DRUCKTASTSCHALTER

DRUCKTASTSCHALTER

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucktastschalter mit einem piezoelektrischen Element, der beispielsweise in einer Bedienvorrichtung für ein elektronisches Haushaltsgerät eingesetzt werden kann.

Ein solcher Drucktastschalter ist grundsätzlich aufgebaut, wie in Fig. 1 dargestellt. Das piezoelektrische Element 10 ist zum Beispiel hinter einer Bedienblende eines elektronischen Haushaltsgeräts angeordnet und gegen eine feste Basis 14 abgestützt. Ferner ist das piezoelektrische Element 10 zwischen einer ersten Elektrode 16 und einer zweiten Elektrode 18 angeordnet, sodass beim Ausüben eines Drucks bzw. einer Kraft F durch einen Finger 19 in der in Fig. 1 angedeuteten Betätigungsrichtung an den beiden Elektroden 16, 18 eine Ladung Q freigesetzt wird, die proportional zur ausgeübten Kraft F ist. Über die Messung dieser Ladung Q kann so eine Betätigung des Drucktastschalters festgestellt werden, wobei der notwendige Betätigungsweg sehr gering ist.

Die Verwendung derartiger Drucktastschalter hat einige Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Tastschaltern. Aufgrund der minimalen Betätigungswege entsteht kein Verschleiß von mechanisch beweglichen Teilen; und es ist ein einfacher und mechanisch robuster Aufbau des Tastschalters möglich. Weiter sind in den Be- dienblenden der elektronischen Haushaltsgeräte keine Durchbrüche oder Erhebungen bzw. Vertiefungen notwendig, weshalb der Tastschalter feuchtigkeitsdicht angeordnet ist und die Bedienblende einfach gereinigt werden kann.

Ein Drucktastschalter dieser Art mit einem piezoelektrischen Element ist zum Beispiel in der EP 0 553 881 B1 beschrieben. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucktastschalter der oben beschriebenen Art mit einem piezoelektrischen Element so weiterzuentwickeln, dass eine bessere Weiterverarbeitung des erzeugten Messsignals ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Drucktastschalter mit den Merkmalen des

Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der erfindungsgemäße Drucktastschalter weist ein piezoelektrisches Element, das so zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angeordnet ist, dass beim Ausüben eines Drucks auf das piezoelektrische Element eine e- lektrische Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erzeugt wird, und eine Verstärkerschaltung, deren erster Eingang mit der ersten Elektrode des piezoelektrischen Elements verbunden ist und deren zweiter Eingang mit der zweiten Elektrode des piezoelektrischen Elements verbunden ist, auf. Die Verstärkerschaltung wird mit einer Spannungsquelle betrieben, und an ihrem Ausgang wird eine verstärkte Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode des piezoelektrischen Elements als Messsignal erzeugt. Zwischen eine der ersten und der zweiten Elektrode des piezoelektrischen Elements und einen Be- zugspunkt der Spannungsquelle der Verstärkerschaltung ist ferner eine Zusatzspannungsquelle geschaltet, deren Betriebsspannung größer als die maximale Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode des piezoelektrischen Elements ist.

Da die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode des piezoelektrischen E- lements erzeugte Spannung mittels der Verstärkerschaltung als ein verstärktes Messsignal ausgegeben wird, kann dieses Messsignal grundsätzlich leichter weiterverarbeitet werden. Durch das Bereitstellen der Zusatzspannungsquelle treten sowohl an den beiden Eingängen als auch am Ausgang der Verstärkerschaltung jederzeit ausschließlich positive Spannung auf, was ebenfalls die Weiterverarbeitung des erzeugten Messsignals erleichtert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Betriebsspannung der Zusatzspannungsquelle etwa halb so groß wie eine Betriebsspannung der Spannungsquelle der Verstärkerschaltung gewählt. Auf diese Weise liegt der

Ruhepegel des Messsignals am Ausgang der Verstärkerschaltung etwa in der Mitte des Aussteuerungsbereichs. Der Drucktastschalter der oben beschriebenen Konstruktion wird beispielsweise in einer Bedienvorrichtung, insbesondere einer Bedienvorrichtung für ein elektronisches Haushaltsgerät, eingesetzt, die zusätzlich mit einer Steuerung mit we- nigstens einem A/D-Eingangsanschluss, der mit dem Ausgang der Verstärkerschaltung des wenigstens einen Drucktastschalters verbunden ist, versehen ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung können auch die Ausgänge der Verstärkerschaltungen mehrerer Drucktastschalter mit einem A/D-Eingangsanschluss der Steuerung über eine Analog-Multiplexerschaltung verbunden sein.

Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des mechanischen Aufbaus eines Drucktastschalters gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild des Aufbaus eines Drucktastschalters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3A bis C schematische Zeitablaufdiagramme einer ausgeübten Kraft (F), einer von den Elektroden erzeugten Spannung (Uin) bzw. eines Mess- Signals (Uout) zur Erläuterung der Funktionsweise des Drucktastschalters von Fig. 2;

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild des Aufbaus eines Drucktastschalters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5A und B schematische Zeitablaufdiagramme einer ausgeübten Kraft (F) bzw. eines Messsignals (Uout) zur Erläuterung der Funktionsweise des Drucktastschalters von Fig. 4; und

Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild einer Steuerung mit einer Analog-

Multiplexerschaltung zur Weiterverarbeitung der Messsignale mehrerer Drucktastschalter der Erfindung. Der nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschriebene Drucktastschalter der vorliegenden Erfindung ist in vorteilhafterweise in Bedienvorrichtungen, insbesondere in Bedienvorrichtungen elektronischer Haus- haltsgeräte (Herde, Kochfelder, Waschmaschinen, Trockner, Spülmaschinen, usw.) einsetzbar, ohne dass die Erfindung auf diese Anwendungsfälle beschränkt sein soll.

Der mechanische Aufbau des Drucktastschalters entspricht im Wesentlichen dem eines herkömmlichen Drucktastschalters mit piezoelektrischem Element. Wie in

Figur 1 dargestellt, ist ein piezoelektrisches Element 10 hinter einer Bedienblende 12 einer Bedienvorrichtung zum Beispiel eines Glaskeramik-Kochfeldes angeordnet und gegen eine feste Basis 14 abgestützt. Das piezoelektrische Element 10 ist dabei zwischen einer ersten Elektrode 16 auf der Seite der Bedien- blende 12 und einer zweiten Elektrode 18 auf der Seite der festen Basis 18 in

Sandwich-Bauweise aufgenommen.

Anhand der Fig. 2 und 3 werden nun der Aufbau und die Funktionsweise eines ersten Ausführungsbeispiels des Drucktastschalters der Erfindung näher erläu- tert.

Wirkt eine Kraft F zum Beispiel durch einen Finger 19 auf das piezoelektrische Element 10 in der in Fig. 1 angedeuteten Betätigungsrichtung, so wird an den beiden Elektroden 16, 18 eine zur Kraft F proportionale Ladungsmenge Q freige- setzt. Über die parasitär oder real vorhandenen und parallel zum piezoelektrischen Element 10 geschalteten Komponenten der Kapazität (Kapazität des piezoelektrischen Elements, usw.) 28 und des Widerstandes (Eingangswiderstand des nachgeschalteten Verstärkers, Isolationswiderstand des piezoelektrischen Elements, usw.) 30 entsteht so eine Spannung Uin.

Diese Spannung Uin wird durch eine Verstärkerschaltung 20 verstärkt, deren erster Eingang (+) mit der ersten Elektrode 16 verbunden ist und deren zweiter Eingang (-) mit der zweiten Elektrode 18 verbunden ist und die durch eine Spannungsquelle 22 mit einer Betriebsspannung Ua versorgt wird. Die Verstärker- Schaltung 20 gibt an ihrem Ausgang ein entsprechend verstärktes Messsignal

Uout zur Weiterverarbeitung und Auswertung aus, zum Beispiel an einen A/D- Eingangsanschluss einer Steuerung (Mikroprozessor) 36. Die Auswertung des Messsignals Uout erfolgt dann durch eine entsprechende Software.

Die Spannung Uin zwischen den beiden Elektroden 16, 18 des piezoelektrischen Elements 10 geht aber, selbst wenn weiterhin eine Kraft F auf das piezoelektrische Element 10 ausgeübt wird, aufgrund des Widerstandes 30 nach einer durch die Kapazität 28 und den Widerstand 30 bestimmten Zeitkonstanten auf Null zurück. Ist die Kraft F dann zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr vorhanden, so wird im gleichen Maße, wie zuvor die Ladungsmenge Q freigesetzt worden ist, nun wieder die gleiche Ladungsmenge Q aufgenommen. Dies führt wieder zur

Erzeugung einer Spannung zwischen den beiden Elektroden 16, 18, allerdings mit entgegengesetzter Polarität. Zwischen den beiden Elektroden 16, 18 können also sowohl positive wie auch negative Spannungen auftreten.

