WO1998036494A1 - Piezoschaltelement - Google Patents

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WO1998036494A1
WO1998036494A1 PCT/CH1998/000049 CH9800049W WO9836494A1 WO 1998036494 A1 WO1998036494 A1 WO 1998036494A1 CH 9800049 W CH9800049 W CH 9800049W WO 9836494 A1 WO9836494 A1 WO 9836494A1
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piezo
switching element
housing
covering
carrier
Prior art date
Application number
PCT/CH1998/000049
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz Radde
Hansjörg Portmann
Original Assignee
Eao Ag
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/96—Touch switches
    • H03K17/964—Piezoelectric touch switches

Definitions

  • the invention relates to a piezo switching element with a support-like housing, which is provided with an element covering this, and with a piezo element, which is arranged in the support-like housing in such a way that when a compressive force acts on it, it comes from the environment adjacent to the front of the housing can generate electrical signal.
  • Such a piezo switching element can serve as an electrical control and / or switching device, the piezo element working as a mechanical-electrical converter in order to convert pressure forces, which are exerted on the piezo element by the hand of a user, for example, into electrical signals. These are then fed to electronic circuit means for further processing.
  • Piezo switching elements of this type are known, for example, from DE 43 32 927 C2.
  • the advantage of the absolute tightness of such switching elements against media is emphasized from the front and a great robustness of the piezo switching elements with respect to excessive actuation forces is also noted.
  • With the teaching according to DE 43 32 927 C2, such piezo switching elements can be mass-produced in a cost-effective and simple manner.
  • the object of the invention is to improve a piezo switching element of the type mentioned at the outset in such a way that it has a tactile switching feel.
  • this object is achieved in that the covering element is flexibly equipped and is arranged in the region of the piezo element at a spatial distance from the latter, so that it is only from the surroundings adjacent to the front side of the housing when the compressive force acts on it hangs on the piezo element and switches it.
  • the configuration of the piezo switching element according to the invention makes it possible to combine the robustness and the independence of the switching element from the surrounding climatic conditions with the tactile switching feeling that is advantageous for the user of such a switching element.
  • the covering element is a snap disk, for example a thin-walled steel snap disk.
  • the covering element is advantageously curved around the carrier-like housing.
  • the back of the carrier-like housing is sealed with a sealing compound.
  • a sealing compound is provided in the area around the piezo element on the side facing the housing front side, which deforms or adapts correspondingly to the adjacent piezo element when pressure is influenced. This then forms a supporting stop against excessive force loading of the piezo switching element and thus protects the switch against destruction.
  • the piezo switching element has a carrier-like housing 1 which, in the case of a switch which is round in plan view, forms a cylinder jacket.
  • the axis of symmetry of the housing 1 is identified by the reference number 2.
  • the arrow 3 indicates the direction in which a pressure force acts on the piezo switching element from the front of the housing when the piezo switching element is used.
  • the carrier-like housing 1 has at its end facing the front of the housing an annular groove 4 or another element for fastening the snap disk mentioned below. Furthermore, the cylinder jacket of the carrier-like housing 1 is rounded at its front end 5 and merges into a circular ring 6. A snap disk 7 extends over the circular ring 6 and the rounded end 5 of the cylinder jacket and is cup-shaped. The raised end of the snap disk 7 has an area oriented towards the axis 2, which is pre-stressed in the annular groove 4 of the carrier-like housing 1. In the exemplary embodiment shown, the carrier-like housing 1 has a shoulder 8 on its inside, against which a switching disk 9 abuts from behind.
  • An electrical circuit can be printed on this switching disk or printed circuit board 9, with which the electrical signals emitted by the piezo element 10, shown in simplified form as a box, can be processed further. These signals are forwarded via a cable connection 11 to other processing units, not shown in the figure.
  • the piezo element 10 known per se has a front surface 12 which is preferably fitted flush with the front surface of the circular ring 6.
  • a force which acts indirectly on the surface 12 from the outside leads to a deformation of the piezoelectric segment in the piezo element 10, so that a voltage arises in it, which can be used for the printed circuit board 9 as a switching signal.
