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Signalgeber mit piezo-elektrischen Elementen.
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Die Priorität der Anmeldung in Grossbritannien vom 7. Dezember 1967,
Nr. 55 742/67 ist in Anspruch genommen.
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Die Erfindung betrifft einen Signalgeber mit piezo-Ölektriionen Klementen,
wie er in Telefonsystemen mit Toz-h1 und Tastwahlapparaten benutzt werden kann.
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Bei den Signalgebern für Telefonsysteme mit Tonfrequenzwahl gibt es
die verschi@densten Arten, auch solche mit piezo-elektrischen Klementen.
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Es ist Aufgabe der Krfindung, einen Signalgeber zu scharfen.
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der mit einfachen piezo-elektrischen Teilen arbeitet und bei dem die
Signalauslösung von den Eigenarten des Benutzers unabhängig ist.
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Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass Teile zur plötzlichen
Druckänderung der piezo-elektrischen @@mente in Abhängigkeit von einem Betätigungselement
und elektrisch triggerbare Schaltkreise zur Aufnahme der elektrischen Ausgangssignale
der piezo-elektrischen Elemente vorhanden sind.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Teile zur Druckänderung sowohl durch
Federkraftspeicher belastet, als auch durch bewegliche Sperrglieder bis zur Erreichung
einer Mindestkraft gesperrt sind, nach deren Erreichung die Teile zur Drwckänderung
freigegeben werden. Zweckmässig ist dabei, dass die Teile zur Druckänderung ein
mit einem Federkraftspeicher verschenes Schlagelement enthalten, das so angeordnet
ist, dass es nach Überschreiten einer Mindestkraft durch den Federkraftspeicher
gegen das piezo-elektrische Stück bewegt wird. Bine andere Michkeit besteht darin.
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dass das Schlagelement durch den Federkraftspeicher von dem piezo-elektrischen
Element weg bewegt wird.
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In vorteilhafter Weise wird der Kraftspeicher durch einen vorgebogenen,
an beiden Enden eingespannten Federstreifen, an dem das Schlagelement angebracht
ist, gebildet und dadurch entsteht ein Schnappeffekt beim Durchdrücken des Betätigungselementes.
Bei dieser Ausführung können die gebogenen Federstreifen aus einer Tafel Federmaterial
durch Ausschnitte erzeugt werden, so dass die Enden der Streifen im verbleibenden
Rest der Tafel bleiben.
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Zur Au@gestaltung der Erfindung dient es, wenn die Sperrglieder federnde,
bewegliche Finger mit schrägen Flächen aufweisen, die mit obenso schrägen Übergängen
am Betätigungsteil in Verbindung stehen und bei einer Bewegung des Betätigungsteiles
gegen die schrägen Flächen die Finger sich auseinander bowegen und von den schrägen
Flächen des Betätigungselementes sich entfernen, wobei die benötigte Mindestkraft
auf das Betätigungselement von dem Winkel der Schräge abhängt.
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Weiterhin ist vorteilhaft, wenn das Schlagelement einen von einem
Foderkraftsp@icher bewegten Riegel enthält, der
eine Bewegung des
Schl@gelementes ausschliesst, dass das Betätigungselement einen Stift zur Verschiebung
des Riegels nach einem Mindestweg enthält und eine Feder zwischen dem Betätigungselement
und dem Schlagelement aufweist, die durch die Bewegung des Betätigungselementes
zu@ammengedrückt wird und das Schlagelement veranlasst, nach der Entriegelung auf
die piezo-elektrischen Stücke zu schlagen.
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Zweckmässig ist dabei, dass die Teile zur Druckänderung ein Schlagelement
und eine Feder, die das Schlagelement von den piezo-elektrischen Teilen entfernt,
aufweisen und du Schlagelement an federnden, beweglichen Teilen mit schrägen Oberflächen,
die mit einem gleichen, schrägen Übergang am Betätigungselement in Verbindung stehen,
angebracht ist und dadurch bei einer auslösenden Bewegung des Betätigungselementes
das Schlagelement auf die piezo-elektrischen Teile und gegen den Widerstand der
Feder drückt, und bei einer weitergehenden Bewegung die beweglichen Teile aus einander
bewegt werden und das Schlagelement durch die Feder in seine Ruhelage zurück bewegt
wird.
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Vorteilhaft ist auch, dass alle Teile des Signalgebers durch Rückholfedern
in ihre Au@gangsstellung gebracht werden und dass die Betätigungselemente als Tasten
ausgebildet mind.
