DE102004052932B4

DE102004052932B4 - Sensorfeld

Info

Publication number: DE102004052932B4
Application number: DE102004052932A
Authority: DE
Inventors: Joachim Klawonn
Original assignee: Klawonn Joachim Dipl-Ing(fh)
Current assignee: Klawonn Joachim Dipl-Ing(fh)
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2024-10-30
Also published as: WO2006048193A1; DE102004052932A1

Abstract

Sensorfeld zum Erzeugen von optischen Signalen, umfassend eine oder mehrere lichtleitende Strukturen mit wenigstens einem Lichteingang (3; 41) zur Einkopplung von Licht, das in der oder den lichtleitenden Strukturen (2, 2a, 2b, 2c, 14, 30, 31, 37, 40, 41, 49, 62) zu wenigstens einer Sensorfläche (5, 5a, 5b, 5c, 15, 28, 34, 43, 50, 61, 72, 75) geführt, dort reflektiert und zu wenigstens einem Lichtausgang (7, 16, 44) weitergeführt wird, wobei das Licht an der Oberfläche wenigstens einer Sensorfläche (5, 5a, 5b, 5c, 15, 28, 34, 43, 50, 61, 72, 75) ein evaneszentes Feld (8) ausbildet, das zur Dämpfung der Lichtmenge veränderbar ist, und wobei die lichtleitende(n) Struktur(en) (2, 2a, 2b, 2c, 14, 30, 31, 37, 40, 41, 49, 62) in einem Trägermaterial (11, 17, 29, 46, 58, 70) teilweise eingeschlossen ist/sind, derart, dass die Sensorfläche(n) (5, 5a, 5b, 5c, 15, 28, 34, 43, 50, 61, 72, 75) freiliegen, wobei...

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorfeld zum Erzeugen von optischen Signalen, umfassend eine oder mehrere lichtleitende Strukturen mit wenigstens einem Lichteingang zur Einkopplung von Licht, das in der oder den lichtleitenden Strukturen zu wenigstens einer Sensorfläche geführt, dort reflekfiert und zu wenigstens einem Lichtausgang weitergeführt wird, wobei das Licht an der Oberfläche wenigstens einer Sensorfläche ein evaneszentes Feld ausbildet, das zur Dämpfung der Lichtmenge veränderbar ist,
Eine neuartige Weise zur Erzeugung optischer Signale mit einem diskreten, zugeordneten Signalinhalt, die von einer Wandlereinrichtung erfasst und in elektrische Signale umgewandelt werden können, nutzt die Veränderung des sich an einer Sensorfläche ausbildenden, evaneszenten Felds. Dieses evaneszente Feld ist ein elektromagnetisches Feld, das durch die im Lichtleiter geführte, an der Sensorfläche reflektierte elektromagnetische Strahlung, also das im Lichtleiter geführte Licht, erzeugt wird. Ein solches evaneszente Feld bildet sich außerhalb des Leiters an dessen Oberfläche, seine lokale Ausdehnung liegt im Bereich von ca. 1 μm. Der Grundgedanke der Nutzung des evaneszenten Felds zur Signalerzeugung beruht darauf, dass sich bei einer Veränderung des Felds das am Lichtleiterausgang empfangene optische Signal von dem Signal unterscheidet, das ohne Feldänderung abgegriffen wird. Es stellt sich also bei einer bewussten Feldänderung ein Signalhub ein, der erfasst und beispielsweise als digitales „1"-Signal im Vergleich zum „0"-Signal bei unverändertem Feld gewertet werden kann.

Kodl, G.: „A new optical waveguide pressure sensor using evaneszent field", 54^th Electronic Comp. & Techn. Conference in Las Vegas, June 1–4, 2004, IEEE 2004, Band 2, S. 1943–1946, beschreibt einen Drucksensor, der auch als Berührungssensor verwendbar ist. Die lichtleitende Struktur verfügt über eine Glasfaser als Kern, die von einer lichtabsorbierenden Schicht überzogen ist. An einem Ende der Glasfaser befindet sich eine Licht emittierende Diode als Signalquelle, an dem anderen Ende ein photosensitives Element. Im normalen, drucklosen Zustand gibt es eine Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Kern und dem Überzug. Unter Druck wird das Licht, da sich die Lichtstrahlen hauchdünn in den optischen Überzug erstrecken, in der Absorptionsschicht absorbiert, was am Ausgang als veränderte Signalverstärkung bzw. -dämpfung gemessen werden kann. Da Glasfasern naturgemäß gezogen werden, lassen sich damit keine beliebigen Verläufe herstellen. Der Drucksensor ist zwar über seine gesamte Länge sensitiv; ein Druck an jeder beliebigen Stelle führt jedoch immer zu einer Schwächung des selben Ausgangssignals, so dass sich damit kein Tastenfeld mit mehreren Tasten unterschiedlicher Funktion realisieren läßt.

Kodl. G. et al. Beschreibt in dem Vortrag: „Optical pressbutton using evaneszent field", veröffentlicht im Tagungsband zu der 13^th International Plastic Optical Fibres Conference 2004 in Nürnberg vom 27. bis 30. September 2004, ebenfalls einen Drucksensor, der auch als Berührungssensor verwendbar ist. Auf einem quaderförmigen, optischen Element befindet sich eine Licht absorbierende Schicht. In diesem optischen Element werden Lichtstrahlen von zwei optischen Eingängen des Elements zu zwei Ausgängen des Elements geführt, derart, dass sich die beiden Lichtwege an der Oberfläche der lichtleitenden Struktur im Bereich der absorbierenden Beschichtung kreuzen, wo sie beide je ein evaneszentes Feld ausbilden. Im normalen, drucklosen Zustand gibt es eine Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Kern und dem Überzug, die beiden Lichtsignale werden jeweils nahezu ungedämpft vom Eingang zum Ausgang weitergeleitet. Unter Druck wird das Licht, da sich die Lichtstrahlen hauchdünn in den optischen Überzug erstrecken, in der Absorptionsschicht absorbiert, was an beiden Ausgängen als veränderte Signalverstärkung bzw. -dämpfung gemessen werden kann. Durch Aneinanderreihung mehrerer solcher optischer Elemente in einer Matrix werden jeweils zwei oder mehrere Sensorflächen in Reihe geschalten, und an den Ausgangssignalen ist abermals nicht unmittelbar erkennbar, welche Sensortaste berührt wurde. Hierzu ist vielmehr ein Demultiplexer erforderlich, dem sämtliche Ausgangssignale zugeführt werden, und der in der Lage ist, anhand miteinander korrelierter Ausgangssignaldämpfungen die berührte Sensorfläche zu ermitteln.

