WO2008125193A1 - Schalttaster- und sensoreinheit - Google Patents

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WO2008125193A1
WO2008125193A1 PCT/EP2008/002411 EP2008002411W WO2008125193A1 WO 2008125193 A1 WO2008125193 A1 WO 2008125193A1 EP 2008002411 W EP2008002411 W EP 2008002411W WO 2008125193 A1 WO2008125193 A1 WO 2008125193A1
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WO
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sensor unit
schalttaster
sensor
mechanical oscillator
mechanical
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Application number
PCT/EP2008/002411
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English (en)
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Inventor
Timo Möller
Axel Brock
Elke Hermann
Franz Hausner
Original Assignee
Genesis Adaptive Systeme Deutschland Gmbh
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    • 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
    • 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
    • H03K17/965—Switches controlled by moving an element forming part of the switch
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/96062—Touch switches with tactile or haptic feedback

Definitions

  • the invention relates to a Wegtaster- and sensor unit, in particular a continuously variable switch with which an output voltage can be adjusted continuously between a minimum value and a maximum value and which serves as a human-machine interface and a sensor unit as a machine-machine interface.
  • a typical example of a continuously variable switch is a rotary switch with an integrated rotary potentiometer.
  • an output of a switch or probe can be adjusted continuously by a soft magnetic core in a coil assembly is moved in or out in an inductive switch.
  • a user-applied mechanical stress on the switch can be detected by means of a strain gauge or the like and converted into an associated output signal.
  • DE 26 18 720 B2 has proposed a piezoelectric switch in which a dynamic measuring principle is used for a piezoelectric, thermoplastic film element.
  • a mechanical oscillator to the film element 1 in the switch operation approximated.
  • an oscillation in the film element is excited with increasing amplitude. From the measurement of the amplitude signal on the film element, the signal for driving the switch output is then generated.
  • a contact element between these two is inserted in a switch operation, which reinforces the mechanical contact and thus the vibration transmission from the vibration generator to the film element as the adjusting movement progresses.
  • a disadvantage of said arrangement is that in the state of non-actuation of the switch on the sensory element, the film element, no or only a small measurable amplitude of vibration is present, so that in this case to perform a test to determine the functionality of the switch additional design measures must be provided.
  • US Pat. No. 4,546,658 discloses a pressure sensing sensor unit comprising a mechanical oscillator and a passive vibration sensing element, wherein an elastic oscillator is provided between the mechanical oscillator and the passive element
  • the passive element rests against a carrier substrate.
  • the pressure force is at least indirectly fed to the mechanical oscillator so that the elastic intermediate layer is compressed.
  • the vibration coupling between the mechanical oscillator and the passive sensor is improved, and an increasing measurement signal, which can be processed for pressure determination, is output by the passive element.
  • the vibration transmission from the mechanical vibrator is damped to the passive element due to the interposition of the elastic intermediate layer.
  • the possibilities for self-diagnosis of the sensor unit are limited.
  • oscillations and deformations can be introduced from the substrate to the passive element, the vibration coupling of Overlap mechanical oscillator and may not be distinguished from these.
  • the invention has for its object to provide a switch and sensor unit that detects high and low internal and / or external mechanical stresses and high reaction rate. In this case, there should be a possibility for self-monitoring, so that a degradation of the unit can be determined in the sense of lifetime monitoring.
  • a switch-button unit as a human-machine interface, a stepless one should depend on the operating strength by a user
  • the switch-button unit should be ergonomically designed and designed such that a feedback possibility to the user can be realized, so that the switch-button unit can be used as a haptic human-machine interface, for example by the visually impaired.
  • the switch-button unit For training as a sensor unit for a machine-machine interface, it should be possible to easily adapt the operating voltage to the system potential, for example to a 5 Vpp signal, so that simple integration into a logic circuit or a control loop is possible.
  • the Heidelbergtaster- and sensor unit should be characterized by design and manufacturing simplicity.
  • the Heidelberg- and sensor unit comprises a mechanical oscillator, which is continuously excited by an alternating electric field to perform mechanical vibrations. These vibrations are transmitted to a sensor, the sensor detects the oscillation amplitude and outputs a corresponding AC signal.
  • This AC signal serves as a control signal for the adjustment of the output value at the output of the switch and sensor unit.
  • the control signal of the sensor is preferably fed to a power circuit, which then sets the value of the output voltage as a function of the control signal level.
  • the mechanical oscillator and the sensor are mechanically coupled as well as possible.
  • a cohesive connection wherein between the mechanical oscillator and the sensor for a preferred embodiment, only the necessary components for contacting and / or for the production of the material connection are provided.
  • the measuring principle of the switch and sensor unit according to the invention is based on a determination of the change in the vibration behavior of the mechanical oscillator due to an internal or external mechanical stress.
  • Vibrator change this change instanten and without preload detected by the sensor and processed as a measurement signal.
  • a man-machine interface of the switch and sensor unit is assigned a mechanical actuator on which the user exerts a force, wherein the actuator is at least indirectly in communication with the mechanical oscillator, so that when actuated by a damping on the mechanical oscillator entry.
  • the degree of damping determines the setting of the output value of the switch and sensor unit.
  • a machine-machine interface is one of human
  • the unit of substrate and mechanical vibrator is adapted to an external or internal deformation or stress with respect to the characteristic of the structural response.
  • a third use case is provided, for which the actuating device of the switching button is switched by a machine component.
  • a corresponding example is a position detection device for a machine tool.
  • the mechanical oscillator and the sensor are each implemented by means of adaptive materials.
  • An adaptive material is a
  • Material or a composite material which changes drastically by an external influence at least in one material property.
  • a typical example for an adaptive material is a piezoelectrics, which undergoes a structural deformation in an electric field according to the piezoelectric effect or in the opposite case a deformation due to a mechanical stress generates an electrical polarization.
  • an alternating field is applied to a first adaptive material component so that it performs a vibration and represents the active component of a mechanical vibrator.
  • the vibrations generated in this way are transmitted to a second adaptive material component, which as a sensor in dependence on the existing vibration amplitude
  • Control signal preferably in the form of an AC signal outputs, which in turn is supplied to the power circuit for driving the output of the switch and sensor unit.
  • Preferred adaptive materials for the present invention are ferroelectric materials.
  • Typical examples are piezoelectric crystals which have been given piezoelectric properties by polarization.
  • a lead zirconate titanate ceramic (PZT) is used, wherein it is possible by special dopants, such as by Ni, Pi-, Sb-, Nb ions to adjust the piezoelectric and dielectric properties of these materials.
  • PZT lead zirconate titanate ceramic
  • Most piezoelectric crystals have a perovskite structure, but piezoelectric effects are also known in other structural forms, for example AIN with a wurtzite structure.
  • Another example of a piezoelectric material is polarized polyvinyl fluoride.
  • a multilayer, stacked arrangement of piezoelectric layers with electrodes in the form of intermediate layers and outer layers is preferably used.
  • a bimorph structure is used for the actuators or sensors, wherein in the present application a bimorph structure is understood as meaning a piezoelectric layer on a carrier substrate with corresponding contacting becomes.
  • a stack arrangement of two thick-film piezoelectric layers can be used, wherein for the actuation a deformation upon application of an electric field corresponding to a bimetallic strip is generated, or the reverse effect is utilized sensorially.
  • the preferred piggyback converter may be formed as a stacking system of PZT films.
  • an electrode layer is first applied to a substrate.
  • a first PZT film layer to form the mechanical vibrator.
  • a ground electrode followed by a second PZT foil layer to form the sensor, which is completed by an overlying electrode layer for its contacting.
  • the piggyback converter described above for forming a switch and sensor unit according to the invention has several advantages.
  • the choice of the structure results in a vibration detected by the sensor, which represents a structural response of a combined unit consisting of the layer forming the mechanical oscillator and the substrate to which the extraneous vibration is introduced.
  • a force or pressure induced deformations lead to a detectable change in the
  • Vibration characteristic but also changes in temperature or changed boundary conditions, such as a change in the clamping of the substrate or the mechanical oscillator.
  • a force acting on the substrate and its ability to oscillate away from the actual mechanical oscillator can thereby be detected.
  • a mechanical oscillator which oscillates tangentially in relation to the substrate and thus generates transverse contractions or transverse elongations. This is referred to herein as Tangentialaktuatorik;
  • the term d 3 i converter is used for such a mechanical oscillator. Due to the selected force introduction direction, bending moments are present in the substrate which, in addition to the near field effect, also improve the far field effect. This is due to the fact that tangential actuators can stimulate surface waves even for strongly attenuating materials.
  • adaptive materials for forming the active components of the mechanical oscillator and of the sensor opens up the possibility of using the same material or the same composite material both in terms of actuation and sensor. This allows integration of actuatoric and sensory components, which in particular creates a small-scale and miniaturizable system.
  • a plurality of sensors is associated with a mechanical oscillator, again being particularly preferred to arrange these sensors so that they at a predetermined excitation frequency of the mechanical oscillator and especially in resonant mode at the antinodes of the sensor.
  • the output from the sensor of the invention Drucktaster- and sensor unit AC signal is fed to a circuit arrangement which adjusts the output of the Wegtaster- and sensor unit depending on the signal level at the sensor, in particular an output voltage is continuously adjusted at this output depending on the control signal received from the sensor.
  • a rectifier circuit must be provided for the power circuit.
  • a drive train is used for high-voltage applications, and the use of a high-frequency circuit controlled by the alternating voltage signal output by the sensor is conceivable.
  • Corresponding driver stages may be provided for AC applications.
  • an inverter circuit is preferably used, which allows continuous variation between a minimum value and a maximum value at the output of the switch button and sensor unit. Typically this is a power variation between 0-100%, that of the sensor of the
  • Power circuit fed control signal resulting from a signal attenuation on the mechanical oscillator which typically will not be 100% when applying a maximum force on the switch and sensor unit. Accordingly, advantageously even at maximum force the vibration of the mechanical oscillator will not completely come to a standstill. As a result, the control signal in the power circuit must be processed to scale to the possible bandwidth of the signal at the output.
