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Kontaktloser Schalter Die Erfindung betrifft einen kontaktlosen Schalter1
der als Ersatz für normale Tasten- oder Endschalter verwendet werden kann.
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Bekannte kontaktlose Schalter und Schalteranordnungen verwenden als
Prinzip hauptsächlich die Einwirkung von Lageänderungen von beispielsweise Magneten,
Lichtbienden oder elektromagnetischen Abschirmungen auf elektrische Schaltkreise,
vorzugsweise mono-oder bistabilen Verhaltens, und sorgen bei einer bestimmten Stellung
der bewegten Elemente für das Einschalten eines Stromkreises.
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Bekannt ist auch die Anwendung des sog. piezoelektrischen Effektes.
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Bei diesem wird eine mechanische Kraft in eine elektrische Spaneung
verwandelt. Die bekannten Schaltervorschläge nach diesem Prinzip haben jedoch den
Nachteil, daß sie nicht betriebssicher arbeiten können, weil sie auf falschen Annahmen
über die Wirkungsweise des Piezowandlers beruhen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einwandfrei funktionierenden
kontaktlosen Schalter anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannte
Erfindung gelöst. Weitere Verbesserungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei Ausbildung des Wandlerkörpers nach Anspruch 2 werden- bei gleich
großen Kraftstößen besonders hohe Steuerspannungen erzielt. Zur Entladung der irreversiblen
Spannung am piezokeramischen Wandler nach dem Schalten geben Ansprüche 3 und 7 eine
einfache vorteilhafte Lösung an.
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In allen modernen Tischrechenmaschinen, in modernen Fernsprechapparaten
und zukünftigen elektronischen Schreibmaschinen werden Tastaturen benötigt, die
zusammen mit integrierten Feldeffektgroßschaltkreisen arbeiten müssen. Es ist daher
vorteilhaft, diesen kontaktlosen Schalter, dessen piezokeramischer Wandler etwa
die Ausmaße von t mm Durchmesser und 3 bis 5 mm Länge besitzt, direkt mit dem Gehäuse
aus Keramik oder Kunststoff des integrierten Großschaltkreises zu einer Einheit
zusammenrabauen. Dadurch entfallen alle weiteren Kontaktierungsschwierigkeiten.
Die Wandler können mit der ohnehin benötigten Verdrahtung des Schaltkreisgehäuses
integriert
eingebaut werden. Eine entsprechende Verbilligung der ganzen Einheit und eine Standardisierung
ware die Folge.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und Diagrammen
näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 übliche Meßanordnung zur Messung des Zusammenhanges
zwischen Kraft und abgegebener Spannung eines piezoelektrischen Wandlers Fig. 2
übliche Kraft-Spannungskennlinie eines pezoelektrischen Wandlers Fig. 3 Meßanordnung
zur Messung des Zusammenhanges von Kraft und Spannung bei nahezu punktförmiger Belastung
Fig. 4 Kraft-Spannungskennlinie bei nahezu punktförmiger Belastung Fig. 5 Ansteuerung
eines Feldeffekttransistors über einen piezoelektrischen Wandler gemäß der Erfindung
Fig. 6 zeitlicher Verlauf der Spannung bei und nach einem Kraftstoß auf den piezoelektrischen
Wandler Fig. 7 Diagramm wie Fig. 6, jedoch mit komprimiertem Zeitmaßstab Fig. 8
zeitlicher Verlauf der Ausgangsspannung am Feldeffekttransistorverstärker Fig. 9
Schaltung eines kontaktlosen Schalters mit Ableitwiderstand Fig. 10 Schaltung eines
kontaktlosen Schalters mit steuerbarem Feldeffekttransistor zur Spannungsableitung
Fig. 11 Integration kontaktloser Schalter in ein Keramikgehäuse für eine integrierte
Schaltung, bei der siie Tasten direkt auf dem Gehäuse angeordnet sind
Fig.
ila Anordnung des Tastenfeldes Fig. lib Anordnung der kontaktlosen Schalter und
der integrierten Schaltung in dem Gehäuse Fig. llc Seitenansicht der integrierten
Anordnung.
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In Fig. 1 ist die übliche Meßanordnung zur Messung der Kraft Spannungskennlinie
von Ebzowandlern dargestellt. Der Wandler körper 1 liegt auf einer Auflage 3 und
wird von einem Stempel 2 gedrückt. Im Verstärker 4 wird die Impedanztransformation
von der extrem hochohmigen Spannung am Wandler auf die weiterverarbeitbare Ausgangsspannung
5 vorgenommen.
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Fig. 2 zeigt die mit der Meßanordnung nach Fig. 1 erreichbare Charakteristik
der Spannung U am piezoelektrischen Wandler in Abhängigkeit von der Druckkraft P.
