DE102020106175B4

DE102020106175B4 - Piezo switching element

Info

Publication number: DE102020106175B4
Application number: DE102020106175.7A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Schweiß
Original assignee: ENGELKING ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: ENGELKING ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2025-08-21
Anticipated expiration: 2040-03-07
Also published as: DE102020106175A1

Abstract

Piezo-Schaltelement umfassend:
- ein Gehäuse (10) mit einem Bodenteil (19),
- eine Abdeckplatte (11),
- einen Träger (30) mit einem Piezo-Element (35),
- einen kapazitiven Sensor mit mindestens einer Sensorelektrode (33),
- das Bodenteil (19) ist als federbewegliches Kopplungsmittel (20) ausgebildet und umfasst ein Kontaktierelement (24) und ein Ankopplungselement (26),
- wobei das Ankopplungselement (26) sockelförmig von dem Kopplungsmittel (20) absteht und
- wobei das Ankopplungselement (26) mit der Abdeckplatte (11) gekoppelt ist,
- wobei das Kontaktierelement (24) auf einer dem Ankopplungselement (26) gegenüberliegenden Seite des Kopplungsmittels (20) sockelförmig absteht,
- wobei das Kontaktierelement (24) mit dem Piezo-Element (35) gekoppelt ist,
- wobei eine externe Kraft (F) auf einer benutzerzugewandten Seite (8) der Abdeckplatte (11) mittels des Kopplungsmittels (20) auf das Piezo-Element (35) zur Erzeugung eines dieser Kraft (F) entsprechenden Piezo-Signals übertragbar ist,
- wobei die Abdeckplatte (11) einen Übertragungsbereich (15) aufweist,
- wobei die Anwesenheit eines Betätigungsmittels auf der benutzerzugewandten Seite (8) der Abdeckplatte (11) im Übertragungsbereich (15) durch den kapazitiven Sensor zur Erzeugung eines entsprechenden Sensorsignals detektierbar ist,wobei die mindestens eine Sensorelektrode (33) des kapazitiven Sensors zwischen der Abdeckplatte (11) und dem Kopplungsmittel (20) angeordnet ist, und
- wobei die mindestens eine Sensorelektrode (33) als kreisringförmiges Bauteil ausgebildet ist, das um das Ankopplungselement (26) angeordnet ist. Piezo switching element comprising:
- a housing (10) with a base part (19),
- a cover plate (11),
- a carrier (30) with a piezo element (35),
- a capacitive sensor with at least one sensor electrode (33),
- the base part (19) is designed as a spring-movable coupling means (20) and comprises a contacting element (24) and a coupling element (26),
- wherein the coupling element (26) protrudes from the coupling means (20) in the shape of a base and
- wherein the coupling element (26) is coupled to the cover plate (11),
- wherein the contacting element (24) protrudes in a base-like manner on a side of the coupling means (20) opposite the coupling element (26),
- wherein the contacting element (24) is coupled to the piezo element (35),
- wherein an external force (F) on a user-facing side (8) of the cover plate (11) can be transmitted by means of the coupling means (20) to the piezo element (35) to generate a piezo signal corresponding to this force (F),
- wherein the cover plate (11) has a transmission area (15),
- wherein the presence of an actuating means on the user-facing side (8) of the cover plate (11) in the transmission area (15) is detected by the capacitive sensor to generate a corresponding sensor signal is detectable, wherein the at least one sensor electrode (33) of the capacitive sensor is arranged between the cover plate (11) and the coupling means (20), and
- wherein the at least one sensor electrode (33) is designed as a circular ring-shaped component which is arranged around the coupling element (26).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Piezo-Schaltelement.The present invention relates to a piezo switching element.

Piezo-Schaltelemente sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen vorbekannt und umfassen mindestens ein Piezo-Element. Derartige Piezo-Schaltelemente dienen der Umwandlung einer auf ein Piezo-Element ausgeübten Kraft in ein Schaltsignal, wobei typischerweise eine Piezo-Schaltelement-Auswertung vorgesehen ist, durch die eine von dem Piezo-Element durch das Einwirken einer Kraft ausgegebene Spannung ausgewertet wird.Piezo switching elements are known in various designs from the prior art and comprise at least one piezo element. Such piezo switching elements serve to convert a force exerted on a piezo element into a switching signal. Typically, a piezo switching element evaluation is provided, which evaluates a voltage output by the piezo element upon application of a force.

Ein solches Piezo-Schaltelement ist aus der DE 43 32 927 C2 bekannt, bei dem ein Kontaktträger mit Gehäuseteilen umspritzt wird, wobei eines der Gehäuseteile als Träger für ein Piezo-Element und ein elektronisches Bauelement dient. Die über Kontaktträger verbundenen Gehäuseteile werden zusammengefaltet und miteinander verrastet. Weiterhin ist aus dieser Druckschrift ein Piezo-Schaltelement bekannt, bei dem ein sockelartiger Kunststoffträger als Gehäuse dient und eine Leiterbahnen und Kontaktflächen aufweisende Trägerfolie sowie das Piezo-Element als auch das elektronische Bauelement trägt und die derart bestückte Trägerfolie um den Kunststoffträger gefaltet wird.Such a piezo switching element is known from DE 43 32 927 C2 A piezoelectric switching element is known in which a contact carrier is overmolded with housing parts, with one of the housing parts serving as a carrier for a piezo element and an electronic component. The housing parts connected via contact carriers are folded together and locked together. Furthermore, a piezo switching element is known from this publication in which a base-like plastic carrier serves as the housing and carries a carrier film with conductor tracks and contact surfaces, as well as the piezo element and the electronic component. The carrier film thus populated is folded around the plastic carrier.

Die aus der DE 43 32 927 C2 bekannten Piezo-Schaltelemente sind einerseits aufwändig herzustellen. Insbesondere die aufwändige Montage führt zu hohen Herstellungskosten und zu hohen Ausschussraten.The ones from the DE 43 32 927 C2 On the one hand, known piezo switching elements are complex to manufacture. In particular, the complex assembly process leads to high manufacturing costs and high scrap rates.

Ferner sind diese bekannten Piezo-Schaltelemente relativ unempfindlich, da erst ein bestimmter Schwellenwert überschritten werden muss, der durch den die Piezo-Signale verarbeitenden Schaltkreis bestimmt wird. Zudem wird durch die dort eingesetzten Schaltkreise das Piezo-Signal lediglich verstärkt, welches zu einem ungewollten Schaltverhalten aufgrund von unerwünschten mechanischen Fremdeinwirkungen führen kann.Furthermore, these known piezo switching elements are relatively insensitive, as a certain threshold value, which is determined by the circuit processing the piezo signals, must first be exceeded. Furthermore, the circuits used in these devices merely amplify the piezo signal, which can lead to unwanted switching behavior due to unwanted external mechanical influences.

Aus der DE 10 2009 012 475 A1 ist ein Piezo-Schaltelement vorbekannt, das eine einfache und kompakte Bauweise aufweist und einen definierten Druckpunkt realisiert, so dass das Piezo-Schaltelement eine sehr hohe Empfindlichkeit aufweisen kann.From the DE 10 2009 012 475 A1 A piezo switching element is already known which has a simple and compact design and realizes a defined pressure point, so that the piezo switching element can have a very high sensitivity.

Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass die bekannten Piezo-Schaltelemente nicht für die Anwendung in hygienisch sensiblen oder durch starke Verschmutzung gefährdeten Bereichen geeignet sind, da die Piezo-Schaltelemente, um die gewünschte hohe Empfindlichkeit zu erreichen, unmittelbar der äußeren Kraft ausgesetzt sein müssen.A disadvantage of this state of the art is that the known piezo switching elements are not suitable for use in hygienically sensitive areas or areas at risk from heavy contamination, since the piezo switching elements must be directly exposed to the external force in order to achieve the desired high sensitivity.

Die DE 10 2019 110 399 stellt daher ein Piezo-Schaltelement vor, das eine Abdeckplatte aufweist. Eine externe Kraft, die auf die Abdeckplatte ausgeübt wird, wird dabei zur Erzeugung eines entsprechenden Signals auf das Piezo-Element übertragen.The DE 10 2019 110 399 therefore presents a piezo switching element that features a cover plate. An external force exerted on the cover plate is transmitted to the piezo element to generate a corresponding signal.