  • Switching and Sensororejnheit applied driving forces and the output thereof are adjusted adjusting output value via the processing of the sensory signal in the power circuit.
  • the switch and sensor unit according to the invention can be easily adapted for different system voltages. This is because different driver circuits can be used for the external excitation of the mechanical oscillator or a uniform control can be provided with a voltage adjustment to the system voltage. A corresponding voltage adjustment can be provided on the output side, so that it is possible, the switch button and sensor unit, for example, at a TTL level of 5 V and a CMOS level of 15 V or at the on-board voltage of a motor vehicle of 24 V or in a 200 to 230 V voltage network to integrate. In the range of 5 to 15 volts, when using a piezoceramic element as a mechanical oscillator, a direct control to the external excitation can take place.
  • a mechanical actuating device is provided according to a preferred embodiment variant of the switching-button and sensor unit according to the invention.
  • Examples include a push rod or a cup spring stack assembly. Further embodiments can be selected within the scope of expert knowledge, wherein preferably by means of an elastic element a restoring force is generated so that in the event that no operation of the switch and sensor unit is present, the mechanical actuator is returned to a neutral position to the mechanical To keep the oscillator free of damping. For a simplified execution is on a Return spring omitted and permitted in the neutral position, a loose contact between the actuator and the mechanical oscillator, so that a reduced to a few components design of the switch and sensor unit is created, which is correspondingly inexpensive and failsafe.
  • the mechanical actuating device in such a way that a certain force threshold must be exceeded in order to set the switching-button and sensor unit in the on-state.
  • This can be realized, for example, by a membrane element which generates an elastic counterforce which acts against an operator and which, before a
  • the membrane element can function on the principle of a crackpot frog.
  • the membrane element can also be used to serve as a restoring element, so that it can be dispensed with further potentially susceptible to elastic components in the switch and sensor unit.
  • the Heidelberg- and sensor unit according to the invention can also be carried out without an actuating device, wherein for a short-stroke switch, the vibration is influenced by a contact of a substrate layer, which is materially connected to the mechanical oscillator. Furthermore, a laterally stiff-mounted oscillator without a substrate is conceivable, which rises by a slight bending load during actuation.
  • the switch and sensor unit according to the invention can be used in multi-mode operation, in this case it is conceivable that the user receives a choice between different excitation frequencies and in particular resonances of the mechanical oscillator.
  • a plurality of sensors is associated with a mechanical oscillator, each selectively to a particular
  • Vibration mode can be assigned, it is possible to assign different sensors different evaluation and power circuits and Thus, to be able to steer continuously with a single control element a variety of different outputs.
  • Such an assignment to a vibration mode can take place in that the sensor is of small construction and localized at a region which only has a sufficient oscillation amplitude for a specific frequency-dependent oscillation pattern. Consequently, sensors can be assigned to individual antinodes whose occurrence is frequency-selective.
  • an additional or integrated selector switch for selecting the respective mode can be provided on the switchgear and sensor unit according to the invention.
  • the user feedback about the damping generated by him on the mechanical oscillator is provided.
  • this is caused by an acoustic signal that arises directly from the vibration excitation of the mechanical oscillator. Due to the attenuation of the sound level will drop, so that an operation without visual control by means of a display element is possible.
  • This is particularly important for the creation of input devices for technical devices for the operation of the visually impaired.
  • To realize a vibro-tactile feedback also the vibration movement of the mechanical oscillator itself can be returned to the user. However, this presupposes that the oscillation amplitude is sufficiently large and that it operates with sufficiently low oscillation frequencies.
  • Vibration state outputs an audible or vibro-tactile perceptible signal on the control surface of the switch and sensor unit.
  • this separate feedback element can in turn be resorted to the signal processing of the control signal generated by the sensor.
  • the unit can be used as a machine-machine interface. Preference is given to a use for pressure measurement, for example for determining tire pressures.
  • the unit can be used for a variety of other monitoring tasks due to the high sensitivity, the simplified self-monitoring and the good integrability.
  • One possibility is to integrate the switch and sensor unit in a hospital bed to form a bed escape monitoring. Due to the weight of the patient, a force acts on the substrate with the mechanical oscillator coupled thereto. Depending on the design, either a compressive force that leads to a vibration damping arise, or the substrate may be designed so that only certain areas, such as those that are connected to a bed spreader directly absorb the force and a material tension at the location of the mechanical Schwingers becomes effective. This will characteristically change the structural response of the overall system of substrate and the mechanical vibrator for each load. It is also possible that the changed voltage conditions increase the amplitude of the externally excited oscillations.
  • Both configurations a vibration damping or a vibration amplification due to external influences, can be detected by the sensor and, in the case of a bed escape monitoring, assigned to a specific event. Due to the sensitivity of the sensor unit, further measured variables can be monitored depending on the mounting location of the sensor unit in the structuring coupled thereto. On the one hand, changes in the substrate temperature and the ambient humidity can be determined or the sensor can be integrated into a system for monitoring the breathing of sleeping newborns. Further uses for the determination of
  • FIG. 1 shows, for one embodiment variant, the layered structure of FIG
  • Figure 2 shows a sectional view through a Wegtaster- and sensor unit according to the invention.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a switch and sensor unit according to the invention.
  • FIG. 4 shows, in a principle sketch, the relationship between the data from the
  • FIG. 5 shows in a principle sketch the relationship between the force applied by the user to the switch button and sensor unit and the resulting output voltage at the output of the switch button and sensor unit according to the invention.
  • Figure 6 shows a split axial section a Wegtaster- and invention
  • FIG. 1 illustrates the layer structure of a portion of the Heidelbergtaster- and sensor unit according to the invention, wherein the representation of the control and evaluation was omitted for simplicity. Shown is the positional sequence of a substrate 18, a first electrode of the mechanical oscillator 3, a mechanical vibrator 2, a second electrode of the mechanical vibrator 4, which is formed as a ground electrode integral with the first electrode of the sensor 6, and a subsequent sensor 5 and a second electrode of the sensor 7.
  • a not ausgasender in the cured state adhesive in particular a metal-containing adhesive is used, so that the switch button and sensor unit 1 can also be used in vacuum technology.
  • the piggy-back converter shown in FIG. 1 can also be used without the substrate 18.
  • the individual electrode layers 3, 4, 6 and 7 can be adapted to the particular application. In this case, the good mechanical coupling between the mechanical oscillator 2 and the sensor 5 is to be ensured. This is preferably achieved by the material connection set out above via an intermediate electrode layer, in the present case the common ground electrode.
  • a further, preferred embodiment provides a cover substrate in addition to the lower, passive substrate layer, so that the mechanical oscillator 2 and the sensor 5 and the associated electrode layers between the
  • Substrate double layer are arranged.
  • a ceramic layer with a sufficient bearing strength is used to form the top and bottom substrate.
  • the mechanical vibrator 2 and the sensor 5 are made of a piezoelectric ceramic. It can be adjusted by the choice of material, a desired material hardness for determining the vibration characteristic.
  • PZT PIC 255 is used as a disc material with a diameter of 10 mm and a thickness of 0.2 mm. The preferred direction of polarization is in the direction of the normal of the disk surfaces. Accordingly, the mechanical vibrator will swing tangentially relative to the substrate 18.
  • FIG. 2 shows schematically simplified in a sectional view a design variant of the switch and sensor unit 1 according to the invention.
  • a mechanical oscillator 2 with a first adaptive material component is excited by means of control and evaluation electronics 10 to produce permanent oscillations.
  • the first adaptive material component used is a piezoelectric material which is designed in the form of a planar element. This sheet-like element is fixed without play in the housing body 9 of the switch button and sensor unit 1 and comprises thick piezoelectric layers.
  • a multiplicity of sensors for recording the oscillation amplitude are provided on the mechanical oscillator 2.
  • a second sensor 5.2 is exemplarily shown, which is correspondingly laterally offset from the first sensor 5 as a piggyback converter.
  • Each of the sensors 5, 5.2 can be positioned in the region of a vibration belly of the mechanical oscillator 2. Furthermore, it is conceivable to arrange the sensors 5, 5.2 in such a way and in their
  • the alternating voltage signal generated by the sensor 5, 5.2 is assigned as a control signal of a power circuit 11, which in turn, as shown in Figure 2, may be part of the control and evaluation 10.
  • the output of the switch and sensor unit is set to a specific value. Usually this will be the determination of a certain output voltage at the output electrodes of the switch and sensor unit 12.1, 12.2.
  • Switching and sensor unit 1 are exercised. This in turn leads to an attenuation of the mechanical oscillator 2, which is converted into a continuous variation of the output voltage for the switch button and sensor unit 2. This will be explained below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the operating force F applied by the user is plotted against the damping D of the mechanical oscillator.
  • the mechanical actuator 8 is designed so that a certain force threshold must be overcome before an influence of the mechanical oscillator occurs.
  • This force threshold which is initially to be overcome, serves to define a defined on / off state for the switching button and sensor unit 1.
  • a constructive possibility for realizing such a force threshold is to attach a membrane element 16 to the switching button and sensor unit 1, which is present on the outside of the switching button and sensor unit 1.
  • This membrane element 16 is arched outwards, so that a user must first overcome a force threshold in order to bend the membrane element 16 inwards, whereby it only with the plunger 17 comes into contact with a mechanical actuator and this moves axially with increasing pressure by the operator in the direction of the mechanical oscillator 2.
  • the provision of a switching hysteresis for determining the on / off state is conceivable, but not shown in detail in the figures.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment in which an elastic element for generating a restoring force on the mechanical actuating device 8 is dispensed with. Instead rests in the non-actuating state, the plunger 17 with a damping layer 15 on the mechanical oscillator 2. The basic damping thus generated is adjusted by a
  • a force threshold is initially overcome, which is caused by the membrane element 16, which is designed according to the snap-frog principle. After folding over the membrane element 16, a further increasing actuating pressure becomes a
  • the exemplary embodiment according to FIG. 3 is characterized by a reduction in the number of components, in particular components susceptible to wear such as return springs, etc. are dispensed with, resulting in a robust switch and sensor unit 1.