  • a compensating support material 13 is advantageously provided around the piezo element 10, which adjoins flush between the circular ring 6 and the piezo element 10.
  • This compensation support material 13, which is advantageously supported on the circuit board 9, is itself flexible and deforms when the piezo switching element is influenced in the direction of arrow 3 in accordance with the adjacent piezo element up to a stop (not shown).
  • Such interaction of a flexible compensating material 13 in the form of a circular ring, for example of a compressible plastic material, with the piezo element 10 makes it possible to protect the piezo switching element against damage and possibly also against deliberate destruction in the event of excessive force.
  • the tensioning disk 7 is formed from a thin-walled, for example 0.1 mm thick steel disk. Then several million switching operations can be guaranteed for the piezo switching element according to the invention.
  • plastic, bronze or beryllium in particular can also be used as materials for the element which exhibits tactile behavior.
  • the piezo switching element is filled with a potting compound 15 from the rear.
  • Polyurethane or polyamide in particular can be used as the material for the casting compound 15.
  • the switching element according to the invention is sealed against liquids, vapors and gases, is also protected against freezing and is therefore suitable for any outdoor use.
  • the piezo switching element is round in plan view.
  • a snap disc made of stainless steel or other spring material is used as the covering element 7 with tactile behavior.
  • the carrier-like housing also consists of a rustproof material, in particular steel.
  • an external thread can be provided on the cylinder jacket, which interacts with a complementary internal thread of a hole in the control panel. If the housing 1 protrudes so far into the control or front panel that the front 12 of the piezo element 10 and thus also the circular ring 6 is flush with the front of the control panel, there are hardly any possibilities of breaking the piezo switching element out of the control panel and thereby destroying it . Due to the interaction of the circular ring 6, the support material 13 and the piezo element 10 with the spring washer 7, the piezo switching element also withstands larger point-shaped forces on its surface.
  • the piezo switching element can also be angular and in particular square. It is important to ensure that the covering element 7 exhibits tactile behavior, as is ensured, for example, by a snap disk.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Piezoschaltelement mit einem trägerartigen Gehäuse (1). Dieses ist mit einem abdeckenden Element (7) versehen. Im Gehäuse (1) ist ein Piezoelement (10) vorgesehen, welches derart angeordnet ist, dass es beim Einwirken einer Druckkraft (3) von der an der Gehäuse-Vorderseite angrenzenden Umgebung her ein elektrisches Signal erzeugen kann. Dabei ist das abdeckende Element (7) biegsam ausgestattet und im Bereich des Piezoelements (10) in einem räumlichen Abstand (14) zu diesem angeordnet, so dass es sich erst beim Einwirken der Druckkraft (3) auf das Piezoelement (10) legt und dieses schaltet. Das Piezoschaltelement verbindet die Vorteile der flachen und dichten Bauausführung eines Piezoschalters mit dem für den Benützer fühlbaren Vorteil eines taktilen Schaltgefühls. Es ist für jede Art Aussenanwendung geeignet.

Description

Piezoschaltelement
Die Erfindung betrifft ein Piezeoschaltelement mit einem tragerartigen Gehäuse, das mit einem dieses abdeckenden Element versehen ist, und mit einem Piezoelement, welches in dem trägerartigen Gehäuse derart angeordnet ist, dass es beim Einwirken einer Druckkraft von der an die Gehäuse-Vorderseite angrenzenden Umgebung her ein elektrisches Signal erzeugen kann.
Ein solches Piezoschaltelement kann als elektrische Steuer- und/oder Schalteinrichtung dienen, wobei das Piezoelement als mechanisch-elektrischer Wandler arbeitet, um Druckkräfte, die zum Beispiel von der Hand eines Benutzers auf das Piezoelement ausgeübt werden, in elektrische Signale umzuwandeln. Diese wer- den dann zur weiteren Verarbeitung elektronischen Schaltungsmitteln zugeführt.
