DE2805332B2 - Drucktastenschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Drucktastenschalter mit Schnappcharakteristik, bei dem eine mit leitenden Elektroden beschichtete piezoelektrische Kunststoffolie mittels eines Tastenknopfes verformt wird, und auf Tastenfelder für Fernsprechteilnehmerstationen mit solchen Drucktastenschaltern.

Es sind bereits Drucktasteneinheiten mit mehreren

bO Drucktastenschaltern bekannt, bei denen über einen Grundkörper mit einer Anzahl von flachen Mulden eine piezoelektrische Kunststoffolie gespannt ist, die mit leitenden Elektroden beschichtet ist. Wird die Fo-He über einer Mulde mit dem Finger berührt, so wird sie elastisch gedehnt, und es entsteht ein Spannungsimpuls an den auf der Folie angeordneten Elektroden, Die piezoelektrische Folie kann noch mit einer oder mehreren Schutzfolien abgedeckt sein. Auf einör solchen Schutzfolie oder zwischen zwei Schutzfolien kann noch ein knopfartiges Bauteil angeordnet werden, das den Fingerdruck auf die piezoelektrische Kunststoffolie überträgt. Durch geeignete Prägung einer Schutzfolie im Bereich der Berührungsfläche, kenn in bekannter Weise eine Rückstellkraft erzeugt werden, die eine Schnappcharaktcristik mit bistabilem Charakter ergibt (deutsche Patentanmeldung P 2623930.5, angemeldet am 28. 5. 1976).

Bei diesen bekannten Drucktastenschaltern ist die Verformung der gespannten piezoelektrischen Kunststoffolie verhältnismäßig gering, so daß nur eine sehr kleine Spannung erzeugt wird. Außerdem ist der Spannungsanstieg abhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Kunststoffolie eingedrückt wird.

Dies kann zwar in gewissem Maße dadurch überwunden werden, daß die Schutzfolie mit einer geeigneten Prägung vergehen wird, so daß sie eine Schnappcharakteristik erhält. Der Umschnappvorgang wird jedoch durch die gespannte piezoelektrische Fcüe stark gedämpft und die elastische Dehnung ist, durch die Bauart des Schalters bedingt, auch in diesem Falle nur gering.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schalter der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein !nogliehst starker und kurzzeitiger Spannungsimpuls erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und der Aufbau von Tastenfeldern aus Schaltern gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Ausbildung eines Domes in der piezoelektrischen Kunststoffolie wird erreicht, daß die elastische Dehnung große Werte annimmt, so daß eine verhältnismäßig große Spannung an den Elektroden erzeugt wird. Durch das freie Umschnappen des Domes in der piezoelektrischen Kunststoffolie wird erreicht, daß ein sehr kurzer Spannungsimpuls erhalten wird, der unabhängig von der Geschwindigkeit ist, mit der der Tastenknopf heruntergedrückt wird. Durch geeignete Ausbildung der Unterseite des Tastenknopfes kann ein definierter Umschnappvorgang ei
zielt werden.

Ausführungsformen der Erfindung sollen nun an Hand der Figuren näher beschrieben werden.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen in vereinfachter Darstellung die Wirkungsweise eines Drucktastenschalters gemäß der Erfindung, und

Fig. 4 zeigt ein Tastenfeld für eine Fernsprechteilnehmerstation, das mehrere Drucktastenschalter gemäß der Erfindung enthält.

Wenn der Dom D des Drucktastenschalters aus einer Kunststoffolie besteht und eine axiale Kraft auf die konvexe Seite C einwirkt, so bestehen bestimmte Beziehungen zwischen der einwirkenden Kraft und der Amplitude der Eindrückung des Teiles C.

In Fig. 1 sind verschiedene Verformungsgrade des

Domes D dargestellt. Die Kurve 1 stellt eine vollkommene Umkehrung der ursprünglichen Domkrümmung dar und wird erzielt, wenn die Bewegung nicht begrenzt wird. Die Umschnappwirkung bei unbegrenzter Bewegung der den Dom bildenden Folie ist gut bekannt. Wenn die einwirkende Kraft ansteigt, schreitet die Verformung so lange fort, bis an einem Punkt ein plötzliches Umschnappen stattfindet und dabei eine zweite, stabile Lage erreicht wird, aus welcher der Dom ohne Hilfe nicht in die ursprüngliche Position zurückspringt. Wenn ein Anschlag A vorgesehen ist, der ein vollkommenes Umschnappen verhindert, kann der Dom nur so weit verformt werden, daß er sich in einem mor.ostabilen Zustand befindet und dann, wenn die Kraft auf die Drucktaste nicht mehr einwirkt, in seine ursprüngliche Lage zurückkehrt. Eine solche begrenzte Verformung ist durch die Linien 2, 3 und 4 in Fig. 1 angedeutet.

Die Variablen, welche diese Kurven bestimmen, sind folgende:

1. Der Elastizitätsmodul des Kunststoffes,

2. die Dicke der Folie,

3. die Fläche und Form der Drucktaste, welche auf den Dom einwirkt,

4. der Abstand des Anschlags von der ursprünglichen Lage des Domes.