  • An additional embodiment provides an actuating device which is not controlled by a human user but by an environmental parameter. This may be, for example, the temperature or the humidity of the environment or an illumination or a radiation effect, which leads to an actuating movement of the actuating device.
  • an environmental parameter for example, the temperature or the humidity of the environment or an illumination or a radiation effect, which leads to an actuating movement of the actuating device.
  • shape memory materials or electrochromic or photochromic materials can be used to realize such an actuator.
  • a specific output voltage for the switching button and sensor unit 1 is assigned in the power circuit.
  • This is sketched by way of example in FIG. Shown is a scaling of a vibration damping D between 0% and 80% to an output voltage between the minimum value Ui (typically 0 volts) and a maximum value U 3 .
  • an example is shown in FIG. 5, in which a plateau is provided at a specific value of the output voltage (U 2 ) in which a predetermined interval of attenuation values is assigned a constant output signal.
  • This plateau at U 2 represents a certain detent position, which can be mapped accordingly by the design of the mechanical actuator 8, so that the user, for example, again overcome a certain threshold strength to leave this detent position.
  • This can be carried out, for example, by a Richtgesperre.
  • the power circuit 11 will be designed differently.
  • the AC signal is typically rectified by the sensor 5 and possibly processed in a driver stage, for example, for a high voltage application. It is also conceivable, depending on the application, to provide a sequential circuit, for example for the high-frequency range. Corresponding driver stages can be used for AC applications.
  • a scaling or a desired characteristic curve for the assignment of a specific control signal by the sensor to a certain level at the output of the switch and sensor unit 1 by the power circuit can be implemented.
  • the signal recorded by the sensor 5 is processed and detected, for example, a frequency drift or a permanent signal attenuation, which indicates a degradation of the adaptive material or the tearing off of anchoring points.
  • a structure monitoring can be performed, that is, changes in the environment of the switch and sensor unit 1, which influence the vibration of the mechanical vibrator 2 take and provide, for example, an indication of material fatigue measured.
  • a feedback for the user is provided, this
  • the vibrations of the mechanical oscillator are converted into an acoustic signal, so that the attenuation of the oscillation amplitude of the mechanical oscillator 2 can be perceived as a decrease in volume during operation.
  • the oscillatory motion of the mechanical oscillator At slow frequencies and large amplitudes, it is conceivable that the oscillatory motion of the mechanical
  • Schwingers 2 perceive directly at the touch of the switch button and sensor unit 1. However, when working with high frequencies and small amplitudes, it is advantageous to give the user indirect feedback by providing a separate feedback element 21 which outputs acoustic or vibratory signals to a user who is in
  • Control and evaluation 10 and can be occupied as described above in response to the control signal from the sensor 5 with a corresponding feedback signal.
  • the switch and sensor unit 1 according to the invention can be advantageously used as a human-machine interface, in addition to the requirement for an intuitive, stepless operation, a complex control task is to be solved, which makes a continuous device adjustment necessary.
  • an ergonomic switch unit is disclosed which is suitable for a variety of application fields. Examples include controls of vehicles, household appliances, machine tools or devices that come into operative contact with a human body, such as prostheses or devices for medical / diagnostic purposes or massages.
  • Particularly advantageous for these applications is the stepless adjustability, the design-related simple way of miniaturization, function monitoring and the realization of a feedback to the respective Switching position by the invention Drucktaster- and sensor unit, which can also be used in multi-mode operation.
  • FIG. 6 shows another example of application of the invention Drucktaster- and sensor unit 1 for the realization of a safety switch for operating devices. Shown is the handle 22 of a machine, such as a lawn mower. This has an inner support structure 24, which is provided in a partial section with a recess 25. In this recess 25 is a schematically simplified Heidelbergtaster- and sensor unit 1 is integrated. For simplicity, only the mechanical oscillator 2 and the sensor 5 are outlined. In this case, the mechanical oscillator 2 is arranged on the substrate side, that is, it is about not shown in detail interposed electrode layers for contacting in cohesive contact with the bottom portion of the recess 25 of the inner support structure 24.
  • vibrations in the handle 22 a couples this, in particular in one embodiment in Tangentialaktuaktorik, vibrations in the handle 22 a.
  • a strongly damping material such as plastic for the handle 22, since in the far field predominantly surface vibrations are present which have an amplitude in the micrometer range.
  • the handle 22 is included in the operation of the user's hand, occurs via the sensor 5 detectable change in the vibration characteristic of the entire system of mechanical oscillator 2 and the handle 22, which can be used to realize a deadman function.
  • the switching-button and sensor unit 1 according to the invention can be used for a multiplicity of further machine-machine interfaces for which there is an external or internal state change which leads to stresses in the mechanical oscillator 2 or in the structures connected thereto. This can be a change in pressure, temperature, humidity or mechanical stresses or deformations. This is it it is possible to use the switch panel and sensor unit 1 according to the invention for structural monitoring, for example for heavily loaded and aging-bearing support structures of a building.
  • the control and evaluation electronics 10 of the switch button and sensor unit 1 can then output a warning message at a threshold value, a specific event or due to a specific load history.

Landscapes

  • Push-Button Switches (AREA)
  • Switch Cases, Indication, And Locking (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schalttaster- und Sensoreinheit umfassend - eine Leistungsschaltung zur Ausgabe einer Ausgangsspannung; einen mechanischen Schwinger mit einer ersten adaptiven Materialkomponente, die mittels eines elektrischen Wechselfelds in mechanische Schwingungen versetzt wird; - einen Sensor mit einer zweiten adaptiven Materialkomponente, die mit dem mechanischen Schwinger mitschwingt und in Abhängigkeit der Schwingungsamplitude ein Wechselspannungssignal ausgibt, das als Steuersignal für die Leistungsschaltung dient; dadurch gekennzeichnet, dass - der mechanische Schwinger und der Sensor jeweils lagenweise ausgebildet und über wenigstens eine zwischenliegende Elektrodenschicht stoffschlüssig verbunden sind.

Description

Schalttaster- und Sensoreinheit
Die Erfindung betrifft eine Schalttaster- und Sensoreinheit, insbesondere einen stufenlosen Schalttaster, mit dem eine Ausgangsspannung kontinuierlich zwischen einem Minimalwert und einen Maximalwert eingestellt werden kann und der als Mensch-Maschine-Schnittstelle dient sowie eine Sensoreinheit als Maschine- Maschine-Schnittstelle.
Ein typisches Beispiel eines stufenlosen Schalters ist ein Drehschalter mit einem integrierten Drehpotentiometer. Alternativ kann ein Ausgang eines Schalters beziehungsweise Tasters kontinuierlich nachgestellt werden, indem in einem induktiven Schalter ein weichmagnetischer Kern in eine Spulenanordnung ein- oder ausgefahren wird. Ferner kann eine von einem Benutzer aufgebrachte mechanische Spannung am Schalter mittels eines Dehnungsmessstreifens oder dergleichen erfasst und in ein zugeordnetes Ausgangssignal umgesetzt werden.
Zur Bestimmung der Betätigungskraft am Schalter ist es möglich, eine piezoelektrische Komponente in den Schalter zu integrieren. Diese wird bei Druckbeaufschlagung und der daraus resultierenden mechanischen Spannung im piezoelektrischen Material eine messbare Polarisation aufweisen, die wiederum zur Steuerung des Ausgangssignals herangezogen werden kann. Ein Beispiel für einen statisch arbeitenden piezoelektrischer Taster ist in der DE 26 14 106 B1 offenbart. Nachteilig an einer solchen Anordnung ist die beschränkte Sensitivität des Schalters, was insbesondere bei einer schwachen Berührung problematisch ist. Darüber hinaus ist für ein statisch beanspruchtes piezoelektrisches Material eine Überwachung des Schalters nur durch zusätzliche Maßnahmen möglich, so dass eine Prüfung der Funktionsfähigkeit des Schalters schwierig ist.
Als Verbesserung wurde durch die DE 26 18 720 B2 ein piezoelektrischer Schalter vorgeschlagen, bei dem für ein piezoelektrisches, thermoplastisches Filmelement ein dynamisches Messprinzip verwendet wird. Dabei wird bei der Schalterbetätigung ein mechanischer Schwinger an das Filmelement 1 angenähert. Als Folge des abnehmenden Abstands zwischen Schwingungserreger und Filmelement wird eine Schwingung im Filmelement mit zunehmender Amplitude angeregt. Aus der Messung des Amplitudensignals am Filmelement wird dann das Signal zur Ansteuerung des Schalterausgangs generiert. Gemäß einer Ausgestaltungsalternative dieses Schalters wird bei einer Schalterbetätigung anstatt der Annäherung zwischen dem Schwingungsgeber und dem sensorisch verwendeten Filmelement ein Kontaktelement zwischen diese beiden eingeschoben, welches bei fortschreitender Stellbewegung den mechanischen Kontakt und damit die Schwingungsübertragung vom Schwingungsgeber auf das Filmelement verstärkt. Nachteilig an der genannten Anordnung ist, dass beim Zustand der Nicht-Betätigung des Schalters am sensorischen Element, dem Filmelement, keine oder nur eine geringe messbare Schwingungsamplitude vorliegt, so dass für diesen Fall zur Ausführung eines Tests zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit des Schalters zusätzliche konstruktive Maßnahmen vorgesehen sein müssen.
