DE2718289A1

DE2718289A1 - Piezokeramischer schalter mit geringer einbautiefe

Info

Publication number: DE2718289A1
Application number: DE19772718289
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl Phys Handschuh; Alfred Koehne; Georg Wiesend
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 1977-04-25
Filing date: 1977-04-25
Publication date: 1978-10-26
Also published as: IT7822514A0; FR2389238A1; IT1094719B

Description

Piezokeramischer Schalter mit geringer Einbautiefe

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Vorrichtung, insbesondere auf einen elektrischen Tastschalter mit einem Wandler, zur Ansteuerung von elektronischen Schaltungen. Solche nahezu wegfreie und kontaktlose Schalter sind besonders interessant für die Anwendung im Bereich der medizinischen Technik, der Haushaltsgeräte, der Aufzugstechnik und der Unterhaltungselektronik.

Für diese und ähnliche Anwendungsbereiche sind bereits kontaktlose Schalter vorgeschlagen worden, wie aus der DT-AS 19 16 336 und DT-AS 22 10 359 hervorgeht. Alle diese Lösungen benutzen mechanisch bewegte Teile, bei denen beispielsweise durch einen Schlagmechanismus, der auf die Piezokeramik einwirkt, eine elektrische Ladung erzeugt wird, die wiederum zur Ansteuerung eines elektronischen Schaltkreises benutzt werden kann.

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Weiterhin sind von besonderem technischen Interesse solche Tastschalter, die keine mechanisch bewegten Teile enthalten_o Eine Lösung wird in der DT-OS 23 14 420 beschrieben. Dabei handelt es sich um ein hochkant gestelltes piezokeramisches Plättchen, das bei Druckbeaufschlagung eine Spannung abgibt. Ferner ist auf diesen Plättchen ein Kondensator mit einer Widerstandsschicht integriert, die als RC-Tiefbaß gegen Erschütterungen wirken. Der Nachteil ist hierbei, daß zur Vermeidung von Knickungen bzw. Überbelastungen eine relativ aufwendige Stützvorrichtung angebracht werden muß. Damit ist auch eine relativ große Einbauhöhe erforderlich. Weiterhin ist aus der DT-OS 20 64 657 eine piezoelektrische Tastatur beschrieben, die eine piezoelektrische Pastille oder einen piezoelektrischen Halbleiter verwendet, der auf Fingerdruck einen Fluß von elektrischer Ladung abgibt, womit ein Spannungsimpuls erzielt wird. Die Spannungen sind aber sehr gering. Darüber hinaus ist eine solche Anordnung außerordentlich empfindlich gegenüber Erschütterungen und thermischen Einflüssen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen weg- und kontaktlosen Schalter zu schaffen, der unter

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Beseitigung der Mangel des Standes der Technik einen einfachen Aufbau und vor allem für die Anwendung in Tastenfeldern eine äußerst geringe Einbautiefe aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgeraäß dadurch gelöst, daß ein Verbundkörper waagerecht zur Druckrichtung in der Taste angeordnet ist, wobei er aus einer piezoelektrischen passiven Folie und einer piezoelektrischen aktiven Folie, vorzugsweise mit einer Vorspannung, versehen ist, so daß bei geringster Biegung eine Spannung entsteht, die über die Kontakte abfließt«

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche,,

Einen solchen zuverlässigen und langlebigen Verbundkörper für die direkte Ansteuerung von integrierten Schaltungen erhält man, indem man eine dünne Folie, vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff, mit einer piezoelektrischen Folie verklebt oder verlötet. Die Verklebung nimmt man am besten mit warmaushärtbaren Klebern vor, da aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien

