DE102020106175A1 - Piezo switching element - Google Patents
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Abstract
Piezo-Schaltelement umfassend:
- ein Gehäuse (10),
- eine Abdeckplatte (11),
- einen Träger (30) mit einem Piezo-Element (35),
- ein Kopplungsmittel (20), das ein Kontaktierelement (24) und ein Ankopplungselement (26) umfasst, und
- einen kapazitiven Sensor mit mindestens einer Sensorelektrode (33),
- wobei das Ankopplungselement (26) mit der Abdeckplatte (11) gekoppelt ist,
- wobei das Kontaktierelement (24) mit dem Piezo-Element (35) gekoppelt ist,
- wobei eine externe Kraft (F) auf einer benutzerzugewandten Seite (8) der Abdeckplatte (11) mittels des Kopplungsmittels (20) auf das Piezo-Element (35) zur Erzeugung eines dieser Kraft (F) entsprechenden Piezo-Signals übertragbar ist,
- wobei die Abdeckplatte (11) einen Übertragungsbereich (15) aufweist, und
- wobei die Anwesenheit eines Betätigungsmittels, insbesondere eines Fingers, auf der benutzerzugewandten Seite (8) der Abdeckplatte (11) im Übertragungsbereich (15) durch den kapazitiven Sensor zur Erzeugung eines entsprechenden Sensorsignals detektierbar ist.
Piezo switching element comprising:
- a housing (10),
- a cover plate (11),
- A carrier (30) with a piezo element (35),
- A coupling means (20) which comprises a contacting element (24) and a coupling element (26), and
- a capacitive sensor with at least one sensor electrode (33),
- wherein the coupling element (26) is coupled to the cover plate (11),
- wherein the contacting element (24) is coupled to the piezo element (35),
- wherein an external force (F) on a user-facing side (8) of the cover plate (11) can be transmitted by means of the coupling means (20) to the piezo element (35) for generating a piezo signal corresponding to this force (F),
- wherein the cover plate (11) has a transmission area (15), and
- wherein the presence of an actuating means, in particular a finger, on the user-facing side (8) of the cover plate (11) in the transmission area (15) can be detected by the capacitive sensor for generating a corresponding sensor signal.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Piezo-Schaltelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a piezo switching element having the features of claim 1.
Piezo-Schaltelemente sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen vorbekannt und umfassen mindestens ein Piezo-Element. Derartige Piezo-Schaltelemente dienen der Umwandlung einer auf ein Piezo-Element ausgeübten Kraft in ein Schaltsignal, wobei typischerweise eine Piezo-Schaltelement-Auswertung vorgesehen ist, durch die eine von dem Piezo-Element durch das Einwirken einer Kraft ausgegebene Spannung ausgewertet wird.Piezo switching elements are previously known from the prior art in different configurations and comprise at least one piezo element. Piezo-switching elements of this type are used to convert a force exerted on a piezo-element into a switching signal, a piezo-switching element evaluation being typically provided, by means of which a voltage output by the piezo-element as a result of the action of a force is evaluated.
Ein solches Piezo-Schaltelement ist aus der
Die aus der
Ferner sind diese bekannten Piezo-Schaltelemente relativ unempfindlich, da erst ein bestimmter Schwellenwert überschritten werden muss, der durch den die Piezo-Signale verarbeitenden Schaltkreis bestimmt wird. Zudem wird durch die dort eingesetzten Schaltkreise das Piezo-Signal lediglich verstärkt, welches zu einem ungewollten Schaltverhalten aufgrund von unerwünschten mechanischen Fremdeinwirkungen führen kann.Furthermore, these known piezo switching elements are relatively insensitive, since a certain threshold value must first be exceeded, which is determined by the circuit processing the piezo signals. In addition, the circuits used there only amplify the piezo signal, which can lead to undesired switching behavior due to undesired external mechanical influences.
Aus der
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass die bekannten Piezo-Schaltelemente nicht für die Anwendung in hygienisch sensiblen oder durch starke Verschmutzung gefährdeten Bereichen geeignet sind, da die Schaltelemente, um die gewünschte hohe Empfindlichkeit zu erreichen, unmittelbar der äußeren Kraft ausgesetzt sein müssen.The disadvantage of this prior art is that the known piezo switching elements are not suitable for use in hygienically sensitive areas or areas at risk from heavy pollution, since the switching elements must be directly exposed to the external force in order to achieve the desired high sensitivity.
