按钮开关

本发明涉及按钮开关，其包括能够用于，例如，电子家庭用具的 操纵装置中的压电元件。

这种按钮开关基本上是如图1所示构造的。例如，在电子家庭用 具的操作前板的后面设置压电元件10并将其支撑在固定基座14上。 此外，在第一电极16和第二电极18之间设置压电元件10，以使得当 由手指19以在图1中指示的操作方向上施加压力或者力F时，在两 个电极16，18处释放与所施加的力F成比例的电荷Q。因此能够通 过测量该电荷Q确定按钮开关的致动，必要的致动距离是非常小的。

使用这种按钮开关与现有的按钮开关相比具有一些优点。由于致 动距离最小，机械地移动的部分不会磨损，并且按钮开关的简单的和 机械鲁棒性的设计是可能的。此外，电子家庭用具的操作前板不需要 任何开口或凸起(elevation)或缺口，这就是按钮开关被配置为防湿 的且能够以简单的方式清洁操作前板的原因。

描述了包括压电元件的该类型的按钮开关，例如，在 EP0553881B1中。

本发明基于开发上述类型的按钮开关的目的，包括以能够对产生 的测量信号进行更好的处理的方式的压电元件。

通过具有权利要求1的特征的按钮开关实现该目的。本发明的有 益实施例和开发是从属权利要求的主题。

根据本发明的按钮开关具有在第一电极和第二电极之间设置的 压电元件，其是以当在压电元件上施加压力时，在第一和第二电极之 间产生电压的方式设置的，该按钮开关还包括放大器电路，该放大器 电路的第一输入连接到压电元件的第一电极且其第二输入连接到压电 元件的第二电极。通过电压源的方式操作放大器电路，且在其输出产 生放大的电压作为在压电元件的第一和第二电极之间的测量信号。在 压电元件的第一和第二电极之一和放大器电路的电压源的基准点之 间，还连接附加电压源，该附加电压源的工作电压大于压电元件的第 一和第二电极之间的最大电压。

因为通过放大器电路的方式将在压电元件的第一和第二电极之 间产生的电压作为放大的测量信号输出，原则上能够更容易地处理测 量信号。通过提供附加电压源，在放大器电路的两个输入和在输出在 任何时间排他地发生正电压，这也促进了产生的测量信号的处理。

在本发明的优选实施例中，选择附加电压源的工作电压大约为放 大器电路的电压源的工作电压的一半。以这样的方式，在放大器电路 的输出的测量信号的静态电平大约位于动态范围的中心。

上述设计的按钮开关用于，例如，操作装置，具体地说用于另外 设置有具有至少一个A/D输入连接的控制器的电子家庭用具的操作装 置，该输入连接连接到至少一个按钮开关的放大器电路的输出。

在本发明的一个实施例中，几个按钮开关的放大器电路的输出还 可以经由模拟多路复用电路连接到控制器的A/D输入连接。

通过参考附图，本发明的上述和另外的特征和优点将从下面优选 的、非限制的说明性实施例的说明中变得更容易理解，在附图中：

图1示出了根据本发明的按钮开关的机械结构的示意性图示；

图2示出了根据本发明的第一说明性实施例的按钮开关的结构的 示意性框图；

图3A到C示出了施加的力(F)，由电极产生的电压(Uin)和 测量信号(Uout)的示意性时序图，用于解释图2的按钮开关的操作；

图4示出了根据本发明的第二说明性实施例的按钮开关的结构的 示意性框图；

图5A和5B示出了施加的力(F)或者测量信号(Uout)的示意 性时序图，用于解释图4的按钮开关的操作；和

图6示出了具有用于处理本发明的几个按钮开关的测量信号的模 拟多路复用电路的控制器的示意性框图。

在下面的内容中参考附图描述的本发明的按钮开关能够有益地 用于操作装置，特别用于电子家庭用具(火炉、铁架、洗衣机、烘干 机、洗碗机等)的操作装置。但本发明不限于这些应用。

按钮开关的机械结构实质上对应于具有压电元件的现有按钮开 关的机械结构。如图1所示，在例如玻璃陶瓷架的操作装置的操作前 板12之后设置压电元件10、且在固定基座14上支撑该压电元件10。 在该设置中，夹在操作前板12侧上的第一电极16和固定基座18侧上 的第二电极18之间容纳压电元件10。

现在将参考图2和3更详细地描述本发明的按钮开关的第一说明 性实施例的结构和操作。

如果力F以图1指示的致动方向作用在压电元件10上，例如通 过手指19，在两个电极16，18处释放与力F成比例的电荷量Q。由 此经由与压电元件10并联连接的电容(压电元件等的电容)28的寄 生或者有功分量和电阻(后续放大器的输入电阻，压电元件等的绝缘 电阻)30产生电压Uin。

该电压Uin由放大器电路20放大，该放大器电路20的第一输入 (+)连接到第一电极16，且其第二输入(-)连接到第二电极18，并 经由电压源22向其提供工作电压Ua。放大器电路20在其输出处将相 应放大的测量信号Uout例如输出到控制器(微处理器)36的A/D输 入连接，用于处理和估算。之后由相应的软件估算该测量信号Uout。

然而，即使力F仍然被施加在压电元件10上，在由电容28和电 阻30确定的常数时间之后，由于该电阻30，压电元件10的两个电极 16，18之间的电压Uin也回到零。如果随后在稍后的时间不再存在力 F，则现在以和先前已经释放的电荷量Q相同的程度再次接受相同电 荷量Q。这导致再次在两个电极16，18之间产生电压，但是具有相反 的极性。由此，能够在两个电极16，18之间出现10正和负的电压。