Bei der DE 33 32 870 A1 wird ein Lichtleitfaserbündel verwendet. Jede Faser ist mit einer Umhüllung versehen, die einen geringeren Brechungsindex hat als die Faser. Die Lichteintrittsflächen der einzelnen Lichtleitfasern sind einer Strahlungsquelle zugewandt, die Lichtaustrittsfläche einem Strahlungsempfänger. Entlang einer Auflagefläche verlaufen die Lichtleitfasern derart über diese Auflagefläche aufgefächert, dass sich dort nur eine Lage von Lichtleitfasern befindet. Dieser Auflagefläche gegenüberliegend ist die Umhüllung von den Lichtleitfasern entfernt. Darüber ist in einem Abstand zu den Lichtleitfasern eine federnde Membran angebracht, deren Brechungsindex größer als der der Fasern ist. Drückt jemand bspw. mit seinem Finger die Membran gegen die darunter verlaufenden Lichtleitfasern, so wird an der Berührungsstelle die Totalreflexion abgemindert, und das Licht verläßt die Fasern an dieser Stelle, was am Strahlungsempfänger, wo die Lichtleitfasern wieder zusammenlaufen, detektiert werden kann. Hier wird demnach ein ganzes Bündel von Lichtleitfasern benötigt, und dennoch ist damit nur ein einziges Schaltsignal erzeugbar. Darüber hinaus ist es herstellungstechnisch kaum realisierbar, ein Bündel von gezogenen Lichtleitfasern derart aufzufächern, dass alle in einer gemeinsamen Ebene liegen, diese sodann in jener Position zu fixieren sowie ihre Beschichtungen bereichsweise zu entfernen. Außerdem ist zu bedenken, dass dieses Prinzip nur mit aufgrund ihrer Herstellungsweise vereinzelten, d.h., nicht zusammenhängenden Lichtleitfasern realisierbar ist, weil sie sich beim Auffächern gegeneinander verschieben und weil sie je nach ihrem Verlauf unterschiedliche Längen überdecken müssen.

Die DE 38 42 480 A1 offenbart ein integrales Lichtleiternetz, hergestellt aus einem dünnen Film eines durchsichtigen Kunststoffmaterials, der zur Bildung eines Netzwerks mit optischen Verbindungen, Kopplern, etc. zerschnitten wird. Durch das Zerschneiden einer Folie lassen sich jedoch nicht wirklich dreidimensionale Lichtleiterstrukturen erzeugen. Außerdem wird in diesem Dokument kein Vorschlag gemacht, wie man mit einem solchen Lichtleiternetz ein Sensorfeld aufbauen könnte.

Aus den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, ein Sensorfeld zum Beeinflussen von optischen Signalen durch Verwendung evaneszenter Felder zu schaffen, derart, dass es sowohl hinsichtlich seiner Herstellung als auch in der Verwendung möglichst einfach und dennoch funktionstüchtig ist.

Zur Lösung dieses Problems schlägt die Erfindung ein Sensorfeld zum Erzeugen von optischen Signalen vor, umfassend eine oder mehrere lichtleitende Strukturen mit wenigstens einem Lichteingang zur Einkopplung von Licht, das in der oder den lichtleitenden Strukturen zu wenigstens einer Sensorfläche geführt, dort reflektiert und zu wenigstens einem Lichtausgang weitergeführt wird, wobei das Licht an der Oberfläche wenigstens einer Sensorfläche ein evaneszentes Feld ausbildet, das zur Dämpfung der Lichtmenge veränderbar ist, und wobei die lichtleitende(n) Struktur(en) in einem Trägermaterial teilweise eingeschlossen ist/sind, derart, dass die Sensorfläche(n) freiliegen, wobei ferner eine oder mehrere lichtleitende Strukturen und das Trägermaterial durch Gießen oder in einem Spritzgußverfahren hergestellt sind, und wobei über die Fläche des Sensorfeldes mehrere Sensorflächen verteilt sind, von denen je ein Abschnitt der lichtleitenden Struktur(en) jeweils zu einem abschnittspezifischen Lichtausgang führt.

Beim erfindungsgemäßen Sensorfeld werden die mehreren Sensorflächen unter Verwendung optischer Lichtleiterstrukturen realisiert. Diese Lichtleiterstrukturen können, worauf nachfolgend noch eingegangen wird, in unterscheidlicher Weise ausgeführt sein, es kann sich um reine Einzelleiter handeln, oder um sich verzweigende Mehrfachleiter. Auch in ihrer Geometrie beliebig geformte Leiter sind dabei verwendbar. Zentrales Merkmal des erfindungsgemäßen Sensorfelds ist es, dass die verwendeten Lichtleiter in einem vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise formstabilen Trägermaterial ganz oder teilweise eingeschlossen sind, das diese derart umgibt, dass die Sensorflächen frei liegen, sich mithin also oberflächlich das evaneszente Feld an jeder Sensorfläche ausbilden kann. Über die ganz oder teilweise Einbettung der optischen Lichtleiterstrukturen in das Trägermaterial kann zum einen ein in seiner Größe de facto beliebiges und eine beliebige Anzahl an Sensorfläche aufweisenden Panel oder sonstiges Bauteil hergestellt werden, zum anderen bietet die Integration in das Trägermaterial den Aufbau beliebiger Feldstrukturen, die allein durch die lokale Einbettung der Lichtleiterstrukturen definiert sind. Das Licht wird von einer oder mehreren Stellen in die optische Lichtleiterstruktur eingespeist und an dem oder den Ausgängen empfangen. Dieser Signalempfang kann auch über extern zum Sensorfeld angeordnete Elemente erfolgen, das heißt, es ist eine Trennung vom Schaltort am Sensorfeld selbst und Empfangsort bzw. Auswerteort extern dazu realisierbar.

Wie beschrieben sind unterschiedliche Ausprägungen der Leitleiterstruktur denkbar. Nach einer ersten Erfindungsausgestaltung kann ein einen gemeinsamen Lichteingang aufweisender Lichtleiter sich in wenigstens zwei Leiterabschnitte mit wenigstens einer Sensorfläche verzweigen. Das heißt, ein Lichtleiter kann eine beliebige Anzahl an Leiterabschnitten, in die er sich aufzweigt, aufweisen. Beispielsweise verzweigt sich der Lichtleiter ausgehend vom gemeinsamen Lichteingang in vier separate Leiterabschnitte mit jeweils einer Sensorfläche. Werden nun mehrere solcher Lichtleiter integriert, kann eine beliebige Anzahl an Sensorflächen durch Verwendung nur weniger einzelner Lichtleiterstrukturen realisiert werden. Denkbar sind dabei sternförmige Strukturen, kammförmige Strukturen oder aber auch beliebig verästelte Strukturen. Dabei kann jeder Leiterabschnitt in einem separaten Lichtausgang münden. Ein solcher Lichtleiter weist also einen gemeinsamen Lichteingang sowie eine beliebige, von der Anzahl der verzweigten Leiterabschnitte abhängige Anzahl an Lichtausgängen auf. Alternativ ist es denkbar, dass die einzelnen Leiterabschnitte auch wieder zusammenlaufen und in einem gemeinsamen Lichtausgang münden. Um diskrete Signale von den unterschiedlichen Sensorflächen, die an jeweils einem Leiterabschnitt ausgebildet sind, unterscheiden zu können, ist bei dieser Ausführungsform das Reflexionsvermögen der einzelnen Sensorflächen unterschiedlich, was gegebenenfalls durch verschieden große Sensorflächen realisiert werden kann, oder aber durch verschiedenartige Oberflächenstrukturierungen, die das Reflexionsvermögen jeder Sensorfläche variieren, so dass sich für jede Sensorfläche unterschiedliche diskrete Signal ohne und mit Veränderung des evaneszenten Feldes ergeben, mithin als unterschiedliche Signalhübe detektiert werden können.

Darüber hinaus ist es möglich, Lichtleiter zu verwenden, die jeweils einen Lichteingang und einen Lichtausgang sowie mehrere nacheinander folgende Sensorflächen aufweisen, wobei auch hier die Sensorflächen jeweils unterschiedliche Reflexionseigenschaften zeigen können, um diskrete, einer Sensorfläche zuordenbare Signale abgreifen können. Auch hierüber ist es möglich, beliebig große Sensorfelder aufzubauen, so dass z. B. bei einer Ausführungsform des Sensorfelds als Eingabe- oder Tastenfeld jeder Taste ein diskretes Signal zugeordnet werden kann.

