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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Drucktastschalter mit einem
piezoelektrischen Element, der beispielsweise in einer Bedienvorrichtung für ein elektronisches
Haushaltsgerät
eingesetzt werden kann.
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Ein
solcher Drucktastschalter ist grundsätzlich aufgebaut, wie in 1 dargestellt.
Das piezoelektrische Element 10 ist zum Beispiel hinter
einer Bedienblende eines elektronischen Haushaltsgeräts angeordnet
und gegen eine feste Basis 14 abgestützt. Ferner ist das piezoelektrische
Element 10 zwischen einer ersten Elektrode 16 und
einer zweiten Elektrode 18 angeordnet, sodass beim Ausüben eines
Drucks bzw. einer Kraft F durch einen Finger 19 in der
in 1 angedeuteten Betätigungsrichtung an den beiden
Elektroden 16, 18 eine Ladung Q freigesetzt wird,
die proportional zur ausgeübten
Kraft F ist. Über
die Messung dieser Ladung Q kann so eine Betätigung des Drucktastschalters
festgestellt werden, wobei der notwendige Betätigungsweg sehr gering ist.
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Die
Verwendung derartiger Drucktastschalter hat einige Vorteile im Vergleich
zu herkömmlichen Tastschaltern.
Aufgrund der minimalen Betätigungswege
entsteht kein Verschleiß von
mechanisch beweglichen Teilen; und es ist ein einfacher und mechanisch
robuster Aufbau des Tastschalters möglich. Weiter sind in den Bedienblenden
der elektronischen Haushaltsgeräte
keine Durchbrüche
oder Erhebungen bzw. Vertiefungen notwendig, weshalb der Tastschalter
feuchtigkeitsdicht angeordnet ist und die Bedienblende einfach gereinigt
werden kann.
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Ein
Drucktastschalter dieser Art mit einem piezoelektrischen Element
ist zum Beispiel in der
EP
0 553 881 B1 beschrieben.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucktastschalter der
oben beschriebenen Art mit einem piezoelektrischen Element so weiterzuentwickeln,
dass eine bessere Weiterverarbeitung des erzeugten Messsignals ermöglicht ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Drucktastschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Der
erfindungsgemäße Drucktastschalter weist
ein piezoelektrisches Element, das so zwischen einer ersten Elektrode
und einer zweiten Elektrode angeordnet ist, dass beim Ausüben eines Drucks
auf das piezoelektrische Element eine elektrische Spannung zwischen
der ersten und der zweiten Elektrode erzeugt wird, und eine Verstärkerschaltung,
deren erster Eingang mit der ersten Elektrode des piezoelektrischen
Elements verbunden ist und deren zweiter Eingang mit der zweiten
Elektrode des piezoelektrischen Elements verbunden ist, auf. Die Verstärkerschaltung
wird mit einer Spannungsquelle betrieben, und an ihrem Ausgang wird
eine verstärkte Spannung
zwischen der ersten und der zweiten Elektrode des piezoelektrischen
Elements als Messsignal erzeugt. Zwischen eine der ersten und der
zweiten Elektrode des piezoelektrischen Elements und einen Bezugspunkt
der Spannungsquelle der Verstärkerschaltung
ist ferner eine Zusatzspannungsquelle geschaltet, deren Betriebsspannung
größer als
die maximale Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode
des piezoelektrischen Elements ist.
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Da
die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode des piezoelektrischen
Elements erzeugte Spannung mittels der Verstärkerschaltung als ein verstärktes Messsignal
ausgegeben wird, kann dieses Messsignal grundsätzlich leichter weiterverarbeitet
werden. Durch das Bereitstellen der Zusatzspannungsquelle treten
sowohl an den beiden Eingängen als
auch am Ausgang der Verstärkerschaltung
jederzeit ausschließlich
positive Spannung auf, was ebenfalls die Weiterverarbeitung des
erzeugten Messsignals erleichtert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Betriebsspannung der Zusatzspannungsquelle
etwa halb so groß wie
eine Betriebsspannung der Spannungsquelle der Verstärkerschaltung
gewählt.