Des Weiteren wird durch die US 4 546 658 eine Sensoreinheit zur Messung von Drücken offenbart, die einen mechanischen Schwinger und ein passives, zur Schwingungsmessung dienendes Element umfasst, wobei zwischen dem mechanischen Schwinger und dem passiven Element eine elastische
Zwischenlage angeordnet ist. Ferner liegt das passive Element an einem Trägersubstrat an. Zur Druckmessung wird die Druckkraft wenigstens mittelbar dem mechanischen Schwinger so zugeleitet, dass die elastische Zwischenlage komprimiert wird. Als Folge wird die Schwingungskopplung zwischen dem mechanischen Schwinger und dem passiven Sensor verbessert und ein zunehmendes, zur Druckermittlung verarbeitbares Messsignal wird vom passiven Element ausgegeben. Insbesondere im nicht-betätigten Zustand wird die Schwingungsübertragung vom mechanischen Schwinger zum passiven Element aufgrund der Zwischenanordnung der elastischen Zwischenlage gedämpft. Hierdurch sind die Möglichkeiten zur Selbstdiagnose der Sensoreinheit beschränkt. Ferner können vom Substrat aus Schwingungen und Deformationen zum passiven Element eingeleitet werden, die die Schwingungseinkopplung vom mechanischen Schwinger überlagern und unter Umständen nicht von diesen zu unterscheiden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schalttaster- und Sensoreinheit anzugeben, die interne und/oder externe mechanische Spannungen hochauflösend und mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit detektiert. Dabei soll eine Möglichkeit zur Selbstüberwachung gegeben sein, so dass im Sinne einer Lebensdauerüberwachung eine Degradation der Einheit bestimmt werden kann. Für eine Schalttastereinheit als Mensch-Maschine-Schnittstelle sollte in Abhängigkeit der Betätigungsstärke durch einen Benutzer eine stufenlose
Verstellmöglichkeit am Ausgang der Schalttastereinheit gegeben sein. Darüber hinaus sollte für eine Weitergestaltung die Schalttastereinheit ergonomisch gestaltet und so ausgeführt sein, dass eine Rückkopplungsmöglichkeit zum Benutzer realisiert werden kann, so dass die Schalttastereinheit als haptische Mensch-Maschine-Schnittstelle beispielsweise von Sehbehinderten verwendet werden kann. Für eine Ausbildung als Sensoreinheit für eine Maschine-Maschine- Schnittstelle sollte eine einfache Anpassung der Betriebsspannung an das Anlagenpotenzial möglich sein, zum Beispiel an ein 5 Vpp-Signal, so dass eine einfache Integration in eine logische Schaltung oder einen Regelkreis möglich ist. Außerdem sollte sich die Schalttaster- und Sensoreinheit durch konstruktive und fertigungstechnische Einfachheit auszeichnen.
Die Schalttaster- und Sensoreinheit umfasst einen mechanischen Schwinger, der durch ein elektrisches Wechselfeld kontinuierlich zur Ausführung von mechanischen Schwingungen angeregt wird. Diese Schwingungen werden auf einen Sensor übertragen, wobei der Sensor die Schwingungsamplitude erfasst und ein entsprechendes Wechselspannungssignal ausgibt. Dieses Wechselspannungssignal dient als Steuersignal für die Einstellung des Ausgabewerts am Ausgang der Schalttaster- und Sensoreinheit. Hierzu wird bevorzugt das Steuersignal des Sensors einer Leistungsschaltung zugeführt, die dann abhängig vom Steuersignalpegel den Wert der Ausgangsspannung festsetzt. Der mechanische Schwinger und der Sensor sind möglichst gut mechanisch gekoppelt. Bevorzugt wird eine stoffschlüssige Verbindung, wobei zwischen dem mechanischen Schwinger und dem Sensor für eine bevorzugte Ausgestaltung lediglich die zur Kontaktierung und/oder zur Herstellung des Stoffschlusses notwendigen Komponenten vorgesehen sind. Hiervon ausgehend beruht das Messprinzip der erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit auf einer Bestimmung der Veränderung des Schwingungsverhaltens des mechanischen Schwingers aufgrund einer internen oder externen mechanischen Spannung. Dabei können sich die Schwingungsamplitude, die Frequenz, die Güte, die relative Phasenlage oder die dominante Schwingungsmode des mechanischen
Schwingers verändern, wobei diese Veränderung instanten und ohne Vorlast vom Sensor detektiert und als Messsignal weiterverarbeitet wird.
Für die Verwendung als Mensch-Maschine-Schnittstelle wird der Schalttaster- und Sensoreinheit eine mechanische Betätigungseinrichtung zugeordnet, auf die der Benutzer eine Kraft ausübt, wobei die Betätigungseinrichtung wenigstens mittelbar in Verbindung zum mechanischen Schwinger steht, so dass bei deren Betätigung eine Dämpfung am mechanischen Schwinger eintritt. Der Grad der Dämpfung bestimmt die Einstellung des Ausgangswerts der Schalttaster- und Sensoreinheit. Im Fall einer Maschine-Maschine-Schnittstelle ist eine vom menschlichen
Benutzer bedienbare Betätigungseinrichtung nicht notwendig. Stattdessen wird für die jeweilige Verwendung die Einheit aus Substrat und mechanischer Schwinger bezüglich der Charakteristik der Strukturantwort auf eine äußere oder interne Deformation oder Spannung angepasst. Ferner ist ein dritter Verwendungsfall vorgesehen, für den die Betätigungseinrichtung des Schalttasters von einer Maschinenkomponente geschaltet wird. Ein entsprechendes Beispiel ist eine Lagedetektionsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine.
Ferner werden erfindungsgemäß der mechanische Schwinger und der Sensor jeweils mittels adaptiver Materialien ausgeführt. Ein adaptives Material ist ein
Werkstoff oder ein Werkstoffverbund, der durch eine äußere Beeinflussung sich wenigstens in einer Materialeigenschaft drastisch verändert. Ein typisches Beispiel für ein adaptives Material ist ein Piezoelektrika, das gemäß des piezoelektrischen Effekts in einem elektrischen Feld einer Strukturdeformation unterliegt beziehungsweise im umgekehrten Fall eine Deformation aufgrund einer mechanischen Spannung eine elektrische Polarisation erzeugt.
Für die vorliegende Erfindung wird an eine erste adaptive Materialkomponente ein Wechselfeld angelegt, so dass diese eine Schwingung ausgeführt und die aktive Komponente eines mechanischen Schwingers darstellt. Die so erzeugten Schwingungen werden auf eine zweite adaptive Materialkomponente übertragen, die als Sensor in Abhängigkeit der vorliegenden Schwingungsamplitude ein
Steuersignal, bevorzugt in Form eines Wechselspannungssignals, ausgibt, das wiederum der Leistungsschaltung zur Ansteuerung des Ausgangs der Schalttaster- und Sensoreinheit zugeleitet wird.
Bevorzugte adaptive Materialien für die vorliegende Erfindung stellen ferroelektrische Materialien dar. Typische Beispiele sind piezoelektrische Kristalle, denen durch eine Polarisierung piezoelektrische Eigenschaften verliehen wurden. Bevorzugt wird eine Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT) verwendet, wobei es durch spezielle Dotierungen, etwa durch Ni-, Pi-, Sb-, Nb-Ionen möglich ist, die piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaften dieser Materialien einzustellen. Meist weisen piezoelektrische Kristalle eine Perowskitstruktur auf, allerdings sind piezoelektrische Effekte auch bei anderen Strukturformen, zum Beispiel für AIN mit einer Wurzitstruktur bekannt. Ein weiteres Beispiel für ein piezoelektrisches Material ist polarisiertes Polyvinylfluorid.
Zur Ausbildung eines mechanischen Schwingers beziehungsweise eines Sensors aus einem piezoelektrischen Material wird bevorzugt eine mehrlagige, gestapelte Anordnung piezoelektrischer Schichten mit in Form von Zwischenlagen und Außenschichten ausgebildeten Elektroden verwendet. Besonders bevorzugt wird eine Bimorphstruktur für die Aktorik oder Sensorik verwendet, wobei in der vorliegenden Anmeldung unter einer Bimorphstruktur eine piezoelektrische Schicht auf einem Trägersubstrat mit entsprechender Kontaktierung verstanden wird. Gemäß einer möglichen Weitergestaltung kann eine Stapelanordnung aus zwei piezoelektrischen Dickschichtlagen verwendet werden, wobei zur Aktuation eine Deformation beim Anlegen eines elektrischen Felds entsprechend eines Bimetallstreifens erzeugt wird, beziehungsweise der umgekehrte Effekt sensorisch ausgenutzt wird. Ferner besteht die Möglichkeit, in das aktorische Element den Sensor zu integrieren oder diesen auf einer Aktorfläche auszubilden, was nachfolgend als Huckepackwandler bezeichnet wird. Dabei ist es möglich, dass Aktoren und Sensoren gemeinsame Elektroden, beispielsweise Masseleitungen, aufweisen.
Der bevorzugt verwendete Huckepackwandler kann als Stapelsystem aus PZT- Folien ausgebildet sein. Dabei wird auf einem Substrat zunächst eine Elektrodenschicht aufgebracht. Auf diese folgt eine erste PZT-Folienschicht zur Ausbildung des mechanischen Schwingers. Hierauf wird eine Massenelektrode gesetzt, als Nächstes folgt eine zweite PZT-Folienschicht zur Ausbildung des Sensors, die durch eine darüber gelagerte Elektrodenschicht für ihre Kontaktierung komplettiert wird.
Der voranstehend beschriebene Huckepackwandler zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit weist mehrere Vorteile auf. Zum einen ergibt sich aus der Wahl der Struktur eine vom Sensor detektierte Schwingung, die eine Strukturantwort einer kombinierten Einheit darstellt, die aus der Schicht zur Ausbildung des mechanischen Schwingers und dem Substrat besteht, auf das die fremderregte Schwingung eingeleitet wird. Als Folge führen nicht nur durch eine Kraft- beziehungsweise Druckeinwirkung bedingte Deformationen zu einer detektierbaren Veränderung der
Schwingungscharakteristik, sondern auch Temperaturänderungen oder veränderte Randbedingungen, wie eine Veränderung der Einspannung des Substrats oder des mechanischen Schwingers. Eine Krafteinwirkung, die entfernt vom eigentlichen mechanischen Schwinger auf das Substrat und dessen Schwingungsfähigkeit wirkt, kann hierdurch detektiert werden. Besonders bevorzugt wird ein mechanischer Schwinger, der im Verhältnis zum Substrat tangential schwingt und damit Querkontraktionen beziehungsweise Querelongationen erzeugt. Dies wird vorliegend als Tangentialaktuatorik bezeichnet; ferner wird für einen solchen mechanischen Schwinger der Begriff d3i- Wandler verwendet. Aufgrund der gewählten Krafteinleitungsrichtung stehen Biegemomente im Substrat, die zusätzlich zur Nahfeldwirkung auch die Fernfeldwirkung verbessern. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durch eine Tangentialaktuatorik auch für stark dämpfende Materialien Oberflächenwellen angeregt werden können.
