DE2314420C3

DE2314420C3 - Piezoelektrische Taste

Info

Publication number: DE2314420C3
Application number: DE2314420A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. 8000 Muenchen Kleinschmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-03-22
Filing date: 1973-03-22
Publication date: 1978-03-30
Also published as: CA991306A; YU75674A; FR2222804B1; DE2314420A1; DK143119B; JPS5430511B2; LU69317A1; SU862846A3; SE386544B; DE2314420B2; ES424476A1; AT338912B; US3899698A; CH574679A5; FR2222804A1; JPS49128275A; IE41672B1; YU37045B; NL7403685A; IE41672L

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 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 Idealisierung 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. D'e 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 EIement 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 feuchtigkeitsd'.;.-ten Einbau ankommt oder wo durch Vermeidung vun ^chiitzöffnungen, entlang ein Teil zu bewegen ist, ein Schutz gegen die Möglichkeit einer mutwilligen Beschädigung erreicht werdensoll.

Es ist \ufgabe 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 Anspiechempfindlichkeit und/oder gegen Fehlsignalgabe durch Stoß oder extremes Schütteln und/oder gegen starke lang zeitige 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 Aufgaber 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 bestimmungs^emä-Be 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

^ft5 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 Abmessune d bemessen. Die in

Richtung der Krafteinwirkung der Druckkraft liegende Abmessung Λ des Körpers, die zu den Abmessungen ti und /senkrecht ist. isl größer als etwa das lOfache der Abmessung <l. Für die Betätigung der erfindungsgemäßcn Taste mit dem Finger liegen günstigste Werte für j die Abmessung /des Körpers des Wandlers /wischen 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, dei mit dem Wandler fest verbunden ist. n> Die am Körper des Wandlers vorgesehenen Füekiroden zur Abnahme elektrischer Leistung liegen vorzugsweise nur an dem polarisierten Anteil h - I des Körpers an. iiiimlit'h dort, wo bei Druckeinwükung auf Grund der vorhandenen Polarisation l.adungsvcrschiebung auf- is tritt.

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

(•!ine weitere vorteilhafte Ausgestaltung fur den Stuizkörper ist. Kunststoffmasse auf den Körper des Wandlers aufzuspritzen, die dann im wesentlichen wie angeklebte Plättchen wirksam ist.

Um die aufgabengemäße Temperaturunempfindlichkeit der erfindungsgemäßcn Taste zu unterstützen. empfiehlt es sich, den Körper des Wandlers mit einem Material mit wärmeisolierenden Eigenschaften gemäß Anspruch 8 zu umgeben. Damit lassen sich speziell • 'Iche kurzfristigen, übermäßig hohen Wärmezuführunt-jr.. insbesondere durch Strahlung, abwehren, deren ■\h-Aehr allein mit Mitteln der Erfindung und mit großen Vinerheitsabstand in extreme Richtung gehende R.'nessung. wie sie als Merkmal der Erfindung tingegeben ist. bedingen würde.

In den Ansprüchen 9 und 10 sind vorteilhafte Maßnahmen angegeben, die einerseits einen Schutz «regen mechanische Beschädigung des Körpers des Wandlers gewährleisten und andererseits die Funkuonsfähigkeit 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 Wärmeübertragungswiderstand wird insbesondere auch durch die Maßnahme des Unteranspruchs 12 erzielt, da der der Betätigungsseite der Taste zugewandte piezoelektrisch nicht wirksame Anteil des Körpers des Wandlers auf Wärme nicht anspricht, z. B. nicht auf solche Wärme anspricht, die von dem die Taste betätigenden Finger ausgeht.

Mit den integrierten Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen I 5 und 14 läßt sich mit Hilfe des Tiefpasses in sehr einfacher Weise ein Sioßschutz bzw. ein Schutz der Taste gegen Schütteln erreichen. Der Kochpaß 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.

lünen sicheren Pyro Abstand, d. h. Abstand zwischen dem Wert der bei Betätigung auftretenden Piezospan nung bzw. -leistung und dem möglichen Wert einer Pyro-Spannung bzw. -leistung erhält man, wenn man die Abmessung </ kleiner als 0.5 mm wählt. Fme untere Grenze für die Abmessung d ergibt sich .ms 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 Span nung auftritt, bedecken die Flächen h · /des Korpers.

