DE2362204A1

DE2362204A1 - Mechanisch-elektrischer wandler

Info

Publication number: DE2362204A1
Application number: DE2362204A
Authority: DE
Inventors: David Geoffrey James Fanshawe
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-01-04
Filing date: 1973-12-14
Publication date: 1974-07-11
Also published as: IT1000684B; NL7317646A; DE2362204C3; JPS56114018U; BE809361A; DE2362204B2; FR2213632B1; SE393222B; JPS49103529A; CA1018644A; US3976899A; FR2213632A1; GB1363215A

Description

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Anmelder: N.V.Philips»aioeilampenfabrieken '" " 2.11,73 Akte: ΡΉΒ-32 .'30%r
Anm. vom: 11. Dez. 1973

- "Meclianiscli-elelctrischei· Wandler".

Die Erfindung betx'ifft einen mechanisch-elektrischen Wandler und insbesondere einen von Hand zu bedienenden WandierV ' .

Derartige Wandler werden z_eB. für das Zuführen von

Daten von Hand an digitale Signalisierungs_r oder Ver- arbextungssysteme verwendet, bei denen die Verbindung
zwischen dem Benutzer und dem System gewöhnlich sais
einer Anzahl Drucktasten besteht, die je ein alphanumerisches Symbol vertreten. Wenn eine Drucktaste gedruckt wird, werden ein oder mehrere elektrische Kontaktpaare
geschlossen oder geöffnet, um dem System ein geeignetes

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elektrisches Signal weiterzuleiten.

Um unrichtige Bedienung durch mehrere Ursachen 2IU veirneiden, müssen Wandler des Drucktas tentyps ziemlich strengen Bedingungen entsprechen. So ist z.B. eine Mindesteindrucklcraf t (z.B. 200 g) vorgeschrieben, um zu vermeiden, dass, wenn der Finger des Benutzers sich schnell von einer Drucktaste zu einer anderen Drucktaste bewegt, eine zwischenliegende Drucktaste irrtümlicherweise gedruckt wird. Um andererseits Ermüdung,·; des Benutzers bei längerer Bedienung zu vermeiden, müssen die Kontakte unter dem Einfluss einer Kraft unter einem bestimmten Wert (z.B. 44O g) wirksam werden. Veiter, müssen die Kontaktpaare im wirksamen Zustand bleiben, wenn die Kraft abnimmt (z.B. auf 285 s)> und in die Ruhelage zurückkehren, wenn die Kraft auf einen niedrigeren Wert (z.B. 70 g) absinkt. Weiter ist erforderlich, dass um dafür zu sorgen, dass die Drucktaste beim jeweiligen Eindrücken die Kontaktpaare völlig wirksam macht, die Drucktaste eine ausgesprochene "Durchschuss"-Wirkung beim Eindrücken hat. Hierfür ist es nötig, dass die Eindruckkraft ihren Höchstwert erreicht, wenn die Drucktaste einen bestimmten Abstand (z.B. 2 mm) zurückgelegt hat, und dann sprunghaft um einen bestimmten Wert (z.B. um mindestens 50 g) absinkt. Dieser Durchschuss-Effekt gibt dem Gebraucher einen positiven Hinweis, dass das Signal einwandfrei woitergeleitet

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worden ist, und er sorgt dafür j daß sich die . ~ . ' Drucktastenbewegung, wenn der Druckschusspunkt einmal erreicht woi-den ist, .weiter fortsetzt. Um ZU verhindern, dass zu grosse Unterschiede bei der Eindruckkraft zwischen den einzelnen Drucktasten auftreten, ist eine maximale Abweichung (z„B₀ 120 g) der Druckkraft für alle Drucktasten eines Tastenfeldes vorgeschrieben. SchliessÜch ist für den Abstand, den eine Drucktaste' beim Eindrücken zurücklegt, ein Maximum (z.B. 2,7 mm) und ein Minimum (z.B. 0,25 mm) vorgeschrieben.

Diese Bedingungen sind verwickelt und nachteilig, und Yandler vom Drucktastentyp, die den Vorschriften entsprechen, sind denn auch aufwendig. Ausserdem muss, weil elektrische Kontaktfedern betätigt werden müssen, unter jeder Drucktaste viel Raum vorhanden sein.

Bei einem anderen bekannten Wandlertyp, der gewöhnlich "Berührungstaste" genannt-wird, sind zwei elektrische Klemmen dicht beieinander in einer Ebene mit der Oberfläche einer elektrisch isolierenden Platte angebracht. Normalerweise ist die elektrische Impedanz zwischen den beiden Klemmen sehr hoch, gewöhnlich in der Grössenordnung von einigen huhdex't MOlinr. Venn die Fingerspitze einer bedienenden Person mit beiden Klemmen in Berührung gebracht wird, sinkt die Impedanz

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zwischen den Klemmen bis zur GrossenOrdnung von 30.000 bis 60.000 Ohm ab. Dieser Impedanzabfall wird von einem Detektor vom Typ mit hohem Eingangswiderstand (z.B.

einem Feldeffekttransistor) wahrgenommen, der dann ein geeignetes elektrisches Signal erzeugt. Da derartige ¥andler keine beweglichen Teile enthalten, brauchen sie keine hohen Anforderungen für Wandler vom Drucktastentyp zu erfüllen, wodurch sie billiger sein können und weniger Raum beanspruchen. Da sie jedoch der bedienenden Person keinen Hinweis geben, dass ein elektrisches Signal weitergeleitet worden ist, werden sie im allgemeinen nur in Systemen gebraucht, deren Bedienung weniger präzis zu sein braucht, z.B. zum Bedienen von Personen— und/oder Befrachtungsaufzügen·»· Wenn ein positiver Hinweis erforderlich ist, wird gewöhnlich bei jedem Wandler eine,Lampe aufgestellt. Hierdurch vergrössern sich der Aufwand und die Abmessungen, trotzdem sind jedoch derartige Einrichtungen nicht für Systeme geeignet, bei denen die Wandler rasch hintereinander bedient werden, z.B. bei Fernsprechern mit-Drucktastenwahl, Fernschreibmaschinen, Tastenfeldern elektronischer Rechenanlagen, usw.

