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Die
Erfindung betrifft ein Bedienelement, das einen kapazitiven Näherungssensor
aufweist. Der Sensor umfasst wenigstens eine Kondensatorelektrode
zur Erzeugung eines Messfeldes in einem dem Bediener zugewandten
Annäherungsbereich
an eine Bedienoberfläche
des Bedienelements und eine Auswerte- und Steuerschaltung, die mit
der Kondensatorelektrode verbunden ist. Mittels der Auswerte- und Steuerschaltung
ist die durch die Kondensatorelektrode definierte Kapazität ermittelbar.
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Ein
kapazitiver Näherungssensor
oder -schalter ist ein Sensor der berührungsfrei – d. h. ohne direkten Kontakt – auf Annäherung eines
leitenden oder nicht leitenden Gegenstandes, aber auch von Flüssigkeiten,
mit einem elektrischen Schaltsignal reagiert. Er nutzt die sich
dabei ändernde
elektrische Kapazität
einer Kondensatorelektrode zur Umgebung oder einer Referenzelektrode
aus. Solche Sensoren arbeiten mit einem Oszillator, dessen frequenzbestimmende
Kapazität
teilweise vom zu detektierenden Medium bzw. der Umgebung gebildet wird.
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Bei
Beeinflussung des Messfeldes der Sondenkapazität durch einen Nichtleiter beruht
die Kapazitätsänderung
auf einer Änderung
der wirksamen Dielektrizitätskonstanten
im Bereich des Messfeldes; der erreichbare Schaltabstand beträgt je nach
Größe des Sensors
bis ca. 40 mm.
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Bei
der Beeinflussung des Feldes durch einen leitenden Gegenstand kann
sich der Schaltabstand auf bis ca. 60–80 mm erhöhen. Kapazitive Näherungssensoren
und deren Steuer- und Auswerteinheit sehen in der Regel eine Kalibriermöglichkeit
vor, um die Empfindlichkeit bzw. die Schaltschwellen an die Einsatzbedingungen anzupassen.
Bei hoher Empfindlichkeit nimmt jedoch der Einfluss von Störgrößen (z.
B. Luftfeuchtigkeit, Schmutz) zu.
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Die
bekannten Näherungssensoren
weisen den Nachteil auf, dass der Schaltabstand sehr stark von den
Umgebungseigenschaften als auch von der Beschaffenheit des in das
Messfeld eingebrachten Objekts also der Hand eines Bedieners und
dem Annäherungswinkel
abhängig
ist. Beispielsweise ist bei einer feuchten Hautoberfläche der
Schaltabstand vergrößert. Zudem
ist das Ansprechverhalten kapazitiver Näherungsschalter durch eine
Hysterese gekennzeichnet. Zudem kann das in Richtung des Bedieners
abgestrahlte, elektromagnetische Messfeld unter EMV-Gesichtspunkten
sich als kritisch erweisen und dessen Stärke nicht beliebig gesteigert
werden.
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Soll
mit einem Näherungssensor
eine Berührungserfassung
erfolgen, ist dies gar nicht reproduzierbar zu erreichen, da die
zu definierenden Schaltschwellen aufgrund der Umgebungsbedingungen, wie
Temperatur, Störfeldern,
starken Schwankungen unterliegen.
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Ferner
sind kapazitive Berührungssensoren bekannt.
In seiner einfachsten Form besteht ein kapazitiver Berührungssensor
aus zwei nebeneinander liegenden, elektrisch leitfähigen, plattenförmigen Elektroden.
Diese bilden einen Kondensator, dessen Kapazität direkt proportional zur Dicke
der Platten und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen ihnen
ist. Sobald sich ein leitendes Objekt wie beispielsweise ein Finger
den beiden Platten nähert, kommt
zur Eigenkapazität
der Anordnung eine zusätzliche
Parallelkapazität
hinzu. Um die Betätigung eines
solchen Schaltelements festzustellen, muss diese Kapazitätsänderung
gemessen werden. Nachteilig bei den Berührungssensoren ist, dass die
Kontaktierung der berühroberflächennahen
Elektroden vergleichsweise aufwendig ist, und sie leicht durch elektrostatische
Entladung gestört
oder zerstört
werden können.
Den Möglichkeiten
betreffend die Einbringung von Symbolen und deren Durchleuchtung sowie
betreffend die Oberflächengestaltung
sind durch die zwingend vorzusehende, bedienoberflächennahe
Anordnung der Elektroden und deren Kontaktierung große Beschränkungen
auferlegt.
