AT506531B1 - Tastenfeld - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT506 531 B1 2010-01-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Tastenfeld mit wenigstens zwei piezoelektrischen Schichten, die in örtlich voneinander abgegrenzten, einzelnen Tasten zugeordneten, über Elektroden an eine Auswertestufe angeschlossenen Abschnitten eine gruppenweise unterschiedliche Polung aufweisen, wobei die den einzelnen Tasten zugeordneten Abschnitte durch eine Variation der unterschiedlichen Polungen die jeweilige Taste kodieren.

[0002] Bekannte Tastenfelder mit druckempfindlichen Tasten, die zur Signalabgabe piezoelektrische Effekte ausnützen (EP 0 576 400 B1), weisen eine piezoelektrische Schicht auf, die in voneinander getrennten, einzelne Tasten bestimmenden Abschnitten polarisiert werden, sodass sich den Tasten entsprechende Piezoelemente ergeben, die mit Hilfe von einander kreuzenden Leiterbahnscharen je für sich an eine Auswertestufe angeschlossen werden können. Das Tastenfeld kann auch zwei oder mehrere piezoelektrische Schichten aufweisen, die in den die Tasten bildenden Abschnitten gesonderte Piezoelemente darstellen und zur Verstärkung des bei einer Druckanwendung abgegebenen Signals abschnittsweise in Reihe geschaltet sind. Unabhängig davon, ob ein ein- oder mehrschichtiger piezoelektrischer Aufbau gewählt wird, sind diese bekannten Tastenfelder vergleichsweise autWendig, weil die den einzelnen Tasten zugeordneten Piezoelemente an die Auswertestufe über Elektroden angeschlossen werden müssen, die zur Kennung der Piezoelemente jeder Taste den Zeilen und Spalten einer Matrix entsprechen. Dieser Nachteil kann auch nicht dadurch unterdrückt werden, dass zur Vereinfachung der Herstellung solcher Tastenfelder die Elektroden und die piezoelektrischen Schichten nach einem Druckverfahren aufgebracht werden.

[0003] Darüber hinaus ist es bekannt (US 3 940 637 A), den einzelnen Tasten eines Tastenfeldes mehrere piezoelektrisch aktive Abschnitte zuzuordnen, die bei einer Tastenbetätigung gemeinsam belastet werden. Da diese piezoelektrischen Abschnitte unterschiedlich polarisiert werden können, kann durch eine Variation der Polarisierung der piezoelektrischen Abschnitte einer Taste das über die Taste abgegebene Signal kodiert werden. Die piezoelektrischen Abschnitte werden daher über entsprechende Elektroden mit einer Auswertestufe verbunden, in der die von den einzelnen Tasten herrührenden Signale voneinander unterschieden werden können. Nachteilig ist allerdings, dass die in einer piezoelektrischen Schicht nebeneinandergereihten, hinsichtlich ihrer Polarisierung variierten Abschnitte über ein Druckstück gemeinsam betätigt werden müssen. Außerdem müssen die beidseits an diesen piezoelektrischen Abschnitten anliegenden Elektroden über entsprechende Leitungsverbindungen mit der Auswertestufe verbunden werden, was solche Tastenfelder wieder aufwendig macht.

[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Tastenfeld der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass mit einem geringen Konstruktionsaufwand die von der Auswertestufe erhaltenen Signale eindeutig einer Taste zugeordnet werden können.

[0005] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die jeweils zwischen zwei Schichtelektroden angeordneten piezoelektrischen Schichten für jede Taste nur einen Abschnitt bilden und dass die jeweils eine Taste bestimmenden Abschnitte der einzelnen piezoelektrischen Schichten die Variation der unterschiedlichen Polungen für die Kodierung der Tasten ergeben.