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In einer Weiterbildung der Erfindung werden fur Jeden Schalter zwei
getrennte piezo-elektrische Elemente und ein triggerbarer Schaltkreis (Multivibrator
) verw@ndet.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten geben aus der Beschreibung und den
Zeichnungen hervor.
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Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen
zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Taste mit einem piezo-elektrischen
Schalter; Fig. 2a und 2b den spannungsverlauf der piezo-elektrischen Schalter nach
Fig. 1; Fig. 3 das Blockschaltbild eines monostabilen Schaltkreises; Fig. 4 das
Zeitdiagramm des Schaltkreises nach Fig.3; Fig. 5 und 5b eine Methode zur Erstellung
eines Tastenfeldes mit piezo-elektrischen Schaltern; Fig. 6a und 6b eine weitere
Methode zur Erstellung eines Tastenfeldes; Fig. 7 @inen Querschnitt durch ein Tastenfeld
mit Schnappfedern in den Drucktasten; Fig. 8 eine einzelne Drucktaste des Tastenfeldes
nach Fig. 7; Fig. 9 eine Draufsicht auf eine Anordnung mit Schnappfedern; Fig. 10
einen Querschnitt durch eine Taste mit einer Verriegelung; Fig. 11 eine Draufsicht
auf eine Taste nach Fig. 10; Fig. 12 einen Querschnitt durch eine weitere Taste;
Fig. 13 und Fig. 14 Möglichkeiten der Ausbildung von Piezo-elektrischen Elementen.
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Die Anordnung in Fig. 1 enthält ein Paar piezo-elektrische Stücke
10, 11, die zusammen mit den Kontaktachichten (nicht dargemtellt) in einer Ausnehmung
12 einer Grundplatte 13 angeordnet sind und von einer Abdeckplatte 14 gehalten werden.
Oberhalb der @iezo-elektrischen Stücke 10, 11 befindet sich eine Taste 15, deren
unteres Ende zu einem Schlagelement 16 ausgebildet ist. Der Schaft 17 der Taste
15 weist eine ringförmige Fuge auf, die in einen Übergang 18 ausläuft. Zwei biegseme
Finger 19 tragen einen schrägen Vorsprung 20, der im allgemeinen ringförmig um die
Fuge
des Schaftes 17 liegt. Die Taste 15 wird von den piezoelektrischen
Stücken lo, 11 durch eine Feder 21 zbgehalton, die sich gegen eine Schulter 22 am
Schaft 17 abstützt.
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Die Schulter 22 begrenzt ausserdem die ringförmige Fuge und wirkt
als Anschlag, in dem sie gegen den Vorsprung 20 stösst und dadurch den Rückweg der
Taste 15 begrenzt.
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Wird die Taste 15 betätigt, stösst sie sofort mit dem Übergang 18
gegen den schrägen Vorsprung 20. Bei weiterer Druckerhöhung schiebt der Übergang
18 die blegsamen Finger 19 auseinander und die Taste 15 kann auf die Feder 21 einwirken,
das Schlagelement 16 prallt auf die piezoelektrischen Stücke lo, 11 aur, die ein
elektrisches Ausgangssignal abgeben. Wird die Kraft von der Taste 15 entfernt, bewegt
sich diese durch die Feder 21 in ihre Ausgangslage zurück.
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Werden die piezo-elektrischen Stücke lo, 11 von einem scharen Anprall
getroffen, erzeugen sie ein elektrisches Signal, das in Sig. 2a und b dargestellt
ist. In Fig. 2a ist die Spannung an den piezo-elektrischen Stücken gezeigt, wenn
kein Schaltkreis angeschlossen ist. Dabei geht die Spannung beim ersten Aufprall
des Schlagelementes 16 zur eine gewisse Höhe und fällt langsam wieder ab, solange
wie der Druck anhält. Bei der Wegnahme des Druckes geht die Spannung zurück auf
Null. Sind die piezo-elektrischen Elemente mit einem Widerstand belastet, ergibt
sich der Spannungsverlauf nach Fig. 2b. Beim Aufprall der Schlagelementes und be
der Wegnahme des Druckes wird Je ein Impuls unterschiedlicher Polarität erzeugt.
Einer dieser Impulse wird gebraucht, um einen monostabilen Schaltkreis anzustossen,
der als Festkörperschalter arbeitet.
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Ein piezo-elektrisches Teil 30 mit Kontaktschichten 31, 32 ist an
den Eingang eines monostabilen Multivibrators 33
angeschlossen (Fig.