Die erfindungsgemäße Verwendung adaptiver Materialien zur Ausbildung der aktiven Komponenten des mechanischen Schwingers und des Sensors eröffnet die Möglichkeit, den gleichen Werkstoff beziehungsweise den gleichen Werkstoffverbund sowohl aktorisch wie auch sensorisch zu verwenden. Dies ermöglicht eine Integration aktorischer und sensorischer Komponenten, wodurch insbesondere ein kleinbauendes und miniaturisierbares System entsteht.
Ferner besteht durch das ständige Vorliegen einer Schwingungsanregung am mechanischen Schwinger der erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit eine einfache Möglichkeit zur Funktionsüberwachung. So ist es insbesondere möglich, über den Sensor auch bei Nicht-Betätigung des Schalttasterelements eine Abschwächung des Signalpegels festzustellen, die auf eine möglich Degradation oder den Ausfall der aktiven Komponenten des Schalttastelements hindeutet. Weiterhin ist es möglich, aufgrund der einfachen Miniaturisierbarkeit die aktiven Komponenten, den mechanischen Schwinger und den oder die zugeordneten Sensoren mehrfach auszubilden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird eine Vielzahl von Sensoren einem mechanischen Schwinger zugeordnet, wobei wiederum besonders bevorzugt wird, diese Sensoren so anzuordnen, dass sie bei einer vorgegebenen Anregungsfrequenz des mechanischen Schwingers und insbesondere im Resonanzbetrieb an den Schwingungsbäuchen des Sensors liegen.
Das vom Sensor der erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit ausgegebene Wechselspannungssignal wird einer Schaltungsanordnung zugeleitet, die in Abhängigkeit des Signalpegels am Sensor den Ausgang der Schalttaster- und Sensoreinheit einstellt, insbesondere wird an diesem Ausgang in Abhängigkeit des vom Sensor empfangenen Steuersignals eine Ausgangsspannung stufenlos eingestellt. Wird die erfindungsgemäße Schalttaster- und Sensoreinheit für eine Gleichstromanwendung verwendet, ist für die Leistungsschaltung eine Gleichrichterschaltung vorzusehen. Ferner wird für Hochvolt-Anwendungen eine Treiberstrufe verwendet, auch die Verwendung einer Hochfrequenzschaltung gesteuert durch das vom Sensor ausgegebene Wechselspannungssignal ist denkbar. Entsprechende Treiberstufen können für Wechselstromanwendungen vorgesehen sein.
Ferner wird bevorzugt eine Inverterschaltung verwendet, die am Ausgang der Schalttaster- und Sensoreinheit eine kontinuierliche Variation zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert ermöglicht. Typischerweise ist dies eine Leistungsvariation zwischen 0 - 100 %, wobei das vom Sensor der
Leistungsschaltung zugeleitete Steuersignal aus einer Signaldämpfung am mechanischen Schwinger resultiert, welche typischerweise beim Aufbringen einer Maximalkraft auf die Schalttaster- und Sensoreinheit nicht 100% betragen wird. Demnach wird vorteilhafterweise auch bei Maximalkraft die Schwingung des mechanischen Schwingers nicht vollständig zum Erliegen kommen. Als Folge muss das Steuersignal in der Leistungsschaltung verarbeitet werden, um eine Skalierung auf die mögliche Bandbreite des Signals am Ausgang vorzunehmen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, über bestimmte Intervalle des Grads der Veränderung der Schwingungscharakteristik einen gleich bleibenden Plateauwert am Ausgang der Schalttaster- und Sensoreinheit vorzusehen, so dass die Schalttaster- und Sensoreinheit bestimmte, vorgegebene Raststufen realisiert, wobei erfindungsgemäß zwischen diesen ein kontinuierlicher Verlauf der Ausgabewerte vorliegt. Dies kann dadurch realisiert werden, dass über die konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit eine gewünschte Kraftdämpfungskennlinie realisiert wird. Zusätzlich oder alternativ kann das Verhältnis zwischen der vom Benutzer auf die
Schalttaster- und Sensorejnheit aufgebrachten Ansteuerungskräfte und dem sich am Ausgang derselben einstellende Ausgabewert über die Verarbeitung des sensorischen Signals in der Leistungsschaltung eingestellt werden.
Die erfindungsgemäße Schalttaster- und Sensoreinheit kann auf einfache Weise für unterschiedliche Anlagenspannungen angepasst werden. Dies liegt daran, dass zur Fremderregung des mechanischen Schwingers unterschiedliche Treiberschaltungen verwendet werden können beziehungsweise eine einheitliche Ansteuerung mit einer Spannungsanpassung an die Anlagenspannung versehen werden kann. Eine entsprechende Spannungsanpassung kann ausgangsseitig vorgesehen werden, so dass es möglich ist, die Schalttaster- und Sensoreinheit, zum Beispiel auf einem TTL-Pegel von 5 V und einem CMOS-Pegel von 15 V oder bei der Bordspannung eines Kraftfahrzeugs von 24 V oder in ein 200 bis 230 V- Spannungsnetz zu integrieren. Im Bereich von 5 bis 15 Volt kann bei einer Verwendung eines piezokeramischen Elements als mechanischer Schwinger eine direkte Ansteuerung zur Fremderregung erfolgen.
Zur Aufbringung der Dämpfung auf den mechanischen Schwinger wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit eine mechanische Betätigungseinrichtung vorgesehen.
Beispiele hierfür sind ein Druckstößel oder eine Tellerfeder-Stapelanordnung. Weitere Ausgestaltungen können im Rahmen des fachmännischen Könnens gewählt werden, wobei bevorzugt mittels eines elastischen Elements eine Rückstellkraft erzeugt wird, so dass für den Fall, dass keine Bedienung der Schalttaster- und Sensoreinheit vorliegt, die mechanische Betätigungseinrichtung auf eine Neutralposition zurückgeführt wird, um den mechanischen Schwinger dämpfungsfrei zu halten. Für eine vereinfachte Ausführung wird auf eine Rückholfeder verzichtet und in der Neutralstellung eine lose Berührung zwischen der Betätigungseinrichtung und dem mechanischen Schwinger zugelassen, so dass eine auf wenige Komponenten reduzierte Ausführung der Schalttaster- und Sensoreinheit entsteht, die entsprechend kostengünstig und ausfallsicher ist.
Ferner wird bevorzugt, die mechanische Betätigungseinrichtung so auszubilden, dass eine bestimmte Kraftschwelle überschritten werden muss, um die Schalttaster- und Sensoreinheit in den Ein-Zustand zu versetzen. Dies kann beispielsweise durch ein Membranelement realisiert werden, das eine elastische Gegenkraft erzeugt, die gegen eine Bedienung wirkt und die, bevor eine
Dämpfung am mechanischen Schwinger entsteht, initial überwunden werden muss. Dabei kann das Membranelement nach dem Prinzip eines Knackfroschs funktionieren. Das Membranelement kann außerdem dazu verwendet werden, um als rückstellendes Element zu dienen, so dass auf weitere potenziell verschleißanfällige, elastische Komponenten in der Schalttaster- und Sensoreinheit verzichtet werden kann.
Die erfindungsgemäße Schalttaster- und Sensoreinheit kann auch ohne Betätigungseinrichtung ausgeführt sein, wobei für einen Kurzhubschalter die Schwingungsbeeinflussung durch eine Berührung einer Substratlage erfolgt, die stoffschlüssig mit dem mechanischen Schwinger verbunden ist. Ferner ist ein seitlich steif eingespannter Schwinger ohne Substrat denkbar, der durch eine geringfügige Biegebelastung bei der Betätigung aufschwingt.
Gemäß einer Weitergestaltung kann die erfindungsgemäße Schalttaster- und Sensoreinheit im Multimodenbetrieb verwendet werden, hierbei ist es denkbar, dass der Benutzer eine Wahlmöglichkeit zwischen unterschiedlichen Anregungsfrequenzen und insbesondere Resonanzen des mechanischen Schwingers erhält. Wird zusätzlich eine Vielzahl von Sensoren einem mechanischen Schwinger zugeordnet, die jeweils selektiv einer bestimmten
Schwingungsmode zugeordnet werden können, so ist es möglich, unterschiedliche Sensoren unterschiedlichen Auswerte- und Leistungsschaltungen zuzuordnen und somit mit einem einzigen Bedienelement eine Vielzahl von unterschiedlichen Ausgängen stufenlos ansteuern zu können. Eine solche Zuordnung zu einer Schwingungsmode kann dadurch erfolgen, dass des Sensor kleinbauend ausgebildet und lokalisiert an einem Bereich angebracht wird, der nur bei einem bestimmten frequenzabhängigen Schwingungsmuster eine hinreichende Schwingungsamplitude aufweist. Folglich können Sensoren einzelnen Schwingungsbäuchen zugeordnet werden, deren Auftreten frequenzselektiv ist. Für einen solchen Multimodenbetrieb kann ein zusätzlicher oder integrierter Wählschalter zur Auswahl der jeweiligen Mode an der erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Weitergestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dem Benutzer eine Rückmeldung über die von ihm erzeugte Dämpfung am mechanischen Schwinger zu geben. Im einfachsten Fall wird dies durch ein akustisches Signal bewirkt, dass unmittelbar durch die Schwingungsanregung des mechanischen Schwingers entsteht. Durch die Dämpfung wird der Schallpegel abfallen, so dass eine Bedienung ohne visuelle Kontrolle mittels eines Anzeigeelements möglich ist. Dies ist insbesondere für die Schaffung von Eingabevorrichtungen für technische Geräte zur Bedienung durch Sehbehinderte von Bedeutung. Zur Realisierung einer vibro-taktilen Rückmeldung kann ebenfalls die Schwingungsbewegung des mechanischen Schwingers selbst zum Benutzer zurückgeführt werden. Dies setzt jedoch voraus, dass die Schwingungsamplitude hinreichend groß ist und mit hinreichend niedrigen Schwingungsfrequenzen gearbeitet wird. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist es denkbar, ein separates Rückkopplungselement vorzusehen, das in Abhängigkeit des
Schwingungszustands ein akustisches oder vibro-taktil wahrnehmbares Signal an der Bedienfläche der Schalttaster- und Sensoreinheit ausgibt. Zur Ansteuerung dieses separaten Rückkopplungselements kann wiederum auf die Signalverarbeitung des vom Sensor erzeugten Steuersignals zurückgegriffen werden. Zusätzlich zu der voranstehend dargelegten Verwendung der Schalttaster- und Sensoreinheit als Mensch-Maschine-Schnittstelle kann die Einheit als Maschine- Maschine-Schnittstelle eingesetzt werden. Bevorzugt wird eine Verwendung zur Druckmessung, beispielsweise zur Bestimmung von Reifendrücken. Ferner kann die Einheit aufgrund der hohen Sensitivität, der vereinfachten Selbstüberwachung und der guten Integrierbarkeit für eine Vielzahl weiterer Überwachungsaufgaben verwendet werden.
