DE102005010517A1

DE102005010517A1 - Tastsensor als Berührungs- oder taktiler Schalter

Info

Publication number: DE102005010517A1
Application number: DE200510010517
Authority: DE
Inventors: Axel R. Dr. Ing. Hidde
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2005-09-22
Also published as: DE202004003618U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Tastsensor als elektrischen Berührungs- oder taktilen Schalter, vornehmlich zwecks Nutzung im Bereich der Niederspannungs-Schaltgeräte zum Beispiel als Produkt- oder Geräteschalter.
Beim Tastsensor als Berührungs- oder taktilem Schhalter muß eine kraftschlüssige Berührung oder eine Berührung mit der Schaltfläche, mit oder ohne Druck, je nach technischem Aufbau des Sensors, zur Ausführung einer Schalthandlung stattfinden. Geschaltet oder getastet wird üblicherweise logisch mit geringer Leistung; Funktion und Leistung sind im Nachgang durch Logik und Verstärkung definiert, ebenso das Antwortsignal auf eine ausgeführte Schalthandlung.
Vorgestellt wird ein Tastsensor als Berührungs- oder taktiler Schalter unter Vermeidung oben genannter Nachteile, dessen Aufbau einfach gestaltet ist, so daß eine gute Montagefreundlichkeit gegeben ist. Weiterhin soll sich der Tastsensor in die Formensprache des Produkts einfügen. Unter Hygiene-Gesichtspunkten sind glatte, nicht unterbrochene Oberflächen anzustreben. Das Antwortsignal auf eine Schalthandlung muß benutzerfreundlich gestaltet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schalt- und Kontaktfläche des Tastsensors aus elektrisch leitendem Kunststoff hergestellt ist. Wird die Schalt- und Kontaktfläche, die über zwei Anschlußdrähte mit einer Auswerte- und Leistungselektronik verbunden ist, berührt, ändert sich der elektrische Widerstand des Materials der Schalt- und ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Tastsensor als elektrischen Berührungs- oder taktilen Schalter vornehmlich zwecks Nutzung im Bereich der Niederspannungs-Schaltgeräte zum Beispiel als Produkt- oder Geräteschalter.

Elektrische Niederspannungs-Schalter, als Gruppe der Schaltgeräte, sind hinlänglich bekannt; sie werden nach unterschiedlichen Kriterien klassifiziert, gemäß Norm VDE0660, Teil 1, nach

1. dem mechanischen Verhalten in den Schaltstellungen: Rast-, Tast-, Schloßschalter
2. der Betätigungsart: Hand/Fuß-, Anstoß-, Hilfs-, Fern-, Sprung-Schalter, Schütze, Schalter mit zwangsläufigem Öffnen
3. dem Schaltvermögen: Leer-, Last-, Motor-, Leistungs-Schalter
4. der Art der Lichtbogenlöschung: Luft-, Öl-, Gas-, Vakuum-Schalter
5. dem Verwendungszweck: Schutz-, Trenn-, Wahl-, Um-, Steuer-, Grenzschalter, Wächter, Begrenzer
6. der Einbau- oder Anschlußart: Fest eingebaute, einschiebbare, steckbare Geräte.

Daneben gibt es gemäß Norm eine Reihe zum Teil allgemeiner, zum Teil spezieller elektrischer Kenngrößen für Niederspannungs-Schaltgeräte.

Elektrische Rastschalter können nach Betätigungsart durch Druck oder Zug, Torsion, durch Berührung oder berührungslos bedient werden. Der Benutzer/Bediener erwartet eine Antwort über seine gewollte/ausgeführte Schalthandlung in Form eines mechanischen, elektrischen, optischen oder akustischen Signals. Bei einem Rastschalter kann die ausgelöste Schalthandlung durch mechanische Stellung des Schalthebels/-knopfs optisch wahrgenommen oder gefühlt werden; die Rastschalter besitzen eine mechanische, elektrische oder optische Speicherung der Schaltstellung.

Bei dem nach Betätigung in seine Ausgangsstellung zurück kehrenden Tastschalter ist eine zusätzliche Meldung/Anzeige über die Schaltstellung erforderlich. Der elektrische Taster stellt insofern eine Sonderform des Schalters dar, als daß das Ergebnis der Schalthandlung dem Benutzer offenbart werden muß. Wie beim elektrischen Rastschalter, gibt es beim auch Tastschalter die oben erwähnten Bauformen; Tasten durch Druck, Zug, Torsion, Berührung oder berührungslose Bewegung.

