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Die
Erfindung betrifft eine Berührungsschalteinrichtung
mit mindestens einer kapazitiven Berührungs- oder Touchsensorelektrode,
die an der dem Bediener abgewandten Seite einer durchgängigen, ein
dielektrisches Trägermaterial
aufweisenden Bedienblende im Bedienbereich angeordnet ist, wobei
an der dem Bediener abgewandten Seite der Bedienblende eine elektrisch
leitende Schicht angeordnet ist, welche in elektrisch isolierte
flächige
Bereiche strukturiert ist.
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Aus
dem Stand der Technik sind kapazitive Berührungsschalter bekannt. Derartige
Berührungsschalter
werden im Allgemeinen einsetzt, um Schaltvorgänge durch eine durchgängige Fläche aus
Glas oder Kunststoff hindurch auslösen zu können. Derartige Flächen erlauben
bedienungs- und reinigungsfreundliche Systeme zu entwickeln, die
zudem einen breiten Gestaltungsspielraum hinsichtlich einer Dekorierung,
Hinterleuchtung und Hinterlegung mit Displayeinheiten erlauben.
Dazu werden die Berührungsschalter
hinter der Fläche,
die beispielsweise die Bedienfläche
für ein elektrisches
oder elektronisch ansteuerbares Gerät, eine Glaskeramik-Kochfläche oder
eine sonstige Eingabeeinheit beispielsweise von Geräten im öffentlichen
Bereich, wie Verkaufsautomaten und Informations- oder Bedienterminals,
bei Automobilen, Computern und in der Medizin darstellt, angeordnet.
Durch Berühren
der Fläche
im Bereich des Berührungsschalters
wird dann der Schaltvorgang ausgelöst, wobei die eigentliche Schaltfunktion
von elektronischen Schaltern oder Relais ausgeführt wird.
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Die
kapazitiven Berührungsschalter
weisen zumindest eine aktive Elektrode auf, die hinter einer durchgängigen Abdeckung
im Bereich der Schaltfläche
angeordnet ist. Die Schaltfunktion wird ausgelöst, wenn sich ein ausreichend
großer,
leitfähiger Körper, beispielsweise
ein menschlicher Finger, in der Nähe der Elektrode befindet.
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Die
DE 197 06 168 A1 beschreibt
ein derartiges kapazitives System, bei dem als Sensoren zum Beispiel
Metallfedern oder leitfähige
Kunststofftasten von der dem Benutzer abgewandten Seite an die Bedienblende
bzw. das Bedienfeld gedrückt
sind.
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Aus
der
EP 0 795 233 B1 ist
bekannt, flächige
Sensorelemente direkt auf die die Elektronik tragend Leiterplatine
aufzubringen, welche wiederum unmittelbar hinter der Bedienblende
angeordnet ist. Dazu werden flächige
Sensorelemente direkt auf eine elektronische Leiterplatine aufgebracht,
welche wiederum unmittelbar hinter der Bedienblende angeordnet wird,
insbesondere angedrückt
oder flächig verklebt.
Beim Andrücken
oder Ankleben muss nachhaltig ein Luftspalt vermieden werden, damit
sich unter Feuchtigkeitseinwirkung die Toucheigenschaften nicht
verändern
können.
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Aus
der
EP 0 042 167 B1 ist
bekannt, zwei Elektroden auf der dem Bediener abgewandten Seite der
Bedienblende anzuordnen. Auf der dem Bediener zugewandten Seite
ist eine weitere Elektrode angeordnet, welche die beiden unteren
Elektroden überdeckt.
Die beiden unteren Elektroden werden von einer Elektronik so angesteuert,
dass sie als Reihenschaltung zweier Kapazitäten wirken. Die Kopplung erfolgt
dabei über
die obere Elektrode. Berührt der
Bediener die obere Elektrode, wird diese auf Masse gelegt und die
Kopplung des Signals wird stark geschwächt.
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Bei
den Berührungsschalteinrichtungen nach
Stand der Technik ergeben sich häufig
Probleme hinsichtlich einer klimatisch und dielektrisch stabilen
Anbringung der Sensorelektroden an die Bedienblende. Zudem ist stets
ein aufwändiges
Positionieren der Sensorelektroden relativ zur Dekorierung der Blende
notwendig, wobei auch die Kontaktierung zwischen den Sensorelektroden
und den elektronischen Platinen und die Ansteuerung und Auswertung der
Sensorelektroden oftmals sehr aufwändig und somit kostenintensiv
ist.
