Elektrische Schalteinrichtung mit mindestens einem piezo¬ elektrischen Organ

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Schalteinrichtung mit mindestens einem als mechanisch-elektri¬ scher Wandler dienenden piezoelektrischen Organ und einer elektrischen Schaltungsanordnung, die einen mit dem piezo¬ elektrischen Organ verbundenen Signaleingang und einen Sig¬ nalausgang für ein elektrisches Steuersignal aufweist.

Bekannte Einrichtungen dieser Art sind häufig mit dem Nach¬ teil behaftet, dass durch Erschütterungen, Schallwellen oder Wärmeeinflüsse ungewollte Steuervorgänge ausgelöst werden. Zur Unterdrückung von Störungen infolge von Erschütterungen und Vibrationen hat man schon ein Tiefpassfilter in der elektrischen Schaltungsanordnung vorgesehen. Da das verwende¬ te Tiefpassfilter aber lediglich aus einem- Längswiderstand und einem Querkondensator bestand, resultierte nur eine ver- hältnismässig geringe Filtersteilheit und dementsprechend nur eine bescheidene Störungsunterdrückung. Thermische Störungs¬ einflüsse, den sogenannten Pyroeffekt, hat man dadurch zu vermindern versucht, dass für das piezoelektrische Organ eine besonders dünne Schicht aus Piezomaterial verwendet wurde. Weiter ist es bekannt, zur Betätigung des piezoelek¬ trischen Organs einen mechanischen Schnapptaster vorzusehen, mit welchem das piezoelektrische Organ jeweils durch einen relativ kräftigen Schlag anstossbar ist, um einen hohen piezoelektrischen Impuls zu erzeugen, der erlaubt, die An¬ sprechempfindlichkeit der elektrischen Schaltungsanordnung entsprechend zu vermindern. Hierdurch können die oben erwähn¬ ten nachteiligen Störungen ebenfalls vermindert werden, aber der Schnapptaster verlangt einen erheblichen Schaltweg, der für manche Anwendungsfälle unzweckmässig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten,

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dass eine ungewollte Auslösung von Steuervorgängen infolge Erschütterungen, Schallwellen oder Wärmeeinflüssen praktisch vollständig ausgeschlossen ist, ohne dass hierfür eine spe¬ zielle Ausbildung des piezoelektrischen Organs oder einer Be¬ tätigungsvorrichtung zum mechanischen Beaufschlagen des piezoelektrischen Organs erforderlich ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die elektrische Schaltungsanordnung einen Impedanzwandler und ein digitales Bandpassfilter aufweist mit einem Durchlass¬ frequenzbereich, dessen untere Grenzfrequenz im Bereich von 0,5 Hz bis 2 kHz liegt und dessen obere Grenzfrequenz höch¬ stens 20 mal höher als die untere Grenzfrequenz ist.

Ein digitales Bandpassfilter zeigt bekanntlich eine im Ver¬ gleich mit anderen elektrischen Filtern hohe Flankensteil¬ heit an beiden Enden des Durchlassbereiches. Daher sind bei der erfindungsgemässen Einrichtung alle piezoelektrischen Impulse oder Schwingungen mit einer unterhalb oder oberhalb des Durchlassbereiches des digitalen Bandpassfilters liegen¬ den Frequenz völlig unwirksam. Weder langsam auftretende thermische Einflüsse noch Erschütterungen durch Vibrationen und Schallwellen mit Frequenzen ausserhalb des Durchlassbe¬ reiches des digitalen Bandpassfilters können ungewollte Steuervorgänge auslösen.

Piezoelektrische Organe lassen sich praktisch weglos betäti¬ gen, da hierfür Deformationen in der Grössenordnung von 1 bis 10 μ ausreichen. Für die Bedienungsperson kann daher, wenn das Resultat der vorgenommenen Betätigung nicht ohne weiteres am Verhalten des zu steuernden elektrischen Gerätes od.dgl. erkennbar ist, eine gewisse Unsicherheit darüber entstehen, ob die Schalteinrichtung auch tatsächlich ange¬ sprochen hat. Zur Beseitigung dieser Unsicherheit sind be¬ reits Massnahmen zum Herbeiführen einer Rückmeldung an die Bedienungsperson bekannt geworden, wobei diese Rückmeldung

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optisch, akustisch oder mittels eines schwachen elektrischen Stromstosses erfolgen kann.

Es ist nun eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zweckmässige akustische Rückmeldung an die Bedienungs¬ person zu ermöglichen.

Diese zusätzliche Aufgabe ist erfindungsge äss dadurch ge¬ löst, dass das piezoelektrische Organ ausser als mechanisch¬ elektrischer Wandler zum Auslösen eines Steuervorganges auch als elektrisch-mechanischer Wandler zum Erzeugen von Schall¬ wellen eines akustisch wahrnehmbaren Signals vorgesehen ist und dass die elektrische Schaltung mindestens einen Tonfre¬ quenzoszillator sowie Mittel zum zeitweisen Anschalten des¬ selben an das piezoelektrische Organ aufweist. Durch diese Massnahme wird ein zusätzlicher akustischer oder optischer Signalgeber entbehrlich.