Rast- und Tastschalter in Kurzhub-Ausführung weisen lediglich auf den kurzen Schaltweg/-hub hin oder besitzen eine mechanische, pneumatische, hydraulische oder elektrische Übersetzung und können durch Tipp-Betrieb mit geringem Druck, Zug oder Torsion betrieben werden.

Beim Folien- oder Membranschalter oder -tastatur sind dünne, elektrisch leitende Kontaktfolien, bestehend aus drei Schichten einschließlich isolierender Mittelschicht oder zweischichtig mit isolierendem Netzbespann zwischen den leitenden Schichten, angeordnet. Die Schalthandlung erfolgt durch leichten mechanischen Druck und Herstellung einer elektrischen Kontaktierung an der Kontaktstelle zwischen Ober- und Unterfolie; die Mittelfolie weist an der Kontaktstelle eine Aussparung auf.

Beim berührungslosen Schalten oder Tasten durch Licht, Tages-, Aktiv-/Passiv-Infrarot (IR)-, Ultra-violett (UV)-Licht, Induktion (Hall-Generator, Feldplatte), Kapazität (Piezo-Effekt) oder Akustik genügt jeweils eine Feldänderung durch definierte Bewegung als Schaltsignal in gegebenem Abstand vom gekennzeichneten Schalter/Taster.

Beim Tastsensor als Berührungs- oder taktilem Schalter muß eine kraftschlüssige Berührung oder eine Berührung mit der Schaltfläche, mit oder ohne Druck, je nach technischem Aufbau des Sensors, zur Ausführung einer Schalthandlung stattfinden. Geschaltet oder getastet wird üblicherweise logisch mit geringer Leistung; Funktion und Leistung sind im Nachgang durch Logik und Verstärkung definiert, ebenso das Antwortsignal auf eine ausgeführte Schalthandlung.

Gemäß dem Stand der Technik sind eine Reihe von Ausführungsformen von Tastsensoren unterschiedlicher Technologie bekannt. In Patentschrift CH 693 075 A5 / DE 196 15 827.3 wird ein Tastsensor mit einem Infrarot-Empfänger dargestellt, welcher zwecks Datenaustausch an einen Busankoppler angeschlossen ist. Der Tastsensor besteht aus mehreren händisch zu bedienenden Tasten, denen Schaltkontakte hinterlegt sind; die Rückmeldung erfolgt über separate optische Anzeigen. Der Aufbau des Tastsensors ist sehr aufwendig gestaltet, besteht aus vielen Einzelteilen, der Zusammenbau erfolgt nicht montagefreundlich. Der Tastaturaufbau besteht aus das Produktdesign bestimmenden, bedruckten Einzeltasten, deren Hygiene ebenfalls aufwendig ist.

Patentschrift CH 664 831 A5 / US 476 685 weist einen x-Element taktilen Matrix-Tastsensor aus. Im 90°-Winkel zueinander verlaufende, parallele, untereinander isolierte Leiter zweier waagerechter Ebenen sind bei Druckgebung über eine isolierte, waagerechte, dritte Mittelschicht, die an den Schnittpunkten der beiden Leiterebenen senkrecht stehende, leitende Stifte führt, an den Druckstellen elektrisch miteinander verbunden. Die senkrecht stehenden, leitenden Stifte haben Querschnitte, die bei Druckgebung logarithmische Änderungen des elektrischen Kontaktwiderstands her vor rufen. Der Aufbau der Matrix-Tastatur ist sehr aufwendig, jedoch besitzt sie eine pflegeleichte, glatte Oberfläche. Aussagen über ein gestaltetes Rückantwort-Signal werden nicht getroffen.

Die Offenlegung DE 39 14 555 A1 stellt einen elektronischen Tastsensor vor, bestehend aus elastischem Material mit einem definierten elektrischen Leitwert, daß derart kontaktiert wird, daß sich bei Druckänderung eine Verformung der Andruckfläche ergibt und damit eine Änderung des elektrischen Widerstands. Wird auf dieser Basis eine Linien- oder Matrix-Struktur aufgebaut, erlaubt der elektronische Tastsensor bei entsprechender Diodenentkopplung eine ein- bzw. zweidimensionale Richtungserkennung. Über die Produktgestaltung wurde keine Aussage getroffen.

