DE2314420B2

DE2314420B2 - Piezoelektrische taste

Info

Publication number: DE2314420B2
Application number: DE19732314420
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys 8000 München Kleinschmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-03-22
Filing date: 1973-03-22
Publication date: 1977-08-04
Also published as: CA991306A; YU75674A; FR2222804B1; DE2314420A1; DK143119B; JPS5430511B2; LU69317A1; SU862846A3; SE386544B; ES424476A1; AT338912B; US3899698A; CH574679A5; FR2222804A1; JPS49128275A; IE41672B1; YU37045B; NL7403685A; IE41672L; ATA106174A

Description

Die Erfindung betrifft eine wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebene piezoelektrische Taste.

Es sind eine große Anzahl von Drucktasten zum Ein- oder Ausschalten elektrischer Stromkreise bekannt. Es sind auch bereits Drucktasten bekanntgeworden, die piezoelektrische Keramikkörper zur Erzeugung einer elektrischen Spannung enthalten. Drucktasten dieser Art haben für entsprechende Anwendungsfälle den Vorteil, daß sie nicht nur einen Stromkreis schließen, sondern daß sie selbst die Spannung für den Strom in ι ο dem Stromkreis aus der auf sie einwirkenden mechanischen Druckkraft zu erzeugen vermögen.

Piezoelektrische Drucktasten sind insbesondere unter Verwendung von Biegestreifen, die wenigstens zu einem Anteil aus Piezokeramik bestehen, realisiert worden. Zu deren Betätigung muß die auf den Biegestreifen einwirkende Kraft eine deutlich wahrnehmbare Biegebewegung des Streifens erzeugen.

Aus der DT-OS 20 64 657 ist eine weitere Ausführungsform einer piezoelektrischen Drucktaste bekanntgeworden, bei der ein scheibenförmiger Körper aus Piezokeramik verwendet ist. Die zur Betätigung der Taste vorgesehene Druckkraft wirkt auf die Scheibenoberfläche derart, daß die Scheibe in Dickenrichtung gedrückt wird. Der Weg, über den die zur Betätigung vorgesehene Druckkraft wirkt, liegt hier unter der Grenze der für den Menschen gegebenen Wahrnehmbarkeit.

Aus der deutschen Patentschrift 7 56 697 ist ein Vorschlag bekannt, ein Quarzplättchen in der wie eingangs dieser Erfindungsbeschreibung angegebenen Weise mit einer Druckkraft zu beaufschlagen, um von Elektroden eine elektrische Spannung abzunehmen. Bei dem dort vorgesehenen Quarz handelt es sich um ein Material, das von sich aus eine einheitlich ausgerichtete Orientierung hat und für das keinerlei temperaturabhängige Polarisierbarkeit — deren Bedeutung wird noch nachfolgend im Zusammenhang mit der Erfindung erörtert - vorliegt. Die in der genannten Patentschrift angegebene Realisierung des voranstehend angegebenen Vorschlages sieht vor, daß an Stelle eines Plättchens ein teilzylindrischer Körper vorgesehen wird.

Aus den deutschen Auslegeschriften 12 36 827 und 12 45 171 gehen piezoelektrische Druckwandler hervor, bei denen in einer mechanischen Vorrichtung mehrere piezoelektrische Körper als Druckwandler angeordnet sind. Die eine plättchenähnliche Form aufweisenden piezoelektrischen Körper sind dabei in einem Rohr angeordnet, an dessen Wandung diese angelehnt sind. Außer daß auf den transversalen Piezoeffekt hingewiesen ist, enthält diese deutsche Auslegeschrift keine weiteren Hinweise auf Probleme, die im Zusammenhang mit der noch zu beschreibenden Temperaturabhängigkeit stehen, wenn der piezoelektrische Körper aus zu polarisierender Piezokeramik besteht.

Aus der französischen Patentschrift 11 23 132 ist ein piezoelektrisches, für Druckmessung vorgesehenes Element bekannt, zu dem Endkappen vorgesehen sind, auf die die Druckkräfte zur Einwirkung gebracht werden sollen.

Aus der französischen Patentschrift 13 03 159 geht ein piezoresistiver Wandler hervor, der sich in einem Gehäuse befindet.

Es ist beobachtet worden, daß piezoelektrische Drucktasten, deren Wandlerelement aus elektrisch zu polarisierender Piezokeramik besteht, gegen mehr oder weniger kurzzeitig eintretende Temperaturänderungen empfindlich sind und auf Temperaturänderungen mit der Abgabe eines Fehlersignals ansprechen. Drucktasten aus Piezokeramik können auf Änderungen der Umgebungstemperatur in der gleichen Weise ansprechen wie auf bestimmungsgemäß einwirkende Druckkräfte. Bei einem druckempfindlichen Element mit Quarz tritt jedoch dieser auf der Temperaturabhängigkeit der Polarisation des Materials beruhende Effekt der Piezokeramik nicht auf. Dafür sind aber solche Vorrichtungen mit Quarz als piezoelektrischem Element gerade wegen des Quarzes sehr aufwendig.

Bei piezoelektrischen Biegestreifen mit Piezokeramik tritt der beschriebene Temperatureffekt auf Grund der Konstruktion dieser Biegestreifen höchstens in untergeordnetem, praktisch nicht störendem Maße auf. Die Konstruktionen von Tasten mit Biegestreifen sind jedoch relativ aufwendig und erfordern zudem einen merklichen Betätigungsweg.

Der Wegfall eines solchen Betätigungsweges für eine Schalttaste ist insbesondere dort von Interesse, wo es auf staub- und/oder feuchtigkeitsdichten Einbau ankommt oder wo durch Vermeidung von Sch'itzöffnungen, entlang ein Teil zu bewegen ist, ein Schutz gegen die Möglichkeit einer mutwilligen Beschädigung erreicht werden soll.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit Druckkraft im wesentlichen wegfrei zu schaltende piezoelektrische Taste mit piezokeramischem Wandlerelement anzugeben, die entsprechend der Verwendung von Keramikmaterial in wenig aufwendiger Weise herzustellen ist, die aber andererseits in praktisch sinnvollen Grenzen bezüglich ihrer Arbeitsweise gegen von außen einwirkende Temperaturänderungen unempfindlich, d. h. schaltsicher, ist. Aufgabenstellungen für Weiterbildungen der Erfindung sind, zusätzliche Maßnahmen zu treffen, damit diese erfindungsgemäße Taste darüber hinaus auch gegen rasche und dabei übermäßig hohe Wärmezufuhr und/oder gegen mechanische Beschädigung bei unverändert bleibender Ansprechempfindlichkeit und/oder gegen Fehlsignalgabe durch Stoß oder extremes Schütteln und/oder gegen starke langzeitige Erwärmung und/oder gegen von dem betätigenden Finger ausgehende extreme Wärmezufuhr sicher zu machen. Dabei ist zusätzlich Bestandteil der Aufgabe, daß die Lösung derselben, d. h. die Erfindung, nicht dazu zwingt, auf Grund der gemäß einem Merkmal der Erfindung vorgeschriebenen Formgebung neue technische Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Die der Erfindung gestellte Aufgabe wird mit einer wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen piezoelektrischen Taste gelöst, die erfindungsgemäß die im Kennzeichen dieses Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist. Die den Weiterbildungen gestellten Aufgaben werden mit Hilfe der in den Unteransprüchen angegebenen zusätzlichen Merkmale gelöst.

