DE102007017305A1

DE102007017305A1 - Arrangement and method for a stepless switch button for a device of all types and designs

Info

Publication number: DE102007017305A1
Application number: DE102007017305A
Authority: DE
Inventors: Timo Dr. Möller; Axel Dr. Brock; Elke Hermann; Franz Hausner
Original assignee: GENESIS ADAPTIVE SYSTEME DEUTS; GENESIS ADAPTIVE SYSTEME DEUTSCHLAND GmbH
Current assignee: GENESIS ADAPTIVE SYSTEME DEUTS; GENESIS ADAPTIVE SYSTEME DEUTSCHLAND GmbH
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-10-16
Also published as: WO2008125193A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schalttastereinheit, umfassend - eine Leistungsschaltung zur Ausgabe einer stufenlos einstellbaren Ausgangsspannung; - einen mechanischen Schwinger mit einer ersten adaptiven Materialkomponente, die mittels eines Wechselfelds in Schwingungen versetzt wird; - einen Sensor mit einer zweiten adaptiven Materialkomponente, die mit dem mechanischen Schwinger mitschwingt und in Abhängigkeit der Schwingungsamplitude ein Wechselspannungssignal ausgibt, das als Steuersignal für die Leistungsschaltung dient; - eine mechanische Betätigungseinrichtung, auf die beim Bedienen der Schalttastereinheit vom Benutzer eine Kraft ausgeübt wird und die in Abhängigkeit dieser Kraft den mechanischen Schwinger dämpft.The invention relates to a switch key unit, comprising - a power circuit for outputting a continuously variable output voltage; a mechanical oscillator having a first adaptive material component which is vibrated by means of an alternating field; a sensor with a second adaptive material component, which resonates with the mechanical oscillator and outputs an alternating voltage signal as a function of the oscillation amplitude, which serves as a control signal for the power circuit; - A mechanical actuator, which is exerted by the user during the operation of the switch unit, a force and attenuates the mechanical oscillator in response to this force.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalttastereinheit, insbesondere einen stufenlosen Schalttaster, mit dem eine Ausgangsspannung kontinuierlich zwischen einem Minimalwert und einen Maximalwert eingestellt werden kann.The The invention relates to a switch-button unit, in particular a stepless switch, with which an output voltage continuously between a minimum value and a maximum value can.

Ein typisches Beispiel eines stufenlosen Schalters ist ein Drehschalter mit einem integrierten Drehpotentiometer. Alternativ kann ein Ausgang eines Schalters beziehungsweise Tasters kontinuierlich nachgestellt werden, indem in einem induktiven Schalter ein weichmagnetischer Kern in eine Spulenanordnung ein- oder ausgefahren wird. Ferner kann eine von einem Benutzer aufgebrachte mechanische Spannung am Schalter mittels eines Dehnungsmessstreifens oder dergleichen erfasst und in ein zugeordnetes Ausgangssignal umgesetzt werden.One A typical example of a continuously variable switch is a rotary switch with an integrated rotary potentiometer. Alternatively, an output a switch or button continuously adjusted be in a inductive switch, a soft magnetic Core is moved in or out of a coil assembly. Further can be a applied by a user mechanical stress on Switch detected by means of a strain gauge or the like and converted into an associated output signal.

Zur Bestimmung der Betätigungskraft am Schalter ist es möglich, eine piezoelektrische Komponente in den Schalter zu integrieren. Diese wird bei Druckbeaufschlagung und der daraus resultierenden mechanischen Spannung im piezoelektrischen Material eine messbare Polarisation aufweisen, die wiederum zur Steuerung des Ausgangssignals herangezogen werden kann. Ein Beispiel für einen statisch arbeitenden piezoelektrischer Taster ist in der DE 26 14 106 B1 offenbart. Nachteilig an einer solchen Anordnung ist die beschränkte Sensitivität des Schalters, was insbesondere bei einer schwachen Berührung problematisch ist. Darüber hinaus ist für ein statisch beanspruchtes piezoelektrisches Material eine Überwachung des Schalters nur durch zusätzliche Maßnahmen möglich, so dass eine Prüfung der Funktionsfähigkeit des Schalters schwierig ist.To determine the actuation force on the switch, it is possible to integrate a piezoelectric component in the switch. This will have a measurable polarization when pressurized and the resulting mechanical stress in the piezoelectric material, which in turn can be used to control the output signal. An example of a static working piezoelectric probe is in DE 26 14 106 B1 disclosed. A disadvantage of such an arrangement is the limited sensitivity of the switch, which is problematic especially with a weak touch. In addition, for a statically stressed piezoelectric material monitoring of the switch is possible only by additional measures, so that a test of the functionality of the switch is difficult.

Als Verbesserung wurde durch die DE 26 18 720 B2 ein piezoelektrischer Schalter vorgeschlagen, bei dem für ein piezoelektrisches, thermoplastisches Filmelement ein dynamisches Messprinzip verwendet wird. Dabei wird bei der Schalterbetätigung ein mechanischer Schwinger an das Filmelement 1 angenähert. Als Folge des abnehmenden Abstands zwischen Schwingungserreger und Filmelement wird eine Schwingung im Filmelement mit zunehmender Amplitude angeregt. Aus der Messung des Amplitudensignals am Filmelement wird dann das Signal zur Ansteuerung des Schalterausgangs generiert. Gemäß einer Ausgestaltungsalternative dieses Schalters wird bei einer Schalterbetätigung anstatt der Annäherung zwischen dem Schwingungsgeber und dem sensorisch verwendeten Filmelement ein Kontaktelement zwischen diese beiden eingeschoben, welches bei fortschreitender Stellbewegung den mechanischen Kontakt und damit die Schwingungsübertragung vom Schwingungsgeber auf das Filmelement verstärkt. Nachteilig an der genannten Anordnung ist, dass beim Zustand der Nicht-Betätigung des Schalters am sensorischen Element, dem Filmelement, keine oder nur eine geringe messbare Schwingungsamplitude vorliegt, so dass für diesen Fall zur Ausführung eines Tests zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit des Schalters zusätzliche konstruktive Maßnahmen vorgesehen sein müssen.As improvement was by the DE 26 18 720 B2 proposed a piezoelectric switch in which a dynamic measuring principle is used for a piezoelectric thermoplastic film element. In this case, in the switch operation, a mechanical oscillator to the film element 1 approximated. As a result of the decreasing distance between the vibration exciter and the film element, an oscillation in the film element is excited with increasing amplitude. From the measurement of the amplitude signal on the film element, the signal for driving the switch output is then generated. According to a design alternative of this switch, instead of the approach between the vibration transmitter and the sensorily used film element, a contact element between these two is inserted in a switch operation, which reinforces the mechanical contact and thus the vibration transmission from the vibration generator to the film element as the adjusting movement progresses. A disadvantage of said arrangement is that in the state of non-actuation of the switch on the sensory element, the film element, no or only a small measurable amplitude of vibration is present, so that in this case to perform a test to determine the functionality of the switch additional design measures must be provided.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schalttastereinheit anzugeben, die je nach Betätigungsstärke eine stufenlose Verstellmöglichkeit am Ausgang des Schalters ermöglicht. Dabei sollte die Schalttastereinheit robust sowie konstruktiv und fertigungstechnisch einfach sein.Of the The invention is based on the object of specifying a switchgear unit, depending on the operating strength a stepless Adjustment possible at the output of the switch. At the same time, the switch-button unit was to be robust, as well as constructive and production-oriented be easy.

