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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Bedieneinheit sowie ein Verfahren zur Auslösung
einer Funktion infolge der Annäherung eines Objekts nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 11.
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Stand der Technik
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In
vielen Bereichen des täglichen Lebens werden kapazitive
oder optische Taster eingesetzt. Als Beispiel kann das allgemein
eingeführte Bedienkonzept unter der Ceranplatte am Herd
genannt werden. Unter einer hitzebeständigen Glasplatte
befinden sich bei einer kapazitiven Lösung Flächen,
die auf eine geringe Kapazitätsänderung reagieren,
wie sie durch Auflegen des Fingers hervorgerufen werden. Bei der
optischen Lösung befinden sich unterhalb der Glasplatte
optische Sender und Empfänger. Ausgesandt wird in der Regel
Infrarotlicht. Ändert sich durch Auflegen des Fingers die
Reflektionseigenschaft, so detektiert dies die beschriebene Anordnung.
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Die
kapazitiven Sensoren reagieren auf leitfähige Elemente,
wie sie ein Finger auf Grund seines Flüssigkeitsanteils
darstellt. Trockenes Papier verändert jedoch kaum die Kapazität,
so das dieses nicht erkannt wird. Anders jedoch bei metallischen
Töpfen oder feuchten Lappen. Diese Gegenstände
werden auf Grund ihrer Leitfähigkeit wie ein Finger erkannt. Aus
diesem Grunde müssen für eine halbwegs zuverlässige
Bedienung zusätzliche Schritte eingeführt werden.
Um Fehlbedienungen möglichst zu vermeiden, werden in der
Regel sogenannte Zeit- und Funktionsfenster in die Bedienphilosophie
eingebaut. Diese haben z. B. folgende Funktion:
Man will auf
einem Ceranfeld eine bestimmte Herdplatte einschalten. Dazu ist
ein Bedienfeld mit z. B. kapazitiven Sensoren vorgesehen. Zuerst
muss eine sogenannte Aktivierungstaste (Kindersicherung) z. B. drei
Sekunden betätigt werden. Danach öffnet sich für
weitere fünf Sekunden ein Zeitfenster und gibt die Bedienung
des eigentlichen Tastenfeldes frei. Innerhalb des letztgenannten
Zeitfensters muss dann durch eine mindestens drei Sekunden währende
Betätigung einer Taste die gewünschte Herdplatte
eingeschaltet werden. Wird inner halb dieser fünf Sekunden
keine weitere Taste betätigt, schließt sich das Zeitfenster
und das Tastenfeld wird deaktiviert. Auflegen des Fingers für
mindestens eine Sekunde auf einer dritten Taste zählt dann
die entsprechende Heizstufe rauf oder runter. Das Ausschalten oder
Verändern der Heiztemperatur erfolgt auf ähnliche
Weise.
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Diese
zeitaufwändigen und wenig intuitiven Bedienphilosophien
werden benötigt, um Fehlbedienungen beim Reinigen der Bedienoberfläche,
z. B. mit einem feuchten Lappen oder durch unbefugte Kinderhände
oder auch nur auf das Bedienfeld gestellte Töpfe möglichst
gering zu halten. So melden sich diese Bedienfelder mit einem Warnton,
wenn z. B. ein Topf oder ein anderer leitfähiger Gegenstand auf
das Bedienfeld gestellt wird. Praxistests haben gezeigt, das trotz
dieser Vorsichtsmaßnahmen Fehlbedienungen durchaus vorkommen
können, wenn z. B. mit einem feuchten Lappen langsam die
Bedienoberfläche gereinigt und dabei zufällig
die richtige Tastenfolge eingehalten wird. Dies gilt ebenso für
optische Taster. Sie reagieren auf jeden reflektiven Gegenstand,
also auch auf nichtleitende Gegenstände wie Papier, Holz
usw.
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Durch
die Bedienphilosophie mit entsprechender Tastenfolge und vorgegebenen
Verweilzeiten kann zwar eine Herdplattensteuerung realisiert werden,
sie eignet sich aber nicht für eine schnelle Bedienung,
wie sie z. B. für das Bedienfeld einer Klingelanlage gefordert
wird. Dort will man ja ohne Zeitverzögerung eine bestimmte
Taste aktivieren, ohne sich vorher um eine „Freischaltung"
kümmern zu müssen.
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Hier
jedoch zeigt sich das Paradoxe, ein Berühren mit dem Finger
soll erkannt werden, jedoch nicht das Überwischen zwecks
Reinigung mit einem feuchten Lappen. Beide Tätigkeiten
rufen in einem optischen oder kapazitiven Taster die gleiche Wirkung
wie eine Fingerberührung hervor, d. h. die Klingel würde
ausgelöst.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zu Grunde, eine Bedieneinheit und ein Verfahren zur Auslösung
einer Funktion zu schaffen, die oben beschriebene Mängel
nicht aufweisen und nur auf gewünschte Tast- und Schaltvorgänge
reagieren.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Bedieneinheit mit den Merkmalen des Anspruches
1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 11
gelöst.