Aus der CH-Patentschrift 506 835 oder der entsprechenden US-Patentschrift 3 676 696 ist eine Zeitmesseinrichtung für Wettschwimmen bekannt, welche eine an einer Wand eines Schwimmbeckens zu befestigende Zielanschlagplatte aufweist, die mit zwei oder mehr piezoelektrischen Organen in mechani¬ scher Wirkungsverbindung steht, wobei die piezoelektri¬ schen Organe an eine elektrische Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Steuersignals für eine Uhr angeschlossen sind. Bei dieser bekannten Zeitmesseinrichtung sind die piezo¬ elektrischen Organe je in einem an der Zielwand des Schwimm¬ beckens oberhalb des Wasserspiegels stationär angeordneten Halter für die Zielanschlagplatte untergebracht, und letztere ist als biegesteife Metallplatte ausgebildet, die bei Berüh¬ rung durch einen Schwimmer in Schwingungen mit verhältnismäs- sig hoher Frequenz versetzbar ist, um dadurch mindestens eines der piezoelektrischen Organe zu betätigen. Damit unbe¬ absichtigte Steuersignale infolge von Wellenschlag möglichst vermieden werden, ist die Anschlagplatte durch eine Vielzahl

von Bohrungen mechanisch bedämpft und die elektrische Schal¬ tungsanordnung derart ausgebildet, dass piezoelektrische Signale mit unterhalb eines Schwellenwertes liegenden Ampli¬ tuden unterdrückt und solche mit über einer bestimmten Fre¬ quenz liegenden Frequenzen bevorzugt werden.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass bei dieser bekannten Zeitmesseinrichtung der Schwellenwert für die Amplitude der piezoelektrischen Signale jeweils möglichst hoch eingestellt werden muss, damit das Auftreten von unbeabsichtigten Steuer¬ signalen wirksam vermieden ist. Eine Folge hiervor ist, dass der Schwellenwert für verschiedene Wettbewerbsarten und Kategorien von Schwimmern, z.B. Spitzensportler, Junioren, Kinder, anders eingestellt werden muss, um jeweils einen opti¬ malen Kompromiss zwischen der Unterdrückung von Fehlsignalen und der zum Betätigen der Einrichtung nötigen Anschlagstärke zu erzielen.

Es besteht daher das Bedürfnis, eine Zeitmesseinrichtung für Wettschwimmen zu schaffen, bei welcher die lästige und kom¬ plizierte Empfindlichkeitseinstellung für die verschiedenen Wettbewerbsarten und Schwimmer entfällt. Dieses Ziel ist ge¬ mäss der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass die elektrische Schaltungsanordnung einen Impedanzwandler und ein digitales Bandpassfilter aufweist mit einem Durchlass¬ bereich, dessen untere Grenzfrequenz 0,5 bis 2 kHz und dessen obere Grenzfrequenz 5 bis 20 kHz betragen, wobei vorzugs¬ weise der Durchlassbereich sich von 1 bis 10 kHz erstreckt.

Es wurde weiter gefunden, dass bei dieser erfindungsgemässen Ausbildung der elektrischen Schaltungsanordnung die Zielan¬ schlagplatte anstatt aus Metall mit Vorteil aus einem Hart- Kunststoff oder Hart-Kunststoffschäum gebildet sein kann und die piezoelektrischen Organe je in einer Vertiefung an einer Flachseite der Anschlagplatte befestigt und gegen den Zutritt von Wasser abgedichtet sein können. Dies erlaubt eine ein-

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fächere und schneller durchzuführende Befestigung der An¬ schlagplatte an der Zielwand eines Schwimmbeckens und bringt den Vorteil eines niedrigeren Gewichts der Anschlagplatte.

Einzelheiten, Weiterbildungen und Vorteile der Erfindung er¬ geben sich aus den Patentansprüchen, aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den zugehöri¬ gen Zeichnungen, in welchen die Erfindung rein beispielswei¬ se veranschaulicht ist.

Fig. 1 ist ein elektrisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schalt¬ einrichtung, nämlich einer Schalteinrichtung zum Steuern der Speisung eines elektrischen Energiever¬ brauchers;

Fig. 2 zeigt schematisch die elektrische Schaltungsanordnung eines Ausführungsbeispiels des digitalen Bandpassfil¬ ters der Schalteinrichtung gemäss Fig. 1 ;

Fig. 3 veranschaulicht einen Querschnitt durch ein hermetisch geschlossenes Gehäuse, in welchem das piezoelektri¬ sche Organ und die zugehörigen elektrischen Schaltungs¬ anordnungen der Schalteinrichtung gemäss Fig. 1 unter¬ gebracht sind;

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Betätigungsseite des Gehäuses gemäss Fig. 3;

Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung einer Partie eines Schwimmbeckens mit Einrichtungen für die Zeit¬ messung bei Wettschwimmen, welche Einrichtungen er- findungsge äss ausgebildete Schalteinrichtungen auf¬ weisen;

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer mit zahlrei¬ chen piezoelektrischen Organen versehenen Zielan-

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schlagplatte für eine Zeitmesseinrichtung für Wett¬ schwimmen;

Fig. 7 und Fig. 8 sind analoge Darstellungen von Ausführungs¬ varianten der Zielanschlagplatte gemäss Fig. 6;

Fig. 9 zeigt eine Partie der Zielanschlagplatte mit einem einzelnen piezoelektrischen Organ im Schnitt entlang der Linie 9-9 in Fig. 6;

Fig. 10 ist eine Unteransicht einer mit mehreren piezoelektri¬ schen Organen versehenen Startplatte für einen Wett¬ schwimmer;

Fig. 11 zeigt ein elektrisches Schaltschema einer erfindungs- gemässen Schalteinrichtung für eine elektronische Zeitmesseinrichtung für Wettschwimmen; und