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mechanische Spannungen auftreten,, Nach dem Abkühlen stellt sich eine bleibende Verformung des Verbundkörpers ein. Die Verformung äußert sich in einer sehr geringen Durchbiegung, die üblicher Weise bei 0,01 mm liegt. Wird eine geringe Kraft auf diesen Verbundkörper ausgeübt, so wird diese Durchbiegung verändert. Der piezoelektrische Wandler erzeugt dabei eine Spannung, die an den Elektroden abgenommen werden kann und zur Ansteuerung eines elektronischen Schaltkreises verwendet wird,, Natürlich kann auch ein solcher Verbundkörper ohne die vorher geringe erzeugte Durchbiegung verwendet werden. Nur ergeben sich dabei produktionstechnisch einige Schwierigkeiten und Kostensteigerungen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Zusammenhang mit den Zeichnungen. Die Abbildungen zeigen:

Fig. 1: Schnitt durch den Deckel und dem Unterteil des Gehäuses;

Fig« 2: Schnitt und Aufsicht auf den piezoelektrischen Verbundkörper ;

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Figo 3: Schnitt durch die piezoelektrische Taste in Variation hinsichtlich der Kontaktierung;

Figo h: Variation der Metallisierung auf der Piezo-Folie;

Fig. 5: Diagramm hinsichtlich eines typischen Spannungsverlaufes bei Druckbeaufschlagung;

Figo 6: Diagramm hinsichtlich der Spannungsabhängigkeit von der maximalen Betätigungskraft»

Gemäß Fig« 1 besteht das Gehäuse 1_ aus dem Unterteil 3.» vorzugsweise aus Hartplastik und einem Deckel <2 aus Weichplastik. Der piezoelektrische Verbundkörper k^ ist in Fig. 2 wiedergegeben. Er besteht aus einer Metallmembran I₁I^ mit einer Schichtdicke von ca_e 0,2 mm und einer aufgeklebten piezoelektrischen Folie % Die Kontaktierung erfolgt einerseits über die am Blech befindliche Lasche j6 und andererseits über einen zweiten Blechstreifen 7_> der auf die metallisierte Keramikoberfläche aufgelötet ist. Die Kontakt-

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streifen werden durch Öffnungen 8_ im Boden 3 des Gehäuses nach außen geführte Eine Variation der eben beschriebenen Ausführungsform ist in Fig. 3 wiedergegeben. Die Kontaktierung erfolgt nun über einen Druckkontakt j), der zwischen der piezoelektrischen Folie und dem Deckel 2 des Gehäuses liegt, wobei unter leichter Vorspannung auf die metallisierte Oberfläche der Piezokeramik gedrückt wird.

Ein solcher Verbundkörper 4 kann in solcher Art hergestellt werden, daß eine dünne Metallfolie aus dem vorhergehenden Beispiel von ca. 13 nun ρ und einer Dicke von 0,2 mm mit einer dünnen Piezoscheibe von 10 mm ff und 0,2 mm Dicke unter Druck verklebt wird. Die Aufrechterhaltung des Druckes während des Klebevorganges ist wünschenswert, um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der metallisierten Piezo-Folie und der Metall-Folie zu erhalten. Es sind jedoch auch andere Möglichkeiten denkbar, nämlich eine um den Rand herum gezogene Metallisierung 10, wie aus Fig. 4 hervorgeht, so daß die Kontaktierung nur an der Oberseite aus erfolgt. Diese Art der Metallisierung muß verwendet werden, wenn eine elektrisch nicht leitende Membran, zum Beispiel Kunststoff anstelle der Metallfolie verwendet wird. Als Kleber kommen

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beliebige Epoxidharze oder ähnliches Material zur Verwendung. Die Kenndaten solcher Art hergestellten piezoelektrischen Drucktasten sind beispielsweise in Fig. 5 und 6 dargestellt. Bei der letzteren Darstellung wird die Überlegenheit der Erfindung gegenüber anderen vergleichbaren Tasten besonders deutlich. So ergeben sich bereits bei Kräften von 0,4 N, also an einem 10 M JTL -Widerstand bereits Spannungen von 1,5 V. Aufgrund der bei der niedrigen mechanischen Belastung erzeugten hohen Spannungen eignet sich diese Piezotaste vorzüglich zur Ansteuerung eines Schwellwertschalters. Dabei kann durch Änderung der Betriebsspannung die Ansprechschwelle eingestellt werden.

