DK143119B - Piezoelektrisk taste - Google Patents

Description

nsjm\ \Ra/ (11) FREMLÆGGELSESSKRIFT 143119 DANMARK <»>lm.Cl.’H 03 K 17/80 «(21) Ansegning nr. 1574/74 (22) Indleveret den 21 · m8l*. 1 974 (24) Løbedag 21, mST. 197^ (44) Ansøgningen fremlagt og fremlæggehMsskriftat offentliggjort don jv · Π1°Γ* 1 yol

DIREKTORATET FOR

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET i30) Prioritet begar« fra den

22. mar. 1973, 2314420, DE

(71) SIEMENS AKTIENGESELLSCEAPT, Berlin und Muenehen, 8 Lenchen 2, Wit* Telebacherplatz 2, DE.

(72)Opfinder; Peter Kleinsehmidt, 8000 Muenehen 90, Balanstraeee 94, DE.

(74) Fuldmosgtig under sagens behandling:

Internationalt Patent-Bureau.______ (54) Piezoelektriek taste.

Opfindelsen angår en fingerbetjent taste med en piezoelektrisk omsætter, der er forsynet med elektroder og har et legeme i form af en plan, i det væsentlige rektangulær og i tykkelsesretningen polariseret, lille plade, hvorpå trykkraften indvirker i retning af en rektangelside, som mindst er det tidobbelte af pladens tykkelse.

Der kendes et stort antal tryktaster til ind- eller udkobling af elektriske strømkredse. Der kendes også tryktaster, som har piezoelektriske keramiklegemer til frembringelse af en elektrisk spænding. Tryktaster af denne art har for tilsvarende anvendelsestilfælde den fordel, at de ikke kun slutter en strømkreds, men at de selv er i stand til at frembringe spændingen til strømmen i strømkredsen ud fra den mekaniske trykkraft, som virker på dem.

1A3119 2

Piezoelektriske tryktaster realiseres især under anvendelse af bøjnings-strimler, som i det mindste delvis består af piezokeramik. Til deres betjening må den på bøjningsstrimlerne indvirkende kraft frembringe en klart iagttagelig bøjningsbevægelse af strimlen.

Fra det tyske offentliggørelsesskrift nr. 2 064 657 bekendes en yderligere udførelsesform for en piezoelektrisk tryktaste, hvor der anvendes et skiveformet legeme af piezokeramik. Den til betjening af tasten anvendte trykkraft virker på skiveoverfladen på en sådan måde, at skiven bliver sammentrykket i tykkelsesretningen. Vejen over hvilken den til betjeningen anvendte trykkraft virker, ligger her under grænsen af den menneskelige iagttagelsesevne.

Det blev imidlertid iagttaget, at piezoelektriske tryktaster er følsomme over for mere eller mindre kortvarigt optrædende temperaturændringer, den såkaldte pyroeffekt. De kan reagere på ændringer af omgivelsestemperaturen på samme måde som på tilsigtet indvirkende trykkræfter. Ganske vist optræder denne effekt ved en piezoelektrisk bøjningsstrimmel på grund af dens konstruktion kim. i underordnet grad, men konstruktionerne med en taste med bøjningsstrimler er netop relativ bekostelig og kræver dertil en mærkbar betjeningsvej.

Bortfaldet af en betjeningsvej for en kobletaste er især af interesse, hvor der er tale om støv- og/eller fugtighedstæt indbygning eller hvor der ved undgåelse af slidsåbninger langs dele, som skal bevies over for hinanden, skal undgås en beskyttelse imod muligheden af en forsætlig beskadigelse.

Fra tysk patentskrift nr. 756697 kendes der et piezoelektrisk legeme i form af en lille plade beregnet til at påvirkes med en trykkraft i retning af en dimension, som er i det mindste det tidobbelte af pladens tykkelse.

Herved kan opnås en i det væsentlige vejfri betjening uden væsentlig pyroeffekt. Det piezoelektriske legeme er imidlertid en kvartskrystal, der er meget kostbar.

Det er opfindelsens opgave at angive en billig piezoelektrisk taste, som i det væsentlige vejfrit kan kobles med trykkraft, og som med hensyn til arbejdsmåden inden for i praksis af betydning værende grænser er ufølsom over for udefra indvirkende temperaturændringer, dvs. er koblesikker.

Denne opgave løses ved hjælp af den indledningsvis angivne taste, som ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at omsætterens legeme består af piezokeramik, som er polariseret over en del af den i retning af trykkraften liggende rektangelside, hvilket legeme i retning af tykkelsen er forsynet med et støttelegeme til forøgelse af bøjningsstivheden, hvilket støttelegeme består af en eller flere dele af formstof og er forbundet med omsætterens legeme.

Anvendelsen af piezokeramik sikrer en billig taste. Som følge af formen H3119 3 kan der, lige som med det fra det tyske patentskrift nr. 756697 kendte piezo-elektriske legeme, fås en i det væsentlige vej fri betjening uden væsentlig pyroeffekt. Dette kræver dog, at det piezokeramiske legeme sikres mod udbøjning, hvilket opnås ved hjælp af støttelegemet.

Til fingerbetjening af tasten ifølge opfindelsen ligger gunstige værdier for dimensionen 1 mellem 3 og 30 ran. Især i tilfælde af en maskinbetjent taste ifølge opfindelsen er det hensigtsmæssigt at dimensionere dimensionen 1 ifølge formlen 1 * n g^ K/U, med n mellem 0,3 og 2, hvorved K i formlen er værdien af den på fladen l*d af legemet i tasten indvirkende anvendte trykkraft, g^ den piezoelektriske spændingskonstant for legemets materiale og U den forudgivne værdi af den elektriske aktiveringsspænding for den efterfølgende elektroniske kobling.

