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Anwendungsgebiet und Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Bedieneinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Bedieneinrichtung.
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Aus der
DE 198 11 372 A1 ist ein Kochfeld bekannt, bei dem Piezo-Sensorelemente als Bedienelemente unter einem das Kochfeld umgebenden Edelstahlrahmen angeordnet sind. Mit diesen Piezo-Sensorelementen kann das Auflegen eines Fingers bzw. der Fingerdruck einer Bedienperson auf den Edelstahlrahmen im Bereich eines Bedienfeldes oberhalb des Piezo-Sensorelements erfasst werden und als Bedien-Aktion erkannt werden. Die Anbringung der Piezo-Sensorelemente und deren elektrische Kontaktierung an der Unterseite des Edelstahlrahmens ist relativ aufwendig.
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Zur elektrischen Kontaktierung der Piezo-Sensorelemente werden in der Regel edelmetallhaltige Pasten eingesetzt, die nach dem Auftragen ausgehärtet werden, beispielsweise silberhaltige Pasten. Deren Preise sind jedoch von den hohen Edelmetallpreisen abhängig. Außerdem sind bei solchen Pastensystemen Nachteile wie beispielsweise die feuchteabhängige Elektromigration bekannt.
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Aufgabe und Lösung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Bedieneinrichtung sowie ein Herstellverfahren für eine solche Bedieneinrichtung zu schaffen, mit denen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere die elektrische Kontaktierung der Piezo-Sensorelemente leicht, sicher und kostengünstig möglich ist, auch bei einer größeren Anzahl von Piezo-Sensorelementen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Bedieneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bedieneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Eine Bedieneinrichtung für ein Elektrogerät mit einem Bedienelement weist ein Bedienfeld mit einer Bedienfeld-Vorderseite und einer von dieser abgewandten Bedienfeld-Rückseite auf, wobei als Bedienfeld-Vorderseite die Seite bezeichnet wird, die einer Bedienperson zugewandt ist. Hinter dem Bedienfeld ist auf seiner Rückseite ein bevorzugt flächiges Piezo-Sensorelement als Teil des Bedienelementes angeordnet, wobei das Piezo-Sensorelement eine dünne piezoaktive Schicht und eine Elektrodenstruktur darauf aufweist. Es ist derart an der Bedienfeld-Rückseite angeordnet bzw. darauf aufgebracht, dass sich die piezoaktive Schicht zwischen dem Bedienfeld und der Elektrodenstruktur befindet.
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Die piezoaktive Schicht weist eine der Bedienfeld-Rückseite zugewandte Vorderseite und eine von dem Bedienfeld abgewandte Rückseite auf, wobei die piezoaktive Schicht an ihrer Vorderseite mit der Bedienfeld-Rückseite mechanisch gekoppelt ist bzw. darauf aufgebracht ist. Diese mechanische Kopplung bewirkt bekanntermaßen, dass ein Durchbiegen des Bedienfeldes durch Fingerdruck durch Auflegen eines Fingers einer Bedienperson auf das Bedienfeld zu einer Deformation des Bedienfeldes und damit zu einer Deformation der piezoaktiven Schicht führt, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird. Der Aufbau, die Funktion und die Herstellung eines solchen Piezo-Sensorelementes ist aus der zum Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung noch nicht veröffentlichten
DE 10 2010 043 299 bekannt, deren Inhalt diesbezüglich durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht wird.
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Die Elektrodenstruktur, die auf der Rückseite der piezoaktiven Schicht angeordnet ist, dient zum elektrischen Anschließen des Piezo-Sensorelements an eine Steuereinrichtung der Bedieneinrichtung oder des Elektrogerätes, zu dem die Bedieneinrichtung gehört, und zur Übermittlung eines von der piezoaktiven Schicht erzeugten elektrischen Signals an die Steuereinrichtung. Die Elektrodenstruktur weist dazu eine Elektrode und elektrische Kontaktierungen auf. Das Anschließen von Piezo-Sensorelementen an eine Steuereinrichtung über Elektroden und elektrische Kontaktierungen ist aus der
EP 2 144 372 bekannt, deren Inhalt diesbezüglich durch ausdrückliche Bezugnahmen zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht wird.