Darüber hinaus sollte die Schalttastereinheit ergonomisch gestaltet und auf besonders einfache Art und Weise überwachbar sein, so dass insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen zu jeder Zeit deren Funktionsfähigkeit sichergestellt werden kann. Ferner ist für eine vorteilhafte Ausgestaltung die Schalttastereinheit so auszuführen, dass eine Rückkopplungsmöglichkeit zum Benutzer realisiert werden kann, so dass die Schalttastereinheit als haptische Mensch-Maschine-Schnittstelle beispielsweise von Sehbehinderten verwendet werden kann.About that In addition, the switch-button unit should be ergonomically designed and be monitored in a particularly simple manner, so that especially in safety-critical applications at any time their functionality can be ensured. Further is the switch button unit for an advantageous embodiment to do so, that a feedback possibility can be realized to the user, so that the switch button unit as a haptic man-machine interface, for example, of the visually impaired can be used.

Die Schalttastereinheit umfasst einen mechanischen Schwinger, der kontinuierlich zur Ausführung von Schwingungen angeregt wird. Diese Schwingungen werden auf einen Sensor übertragen, wobei der Sensor die Schwingungsamplitude erfasst und ein entsprechendes Wechselspannungssignal ausgibt. Dieses Wechselspannungssignal dient als Steuersignal für die Einstellung des Ausgabewerts am Ausgang der Schalttastereinheit. Hierzu wird bevorzugt das Steuersignal des Sensors einer Leistungsschaltung zugeführt, die dann abhängig vom Steuersignalpegel den Wert der Ausgangsspannung festsetzt. Die Betätigung der Schalttastereinheit erfolgt dadurch, dass mittels einer mechanischen Betätigungseinrichtung, auf die der Benutzer eine Kraft ausgeübt, der mechanische Schwinger gedämpft wird. Der Grad der Dämpfung bestimmt die Einstellung des Ausgangswerts der Schalttastereinheit.The Switchgear unit includes a mechanical oscillator that is continuous is excited to perform vibrations. These vibrations are transmitted to a sensor, the sensor the Detected oscillation amplitude and outputs a corresponding AC signal. This alternating voltage signal serves as a control signal for the setting of the output value at the output of the switchgear unit. For this purpose, preference is given to the control signal of the sensor of a power circuit fed, which then depends on the control signal level sets the value of the output voltage. The operation the switch-button unit takes place in that by means of a mechanical Actuator to which the user exerted a force, the mechanical oscillator is damped. The degree of damping determines the setting of the output value of the switch unit.

Ferner werden erfindungsgemäß der mechanische Schwinger und der Sensor jeweils mittels adaptiver Materialien ausgeführt. Ein adaptives Material ist ein Werkstoff oder ein Werkstoffverbund, der durch eine äußere Beeinflussung sich wenigstens in einer Materialeigenschaft drastisch verändert. Ein typisches Beispiel für ein adaptives Material ist ein Piezoelektrika, das gemäß des piezoelektrischen Effekts in einem elektrischen Feld einer Strukturdeformation unterliegt beziehungsweise im umgekehrten Fall eine Deformation aufgrund einer mechanischen Spannung eine elektrische Polarisation erzeugt.Further According to the invention, the mechanical oscillator and the sensor is implemented by means of adaptive materials. An adaptive material is a material or a material composite, which by an external influence at least drastically changed in one material property. A typical one Example of an adaptive material is a piezoelectrics, that according to the piezoelectric effect in a electric field is subject to structural deformation or in the opposite case a deformation due to a mechanical stress generates an electrical polarization.

Für die vorliegende Erfindung wird an eine erste adaptive Materialkomponente ein Wechselfeld angelegt, so dass diese eine Schwingung ausgeführt und die aktive Komponente eines mechanischen Schwingers darstellt. Die so erzeugten Schwingungen werden auf eine zweite adaptive Materialkomponente übertragen, die als Sensor in Abhängigkeit der vorliegenden Schwingungsamplitude ein Steuersignal, bevorzugt in Form eines Wechselspannungssignals, ausgibt, das wiederum der Leistungsschaltung zur Ansteuerung des Ausgangs der Schalttastereinheit zugeleitet wird.For the present invention, an alternating field is applied to a first adaptive material component so that it executes a vibration and represents the active component of a mechanical vibrator. The vibrations thus generated are transmitted to a second adaptive material component, which outputs a control signal as a function of the present oscillation amplitude, preferably in the form of an alternating voltage signal, which in turn is fed to the power circuit for driving the output of the switching probe unit.

Bevorzugte adaptive Materialien für die vorliegende Erfindung stellen piezoelektrische Materialien dar. Typische Beispiele sind ferroelektrische Kristalle, denen durch eine Polarisierung piezoelektrische Eigenschaften verliehen wurden. Bevorzugt wird eine Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT) verwendet, wobei es durch spezielle Dotierungen, etwa durch Ni-, Pi-, Sb-, Nb-Ionen möglich ist, die piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaften dieser Materialien einzustellen. Meist weisen piezoelektrische Kristalle eine Perowskitstruktur auf, allerdings sind piezoelektrische Effekte auch bei anderen Strukturformen, zum Beispiel für AlN mit einer Wurzitstruktur bekannt. Ein weiteres Beispiel für ein piezoelektrisches Material ist polarisiertes Polyvinylfluorid. Zur Ausbildung eines mechanischen Schwingers beziehungsweise eines Sensors aus einem piezoelektrischen Material kann beispielsweise eine mehrlagige, gestapelte Anordnung von piezoelektrischen Schichten und zwischengelagerten Elektroden verwendet werden. Ferner kann eine Bimorphstruktur für die Aktorik oder Sensorik verwendet werden, wobei in der vorliegenden Anmeldung unter einer Bimorphstruktur eine piezoelektrische Schicht auf einem Trägersubstrat mit entsprechender Kontaktierung verstanden wird. Gemäß einer möglichen Weitergestaltung kann eine Stapelanordnung aus zwei piezoelektrischen Dickschichtlagen verwendet werden, wobei zur Aktuation eine Deformation beim Anlegen eines elektrischen Felds entsprechend eines Bimetallstreifens erzeugt wird, beziehungsweise der umgekehrte Effekt sensorisch ausgenutzt wird. Ferner besteht die Möglichkeit, in das aktorische Element den Sensor zu integrieren oder diesen auf einer Aktorfläche auszubilden, was nachfolgend als Huckepacksensor bezeichnet wird. Dabei ist es möglich, dass Aktoren und Sensoren gemeinsame Elektroden, beispielsweise Masseleitungen, aufweisen.preferred provide adaptive materials for the present invention piezoelectric materials. Typical examples are ferroelectric Crystals, which are polarized by piezoelectric properties were awarded. Preference is given to a lead zirconate titanate ceramic (PZT), whereby it by special dopings, such as by Ni, Pi-, Sb-, Nb-ions is possible, the piezoelectric and dielectric properties of these materials. Most piezoelectric crystals have a perovskite structure, however, piezoelectric effects are also found in other structural forms, for example, AlN with a wurtz structure known. Another example of a piezoelectric material is polarized polyvinyl fluoride. To form a mechanical Schwingers or a sensor of a piezoelectric For example, material can be a multilayer, stacked array of piezoelectric layers and interposed electrodes be used. Furthermore, a bimorph structure for the actuators or sensors are used, wherein in the present Under a bimorph structure, a piezoelectric layer on a carrier substrate with appropriate contact is understood. According to a possible Further, a stack arrangement of two thick-film piezoelectric layers be used, wherein the Aktuation a deformation when applying an electric field corresponding to a bimetallic strip generated is, or the reverse effect sensory exploited becomes. There is also the possibility in the aktorische Element to integrate the sensor or this on an actuator surface form, which is hereinafter referred to as piggyback sensor. It is possible that actuators and sensors common Electrodes, such as ground lines have.