Ferner ist es auch denkbar, einzelne Lichtleiter zu verwenden, von denen jeder einen Lichteingang, eine Sensorfläche und einen Lichtausgang aufweist.

Ein Lichtleiter selbst kann aus Kunststoff, Glas oder Keramik bestehen. Insbesondere Kunststoff wird bevorzugt, nachdem dieser auf einfache Weise in einem Gieß- oder Spritzgussverfahren zur Ausbildung der Lichtleiterstrukturen verarbeitet werden kann. Beispielsweise bietet sich PU, PA, PMMA und andere Kunststoffe als Material an, wobei dies aber lediglich drei aus einer Vielzahl unterschiedlicher, verwendbarer Werkstoffe sind.

Wie oben beschrieben, beruht das Signalerzeugungsprinzip darauf, dass im Lichtleiter geführtes Licht bei gezielter Veränderung des evaneszenten Felds eine Veränderung dahingehend erfährt, dass an der Sensorfläche mehr Licht ausgekoppelt wird, als ohne Feldveränderung. Das heißt, die am Lichtausgang erfasste Lichtmenge nimmt ab. Zentral hierfür sind die Lichtführungseigenschaften der Lichtleiterstruktur. Es ist zu vermeiden, dass aus der Struktur an einer Stelle anders als der Sensorfläche Licht austreten kann. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß, sofern das Trägermaterial selbst nicht lichtreflektierend ist, der Einsatz einer Ummantelung vorgesehen, die einen Lichtaustritt und bei lichtdurchlässigen Trägermaterial auch einen Lichteintritt in den Lichtleiter verhindert. Die Ummantelung selbst kann eine Beschichtung, insbesondere aus Metall, Kunststoff oder Lack sein, denkbar ist auch ein Folienüberzug oder der Auftrag eines Fluor-Polymers. Generell muss die Ummantelung in der Lage sein, eine Lichtaus- und gegebenenfalls -einkopplung in die Lichtleitstruktur zu blockieren.

Das Trägermaterial selbst ist zweckmäßigerweise ein Kunststoffmaterial, da sich dieses ebenfalls auf einfache Weise durch Gießen oder im Spritzguss verarbeiten lässt. Hiermit lässt sich auch die ganz oder teilweise Einbettung der Lichtleiterstrukturen auf technisch einfache Weise herstellen. Als Kunststoffmaterial kann jeder Kunststoff verwendet werden, der auf einfache Weise verarbeitet ist und die an seine Formstabilität gesetzten Eigenschaften erfüllt. Wichtig ist, dass das Trägermaterial nach dem Aushärten bzw. Vernetzen formstabil oder mechanisch reversibel deformierbar ist. Die Verwendung eines transparenten oder nicht-transparenten bzw. lichtdurchlässigen oder lichtundurchlässigen Trägermaterials richtet sich letztlich danach, welcher Art das verwendete Lichtleitermaterial ist und ob eine Ummantelung desselben vorgesehen ist.

Sofern für den gewünschten Einsatz- oder Verwendungszweck noch erforderlich, ist es zweckmäßig, eine das Trägermaterial zumindest im Bereich der Sensorfläche übergreifende, mechanisch reversibel deformierbare Abdeckung vorzusehen, über die das evaneszente Feld beeinflussbar ist. Diese Abdeckung, die als Platte, Matte oder Folie oder deren Kombination ausgeführt sein kann, ist in mehrfacher Weise zweckmäßig. Zum einen dient sie natürlich dem Schutz Sensorflächen, diese sind im verbauten Zustand nicht mehr zugänglich, das heißt, bei Ausführung des Sensorfelds als Tastenfeld wird nicht unmittelbar auf die Sensorfläche gedrückt, sondern auf die Abdeckung. Die Abdeckung dient – in Verbindung mit einem zweckmäßigerweise vorzusehenden, die übrigen Sensorfeldseiten kapselnden Gehäuse – der Kapselung der in den Träger ganz oder teilweise eingebetteten Sensorflächen und/oder Leiterstrukturen. Darüber hinaus dient die Abdeckung zur Veränderung des evaneszenten Felds, weshalb sie entsprechend mechanisch reversibel deformierbar ist. Wird also z. B. mit dem Finger im Falle einer Bedien- oder Eingabetastatur auf eine entsprechende, dem gewünschten Eingabesymbol zugeordnete Fläche Druck ausgeübt, so führt dies zu einer hinreichenden Verformung der Abdeckung in diesem Bereich. Nachdem die Abdeckung unmittelbar der Sensorfläche gegenüberliegt, jedoch über ein geringes Schaltvolumen getrennt, wird auf einfache Weise die Feldverändärung erwirkt, die zur Signalgabe führt. Nachdem wie eingangs beschrieben das evanszcente Feld in seiner räumlichen Ausdehnung ca. 1 μm stark ist, kann bei Verwendung einer Abdeckung, die zusätzlich eine gewisse Grund Grundrauigkeit oder -strukturierung an der den Sensorflächen zugewandten Seite aufweisen kann, bereits eine hinreichende Beabstandung und damit ein hinreichend großes Schaltvolumen auch bei unmittelbarer Auflage der Abdeckung auf dem Trägermaterial realisiert sein. Die Art und Weise, wie die Abdeckung nun konkret bezüglich des Trägermaterials mit den oberseitigen Sensorflächen positioniert wird, richtet sich letztlich nach der Art der verwendeten Abdeckung und dem Einsatz- oder Verwendungszweck des Sensorfelds, also seiner Zweckausprägung selbst. Die Abdeckung selbst kann auch Metall, Kunststoff, Gummi, Silikon, Glas oder Keramik oder deren Kombination sein.