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Die
Bedieneinheit und das Verfahren sind nun in der Lage, den Annäherungswinkel
und/oder die Größe des Objekts zu erkennen, so
dass mit einer entsprechenden Logik erkannt werden kann, ob tatsächlich
ein Tastvorgang erfolgen soll oder nicht. Im Beispiel bedeutet das,
dass dann z. B. einerseits, wenn der Annäherungswinkel
an einen Taster unterhalb eines bestimmten Winkels liegt, die Auswerteeinheit
folgert, dass kein Tastvorgang erfolgen sollte. Ist andererseits
der Gegenstand größer als die Bedieneinheit, so
dass sich in der Projektion in Richtung auf die Sensorflächen
ein entsprechendes Signal ergibt, wird ebenfalls auf ‚keinen
Tastvorgang' geschlossen. Die Bedieneinheit reagiert damit nicht
auf ein Überwischen oder Verweilen eines beliebigen Gegenstand
auf der Sensorfläche oder auf das versehentliche Berühren
unbefugter Kinderhände. Sie reagiert vorzugsweise auch
nicht auf Luftfeuchtigkeit oder Beregnung. Die Berührung
mit einem Finger oder einem anderen zur Auslösung der Funktion
bestimmten Objekt wird jedoch ohne Zeitverzögerung sofort
erkannt.
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Ein
derartige Bedieneinheit kann als Taster z. B. in einer Klingelanlage
hinter einer Vandalismus sicheren Glasscheibe eingesetzt werden.
Die „Klingelknöpfe" reagieren korrekt auf das
Berühren mit dem Finger, jedoch nicht, wenn z. B. mit einem
feuchten Lappen die Glasfläche gereinigt wird oder wenn
Kinder unkontrolliert auf der Glasoberfläche herumtasten.
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Auch
Anwendungen unter dem oben genannten Ceranfeld sind von Vorteil.
Gegenstände können beliebig auf das Bedienfeld
gestellt werden, es kann feucht abgewischt oder auch darauf herumgegrapscht
werden, ohne dass eine Taste anspricht. Erst wenn gezielt mit einem
Finger eine Taste berührt wird, spricht sie an.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden
Beschreibung.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Im
Folgenden wird die Erfindung an Hand der beigefügten Figuren
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Es zeigen:
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1 Eine
schematische Darstellung der Bedienoberfläche mit zugehöriger
Sensorelektronik und zugehörigen Sensorwerten bei einem
winklig auf die Bedienoberfläche ausgerichteten Objekt,
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2 eine
schematische Darstellung gemäß 2 bei
einem flach auf die Bedienoberfläche ausgerichteten Objekt,
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3 eine
schematische Darstellung der Sensorelektronik mit zugehöriger
Auswerteelektronik,
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4 Sensorsignale
für innere Sensorfläche, umgebende Sensorfläche
und die daraus resultierende Ausgangsinformation bei einer korrekten Fingerannäherung
bzw. Berührung der inneren Sensorfläche,
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5 eine
Darstellung gemäß 4 bei flachem
Auflegen des Fingers,
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6 eine
Darstellung gemäß 4 bei einem
Wischen mit einem feuchten Lappen,
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7 eine
Darstellung gemäß 4 bei einem Überwischen
mit einem Finger über die Sensoranordnung (wobei eine entsprechende
zeitliche Auswertung der Sensorausgangswertewerte 1.11 und 7.1 berücksichtigt
ist),
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8 eine
Darstellung gemäß 4 bei einer
Beregnung der Sensorfläche,
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9, 10 Ausgestaltungen
verschiedener Sensorflächen,
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11 eine
Ausgestaltung eines Schiebereglers,
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12 eine
Ausgestaltung eines Bedienelements für eine ‚Maus-ähnliche'
Cursorsteuerung,
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13, 14 eine
schematische Darstellung einer optischen Bedienoberfläche
mit zugehörigen Sensorwerten bei einem winklig bzw. bei
einem flach auf die Bedienoberfläche ausgerichteten Objekt,
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15 eine
Draufsicht auf die Bedienoberfläche gemäß 13,
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16 eine
schematische Darstellung einer zugehörigen Elektronik.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Bevor
die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen,
dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie
die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese
Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten
Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen
zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet.
Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl
oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch
auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig
etwas Anderes deutlich macht.
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Im
Folgenden wird die Erfindung an Hand eines kapazitiven System unter
einem Ceranfeld beschrieben. Bei einer optischen Lösung
sind lediglich die kapazitiven Sensorflächen durch optische
Sensorflächen mit Sender und Empfänger zu ersetzen, worauf
im Zusammenhang mit der Beschreibung der 13 bis 16 noch
näher eingegangen wird. Grundsätzlich ist der
Taster oder Schalter für alle Einsatzgebiete geeignet,
in denen Tast- oder Schaltvorgänge vorgenommen werden,
insbesondere um Strom für eine beliebige Funktion zu schalten.
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Die 1 und 2 zeigen
eine Bedieneinheit 1.1 mit zugehöriger Elektronik
und den daraus ermittelten Sensorausgangswerten bei Annäherung eines
Objekts 1.6, das im Folgende als Finger 1.6 angesprochen
wird. Es versteht sich, dass mit diesem System auch die Annäherung
anderer Objekte erkannt werden kann. Mittels einer Sensorelektronik 1.7,
die auf geringe kapazitive Änderungen reagiert, wird zusammen
mit einer kapazitiv wirksamen Sensorfläche 1.3 ein
kapazitiver Taster gebildet. Der Durchmesser der als Taster kapazitiv
wirksamen Sensorfläche 1.3 beträgt z.