Die externe Kraft kann beispielsweise durch Drücken mit einem Finger oder einem anderen Betätigungselement aufgebracht werden. Bei vielen Anwendungen ist gefordert, dass ein Steuersignal nur dann erzeugt werden soll, wenn die externe Kraft in einem bestimmten Übertragungsbereich der Abdeckplatte aufgebracht wird.The external force can be applied, for example, by pressing with a finger or another actuating element. Many applications require that a control signal be generated only when the external force is applied within a specific transmission range of the cover plate.

Hinsichtlich der in der DE 10 2019 110 399 offenbarten Lehre hat sich als nachteilig erwiesen, dass eine externe Kraft auch dann auf das Piezo-Element übertragen und ein entsprechendes Signal erzeugt werden kann, wenn die externe Kraft außerhalb des Übertragungsbereichs auf die Abdeckplatte einwirkt.Regarding the DE 10 2019 110 399 The disadvantage of the disclosed teaching has been found that an external force can be transmitted to the piezo element and a corresponding signal can be generated even if the external force acts on the cover plate outside the transmission range.

Weitere Sensorvorrichtungen sind aus US 2018/0334018 A1 , DE 10 2013 007 008 A1 und DE 10 2012 005 708 A1 bekannt.Further sensor devices are made of US 2018/0334018 A1 , DE 10 2013 007 008 A1 and DE 10 2012 005 708 A1 known.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Piezo-Schaltelement anzugeben, welches in zweckmäßigerweise die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Piezo-Schaltelemente beseitigt und insbesondere nur dann ein Steuersignal erzeugt, wenn die externe Kraft in einem definierten Übertragungsbereich aufgebracht wird.The invention is therefore based on the object of providing an improved piezo switching element which expediently eliminates the disadvantages of the piezo switching elements known from the prior art and in particular only generates a control signal when the external force is applied in a defined transmission range.

Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Piezo-Schaltelement anzugeben, das für die Verwendung in hygienisch sensiblen oder durch starke Verschmutzung gefährdeten Bereichen geeignet ist und den Anforderungen entsprechend einfach und hygienisch zu reinigen ist, ohne dass Rückstände, insbesondere biologische Kontaminationen, zurückbleiben.Furthermore, the object is to provide a piezo switching element that is suitable for use in hygienically sensitive areas or areas at risk from heavy contamination and that can be cleaned easily and hygienically in accordance with the requirements without leaving residues, in particular biological contamination.

Auch ist es die Aufgabe, ein Piezo-Schaltelement anzugeben, das einfach herstellbar ist.The task is also to provide a piezo switching element that is easy to manufacture.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Piezo-Schaltelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 2 gelöst.These objects are achieved according to the invention by a piezo switching element having the features of patent claim 1 or 2.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Piezo-Schaltelement umfasst ein Gehäuse, eine Abdeckplatte mit einer benutzerzugewandten Seite und einer benutzerabgewandten Seite, einen Träger mit einem Piezo-Element und ein Kopplungsmittel, das an dem Gehäuse gehalten ist, sowie einen kapazitiven Sensor mit mindestens einer Sensorelektrode. Das Kopplungsmittel umfasst ein Kontaktierelement und ein Ankopplungselement, wobei das Ankopplungselement mit der Abdeckplatte gekoppelt ist, wobei das Kontaktierelement mit dem Piezo-Element gekoppelt ist und wobei eine externe Kraft auf der benutzerabgewandten Seite der Abdeckplatte mittels des Kopplungsmittels auf das Piezo-Element zum Erzeugen eines dieser Kraft entsprechenden Piezo-Signals übertragbar ist. Das Gehäuse, das Kontaktierelement und der Träger sind vorzugsweise auf der benutzerabgewandten Seite der Abdeckplatte angeordnet, wobei die externe Kraft, welche auf der benutzerzugewandten Seite auf die Abdeckplatte wirkt, die Abdeckplatte im Bereich des Kontaktierelements elastisch verformen kann und die daraus resultierende Verschiebung mittels des Ankopplungselements auf das Kopplungsmittel und mittels des Kontaktierelements weiter auf das Piezo-Element übertragen werden kann. Als Reaktion auf die einwirkende externe Kraft kann das Piezo-Element eine Spannung ausgeben, die durch ein Logikelement ausgewertet werden kann.The piezo switching element according to the invention comprises a housing, a cover plate with a user-facing side and a user-remote side, a carrier with a piezo element and a coupling means held on the housing, as well as a capacitive sensor with at least one sensor electrode. The coupling means comprises a contacting element and a coupling element, wherein the coupling element is coupled to the cover plate, wherein the contacting element is coupled to the piezo element, and wherein an external force on the user-remote side of the cover plate can be transmitted to the piezo element by means of the coupling means to generate a piezo signal corresponding to this force. The housing, the contact element, and the carrier are preferably arranged on the side of the cover plate facing away from the user. The external force acting on the cover plate on the side facing the user can elastically deform the cover plate in the region of the contact element. The resulting displacement can be transmitted to the coupling means by means of the coupling element and further to the piezo element by means of the contact element. In response to the acting external force, the piezo element can output a voltage that can be evaluated by a logic element.

Darüber hinaus weist die Abdeckplatte einen Übertragungsbereich auf, wobei die Anwesenheit eines Betätigungsmittels auf der benutzerzugewandten Seite der Abdeckplatte im Übertragungsbereich durch den kapazitiven Sensor zur Erzeugung eines entsprechenden Sensorsignals detektierbar ist. Dabei kann die Detektion anhand eines an der mindestens einen Sensorelektrode aufgespannten Felds erfolgen, das durch die Annäherung eines Betätigungsmittels beeinflusst werden kann. Betätigungsmittel können beispielsweise ein Finger eines Bedieners oder ein Stift sein. Der Übertragungsbereich ist vorzugsweise dadurch definiert, dass innerhalb des Übertragungsbereichs sowohl die externe Kraft auf das Piezo-Element übertragen werden kann als auch die Anwesenheit eines Betätigungsmittels durch den kapazitiven Sensor detektiert werden kann. Insbesondere durch entsprechende Konfiguration des kapazitiven Sensors kann damit die Ausdehnung des Übertragungsbereichs bestimmt werden. Bevorzugt ist der Übertragungsbereich symmetrisch ausgebildet, wobei besonders bevorzugt der Übertragungsbereich symmetrisch um die Längsachse ausgebildet ist, in der das Piezo-Element, das Kontaktierelement und das Ankopplungselement angeordnet sind.In addition, the cover plate has a transmission range, wherein the presence of an actuating means on the user-facing side of the cover plate in the transmission range can be detected by the capacitive sensor to generate a corresponding sensor signal. Detection can be carried out using a field spanned across the at least one sensor electrode, which field can be influenced by the approach of an actuating means. Actuating means can be, for example, an operator's finger or a stylus. The transmission range is preferably defined in that, within the transmission range, both the external force can be transmitted to the piezo element and the presence of an actuating means can be detected by the capacitive sensor. In particular, by appropriately configuring the capacitive sensor, the extent of the transmission range can be determined. The transmission range is preferably symmetrical, wherein the transmission range is particularly preferably symmetrical about the longitudinal axis in which the piezo element, the contacting element, and the coupling element are arranged.

Die Abdeckplatte kann aus einem beliebigen Werkstoff, bevorzugt Glas, hergestellt sein, wodurch das erfindungsgemäße Piezo-Schaltelement eine pflegeleichte und verschmutzungsresistente und widerstandsfähige Oberfläche aufweisen kann, die auch das empfindliche Piezo-Element und den kapazitiven Sensor vor Fremdstoffen schützen kann.The cover plate can be made of any material, preferably glass, whereby the piezo switching element according to the invention can have an easy-care and dirt-resistant and durable surface, which can also protect the sensitive piezo element and the capacitive sensor from foreign substances.