Wegen der geringen Dicke des Wandlerkörpers ist es notwendig, den Stützkörper vorzusehen.

Bei der hier nachfolgend noch näher zu beschreibenden piezoelektrischen Taste ist der Wandlerkörper aus Piezokeramik in dieser derart angeordnet, daß seine Abmessung d im wesentlichen senkrecht zu der Richtung ausgerichtet ist, in der die bestimmungsgemäße Druckkraft der Taste auf den Körper einwirkt. Der Körper des Wandlers ist in einem Volumen d ■ h · /in der Richtung d polarisiert. Die zur Dicke im wesentlichen senkrechte Abmessung /, die auch senkrecht zu der Richtung ist, in der die Druckkraft in der Taste auf den Körper des Wandlers einwirkt, ist mehrfach größer als die Abmessung d bemessen. Die in

Richtung der Krafteinwirkung der Druckkraft liegende Abmessung h des Körpers, die zu den Abmessungen d und /senkrecht ist, ist größer als etwa das lOfache der Abmessung d. Für die Betätigung der erfindungsgemäßen Taste mit dem Finger liegen günstigste Werte für die Abmessung /des Körpers des Wandlers zwischen 3 und 30 mm. Um dem Körper des Wandlers eine erhöhte Biegesteifigkeit zu verleihen, ist zusätzlich ein ein- oder mehrteiliger, aus Kunststoff bestehender Stützkörper vorgesehen, der mit dem Wandler fest verbunden ist. Die am Körper des Wandlers vorgesehenen Elektroden zur Abnahme elektrischer Leistung liegen vorzugsweise nur an dem polarisierten Anteil h ■ I des Körpers an, nämlich dort, wo bei Druckeinwirkung auf Grund der vorhandenen Polarisation Ladungsverschiebung auftritt.

Um seine Aufgabe besonders gut zu erfüllen, ist gemäß einer Alternative dem Stützkörper eine X-Profilform verliehen, die große Biegesteifigkeit auch dann hat, wenn vorzugsweise nur sehr geringe Steifigkeit in Richtung der Druckkraft vorliegt. Eine andere günstige, insbesondere technisch einfach auszuführende und trotzdem ausreichend hohe Biegesteifigkeit verleihende Ausführungsform für den Stützkörper ist, gemäß den Ansprüchen 4 und/oder 5 ebene Plättchen sandwichartig parallel zum Körper des Wandlers anzuordnen. Besonders zweckmäßig ist es, das eine oder die zwei Plättchen des Stützkörpers mittels thermoplastischem, vorzugsweise duroplastischem, Material mit dem den Körper des Wandlers bildenden piezokeramischen Plättchen zu verkleben.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung für den Stützkörper ist, Kunststoffmasse auf den Körper des Wandlers aufzuspritzen, die dann im wesentlichen wie angeklebte Plättchen wirksam ist.

Um die aufgabengemäße Temperaturunempfindlichkcit der crfindungsgcmüßen Taste zu unterstützen, empfiehlt es sich, den Körper des Wandlers mit einem Material mit wärmcisolicrendcn Eigenschaften gemäß Anspruch 8 zu umgeben. Damit lassen sich speziell solche kurzfristigen, übermäßig hohen Wärmczuführungcn, insbesondere durch Strahlung, abwehren, deren Abwehr allein mit Mitteln der Erfindung und mit großen Sicherheitsabstand in extreme Richtung gehende Bemessung, wie sie als Merkmal der Erfindung ungegeben ist, bedingen würde.

In den Ansprüchen 9 und 10 sind vorteilhafte Maßnahmen angegeben, die einerseits einen Schutz gegen mechanische Beschädigung des Körpers des Wandlers gewährleisten und andererseits die Funk· tionsfUhigkcit des Körpers des Wandlers nicht beeinträchtigen, Außerdem ist mit dem Gehäuse zusätzlich ein Wärmeschutz in Richtung der Maßnahmen nach dem Unteranspruch 8 geschaffen. Das im Anspruch 11 angegebene Übertragungsglied bewirkt, daß die Kraftübertragung in dem Gehäuse auf den Körper des Wandlers einerseits in der vorgesehenen Kraftrichtung erfolgt und andererseits auch ein zusätzlicher Wärmeübertragungswiderstand vorliegt.

Ein wie voranstehend erwähnter Wärmeübcrtragungswlderstand wird Insbesondere auch durch die MuBnuhmc des Unteranspruchs 12 erzielt, da der der iktUtigungsseite der Taste zugewandte piezoelektrisch nicht wirksame Anteil des Körpers des Wandlers auf Wlirme nicht anspricht, z. B. nicht auf solche Wärme anspricht, die von dem die Taste betätigenden Pinger ausgeht.

MU den integrierten Ausgestaltungen gemttß den

Ansprüchen 13 und 14 läßt sich mit Hilfe des Tiefpasses in sehr einfacher Weise ein Stoßschutz bzw. ein Schutz der Taste gegen Schütteln erreichen. Der Hochpaß dient dazu, zusätzlich langzeitige Spannungserzeugung im Körper des Wandlers ohne Signalauslösung abzuleiten, wobei die ohnehin vorhandene rein elektrische Kapazität des Körpers des Wandlers in sehr vorteilhafter Weise ausgenutzt ist.

Einen sicheren Pyro-Abstand, d. h. Abstand zwischen dem Wert der bei Betätigung auftretenden Piezospannung bzw. -leistung und dem möglichen Wert einer Pyro-Spannung bzw. -leistung erhält man, wenn man die Abmessung d kleiner als 0,5 mm wählt. Eine untere Grenze für die Abmessung d ergibt sich aus den technologischen Möglichkeiten für die Herstellung dünner piezoelektrischer Keramikkörper.

Die Elektroden zur Abnahme der piezoelektrischen Spannung, an der auch die erfindungsgemäß auf ein verhältnismäßiges Minimum herabgesetzte Pyro-Spannung auftritt, bedecken die Flächen h ■ /des Körpers.

Weitere Einzelheiten der piezoelektrischen Spannungskonstanten gi\ können dem Stand der Technik, z. B. Valvo-Handbuch: »Piezooxide«, 1971, insbesondere S. 20, entnommen werden. Die Richtung 2 fällt mit der wie oben angegebenen Höhe h, die Richtung 3 mit der oben angegebenen Dicke (/zusammen.

Die vorliegende Erfindungsbeschreibung ist durch Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt einen in einer wie erfindungsgemäßen Taste verwendeten Körper des Wandlers, wobei aus dieser Figur die für die einzelnen Abmessungen desselben verwendeten Symbole und die bestimmungsgemäße Richtung der Druckkraft hervorgehen;

F i g. 2 zeigt andeutungsweise, wie eine Durchbiegung des Körpers des Wandlers zu verstehen ist, die zu vermeiden ist;

Fig.3 zeigt einen sandwichartigen Aufbau des Körpers des Wandlers zusammen mit Stützkörpern;

Fig.4 zeigt eine Ausführungsform mit Stützkörper mit X-Profilform;

Fig. 5 zeigt im Schnitt eine Anordnung des mit Stützkörpern versehenen Körpers des Wandlers in einem auf dessen Funktion angepaßten Gehäuse;

F i g. 6, 7 und 8 zeigen Ausgestaltungen zu Formgebungen der Elektroden;

F i g. 9 zeigt ein elektrisches Prinzipschaltbild, das auf die Taste angepaßt ist;

Fig. 10 zeigt zur schcmatischcn Erläuterung teils gegenständlich, teils schaltungstechnisch eine integrierte Ausführungsform der Taste.

