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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Drucksensor-Fläche auf einer Oberfläche oder einem Körper. Durch die Anordnung unterschiedlicher sich überlagernder Schichtbereiche, die mittels digital gesteuerter, leitfähiger, aushärtbarer Flüssigkeitströpfchen zwischen zwei Sandwichschichten entstehen, wird ein druckempfindliches Sensorfeld gebildet.
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Bekannt ist, dass Tastdruckschalter durch eine Vielzahl von technischen Möglichkeiten gebildet werden können. Ein Schalter ist eine Baugruppe, die mittels zweier leitender Schichten oder eines Halbleiterbauelements eine elektrisch leitende Verbindung herstellt oder trennt.
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So ist auch bekannt, dass Elemente von Tast-Druckschaltern oder Sensoren wie Leiterbahnen oder Bauteile mittels klassischer Druckverfahren oder Ink-Jet Druckverfahren gebildet werden können.
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Die Aufgabenstellung ergibt sich dadurch, dass eine Möglichkeit geschaffen wird Drucksensorflächen, die aus mehreren Schichtlagen aufgebaut sind, kostengünstiger, mit verkürzten Produktionszeiten und spezifischeren Funktionsausführungen auch in kleinen Losgrößen bei 0-Lagerhaltung herzustellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zu schaffen, Funktionsschichten und Formschichten, die mit Substanzen in flüssiger Form mittels elektronisch gesteuerter Druckköpfe in Tröpfchen auf eine Oberfläche abgegeben werden und dort härten, in mehreren höhendifferenzierten Schichtlagen so übereinander aufzubringen, dass ein druckempfindlicher Sensor gebildet wird.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass druckempfindliche Sensor-Felder direkt auf einer Fläche oder einem Bauteil in flächiger oder 3D Ausführungsform gebildet werden können, so beispielsweise sichtbar oder unsichtbar integrierbar in einer Dekoroberfläche. Die Drucksensoren lassen sich zudem so ausbilden, dass eine differenzierte Druckerfassung gegeben ist. Es können dadurch, dem wirkenden Druck entsprechend, Steuerimpulse zum variablen Steuern von Funktionen erzeugt werden. In diesem Verfahren lassen sich u. a. Schalter, Schaltbedienfelder oder Drucksensoren herstellen, darüber hinaus lassen sich auf einer deckenden oder transparenten Fläche druckdifferenzierende Steuerungs-Signale erzeugen (Touchscreen mit druckdifferenzierendem Bedienfeld).
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Eine Lösung dieses Problems wird mit dem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Die Unteransprüche 2 bis 10 sind auf vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
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Der Anspruch 11 ist auf ein nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil gerichtet.
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Die Erfindung, die für unterschiedlichste Anwendungen eingesetzt werden kann, wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Die Figuren stellen dar:
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1/a zeigt eine Fertigungsanlage wobei auf die korrespondierenden Substrate mittels digitalem Druckverfahren die schichtbildenden Substanzen aufgebracht werden.
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1/b zeigt einen Fertigungsbereich wobei die korrespondierenden Substrate mit den aufgebrachten Schichtbereichen zusammengeführt werden.
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2 einen Querschnitt zweier sich überlagernder, kontaktbildender Substratschichten mit dazwischen aufgebrachten Funktionsschichten und Formschichten.
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3 Darstellungen von Substraten in Form von Flächen und Körpern.
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4 Darstellungen von Ausführungsformen von Anlagen zum Aufbringen von Flüssigkeitströpfchen auf Substrate.
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5/a einen Querschnitt zweier sich überlagernder Substratschichten mit darauf aufgebrachten Funktionsschichten und elastischen Formschichten.
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5/b einen Querschnitt zweier sich überlagernder, kontaktbildender Substratschichten mit dazwischen aufgebrachten Funktionsschichten und elastischen Formschichten.
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6/a einen Querschnitt zweier sich überlagernder Substrate mit darauf aufgebrachten Formschichten und mehreren in der Funktionsschicht ausgebildeten Kontaktstellen.
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6/b einen Querschnitt zweier sich überlagernder Substrate mit darauf aufgebrachten Form- und Funktionsschichten wobei eine Kontaktstelle einen Kontakt bildet.
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6/c einen Querschnitt zweier sich überlagernder Substrate mit darauf aufgebrachten Form- und Funktionsschichten wobei mehrere Kontaktstellen einen Kontakt bilden.
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7 einen Querschnitt einer Bauvariante einer gebildeten Druckerfassungszelle mit mehreren druckdifferenzierenden Kontaktflächen.