An einem als Eingabe- oder Bedien- oder Tastaturfeld ausgeführten Sensorfeld können bei Einsatz in einer Umgebung mit einer ausreichenden Umgebungshelligkeit die an einer Abdeckung oberseitig für den Bediener sichtbaren Bedien- oder Eingabeflächen unbeleuchtet sein. Kommt das Sensorfeld aber in einer Umgebung zum Einsatz, bei der nicht zu jeder Zeit eine hinreichende Umgebungshelligkeit gegeben ist, ist es zweckmäßig, die abdeckungsseitig vorgesehenen Eingabeflächen zu hinterleuchten. Nachdem jeder Eingabefläche unmittelbar. darunter liegend eine entsprechende Sensorfläche mit einem evaneszenten Feld zugeordnet ist, ist es zweckmäßig, diese zur Hinterleuchtung einer entsprechenden transparanten Einlage im Bereich der abdeckungsseitig vorgesehenen Eingabefläche zu nutzen. Zu diesem Zweck ist es zweckmäßig, wenn das Trägermaterial zumindest im Bereich unterhalb einer Sensorfläche transparent oder gänzlich entfernt ist, und wenn eine gegebenenfalls vorgesehene Ummantelung im Bereich unterhalb einer Sensorfläche transparent oder ebenfalls entfernt ist, so dass über wenigstens eine Lichtquelle Licht in den Lichtleiter zum Hinterleuchten einer Sensorfläche, das durch eine gegebenenfalls vorgesehene, im Bereich oberhalb einer Sensorfläche transparente oder entfernte Abdeckung sichtbar ist, einkoppelbar ist. Das Sensorfeld selbst, enthaltend das Trägermaterial nebst Lichtleiterstrukturen, wird also von der der Abdeckung gegenüberliegenden Seite durchstrahlt. Das Licht wird von der der Sensorfläche gegenüberliegenden Seite in den Lichtleiter eingekoppelt, durchläuft diesen und tritt unmittelbar an der Sensorfläche zur Abdeckung hin aus. Hierdurch erfolgt keine Beeinflussung des ausgebildeten evaneszenten Felds bzw. der bei Betätigung aufgenommenen Signale, nachdem das eingekoppelte Licht nicht im Lichtleiter zum Lichtausgang geführt wird. Es tritt vielmehr an der Sensorfläche und hinterleuchtet das transparente oder teilweise transparente Eingabefeld an der Abdeckung. Hierfür kann die Abdeckung beispielsweise entsprechend transparente Einsätze aufweisen, die beispielsweise in einer die Abdeckung bildenden Metallplatte eingelegt sind, und die beispielsweise entsprechende Buchstabendarstellungen oder Zahlendarstellungen oder dergleichen zeigen. Auch kann es sich dabei um einen Leuchtring oder dergleichen handeln. Die entsprechenden Öffnungen in der gegebenenfalls vorgesehenen Ummantelung bzw. im Trägermaterial sind auf einfache Weise bei der Herstellung derselben ohne weiteres ausprägbar. Denkbar ist die Verwendung einer flächigen, lichtführenden Matte oder dergleichen, die Licht emittiert. Diese Matte kann alternativ auch oberhalb der Sensorflächen unmittelbar unter der Abdeckung verlaufen. Die Betätigung einer Sensorfläche erfolgt hier bei Druck auf die Abdeckung durch die Matte, die entsprechend verformt wird.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Aufbau des Sensorfelds aus Kapselung oder Abdeckung und Lichtleiterstrukturen gegebenenfalls mit Ummantelung mit entsprechenden, trotz Einbetten im Trägermaterial seitlich zugänglichen Lichteingangs- und Lichtausgangsöffnungen bietet die Möglichkeit, das Sensorfeld als separates Element herzustellen. Wie beschrieben ist es erforderlich, an den Licht-eingängen Licht einzukoppeln, wozu Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs oder einer bestimmten Wellenlänge (vornehmlich Infrarotlicht oder rotes Licht) eingespeist wird. Es ist nun möglich, die hierfür benötigte Beleuchtungseinrichtung als separates Bauteil auszuführen und lösbar mit dem Sensorfeld zu koppeln. Hierzu sind am Sensorfeld und entsprechend natürlich an der Beleuchtungseinrichtung entsprechende Verbindungsmittel (Clipse-, Steck-Rast-Verbindungen etc.) zum dichten Verbinden beider vorgesehen. Das heißt, das Sensorfeld kann herstellerseitig als separate Baugruppe konzipiert werden, die anschließend mit einem beliebigen Beleuchtungsmittel, das beispielsweise anwenderseitig konzipiert wird, gekoppelt wird. Entsprechendes ist auch in Verbindung mit einer nachgeschalteten Signalaufnahmeeinrichtung, mit der das an dem oder den Lichtausgängen austretende Licht und damit die aus einer Feldänderung resultierenden optischen Signale erfasst werden können, möglich. Auch hier ist eine separate Kopplung des Sensorfelds mit einer Signalaufnahmeeinrichtung über geeignete Verbindungsmittel möglich, wenn das Sensorfeld am jeweiligen Einsatzort verbaut werden soll.

Alternativ dazu ist es natürlich auch denkbar, die Beleuchtungseinrichtung und/oder die Signalaufnahmeeinrichtung mit dem oder den Lichteingängen und/oder dem oder den Lichtausgängen der verwendeten Lichtleiterstrukturen zu koppeln, und sie gemeinsam mit den Lichtleiterstrukturen in das Trägermaterial einzubetten. Die Beleuchtungseinrichtung/Signalaufnahmeeinrichtung wird also integrales Bauteil des Sensorfelds. Dies dient der Isolierung und dem Schutz dieser Baugruppen, die als vorgefertigte Baugruppen lediglich entsprechend angekoppelt werden müssen. Nachdem in der Regel der Signalaufnahmeeinrichtung eine Signalauswerteeinrichtung nachgeschaltet ist, die dann den eigentlichen Signalinhalt auswertet, ist es zweckmäßig, die Signalaufnahmeeinrichtung mit Verbindungsmitteln zum Verbinden mit der Signalauswerteeinrichtung auszuführen, das heißt, letztere ist ein separetes Bauteil, das erst beim Verbauen angeschlossen wird. Alternativ kann auch die mit der Signalaufnahmeeinrichtung gekoppelte Signalauswerteeinrichtung in das Trägermaterial eingebettet werden. An dieser Stelle sei lediglich der Vollständigkeit halber erwähnt, dass unabhängig wie nun das Sensorfeld im Hinblick auf etwaige weitere Baugruppen ausgelegt ist, in jedem Fall entsprechende Anschlussmittel vorgesehen sind, um Licht oder Signale zuzuführen oder aufzunehmen etc.

Wie bereits beschrieben, emittiert die Beleuchtungseinrichtung sichtbares Licht oder nicht sichtbares Licht, vorzugsweise Infrarotlicht. Zur entsprechenden Aufnahme ist die Signalaufnahmeeinrichtung ausgeführt. Eine konkrete Realisierungsmöglichkeit sieht dabei vor, als Beleuchtungseinrichtung eine oder mehrere LED's und als Signalaufnehmer eine oder mehrere Fotodioden oder -transistoren, die die Wandelung in elektrische Signale vornehmen und diese dann an die Signalauswerteeinrichtung geben, zu verwenden.

Wie bereits beschriebe, basiert das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Sensorfelds darauf, dass Licht einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs an den Schaltflächen reflektiert wird, sich aber gleichzeitig ein evaneszentes Feld ausbildet. Durch das Eindringen von Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen in das evaneszente Feld wird dieses verändert, das optische Verhalten an der Fläche wird verändert, es wird mehr Licht ausgeführt. Die zeitliche Änderung des am Lichtausgang anstehenden Arbeitslichts durch die Feldveränderung kann zentral über eine Auswertung aller Sensorflächen oder lokal für jede einzelne Sensorfläche und damit de facto für jede einzelne zugeordnete Taste oder dergleichen erfolgen.

Dieses einfache Funktionsprinzip in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Möglichkeit zur Bildung großflächiger Felder ermöglicht einen breiten Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorfelds. Es kann durch entsprechende Ausprägung der Sensorflächenordnung in Verbindung mit der Abdeckung zur Bildung beliebiger Eingabesysteme, Bedienfelder oder Tastaturen von Geräten und Anlagen verwendet werden. Die Kapselung über die Abdeckung und ein Gehäuse bietet ferner die Möglichkeit, das Schalt- oder Tastenfeld in Nassräumen, Explosions-Schutzräumen etc. einzusetzen. Die Möglichkeit der Verwendung von Abdeckungen auch sehr stabiler Natur (die Deformierbarkeit kann sehr gering sein, so dass auch Metall- oder Glasplatten Verwendung finden können) bietet die Möglichkeit, vandalensichere Bedienfelder für Automaten und dergleichen zu bilden. Auch Keyboards und Tastaturen für Steuerungen, Computer, Automobile, Automaten etc. sind aufbaubar. Die Bedienfelder können dabei in beliebiger Größe aufgebaut werden, so dass neben größenflächigen Tastaturen auch kleinere Tastaturen für Handys und realisiert werden können. Auch eine Verwendung von Tasten- oder Sensorfeldern oder dergleichen für Wohnräume etc. ist möglich. Auch Füllstandsmessungen von Gasen, Flüssigkeiten, Schüttgütern etc. sind mit den erfindungsgemäßen Sensorfeldern möglich. Auch die Erfassung, Bewertung und Analyse von Medien wie Gasen, Flüssigkeiten etc. ist denkbar.

