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Tasten, die in Tastaturen .aufgenommen werden können, bewirken bei
vielen elektronischen und elektrischen Vorrichtungen,: wenn sie aktiviert werden,
das Schließen von Kontakten elektrischer Schalter, so daß ein Strompfad vervollständigt
wird, welcher zugeordneter Ausrüstung oder zugeordneten Stromkreisen anzeigt, daß
die besondere Taste betätigt oder ausgewähltworden ist. Solchebekannten Schalter
erfordern eine Quelle äußerer Spannung; und das Schließen der Schalterkontakte bewirkt
eine Lichtbogenbildung und.. ein Abbrennen,, welches eine Wartung und einen Ersatz
der Kontakte notwendig macht. Die Kontakte werden weiterhin verschmutzt= so daß
durch Aktivierung ihrer zugeordneten Taste der Strompfad nicht vervollständig wird,
um das erforderliche Signal zu erzeugen. Weiterhin können die Kontakte vieler solcher
Schalter anschlagen, wenn sie aktiviert werden oder wenn sie einem Schock oder einer
Vibration ausgesetzt werden, so daß falsche Signale erzeugt werden können.
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Zweck der Erfindung ist demgemäß, die Nachteile bekannter Wandler
zu vermeiden.
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Gemäß der Erfindung ist ein mechanoelektrischer Wandler mit einem
von Hand betätigten Tastenelement, das in eine Tastatur aufnehmbar ist, gekennzeichnet
durch einen ebenen Piezokristall, .dessen einer Teil zum Bilden eines frei tragender<
Armes starr gehalten ist und dessen gegenüberliegende Seiten mit elektrisch leitendem
Material überzogen sind, das mit entsprechenden Anschlüssen verbunden ist, durch
eine mechanische Schalteinrichtung, die mit der von Handbetätigten Taste zum Übertragen
einer Kraft auf eine frei liegende Fläche des Kristalls gekoppelt ist,. und durch
eine- Schaltungsanordnung zur Abnahme eines Spannungsimpulses an den elektrisch
leitenden Anschlüssen.
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Es ist bekannt, für die Messung der beim Anschlag einer Taste am Tastenhebel
auftretenden Kräfte und zur Aufzeichnung von Weg-Zeit-Kurven für die Tastenbewegung
piezoelektrische Druckmeßdosen zu verwenden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. ist gekennzeichnet
.durch eine eine.-übermäßige Ablenkung des Kristalls verhindernde und mit wenigstens
einem Teil des Kristalls. in Eingriff tretende federnde Dämpfungseinrichtung.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
es vorteilhaft, daß die. mechanische Schalteinrichtung zum Anschlagen des Kristalls
mit im wesentlichen -konstanter Kraft; die von der zur Betätigung der Taste verwendeten
Kraft im wesentlichen unabhängig ist, einen- Schnappgelenkmechanismus aufweist.
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Gemäß einer noch. anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist ein federnder Teil vorgesehen, der zwischen der frei liegenden Fläche des Kristalls
und der mechanischen Schalteinrichtung angeordnet ist, um ein Abmeißeln, Absplittern
und/ oder Reißen des Kristalls zu verhindern.
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Durch die Erfindung ist ein Tastenwandler geschaffen, bei dem keine
:elektrischen Kontakte vorhanden sind, bei denen eine Bogenbildung und ein Abbrennen
auftreten kann, woraus sich die Notwendigkeit der Wartung und des Austauschs ergibt.
Weiterhin ist durch die Erfindung ein Tastenwandler geschaffen, der eine Ausgangsspannung
schafft, ohne daß es erforderlich ist, eine äußere-Energiezufuhr vorzusehen. Weitere
Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß der Tastenwandler eine Ausgangsspannung
hat, welche von der Betätigungskraft .der bedienenden Person unabhängig ist und
die bei Wirksammachen einen Ausgangsspannungsimpuls erzeugt, dessen Größe und/oder
-Breite bequem geändert werden kann. Außerdem ist das unangenehme Klickgeräusch
vermieden, was bei vielen mechanischen Tastaturen auftritt, wenn Tasten niedergedrückt
werden, bevor numerische Werte in eine zugeordnete Vorrichtung eingegeben werden,
beispielsweise in eine Rechenmaschine. -Die Erfindung wird nachstehend an Hand der
Zeichnung beispielsweise erläutert.
