DE68913808T2

DE68913808T2 - Piezoelektrischer Schalter.

Info

Publication number: DE68913808T2
Application number: DE68913808T
Authority: DE
Inventors: Armand Rosenberg; Menashe Yeheskel
Original assignee: Makash Advanced Piezo Technology
Current assignee: Makash Advanced Piezo Technology
Priority date: 1988-05-27
Filing date: 1989-05-26
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2009-05-27
Also published as: JPH0731959B2; JPH03184220A; ATE103125T1; DE68913808D1; EP0343685A2; EP0343685A3; EP0343685B1; US4896069A; ES2050183T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schalter, der keine beweglichen Teile aufweist, insbesondere zur Verwendung in Tastaturen. Der Schalter beinhaltet eine piezoelektrische Keramik, die beide Kontakte auf einer Seite aufweist, und einen elektronischen Schaltkreis, der ein anisotropes Elastomer als leitfähiges Kopplungsmedium verwendet, um eine mechanische Kraft in ein elektrisches Signal umzuwandeln.

2. Stand der Technik

Bekannte Schalter des in Tastaturen, z.B. Computertastaturen oder Telefon-Tastenfeldern, verwendeten Typs sind aus einer Anzahl von beweglichen Teilen aufgebaut. Diese Typen von Schaltern werden wegen der zerbrechlichen Natur der Teile regelmäßig defekt und müssen regelmäßig gereinigt werden, um Schäden aufgrund von Staub und Schmutz zu verhindern.
US-Patent No. 4,737,767 offenbart eine in Fig. 1 gezeigte Tastatur, die aus einer Anzahl von Tastschaltern besteht, die keine beweglichen Teile aufweisen, um so die vorstehend erwähnten Nachteile zu eliminieren. Das Tastaturgehäuse 2 ist aus einem harten, nicht-isolierenden Material gebildet. Eine Lage 6 aus Epoxyd ist auf das Gehäuse 2 aufgebracht, das die auf die unterschiedlichen Tastaturbereiche 4 ausgeübten Kräfte überträgt. Eine Anzahl von dünnen, elektrisch isolierenden Scheiben 8 sind an dem harten, nicht-isolierenden Material in individuellen Bereichen 4 in dem Gehäuse befestigt, die die Schriftzeichen auf der Tastatur repräsentieren. Eine Vielzahl von dünnen, elektrisch-leitfähigen Scheiben 10 sind an den dünnen, isolierenden Scheiben 8 befestigt, die zusammen Segmente einer gedruckten Schaltung bilden. Eine Anzahl von keramischen piezoelektrischen Kristallen 14 sind an den einzelnen leitfähigen Scheiben 10 mit einer kleinen Menge von Epoxyd 12 befestigt und die leitfähigen Scheiben 10 sind auf diese Weise mit dem Gehäuse elektrisch gekoppelt. Auf diese Weise ist eine Oberfläche des Kristalls gemeinsam mit dem individuellen Bereich des Gehäuses und wenn der Tastaturbereich gedrückt wird, wird der Kristall belastet und verursacht ein elektrisches Signal, das auf der nicht geerdeten Oberfläche des Kristalls erzeugt wird. Leitungen 16 sind an der nicht geerdeten Oberfläche des Kristalls 14 angebracht und tragen das elektrische Signal in die Außenwelt. Eine isolierende Lege 18 liegt über den Kristallen 14 und den leitfähigen Scheiben 10.
Ein anderer piezoelektrischer Schalter entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus US-A-4 618 797 bekannt.
Schalter von diesem Typ haben eine Anzahl von Nachteilen. Sie sind kompliziert in ihrer Struktur und daher schwierig und kostenaufwendig herzustellen. Da ihre individuellen Teile zusammengelötet oder -geklebt werden müssen, sind sie schwierig zu ersetzen oder zu reparieren. Zusätzlich zu den vielen Legen dieses Schalters weist die Keramik Kontakte an einander abgewandten Seiten davon auf, was den elektrischen Kontakt damit schwierig und komplex macht. Weiterhin ist es zum Aufbau einer vollständigen Tastatur notwendig, einzelne Keramiken und entsprechende isolierende und leitfähige Legen zu verwenden. Zusätzlich ist die gedruckte Schaltung zwischen dem Kristall und dem harten isolierenden Material plaziert, was zu der Möglichkeit eines Schadens an der gedruckten Schaltung führt.
Der Verwendung von piezoelektrischen Keramiken mit beiden Kontakten auf einer Seite in elektrischen Schaltkreisen ist bekannt. Beispiele von Patenten, die eine solche Anordnung offenbaren, sind die folgenden: US-Patent Erfinder Lee Laird Bokovoy Sonderegger Von Beckerath
Auch ist die Verwindung einer leitfähigen Gummilasche entweder als Verbindungsglieder oder in Verbindung mit einer piezoelektrischen Keramik bekannt, wovon Beispiele in den folgenden Patenten zu finden sind. US-Patent Erfinder Inoue et al. Otsuka Dalamangas et al. Patrick Lee Toyoshima et al. Kanematsu et al. Sado Nakamura et al.
