DE2838673C2 - Verbesserung an einer piezoelektrischen Taste - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung an einer piezoelektrischen Taste nach Patent 23 14 4203 und wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist

Die in der deutschen Patentschrift 2314 4203 beschrieben, mit vom Finger ausgeübte Druckkraft zu betätigende Taste mit piezoelektrischem Wandler hat sich in ihrem praktischen Einsatz bereits vielseitig bewährt. Diese Taste liefert ein durch die Druckkraft erzeugtes piezoelektrisches Nutzsignal, das einen ausreichend großen Abstand von jeglichen auf dem Pyroeffekt beruhenden Störsignalen hat

Für diese erprobte Taste nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 der vorliegenden Anmeldung und damit nach dem obengenannten Patent läßt sich das Verhältnis des Nutzsignals zum Störsignal sogar noch vergrößern, wenn .sie gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 der vorliegenden Zusatzerfindung ausgebildet ist Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Zusatzerfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß über den Poisson-Effekt ein Anteil der in den Körper des Wandlers eingeprägten Druckkraft in einer Quer-Dilatation verlorengeht Das bedeutet daß das durch Druck erzeugte piezoelektrische Nutzsignal nicht in der Höhe austritt die bei Vernachlässigung des Poissen-Effekts zu erreichen wäre. Die vorliegende Erfindung besteht danach im Prinzip darin, Maßnahmen anzugeben, die eine Quer-Dilatation möglichst stark behindert und zwar ohne daß die durch den bestimmungsgemäßen Druck erzeugte Längenveränderung des piezoelektrischen Körpers in Druckrichtung merkbar behindert wird.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zu Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor.

F i g. I und 2 zeigen Darstellungen eines Wandlerkörpers einer piezoelektrischen Taste nach dem genannten Patent

Fig.3 bis 5 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 6 und 7 zeigen Ausführungsformen von Weiterbildungen der Erfindung.

F i g. 1 zeigt ein Bild eines piezoelektrischen Wandlerkörpers 1, wobei diese Darstellung insbesondere dazu dient, die anspruchsgemäß verwendeten Abmessungen und Definitionen zu verdeutlichen. Mit 2 ist die Richtung der bestimmungsgemäßen Druckkraft bezeichnet Die Richtung der Druckkraft 2 ist parallel zur Abmessung H. Der Wandlerkörper 1 ist gegebenenfalls jedoch nur zu einem Anteil h elektrisch polarisiert und der verbleibende Anteil (H-h)slehi zur Verwendung als Kondensator 31 für ein Störschutzglied der angeschlossenen Elektronikschaltung zur Verfügung (wie dies dem Fachmann aus der Beschreibung des Hauptpatents bekannt ist). Mit d ist die Dicke des Wandlerkörpers 1 bezeichnet. Die Dickenrichtung ist auch die Richtung der elektrischen

Polarisation P, wobei die Vorzeichenrichtung von P im Prinzip unwesentlich ist Mit / ist die Breite des Wandlerkörpers bezeichnet Diese Breite / ist vor allem für die vom Wandlerkörper 1 aufgrund des eingeprägten Druckes 2 erzeugte elektrische Leistung maßgeblieh, nachdem die Höhe der piezoelektrischen Spannung abgesehen von der Größe des Druckes durch die Abmessungen h und d gegeben ist Die mit 3 bezeichnete, gestrichelt umrandete Fläche, die im wesentlichen den Abmessungen Λ · / entspricht, ist die Fläche der einen Elektrode. Ihr gegenüber auf der in der Darstellung der Fig. 1 rückwärtigen Seite liegt ihre Gegenelektrode. Die durch Druckkraft piezoelektrisch erzeugte Spannung bzw. Leistung wird zwischen diesen beiden Elektroden abgenommen.

