DE2362204C3 - Mechanisch-elektrischer Signalgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanisch-elektrischen Signalgeber mit einer auf Biegung beanspruchten monostabilen Schnappfeder und einem von dieser Feder betätigbaren piezoelektrischen Element

Derartige Signalgeber sind beispielsweise aus der DE-OS 18 12 021 bekannt, bei dem eine beidseitig eingespannte Feder durch Niederdrücken einer Taste gegen ein piezoelektrisches Element gedrückt wird. Die Feder kann dabei als Blattfeder ausgebildet sein, die dann durch Drücken der zugeordneten Taste durchgebogen wird. Der aufzuwendende Druck ist relativ hoch und die Bedienung dadurch sehr anstrengend. Da jeglicher Druckpunkt fehlt, kann vom Bedienenden nicht festgestellt werden, ob und zu welchem Zeitpunkt die Signalgabe erfolgt ist

Aus der US-PS 36 99 296 ist es außerdem bekannt durch Drücken einer Feder eine Spiralfeder seitlich auszulenken, die dadurch gegen ein piezoelektrisches Element gedrückt wird. Diese Signalgeber sind aufwendig und schwierig herzustellen, da die Spiralfeder nur in eine Richtung ausgelenkt werden darf.

Bei Geräten, bei denen es auf eine exakte Signalgabe ankommt, wie beispielsweise bei Rechenmaschinen oder Buchungsmaschinen, ist dieser Druckpunkt einerseits zur Anzeige der Signalgabe wichtig, und andererseits erfolgt nach Überwindung dieses Druckpunktes eine zwangsweise Weiterführung des Kontaktelementes, um eine exakte Signalgabe zu gewährleisten, d. h. ein verzerrungsfreies Signal abzugeben. Für eine solche Signalgabe sind aber die genannten Anordnungen ungeeignet, da sie mit an sich bekannten Vorrichtungen zur Erzielung eines Druckpunktes (US-PS 35 86 888) ohne weiteres nicht ausrüstbar sind.

Weiterhin wird an derartige Signalgeber die Bedingung einer flachen Bauweise gestellt, beispielsweise für die Tastatur eines sogenannten Taschenrechners, deren Tiefe vorzugsweise weniger als 5 mm beträgt. Eine bekannte Ausführung einer derartigen Tastatur 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. Um 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, zusammengedruckt wird, wodurch zwischen diesen Plättchen ein Weg 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 elektrischen Kontaktes zwischen der elastischen Platte und jedem gesonderten Plättchen veränderlich und unbestimmt ist, und daß die bedienende Person keinen positiven Hinweis auf die gute Wirkung bekommt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mechanisch-elekrischen Signalgeber besonders flacher Bautiefe zu schaffen, der allgemein verwendbar ist, und bei dem auf einen Druckpunkt nicht verzichtet werden muß.

Diese Aufgabe wird vorteilhaft dadurch gelöst, daß die Feder zwei senkrecht zueinander stehende Krümmungen aufweist, und das piezoelektrische Element eine rechteckige Form besitzt, deren Längsrichtung sich in der Richtung einer der beiden Krümmungen erstreckt Dabei kann das piezoelektrische Element sowohl auf der Feder selbst als auch in deren Nähe angeordnet sein, wie dies beispielsweise aus der DE-OS 21 25 068 oder DE-OS 18 12 021 bekannt ist

Durch diese Anordnung beider Krümmungen und des piezoelektrischen Elementes wird der Vorteil eines leichten Druckpunkts erreicht und daß nur diejenige Krümmungsänderung zur Signalgabe ausgenutzt wird, die in Richtung des piezoelektrischen Elementes verläuft Damit findet diese Krümmungsänderung fast gleichzeitig mit dem Umklappen der Feder statt Die dazu senkrecht verlaufende Krümmungsänderung hat dagegen keinen Einfluß auf den Piezowandler, da dessen Längsrichtung quer dazu liegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Form einer monostabilen Federeinrichtung mit Momentwirkung,

F i g. 2 einen Signalwandler gemäß der Erfindung, bei dem eine Feder des in F i g. 1 dargestellten Typs verwendet wird,

F i g. 3 und 3b eine Vorrichtung, um das piezoelektrische Element auf der Feder zu befestigen,
F i g. 4 eine weitere Ausführungsform des Signalgebers nach der Erfindung,

F i g. 5 ein aus einer Anzahl von Signalgebern gemäß der F i g. 4 bestehendes Tastenfeld,

Fig.6 eine Anzahl Schnappfedern, die aus einer einzigen Platte gebildet sind,

F i g. 7 eine Tragkonstruktion für die Platte nach Fig. 6,

Fig.8, 9 und 10 zeigen Diagramme des Eingangsdruckes und der Ausgangsspannung für verschiedene Ausführungsformen des Signalgebers nach F i g. 2 und

Fig. 11a und 11b Zeitdiagramme des Eingangsdrukkes und der Ausgangsspannung für zwei Ausführungen des Signalgebers nach F i g. 4.