Weitere, bevorzugte adaptive Materialien zur Ausbildung des mechanischen Schwingers und des Sensors stellen elektrisch leitfähige Polymere, beispielsweise Polypyrrol oder Polyanilin, dar, die sich unter der Einwirkung eines elektrischen Felds dehnen. Diese elektroaktiven Polymere können zu einzelnen Fasern zusammengefasst werden, die wiederum zu einem aktorischen oder sensorischen Element zusammengesetzt werden können.Further, preferred adaptive materials for the formation of the mechanical Schwingers and the sensor provide electrically conductive Polymers, for example polypyrrole or polyaniline, which are located under to the action of an electric field. These electroactive Polymers can be grouped into individual fibers, which in turn is composed into an actuatoric or sensory element can be.

Ferner ist es denkbar, Längenkontraktionen, die Kohlenstoff-Nanoröhren unter der Wirkung eines äußeren elektrischen Feldes ausführen, aktorisch oder sensorisch einzusetzen. Hierzu werden die Kohlenstoff-Nanoröhren entlang einer Vorzugsrichtung orientiert in eine umgebende Trägermatrix, beispielsweise ein Polymer, eingebracht, das mit einer geeigneten Elektrodenanordnung versehen ist. Weitere vorteilhafte adaptive Materialien nutzen elektrostriktive oder magnetostriktive Effekte für die Aktuation oder die Sensorik aus.Further It is conceivable, length contractions, the carbon nanotubes under the action of an external electric field perform, actorically or sensory use. For this become the carbon nanotubes along a preferred direction oriented into a surrounding carrier matrix, for example a polymer incorporated with a suitable electrode arrangement is provided. Further advantageous adaptive materials use electrostrictive or magnetostrictive effects for the actuation or the Sensorics off.

Die erfindungsgemäße Verwendung adaptiver Materialien zur Ausbildung der aktiven Komponenten des mechanischen Schwingers und des Sensors eröffnet die Möglichkeit, den gleichen Werkstoff beziehungsweise den gleichen Werkstoffverbund sowohl aktorisch wie auch sensorisch zu verwenden. Dies ermöglicht eine Integration aktorischer und sensorischer Komponenten, wodurch insbesondere ein kleinbauendes und miniaturisierbares System entsteht.The inventive use of adaptive materials for the formation of the active components of the mechanical vibrator and the sensor opens up the possibility of same material or the same composite material to use both actorically and sensory. this makes possible an integration of actuatoric and sensory components, thereby In particular, a small-scale and miniaturizable system is created.

Ferner besteht durch das ständige Vorliegen einer Schwingungsanregung am mechanischen Schwinger des erfindungsgemäßen Schalttasters eine einfache Möglichkeit zur Funktionsüberwachung. So ist es insbesondere möglich, über den Sensor auch bei Nicht-Betätigung des Schalttasterelements eine Abschwächung des Signalpegels festzustellen, die auf eine möglich Degradation oder den Ausfall der aktiven Komponenten des Schalttastelements hindeutet. Weiterhin ist es möglich, aufgrund der einfachen Miniaturisierbarkeit die aktiven Komponenten, den mechanischen Schwinger und den oder die zugeordneten Sensoren mehrfach auszubilden.Further consists of the constant presence of vibration excitation on the mechanical oscillator of the invention Switching a simple way to monitor the function. So it is possible in particular, over the sensor even with non-actuation of the switch button element a To detect attenuation of the signal level, which on a possible degradation or failure of the active components of the shift key element indicates. Furthermore, it is possible due to the ease of miniaturization, the active components, the mechanical oscillator and the associated sensor (s) train several times.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird eine Vielzahl von Sensoren einem mechanischen Schwinger zugeordnet, wobei wiederum besonders bevorzugt wird, diese Sensoren so anzuordnen, dass diese bei einer vorgegebenen Anregungsfrequenz des mechanischen Schwingers und insbesondere im Resonanzbetrieb an den Schwingungsbäuchen des Sensors liegen oder mit diesem wenigstens mittelbar verbunden sind. Hierbei ist es vorteilhaft, den Sensor beziehungsweise die Sensoren in einer Huckepack-Anordnung unmittelbar auf dem mechanischen Schwinger auszubilden. Alternativ kann ein Sensor benachbart zum mechanischen Schwinger angeordnet sein, wobei wiederum bevorzugt wird, zur verbesserten Schwingungsübertragung ein Schwingungskopplungselement zwischenzuschalten.According to one Particularly preferred embodiment is a variety of sensors associated with a mechanical oscillator, again especially is preferred to arrange these sensors so that they at a predetermined excitation frequency of the mechanical vibrator and in particular in resonance mode at the antinodes of the sensor lie or are connected to this at least indirectly. in this connection it is advantageous to the sensor or the sensors in one Piggyback arrangement form directly on the mechanical oscillator. Alternatively, a sensor may be adjacent to the mechanical vibrator being arranged, again being preferred, for improved Vibration transmission a vibration coupling element interpose.

Das vom Sensor der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit ausgegebene Wechselspannungssignal wird einer Schaltungsanordnung zugeleitet, die in Abhängigkeit des Signalpegels am Sensor den Ausgang der Schalttastereinheit einstellt, insbesondere wird an diesem Ausgang in Abhängigkeit des vom Sensor empfangenen Steuersignals eine Ausgangsspannung stufenlos eingestellt. Wird die erfindungsgemäße Schalttastereinheit für eine Gleichstromanwendung verwendet, so wird die Leistungsschaltung bevorzugt eine Gleichrichterschaltung aufweisen. Ferner wird für Hochvolt-Anwendungen eine Treiberstrufe vorgesehen sein, auch die Verwendung einer Hochfrequenzschaltung gesteuert durch das vom Sensor ausgegebene Wechselspannungssignal ist denkbar. Entsprechende Treiberstufen können für Wechselstromanwendungen vorgesehen sein.The output from the sensor of the switching switch unit according to the invention AC signal is fed to a circuit arrangement which adjusts the output of the switching probe unit as a function of the signal level at the sensor, in In particular, an output voltage is adjusted continuously at this output as a function of the control signal received by the sensor. If the switching probe unit according to the invention is used for a DC application, then the power circuit will preferably have a rectifier circuit. Furthermore, a drive train will be provided for high-voltage applications, and the use of a high-frequency circuit controlled by the alternating voltage signal output by the sensor is also conceivable. Corresponding driver stages may be provided for AC applications.

Ferner wird bevorzugt eine Inverterschaltung verwendet, die am Ausgang der Schalttastereinheit eine kontinuierliche Variation zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert ermöglicht. Typischerweise ist dies eine Leistungsvariation zwischen 0–100%, wobei das vom Sensor der Leistungsschaltung zugeleitete Steuersignal aus einer Signaldämpfung am mechanischen Schwinger resultiert, welche typischerweise beim Aufbringen einer Maximalkraft auf die Schalttastereinheit nicht 100% betragen wird. Demnach wird vorteilhafterweise auch bei Maximalkraft die Schwingung des mechanischen Schwingers nicht vollständig zum Erliegen kommen. Als Folge muss das Steuersignal in der Leistungsschaltung verarbeitet werden, um eine Skalierung auf die mögliche Bandbreite des Signals am Ausgang vorzunehmen.Further Preferably, an inverter circuit is used, which is at the output the switchgear unit a continuous variation between a minimum value and a maximum value. typically, this is a power variation between 0-100% where the control signal supplied by the sensor of the power circuit signal attenuation at the mechanical vibrator results, which typically when applying a maximum force on the Switching unit unit will not be 100%. Accordingly, advantageously even with maximum force, the vibration of the mechanical vibrator is not completely come to a standstill. As a consequence, the control signal must in the power circuit are processed to scale to make the possible bandwidth of the signal at the output.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, über bestimmte Intervalle der von einem Benutzer aufgebrachten Kraft einen gleich bleibenden Plateauwert am Ausgang der Schalttastereinheit vorzusehen, so dass die Schalttastereinheit bestimmte, vorgegebene Raststufen realisiert, wobei erfindungsgemäß zwischen diesen ein kontinuierlicher Verlauf der Ausgabewerte vorliegt. Dies kann dadurch realisiert werden, dass über die konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit eine gewünschte Kraftdämpfungskennlinie realisiert wird. Zusätzlich oder alternativ kann das Verhältnis zwischen der vom Benutzer auf die Schalttastereinheit aufgebrachten Ansteuerungskräfte und dem sich am Ausgang derselben einstellende Ausgabewert über die Verarbeitung des sensorischen Signals in der Leistungsschaltung eingestellt werden.According to one advantageous embodiment, it is possible over certain intervals of force applied by a user to provide a constant plateau value at the output of the switchgear unit, so that the switch-button unit certain predetermined latching steps realized, according to the invention between these there is a continuous course of the output values. This can be done be realized that on the structural design the switching button unit according to the invention a desired force damping characteristic realized becomes. Additionally or alternatively, the ratio between the user applied to the switch panel unit Actuation forces and at the output of the same adjusting Output value about the processing of the sensory signal be set in the power circuit.