B. 20 mm. Sie kann z. B. auf dem Trägermaterial 1.2 einer üblichen
Elektronikplatine aufgebracht werden, die auch die entsprechende
Sensorelektronik 1.7 trägt. Wird diese Platine dann
unmittelbar oder über entsprechende Leitgummi unter einer
Ceranfläche angebracht, entspricht diese Anordnung einem
handelsüblichen kapazitiven Taster. Das Auflegen eines
Fingers 1.6 auf die Sensorfläche verändert
die Kapazität der Sensorfläche zur Umgebung und
wird als Tastfunktion erkannt.
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Dem
Verständnis halber wird die Reaktion auf eine Annäherung
mit einem leitfähigen Gegenstand, also einem Finger, Topf,
feuchten Lappen oder dergleichen als analoges Ausgangssignal 1.10 der Sensorelektronik 1.7 dargestellt.
Die Annäherung eines Fingers ruft dann eine Erhöhung
des Sensorausgangswerts 1.11 hervor, die als solche bei Überschreiten
eines vorgegebenen Schwellwertes 1.12 als Tastfunktion
erkannt wird. Diese Funktion wird allerdings auch beim Auflegen
oder Überwischen mit einem feuchten Lappen über
die Sensorfläche oder bei jedem anderen leitfähigen
Gegenstand auf der Sensorfläche ausgelöst.
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Diese
beiden Betätigungen – Berühren mit einem
Finger und Berühren mit einem beliebigen leitfähigen
anderen Gegenstand – sollen für die in dieser Erfindung
beschriebene gewünschte Funktion voneinander gesondert
erkannt werden. Dazu wird um die insofern innere Sensorfläche 1.3 herum
eine zweite, im einfachsten Fall ringförmige äußere
Sensorfläche 1.4 angebracht. Grundsätzlich
ist es jedoch nur erforderlich, dass eine Sensorfläche,
wie auch immer sie geformt ist – d. h. mit einer beliebigen
Geometrie –, von einer anderen Sensorfläche zumindest
teilweise so umgeben ist, dass erkannt werden kann, ob gezielt die
eine Sensorfläche betätigt wird, ohne dass die
andere Sensorfläche in nennenswerten Umfang beeinflusst
wird.
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Im
Ausführungsbeispiel der 1 bis 8 hat
die äußere Sensorfläche eine Breite von
z. B. 5 mm. Der Rest der vorhandenen Fläche, die im vorliegenden
Fall die äußere Sensorfläche umgibt,
kann als Massefläche 1.5 ausgebildet werden. Die
um die innere Sensorfläche 1.3 liegende umgebende
Sensorfläche 1.4 wird mit einer weiteren Sensorelektronik 1.8 verbunden,
die gleich wie die Sensorelektronik 1.7 für die
innere Sensorfläche 1.3 aufgebaut sein kann. Die
Empfindlichkeit der beiden Systeme wird im Ausführungsbeispiel
so ausgebildet, das ein Finger 1.6, der nahezu flach (0–20
Grad) mit der Fingerspitze auf die innere Sensorfläche 1.3 gelegt
wird, in der Sensoranordnung der umgebenen Sensorfläche 1.4 einen
dieses Ereignis identifizierenden, im Ausführungsbeispiel
größeren Sensorausgangswert als in der inneren
Sensorfläche 1.3 erzeugt. Die entsprechenden Empfindlichkeiten
können über die Sensorflächenverhältnisse
beliebig eingestellt werden. Je größer die Sensorfläche,
desto größer fällt die Erhöhung
des Sensorausgangswerts 1.11 bzw. 1.13 bzw. Änderung
des Sensorwerts aus. Der gleiche Effekt kann auch über
unterschiedlich große Empfindlichkeiten der Sensorelektroniken
erreicht werden, oder die Schwellwerte 1.12 für
die innere und umgebende Sensorfläche werden verschieden
groß gewählt.
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So
kann in der Praxis z. B. die innere Sensorfläche einen
Durchmesser von 10 mm und bei z. B. 0,5 mm Abstand die Breite der
umgebende Sensorfläche 2 mm aufweisen. Bei entsprechender
Empfindlichkeit der Elektronik bzw. Wahl passender Schwellwerte 1.12 kann
ein flach aufgelegter Finger auch dann noch zuverlässig
von einem schräg oder senkrecht aufgesetzten Finger unterschieden
werden. Das senkrechte oder zumindest nicht planparallele Aufsetzen
eines Fingers führt dann zu einem höheren Sensorausgangswert 1.11 der
inneren Sensorfläche gegenüber dem Sensorausgangswert 1.13 der umgebenden
Sensorfläche 1.4. Somit kann über einen
Größenvergleich zwischen dem Sensorausgangswert 1.11 der
inneren Sensorfläche und dem Sensorausgangswert 1.13 der
umgebenden Sensorfläche auf eine korrekte Bedienung mit
dem Objekt bzw. Finger 1.6 oder eine fehlerhafte Bedienung
z. B. durch einen feuchten Lappen unterschieden werden. Ein Lappen
wird z. B. beim Reinigen in der Regel flächig die Oberfläche
berühren und daher immer in dem umgebenden Sensor einen
unterscheidbaren, im Ausführungsbeispiel größeren
Ausgangswert wie beim inneren Sensor erzeugen. Gleiches gilt auch
für Töpfe oder beliebige andere Gegenstände.