Nur Lee offenbart die Verwendung einer leitfähigen Gummilasche in Verbindung mit einer piezoelektrischen Keramik, die beide Kontakte auf einer Seite aufweist. Lee ist auf eine Vorrichtung zum mechanischen und elektrischen Koppeln einer akustischen Oberflächenwellenvorrichtung mit einem Gehäuse gerichtet. Die Vorrichtung umfaßt eine leitfähige Gummilasche die zwischen einer akustischen Oberflächenwellenvorrichtung und einem elektronischen Schaltkreis innerhalb eines Gehäuses eingebunden ist. Die akustische Oberflächenwellenvorrichtung wirkt als Filter, der es erlaubt, daß Information durch den Schaltkreis hindurchgelangt, wenn der Träger mit der Frequenz der Welle übereinstimmt. Die mit der piezoelektrischen Keramik verbundene Schaltungsanordnung dient zum Einspeisen von elektrischen Signalen in die Keramik, statt nur dazu da zu sein, Signale von der Keramik zu empfangen. Demzufolge kann die Vorrichtung gemäß Lee nicht als Tastaturschalter wie in der vorliegenden Erfindung funktionieren.
Die Verwendung von Keramik als piezoelektrisches Material ist per se aus US-A-3,899,698 bekannt.
DE-A-31 22 941 offenbart die Verwendung von Elastomerleitern zum Übermitteln von elektrischen Signalen zwischen elektrisch aktiven Oberflächen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schalter zu schaffen, der keine beweglichen Teile aufweist und einfach und kostengünstig herzustellen, zu produzieren und reparieren ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils von Anspruch 1 erfüllt. Entsprechend sieht die Erfindung einen Schalter vor, der eine piezoelektrische Keramik, die beide Kontakte an einer Seite aufweist, und einen elektronischen Schaltkreis umfaßt, der ein anisotropes Elastomer als leitfähiges Medium verwendet, um eine mechanische Kraft in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Noch weitere Ziele, Merkmale und damit verbundene Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus einer Lektüre der folgenden detaillierten Beschreibung und der entsprechend damit konstruierten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung der vorliegenden Anmeldung wird nunmehr detaillierter unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung die nur als Beispiel gegeben werden und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 die Konstruktion der piezoelektrischen Tastatur nach dem Stand der Technik zeigt;
Fig. 2 eine Explosionsdarstellung des piezoelektrischen Schalters entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 ein Querschnitt der Schalterelemente entsprechend der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 4 ein Schema des Schaltkreises entsprechend der vorliegenden Erfindung ist, der auf der Leiterplatte enthalten ist; und
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Tastatur entsprechend der vorliegenden Erfindung ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Der piezoelektrische Schalter entsprechend der vorliegenden Erfindung ist so konstruiert, daß ein einfacher, billiger Schalter geschaffen wird, der bei einer großen Anzahl von Anwendungsfällen eingesetzt werden kann. Zum Beispiel können individuelle Schalter verwendet werden, um eine Computertastatur, ein Telefon-Tastenfeld, ein Registrierkassen-Terminal, eine Steuertafel für eine Maschinerie, Aufzugsknöpfe oder jede andere Vorrichtung aufzubauen, die es erfordert, daß ein Anwender Informationen eingibt.
Der piezoelektrische Schalter 20 der vorliegenden Erfindung ist in einer Explosionsdarstellung in Fig. 2 gezeigt. Das Gehäuse 22 bildet eine Aufnahme, in die die restlichen Schaltkreiselemente eingesetzt werden. Das Gehäuse 22 ist aus einem Material gebildet, das fest, doch in gewissem Maße flexibel ist, wie z.B. Kunststoff oder rostfreier Stahl. Ein Beispiel für solch ein Kunststoffmaterial ist das Produkt, das unter dem Warenzeichen LEXAN von der General Electric Company hergestellt wird.