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Die Elektrodenstruktur einer erfindungsgemäßen Bedieneinrichtung weist elektrisch leitfähigen Kohlenstoff, insbesondere molekulare Nanoröhren aus Kohlenstoff auf, sogenannte Carbon-Nanotubes, die im Folgenden auch als CNTs bezeichnet werden. Vorzugsweise weist dabei die Elektrode CNTs auf, insbesondere aber auch die elektrische Kontaktierung. Carbon-Nanotubes sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik allgemein bekannt, so dass auf allgemeine Ausführungen dazu verzichtet wird. Entsprechende Pasten können bei der Future Carbon GmbH bezogen werden, siehe auch die
WO 2010/066730 A1 .
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Durch die Art bzw. die Struktur der verwendeten CNTs sowie durch deren Anteil innerhalb der Elektrodenstruktur können die elektrischen Eigenschaften, insbesondere die Leitfähigkeit, der Elektrodenstruktur beeinflusst und eingestellt werden. Für eine gute elektrische Leitfähigkeit der Elektrodenstruktur sind die CNTs elektrisch leitfähig, wobei vorzugsweise die elektrische Leitfähigkeit der CNTs im Bereich der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen liegt, insbesondere im Bereich von Silber oder Kupfer oder darüber. In einigen Anwendungsfällen kann es erforderlich sein, supraleitende CNTs zu verwenden, deren elektrische Leitfähigkeit deutlich größer ist als die von Silber oder Kupfer. In manchen Anwendungsfällen kann es jedoch ausreichend sein, CNTs einzusetzen, die halbleitend sind.
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Besonders vorteilhaft an der Verwendung einer CNT-haltigen Elektrodenstruktur ist es, dass bei geeigneter Auswahl von Art und Menge der CNTs im Wesentlichen auf Edelmetalle verzichtet werden kann bei vergleichbarer elektrischer Leitfähigkeit gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten edelmetallhaltigen Elektrodenstrukturen, was eine Elektrodenstruktur deutlich kostengünstiger macht. Durch die Verwendung einer CNT-haltigen Elektrodenstruktur können auf einfache Art und Weise ein kostengünstiges Piezo-Sensorelement und damit eine kostengünstige Bedieneinrichtung geschaffen werden, wobei das Piezo-Sensorelement dennoch einfach und sicher elektrisch kontaktiert und an die Steuereinrichtung angeschlossen werden kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Elektrodenstruktur durch eine Schicht mit Carbon-Nanotubes gebildet, also durch eine sogenannte CNT-haltige Schicht. Vorzugsweise enthält die Elektrodenstruktur mindestens 0,1 Vol.-% elektrisch leitfähigen Kohlenstoff bzw. elektrisch leitende CNTs, vorteilhaft mindestens 1 bis 30 Vol.-%. Ein Anteil von 30 Vol.-% elektrisch leitender CNTs in der Elektrodenstruktur reicht in den meisten Anwendungsfällen für eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der Elektrodenstruktur aus. Der CNT-Anteil kann aber je nach Anwendungsfall und elektrischer Leitfähigkeit der CNTs auch mindestens 50 Vol.-% oder sogar über 70 Vol.-% betragen. Die restlichen Bestandteile der Elektrodenstruktur können beispielsweise Füllmaterial, bevorzugt Binder, aber auch andere Kohlenstoffmaterialien sein. Eine Reduktion des Anteils an herkömmlichen Leitfähigkeitsadditiven wie insbesondere Silber, aber auch AlN, um 20% bis 75% gegenüber dem ursprünglichen Anteil oder sogar vollständig ist durch einen Zusatz von 1 Vol.-%, unter Umständen allgemein auch schon 0,1 Vol-%, an elektrisch leitfähigem Kohlenstoff bzw. CNT in Bezug auf die Gesamtzubereitung kompensierbar. Dabei kann auch noch ein geringer Graphit-Anteil enthalten sein, beispielsweise 1 Vol-% bis 10 Vol.-%.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Anteil an Edelmetallen weniger als 1 Vol-% bzw. die Elektrodenstruktur ist edelmetallfrei.