Die
Die externe Kraft kann beispielsweise durch Drücken mit einem Finger oder einem anderen Betätigungselement aufgebracht werden. Bei vielen Anwendungen ist gefordert, dass ein Steuersignal nur dann erzeugt werden soll, wenn die externe Kraft in einem bestimmten Übertragungsbereich der Abdeckplatte aufgebracht wird.The external force can be applied, for example, by pressing with a finger or another actuating element. In many applications it is required that a control signal should only be generated when the external force is applied in a certain transmission area of the cover plate.
Hinsichtlich der in der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Piezo-Schaltelement anzugeben, welches in zweckmäßigerweise die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Piezo-Schaltelemente beseitigt und insbesondere nur dann ein Steuersignal erzeugt, wenn die externe Kraft in einem definierten Übertragungsbereich aufgebracht wird.The invention is therefore based on the object of specifying an improved piezo switching element which expediently eliminates the disadvantages of the piezo switching elements known from the prior art and in particular only generates a control signal when the external force is applied in a defined transmission range.
Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Piezo-Schaltelement anzugeben, das für die Verwendung in hygienisch sensiblen oder durch starke Verschmutzung gefährdeten Bereichen geeignet ist und den Anforderungen entsprechend einfach und hygienisch zu reinigen ist, ohne dass Rückstände, insbesondere biologische Kontaminationen, zurückbleiben.Furthermore, the task consists in specifying a piezo switching element which is suitable for use in hygienically sensitive areas or areas at risk from heavy pollution and which can be cleaned simply and hygienically in accordance with the requirements without leaving residues, in particular biological contamination.
Auch ist es die Aufgabe, ein Piezo-Schaltelement anzugeben, das einfach herstellbar ist.It is also the task of specifying a piezo switching element that is easy to manufacture.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Piezo-Schaltelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention, these objects are achieved by a piezo switching element having the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous configurations and developments of the invention are specified in the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Piezo-Schaltelement umfasst ein Gehäuse, eine Abdeckplatte mit einer benutzerzugewandten Seite und einer benutzerabgewandten Seite, einen Träger mit einem Piezo-Element und ein Kopplungsmittel, das an dem Gehäuse gehalten ist, sowie einen kapazitiven Sensor mit mindestens einer Sensorelektrode. Das Kopplungsmittel umfasst ein Kontaktierelement und ein Ankopplungselement, wobei das Ankopplungselement mit der Abdeckplatte gekoppelt ist, wobei das Kontaktierelement mit dem Piezo-Element gekoppelt ist und wobei eine externe Kraft auf der benutzerabgewandten Seite der Abdeckplatte mittels des Kopplungsmittels auf das Piezo-Element zum Erzeugen eines dieser Kraft entsprechenden Piezo-Signals übertragbar ist. Das Gehäuse, das Kontaktierelement und der Träger sind vorzugsweise auf der benutzerabgewandten Seite der Abdeckplatte angeordnet, wobei die externe Kraft, welche auf der benutzerzugewandten Seite auf die Abdeckplatte wirkt, die Abdeckplatte im Bereich des Kontaktierelements elastisch verformen kann und die daraus resultierende Verschiebung mittels des Ankopplungselements auf das Kopplungsmittel und mittels des Kontaktierelements weiter auf das Piezo-Element übertragen werden kann. Als Reaktion auf die einwirkende externe Kraft kann das Piezo-Element eine Spannung ausgeben, die durch ein Logikelement ausgewertet werden kann.The piezo switching element according to the invention comprises a housing, a cover plate with a side facing the user and a side facing away from the user, a carrier with a piezo element and a coupling means held on the housing, and a capacitive sensor with at least one sensor electrode. The coupling agent comprises a contacting element and a coupling element, the coupling element being coupled to the cover plate, the contacting element being coupled to the piezo element and an external force acting on the side of the cover plate facing away from the user by means of the coupling means on the piezo element to generate one of this force corresponding piezo signal can be transmitted. The housing, the contacting element and the carrier are preferably arranged on the side of the cover plate facing away from the user, the external force acting on the cover plate on the user-facing side being able to elastically deform the cover plate in the area of the contacting element and the resulting displacement by means of the coupling element can be transferred to the coupling means and further to the piezo element by means of the contacting element. As a reaction to the acting external force, the piezo element can output a voltage that can be evaluated by a logic element.