Zur Erläuterung von Einzelheiten der erfindungsgemäßen Lehre soll die F i g. I dienen. Der als elektromechanischer Wandler der Taste vorgesehene Körper 1 besteht mindestens in einem noch näher zu beschreibenden Teilvolumen / · Λ · (/desselben aus einem Material, das permanent ausgerichtet, d. h. piezoelektrisch wirksam ist. Als derartiges Material sind beispielsweise Barium-Tltanat und Blei-Titnnat-Zirkonat, gegebenenfalls mit die piezoelektrischen Eigenschaften verbessernden Zugaben, bekannt. Der Körper 1 hat beispielsweise eine wie aus der F1 g. 1 zu entnehmende Form mit den Abmessungen d, I und der Abmessung Λ für dieses Teilvolumen. Die in der Taste bestimmungsgemäß auf den Körper t einwirkende Druckkraft bzw. die bestimmungsgemäße Richtung dieser Druckkraft Ist durch den Pfeil 2 angedeutet. Soweit keine Rlchtungs· umlenkung und/oder Übersetzung der von außen auf die Taste einwirkenden Druckkraft erfolnt. stimmt diese

Kraft nach Richtung und Betrag mit der in der Taste auf den Körper als bestimmungsgemäß bezeichneten Kraft iiberein.

Bei der erfindungsgcmäßen Taste wirkt diese Druckkraft parallel in Richtung der Abmessung h bzw. // in der Darstellung der F i g. 1 in senkrechter Richtung auf die Oberfläche 3 des Körpers. Die Oberfläche 3 ist die in der Fig. 1 nach oben zeigende Fläche des Körpers 1 mit den Scitenabmessungcn d und /. Der Einfachheit halber ist angenommen, daß diese Druckkraft 2 auf die Mitte der Fläche 3 einwirkt. Die zur Druckkraft 2 notwendigerweise auf den Körper entgegenwirkende Druckkraft wird von der als Ausschnitt dargestellten, schematisch angedeuteten Grundplatte 4 ausgeübt, auf der der Körper 1 mit der der Fläche 3 gegenüberliegenden Seilenfläche des Körpers I aufsteht.

Der Körper 1 ist in seinem Volumenbereich I ■ h ■ d in Richtung d polarisiert, wie dies durch die Pfeile 23 angedeutet ist. Auf den für die Richtung der Polarisation senkrechten Oberflächen / · h des Körpers befinden sich die Elektroden 24 und 25 (in der Figur ist nur die Elektrode 25 sichtbar), die zur Polarisation durch Anlegen einer entsprechend hohen elektrischen Spannung dienen und von denen die piezoelektrisch erzeugten Spannungen abzunehmen sind, die der Schaltung zugeführt werden.

Wie bereits erwähnt, ist der durch die Höhe /) gekennzeichnete Teilbereich der eigentlich piezoelektrisch und damit auch pryoelektrisch wirksame Teil des Körpers 1. Fs ist vorteilhaft, die Höhe Λ etwas kleiner als die Gesamthöhe /7 des Körpers 1 zu machen. Hin Vorteil besieht in einer späier noch näher zu beschreibenden Wärmeisolation. Fin weiterer Vorteil ist schaltungstechnisehcr Art.

Die Länge / des Teilbereiches ist im Regelfall (praktisch) gleich groß wie die entsprechende Außenab-11K¹SMiMg /. des Körpers selbst. Zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlüssen zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden (24, 25) kann vorgesehen sein, daß die Länge / etwas kleiner als die entsprechende Außenabmessung ist, wie dies mich der Figur zu entnehmen ist. Soweit die Abmessung / des polarisierten Teilvolumens kleiner als die Außenabmessung Λ des Körpers ist, ist für K der auf / entfallende Anteil zu nehmen, Im Regelfall ist diese Korrektur jedoch nicht notwendig.

Die Ausgestaltung einer erfindungsgemllßen Taste isi so getroffen, dall der piezoelektrische Körper des Wandlers bei Ausübung der bcstimmungsgemäßen Druckkraft keine oder praktisch nur geringfügige Biegebewegung luisführl, In F i g. 2 ist in einer Seitenansicht des Körpers I auf die Flüche H · d angedeutet, wiis unter einer im Sinne dieser Ausgestaltung bzw, Weiterbildung zu verstehenden Biegebewegung gemeint ist. Die nuf die (in dieser Darstellung nicht sichtbare Flüche 3 einwirkende Kraft 2 kann zu einer wie durch die gestrichelten Linien 21 «ngcdeutetcn Durchbiegung des Körpers 1 führen, Uinc solche Durchbiegung des Körpers 1 führt in seinem piezoelektrischen Bereich zu piezoelektrisch erzeugten (elektrischen) Spannungen, die zu einer Gesamtspannung zwischen den Elektroden 24 und 23 resultieren, deren Betrag und Vorzeichen von der Art und Richtung der Durchbiegung abhängig ist und praktisch nicht Im voraus zu bestimmen ist. Diese Spannung würde sich aber der gewolltermuUen durch longitudinal Längenänderung des Körpers 1 infolge der Druckkraft 2 zu erzeugenden piezoelektrischen Spannung überlagern und diese in nicht vorherbestimmbarer Weise stören, sofern eine wie erwähnte Durchbiegung auftritt.

Ein Ziel der Erfindung ist es also, das Auftreten einer s Durchbiegung des in der erfindungsgemäßen Taste piezoelektrisch wirksamen Körpers wenigstens so weit zu unterbinden, daß keine Störung eintritt.

Eine Biegebewegung kann außer durch übergroße Kraft 2 auch durch richtungsmäßig abweichende Kräfte

ίο eintreten. Mit 5 und 15 bzw. 6 und 16 sind in Fig. 1 Druckkräfte gestrichelt eingezeichnet, die in der Praxis möglicherweise auf den Körper 1 einwirken können. Diese Druckkräfte sind als senkrecht zur Druckkraft 2 auf das in der Fig. 1 obere Teil des Körpers 1

is einwirkende Kräfte angenommen. Die Kräfte 5, 15 bzw. 6, 16 können Kraftkomponentc einer in Fig. 1 eingezeichneten und mit 7 bezeichneten, in der Praxis angenommcnermaßcii auf die Taste einwirkenden Druckkraft sein. Die Komponente der dritten Richtung ist die bestimmungsgemäß auf den Körper 1 einwirkende Druckkraft.

Die Druckkraft 7 kann die z. B. vom Finger ausgeübte, von außen auf die Taste tatsächlich einwirkende Druckkraft sein.

2S Durch die im einzelnen noch zu erläuternden Maßnahmen für Biegesteifigkeit wird sichergestellt, daß sich im Körper 1 praktisch nur eine als bestimmungsgemäß zu verstehende Druckkraft in Richtung 2, d. h. parallel gerichtet zur Abmessung h in einer I.iingenündcrung Δ h auswirkt und daß übergroße Druckkraft und/oder Kraftkomponenten senkrecht dazu, wie sie durch 5, 15 bzw. 6, 16 angedeutet sind, weilgehend unwirksam sind. Gemäß weiterer Weilerbildungen, insbesondere durch noch näher zu erläuternden Einbau

is in das (!ehilu.se, kann die IJnempfindlichkeit der Taste gegen unerwünschte Krafteinwirkungen noch gesteigert werden.