Wieder eine andere Bedingung muss durch mechanis'ch-elektrische Wandler s.B.ia den sogenannt en "Tas·= tenfeldern" von Tasehonrechenmaschinen erfüllt werden« Dabei 1st die wesentlichste Bedingung, dass das Tasten-

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feld möglichst untief ist, vorzugsweise weniger als 5 nun. Eine bekannte Ausführung eines derartigen Feldes, besteht aus einer Matrix flacher elektrisch leitender Plättchen, die durch eine dünne Platte oder durch ein Blatt aus einem elektrisch leitenden elastischen Material abgedeckt wird, dessen elektrischer Widerstand beim Zusammendrücken stark herabgesetzt wird. Eine

steife Platte, in Öffnungen angebracht, die den Stellen der Plättchen entsprechen, wird an die von den Plättchen abgewandte Seite der elastischen Platte gedrückt. Die elastische Platte und die Plättchen weisen je eine elektrische Verbindung auf. Auf der von den öffnungen in der steifen Platte freigelassenen Oberfläche - der elastischen Platte sind geeignete alphanumerische Symbole aufgedruckt, oder es ist ein gesondertes gedrucktes Blatt zwischen der elastischen Platte und der steifen Platte angeordnet. TJm diese Einrichtung in Betrieb zu setzen wird durch eine bestimmte Öffnung in der steifen Platte Druck auf die elastische Platte ausgeübt, so dass der Teil letztgenannter Platte, der mit einem bestimmten Plättchenpaar in elektrischem Kontakt ist, zusammengedrückt wird, wodurch zwischen diesen Plättchen, ein Feg mit niedrigem Widerstand entsteht. Derartige bekannte Einrichtungen sind äusserst preiswert und können sehr untief sein, z.B. 3 mm«, Sie weisen jedoch den Nachteil auf, dass der Widerstand des elek- „

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trischen Kontaktes z\vischen der elastischen Platte und jedem gesonderten Plättchen veränderlich und unbestimmt ist, und dass die bedienende Person keinen positiven Hinweis auf die gute Wirkung bekommt.

Die Erfindung bezweckt, einen mechanisch-=· elektrischen Wandler anzugeben, der den oben erwähnten Anforderungen hinsichtlich, der verschiedenen Formen von Wandlern leicht entspricht und wenigstens in bedeutendem Ausmass die verschiedenen vorerwähnten Nachteile beseitigt.

Der mechanisch-elektrische Wandler nach der Erfindung besteht aus einer monostabilen Federeinrichtung mit Momentwirkung, in der ein Teil vorgesehen ist, der bei.der Momentwirlcung der Feder eine Verformung erfährt und in dem ein piezoelektrischen Element in mechanischem Kontakt mit dem verformenden Federteil derart vorgesehen ist_} dass die Verformung des Federteils gleichfalls eine mechanische Verformung des piezoelektrischen Elementes herbeiführt und dadurch ein elektrisches Ausgangs signal erzeugt. „

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine bekannte ~:Form einer monostabilen Federeinrichtung mit Momentwirkung,

Fig. 2 einen erfindungsgemässen Wandler«, bei dem eine Feder des in der Fig. 1 wiedergegebenen

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Typs angewandt wird.

Flg. 3 Mittel, um ein piezoelektrisches Element in mechanischem Kontakt mit einer Momentwirkungsfeder zu halten,

Fig. h eine andere Ausführungsfο rm eines erfindungsgeraässen Wandlers,

Fig.- 5 ein aus einer Anzahl Wandler vom Typ nach der Fig. h bestehendes Tastenfeld,

die Figuren 6 und 7 wieder eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Wandlers,

Fig. 8 eine Anzahl Momentwirkungsfedern, die aus einer einzigen Platte gebildet sind,

. - Figv 9 eine Tragekonstruktion für die Platte nach der Fig. 8, _

die Figuren 10a, 10b und TOc Zeitdiagramme des Eingangsdruckes und der Ausgangsspannung für verschiedene Aus.führungsf ortnen des, Wandlers nach der .J Fig. 2, und · -

die Figuren 1 ta und 11b Zeitdiagramme des Eingangsdruckes und der Ausgangsspannung für zwei Ausführungen des Wandlers nach der Fig. 4,

Eine Blattfeder 1 nach der Fig. 1 wird durch eine Pressbearbeitung derart verformt, dass zwei V— förmige Nuten. 2 und ein mehr oder weniger kuppelför-r· miger Teil 3 entstehen. Bei der Pressbearbeitting "bekommt die Feder bei den Nuten eine leicht gebogene

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Form, während die Enden einigermassen gewölbt werden, wie in der Figur deutlxclikeitshalber übertrieben dargestellt worden ist. Venn die Ecken der Feder unterstützt werden und auf den mittleren Teil der Federe ■- ." Druck in Richtung der Pfeilspitze ausgeübt wird, gibt beijDruckanstieg die Feder plötzlich nach und springt in die mit Strichlinien gezeichnete Stellung. Wenn der. Druck unter einen gewissen Wert absinkt, springt die Feder in die Ausgangslage zurück, so dass eine monostabile Wirkung erzielt ist. Wie aus der Figur ersichtlich ist, klappen die Wölbungen der Federenden dabei um. . ·

Obgleich diese Federn in der mechanischen und elektrischen Technik nicht allgemein Verwendung finden, sind sie zwar auf dem Gebiete des Spielzeugs bekannt, bei dem sie als Lärmeinrichtungen oder "Frösche" benutzt werden, wobei sie gewöhnlich an einem Ende in einem Metalltopf befestigt sind, der als Schallverstärker arbeitet.