Die PCT-Anmeldung DE 198 59 779.7 / EP 1 142 118 A1 /WO 00/39 927 offenbart einen Tastsensor, bei dem eine Faser derartig mit einem als Kondensator ausgeführten Meßwandler verbunden ist, daß eine Berührung des freien Endes der Faser mit einem Objekt in elektrische Signale umgewandelt wird. Der Sensor gestattet darüber hinaus die Registrierung von dynamischen Bewegungen und damit die Bestimmung der Relativgeschwindigkeit zwischen Sensor und Objekt. Als Einsatzgebiet ist z.B. die Robotik vorgesehen.

Die niederländische Anmeldung NL C 10 02 907 beschreibt einen matrixförmigen Tastsensor bestehend aus druckempfindlichen, geschichteten Segmenten, wobei bei zunehmender Kraftaufbringung der OHMsche Widerstand sinkt. Durch die Matrixstruktur ist eine zweidimensionale Richtungserkennung gegeben.

Als nachteilig weist sich bei den vorgestellten Lösungen die Schichtung und Matrixbildung der Tastsensoren aus, da sich der Herstell- und Montageprozeß zu aufwendig gestaltet. Die Aufbringung von Leiterbahnzügen auf flexibles Leiterplatten-Material ist grundsätzlich möglich, setzt jedoch den Einsatz teuren Basismaterials voraus. Die Visualisierung des Antwortsignals auf eine taktile Schalthandlung läßt sich nur schwer innerhalb der Schaltmatrix verwirklichen. Oft soll die Bediener-Schnittstelle gleichzeitig die äußere Geräte-/Gehäuse-Oberfläche darstellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Tastsensor als Berührungs- oder taktilen Schalter unter Vermeidung der oben genannten Nachteile zu entwerten, dessen Aufbau einfach gestaltet ist, so daß eine gute Montagefreundlichkeit gegeben ist. Weiterhin soll sich der Tastsensor in die Formensprache des Produkts einfügen. Unter Hygiene-Gesichtspunkten sind glatte, nicht unterbrochene Oberflächen anzustreben. Das Antwortsignal auf eine Schalthandlung muß benutzerfreundlich gestaltet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schalt- und Kontaktfläche des Tastsensors aus elektrisch leitendem Kunststoff hergestellt ist. Wird die Schalt- und Kontaktfläche, die über zwei Anschlußdrähte mit einer Auswerte- und Leistungselektronik verbunden ist, berührt, ändert sich der elektrische Widerstand des Materials der Schalt- und Kontaktfläche; diese Materialänderung löst in der nachgeschalteten Elektronik eine Schalthandlung aus.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt- und Kontaktfläche aus elektrisch leitendem, transparentem Kunststoff ausgeführt ist.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Schalt-/Kontaktfläche in die Gehäuse-Oberfläche des Produkt-Design integriert ist. Das bringt Vorteile für die äußere Pflege des Produkts, z.B. beim Einsatz im medizinischen Bereich. Darüber hinaus bietet die rundum leitende Gehäuse-Oberfläche Vorteile bei umwelttechnischen Gesichtspunkten, wie der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und der elektrostatischen Entladung (ESD) bei Ab- und Einstrahlung von Feldern.
Die Schalt-/Kontaktfläche des Tastsensors wirkt elektrisch auf eine Auswerte-Elektronik, welche mittels Logik und Verstärkung Funktion und Leistung sowie das Antwortsignal auf die ausgeführte Schalthandlung bestimmt. Die elektrische Schaltung wird als empfindliche elektrische Brücke ausgeführt; der Tastsensor ist schaltsicher.
Bei einer im 2-Komponenten-Spritzverfahren eingebrachten transparenten Schalt-/Kontaktfläche – wenn die Oberfläche des Gehäuses nicht ohnehin transparent gestaltet ist – läßt sich ein optisches Antwortsignal durch eine Lichtquelle, vorzugsweise einer Light-emitting Diode (LED), hinterlegen.
Wird die Lichtquelle mit einer Lichtregelung versehen, dient die Lichtquelle darüber hinaus der Signalisierung weiterer Funktionen, wie z.B. die Beleuchtung der Schalt-/Kontaktfläche oder einer Tages-/Kunstlichtregelung oder weiterer Lese-/Arbeitslicht-Funktionalität.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, daß die hoch transparente Schalt-/Kontaktfläche des Tastsensors optische Eigenschaften aufweist, die dazu dienen können, bei dem abgestrahlten Licht der Lichtquelle eine Lichtlenkung/-bündelung vorzunehmen oder im Umkehrverfahren aus dem Außenlicht mittels einer/s Fotodiode/-transistors eine Signalisierung im Tastsensor herzuleiten.
Befindet sich die Schalt-/Kontaktfläche innerhalb einer elektrisch leitenden Produktoberfläche, ist die Lage der Schalt-/Kontaktfläche zwischen den beiden Anschlußdrähten gemäß den Regeln des elektrischen Strömungsfelds definiert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in der produktionstechnisch bedingten Vorfertigung der Schalt-/Kontaktfläche mit elektrischen Anschlüssen als Einlegeteil.
Je nach Anforderung an den Tastsensor, ist nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Schalt-/Kontaktfläche geometrisch geformt; die geometrische Formgebung hat z.B. zum Ziel, aus einer aus mehreren Schritten bestehenden Schalthand lung des Bedieners einen Algorithmus in der nachgeschalteten Auswerte-Elektronik abzuleiten.
Eine ähnliche Zielsetzung verfolgt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß die Schalt-/Kontaktfläche aus leitfähigem Kunststoff fest abgegrenzte oder fließende Zonen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit aufweist, um im Falle der Betätigung zusätzliche Informationen für die Schalthandlung abzuleiten.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den Entwicklungsstand des Tastsensors fortzuschreiben, die Bedienung bei erhöhter Übersichtlichkeit zu vereinfachen, die Betriebssicherheit zu vergrößern, die Werkzeugkosten und die Teilevielfalt zu reduzieren, um dem Markt ein modernes Produkt anzubieten. Die zahlreichen Möglichkeiten und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der Anzahl der Schutzrechtsansprüche wider.