Die im folgenden beschriebenen Anordnungen wurden entwickelt für ein Drucktastenfeld, bei dem die Tasten bei Aufhören des Druckes in die Ausgangsposition zurückkehren müssen und ein Versagen der Drucktaste durch die Bedienungsperson festgestellt werden kann. Die ideale Nichtlinearität der Druck-Bewegungskurve läßt sich nur schwer bestimmen und hängt auch von menschlichen Faktoren ab, so daß die Drucktastenschalter einen weiten Bereich der Kennlinie umfassen. Die Eindrückung kann sehr stark sein, wie beispielsweise in Fig. 3a dargestellt, oder stufenweise immer geringer, bis sie fast unmerklich ist, wie dies in Fig. 3c dargestellt ist.

Die Taste erzeugt in dem Kunststoff einen Spannungs- oder Ladungsimpuls, so daß keine gegenseitige Berührung oder entfernung von metallischen Kontakten erforderlich ist. Der Impuls ist das Ergeonis einer Änderung der Dimensionen der piezoelektrischen Kunststoffolie, die beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) besteht, und die Spitzenspannung liegt zwischen 3 mV und 300 mV, abhängig von der Rate der Dimensionsänderung. Mittels der auf die beiden Seiten der Folie aufgebrachten Elektroden kann dieser Impuls der zugehörigen Schaltung zugeleitet werden.

Das Polyvinylidenfluorid, das als Material für die Kunststoffolie benutzt wird, die auf beiden Seiten mit Elektroden versehen ist, wird polarisiert, um ihm piezoelektrische Eigenschaften zu verleihen (vergleiche z. B. die Zeitschrift »Ultrasonics«, Januar 1976, Seite 15).

Wenn die Folie in ihrer Ebene zusammengedrückt oder gedehnt wird, wird eine Spannung zwischen den beiden Elektroden erzeugt.

Die geeignete Dicke der Folie für den Dom beträgt zwischen 20 und 150 μπι, was davon abhängt, welche Rückstellkraft auf die Taste ausgeübt werden muß. Während des Niederdrückens der Taste T, wie dies in Fig. 2a dargestellt ist, wird der Mittelteil des Domes D zuerst radial zusammengedrückt (Position 1), wobei eine Kraft entsteht, die dem Druck der Taste enteeeenwirkt. Dann wird bei einem bestimmten

Punkt der Bewegung diese gespeicherte Energie dazu verwendet, die Folie über die neutrale Lage in die Position 2 umschnappen zu lassen, wobei die Rückstellkraft auf die Taste vermindert wird und gleichzeitig nach dem Nachlassen der Zusammendrückung eine schnelle Ausdehnung stattfindet. Infolge der piezoelektrischen Eigenschaften der Folie wird ein Spannungsimpuls erzeugt, wie dies in Fig, 2b dargestellt ist. Die Bewegung des Domes kann monostabil oder bistabil sein. Bei den üblicherweise benötigten Tastenfeldern ist eine monostabile Wirkungsweise erforderlich, bei der die Taste in die Ausgangsposition zurückkehrt, wenn der Druck auf die Taste nachläßt.

Die verschiedenen Formen des Domes D sind in Fig. 1 mit 1, 2, 3 oder 4 bezeichnet. Position 1 zeigt die Umkehrung der Ausgangskrümmung und stellt den bistabilen Zustand dar, der unerwünscht ist. Die monostabilen Positionen 2, 3 und 4, die von selbst wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehren, teilen die ursprüngliche Domform in zwei Teile, und zwar einen Teil, der die ursprüngliche V. Jlbungsrichtung behält, während der andere Teil seine 'Wölbungsrichtung umkehrt. Der Wendepunkt zwischen den beiden Teilen stellt einen Energiespeicher für mechanische Spannungen dar, welcher die Kraft liefert, die den Dom in ,,eine ursprüngliche Lage zurückbringt, wenn der Druck auf die Taste aufhört.

Die Bewegung der Taste ist begrenzt durch den Anschlag A, so daß der Dom D nur so weit eingedrückt werden kann, daß er von selbst in seine Ursprungslage zurückkehrt.

Die Amplitude und Geschwindigkeit der Eindrükkungdes Domes D variieren mit der Form der Oberfläche der Taste T, die in Kontakt mit dem Dom steht, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

In Fig. 3a entspricht die Wölbung der Unterseite der Taste T der Wölbung des Domes oder ist mehr konkav als diese, und das plötzliche Zurückschnappen des Domes ist schärfer ausgeprägt als bei Tasten anderer Form, wie dies in Fig. 3b und 3c dargestellt ist, weil die Berührungsfläche mit dem Dom sehr gering ist und beim größten Abstand von der Spitze des Domes liegt. Im Gegensatz hierzu wird bei der Tastenform von Fig. 3c die Anfangskraft auf die Spitze des Domes ausgeübt, und nur eine geringe Kraft ist nötig, um den Dom umzustülpen, so daß kein plötzliches Umschnappen stattfindet.