En sikker pyro-afstand, dvs. afstand mellem værdien af den ved betjening optrædende piezospænding eller -effekt og den mulige værdi af en pyro-spænding eller -effekt opnås, når man vælger dimensionen d mindre end 0,5 mm. En nederste grænse for dimensionen d er givet ved de teknologiske muligheder for fremstilling af tynde piezoelektriske keramiklegemer.

Elektroderne til at aftage den piezoelektriske spænding, på hvilke også den ifølge opfindelsen til et forholdsmæssigt minimum nedsatte pyro-spænding optræder, dækker legemets flader h · 1.

Yderligere enkeltheder ved den piezoelektriske spændingskonstant g^ kendes fra f.eks. Valvo-Handbuch: "Piezooxide", 1971, især side 20. Retningen 1 sammenfalder med den førangivne højde h, retningen 3 med den førangivne tykkelse d.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 perspektivisk viser et piezoelektrisk legeme til brug i en taste ifølge opfindelsen, fig. 2 det i fig. 1 viste legeme set fra siden, fig. 3 sammenbygningen af det peizoelektriske legeme og støttelegemer, fig. 4 en anden opbygning af et støttelegeme, fig. 5 en opbygning med et hus for det piezoelektriske legeme, fig. 6-8 forskellige former for elektroder på det piezoelektriske legeme, fig. 9 og 10 elektriske koblinger med det peizoelektriske legeme, og fig. 11 og 12 en speciel opbygning af tasten ifølge opfindelsen.

Til forklaring af enkeltheder ved lasren ifølge opfindelsen skal fig. 1 tjene. Det som elektromekanisk omsætter i tasten anvendte legeme 1 består i det mindste i et delvolumen 1’h‘d, som nærmere skal beskrives, af et materiale, som er permanent rettet, dvs. piezoelektrisk virksomt. Som sådant materiale kendes f.eks. barium-titanat og bly-titanat-zirkonat, eventuelt med de piezoelektri- 4 143119 ske egenskaber forbedrende tilsætninger. Legemet 1 har f.eks. en form, som klart kan ses i fig. 1, med dimensionerne d, 1 og dimensionen h for dette delvolumen. Den i tasten på legemet 1 foreskrevet indvirkende trykkraft og den foreskrevne retning af denne trykkraft er antydet ved pilen 2. For så vidt der ikke sker nogen retningsændring og/eller omsætning af den udefra på tasten indvirkende trykkraft, stemmer denne kraft med hensyn til retningen og størrelsen overens med den i tasten på legemet som foreskrevet betegnede kraft.

Ifølge et træk ved opfindelsen virker denne kraft i tasten parallelt i retningen af dimensionen h eller H i afbildningen ifølge fig. 1 i lodret retning på legemets overflade 3. Overfladen 3 er den i fig. 1 opad rettede flade af legemet 1 med sidedimensioneme d og 1. For nemheds skyld bliver det antaget, at denne trykkraft 2 indvirker på fladen 3's midterdel. Den til trykkraften 2 nødvendigvis på legemet modvirkende trykkraft udøves fra en som udsnit vist, skematisk antydet grundplade 4, på hvilken legemet 1 er anbragt med den sideflade, som ligger modsat fladen 3.

Legemet 1 er polariseret i dets volumenområde 1 · h · d i retningen d, som dette er vist ved hjælp af pilene 23. På de på polariseringsretningen vinkelrette overflade 1 * h af legemet befinder sig elektroder 24 og 25, af hvilke på tegningen kun er vist elektroden 25, og som tjener til polariseringen ved at påtrykke en passende høj elektrisk spænding, og fra hvilke de piezoelek-trisk frembragte spændinger, som tilføres koblingen, kan aftages.

Som allerede er nævnt, er det ved højden h betegnede delområde den egentlige piezoelektriske og dermed også pyroelektrisk virksomme del af legemet 1.

Det er fordelagtigt at gøre højden h noget mindre end legemet l’s samlede højde H. En fordel består i en varmeisolation, som senere skal forklares nærmere. En yderligere fordel er af koblingsteknisk art.

Delområdets længde 1 er i reglen (i praksis), ligeså stor som selve den tilsvarende yderdimension L af legemet. For at undgå elektriske kortslutninger mellem de over for hinanden liggende elektroder 24 og 25 kan længde 1 være noget mindre end den pågældende ySerdimension, således som dette kan ses i figurerne. For såvidt dimensionen 1 af det polariserede delvolumen er mindre end legemets yderdimension L, skal der for K tages den andel, som falder på 1. I reglen er denne korrektion unødvendig.

En særlig udførelsesform eller videreudvikling af tasten ifølge opfindelsen er indrettet således, at det piezoelektriske legeme i tasten ifølge opfindelsen ved udøvelsen af den foreskrevne trykkraft ingen eller praktisk talt kun ringe bøjningsbevægelse udfører. I fig. 2 er det i et sidebillede af legemet 1 på fladen H . d antydet, hvad der med henblik på denne udførelsesform eller videreudvikling skal forstås ved en bøjningsbevægelse. Den på den i denne afbildning ikke synlige flade 3 indvirkende kraft 2 kan føre til en udbøjning af legemet 5 U3119 1 som antydet ved de punkterede linjer 21. En sådan udbøjning af legemet 1 fører i dets piezoelektriske område til piezoelektrisk frembragte (elektriske) spændinger, som resulterer i en samlet spænding mellem elektroderne 24 og 25, hvis størrelse og fortegn er afhængig af udbøjningens art og retning, og praktisk talt ikke kan forudbestemmes. Denne spænding ville imidlertid overlejre den tilsigtede piezoelektriske spænding, som skal frembringes, ved longitudinale længdeændringer af legemet 1 som følge af trykkraften 2, og forstyrre denne på ikke forudbestemt mulig måde, hvis der optræder en udbøjning som den nævnte.