Fig. 2 zeigt eine derartige Federeinrichtung 1 in einem erfindungsgemässen Wandler.vom Drucktastentyp.

Die Feder 1 ist zwischen zwei Klemmblöcken 3 und h in elektrischem Kontakt mit einer Anschluss·» platte 5 eingeklemmt, mit deren Hilfe eine elektrische Verbindung der Feder hergestellt werden kann. Eine

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Drucktaste 6, die in einer am Klemmblock 3 befestigten Platte 7 angebracht ist, wirkt derart auf das nicht eingeklemmte Ende der Feder 1 &ύίη, dass bei Druckausübung auf die Taste die Feder in ihre quasisfcabile Stellung springt. Man bekommt einen Biegungsmoduswandler dadurch, dass ein piezoelektrisches Element 8 fest am freien Ende der "Feder 1 befestigt wird, z.B. mit Hilfe eines Epoxyharzes oder durch Löten derart, daas die eine Elektrode des Elementes 8 in elektrischem Kontakt mit der Feder ist. Ein geschmeidiger Leitungsdraht ° ist z.B. durch Löten mit der anderen Elektrode des Elementes 8 verbunden. Tierin ein derartiger Brück auf

die Taste 6 ausgeübt wird, dass die Feder in die quasistabile Stellung springt, bewirkt die Verformung am freien Ende der Feder· 1 eine Biegung des Elementes 8, das dadurch ein elektrisches Signal erzeugt.

¥enn man einen Längsschnitt durch die Mitte der Blattfeder nach der Fig. I₁ die an einem: Ende ge— mäss der Fig. 2 eingeklemmt ist* betrachtet,, so stellt sich heraus ₉. dass die Feder durch den auf die Drucktaste ausgeübten Druck in steigendem Ättsmass gebogen wird* Ein mit dieser Oberfläche in mechanischem Kontakt; angebrachtes piezoelektrisches Element würde auf diese Weise eine allmähliche Verformungerfahren und dadurch eine proportionale Spannung erzeugen.» Wenn man einen Querschnitt in der Nähe des freien Fede-rendes betrach-

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tefc, so stellt sich heraus, dass dieser Querschnitt durch die Formgebung der Feder gebogen wird., und dass die Grosse dieser Biegung zunächst nahezu konstant ist, * wenn der Druck auf die Drucktaste die Feder durchbiegen lässt, und zwar bis zum Erreichen des Punktes, an dem die Wölbung- des Querschnittes in ihre quasistabile Stellung umklappt. Meistens ist es wünschenswert, dass ein Schalter während des ersten Teiles der Bewegung der • Drucktaste kein Ausgangspotential liefert, aber sein volles Ausgangspotential zu einem bestimmten Punkt nahe am Ende seiner Bewegung erzeugt, ungeachtet der Geschwindigkeit, mit der die Taste gedrückt wird (d.h. die Aus— gangsspannung soll ein stufenförmiges Spannungs-Zeitdiagramm aufweisen)f weiter muss dieser Punkt dem Punkt entsprechen, zu dem eier Be dienung sdruclc durch den "Durchschuss effekt"^! absinkt.

Dies kann dadurch erreicht werden, dass das piezoelektrische Element, fur Biegung in der Querrichtung der Feder., aber nicht fur¹ Biegung in deren. !Längsrichtung empfindlich gemacht wird. Diese Bedingungen werden erfüllt,, wenn ein piezoelektrisches Element, dessen grosste Oberflächen Rechtecke sind und dessen Länge in bezug auf seine Breite gross ist, in der Richtung quer· zur Feder angebracht ist.

Das piezoelektrische Element 8 hat "vorzugsweise die Form einer dürrnen rechtwinkligen Platte,

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aber, es kann auch ein Streifen'eines sogenannte multimorphen Elementes angewandt· werden. Dem Fachmann wird es deutlich, sein, dass a^^ch anders geformte, z.B. stabförmige, scheibenförmige oder rolirförmige. Elemente, verwendet werden können, und dass -gleichfalls andere Polarisierungsrichtungen des Elementes angewandt· werden können, je nach der für die Übertragung der Federverformung auf das Element gewählte Methode.

Es hat sich gezeigt, dass das freie Federende dazu neigt, unmittelbar nach der Momentwirkung zu schwingen, wodurch der elektrischen Ausgangsspannung entsprechende elektrische Schwingungen überlagert werden. Für Anwendungen, bei denen derartige Schwingungen störend sein können (z.B. weil sie ein vielfaches Triggern der zugehörigen Elektronikschaltung auslösen), empfiehlt es sich, mechanische /Dämpfung anzuwenden. Dies kann dadurch erfolgen, dass auf einer Fussplatte 10 ein Kissen 11 aus einem energieabsorbierenden elastischen Material, wie ein Silikon oder Butylgummi, un-r ter dem freien Federende angebracht wird, wobei der Block k derart auf der Fussplatte befestigt wird, dass ein starres Ganzes entsteht. Zwischen dem Kissen und dem freien Federende Inder stabilen (Ruhe—) Lage wird soviel Raum gelassen, dass das freie Ende nach der Momentwirkung auf dem Kissen liegt und von der Drucktaste an das Kissen gedrückt wird. Daneben oder statt-

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dessen kann das kuppeIförmige Ende 12 dor Drucktaste 6 aus einem elastischen energieabsorbierenden Material hergestellt sein.