Weitere Einzelheiten der piezoelektrischen Span nungskonstanten g_t] können dem Stand der Technik, z. B. Valvo-Handbiich: »Piezooxide«. 1971. insbesondere S. 20. entnommen w erden. Die Richtung 2 fällt mit der wie oben angegebenen Höhe h. die Richtung 3 mit der oben angegebenen Dicke (/zusammen.

Die vorliegende Frfindungsbeschreibung ist durch Figuren erläutert.

F i g. 1 zeigt einen in einer wie erfindungsgemäßen Taste verwendeten Körper des Wandicrs, wobei aus dieser Figur die für die einzelnen Abmessungen desselben verwendeten Symbole und die beslinimungsgemäße Richtung der Druckkraft hervorgehen:

F i g. 2 zeigt andeu'ungsweise. wie eine Durchbiegung des Körpers des Wandlers zu verstehen ist. die zu vermeiden ist;

F-" 1 g. 3 zeigt einen sandw ichartigen Aufbau des Körpers des Wandlers zusammen mit Stützkörpern:

F i g. 4 zeigt eine Ausführungsform mit Stützkörper mit X-Profilform:

F ι g. 5 zeigt im Schnitt eine Anordnung des mit Stützkörpern versehenen Körpers des Wandlers ir einem auf dessen Funktion angepaßten Gehäuse;

Fig. 6. 7 und 8 zeigen Ausgestaltungen zu Formgebungen der Elektroden:

F i g. 9 zeigt ein elektrisches Prinzipschaltbild, das aul die Taste angepaßt ist:

Fig. 10 zeigt zur schematischen Erläuterung teil; gegenständlich, teils schaltungstechnisch eine integrier te Ausführungsform der Taste.

Zur Erläuterung von Einzelheiten der erfindungsge mäßen Lehre soll die F i g. 1 dienen. Der als elektrome chanischer Wandler der Taste vorgesehene Körper 1 besteht mindestens in einem noch näher zu beschreiben den Teilvolumen lh- ddesselben aus einem Material das permanent ausgerichtet, d. h. piezoelektrisch wirk sam ist Als derartiges Material sind beispielsweisf Barium-Titanat und Blei-Titanat-Zirkonat, gegebenen falls mit die piezoelektrischen Eigenschaften verbes sernden Zugaben, bekannt Der Körper 1 hat beispiels weise eine wie aus der F i g. 1 zu entnehmende Form mi den Abmessungen d, 1 und der Abmessung h für diese: Teilvolumen. Die in der Taste bestimmungsgemäß au den Körper 1 einwirkende Druckkraft bzw. di< bestimmungsgemäße Richtung dieser Druckkraft is durch den Pfeil 2 angedeutet Soweit keine Richtungs umlenkung und/oder Übersetzung der von außen au die Taste einwirkenden Druckkraft erfolgt, stimmt diesi

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

Bei der crfindungsgemäücn Taste wirkt diese Druckkraft parallel in Richtung der Abmessung h bzw. // in der Darstellung der F i g. I in senkrechter Richtung auf die Oberfläche 3 des Körpers. Die Oberfläche 3 ist die in iicr Fig. I nach oben zeigende Fläche des Körpers 1 mit den Seitenabmessungen d und /. Der Einfachheit halber ist angenommen, daß diese Druckkraft 2 auf die Mitte der F lache 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 Seitenfläche des Körpers I aufsteht.

Der Körper I ist in seinem Voluinenbcrcich I ■ h ■ d in Richtung d polarisiert, wie dies durch die Ft'ciic 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 h gekennzeichnete Teilbereich der eigentlich piezoelektrisch und damit auch pryoelektrisch wirksame Teil des Körper 1. Es ist vorteilhaft, die Höhe Λ etwas kleiner als die Gesamthöhe H des Körpers 1 zu machen. Ein Vorteil besteht in einer später noch näher zu beschreibenden Wärmeisolation. Ein weiterer Vorteil ist schaltungstechnischer Art.