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Die
beiden Sensorelektroniken müssen vorzugsweise durch eine
geeignete Steuerelektronik
1.9 so angesteuert werden, dass
sie sich gegenseitig nicht stören. Dies kann durch sequentielle
Abfrage der Sensorflächen
1.3 und
1.4 geschehen
oder auch durch eine Schaltungsanordnung nach dem in der
EP 0 706 648 B1 beschriebenen
Halios-Verfahren.
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1 zeigt
die Sensorausgangswerte 1.11 und 1.13 bei korrekter
Bedienung. Berührt der Finger 1.6 mit einem Mindestwinkel
von z. B. 30–90 Grad die innere Sensorfläche 1.3,
wobei 90° der Senkrechten zur Bedienebene entspricht, bildet
sich ein höheres Sensorsignal 1.11 als das Sensorsignal 1.13 der
umgebenden Sensorfläche 1.4. Diese Sensorfläche
ist bei korrekter Bedienung weiter vom Finger entfernt und wird
entsprechend weniger beeinflusst. Wird jedoch der Finger wie in 2 oder 5 dargestellt flach
oder mit einem Winkel von z. B. kleiner 30 Grad auf die Sensorflächen 1.3 und 1.4 aufgelegt,
ist das Sensorsignal 2.1 größer als das
Sensorsignal 1.11. Dasselbe gilt für ein Überwischen
mit einem feuchten Lappen oder ein Daraufstellen von leitfähigen
Gegenständen. Dabei ist gleichgültig, ob ein z.
B. metallener Topf langsam von der Seite aus auf die Sensoranordnung
geschoben wird oder von oben herab aufgesetzt wird. Die Abgrenzung
der Winkel kann beliebig eingestellt werden.
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Damit
wird der Annäherungswinkel des Objekts an die Sensorfläche
zum Kriterium für die Auslösung einer Funktion,
d. h. für die Betätigung des Tastvorgangs. Maßgeblich
kann aber auch die Größe des Objekts, ggf. im
Zusammenhang mit dem Annäherungswinkel sein, da eine Abstimmung
auf die Größe des Objekts über die innere
Sensorfläche 1.3 erfolgen kann. Insofern ist auch
ggf. die Projektion des Objekts in Richtung auf die Sensorfläche
dafür entscheiden, ob ein Tastvorgang als solcher anerkannt wird
oder nicht.
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Eine
Auswertevorrichtung 3.1 vergleicht gemäß 3 beide
Sensorwerte 1.11 und 1.13 bzw. 2.1 und
leitet daraus in einer logischen Operation ein korrektes Bedienen
mit dem Finger 1.6 oder eine Fehlfunktion z. B. durch Überwischen
ab. Wird der Schwellwert 1.12 vom Sensorausgangswert 1.11 der inneren
Sensorfläche 1.3 überschritten, während
der Sensorwert 1.13 der umgebenden Sensorfläche 1.4 den
Schwellwert 1.12 noch nicht überschritten hat, liegt
eine korrekte Bedienung vor. In diesem Fall wird eine Ausgangsinformation 3.2 (3)
z. B. als Schaltsignal ausgegeben. Überschreitet allerdings der
Sensorwert 2.1 der umgebenden Sensorfläche 1.4 den
Schwellwert 1.12, bevor der Sensorwert 1.11 der
inneren Sensorfläche diesen erreicht, liegt eine nicht
korrekte Funktion vor und es wird keine Ausgangsinformation ausgegeben.
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Der
Sensorwert 2.1 der umgebenden Sensorfläche 1.4 wird
immer dann ausgeben und Im Ausführungsbeispiel größer
als der Sensorwert 1.11 der inneren Sensorfläche 1.3 sein,
wenn ein flächiger leitfähiger Gegenstand, z.
B. ein feuchter Lappen, eine flache Hand, ein Topf oder ähnliches
auf die Sensorvorrichtung gesetzt oder seitlich daraufgeschoben wird.
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Zur
Verdeutlichung der Funktionsweise der Sensoranordnung werden in 4 bis 8 die Sensorsignale
für innere Sensorfläche, umgebende Sensorfläche
und die daraus resultierende Ausgangsinformation 3.2 dargestellt.
Dazu werden folgende Zustände aufgezeigt:
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4 eine
korrekte Fingerannäherung bzw. Berührung der inneren
Sensorfläche,
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5 ein
flaches Auflegen des Fingers,
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6 ein
Wischen mit einem feuchten Lappen,
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7 ein Überwischen
mit einem Finger über die Sensoranordnung (wobei eine entsprechende
zeitliche Auswertung der Sensorausgangswertewerte 1.11 und 7.1 berücksichtigt
ist),
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8 eine
Beregnung der Sensorfläche.
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Im
Fall des Überwischens mit einem Finger über die
Sensoranordnung gemäß 7 überschreit der
Sensorausgangswert 1.11 der inneren Sensorfläche 1.3 den
Schwellwert 1.12, während der Sensorausgangswert 7.1 der
umgebenden Sensorfläche bereits wieder unter den Schwellwert 1.12 gesunken
ist. Dieses würde aber eine Ausgangsinformation 3.2 bedeuten.