Der Vermeidung einer Biegebewegung eines piezoelektrischen Körpers dient die Verwendung eines Stützkörpers, der dem piezoelektrisch wirksamen Körper durch seine Form und durch seine Zuordnung zu dem piezoelektrischen Körper letzterem, gegebenenfalls in Zusammenwirkiing mit diesem, die erforderliche Biegesteifigkeit verleiht. Das Material und die Abmes-

4«. sung des Stüt/.körpcrs sind so gewählt, daß der Stützkörper der in der Taste wirksamen bestimmiingsgemäßen Druckkraft vergleichsweise zu dem Körper des WundliM's eine größere oder nicht wesentlich geringere integrale druckelastische Nachgiebigkeil

ν aufweist.

bine Ausfuhrungsform mit Stüukorper sieht vor, daß der Körper des Wandlers, /.. B. der Körper t, in elastischem Gießharz eingebettet ist, wobei nur die Flilchc 3 und die ihr gegenüberliegende Flüche, mit der

5.1 der Körper auf der Unterlage 4 aufsteht, von dem Gießharz im wesentlichen frei bleiben.

F i g. 3 zeigt schematisch eine besonders bevorzugte Ausführungsform für eine erfindungsgcmüUc Taste, bei der dem Körper I des Wandlers als Stützkörper auf den

ft« beiden GroUflüchensciten / · /7 je ein Plättchen 64 und 164 zugeordnet Ist. Vorzugsweise sind die Plättchen an dem Körper I angeklebt. Als Klebstoff hat sich duroplastischc Folienbesehlchtung, /. B. Tcchnicoll 401 bzw. 411, mit anschließender WürmcuushUrtung als

' geeignet erwiesen, Der Körper t und die Plättchen 64 und 164 bilden damit eine körperliche Einheit 101, die durch ihren Schichtaufbuu blcgcstüllf ist. In Richtung dci Druckkraft 2, die ttuf die Fläche 3 des Körpers 1 und au

die Flächen 63 und 163 der Plättchen 64 und 164 einwirkt, sind die Plättchen 64 und 164 sehr viel nachgiebiger als die Keramik des Körpers 1. Die Druckkraft 2 wirkt sich damit im wesentlichen in dem Körper 1 aus. Als Material für die Plättchen hat sich ein Polyacryl-Glas geeignet erwiesen. Die Dicke der Plättchen ist so gewählt, daß die notwendige Biegesteifigkeit erreicht ist. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei Verklebung von Körper 1 und Plättchen die Biegesteifigkeit, abgesehen von Unterschieden des Elastizitätsmoduls, mit der 3. Potenz der Summe der Einzeldicken ansteigt und der Widerstand gegen die Druckkraft 2 nur linear mit der Gesamtdicke wächst.

Die in Fig. I gezeigten Elektroden 24, 25, 124, 125 befinden sich auf dem Körper 1 und damit unter den Plättchen 64 bzw. 164.

Fig.4 zeigt in auseinandergezogener Darstellung eine Aiisführiingsform, bei der sich der Körper 1 des Wandlers im Innern eines Stützkörpers 70 mit X-Profil befindet. Mit 74 ist ein der Unterlageplatie 4 entsprechendes Abschlußteil bezeichnet, das vergleichsweise zum Material des Körpers 1 wenig drucknachgiebig ist. Mit 72 ist eine 52 entsprechende Deckplatte und mit 76 eine darüber befindliche Platte aus Material mit geringer Wärmeausdehnung, z. B. Invar, bezeichnet.

Fig. 5 zeigt im Schnitt eine besonders bevorzugte Ausführungsform für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Taste in einem mechanisch steifen Gehäuse 91. Der Körper I mit den Stützkörpern 64 und 164, d. h. die Einheit 101, befindet sich zwischen der Platte 92, auf die der bestimmungsgemäße Druck auszuüben ist, und der zur Aufnahme des Gegendrucks notwendigen Untcrlageplatte 94, die der Platte 4 der Fig. 1 entspricht. Der Wandlerkörper mit den Stüt/.körpern ist in der Unterkigeplatte94 in einem Einschnitt 95 gehalten. Auf tier Innenseite der Platte 92 ist der Wandlerkörper mit den Slützkörpern beispielsweise in einem mit 95 vergleichbaren Schlitz versehenen I lalteklotz 96 gegen seitliches Verschieben gehalten. Der llalteklotz 96 ist vergleichsweise zur Abmessung /kurz, wie dies auch tier Figur zu entnehmen ist. Dadurch können solche Kräfte für ilen Körper 101 unwirksam gemacht werden, die infolge Wilrmeuusdehnung der Platte 92 sonst transversal auf den Körper einwirken könnten.

Infolge vorzugsweise etwas gelenkiger lliilterung in den Schlitzen ist der Wundlerkörper mit seinen Stützkörpern gegen schräg einwirkende Drui-kkrilfte, wie eine solche in I'ig. I mit 7 bezeichnet isl, unempfindlich, -,la Transversal·Komponenten der Kraft 7 selbst bei Nachgeben des Gehäuses 90 keine Biegung des Wandlcrkörpcrs hervorrufen können,

An dem Wundlerkörper bei dem Ausfuhrungsbeispiel mich F i g, 5 ist die mich in F i g. I dargestellte, besonders bevorzugte Weiterbildung realisiert, mich der der in dein Gehlluse obere Teil (oberhalb Zi^ des Wundlerkörpers I piezoelektrisch inaktiv ist. Dieser Teil isl auch pyroelektrisch inaktiv. Die Taste nach Pig,9 ist damit gegen einen WllrmcfluB von der oberen Platte 92 in den Körper I des Wandlers praktisch unempfindlich, Die Pintle 92, auf die z.B. mit dem Finger der Druck ausgeübt wird, bruueht daher für Anwendungsflllle mit nur müßigen Tomperuturllnderungen der Plutte 92 nicht besonders wärmeisoliert zu sein, um Pyro-Spnnnungon um Körper I zu verhindern. In dem inaktiven oberen Teil wird die von dem relativ schmulon Hulleklotz übertragene Druckkraft auf die ganze Lttngc / des ukliven Teils h verteilt,
Bei der Aiisführiingsform nach FI g, 9 ist die Platte 92, auf die der Druck einwirkt, so wenig biegesteif, daß sie den wesentlichen Anteil der bestiminungsgemäßen Druckkraft auf den Körper 101 bzw. 1 überträgt. Die Seitenteile des Gehäuses 90 sind longitudinal relativ wenig nachgiebig.

Die Laschen 98,99 dienen zur Befestigung der Taste.
Mit 224 und 225 sind Anschlußleiiungen für die Elektroden 24 und 25 auf dem Körper 1 und unter den Plättchen 64 und 164 bezeichnet.

ίο Der in den Beispielen der F i g. 3 und 5 einstückige Körper 1 mit piezoelektrisch wirksamem Teil h und einem nichtpiczoelektrischen Teil H- h kann auch aus zwei Stücken h und H- h bestehen, die so aufeinanderstellen, als wären sie ein Stück wie in Fig. 1. Durch die Plättchen 64 und 164 werden die zwei Stücke vorteilhafterweise in dieser Stellung zusammengehalten.