Fig. 12 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf mehrerer elektrischer Signale an verschiedenen Stellen eines digitalen Bandpassfilters in der Schaltungsanordnung nach Fig. 10.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Schalteinrichtung weist ein piezoelektrisches Organ 11 und elektrische Schal¬ tungsanordnungen 12 und 13 auf. Ein Signaleingang 1 der ersten Schaltungsanordnung 12 ist über eine elektrische Zwei¬ drahtleitung 15 mit dem piezoelektrischen Organ 11 verbunden, während ein Signalausgang 16 dieser Schaltungsanordung 12 mit einem Steuersignaleingang 17 der zweiten Schaltungsanord¬ nung 13 in Verbindung steht. Letzterer weist Anschlussklemmen 18 und 18' auf zum Anschliessen eines elektrischen Energie¬ verbrauchers 19, z.B. einer Glühlampe, bzw. eines Leiters N eines elektrischen Wechselstromverteilnetzes. Ein anderer Leiter P des Wechselstromverteilnetzes steht mit dem Verbrau¬ cher 19 in Verbindung.

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Das piezoelektrische Organ 11 besteht zweckmässig aus einem scheibenförmigen Piezokeramikkörper 20 (Fig. 3 und 4), der auf seinen beiden Flachseiten je mit einem aufgedampften Elektrodenbelag (in der Zeichnung nicht sichtbar) versehen ist. In bekannter Weise kann der Piezokeramikkörper z.B. aus Blei-Zirkonat-Titan-Pulver gesintert sein. Der Piezokeramik¬ körper kann mit Vorteil auch aus einem ternären System von Bleititanat, Bleizirkonat und Blei-Nickel-Niobat bestehen. Der Durchmesser des scheibenförmigen Piezokeramikkörpers 20 beträgt zweckmässig 10 bis 20 mm, während die Dicke der Scheibe 20 z.B. 0,5 bis 3 mm messen kann.

Gemäss Fig. 3 ist die obere Elektrode des piezoelektrischen Organs 11 mit einer im Durchmesser etwas grösseren Metall¬ scheibe 21 verbunden, und zwar mit Hilfe eines elektrisch leitenden Klebstoffes. Die Metallscheibe 21 ihrerseits ist an der Innenseite eines Deckels 22 eines Gehäuses 23 flach anliegend festgeklebt. Die beiden Leiter der bereits erwähn¬ ten Zweidrahtleitung 13 sind auf nicht dargestellte Weise mit der unteren Elektrode des piezoelektrischen Organs 11 bzw. mit der Metallscheibe 21 elektrisch verbunden.

Das Gehäuse 23, das je nach dem Verwendungszweck aus polyme- rem Kunststoff oder aus Metall bestehen kann, weist einen Un¬ terteil 24 auf, an welchem der Deckel 22 mittels Schrauben 25 (Fig. 4) lösbar befestigt ist. Zwischen dem Deckel 22 und dem Unterteil 24 des Gehäuses 23 ist ein elastisch nachgiebiger Dichtungsring 26 eingeschaltet. Das ganze Gehäuse 23 ist so¬ mit staubdicht und wasserdicht geschlossen. Im Innern des Ge¬ häuses 23 sind die elektrischen Schaltungsanordnungen 12 und 13 untergebracht, die nun im einzelnen näher erläutert werden.

Die erste Schaltungsanordnung 12 weist gemäss Fig. 1 eine elektronische Umschaltvorrichtung 30 auf, die z.B. aus einem integrierten Schaltkreis des Typs CMOS 4066 gebildet sein kann. Im Ruhezustand der Umschaltvorrichtung 30 verbindet

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diese die Leitung 13 mit einem Impedanzwandler 31, der die etwa 10 bis 15 MΛ betragende Impedanz des piezoelektrischen Organs 11 auf einen beträchtlich niedrigeren Wert umwandelt. Gegebenenfalls kann der Impedanzwandler 31 auch eine Verstär¬ kung der piezoelektrischen Spannung bewirken.

Dem Impedanzwandler 31 ist ein digitales Bandpassfilter 32 nachgeschaltet, dessen Durchlassfrequenzbereich 0,5 bis 10 Hz, vorzugsweise jedoch nur etwa 2 bis 4 Hz, beträgt. Das Bandpassfilter 32 kann z.B. gemäss dem Schaltschema nach Fig. 2 ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform weist das Bandpassfilter 32 zwei monostabile Multivibratoren 33 und 34 auf, welche retriggerbar sind, d.h. durch jedes Ein¬ gangssignal neu getriggert werden, auch wenn die Eigenschalt¬ zeit noch nicht abgelaufen ist. Die Eingänge der zwei mono¬ stabilen Multivibratoren 33 und 3 sind zusammengeschaltet, während ihre Ausgänge je mit einem Eingang eines elektroni¬ schen UND-Gatters 35 verbunden sind. Die Eigenschaltzeit des monostabilen Multivibrators 33 ist gleich der Periodenlänge T eines Eingangssignals mit der unteren Grenzfrequenz des Durchlassbereiches des Bandfilters 32. Somit beträgt die Eigenschaltzeit des monostabilen Multivibrators 33 vorzugs¬ weise etwa /2 Sekunden. Der andere monostabile Multivibrator 3 hat eine Eigenschaltzeit von etwa 1/4 Sekunde, d.h. gleich der Periodenlänge T eines Eingangssignals mit der oberen Grenzfrequenz des Durchlassbereiches des B _a ndfilters 32. Der Ausgang des digitalen Bandfilters 32 ist mit dem Signalausgang 16 der Schaltungsanordnung 12 verbunden.