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Eine
weitere Berührungsschalteinrichtung
ist aus der
US 4,614,937 bekannt.
Dabei sind an eine kapazitive Berührungselektrode eine Emitter-Elektrode
und eine Empfänger-Elektrode
kapazitiv angekoppelt. Die Emitter- und die Empfänger-Elektrode sind auf gegenüberliegenden
Seiten eines dielektrischen Materials angeordnet.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Berührungsschalteinrichtung anzugeben,
bei welcher galvanische Anbindungen und damit Kontaktierungsprobleme
vermieden werden. Darüber
hinaus soll bei möglichst
kompakter Bauform eine elektrische Ankopplung weiterer Elektronik,
insbesondere der Bedienelektrodenauswertung an die Elektrodenflächen kostenmäßig und
verfahrenstechnisch vorteilhaft möglich sein.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe für eine
gattungsgemäße Berührungsschalteinrichtung durch
die Merkmale des Anspruches 1 gelöst, indem durch den mindestens
einen elektrisch isolierten flächigen
Bereich bzw. die elektrisch isolierten flächigen Bereiche mindestens
eine Zuleitung und mindestens eine Kontaktzone definiert ist. Die
Touch-Elektrode ist dabei über
die Zuleitung mit der Kontaktzone verbunden.
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Die
Kontaktzone wiederum ist mit einer darunter liegenden Anschlussschicht
kapazitiv gekoppelt, wobei die Anschlussschicht mit einer elektronischen
Schaltungsanordnung zur Ansteuerung und Auswertung der Berührungs-
oder Touch-Elektrode verbunden ist. Die Anschlussschicht kann auch
Teil der elektronischen Schaltungsanordnung sein.
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Mit
dieser Anordnung wird sichergestellt, dass an die Elektrodenstruktur,
bestehend aus Zuleitung und Kontaktzonen, keinerlei elektronische Schaltung
galvanisch, das heißt
direkt leitend, verbunden oder angeschlossen ist. Die Elektrodenstruktur
bildet mit einer dielektrischen Bedienblende, zum Beispiel aus Glas,
einen mechanischen Verbund, der zunächst ein von der elektronischen
Platine getrenntes Modul darstellt, das einfach montiert werden kann.
Die weiteren Schichten sind dann ausschließlich kapazitiv gekoppelt.
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Die
Sensorelektroden lassen sich mit diesem Aufbau über automatische, standardisierte
Druck-, Beschichtungs- und Abtragungsprozesse in dekorierte Bedienblenden
integrieren. Es ist kein aufwändiges
Positionieren und Aufkleben separater Touchelektrodenmodule erforderlich,
die auf das jeweilige Bedienblendenlayout angepasst sein müssen. Das Positionieren
der Elektronik an die Kontaktflächen der
Bedienblende kann in einem kompakten Layout und standardisierten
Verfahrensschritt und damit kostengünstiger erfolgen.
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Die
mindestens eine kapazitive Berührungs- oder
Touchsensorelektronik kann dabei als Einzelsensor oder Teil eines
kapazitiven Touchscreens ausgebildet sein, so dass moderne Anwendungen realisiert
werden können.
In die Bedienblende lassen sich bereits Elektrodenflächen als
Teil von Bediensensoren integrieren, ohne dass die mechanischen Abmessungen,
die Transparenz, das Dekor und die Stabilität der Bedienblende verändert werden
müssen.
Weiterhin soll dabei ein aufwändiges
Positionieren der Sensorelektroden relativ zur Dekorierung der Blende überflüssig werden.
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Es
lassen sich auf einfache Weise insbesondere transparente elektrisch
leitende Schichten herstellen, wobei die elektrisch leitende Schicht
bzw. die elektrisch leitenden Strukturen Sn-oxid, In-Sn-oxid (ITO)
oder dergleichen elektrisch leitendes Metalloxid aufweisen. Alternativ
können
die elektrisch leitenden Strukturen ein feines, für das menschliche
Auge nicht oder kaum sichtbares Metallgitter oder eine dünne, im
sichtbaren Wellenlängenbereich
quasi-transparente Metallflächen
aufweisen.