F i g. 2 zeigt einen Wandlerkörper t der F i g. 1, wie er zwischen bei diesem Beispiel zwei Stützkörper 64 und 164 eingefügt ist Wie dies aus der obengenannten Patentschrift dem Fachmann bekannt ist dienen diese Stützkörper 64 und 164 dazu, diesem ganzen Sandwich-Aufbau eine derartige Biegesteifigkeit zu verleihen, daß eine bestimmungsgemäße Druckkraft 2 de?, ganzen Aufbau nicht wesentlich durchzubiegen vermag. Biegeverformungen im Wandlerkörper 1 würden nämlich zu solchen, an den erwähnten Elektroden auftretenden elektrischen Signalen führen, deren Vorzeichen ganz Undefiniert sind und die im einen Falle zwar das Nutzsignal vergrößern könnten, jedoch in anderen Fällen das Nutzsignal auch verkleinern könnten. Mit den angegebenen Stützkörpern ist wie praktisch vielfach erprobt ein derartiger Störeffekt ausgeschlossen worden, und zwar ohne erwähnenswerte Nutzsignalverminderung, die eintreten würde, sofern ein solcher Stützkörper 64, 164 vergleichsweise zum Wandlerkörper 1 zu geringe Nachgiebigkeit in Richtung Whätte. ^J5

Mit Stützkörpern aus Kunststoffmaterial ist gewährleistet, daß die Stützkörper ihre Funktion zur Biegeversteifung ohne sonstige Nachteile ausüben.

Die Fig.3 und 4 zeigen Einzelheiten der Erfindung, die über den mit den F i g. 1 und 2 kurz umrissenen Stand der Technik hinausgehen. Fig.3 zeigt eine Ausführungsform einer Gitteranordnung 5, die aus Metall besteht. Eine solche Gitteranordnung 5 wird bei einer Taste dieser Erfindung auf einer oder auf beiden Seiten des Wandlerkörpers 1 zwischen diesem und dem Stützkörper 64 bzw. 164 eingefügt. Dort hat eine Gitteranordnung 5 nach der vorliegenden Erfindung ihre größte Wirksamkeit Die Stege 51 verlaufen dabei in der Abmessung /paralleler Richtung, wohingegen die Stege 52 zur Abmessung H bzw. h parallel sind. Eine in so der mit 2 angedeuteten Richtung wirkende, an sich auf den Wandlerkörper 1 ausgeübte Druckkraft führt dazu, daß die Stege 52 eine geringe Stauchung erfahren, ohne daß sie aufgrund ihrer Bemessung mit geringem Querschnitt tine nennenswerte Gegenkraft liefern. Die Stege 51 dagegen erfahren eine Zugbeanspruchung 2«, und zwar Aufgrund der bereits oben erwähnten Quer-Dilatation des Wandlerkörpers 1.

Die F i g. 4 zeigt in Aufsicht einen Längsschnitt und Fig.5 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen «) Ausführungsform, wobei der Längsschnitt zwischen der Gitteranordnung 5 und dem daraufliegenden Stützkörper 164 (siehe auch Fig.5) gelegt ist. Bei der Darstellung ndch F i g. 5 ist als Stützkörper 64 und 164 ein solcher vorgesehen, der — wie bekannt — durch < >5 Umspritzen des V.'andlerkörpers — und bei der Erfindung auch der Gitteranordnung 5 — mit Kunststoffmaterial erzeugt ist. Lediglich der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß dieses Kunststoffmaterial der Stützkörper 64 und 164 auch die Zwischenräume zwischen den Stegen 51 und 52 der Gitteranordnung mitausfüllt Daraufhin zu weisen ist, daß die Dicke einer erfindungsgemäß vorgesehenen Gitteranordnung relativ gering ist So ist z. B. bei einer Dickenabmessung d = 0,1 mm des Wandlerkörpers 1 eine Dicke von 0,2 mm für die Gitteranordnung 5 vorgesehen, wobei die Stützkörper 64 und 164 eine Dicke von 1 mm haben können.

Eine wie erfindungsgemäße Gitteranordnung 5 kann in vorteilhafter Weise mit einer Anschlußfahne 7 versehen sein und, da sie auf den bekanntermaßen als Schichten aufgebrachten Elektroden 3 der Oberfläche des Wandlerkörpers 1 liegt gleichzeitig als elektrischer Anschluß dienen. Mit zwei Gitteranordnungen 5 nach der Erfindung .erhält man somit günstig verwendbare Zuführungen für die beiden Elektroden 3.

