DE2639576C3 - Kontaktfreies Schaltelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich a·.·' ein kontaktfreies Schaltelement mit einer Betätigungstaste, einem piezoelektrischen Element zur Umwandlung der mechanischen Bewegung der Betätigungstaste in ein elektrisches Signal, und mit einer in komplementärer MOS-Technik ausführten integrierten Schaltung zur Formung und Verstärkung des von dem piezoelektrischen Element erzeugten elektrischen Signals.

Bei einem bekannten kontaktfreien Schaltelement dieser Art (deutsche Offenlegungsschrift 23 17 221) wird die in einer Feder gespeicherte Energie bei Betätigen des Betätigungsknopfes freigesetzt und zur Ausübung einer Kraft auf das piezoelektrische Bauelement verwendet. Derartige Federanordnungen sind einerseits von ihrer Justierung her sehr kompliziert und sind Materialermüdungserscheinungen ausgesetzt und es ist insbesondere nicht möglich, diese Federn beliebig zu verkleinern, falls eine ausreichende Kraft auf das piezoelektrische Element ausgeübt werden soll. Weiterhin ist unter Verwendung derartiger Federelemente kein kompakter und billig herzustellender Aufbau möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kontaktfreies Schaltelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das einen einfachen Aufbau und verringerte Herstellungskosten aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Eine Weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des kontaktfreien Schaltelementes können mechanische Kraftspeicherelemente nach Art von Schnappfedern oder dergleichen, die schwierig zu justieren sind, entfallen, da die sprungartige Kraftausübung durch das piezoelektrische Element durch die von einem bestimmten Totpunkt an wirkende Abstoßung des frei beweglichen zweiten Magneten gegen dieses piezoelektrische Element erreicht wird. Durch die Verwendung eines kreisringförmigen, durch die Betätigungstaste bewegten ersten Permanentmagneten, in dessen Öffnung der zweite Permanentmagnet angeordnet ist, ergibt sich ein mechanisch sehr einfacher Aufbiu unter Verwendung einer sehr geringen Anzahl von Teilen und weiterhin wird eine sehr weitgehende Ausnutzung der durch die Magnetisierung der Permanentmagnete gegebenen Kraft erreicht.

Es ist zwar bereits ein mit einem Hall-Element arbeitendes kontaktfreies Schaltelement bekannt (deutsehe Auülegeschrift 22 51530). das ebenfalls zwei Permanentmagnete verwendet, von denen einer durch die Betäligungstaste mitbewegt wird, während der andere als hohlzylindrischer Permanentmagnet ausgebildet und frei gegenüber dem ersten Permanentmagneten beweglich ist. Die Magnetisierung der Permanentmagnete der bekannten Anordnung ist derart getroffen, daß der mit der Betätigungstaste bewegbare Permanentmagnet quer zur Bewegungsrichtung dieser Betätigungstaste magnetisiert ist während der frei bewegliche hohlzylindirische Permanentmagnet in Axialrichtung und damit in Betäti^ungsrichtung der Betätigungstaste magnetisiert ist. Die Anordnung der Permanentmagnete ist derart gewählt, daß der frei bewegliche Permanentmagnet im Ruhezustand der Betätigungstaste von dem mit dieser Betätigungstaste betätigbaren Permanentmagneten abgestoßen wird, wobei sich das Magnetfeld außerhalb des Hall-Elementes erstreckt, während nach Oberschreiten eines Totpunktes der frei bewegliche Permanentmagnet sich in eine derartige Stellung bewegt, daß sich das Magnetfeld ,ur>.h dieses Hall-Element hindurch erstreckt und cm Ausgangssignal des Hall-Elementes hervorruft. Hierbei wird jedoch auf den frei beweglichen Permanentmagneten nur eine geringe Kraft ausgeübt, die beispiefsweise zur Betätigung eines piezoelektrischen Elements nicht ausreichend sein würde, und es ergibt sich weiterhin ein relativ komplizierter und raumaufwendiger Aufbau, der in Verbindung mit den höheren Kosten eines Hall-Elementes zu höheren Herstellungskosten führt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

In der Zeichnung ieigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform des kontaktfreien Schaltelementes;