Formålet med den særlige udførelsesform eller videreudvikling af opfindelsen er altså at forhindre, at der optræder en udbøjning af det i tasten ifølge opfindelsen piezoelektrisk virksomme legeme i det mindste så meget, at der ikke opstår nogen forstyrrelse.

En bøjningsbevægelse kan foruden ved en for stor kraft 2 også indtræde ved retningsmæssig afvigende kraft. Med 5 og 15 eller 6 og 16 betegnes punkteret trykkræfter i fig. 1, der i praksis muligvis kan virke på legemet 1. Disse trykkræfter antages at være kræfter, som indvirker vinkelret på trykkraften 2 på den i fig. 1 øverste del af legemet 1. Kræfterne 5, 15 eller 6, 16 kan være kraftkomposanter af en i fig. 1 indtegnet og med 7 betegnet trykkraft, som i praksis antages at virke på tasten. Komposanterne af den tredje retning er den tilsigtede på legemet 1 indvirkende trykkraft 2.

Trykkraften 7 kan være den, f.eks. fra fingeren udøvede, udefra på tasten faktisk indvirkende trykkraft.

Ved hjælp af foranstaltningerne til bøjningsstivhed, som i enkeltheder endnu skal forklares, bliver det sikret, at praktisk talt kun en trykkraft, som skal forstås som foreskrevet i retning 2, dvs. rettet parallelt med dimensionen h i legemet,virker som en længdeændring Ah,og at en for stor trykkraft og/eller kraftkomposanter vinkelret derpå, som antydet ved 5,15 eller 6,16, i vid udstrækning er uvirksomme. Ifølge yderligere videreudviklinger, især ved indbygningen i et hus, således som det skal forklares nærmere, kan tastens ufølsomhed over for uønskede kraftpåvirkninger forhøjes yderligere.

For at undgå en bøjningsbevægelse af det piezoelektriske legeme kan der anvendes et støttelegeme, som ved sin form og sin tilknytning til det piezoelektriske legeme og eventuelt i samvirkning hermed, giver dette den nødvendige bøjningsstyrke.

Støttelegemets materiale og dimensionering vælges således, at støttelegemet af den i tasten virksomme foreskrevne trykkraft i sammenligning med omsætterens legeme har en større eller ikke væsentlig mindre integral trykelastisk eftergive lighed.

Fig. 3 viser skematisk en særlig foretrukken udførelsesform for en taste ifølge opfindelsen, ved hvilken omsætterens legeme 1 som støttelegeme på de to 6 143119 store sider 1 · H har en lille plade 64 og 164. Fortrinsvis er pladerne klæbet på legemet 1. Som klæbemateriale har duroplastisk foliebelægning, f.eks. Techni-coll 401 eller 411, med efterfølgende varmehærdning vist sig egnet. Legemet 1 og pladerne 64 og 164 danner dermed en helhed 101, som er bøjningsstiv som følge af sin lagvise opbygning. I retningen af trykkraften 2, som indvirker på legemet l's flade 3 og på fladerne 63 og 163 af pladerne 64 og 164, er pladerne 64 og 164 meget mere eftergivelige end legemet l's keramik. Trykkraften 2 virker dermed i det væsentlige i legemet 1. Som materialet til pladerne har en polyacryl-glas vist sig egnet. Pladernes tykkelse vælges således, at den nødvendige bøjningsstivhed er opnået. Derved skal der tages hensyn til, at bøj-ningsstivheden ved sammenklæbningen af legemet 1 og pladerne, bortset fra forskelle i elasticitetmodulet, stiger med 3. potens af summen af enkelttykkelserne, mens modstanden mod trykkraften kun vokser lineært med den samlede tykkelse.

De i fig. 1 viste elektroder 24, 25, 124 og 125 befinder sig på legemet 1 og dermed under pladerne 64 og 164.

Fig. 4 viser en afbildning med visse dele trukket bort fra hinanden af en udføreisesform, ved hvilken omsætterens legeme 1 befinder sig i det indre af et støttelegeme 70 med X—profil. Med 74 betegnes en afslutningsdel, som svarer til underpladen 4, og som i sammenligning med legemet*s materiale er mindre trykeftergiveligt. Med 72 betegnes en dækplade og med 76 en derover liggende plade af materiale med ringere varmeudvidelse, f.eks. invar.

Fig. 5 viser i snit en særlig foretrukken udførelsesform for opbygningen af en taste ifølge opfindelsen i et mekanisk stift hus 9θ· Legemet 1 med støttelegemerne 64 og 164, dvs. enheden 101, er anbragt mellem pladen 92, på hvilken der skal udøves det foreskrevne tryk, og den til optagelse af modtrykket nødvendige underplade 94, som svarer til pladen 4 ifølge fig. 1. Omsætterlegemet med støttelegememe holdes på plads i underpladen 94 i et indsnit 95.

På indersiden af pladen 92 holdes omsætterlegemet med støttelegememe på plads mod forskydningen til siden,f.eks. i en holdeklods 96 med en slids, som kan sammenlignes med slidsen 95. Holdeklodsen 96 er kort i sammenligning med dimensionen 1, således som det kan ses af figuren. På denne måde kan sådanne kræfter på legemet 101 gøres uvirksomme, som ellers, som følge af pladen 92's varmeudvidelse, ville kunne indvirke transversalt på legemet.