Eine Blattfeder 1 nach der F i g. 1 wird durch eine Preßbearbeitung derart verformt, daß zwei V-förmige Nuten 2 und ein mehr oder weniger kuppeiförmiger Teil 3 entstehen. Bei der Preßbearbeitung bekommt die Feder bei den Nuten eine leicht gebogene Form, während die Enden einigermaßen gewölbt werden, wie

in der Figur deutlichkeitshalber übertrieben dargestellt worden ist Wenn die Ecken der Feder unterstützt werden und den mittleren Teil der Feder Druck in Richtung der Pfeilspitze ausgeübt wird, gibt bei Druckanstieg 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.

Obglebh 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 4 a und 4 in elektrischem Kontakt mit einer Anschlußplatte 5 eingeklemmt nut deren Hilfe eine elektrische Verbindung der Feder hergestellt werden kann. Eine Drucktaste 6, die in einer am Klemmblock 4a befestigten Platte 7 angebracht ist, wirkt derart auf das nicht eingeklemmte Ende der Feder 1 ein, daß bei Druckausübung auf die Taste die Feder in ihre quasistabile 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, daß die eine Elektrode des Elementes 8 in elektrischem Kontakt mit der Feder ist. Ein geschmeidiger Leitungsdraht 9 ist z. B. durch Löten mit der anderen Elektrode des Elementes 8 verbunden. Wenn ein derartiger Druck 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

Wenn man einen Längsschnitt durch die Mitte der Blattfeder nach der Fig. 1, die an einem Ende gemäß der Fig.2 eingeklemmt ist betrachtet, so stellt sich heraus, daß die Feder durch den auf die Drucktaste ausgeübten Druck in steigendem Ausmaß gebogen wird. Ein mit dieser Oberfläche in mechanischem Kontakt angebrachtes piezoelektrisches Element würde auf diese Weise eine allmähliche Verformung erfahren und dadurch eine proportionale Spannung erzeugen. Wenn man einen Querschnitt in der Nähe des freien Federendes betrachtet, so stellt sich heraus, daß dieser Querschnitt durch die Formgebung der Feder gebogen wird, und daß die Größe 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 Ausgangsspannung soll ein stufenfömiges Spannungs-Zeitdiagramm aufweisen); weiter muß dieser Punkt dem Punkt entsprechen, zu dem der Bedienungsdruck durch den »Druckschußeffekt« absinkt

Dies kann dadurch erreicht werden, daß das piezoelektrische Element für Biegung in der Querrichtung der Feder, aber nicht für Biegung in deren Längsrichtung empfindlich gemacht wird. Diese Bedingungen werden erfüllt wenn ein piezoelektrisches Element dessen größte 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

ίο Form einer dünnen rechtwinkligen Platte, aber es kann auch ein Streifen eines sogenannte multimorphen Elementes angewandt werden. Dem Fachmann wird es deutlich sein, daß auch andere geformte, z. B. stabförmige, scheibenförmige oder rohrförmige 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 Ausspannungsspannung 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, unter dem freien Federende angebracht wird, wobei der Block 4 derart auf der Fußplatte befestigt wird, daß ein starres Ganzes entsteht Zwischen dem Kissen und dem freien Federende in der stabilen (Ruhe-)Lage wird so viel Raum gelassen, daß das freie Ende nach der Momentwirkung auf dem Kissen liegt und von der Drucktaste an das Kissen gedrückt wird. Daneben oder stattdessen kann das kuppeiförmige Ende 12 der Druckplatte 6 aus einem elastischen energieabsorbierenden Material hergestellt sein.