Die zweite Schaltungsanordnung 13 weist einen zwischen den Anschlussklemmen 18 und 18' liegenden Triac 37 und eine zuge¬ hörige Steuerstufe 38 auf. Diese Steuerstufe 38 kann z.B. mit Hilfe eines integrierten Schaltkreises des Typs S 576 C oder des Typs S 576 B aufgebaut sein. Im ersten Fall lässt sich der elektrische Energieverbraucher 19 mittels der beschriebenen Einrichtung lediglich ein- und ausschalten. Im zweiten Fall

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hingegen ist eine kontinuierlich veränderbare Phasenanschnitt¬ steuerung möglich, um die Energiezufuhr zum Verbraucher 19 stufenlos zu regulieren.

Gemäss Fig. 1 ist der Ausgang 16 der Schaltungsanordnung 12 auch mit einem weiteren monostabilen Multivibrator 40 verbun¬ den, der eine Eigenschaltzeit im Bereich von 0,2 bis 1 Sekun¬ de aufweist. Der Ausgang dieses monostabilen Multivibrators 40 ist an einen Eingang eines weiteren elektronischen UND- Gatters 41 angeschlossen, dessen anderer Eingang mit dem Aus¬ gang eines Tonfrequenzoszillators 42 verbunden ist. Der Aus¬ gang des UND-Gatters 41 steht mit der bereits beschriebenen Umschaltvorrichtung 30 in Verbindung und lässt sich durch letztere mit dem piezoelektrischen Organ 11 verbinden. Ein Steuereingang 42 der elektronischen Umschaltvorrichtung 30 ist mittels eines Leiters 43 ebenfalls mit dem Ausgang 16 der Schaltungsanordung 12 verbunden.

Die Gebrauchs- und Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist kurz z.B. wie folgt:

Es ist zunächst angenommen, dass die Steuerstufe 38 lediglich zum Ein- und Ausschalten der Energiezufuhr zum elektrischen Verbraucher 19 ausgebildet ist. Durch einen Fingerdruck auf die Aussenseite der Mittelpartie des Deckels 22 des Gehäuses 23 lässt sich der Deckel 22 um 1 bis 10 μm elastisch defor¬ mieren, wodurch der Piezokeramikkörper 20 des piezoelektri¬ schen Organs 11 eine geringfügige Biegung erfährt. Diese Bie¬ gung reicht aus zur Erzeugung einer piezoelektrischen Span¬ nung, die über die Umschaltvorrichtung 30 und den Impedanz¬ wandler 31 dem Bandpassfilter 32 zugeleitet wird. Wenn die piezoelektrisch erzeugte Spannung eine Frequenz innerhalb des Durchlassbereiches des Bandpassfilters 32 hat, erscheint am Ausgang 16 der Schaltungsanordnung 12 ein Steuersignal, das in der Steuerstufe 38 bis zum Eintreffen eines später ankom¬ menden neuen Signals gespeichert wird. Mittels der Steuer-

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stufe 38 werden Zündimpulse zum Steuern des Triac 37 erzeugt, der folglich durchschaltet, so dass elektrische Energie dem Verbraucher 19 zugeführt wird. Vom Ausgang des Bandpassfil¬ ters 32 werden elektrische Steuersignale auch an den mono- stabilen Multivibrator 40 und an den Steuereingang 42 der Umschaltvorrichtung 30 geliefert. Demzufolge wird mittels der Umschaltvorrichtung 30 das piezoelektrische Organ 11 vom Impedanzwandler 31 abgetrennt und an den Ausgang des UND- Gatters 41 angeschlossen. Ferner bewirkt der monostabile Multivibrator 40, dass während seiner z.B. 0,2 bis 1 Sekunde dauernden Eigenschaltzeit der Ausgang des Oszillators 42 über das UND-Gatter 41 mit der Umschaltvorrichtung 30 verbunden wird. Durch das tonfrequente Ausgangssignal des Oszillators 42 wird nun das piezoelektrische Organ 11 zu Schwingungen angeregt, die akustisch wahrnehmbare Schallwellen hervorrufen. Es entsteht also ein Piepston, welcher der Bedienungsperson als Rückmeldung über das Zustandekommen des gewünschten Steuervorganges dient. Nachher kehrt die Umschaltvorrich¬ tung 30 automatisch in ihren Ausgangszustand zurück.

Bei einem erneuten Fingerdruck auf den Deckel 22 des Gehäuses 23 wiederholen sich die beschriebenen Vorgänge, wobei jedoch die Steuerstufe 38 nun einen Ruhezustand annimmt und keine weiteren Zündimpulse mehr an den Triac 37 liefert, weshalb die Energiezufuhr zum Verbraucher 19 unterbrochen wird. Auch in diesem Fall erfolgt wieder eine akustische Rückmeldung an die Bedienungsperson.

Die für die Auslösung eines Steuervorganges benötigte Kraft auf den Deckel 22 des Gehäuses 23 ist überraschend gering; sie liegt - je nach Form, Grosse und Material des Deckels - im Bereich von 0,1 bis 10 N.