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Elektrodenstruktur als dünne Schicht und/oder in Form mehrerer dünner Schichten, die auch übereinander voll deckend oder partiell überdeckend aufgetragen sein können, direkt auf der Rückseite der piezoaktiven Schicht aufgebracht, vorzugsweise mit einer Schichtdicke in einem Bereich von etwa 1 µm bis etwa 50 µm, insbesondere 5 µm bis 35 µm. Durch das direkte Aufbringen der Elektrodenstruktur auf die piezoaktive Schicht kann eine einfache und sichere, wenig störanfällige elektrische Kontaktierung der piezoaktiven Schicht ermöglicht werden. Weiterhin können so die Schichtwiderstände partiell unterschiedlich eingestellt werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die piezoaktive Schicht eine dünne Schicht, wobei eine Schichtdicke der piezoaktiven Schicht in etwa 1 µm bis 10 µm beträgt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die piezoaktive Schicht keramisch, beispielsweise eine Blei-Zirkonat-Titanat-Schicht, also eine sogenannte PZT-Schicht. Keramische Piezo-Materialien sind dem Fachmann bekannt, siehe beispielsweise Journal Am. Ceram. Soc., 92 [6] 1153–1177 (2009). Die piezoaktive Schicht kann aber auch auf Kunststoffbasis sein, vorzugsweise auf Basis von Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder auf Basis von Polypropylen (EMFi). Piezoaktive Schichten, insbesondere PZT-Schichten, sind aus dem Stand der Technik ebenfalls allgemein bekannt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die piezoaktive Schicht direkt auf der Bedienfeld-Rückseite aufgebracht. Dadurch kann auf einfache Weise eine direkte mechanische Kopplung und/oder ein gemeinsamer elektrischer Anschluß mit der Bedienfeld-Rückseite erreicht werden und es wird kein zusätzliches Trägerbauteil als Träger für die piezoaktive Schicht benötigt. Ein auf das Bedienfeld ausgeübter Druck, beispielsweise durch einen aufgelegten Finger einer Bedienperson, kann somit direkt und unmittelbar auf die piezoaktive Schicht und damit das Piezo-Sensorelement übertragen werden, was die Erzeugung eines qualitativ hochwertigen elektrischen Signals und damit eine vereinfachte Auswertung einer Bedienaktion ermöglicht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Bedienfeld ein Rahmen oder eine Bedienblende des Elektrogerätes. Die Bedienblende bildet dabei ein sogenanntes Touch-Bedienfeld. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Bauteile wie Bedienknöpfe odgl. erforderlich sind. Darüber hinaus sind keine Durchbrüche zum Einsetzen dieser Bauteile in das Bedienfeld erforderlich, was die Fertigungskosten des Bedienfeldes und damit der Bedieneinrichtung verringert. Dabei besteht die Bedienblende vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl. Besonders eignet sich dünnes Blech aus Aluminium oder Edelstahl. Je nach dem verwendeten Piezomaterial kann es auch eine Kunststoffblende sein. Eine solche Bedienblende kann eine Frontblende eines Elektrogerätes sein, beispielsweise die Frontblende eines Kochfeldes, eines Backofens, einer Waschmaschine, einer Spülmaschine oder einer Abzugshaube.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer vorbeschriebenen Bedieneinrichtung für ein Elektrogerät, insbesondere zum Anordnen eines flächigen Piezo-Sensorelementes auf einer Bedienfeld-Rückseite der Bedieneinrichtung, wird in einem ersten Schritt eine dünne piezoaktive Schicht auf der Bedienfeld-Rückseite eines Bedienfeldes angeordnet bzw. darauf aufgebracht. In einem zweiten Schritt wird eine Elektrodenstruktur auf der Rückseite der piezoaktiven Schicht aufgebracht, wobei die Elektrodenstruktur CNTs aufweist.