Zur Aufbringung der Dämpfung auf den mechanischen Schwinger wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit eine mechanische Betätigungseinrichtung vorgesehen. Beispiele hierfür sind ein Druckstößel oder eine Tellerfeder-Stapelanordnung. Weitere Ausgestaltungen können im Rahmen des fachmännischen Könnens gewählt werden, wobei bevorzugt mittels eines elastischen Elements eine Rückstellkraft erzeugt wird, so dass im Fall, dass keine Bedienung der Schalttastereinheit vorliegt, die mechanische Betätigungseinrichtung auf eine Neutralposition zurückgeführt wird, um den mechanischen Schwinger dämpfungsfrei zu halten. Für eine vereinfachte Ausführung wird auf eine Rückholfeder verzichtet und in der Neutralstellung eine lose Berührung zwischen Betätigungseinrichtung und mechanischem Schwinger zugelassen, so dass eine auf wenige Komponenten reduzierte Ausführung der Schalttastereinheit entsteht, die entsprechend kostengünstig und ausfallsicher ist.to Applying the damping to the mechanical oscillator is according to a preferred embodiment variant the switching button unit according to the invention a provided mechanical actuator. Examples this is a push rod or a Disc spring stack assembly. Further embodiments can chosen within the scope of expert knowledge be, preferably by means of an elastic element, a restoring force is generated, so that in case that no operation of the switch-button unit is present, the mechanical actuator on a Neutral position is attributed to the mechanical To keep the oscillator free of damping. For a simplified Execution is dispensed with a return spring and in the neutral position a loose touch between Actuator and mechanical oscillator approved, so that a reduced to a few components execution the switch-button unit is created, which is correspondingly inexpensive and failsafe.

Ferner wird bevorzugt, die mechanische Betätigungseinrichtung so auszubilden, dass eine bestimmte Kraftschwelle überschritten werden muss, um die Schalttastereinheit in den Ein-Zustand zu versetzen. Dies kann beispielsweise durch ein Membranelement realisiert werden, das eine elastische Gegenkraft erzeugt, die gegen eine Bedienung wirkt und die, bevor eine Dämpfung am mechanischen Schwinger entsteht, initial überwunden werden muss. Dabei kann das Membranelement nach dem Prinzip eines Knackfroschs funktionieren. Das Membranelement kann außerdem dazu verwendet werden, um als rückstellendes Element zu dienen, so dass auf weitere potenziell verschleißanfällige, elastische Komponenten in der Schalttastereinheit verzichtet werden kann.Further is preferred, the mechanical actuator form so that a certain threshold of force exceeded must be to put the switch unit in the on state. This can be realized for example by a membrane element, which generates an elastic reaction force against operation acts and which, before a damping on the mechanical oscillator arises, must be overcome initially. It can do that Membrane element work on the principle of a crackfrog. The membrane element can also be used to to serve as a restoring element, allowing for more potentially susceptible to wear, elastic components can be dispensed with in the switchgear unit.

Gemäß einer Weitergestaltung kann die erfindungsgemäße Schalttastereinheit im Multimodenbetrieb verwendet werden, hierbei ist es denkbar, dass der Benutzer eine Wahlmöglichkeit zwischen unterschiedlichen Anregungsfrequenzen und insbesondere Resonanzen des mechanischen Schwingers erhält. Wird zusätzlich eine Vielzahl von Sensoren einem mechanischen Schwinger zugeordnet, die jeweils selektiv einer bestimmten Schwingungsmode zugeordnet werden können, so ist es möglich, unterschiedliche Sensoren unterschiedlichen Auswerte- und Leistungsschaltungen zuzuordnen und somit mit einem einzigen Bedienelement eine Vielzahl von unterschiedlichen Ausgängen stufenlos ansteuern zu können. Eine solche Zuordnung zu einer Schwingungsmode kann dadurch erfolgen, dass des Sensor kleinbauend ausgebildet und lokalisiert an einem Bereich angebracht wird, der nur bei einem bestimmten frequenzabhängigen Schwingungsmuster eine hinreichende Schwingungsamplitude aufweist. Folglich können Sensoren einzelnen Schwingungsbäuchen zugeordnet werden, deren Auftreten frequenzselektiv ist. Für einen solchen Multimodenbetrieb kann ein zusätzlicher oder integrierter Wählschalter zur Auswahl der jeweiligen Mode an der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit vorgesehen sein.According to one Further design, the switch panel unit according to the invention be used in multi-mode operation, it is conceivable that the user a choice between different Excitation frequencies and in particular resonances of the mechanical Schwingers receives. In addition, a variety from sensors associated with a mechanical oscillator, respectively can be selectively assigned to a specific vibration mode, so it is possible to different sensors different Assign evaluation and power circuits and thus with a single control a variety of different outputs stepless to steer. Such an assignment too a vibration mode can be done by making the sensor small trained and located at an area attached to the only with a certain frequency-dependent vibration pattern has a sufficient oscillation amplitude. Consequently, you can Sensors are assigned to individual antinodes, whose occurrence is frequency-selective. For such Multi-mode operation can be an additional or integrated Selector switch for selecting the respective mode on the switching button unit according to the invention be provided.

Gemäß einer bevorzugten Weitergestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dem Benutzer eine Rückmeldung über die von ihm erzeugte Dämpfung am mechanischen Schwinger zu geben. Im einfachsten Fall wird dies durch ein akustisches Signal bewirkt, dass unmittelbar durch die Schwingungsanregung des mechanischen Schwingers entsteht. Durch die Dämpfung wird der Schallpegel abfallen, so dass eine Bedienung ohne visuelle Kontrolle mittels eines Anzeigeelements möglich ist. Dies ist insbesondere für die Schaffung von Eingabevorrichtungen für technische Geräte zur Bedienung durch Sehbehinderte von Bedeutung. Zur Realisierung einer vibro-taktilen Rückmeldung kann ebenfalls die Schwingungsbewegung des mechanischen Schwingers selbst zum Benutzer zurückgeführt werden. Dies setzt jedoch voraus, dass die Schwingungsamplitude hinreichend groß ist und mit hinreichend niedrigen Schwingungsfrequenzen gearbeitet wird. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist es denkbar, ein separates Rückkopplungselement vorzusehen, das in Abhängigkeit des Schwingungszustands ein akustisches oder vibro-taktil wahrnehmbares Signal an der Bedienfläche der Schalttastereinheit ausgibt. Zur Ansteuerung dieses separaten Rückkopplungselements kann wiederum auf die Signalverarbeitung des vom Sensor erzeugten Steuersignals zurückgegriffen werden.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided to give the user feedback about the damping generated by him on the mechanical oscillator. Im simple In the latter case, this is caused by an acoustic signal that arises directly from the vibration excitation of the mechanical oscillator. Due to the attenuation of the sound level will drop, so that an operation without visual control by means of a display element is possible. This is particularly important for the creation of input devices for technical devices for the operation of the visually impaired. To realize a vibro-tactile feedback also the vibration movement of the mechanical oscillator itself can be returned to the user. However, this presupposes that the oscillation amplitude is sufficiently large and that it operates with sufficiently low oscillation frequencies. According to an alternative embodiment, it is conceivable to provide a separate feedback element which emits an audible or vibro-tactile perceptible signal on the control surface of the switch button unit as a function of the vibration state. To control this separate feedback element can in turn be resorted to the signal processing of the control signal generated by the sensor.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausgestaltungsbeispiels in Verbindung mit den Figurendarstellungen genauer erläutert, die im Einzelnen Folgendes darstellen:following The invention is based on a preferred embodiment explained in more detail in connection with the figure representations, which detail:

1 zeigt eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Schalttastereinheit. 1 shows a sectional view through a switch unit according to the invention.