Die Länge / des Teilbereiches ist im Regelfall (praktisch) gleich groß wie die entsprechende Außenabmessung L 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 auch der Figur zu entnehmen ist. Soweit die Abmessung / des polarisierten Teilvolumens kleiner als die Außenabmessung L des Körpers ist, ist für K der auf / entfallende Anteil zu nehmen. Im Regelfall ist diese Korrektur jedoch nicht notwendig.

Die Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Taste ist so getroffen, daß der piezoelektrische Körper des Wandlers bei Ausübung der bestimmungsgemäßen Druckkraft keine oder praktisch nur geringfügige Biegebewegung ausführt. In F i g. 2 ist in einer Seitenansicht des Körpers 1 auf die Fläche H ■ d angedeutet was unter einer im Sinne dieser Ausgestaltung bzw. Weiterbildung zu verstehenden Biegebewegung gemeint ist Die auf die (in dieser Darstellung nicht sichtbare Räche 3 einwirkende Kraft 2 kann zu einer wie durch die gestrichelten Linien 21 angedeuteten Durchbiegung des Körpers 1 führen. Eine solche Durchbiegung des Körpers 1 führt in seinem piezoelektrischen Bereich zu piezoelektrisch erzeugten (elektrischen) Spannungen, die zu einer Gesamtspannung zwischen den Elektroden 24 und 25 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 gewolltermaßen durch longitudinal Längenänderung des Körpers 1 infolge der Druckkraft 2 zu erzeugenden piezoelektrischen Spannung überlagern und diese in nicht vorherbestimmbarcr Weise stören, sofern eine wie erwähnte Durchbiegung auftritt.

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

F.ine 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. I 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 F i g. I obere Teil des Körpers 1

is einwirkende Kräfte angenommen. Die Kräfte 5. 15 bzw. 6, 16 können Kraftkomponente einer in Fig.) eingezeichneten und mit 7 bezeichneten, in der Praxis angenommenermaßen 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.

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 Längenänderung Δ h auswirkt und daß übergroße Druckkraft und/oder Kraftkomponenten senkrecht dazu, wie sie durch 5, 15 bzw. 6, 16 angedeutet sind, weitgehend unwirksam sind. Gemäß weiterer Weiterbildungen, insbesondere durch noch näher zu erläuternden Einbau in das Gehäuse, kann die Unempfindlichkeit 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 Zusammenwirkung mit diesem, die erforderliche Biegesteifigkeit verleiht. Das Material und die Abmessung des Stützkörpers sind so gewählt, daß der Stützkörper der in der Taste wirksamen bestimmungsgemäßen Druckkraft vergleichsweise zu dem Körper des Wandlers eine größere oder nicht wesentlich geringere integrale druckelastische Nachgiebigkeit

so aufweist.

Eine Ausführungsform mit Stützkörper sieht vor, daß der Körper des Wandlers, z. B. der Körper 1, in elastischem Gießharz eingebettet ist wobei nur die Räche 3 und die ihr gegenüberliegende Fläche, mit der 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 erfindungsgemäße Taste, bei der dem Körper 1 des Wandlers als Stützkörper auf den beiden GroBflächenseiten / · H je ein Plättchen 64 und 164 zugeordnet ist Vorzugsweise sind die Plättchen an dem Körper 1 angeklebt Als Klebstoff hat sich duroplastische Folienbeschichtung. z. B. Technicoll 401 bzw. 411, mit anschließender Wärmeaushärtung als

^ geeignet erwiesen. Der Körper 1 und die Plättchen 64 und 164 bilden damit eine körperliche Einheit 101, die durch ihren Schichtaufbau biegesteif ist In Richtung der Druckkraft 2, die auf die Fläche 3 des Körpers 1 und auf

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 I 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 Elasli/.itätsmoduls, mit der J. Potenz der Summe der Einzeldicken ansteigt und der Widerstand gegen die Druckkraft 2 nur linear mil der (iesamtdicke wächst.

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

I'ig. 4 zeigt in auseinandergezogener Darstellung

nini» Aiicfnhriinacfnrm hri tirr «ii'h iior knrnpr I fti"»«;

Wandlers im Innern eines Sliiizkörpers 70 mit X-Profil befindet. Mit 74 ist ein der Unterlageplatte 4 entsprechendes AbschluUteil bezeichnet, das vergleichsweise zum Material des Körpers I 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.