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Vor
dem Hintergrund der obigen Nachteile des Standes der Technik haben
sich die Erfinder die Aufgabe gestellt, ein Bedienelement der zuvor
beschriebenen Gattung bereitzustellen, das zuverlässig zu
bedienen sowie einfach herzustellen ist. Diese Aufgabe wird durch
ein Bedienelement gemäß Anspruch
1 gelöst.
Ein gleichermaßen
vorteilhaftes Herstellungsverfahren ist Gegenstand des nebengeordneten
Anspruchs. Vorteilhaft Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der
abhängigen
Ansprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln
aufgeführten
Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander
kombiniert werden können
und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung,
insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und
spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Die
Erfindung betrifft ein Bedienelement, welches einen kapazitiven
Näherungssensor
mit wenigstens einer Kondensatorelektrode zur Erzeugung eines Messfeldes
in einem dem Bediener zugewandten Annäherungsbereich an eine Bedienoberfläche des
Bedienelements und eine Auswerte- und Steuerschaltung aufweist.
Bei dem Näherungssensor
ist die Auswerte und Steuerelektrode mittels eines elektrischen
Leiters mit der wenigstens einen Kondensatorelektrode verbunden.
Die Auswerte- und Steuerschaltung dient der Ermittlung der durch
die Kondensatorelektrode, beispielsweise gegenüber der Umgebung oder einer
Gegenelektrode, definierten Kapazität und der Durchführung eines
Schalt- oder Regelvorgangs bei Veränderung der Kapazität. Derartige Näherungssensoren
sind aus dem Stand der Technik bekannt und vergleichsweise platzsparend
aufgebaut.
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Das
erfindungsgemäße Bedienelement zeichnet
sich dadurch aus, dass im Messfeld wenigstens eine leitfähige, elektrisch
isolierte Schicht angeordnet ist, die wenigstens teilweise eine
Berührfläche als
Bedienoberfläche
bildet. Die Anordnung der leitfähigen
Schicht im Messfeld weist den Vorteil auf, dass das durch den Näherungssensor
erzeugte elektromagnetische Messfeld auf der dem Sensor abgewandten
Seite der Schicht verringert wird und somit eine Abschirmung erreicht
wird. Dadurch wird die durch den Näherungssensor hervorgerufene
elektromagnetische Störung
im Bedienbereich verringert. „Schicht” im Sinne
der Erfindung ist weit auszulegen. Beispielsweise kann es sich auch
um eine nicht geschlossene Fläche,
beispielsweise ein Gitter handeln. Im Allgemeinen wird die Schicht
wenigstens eine der Ausdehnung des Näherungssensors entsprechende
Bemaßung
aufweisen. Die Schicht kann leicht den optischen Anforderungen an
das Bedienelement entsprechend ausgestaltet werden. Beispielsweise
kann die Schicht an das Aussehen der Umgebung des Bedienelements
angepasst sein, um optisch unauffällig oder nicht erkennbar zu
sein.
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Da
die Schicht vergleichsweise groß auffallen
kann und es nicht darauf ankommt, an welcher Stelle diese berührt wird,
können
Fehlbedienungen vermieden werden. Die Schicht kann beliebige Formen
aufweisen, kann flach oder gekrümmt
sein. Bevorzugt ist die durch die Schicht definierte Fläche parallel
zu der durch die Kondensatorelektrode definierte Fläche ausgebildet,
damit die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Bedienelements möglichst
wenig vom Berührpunkt
auf der isolierten, leitfähigen Schicht
abhängig
ist.
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Darüber hinaus
bewirkt die Anordnung der leitfähigen
Schicht in der Bedienoberfläche,
dass bei Berührung
der Schicht die darauf induzierten Ladungsträger abfließen können und die sich daraus ergebende
sprunghafte Kapazitätsänderung
durch die Auswert- und Steuereinheit sehr gut detektiert werden
kann. Somit kann die Zuverlässigkeit
des Schaltvorgangs verbessert werden. Umgebungs- und Hystereseeinflüsse können verringert werden, da
spätestens
bei Berührung
der leitfähigen
Schicht durch die damit einhergehende, vergleichsweise starke Sprungänderung
der Kapazität
der Schaltvorgang ausgelöst
wird.
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Bevorzugt
sind die wenigstens eine isolierte, leitfähige Schicht und die Steuer- und Auswerteinheit so
ausgelegt, dass erst unter Berührung
der Bedienoberfläche
durch die Steuerschaltung der Schaltvorgang durchgeführt wird,
um die Bedienzuverlässigkeit
zu erhöhen.