Die Funktion dos Dämpfens der Schwingung und die Funktion des Befestigens des piezoelektrischen Elementes und seiner Berührung mit der Feder können auf die in den Fig. 3,a und 3b. wiedergegebene sehr einfache "Weise kombiniert werden. Eine Elektrode des Elementes 9 wird an das freie Ende der Feder 1 gedrückt, während die andere Elektrode des Elementes 8 durch ein Klemmstück 1'+ aus einem elastischen Material mit einem J-förmigen Querschnitt an eine leitende Metallplatte gedrückt wii^d, mit der der Draht 9 verbunden ist. In diesem Falle muss das piezoelektrische Element 8, weil es nicht fest an der Feder 1 befestigt ist, für eine Biegungskraft inhärent empfindlich sein. Deshalb muss ein aus zwei Schichten bestehendes piezoelektrisches Element, z.B. ein "multimorph.es" oder "bimorphes" Element, verwendet werden. Bei derartigen Elementen ist die Polarisationsrichtung in einer Schicht der in der anderen Schicht derart entgegengesetzt, dass, wenn das Element gebogen wird, die mechanische Differenzspannung in den beiden Schichten ein

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elektrisches Ausgangspotential zur Folge hat. Das Klemmstück 14 kann z.B. aus Nylon oder aus einem anderen elastischen Kunststoff durch ummterbrochene Extrusion und anschliessendes in Stücke geeigneter Länge Schneiden des extrudierten Körpers hergestellt werden. In dem unbelasteten Zustand bilden die beiden sich gegenüberliegenden Schenkel des Klemmstückes eine keilförmige Öffnung, siehe Fig. 3b, während zum Erzielen der Klemmwirkung die beiden Schenkel auseinander -gebogen ,werden. Der in der Fig. Ja. obei'e Schenkel des Klemms fcücks ist langer als der untere Schenkel, um eine Trefflache für die punktiert angedeutete Drucktaste 6 zu bilden. Es ist auch möglich, dass der Finger der bedienenden Person direkt mit diese-Trefflache ohne die Vermittlung .einer Drucktaste in Berührung gebracht wird. Die beschriebene Montage macht das Löten der Elektroden des piezoelektrischen Elementes überflüssig xind kann ausserdem einfach und rasch erfolgen. Dadurch kann die Einrichtung äusserst preiswert sein.

Den verschiedenen in bezug auf die Kräfte und Abmessungen einem- Wandler vom Drucktastentyp wie eingangs erwähnt gestellten Anforderungen wird durch eine Feder einrichtung des' an Hand der Fig. 1 bescliriebenen Typs vollends entsprochen. Es ist der Aunielderin sogar deutlich geworden, dass bei einer geeigneten ¥ahl des Einklemmpunktes für die Feder 1 xind des Einsatz-

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punktes der Drucktaste auf der Fcdei¹ 1 aus Spiolzoug-"Fröochen" herausgenommene Federn den beispielweise eingangs ei^wähnten Verton durchaus genügten, welche Ferte sich auf die heutigen Vorschriften für ein Tastenfeld eines Drucktastenfernaprechers bezogen.

Eine Ausführungsform der Erfindung, die ein sehr untiefes Tastenfeld, z.B. für Taschenreclieiiiascliinen, gibt, ist in der Fig. k angegeben, -die-einen ¥and— ler aus einem aus einer Anzahl Wandler bestehenden Feld zeigt. Eine .Druckschaltungsplatte 21 ist mit zwei elektrisch isolierten Schichten 22 'und 23 versehen,- wie sie für Druckschaltungen verwendet werden. Eine elektrisch isolierte Platte 2'l·, in der zwei rechtwinklige Offnungen 25 und 26 angebracht sind, ist an den Schichten 22 und 23 montiert. Ein piezoelektrisches Element 8 ruht in der Öffnung 26, wobei eine Elektrode mit dez* Schicht 22 in Kontakt ist. Das eine Ende einer monostabilen Feder 1 mit Momentwir¹ kurig liegt an der anderen Elektrode des Elementes 8, während das andere Ende der Feder 1 am linken Rand dez^ Öffnung 25 und an der Schicht 23 anliegt. Auf diese Tfeise ist eine durch das Element 8 erzeugte elektrische Spannung zwischen der Schicht 22 und. über der Feder 8 der Schienb 23 verfügbar. Eine Abstandsschicht 27, in der eine rechtwinklige öffnung für die Feder 1 angebracht ist, ist auf der Platte 2Ϊ\ angebracht. Zwischen der Abstandsschicht 27 und einem

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FingerÖffnungsfeld 29 ist eine Membran 28 eingeklemmt, ,die aus einem geschmeidigen elastischen r ".,·. :.. . _;. elektrisch isolierenden Material besteht. Das Feld 29 ist mit einer Öffnung 30 mit abgeschrägten Rändern 31 versehen. Die Fader 1 wird dadurch - an ihrer Stelle gehalten, dass U.QV in der Figur linke Rand der öffnung in der Platte 2k auf der Fedor ruht. Hierdurch wird das linke Ende der Feder 1 in gutem elektrischem Kontakt mit der Schicht 23 gehalten. Hierzu wix^d auch diirch die Membrane 28 beigetragen, die auf dem mittleren Toil der Feder 1 ruht, wodurch auch das rechte Ende der Feder 1 auf das Element 8 gedrückt wird, so dass dieses Element an seiner Stelle in der öffnung 26 gehalten wird und ein gutes elektrisches Kontakt zwischen dem -Element 8, der Schicht 22 und der Feder 1 besteht. ¥enn mit einem Finger Druck auf die Membrane 28 und somit auf die Feder 1 ausgeübt wird, hat dies Momentwirkung der Feder zur Folge und die daraus erfolgende Verformung bewirkt, dass das Element 8 eine elektrische Ausgangsspannung liefert. Der auf die Mitte der Fedor 1 ausgeübte Fingerdruck hat zur Folge, dass das piezoelektrische Element 8 zwischen der Feder 1 und der Schicht 22 zusammengedrückt sind. Ausserdem wird das piezoelektrische Element 8 dadurch, verbogen, dass das gewölbte Ende der Feder 1 Druck, auf die Enden des Elementes ausübt. Wenn die Feder in ihre quasistabile