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Zu
designerischen Zwecken lässt
sich an der dem Bediener zugewandten Seite des Trägermateriales
eine Dekor- und/oder Schutzschicht anordnen. Wenn die elektrisch
leitende Schicht bzw. die elektrisch leitenden Strukturen im Bereich
des Trägermaterials
angeordnet sind, lassen sich diese für den Bediener durch die Dekor-
und/oder Schutzschicht abdecken.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
an der dem Bediener abgewandten Seite der elektrisch leitenden Schicht
bzw. der elektrisch leitenden Strukturen eine elektrisch isolierende
Schutzschicht als Schutz vor mechanischen, chemischen oder dergleichen
die Berührungsschalteinrichtung
gefährdenden
Beanspruchungen angeordnet.
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Besondere
designerischen Möglichkeiten werden
dadurch eröffnet,
dass das Trägermaterial der
Bedienblende und die elektrisch leitende Schicht transparent und/oder
transluzent ausgebildet sind und gleichzeitig die elektrisch isolierende
Schutzschicht als Dekorschicht zur optischen Gestaltung ausgebildet
ist. Zu diesem Zweck kann die Schutz- und Dekorschicht Träger und
Farbpigmente keramischer Farbmischungen aufweisen.
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Dabei
kann das Trägermaterial
der Bedienblende und die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch
leitenden Strukturen zu > 90%
im sichtbaren Wellenlängenbereich
transparent und/oder transluzent ausgebildet sein.
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Bei
der Verwendung von Glas als Trägermaterial
kann es notwendig sein, dieses einem Vorspannprozess bei hohen Temperaturen
zu unterziehen. Deshalb sollen die elektrisch leitende Schicht bzw.
die elektrisch leitenden Strukturen und/oder die Schutz- und Dekorschicht
derart ausgebildet sein, das deren Eigenschaften durch den Vorspannprozess
bei Temperaturen > 650°C vollständig oder
weitgehend erhalten bleiben.
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Alternativ
kann jedoch auch der Vorspannprozess dazu dienen, die gewünschten
Eigenschaften der elektrisch leitenden Schicht bzw. der elektrisch
leitenden Strukturen und/oder der Schutz- und Dekorschicht einzustellen.
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In
der elektrisch leitenden Schicht bzw. den elektrisch leitenden Strukturen
lassen sich die ausgebildeten Zuleitungen von benachbarten Referenz- und/oder
Masseelektroden umgeben und somit abschirmen, so dass entlang dieser
Zuleitungen keine Auslösung
der angebundenen Touchsensorfunktion erfolgen kann. Die Lücken zwischen
den benachbarten Referenz- und/oder Masseelektrodenteilflächen, in
denen die Zuleitung verläuft,
können
dabei vorzugsweise eine Breite von < 5 mm aufweisen, so dass die Zuleitungen
und die Referenz- und/oder Masseelektroden bei Annäherung eines
Fingers ausreichend bedeckt werden, um eine Auslösung des Schalters schaltungstechnisch
zu unterbinden.
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Zum
Schutz vor Beschädigungen
und zum Zweck der elektrischen Isolierung kann die Schutz- und Dekorschicht
auf der dem Bediener abgewandten Seite der elektrisch leitenden
Schicht ganz- oder teilflächig
die elektrisch leitenden Strukturen elektrisch isolierend abdecken.
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Gemäß einer
weiteren besondern bevorzugten Ausführungsform ist an der dem Bediener
abgewandten Seite der Schutz- bzw. Dekorschicht die elektrisch leitende,
ganzflächige
oder strukturierende Anschlussschicht zum kapazitiven oder elektri schen Ankoppeln
der elektrisch leitenden Schicht bzw. der elektrisch leitenden Strukturen
angeordnet, wobei die jeweilige Kontaktzone flächig ausgebildet ist. Dies stellt
eine einfache Kontaktierung der Sensorelektroden über die
kapazitive Ankopplung an den Kontaktzone dar. Es ist somit keine
stabil galvanisch-leitende Verbindung, z.B. mittels Löten, elektrisch
leitendes Kleben oder Heatsealing, erforderlich.