Ersichtlich ist damit, dass der Begriff „Sensorfeld" eine Vielzahl unterschiedlicher Ausprägungen im Hinblick auf den Einsatzzweck umfasst. Allen Verwendungen gleich ist der Umstand, dass stets eine Veränderung des evaneszenten Felds von Sensorflächen sensiert wird, eben über das optische Signal, das dann im Rahmen der nachgeschalteten Elektronik eine entsprechende Umsetzung erfährt.

Neben dem Sensorfeld selbst betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen, mit folgenden Schritten:

– Herstellen eines oder mehrerer Lichtleiter, an dem oder denen rand- oder mantelseitig jeweils wenigstens eine Sensorfläche ausgebildet ist, durch Gießen oder in einem Spritzgussverfahren, und
– Einbetten des oder der Lichtleiter in ein aushärtendes oder vernetzendes Trägermaterial, so dass die Sensorflächen frei liegen und über die Fläche des Sensorfelds mehrere Sensorflächen verteilt sind, durch Gießen oder in einem Spritzgussverfahren.

Ein hergestellter Lichtleiter kann ferner mit einer einen Lichtaustritt verhindernden Ummantelung versehen sein, beispielsweise aufgebracht durch Spritzguss, Folientechnik, Lackieren, thermische, physikalische oder chemische Abscheidungsverfahren insbesondere in Vakuumtechnik, Sputtern etc. Ferner ist es möglich, verschiedene Zusatzgerätschaften wie Beleuchtungseinrichtungen und/oder Sig-nalaufnahmeeinrichtung, gegebenenfalls auch eine Signalauswerteeinrichtung in das Trägermaterial einzubetten. Ferner sieht das erfindungsgemäße Verfahren die Anordnung der Abdeckung vor.

Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensorfelds,
2 eine Prinzipdarstellung eines Lichtleiters,
3 drei exemplarische Lichtleiterausführungen,
4 eine perspektivische Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensorfelds mit einem Lichteingang und vier Lichtausgängen
5 eine Schnittansicht durch das Sensorfeld aus 4,
6 eine Schnittansicht eines Sensorfelds einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform,
7 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Sensorfelds einer dritten Ausführungsform,
8 eine Schnittansicht durch ein Sensorfeld einer vierten Ausführungsform,
9 eine Schnittansicht durch ein weiteres erfindungsgemäßes Sensorfeld,
10 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Lichtleiterausführungsform,
11 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines verwendbaren Lichtleiters in Kammstruktur,
12 eine Prinzipdarstellung eines Sensorfelds in Sternstruktur,
13 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensorfelds mit integrierten Zusatzbauteilen,
14 eine weitere Ausführungsform eines Sensorfelds mit integrierten Zusatzbauteilen,
15 eine weitere Ausführungsform eines Lichtleiters,
16 eine Darstellung verschiedener Sensorflächengrößen, und
17 eine Darstellung verschiedener Schnittansichten durch eine Sensorfläche.
1 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung ein erfindungsgemäßes Sensorfeld 1, bestehend im gezeigten Beispiel aus zwei Lichtleitern 2, die einen jeweils einen Lichteingang 3 aufweisenden ersten Lichtleiterabschnitt aufweisen, der sich in weitere Lichtleiterabschnitte 4 verzweigt. Jeder Lichtleiterabschnitt 4 läuft zu einer Sensorfläche 5, die im gezeigten Beispiel als kreisförmige Fläche gebildet ist, und z. B. der Breite eines Leiterabschnitts entspricht. Der Übersichtlichkeit halber ist die Sensorfläche in 1 aber vergrößert dargestellt. Von jeder Sensorfläche 5 geht ein weiterer Leiterabschnitt 6 ab, der jeweils zu einem abschnittsspezifischen Lichtausgang 7 führt. Wird nun Licht am jeweiligen Lichteingang 3 über eine nicht näher gezeigte Beleuchtungseinrichtung, z. B. eine LED, eingekoppelt, so wird es im Lichtleiter 2 geführt und gelangt über die jeweiligen Lichtleiterabschnitte 4 an die Sensorflächen 5. An einer solchen ebenen Fläche wird es zurückreflektiert und gelangt über den Lichtleiterabschnitt 6 zum jeweiligen Lichtausgang 7. Infolge der Reflexion an der Sensorfläche 5 bildet sich dort ein sogenanntes evaneszentes Feld, oft auch als „heraustretendes" oder „vergängliches" Feld bezeichnet, aus. 2 zeigt sich in Form einer Prinzipdarstellung einen Lichtleiter 2, an dessen Sensorfläche 5 exemplarisch und in groß herausgezogener Darstellung ein solches evaneszentes Feld 8 dargestellt ist. Dieses evaneszente Feld ist ein elektromagnetisches Feld, das von dem unter einem bestimmten Grenzwinkel auf die Grenzfläche der Sensorfläche 5 treffenden Licht erzeugt wird.
Wird das evaneszente Feld 8 nicht verändert, kann am jeweiligen Lichtausgang eine bestimmte Lichtmenge und damit ein bestimmtes Lichtsignal abgegriffen werden, das in seiner Höhe von der eingestrahlten Lichtmenge und den Lichtleitereigenschaften abhängt. Dringt nun ein Medium, sei es ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas, in das evaneszente Feld 8 ein, so wird Lichtenergie aus dem evaneszenten Feld ausgeführt, nachdem das evaneszente Feld, das eine Dicke von 1 μm aufweist, verändert wird. Diese Lichtauskoppelung führt zu einer Lichtdämpfung des reflektierten Lichts und damit zu einer Abnahme der am Lichtausgang abgreifbaren Lichtmenge, mithin also zu einer Signaländerung, die ausgewertet werden kann.
Wie 2 zeigt, ist ein Lichtleiter 2 mit einer Ummantelung 9 umgeben, die einen Austritt von eingekoppelten Licht aus dem Lichtleiterkern 10, der beispielsweise aus PC, PU, PMMA gefertigt ist, verhindert, so dass die einzige Lichtaustrittsstelle an der Sensorfläche 5 gegeben ist. Diese Beschichtung dient einerseits der Vermeidung eines Lichtsaustritts, andererseits zur Desenbilisierung, Passivierung, sowie zum Schutz des Lichtleiters. Beispielsweise handelt es sich um eine reflektierende Kunststoff- oder Metallbeschichtung oder dergleichen.
Wie 1 zeigt, ist jeder Lichtleiter 2, der bevorzugt in einem Spritzgussverfahren hergestellt wurde, in ein Trägermaterial 11 ganz oder teilweise eingebettet, bei dem es sich beispielsweise ebenfalls um ein Kunststoffmaterial handelt, das in einem Spritzguss- oder Gießverfahren verarbeitet wurde. Das Trägermaterial 11 härtet oder vernetzt aus, so dass sich letztlich eine Art Sensorplatte ergibt. Die Lichtleiter 2 sind dabei so eingebettet, dass die Sensorflächen 5 frei liegen und nicht vom Trägermaterial 11 abgedeckt sind, da sich ansonsten kein evaneszentes Feld ausbilden könnte. Handelt es sich bei dem Trägermaterial 11 um ein das Licht reflektierendes Material, so kann eine Ummantelung entfallen.
3 zeigt exemplarisch verschiedene Möglichkeiten der Lichtleiterausbildung. 3a zeigt eine der Ausbildung gemäß 1 ähnliche Lichtleiterstruktur. Der dortige Lichtleiter 2a weist einen Lichteingang auf, er verzweigt sich in drei Leiterabschnitte, die jeweils eine Sensorfläche 5a aufweisen, denen jeweils an eigener Lichteingang zugeordnet ist. Während hier exemplarisch nur drei Sensorflächen und Leiterabschnitte dargestellt sind, ist natürlich die Anzahl der Sensorflächen und Leiterabschnitte beliebig erweiterbar. Wird nun durch Betätigen einer einer Sensorfläche 5a zugeordneten Eingabefläche, worauf nachfolgend noch eingegangen wird, ein evaneszentes Feld einer Sensorfläche 5a verändert, stellt sich am jeweiligen Lichtausgang ein verändertes Signal dar, das beispielsweise über eine entsprechende Fotodiode oder -transistor erfasst und nachverarbeitet werden kann und exakt einer bestimmten zugehörigen Sensorfläche 5a zugeordnet werden kann.
Die in 3b gezeigte Ausführungsform eines Lichtleiters 2b zeigt einen gemeinsamen Lichteingang, der sich in drei Leiterabschnitte mit jeweils einer Sensorfläche 5b verzweigt. Die daran anschließenden Leiterabschnitte laufen wieder zusammen zu einem gemeinsamen Lichtausgang. Das heißt, es kann jeweils nur ein Signal abgegriffen werden. Um zu unterscheiden, welche Sensorfläche 5b bei Erfassen einer Signalveränderung betätigt wurde, ist das an jeweils einer Sensorfläche 5b ausgeprägte evaneszente Feld jeweils unterschiedliche, was dadurch erreicht werden kann, dass die jeweiligen Sensorflächen 5b unterschiedlich groß oder unterschiedlich strukturiert sind und damit ein unterschiedliches Reflexionsverhalten aufweisen. Auf diese Weise ist jeder Sensorfläche 5b eine bestimmte Signalveränderungscharakteristik zugeordnet, so dass jeder festgestellte Signalhub exakt einer Sensorfläche 5b zugeordnet werden kann.
In entsprechender Weise wird auch bezüglich des in 3b gezeigten Lichtleiters 2c verfahren. Auch dort sind drei separate, einander nachgeschaltete Sensorflächen 5c vorgesehen, die jeweils unterschiedliches Reflexionsvermögen zeigen oder unterschiedlich groß sind, so dass auch hier bei nur einem Lichteingang und nur einem Lichtausgang dezidiert zuordenbare Signale erfasst werden können.
4 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung ein erfindungsgemäßes Sensorfeld 12 einer ersten Ausführungsform, mit einem gemeinsamen Lichteingang 13, wobei sich auch hier der Lichtleiter 14 in vier Äste verzweigt, die jeweils eine Sensorfläche 15 aufweisen, die zu jeweils einem Lichtausgang 16 führt. Der Lichtleiter 14 ist in ein Trägermaterial 17 eingebettet. Auf dieses ist eine Abdeckung 18 aufgebracht, bei welcher es sich um eine hinreichend stabile bzw. starre Platte, Folie, Matte oder deren Kombination oder dergleichen handelt. Diese übergreift die Sensorflächen 15, siehe hierzu auch 5. Es bildet sich aufgrund der Strukturierung oder Anordnung der Abdeckung 18 ein schmaler oder großer Zwischenraum 19 zwischen den Sensorflächen 15 und der Unterseite der Abdeckung 18, in dem sich das evaneszente Feld ausbilden kann. Es ist auch denkbar, in den Zwischenraum 19 eine strukturierte, deformierbare Zwischenlage, z. B. eine Schaumlage oder dergleichen, einzubringen. Auch diese lässt aufgrund ihrer Rauigkeit die Bildung des sehr schmalen, evaneszenten Feldes zu. Zur Erzeugung eines optischen Signals kann die Abdeckung 18, beispielsweise eine Metallplatte, von oben leicht deformiert werden, indem beispielsweise mit dem Finger darauf gedrückt wird. Dies führt zu einer entsprechenden Veränderung des evaneszenten Felds und mithin zu einem am jeweiligen Ausgang 13 erfassbaren Signalhub. Strukturen oder Rauigkeiten 77 im Lichtleiter 14 können ebenfalls zur Beleuchtung der Sensorflächen 15 verwendet werden.