In der Praxis ist dies oft unerwünscht. Z. B. soll nur
ein korrektes Bedienen, also ein Auflegen des Fingers auf die innere
Sensorfläche 1.3 erkannt werden, nicht dagegen,
wenn über die Sensoranordnung mit dem Finger gewischt wird.
Oder auch nicht, wenn seitlich der Finger auf die Sensoranordnung
zugeschoben wird und abrupt auf der inneren Sensorfläche
zum stehen kommt.
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Dazu
wertet die Auswertelogik 3.1 die Sensorausgangswerte 7.1 des
umgebenen Ringes 1.4 kurz vor dem Zeitpunkt aus, an dem
der Sensorausgangswert 1.11 der inneren Sensorfläche 1.3 den Schwellwert 1.12 überschreitet.
Bei einer korrekten Bedienung, also wenn der Finger 1.6 nur
auf die innere Sensorfläche 1.3 gelegt wird, steigt
nur der Sensorausgangswert 1.11 der inneren Sensorfläche
an, während im unmittelbaren Zeitpunkt davor der Sensorausgangswert
der umgebenden Sensorfläche 1.4 sich nicht oder
nur unwesentlich verändert. Wird jedoch mit dem Finger 1.6 von
der Seite her über die Sensoranordnung gewischt, steigt
zuerst der Sensorausgangswert 7.1 der umgebenden Sensorfläche 1.4 kurzzeitig
an und fällt wieder ab, während direkt im Anschluss
daran der Sensorausgangswert der inneren Sensorfläche 1.3 ansteigt.
Dieser Anstieg des Sensorausgangswertes 7.1 der umgebenden
Sensorfläche 1.4 kurz vor dem Anstieg des Sensorausgangswertes
der inneren Sensorfläche 1.3 kann detektiert werden
und die Ausgabe der Tastfunktion unterbinden.
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Im
Detail kann die Funktion folgendermaßen ablaufen: jedes Überschreiten
des Sensorausgangswertes 1.11 der inneren Sensorfläche 1.3 über
den vorgegebenen Schwellwert 1.12 führt zu einer
korrekten Tasterfunktion, wenn in den letzten 500 ms der Sensorausgangswert 7.1 der
umgebenden Sensorfläche 1.4 nicht über
den vorgegebenen Schwellwert 1,12 lag oder noch
liegt.
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In
einer etwas komfortableren Ausführung wird der Verlauf
der Sensorausgangswerte 1.11 und 7.1 über
die Zeit näher betrachtet. Fällt der Sensorausgangswert 7.1 relativ
stetig ab, während der Sensorausgangswert 1.11 relativ
stetig ansteigt, wird bei Überschreiten des Schwellwertes 1.12 durch
den Sensorausgangswert 1.11 keine Ausgangsinformation ausgegeben.
Relativ stetig bedeutet dabei, dass z. B. infolge des Zittern des
Fingers auch Werte in die entegegengesetzte Richtung anfallen können,
tendenziell jedoch ein Steigen oder Fallen zu beobachten ist. Bei
Anwendung dieser Funktion kann im weiten Umfang beliebig langsam über
die Bedieneinheit gewischt werden, ohne dass sie anspricht. Auch
ein Wischen in der Art, das der Finger direkt auf der inneren Sensorfläche
zum Stillstand kommt, führt durch oben beschriebene Maßnahme
nicht zu einem Ansprechen der Bedieneinheit. In der Praxis hat sich diese
Funktion besonders bei unkontrollierter Berührung durch
Kinderhände, z. B. auf einem Ceranfeld als vorteilhaft
erwiesen.
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Durch
die Unterscheidungsmöglichkeit von Überwischen
und korrekter Bedienung ergibt sich eine weitere mögliche
Anwendung. So kann durch Antippen der inneren Sensorfläche
eine Funktion gestartet werden, während sie durch ein „Auswischen" wieder
beendet wird.
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Feuchtigkeit
auf der Bedieneinheit beeinflusst in erster Linie die Sensorausgangswerte
der umgebenden Sensorfläche 1.4, da diese ja in
unmittelbarer Umgebung der umgebenden Massefläche 1.5 liegt.
Feuchtigkeit bedeutet eine erhöhte Kapazität zwischen
der umgebenden Sensorfläche 1.4 und einer eventuell
vorhandenen Massefläche 1.5. In diesem Fall steigt
gemäß 8 der Sensorausgangswert 8.3 für
die umgebende Sensorfläche 1.4 stärker, bzw.
schneller an wie der Sensorausgangswert 8.2 für
die innere Sensorfläche 1.3. Dadurch wird gewährleistet,
das ein Feuchtigkeitsfilm oder Regentropfen bzw. ablaufende Regentropfen
keine Funktion auslösen können. Eine Massefläche 1.5 kann, muss
aber nicht vorgesehen sein, d. h., die die weitere Sensorfläche 1.4 umgebende
Fläche muss nicht geerdet sein, da eine Erdung, ob vorhanden
oder nicht, zunächst die Ergebnisse nicht stört.