Wenn anstelle eines Fingerdruckes ein kräftiger Schlag auf den Deckel 22 des Gehäuses 23 ausgeübt wird, entstehen im Deckel 22 und im Piezokeramikkörper 20 Vibrationen mit Frequenzen,

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die höher als die obere Grenzfrequenz des Durchlassbereiches des Bandpassfilters 32 sind. In diesem Fall gelangt kein Steuersignal an den Ausgang 16 der S _c haltungsanordnung 12, und es erfolgt kein Steuervorgang. Das Gleiche gilt für ir¬ gendwelche Vibrationen oder Erschütterungen mit oberhalb des Durchlassbereiches des Bandpassfilters liegenden Frequenzen. Ebenso sind langsame Formänderungen des piezoelektrischen Organs 11, z.B. infolge von Temperatureinflüssen, nicht im¬ stande, irgendwelche Steuervorgänge auszulösen.

Für den Fall, dass die Steuerstufe 38 mit einem integrierten Schaltkreis des Typs S 576 B ausgerüstet ist, kann man mit der beschriebenen Einrichtung die Energiezufuhr zum elektri¬ schen Verbraucher 19 durch Phasenanschnittsteuerung stufenlos steuern. Die Bedienung erfolgt dann z.B. wie folgt: Beim ersten Drücken auf den Deckel 22 wird der Verbraucher einge¬ schaltet, wonach die Ξnergiezufuhr automatisch periodisch langsam aufwärts und abwärts gesteuert wird. Durch ein zweites Drücken lässt sich die automatische Auf- und AbwärtsSteuerung stoppen. Durch zweimaliges Drücken kurz nacheinander wird die Energiezufuhr zum Verbraucher ganz unterbrochen.

Es sind im Handel auch andere integrierte Schaltkreise zur stufenlosen Steuerung der Energiezufuhr erhältlich, wobei von der vorstehenden Beschreibung zum Teil abweichende Betätigun¬ gen erforderlich sind.

In Abänderung des Auführungsbeispiels gemäss Fig. 1 kann an¬ stelle des Triac 37 ein elektromagnetisches Relais zum Ein- und Ausschalten des elektrischen Energieverbra _u chers 19 vor¬ handen sein.

Bei einer anderen, ebenfalls nicht dargestellten Ausführungs¬ variante kann anstelle des Oszillators 42 und des UND-Gatters 41 ein sogenannter Start-Stop-Oszillator vorgesehen sein, der jeweils durch den monostabilen Multivibrator 40 während der Eigenschaltzeit des letzteren in Betrieb gesetzt wird.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform können zwei oder mehr tonfrequente Oszillatoren vorhanden sein, die jeweils gleichzeitig oder zeitlich nacheinander für die aku¬ stische Rückmeldung aktiviert werden. Auf diese Weise ergibt sich ein besser wahrnehmbares akustisches Rückmeldesignal.

Bei einer vereinfachten Schaltungsanordnung können die elek¬ tronische Umschaltvorrichtung 30, der monostabile Multivibra¬ tor 40, das UND-Gatter 41 , der Oszillator 42 und der Leiter 43 weggelassen sein, wenn auf eine akustische Rückmeldung verzichtet wird.

Alle erwähnten Ausführungsformen der erfindungsgemässen Schalt¬ einrichtung bieten eine Rs-ihe von Vorteilen, wie insbesondere die folgenden:

Ungewollte Steuervorgänge durch Erschütterungen, Vibrationen, Schallwellen und Temperatureinflüsse sind praktisch völlig ausgeschlossen. Das Auslösen oder Einleiten eines Steuervor¬ ganges erfolgt praktisch weglos. Im Gegensatz zu sogenannten Sensortasten, die auf dem Prinzip der Stromableitung über die menschliche Haut beruhen, kann die Betätigung auch mit isolie¬ renden Teilen, z.B. mit Handschuhen oder mit einem bekleideten Ellbogen, geschehen, ebenso durch Personen, die auf einer iso¬ lierenden Unterlage stehen oder sitzen. Da keine beweglichen Teile vorhanden sind, ist die Lebens- und Gebrauchsdauer der Einrichtung praktisch unbeschränkt. Da das piezoelektrische Organ 11 innerhalb eines geschlossenen Gehäuses 23 angeordnet sein kann, lässt es sich gegen Feuchte, Staub, Chemikalien usw. wirksam schützen und können die Aussenflächen des Gehäu¬ ses mühelos sauber gehalten werden.

Schalteinrichtungen der beschriebenen Art sind daher besonders geeignet zur Verwendung im Freien, in Räumen mit nasser und/ oder staubiger Atmosphäre, in Bergstollen, in explosionsge- fährdeten Räumen, in Lebensmittelbetrieben, in Spitälern usw.

In den Fig. 5 bis 12 sind weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Schalteinrichtung im Zusammenhang mit ei¬ ner elektronischen Zeitmesseinrichtung für Wettschwimmen ver¬ anschaulicht. In Fig. 5 ist die Start- und Zielwand 50 eines Schwimmbeckens 51 ersichtlich. Auf der Wand 50 befindet sich ein üblicher Startbock 52 für einen Wettschwimmer. Innerhalb des Schwimmbeckens 51 ist an der Wand 50 eine vertikal an¬ geordnete Zielanschlagplatte 53 befestigt, deren Gestalt und Ausbildung in Fig. 6 deutlicher sichtbar ist. Die horizontale Abmessung der Platte 53 ist wenige cm kleiner als die Breite der dem Schwimmer zugedachten Bahn und beträgt vorzugsweise 2,40 m. In der Vertikalen misst die Platte 53 etwa 90 cm, wo¬ bei etwas mehr als die halbe Höhe der Platte in das Wasser des Schwimmbeckens eingetaucht ist. Zur Versteifung weist die Platte 53 oben einen umgebogenen Rand 54 auf. An der obe¬ ren Kante der Wand 50 ist eine horizontal verlaufende Winkel¬ profilschiene 55 befestigt, an welcher die Platte 53 auf nicht näher gezeigte Weise aufgehängt ist. In der Nähe ihres unteren Endes ist die Platte 53 ferner mit einigen weiteren Befesti¬ gungsorganen 56 mit der Wand 50 verbunden. Zwischen der Plat¬ te 53 und der Wand 50 befindet sich ein verhältnismässig schmaler freier Zwischenraum.