Der Erfindung liegen die nachfolgend beschriebenen Überlegungen zugrunde. Mit Hilfe des piezoelektrisehen Effekts ist es möglich, unter Verwendung einer permanent ausgerichtet polarisierten, d. h. piezoelektrischen Keramik durch Druckbelastung eine elektrische Spannung zu erzeugen, die zur Ansteuerung einer elektronischen Schaltung geeignet ist. Von dieser Schaltung ausgehend kann ein elektromagnetisches Schaltrelais betätigt werden. Wie bei den vorangehenden Entwicklungsversuchen festgestellt wurde, tritt aber bei piezoelektrischer Keramik wegen der starken Temperaiurabhängigkcii der Polarisation ein starker Pyro-Effckt auf, der, wie bereits erwähnt, zu elektrischen Spannungen führen kann, die ohne weiteres mil piezoelektrisch erzeugten Spannungen vergleichbar groß oder sogar um Größenordnungen größer sein können. Daher muß bei einer piezoelektrischen laste

stets eine Ableitung dieser Ladungen vorgesehen sein wobei die Ableitung über die Leitfähigkeit der Keramik selbst und/oder über einen parallelliegenden Wider stand erfolgen kann. Zwar ist es denkbar, durch besonders aufwendige Wärmeisolation den IVo-Effeki

4ü wenigstens dahingehend zu beeinflussen, daß die dei Pyro-Spannung zugrunde liegenden l.adungsversehie· billigen zeitlich so langsam erfolgen, daß die vergleichsweise zu den piezoelektrisch infolge Druckeiinvirkiiiuj erzeugten Ladungsverschiebtingen pro Zeileinheit kleir

sind, daß also der Pyro-Strom, d. h. die wärmebedingu Ladunysverschiebung pro Zeiteinheit, klein gegen der Pie/.ostrom ist.

Bei der erfindungsgemlllicn Taste wird zwar be einzelnen Ausgestaltungen von dieser technischer

So Mulliuilime der WUrmeisoluiiun zur Verringerung iloi Auswirkungen des Pyro-lirfekts zusätzlich Gebraucl gemacht. Erfindungswcsentlich beruht die Temperatur unabhUngigkcit der erfindungsgemltlJen Taste Jcdocr luif der Bemessung und der Anordnung des s<

bemessenen Körpers des Wandlers in der Taste, dall dl« durch bestimmutigsgemlllJe Druckkraft piezoelektriscl erzeugten Spunmingen bzw. Ströme wesentlich übei den Werten für Pyro-Spannungen bzw, -strömen liegen die auf Grund in der Praxis wtlltirend einer Zeitspunnt

eintretenden TempcraturUnderungen des Körpers dc!

Wandlers auftreten können, wobei die Zeitspanne die It

der Praxis auftretende muximule Duuer für der wesentlichen Ansteig der Druckkraft ist.

Mit Hilfe der erflndunpgemüßon Lehre wird bei dci

<>.t Taste nach der Erfindung sowohl für die durch dlt bestlmmungsgeinllöe Druckkrufl erzeugte plezoclektrl sehe Nutzspannung gegenüber der pyroelektrisch^ Spinnning ttls auch für die entsprechenden Ströme eil

erheblicher Sicherheitsabstand erreicht. Die Schwellen der das piezoelektrische Spannungssignal und des Siromsignals verarbeitenden, nachfolgenden elektronischen Schaltung können somit einen erheblichen Abstand von der maximal möglichen Pyro-Spannung haben, ohne dall die erfindungsgeniäße Taste zusammen mit der Schaltung bei vielleicht etwas geringerem Betätigungsdruck kein Signal anzeigen sollte.

!!in wesentliches Merkmal der hier beschriebenen Anordnung des Körpers des Wandlers ist, dall die auf den Körper des Wandlers bestimmungsgemäß einwirkende Druckkraft diesen Körper hochkant belastet. Das bedeutet, daß die quer zur Druckrichtung liegende Dickenabmessung des Körpers mindestens zehnmal kleiner als die in dieser Richtung gemessene Höhe des Körpers ist. Wenigstens im Regelfall ergibt sich für die Dicke ein Wert von 0,5 mm. Mit zunehmender Dicke steigt die Pyro-Spannung an, ohne daß bei gleichbleibender Druckkraft sich die Piezo-Spannung ändert. Vorteilhaft ist es, den Körper wesentlich dünner als 0,^r> mm zu machen, weil damit ein höherer Pyro-Abstand erreicht wird. Der Verringerung der Dicke stehen im wesentlichen technologische Schwierigkeiten entgegen.

Die Abmessung / ist, und zwar zusammen mit der 1 lohe /1, wesentlich für die Flächengrößen der Klektroden und damit für die Größe des von der Taste bei Druckeiiv.virkung gelieferten Piezo-Stroms. Ks ist ein Mindeststrom bei Druckeinwirkung zu erzeugen, damit der Kingangstransistor der nachfolgenden elektronischen Schallung entsprechend ausgesteuert wer· ilen kann. Ks ist zweckmäßig, den Wert / entsprechend der Formel

/= η ■

-KHI

mit /1 zwischen (),J und 2 zu bemessen. £11 ist die js piezoelektrische Spanniingskonstante ties Materials des Körpers, K der Wert der auf die Flache / · (/ des Wandlerkörpers in der Taste einwirkenden, vorgesehenen Druckkraft und U der vorgegebene Wert der elektrischen Ansprechspannung der nachfolgenden \<λ elektronischen Schaltung. Man erhält dainii für Druckwerte, die mit dem Finger ausgeübt werden und etwa I Newton betragen, bei Schwellenspaniumgen um I V Werte zwischen 3 und 20 mm. Dei derartigen Weiten für /zusammen mit noch zu besprechenden für /1 liefert die erfindungsgcmäße Taste bei Fingerdruek mit einer Druckilndcrungsgeschwindigkeit von etwa IO Newton/sec Pie/o-SlroinstHrken, die völlig ausreichend sind, einen bipolaren Transistor anzusteuern. Mit uniltiruii Worten, man erhält eine Taste mit einer v> niedrigen Impedanz, die zur direkten Ansteuerung von bipolaren Transistoren geeignet ist, Überraschenderweise ergibt sich mit 3 bis 20 mm für den Wert / eine Bemessung, die praktisch nicht größer als die Fingerbreite ist, so duß die vom linger ausgeübte Kraft tatsachlich auf die gesamte Flüche (Fluche 3 in Fig, I) ausgeübt werden kann. Daraus ergibt sich, duß für den Pyro-Abstand der Querschnitt / · </ im Rühmen technisch realisierbarer Abmessungen klein zu mi-vhen ist, wobei bei den oben ungegebenen Werten für / sich o« für (/ ein zu / verhältnismäßig kleiner Wert als günstig ergibt.

Für die Höhe ergibt sich aus den varunstchcndcn Dcmessungsvorsehlttgen ein Wert von einigen Millimetern, und zwur Insbesondere zwischen 5 und 25 mm. 6>

Für einen Körper In einer Ausführungsform nach l^fig. 3 sind zur Ansteuerung eines Bipolur-Trunsistors mit einer vorgegebenen Schwellenspunnuug von 0,6 V bei Fingerdruek mit 1 bis 2 Newton die folgenden Abmessungen bevorzugt: d = 0,05 bis 0,1 mm oder 0,15 mm, /= 5 bis 10 mm, h 5 bis 20 mm. Für die als Stüi/körper vorgesehenen Plättchen 64 und 164 ist ein (.(!polymerisat aus Venylester-Venylchlorid (Astralon). Polyacrylnitril (Plexiglas) oder Polystyrol mit einer Dicke von O₁J bis 0,6 mm für jedes Plättchen gewählt worden. Gegenüber den genannten Werkstoffen hat die Keramik elwa 20mal so großen Elastizitätsmodul.

