WO2009103729A1 - Oszillatorischer drucksensor - Google Patents

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WO2009103729A1
WO2009103729A1 PCT/EP2009/051905 EP2009051905W WO2009103729A1 WO 2009103729 A1 WO2009103729 A1 WO 2009103729A1 EP 2009051905 W EP2009051905 W EP 2009051905W WO 2009103729 A1 WO2009103729 A1 WO 2009103729A1
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sensor
switch element
element according
oscillator
piezoelectric
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PCT/EP2009/051905
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Jürgen SCHREINER
Kai Huck
Achim Mielke
Günther Irlbacher
Peter Winter
Original Assignee
Ceramtec Ag
Grohe Ag
Irlbacher Blickpunkt Glas Gmbh
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Publication date
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    • 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 sensor or a switching element with at least one oscillator, which is offset by an oscillator circuit by an AC voltage in an oscillation, wherein the oscillation behavior of the oscillator changes upon pressurization and this change is detectable as an attenuation of the oscillation and processed as an output signal.
  • the invention has the object of developing a sensor or a switching element according to the preamble of claim 1 so that it is protected on the one hand from environmental influences such as rain or snow and on the other hand is insensitive to frequency shifts.
  • a sensor signal which makes it possible to detect a finger pressure on a rigid plate (eg glass plate) as far as possible without cross sensitivities and localized from the rear side of the plate.
  • this object is achieved in that the sensor or the switch element is arranged on the back of a mechanically rigid medium and the pressurization takes place on the opposite front through the mechanically rigid medium and the oscillator circuit the oscillator with a continuous frequency change between an initial frequency and a End frequency vibrated.
  • the sensor or the switch element on the one hand before environmental influences, such. Rain or snow is protected and on the other hand sensitive to frequency shifts.
  • finger pressure on a rigid plate eg, glass plate
  • the vibration is generated electromechanically.
  • the oscillation of the at least one oscillator is generated electromechanically and the damping is measured with a piezoelectric element.
  • the vibration is generated by means of piezoelectric element and the damping measured with a second piezoelectric element.
  • the vibration is generated by means of a piezoelectric element and the attenuation is measured with the same piezoelectric element.
  • the piezoelectric elements used have a piezoelectric charge constant> 10 pC / N, preferably> 160 pC / N and particularly preferably> 200 pC / N. With these charge constants the best results could be achieved.
  • the piezoelectric elements used have a high electromechanical quality of> 50, preferably> 100 and particularly preferably> 500.
  • the mechanically rigid medium of glass or metal since these materials best forward the pressurization to the sensor.
  • the pressurization preferably takes place by means of finger pressure.
  • finger pressure In this embodiment, therefore, one speaks of a finger pressure sensor.
  • the senor or switch element is coupled to at least one other sensor of different operating principle (e.g., capacitive sensors, infrared sensors, etc.). As a result, a faulty signal is almost impossible.
  • a sensor of different operating principle e.g., capacitive sensors, infrared sensors, etc.
  • all sensors consist of a common ceramic carrier material and these are separated from each other by slots in the carrier material and at least one side in the contacting surfaces.
  • a glass pane is arranged between the piezoelement and the mechanically stiff medium.
  • the glass pane can be used, for example, to couple light to the side and thereby to illuminate the pressure point or the sensor surface.
  • the senor or the switch element is used as a finger pressure sensor.
  • the invention thus provides a finger pressure sensor based on a piezoelectric oscillator, which makes it possible to contact by a - A -
  • a piezoelectric element On the back of a mechanically rigid medium, glass or metal, a piezoelectric element is applied, for example glued, which is excited by means of an electrical signal so that an electromechanical resonance results at the sensor location or sensor area.
  • the resonance is changed by pressure loading so that a detectable signal change results.
  • This signal change can be represented, for example, by the amount of the complex alternating current resistance in the unloaded or loaded state.
  • the sensor or the switch element is insensitive to the wetting with water or other media by the mechanically rigid medium and thus its selectivity is given to a compressive stress.
  • a piezo element 7 is applied as piezoceramic disc with a diameter of 16 mm and a thickness of 0.8 mm as the oscillator 2 on the back.