Solche Piezoschaltelemente sind zum Beispiel aus der DE 43 32 927 C2 bekannt. Dabei wird der Vorteil der absoluten Dichtigkeit solcher Schaltelemente gegen Medien von der Frontseite her herausgestellt und ebenfalls eine grosse Robustheit der Piezoschaltelemente gegenüber ubermassigen Betatigungskraf- ten vermerkt. Mit der Lehre nach der DE 43 32 927 C2 lassen sich solche Piezoschaltelemente in grosser Serie m kostengünstiger einfacher Weise herstellen.
Eine weitere Einrichtung mit einem piezoelektrischen Element ist aus der EP 0 335 838 A2 bekannt. Dort wird insbesondere versucht, solche Piezoschaltelemente für Gerate herzustellen, die nur in kleinen Serien aufgelegt werden. Gleichzeitig ist es Ziel der genannten Druckschrift, das Piezoschaltelement ohne Beschädigung der Schaltvorrichtung ausbauen zu können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Piezoschaltelement der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass es ein taktiles Schaltgefühl aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das ab- deckende Element biegsam ausgestattet und im Bereich des Piezo- elementes in einem räumlichen Abstand zu diesem angeordnet ist, so dass es sich erst bei Einwirken der besagten Druckkraft von der an die Gehäuse-Vorderseite angrenzenden Umgebung auf das Piezoelement auflegt und dieses schaltet.
Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung des Piezoschaltelemen- tes ist es möglich, die Robustheit und die Unabhängigkeit des Schaltelementes von den umgebenden klimatischen Bedingungen mit dem für den Benutzer eines solchen Schaltelementes vorteilhaften taktilen Schaltgefühl zu kombinieren.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Piezoschaltelementes ist das abdeckende Element eine Schnappscheibe, zum Beispiel eine dünnwandige Stahl-Schnappscheibe.
Vorteilhafterweise ist das abdeckende Element um das trägerartige Gehäuse herum gekrümmt. Gleichzeitig ist die Rückseite des trägerartigen Gehäuses mit einer Vergussmasse abgeschlossen. Dadurch ergibt sich ein flüssigkeitsdichter, gasdichter und insbe- sondere witterungsbeständiger Schalter, bei dem auch ein Vereisen keine Funktionsbeeinträchtigung bewirkt. Dadurch, dass auf bewegliche abdichtende Gummielemente verzichtet werden kann, ist eine erhöhte Lebensdauer erreichbar. Vorteilhafterweise ist im Bereich um das Piezoelement herum auf der zur Gehäuse-Vorderseite weisenden Seite ein nachgiebiges Ausgleichsstützmaterial vorgesehen, welches sich bei Druckbeeinflussung entsprechend dem benachbarten Piezoelement verformt oder anpasst. Dieses bildet dann einen abstützenden Anschlag gegenüber übermässiger Kraftbeanspruchung des Piezoschaltelementes und schützt den Schalter somit vor Zerstörung.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Es wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte einzige Zeichnung beschrieben. Diese zeigt einen Querschnitt durch ein Piezoschaltelement ge äss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Piezoschaltelement verfügt über ein trägerartiges Gehäuse 1, welches im Falle eines in der Draufsicht runden Schalters einen Zylindermantel bildet. Die Symmetrieachse des Gehäuses 1 ist mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnet. Mit dem Pfeil 3 ist die Richtung angedeutet, in der bei der Benutzung des Piezoschaltelementes von der Gehäuse-Vorderseite aus eine Druckkraft auf das Piezoschaltelement einwirkt.
Das trägerartige Gehäuse 1 verfügt an seinem zur Gehäuse- Vorderseite gerichteten Ende über eine ringförmige Nut 4 oder über ein anderes Element zur Befestigung der nachfolgend genannten Schnappscheibe. Weiterhin ist der Zylindermantel des trägerartigen Gehäuses 1 an seinem vorderen Ende 5 abgerundet und geht in einen Kreisring 6 über. Über den Kreisring 6 und das abgerundete Ende 5 des Zylindermantels erstreckt sich eine Schnappscheibe 7, die topfförmig ausgestattet ist. Das hochgezogene Ende der Schnappscheibe 7 verfügt über einen zur Achse 2 hin ausgerichteten Bereich, der sich unter Vorspannung in die ringförmige Nut 4 des trägerartigen Gehäuses 1 einlegt. Das trägerartige Gehäuse 1 verfügt im dargestellten Ausführungsbeispiel an seiner Innenseite über einen Absatz 8, gegen welchen von hinten eine Schaltscheibe 9 stösst. Auf dieser Schaltscheibe oder Printplatte 9 kann eine elektrische Schaltung aufgedruckt sein, mit der die von dem als Kasten vereinfacht dargestellten Piezoelement 10 abgegebenen elektrischen Signale weiterverarbeitet werden können. Diese Signale werden über einen Kabelan- schluss 11 an andere in der Figur nicht dargestellte Verarbeitungseinheiten weitergegeben.