Das Abfühlen des Eindrückens mit einem Finger, der die Taste betätigt, nimmt ab von Fig. 3a bis Fig. 3c.

Die bisherige Beschreibung bezog sich auf die mechanischen Wirkungen. Die elektrische Wirkung beim Eindrücken des Domes ist ein Impuls während des Eirdrickens und ein entgegengesetzter Impuls während des Zurückschnappens, wie dies in Fig. 2b dargestellt ist. Wenn die Elektroden an einen 'fransistoreingang mit niedriger Kapazität und hoher Impedanz angeschlossen sind, tritt eine Spannungsänderung beim Beginn der Betätigung auf, die umgekehrt wird, wenn die Taste wieder losgelassen wird. Die sich ergebende Spannung hat dann die Form eines Impulses von Fig. 2c, der dazu benutzt werden kann, einsn Oszillator oder einen anderen Signalgenerator ein- und auszuschalten.

Eine praktische Anwendung findet die Erfindung bei einem Tastenfeld für Fernsprechteilnehmerstationen mit zehn oder zwölf Tasten, von denen jede ein Paar von Tönen auslöst. Bei einem bekannten Signal-

system werden acht Frequenzen verwendet in zwei Gruppen von je vier Tönen, wobei jede Taste ein Paar von Frequenzen einschaltet, und zwar je eine von jeder Frequenzgruppe. Der Impuls von Fig. 2c kann dazu verwendert werden, eine elektronische Logikschaltung zu aktivieren, welche zwischen dem Beginn und dem Ende des Impulses die beiden Frequenzen erzeugt.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausfiihrungsform hat jeder Dom zwei Elektroden 10 und 11 an einer Seite und eine gemeinsame Elektrode auf der anderen Seite, so daß zwei Start- und Stoppimpulse erzeugt werden können, welche dazu verwendet werden können, die Frequenzpaare direkt einzuschalten. Die auf der Oberseite der Kunststoffolie angeordneten Elektroden sind in Fig. 4 mit ihren Zuleitungen ausgezogen dargestellt, während die auf der Unterseite angeordneten Elektroden und Zuleitungen gestrichelt dargestellt sind.

Es ist am vorteilhaftesten, daß alle zwölf Dome für ein Fernsprechtastenfeld in der gleichen Folie P aus Polyvinylidenfluorid angeordnet sind. Wie erwähnt, hat jeder Dom auf jeder Seite Elektroden in dem aktiven Gebiet. Vorzugsweise werden Paare von Impulsen mit Elektrodenpaaren auf einer Seite der Isolierstoffolie erzeugt, die voneinander isoliert sind.

Hier/u 3 BhUt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche;

1. Elektrischer Drucktastenschalter mit Schnappcharakteristik, bei dem eine mit leitenden Elektroden beschichtete piezoelektrische Kunststoffolie mittels eines Tastenknopfes verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Folie eine domförmige Auswölbung hat, auf der der Tastenknopf angeordnet ist, >o

2. Drucktastenschalter nach Anspruch 1- dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Taste gegenüberliegenden Seite der piezoelektrischen Folie ein Anschlag so angeordnet ist, daß die domförmige Auswölbung beim Aufhören des '5 Druckes auf die Taste in ihre Ausgangsposition zurückkehrt.

3. Drucktastenschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der domförmigen Aufwölbung der piezoelektrischen Folie aufliegende Ende der Taste konkav geformt ist.

4. Drucktastenschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der domförmigen Auswölbung der piezoelektrischen Folie aufliegende Ende der Taste im wesentlichen eben ausgebildet ist.

5. Drucktastenschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der domförmigen Auswölbung der piezoelektrischen Folie aufliegende Ende der Taste konvex ausgebildet ist. jo

6. Tastenfc-'d für Fernsprechteilnehmerstationen mit einer Anzahl von Drucktastenschaltern nach den Ansprüchen 1 bis b.

7. Tastenfeld nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckta^enschalter in ei- >"> ner 3 X 4-Matrix angeordnet sind.

8. Tastenfeld nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Logikschaltung vorgesehen ist, die mittels der Impulse beim Betätigen der Taste Tonfrequenzen erzeugt. 4«

9. Tastenfeld nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Seite jeder domförmigen Auswölbung der piezoelektrischen Folie zwei Elektroden nebeneinander angeordnet sind und auf der anderen Seite der domförmigen Aus-Wölbung der piezoelektrischen Folie eine einzelne Elektrode angeordnet ist, die den beiden anderen Elektroden gegenüberliegt, und daß die beiden nebeneinanderliegenden Elektroden die Erzeugung eines Paares von Tonfrequenzen steuern.

10. Tastenfeld nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die domförmigen Auswölbungen aller Tastenschalter in einer einzigen piezoelektrischen Kunststoffolie gebildet sind.