2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schalttastereinheit. 2 shows a further embodiment of a switching button unit according to the invention.

3 zeigt in einer Prinzipienskizze den Zusammenhang zwischen den vom Benutzer aufgebrachten Bedienkräften auf die Schalttastereinheit und der resultierenden Dämpfung am mechanischen Schwinger. 3 shows in a principle sketch the relationship between the user-applied operator on the switch unit and the resulting attenuation of the mechanical oscillator.

4 zeigt in einer Prinzipienskizze den Zusammenhang zwischen der vom Benutzer aufgebrachten Kraft auf die Schalttastereinheit und der resultierenden Ausgangsspannung am Ausgang der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit. 4 shows in a principle sketch the relationship between the force applied by the user on the switch-button unit and the resulting output voltage at the output of the switch-button unit according to the invention.

1 zeigt schematisch vereinfacht in einer Schnittdarstellung eine Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit 1. Ein mechanischer Schwinger 2 mit einer ersten adaptiven Materialkomponente wird mittels einer Steuerungs- und Auswerteelektronik 10 zu dauerhaften Schwingungen angeregt. Gemäß des dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiels wird als erste adaptive Materialkomponente ein piezoelektrisches Material verwendet, das in der Form als ein flächiges Element gestaltet ist. Dieses flächige Element wird spielfrei im Gehäusekörper 9 der Schalttastereinheit 1 fixiert und umfasst eine piezoelektrische Dickschicht auf einem Substrat 17. Zur Erzeugung des elektrischen Felds zur Schwingungsanregung sind eine erste Elektrode des mechanischen Schwingers 3 und eine zweite Elektrode des mechanischen Schwingers 4 vorgesehen. Zur Messung der Schwingungsamplitude des mechanischen Schwingers 2 wird ein Sensor 5 verwendet, der eine zweite adaptive Materialkomponente umfasst. Im vorliegenden Fall wird für die zweite adaptive Materialkomponente ebenfalls ein piezoelektrisches Material verwendet, wobei insbesondere bevorzugt wird, den mechanischen Schwinger und den Sensor aus übereinstimmenden Materialien auszubilden. 1 shows schematically simplified in a sectional view of an embodiment variant of the switching button unit according to the invention 1 , A mechanical oscillator 2 with a first adaptive material component is by means of a control and evaluation 10 excited to permanent vibrations. According to the illustrated advantageous embodiment, a piezoelectric material is used as the first adaptive material component, which is designed in the form of a planar element. This flat element is free of play in the housing body 9 the switchgear unit 1 fixed and includes a piezoelectric thick film on a substrate 17 , For generating the electric field for vibration excitation are a first electrode of the mechanical oscillator 3 and a second electrode of the mechanical vibrator 4 intended. For measuring the oscillation amplitude of the mechanical oscillator 2 becomes a sensor 5 used, which comprises a second adaptive material component. In the present case, a piezoelectric material is also used for the second adaptive material component, wherein it is particularly preferred to form the mechanical oscillator and the sensor from matching materials.

Gemäß der in 1 dargestellten bevorzugten Ausgestaltung wird der Sensor 5 in einer Huckepack-Anordnung unmittelbar auf dem den mechanischen Schwinger 2 bildenden flächigen Element ausgebildet. Der sensorisch verwendeten Piezokeramik ist wiederum eine erste Elektrode 6 und eine zweite Elektrode 7 zugeordnet, wobei die erste Elektrode des Sensors 6 und die zweite Elektrode des mechanischen Schwingers 4 miteinander elektrisch verbunden beziehungsweise einteilig ausgebildet sind und auf Masse gelegt werden. Diese geerdete Elektrode stellt die Zwischenschicht zwischen dem mechanischen Schwinger 2 und dem Sensor 5 dar, beide sind jeweils flächig ausgebildet und die gemeinsame Elektrode bildet die Kontaktschicht beziehungsweise die Trennschicht. Die Gesamtstruktur auf mechanischem Schwinger 2 und Sensor 5 mit den zugehörigen Elektroden und dem Substrat 17 als Tragschicht kann demnach gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung als Stapelsystem mit zwei piezokeramischen Dickschichtlagen ausgebildet sein, das nachfolgend als Trimorph bezeichnet wird.According to the in 1 illustrated preferred embodiment, the sensor 5 in a piggyback arrangement directly on the mechanical oscillator 2 formed forming planar element. The sensory piezoceramic is again a first electrode 6 and a second electrode 7 associated with the first electrode of the sensor 6 and the second electrode of the mechanical vibrator 4 electrically connected to each other or formed in one piece and are grounded. This grounded electrode places the intermediate layer between the mechanical vibrator 2 and the sensor 5 Both are each formed flat and the common electrode forms the contact layer or the separation layer. The forest on mechanical oscillator 2 and sensor 5 with the associated electrodes and the substrate 17 According to an advantageous embodiment, the support layer can therefore be formed as a stacking system with two piezoceramic thick-film layers, which is referred to below as trimorph.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Vielzahl von Sensoren zur Aufnahme der Schwingungsamplitude am mechanischen Schwinger 2 vorgesehen. In 1 ist hierzu exemplarisch ein zweiter Sensor 5.2 dargestellt, der entsprechend lateral versetzt zum ersten Sensor 5 in einer Huckepack-Anordnung ausgebildet ist. Jeder der Sensoren kann im Bereich eines Schwingungsbauchs des mechanischen Schwingers 2 positioniert werden. Weiterhin ist es denkbar, die Sensoren 5, 5.2 so anzuordnen und in ihrer Ausdehnung zu begrenzen, dass diese im Wesentlichen nur bei einer bestimmten Schwingungsmode ein signifikantes sensorisches Signal erzeugen, so dass durch die Wahl der Anregungsfrequenz für die mechanischen Schwinger ein Multimodenbetrieb der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit 1 möglich ist. Nachfolgend wird ein solchermaßen ausgestalteter Schalter als Multischalter bezeichnet.According to a preferred embodiment, a plurality of sensors for recording the oscillation amplitude on the mechanical oscillator 2 intended. In 1 this is exemplarily a second sensor 5.2 shown, the laterally offset to the first sensor accordingly 5 is formed in a piggyback arrangement. Each of the sensors can be in the region of a vibration belly of the mechanical oscillator 2 be positioned. Furthermore, it is conceivable, the sensors 5 . 5.2 to be arranged and limited in their extent that they generate a significant sensory signal substantially only in a particular vibration mode, so that by the choice of the excitation frequency for the mechanical oscillator, a multi-mode operation of the switching button unit according to the invention 1 is possible. Hereinafter, such a ausgestalteter switch is referred to as a multi-switch.

