DD141443A1 - Elektretschalter oder-signalgeber - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen auf Druck ansprechenden Elektretschalter oder -Signalgeber, der insbesondere auf den Gebieten der Meß-, Steuer-, Regelungs-, Rechen- und Nachrichtentechnik effektiv verwendbar ist. Durch die Erfindung wird ein Schalter bzw. Signalgeber realisiert, der sich durch einen einfachen konstruktiven Aufbau, durch eine hohe Funktionstüchtigkeit und durch definierte sowie reproduzierbare Spannungsimpulse auszeichnet. Die beschriebene Vorrichtung stellt im wesentlichen einen Kondensator dar, dessen Elektroden von einer Tellerfeder und einer mit einem Elektretkörper versehenen Gegenelektrode gebildet werden.

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen auf Druck ansprechenden Elektret schalter oder -Signalgeber, der auf den Gebieten der Elektronik und Elektrotechnik vielfältigst anwendbar ist. Sie bezieht sich auf Schalter oder Signalgeber, die zur Ansteuerung in der Meß-, Steuer-, Regelungs- und Rechentechnik benötigt 'werden-. Die Erfindung ist für die Ansteuerung von Schaltelementen oder elektronischen Schaltkreisen im allgemeinen Sinn von Wichtigkeit. Als Anwendungsbeispiel kann die Ansteuerung von Tastenwählern in Telefon- und Telegrafieeinrichtungen* genannt v/erden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bereits ein Elektretschalter bekannt, der im Prinzip eine.Kondensatoranordnung darstellt (US-PS 3 668 417). Die entsprechende Kondensatoranordnung besteht aus einer Gegenelektrode und einer einseitig metallisierten Elektretfolie, die durch einen Abstandshalter separiert sind. Mittels ei-

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ner manuell zu bedienenden Taste wird auf die Elektretfolie eine Kraft ausgeübt, die die Elektretfolie auslenkt und eine Kapazitätsänderung im Elektretkondensator hervorruft. Auf diese Weise wird auf der Gegenelektrode eine Ladungsänderung bewirkt, die sich in einem äußeren Stromkreis als Spannungsimpuls äußert. Der Nachteil dieser bekannten Lösung besteht darin, daß durch die mechanische Beanspruchung der Elektretfolie in dieser eine Materialermüdung auftritt, die bei einer Dauerbelastung zu einer starken Minderung der Punktionstüchtigkeit des Schalters führt. Die in der Erfindung als Elektret verwendete Teflon-PEP-Folie weist aufgrund ihrer spezifischen mechanischen Eigenschaften eine ungenügende Elastizität auf, so daß mechanische Beanspruchungen irreversible Deformationsänderungen hervorrufen. Darüber hinaus gelingt es in dieser Erfindung nicht, die auf die Elektretfolie wirkende Kraft reproduzierbar auszuüben. Dadurch wird, am Ausgang des Schalters ein Spannungsimpuls erhalten, der bezüglich der Reproduzierbarkeit seiner Impulsgröße und -form den technischen Anforderungen nicht genügt.

In einer weiteren Erfindungsbeschreibung wird ein Schalter vorgestellt, der auf piezoelektrischer Basis beruht (DE-OS 28 05 332). Das aktive Element des Schalters ist eine domförmig gestaltete piezoelektrische Polymerfolie, die durch eine Taste mechanisch beansprucht wird und einen Spannungsimpuls erzeugt. Auch hier ist es problematisch, eine reproduzierbare Durchbiegung der piezoelektrischen Polymerfolie zu verwirklichen. Zum anderen tritt bei dem verwendeten Polymermaterial ebenfalls eine Materialermüdung auf, die sich bei dieser Vorrichtung nach häufiger Beanspruchung der piezoelektrischen Polymerfolie bemerkbar macht und die Zuverlässigkeit des Schalters stark beeinträchtigt. Der auf einer Sandwichanordnung beruhende piezoelektrische Schalter oder Signalgeber (DE-AS 27 06 210) hat den Nachteil, daß er einen komplizierten konstruktiven

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Aufbau mit zahlreichen Einzelteilen aufweist und ebenfalls das Problem der reproduzierenden Erzeugung des Spannungsimpulses nicht löst. Das in einer weiteren Erfindung beschriebene piezoelektrische Schaltelement (DE-AS 26 39 576) benötigt zu seiner Punktion mehrere Magnete und kommt ohne Betriebsspannung nicht aus. Auch hier ist der komplizierte Aufbau des Schalters von großem Nachteil.