Damit ist es möglich, ein Piezo-Schaltelement mit einem besonders einfachen Aufbau bereitzustellen, welches einerseits die Anforderungen bei der Verwendung erfüllt und andererseits auch ein zuverlässiges Schaltverhalten bei einem definierten Druckpunkt und einer hohen Empfindlichkeit aufweist.This makes it possible to provide a piezo switching element with a particularly simple design, which on the one hand meets the requirements during use and on the other hand also has a reliable switching behavior with a defined pressure point and a high sensitivity.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Piezo-Schaltelement ein Logikelement auf, das elektrisch mit dem Piezo-Element und dem kapazitiven Sensor gekoppelt ist und eingerichtet ist, das Piezo-Signal und das Sensorsignal auszuwerten und einen ein Schaltvorgang auslösendes Steuersignal zu erzeugen. Das Logikelement wird vorzugsweise durch ein elektronisches Bauteil, insbesondere einen Mikroprozessor, gebildet. Das Logikelement kann bevorzugt das Piezo-Signal und das Sensorsignal hinsichtlich dessen Zeit-Pegel-Verlaufs auf der Basis vorgegebener Parameter auswerten und miteinander abgleichen. Ein Steuersignal wird vorzugsweise nur dann erzeugt, wenn die Auswertung darauf schließen lässt, dass das bei Aufbringung der externen Kraft auch ein Betätigungsmittel im Übertragungsbereich anwesend war. Selbst wenn durch das Aufbringen einer externen Kraft außerhalb des Übertragungsbereichs ein Piezo-Signal erzeugt wird, das allein betrachtet auf eine Betätigung des Piezo-Schaltelements schließen lässt, wird ein entsprechendes Steuersignal vorzugsweise nicht erzeugt, wenn kein Sensorsignal vorliegt, das auf die Anwesenheit eines Betätigungsmittels schließen lässt. Die Wahrscheinlichkeit der unbeabsichtigten Erzeugung eines Steuersignals, insbesondere durch das Aufbringen einer externen Kraft außerhalb des Übertragungsbereichs, kann dadurch erheblich reduziert werden. Daher kann das Logikelement so konfiguriert werden, dass bereits bei einer geringen externen Kraft ein Steuersignal erzeugt wird - die Anwesenheit eines Betätigungsmittels im Übertragungsbereich vorausgesetzt. Vorteilhaft kann dabei insbesondere sein, dass keine Maßnahmen erforderlich sind, um allein aufgrund der Ausprägung des Piezo-Signals auf eine Betätigung im Übertragungsbereich schließen lassen können. Insbesondere auf aufwändige Bearbeitungen der Abdeckplatte zur Reduzierung derer lokalen Steifigkeit und zur besseren Kraftübertragung im Übertragungsbereich kann verzichtet werden.In a further development of the invention, the piezo switching element has a logic element that is electrically coupled to the piezo element and the capacitive sensor and is configured to evaluate the piezo signal and the sensor signal and to generate a control signal that triggers a switching operation. The logic element is preferably formed by an electronic component, in particular a microprocessor. The logic element can preferably evaluate the piezo signal and the sensor signal with regard to their time-level curve on the basis of predetermined parameters and compare them with one another. A control signal is preferably only generated if the evaluation indicates that an actuating means was also present in the transmission range when the external force was applied. Even if the application of an external force outside the transmission range generates a piezo signal that, viewed alone, indicates actuation of the piezo switching element, a corresponding control signal is preferably not generated if no sensor signal is present that indicates the presence of an actuating means. The probability of unintentional generation of a control signal, particularly due to the application of an external force outside the transmission range, can thus be significantly reduced. Therefore, the logic element can be configured so that a control signal is generated even with a low external force – provided that an actuating means is present in the transmission range. A particular advantage here is that no measures are required to infer actuation within the transmission range based solely on the intensity of the piezo signal. In particular, complex machining of the cover plate to reduce its local stiffness and improve force transmission in the transmission range can be dispensed with.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist dennoch im Übertragungsbereich die Steifigkeit der Abdeckplatte lokal reduziert. Dadurch kann ein verbessertes Übertragungsverhalten der Abdeckplatte beim Einwirken einer externen Kraft erreicht werden. Durch das verbesserte Übertragungsverhalten wird die Empfindlichkeit bzw. der benötigte Druck zum Betätigen des Piezo-Schaltelements reduziert. Die Reduzierung der Steifigkeit kann durch eine Reduzierung des mechanischen Elastizitätsmoduls, bzw. durch entsprechende Werkstoffwahl erreicht werden oder durch eine Veränderung der Form der Abdeckplatte in dem Übertragungsbereich.In a further development of the invention, the stiffness of the cover plate is locally reduced in the transmission area. This allows for improved transmission behavior of the cover plate when an external force is applied. Due to the improved transmission behavior, The sensitivity or the pressure required to actuate the piezo switching element is reduced. The reduction in stiffness can be achieved by reducing the mechanical modulus of elasticity, by selecting the appropriate material, or by changing the shape of the cover plate in the transmission area.

Auch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Abdeckplatte im Übertragungsbereich auf der benutzerzugewandten Seite eine Ausnehmung aufweist, wobei besonders bevorzugt die Ausnehmung koaxial zu dem Ankopplungselement ausgerichtet ist. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Ausnehmung auf der benutzerzugewandten Seite durch den Benutzer visuell wahrnehmbar ist. Ein Benutzer kann somit unmittelbar erkennen, dass sich in dem Bereich der Vertiefung der Übertragungsbereich befindet. Die Ausnehmung auf der benutzerzugewandten Seite kann bevorzugt als symmetrische Vertiefung, beispielsweise als Finger- oder Griffmulde, ausgebildet sein.It has also proven advantageous if the cover plate has a recess in the transmission area on the side facing the user, wherein the recess is particularly preferably aligned coaxially with the coupling element. In particular, it has proven advantageous for the recess on the side facing the user to be visually perceptible to the user. A user can thus immediately recognize that the transmission area is located in the area of the recess. The recess on the side facing the user can preferably be designed as a symmetrical recess, for example, as a finger or grip recess.

Die Ausnehmung kann darüber hinaus auf der benutzerabgewandten Seite der Abdeckplatte angeordnet sein. So kann das Gehäuse des Piezo-Schaltelements zumindest teilweise in der benutzerabgewandten Seite der Abdeckplatte versenkt werden, wodurch sich der Bauraum des Piezo-Schaltelements verringert. In einer Ausführungsform kann die Abdeckplatte auf der benutzerzugewandten Seite und der benutzerabgewandten Seite eine Ausnehmung aufweisen.The recess can also be arranged on the side of the cover plate facing away from the user. Thus, the housing of the piezo switching element can be at least partially recessed into the side of the cover plate facing away from the user, thereby reducing the installation space of the piezo switching element. In one embodiment, the cover plate can have a recess on both the side facing the user and the side facing away from the user.

Vorzugsweise ist die Ausnehmung so ausgebildet, dass die Dicke t der Abdeckplatte in dem Übertragungsbereich ein lokales Minimum aufweist. Das lokale Minimum ist bevorzugt koaxial zu dem Ankopplungselement in der Längsachse angeordnet und liegt dementsprechend auf der Längsachse. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Abdeckplatte in dem Übertragungsbereich so dünn wie möglich und so dick wie nötig ist. Einerseits soll eine ausreichende reduzierte Steifigkeit in dem Übertragungsbereich die Betätigung des Piezo-Schaltelements ohne hohen Kraftaufwand ermöglichen und andererseits muss mit einer ausreichenden Sicherheit die Festigkeit der Abdeckplatte gewährleistet sein.Preferably, the recess is designed such that the thickness t of the cover plate has a local minimum in the transmission region. The local minimum is preferably arranged coaxially with the coupling element in the longitudinal axis and accordingly lies on the longitudinal axis. It has proven advantageous if the cover plate is as thin as possible and as thick as necessary in the transmission region. On the one hand, a sufficiently reduced stiffness in the transmission region should enable the actuation of the piezo switching element without the need for significant force, and on the other hand, the strength of the cover plate must be ensured with sufficient reliability.