Darüber hinaus weist die Abdeckplatte einen Übertragungsbereich auf, wobei die Anwesenheit eines Betätigungsmittels auf der benutzerzugewandten Seite der Abdeckplatte im Übertragungsbereich durch den kapazitiven Sensor zur Erzeugung eines entsprechenden Sensorsignals detektierbar ist. Dabei kann die Detektion anhand eines an der mindestens einen Sensorelektrode aufgespannten Felds erfolgen, dass durch die Annäherung eines Betätigungsmittels beeinflusst werden kann. Betätigungsmittel können beispielsweise ein Finger eines Bedieners oder ein Stift sein. Der Übertragungsbereich ist vorzugsweise dadurch definiert, dass innerhalb des Übertragungsbereichs sowohl die externe Kraft auf das Piezo-Element übertragen werden kann als auch die Anwesenheit eines Betätigungsmittels durch den kapazitiven Sensor detektiert werden kann. Insbesondere durch entsprechende Konfiguration des kapazitiven Sensors kann damit die Ausdehnung des Übertragungsbereichs bestimmt werden. Bevorzugt ist der Übertragungsbereich symmetrisch ausgebildet, wobei besonders bevorzugt der Übertragungsbereich symmetrisch um die Längsachse ausgebildet ist, in der das Piezo-Element, das Kontaktierelement und das Ankopplungselement angeordnet sind.In addition, the cover plate has a transmission area, the presence of an actuating means on the user-facing side of the cover plate in the transmission area being detectable by the capacitive sensor for generating a corresponding sensor signal. In this case, the detection can take place on the basis of a field spanned on the at least one sensor electrode, which field can be influenced by the approach of an actuating means. Actuating means can be, for example, an operator's finger or a pen. The transmission range is preferably defined in that, within the transmission range, both the external force can be transmitted to the piezo element and the presence of an actuating means can be detected by the capacitive sensor. In particular, by appropriately configuring the capacitive sensor, the extent of the transmission range can be determined. The transmission area is preferably designed symmetrically, the transmission area being particularly preferably designed symmetrically about the longitudinal axis in which the piezo element, the contacting element and the coupling element are arranged.
Die Abdeckplatte kann aus einem beliebigen Werkstoff, bevorzugt Glas, hergestellt sein, wodurch das erfindungsgemäße Piezo-Schaltelement eine pflegeleichte und verschmutzungsresistente und widerstandsfähige Oberfläche aufweisen kann, die auch das empfindliche Piezo-Element und den kapazitiven Sensor vor Fremdstoffen schützen kann.The cover plate can be made of any material, preferably glass, whereby the piezo switching element according to the invention can have an easy-care, dirt-resistant and tough surface that can also protect the sensitive piezo element and the capacitive sensor from foreign substances.
Damit ist es möglich, ein Piezo-Schaltelement mit einem besonders einfachen Aufbau bereitzustellen, welches einerseits die Anforderungen bei der Verwendung erfüllt und andererseits auch ein zuverlässiges Schaltverhalten bei einem definierten Druckpunkt und einer hohen Empfindlichkeit aufweist.It is thus possible to provide a piezo switching element with a particularly simple structure which, on the one hand, meets the requirements for use and, on the other hand, also has reliable switching behavior at a defined pressure point and high sensitivity.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Piezo-Schaltelement ein Logikelement auf, das elektrisch mit dem Piezo-Element und dem kapazitiven Sensor gekoppelt ist und eingerichtet ist, das Piezo-Signal und das Sensorsignal auszuwerten und einen ein Schaltvorgang auslösendes Steuersignal zu erzeugen. Das Logikelement wird vorzugsweise durch ein elektronisches Bauteil, insbesondere einen Mikroprozessor, gebildet. Das Logikelement kann bevorzugt das Piezo-Signal und das Sensorsignal hinsichtlich dessen Zeit-Pegel-Verlaufs auf der Basis vorgegebener Parameter auswerten und miteinander abgleichen. Ein Steuersignal wird vorzugsweise nur dann erzeugt, wenn die Auswertung darauf schließen lässt, dass das bei Aufbringung der externen Kraft auch ein Betätigungsmittel im Übertragungsbereich anwesend war. Selbst wenn durch das Aufbringen einer externen Kraft außerhalb des Übertragungsbereichs ein Piezo-Signal erzeugt wird, das allein betrachtet auf eine Betätigung des Piezo-Schaltelements schließen lässt, wird ein entsprechendes Steuersignal vorzugsweise nicht erzeugt, wenn kein Sensorsignal vorliegt, das auf die Anwesenheit eines Betätigungsmittels schließen lässt. Die Wahrscheinlichkeit der unbeabsichtigten Erzeugung eines Steuersignals, insbesondere durch das Aufbringen einer externen Kraft außerhalb des Übertragungsbereichs, kann dadurch erheblich reduziert werden. Daher kann das Logikelement so konfiguriert werden, dass bereits bei einer geringen externen Kraft ein Steuersignal erzeugt wird - die Anwesenheit eines Betätigungsmittels im Übertragungsbereich vorausgesetzt. Vorteilhaft kann dabei insbesondere sein, dass keine Maßnahmen erforderlich sind, um allein aufgrund der Ausprägung des Piezo-Signals auf eine Betätigung im Übertragungsbereich schließen lassen können. Insbesondere auf aufwändige