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8/a eine Aufsicht auf eine Schalterbildung mit linear angeordneten, differenzierenden Drucksensorbereichen.
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8/b eine Aufsicht auf eine Schalterbildung mit mehreren angeordneten, differenzierenden Drucksensorbereichen.
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8/c eine Aufsicht auf ein Substrat, dessen Oberfläche durch eine Vielzahl angeordneter Drucksensorbereiche gebildet ist.
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Geeignete Materialien für Substrate (40) und Substrat-Deckschichten (41) zum Aufbringen von Substanzen (54) zur Bildung von Schichtbereichen sind:
- – feste, biegefähige und/oder elastische Kunststoffe in Form von Platten oder Folien (wie beispielsweise PS, PE, PP, PET, Acryl, Harze),
- – durch Stanzung, Zieh- oder Spritzverfahren geformte Kunststoffteile
- – Metalle beispielsweise in Form von Blechen oder Folien, als Stanzteile, Teile durch Umformtechnik oder Druckgussverfahren
- – Papier, Karton (Papiere mit Anteilen an Füllstoffen, Farbstoffen und/oder Kunststoffen)
- – Keramik
- – Glas
- – Holz und Holzwerkstoffe
- – oder Substrate (40) die aus Materialkombinationen bestehen.
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Beispiel für Materialkombinationen sind:
- – Substrat (40) bildet ein Papier mit Ink-Jet-fähiger Oberfläche, die Deckschicht (41) wird ebenfalls durch eine aufgebrachte Papierschicht gebildet (Papiersandwich).
- – Substrat (40) bildet eine Kunststofffolie, die Deckschicht (41) wird ebenfalls durch eine Kunststofffolie gebildet (Foliensandwich).
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Im Ink-Jet-Druckverfahren (52) sind Schichtbreiten und Schichtstärken ab ca. 5 Mikrometer und größer aufzubringen. Für vermehrte Anwendungen werden Schichtstärken bei 10–200 Mikrometer eingesetzt.
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Eine Funktionsschicht (10), (11) wird durch eine Flüssigkeit (54) gebildet, die vorbestimmte physikalische Eigenschaften hat, beispielsweise mit metallischen Partikeln versehen ist, die die Flüssigkeit auch im ausgehärteten Zustand elektrisch leitfähig machen, so dass mit Hilfe der Funktionsflüssigkeiten elektrische Leiterbahnen gedruckt werden können. Beispielsweise kann eine Funktionsschicht auch die Merkmale der elektrischen Speicherfähigkeit aufweisen.
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Eine Trennschicht (20) wird durch eine Flüssigkeit (54) gebildet, die nach dem Aufbringen, im ausgehärteten Zustand die folgenden Merkmale im Einzelnen oder gesamt erfüllt:
- – weist haftvermittelnde Eigenschaften auf
- – eine elektrisch und/oder thermisch isolierte Schicht
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Eine Formschicht (22), (24) wird durch eine Flüssigkeit (54) gebildet, die nach dem Aufbringen im ausgehärteten Zustand die folgenden Merkmale im Einzelnen oder gesamt erfüllt:
- – eine volumenbildende Schicht
- – eine elastisch verformbare, volumenbildende Schicht
- – weist haftvermittelnde Eigenschaften auf
- – eine elektrisch und/oder thermisch isolierte Schicht
- – eine chemisch und mechanisch widerstandsfähige Schicht
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Eine Möglichkeit zur Dekorierung der Oberflächen der obersten Schichtlage (80) ist dadurch gegeben, dass eine Dekorschicht oder Farbschicht die z. B. mittels Digitaldruck (52) mit entsprechenden Haftungseigenschaften aufgebracht wird.
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Zur Haftungserhöhung kann hierbei zusätzlich eine Haftvermittlungsschicht und eine weitere widerstandsfähige Schicht als Deckschicht auf die Dekorschicht aufgebracht werden.
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In der Zeichnung nicht dargestellt, lassen sich Steck,- Kontaktverbindung und/oder funktionserweiternde Elektro,- Elektronikmodule auf den Substratschichten (40), (41) oder in den aufgebrachten Schichtbereichen (10), (12), (22), (24) integrieren.
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Eine erfindungsgemäße Anwendungsform wird geschaffen, wenn das Substrat beispielsweise durch ein biegefähiges und/oder eine elastische Trägerschicht mit einer Selbstklebeschicht ausgebildet ist.
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Hiermit wird die Möglichkeit geschaffen, dass ein biegefähiges, aus mehreren Schichten gebildetes Bauteil beispielsweise mit 0.04–1 mm Dicke, an beliebiger Stelle und sofort funktionsfähig aufbringbar ist.