Je nach Konfiguration des Logikelements, kann das Piezo-Schaltelement unterschiedliche Funktionalitäten aufweisen. Beispielsweise kann das Piezo-Schaltelement als Schalter oder als Taster wirken. In beiden Konfigurationen wird vorzugsweise zunächst überprüft, ob ein Piezo-Signal und ein Sensorsignal vorhanden sind, die auf das Anliegen einer externen Kraft und die Anwesenheit eines Betätigungselements schließen lassen. Sind beide Bedingungen erfüllt, wird bei der Konfiguration als Schalter bevorzugt ein einmaliges, kurzzeitiges Steuersignal erzeugt. Bei der Konfiguration als Taster kann ebenfalls ein Steuersignal erzeugt, wenn beide Bedingungen erfüllt sind. Dabei kann aber zusätzlich geprüft werden, ob das Sensorsignal auch weiterhin die Anwesenheit eines Betätigungsmittels anzeigt. Das Steuersignal wird dabei vorzugsweise solange erzeugt, solange sich aus dem Sensorsignal die Anwesenheit eines Betätigungsmittels ergibt.Depending on the configuration of the logic element, the piezo switching element can have different functionalities. For example, the piezo switching element can act as a switch or as a button. In both configurations, it is preferably first checked whether a piezo signal and a sensor signal are present that indicate the application of an external force and the presence of an actuating element. If both conditions are met, a one-time, short-term control signal is preferably generated in the switch configuration. In the button configuration, a control signal can also be generated if both conditions are met. However, it can also be checked whether the sensor signal continues to indicate the presence of an actuating element. The control signal is preferably generated as long as the sensor signal indicates the presence of an actuating element.

Vorzugsweise ist das Logikelement auf dem Träger, bevorzugt auf der dem Piezo-Element gegenüberliegenden Seite des Trägers angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Träger als Leiterplatte ausgebildet, die zusätzlich Leiterbahnen und beide Seiten der Leiterplatte verbindende Durchkontaktierungen aufweisen kann. Die Leiterplatte kann neben dem Logikelement weitere elektronische Bauelemente aufweisen.The logic element is preferably arranged on the carrier, preferably on the side of the carrier opposite the piezo element. Particularly preferably, the carrier is designed as a printed circuit board, which may additionally have conductor tracks and vias connecting both sides of the circuit board. In addition to the logic element, the circuit board may have other electronic components.

Das Logikelement kann darüber hinaus anstatt direkt an dem Piezo-Schaltelement an einem zu dem Piezo-Schaltelement beabstandeten Ort angeordnet sein. Insbesondere beim Einsatz mehrerer erfindungsgemäßer Piezo-Schaltelemente können so mehrere der vorhandenen Piezo-Schaltelemente ein gemeinsames Logikelement aufweisen. So kann ein einfacherer Aufbau des Gesamtsystems aus mehreren Piezo-Schaltelementen erreicht werden.Furthermore, the logic element can be arranged at a location spaced apart from the piezo switching element instead of directly on it. Particularly when using multiple piezo switching elements according to the invention, several of the existing piezo switching elements can have a common logic element. This allows for a simpler structure of the overall system comprising multiple piezo switching elements.

Nach einer der erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die mindestens eine Sensorelektrode des kapazitiven Sensors zwischen der Abdeckplatte und dem Kopplungsmittel angeordnet. Ferner ist die mindestens eine Sensorelektrode bevorzugt als flächiges Element ausgebildet. Dadurch ist die mindestens eine Sensorelektrode nahe an der Abdeckplatte angeordnet, wodurch der kapazitive Sensor eine hohe Empfindlichkeit hinsichtlich der Anwesenheit von Betätigungsmitteln auf der benutzerzugewandten Seite der Abdeckplatte aufweisen kann.According to one embodiment of the invention, the at least one sensor electrode of the capacitive sensor is arranged between the cover plate and the coupling means. Furthermore, the at least one sensor electrode is preferably designed as a flat element. As a result, the at least one sensor electrode is arranged close to the cover plate, allowing the capacitive sensor to exhibit high sensitivity with respect to the presence of actuating means on the side of the cover plate facing the user.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Kopplungsmittel und dem Piezo-Element und/oder zwischen dem Kopplungsmittel und der Abdeckplatte ein Hohlraum ausgebildet ist. Innerhalb des Hohlraumes bzw. innerhalb der Hohlräume kann das Kopplungsmittel durch eine externe Kraft elastisch ausgelenkt bzw. verformt bzw. verschoben werden, wodurch bei einer Betätigung durch einen Benutzer eine ungehinderte Übertragung der Verschiebung von der Abdeckplatte auf das Piezo-Element gewährleistet ist. Besonders bevorzugt ist die mindestens eine Sensorelektrode des kapazitiven Sensors in dem Hohlraum zwischen dem Kopplungsmittel und der Abdeckplatte angeordnet.Furthermore, it is advantageous if a cavity is formed between the coupling means and the piezoelectric element and/or between the coupling means and the cover plate. Within the cavity(ies), the coupling means can be elastically deflected, deformed, or displaced by an external force, thereby ensuring unhindered transmission of the displacement from the cover plate to the piezoelectric element upon actuation by a user. Particularly preferably, the at least one sensor electrode of the capacitive sensor is arranged in the cavity between the coupling means and the cover plate.

Nach beiden Ausführungsformen der Erfindung ist das Ankopplungselement sockelförmig ausgebildet und steht in Wirkverbindung mit der Abdeckplatte. Das Ankopplungselement steht vorzugsweise sockel- oder stiftförmig in einer Längsachse von dem Kopplungsmittel ab und steht im ständigen Wirkkontakt mit der Abdeckplatte. Das Ankopplungselement kann mit der Abdeckplatte verbunden sein, insbesondere durch eine stoffschlüssige Verbindung. Die mindestens eine Sensorelektrode ist gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung als kreisringförmiges Bauteil ausgebildet, das um das Ankopplungselement angeordnet ist. Dadurch kann das Ankopplungselement zentral im Übertragungsbereich angeordnet werden. Wird durch ein Betätigungsmittel im Bereich des Ankopplungselements die externe Kraft auf die Abdeckplatte ausgeübt, können somit gleichzeitig ein entsprechendes Piezo-Signal und ein entsprechendes Sensorsignal erzeugt werden.According to both embodiments of the invention, the coupling element is base-shaped and is operatively connected to the cover plate. The coupling element preferably protrudes from the coupling means in a base- or pin-shaped manner along a longitudinal axis and is in constant operative contact with the cover plate. The coupling element can be connected to the cover plate, in particular by a material connection. According to one embodiment of the invention, the at least one sensor electrode is designed as a circular ring-shaped component arranged around the coupling element. This allows the coupling element to be arranged centrally in the transmission area. If the external force is exerted on the cover plate by an actuating means in the area of the coupling element, a corresponding piezo signal and a corresponding sensor signal can be generated simultaneously.

Nach Maßgabe einer der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ist das Kontaktierelement sockelförmig auf das Piezo-Element ausgerichtet und steht bevorzugt in kontinuierlicher Wirkverbindung mit dem Piezo-Element. Das Kontaktierelement steht in der Längsachse auf der dem Kopplungselement gegenüberliegenden Seite des Kopplungsmittels bevorzugt sockel- oder stiftförmig ab, und kontaktiert das Piezo-Element möglichst punktuell, wodurch eine hohe Empfindlichkeit und ein definierter Druckpunkt realisiert werden können.According to one of the inventive embodiments of the present invention, the contacting element is aligned with the piezo element in a base-like manner and is preferably in continuous operative connection with the piezo element. The contacting element protrudes along the longitudinal axis on the side of the coupling means opposite the coupling element, preferably in a base-like or pin-like manner, and contacts the piezo element as precisely as possible, thereby achieving high sensitivity and a defined pressure point.

Besonders bevorzugt ist es, wenn das Kopplungsmittel biegeelastisch ist und/oder biegeelastisch an dem Gehäuse gehalten ist. Das Kontaktierelement und/oder das Ankopplungselement können, bzw. kann besonders bevorzugt mittig an dem Kopplungsmittel angeordnet sein.It is particularly preferred if the coupling means is flexibly elastic and/or is held on the housing in a flexibly elastic manner. The contacting element and/or the coupling element can be, or particularly preferably can be, arranged centrally on the coupling means.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Kontaktierelement und das Ankopplungselement koaxial zueinander ausgerichtet sind. Durch die koaxiale Anordnung in der Längsachse, welche bevorzugt eine Symmetrielinie des Kopplungsmittels bildet, kann ein eindimensionaler Spannungszustand durch das Kontaktierelement und das Ankopplungselement übertragen werden.A further advantageous embodiment of the present invention provides that the contacting element and the coupling element are aligned coaxially with each other. Due to the coaxial arrangement along the longitudinal axis, which preferably forms a line of symmetry of the coupling means, a one-dimensional stress state can be transmitted through the contacting element and the coupling element.