6 zeigt eine Schnittansicht durch ein Sensorfeld 20, ähnlich dem Sensorfeld 12. Hier weist die Abdeckung 18 oberhalb der Sensorflächen 15 oder die Sensorflächen 15 unterhalb der Abdeckung entsprechende Eintiefungen 21 auf, die bei flächigem Aufliegen der Abdeckung 18 auf dem Trägermaterial 17 wie in 6 dargestellt die Ausbildung eines evaneszenten Felds oberhalb der Sensorflächen 15 ermöglichen. Denkbar ist es, aus Gründen der Haptik eine Aufwölbung 22 im Bereich oberhalb einer Sensorfläche auszubilden, die vom Bediener gefühlt werden kann. In 6 ist ferner die Möglichkeit dargestellt, anstelle einer Eintiefung 21 eine Aufrauung 23 an der Unterseite der Abdeckung 18 vorzusehen, die die Ausbildung des sehr dünnen, evaneszenten Felds zulässt.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sensorfelds 24 entsprechend dem vorher Beschriebenen. Hier ist unterhalb des Trägermaterials 17 eine Lichtzufuhrmatte 25 vorgesehen, über die von Außen Licht eingestrahlt werden kann. Dieses tritt bei dieser Ausführungsform durch das transparente Trägermaterial 17 direkt zur Abdeckung 18 oder gelangt aufgrund einer entsprechenden Freimachung in der Ummantelung des Lichtleiters unterhalb der Sensorfläche 15 in den Lichtleiter und kann an der Sensorfläche 15 gerichtet zur Abdeckung 18 hin austreten. Die Abdeckung 18 ist entweder insgesamt oder zumindest in diesem Bereich transparent ausgeführt, so dass optisch die jeweilige Betätigungsfläche an der Abdeckung kenntlich gemacht werden kann, wie dies durch die Pfeile in 7 dargestellt ist. Alternativ kann die Lichtzuführmatte 25 auch unterhalb der Abdeckung 18 angeordnet werden. Sie dient als Zwischenlage, die bei Drücken auf die Abdeckung 18 deformiert wird und die Feldveränderung bewirkt.
Während bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen die Abdeckung z. B. jeweils als hinreichend starre Matte ausgebildet ist, beispielsweise in Form einer hinreichend stabilen Folie, zeigt 8 eine Ausführungsform, bei der die Abdeckung 18 einerseits eine auf dem Trägermaterial 17 aufgebrachte weiche Matte 76 umfasst, beispielsweise eine Schaumzwischenlage, auf der eine stabile Platte 26, die gegebenenfalls über geeignete Rillen (die ein Tastenfeld definieren) zur Erleichterung eines Durchbiegens verfügt, aufgebracht ist. Die wenngleich geringe Durchbiegung, die mit der Metallplatte 26 erzielt werden kann, setzt sich in einer hinreichenden Deformierung der weichen Matte 76 fort, die zur Feldänderung ausreichend ist.
9 zeigt in einer Prinzipdarstellung ein Sensorfeld 27, bei dem zwei Sensorflächen 28 hintereinander geschaltet sind, es ist also lediglich ein Lichteingang und ein Lichtausgang vorgesehen. Ersichtlich ist, wie die Sensorflächen 28 in das Trägermaterial 29 eingebettet sind, so dass sie frei liegen, während der übrige Lichtleiter 30 vollständig eingebettet ist.
10 zeigt eine alternative Ausbildung eines Lichtleiters, bei dem sowohl eine Verzweigung als auch eine Zusammenführung vorgesehen ist. Der hier gezeigte Lichtleiter 31 verzweigt sich im gezeigten Beispiel in drei Leiterabschnitte 32, die sich ihrerseits wieder in Leiterabschnitte 33 verzweigen, denen jeweils eine Sensorfläche 34 zugeordnet ist. Die Leiterabschnitte 33 verreinen sich wieder und münden in jeweils einen gemeinsamen Leiterabschnitt 35, wo sie zu einem Lichtausgang führen.
Eine weitere Ausbildungsmöglichkeit zeigt 11 als Kammstruktur. Der dort gezeigte Lichtleiter 36 weist einen gemeinsamen Lichteingang auf, der Lichtleiterabschnitt 37 verzweigt sich in insgesamt sieben Leiterabschnitte, die jeweils eine Sensorfläche 38 aufweisen, von der jeweils ein separater Leiterabschnitt abgeht und in einem eigenen Lichtausgang ausläuft. Hierüber kann z. B. eine Sensor- oder Tastenreihe aufgebaut werden.
12 zeigt in Form einer Prinzipskizze eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Sensorfelds 39. Diese besteht aus einer sternförmigen Optik-struktur, wobei Lichtleiter 40 Licht von einer Lichtquelle 42 über den Lichtleitereingang 41 an Sensorflächen 43 führen. Das dort reflektierte oder reduzierte Licht gelangt über Lichtleiter 45 zu einem Lichtausgang 44.
Ein solches Sensorfeld kann z.B. für Drehschalter verwendet werden. Je nach Position eines darüber liegenden Drehschalters (mit oder ohne Abdeckung) können bestimmte Funktionen ausgelöst werden. Gegebenenfalls ist ein ganz oder teilweise die Optikstruktur einschließender Träger zu umspritzen oder umgießen.
13 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung ein Sensorfeld 47, bestehend aus dem mittleren Feldabschnitt 48 mit dem Lichtleiter 49 und den Sensorflächen 50. Ferner ist ein Sensorfeldabschnitt 51 vorgesehen, der eine Lichtquelle 52, im gezeigten Beispiel mit einer LED oder dergleichen aufweist, und der einen Ansteueranschluss 53 aufweist, über den die Lichtquelle 52 mit Strom versorgt wird. An der gegenüberliegenden Seite ist ein Sensorfeldabschnitt 54 vorgesehen, an dem eine Signalaufnahmeeinrichtung 55 vorgesehen ist, umfassend im gezeigten Beispiel mehrere Fotodioden oder -transistoren 56, die an jeweils einem Lichtausgang des Lichtleiters 49 angeschlossen sind. Auch die Signalaufnahmeeinrichtung 55 läuft in einem Signalanschluss 57, an dem eine nicht näher gezeigte Signalauswerteeinrichtung angeschlossen werden kann, aus. Im gezeigten Beispiel sind alle Elemente in einem Trägermaterial 58 eingegossen, das heißt, das Sensorfeld 47, das seitlich mit einem Gehäuse 59, das den Boden und die Seitenflächen umgibt, und das oberseitig über die nicht näher gezeigte Abdeckung teilweise oder vollständig gekapselt ist, ist ein fertiges, in dieser Form einbaubares Bauteil, an dessen Ansteueranschluß 53 und Signalanschluß 57 lediglich noch Versorgungsleitungen anzuschließen sind.
Während 13 eine Ausführungsform mit nur drei Sensorflächen beschreibt, zeigt 14 ein Sensorfeld 60 mit insgesamt achtzehn Sensorflächen 61. Diese sind über zwei Lichtleiter 62 realisiert, die sich entsprechend verzweigen. Auch hier ist eine gemeinsame Lichtquelle 63 vorgesehen, die über zwei Lichtleiterabschnitte 64 an den Lichtleiteranschlüssen 65 angeschlossen ist. Die Signale werden über eine Signalaufnahmeeinrichtung 66, die eine Vielzahl einzelner Fotodioden oder -transistoren 67 umfasst, die jeweils an einem Lichtausgang angeschlossen sind, abgegriffen. Über einen Anschluss 68 kann die hier gezeigte Signalauswerteeinrichtung 69 angeschlossen werden. Auch hier sind alle Elemente im Trägermaterial 70 eingegossen. Natürlich kann jeder Lichtleiter 62 auch direkt ohne die zwischengeschalteten Lichtleiteranschlüsse 65 mit der Lichtquelle 63 verbunden sein.
Wenngleich die 13 und 14 komplett im Trägermaterial eingegossene Ausführungsformen zeigen, besteht natürlich die Möglichkeit, wie in 13 angedeutet, lediglich den mittleren Feldabschnitt 48 des Sensorfelds als im Trägermaterial gekapseltes Teil auszuführen und entsprechende Verbindungsmittel vorzusehen, mit denen die Lichtquelle 52 und die Signalaufnahmeeinrichtung 55 angebunden werden können. Dies ist durch die beiden gestrichelten Linien in 13 dargestellt. Zum Einbau wird also das mittlere Sensorfeld montiert. Werden diese montiert, verklebt, verspritzt etc. Eingegossen, so werden diese beim Montieren, Verkleben, Verspritzen, Eingießen etc. im Trägermaterial mit dem Lichteingang und dem Lichtausgängen gekoppelt.
15 zeigt als Prinzipdarstellung eine weitere Ausführung eines Lichtleiters 74, bei der die Leiterabschnitte gebogen zur Sensorfläche 75 geführt sind. Eine Aufsicht auf eine Sensorfläche, z. B. die aus 15, zeigt 16. Dort sind verschiedene Größen und Formen einer Sensorfläche im Verhältnis zum Leiter dargestellt. Wie in 16a gezeigt, kann die Sensorfläche, die hier kreisrund ist, im Durchmesser der Leiterbreite entsprechen, sie kann aber auch größer sein, siehe 16b, wozu der Leiter eine entsprechende Verdickung aufweist. Sie kann aber bei hinreichend dickem Leiter auch kleiner sein, siehe 16c. Neben der kreisrunden Sensorflächenform kann die Sensorfläche jede beliebige Form annehmen, z. B. oval, rechteckig, quadratisch, mehreckig etc. Dies ist in verschiedenen Ausführungen in den 16d–16g dargestellt, wobei die jeweilige Sensorfläche jeweils schraffiert gezeichnet ist.
Schließlich zeigt die 17 verschiedene Schnittdarstellungen durch einen Lichtleiter im Bereich der Sensorfläche, wie in 15 mit der Linie A-A oder B-B angegeben ist. Je nach Querschnittsform des Leiters – diese kann rund, oval oder beliebig mehreckig sein – kann der Querschnitt z. B. halbkreisförmig mehr oder weniger großer Querschnittsfläche oder viereckig sein. Die 17a–g zeigen unterschiedliche Beispiele, die wie die sonstigen Ausführungsbeispiele nicht abschließend sind.
Abschließend ist festzuhalten, dass unter dem Begriff „Lichtleiter" nicht nur ein strangförmiger Lichtleiter zu verstehen ist. Vielmehr erfasst der Begriff „Lichtleiter" jedwede lichtleitende optische Struktur, in die Licht einkoppelbar ist und die Licht zu einer an ihr ausgebildeten Sensorfläche führen kann, an der sich das evaneszente Feld ausbilden kann.