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Die piezoaktive Schicht wird dabei derart angeordnet, dass eine Vorderseite der piezoaktiven Schicht mit der Bedienfeld-Rückseite des Bedienfeldes mechanisch gekoppelt wird. Das Aufbringen piezoaktiver Schichten, beispielsweise von PZT-Schichten, ist aus der
DE 197 44 630 C1 bekannt, deren Inhalt diesbezüglich durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht wird. Durch ein derartiges Verfahren zum Aufbringen von PZT-Schichten bzw. allgemein von piezoaktiven Schichten können im Wesentlichen frei oder beliebig gestaltete und auch beliebig große Flächen homogen und mit möglichst gleichbleibender Dicke auf die Bedienfeld-Rückseite aufgebracht werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die piezoaktive Schicht direkt auf die Bedienfeld-Rückseite aufgebracht, vorzugsweise durch ein Sol-Gel-Verfahren. Die piezoaktive Schicht kann aber auch durch Aufkleben einer piezoaktiven Folie auf die Bedienfeld-Rückseite aufgebracht werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Elektrodenstruktur aufgebracht, indem eine Schicht mit Carbon-Nanotubes (CNTs) aufgebracht wird, die elektrisch leitende CNTs enthält und nach dem Aufbringen die Elektrodenstruktur bildet. Dies kann in einer Weiterbildung der Erfindung durch Aufbringen und anschließendes Aushärten einer CNT-Paste erfolgen, die mindestens 1 Vol.-%, vorzugsweise mindestens 30 Vol.-%, elektrisch leitende CNTs enthält. Diese CNT-Paste ist dabei derart ausgebildet, dass sie im ausgehärteten Zustand die vorbeschriebene elektrisch leitfähige Elektrodenstruktur bildet. Die CNT-Paste kann eine Art Binder oder ein entsprechender Kleber sein mit beigemischten CNTs.
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Die Aushärtetemperatur der CNT-Paste beträgt dabei vorzugsweise weniger als 200°C, insbesondere etwa ca. 100°C. Je nach CNT-Paste kann das Aushärten aber auch bei Raumtemperatur erfolgen, also bei etwa 20°C. Besonders vorteilhaft an der Verwendung einer CNT-Paste zur Bildung der Elektrodenstruktur eines Piezo-Sensorelementes ist auch, dass im Vergleich zu den edelmetallhaltigen Pasten ihr Aushärten bei deutlich geringeren Temperaturen erfolgen kann, nämlich bei Temperaturen unter 200°C. Dies schont das Material der Bedienblende. Insbesondere können die Entstehung von Anlauffarben bei Bedienblenden aus Metall verhindert werden und der Herstellprozess erheblich vereinfacht werden. Außerdem können Kunststoffblenden verwendet werden.
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Die CNT-Paste kann dabei ähnlich wie die edelmetallhaltigen Pasten durch Aufdrucken aufgebracht werden. Dazu eignen sich besonders ein Inkjet-Druckverfahren oder ein Tampon-Druckverfahren. Ein Vorteil des genannten Tampon-Druckverfahrens liegt darin, dass die Elektrodenstruktur auch auf kompliziert ausgebildete Flächen aufgebracht werden kann, beispielsweise in eine Vertiefung zwischen abstehenden Erhebungen, Stegen, Rippen, Vorsprüngen odgl.. Bei flachen bzw. ebenen und gut zugänglichen Oberflächen kann auch ein Siebdruckverfahren verwendet werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die Elektrodenstruktur dabei als dünne Schicht direkt auf der piezoaktiven Schicht aufgebracht, vorzugsweise mit einer Schichtdicke im zuvor genannten Bereich von etwa 1 µm bis 50 µm der fertigen Elektrodenstruktur. Das Aufbringen der Elektrodenstruktur kann aber auch durch das Aufbringen mehrerer einzelner, dünner CNT-haltiger Schichten erfolgen, die entweder nebeneinander oder auch übereinander aufgebracht werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Elektrodenstruktur in einem weiteren Verfahrensschritt polarisiert. Bevorzugt wird sie bereits während des Aushärtens der CNT-Paste polarisiert.