F i g. 5 zeigt im Schnitt eine besonders bevorzugte Ausführungsform für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Taste in einem mechanisch steifen Gehäuse 91. Der Körper 1 mit den Stützkcrpern 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 Unterlagcplatte 94, die der Platte 4 der Fig. 1 entspricht. Der Wandlerkörper mit den Stützkörpern ist in der Unterlageplatte 94 in einem Einschnitt 95 gehalten. Auf der Innenseite der Platte 92 ist der Wandlerkörper mit den Stützkörpern beispielsweise in einem mit 95 vergleichbaren Schlitz versehenen Halteklotz 96 gegen seitliches Verschieben gehalten. Der Halteklotz 96 ist vergleichsweise zur Abmessung /kurz, wie dies auch der Figur zu entnehmen ist. Dadurch können solche Kräfte für den Körper 101 unwirksam gemacht werden, die infolge Wärmeausdehnung der Platte 92 sonst transversal auf den Körper einwirken könnten.

Infolge vorzugsweise etwas gelenkiger Halterung in den Schlitzen ist der Wandierkörper mit seinen Stützkörpern gegen schräg einwirkende Druckkräfte, wie eine solche in F i g. I mit 7 bezeichnet ist, unempfindlich, da Transversal-Komponenten der Kraft 7 selbst bei Nachgeben des Gehäuses 90 keine Biegung dts Wandlerkörpers hervorrufen können.

An dem Wandierkörper bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 ist die auch in F i g. 1 dargestellte, besonders bevorzugte Weiterbildung realisiert, nach der der in dem Gehäuse obere Teil (oberhalb h) des Wandlerkörpers 1 piezoelektrisch inaktiv ist Dieser Teil ist auch pyroelektrisch inaktiv. Die Taste nach F i g. 9 ist damit gegen einen Wärmefluß von der oberen Platte 92 in den Körper 1 des Wandlers praktisch unempfindlich. Die Platte 92, auf die z.B. mit dem Finger der Druck ausgeübt wird, braucht daher für Anwendungsfälle mit nur mäßigen Temperaturänderungen der Platte 92 nicht besonders wärmeisoliert zu sein, um Pyro-Spannungen am Körper 1 zu verhindern. In dem inaktiven oberen Teil wird die von dem relativ schmalen Halteidotz übertragene Druckkraft auf die ganze Länge / des aktiven Teils Λ verteilt

Bei der Ausfühningsform nach F i g. 9 ist die Platte 92,

auf die der Druck einwirkt, so wenig biegesteif, daß sie den wesentlichen Anteil der bestimmungsgemäßen 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 Anschlußleitungen für die Elektroden 24 und 25 auf dem Körper 1 und unter den Plättchen 64 und 164 bezeichnet.

Der in den Beispielen der Fig. 3 und 5 einstückige Körper 1 mit piezoelektrisch wirksamem Teil h und einem niehtpie/.oelcktrischen Teil //-Λ kann auch aus zwei Stücken h und H— h bestehen, die so aufeinanderstehen, als wären sie ein Stück wie in F-' i g. I. 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 piezoelektrischen 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 Schallung ausgehend kann ein elektromagnetisches .Schaltrelais betätigt werden. Wie bei den vorangehenden Entwicklungsversuchen festgestellt wurde, tritt aber bei piezoelektrischer Keramik wegen der starken Temperaturabhängigkeit der Polarisation ein starker Pyro-Effekt auf, der. wie bereits erwähnt, zu elektrischen Spannungen führen kann, die ohne weiteres mit piezoelektrisch erzeugten Spannungen vergleichbar groß oder sogar um Größenordnungen größer sein können. Daher muß bei einer piezoelektrischen Taste stets eine Ableitung dieser Ladungen vorgesehen sein, wobei die Ableitung über die Leitfähigkeit der Keramik selbst und/oder über einen parallelliegenden Widerstand erfolgen kann. Zwar ist es denkbar, durch besonders aufwendige Wärmeisolation den Pyro-Effekt wenigstens dahingehend zu beeinflussen, dnß die der Pyro-Spannung zugrunde liegenden Ladungsverschiebungen zeitlich so langsam erfolgen, daß die vergleichsweise zu den piezoelektrisch infolge Druckeinwirkung erzeugten Ladungsverschiebungen pro Zeiteinheit klein sind, daß also der Pyro-Strom, d. h. die wärmebedingte Ladungsverschiebung pro Zeiteinheit, klein gegen den Piezostrom ist.