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In
der Praxis hat sich mit dieser Anordnung eine sichere Funktion einer
kapazitiven Bedieneinheit ohne Fehlfunktionen durch Reinigen mit
den unterschiedlichsten Materialien, durch zufälliges Berühren
durch Kinderhände, das Daraufschieben oder Aufsetzen beliebiger
Gegenstände oder durch grobes Spritzwasser bis hin zu feinstem
Beschlag ergeben.
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Vorteilhaft
ist noch die mögliche schnelle Ansprechzeit im Bereich
von einigen ms zu erwähnen.
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Die
beschriebene Funktion kann selbstverständlich auch mit
mehreren mittigen Sensorflächen und einer sie gemeinsam
umgebenden sensitiven Fläche gebildet werden. 9 zeigt
ein Beispiel für fünf Sensorflächen 9.1,
die von einer gemeinsam umgebenden Sensorfläche 9.2 umgeben
sind. Alles zusammen kann wiederum von einer Massefläche 1.5 umgeben
sein. Bei weiter auseinander liegenden inneren Sensorflächen 9.1 kann
gemäß 10 auch jeweils
ein Steg 10.1 zwischen den inneren Sensorflächen
liegen. Auch bei einem kapazitiven Schieberegler, wie 11 eine
Ausführungsform darstellt, kann eine umgebende Sensorfläche 11.3 um
die inneren Sensorflächen 11.1 und 11.2 gelegt
werden. Die inneren Sensorflächen sind so ausgebildet,
dass sie gegenläufig zunehmen, um dadurch die Stellung des
Schiebereglers erfassbar zu machen.
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Ebenso
gilt dies gemäß 12 für
eine sogenannte „Maus" Funktion, also einem kleinen Bedienelement
z. B. für eine zwei- oder dreidimensionale Cursorsteuerung.
Die inneren Sensorflächen 12.1 zusammen mit einer
evtl. vorhandenen mittigen Sensorfläche 12.3 werden
mit einer umgebenden Sensorfläche 12.2 umgeben.
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Der
Formgebung sind hier keine Grenzen gesetzt.
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Alle
oben beschriebenen kapazitiven Sensorausführungen können
durch optische Lösungen ersetzt werden. 13 zeigt
eine optische Ausführung der oben beschriebenen Bedieneinheit
im Schnitt. Die entsprechende Draufsicht ist in 15 dargestellt.
Die Lichtquellen 13.4 und 13.3 sind kreisförmig um
die Photodiode 13.5 angeordnet. Sie können aus einem
entsprechenden Lichtleiter mit wenigstens einer LED als Lichtquelle
oder einer beliebigen Anzahl von kreisförmig angeordneten
LEDs bestehen. Auch können die Lichtquellen aus organischen,
flächigen LEDs bestehen. An Stelle der gezeigten kreisförmigen
Struktur kann auch jede beliebig andere gewählt werden,
sofern sie die beschriebenen Funktionen erfüllt.
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Hinter
einer optisch durchlässigen Abdeckung 13.1 befindet
sich zwei optische Annäherungssensoren, gebildet jeweils
aus Photodiode 13.5 und einer ersten Lichtquelle 13.4 bzw.
Photodiode 13.5 und einer zweiten Lichtquelle 13.3.
Um die Photodiode 13.5 wird die erste Lichtquelle 13.4 vorzugsweise ringförmig
angeordnet. Diese ringförmige Lichtquelle kann z. B. ein
lichtverteilender Kunststoffring mit wenigstens einer LED oder auch
eine Anzahl ringförmig angeordneter LEDs sein. Die erste
Lichtquelle 13.4 bildet zusammen mit der Photodiode 13.5 eine
erste innere Sensoranordnung. Die umgebende Sensorfläche
wird äquivalent der inneren Sensorfläche gebildet.
Dazu wird eine zweite Lichtquelle 13.3 vorzugsweise ringförmig
um die innere Sensoranordnung gelegt. Zusammen mit der Photodiode 13.5 bildet
sie einen zweite Sensoranordnung. Beide Sensoranordnungen reagieren
als Annäherungssensoren auf Reflexion des ausgesandten
Lichtes 13.2 am Finger 1.6, bzw. an jedem anderen
beliebigen reflektiven Gegenstand.
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In 13 wird
ein Finger 1.6 mittig auf die Bedieneinheit gesetzt. Nahezu
nur der Sensorwert der inneren Sensoranordnung wird beeinflusst
und führt zu dem schon bekannten Sensorausgangswertwert 1.11.
Das Licht der Lichtquelle 13.3 wird weniger oder gar nicht
zur Photodiode 13.5 reflektiert. Der Sensorausgangswert 1.13 wird
daher ähnlich wie bei der kapazitiven Lösung nur
unwesentlich beeinflusst.
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14 zeigt
den Signalverlauf der Sensorausgangswerte 1.11 und 2.1 bei
flach aufgelegtem Finger 1.6. Auch in dieser Funktion entsprechen
die Sensorausgangswerte 1.11 und 2.1 denen der
kapazitiven Bedieneinheit in 2 oder 5.