Dies kann beispielsweise leicht durch Einstellen der Empfindlichkeit
der Auswerteinheit erfolgen.
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Das
erfindungsgemäße Bedienelement
ist nicht auf eine, d. h. einzige, leitfähige Schicht beschränkt, sondern
es kann ein Schichtaufbau aus mehreren leitfähigen, isolierten Schichten
vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine zweite, geringer leitfähige, die
eigentliche Bedienoberfläche
bildende Schicht auf einer ersten, leitfähigeren Schicht aufgebracht
sein. Beispielsweise wird die zweite Schicht durch eine Lackierung
mit einem leitfähigen
Lack erreicht. Es kommt bei der Leitfähigkeit darauf an, dass ein
detektierbarer Kapazitätssprung
bei Berührung der
jeweiligen äußeren und
damit berührbaren Schicht
feststellbar ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die leitfähige, isolierte
Schicht oder der Schichtaufbau als Beschichtung eines Blenden- oder Kappenkörpers eines
Bedienelements ausgebildet, um die Schicht einfach herstellen zu
können
und ihr ausreichend Stabilität
zu verleihen.
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Bevorzugt
ist der Blenden- oder Kappenkörper
zwischen Näherungssensor
und isolierter, leitfähiger
Schicht oder Schichtaufbau angeordnet. Dadurch wird der Näherungssensor
vor Umgebungseinflüssen,
wie Feuchtigkeit, geschützt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Näherungssensor angrenzend an
den Blenden- oder Kappenkörper
angeordnet. Beispielsweise handelt es sich um den Kappenkörper eines Tasters
oder eines Drehknopfs. Damit soll deutlich gemacht werden, dass
das erfindungsgemäße Bedienelement
in Alleinstellung als Bedienelement fungieren kann, es darüber hinaus
aber auch möglich
ist, dass das erfindungsgemäße Bedienelemente
durch Kombinationen mit andersartigen Bedienelementen mit weiteren
Funktionalitäten
versehen werden kann. Beispielsweise ist die isolierte, leitfähige Schicht
auf einem bewegbaren Kappenkörper
aufgebracht, um durch dessen Bewegung einen Schalt- oder Regelvorgang
manuell vorzunehmen.
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Zur
Vereinfachung der Herstellung und zur Steigerung der gestalterischen
Freiheit ist die wenigstens eine isolierte, leitfähige Schicht
durch einen leitfähigen
Lack oder eine leitfähige
PVD-Beschichtung ausgebildet.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, das sich vorteilhaft
durch ein Bedienelement in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auszeichnet.
Beispielsweise ist das erfindungsgemäße Bedienelement in ein Armaturenbrett
oder eine Bedientafel integriert.
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Gegenstand
der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Bedienelements.
In einem Montageschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein kapazitiver
Näherungssensor
mit wenigstens einer Kondensatorelektrode zur Erzeugung eines Messfeldes
in einem dem Bediener zugewandten Annäherungsbereich an eine Bedienoberfläche des
Bedienelements und eine Auswerte- und Steuerschaltung, die mit der
Kondensatorelektrode leitend verbunden ist, unter einen Blenden-
oder Kappenkörper
des Bedienelement montiert. Mittels der Aus werte- und Steuerschaltung
ist die Kapazität
der Kondensatorelektrode ermittelbar. Durch die Auswert- und Steuerschaltung
wird ferner bei Detektion einer Veränderung der Kapazität ein Schaltvorgang durchgeführt. Das
Verfahren zeichnet sich ferner durch einen Beschichtungsschritt,
beispielsweise eine PVD-Beschichtung,
eine Lackierung oder Dergleichen, aus, bei dem der Blenden- oder
Kappenkörper
wenigstens teilweise mit wenigstens einer isolierten, leitfähigen Schicht
versehen wird, die im Messfeld des Näherungssensors angeordnet ist.
Durch das Verfahren kann das erfindungsgemäße Bedienelement mit den zuvor
beschriebenen Vorzügen
vergleichsweise einfach hergestellt werden.
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Die
Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand
der Figuren näher
erläutert.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die 2 eine besonders
bevorzugte Ausführungsvariante
der Erfindung zeigt, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist.
Es zeigen schematisch:
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1 eine
Schnittansicht eines nicht erfindungsgemäßen Bedienelements;
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2 eine
Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Bedienelements.
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1 zeigt
eine Schnittansicht eines nicht erfindungsgemäßen Bedienelements 1,
das einen Näherungssensor 2, 3, 4 umfasst.