Die Zeitablaufdiagramme von Fig. 3A und 3B zeigen dies deutlicher. Die beiden

Darstellungen in A zeigen jeweils die zeitlichen Verlauf einer auf das piezoelektrische Element 10 des Drucktastschalters ausgeübten Kraft F; und die Darstellungen in B zeigen jeweils den zeitlichen Verlauf der zwischen den beiden Elektroden 16, 18 des piezoelektrischen Elements 10 erzeugten Spannung Uin. In den Darstellungen von Fig. 3 ist dabei jeweils links der Fall für einen relativ langen konstanten Tastendruck gezeigt, während rechts der Fall für einen relativ kurzen konstanten Tastendruck veranschaulicht ist.

Zusätzlich zu der Spannungsquelle 22 zur Versorgung der Verstärkerschaltung 20 mit der Betriebsspannung Ua ist aber ferner eine Zusatzspannungsquelle 26 zwischen die zweite Elektrode 18 des piezoelektrischen Elements 10 und den Bezugspunkt 24 der Spannungsquelle 22 der Verstärkerschaltung 20 gesetzt. Wenn die Betriebsspannung Ub dieser Zusatzspannungsquelle 26 größer als die maximale Spannung zwischen den beiden Elektroden 16, 18 des piezoelektri- sehen Elements 10 ist, so treten sowohl an den beiden Eingängen als auch am

Ausgang der Verstärkerschaltung 20 bezüglich des Bezugspunkts 24 ausschließlich positive Spannungen auf. Dies erlaubt eine einfachere Verstärkung der Spannung Uin durch die Verstärkerschaltung 20 und eine einfachere Auswertung des Messsignals Uout am Ausgang der Verstärkerschaltung 20.

Falls die Betriebsspannung Ub der Zusatzspannungsquelle 26 etwa halb so groß wie die Betriebsspannung Ua der Spannungsquelle 22 für die Verstärkerschal- tung 20 ist, liegt der Ruhepegel des Messsignals Uout am Ausgang der Verstärkerschaltung 20 etwa in der Mitte des Aussteuerungsbereichs, wie in den Darstellungen von Fig. 3C veranschaulicht.

Unter Bezug auf Fig. 4 und 5 werden nun der Aufbau und die Funktionsweise eines zweiten Ausführungsbeispiels des Drucktastschalters der Erfindung näher erläutert.

Während der Ladungsverstärker des Drucktastschalters des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels mit einer relativ großen Eingangsimpedanz versehen ist, zeigt Fig. 4 den Schaltungsaufbau eines Drucktastschalters der Erfindung für einen Ladungsverstärker mit einer relativ niedrigen Eingangsimpedanz.

Der Ladungsverstärker ist in diesem Fall aus der Verstärkerschaltung 20 und einer dieser parallel geschalteten Kapazität 32 aufgebaut. Die über die parasitär oder real vorhandenen und parallel zum piezoelektrischen Element geschalteten Komponenten der Kapazität 28 und des Widerstandes 30 abfließende Ladungsmenge Q kann aufgrund des virtuellen Kurzschlusses am Eingang der Verstärkerschaltung 20 (mit niedriger Eingangsimpedanz) und der damit sehr geringen Spannung vernachlässigt werden.

Die Spannung am Ausgang des Ladungsverstärkers (20 und 32) geht aber selbst bei weiterhin ausgeübter Kraft F aufgrund des parasitär oder real vorhandenen Widerstandes 34 nach einer durch die Kapazität 32 und den Widerstand 34 be- stimmten Zeitkonstanten auf Null zurück. Wird die Kraftausübung F dann beendet, so führt dies analog zu den obigen Ausführungen in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel zu einer Spannung am Ausgang der Verstärkerschaltung 20 mit umgekehrter Polarität, sodass auch hier positive und negative Messsignale Uout auftreten könnten.

Analog zum ersten obigen Ausführungsbeispiel ist deshalb auch beim Schaltungsaufbau von Fig. 4 eine Zusatzspannungsquelle 26 zwischen die zweite E- lektrode 18 des piezoelektrischen Elements 10 und den Bezugspunkt 24 der Spannungsquelle 22 der Verstärkerschaltung 20 gesetzt. Damit treten am Aus- gang der Verstärkerschaltung 20 bezüglich des Bezugspunkts 24 ausschließlich positive Spannungen auf. Die Betriebsspannung Ub der Zusatzspannungsquelle 26 ist auch hier vorzugsweise etwa halb so groß wie die Betriebsspannung Ua der Spannungsquelle 22 für die Verstärkerschaltung 20, sodass der Ruhepegel des Messsignals Uout am Ausgang des Ladungsverstärkers 20, 32 etwa in der Mitte des Aussteuerungsbereichs liegt.