Das vom Sensor 5, 5.2 erzeugte Wechselspannungssignal wird als Steuersignal einer Leistungsschaltung 11 zugeordnet, die wiederum, wie in 1 dargestellt, Teil der Steuerungs- und Auswerteelektronik 10 sein kann. In Abhängigkeit des Signalpegels des Steuersignals wird der Ausgang der Schalttastereinheit auf einen bestimmten Wert eingestellt. Üblicherweise wird dies die Festlegung einer bestimmten Ausgangsspannung an den Ausgangselektroden der Schalttastereinheit 12.1, 12.2 sein.That of the sensor 5 . 5.2 generated AC signal is a control signal of a quiet processing circuit 11 assigned, in turn, as in 1 shown, part of the control and evaluation 10 can be. Depending on the signal level of the control signal, the output of the switching unit is set to a certain value. This is usually the setting of a specific output voltage at the output electrodes of the switch-button unit 12.1 . 12.2 be.

Mittels einer mechanischen Betätigungseinrichtung 8, die nachfolgend noch genauer erläutert wird, kann vom Benutzer eine bestimmte Bedienkraft auf die Schalttastereinheit 1 ausgeübt werden. Dies führt wiederum zu einer Dämpfung des mechanischen Schwingers 2, die in eine kontinuierliche Variation der Ausgangsspannung für die Schalttastereinheit 2 umgesetzt wird. Nachfolgend wird dies anhand der 3 und 4 erläutert. In 3 ist die vom Benutzer aufgebrachte Bedienkraft F gegen die Dämpfung D am mechanischen Schwinger aufgetragen. Bevorzugt wird die mechanische Betätigungseinrichtung 8 so ausgebildet, dass eine bestimmte Kraftschwelle überwunden werden muss, bevor eine Beeinflussung des mechanischen Schwingers eintritt. In 3 ist hierzu dargestellt, dass bis zu einer Bedienkraft F₁ keine Dämpfung am mechanischen Schwinger 2 vorliegt. Diese initial zu überwindende Kraftschwelle dient dazu, einen definierten Ein-/Auszustand für die Schalttastereinheit 1 festzulegen. Eine konstruktive Möglichkeit zur Realisierung einer solchen Kraftschwelle besteht darin, an der Schalttastereinheit 1 ein Membranelement 16 anzubringen, das auf der Außenseite der Schalttastereinheit 1 vorliegt. Dieses Membranelement 16 ist nach außen gewölbt, so dass ein Benutzer zunächst eine Kraftschwelle überwinden muss, um das Membranelement 16 nach innen zu biegen, wobei es erst dann mit dem Stößel einer mechanischen Betätigungseinrichtung in Kontakt kommt und diesen bei zunehmender Druckbeaufschlagung durch den Bediener axial in Richtung des mechanischen Schwingers 2 bewegt. Auch das Vorsehen einer Schalthysterese zur Festlegung des Ein-/Aus-Zustands ist denkbar, jedoch im Einzelnen nicht in den Figuren dargestellt.By means of a mechanical actuator 8th , which will be explained in more detail below, the user can a certain operating force on the switch button unit 1 be exercised. This in turn leads to a damping of the mechanical oscillator 2 resulting in a continuous variation of the output voltage for the switchgear unit 2 is implemented. The following is based on the 3 and 4 explained. In 3 is applied by the user applied operating force F against the damping D on the mechanical oscillator. The mechanical actuating device is preferred 8th designed so that a certain threshold of force must be overcome before an influence of the mechanical oscillator occurs. In 3 is shown for this purpose that up to an operating force F ₁ no damping on the mechanical oscillator 2 is present. This force threshold, which is initially to be overcome, serves to define a defined on / off state for the switchgear unit 1 set. A constructive possibility for realizing such a force threshold is at the switch-button unit 1 a membrane element 16 to be mounted on the outside of the switchboard unit 1 is present. This membrane element 16 is curved outward, so that a user must first overcome a force threshold to the membrane element 16 to bend inwardly, whereby it only comes into contact with the plunger of a mechanical actuator and this with increasing pressurization by the operator axially in the direction of the mechanical oscillator 2 emotional. The provision of a switching hysteresis for determining the on / off state is conceivable, but not shown in detail in the figures.

Beim Inkontakttreten einer Dämpfungslage 15 im Verlauf der Druckbeaufschlagung durch einen Bediener mit dem mechanischen Schwinger 2 tritt ein zunehmender Dämpfungseffekt ein. Dies ist in 3 dargestellt, wobei gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung in einem Kraftintervall zwischen F₁ und F₂ ein linearer Zusammenhang zwischen Bedienkraft und Dämpfung vorliegt und auch für Maximalkräfte eine Beschränkung der Dämpfung besteht. Hierbei ist es denkbar, die jeweils gewünschte Kraft-Dämpfungs-Kennlinie durch eine entsprechende konstruktive Gestaltung der mechanischen Betätigungseinrichtung 8 einzustellen. In 3 ist hierzu exemplarisch eine elastische Lage 14 zwischen der Dämpfungslage 15 und dem Stößel der mechanischen Betätigungseinrichtung 8 vorgesehen. Zusätzlich wird bevorzugt, zur Rückstellung der mechanischen Betätigungseinrichtung 8 auf eine Neutralstellung bei Nicht-Betätigung ein elastisches Element 13, wie die in 1 skizzierte Schraubenfeder, vorzusehen.When contacting a damping layer 15 during the pressurization by an operator with the mechanical oscillator 2 occurs an increasing damping effect. This is in 3 represented, according to an advantageous embodiment in a force interval between F ₁ and F _{2 is} a linear relationship between operating force and damping and there is a limitation of the damping for maximum forces. It is conceivable, the respective desired force-damping curve by a corresponding structural design of the mechanical actuator 8th adjust. In 3 is an example of an elastic situation 14 between the damping position 15 and the plunger of the mechanical actuator 8th intended. In addition, it is preferred to return the mechanical actuator 8th to a neutral position when not operating an elastic element 13 like the ones in 1 sketched coil spring to provide.

2 zeigt ein weiteres Ausgestaltungsbeispiel, bei dem auf ein elastisches Element zur Erzeugung einer Rückstellkraft auf die mechanische Betätigungseinrichtung 8 verzichtet wird. Stattdessen ruht im betätigungsfreien Zustand der Stößel 17 mit einer Dämpfungslage 15 auf dem mechanischen Schwinger 2. Die so erzeugte Grunddämpfung wird durch einen angepassten Dämpfungs-Kennlinienverlauf in der Leistungsschaltung 11 berücksichtigt, die das Steuersignal vom Sensor 5 verarbeitet. Zur Schalterbetätigung ist zunächst eine Kraftschwelle zu überwinden, die durch das Membranelement 16 bewirkt wird, das nach dem Knackfroschprinzip ausgestaltet ist. Nach dem Umklappen des Membranelements 16 wird ein weiter zunehmender Betätigungsdruck zu einer Axialbewegung des im Gehäusekörper 9 vorzugsweise formschlüssig gelagerten Stößels und damit zu einer höheren Anlagekraft der Dämpfungslage 15 gegen den mechanischen Schwinger 2 führen. Die dadurch zunehmende Dämpfung des mechanischen Schwingers 2 wird wiederum durch den Sensor 5 in Huckepack-Anordnung detektiert. Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 zeichnet sich durch eine Reduktion der Komponentenanzahl aus, insbesondere wird auf verschleißanfällige Komponenten wie Rückstellfedern etc. verzichtet, so dass eine robuste Schalttastereinheit 1 resultiert. 2 shows a further embodiment example, in which an elastic member for generating a restoring force on the mechanical actuator 8th is waived. Instead rests in the non-actuated state of the plunger 17 with a damping layer 15 on the mechanical oscillator 2 , The basic damping thus generated is achieved by an adapted damping characteristic curve in the power circuit 11 takes into account the control signal from the sensor 5 processed. To switch operation, a force threshold is first overcome, through the membrane element 16 is effected, which is designed according to the click-frog principle. After folding over the membrane element 16 becomes a further increasing actuation pressure to an axial movement of the housing body 9 preferably positively mounted ram and thus to a higher contact force of the damping layer 15 against the mechanical oscillator 2 to lead. The resulting increase in damping of the mechanical oscillator 2 will turn through the sensor 5 detected in piggyback arrangement. The embodiment according to 2 is characterized by a reduction in the number of components, in particular wear-prone components such as return springs, etc. is dispensed with, so that a robust switching probe unit 1 results.