Auf diese Weise liegt der Ruhepegel des Messsignals am Ausgang der
Verstärkerschaltung
etwa in der Mitte des Aussteuerungsbereichs.
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Der
Drucktastschalter der oben beschriebenen Konstruktion wird beispielsweise
in einer Bedienvorrichtung, insbesondere einer Bedienvorrichtung für ein elektronisches
Haushaltsgerät,
eingesetzt, die zusätzlich
mit einer Steuerung mit wenigstens einem A/D-Eingangsanschluss,
der mit dem Ausgang der Verstärkerschaltung
des wenigstens einen Drucktastschalters verbunden ist, versehen
ist.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung können auch die Ausgänge der
Verstärkerschaltungen
mehrerer Drucktastschalter mit einem A/D-Eingangsanschluss der Steuerung über eine
Analog-Multiplexerschaltung verbunden sein.
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Obige
sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender
Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
Darin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des mechanischen Aufbaus eines Drucktastschalters
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ein
schematisches Blockschaltbild des Aufbaus eines Drucktastschalters
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3A bis C schematische Zeitablaufdiagramme
einer ausgeübten
Kraft (F), einer von den Elektroden erzeugten Spannung (Uin) bzw.
eines Messsignals (Uout) zur Erläuterung
der Funktionsweise des Drucktastschalters von 2;
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4 ein
schematisches Blockschaltbild des Aufbaus eines Drucktastschalters
gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5A und B schematische Zeitablaufdiagramme
einer ausgeübten
Kraft (F) bzw. eines Messsignals (Uout) zur Erläuterung der Funktionsweise des
Drucktastschalters von 4; und
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6 ein
schematisches Blockschaltbild einer Steuerung mit einer Analog-Multiplexerschaltung zur
Weiterverarbeitung der Messsignale mehrerer Drucktastschalter der
Erfindung.
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Der
nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschriebene
Drucktastschalter der vorliegenden Erfindung ist in vorteilhafterweise
in Bedienvorrichtungen, insbesondere in Bedienvorrichtungen elektronischer
Haushaltsgeräte (Herde,
Kochfelder, Waschmaschinen, Trockner, Spülmaschinen, usw.) einsetzbar,
ohne dass die Erfindung auf diese Anwendungsfälle beschränkt sein soll.
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Der
mechanische Aufbau des Drucktastschalters entspricht im Wesentlichen
dem eines herkömmlichen
Drucktastschalters mit piezoelektrischem Element. Wie in 1 dargestellt,
ist ein piezoelektrisches Element 10 hinter einer Bedienblende 12 einer
Bedienvorrichtung zum Beispiel eines Glaskeramik-Kochfeldes angeordnet
und gegen eine feste Basis 14 abgestützt. Das piezoelektrische Element 10 ist
dabei zwischen einer ersten Elektrode 16 auf der Seite
der Bedienblende 12 und einer zweiten Elektrode 18 auf
der Seite der festen Basis 18 in Sandwich-Bauweise aufgenommen.
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Anhand
der 2 und 3 werden nun der Aufbau und
die Funktionsweise eines ersten Ausführungsbeispiels des Drucktastschalters
der Erfindung näher
erläutert.
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Wirkt
eine Kraft F zum Beispiel durch einen Finger 19 auf das
piezoelektrische Element 10 in der in 1 angedeuteten
Betätigungsrichtung,
so wird an den beiden Elektroden 16, 18 eine zur
Kraft F proportionale Ladungsmenge Q freigesetzt. Über die
parasitär
oder real vorhandenen und parallel zum piezoelektrischen Element 10 geschalteten
Komponenten der Kapazität
(Kapazität
des piezoelektrischen Elements, usw.) 28 und des Widerstandes
(Eingangswiderstand des nachgeschalteten Verstärkers, Isolationswiderstand
des piezoelektrischen Elements, usw.) 30 entsteht so eine
Spannung Uin.