Bei der erfindungsgemäßen Taste wird zwar bei einzelnen Ausgestaltungen von dieser technischen Maßnahme der Wärmeisolation zur Verringerung der Auswirkungen des Pyro-Effekts zusätzlich Gebrauch gemacht Erfindungswesentlich beruht die Temperaturunabhängigkeit der erfindungsgemäßen Taste jedoch auf der Bemessung und der Anordnung des so bemessenen Körpers des Wandlers in der Taste, daß die durch bestimmungsgemäße Druckkraft piezoelektrisch erzeugten Spannungen bzw. Ströme wesentlich über den Werten für Pyro-Spannungen bzw. -strömen liegen, die auf Grand in der Praxis während einer Zeitspanne eintretenden Temperaturänderungen des Körpers des Wandlers auftreten können, wobei die Zeitspanne die in der Praxis auftretende maximale Dauer für den wesentlichen Ansteig der Druckkraft ist

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre wird bei der laste nach der Erfindung sowohl für die durch die bestimmungsgemäß« Druckkraft erzeugte piezoelektrische Nutzspannung gegenüber der pyroelektrischen Spannung als auch für die entsprechenden Ströme ein

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

Ein wesentliches Merkmal der hier beschriebenen Anordnung des Körpers des Wandlers ist, daß die auf den Körper des Wandlers bestimmungsgemäß einwirkende Druckkraft diesen Körper hochkant belastet. Das bedeutet, daß die quer zur Druckrichtiing 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 iss ss, den Körper wesentlich düimer als 0,5 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 Höhe Λ. wesentlich für die Flächengrößen der Filcktrodcn und damit für die Größe des von der Taste bei Druckeinwirkung gelieferten Piezo-Stroms. Es ist ein Mindeststrom bei Druckeinwirkung zu erzeugen, damit der Eingangstransistor der nachfolgenden elektronischen Schaltung entsprechend ausgesteuert werden kann. Es ist zweckmäßig, den Wert /entsprechend der Formel

/= n- g» ■ KIU

mit π zwischen 0.3 und 2 zu bemessen, gn ist die piezoelektrische Spannungskonstante des Materials des Körpers, K der Wert der auf die Fläche / ■ d des Wandlerkörpers in der Taste einwirkenden, vorgesehenen Druckkraft und U der vorgegebene Wert der elektrischen Ansprechspannung der nachfolgenden elektronischen Schaltung. Man erhält damit für Druckwerte, die mit dem Finger ausgeübt werden und etwa 1 Newton betragen, bei Schwellenspannungen um 1 V Werte zwischen 3 und 20 mm. Bei derartigen Werten für /zusammen mit noch zu besprechenden für h liefert die erfindungsgemäße Taste bei Fingerdruck mit einer Druckänderungsgeschwindigkeit von etwa 10 Newton/sec Piezo-Stromstärken, die völlig ausreichend sind, einen bipolaren Transistor anzusteuern. Mit anderen Worten, man erhält eine Taste mit einer niedrigen Impedanz, die zur direkten Ansteuerung von bipolaren Transistoren geeignet ist. Überraschenderweise ergibt sich mit 2 bis 20 mm für den Wert / eine Bemessung, die praktisch nicht größer als die Fingerbreite ist, so daß die vom Finger ausgeübte Kraft tatsächlich auf die gesamte Fläche (Räche 3 in Fig. 1) ausgeübt werden kann. Daraus ergibt sich, daß für den Pyro-Abstand der Querschnitt / · d im Rahmen technisch realisierbarer Abmessungen klein zu machen ist, wobei bei den oben angegebenen Werten für / sich für d ein zu / verhältnismäßig kleiner Wert als günstig ergibt

Für die Höhe ergibt sich aus den voranstehenden Bemessungsvorschlägen ein Wert von einigen Millimetern, und zwar insbesondere zwischen 5 und 25 mm.