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Es
wird somit eine kosten- und verfahrenstechnisch günstige Lösung zur
Kontaktierung zwischen Sensorelektroden und elektronischen Platine, die
Ansteuerung und Auswertung der Sensorelektroden leisten, bereitgestellt.
Zudem soll somit die Bedienblende mit den angebrachten oder integrierten Sensorflächen räumlich von
der Auswertelektronik vorteilhaft entkoppelt werden, um weiteren
Spielraum für
Beleuchtung, hinterlegter Displaytechnik und Montage zu gewähren.
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Dabei
können
zumindest Teilbereiche der elektrisch leitenden Anschlussschicht
planparallel zu der Kontaktzone, die an der elektrisch leitenden Schicht
bzw. an den elektrisch leitenden Strukturen definiert ist, und an
der dem Bediener abgewandten Seite der Schutz- und Dekorschicht
angeordnet sind, wobei die Teilbereiche der elektrisch leitenden
Anschlussschicht elektrisch leitend mit der elektronischen Schaltungsanordnung
verbunden sind.
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Zur
Ansteuerung und Auswertung der mindestens einen kapazitiven Berührungs- oder Touchsensorelektrode
ist die elektrisch leitende Anschlussschicht mit einer elektronischen
Schaltungsanordnung verbunden. Alternativ kann die Anschlussschicht
auch Bestandteil der Schaltungsanordnung sein.
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Um
eine besonders stabile und gleichzeitig praktikable Befestigung
vorzusehen, ist die elektrisch leitende Anschlussschicht und/oder
die elektronische Schaltungsanordnung an der dem Bediener abgewandten
Seite der Schutz- bzw. Dekorschicht mittels einer Teil- oder ganzflächigen Klebeverbindung
oder einer mechanischen Verbindung bzw. mechanischem Andrücken oder
durch ein Chip-on-Glas-Verfahren direkt angebracht sein. Insbesondere
wird hierdurch eine klimatisch und dielektrisch stabile Anbringung
der Sensorelektroden an die Bedienblende gewährleistet, wobei die Schaltungsanordnung
für den
Bediener nicht sichtbar ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Berührungsschalteinrichtung
ist es nicht notwendig, dass die elektrisch leitende Schicht bzw.
die elektrisch leitenden Strukturen direkt an dem durch die mindestens eine
kapazitive Berührungs-
oder Touchsensorelektrode definierten Bedienbereiches kapazitiv
gekoppelt ist bzw. sind. Vielmehr kann die kapazitive Ankopplung
außerhalb
des Bedienbereiches erfolgen.
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Eine
besonders einfache und standardisierte Art der Kopplung wird dadurch
realisiert, dass die elektrisch leitende Schicht bzw. die elektrisch
leitenden Strukturen an in regelmäßigen Abständen zueinander angeordneten
Anschlussbereichen mit der Anschlussschicht kapazitiv gekoppelt
ist bzw. sind.
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Um
eine besonders gute Ankopplung zu ermöglichen, kann die Anschlussschicht
als Metallschicht ausgebildet sein.
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Gemäß einer
weiterführenden
Ausführungsform
kann an der mindestens einen kapazitiven Berührungs- oder Touchsensorelektrode
ein Nachweissystem wirksam sein, bei dem die Sensorelektroden durch
Oszillatorsignale angeregt werden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Berührungsschalteinrichtung
ist eine Entkopplung von Sensorelektroden und deren Designeinbindung
von der Sensorelektronik und damit eine größere Freiheit im Systemaufbau
und im Design möglich.
Insbesondere ergeben sich deutliche Vorteile in Verbindung mit Hinterlegung
der transparenten oder transluzenten Sensorflächen oder deren Hinterlegung
mit Displayeinheiten.