Bearbeitungen der Abdeckplatte zur Reduzierung derer lokalen Steifigkeit und zur besseren Kraftübertragung im Übertragungsbereich kann verzichtet werden.In a further development of the invention, the piezo switching element has a logic element which is electrically coupled to the piezo element and the capacitive sensor and is set up to evaluate the piezo signal and the sensor signal and to generate a control signal that triggers a switching process. The logic element is preferably formed by an electronic component, in particular a microprocessor. The logic element can preferably evaluate the piezo signal and the sensor signal with regard to its time-level curve on the basis of predetermined parameters and compare them with one another. A control signal is preferably only generated if the evaluation suggests that an actuating means was also present in the transmission area when the external force was applied. Even if a piezo signal is generated by applying an external force outside the transmission range, which, viewed alone, indicates actuation of the piezo switching element, a corresponding control signal is preferably not generated if there is no sensor signal that indicates the presence of an actuating means closes. The probability of the unintentional generation of a control signal, in particular due to the application of an external force outside the transmission range, can thereby be considerably reduced. The logic element can therefore be configured in such a way that a control signal is generated even with a small external force - provided that an actuating means is present in the transmission area. In particular, it can be advantageous that no measures are required in order to be able to infer an actuation in the transmission range solely on the basis of the characteristics of the piezo signal. In particular, it is possible to dispense with complex machining of the cover plate to reduce its local rigidity and for better power transmission in the transmission area.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist dennoch im Übertragungsbereich die Steifigkeit der Abdeckplatte lokal reduziert. Dadurch kann ein verbessertes Übertragungsverhalten der Abdeckplatte beim Einwirken einer externen Kraft erreicht werden. Durch das verbesserte Übertragungsverhalten wird die Empfindlichkeit bzw. der benötigte Druck zum Betätigen des Piezo-Schaltelements reduziert. Die Reduzierung der Steifigkeit kann durch eine Reduzierung des mechanischen Elastizitätsmoduls, bzw. durch entsprechende Werkstoffwahl erreicht werden oder durch eine Veränderung der Form der Abdeckplatte in dem Übertragungsbereich.In a further development of the invention, however, the rigidity of the cover plate is locally reduced in the transmission area. As a result, an improved transmission behavior of the cover plate can be achieved when an external force acts. The improved transmission behavior reduces the sensitivity or the pressure required to actuate the piezo switching element. The reduction in rigidity can be achieved by reducing the mechanical modulus of elasticity, or by selecting the appropriate material, or by changing the shape of the cover plate in the transmission area.
Auch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Abdeckplatte im Übertragungsbereich auf der benutzerzugewandten Seite eine Ausnehmung aufweist, wobei besonders bevorzugt die Ausnehmung koaxial zu dem Ankopplungselement ausgerichtet ist. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Ausnehmung auf der benutzerzugewandten Seite durch den Benutzer visuell wahrnehmbar ist. Ein Benutzer kann somit unmittelbar erkennen, dass sich in dem Bereich der Vertiefung der Übertragungsbereich befindet. Die Ausnehmung auf der benutzerzugewandten Seite kann bevorzugt als symmetrische Vertiefung, beispielsweise als Finger- oder Griffmulde, ausgebildet sein.It has also proven to be advantageous if the cover plate has a recess in the transmission area on the side facing the user, the recess being particularly preferably aligned coaxially with the coupling element. In particular, it has proven to be advantageous that the recess can be visually perceived by the user on the side facing the user. A user can thus immediately recognize that the transmission area is located in the area of the depression. The recess on the side facing the user can preferably be designed as a symmetrical depression, for example as a finger or grip recess.
Die Ausnehmung kann darüber hinaus auf der benutzerabgewandten Seite der Abdeckplatte angeordnet sein. So kann das Gehäuse des Piezo-Schaltelements zumindest teilweise in der benutzerabgewandten Seite der Abdeckplatte versenkt werden, wodurch sich der Bauraum des Piezo-Schaltelements verringert. In einer Ausführungsform kann die Abdeckplatte auf der benutzerzugewandten Seite und der benutzerabgewandten Seite eine Ausnehmung aufweisen.The recess can also be arranged on the side of the cover plate facing away from the user. Thus, the housing of the piezo switch element can be sunk at least partially into the side of the cover plate facing away from the user, which reduces the installation space of the piezo switch element. In one embodiment, the cover plate can have a recess on the side facing the user and on the side facing away from the user.