Das an sich bekannte Piezoelement 10 verfügt über eine Vorderfläche 12, die vorzugsweise bündig mit der Vorderfläche des Kreisringes 6 ausgestattet ist. Beim Einsatz des Piezoschaltele- mentes führt eine von aussen indirekt auf die Oberfläche 12 wir- kende Kraft zu einer Verformung des piezoelektrischen Segmentes im Piezoelement 10, so dass in diesem eine Spannung entsteht, die für die Printplatte 9 als Schaltsignal verwendet werden kann.
Vorteilhafterweise ist um das Piezoelement 10 herum ein Ausgleichsstützmaterial 13 vorgesehen, welches sich bündig zwischen dem Kreisring 6 und dem Piezoelement 10 anschliesst. Dieses Ausgleichsstützmaterial 13, das sich vorteilhafterweise auf der Schaltungsplatte 9 abstützt, ist selbst biegsam und verformt sich bei der Druckbeeinflussung des Piezoschaltelementes in Pfeilrichtung 3 entsprechend dem benachbarten Piezoelement bis hin zu einem nicht dargestellten Anschlag. Ein solches Zusammenwirken von einem biegsamen Ausgleichsmaterial 13 in Kreisringform, zum Beispiel aus einem komprimierbaren Kunststoffwerk- stoff, mit dem Piezoelement 10 gestattet es, das Piezoschaltelement bei übermässiger Kraftbeanspruchung vor Beschädigung und eventuell auch vor mutwilliger Zerstörung zu schützen. Es ist in der Figur deutlich zu erkennen, dass zwischen der Vorderseite 12 des Piezoelementes und der Hinterseite der Schnappscheibe 7 in der Ruhelage ein Abstand 14 besteht. Dieser Abstand 14 gestattet es, dass das Piezoschaltelement dem Benutzer ein taktiles Schaltgefühl vermittelt. Der Vorteil von Piezo- schaltelementen als solchen, dass keine hervorragenden Elemente bestehen, die speziell abgedichtet werden müssten, um eine Wetterbeständigkeit zu erreichen, ist nun mit dem weiteren Vorteil kombiniert, dass der Benutzer ohne eine Anzeigelampe oder eine Geräuschquelle das Schalten des Schalters erfühlen kann. Bei dem Einsatz des beschriebenen Piezoschaltelementes in Aussenberei- chen, wie Billetautomaten oder Baumaschinen ist von weiterem Vorteil, dass die beschriebene Ausführung eine erhöhte Sicherheit gegen Vandalismus aufweist. Durch das Fehlen von herausra- genden Elementen sind solche auch nicht zerstörbar.
Dadurch, dass das Piezoelement von einem nachgiebigen Ausgleichsstützmaterial 13 umgeben ist, führt eine übermässige Krafteinwirkung von aussen auf einen Teilbereich des Schalters nicht automatisch zu dessen Zerstörung, da die Kraft von mehreren Elementen (Kreisring 6, Ausgleichsstützmaterial 13, Piezoelement 10) aufgenommen werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Spannscheibe 7 aus einer dünnwandigen, zum Beispiel 0,1 Millimeter starken Stahlscheibe herausgebildet. Dann sind für das Piezoschaltelement gemäss der Erfindung mehrere Millionen Schaltvorgänge gewährleistbar. Neben Stahl sind insbesondere auch Kunststoff, Bronze oder Beryllium als Materialien für das ein taktiles Ver- halten zeigende Element einsetzbar.