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Die
transparenten, einen Sensor umgebenden Bereiche, die nicht durch
eine Dekor- und/oder Schutzschicht
vollständig
lichtdeckend abgedeckt sind, können
mit einer LCD oder OLED-Anordnung oder dergleichen Anzeigeeinrichtung
oder einer LED-Anordnung
mit oder ohne Lichtführung,
einer Anordnung flächiger
OLED- oder EL-Leuchten
oder dergleichen Beleuchtungseinrichtung hinterlegt sein.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 in
schematischer Ansicht und im Schnitt den schematischen Aufbau einer
Berührungsschalteinrichtung
mit einer integrierten elektrisch leitenden Touch-Elektrode;
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2 in
schematischer Seitenansicht und im teilweise transparenten Schnitt
den detaillierten Aufbau einer Berührungsschalteinrichtung;
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3 ein
elektronisches Ersatzschaltbild zu der in 2 gezeigten
Berührungsschalteinrichtung;
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4 in
schematischer Draufsicht eine Berührungsschalteinrichtung ohne
Dekorschicht gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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5 in schematischer Draufsicht die in 4 dargestellte
Berührungsschalteinrichtung
mit angebrachter Dekorschicht;
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6 in
schematischer Seitenansicht die in 5 gezeigten
Berührungsschalteinrichtung
in Schnittansicht entlang der in 5 mit
VI-VI bezeichneten Schnittlinie;
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7 in
schematischer Draufsicht eine mit mehreren als 2-Elektroden-Touchsensoren ausgeführten Einzelschaltern
aufgebaute Berührungsschalteinrichtung
ohne Dekorschicht gemäß einer zweiten Ausführungsform;
und
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8 in
schematischer Draufsicht eine als analoger kapazitiver Touchscreen
aufgebaute Berührungsschalteinrichtung
ohne Dekorschicht gemäß einer
dritten Ausführungsform.
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1 zeigt
in schematischer Ansicht und im Schnitt den schematischen Aufbau
einer Berührungsschalteinrichtung
mit einer integrierten elektrisch leitenden Touch-Elektrode 10,
die zwischen einem Trägermaterial 16 und
einer Dekorschicht 28 angeordnet ist. Die Touch-Elektrode 10 ist über eine
Anschlussschicht 30 kapazitiv an eine Elektronikplatine 34 gekoppelt,
die z.B. die Ansteuerung und Auswertung der Touch-Elektrode 10 trägt.
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2 zeigt
in schematischer Seitenansicht und im teilweise transparenten Schnitt
den Aufbau einer Berührungsschalteinrichtung.
Der Aufbau zeigt das dielektrische, transparente und/oder transluzente
Trägermaterial 16,
eine elektrisch leitende, strukturierte Schicht, welche eine Touchelektrode 10,
eine Leiterbahn 24 und eine Kontaktzone 26 bilden,
eine Dekor- und Isolierschicht 28 sowie eine Elektronikplatine 34 mit
einer damit verbundenen Kontaktzone 32 zur kapazitiven
Ankopplung an die Kontaktzone 26 der transparenten Leiterschicht.
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Die
Bedienblende 18 der Berührungsschalteinrichtung
besteht bevorzugt aus einem überwiegend
transparenten oder einem transluzenten, dielektrische Trägermaterial 16 mit
einer auf der einem Bediener 12 abgewandten Seite 14 überwiegend transparenten,
elektrisch leitenden Schicht, welche die Touchelektrode 10,
die Leiterbahn 24 und die Kontaktzone 26 bilden.
Dahinter liegt eine elektrisch nicht-leitenden Dekorschicht 28,
so dass die elektrisch leitende Schicht als kapazitive Sensorfläche durch
das Trägermaterial
hindurch genutzt werden kann.
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Die
Dekorschicht 28 kann für
den Bediener 12 das Erscheinungsbild der Blende weitestgehend bestimmen.
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Die
elektrisch leitende Schicht ist vorzugsweise in elektrisch isolierte
flächige
Bereiche 10, 24, 26 strukturiert, so
dass verschiedene Strukturen und Anordnungen von leitenden Teilschichten
dargestellt werden können,
die als Touchsensorelektrode 10, Zuleitung 24 und
Ankoppelzone 26 in verschiedenen Anordnungen genutzt werden
können.
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Dabei
sind Anordnungen von Einzelschaltern oder als analoger kapazitiver
Touchscreen, als Anordnungen von 1-Elektroden oder Mehr-Elektroden
Touchsensoren möglich.
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Die
Zuleitungen sind vorzugsweise bei (nicht gezeigten) 1-Elektroden
Systemen von Masseelektroden und bei Mehr-Elektroden Systemen von
Referenz- oder Masseelektroden umgeben und abgeschirmt, so dass
entlang dieser Zuleitungen keine Auslösung der angebundenen Touchsensorfunktion erfolgen
kann.