  • an AC voltage (U) 3 the oscillator 2 and the
  • the result is the behavior shown in FIG. 2 of the magnitude of the complex alternating current resistance as a function of the frequency.
  • the illustration also shows that it is possible to make a clear distinction between wetting with a medium (here water) and damping with pressure (here finger pressure).
  • the sensitive area is typically in a circle of about 0.8 to 1 cm radius at this geometry ratios, while outside of this sensitive area with a radius greater than 1 to 1, 2 cm no attenuation and thus no cross-sensitivity to adjacent sensor surfaces / styli is present.
  • a small glass plate 8 is glued (thickness eg 2.8 mm and diameter 15.9 mm) on the back 5 whereupon a piezoceramic disk as oscillator 2 with a diameter of 12 mm and a thickness of 2 mm is applied (see Figure 3).
  • the reference numeral 6 denotes the front, which serves as a sensor surface.
  • the oscillator 2 or the piezoelectric disk 7 is set in vibration and measured the complex AC resistance.
  • the frequency is continuously varied between an initial frequency and a final frequency.
  • the glass sheet 8 can be used, for example, to couple light laterally to make an illumination of the pressure point.
  • the sensitive area is typically in a circle of about 0.6 to 0.9 cm radius at this geometry ratios, while outside of this sensitive area with a radius greater than 1 to 1, 2 cm no attenuation and thus no cross-sensitivity to adjacent sensor surfaces / Button fields present.
  • any material with sufficient piezoelectric activity (piezoelectric charge constant d33> 10 pC / N) is suitable as the piezoelectric material, but particularly preferably a piezoelectrically hard material with low attenuation and high electromechanical quality is suitable.
  • Use is z.
  • the change in the magnitude of the complex AC resistance is then typically at least a factor of 2 to 4.

Landscapes

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  • Electronic Switches (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (1) oder Schalterelement mit zumindest einem Oszillator (2), der von einer Oszillatorschaltung durch eine Wechselspannung (3) in eine Schwingung versetzt ist, wobei sich das Schwingverhalten des Oszillators (2) bei Druckbeaufschlagung ändert und diese Änderung als Dämpfung der Schwingung detektierbar und als Ausgangssignal weiterverarbeitbar ist. Damit der Sensor oder das Schalterelement einerseits vor Umwelteinflüssen, wie z. B. Regen oder Schnee geschützt ist und andererseits umempfindlich gegen Frequenzverschiebungen ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Sensor (1) oder das Schalterelement auf der Rückseite (5) eines mechanisch steifen Mediums (4) angeordnet ist und die Druckbeaufschlagung auf der entgegengesetzten Vorderseite (6) durch das mechanisch steife Medium (4) hindurch erfolgt und die Oszillatorschaltung den Oszillator (2) mit einer kontinuierlichen Frequenzänderung zwischen einer Anfangsfrequenz und einer Endfrequenz in Schwingung versetzt.

Description

Oszillatorischer Drucksensor
Die Erfindung betrifft einen Sensor oder ein Schaltelement mit zumindest einem Oszillator, der von einer Oszillatorschaltung durch eine Wechselspannung in eine Schwingung versetzt ist, wobei sich das Schwingverhalten des Oszillators bei Druckbeaufschlagung ändert und diese Änderung als Dämpfung der Schwingung detektierbar und als Ausgangssignal weiterverarbeitbar ist.
Stand der Technik ist es, eine Berührung z. B. auf Glas mittels eines kapazitiven Sensors zu erfassen. Nachteil dieser Methode ist, dass Flüssigkeiten wie z.B. Wasser nicht sicher von menschlichem Gewebe zu unterscheiden sind.