Vorzugsweise ist die Ausnehmung so ausgebildet, dass die Dicke
Je nach Konfiguration des Logikelements, kann das Piezo-Schaltelement unterschiedliche Funktionalitäten aufweisen. Beispielsweise kann das Piezo-Schaltelement als Schalter oder als Taster wirken. In beiden Konfigurationen wird vorzugsweise zunächst überprüft, ob ein Piezo-Signal und ein Sensorsignal vorhanden sind, die auf das Anliegen einer externen Kraft und die Anwesenheit eines Betätigungselements schließen lassen. Sind beide Bedingungen erfüllt, wird bei der Konfiguration als Schalter bevorzugt ein einmaliges, kurzzeitiges Steuersignal erzeugt. Bei der Konfiguration als Taster kann ebenfalls ein Steuersignal erzeugt, wenn beide Bedingungen erfüllt sind. Dabei kann aber zusätzlich geprüft werden, ob das Sensorsignal auch weiterhin die Anwesenheit eines Betätigungsmittels anzeigt. Das Steuersignal wird dabei vorzugsweise solange erzeugt, solange sich aus dem Sensorsignal die Anwesenheit eines Betätigungsmittels ergibt.Depending on the configuration of the logic element, the piezo switching element can have different functionalities. For example, the piezo switching element can act as a switch or a button. In both configurations it is preferably first checked whether a piezo signal and a sensor signal are present, which indicate the presence of an external force and the presence of an actuating element. If both conditions are met, a one-time, short-term control signal is preferably generated in the configuration as a switch. When configured as a button, a control signal can also be generated if both conditions are met. However, it can also be checked whether the sensor signal continues to indicate the presence of an actuating means. The control signal is preferably generated as long as the sensor signal indicates the presence of an actuating means.
Vorzugsweise ist das Logikelement auf dem Träger, bevorzugt auf der dem Piezo-Element gegenüberliegenden Seite des Trägers angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Träger als Leiterplatte ausgebildet, die zusätzlich Leiterbahnen und beide Seiten der Leiterplatte verbindende Durchkontaktierungen aufweisen kann. Die Leiterplatte kann neben dem Logikelement weitere elektronische Bauelemente aufweisen.The logic element is preferably arranged on the carrier, preferably on the side of the carrier opposite the piezo element. The carrier is particularly preferably designed as a printed circuit board, which can additionally have conductor tracks and vias connecting both sides of the printed circuit board. In addition to the logic element, the circuit board can have further electronic components.
Das Logikelement kann darüber hinaus anstatt direkt an dem Piezo-Schaltelement an einem zu dem Piezo-Schaltelement beabstandeten Ort angeordnet sein. Insbesondere beim Einsatz mehrerer erfindungsgemäßer Piezo-Schaltelemente können so mehrere der vorhandenen Piezo-Schaltelemente ein gemeinsames Logikelement aufweisen. So kann ein einfacherer Aufbau des Gesamtsystems aus mehreren Piezo-Schaltelementen erreicht werden.In addition, instead of being arranged directly on the piezo switching element, the logic element can be arranged at a location that is spaced apart from the piezo switching element. In particular when using several piezo switching elements according to the invention, several of the existing piezo switching elements can thus have a common logic element. A simpler construction of the overall system from several piezo switching elements can thus be achieved.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Sensorelektrode des kapazitiven Sensors zwischen der Abdeckplatte und dem Kopplungsmittel angeordnet. Ferner ist die mindestens eine Sensorelektrode bevorzugt als flächiges Element ausgebildet. Dadurch ist die mindestens eine Sensorelektrode nahe an der Abdeckplatte angeordnet, wodurch der kapazitive Sensor eine hohe Empfindlichkeit hinsichtlich der Anwesenheit von Betätigungsmitteln auf der benutzerzugewandten Seite der Abdeckplatte aufweisen kann.The at least one sensor electrode of the capacitive sensor is preferably arranged between the cover plate and the coupling means. Furthermore, the at least one sensor electrode is preferably designed as a flat element. As a result, the at least one sensor electrode is arranged close to the cover plate, as a result of which the capacitive sensor can have a high level of sensitivity with regard to the presence of actuating means on the side of the cover plate facing the user.