Som følge af den fortrinsvis noget eftergivelige fastholdelse i slidserne er omsætterlegemet med sine støttelegemer ufølsom over for skråt indvirkende trykkræfter, som f.eks. den med 7 i fig. 1 betegnede, fordi kraften 7's transversa 1-komposanter, selv hvis huset 90 giver efter, ikke kan fremkalde bøjning af omsætterlegemet.

Ved omsætterlegemet i udførelseseksemplet ifølge fig. 5 er den også i fig. 1 viste, særlig foretrukne videreudvikling, ifølge hvilken den i huset væ 7 143119 rende øverste del (oven for h) af omsætterlegemet 1 er piezoelektrisk inaktiv, realiseret. Denne del er også pyroelektrisk inaktiv. Tasten ifølge fig. 5 er dermed praktisk talt ufølsom over for en varmestrøm fra den øverste plade 92 ind i legemet 1 af omsætteren. Pladen 92, på hvilken trykket udøves f.eks. ved hjælp af fingeren, skal derfor ikke være særlig varmeisoleret ved anvendelsestilfælde med kun rimelige temperaturændringer af pladen 92 for at forhindre pyro- spændinger ved legemet 1. I den inaktive øverste del fordeles den fra den relativt smalle holdeklods overførte trykkraft på hele længden 1 af den aktive del h.

Ved udførelseseksemplet ifølge fig. 5 er pladen 92, på hvilken trykket indvirker, så lidt bøjningsstiv, at den overfører den væsentlige del af den foreskrevne trykkraft til legemet 101 eller 1. Huset 90's sidedele er longitu-dinalt relativt mindre eftergivelige.

Lasker 98, 99 tjener til tastens befæstelse.

Med 224 og 225 betegnes tilslutningsledninger til elektroderne 24 og 25 på legemet 1 under pladerne 64 og 164.

Det i eksemplerne ifølge fig. 3 og 5 i ét stykke værende legeme 1 med piezoelektrisk virksom del h og en ikke piezoelektrisk del H-h kan også bestå af to stykker h og H-h, som står ovenpå hinanden, som om de var ét stykke som i fig. 1. Ved hjælp af pladerne 64 og 164 sammenholdes de to stykker på en fordelagtig måde i denne stilling.

Til grund for opfindelsen ligger efterfølgende overvejelser. Ved hjælp af den piezoelektriske effekt er det muligt under anvendelse af en i permanent retning polariseret, dvs. piezoelektrisk,keramik, ved trykbelastningen at frembringe en elektrisk spænding, som er egnet til styring af en elektronisk kobling. Ved hjælp af denne kobling kan et elektromagnetisk koblerelæ betjenes. Som konstateret ved de forudgående udviklingsforsøg optræder der imidlertid ved piezoelektrisk keramik som følge af den stærke temperaturafhængighed af polarisationen en stærk pyro-effekt, der som allerede nævnt kan føre til elektriske spændinger, som uden videre kan være af samme størrelsesorden som piezoelektrisk frembragte spændinger eller endog flere størrelsesordener større. Derfor må der ved en piezoelektrisk taste stadig findes en afledning af disse ladninger, hvorved afledningen kan ske over selve keramikkens ledningsevne og/eller en parallelt liggende modstand. Det er ganske vist tænkeligt ved særlig omfattende varmeisola-tion at påvirke pyro-effekten i det mindste på en sådan måde, at de ladningsforskydninger, som ligger til grund for pyro-spændingen, sker tidsmæssigt så langsomt, at de i sammenligning med de piezoelektrisk som følge af trykindvirkningen frembragte ladningsforskydninger pr. tidsenhed er små, således at pyro-strømmen, dvs. den varmebetingede ladningsforskydning pr. tidsenhed, er lille i forhold til plezostrømmen.

8 143119

Ved tasten ifølge opfindelsen bliver der ganske vist, som det vil fremgå af enkelte udførelseseksempler, gjort brug af denne tekniske foranstaltning til nedsættelse af pyro-effektens virkninger. Som noget væsentligt ved opfindelsen beror temperaturuafhængigheden af tasten ifølge opfindelsen på konstruktive foranstaltninger, nemlig dimensioneringen og indretningen af det således dimensionerede legeme i omsætteren i tasten, at de ved en foreskreven trykkraft piezoelek-trisk frembragte spændinger eller strømme ligger væsentligt over værdierne for pyro-spændinger eller -strømme, som kan optræde som følge af i praksis under et tidsrum indtrædende temperaturændringer af legemet i omsætteren, hvorved tidsrummet er den i praksis optrædende maksimale varighed for den væsentlige forøgelse af trykkraften.

Ved hjælp af opfindelsens lære bliver der ved tasten ifølge opfindelsen opnået en betydelig, sikkerhedsafstand både for den ved den foreskrevne trykkraft frembragte piezoelektriske nyttespænding over for den pyroelektriske spænding og for de tilsvarende strømme. Tærsklerne for den efterfølgende elektroniske kobling, som skal bearbejde det piezoelektriske spændingssignal og strømsignalet, kan dermed have en betydelig afstand fra den maksimalt mulige pyro-spænding, uden at tasten ifølge opfindelsen sammen med koblingen ikke angiver noget signal ved måske noget mindre betjeningstryk.

Et væsentligt træk ved indretningen af legemet i omsætteren ifølge opfindelsen er, at den på legemet forskriftsmæssigt indvirkende trykkraft belaster dette legeme på højkant. Dette betyder, at den på tværs af trykretningen liggende tykkelsesdimension af legemet er lille, i det mindste tre gange, fortrinsvis i det mindste ti gange mindre end den i retning målte højde af legemet. I det mindste i reglen fremkommer der en værdi på 0,5 mm for tykkelsen. Med tiltagende tykkelse stiger pyro-spændingen, uden at piezo-spændingen ved uforandret trykkraft ændrer sig. Det er fordelagtigt at gøre legemet væsentligt tyndere end 0,5 mm, fordi der dermed opnås en højere pyro-afstand. I vejen for en nedsættelse af tykkelsen står i det væsentlige teknologiske vanskeligheder.