Ein gattungsgemäßer Stand der Technik ist in der DE 10 2005 061 754 A1 beschrieben. Hier wird vorgeschlagen, einen Piezo-Schwinger mit der Sensorfläche zu verbinden, in eine Oszillatorschaltung einzukoppeln und in Schwingungen zu versetzen, so dass eine Berührung oder ein Andrücken eines Bedienerkörperteils an die Sensorfläche zu einer Änderung des Schwingverhaltens (aufgrund der Dämpfung und der Erhöhung der mitschwingenden Masse) führt und diese Änderung mit Hiife einer mit der Oszillatorschaltung gekoppelten Auswerteschaltung erfasst werden kann. Die Änderung des Schwingverhaltens durch Berührung mit dem Bedienerkörperteil soll sich einfach und sicher auswerten lassen. Der Piezo- Schwinger ist dabei auf einer Auflage befestigt (beispielsweise aufgeklebt). Auf einer entgegengesetzten Seite ist der Piezo-Schwinger von einer dünnen Kunststofffolie oder Kunststoffwandung überzogen, deren Oberseite die Sensorfläche der Betätigungsstelle Figuret.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor oder ein Schaltelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, dass er einerseits vor Umwelteinflüssen, wie z.B. Regen oder Schnee geschützt ist und andererseits umempfindlich gegen Frequenzverschiebungen ist. Außerdem soll ein Sensorsignal erzeugt werden, das es erlaubt, einen Fingerdruck auf einer steifen Platte (z. B. Glasplatte) möglichst querempfindlichkeitsfrei und lokalisiert von der Rückseite der Platte her zu detektieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Sensor oder das Schalterelement auf der Rückseite eines mechanisch steifen Mediums angeordnet ist und die Druckbeaufschlagung auf der entgegengesetzten Vorderseite durch das mechanisch steife Medium hindurch erfolgt und die Oszillatorschaltung den Oszillator mit einer kontinuierlichen Frequenzänderung zwischen einer Anfangsfrequenz und einer Endfrequenz in Schwingung versetzt. Hierdurch ist der Sensor oder das Schalterelement einerseits vor Umwelteinflüssen, wie z.B. Regen oder Schnee geschützt ist und ist andererseits umempfindlich gegen Frequenzverschiebungen. Außerdem kann ein Fingerdruck auf einer steifen Platte (z. B. Glasplatte) querempfindlichkeitsfrei und lokalisiert von der Rückseite der Platte her detektiert werden.
In einer erfinderischen Ausgestaltung wird die Schwingung elektromechanisch erzeugt. In einer anderen Ausgestaltung wird die Schwingung des zumindest einen Oszillators elektromechanisch erzeugt und die Dämpfung mit einem Piezoelement gemessen. Wieder in einer anderen erfinderischen Ausgestaltung wird die Schwingung mittels Piezoelement erzeugt und die Dämpfung mit einem zweiten Piezoelement gemessen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Schwingung mittels Piezoelement erzeugt und die Dämpfung mit demselben Piezoelement gemessen.
In erfinderischer Ausgestaltung weisen die verwendeten Piezoelemente eine piezoelektrische Ladungskonstante > 10pC/N, bevorzugt > 160pC/N und besonders bevorzugt > 200pC/N auf. Mit diesen Ladungskonstanten konnten die besten Ergebnisse erzielt werden. In erfinderischer Ausgestaltung weisen die verwendeten Piezoelemente eine hohe elektromechanische Güte von > 50, bevorzugt > 100 und besonders bevorzugt > 500 auf.
Bevorzugt besteht das mechanisch steife Medium aus Glas oder Metall, da diese Materialien die Druckbeaufschlagung bestens an den Sensor weiterleiten.
Bevorzugt erfolgt die Druckbeaufschlagung mittels Fingerdruck. In dieser Ausführungsform spricht man daher von einem Fingerdrucksensor.
In einer speziellen Ausführungsform ist der Sensor oder das Schalterelement mit mindestens einem weiteren Sensor anderen Funktionsprinzips gekoppelt (z.B. kapazitiven Sensoren, Infrarotsensoren, etc). Hierdurch ist ein fehlerbehaftetes Signal beinahe ausgeschlossen.
Bevorzugt bestehen alle Sensoren aus einem gemeinsamen Keramikträgermaterial und sind diese durch Schlitze im Trägermaterial und mindestens einseitig in den Kontaktierungsflächen voneinander getrennt.
In einer speziellen Ausführungsform ist zwischen dem Piezoelement und dem mechanisch steifen Medium eine Glasscheibe angeordnet. Die Glasscheibe kann beispielsweise genutzt werden, um seitlich Licht einzukoppeln und dadurch eine Beleuchtung des Druckpunktes oder der Sensorfläche vorzunehmen.