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Die
Dekor- oder Schutzschicht 28 ist ganzflächig oder teilflächig aufgebracht,
derart dass die flächigen,
elektrisch leitenden Strukturen 10, 24, 26 vollständig und
elektrisch isolierend abdeckt werden. Besteht das Trägermaterial 16 aus
Glas oder Glaskeramik, so sind die elektrisch leitende Schicht und
die Dekorschicht 28 vorzugsweise aus Materialien aufgebaut,
die einem Vorspannprozess dieses Gesamtsystems standhalten.
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Der
elektrische Anschluss an die elektrisch leitenden (Teil-)Schichten
erfolgt kapazitiv mit elektrisch leitenden flächigen Materialien 30,
die unter die Dekorschicht 28 angebracht sind. Die ankoppelnde Fläche 32 ist
Teil eines elektronischen Schaltungsaufbaus 34, der einen
Schaltungsträger
mit elektronischen Bauteilen umfasst und zur Ansteuerung und Auswertung
der Touchsensorelektrode 10 dient.
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Die
Ankopplungskapazität
ZK der Kopplung zwischen der Ankoppelzone 26 der
elektrisch leitenden Schicht und der ankoppelnde Fläche 32 ist
vorzugsweise größer als
die sich bei Bedienung des Elektrodenbereiches ausbildende Kapazität ZS zwischen der Touchelektrode 10 und
dem Finger des Bedieners 12. Die Aufbringung dieser Anschlussflächen kann
nachträglich,
nach Fertigstellung der Bedienblende, z.B. bei der Integration der
Bedienblende in das Gerät
erfolgen. Dabei kann der elektronische Schaltungsträger 34,
z.B. eine handelübliche
Elektronikplatine, durch mechanisches Andrücken, vorzugsweise durch flächiges Kleben
angebracht werden. Die Gestaltung der transparenten Elektrodenfläche 10 und
Zuleitungsbereiche 24 kann verschieden gestaltet sein,
so dass die kapazitive Ankopplung über die später aufgebrachten Anschlussfläche 32 auch vorzugsweise
außerhalb
des Bedienbereiches 22 erfolgen kann. Alternativ können vorzugsweise
mehrere Anschlussbereiche in einem standardisierten, regelmäßigen Abstand
angeordnet sein.
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Die
Zuleitung 24 ist in einem transparenten oder transluzenten
Bereich der Bedienblende 16 angeordnet. Die Zuleitung 24 ist
mit einem transparenten oder transluzenten elektrisch leitenden
Material, vorzugsweise Metalloxid oder einer entsprechenden organischen
Verbindung ausgeführt.
Für den
Fall, dass die Zuleitung 24 durch die Dekorierung der Blende
für den
Bediener nicht sichtbar abgedeckt ist, so kann die Zuleitung 24 oder
auch die Kontaktfläche 26 zusätzlich oder
ausschließlich
durch Metallschichten dargestellt sein, um zusätzliche Impedanzen ZP insbesondere
in der Zuleitung 24 zu vermeiden.
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Die
im Vergleich zu herkömmlich
kontaktierten Sensorelektroden zusätzlich auftretenden Impedanzen
ZP und ZK sind im
Zusammen mit der Sensorelektronik so gestaltet, dass die Funktionsweise
des Touchsensors 10 nicht beeinträchtigt wird.
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Die
Ankoppelkapazität
ZK ist groß gegenüber der Bedienkapazität von ZS gehalten, damit die Touchauslösung über ZS nicht
durch eine kleinere in Serie geschaltete Kapazität von ZK beeinträchtigt wird.
Dies kann erfindungsgemäß in einfacher
Weise durch eine genügend
große
Fläche
der Ankoppelzone 32 und einem genügend kleinen Abstand zwischen
den Ankoppelschichten 26 und 30 erreicht werden.
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3 zeigt
ein elektronisches Ersatzschaltbild zu der in 2 gezeigten
Berührungsschalteinrichtung.
Dabei ist mit dem Bezugszeichen 10 die Touchelektrode,
mit 26 und 30 die Ankoppelschichten und mit 34 die
Touch-Elektronik bezeichnet.