Dimensionen 1 er sammen med højden h væsentlig for elektrodernes fladestørrelser og dermed for størrelsen af den fra tasten ved trykindvirkningen leverede piezostrøm. Der skal frembringes en mindstestrøm ved trykindvirkningen , for at indgangstransistoren af den efterfølgende elektroniske kobling kan styres passende. Det er hensigtsmæssigt at dimensionere værdien 1 svarende til formlen

1 = n · g3l ♦ K/U

med n mellem 0,3 og 2. For trykværdier, som udøves ved hjælp af fingeren og som udgør ca. 1 newton, opnår man værdier mellem 3 og 20 mm ved tærskelspændinger på 1 V. Ved sådanne værdier for 1 leverer tasten ifølge opfindelsen sammen med vær 1 A3 119 dier for h, som senere skal forklares,ved fingertryk med en trykændringshastighed på ca. 10 newton/sek piezostrømstyrker, som er fuldstændig tilstrækkelige til at styre en bipolar transistor. Med andre ord opnår man en taste med lav impedans, som er egnet til direkte styring af bipolare transistorer. På en overraskende måde fremkommer der med 3 til 20 mm for værdien 1 en dimension, som praktisk talt ikke er større end fingerbredde, således at den af fingeren udøvede kraft faktisk kan udøves på den samlede flade (fladen 3 i fig. 1).

Heraf fremgår af hensyn til pyro-afstanden,at tværsnittet 1 · d inden for rammerne af teknisk realiserbare dimensioneringer skal gøres lille, hvorved det ved de ovenfor angivne værdier for 1 viser sig, at en i forhold til 1 forholdsmæssig lille værdi af d er gunstig.

For højden fremkommer der ud fra foranstående dimensioneringsforslag en værdi på nogle millimeter, især mellem 5 og 25 mm.

Til et legeme i en udførelsesform ifølge fig. 3 er til styring af en bipolar transistor med en forudgiven tærskelspænding på 0,6 V ved fingertryk med 1 til 2 newton foretrukket følgende dimensioners d = 0,05 til 0,1 mm eller 0,15 mm, 1=5 til 10 mm og h = 5 til 20 mm. Til de som støttelegemer anvendte plader 64 og 164 er valgt et copolymerisat af vinylester-vinylchlorid (astralon), poly-acrylnitril (plexiglas) eller polystyrol med en tykkelse på 0,3 til 0,6 mm for hver plade. I forhold til de nævnte materialer har keramikken ca. Z0 gange så stort elasticitetmodul.

For størrelsen af den piezoelektriske konstant g^ kan der lægges en værdi på 10 ^ V*m/newton til grund.

Ved en betjening af en sådan taste ifølge opfindelsen blev det ved hjælp af en til fingertryk typisk kraftforøgelse på 1 newton under betjeningstiden på 0,1 sek. opnået en piezoelektrisk frembragt effekt på ca. 10~ W ved en kildekapacitet på 15 nF. Deformationen af legemet i omsætteren er ved en dimensionering som angivet ved en kraft på 1 newton ca. 0,3 ^u-m stor. En taste ifølge opfindelsen har den fordel at arbejde uden hvilestrøm, son f.eks. er påkrævet ved en ligeledes vejløs kapacitiv taste.

I og for sig bliver der ved hjælp af dimensioneringen for legemet i omsætteren ifølge opfindelsen, især ved dennes lille tykkelse eller vægtykkelse i forhold til de øvrige dimensioner, fortrinsvis i forhold til højden h af det polariserede delvolumen, i reglen allerede opnået en tilstrækkelig stor afstand mellem den ved normale temperaturændringer indtrædende pyro-spænding og den ved foreskrevet tryk frembragt nytte-piezospænding. Derved har også et støttelegeme, som eventuelt findes, en gunstig indflydelse, fordi det bevirker en vis varmeisolation af det piezoelektrisk og dermed også pyroelektrisk virksomme legeme i omsætteren. Sådanne varmeisolerede støttelegemer er f.eks. pladerne 64 og 164 eller støttelegemet 70.

143110 ίο

Ved hjælp af to andre foranstaltninger, som i detaljer skal beskrives i det følgende, kan der opnås en yderligere forøgelse for pyro-afstanden, dvs. forholdet mellem nytte-piezospændingen og den uønskede pyro-spænding.

I fig. 1 og 2 betegnes med H den samlede højde af legemet 1 i omsætterei. Omsætteren i dette eksempel er imidlertid som allerede beskrevet kun polariseret til højden h og dermed kun piezoelektrisk til denne højde. Mellem elektroderne 24 og 25 kan aftages en piezoelektrisk frembragt spænding ved trykindvirkningen på legemet 1. I området (H-h)for legemet 1, dvs. mellem elektroderne 124 og 125, opstår der derimod som følge af manglen på rettet polarisation af legemets materiale ved en trykindvirkning ingen piezoelektrisk spænding mellem elektroderne 124 og 125. Som følge af manglen på en rettet polarisation opstår der heller ingen pyroelektriske spænding.

Med denne opdeling af legemet 1 i en piezoelektrisk (og pyroelektrisk) virksom og en piezoelektrisk (og pyroelektrisk) uvirksom del kan der bevirkes en meget god varmeisolation af det piezoelektrisk (og pyroelektrisk) virksomme delvolumen h · 1 * d imod varmetilførsel fra fladen 3. Fladen 3 er, som det kan ses i fig. 1, den øverste endeflade af den upolariserede del af legemet 1.