Die Funktionsweise des Drucktastschalters des zweiten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 5A und B weiter veranschaulicht. Dabei ist in den Darstellungen A jeweils der Verlauf einer auf das piezoelektrische Element 10 ausgeübten Kraft F über der Zeit t gezeigt, und in den Darstellungen B ist jeweils der zeitliche Verlauf des Messsignals Uout am Ausgang des Ladungsverstärkers 20, 32 für den Fall Ub = ¹ /2 Ua gezeigt. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel sind auch hier jeweils links der Fall für einen relativ langen konstanten Tastendruck und rechts der Fall für einen relativ kurzen konstanten Tastendruck veranschaulicht.

Das Messsignal Uout der Verstärkerschaltung 20 (Fig. 2) bzw. des aus Verstär- kerschaltung 20 und Kapazität 32 gebildeten Ladungsverstärkers (Fig. 4) wird zum Beispiel einem A/D-Eingangsanschluss einer Steuerung (zB Mikroprozessor) 36 zugeführt und mit einer entsprechenden Software ausgewertet. Falls mehrere Drucktastschalter bzw. piezoelektrischen Elemente 10 durch eine Steuerung 36 ausgewertet werden sollen, die Steuerung aber nicht ausreichend viele A/D-Eingangsanschlüsse aufweist, so müssen mehrere analoge Messsignale

Uout verschiedener piezoelektrischer Elemente 10 mittels einer Multiplexerschal- tung auf einen A/D-Eingangsanschluss der Steuerung geschaltet werden. Dieser Fall ist in dem Schaltungsdiagramm von Fig. 6 schematisch veranschaulicht.

Mit U1 , U2, U3 sind die analogen Messsignale Uout von drei verschiedenen

Drucktastschaltern der oben beschriebenen Konstruktion bezeichnet. Diese analogen Messsignale U1 , U2, U3 sind jeweils über einen Widerstand R1 , R2, R3 und eine Diode D1 , D2, D3 auf einen gemeinsamen A/D-Eingangsanschluss der Steuerung 36 gelegt. Über einen gemeinsamen Widerstand R4 ist jeweils ein Spannungsteiler R1/R4, R2/R4 bzw. R3/R4 gebildet.

Die Signalleitungen der drei analogen Messsignale U1 , U2, U3 sind ferner jeweils mit einem Open-Drain-Ausgang S1 , S2 bzw. S3 der Steuerung 36 verbunden, die ihrerseits mit Masse verbunden sind. Soll zum Beispiel das analoge Messsignal U1 der Steuerung 36 zugeführt werden, so müssen die Open-Drain-Ausgänge S2 und S3 der Steuerung 36 auf Masse geschaltet werden. Dadurch werden die Anoden D2 und D3 durch die Open-Drain-Ausgänge S2 und S3 über die Wider- stände R2 und R3 gegen Masse kurzgeschlossen. Die Dioden D2 und D3 gehen damit in den Sperrzustand und verhindern eine Überlagerung der Messsignale U2 und U3 am Widerstand R4 auf das Messsignal U1 , das derzeit ausgewertet werden soll.

In diesem Schaltzustand liegt das um die Flussspannung UD1 der Diode D1 und durch den Spannungsteiler R1/R4 erniedrigte analoge Messsignal U1AD am A/D- Eingangsanschluss der Steuerung 36 an:

U1 _AD = (U1 - U ₀₁ ) R4 / (R1+R4)

Die Auswertung der beiden anderen analogen Messsignale U2 und U3 erfolgt in analoger Weise.

Bei dem erfindungsgemäßen Drucktastschalter, wie er oben anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben worden ist, wird am Ausgang des Ladungsverstärkers, dh der Verstärkerschaltung 20, immer ein Messsignal Uout mit einem positiven Spannungspegel erzeugt. Hierdurch werden die Weiterverarbeitung und die Auswertung der Messsignale wesentlich vereinfacht. Gleichzeitig macht der

Drucktastschalter der Erfindung Gebrauch von den eingangs genannten Vorteilen eines Drucktastschalters mit einem piezoelektrischen Element, weshalb er in besonders vorteilhafter Weise für eine Bedienvorrichtung eines elektronischen Haushaltsgeräts verwendet werden kann.

BEZUGSZIFFERNLISTE

10 piezoelektrisches Element

12 Bedienblende

14 feste Basis

16 erste Elektrode

18 zweite Elektrode

19 Finger

20 Verstärkerschaltung

22 Spannungsquelle

24 Bezugspunkt von 22

26 Zusatzspannungsquelle

28 Kapazität

30 Widerstand

32 Kapazität

34 Widerstand

36 Steuerung