Die Spannung U ist nahezu proportional der Kraft P und zeigt praktisch keine Hysterese.
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Fig. 3 zeigt einen Meßaufbau, der den tatsächlichen Verhältnissen
bei kontaktlosen Schaltern genauer entspricht. Statt-der ebenen Fläche des £empels
2 ist ein kugelkalottenförmiger Stempel 6 vorgesehen.
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Fig. 4 zeigt die sich durch den kugelkalottenförmigen Stelnl,el einstellende
Spannung U am piezoelektrischen Wandler in Abhängigkeit von der Kraft P. Man erkennt
deutlich eine starke Nichtlinearität zwischen Spannung und Kraft und eine außerordentlich
starke Hysterese der Spannungs-Kraftkurve. Nach Wegnahrne der Belastung oder am
Ende eines Kraftstoßes zeigt sich eine statische, der Polarisationsrichtung entgegengesetzte
Restspannung UR. Nach der Belastung benimmt sich der piezoelektrische Wandler so,
als wäre er ein aufgeladener Kondensator.
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Diese in der Fachwelt bisher nicht bekannte Erscheinung wird in dem
vorgeschlagenen Schalter ausgenutzt.
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Die erzielbaren Spannungen am Wandlerkörper sind umso höher, je niedriger
die Schaltkapazität und die innere Kapazität Ci des Wandlers C = i = ist. In dieser
Gleichung bedeutet # die Dielektrizitätskonstante
des Wandlermaterials.
Die innere Kapazität des Wandlers kann durch Wahl eines schlanken Wandlerkörpers
mit kleinem Querschnitt A und großer Länge 1 klein-gehalten werden. Mit A = 1 mm²
und l = 5 mm ist beispielsweise ci#2pF. Die innere Kapazität kann also kleiner als
die äußeren Lastkapazitäten sein, die etwa 5 bis 10 pF betragen.
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Der Kraftstoß # Kdt = m.v kann beispielsweise durch einen Schlag eines
kleinen Hammers mit der Masse m mit der Geschwindigkeit v auf den Wandlerkörper
ausgeübt werden.
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Fig. 5 zeigt eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Ausnutzung
der piezoelektrischen Spannung bei stoßförmiger Belastung.
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Ein Hammer 7 trifft auf den vorzugsweise besonders schlank gewählten
längspolarisierten piezoelektrischen Wandler 8 und erzeugt an seinen Elektroden
13 und 14 eine Spannung. Die Elektrode 14 liegt an dem gemeinsamen Bezugspotential
der Schaltung, hier dem positiven Pol der Betriebsspannung. Parallel zu dem Wandler
sind ein hochohmiger Widerstand 9 und die Steuerelektro den eines MOS-Feldeffekttransistors
1o geschaltet. Die Drainelektrode des Feldeffekttransistors liegt über einen Widerstand
11 am negativen Pol der Betriebsspannung (-U).
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Widerstandswert R9 in der Der hochohmige Widerstand 9, dessenfiGrößenordnung
bei 100 bis 1000 i?> liegen kann, dient zur Entladung der Spannung am Wandler
8 nach Beendigung des Stoßvorganges. Der Feldeffekttransistor
verstärkt
die am Wandler auftretende Spannung U . Am Ause gang 12 kann die Arbeitsspannung
U abgenommen werden.
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Fig. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung am Wandler
bei einer kurzzeitigen Stoßbelastung. Das Oszillogramm wurde mit einem Speicherosziliographen
ermittelt und zeigt, daß die positive Spannung U unmittelbar nach der Stoße erregung
durch die Eigenschwingungen des piezoelektrischen Wandlers zerklüftet ist. Die Kennlinie
in Fig. 4 wird dabei bis zur Spitze in mehreren Schleifen durchlaufen. Bei Verschwinden
der Kraft nimmt die Spannung einen negativen Wert an, der nur sehr langsam verschwindets
wobei die Zeitkonstante 'Z = RsCi in die Größenordnung 10 ms gelegt werden kann.
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In Fig. 7 sind die gleichen Verhältnisse wie in Fig. 6 dargestellt.
Lediglich der Zeitmaßstab ist wesentlich komprimiert.
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In dieser Darstellung ist das langsame Absinken der Spannung U mit
der Zeit erkennbar. Solange die Spannung U die Schwelle e spannung U5 der Steuerstrecke
des Transistors 10 (Fig. 5) überschreitet, ist der.Feldeffekttransistor durchgesteuert.
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In Fig. 8 ist der durch den in Fig. 7 gezeigten Spannungsverlauf am
piezoelektrischen Wandler verursachte Verlauf der Ausgangsspannung U des Feldeffekttransistors
über der Zeit dargee stellt. Vor dem StoB hat die Ausgangsspannung U den Wert -U.