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Stellung springt, so dass das gewölbte Ende umklappt, wird Druck auf die Mitte des piezoelektrischen Elementes 8 ausgeübt, der es in der gleichen Richtung wie die Feder 1 biegen lässt. Um dafür zu sorgen, dass der Wandler eine Spannung mit einem stufenförmigen Zeitdiagramm" liefert, ist es nötig, dass das piezoelektrische Element 8 für den direkten Druck unempfindlich ist, der aufgebaut wird, bevor die Feder in ihre quasis.tabile Stellung eintritt, und nur für die Biegungswirkung empfindlich, ist, die in diesem Umklappaugenblick auftritt. Dies kann durch Anwendung eines aus zwei Schichten bestehenden piezoelektrischen Elementes des "multimorphen" oder des "biinorphen" Typs erreicht wird· Wenn das Element gleichmässig zusammengedrückt wird, liefern die beiden Schichten gleiche, jedoch entgegengesetzte Ladungen, die sich ausgleichen. Im Falle von Biegung entsteht jedoch eine Differenzverformung, so dass ein Ausgangspotential entsteht. Die Feder 1.ist durch die -aufliegenden Teile 27 > 28 und 29 vorgespannt, um dafür zu sorgen, dass die Feder immer guten elektrischen Kontakt mit dem piezoelektrischen Element 8 und der Schicht 23 macht, und dass das piezoelektrische Element in der* Ruhelage dadurch verbogen ist, dass die Feder 1 an seine Enden drückt.

Die Membrane 28 soll nicht nur verhindern, dass Feuchtigkeit und Schmutz in den Raum gerät₉ in

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dem sich die Feder befindet, aber liefert auch eine Oberfläche, auf der alphanumerische Symbole gedruckt werden können. Es. ist jedoch auch möglich, die Symbole auf einem getrennten Blatt zu drucken, das zwischen der Membrane 28 und dem Fingeröffnungsfeld 29 gelegt ist.

Bei einem Tastenfeld mit einer Anzahl Wandler kann die Druckschaltungsplatte 21 derart ausgeführt sein, dass sie aus einem von den aufeinanderliegenden Schichten Zh, 27, 28 -und 29 gebildeten Block herausragt, und mit Randansehlussklemmen versehen sein, mit denen das Tastenfeld an die zugehörigen Schaltungsteile angeschlossen werden kann. So kann z.B. bei einem Feld mit zehn Tasten die Schicht 23 mit je einem Ende der zehn. Federn T verbunden sein, während die anderen Federenden mit je einer von einer Anzahl gesonderter Schichten 22 verbunden sind, so dass es insgesamt 11 Randanschlüsse gibt, Die Fig. 5 zeigt ein derartiges Tastenfeld mit 11 Randanschlusskontakten 32, die auf einem herausragenden Teil der Druckschaltungsplatte 21 angebracht sind. Die übrigen Bezugsζiffern entsprechen denen der Fig. k.

Die unterschiedlichen Schichten, die das Ganze bilden, können miteinander verklebt, z.B. mit. Hilfe eines thermohärtenden Klebstoffes auf einer Epoxyharzbasis, oder miteinander vernietet oder vor-

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schraubt sein; es ist weiter möglich, dass zwei oder mehrere Schichten in einem zusammenge.se fcz ten Guss- oder Presstück aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material lcorubiniert sind. In der Fig·, h sind die Vertikalabmessungen viermal so gross wiedergegeben als die Horizontalabmessungen, um die Einzelheiten deutlicher hervorheben zu können. Bei einer praktischen Ausführungsform eines Zehntastenfeldes vom Typ nach 'der Fig. h betrug die Gesamttiefe des Feldes nur 2.,h mm. Obgleich das Ganze ziemlich star war, stellt es sich heraus, dass durch den Gebrauch einer Glasfaserdruckschaltungsplatte mit einer Dicke von 0,78 mm in dem Bereich, in dem sich das Element 8 befindet, ausreichende Biegsamkeit erzielt wurde, uin zu ermöglichen, dass das Element in Folge der Wirkung der Feder 1 biegt 'und eine brauchbare Ausgangssignalspannung liefert.

Ein Tastenfeld mit einer Anzahl Wandler wie an Hand der Figuren h und 5 beschrieben, kann nach Bedarf als Tastenfeld vom Drucktastentyp dadurch verwendet werden, dass auf geeignete Weise eine Anzahl Druck-?· -tasten auf einer au :* der Platte 29 befestigten Platte angebracht werden.

Die monostabile Momentwirkung der Feder kann in Zusammenarbeit mit einer Hilfsfeder auf eine, z.B. bei Mikroschaltern bekannte Weise erzielt werden. Eine

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Ausfuhrungsform mit einer derartigen Kombination ist in der Draufsicht nach der Fig. .6 und in der Seitenansicht in der Fig. 7 gezeichnet. Die beiden Figuren ergänzen sich, zur Verdeutlichung der nachfolgenden Beschreibung dieser Ausführungsform. Eine Blattfeder 41 weist einen Vorsprung 42 mit einem verbreiterten Teil 43 auf, an dem das eine Ende einer zusammengedrückten Spiralfeder 44 anliegt. Das andere Ende der Spiralfeder 44 liegt . : an einem starren Endstück 45 an· Ein Stift 46 auf dem Vorsprung 42 und ein Stift 47 auf dem Endstück 45 halten die Spiralfeder an ihrem Platz. Das in den Figuren linke Ende der Blattfeder 41 ist zwischen zwei Klemmblöcken 48 eingeklemmt, die auf einer Fussplatte 49 angebracht"sind, auf der auch das Endstück 45 befestigt ist. Ein piezoelektrisches streifenförmiges Element 8 wird auf den Schultern der Blattfeder 41 mit dieser Feder auf eine der vorbeschriebenen Weisen in Berührung gehalten in den Figuren 6 und 7 nicht wiedergegeben) . Eine mit Strichlinien angegebene Drucktaste 6 ruht an dem verbreiterten Teil des Vorsprungs 42.