Eine Möglichkeit besteht darin, die Schalttaster- und Sensoreinheit in ein Krankenbett zur Ausbildung einer Bettfluchtüberwachung zu integrieren. Durch das Gewicht des Patienten wirkt eine Kraft auf das Substrat mit dem daran gekoppelten mechanischen Schwinger. Je nach Ausführung kann hierdurch entweder eine Druckkraft, die zu einer Schwingungsdämpfung führt, entstehen oder das Substrat kann so angelegt sein, dass nur bestimmte Bereiche, beispielsweise jene, die mit einer Betttraverse verbunden sind, die Kraftwirkung unmittelbar aufnehmen und eine Materialspannung am Ort des mechanischen Schwingers wirksam wird. Diese wird die Strukturantwort des Gesamtsystems aus Substrat und dem mechanischen Schwinger für die jeweilige Belastung charakteristisch verändern. Dabei ist es auch möglich, dass die veränderten Spannungsbedingungen die Amplitude der fremderregten Schwingungen erhöhen.
Beide Ausbildungen, eine Schwingungsdämpfung oder eine Schwingungsverstärkung aufgrund äußerer Einflüsse, können vom Sensor detektiert und im Fall einer Bettfluchtüberwachung einem bestimmten Ereignis zugeordnet werden. Aufgrund der Sensitivität der Sensoreinheit können noch weitere Messgrößen je nach Anbringungsort der Sensoreinheit in der mit dieser gekoppelten Strukturierung überwacht werden. Zum einen können Veränderungen der Substrattemperatur und der Umgebungsfeuchtigkeit bestimmt werden oder der Sensor kann in ein System zur Überwachung der Atmung schlafender Neugeborener integriert sein. Weitere Verwendungen zur Bestimmung von
Schwingungen an Anlagen- oder Maschinenkomponenten sind denkbar, wobei für dieses Anwendungsfeld insbesondere die Fähigkeit zur Selbstüberwachung ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensorelements darstellt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausgestaltungsbeispiels in Verbindung mit den Figurendarstellungen genauer erläutert, die im Einzelnen Folgendes darstellen:
Figur 1 zeigt für eine Ausgestaltungsvariante den schichtweisen Aufbau der
Schwinger-/Sensoranordnung einer erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit.
Figur 2 zeigt eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Schalttaster- und Sensoreinheit.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schalttasterund Sensoreinheit.
Figur 4 zeigt in einer Prinzipienskizze den Zusammenhang zwischen den vom
Benutzer aufgebrachten Bedienkräften auf die Schalttaster- und Sensoreinheit und der resultierenden Dämpfung am mechanischen
Schwinger.
Figur 5 zeigt in einer Prinzipienskizze den Zusammenhang zwischen der vom Benutzer aufgebrachten Kraft auf die Schalttaster- und Sensoreinheit und der resultierenden Ausgangsspannung am Ausgang der erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit.
Figur 6 zeigt als geteilten Axialschnitt eine erfindungsgemäße Schalttaster- und
Sensoreinheit integriert in den Handgriff einer Maschinenkomponente zur Realisierung eines Totmannschalters. Figur 1 verdeutlicht den Schichtaufbau eines Teils der erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit, wobei auf die Darstellung der Steuerungs- und Auswerteelektronik zur Vereinfachung verzichtet wurde. Gezeigt ist die lageweise Abfolge eines Substrats 18, einer ersten Elektrode des mechanischen Schwingers 3, eines mechanischen Schwingers 2, einer zweiten Elektrode des mechanischen Schwingers 4, die als Masseelektrode einstückig mit der ersten Elektrode des Sensors 6 ausgebildet ist, sowie eines nachfolgenden Sensor 5 und einer zweiten Elektrode des Sensors 7. Zur Montage erfolgt eine stoffschlüssige Verbindung der einzelnen Lagen über die Klebeschichten 19.1 , 19.2, 19.3, 19.4 und 19.5. Bevorzugt wird hierbei ein im ausgehärteten Zustand nicht ausgasender Kleber, insbesondere ein metallhaltiger Kleber, verwendet, so dass die Schalttaster- und Sensoreinheit 1 auch in der Vakuumtechnik eingesetzt werden kann.
Des Weiteren kann der in Figur 1 dargestellte Huckepackwandler auch ohne das Substrat 18 verwendet werden. Darüber hinaus können die einzelnen Elektrodenschichten 3, 4, 6 und 7 an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Dabei ist die gute mechanische Kopplung zwischen dem mechanischen Schwinger 2 und dem Sensor 5 sicherzustellen. Dies gelingt bevorzugt durch den voranstehend dargelegten Stoffschluss über eine zwischenliegende Elektrodenschicht, vorliegend die gemeinsame Masseelektrode.
Eine weitere, bevorzugte Ausgestaltung sieht zusätzlich zur unteren, passiven Substratlage ein Decksubstrat vor, so dass der mechanische Schwinger 2 und der Sensor 5 sowie die zugehörigen Elektrodenschichten zwischen der
Substratdoppellage angeordnet sind. Bevorzugt wird zur Ausbildung des ober- und unterseitigen Substrats eine keramische Schicht mit einer hinreichenden Tragfestigkeit verwendet. Der Vorteil dieser im Einzelnen nicht in Figur 1 dargestellten Ausführungsform besteht darin, dass von außen eingeleitete Punktbelastungen als flächige Kraft auf den mechanischen Schwinger 2 wirken und zugleich der Sensor 5 geschützt ist. Des Weiteren ist es hierdurch möglich, die erfindungsgemäße Schalttaster- und Sensoreinheit vereinfacht herzustellen und handzuhaben und sicher zur Montage in einer Umgebungsstruktur zu verspannen.
Bevorzugt werden der mechanische Schwinger 2 und der Sensor 5 aus einer piezoelektrischen Keramik hergestellt. Dabei kann durch die Materialwahl eine gewünschte Materialhärte zur Festlegung der Schwingungscharakteristik eingestellt werden. Für ein Ausgestaltungsbeispiel wird PZT PIC 255 als Scheibenmaterial mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 0,2 mm eingesetzt. Die bevorzugte Polarisationsrichtung verläuft in Richtung der Normale der Scheibenflächen. Entsprechend wird der mechanische Schwinger relativ zum Substrat 18 tangential schwingen.
Figur 2 zeigt schematisch vereinfacht in einer Schnittdarstellung eine Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit 1. Ein mechanischer Schwinger 2 mit einer ersten adaptiven Materialkomponente wird mittels einer Steuerungs- und Auswerteelektronik 10 zu dauerhaften Schwingungen angeregt. Gemäß des dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiels wird als erste adaptive Materialkomponente ein piezoelektrisches Material verwendet, das in der Form eines flächigen Elements gestaltet ist. Dieses flächige Element wird spielfrei im Gehäusekörper 9 der Schalttaster- und Sensoreinheit 1 fixiert und umfasst piezoelektrische Dickschichten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Vielzahl von Sensoren zur Aufnahme der Schwingungsamplitude am mechanischen Schwinger 2 vorgesehen. In Figur 2 ist hierzu exemplarisch ein zweiter Sensor 5.2 dargestellt, der entsprechend lateral versetzt zum ersten Sensor 5 als Huckepackwandler ausgebildet ist. Jeder der Sensoren 5, 5.2 kann im Bereich eines Schwingungsbauchs des mechanischen Schwingers 2 positioniert werden. Weiterhin ist es denkbar, die Sensoren 5, 5.2 so anzuordnen und in ihrer
Ausdehnung zu begrenzen, dass diese im Wesentlichen nur bei einer bestimmten Schwingungsmode ein signifikantes sensorisches Signal erzeugen, so dass durch die Wahl der Anregungsfrequenz für die mechanischen Schwinger ein Multimodenbetrieb der erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit 1 möglich ist. Nachfolgend wird ein solchermaßen ausgestalteter Schalter als Multischalter bezeichnet.
Das vom Sensor 5, 5.2 erzeugte Wechselspannungssignal wird als Steuersignal einer Leistungsschaltung 11 zugeordnet, die wiederum, wie in Figur 2 dargestellt, Teil der Steuerungs- und Auswerteelektronik 10 sein kann. In Abhängigkeit des Signalpegels des Steuersignals wird der Ausgang der Schalttaster- und Sensoreinheit auf einen bestimmten Wert eingestellt. Üblicherweise wird dies die Festlegung einer bestimmten Ausgangsspannung an den Ausgangselektroden der Schalttaster- und Sensoreinheit 12.1, 12.2 sein.
