Brevet FR2389238A1 — publié le 19781124

La présente invention concerne un dispositif piézo-électrique, et en particulier un commutateur à touche comprenant un transducteur, destiné à la commande de circuits électroniques. Les commutateurs de ce type pratiquement sans mouvement et sans contact sont particulièrement intéressants en vue d'utilisations dans le domaine de la technique médicale, des appareils ménagers, de la technique des ascenseurs et#de l'électronique de divertissement. On a déjà proposé des commutateurs sans contact pour des domaines d'utilisation de ce type ou analogues, tels que ceux qui sont proposés par les brevets allemande n0 1 916 336 et 2 210 359. Toutes ces solutions nécessitent des pièces mécaniques mobiles grâce auxquelles par l'intermédiaire par exemple d'un mécanisme de frappe qui agit sur la piézo-céramique, se produit une charge électrique qui à son tour est susceptible d'être utilisée pour commander un circuit électronique. Les commutateurs à touche de ce type qui ne contiennent aucune pièce mécanique mobile présentent de toutes manières un intérêt technique particulier. Une solution a eété decrite dans la demande de brevet allemand publiée n 2 3#14 420. Dans ce cas-, il s'agit d'une plaquette piézo-céramique située sur champ et qui fournit une tension sous lteffet d'une pression. En outre, un condensateur comprenant une couche~résistante est intégré à ces plaquettes qui font fonction de filtres passe-bas RC contre des vibrations. L'inconvénient dans ce cas vient du fait que pour éviter des gondolements ou des surcharges, il est nécessaire d'aménager un dispositif de protection relativement coûteux. L'ensemble nécessite également un espace relativement important.En outre, la demande de brevet allemand publiée n 2 064 657 décrit un clavier piézo-électrique utilisant une pastille piézo-électri#que ou un semi-conducteur piézo-électrique qui émet un courant de charge électrique sous l'effet d'une pression du doigt et qui provoque ainsi une impulsion de tension. Mais les tensions sont très faibles. En outre, un tel ensemble est exceptionnellement sensible aux vibrations et aux influences thermiques. En conséquence, l'objet de l'invention est un commutateur sans déplacement et sans contact qui élimine les insuffisances de l'état actuel de la technique, qui est de construction simple et qui présente avant tout une épaisseur extreme ment réduite en vue de son utilisation dans le domaine des cla viers. Selon l'invention, ce problème est résolu grâce à un or gane d'excitation qui est aménagé dans la touche perpendiculai rement à la direction de la pression, ce corps étant pourvu d'une feuille piézo-électrique passive et d'une feuille piézo électrique active, de préférence avec une tension de polarisa tion, de manière qu'on obtienne sous l'effet de la flexion la plus réduite une tension électrique aux bornes des contacts. D'autres caractéristiques de l'invention constituent l'objet des revendications secondaires. On obtient un organe de liaison de ce type, à la fois fiable et de longue durée de vie, pour la commande directe de circuits intégrés, en collant ou en soudant une feuille mince, de préférence en métal ou en matière plastique, sur une feuille piézo-électrique. Le collage s'effectue de préférence au moyen d'une colle thermo-durcissable du fait qu'en raison des coef ficients de dilatation différents de deux matériaux il peut se manifester des tensions mécaniques. Après refroidissement, l'organe d'excitation se trouve pourvu d'une déformation perma nette Cette déformation se manifeste par une flexion extrêmement réduite qui est normalement de l'ordre de 0,01 mm. Si une force légère est appliquée à cet organe d'excitation, la flexion se trouve modifiée.Le transducteur piézo-électrique émet alors une tension qui peut être transmise aux électrodes et utilisée pour commander un circuit électronique. Naturellement, il est aussi possible d'utiliser un organe d'excitation de ce type sans y avoir introduit préalablement une légère flexion. Mais on rencontre dans ce cas certaines difficultés sur le plan de la technique de la production et une augmentation des coûts. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisa tion, avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels - la figure l est une coupe du couvercle et de la partie inférieure du logement - la figure 2 est une coupe et une vue par dessus de l'or- gane d'excitation piézo-électrique - la figure 3 est une coupe de la touche piézo-électrique selon une autre- forme en ce qui concerne le contact - la figure 4 est une variante de la métallisation de la feuille piézo - la figure 5 est un diagramme représentant une allure typique de la tension lorsqu'on applique une pression ; et - la figure 6 est un diagramme montrant le rapport de la tension et de la force de commande maximale. Selon la figure 1, le logement 1 comprend une partie inférieure 3 constituée de préférence en matière plastique dure et un couvercle 2 en matière plastique molle. L'organe d'excitation piézo-électrique 4 est représenté sur la figure 2. Il est constitué par une membrane métallique Il dont l'épaisseur est d'environ 0,2 mm et portant collé sur elle une feuille piézo-électrique 5. Le contact s'effectue d'une part par l'intermédiaire d'une patte 6 aménagée sur la tôle il et d'autre part par l'intermédiaire d'une seconde bande de tôle 7 qui est soudée sur la surface supérieure de céramique métallisée, Les bandes de contact sortent vers l'extérieur en passant par des ouvertures 8 constituées dans le fond 3 du logement. Une variante du mode de réalisation qui vivent d'être décrit est représentée sur la figure 3.Le contact s'effectue par l'in- termédiaire d'un contact à pression 