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In einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Aufbringen und Aushärten der Elektrodenstruktur unter Luftatmosphäre. Dabei wird unter Luftatmosphäre das Gasgemisch der Erdatmosphäre verstanden, das sich im Wesentlichen zu ca. 78 Vol.% aus Stickstoff und zu ca. 21 Vol.-% aus Sauerstoff zusammensetzt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird in einem Verfahrensschritt die Bedienfeld-Vorderseite gereinigt und/oder bedruckt. Dabei können beispielsweise Piktogramme odgl. zur Beschriftung des Bedienfeldes für eine vereinfachte Bedienung aufgedruckt werden. Vorzugsweise wird die Bedienfeld-Vorderseite gereinigt und/oder bedruckt, während das Piezo-Sensorelementes auf der Bedienfeld-Rückseite angeordnet wird, also im gleichen Prozess bzw. gleichzeitig. Durch das gleichzeitige Bearbeiten der Bedienfeld-Vorderseite und das Anordnen des Piezo-Sensorelementes an der Bedienfeld-Rückseite kann eine Durchlaufzeit zur Herstellung der Bedieneinrichtung verringert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können in einem Verfahrensschritt aber auch eine Beschriftung und/oder ein Piktogramm auf der Bedienfeld-Vorderseite eingraviert werden, wobei das Eingravieren vorzugsweise erfolgt, während das Piezo-Sensorelement auf der Bedienfeld-Rückseite angeordnet wird.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein in vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischenüberschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 einen Schnitt durch erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bedieneinrichtung,
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2 eine Draufsicht von hinten auf ein Piezo-Sensorelement der Bedieneinrichtung aus 1 auf die Ebene A-A',
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3 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte zur elektrischen Kontaktierung an die Elektrodenstruktur der Bedieneinrichtung aus 1 auf die Ebene B-B',
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4 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Bedieneinrichtung ähnlich 1 und
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5 eine Draufsicht entsprechend 2 auf die Bedieneinrichtung aus 4.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die 1 zeigt in Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bedieneinrichtung 10. Hinter einer Bedienblende 12, bei der es sich um eine Frontblende eines hier nicht dargestellten Elektrogerätes handelt, an der einzelne Bedienfelder zur Bedienung des Elektrogerätes angeordnet sind, befindet sich ein flächiges Piezo-Sensorelement 13 als Teil eines Bedienelementes des Elektrogerätes. Das Piezo-Sensorelement 13, das zum Erfassen einer Bedien-Aktion einer Bedienperson dient, weist als wesentliches Sensorelement eine flächige, dünne piezoaktive Schicht 14 in Form einer PZT-Schicht mit einer Schichtdicke von etwa 10 µm auf. Diese ist unmittelbar auf eine Bedienfeld-Rückseite 12b der Bedienblende 12 aus Edelstahl aufgebracht und mit dieser mechanisch gekoppelt.
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Wenn an einer Vorderseite 12a der Bedienblende 12 an einem nicht dargestellten Bedienfeld im Bereich des Piezo-Sensorelements 13 für eine Bedien-Aktion ein Finger einer Bedienperson aufgelegt wird, wird eine Durchbiegung der Bedienblende 12 und der mit dieser mechanisch gekoppelten piezoaktiven Schicht 14 bewirkt. Aufgrund ihrer Durchbiegung erzeugt die piezoaktive Schicht 14 ein elektrisches Signal, das über die Elektrodenstruktur 17 an eine an das Piezo-Sensorelement 13 angeschlossene, hier nicht dargestellte Steuereinrichtung übermittelt wird, so dass die Bedien-Aktion bzw. das Drücken von der Steuereinrichtung erkannt und entsprechend ausgewertet werden kann.
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Die Bedienblende 12 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein dünnes Edelstahlblech mit einer Blechdicke von 0,8 mm. Diese Dicke hat sich für Edelstahl als besonders geeignet erwiesen. Bereits bei geringen Auflagekräften eines Fingers einer Bedienperson kann eine ausreichende Durchbiegung der Bedienblende 12, und damit des auf der Bedienfeld-Rückseite 12b aufgebrachten Piezo-Sensorelementes bzw. der piezoaktiven Schicht 14, erreicht werden, so dass ein ausreichend auflösbares und damit gut verwertbares elektrisches Signal erzeugt werden kann.
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Auf die Rückseite 14b der piezoaktiven Schicht 14 ist zu deren elektrischen Kontaktierung eine Elektrodenstruktur 17 aufgebracht, die etwa 50 Vol.-% elektrisch leitende CNTs enthält. Der restliche Anteil der Elektrodenstruktur 17 ist Füllmaterial und Binder. Durch die elektrisch leitfähigen CNTs in der Elektrodenstruktur 17 ist diese ebenfalls elektrisch leitfähig, und zwar teilweise so gut wie Silber.