Denne fordeling fører i og for sig til et tab af mekanisk arbejde, som er nødvendigt til betjeningen af tasten ifølge opfindelsen. Tabseffekten består i, at det ikke piezoelektrisk virksomme delvolumen af legemet 1 mellem elektroderne 124 og 125 ligeledes opnår en mekanisk deformation, som dog ingen piezo-spæn-ding leverer. I reglen er et sådant arbejdstab ubetydeligt, da den dermed nødvendigvis forbundne forøgelse af den nødvendige vej for den foreskrevne trykkraft er uden interesse, fordi den totalt optrædende betjeningsvej alligevel allerede er forsvindende lille.

Højdeforholdet h/H vælges fortrinsvis mellem 0,8 og 0,6. Ved denne dimensionering ligger forøgelsen af den alligevel i reglen umærkbart store betjeningsvej ved 20% til 40%.

Den for legemet 1 førbeskrevne særlige videreudvikling er også fordelagtigt for andre former af piezoelektriske omsætterlegemer i tasten ifølge opfindelsen.

En anden teknisk foranstaltning til varmeisolation af en taste ifølge opfindelsen består i indbygningen af legemet i omsætteren af tasten i et varmeisolerende hus. Denne foranstaltning kan også anvendes som supplement til de allerede beskrevne foranstaltninger til varmeisolation.

Især fig. 4 og 5 viser sådanne indbygninger med varmeisolerende virkning. Ved varmeisolering, og dette gælder også for varmeisolation ved hjælp af de beskrevne støttelegemer, kommer det især an på, at legemet i omsætteren er U3119 11 varmelsoleret imod hurtige temperaturændringer. En langsom temperaturændring af legemetfører nemlig ved en taste ifølge opfindelsen kun til pyrospændinger, som øges lige så langsomt og dermed væsentlig langsommere end den piezoelektriske nytte-spænding. Ved en elektrisk afledning med højpasvirkning, f.eks. i form af en med piezokeramikken parallelkoblet elektrisk modstand, kan opbygningen af en fri ladning, som forårsages af pyro-spændingen yderligere undertrykkes.

Fig. 6 til 8 viser fordelagtige udførelsesformer for elektroderne. Fig.

6 viser et piezoelektrisk legeme af højden h set forfra og fig. 7 det samme legeme set fra siden. På den ene side af legemet 1 findes en gennemgående elektrode 1024. På den modsatte side af legemet 1 er elektroden 25 ifølge fig.

1 delt i to enekeltelektroder 1025 og 1026. Ved hjælp af pilene 1021 og 1022 antydes polarisationen af legemet l's materiale inden for elektroderne 1025 og 1026. Polarisationen under disse"enkeltelektroder er rettet modsat hinanden. Med 1224 og 1225 betegnes tilslutningsledninger. Som følge af den modsat rettede polarisation er det tilstrækkeligt at etablere kontakt med elektroderne på den ene side af legemet 1 og de angivne tilslutninger. Den øverste og den nederste halvdel af legemet er ved hjælp af elektroden 1024 koblet elektrisk i serie.

Fig. 8 viser en udførelsesform, som svarer til udførelsesformen ifølge fig. 6 og 7 , ved hvilken de i fig. 6 og 7 viste enkeltelektroder 1025 og 1026 er anbragt som elektroder 1125 og 1126 i højden h's retning ved siden af hinanden.

Også ved udførelsesformen ifølge fig. 8 er det tilstrækkeligt at etablere kontakt med elektroder på kun én side af legemet 1 af omsætteren. Modelelektroden 1024 er gennemgående over enkeltelektroderne på den modsatte side. Områderne under enkeltelektroderne er dermed ved hjælp af modelelektroden koblet elektrisk i serie.

I det følgende beskrives en særlig foretrukken elektronisk kobling til driften af en taste ifølge opfindelsen under henvisning til fig. 9 og 10.

Med 201 betegnes det piezoelektriske legeme af omsætteren soe ækvivalent symbol. Ved foreskrevet indvirkning af en trykkraft på omsætteren påtrykkes ved tilslutningspunkterne 203 og 205 en piezoelektrisk spænding eller der aftages ved tilslutningspunkteme en piezoelektrisk strøm. Med 207 betegnes en bipolar indgangstransistor. I tilfælde af en npn-transistor er omsætterlegemet 201's materiale polariseret således, at punktet 203 ved foreskreven trykindvirkning har positivt potentiale over for punktet 205. Med 209 betegnes en elektrisk modstand mellem basis og emitter af transistoren 207. Denne modstand tjener til at aflede i lange perioder opstående opladninger ved elektroderne 24, 25 på omsætterens legeme. Sådanne langvarige opladninger optræder især ved temperaturændringer af materialet for legemet af omsætteren som følge af den allerede nævnte pyro-effekt. Modstanden 209 har en modstandsværdi af størrelsesor 12 143119 denen 107 ohm. Modstanden 209 og kapaciteten af den piezoelektriske del af legemet 201 danner et for tasten gunstigt højpasfilter, ved hvilket modstandsværdien og kapacitetsværdien er dimensioneret til en grænsefrekvens £ 10 Hz. Passende værdier kan uden videre realiseres ved tasten ifølge opfindelsen.