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Falls
zusätzlich
ein (nicht gezeigtes) Nachweissystem zur Anwendung kommt, bei dem
die Sensorelektroden durch Oszillatorsignal angeregt werden, muss
gewährleistet
sein, dass die für
die Anregung und den Nachweis charakteristische Frequenz des Systems
durch die zusätzlichen
Impedanzen ZP und ZK nicht maßgeblich
beeinträchtigt
wird. Die charakteristische Frequenz des Nachweissystems wird bei
harmonischen Oszillatoranregungen im Allgemeinen die Oszillatorfrequenz
selbst sein, insbesondere bei gepulsten Anregungen, bei denen der Nachweis über die
Flankensteilheit, Spannungsniveaus im Pulsanstieg oder eine Phasenverschiebung geführt wird,
ist die charakteristische Frequenz im wesentlichen durch das inverse
Zeitintervall zwischen Pulsanfang und Nachweiszeitpunkt gegeben.
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Bei
Nachweissystemen, die ein Spannungs- oder Stromniveau über einen
Spannungs- bzw. Stromteiler führen,
ist zu beachten, dass die im wesentlichen Ωschen und kapazitiven Komponenten von
ZP und ZK kleiner als die Komponenten der Teiler bleiben oder als
Teil dieser Teiler mit dimensioniert werden. Die Einstellung der
erforderlichen Ωschen und
kapazitiven Werte kann erfindungsgemäß in einfacher Weise durch
Auswahl eines geeigneten elektrisch leitenden Materials und der
dielektrischen Zwischenschichten als auch durch Dimensionierung
in Form und Schichtdicke der Zuleitungen, Ankoppelzonen und der
isolierenden und klebenden Schichten geschehen.
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Sensorsysteme,
die auf kapazitiven Veränderungen
in den Sensorfeldern beruhen, arbeiten im allgemeinen mit charakteristischen
Frequenzen oberhalb von 100 kHz. Bei Bedienkapazitäten von ≤ 1 pF ergeben
sich charakteristische Widerstände
von ≥ 1 MΩ. Die Koppelkapazität ZK kann leicht ≥ 10 pF eingestellt werden und
mit elektrisch leitfähigen, transparenten
Materialien, die handelsüblich
typisch einen Flächenwiderstand
von 20–300 Ω/sq. tragen, bleiben
selbst bei Zuleitungen im Längen-zu-Breitenverhältnis von
100 die Widerstände
unter ∼2–30 kΩ. Handelt
es sich um niederohmige, schnelle Eingangsstufen, mit Eingangswiderständen Z,
etwa im kΩ-Bereich,
was Messintervallen im nsec-Bereicn (GHz) entspricht, so dürfen diese
Werte durch zusätzliche
ohmsche Anteile von Zp im Zuleitungsbereich
nicht wesentlich überschritten
werden. Auch hier lassen sich immer noch ausreichend lange Zuleitungen
darstellen, zum Beispiel mit 20 Ω/sq.
Beschichtungen Leiter im Längen-zu-Breitenverhältnis von
etwa 50.
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4 zeigt
in schematischer Draufsicht eine Berührungsschalteinrichtung ohne
Dekorschicht 28 gemäß einer
ersten Ausführungsform. 5 zeigt in schematischer Draufsicht die
in 4 dargestellte Berührungsschalteinrichtung mit
angebrachter Dekorschicht 28. 6 zeigt
in schematischer Seitenansicht die in 5 gezeigten
Berührungsschalteinrichtung
in Schnittansicht entlang der in 5 mit VI-VI
bezeichneten Schnittlinie;
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Die
Berührungsschalteinrichtung
gemäß der 4 weist
die integrierte elektrisch leitenden Touch-Elektrode 10 auf,
die zwischen dem Trägermaterial 16 und
einer (in 4 ausgelassenen, in 5 angebrachten Dekorschicht 28)
angeordnet ist. Die Dekorschicht 28 zeigt eine Schalterbeschriftung
für die
Schalterstellungen „ON/OFF". Die Touch-Elektrode 10 ist über die
Zuleitungsschicht 24 mit dem Kontaktbereich 26 elektrisch
leitend verbunden. Der Kontaktbereich ist mit der drunter leigenden Anschlussschicht 30 kapazitiv
an eine Elektronikplatine 34 gekoppelt, die z.B. die Ansteuerung
und Auswertung der Touch-Elektrode 10 trägt. Die
Elektronikplatine 34 ist mit einer Klebeschicht 29 an
der Dekorschicht angebracht.