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a Sobald nach dem Stoß die Spannung am piezoelektrischen Wandler
negativ geworden ist, wird der Feldeffekttransistor durchge steuert und die Spannung
Ua sinkt nahezu auf den Wert 0 V. Durch
die Entladung des Wandlers
über den Widerstand 9 sinkt di< Spannung Ue ab, so daß nach einer bestimmten,
durch die Zeitkonstante von Wandlerkapazität, Schaltkapazität und Widerstand definierten
Zeit die Spannung Ua wieder auf den Wert -U zurückgeht. Durch die Ausnützung der
im piezoelektrischen Wandler gespeicherten Ladung ist es mäglich, einen Schalter
mit in bestimmten Grenzen beliebiger Verweilzeit zu bauen.
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Zur Erzeugung eines Kraftstoßes sind nur geringe Tastkräfte, die um
50 bis 100 Pond (0,5 bis l N) liegen, nötig. Diese können, in einer Feder gespeichert,
plötzlich freigesetzt werden. Dadurch erhält man bei kleinen Tastkräften große und
gleichmäßige Auftreffkräfte. Gleichzeitig ist amn in der Lage, durch den hier beschriebenen
Speichereffekt, die Verweilzeit des Schalters in gewünschter Weise zu bemessen.
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Fig. 9 zeigt einen vollständig potential freien Schalter, der für
industrielle Schaltkreise anwendbar ist und den man beispielsweise zur Steuerung
einer Leistungselektronik einsetzen kann.
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Der mechanische Teil des Schalters besteht aus dem Wandler 8 und der
stoßenden Masse 7, der elektrische Teil aus der Parallelschaltung des Ableitwiderstandes
9 und der Steuerstrecke des feldeffekttransistors 10, die an den Elektroden das
Wandlers angeschlossen sind I)ie elektrischen Kontakte werden durch di! i Source-Elektrode
141 und die Drain-Elektrode 121 des Feldeffekttransistors gebildet. Der Durchschaltwiderstand
des Feldeffekttransistors
liegt in der Größenordnung von 100 Ohm
und weniger.
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In Fig. 10 ist eine Abwandlung der Anordnung nach ring. 9 gezeigt,
bei dem der Ableitwiderstand 9 durch einen weiteren MOS-Transistor 25 ersetzt ist.
Nach erfolgter Einschaltung kann so mittels eines Steuerimpulses an der Gate-Elektrode
26 der wandler kurzgeschlossen und damit der Schalter ausgeschaltet werden. Das
ist dann besonders vorteilhaft, wenn der Schalter gleich nach dem Betätigen wieder
einschaltbereit sein soll oder wenn er gegen eine Neubetätigung für eine definierte
Zeit gesperrt bleiben soll.
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Fig. 11 zeigt die Anwendung des kontaktlosen Schalters beispielsweise
in einem Fernsprechapparat. Fig. 1la zeigt die zlfeckma3i3e Anordnung des Tastenfeldes.
Die Fig. lib und llc zeigt die Anordnung der piezoelektrischen Wandler 8 unter den
entsprechenden Tasten des Tastenfeldes. Die einzelnen piezoelektrischen Wandler
sind in dem Gehäuseträger 15 eingelassen und mit der integrierten Schaltung unterhalb
des Deckels 16 verbunden. Die Ausgänge der integrierten Schaltung führen über hier
nicht gezeigte Leitungen an die Steckverbindungen 17, die zu anderen Teilen des
Fernsprechapparates führen. Die Fig. llc zeigt einen Schnitt durch das Tastenfeld
mit den Tasten 14, den Wandlern 8 und der integrierten Schaltung 16. Durch die hier
gezeigte Anordnung ist es möglich, die Wandler technisch gut realisierbar einzubauen,
kapazitätsarm zu verdrahten und zu einer Einheit zusammenzufassen, die auch in der
Herstellung billig ist.
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Der Mechanismus unter den Tasten 141 der notwendig ist, 1 um aus der
langsamen Tastenabwärtsbewegung einen Kraftstoß zu machen, kann ähnlich dem der
bekannten Mikroschalter gewählt werden.
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Natürlich sind alle aus der Feinmechanik bekannten und denkbaren Anordnung
zur Erzeugung eines Krafstoßes, alco irgendwelche Schnappmechanismen, in gleicher
Weise geeignet, die Aufgabe dieses Auslösemechanismus zu übernehmen. Auch eie andere
nordnung der kontaktlosen Schalter1 der in Fig. 11 nur als Ausführungsbeipiel gezeigten
Anordnung ist möglich.