Claims

Die Erfindung betrifft einen Tastsensor als elektrischen Berührungs- oder taktilen Schalter, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt- und Kontaktfläche des Tastsensors aus elektrisch leitendem Kunststoff hergestellt ist.
Tastsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt- und Kontaktfläche aus elektrisch leitendem, transparentem Kunststoff ausgeführt ist.
Tastsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt-/Kontaktfläche in die Gehäuse-Oberfläche des Produkt-Design integriert ist.
Tastsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt-/Kontaktfläche elektrisch auf eine Auswerte-Elektronik, z.B. eine empfindliche, elektrische Brücke, wirkt, welche mittels Logik und Verstärkung Funktion und Leistung sowie das Antwortsignal auf die ausgeführte Schalthandlung bestimmt.
Tastsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration eines Antwortsignals über die vollzogene Schalthandlung in die Schalt-/Kontaktfläche gegeben ist.
Tastsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Schalt-/Kontaktfläche mit einer Lichtquelle, z.B. einer Lightemitting Diode (LED), als optisches Antwortsignal hinterlegt ist.
Tastsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die der transparenten Schalt-/Kontaktfläche hinterlegte Lichtquelle eine Lichtregelung aufweist, deren Helligkeitsstufen der Signalisierung verschiedener Funktionen dienen.
Tastsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hoch transparente, elektrisch leitende Schalt-/Kontaktfläche optische Eigenschaften aufweist.
Tastsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Produkt-Designoberfläche des Kunststoffgehäuses elektrisch leitend gestaltet ist.
Tastsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt-/Kontaktfläche innerhalb der elektrisch leitenden Produktoberfläche durch elektrische Anschlüsse gegeben ist.
Tastsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt-/Kontaktfläche mit elektrischen Anschlüssen als Einlegeteil gefertigt ist.
Tastsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt-/Kontaktfläche aus elektrisch leitendem Kunststoff für den bestimmungsgemäßen Gebrauch eine geometrische Form erhält.
Tastsensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt-/Kontaktfläche aus elektrisch leitendem Kunststoff für den bestimmungsgemäßen Gebrauch unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten aufweist.