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Eine Ausführungsform kann als Endlosband ausgebildet sein. Definierte Abschnittsbereiche können darüberhinaus mit Funktionen belegt und abtrennbar sein.
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1/a zeigt eine Fertigungseinrichtung zum Beschichten eines Subtrates mit aushärtbaren Flüssigkeiten, mit einer Aufbringeinrichtung, einer Halterung zum Halten oder Führen einer Fläche (40), (41) oder eines Bauteils (40), (41) einer Bewegungseinrichtung mittels der die Oberfläche des Substrates relativ zu der Aufbringeinrichtung (52) bewegbar ist, sowie eine Härteeinrichtung und eine Messeinrichtung.
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Die Aufbringeinrichtung (52) enthält einen oder mehrere Düsenköpfe mit Flüssigkeitsdüsen, aus denen Flüssigkeitströpfchen (54) mit vorbestimmtem Volumen und Vorschub abspritzbar sind. Der oder die Düsenköpfe sind mit Flüssigkeitsvorratsbehältern verbunden aus denen den Düsenköpfen bzw. deren Düsen unterschiedliche Substanzen (54) für Funktionsschichten (10), (12), Formschichten (22), (23) Trennschicht (20) und Dekorschicht (80) zugeführt werden können.
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Der oder die Düsenköpfe (52) sind mittels eines nicht dargestellten Antriebs in z-Richtung vertikal und y-Richtung senkrecht zum Substrat bewegbar, so dass der oder die Düsenköpfe (52) relativ zu einer auf dem Endlosband (36) aufliegenden Fläche oder einem Körper beliebig bewegbar sind und aus dem oder den Düsenköpfen (52) Flüssigkeitströpfchen in genau vorbestimmter Weise auf vorbestimmte Stellen des Subtrates (40) aufgebracht werden.
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Zur Positionsbestimmung des oder der Düsenköpfe (52), relativ zur Substratoberfläche, kann in den oder die Düsenköpfe (52) eine nicht dargestellte Sensoreinrichtung integriert sein, mit der einerseits die Position einer Düse relativ zur Substratoberfläche und andererseits die Position einer Düse relativ zur Substratoberfläche (40) in x-, y- und z-Richtung und beliebigen Neigungswinkeln bestimmt werden kann.
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Zur Steuerung der Aufbringeinrichtung bzw. des Abspritzens der Flüssigkeitströpfchen und der Relativbewegung zwischen den Düsen und den Oberflächen ist die in ihrem Aufbau an sich bekannte elektronische Steuerung (50) vorgesehen, die in unterschiedlichster Weise programmiert sein kann.
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Beispielsweise können in der elektronischen Steuereinrichtung (50) die Kontur der Körperoberfläche, deren Erstreckung in x-, y-, z-Richtung, Eigenschaften der aufzubringenden Flüssigkeit(en), differenzierte Mengensteuerung der aufzubringenden Flüssigkeiten auf Positionen einer Flächeneinheit der Körperfläche, Relativbewegung zwischen dem Düsenkopf (52) und der Körperoberfläche (40) usw. abgelegt sein.
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Herstellung der Druckerfassungszelle (44):
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Wie im Steuerprogramm (50) abgelegt, werden die geometrischen Abmessungen mit definierter Schichtdicke der Formschicht (22) und der Funktionsschicht (10) auf der Substratfläche (40) aufgebracht.
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Wie im Steuerprogramm (50) abgelegt, werden die geometrischen Abmessungen mit definierter Schichtdicke der Formschicht (24) und der Funktionsschicht (12) auf der Substratfläche (41) aufgebracht.
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Die geometrischen Abmessungen der Schichtanordnung der unteren Sandwichschicht sind korrespondierend zu den geometrischen Abmessungen der Schichtanordnung der oberen Sandwichschicht.
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Im Steuerprogramm sind zur Bildung von exakten Schichtdicken, die Schrumpfungsverhalten durch einen Trocknungsprozess der Schichtbereiche bei der Herstellung berücksichtigt.
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Eine erhöhte Schichtdicke kann gebildet werden indem durch die Aufbringeinrichtung eine größere Menge an Flüssigkeitströpfchen abgegeben werden. Eine weitere Variante ist, dass durch ein mehrmaliges Aufbringen und beisspielsweise durch eine Zwischentrocknung ein erhöhter Schichtaufbau gebildet wird.
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Auf der Substratoberfläche (40) und Substrat-Deckschicht (41) kann nach technischen Erfordernissen als erste Schichtlage eine Trennschicht (20) aufgebracht werden.