Für den Betrag der piezoelektrischen Konstante gw kann ein Wert von 10 -'V- m/Newton zugrunde gelegt werden.

Bei einer Betätigung einer so bemessenen erfindungsgemäßen Taste wurde bei einem für Fingerdruek typischen Kraftzuwachs von 1 Newton in der Betätigungszeil von 0,1 see eine piezoelektrisch erzeugte Leistung von etwa 10 ⁷ W bei einer Qucllcnkapazität von 15 nl^r erreicht. Die Deformation des Körpers des Wandlers ist bei einer wie angegebenen Bemessung bei einer Kraft von I Newton etwa 0,J μηι groß. Fine wie erfindungsgemäße Taste hat den Vorzug, ohne Ruhestrom zu arbeiten, der z. D. bei einer ebenfalls weglosen kapazitiven Taste erforderlich ist.

An sich wird durch die hier angegebene Bemessung ties Körpers des Wandlers, insbesondere durch dessen geringe Dicke bzw. Wandstärke in bezug zu den übrigen Abmessungen, vorzugsweise in bezug auf die Höhe h des polarisierten Teilvolumens, im Regelfall bereits ein ausreichend hoher Abstand zwischen der bei normalen TempernUiränderungen eintretender Pyro-Spannung und der durch bestimmungsgemäßen Druck erzeugten Nutz-Piezospannung erreicht. Dabei hat auch ein gegebenenfalls vorgesehener Stützkörper günstigen Kinfluß, weil er eine gewisse Wärmeisolation ties piezoelektrisch und damit auch pyroelektrisch wirksamen Körpers ties Wandlers bewirkt. Solche wärmeisolieremlen Siiitzkörper sind z. B. die Plättchen 64, 164 oder der Siülzkörper 70.

Durch zsvei weitere, im folgenden im einzelnen zu beschreibende Maßnahmen läßt sich eine weitere Vergrößerung ties Pyro-Absiands, ti. h. ties Verhältnisses zwischen Nulz-Piezospannung und unerwünschter Py ro-Spannung, erreichen.

In den Fig. I und 2 ist mit // die Gesamthöhe des Körpers 1 des Wandlers bezeichnet. Der Wandler dieses Beispiels ist aber, wie bereits beschrieben, nur bis zur I lohe /1 polarisiert und damit nur bis zu dieser I lohe piezoelektrisch. Zwischen den Klcklroden 24 und 25 kann bei Druckeiiiwirkting auf den Körper I eint piezoelektrisch erzeugte Spannung abgenommen wer· den. In dem Bereich (H- /»/"des Körpers 1, d. h. /wischer den elektroden 124 und 125, entsteht dagegen infolge Fehlens einer ausgerichteten Polarisation des Material! des Körpers uuch bei einer Druckeinwirkung keim piezoelektrische .Spannung /.wischen den Elektrode! 124 und 12$. Wegen dieses Fehlens einer uusgcrichtetci Polarisation entsteht dort aber auch keine pyroclcktri sehe Spannung,

Mit dieser Aufteilung des Körpers I in einei piezoelektrisch (und pyroelektrisch) wirksamen um einen piezoelektrisch (und pyroelektrisch) nicht wirksu men Anteil kann eine sehr gute WUrmcisolation de piezoelektrisch (und pyroelektrisch) wirksamen Teilvo lumens h · / · d gegen Wllrmczufluß von der Flüche ; her bewirkt werden. Die Flüche 3 Ist, wie aus der FI g, zu entnehmen, die obere Stirnfläche des nichtpolurisicr ten Anteils des Körpers t.

Diese Aufteilung führt an sich zu einem Verlust u

mechanischer Arbeit, die zur Betätigung der erfindungsgcmilüen Taste notwendig ist. Der Verlust besteht darin, daß das nichtpiezoclcktrisch wirksame Teilvolurnen des Körpers 1 zwischen den Elektroden 124 und 125 ebenfalls eine mechanische Deformation erführt, die aber keine Piczo-Spannung liefert. Im Regelfall ist ein solcher Verlust an Arbeit unerheblich, da die damit notwendigerweise verbundene Erhöhung des notwendigen Weges der bestimmungsgcmäßen Druckkraft uninteressant ist, weil der insgesamt auftretende Bctäligungsweg ohnehin schon unmerklich klein ist.

Das Verhältnis der Höhe Λ zu H wird vorzugsweise zwischen 0,8 und 0,6 gewählt. Bei dieser Bemessung liegt die Vergrößerung des ohnehin im Regelfall unmerkbar großen Betätigungsweges bei 20% bis 40%.

Eine andere technische Maßnahme zur Wärmcisolation einer wie erfindungsgemäßen Taste besteht in dem Einbau des Körpers des Wandlers der Taste in ein wärmcisolicrendes Gehäuse. Diese Maßnahme kann auch zusätzlich zu den bereits beschriebenen Maßnahmen zur Wärmeisolierung vorgesehen sein.

Insbesondere die Fig.5 zeigt einen derartigen Einbau mit wärmeisolicrcnder Wirkung. Bei der Wärmeisolation, und das gilt auch für die Wärmeisolation durch die beschriebenen Stützkörper, kommt es insbesondere darauf an, daß der Körper des Wandlers gegen rasche, extreme Temperaturänderungen wärmeisoliert ist. Eine langsam erfolgende Temperaturänderung des Körpers führt nämlich bei einer wie erfindungsgemäßen Taste nur zu solchen Pyro-Spannungen, die ebenso langsam und damit wesentlich langsamer anwachsen als die piezoelektrische Nutz-Spannung. Durch eine elektrische Ableitung mit Hochpaßwirkung, z. B. in Form eines zur Piezokeramik parallelgeschalteten elektrischen Widerstands, läßt sich der Aufbau einer freien Ladung, die die Pyro-Spannung verursacht, zusätzlich unterdrücken.

Die F i g. 6 bis 8 zeigen vorteilhafte Ausbildungen der Elektroden. Fig. 6 zeigt einen piezoelektrischen Körper der Höhe h in Frontansicht und F i g. 7 denselben Körper in Seitenansicht. Auf der einen Seite des Körpers 1 ist eine durchgehende Elektrode 1024 vorgesehen. Auf der gegenüberliegenden Seite des Körpers 1 ist die Elektrode 25 nach F i g. 1 in zwei Einzelelektroden 1025 und 1026 aufgeteilt. Durch die Pfeile 1021 und 1022 ist die Polarisation des Ma:cri<ils des Körpers 1 unterhalb der Elektroden 1025 und 1026 angedeutet. Die Polarisation unter diesen Einzelelektroden ist zueinander entgegengesetzt gerichtet. Mit 1224 und 1225 sind Anschlußleitungen bezeichnet. Infolge der entgegengesetzten Polarisation genügt es, die Elektroden auf einer Seite des Körpers 1 mit den angegebenen Anschlüssen zu kontaktieren. Die obere und die untere Hälfte des Körpers 1 sind über die Elektrode 1024 elektrisch hintereinandergeschaltet. Die F i g. 8 zeigt eine der Ausführungsform nach den F i g. 6 und 7 entsprechende Ausführungsform, bei der die in F i g. 6 und 7 gezeigten Einzelelektroden 1025 und 1026 als Elektroden 1125 und «126 in Richtung der Höhe h nebeneinander angeordnet sind.