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Diese
Spannung Uin wird durch eine Verstärkerschaltung 20 verstärkt, deren
erster Eingang (+) mit der ersten Elektrode 16 verbunden
ist und deren zweiter Eingang (–)
mit der zweiten Elektrode 18 verbunden ist und die durch
eine Spannungsquelle 22 mit einer Betriebsspannung Ua versorgt
wird. Die Verstärkerschaltung 20 gibt
an ihrem Ausgang ein entsprechend verstärktes Messsignal Uout zur Weitererarbeitung
und Auswertung aus, zum Beispiel an einen A/D- Eingangsanschluss einer Steuerung (Mikroprozessor) 36.
Die Auswertung des Messsignals Uout erfolgt dann durch eine entsprechende
Software.
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Die
Spannung Uin zwischen den beiden Elektroden 16, 18 des
piezoelektrischen Elements 10 geht aber, selbst wenn weiterhin
eine Kraft F auf das piezoelektrische Element 10 ausgeübt wird,
aufgrund des Widerstandes 30 nach einer durch die Kapazität 28 und
den Widerstand 30 bestimmten Zeitkonstanten auf Null zurück. Ist
die Kraft F dann zu einem späteren
Zeitpunkt nicht mehr vorhanden, so wird im gleichen Maße, wie
zuvor die Ladungsmenge Q freigesetzt worden ist, nun wieder die
gleiche Ladungsmenge Q aufgenommen. Dies führt wieder zur Erzeugung einer
Spannung zwischen den beiden Elektroden 16, 18,
allerdings mit entgegengesetzter Polarität. Zwischen den beiden Elektroden 16, 18 können also
sowohl positive wie auch negative Spannungen auftreten.
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Die
Zeitablaufdiagramme von 3A und 3B zeigen dies deutlicher. Die beiden Darstellungen in
A zeigen jeweils die zeitlichen Verlauf einer auf das piezoelektrische
Element 10 des Drucktastschalters ausgeübten Kraft F; und die Darstellungen
in B zeigen jeweils den zeitlichen Verlauf der zwischen den beiden
Elektroden 16, 18 des piezoelektrischen Elements 10 erzeugten
Spannung Uin. In den Darstellungen von 3 ist dabei
jeweils links der Fall für
einen relativ langen konstanten Tastendruck gezeigt, während rechts
der Fall für
einen relativ kurzen konstanten Tastendruck veranschaulicht ist.
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Zusätzlich zu
der Spannungsquelle 22 zur Versorgung der Verstärkerschaltung 20 mit
der Betriebsspannung Ua ist aber ferner eine Zusatzspannungsquelle 26 zwischen
die zweite Elektrode 18 des piezoelektrischen Elements 10 und
den Bezugspunkt 24 der Spannungsquelle 22 der
Verstärkerschaltung 20 gesetzt.
Wenn die Betriebsspannung Ub dieser Zusatzspannungsquelle 26 größer als
die maximale Spannung zwischen den beiden Elektroden 16, 18 des
piezoelektrischen Elements 10 ist, so treten sowohl an
den beiden Eingängen
als auch am Ausgang der Verstärkerschaltung 20 bezüglich des
Bezugspunkts 24 ausschließlich positive Spannungen auf. Dies
erlaubt eine einfachere Verstärkung
der Spannung Uin durch die Verstärkerschaltung 20 und
eine einfachere Auswertung des Messsignals Uout am Ausgang der Verstärkerschaltung 20.