Fig. 2 eine vertikale Schnittansicht einer Ausführungsform der wesentlichen mechanischen Teile des kontaktfreien Schaltelementes.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der elektrischen Schaltung des kontaktfreien Schaltelementes dargestellt und es ist zu erkennen, daß eine Betätigungstaste 3, die durch eine Feder 2 federvorgespannt ist, auf einem Halterungsblock 1 vorgesehen ist. Die Bezugsziffer 4 bezeichnet ein piezoelektrisches Element, das Elektroden an beiden Enden aufweist, während die Bezugsziffer 5 einen Lastwiderstand des piezoelektrischen Elementes bezeichnet. Der durch eine gestrichelte Linie umrahmte Teil 6 stellt eine Äquivalenzschaltung einer in komplementärer MOS-Technik ausgeführten integrierten Inverterschaltung dar, mit der ein Schutzwiderstand 7 und ein Ausgangsanschluß 8 verbunden sind. Die Bezugsziffer 9 bezeichnet einen Gitterelektroden-Schutzwiderstand, der in der komplementären MOS-

Schaltung vorgesehen ist. und IO und 11 bezeichnen

; Schutzdioden, die ebenfalls in dieser integrierten

Schaltung vorgesehen sind, während die Bezugsziffer 12

': die Inverterschaltung selbst und VOo eine Betriebsspan-

; nungsquelle darstellen.

) Die Wirkungsweise des kontaktfreien Schaltelementes nach F i g. 1 ist folgende: Wenn die Betätigungstaste F 3 nach unten gedrückt wird und einen Druck auf das

piezoelektrische Element 4 ausübt, wird eine Spannung

j: längs der beiden Anschlüsse des Lastwiderstandes 5

j erzeugt, der mit den oberen und unteren Elektroden des

κ piezoelektrischen Elementes 4 verbunden ist. Diese

Spannung kann beträchtlich größer gemacht werden als

der Wert, der durch die komplementäre MOS-Schaltung feststellbar ist, indem das piezoelektrische Element und die Betätigungstaste sowie der Betätigungsmecha-

ί nismus in geeigneter Weise ausgebildet wird, so daß die

für das Niederdrücken der Betätigungstaste 3 erforder-

liehe Kraft gering sein kann. Weiterhin besteht, selbst

si wenn die der komplementären WOS-Schaltung 6

zugeführte Spannung des piezoelektrischen Elementes

% sehr hoch ist, keine Gefahr, daß die Gitterelektrode der

integrierten Schaltung zerstört wird, weil diese Gitterelektrode durch den Gitter-Schutzwiderstand 9 und die Dioden 10, 11 geschützt ist, die in der integrierten

' Schaltung vorgesehen sind. Für den Fall, daß der Wert

des Gitterschutzwiderstandes nicht hoch genug ist, um die zu große Spannung zu beseitigen, ist ein zusätzlicher Schutzwiderstand 7 mit geeignetem Widerstandswert außerhalb der integrierten Schaltung vorgesehen.

Die an den Klemmen des Lastwiderstandes 5 erzeugte Spannung wird daher über den äußeren Schutzwiderstand 7 weitergeleitet und von der in komplementärer MOS-Technik ausgeführten integrierten Schaltung 6 festgestellt. Wenn diese Spannung größer als die Schwellwertspannung der integrierten Schaltung 6 ist. erscheint keine Spannung (0 V) am Ausgangsanschluß 8, während, wenn die Spannung geringer als iie Schwellwertspannung ist, ein verstärkter Ausgang, der als Binärpegel mit der Betriebsspannung geformt ist (beispielsweise 5 V) am Ausgangsanschluß 8 der integrierten Schaltung erscheint.

In F i g. 2 ist eine schematische Schnittansicht gezeigt, die ein Ausführungsbeispiel für den mechanischen Aufbau des Schaltelementes darstellt.

Die Betätigungstaste 13 v/eist an ihrem oberen Ende einen Tastenkopf 14 auf, während am unteren Ende ein Permanentmagnet wie z. B. ein Ringmagnet 15 angeordnet ist. Unter dem Ringmagnet 15 ist eine Einrichtung, wie z. B. eine Feder 16 angeordnet, die die Betätigungstaste 13 ir die Ausgangsstellung zurückdrückt. Der Ringmagnet 15 kann an dem unteren Ende der Betätigungstaste 13 oder an der dem Tastenkopf 14 gegenüberliegenden Seite befestigt sein oder er kann einfach auf die Feder 16 gelegt werden. Das Gehäuse 17 weist eine Kammer 18 auf, die im wesentlichen parallel zur Bewegung der Betätigungstaste Il3 angeordnet ist und ein frei beweglicher Permanentmagnet 19 ist in dieser Kammer 18 angeordnet. Ei. ist weiterhin zu erkennen, daß ein piezoelektrisches Element 20 am Ende der Kammer 18 angeordnet ist Dieses piezoelektrische Element 20 ist so angeordnet, daß es die Kammer abdeckt, so daß verhindert wird, daß der frei bewegliche Magnet 19 aus der Kammer 18 herausfallen kann, wenn sich der Magnet hierin bewegt Das piezoelektrische Element 20 ist weiterhin mit nach

ίο außen führenden Leitungen 21 versehen.