Auch bei der Ausführungsform nach der F i g. 8 genügt es. Elektroden auf nur einer Seite des Körpers 1 bzw. 31 des Wandlers zu kontaktieren. Die jeweilige Gegenelektrode 1024. 1035 ist durchgehend über die Einzelelektroden der gegenüberliegenden Seite. Die Bereiche unter den Einzelelektroden sind somit über die Gegenelektrode elektrisch in Reihe geschaltet.

Nachfolgend wird eine besonders bevorzugte elektronische Schaitung für den Betrieb einer wie erfindungsgemäßen Taste an Hand der Fig.9 und IO beschrieben.

Mit 201 ist der piezoelektrische Körper des Wandlers 5. als Ersatzschaltbild bezeichnet. Bei bestimmungsgemäßer Einwirkung einer Druckkraft auf den Wandler entsteht an den Anschlußpunkten 203 und 205 eine piezoelektrische Spannung bzw. ist an den Anschlußpunkten ein piezoelektrischer Strom zu entnehmen. Mit

ίο 207 ist ein bipolarer Eingangstransistor bezeichnet. Für den Fall eines npn-Transistors ist das Material des Wandlerkörpers 201 so polarisiert, daß 203 bei bestimmungsgemäßer Druckeinwirkung positives Potential gegenüber 205 hat. Mil 209 ist ein elektrischer Widerstand zwischen Basis und Emitter des Transistors 207 bezeichnet. Dieser Widerstand dient dazu, langzeitig entstehende Aufladungen an den Elektroden 24, 25 des Körpers des Wandlers abzuleiten. Solche langzeitigen Aufladungen treten insbesondere durch

Temperaturänderungen des Materials des Körpers des Wandlers infolge des bereits voranstehend erwähnten Pyro-Effektts auf. Der Widerstand 209 hat einen Widerstandswert in der Größenordnung von 10⁷ Ohm. Der Widerstand 209 und die Kapazität des piezoclektrisehen Anteils des Körpers 201 bilden einen für die piezoelektrische Widerstandswert und Kapazitälswert auf einer Grenzfrequenz < 10 Hz bemessen werden Die passenden Werte sind bei einer erfindungsgemäßen Taste ohne weiteres realisierbar.

Vorteilhafterweise ist ein /?C-Glied aus dem Widerstand 211 und der Kapazität 213 vorgesehen. Dieses /?C-Glied dient dazu, die erfindungsgemäße Taste besonders erschütterungsunempfindlich zu machen. Durch sehr große Erschütterungen des Körpers des Wandlers könnten der Erschütterung entsprechend sehr hochfrequente piezoelektrisch entstehende Spannungsimpulse auftreten. Diese Impulse sind wesentlich hochfrequenter als die durch die bestimmungsgemäße Druckkraft bewirkten piezoelektrischen Nutz-Spannungsimpulse. Widerstandswert und Kapazitätswert des KGGliedes 211. 213 sind so bemessen, daß die Nutz-Spannungsimptilse nicht oder nur unwesentlich abgeleitet werden und die Störimpulse praktisch kurzgeschlossen werden. Als Frequenzwerte für die Nutz-Spannungsimpulse können Werte um 10 Hz und für die Störimpulse Werte von 1 KHz und höher zugrunde gelegt werden.

Zweckmäßig ist es, der Eingangsstufe mit dem Transistor 7 eine weitere Transistorstufe mit einem Transistor 217 nachzuschalten. Man kann damit erreichen, daß mit der erfindungsgemäßen Taste am Ausgang mit den Anschlüssen 219 und 221 ein von der Taste gesteuerter Schaltstrom in der Größenordnung von 10"² Ampere erzielt wird. Mit einer solchen Stromstärke lassen sich z. B. Relais als Verbraucher 231 ohne weiteres betreiben.

Mit der dargestellten zweistufigen Schaltung kann der sehr hochohmige Widerstand 209 durch einen gestrichelt eingetragenen Widerstand 233 mit um mehrere Größenordnungen kleinerem Widerstandswert ersetzt werden. Der Herabsetzungsfaktor ist gleich dem Faktor der Stromverstärkung des Transistors 207. Damit bei einer solchen Schaltung mit einem Widerstand 233 an Stelle von 209 keine (pyro-)elektrische

<>5 Auflade-Spannung entgegengesetzter Polarität an den Anschlußpunkten 203, 205 auftreten kann, ist eine Diode 235 zwischen Basis und Emitter des Eingangstransistors 207 angeschlossen.

IO

Wie bereits oben angedeutet, läßt sich der Anteil H- h des Körpers 1 des Wandlers, d. h. der nichtpiezoelektrisch wirksame Anteil im Bereich zwischen den Elektroden 124 und 125, vorzüglich für die Kapazität 213 verwenden. Fig. 16 zeigt eine entsprechende Ausführungsform für die Schaltung nach F i g. 11. Bereits erwähnte Einzelheiten haben in F i g. 17 mit anderen Figuren übereinstimmende Bezugszeichen. Mit 324 und 325 sind die elektrischen Anschlüsse für die Elektroden 124 und 125 bezeichnet.

Der zu dem als Tiefpaß verwendeten ÄC-Glied aus dem Widerstand 211 und der Kapazität 213 gehörige Widerstand kann insbesondere bei einer flachen Ausführungsform des Körpers des Wandlers, solche Ausführungsformen sind in den Figuren gezeigt, als gedruckter Widerstand auf einer Oberfläche dieses Körpers des Wandlers anbracht werden. Dabei kann dieser Widerstand sogar ein Anteil einer der Elektroden auf dem Körper sein, insbesondere ein Anteil der Elektrode 24 oder 25.

Entsprechend den Merkmalen der erfindungsgemäßen Taste, und zwar insbesondere entsprechend der Wahl der Ausrichtung der Polarisation senkrecht zur bestimmungsgemäß einwirkenden Druckkraft, wird bei der erfindungsgemäßen Taste der sogenannte piezoelektrische Quer-Effekt ausgenutzt. Es wird damit eine günstige impedanzmäßige Anpassung des piezoelektrischen Körpers des Wandlers der Taste an die im Regelfall vorgegebene Eingangsimpedanz der elektronischen Transistorschaltung der Taste erreicht.

Vorzugsweise ist die elektronische Schaltung der Taste in das Gehäuse der Taste, z. B. in das Gehäuse 90, miteingebaut.

Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer mit Stützkörper versehenen Taste beschrieben. Dieses Verfahren bezieht sich insbesondere auf eine Taste mit flachem Körper 1 für den Wandler und betrifft die mechanische Verbindung zwischen dem eigentlichen Körper 1 des Wandlers und dem einen bzw. mehreren Stützkörpern, wie sie in der F i g. 3 z. B. mit 64 und 164 bezeichnet sind. Dieses besonders bevorzugte Verfahren enthält den Verfahrensschritt unter Verwendung insbesondere duroplastischen Materials, einen oder mehrere Stützkörper mit dem Körper 1 des Wandlers mechanisch ausreichend fest zu verbinden. Dabei kann das duroplastische Material eine auf der entsprechenden Seite des Stützkörpers vorgesehene Beschichtung aus solchem Material sein, oder es kann eine Folie aus duroplastischem Material zwischengelegt sein. Durch Anwendung von Druck und Wärme werden der eine oder die mehreren Stützkörper der Körper des Wandlers zusammengedrückt, so daß das duroplastische Material eine dauerhafte mechanische Verbindung herstellen kann. Für Elektrodenanschlüsse an die Elektroden 24,25 bzw. 124, 125 sind gegebenenfalls entsprechende Durchbrüche oder Aussparungen in den Stützkörpern vorzusehen. In den Aussparungen können elektrische Anschlußmittel vorgesehen sein, mit denen der Kontakt zu an dem Körper vorgesehenen Anschlußkontakten hergestellt wird. Die elektrische Verbindung zwischen den Anschlußkontakten und den Kontakten in den Aussparungen kann vorteilhafterweise durch an sich bekannte aufkaschierte Leiterbahnen realisiert sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Mit bestimmungsgemäß gerichteter, vom Finger ausgeübter Druckkraft zu betätigende Taste mit einem mit Elektroden zur Signalabnahme versehenen piezoelektrischen Wandler zur Ansteuerung eines elektrischen Verstärkerelements einer elektronischen Schaltung, wobei der Körper des Wandlers aus piezoelektrischem Material besteht und in einem Volumen h ■ I ■ d permanent polarisiert ist, wobei seine Dicke deine zur Richtung der Druckkraft senkrechte Richtung ist, / eine Abmessung senkrecht zur Dicke d und zur Richtung der Druckkraft ist und h eine Abmessung parallel zur Richtung der Druckkraft ist, wobei der Körper senkrecht zur Richtung der Druckkraft annähernd konstante Querschnittsform aufweist, und wobei die Dicke c/klein gegenüber einer weiteren Abmessung / und Λ ist, wobei die Abmessung h größer als etwa das lOfache der Abmessung c/ist, und wobei der Körper in Richtung der Dicke d zwischen den Elektroden polarisiert ist, gekennzeichnet dadurch, daß der Körper (1) aus polarisierbarer Piezokeramik besteht, wobei die im Oberbegriff angegebene Bemessung der Polarisationsrichtung und der Richtung der Druckkraft dazu genutzt werden, daß das bei Piezokeramik bei Temperaturänderung auftretende Pyrosignal im Vergleich zum piezoelektrischen Nutzsignal vernachlässigbar klein wird, :$o wobei der Körper (1) des Wandlers zu einem Anteil (h S H) der in Richtung der Druckkraft liegenden Rechteckseite H polarisiert ist und auf den Flächen h ■ I mit den Elektroden (24, 25) versehen ist, und dadurch, daß der Körper (1) in Richtung seiner Dicke mit einem seine Biegesteifigkeit erhöhenden ein- oder mehrteiligen, aus Kunststoff bestehenden, mit dem Körper (1) des Wandlers fest verbundenen Stützkörper (64, 164) versehen ist, wobei der oder die Stützkörper (64,164) in Richtung der in der Taste bestimmungsgemäß auf den Körper (1) des Wandlers einwirkenden Druckkraft eine vergleichsweise zu dem Körper (1) des Wandlers größere oder nicht wesentlich kleinere integrale druckelastische Nachgiebigkeit aufweist(-en), und daß die Dicke d kleiner als 0,5 mm ist.
2. Taste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung dO,O5 bis 0,15 mm beträgt.
3. Taste nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (70) in .so Richtung parallel zur bestimmungsgemäßen Druckkraft (2) eine X- Profilform hat (F i g. 4).
4. Taste nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stützkörper auf einer der beiden Seitenflächen (H ■ I) des Körpers (1) des Wandlers ein Plättchen ^64,164) vorgesehen ist, das mit seinen Abmessungen (H oder h und I) im wesentlichen mit den entsprechenden Abmessungen des Körpers (1) des Wandlers übereinstimmt.
5. Taste nach Anspruch 4, gekennzeichnet (<o dadurch, daß dem Körper (1) des Wandlers zu beiden Seitenflächen (H ■ I) je ein Plättchen (64,164) als Stützkörper zugeordnet ist, und daß der Körper (1) des Wandlers und die Plättchen (64, 164) sandwichartig (schichtartig) zueinander angeordnet <>5 sind(Fig. 3).
6. Taste nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß das eine oder die beiden Plättchen (64,

164) mit dem Körper (1) des Wandlers flächenmäßig verbunden, mittels vorzugsweise duroplastischem Materia! verklebt iiind.
7. Taste nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Slützkörper des Körpers (1) des Wandlers aufgespritzte Kunststoffmasse ist.
8. Taste nach Anspruch I₁ 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Körper des Wandlers in elastischem Gießharz als Stützkörper eingebettet ist.
9. Taste nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß der Körper (1) des Wandlers unmittelbar von einem Material mit wärmeisolierenden Eigenschaften umgeben ist.
10. Taste nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß sich der Körper (1) des Wandlers in einem Gehäuse befindet, das aus einer Unterlageplatte (74) und einer als Deckel vorgesehenen Platte (72) und aus senkrecht dazu angeordneten Wänden besteht, wobei die Unterlageplatte und die als Deckel vorgesehene Platte den Stirnflächen des Körpers (1) des Wandlers gegenüberliegen und die Wände insgesamt vergleichsweise zum Körper (1) des Wandlers der bestimmungsgemäß gerichteten Druckkraft (2) keinen wesentlichen Widerstand entgegensetzen.
11. Taste nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet diadurch, daß der Körper (1) des Wandlers in einem Gehäuse (90) angeordnet ist, dessen Seitenteile und als Boden vorgesehene Unterlageplatte (94) vergleichsweise zum Körper (1) des Wandlers wenig nachgiebig sind und daß die Unterlageplatte (94) und eine als Deckel vorgesehene Platte (92) den Stirnflächen des Körpers (1) des Wandlers gegenüberliegen, wobei die als Deckel Vorgesehene Platte (92), auf die die bestirnmungsgemäße Druckkraft auszuüben ist, wenig biegesteif ist.
12. Taste nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, daß ein Übertragungsglied (96) zur Übertragung der Druckkraft (2) auf den Körper (1) des Wandlers vorgesehen ist, das die Druckkraft nur auf einen kleinen Bereich der Stirnfläche (3) des Körpers (1) überträgt.
13. Taste nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, daß der piezoelektrisch nicht wirksame Anteil (H- h) des Körpers (1) des Wandlers der Betätigungsseite der Taste zugewandt ist (F ig. 5).
14. Taste nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet dadurch, daß der nichtpolarisierte Anteil (H-h) des Körpers; (1) des Wandlers als integrierte Kapazität (213) zusammen mit einem Widerstand (211) als ÄC-Glied mit Tiefpaßwirkung für mehr als 100 Hz der Taste elektrisch zugeschaltet ist, wobei auf der einen Seite des Körpers (1) des Wandlers die Elektrode (2!4) des piezoelektrisch wirksamen Anteils (h) mit der Elektrode (124) des piezoelektrisch nicht wirksamen Anteils (H- h) verbunden ist (F i g. 10).
15. Taste nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der polarisierte Anteil (h) des Körpers (1) des Wandlers als integrierte Kapazität (201) zusammen mit einem Widerstand (209, 233) ein ÄC-Glied mit Hochpaßwirkung bildet, das Frequenzen unter 10 Hz ableitet (F i g. 9).