Die Wirkung der Spiralfeder 44 versucht die Blattfeder 41 (nach Fig. 7) nach oben an die Drucktaste 6 zu drücken. Da die Schulterränder.50 und 51 der Blattfeder 41 frei sind, wird der mittlere Teil dieser Feder 4i unter dem Element 8 durch die in diesem Bereich, wirksame Kraft weiter als die äusseren

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Enden der Schultern nach, ο bon gedrückt, so dass dio Feder an dor Stolle dos Blomentes 8 nach oben gewölbt ist.

Beim Betätigen der Drucktaste wird die Feder 'Vl noch woifcex' zusfu'imongodriickt, so dass sich die Auf— warfcskraft, die die Drucktaste 6 zurückzudrücken versucht, vergrösscrt. Venn die Drucktaste eine derartige Stellung· erreicht, dass.''die beiden Federn ihren "toten Punkt" (eine Linie, die die fest befestigten Enden der beiden Federn verbindet) passier-en, klappen die Federn, plötzlich auf eine bekannte Weise an einen Anschlag 52; die Stellung, die die Feder kl dann einnimmt, ist mit Strichiinien 53 gezeichnet. Die Schultern 50 tand 51 sind jetzt in der ontgegengosetzten Richtung gewölbt und diese Verformung hat eine Biegung des Elementes 8 zur Folge, wodurch es ein elektrisches Ausgangspotexitial liefert. Deutlichkeitshalber sind in den Figuren 6 und 7 elektrische Anschlüsse am Element 8 nicht gezeichnet.

Die Feder ki und der Vorsprung 42 sind in der nach Fig. 7 wiedergegebenen Rühelage in geringem Aus— mass nach oben hin umgesetzt oder Vorgespannt, so dass, wenn die Drucktaste 6 freigegeben wird, die Feder hl in ihro Ruhelage ziirückkehrt.

Statt gesonderter Federn vom in der Fig. 1 wiodergogebonen Typ für die Wandler in einem Tastenfeld mit einer Anzahl Wandler können alle Federn in

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einer einzigen Platte aus Feclermaterlal gebildet sein, z.B. auf die nach Pig. 8 wiedergegobene Weise. In einer Federraaterialplatte 6θ werden zehn U-föz'inige Nuten gestanzt, um zehn Federn 1 zu erzielen. Gleichzeitig mit dem Stanzen der Nuten werden die Nuten 2 und die k'uppelförniigen Teile 3 der Federn durch einen Pressvorgang angebracht. Je nach dem für¹ die Platte 6θ gewählten Material kann es erforderlich sein, nach dem Stanzen und Pressen zum Erhalt der erfordorliclien Federcharakteristiken zu härten. Dann werden s treif enf Ömiige piezoelektrische Elemente 8 auf dem freien Ende jeder Feder angebracht und mit (nichtgezeichneten) elektrischen Anschlüsse auf eine der vorbeschriebene Weisen versehen. Bei der wiedergegebenen Ausführungsforin wird das freie Ende jeder Feder durch eine in Fächer verteilte Unterstützung 62 der nach Fig. ^l) wiedergegebenen allgemeinen Form getragen, wobei die Stelle der Wände der Fächer in bezug auf die Federn nach Fig.· 8 mit Strichlinien angegeben ist. Durch eine derartige Unterstützung und das Anbringen jeder Feder senkrecht auf den angrenzenden Federn auf die nach Fig. 8 wiedergegebene Weise übt die Momentwirkung einer bestimmten Feder keinen Einfluss auf irgendeine andere Feder aus.

Die piezoelektrischen Elemente können statt auf jeder Feder auch unterhalb der Federn angeordnet sein, z.B.-auf die Weise nach Fig. h in Aussparungen

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in elnex^ dor· Un tors buteuiig 62 oiitsprechonden in Fächer vorteilten TJn terstü tzurig. "=

Da alle In den verschiedenen Figuren wieder— gegebenen Fo.clorn während ihrer Momentvirkmig über den yrössten Toil ihrer Oberfläche verformt werden, ist es deutlich, dass das piezoelektrische Element atich an anderen als an den angegebenen Stellen eingebracht werden kann. Obgleich der in den Figuren 1, 2, 4 und 8 wiedorgegebono Typ der Momentwirkungsfeder bevorzugt wird, woil sie preiswert, gedrängt und einfach montierbar ist, sind selbstverständlich viele andere Formen von Momentwirkungsfedern brauchbar. Das einzige Erfordernis ist, dass die Feder ein Gebiet hat, das während der Momentwirkung mechanisch vorfoz^nit wird, und dass ein piozooloktrisches Element in Berührung mit wenigstens einem Teil diese Gebietes angebracht -ist.