På en fordelagtig måde findes der et RC-led af en modstand 211 og en kapacitet 213. Dette RC-led tjener til at gøre tasten ifølge opfindelsen særlig rystelsesufølsom. Gennem meget store vibrationer af legemet for omsætteren kan der som følge af vibrationer optræde meget højfrekvente piezoelektrisk opstående spændingsimpulser. Disse impulser er væsentlig mere højfrekvente end de piezoelektriske nyttespændingsimpulser, som bevirkes ved den tilsigtede trykkraft. Modstandsværdi og kapacitetsværdi af RC-leddet 211, 213 er dimensioneret således, at nytte-spændingsimpulserne ikke eller kun uvæsentligt afledes og de forstyrrende impulser praktisk talt kortsluttes. Som frekvensværdier til nyttespændingsimpulserne kan værdier på 10 Hz lægges til grund og til de forstyrrende impulser værdier fra 1 kHz og højere.

Det er hensigtsmæssigt, at indgangstrinnet med transistoren 207 efterkob- les et yderligere transistortrin med en transistor 217. Dermed kan man opnå,at der ved hjælp af tasten ifølge opfindelsen ved udgangen med tilslutningerne 219 -2 og 221 opnås en af tasten styret koblestrøm af størrelsesordenen 10 ampere.

Med en sådan strømstyrke kan der uden videre drives f.eks. et relæ som forbruger.

Med den viste totrinskobling kan den meget højohmske modstand 209 erstattes gennem en punkteret indtegnet modstand 233 med en flere størrelsesordener mindre modstandsværdi. Nedsættelsesfaktoren er lig med faktoren for transistoren 207's strømforstærkning. For at der i en sådan kobling med en modstand 233 i stedét for modstanden 209 ikke skal optræde en (pyro-)elektrisk opladnings-spænding med modsat rettet polaritet ved tilslutningspunkterne 203, 205, tilsluttes der en diode 235 mellem basis og emitter for indgangstransistoren 207.

Som det allerede er nævnt, lader delen H-h af legemet 1 i omsætteren, dvs. den ikke piezoelektrisk virksomme del i området mellem elektroderne 124 og 125 sig fortrinsvis anvende til kapaciteten 213. Fig. 10 viser en tilsvarende udførelsesform for koblingen ifølge fig. 9. Allerede nævnte enkeltheder har i fig. 10 med andre figurer overensstemmende henvisningstegn.

Den til det som lavpasfilter anvendte RC-led af modstanden 211 og kapaciteten 213 hørende modstand kan især ved en flad udførelsesform af legemet for omsætteren, hvilken udførelsesform er vist i figurerne anbringes som trykt modstand på en overflade af dette legeme for omsætteren. Derved kan denne modstand være en del af en af elektroderne på legemet, især en del af elektroderne 24 og 25.

U3119 13

Svarende til trækkene ved tasten ifølge opfindelsen og ganske specielt svarende til valget af polarisationens retning vinkelret på den forskriftsmæssigt indvirkende trykkraft, bliver den såkaldte piezoelektriske tværeffekt udnyttet ved tasten ifølge opfindelsen. Dermed bliver der opnået en gunstig impedansmæssig tilpasning af det piezoelektriske legeme i tastens omsætter til den i reglen forud givne indgangsimpedans af den elektroniske transistorkobling for tasten.

Fortrinsvis indbygges den elektroniske kobling for tasten i tastens hus, f.eks. i huset 90, se fig. 5.

I det efterfølgende beskrives der en særlig foretrukken fremgangsmåde til fremstilling af en med støttelegemer forsynet taste. Denne fremgangsmåde angår især en taste med fladt legeme 1 til omsætteren, og angår den mekaniske forbindelse mellem det egentlige legeme 1 for omsætteren og det eller de støttelegemer, som i fig. 3 f.eks. er betegnet med 64 og 164. Denne særlig foretrukne fremgangsmåde indeholder det fremgangsskridt under anvendelse af især termohærden-de materiale at forbinde et eller flere støttelegemer mekanisk tilstrækkeligt fast med legemet 1 for omsætteren. Derved kan det termohærdende materiale være en på den tilsvarende side af støttelegemet anbragt belægning,være af sådant materiale, eller der kan være lagt en folie af termohærdende materiale imellem. Ved anvendelse af tryk og varne bliver støttelegemet eller støttelegememe og legemet i omsætteren sammentrykt, således at det termohærdende materiale kan fremstille en vedvarende mekanisk forbindelse. Til elektrodetilslutninger ved elektroderne 24, 25 eller 124, 125 findes der ligeledes passende gennembrydninger eller udsparinger i støttelegemerne. I udsparingerne kan anvendes elektriske tilslutningsmidler, ved hjælp af hvilke der frembringes kontakt med tilslutningskontakter, der er anbragt på legemet. Den elektriske forbindelse mellem tilslutningskontak-teme og kontakterne i udsparingerne kan realiseres på en fordelagtig måde ved hjælp af i og for sig kendte pålagte ledende baner.

Fig. 11 og 12 viser en særlig foretrukken udføreIsesform for en taste ifølge opfindelsen med en f.eks. "trykt” modstand 211, som ovenfor omtalt, og kapaciteten 213. Derved viser fig. 11 og 12 i fig. 3 viste væsentlige dele af tasten, nemlig det piezoelektriske legeme 1 for omsætteren og pladerne 864 og 8164 som støttelegemer. Disse støttelegemer svarer til støtte legemerne 64 og 164, men har fødder 801 og 8101 og gennembrydninger for udsparinger 802 og 8102 til gennemgående kontaktetableringer. I afbildningen i fig. 11 er de enkelte dele trukket noget fra hinanden og afbildningen i fig. 12 er et snit XII-XII gennem fig. 11, hvorved dette snit i fig. 11 kun er antydet med hensyn til omsætterens legeme 1. Med 824 og 825 betegnes legemet l's elektroder. Med 8125 betegnes den ene elektrode i kapaciteten 213, som kan sammenlignes med elektroden 125. Modelektroden til elektroden 8125 er den Øverste del af elektroden