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Die Elektrodenstruktur 17, die in 2 auch in Draufsicht auf die Schnittebene A-A' dargestellt ist, weist mehrere Elektroden 18a, 18b, 18b', 18b'' und 18c sowie elektrische Kontaktierungen in Form von Kontaktelementen 20 auf. Diese sind unmittelbar auf die Rückseite 14b der piezoaktiven Schicht 14 aufgebracht und jeweils durch eine CNT-haltige Schicht gebildet. Sie definieren auf bekannte Art und Weise jeweils diskrete Piezo-Sensorelemente, indem sie an dem von ihnen bedeckten Bereich die elektrischen Signale an der piezoaktiven Schicht 14 abnehmen und über mit diesen verbundenen Kontaktfeldern 21' und Leiterbahnen 21, wie sie in 3 dargestellt sind, einer Steuereinrichtung der Bedieneinrichtung 10 bzw. des Elektrogerätes zuführen. Die Schichtdicke der Elektrodenstruktur 17 beträgt dabei nur wenige Mikrometer. Vorteilhaft sind dabei Schichtdicken im Bereich von 5 µm bis 35 µm. Je nach Bedarf kann die Schichtdicke der Elektrodenstruktur 17 unterschiedlich sein, insbesondere können die Elektroden 18a, 18b, 18b', 18b'' und 18c eine andere Schichtdicke aufweisen als die Kontaktelemente 20.
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Mittels der Kontaktelemente 20 kann das Piezo-Sensorelement 13 bzw. die Elektrodenstruktur 17 mit unteren Kontaktfeldern 21’ einer Leiterplatte 24 elektrisch verbunden werden. Die Kontaktfelder 21’ sind dabei gemäß 3 mit unteren Leiterbahnen 21 verbunden, die zu einer nicht näher dargestellten, aber leicht vorstellbaren Verschaltung bzw. evtl. auch Steuereinrichtung führen. An der Leiterplatte 24 sind auch obere Leiterbahnen 22 vorgesehen, wobei die unteren Leiterbahnen 21 und die oberen Leiterbahnen 22 mittels Durchkontaktierungen 23 auf bekannte Art und Weise miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann beispielsweise ein elektrischer Anschluss des Piezo-Sensorelementes 13 an in 1 dargestellte Bauteile 26 erfolgen. Aus der Darstellung der 3 ist zu ersehen, dass die Leiterplatte 24 mit den Leiterbahnen 21, den unteren Kontaktfeldern 21’ und den Kontaktelementen 20 direkt auf die Elektrodenstruktur 17 mit den Elektroden 18a, 18b, 18b', 18b'' und 18c entsprechend 2 aufgelegt werden kann. So werden die Kontaktfelder 21’ über die Kontaktelemente 20 jeweils genau an die in 2 dargestellten elektrischen Kontaktierungen der Elektrodenstruktur 17 angelegt.
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In den 4 und 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bedieneinrichtung 110 dargestellt mit einer Bedienblende 112, an deren Vorderseite ebenfalls ein Finger direkt angelegt bzw. aufgelegt und dadurch eine Bedien-Aktion ausgelöst werden kann. An der Bedienfeld-Rückseite der Bedienblende 112 ist ebenfalls eine PZT-Schicht 114 als Teil eines Piezo-Sensorelementes aufgebracht. Auf der Rückseite der PZT-Schicht 114 ist eine in 5 näher dargestellte Elektrodenstruktur 117 aufgebracht in Form einer CNT-haltigen Schicht mit Elektroden 118a, 118b, 118b’ und 118b“ und elektrischen Kontaktierungen in Form von Elektroden-Leiterbahnen 119 und Kontaktelementen 120. Die Elektrodenstruktur 117 weist somit als elektrische Kontaktierung des Piezo-Sensorelements nicht nur Elektroden 118a, 118b, 118b’, 118b’’ und Kontaktelemente 120 auf, sondern auch Leiterbahnen in Form von Elektroden-Leiterbahnen 119. Die unterschiedliche Schichtdicke der Elektrodenstruktur 117 ist hier gut zu erkennen. Sämtliche Elemente der Elektrodenstruktur 117 werden bei diesem Ausführungsbeispiel dabei durch jeweils durch eine CNT-haltige Schicht gebildet. Die einzelnen Elektroden 118a, 118b, 118b’ und 118b“ sind dabei mittels Elektroden-Leiterbahnen 119 zumindest teilweise an ein elektronisches Bauteil 126 in Form eines ICs als Mikrocontroller angeschlossen.