Das Material muß genügend flexibel sein, so daß es in Abhängigkeit von einem externen Druck deformierbar ist, der aufgebracht wird, um den Schalter zu aktivieren. Falls der Schalter z.B. in einem Telefontastenfeld eingesetzt werden soll, drückt die Person die Zeichen für die Nummer, die er eingibt. Der dadurch hervorgerufene Druck deformiert das Gehäuse, welche Transformation wiederum auf die piezoelektrische Keramik 24 übertragen wird. Es muß auch genügend flexibel sein, um so ein Einpassen der verschiedenen Schalterelemente innerhalb des Gehäuses und um so ein Einpassen des Gehäuses in die Vorrichtung, in der es verwendet wird, zu erlauben. Das Material muß auch genügend steif sein, um so die piezoelektrische Keramik vor Beschädigung zu schützen.
Das Gehäuse 22 umfaßt ein ringförmiges Leger 210, an dem alle anderen Abschnitte des Gehäuses befestigt sind. Das Lager 210 hat eine im wesentlichen kreisförmige Gestalt, jedoch bilden zwei Abschnitte abgeflachte Abschnitte 214. Von einer Fläche des Legers 210 erstrecken sich bei den Abschnitten 214 zwei Klammern 216 nach unten, die dazu verwendet werden können, um den Schalter lösbar in der Vorrichtung zu befestigen, in der er eingesetzt werden soll. Diese Klammern 216 werden während des Einsetzens aufeinanderzu gedrückt. Der Flansch 218 sichert den Schalter in der Vorrichtung (nicht gezeigt), wenn sich dieser an seinem Platz befindet.
Auch stehen von dem Lager 210 etwa in der Position der abgeflachten Abschnitte 214 Lager 220 nach unten ab, die Lager für eine Brücke 202 bilden. Vier Ständer 204 sind an der Brücke 202 an der Innenseite des Legers 210 befestigt. Zwei der Ständer 204 sind neben dem jeweiligen abgeflachten Abschnitt 214 angeordnet und entlang des jeweiligen abgeflachten Abschnittes mit Abstand zueinander angeordnet. Die Größe des Abstandes genügt, damit ein anisotrop leitfähiges Gummielement 26 (unten beschrieben) dazwischen eingesetzt werden kann. Eine Nut 212 ist in die Innenfläche der Brücke 202 eingeformt.
Ständer 206 erstrecken sich von der gegenüberliegenden Fläche des Lagers 210 aus an Positionen, die gegenüber den abgeflachten Abschnitten 214 um 900 versetzt sind. Die Ständer 206 umfassen nach innen gerichtete Flansche 208, die dazu dienen, eine Leiterplatte 28 an ihrem Platz zu halten, wenn der Schalter zusammengesetzt ist. Die Leiterplatte 28 schnappt an ihrem Platz innerhalb des Gehäuses 22 ein. Ausschnitte 280 an der Leiterplatte 28 gelangen mit Abschnitten 222 der Ständer 206 in Eingriff, wenn der Schalter zusammengesetzt wird, um eine korrekte Positionierung der Schalterelemente innerhalb des Gehäuses 22 zu gewährleisten.
Das piezoelektrische Keramikelement 24 ist an der Unterseite der Brücke 202 durch einen isolierenden Klebstoff 244 (Fig. 3) befestigt. Sowohl der positive als auch der negative Kontakt 240 bzw. 242 sind jeweils auf der Seite der Keramik angeordnet, die nicht an der Brücke 202 fixiert ist. Ein Spalt 243 ist zwischen den Polen 240 und 242 gebildet. Auf diese Weise ist die Keramik durch die Anordnung beider Kontakte auf einer Seite auf einfache Weise elektrisch mit dem Rest der Schaltkreiselemente verbunden. Die Polarität der Pole ist austauschbar.
Das Keramikelement 24 kann aus einem Standard-Keramikmaterial gefertigt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird PPK21 verwendet, das von Stettner & Co.in Lauf, Bundesrepublik Deutschland hergestellt wird. Die piezoelektrische Keramik weist einen hohen Kopplungsfaktor, eine hohe Dielektrizitätskonstante, eine hohe piezoelektrische Dehnungskonstante und ein Breitbandverhalten durch einen niedrigen mechanischen Q-Faktor auf.
Der anisotrop leitfähige Elastomeiwerbinder 26 ist so angeordnet, daß sich eine Längskante über die lüngsgerichtete Fläche des piezoelektrischen Elementes 24 erstreckt. Der Verbinder 26 wird in das Gehäuse 22 in den durch die Ständer 204 gebildeten Raum eingesetzt. Der Verbinder wird innerhalb des Gehäuses durch die Leiterplatte 28 gehalten, wenn die Platte an ihrem Platz einschnappt. Der Verbinder kann jegliches anisotrope, leitfähige Elastomermaterial sein, jedoch ist der vorzugsweise ein Serie 1000/2000 ZEBRA Verbinder, der von der Tecknit Co. in Cranford, N.J., hergestellt wird. Ein solcher Verbinder ist als Sandwich ausgebildet, bei dem ein leitfähiger Abschnitt 264 zwischen zwei isolierende Lagen 262 geschichtet ist. Der leitfähige Abschnitt 264 ist aus Streifen von isolierendem Material 266 gefertigt, die sich mit Streifen von leitfähigem Material 268 abwechseln, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.