Eine in den Figuren im Einzelnen nicht dargestellte Weitergestaltung sieht eine Betätigungseinrichtung vor, die nicht durch einen menschlichen Benutzer, sondern durch einen Umgebungsparameter gesteuert wird. Dies kann beispielsweise die Temperatur oder die Feuchtigkeit der Umgebung oder eine Beleuchtung oder eine Strahlungseinwirkung sein, die zu einer Stellbewegung der Betätigungseinrichtung führt. Beispielsweise können Formgedächtnismaterialien oder elektrochrome beziehungsweise photochrome Materialien zur Realisierung eines solchen Betätigungselements verwendet werden.A in the figures not shown in detail further design provides an actuator that does not pass through a human user, but controlled by an environment parameter becomes. This can be for example the temperature or the humidity environment or lighting or radiation be that leading to an actuating movement of the actuator leads. For example, shape memory materials or electrochromic or photochromic materials for realization be used of such an actuator.

Ausgehend von einer am mechanischen Schwinger 2 aufgebrachten Dämpfung und einer daraus resultierenden Variation des vom Sensor ausgegebenen Wechselspannungssignals (Steuersignal) wird in der Leistungsschaltung eine bestimmte Ausgangsspannung für die Schalttastereinheit 1 zugeordnet. Dies ist exemplarisch in 4 skizziert. Gezeigt wird eine Skalierung einer Schwingungsdämpfung D zwischen 0% und 80% auf eine Ausgangsspannung zwischen dem Minimalwert U₁ (typischerweise 0 Volt) und einem Maximalwert U₃. Ferner ist in 4 ein Beispiel gezeigt, bei dem bei einem bestimmten Wert der Ausgangsspannung (U₂) ein Plateau vorgesehen ist, bei dem ein vorgegebenes Intervall an Dämpfungswerten ein konstantes Ausgangssignal zugeordnet wird. Dieses Plateau bei U₂ stellt eine bestimmte Raststellung dar, die entsprechend durch die Gestaltung der mechanischen Betätigungseinrichtung 8 abgebildet werden kann, so dass der Benutzer beispielsweise wiederum eine bestimmte Kraftschwelle überwinden muss, um diese Raststellung zu verlassen. Dies kann beispielsweise durch ein Richtgesperre ausgeführt sein.Starting from a on the mechanical oscillator 2 applied attenuation and a resulting variation of the output from the sensor AC signal (control signal) is in the power circuit, a certain output voltage for the switch unit 1 assigned. This is exemplary in 4 outlined. Shown is a scaling of a vibration damping D between 0% and 80% to an output voltage between the minimum value U ₁ (typically 0 volts) and a maximum value U ₃ . Furthermore, in 4 shown an example in which at a certain value of the output voltage (U ₂ ) a Pla is provided, in which a predetermined interval of attenuation values is assigned a constant output signal. This plateau at U ₂ represents a certain detent position, which corresponds to the design of the mechanical actuator 8th can be mapped, so that the user, for example, again overcome a certain threshold strength to leave this detent position. This can be carried out, for example, by a Richtgesperre.

Je nach Anwendungsfall wird die Leistungsschaltung 11 unterschiedlich gestaltet sei. Bei Gleichstromanwendungen wird typischerweise das Wechselspannungssignal vom Sensor 5 gleichgerichtet und eventuell in einer Treiberstufe, beispielsweise für eine Hochvoltapplikation, verarbeitet. Außerdem ist es denkbar, je nach Anwendung eine Folgeschaltung, beispielsweise für den Hochfrequenzbereich, vorzusehen. Entsprechende Treiberstufen können für Wechselstromanwendungen verwendet werden. Darüber hinaus kann eine Skalierung beziehungsweise ein gewünschter Kennlinienverlauf zur Zuordnung eines bestimmten Steuersignals durch den Sensor zu einem bestimmten Pegel am Ausgang der Schalttastereinheit durch die Leistungsschaltung umgesetzt werden.Depending on the application, the power circuit 11 designed differently. For DC applications, typically the AC signal is from the sensor 5 rectified and possibly processed in a driver stage, for example, for a high-voltage application. It is also conceivable, depending on the application, to provide a sequential circuit, for example for the high-frequency range. Corresponding driver stages can be used for AC applications. In addition, a scaling or a desired characteristic curve for the assignment of a specific control signal by the sensor to a certain level at the output of the switch-button unit can be converted by the power circuit.

Neben der Funktion der Schwingungsanregung übernimmt die Steuerungs- und Auswerteelektronik 10 gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung zusätzlich die Aufgabe, die ordnungsgemäße Funktion der Schalttastereinheit zu überwachen. Hierzu wird das vom Sensor 5 aufgenommene Signal überwacht und beispielsweise eine Frequenzdrift oder eine dauerhafte Signalabschwächung, die auf eine Degradation des adaptiven Materials oder das Losreißen von Verankerungspunkten hindeutet, erkannt. Zusätzlich ist es denkbar, eine redundante Anordnung durch eine Vielzahl mechanischer Schwinger und entsprechend eine Vielzahl von zugeordneten Sensoren vorzusehen, was insbesondere in Verbindung mit der systembedingt vereinfachten Überwachung ihrer Funktion für eine sicherheitskritische Anwendung der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit 1 relevant ist.In addition to the function of vibration excitation takes over the control and evaluation 10 According to an advantageous embodiment additionally the task to monitor the proper operation of the switch-button unit. This is done by the sensor 5 recorded signal detected and, for example, a frequency drift or a permanent signal attenuation, which indicates a degradation of the adaptive material or the tearing of anchoring points detected. In addition, it is conceivable to provide a redundant arrangement by a plurality of mechanical oscillators and correspondingly a plurality of associated sensors, which in particular in connection with the system-related simplified monitoring of their function for a safety-critical application of the switching button unit according to the invention 1 is relevant.

Gemäß einer Weitergestaltung der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit 1 ist eine Rückkopplung für den Benutzer vorgesehen, wobei diese im einfachsten Fall die Schwingungen des mechanischen Schwingers in ein akustisches Signal umsetzt, so dass bei der Bedienung die Dämpfung der Schwingungsamplitude des mechanischen Schwingers 2 als Lautstärkeabnahme wahrgenommen werden kann. Bei langsamen Frequenzen und großen Amplituden ist es denkbar, die Schwingungsbewegung des mechanischen Schwingers 2 unmittelbar bei der Berührung der Schalttastereinheit 1 wahrzunehmen. Wird allerdings mit hohen Frequenzen und kleinen Amplituden gearbeitet, so ist es vorteilhaft, dem Benutzer eine indirekte Rückkopplung zu geben, indem ein separates Rückkopplungselement 21 vorgesehen ist, das akustische oder vibro-taktile Signale an einen Benutzer ausgibt, die in Abhängigkeit zum Signalpegel am Sensor 5 stehen. In 1 ist hierzu ein separates Rückkopplungselement 21 vorgesehen, das unterhalb dem Membranelement 16 angeordnet ist und das vom Benutzer beim Bedienen der Schalttastereinheit erfüllt werden kann. Dieses separate Rückkopplungselement 21 steht in Verbindung zur Steuerungs- und Auswerteelektronik 10 und kann wie voranstehend dargelegt in Abhängigkeit des Steuersignals vom Sensor 5 mit einem entsprechenden Rückkopplungssignal belegt werden.According to a further embodiment of the switch-button unit according to the invention 1 a feedback for the user is provided, which in the simplest case, the vibrations of the mechanical oscillator in an acoustic signal converts, so that when operating the damping of the vibration amplitude of the mechanical oscillator 2 can be perceived as a decrease in volume. At slow frequencies and large amplitudes, it is conceivable that the oscillatory motion of the mechanical oscillator 2 immediately upon contact with the switch unit 1 perceive. However, when working with high frequencies and small amplitudes, it is advantageous to give the user indirect feedback by using a separate feedback element 21 is provided, which outputs acoustic or vibro-tactile signals to a user, in response to the signal level at the sensor 5 stand. In 1 this is a separate feedback element 21 provided, which is below the membrane element 16 is arranged and can be met by the user when operating the switch unit. This separate feedback element 21 is connected to the control and evaluation electronics 10 and may as described above in response to the control signal from the sensor 5 be assigned with a corresponding feedback signal.