In F i g. 6 ist eine abgewandelte Ausführungsform 150 einer erünetungsgemäßen Gitteranordnung dargestellt Die Besonderheit dieser Ausfühiüigsform. besteht darin, daß die Stege 152 und 153 vergleichsweise zu einem Steg 52 — wie dargestellt — gewinkelt ausgeführt sind. Diese Stege 152 und 153 haben eine vergleichsweise zu 52 noch geringere Kraftwirkung entgegen der bestimmungsgemäßen Druckkraft 2. Darüber hinaus haben diese Stege 152, 153 aber noch den besonderen Vorteil, eine der Quer-Dilatation entgegengerichtete, durch die Pfeile 8 angedeutete Druckkraft auf den Wandlerkörper 1 auszuüben. Ein Zusammenstauchen der auf dem Wandlerkörper 1 aufgebrachten Gitteranordnung 150 führt nämlich zu einem nach innen gerichteten Schub auf bzw. im Wandlerkörper 1.

Erfindungsgemäß vorgesehene Gitteranordnunger. 5, 150 können mit Klebstoff an der Oberfläche des Wandlerkörpers 1 angebracht sein. Gegebenenfalls kann dazu die Kunststoffmasse verwendet werden, die auch für die Wandlerkörper 64,164 verwendet wird.

Eine Gitteranordnung 5; 150 nach der Erfindung übt eine vergleichsweise zur Druckkraft 2 um mindestens eine Größenordnung geringere Gegenkraft aus.

Ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren eines piezoelektrischen Wandlerkörpers 1 mit Stützkörpern und mit wie erfindungsgemäßer Gitteranordnunn besteht darin, auf einem größeren Plättchen bzw. folienartigen Stück aus piezoelektrischem Material zunächst mit Klebstoff ein Gitterwerk aufzubringen, das eine Anzahl sie erfindungsgemäß zu verwendender Gitteramordnungen umfaßt. Vorzugsweise werden dann die beiden mit erfindungsgemäßen Gitteranordnungen versehenen Oberflächen des Plättchens bzw. der Folie mit dem die Stützkörper bildenden Kunststoffmaterial umspritzt. Die für die einzelnen Tasten zu verwendenden sandwichartigen Gebilde aus Wandlerkörper 1!, Giueranordnung 5 bzw. iäO und Stützkörper 64, Ifcll werden dann durch mechanisches Zerteilen des ursprünglichen Plättchens gewonnen.

Für eine Taste nach der vorliegenden Erfindung ist voranstehend die Verwendung einer Gitteranordnung 5, 150 beschrieben worden. Abgesehen von der erörterten Erzeugung eines gewissen Gegendrucks mit einer GiMe'anordnung 150 genügt es im Sinne der Erfindung jedoch, wenn lediglich die der Abmessung / parallel laufenden St<;ge 51 vorhanden sind, denn wie in den Fig.3 bis 5 dargestellte parallel zur Abmessung h verlaufende Stege 52 können auch weggelassen werden.

Im Prinzip ist die Anbringung nur einzelner,

voneinander getrennter Stege 5t vergleichsweise/ zur Anbringung einer Gitteranordnung 5 technisch zu aufwendig. Bei dem voranstehend angegebenen vorteilhaften Herstellungsverfahren mit nachträglicher Zerteilung eines ursprünglich größeren Substratkörpers läßt sich jedoch auch eine solche Ausführungsform der Erfindung herstellen. Fig. 7 zeigt hierzu ein Teilütück eines (vergleichsweise zum Wandlerkörper 1) größeren Plättchens 101 aus Piezokeramik, auf das eine mil 250 bezeichnete, wie bildlich dargestellte Gitteranordnung aufgebracht wird. Auch diese Gitteranordnung 250 hat — um die Stege 51 zunächst zusammenzuhalten — mit 152 bezeichnete Stege parallel zur Abmessung h. Nach Aufbringen dieser Gitteranordnung 250 erfolgt dann das mit den gestrichelten Linien 251 angedeutete Zerteilen, wobei die Zerteilungsschnitte dieser Ausführungsform der Erfindung gemäß so gelegt sind, daß jeweils nur solchf Wandlerkörper 1 übrigbleiben, vor denen Anteile des .Körpers 101, auf denen sich Stege 15 befinden, abgetrennt sind. Z. B. sind solche Anteile nui auf jeweils einer Seite eines durch Zerteilung zi gewinnenden Wandlerkörpers 1 vorhanden, so daß bc dem jeweils einen mittleren Zerteilungsschnitt keir Abfall entsteht.