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F i g. 1 ist eine teilweise auseinandergezogene schaubildliche Ansicht
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; F i g. 2 ist eine Ansicht bei abgenommenem
Gehäuse, in welcher der Tastenwandler gemäß F i g. 1 in seiner gewöhnlichen unwirksamen
Stellung wiedergegeben ist; F i g. 2 A ist eine der F i g. 2 ähnliche Ansicht, in
welcher der Tastenwandler gemäß F i g. 1 in seiner betätigten Stellung wiedergegeben
ist; F i g. 3: ist eine Teilschnittansicht des Wandlers gemäß den F i g.1, 2, 2
A; F i g. 4 ist eine schematische Darstellung eines Stromkreises, der mit .der Ausführungsform
der Erfindung gemäß den F i g. 1 bis 3 verwendet werden kann.
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In F i g. 1 ist ein Gehäuse 11 dargestellt; welches einen ersten vorgeformten
Gehäuseteil 12 und einen zweiten vorgeformten Gehäuseteil 13 aufweist, die
durch irgendeine zweckentsprechende Befestigungseinrichtung miteinander verbunden
sind, beispielsweisedurch eine Mehrzahl von Schrauben 14. Jeder Gehäuseteil 12 und
13 ist aus irgendeinem zweckentsprechenden Material vorgeformt, beispielsweise aus
Kunststoff; der auf bekannte Weise geformt oder auf andere Weise gestaltet sein
kann.
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In dem Gehäuse 11 kann ein Tastenschaft 15 aufgenommen werden, dessen
eines Ende eine von Hand betätigte Taste eine Spitze 16 aufweist: Das andere Ende
des Schaftes 15 ist in dem Gehäuse 11 verschiebbar angeordnet. Eine zwischen dem
Gehäuse 11 und der Taste 16 angeordnete Feder 17 führt die Taste 16 und den Schaft
5 in ihre gewöhnliche Stellung zurück, nachdem die Taste 16 durch eine Bedienungsperson
von Hand niedergedrückt bzw. ausgewählt worden ist. Der obere Teil bzw. die Fläche
der -Taste 16 kann eine Zahl, einen Buchstaben oder ein Symbol aufweisen, welches
der Tastenwandler darstellt.
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Ein Winkelhebel 18 ist um einen Zapfen 24 angelenkt, - der sich. von
dem Gehäuseteil 13 erstreckt. Ein Zapfen 19, der sich von dem unteren Schenkel des
Winkelhebels 18 seitlich erstreckt, geht :durch einen Schlitz 20 hindurch; der dem
unteren Teil des Tastenschaftes 15 .gebildet ist derart, daß durch Niederdrücken
der Taste 16 der Winkelhebel 18 gemäß F i g. 2 um seinen Schwenkpunkt in Uhrzeigerrichtung
geschwungen wird. Ein anderer Zapfen 21 erstreckt sich von dem anderen Schenkel
des Winkelhebels 18 und ist derart angeordnet, daß die Uhrzeigerdrehung des Winkelhebels
18 um seinen Schwenkpunkt 24 eine Betätigung eines Schnapp-Kniegelenkmechanismus
bewirkt. Die Abstandslage des Schaftes 15 zu dem Zapfen 19 an dem Winkelhebel 18
ist in F i g. 3 dargestellt.
Der Schnapp-Gelenkmechanismus, der
an sich bekannt ist, weist einen gebogenen Metallstreifen 22 auf, dessen eines Ende
mit einem Ende des Schnappteiles 25 des Gelenkmechanismus und dessen anderes Ende
mit einem Ende des Betätigungsteiles 23 des Gelenkmechanismus gekoppelt ist. Der
Betätigungsteil 23 und der Anschlag- oder Schnappteil 25
des Gelenkmechanismus
sind mit ihren Enden in dem vorgeformten Gehäuseteil 13 befestigt. An dem metallischen
Anschlag- oder Schnappstreifen 25 des Gelenkmechanismus ist ein Hammer oder Anschlagelement
28 befestigt.
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Der Schnapp-Gelenkmechanismus umgibt einen ebenen rechtwinkligen Kristall
27, dessen eines Ende an dem vorgeformten Gehäuseteil 13 so befestigt ist,
daß ein frei tragender Arm gebildet ist. Gegenüberliegende Seiten des Kristalls
27 .sind mit einem zweckentsprechenden elektrisch leitenden Material überzogen,
beispielsweise mit Silber. Der elektrisch leitende Überzug auf jeder Seite des Kristalls
27, der an einem Ende durch den Gehäuseteil 13 sicher gehalten ist, ist mit
Anschlüssen 32 und 33 elektrisch gekoppelt, mit denen elektrisch leitende Drähte
34
und 35 gekoppelt sind. Das freie Ende des Kristalls 27 ruht auf einem federnden
Polster 31, welches aus irgendeinem zweckentsprechenden Material gebildet ist, beispielsweise
aus Neoprenkautschuk. Ein Polster 30 aus federndem Material, beispielsweise aus
Neoprenkautschuk, ist ebenfalls an der Oberfläche des Kristalls 27 befestigt, welche
dem Hammer 28 des Schnappteiles 25 des Schnapp-Gelenkmechanismus benachbart liegt.