Die Funktion des Dämpfers der Schwingung und die Funktion des Befestigens des piezoelektrischen Elementes und seiner Berührung mit der Feder können auf die in den F i g. 3a 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 14 aus einem elastischen Material mit einem J-förmigen Querschnitt an eine leitende Metallplatte 13 gedrückt wird, 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 »multimorphes« 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 elektrisches Ausgangspotential zur Folge hat Das Klemmstück 14 kann z. B. aus Nylon oder aus einem anderen elastischen Kunststoff durch ununterbrochene Extrusion und anschließendes in Stücke geeigneter Länge Schneiden des extrudieren 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 F i g. 3a obere Schenkel des Klemmstücks ist länger als der untere Schenkel, um eine Treffläche für die punktiert angedeutete Drucktaste 6 zu bilden. Es ist. auch möglich, daß der Finger der bedienenden Person direkt mit diese Treffläche ohne die Vermittlung einer Drucktaste in Berührung gebracht wird. Die beschriebene Montage macht das Löten der Elektroden des piezoelektrischen Elementes überflüssig und kann außerdem einfach und rasch erfolgen, ro 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 Federeinrichtung des an Hand der Fig. ί beschriebenen Typs vollends entsprochen. Es ist der Anmelderin sogar deutlich geworden, daß bei einer geeigneten Wahl des Einklemmpunktes für die Feder 1 und des Einsatzpunktes der Drucktaste auf der Feder 1 aus Spielzeug-»Fröschen« herausgenommene Federn den beispielsweise eingangs erwähnten Werten durchaus genügen, welche Werte sich auf die heutigen Vorschriften für ein Tastenfeld eines Drucktastenfernsprechers bezogen.

Eine Ausführungsform der Erfindung, die ein sehr untiefes Tastenfeld, z. B. für Taschenrechenmaschinen, gibt, ist in der F i g. 4 angegeben, die einen Wandler 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 24. in der zwei rechtwinklige Öffnungen 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 der Schicht 22 in Kontakt ist Das eine Ende einer monostabüen Feder 1 mit Momentwirkung liegt an der anderen Elektrode des Elementes 8, während das andere Ende der Feder 1 am linken Rand der öffnung 25 und an der Schicht 23 anliegt Auf diese Weise ist durch das Element 8 erzeugte elektrische Spannung zwischen der Schicht 22 und über der Feder 8 der Schicht 23 verfügbar. Eine Abstandsschicht 27, in der eine rechtwinklige öffnung für die Feder 1 angebracht ist, ist auf der Platte 24 angebracht Zwischen der Abstandsschicht 27 und einem Fingeröffnungsfeld 29 ist eine Membran 28 eingeklemmt die aus einem geschmeidigen elastischen elektrisch isolierenden Material besteht. Das Feld 29 ist mit einer öffnung 30 mit abgeschrägten Rändern 31 versehen. Die Feder 1 wird dadurch an ihrer so Stelle gehalten, daß der in der Figur linke Rand der öffnung in der Platte 24 auf der Feder ruht Hierdurch wird das linke Ende der Feder 1 in gutem elektrischem Kontakt mit der Schicht 23 gehalten. Hierzu wird auch durch die Membrane 28 beigetragen, die auf dem mittleren Teil 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 urd ein gutes elektrisches Kontakt zwischen dem Element 8, der Schicht 22 und der Feder 1 ω besteht Wenn 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 Feder 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 Stellung springt, so daß das gewölbte Ende umklappt, wird Druck auf die Mitte des piezoelektrischen Elementes 3 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, bi.vor die Feder in ihre quasistabile Stellung eintritt, und nur für die Biegungswirkung empfindlich ist, die in diesem Umklappaugenblick auftritt Dies kann durch Anwendung eines aus zwei Schichten besiehenden piezofclekirischen Elementes des » multimorphen« oder des »bimorphen« Typs erreicht wird. Wenn das Element gleichmäßig zusammengedrückt wird, liefert 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 gerät, in 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 24, 27, 28 und 29 gebildeten Block herausragt, und mit Randanschlußklemmen 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 1 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 3Z die auf einem herausragenden Teil der Druckschaltungsplatte 21 angebracht sind. Die übrigen Bezugsziffern entsprechen denen der F i g. 4.