[0006] Der Erfindung macht sich ebenfalls eine Variation der Polung örtlich begrenzter, piezoelektrischer Abschnitte zur Kodierung der einzelnen Tasten zunutze, doch wird die Anzahl der einzelnen Abschnitte durch die Anzahl der für das Tastenfeld vorgesehenen piezoelektrischen Schichten bestimmt, die jeweils zwischen zwei Schichtelektroden angeordnet werden, sodass die elektrischen Signale der örtlich begrenzten, je eine Taste bestimmenden Abschnitte der übereinanderliegenden piezoelektrischen Schichten über die den Tasten gemeinsamen Schichtelektroden abgegriffen werden können. Dies bedeutet, dass gesonderte Elektroden zum Anschließen der den einzelnen Tasten zugehörigen Abschnitte der piezoelektrischen Schichten an die Auswertestufe entfallen können, weil unter der Voraussetzung, dass jeweils nur eine einzige Taste betätigt wird, die von den einzelnen piezoelektrischen Schichten erhaltenen 1/6 österreichisches Patentamt AT 506531 B1 2010-01-15

Spannungssignale, die von der jeweiligen Polarisierung der der betätigten Taste zugehörigen Abschnitte der piezoelektrischen Schichten abhängen, in ihrer jeweiligen Variation die Tastenkodierung darstellen. Es ist demnach zwar für eine abschnittsweise Polarisierung der piezoelektrischen Schichten im Sinne einer gruppenweise voneinander unterscheidbaren Polung zu sorgen, doch können für jede piezoelektrische Schicht zur Abnahme der Spannungssignale bei der Betätigung einer Taste für alle Tasten gemeinsame, über die piezoelektrischen Schichten durchgehende Schichtelektroden vorgesehen werden.

[0007] Besonders einfache Konstruktionsverhältnisse ergeben sich, wenn die piezoelektrischen Schichten in den den einzelnen Tasten zugehörigen Abschnitten entweder keine Polung oder eine Polung in einer von zwei gegensinnigen Polarisierungen aufweisen, sodass sich drei Gruppen unterschiedlicher Polung für die den einzelnen Tasten zugehörigen Abschnitte der piezoelektrischen Schichten ergeben. Dies bedeutet für n Schichten eine Anzahl von 3n Variationsmöglichkeiten der Polung der einer Taste zugehörigen Abschnitte der piezoelektrischen Schichten. Da jedoch die Betätigung einer Taste, in deren Bereich alle Abschnitte der piezoelektrischen Schichten unpolarisiert sind als Taste unbrauchbar ist, kann mit drei voneinander unterschiedlichen Polungsgruppen beim Einsatz von n piezoelektrischen Schichten ein Tastenfeld mit (3n -1) Tasten verwirklicht werden, die eindeutig über die Variation der Polung der zugehörigen Abschnitte der piezoelektrischen Schichten kodiert sind. Für m Gruppen von untereinander unterscheidbaren Polarisierungen ergibt sich somit allgemein ein Tastenfeld mit (mn -1) Tasten. Ein solches vergrößertes Tastenfeld kann beispielsweise dadurch erhalten werden, dass zur Kodierung der einzelnen Tasten Abschnitte der piezoelektrischen Schichten mit einer Variation der aufgrund unterschiedlicher piezoelektrischer Koeffizienten unterschiedlichen Polarisierung eingesetzt werden. Die piezoelektrischen Koeffizienten setzen allerdings eine vorgegebene Druckbelastung der Tasten oder eine Bezugsspannung in Abhängigkeit von der jeweiligen Druckbelastung voraus. Zu diesem Zweck kann den zur Tastenkodierung abschnittsweise eine unterschiedliche Polarisierung aufweisenden piezoelektrischen Schichten eine zwischen zwei Schichtelektroden vorgesehene piezoelektrische Referenzschicht mit einer durchgehend einheitlichen Polung zugeordnet werden. Das bei einer Druckbelastung einer Taste von der Referenzschicht erhaltene Spannungssignal stellt eine Bezugsspannung dar, anhand der die Spannungssignale der piezoelektrischen Schichten hinsichtlich der unterschiedlichen piezoelektrischen Koeffizienten beurteilt werden können. Weist beispielsweise die Referenzschicht einen piezoelektrischen Koeffizienten auf, der dem größten piezoelektrischen Koeffizienten der unterschiedlichen Polarisierungen entspricht, so kann anhand der Bezugsspannung der Referenzschicht eine entsprechend niedrigere Signalspannung eindeutig einem entsprechend niedrigeren piezoelektrischen Koeffizienten zugeordnet werden.

[0008] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt.

[0009] Es zeigen: [0010] Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Tastenfeld in einem schematischen Querschnitt nach Art eines Blockschaltbildes und [0011] Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer Konstruktionsvariante eines erfindungsgemäßen Tastenfeldes.