Gemäß einer ausgeführten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung war der Kristall
27 ein »Clevite Co.«-PZT-5-Bimorph-Kristall mit einer Dicke von etwa 0,508 mm, einer
Breite von etwa 3,175 mm und einer Länge von etwa 12,7 mm. Der Kristall
27 war auf einer Länge von etwa 5,08 mm in dem Gehäuseteil 13 festgeklemmt,
wodurch eine wirksame frei tragende Länge von etwa 7,62 mm erhalten wurde.
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Die Arbeitsweise des Tastaturtastenwandlers gemäß der Erfindung wird
aus den F i g. 1, 2 und 2 A am besten verständlich, wobei in F i g. 2 der Wandler
in seiner ,gewöhnlichen Stellung und in F i g. 2 A in einer Stellung wiedergegeben
ist, nachdem die Taste 16 ausgewählt bzw. durch Niederdrücken betätigt worden .ist.
Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß der Anschlag- oder Schnappteil 25 des Schnapp-Gelenkmechanismus,
welcher den Hammer 28 trägt, an dem einstellbaren Zapfen 26 anliegt, der
sich durch den vorgeformten Gehäuseteil 13 erstreckt. Der Tastenwandler wird
durch Niederdrücken der Taste 16 von Hand betätigt. Die sich ergebende Abwärtsbewegung
des Schaftes 15 bewirkt ein Schwingen des Winkelhebels 18 in Uhrzeigerrichtung rund
um den Zapfen 24 aus der in F i g. 2 wiedergegebenen Stellung in die in F i g. 2
A wiedergegebene Stellung. Die Uhrzeigerbewegung des anderen Zapfens 21 schiebt
den betätigenden metallenen Streifen des Schnapp-Gelenkmechanismus nach rechts,
wodurch bewirkt wird, daß der obere Teil des gebogenen Metallstreifens 22 sich ebenfalls
nach rechts bewegt. Diese Bewegung des gebogenen Teiles 22 setzt sich fort, bis
eine Stellung erreicht ist, in welcher der untere Teil des gebogenen Metallstreifens
22 umschnappt bzw. plötzlich nach links angetrieben wird. Dies bewirkt, daß der
Hammer 28 an dem Schnappteil 25 des Gelenkmechanismus an das Kissen aus federndem
Material 30 an der Fläche des Kristalls 27 schlägt, wie es in F i g. 2 A dargestellt
ist. Das Anlegen dieser Übergangskraft an den Kristall 27 bewirkt das Erscheinen
eines Spannungsimpulses an den isolierten Leitungen 34 und 35 zufolge der sich ergebenden
Ablenkung des frei tragenden Kristalls 27.
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Eine Charakteristik des Schnapp-Gelenkmechanismus besteht darin, daß
die Kraft oder der Schlag des Hammers 28 auf das federnde Kissen 30 im wesentlichen
von der Geschwindigkeit der Bewegung des oberen Teiles des gebogenen Metallstreifens
22 und des Betätigungsteiles 23 des Gelenkmechanismus nach rechts unabhängig
ist. Demgemäß richtet der Hammer 28 eine Kraft auf den frei tragenden Kristall
27, die im wesentlichen von der Betätigungskraft der Bedienungsperson, welche die
Taste 16 niederdrückt, unabhängig und im wesentlichen gleichbleibend ist. Der sich
ergebende elektrische Impuls, der an den isolierten Leitungen 34 und 35 erscheint,
ist durch eine verhältnismäßig hohe Spannung, jedoch einen niedrigen Strom gekennzeichnet.
Jedoch ist der Spannungsimpuls ausreichend, um zugeordnete Ausrüstung oder Stromkreise
zu betätigen, wenn der Tastenwandler betätigt wird.
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Nachdem die Taste 16 niedergedrückt ist, führt die zwischen dem Gehäuse
11 und der Taste 16 angeordnete Feder 17 den Tastenwandler in seine normale Stellung
zurück, und zwar zufolge der sich ergebenden Aufwärtsbewegung des Schaftes 15, welche
bewirkt, daß der Winkelhebel 18 und der Schnapp-Gelenkmechanismus in ihre
gewöhnlichen Stellungen zurückkehren, wie es in F i g. 2 angedeutet ist. Es ist
ersichtlich, daß verschiedene andere Schnappmechanismen an Stelle des Schnapp-Gelenkmechanismus
verwendet werden können, um eine verhältnismäßig konstante Kraft auf den frei tragenden
Kristall 27 derart zu übertragen, daß die auf den frei tragenden Kristall
27 übertragene Kraft im wesentlichen von der Betätigungskraft der Bedienungsperson,
die an die handbetätigte Taste 16 angelegt ist, unabhängig ist.