9 situé entre la feuille piézo-électrique et le couvercle 2 du logement, et qui appuie avec une légère pression sur la surface supérieure métallisée de la piézo-céramique. Un organe d'excitation 4 de ce type peut être réalisé de manière qu'une feuille métallique mince de l'exemple précédent, d'un diamètre d'environ 13 mm et d'une épaisseur de 0,2 mm soit collée sous pression sur un mince disque piézo d'un diamètre de 10 mm et d'une épaisseur de 0,2 mm Il est souhaitable que la pression soit maintenue pendant le processus de collage pour obtenir une liaison électrique conductrice entre la feuille piézo métallisée et la feuille métallique. Mais on peut également penser à d'autres possibilités, à savoir un dépôt métallique 10 dépose sur le pourtour du rebord, comme le montre la figure 4, de sorte que le con tact n'ait lieu que sur le côté supérieur. Ce type de métallisation doit être utilisé lorsqu'on utilise une membrane non électriquement conductrice, telle qu'une membrane en matière synthétique, au lieu d'une feuille métallique. En ce qui concerne la colle, on préfère utiliser de la résine époxy ou bien une matière analogue. Les caractéristiques des touches à pression piézo-élec trique réalisées de cette manière sont données a titre d'exemple sur les figures 5 et 6. Sur la dernière figure, on peut voir particulièrement clairement la supériorité de l'invention sur les autres touches comparables.Ainsi, avec des forces de 0,4 N, on obtient déjà des tensions de 1,5 V pour une résistance de 10 Mfl. Du fait des tensions élevées obtenues au moyen de charges mécaniques faibles, ces touches piézo conviennent particulièrement à la commande d'un commutateur de seuil. En modifiant la tension de fonctionnement, on peut ainsi fixer le seuil de réponse. Les commutateurs pratiquement sans mouvement et sans contact de ce type présentent par rapport aux contacts mécaniques des avantages décisifs tels qu'une commutation sans bruit et sans vibrations, l'absence de perturbations par étincelles, la possibilité de les utiliser dans des enceintes où peuvent se produire des explosions, une durée de vie importante, du fait de l'absence de pièces mécaniques mobiles Le commutateur à touche piézo-céramique selon l'invention est basé sur un fonctionnement électrique et n'a pas besoin de consommer de la puissance.Les avantages que l'on obtient avec cet organe d'excitation sont constitués essentiellement par le fait que grâce à un transducteur d'excitation piézoélectrique, il est possible de construire un générateur électriquement actif fournissant des tensions électriques sous l'action de forces extrêmement réduite d'environ 0,2 N -et qui suffisent à commander des circuits électroniques. Grâce au. mode de construction représenté, il est en outre possible de réaliser l'ensemble avec une épaisseur réduite et d'environ 3 mm, Il en résulte que la touche peut etre utilisée en particulier pour réaliser des claviers extrêmement plats. Par opposition aux pièces de détection connues, il faut une pression définie pour déclencher l'impulsion de commutation il en résulte que l'on peut éviter largement un déclenchement non intentionnel. Par ailleurs, l'utilisation d'une touche de ce type, même par des personnes portant un stimulateur cardiaque est totalement sans danger car un contact avec des conduites de courant quelconques ou avec des pièces sous tension n'est pas possible. La présente invention est due à Kurt HANDSCHUH, Alfred KOHNE, et Georg WIESEND. REVENDICATIONS 1. Dispositif piézo-électrique constitué plus particulièrement par un commutateur à touche électrique comprenant un transducteur pour commander des circuits électriques, caractérisé par le fait qu'un organe d'excitation (4) est aménagé perpendiculairement à la direction de la pression sur la touche (1), ledit organe étant pourvu d'une feuille piézo-électriquement passive (11) et d'une feuille piézo-électriquement active (5), de préférence avec tension de polarisation, de manière que sous l'effet de la plus légère flexion, une tension en résulte aux bornes des contacts (6, 7 et 9). 2. Organe d'excitation piézo-électrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la feuille piézopassive (11) et la feuille piézo-active (5) sont jointes l'une à l'autre par stratification. 3. Organe d'excitation piézo-électrique selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la feuille piézo-passive# (11) est constituée par du métal. 4. Organe d'excitation piézo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la feuille piézo-électriquement passive (11) est constituée par une matière synthétique. 5. Organe d'excitation piézo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la feuille piézo-électriquement active est constituée par un piézo-cristal. 6. Organe d'excitation piézo-électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la feuille piézo-électriquement active (5) comprend une matière synthétique piézo-électrique. 7. Organe d'excitation piézo-élect#rique selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé par le fait que la feuille piézo-électriquement active (5) est constituée en piézo-céramique. 8. Organe d'excitation piézo-électrique selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'une flexion permanente de cet organe est réalisée au moyen d'une colle thermodurcissable lors de l'opération de stratification. 9. Dispositif piézo-électrique, caractérisé par le fait que le logement est constitué par un couvercle en maté riau flexible qui n'oppose aucune résistance sensible aux forces appliquées sur lui et qui comprend à l'intérieur une surépaisseur (12) qui permet de transmettre des forces appliquées -en biais sur le couvercle pratiquement perpendiculairement à l'organe d'excitation.