Die Zielanschlagplatte 53 besteht zweckmässig aus einem poly- raeren Hartkunststoff, vorzugsweise aus Hart-Polyvinylchlorid oder Polyvinylchlorid-Hartschaum, wobei in jedem der genann¬ ten Fälle die Dicke der Platte etwa 6 mm beträgt. An der der Wand 50 zugewandten Flachseite der Platte 53 ist eine Mehr¬ zahl von piezoelektrischen Organen 11 in Abständen voneinan¬ der angeordnet, z.B. 32 Stück in acht vertikalen Reihen mit je vier piezoelektrischen Organen, wie in Fig. 6 veranschau¬ licht ist. Gemäss Fig. 9 ist jedes der piezoelektrischen Or¬ gane 11 in einer Vertiefung 57 der Zielanschlagplatte 53 be¬ festigt und durch einen Deckel 58 od.dgl. gegen Berührung mit Wasser geschützt. Jedes piezoelektrische Organ 11 weist - wie mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel und insbesondere

Fig. 3 beschrieben wurde - einen Piezokeramikkörper 20 in Form einer flachen Scheibe auf, die an ihren gegenüberlie¬ genden Flachseiten je mit einem (nicht dargestellten) Elek¬ trodenbelag versehen ist. Der Piezokeramikkörper kann zweck¬ mässig einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 20 mm und eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 3 mm haben. Mittels eines Klebstoffes ist jedes piezoelektrische Organ 11 mit einer seiner Flachseiten am inneren Ende der zugeordneten Vertie¬ fung 57 befestigt. Sämtliche piezoelektrischen Organe 11 an der Zielanschlagplatte 53 sind elektrisch parallel geschaltet, wobei die elektrischen Anschluss- und Verbindungsleiter in Nuten 59 der Platte 53 eingebettet und gegen das Eindringen von Wasser abgedichtet sind. Vorzugsweise befinden sich alle Vertiefungen 57 und Nuten 59 an der gleichen, der Wand 50 zuge¬ wandten Flachseite der Zielanschlagplatte 53.

Gegenüber einer aus Metall bestehenden Zielanschlagplatte, wie sie bisher üblich ist, hat die beschriebene Kunststoff- Platte 53 die Vorteile geringeren Gewichts und der Möglichkeit, in ihrer Masse eingefärbt zu werden, so dass Abnützungen der Plattenoberfläche durch den Gebrauch keine Farbverluste zur Folge haben.

Gemäss Fig. 5 führt ein den piezoelektrischen Organen 11 an der Platte 53 gemeinsames Anschlusskabel 60 zu einem Gerätegehäuse 61, in welchem eine elektrische Schaltungsanordnung 62 (Fig. 11) zur Auswertung von piezoelektrischen Signalen der Organe 11 untergebracht ist. Nach Fig. 11 weist die Schaltungsanord¬ nung 62 einen Signaleingang 64, einen als Impedanzwandler dienenden Verstärker 65 für die dem Eingang 64 zugeleiteten piezoelektrischen Signale, einen Zweiweggleichrichter 66 zum Gleichrichten der Ausgangssignale des Verstärkers 65, einen Schmitt-Trigger 67, ein digitales Bandpassfilter 68 und einen Ausgang 69 fir Steuersignale auf. Das digitale Bandpassfilter 68 hat einen Durchlassfrequenzbereich, dessen untere Grenz¬ frequenz f _L zwischen 500 Hz und 2 kHz liegt und dessen obere

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Grenzfrequenz f _H 5 bis 20 kHz beträgt. Vorzugsweise ist die untere Grenzfrequenz etwa 1 kHz und die obere Grenzfrequenz etwa 10 kHz. Dies wird z.B. durch die folgende Ausbildung des Bandpassfilters 68 erzielt:

An den Signaleingang 70 des Bandpassfilters 68 sind die Trig¬ gereingänge von zwei monostabilen Multivibratoren oder Mono¬ Flops 71 und 72 angeschlossen. Die Eigenschaltzeit des mono¬ stabilen Multivibrators 71 ist gleich der Periodenlänge eines Eingangssignals mit der oberen Grenzfrequenz f„ des Durchlass¬ bereichs des Bandpassfilters, wogegen die Eigenschaltzeit des andern monostabilen Multivibrators 72 gleich der Perioden¬ länge eines Eingangssignals mit der unteren Grenzfrequenz f, des Durchlassbereichs ist. Der Ausgang Q1 des monostabilen Multivibrators 71 ist mit dem Triggereingang eines ersten bistabilen Multivibrators oder Flip-Flops 73 und zugleich über eine Verzögerungs-Gatterkette 7 auch mit dem Triggereingang eines zweiten. Flip-Flops 75 verbunden. Der Ausgang Q2 des andern monostabilen Multivibrators 72 ist an den Setzeingang des ersten Flip-Flops 73 und an einen Verzögerungs-Kondensator 76 angeschlossen. Der Ausgang Q3 des ersten Flip-Flops 73 steht mit dem Setzeingang des zweiten Flip-Flops 75 in Ver¬ bindung, während der Rucksetzeingang des zweiten Flip-Flops 75 über einen Signalinverter 77 an den Signaleingang 70 des Bandpassfilters angeschlossen ist. Die beiden Eingänge eines UND-Gatters 78 sind mit dem Signaleingang 70 bzw. dem Signal¬ ausgang Q4 des zweiten Flip-Flops 75 verbunden, während der Ausgang des UND-Gatters 78 an den Steuersignalausgang 69 an¬ geschlossen ist.