Bevorzugt weist das Gehäuse des Piezo-Schaltelements einen Durchmesser D in einer Größenordnung von 10mm ≤ D ≤ 50mm auf. Weiterhin wird die Dicke t der Abdeckplatte in dem Übertragungsbereich bevorzugt in Abhängigkeit der Materialwahl der Abdeckplatte gewählt. Beispielsweise ist die Dicke t einer Abdeckplatte aus Glas bevorzugt t ≤ 4mm und bei Kunststoff bevorzugt t ≤ 8mm. Darüber hinaus ist das Verhältnis des Durchmessers D des Piezo-Schaltelements zu der Dicke t der Abdeckplatte bevorzugt größer oder gleich 10, also D/t ≥ 10.The housing of the piezo switching element preferably has a diameter D in the range of 10 mm ≤ D ≤ 50 mm. Furthermore, the thickness t of the cover plate in the transmission area is preferably selected depending on the material selected for the cover plate. For example, the thickness t of a glass cover plate is preferably t ≤ 4 mm, and for a plastic cover plate, t ≤ 8 mm. Furthermore, the ratio of the diameter D of the piezo switching element to the thickness t of the cover plate is preferably greater than or equal to 10, i.e., D/t ≥ 10.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Abdeckplatte eine mehrschichtige Abdeckplatte ist und/oder dass die Abdeckplatte aus Glas, Glaskeramik, Keramik, Kunststoff oder ein Sandwichverbund aus den vorgenannten Werkstoffen ist. Darüber hinaus können weitere Werkstoffe oder andere beliebige Werkstoffkombinationen verwendet werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schichten einer mehrschichtigen Abdeckplatte miteinander verbunden sind, insbesondere mittels einer Klebeverbindung.A further advantageous embodiment of the present invention provides that the cover plate is a multilayer cover plate and/or that the cover plate is made of glass, glass ceramic, ceramic, plastic, or a sandwich composite of the aforementioned materials. Furthermore, other materials or any other desired material combinations can be used. It has proven advantageous if the layers of a multilayer cover plate are bonded to one another, in particular by means of an adhesive bond.

Eine weitere Maßgabe der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse zylinderförmig ist und ein stirnseitiges Bodenteil aufweist. Insbesondere ist es dabei bevorzugt, wenn das Gehäuse topfförmig mit einem stirnseitigen Bodenteil ausgebildet ist, wobei zylinderförmig hier und im nachfolgenden im Sinne so gebraucht wird, dass der Zylinder kongruente Stirnflächen aufweist.A further feature of the present invention provides that the housing is cylindrical and has a front-end base portion. It is particularly preferred if the housing is cup-shaped with a front-end base portion, wherein "cylindrical" is used here and below in the sense that the cylinder has congruent end surfaces.

Besonders vorteilhaft ist, den Träger mit dem Piezo-Element im Bereich des Bodenteils des Gehäuses so anzuordnen, dass das Piezo-Element in unmittelbarer Wirkverbindung mit dem Kontaktierelement steht. Weiterhin ist es gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, wenn das Bodenteil des Gehäuses als das Kopplungsmittel ausgebildet ist, womit das Gehäuse mit einer einstückigen Form kostensparend herstellbar ist. Das Gehäuse kann bevorzugt aus einem Kunststoff in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden.It is particularly advantageous to arrange the carrier with the piezo element in the region of the bottom part of the housing so that the piezo element is in direct operative connection with the contacting element. Furthermore, according to one embodiment of the invention, the bottom part of the housing is designed as the coupling means, thus allowing the housing to be manufactured cost-effectively in a single piece. The housing can preferably be manufactured from a plastic material using an injection molding process.

Nach Maßgabe einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, wenn das Gehäuse einen stirnseitigen und zumindest bereichsweise umlaufenden Rand aufweist, dessen freies Ende in einer gemeinsamen Ebene mit dem freien Ende des Ankopplungselements liegt. Der umlaufende Rand kann als Auflagefläche des Gehäuses an der Abdeckplatte dienen. Darüber hinaus bildet der umlaufende Rand den Hohlraum zwischen dem Kopplungsmittel und der Abdeckplatte, wodurch die federnde Ausbildung des Kopplungsmittels ermöglicht ist.According to one embodiment of the present invention, the housing has a frontal and at least partially circumferential edge, the free end of which lies in a common plane with the free end of the coupling element. The circumferential edge can serve as a support surface for the housing on the cover plate. Furthermore, the circumferential edge forms the cavity between the coupling means and the cover plate, thereby enabling the resilient design of the coupling means.

Das Gehäuse kann an der Abdeckplatte auf beliebige Weise befestigt werden, wobei bevorzugt das Gehäuse mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere durch Kleben oder durch Ultraschallschweißen, mit der Abdeckplatte verbunden werden kann. Alternativ kann zur Verbindung des Gehäuses mit der Abdeckplatte auch eine lösbare Verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung, realisiert werden. Auch andere form- und/oder kraftschlüssige Verbindungen können für die Befestigung des Gehäuses an der Abdeckplatte verwendet werden, beispielsweise Steck-, Klemm-, oder Rastverbindungen.The housing can be attached to the cover plate in any desired manner, whereby the housing can preferably be connected to the cover plate by means of a material connection, in particular by gluing or ultrasonic welding. Alternatively, a detachable connection, in particular a screw connection, can be used to connect the housing to the cover plate. Other positive and/or non-positive connections can also be used for fastening. of the housing to the cover plate, for example plug-in, clamp-in or snap-in connections.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Träger mit seiner Umfangsfläche an einer Innenfläche des Gehäuses anliegt. Durch den Formschluss zwischen dem Träger und der bevorzugt zylinderförmigen Innenfläche des Gehäuses quer zu der Längsachse kann sich ein dichter Abschluss gegenüber dem Hohlraum erzielen lassen, in dem das Piezo-Element angeordnet ist. Furthermore, it has proven advantageous if the carrier rests with its peripheral surface against an inner surface of the housing. The positive fit between the carrier and the preferably cylindrical inner surface of the housing transverse to the longitudinal axis allows for a tight seal with respect to the cavity in which the piezo element is arranged.

Auch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die von der Abdeckplatte abgewandte Seite bzw. wenn die benutzerabgewandte Seite des Gehäuses mit einer Vergussmasse zumindest teilweise verschlossen ist. Die Vergussmasse kann den Träger in dem Gehäuse fixieren.It has also proven advantageous if the side of the housing facing away from the cover plate, or the side facing away from the user, is at least partially sealed with a potting compound. The potting compound can secure the carrier in the housing.

Auch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Gehäuse und/oder das Ankopplungselement mit dem Träger verbunden werden.It has also proven advantageous if the housing and/or the coupling element are connected to the carrier.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Piezo-Schaltelements in einer Mensch-Maschine-Schnittstelle.A further aspect of the present invention relates to the use of the piezo switching element according to the invention in a human-machine interface.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische und stark vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Piezo-Schaltelements,
2 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung der Betriebsweise eines erfindungsgemäßen Piezo-Schaltelements in Schalter-Konfiguration, und
3 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung der Betriebsweise eines erfindungsgemäßen Piezo-Schaltelements in Taster-Konfiguration.

An embodiment of the invention is explained with reference to the following figures. It shows:

1 a schematic and highly simplified representation of an embodiment of a piezo switching element according to the invention,
2 a flow chart illustrating the operation of a piezo switching element according to the invention in switch configuration, and
3 a flow chart illustrating the operation of a piezo switching element according to the invention in a button configuration.

Der Übersichtlichkeit halber werden nicht alle Bezugszeichen in jeder Figur verwendet.For the sake of clarity, not all reference symbols are used in every figure.