Bei der Wirkungsweise des Wandlers nach der Erfindung erzeugt das piezoelektrische Element eine elektrische Ladung an einer Quelle mit sehr hoher Impedanz. Wenn diese Quelle mit einer Schaltung mit einer sehr hohen'Eingangsimpedanz verbunden ist, wie mit einem Feldeffekttransistor, bleibt die Ladungsspannung- nahezu konstant, solange die Taste oder der Knopf eingedrückt bleibt. Auf diese Weise liefert der Wandler ein Ausgangssignal, das dem Signal einer üb-

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licit en Druckt'ixs'te odcrr c:Ljxos^: üblichen Druck-knopiTes■ τοιη:^

Federkeil talc t typ vergleiclibar ist. 'Worin die iHbotrieb- setiaingfilcräf tbeendet wird, en ts tollt exüo nmgekelrrto Ladung, die faktisch dia üx'sprüngliche· Lcidurig aiis—'·'' g'lcicnt, so dass das, Ausgangs signal gleich' Null -xvarcL·. / J'e liacli der ¥aliL des Typs dos piez'oelekLris'clie Elemontes untl dessen Aufstellung auf der¹ 'Feder· sind Ausgangs— spaiitmngen ziVis'cheii 5 und '4Ö· Volt erzielt, d.h. Span-, nungon, die zum \xnmittoIfoären !Anlegen an iiitegariorte - ' Schaltungen geeignet sind.

Venn man ein iitipulsf örmißcs Aus gangs signal erz ex igen möchte, wird das" piozoolck trischo Element
mit einem "niedrigeren Widers tanc'isiioft bßlastot, κ.Β» rait TO MOhm.' Un tor derartigen Umstanden wurde ein
Ausgangs spannung s impuls gewoniien,' dor Exponentiell
abklingt und* fünf bis' ^ohii Millxsokitndori höher; als
5 Volt bleibt. Beim Beseitigen dos Druckes auf den ·

Wandler wurde ein identisehfcsr Impuls mit umgekehrter· Polarität 'gewonnen. Worin man sicii einen einzigen Jmpuls kurzer Dauer A\ainscht, Jedesmal worin der'Wandler in Betrieb gesetzt w~ird,.kcinn die zugehörige Schaltung derart eingerichtet sein, dass sie■ausschliess— lieh einen Impuls dieser Polarität annimmt.

Wenn man' die garize Zeit, in der ein Wandler im iv'trksiunen Zustand gehalten wird, über ein. Alisgangs— signal der zitgehörlgon Schaltung vorfitgen mocJite-uiid

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es nicht leicht oder nicht möglich ist, eine sehr hohe Eingangs impedanz zu verwenden, 1-canii eine bistabile Triggerschaltung angewandt werden, die beim Empfang des ersten Impulses der einen Polarität aus dem einen in. den anderen Ztistand umklappt und beim Empfang des folgenden Impulses entgegengesetzter Polarität in den einen Zustand zurückkehrt.

Die Fig. 10 und 11 zeigen das Ergebnis verschiedener Konfigurationen und Montagestellen des piezoelektrischen Elementes auf der Feder 1.

Die Figuren 10a, 10b und 10c zeigen je eine Momentwirkungsfeder 1, die auf die in der Fig. 2 wiedergegebene Weise an einem Ende in einen Block 4 eingeklemmt ist, wobei das piezoelektrische Element auf jeder· Feder· anders angebracht ist. Unter jeder· Feder ist ein Druckzeitdiagraimn für den auf die Feder z.B. durch die Drucktaste ausgeübten Druck P gezeichnet. Deutlichkeitshalber ist jeweils angenommen, dass der Druck allmählich auf ein Maximum ansteigt, auf dem er eine bestimmte Zeit stehenbleibt, wonach der Druck allmählich nachlässt. Die Knicke geben die Nachgebungswirkung der Feder während der Momentwirkung in je einer Richtung wieder. Unter jedem Druckzoitdiagramm ist mit einem entsprgeilenden Zeitmassstab das Spannungszeitdia— grairnn der Aus gangs apannung V des piezoelektrischen Elementes gezeichnet, wobei angenommen wird, dass der Aus-

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....... ' 12 . 1 T.

gang unbelastet ist (kein Ladungslecken). In jedem wiedergegebenen Falle 1st das piezoelektrische Element, auf ihrer vollen Berührungsfläche an der Feder befestigt;, z.B. durch Löten oder Verkleben, Xn der Fig. 10a ist ein ■ streifenförmiges Element 71, bestehend aus einem piezoelektrischen Material, das nur für mechanische Querspannung empfindlich ist, in der Querrichtung auf der Feder angeordnet. Auf diese Weise spricht das Element aussehliesslich auf Formänderungen des gewölbten Endes der Feder an und nicht auf das Langsbiegen der Feder durch den darauf ausgeübten Druck'. Wie man sieht, ist die Ausgangsspannung von dem Ausmass unabhängig, in dem der auf die Feder ausgeübte Druck ansteigt und abnimmt, so dass die Ausgangsspannung rechteckförmig ist. Diese Alis führung wird bevorzugt.

Xn der Fig. TOb ist ein streifenförmiges

Element 72 vom gleichen Typ, wie nach Fig. 1Qa verwendet, in der Längsrichtung der Feder darauf befestigt, so dass es für das Biegen der Feder in der Längsrichtung empfindlich ist, wie deutlich aus dem Ausgangsspannungszextdiagi*amm hervorgeht.

In der· Fig. 10c findet ein scheibenförmiges Element 73 Anwendung. Dieses Element ist für Änderungen in der Federform sowhl durch Biegen in der- Längsrichtung als auch durch Tiölben in der Querrichtung empfindlich, so dass das Ausgangsspannungszei tdiagramin

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eine Roaib !nation der Diagramme nach den Figuren 10a und 10b ist_o

Die Figuren 11a und 11b zeigen Zeitdiagramme des'Auhgangsdruckes und dex· Ausgangsspannung für zwei Wandler vom nach der Fig. k wiüdergogebenen Typ, d.h. vom Typ, in dem das piezoelektrische Element nicht auf der Feder befestigt ist.