Bevorzugt wird der Sensor oder das Schalterelement als Fingerdrucksensor verwendet.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Fingerdrucksensor auf der Basis eines piezoelektrischen Oszillators, der es ermöglicht, eine Berührung durch ein - A -
mechanisch steifes Medium hindurch zu detektieren und damit zum Beispiel ein Schaltsignal auszulösen.
Auf der Rückseite eines mechanisch steifen Mediums, Glas oder Metall ist ein piezoelektrisches Element aufgebracht, zum Beispiel aufgeklebt, das mittels eines elektrischen Signals so angeregt wird, dass sich an der Sensorstelle bzw. Sensorfläche eine elektromechanische Resonanz ergibt. Die Resonanz wird durch Druckbelastung so verändert, dass sich eine detektierbare Signaländerung ergibt. Dargestellt werden kann diese Signaländerung beispielsweise durch den Betrag des komplexen Wechselstromwiderstandes im unbelasteten oder belasteten Zustand.
Der Sensor oder das Schalterelement ist durch das mechanisch steife Medium unempfindlich gegenüber der Benetzung mit Wasser oder anderen Medien und dadurch ist seine Selektivität auf eine Druckbeanspruchung gegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen und Figuren näher beschrieben.
Beispiel 1 :
Auf eine Glasplatte als mechanisch steifes Medium 4 (siehe Figur 1 ) mit einer Dicke von 4 mm wird auf der Rückseite 5 ein Piezoelement 7 als piezokeramische Scheibe mit einem Durchmesser von 16 mm und einer Dicke von 0,8 mm als Oszillator 2 aufgebracht. Mittels einer Wechselspannung (U-) 3 wird der Oszillator 2 bzw. der
Sensor 1 in Schwingung versetzt und der komplexe Wechselstromwiderstand gemessen. Mit dem Bezugszeichen 3 ist pauschal neben der Wechselspannung auch die zugehörige Oszillatorschaltung bezeichnet. Um das System gegen Frequenzverschiebungen unempfindlich zu machen, wird die Frequenz, mit der das Piezoelement 7 zu Schwingungen angeregt wird, zwischen einer Anfangsfrequenz und einer Endfrequenz kontinuierlich verändert. Als piezoelektrisches Material eignet sich prinzipiell jedes Material mit genügender piezoelektrischer Aktivität (piezoelektrische Ladungskonstante d33 > 10 pC/N). Verwendung findet in Beispiel 1 z. B. ein piezoelektrisches weiches Material mit einem d33 von ca. 450 pC/N und einer Güte Q von 90.
Es ergibt sich das in Figur 2 gezeigte Verhalten des Betrages des komplexen Wechselstromwiderstandes in Abhängigkeit von der Frequenz. Die Darstellung zeigt darüber hinaus, dass zwischen einer Benetzung mit einem Medium (hier Wasser) und einer Bedämpfung durch Druckeinwirkung (hier Fingerdruck) eindeutig unterschieden werden kann. Der sensitive Bereich liegt bei diesen Geometrieverhältnissen typischerweise in einem Kreis von ca. 0,8 bis 1 cm Radius, während außerhalb dieses sensitiven Bereiches mit einem Radius größer 1 bis 1 ,2 cm keine Dämpfung erfolgt und damit auch keine Querempfindlichkeit zu benachbarten Sensorflächen / Tasterfeldern vorliegt.
Beispiel 2:
Auf eine Glasplatte, als mechanisch steifes Medium 4, mit einer Dicke von z.B. 4 mm wird auf der Rückseite 5 eine kleine Glasscheibe 8 aufgeklebt (Dicke z. B. 2,8 mm und Durchmesser 15,9 mm) worauf eine piezokeramische Scheibe als Oszillator 2 mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Dicke von 2 mm aufgebracht wird (siehe Figur 3). Mit dem Bezugszeichen 6 ist die Vorderseite bezeichnet, die als Sensorfläche dient. Mittels einer Wechselspannung 3 wird der Oszillator 2 bzw. die Piezoscheibe 7 in Schwingung versetzt und der komplexe Wechselstromwiderstand gemessen. Um das System gegen Frequenzverschiebungen unempfindlich zu machen, wird die Frequenz zwischen einer Anfangsfrequenz und einer Endfrequenz kontinuierlich verändert. Die Glasscheibe 8 kann beispielsweise genutzt werden, um seitlich Licht einzukoppeln, um eine Beleuchtung des Druckpunktes vorzunehmen.