Mittels einer mechanischen Betätigungseinrichtung 8, die nachfolgend noch genauer erläutert wird, kann vom Benutzer eine bestimmte Bedienkraft auf die
Schalttaster- und Sensoreinheit 1 ausgeübt werden. Dies führt wiederum zu einer Dämpfung des mechanischen Schwingers 2, die in eine kontinuierliche Variation der Ausgangsspannung für die Schalttaster- und Sensoreinheit 2 umgesetzt wird. Nachfolgend wird dies anhand der Figuren 4 und 5 erläutert. In Figur 4 ist die vom Benutzer aufgebrachte Bedienkraft F gegen die Dämpfung D des mechanischen Schwingers aufgetragen. Bevorzugt wird die mechanische Betätigungseinrichtung 8 so ausgebildet, dass eine bestimmte Kraftschwelle überwunden werden muss, bevor eine Beeinflussung des mechanischen Schwingers eintritt. In Figur 4 ist hierzu dargestellt, dass bis zu einer Bedienkraft F1 keine Dämpfung am mechanischen Schwinger 2 vorliegt. Diese initial zu überwindende Kraftschwelle dient dazu, einen definierten Ein-/Auszustand für die Schalttaster- und Sensoreinheit 1 festzulegen. Eine konstruktive Möglichkeit zur Realisierung einer solchen Kraftschwelle besteht darin, an der Schalttaster- und Sensoreinheit 1 ein Membranelement 16 anzubringen, das auf der Außenseite der Schalttaster- und Sensoreinheit 1 vorliegt. Dieses Membranelement 16 ist nach außen gewölbt, so dass ein Benutzer zunächst eine Kraftschwelle überwinden muss, um das Membranelement 16 nach innen zu biegen, wobei es erst dann mit dem Stößel 17 einer mechanischen Betätigungseinrichtung in Kontakt kommt und diesen bei zunehmender Druckbeaufschlagung durch den Bediener axial in Richtung des mechanischen Schwingers 2 bewegt. Auch das Vorsehen einer Schalthysterese zur Festlegung des Ein-/Aus-Zustands ist denkbar, jedoch im Einzelnen nicht in den Figuren dargestellt.
Beim Inkontakttreten einer Dämpfungslage 15 im Verlauf der Druckbeaufschlagung durch einen Bediener mit dem mechanischen Schwinger 2 tritt ein zunehmender Dämpfungseffekt ein. Dies ist in Figur 4 dargestellt, wobei gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung in einem Kraftintervall zwischen Fi und F2 ein linearer Zusammenhang zwischen Bedienkraft und Dämpfung vorliegt und auch für Maximalkräfte eine Beschränkung der Dämpfung besteht. Hierbei ist es denkbar, die jeweils gewünschte Kraft-Dämpfungs-Kennlinie durch eine entsprechende konstruktive Gestaltung der mechanischen Betätigungseinrichtung 8 einzustellen. In Figur 2 ist hierzu exemplarisch eine elastische Lage 14 zwischen der Dämpfungslage 15 und dem Stößel der mechanischen Betätigungseinrichtung 8 vorgesehen. Zusätzlich wird bevorzugt, zur Rückstellung der mechanischen Betätigungseinrichtung 8 auf eine Neutralstellung bei Nicht-Betätigung ein elastisches Element 13, wie die in Figur 2 skizzierte Schraubenfeder, vorzusehen.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausgestaltungsbeispiel, bei dem auf ein elastisches Element zur Erzeugung einer Rückstellkraft auf die mechanische Betätigungseinrichtung 8 verzichtet wird. Stattdessen ruht im betätigungsfreien Zustand der Stößel 17 mit einer Dämpfungslage 15 auf dem mechanischen Schwinger 2. Die so erzeugte Grunddämpfung wird durch einen angepassten
Dämpfungs-Kennlinienverlauf in der Leistungsschaltung 11 berücksichtigt, die das Steuersignal vom Sensor 5 verarbeitet. Zur Schalterbetätigung ist zunächst eine Kraftschwelle zu überwinden, die durch das Membranelement 16 bewirkt wird, das nach dem Knackfroschprinzip ausgestaltet ist. Nach dem Umklappen des Membranelements 16 wird ein weiter zunehmender Betätigungsdruck zu einer
Axialbewegung des im Gehäusekörper 9 vorzugsweise formschlüssig gelagerten Stößels und damit zu einer höheren Anlagekraft der Dämpfungslage 15 gegen den mechanischen Schwinger 2 führen. Die dadurch zunehmende Dämpfung des mechanischen Schwingers 2 wird wiederum durch den Sensor 5 des Huckepackwandlers detektiert. Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 zeichnet sich durch eine Reduktion der Komponentenanzahl aus, insbesondere wird auf verschleißanfällige Komponenten wie Rückstellfedern etc. verzichtet, so dass eine robuste Schalttaster- und Sensoreinheit 1 resultiert.
Eine in den Figuren im Einzelnen nicht dargestellte Weitergestaltung sieht eine Betätigungseinrichtung vor, die nicht durch einen menschlichen Benutzer, sondern durch einen Umgebungsparameter gesteuert wird. Dies kann beispielsweise die Temperatur oder die Feuchtigkeit der Umgebung oder eine Beleuchtung oder eine Strahlungseinwirkung sein, die zu einer Stellbewegung der Betätigungseinrichtung führt. Beispielsweise können Formgedächtnismaterialien oder elektrochrome beziehungsweise photochrome Materialien zur Realisierung eines solchen Betätigungselements verwendet werden.
Ausgehend von einer am mechanischen Schwinger 2 aufgebrachten Dämpfung und einer daraus resultierenden Variation des vom Sensor ausgegebenen Wechselspannungssignals (Steuersignal) wird in der Leistungsschaltung eine bestimmte Ausgangsspannung für die Schalttaster- und Sensoreinheit 1 zugeordnet. Dies ist exemplarisch in Figur 5 skizziert. Gezeigt wird eine Skalierung einer Schwingungsdämpfung D zwischen 0 % und 80 % auf eine Ausgangsspannung zwischen dem Minimalwert Ui (typischerweise 0 Volt) und einem Maximalwert U3. Ferner ist in Figur 5 ein Beispiel gezeigt, bei dem bei einem bestimmten Wert der Ausgangsspannung (U2) ein Plateau vorgesehen ist, bei dem ein vorgegebenes Intervall an Dämpfungswerten ein konstantes Ausgangssignal zugeordnet wird. Dieses Plateau bei U2 stellt eine bestimmte Raststellung dar, die entsprechend durch die Gestaltung der mechanischen Betätigungseinrichtung 8 abgebildet werden kann, so dass der Benutzer beispielsweise wiederum eine bestimmte Kraftschwelle überwinden muss, um diese Raststellung zu verlassen. Dies kann beispielsweise durch ein Richtgesperre ausgeführt sein. Je nach Anwendungsfall wird die Leistungsschaltung 11 unterschiedlich gestaltet sein. Bei Gleichstromanwendungen wird typischerweise das Wechselspannungssignal vom Sensor 5 gleichgerichtet und eventuell in einer Treiberstufe, beispielsweise für eine Hochvoltapplikation, verarbeitet. Außerdem ist es denkbar, je nach Anwendung eine Folgeschaltung, beispielsweise für den Hochfrequenzbereich, vorzusehen. Entsprechende Treiberstufen können für Wechselstromanwendungen verwendet werden. Darüber hinaus kann eine Skalierung beziehungsweise ein gewünschter Kennlinienverlauf zur Zuordnung eines bestimmten Steuersignals durch den Sensor zu einem bestimmten Pegel am Ausgang der Schalttaster- und Sensoreinheit 1 durch die Leistungsschaltung umgesetzt werden.
Neben der Funktion der Schwingungsanregung übernimmt die Steuerungs- und Auswerteelektronik 10 gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung zusätzlich die
Aufgabe, die ordnungsgemäße Funktion der Schalttaster- und Sensoreinheit 1 zu überwachen. Hierzu wird das vom Sensor 5 aufgenommene Signal verarbeitet und beispielsweise eine Frequenzdrift oder eine dauerhafte Signalabschwächung, die auf eine Degradation des adaptiven Materials oder das Losreißen von Verankerungspunkten hindeutet, erkannt. Ferner kann eine Strukturüberwachung ausgeführt werden, das heißt es werden Veränderungen in der Umgebung der Schalttaster- und Sensoreinheit 1 , die Einfluss auf die Schwingung des mechanischen Schwingers 2 nehmen und beispielsweise einen Hinweis auf eine Materialermüdung liefern, gemessen. Zusätzlich ist es denkbar, eine redundante Anordnung durch eine Vielzahl mechanischer Schwinger und entsprechend eine Vielzahl von zugeordneten Sensoren vorzusehen, was insbesondere in Verbindung mit der systembedingt vereinfachten Überwachung ihrer Funktion für eine sicherheitskritische Anwendung der erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit 1 relevant ist.
Gemäß einer Weitergestaltung der erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit 1 ist eine Rückkopplung für den Benutzer vorgesehen, wobei diese im einfachsten Fall die Schwingungen des mechanischen Schwingers in ein akustisches Signal umsetzt, so dass bei der Bedienung die Dämpfung der Schwingungsamplitude des mechanischen Schwingers 2 als Lautstärkeabnahme wahrgenommen werden kann. Bei langsamen Frequenzen und großen Amplituden ist es denkbar, die Schwingungsbewegung des mechanischen
Schwingers 2 unmittelbar bei der Berührung der Schalttaster- und Sensoreinheit 1 wahrzunehmen. Wird allerdings mit hohen Frequenzen und kleinen Amplituden gearbeitet, so ist es vorteilhaft, dem Benutzer eine indirekte Rückkopplung zu geben, indem ein separates Rückkopplungselement 21 vorgesehen ist, das akustische oder vibro-taktile Signale an einen Benutzer ausgibt, die in
Abhängigkeit zum Signalpegel am Sensor 5 stehen. In Figur 2 ist ein solches separates Rückkopplungselement 21 vorgesehen, das unterhalb des Membranelements 16 angeordnet ist und das vom Benutzer beim Bedienen der Schalttaster- und Sensoreinheit erfüllt werden kann. Dieses separate Rückkopplungselement 21 steht über die Steuerleitung 20 in Verbindung zur
Steuerungs- und Auswerteelektronik 10 und kann wie voranstehend dargelegt in Abhängigkeit des Steuersignals vom Sensor 5 mit einem entsprechenden Rückkopplungssignal belegt werden.