[0012] Das Tastenfeld 1 nach der Fig. 1 weist drei piezoelektrische Schichten 2, 3 und 4 auf, die jeweils zwischen Schichtelektroden 5 vorgesehen sind, sodass eine Druckbelastung in einem beliebigen Abschnitt der piezoelektrischen Schichten 2, 3, 4 ein über die Schichtelektroden 5 ableitbares Spannungssignal erzeugt, das mit Hilfe von Spannungsgebern 6 an eine Auswertestufe 7 weitergeleitet werden kann. Zwischen den Schichtelektroden 5 benachbarter piezoelektrischer Schichten 2, 3 bzw. 3, 4 des auf einem Träger 8 aufgebauten Tastenfeldes 1 sind Isolierschichten 9 vorgesehen, um eine voneinander unabhängige Ableitung der Spannungssignale der einzelnen piezoelektrischen Schichten 2, 3, 4 sicherzustellen. Eine solche Isolierschicht 9 kann zwischen zwei piezoelektrischen Schichten dann entfallen, wenn die dann gemeinsame Schichtelektrode an Masse gelegt wird. 2/6 österreichisches Patentamt AT506 531 B1 2010-01-15 [0013] Die einzelnen piezoelektrischen Schichten 2, 3, 4 sind in voneinander abgegrenzte Abschnitte 10 unterteilt, die einzelne Tasten 11 des Tastenfeldes 1 bestimmen und zumindest im Bereich jeder der Tasten 11 übereinstimmende Abmessungen aufweisen. Die Abschnitte 10 der piezoelektrischen Schichten 2, 3 und 4 sind je für sich gepolt, wobei eine gruppenweise unterschiedliche Polarisierung vorgenommen wird. Dies bedeutet, dass beispielsweise einzelne Abschnitte 10 eine Polung in einer Richtung, andere Abschnitte 10 eine Polung in entgegengesetzter Richtung und wiederum andere Abschnitte 10 keine Polung aufweisen. Diese abschnittsweise unterschiedlichen Polungen der Abschnitte 10 kann vorteilhaft zur Kodierung der einzelnen Tasten 11 des Tastenfeldes 1 genützt werden, indem die im Bereich der einzelnen Tasten 11 in Belastungsrichtung der Tasten 11 hintereinander angeordneten Abschnitte 10 der einzelnen piezoelektrischen Schichten 2, 3 und 4 eine Variation der unterschiedlichen Polungsarten aufweisen. So unterscheidet sich beispielsweise eine Taste 11, bei der der Abschnitt 10 der piezoelektrischen Schicht 2 im Sinne eines positiven Spannungssignals, der Abschnitt 10 der piezoelektrischen Schicht 3 im Sinne eines negativen Spannungssignals und der Abschnitt 10 der piezoelektrischen Schicht 4 unpolarisiert sind, von einer Taste 11, bei der beispielsweise die zugehörigen Abschnitte 10 der ersten beiden Schichten 2, 3 im Sinne eines positiven Spannungssignals und der piezoelektrischen Schicht 4 im Sinne eines negativen Spannungssignals polarisiert sind. Die unterschiedlichen Polungen der einzelnen einer Taste 11 zugehörigen Abschnitte 10 der piezoelektrischen Schichten 2, 3, 4 ergeben somit bei einer Variation der Gruppen unterschiedlicher Polung eine eindeutige Kodierung der Tasten 11, die über die Spannungsgeber 6 gelesen und an die Auswertestufe 7 weitergegeben werden kann. Wird im Fall des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 1 von zwei gegensinnigen Polungen und unpolarisier-ten Abschnitten, also von drei Gruppen unterschiedlicher Polarisierung, ausgegangen, so kann ein Tastenfeld 1 mit sechsundzwanzig eindeutig voneinander unterscheidbaren Tasten 11 erreicht werden. Die Variation von drei unpolarisierten Abschnitten 10 im Bereich einer Taste 11 scheidet ja aus, weil die Betätigung dieser Taste über die Spannungsgeber 6 nicht festgestellt werden kann.