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Kopplungsmittel und dem Piezo-Element und/oder zwischen dem Kopplungsmittel und der Abdeckplatte ein Hohlraum ausgebildet ist. Innerhalb des Hohlraumes bzw. innerhalb der Hohlräume kann das Kopplungsmittel durch eine externe Kraft elastisch ausgelenkt bzw. verformt bzw. verschoben werden, wodurch bei einer Betätigung durch einen Benutzer eine ungehinderte Übertragung der Verschiebung von der Abdeckplatte auf das Piezo-Element gewährleistet ist. Besonders bevorzugt ist die mindestens eine Sensorelektrode des kapazitiven Sensors in dem Hohlraum zwischen dem Kopplungsmittel und der Abdeckplatte angeordnet.In addition, it is advantageous if a cavity is formed between the coupling means and the piezo element and / or between the coupling means and the cover plate. Within the cavity or within the cavities, the coupling means can be elastically deflected or deformed or displaced by an external force, which ensures an unimpeded transfer of the displacement from the cover plate to the piezo element when operated by a user. The at least one sensor electrode of the capacitive sensor is particularly preferably arranged in the cavity between the coupling means and the cover plate.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Ankopplungselement sockelförmig ausgebildet ist und in Wirkverbindung mit der Abdeckplatte steht. Das Ankopplungselement steht vorzugsweise sockel- oder stiftförmig in einer Längsachse von dem Kopplungsmittel ab und steht im ständigen Wirkkontakt mit der Abdeckplatte. Das Ankopplungselement kann mit der Abdeckplatte verbunden sein, insbesondere durch eine stoffschlüssige Verbindung. Die mindestens eine Sensorelektrode ist dabei vorzugsweise als kreisringförmiges Bauteil ausgebildet, das um das Ankopplungselement angeordnet ist. Dadurch kann das Ankopplungselement zentral im Übertragungsbereich angeordnet werden. Wird durch ein Betätigungsmittel im Bereich des Ankopplungselements die externe Kraft auf die Abdeckplatte ausgeübt, können somit gleichzeitig ein entsprechendes Piezo-Signal und ein entsprechendes Sensorsignal erzeugt werden.It is also advantageous if the coupling element is in the form of a base and is in operative connection with the cover plate. The coupling element preferably protrudes in the form of a base or pin in a longitudinal axis from the coupling means and is in constant operative contact with the cover plate. The coupling element can be connected to the cover plate, in particular by a material connection. The at least one sensor electrode is preferably designed as a circular ring-shaped component which is arranged around the coupling element. As a result, the coupling element can be centrally located in the transmission area to be ordered. If the external force is exerted on the cover plate by an actuating means in the area of the coupling element, a corresponding piezo signal and a corresponding sensor signal can thus be generated at the same time.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Kontaktierelement sockelförmig auf das Piezo-Element ausgerichtet sein und bevorzugt in kontinuierlicher Wirkverbindung mit dem Piezo-Element sein. Das Kontaktierelement steht in der Längsachse auf der dem Kopplungselement gegenüberliegenden Seite des Kopplungsmittels bevorzugt sockel- oder stiftförmig ab, und kontaktiert das Piezo-Element möglichst punktuell, wodurch eine hohe Empfindlichkeit und ein definierter Druckpunkt realisiert werden können.According to a further advantageous embodiment of the present invention, the contacting element can be aligned in the shape of a socket on the piezo element and preferably be in continuous operative connection with the piezo element. The contacting element protrudes in the longitudinal axis on the side of the coupling means opposite the coupling element, preferably in the form of a base or pin, and makes contact with the piezo element as punctually as possible, whereby a high sensitivity and a defined pressure point can be achieved.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Kopplungsmittel biegeelastisch ist und/oder biegeelastisch an dem Gehäuse gehalten ist. Das Kontaktierelement und/oder das Ankopplungselement können, bzw. kann besonders bevorzugt mittig an dem Kopplungsmittel angeordnet sein.It is particularly preferred if the coupling means is flexurally elastic and / or is held on the housing in a flexurally elastic manner. The contacting element and / or the coupling element can, or can particularly preferably be arranged centrally on the coupling means.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Kontaktierelement und das Ankopplungselement koaxial zueinander ausgerichtet sind. Durch die koaxiale Anordnung in der Längsachse, welche bevorzugt eine Symmetrielinie des Kopplungsmittels bildet, kann ein eindimensionaler Spannungszustand durch das Kontaktierelement und das Ankopplungselement übertragen werden.A further advantageous embodiment of the present invention provides that the contacting element and the coupling element are aligned coaxially with one another. Due to the coaxial arrangement in the longitudinal axis, which preferably forms a line of symmetry of the coupling means, a one-dimensional stress state can be transmitted through the contacting element and the coupling element.