Die Schnittdarstellung gemäß 1 zeigt das erfindungsgemäße Piezo-Schaltelement 1, das entlang einer Längsachse 5 angeordnet ist. Das Piezo-Schaltelement 1 umfasst ein Gehäuse 10, eine Abdeckplatte 11, einen Träger 30 mit einem Piezo-Element 35, einen kapazitiven Sensor mit einer Sensorelektrode 33 und ein Kopplungsmittel 20. Darüber hinaus kann das Piezo-Schaltelement 1 ein Logikelement 32 umfassen, welches elektrisch mit dem Piezo-Element 35 und der Sensorelektrode 33 des kapazitiven Sensors verbunden ist, und eingerichtet ist, ein von dem Piezo-Element 35 ausgegebenes Piezo-Signal und ein vom kapazitiven Sensor ausgegebenes Sensorsignal auszuwerten und ein einen Schaltvorgang auslösendes Steuersignal zu erzeugen.The sectional view according to 1 shows the piezo switching element 1 according to the invention, which is arranged along a longitudinal axis 5. The piezo switching element 1 comprises a housing 10, a cover plate 11, a carrier 30 with a piezo element 35, a capacitive sensor with a sensor electrode 33, and a coupling means 20. Furthermore, the piezo switching element 1 can comprise a logic element 32, which is electrically connected to the piezo element 35 and the sensor electrode 33 of the capacitive sensor and is configured to evaluate a piezo signal output by the piezo element 35 and a sensor signal output by the capacitive sensor and to generate a control signal that triggers a switching operation.

Die Abdeckplatte 11 weist eine benutzerzugewandte Seite 8 und eine benutzerabgewandte Seite 9 auf und ist bevorzugt aus einem Glas, einer Keramik, einer Glaskeramik, einem Kunststoff oder einem metallischen Werkstoff hergestellt. Die Abdeckplatte 11 weist eine Dicke t auf, welche beliebig gewählt werden kann, jedoch im Vergleich zu den Abmessungen in einer Ebene parallel zu der benutzerzugewandten Seite 8 klein ist. Typische Dicken t der Abdeckplatte 11 sind 10 mm > t > 0,5 mm, wobei sowohl größere Dicken t als auch kleinere Dicken t möglich sind und keiner Restriktionen unterliegen. Die Abdeckplatte 11 ist - wie dargestellt - bevorzugter Weise senkrecht zu der Längsachse 5 ausgerichtet.The cover plate 11 has a side 8 facing the user and a side 9 facing away from the user and is preferably made of glass, a ceramic, a glass ceramic, a plastic, or a metallic material. The cover plate 11 has a thickness t, which can be selected arbitrarily, but is small compared to the dimensions in a plane parallel to the side 8 facing the user. Typical thicknesses t of the cover plate 11 are 10 mm > t > 0.5 mm, with both larger and smaller thicknesses t being possible and not subject to any restrictions. The cover plate 11 is - as shown - preferably oriented perpendicular to the longitudinal axis 5.

Das Gehäuse 10 ist koaxial zu der Längsachse 5 angeordnet und kann einen hohlzylindrischen Querschnitt aufweisen. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 10 U- oder becherförmig mit einem Bodenteil 19 ausgebildet und umschließt mit seiner Innenfläche 13 einen Raum. Das Gehäuse 10 weist eine erste Seite auf, welche der Abdeckplatte 11 zugewandt ist und eine zweite Seite, welche von der Abdeckplatte 11 abgewandt ist. Die zweite Seite des Gehäuses 10 ist eine offene Stirnseite, durch die der Raum innerhalb des Gehäuses 10 zugänglich ist, wobei sich das Gehäuse 10 ausgehend von der offenen Stirnseite über den Bereich des Bodenteils 19 bis zu einem umlaufenden Rand 18 erstreckt. Im Bereich des Bodenteils 19 ist auf der offenen Stirnseite zugewandten Seite ein ringförmiger Absatz 14 ausbildet, der in Richtung der Längsachse 5 einen schulterförmigen Anschlag bildet. Der ringförmige Absatz 14 umreift bzw. umgibt einen zweiten Hohlraum 12b.The housing 10 is arranged coaxially to the longitudinal axis 5 and can have a hollow cylindrical cross-section. 1 In the illustrated embodiment, the housing 10 is U-shaped or cup-shaped with a base part 19 and encloses a space with its inner surface 13. The housing 10 has a first side which faces the cover plate 11 and a second side which faces away from the cover plate 11. The second side of the housing 10 is an open end face through which the space within the housing 10 is accessible, wherein the housing 10 extends from the open end face over the region of the base part 19 to a circumferential edge 18. In the region of the base part 19, on the side facing the open end face, an annular shoulder 14 is formed which forms a shoulder-shaped stop in the direction of the longitudinal axis 5. The annular shoulder 14 surrounds or surrounds a second cavity 12b.

Der Rand 18 steht in Richtung der Längsachse 5 von dem Bereich des Bodenteils 19 ab und überragt das Bodenteil 19 zur Bildung eines ersten Hohlraums 12a zwischen der Abdeckplatte 11 und dem Bodenteil 19.The edge 18 projects in the direction of the longitudinal axis 5 from the area of the base part 19 and projects beyond the base part 19 to form a first cavity 12a between the cover plate 11 and the base part 19.

Das Bodenteil 19 ist als federbewegliches Kopplungsmittel 20 ausgebildet, wobei das Bodenteil 19 bevorzugt rotationssymmetrisch um die Längsachse 5 ausgebildet ist und einerseits ein Ankopplungselement 26 und andererseits ein Kontaktierelement 24 aufweist, welche jeweils in entgegengesetzte Richtungen koaxial zu der Längsachse 5 sockelförmig abstehen.The base part 19 is designed as a spring-movable coupling means 20, wherein the base part 19 is preferably designed rotationally symmetrical about the longitudinal axis 5 and has, on the one hand, a coupling element 26 and, on the other hand, a contacting element 24, which each protrude in opposite directions coaxially to the longitudinal axis 5 in the form of a base.

In den durch die Innenfläche 13 umschlossenen Raum ist der Träger 30 mit dem Piezo-Element 35 eingesetzt, wobei der Träger 30 derart in das U- oder becherförmige Gehäuse 10 eingesetzt ist, dass das Piezo-Element 35 auf der dem Bodenteil 19 zugewandten Seite angeordnet ist und der Träger 30 an dem ringförmigen Absatz 14 anliegen kann. Die Form und Größe des Trägers 30 korrespondieren bevorzugter Weise mit dem Querschnitt des Raums, wodurch die Lage des Trägers 30 relativ zu der Längsachse 5 vorgegeben ist und das Piezo-Element 35 koaxial zu der Längsachse 5 angeordnet werden kann. Der Träger 30 bzw. das Piezo-Element 35, der ringförmige Absatz 14 und das Bodenteil 19 umschließen den zweiten Hohlraum 12b.The carrier 30 with the piezo element 35 is inserted into the space enclosed by the inner surface 13, wherein the carrier 30 is inserted into the U-shaped or cup-shaped housing 10 in such a way that the piezo element 35 is on the base part 19 facing side and the carrier 30 can rest against the annular shoulder 14. The shape and size of the carrier 30 preferably correspond to the cross-section of the space, whereby the position of the carrier 30 relative to the longitudinal axis 5 is predetermined and the piezo element 35 can be arranged coaxially to the longitudinal axis 5. The carrier 30 or the piezo element 35, the annular shoulder 14 and the base part 19 enclose the second cavity 12b.

Das Kopplungsmittel 20 bzw. das Bodenteil 19 kann innerhalb des ersten Hohlraums 12a und des zweiten Hohlraums 12b federnd ausgelenkt werden.The coupling means 20 or the base part 19 can be resiliently deflected within the first cavity 12a and the second cavity 12b.

Zwischen der benutzerabgewandten Seite 9 der Abdeckplatte 11 und dem Kopplungsmittel 20, vorzugsweise innerhalb des ersten Hohlraums 12a, ist die Sensorelektrode 33 des kapazitiven Sensors angeordnet. Die Sensorelektrode 33 ist dabei als flächiges, kreisringförmiges Element ausgebildet, das das sockelförmige Ankopplungselement 26 umgibt. Von der Sensorelektrode 33 wird ein elektrisches Feld aufgespannt. Ändert sich das elektrische Feld, insbesondere durch die Anwesenheit eines Betätigungsmittels, wie beispielsweise eines Fingers, kann von dem kapazitiven Sensor ein entsprechendes Sensorsignal an das Logikelement 32 ausgegeben werden.The sensor electrode 33 of the capacitive sensor is arranged between the side 9 of the cover plate 11 facing away from the user and the coupling means 20, preferably within the first cavity 12a. The sensor electrode 33 is designed as a flat, circular element that surrounds the base-shaped coupling element 26. An electric field is generated by the sensor electrode 33. If the electric field changes, particularly due to the presence of an actuating means, such as a finger, a corresponding sensor signal can be output from the capacitive sensor to the logic element 32.