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In 4 ist
die transparente leitende Schicht 10, 24, 26 ist
hier als ein 1-Elektroden
Touchsensor ausgeführt.
Die Sensitivität
soll hier beispielhaft so eingestellt sein, dass die Schaltschwelle
bei einer Aufliegefläche
von d = 6 mm des Fingers erreicht wird, so dass ein Auslösen des „Touches" im zentralen Schaltfeld 10 möglich ist,
jedoch nicht im Zuleitungsbereich 24 oder in der Kontaktzone 26,
die jeweils nur eine Breite von 3 mm aufweisen.
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Als
Rechenbeispiel werden folgende Größen angenommen:
Berührfläche des
Fingers: AF = 0,28 cm2 (d
= 6 mm),
Fläche
der Kontaktzonen 26 und 30: AK =
0,15 cm2,
Abstand des Fingers zur Touchelektrode 10:
dF = 0,4 cm,
Abstand der Kontaktflächen 26 zu 30:
dK = 10 um (bestehend aus 5 μm Dekordruck
und 5 μm
Klebeschicht 29),
die relative Dielektrizitätskonstante
vereinfacht für alle
Schichten: εr = 1,5.
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Dann
ergibt sich für
ZS = 0,1 pF (bei d = 6 mm) und für ZK = 20 pF und damit ZK >> ZS.
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7 zeigt
in schematischer Draufsicht eine mit mehreren als 2-Elektroden-Touchsensoren ausgeführten Einzelschaltern
aufgebaute Berührungsschalteinrichtung
ohne Dekorschicht gemäß einer zweiten
Ausführungsform.
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Hier
sind beispielhaft Einzelschalter zugrunde gelegt, die als 2-Elektroden-System dargestellt sind.
Die Schalter sind so ausgelegt, dass eine Auslösung jedes Schalters dann erfolgt,
wenn die Berührfläche auf
der inneren Elektrode 10 größer als die auf der äußeren Elektrode
ist. Der Zuleitungsbereich 24 und der Anschlussbereich 26 sind
von den Abmessungen derart gestaltet, dass hier keine Auslösung des
Schalters geschehen kann. Dies ist geometrisch derart gelöst, dass
eine Berührung
mit dem Finger auf der äußeren Elektrode
oder deren Zuleitungen 24 und Kontaktzonen 26 immer
eine mindestens gleich große
Berührfläche bildet
wie auf den leitenden Flächen,
die zur inneren Elektrode 10 gehören. Die Größe der Elektronikplatine 34 mit
den Kontaktflächen 30 reduziert
sich auf eine kleinere Fläche im
Vergleich zu einer herkömmlichen
Lösung,
bei der die Touchelektroden 10 auf der Platine 34 integriert wären. Dies
führt zu
erheblichen Vorteilen in Bezug auf Kosten, Design und Transparenz
in Verbindung mit Hinterleuchtung der Schaltbereiche 10.
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8 zeigt
in schematischer Draufsicht eine als analoger kapazitiver Touchscreen
aufgebaute Berührungsschalteinrichtung
ohne Dekorschicht gemäß einer
dritten Ausführungsform.
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Der
dargestellte analoge kapazitive Touchscreen besitzt Anschlusspunkte
in den Ecken des Bedienfeldes 10. Die Zuleitungen 24 verbinden
die Anschlusspunkte mit Kontaktzonen 26, unter denen erfindungsgemäß in einfacher
Weise eine entsprechende Elektronikplatine 34 zur Ansteuerung
und Auswertung des Touchscreens angebracht ist. Die Zuleitungen 24 liegen
unter einer Dekorierung 28 verborgen und können als
dünne metallische
Leiterbahnen dargestellt werden. Vorteilhaft ist in dieser Anwendung
insbesondere die einfache Anbringung der Platine 34 mit
den Kontaktzonen 26, so dass eine aufwendigere Kontaktierung über Löten, leitendes Kleben
oder Heat-sealing von Anschlussleitern und den entsprechenden Verbindern
zu den Anschlussleitern auf der Platine entfällt.