Claims (12)

14 143119 824. Elektroderne 825 og 8125 er ifølge fig. 11 forsynet med ansatser, hvorimellem der strækker sig en på legemet 1 anbragt modstand 8211, f.eks. et modstandslag. Denne modstand har elektrisk kontakt ved sin ene ende med elektroden 8125 og ved sin anden ende med ansatsen 8025 af elektroden 825. Denne modstand 8211 er den allerede omtalte realisering af modstanden 211 og dens modstandsværdi er dimensioneret svarende til modstanden 211 ved hjælp af valget af bredden og tykkelsen samt det anbragte modstandsmateriale for modstanden 8211. Ved hjælp af f.eks. påkacherede elektriske forbindelser 8224 og 8225, som går igennem gennembrydningerne 802 og 8102, er elektriske tilslutninger til elektroderne 824 og 8125 realiseret. I stedet for forbindelser, som går igennem gennem-brydninger, kan gennembrydningerne f.eks. også være udfyldt på en kontaktdannende måde med et elektrisk ledende materiale. De allerede nævnte fødder 801 og 8101 kan f.eks. tjene til at indsfikke den i et i fie. 11 os 12 ikke vist hus indbyggede piezoelektriske omsætter med støttelegemerne 864 og 8164 i en til den pie-zoelektriske taste anvendt fatning. Ved denne indstikning i den ligeledes ikke viste fatning bevirkes der elektriske tilslutninger til tilslutningskontakterne (8224; 8225) for tasten, hvilke tilslutninger i koblingen ifølge fig. 9 er betegnet med 224 og 225. Det bemærkes, at i fig. 11 og 12 er dimensionerne, især tykkelsesdimensio-neme, for såvel legemet som elektrodebelægningerne i sammenligning med det praktiske anvendelsestilfælde vist meget tykkere end de tilhørende længde- og breddedimensioner. Denne forvrængning af målestokken skal sikre en bedre overskuelighed af fig. 11 og 12. Faktiske dimensioner for udførelsesformer, også ifølge fig. 11 og 12» er allerede nævnt ovenfor som eksempler.

1. Fingerbetjent taste med en piezoelektrisk omsætter, der er forsynet med elektroder og har et legeme i form af en plan, i det væsentlige rektangulær og i tykkelsretningen polariseret, lille plade, hvorpå trykkraften indvirker i retning af en rektangels ide , som mindst er det tidobbelte af pladens tykkelse, kendetegnet ved, at omsætterens legeme (1) betår af p iezo keramik,som er polariseret over en del (hé H) af den i retning af trykkraften (2) liggende rektangelside (H), hvilket legeme i retning af tykkelsen (d) er forsynet med et støttelegeme (64,164) til forøgelse af bøjningsstivheden, hvilket støttelegeme består af en eller flere dele af formstof og er forbundet med omsætterens legeme (1).

2. Taste ifølge krav 1, kendetegnet ved, at elektroderne (24, 25. kun dækker den polariserede del (h*l) af legemet (1). U3119 15

3. Taste ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at støttelegemet (70) i retning parallelt med den forudsete trykkraft (2) har en X-profilform, (fig. 4).

4. Taste ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at der som støttelegeme findes en lille plade (64,164) hvis dimensioner (H eller h og 1) i det væsentlige stemmer overens med de tilsvarende dimensioner af omsætterens legeme (1), og ved at omsætterens legeme (1) og pladea (64,164) er arrangeret lagdelt (som en sandwich)(fig, 3).

5. Taste ifølge krav 4, kendetegnet ved, at omsætterens legeme (1) på begge sideflader (H*l) er forsynet med en lille plade (64,164) som støttelegemer.

6. Taste ifølge krav 4 eller 5, kendetegnet ved, at pladen eller de to plader (64,164) flademæssigt er klæbet sammen med omsætterens legeme (1), fortrinsvis ved hjælp af termohærdende plastmateriale.

7. Taste ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at støttelegemet for omsætterens legeme (1) er en påsprøjtet formstofmasse.

8. Taste ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at omsætterens legeme er indlejret i elastisk støbeharpiks som støttelegeme.

9. Taste ifølge et hvilket som helst af kravene 1-8, kendetegnet ved, at omsætterens legeme (1) er direkte omgivet af et materiale med varmeisolerende egenskaber.

10. Taste ifølge et hvilket som helst af kravene 1-9, kendetegnet ved, at omsætterens legeme (1) befinder sig i et hus som består af en underlagsplade (74) og en plade (72) som dæksel med vinkelret derpå anbragte vægge, hvor underlagspladen og dækselpladen ligger an mod endefladerne af omsætterens legeme (1 ) og hvor væggene tilsammen ikke giver væsentlig modstand mod den fore-skrevent rettede trykkraft i forhold til omsætterens legeme (1).

11. Taste ifølge et hvilket som helst af kravene 1-9, kendetegnet ved, at omsætterens legeme (1) er anbragt i et hus (90); hvis sidedele og som bund tjenende underlagsplade(94) er mindre eftergivende end omsætterens legeme (1) og ved at underlagspladen (94) og en som dæksel tjenende plade (92) ligger an mod endefladerne af omsætterens legeme (1), hvorhos dækselpladen (92)^ hvorpå den foreskrevne trykkraft udøves, kun er lidt bøjningsstiv.

12. Taste ifølge krav 10 eller 11, kendetegnet ved, at der findes et overføringsled (96) til overføring af trykkraften (2) til omsætterens legeme (1)( hvilket overføringsled kun overfører trykkraften til en lille del af endefladen (3) af legemet (1).