Ziel der Erfindung

Die Zielstellung, der Erfindung besteht darin, einen Schalter bzw. Signalgeber zu entwickeln, der zuverlässig funktioniert, reproduzierbare Spannungsimpulse abgibt und aufgrund eines einfachen konstruktiven Aufbaues bekannten Vorrichtungen überlegen sein soll. Weiterhin sollen die von ihm abgegebenen Spannungsimpulse eine effektive Ansteuerung beliebiger elektronischer Systeme ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

- Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ohne elektrisch leitende Berührungskontakte arbeitenden Elektretschalter bzw. -Signalgeber zu entwickeln. Er soll so konstruiert sein, daß die von ihm durch Druck erzeugten Spannungsimpulse bezüglich ihrer Impulsgröße und -form jederzeit reproduzierbar sind.

- Merkmale der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem ein Elektretschalter bzv/. -Signalgeber in Gestalt einer Kondensatorvorrichtimg vorgeschlagen v/ird. Gemäß Pig. 1 setzt

sich die erfindungsgemäße Vorrichtung aus einer mit βίο nem Elektretkörper 1 versehenen Gegenelektrode 2 und einer als zweite Elektrode wirkenden Tellerfeder 3, die durch einen isolierenden Abstandshalter 4 separiert sind, zu-

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sammen. Obwohl der Elektretkörper 1 aus jedem beliebigen Elektretmaterial gefertigt werden kann, hat sich aufgrund seiner guten LangzeitStabilität ein Elektretkörper aus Polytetrafluorethylen bzw. aus einem Copolymer des Tetrafluoräthylens und Hexafluorpropylens besonders bewährt. Die Tellerfeder 3, die scheibenförmig, dreieckig öder in einer beliebig anderen geometrischen Form gestaltet sein kann, ist so angeordnet, daß sie bezüglich ihres Abstandes zum Elektretkörper durch Druckeinwirkung veränderbar ist. Als Abstandshalter 4 ist im Prinzip jedes Dielektrikum geeignet, als vorteilhaft haben sich Polymerkörper auf der Basis von Polycarbonaten, Polyestern, Polystyrol, Polyimiden oder Fluorpolymeren erwiesen.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht zum einen auf der Existenz des Elektretkörpers 1, durch den die erfindungsgemäße Kondensatorvorrichtung ohne äußere Betriebsspannung aufgeladen ist, zum anderen auf der auf Druck ansprechenden Tellerfeder 3. Indem auf die Tellerfeder 3 ein Druck ausgeübt wird, verändert sich der Abstand der Tellerfeder 3 (Umklappen in die Lage 3a) zum Elektretkörper 1, und es wird ein Spannungsimpuls zwischen der Gegenelektrode 2 und der Tellerfeder 3 erzeugt, der zwischen Masseanschluß 8 und der Anschlußleitung 7 abgegriffen wird. Die Form und Größe des Spannungsimpulses hängt unmittelbar von der Geschwindigkeit dieser Abstandsänderung ab und ist nur dann reproduzierbar, wenn diese Geschwindigkeit bei jeder Druckausübung konstant bleibt. Insbesondere ist es bei einer manuellen Bedienung des Schalters bzw. Signalgebers erforderlich, daß die Geschwindigkeit der Abstandsänderung der Tellerfeder 3 unabhängig von der subjektiven Kraftausübung des Benutzers auf die Tellerfeder 3 bleibt. Erfindungsgemäß wird diese Bedingung erfüllt, indem die Tellerfeder 3 aufgrund ihrer geometrischen Gestaltung und