Der Verstärker 65 weist einen Steuereingang 80 auf zum Zufüh¬ ren eines externen Steuersignals zum Regulieren des Verstär¬ kungsgrades. In ähnlicher Weise sind die beiden monostabilen Multivibratoren 71 und 72 je mit einem Steuereingang 81 bzw. 82 versehen zum Zuführen eines externen Steuersignals zum Ver¬ ändern der Eigenschaltzeit und somit der betreffenden Grenz¬ frequenz f _H bzw. f _L des Durchlassbereichs des Bandpassfilters

68. Die erwähnten Steuersignale können zweckmässig Gleich¬ spannungen oder digitale Impulsfolgen sein.

In Fig. 12 ist der zeitliche Verlauf der digitalen Signale am Eingang 70 des Bandpassfilters 68, an den Ausgängen Q1 , 02, Q3 und Q4 der monostabilen und bistabilen Multivibrato¬ ren 71 , 7 , 73 bzw. 75 sowie am Steuersignalausgang 69 der Schaltungsanordnung 62 beispielsweise dargestellt. Man er¬ kennt, dass am Ausgang 69 der Schaltungsanordung 62 ein Steuersignal nur dann erscheint, wenn das piezoelektrisch er¬ zeugte Eingangssignal am Eingang 70 des Bandpassfilters 68 eine Periode aufweist, die nicht kürzer als die Ξigenschalt- zeit des monostabilen Multivibrators 71 und nicht länger als die Eigenschaltzeit des andern monostabilen Multivibrators 72 ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass ein Steueraus¬ gangssignal am Ausgang 69 jeweils nur dann hervorgerufen wird, wenn das piezoelektrische Eingangssignal eine Frequenz innerhalb des Durchlassbereichs des digitalen Bandpassfil¬ ters 68 aufweist. Hierdurch ist erreicht, dass weder durch Wasserwellen im Schwimmbecken 51 noch durch harte Schläge auf die Zielanschlagplatte 53 oder die Wand 50 des Schwimmbeckens ein Steuersignal hervorgerufen wird, wohl aber durch das übli¬ che Anschlagen einer Hand eines Schwimmers an der Zielan¬ schlagplatte 53.

In Fig. 5 ist weiter schematisch veranschaulicht, dass von dem Gerät 61 ein Kabel 85 zu einer elektronischen Uhr 86 führt, die ihrerseits mittels eines Kabels 87 mit einer elek¬ tronischen Einrichtung 88 zur Datenverarbeitung verbunden ist. Die letztgenannte Einrichtung weist eine Mehrzahl von An¬ schlüssen 89 zum Anschliessen der Uhr 86 und mehrerer gleich¬ artiger weiterer Uhren auf, die anderen Schwimmbahnen zugeord¬ net sind. Ferner ist die Einrichtung 88 mit einem Steuerein¬ gang 90 für ein Startsignal versehen, das sämtliche ange¬ schlossenen Uhren 86 in Gang setzt und auch akustisch hörbar gemacht wird, um die Wettschwimmer zum Starten zu veranlassen. Wenn ein Schwimmer mit einer Hand an der Zielanschlagplatte 53

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anschlägt, entsteht, wie beschrieben, am Ausgang 69 der Schaltungsanordnung 62 (Fig. 11) ein Steuersignal, das über das Kabel 85 die zugeordnete Uhr 86 augenblicklich stoppt, wobei über das Kabel 87 die gemessene Zeitdauer in einen Spei¬ cher der elektronischen Einrichtung 88 eingespeichert wird. In bekannter Weise ist die Einrichtung 88 ferner derart aus¬ gebildet, dass sie imstande ist, die eingespeicherten Zeitan¬ gaben der Grosse nach zu ordnen und eine Rangliste zu erstel¬ len.

Um die Sicherheit der Zeitmessung zu erhöhen, können sämtliche elektronischen Mittel für die Zeitmessung zweifach vorhanden sein und die Zielanschlagplatte 53 gemäss Fig. 7 mit zwei von¬ einander unabhängigen Gruppen von piezoelektrischen Organen 11 bzw. 11 • versehen sein. Zweckmässig ist jeweils eine vertika¬ le Reihe mit vier piezoelektrischen Organen 11 zwischen zwei vertikalen Reihen mit ebenfalls vier piezoelektrischen Organen 11' angeordnet, wobei sämtliche piezoelektrischen Orgarie 11 der Zielanschlagplatte parallel geschaltet und an den Signal¬ eingang der zugehörigen elektrischen Schaltungsanordnung 62 (Fig. 11) angeschlossen sind und sämtliche piezoelektrischen Organe 11' der Zielanschlagplatte ebenfalls p ^' arallel geschal¬ tet und in analoger Weise an eine gleichartige zweite elek¬ trische Schaltungsanordnung angeschlossen sind.