3). Eine Diode 34 ist in den Eingang eingefügt, um den Impuls bei der Druckwegnahme
unwirksam zu machen und ein Widerstand 35 ist angeschaltet, um sicher zu stellen,
dass die Zeitkonstante des Impulses kleiner ist als die des Multivibrators 33. Dadurch
ist die Einschaltzeit des Multivibrators unabhängig von der Tastenbewegung (Fig.
4). Die Zeit zwischen dem Niederdruck der Taste und dem Loalassen kann beispielsweise
zwischen 10 msec und 1 sec liegen, die Einschaltzeit des Multivibrators blelbt immer,
biespielsweise 20 msec, gleich.
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Der in Fig. 1 dargestellte Schalter eignet sich in idealer Weise für
ein Tonsignal-Telefornsystem, in dem 2 aus 5 Signale von jedem von zehn Schaltern
erzeugt werden, genau so wie für zehn verschiedene Tonsignalkombinationen, wonn
zwei voneinander elektrisch isolierte piezo-elektrische Stücke, wie in Fig. 1 verwendet
werden, kann je eines einen Tongenerator anstossen, zehn solche Schalter und fünf
Generatoren ergeben dann die Zehner-Tastatur eines Tastenfernsprechers.
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Ein Tastenfeld kann unter Verwendung von piezo-elektrischen Elementen,
bei denen jeweils zwei Stück gleichzeitig von einer Taste betätigt werden, gebaut
werden, Die Parre der piezo-elektrischen Elemente 50 können in herkömmlicher Weise
angeordnet sein, wie es die Anordnung in Fig. 5a zeigt. Jedes piezo-elektrische
Elementenpaar, Fig. 5b, enthält Stücke 51, 52 aus piezo-elektrischem Material mit
elektrischen Kontakten 53, 54 und 55, 56. Die beiden Elemente werden durch eine
Isolierschicht 57 gotronnt, Eino andere Art, ein Tastenfeld aufzubauon, bestoht
darin, dass Streifen aus piezo-elektrischem Material benutzt werden (Fig. 6a). Drei
Streifen 60 liegen über drei gleichartigen Streifen 61, so dass noun Schalter an
den Kreuzungspunkten entstohon.
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Jeder Streifen 60, 61 ist an einem von fünf Tongeneratoren angeschlossen,
so dus jede Kreuzung nur einem einzigen 2 aus 5 Tonsignal entspricht. In einem Zehnerfeld
kann der io. Sch@ter durch die Verlängerung eines Streifens 61 und einem kurzen
extra Streifen Go darüber gebildet werden.
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Es kann auch ein einzelner, separater Schalter benutzt werden. Die
Streifen 60, 61 werden durch eine Schicht aus isolierendem Material 62 getrennt
(Fig. 6b). Jeder der Streifen 60, 61 ist weiterhin mit elektrischen Kontakten 63,
64 und 65, 66 verschen.
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Eine Konstruktion, in der jeder Schalter mit einem Schnappeffekt ausgerüstet
ist, ist in Fig. 7 dargestellt. Jeder Schalter enthält drei Teile, eine Tute 70,
einen Federstreifen 71 und ein Stück oder Stücke 72 aus piezo-elektrischen Material.
Diese Teile werden in Isolier- und Trägermaterial befestigt, in einer Deckplatte
73 und den Trägerpl@@ten 74, 75, 79. Die Federstreifen 71 sind vorgebogen, so dass
ihre Wölbung nach oben von den Stücken @@ @egweist, und tragen an ihre Unterseite
Schlagelemente 76. sie Tasten 70 sind in Gummibuchsen 77 oberhalb von Ans@tzen 78
auf der Oberseite der Federstreifen 71 befestigt. Werden die Tasten herabgedrückt,
bewegen sie sich gegen die Ansätze 78 und bewirken, dass die Federstreifen sich
zur anderen Seite mit einem Schnappeffekt durchbiegen und die Schlagelemente 76
auf die Stücke 72 prallen. Die beiden Stücke 72 sind in einem Epo@yharz eingebettet.
In Fig. 8 ist von einem Federstreifen 71 der nach unten durchgebogene Zustand und
das Aufliegen des Schlagelementes 76 auf den Stücken 72 gezeigt. wenn solch ein
Federstreifen 71 für ein Tastenfeld hergestellt wird, ist es vorteilhaft, Ausschnitte
90 aus einer Tafel Federmaterial 91 auszuschniden (Fig. 9). Die Federn werden durch
die bleibenden Streifen 92 gebildet. Die gestrichelt gezeichneten Kreise geben die
Lage der Tasten in den einzelnen Federstreifen an.