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ihrer spezifischen Materialeigenschaften ein von der Kraftausübung des Benutzers weitestgehend unabhängiges monostabiles Verhalten zeigt. Während des· Betätigens der Tellerfeder 3 erfolgt ab einer bestimmten Durchbiegung ein von der Kraftausübung des Benutzers weitestgehend unabhängiges schlagartiges Umklappen der Tellerfeder 3 unter Freiwerden der gespeicherten potentiellen Energie. Dadurch entsteht zwischen der Gegenelektrode 2 und der Tellerfeder 3 ein in der Impulsgröße und -form definierter Spannungsimpuls hoher Reproduzierbarkeit. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß sie einerseits in ihrer Konstruktion einfach aufgebaut ist, andererseits sich aber auch durch eine hohe Punktionstüchtigkeit und Reproduzierbarkeit der von ihr erzeugten Spannungsimpulse auszeichnet. Zum anderen erfolgt die mechanische Belastung auf eine aus Federstahl oder Federbronze gefertigte und somit nicht ermüdende Tellerfeder, während der mechanisch empfindliche Elektretkörper unbelastet bleibt. Die erfindungsgemüße Vorrichtung ist weiterhin dadurch charakterisiert, daS die Tellerfeder und der Elektretkörper ein abgeschlossenes System bilden, so daß ein wirksamer Schutz des Elektretkörpers gegenüber Umwelteinflüssen erreicht wird. Damit wird die Langzeitstabilität der Elektretladungen gesichert, die für die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Punktion der erfindungegemäßen Vorrichtung unabdingbar ist.

Ausführungsbeispiel 1

Gemäß Pig. 2 wird am Boden des Gehäuses 9 eine von der Unterseite mit einer Metallisierung 12, z.B. durch Aufdampfen von Gold oder Aluminium, versehener Elektretformkörper 1 aus Polytetrafluoräthylen bzw. einem Copolymer aus Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen angebracht. Elektretformkörper 1, z.B. eine Folie, kann die Dicke 10 /um... 500 ,um haben, vorzugsweise 50 /um. Das effektive Oberflächenpotential der Folie beträgt mindestens 50 V und kann

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je nach der gewünsehten Größe des vom erfindungsgemäßen Signalgeber abzugebenden Spannungsimpulses auch wesentlich höhere Werte besitzen. Mit dem Abstandshalter 4 und dem Klemmteil 10 wird der Elektretformkörper 1 glatt auf die metallene Kontaktplatte 14 gedrückt, so daß zwischen der Metallisierung 12 und der Kontaktplatte 14 ein guter elektrischer Kontakt besteht. Die Kontaktplatte 14 besitzt eine nach außen geführte Anschiußleitung 7» an der das Signal gegen Masse abgenommen werden kann. Abstandshalter 4 "und Gehäuse 9 bestehen aus isolierendem Material. Auf dem ringförmigen Abstandshalter 4 liegt die Tellerfeder 3 'so auf, daß die Aufwölbung zentrisch liegt. ' Die Tellerfeder 3 besteht vorzugsweise aus Federbronze, leitendem .Gummi oder Pederstahl der Dicke 0,15 nun« Der Masseanschluß 8 der Tellerfeder 3 wird auf Massepotential gelegt.

Mit Hilfe des Klemmteils 10 wird die Tellerfeder 3 gehaltert. Gleichzeitig ist das Klemmteil 10 Führung für die Taste 6. Die Taste 6 hat mittig eine vorstehende Auswölbung 13, die dafür sorgt, daß die Tellerfeder 3 nur in der Mitte eingedrückt wird. Damit erreicht man ein exakt definiertes Umklappen der Tellerfeder 3 in den unteren Zustand 3a, unabhängig von der Geschwindigkeit der Tastenbetätigung.