Bei Betätigung der Betätigungstaste 13 tritt der Ringmagnet 15, der sich mit der Betätigungstaste 13 bewegt, in einen Bereich gegenseitiger Beeinflussung ein, in dem er mit dem frei beweglichen Permanentmag-

(5 ein, in dem er mit dem frei beweglichen Permanentmagnet 19 in der Kammer 18 de» Gehäuses 17 in bewegliche Permanentmagnet 19 sehr schnell in Richtung auf das piezoelektrische Element 20 gedrückt wird, das an dem einen Ende :er Kammer 18 angeordnet ist, und zwar beispielsweise auf Grund der Abstoßung, die durch die Annäherung der die gleiche Polarität aufweisenden Enden der beiden Magnete auftritt und die den Magneten zum Aufprall auf das piezoelektrische Element 20 bringt. Diese Aufprallgeschwindigkeit ist immer im wesentlichen konstant und unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Betätigungstaste 13 nach unten gedruckt wird. Das Signal oder die Spannung, die läng', des mit dem piezoelektrischen Elementes 20 verbundenen Last-Widerstandes 5 nach F i g. 1 auf Grund des Aufpralls des Permanentmagneten 19 erzeugt wird, wird in der in komplementärer MOS-Technik ausgeführten integrierten Schaltung 6 geformt und verstärkt, um ein gewünschtes Ausgangssignal zu erzeugen.

Obwohl eine Inverterschaltung in komplementärer MOS-Schaltungstechnik in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gezeigt ist, ist es mögl^;ch, s ndere Schaltungen, wie z. B. monostabile Multivibratoren oder Flip-Flop-Schaltungen zu verwenden, die im wesentliehr -! die gleiche Wirkung ergeben, wie sie weiter oben beschrieben wurde.

Das beschriebene kontaktfreie Schaltelement weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. Weil ein piezoelektrisches Element am Signaleingang verwendet wird.

werden die Tastatur und der zugehörige Mechanismus wesentlich vereinfacht. Die Herstellungskosten des Schaltelementes werden verringert weil nur eine geringere Anzahl von Bauteilen erforderlich ist und weil das piezoelektrische Element in großen Massen herstellbar ist. Weiterhin verbraucht das Schaltelement nur eine sehr geringe Betriebsleistung, weil leistungsverbrsuchende Teile fortgelassen sind Schließlich ist ein weiter Betriebsspannungsbereich möglich, der von dem Betriebsspannungsh'jreich der in komplementärer MOS-Technik ausgeführten integrierten Schaltung abhängt, und dieser Betriebsspannungsbereich liegt üblicherweise im Bereich von 1.5 bis 16 V.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kontaktfreies Schaltelement mit einer Betätigungstaste, einem piezoelektrischen Element zur Umwandlung der mechanischen Bewegung der Betätigungstaste in ein elektrisches Signal, und mit einer in komplementärer MOS-Technik ausgeführten integrierten Schaltung zur Formung und Verstärkung des von dem piezoelektrischen Element erzeugten elektrischen Signals, gekennzeichnet durch einen ersten mit der Betätigungstaste (13) beweglich angeordneten Permanentmagneten (15) und einen zweiten frei beweglichen Permanentmagneten (19), der bei Betätigung der Betätigungstaste (3, 13) durch den ersten Permanentmagneten (15) abgestoßen und gegen das piezoelektrische Element (20) gedrückt wird, das das elektrische Signal erzeugt.

2. Schaltelement nach AnSpITiCh₁ 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Permanentmagnet (15) ringförmig ist, daß der frei bewegliche Permanentmagnet (19) innerhalb dieses ringförmigen Permanentmagneten (15) angeordnet ist und daß das piezoelektrische Element (20) an dem Ende der Bewegungsbahn des zweiten frei beweglichen Permanentmagneten (19) angeordnet ist, daß dieser bei Betätigung der Betätigungstaste (3, 13) auf Grund der Abstoßung durch den ringförmigen ersten Permanentmagneten (15) erreicht.