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In Fig. 10 ist eine weitere Möglichkeit des kontrollierten Aufpralles
eines Schlagelementes auf ein piezo-elektrisches Teil angegeben. Das Schlagelement
100 wird normalerweise durch einen Riegel 101 in seiner Ruhelage gehalten, wobei
der Riegel lol sich auf einem Vorsprung 102 in dem Rohr 1o3 abstützt. Die Taste
104 weist einen Stift 1o5 auf, der beim Herabdrücken der Taste 104 den Riegel lol
von dem Vorsprung 102 drückt und so das Schlagelement freigibt. Die Taste 104 arbeitet
gegen eine Druckfeder 106, die nach Freigabe des Schlagelementes ioo ihre gespeicherte
Energie auf das Schlagelement überträgt und dieses gegen die Stücke 107 prallen
lässt. Wird die Taste 104 wieder freigegeben, so bewegt eine Feder 108 das Schlagelement
in seine Ruhe- und Verriegelungslage. Der Riegel lol wird durch eine Feder 110 Uber
den Vorsprung 102 geschoben (Fig.11). Wenn der Tasterrweg grösser als der Weg des
Schalagelementes gemacht wird, bleibt ein Rest druck auf den Stücken 107 bis zur
Tastenfreigebe bestchen.
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Die obigen Konstruktionen sind so ausgelegt, dass ein elektrisches
Signal entsteht, wenn die piezo-elektrischen Stücke einem plötzlichen Druck oder
Schlag ausgesetzt sind.
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Soll ein elektrisches Signal bei der Freigabe der Taste erzeugt werden,
dann ist die Anordnung nach Fig. 12 zu wählen. Das Sohlagelement 120 ist auf einem
Träger 121 befestigt, der in zwei bewegliche Teile 122 ausläuft, Diese Teile 122
haben am oberen Ende schräge Flächen, an welchen ein ringförmiger Übergang 123 des
Schaftes 124 der Taste anliegt. Wird die Taste herabgedrückt, bewegt sich der ringförmige
Übergang 123 gegen die Teile 122 und schiebt das Schlagelement gegen die piezo-elektrischen
Teile 125, @o dass sie zusammengedrückt werden. Der Pressdruck hängt in seiner Höhe
von dem Druck auf die Taste ab.
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Wenn der Druck auf die Taste weiter erhöht wird, gehen die beweglichen
Teile 122 auseinander und die Taste kann weiter
abwärts bis zu
dem Anschlag 126 gleiten. Da nun der Träger 121 nicht mehr mit dem ringförmigen
Übergang 123 in Verbindung steht, wird er durch eine Feder 127 in seine Ruhelage
zurückgebracht. Die Bedienungsperson hat keinen Binfluu auf diesen Vorgang und eine
unabhängige Druckminderung des piezo-elektrischen Teiles ist erreicht. Schliesslich
bringt eine Feder 128 beim Loslassen der Taste 124 die in ihre Ausgangsstellung
zurück.
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Die Erfindung ist nicht auf die Benutzung von Tasten als Auslöseelemente
beschränkt. Es können auch Hebelgestänge oder Drchspindeln mit Armen, Nocken oder
Knebeln usw.
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zur Betätigung der Schlagelemente verwendet werden. Die Schalter können
auch so ausgestaltet s@in, dass sie bistabil arbeiten.
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In Fig. 13 und 14 sind zwei Arten der Betätigung von piezo-elektrischen
Elementen dargestellt, bei denen Streifen aus piezo-elektrischem Material verwendet
werden.
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Ein piezo-elektrischer Streifen 130 ist mit einem beweglichen, metallischen
Streifen 131 verbunden und zwischen zwei isolierenden Halterungen 132 eingespannt
(Fig. 13).
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Auf der Unterseite des piezo-elektrischen Streifens 130 ist eine Metzllschicht
133 als Kontakt aufgebracht. Wenn ein Bedienteil 134 auf die Mitte der Streifen
drückt, erfährt der metallische Streifen 131 eine Verkürsung und der piezo-elektrische
Streifen eine Dehnung. Durch diese Anordnung wird ein höheres Ausgangssignal als
mit piezoelektr@@chen Stücken erreicht.
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Die Anordnung in Fig. 14 unterscheidet sich von der in Fig. 13 dadurch,
dass die Streifen 14o nur einseitig in eine isolierende Halterung 141 eingespannt
sind. Ein Bedienel@@@@t 142 übt den Druck auf die Streifen aus.
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7 Blatt Zeichnungen mit 14 Figuren 12 Patentansprüche