Beim Niederdrücken der Taste 6 wird ein Druck auf die Tellerfeder 3 ausgeübt. Bei Überschreiten des Umklappunktes geht die Tellerfeder 3 schlagartig in die untere Lage. Der Abstandshalter 4 ist in seiner Höhe so dimensioniert, daß die Tellerfeder 3 in der unteren Lage den Elektretformkörper 1 entweder gerade berührt oder einen Abstand von 0,05 bis 1 mm zur Elektretfolie 1 aufweist.

Beim Umklappen der Tellerfeder 3 ändert sich schlagartig die Kapazität des Systems aus Tellerfeder 3» Elektretformkörper 1 und Metallisierung 12_e Da diese Kapazität durch den Elektretformkörper 1 aufgeladen ist, führt die Kapazi-

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tätsänderung zum Entstehen eines Spannungsimpulses, der zwischen dem Masseanschluß 8 und der Anschlußleitung 7 hochohmig abgegriffen wird. Der Anschlußwiderstand sollte größer als 100 k t£"c? sein. Die Impulsspitzenspannung an 1Μ·Γ3 liegt im Voltbereich (bis 15 V).

Die Impulsdauer liegt im Bereich 100 /Us. ..5 ms. Beim Loslassen der Taste 6 wird diese durch die Tellerfeder 3 wieder nach oben gedrückt. Dabei entsteht ein Spannungsimpuls umgekehrten Vorzeichens.

Ausführungsbeispiel 2

Durch Kombination einer Anzahl der erfindungsgemäßen Kondensatorvorrichtungen lassen sich leicht Tastenfelder realisieren.

Fig. 3 zeigt als Beispiel eine 5x4 Matrix. In Fig. 3a ist die Draufsicht auf die Kombination der Teilerfedern dargestellt. Die Tellerfedern 3 sind untereinander durch Stege 11 verbunden, die gleichzeitig den Kontakt aller Tellerfedern mit dem Masseanschluß 8 darstellen. Die Tellerfedern 3 liegen auf dem als Platte (Film, Folie) mit entsprechenden Öffnungen versehenen Abstandshalter 4 auf.

Fig. 3b zeigt die Unteransicht des Elektretformkörpers Entsprechend der Anordnung der Tellerfedern 3 sind auf der Folie die Bedampfungen 12 und die dazugehörigen Anßchlußleitungen 7 aufgebracht. Beim Druck auf eine der Tellerfedern 3 entsteht beim Umklappen zwischen dieser Tellerfeder 3, die auf Massepotential liegt, und der zugehörigen Metallisierung 12 ein Spannungsimpuls, der an der entsprechenden Anschlußleitung 7 abgegriffen wird. Die Anzahl und Anordnung der Tastelemente in einem Tastenfeld ist prinzipiell unbegrenzt.

Claims (6)

1. Elektretschalter oder -Signalgeber aus Elektretkörper und Elektrode, gekennzeichnet dadurch, daß der Schalter oder Signalgeber aus einem als Tellerfeder (3) ausgebildeten Masseanschluß (8), einem ebenflächigen Elektretkörper (1) mit Gegenelektrode (2) und einem Abstandshalter (4) zwischen Tellerfeder (3) und Elektretkörper (1) besteht, wobei zwischen der Gegenelektrode (2) und der Tellerfeder (3) ein abgeschlossenes System ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Tellerfeder (3) eine symmetrische oder unsymmetrische Form besitzt.

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Erfindung san sprüche

3· Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstandshalter (4) in der geometrischen Gestaltung der Form der Tellerfeder (3) entspricht,

4. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß

. als Elektretkörper (1) Folien, vorzugsweise aus PoIytetrafluoräthylen und/oder einem Copolymer des Tetrafluoräthylens und Hexafluorpropylens verwendet v/erden,

5· Vorrichtung nach Punkt 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstandshalter (4) vorzugsweise aus
organischen Hochpolymeren, wie Polycarbonaten, Polyestern, Polystyrol, Polyimiden oder Fluorpolymeren,
besteht.

6. Vorrichtung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Tellerfeder (3) aus Metallen, vorzugsweise Federstahl bzw, Federbronze, oder aus leitendem Gummi besteht.

Hierzu„j*L$eiten Zeichnungen