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Alle
Ausführungen, ob kapazitiv oder optisch, haben gemeinsam,
dass sie so ausgestaltet werden könne, dass sie nicht auf
ein Überwischen mit einem Lappen, der Hand oder einem sonstigen Gegenstand
oder deren Anwesenheit reagieren. Sie reagieren nur auf korrektes
Bedienen mit einem Finger (oder andere nicht nur fingerförmige,
aber vorzugsweise auch fingerförmige, leitfähige
bzw. reflektive Gegenstände), wobei „korrekt"
eine Annäherung oder ein Aufsetzen mit einem Winkel von
z. B. 30–90 Grad zur Bedienebene hin auf die innere Sensorfläche
bedeutet. (Es kommt dabei nicht darauf an, dass das Objekt ein Finger
ist, diesbezüglich geht es eher darum, wie groß die
erste Sensorfläche im Verhältnis zum Objekt 1.6 ist.
Durch ein entsprechende Abstimmung der ersten Sensorfläche
auf das Objekt kann hier auf das Objekt Finger, oder besser Fingerkuppe eine
Abstimmung ebenso erfolgen wie auf ein beliebiges anderes Objekt.)
Allerdings werden z. B. alle genannten vermeintlichen Bedienfehler
wie das Überwischen mit einem Lappen, der Hand oder einem
sonstigen Gegenstand oder deren Anwesenheit erkennbar und können
bedarfsweise auch für weitere Funktionen genutzt werden.
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Ideal
für die Realisierung der oben beschriebenen Erfindung hat
sich das HALIOS-Verfahren nach der
EP 0 706 648 B1 für die Erstellung
einer oder mehrerer Tastfelder oder Schieberregler- oder „Maus"-Funktionen
herausgestellt. (
16). Bei diesem Verfahren findet
der Vergleich der Sensorausgangswerte für innere Sensorflächen
1.3 und
umgebende Sensorflächen
1.4 unmittelbar und dynamisch statt.
Ein entsprechendes Auswertesignal besteht dann nur noch aus einer
z. B. positiven Abweichung von einem Ruhewert bei korrekter Bedienung
bzw. einem negativen Abweichen bei inkorrekter Bedienung. Dieses
Auswertesignal wird einer Auswertelogik, wie in
3 beschrieben,
zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
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Ein
Taktgenerator 16.8 liefert ein erstes Taktsignal 16.17 an
einen Amplitudenregler 16.9. und ein zweites invertiertes
Taktsignal 16.18 an einen Amplitudenregler 16.11.
Die Ausgänge der Amplitudenregler sind über die
Widerstände 16.1, 16.2 und 16.3, 16.4 auf
den Eingang des Wechselsignalverstärkers 16.5 gegeben.
Bei gleich großen Ausgangsspannungen an den Amplitudenreglern 16.9 und 16.11 und gleichartigen
Widerstandswerten 16.1, 16.2 und 16.3, 16.4 hebt
sich die Taktsignalspannung am Eingang des Wechselsignalverstärkers 16.5 auf.
In der Praxis haben sich Widerstandswerte von z. B. 10–500
KOhm bei einer Taktfrequenz von z. B. 100 KHz als sinnvoll herausgestellt.
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Zwischen
den Widerständen 16.1 und 16.2 wird nun
z. B. die innere Sensorfläche 1.3 angeschlossen.
Eine Veränderung der Kapazität dieser Sensorfläche,
z. B. durch Berühren der Sensorfläche mit dem
Finger 1.6, führt zu einer nicht vollständigen Aufhebung
des Eingangssignals des Wechselsignalverstärkers 16.5.
Dies führt im Synchrondemodulator 16.6 zu einer
Ausgangsspannung, die in nachfolgender integrierender Zentrierstufe 16.7 zu
einer Abweichung 16.15 des Regelwertes 16.17 vom
momentanen Wert 16.13 führt. Die Amplituden-geregelten Treiberstufen 16.9 und 16.11 werden
mittels Signalinvertierer 16.12 gegeneinander mit dem Regelwert 16.17 invertiert
angesteuert. Steigt die Ausgangsamplitude einer Treiberstufe an,
so fällt sie in der anderen entsprechend ab. Die Abweichung 16.15 wird
so lange gegenüber einem vorherigen Wert 16.13 ansteigen
bzw. abfallen, bis sich wieder am Eingang des Wechselsignalverstärkers 16.5 das Taktsignal 16.18 und
das invertierte Taktsignal 16.19 vollständig aufheben.
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Im
Ausführungsbeispiel der 16 steigt
der Regelwert bei korrekter Bedienung an. Eine hier zeichnerisch
nicht dargestellte Auswertelogik 3.1 kann dann z. B. mittels
eines Schwellwertes 16.14 eine Auswertung des Regelwertes 16.17.
vornehmen. Wird der Schwellwert 16.14 überschritten,
gilt dies als „bedient", wenn z. B. mit dem Finger die
Sensorfläche 1.3 berührt wird.
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Mit
dieser Anordnung kann die Annäherung an – oder
das Auflegen eines beliebigen kapazitiv (oder optisch) wirksamen
Gegenstandes auf die innere Sensorfläche detektiert werden.
Jedoch wirkt sich ein Überwischen mit einem feuchten Lappen
genauso mit der gleichen Regelwertveränderung 16.15 wie
bei korrekter Bedienung mit dem Finger aus. Um nun beide Zustände – z.
B. feuchter Lappen und Finger – zu unterscheiden, wird
eine umgebende Sensorfläche 1.4 um die innere
Sensorfläche 1.3 gelegt und zwischen den Widerständen 16.3 und 16.4 angeschlossen.