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Die Beschichtung der Substratfläche (40) und Substrat-Deckschicht (41) kann in einem Herstellungsprozess oder in gesonderten Herstellungsvorgängen erfolgen.
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1/b zeigt eine Schnittdarstellung wobei die Substrat-Deckschicht (41) mit den darauf gebildeten Schichtbereichen (12), (24), mit den Schichtseiten zueinander, auf das Substrat (40) mit den gebildeten Schichtseiten (10), (22) zusammengefügt werden. Zwischen den zwei zusammengefügten Sandwichschichten wird ein vorbestimmter Hohlraum = Distanzraum (42) zwischen den zwei Funktionsschichten (10) und (12) gebildet.
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Zur vereinfachten passgenauen Montage der Sandwichschichten lassen sich Verbindungsausformungen in den Formschichten (22) und (24) ausbilden.
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2 zeigt eine gebildete Druckerfassungszelle (44), wobei zwischen einem Substrat (40) und einer Substrat-Deckschicht (41) zwei sich überlagernde Funktionsschichten sind, die durch einen gebildeten Distanzraum (42) voneinander getrennt sind.
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Durch einen wirkenden Druck auf die Oberseite der elastisch verformbaren Substrat-Deckschicht (41) und der darunter fest verbundenen Funktionsschicht 2 (12) wird durch deren Durchformung mit der darunterliegenden Funktionsschicht (10) eine Verbindung z. B. in der Ausführung als kapazitives System oder induktives System hergestellt.
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Setzt die Druckbildung ab, geht die elastisch verformbare Substrat-Deckschicht (41) mit aufgebrachter Funktionsschicht 2 (12) in ihre Ausgangsposition zurück und die Verbindung der zwei Funktionsschichten (12) und (10) zueinander wird unterbrochen.
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Die Herstellung einer leitenden Verbindung ist, dem gewünschten Anforderungsprofil entsprechend, durch die Parameter A, B, C in Abhängigkeit zueinander einstellbar:
- – A = Distanz zwischen zwei Funktionsschichten.
- – B = Durchmesser/Fläche einer Funktionsschicht.
- – C = Materialstärke und Elastizitätsverhalten der Substrat-Deckschicht (41).
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Je nach Ausbildung der Druckerfassungszellen (44) lassen sich unterschiedlichste Anwendungsformen und Druckempfindlichkeiten herstellen. Beispiele:
- – Schalter oder Schaltbereiche die durch einen definierten Fingerdruck eine Kontaktbildung schließen.
- – Schalter oder Schaltbereiche die eine wasserfeste Verkapselung bilden und für eine Druckerfassung in Flüssigkeiten, oder als Tiefenmessgeräte geeignet sind.
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3 zeigt Substrate (40) in Form von Flächen oder Körpern bei denen das Verfahren anwendbar ist. Das Verfahren kann auf ebenen und gewölbten Oberflächen oder auf Körpern oder Körperwänden innen und/oder aussenseitig, umlaufend (3D) aufgebracht werden.
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4 zeigt Ausführungsformen einer Aufbringeinrichtung (Singlepass oder Multipass) zum Beschichten eines Subtrates mit aushärtbaren Flüssigkeiten:
- – Druckkopf (52) fest und Substrat beweglich 2D/3D (57).
- – Druckkopf (52) beweglich 2D/3D und Substrat fest (58).
- – Druckkopf (52) beweglich 2D/3D und Substrat beweglich 2D/3D (59).
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5/a, b zeigt einen Querschnitt einer Bauvariante wobei nach einer hergestellten Verbindung die Substrat-Deckschicht (41) durch die Rückstellwirkung eine elastische Formschicht (23) erfolgt.
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6/a zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform einer Druckerfassungszelle (44), wobei durch einen Schichtaufbau mehrere Kontakt Verbindungsstellen B1–B3 so gebildet werden, dass auf der Oberfläche der elastisch verformbaren Substrat-Deckschicht (41) ein differenziert wirkender Druck) erfassbar ist.
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6/b zeigt einen Querschnitt der Ausführungsform, wobei ein leichter Druck auf die Substratoberfläche wirkt und dabei eine Kontaktstelle B1 eine Verbindung herstellt.
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6/c zeigt einen Querschnitt der erweiterten Ausführungsform, wobei ein starker Druck auf die Substratoberfläche wirkt und dabei mehrere Kontaktstellen B1, B2, B3 eine Verbindung in der Druckerfassungzelle (44) herstellen.
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Durch die im Steuerprogramm hinterlegten einstellbaren „Druck-Profile” (erstellt nach Parameter A, B, C), läßt sich bei der Herstellung der Drucktasten oder Druckfelder eine entsprechende Druckempfindlichkeit den einzelnen Kontaktstellen zuweisen.