Die Fig. 11a zeigt die Ausgangsspannung für

den Fall, in dem das gewölbte Ende der Feder 1 nach Fig. 1 gerade auf dem Element 8 ruht, wenn auf die Feder kein Dioick ausgeübt wird. Je nachdem ein wachsender Druck ausgeübt wird, wölbt sich das Element 8 einigerrnassen in einer bestimmten Richtung und gibt eine entsprechende Ausgangsspannung. Bei der Momentwirkimg der Feder klappt ihre Wölbung plötzlich um,· wodurch die Ausgangspolarität des Elementes auch umkehrt und eine Ausgangsspannung mit steilen Flanken entsteht. Umgekehrtes erfolgr beim Beseitigen des Druckes. Ein derartiger Wandler eignet sich zum Speisen von Schaltungen, die ausschliesslich für eine Polarität empfindlich sind derart, dass die- Schaltung nur einen einzigen Impuls mit einer steilen Flanke "sieht".

. Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Fig. 11b drückt die Feder 1 mit Vorspannung an das Element 8, so dass es in der Ruhelage gewölbt

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ist, um sich, der Wölbung dor Feder anzupassen. In diesem Falle spricht das Element nur auf das "Umklappen der "Wölbung bei der Momen tVirkung der Feder an, so dass es eine rechteck!'örmige Ausgangs spannung ohne Polaritätswechsel gibt. N"ach der Fig.-^f drückt die Feder 1 mit Vorspannung dadurch an das Element 8, class ein ' Rand 7'h der. Ab stands schicht 27 an die Feder drückt und/oder, dass die elastische Membrane 28 einen Druck nach unten (in der Fig. k) auf den kuppelförmigen Federteil ausübt. Stattdessen, oder daneben kann ein Rand der Öffnung 30 im Feld 29 derart angeordnet sein., dass er an die Membrane 28 in Druckkontakt mit dem darunter liegenden Teil "der Feder 1 drückt derart, dass auf die Feder an der Stelle des Elementes 8 ausgeübt wird.

• 15s sei bemerkt, dass die wiodfsrgegebonen Ausgangsspannungen qualitativ und nicht quantitativ sind. So beträgt z.B, die Maximumspannung., bei der·Ausführungsform nach -dor Fig. TIa gemessen, ungefähr 2 V, während sie bei der bevorzugten Ausführungsform nach der Fig. 11b ungefähr 40V beträgt.

Aus Obigem wird es deutlich sein, dass ein erfindungsgomässer Wandler jede bereits bekannte Einrichtung ersetzen kann und ihre eingangs erwähnten Nachteile, wenn nicht beseitigt, denn doch herabsetzt _t

Obgleich obenstehend immer von einem Wandler

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mi. t einem einzigen Ausgangs signal die Rede ist, wird es deutlich sein, dass ein 'Wandler mit einer Anzahl Ausgangs signale dadurch gewonnen worden kann, dass eine Aii-ί¹:aiii piezoelektrischer Elemente auf der Feder angebrach b wj.x'd;., Tcodtirch das Gegenstück- eines mehrpoligen elektrischen Schalters erzielt wird.

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Claims

- ■; 29 - ·

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Patentansprüche: '

rs ,

I 1L ■ Mechanisch-elektrischer Wandler mit einer monostabilen Federeinrichtung mit Momentwirkung, in der ein Teil vorgesehen ist, der bei der Monientwirkung der Feder eine Verformung erfährt, dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrisches Element (8) in mechanischem Kontakt mit dem verformenden Federteil derart angeord-. net ist, dass die Verformung des Federteils gleichfalls eine mechanische Verformung des piezoelektrischen Elementes (8) herbeiführt und dadvirch ein elektrisches Ausgangs signal erzeugt..
2. „Wandler nach Anspruch 1, dadurch'gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung aus einer einzigen Blattfeder (i) derartiger Form besteht, dass sie eine monostabile Momentwirkung aufweist, wenn auf einen Blattfederteil eine Kraft ausgeübt wird.
3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung eine Blattfeder (hl) und eine Spiralfetter (hk)" enthält, die mehr oder weniger in ihren Längsrichtungen miteinander verbunden sind, wobei die Spiralfeder (kh) druckbelastet ist, während .die Momentwiz'kung dadurch zustande kommt, dass man den Verbindungspunkt der beiden Federn von einer Seite einer Verbindungslinie zwischen ■den äusseren, fesben Enden der beiden Federn zur anderen Seite .'bringt ·

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4. "Wandler nach, einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (8) mit dem erwähnten Teil der Federe irir ich bung dadurch in mechanischem Kontakt gehalten wird, dass es damit befestigt ist.
5· Kandier nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 j dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (8) durch ein elastisches Klemmorgan Ο'Ό mit dem erwähnten Feder beil irr mechanischem Kontakt gehalten wird.
6. Wandler nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element} (8) ausschliesslich du'rch die Moment wirkung der Feder (i) und nicht dxirch die der Momentwirkung vorangehende und direkt nachfolgende Federbiegung verformfc wird.
7· Wandler nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (8) multimorph und streifenförmig ist.
8. Wandler nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, durch eine Drucktaste (6) gekennzeichnet, die zum derai^tigen Einwirken auf die Federeinrichtung angebracht ist, dass die Momentvirkung aiisge l.ös fc wird.

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9· Tastenfeld, rait einer Anzahl FandIor riacli einem

oder nielij-nx-oii dor voi^angehendon /Uisprüclie·. ■'
10. . . . T'aii ten Cold_ mi.t niiicir Anfall! Wandler nach In-

.9 , . dadT.Tx^scla gokqiin^elciirvot _Λ- dass die Federein-

in jedem der einen Teil davon 'bildeiideti: Wand-, lor in eiaiex¹ einsiigori iredermatopialplafete goblldcb sind, . _:: "

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