[0014] Die Kodierung durch eine voneinander unterscheidbare Polarisierung der Abschnitte 10 der piezoelektrischen Schichten 2, 3, 4 ist selbstverständlich nicht auf eine gegensinnige Polung bzw. auf unpolarisierte Abschnitte 10 beschränkt. So können voneinander unterscheidbare Polarisierungen auch durch unterschiedliche piezoelektrische Koeffizienten der Polung der einzelnen Abschnitte 10 erreicht werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 wird davon ausgegangen, dass die Abschnitte 10 nicht nur gegensinnig gepolt bzw. unpolarisiert sind, sondern auch unterschiedliche piezoelektrische Koeffizienten aufweisen, beispielsweise piezoelektrische Koeffizienten eines größeren und eines kleineren Wertes. Die über die Spannungsgeber 6 auslesbaren Spannungssignale der piezoelektrischen Schichten 2 und 3 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 sind jedoch nicht nur vom jeweiligen piezoelektrischen Koeffizienten der polarisierten Abschnitte 10 abhängig, sondern auch von der Druckbelastung der einzelnen Tasten 11, sodass anhand eines über die Spannungsgeber 6 ausgelesenen Spannungswertes nicht eindeutig erkannt werden kann, ob dieser Spannungswert einem piezoelektrischen Abschnitt 10 mit einem kleinen oder einem großen piezoelektrischen Koeffizienten zugeordnet werden muss. Aus diesem Grunde ist das Tastenfeld 1 um eine zusätzliche piezoelektrische Referenzschicht 12 erweitert, die eine durchgehend einheitliche Polung beispielsweise mit einem großen piezoelektrischen Koeffizienten aufweist. Das Spannungssignal dieser Referenzschicht 12 wird über einen Spannungsgeber 13 an die Auswertestufe 7 weitergeleitet, mit deren Hilfe dann aufgrund der Referenzspannung der Referenzschicht 12 eindeutig festgelegt werden kann, ob die von den Spannungsgebern 6 ausgelesenen Spannungssignale einem Abschnitt 10 mit einem großen oder einem kleinen piezoelektrischen Koeffizienten zuzuordnen sind. Mit der zusätzlichen Unterscheidung der Polarisierung nicht nur nach der Richtung, sondern auch nach zwei Größen des piezoelektrischen Koeffizienten wird die Variationsvielfalt gesteigert, sodass beim Vorsehen von nur zwei piezoelektrischen Schichten 2, 3 ein Tastenfeld 1 mit vierundzwanzig voneinander durch eine Variation der Polung der Abschnitte 10 unterscheidbaren Tasten 11 vorgesehen werden kann. 3/6

Claims (4)

1. österreichisches Patentamt AT506 531 B1 2010-01-15 Patentansprüche 1. Tastenfeld (1) mit wenigstens zwei piezoelektrischen Schichten (2, 3, 4), die in örtlich voneinander abgegrenzten, einzelnen Tasten (11) zugeordneten, über Elektroden an eine Auswertestufe angeschlossenen Abschnitten (10) eine gruppenweise unterschiedliche Polung aufweisen, wobei die den einzelnen Tasten (11) zugeordneten Abschnitte (10) durch eine Variation der unterschiedlichen Polungen die jeweilige Taste (11) kodieren, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zwischen zwei Schichtelektroden (5) angeordneten piezoelektrischen Schichten (2, 3, 4) für jede Taste (11) nur einen Abschnitt (10) bilden und dass die jeweils eine Taste (11) bestimmenden Abschnitte (10) der einzelnen piezoelektrischen Schichten (2, 3, 4) die Variation der unterschiedlichen Polungen für die Kodierung der Tasten (11) ergeben.
2. 2. Tastenfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Tasten (11) zur Kodierung eine Variation von unpolarisierten und gegensinnig polarisierten Abschnitten (10) der piezoelektrischen Schichten (2, 3, 4) aufweisen.
3. 3. Tastenfeld nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Tasten (11) zur Kodierung eine Variation von polarisierten Abschnitten (10) mit unterschiedlichen piezoelektrischen Koeffizienten aufweisen.
4. 4. Tastenfeld nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass den zur Tastenkodierung abschnittsweise eine unterschiedliche Polung aufweisenden piezoelektrischen Schichten (2, 3) eine zwischen zwei Schichtelektroden (5) vorgesehene piezoelektrische Referenzschicht (12) mit einer durchgehend einheitlichen Polung zugeordnet ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6