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7 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform wobei eine Drucksensor-Fläche mit mehreren druckdifferenzierenden Kontaktflächen ausgebildet ist.
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Durch einen bei den Kontaktflächen geänderten Parameter A (Distanz/Abstand zwischen zwei Funktionsschichten) wird eine unterschiedliche Druckempfindlichkeit ausgebildet.
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8/a zeigt eine Aufsicht auf eine Schalterbildung mit linear angeordneten differenzierenten Drucksensorbereichen. Je nach ausübendem Druck auf die Deckschicht des Sandwichbauteiles werden unterschiedliche Verbindungen hergestellt. Funktonsanwendungen sind beispielsweise: langsam-schnell, klein-groß, schwach-stark.
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Ein Beispiel für eine Anwendung ist zur Steuerung einer Bohrspitze, wobei bei zunehmendem Druck auf das Bedienfeld ein höherer Bohrdruck gesteuert wird.
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8/b zeigt eine Aufsicht auf eine Schalterbildung mit mehreren angeordneten Druckerfassungszellen (44). Ein solcher Bedienschalter ist beispielsweise für die Steuerung eines Krans vorstellbar. Durch die vier angeordneten Druckerfassungszellen (44) läßt sich die Funktion der Bewegungen „vor,-zurück”, „rechts-links”, jeweils bei leichtem Druck auf das Bedienfeld „langsam” und mit festerem Druck zunehmend „schneller” ansteuern.
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8/c zeigt eine Aufsicht auf ein Substrat (40) dessen Oberfläche durch eine Vielzahl angeordneter Druckerfassungzellen (44) gebildet ist.
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Beispiel für eine Anwendung ist die Bildung eines Touchscreen, wobei zwischen zwei transparenten Substraten (40), (41) eine Vielzahl von angeordneten, druckerfassenden Zellen (44) gebildet sind. Sämtliche Druckerfassungszellen (44) sind mit einem Steuerprogramm verbunden. Die verbindenden Leiterbahnen können beispielsweise im selben digitalen Herstellungsverfahren (Ink-Jet) zwischen der Substratschicht (40) und Substrat-Deckschicht (41) hergestellt sein.
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Über ein Steuerungsprogramm ist das druckdifferenzierende Bedienfeld des Touchscreen mit dem bilderzeugenden Bauteil koordiniert.
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Beispiel einer Anwendung:
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Bei dem Vorgang eines vergrößerten Bildausschnittes ist bei einem herkömmlichen Touchscreen über einen zweiten Bedienvorgang die Funktion „vergrößern” anzuwählen oder über zwei Tastpunkte, die sich voneinander wegbewegen, eine Vergrößerung zu aktivieren.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform führt ein etwas kräftigerer Fingerdruck zu einer Vergrößerung des gedrückten Bildfeldes.
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Eine weitere Anwendung liegt im elektronischen Vor- und Zurückblättern von gespeicherten Buchseiten wobei der Vorgang durch einen Fingerdruck beliebig langsam oder schnell steuerbar ist.
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Eine weitere Anwendung liegt bei der Steuerung von Fahrzeugen in Computerspielen, wo eine echte Fahrsimulation über ein druckdifferenzierendes Touchfeld herstellbar ist.
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Der Finger beschleunigt mit zunehmendem Druck das Fahrzeug und über eine Druckreduzierung wird die Geschwindigkeit verringert.
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Eine ähnliche Funktionssteuerung ist auf die Simulation einer Fahrzeugbremse anwendbar. Bei verstärktem Fingerdruck findet ein verstärkter Bremsdruck statt und über eine Druckreduzierung vermindert sich die Bremswirkung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Funktionsschicht
- 12
- Funktionsschicht 2
- 20
- Trennschicht
- 22
- Formschicht
- 23
- elastische Formschicht
- 24
- Formschicht 2
- 40
- Substrat
- 41
- Substrat-Deckschicht
- 42
- Distanzraum
- 44
- Druckerfassungszelle
- 50
- Steuereinrichtung
- 52
- Aufbringeinrichtung/Druckkopf
- 54
- Substanzen
- 55
- Funktionssteuerung
- 57
- Anlagenkonfiguration 1
- 58
- Anlagenkonfiguration 2
- 59
- Anlagenkonfiguration 3
- 60
- Einachs-Bedienfeld
- 62
- Mehrachs-Bedienfeld
- 64
- Mehrachs-Bedienfläche
- 80
- Dekorschicht
- 82
- Verbindungsausformung