Für einen Körper in einer Ausführungsform nach Fig.3 sind zur Ansteuerung eines Bipolar-Transistors mit einer vorgegebenen Schwellenspannung von 0,6 V bei Fingerdruck 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 Stützkrirper vorgesehenen Plättchen 64 und 164 ist ein Copolymerisat aus Venylester-Venylchlorid (Astralon). Polyacrylnitril (Plexiglas) oder Polystyrol mit einer Dicke von 0,3 bis 0,6 mm für jedes Plättchen gewählt worden. Gegenüber den genannten Werkstoffen hat die Keramik etwa 20mal so großen Elastizitätsmodul.

Für den Betrag der piezoelektrischen Konstante gw kann ein Wert von 10 ²V- m/Newton zugrunde gelegt werden.

Bei einer Betätigung einer so bemessenen crfindungsgr;mäßen Taste wurde bei einem für Fingerdruck typischen Kraftzuwachs von I Newton in der Bctäti gungszcit von 0,i see eine piezoelektrisch erzeugte Leistung von etwa 10*⁷ W bei einer Quellenkapazität von 15 nF erreicht. Die Deformation des Körpers des Wandlers ist bei einer wie angegebenen Bemessung bei einer Kraft von I Newton etwa 0,3 μηι groß. Eine wie erfindungsgemäße Taste hat den Vorzug, ohne Ruhestrom zu arbeiien, der z. B. bei einer ebenfalls weglosei kapazitiven Taste erforderlich ist.

An s-ch wird durch die hier angegebene Bemessung des 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 Temperaturänderungen eintretender Pyro-Spannung und der durch bestimmungsgemäßen Druck erzeugten Nutz-Piczospannung erreicht. Dabei hat auch ein gegebenenfalls vorgesehener Stützkörper günstigen Einfluß, weil er eine gewisse Wärmeisolation des piezoelektrisch und damit auch pyroelektrisch wirksümen Körpers des Wandlers bewirkt. Solche wärmeisolierenden Stützkörper sind z. B. die Plättchen 64, 164 oder der Stützkörper 70.

Durch zwei weitere, im folgenden im einzelnen zu beschreibende Maßnahmen läßt sich eine weitere Vergrößerung des Pyro-Abstands, d. h. des Verhältnisses zwischen Nutz-Piezosparnung und unerwünschter Pyro-Spannung, erreichen.

In den Fig. 1 und 2 ist mit H die Gesamthöhe des Körpers 1 des Wandlers bezeichnet. Der Wandler dieses Beispiels ist aber, wie bereits beschrieben, nur bis zur Höhe h polarisiert und damit nur bis zu dieser Höhe piezoelektrisch. Zwischen den Elektroden 24 und 25 kann bei Druckeinwirkung auf den Körper 1 eine piezoelektrisch erzeugte Spannung abgenommen werden, in dem Bereich (H- h)des Körpers 1, d. h. zwischen den Elektroden 124 und 125, entsteht dagegen infolge Fehlens einer ausgerichteten Polarisation des Materials des Körpers auch bei einer Druckeinwirkung keine piezoelektrische Spannung zwischen den Elektroden 124 und 125. Wegen dieses Fehlens einer ausgerichteten Polarisation entsteht dort aber auch keine pyroelektrische Spannung.

Mit dieser Aufteilung des Körpers 1 in einen piezoelektrisch (und pyroelektrisch) wirksamen und einen piezoelektrisch (und pyroelektrisch) nicht wirksamen Anteil kann eine sehr gute Wärmeisolation des piezoelektrisch (und pyroelektrisch) wirksamen Teilvolumens h ■ I ■ d gegen Wärmezufluß von der Fläche 3 her bewirkt werden. Die Fläche 3 ist, wie aus der F i g. i zu entnehmen, die obere Stirnfläche des nichtpolarisierten Anteils des Körpers 1.