Die unterschiedlichen Schichten, die das Ganze bilden, können miteinander verklebt, z_ B. mit Hilfe eines thermohärtenden Klebstoffes auf einer Epoxyharzbasis, oder miteinander vernietet oder verschraubt sein; es ist weiter möglich, daß zwei oder mehrere Schichten in einem zusammengesetzten Guß- oder Preßstuck aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material kombiniert sind. In der F i g. 4 sind die Vertikalabmessungen viermal so groß wiedergegeben wie die Horizontalabmessungen, um die Einzelheiten deutlicher hervorheben zu können. Bei einer praktischen Ausführungsform eines Zehntastenfeldes vom Typ nach der F i g. 4 betrug die Gesamttiefe des Feldes nur 2,4 mm. Obgleich das Ganze ziemlich starr war, stellt es sich heraus, daß durch den Gebrauch einer Glasfaserdruckschaltungsplatte mit einer Dick von 0,78 mm in dem Bereich, in dem sich das Element 8 befindet

ausreichende Biegsamkeit erzielt wurde, um zu ermöglichen, daß das Element infolge der Wirkung der Feder 1 biegt und eine brauchbare Ausgangssignalspannung liefert.

Ein Tastenfeld mit einer Anzahl Wandler, wie an Hand der F i g. 4 und 5 beschrieben, kann nach Bedarf als Tastenfeld vom Drucktastentyp dadurch verwendet werden, daß auf geeignete Weise eine Anzahl Drucktasten auf einer auf der Platte 2S befestigten Platte angebracht werden.

Statt gesonderter Federn vom in tier F i g. 1 wiedergegebenen Typ für die Wandler in einem Tastenfeld mit einer Anzahl Wandler können alle Federn in einer einzigen Platte aus Federmatenal gebildet sein, z. B. auf die nach F i g. 6 v/iedergegebene Weise. In einer Federmaterialplatte 60 werden zehn U-förmige Nuten gestanzt, um zehn Federn 1 zu erzielen. Gleichzeitig mit dem Stanzen der Nuten werden die Nuten 2 und die kuppeiförmigen Teile 3 der Federn durch einen Preßvorgang angebracht. Je nach dem für die Platte 60 gewählten Material kann es erforderlich sein, nach dem Stanzen und Pressen zum Erhalt der erforderlichen Federcharakteristiken zu härten. Dann werden streifenförmige piezoelektrische Elemente 8 auf dem freien Ende jeder Feder angebracht und mit (nicht gezeichneten) elektrischen Anschlüsse auf eine der vorbeschriebene Weisen versehen. Bei der wiedergegebenen Ausführungsform wird das freie Ende jeder Feder durch eine in Fächer verteilte Unterstützung 62 der nach F i g. 7 wiedergegebenen allgemeinen Form getragen, wobei die Stelle der Wände der Fächer in bezug auf die Federn nach F i g. 6 mit Strichlinien angegeben ist. Durch eine derartige Unterstützung und das Anbringen jeder Feder senkrecht auf den angrenzenden Federn auf die nach F i g. 6 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 F i g. 4 in Aussparungen in einer der Unterstützung 62 entsprechenden in Fächer verteilten Unterstützung.

Da alle in den verschiedenen Figuren wiedergegebenen Federn während ihrer Momentwirkung über den größten Teil ihrer Oberfläche verformt werden, ist es deutlich, daß das piezoelektrische Element auch an anderen als an den angegebenen Stellen angebracht werden kann. Obgleich der in den Fig. 1, 2, 3 und 6 wiedergegebene Typ der Momentwirkungsfeder bevorzugt wird, weil 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 verformt wird, und daß ein piezoelektrisches 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 üblichen Drucktaste oder eines üblichen Druckknopfes vom Federkontakttyp vergleichbar ist Wenn die Inbetriebsetzungskraft beendet wird, entsteht eine umgekehrte Ladung, die faktisch die ursprüngliche Ladung ausgleicht, so daß das Ausgangssignal gleich Null wird. Je nach der Wahl des Typs des piezoelektrische Elementes und dessen Aufstellung auf der Feder sind Ausgangsspannungen zwischen 5 und 40 Volt erzielt, d.h. Spannungen, die zum unmittelbaren Anlegen an integrierte Schaltungen geeignet sind.
Wenn man ein impulsförmiges Ausgangssignal erzeugen möchte, wird das piezoelektrische Element mit einem niedrigeren Widerstandswert belastet, z. B, mit 10 MOhm. Unter derartigen Umständen wurde ein Ausgangsspannungsimpuls gewonnen, der exponentiell abklingt und fünf bis zehn Millisekunden höher als 5 Volt bleibt. Beim Beseitigen des Druckes auf den Wandler wurde ein identischer Impuls mit umgekehrter Polarität gewonnen. Wenn man sich einen einzigen Impuls kurzer Dauer wünscht, jedesmal wenn der Wandler in Betrieb gesetzt wird, kann die zugehörige Schaltung derart eingerichtet sein, daß sie ausschließlich einen Impuls dieser Polarität annimmt