In diesem speziellen Fall ist der positive Pol 240 der piezoelektrischen Keramik über die leitfähigen Abschnitte 268 des Verbinders 26 elektrisch mit dem Kontakt 284 der Leiterplatte 28 verbunden. Der negative Pol 242 ist elektrisch mit dem Kontakt 282 verbunden. Die Anisotropie, die durch die sich abwechselnden leitfähigen und isolierenden Streifen 268, 266 hervorgerufen wird, erlaubt eine elektrische Verbindung der jeweiligen Kontakte, ohne daß ein Kurzschluß der Kontakte entgegengesetzter Polarität erlaubt wird.
Die Anwendung eines solchen elastomeren Verbinders erleichtert die Schnappmontage der Komponenten in das Gehäuse 22 und schützt die piezoelektrische Keramik 24 von physikalischen Schocks, die von der Richtung der offenen Seite des Gehäuses 22 herkommen können. Weiterhin erlaubt die Kombination des Elastomerverbinders mit der piezoelektrischen Keramik, die beide Pole auf einer Seite hat, daß alle elektrischen Verbindungen zwischen der Keramik und der gedruckten Leiterplatte lötfrei ausgeführt werden können.
Fig. 4 ist ein Schema des Schaltkreises der Leiterplatte 28. Der Schaltkreis 1, der den piezoelektrischen Schalter entsprechend der vorliegenden Erfindung bildet, ist mit strichlierten Linien umgrenzt. Der Schaltkreis verhindert, daß ein elektrisches Signal von der gedruckten Leiterplatte durch den anisotrop leitfähigen Elastomerverbinder zu der piezoelektrischen Keramik 24 gelangt und überträgt auch ein elektrisches Signal, das von der Keramik 24 empfangen wird, zur Außenwelt. Insbesondere umfaßt der Schaltkreis zwei Widerstände 290 und 292, zwei Transistoren 286 und 288 und eine Diode 294. Wenn sich ein elektrisches Signal innerhalb der piezoelektrischen Keramik aufgrund einer auf den Schalter ausgeübten mechanischen Kraft entwickelt, werden die Gate-Anschlüsse der Transistoren 286 und 288 positiv polarisiert. Die Impedanz zwischen dem Source- und dem Drain-Anschluß der Transistoren 286 und 288 fällt von 5 MX (typisch) auf näherungsweise 0X . Dies ermöglicht es, daß jeder externe Schaltkreis, der eine Quelle (Batterie 296) und eine Last 298 umfaßt, eingeschaltet werden kann.
Das Signal von dem piezoelektrischen Kristall 24 ist genügend hoch, um die Gate-Anschlüsse der Transistoren 286 und 288 zu öffnen. Jedoch ist dieses Signal manchmal zu hoch, was die beiden Transistoren überlastet. Die Diode 294 wird eingeschlossen, um das Signal auf einem sicheren Pegel zu halten.
Kontakte 30 sind an der äußeren Oberfläche der gedruckten Leiterplatte 28 vorgesehen, um Kontakt mit der externen Vorrichtung zu schaffen. Die Kontakte können Steckeranschlüsse sein, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, oder sie können als gerade Stiftkontakte geformt sein.
Eine Ausführungsform des Schalters ist hier gezeigt und beschrieben. Mehrere Schalter können miteinander verbunden werden, um zusammen eine Tastatur oder eine ähnliche Vorrichtung zu bilden, z.B. in der Tastatur, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist. Die einzelnen Schalter sind miteinander verbunden, um eine Tastatur entsprechend dem bekannten Prinzip der Tastaturkonstruktion zu bilden. Es ist verständlich, daß es möglich ist, andere Ausführungsformen des Schalters zu konstruieren, die dazu ausgelegt sind, eine bestimmte Anwendung zu implementieren. Zum Beispiel wäre es möglich, ein einzelnes Gehäuse vorzusehen, das die gesamte Tastatur bildet, wobei Indizes für die Tastatur-Schriftzeichen auf einer Seite des Gehäuses vorhanden sind und wobei für jeden Bereich, der einen solchen Index aufweist, ein einzelnes piezoelektrisches Element, ein Elastomerverbinder und eine gedruckte Leiterplatte damit verbunden werden können.
Es ist verständlich, daß die Gestalt des Gehäuses 22 an die jeweiligen Notwendigkeiten der Anwendung angepaßt sein kann. Beispielsweise kann es quadratisch, rechteckig oder oval sein. Die Schalterkonstruktion und die Leichtigkeit, mit der die Teile des Schalters in das Gehäuse eingesetzt werden, erzielen einen Schalter, der vollmodular ist. Er ist ein Einbau-Element, das keine beweglichen Teile aufweist, einfach zusammenzubauen und einfach an seinen Platz in dem System einzuschnappen ist, in dem es angewendet werden soll.