Zusammenfassung

Verbesserung an einer piezoelektrischen Taste.
Taste mit Piezowandlcr (i) und mit Stützkörper (64 164) für Biegesteifigkeit nach Patent 23 14 420 erhäl zusätzlich zwischen Wandler (1) und Stützkörper (64 164) eine Gitteranordnung (5, 150, 250) mit zu Druckrichtung (2) senkrecht verlaufenden Stegen (51) die Quer-Dilatation vermeiden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Mit bestimmungsgemäß gerichteter, vom Finger ausgeübter Druckkraft zu betätigende Taste mit einem mit Elektroden zur Signalabnahme versehenen piezoelekrischen Wandler zur Ansteuerung eines elektrischen Verstärkerelementes einer elektronischen Schaltung, mit den Merkmalen, daß der Körper des Wandlers mit den Abmessungen Hl- daus piezoelektrischem Material besteht und in einem Volumen h ■ I ■ d permanent polarisiert ist und auf den Flächen h ■ 1 mit den Elektroden versehen ist, daß seine Dicke deine zur Richtung der Druckkraft senkrechte Richtung ist, / eine Abmessung senkrecht zur Dicke d und zur Richtung der Druckkraft ist und Λ < H eine Abmessung parallel zur Richtung der Druckkraft ist, daß der Körper senkrecht zur Richtung der Druckkraft annähernd konstante Querschnittsform aufweist, daß die Dicke d kleiner als 0,5 ist, kleiner als der 10. Teil der AbmessuKg ist und klein gegenüber den weiteren Abmessungen /und h ist, daß der Körper in Richtung der Dicke d zwischen den Elektroden polarisiert ist, wobei die angegebenen Bemessungen, die Polarisationsrichtung und die Richtung der Druckkraft so gewählt sind, daß das bei Piezokeramik bei Temperaturänderung auftreünde Pyrosignal im Vergleich zum piezoelektrischen Nutzsignal vernachlässigbar klein wird, und daß der Körper in Richtung seiner auf wenigstens einer seiner zur w Dicke senkrechten Flächen mit einem seine Biegesteifigkeit e. höhenden ein- oder mehrteiligen, aus Kunststoff bestehenden, rn^:> dem Körper des Wandlers fest verbundenen Stützkörper versehen ist wobei der oder die Stützkc^er in Richtung der in der Taste bestimmungsgemäß auf den Körper des Wandlers einwirkenden Druckkraft eine vergleichsweise zu dem Körper des Wandlers größere oder zumindest nicht wesentlich kleinere integrale druckelastische Nachgiebigkeit aufweist (en), nach Patent 23 14 420, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Körper (1) des Wandlers und dem zur Erhöhung der Biegesteifigkeit vorgesehenen Stütz· körper (64, 164) eine Anordnung (5, 130, 250) aus parallel zur Abmessung / verlaufenden Stegen (51) vorgesehen ist, die ein Ausweichen des Körpers (I) parallel zur Abmessung / infolge der im Betrieb auftretenden Druckeinwirkung (2) im wesentlichen Maße verhindert.

2. Taste nach Anspruch 1, gekennzeichnet ^w dadurch, daß die Anordnung eine Gitteranordnung (5) mit zusätzlichen Stegen (52) ist, die senkrecht zu den zur Abmessung /parallel ausgerichteten Stegen (51) verlaufen (F i g. 3—5), wobei die Stege (52) einen vergleichsweise zur Druckeinwirkung (2) um wenig- ^5ί stens eine Größenanordnung geringeren Gegendruck ausüben.

3. Taste nach Anspruch I₁ gekennzeichnet dadurch, daß die Anordnung (150) Verbindungsstege (152, 153) hat, die zur Abmessung / und zur ^b0 Abmessung h derart gewinkelt sind, daß sie bei der im Betrieb auftretenden Druckeinwiikung (2) einen Gegendruck parallel zur Abmessung / auf den Wandlerkörper (1 Jausüben.

4. Taste nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeich- ^b' net dadurch, daß für die Verbindung der Anordnung (5, 150, 250) mit der Oberfläche des Körpers (1) des Wandlers ein Klebstoff verwendet ist.

5. Taste nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Gitteranordnung (5, 150) elektrische Verbindung mit der auf der jeweiligen Oberfläche des Körpers (1) des Wandlers befindlichen Elektrode (3) hat und eine Kontaktfahne (7) aufweist