Bevorzugt weist das Gehäuse des Piezo-Schaltelements einen Durchmesser D in einer Größenordnung von 10mm ≤ D ≤ 50mm auf. Weiterhin wird die Dicke
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Abdeckplatte eine mehrschichtige Abdeckplatte ist und/oder dass die Abdeckplatte aus Glas, Glaskeramik, Keramik, Kunststoff oder ein Sandwichverbund aus den vorgenannten Werkstoffen ist. Darüber hinaus können weitere Werkstoffe oder andere beliebige Werkstoffkombinationen verwendet werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schichten einer mehrschichtigen Abdeckplatte miteinander verbunden sind, insbesondere mittels einer Klebeverbindung.A further advantageous embodiment of the present invention provides that the cover plate is a multilayer cover plate and / or that the cover plate is made of glass, glass ceramic, ceramic, plastic or a sandwich composite made of the aforementioned materials. In addition, other materials or any other material combination can be used. It has proven to be advantageous if the layers of a multilayer cover plate are connected to one another, in particular by means of an adhesive connection.
Eine weitere Maßgabe der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse zylinderförmig ist und ein stirnseitiges Bodenteil aufweist. Insbesondere ist es dabei bevorzugt, wenn das Gehäuse topfförmig mit einem stirnseitigen Bodenteil ausgebildet ist, wobei zylinderförmig hier und im nachfolgenden im Sinne so gebraucht wird, dass der Zylinder kongruente Stirnflächen aufweist.A further provision of the present invention provides that the housing is cylindrical and has an end base part. In particular, it is preferred here if the housing is pot-shaped with an end-face base part, with a cylindrical shape being used here and in the following in the sense that the cylinder has congruent end faces.
Besonders vorteilhaft ist, den Träger mit dem Piezo-Element im Bereich des Bodenteils des Gehäuses so anzuordnen, dass das Piezo-Element in unmittelbarer Wirkverbindung mit dem Kontaktierelement steht. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Bodenteil des Gehäuses als das Kopplungsmittel ausgebildet ist, womit das Gehäuse mit einer einstückigen Form kostensparend herstellbar ist. Das Gehäuse kann bevorzugt aus einem Kunststoff in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden.It is particularly advantageous to arrange the carrier with the piezo element in the area of the bottom part of the housing in such a way that the piezo element is in direct operative connection with the contacting element. Furthermore, it is advantageous if the bottom part of the housing is designed as the coupling means, with which the housing can be manufactured in a cost-saving manner with a one-piece shape. The housing can preferably be produced from a plastic in an injection molding process.
Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse einen stirnseitigen und zumindest bereichsweise umlaufenden Rand aufweist, dessen freies Ende in einer gemeinsamen Ebene mit dem freien Ende des Ankopplungselements liegt. Der umlaufende Rand kann als Auflagefläche des Gehäuses an der Abdeckplatte dienen. Darüber hinaus bildet der umlaufende Rand den Hohlraum zwischen dem Kopplungsmittel und der Abdeckplatte, wodurch die federnde Ausbildung des Kopplungsmittels ermöglicht ist.According to a further embodiment of the present invention, it is advantageous if the housing has a frontal and at least regionally circumferential edge, the free end of which lies in a common plane with the free end of the coupling element. The circumferential edge can serve as a support surface for the housing on the cover plate. In addition, the circumferential edge forms the cavity between the coupling means and the cover plate, whereby the resilient design of the coupling means is made possible.
Das Gehäuse kann an der Abdeckplatte auf beliebige Weise befestigt werden, wobei bevorzugt das Gehäuse mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere durch Kleben oder durch Ultraschallschweißen, mit der Abdeckplatte verbunden werden kann. Alternativ kann zur Verbindung des Gehäuses mit der Abdeckplatte auch eine lösbare Verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung, realisiert werden. Auch andere form- und/oder kraftschlüssige Verbindungen können für die Befestigung des Gehäuses an der Abdeckplatte verwendet werden, beispielsweise Steck-, Klemm-, oder Rastverbindungen.The housing can be fastened to the cover plate in any way, with the housing preferably being able to be connected to the cover plate by means of a material connection, in particular by gluing or ultrasonic welding. Alternatively, a detachable connection, in particular a screw connection, can also be implemented to connect the housing to the cover plate. Other form-fitting and / or force-fitting connections can also be used for fastening the housing to the cover plate, for example plug-in, clamping or latching connections.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Träger mit seiner Umfangsfläche an einer Innenfläche des Gehäuses anliegt. Durch den Formschluss zwischen dem Träger und der bevorzugt zylinderförmigen Innenfläche des Gehäuses quer zu der Längsachse kann sich ein dichter Abschluss gegenüber dem Hohlraum erzielen lassen, in dem das Piezo-Element angeordnet ist. Furthermore, it has proven to be advantageous if the carrier rests with its circumferential surface on an inner surface of the housing. The form fit between the carrier and the preferably cylindrical inner surface of the housing transversely to the longitudinal axis makes it possible to achieve a tight seal with respect to the cavity in which the piezo element is arranged.