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Die dem frei tragenden Kristall 27 von dem Hammer 28 an dem Schnappteil
25 des Gelenkmechanismus erteilte Kraft ist von der Ruhestellung des Hammers 28
abhängig. Die gewöhnliche Stellung oder Ruhestellung; die in F i g. 2 dargestellt
ist, und die sich ergebende, an den frei tragenden Kristall 27 angelegte Kraft können
geändert werden, indem die Ruhestellung des Schnappteiles 25 des Gelenkmechanismus
geändert bzw. eingestellt wird. Dies kann dadurch erhalten werden, daß die Stellung
des einstellbaren Zapfens 26 geändert wird, der sich durch den vorgeformten Gehäuseteil
13 erstreckt und mit diesem im SchraubeingrifE steht. Da der Schnappteil 25 des
Gelenkmechanismus auf diesem Zapfen 26 aufliegt, wird durch Bewegung des Zapfens
26 zu dem Gehäuseteil 13 nach innen oder nach außen die gewöhnliche oder
Ruhestellung des Schnappmechanismus und damit die Kraft geändert, welche auf den
Kristall 27 ausgeübt wird, wenn der Tastenwandler betätigt wird. Die Amplitude
des Spannungsimpulses, der an den isolierten Leitungen 34 und 35 erscheint, ist
von der Kraft abhängig, welche auf den Kristall 27 ausgeübt wird. Mit dem oben beschriebenen
Kristall wurde eine Impulsamplitude von 10 bis 15 Volt bequem erhalten, wobei der
Schnapp-Gelenkmechanismus verwendet wurde, wie er in den F i g. 1, 2 und 2 A dargestellt
ist. Es wurde gefunden, daß die
Breite des Spannungsimpulses, der
an den isolierten Leitungen 34 und 35 erscheint, von dem Bereich des frei tragenden
Kristalls 27 abhängig ist, und bei dem oben beschriebenen Kristall wurden Spannungsirnpulse
mit einer Erscheinungszeit von 100 Mikrosekunden und einer Impulslänge von
150 Mikrosekunden erzeugt. Das federnde Kissen 30 gewährleistet; daß
die Fläche des Kristalls 27 von dem Hammer nicht abgemeißelt oder zerbrochen wird.
Das federnde- Kissen 31 gewährleistet, daß der Kristall 27 nicht übermäßig abgelenkt
wird, und es dämpft weiterhin irgendwelche Vibrationen, die auftreten möchten. Mit
dem oben beschriebenen Kristall wurde der oben beschriebene Spannungsimpuls mit:
einer Ablenkung des Kristalls von 0,0127 mm erzeugt: Es ist ersichtlich, daß durch
die Verwendung eines Kristalls die Notwendigkeit für eine äußere Energiequelle und
für elektrische Kontakte, .die abbrennen und Bogenbildung verursachen, was zu notwendiger
Wartung und Austausch führt, vermieden ist. Außerdem ist zufolge des Schnapp-Gelenkmechanismus
die Amplitude des Spannungsausgangs von der Betätigungskraft der Bedienungsperson
unabhängig-und die Größe und die Breite des Spannungsausganges sind bequem änderbar.
Es ist weiterhin gefunden worden, daß die Kraft, die erforderlich ist, ein-Spannungsausgangssignal
von 10bis 15 Volt zu erzeugen; weit unter dem Bruchpunkt des Kristalls liegt und
daß das Arbeiten des Tastenwandlers im wesentlichen von Feuchtigkeit und Temperatur
unabhängig ist. Er ist sogar arbeitsfähig, wenn er in kochendes Wasser eingetaucht
wird. Außerdem nimmt der Spannungsausgang von dem Kristall mit der Zeit nicht ab.
Zufolge der modulartigen Ausführung des Tastenwandlers können verschiedene Tastaturgestaltungen
bequem ausgeführt werden. -F i g. 4 ist eine schematische Darstellung eines Stromkreises,
der mit dem beschriebenen Tastenwandler verwendet werden kann, wobei der Kristall
27 gemäß den F i g. 1, 2 und 2A mit dem Bezugszeichen 37 bezeichnet ist. Ein Widerstand
38, der an den Kristall 37 geschaltet ist; wirkt als Ableitwiderstand, und eine
Diode 39 gewährleistet, daß die von dem Kristall erzeugten Ausgangsimpulse gleichpolig
sind. Die Impedanz 40 stellt eine Belastung dar, an welche der Tastenwandler geschaltet
werden kann.