Der sensitive Bereich liegt bei diesen Geometrieverhältnissen typischerweise in einem Kreis von ca. 0,6 bis 0,9 cm Radius, während außerhalb dieses sensitiven Bereiches mit einem Radius größer 1 bis 1 ,2 cm keine Dämpfung erfolgt und damit auch keine Querempfindlichkeit zu benachbarten Sensorflächen/ Tasterfeldern vorliegt.
Als piezoelektrisches Material eignet sich prinzipiell jedes Material mit genügender piezoelektrischer Aktivität (piezoelektrische Ladungskonstante d33 > 10pC/N), besonders bevorzugt eignet sich jedoch ein piezoelektrisch hartes Material mit geringer Dämpfung und hoher elektromechanischer Güte. Verwendung findet z. B. ein Material mit einem d33 von 240 pC/N und einer Güte Q von 1000. Die Änderung im Betrag des komplexen Wechselstromwiderstandes beträgt dann typischerweise mindestens Faktor 2 bis 4.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor (1 ) oder Schalterelement mit zumindest einem Oszillator (2), der von einer Oszillatorschaltung durch eine Wechselspannung (3) in eine Schwingung versetzt ist, wobei sich das Schwingverhalten des Oszillators (2) bei Druckbeaufschlagung ändert und diese Änderung als Dämpfung der Schwingung detektierbar und als Ausgangssignal weiterverarbeitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1 ) oder das Schalterelement auf der Rückseite (5) eines mechanisch steifen Mediums (4) angeordnet ist und die Druckbeaufschlagung auf der entgegengesetzten Vorderseite (6) durch das mechanisch steife Medium (4) hindurch erfolgt und die Oszillatorschaltung den Oszillator (2) mit einer kontinuierlichen Frequenzänderung zwischen einer Anfangsfrequenz und einer Endfrequenz in Schwingung versetzt.
2. Sensor oder Schalterelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung elektromechanisch erzeugt wird.
3. Sensor oder Schalterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung des zumindest einen Oszillators (2) elektromechanisch erzeugt und die Dämpfung mit einem Piezoelement (7) gemessen wird.
4. Sensor oder Schalterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung mittels Piezoelement (7) erzeugt wird und die Dämpfung mit einem zweiten Piezoelement gemessen wird.
5. Sensor oder Schalterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung mittels Piezoelement (7) erzeugt wird und die Dämpfung mit demselben Piezoelement (7) gemessen wird.
6. Sensor oder Schalterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Piezoelemente (7) eine piezoelektrische Ladungskonstante > 10pC/N aufweisen, bevorzugt > 160pC/N und besonders bevorzugt > 200pC/N.
7. Sensor oder Schalterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Piezoelemente (7) eine hohe elektromechanische Güte von > 50, bevorzugt > 100 und besonders bevorzugt > 500 aufweisen.
8. Sensor oder Schalterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanisch steife Medium (4) aus Glas oder Metall besteht.
9. Sensor oder Schalterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagung mittels Fingerdruck aufgebracht wird.
10. Sensor oder Schalterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1 ) oder das Schalterelement mit mindestens einem weiteren Sensor anderen Funktionsprinzips gekoppelt ist (z.B. kapazitiven Sensoren, Infrarotsensoren, etc).
11. Sensor oder Schalterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensoren aus einem gemeinsamen Keramikträgermaterial bestehen und diese durch Schlitze im Trägermaterial und mindestens einseitig in den Kontaktierungsflächen voneinander getrennt sind.
12. Sensor oder Schalterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Piezoelement (7) und dem mechanisch steifen Medium (4) eine Glasscheibe (8) angeordnet ist.
13. Verwendung eines Sensor (1 ) oder Schalterelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Fingerdrucksensor.
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