Claims

Sensorfeld zum Erzeugen von optischen Signalen, umfassend eine oder mehrere lichtleitende Strukturen mit wenigstens einem Lichteingang (3; 41) zur Einkopplung von Licht, das in der oder den lichtleitenden Strukturen (2, 2a, 2b, 2c, 14, 30, 31, 37, 40, 41, 49, 62) zu wenigstens einer Sensorfläche (5, 5a, 5b, 5c, 15, 28, 34, 43, 50, 61, 72, 75) geführt, dort reflektiert und zu wenigstens einem Lichtausgang (7, 16, 44) weitergeführt wird, wobei das Licht an der Oberfläche wenigstens einer Sensorfläche (5, 5a, 5b, 5c, 15, 28, 34, 43, 50, 61, 72, 75) ein evaneszentes Feld (8) ausbildet, das zur Dämpfung der Lichtmenge veränderbar ist, und wobei die lichtleitende(n) Struktur(en) (2, 2a, 2b, 2c, 14, 30, 31, 37, 40, 41, 49, 62) in einem Trägermaterial (11, 17, 29, 46, 58, 70) teilweise eingeschlossen ist/sind, derart, dass die Sensorfläche(n) (5, 5a, 5b, 5c, 15, 28, 34, 43, 50, 61, 72, 75) freiliegen, wobei ferner eine oder mehrere lichtleitende Strukturen (2, 2a, 2b, 2c, 14, 30, 31, 37, 40, 41, 49, 62) und das Trägermaterial (11, 17, 29, 46, 58, 70) durch Gießen oder in einem Spritzgußverfahren hergestellt sind, und wobei über die Fläche des Sensorfeldes (1, 12, 20, 27, 36, 39, 47, 60) mehrere Sensorflächen (5, 5a, 5b, 5c, 15, 28, 34, 43, 50, 61, 72, 75) verteilt sind, von denen je ein Abschnitt der lichtleitenden Struktur(en) (2, 2a, 2b, 2c, 14, 30, 31, 37, 40, 41, 49, 62) jeweils zu einem abschnittspezifischen Lichtausgang (7, 16, 44) führt.
Sensorfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein einen gemeinsamen Lichteingang aufweisender Lichtleiter (2, 2a, 2b, 31, 37, 40, 49, 62) sich in wenigstens zwei Leiterabschnitte (4, 6, 32) mit wenigstens einer Sensorfläche (5, 5a, 5b, 5c, 15, 28, 34, 38, 43, 50, 61, 72, 75) verzweigt.
Sensorfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtleiter (2c) einen Lichteingang und einen Lichtausgang sowie mehrere nacheinander folgende Sensorflächen (5c) aufweist.
Sensorfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Lichtleiter (41) von einem Lichteingang aus sternförmig in mehrere Leiterabschnitte mit jeweils wenigstens einer Sensorfläche (43) verzweigt.
Sensorfeld nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtleiter (2, 2a, 2b, 2c, 14, 30, 31, 37, 40, 41, 49, 62) aus Silikon, Kunststoff, Glas oder Keramik ist.
Sensorfeld nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtleiter (2, 2a, 2b, 2c, 14, 30, 31, 37, 40, 41, 49, 62) eine groß- oder teilflächige, das Licht reflektierende und/oder einen Lichtaustritt und/oder -eintritt verhindernde Ummantelung (9) aufweist.
Sensorfeld nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (9) eine Beschichtung ist.
Sensorfeld nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (9) als Fluor-Polymer ausgebildet ist.
Sensorfeld nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (11, 17, 29, 46, 58, 70) ein Kunststoff, Gummi, Silikon, Metall oder deren Kombination ist.
Sensorfeld nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine das Trägermaterial (11, 17, 29, 46, 58, 70) zumindest im Bereich der Sensorflächen (5, 5a, 5b, 5c, 15, 28, 34, 38, 43, 50, 61, 72, 75) übergreifende, mechanisch reversibel deformierbare Abdeckung (18), über die das evaneszente Feld beeinflussbar ist.
Sensorfeld nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die das Trägermaterial zumindest im Bereich der Sensorflächen übergreifende, mechanisch reversibel deformierbare Abdeckung (18) aktiv und/oder passiv beleuchtet und/oder beleuchtbar ist.
Sensorfeld nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (18) eine Platte, Matte, Schaum oder Folie oder deren Kombination ist.
Sensorfeld nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (18) aus Metall, Kunststoff, Gummi, Silikon, Glas oder Keramik oder deren Kombination ist.
Sensorfeld nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung der Sensorflächen (15) Strukturen und/oder Rauigkeiten im Lichtleiter (14) vorgesehen sind.
Sensorfeld nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (11, 17, 29, 46, 58, 70) zumindest im Bereich unterhalb einer Sensorfläche (5, 5a, 5b, 5c, 15, 28, 34, 38, 43, 50, 61, 72, 75) aufgeraut, transparent oder entfernt ist.
Sensorfeld nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (9) im Bereich unterhalb einer Sensorfläche (5, 5a, 5b, 5c, 15, 28, 34, 38, 43, 50, 61, 72, 75) transparent oder entfernt ist, so dass über wenigstens eine Lichtquelle Licht in den Lichtleiter zum Hinterleuchten einer Sensorfläche (5, 5a, 5b, 5c, 15, 28, 34, 38, 43, 50, 61, 72, 75) einkoppelbar ist, wobei das Licht durch eine im Bereich einer Sensorfläche (5, 5a, 5b, 5c, 15, 28, 34, 38, 43, 50, 61, 72, 75) lichtdurchlässige, durch Licht anregende, oder entfernte Abdeckung (18) sichtbar ist.
Sensorfeld nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Sensorfeld (47) Verbindungsmittel vorgesehen sind oder zusätzlich eingebracht werden zum Verbinden mit einer Lichtquelle (52, 62), über die Licht in den oder die Lichteingänge einkoppelbar ist, und/oder zum Verbinden mit einer Signalaufnahmeeinrichtung (55, 66), mit der das an dem oder den Lichtausgängen austretende Licht erfassbar ist.
Sensorfeld nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass separat hergestellte Lichtleitkabel zur Zu- und Ableitung von Lichtsignalen des Sensorfelds von einer Lichtquelle (52, 63) und zu einer Signalaufnahmeeinrichtung (55, 66) vorgesehen sind.
Sensorfeld nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (42, 63) und/oder die Signalaufnahmeeinrichtung (55, 66), die mit dem oder den Lichteingängen und/oder dem oder den Lichtausgängen gekoppelt sind, mit dem Sensorfeld (1) integriert ist/sind.
Sensorfeld nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass an der Signalaufnahmeeinrichtung (55, 66) Verbindungsmittel zum Verbinden mit einer Signalauswerteeinrichtung (69) vorgesehen sind.
Sensorfeld nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Signalaufnahmeeinrichtung (55, 66) gekoppelte Signalauswerteeinrichtung (69) in das Trägermaterial (58, 70) eingebettet ist.
Sensorfeld nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (52, 63) sichtbares Licht oder nicht sichtbares Licht emittiert und die Signalaufnahmeeinrichtung (55, 66) zur entsprechenden Aufnahme ausgebildet ist.
Sensorfeld nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (52, 63) eine oder mehrere LED's und die Signalaufnahmeeinrichtung (55, 66) eine oder mehrere Fotodioden oder -transistoren umfasst.