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Falls
die Betriebsspannung Ub der Zusatzspannungsquelle 26 etwa
halb so groß wie
die Betriebsspannung Ua der Spannungsquelle 22 für die Verstärkerschal tung 20 ist,
liegt der Ruhepegel des Messsignals Uout am Ausgang der Verstärkerschaltung 20 etwa
in der Mitte des Aussteuerungsbereichs, wie in den Darstellungen
von 3C veranschaulicht.
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Unter
Bezug auf 4 und 5 werden nun
der Aufbau und die Funktionsweise eines zweiten Ausführungsbeispiels
des Drucktastschalters der Erfindung näher erläutert.
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Während der
Ladungsverstärker
des Drucktastschalters des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels
mit einer relativ großen
Eingangsimpedanz versehen ist, zeigt 4 den Schaltungsaufbau
eines Drucktastschalters der Erfindung für einen Ladungsverstärker mit
einer relativ niedrigen Eingangsimpedanz.
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Der
Ladungsverstärker
ist in diesem Fall aus der Verstärkerschaltung 20 und
einer dieser parallel geschalteten Kapazität 32 aufgebaut. Die über die parasitär oder real
vorhandenen und parallel zum piezoelektrischen Element geschalteten
Komponenten der Kapazität 28 und
des Widerstandes 30 abfließende Ladungsmenge Q kann aufgrund
des virtuellen Kurzschlusses am Eingang der Verstärkerschaltung 20 (mit
niedriger Eingangsimpedanz) und der damit sehr geringen Spannung
vernachlässigt
werden.
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Die
Spannung am Ausgang des Ladungsverstärkers (20 und 32)
geht aber selbst bei weiterhin ausgeübter Kraft F aufgrund des parasitär oder real vorhandenen
Widerstandes 34 nach einer durch die Kapazität 32 und
den Widerstand 34 bestimmten Zeitkonstanten auf Null zurück. Wird
die Kraftausübung
F dann beendet, so führt
dies analog zu den obigen Ausführungen
in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel zu einer Spannung
am Ausgang der Verstärkerschaltung 20 mit
umgekehrter Polarität,
sodass auch hier positive und negative Messsignale Uout auftreten
könnten.
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Analog
zum ersten obigen Ausführungsbeispiel
ist deshalb auch beim Schaltungsaufbau von 4 eine Zusatzspannungsquelle 26 zwischen
die zweite Elektrode 18 des piezoelektrischen Elements 10 und
den Bezugspunkt 24 der Spannungsquelle 22 der
Verstärkerschaltung 20 gesetzt.
Damit treten am Ausgang der Verstärkerschaltung 20 bezüglich des Bezugspunkts 24 ausschließlich positive
Spannungen auf. Die Betriebsspannung Ub der Zusatzspannungsquelle 26 ist
auch hier vorzugsweise etwa halb so groß wie die Betriebsspannung
Ua der Spannungsquelle 22 für die Verstärkerschaltung 20,
sodass der Ruhepegel des Messsignals Uout am Ausgang des Ladungsverstärkers 20, 32 etwa
in der Mitte des Aussteuerungsbereichs liegt.
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Die
Funktionsweise des Drucktastschalters des zweiten Ausführungsbeispiels
ist in 5A und B weiter veranschaulicht.
Dabei ist in den Darstellungen A jeweils der Verlauf einer auf das
piezoelektrische Element 10 ausgeübten Kraft F über der
Zeit t gezeigt, und in den Darstellungen B ist jeweils der zeitliche
Verlauf des Messsignals Uout am Ausgang des Ladungsverstärkers 20, 32 für den Fall
Ub = ½ Ua
gezeigt. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel sind
auch hier jeweils links der Fall für einen relativ langen konstanten
Tastendruck und rechts der Fall für einen relativ kurzen konstanten
Tastendruck veranschaulicht.
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Das
Messsignal Uout der Verstärkerschaltung 20 (2)
bzw. des aus Verstärkerschaltung 20 und
Kapazität 32 gebildeten
Ladungsverstärkers (4)
wird zum Beispiel einem A/D-Eingangsanschluss einer Steuerung (z.B.
