Eine besondere Ausführung sind Duo-Metallschnappscheiben, mit denen sich über eine einzelne Taste zwei Schaltzustände nacheinander erfassen lassen.

Beim ersten Betätigungsweg wird zunächst ein elektrischer Kontakt hergestellt, ohne dass die Schnappscheibe vollständig auslöst. Bei weiterem Druck schaltet die Metallschnappscheibe und erzeugt dabei die charakteristische taktile Rückmeldung.

Dadurch lassen sich beispielsweise zwei unterschiedliche Funktionen oder Schaltzustände mit einer einzigen Taste realisieren. Eine solche zweistufige Betätigung eignet sich für Anwendungen, bei denen zunächst eine Vorwahl oder Aktivierung und anschließend durch einen bewussten Tastendruck eine zweite Funktion ausgelöst werden soll.

Duo-Metallschnappscheiben mit zweistufigem Schaltkontakt für Folientastaturen

Robustheit und Lebensdauer von Metallschnappscheiben

Metallschnappscheiben sind für eine hohe Anzahl wiederholter Betätigungen ausgelegt. Je nach Bauform, Hersteller und Einsatzbedingungen können sie eine Lebensdauer von mehreren Millionen Schaltzyklen erreichen. Die tatsächlich erreichbare Lebensdauer hängt jedoch von der jeweiligen Schnappscheibe und ihrer konstruktiven Integration in die Folientastatur ab.

Einfluss haben unter anderem Betätigungskraft, Hubweg, Betätigergeometrie und -position sowie die mechanische Belastung der Schnappscheibe. Insbesondere eine ungünstige oder außermittige Betätigung kann die mechanische Beanspruchung verändern. Angaben zur Lebensdauer in Datenblättern sollten deshalb immer im Zusammenhang mit den jeweiligen Prüf- und Einsatzbedingungen betrachtet werden.

Die Widerstandsfähigkeit der gesamten Folientastatur gegenüber Feuchtigkeit, Staub und Temperaturschwankungen wird hingegen nicht allein durch die Metallschnappscheibe bestimmt. Entscheidend sind der komplette Schichtaufbau, die verwendeten Materialien sowie die konstruktive Abdichtung der Folientastatur. Eine auf die Einsatzbedingungen abgestimmte Konstruktion schützt die integrierten Schnappscheiben und unterstützt eine dauerhaft zuverlässige Schaltfunktion.

Bei erhöhten Anforderungen kann die Dauerhaltbarkeit durch einen definierten Lebensdauertest von Folientastaturen überprüft werden. Dabei werden die Tasten über eine festgelegte Anzahl von Betätigungszyklen wiederholt belastet. In definierten Prüfintervallen können unter anderem Betätigungskraft, Kraft-Weg-Verhalten, Kontaktwiderstand und taktiles Feedback kontrolliert werden, um Veränderungen der Schaltcharakteristik während der Prüfung zu erfassen.

Typische Anwendungen mit Metallschnappscheiben

Folientastaturen mit Metallschnappscheiben kommen überall dort zum Einsatz, wo eine definierte Betätigung und eine deutlich spürbare taktile Rückmeldung erforderlich sind. Typische Anwendungsbereiche sind:

  • Industrielle Steuerungssysteme
    Bei Maschinensteuerungen, Bedienpanels und mobilen Steuergeräten ermöglicht die taktile Rückmeldung eine sichere und eindeutige Tastenbetätigung – auch bei häufig wiederkehrenden Eingaben.
  • Medizinische Geräte
    In Diagnosegeräten, Bettensteuerungen oder medizinischen Bedieneinheiten unterstützen Metallschnappscheiben eine präzise Bedienung durch einen klar definierten Schaltpunkt. Die geschlossene Oberfläche einer Folientastatur ermöglicht zudem eine reinigungsfreundliche Gestaltung der Bedieneinheit.
  • Mess-, Prüf- und Analysegeräte
    Bei Geräten mit häufig genutzten Funktionstasten sorgt die Kombination aus definierter Betätigungskraft und taktilem Feedback für eine eindeutige Rückmeldung an den Anwender.
  • Haushaltsgeräte und Unterhaltungselektronik
    Auch bei Haushaltsgeräten und anderen elektronischen Bedieneinheiten können Metallschnappscheiben eingesetzt werden, wenn kompakte Tasten mit spürbarer Rückmeldung gefordert sind.

Fazit

Eine gut gestaltete Folientastatur mit Metallschnappscheiben bietet eine flexible und langlebige Schaltlösung, die auf die spezifischen Anforderungen der Benutzer zugeschnitten ist. Die Anpassungsmöglichkeiten der Metallschnappscheiben, insbesondere in Bezug auf Betätigungskraft, Rückmeldung und zusätzliche Funktionen wie Beleuchtung oder Duo-Schaltmechanismen, machen sie zur idealen Lösung für zahlreiche industrielle, medizinische und kommerzielle Anwendungen.

Metallschnappscheiben in Folientastaturen – Metal Domes für präzises taktiles Feedback

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