Auf der von dem Piezo-Element 35 abgewandten Seite des plattenförmigen Trägers 30 kann ein Logikelement 32 angeordnet sein, welches elektrisch mit dem Piezo-Element 35 und dem kapazitiven Sensor gekoppelt ist und eingerichtet ist, die Piezo-Signale des Piezo-Elements 35 und die Sensorsignale des kapazitiven Sensors auszuwerten und ein Steuersignal zu erzeugen. Bevorzugt ist das Logikelement 32 als elektronisches Bauteil, besonders bevorzugt als Mikrocontroller ausbildet.On the side of the plate-shaped carrier 30 facing away from the piezo element 35, a logic element 32 can be arranged, which is electrically coupled to the piezo element 35 and the capacitive sensor and is configured to evaluate the piezo signals of the piezo element 35 and the sensor signals of the capacitive sensor and to generate a control signal. The logic element 32 is preferably designed as an electronic component, particularly preferably as a microcontroller.

Das Gehäuse 10 ist derart an der Abdeckplatte 11 angeordnet, dass einerseits das Ankopplungselement 26 in Wirkverbindung oder Wirkkontakt mit der Abdeckplatte 11 steht und andererseits das Kontaktierelement 24 in Wirkverbindung oder Wirkkontakt mit dem Piezo-Element 35 steht.The housing 10 is arranged on the cover plate 11 in such a way that, on the one hand, the coupling element 26 is in operative connection or operative contact with the cover plate 11 and, on the other hand, the contacting element 24 is in operative connection or operative contact with the piezo element 35.

Eine externe Kraft F, welche in dem Ausführungsbeispiel nur zur Veranschaulichung in 1 mittels eines Pfeils dargestellt ist, führt zu einer elastischen Verformung der Abdeckplatte 11, wobei die Verformung mittels des an dem Gehäuse 10 federnd abgestützten Kopplungsmittels 20 auf das Piezo-Element 35 einwirkt. Aufgrund der Verformung wird von dem Piezo-Element 35 ein Piezo-Signal in Form einer Spannung ausgegeben.An external force F, which in the embodiment is only shown for illustration purposes, 1 The deformation, represented by an arrow, leads to an elastic deformation of the cover plate 11, wherein the deformation acts on the piezo element 35 by means of the coupling means 20 resiliently supported on the housing 10. Due to the deformation, a piezo signal in the form of a voltage is output by the piezo element 35.

Der Bereich, in dem sowohl die Anwesenheit eines Betätigungsmittels durch den kapazitiven Sensor detektiert werden kann, als auch die externe Kraft F auf das Piezo-Element 35 übertragen werden kann, wird als Übertragungsbereich 15 bezeichnet. Durch die zentrale Anordnung des Ankopplungselements 26 im Zentrum der Sensorelektrode 33 kann die Betätigung des Piezo-Schaltelements besonders zuverlässig detektiert werden.The area in which both the presence of an actuating means can be detected by the capacitive sensor and the external force F can be transmitted to the piezo element 35 is referred to as the transmission area 15. Due to the central arrangement of the coupling element 26 in the center of the sensor electrode 33, the actuation of the piezo switching element can be detected particularly reliably.

Das Piezo-Signal und das Sensorsignal können durch das Logikelement 32 ausgewertet und in ein entsprechendes Steuersignal übersetzt werden. Vorzugsweise wird ein Steuersignal nur dann erzeugt, wenn im Übertragungsbereich 15 die externe Kraft F auf die Abdeckplatte 11 wirkt und ein Betätigungselement anwesend ist.The piezo signal and the sensor signal can be evaluated by the logic element 32 and translated into a corresponding control signal. Preferably, a control signal is only generated when the external force F acts on the cover plate 11 in the transmission area 15 and an actuating element is present.

Die 2 und 3 stellen beispielhaft zwei mögliche Betriebsweisen des Piezo-Schaltelements 1 bei unterschiedlicher Konfiguration des Logikelements 32 dar.The 2 and 3 represent two possible operating modes of the piezo switching element 1 with different configurations of the logic element 32.

In 2 ist die Betriebsweise des Piezo-Schaltelements 1 in Schalter-Konfiguration 40 dargestellt. Nach dem Starten des Piezo-Schaltelements 1 in Verfahrensschritt 41 erfolgt zunächst in Schritt 42 die Prüfung, ob das Piezo-Signal eine Betätigung des Piezo-Elements 35, also die Einwirkung einer externen Kraft F auf das Piezo-Element 35, anzeigt. Die Prüfung in Schritt 42 wird solange durchgeführt, bis das Piezo-Element 35 ein Piezo-Signal ausgibt, das auf die Einwirkung einer externen Kraft F schließen lässt. In diesem Fall geht das Logikelement 32 zum nächsten Verfahrensschritt 43 über, in dem geprüft wird, ob das kapazitive Feld aktiv ist. Eine Aktivität des kapazitiven Felds wird dann erkannt, wenn der kapazitive Sensor mittels der Sensorelektrode 33 die Anwesenheit eines Betätigungsmittels im Übertragungsbereich 15 detektiert und ein entsprechendes Sensorsignal erzeugt. Wird in Schritt 43 keine Aktivität des kapazitiven Felds erkannt, springt das Logikelement 32 zurück zum Verfahrensschritt 42. Wird in Schritt 43 eine Aktivität des kapazitiven Felds erkannt, wird im Folgenden Schritt 44 ausgeführt, in dem ein Steuersignal zur Änderung eines Schaltzustandes erzeugt wird.In 2 The operating mode of the piezo switching element 1 is shown in switch configuration 40. After starting the piezo switching element 1 in method step 41, the first step in step 42 is to check whether the piezo signal indicates an actuation of the piezo element 35, i.e., the action of an external force F on the piezo element 35. The test in step 42 is carried out until the piezo element 35 outputs a piezo signal that indicates the action of an external force F. In this case, the logic element 32 proceeds to the next method step 43, in which it is checked whether the capacitive field is active. Activity of the capacitive field is detected when the capacitive sensor detects the presence of an actuating means in the transmission area 15 by means of the sensor electrode 33 and generates a corresponding sensor signal. If no activity of the capacitive field is detected in step 43, the logic element 32 jumps back to method step 42. If activity of the capacitive field is detected in step 43, step 44 is subsequently executed, in which a control signal for changing a switching state is generated.

3 zeigt die Betriebsweise eines Piezo-Schaltelements 1 in Taster-Konfiguration 50. Nach dem Start (Verfahrensschritt 51) wird in Schritt 52 geprüft, ob das Piezo-Element 35 betätigt ist, also ob ein Piezo-Signal vorliegt, das das Einwirken einer externen Kraft F auf das Piezo-Element 35 anzeigt. Schritt 52 wird solange ausgeführt, bis eine Betätigung des Piezo-Elements 35 erkannt wird. Ist dies der Fall, wird im nächsten Schritt 53 überprüft, ob eine Aktivität des kapazitiven Felds vorliegt. Falls diese Prüfung negativ ausfällt, springt das Logikelement 32 zurück zu Schritt 52. Wird in Schritt 53 eine Aktivität des kapazitiven Felds festgestellt, wird in Schritt 54 ein Steuersignal zur Aktivierung eines Schaltzustands („Schaltzustand Ein“) erzeugt. Im Folgenden wird in Schritt 55 weiterhin die Aktivität des kapazitiven Felds überprüft. Die Aktivierung des Schaltzustands („Schaltzustand Ein“) bleibt bestehen, solange die Prüfung in Schritt 55 ein positives Ergebnis bringt. Eine weitere Überprüfung des Piezo-Signals findet nicht statt. Das Anliegen einer externen Kraft F am Piezo-Element 35 ist dementsprechend nur zur Initialisierung des „Schaltzustand Ein“ erforderlich. Zur Aufrechterhaltung ist die Anwesenheit eines Betätigungselements im Übertragungsbereich 15 ausreichend. Wird keine Aktivität des kapazitiven Felds mehr festgestellt, wird in Schritt 56 die Erzeugung eines Steuersignals zur Deaktivierung eines Schaltzustands („Schaltzustand Aus“) veranlasst. Anschließend springt das Logikelement zurück zu Schritt 52. 3 shows the operation of a piezo switching element 1 in button configuration 50. After the start (method step 51), a check is carried out in step 52 to determine whether the piezo element 35 is actuated, i.e. whether a piezo signal is present that indicates the action of an external force F on the piezo element 35. Step 52 is carried out until an actuation of the piezo element 35 is detected. If this is the case, the next step 53 checks whether there is any activity in the capacitive field. If this check is negative, the logic element 32 jumps back to step 52. If a If activity of the capacitive field is detected, a control signal for activating a switching state ("switching state on") is generated in step 54. The activity of the capacitive field is then further checked in step 55. The activation of the switching state ("switching state on") remains as long as the test in step 55 produces a positive result. A further check of the piezo signal does not take place. The application of an external force F to the piezo element 35 is therefore only required to initialize the "switching state on." To maintain this, the presence of an actuating element in the transmission area 15 is sufficient. If no further activity of the capacitive field is detected, a control signal for deactivating a switching state ("switching state off") is initiated in step 56. The logic element then jumps back to step 52.