Auch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die von der Abdeckplatte abgewandte Seite bzw. wenn die benutzerabgewandte Seite des Gehäuses mit einer Vergussmasse zumindest teilweise verschlossen ist. Die Vergussmasse kann den Träger in dem Gehäuse fixieren.It has also proven to be advantageous if the side facing away from the cover plate or if the side of the housing facing away from the user is at least partially covered with a potting compound is locked. The potting compound can fix the carrier in the housing.
Auch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Gehäuse und/oder das Ankopplungselement mit dem Träger verbunden werden.It has also proven to be advantageous if the housing and / or the coupling element are connected to the carrier.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Piezo-Schaltelements in einer Mensch-Maschine-Schnittstelle.Another aspect of the present invention relates to the use of the piezo switching element according to the invention in a man-machine interface.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigt:
-
1 eine schematische und stark vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Piezo-Schaltelements, -
2 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung der Betriebsweise eines erfindungsgemäßen Piezo-Schaltelements in Schalter-Konfiguration, und -
3 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung der Betriebsweise eines erfindungsgemäßen Piezo-Schaltelements in Taster-Konfiguration.
-
1 a schematic and greatly simplified representation of an embodiment of a piezo switching element according to the invention, -
2 a flow chart to illustrate the mode of operation of a piezo switching element according to the invention in a switch configuration, and -
3 a flowchart to illustrate the mode of operation of a piezo switching element according to the invention in a button configuration.
Der Übersichtlichkeit halber werden nicht alle Bezugszeichen in jeder Figur verwendet.For the sake of clarity, not all reference symbols are used in each figure.
Die Schnittdarstellung gemäß
Die Abdeckplatte
Das Gehäuse
Der Rand
Das Bodenteil
In den durch die Innenfläche 13 umschlossenen Raum ist der Träger
Das Kopplungsmittel
Zwischen der benutzerabgewandten Seite
Auf der von dem Piezo-Element
Das Gehäuse
Eine externe Kraft
Der Bereich, in dem sowohl die Anwesenheit eines Betätigungsmittels durch den kapazitiven Sensor detektiert werden kann, als auch die externe Kraft
Das Piezo-Signal und das Sensorsignal können durch das Logikelement
Die
In
Durch die Darstellung der beiden beispielhaften Konfigurationen des Logikelements
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- SchaltelementSwitching element
- 55
- LängsachseLongitudinal axis
- 88th
-
benutzerzugewandte Seite von
11 user-facing page of11 - 99
-
benutzerabgewandte Seite von
11 user-facing side of11 - 1010
- Gehäusecasing
- 1111
- AbdeckplatteCover plate
- 12a12a
- erster Hohlraumfirst cavity
- 12b12b
- zweiter Hohlraumsecond cavity
- 1414th
- Absatzunit volume
- 1515th
- ÜbertragungsbereichTransmission range
- 1818th
- Randedge
- 1919th
- BodenteilBottom part
- 2020th
- KopplungsmittelCoupling agent
- 2424
- KontaktierelementContacting element
- 2626th
- AnkopplungselementCoupling element
- 3030th
- Trägercarrier
- 3131
- LeiterplatteCircuit board
- 3232
- LogikelementLogic element
- 3333
- SensorelektrodeSensor electrode
- 3535
- Piezo-ElementPiezo element
- 4040
- Schalter-KonfigurationSwitch configuration
- 41-4441-44
- Verfahrensschritte bei SchalterkonfigurationProcess steps for switch configuration
- 5050
- Taster-KonfigurationButton configuration
- 51-5651-56
- Verfahrensschritte bei TasterkonfigurationProcess steps for button configuration
- FF.
- externe Kraftexternal force
- tt
- Dicke der AbdeckplatteThickness of the cover plate
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 4332927 C2 [0003, 0004]DE 4332927 C2 [0003, 0004]
- DE 102009012475 A1 [0006]DE 102009012475 A1 [0006]
- DE 102019110399 [0008, 0010]DE 102019110399 [0008, 0010]
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