Diese Aufteilung führt an sich zu einem Verlust an

mechanischer Arbeit, die zur Betätigung der erfindungsgemäßen Taste notwendig ist Der Verlust besteht darin, daß das nichtpiezoelektrisch wirksame Teilvolumen des Körpers 1 zwischen den Elektroden 124 und 125 ebenfalls eine mechanische Deformation erfährt, die aber keine Piezo-Spennung liefert. Im Regelfall ist ein solcher Verlust an Arbeit unerheblich, da die damit notwendigerweise verbundene Erhöhung des notwendigen Weges der bestimmungsgemäßen Druckkraft uninteressant ist, weil der insgesamt auftretende Betätigungsweg ohnehin schon unmerklich klein ist

Das Verhältnis der Höhe h 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 Wärmeisolation einer wie erfindungsgemäßen Taste besteht in dem Einbau des Körpers des Wandlers der Taste in ein wärmeisolierendes Gehäuse. Diese Maßnahme kann auch zusätzlich zu den bereits beschriebenen Maßnahmen zur Wärmeisolierung vorgesehen sein.

Insbesondere die Fig.5 zeigt einen derartigen Einbau mit wärmeisolierender 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. F i g. 6 zeigt einen piezoelektrischen Körper der Höhe Λ in Frontansicht und Fig. 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 Materials 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 Fig.8 zeigt eine der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 entsprechende Ausführungsform, bei der die in Fig.6 und 7 gezeigten Einzelelektroden 1025 und 1026 als Elektroden 1125 und 1126 in Richtung der Höhe h nebeneinander angeordnet sind.

Auch bei der Ausführungsform nach der Fig.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 Schaltung für den Betrieb einer wie erfindungsgemäßen Taste an Hand der Fig.9 und 10 beschrieben.

Mit 201 ist der piezoelektrische Körper des Wandlers S 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 Mit 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-Effektes auf. Der Widerstand 209 hat einen Widerstandswert in der Größenordnung von 10⁷ Ohm. Der Widerstand 209 und die Kapazität des piezoelektrisehen Anteils des Körpers 201 bilden einen für die piezoelektrische Widersijndswert und Kapazitätswert auf einer Grenzfrequenz < 10 Hz bemessen werden. Die passenden Werte sind bei einer erfindungsgemäßen Taste ohne weiteres realisierbar.

Vorteilhafterweise ist ein KC-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 KC-Gliedes 211, 213 sind so bemessen, daß die Nutz-Spannungsimpulse 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-)elektrischc

*i Auflade-Spannung entgegengesetzter Polarität an der Anschlußpunkten 203,205 auftreten kann, ist eine Diode 235 zwischen Basis und Emitter des Eingangstransistor! 207 angeschlossen.

IS

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 Fig. 11. Bereits erwähnte Einzelheiten haben in Fig. 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 /?C-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 d< η Figuren gezeigt, als gedruckter Widerstand auf e ner 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 piezoelektrischc Quer-Effekt ausgenutzt. Es wird damit eine günstige impeda izmäßige 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 Stfitzkörper 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:

1. 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 d eine 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 d klein gegenüber einer weiteren Abmessung / und h ist, wobei die Abmessung h größer als etwa das !Ofache der Abmessung i/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 Pyrosigna! im Vergleich zum piezoelektrischen Nutzsignal vernachlässigbar klein wird, wobei der Kömer (1) des Wandlers zu einem Anteil (h S H) der in Richtung der Druckkraft liegenden Rechteckseite H polarisiert ist unc 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 </0,05 bis 0,15 mm beträgt.

3. Taste nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (70) in Richtung parallel zur bestimmungsgemäßen Druckkraft (2) eine X-Profilform hat (F i g. 4).

4. Taste nach Anspruch t 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 Κοφε« (I) des Wandlers übereinstimmt.

5. Taste nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß dem Körper (I) 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 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 Material verklebt sind.

7. Taste nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Stützkörper des Körpers (1) des Wandlers aufgespritzte Kunststoffmasse ist.

8. Taste nach Anspruch 1, 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 dadurch, 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 bestimmungsgemäße 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 KC-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 (24) des piezoelektrisch wirksamen Anteils (h) mit der Elektrode (124) des piezoelektrisch nicht wirksamen Anteils (H-h) verbunden ist(Fig. 10).

15. Taste nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der polarisierte Anteil (h) des Körpers (1) der Wandlers als integrierte Kapazität (201) zusammen mit einem Widerstand (209, 233) ein KC-Glied mit Hochpaßwirkung bildet, das Frequenzen unter 10 Hz ableitet (F i g. 9).