Claims

1. Piezoelektrische Schalter, umfassend:

ein Gehäuse (22) zur Aufnahme einer externen mechanischen Kraft;

eine piezoelektrische Einrichtung (24) zum Erfassen der externen mechanischen Kraft, die durch das Gehäuse (22) aufgenommen wird, und zum Wandeln dieser Kraft ist ein elektrisches Signal, welche piezoelektrische Einrichtung (24) mit einer Seite mechanisch mit dem Gehäuse (22) verbunden ist;

eine leitfähige Einrichtung (26), die bei der piezoelektrischen Einrichtung (24) angeordnet ist und in Kontakt mit dieser steht, um das elektrische Signal zu leiten;

eine Schaltungsanordnung (28) die bei der leitfähigen Einrichtung (26) angeordnet ist und in Kontakt mit dieser steht, um das von der piezoelektrischen Einrichtung (24) hergeleitete elektrische Signal zu empfangen und zu verarbeiten und um zu verhindern, daß jegliche elektrischen Signale von der Schaltungsanordnung (28) durch die leitfähige Einrichtung (26) zu der piezoelektrischen Einrichtung (24) gelangen,

dadurch gekennzeichnet. daß

die piezoelektrische Einrichtung (24) eine weitere Seite mit einem positiven Kontakt (240) und einem negativen Kontakt (242) aufweist und

daß die leitfähige Einrichtung einen anisotropen, elastomeren Verbinder (26) aufweist.

2. Piezoelektrische Schalter nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (22) einen hartflexiblen und isolierenden Körper zum Umhüllen der piezoelektrischen Einrichtung (24), der leitenden Einrichtung (26) und der Schaltungsanordnung (28) aufweist, so daß sie gegenseitig in betriebsfunktionalem Kontakt stehen.

3. Piezoelektrischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die piezoelektrische Einrichtung eine piezoelektrische Keramik (24) umfaßt.

4. Piezoelektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schaltungsanordnung eine Leiterplatte (28) umfaßt, die zwei parallel zueinander geschaltete Transistoren (286, 288) und eine Diode (294) aufweist, deren eines Ende mit den Drain-Anschlüssen der beiden Transistoren (286, 288) und deren zweites Ende mit den Gate-Anschlüssen der beiden Transistoren (286, 288) verbunden sind, um eine Überlastung der beiden Transistoren (286, 288) zu verhindern.

5. Piezoelektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend Kontakteinrichtungen (30), die mit der Schaltungsanordnung (28) verbunden sind, um einen Kontakt zwischen dem Schalter und einem externen Schaltkreis zu schaffen.

6. Verwendung eines piezoelektrischen Schalters nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7 bis 9, in einer Tastatur, die zumindest zwei Schalter (20) und eine Einrichtung zum Verarbeiten der Ausgangssignale der Schalter (20) umfaßt, so daß jeder der Schalter (20) einen solchen piezoelektrischen Schalter umfaßt.

7. Piezoelektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der anisotrope elastomere Verbinder (26) einen Vielzahl von leitfähigen Legen (268) und eine Vielzahl von isolierenden Lagen (266) umfaßt, die wechselweise miteinander verbunden sind.

8. Piezoelektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7, wobei der anisotrope elastomere Verbinder (26) weiterhin zwei langgestreckte isolierende Legen (262) umfaßt, die sich über die gesamte Lange und Breite des Verbinders (26) erstrecken und wobei die Vielzahl von leitfähigen Legen (268) und isolierenden Legen zwischen den beiden langgestreckten isolierenden Legen (262) angeordnet sind.

9. Piezoelektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 7 oder 8, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Einrichtung (26), die bei der piezoelektrischen Einrichtung (24) in Kontakt mit dieser angeordnet ist, dazu dient, die piezoelektrische Einrichtung (24) vor physikalischem Schock zu schützen, der von der Richtung einer offenen Seite des Gehäuses (22) herkommen kann.