Eine andere Möglichkeit der doppelten Zeitmessung ist in Fig.8 schematisch veranschaulicht. Die dort dargestellte Zielan¬ schlagplatte 53 ist wie bei dem Beispiel nach Fig. 6 mit einer Mehrzahl von in Abständen voneinander angeordneten piezoelek¬ trischen Organen 11 versehen, die alle parallel geschaltet und mit dem Signaleingang der zugehörigen elektrischen Schal¬ tungsanordnung 62 (Fig. 11) verbunden sind. Zusätzlich ist an der der Wand 50 des Schwimmbeckens 51 zuzuwendenden Seite der Zielanschlagplatte 53 ein Lichtleiterkabel 91 derart be¬ festigt, dass es mäanderartig durch Zwischenräume zwischen den piezoelektrischen Organen 11 verläuft. Es handelt sich bei dem

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Lichtleiterkabel 91 um ein druckempfindliches Glasfaserkabel, das z.B. eine Gradientenindex-Einzelfaser mit einem Kern¬ durchmesser von 50 μm und einem Mantelaussendurchmesser von 125 μm aufweist. Die beiden Enden 92 des Lichtleiterkabels 91 sind je mit einer mechanisch geschützten Glasfaser 93 bzw. 94 gespleisst. Die Glasfaser 93 dient zum Zuführen von kon¬ stantem Licht aus einer (nicht dargestellten) Laser-Licht¬ quelle, während die andere Glasfaser 94 dazu dient, das durch das druckempfindliche Lichtleiterkabel 91 gegebenenfalls mo¬ dulierte Licht einem (nicht dargestellten) optoelektronischen Lichtdetektor zuzuleiten. Die optoelektronisch erzeugten Sig¬ nale werden dem Signaleingang einer (ebenfalls nicht darge¬ stellten) Schaltungsanordnung ähnlich derjenigen gemäss Fig. 11 zugeleitet.

In Fig. 5 ist schliesslich noch gezeigt, dass der Startbock 52 mit einer Startplatte 100 belegt ist, deren Oberseite Gleit¬ schutzrillen 101 aufweist. Die Startplatte 100 besteht aus dem gleichen oder einem ähnlichen Hart-Kunststoff wie die Zielaή- schlagplatte 53. An ihrer Unterseite ist die Startplatte 100 mit einer Mehrzahl von piezoelektrischen Organen 11 versehen, die z.B. in vier Reihen mit je vier piezoelektrischen Organen angeordnet sind, wie Fig. 10 zeigt. Jedes dieser piezoelek¬ trischen Organe 11 ist in einer Vertiefung der Platte 100 be¬ festigt und gegen Berührung mit Wasser geschützt, und zwar gleich wie mit Bezug auf Fig. 9 beschrieben wurde. Sämtliche piezoelektrischen Organe 11 der Startplatte 100 sind elek¬ trisch parallel geschaltet, wobei die hierfür erforderlichen elektrischenVerbindungsleitungen in Nuten 102 an der Unter¬ seite der Startplatte eingebettet und gegen den Zutritt von Wasser abgedichtet sind. Ueber ein Kabel 103 sind die piezo¬ elektrischen Organe 11 der Startplatte 100 mit dem am Start¬ bock befestigten Gerät 61 verbunden und an den Signaleingang einer (nicht gezeigten) elektrischen Schaltungsanordnung an¬ geschlossen, die grundsätzlich gleich wie die Schaltungsanord¬ nung 62 gemäss Fig. 11 ausgebildet ist. Der Steuersignalaus¬ gang der genannten Schaltungsanordnung steht über das mehr-

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adrige Kabel 85 mit der elektronischen Uhr 86 und weiter über das Kabel 87 mit der elektronischen Einrichtung 88 für die Datenverarbeitung in Verbindung.

Wenn ein Schwimmer vom Startbock 52 abspringt, wird die Start¬ platte 100 schlagartig entlastet, wobei die piezoelektrischen Organe 11 elektrische Spannungen erzeugen. Wenn die Frequen¬ zen der erzeugten Spannungen innerhalb des Durchlassbereiches des digitalen Bandpassfilters der angeschlossenen elektrischen Schaltungsanordnung liegen, tritt am Ausgang dieser Schal¬ tungsanordnung ein Steuersignal auf, welches den erfolgten Absprung des Schwimmers an die elektronische Einrichtung 88 meldet. Letztere ist nun derart ausgebildet, dass sie imstan¬ de ist, festzustellen, ob das beim Absprung ausgelöste Steuer¬ signal früher oder später als das am Signaleingang 90 einge¬ gebene Startsignal eintrifft. Liegt das beim Absprung ausge¬ löste Steuersignal zeitlich vor dem Startsignal, handelt es sich um einen Fehlstart und wird die Zeitmessung nicht in Gang gesetzt. •

Eine der Startplatte 100 analoge Startplatte mit mindestens einem piezoelektrischen Organ kann auch bei anderen Wettkämp- fen Verwendung finden, z.B. an einem Startpflock für Teil¬ nehmer an Kurzstreckenrennen.

Es ist klar, dass noch zahlreiche andere Verwendungen der er¬ findungsgemässen piezoelektrischen Schalteinrichtung möglich sind.

Bei einer nicht dargestellten Ausführungsvariante des digita¬ len Bandpassfilters 32 (Fig. 1 und 2) oder 68 (Fig. 11) kann mindestens ein geschaltetes Kapazitäts-Filter ("Switching Capacitance Filter") vorhanden sein.