Durch die Darstellung der beiden beispielhaften Konfigurationen des Logikelements 32 in den 2 und 3 wird insbesondere veranschaulicht, dass in der Schalter-Konfiguration 40 (2) die Dauer der Betätigung des Piezo-Schaltelements 1 keine Rolle spielt. Sobald die Betätigung einmal durch positive Ergebnisse sowohl in Schritt 42 als auch in Schritt 43 detektiert wurde, wird ein Steuersignal zur Änderung eines Schaltzustands erzeugt. In der Taster-Konfiguration 50 findet hingegen nach initialer Detektion einer externen Kraft F (Schritt 52) und der Anwesenheit eines Betätigungsmittels (Schritt 53) eine weitere Überprüfung des Sensorsignals und damit des kapazitiven Felds statt (Schritt 55). Der „Schaltzustand Ein“ wird aufrechterhalten, bis in Schritt 55 keine Aktivität des kapazitiven Felds mehr detektiert wird. Damit hat in der Taster-Konfiguration 50 die Betätigungsdauer Einfluss auf die Erzeugung des Steuersignals. Am Beispiel einer Lampe kann ein mögliches Einsatzszenario für die beiden in 2 und 3 vorgestellten Konfigurationen veranschaulicht werden: Während die Schalter-Konfiguration 40 zum Ein- und Ausschalten der Lampe verwendet werden kann, eignet sich die Taster-Konfiguration 50 besonders zur Realisierung einer Dimm-Funktion.By showing the two exemplary configurations of the logic element 32 in the 2 and 3 It is particularly illustrated that in the switch configuration 40 ( 2 ) the duration of the actuation of the piezo switching element 1 is irrelevant. As soon as the actuation has been detected once by positive results in both step 42 and step 43, a control signal is generated to change a switching state. In the button configuration 50, however, after the initial detection of an external force F (step 52) and the presence of an actuating means (step 53), a further check of the sensor signal and thus of the capacitive field takes place (step 55). The "switching state On" is maintained until no more activity of the capacitive field is detected in step 55. Thus, in the button configuration 50, the actuation duration influences the generation of the control signal. Using the example of a lamp, a possible application scenario for the two in 2 and 3 presented configurations: While the switch configuration 40 can be used to switch the lamp on and off, the button configuration 50 is particularly suitable for implementing a dimming function.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: Piezo-SchaltelementPiezo switching element
55: LängsachseLongitudinal axis
88: benutzerzugewandte Seite von 11user-facing page of 11
99: benutzerabgewandte Seite von 11non-user side of 11
1010: GehäuseHousing
1111: Abdeckplattecover plate
12a12a: erster Hohlraumfirst cavity
12b12b: zweiter Hohlraumsecond cavity
1414: AbsatzParagraph
1515: ÜbertragungsbereichTransmission range
1818: Randedge
1919: BodenteilBottom part
2020: KopplungsmittelCoupling agent
2424: KontaktierelementContacting element
2626: Ankopplungselementcoupling element
3030: Trägercarrier
3131: Leiterplattecircuit board
3232: LogikelementLogic element
3333: SensorelektrodeSensor electrode
3535: Piezo-ElementPiezo element
4040: Schalter-KonfigurationSwitch configuration
41-4441-44: Verfahrensschritte bei SchalterkonfigurationProcedure steps for switch configuration
5050: Taster-KonfigurationButton configuration
51-5651-56: Verfahrensschritte bei TasterkonfigurationProcedure steps for button configuration
FF: externe Kraftexternal force
tt: Dicke der AbdeckplatteThickness of the cover plate

Claims

Piezo switching element comprising: - a housing (10) with a base part (19), - a cover plate (11), - a carrier (30) with a piezo element (35), - a capacitive sensor with at least one sensor electrode (33), - the base part (19) is designed as a spring-movable coupling means (20) and comprises a contacting element (24) and a coupling element (26), - wherein the coupling element (26) protrudes in a base-like manner from the coupling means (20) and - wherein the coupling element (26) is coupled to the cover plate (11), - wherein the contacting element (24) protrudes in a base-like manner on a side of the coupling means (20) opposite the coupling element (26), - wherein the contacting element (24) is coupled to the piezo element (35), - wherein an external force (F) on a side (8) facing the user the cover plate (11) by means of the coupling means (20) to the piezo element (35) for generating a piezo signal corresponding to this force (F), - wherein the cover plate (11) has a transmission area (15), - wherein the presence of an actuating means on the user-facing side (8) of the cover plate (11) in the transmission area (15) can be detected by the capacitive sensor to generate a corresponding sensor signal, wherein the at least one sensor electrode (33) of the capacitive sensor is arranged between the cover plate (11) and the coupling means (20), and - wherein the at least one sensor electrode (33) is designed as a circular ring-shaped component which is arranged around the coupling element (26).

Piezo switching element comprising: - a housing (10), - a cover plate (11), - a carrier (30) with a piezo element (35), - a coupling means (20) comprising a contacting element (24) and a coupling element (26), and - a capacitive sensor with at least one sensor electrode (33), - wherein the coupling element (26) is coupled to the cover plate (11), - wherein the contacting element (24) is coupled to the piezo element (35), - wherein an external force (F) on a user-facing side (8) of the cover plate (11) is transferable by means of the coupling means (20) to the piezo element (35) to generate a piezo signal corresponding to this force (F), - wherein the cover plate (11) has a transmission area (15), and - wherein the presence of an actuating means on the user-facing side (8) of the cover plate (11) in the transmission area (15) can be detected by the capacitive sensor to generate a corresponding sensor signal, characterized in that - the housing (10) has an end-side and at least partially circumferential edge (18), the free end of which lies in a common plane with a free end of the coupling element (26), which is designed in the shape of a base.

Piezo switching element according to Claim 1 or 2 , characterized in that the piezo switching element (1) has a logic element (32) which is electrically coupled to the piezo element (35) and the capacitive sensor and is designed to evaluate the piezo signal and the sensor signal and to generate a control signal.

Piezo switching element according to Claim 3 , characterized in that the logic element (32) is arranged on the carrier (30).

Piezo switching element according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier (30) is designed as a printed circuit board (31).

Piezo switching element according to one of the preceding claims, characterized in that a cavity (12a, 12b) is formed between the coupling means (20) and the piezo element (35) and/or between the coupling means (20) and the cover plate (11) for the resilient formation of the coupling means (20).

Piezo switching element according to one of the preceding claims, characterized in that the contacting element (24) is aligned in a base-like manner with the piezo element (35) and is in operative connection with the piezo element (35).

Piezo switching element according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling means (20) is flexurally elastic and/or is resiliently supported on the housing (10).

Piezo switching element according to one of the preceding claims, characterized in that the cover plate (11) is a multi-layer cover plate (11) and/or consists of glass, glass ceramic or plastic.

Piezo switching element according to Claim 1 , characterized in that the housing (10) is cylindrical with the front-side base part (19).

Piezo switching element according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier (30) rests with its peripheral surface on an inner surface (13) of the housing (10).