Das Piezoschaltelement ist von der Rückseite her mit einer Vergussmasse 15 gefüllt. Die Vergussmasse 15, die von der Rückseite her das trägerartige Gehäuse 1 bis hin zur Printplatte 9 auf- füllt, dichtet das Piezoschaltelement von hinten ab und dient gegenüber den Kabeln 11 oder anderen Verdrahtungselementen als Zugentlastung. Als Material für die Vergussmasse 15 kann insbesondere Polyurethan oder Polyamid verwendet werden. Das Schaltelement ge äss der Erfindung ist dicht gegenüber Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen, ist auch gegen Vereisen geschützt und somit für jegliche Aussenanwendung geeignet.
In der dargestellten vorteilhaften Ausführungsform ist das Piezoschaltelement in der Draufsicht rund. Dabei wird als abdecken- des Element 7 mit taktilem Verhalten eine Schnappscheibe aus nicht rostendem Stahl oder anderem Federwerkstoff verwendet. Das trägerartige Gehäuse besteht ebenfalls aus einem nicht rostenden Material, insbesondere Stahl. Zum Einbau des Gehäuses 1 in eine Schalttafel kann an dem Zylindermantel ein Aussengewinde vorge- sehen sein, welches mit einem komplementären Innengewinde eines Loches in der Schalttafel zusammenwirkt. Wenn dabei das Gehäuse 1 soweit in die Schalt- oder Fronttafel hineinragt, dass die Vorderseite 12 des Piezoelementes 10 und damit auch der Kreisring 6 mit der Vorderseite der Schalttafel bündig abschliesst, so bestehen kaum Möglichkeiten, das Piezoschaltelement aus der Schalttafel herauszubrechen und dabei zu zerstören. Durch das Zusammenwirken von Kreisring 6, Abstützmaterial 13 und Piezoelement 10 mit der Spannscheibe 7 widersteht das Piezoschaltelement auch grösseren punktförmigen Krafteinwirkungen auf seine Ober- fläche.
In anderen Ausgestaltungen kann das Piezoschaltelement auch ek- kig und insbesondere quadratisch ausgebildet sein. Dabei muss jeweils darauf Wert gelegt werden, dass das abdeckende Element 7 ein taktiles Verhalten zeigt, wie dies zum Beispiel von einer Schnappscheibe gewährleistet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Piezoschaltelement mit einem trägerartigen Gehäuse (1), das mit einem dieses abdeckenden Element (7) versehen ist, und mit einem Piezoelement (10) , welches in dem trägerartigen Gehäu- se (1) derart angeordnet ist, dass es beim Einwirken einer Druckkraft (3) von der an der Gehäuse-Vorderseite angrenzenden Umgebung her ein elektrisches Signal erzeugen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das abdeckende Element (7) biegsam ausgestaltet und im Bereich des Piezoelementes (10) in einem räumlichen Abstand (14) zu diesem angeordnet ist, so dass es sich erst bei Einwirken der besagten Druckkraft (3) von der an die Gehäuse- Vorderseite angrenzenden Umgebung auf das Piezoelement (10) auflegt und dieses schaltet.
2. Piezoschaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das abdeckende Element (7) bei Einwirken der Druckkraft (3) ein taktiles Verhalten zeigt.
3. Piezoschaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- net, dass das abdeckende Element (7) eine Schnappscheibe ist.
4. Piezoschaltelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das abdeckende Element (7) um das trägerartige Gehäuse (1) herum gecrimpt (4) ist.
5. Piezoschaltelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das trägerartige Gehäuse (1) über eine Nut (4) verfügt, in die das abdeckende Element (7) unter Vorspannung stehend eingreift.
6. Piezoschaltelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich um das Piezoelement (10) herum auf der Gehäusevorderseite ein nachgiebiges Ausgleichsstützmaterial (13) vorgesehen ist, welches sich bei Druckbeein- flussung entsprechend dem benachbarten Piezoelement (10) verformt .
7. Piezoschaltelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als solches in eine Schalt- oder Fronttafel einsetzbar ist.
8. Piezoschaltelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es von der rückwärtigen Seite her mit einer Vergussmasse (15) abgedichtet ist.
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