Die erfindungsgemäße Schalttaster- und Sensoreinheit 1 kann vorteilhaft als Mensch-Maschinen-Schnittstelle verwendet werden, bei der neben der Anforderung an eine intuitive, stufenlosen Bedienung eine komplexe Steuerungsaufgabe zu lösen ist, die eine kontinuierliche Geräteeinstellung notwendig macht. Damit wird insbesondere eine ergonomische Schalttasteinheit offenbart, die für eine Vielzahl von Anwendungsfeldern geeignet ist. Beispiele hierfür sind Bedienelemente von Fahrzeugen, Haushaltsgeräten, Werkzeugmaschinen oder Vorrichtungen die in einen Wirkkontakt zu einem menschlichen Körper treten, etwa Prothesen oder Geräte für medizinisch/diagnostische Zwecke oder für Massagen. Vorteilhaft für diese Anwendungen ist insbesondere die stufenlose Einstellbarkeit, die konstruktionsbedingt einfache Möglichkeit zur Miniaturisierung, Funktionsüberwachung und zur Realisierung einer Rückkopplung zur jeweiligen Schaltstellung durch die erfindungsgemäße Schalttaster- und Sensoreinheit, die darüber hinaus im Multimodenbetrieb verwendet werden kann.
Figur 6 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schalttaster- und Sensoreinheit 1 zur Realisierung eines Sicherheitsschalters für Bediengeräte. Dargestellt ist der Haltegriff 22 einer Maschine, beispielsweise eines Rasenmähers. Dieser weist eine innere Tragstruktur 24 auf, die in einem Teilabschnitt mit einer Ausnehmung 25 versehen ist. In diese Ausnehmung 25 ist eine schematisch vereinfacht dargestellte Schalttaster- und Sensoreinheit 1 integriert. Zur Vereinfachung sind nur der mechanische Schwinger 2 und der Sensor 5 skizziert. Dabei ist der mechanische Schwinger 2 substratseitig angeordnet, das heißt er steht über im Einzelnen nicht dargestellte zwischengelagerte Elektrodenschichten zur Kontaktierung im stoffschlüssigen Kontakt mit dem Bodenbereich der Ausnehmung 25 der inneren Tragstruktur 24. Bei einer Schwingungsanregung des mechanischen Schwingers 2 koppelt dieser, insbesondere bei einer Ausgestaltung in Tangentialaktuaktorik, Schwingungen in den Haltegriff 22 ein. Dies gelingt auch für ein stark dämpfendes Material wie Kunststoff für den Haltegriff 22, da im Fernfeld vorwiegend Oberflächenschwingungen vorliegen, die eine Amplitude im Mikrometerbereich aufweisen.
Wird der Haltegriff 22 bei der Bedienung von der Hand des Benutzers umfasst, tritt eine über den Sensor 5 detektierbare Änderung der Schwingungscharakteristik des gesamten Systems aus mechanischem Schwinger 2 und dem Haltegriff 22 ein, die zur Realisierung einer Totmannfunktion verwendet werden kann.
Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Schalttaster- und Sensoreinheit 1 für eine Vielzahl weiterer Maschine-Maschine-Schnittstellen Verwendung finden, für die eine äußere oder innere Zustandsänderung vorliegt, die zu Spannungen im mechanischen Schwinger 2 oder in den mit diesem verbundenen Strukturen führt. Dies können ein Veränderung des Drucks, der Temperatur, des Feuchtegrads oder von mechanischen Spannungen oder Deformationen sein. Hierdurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Schalttaster- und Sensoreinheit 1 zur Strukturüberwachung, beispielsweise für stark belastete und einer Alterung unterliegende Tragstrukturen eines Gebäudes, zu verwenden. Die Steuerungsund Auswerteelektronik 10 der Schalttaster- und Sensoreinheit 1 kann dann bei einem Schwellwert, einem bestimmten Ereignis oder aufgrund einer bestimmten Belastungshistorie eine Warnmeldung ausgeben.
Bezugszeichenliste
1 Schalttaster- und Sensoreinheit
2 mechanischer Schwinger
3 erste Elektrode des mechanischen Schwingers
4 zweite Elektrode des mechanischen Schwingers
5, 5.2 Sensor
6 erste Elektrode des Sensors
7, 7.2 zweite Elektrode des Sensors
8 mechanische Betätigungseinrichtung
9 Gehäusekörper
10 Steuerungs- und Auswertelektronik
11 Leistungsschaltung
12.1, 12.2 Ausgangselektroden der Schalttaster- und Sensoreinheit
13 elastisches Element
14 elastische Lage
15 Dämpfungslage
16 Membranelement
17 Stößel
18 Substrat
19.1 , 19.2, 19.3,
19.4, 19.5 Klebeschicht
20 Steuerleitung
21 seperates Rückkopplungselement
22 Haltegriff
23 Längsachse
24 innere Tragstruktur
25 Ausnehmung

Claims

Patentansprüche
1. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) umfassend
1.1 eine Leistungsschaltung (11) zur Ausgabe einer Ausgangsspannung; 1.2 einen mechanischen Schwinger (2) mit einer ersten adaptiven
Materialkomponente, die mittels eines elektrischen Wechselfelds in mechanische Schwingungen versetzt wird;
1.3 einen Sensor (5, 5.2) mit einer zweiten adaptiven Materialkomponente, die mit dem mechanischen Schwinger (2) mitschwingt und in Abhängigkeit der Schwingungsamplitude ein Wechselspannungssignal ausgibt, das als
Steuersignal für die Leistungsschaltung (11) dient; dadurch gekennzeichnet, dass
1.4 der mechanische Schwinger (2) und der Sensor (5, 5.2) jeweils lagenweise ausgebildet und über wenigstens eine zwischenliegende Elektrodenschicht stoffschlüssig verbunden sind.
2. Schalttaster- und Sensoreinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste adaptive Materialkomponente und/oder die zweite adaptive Materialkomponente aus einer piezokeramischen Schicht hergestellt sind.
3. Schalttaster- und Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Schwinger (2) stoffschlüssig mit einem Substrat verbunden ist und/oder wenigstens mittelbar in Wechselwirkung mit einer Betätigungseinrichtung (8) tritt, die seine Schwingungscharakteristik verändert.
4. Schalttaster- und Sensoreinheit nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Schwinger (2) als Tangentialaktuator ausgebildet ist.
5. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach einem der vorausgehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanischen Schwinger (2) dauerhaft in Schwingungen versetzt wird.
6. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach einem der vorausgehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanischer Schwinger (2) ein ferroelektrisches Element verwendet wird, das spielfrei in ein Gehäuse eingelagert ist.
7. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5, 5.2) und der mechanische Schwinger (2) einen Huckepackwandler bilden und eine gemeinsame Massenelektrode aufweisen, die als Trennschicht zwischen diesen beiden angeordnet ist.
8. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Sensoren (5, 5.2) verwendet wird, die um oder auf dem mechanischen Schwinger (2) an unterschiedlichen Stellen angebracht sind.
9. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass den einzelnen Sensoren (5, 5.2) unterschiedlichen Schwingungsmoden des mechanischen Schwingers (2) zugeordnet werden, um einen Multischalter zu realisieren.
10. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltung (11) eine Gleichrichterschaltung umfasst, die das vom Sensor (5, 5.2) ausgegebene Wechselspannungssignal gleichrichtet.
11. Schalttaster- und Sensoreinheit (1 ) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltung (11) eine Treiberstufe für Hochvoltanwendungen umfasst.
12. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltung (11) eine Hochfrequenzschaltung umfasst.
13. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Leistungsschaltung (11) das bei einer maximalen Dämpfung des mechanischen Schwingers vom Sensor (5, 5.2) ausgegebene Wechselspannungssignal zu einer Ausgabespannung führt, die einen Minimal- oder Maximalwert annimmt.
14. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leistungsschaltung (11) zur Realisierung einer Schaltstufe einem bestimmten Intervall der Signalamplitude des Steuersignals eine konstante
Ausgabespannung zugeordnet wird.
15. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Betätigungseinrichtung (8) ein elastisches Element (13) umfasst, das eine gegen die Betätigung gerichtete
Kraft erzeugt.
16. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass einer vorgegebenen Kraftschwelle am Betätigungselement ein logischer Ein- und/oder Aus-Zustand zugeordnet wird.
17. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Wechselfelds zur Schwingungsanregung des mechanischen Schwingers mittels eines Bedienelements zur Auswahl eines bestimmten Betriebsmoduses festgelegt werden kann.
18. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Wechselfelds zur Schwingungsanregung des mechanischen Schwingers so gewählt wird, dass eine seiner Eigenresonanzen angeregt wird.
19. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Sensor (5, 5.2) ausgegebene Wechselspannungssignal zur
Strukturüberwachung oder Funktionsüberwachung der Schalttaster- und Sensoreinheit (1) verwendet wird.
20. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schwingungsamplitude des mechanischen Schwingers mittels eines vibro- taktilen und/oder akustischen Reizes an den Benutzer übermittelt wird.
21. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Schalttaster (1) ein ergonomisches Bedienelement bildet.
22. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalttaster (1) eine von einem Umgebungsparameter beeinflusste Betätigungseinrichtung (8) umfasst, die ohne den Eingriff eines Benutzers automatisch schaltet.
23. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (8) ein Formgedächtnismaterial oder ein elektrochromes oder ein photochromes Material umfasst.
24. Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Schwinger (2) und der Sensor (5) zwischen einem ersten passiven Substrat und einem zweiten passiven Substrat angeordnet sind.
25. Verwendung einer Schalttaster- und Sensoreinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalttaster- und Sensoreinheit (1) als Bedienelement eines Fahrzeugs, eines Haushaltsgeräts, einer Werkzeugmaschine oder einer Vorrichtung, die in einen Wirkkontakt zu einem menschlichen Körper tritt, insbesondere einer Prothese oder eines Geräts für medizinisch/diagnostische Zwecke oder für Massagen, als Bettfluchtsensor, als Reifendrucksensor, als Maschinenschwingungssensor oder als Sicherheitsschalter für eine Bediengerät verwendet wird.
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