Wenn man die ganze Zeit, in der ein Wandler im wirksamen Zustand gehalten wird, über ein Ausgangssignal der zugehörigen Schaltung verfügen möchte und es nicht leicht oder nicht möglich ist eine sehr hohe Eingangsimpedanz zu verwenden, kann eine bistabile Triggerschaltung angewandt werden, die beim Empfang des ersten Impulses der einen Polarität aus dem einen in den anderen Zustand umklappt und beim Empfang des folgenden Impulses entgegengesetzter Polarität in den einen Zustand zurückkehrt.

Die F i g. 8 bis 11 zeigen das Ergebnis verschiedener Konfigurationen und Montagestellen des piezoelektrischen Elementes auf der F i g. 1.

Die F i g. 8,9 und 10 zeigen je eine Momentwirkungsfeder 1, die auf die in der F i g. 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 Druckzeitdiagramm 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 Druckzeitdiagramm ist mit einem entsprechenden Zeitmaßstab das Spannungszeitdiagramm der Ausgangsspannung V des piezoelektrischen

so Elementes gezeichnet wobei angenommen wird, daß der Ausgang unbelastet ist (kein Ladungslecken). In jedem wiedergegebenen Falle ist das piezoelektrische Element auf ihrer vollen Berührungsfläche an der Feder befestigt z. B. durch Löten oder Verkleben. In der F i g. 8 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 ausschließlich auf Formänderungen des gewölbten Endes der Feder an und nicht auf das Längsbiegen 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 Ausführung wird bevorzugt

In der F i g. 9 ist ein streifenförmiges Element 72 vom gleichen Typ, wie nach Fig.8 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 Ausgangsspannungszeitdiagramm hervorgeht.

In der F i g. 10 findet ein scheibenförmiges Element 73 Anwendung. Dieses Element ist für Änderungen in der Federform sowohl durch Biegen in der Längsrichtung als auch durch Wölben in der Querrichtung empfindlich, so daß das Ausgangsspannungszeitdiagramm eine Kombination der Diagramme nach den F i g. 10a und 10b ist.

Die Fig. 11a und 11b zeigen Zeitdiagramme des Ausgangsdruckes und der Ausgangsspannung für zwei Wandler vom nach der Fig.4 wiedergegebenen 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 F i g. 1 gerade auf dem Element 8 ruht, wenn auf die Feder kein Druck ausgeübt wird. Je nachdem ein wachsender Druck ausgeübt wird, wölbt sich das Element 8 einigermaßen in einer bestimmten Richtung und gibt eine entsprechende Ausgangsspannung. Bei der Momentwirkung der Feder klappt ihre Wölbung plötzlich um, wodurch die Ausgangspolarität des Elementes auch umkehrt und eine Ausgangsspannung mit steilen Flanken entsteht. Umgekehrtes erfolgt 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 ist, um sich der Wölbung der Feder anzupassen. In diesem Falle spricht das Element nur auf das Umklappen der Wölbung bei der Momentwirkung der Feder an, so daß es eine rechteckförmige Ausgangsspannung ohne Polaritätswechsel gibt. Nach der Fig.4 drückt die Feder 1 mit Vorspannung dadurch an das Element 8, daß ein Rand 74 der Abstandsschicht 27 an die Feder drückt und/oder, daß die elastische Membrane 28 einen Druck nach unten (in der Fig.4) auf den kuppeiförmigen Federteil ausübt. Stattdessen oder daneben kann ein Rand 75 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.

Es sei bemerkt, daß die wiedergegebene Ausgangsspannungen qualitativ und nicht quantitativ sind. So beträgt z. B. die Maximumspannung, bei der Ausführungsform nach der Fig. 11a gemessen, ungefähr 2 V, während sie bei der Ausführungsform nach der F i g. 1 Ib ungefähr 40 V beträgt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Mechanisch-elektrischer Signalgeber mit einer auf Biegung beanspruchten, monostabilen Schnappfeder und einem von dieser Feder betätigbaren piezoelektrischen Element, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (1) senkrecht zueinanderstehende Krümmungen aufweist und das piezoelektrische Element (8) eine rechteckige Form besitzt, deren Längsrichtung sich in der Richtung einer der beiden Krümmungen erstreckt