Die erfindungsgemäße Schalttasteinheit kann vorteilhaft als Mensch-Maschinen-Schnittstelle verwendet werden, bei der neben der Anforderung an eine intuitive, stufenlosen Bedienung eine komplexe Steuerungsaufgabe zu lösen ist, die eine kontinuierliche Geräteeinstellung notwendig macht. Damit wird insbesondere eine ergonomische Schalttasteinheit offenbart, die für eine Vielzahl von Anwendungsfeldern geeignet ist. Beispiele hierfür sind Bedienelemente von Fahrzeugen, Haushaltsgeräten, Werkzeugmaschinen oder Vorrichtungen die in einen Wirkkontakt zu einem menschlichen Körper treten, etwa Prothesen oder Geräte für medizinisch/diagnostische Zwecke oder für Massagen. Vorteilhaft für diese Anwendungen ist insbesondere die stufenlose Einstellbarkeit, die konstruktionsbedingt einfache Möglichkeit zur Miniaturisierung, Funktionsüberwachung und zur Realisierung einer Rückkopplung zur jeweiligen Schaltstellung durch die erfindungsgemäße Schalttastereinheit, die darüber hinaus im Multimodenbetrieb verwendet werden kann.The Switch unit according to the invention can be advantageous to be used as a human-machine interface, in addition to the requirement for an intuitive, stepless operation a complex control task to solve, which is a continuous device adjustment necessary. Thus, in particular, an ergonomic switch unit is disclosed, which is suitable for a variety of applications. Examples are controls of vehicles, household appliances, Machine tools or devices in an operative contact to a human body, such as prostheses or devices for medical / diagnostic purposes or for Massages. In particular, advantageous for these applications the stepless adjustability, the design-wise simple way for miniaturization, function monitoring and realization a feedback to the respective switching position the switching button unit according to the invention, the In addition, it can be used in multi-mode operation.

11: SchalttastereinheitSwitching button unit
22: mechanischer Schwingermechanical Schwinger
33: erste Elektrode des mechanischen Schwingersfirst Electrode of the mechanical oscillator
44: zweite Elektrode des mechanischen Schwingerssecond Electrode of the mechanical oscillator
5, 5.25, 5.2: Sensorsensor
66: erste Elektrode des Sensorsfirst Electrode of the sensor
7, 7.27, 7.2: zweite Elektrode des Sensorssecond Electrode of the sensor
88th: mechanische Betätigungseinrichtungmechanical actuator
99: Gehäusekörperhousing body
1010: Steuerungs- und Auswertelektronikcontrol and evaluation electronics
1111: Leistungsschaltungpower circuit
12.1, 12.212.1, 12.2: Ausgangselektroden der Schalttastereinheitoutput electrodes the switchgear unit
1313: elastisches Elementelastic element
1414: elastische Lageelastic location
1515: Dämpfungslagedamping layer
1616: Membranelementmembrane element
1717: Stößeltappet

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 2614106 B1 [0003]
- DE 2618720 B2 [0004]

Claims

Switching unit ( 1 ) comprising 1.1 a power circuit ( 11 ) for outputting a continuously variable output voltage; 1.2 a mechanical oscillator ( 2 ) with a first adaptive material component which is vibrated by means of an alternating field; 1.3 a sensor ( 5 . 5.2 ) with a second adaptive material component connected to the mechanical oscillator ( 2 ) resonates and outputs an alternating voltage signal as a function of the oscillation amplitude, which is used as the control signal for the power circuit ( 11 ) serves; 1.4 a mechanical actuator ( 8th ) when operating the switchgear unit ( 1 ) a force is exerted by the user and in dependence of this force the mechanical oscillator ( 2 ) dampens.

Switching unit ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the first adaptive material component and / or the second adaptive material component are selected from the group of materials formed by piezoelectric, electrostrictive, magnetostrictive materials, electroactive polymer fibers or a composite material comprising oriented carbon nanotubes ,

Switching unit ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the first adaptive material component is electrically activated and is excited by means of an electric alternating field applied to electrodes to structural vibrations.

Switching unit ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical oscillator ( 2 ) is permanently vibrated.

Switching unit ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that as a mechanical oscillator ( 2 ) A piezoelectric element is used, which is stored without play in a housing.

Switching unit ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the piezoelectric element comprises a piezoelectric layer on a substrate carrier.

Switching unit ( 1 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 5 . 5.2 ) is arranged adjacent to the mechanical oscillator and between these a vibration coupling element is provided.

Switching unit ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the sensor ( 5 . 5.2 ) in one piece with the mechanical oscillator ( 2 ) is trained.

Switching unit ( 1 ) according to claim 8, characterized in that the sensor ( 5 . 5.2 ) and the mechanical oscillator ( 2 ) form a piggyback arrangement and have a common ground electrode which is arranged as a separating layer between the two.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that a plurality of sensors ( 5 . 5.2 ) which is around or on the mechanical oscillator ( 2 ) are mounted in different places.

Switching unit ( 1 ) according to claim 10, characterized in that the individual sensors ( 5 . 5.2 ) different vibration modes of the mechanical vibrator ( 2 ) to realize a multi-switch.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the power circuit ( 11 ) comprises a rectifier circuit, which the from the sensor ( 5 . 5.2 ) rectifies output AC signal.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the power circuit ( 11 ) comprises a driver stage for high voltage applications.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the power circuit ( 11 ) comprises a high frequency circuit.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that through the power circuit ( 11 ) at a maximum damping of the mechanical oscillator from the sensor ( 5 . 5.2 ) results in an output voltage which assumes a minimum or maximum value.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that in the power circuit ( 11 ) is assigned to a specific interval of the signal amplitude of the control signal, a constant output voltage to implement a switching stage.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the mechanical actuation Facility ( 8th ) an elastic element ( 13 ) which generates a force directed against the actuation.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that at the beginning of the mechanical actuating device, a predetermined force must be exceeded in order to be able to operate on the switch-switch unit ( 1 ) to set an on / off state.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the frequency of the alternating field for vibrational excitation of the mechanical oscillator can be determined by means of a control element for selecting a particular operating mode.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the frequency of the alternating field for vibrational excitation of the mechanical oscillator is chosen so that one of its natural resonances is excited.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that that of the sensor ( 5 . 5.2 ) output AC signal for monitoring the function of the switch unit ( 1 ) is used.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the oscillation amplitude of the mechanical oscillator is transmitted by means of a vibro-tactile and / or acoustic stimulus to the user.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the switch button ( 1 ) forms an ergonomic operating element.

Switching unit ( 1 ) according to at least one of claims 1-22, characterized in that the switch button ( 1 ) an actuator influenced by an environmental parameter ( 8th ) which switches automatically without the intervention of a user.

Switching unit ( 1 ) according to claim 24, characterized in that the actuating device ( 8th ) comprises a shape memory material or an electrochromic or a photochromic material.

Use of a switch-button unit ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the switch-button unit ( 1 ) as an operating element of a vehicle, a household appliance, a machine tool or a device which comes into operative contact with a human body, in particular a prosthesis or a device for medical / diagnostic purposes or for massages.