Solche nahezu weglose und kontaktlose Schalter besitzen gegenüber den mechanischen Kontakten entscheidende Vorteile, wie geräuschloses und prellfreies Schalten, Funkstörungsfreiheit, Möglichkeit der Benutzung in explosionsgefährdeten Räumen, lange Lebensdauer infolge des Fehlens mechanisch bewegter Teile. Der erfindungsgemäße piezokeramische Tastschalter beruht auf elektrischer Wirkungsweise und zeigt keinen Leistungsverbrauch«, Die mit dem Verbundkörper erzielten Vorteile bestehen hauptsächlich darin, daß es aufgrund der Verwendung eines piezoelektrischen Verbundwandlers ge—

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lungen ist, einen elektrisch aktiven Generator zu bauen, der schon bei äußerst geringen Kräften von ca. 0,2 N elektrische Spannungen erzeugt, die genügen, elektronische Schaltungen anzusteuern. Aufgrund des geschilderten Aufbaues ist es weiterhin möglich, eine äußerst kleine Einbautiefe von ca, 3 mm einzuhalten. Deshalb eignet sich die Taste besonders zum Aufbau extrem flacher Tastenfelder. Gegenüber den bekannten Sensorteilen bedarf es eines definierten Druckes zur Auslösung des Schaltimpulses; damit ist eine unbeabsichtigte Auslösung weitgehend vermieden. Darüber ist eine Berührung einer solchen Taste auch für Personen mit Herzschrittmachern völlig ungefährlich, da ein Kontakt zu irgendwelchen Stromfuhrungen oder an Spannung liegenden Teilen nicht möglich ist.

Schutzansprüche - 9 -

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Claims

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SCHUTZANSPRÜCHE

Piezoelektrische Vorrichtung, insbesondere ein elektrischer Tastschalter mit einem Wandler zur Ansteuerung von elektrischen Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein \^rerbundkörper (4) waagerecht zur Druckrichtung in der Taste (l) angeordnet ist, wobei er aus einer piezoelektrischen passiven Folie (ll) und einer piezoelektrischen aktiven Folie (5)j vorzugsweise mit einer Vorspannung, versehen ist, so daß bei geringster Biegung eine Spannung entsteht, die über die Kontakte (6, 7 und 9) abfließt.

Piezoelektrischer Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezo-passive Folie (ll) und die piezo-aktive Folie (5) miteinander laminiert sind.

3· Piezoelektrischer Verbundkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezo-passive Folie (ll) aus Metall besteht.

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Ί_ο Piezoelektrischer Verbundkörper nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrisch-passive Folie (ll) aus Kunststoff besteht»

5. Piezoelektrischer Verbundkörper nach Anspruch 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische aktive Folie aus einem Piezo-Kristall gebaut ist.

Piezoelektrischer Verbundkörper nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische aktive Folie (5) einen piezoelektrischen Kunststoff darstellt»

7. Piezoelektrischer Verbundkörper nach Anspruch 1 bis k_f dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische aktive Folie (5) aus Piezokeramik aufgebaut ist.

8. Piezokeramischer Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine bleibende Durchbiegung des Körpers durch einen warm aushärtbaren Kleber bei der Lamellierung erzielt ist.

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ft+rrt-tr-U -ι Selb, den 22. April 1977

Piezoelektrische Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem Deckel aus flexiblem Material aufgebaut ist, der einer Kraft keinen wesentlichen Widerstand entgegensetzt und im Innern eine Erhöhung (l2) aufweist, so daß schräggerichtete Kräfte auf dem Deckel weitgehend senkrecht auf dem Verbundkörper übertragen werden.

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