Mikroprozessor) 36 zugeführt und mit einer entsprechenden
Software ausgewertet. Falls mehrere Drucktastschalter bzw. piezoelektrischen
Elemente 10 durch eine Steuerung 36 ausgewertet
werden sollen, die Steuerung aber nicht ausreichend viele A/D-Eingangsanschlüsse aufweist, so
müssen
mehrere analoge Messsignale Uout verschiedener piezoelektrischer
Elemente 10 mittels einer Multiplexerschaltung auf einen
A/D-Eingangsanschluss der Steuerung geschaltet werden. Dieser Fall
ist in dem Schaltungsdiagramm von 6 schematisch
veranschaulicht.
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Mit
U1, U2, U3 sind die analogen Messsignale Uout von drei verschiedenen
Drucktastschaltern der oben beschriebenen Konstruktion bezeichnet. Diese
analogen Messsignale U1, U2, U3 sind jeweils über einen Widerstand R1, R2,
R3 und eine Diode D1, D2, D3 auf einen gemeinsamen A/D-Eingangsanschluss
der Steuerung 36 gelegt. Über einen gemeinsamen Widerstand
R4 ist jeweils ein Spannungsteiler R1/R4, R2/R4 bzw. R3/R4 gebildet.
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Die
Signalleitungen der drei analogen Messsignale U1, U2, U3 sind ferner
jeweils mit einem Open-Drain-Ausgang S1, S2 bzw. S3 der Steuerung 36 verbunden,
die ihrerseits mit Masse verbunden sind. Soll zum Beispiel das analoge
Messsignal U1 der Steuerung 36 zugeführt werden, so müssen die Open-Drain-Ausgänge S2 und
S3 der Steuerung 36 auf Masse geschaltet werden. Dadurch
werden die Anoden D2 und D3 durch die Open-Drain-Ausgänge S2 und
S3 über
die Wider stände
R2 und R3 gegen Masse kurzgeschlossen. Die Dioden D2 und D3 gehen
damit in den Sperrzustand und verhindern eine Überlagerung der Messsignale
U2 und U3 am Widerstand R4 auf das Messsignal U1, das derzeit ausgewertet
werden soll.
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In
diesem Schaltzustand liegt das um die Flussspannung UD1 der Diode
D1 und durch den Spannungsteiler R1/R4 erniedrigte analoge Messsignal
U1AD am A/D-Eingangsanschluss
der Steuerung 36 an: U1AD =
(U1 – UD1)R4/(R1 + R4)
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Die
Auswertung der beiden anderen analogen Messsignale U2 und U3 erfolgt
in analoger Weise.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Drucktastschalter,
wie er oben anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben worden ist, wird am
Ausgang des Ladungsverstärkers,
d.h. der Verstärkerschaltung 20,
immer ein Messsignal Uout mit einem positiven Spannungspegel erzeugt.
Hierdurch werden die Weiterverarbeitung und die Auswertung der Messsignale
wesentlich vereinfacht. Gleichzeitig macht der Drucktastschalter
der Erfindung Gebrauch von den eingangs genannten Vorteilen eines
Drucktastschalters mit einem piezoelektrischen Element, weshalb
er in besonders vorteilhafter Weise für eine Bedienvorrichtung eines
elektronischen Haushaltsgeräts
verwendet werden kann.
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- 10
- piezoelektrisches
Element
- 12
- Bedienblende
- 14
- feste
Basis
- 16
- erste
Elektrode
- 18
- zweite
Elektrode
- 19
- Finger
- 20
- Verstärkerschaltung
- 22
- Spannungsquelle
- 24
- Bezugspunkt
von 22
- 26
- Zusatzspannungsquelle
- 28
- Kapazität
- 30
- Widerstand
- 32
- Kapazität
- 34
- Widerstand
- 36
- Steuerung