这由图3A和3B的时序图更清楚地示出。在每种情况中A中的 两个图示示出了施加在按钮开关的压电元件10上的力F随着时间的 变化；且在每种情况中B中的图示示出了在压电元件10的两个电极 16，18之间产生的电压Uin时的变化。在图3的图示中，在每种情况 下，在左侧示出了用于在按钮上相对长的恒定压力的情况，同时在右 侧示出了用于在按钮上相对短的恒定压力的情况。

然而，除了用于向放大器电路20提供工作电压Ua的电压源22 之外，还将附加电压源26置于压电元件10的第二电极18和放大器电 路20的电压源22的基准点24之间。当该附加电压源26的工作电压 Ub大于压电元件10的两个电极16，18之间的最大电压时，关于基准 点24在放大器电路20的两个输入和输出处仅出现正电压。这允许由 放大器电路20更简单地放大电压Uin，以及在放大器电路20的输出 处更简单地估算测量信号Uout。

如果附加电压源26的工作电压Ub是用于放大器电路20的电压 源22的工作电压Ua的大约一半，则在放大器电路20的输出处的测 量信号Uout的静态电平大约在动态范围的中心，如图3C的图示中所 示。

参考图4和5，现在将更详细地解释本发明的按钮开关的第二说 明性实施例的结构和操作。

当上述第一说明性实施例的按钮开关的电荷放大器设置有相对 大的输入阻抗时，图4示出了用于具有相对低的输入阻抗的电荷放大 器的本发明的按钮开关的电路结构。

在这种情况下，电荷放大器由放大器电路20和与放大器电路20 并联连接的电容32构成。由于在放大器电路20的输入处的虚拟短路 (具有低输入阻抗)及产生的非常低的电压，可以忽略经由与压电元 件并联连接的电阻30和电容28的寄生或者真实部件漏出的电荷量Q。

然而，即使继续施加力F，在由电容32和电阻34确定的常数时 间之后，在电荷放大器(20和32)的输出处的电压由于寄生或者真实 电阻34回到零。如果随后结束力F的施加，则导致在放大器电路20 的输出处的电压具有和上述结合第一说明性实施例陈述的近似地相反 的极性，以使得在该情况下还可以出现正和负的测量信号Uout。

因此，类似上述第一说明性实施例，在图4的电路结构中，附加 电压源26也被置于压电元件10的第二电极18和放大器电路20的电 压源22的基准点24之间。结果，相对于基准点24，在放大器电路20 的输出处仅发生正电压。这里，附加电压源26的工作电压Ub优选地 也是用于电荷放大器20的电压源22的工作电压Ua的大约一半，以 使得在电荷放大器20，32的输出处的测量信号Uout的静态电平大约 在动态范围的中心。

进一步在图5A和5B中示出了第二说明性实施例的按钮开关的 操作。图示A示出了在每种情况下施加在压电元件10上的力F随着 时间t的变化，且图示B示出了在每种情况下对于Ub＝1/2Ua的情况 在电荷放大器20，32的输出处测量信号Uout随时间的变化。如在第 一说明性实施例，也在每种情况下在左边示出了用于在按钮上相对长 的恒定压力的情况，且在这种情况下在右边示出了用于在按钮上相对 短的恒定压力的情况。

例如，向控制器(例如，微处理器)36的A/D输入连接提供分 别由放大器电路20和电容32形成的放大器电路20(图2)或者电荷 放大器(图4)的测量信号Uout，并以相应的软件进行估算。如果由 控制器36要估算几个按钮开关或者压电元件10，但是控制器不具有 足够数目的A/D输入连接，则必须通过多路复用电路的方式将来自不 同压电元件10的几个模拟测量信号Uout连接到控制器的一个A/D输 入连接。在图6的电路图中示意性地示出了该情况。

上述设计的三个不同按钮开关的模拟测量信号Uout由U1，U2， U3指定。这些模拟测量信号U1，U2，U3在每种情况下经由电阻器 R1，R2，R3和二极管D1，D2，D3施加于控制器36的公共的A/D 输入连接。在每种情况下经由公共电阻R4形成分压器R1/R4，R2/R4 和R3/R4。

在每种情况下三个模拟测量信号U1，U2，U3的信号线也分别连 接到控制器36的开漏输出S1，S2和S3，其又连接到地。例如，如果 模拟测量信号U1被提供到控制器36，则控制器36的开漏输出S2和 S3必须连接到地。结果，阳极D2和D3由开漏输出S2和S3经由电 阻R2和R3短路到地。由此二极管D2和D3变为关断的，并防止在 电阻R4处的测量信号U2和U3变为叠加在当前被估算的测量信号 U1上。

在该开关状态下，由二极管D1的正向电压UD1和由分压器 R1/R4减小的模拟测量信号U1AD存在于控制器36的A/D输入连接 处：

U1AD＝(U1-UD1)R4/(R1+R4)

类似地估算另外两个模拟测量信号U2和U3。

在已经如上面参考附图、通过两个优选说明性实施例的方式描述 的根据本发明的按钮开关中，总是在电荷放大器，即，放大器20的输 出处产生具有正电压电平的测量信号Uout。这显著地简化了测量信号 的处理和估算。同时，本发明的按钮开关利用具有压电元件的按钮开 关的最初提到的优点，这也是压电元件为什么能够特别有益地用于电 子家庭用具的操作装置中的原因。

附图标记列表

10 压电元件

12 操作前板

14 固定基座

16 第一电极

18 第二电极

20 放大器电路

22 电压源

24 22的基准点

26 附加电压源

28 电容

30 电阻

32 电容

34 电阻

36 控制器