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Des Weiteren gehen von dem Bauteil 126 Elektroden-Leiterbahnen 119 ab zu Kontaktfeldern, an welchen Kontaktelemente 120 angebracht sind. Diese Kontaktelemente 120 dienen, anders als die Kontaktelemente 20 in den 1 bis 3, nicht zur elektrischen Verbindung der Elektroden an eine Leiterplatte bzw. an auf der Leiterplatte angeordnete Bauteile, sondern als Anschluss an eine externe Steuerung, Signalverarbeitung odgl..
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Für eine vereinfachte Bedienung der Bedieneinrichtungen 10 und 110 sind auf der Bedienfeld-Vorderseite 12a der Bedienblenden 12 und 112 im Bereich der so gebildeten Bedienfelder hier nicht dargestellte, aber leicht vorstellbare Beschriftungen bzw. Piktogramme aufgedruckt und entsprechende Begrenzungen für die einzelnen Tastenflächen der jeweiligen Bedienelemente eingraviert. Das Bedrucken und/oder Eingravieren kann dabei auch erfolgen, während das Piezo-Sensorelement 13 auf der Bedienfeld-Rückseite 12b aufgebracht wird.
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Zur Herstellung einer der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Bedieneinrichtungen 10 bzw. 110 wird zunächst eine dünne, flächige PZT-Schicht mittels eines Sol-Gel-Tauchverfahrens als piezoaktive Schicht 14 bzw. 114 auf die Bedienblende 12 bzw. 112 im Bereich der Bedienfeld-Rückseite 12b aufgebracht. Dabei werden beispielsweise vier PZT-Schichten übereinander aufgetragen, wobei eine einzelne PZT-Schicht eine Schichtdicke von etwa 2,5 µm aufweist, so dass eine piezoaktive Schicht 14 bzw. 114 mit einer Gesamtschichtdicke von etwa 10 µm entsteht.
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Eine gute Haftfestigkeit der PZT-Schicht 14 bzw. 114, und damit eine gute mechanische Kopplung mit der Bedienfeld-Rückseite 12b, kann vor allem auf einer Bedienblende 12 bzw. 112 aus Edelstahl erreicht werden. Insbesondere eignet sich ein Edelstahl mit der Werkstoffkennnummer 1.4301 (X5CrNi18/10), der auch als sogenannter V2A-Stahl bekannt ist.
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Nach dem Aufbringen der piezoaktiven Schicht 14 bzw. 114 wird unmittelbar auf der Rückseite 14b der piezoaktiven Schicht 14 bzw. 114 die Elektrodenstruktur 17 bzw. 117 aufgebracht, und zwar an den Stellen der piezoaktiven Schicht 14 bzw. 114, an denen die elektrische Kontaktierung der piezoaktiven Schicht 14 bzw. 114 erfolgen soll. Dazu wird in den Bereichen der Elektroden 18a, 18b, 18b’, 18b’’, 18c bzw. 118a, 118b, 118b’ und 118b’’, der Kontaktelemente 20 bzw. 120 und/oder der Elektroden-Leiterbahnen 119 eine dünne Schicht einer CNT-haltigen Paste aufgetragen, die etwa 50-Vol% elektrisch leitende CNTs enthält. Der CNT-Anteil kann auch variieren. Die CNT-Paste wird dabei mit einer Schichtdicke von maximal 20 µm unter Luftatmosphäre aufgetragen. Das Aufbringen der CNT-haltigen Elektrodenstruktur 17 bzw. 117 erfolgt dabei durch ein Tampon-Druckverfahren.
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Sind sowohl die Elektrodenstruktur 17 bzw. 117 als auch die Bedienfelder auf der Bedienfeld-Vorderseite 12a aufgedruckt, wird ein Tempervorgang durchgeführt, vorzugsweise für 10 Minuten bei 120°C unter Luftatmosphäre, um die CNT-Paste und die Druckfarbe auf der Bedienfeld-Vorderseite 12a auszuhärten. Währenddessen oder danach kann die Elektrodenstruktur polarisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19811372 A1 [0002]
- DE 102010043299 [0007]
- EP 2144372 [0008]
- WO 2010/066730 A1 [0009]
- DE 19744630 C1 [0020]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Journal Am. Ceram. Soc., 92 [6] 1153–1177 (2009) [0016]