Das Auflegen eines feuchten Lappens auf die Bedieneinheit verändert
die Kapazität der umgebenden Sensorfläche 1.4 gegenüber
Masse 1.5 stärker als die Kapazität der
inneren Sensorfläche 1.3. Aus diesem Grund fällt
im Ausführungsbeispiel der 16 der
Regelwert 16.17 entsprechend ab. Bei korrekter Bedienung überschreitet
der Regelwert 16.17 den Schwellwert 16.14 und
führt zu einer Ausgangsinformation. Bei nicht korrekter
Bedienung fällt er dagegen ab und führt daher
zu keiner Ausgangsinformation.
-
Um
den oben beschriebenen Effekt zu erreichen, muss die umgebende Sensorfläche
nicht größer als die innere Sensorfläche
sein. Durch Wahl entsprechender Werte für die Widerstände 16.1, 16.2, 16.3 und 16.4 oder
der Eigenschaften der Treiberstufen 16.11 bzw. 16.9 kann
die Empfindlichkeit der Sensorflächen 1.3 und 1.4 so
gewählt werden, das auch bei einer im Verhältnis
zur inneren Sensorfläche 1.3 nur sehr schmalen
umgebenden Sensorfläche 1.4 die oben beschriebene
Funktion erhalten wird. Im Übrigen können die
im Ausführungsbeispiel der 16 beschriebenen
Widerstände 16.1 bis 16.4 auch durch
Kondensatoren bzw. Reihenschaltungen aus Widerstand und Kondensator
ersetzt werden.
-
Eine
weitere untergeordnete Funktion wird erreicht, wenn schon kleine
Veränderungen der Sensorausgangswerte detektiert werden,
d. h. Werte, die deutlich unter dem Schwellwert 1.12 liegen.
Kleine Veränderungen entstehen z. B. bei der Annäherung einer
Hand in 20 cm Entfernung. Wird diese Veränderung detektiert,
kann mit der so erhaltenen Information z. B. eine Hintergrundbeleuchtung
aktiviert werden.
-
- 1.1
- Bedieneinheit,
Sensoreinheit
- 1.2
- Trägermaterial
- 1.3
- Innere
Sensorfläche
- 1.4
- Umgebende
Sensorfläche
- 1.5
- Massefläche
- 1.6
- Finger
des Bedieners
- 1.7
- Sensorelektronik
für innere Sensorfläche
- 1.8
- Sensorelektronik
für umgebende Sensorfläche
- 1.9
- Steuerelektronik
- 1.10
- Ruhewert
Sensorausgangswert
- 1.11
- Sensorausgangswert
der inneren Sensorfläche
- 1.12
- Schwellwert
- 1.13
- Sensorausgangswert
bei Annäherung an umgebende Sensorfläche
- 2.1
- Sensorausgangswert
bei Annäherung an umgebende Sensorfläche
- 3.1
- Auswertelogik,
Prozessor
- 3.2
- Ausgangsinformation
- 7.1
- Sensorausgangswert
bei Überwischen der umgebenden Sensorfläche
- 8.1
- Regentropfen
- 8.2
- Sensorausgangswert
bei Beregnung der inneren Sensorfläche
- 8.3
- Sensorausgangswert
bei Beregnung der umgebenden Sensorfläche
- 9.1
- mehrere
innere Sensorflächen
- 9.2
- mehrere
Sensorflächen gemeinsam umgebende Sensorfläche
- 10.1
- Stege
zwischen inneren Sensorflächen
- 11.1
- erste
Sensorfläche einer Schiebereglerfunktion
- 11.2
- zweite
Sensorfläche einer Schiebereglerfunktion
- 11.3
- 11.2 und 11.3 gemeinsam
umgebende Sensorfläche
- 12.1
- innere
Sensorflächen einer „Maus"-Funktion
- 12.2
- 12.1 und 12.3 umgebende
Sensorfläche
- 12.3
- Zentrale
Sensorfläche
- 13.1
- optisch
durchlässige Abdeckung
- 13.2
- ausgesendetes
Licht
- 13.3
- zweite
Lichtquelle
- 13.4
- erste
Lichtquelle
- 13.5
- Photodiode
- 16.0
- Sensorelektronik
nach dem HALIOS-Verfahren
- 16.1
- Widerstandsnetzwerk
- 16.2
- Widerstandsnetzwerk
- 16.3
- Widerstandsnetzwerk
- 16.4
- Widerstandsnetzwerk
- 16.5
- Vorverstärker
- 16.6
- Synchrondemodulator
- 16.7
- Amplitudenvergleicher
mit Tiefpassfunktion
- 16.8
- Taktgenerator
- 16.9
- Amplitudengeregelte
Treiberstufe
- 16.11
- Amplitudengeregelte
Treiberstufe
- 16.12
- Inverter
- 16.13
- Regelwert
ohne Annäherung an Sensorflächen
- 16.14
- Schwellwert
- 16.15
- Regelwert
bei Annäherung an innere Sensorfläche
- 16.16
- Regelwert
bei Annäherung an umgebende Sensorfläche
- 16.17
- Regelwert
- 16.18
- erstes
Taktsignal
- 16.19
- zweites
Taktsignal
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0706648
B1 [0035, 0062]