Der Näherungssensor 2, 3, 4 weist
eine Kondensatorelektrode 3 auf, die ein in der 1 nach
oben gerichtetes Messfeld erzeugt. Mittels der Leitung 4 ist
die Kondensatorelektrode 3 leitend mit einer Auswert- und
Steuereinheit 2 verbunden. Der Näherungssensor 2, 3, 4 ist
auf einer von dem Bediener abgewandten Oberfläche einer Blende oder Tastenkappe 5 angeordnet.
Die Tastenkappe 5 ist zur Dekoration mit einer Lackierung 6 versehen.
Die Auswert- und Steuereinheit 2 dient der Detektion einer
Kapazitätsänderung
eines durch die Kondensatorelektrode 3 gegenüber Masse
gebildeten Kondensators. Die Kapazitätsänderung wird beispielsweise
durch die Bewegung beispielsweise Annäherung einer Hand in dem Messfeld
bewirkt. Durch in der Auswert- und Steuereinheit 2 vorgegebene Schaltschwellen
kann ein Schaltvorgang durchgeführt
werden. Der Näherungssensor 2, 3, 4 weist
den Nachteil auf, dass der durch die Schaltschwellen vorgegebene
Schaltabstand sehr stark von den Umgebungseigenschaften als auch
von der Beschaffenheit des in das Messfeld eingebrachten Objekts
also der Hand eines Bedieners und dem Annäherungswinkel abhängig ist.
Beispielsweise ist bei einer feuchten Hautoberflä che der Schaltabstand vergrößert. Zudem
ist das Ansprechverhalten kapazitiver Näherungsschalter durch eine
Hysterese gekennzeichnet. Zudem kann das in Richtung des Bedieners
abgestrahlte, elektromagnetische Messfeld unter EMV-Gesichtspunkten sich
als kritisch erweisen und dessen Stärke nicht beliebig gesteigert
werden. Soll mit einem Näherungssensor
eine Berührungserfassung
erfolgen, ist dies schwierig, da die zu definierenden Schaltschwellen
starken Schwankungen aufgrund der Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, Störfeldern,
unterliegen.
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In 2 ist
im Vergleich dazu eine bevorzugte Ausführungsform 10 des
erfindungsgemäßen Bedienelements
gezeigt. Dieses umfasst ebenfalls einen Näherungssensor 12, 13, 14.
Der Näherungssensor 12, 13, 14 weist
eine Kondensatorelektrode 3 auf, die ein in der 2 nach
oben gerichtetes Messfeld erzeugt. Mittels der Leitung 14 ist
die Kondensatorelektrode 13 leitend mit einer Auswert- und Steuereinheit 12 verbunden.
Der Näherungssensor 12, 13, 14 ist
auf einer von dem Bediener abgewandten Oberfläche einer Blende oder Tastenkappe 15 angeordnet.
Die Tastenkappe 15 ist mit einem leitfähigen Schichtaufbau aus einer
ersten isolierten, leitfähigen Schicht 11 und
einer darüber
aufgebrachten, zweiten isolierten weniger leitfähigen Schicht 16 versehen. Die
im Messfeld befindlichen, isolierten, leitfähigen Schichten 11, 16 bewirken,
dass das durch den Näherungssensor 12, 13, 14 erzeugte
elektromagnetische Messfeld auf der dem Sensor 12, 13, 14 abgelegenen
Seite der Schichten 11, 16 stark verringert wird
und somit eine Abschattung erreicht wird. Wie gezeigt, weisen die
Schichten 11, 16 eine die Ausdehnung der Kondensatorelektrode 3 übersteigende Ausdehnung
auf.
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Darüber hinaus
bewirkt die Anordnung und Ausgestaltung der leitfähigen Schichten 11, 16 als Bedienoberfläche, dass
bei Berührung
der Schichten 11, 16 die darauf induzierten Ladungsträger abfließen können und
die sich daraus ergebende sprunghafte Kapazitätsänderung durch die Auswert-
und Steuereinheit 12 sehr gut detektiert werden kann. Somit
kann die Zuverlässigkeit
des Schaltvorgangs verbessert werden. Umgebungs- und Hystereseeinflüsse können verringert
werden, da spätestens
bei Berührung
der leitfähigen
Schichten 11, 16 durch die damit einhergehende,
vergleichsweise starke Sprungänderung
der Kapazität
der Schaltvorgang ausgelöst
werden kann. Somit wird durch die erfindungsgemäße Auslegung der kapazitive
Annäherungssensor 12, 13, 14 zum
berührungssensitiven
Bedienelement 10.